JP5641781B2

JP5641781B2 - セル均等化充電システム及び方法

Info

Publication number: JP5641781B2
Application number: JP2010118207A
Authority: JP
Inventors: ムサウイザキ; アレントニー
Original assignee: インターシルアメリカズインク
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: KR20170077103A; EP3029801B1; EP2276140A2; KR101922370B1; KR20100126235A; EP3029801A1; CN101924382A; KR20150084723A; CN104917247A; TWI483507B; EP2276140B1; CN104917247B; JP2010288447A; KR20150081421A; CN106356923A; US20100295510A1; TW201108544A; US8541980B2; KR20180018599A; EP3026783B1

Description

関連出願

本出願は、米国仮特許出願第６１／１８０、６１８号、出願日２００９年５月２２日、「セル均等化充電システム」、及び米国仮特許出願第６１／２４４、６４３号、出願日２００９年９月２２日、「セル均等化充電システム」の優先権を主張する、米国特許出願第１２／６５０、７７５号、出願日２００９年１２月３１日、「セル均等化充電システム及び方法」の一部継続出願である、米国特許出願第１２／７７９、４３３号、出願日２０１０年５月１３日、「セル均等化充電システム及び方法」の国内段階出願であり、それらは全て本願明細書に引用により含める。

本発明は自己充電システムに関し、特に、多セル均等化又は充電システムに関する。

セル均等化充電システムは、一つの電圧源を用いて直列接続のバッテリセルを充電する能力を提供する。多数のリチウムイオン又はスーパーキャパシタセルを用いたシステムは、バッテリから得られるエネルギーを最大にし、システムの寿命を長くするために、個々のセルの均等化を行う必要がある。一つの常套策では、セルを充電するための抵抗均等化システムが、過剰な充電を熱として散逸する。しかし、これらのタイプのシステムは、多大なエネルギーを無駄にする。「最近隣」誘導性又は容量性エネルギー移動に基づくエネルギー移動システムは、無駄になるエネルギーの量を減少させるが、複雑であり、一般的に、セル数個分の距離に亘って充電を移動させる場合、不満足な結果を与える。従って、バッテリセル積層内のセルの充電状態を、連携する抵抗器でエネルギーを散逸することなしに均等化し、かつ、更に、距離による損失が生じることなしにバッテリセル積層の任意のセルへの充電の効率的な移動を提供するという、二重課題を解決するセル均等化充電システムが必要である。多セルバッテリ内のセルを均等化する常套的な方法は、パス素子を介して最も高いセルを放電する、あるいはパス素子から隣接するセルへその充電を回すことによるものである。

本発明は、本願明細書において開示及び記載するように、その一特徴において、複数の直列接続されたバッテリセルを充電するための装置を含む。第一及び第二の入力端子は、複数の直列接続されたバッテリセルへ充電電圧を供給する。変圧器は、充電電圧と連携する一次側と、複数の部分を含む二次側を含む。複数の部分の各々は、複数の直列接続されたバッテリセルのうちの一つのバッテリセルの両端に接続されている。二次側の複数の部分の各々と、直列接続されたバッテリセルのうち少なくとも一つのバッテリセルのとの間の直列のスイッチは、第一の状態においては、二次側の部分と複数の直列接続されたバッテリセルのうち少なくとも一つのバッテリセルの間のインピーダンスを増加させ、第二の状態においては、二次側の部分と複数の直列接続されたバッテリセルのうち少なくとも一つのバッテリセルとの間のインピーダンスを減少させる。

図１は、セル均等化回路の直列接続されたバッテリセルとの接続を図示するブロック図である。図２は、二つのセル間の電圧差を、パーセントで表されたセル充電状態の関数として示す。図３は、セルの充電均等化回路の概略図を示す。図４は、遷移中のバッテリの充電サイクルを図示する。図５は、遷移中のバッテリの放電サイクルを図示する。図６は、図３の別の実施の形態を図示する。図７は、図３の回路のさらに別の実施の形態を図示する。図８は、図３の回路のさらに別の実施の形態を図示する。図９は、バッテリ充電均等化回路の更なる実施の形態を図示する。図１０は、充電均等化回路の入れ子構成を図示する。図１１は、図３の回路の別の実施の形態のブロック図であり、図中、極性は二次巻線部分の幾つかで反転している。図１２は、拡張可能な積層構成を可能にする複数の直列接続された変圧器部分を含む別の実施の形態を図示する。図１３は、セル均等化充電用の変圧器の二次側の個数を減少させるためのシステムのさらに別の実施の形態を図示する。図１４は、図１３の別の実施の形態を図示し、図中、スイッチの代わりにダイオードが使用されている。図１５は、図１３の実施の形態の動作を説明する流れ図である。

次に図面を参照する。本願明細書を通して、同様の素子には同様の参照番号を使用し、セル均等化充電システム及び方法の様々な図及び実施の形態を図示及び記載し、他の可能な実施の形態を記載する。図は必ずしも実際の比率では描かれておらず、場合によっては、図面は、説明目的のためだけに、所定の位置において誇張及び／又は単純化されている。当該技術において通常の技量を有するものは、可能な実施の形態の以下の例に基づく可能な応用及び変更を数多く認識するであろう。

