JP2013514055A - マルチセルバッテリのバランシングを行うシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチセルバッテリのバランシングを行うシステム及び方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態において、本発明は、直列に結合された複数のセル、第１の端子及び第２の端子を備えるバッテリと、一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して複数のセルの一つに結合し、一次巻線をバッテリの第１の端子と第２の端子との間に結合した変圧器と、変圧器の一次巻線に直列な一次スイッチと、一次スイッチ、複数の二次スイッチ及び複数のセルの各々に結合した制御回路と、を備えるバッテリバランシング回路に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリバランシングシステム(battery balancing systems)に関する。更に詳しくは、本発明は、マルチセルバッテリ(multi-cell battery)のセルのバランシングを行う(balancing)システム及び方法に関する。

リチウムイオン(Li-ion)バッテリに関して、セル間のアンバランス状態又は過電圧状態によって危険側故障(dangerous failure)が生じるおそれがある。これらの問題の両方に伴う過熱状態によって出火が生じ、それを消火するのは容易ではない。バッテリ制御回路は、一般的には、個々のセル電圧を監視するとともにセル電圧間のあらゆるアンバランスを予め規定された範囲内に維持するために使用される。セルのバランシングを行う(balance)従来の方法は、高電圧（例えば、過電圧）のセルを放電し、過剰なエネルギー（電圧）を熱の形で消失させることである。しかしながら、この方法によれば電池のエネルギーを消耗する。また、消失したエネルギーによってバッテリーパックの過熱問題を生じ、それはしばしば危険であるので、消失したエネルギーは、をLi-ionバッテリ技術(Li-ion battery technology)に伝達されない。したがって、更に安全であるとともに更に効率的なバッテリバランシング回路が望まれる。

本発明の一態様は、マルチセルバッテリのバランシングを行うシステム及び方法に関する。一実施の形態において、本発明は、直列に結合された複数のセル、第１の端子及び第２の端子を備えるバッテリと、一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々が二次スイッチ及び整流回路を介して複数のセルの一つに結合され、一次巻線がバッテリの第１の端子と第２の端子との間に結合された変圧器と、変圧器の一次巻線に直列な一次スイッチと、一次スイッチ、複数の二次スイッチ及び複数のセルの各々に結合した制御回路と、を備えるバッテリバランシング回路に関する。

他の実施の形態において、本発明は、直列に結合された複数のセル、第１の端子及び第２の端子を備えるバッテリと、一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して複数のセルの一つに結合し、一次巻線のセンタータップ端子をバッテリの第１の端子と第２の端子との間に結合した変圧器と、一次巻線の第１の端子とバッテリの第２の端子の間に直列に結合した第１の一次スイッチと、一次巻線の第２の端子とバッテリの第２の端子の間に直列に結合した第２の一次スイッチと、第１の一次スイッチ、第２の一次スイッチ、複数の二次スイッチ及び複数のセルの各々に結合した制御回路と、を備えるバッテリバランシング回路に関する。

更に別の実施の形態において、本発明は、第１の端子及び第２の端子を有するバッテリの複数のセルに蓄積されたエネルギーのバランシングを行う方法であって、バッテリの複数のセルの一つのアンバランス状態を検出し、バッテリの第１の端子と変圧器との間に結合した一次スイッチを繰り返し動作させ、変圧器は、一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して複数のセルの一つに結合し、一次巻線をバッテリの第１の端子と第２の端子との間に結合し、アンバランス状態を有するバッテリの複数のセルの一つに対応する二次スイッチを動作させる方法に関する。

本発明の一実施の形態によるバッテリバランシング回路の線形ブロック図である。 本発明の他の実施の形態によるバッテリバランシング回路の線形ブロック図である。 本発明の一実施の形態によるバッテリバランシング回路を制御するプロセスのフローチャートである。

図面を参照すると、バッテリバランシング回路の実施の形態は、変圧器と、マルチセルバッテリのアンバランスなセル（例えば、低電圧セル）を識別するとともにバッテリから識別されたセルにエネルギーをまとめて伝達する制御回路に結合した複数のスイッチと、を有する。そのような場合、バッテリバランシング回路は、高充電(highly charged)セル又は過充電セルから低充電(lower charged)セルにエネルギーを伝達することができる。大抵の実施の形態において、セルのバランシングを行うための充電エネルギーは、バッテリそれ自体によって供給される。そのような場合、外部の充電エネルギー又は電源が用いられない。このようにして、バッテリバランシング回路は、簡単にバッテリのバランシングを再び行う(rebalance)よう動作することができる。

