特許 5914551 エネルギー貯蔵システム内のセルの監視

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5914551

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】エネルギー貯蔵システム内のセルの監視

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20160422BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20160422BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/02 H

   H01M10/48 P

   H01M10/48 301

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-57613(P2014-57613)

(22)【出願日】2014年3月20日

(62)【分割の表示】特願2010-502066(P2010-502066)の分割

【原出願日】2007年11月2日

(65)【公開番号】特開2014-124088(P2014-124088A)

(43)【公開日】2014年7月3日

【審査請求日】2014年3月20日

(31)【優先権主張番号】60/907,423

(32)【優先日】2007年4月2日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】593219551

【氏名又は名称】リニアー テクノロジー コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】グレン ジェームス ブライズボア

【審査官】 横田 有光

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００２−５２１７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４８７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０７０１７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００− ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４− ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システムを監視するためのシステムであって、
該システムは、第１および第２のモニタを含む一連のモニタを備え、
該第１のモニタは、該エネルギー貯蔵システム内の第１の群のセル内のセルを監視して、第１の監視データを生成するように構成され、
該第２のモニタは、該エネルギー貯蔵システム内の第２の群のセル内のセルを監視して、コントローラへの配信のために第２の監視データを生成するように構成され、
該第２のモニタは、該コントローラへの配信のために該第１のモニタから該第１の監視データを受信するようにさらに構成され、
該システムは、
該第１の群のセル内の第１のセルに連結された第１のスイッチであって、該第１のモニタにより生成された第１の制御信号により制御されて、該スイッチが連結された該第１のセルの充電を制御する第１のスイッチと、
該第２の群のセル内の第２のセルに連結された第２のスイッチであって、該第２のモニタにより生成された第２の制御信号により制御されて、該スイッチが連結された該第２のセルの充電を制御する第２のスイッチと
を備え、
該コントローラは、監視データに応答して、該複数のセルのうちの少なくとも１つのセルを識別するアドレス情報と、該複数のセルのうちの該少なくとも１つのセルの充電をどのように制御するかを示す制御情報とを含む制御データを生成し、該制御情報に従って該識別されたセルの充電を制御するように該一連のモニタに命令し、該制御データは、該一連のモニタ間を転送され、
該第１のモニタは、該第２のモニタから該制御データを受信し、該アドレス情報が該第１のモニタにより監視されたセルを識別するかを決定するようにさらに構成され、
該第２のモニタは、該制御データを受信し、該アドレス情報が該第２のモニタにより監視されたセルを識別するかを決定するようにさらに構成され、
該第１のモニタは、該アドレス情報が該第１の群のセル内の該第１のセルを識別する場合に、該アドレス情報により識別された該第１の群のセル内の該第１のスイッチを制御するために該第１の制御信号を生成し、
該第２のモニタは、該アドレス情報が該第２の群のセル内の該第２のセルを識別する場合に、該アドレス情報により識別された該第２の群のセル内の該第２のスイッチを制御するために該第２の制御信号を生成する、システム。

【請求項2】

前記第１の監視データは、前記第１の群のセル内の各セルのパラメータを表し、前記第２の監視データは、前記第２の群のセル内の各セルのパラメータを表す、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第１の監視データは、前記第１の群のセル内の各セルにおける電圧を表し、前記第２の監視データは、前記第２の群のセル内の各セルにおける電圧を表す、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記第１の監視データは、前記第１の群のセル内のセルの周囲の温度をさらに表し、前記第２の監視データは、前記第２の群のセル内のセルの周囲の温度をさらに表す、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記第１および第２のモニタは、前記一連のモニタ内の隣接するモニタである、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記一連のモニタは、前記第２のモニタに隣接する第３のモニタであって、前記エネルギー貯蔵システム内の第３の群のセル内のセルを監視して、第３の監視データを生成するように構成された第３のモニタをさらに備え、該第３のモニタは、該第２のモニタを経由して前記第１のモニタから前記第１の監視データを受信し、かつ該第２のモニタから前記第２の監視データを受信するようにさらに構成される、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システム内のセルを監視する方法であって、
該方法は、
第１のモニタによって第１の群のセルを監視して、第１の監視データを生成するステップと、
第２のモニタによって第２の群のセルを監視して、第２の監視データを生成するステップと、
コントローラへの配信のために、該第１の監視データを該第１のモニタから該第２のモニタに転送するステップと、
該第２の監視データを該コントローラに転送するステップと、
監視データに応答して、該セルの充電を制御するために該コントローラにより制御データを生成するステップであって、該制御データは、該複数のセルのうちの少なくとも１つのセルを識別するアドレス情報と、該複数のセルのうちの該少なくとも１つのセルの充電をどのように制御するかを示す制御情報とを含む、ステップと、
該制御データを該第２のモニタに転送するステップと、
該第２のモニタにより、該アドレス情報が該第２のモニタにより監視された該第２の群のセル内の少なくとも１つのセルを識別するかを決定するステップと、
該制御データが該第２の群のセル内の少なくとも１つのセルを識別すると該第２のモニタが決定した場合に、該制御情報に従って該少なくとも１つのセルの充電を制御するために第２の制御信号を生成するステップと、
該アドレス情報が該第２の群のセル内の少なくとも１つのセルを識別しないと該第２のモニタが決定した場合に、該制御データを該第２のモニタから該第１のモニタに転送するステップと、
該第１のモニタにより、該アドレス情報が該第１のモニタにより監視された該第１の群のセル内の少なくとも１つのセルを識別するかを決定するステップと、
該制御データが該第１の群のセル内の少なくとも１つのセルを識別すると該第１のモニタが決定した場合に、該制御情報に従って該第１の群のセル内の該少なくとも１つのセルの充電を制御するために第１の制御信号を生成するステップと、
該第１の群のセル内の該少なくとも１つのセルに連結され、該第１の群のセル内の該少なくとも１つのセルの充電を制御するために生成された該第１の制御信号により制御される少なくとも１つの第１のスイッチを提供するステップと、
該第２の群のセル内の該少なくとも１つのセルに連結され、該第２の群のセル内の該少なくとも１つのセルの充電を制御するために生成された第２の制御信号により制御される少なくとも１つの第２のスイッチを提供するステップと
を包含する、方法。

