JP7123807B2 - セルバランシング方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は一般に、電池システムにおけるセルバランシングのためのシステムおよび方法に関し、より具体的には、異なる条件下でのセルバランシングを最適化するためにアクティブおよびパッシブセルバランシングの組み合わせを適用するようなシステムおよび方法に関する。

セルバランシングシステムおよび方法は、電池管理の技術分野において知られており、このようなシステムおよび方法は、たとえば電気自動車で動作するように設計された、中規模および大規模な電気化学貯蔵システムで必要とされるものなど、多数のセルからなる電池の性能の最適化において、不可欠である。

このようなシステムおよび方法の主な目的は、電池の全てのセル間で均質な条件を維持し、こうして効率、貯蔵エネルギー、および寿命の点で最適な動作を可能にすることである。電池パックの所望の動作電圧に達するために、電池は直列に接続される。完全にセルのバランスが取れている場合、合計電圧はセルごとに均等に分割される。しかしながら、実際には、セルはアンバランスになる。セルバランシングプロセスは、チェーン内の全てのセルの充電を均等化し、こうして電池容量を増加させる。最大充電は最高セル電圧によって制限され、最大放電は最低セル電圧によって制限されるので、このプロセスが必要である。その使用は、ほとんど全ての技術において望ましく（唯一の例外はレドックスフロー技術である）、イオンリチウム電池のように場合によっては不可欠である。

充放電サイクルの間、直列ストリングの電池は均等に動作しない場合がある。電池は、とりわけその内部抵抗を特徴とし、これは任意のタイプの電池セルの特定の許容限界内で変化し得る。より効率的なセルを有する（すなわち、比較的低い内部抵抗を有するセルを有する）電池はより高い電圧を有する傾向があり、効率の低いセルを有する電池は電圧が低いままとなる。一旦アンバランスが生じると、これはさらなる使用によって増大する傾向がある。したがって、電池を充電するときには、他のものよりもずっと早くフル充電に達するものもある。同様に、より弱いセルは、パック内の他のものよりもずっと早く放電する傾向がある。これは、ほとんどのセルの不十分な利用につながる。要約すると、これらのアンバランスな電池がセル均等化などの制御がなされないまま使用されていると、エネルギー貯蔵容量が著しく減少する。

直列接続されたバッテリストリングは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電動スクータ、および無停電電源など、多くの用途に使用されてきた。これらのうち、ＨＥＶ電池は充放電環境に激しく曝される。この曝露が生じるのは、ＨＥＶが回生制動中にホイールからエネルギーを回収し（過去に無駄になったエネルギー源）、車両を低速で推進するために、または高加速用に余分な電力を提供するために、これを再利用できるからである。この繰り返される充放電現象は、セルのミスマッチ問題を悪化させる。

セル間のアンバランスは、電圧またはＳＯＣ（充電状態）の観点から定義されることが可能である。その性質上、前述されたように、修正措置が講じられないまま、たとえばセルの内部抵抗によるアンバランスは、時間が経過して電池上で充放電サイクルが実施されるにつれて増加し、これにより、他のものが有効なＳＯＣを有している間に１つ以上の素子が過充電または過放電の状態に到達する事態を招く可能性があるこれらの極端な状況は、他の内部要因とともにシステム全体の早期故障を引き起こす可能性のある、電池の著しい劣化を招く可能性がある。アンバランスおよび劣化の両方が生じる過酷さおよび速さは、以下のような要因に大きく依存する。
・プロセス技術：とりわけ鉛またはＮｉＣｄなどのいくつかの技術は、一定レベルの過充電および／または過放電に耐えられる。これらの技術の中には、電池のバランシングを定期的に実現するために、わずかな過充電プロセスが使用されるものさえある。しかしながら、リチウムイオンなどの他の技術は、電池を損傷し、その寿命を短縮し、危険な状況を引き起こす可能性さえある、過充電または過放電状態にまったく耐えられない。
・電池使用サイクル：充放電電流および温度の全体的なＳＯＣ変動に応じて、アンバランスのプロセスは大幅に変化する可能性がある。たとえば、わずかな過充電が強制される技術では、１００％の充電負荷を提供しない不完全な充電サイクルの使用は有害である。

いずれにせよ、電池システムを構成する全てのセル間のバランスを回復する仕組みを確立する必要がある。過充電によるバランシングを許容する技術の場合であっても、これらはシステムの効率および寿命の延長の両方に関して有益である。

この意味では、特定のサイズ（直列接続された素子の数）の電池システムにおいて、バランシング技術を使用することが望ましい（または必要でさえある）。均等化システムを使用することによって得られる利点は、（ｉ）電池システムの寿命の延長；（ｉｉ）電池システムの効率の向上；（ｉｉｉ）電池システムの使用可能なエネルギーの増加；および（ｉｖ）電池システムの動作安全性の向上を含む。

したがって、全ての現実的な動作条件下で最適なセルバランシングを提供するセルバランシングシステムおよび方法へのアクセスを有することが望ましい。

上記およびさらなる目的および利点は、本発明にしたがって、セルバランシングシステムおよびセルバランシング方法によって得られるものであり、システムおよび方法は、アクティブおよびパッシブセルバランシングの組み合わせを適用する。

