特許 6131259 バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化

(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】6131259

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/02 H

【請求項の数】18

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-535939(P2014-535939)

(86)(22)【出願日】2012年10月12日

(65)【公表番号】特表2014-528692(P2014-528692A)

(43)【公表日】2014年10月27日

(86)【国際出願番号】US2012060023

(87)【国際公開番号】WO2013056093

(87)【国際公開日】20130418

【審査請求日】2015年10月7日

(31)【優先権主張番号】13/644,664

(32)【優先日】2012年10月4日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/546,408

(32)【優先日】2011年10月12日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/546,713

(32)【優先日】2011年10月13日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390020248

【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】チングオ リウ

【審査官】 緑川 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２５７６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９４３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３６９４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３４４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００２９９８７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００−７／１２，７／３４−７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

Ｂ６０Ｊ １／００−３／１２，７／００−１３／００，１５／００−１５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＬＣ共振回路であって、エネルギー転送インダクタと、キャパシタと、前記インダクタを前記キャパシタに共振器回路として選択的に接続するように構成される共振器スイッチとを含む、前記ＬＣ共振回路と、
直列に接続された４以上の電源のそれぞれに前記インダクタを選択的に結合するように構成される複数のスイッチと、
選択された第１の電源から選択された第２の電源へエネルギーを転送するように前記複数のスイッチと前記共振器スイッチとを選択的に切り換えるように構成されるコントローラと、
を含む装置であって、
前記エネルギーの転送が、
前記第１の電源と前記インダクタとの間に第１の電流経路を形成して前記第１の電源から前記インダクタへエネルギーを転送するように前記選択された第１の電源が前記インダクタに接続される放電サイクルと、
選択的に続く、第１の充電サイクル又は第２の充電サイクルの何れか一方と、
に基づいており、
前記第１の充電サイクルにおいて、前記インダクタと前記第２の電源との間に第２の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源にエネルギーを転送するように前記インダクタが前記第２の電源に接続され、
前記第２の充電サイクルにおいて、前記インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために前記インダクタと前記キャパシタとを前記共振器回路として選択的に構成するように前記共振器スイッチが閉じられ、その後、前記インダクタと前記第２の電源との間に第３の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源にエネルギーを転送するように前記インダクタが前記第２の電源に接続される、装置。

【請求項2】

請求項１に記載の装置であって、
前記直列接続された電源の数がｎであり、前記複数のスイッチの数がｎ＋１であり、
前記インダクタの第１の端子が奇数のスイッチに接続され、前記インダクタの第２の端子が偶数のスイッチに接続される、装置。

【請求項3】

請求項１に記載の装置であって、
前記第１の電源から前記第２の電源へエネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、装置。

【請求項4】

請求項１に記載の装置であって、
前記第１の電源から前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記共振器回路を構成するように、及び、前記インダクタを介する電流フローの方向を反転させるように、前記共振器スイッチを閉じ、
前記共振器スイッチを開き、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、装置。

【請求項5】

請求項１に記載の装置であって、
前記電源の第１のグループと前記電源の第２のグループとの間で前記エネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記電源の第１のグループから前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記インダクタから前記電源の第２のグループへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、装置。

【請求項6】

請求項１に記載の装置であって、
前記インダクタが第１のインダクタを含み、
前記ＬＣ共振回路が、前記第１のインダクタと並列に結合される第２のインダクタを更に含む、装置。

【請求項7】

請求項６に記載の装置であって、
前記第１のインダクタが感知レジスタと直列に結合され、
前記キャパシタと前記共振器スイッチとが、前記第２のインダクタと直列に結合され、
前記キャパシタと前記共振器スイッチと前記第２のインダクタとが、前記第１のインダクタと前記感知レジスタとに並列に結合される、装置。