【請求項8】

前記第１の制御信号は、前記第１の群のセル内の第１のセルの状態を制御する、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の監視データは、前記第１のセルにおける電圧を示す、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の監視データは、前記第１のセルの領域内の温度をさらに示す、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記制御データは、前記エネルギー貯蔵システムの充電の間、前記第１のセルのパラメータを示す前記第１の監視データに応答して転送される、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の参照）
本出願は、「ＶＯＬＴＡＧＥ ＳＴＡＣＫＡＢＬＥ ＤＡＴＡ ＰＯＲＴ」の名称を有し、かつ本明細書において参考として援用される、米国特許仮出願第６０／９０７，４２３号（２００７年４月２日出願）の優先権を主張する。

【0002】

（技術分野）
本開示の主題は、電源供給回路に関し、より具体的には、直列接続されたエネルギー貯蔵セルを監視するための回路網および方法論に関する。

【背景技術】

【0003】

電池やウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタエネルギー貯蔵システムのようなエネルギー貯蔵システムの管理は、エネルギー貯蔵システムと、エネルギー貯蔵システムによって電力供給される機器との長寿命、効率、および信頼性を保証するために不可欠である。適切な管理は、セル電圧に関するリアルタイムの知見を必要とし、すなわち、各エネルギー貯蔵セルにおける電圧は、恒久的に監視されるべきである。エネルギー貯蔵システムは、直列に接続された、すなわち「積層された」複数のエネルギー貯蔵セルを含み、その結果として、積層の最上層近傍の個々のセルは、システムの接地に対して高電位となり得る。

【0004】

図１は、エネルギー貯蔵システムの実施例を表す、バッテリ１０を示す。バッテリ１０は、直列に接続された複数のセルから成る。接地端子により近く配置されたセルは、低電位であるが、バッテリ積層の反対側に接続された別のセルは、高電位であり得る。例えば、図１に示される８１個の４．２Ｖセルは、約３４０Ｖの総電圧を生じる。したがって、個々のセルの電圧を測定可能な電圧測定デバイスは、非常に高い電圧に耐えねばならない。積層されたバッテリの管理のための、そのような高電圧測定デバイスの使用は、非常に高価であり、かつエラーを生じやすい。

【0005】

エネルギー貯蔵システムの別の実施例は、ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタシステムである。ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタは、電気エネルギー貯蔵の分野における最新の技術革新のうちの１つを表し、大量エネルギー貯蔵、配電を含む多くの用途において、その役割が見出されている。これらは、ハイブリッド自動車のための自動車用途において、また、バッテリ電気自動車のための補助的貯蔵手段として、特に着目されている。従来のキャパシタと比較して、これらの新しい構成要素は、より高い電力密度とともに、非常に高いエネルギー密度を可能にする。ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタは、その充電密度を増加させるために、二重層キャパシタ技術に基づいて生成され得る。しかしながら、二重層キャパシタは、比較的低い最大電圧を有する。これは、許容される電力変換効率を実現するために、より高い電圧での動作をサポートするセルの直列接続を余儀なくさせる。

【0006】

セル電圧が高いほど、二重層キャパシタの期待寿命は短くなる。したがって、ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタシステム内のセル電圧は、個々のセルにおける電圧が最大値を超えることを防止するために、監視されるべきである。また、充電の間、ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタは、充電電圧が定格電圧を超えることを防止するために、監視されなければならない。

