JP6567757B2 - バッテリパックを平衡化する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリパックを平衡化する（balancing）方法であって、各バッテリセルがバッテリセルに並列に接続された抵抗器（resistor）に関連付けられ、抵抗器のそれぞれが制御部に接続された制御可能スイッチに直列に接続されている、方法に関する。本方法は、対応するバッテリセルの放電を開始するようにスイッチを選択的に開閉することでバッテリセルをバッテリパックの他のセルとの関連で平衡化することを含む。

本発明は、また、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリパックを平衡化するシステムであって、各バッテリセルがバッテリセルに並列に接続された抵抗器に関連付けられ、抵抗器のそれぞれが制御部に接続された制御可能スイッチに直列に接続され、制御部が対応するバッテリセルの放電を開始するようにスイッチを選択的に開閉することでバッテリセルをバッテリパックの他のセルとの関連で平衡化するように構成されている、システムに関する。

本発明は、乗用車、トラック、バス及び建設機器などの車両に適用可能である。以下、本発明をバスの形態に適用する場合について説明するが、本発明は、この特定の種類の車両に限定されるものでなく、他の車両に適用されてもよい。

車両分野において、代替的動力源、すなわち、従来の内燃機関に代えて使用される動力源による車両の推進力に関する研究開発が着実に増加している。特に、電動車両が、将来性のある代替的動力源として台頭している。

今日の技術によると、車両は、電気機械のみによって又は電気機械及び内燃機関の両方を含む装置によって駆動可能である。後者の代替的動力源は、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）と呼ばれることが多く、例えば、都市部以外で運転する間において車両の駆動には内燃機関が使用される一方、都市部又は一酸化炭素や窒素の酸化物などの有害汚染物質の排出を抑制することが必要な環境などにおいて電気機械を使用可能なように利用することができる。

電動車両に関する技術は、車両用のバッテリ関連技術などの電気エネルギー貯蔵システムの開発に密接に関わっている。今日の車両用の電気エネルギー貯蔵システムは、車両の電気機械に電力を供給するように構成されたシステムを構成する複数の充電式バッテリセルを有するバッテリパックを制御回路と共に含んでもよい。

内燃機関と、充電式電気エネルギー貯蔵システムから動力を供給される電気機械とによって作動される車両は、プラグインハイブリッド電気車両（ＰＨＥＶ）と呼ばれることもある。プラグインハイブリッド電気車両は、通常、外部電源に接続することで充電可能な充電式バッテリセルを有するエネルギー貯蔵システムを使用している。充電中においては、車両の運転範囲を最適化するために、エネルギー貯蔵システム内には、大量のエネルギーが比較的短時間で供給される。このため、エネルギー貯蔵システムの実際の充電は、車両の制御部が外部電源による充電プロセスの実行を要求するプロセスを通じて適切に実施される。これは、エネルギー貯蔵システム及び外部電源が適切なコネクタエレメントを用いることによって電気的に接続された後に実行される。

自動車の技術分野において、エネルギー貯蔵システムは、通常、多数のバッテリセルを有するバッテリパックを含む。一例として、プラグインハイブリッド車両を使用する場合、バッテリパックは、例えば、リチウム−イオンタイプであってもよい。６００Ｖのリチウム−イオンバッテリパックが使用される場合、車両を運転するための所望の電圧を達成するには、直列に接続された約２００個のバッテリセルが必要となる。車両の運転可能範囲は、バッテリパックの充電状態（ＳｏＣ）（state of charge）など、特定のパラメータに応じて決まる。充電状態は、バッテリが充電不足又は過充電の状況で作動されることを防ぐために使用されると共に電気車両のエネルギーを管理するのに重要なパラメータである。このパラメータを直接測定することはできないので充電状態は推定される必要がある。

さらに、バッテリは経時的に劣化することが知られており、例えば、セルの端子電圧、セルの容量及び各セルの抵抗などのバッテリパラメータによって推定される性能の低下を診断する必要がある。このような推定は、結果としてバッテリパックの作動の状態（status）を示すものとして使用可能な１つ以上のパラメータを測定するように構成されたセンサ装置によって実行され得る。

一般に、バッテリパックの最適な特性を得ることが望ましい。従来、最適なバッテリ特性の要望は、バッテリセル均等化（equalization）と呼ばれるプロセスで達成可能であることが知られている。これは、時間の経過と共に、バッテリパックにおける各バッテリセルの電圧がセル間で異なってしまうためである。このようにセル間での平衡が損なわれると、バッテリ特性の劣化を生じる可能性があり、是正が必要となる。

現在、セル均等化に関するいくつかの異なる方法が存在する。このような方法の１つとして、バッテリセルに並列に接続された抵抗器を通じて、他のバッテリセルとの差が顕著なセル電圧又は充電状態（ＳｏＣ）を有するものと認められる選択されたバッテリセルを放電することが知られている。

