特表 2023-511469 バッテリパック内の複数のセルのバランスをとるためのシステムおよびその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-20

(54)【発明の名称】バッテリパック内の複数のセルのバランスをとるためのシステムおよびその方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20230313BHJP

【ＦＩ】

H02J7/02 H

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022520684

(86)(22)【出願日】2021-01-27

(85)【翻訳文提出日】2022-04-01

(86)【国際出願番号】 IN2021050085

(87)【国際公開番号】W WO2021152627

(87)【国際公開日】2021-08-05

(31)【優先権主張番号】202011004376

(32)【優先日】2020-01-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522132948

【氏名又は名称】エクシコム・テレ－システムズ・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】スンダラーマン・ケー・ブイ

(72)【発明者】

【氏名】ロハン・パトワルダン

(72)【発明者】

【氏名】チャンダン・プラカシュ

(72)【発明者】

【氏名】ナラヤン・スレンドラ・マヒパティ

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA03

5G503BA04

5G503BB02

5G503CA01

5G503CA11

5G503CB11

5G503CC02

5G503GA01

5G503HA02

(57)【要約】

システム(115)は、複数のセル(110)の各々の複数の動作パラメータを測定するための複数のセンサ(210)を含む。システム(115)は、複数のセル(110)の各々に電気的および通信可能に結合されたスイッチングユニット(215)および制御ユニット(235)をさらに含む。制御ユニット(235)は、セル(110)の複数の動作パラメータに基づいて、セル(110)の各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定し、セル(110)のエネルギーデルタ(D_n)を決定し、その後、セル(110)のうちの1つからストレージユニット(120)へのエネルギーの伝達を可能にするよう、時間期間(t_n)の間、スイッチングユニット(215)を選択的に動作させる。それによって、セル(110)の各々は理想的な動作状態にあり、複数のセル(110)はバランスがとれている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッテリパック(105)内に配置された複数のセル(110)のバランスをとるためのシステム(115)であって、
前記複数のセル(110)の各々の複数の動作パラメータを測定するために前記複数のセル(110)に電気的に結合された複数のセンサ(210)と、
前記複数のセル(110)の各々に電気的に結合されたスイッチングユニット(215)と、
前記複数のセンサ(210)の各々および前記前記スイッチングユニット(215)に通信可能に結合された制御ユニット(235)と
を備え、前記制御ユニット(235)は、
前記複数のセル(110)の各々の前記複数の動作パラメータに関するデータに基づいて、前記複数のセル(110)の各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定することと、
前記エネルギー値(E_(cell-n))に基づいて、前記複数のセル(110)の各々のエネルギーデルタ(D_n)を決定することと、
時間期間(t_n)の間、前記スイッチングユニット(215)を選択的に動作させることであって、前記時間期間(t_n)は、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つからストレージユニット(120)へのエネルギーの伝達を可能にするよう、前記複数のセル(110)の各々の前記エネルギーデルタ(D_n)に基づいて決定され、エネルギーの伝達の後、前記複数のセル(110)の各々は理想的な動作状態にあり、前記複数のセル(110)はバランスがとれている、動作させることと
を行うように構成される、システム(115)。

【請求項2】

前記エネルギーデルタ(D_n)は、前記複数のセル(110)の各々の前記エネルギー値(E_(cell-n))と、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つのセルの最小エネルギー値(E_(cell-min))との間の差である、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項3】

前記理想的な動作状態は、前記複数のセル(110)の各々の電圧デルタ(VD_n)がしきい値よりも小さいときに達成され、前記電圧デルタ(VDn)は、前記複数のセル(110)の各々の電圧値(V_(cell-n))と、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つのセルの最小電圧値(V_(cell-min))との間の差である、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項4】

前記しきい値は、前記複数のセル(110)のタイプに基づいて決定される電圧範囲に関する、請求項3に記載のシステム(115)。

【請求項5】

前記複数のセル(110)の各々は、直列接続、並列接続、およびそれらの組合せのうちの1つにおいて互いに電気的に結合されている、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項6】

前記複数の動作パラメータは、前記複数のセル(110)の各々の電流、電圧、および温度に対応するが、これらに限定されない、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項7】

前記ストレージユニット(120)は、バッテリパックおよびコンデンサのうちの1つであるが、これらに限定されない、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項8】

前記スイッチングユニット(215)は、スイッチ、トランジスタ、およびMOSFETのうちの1つであるが、これらに限定されない、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項9】

前記制御ユニット(235)は、これらに限定されないが、前記ストレージユニット(120)の電圧設定点(VS(cap-n))、前記スイッチングユニット(215)の等価抵抗/オン状態抵抗、およびそれらの組合せのうちの1つに基づいて、決定された時間期間(t_n)の間、前記スイッチングユニット(215)を選択的に動作させる、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項10】

前記複数のセル(110)の少なくとも1つから前記ストレージユニット(120)に伝達されたエネルギーは、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つを再充電すること、負荷(125)にエネルギーを提供すること、およびそれらの組合せのうちの1つを行うために利用される、請求項1に記載のシステム(115)。

【請求項11】

バッテリパック(105)内に配置された複数のセル(110)のバランスをとるための方法(500)であって、
前記複数のセル(110)の各々の複数の動作パラメータに関するデータに基づいて、前記複数のセル(110)の各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定するステップと、
前記エネルギー値(E_(cell-n))に基づいて、前記複数のセル(110)の各々のエネルギーデルタ(D_n)を決定するステップと、
前記エネルギーデルタ(D_n)に基づいて、スイッチングユニット(215)を動作させるための時間期間(t_n)を決定するステップと、
前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つからストレージユニット(120)へのエネルギーの伝達を可能にするよう、前記時間期間(t_n)の間、前記スイッチングユニット(215)を選択的に動作させるステップであって、エネルギーの伝達の後、前記複数のセル(110)の各々は理想的な動作状態にあり、前記複数のセル(110)はバランスがとれている、ステップと
を備える、方法(500)。

【請求項12】

前記エネルギーデルタ(D_n)は、前記複数のセル(110)の各々の前記エネルギー値(E_(cell-n))と、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つのセルの最小エネルギー値(E_(cell-min))との間の差である、請求項11に記載の方法(500)。

【請求項13】

前記理想的な動作状態は、前記複数のセル(110)の各々の電圧デルタ(VD_n)がしきい値よりも小さいときに達成され、前記電圧デルタ(VDn)は、前記複数のセル(110)の各々の電圧値(V_(cell-n))と、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つのセルの最小電圧値(V_(cell-min))との間の差である、請求項11に記載の方法(500)。

【請求項14】

前記決定された時間期間(t_n)の間、前記スイッチングユニット(215)を選択的に動作させるステップは、これらに限定されないが、前記ストレージユニット(120)の電圧設定点(VS_(cap-n))、前記スイッチングユニット(215)の等価抵抗/オン状態抵抗、およびそれらの組合せのうちの1つに基づく、請求項11に記載の方法(500)。

【請求項15】

前記複数のセル(110)から前記ストレージユニット(120)に伝達されたエネルギーは、前記複数のセル(110)のうちの少なくとも1つを再充電すること、前記負荷(125)にエネルギーを提供すること、およびそれらの組合せのうちの1つを行うために利用される、請求項11に記載の方法(500)。

