JP5624120B2 - 電池システムおよび動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池システムおよび動作方法に関する。

充電式の電池は、多様な応用分野における電気エネルギーに対する様々な要求に対応するよう設計され、使用されている。充電式の電池システムは、充電中に電気エネルギーを受け取り、放電中に電気エネルギーを負荷に供給する複数の充電式のセルからなる。充電式のセルは異なる化学物質を含み、一例ではリチウムイオンセルを含む。異なる応用分野で使用される充電式のセルの数は、要求される負荷の数に依存して変化し、ある実施態様、例えば輸送手段に使用される場合には非常に多い。

個々の充電式のセルは、例えば製造工程および製造上の公差が原因で、他の充電式のセルと相違する。特に、１つまたはそれ以上の充電式のセルは、電池の他の充電式のセルに接続された異なる内部抵抗、インピーダンスなどを有する。従って、電池の充電中および／または放電動作中、１つまたはそれ以上の充電式のセルは、他の充電式のセルと異なる動作をする。例えば、１つまたはそれ以上のセルは、他の充電式のセルと異なる速度で充電または放電する。これはある応用分野において好ましくない。

本発明の例示の実施態様を以下の図面を参照しながら説明する。
一実施態様による電気システムの機能ブロック図である。 一実施態様による電池システムの機能ブロック図である。 一実施態様による電池システムの回路図である。 一実施態様による電池システムの回路図である。 一実施態様による電池システムの回路図である。

一実施態様によれば、電池システムは、変換回路と、複数の主端子と、スイッチング回路とを有し、複数の主端子は、負荷、充電器、および主端子の間に互いに直列に接続された複数の充電式の電池モジュールに接続されるように構成され、スイッチング回路は、第１の電池モジュールを変換回路の入力に接続するように構成され、変換回路は、第１の電池モジュールから受け取った電気エネルギーの電気的特性を修正し、第２の電池モジュールに修正された特性を有する電気エネルギーを出力するように構成される。

他の一実施態様によれば、電池システムは、負荷および充電器に接続されるように複数の主端子の間に直列に接続される複数の充電式の電池モジュールと、平衡回路とを有し、平衡回路は、第１の充電式の電池モジュールから電気エネルギーを受け取り、電気エネルギーを修正し、第１の充電式の電池モジュールの充電状態の減少、および第２の充電式の電池モジュールの充電状態の増大の少なくとも一方を行うために、第１の充電式の電池モジュールから第２の充電式の電池モジュールへ修正された電気エネルギーを供給するように構成される。

さらに一実施態様によれば、充電式の電池システムの動作方法は、互いに直列に接続された充電式の電池の複数の充電式の電池モジュールを充電する工程、電池モジュールから負荷へ電気エネルギーを放電する工程、第１の電池モジュールを選択する工程、選択の結果として、第１の電池モジュールからの電気エネルギーから電気的特性を修正する工程、修正後、第１の電池モジュールの充電状態の減少および第２の電池モジュールの充電状態の増大の少なくとも一方を行うために、第２の電池モジュールに修正された電気エネルギーを供給する工程、を有する。

さらに他の一実施態様によれば、充電式の電池システムの動作方法は、互いに直列に接続された複数の充電式の電池モジュールの充電状態を監視する工程、第２の電池モジュールの充電状態より低い充電状態を有する第１の電池モジュールを検出する工程、第２の電池モジュールからの電気エネルギーを修正する工程、修正した後、第１の電池モジュールの充電状態の減少および第２の電池モジュールの充電状態の増大の少なくとも一方を行うために、電気エネルギーを第２の電池モジュールから第１の電池モジュールに供給する工程、を有する。

図１には、一実施態様による電気システムの例が示される。図に示される電気システム１は、電源８、電池システム１０および負荷１２を含む。図に示される態様において、電池システム１０は、電源８からの電気エネルギーが電池システム１０の１つまたはそれ以上の複数の充電式のセルを充電する充電モードで動作するように構成される充電式の電池システムである。さらに、電池システム１０は、電池システム１０が負荷１２に電気エネルギーを放電する放電モードで動作する。一実施態様において、電池システム１０は、数多くの充電および放電サイクルにさらされる。

電池システム１０は、負荷１２に電力を供給するために適切な、直列および／または並列のいずれかに配置された複数の充電式のセル（図１には示されていない）を含む。より具体的には、電池システム１０は、異なる電力需要を有する負荷１２の異なる配置を有する異なる応用分野に用いられる。したがって、電池システム１０は、異なる実施態様において、異なる負荷１２に適切な、直列および／または並列の異なる配置に配置された異なる数の充電式のセルを含む。

しかしながら、１つまたはそれ以上の充電式のセルは、例えば製造上の公差が原因で、他の充電式のセルと相違する。特に、１つまたはそれ以上の充電式のセルは、他の充電式のセルと比べて異なる電気的特性（例えば、インピーダンス）を有する。この違いによって、１つまたはそれ以上の充電式のセルは、電池システム１０の充電動作中に、他の充電式のセルに比べて異なる速度で充電および／または放電する。本発明の少なくとも一面は、充電および／または放電動作中に、電池システム１０の充電式のセルの充電の均等性またはバランスを増大させる、および／または維持する点にある。

図２には、電池システム１０の一実施態様が示される。図において、電池システム１０は、複数の主端子１４，１６、充電式の電気エネルギー蓄積回路２０、スイッチング回路２２、および変換回路２４を含む。さらに多くの、少ない、および／または他の要素を含む、電池システム１０の他の実施態様も可能である。