米国特許出願公開第２０１３／２７８２１８号明細書は、バッテリセルと並列に配置された複数の抵抗器と、抵抗器に直列に構成された複数のスイッチとを含む多数のバッテリセルを平衡化する回路を開示している。制御回路は、バッテリセルの検出電圧に応じてスイッチを駆動するように構成されている。バッテリの動作寿命もまた考慮されている。

この方法の欠点は、均等化が実行されるバッテリセルスイッチの駆動により、バッテリセルから大量の漏洩電流が生じてしまうことにある。これにより、バッテリパック全体の効率が低下してしまう。

結果として、バッテリパックのセルを均等化する公知のシステムが存在するものの、バッテリパックからの漏洩電流を最小限に抑える必要性という形態での課題がある。このようにすることで、バッテリパックの一般性能を最適化することができる。

結果として、本発明は、従来の解決手段に関連する課題を解決し、バッテリパックからの漏洩電流及び電力損失（power losses）を低いレベルに抑えるように改良された、バッテリセルを平衡化する方法及びシステムを提供することを目的とする。

この目的は、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリパックを平衡化する方法であって、各バッテリセルが、バッテリセルに並列に接続された抵抗器に関連付けられており、抵抗器のそれぞれが、制御部に接続された制御可能スイッチ（controllable switch）に直列に接続されている、方法によって概ね達成される。この方法は、対応するバッテリセルの放電を開始するようにスイッチを選択的に開閉すること、これにより、バッテリセルをバッテリパックの他のバッテリセルとの関連で平衡化すること、を含む。また、この方法は、ａ）各スイッチの開閉状態を示す制御変数を規定するステップと、ｂ）少なくとも、スイッチが制御変数に応じて制御されることで生じるバッテリパックの電流損失（current losses）に基づいて損失（cost）を決定するステップと、ｃ）ステップａ）とステップｂ）とを所定回数繰り返すステップと、ｄ）損失を最小にする制御変数を選択するステップと、ｅ）選択した制御変数に基づいて平衡化を開始するステップとを含む。

本発明によると、特定の効果が得られる。第１に、バッテリセルそれぞれの漏洩電流による電力損失を最小限に抑えることができるように改善されたセル平衡化プロセスが得られると述べることができる。これにより、バッテリパックの性能が改善される。本発明によれば、また、継続的なセル平衡化プロセスによって、公知のシステムと比較して、有用なエネルギー容量を増やし、バッテリシステムの寿命を延ばすことが可能となる。このプロセスは、さらに、安価なハードウェア及びソフトウェアによって実現することができる。例えば、上述のスイッチは、低電流に対処することが必要なだけであり、したがって、小型且つ安価なものとなり得る。

一実施形態によると、この方法は、所定の（given）制御変数によって生じる電流損失と、バッテリパックの平衡状態との間の関係を規定する損失関数（cost function）を実行して（executing）最小化（minimizing）することにより損失を決定することを含む。一実施形態によると、この方法は、電流損失と、バッテリパック全体についての平衡状態の関数である値との和を、バッテリパックの各バッテリセルについて計算するステップと、バッテリパックの全てのバッテリセルのうち前記和が最小であるバッテリセルに基づいて制御変数を選択するステップとを更に含む。このようにして、低損失なセル平衡化プロセスを提供する目的を更に改善することができる。

さらなる実施形態によると、上述の制御変数は、いくつかの方法で規定され得る（上述のステップａ）を参照）。好適な代替例によると、例えば、所定の閾値を超える相対的に高い充電状態を示すバッテリセルのみを使用することによって規定される。これにより、適切な制御変数を選択するステップにおいて、ハードウェア及びソフトウェアにかかる負荷が低減される。漏洩セルの全ての可能な組み合わせを評価することは、演算の都合上、現実的ではない。例えば、バッテリセルがたったの８個であったとしても、可能な組み合わせは２５６個ある。結果として、最も高いＳｏＣを有するセルを漏洩させることのみによって問題を簡略化するアプローチを採る。漏洩セルの正確な数は、上述の損失関数を最小化することによって見つけられる。

上述の目的は、また、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリパックを平衡化するシステムであって、各バッテリセルが、バッテリセルに並列に接続された抵抗器に関連付けられており、抵抗器のそれぞれが、制御部に接続された制御可能スイッチに直列に接続されており、制御部が、対応するバッテリセルの放電を開始するようにスイッチを選択的に開閉することでバッテリセルをバッテリパックの他のセルとの関連で平衡化するように構成されている、前記システムによって達成される。また、制御部は、ａ）各スイッチの開閉状態を示す制御変数を規定し、ｂ）少なくとも、スイッチが制御変数に応じて制御されることで生じるバッテリパックの電流損失に基づいて損失を決定し、ｃ）前記ａ）と前記ｂ）とを所定回数繰り返し、ｄ）前記損失を最小にする制御変数を選択し、ｅ）選択した制御変数に基づいて平衡化を開始するように構成されている。