【請求項16】

バッテリパック(105)であって、
前記バッテリパック(105)内に配置された複数のセル(110)と、
前記複数のセル(110)の各々の複数の動作パラメータを測定するために前記複数のセル(110)に電気的に結合された複数のセンサ(210)と、
前記複数のセル(110)の各々に電気的に結合されたスイッチングユニット(215)と、
前記複数のセンサ(210)の各々および前記スイッチングユニット(215)に通信可能に結合された制御ユニット(235)と
を備え、前記制御ユニット(235)は、
前記複数のセンサ(210)から、前記複数のセル(110)の各々の前記動作パラメータに関するデータを受信することと、
前記複数のセル(110)の各々の前記複数の動作パラメータに関するデータに基づいて、複数のエネルギー値(E_(cell-n))を決定することであって、前記複数のエネルギー値(E_(cell-n))の各々は、前記複数のセル(110)のうちの1つに対応する、決定することと、
前記複数の決定されたエネルギー値から最小エネルギー値(E_(cell-min))を選択することと、
前記最小エネルギー値(E_(cell-min))に基づいて、前記複数のセル(110)の各々のエネルギーデルタ(D_n)を決定することであって、前記エネルギーデルタ(D_n)は、各セルの前記エネルギー値(E_(cell-n))と前記最小エネルギー値(E_(cell-min))との間の差である、決定することと、
前記エネルギーデルタ(D_n)に基づいて、前記スイッチングユニット(215)を動作させるための時間期間(t_n)を決定することと、
前記複数のセル(110)の各々からストレージユニット(120)へのエネルギーの伝達を可能にするよう、前記決定された時間期間(t_n)の間、前記スイッチングユニット(215)を選択的に動作させることであって、エネルギーの伝達に続いて、前記複数のセル(110)の各々は理想的な動作状態にあり、前記複数のセル(110)はバランスがとれており、前記理想的な動作状態は、前記複数のセル(110)の各々の電圧デルタ(VD_n)がしきい値よりも小さいときに達成される、動作させることと
を行うように構成される、バッテリパック(105)。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バッテリパックに関し、より詳細には、バッテリパック内の複数のセルのバランスをとるためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

バッテリなどのデバイスに蓄えられた電気エネルギーは、最近では、輸送や通信などの用途でエネルギー源として使用されている。これらのバッテリは、直列、並列、およびそれらの組合せの1つにおいて相互に接続され、バッテリパック内に配置された複数のセルを含む。セルの数とセルの容量は、バッテリパックが使用される用途によって異なる。

【0003】

セルの製造およびバッテリパック内にセルを組み立てる中、セルの各々は、これらに限定されないが、電圧および容量のうちの1つに基づいて等級付けされる。したがって、バッテリパック内に配置されたセルの各々の定格電圧は同じである。しかしながら、バッテリパックの動作中、バッテリパック内の各セルの充電状態(SOC)は異なる場合がある。セルの電圧についてのこのばらつきの現象は、セルのアンバランシングとして知られている。バッテリパック内の様々な場所にあるセルが様々なレベルの熱にさらされるセルの構造上の配置、セル内の電気化学反応などが、セルのアンバランスの原因になる。

【0004】

バッテリパック内のセルのバランスが悪いと、バッテリパックは、バッテリパックが設計された容量よりも少ない容量で動作するため、バッテリパックの動作が非効率になり、バッテリパックの寿命が短くなる。バッテリパックの最大効率を達成するために、複数のセルの各々のSOCレベルと電圧レベルを同じレベルに維持する必要がある。

【0005】

セルのバランシングは、アクティブバランシング、パッシブバランシング、およびそれらの組合せのいずれかによって実現される。アクティブバランシングは、複数のセルの充電および放電サイクル中に複数のセルの各々から電気エネルギーを再分配するバランシング技法である。より具体的には、アクティブバランシングにおいて、バッテリパックは、これらに限定されないが、インダクタ、コンデンサ、および複数のセルに電気的に結合されたそれらの組合せなどのコンポーネントを備えている。これらのコンポーネントは、過充電されたセルから充電不測のセルにエネルギーを伝達し、それによって複数のセルの各々のSOCと電圧レベルを同じレベルに維持する際に役立つ。さらに、アクティブバランシング技法は、複数のセルの各々のSOCおよび電圧レベルに従って、電力の伝達および電力の受け取りのいずれかのために、セルごとに双方向フライバックコンバータ、DC/DCコンバータ、または昇降圧コンバータを使用する。

【0006】

しかしながら、追加のコンポーネントを使用すると、バッテリパックのコンパクトさが低下し、バッテリパックのコストがさらに増加する。さらに、複数のセルの各々がフライバックコンバータを使用するため、バッテリパックは電磁干渉(EMI)の影響を受けやすく、バッテリパックの堅牢性を保証するために追加のハードウェアコンポーネントが必要である。

【0007】

パッシブバランシングを介してバッテリパックの複数のセルの各々のバランスをとるために、バッテリパックはレジスタなどのコンポーネントを備えている。したがって、過充電されたセルからの過剰なエネルギーは、熱の形で放散される。過剰なエネルギーは熱の形で放散され、効率的に使用されないため、バッテリパックは非効率的であると考えられる。さらに、バッテリパック内で放散される熱のために、バッテリパックは、バッテリパックが過剰な熱を処理できるように設計されている。さらに、バッテリパックを継続的に監視し、緊急時にユーザに警告するために、センサなどの追加コンポーネントをバッテリパック内に提供する必要がある。さらに、パッシブバランシングを介して複数のセルのバランスをとるためにかかる時間は、アクティブバランシングを介して複数のセルの各々のバランスをとるためにかかる時間と比較して長くなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記を考慮すると、バッテリパックの複数のセルのバランスをとり、バッテリパックの効率的な動作を保証するために、代替的なシステムが必要である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の1つまたは複数の実施形態は、バッテリパック内の複数のセルのバランスをとるためのシステムおよび方法を提供する。

【0010】

本発明の一態様では、バッテリパック内に配置された複数のセルのバランスをとるためのシステムが開示されている。システムは、複数のセルに電気的に結合された複数のセンサを含む。複数のセンサは、複数のセルの各々の複数の動作パラメータを測定するように構成される。システムは、複数のセルの各々に電気的に結合されたスイッチングユニットと、複数のセンサの各々およびスイッチングユニットに通信可能に結合された制御ユニットとをさらに含む。制御ユニットは、複数のセルの各々の複数の動作パラメータに関するデータに基づいて、複数のセルの各々のエネルギー値を決定するように構成される。制御ユニットは、エネルギー値に基づいて、複数のセルの各々のエネルギーデルタを決定する。制御ユニットは、時間期間にわたり、スイッチングユニットを選択的に動作させるようにさらに構成される。時間期間は、複数のセルのうちの少なくとも1つからストレージユニットへのエネルギーの伝達を可能にするよう、複数のセルの各々のエネルギーデルタに基づいて決定される。エネルギーの伝達の後、複数のセルの各々が理想的な動作状態にあり、複数のセルのバランスがとれている。

