JP6261232B2 - バッテリーパック、バッテリーパックのセルバランシング方法及びこれを含むエネルギー保存システム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーパックの電圧測定方法及びこれを含むエネルギー保存システムに関する。

環境破壊、資源枯渇などが問題になるにつれて、電力を保存し、保存された電力を効率的に活用できるシステムへの関心が高まりつつある。また、これと共に発電過程で公害を引き起こさない再生可能エネルギーへの関心も高まりつつある。エネルギー保存システムは、このような再生可能エネルギー、電力を保存しているバッテリー、そして既存の系統電力を連係させるシステムであり、今日の環境変化に合わせて多くの研究開発が行われつつある。

このようなエネルギー保存システムにおいて、バッテリーの効率的管理が重要な要素のうち一つである。バッテリーは、充電、放電、セルバランシングなど多様な事項を管理せねばならない。バッテリーを効率的に管理することでバッテリーの寿命を延ばすことができ、負荷に安定して電力を提供できる。

米国特許出願公開第２００６／００２２６４６号明細書

本発明は、バッテリーパックのセルバランシング方法を提供する。

本発明の一実施形態によるバッテリーパックのセルバランシング方法は、バッテリーパック内の複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を測定する段階と、前記測定された電圧に基づいて、前記複数のバッテリーセルのうちセルバランシング対象バッテリーセルを選択する段階と、複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗を選択する段階と、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を、前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を受信するマルチプレクサから、前記セルバランシングが行われる抵抗に出力する段階と、を含む。

前記方法は、前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記複数のバッテリーセルのうち該バッテリーセルとの間に連結された連結スイッチ素子をオフ状態にする段階と、前記セルバランシングが行われる抵抗と前記マルチプレクサとの間に連結された伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子をオン状態にする段階と、をさらに含む。

前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子を介して前記セルバランシングが行われる抵抗に伝達される。

前記複数のバッテリーセル及び前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応する複数の抵抗それぞれについてのモニタリング結果に基づいて、前記セルバランシングが行われる抵抗が選択され、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が基準電圧値以上である。

前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧が受信されたマルチプレクサは、複数のマルチプレクサから選択されたマルチプレクサであり、前記選択されたマルチプレクサは、前記セルバランシング対象バッテリーセルの選択と関係なく前記セルバランシングが行われる抵抗の選択に基づいて選択され、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力する段階は、前記選択されたマルチプレクサで選択信号を伝送する段階と、を含む。

前記方法は、前記複数のバッテリーセルそれぞれの温度を測定する段階と、前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択する段階と、をさらに含み、前記低温バッテリーセルに近づいた抵抗が、前記セルバランシングが行われる抵抗と選択される。
前記複数の抵抗それぞれは、前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応し、前記セルバランシングが行われる抵抗が前記低温バッテリーセルに対応する。

前記方法は、前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記複数のバッテリーセルのうち対応するバッテリーセルとの間に連結された連結スイッチ素子をオフ状態にする段階と、前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記セルバランシングが行われる抵抗に連結されたマルチプレクサとの間に連結された伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子を、それぞれオン状態にし、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を、前記低温バッテリーセルに対応する抵抗に出力する段階と、をさらに含む。

前記方法は、前記低温バッテリーセルの温度が基準温度値より大きければ、前記伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子をオフ状態にする段階をさらに含む。

本発明の一実施形態によるエネルギー保存システムは、複数のバッテリーセルを備えるバッテリーパックと、前記バッテリーパックに連結されるバッテリー管理システムと、を備え、前記バッテリー管理システムが、前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を測定する測定回路と、複数の抵抗を備えるバランシング回路と、前記複数のバッテリーセルのうちセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗を選択する選択部と、前記セルバランシングが行われる抵抗に連結されたマルチプレクサを備える電圧伝達回路と、を備え、前記マルチプレクサが前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を入力され、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を前記セルバランシングが行われる抵抗に出力する。
前記電圧伝達回路のマルチプレクサは、複数のマルチプレクサのうち一つであり、
前記バランシング回路の複数の抵抗それぞれが、前記電圧伝達回路の複数のマルチプレクサのうち一つに対応して連結される。

前記バッテリー管理システムは、複数の連結スイッチ素子を備え、各連結スイッチ素子が、前記複数の抵抗のうち一つと前記複数のバッテリーセルのうち対応する一つとの間に連結され、前記バランシング回路は、複数のバランシングスイッチ素子を備え、各バランシングスイッチ素子が、前記複数の抵抗のうち一つと前記複数のマルチプレクサのうち対応する一つとの間に連結され、前記電圧伝達回路は、複数の伝達スイッチ素子を備え、各伝達スイッチ素子が、前記複数のマルチプレクサのうち一つと前記バランシング回路との間に連結される。

前記バッテリー管理システムは、前記複数の連結スイッチ素子、前記複数のバランシングスイッチ素子及び前記複数の伝達スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部を備え、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記セルバランシングが行われる抵抗に対応するマルチプレクサから出力されれば、前記セルバランシングが行われる抵抗と前記複数のバッテリーセルのうち対応する一つとの間の連結スイッチ素子がオフされる。