【請求項8】

選択的に構成可能なＬＣ共振器内に含まれるエネルギー転送インダクタを用いて、直列に接続される４以上の電源の間でエネルキーを転送する方法であって、前記ＬＣ共振器が、キャパシタと、前記インダクタを前記キャパシタに選択的に接続するように構成される共振器スイッチとを含み、前記方法が、
選択された第１の電源から選択された第２の電源へエネルギーを転送することを含み、
前記転送することが、
前記第１の電源と前記インダクタとの間に第１の電流経路を形成して前記第１の電源から前記インダクタへエネルギーを転送するように前記選択された第１の電源を前記インダクタに接続することにより達成される放電サイクルと、
選択的に続く、第１の充電サイクル又は第２の充電サイクルの何れか一方と、
に基づいており、
前記第１の充電サイクルが、前記インダクタと前記第２の電源との間に第２の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源へエネルギーを転送するように前記インダクタを前記第２の電源に接続することにより達成され、
前記第２の充電サイクルが、
前記インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために、前記インダクタと前記キャパシタとを共振器回路として選択的に構成するように前記共振器スイッチを閉じることと、その後
前記インダクタと前記第２の電源との間に第３の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源へエネルギーを転送するように前記インダクタを前記第２の電源に接続することと、
により達成される、方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法であって、
前記第１の電源から前記インダクタへエネルギーを転送することが、複数のスイッチの第１のペアを使用することを含み、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送することが、前記複数のスイッチの第２のペアを使用することを含む、方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法であって、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送することと、前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送することとが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じることと、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開くことと、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの前記第２のペアを閉じることと、
を含む、方法。

【請求項11】

請求項９に記載の方法であって、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送することと、前記インダクタと前記キャパシタとを前記共振器回路として選択的に構成することと、前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送することとが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの前記第１のペアを閉じることと、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開くことと、
前記インダクタと前記キャパシタとを前記共振器回路として構成し、前記インダクタを介する前記電流フローの方向を反転させるように、前記共振器スイッチを閉じることと、
前記共振器スイッチを開くことと、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの前記第２のペアを閉じることと、
を含む、方法。

【請求項12】

請求項９に記載の方法であって、
電源の第１のグループから電源の第２のグループとの間でエネルギーが転送されることが、
前記電源の第１のグループから前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じることと、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開くことと、
前記インダクタから前記電源の第２のグループへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じることと、
によりなされる、方法。

【請求項13】

直列に接続された４以上の電源と、
アクティブ均衡化回路と、
を含むシステムであって、
前記アクティブ均衡化回路が、
ＬＣ共振回路であって、エネルギー転送インダクタと、キャパシタと、前記インダクタを前記キャパシタに共振器回路として選択的に接続するように構成される共振器スイッチとを含む、前記ＬＣ共振回路と、
前記インダクタを前記電源のそれぞれに選択的に結合するように構成される複数のスイッチと、
選択された第１の電源から選択された第２の電源へエネルギーを転送するように前記複数のスイッチと前記共振器スイッチとを選択的に切り換えるように構成されるコントローラと、
を含み、
前記エネルギーの転送が、
前記第１の電源と前記インダクタとの間に第１の電流経路を形成して前記第１の電源から前記インダクタにエネルギーを転送するように前記選択された第１の電源が前記インダクタに接続される放電サイクルと、
選択的に続く、第１の充電サイクル又は第２の充電サイクルの何れか一方と、
に基づいており、
前記第１の充電サイクルにおいて、前記インダクタと前記第２の電源との間に第２の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源へエネルギーを転送するように前記インダクタが前記第２の電源に接続され、
前記第２の充電サイクルにおいて、
前記インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために、前記共振器スイッチが、前記インダクタと前記キャパシタとを前記共振器回路として選択的に構成するように閉じられ、その後、
前記インダクタと前記第２の電源との間に第３の電流経路を形成して前記インダクタから前記第２の電源へエネルギーを転送するように前記インダクタが前記第２の電源に接続される、システム。

【請求項14】

請求項１３に記載のシステムであって、
前記直列に接続された電源の数がｎであり、前記複数のスイッチの数がｎ＋１であり、
前記インダクタの第１の端子が奇数のスイッチに接続され、前記インダクタの第２の端子が偶数のスイッチに接続される、システム。

【請求項15】

請求項１３に記載のシステムであって、
前記第１の電源から前記第２の電源へエネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、システム。

【請求項16】

請求項１３に記載のシステムであって、
前記第１の電源から前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記第１の電源から前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記インダクタと前記キャパシタとを前記共振器回路として構成し、前記インダクタを介する前記電流フローの方向を反転させるように、前記共振器スイッチを閉じ、
前記共振器スイッチを開き、
前記インダクタから前記第２の電源へ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、システム。

【請求項17】

請求項１３に記載のシステムであって、
前記電源の第１のグループと前記電源の第２のグループとの間で前記エネルギーを転送するために、前記コントローラが、
前記電源の前記第１のグループから前記インダクタへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第１のペアを閉じ、
前記複数のスイッチの前記第１のペアを開き、
前記インダクタから前記電源の前記第２のグループへ前記エネルギーを転送するように前記複数のスイッチの第２のペアを閉じる、
ように構成される、システム。