アクティブセルバランシングは、セルエネルギーの熱としての散逸が回避されるべきときに適用する方法である。アクティブセルバランシングは、パッシブセルバランシングよりも効率的であり、熱の発生を生じないため、パッシブバランシングよりも高いバランシング電流を適用できるようにする。

通常の使用中、任意のモジュール内で最も放電されたセルは、それらの特定のモジュールからエネルギーを得るようにバランスが取られる。

特定のモジュールが低い充電状態（ＳＯＣ）にあるとき、アクティブセルバランシングは、特定のモジュールの平均を下回るＳＯＣを有するセルのＳＯＣを平均値まで引き上げることによって、その特定のモジュールに貯蔵されたエネルギーを利用するのに役立ち、このようにして、最低ＳＯＣフロアに到達するたった１つのセルによって制限される代わりに、ほとんど全てのセルに対して許容される最低ＳＯＣまでモジュール全体を放電させる。

充電プロセスの終盤の間、ＳＯＣ平均値を下回る１つまたは少数のセルがある場合には、アクティブバランシングが使用されることも可能である。

パッシブセルバランシングは、たとえば、（少なくとも）以下の状況において有利に適用され得る。
充電プロセスの終盤の間、モジュールのＳＯＣ平均値を超える１つまたは少数のセルのＳＯＣを減少させ、その後最大可能なＳＯＣで全てのセルの充電プロセスを終了するために、パッシブバランシングが使用可能である。充電プロセス中に、比較的少数のセルのみが不十分に充電された場合には、それらの充電状態を迅速に引き上げるために、アクティブバランシングが適用可能である。反対に、比較的少数のセルが最大許容充電状態を超えて充電された場合には、パッシブバランシングが有利に適用され得る。

本発明の第１の態様によれば、上記およびさらなる目的および利点は、
電池セルモジュール内の個々のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）にわたって電圧または関連する量を監視するように構成された、セル監視ブロックと、
電池セルモジュールの正端子電圧および負端子電圧を監視するように、ならびにモジュールの出力電流Ｉ_ｍｏｄおよび個々のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）の監視されたセル電圧を監視するために構成された、マイクロコントローラであって、マイクロコントローラは、少なくとも正端子電圧、負端子電圧、モジュールの出力電流Ｉ_ｍｏｄ、および前記個々のセルの監視されたセル電圧に基づいて制御信号を提供するように構成されている、マイクロコントローラと、
マイクロコントローラによって提供された制御信号の制御下で、特定のモジュール内のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）のアクティブまたはパッシブのセルバランシングまたはアクティブおよびパッシブのセルバランシングの組み合わせのいずれかを提供するように構成された、ハイブリッドモジュールバランシングブロックと、
を備えるシステムによって提供される。

本発明の第１の態様の一実施形態において、ハイブリッドモジュールバランシングブロックは、
制御信号の制御下で特定のモジュール内の個々のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）のうちの１つ以上にアクティブまたはパッシブまたはアクティブおよびパッシブのバランシングの組み合わせを提供するように構成された、スイッチングアレイと、
制御信号の制御下でパッシブのバランシングを提供するように構成された、パッシブセルバランシング手段と、
制御信号（２０）の制御下でアクティブのバランシングを提供するように構成された、アクティブセルバランシング手段と、
を備える。

本発明の第１の態様の一実施形態において、システムは、特定のモジュールの正端子と負端子との間に結合されたパッシブモジュールバランシング手段を備える。

本発明の第１の態様の一実施形態において、アクティブセルバランシング手段はフライバックＤＣ／ＤＣコンバータである。

本発明の第１の態様の一実施形態において、パッシブセルバランシング手段は、たとえばＭＯＳＦＥＴなど、スイッチと直列の抵抗器である。

本発明の第１の態様の一実施形態において、パッシブモジュールバランシング手段は、たとえばＭＯＳＦＥＴなど、スイッチと直列の抵抗器である。

本発明の第１の態様の一実施形態において、フライバックＤＣ／ＤＣコンバータは、モジュールのセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）の全てから電力を抽出し、その他のセルとのバランスが取れるまで最も放電したセルのバランスを取るために制御された電流を注入する。

本発明の第１の態様の一実施形態において、制御された電流は一定である。

本発明の第１の態様の一実施形態において、マイクロコントローラは、電池の全体的な性能を管理する電池管理システム（ＢＭＳ）内のマイクロコントローラである。

本発明の第１の態様の一実施形態において、アクティブのバランシングが電池を作り上げるモジュール内に適用され、その一方でパッシブのバランシングが電池を作り上げるモジュール間に適用される。

本発明の第１の態様の一実施形態において、システムは、電池内のモジュールの充電状態（ＳＯＣ）または電圧を監視するモジュールＳＯＣ監視手段または電圧監視手段を備え、２つ以上のモジュール間でＳＯＣまたは電圧の間のアンバランスが検出されたときに、電池内の２つ以上のモジュール間のパッシブのバランシングが行われる。