前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記セルバランシングが行われる抵抗に対応するマルチプレクサから出力されれば、前記セルバランシングが行われる抵抗と前記複数のバッテリーセルのうち対応する一つとの間の伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子がオンされる。

前記電圧伝達回路のマルチプレクサは、複数のマルチプレクサのうち一つであり、複数の抵抗それぞれが、前記複数のマルチプレクサのうち一つ及び前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応し、前記バッテリー管理システムは、前記選択部の選択に基づいて前記複数のマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御部を備える。

前記マルチプレクサ制御部は、前記選択部による前記複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗の選択に基づいて、前記複数のマルチプレクサのうちセルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力するマルチプレクサを定める。

前記測定回路は、各バッテリーセルの温度を測定し、前記選択部は、前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択し、前記マルチプレクサ制御部は、前記複数のマルチプレクサの中で低温バッテリーセルに対応するマルチプレクサが前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力するように制御する。

前記測定回路は、各バッテリーセルの温度を測定し、前記選択部は、前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択し、前記低温バッテリーセルは、連結スイッチ素子を介して前記セルバランシングが行われる抵抗に連結できる。

前記バッテリー管理システムは、各バッテリーセルの電圧を含む電圧情報及び、各バッテリーセルの温度を含む温度情報を前記測定回路から受信するモニタリング部を備え、前記モニタリング部は、前記電圧情報及び温度情報を前記選択部に提供し、前記選択部は、独立して前記電圧情報に基づいてセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記温度情報に基づいて前記セルバランシングが行われる抵抗を選択する。

前記バッテリー管理システムは、各バッテリーセルの電圧を含む電圧情報を受信するモニタリング部を備え、前記モニタリング部は、前記電圧情報を前記選択部に提供し、前記選択部は、前記電圧情報に基づいてセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記電圧情報と関係なく前記セルバランシングが行われる抵抗を選択する。

本発明の実施形態によって、セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を用いて低温バッテリーセルに連結されたバランシング抵抗を放電することで、セルバランシング及び低温バッテリーセルの温度上昇を共に具現できる。

本発明の一実施形態によるエネルギー保存システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックの回路を概略的に示す回路図である。 ＢＭＳの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるフローチャートである。

後述する本発明についての詳細な説明は、本発明が実施される特定の実施形態を例示として図示する添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を十分に行えるように詳細に説明される。本発明の多様な実施形態は互いに異なるが、互いに排他的である必要はないということが理解されねばならない。例えば、本明細書に記載の特定形状、構造及び特性は、本発明の思想及び範囲を逸脱せずに一実施形態から他の実施形態に変わって具現される。また、それぞれの実施形態内の個別構成要素の位置または配置も、本発明の思想及び範囲を逸脱せずに変わりうるということが理解されねばならない。よって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として行われるものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲の請求項が請求する範囲及びそれと均等なあらゆる範囲を含むと理解されねばならない。図面で類似した参照符号は、いろいろな側面で同一または類似した構成要素を示す。
以下では、当業者が本発明を容易に実施可能にするために、本発明のいろいろな実施形態について、添付した図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるエネルギー保存システム１を示すブロック図である。
図１を参照すれば、本実施形態によるエネルギー保存システム１は、発電システム２、系統３と連係して負荷４に電力を供給する。

発電システム２は、エネルギー源を用いて電力を生産するシステムである。発電システム２は、生産した電力をエネルギー保存システム１に供給する。発電システム２は、太陽光発電システム、風力発電システム、潮力発電システムなどである。しかし、これは例示的なものであり、発電システム２は、前記の種類に限定されるものではない。太陽熱や地熱などの再生可能エネルギーを用いて電力を生産する発電システムをいずれも含む。

系統３は、発電所、変電所、送電線などを備える。系統３は、正常状態の場合、エネルギー保存システム１に電力を供給して負荷４及び／またはバッテリー１０に電力を供給させ、エネルギー保存システム１から電力を供給される。系統３が非正常状態の場合、系統３からエネルギー保存システム１への電力供給は中断され、エネルギー保存システム１から系統３への電力供給も中断される。

負荷４は、発電システム２で生産された電力、バッテリー１０に保存された電力、または系統３から供給された電力を消費する。家庭や工場などが負荷４の一例である。

エネルギー保存システム１は、発電システム２で生産した電力をバッテリー１０に保存し、生産した電力を系統３に供給する。またエネルギー保存システム１は、バッテリー１０に保存された電力を系統３に供給するか、または系統３から供給された電力をバッテリー１０に保存する。また、エネルギー保存システム１は、系統３が非正常状態の場合、例えば、停電が発生した場合には、ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）動作を行って負荷４に電力を供給する。またエネルギー保存システム１は、系統３が正常の状態でも、発電システム２の生産した電力やバッテリー１０に保存されている電力を負荷４に供給する。

エネルギー保存システム１は、電力変換を制御する電力制御部（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ、以下‘ＰＣＳ’という）２００、第１スイッチ２５０、第２スイッチ２６０、バッテリー管理部（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、以下‘ＢＭＳ’という）２０、バッテリー１０を備える。

ＰＣＳ ２００は、発電システム２、系統３、バッテリー１０の電力を適当な電力に変換して必要なところに供給する。ＰＣＳ ２００は、電力変換部２１０、ＤＣリンク部２２０、インバータ２３０、コンバータ２４０、統合制御器２７０を備える。