図２には示されていないが、充電器および負荷が主端子１４，１６に接続されてもよい。電源８と負荷１２は、異なる瞬間にまたは同時に主端子１４，１６に接続される。電源８は、電池システム１０を充電するための充電器として動作し、その後、電池システム１０は蓄積された電気エネルギーを負荷１２に放電する。一実施態様において、主端子１４，１６は異なる電圧レベルの端子であり、正極端子および負極端子を含む。

ある配置において、図示された回路２０，２２，２４，２６は、共通の筐体内部に設けられる。他の実施態様において、スイッチング回路２２、変換回路２４および制御回路２６を、異なる瞬間において異なる蓄積回路２０（例えば、電池）と用いることが好ましい。例えば、充電式の電池の態様における蓄積回路２０は、一定の耐用年数を有し、交換可能であり（例えば、一定の充放電サイクル数を有する）、したがって、回路２２，２４，２６は電池システム１０の使用中の期間における異なる時間に異なる蓄積回路２０とつながれる。

一実施態様において、蓄積回路２０は１つまたはそれ以上の充電式の電池セルを含む。電源８によって供給される充電電気エネルギーは、蓄積回路２０を充電するために、主端子１４，１６によって受け取られる。さらに、蓄積回路２０に蓄積された電気エネルギーは、電池システム１０の放電動作中に、主端子１４，１６を通して負荷１２に供給される。一実施態様において、充電式のセルは、約３．６５ボルトの動作（例えば、完全に充電された）電圧を有するリチウムイオンセルである。

後述のように、蓄積回路２０は、それぞれが１つまたはそれ以上の充電式のセルを含む複数の電池モジュールを含む。充電式のセルは、例えば、負荷１２の要求によって、異なる配置の電池システム１０において異なる構成で配置されることが可能である。さらに、少なくとも１つの実施態様において、ある電池システム１０の電池モジュールは通常、充電式のセルと同じ配置を有し、一方、ある電池システム１０の異なる電池モジュールは、充電式のセルと異なる配置を有する。一実施態様において、電池モジュールはそれぞれ、充電式のセルの４つのバンクが電池モジュールの正極および負極（図示せず）端子の間に直列に配置され、一方各バンクは並列に接続された１０のセルを含む、４ｓ１０ｐ配置を取る。蓄積回路２０の各電池モジュールは１つの充電式のセルのみを含む一実施態様を含む、蓄積回路２０の他の配置が可能である。

蓄積回路２０の動作（例えば、充電または放電）中、電池モジュールは通常、名目上の充電状態と呼ばれる実質的に同じ充電状態を有する。しかしながら、１つまたはそれ以上の電池モジュールの充電状態は、例えば電池モジュールの充電式のセルの製造上の公差が原因で、名目上の充電状態と相違することがある（例えば、一実施態様において、名目上の充電状態より、１％のようなしきい値を超えた値だけ大きいまたは小さい）。一実施態様において、電池モジュールは、各充電状態が名目上の充電状態についてのしきい値より小さい場合に、他の電池モジュールとバランスが取れた状態（すなわち名目上の充電状態）とみなされる。

ここに記載する一実施態様の例では、動作が行われていない配置と比べて、電池モジュールの充電状態のバランスを増大させるために動作を行うように構成される。さらに具体的な一実施態様において、電池システム１０の充電または放電動作中に、電池モジュールが名目上の充電状態と実質的に同じとなるように動作が行われる。スイッチング回路２２、変換回路２４および制御回路２６は、異なる電池モジュールについてバランスの取れた動作を実行するように構成された平衡回路となる。

記載された実施態様において、スイッチング回路２２は、蓄積回路２０を変換回路２４と接続するように構成される。一実施態様において、スイッチング回路２２は、蓄積回路２０と変換回路２４の中間に接続された複数のスイッチ（図２には示されない）を含む。スイッチング回路２２は、トランジスタ、継電器（リレー）、多重変換装置（マルチプレクサ）および／または他のスイッチング装置を含む。一実施態様において、変換回路２４は、１つまたはそれ以上の入力および出力を有し、スイッチング回路２２は、蓄積回路２０の１つまたはそれ以上の電池モジュールを変換回路２４の入力および出力と選択的に接続するように構成される。後述されるように、一実施態様によれば、スイッチング回路２２は、異なる瞬間において、蓄積回路２０の電池モジュールの異なる１つを変換回路２４の入力および出力に接続する。

変換回路２４は、変換回路２４の入力で受け取った電気エネルギーの電気的特性を修正し、修正された電気エネルギーを出力するように構成される。異なる実施態様において、変換回路２４の異なる配置が用いられてもよい。図に示す実施態様について後述する変換回路２４は、それぞれが、変換回路２４によって受け取られる電気エネルギーの電圧を有する電気的特性を修正するように構成される、１つまたはそれ以上のＤＣ−ＤＣ変換装置を含む。ＤＣ−ＤＣ変換装置として実行される変換回路２４は、範囲内にある電圧（例えば、２．５Ｖから４．５Ｖ）を有する電気エネルギーを受け取り、実質的に一定な電圧を有する修正された電気エネルギーを出力するように構成される。一実施態様において、変換回路２４は、完全に充電された状態（例えば、３．６５Ｖ）にあるそれぞれの充電式のセルの電圧に対応する電圧を有する修正された電気エネルギーを出力するように構成される。他の実施態様において、出力電圧は調節可能である。