【0011】

本発明の他の態様では、バッテリパック内に配置された複数のセルのバランスをとる方法が開示されている。方法は、複数のセルの各々のエネルギー値を決定するステップを含む。エネルギー値は、複数のセルの各々の複数の動作パラメータに関するデータに基づいて決定される。方法は、エネルギー値に基づいて、複数のセルの各々のエネルギーデルタを決定するステップをさらに含む。エネルギーデルタに基づいて、制御ユニットは、スイッチングユニットを選択的に動作させるための時間期間を決定する。したがって、スイッチングユニットは、複数のセルのうちの少なくとも1つからストレージユニットへのエネルギーの伝達を可能にする。エネルギーの伝達の後、複数のセルの各々が理想的な動作状態にあり、複数のセルのバランスがとれている。

【0012】

本発明の他の態様では、バッテリパックが開示されている。バッテリパックは、バッテリパック内に配置された複数のセルを含む。バッテリパックは、複数のセルの各々の複数の動作パラメータを測定するために、複数のセルに電気的に結合された複数のセンサと、複数のセルの各々に電気的に結合されたスイッチングユニットとをさらに含む。バッテリパックは、複数のセンサの各々およびスイッチングユニットに通信可能に結合された制御ユニットをさらに含む。制御ユニットは、複数のセンサから、複数のセルの各々の動作パラメータに関するデータを受信するように構成される。制御ユニットは、複数のセルの各々の複数の動作パラメータに関するデータに基づいて、複数のエネルギー値をさらに決定する。エネルギー値を決定した後、制御ユニットは、決定された複数のエネルギー値から最小エネルギー値を選択する。その後、制御ユニットは、複数のセルの各々のエネルギーデルタを決定する。エネルギーデルタは、各セルのエネルギー値と最小エネルギー値との間の差である。エネルギーデルタに基づいて、制御ユニットは、スイッチングユニットを選択的に動作させるための時間期間を決定する。したがって、スイッチングユニットは、複数のセルのうちの少なくとも1つからストレージユニットへのエネルギーの伝達を可能にする。エネルギーの伝達の後、複数のセルの各々が理想的な動作状態にあり、複数のセルのバランスがとれている。

【0013】

本発明の他の特徴および態様は、以下の説明および添付の図面から明らかになるであろう。この要約および以下の詳細な説明において説明されている特徴および利点はすべてを網羅しているわけではなく、特に、本明細書の図面、明細書、および特許請求の範囲を考慮すると、多くの追加の特徴および利点が、関連分野の当業者に明らかになるであろう。さらに、本明細書において使用される言語は、主に読みやすさと教育目的のために選択されており、本発明の主題を描写または制限するために選択されていない可能性があり、そのような本発明の主題を決定するために必要な特許請求の範囲に訴えることに留意されたい。

【0014】

本発明の実施形態を参照し、その例は添付の図面に示され得る。これらの図面は、限定ではなく、説明を目的としている。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、開示された主題の1つまたは複数の実施形態を例示し、説明とともに、開示された主題の様々な実施形態を説明し、説明を目的としている。さらに、添付の図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、添付の図面における任意の値または寸法は説明のみを目的としており、実際のまたは好ましい値または寸法を表す場合とそうでない場合がある。本発明は、一般に、これらの実施形態の文脈において説明されるが、本発明の範囲をこれらの特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の1つまたは複数の実施形態による、バッテリパック内に配置された複数のセルのバランスをとるためのシステムが実装される環境のブロック図である。

【図2】本発明の1つまたは複数の実施形態による、複数のセルのうちの少なくとも1つのバランスをとるための図1のシステムの概略図である。

【図3】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1の複数のセルのバランスをとるためのシステムを含む、図1のバッテリパックのブロック図である。

【図4】本発明の1つまたは複数の実施形態による、ユーザによって遠隔アクセス可能な場所に配置された制御ユニットを有する、図1のバッテリパックのブロック図である。

【図4A】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1のバッテリパックの各セルにおけるエネルギー値(E_(cell-n))のグラフ表示である。

【図4B】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1のバッテリパックの各セルのエネルギーデルタ(D_n)のグラフ表示である。

【図4C】本発明の1つまたは複数の実施形態による、セルの各々のバランスをとる前の図1のバッテリパックの各セルの電圧のグラフ表示である。

【図4D】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1のバッテリパックの各ストレージユニットの電圧設定点(VS_(cap-n))のグラフ表示である。

【図4E】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1のバッテリパックの各セルのバランスをとるために決定された時間期間のグラフ表示である。

【図4F】本発明の1つまたは複数の実施形態による、理想的な動作状態の図1のバッテリパックの各セルの電圧のグラフ表示である。

【図5】本発明の1つまたは複数の実施形態による、図1のバッテリパック内に配置された複数のセルのバランスをとる方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、特定の実施形態または特徴を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、同じまたは対応する部分を参照するために、図面を通して、対応するまたは類似の参照番号が使用される。本明細書で説明される様々な要素への言及は、同じタイプの複数の要素があり得る場合、集合的または個別に行われる。しかしながら、そのような参照は、本質的に単なる例示にすぎない。単数形の要素への言及は、添付の特許請求の範囲に明示的に記載されていない限り、本発明の範囲をそのような要素の正確な数またはタイプに限定することなしに、複数形に関連すると解釈されてもよく、逆もまた同様であることに留意されたい。さらに、第1および第2などの関係用語は、必ずしも実際の関係またはそのようなエンティティ間の関係を意味することなく、あるエンティティを他から区別するために使用され得る。

【0017】

図1は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、バッテリパック105内に配置された複数のセル110のバランスをとるためのシステム115が実装される環境100のブロック図を示している。図示される実施形態では、バッテリパック105は、輸送、電気通信、家電製品などの用途におけるエネルギー源として使用される。図示される実施形態は、単一のバッテリパック105を示しているが、本開示の範囲から逸脱することなしに、要件に従って複数のバッテリパックが使用され得ることを理解されたい。

【0018】

バッテリパック105は、その中に配置された複数のセル110を含む。複数のセル110の各々は、直列接続、並列接続、およびそれらの組合せのうちの1つにおいて互いに電気的に結合されている。バッテリパック105は、互いに電気的に結合された複数のアレイ(図示せず)をさらに含む。複数のアレイの各々は、互いに電気的に結合された複数のセル110を含む。複数のセル110の各々の容量は、ユーザ要件、バッテリパック105が使用される用途、およびそれらの組合せのうちの1つによって決まる。

【0019】

一実施形態では、複数のセル110の各々は、リチウムイオン(Li-ion)、鉛蓄電池ゲル、およびニッケル水素電池のうちの1つであるが、これらに限定されない。代替の実施形態では、複数のセル110の各々の組成物は、ニッケル水和物電池セルと組み合わされたリチウムまたはリチウムポリマーセル(「リチウム」と呼ばれる)である。代替の実施形態では、リチウムイオン、亜鉛空気、酸化亜鉛、過充電酸化亜鉛、および燃料電池を含むがこれらに限定されない、任意の適切な電池セル組成物が使用され得る。