電力変換部２１０は、発電システム２とＤＣリンク部２２０との間に連結される。電力変換部２１０は、発電システム２で生産した電力をＤＣリンク部２２０に伝達し、この時、出力電圧を直流リンク電圧に変換する。特に、発電システム２が太陽光で電力を生産する場合、電力変換部２１０は、日射量、温度などの変化によって発電システム２で生産する電力を最大に得られるように、最大電力ポイント追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行うＭＰＰＴコンバータを備える。

直流リンク電圧は、発電システム２または系統３での瞬時電圧低下、負荷４でのピーク負荷発生などによって、そのサイズが不安定になる場合がある。しかし、直流リンク電圧は、コンバータ２４０及びインバータ２３０の正常動作のために安定化する必要がある。ＤＣリンク部２２０は、直流リンク電圧の安定化のために、例えば、大容量キャパシタなどを備え、ＤＣリンク部２２０は、電力変換部２１０とインバータ２３０との間に連結されて直流リンク電圧を一定に維持させる。

インバータ２３０は、ＤＣリンク部２２０と第１スイッチ２５０との間に連結される電力変換器である。インバータ２３０は、放電モードで発電システム２及び／またはバッテリー１０から出力された直流リンク電圧を系統３の交流電圧に変換して出力するインバータを備える。また、インバータ２３０は、充電モードで系統３の電力をバッテリー１０に保存するために、系統３の交流電圧を整流し、直流リンク電圧に変換して出力する整流回路を備える。インバータ２３０は、双方向インバータあるいは複数のインバーティング回路を備える構成である。

インバータ２３０は、系統３に出力される交流電圧で高調波を除去するためのフィルタを備える。またインバータ２３０は、無効電力の発生を抑えるためにインバータ２３０から出力される交流電圧の位相と、系統３の交流電圧の位相とを同期化させるための位相同期ルーフ（ＰＬＬ）回路を備える。その他に、インバータ２３０は、電圧変動範囲の制限、力率改善、直流成分の除去、過渡現象（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）の保護などの機能を行える。

コンバータ２４０は、ＤＣリンク部２２０とバッテリー１０との間に連結される電力変換器である。コンバータ２４０は、放電モードでバッテリー１０に保存された電力をインバータ２３０で要求する電圧レベル、すなわち、直流リンク電圧にＤＣ−ＤＣ変換して出力するコンバータを備える。また、コンバータ２４０は、充電モードで電力変換部２１０から出力される電力や、インバータ２３０から出力される電力の電圧をバッテリー１０で要求する電圧レベル、すなわち、充電電圧にＤＣ−ＤＣ変換するコンバータを備える。コンバータ２４０は、双方向コンバータあるいは複数のコンボティング回路を備える構成である。

統合制御器２７０は、発電システム２、系統３、バッテリー１０、及び負荷４の状態をモニタリングし、モニタリング結果によって電力変換部２１０、インバータ２３０、コンバータ２４０、第１スイッチ２５０、第２スイッチ２６０、及びＢＭＳ ２０を制御する。統合制御器２７０がモニタリングする事項は、系統３での停電発生如何、発電システム２での電力生産如何を含む。また統合制御器２７０は、発電システム２の電力生産量、バッテリー１０の充電状態、負荷４の電力消費量、時間などをモニタリングする。

第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０は、インバータ２３０と系統３との間に直列に連結され、統合制御器２７０の制御によってオン／オフ動作を行って発電システム２と系統３との間の電流のフローを制御する。第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０は、発電システム２、系統３、及びバッテリー１０の状態によってオン／オフが定められる。例えば、負荷４で要求される電力量が大きい場合、第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０をいずれもオン状態にし、発電システム２、系統３、バッテリー１０の電力を負荷４に供給する。一方、系統３で停電が発生した場合、第２スイッチ２６０をオフ状態にし、第１スイッチ２５０をオン状態にする。これによって、発電システム２またはバッテリー１０からの電力を負荷４に供給でき、負荷４に供給される電力が系統３側に流れる、すなわち、単独運転を防止して、系統３の電力線などで作業する人足が感電されるなどの事故を回避可能にする。

ＢＭＳ ２０は、バッテリー１０に連結され、統合制御器２７０の制御によってバッテリー１０の充電及び放電動作を制御する。ＢＭＳ ２０は、バッテリー１０を保護するために、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能、過電圧保護機能、過熱保護機能、セルバランシング機能などを行える。このために、ＢＭＳ ２０は、バッテリー１０の電圧、電流、温度、残余電力量、寿命、充電状態などをモニタリングし、モニタリング結果を統合制御器２７０に印加する。

特に、本発明のＢＭＳ ２０は、バッテリー１０のセルバランシングを行う時にスイッチ素子及び選択回路を使い、セルバランシング対象バッテリーセルとセルバランシングを行う抵抗を選択的に連結する。また、セルバランシングを行う抵抗を低温バッテリーセルに隣接する抵抗と選択することで、放電時に発生する熱で低温バッテリーセルの温度を上昇させる。これに関するＢＭＳ ２０の具体的動作は、後述する。