セル均等化充電システムは、一つの電圧源を用いて直列接続のバッテリセルを充電する能力を提供する。多数のリチウムイオン又はスーパーキャパシタセルを用いたシステムは、バッテリから得られるエネルギーを最大にし、システムの寿命を長くするために、個々のセルの均等化を行う必要がある。過剰な充電を熱として散逸するセル充電用抵抗均等化システムは一つの常套策であるが、これらのタイプのシステムは、エネルギーを無駄にする。「最近隣」誘導性又は容量性エネルギー移動に基づくエネルギー移動システムは、無駄になるエネルギーの量を減少させるが、複雑であり、一般的に、セル数個分の距離に亘って充電を移動させる場合、不満足な結果を与える。従って、バッテリセル積層内のセルの充電状態を、連携する抵抗器でエネルギーを散逸することなしに均等化し、かつ、更に、距離による損失が生じることなしにバッテリセル積層の任意のセルへの充電の効率的な移動を提供するという、二重課題を解決するセル均等化充電システムが必要である。多セルバッテリ内のセルを均等化する常套的な方法は、パス素子を介して最も高いセルを放電する、あるいはパス素子から隣接するセルへその充電を回すことによるものである。

次に図面、特に図１を参照すると、直列接続されたバッテリセル１０４に接続されたセル均等化回路１０２の構成が図示されている。特定のバッテリセル１０４における充電レベルは、セル１０４の各々にかかる充電負荷を均等化するため、一つのセルから他のセルへ移動してもよい。セル均等化回路１０２は、このセル均等化・充電機能を担っている。本願明細書において上述したとおり、セル積層内の一つのセルから隣接するセルへ充電を移動する様々なタイプのシステムが存在する。しかし、これらのシステムは非常に複雑かつ高価であり、また、数個のセルにわたって充電を移動する場合、例えば、セル積層の一端から他端に充電を移動する場合など、効率が悪いという問題がある。

図２を参照すると、二つのセル間の電圧差を、パーセントで表された充電状態の関数として示している。インピーダンス又は電圧が異なるバッテリが直列接続されている場合、パック全体の充電状態は限られている。低い充電状態パーセンテージでは、電圧偏差が非常に高く、５００ミリボルト偏差に達し得る。充電状態が２０％に近づくにつれ、電圧偏差は著しく減少し、ゼロに近づく。従って、充電サイクル中、より高い充電電圧を含むバッテリは、過充電となり破損する可能性があり、また、より低い充電レベルを含むバッテリは、充電量が高いバッテリを保護するため、充電不足となる可能性がある。いずれの場合でも、バッテリのセルは、それらの最大充電電圧に達しない。放電中に、充電量が低いバッテリが、直列接続の全容量を低いレベルに引き下げてしまい、システムから最大充電量を取るのを妨げる可能性がある。

図３を参照すると、直列接続されたバッテリセル３０２の充電及び負荷均等化を提供する回路の第一の実施の形態が図示されている。直列接続されたバッテリセル３０２は、ノード３０４とノード３０６との間に接続されている。充電電圧は、ノード３０４と３０６の間に設けられた電圧源３０８を介してバッテリセル３０２に供給される。ノード３０６は接地ノードを含み、ノード３０４は、入力電圧ノードを含む。高側スイッチングトランジスタ３１０（ＭＯＳＦＥＴ）は、ノード３０４とノード３１２との間に接続されたソース・ドレイン経路を有する。低側スイッチングトランジスタ３１４（ＭＯＳＦＥＴ）は、ノード３１２と接地ノード３０６との間に接続されたドレイン・ソース経路を有する。

インダクタ３１６及びキャパシタ３２０から成る共振タンク回路は、ノード３１２とノード３２２との間に接続されている。インダクタ３１６は、ノード３１２とノード３１８との間に接続されている。キャパシタ３２０は、ノード３１８とノード３２２の間のインダクタ３１６と直列接続されている。変圧器３２５の一次側３２４は、ノード３２２及び接地ノード３０６に接続されている。変圧器３２５の二次側は、多数の二次側部分３２６を含み、その各々は、連携するバッテリセル３０２の両端子に接続されている。変圧器の隣接する二次側部分３２６の極性は、互いに逆になっている。スイッチングＭＯＳＦＥＴ３２８は、変圧器３２５の二次側部分３２６と、連携するバッテリセル３０２の負端子との間に接続されたドレイン・ソース経路を有する。スイッチ３２８は、制御回路（図示せず）から制御信号を受信する。この制御回路は、スイッチングトランジスタ３１０及び３１４も制御する。

充電サイクル中、図３のシステムは、毎スイッチングサイクルの共振コンバータを基礎としており、電圧源３０８によって共振タンクに入力されるエネルギー量は、その後二次側部分３２６に移動される。次に、最も低い充電電圧セルが共振タンクから二次側３２６に送られるエネルギーのほとんどを取り、最も高い充電電圧セルが取るエネルギーが最も少ない。従って、充電は、連携するバッテリセルの充電に比例して、二次側部分３２６に移動される。さらなる保護と制御を加えるため、各二次側部分３２６と直列にスイッチ３２８を追加し、バッテリセル３０２の総インピーダンスを増減させる。これにより、例えば１つのセルが他のセルよりも高い電圧に充電されるべき場合に必要とされるような、バッテリセルの選択的な充電が可能となる。このように、セルは充電中に均等化される。

図４より分かるように、電圧が最も低いセルが、共振タンクによって供給される全エネルギーを取り、電圧のより高いバッテリセルは、より低いバッテリセルの充電値が、より高いタンクの値に追いつくまでアイドリングしている。従って、波形４０２は、充電量が低い方のバッテリセルの充電バッテリ電圧を表し、波形４０４は、電圧が高い方のバッテリを表す。