【0020】

複数のセル110の各々は、システム115にさらに電気的に結合されている。図示される、および好ましい実施形態では、システム115は、バッテリパック105内に配置される。代替の実施形態では、システム115は、ユーザが遠隔アクセス可能な場所に配置される。システム115は、複数のセル110の各々の複数の動作パラメータに関するデータを受信する。複数の動作パラメータは、複数のセルの各々の電流、電圧、および温度のうちの1つであるが、これらに限定されない。一実施形態では、バッテリパック105は、複数のセル110の各々の複数の動作パラメータに関するデータを受信し、一時的に記憶する(図4に示されるような)バッテリテレマティクスユニット405を含む。

【0021】

複数の動作パラメータに基づいて、システム115は、複数のセル110のうちの少なくとも1つからストレージユニット120へのエネルギーの伝達を可能にする。ストレージユニット120は、複数のセル110の各々に電気的に結合され、またシステム115に通信可能に結合される。一実施形態では、複数のセル110が直列接続で互いに接続されている場合、ストレージユニット120の数は、バッテリパック105内で直列に接続されているセルの数と等しい。他の実施形態では、複数のセル110が並列接続で接続されている場合、単一のストレージユニット120で十分である。ストレージユニット120は、ウルトラコンデンサ、疑似コンデンサ、スーパーコンデンサ、二重層コンデンサ(DLC)、およびバッテリパックのうちの1つであるが、これらに限定されない。

【0022】

エネルギーの伝達の後、複数のセル110の各々が理想的な動作状態にあり、複数のセル110のバランスが達成される。複数のセル110の各々の理想的な動作状態は、複数のセル110の各々の電圧デルタがしきい値を下回るときに達成される。システム115の構造的および動作上の特徴、ならびに複数のセル110のバランスをとる方法は、以下の図面に関して詳細に説明される。

【0023】

バッテリパック105は、負荷125にさらに電気的に結合されている。上記のように、バッテリパック105は、これらに限定されないが、輸送および電気通信などの用途におけるエネルギー源として使用される。したがって、バッテリパック105が輸送セクタにおいて採用される場合、負荷125は、電気自動車の複数のコンポーネントである。同様に、バッテリパックが電気通信セクタにおいて使用される場合、負荷125は、電気通信タワーの1つであるが、これに限定されない。さらに、バッテリパック105は、バッテリパック105内に配置された複数のセル110の各々を充電するために、充電ユニット130に取外し可能に結合されるように構成される。

【0024】

システム115は、バッテリパック105の複数の動作パラメータに関するデータを、ネットワーク140を介してサーバ135にさらに送信する。一実施形態では、システム115からサーバ135への複数のパラメータに関連するデータの送信に続いて、関連するデータのコピーがシステム115から自動的に行われる。そうすることによって、システム115が、サーバ135にすでに送信されている以前に記憶されたデータで蓄積されないことを保証する。有利なことに、システム115は、システム115の容量を超える大量のデータで負担されず、それによって、効果的な監視サービスが提供されることを保証し、システム115の動作効率を改善する。サーバ135は、メインフレームコンピュータ、ネットワークサーバ、クラウドなどの様々なコンピューティングシステムに実装され得ることが理解され得る。

【0025】

サーバ135は、ネットワーク140を介してバッテリパック105と通信している。一実施形態では、セキュアハードウェア拡張(SHE)ユニットは、バッテリパック105内に埋め込まれている。SHEユニットは、システム115とサーバ135との間でデータの安全な通信が行われることを保証し、それによって、第三者によるデータへのアクセスを防止する。一実施形態では、ネットワーク140は、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ブルートゥース（登録商標）、近距離無線通信(NFC)、赤外線、WIFI、GPRS、LTE、エッジなどの有線および/または無線接続を含むことができるが、これらに限定されない。

【0026】

さらに、システム115は、ネットワーク140を介してユーザデバイス145と通信している。したがって、ユーザデバイス145は、バッテリパック105および複数のセル110の複数の動作パラメータに関する通知を受信する。特定の実施形態では、ユーザデバイス145は、緊急の場合、ユーザが遠隔地からバッテリパック105のスイッチを手動で切ることを可能にする。さらに、ユーザデバイス145は、サーバ135に通信可能に結合されている。さらに、サーバ135およびシステム115のうちの1つは、バッテリパック105の健康に関する定期的なレポートをユーザに提供するように構成される。ユーザデバイス145は、モバイル電話、ポータブルコンピュータ、携帯情報端末、ハンドヘルドデバイス、ラップトップコンピュータ、および電気自動車におけるディスプレイユニットのうちの1つであるが、これらに限定されない。

【0027】

図2を参照すると、図2は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、複数のセル110のうちの少なくとも1つのバランスをとるためのシステム115の概略図を示している。システム115は、バッテリパック105内に配置された複数のセル110の各々に結合されている。システム115は、複数のセル110のうちの少なくとも1つからストレージユニット120のうちの少なくとも1つへのエネルギーを伝達する際に支援する。

【0028】

前述のように、バッテリパック105は、複数のセル110を含む。しかしながら、説明の目的で、システム115は、本明細書では、図2に示されるような実施形態の「単一のセル110」に関して説明され、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、複数のセル110は、以下、「セル110」と呼ばれる。

【0029】

システム115は、以下「センサ210」と呼ばれる複数のセンサ210を含む。センサ210は、セル110の複数の動作パラメータを測定するために、セル110に電気的に結合される。センサ210は、センサ210の用途に応じて、無線および有線でセル110に結合される。センサ210は、電流センサ、電圧センサ、インピーダンスセンサ、および温度センサを含むが、これらに限定されない。複数の動作パラメータは、セル110の電流、電圧、温度、および充電状態(SOC)に対応するが、これらに限定されない。

【0030】

システム115は、セル110に電気的に結合されたスイッチングユニット215をさらに含む。より具体的には、セル110のアノードは、スイッチングユニット215のコンポーネント220に電気的に結合されている。コンポーネント220は、セル110のアノードからコンポーネント220への一方向および制御された双方向のエネルギーの流れのうちの1つを維持する際に支援し、反対方向への流れを制限する。一実施形態では、コンポーネント220はダイオードである。代替の実施形態では、コンポーネント220は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である。

【0031】

図示される実施形態では、スイッチングユニット215は、コンポーネント220に結合された電流制御コンポーネント225を含む。電流制御コンポーネント225は、電流サージからシステム115を保護する際に支援する。セル110からストレージユニット120へのエネルギーの伝達中に、電位差が生じる。場合によっては、ストレージユニット120は、短絡などの損傷を受ける可能性がある。そのような場合、電流制御コンポーネント220は、有利には、セル110を保護し、次に、バッテリパック105を損傷から保護する。一実施形態では、電流制御コンポーネント225は、電界効果トランジスタ(FET)の1つであるが、これに限定されない。他の実施形態では、システム115は、電流制御コンポーネント225とは独立して提供される。

【0032】

スイッチングユニット215は、スイッチ230をさらに含む。スイッチ230は、セル110からストレージユニット120へのエネルギーの伝達を許可することと、防止することとのうちの1つを行うように構成される。スイッチ230は、電気機械式スイッチ、手動スイッチ、トグルスイッチ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、および接合型電界効果トランジスタ(JFET)のうちの1つであるが、これらに限定されない。