バッテリー１０は、発電システム２で生産された電力または系統３の電力を供給されて保存し、負荷４または系統３に保存している電力を供給する。バッテリー１０は、エネルギー保存システム１で要求される電力容量、設計条件などによって数を定める。例えば、負荷４の消費電力が大きい場合には複数のバッテリー１０を備え、負荷４の消費電力が小さな場合には一つのバッテリー１０のみを備えてもよい。
図２は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックの回路を概略的に示す回路図である。

前述したように本発明のバッテリーパックは、バッテリー及びＢＭＳ ２０で構成され、図２を参照すれば、ＢＭＳ ２０の回路は、測定回路２１、バランシング回路２２、複数のスイッチ素子及び電圧伝達回路２３で構成される。

以下の図２に関する説明で、‘特定バッテリーセルに対応する抵抗、スイッチ素子、ＭＵＸ’は、特定バッテリーと隣接する抵抗、スイッチ素子、電圧伝達回路を示す。例えば、第１バッテリーセル１０−１に対応する抵抗は、第１抵抗Ｒ１であり、対応するバランシングスイッチ素子は、第１バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１である。同様に、第２バッテリーセル１０−２に対応するＭＵＸは、第２ＭＵＸ ２３−２である。

先ず、本発明のバッテリーは、複数のバッテリーセルを備える。図２に示した本発明の一実施形態で、バッテリー１０は、４つのバッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４を備える。

また、バッテリー１０の両端は端子部（図示せず）と連結される。端子部は、少なくとも正極端子及び負極端子を備える。端子部を介してバッテリー１０に保存された電力が外部に供給される。また外部電力が端子部を介してバッテリー１０に供給され、バッテリー１０を充電する。バッテリー１０がポータブル機器に使われる場合、端子部は、前記ポータブル器機または充電器と連結される。あるいはバッテリー１０がエネルギー保存システム１に使われる場合、端子部は、電力変換のためのコンバータ１４または他のバッテリートレーと連結される。

図２は、本発明の一実施形態として、バッテリー１０が直列に連結された複数のバッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４を備えると表現したが、本発明の他の実施形態として、バッテリーは直列または直列及び並列に連結された複数のバッテリーモジュール（図示せず）を備え、ここで複数のバッテリーモジュールそれぞれは、少なくとも一つのバッテリーセルを備える。バッテリーモジュールに複数のバッテリーセルが備えられる場合、バッテリーモジュール内のバッテリーセルは、直列及び／または並列に連結される。バッテリーセルは、充電可能な二次電池である。

本発明の図２による実施形態では、複数のバッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４が直列に連結された場合について説明する。しかし、これは説明の便宜のためのものであり、図面に図示された構成に限定されるものではない。また、本発明は、バッテリーを構成するバッテリーモジュールの数と、一つのバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルの数とに制限されるものではない。

図２を参照すれば、バッテリー１０は、４つのバッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４を備え、各バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４は、両端が測定回路２１と連結されたということが分かる。測定回路２１は、バッテリーの電圧、温度などの状態を測定する役割を行う。測定回路２１は、各バッテリーセルの状態を測定するためにサーモメータ及びキャパシタを備える。また、測定回路２１は、バッテリーの温度及び電圧を測定する時、測定時間を制御できるスイッチ素子を備える。

一般的にセルバランシングは、複数のバッテリーセルに対してセル間に電圧差が発生しないように、高いバッテリーの電圧を放電抵抗を用いて放電させることで、セルの電圧使用を偏重させない。よって、測定回路２１は、各バッテリーセルの電圧を測定し、いかなるセルがセルバランシング対象として好適であるかの判断に必要な電圧測定値を獲得する。測定回路２１は、電圧値が既定の値以上の時、特定バッテリーセルをセルバランシング対象バッテリーセルと検出する。

後述する本発明の一実施形態では、セルバランシング対象になるバッテリーセルの電圧を、スイッチ素子及び電圧伝達回路を用いて選択的に複数の抵抗のうち一つの抵抗に印加してセルバランシングを行うことを特徴とする。特に、本発明の一実施形態では、低温バッテリーセルに隣接する抵抗を使ってセルバランシングを行うことで、低温バッテリーセルの温度を上昇させる。

バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の温度は、バッテリーパックの安定した作動に影響を及ぼす重要な要因である。バッテリーパックが安定して動作するためには、バッテリーパック全体が適正温度範囲内で動作せねばならないことはもとより、バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４それぞれの温度も、一定基準値内で動作せねばならない。よって、測定回路２１は、各バッテリーセルの温度を測定できるサーモメータを備え、リアルタイムあるいは一定時間間隔でバッテリーセルそれぞれの温度を測定する。測定回路２１は、これによって既に定められた基準値以下の温度を持つバッテリーセルを低温バッテリーセルと検出する。

本発明の一実施形態によれば、測定回路２１で測定したバッテリーセルそれぞれの電圧値を参照して、セルバランシングの必要なバッテリーセルの電圧を低温バッテリーセルに対応する電圧伝達回路２３に出力した後、該低温バッテリーセルに対応する放電抵抗を用いてセルバランシングを行うことで、低温バッテリーセルの温度を高める。これについては、後述する。

