JP2010063353A - 変圧器を用いたセル平衡化システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセルから成るバッテリーパックにおいて、そのような複数のバッテリーセルを平衡させる。
【解決手段】複数のバッテリーセルを平衡させるためのセル平衡化回路は、変圧部と、切換動作制御部とを具備する。変圧部は、１次巻線と、２次巻線とを具備する。切換動作制御部は、１次巻線に接続された第１セルの選択と、２次巻線に接続された第２セルの選択とを行う機能を有する。第１セルと第２セルとは直列に接続されている。第１セルは、第２セルよりも高い電圧を有する。セル平衡化回路は、１次巻線に接続された制御部をさらに具備する。制御部は、第１セルから第２セルにエネルギーを移動させて複数のバッテリーセルを平衡させるように、第１セルから１次巻線へ流れるエネルギーをコントロールする。
【選択図】図１

Description

この出願は、２００８年９月５日に出願された米国特許仮出願第６１／１９１，１８２号の優先権を主張するものであり、その全体が引用によって本明細書中に組み込まれる。

バッテリー、例えば、リチウムイオンバッテリーは、並列及び／又は直列に接続された複数のセルから成ることがある。マルチセルバッテリーパックにおいて、セルの経年劣化及び／又はセル温度の差に起因して、セルは互いに異なる可能性がある。セル間の電圧差は、充電／放電サイクルの繰り返しに応じて増大する。これは、セル間の不均衡の原因となるとともに、バッテリー寿命を縮める。

従来のセル平衡化方法は、セルに外部負荷（例えば、抵抗器）を並列に接続することによって、相対的に高いセル電圧を有するセルを放電することであった。しかしながら、そのような従来のセル平衡化方法は、例えば電気自動車（ＥＶ）用途において、相当な熱エネルギー散逸を引き起こす可能性がある。

一実施態様において、複数のバッテリーセルを平衡化するためのセル平衡化回路は、変圧部と、切換動作制御部とを具備する。変圧部は、１次巻線と、２次巻線とを具備する。切換動作制御部は、１次巻線に接続された第１セルの選択と、２次巻線に接続された第２セルの選択とを行う機能を有する。第１セルと第２セルとは直列に接続される。第１セルは、第２セルよりも高い電圧を有する。セル平衡化回路は、１次巻線に接続された制御部をさらに具備する。制御部は、第１セルから第２セルにエネルギーを移動させてバッテリーセルを平衡させるように、第１セルから１次巻線へ流れるエネルギーをコントロールする。

本発明の一実施形態によるセル平衡化回路の構成図である。 本発明の一実施形態によるセル平衡化回路の構成図である。 本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システムの構成図である。 本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システムを示す。 本発明の一実施形態によるセル平衡化回路によって実行される動作のフローチャートである。

本明細書に組み込まれ、かつその一部分を形成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を示したものである。図面は、以降の記載と共に、発明の原理を説明する役目を果たす。

これより、本発明の実施形態を詳細に記載し、その実施例を添付の図面に示す。本発明はいくつかの実施形態と併せて説明されるが、当然ながら、本発明は、これらの実施形態に限定されることを意図してしない。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義された発明の精神及び範囲に含まれる変形例、修正例、及び均等物を包含することを意図する。さらに、本発明の実施形態の以下の詳細な記載では、多数の特定の細部が、本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、本発明がこれらの特定の細部無しに実施できることは、当業者には明らかである。また、本発明の実施形態の特徴を不必要に不明瞭としないように、既知の方法、手続き、構成要素、及び回路は、詳細には記載されない。

本発明によるいくつかの実施形態は、バッテリーセル平衡化システムを提供する。バッテリーセル平衡化システムは、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルから１つ以上の不均衡セル、例えば、バッテリーパック中最も低いセル電圧を有するセルにエネルギーを移動させることによって、バッテリーパック中のバッテリーセルを平衡させる。さらに、本発明によるいくつかの実施形態は、他の（複数の）バッテリーパックからバッテリーパック中の１つ以上の不均衡セルにエネルギーを移動することによって、バッテリーパック中の複数のバッテリーセルを平衡させる機能を有したセル平衡化システムを提供する。有利には、そのような能動的バッテリーセル平衡化は、高い効率を達成するとともに、複数のバッテリーセルを所望範囲の電圧及び温度に保つことができる。

