JP2018157746A - バッテリパック及びバッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法 - Google Patents

バッテリパック及びバッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリパック及びそのバッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法を提供する。【解決手段】バッテリパック２０が、バッテリユニット２２と、バッテリパックを外部デバイスに電気的に接続するように構成される接続端子３０、３２と、バッテリユニットと接続端子との間に接続されるループ制御ユニット２４と、ループ制御ユニットに接続され、ループ制御ユニットを制御するのに適した、マイクロコントローラ２６とを含む。マイクロコントローラは、バッテリユニットを通過する電流の方向及び／又は大きさを調節するために、外部デバイスの電圧及びバッテリユニットの電圧に従ってループ制御ユニットを制御する。内部電圧と外部電圧との比較及びバッテリパックの電流の取得に基き、マイクロコントローラによる電流の制御は完全に自動化される。並列に直接的に接続される如何なる数のバッテリパックにおいても達成する。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ（電池）の分野に関し、より具体的には、複数のバッテリパック（電池パック）の接続及び制御の分野に関する。
直流（ＤＣ）機器に電力を提供するバッテリパックの広範囲に及ぶ用途に伴って、長期使用及び電力増大の要件を満足させるようバッテリパックの容量を増大させることがしばしば必要である。一般的な解決策は、並列に接続された２つ又はそれよりも多くのバッテリパックを使用してバッテリシステムを形成することにより、バッテリ容量を増大させることである。しかしながら、このアプローチの問題は、バッテリの内部抵抗が小さいので、２つのバッテリパックが並列に接続されるときに、２つのバッテリパックの電圧が極めて近くなければならないことである。さもなければ、２つのバッテリパックの間の電圧差が自己放電効果及び充電状態の自体の差の故に大きすぎるならば、大電流が生成されることにより、バッテリパック内でヒューズが飛ぶこと、保護板の故障、及び／又はバッテリパックの過熱等が生じることがある。
従って、本発明の実施形態は、上記技術的な問題を克服し或いは少なくとも緩和するために、改良されたバッテリパック及びバッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法を提供する。
本発明の第１の態様は、バッテリパックであって、バッテリユニットと、バッテリパックを外部デバイスに電気的に接続するように構成される接続端子と、バッテリユニットと接続端子との間に接続されるループ制御ユニットと、ループ制御ユニットに接続され、ループ制御ユニットを制御するのに適した、マイクロコントローラとを含む、バッテリパックを提供する。マイクロコントローラは、バッテリユニットを通過する電流の方向及び／又は大きさを調節するために、外部デバイスの電圧及びバッテリユニットの電圧に従ってループ制御ユニットを制御するように構成される。
好ましくは、マイクロコントローラは、ループ制御ユニットを制御するために、外部デバイスの電圧とバッテリユニットの電圧との間の差を比較するように構成される。
１つの具体的な実施形態では、外部デバイスの電圧がバッテリユニットの電圧よりも大きいとき、マイクロコントローラは、バッテリユニットが外部デバイスによって充電されるのを可能にするよう、ループ制御ユニットを制御する。
他の具体的な実施形態では、外部デバイスの電圧がバッテリユニットの電圧よりも少ないとき、マイクロコントローラは、バッテリユニットが外部デバイスに電力エネルギを提供するのを可能にするよう、ループ制御ユニットを制御する。
好ましい実施形態の１つの変更された形態において、マイクロコントローラは、外部デバイスの電圧を取得するために、接続端子で生成される電圧を測定する。
好ましい実施形態の他の変更された形態において、バッテリパックは、マイクロコントローラに接続される通信バスと、通信バスに接続される通信端子とを更に含む。通信端子は、外部デバイスの対応する通信インターフェースに繋がるように構成される。マイクロコントローラは、通信バスによって取得される外部デバイスの情報を通じて外部デバイスの電圧を取得する。