次いで、バランシング回路２２は、セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を用いて放電させることで、バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４間の電圧均衡を合わせる役割を行う。また、バランシング回路２２は、セルバランシングを行う途中でバランシング抵抗で発生する熱を用いて、該バランシング抵抗に隣接するバッテリーセルの温度を上昇させる。

このために、バランシング回路２２は、それぞれのバッテリーセルに連結された抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びバランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４を備える。図２による本発明の一実施形態では、各バッテリーセルごとに一つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びバランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４が連結されたということが分かる。

たとえ図２では、セルバランシングのための抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が一つに表現されているとしても、他の事実施形態として、複数の抵抗を並列に連結して抵抗を構成してもよいということはいうまでもない。例えば、図２の抵抗素子の値が５０ｏｈｍの場合、他の実施形態で１００ｏｈｍの素子を並列に連結して同じ回路を構成できる。抵抗の構成は、バランシング時に発生する熱を考慮して数を増加または減少させる。

付け加えれば、図２に示したセルバランシングのための抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、各バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４に隣接するＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）基板上に具現される。すなわち、バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４を位置する時、それぞれのバッテリーセルの間にＰＣＢ基板を載置し、その基板上に抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を具現する。

再び、図２のバランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４は、一般的なスイッチはもとより、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタが使われる。バランシングスイッチ素子は、後述するスイッチ素子制御部２７から信号を受けてオン／オフされる。バランシングスイッチ素子がオンになる場合、該スイッチ素子と直列に連結された抵抗でセルバランシングが行われるので、該対応バッテリーセルの温度が上昇する。

図２を参照して、例えば、スイッチ素子制御部２７から、第１抵抗Ｒ１でセルバランシングを行わせる信号が伝達されれば、第１スイッチ素子Ｂｓｗ１は、オンになって第１抵抗Ｒ１でセルバランシングが行われる。あるいは、さらに具体的に、測定回路２１が測定した値によって、第１バッテリーセルの温度が既定の基準値以下であると判断する場合、スイッチ素子制御部２７によって発生した信号で、第１バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１がオンに動作する。第１バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１がオンに動作して第１抵抗Ｒ１でセルバランシングが行われる。この時、第１抵抗Ｒ１で発生した熱によって第１バッテリーセル１０−１の温度が上昇する。

次いで、電圧伝達回路２３は、あらゆるバッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の電圧値を入力値として受けて選択部２５が選択した電圧、特に本発明の一実施形態によれば、セルバランシングの必要なバッテリーセルの電圧を選択的に出力する役割を行う。図２を参照すれば、電圧伝達回路２３は、各バッテリーセルに対応するマルチプレクサ（以下、‘ＭＵＸ’）を備える。

各ＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４は、バッテリーセルの電圧を伝達されて制御部の選択に対応するバッテリーセルの電圧を出力する。よって、ＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４は、入力値として、各バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の電圧値及びＭＵＸ制御部２６の選択値を持ち、出力値として選択されたバッテリーセルの電圧値を持つ。

たとえ図２にあらゆる連結が図示されてはいないとしても、図２による実施形態で、ＭＵＸは、ＩＮ１ないしＩＮ４端で、それぞれ第１ないし第４バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の電圧値を入力される。これは、第１ないし第４バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の電圧値がＶ１ないしＶ４と表現され、ＩＮ１ないしＩＮ４端の入力値もＶ１ないしＶ４と表現されることで明らかになる。

また、Ｓ１及びＳ２端で、ＭＵＸ制御部２６から選択されたバッテリーセルの識別番号を入力される。すなわち、図２による実施形態で、バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の数は４個であるので、２つの入力端Ｓ１及びＳ２として、互いに異なる４つのバッテリーセルを選択的に選択する信号を入力される。

ＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４は、選択されたバッテリーセルの電圧値を出力する。例えば、後述するＭＵＸ制御部２６が、第２バッテリーセル１０−２を選択する信号をＳ１及びＳ２に入力する場合、出力端ＯＵＴから第２バッテリーセル１０−２の電圧が出力される。また、ＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４は、Ｖｒｅｆ端からセルバランシングのための基準電圧値を出力する。例えば、ＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４のＯＵＴ端から出力される出力電圧がＶ３の場合、Ｖｒｅｆ端から出力される値はＶ４である。

さらに、バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４、連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４及び伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４は、セルバランシングを行うためにＢＭＳ ２０によって制御される。すなわち、ＢＭＳ ２０は、セルバランシングの必要な電圧のバッテリーセルを選択し、ＭＵＸにバッテリーセルを選択する信号を入力し、セルバランシングを行うようにバランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４、連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４及び伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４を制御する役割を行う。たとえ図２には、図面上の簡略性のためにあらゆる連結が図示されていないとしても、回路内のあらゆるスイッチ素子は、ＢＭＳ ２０のスイッチ素子制御部２７から信号を受信して動作する。

図３は、ＢＭＳの構成を示すブロック図である。

図３を参照すれば、ＢＭＳ ２０は、図２で前述した回路以外に、モニタリング部２４、選択部２５、ＭＵＸ制御部２６及びスイッチ素子制御部２７をさらに備える。

先ず、モニタリング部２４は、測定回路２１から各バッテリーセルの温度情報及び電圧情報を伝達され、各バッテリーセルの状態をモニタリングする。モニタリング部２４は、リアルタイムあるいは所定の時間間隔でバッテリーセルの状態をモニタリングできる。