本発明の第１の態様の一実施形態において、電池内の２つ以上のモジュール間のパッシブのバランシングは、ハイブリッドモジュールバランシングブロックまたは電池管理システム（ＢＭＳ）によって制御される。本発明の第２の態様によれば、複数のセルを備える少なくとも１つのモジュールを備える電池内の電池セルバランシングのための方法が提供され、方法は、充電プロセスが進行中であるか否かを判断するステップと、
モジュール（Ｍ１）を選択するステップと、
前記モジュール（Ｍ１）のセル間にアクティブのセルバランシングを適用するステップと、
１つ以上のセルが所定の上限を超えて充電されているか否かを判断するステップと、
１つ以上のセルが所定の上限を超えて充電されている場合に、その充電を前記上限またはそれ未満の値に減少させるためにこのまたはこれらのセルにパッシブのセルバランシングを適用するステップと、
前記モジュール（Ｍ１）内の全てのセルが充電されたときに、電池内にさらなるモジュール（Ｍ２、Ｍ３、…）があるか否かを判断し、これが該当する場合には残りのモジュール（Ｍ２、Ｍ３、…）のために上記ステップを繰り返す、ステップと、
電池の全てのモジュールが充電されていたら、電池内のそれぞれのモジュールの充電状態、または類似のパラメータの間にアンバランスがあるか否かを判断し、これが該当する場合には、モジュール間の前記アンバランスを要求されるレベルに低減するために、それぞれのモジュール間にパッシブのまたはアクティブにバランシングのいずれかを適用するステップと、
を備える。

本発明の第２の態様の一実施形態において、アクティブのバランシングが電池を作り上げるモジュール内に適用され、その一方でパッシブのバランシングが電池を作り上げるモジュール間に適用される。

本発明の第２の態様の一実施形態において、充電状態（ＳＯＣ）または電圧は、電池内の２つ以上のモジュールのＳＯＣまたは電圧を監視する監視手段によって監視され、２つ以上のモジュールの間でＳＯＣまたは電圧間のアンバランスが検出されたときに、電池内の２つ以上のモジュール間のパッシブのバランシングが行われる。

本発明のさらなる特徴は、本発明の以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

本発明のさらなる恩典および利点は、以下の添付図面と併せて本発明の比限定的な例示的実施形態の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。

本発明によるセルバランシングシステムの一実施形態を示す図である。 本発明による方法の一実施形態の基本ステップを示すフローチャートである。 本発明の実施形態で使用される絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の実施形態で使用される絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるフライバック制御ブロックを示す図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の実施形態で使用されるＨｅｒｃｕｌｅｓマイクロコントローラとのインターフェースの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 本発明の一実施形態で使用されるデマルチプレクサを備えるリレー選択回路の回路図である。 １６個のセルモジュールに対するシミュレーション結果のグラフである。 ８個のセルモジュールに対するシミュレーション結果のグラフである。

本発明によるセルバランシングシステムの比限定的な実施形態が、以下に詳細に記載される。しかしながら、本発明は他の方法で実施されてもよく、本発明のこのような実施形態の全てが特許請求項によって定義される保護範囲に含まれることは、理解される。

様々なパラメータなどについて特定の数値が以下に挙げられるものの、このような特定の数値は単なる例示と見なされるべきであり、その結果としてこれらは特許保護の範囲を限定するものではないことは、明らかである。

図１を参照すると、アクティブおよびパッシブセルバランシングの組み合わせを適用するための手段を備える、参照番号１で全体的に示される、本発明によるセルバランシングシステムの一実施形態が示されている。

図１に示されるシステムは、図示される実施形態において１０個のセルＣ１、Ｃ２、…、Ｃ１０の直列接続を含む電池モジュールを備える。当然ながら、異なる数のセルがモジュール内にあってもよく、本発明の原理はそのようなモジュールにも等しく適用されることは、理解される。

図１に示される実施形態の説明では用語「モジュール」が繰り返し使用されているが、本発明は、電池全体を構成する１つ以上の物理的モジュールに限定されるものではないことが、さらに理解される。したがって、電池は、特定のモジュールへのいかなる細分も伴わずに直列で結合された多数のセルを単純に備えることができ、またはモジュールは単純に、電池内の任意の数のセルの架空の細分であってもよい。このように、用語「モジュール」への言及は、本発明の範囲に対する制限を示唆するものではない。

システムは、スイッチングアレイ４と、ＭＯＳＦＥＴなど、制御可能なスイッチ６を通じて作動可能な抵抗器５などのパッシブバランシング手段と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７などのアクティブバランシング装置と、を備えるハイブリッドモジュールバランシングブロック３を備える。

モジュール全体にわたって結合されて、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ９を通じて作動可能な抵抗器８などの、モジュールパッシブバランシング手段がさらに結合されている。

スイッチングアレイ４、セルパッシブバランシング手段５および６、ＤＣ／ＤＣコンバータ７、ならびにモジュールパッシブバランシング手段８および９は、制御線２０から２５で象徴的に示されるように、適切な制御信号によって制御される。

それぞれのセルＣ１からＣ１０にかかる電圧は、図示される実施形態において、セル電圧測定線Ｖｃｅｌｌｓを通じてそれぞれのセルの端子に接続された２つのＡＳＩＣ１６および１７を備えるセル監視ブロック１５によって、測定される。