【0007】

高コモンモードにおける電圧を測定する一般的方法は、コモンモード分圧器として配置される抵抗器ネットワークを有する、４抵抗器差動アンプを含む。この配置は、例えば、本出願の譲受人であるＬｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発されたＬＴ（登録商標）１９９０差動アンプにおいて使用される。しかしながら、抵抗器ネットワークにおいて抵抗器を整合することは、困難な課題である。不整合抵抗器は、コモンモード電圧の上昇に伴って、測定精度を低下させ得る。また、抵抗分圧器は、バッテリに対する負荷となる。

【0008】

電圧を測定する別の既知の方法は、容量性スイッチを含む。この方法は、例えば、本出願の譲受人であるＬｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発されたＬＴＣ（登録商標）１０４３二重スイッチドキャパシタ構築ブロックにおいて、低電圧を測定するために使用される。このブロックでは、一対のスイッチが、交互に外部キャパシタを入力電圧に接続し、次いで、充電されたキャパシタを出力ポートをわたって接続する。しかしながら、高コモンモード電圧では、この方法は、高電圧ＭＯＳＦＥＴを必要とするが、それは、モノリシックチップの形では容易に利用可能でない。

【0009】

さらなる既知の方法は、直接デジタル化、およびデジタル情報のレベルシフティングを含む。この種の測定は、非特許文献１に記載されているが、本Ｄｅｓｉｇｎ Ｎｏｔｅは、電圧ではなく、電流の測定に関するものである。本Ｄｅｓｉｇｎ Ｎｏｔｅは、直流（ＤＣ）測定のための１６−ビットデルタ−シグマアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する−４８Ｖ電気通信供給電流モニタについて記載している。モニタは、データ転送のためのレベルシフティングデバイスとして、光遮断器を使用する。しかしながら、この方法は、少数の測定のために適している。多数のセルにおける電圧の測定は、多くの光遮断器（または、トランジスタ）を必要とし、煩わしいものとなる。

【0010】

したがって、直列に接続された複数のエネルギー貯蔵セルにおける電圧を監視するための、単純かつ効率的技術を生成することが望まれる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｍａｒｋ Ｔｈｏｒｅｎ、「１６-ｂｉｔ ＡＤＣ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｎｏｔｅ ＤＮ３４１

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示は、直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システム内の個々のセルを監視するための回路網および方法論を提示する。システムは、少なくとも第１および第２のモニタを有する、一連のモニタを含む。第１のモニタは、エネルギー貯蔵システム内の少なくとも第１のセルを監視して、第１の監視データを生成する。第２のモニタは、エネルギー貯蔵システム内の少なくとも第２のセルを監視して、第２の監視データを生成する。第１のモニタは、第１の監視データを第２のモニタに転送するように構成される。

【0013】

特に、第１のモニタは、第１のセルを含む第１の群のセルを監視するように構成され得、第２のモニタは、第２のセルを含む第２の群のセルを監視し得る。

【0014】

第１の監視データは、第１の群のセル内の各セルの少なくとも１つのパラメータを表し得、第２の監視データは、第２の群のセル内の各セルの少なくとも１つのパラメータを表し得る。例えば、監視データは、各セルにおける電圧と、セルに影響を及ぼす温度とを表し得る。

【0015】

第１および第２のモニタは、第２のモニタに隣接し、かつエネルギー貯蔵システム内の少なくとも第３のセルを監視し、第３の監視データを生成するように構成される第３のモニタをさらに備える、一連のモニタ内の、隣接するモニタであり得る。第３のセルモニタは、第２のモニタを介して第１のモニタから第１の監視データを受信し、第２のモニタから第２の監視データを受信するように、さらに構成され得る。

【0016】

本開示の実施形態に従って、モニタは、隣接するモニタを介してコントローラに監視データを転送し得る。コントローラは、隣接するモニタを介してモニタに転送される制御データを生成し得る。

【0017】

制御データは、監視データに応答して生成され得る。例えば、制御データは、エネルギー貯蔵システムが充電されるときには、エネルギー貯蔵システム内の個々のセルが過充電されるのを防止し得る。特定のセルに関連する監視データに応答して、モニタは分路を生成し得、その分路は、充電電流にそのセルを強制的に迂回させる。モニタは、分路を生成するための、制御データによって制御されるスイッチを有し得る。

【0018】

本開示の方法に従って、第１の群のセルは、第１のモニタによって監視され、第１の監視データを生成し得、第２の群のセルは、第２のモニタによって監視され、第２の監視データを生成し得る。第１の監視データは、コントローラへの配信のために、第２のモニタに転送され得る。

【0019】

反対方向に、制御データは、第２のモニタを介してコントローラから第１のモニタに転送され得る。制御データは、第１の監視データに応答して転送され、第１の群のセル内のセルの状態を制御し得る。