放電サイクル中は、変圧器３２５の一次側３２４への入力は、全てのバッテリセル３０２の総直列電圧を含む。エネルギーは、全てのバッテリセル３０２から最も充電量が低いセルへと元に循環している。図５は、どのセルからも毎サイクル取るアンペア時は同じであるが、システムに戻されるエネルギーは電圧がより低いバッテリの方が高いことを示している。従って、波形５０２は、最も電圧が高いバッテリセルを表し、波形５０４は、その次に電圧が高いバッテリセルを表し、波形５０６は、電圧が最も低いバッテリセルを表す。

従来の解決策と、本願明細書中上述した図３に関する実施例との主な相違点は、エネルギーがバッテリセル３０２の積層全体から取られ、その後、他のバッテリセルよりも多くのエネルギーを必要とするバッテリセルに基づいて再分配し戻されることである。このスキームは、精巧な制御機構を必要とせずに、自動的に充電を分配する非常にシンプルなシステムを可能にする。複雑なアルゴリズムを用いれば、多様なシステムを使用してシステム寿命全体にわたり最適な性能を維持するように均等化を行い得る、更に精巧な実施が可能である。システムは、充電器、バランサ又はその両方として等しく実施してもよい。

図６を参照すると、図３の回路の別の実施例が図示されており、図中、変圧器の二次側３２６とバッテリセル３０２との間のＭＯＳＦＥＴスイッチ３２８は、ダイオード６０２によって代替されている。図７に図示される他の実施例では、タンクに給電するスイッチはなくてもよく、タンク入力は接地されていてもよい。このシステムでは、変圧器の二次側とセルとの間のスイッチの代わりに、スイッチと導通素子が適宜配置されている。エネルギーは、二次側スイッチの選択的な使用によって、タンク回路へ送られたり、タンク回路から送られたりする。例えば、図７の二次側は、スイッチ素子の構成によって一次側と二次側の両方になる。あるいは、図８に示すように、低側駆動ＭＯＳＦＥＴ３１４を、ダイオード８０２で代替してもよい。別の制御スキームでは、変圧器の一次側３２４を通る電流を感知して、回路の定時終了時点を提供する電流制限およびスイッチングトランジスタ３１０及び３１４をオフにする時を決めるスイッチ終了タイミングを決定しても良い。

図９を参照すると、図３の充電・均等化回路の更なる実施例が図示されている。直列接続されたバッテリセル９０２は、ノード９０４とノード９０６との間に接続されている。充電電圧は、ノード９０４と９０６の間に設けられた電圧源９０８を介して、バッテリセル９０２に供給される。ノード９０６は接地ノードを含み、ノード９０４は入力電圧ノードを含む。高側スイッチ９１０は、ノード９０４とノード９１２との間に接続されている。低側スイッチ９１４は、ノード９１２と接地ノード９０６との間に接続されている。インダクタ９１６及びキャパシタ９２０から成る共振タンク回路は、ノード９１２とノード９２２との間に接続されている。インダクタ９１６は、ノード９１２とノード９１８との間に接続されている。キャパシタ９２０は、ノード９１８とノード９２２の間のインダクタ９１６と直列接続されている。

変圧器９２５の一次側９２４は、ノード９２２及び接地ノード９０６に接続されている。変圧器９２５の二次側は、多数の二次側部分９２６を含み、その各々は、連携するバッテリセル９０２の両端子に接続されている。スイッチ９２８は、変圧器９２５の二次側の二次側部分９２６と、連携するバッテリセル９０２の負端子との間に接続されている。スイッチ９２８は、スイッチ９１５及び９１４をも制御する制御回路（図示せず）から、制御信号を受信する。変圧器の二次側部分９２６とバッテリセル９０２との間に接続されたスイッチ９２８に加えて、キャパシタ９３０がスイッチ９２８と並列に接続されている。このスキームでは、二次側スイッチ９２８を選択的に使用することで、プログラム可能な充電均等化或いは充電方向の切り替えによって、電流を個々のセル９０２に向けてアン均等化状態を意図的に生成できる。

またここで図１０を参照すると、入れ子状の均等化システムが図示されている。バッテリセルの各々が、図３に関連して上述したような均等化回路１００２と、一連のバッテリセル１００４とで代替されている、入れ子状の配置が可能である。図１０の回路は、ノード１００５とノード１００６との間に接続された直列接続バッテリセル１００４を備えている。充電電圧は、ノード１００５と１００６の間に設けられた電圧源１００８を介してバッテリセル１００４に供給される。ノード１００６は接地ノードを含み、ノード１００５は入力電圧ノードを含む。高側スイッチ１０１６は、ノード１００５とノード１０１２との間に接続されている。低側スイッチ１０１４は、ノード１０１２と接地ノード１００６との間に接続されている。

インダクタ１０１３及びキャパシタ１０２１から成る共振タンク回路は、ノード１０１２とノード１０２２との間に接続されている。インダクタ１０１３は、ノード１０１２とノード１０１８との間に接続されている。キャパシタ１０２１は、ノード１０２０とノード１０２２の間のインダクタ１０１３と直列接続されている。変圧器１０２５の一次側１０２４は、ノード１０２２及び接地ノード１００６に接続されている。変圧器１０２５の二次側は、多数の二次側部分１０２６を含み、その各々は、連携するバッテリセル積層１００４の両端子に接続されている。スイッチ１０２８は、変圧器１０２５の二次側の二次側部分１０２６と、連携するバッテリセル積層１００４の負端子との間に接続されている。スイッチ１０２８は、スイッチ１０１６及び１０１４の制御も行う回路から制御信号を受信する。