一例において、変換装置は、ある変換装置のそれぞれの入力および出力は、変換装置の入力および出力の負極端子に接続された共通の参照（例えば、アース）を共有しない、孤立したＤＣ−ＤＣ変換装置として実行される。一実施態様において、孤立したＤＣ−ＤＣ変換装置の利用は、共通の参照を共有しない、非孤立の配置に比べて、どの電池モジュールが変換装置の入力および出力に接続されているかの選択において、より高い柔軟性を与える。一例において、使用可能な電池モジュールが、少ない充電状態を有する電池モジュールと共通の参照電圧を有するかどうかにかかわらず、名目上の充電状態より低い充電状態を有する電池モジュールの充電状態を増大させるために、使用可能な電池モジュールの異なる１つが電気エネルギーを供給するために用いられる。記載された一実施態様において、孤立したＤＣ−ＤＣ変換装置の配置は、低い充電状態を有する電池モジュールを充電するのに用いられる電気エネルギーを変換装置への入力へ供給するための十分な充電を有する、使用可能ないずれの電池モジュールを選択するかを可能とする。さらに、いくつかのＤＣ−ＤＣ変換装置の配置は、不良または他の生じうる損傷状態の間、制御回路２６が変換装置を保護するのを無効にすることを可能とする制御入力を含む。他の実施態様において、変換回路および／または変換装置の他の構成が用いられる。

図示する例に関して後述するように、変換回路２４は１つまたはそれ以上の入力および出力を含む。異なる充電状態（例えば、名目上の充電状態より低い充電状態）を有する選択された電池モジュールは、変換回路２４の出力に接続され、他の電池モジュールは、低い充電状態を有する選択された電池モジュールの充電状態を増大させるのに用いられる電気エネルギーを変換回路２４に供給するために、変換回路２４の入力に接続される。一実施態様において、選択された電池モジュールは、変換回路２４に直接接続される（例えば、一実施態様において、選択された電池モジュールは、スイッチング回路２２を通して変換回路２４のＤＣ−ＤＣ変換装置の入力および出力に直接接続される）。

他の例において、異なる充電状態（例えば、名目上の充電状態より高い充電状態）を有する選択された電池モジュールは、変換回路２４の入力に接続され、蓄積回路２０の他の電池モジュールは、変換回路２４の出力に接続される。この例において、選択された電池モジュールからの電気エネルギーは、過剰の充電を徐々に減らすために変換回路２４の入力に供給され、そして変換回路２４の入力に接続されている電池モジュールの充電状態を蓄積回路２０の他の電池モジュールの充電状態と均一にするために供給される。

一実施態様において、制御回路２６は、データを処理し、データのアクセスと蓄積を制御し、コマンドを発し、そして他の要求される動作を制御するように配置される。少なくとも１つの実施態様において、制御回路２６は、適切な媒体によって与えられた所望のプログラミングを実行するように構成された回路を有する。例えば、制御回路２６は、例えば、ソフトウェアおよび／またはファームウェアの命令、および／またはハードウェア回路を含む、実行可能命令を実行するように構成された１つまたはそれ以上のプロセッサおよび／または他の構造として実行される。制御回路２６の具体的な実施態様は、ハードウェア論理、ＰＧＡ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、状態機械、および／または他の構造およびこれらとプロセッサの組み合わせを含む。制御回路２６のこれらの例は説明のために記載したものであり、他の構成も可能である。

一実施態様において、制御回路２６は、電池システム１０の動作を監視し、制御するように構成される。例えば、制御回路２６は、電池モジュール１０を監視し、その監視結果に応答してスイッチング回路２２を制御するように構成される。

他の具体例において、制御回路２６は、充電および放電動作中にそれぞれの電池モジュールの充電状態についての情報にアクセスするように構成される。一実施態様において、制御回路２６は、少なくとも１つの選択された電池モジュールの充電状態を蓄積回路２０の他の電池モジュールとバランスを取り、または均一にするために、選択された電池モジュールの少なくとも１つは、蓄積回路２０の他の電池モジュールの名目上の充電状態と異なる充電状態を有することを検出した制御回路２６による監視結果に応答して、蓄積回路２０の１つまたはそれ以上の電池モジュールを選択し、選択された蓄積回路２０の１つまたはそれ以上の電池モジュールを変換回路２４に接続するように構成される。一実施態様において、制御回路２６は、それぞれの電池モジュールの充電状態が、名目上の充電状態からしきい値を超えた量だけ外れている結果として、それぞれの電池モジュールについてバランスを取る動作を実行するように構成される。例えば、１つの配置において、本発明に記載されたバランスを取る動作は、ある電池モジュールについて、その電池モジュールの充電状態が名目上の充電状態から１％（例えば、一実施態様において、バランスの取れた電池モジュールに対して、ある電池モジュールの約２ｍＶの電圧差に対応する）より大きい量だけ変化している場合に、実行される。

記載される例において、電池モジュールの１つが名目上の充電状態より低い場合、制御回路２６は、１つまたはそれ以上の他の電池モジュールからの変換回路２４の電気エネルギーを用いて、１つの電池モジュールの充電状態を増大させる動作を行う。電池モジュールの１つが名目上の充電状態より高い場合、制御回路２６は、電池モジュールの１つからの電気エネルギーを変換回路２４、および１つまたはそれ以上の他の電池モジュールに供給することにより、１つの電池モジュールの充電状態を減少させる動作を行う。さらに詳細な説明を、異なる実施態様の例について以下に記載する。