【0020】

本願発明は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システムを監視するためのシステムであって、
該システムは、第１および第２のモニタを含む一連のモニタを備え、
該第１のモニタは、少なくともバッテリ内の第１のセルを監視して、第１の監視データを生成するように構成され、
該第２のモニタは、少なくとも該バッテリ内の第２のセルを監視して、第２の監視データを生成するように構成され、
該第１のモニタは、該第１の監視データを該第２のモニタに転送するようにさらに構成される、
システム。
（項目２）
前記第１のモニタは、前記第１のセルを含む第１の群のセルを監視するように構成され、前記第２のモニタは、前記第２のセルを含む第２の群のセルを監視するように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記第１の監視データは、前記第１の群のセル内の各セルのパラメータを表し、前記第２の監視データは、前記第２の群のセル内の各セルのパラメータを表す、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記第１の監視データは、前記第１のセルにおける電圧を表し、前記第２の監視データは、前記第２のセルにおける電圧を表す、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記第１の監視データは、前記第１のセルの周囲の温度をさらに表し、前記第２の監視データは、前記第２のセルの周囲の温度をさらに表す、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記第１および第２のモニタは、前記一連のモニタ内の隣接するモニタである、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記一連のモニタは、前記第２のモニタに隣接し、かつ前記エネルギー貯蔵システム内の少なくとも第３のセルを監視して、第３の監視データを生成するように構成された第３のモニタをさらに備え、該第３のモニタは、該第２のモニタを経由して前記第１のモニタから前記第１の監視データを受信し、かつ該第２のモニタから前記第２の監視データを受信するようにさらに構成される、項目６に記載のシステム。
（項目８）
前記第２のモニタは、前記第１および第２の監視データをコントローラに転送するようにさらに構成される、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記第２のモニタは、前記コントローラによって生成された第１の制御データを前記第１のモニタに転送し、かつ該コントローラによって生成された第２の制御データを受信するようにさらに構成される、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記第１の制御データは、前記第１の監視データに応答して生成され、前記第２の制御データは、前記第２の監視データに応答して生成される、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記第１のモニタは、前記エネルギー貯蔵システムが充電されつつあるときに、充電電流に前記第１のセルを迂回させる第１の分路を提供することによって前記第１の制御データに応答するように構成され、前記第２のモニタは、該エネルギー貯蔵システムが充電されつつあるときに、該充電電流に前記第２のセルを迂回させる第２の分路を提供することによって前記第２の制御データに応答するように構成される、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）
前記第１のモニタは、前記第１の分路を生成するために前記第１の制御データによって制御される、第１のスイッチを有し、前記第２のモニタは、前記第２の分路を生成するために前記第２の制御データによって制御される、第２のスイッチを有する、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システム内のセルを監視する方法であって、
第１の監視データを生成するために、第１のモニタによって第１の群のセルを監視するステップと、
第２の監視データを生成するために、第２のモニタによって第２の群のセルを監視するステップと、
コントローラへの配信のために、該第１の監視データを該第２のモニタに転送するステップと、
を包含する、方法。
（項目１４）
前記第２のモニタを介して前記コントローラから前記第１のモニタに、第１の制御データを転送するステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記第１の制御データは、前記第１の群のセル内の第１のセルの状態を制御する、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記第１の制御データは、前記第１の監視データに応答して前記第１のモニタに転送される、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記第１の監視データは、前記第１のセルにおける電圧を示す、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記第１の監視データは、前記第１のセルの領域内の温度をさらに示す、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記第１の制御データは、前記エネルギー貯蔵システムの充電の間、前記第１のセルのパラメータを示す前記第１のモニタデータに応答して転送される、項目１６に記載の方法。
（項目２０）
前記第１の制御データは、前記エネルギー貯蔵システムの充電の間、前記第１のセルが過充電されることを防止する、項目１７に記載の方法。
本開示の付加的利点および局面は、当業者には、以下の詳細な説明から容易に明白となるが、本開示の実施形態は、本開示を実践するために企図される最善の形態の、単なる例証として図示および説明されている。後述のように、本開示は、他の、および異なる実施形態も可能であって、そのいくつかの詳細は、本開示の精神から逸脱することなく、種々の明白な点における修正を受け入れる余地がある。故に、図面および説明は、本質的に例証としてみなされ、制限としてみなされるべきではない。

【0021】

以下の本開示の実施形態に関する詳細な説明は、以下の図面と併せて熟読されるときに、最も良く理解され得る。図面において、その特徴は、必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、むしろ、関連特徴を最も良く示すように描かれている。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、直列に接続された複数のセルから成るバッテリを示す。

【図2】図２は、直列に接続された複数のセルから成るエネルギー貯蔵システムを監視するための、本開示の例示的監視システムを示す。

【図3】図３は、本開示のシステム内の監視ユニットの、例示的実装を示す。

【図4】図４は、コントローラと、デイジーチェーン状に接続された複数の監視ユニットを含む、例示的配置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本開示は、監視回路の特定の実施例を使用してなされる。しかしながら、本開示の概念は、複数のセルを有する任意のエネルギー貯蔵システムを監視するための、任意の回路網に対して適用可能であることは明白である。