１つの具体的な実施形態において、バッテリパックは、バッテリユニットと接続端子との間に構成される電流サンプリングユニットを更に含み、電流サンプリングユニットは、バッテリユニットを通過する電流をサンプリングして、マイクロコントローラに結果を提供するように構成される。
本発明の他の態様は、上述のバッテリパックを２つ又はそれよりも多く含む、バッテリシステムを提供する。バッテリパックは、互いに並列に接続される。
好ましくは、２つ又はそれよりも多くのバッテリパックは、通信バスを通じて互いに接続される
本発明の他の態様は、バッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法が提供される。本方法は、バッテリパックを外部バッテリシステムに電気的に接続するステップと、バッテリパックによって外部バッテリシステムの電圧を取得するステップと、バッテリパックの電圧を外部バッテリシステムの電圧と比較するステップと、比較結果に従ってバッテリパックによってバッテリパックのバッテリユニットを通過する電流の方向及び／又は向きを調節するステップとを含む。
好ましくは、バッテリパックは、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制御されるループ制御ユニットとを含む。ループ制御ユニットは、バッテリユニットとバッテリパックの接続端子との間に構成される。バッテリパックによって外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、マイクロコントローラによって外部バッテリシステムの電圧を取得することを含む。
１つの具体的な実施形態では、外部バッテリシステムの電圧がバッテリパックの電圧よりも大きいとき、マイクロコントローラは、バッテリユニットが外部バッテリシステムによって充電されるのを可能にするよう、ループ制御ユニットを制御する。
他の具体的な実施形態では、外部バッテリシステムの電圧がバッテリパックの電圧よりも少ないとき、マイクロコントローラは、バッテリユニットが外部バッテリシステムに電力エネルギを提供するのを可能にするよう、ループ制御ユニットを制御する。
好ましい実施形態の変更された形態において、マイクロコントローラによって外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、接続端子で生成される電圧の測定を通じてマイクロコントローラによって外部バッテリシステムの電圧を取得することを含む。
好ましい実施形態の他の変更された形態において、バッテリパックは、マイクロコントローラに接続される通信バスと、通信バスに接続される通信端子とを含む。通信端子は、外部デバイスの対応する通信インターフェースに繋がるように構成される。外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、通信バスによって取得される外部デバイスの情報を通じてマイクロコントローラによって外部バッテリシステムの電圧を取得することを含む。
本発明は、マイクロコントローラを用いて、バッテリパック内のバッテリユニットと、外部デバイス、具体的には、類似のバッテリパックで形成される外部バッテリシステムとの間の電流伝送(current transmission)を制御する。外部バッテリシステムの電圧を取得し、それをバッテリパックの現在の電圧と比較することによって、マイクロコントローラは、バッテリパックが外部バッテリシステムに並列に接続されるときに、電流の大きさ及び／又は方向を自動的に調節するために、バッテリパック内のループ制御スイッチを制御する。接続されるバッテリパックの電圧が、外部バッテリシステムのバッテリよりも明らかに少ないとき、マイクロコントローラは、外部バッテリシステムを充電するために、電流が外部バッテリシステムから接続されるバッテリパック(connected battery pack)に流れるよう制御し、電流のレベルは、設定範囲での電流の平均値内に制御される。接続されるバッテリパックの電圧が、外部バッテリシステムの電圧以上であるとき、マイクロコントローラは、接続されるバッテリパックが外部バッテリシステムに電力を提供することがあるよう或いは接続される負荷(connected load)に電力を集合的に提供することがあるよう、ループ制御ユニットが通常モードに入るように制御する。
上記マイクロコントローラによる電流の制御は完全に自動化され、内部電圧と外部電圧との比較並びにバッテリパックの電流のサンプリング及び取得に基づくので、バッテリパック及び電気機器のユーザは上記プロセスに含められる必要はなく、その特別な作動プロセスを知る必要もない。それは任意の数のバッテリパックが並列に直接的に接続されるのを可能にし、ユーザにとって、それは簡単な操作(operation)である。同時に、この接続プロセスは、バッテリパックの一部を減衰させることがある、大きすぎるバッテリパック間の電圧差をもたらさない。