複数の実施の形態において、変圧器は、変圧器の一次巻線に供給される所定のスイッチング周波数及び所定のデューティサイクルを有する制御信号によって制御される。複数の実施の形態において、変圧器を、バッテリから特定のセルへのエネルギー伝達を最大にするために効率モード(efficient mode)で動作させる。一部の実施の形態において、変圧器を、単にエネルギーの方向を低電圧充電のセルに変える(redirect)のではなくエネルギーの一部を消失させることを意図した非効率モード(inefficient mode)で動作するよう制御することができる。いずれにしても、危険となりうるバッテリ全体又は特定のセルのアンバランス状態（例えば、過電圧）を減少及び／又は除去することができる。

一つ以上のアンバランスなセルの過剰な電圧を熱の形で消失させる従来の受動的なバランシング制御形態とは異なり、ここで説明するバッテリバランシング回路の実施の形態は、高電圧のセルから低電圧のセルに電力を移すことができる。これは、蓄積されたエネルギーを消耗しないので電池の寿命を著しく増大させる。複数の実施の形態において、バッテリバランシング回路は、低電圧のセルの電圧を増大させるのと同時に高電圧のセルの電圧を減少させることによってバランシングの促進も行う。

図１は、本発明の一実施の形態によるバッテリバランシング回路１００の線形ブロック図である。バッテリバランシング回路１００は、変圧器１０４に結合したバッテリ１０２を有する。変圧器１０４を、高充電セル又は過充電セルから低充電セルにエネルギーを再分配するのに用いることができる。バッテリ１０２は、第１のセル１０６、第２のセル１０８及び第ｎのセル１１０を有する直列に結合した複数のセルを有する。バッテリ１０２の各セルを、変圧器１０４の二次巻線に結合する。したがって、変圧器は、第１の二次巻線１１２と、第２の二次巻き線１１４と、第ｎの二次巻線１１６と、を有する。変圧器は、バッテリの正端子１２０とバッテリの負端子１２２との間に結合した単一の一次巻線１１８も有する。

各バッテリセルに対して、二次スイッチ及び整流回路を、セルと二次巻線の各々との間に結合する。例えば、第１のスイッチ（ＳＷ１）１２４を、第１のセル（セル１）１０６と、第１の巻線１１２に接続した第１の整流回路１２６との間に接続する。同様に、第２のスイッチ（ＳＷ２）１２８を、第２のセル（セル２）１０８と、第２の巻線１１４に接続した第２の整流回路１３０との間に接続する。第ｎのスイッチ（ＳＷｎ）１３２を、第ｎのセル１１０と、第ｎの巻線１１６に接続した第ｎの整流回路１３４との間に接続する。一次スイッチ（ＳＷＰ）１３６を、バッテリ１０２の負端子１２２と一次巻線１１８との間に結合する。二次スイッチ（１２４，１２８及び１３２）及び一次スイッチ１３６を制御回路１３８に結合する。制御回路１３８を、各セル（１０６，１０８，１１０）にも結合する。

動作中、制御回路は、あらゆるアンバランス状態を検出するために各セルの電圧を監視する。セルのアンバランスを検出した場合、制御回路は、直列のセルの全ての蓄積電圧(cumulative voltage)によって一次巻線を励起するために一次スイッチを調整し又は迅速に動作させることができる。同時に、制御回路は、一次巻線に蓄積されたエネルギーの二次巻線の各々及び整流回路を通じたアンバランス状態（例えば、不足電圧）を検出したセルへの経路を形成するために二次スイッチを閉じる。一部の実施の形態において、制御回路は、複数のセルを同時に充電できるようにするために二次スイッチを複数回閉じることができる。

したがって、動作中、エネルギーを、バッテリパック（例えば、スタック）からまとめて取得し、低電圧のセルに選択的に供給することができる。この制御形態によって、エネルギーは、一般的には高電圧（エネルギー）のセルから低電圧のセルに移され、したがって、所望のセルバランシングが行われる。

変圧器の効率は、一次スイッチに供給されるスイッチング周波数及びデューティサイクルに依存する。複数の実施の形態において、周波数及びデューティサイクルを、バッテリから特定のセルへのまとめて行う効率的なエネルギー伝達を最大にするよう制御する。一部の実施の形態において、スイッチング制御信号は、約３０ｋＨｚの周波数を有する。そのような場合、効率は約６０％である。