【0033】

コンポーネント220、電流制御コンポーネント225、およびスイッチ230を含むスイッチングユニット215は、その後、ストレージユニット120に結合される。したがって、セル110は、スイッチングユニット215を介して少なくとも1つのストレージユニット120に電気的に結合されている。ストレージユニット120は、ウルトラコンデンサ、疑似コンデンサ、スーパーコンデンサ、二重層コンデンサ(DLC)、およびバッテリパックのうちの1つであるが、これらに限定されない。

【0034】

システム115は、制御ユニット235をさらに含む。制御ユニット235は、少なくとも1つのプロセッサ240、入力/出力(I/O)インターフェースユニット245、およびメモリ250を含み得る。少なくとも1つのプロセッサ240は、1つまたは複数のマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、中央処理装置、状態機械、論理回路、および/あるいは動作作命令に基づいて信号を操作する任意のデバイスとして実装され得る。他の機能の中で、少なくとも1つのプロセッサ240は、メモリ250に記憶されたコンピュータ可読命令をフェッチして実行するように構成される。

【0035】

I/Oインターフェースユニット245は、様々なソフトウェアおよびハードウェアインターフェース、たとえば、ウェブインターフェース、グラフィカルユーザインターフェース、発光ダイオード(LED)などを含み得る。I/Oインターフェースユニット245は、ユーザが直接またはユーザデバイス145を介して制御ユニット235と相互作用することを可能にし得る。さらに、I/Oインターフェースユニット245は、制御ユニット235が、サーバ135および外部データサーバ(図示せず)などの他のコンピューティングデバイスと通信することを可能にし得る。I/Oインターフェース245は、たとえば、LAN、ケーブルなどの有線ネットワーク、およびWLAN、セルラー、または衛星などの無線ネットワークを含む、多種多様なネットワークおよびプロトコルタイプ内での複数の通信を容易にし得る。一実施形態では、I/Oインターフェースユニット245は、いくつかのデバイスを互いにまたは他のサーバに接続するための1つまたは複数のポートを含み得る。

【0036】

メモリ250は、たとえば、静的ランダムアクセスメモリ(SRAM)および動的ランダムアクセスメモリ(DRAM)などの揮発性メモリ、ならびに/または読取り専用メモリ(ROM)、消去可能プログラマブルROM、フラッシュメモリ、ハードディスク、光ディスク、および磁気テープなどの不揮発性メモリを含む、当技術分野において知られている任意のコンピュータ可読媒体を含み得る。

【0037】

制御ユニット235は、セル110の複数の動作パラメータに関するデータを受信するために、センサ210に通信可能に結合されている。制御ユニット235は、スイッチングユニット215に通信可能にさらに結合されている。より具体的には、制御ユニット235は、スイッチングユニット215のスイッチ230に電気的および通信可能に結合されているものの1つである。制御ユニット235は、セル110からストレージユニット120へのエネルギーの伝達を可能にするよう、スイッチ230を選択的に動作させるように構成される。セル110のバランスをとるための制御ユニット235の作用および動作は、図3を参照してより詳細に説明される。

【0038】

図3を参照すると、図3は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、複数のセル110のバランスをとるためのシステム115を含む、バッテリパック105のブロック図300を示している。前述のように、バッテリパック105は、複数のセル110を含む。複数のセル110の各々は、直列接続、並列接続、およびそれらの組合せのうちの1つにおいて互いに電気的に結合されている。

【0039】

記述および説明の目的で、複数のセル110は、本明細書では、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dに関して説明される。しかしながら、複数のセル110は、用途の要件に従って、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dよりも追加の数のセルを含み得、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。

【0040】

図示される実施形態によれば、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々は、直列接続において互いに結合されている。代替の実施形態では、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々は、並列接続、および直列接続と並列接続との組合せのうちの1つにおいて互いに結合され得る。

【0041】

第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々が互いに直列接続されているので、バッテリパック105は、同様に互いに直列に接続された第1のストレージユニット120a、第2のストレージユニット120b、第3のストレージユニット120c、および第4のストレージユニット120dを含む。図示される実施形態では、第1、第2、第3、第4のストレージユニット120a～dの各々は、スーパーコンデンサである。代替の実施形態では、第1、第2、第3、第4のストレージユニット120a～dの各々は、ウルトラコンデンサ、疑似コンデンサ、二重層コンデンサ(DLC)、およびバッテリパックである。

【0042】

さらに、セル110は、図2において前述したように、スイッチングユニット215を介して少なくとも1つのストレージユニット120に電気的に結合されている。したがって、バッテリパック105は、第1のスイッチングユニット215a、第2のスイッチングユニット215b、第3のスイッチングユニット215c、および第4のスイッチングユニット215dを含む。

【0043】

図3における図示された実施形態を参照すると、第1のセル110aは、第1のスイッチングユニット215aを介して第1のストレージユニット120aに電気的に結合され、第2のセル110bは、第2のスイッチングユニット215bを介して第2のストレージユニット120bに電気的に結合され、第3のセル110cは、第3のスイッチングユニット215cを介して第3のストレージユニット120cに電気的に結合され、第4のセル110dは、第4のスイッチングユニット215dを介して第4のストレージユニット120dに電気的に結合される。

【0044】

バッテリパック105は、第1の通信回線320a、第2の通信回線320b、第3の通信回線320c、および第4の通信回線320dを介して第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々に通信可能に結合された複数のセンサ210(図2に示される)をさらに含む。複数のセンサ210は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の複数の動作パラメータを測定するように構成される。測定された複数の動作パラメータは、その後、第1、第2、第3、および第4の通信回線320a～dを介してバッテリパック105の制御ユニット235に送信される。図示される実施形態では、制御ユニット235は、バッテリパック105内に配置されている。代替の実施形態では、制御ユニット235は、ユーザによって遠隔アクセス可能な場所に配置され得る。

【0045】

複数の動作パラメータを受信すると、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))は、所与の時点における第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の容量に関してそこに蓄積されたエネルギーとして定義される。

【0046】

第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))は、公称電圧、SOC、および第1、第2、第3、および第4のセル110a～dから100までの各々の容量の積の比に等しい。
エネルギー値(E_(cell-n))={(公称電圧_(cell-n))*(SOC_(cell-n))*(容量_(cell-n))}/100………………(式1)

【0047】

一実施形態では、制御ユニット235は、ユーザによって定義されるように、あらかじめ設定された間隔でエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。代替の実施形態では、制御ユニット235は、エネルギー値(E_(cell-n))を決定し、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))を継続的に決定および監視している。一実施形態では、制御ユニット235は、測定された動作パラメータに基づいて、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の電圧および電流を決定する。その後、制御ユニット235は、決定された電圧値を、バッテリパック105に提供されるエネルギールックアップテーブルに従ってそれぞれのエネルギー値とマッピングすることによって、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。代替の実施形態では、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))の各々のクーロンカウントに基づいて、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。

【0048】

続いて、制御ユニット235は、最小エネルギー値(E_(cell-min))を選択するために、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の決定されたエネルギー値(E_(cell-n))を互いに比較する。最小エネルギー値(E_(cell-min))は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dのうちの少なくとも1つのセルの最小エネルギー値である。