本発明の性能及び利点の更なる理解は、本明細書の残部及び添付の図面を参照して行われることがある。図面中の同じ構成部品（コンポーネント）は同じ番号が付されている。幾つかの場合には、多くの類似の構成部品のうちの１つを表すために参照番号の後に副次的な印及びハイフンが配置される。参照番号を参照するが、特定の副次的な印を参照しないとき、それはこれらの類似の構成部品の全てを意味する。
本発明の第１の実施形態に従ったバッテリパックの内部構成部品の概略的な接続図である。 多数の類似の外部バッテリパックに並列に接続された図１のバッテリパックの概略的な接続図である。 本発明の第２の実施形態に従った並列に接続された複数の類似のバッテリパックの概略的な接続図である。 本発明のある実施形態に従ったバッテリパックを外部バッテリシステムに接続する方法のフローチャートである。
本発明の実施形態は、マイクロコントローラを使用して、バッテリパックの内部と外部との間の電圧差を比較し、それにより、バッテリパックを通過する電流を制御する。本発明の様々な実施形態によって提供される様々な利益及び利点は、以下の記述から容易に明らかであろう。
図１を参照のこと。本発明の第１の実施形態によれば、単一のバッテリパック２０の内部は、１つのバッテリセル２１又は直列に接続されたより多くのバッテリセル２１によって形成されるバッテリユニット２２を含む。従って、バッテリユニット２２の総電圧は、１つ又はそれよりも多くのバッテリセル２１の個々の電圧の合計に等しい。バッテリパック２０の内部は、ループ制御ユニット２４に接続されたマイクロコントローラ２６（ＭＣＵ）を更に含む。ループ制御ユニット２４は、バッテリユニット２２とバッテリパック２０の外部接続端子との間に接続される。具体的には、ループ制御ユニット２４は、バッテリユニット２２の正電極とバッテリパック２０の正端子３０との間に接続され、バッテリパック２０の負端子３２とバッテリユニットの負電極との間にスイッチ要素(switch element)は構成されない。マイクロコントローラ２６は、電流サンプリングユニット２８に更に接続される。電流サンプリングユニット２８は、バッテリパック２０の負端子３２とバッテリユニット２２の負電極との間に構成され、サンプリング結果をマイクロコントローラ２６に伝送するために、バッテリユニットを通過する電流をサンプリングするために用いられる。
上述のループ制御ユニット２４は、個別に構築されてよく、或いは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、継電器、可燃抵抗器等を非限定的に含む、様々な既知の要素を用いて、組み合わせにおいて構築されてよい。複数のそのような要素が存在する場合、それらはそれぞれ直列に接続され、並列に接続され、或いは、先ず並列に接続され、次に直列に接続されて、制御アレイを形成してよい。相応して、マイクロコントローラ２６は、切換え方式又はパルス幅変調（ＰＷＭ）方式を通じてループ制御ユニット２４を制御してよい。当業者は上記内容をよく知っており、従って、ここでは詳細に記載しない。
図１では、マイクロコントローラ２６の２つの入力端子２３及び２５が、ループ制御ユニット２４の２つの端子に同時に直接的に接続されている。具体的には、入力端子２３は、バッテリユニット２２の正電極に直接的に接続されており、入力端子２５は、バッテリパック２０の正端子３０に接続されている。加えて、マイクロコントローラ２６の２つの追加的な入力端子２７及び２９が、バッテリユニット２２の負電極及びバッテリパックの負端子３２にそれぞれ接続されている。そのような接続方式によって、マイクロコントローラ２６は、バッテリユニット２２の２つの端子の電圧及びバッテリパック２０の外部接続端子での電圧を直接的に測定することがある。
類似の構造を備える幾つかのバッテリパック２０，２０ａが並列に接続されている図２を参照のこと。バッテリパック２０の各々は、上述のマイクロコントローラ及びループ制御ユニット、それら及びバッテリユニットの具体的な接続方式、並びに接続端子を含む、同じ制御部分を有する。これらのバッテリパックは、当業者によく知られた方式において、例えば、ワイヤ(wires)、ラック(racks)、金属片(metal strips)等を使用して、互いに接続されてよい。