図１は、本発明の一実施形態によるセル平衡化回路１００の構成図を示す。セル平衡化回路１００は、平衡化制御部１８０と、変圧部１４０とを具備する。平衡化制御部１８０は、切換部Ｑ１と、センス抵抗部Ｒｓｅｎｓｅと、切換部Ｑ１をコントロールする制御部１２０とをさらに具備する。変圧部１４０は、切換部Ｑ１に直列に接続された１次巻線１４２を具備するとともに、２次巻線１４４を具備する。

端子ｉ＋及び端子ｉ−は、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルに接続され、かつ端子Ｗ１ｌ及び端子Ｗ１ｈは、不均衡セルに接続される。一実施形態において、不均衡セルは、相対的に低いセル電圧を有したセル、例えば、最も低いセル電圧（又は、最も少ないセル静電容量）を有したセルである。有利には、平衡化制御部１８０は、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルから不均衡セルにエネルギーを移動させるように、変圧部１４０を制御する機能を有し、それによって、バッテリーパック中のセル電圧を平衡化できる。

制御部１２０は、ＤＲＶピンを介して、制御信号、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、１次巻線１４２に流れる電流に従って、切換部Ｑ１のオン／オフを制御する機能を有する。制御部１２０は、ＩＳＥＮピンを介してセンス抵抗部Ｒｓｅｎｓｅにかかる電圧を検知することによって、１次巻線１４２に流れる電流を検知する。例として、１次巻線１４２と２次巻線１４４との巻数比は１：１である。これによって、センス抵抗部Ｒｓｅｎｓｅにかかる電圧は、２次巻線１４４に流れる電流レベルを示すことができる。しかしながら、本発明はそれに限定されず、１次巻線１４２と２次巻線１４４との巻数比は１：１でなくてもよい。一実施形態において、制御部１２０は、定充電電流制御器である。結果的に、２次巻線１４４に流れる電流は、切換部Ｑ１を制御することによって、実質的に一定となる。したがって、１次巻線１４２から２次巻線１４４に流れる電力をコントロールすることによって、相対的に高いセル電圧を有したセルからのエネルギーは、不均衡セル、例えば、最も低いセル電圧を有したセルに移動する。

さらに、制御部１２０は、変圧部１４０の１次巻線にかかる電圧をＶＳＥＮピンを介して検知するとともに、検知した信号を所定のしきい値と比較して、過電圧保護を実行する機能を有する。例えば、制御部１２０は、ＶＳＥＮピンで検知された信号が所定のしきい値よりも大きい場合に、切換部Ｑ１をオフ状態に切り換える。

図２は、本発明の一実施形態によるセル平衡化回路２００の構成図を示す。図１と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。セル平衡化システム２００は、平衡化制御部２８０と、変圧部１４０とを具備する。平衡化制御部２８０は、切換部Ｑ１と、センス抵抗部Ｒｓｅｎｓｅと、切換部Ｑ１をコントロールする制御部２２０とをさらに具備する。一実施形態において、制御部２２０、例えば、定充電電流制御器は、ＩＡＤＪピンを介して、プリセット基準信号１３０をさらに受信する。プリセット基準信号１３０は、２次巻線に流れる所定の又は所望の電流を示す。制御部２２０は、１次巻線１４２に流れる電流をＩＳＥＮピンを介して検知するとともに、プリセット基準信号１３０に従って切換部Ｑ１を制御することによって、１次巻線１４２に流れる電流をコントロールする。したがって、制御部２２０は、プリセット基準信号１３０に従って、２次巻線１４４に流れる電流をコントロールできる。プリセット基準信号１３０は、種々の用途での要求に従い、ユーザによって予め決定されてよい。

図３は、本発明の一実施形態による複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システム３００の構成図を示す。セル平衡化システム３００は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎを具備する。一実施形態において、各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎは、切換回路３４０と、切換回路３４０をコントロールする切換動作制御部３２０と、平衡化制御部３８０とを具備する。また、一実施形態において、各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎは、複数のセル＃１〜＃Ｍを具備する。しかしながら、本発明は、それに限定されず、種々のバッテリーパックが異なる数のセルを有してよい。