【0024】

図２は、エネルギー貯蔵システム１０２の端子の間に直列に接続されたｎ個のセルＣｌ〜Ｃｎから成る、エネルギー貯蔵システム１０２を監視するための本開示の例示的監視システム１００を示す。図示された実施例においては、セルＣｌ〜Ｃｎは、家庭用電子機器およびハイブリッド電気自動車のような用途において一般的に使用される、リチウムイオン（Ｌｉ-Ｉｏｎ）バッテリであり得る。しかしながら、当業者が理解するように、セルＣｌ〜Ｃｎは、任意のエネルギー貯蔵要素であり得る。例えばそれは、ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタセルであり得る。セルＣｌは、接地端子に接続され得、その一方で、セルＣｎは、エネルギー貯蔵システム１０２の高電圧端子に、例えば、＋３５０Ｖ端子に接続され得る。

【0025】

監視システム１００は、一連のｍ個のバッテリ監視ユニットＢＭｌ〜ＢＭｍを含み、監視ユニットのそれぞれは、所定の数のセルＣを監視するように構成され得る。各ユニットＢＭによって監視されるセルＣの数は、１から１６まで、またはそれ以上であり得る。この数は、監視ユニットＢＭの電圧耐性能力によって決定され得る。例えば、各ユニットＢＭの耐性能は、約６０Ｖであり得る。また、監視されるセルＣの数は、特定のユニットＢＭが提供される半導体チップのピン数によって制限され得る。例えば、図２は、監視ユニットＢＭｌが３個のセルＣｌ〜Ｃ３を監視し、ユニットＢＭ２が３個のセルＣ４〜Ｃ６を監視し、等々、最後に、監視ユニットＢＭｍが２個のセルＣｎ-１およびＣｎを監視する様子を示す。監視ユニットＢＭは、各セルＣにおける電圧またはセルＣに影響を及ぼす温度のようなパラメータを決定することによって、セルＣの状態を監視し得る。

【0026】

各監視ユニットＢＭは、それぞれのユニットＢＭによって監視されるセルパックを使用して、電力供給され得る。代替案として、監視ユニットＢＭは、監視されるセルＣから独立した電力供給源を有し得る。

【0027】

隣接する監視ユニットＢＭは、隣接する群のセルＣを監視し得る。例えば、監視ユニットＢＭｌは、セルＣｌ〜Ｃ３を監視し得、ＢＭｌに隣接するユニットＢＭ２は、セルＣ４〜Ｃ６を監視し得る。代替案として、隣接するユニットＢＭは、任意の所定の群のセルＣを監視し得る。

【0028】

隣接するユニットＢＭの各対は、ユニット間のデータ転送路を提供する通信リンク１０４によって接続される。図２に示されるように、通信リンク１０４は、ユニットＢＭｌとユニットＢＭ２との間、ユニットＢＭ２とユニットＢＭ３との間、ユニットＢＭ３と次の監視ユニットとの間、最後に、ユニットＢＭｍ-１とユニットＢＭｍとの間に配置され得る。通信リンク１０４のそれぞれは、隣接するユニットＢＭの間の直列および／または並列データ転送を提供するように構成され得る。図２は、各通信リンク１０４が６つのラインから成るように示されているが、当業者は、通信リンク１０４が、選択された直列および／または並列データ転送プロトコルによるデータ転送をサポートするために必要とされる、任意の数のラインを含み得ることを理解する。例えば、以下に詳述されるように、通信リンク１０４は、監視ユニットＢＭｌと、ユニットＢＭｌにリンクされ、監視ユニットＢＭｌ〜ＢＭｍからの監視データを受信し、および／または制御データとともにそれを供給し得る外部コントローラとの間に確立される、直列周辺インターフェース（ＳＰＩ）のようなインターフェースに対応するデータ転送プロトコルをサポートし得る。代替案として、外部コントローラは、任意の他の監視ユニットＢＭに連結され得る。

【0029】

各通信リンク１０４は、直列および／または並列方式で、隣接するユニットＢＭ間における監視および制御データの双方向転送をサポートし得る。例えば、監視ユニットＢＭｋによって生成される監視データは、監視ユニットのチェーン内で、ユニットＢＭｋからユニットＢＭｋに隣接する監視ユニットＢＭｋ-１に向けて「下方」に転送され得、ここで、ユニットＢＭｋは、ユニットＢＭｋ-１によって監視されるセルＣよりも接地端子から遠く、かつユニットＢＭｋ＋１によって監視されるセルＣよりも接地端子の近くに配置されるセルＣを監視するために、ＢＭｌとＢＭｍとの間に提供される任意の監視ユニットであり得る。ユニットＢＭｋ-１がコントローラに接続されない場合には、ユニットＢＭｋ-１は次の通信リンク１０４を介して、ユニットＢＭｋ-２に監視データを転送する、等々である。制御データは、ユニットＢＭｋ-１からユニットＢＭｋへ、次いで、ユニットＢＭｋからユニットＢＭｋ＋１へと、反対方向に転送され得る。例えば、制御データは、並列形態で転送され得、その一方で、監視データは、直列形態でシフトされ得る。代替案として、監視および制御データは両方とも、並列または直列形態の、同じ形態で転送され得る。