図３に示される電池システム１０の例は、主端子１４，１６の間に直列に接続された４つの電池モジュール３０ａ〜ｄを有する蓄積回路２０を含む。図に示される例では、電池モジュール３０ａは、端子１４に直接接続され、一方電池モジュール３０ｄは端子１６に直接接続される。より多い、より少ない、および／または他の構成の電池モジュール３０ａ〜ｄを含む、蓄積回路２０の他の構成が可能である。

図３に示される例において、複数のモジュール端子２１はそれぞれの充電式のモジュール３０ａ〜３０ｄの正極および負極に接続される。それぞれの電池モジュール３０ａ〜３０ｄは、上述のように、モジュール端子２１の間に直列および／または並列に配置される１つまたはそれ以上の充電式のセルを有する。

スイッチング回路２２は、電池モジュール３０ａ〜３０ｄのモジュール端子２１を、変換回路２４の複数の変換装置５０ａ〜５０ｄのそれぞれに接続する。図に示す構成において、モジュール端子２１の変換装置５０ａ〜５０ｄへの接続を実行する複数のスイッチ４０を有するスイッチング回路２２が示される。一実施態様について後述するように、それぞれの変換装置５０ａ〜５０ｄの入力に接続された電池モジュール３０ａ〜３０ｄの電気エネルギーは、それぞれの変換装置５０ａ〜５０ｄの出力に接続された他の電池モジュール３０ａ〜３０ｄを充電するために用いられる。

特に、図３の構成（電池モジュール３０ａ〜３０ｄは、上から下へ順に示される４つである）に示されるように、第２の電池モジュール３０ｂは第１の電池モジュール３０ａを充電するために用いられ、第３の電池モジュール３０ｃは第２の電池モジュール３０ｂを充電するために用いられ、第４の電池モジュール３０ｄは第３の電池モジュール３０ｃを充電するために用いられ、第１の電池モジュール３０ａは第４の電池モジュール３０ｄを充電するために用いられる。一実施態様において、複数の変換装置５０ａ〜５０ｄは、同じ瞬間にエネルギーを移動させる。

図３の実施態様のより具体的な一例において、制御回路２６はそれぞれの電池モジュール３０ａ〜３０ｄの充電状態を監視し（例えば、充電中、放電中、非伝導中などの間に監視する）、電池モジュール３０ａ〜３０ｄの充電状態のバランスを取り、または均一にするために、スイッチング回路２２を制御するように構成される。例えば、第１の電池モジュール３０ａが他の電池モジュール３０ｂ〜３０ｄの名目上の充電状態より低い充電状態を有することが検出された場合、制御回路２６は、第１の電池モジュール３０ａの充電状態を増大させるために、スイッチング回路２２の適切なスイッチ４０を制御して、第２の電池モジュール３０ｂのモジュール端子２１を、第２の変換装置５０ｂの入力に接続する。この配置において、電池モジュール３０ａと３０ｂは、同時にＤＣ−ＤＣ変換装置５０ｂに接続され、スイッチング回路２２は、電池モジュール３０ａ，ｃ，ｄをそれぞれの変換装置５０ａ，ｃ，ｄから切り離すように構成される。いったん電池モジュール３０ａが他の電池モジュール３０ｂ，ｃ，ｄとバランスが取られると、スイッチング回路２２は電池モジュール３０ｂを変換装置５０ｂの入力から切り離す。

同様に、電池モジュール３０ａ〜３０ｄの１つが、電池モジュール３０ａ〜ｄの他の電池モジュールの名目上の充電状態より高い充電状態にあることが決定されると、その１つの電池モジュール３０ａ〜ｄは、その１つの電池モジュール３０ａ〜ｄの充電を、他の３つの電池モジュール３０ａ〜ｄの１つまたはそれ以上から徐々に減らすために、隣り合う電池モジュール３０ａ〜ｄを充電するために、スイッチング回路２２を通して変換装置５０ａ〜ｄに接続される。一実施態様において、その１つの電池モジュール３０ａ〜ｄから離された他の電池モジュール３０ａ〜ｄの１つまたはそれ以上は、より高い充電状態を有するその１つの電池モジュール３０ａ〜ｄからの充電を徐々に減らしている間、それぞれの変換装置５０ａ〜ｄから切り離される。

一実施態様において、スイッチング回路２２は、同じ瞬間に電池モジュール３０ａ〜ｄの複数のグループのバランスを取るために、異なる電池モジュール３０ａ〜ｄをそれぞれの変換装置５０ａ〜ｄに同時に接続する。各グループは、ある変換装置５０ａ〜ｄの入力に接続された電池モジュール３０ａ〜ｄの１つと、ある変換装置５０ａ〜ｄの出力に接続された他の電池モジュール３０ａ〜ｄを含み、ある瞬間に２つの電池モジュール３０ａ〜ｄの中間の通路を作り出す。図示された一例において、電池モジュール３０ｄは電池モジュール３０ｃを充電して１つのグループを形成し、電池モジュール３０ｂは電池モジュール３０ａを充電して他のグループを形成する。

一実施態様において、電池モジュール３０ａ〜ｄは、電池システム１０の電池モジュール３０ａ〜ｄが互いにバランスが取られるまで続けてバランスが取られ（例えば、電池モジュール３０ａ〜ｄは１％より少ないといったしきい値の範囲内で同じ充電状態を有する）、その後そのバランスが維持される。異なる電池モジュール３０ａ〜ｄは異なる瞬間にバランスが崩れ、バランスを取る必要が生じる。一実施態様において、制御回路２６は、それぞれの電池モジュール３０ａ〜ｄの充電状態を連続して監視し、その監視結果として、バランス動作を実行し、電池モジュール３０ａ〜ｄの充電状態を名目上の充電状態と等しくするために、スイッチング回路２２を制御する。一実施態様において、バランス動作は、充電中、放電中、および待機中（例えば、蓄積回路２０が充電中でもなく放電中でもない）の状態の間に実行される。上述のように、バランス動作は、電池モジュール３０ａ〜ｄのバランスが取られ、それに続いて１つまたはそれ以上の電池モジュール３０ａ〜ｄのバランスが崩れたことが検出された後も実行される。