【0049】

制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)をさらに決定する。第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギーデルタは、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))と、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dのうちの少なくとも1つの最小エネルギー値(E_(cell-min))との間の差である。
エネルギーデルタ(D_n)=(E_(cell-n))-(E_(cell-min))………………(式2)

【0050】

第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)の計算において、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つにおいて利用可能な過剰エネルギーを決定する。第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つにおける過剰エネルギーは、セルのバランスをとるために、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dのうちの1つに伝達される。それによって、有利なことに、熱の形でのエネルギーの浪費を減らす。

【0051】

続いて、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つから、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dにそれぞれ伝達されるエネルギーに基づいて、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点(VS_(cap-n))を決定する。電圧設定点(VS_(cap-n))は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つからそれぞれエネルギーを受け取った後の第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の予測電圧レベルである。第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点(VS_(cap-n))は、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の静電容量に対する第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))の2倍の比の平方根である。
電圧設定点(VS_(cap-n))=Sqrt{(2*エネルギー値(E_(cell-n))/静電容量(C_(cap-n))}………………(式3)

【0052】

制御ユニット235は、スイッチングユニット215を動作させるための時間期間(t_n)をさらに決定する。より具体的には、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のスイッチングユニット215a～dの各々に設けられた、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dを動作させるための時間期間(t_n)をそれぞれ決定する。制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)にそれぞれ基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々を動作させるための時間期間(t_n)を決定する。より具体的には、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dのうちの少なくとも1つを充電するために必要な時間を決定することによって、時間期間(t_n)を決定する。したがって、時間期間(t_n)は、充電電流に対する、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々について、それぞれ静電容量と電圧設定点(VS_(cap-n))の積の比として定義される。
時間期間(t_n)={静電容量(C_(cap-n))*電圧設定点(VS_(cap-n))}/充電電流………………(式4)

【0053】

充電電流は、バッテリパック105の静電容量、PCBの厚さ、スイッチングユニット215の定格に基づくが、これらに限定されない、あらかじめ定義された値である。

【0054】

一実施形態では、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)にそれぞれ基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々の等価抵抗およびオン状態抵抗のうちの1つをさらに決定する。

【0055】

制御ユニット235は、第1の通信回線325a、第2の通信回線325b、第3の通信回線325c、および第4の通信回線325dを介して、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々と通信する。したがって、制御ユニット235は、決定された時間期間(t_n)の間、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々を選択的に動作させる。一実施形態では、制御ユニット235は、これらに限定されないが、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々の等価抵抗およびオン状態抵抗、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点(VS_(cap-n))、ならびにそれらの組合せのうちの1つに基づいて、決定された時間期間(t_n)の間、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々を選択的に動作させる。

【0056】

したがって、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つからの過剰エネルギーは、第1のストレージユニット120a、第2のストレージユニット120b、第3のストレージユニット120c、および第4のストレージユニット120dにそれぞれ伝達される。第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つから伝達されるエネルギーは、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタに基づく。

【0057】

エネルギーの伝達の後、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の状態は理想的な動作状態にあり、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々はバランスがとれていると考えられる。

【0058】

他の実施形態では、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110d各々の電圧デルタに基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々を選択的に動作させる。

【0059】

したがって、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の理想的な動作状態は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の電圧デルタ(VD_n)がしきい値よりも小さいときに達成される。電圧デルタ(VD_n)は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の電圧値(V_(cell-n))と、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つの最小電圧値(V_(cell-min))との間の差として定義される。
電圧デルタ(VD_n)=V_(cell-n)-V_(cell-min)………………(式5)

【0060】

しきい値は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のタイプおよび組成に基づいて決定される電圧範囲に関する。

【0061】

さらに、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つから、第1のストレージユニット120a、第2のストレージユニット120b、第3のストレージユニット120c、および第4のストレージユニット120dにそれぞれ伝達された過剰なエネルギーは、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つを再充電すること、負荷125にエネルギーを提供すること、およびそれらの組合せのうちの１つを行うために有利に利用される。さらに、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つにおいて利用可能な余剰エネルギー(過剰なエネルギー)が再利用され、熱などの形で無駄にされない。したがって、システム115は、バッテリパック105において利用可能なエネルギーの最適な利用を保証し、バッテリパック105の効率的な利用をさらに保証する。

【0062】

これに関して、バッテリパック105は、セルロードスイッチ305、DC接続スイッチ310、およびストレージユニットスイッチ315を含む。セルロードスイッチ305、DC接続スイッチ310、およびストレージユニットスイッチ315の各々は、制御ユニット235に通信可能に結合されている。セルロードスイッチ305およびストレージユニットスイッチ315の作動時に、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのうちの少なくとも1つは、第1のストレージユニット120a、第2のストレージユニット120b、第3のストレージユニット120c、および第4のストレージユニット120dを介して充電される。さらに、セルロードスイッチ305およびDC接続スイッチ310の作動時に、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々は、負荷125にエネルギーを提供するために放電すること、および充電ユニット130によって充電されることのうちの１つを行う。さらに、DC接続スイッチ310およびストレージユニットスイッチ315の作動時に、第1のストレージユニット120a、第2のストレージユニット120b、第3のストレージユニット120c、および第4のストレージユニット120dの各々に蓄積されたエネルギーは、エネルギーを負荷125に提供するために使用される。

【0063】

図4は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、バッテリパック105のシステム405の制御ユニット410が、ユーザによって遠隔アクセス可能な場所に配置される例示的な実施形態を示している。前述のように、バッテリパック105は、複数のセル110、複数のセル110に結合されたスイッチングユニット215、ストレージユニット120、ならびに複数のセル110およびストレージユニット120に結合された複数のセンサ210を含む。複数のセル110、スイッチングユニット215、ストレージユニット120、および複数のセンサ210に関するバッテリパック105の動作および配置は、図2および図3に関して図示および説明されたものと同様である。したがって、簡潔にするために、同じことは図4の説明において再び説明されない。

【0064】

バッテリパック105は、ネットワーク140を介して遠隔地に位置する制御ユニット410とさらに通信する。複数のセンサ210は、ネットワーク140を介して、複数のセル110の複数の動作パラメータに関するデータを転送する。複数の動作パラメータに基づいて、制御ユニット410は、複数のセル110の各々のエネルギー値(E_(cell-n))、エネルギーデルタ(D_n)、少なくとも1つのストレージユニット120の各々の電圧設定点(VS_(cap-n))、時間期間(t_n)、および提供されたそれぞれの式に基づく複数のセル110の各々の電圧値(V_(cell-n))を決定する。その後、制御ユニット410は、複数のセル110のうちの少なくとも1つから少なくとも1つのストレージユニット120へのエネルギーの伝達を可能にする。

【0065】

図示される実施形態の制御ユニット410は、複数のセル110の各々のエネルギー値(E_(cell-n))、エネルギーデルタ(D_n)、少なくとも1つのストレージユニット120の各々の電圧設定点(VS_(cap-n))、バランスをとるための時間期間(t_n)、およびユーザへの電圧値(V_(cell-n))に関するリアルタイム情報を提供するようにさらに構成される。したがって、制御ユニット410は、サーバ135を介してユーザのユーザデバイス145と通信する。一実施形態では、制御ユニット410は、図4A～図4Fに示されるような例示的なグラフの形においてリアルタイム情報をユーザに提供する。他の実施形態では、制御ユニット410は、ポップアップメッセージなどによってユーザデバイス145上のユーザに通知し、それによって、セルのバランスが悪いことをユーザに警告する。他の実施形態では、ユーザは、制御ユニット410を介して少なくとも1つの複数のセル110のバランスを手動でトリガすることができる。したがって、バッテリパック105は、ユーザによって継続的に監視される。