前述の通り、一つのセルではなく、一連のセル１００４が、変圧器の二次側の二次側部分１０２６の各々の両端に接続されている。これらのセル１００４の両端に、図３で前述した均等化回路が接続されている。従って、バッテリセル１００４は電圧源３０８を含み、均等化回路１００２はノード３０４及び３０６でこの電圧源と接続する。従って、セル１００４の各積層は、複雑性と性能とのトレードオフを最適化する入れ子状の均等化システムを作り得るような、それ自体の均等化システム１００２を含む。

図１０の回路の別の実施例では、共振タンクに給電するスイッチ１０１６及び１０１４をなくし、タンク入力を接地してもよい。この実施例では、変圧器の二次側１０２６とセル積層１００４との間のスイッチ１０２８の代わりに、スイッチと導通素子が適宜配置されている。エネルギーは、二次側スイッチ１０２８を選択的に使用することで共振タンク回路へ送られたり、共振タンク回路から送られたりする。従って、二次側は、スイッチング素子の構成によって、一次側及び二次側の両方になる。

図１１に図示する更なる実施例では、図３で記載したのと実質的に同じようにして回路が構成されている。しかしながら、二次側部分３２６の極性は、二次巻線のうち何本か（理想的には半分）が一方の極性を有し、残りの二次巻線は、逆の極性を有するように変更される。二次巻線内で逆にした極性間の実際の順序は、重要ではない。この構成がもたらす利点は、変圧器の両半サイクルで充電を移動することが出来ることである。第一の半サイクルは、二次側に一方の極性を与え、第二の半サイクルは、二次側に反対の極性を与える。

図１２を参照すると、第一の変圧器１２２５と直列に設置された追加の変圧器１２３３を含む積層構成を含むさらなる実施例が図示されている。直列接続されたバッテリセル１２０２は、ノード１２０４とノード１２０６との間に接続されている。充電電圧は、ノード１２０４とノード１２０６の間に設けられた電圧源１２０８を介してバッテリセル１２０２に供給される。ノード１２０６は接地ノードを含み、ノード１２０４は入力電圧ノードを含む。高側スイッチ１２１０は、ノード１２０４とノード１２１２との間に接続されている。低側スイッチ１２１４は、ノード１２１２と接地ノード１２０６との間に接続されている。インダクタ１２１６及びキャパシタ１２２０から成る共振タンク回路は、ノード１２１２とノード１２２２との間に接続されている。インダクタ１２１６は、ノード１２１２とノード１２１８との間に接続されている。キャパシタ１２２０は、ノード１２１８とノード１２２２の間のインダクタ１２１６と直列接続されている。

第一の変圧器１２２５の一次側１２２４は、ノード１２２２及び接地ノード１２０６に接続されている。変圧器１２２５の二次側は、多数の二次側部分１２２６を含み、その各々は、連携するバッテリセル１２０２の両端子に接続されている。スイッチ１２２８は、変圧器１２２５の二次側の二次側部分１２２６と、連携するバッテリセル１２０２の負端子との間に接続されている。スイッチ１２２８は、スイッチ１２１５及び１２１４をも制御する制御回路（図示せず）から、制御信号を受信する。変圧器の二次側部分１２２６とバッテリセル１２０２との間に接続されたスイッチ１２２８に加えて、キャパシタ１２３０がスイッチ１２２８と並列に接続されている。このスキームでは、二次側スイッチ１２２８を選択的に使用することで、プログラム可能な充電均等化或いは充電方向の切り替えによって、電流を個々のセル１２０２に向けてアンバランス状態を意図的に生成できる。

積層構成の第二の変圧器１２２３では、変圧器１２２３の一次側１２３５は、第一の変圧器１２２５の一次側１２２４と直列接続されている。また、更に一連の変圧器の二次側１２３６が、変圧器１２２５の二次側部分１２２６と直列に追加のバッテリセル１２０２の両端に接続されている。回路の第一部分のように、スイッチ１２２８は、制御回路（図示せず）から制御信号を受信する。変圧器の二次側部分１２３６とバッテリセル１２０２との間に接続されたスイッチ１２２８に加えて、キャパシタ１２３０が、スイッチ１２２８と並列に接続されている。この積層構成は、完全に拡張可能である。セクションは必要なだけたくさん直列に追加することが出来る。従って、図１２に示したように二個だけではなく、更にいくつでも追加できる。次に、一対のスイッチ１２１５及び１２１４、及びインダクタ１２１６とキャパシタ１２２０から成る一つのタンク回路は、直列接続された変圧器の巻線に給電する。

図１３を参照すると、変圧器の二次側の個数を減少させるために改良された構成の充電・均等化回路の更なる実施例が図示されている。直列接続されたバッテリセル１３０２は、ノード１３０４とノード１３０６との間に接続されている。充電電圧は、ノード１３０４と１３０６の間に設けられた電圧源１３０８を介してバッテリセル１３０２に供給される。ノード１３０６は接地ノードを含み、ノード１３０４は入力電圧ノードを含む。高側スイッチ１３１０は、ノード１３０４とノード１３１２との間に接続されている。低側スイッチ１３１４は、ノード１３１２と接地ノード１３０６との間に接続されている。インダクタ１３１６及びキャパシタ１３２０から成る共振タンクは、ノード１３１２とノード１３２２との間に接続されている。インダクタ１３１６は、ノード１３１２とノード１３１８との間に接続されている。キャパシタ１３２０は、ノード１３１８とノード１３２２との間のインダクタ１３１６と直列接続されている。