【請求項18】

請求項１３に記載のシステムであって、
前記インダクタが第１のインダクタを含み、
前記ＬＣ共振回路が、感知レジスタと第２のインダクタとを更に含み、
前記第１のインダクタが前記感知レジスタと直列に結合され、
前記キャパシタと前記共振器スイッチとが、前記第２のインダクタと直列に結合され、
前記キャパシタと前記共振器スイッチと前記第２のインダクタとが、前記第１のインダクタと前記感知レジスタとに並列に結合される、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、一般に電源の均衡化システムを対象とし、より具体的には、バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化を対象とする。

【背景技術】

【0002】

最近のバッテリはしばしば、直列に接続された複数のバッテリセルを含み、複数のバッテリはバッテリモジュールを形成するために直列に接続され得る。残念なことに、バッテリ内の各個別のバッテリセル又はバッテリモジュール内の各バッテリによって提供される実際の出力電圧は、わずかに異なる場合がある。これは、製造のばらつき、温度変化、或いは他の内部又は外部要素などの、多くの要素によって生じる可能性がある。これは、バッテリセル又はバッテリの充電及び放電中に問題を生じさせる可能性がある。いくつかのシステムにおいて、電圧検出回路を用いて各バッテリセル又はバッテリの出力電圧を判定することが可能であり、電圧均衡化システムを用いて出力電圧における変化を補償することが可能である。

【0003】

各バッテリセルが３．８Ｖの出力電圧を提供するように設計された、直列に接続されたバッテリセルについて考えてみる。電圧検出回路は、バッテリセルのうちの１つが実際には３．９Ｖの出力電圧を有するものと判定し得る。従来のパッシブ電圧均衡化システムは、典型的に、過剰出力電圧を有するバッテリセル又はバッテリからの電気エネルギーを消散するレジスタを含む。この例では、電気エネルギーの消散によって、３．９Ｖの出力電圧が所望の３．８Ｖレベルにまで落とされる。しかしながら、電気エネルギーはレジスタを用いて消散されるため、その結果、バッテリセルからかなりのエネルギーが失われる可能性があり、これによってバッテリの稼働寿命が短くなる。

【発明の概要】

【0004】

バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化のための方法及び装置が開示される。

【0005】

第１の実施形態において、装置が、ＬＣ共振回路と、直列に接続された異なる電源をＬＣ共振回路に選択的に結合するように構成された複数のスイッチとを含む。ＬＣ共振回路は、インダクタ、キャパシタ、及び追加のスイッチを含む。インダクタは、電源の２つ又はそれ以上の間で伝達されることになるエネルギーを蓄積するように構成される。追加のスイッチは、インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために、インダクタとキャパシタとの間に共振を選択的につくるように構成される。

【0006】

第２の実施形態において、或る方法が、少なくとも１つの第１の電源からインダクタへエネルギーを伝達することを含む。この方法は、インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために、インダクタとキャパシタとの間に共振を選択的につくることをさらに含む。この方法は、インダクタから少なくとも１つの第２の電源へエネルギーを伝達することをさらに含む。少なくとも１つの第１の電源及び少なくとも１つの第２の電源は、直列に接続される。

【0007】

第３の実施形態において、システムが、直列に接続された複数の電源とアクティブ均衡化回路とを含む。アクティブ均衡化回路は、ＬＣ共振回路と、電源のうちの異なる電源をＬＣ共振回路に選択的に結合するように構成された複数のスイッチとを含む。ＬＣ共振回路は、インダクタ、キャパシタ、及び追加のスイッチを含む。インダクタは、電源の２つ又はそれ以上の間で伝達されることになるエネルギーを蓄積するように構成される。追加のスイッチは、インダクタを介する電流フローの方向を反転させるために、インダクタとキャパシタとの間に共振を選択的につくるように構成される。

【0008】

例示の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示に従った、バッテリ及び他の電源に対する例示のインダクタベースのアクティブ均衡化システムを示す。

【0010】

【図2A】本開示に従った、奇数から偶数及び偶数から奇数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【図2B】本開示に従った、奇数から偶数及び偶数から奇数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【0011】

【図3A】本開示に従った、奇数から奇数及び偶数から偶数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【図3B】本開示に従った、奇数から奇数及び偶数から偶数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【図3C】本開示に従った、奇数から奇数及び偶数から偶数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【図3D】本開示に従った、奇数から奇数及び偶数から偶数への電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【0012】

【図4A】本開示に従った、複数の放電された電源及び複数の充電された電源を含む電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【図4B】本開示に従った、複数の放電された電源及び複数の充電された電源を含む電力伝達の間の図１のシステムの例示の動作を示す。

