JP2020526153A - マルチセルバッテリー電力管理システム - Google Patents

Abstract

本発明のマルチセル電池の電力管理システムは、Ｎ個のバッテリーと一つの電源制御装置によって構成される。Ｎはプラスの整数である。電源制御装置は、Ｎ−１個のバッテリーを充電／放電回路を形成させ、そしてＮ個バッテリーのそれぞれの蓄電容量を測定する。充電／放電回路の構成に入っていないバッテリーはオフラインバッテリーとして定義される。Ｎ−１個のバッテリーの個別蓄電容量とオフラインバッテリーの蓄電容量が比較された結果はスイッチング条件に満たされた場合、電源制御装置がＮ−１個のバッテリーの中から１つを選び出し充放電回路から切り離し、そしてオフラインバッテリーを充電／放電回路に組み込んで、切り離されたバッテリーが新たにオフラインバッテリーになる。こうして、マルチセル電池の電力管理システムはバッテリーの使用効率を高め、またバッテリーの使用時間と寿命を延ばすことができる。

Description

本発明はマルチセルバッテリー装置、特には一種のマルチセルバッテリー電力管理システムに関する。

本バッテリーが広く各種電子製品に適用されて、通常マルチセル式バッテリー構造になっていて、複数のバッテリーの直列或いは並列接続を通じて電子製品の動作に必要な電力が提供される。従来のマルチセルバッテリーは充電時にも放電時にもすべてのバッテリーが動作の対象になっているが、これらのバッテリーはお互いに繋がっているため、一個のバッテリーに異常（例えば高電圧、低電圧、損傷など）があると、マルチセルバッテリーは正常に機能しないか、或いはマルチセルバッテリーの機能喪失と判断される。

また、マルチセルバッテリーの出力電圧の安定性を保つためには、通常余分のバランス回路が必要である。そして一般的なマルチセルバッテリーの蓄電容量の推定計算はオフライン時に行われていないため、バッテリーの内部からの抵抗による影響を受けやすく、バッテリー蓄電容量の推定計算精度が低くなってしまう。

以上の欠点を鑑み、本発明の目的はマルチセルバッテリー電力管理システムを提供し、バッテリーの使用時間や寿命を延ばし、旧式バランス回路が占めるスペースやコストを削減し、更にバッテリーの充放電効率のバランスを保つことができる。

上記の欠点を考慮した本発明のマルチセル電池の電力管理システムは、Ｎ個のバッテリーと一つの電源制御装置によって構成される。Ｎは正の整数である。電源制御装置は、Ｎ−１個のバッテリーを充電／放電回路を形成させ、そしてＮ個バッテリーのそれぞれの蓄電容量を測定する。

充電／放電回路の構成に入っていないバッテリーはオフラインバッテリーとして定義される。Ｎ−１個のバッテリーの個別蓄電容量とオフラインバッテリーの蓄電容量が比較された結果はスイッチング条件に満たされた場合、電源制御装置がＮ−１個のバッテリーの中から１つを選び出し充放電回路から切り離し、そしてオフラインバッテリーを充電／放電回路に組み込んで、切り離されたバッテリーが新たにオフラインバッテリーになる。

このように、本発明のマルチセルバッテリーの電力管理システムは、複数のバッテリーを以って配電することができ、また、電力制御装置の制御により各バッテリーを安定的に充放電させることを通じて各バッテリーの蓄電量のバランスが取られる。

本発明のマルチセルバッテリー電力管理システムの構成を示すブロック図である。

本発明を実現するための最良の方法については、下記の通り各添付図面に基づいた良い導入成功例を以って、本発明のマルチセルバッテリー電力管理システムの構成内容及び効果について説明する。

ただ、各図面に記載されているマルチセルバッテリー電力管理システムの構成、寸法、及び外観は、あくまでも本発明の技術的な特徴を説明するためのものであり、本発明のシステム構成を限定するものではない。

