JP6356518B2 - バッテリ管理システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明はバッテリ管理システムおよび方法に関する。

バッテリは、電気自動車、医療機器、無停電電源装置、およびその他の産業用途のための、最も一般的な電気エネルギ貯蔵装置である。使用中、バッテリの基底電位より高い電位が必要である場合、直列接続した複数のバッテリを使用することが一般的である。しかしながら、バッテリが、同じアノード、カソード、および電解質材料を使用する典型的な生産方法を介して同じ構造で生産されたとしても、充電特性または放電特性（および自己放電特性）の違いが、直列接続された各バッテリ間に存在する。したがって、直列接続されたバッテリ間には、電位差があり、充電が不均衡になるという問題が発生する可能性がある。例えば、直列接続されたバッテリの電位が互いに異なる場合、一部のバッテリが所定の電圧に達しても、他の一部のバッテリは、所定の電圧に達しない可能性があるため、過充電もしくは充電が不十分となる問題、または過充電と充電が不十分となる問題との両方が、直列接続されたバッテリストリングの充電中に発生する可能性がある。

過充電バッテリは、バッテリの化学成分が、過充電状態に耐えられなくなると、爆発する危険があり、一方、充電が不十分なバッテリは、直列接続されたバッテリストリングの寿命を減らす可能性がある。したがって、直列接続されたバッテリストリングに対して、不均衡な充電についての問題に対処する必要がある。一般的な方法は、充電状態均等化装置を使用して、直列接続されたバッテリストリングに対して、充電状態均等化を実現することである。

充電状態均等化を実現するための従来の受動的手法を図１に示す。図示した直列接続バッテリストリングでは、各バッテリは、バッテリの充電状態均等化の実現を補助する抵抗器と並列に接続される。これは、単純で、低コストの方法であるが、高いエネルギ損失と熱放散とを受ける。さらに、充電等化器の能力は、高電流のバッテリに対して限定される。

充電状態均等化を実現するための従来の能動的手法を図２に示す。図示した直列接続バッテリストリングでは、各バッテリは、充電状態均等化を実現するために、パワーエレクトロニクス回路を備える。これは、エネルギ効率の高い方法であり、高電流のバッテリに対して、充電状態均等化を実現することができる。しかしながら、充電状態均等化を実現するための個々のパワーエレクトロニクス回路は、コストがかかり、サイズが大きいため、導入コストとサイズとの両方の点で問題が発生する。

本明細書で開示する一実施形態によれば、バッテリシステムを提供する。本バッテリシステムは、直列接続されたＭ個のバッテリを含むバッテリモジュールを有し、さらに、Ｎ（１＜Ｎ≦Ｍ）個の充電等化器を備え、そのそれぞれが一度バッテリに接続され、バッテリを充電および／または放電し、充電状態均等化を実現させる。制御デバイスは、各バッテリに対して、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）に基づいて充電状態均等化が必要かどうかを判断するよう構成され、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリと、Ｍ個のバッテリとを比較して、その比較結果に基づき、バッテリシステムをシャットダウンさせ、または、充電状態均等化を必要とする１つまたは複数のバッテリを、対応する充電等化器に接続させる。選択的スイッチモジュールを使用して、充電状態均等化を必要とする１つまたは複数のバッテリを、それぞれ、対応する充電等化器に接続する。

本明細書で開示する他の実施形態によれば、方法を提供する。本方法では、直列接続されたＭ個のバッテリと、Ｎ（１＜Ｎ≦Ｍ）個の充電等化器とを備えるバッテリシステムを提供する。各バッテリに対して、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、充電状態均等化が必要かどうかを判断する。本方法はさらに、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリと、Ｎ個の充電等化器とを比較し、その比較結果に基づいて、バッテリシステムをシャットダウンし、または充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリを、Ｌ個の充電等化器に接続して、バッテリを充電および／または放電させて、充電状態均等化を実現することを備える。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を、添付図面を参照して読むことでより理解されよう。なお、図面を通じて、同様の参照符号は、同様の部品を表す。

直列接続されたバッテリストリングに対して、充電状態均等化を実現するための、従来手法を示す模式図である。 直列接続されたバッテリストリングに対して、充電状態均等化を実現するための、他の従来手法を示す模式図である。 本発明の一実施形態による、バッテリシステムの一例を示す図である。 本発明の他の実施形態による、バッテリシステムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、バッテリ管理方法を示す流れ図である。 図５のバッテリ管理方法の特定の実施形態を示す流れ図である。 図５のバッテリ管理方法の他の特定の実施形態を示す流れ図である。