【0013】

【図5】本開示に従った、電力伝達の間の図１のシステムにおけるシミュレートされた動作に関連付けられた例示のタイミング図を示す。

【図6】本開示に従った、電力伝達の間の図１のシステムにおけるシミュレートされた動作に関連付けられた例示のタイミング図を示す。

【0014】

【図7】本開示に従った、バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化のための例示の方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１は、本開示に従った、バッテリ及び他の電源に対する例示のインダクタベースのアクティブ均衡化システム１００を示す。

【0016】

図１に示されるように、システム１００は、直列に接続された複数の電源１０２ａ〜１０２ｇを含むか又はこれらに結合される。各電源１０２ａ〜１０２ｇは、単一のバッテリセルなどの任意の適切な電源を表す。特定の実施形態において、各電源１０２ａ〜１０２ｇは、３．２Ｖの公称電圧を有する単一のバッテリセルを表す。しかしながら、各電源１０２ａ〜１０２ｇは、複数のバッテリセル、バッテリモジュール、複数のバッテリモジュール、又はバッテリセルの他の集合を表すことも可能である。超キャパシタ、燃料電池、及び太陽電池などの、任意の他のタイプの電源も用いられ得る。任意数の電源がここで用いられ得ることにも留意されたい。

【0017】

複数のスイッチ１０４ａ〜１０４ｈが電源１０２ａ〜１０２ｇに結合される。スイッチ１０４ａ〜１０４ｈは、インダクタキャパシタ（ＬＣ）共振回路１０６内のインダクタを介して、選択された電源１０２ａ〜１０２ｇの間でエネルギーを伝達するために開閉される。スイッチ１０４ａ〜１０４ｈは、トランジスタなどの任意の適切なスイッチングデバイスを表す。特定の実施形態において、スイッチ１０４ａ〜１０４ｈのそれぞれは、ＭＯＳＦＥＴボディダイオードによる２つの近接するセルの短絡回路を防止するための２つの背面接続のＭＯＳＦＥＴトランジスタを表す。ボディダイオードを備えていない任意の単一スイッチデバイスをここで用いることもできる。

【0018】

ＬＣ共振回路１０６は、選択された電源１０２ａ〜１０２ｇ間でエネルギーを伝達する。この例において、ＬＣ共振回路１０６は、第１のインダクタ１０８、第２のインダクタ１１０、及びキャパシタ１１２を含む。図１で見られるように、インダクタ１０８の一端がスイッチ１０４ａ〜１０４ｈの第１のサブセットに接続され、インダクタ１０８の他端がスイッチ１０４ａ〜１０４ｈの第２のサブセットに接続される。

【0019】

各インダクタ１０８〜１１０は、任意の適切なインダクタンスを有する任意の適切な誘導性構造を含む。インダクタ１１０のインダクタンスは、インダクタ１０８のインダクタンスよりも低く（場合によってはかなり低く）し得る。特定の実施形態において、インダクタ１０８は３３μＨのインダクタンスを有し得、インダクタ１１０は１μＨのインダクタンスを有し得る。キャパシタ１１２は、任意の適切なキャパシタンスを有する任意の適切な容量性構造を含む。特定の実施形態において、キャパシタ１１２は１μＦのキャパシタンスを有し得る。

【0020】

スイッチ１１４が、インダクタ１１０及びキャパシタ１１２と直列に結合される。スイッチ１１４は、インダクタ１１０及びキャパシタ１１２を介する電流経路を選択的につくるために用いられ、それによって回路１０６内のＬＣ共振を選択的に制御する。スイッチ１１４は、少なくとも１つの双方向トランジスタなどの任意の適切なスイッチングデバイスを表す。特定の実施形態において、スイッチ１１４は２つの背面接続のＭＯＳＦＥＴトランジスタを表す。

【0021】

感知レジスタ１１６が、インダクタ１０８と直列に、さらに増幅器１１８に結合される。インダクタ１０８及び感知レジスタ１１６はさらに、インダクタ１１０、キャパシタ１１２、及びスイッチ１１４に並列に結合される。感知レジスタ１１６の電圧は、インダクタ１０８を介する電流に応じて変化する。感知レジスタ１１６は、任意の適切な抵抗（通常は非常に小さな抵抗）を有する任意の適切な抵抗性構造を含む。特定の実施形態において、感知レジスタ１１６は０．１Ωの抵抗を有し得る。増幅器１１８は、テキサスインスツルメンツから入手可能なＬＭＰ８６０１増幅器、又は他の高コモンモード電圧精度電流感知増幅器などの、感知レジスタの信号を増幅するための任意の適切な構造を含む。