次いで、選択部２５は、モニタリング部２４が得たバッテリーセルの状態情報に基づいて、セルバランシングの必要なセルバランシング対象バッテリーセル及び回路にある抵抗のうちセルバランシングを行う抵抗を選択する。あるいは、選択部２５は、温度を上昇させる必要がある低温バッテリーセルを選択する。選択部２５は、セルバランシングの必要なバッテリーセルを選択するために、他のバッテリーセルと電圧値を比較するか、または既定の値を用いられる。

図２の回路の例をあげて説明すれば、選択部２５は、セルバランシング対象バッテリーセルを第１バッテリーセル１０−１と選択し、セルバランシングを行う抵抗をＲ３と選択する。この場合、第３ＭＵＸ ２３−３から出力された第１バッテリーセル１０−１の電圧値に基づいて、抵抗Ｒ３でセルバランシングが起きる。すなわち、本発明の一実施形態によって、セルバランシングは他のバッテリーセルに隣接する抵抗で行われてもよいため、選択部は、セルバランシング対象バッテリーセルとセルバランシングを行う抵抗をそれぞれ選択する。

また、さらに具体的な実施形態について、図２の回路の例をあげて説明すれば、モニタリング部２４が各バッテリーセルの電圧及び温度をモニタリングした結果、第１バッテリーセル１０−１の電圧が他のバッテリーセルの電圧より高い場合、選択部２５は、第１バッテリーセル１０−１がセルバランシング対象バッテリーセルであると選択する。また、第２バッテリーセル１０−２の温度が基準値より低い場合、第２バッテリーセル１０−２に対応する第２抵抗Ｒ２を用いてセルバランシングを行うことで、第２バッテリーセル１０−２の温度を、バランシング時に発生する熱を使って上昇させるように選択する。

次いで、ＭＵＸ制御部２６は、選択部２５が選択したセルバランシングの必要なバッテリーセルの電圧を出力するようにＭＵＸを制御する。次いで、図２で選択部２５がバッテリーセルの状態を参照し、第１バッテリーセル１０−１がセルバランシングを必要とし、第２バッテリーセル１０−２の温度が基準値以下であると判断した場合を想定し、ＭＵＸ制御部２６の動作を詳細に説明する。この場合、ＭＵＸ制御部２６は、電圧伝達回路２３の第２ＭＵＸ ２３−２がＯＵＴ端で第１バッテリーセル１０−１セルの電圧を出力させる信号を生成する。

前述したように、電圧伝達回路２３のＭＵＸ ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４は、各バッテリーセル１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の電圧値をそれぞれＩＮ１ないしＩＮ４端で入力され、制御部のＭＵＸ制御部２６の選択信号によって一つのバッテリーセルの電圧値を出力する。前述した例で、ＭＵＸ制御部２６が第２ＭＵＸ ２３−２に第１バッテリーセルの電圧を出力させる信号をＳ１及びＳ２端に入力すれば、第２ＭＵＸ ２３−２は、第１バッテリーセル１０−１の電圧値Ｖ１をＯＵＴ端で出力する。さらに、第２ＭＵＸ ２３−２は、Ｖｒｅｆ端で第２バッテリーセル１０−１の電圧を出力させる信号を生成する。

次いで、スイッチ素子制御部２７は、ＢＭＳ ２０の回路に備えられたあらゆるスイッチ素子を制御する信号を生成する役割を行う。前述したように、ＢＭＳ ２０には、バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４、連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４及び伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４が存在する。

先ず、スイッチ素子制御部２７は、バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４を制御する信号を発生させる。バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ１、Ｂｓｗ２、Ｂｓｗ３、Ｂｓｗ４がオンになった時、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はセルバランシングを行える。

スイッチ素子制御部２７は、連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４及び伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４を制御する信号を発生させる。連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４及び伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４の各対応するスイッチ素子は、排他的なオン／オフ値を持つ。すなわち、第１連結スイッチ素子Ｃｓｗ１がオンの場合、第１伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１はオフになり、その反対の場合も同様である。これは、本発明で伝達スイッチ素子Ｔｓｗ１、Ｔｓｗ２、Ｔｓｗ３、Ｔｓｗ４がオンになる場合は、電圧伝達部２３によって伝達された他のバッテリーセルの電圧を用いてセルバランシングを行う場合であり、連結スイッチ素子Ｃｓｗ１、Ｃｓｗ２、Ｃｓｗ３、Ｃｓｗ４がオンになる場合は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に隣接する元のバッテリーセルがセルバランシングを行う場合であるからである。

次いで、図２の本発明の一実施形態で選択部２５が、第１バッテリーセル１０−１がセルバランシング対象バッテリーセルであり、第２バッテリーセル１０−２の温度が基準値以下であると判断した場合を想定する。この場合、スイッチ素子制御部２７は、第２伝達スイッチ素子Ｔｓｗ２をオンにして出力された第１バッテリーセル１０−１の電圧をバランシング回路２２に伝達し、第２連結スイッチ素子Ｃｓｗ２をオフして第２バッテリーセル１０−２及びバランシング回路２２を絶縁する。また、スイッチ素子制御部２７は、第２バランシングスイッチ素子Ｂｓｗ２をオンにして抵抗Ｒ２でセルバランシングを引き起こす。