本発明のこの実施形態によるシステムの性能を最適化し、バランシング電流を最大化してバランシング時間を短縮するために、フライバックコンバータは、電池管理システム（ＢＭＳ）内の主マイクロコントローラから制御されることが可能である。このようなマイクロコントローラの一例は、テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社製のＨＥＲＣＵＬＥＳ ＭＣＵ ３２ビットＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ Ｒ４である。本発明によるシステムおよび方法は、ＢＭＳ主マイクロコントローラ内で実施されることが可能であるが、代わりに別個のマイクロコントローラ内で実施されることも可能である。制御マイクロコントローラは、図示される実施形態では参照番号１８で指定され、シリアル周辺インターフェースＳＰＩを通じてセル監視ブロック１５内のＡＳＩＣ１６および１７と接続されている。

マイクロコントローラ１８は、信号線１２を介して正のモジュール電圧Ｖｍｏｄ_＋を示す信号を、信号線１３を介して負のモジュール電圧Ｖｍｏｄ_－を示す信号を、受信する。さらに、マイクロコントローラ１８は、信号線１１を介してモジュールからの出力電流Ｉｍｏｄ２６を示す信号を受信する。出力電流２６は、２５で象徴的に示される適切な手段によって測定される。マイクロコントローラ１８は、とりわけこれらの信号に基づいて、制御信号２０をバランシングシステムの様々な機能ブロックに、すなわち制御信号２１、２２、２３、および２４に供給する。

本発明の図示される実施形態で使用されるこのスイッチドＤＣ／ＤＣコンバータは、「モジュール・トゥ・セル」トポロジーに基づいており、余分な費用をかけ過ぎずに、バランスを取りながら各セルに注入される電流を監視できるようにし、こうしてバランシングプロセスの間に注入される電流を考慮して、より良いＳＯＣを得られるようにする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、全てのモジュールセル（図１に示される実施形態ではＣ１からＣ１０）から電力を抽出し、他のセルとのバランスが取れるまで最も放電したセルのバランスを取るために、制御された定電流（ＣＣ）を注入する、絶縁フライバックコンバータである。最も放電したセルとの絶縁フライバックコンバータの接続は、リレーのアレイ４によって行われ、危険な短絡を回避するために同時に１つしか切り替えられない。

本発明の実施形態で使用可能なＤＣ／ＤＣコンバータの設計は、以下にある程度詳細に記載される。コンバータは上述のように、望ましければ、たとえばＨＥＲＣＵＬＥＳマイクロコントローラに実装されることが可能である。

コンバータ制御は、バランシング電流を測定する（および制御用のフィードバックループを閉じる）ためのアナログ信号と、ＰＷＭデジタル出力と、バランシングを必要とするセルにＤＣ／ＤＣコンバータを接続するスイッチを作動させるためのセルごとのデジタル出力（外部デマルチプレクスシステムを用いて構築）とを必要とする。

本発明の一実施形態によるスイッチドＤＣ／ＤＣコンバータは、「モジュール・トゥ・セル」トポロジーに基づいており、限られた余分な費用をかけずに、バランスを取りながら各セルに注入される電流を監視できるようにし、こうしてバランシングプロセスの間に注入される電流を考慮して、より最適な充電状態（ＳＯＣ）を得られるようにする。

図２を参照すると、たとえば図１に示されるような、各々が多数のセルを備える、たとえば１つ以上のモジュールを備える電池に適用可能な、本発明によるセルバランシング方法の一実施形態を示すフローチャートが示されている。

バランシング方法はステップ２７で開始され、任意の電池モジュールがステップ２８で選択される。ステップ２９において、充電プロセスが行われているか否かが判断され、これが該当する場合には方法はステップ３０に進み、これにより、任意のモジュール、すなわちステップ２８で選択されたモジュール内のセル間にアクティブセルバランシングを適用する。

充電の終了に向けて、任意のモジュールの１つまたは少数のセルがＳＯＣまたはセル電圧の所定の上限Ｌ_ｕを超えて充電されることがあるかも知れない。ステップ３１でこれが検出された場合、図２に示される方法の実施形態にしたがって、このセルまたはこれらのセルは所定の上限Ｌ_ｕを超えて充電され、必要とされる値までその充電を減少させるために、ステップ３２においてこれらのセルにパッシブセルバランシングが適用される。ステップ３１において上限を超えたセルがないと判断された場合には、プロセスはステップ３３に進み、そこで充電すべきさらなるモジュールが電池内に存在するか否かが判断され、その後、次のモジュールに対して上記のプロセスが繰り返される。

電池内にさらなるモジュールが存在しない場合、モジュール間の電圧のＳＯＣの間にアンバランスがあるか否かがステップ３４で判断される。これが該当する場合、プロセスは、たとえば（パッシブバランシングの場合）図１に示される抵抗器８によって、モジュール間にパッシブまたはアクティブバランシングのいずれかを適用する。このモジュール間バランシングは、モジュール間で必要とされるバランスが得られるまで進められ、その後、プロセスはステップ３８で終了する。