本発明のさらなる効果及び効果的特徴については添付の図面及び従属項に開示される。

以下、添付の図面を参照して本発明の一例としての実施形態についてより詳細に説明する。

本発明を使用可能なバスの形態をとるハイブリッド車両の概念図である。 本発明の一実施形態による車両用バッテリ管理システムの概念図である。 少数のバッテリセルがセル平衡化用に構成されていることを開示した実施形態の一例を示す概念図である。 本発明の一実施形態による動作を示すフローチャートである。 一実施形態の代替を示すフローチャートである。

以下、本開示の様々な態様について添付の図面を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本明細書に開示の方法及びシステムは、多数の異なる形態で実現可能であり、本明細書に記載の態様に限定されるものと理解されてはならない。

まず、図１を参照すると、クラッチ４を介して相互に接続された内燃機関２及び電気機械３を有する、いわゆる、プラグインハイブリッドタイプの、本実施形態によるバス１の形態をとる車両の簡略的な斜視図が示されている。内燃機関２及び電気機械３の両方を使用して、バス１を駆動することができる。

電気機械３は、ギアボックス５に接続され、さらにこのギアボックス５がバス１の後車軸６に接続される。公知であるため詳細には説明を行わないが、内燃機関２及び電気機械３は、後車軸６を駆動するために使用可能である。本実施形態によると、電気機械３は、電動モータと発電機とを組み合わせたものとして使用され、内燃機関２のスタータモータとしても適切に使用され得る。

バス１は、バッテリパック７ａを含む電気エネルギー貯蔵システム７を搭載しており、さらにこのバッテリパック７ａが、複数のバッテリセルを有する（詳細については図１には示さない）。さらなる詳細については後述するように、バッテリセルは、直列に接続され、所望の電圧レベルを有する出力ＤＣ電圧を提供する。好ましくは、バッテリセルは、リチウム−イオンタイプのものであるが、他のタイプのものが使用されてもよい。

エネルギー貯蔵システム７は、また、バッテリパック７ａの動作状態を示す１つ以上の所定のパラメータを測定するように構成されたセンサ部７ｂを含む。例えば、センサ部７ｂは、バッテリパック７ａの電圧と各バッテリセルのセル電圧とを測定するように構成可能である。さらに、センサ部７ｂは、バッテリ電流、すなわち、バッテリパック７ａの出力電流、又は、各バッテリセル若しくはバッテリパック７ａ全体の温度などの代替的パラメータを測定するように構成可能である。さらなる詳細については後述するように、センサ部７ｂによって測定されるパラメータは、バッテリパック７ａの状態を管理するために使用可能である。

一実施形態によると、エネルギー貯蔵システム７は、図１に示すように、バス１のルーフに配置される。エネルギー貯蔵システム７など、バス１の推進システムにおける上述したコンポーネントは、電気エネルギー貯蔵システム７及び他の関連する車両コンポーネントを制御するように構成された制御部８に接続される。

本開示は、バスの形態をとる車両１において使用されるバッテリパック７ａについて言及しているが、一般に、バッテリパックの状態を制御すること、特に、バッテリパックのセルの平衡化に関連し、事実上、少なくとも電気機械を用いることによって運転されると共に、多数のバッテリセルを有するバッテリパックを含むエネルギー貯蔵システムを有するあらゆる種類の車両に関連する。

バス１が特定のモードで運転されている間、バス１を運転するために電気機械３を使用することが好適である。これは、エネルギー貯蔵システム７が動力を電気機械３に伝達し、更にこの電気機械３が後車軸６を駆動することを意味する。バス１が他のモードで運転されている間、例えば、エネルギー貯蔵システム７の充電状態が電気機械３でバス１を運転するのに十分でないと判定される場合には、内燃機関２がクラッチ４及びギアボックス５を介して後車軸６に接続される。電気機械及び内燃機関を組み合わせ且つ車両を運転するのに使用可能とする方法は、一般に、従来から公知であるため、本明細書において詳細に説明しない。

バス１は、バス１のルーフに搭載された第１の電気コネクタエレメント９であって、好ましくは、パンタグラフ（pantograph）の形態をとる第１の電気コネクタエレメント９を含む。第１の電気コネクタエレメント９は、外部電源１１の一部を構成すると共に特定の電圧を有する充電電流を伝導するように構成されたオーバーヘッド導電体ワイヤの形態をとる第２の電気コネクタエレメント１０に接続されるように配置されている。このように、バッテリパック７ａを充電するために、オーバーヘッドワイヤ１０とパンタグラフ９との間の接続によって電流をエネルギー貯蔵システム７に供給することができる。

一実施形態によると、パンタグラフ９及びオーバーヘッドワイヤ１０は、バス１が停止している間、すなわち、バスターミナルの充電ステーション、バス停留所又はこれらと同様の場所のいずれかに位置している間、エネルギー貯蔵システム７を充電するように配置されている。電気貯蔵システム７を充電するためには、例えば、外部電源から電流を供給すると共に車両に配置された対応ソケットに接続された電気プラグを使用するなど、図１とは異なる種類のプロセスを実施可能であることに留意しなければならない。