【0022】

コントローラ１２０が、システム１００の全体的な動作を制御する。たとえば、コントローラ１２０は、増幅器１１８から信号を受信することができる。コントローラ１２０は、電源１０２ａ〜１０２ｇの充電及び放電を制御するために、スイッチ１０４ａ〜１０４ｈ、１１４の動作を制御することも可能である。コントローラ１２０は、電源の充電及び放電を制御するための任意の適切な構造を含む。たとえば、コントローラ１２０は、様々なスイッチのための制御信号を生成するパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを含むことが可能であり、制御信号はＰＷＭを用いて制御される可変デューティサイクルを有する。

【0023】

以下でより詳細に説明するように、インダクタ１０８を介して電源１０２ａ〜１０２ｇの１つ又は複数から電源１０２ａ〜１０２ｇの他の１つ又は複数へとエネルギーが伝達され得る。たとえば、エネルギーは、電源１０２ａ〜１０２ｇの１つ又は複数から放電され得、インダクタ１０８に蓄積され得、そのエネルギーはその後、電源１０２ａ〜１０２ｇの他の１つ又は複数へと伝達され得る。必要であれば、インダクタ１０８を介する電流フローの方向は、インダクタ１０８〜１１０とキャパシタ１１２との間につくられる共振を用いて反転可能であり、任意の電源間でエネルギーを伝達することができる。

【0024】

このようにして、システム１００は、新規かつ堅固なアクティブ均衡化アーキテクチャを提供する。エネルギーの直接的均衡化は、エネルギーバッファ（変圧器など）を必要とせず、電源間で成され得る。これが、最大で８５％など又はそれ以上の効率の、より高い均衡化効率につながる。また、このアクティブ均衡化手法は、チャネル（電源）あたり１つのスイッチペア及び電源の集合あたり１つのより大型のインダクタ（インダクタ１０８）を用いるため、極端に低コストのソリューションを表す。また、システム１００は、多様な複数供給充電／放電アルゴリズムをサポート可能であるという点で、システムレベルアルゴリズムにさらなる柔軟性を与える。

【0025】

図１のシステム１００において、奇数と偶数の電源１０２ａ〜１０２ｇを区別することが可能である。ここで「奇数」及び「偶数」は、順次番号付けされた場合に電源に割り当てられる番号を指す。この例では、電源１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｅ、及び１０２ｇは「奇数」電源を表し得、電源１０２ｂ、１０２ｄ、及び１０２ｆは「偶数」電源を表し得る。幾つかのエネルギー伝達がキャパシタ１１２の使用に関与し、他のエネルギー伝達は関与しないことから、この区別が用いられる。特に、奇数付された電源から奇数付された電源への電力伝達（「奇数から奇数」の伝達）、及び、偶数付けされた電源から偶数付けされた電源への電力伝達（「偶数から偶数」の伝達）は、キャパシタ１１２に関与する。奇数付された電源から偶数付けされた電源への電力伝達（「奇数から偶数」の伝達）、及び、偶数付けされた電源から奇数付された電源への電力伝達（「偶数から奇数」の伝達）は、キャパシタ１１２に関与しない。

【0026】

図１は、バッテリ及び他の電源のためのインダクタベースのアクティブ均衡化システム１００の一例を示すが、図１には様々な変更が可能である。たとえば、システム１００において、任意の適切な数、タイプ、又は配置構成の電源を用いることができる。また、図１の様々な構成要素は、インダクタ１１０の他方の側にスイッチ１１４を配置することなどによって、所望の通りに再配置することができる。さらに、特定のニーズに従って、システム１００に追加の構成要素を付加することができる。たとえば、１ｎＦ又は他のキャパシタを、奇数番号付けされたスイッチを接合する線と接地との間に結合することが可能であり、３００ｐＦ又は他のキャパシタを、偶数番号付けされたスイッチを接合する線と接地との間に結合することが可能である。また、特定の回路構成要素が示されているが、同じ又は同様の機能を実行するために他の回路構成要素を用いることも可能である。

【0027】

図２Ａ及び図２Ｂは、本開示に従った、奇数から偶数及び偶数から奇数の電力伝達の間の図１のシステム１００の例示の動作を示す。この特定の例において、電源１０２ａから電源１０２ｄへと電力伝達が成されており、奇数から偶数への伝達となる。同様の動作は偶数から奇数への伝達の間にも成され得る。ここでスイッチ１０４ａ〜１０４ｈの開閉は、コントローラ１２０によって制御される。

