JP2024507529A - リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法およびそのシステム - Google Patents
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Abstract
単一の電気充電器を用いて電気的直列ストリング内で一緒に接続された複数の電池を充電するための電池バランシング方法およびシステム。例えば、電池バランシング方法およびシステムは、単一の電気充電器を用いて直列ストリングを充電するときに、電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数の電池の電池バランシングを提供するために、個々の電池の電池管理システム(BMS)を利用する。
Description
本発明は、電気的直列配置で接続されたリチウムイオン電池のストリングの充電状態(SoC)に電池バランシングを行う方法、およびそのシステムに関する。
リチウムイオン電池は、用途に要求される、より高い電圧に達するために、電気的に直列に配置された複数のリチウムイオンセルを使用して設計されることが多い。
いかなる2つのリチウムイオン電池セルも、電池製造業者が電池組立中にセルを選別して適合させる高度な手順を利用しても、同一ではない。SoC、容量、内部抵抗、自己放電率、および温度特性においてリチウムイオン電池間には常に小さい差がある。リチウムイオンセルのこれらの小さな差に対処しない場合、その結果、経時的にセル電圧にばらつきが生じる。セル電圧のばらつきは、電池性能の低下および潜在的に安全性問題につながる可能性がある。このため、多くの電池は、電池管理システム(BMS)にセルバランシングを組み込んでいる。
電気的に直列に接続されたリチウムイオン電池のセルバランシングに一般的に使用される2つの方法は、受動的バランシングおよび能動的セルバランシングを含む。
受動的セルバランシングが最も一般的である。これは、低コストであり、実装が容易であり、効果的である。受動的セルバランシングでは、セルを他の電池セルと均等化するために、充電中にセル全体で負荷が切り替えられて充電電流をバイパスする。電気的に直列の電池セルの各々は、それ自体のバイパス抵抗器を有する。
能動的セルバランシングは、バランスを維持するために、セル間で電荷を再分配するという、より複雑な方法を使用する。能動的セルバランシングは、通常、キャパシタまたはインダクタを使用して、エネルギーを貯蔵し、電池セル間でエネルギーを再分配する。これは、受動的セルバランシングの抵抗負荷に固有の電力損失を排除する低損失プロセスである。
セルバランシングは、単一の電池パック内のセル間のバランスを維持するのに非常に効果的であり得る。しかしながら、電気的直列ストリング内で互いに接続されたときに電池(例えば、充電式電池、Liイオン充電式電池)のバランスをとる必要性も存在する。
多くの用途では、より高い印加電圧に達するために2つ以上の電池を電気的に直列に接続する必要がある。電気的に直列に接続された電池のこのストリングは、単一のユニットとして充電および放電されることが多い。これは、電池内部の個々のセル間に不均衡が生じるのと同様に、電池間に不均衡を生じさせる可能性がある。
電池の内部では、製造中に個々のセルが整合され、次いで電池が密封される。対照的に、電気的直列ストリング内の電池は必ずしも整合されておらず、それらは分離して取り外し可能であるため、それらのSoCに影響を及ぼし得る異なる条件にさらされる場合がある。これらの理由から、直列に接続された電池のバランスをとるために何らかの方法を実施することが望ましい。いくつかの一般的な電池バランス方法を以下に説明する。
(1)バランシング無し:
最も一般的な状況は、いかなる形態の電池バランシングも実施しないことである。バランシング無しでは、電池は、経時的にバランスが崩れて、BMSが電池のうちの1つの過充電または過放電保護を引き起こす場合がある。これにより、電池の電気的直列ストリングが開放され、適用障害が生じる。
最も一般的な状況は、いかなる形態の電池バランシングも実施しないことである。バランシング無しでは、電池は、経時的にバランスが崩れて、BMSが電池のうちの1つの過充電または過放電保護を引き起こす場合がある。これにより、電池の電気的直列ストリングが開放され、適用障害が生じる。
(2)個々の電池を充電する:
直列に接続された電池にバランシングを行うための簡単な解決策は、各電池を直列に接続されたストリング内で別々に充電することである。例えば、4つの直列に接続された12V電池からなる48Vシステムが、4つの個別12V充電器(すなわち、各電池に1つの12V充電器)を利用する。これは効果的なバランシング戦略であるが、多くの用途ではコストとスペースが法外である。ほとんどのシステム設計者は、電気的に直列に接続された電池ストリング全体に対して単一の充電器を好む。
直列に接続された電池にバランシングを行うための簡単な解決策は、各電池を直列に接続されたストリング内で別々に充電することである。例えば、4つの直列に接続された12V電池からなる48Vシステムが、4つの個別12V充電器(すなわち、各電池に1つの12V充電器)を利用する。これは効果的なバランシング戦略であるが、多くの用途ではコストとスペースが法外である。ほとんどのシステム設計者は、電気的に直列に接続された電池ストリング全体に対して単一の充電器を好む。
(3)定期的なチェックおよび再バランス:
直列に接続された電池のバランスをとるために使用される別の戦略は、バランスを定期的にチェックし、必要に応じて電池の再バランスを手動で行うことである。この方法では、電池は、負荷および/または充電器から接続解除され、測定される。電池のバランスが崩れている場合、各1つが、充電器で個別に充電されてバランスを回復する。この方法は効果的であるが、バランスをチェックするために電池使用を中断する必要があること、バランスをチェックするための最適な時間間隔を決定すること、およびスケジュールされ実行されなければならない手動操作であるという事実などの欠点を有する。