複数のセル＃１〜＃Ｍのセル電圧を監視することによって、切換動作制御部３２０は、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルを選択し、切換動作回路３４０を介して、対応する１次巻線１４２に接続する機能を有する。平衡化制御部３８０は、複数のバッテリーセルから対応する１次巻線１４２に切換動作回路３４０を介して流れるエネルギーをコントロールできる。平衡化制御部３８０は、図１及び図２中の平衡化制御部１８０，２８０に類似している。さらに、切換動作制御部３２０は、１つ以上の不均衡セルを選択し、切換動作回路３４０を介して、対応する２次巻線１４４に接続する機能を有する。切換動作回路３４０は、出力線３７０，３７２を介して、２次巻線１４４から（複数の）不均衡セルへ電力を移動させることができる。そのようにして、対応する１次巻線１４２に接続された平衡化制御部３８０は、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルから（複数の）不均衡セルに流れるエネルギーをコントロールできる。したがって、バッテリーパック中の複数のセル＃１〜＃Ｍのセル電圧を平衡化できる。

一実施形態において、主制御部３１０は、各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の各制御部３２０にバス３５０を介して接続され、通信を行うことができる。主制御部３２０は、各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎのセル電圧などのセル状態を監視し、それに応じて、切換動作制御部３２０を制御する機能を有する。別の実施形態では、主制御部３１０は省略され、複数の制御部３２０のうちのいずれかが主制御部の役目を果たす。

有利には、セル平衡化システム３００は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎのすべてのセル電圧を平衡させるように、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎのうちのいずれか（又はいくつか）から（複数の）不均衡セルにエネルギーを移動させる。主制御部３１０は、セル電圧などのセル状態を監視する機能を有しており、対応する切換動作制御部３２０に命令して、対応する切換動作回路３４０及び対応する平衡化制御部３８０を介して、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーが対応する１次巻線１４２に移動できるようにする。故に、電力は、１次巻線１４２から対応する２次巻線１４４に移動することができる。主制御部３１０は、対応する切換動作制御部３２０にさらに命令して、出力線３７０，３７２及び対応する切換動作回路３４０を介して、（複数の）不均衡セル、例えば、すべてのバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎのうちで最も低いセル電圧を有するセルに移動させる機能を有する。結果的に、一実施形態において、バッテリーパック中の（複数の）バッテリーセルからのエネルギーは、同一のバッテリーパック中の不均衡セルに移動できる。別の実施形態では、バッテリーパック中の（複数の）バッテリーセルからのエネルギーは、別のバッテリーパック中の不均衡セルに移動できる。

例えば、主制御部３１０がバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中のセル＃３が不均衡であることを検出したとき、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中のセル＃３は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の他のすべてのセルと比較して最も低い電圧を有する。その結果、主制御部３１０は、相対的に高い電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーがバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の不均衡セル＃３に移動するように命令する。

例として、同一のバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中のセル＃５が複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の他のすべてのセルと比較して最も高いセル電圧を有する場合、主制御部３１０は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の平衡化制御部３８０を動作可能とし、同時に、他の複数の平衡化制御部３８０を動作不可として、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の切換動作制御部３２０に命令して、切換動作回路３４０を制御する。それによって、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中のセル＃５からのエネルギーが、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４４に移動する。そのようにして、２次巻線１４４からの電力が、出力線３７０，３７２を介して、かつバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の切換動作回路３４０を介して、不均衡セル＃３に移動する。

バッテリーパック３０２＿Ｎ中のセル＃２が複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の他のすべてのセルと比較して最も高いセル電圧を有することを主制御部３１０が検知した場合、主制御部３１０は、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の平衡化制御部３８０を動作可能とし、同時に、他の複数の平衡化制御部３８０を動作不可として、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の切換動作制御部３２０に命令し、対応する切換動作回路３４０を制御する。それによって、バッテリーパック３０２＿Ｎ中のセル＃２からのエネルギーが、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の平衡化制御部３８０を介して、１次巻線１４２に移動する。そのようにして、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の対応する２次巻線１４４からの電力が、出力線３７０，３７２及びバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の切換動作回路３４０を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の不均衡セル＃３に移動する。

結果的に、図３に示されたように、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーが（複数の）不均衡セルに移動することによって、セル平衡化が達成できる。（複数の）不均衡セルに移動したエネルギーは、（複数の）不均衡セルと同一のバッテリーパック中の（複数の）セルから得られるか、又は、別のバッテリーパック中の（複数の）セルから得られる。