図３を参照のこと。本発明の他の実施形態では、類似の構造を備える幾つかのバッテリパック１２０，１２０ａが、並列に接続されている。バッテリパックの各々は、マイクロコントローラ及びループ制御ユニット、それら及びバッテリの具体的な接続方式、並びに接続端子を含む、同じ制御部分を有する。殆どの内部構成部品及びバッテリパック１２０，１２０ａの接続は、上述のバッテリパック２０と同じであり、それらの記述を省略する。唯一の相違は、バッテリパック２０のマイクロコントローラ１２６が、もはやバッテリパック１２０の正端子１３０に接続される如何なる入力端子をも有さないことである。即ち、このとき、マイクロコントローラ１２６は、もはやバッテリパック１２０の外部接続端子上の電圧を直接的に測定しない。逆に、マイクロコントローラ１２６は、通信バス１３４に接続されており、通信バス１３４は、バッテリパック１２０の通信端子１３５に接続されている。通信端子１３５は、外部バッテリシステム通信インターフェースに接続されてよい、正端子の外部端子と類似する。例えば、バッテリパック１２０ａを含む外部バッテリシステムの場合、バッテリパック１２０の通信端子１３５は、バッテリパック１２０ａの対応する通信端子に接続されてよい。
上記通信バス及び通信端子は、様々な信号を送信して、情報を送信するために用いられ、当業者に知られた任意の方法において実施されてよい。例えば、通信バスが使用するモードは、Ｉ２Ｃ、シリアル・ペリフェラル・インターフェース（ＳＰＩ）、差動通信、Ｉ／Ｏ信号時間、汎用非同期シリアルポート(universal asynchronous serial port)(ＵＡＲＴ)、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）等を含み、通信バスは、２つ又はそれよりも多くの通信ユニットをサポートすることができる。
次に、図４を参照して、図１乃至３に示すバッテリパック又はバッテリパックで形成されるバッテリシステムの作動原理を記載する。本発明の主要構成は、接続されるべきバッテリパックが既存の他のバッテリパック又はバッテリシステムに接続されるときに、電流を検出し且つ制御してバッテリパック間のバランスを達成するために、マイクロプロセッサを使用して２つの群(parties)の間の電厚さを知的に決定することである。先ず、ステップ２４０において、ユーザは接続されるべきバッテリパックを既存の他のバッテリパック又はバッテリシステムに並列に接続する。そのような接続は、上記の様々な実行可能な手段を通じて行われてよい。接続されるべきバッテリパックがひとたび接続されると、ステップ２４２において、接続されるべきバッテリパックのマイクロコントローラは、外部バッテリパック又はバッテリシステムの電圧を取得しようと試みる。ステップ２４２は、任意的に、図１乃至２又は図３における上記方式を通じて達成されてよい。具体的には、バッテリパックが（図１乃至２に示すように）その外部接続端子上の電圧を直接的に検出するように構成されているならば、マイクロコントローラは、その入力端子に接続される電圧検出線(voltage detecting line)を通じて外部バッテリセルの総電圧を取得する。バッテリパックが（図３に示すように）通信バスを通じて外部バッテリシステムの電圧を取得するように構成されているならば、マイクロコントローラは、外部バッテリシステムの電圧を取得するために、通信バスを通じてバッテリパックの通信端子から外部バッテリシステムの情報を受信する。
然る後、ステップ２４４において、接続されるべきバッテリパックのマイクロコントローラは、バッテリパック自体の電圧、具体的には、バッテリパックの内がワンおバッテリユニットの２つの端子の電圧と、外部バッテリシステムの電圧とを比較する。接続されるべきバッテリパックの電圧が、外部バッテリシステムの電圧よりも明らかに少ないならば、ステップ２４８において、マイクロコントローラは、接続されるべきバッテリパックが充電前バランスモード(pre-charging balance mode)に入るよう制御し、接続されるべきバッテリパックは外部バッテリシステムによって充電される。このモードにおいて、マイクロコントローラは、電流サンプリングユニットを通じてリアルタイムで電流を検出し、平均電流が設定範囲内にあるようにループ制御ユニットを制御する。即ち、マイクロコントローラは、所望の電流方向（充電の場合には流入）及び大きさ(magnitude)を取得するようループ制御ユニットを制御する。このモードにおいて、マイクロコントローラは、上記電圧検出及び比較行為を同時に継続的に繰り返す。ステップ２４４において、マイクロコントローラが、接続されるべきバッテリパックの電圧が外部バッテリパックの電圧に近いか或いは外部バッテリシステムの電圧よりも大きいことを検出するならば、マイクロコントローラは、接続されるべきバッテリパックが通常モード(normal mode)に入るよう制御する。ループ制御ユニットの作動(operation)によって、接続されるべきバッテリパックは電力を出力し、それは外部バッテリシステム内の他のバッテリパックを充電し或いは他のバッテリパックと並列に作動して最終負荷(final load)のための電力を提供する。