変圧器１３２５の一次側１３２４は、ノード１３２２及び接地ノード１３０６に接続されている。変圧器１３２５の二次側は、多数の二次側部分１３２６を含む。各二次側部分１３２６は、連携する一組のスイッチ１３２８及び１３３０を介して、二つの別個のバッテリセル１３０２と連携する。スイッチ１３２８が、変圧器１３２５の二次側１３２６の第一部分と、連携するバッテリ１３０２の第一の端子との間に接続されている。スイッチ１３２８は同じく、回路内の二次側１３２６の各二次側部分に連携する。同様に、スイッチ１３３０は、変圧器１３２５の二次側１３２６の二次側部分と、第二のセルの第二の端子との間に接続されている。スイッチ１３３０は、二次側１３２６の二次側部分の各々と連携する。バッテリセル１３０２に印加される二次側１３２６の極性は、各半サイクルの印加中に反転される。

変圧器二次側１３２６の各部分は、スイッチ１３２８及び１３３０を介して、二つの隣接するセル１３０２に接続されている。スイッチ１３２８及び１３３０は、充電電流が、一次巻線１３２４中の電流の反対の半サイクル中に、二つの接続されたセル１３０２の各々に移動できるようにする。例えば、二次巻線１３２６は、デューティサイクルのうちの片半分の間、スイッチ１３２８を介して第一グループのセル１３０２ａ及び１３０２ｃに接続されており、変圧器二次側１３２６は、デューティサイクルの残り半分の間、スイッチ１３３０を介して第二グループのセル１３０２ｂ及び１３０２ｄに接続されている。その後このシーケンスを、各半サイクル中繰り返し、両グループのセルを二次巻線１３２６の作用によって充電するようにする。

図１４を参照すると、充電・均等化回路の更なる実施例が図示されており、変圧器の二次側の個数を減少させるための別の構成を図示している。直列接続されたバッテリセル１４０２は、ノード１４０４とノード１４０６との間に接続されている。充電電圧は、ノード１４０４と１４０６の間に設けられた電圧源１４０８を介して、バッテリセル１４０２に供給される。ノード１４０６は接地ノードを含み、ノード１４０４は入力電圧ノードを含む。高側スイッチ１４１０が、ノード１４０４とノード１４１２との間に接続されている。低側スイッチ１４１４が、ノード１４１２と接地ノード１４０６との間に接続されている。インダクタ１４１６及びキャパシタ１４２０から成る共振タンクが、ノード１４１２とノード１４２２との間に接続されている。インダクタ１４１６は、ノード１４１２とノード１４１８との間に接続されている。キャパシタ１４２０は、ノード１４１８とノード１４２２の間のインダクタ１４１６と直列接続されている。

変圧器１４２５の一次側１４２４が、ノード１４２２及び接地ノード１４０６に接続されている。変圧器１４２５の二次側は、多数の二次側部分１４２６を含む。各二次側部分１４２６は、連携する一組のダイオード１４２８及び１４３０を介して、二つの別個のバッテリセル１４０２と連携する。ダイオード１４２８は、変圧器１４２５の二次側１４２６の第一部分と、連携するバッテリ１４０２の第一の端子との間に接続されている。ダイオード１４２８は同じく、回路内の二次側１４２６の各二次側部分に連携する。同様に、ダイオード１４３０は、変圧器１４２５の二次側１４２６の二次側部分と、第二のセルの第二の端子との間に接続されている。ダイオード１４３０は、二次側１４２６の二次側部分の各々と連携する。バッテリセル１４０２に印加された二次側変圧器１４２６の極性は、各半サイクルの印加中に反転される。

変圧器二次側１４２６の各部分は、ダイオード１４２８及び１４３０を介して二つの隣接するセル１４０２に接続されている。ダイオード１４２８及び１４３０は、充電電流が一次巻線１４２４中の電流の反対の半サイクル中に、二つの接続されたセル１４０２の各々に移動できるようにする。例えば、二次巻線１４２６は、デューティサイクルのうち片半分の間、ダイオード１４２８を介して第一グループのセル１４０２及び１４０２ｃに接続されており、変圧器二次側１４２６は、デューティサイクルの残り半分の間、ダイオード１４３０を介して、第二グループのセル１４０２ｂ及び１４０２ｄに接続されている。その後このシーケンスを、各半サイクル中繰り返し、両グループのセルを二次巻線１４２６の作用によって充電するようにする。図１４の実施例では、図１３の実施例のスイッチ１３２８及び１３３０は、ダイオード１４２８及び１４３０によって代替されている。また別の構成では、システムを簡単に制御できるように、ダイオード又はスイッチをダイオードとスイッチを組合せたもので代替してもよい。