【0030】

監視データは、セル電圧および温度のような、それぞれの監視ユニットＢＭによって監視されるセルあるいはセル群の１つ以上のパラメータを含み得る。制御データは、特定のセルまたはセル群を識別するアドレス情報、および／または特定のセルまたはセル群と関連して行なわれる動作を示す制御情報を含み得る。

【0031】

例えば、監視システム１００は、エネルギー貯蔵システム１０２の充電を監視し得る。エネルギー貯蔵システム１０２の個々のセルＣは、異なる時点で完全に充電された状態になり得るために、監視システム１００は、特定のセルが所定の電圧に到達すると、特定のセルが損傷を受けるのを防止するために、特定のセルの充電を停止または減速するように制御され得る。特に、充電手順の間、監視ユニットＢＭは、各セルＣにおける電圧およびセルＣに影響を及ぼす温度を監視し得る。通信リンク１０４を介して、ユニットＢＭｋによって決定された監視データは、隣接するユニットＢＭｋ-１へ、次いで、ユニットＢＭｋ-１から次のユニットＢＭｋ-２へと転送され得、最後に転送データは、コントローラに連結されたユニットＢＭｌに到達する。監視データは、ユニットＢＭｌからコントローラに伝送され、コントローラは、特定のセルＣｉが特定の温度において所定の電圧に到達したことを決定し得る。この情報に基づいて、コントローラは、セルＣｉを識別し、かつセルＣｉがさらに充電されることを防止するように監視システム１００に指示する、制御データを生成し得る。制御データは、コントローラに接続されるユニットＢＭｌに伝送される。ユニットＢＭｌから、制御データは、通信リンク１０４を介して次のユニットＢＭ２へ、次いで、ユニットＢＭ２から次のＢＭユニットへと転送され、最後に制御データは、セルＣｉを監視するユニットＢＭｋに到達する。制御データは、セルＣｉがさらに充電されることを防止するために、ユニットＢＭｋに適切な措置を行なわせ得る。例えば、以下に詳述されるように、ユニットＢＭｋ内のそれぞれのスイッチは、充電電流を強制的にセルＣｉを迂回させるように、セルＣｉの周囲に充電電流分路を生成するように制御され得る。

【0032】

図３は、監視システム１００内の監視ユニットＢＭｋの例示的配置を示す。監視ユニットＢＭｋは、一連の監視ユニットＢＭ内のユニットＢＭｋ＋１とＢＭｋ-１との間に配置され、１２個のセルＣｉ、Ｃｉ＋１、．．．、Ｃｉ＋１１から成るエネルギー貯蔵システム１０２の、１２個のセルパックを監視し得る。ユニットＢＭｋの電圧耐性能に対応して、１２個のセルパックＣｉ〜Ｃｉ＋１１は、セルパックの端子Ｖ＋とＶ−との間に６０Ｖ未満の総電圧を提供するように選択され得る。監視ユニットＢＭｋは、セルパックによって提供される電圧によって駆動されるチップ上に実装され得る。

【0033】

監視ユニットＢＭｋは、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１のそれぞれにわたって接続される複数の並列入力を有するマルチプレクサ２０２を含み、それぞれのセルＣｉ〜Ｃｉ＋１１における電圧を決定し得る。マルチプレクサ２０２の出力は、単一シーケンスのセル電圧として、複数の入力セル電圧を提示し得る。

【0034】

スイッチＳｉ〜Ｓｉ＋１１は、それぞれセルＣｉ〜Ｃｉ＋１１に接続され、それらの状態を制御し得る。特に、スイッチＳｉ〜Ｓｉ＋１１は、それぞれのセルを分路するように制御され得る。例えば、エネルギー貯蔵システム１０２の充電の間、スイッチＳのうちの任意のスイッチは、ＯＮ状態に切り替えられ、それぞれのセルＣの周囲に充電電流の迂回路を提供し得る。その結果として、それぞれのセルＣは、過充電を防止され得る。例えば、電界効果トランジスタが、スイッチＳｉ〜Ｓｉ＋１１として使用され得る。電力抵抗器Ｒｉ〜Ｒｉ＋１１は、それぞれのスイッチＳｉ〜Ｓｉ＋１１に接続され、電流を制限し、ワット損を制御し得る。例えば、抵抗器Ｒｉ〜Ｒｉ＋１１は、約１０〜１００Ωの値を有し得る。

