インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法
【課題】インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示する。
【解決手段】一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシーに従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバスコントリビューション電圧に変換する。
【解決手段】一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシーに従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバスコントリビューション電圧に変換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野は、一般的にエネルギー蓄積ベースの電力システム(energy storage based power system)に関する。特に、本発明は、インテリジェントエネルギー蓄積パック(intelligent energy storage pack)を拡張可能に構成するシステム及び方法を対象にする。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーパック、すなわち、互いに結合した複数のエネルギー蓄積セルの配置は、装置のホストの電源として使用される。装置は、全ての電気自動車、ハイブリッド電気自動車、携帯用電子機器、軍事用途、医療機器、並びに住宅立地及び事業拠点におけるバックアップ電力システム及び分散型エネルギー蓄積システムの全てを含むことができる。基礎的な電気化学の進歩により、改良された性能特性を有する電池、例えば、リチウムイオン電池を生み出した。しかしながら、複数のエネルギー蓄積セルの構造及び性能特性を同一にすることを意図した場合でも、個別のセル間に相違がある。従来の製造においても、セルは、本質的に異なり、容量、寿命、充電／放電の速度及び他の相互に関連する特性においてばらつき(variation)を示す。例えば、個別のセルの集合を含むバッテリーパックは、新品のときにはセル間で２〜３％の蓄電容量の違いを示すことがあり、このようなばらつきは時間の経過に従って（例えば、バッテリーパックが古くなって充電及び放電を繰り返し行うに従って）増大する。従来のバッテリーパックの個別のセルが直列配列(series string)を形成するために電気的に直列に接続されるので、バッテリーパックの全体の性能は、配列中の最も弱くなったセルの性能によって劣化するおそれがある。例えば、従来のパック構成を用いた場合、セルの直列配列において、使用中に放電を開始する最初のセルが他のセルの放電を小さくするように制限するおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の提案は、上述した問題に注意を向けるとともに、充電の平衡を保つことによって、すなわち、セル電圧又は充電の状態を均等にすることを目的とした電子回路を設けることによってバッテリーパックの性能を向上させることを試みていた。そのような充電平衡システムは、バッテリーパックの各セル又はセルのグループごとに存在する電気スイッチ及び他の電気素子（抵抗、コンデンサ、インダクタ）を有する。そのようなシステムにおいて、過度の充電をシャントすることによってセルの充電電圧を均等に調整するように抵抗をバッテリセルに並列に断続的に接続することができる。他のシステムにおいて、コンデンサ又はインダクタをセルに並列に断続的に接続し、充電を比較的高い電圧のセルから比較的低い電圧のセルに移すことができる。このようにして、セル間の性能のばらつきを部分的に管理し、バッテリーパックのセルは、所望の電圧又は充電状態に収束する。
【０００４】
従来のスイッチド抵抗バッテリ管理システムアーキテクチャ、スイッチドキャパシタバッテリ管理システムアーキテクチャ及びスイッチドインダクタバッテリ管理システムアーキテクチャは、マルチセルパックのセル間の性能のばらつきの問題に対して部分的な解決しか提供しない。これらのバッテリ管理システムは、セル容量、寿命、充電／放電の最大速度及びマルチセルパックの他の特性のばらつきに適合するのに限られた能力しか有さない。さらに、従来のバッテリ管理システムは、使用性能を補償するもののバッテリーパックのセルの使用可能な寿命が実際には減少するおそれがある。その結果、従来のバッテリーパックにおいて、有用な寿命が減少し、典型的には、有用な寿命がパックの最も弱いセルによって制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示する。一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシー(load policy)に従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧(bus contribution voltage)に変換する。
【０００６】
素子の実装及び組合せの種々の新規な詳細を含む上記及び他の好適な形態を、添付図面を参照しながら更に詳しく説明し、特許請求の範囲で指摘する。ここで説明する特定の方法及び回路は、単なる実例として示したものであり、制限のために示したものではない。当業者によって理解できるように、ここで説明した原理及び特徴を、発明の範囲を逸脱することなく種々の多数の実施の形態で用いることができる。
【０００７】
この出願は、２００９年３月２日に出願した「インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法」(SYSTEMS AND METHODS FOR SCALABLE CONFIGURATIONS OF INTELLIGENT ENERGY STORAGE PACKS)の表題の米国仮出願第６１／２０２，４６０号の利益及び優先権を主張し、これは参照よりここに組み込まれる。
【０００８】
本明細書の一部として含まれる添付図面は、上述した一般的な説明及び本発明の原理を説明し及び教示する役割を果たす後述する好適な実施の形態の詳細な説明とともに好適な実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの制御回路及びエネルギー蓄積セルを有するノードの典型的なレイアウトを示す。
【図２】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの典型的な制御回路を示す。
【図３】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数ノードの直列配列を示す。
【図４】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数ノードの並列配列を示す。
【図５】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【図６】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のＤＣ−ＤＣコンバータ及びセルの直列配列を示す。
【図７】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内のエネルギー蓄積セルのパフォーマンス関数のサイクル数に対するターゲットコンデンサの減衰を示す。