直列に接続された電池のバランスをとるために使用される別の戦略は、バランスを定期的にチェックし、必要に応じて電池の再バランスを手動で行うことである。この方法では、電池は、負荷および/または充電器から接続解除され、測定される。電池のバランスが崩れている場合、各1つが、充電器で個別に充電されてバランスを回復する。この方法は効果的であるが、バランスをチェックするために電池使用を中断する必要があること、バランスをチェックするための最適な時間間隔を決定すること、およびスケジュールされ実行されなければならない手動操作であるという事実などの欠点を有する。
(4)外部バランシング:
電気的に直列に接続されたストリング内の各電池を監視し、電池間のバランスを維持するためにバランシング技術を使用するように設計された電池充電バランシングシステムが利用可能である。これらのシステムは、電池の外部にある。それらは効果的であるが、電池の外部の追加のハードウェア、および直列ストリング内の各電池への外部配線を必要とする。
電気的に直列に接続されたストリング内の各電池を監視し、電池間のバランスを維持するためにバランシング技術を使用するように設計された電池充電バランシングシステムが利用可能である。これらのシステムは、電池の外部にある。それらは効果的であるが、電池の外部の追加のハードウェア、および直列ストリング内の各電池への外部配線を必要とする。
本発明は、単一の充電器で複数の電池を充電するときに、電気的直列ストリング内で一緒に接続された複数の電池に電池バランシングを行うことを対象とする。本発明は、電池の外側に追加のハードウェアまたはケーブル配線無しで、電気的直列ストリング内に一緒に電気的に接続された複数の電池間で電池バランシングを実施する。電池間の通信は不要である。電池バランシングは、電気的直列ストリングのそれぞれの個々の電池の内部で行われる。
本発明は、個々の電池レベル(例えば、パックレベル)で受動的バランシングを実施することを伴う。各個々の電池は、充電の終わり近くの充電電流の一部をバイパスするバランス抵抗器を有する。電池の電気的に直列に接続されたストリングにおいて、これは、より高い電圧を有する電池に対する充電電流を低減する効果を有しながら、より低い電圧を有する電池は満充電電流を受け取る。その結果、より低い電圧の電池が、より高い電圧の電池に追いつく。不均衡の量に応じて、電池は、バランスがとられた状態に達するために1回または複数回の充電サイクルを要する場合がある。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、単一の電気充電器が、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランス抵抗器が充電電流をバイパスし始める電池電圧閾値が、使用される特定のリチウムイオン電池の化学的性質の満充電電圧近くである電圧に設定される、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランス抵抗器が充電電流をバイパスし始める電池電圧閾値が、使用される特定のリチウムイオン電池の化学的性質の満充電電圧近くである電圧に設定され、電池の電気的直列ストリングが充電されるとき、セルバランシングが、電池がバランス閾値に達すると各電池上でオンにされ、最終的に、電気的直列ストリング内の電池のすべてでセルバランシングがオンにされる、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシングが、充電中にのみ実行される、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシングが、充電中にのみ実行され、バランシングが、電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とする、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシングが、充電中にのみ実行され、バランシングが、電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とし、バランシングが、バランシングのための電圧閾値を満充電電圧近くになるように設定することによって行われ、電池が充電しており、この閾値に到達すると、バランシングが有効にされる、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシングが、充電中にのみ実行され、バランシングが、電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とし、バランシングが、バランシングの電圧閾値を満充電電圧近くになるように設定することによって行われ、電池が充電しており、この閾値に到達すると、バランシングが有効にされ、充電終了後、電池電圧は、バランシングを無効にする、閾値を下回る電圧まで自然に緩和する、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、電池管理システム(BMS)内の制御電子機器が、電池が充電されているかどうかを示す信号をバランシング回路に提供することができる、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシング電流が、効果的に電池のバランスをとるために十分な高さであるべきだが、電池充電器で使用される充電終了スキームに干渉しないために十分な低さであるべきである、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、適切なバランシングを提供し、ほとんどの電池充電器で機能するためのバランシング電流の値が、100mAから500mAの間である、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、マイクロコントローラを使用して電池電圧を読み取るためにアナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、単一の電気充電器が、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、方法を対象とする。