図４は、本発明の第１実施形態によるフローチャートである。
図４を参照すれば、先ず、バッテリーセルそれぞれの電圧を測定してモニタリングする（Ｓ１１）。

次いで、電圧値が既定の基準値以上のセルバランシング対象バッテリーセル及びバランシングを行う抵抗を選択する（Ｓ１２）。
次いで、セルバランシングを行うＳ１２段階の抵抗と連結されたＭＵＸで、セルバランシング対象バッテリーセルの電圧値を出力する（Ｓ１３）。

次いで、Ｓ１２段階のバッテリーセルに対応する連結スイッチ素子をオフにし、Ｓ１２段階の抵抗に対応する伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子をオンにする（Ｓ１４）。
最後に、抵抗でセルバランシングが行われる（Ｓ１５）。

図５は、本発明の第２実施形態によるフローチャートである。
図５を参照すれば、先ず、バッテリーセルそれぞれの電圧及び温度を測定してモニタリングする（Ｓ２１）。

次いで、セルバランシングの必要なセルバランシング対象バッテリーセル及び温度が基準値以下の低温バッテリーセルを選択する（Ｓ２２）。
次いで、セルバランシングの必要なバッテリーセルの電圧値を、低温バッテリーセルに対応するＭＵＸで出力する（Ｓ２３）。

次いで、低温バッテリーセルと連結された連結スイッチ素子をオフにし、Ｓ２３段階のＭＵＸと連結された伝達スイッチ素子及びバランシングスイチング素子をオンにする（Ｓ２４）。
最後に、低温バッテリーセルの温度が基準値以上に上昇する場合、Ｓ２４段階の伝達スイッチ素子及びバランシングスイチング素子をオフにする（Ｓ２５）。

本発明の実施形態によって、セルバランシング対象になるバッテリーセルの電圧をＭＵＸを通じて選択的に出力することで、セルバランシングが起きる抵抗を選択でき、特に、低温バッテリーセルの近くにある抵抗でセルバランシングを引き起こし、低温バッテリーセルの温度を上昇させる。

以上で本発明が具体的な構成要素などの特定事項と限定された実施形態及び図面によって説明されたが、これは本発明のさらに全般的な理解を助けるために提供されたものであり、本発明が前記実施形態に限定されるものではなく、当業者ならば、これらの記載から多様な修正及び変更を図る。

したがって、本発明の思想は前記の実施形態に限って定められねばならず、特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等な、またはこれより等価的に変わったあらゆる範囲は本発明の思想の範疇に属するといえる。

本発明は、バッテリーパック関連の技術分野に好適に用いられる。

１ エネルギー保存システム
２ 発電システム
３ 系統
４ 負荷
１０ バッテリー
１１ 端子部
２０ ＢＭＳ
２１ 測定回路
２２ バランシング回路
２３ 電圧伝達回路
２４ モニタリング部
２５ 選択部
２６ ＭＵＸ制御部
２７ スイッチ素子制御部
１００ バッテリーシステム
２００ ＰＣＳ
２０１ コンデンサー
２１０ 電力変換部
２２０ ＤＣリンク部
２３０ インバータ
２４０ コンバータ
２５０ 第１スイッチ
２６０ 第２スイッチ
２７０ 統合制御器

Claims (18)