図１５を参照すると、図１３の回路の動作を説明する流れ図が示されている。ステップ１５０２で回路の動作が始動すると、第一グループのスイッチ１３２８が閉じられ、第二グループのスイッチ１３３０が開く。この後、ステップ１５０６において第一グループのバッテリが充電される。照会ステップ１５０８は、一次巻線１３２４中の電流の第一の半サイクルが完了したかどうかを判断する。完了していなければ、ステップ１５０６に戻る。照会ステップ１５０８で半サイクルが完了したと判断すると、ステップ１５１０において、第二グループのスイッチ１３３０が閉じられ、第一グループのスイッチ１３２８が開かれる。これにより、ステップ１５１２において第二グループのバッテリの充電が開始される。次に照会ステップ１５１４で、一次巻線１３２６中の電流の最後の半サイクルが完了したかどうかを判断し、完了していなければ、ステップ１５１２においてバッテリの充電を続ける。半サイクルが完了すると、ステップ１５０４に戻り、第一グループのスイッチが閉じられ、第二グループのスイッチが開かれ、第一グループのバッテリの充電が開始される。上述したこのサイクルが繰り返し行われる。

従って、従来の解決策と本開示との主な相違点は、エネルギーがセル積層全体から得られ、他のセルより多くのエネルギーを必要とするセルに基づいてエネルギーが再分配されることである。このスキームによって、精巧な制御機構を必要とせずに、自動的に充電する非常に単純なシステムが可能となる。複雑なアルゴリズムを用いれば、多様なシステムを使用してシステム寿命全体にわたり最適な性能を維持するように均等化を行い得る、更に精巧な実施が可能である。また、上記の方法及びシステムを利用して、システム内の変圧器の二次側の個数を二分の一に減らすことが出来る。これにより、システム内の部品コストが大幅に減少し、相当なコスト節約となる。

本開示の利益を有する当業者は、このセル均等化充電システム及び方法が、バッテリセルの積層を充電・均等化するよりよい方法を提供するということを認識するであろう。本明細書中の図面と詳細な説明は限定的ではなく図示的にみなし、開示した特定の形態と例に限定するように意図されない。反対に、本発明の精神及び以下の請求項により定義される範囲から逸脱せずに当業者に明白な任意の更なる修正、変更、再配置、置換、代替、設計選択、および実施の形態を含む。従って、以下の請求項は、全ての斯かる更なる修正、変更、再配置、置換、代替、設計選択、および実施の形態を含むように解するように意図される。