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本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、マイクロコントローラを使用して電池電圧を読み取るためにアナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシングが、充電中にのみ実行され、バランシングが、電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とし、バランシングが、バランシングのための電圧閾値を満充電電圧近くになるように設定することによって行われ、電池が充電しており、この閾値に到達すると、バランシングが有効にされ、充電終了後、電池電圧が、バランシングを無効にする、閾値を下回る電圧まで自然に緩和する、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、マイクロコントローラを使用して電池電圧を読み取るためにアナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、電池管理システム(BMS)内の制御電子機器が、電池が充電されているかどうかを示す信号をバランシング回路に提供することができる、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、マイクロコントローラを使用して電池電圧を読み取るためにアナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、バランシング電流が、効果的に電池のバランスをとるために十分な高さであるべきだが、電池充電器で使用される充電終了スキームに干渉しないために十分な低さであるべきである、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、マイクロコントローラを使用して電池電圧を読み取るためにアナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするステップと、を含み、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、適切なバランシングを提供し、ほとんどの電池充電器で機能するためのバランシング電流の値が、100mAから500mAの間である、方法を対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングを充電するための電池バランシングシステムであって、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を含み、複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有し、コンパレータは、リチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするように構成され、このシーケンスが、バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、単一の電気充電器が、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、電池バランシングシステムを対象とする。
本明細書に記載の主題は、リチウムイオン電池の電気的直列ストリングを充電するための電池バランシングシステムであって、電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を含み、複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有し、マイクロコントローラは、アナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧を読み取って電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、MOSFETをオンにするように構成され、このシーケンスが、バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、単一の電気充電器が、リチウムイオン電池の電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、電池バランシングシステムを対象とする。
電気的直列ストリング内に一緒に接続された4つの電池2A、2B、2C、2D(電池1、電池2、電池3、電池4)を充電するためのシステムまたは回路1が、図1に示されている。システムまたは回路1は、4つの電池2A、2B、2C、2Dと、単一の電池充電器3と、バランス抵抗器4(すなわち負荷)とを備える。
バランシングのためのシステムまたは回路10が、図2に示されている。システムまたは回路10は、電池セル12A、12B、12C、12D(セル#1、セル#2、セル#3、セル#4)と、コンパレータ16と、MOSFET22と、バランス抵抗器24(すなわち負荷)とを備える。コンパレータ16は、電池電圧が充電終止近くになったときを検出し、次いで、MOSFET22をオンにするために用いられる。このシーケンスは、バランス抵抗器24を介して充電電流30の一部(すなわち、バランス電流32)を分流し、電池セル12A、12B、12C、12Dをバイパスし、これは、その特定の電池の充電を減速する効果を有する。
本発明による電池バランシングシステムは、各々がシステムまたは回路10を有する複数の電池を備え、電気的直列ストリング内で一緒に接続される。複数の電池は、単一の充電器を用いて充電される。