1. バッテリーパック内の複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を測定する段階と、
   前記測定された電圧に基づいて、前記複数のバッテリーセルのうちセルバランシング対象バッテリーセルを選択する段階と、
   複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗を選択する段階と、
   前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を、前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を受信するマルチプレクサから、前記セルバランシングが行われる抵抗に出力する段階と、を含み、
   前記複数のバッテリーセルそれぞれの温度を測定する段階と、
   前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択する段階と、をさらに含み、
   前記低温バッテリーセルに近づいた抵抗が、前記セルバランシングが行われる抵抗と選択される
   ことを特徴とするバッテリーパックのセルバランシング方法。
2. 前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記複数のバッテリーセルのうち前記セルバランシング対象バッテリーセルとの間に連結された連結スイッチ素子をオフ状態にする段階と、
   前記セルバランシングが行われる抵抗と前記マルチプレクサとの間に連結された伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子をオン状態にする段階と、をさらに含む請求項１に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
3. 前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子を介して前記セルバランシングが行われる抵抗に伝達される請求項２に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
4. 前記複数のバッテリーセル及び前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応する複数の抵抗それぞれについてのモニタリング結果に基づいて、前記セルバランシングが行われる抵抗が選択され、
   前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が基準電圧値以上である請求項１に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
5. 前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧が受信されたマルチプレクサは、複数のマルチプレクサから選択されたマルチプレクサであり、前記選択されたマルチプレクサは、前記セルバランシング対象バッテリーセルの選択と関係なく前記セルバランシングが行われる抵抗の選択に基づいて選択され、
   前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力する段階は、前記選択されたマルチプレクサで選択信号を伝送する段階と、を含む請求項１に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
6. 前記複数の抵抗それぞれは、前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応し、前記セルバランシングが行われる抵抗が前記低温バッテリーセルに対応する請求項１に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
7. 前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記複数のバッテリーセルのうち前記セルバランシング対象バッテリーセルとの間に連結された連結スイッチ素子をオフ状態にする段階と、
   前記セルバランシングが行われる抵抗と、前記セルバランシングが行われる抵抗に連結されたマルチプレクサとの間に連結された伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子を、それぞれオン状態にし、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を、前記低温バッテリーセルに対応する抵抗に出力する段階と、をさらに含む請求項６に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
8. 前記低温バッテリーセルの温度が基準温度値より大きければ、前記伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子をオフ状態にする段階をさらに含む請求項７に記載のバッテリーパックのセルバランシング方法。
9. 複数のバッテリーセルを備えるバッテリーパックと、
   前記バッテリーパックに連結されるバッテリー管理システムと、を備え、前記バッテリー管理システムが、
   前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を測定する測定回路と、
   複数の抵抗を備えるバランシング回路と、
   前記複数のバッテリーセルのうちセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗を選択する選択部と、
   前記セルバランシングが行われる抵抗に連結されたマルチプレクサを備える電圧伝達回路と、を備え、
   前記マルチプレクサが前記複数のバッテリーセルそれぞれの電圧を入力され、前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を前記セルバランシングが行われる抵抗に出力し、
   前記測定回路は、各バッテリーセルの温度を測定し、
   前記選択部は、前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択し、
   複数の前記マルチプレクサの中で前記低温バッテリーセルに対応するマルチプレクサが前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力する
   ことを特徴とするエネルギー保存システム。
10. 前記電圧伝達回路のマルチプレクサは、前記複数のマルチプレクサのうち一つであり、
    前記バランシング回路の複数の抵抗それぞれが、前記電圧伝達回路の複数のマルチプレクサのうち一つに対応して連結された請求項９に記載のエネルギー保存システム。
11. 前記バッテリー管理システムは、複数の連結スイッチ素子を備え、各連結スイッチ素子が、前記複数の抵抗のうち一つと前記複数のバッテリーセルのうち一つとの間に連結され、
    前記バランシング回路は、複数のバランシングスイッチ素子を備え、各バランシングスイッチ素子が、前記複数の抵抗のうち一つと前記複数のマルチプレクサのうち一つとの間に連結され、
    前記電圧伝達回路は、複数の伝達スイッチ素子を備え、各伝達スイッチ素子が、前記複数のマルチプレクサのうち一つと前記バランシング回路との間に連結された請求項１０に記載のエネルギー保存システム。
12. 前記バッテリー管理システムは、前記複数の連結スイッチ素子、前記複数のバランシングスイッチ素子及び前記複数の伝達スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部を備え、
    前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記セルバランシングが行われる抵抗に対応するマルチプレクサから出力されれば、前記セルバランシングが行われる抵抗と前記複数のバッテリーセルのうち一つとの間の連結スイッチ素子がオフされる請求項１１に記載のエネルギー保存システム。
13. 前記セルバランシング対象バッテリーセルの電圧が、前記セルバランシングが行われる抵抗に対応するマルチプレクサから出力されれば、前記セルバランシングが行われる抵抗と前記複数のバッテリーセルのうち一つとの間の伝達スイッチ素子及びバランシングスイッチ素子がオンされる請求項１２に記載のエネルギー保存システム。
14. 前記電圧伝達回路のマルチプレクサは、複数のマルチプレクサのうち一つであり、複数の抵抗それぞれが、前記複数のマルチプレクサのうち一つ及び前記複数のバッテリーセルのうち一つに対応し、
    前記バッテリー管理システムは、前記選択部の選択に基づいて前記複数のマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御部を備える請求項９に記載のエネルギー保存システム。
15. 前記マルチプレクサ制御部は、前記選択部による前記複数の抵抗のうちセルバランシングが行われる抵抗の選択に基づいて、前記複数のマルチプレクサのうちセルバランシング対象バッテリーセルの電圧を出力するマルチプレクサを定める請求項１４に記載のエネルギー保存システム。
16. 前記測定回路は、各バッテリーセルの温度を測定し、
    前記選択部は、前記複数のバッテリーセルのうち低温バッテリーセルを選択し、
    前記低温バッテリーセルは、連結スイッチ素子を介して前記セルバランシングが行われる抵抗に連結可能な請求項９に記載のエネルギー保存システム。
17. 前記バッテリー管理システムは、各バッテリーセルの電圧を含む電圧情報及び、各バッテリーセルの温度を含む温度情報を前記測定回路から受信するモニタリング部を備え、
    前記モニタリング部は、前記電圧情報及び温度情報を前記選択部に提供し、
    前記選択部は、独立して前記電圧情報に基づいてセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記温度情報に基づいて前記セルバランシングが行われる抵抗を選択する請求項１６に記載のエネルギー保存システム。
18. 前記バッテリー管理システムは、各バッテリーセルの電圧を含む電圧情報を受信するモニタリング部を備え、
    前記モニタリング部は、前記電圧情報を前記選択部に提供し、
    前記選択部は、前記電圧情報に基づいてセルバランシング対象バッテリーセルを選択し、前記電圧情報と関係なく前記セルバランシングが行われる抵抗を選択する請求項９に記載のエネルギー保存システム。

Images