以下、本発明の一実施形態の更なる詳細について、図２を参照して説明する。図２は、車両１のバッテリパック７ａ及びこれに関連するコンポーネントの簡略図である。図１に示される全てのコンポーネントが図２に示されているわけではない。

上述したように、一実施形態によると、バッテリパック７ａは、好ましくは、２００個規模のセルである多数のバッテリセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、…など（参照符号「Ｃ」でも示す）を有するが、この特定の数は変更可能である。一実施形態によると、バッテリセルは、リチウムイオンタイプであるが、本発明の原則は、他のタイプのバッテリセルにも同様に適用可能である。

バッテリパック７ａは、電気機械３に接続され、電気機械３を駆動する（さらにこの電気機械３が車両１を運転する）ように構成されている。さらに、バッテリパック７ａは、センサ部７ｂに接続され、このセンサ部７ｂが制御部８に接続されている。図２に示す実施形態において、センサ部７ｂは、バッテリパック７ａの状態を監視するように、すなわち、各バッテリセルＣの状態を監視するように構成されている。より詳細には、センサ部７ｂは、バッテリパック７ａに関する１つ以上の作動パラメータを測定するように構成されている。一実施形態によると、このような作動パラメータは、各バッテリセルＣの電圧Ｕである。結果として、センサ部７ｂは、各バッテリセルＣの端子電圧Ｕを測定し、測定した電圧値に関連する情報を制御部８に送信するように構成されている。これらの電圧値を使用して、制御部８の一部を構成する充電状態（ＳｏＣ）推定モジュール８ａを、バッテリパック７ａの充電状態（ＳｏＣ）、すなわち、バッテリセルＣそれぞれの充電状態を決定するために使用することができる。また、センサ部７ｂは、バッテリパック７ａの電流を測定するように構成されている。

以下、さらなる詳細について説明するように、制御部８は、また、バッテリパック７ａのセルＣを平衡化するように構成されたセル平衡化モジュール８ｂを含む。これを達成するために、ＳｏＣ推定モジュール８ａによって各セルＣのＳｏＣの推定値が生成され、セル平衡化プロセス中に使用される。本実施形態によると、実際のセル平衡化プロセス中には、各セルＣの電圧、バッテリ電流Ｉ及び各セルＣの抵抗Ｒの測定値も使用される。

図２は、また、車両の一部を構成する第１のコネクタ９と、外部電源１１の一部を構成する第２のコネクタ１０とを概略的に示している。結果として、バッテリパック７ａ、センサ部７ｂ及び制御部８が協働することで、バッテリセルＣの状態を監視してセル平衡化手順を実行するように構成されたバッテリ管理システム１２を構築している。

上述のように、バッテリパック７ａ及びそのバッテリセルＣの状態を、その充電状態（ＳｏＣ）及び劣化状態（ＳｏＨ）（state of health）などのパラメータで説明することができる。充電状態（ＳｏＣ）は、バッテリパック７ａの充電残量に対応するものであり、この理由から継続的に推定される。劣化状態（ＳｏＨ）については、各バッテリセルＣのセル容量（Ａｈ）を測定し、且つ、各バッテリセルＣの抵抗（Ω（ohms））を測定することによって、監視及び推定することができる。

以下、さらなる詳細について説明するように、本発明は、バッテリパック７ａのセル平衡化プロセスを制御する方法に関連する。このため、図３は、バッテリパック７ａの一部を構成すると共にセル平衡化プロセスを実行するように構成された多数のバッテリセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を示している。

図３は、３つのバッテリセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３のみを開示している。ただし、例えば、車両に使用されるバッテリパック７ａが多数のセルを有し、一般には、２００個規模のセルを有すること、及び、全てのセルが図３に示すものと同様に設計されていることは明らかである。しかしながら、簡略化のため、図３では、このようなバッテリセルＣを３つのみ示している。

図３に示す第１のバッテリセルＣ１は、バッテリセルＣ１と並列に接続された抵抗器（resistor）Ｒ１と共に配置されている。抵抗器Ｒ１の目的は、セル平衡化プロセス中、電流を抵抗器Ｒ１に通過させることである。これを達成するために、抵抗器Ｒ１は、制御可能スイッチＳ１に直列に接続されている。図３に示すように、スイッチＳ１は、制御部８（図２にも示されている）の一部を構成するセル平衡化モジュール８ｂに接続されている。このようにして、スイッチＳ１を、電流が抵抗器Ｒ１を通過可能な閉鎖状態と、電流が抵抗器Ｒ１を通過することのない開放状態とのいずれかに設定することができる。スイッチＳ１がその閉鎖状態に設定された場合、結果的に、漏洩電流ｉ_ｌｅａｋが生成される。この理由から、抵抗器Ｒ１を「漏洩抵抗器（leak resistor）」と称することができる。最初に説明したように、セル平衡化中、バッテリパックの全てのセル平衡化を改善するために、１つ以上の適切なスイッチが閉じられる。