【0028】

図２Ａに示されるように、電源１０２ａから外へエネルギーを伝達するために、２つのスイッチ１０４ａ〜１０４ｂが閉じられ、残りのスイッチ１０４ｃ〜１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ａを介する電流経路２０２がつくられる。また、キャパシタ１１２を電流経路２０２から切断するために、スイッチ１１４は開かれる。これによって電流は接続された電源１０２ａからインダクタ１０８へと流れ、インダクタ１０８を充電する。

【0029】

図２Ｂに示されるように、インダクタ１０８から電源１０２ｄへエネルギーを伝達するために、２つのスイッチ１０４ｄ〜１０４ｅが閉じられ、残りのスイッチ１０４ａ〜１０４ｃ、１０４ｆ〜１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ｄを介する電流経路２０４がつくられる。スイッチ１１４は開かれたままである。これによって電流はインダクタ１０８から接続された電源１０２ｄへと流れ、電源１０２ｄを充電する。ここで、インダクタ１０８を介する電流は、図２Ａ及び図２Ｂで同じ方向に流れることに留意されたい。

【0030】

図３Ａ〜図３Ｄは、本開示に従った、奇数から奇数及び偶数から偶数への電力伝達の間の図１のシステム１００の例示の動作を示す。この特定の例において、電源１０２ａから電源１０２ｃへと電力伝達が成されており、奇数から奇数への伝達となる。同様の動作は偶数から偶数への伝達の間にも成され得る。ここでスイッチ１０４ａ〜１０４ｈの開閉は、コントローラ１２０によって制御される。

【0031】

図３Ａに示されるように、電源１０２ａから外へエネルギーを伝達するために、２つのスイッチ１０４ａ〜１０４ｂが閉じられ、残りのスイッチ１０４ｃ〜１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ａを介する電流経路３０２がつくられる。また、キャパシタ１１２を電流経路３０２から切断するために、スイッチ１１４が開かれる。これによって電流は接続された電源１０２ａからインダクタ１０８へと流れ、インダクタ１０８を充電する。

【0032】

図３Ｂに示されるように、スイッチ１０４ａ〜１０４ｈのすべてが開かれ、スイッチ１１４は閉じられる。これによって電流は、電流フロー３０４の一部としてインダクタ１０８からキャパシタ１１２へと流れる。この電流フロー３０４は、インダクタ１０８に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部をキャパシタ１１２に伝達する。

【0033】

図３Ｃに示されるように、スイッチ１０４ａ〜１０４ｈのすべては開かれたままであり、スイッチ１１４は閉じられたままである。これによって電流は、電流フロー３０６の一部として共振の間キャパシタ１１２からインダクタ１０８へと流れる。共振サイクル時間の半分の後、図３Ｂ及び図３Ｃにおける共振の組み合わされた効果は、インダクタ１０８を介する電流フローの方向を反転させることである。

【0034】

図３Ｄに示されるように、インダクタ１０８から電源１０２ｃへエネルギーを伝達するために、２つのスイッチ１０４ｃ〜１０４ｄが閉じられ、残りのスイッチ１０４ａ〜１０４ｂ、１０４ｅ〜１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ｃを介する電流経路３０８がつくられる。さらに、スイッチ１１４が開かれる。これによって電流はインダクタ１０８から接続された電源１０２ｃへと流れ、その電源１０２ｃを充電する。しかしながら、電流はインダクタ１０８を通って図３Ａとは反対の方向に流れる。

【0035】

図２Ａ〜図３Ｄは単一の電源から単一の電源へのエネルギーの伝達を扱っているが、複数の電源からの放電及び／又は複数の電源の充電に関与する伝達も実行可能であることに留意されたい。

【0036】

図４Ａ及び図４Ｂは、本開示に従った、複数の放電された電源及び複数の充電された電源に関与する電力伝達の間の図１のシステム１００の例示の動作を示す。この特定の例において、電源１０２ａ〜１０２ｃから電源１０２ｄ〜１０２ｆへと電力が伝達される。ここでスイッチ１０４ａ〜１０４ｈの開閉は、コントローラ１２０によって制御される。

【0037】

図４Ａに示されるように、電源１０２ａ〜１０２ｃから外へエネルギーを伝達するために、スイッチ１０４ａ、１０４ｄが閉じられ、残りのスイッチ１０４ｂ〜１０４ｃ、１０４ｅ〜１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ａ〜１０２ｃを介する電流経路４０２がつくられる。また、キャパシタ１１２を電流経路４０２から切断するために、スイッチ１１４が開かれる。これによって電流は接続された電源１０２ａ〜１０２ｃからインダクタ１０８へと流れ、インダクタ１０８を充電する。