機能ブロック３６において、上限Ｌ_ｕが判断され、３９で示されるように、機能ステップ３１に供給されることが可能である。

図３ａおよび図３ｂを参照すると、絶縁フライバックコンバータ回路（ＭＯＳＦＥＴ、フィルタ、絶縁変圧器など）の一実施形態の概略回路図が示されており、フライバック制御ブロックならびにセルＣ１、Ｃ２、およびＣ３がフライバックコンバータの出力に接続されている。なお、本発明によれば、実際に図示されている３つ以外の数のセルが使用されてもよいことに留意されたい。回路図には、回路全体に沿って電流および電圧を測定するために使用される、その他の部品もある。ある特定のセルの不均衡状態を補正するために必要とされるエネルギーは、モジュールの全てのセルから得られ、その後その特定のセルに注入される。

ＤＣ／ＤＣコンバータトポロジーは、絶縁されたバックコンバータのように動作する、絶縁フライバックコンバータである。ＰＷＭ信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流および電圧の制御を可能にする。

本発明のシステムおよび方法の目的は、モジュールを構成するセルの完全なアレイから抽出された、たとえば１Ａの制御された電流で、不均衡なセルを再充電することである。

後にＨＥＲＣＵＬＥＳマイクロコントローラに実装される制御アルゴリズムを設計するために、シミュレーション回路図は、出力電流フィードバック測定のフィルタリングおよび離散化を含む。これは、アナログ段およびアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）が実際の電子システム内で動作する方法と似ている。また、フライバック制御ブロックは、ＨＥＲＣＵＬＥＳマイクロコントローラ内で動作するよう期待される通りに動作するが、これは、アナログ信号のサンプル取得ごとに制御コードが１回実行されることを意味する。

サンプリング周波数は、以下に示されるシミュレーションの結果において、２ｋＨｚに設定されており、ＡＤＣの分解能は１２ビットである。出力電流は、シャント抵抗器（この例では５０ｍΩ）および以下に示される結果では５０倍の固定ゲインを有する計装用増幅器（たとえば、ＩＮＡ２８２）を使用して感知される。ＰＷＭスイッチング周波数は１００ｋＨｚに設定されているが、他のスイッチング周波数もまた使用可能である。

図４を参照すると、特定のセルをその初期の不均衡状態から所望のバランスの取れた状態まで再充電できるようにする制御アルゴリズムを実装する、フライバック制御ブロックが示されている。スタート・ストップおよび電流注入を制御するために必要なパラメータは：
・所望の出力電流：１Ａに固定（Ｉｏｕｔ）
・出力電流フィードバック：ＩｏｕｔＤＣ
・セルＳＯＣ：ＳＯＣ＿１
・所望の最終ＳＯＣ：Ｆｉｎａｌ＿ＳＯＣ

出力電流を制御するためのＰＳＩＭ（ｆｓ）およびＰＩレギュレータパラメータ（Ｋｐ、Ｋｉ）のシミュレーションプロセスに関するフライバック制御ブロックには、その他の制御パラメータがある。フライバック制御ブロックは、ＨＥＲＣＵＬＥＳマイクロコントローラに容易に移植できるようにするために一実施形態ではＣコードでプログラムされているが、他のプログラム言語が代わりに使用され得ることは理解される。

「ｆｌｙｂａｃｋ＿Ｃｏｎｔｒｏｌ」ブロックに実装された制御アルゴリズム（ＰＩコントローラ）の最も重要な部分が、以下に示される。

Ｈｅｒｃｕｌｅｓ μＣは、モジュール全体についてＰＷＭ信号、スイッチ（リレー）選択信号、可能なパッシブバランシング起動信号／信号？を生成し、制御ループを閉じるためにバランシング出力電流信号のフィードバックを受信する。

ＰＷＭ信号は、選択されたセルを再充電するための所望の量（大きさ）の電流を発生させるために、絶縁フライバックＤＣ／ＤＣコンバータを制御？する。

図５ａから図５ｇを参照すると、Ｈｅｒｃｕｌｅｓ μＣ評価ボードとのインターフェース、ならびに出力電流およびセル電圧測定演算増幅器に必要な絶縁電圧（５Ｖなど）を含む、異なる電源レベルを生成するために必要な電源も、示されている。図２の回路図はまた、本発明のこの実施形態に存在する全ての信号の異なる電圧レベルを管理するために必要なインターフェースコンポーネントも示している。アナログおよびデジタル信号は、異なる組み合わせおよび構成との互換性を確保するために、μＣにおいて異なるピンに送られることが可能である。

本発明のこの実施形態では、Ｔｌ ＢＱ７６ＰＬ５３６ＥＶＭとの接続はＳＰＩバスおよびいくつかのデジタル信号で行われ、これはコネクタＪ１およびＪ２内に存在する。

図６ａから図６ｅを参照すると、デュアルスイッチ絶縁フライバックコンバータが示されている。両方のＭＯＳＦＥＴのＰＷＭ信号を管理するために、ＩＣ Ｕ１１４（ＵＣＣ２７２０１）は、ハイおよびローゲートドライバとして機能し、μＣからＰＷＭ信号を受信する。