図３における残りのバッテリセル、すなわち、セルＣ２、Ｃ３と、図３に示されていないバッテリパック７ａの他の全てのセルは、説明したセルＣ１と同様に、すなわち、抵抗器と、関連付けられたバッテリセルと並列に接続された制御可能スイッチとを有する回路で構成されている。結果として、各バッテリセルＣは、対応するスイッチＳが閉じられた場合に漏洩電流ｉ_ｌｅａｋを生成することができる。

全ての制御可能スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、セル平衡化モジュール８ｂに接続されている。また、各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の開放状態又は閉鎖状態は、詳細を後述するように、セル平衡化手順に関連する特定の作動条件（operating condition）に応じて設定される。

上述したように、バッテリパック７ａの作動状態（state of operating）を反映する少なくとも１つのパラメータの測定値が提供されるように、センサ部７ｂ（図１及び図２も参照）を配置することが望ましい。一実施形態によると、センサ部７ｂによって各バッテリセルＣの電圧Ｕの測定値が提供される。この理由から、図３に示すように、各バッテリセルＣがセンサ部７ｂに接続されて、各セルＣの電圧Ｕが測定される。

一実施形態によると、本発明によるバッテリ管理システム１２は、バッテリパック７ａの作動状態のインジケータとして、バッテリ電圧以外のパラメータを測定するように構成されてもよい。単なる例示として、このようなパラメータは、バッテリ電流Ｉ、バッテリ温度Ｔ又は各セルＣの抵抗Ｒであってよい。これら全てのパラメータは、バッテリパック７ａの状態とセル平衡化プロセスとを制御するために使用可能である。

本開示によると、バッテリパック７ａのセル平衡化方法が提案されている。セル平衡化プロセスを実行するための主な理由は、バッテリパック７ａの性能及び特性の一般的水準を改善することである。まず、セル平衡化の原則について図３を参照して説明する。

上述したように、バッテリパック７ａの各セルＣ１〜Ｃ３は、対応するバッテリセルＣ１〜Ｃ３と並列に接続された抵抗器Ｒ１〜Ｒ３（図３に示される）に関連付けられている。また、各抵抗器Ｒ１〜Ｒ３は、制御部８に接続された制御可能スイッチＳ１〜Ｓ３と直列に接続されている。一実施形態によると、セル平衡化プロセスは、対応するバッテリセルＣ１〜Ｃ３を放電させるように、すなわち、スイッチを閉じることで漏洩電流ｉ_ｌｅａｋが関連する抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を通って流れるように、各スイッチＳ１〜Ｓ３を開閉可能であるという原則に基づいている。このようにして特定のバッテリセルを放電することにより、当該バッテリセルは、その充電状態（ＳｏＣ）を変化させられる。例えば、他のセルよりも大幅に高いＳｏＣを有するセルを平衡化することにより、又は、他のセルよりも大幅に高いセル電圧を有するセルを平衡化することにより、バッテリパック７ａ全体が、より高いレベルのセル平衡化を引き起こす状態となり得る。上述したように、このようにしてバッテリパック７ａの性能が改善される。

セル平衡化モジュール８ｂを含む上述のハードウェアは、セル平衡化プロセスを引き起こす全てのバッテリセルＣの漏洩電流を管理するように構成されている。漏洩電流ｉ_ｌｅａｋは、対応するスイッチＳがその閉鎖位置にあるときにのみ生じる。

一実施形態によると、特定のセル平衡化アルゴリズムが用いられる。このアルゴリズムは、漏洩電流を生成すべき１つ以上の特定のバッテリセルを選択することを目的とするものである。このように漏洩電流を制御することにより、すなわち、スイッチＳ１〜Ｓ３の開閉を制御することにより、漏洩電流により生じる電流損失とバッテリセルの不均衡（imbalance）との間での最適な平衡を得ることができる。換言すると、一実施形態によるアプローチは、電流損失とバッテリセルの不均衡との間で最適な平衡を見出すように漏洩電流を制御することである。本明細書中で使用する「最適な平衡（optimal balance）」という用語は、１つ以上のスイッチＳを閉じることで生じる電流損失が最小限に抑えられる状態をいう。さらなる実施形態によると、１つ以上のスイッチＳを閉じることで生じる総電力損失とバッテリパック７ａの平衡状態（ＳｏＢ）（state of balance）との和が最小となる。

以下、上述のアルゴリズムについて、セル平衡化プロセスを示すフローチャートである図４を参照して説明する。まず、図４で参照符号１３によって示されるように、各バッテリセルＣの電圧Ｕとバッテリ電流Ｉがセンサ部７ｂによって測定される。このようにして、各バッテリセルＣの充電状態ＳｏＣを決定することができる（図４のステップ１４）。