【0038】

図４Ｂに示されるように、インダクタ１０８から電源１０２ｄ〜１０２ｆへエネルギーを伝達するために、スイッチ１０４ｄ及び１０４ｇが閉じられ、残りのスイッチ１０４ａ〜１０４ｃ、１０４ｅ〜１０４ｆ、１０４ｈが開かれる。これにより、電源１０２ｄ〜１０２ｆを介する電流経路４０４がつくられる。また、スイッチ１１４は開かれたままである。これによって電流はインダクタ１０８から接続された電源１０２ｄ〜１０２ｆへと流れ、それらの電源１０２ｄ〜１０２ｆを充電する。

【0039】

図２Ａ〜図４Ｂは、異なる電力伝達の間の図１のシステム１００の動作の例を示すが、図２Ａから図４Ｂには様々な変更が可能である。たとえば、これらの図は、特定の電源間の伝達を示す。明らかに、他の電源又は電源の集合間の伝達も成され得る。また、電源間で電力を伝達するために、これらの動作の異なる組み合わせも可能である。たとえば、電力は、単一の電源から複数の電源へ、又は複数の電源から単一の電源へ（キャパシタ１１２を用いて、又は用いずに）伝達され得る。加えて、ここに示される実装において、（偶数の電源周辺のスイッチを閉じることで、それらの供給を短絡させることになるため）奇数の電源からインダクタ１０８への電力の伝達が可能であり、インダクタ１０８から奇数の電源への電力の伝達が可能であることに留意されたい。しかしながら、偶数の電源へ、又は偶数の電源からの電力伝達を可能にするために、追加のスイッチを用いることが可能であるが、これは多数のスイッチの使用に関与する。

【0040】

図５及び図６は、本開示に従った電力伝達の間の図１のシステムにおけるシミュレートされた動作に関連付けられる例示のタイミング図を示す。図５では、タイミング図５００は、奇数から偶数又は偶数から奇数の電力伝達に関連付けられている。図６では、タイミング図６００は、奇数から奇数又は偶数から偶数の電力伝達に関連付けられている。これらのシミュレーションはヒステリシス制御に基づいており、インダクタ電流は直接的に感知される。

【0041】

図５に示されるように、ライン５０２はスイッチ１１４に提供される制御信号を表す。この制御信号は周期的に高パルスを発するが、インダクタ１０８〜１１０とキャパシタ１１２との間に共振をつくらない。ライン５０４は、放電されることになる少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチに提供される制御信号を表す。ライン５０６は、充電されることになる少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチに提供される制御信号を表す。ここでわかるように、ライン５０４はおおよそライン５０６が低になるとき高になり、ライン５０４はおおよそライン５０６が高になるときに低になる。

【0042】

ライン５０８は、インダクタ１０８を介する電流を表す。ライン５１０〜５１２は、それぞれ、少なくとも１つの放電電源及び少なくとも１つの充電電源を介する電流を表す。ここでわかるように、エネルギーをインダクタ１０８内に伝達するためにライン５０４は高になり、且つ、ライン５０６は低になり、エネルギーをインダクタ１０８の外に伝達するためにライン５０４は低になり、且つ、ライン５０６は高になる。この少なくとも１つの放電電源がインダクタ１０８にエネルギーを伝達している時間の間、インダクタ１０８を介する電流は増加する。この少なくとも１つの充電電源がインダクタ１０８からエネルギーを受け取っている時間の間、インダクタ１０８を介する電流は減少する。

【0043】

図６に示されるように、ライン６０２はスイッチ１１４に提供される制御信号を表す。ライン６０４は、放電されることになる少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチに提供される制御信号を表す。ライン６０６は、充電されることになる少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチに提供される制御信号を表す。ライン６０８は、インダクタ１０８を介する電流を表し、ライン６１０〜６１２は、それぞれ、少なくとも１つの放電電源及び少なくとも１つの充電電源を介する電流を表す。また、ライン６１４は感知レジスタ１１６の電圧を表す。

【0044】

ここでわかるように、低になるライン６０４（インダクタ１０８の充電が終わるとき）と高になるライン６０６（インダクタ１０８の放電が始まるとき）との間、ライン６０２は高になる。この期間中、インダクタ１０８を介する電流フローの方向は、インダクタ１０８〜１１０とキャパシタ１１２との間につくられる共振を用いて反転される。