よって、幾つかの実施形態を記述した後に、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、異なる修正、追加的な構成、及び均等物が用いられてよいことを認識するであろう。相応して、前述の記述は、後続の請求項において定められるような本発明の範囲を限定するものとして解釈されてならない。
外部バッテリパック及び外部バッテリシステムの名称は、上述の具体的な実施の区画において述べられている。主外部バッテリシステム(primary external battery system)は、単一の又は多数のバッテリパック（即ち、外部バッテリパック）を含んでよい類概念(generic concept)であるが、異なる種類／原理のバッテリ、コンデンサ、又は他のエネルギデバイスのような、他の種類の蓄電デバイスを含んでもよい。外部バッテリパックの内部構造に拘わらず、接続されるべきバッテリパックは、接続されるべきバッテリパックの充電及び放電を制御するために、端側(end side)での電圧を測定することによって或いは通信バスを用いることによって外部バッテリシステムの総電圧を取得してよい。
２０ バッテリパック (battery pack)
２０ａ バッテリパック (battery pack)
２１ バッテリセル (battery cell)
２２ バッテリユニット (battery unit)
２３ 入力端子 (input terminal)
２４ ループ制御ユニット (loop control unit)
２５ 入力端子 (input terminal)
２６ マイクロコントローラ (microcontroller)
２７ 追加的な入力端子 (additional input terminal)
２８ 電流サンプリングユニット (current sampling unit)
２９ 追加的な入力端子 (additional input terminal)
３０ 正端子 (positive terminal)
３２ 負端子 (negative terminal)
１２０ バッテリパック(battery pack)
１２０ａ バッテリパック(battery pack)
１２６ マイクロコントローラ (microcontroller)
１３０ 正端子 (positive terminal)
１３４ 通信バス (communication bus)
１３５ 通信端子 (communication terminal)
２４０ ステップ (step)
２４２ ステップ (step)
２４４ ステップ (step)
２４６ ステップ (step)
２４８ ステップ (step)

Claims (15)

  1. バッテリパックであって、
    バッテリユニットと、
    当該バッテリパックを外部デバイスに電気的に接続するように構成される接続端子と、
    前記バッテリユニットと前記接続端子との間に接続されるループ制御ユニットと、
    該ループ制御ユニットに接続され、該ループ制御ユニットを制御するように構成される、マイクロコントローラとを含み、
    該マイクロコントローラは、前記バッテリユニットを通過する電流の方向及び／又は大きさを調節するために、前記外部デバイスの電圧及び前記バッテリユニットの電圧に従って前記ループ制御ユニットを制御するように構成される、
    バッテリパック。
  2. 前記マイクロコントローラは、前記ループ制御ユニットを制御するために、前記外部デバイスの前記電圧と前記バッテリユニットの前記電圧との間の差を比較するように構成される、請求項１に記載のバッテリパック。
  3. 前記外部デバイスの前記電圧が前記バッテリユニットの前記電圧よりも大きいとき、前記マイクロコントローラは、前記バッテリユニットが前記外部デバイスによって充電されるのを可能にするよう、前記ループ制御ユニットを制御する、請求項２に記載のバッテリパック。
  4. 前記外部デバイスの前記電圧が前記バッテリユニットの前記電圧よりも少ないとき、前記マイクロコントローラは、前記バッテリユニットが前記外部デバイスに電力エネルギを提供するのを可能にするよう、前記ループ制御ユニットを制御する、請求項２に記載のバッテリパック。