さらに一例において、１つの電池モジュール３０ａ〜ｄは、例えば、容量および製造上の公差が原因で、放電中に他の電池モジュール３０ａ〜ｄより速く放電する。低い充電状態を有する電池モジュール３０ａ〜ｄは、変換回路２４を通して、１つの電池モジュール３０ａ〜ｄを充電するように構成される他の電池モジュール３０ａ〜ｄそれぞれを用いて充電されることができる。一実施態様において、低い充電状態を有する１つの電池モジュール３０ａ〜ｄを充電することにより、他の電池モジュール３０ａ〜ｄは放電を続けることができ、１つの電池モジュール３０ａ〜ｄの充電状態は、他の電池モジュール３０ａ〜ｄの充電状態と等しくなる。

図３の電池システム１０の構成例において、変換装置５０ａ〜ｄはデイジー・チェーン方式で配置される。例えば、一実施態様において、充電は電池モジュール３０ｄから電池モジュール３０ｃに、電池モジュール３０ｂに、電池モジュール３０ａに供給される。さらに、主端子１４と接続された電池モジュール３０ａからの充電は、変換装置５０ａを通して、主端子１６に接続された電池モジュール３０ｄに供給されるため、電池システム１０は充電ループとも呼ばれる。上述のように、ある実施態様によれば、動作バランスを実行するために、１つ以上の変換装置５０ａ〜ｄは、異なる電池モジュール３０ａ〜ｄから同時に電気エネルギーを受け取り、一実施態様において、異なる電池モジュール３０ａ〜ｄに同時に電気エネルギーを供給する。

図４に、他の配置の電池システム１０ａを示す。図に示す例において、蓄積回路２０は、主端子１４，１６の間に直列に接続された３つの電池モジュール３０ａ〜ｃを含む。図に示す例において、電池システム１０ａはまた、複数の入力スイッチ４２と複数の出力スイッチ４４を含み、デュアルポート多重変換装置として実行されるスイッチング回路２２ａを含む。図に示す例において変換回路２４ａは１つのＤＣ−ＤＣ変換装置５０を含む。図４のスイッチング回路２２ａの配置は、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つが要求に応じて電池モジュール３０ａ〜ｃの他の電池モジュールを充電することができるように構成される。一実施態様において、変換装置５０の入力および出力に接続された１つの電池モジュール３０ａ〜ｃは、上述のように、お互いに切り離されている。

一実施態様において、制御回路２６は、各電池モジュール３０ａ〜ｃの充電状態を監視し、その監視の結果としてスイッチング回路２２ａを制御するように構成される。図４の配置は、変換装置５０に接続されるグループを形成するそれぞれの電池モジュール３０ａ〜ｃを選択する際に制御回路２６に柔軟性を与えている。より具体的には、制御回路２６は、名目上の充電状態と等しいあるいはそれより大きい充電状態を有し、変換装置５０の入力に接続される電池モジュール３０ａ〜３０ｃの１つを選択し、また名目上の充電状態より小さい充電状態を有し、変換装置５０の出力に接続される電池モジュール３０ａ〜ｃの１つを選択する。一実施態様において、制御回路２６は、スイッチング回路２２ａの制御スイッチ４２ａ〜４２ｃと４４ａ〜４４ｃを制御して、所望の電池モジュール３０ａ〜３０ｃを変換装置５０の入力および出力と接続させる。さらに、一実施態様において、バランス動作を実行するために、制御回路２６はスイッチング回路２２ａを制御して、異なる瞬間に電池モジュール３０ａ〜３０ｃの異なる１つを変換装置５０の入力および出力と接続させる。

例えば、電池モジュール３０ａが電池モジュール３０ｂ，ｃより低い充電状態を有する場合、制御回路２６は入力スイッチ４２ｂ，ｃの１つを制御して、電池モジュール３０ｂ，ｃの１つを変換装置５０の入力に接続し、出力スイッチ４４ａを制御して、変換装置５０の出力を電池モジュール３０ａに接続する。一実施態様において、制御回路２６は、電池モジュール３０ａを充電するために、最も高い充電状態を有する電池モジュール３０ｂ，ｃの１つを選択する。記載された実施態様において、電池モジュール３０ａ〜ｃの他の電池モジュールを変換装置５０を用いて充電するために、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つが選択される。したがって、記載された実施態様において、制御回路２６は、ある電池モジュールが他の電池モジュールと接続されている電池モジュールの所定のグループを用いることなく、電気エネルギーを電池モジュール３０ａ〜ｃの他の電池モジュールに供給するために、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つを選択する際に、図３の配置に比べてより高い柔軟性を有する。

さらに、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つが、電池モジュール３０ａ〜ｃの他の電池モジュールより高い充電状態（すなわち、名目上の充電状態）を有する場合、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つは、入力スイッチ４２ａ〜ｃのそれぞれを通して変換装置５０の入力に接続され、変換装置５０の出力は、電池モジュール３０ａ〜ｃの１つからの充電を徐々に減らすために、電池モジュール３０ａ〜ｃの異なる電池モジュールに接続される。