【0035】

マルチプレクサ２０２がまた、ダイ温度センサ２０４に接続され得、それは、その上にユニットＢＭｋが形成されるチップの内部温度を示す入力信号を、マルチプレクサに提供する。さらに、ユニットＢＭｋは、チップの外部温度を決定するために、チップに接続された抵抗分圧器Ｒｌ、Ｒ２を利用し得る。抵抗分圧器は、負の温度係数（ＮＴＣ）を有する抵抗器のような温度センサ抵抗器Ｒｌと、１．２Ｖのような基準電圧を提供する基準電圧源２０６に接続された抵抗器Ｒ２とを含み得る。抵抗分圧器Ｒｌ、Ｒ２は、マルチプレクサ２０２に外部温度を示す入力信号を提供する。

【0036】

内部および外部チップ温度情報は、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１における電圧を表す電圧シーケンスとともに、マルチプレクサ２０２の出力に提示され得る。アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０８は、マルチプレクサ２０２のアナログ出力信号をデジタル形式に変換し得る。基準電圧源２０６は、アナログ／デジタル変換を行なうために必要とされる基準電圧を提供し得る。故に、Ａ／Ｄ変換器２０８のデジタル出力信号は、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１のそれぞれにおける電圧に関する情報と、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１に影響を及ぼす内部および外部チップ温度に関する情報とを含む、監視ユニットＢＭｋによって監視されるデータを表す。

【0037】

監視データは、結果レジスタおよび通信回路２１０に供給され、結果レジスタおよび通信回路２１０は、レベルシフティングを行ない、かつ通信リンク１０４を介してユニットＢＭｋ-１への監視データの転送を提供し得、ユニットＢＭｋ-１は、ユニットＢＭｋによって監視されるセルＣｉ〜Ｃｉ＋１１よりも接地端子の近くに接続されるセルＣｉ-１〜Ｃｉ-１２から成る次のセルパックを監視し得る。代替案として、回路２１０がコントローラに接続される「最下の」監視ユニットＢＭ１内に配置される場合には、回路２１０は、監視データをコントローラに転送する。

【0038】

さらに、回路２１０は、別の通信リンク１０４によってユニットＢＭｋ＋１に接続され得、ユニットＢＭｋ＋１は、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１よりも接地端子から離れて接続されるセルＣｉ＋１２〜Ｃｉ＋２４から成るセルパックを監視し得る。この通信リンクを介して、ユニットＢＭｋの回路２１０は、ユニットＢＭｋ＋１〜ＢＭｍによって監視されるデータを受信し、かつ監視データをユニットＢＭｋ-１に転送する。例えば、回路２１０は、ユニットＢＭｋ＋１から受信したデータをユニットＢＭｋ-１に転送するための、配線接続を含み得る。

【0039】

加えて、ユニットＢＭｋの回路２１０は、通信リンク１０４を介して、ユニットＢＭｋ-１からデータを受信するように構成され得る。例えば、制御データは、ユニットＢＭｋ-１からユニットＢＭｋに転送され得る。制御データが、ユニットＢＭｋによって監視されるセルＣｉ〜Ｃｉ＋１１のうちの任意のセルに関連する場合には、回路２１０は、制御データによって命令される動作を実行するための信号を生成し得る。例えば、ユニットＢＭｋ-１から受信された制御データは、セルＣｉ〜Ｃｉ＋１１のうちの１つ以上のセルが充電されることを、防止するように要求し得る。この場合、回路２１０は、対応するセルの周囲に充電電流分路を生成するためにスイッチをＯＮ状態にするために、それぞれのスイッチＳｉ〜Ｓｉ＋１１のゲートに供給される制御信号を生成し得る。ユニットＢＭｋ-１からのデータがセルＣｉ〜Ｃｉ＋１１に関連しない場合には、ユニットＢＭｋの回路２１０は、受信データをユニットＢＭｋ＋１に転送する。

【0040】

図４は、ユニットＢＭ１からＢＭｍまでの間の例示的接続を図式的に示し、ユニットＢＭのそれぞれは、図３に示されるユニットＢＭｋの配置に類似する配置を有し得る。特に、ユニットＢＭ１からＢＭｍまでは、デイジーチェーン状に接続され得、そこでは、ユニットＢＭ１はユニットＢＭ２に連結され、ユニットＢＭ２は、チェーン内の次のＢＭユニットに連結され、等々である。あるＢＭユニットのＶ＋端子は、隣接するＢＭユニットのＶ−端子に接続され得る。ユニットＢＭ１のＶ−端子は、エネルギー貯蔵システム１０２の接地端子に接続され得る。ユニットＢＭｍのＶ＋端子は、＋３５０Ｖ端子のような、エネルギー貯蔵システム１０２の高電圧端子に接続され得る。Ｖ＋端子とＶ−端子との間に接続されるセルパックは、それぞれのユニットＢＭに電力を提供し得る。