  5. 前記マイクロコントローラは、前記外部デバイスの電圧を取得するために、前記接続端子で生成される電圧を測定する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のバッテリパック。
  6. 前記マイクロコントローラに接続される通信バスと、該通信バスに接続される通信端子とを更に含み、該通信端子は、前記外部デバイスの対応する通信インターフェースに繋がるように構成され、前記マイクロコントローラは、前記通信バスによって取得される前記外部デバイスの情報を通じて前記外部デバイスの電圧を取得する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のバッテリパック。
  7. 前記バッテリユニットと前記接続端子との間に構成される電流サンプリングユニットを更に含み、該電流サンプリングユニットは、前記バッテリユニットを通過する電流をサンプリングして、前記マイクロコントローラに結果を提供するように構成される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のバッテリパック。
  8. 請求項１に記載のバッテリパックを２つ又はそれよりも多く含むバッテリシステムであって、前記バッテリパックは、互いに並列に接続される、バッテリシステム。
  9. 前記２つ又はそれよりも多くのバッテリパックは、通信バスを通じて互いに接続される、請求項８に記載のバッテリシステム。
  10. バッテリパックを外部バッテリシステムに並列に接続する方法であって、
    （ａ）前記バッテリパックを外部バッテリシステムに電気的に接続するステップと、
    （ｂ）前記バッテリパックによって前記外部バッテリシステムの電圧を取得するステップと、
    （ｃ）前記バッテリパックの電圧を前記外部バッテリシステムの前記電圧と比較するステップと、
    （ｄ）比較結果に従って前記バッテリパックによって前記バッテリパックのバッテリユニットを通過する電流の方向及び／又は向きを調節するステップとを含む、
    方法。
  11. 前記バッテリパックは、マイクロコントローラと、該マイクロコントローラによって制御されるループ制御ユニットとを含み、該ループ制御ユニットは、前記バッテリユニットと前記バッテリパックの接続端子との間に構成され、前記バッテリパックによって前記外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、前記マイクロコントローラによって前記外部バッテリシステムの前記電圧を取得することを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記外部バッテリシステムの前記電圧が前記バッテリパックの前記電圧よりも大きいとき、前記マイクロコントローラは、前記バッテリユニットが前記外部バッテリシステムによって充電されるのを可能にするよう、前記ループ制御ユニットを制御する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記外部バッテリシステムの前記電圧が前記バッテリパックの前記電圧よりも少ないとき、前記マイクロコントローラは、前記バッテリユニットが前記外部バッテリシステムに電力エネルギを提供するのを可能にするよう、前記ループ制御ユニットを制御する、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記マイクロコントローラによって前記外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、前記接続端子で生成される電圧の測定を通じて前記マイクロコントローラによって前記外部バッテリシステムの前記電圧を取得することを含む、請求項１１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の方法。
  15. 前記バッテリパックは、前記マイクロコントローラに接続される通信バスと、該通信バスに接続される通信端子とを含み、該通信端子は、前記外部デバイスの対応する通信インターフェースに繋がるように構成され、前記外部バッテリシステムの電圧を取得するステップは、前記通信バスによって取得される前記外部デバイスの情報を通じて前記マイクロコントローラによって前記外部バッテリシステムの前記電圧を取得することを含む、請求項１１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の方法。
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