エネルギー伝達プロセス中、一般的にはエネルギーが低電圧セルに伝達されるだけでなく、過剰なエネルギーの一部は、変圧器において熱の形で消失される。一部の実施の形態において、周波数及びデューティサイクルを変更することによって、変圧器を、エネルギーの一部が変圧器において熱の形で消失される非効率モードにおいて用いることができる。そのような場合、この制御形態を、複数セルの過電圧状態に対処するために用いることができる。

一部の実施の形態において、変圧器は、５対１（二次に対する一次）の比を有する。他の実施の形態において、他の巻線比を用いることもできる。一実施の形態において、一次巻線を２８Ｖ電源に接続し、一次巻線は、二次巻線において約５．５Ｖの電圧出力を生成する。そのような場合、電圧出力は、二次巻線において予め選択されたしきい値電圧レベルまでセルを充電することができる。複数の実施の形態において、一次スイッチ及び二次スイッチは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、これは、スイッチング電界効果トランジスタとして動作するように構成される。

一部の実施の形態において、バッテリバランシング回路は、フライバック型回路として構成される。そのような場合、バッテリバランシング回路のエネルギーの伝達を、一次スイッチに供給される制御信号のデューティサイクルによって決定することができる。フライバック形態において、整流回路は、整流器として構成される単一のダイオードを有することができる。他の実施の形態において、整流回路は複数のダイオードを有することができる。複数の実施の形態において、フライバック形態は、この接続形態で発生するスイッチングノイズをフィルタ処理するフィルタ回路を有する。

図２は、本発明の一実施の形態によるバッテリバランシング回路２００の線形ブロック図である。複数の点において、バッテリバランシング回路２００は、図１のバッテリバランシング回路１００と同一である。バッテリバランシング回路は、複数のセル（例えば、１０６，１０８，１１０）を有するバッテリ１０２を有し、各セルを、スイッチ（例えば、１２４，１２８，１３２）によって、変圧器２０４の二次巻線（例えば、２１２）に結合した整流回路に結合する。しかしながら、図１のバッテリバランシング回路１００と比較すると、バッテリバランシング回路２００は、フォワードコンバータ形態においてセンタータップを有する一次巻線２１８を有する。センタータップ設計によって、エネルギーの有効な伝達を行う全波整流を可能にする。一次スイッチ（２３６，２３７）を、一次巻線２１８の各端子とバッテリの負端子１２２（例えば、グランド）との間に結合する。一次スイッチ（２３６，２３７）を制御回路２３８に結合する。更に詳しくは、制御線を制御回路２３８及び第２の一次スイッチ２３６に結合する。制御線を、第１の一次スイッチ２３７に結合したインバータ２４０にも結合する。そのような場合、一次スイッチ（２３６，２３７）のプッシュプル形態は、どんなときでも一方のスイッチがオンであるときに他の一次スイッチがオフになるように定めている。

各バッテリセルに対して、バッテリセルに結合した整流回路は、二次巻線（例えば、２１２）の各端部に結合した二つのダイオード（例えば、ダイオード２２５，２２７）を有すセンタータップ型全波整流器を有することができる。第１のセルに対して、例えば、ダイオード（２２５，２２７）のカソードは、第１のスイッチ１２４に結合したノードに連結される。第１の二次巻線２１２のセンタータップ脚(center tap leg)を、第１のセル１０６の負端子に結合する。バッテリバランシング回路２００は、他のセルに対する同様な整流回路を有する。センタータップ型全波整流器は、各セルに対する効率的なエネルギー伝送を行うことができ、さらに、二つのダイオードしか必要としない。また、センタータップ型全波整流器を有するフォワードコンバータ形態は、フライバックタイプの設計よりも雑音を小さくすることができ、したがって、フライバックタイプの設計に共通するフィルタ回路を必要としなくてもよい。