図４は、本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システム４００の構成図を示す。図３と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。図４において、切換動作制御部４２０は、バッテリーパック中の複数のセル＃１〜＃Ｍについて、複数の信号Ｖ０〜ＶＭを介して、複数のセル電圧を監視するとともに、複数のセル電圧に従って、複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍ及び複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍを制御する機能を有する。切換動作制御部４２０は、バス３５０を介して主制御部と通信を行う機能をさらに有する。複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ−Ｍは、複数のセル＃１〜＃Ｍに別々に接続される。複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍは、複数のセル＃１〜＃Ｍに別々に接続される。より詳細には、切換動作制御部４２０は、複数の切換動作信号ＳＩ１〜ＳＩＭによって複数の入力切換部Ｓ１＿１〜ＳＩ＿Ｍを制御する。切換動作制御部４２０は、複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍのうちの１つ以上を導通し、平衡化制御部３８０を介して、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーを１次巻線１４２へ移動させる。

一実施形態において、変圧部は、３つの２次巻線１４４＿１，１４４＿２，１４４＿３を具備する。１次巻線対各２次巻線１４４＿１〜１４４＿３の比は、一実施形態において、１：１である。そのため、１次巻線１４２に流れる電流が一定であると仮定すれば、各２次巻線１４４＿１〜１４４＿３に流れる電流は、同一の一定レベルに実質的に等しくなる。切換動作制御部４２０は、複数の切換動作信号ＳＯ１〜ＳＯＭによって複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍを制御する。複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍは、一実施形態において、２次巻線１４４＿１に接続されている。複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍのうちの１つ以上を導通することによって、変圧部の２次巻線１４４＿１からの電力（例えば、１つ以上のバッテリーセルからのエネルギー）が、任意の不均衡セルに移動する。

例えば、セル＃２が不均衡である（例えば、セル＃２がその他のセルと比較して最も低いセル電圧を有する）場合、切換動作制御部４２０は、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーが不均衡セル＃２に移動するように、切換部ＳＯ＿２をオン状態に切り換える。２次巻線１４４＿２，１４４＿３は、バッテリーパックの低圧側（図４には図示していない）と、バッテリーパックの高圧側（図４には図示していない）とに、別々に接続される。このことは、図６に関連して記載される。

図５は、本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システム５００の構成図を示す。図４と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。セル平衡化システム５００は、切換動作制御部５２０を具備する。切換動作制御部５２０は、複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍ及び入力切換部ＳＩから成る切換動作回路を制御する機能を有する。より詳細には、切換動作制御部５２０は、切換動作信号ＳＥＬ＿ＶＢＡＴＴによって入力切換部ＳＩを制御する。切換部ＳＩがオン状態に切り換えられた場合、バッテリーパック電圧は、平衡化回路３８０の入力に印加される。換言すれば、バッテリーパック電圧は、入力切換部ＳＩを介して、１次巻線１４２に伝えられる。図４と同様に、切換動作制御部５２０は、複数の切換動作信号ＳＯ１〜ＳＯＭによって複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍを制御する。切換動作制御部５２０は、プリセット基準信号をさらに生成して、２次巻線１４４＿１〜１４４＿３に流れる電流を制御する。したがって、すべてのバッテリーパックからのエネルギーは、切換動作制御部５２０の制御の下、バッテリーパック５００中のいずれかの（いくつかの）不均衡セルを充電するために使用できる。

図６は、本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システム６００の構成図を示す。図３と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。セル平衡化システム６００は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎを具備する。主制御部３１０は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の複数のセル＃１〜＃Ｍを監視するとともに、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルからのエネルギーを（複数の）不均衡セルに移動させる。不均衡セルは、相対的に低いセル電圧を有するセル、例えば、すべてのバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中で最も低いセル電圧を有したセルである。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１を例にとれば、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中に主制御部３１０によって検出された１つ以上の不均衡セルが存在する場合、（複数の）不均衡セルは、同一のバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルによって充電されるか、又は、別のバッテリーパック、例えば、バッテリーパック３０２＿Ｎやバッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルによって充電される。

不均衡セルがバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中に存在すると仮定する。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１が他の複数のバッテリーパック中の複数のセルと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４２に移動する。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の平衡化制御部３８０は動作可能とされ、かつ他の平衡化制御部は、動作不可とされる。結果的に、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４＿１からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の複数の不均衡セルに移動する。バッテリーパック３０２＿Ｎが他の複数のバッテリーパック中の複数のセルと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の平衡化制御部３８０が動作可能とされ、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の１次巻線１４２に移動する。１次巻線１４２からのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の２次巻線１４４＿１〜１４４＿３にさらに移動する。一実施形態において、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の２次巻線１４４＿２は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４に直列に電気的に接続される。故に、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の２次巻線１４４＿２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４に移動する。また、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の切換動作制御部３２０が動作可能とされて、２次巻線１４４＿１からの電力がバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の複数の不均衡セルに移動する。