【0066】

本明細書に開示される様々な実施形態は、例示的および説明的な意味で解釈されるべきであり、決して本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本開示は、バッテリパック105内に配置された複数のセル110のバランスをとるためのシステム115を提供する。システム115は、バッテリパック105の充電およびリアルタイムでバッテリパックの動作中のうちの１つの間、複数のセル110のバランスをとることを可能にする。バッテリパック105は、複数のセル110と、その中に配置された少なくとも1つのストレージユニット120とを含む。バッテリパック105は、複数のセル110のバランスをとるためのシステム115をさらに含む。システム115は、複数のセル110からストレージユニット120への過剰なエネルギーの伝達を支援するためにスイッチングユニット215を効率的に制御するための制御ユニット235を含む。

【0068】

スイッチングユニット215と通信する制御ユニット235は、過剰なエネルギーをリアルタイムで伝達するのを支援し、したがって、バッテリパック105の連続動作を保証する。そのように伝達されたエネルギーは、複数のセル110のうちの少なくとも1つを再充電することと、負荷125にエネルギーを提供することと、それらの組合せとのうちの1つを行うために利用される。したがって、システム115は、有利なことに、熱としての過剰なエネルギーの浪費を最小限に抑え、バッテリパック105の効率的な動作を保証する。過剰なエネルギーは、過剰な熱を放散することなくバッテリパックによって再利用されるので、バッテリパック105は、過剰な熱を補償するための追加のコンポーネントを必要としない。さらに、システム115は、電磁干渉(EMI)および電磁両立性(EMC)の影響を受けやすいフライバックコンバータなどのハードウェアコンポーネントを利用しないので、システム100は、バッテリパック105の堅牢性を保証するために追加のハードウェアを含む必要がなく、それによってバッテリパック105のコンパクトさを保証する。

【0069】

図5は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、バッテリパック105内に配置された複数のセル110のバランスをとる方法500のフローチャートである。記述および説明の目的で、方法500は、図3に示されるような実施形態に関して説明される。

【0070】

ステップ502において、システム115の制御ユニット235は、複数のセル110の各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。

【0071】

図3に示される実施形態を参照すると、バッテリパック105は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の複数の動作パラメータを測定するための複数のセンサ210を含む。複数のセンサ210は、複数の動作パラメータに関するデータを、第1の通信回線320a、第2の通信回線320b、第3の通信回線320c、および第4の通信回線320dを介して制御ユニット235にさらに送信する。制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギー値を、所与の時点における第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の容量に関して決定する。

【0072】

第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))は、公称電圧、SOC、および第1、第2、第3、および第4のセル110a～dから100までの各々の容量の積の比に等しい。したがって、式1に従って、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))を決定する。したがって、第1のセル110aのエネルギー値(E_(cell-1))は2448Jであり、第2のセル110bのエネルギー値(E_(cell-2)は2880Jであり、第3のセル110cのエネルギー値(E_(cell-3))は2592Jであり、第4のセル110dのエネルギー値(E_(cell-4))は2749Jである。

【0073】

図4Aに示されるような図解を参照すると、エネルギー値(E_(cell-n))がY軸に沿って描かれ、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々がX軸に沿って描かれている。第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dのエネルギー値(E_(cell-n))が異なることは図4Aのグラフ表示から明らかであり、したがって、制御ユニット235は、バッテリパック105はバランスが悪いと決定する。エネルギー値(E_(cell-n))を決定すると、制御ユニット235は、それを制御ユニット235のメモリ250に記憶する。一実施形態では、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))をサーバ135にさらに伝達し、それによって、制御ユニット235の計算効率を改善する。

【0074】

さらに、制御ユニット235は、最小エネルギー値(E_(cell-min))を決定して最小エネルギー値を選択するために、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-1～4))を互いに比較する。制御ユニット235は、第1のセル110aのエネルギー値(E_(cell-1))、第2のセル110bのエネルギー値(E_(cell-2))、第3のセル110cのエネルギー値(E_(cell-3))、および第4のセル110dのエネルギー値(E_(cell-4))を互いに比較する。第1のセル110aのエネルギー値(E_(cell-1))は、第2のセル110bのエネルギー値(E_(cell-2))、第3のセル110cのエネルギー値(E_(cell-3))、および第4のセル110dのエネルギー値(E_(cell-4))と比較して最小であることは、図4Aに示されるグラフ表示から明らかである。したがって、制御ユニット235は、第1のセル110aのエネルギー値(E_(cell-1))を最小エネルギー値(E_(cell-min))として選択する。

【0075】

ステップ504において、決定されたエネルギー値に基づいて、方法500は、複数のセル110の各々のエネルギーデルタ(D_n)を決定する。複数のセル110の各々のエネルギーデルタ(D_n)は、複数のセル110の各々のエネルギー値(E_(cell-n))と複数のセル110のうちの少なくとも1つの最小エネルギー値(E_(cell-min))との間の差である。図4Bは、Y軸に沿ったエネルギーデルタ(D_n)と、X軸に沿った第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々を示すグラフ表示を示している。

【0076】

前述のように、第1のセル110aのエネルギー値(E_(cell-1))は2448Jであり、最小エネルギー値(E_(cell-min))も2448Jである。したがって、式2に従って、図4Bに示されるように、第1のセル110aのエネルギーデルタ、D₁=0Jである。

【0077】

さらに、第2のセル110bのエネルギー値(E_(cell-2))は2880Jであり、最小エネルギー値(E_(cell-min))は2448Jである。したがって、式2に従って、図4Bに示されるように、第2のセル110bのエネルギーデルタ、D₂=432Jである。

【0078】

さらに、第3のセル110cのエネルギー値(E_(cell-3))は2592Jであり、最小エネルギー値(E_(cell-min))は2448Jである。したがって、式2に従って、図4Bに示されるように、第3のセル110cのエネルギーデルタ、D₃=144Jである。

【0079】

さらに、第4のセル110dのエネルギー値(E_(cell-4))は2749Jであり、最小エネルギー値(E_(cell-min))は2448Jである。したがって、式2に従って、第4のセル110dのエネルギーデルタ、D₄=301Jである。

【0080】

簡単に言えば、第1のセル110aは、利用可能なエネルギーが最小であり、したがって、過剰なエネルギーが第1のストレージユニット120aに伝達されることはない。第2のセル110bは、第2のストレージユニット120bに伝達されるために必要な432Jの過剰エネルギーを有する。同様に、第3のセル110cは、第3のストレージユニット120cに伝達されるために必要な144Jの過剰なエネルギーを有し、第4のセル110dは、第4のストレージユニットに120d伝達される301Jの過剰なエネルギーを有する。