マイクロコントローラに電流信号を送るために使用される電流センサは、この実施形態では、２５ｍΩシャント抵抗器と２つのアナログ増幅器との組み合わせである。チェーン内の１つ目は、ＡＭＣ１２００－Ｑ１である。これは８倍の固定ゲインを有する平衡絶縁増幅器であり、ＴＭＶ－１２０５ＳＨＩ絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータによって５Ｖで電力供給される。この絶縁増幅器のバランス出力は、ＩＮＡ３３２によって再び増幅される（電流測定では１１倍、電圧測定では５倍）。両方の信号は、ｌｅｑ＿ＯｕｔおよびＶｅｑ＿ＯｕｔポートのＨＥＲＣＵＬＥＳ μＣ ＡＤＣ入力に与えられる。モジュール電圧もまた、抵抗器分割器ネットワークによって測定され、ＶｍｏｄポートのｕＣに与えられる。

本発明のこの実施形態、および可能であればさらなる実施形態においても、３６Ｖから７２Ｖの間の入力電圧で動作するフライバックコンバータ用のウルト（Ｗｕｒｔｈ）社ＷＥ７５０３１２５０３絶縁変圧器が使用される。選択されたトポロジーはデュアルスイッチフライバックであり、ＭＯＳＦＥＴの基準はＳＴＮ２ＮＦ１０である。導電損失を低減するために、その低Ｖｆのため出力ダイオードＤ１９（ＰＭＥＧ３０３０ＥＰ）が選択されている。

図７ａから図７ｇを参照すると、２つ以上のセル間の短絡を招く、セルの異なる部分に２つのリレーが同時に接続されることを回避するために、デマルチプレクサが設けられたリレー選択回路の一実施形態が示されている。単一のセルをフライバック出力に接続するリレーの選択は、ＳＮ７４ＨＣ２３８Ｄデマルチプレクサに基づいて論理回路で行われる。このようにして、単一のリレーのみが同時に起動され、セル間の危険な短絡を回避することが保証される。最後に、リレーは、リレーコイルの起動を管理するＵＬＱ２００３Ａダーリントンアレイによって駆動される。

最後の２つのリレー（ＲＬＹ１７およびＲＬＹ１８）は、この実施形態において、パッシブバランシングを可能にするために単一セルまたはモジュール全体と抵抗器を直列に接続するために使用され、こうしてハイブリッドバランシングプロトタイプを得る。このアプリケーション向けに選択されたリレーはＩＭＲ６である。

ソフトウェア設計
ＨＥＲＣＵＬＥＳ μＣは、以下の周辺機器を使用して、フライバックコンバータを制御するために構成およびプログラムされている。
・リレーを制御する論理回路を管理するための汎用入出力（ＧＰＩＯ）ピン。
・出力電流を測定するためのアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）モジュール。
・制御アルゴリズムの内部割込を生成するためのハイエンドタイマ（ＨＥＴ）モジュール。
・ＰＷＭ信号を生成するための拡張パルス幅変調器（ｅＰＷＭ）モジュール。

ｕＣ周辺機器は、以下のように構成されている。
ＧＩＯ： ・ポートＡ（Ａ５、Ｃ２、Ｃ１、Ｅ１、Ａ６、Ｂ５、Ｈ３、Ｍ１）
ＡＤＣ： ・ＡＤＲＥＦＨＩを選択するためのジャンパＪ８、３．３Ｖ
・ピン→ＡＤＣ１ ＩＮ２（Ｖ１８）
・トリガ→ＨＥＴ１ ８
・分解能→１２ビット
・サンプル時間→１μｓ
ＨＥＴ： ・ピン→ＨＥＴ１ ８（Ｅ１８）
・ＰＷＭ１
・時間→５００μｓ
ＥＴＰＷＭ：・時間→１００ｋＨｚ ・ピン→ＥＴＰＷＭ６Ｂ（Ｐ２）

ｅＰＷＭモジュールを用いて、ＨＥＲＣＵＬＥＳ μＣは、フライバックコンバータを制御できるＰＷＭ信号を生成する。ＨＥＴモジュールを用いて、２ｋＨｚなどの適切な周波数でＡＤＣの変換をトリガするための信号が生成され、これによって電流センサの測定値を捕捉する。μＣは、制御ループを閉じるために電流センサからアナログ信号を受信し、ＰＩコントローラとして機能する。ポートＡのＧＰＩＯを使用して、μＣは、再充電すべきセルを選択する。望ましければ、μＣは、１つのセルまたはモジュール全体のパッシブバランシングも可能にする。

１Ａの固定および制御された電流で１つのセルを充電するデュアルスイッチフライバックコンバータを使用して、試験が行われた。アクティブバランシング回路のコアは、絶縁フライバックコンバータである。フライバックコンバータは、ＰＷＭ信号を有するＨＥＲＣＵＬＥＳ μＣによって制御され（ＥＴＰＷＭ ６Ｂピン）、制御ループは、出力電流に対応するアナログ信号によって供給される（ＡＤ１ ＩＮ２ピン）。