Claims

直列結合された複数のバッテリセルを充電して均等化するための装置であって、
直列結合された前記複数のバッテリセルに充電電圧を供給する第一及び第二の入力端子、
前記第一及び第二の入力端子と電気的に接続する一次側と、直列結合された前記複数のバッテリセルのうち少なくとも二つのバッテリセルのそれぞれの両端子間にそれぞれ結合された複数の部分を含む二次側とを含む変圧器、
複数の第一のスイッチであって、前記二次側の各部分と、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記少なくとも二つのうちの対応する第一のバッテリセルとの間にそれぞれ結合され、前記変圧器の前記一次側の電流の第一の半サイクル中に、充電電流を前記第一のバッテリセルに供給するようにそれぞれ構成された前記複数の第一のスイッチ、及び
複数の第二のスイッチであって、前記二次側の前記各部分と、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記少なくとも二つのうちの対応する第二のバッテリセルとの間にそれぞれ結合され、前記変圧器の前記一次側の前記電流の第二の半サイクル中に、充電電流を前記第二のバッテリセルに供給するようにそれぞれ構成された前記複数の第二のスイッチ、を含み、
前記二次側の前記複数の部分の各々は、前記電流の前記第一の半サイクル中に第一の極性を有し、前記電流の前記第二の半サイクル中に前記第一の極性とは逆の第二の極性を有するように構成されることを特徴とする装置。
充電モードにおいて、前記一次側からの前記充電電圧が前記二次側の前記部分と電気的に接続された前記第一の又は第二のバッテリセルが必要とする充電量に比例して前記二次側の前記複数の部分間で分圧されるように前記一次側の充電を前記二次側の前記複数の部分に移動すべく前記一次側が構成され、放電モードにおいて、前記変圧器の前記一次側への入力が直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧を受けるように構成されることを特徴
とする請求項１に記載の装置。
前記変圧器の前記一次側と前記第一及び第二の入力端子との間に結合された共振回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のスイッチ、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のスイッチを含むスイッチング回路を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のダイオード、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のダイオードを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
前記第一のスイッチ及び前記第二のスイッチはそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記第一のバッテリセル及び前記第二のバッテリセルへ充電電流を供給する前記第一のスイッチ及び前記第二のスイッチと電気的に接続されたダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
直列結合された複数のバッテリセルを充電して均等化するための装置であって、
直列結合された前記複数のバッテリセルへ充電電圧を供給するように構成された第一及び第二の入力端子、
前記第一及び第二の入力端子と電気的に接続する一次側、及び直列結合された前記複数のバッテリセルのうち少なくとも二つのバッテリセルのそれぞれの両端子間にそれぞれ結合された複数の部分を含む二次側を含む変圧器、
複数の第一のダイオードであって、前記二次側の前記各部分と、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記少なくとも二つのうちの対応する第一のバッテリセルとの間に直列にそれぞれ結合され、前記変圧器の前記一次側の電流の第一の半サイクル中に、充電電流を前記第一のバッテリセルに供給するようにそれぞれ構成された前記複数の第一のダイオード、及び
複数の第二のダイオードであって、前記二次側の前記各部分と、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記少なくとも二つのうちの対応する第二のバッテリセルとの間に直列にそれぞれ結合され、前記変圧器の前記一次側の前記電流の第二の半サイクル中に、充電電流を前記第二のバッテリセルに供給するようにそれぞれ構成された前記複数の第二のダイオード、を含み、
前記二次側の前記複数の部分の各々は、前記電流の前記第一の半サイクル中に第一の極性を有し、前記電流の前記第二の半サイクル中前記第一の極性とは逆の第二の極性を有するように構成されることを特徴とする装置。
充電モードにおいて、前記一次側からの前記充電電圧が前記二次側の前記部分と電気的に接続された前記第一の又は第二のバッテリセルが必要とする充電量に比例して前記二次側の前記複数の部分間で分圧されるように前記一次側の充電を前記二次側の前記複数の部分に移動すべく前記一次側が構成され、放電モードにおいて、前記変圧器の前記一次側への入力が直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧を受けるように構成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
前記変圧器の前記一次側と前記第一及び第二の入力端子との間に結合された共振回路を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のスイッチ、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のスイッチを含むスイッチング回路を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のダイオード、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
直列結合された複数の第一のバッテリセルの両端子間に結合されるように構成された第一及び第二のノード、
直列に結合されたインダクタ及びキャパシタであって、前記第二のノードに結合された第三のノードを有すると共に、第四のノードを有する前記直列に結合されたインダクタ及びキャパシタ、
前記第二のノードと前記第四のノードとの間に結合された第一の一次側を有すると共に、直列結合された前記複数のバッテリセルのうち一つ以上のバッテリセルのそれぞれの両端子間にそれぞれ結合されている複数の部分を含む第一の二次側を有する変圧器、
前記バッテリセルのうち一つ以上のバッテリセルの充電を、前記バッテリセルのうちの他の一つ以上のバッテリセルの充電に相対的に均等化するべく構成された前記変圧器並びに前記直列に結合されたインダクタ及びキャパシタ、及び
前記二次側の前記複数の部分の各々と、直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルのそれぞれとの間にそれぞれ直列結合された第一の電子デバイスであって、前記変圧器並びに前記直列に結合されたインダクタ及びキャパシタが直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルの充電を均等化している間、前記二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前
記一つ以上のバッテリセルとの間のインピーダンスを減少させるようにそれぞれ構成された前記第一の電子デバイスを含むことを特徴とする装置。
充電モードにおいて、前記一次側における充電が前記二次側の前記複数の部分に移動され、前記一次側からの電圧が前記二次側の前記部分と電気的に接続された第一の又は第二のバッテリセルが必要とする充電量に比例して前記二次側の前記複数の部分間で分圧され、放電モードにおいて、前記変圧器の前記一次側への入力が直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第二のノードと前記第三のノードとの間に結合されたスイッチ又はダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第一のノードと前記第三のノードとの間に結合された第一のスイッチ、及び
前記第二のノードと前記第三のノードとの間に結合された第二のスイッチを含むスイッチング回路を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第一のノードと前記第三のノードとの間に結合された第一のダイオード、及び
前記第二のノードと前記第三のノードとの間に結合された第二のダイオードを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第一のスイッチと前記第二のスイッチは、それぞれＭＯＳＦＥＴトランジスタを含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記二次側の前記複数の部分の各々と直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルとの間にそれぞれ直列結合された前記第一の電子デバイスの各々とそれぞれ並列結合されたキャパシタを更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第一のノードと前記第二のノードは、直列結合された前記複数の第一のバッテリセルと直列結合された複数の第二のバッテリセルとの両端子間に結合されるように構成され、
前記変圧器は、前記第一の一次側と直列に結合された第二の一次側を有すると共に、直列結合された前記複数の第二のバッテリセルのうち一つ以上のバッテリセルのそれぞれの両端子間にそれぞれ結合されている複数の部分を含む第二の二次側を有し、前記変圧器並びに前記直列に結合されたインダクタ及びキャパシタは、前記複数の第二のバッテリセルのうち一つ以上のバッテリセルの充電を、前記複数の第二のバッテリセルのうちの他の一
つ以上のバッテリセルの充電に相対的に均等化するべく構成されており、