複数の実施の形態において、バッテリバランシング回路２００は、図１のバッテリバランシング回路１００と同様に動作する。

図３は、本発明の一実施の形態によるバッテリバランシング回路を制御するプロセス３００のフローチャートである。特定の実施の形態において、プロセス３００を、図１及び／又は図２の制御回路（１３８，２３８）に関連して用いることができる。プロセスは、先ず、アンバランスなセルを検出（３０２）又は識別することができる。複数の実施の形態において、制御回路は、各セルの電圧又は電荷を測定するように構成された回路を有することができる。検出することができるセルのアンバランス状態は、過電圧、電圧不足及び他のアンバランス状態を含むことができる。アンバランスセルを検出した場合、プロセスは、バランシング変圧器(balancing transformer)を動作させる（３０４）ことができる。

その後、プロセスは、充電モードを選択（３０６）することができる。一実施の形態において、充電モードは、あるモードにおける効率的なエネルギー伝達及び他のモードにおける最小でない電力消失を含む非効率的なエネルギー伝達を行うことができる。非効率的な充電モードにおいて、十分な量のエネルギーを変圧器内で消失させることができる。そのような場合、変圧器を、十分なエネルギーを安全に消失させる能力に基づいて設計又は選択することができる。プロセスは、選択したモードでエネルギーを伝達するために変圧器の一次スイッチ及び二次スイッチを動作させる（３０８）ことによって継続することができる。

一実施の形態において、エネルギーは、高充電セルから低充電セルに効率的に伝達される。エネルギーの伝達を容易にするために、予め選択された周波数及びデューティサイクルを有するスイッチング制御信号を一次スイッチに供給することができる。さらに、アンバランスであると識別された特定のバッテリセルに結合した一つ以上の二次スイッチを、その充電を可能にするためにスイッチングすることができる。その後、プロセスは、十分なバランスがバッテリのセル間で達成されたか否か決定する（３１０）ことができる。そうでない場合、プロセスは、変圧器の一次スイッチ及び二次スイッチの動作（３０８）に戻ることができる。十分なバランスに到達した場合、プロセスは、アンバランスなセルの検出（３０２）に戻ることができる。

一実施の形態において、プロセスは、動作を任意の順序で行うことができる。他の実施の形態において、プロセスは、動作の一つ以上をスキップすることができる。他の実施の形態において、動作の一つ以上を同時に実行することができる。一部の実施の形態において、追加の動作を行うことができる。

上記の説明は本発明の複数の特定の実施の形態を含むが、これらは、発明の範囲の限定と解釈すべきではなく、本発明の特定の実施の形態の例と解釈すべきである。したがって、発明の範囲を、図示した実施の形態だけでなく添付した特許請求の範囲及びその等価物によって決定すべきである。

Claims (22)