本発明の実施形態は、コスト効果の優れた、高性能充電状態均等化策を、直列接続バッテリにもたらす。本発明の実施形態によれば、Ｍ（Ｍ≧２）の直列接続バッテリを含むバッテリモジュールを提供する。Ｎ個の充電等化器を提供して、バッテリモジュールにおけるＭ個の直列接続バッテリに対して、充電状態均等化を実現する。各充電等化器は、バッテリモジュール内のバッテリに一度接続され、バッテリを充電および／または放電し、充電状態均等化を実現させる。Ｎ個の充電等化器は、１個より多いが、Ｍ個のバッテリ以下の個数である（１＜Ｎ≦Ｍ）。選択的スイッチモジュールにより、バッテリを充電等化器に選択的に接続する。制御デバイスの制御下で、選択的スイッチモジュールは、充電状態均等化を必要とする１つまたは複数のバッテリを、それぞれ、対応する充電等化器に接続することができる。そのような方法では、バッテリモジュールは、充電等化器を用いて、充電均衡を実現することができる。特に、Ｎ個の充電等化器は、１個より多く、Ｍ個のバッテリより少なく（１＜Ｎ＜Ｍ）、バッテリモジュールは、直列接続バッテリより少ない充電等化器を用いて、充電バランスを実現することができる。

特に明記しない限り、本明細書で使用する技術的および科学的用語は、本発明に属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味である。本明細書で使用する「第１の」および「第２の」などの用語は、何らの順序、量、または重要性も意味せず、ある要素を他の要素から区別するために使用される。「ａ」および「ａｎ」という用語は、量の限定を意味せず、参照項目が少なくとも１つ存在することを意味する。さらに、「結合された」および「接続された」という用語は、２つの構成要素間の直接的もしくは間接的な結合／接続を区別することを意図しない。むしろ、そのような構成要素は、特に指示しない限り、直接的または間接的に結合／接続される可能性がある。

図３を参照すると、バッテリシステム１００は、直列接続されたＭ個のバッテリ（Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、…、Ｂ_m-1、Ｂ_m）を有するバッテリモジュール１０２を備える。Ｍ個のバッテリのそれぞれは、バッテリの電圧を測定するためのセンサと結合される。Ｎ個の充電等化器（ＣＥ₁、ＣＥ₂、…、ＣＥ_n-1、ＣＥ_n）を提供して、バッテリモジュール１０２に対して充電状態均等化を実現する。ここで、１＜Ｎ≦Ｍである。選択的スイッチモジュール１０４を提供して、１つまたは複数のバッテリを、対応する充電等化器に、取り外し可能に、選択的に接続する。制御デバイス１０６は、選択的スイッチモジュール１０４および充電等化器を制御する。制御デバイス１０６は、全てのバッテリに対するセンサと通信し、センサから測定データを取得し、各バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を算出し、それにより、各バッテリに対して、バッテリのＳＯＣに基づいて、バッテリが、充電状態均等化を必要とするかどうかを判断する。各バッテリに対して、充電状態均等化が必要かどうかを判断することによって、どのバッテリが充電状態均等化を必要としているのか、ならびに充電状態均等化を必要とするバッテリがいくつあるのかを識別することができる。いくつかの実施形態において、制御デバイスは、バッテリのＳＯＣが、所定のＳＯＣ範囲内にない場合、充電状態均等化を必要とするものとしてバッテリを判断するよう構成される。例えば、ＳＯＣ範囲内の所定範囲が４５％から６５％である場合、ＳＯＣが４５％から６５％の範囲にないバッテリは、充電状態均等化が必要であると判断される。

本明細書で使用される場合、「充電状態（ＳＯＣ）」は、バッテリがフル充電であった場合のエネルギと比較した、バッテリの残量を意味し、バッテリが、再充電を必要とするまで、どれだけ機能し続けるかを利用者に示す。バッテリのＳＯＣを推定するには、いくつかの方法がある。最も一般的に使用される推定方法は、アンペア・アワー（Ａｈ）カウント法、開回路電圧（ＯＣＶ）法、およびカルマンフィルタリング法である。いくつかの実施形態において、バッテリの電圧は、バッテリに結合されたセンサによって測定され、ＯＣＶ法によりＳＯＣを算出するための基礎として使われる。