前記第二の二次側の前記複数の部分の各々と、直列結合された前記複数の第二のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルのそれぞれとの間にそれぞれ直列結合された第二の電子デバイスであって、前記変圧器並びに前記直列に結合されたインダクタ及びキャパシタが直列結合された前記複数の第二のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルの充電を均等化している間、前記第二の二次側の前記部分と直列結合された前記複数の第二のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルとの間のインピーダンスを減少させるようにそれぞれ構成された前記第二の電子デバイスを更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
直列結合された複数のバッテリセルを充電して均等化するための装置であって、
直列結合された前記複数のバッテリセルに充電電圧を供給する第一及び第二の入力端子、
前記第一及び第二の入力端子と電気的に接続する一次側と、直列結合された前記複数のバッテリセルのうち少なくとも二つのバッテリセルのそれぞれの両端子間にそれぞれ結合された複数の部分を含む二次側とを含む変圧器
前記変圧器の前記一次側と前記第一及び第二の入力端子の少なくとも一方との間に結合された直列共振回路、及び
前記二次側の前記複数の部分の各々と、直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの一つ以上の前記バッテリセルのそれぞれとの間にそれぞれ直列に結合され、第一の状態において、前記二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルとの間のインピーダンスを増加させ、第二の状態において、前記二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルとの間の前記インピーダンスを減少させるスイッチを含み、
充電モードにおいて、前記一次側における充電が、前記二次側の前記複数の部分に移動され、前記一次側からの前記充電が、前記二次側の前記部分と電気的に接続された前記一つ以上のバッテリセルが必要とする充電量に比例して前記二次側の前記複数の部分間で分けられ、放電モードにおいて、前記変圧器の前記一次側は、直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧に結合されており、
直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルの各々は、
直列結合された複数の第二のバッテリセル、
直列結合された複数の前記第二のバッテリセルの一つとそれぞれ連携して直列結合された前記複数の第二のバッテリセルへ第二の充電電圧を供給する一対以上の第二及び第三の入力端子、
直列結合された複数の前記第二のバッテリセルの一つとそれぞれ電気的に接続された一つ以上の第二の変圧器であって、前記第二の充電電圧を受電する第二の一次側、及び直列結合された複数の前記第二のバッテリセルのうち電気的に接続されたバッテリセルの両端子間にそれぞれ結合された複数の第二の部分を含む第二の二次側を含む前記一つ以上の第二の変圧器、及び
前記二次側の前記複数の第二の部分の各々と、前記電気的に接続されたバッテリセルとの間にそれぞれ直列に結合され、第一の状態において、前記二次側の前記第二の部分と前記電気的に接続されたバッテリセルとの間のインピーダンスを増加させ、第二の状態において、前記二次側の前記第二の部分と前記電気的に接続されたバッテリセルとの間の前記インピーダンスを減少させる一つ以上の第二のスイッチを含むことを特徴とする装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のスイッチ、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のスイッチを含むスイッチング回路を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記第一の入力端子と前記共振回路との間に結合された第一のダイオード、及び
前記第二の入力端子と前記共振回路との間に結合された第二のダイオードを更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記スイッチは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタを含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記二次側の前記複数の部分の各々と直列結合された前記複数のバッテリセルのうち前記一つ以上のバッテリセルとの間に直列結合された前記スイッチと並列結合されたキャパシタを更に備えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
直列結合された複数のバッテリセルを充電して均等化するための方法であって、
直列結合された前記複数のバッテリセル用の充電電圧を受電するステップ、
前記充電電圧に応答して変圧器の一次側への共振入力を生成することにより充電モードにおいて、前記変圧器の前記一次側から二次側の複数の部分へ充電を移動するステップ、
前記二次側の前記部分と電気的に接続された一つ以上のバッテリセルが必要とする充電量に比例して、前記一次側からの前記充電電圧を前記二次側の前記複数の部分間で分圧するステップ、
放電モードにおいて、直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧を前記変圧器の前記一次側に結合するステップ、
第一の状態において、前記二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルとの間のインピーダンスを増加させるステップ、及び
第二の状態において、前記二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルとの間の前記インピーダンスを減少させるステップを含むことを特徴とする方法。
前記充電電圧を、前記共振入力を供給する共振回路へ切り替えるステップを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
前記移動するステップは、
直列結合された前記複数のバッテリセルの一部で前記充電電圧を受信するステップ、
充電モードにおいて、第二の変圧器の第二の一次側から第二の二次側の複数の部分へ移動するステップであって、前記複数の部分の各々が前記第二の二次側における隣接部分と
逆極性を有する前記移動するステップ、
前記第二の二次側の前記部分と電気的に接続された一つ以上のバッテリセルが必要とする充電量に比例して、前記第二の一次側からの前記充電電圧を前記第二の二次側の前記複数の部分間で分圧するステップ、
放電モードにおいて、直列結合された前記複数のバッテリセルの総直列電圧を前記変圧器の前記第二の一次側に結合するステップ、
第一の状態において、前記第二の二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルとの間のインピーダンスを増加させるステップ、及び
第二の状態において、前記第二の二次側の前記部分と直列結合された前記複数のバッテリセルのうちの前記一つ以上のバッテリセルとの間の前記インピーダンスを減少させるステップを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
直列結合された複数のバッテリセルを充電して均等化するための方法であって、
直列結合された前記複数のバッテリセル用の充電電圧を受信するステップ、
前記充電電圧に応答して変圧器の前記一次側に生成される共振入力によって変圧器の一次側から前記変圧器の二次側の複数の部分へ前記充電電圧を移動するステップ、
前記変圧器の前記一次側の電流の第一の半サイクル中に、前記充電電圧を、第一の極性にある前記二次側の前記複数の部分の各々から直列結合された前記複数のバッテリセルの第一の部分へ供給するステップ、
前記変圧器の前記二次側の前記複数の部分の電圧の極性を前記第一の極性から前記第一の極性とは逆の第二の極性へ切り替えるステップ、及び
前記変圧器の前記一次側の電流の第二の半サイクル中に、前記充電電圧を、前記第一の極性とは逆の前記第二の極性にある前記二次側の前記複数の部分の各々から直列結合された前記複数のバッテリセルの第二の部分へ供給するステップを含むことを特徴とする方法。
直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第一の部分へ供給する前記ステップは、
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第一の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第一の部分を前記二次側の前記複数の部分に結合するステップ、
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第一の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第二の部分を前記二次側の前記複数の部分から切り離すステップ、及び
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第一の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第一の部分を充電するステップを更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第二の部分へ供給する前記ステップは、
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第二の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第二の部分を前記二次側の前記複数の部分に結合するステップ、
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第二の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第一の部分を前記二次側の前記複数の部分から切り離すステップ、及び
前記変圧器の前記一次側の前記電流の前記第二の半サイクル中に、直列結合された前記複数のバッテリセルの前記第一の部分を充電するステップを更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
前記充電電圧を、前記共振入力を供給する共振回路へ切り替えるステップを更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。