セル平衡化プロセスの次のステップは、特定の「損失関数（cost function）」を規定すること（ステップ１５）であり、これは、漏洩電流が流れ始めたことによる全損失の形態をとる、セル平衡化プロセスに関連して想定される「損失（cost）」に対応する。損失関数は、セル平衡化プロセスの効率を最大化するために、最小化されるべきものである。これが式（１）ｍｉｎ ｃｏｓｔ（ｕ）に対応する。
ここで、ｕという項は、ベクトルの形態をとる制御変数に対応し、より詳細には、Ｎ_{ｃｅｌｌｓ}ビット、すなわち、バッテリセルの総量と同数のビット数を有するバイナリ列（binary string）に対応している。制御変数ｕにおいて、数字「１」は、第１のセルにおいてスイッチを閉じたこと（これにより漏洩電流が生成される）に対応し、数字「０」は、さらなるセルにおいてスイッチを開いたこと（いかなる漏洩電流も生成されない）に対応している。

図３に開示され簡略化した例において、全てのスイッチＳ１〜Ｓ３が（図３に実際に示されているように）開かれていると仮定すると、これはｕ＝０００の制御変数に対応している。

一方、第２スイッチＳ２が閉じられているセル平衡化プロセスが開始されると仮定した場合には、制御変数はｕ＝０１０となる。

上述の実施形態は非常に簡略化した例であり、そして、実際にはバッテリセルの数は２００個程度であり、このことは、制御変数が多数の組み合わせに対応し得ることを意味している。

結果として、制御変数ｕは、バッテリパック全体に対する平衡を高いレベルで実現するために、１つ以上のバッテリセルが平衡されるべきである（ステップ１５）という想定に基づいて規定される。制御変数ｕ中の各ビットは、特定のバッテリセルのスイッチがオンされるべきか、又は、オフされるべきかを決定するものである。このことは、電流が漏洩しているセルを規定するために、セル平衡化モジュール８ｂ（図２及び図３を参照のこと）が制御変数を使用可能であることを意味する。換言すると、バイナリ列は、スイッチＳのうちセル平衡化中に閉じるべきスイッチ（１つ以上）を制御する「平衡指示」ベクトルである。

所定の制御変数ｕについて、上述の損失関数は最小化されるべきである。この損失関数は、式（２）によって定義される。

ここで、電力損失（power losses）Ｐ_{ｌｏｓｓｅｓ}は、式（３）を用いて記述され得る。

電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓｅｓ}は、特定の電流Ｉ_Ｒｂが対応する抵抗器Ｒ_ｂを流れることで生じる各セルからの損失の和に対応している。また、損失関数は、ＳｏＢ、すなわち、平衡状態という、バッテリセルがいかに良好に平衡されているかを規定する項を含む。ＳｏＢの値が低いほど、平衡状態は良好である。このことは、式（４）ＳｏＢ＝ｍａｘ（ＳｏＣ）−ｍｉｎ（ＳｏＣ）に規定される。

これは、ＳｏＢがバッテリセルのそれぞれについての最も高いＳｏＣ値と最も低いＳｏＣ値との間の差であることを意味する。

損失関数は、また、式（５）によって定義可能な項εをさらに含む。

式（５）は、閾値であるＳｏＢ_ｔａｒの項を含む。より詳細には、ＳｏＢの値がこの閾値ＳｏＢ_ｔａｒ以下の場合、εの項は０である。このような場合、バッテリパックを平衡化するのにいずれの漏洩電流も生成されない。ＳｏＢ_ｔａｒの実際の値は、好ましくは、数パーセントであり、特定の僅かな測定誤差及びこれと同様なバラツキを許容するために選択される。また、Ｐ_{ｌｏｓｓｍａｘ}及びαの項は、ＳｏＢと共にεの項がどのように変化するかを規定するために使用される。

一実施形態によると、損失関数は、結果として、（漏洩電流の結果として生じる）総電力損失と、平衡状態（ＳｏＢ）に応じて決まるεの項との和を記述している。また、セル平衡化プロセスが、損失関数を最小化するステップ、すなわち、所定の制御変数について電流損失とバッテリパック（７ａ）の平衡状態との和を最初に決定し、その後、損失関数を最小化する制御変数を選択するステップ（図４のステップ１６を参照）を含むことは、本実施形態の重要な原則である。そして、セル平衡化プロセス中、この特定の制御変数が使用され（ステップ１７）、すなわち、バッテリセルのスイッチのうち開閉すべきスイッチ（１つ以上）を制御するためのセル平衡化プロセス中にセル平衡化モジュール８ｂによって制御変数ｕの一部を構成するビット列（bit string）が使用される。

バッテリパックを平衡化するプロセスは、選択された制御変数に基づくものであり、所定の漏洩電流が予め定められた期間生成されることを意味する。この時間の経過後、十分なＳｏＢに達してセル平衡化を完了可能か否かが確認される（ステップ１８）。完了可能でない場合、上述の損失関数を最小化する要件を満たす新たな制御変数が選択されるようにプロセスが繰り返される。ＳｏＢが目標値に達した場合、セル平衡化プロセスを終了する（ステップ１９）。