1. 直列に結合された複数のセル、第１の端子及び第２の端子を備えるバッテリと、
   一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して前記複数のセルの一つに結合し、前記一次巻線を前記バッテリの前記第１の端子と前記第２の端子との間に結合した変圧器と、
   前記変圧器の前記一次巻線に直列な一次スイッチと、
   前記一次スイッチ、複数の二次スイッチ及び前記複数のセルの各々に結合した制御回路と、
   を備えるバッテリバランシング回路。
2. 前記制御回路を、前記複数のセルのうちの少なくとも一つのセルのアンバランス状態を検出し、かつ、エネルギーが前記バッテリから前記少なくとも一つのセルに伝達されるように前記一次スイッチ及び前記複数の二次スイッチのうちの少なくとも一つの二次スイッチを動作させるように構成した請求項１に記載のバッテリバランシング回路。
3. 前記制御回路を、前記複数のセルの各々の電圧を測定し、前記複数のセルのうちの予め選択したしきい値より下の電圧を有するセルを識別し、識別されたセルに結合した二次スイッチを動作させ、かつ、エネルギーが前記バッテリから前記識別されたセルに伝達されるように前記一次スイッチを繰り返し動作させるように構成した請求項２に記載のバッテリバランシング回路。
4. 前記制御回路を、予め選択された周波数及び予め選択されたデューティサイクルで前記一次スイッチを動作させるように構成した請求項２に記載のバッテリバランシング回路。
5. 前記アンバランス状態を不足電圧と過電圧からなる群から選択した請求項２に記載のバッテリバランシング回路。
6. 前記制御回路を、前記複数のセルの各々の充電のレベルを検出し、前記一次スイッチのスイッチングを行うことによって前記一次巻線を励起し、前記複数の二次スイッチの少なくとも一つの対応する二次スイッチのスイッチングを行うことによって前記一次巻線から前記複数のセルのうちの少なくとも一つのセルまでのエネルギーの経路を設けるように構成した請求項１に記載のバッテリバランシング回路。
7. 前記整流回路の各々は全波整流器を備える請求項１に記載のバッテリバランシング回路。
8. 前記全波整流器は、少なくとも二つのダイオードを有するセンタータップ型全波整流器を備える請求項７に記載のバッテリバランシング回路。
9. 前記二次巻線の各々を、対応する整流回路に接続し、対応する二次スイッチを、前記対応する整流回路と前記バッテリの対応するセルとの間に接続した請求項１に記載のバッテリバランシング回路。
10. 前記整流回路の各々はダイオードからなる請求項１に記載のバッテリバランシング回路。
11. 直列に結合された複数のセル、第１の端子及び第２の端子を備えるバッテリと、
    一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して前記複数のセルの一つに結合し、前記一次巻線のセンタータップ端子を前記バッテリの前記第１の端子と前記第２の端子との間に結合した変圧器と、
    前記一次巻線の第１の端子と前記バッテリの前記第２の端子の間に直列に結合した第１の一次スイッチと、
    前記一次巻線の第２の端子と前記バッテリの前記第２の端子の間に直列に結合した第２の一次スイッチと、
    前記第１の一次スイッチ、前記第２の一次スイッチ、複数の二次スイッチ及び前記複数のセルの各々に結合した制御回路と、
    を備えるバッテリバランシング回路。
12. 前記制御回路を、前記複数のセルのうちの少なくとも一つのセルのアンバランス状態を検出し、かつ、エネルギーが前記バッテリから前記少なくとも一つのセルに伝達されるように前記第１の一次スイッチ、前記第２の一次スイッチ及び前記複数の二次スイッチのうちの少なくとも一つの二次スイッチを動作させるように構成した請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
13. 前記制御回路を、前記複数のセルの各々の電圧を測定し、前記複数のセルのうちの予め選択したしきい値より下の電圧を有するセルを識別し、識別されたセルに結合した二次スイッチを動作させ、かつ、エネルギーが前記バッテリから前記識別されたセルに伝達されるように前記第１の一次スイッチ及び前記第２の一次スイッチを繰り返し動作させるように構成した請求項１２に記載のバッテリバランシング回路。
14. 前記制御回路を、予め選択された周波数及び予め選択されたデューティサイクルで前記第１の一次スイッチ及び前記第２の一次スイッチを動作させるように構成した請求項１２に記載のバッテリバランシング回路。
15. 前記アンバランス状態を不足電圧と過電圧からなる群から選択した請求項１２に記載のバッテリバランシング回路。
16. 第１の制御線を前記制御回路と前記第１の一次スイッチとの間に結合し、インバータを前記第１の制御線と前記第２の一次スイッチとの間に結合した請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
17. 前記制御回路を、前記複数のセルの各々の充電のレベルを検出し、前記第１の一次スイッチ及び前記第２の一次スイッチのスイッチングを行うことによって前記一次巻線を励起し、前記複数の二次スイッチの少なくとも一つの対応する二次スイッチのスイッチングを行うことによって前記一次巻線から前記複数のセルのうちの少なくとも一つのセルまでのエネルギーの経路を設けるように構成した請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
18. 前記整流回路の各々は全波整流器を備える請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
19. 前記全波整流器は、少なくとも二つのダイオードを有するセンタータップ型全波整流器を備える請求項１８に記載のバッテリバランシング回路。
20. 前記二次巻線の各々を、対応する整流回路に接続し、対応する二次スイッチを、前記対応する整流回路と前記バッテリの対応するセルとの間に接続した請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
21. 前記整流回路の各々はダイオードからなる請求項１１に記載のバッテリバランシング回路。
22. 第１の端子及び第２の端子を有するバッテリの複数のセルに蓄積されたエネルギーのバランシングを行う方法であって、
    前記バッテリの前記複数のセルの一つのアンバランス状態を検出し、
    前記バッテリの前記第１の端子と変圧器との間に結合した一次スイッチを繰り返し動作させ、前記変圧器は、一つの一次巻線及び複数の二次巻線を備え、二次巻線の各々を二次スイッチ及び整流回路を介して前記複数のセルの一つに結合し、前記一次巻線を前記バッテリの前記第１の端子と前記第２の端子との間に結合し、
    前記アンバランス状態を有する前記バッテリの前記複数のセルの一つに対応する二次スイッチを動作させる方法。

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