一実施態様において、電池システム１０ａの配置は、複数の変換装置が所望の電池モジュールの間の荷電を移動させるのに用いられる配置に比べてより効率よく、電池モジュール３０ａ〜ｃの所望の１つが、電池モジュール３０ａ〜ｃの所望の他の電池モジュールを直接に充電することを可能にする。それは、一般に複数の変換装置は、１つの変換装置を用いるより効率的ではないからである。

図５には、他の配置の電池システム１０ｂが示される。図５の他の構成も可能である。図に示す実施態様において、蓄積回路２０ｂは、主端子１４，１６の間に直列に接続された３つの電池モジュール３０ａ〜ｃを含む。スイッチング回路２２ｂは、複数の入力多重変換装置４６ａ，ｂと、複数の出力多重変換装置４８ａ，ｂを含む。変換回路２４ｂは、多重変換装置４６ａ，ｂ，４８ａ，ｂにそれぞれ接続された複数のＤＣ−ＤＣ変換装置５０ａ，ｂを含む。一実施態様において、変換装置５０ａ，ｂは、変換装置の入力および出力は共通の参照を共有しない孤立ＤＣ−ＤＣ変換装置であってもよい。

上述のように、制御回路２６は、それぞれの電池モジュール３０ａ〜ｃの充電状態を監視し、その結果として、充電のための電池モジュール３０ａ〜ｃの所望のグループを形成するようにスイッチング回路２２ｂの動作を制御する。図に示す配置において、制御回路２６は、充電の結果として、充電のためのグループを形成するために電池モジュール３０ａ〜ｃのいずれかの一組を選択するように入力多重変換装置４６ａ、ｂおよび出力多重変換装置４８ａ，ｂを制御する。例えば、電池モジュール３０ａが他の電池モジュール３０ｂ，ｃに比べて低い充電状態を有している場合、制御回路２６は電池モジュール３０ｂ，ｃの１つをそれぞれの変換装置５０ａ、ｂの入力に接続するように多重変換装置４６ａ，bのいずれかを制御し、また選択された変換装置５０ａ、ｂを電池モジュール３０ａに接続するように出力多重変換装置４８ａ，ｂを制御する。

一実施態様において、制御回路２６は、複数の電池モジュール３０ａ〜ｃを電池モジュール３０ａ〜ｃの１つを充電させるようにスイッチング回路２２ｂを制御する。例えば、電池モジュール３０ａが他の電池モジュール３０ｂ、ｃより低い充電状態を有する場合、一実施態様において、電池モジュール３０ｂ、ｃの１つのみを充電のために使用する場合に比べて速い速度で電池モジュール３０ａを急速に充電するために、電池モジュール３０ｂを変換装置５０ａの入力に接続するように入力多重変換装置４６ａが制御され、一方、電池モジュール３０ｃを変換装置５０ｂの入力に接続するように入力多重変換装置４６ｂが制御され、出力多重変換装置４８ａ，ｂは、変換装置５０ａ，ｂの出力を電池モジュール３０ａに接続する。

一実施態様において、多重変換装置４６ａ，４８ａは、１つの通路を形成し、一方多重変換装置４６ｂ，４８ｂは、他の１つの通路を形成するとみなされる。一実施態様において、電池システム１０ｂは、電池モジュールの複数のグループを同時に形成するように、スイッチング回路２２ｂを制御する。例えば、電池システム１０ｂが、主端子１４，１６の間に直列に接続された電池モジュール（図示しない）をさらに含む場合、制御回路２６は、電池モジュール３０ａを用いて電池モジュール３０ｂを充電するように多重変換装置４６ａ，４８ａを制御し、同時に、さらなる電池モジュールを用いて電池モジュール３０ｃを充電するように多重変換装置４６ｂ，４８ｂを制御する。したがって、一実施態様において、バランス動作を実行するために、１つ以上の変換装置５０ａ〜ｂが、異なる電池モジュール３０ａ〜３０ｃから同時に電気エネルギーを受け取り、異なる電池モジュール３０ａ〜３０ｃに電気エネルギーを供給する。

本発明の少なくともある面では、電池モジュールの充電状態をバランスの取れたものとするために変換回路に接続された電池モジュールの選択に関してより高い柔軟性を与える、孤立した変換回路（例えば、孤立したＤＣ−ＤＣ変換装置）を利用する。上述したさらなる面によれば、平衡回路を用いない他の構成に比べて、開示された平衡回路の配置を用いた充電式の電池モジュールから、さらなるエネルギーが引き出される。例えば、上述のように、電気エネルギーは放電中、他の電池モジュール（と電池）が完全に放電した状態となるのを避けるために、１つの電池モジュールから、名目上の充電状態より低い充電状態を有する他の電池モジュールへと供給される。したがって、本開示のある配置は、電池がさらなる荷電を含むとき（すなわち、１つまたはそれ以上の電池モジュールにおいて）に、電池が放電されたことを示す（そしておそらく、接続から切り離される）状態を減らし、または避けることができる。本開示のある配置は、所望の電池モジュールを変換回路の入力および出力に直接に接続することによって、複数の異なる回路を用いて、複数の異なるレベルにわたって充電を繰り返す必要なく、効率をより高めることができる。