ＨＥＲＣＵＬＥＳ ｕＣは、ＧＩＯＡポートに取り付けられた論理回路により、再充電されなければならないセルを選択することができる。ＧＩＯＡ０からＧＩＯＡ３までの配線は、１から１６までのセルを選択するために使用され、ＧＩＯＡ５は３．３Ｖから５Ｖのバッファからの出力をイネーブルするために使用され、ＧＩＯＡ４は、デマルチプレクサの出力をイネーブルするために使用される。イネーブル信号は両方ともアクティブロー信号である。

セルが選択されると、μＣは、選択されたセルを１Ａの速度で再充電するために、フライバックコンバータのＰＷＭ信号を制御し始める。これらの試験で使用されるセルモデルは、Ｋｏｋａｍ社のＳＬＰＢ９０２５５２５５Ｈである。

バランシング試験中に行われた測定は、設計された回路および制御コードが、選択されたセルに注入される電流の量を制御できることを示している。

出力電流値の精度は、±１．５％である。

フライバックコンバータの電力変換効率は、ほとんどの入出力条件において８２．５％を超え、入力電圧が約５５Ｖのときに約８７．５％の効率ピークに達する。

約１Ａの速度で１つのセルを放電するための１つの４Ω抵抗器（５Ｗ）、および約１Ａの速度で１６セルモジュール全体を放電するための１つの６８Ω抵抗器（１００Ｗ）を接続することによって、パッシブバランシングも試験された。異なる抵抗値が使用され得ること、ならびに抵抗器以外の手段によってパッシブバランシングが実行され得ることは、理解される。

シミュレーション結果
１６セルおよび８セルモジュールのＰＳＩＭシミュレーションの結果が、以下に示される。

図８を参照すると、９０％ＳＯＣから９５％ＳＯＣに移行する必要がある１つのセルのバランシングプロセスのシミュレーションで得られた結果が示されている。フライバックの入力電圧は６４．４５Ｖであり、１５個のセルがＳＯＣ９５％で充電されて１つのセルが９０％で充電されている１６個のセルに相当する。この最後のセルが、バランシングされるセルである。

電流「ＩｏｕｔＤＣ」は、１Ａに達するまで増加し、その後ＳＯＣが９５％の充電に達するまで一定のままで、その後停止する。

時間に対するＳＯＣ（ＳＯＣ＿１）およびセル電圧（ＶｏｕｔＤＣ）も示されている。

最後に、図８の下のグラフは、フライバックコンバータがＯＮになっている間の、導電損失を考慮したシミュレーションにおける電力変換効率を示す。このシミュレーションでの効率の値は８９％である。

図９を参照すると、９０％ＳＯＣから９５％ＳＯＣまで充電される必要がある１つのセルのバランシングプロセスのシミュレーションで得られた結果が示されている。フライバックの入力電圧は３２．１８Ｖであり、７つのセルが９５％ＳＯＣで充電されて１つのセルが９０％で充電されている８つのセルに相当する。この最後のセルが、バランシングされるセルである。残りの信号は、図８に示される結果と同じである。

要約すると、図８および図９に示されるグラフから、本発明の一実施形態による制御されたフライバック電源は、そのＳＯＣが所望の値に達するまで１Ａの定電流で特定のセルを再充電できることがわかる。

Claims (11)