【0081】

複数の動作パラメータに基づいて、制御ユニット235は、図4Cに示されるように、第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々の電圧(V_n)をさらに決定する。図4Cは、y軸に沿った電圧と、x軸に沿った第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々を示している。グラフによると、第1のセル110aの電圧V1は4000Vに相当し、第2のセル110bの電圧V2は4150Vに相当し、第3のセル110cの電圧V3は4070Vに相当し、第4のセル110dの電圧V4は4100Vに相当する。

【0082】

その後、制御ユニット235は、伝達されるエネルギーに基づいて、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点(VS_(cap-n))を決定する。第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点(VS_(cap-n))は、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の静電容量に対する第1、第2、第3、および第4のセル110a～dの各々のエネルギー値(E_(cell-n))の比の平方根である。さらに、図4Dのように、電圧設定点(VS_(cap-n))がY軸に沿って描かれ、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々がX軸に沿って描かれている。

【0083】

式3に従って、図4Dに示されるように、第1のストレージユニット120aの電圧設定点、VS_(cap-1)=0Vである。同様に、式3に従って、図4Dに示されるように、第2のストレージユニット120bの電圧設定点、VS_(cap-2)=4.16V、第3のストレージユニット120cの電圧設定点、VS_(cap-3)=2.40V、および第4のストレージユニット120dの電圧設定点、VS_(cap-4)=3.47Vである。

【0084】

ステップ506において、方法500は、複数のセル110の各々のエネルギーデルタ(D_n)に基づいて、スイッチングユニット215を動作させる時間期間を決定するステップを含む。図3を参照すると、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)にそれぞれ基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々を動作させるための時間期間(t)を決定する。より具体的には、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dのうちの少なくとも1つを充電するために必要な時間を決定することによって、時間期間(t_n)を決定する。時間期間(t_n)は、充電電流に対する、第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々について、それぞれ静電容量と電圧設定点(VS_(cap-n))の積の比として定義される。さらに、図4Eのように、時間期間(t_n)がY軸に沿って描かれ、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々がX軸に沿って描かれている。

【0085】

制御ユニット235は、第2のセル110bから第2のストレージユニット120bに432Jのエネルギーを伝達するために第2のスイッチ230bを動作させるための時間期間(t2)を決定する。式4のように、図4Eに示されるように、時間期間(t2)=51.96秒である。

【0086】

同様に、制御ユニット235は、第3のセル110cおよび第4のセル110dの各々から第3のストレージユニット120cおよび第4のストレージユニット120dにそれぞれ144Jおよび301Jのエネルギーを伝達する時間期間(t3)および時間期間(t4)を決定する。式4のように、図4Eに示されるように、時間期間(t3)=30秒および時間期間(t4)=43.37秒である。第1のセル110aのエネルギーデルタ、D₁=0Jであるので、制御ユニット235は、第1のスイッチ230aを動作させる必要はなく、したがって、時間期間(t1)を計算する必要はない。

【0087】

一実施形態では、制御ユニット235は、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のエネルギーデルタ(D_n)にそれぞれ基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々の等価抵抗およびオン状態抵抗の1つをさらに決定する。

【0088】

ステップ508において、方法500は、複数のセル110のうちの少なくとも1つからストレージユニット120へのエネルギーの伝達を可能にするよう、時間期間(t)の間、スイッチングユニット215を選択的に動作させるステップを含む。エネルギーの伝達時に、複数のセル110の各々は理想的な動作状態にあり、複数のセル110はバランスがとれている。

【0089】

図3を参照すると、制御ユニット235は、第1の通信回線325a、第2の通信回線325b、第3の通信回線325c、および第4の通信回線325dを介して第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々それぞれと通信する。したがって、制御ユニット235は、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々をそれぞれの時間期間にわたり、選択的に動作させる。一実施形態では、制御ユニット235は、これらに限定されないが、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々の等価抵抗およびオン状態抵抗、第第1、第2、第3、および第4のストレージユニット120a～dの各々の電圧設定点、ならびにそれらの組合せのうちの1つに基づいて、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dの各々をそれぞれの時間期間にわたり、選択的に動作させる。

【0090】

したがって、それぞれ、第1、第2、第3、および第4のスイッチ230a～dを介して、第2のセル110bからの432Jのエネルギーは第2のストレージユニット120bに伝達され、第3のセル110cからの144Jのエネルギーは第3のストレージユニット120cに伝達され、第4のセル110dからの301Jのエネルギーは第4のストレージユニット120dに伝達される。より具体的には、制御ユニット235は、第2のセル110bから第2のストレージユニット120bへの432Jのエネルギーの伝達を可能にするよう、時間期間(t2)=36.74の間、第2のスイッチ230bを動作させる。同様に、制御ユニット235は、第3のセル110cから第3のストレージユニット120cへの144Jのエネルギーの伝達、および第4のセル110dから第4のストレージユニット120dへの301Jのエネルギーの伝達をそれぞれ可能にするよう、第3のスイッチ230cおよび第4のスイッチ230dを、それぞれ、時間期間(t3)=21.21秒および時間期間(t4)=30.67秒の間動作させる。

【0091】

エネルギーの伝達の後、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の状態は理想的な動作状態にあり、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々はバランスがとれていると考えられる。

【0092】

第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々のバランスをとった後、制御ユニット235は、図4Fに示されるように、第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の電圧V_nを決定する。第1のセル110a、第2のセル110b、第3のセル110c、および第4のセル110dの各々の電圧(V_1-4)はしきい値を下回り、理想的な動作状態で動作していることは、図4Fおよび図4Cに示されるグラフから明らかである。

【0093】

本発明の態様は、上記の実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、当業者は、開示されるものの範囲から逸脱することなしに、開示される機械、システム、および方法の修正によって、様々な追加の実施形態が企図され得ることが理解されるであろう。そのような実施形態は、特許請求の範囲およびその任意の同等物に基づいて決定される本発明の範囲内にあると理解されるべきである。

【符号の説明】

【0094】

100 環境
105 バッテリパック
110 複数のセル
110a 第1のセル
110b 第2のセル
110c 第3のセル
110d 第4のセル
115 システム
120 ストレージユニット
120a 第1のストレージユニット
120b 第2のストレージユニット
120c 第3のストレージユニット
120d 第4のストレージユニット
125 負荷
130 充電ユニット
135 サーバ
140 ネットワーク
145 ユーザデバイス
210 複数のセンサ
210 センサ
215 スイッチングユニット
215a 第1のスイッチングユニット
215b 第2のスイッチングユニット
215c 第3のスイッチングユニット
215d 第4のスイッチングユニット
220 コンポーネント
225 電流制御コンポーネント
230 スイッチ
230a 第1のスイッチ
230b 第2のスイッチ
230c 第3のスイッチ
230d 第4のスイッチ
235 制御ユニット
240 プロセッサ
245 入力/出力(I/O)インターフェースユニット
250 メモリ
300 ブロック図
305 セルロードスイッチ
310 DC接続スイッチ
310c 第3の通信回線
315 ストレージユニットスイッチ
320a 第1の通信回線
320b 第2の通信回線
320c 第3の通信回線
320d 第4の通信回線
325a 第1の通信回線
325b 第2の通信回線
325c 第3の通信回線
325d 第4の通信回線
405 バッテリテレマティクスユニット
405 システム
410 制御ユニット
500 方法

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図5】

【国際調査報告】