制御変数の組み合わせの数は、２^{Ｎｃｅｌｌｓ}であることに留意しなければならない。例えば、２００個のセルなど、多数のバッテリセルを有するバッテリでは、２^{Ｎｃｅｌｌｓ}という数は非常に大きい。このような場合、結果として、スイッチ設定の適切な組み合わせ（すなわち、適切な制御変数ｕに対応する）の選択が可能となるまでは、セル平衡化モジュール８ｂによって評価されるスイッチ設定の組み合わせの数は非常に多い。このことにより、ハードウェア及びソフトウェアを使用することが強く求められる。この理由から、さらなる実施形態によれば、損失関数を最小化する制御変数ｕを見つけるステップ（図４のステップ１６）をいくつかのやや簡略化された方法で実行することができる。以下、好適な解決策について説明する。

相対的に高いＳｏＣを有するセルのみを選択可能なビット列を有する多数の制御変数を選択することは、好適な解決策である（ステップ１５ａ）。

好適な解決策は、各セルのＳｏＣに応じてバッテリセルを分類する第１のステップを含む。これは、どのセルが最も高いＳｏＣを有しているか、どのセルが２番目に高いＳｏＣを有しているか、どのセルが３番目に高いＳｏＣを有しているかなどを規定するリストを提供することを意味している。このステップは、図５において１５ａ１で示される。

次に、カウンタｎが０に設定される（ステップ１５ａ２）。その後、制御変数ｕが規定され、バッテリセルのいずれもが漏洩のために作動しない場合についての、前述の損失関数が決定される。これは、ｎ＝０が選択されたことに対応する（ステップ１５ａ３を参照）。この段階で、損失関数が「最良の損失（bestcost）」と称する所定値未満であるか否かを判定する（ステップ１５ａ４を参照）。

その後、カウンタを１ずつ増やし（ステップ１５ａ５を参照）、セルの組み合わせと、最も高いＳｏＣを有する２つのセル（すなわち、ｎ＝２）が漏洩のために作動可能であることを示す制御変数とについて、損失関数の値が求められる。

漏洩の対象となるセルの数が所定の最大値Ｎ_{ｍａｘｌｅａｋｉｎｇｃｅｌｌｓ}未満である場合には、ステップ１５ａ３に戻って、最も高いＳｏＣを有するセルの数に対応する新たな制御変数を選択することによりプロセスが繰り返され、ここで、このセルの数は、上述の変数ｎに対応している。

漏洩の対象となるセルの数が最大値Ｎ_{ｍａｘｌｅａｋｉｎｇｃｅｌｌｓ}に達し、且つ、ｎ＝０からｎ＝Ｎ_{ｍａｘｌｅａｋｉｎｇｃｅｌｌｓ}までの制御変数について損失関数の値が求められたときに損失関数が評価される。漏洩の対象となるセルの数がＮ_{ｍａｘｌｅａｋｉｎｇｃｅｌｌｓ}に達したとき、システムは、セル平衡化手順を開始するために使用される制御変数として、損失関数を最小化する（漏洩の対象となる特定の数ｎのバッテリセルを有する）制御変数を選択する段階（ステップ１５ａ７）に達する。

このプロセスにより、対応するスイッチを閉鎖位置に設定可能なバッテリセルの数が制限される。このことは、また、制御変数ｕのビット列について可能な組み合わせの数が大きく低減されること、すなわち、漏洩に適したバッテリセルが相対的に高いＳｏＣレベルを有するもののみであることを意味する。これにより制御変数ｕの規定ステップが簡略化される。

式（２）におけるεの項、ε（ＳｏＢ（ｔ＋ｄｔ））は、柔らかい拘束（soft constraint）であるとみなすことができる。ＳｏＢ＜ＳｏＢ_ｔａｒの場合、ここで、ＳｏＢ_ｔａｒの項が閾値、すなわち、バッテリパックにおける平衡の所望のレベルに対応する場合、スイッチを全て開くことが最適な制御であり、すなわち、漏洩電流が生成されないことを意味する。

ＳｏＢ＞ＳｏＢ_ｔａｒの場合、ＳｏＢを低減するために漏洩電流が生成される。そして、上述し、図４に示した原則が適用される。漏洩電流による損失の総量を最小限に抑えるためには、バッテリパックにおいて最小数のスイッチのみを閉じることが重要である。ここで、「平衡損失（balance cost）」（すなわち、特定の平衡状態を得るための損失）ということができる。

ＳｏＢ＞＞ＳｏＢ_ｔａｒの場合、εの項は、式（２）の因数Ｐ_{ｌｏｓｓｅｓ}よりもかなり大きくなるであろう。結果的に、セルを高度に平衡化する全ての努力がなされるであろう。

本発明は、上述し、図面に示される実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば、添付の特許請求の範囲を逸脱しない範囲で、多くの変更及び改変が可能であることが理解されるであろう。

Claims (13)