さらに、本発明の特徴は、開示の具体的態様の構築および／または実施における指針として記載された。本発明の発明者は、これらの記載された具体的態様はまた、これらの明確に開示された特徴に加え、さらなる発明の特徴を含み、開示し、そして記載していると考える。例えば、発明のさらなる特徴は、具体的態様において記載された特徴にくらべてより少ない、より多くの、および／または代わりとなる特徴を含む。より具体的な例において、出願人は、開示は、明確に開示された方法より少ない、より多くの、および／または代わりとなる工程を含む方法、さらには明確に開示された構造より少ない、より多くの、および／または代わりとなる装置を含み、開示し、そして記載すると考える。

法令に従い、本発明は、構造的および方法的な特徴について、より具体的にまたはより漠然と言葉で記載された。しかしながら、本明細書に開示された手段は、本発明を具体化するための好ましい形式からなるため、本発明は当然のことながら、記載されたおよび示された具体的な特徴に限定されるものではない。本発明は、したがって、添付された特許請求の範囲の適切な範囲内において、均等論に従って適切に解釈されるどのような形式または変更においても請求される。

Claims (38)

1. 変換回路と、複数の主端子と、スイッチング回路とを有する電池システムであって、
   前記複数の主端子は、負荷、充電器、および主端子の間に互いに直列に接続された複数の充電式の電池モジュールに接続されるように構成され、
   前記スイッチング回路は、第１の電池モジュールを変換回路の入力に接続するように構成され、
   前記変換回路は、第１の電池モジュールから第１の電圧を有する電気エネルギーを受け取り、受け取ったエネルギー電圧を第１の電圧から第２の電圧に変換し、第２の電圧を有する電気エネルギーを第２の電池モジュールに出力するように構成され、
   前記変換回路は、第１の電池モジュールと第２の電池モジュールに接続された第１の変換装置、および第２の変換装置を有しており、
   前記スイッチング回路は、第１の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続している間、第２の変換装置の入力を第３の電池モジュールに選択的に接続し、第２の変換装置の出力を第１の電池モジュールと第２の電池モジュールのいずれかに選択的に接続するように構成される電池システム。
2. 変換回路は、第１の電池モジュールから受け取った電気エネルギーの電圧を修正するように構成される少なくとも１つのＤＣ−ＤＣ変換装置を有する請求項１に記載の電池システム。
3. ＤＣ−ＤＣ変換装置は、異なる電圧を有する電気エネルギーを受け取り、実質的に一定の電圧を有する電気エネルギーを出力するように構成される請求項２に記載の電池システム。
4. 少なくとも１つのＤＣ−ＤＣ変換装置は、ＤＣ−ＤＣ変換装置の入力および出力が共通の参照電圧を共有しない孤立したＤＣ−ＤＣ変換装置を有する請求項２に記載の電池システム。
5. 第１の電池モジュールおよび第２の電池モジュールは、電池システムの正極および負極を有する主端子に、それぞれ直接に接続される請求項１に記載の電池システム。
6. スイッチング回路は、第１の瞬間に、変換回路の入力を第１の電池モジュールのみに選択的に接続し、第２の瞬間に、変換回路の入力を第３の電池モジュールのみに選択的に接続するように構成される請求項１に記載の電池システム。
7. 電池モジュールを監視し、監視結果として第１の電池モジュールを変換回路に選択的に接続するようにスイッチング回路を制御する制御回路をさらに有する請求項１に記載の電池システム。
8. 制御回路は、他の電池モジュールの充電状態より少ない充電状態を有する第１の電池モジュールの結果として、第１の電池モジュールを変換回路に選択的に接続するようにスイッチング回路を制御するように構成される請求項７に記載の電池システム。
9. 制御回路は、第２の電池モジュールを変換回路の出力に選択的に接続するようにスイッチング回路を制御するように構成される請求項７に記載の電池システム。
10. 制御回路は、他の電池モジュールの充電状態より少ない充電状態を有する第２の電池モジュールの結果として、第２の電池モジュールを変換回路の出力に選択的に接続するようにスイッチング回路を制御するように構成される請求項９に記載の電池システム。
11. スイッチング回路および変換回路は、第２の電池モジュールの充電状態を増大させるために、第１の電池モジュールから第２の電池モジュールに電気エネルギーを供給するように構成される請求項１に記載の電池システム。
12. スイッチング回路は、変換回路の入力を第１の電池モジュールに直接に接続するように構成され、変換回路の出力は第２の電池モジュールに直接接続される請求項１に記載の電池システム。
13. 第１の電池モジュールと第２の電池モジュールのモジュール端子は、互いに直接に接続されていない請求項１に記載の電池システム。
14. それぞれに電気エネルギーを蓄積するように構成される充電式の電池モジュールをさらに有する請求項１に記載の電池システム。
15. スイッチング回路は、電池モジュールの充電中、第１の電池モジュールを変換回路に電気的に接続するように構成される請求項１に記載の電池システム。
16. スイッチング回路は、電池モジュールの放電中、第１の電池モジュールを変換回路に電気的に接続するように構成される請求項１に記載の電池システム。
17. スイッチング回路は、第１の電池モジュールおよび第２の電池モジュールの充電状態のバランスを保つために、第１の電池モジュールと第２の電池モジュールを変換回路に電気的に接続するように構成される請求項１に記載の電池システム。
18. スイッチング回路は、第１の電池モジュールのみを変換回路の入力に接続するように構成される請求項１に記載の電池システム。
19. 負荷および充電器に接続されるように複数の主端子の間に直列に接続される複数の充電式の電池モジュールと、平衡回路とを有する電池システムであって、