図１は、本発明のマルチセルバッテリー電力管理システムの構成ブロック図である。

本発明のマルチセルバッテリー電力管理システムは、電力システムに適用でき、電力システムの適用対象はバッテリーパワーに頼って動作するノートパソコン、携帯電話、電気自動車、電気バイク、携帯用小型家電製品などの電子機器が含まれている。

図１のように、上述した課題を解決するためのマルチセルバッテリー電力管理システム１０は、１１、１３という２つの端子で上記電力システムと接続されて、６つのバッテリー３１〜３６および電源制御装置５０を含めた構成になっている。電源制御装置５０は、６個のバッテリー３１〜３６の中から５個のバッテリー３１〜３５を選び出し充電／放電回路を形成させ、６個の電池３１〜３６のそれぞれの蓄電容量を測定し、その中で充電／放電回路の構成に入っていないバッテリー３６は、オフラインバッテリーとして定義される。

ここでご注目いただきたい点としては、従来の電力システムの構成に入っている全バッテリーの合計電圧は、電力システムに必要な電圧総量と一致しており、つまり、余分のオフラインバッテリー（予備）はないことに対して、本発明は、電力システムに必要な電力（パワー）に基づいてバッテリーを設置しているほか、予備として余分のバッテリー１個を取り付けている。したがって、本導入例では、Ｎは６個で、Ｎ−１（５個）のバッテリーによって構成された充電／放電回路が電源システムに必要な電力量で、オフラインバッテリーは休憩して配分待ちの状態であります。

この導入例のオフラインバッテリーの数は１つではあるが、実際にオフラインバッテリーの数は２つ、或いは２つ以上であってもよい。オフラインバッテリーが２つ、或いは２つ以上と設計された場合、当業者であれば、本発明に関する説明を通じてバッテリーの総数が増えて、充放電回路内のバッテリーの数はＮ−２またはＮ−Ｘであり、Ｘは２つ以上のオフラインバッテリーを表していることと理解するはずである。

５つのバッテリー３１〜３５のそれぞれの蓄電容量とオフラインバッテリーの蓄電容量と比較された結果が切替条件を満たした場合は、電源制御装置５０が５つのバッテリー３１〜３５のうちの１つを充電／放電回路と切り離し、そしてオフラインバッテリー３６を充電／放電回路に組み込んで、切り離されたバッテリーは新たなオフライン電池になる。

電源制御装置には充電アプリケーションと放電アプリケーションが含まれているため、スイッチング条件も充電アプリケーションと放電アプリケーションによって異なります。詳細については、後述する。

オフラインバッテリーは、ルシャトリエの原理（Ｌｅ Ｃｈａｔｅｌｉｅｒ’ｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）を有効に利用して休憩中のバッテリー電圧を僅かながら高めることができる。また、充電／放電回路（オフラインバッテリー）から切り離された状態でバッテリーを測定するので、バッテリーの内部抵抗による電圧測定エラーの発生が避けられて、オフラインバッテリーの蓄電容量の推定計算精度も高められる。

充放電中の６個のバッテリーのいずれに不具合（例えば、過電圧や低電圧など）が発生した場合は、電源制御装置５０がバッテリーの異常を検出して、そのバッテリーをオフラインバッテリーに切り替え、マルチセルバッテリーの安全性を高められる。

図１に示すように、電源制御装置５０には、６つのスイッチング回路５１〜５６とコントローラー５７が含まれる。スイッチング回路５１〜５６の数はバッテリーの数に等しく、すなわち、特許請求の範囲で定義されているＮとＭの値の両方が同じ６になっている。６つのスイッチング回路５１〜５６は、６つのバッテリー３１〜３６と一対一で接続されている。コントローラー５７は、６つのスイッチング回路５１〜５６と接続されていて、そして６つのスイッチング回路５１〜５６を制御して充放電回路を形成させている。言い換えれば、コントローラー５７には、複数の接続端子があり、６つのスイッチング回路５１〜５６と接続されている。コントローラー５７には複数の接続端子があることは、当業者であれば理解するはずであるため、ここでは詳細な説明は省略する。