【0045】

図５及び図６は、電力伝達の間の図１のシステム１００においてシミュレートされた動作に関連付けられたタイミング図の例を示すが、図５及び図６には様々な変更が可能である。たとえば、これらのタイミング図は例示のみを目的としており、ここで示される波形は所与の回路の特定の実装に応じて変化し得る。特定の例として、ここで信号内に示される様々なパルス幅及びパルス高さは変化し得る。

【0046】

図７は、本開示に従った、バッテリ及び他の電源に対するインダクタベースのアクティブ均衡化のための例示の方法７００を示す。図７に示されるように、ステップ７０２で、充電されることになる少なくとも１つの電源が識別され、ステップ７０４で、放電されることになる少なくとも１つの電源が識別される。これは、たとえば、コントローラ１２０が、最高出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇを識別し、最低出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇを識別することを含み得る。

【0047】

ステップ７０６で、放電されている少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチが閉じられる。これは、たとえば、コントローラ１２０が、最高出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇ周辺のスイッチのペアを閉じることを含み得る。ステップ７０８で、放電されている少なくとも１つの電源からインダクタへエネルギーが伝達される。これは、たとえば、最高出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇが、そのエネルギーの少なくとも一部をインダクタ１０８に伝達することを含み得る。ステップ７１０で、放電されている少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチが開かれる。これにより、インダクタ１０８へのエネルギーの伝達が停止される。

【0048】

ステップ７１２で、インダクタを介する電流経路を反転させる必要があるかどうかが判定される。これは、たとえば、コントローラ１２０が、電力伝達が奇数から奇数又は偶数から偶数への伝達に関与するかどうかを判定することを含み得る。関与する場合、ステップ７１４で、インダクタを用いて共振をつくるために制御スイッチが閉じられる。これは、たとえば、コントローラ１２０が、インダクタ１０８〜１１０とキャパシタ１１２との間に共振をつくるためにスイッチ１１４を閉じることを含み得る。これにより、ステップ７１６で、インダクタを介する電流フローの方向が反転される。これは、たとえば、エネルギーの少なくとも一部をインダクタ１０８からキャパシタ１１２へ伝達し、その後インダクタ１０８に戻すことを含み得る。ステップ７１８で制御スイッチが開かれる。

【0049】

ステップ７２０で、充電されている少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチが閉じられる。これは、たとえば、コントローラ１２０が、最低出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇ周辺のスイッチのペアを閉じることを含み得る。ステップ７２２で、インダクタから充電されている少なくとも１つの電源へエネルギーが伝達される。これは、たとえば、インダクタ１０８が、その蓄積されたエネルギーの少なくとも一部を、最低出力電圧を有する１つ又は複数の電源１０２ａ〜１０２ｇに伝達することを含み得る。ステップ７２４で、充電されている少なくとも１つの電源に関連付けられたスイッチが開かれる。これにより、インダクタ１０８からのエネルギーの伝達が停止される。

【0050】

このようにして、方法７００は、エネルギーバッファを必要とせずに電源間のエネルギーの直接的均衡化をサポートし、均衡化効率をさらに高め得る。また、この手法は、従来の均衡化手法に比べて実装を必要とする構成要素がより少なく、充電及び放電されることになる電源を選択するために多種多様なアルゴリズムを用いることができる。

【0051】

図７は、バッテリ及び他の電源のためのインダクタベースのアクティブ均衡化のための方法７００の一例を示すが、図７には様々な変更が可能である。たとえば、図７の様々なステップは、一連のステップとして示されているが、重複し得、並行して成され得、異なる順序で成され得、又は複数回成され得る。特定の例として、方法７００は、すべての電源が実質的に等しい出力電圧を有するまで、異なる組み合わせの電源に対して繰り返し成され得る。

【0052】

前述のシステム１００は、電源のアクティブ均衡化が必要であるか又は望ましい、任意のタイプのシステムにおいて用いられ得ることに留意されたい。たとえば、システム１００は、リチウムイオンバッテリ又は他のタイプのバッテリを均衡化するためなどに、電気自動車又はハイブリッド電気自動車内の電源と共に用いられ得る。複数の電源を用いる任意の他のデバイス又はシステムも、システム１００を含むことができる。上記で与えられた任意の特定の値（インダクタンス、キャパシタンス、抵抗性、及び効率など）は、厳密値又は概略値を表し得、回路の特定の実装に関係することにも留意されたい。

【0053】

本願に関係する当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明した例に対する改変が成され得ること、及び多くの他の実施形態が可能であることを理解されよう。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】