    平衡回路は、第１の充電式の電池モジュールから第１の電圧を有する電気エネルギーを受け取り、第１の充電式の電池モジュールから受け取ったエネルギー電圧を第１の電圧から第２の電圧に変換し、第２の電圧を有する電気エネルギーを修正し、第１の充電式の電池モジュールの充電状態の減少および第２の充電式の電池モジュールの充電状態の増大の少なくとも一方を行うために、第１の充電式の電池モジュールから第２の充電式の電池モジュールへ修正された電気エネルギーを供給するように構成され、
    前記平衡回路は、第１、第２の電池モジュールに接続された第１の変換装置、および第２の変換装置を有していて、該第２の変換装置は、第１の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続している間に、その入力を選択的に第３の電池モジュールに接続し、その出力を第１の電池モジュールと第２の電池モジュールのいずれかに選択的に接続する電池システム。
20. 平衡回路は、修正された電気エネルギーを第２の電池モジュールに供給する前の、第１の充電式の電池モジュールおよび第２の充電式の電池モジュールの充電状態に比べて、第１の充電式の電池モジュールおよび第２の充電式の電池モジュールをよりバランスのとれた充電状態とするために、第２の電池モジュールに修正された電気エネルギーを供給するように構成される請求項１９に記載の電池システム。
21. 平衡回路は、第１の充電式の電池モジュールのみからの電気エネルギーを修正するように構成される請求項１９に記載の電池システム。
22. 平衡回路は、電気エネルギーの電圧を修正するように構成されるＤＣ−ＤＣ変換装置を有する請求項１９に記載の電池システム。
23. 互いに直列に接続された充電式の電池の複数の充電式の電池モジュールを充電する工程、
    電池モジュールから負荷へ電気エネルギーを放電する工程、
    第１の電池モジュールを選択する工程、
    選択の結果として、第１の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続し、第２の電池モジュールを第１の変換装置の出力に接続する工程、
    第１の変換装置は、第１の電池モジュールから第１の電圧を有する電気エネルギーを受け取って、第１の電圧から第２の電圧に変換し、第１の電池モジュールの充電状態の減少および第２の電池モジュールの充電状態の増大の少なくとも一方を行うために、第２の電池モジュールに修正された第２の電圧を有する電気エネルギーを出力すること、及び第１の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続している間に、第２の変換装置の入力を第３の電池モジュールに接続し、第２の変換装置の出力を第１の電池モジュールと第２の電池モジュールのいずれかに選択的に接続する工程、
    を有する充電式の電池システムの動作方法。
24. 選択する工程は、第２の電池モジュールの充電状態より高い充電状態を有する第１の電池モジュールを結果として選択する工程を有する請求項２３に記載の動作方法。
25. 選択する工程は、第２の電池モジュールの充電状態が電池モジュールの名目上の充電状態より低いことに応答して選択する工程を有する請求項２３に記載の動作方法。
26. 選択する工程は、電池モジュールの名目上の充電状態より低い充電状態を有する第２の電池モジュールを結果として選択する工程を有する請求項２３に記載の動作方法。
27. 第１の電池モジュールおよび第２の電池モジュールのそれぞれ１つを用いて、充電式の電池の複数の主端子のそれぞれに直接に電流を流す工程をさらに有する請求項２３に記載の動作方法。
28. 前記接続は、電池モジュールの充電中に第１の電池モジュールを接続することを含む請求項２３に記載の動作方法。
29. 前記接続は、電池モジュールの放電中に第１の電池モジュールを接続することを含む請求項２３に記載の動作方法。
30. 前記第１の変換装置は、ＤＣ−ＤＣ変換装置である請求項２３に記載の動作方法。
31. 前記接続は、第２の電池モジュールの充電状態を他の電池モジュールとバランスを取るように接続する請求項２３に記載の動作方法。
32. 前記接続は、第１の電池モジュールの充電状態を他の電池モジュールとバランスを取るように接続する請求項２３に記載の動作方法。
33. 互いに直列に接続された複数の充電式の電池モジュールの充電状態を監視する工程、
    第２の電池モジュールの充電状態より低い充電状態を有する第１の電池モジュールを検出する工程、
    第２の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続し、第１の電池モジュールを第１の変換装置の出力に接続する工程、
    第１の変換装置は、第２の電池モジュールから第１の電圧を有する電気エネルギーを受け取って、第１の電圧から第２の電圧に変換し、第１の電池モジュールの充電状態の増大および第２の電池モジュールの充電状態の減少の少なくとも一方を行うために、第２の電池モジュールから第１の電池モジュールに修正された第２の電圧を有する電気エネルギーを出力すること、及び第１の電池モジュールを第１の変換装置の入力に接続している間に、第２の変換装置の入力を第３の電池モジュールに接続し、第２の変換装置の出力を第１の電池モジュールまたは第２の電池モジュールに選択的に接続する工程、
    を有する充電式の電池システムの動作方法。
34. 前記接続は、電池モジュールの名目上の充電状態よりも低い充電状態を有する電池モジュールの第１の電池モジュールを結果として接続することを含む請求項３３に記載の動作方法。
35. 前記接続は、電池モジュールの名目上の充電状態より高い充電状態を有する第２の電池モジュールを結果として接続することを含む請求項３３に記載の動作方法。
36. 前記第１の変換装置は、ＤＣ−ＤＣ変換装置である請求項３３に記載の動作方法。
37. 前記第１の変換装置は、複数の異なる電圧を有する電気エネルギーを受け取り、実質的に一定の電圧を有する電気エネルギーを出力する工程を有する請求項３３に記載の動作方法。
38. 検出する工程は、電池モジュールの名目上の充電状態より低い充電状態を有する第１の電池モジュールを検出する工程を有する請求項３３に記載の動作方法。

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