スイッチング回路５１〜５６のいずれかには、一つの直列スイッチ５１１〜５６１及び一つのバイパススイッチ５１３〜５６３が含まれている。直列スイッチ５１１〜５６１はバッテリー３１〜３６と直列接続されていて、バイパススイッチ５１３〜５６３は、直列スイッチ５１１〜５６１およびバッテリー３１〜３６と接続されていて、そして直列スイッチ５１１〜５６１およびバッテリー３１〜３６と並列接続されている。

ここで、ＮおよびＭはそれぞれ特定値を表しているので、当業者であれば数値の変更が可能であることを容易に理解するはずである。スイッチング回路の直列スイッチおよびバイパススイッチは、トランジスタ、ダイオード、或いは上記の主動部品で構成される回路の何れであっても良い。

充放電回路は、コントローラーがスイッチング回路を制御することによって形成されている。例えば、充電／放電回路に設置されたバッテリーが新たなオフラインバッテリーに切り替えられ、元のオフラインバッテリーが充電／放電回路に組み込まれた場合は、コントローラーは新たなオフラインバッテリーと接続しているスイッチング回路の直列スイッチをオフにして、そしてバイパススイッチをオンにすれば、新たなオフラインバッテリーが充電または放電されず、元のオフラインバッテリーに接続されたスイッチング回路の直列スイッチをオンにして、バイパススイッチをオフにすれば、元のオフラインバッテリーが充電／放電回路に組み込まれて充電／放電し始める。

上記の説明を通じて本発明のマルチセル電池の電力管理システムの構成を理解することができ、次いで放電アプリケーションと充電アプリケーション、及びコントローラーの制御動作について詳述する。その中では、上記の充放電回路について放電アプリケーションは放電回路にて、充電アプリケーション中は充電回路にて後ほど説明する。言い換えれば、充放電回路は、充電アプリケーション、或いは放電アプリケーションとして使用できるが、同時に充電アプリケーションと放電アプリケーションとしての応用はできない。

放電アプリケーションでは、以下の表１に示されているように、バッテリー番号１〜６は合計６個のバッテリーである。つまり、電源制御装置にも６つのスイッチング回路が存在する。蓄電容量誤差はバッテリー１〜６の最大蓄電容量と最小蓄電容量の差異を動態的に監視することから得られたものである。オフラインバッテリーの表示は、バッテリーの蓄電容量を太い黒文字とアンダーラインで強調されている。

最初は、バッテリー１〜６の蓄電容量はそれぞれ異なるが、これもバッテリーの実際の状態である。コントローラーはまず１〜６のバッテリー蓄電容量を検出し、つまりこの導入例のバッテリー電圧を検出している。本導入例では、コントローラーはすべてのスイッチング回路のバイパススイッチをオフにして、直列スイッチをオンにして、すべてのバッテリーの電圧を測定している。そして、バッテリー１〜６の中から５つを選び出し電力供給電源にしている。本導入例では、最初バッテリー１〜５が放電回路として使われ、バッテリー６がオフラインバッテリーにされている。即ち、バッテリー１〜５と接続されているスイッチング回路の直列スイッチはオンになっていて、バイパススイッチはオフになっている。しかし、バッテリー６は休憩状態になっていて、バッテリー６と接続されているスイッチング回路の直列スイッチがオフになっていて、バイパススイッチがオンになっている。

次に、コントローラーは放電回路のバッテリー１〜５のそれぞれの蓄電容量とオフライン電池６の蓄電容量を測定し、そして電池１〜５のそれぞれの蓄電容量とオフライン電池６の蓄電容量と比較する。続いて比較された結果が切替条件に適合した場合、つまりバッテリー５の蓄電容量（最小蓄電容量）がオフラインバッテリー６の蓄電容量よりも小さく、その差が０．１（Ａｈ）アンペアアワー（設定値）に達した場合は、コントローラーは切替条件に満たしていると判断し、バッテリー５と接続しているスイッチングスイッチの動作を制御し、バッテリー５を新たなオフラインバッテリーにして休憩させる。同時にバッテリー６（元のオフラインバッテリー）を放電回路に組み込んでいく。