バッテリーパック３０２＿Ｎ−２（図６には図示していない）が他の複数のバッテリーパック中の複数のセルと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の平衡化制御部３８０が動作可能とされ、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからのエネルギーがバッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の１次巻線１４２に移動する。１次巻線１４２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の２次巻線１４４＿１〜１４４＿３にさらに移動する。一実施形態において、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の２次巻線１４４は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４＿１に直列に電気的に接続される。故に、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の２次巻線１４４＿３からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４＿１に移動する。また、バッテリーパック切換動作制御部３２０＿Ｎ−１中の切換動作制御部３２０が動作可能とされ、２次巻線１４４＿１からの電力がバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の複数の不均衡セルに移動する。

さらに、バッテリーパック中の１つ以上のセルからのエネルギーは、１つ以上のバッテリーパックを介して、別のバッテリーパック中の不均衡セルに移動する。例えば、バッテリーパック３０２＿１中の１つ以上のセルからのエネルギーは、複数のバッテリーパック３０２＿２〜３０２＿Ｎ−２を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の不均衡セルに移動する。

図７は、本発明の一実施形態による単バッテリーパックのためのセル平衡化システム７００の構成図を示す。図４及び図５と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。図７に示されたように、切換動作制御部７２０は、複数のセル電圧を監視するとともに、監視した複数のセル電圧に従って、複数の切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍ，ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍ，ＳＩ＿Ｌ，ＳＩ＿Ｈから成る切換動作回路を制御する。複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍは、複数のバッテリーセル＃１〜＃Ｍに別々に接続されている。入力切換部ＳＩ＿Ｈは、高圧側バッテリーパックのうちの１つ以上のセルに接続されている。入力切換部ＳＩ＿Ｌは、低圧側バッテリーパックのうちの１つ以上のセルに接続されている。複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍは、複数のバッテリーセル＃１〜＃Ｍに別々に接続されている。

より具体的には、切換動作制御部７２０は、複数の切換動作信号ＳＩ１〜ＳＩＭによって複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍを制御する。複数のセル電圧に基づき、切換動作制御部７２０（又は、図６の主制御部３５０）は、複数の入力切換部ＳＩ＿１〜ＳＩ＿Ｍのうちの１つ以上を選択的に導通させて、平衡化制御部３８０を介して、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルから１次巻線１４２にエネルギーを移動させる。

一実施形態において、変圧部は、３つの２次巻線１４４＿１，１４４＿２，１４４＿３を具備する。１次巻線対各２次巻線１４４＿１〜１４４＿３の比は、一実施形態において、１：１である。そのため、１次巻線１４２に流れる電流が一定であると仮定すると、各２次巻線１４４＿１〜１４４＿３に流れる電流は、同一の一定レベルに実質的に等しくなる。切換動作制御部７２０は、複数の切換動作信号ＳＯ１〜ＳＯＭによって複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍを制御する。複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍは、一実施形態では、２次巻線１４４＿１に接続されている。複数のセル電圧に基づいて、切換動作制御部７２０（又は、図６の主制御部３５０）は、複数の出力切換部ＳＯ＿１〜ＳＯ＿Ｍのうちの１つ以上を選択的に導通させて、変圧部の２次巻線１４４＿１から任意の不均衡セルに電力を移動させる機能を有する。

さらに、切換動作制御部７２０は、切換動作信号ＨＩＧＨＢＡによって入力切換部ＳＩ＿Ｈを制御するとともに、切換動作信号ＬＯＷＢＡによって入力切換部ＳＩ＿Ｌを制御する。切換部ＳＩ＿Ｈがオン状態に切り換えられたとき、高圧側バッテリーパック（図７には図示していない）中の１つ以上のセルからのエネルギーは、バッテリーパック中の任意の不均衡セルを充電するために使用される。同様に、切換部ＳＩ＿Ｌがオン状態に切り換えられたとき、低圧側バッテリーパック（図７には図示していない）中の１つ以上のセルからのエネルギーは、バッテリーパック中の任意の不均衡セルを充電するために使用される。

図８は、本発明の一実施形態による複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システム８００の構成図を示す。図６及び図７と同一の符号が付けられた要素は、類似の機能を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。セル平衡化システム８００は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎを具備する。