本発明によるバランシングのための別のシステムまたは回路110が、図3に示されている。システムまたは回路110は、電池セル112A、112B、112C、112D(セル#1、セル#2、セル#3、セル#4)と、アナログ-デジタル変換器(ADC)118と、マイクロコントローラ120と、MOSFET122と、バランス抵抗器124(すなわち負荷)とを備える。マイクロコントローラ120は、アナログ-デジタル変換器(ADC)118を用いて電池電圧を読み出して電池電圧が充電終止近くになったことを検出し、MOSFET122をオンにする。これは、バランス抵抗器124を介して充電電流132の一部(すなわち、バランス電流132)を分流し、セルをバイパスして、充電を減速する効果を有する。
本発明による別の電池バランシングシステムは、各々がシステムまたは回路110を有する複数の電池を備え、電気的直列ストリング内に一緒に接続される。
バランス抵抗器が充電電流をバイパスし始める電池電圧閾値は、使用される特定のリチウムイオン電池の化学的性質の満充電電圧に近い電圧に設定される。例えば、例示的な電池の合理的な値を以下に示す。特定の電池および化学的性質に合わせてバランシングを最適化するために、他の値を選択することができる。
例:
1)(3.60V/セル)×(4セル)=14.4V(満充電電圧が3.65V/セルの4セルLiFePO4);および
2)(4.18V/セル)×(3セル)=12.54V(満充電電圧が4.20V/セルの3セルコバルト系電池)
1)(3.60V/セル)×(4セル)=14.4V(満充電電圧が3.65V/セルの4セルLiFePO4);および
2)(4.18V/セル)×(3セル)=12.54V(満充電電圧が4.20V/セルの3セルコバルト系電池)
本発明によるシステムおよび方法では、電池の電気的直列ストリングが充電されるとき、セルバランシングが、電池が上記で説明したバランス閾値に到達すると各電池においてオンにされる。最終的に、電気的直列ストリング内のすべての電池でセルバランシングがオンにされる。
バランシングは、充電中にのみ実行される。これは、電池が充電されているときをバランシングシステムまたは回路が検出することを必要とする。これは、バランシングのための電圧閾値を満充電電圧近くに設定することによって行われる。電池が充電中であり、この閾値に達すると、バランシングが有効にされる。充電終了後、電池電圧は、バランシングを無効にする、閾値を下回る電圧まで自然に緩和する。
あるいは、電池管理システム(BMS)内の制御電子機器が、電池が充電されているかどうかを示す信号をバランシングシステムまたは回路に提供することができる。
設計における考慮事項は、バランシング電流の選択である。バランシング電流は、効果的に電池のバランスをとるために十分な高さであるべきだが、電池充電器で使用される充電終了スキームに干渉しないために十分な低さであるべきである。
定電流/定電圧(CC/CV)を利用する充電器は、充電サイクルの定電圧部分中に電流が特定のレベルを下回ったときに充電を終了する。充電器によって使用される典型的な閾値は、バルク充電電流の5~10%である。適切な充電終了を保証するために、バランシング電流は、このレベル未満であるべきである。
多くの汎用電池充電器は、定電流(CC)充電のみを使用する。これらの充電器は、電池電圧が終了電圧に近づくにつれて充電電流を減少させる。適切な充電終了を保証するために、バランシング電流は、最低充電電流レベルを下回るべきである。
適切なバランシングを提供し、ほとんどの電池充電器で機能するためのバランシング電流の合理的な値は、100mAから500mAの間である。
上述の本発明は、受動的バランシングを利用して、電気的に直列に接続された電池間のバランスを達成する。あるいは、能動的バランシングも同様に使用することができる。
Claims (22)
- リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、
前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、前記複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、
前記コンパレータを使用してリチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、前記リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするステップと、を含み、
このシーケンスが、前記バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、前記複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、前記リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、
単一の電気充電器が、前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された前記複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、方法。 - リチウムイオン電池の電気的直列ストリングに電池バランシングを行う方法であって、
電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を提供するステップであって、前記複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有する、ステップと、
マイクロコントローラを使用して、電池電圧を前記アナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して読み取って前記電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、前記MOSFETをオンにするステップと、を含み、
このシーケンスが、前記バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、前記複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、これは、前記リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、