いくつかの実施形態において、制御デバイス１０６は、さらに、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリと、Ｎ個の充電等化器とを比較し、Ｌ＞Ｎであるかどうかを判断し、それに応じて、比較結果に応答するよう構成される。いくつかの特定の実施形態において、制御デバイス１０６は、Ｌ＞Ｎである場合に、バッテリシステムをシャットダウンし、またはＬ≦Ｎである場合に、充電状態均等化を必要とするバッテリを、それぞれ、対応する充電等化器に接続するよう構成される。

いくつかの実施形態において、Ｌ≦Ｎである場合、制御デバイス１０６は、さらに、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリを、充電状態均等化をどれだけ必要としているかについて、降順にランク付けし、それらを、Ｌ個の充電等化器に降順に接続するよう構成してもよい。

いくつかの特定の実施形態において、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリは、そのＳＯＣが、所定のＳＯＣ範囲から変動した程度について、降順にランク付けされる。例えば、所定のＳＯＣ範囲が４０％から７０％である場合、充電状態均等化を必要とするバッテリは、そのＳＯＣが、範囲のエンドポイント、すなわち、４０％または７０％から変動した程度によって、ランク付けすることができる。例えば、ＳＯＣがそれぞれ２５％、３０％、３８％、７３％、７８％、８３％のバッテリに関し、ＳＯＣが２５％（４０％から１５％少ない）のバッテリが、最も充電状態均等化を必要とするバッテリとして判断され、次いで、ＳＯＣが８３％（７０％より１３％多い）のバッテリ、ＳＯＣが３０％（４０％から１０％少ない）のバッテリ、ＳＯＣが７８％（７０％より８％多い）のバッテリ、ＳＯＣが７３％（７０％より３％多い）のバッテリ、最後に、ＳＯＣが３８％（４０％から２％少ない）のバッテリが、充電状態均等化を必要とするバッテリとして判断される。

充電状態均等化を必要とするバッテリと接続された各充電等化器に関し、制御デバイス１０６により、バッテリのＳＯＣに従い、バッテリを充電および／または放電するかどうかを判断することができる。バッテリモジュールにおけるバッテリを適切に充電および／または放電することにより、バッテリに対する充電状態均等化を実現することができる。

バッテリは、１つまたは複数の、並列接続されたバッテリセルを備えてもよい。いくつかの実施形態において、バッテリは、単一のバッテリセルである。いくつかの実施形態において、バッテリは、並列接続されたバッテリセルの集合である。

制御デバイス１０６は、上記のような機能を実現することができる任意のデバイスとしてもよい。いくつかの実施形態において、制御デバイス１０６は、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ、およびプログラマブル回路から成る群から選択された１つまたは複数を構成してもよい。適切な制御デバイスの例の一部には、これらに限定されないが、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、およびそれらの組み合わせを含む。

充電等化器は、バッテリストリングにおける直列接続バッテリで充電を均等化することを可能にする回路とすることができる。いくつかの実施形態において、充電等化器は、１つまたは複数の能動半導体スイッチおよび１つまたは複数の受動デバイスを備える。充電等化器で使用するのに適切な能動半導体スイッチの例には、これらに限定されないが、電界効果トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、リレーおよびダイオードがある。充電等化器で使用するのに適切な受動デバイスの例には、これらに限定されないが、インダクタ、変圧器、およびコンデンサがある。選択的スイッチモジュール１０４は、金属−酸化膜電力半導体トランジスタ、リレー、ＢＪＴ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、および絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）から成る群から選択された、１つまたは複数のデバイスを備えてもよい。