より詳細には、各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎは、切換動作回路８４０と、該切換動作回路８４０を制御する切換動作制御部７２０とを具備する。主制御部３１０は、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中の複数のセル＃１〜＃Ｍを監視するとともに、相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルから（複数の）不均衡セルにエネルギーを移動させる。不均衡セルとは、相対的に低いセル電圧を有したセル、例えば、すべてのバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎ中で最も低いセル電圧を有したセルである。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１を例にとると、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中に主制御部３１０によって検知された１つ以上の不均衡セルが存在する場合、（複数の）不均衡セルは、同一のバッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルによって充電されるか、又は、別のバッテリーパック、例えば、バッテリーパック３０２＿Ｎ又はバッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のセルによって充電される。

不均衡セルがバッテリーパック３０２＿Ｎ−１にあると仮定する。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１が他の複数のバッテリーパックと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４２に移動する。バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の平衡化制御部３８０は動作可能とされ、かつその他の複数の平衡化制御部は、動作不可とされる。そのため、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の２次巻線１４４＿２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の不均衡セルに移動する。

バッテリーパック３０２＿Ｎが他の複数のバッテリーパックと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の平衡化制御部３８０が動作可能とされ、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからバッテリーセル３０２＿Ｎ中の１次巻線１４２にエネルギーが移動する。１次巻線１４２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の２次巻線１４４＿１〜１４４＿３にさらに移動する。一実施形態において、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の２次巻線１４４＿１は、対応する切換動作回路８４０を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４２に電気的に接続されている。故に、相対的に高いセル線圧を有した（バッテリーパック３０２＿Ｎ中の）複数のセルからのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ中の変圧部を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の変圧部の１次巻線１４２に移動する。また、バッテリーパック３０２＿Ｎ中のセル平衡化制御部３８０が動作可能とされて、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４２から２次巻線１４４＿２に電力が移動する。そのため、２次巻線１４４＿２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の複数の不均衡セルに移動する。

バッテリーパック３０２＿Ｎ−２（図８には図示していない）が他の複数のバッテリーパックと比較して相対的に高いセル電圧を有した１つ以上のバッテリーセルを有する場合、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の平衡化制御部３８０が動作可能とされて、相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからバッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の１次巻線１４２にエネルギーが移動する。１次巻線１４２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の２次巻線１４４＿１〜１４４＿３にさらに移動する。一実施形態において、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の２次巻線１４４＿３は、対応する切換動作回路８４０を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の１次巻線１４２に電気的に接続される。故に、（バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の）相対的に高いセル電圧を有した複数のセルからのエネルギーは、バッテリーパック３０２＿Ｎ−２中の変圧部を介して、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の変圧部の１次巻線１４２に移動する。また、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中のセル平衡化制御部３８０が動作可能とされて、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の１次巻線１４２から２次巻線１４４＿２に電力が移動する。そのため、２次巻線１４＿２からの電力は、バッテリーパック３０２＿Ｎ−１中の複数の不均衡セルに移動する。

図９は、本発明の一実施形態による直列接続された複数のバッテリーパックのためのセル平衡化システム９００を示す。図９に示されたように、セル平衡化システム９００は、バス９５０を介して複数の切換動作制御部９２０と通信を行う主制御部９１０を具備する。図９中の変圧部は、１次巻線１４２と、複数の２次巻線１４４＿１〜１４４＿Ｎを具備する。各２次巻線１４４＿１〜１４４＿Ｎは、対応するバッテリーパックに接続されている。各バッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎは、複数のバッテリーセル＃１〜＃Ｍに別々に接続された入力切換部と、複数のバッテリーセル＃１〜＃Ｍに別々に接続された出力切換部とを具備する。

有利には、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎの合計エネルギーは、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎのうちのいずれかの中の１つ以上の不均衡セルを充電するために使用される。換言すれば、相対的に低いセル電圧を有した（又は、相対的に少ない静電容量を有した）複数のセルは、複数のバッテリーパック３０２＿１〜３０２＿Ｎの合計エネルギーによって、同時に充電される。充電電流は、主制御部９５０によって制御される。