本導入例では、最初の設定値を０．１Ａｈ（アンペアアワー）に設定し、後に設定値を０．２Ａｈに変えた。つまり、当業者であれば設定値は固定または段階的に調整するのが可能で、制限されないことが容易に理解できるはずである。

このように、コントローラーは、上記の検査・判定プロセスを連続的に行い、放電中のバッテリーのいずれの蓄電容量がオフラインバッテリーより低いか否か、そしてオフラインバッテリーの蓄電容量と放電中のバッテリーのいずれの最小蓄電容量の差が切り替え設定値を満たしているかどうかを判断する。切り替えの条件を満たしている場合は、最小蓄電容量のバッテリーを新たなオフラインバッテリーに切り替え、同時にコントローラーの制御によってのオフラインバッテリーのスイッチング回路と接続が行われて、元のオフラインバッテリーを放電回路に組み込んで、安定した電力供給と各バッテリーの放電電圧の一定のバランス維持という目的が達成される。切り替え条件を満たしていなければコントローラーは切り替え動作をしない。

従って、表１の通りにバッテリー１〜６の何れも新たなオフラインバッテリーになる可能性があり（蓄電容量はアンダーライン付きの太い黒体文字で表されている）、各バッテリーは十分に放電している。

また、表１では蓄電容量誤差の変化が見られる。初期値では、電池１〜６それぞれの蓄電容量の間に大きな差異が存在していたが、連続的な放電を行った後、蓄積容量誤差値は徐々に縮小し、この現象はよりバランスのとれた放電が行われている証拠である。コントローラーは、放電回路内の２つ、或いは２つ以上のバッテリーが切り替え条件を満たしたと検出すると、一つのバッテリーを選んで新たなオフラインバッテリーに変更させる。

充電アプリケーションの動作と判断基準は放電とほぼ同様である。相違点としては、充電アプリケーションがバッテリーの蓄電容量を徐々に高めているため、新たなオフラインバッテリーとして選ばれる条件は、Ｎ−１充電回路の最大蓄電容量がオフラインバッテリーの蓄電容量を超えているもので、そして最大蓄電容量とオフラインバッテリーの蓄電容量の差が設定値を満たしていることである。したがって、充電アプリケーションに使用される場合、Ｎ個のバッテリーの充電電圧も安定的に増えていって、最終的によりバランス状態に近づく。

このようにして、本発明のマルチセルバッテリー電力管理システムは、電源制御装置の切り替え動作によってすべてのバッテリーを安定した環境の下で動作することを可能にした結果、バッテリーの寿命が延びて、バッテリーの充電および放電能力のバランスが保たれる。特に、バッテリーの安全性を高めるためにはオフラインのバッテリーが休憩して正常な状態に戻ってから、充放電アプリケーションに使い続けられている。

また、上記導入例では、充電アプリケーションまたは放電アプリケーションの切り替え条件は２つの判断基準に基づいているが、実際には、充電アプリケーション時の切り替え条件として最大蓄電容量がオフラインバッテリーの蓄電容量よりも大きい時に切り替えてもよいし、放電アプリケーション時の切り替え条件としては最小蓄電容量がオフラインバッテリーの蓄電容量よりも小さい時に切り替えてもよいので、２つの条件を同時に満たすに限らない。

最後に強調したいのは前述の導入例の部品構成がこの案件に限ってのもので、本発明の特許請求の範囲を限定するものではなく、その他の同等な効果を持つ部品への代替或いは変更も、本発明の特許請求の範囲に含まれるべきである。

本発明のマルチセルバッテリーの電力管理システムは、既存の技術と比べて複数のバッテリーを効率よく使いこなして電力供給の配分を行い、そして電源制御装置の制御により各バッテリーが安定的に充電または放電することができるので各バッテリーの蓄電容量のバランスが保たれている。