1. 複数のセルを備える少なくとも１つのモジュールを備える電池内の電池セルバランシングのためのシステムであって、
   前記モジュール内の個々のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）にわたって電圧または関連する量を監視するように構成された、セル監視ブロック（１６）と、
   前記モジュールの正端子電圧（１２）および負端子電圧（１３）を監視するように、ならびに前記モジュールの出力電流Ｉ_ｍｏｄおよび前記個々のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）のセル電圧を監視するように構成された、マイクロコントローラ（１８）であって、当該マイクロコントローラ（１８）が、少なくとも前記監視された前記正端子電圧（１２）、前記負端子電圧（１３）、前記モジュールの前記出力電流Ｉ_ｍｏｄ、および前記個々のセルのセル電圧に基づいて制御信号（２０）を提供するように構成されている、マイクロコントローラ（１８）と、
   スイッチングアレイ（４）と、パッシブセルバランシング手段（５、６）と、アクティブセルバランシング手段（７）とを有するハイブリッドモジュールバランシングブロック（３）と、
   前記電池内の特定のモジュールの正端子および負端子（１２、１３）の間に結合され、前記マイクロコントローラによって提供された前記制御信号により制御されるパッシブモジュールバランシング手段（８、９）とを備え、
   前記スイッチングアレイ（４）と、前記パッシブセルバランシング手段（５、６）と、前記アクティブセルバランシング手段（７）は前記マイクロコントローラによって提供された前記制御信号により制御され、
   前記ハイブリッドモジュールバランシングブロック（３）は、前記マイクロコントローラによって提供された前記制御信号の制御下で、前記特定のモジュール内のセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）のアクティブまたはパッシブのセルバランシングまたはアクティブおよびパッシブのセルバランシングの組み合わせのいずれかを提供し、
   前記アクティブセルバランシング手段（７）が、前記特定のモジュール内において前記セル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）の全てから電力を抽出し、最も放電したセルとその他のセルとのバランスを取るために制御された定電流を、その他のセルとのバランスが取れるまで前記スイッチングアレイ（４）を介して１つのみ接続された当該最も放電したセルに注入し、
   前記マイクロコントローラ（１８）及び前記ハイブリッドモジュールバランシングブロック（３）は、前記特定のモジュール内の個々のセル（Ｃ _１ 、Ｃ _２ 、…、Ｃ _Ｎ ）間のアクティブセルバランシングを提供した後に、当該個々のセル（Ｃ _１ 、Ｃ _２ 、…、Ｃ _Ｎ ）のうちの１つ以上の充電状態（ＳＯＣ）が所定の上限を超えたことに応答して、前記特定のモジュール内の個々のセル（Ｃ _１ 、Ｃ _２ 、…、Ｃ _Ｎ ）にパッシブセルバランシングを提供するように構成され、前記所定の上限は、前記セル（Ｃ _１ 、Ｃ _２ 、…、Ｃ _Ｎ ）の最大許容充電状態または前記モジュールの充電状態の平均値である、システム。
2. 前記アクティブセルバランシング手段（７）がフライバックＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記パッシブセルバランシング手段（５、６）が、たとえばＭＯＳＦＥＴなど、スイッチ（６）と直列の抵抗器（５）である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記パッシブモジュールバランシング手段（８、９）が、たとえばＭＯＳＦＥＴなど、スイッチ（９）と直列の抵抗器（８）である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マイクロコントローラが、前記電池の全体的な性能を管理する電池管理システム（ＢＭＳ）内のマイクロコントローラである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
6. アクティブのバランシングが前記電池を作り上げる前記モジュール内に適用され、その一方でパッシブまたはアクティブのバランシングが前記電池を作り上げる２つ以上のモジュール間に適用される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記システムが、前記電池内の前記モジュールの充電状態（ＳＯＣ）または電圧を監視するモジュールＳＯＣ監視手段または電圧監視手段を備え、２つ以上のモジュール間で前記ＳＯＣまたは電圧の間のアンバランスが検出されたときに、前記電池内の前記２つ以上のモジュール間のパッシブまたはアクティブのバランシングが行われる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電池内の２つ以上のモジュール間の前記パッシブまたはアクティブのバランシングが、前記ハイブリッドモジュールバランシングブロック（３）または前記マイクロコントローラによって制御される、請求項６または請求項７に記載のシステム。
9. 複数のセルを備える少なくとも１つのモジュールを備える電池内の電池セルバランシングのための方法であって、前記方法が、
   充電プロセスが進行中であるか否かを判断するステップと、
   モジュール（Ｍ１）を選択するステップと、
   前記モジュールの正端子電圧（１２）、負端子電圧（１３）、出力電流Ｉ_ｍｏｄ、および個々のセルのセル電圧に基づいた制御信号の制御下で、前記モジュール（Ｍ１）のセル間にアクティブのセルバランシングを適用するステップと、
   前記モジュールの１つ以上のセルが所定の上限を超えて充電されているか否かを判断するステップであって、前記所定の上限は、前記セルの最大許容充電状態または前記モジュールの充電状態の平均値であるステップと、
   前記モジュールの１つ以上のセルが前記上限を超えて充電されている場合に、その充電を前記上限またはそれ未満の値に減少させるためにこのまたはこれらのセルに、前記制御信号の制御下でパッシブのセルバランシングを適用するステップと、
   前記モジュール（Ｍ１）内の全てのセルが充電されたときに、前記電池内にさらなるモジュール（Ｍ２、Ｍ３、…）があるか否かを判断し、これが該当する場合には残りの前記モジュール（Ｍ２、Ｍ３、…）に対して上記ステップを繰り返す、ステップと、
   前記電池の全てのモジュールが充電されていたら、前記電池内のそれぞれの前記モジュールの充電状態、または類似のパラメータの間にアンバランスがあるか否かを判断し、これが該当する場合には、モジュール間の前記アンバランスを要求されるレベルに低減するために、それぞれのモジュール間に、前記制御信号の制御下でパッシブのまたはアクティブのバランシングのいずれかを適用するステップと、を備え
   前記アクティブのセルバランシングを適用するステップは、フライバックＤＣ／ＤＣコンバータにより、前記モジュールのセル（Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｎ）の全てから電力を抽出し、その他のセルとのバランスが取れるまで最も放電したセルとのバランスを取るために制御された定電流を、スイッチを介して１つのみ接続された当該最も放電したセルに注入する、方法。
10. アクティブのバランシングが前記電池を作り上げる前記モジュール内に適用される、その一方でパッシブまたはアクティブのバランシングが前記電池を作り上げるモジュール間に適用される、請求項９に記載の方法。
11. 前記充電状態（ＳＯＣ）または電圧が、前記電池内の２つ以上のモジュールの前記ＳＯＣまたは電圧を監視する監視手段によって監視され、２つ以上のモジュールの間で前記ＳＯＣまたは電圧間のアンバランスが検出されたときに、前記電池内の前記２つ以上のモジュール間のパッシブまたはアクティブのバランシングが行われる、請求項１０に記載の方法。

Images