図１０は、本発明の一実施形態によるセル平衡化回路によって実行される動作のフローチャート１０００を示す。図１０は、図３ないし図９と併せて説明がなされる。ブロック１０１０において、複数のバッテリーセルのセル電圧が監視される。例えば、切換動作制御部３２０，７２０，９２０は、複数のバッテリーセルのセル電圧を監視する機能を有する。主制御部３１０又は主制御部９１０もまた、複数のバッテリーセルのセル電圧を監視する機能を有する。ブロック１０２０において、監視した複数のセル電圧に基づいて、切換動作制御部３２０、７２０、若しくは９２０又は主制御部３１０若しくは９１０は、入力切換部を導通させて、相対的に高いセル電圧を有した第１セルを変圧部の１次巻線１４２に選択的に接続する。故に、ブロック１０３０において、第１セルからのエネルギーは、導通した入力切換部を介して、１次巻線１４２に移動する。特に、セル平衡化制御部、例えば、セル平衡化制御部３８０は、第１セルから１次巻線１４２に流れるエネルギーをコントロールする機能を有する。ブロック１０４０において、監視した複数のセル電圧に基づいて、切換動作制御部３２０、７２０、若しくは９２０又は主制御部３１０若しくは９１０は、出力切換部を導通させて、相対的に低いセル電圧を有した第２セル（不均衡セル）を変圧部の２次巻線１４４に選択的に接続する。故に、ブロック１０５０において、２次巻線１４４からの電力は、導通した出力切換部を介して、第２セルに移動する。したがって、複数のバッテリーセルの電圧を平衡させる。

したがって、本発明によるいくつかの実施形態は、相対的に高いセル電圧／大きい静電容量を有したセルから相対的に低い電圧／小さい静電容量を有したセルにエネルギーを移動させることによって、セル電圧／静電容量を平衡させることができるセル平衡化システムを提供する。有利には、セル平衡化の完了時、バッテリーパックに格納されたエネルギーは、従来のセル平衡化手法を用いるバッテリーパックと比較して、より多くなる。セル平衡化システムは、バッテリーパック中のバッテリー管理ユニット（ＢＭＵ）の内部又は外部に実装されてよい。

１００ セル平衡化回路
１２０ 制御部
１４０ 変圧部
１４２ １次巻線
１４４ ２次巻線
１８０ 平衡化制御部
Ｑ１ 切換部
Ｒｓｅｎｓｅ センス抵抗部

Claims (20)