単一の電気充電器が、前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された前記複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、方法。 - 前記バランス抵抗器が充電電流をバイパスし始める電池電圧閾値が、使用される特定のリチウムイオン電池の化学的性質の満充電電圧に近い電圧に設定される、請求項1に記載の方法。
- 電池の前記電気的直列ストリングが充電されるとき、電池がバランス閾値に達すると各電池上でセルバランシングがオンにされ、最終的に、前記電気的直列ストリング内の前記電池のすべてでセルバランシングがオンにされる、請求項3に記載の方法。
- バランシングが、充電中にのみ実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記バランシングが、前記電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とする、請求項5に記載の方法。
- 前記バランシングが、バランシングのための電圧閾値を前記満充電電圧に近い電圧に設定することによって行われ、前記電池が充電しており、閾値に達すると、バランシングが有効にされる、請求項6に記載の方法。
- 充電終了後、前記電池電圧が、バランシングを無効にする、前記閾値を下回る電圧まで自然に緩和する、請求項7に記載の方法。
- 前記電池管理システム(BMS)内の制御電子機器が、電池が充電されているかどうかを示す信号をバランシング回路に提供することができる、請求項1に記載の方法。
- バランシング電流が、効果的に電池のバランスをとるために十分な高さであるべきだが、電池充電器で使用される充電終了スキームに干渉しないために十分な低さであるべきである、請求項1に記載の方法。
- 適切なバランシングを提供し、ほとんどの電池充電器で機能するためのバランシング電流の値が、100mAから500mAの間である、請求項1に記載の方法。
- 前記バランス抵抗器が充電電流をバイパスし始める電池電圧閾値が、使用される特定のリチウムイオン電池の化学的性質の前記満充電電圧に近い電圧に設定される、請求項2に記載の方法。
- 電池の前記電気的直列ストリングが充電されるとき、電池がバランス閾値に達すると各電池上でセルバランシングがオンにされ、最終的に、前記電気的直列ストリング内の前記電池のすべてでセルバランシングがオンにされる、請求項12に記載の方法。
- バランシングが、充電中にのみ実行される、請求項2に記載の方法。
- 前記バランシングは、電池が充電されているときをバランシング回路が検出することを必要とする、請求項14に記載の方法。
- 前記バランシングが、バランシングのための前記電圧閾値を前記満充電電圧に近い電圧に設定することによって行われ、前記電池が充電しており、前記閾値に達すると、バランシングが有効にされる、請求項15に記載の方法。
- 充電終了後、前記電池電圧が、バランシングを無効にする、前記閾値を下回る電圧まで自然に緩和する、請求項16に記載の方法。
- 前記電池管理システム(BMS)内の制御電子機器が、電池が充電されているかどうかを示す信号をバランシング回路に提供することができる、請求項2に記載の方法。
- バランシング電流が、効果的に電池のバランスをとるために十分な高さであるべきだが、電池充電器で使用される充電終了スキームに干渉しないために十分な低さであるべきである、請求項2に記載の方法。
- 適切なバランシングを提供し、ほとんどの電池充電器で機能するためのバランシング電流の値が、100mAから500mAの間である、請求項2に記載の方法。
- リチウムイオン電池の電気的直列ストリングを充電するための電池バランシングシステムであって、
前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を含み、前記複数のリチウムイオン電池は各々、コンパレータ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有し、前記コンパレータは、リチウムイオン電池の各々の電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、前記リチウムイオン電池の各々の各それぞれのMOSFETをオンにするように構成され、
このシーケンスが、前記バランス抵抗器を通って流れる充電電流の一部を分流し、前記複数のリチウムイオン電池の各々の電池セルをバイパスし、これは、前記リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、
単一の電気充電器が、前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された前記複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、電池バランシングシステム。 - リチウムイオン電池の電気的直列ストリングを充電するための電池バランシングシステムであって、
電気的に直列に一緒に接続された複数のリチウムイオン電池を含み、前記複数のリチウムイオン電池は各々、アナログ-デジタル変換器(ADC)、マイクロコントローラ、MOSFET、およびバランス抵抗器を備える電池管理システム(BMS)を有し、前記マイクロコントローラは、前記アナログ-デジタル変換器(ADC)を使用して電池電圧を読み取って前記電池電圧が充電終止近くにあるときを検出し、次いで、前記MOSFETをオンにするように構成され、
このシーケンスが、前記バランス抵抗器を通る充電電流の一部を分流し、前記複数のリチウムイオン電池の各々のセルをバイパスし、前記リチウムイオン電池の各々の充電を減速する効果を有し、
単一の電気充電器が、前記リチウムイオン電池の前記電気的直列ストリング内に一緒に接続された前記複数のリチウムイオン電池を充電するために使用される、電池バランシングシステム。
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