いくつかの実施形態において、バッテリシステムは、少なくとも２つの前記バッテリモジュールを備え、そのそれぞれは、適切な数のセンサ、適切な数の充電等化器、および選択的スイッチモジュールを備える。例えば、図４に示すように、バッテリシステム２００は、Ｋ（Ｋ≧２）個のバッテリモジュール１０２−１、…、１０２−ｋを備える。バッテリモジュール１０２−１は、直列接続されたＭ１個のバッテリ（Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、…、Ｂ_m1-1、Ｂ_m1）を備え、それぞれがセンサと結合し、さらに、Ｎ１（１＜Ｎ１≦Ｍ１）個の充電等化器（ＣＥ₁、ＣＥ₂、…、ＣＥ_n1-1、ＣＥ_n1）、および選択的スイッチモジュール２０４−１を備える。バッテリモジュール１０２−ｋは、直列接続されたＭｋ個のバッテリ（Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、…、Ｂ_mk-1、Ｂ_mk）を備え、それぞれがセンサと結合し、さらに、Ｎｋ（１＜Ｎｋ≦Ｍｋ）個の充電等化器（ＣＥ₁、ＣＥ₂、…、ＣＥ_nk-1、ＣＥ_nk）、および選択的スイッチモジュール２０４−ｋを備える。Ｋ個のバッテリモジュールのうち、あるバッテリモジュール１０２−ｉ（１＜ｉ＜ｋ）（図示せず）に関し、直列接続されたＭｉ個のバッテリ（Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、…、Ｂ_mi-1、Ｂ_mi）を備えてもよく、それぞれがセンサと結合し、さらに、Ｎｉ（１＜Ｎｉ≦Ｍｉ）個の充電等化器（ＣＥ₁、ＣＥ₂、…、ＣＥ_ni-1、ＣＥ_ni）、および選択的スイッチモジュール２０４−ｉを備えてもよい。いくつかの実施形態において、Ｎ１、…、Ｎｉ、…、Ｎｋは、互いに異なる番号としてもよい。いくつかの実施形態において、Ｎ１、…、Ｎｉ、…、Ｎｋの少なくとも一部は、同じ番号である。特に、Ｎ１、…、Ｎｉ、…、Ｎｋの全てを同じ番号としてもよい。バッテリシステム２００はまた、上記のように、制御デバイス２０６を有する。制御デバイス２０６を用いて、各バッテリモジュール１０２−１、…、１０２−ｋは、その対応する充電等化器により、充電状態均等化を実現することができる。

本発明の実施形態はまた、上記のようなバッテリシステムのためのバッテリ管理方法を提供する。図５を参照すると、直列接続されたＭ個のバッテリと、Ｎ（１＜Ｎ≦Ｍ）個の充電等化器とを備えるバッテリシステムがＳ１１で提供される。各バッテリに対して、Ｓ１２で、バッテリのＳＯＣに基づいて、充電状態均等化が必要かどうかを判断する。充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリは、Ｓ１３で、Ｎ個の充電等化器と比較される。比較結果に基づいて、Ｓ１４で、バッテリシステムはシャットダウンされ、またはＬ個のバッテリがＬ個の充電等化器に接続され、Ｌ個のバッテリを充電および／または放電し、充電状態均等化を実現させる。

いくつかの実施形態において、Ｓ１２で、バッテリは、そのバッテリのＳＯＣが所定の範囲内ではない場合、充電状態均等化を必要とするものとして判断する。

いくつかの実施形態において、図６に示したように、Ｓ１４で、Ｌ＞Ｎの場合にバッテリシステムはシャットダウンされ、および、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリは、Ｌ≦Ｎの場合、それぞれ対応する充電等化器に接続される。

いくつかの実施形態において、図７に示したように、Ｓ１４で、充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリは、どれだけ充電状態均等化を必要とするかについて、降順にランク付けされ、それによって、降順に、Ｌ個の充電等化器に接続される。

上記した全てのそのような目的または利点が、必ずしも、任意の特定の実施形態により実現することができないことが理解されよう。したがって、例えば、当業者は、本明細書で説明したシステムおよび技術が、本明細書で教示もしくは提案したような他の目的もしくは利点を必ずしも実現しない、本明細書で教示したような利点の１つもしくは組を実現もしくは最適化する方法で、実施もしくは実行することができることを認識されよう。

１００ バッテリシステム
１０２ バッテリモジュール
１０２−１、１０２−ｉ、１０２−ｋ バッテリモジュール
１０４ 選択的スイッチモジュール
１０６ 制御デバイス
２００ バッテリシステム
２０４−１、２０４−ｉ、２０４−ｋ 選択的スイッチモジュール
２０６ 制御デバイス
Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、…、Ｂ_m-1、Ｂ_m バッテリＣＥ₁、ＣＥ₂、…、ＣＥ_n-1、ＣＥ_n 充電等化器

Claims (14)