1. 複数のバッテリーセルを平衡させるためのセル平衡化回路であって、
   １次巻線及び２次巻線を具備した変圧部と、
   切換動作制御部と、
   前記１次巻線に接続された制御部と
   を具備し、
   前記切換動作制御部は、前記１次巻線に接続された第１セルの選択と、前記２次巻線に接続された第２セルの選択とを行う機能を有し、
   前記制御部は、前記第１セルから前記第２セルへ前記エネルギーを移動させて前記複数のバッテリーセルを平衡させるように、前記第１セルから前記１次巻線に流れるエネルギーをコントロールする機能を有し、
   前記第１セル及び前記第２セルは直列に接続され、
   前記第１セルは、前記第２セルよりも高いセル電圧を有することを特徴とするセル平衡化回路。
2. 前記１次巻線に直列に接続された切換部をさらに具備し、
   前記制御部が、前記１次巻線に流れる電流に従って、前記切換部を制御することを特徴とする請求項１に記載のセル平衡化回路。
3. 前記１次巻線に直列に接続された切換部をさらに具備し、
   前記制御部が、前記２次巻線に流れる所定の電圧を示すプリセット基準信号に従って、前記切換部を制御することを特徴とする請求項１に記載のセル平衡化回路。
4. 前記切換動作制御部によって制御される切換動作回路をさらに具備し、
   前記切換動作回路は、前記複数のバッテリーセルに別々に接続された複数の出力切換部を具備することを特徴とする請求項１に記載のセル平衡化回路。
5. 前記切換動作制御部が、前記複数のバッテリーセルの複数のセル電圧を監視するとともに、前記複数の出力切換部のうちの１つを導通させて前記第２巻線から前記第２セルに電力を移動させるように構成されることを特徴とする請求項４に記載のセル平衡化回路。
6. 前記切換動作回路が、前記複数のバッテリーセルに別々に接続された複数の入力切換部をさらに具備し、
   前記切換動作制御部が、前記複数のバッテリーセルの複数のセル電圧を監視するとともに、前記複数の入力切換部のうちの１つを導通させて前記第１セルのエネルギーを前記１次巻線に移動させるように構成されることを特徴とする請求項４に記載のセル平衡化回路。
7. 前記切換動作回路が、前記複数のバッテリーセルに接続された入力切換部をさらに具備し、
   前記切換動作制御部が、前記入力切換部を導通させて前記バッテリーセルのエネルギーを前記１次巻線に移動させるように構成されることを特徴とする請求項４に記載のセル平衡化回路。
8. 複数のバッテリーセルの平衡化方法であって、
   前記複数のバッテリーセルのうちの第１セルを変圧部の１次巻線に選択的に接続する段階と、
   前記複数のバッテリーセルのうちの第２セルを前記変圧部の２次巻線に選択的に接続する段階と、
   前記第１セルから前記１次巻線に流れるエネルギーをコントロールする段階と、
   前記２次巻線から前記第２セルに電力を移動させる段階と
   を有し、
   前記第１セルは、前記第２セルよりも高いセル電圧を有することを特徴とする方法。
9. 前記１次巻線に流れる電流に従って、前記１次巻線に直列に接続された切換部を制御する段階をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記２次巻線に流れる所定の電流を示すプリセット基準信号に従って、前記１次巻線に直列に接続された切換部を制御する段階をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記複数のバッテリーセルの複数のセル電圧を監視する段階と、
    前記複数のセル電圧に従って、出力切換部を導通させて、該出力切換部を介して前記２次巻線から前記第２セルに前記電力を移動させる段階と
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記複数のバッテリーセルの複数のセル電圧を監視する段階と、
    前記複数のセル電圧に従って、入力切換部を導通させて、該入力切換部を介して前記第１セルの前記エネルギーを前記１次巻線に移動させる段階と
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 入力切換部を導通させて、前記複数のバッテリーセルのエネルギーを前記１次巻線に移動させる段階をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
14. セル平衡化システムであって、
    複数の第１セルのうちの１つから第１変圧部の１次巻線に流れるエネルギーをコントロールする機能を有した第１セル平衡化制御部と、
    第２変圧部の２次巻線から複数の第２セルのうちの１つへ電力を移動させる機能を有した第２セル平衡化制御部と、
    前記複数の第１セルの複数の第１セル電圧を監視するとともに、前記複数の第２セルの複数の第２セル電圧を監視する機能と、前記第１セルから前記第２セルへ前記エネルギーを移動させて前記複数の第１セル電圧及び前記複数の第２セル電圧を平衡させる機能とを有した主制御部と、
    を具備し、
    前記第１セルは、前記第２セルよりも高いセル電圧を有することを特徴とするセル平衡化システム。
15. 前記複数の第２セルに別々に接続された複数の出力切換部をさらに具備し、
    前記主制御部が、前記複数の第１セル電圧及び前記複数の第２セル電圧に従って、前記複数の出力切換部のうちの１つを導通させるように構成され、
    前記２次巻線からの前記電力が、前記出力切換部を介して、前記第２セルに移動することを特徴とする請求項１４に記載のセル平衡化システム。
16. 前記複数の第１セルに別々に接続された複数の入力切換部をさらに具備し、
    前記主制御部が、前記複数の第１セル電圧及び前記複数の第２セル電圧に従って、前記複数の入力切換部のうちの１つを導通させるように構成され、
    前記第１セルからの前記エネルギーが、前記入力切換部を介して、前記１次巻線に移動することを特徴とする請求項１４に記載のセル平衡化システム。
17. 前記第２変圧部の前記２次巻線が、前記第１変圧部の２次巻線に直列に接続されることを特徴とする請求項１４に記載のセル平衡化システム。
18. 前記第１変圧部の２次巻線が、前記第２変圧部の１次巻線に電気的に接続されており、
    前記第１セルの前記エネルギーが、前記第１変圧部を介して、前記第２変圧部の前記１次巻線に移動することを特徴とする請求項１４に記載のセル平衡化システム。
19. 前記第２変圧部の前記１次巻線の電力が、前記第２変圧部の前記２次巻線を介して、前記第２セルに移動することを特徴とする請求項１８に記載のセル平衡化システム。
20. 前記複数の第１セルに別々に接続された複数の第１切換部を制御する第１切換動作制御部と、
    前記複数の第２セルに別々に接続された複数の第２切換部を制御する第２切換動作制御部と
    をさらに具備し、
    前記主制御部が、前記第１切換動作制御部及び前記第２切換動作制御部を制御するように構成されることを特徴とする請求項１４に記載のセル平衡化システム。

Images