1. 直列に接続された複数のバッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）を有するバッテリパック（７ａ）であって、各バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）が前記バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）に並列に接続された抵抗器（Ｒ１〜Ｒ３）に関連付けられており、前記抵抗器（Ｒ１〜Ｒ３）のそれぞれが制御部（８）に接続された制御可能スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）に直列に接続されている、前記バッテリパック（７ａ）を平衡化する方法であって、
   対応するバッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）の放電を開始するように前記スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）を選択的に開閉すること、
   これにより、前記バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）を前記バッテリパック（７ａ）の他のバッテリセルとの関連で平衡化すること、を含み、
   ａ）各スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）の開閉状態を示す制御変数（ｕ）を規定するステップ（１５）と、
   ｂ）少なくとも、前記スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）が前記制御変数に応じて制御されることで生じる前記バッテリパック（７ａ）の電流損失に基づいて損失を決定するステップと、
   ｃ）前記ステップａ）と前記ステップｂ）とを所定回数繰り返すステップと、
   ｄ）前記損失を最小にする制御変数を選択するステップ（１６）と、
   ｅ）選択した前記制御変数に基づいて前記平衡化を開始するステップ（１７）と、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 所定の制御変数によって生じる前記電流損失と、前記バッテリパック（７ａ）の平衡状態（ＳｏＢ）との間の関係を規定する損失関数を実行して最小化することにより前記損失を決定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記電流損失と、前記バッテリパック（７ａ）全体についての前記平衡状態（ＳｏＢ）の関数である値との和を、前記バッテリパック（７ａ）の各バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）について計算するステップと、
   前記バッテリパック（７ａ）の全てのバッテリセルのうち前記和が最小であるバッテリセルに基づいて前記制御変数を選択するステップと、を更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記バッテリパック（７ａ）の最も高い充電状態（ＳｏＣ_ｍａｘ）を有するバッテリセルと、前記バッテリパック（７ａ）の最も低い充電状態（ＳｏＣ_ｍｉｎ）を有するバッテリセルとの間の差に基づいて前記平衡状態（ＳｏＢ）を計算するステップを更に含む、請求項２又は請求項３に記載の方法。
5. 各ビットが前記バッテリパック（７ａ）の対応するスイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）の状態を示すバイナリベクトルの形態をとる前記制御変数（ｕ）を規定するステップ（１５）を更に含む、請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記ステップａ）において、相対的に高い充電状態（ＳｏＣ）を示すバッテリセルのみを用いることにより、前記制御変数（ｕ）を規定するステップ（１５ａ）を更に含む、請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の方法。
7. 直列に接続された複数のバッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）を有するバッテリパック（７ａ）を平衡化するシステムであって、各バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）が、前記バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）に並列に接続された抵抗器（Ｒ１〜Ｒ３）に関連付けられており、当該抵抗器（Ｒ１〜Ｒ３）のそれぞれが、制御部（８）に接続された制御可能スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）に直列に接続されており、前記制御部（８）が、対応する前記バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）の放電を開始するように前記スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）を選択的に開閉することで前記バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）を前記バッテリパック（７ａ）の他のバッテリセルとの関連で平衡化するように構成されており、
   前記制御部（８）は、ａ）各スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）の開閉状態を示す制御変数（ｕ）を規定し（１５）、ｂ）少なくとも、前記スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）が前記制御変数に応じて制御されることで生じる前記バッテリパック（７ａ）の電流損失に基づいて損失を決定し、ｃ）前記ａ）と前記ｂ）とを所定回数繰り返し、ｄ）前記損失を最小にする制御変数を選択（１６）し、ｅ）選択した前記制御変数に基づいて前記平衡化を開始する（１７）ように構成されていることを特徴とする、システム。
8. 前記制御部（８）は、選択した前記セルの前記電流損失と前記バッテリパック（７ａ）の平衡状態（ＳｏＢ）との間の関係を規定する損失関数を実行して最小化するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記制御部（８）は、
   前記電流損失と、前記バッテリパック（７ａ）全体についての前記平衡状態（ＳｏＢ）の関数である値との和を、前記バッテリパック（７ａ）の各バッテリセル（Ｃ１〜Ｃ３）について計算すると共に、関連するスイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）を閉じるべきバッテリセルであって、前記バッテリパック（７ａ）の全てのバッテリセルのうち前記和が最小である前記バッテリセルを選択するように構成されたセル平衡化モジュール（８ｂ）を含む、請求項８に記載のシステム。
10. 請求項７〜請求項９のいずれか一つに記載のバッテリパック（７ａ）を平衡化するシステムを含む、車両（１）。
11. コンピュータで実行されるとき、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載のステップを実行するためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
12. コンピュータで実行されるとき、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載のステップを実行するためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを保持するコンピュータ可読媒体。
13. バッテリパック（７ａ）を平衡化する制御部（８）であって、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の方法のステップを実行するように構成されている、制御部。