1. バッテリシステム（１００）であって、
   直列接続されたＭ個のバッテリセルと、
   それぞれが前記バッテリセルに一度接続され、前記バッテリセルを充電および／または放電し、充電状態均等化を実現させるＮ（１＜Ｎ≦Ｍ）個の充電等化器と、
   前記バッテリセルの各々の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、１以上のバッテリセルの充電状態均等化が必要かどうかを判断し、
   充電状態均等化を必要とするＬ個の前記バッテリセルおよびＮ個の前記充電等化器を比較し、
   その比較結果に基づいて、前記バッテリシステム（１００）をシャットダウンさせ、もしくは充電状態均等化を必要とする前記１つまたは複数のバッテリセルを、対応する充電等化器に接続させるよう構成される制御デバイス（１０６）と、
   充電状態均等化を必要とする前記１つまたは複数のバッテリセルを、それぞれ対応する充電等化器に接続する選択的スイッチモジュール（１０４）と
   を備える、バッテリシステム（１００）。
2. 前記バッテリセルが、並列接続される、請求項１に記載のバッテリシステム（１００）。
3. 前記バッテリセルのそれぞれが、前記バッテリセル間の電圧を測定するために、センサと結合される、請求項１または２に記載のバッテリシステム（１００）。
4. 前記制御デバイス（１０６）は、前記バッテリセルの前記ＳＯＣが、所定の範囲内にない場合、充電状態均等化を必要とするものとしてバッテリセルを判断するよう構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のバッテリシステム（１００）。
5. 前記制御デバイス（１０６）は、Ｌ＞Ｎの場合、前記バッテリシステム（１００）をシャットダウンさせ、Ｌ≦Ｎの場合、充電状態均等化を必要とする前記バッテリセルを、対応する充電等化器に接続させるよう構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のバッテリシステム（１００）。
6. 前記制御デバイス（１０６）は、Ｌ≦Ｎの場合、前記Ｌ個のバッテリセルを、充電状態均等化をどれだけ必要とするかによって降順にランク付けし、前記Ｌ個のバッテリセルを、前記降順で、前記充電等化器に接続するよう構成される、請求項５に記載のバッテリシステム（１００）。
7. 前記充電等化器は、１つまたは複数の能動半導体スイッチおよび１つまたは複数の受動デバイスを備える請求項１乃至６のいずれかに記載のバッテリシステム（１００）。
8. 前記スイッチモジュール（１０４）は、金属−酸化膜電力半導体トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ、およびリレーから成る群から選択される１つまたは複数を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のバッテリシステム（１００）。
9. 前記制御デバイス（１０６）は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、デジタル信号プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１乃至８のいずれかに記載のバッテリシステム（１００）。
10. 直列接続されたＭ個のバッテリセルと、Ｎ個の充電等化器（１＜Ｎ≦Ｍ）とを提供するステップと、
    制御ユニットを構成するステップとを備え、該制御ユニットが、前記構成するステップにおいて、
    前記バッテリセルの各々の充電状態（ＳＯＣ）に基づき、１以上のバッテリセルの充電状態均等化が必要であるかどうかを判断するステップと、
    充電状態均等化を必要とするＬ個のバッテリセルと、前記Ｎ個の充電等化器とを比較するステップと、
    その比較結果に基づいて、前記バッテリセルをシャットダウンするステップか、もしくは、充電状態均等化を必要とする前記Ｌ個のバッテリセルを、Ｌ個の充電等化器に接続して、前記バッテリセルを充電ならびに／もしくは放電し、充電状態均等化を実現させるステップと
    を実行する、方法。
11. 前記バッテリセルの前記ＳＯＣが所定の範囲内にない場合に、充電状態均等化を必要とするものとしてバッテリセルが判断される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御ユニットが、Ｌ＞Ｎの場合、前記バッテリセルをシャットダウンし、Ｌ≦Ｎの場合、充電状態均等化を必要とする前記Ｌ個のバッテリセルを、それぞれＬ個の充電等化器に接続する、請求項１０または１１に記載の方法。
13. Ｌ≦Ｎの場合、前記制御ユニットが充電状態均等化を必要とする前記Ｌ個のバッテリセルを、充電状態均等化をどれだけ必要とするかによって、降順にランク付けするステップを備え、充電状態均等化を必要とする前記Ｌ個のバッテリセルが、それぞれ、Ｌ個の充電等化器に、前記降順に接続される、請求項１２に記載の方法。
14. バッテリシステム（１００）であって、
    直列接続されたＭ個のバッテリセルと、
    それぞれが前記バッテリセルに一度接続され、前記バッテリセルを充電および／または放電し、充電状態均等化を実現させるＮ（１＜Ｎ≦Ｍ）個の充電等化器と、
    充電状態均等化を必要とする前記１つまたは複数のバッテリセルを、それぞれ対応する充電等化器に接続する選択的スイッチモジュール（１０４）と、
    前記バッテリセルの各々の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、１以上のバッテリセルの充電状態均等化が必要かどうかを判断し、
    充電状態均等化を必要とするＬ個の前記バッテリセルおよびＮ個の前記充電等化器を比較し、
    Ｌ＞Ｎの場合、前記バッテリセルをシャットダウンさせ、Ｌ≦Ｎの場合、充電状態均等化を必要とする前記バッテリセルを、対応する充電等化器に接続させるよう構成される制御デバイス（１０６）と、
    を備える、バッテリシステム（１００）。