【0041】

マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）３００は、ユニットＢＭ１に接続され、ユニットＢＭ１〜ＢＭｍによって監視されるデータを受信し、かつこれらの監視ユニットに制御データを供給し得る。ＭＰＵ３００は、エネルギー貯蔵システム１０２から独立した電源供給ラインから電力を供給され得る。代替案として、ＭＰＵ３００は、ユニットＢＭ１と同じセルパックから電力を供給され得る。例えば、本開示の監視システム１００は、電気自動車内に配置され、自動車の電気バッテリを監視し得る。この場合、ＭＰＵ３００は、自動車の中央コントローラと相互作用し得る。ＭＰＵ３００は、バッテリ内の各セルの状態を示す電圧および温度情報を処理し得る。

【0042】

この情報に基づいて、ＭＰＵ３００は、例えば、監視システム１００を制御し、エネルギー貯蔵システム１０２が充電されつつあるときには、個々のセルが過充電されるのを防止し得る。特に、各セルは、特定の温度状態において所定のセル電圧に到達するまで、安全に充電され得る。この電圧を超えると、セルは損傷を被り得る。セルへの損傷を防止するために、ＭＰＵ３００は、監視ユニットＢＭ１〜ＢＭｍによって監視される電圧および温度情報を処理し、エネルギー貯蔵システム１０２が充電されつつあるときの個々のセルＣの状態を判定し得る。セルＣｉにおける電圧が特定の温度状態における所定のレベルに到達したことを、ユニットＢＭｋによって監視されるデータが示すと、ＭＰＵ３００は、セルＣｉおよびセルＣｉを監視するユニットＢＭｋを識別するアドレス情報とともに、制御データを生成する。デイジーチェーン内のユニットＢＭｋの前にある監視ユニットＢＭを介して、制御データはユニットＢＭｋに転送され、セルＣｉに対応するスイッチＳｉをＯＮ状態に切り替えるゲート制御信号を生じさせる。その結果として、充電電流分路がセルＣｉの周囲に生成され、セルＣｉの充電を防止する。

【0043】

ＢＭ１は、インターフェース３０２を介してＭＰＵ３００に接続され得る。例えば、Ｍｏｔｏｒｏｌａによって開発されたシリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）は、ＭＰＵ３００を監視ユニットＢＭに接続するために使用され得る。ＳＰＩは、全二重モードで同期シリアルデータ転送を提供する。ＳＰＩは、マスタ−スレーブモデルを使用し、この場合、マスタデバイスは複数のスレーブデバイスと相互作用する。例えば、ＭＰＵ３００は、ＳＰＩマスタデバイスとして作用し得、複数の監視ユニットＢＭ１〜ＢＭｍは、ＳＰＩスレーブデバイスとして作用し得る。ＳＰＩは４つの信号ライン、すなわち、マスタデバイスからスレーブデバイスへの転送データのために使用されるマスタ出力スレーブ入力（ＭＯＳＩ）と、スレーブデバイスからマスタへの転送データのために使用されるマスタ入力スレーブ出力（ＭＩＳＯ）と、マスタデバイスによって生成され、ＭＯＳＩおよびＭＩＳＯデータを同期させるシリアルクロック（ＣＬＫ）と、マスタデバイスによって生成され、異なるスレーブデバイスに対応するチップ選択（ＣＳ）とを有する。ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ、ＣＬＫ、およびＣＳ信号ラインは、ＭＰＵ３００とユニットＢＭ１との間に提供され得る。隣接する監視ユニットＢＭの間の通信リンク１０４は、ＭＰＵ３００とそれぞれのユニットＢＭとの間の、双方向ＳＰＩデータ転送をサポートするために配置され得る。

【0044】

故に、本開示は、いずれの個々の監視ユニットＢＭも、エネルギー貯蔵システムの積層された電圧全体に対する耐性を有する必要のない、監視システムを提供する。その代わりに、各ユニットＢＭは、そのユニットによって監視されるセルパックの電圧のみに耐性を有するべきである。さらに、通信および制御ラインは、各監視ユニットチップを、遠隔地のチップとではなく、その局所近傍のものと通信するように構成することによって、最小化される。

【0045】

上述の説明は、本発明の局面を図示および説明する。加えて、本開示は、好適な実施形態のみを図示および説明するが、上述のように、本発明は、種々の他の組み合わせ、修正、および環境において使用可能であり、本明細書に明示された、上述の教示および／または関連分野の技術もしくは知識に相当する、本発明の概念の範囲内において変更あるいは修正可能であることが、理解されるべきである。

【0046】

上述の実施形態はさらに、本発明を実践する既知の最善の形態を説明し、そのような、または他の実施形態において、かつ本発明の特定の用途あるいは使用によって必要とされる種々の修正とともに、当業者に本発明を利用可能とすることを意図される。

【0047】

従って、本説明は、本発明を本明細書に開示された形態に限定することを意図されない。また、添付の請求項は、代替の実施形態を含むものとして解釈されることが、意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】