添付図面に示されたシステム構成部品番号と名称：
１０ マルチセルバッテリーの電力管理システム
１１、１３ 端子
３１−３６ バッテリー
５０ 電源制御装置
５１−５６ スイッチング回路
５１１−５６１ 直列スイッチ
５１３−５６３ バイパススイッチ
５７ コントローラー

Claims (10)

1. Ｎ個のバッテリーを有して、Ｎは正の整数で、一つの充放電システムに適用されるマルチセルバッテリー電力管理システムであって、
   複数のスイッチング回路、及びコントローラーを含み、
   前記複数のスイッチング回路の動作によって、前記Ｎ個バッテリー中のＮ−Ｘ個のバッテリーにて充放電回路が形成されて、Ｘは正の整数であり、残りのＸ個のバッテリーが前記充電／放電回路から切り離され、オフラインバッテリーになり、
   前記コントローラーは、各バッテリーの電気特性を検出し、前記Ｎ−Ｘ個のバッテリーそれぞれの電気特性を前記Ｘのオフラインバッテリーの電気特性と比較させ、そしてスイッチング条件を満たしているＸバッテリーを前記充放電回路から切り離し、新たなオフラインバッテリーにしていく、同時に既にオフライン状態のＸ個バッテリーを前記充電／放電回路に組み込ませ、システム作動中に充放電回路中の前記Ｎ個バッテリーの個数をＮ−Ｘ個バッテリーと同数に維持させる、マルチセルバッテリー電力管理システム。
2. 前記複数のスイッチング回路は、Ｍ個の複数スイッチング回路を含み、Ｍは正の正数で、そしてＮのバッテリーと同数で、前記Ｍ個のスイッチング回路と前記Ｎ個のバッテリーが一対一で接続されて、前記コントローラーが前記Ｍ個のスイッチング回路と繋いでおり、且つ前記コントローラーが前記Ｍ個のスイッチング回路を制御しながら充放電回路を形成させている、請求項１に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
3. 前記それぞれのスイッチング回路は直列スイッチ及びバイパススイッチを含み、
   前記直列スイッチはバッテリーと直列接続されていて、前記バイパススイッチとバッテリーと直列スイッチと接続されていて、そして直列スイッチとバッテリーと並列接続されている、請求項２に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
4. 放電時のスイッチング条件として、前記Ｎ−Ｘ個バッテリー中蓄電容量が最も小さいＸ個バッテリーの蓄電容量がＸ個オフラインバッテリーより小さい、請求項１に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
5. スイッチング条件としてまた前記Ｘ個のバッテリーの蓄電容量と前記Ｘ個のオフラインバッテリーの蓄電容量との差が設定値を満たしていることを含む、請求項４に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
6. 充電時のスイッチング条件として前記Ｎ−Ｘ個バッテリーの中で最も大きい蓄電容量を持つＸバッテリーの蓄電容量が、前記Ｘ個オフラインバッテリーの蓄電容量より大きい、請求項１に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
7. スイッチング条件としても、前記Ｘ個のバッテリーの蓄電容量と前記Ｘ個のオフラインバッテリーの蓄電容量との差が設定値を満たしている、請求項６に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
8. 放電時のスイッチング条件として前記Ｎ−Ｘバッテリーのうち最も低い電圧を有するＸ個バッテリーの電圧が前記Ｘ個オフラインバッテリーの電圧より小さい、請求項１に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
9. 充電時のスイッチング条件として前記Ｎ−Ｘ個バッテリーの中で最も大きい電圧を持つＸバッテリーの電圧が、前記Ｘ個オフラインバッテリーの電圧より大きい、請求項１に記載のマルチセルバッテリー電力管理システム。
10. マルチセルバッテリー電力管理システムには、
    Ｎ個バッテリー、Ｎは正の整数で、
    及び請求項１に記載された前記複数スイッチング回路と前記コントローラーが含まれる。

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