【図８】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図９】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図１０】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図１１】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示する。一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシーに従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバスコントリビューション電圧に変換する。
【００１１】
本システム及び方法は、マルチセルエネルギー蓄積パックの個別のエネルギー蓄積装置（ここでは一般的に「セル」と称する。）に関連した性能のばらつきに対処する。ここで説明する典型的なエネルギー蓄積装置は、例えば、電気化学セル、超コンデンサ、磁気エネルギー蓄積装置、フライホイール及び関連の電気変換回路、並びに電気エネルギーを蓄積する他の装置を含む。
【００１２】
本システム及び方法は、各セルをエネルギー蓄積パックの他のセルから電気的に緩衝する(electrically buffering)ことによってセル間のばらつきに適応する。換言すれば、エネルギー蓄積パックの各セルは、負荷の電力要求を満たしながら各セルにおける充電及び放電に関する管理を十分かつ独立して行うことができる。
【００１３】
本システム及び方法は、個別のセルだけでなくセルのグループを緩衝するためにも適用される。換言すれば、マルチセルは、直列及び／又は並列の組合せにグループ分けされ、当該グループは、他のセル及び／又はセルグループから十分かつ独立して管理される。
【００１４】
さらに、本システム及び方法は、個別のセル性能を落とすことなく緩衝セル(buffered cell)を直列配列で配置することができる。高電圧の長い直列配列は、自動車のソリューション及びグリッドインタラクティブ(grid-interactive)のソリューションを有するもののように大抵の高電力アプリケーションに望ましい。短い直列配列は、自動車電子装置（例えば、ラップトップコンピュータ）のような他の多数の低電力アプリケーションに望ましい。そのような全ての直列配列において、本システム及び方法によって、各セルに注入され及び各セルから抽出される電力を、充電を放出し及び受け入れるセルの独自の能力に基づいて最適化することができる。
【００１５】
本システム及び方法は、パック寿命の延長及び目標とする性能レベルに到達するために少数のセルを用いることによるパックサイズの減少を含む向上した性能特性の組合せを可能にする。その理由は、各セルが最適に用いられるからである。本システム及び方法は、蓄積セル間のばらつきに対する大きな許容誤差も有し、従来のパックに必要なセルよりも厳しくない誤差で製造される廉価なセルを使用することができる。同様に、ばらつきに対するこのように大きな許容誤差によって、製造されるセルの多くを使用することができる（すなわち、外れ値のパフォーマー(outlier performer)を廃棄せずに用いることができる。）。本システム及び方法によって、セルレベル監視、故障検出及び故障セルの電気的な分離を通じた向上した安全性及び信頼性も可能にする。
【００１６】
本システム及び方法は、安定した一定の出力電圧を生成する緩衝セルの長い直列配列−出力電圧が典型的には負荷の要求に応じて変動するとともにエネルギー蓄積セルの充電状態に依存する従来のエネルギー蓄積パックとは著しく異なる所望の能力を可能にもする。
【００１７】
一実施の形態において、本システム及び方法は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを各セルと他のセルとの間に配置することによって各セルに対する他のセルからの衝撃を和らげる。ＤＣ−ＤＣコンバータそれ自体を、高い合計電圧(high aggregate voltage)に到達するために長い直列配列で配置することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、対応するＤＣ−ＤＣコンバータの出力部の電圧及び電流と異なるようにセルの電圧及び電流を設定することができる。出力部に対する入力部の差によって、上述した電気的な緩衝及び各セルに対する電力の注入及び抽出の最適化を可能にする。
【００１８】
本システム及び方法によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電気的に緩衝されたセルに対する接続部間のあらゆるインピーダンス差を電気的に補償することができる。従来のバッテリーパックにおいて、セルに対する電気的な接続部間のインピーダンス差によって性能が阻害されている。この問題は、電気化学セルの温度感度によって悪化し、一様なインピーダンスの信頼性のある電気的な接続部を構成するための溶接及びはんだ付けの使用を制限する。これらのインピーダンス差を補償する能力に加えて、本システムのＤＣ−ＤＣコンバータは、電気化学セルよりも強固であり、容易に溶接又ははんだ付けすることができる電気的なタブを有する。
【００１９】
本システム及び方法によれば、システムの熱損失を最小に維持しながら高い合計電圧出力が得られる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電源電圧を更に高い又は更に低い出力電圧に変換する。システムのエネルギー損失及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路の発熱は、典型的には全てのＤＣ−ＤＣコンバータ設計の固有の特性である入力電圧と出力電圧との間の差に比例する。例えば、入力電圧と出力電圧との間の増加率が大きくなると、典型的にはエネルギー損失が大きくなる。本システム及び方法において、そのようなエネルギー損失は、入力電圧と出力電圧との間の差を最小にすることによって最小になる。ＤＣ−ＤＣコンバータを直列配列で配置することによって、各ＤＣ−ＤＣコンバータが配列に対して比較的低い電圧を供給(contribute)しながら高い合計出力電圧が得られる。
【００２０】
さらに、そのような形態において、各ＤＣ−ＤＣコンバータが比較的低い電圧で動作するので、本システムのＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、比較的廉価な素子から構成される。例えば、低電圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、比較的廉価なＭＯＳＦＥＴスイッチによって構成され、それに対し、高電圧で動作する同様なＤＣ−ＤＣコンバータは、比較的高価な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチによって最適に構成される。
【００２１】
一実施の形態によれば、各々が自身の蓄積セルに接続された複数の制御回路を、高電圧源としてマルチセル蓄積パックを設けるために直列配列で接続することができ、各制御回路及び対応するエネルギー蓄積セルは、直列配列の「ノード」となる。
【００２２】
一実施の形態によれば、そのような複数の直列配列を、更に大きな電力処理及びエネルギー容量を有するマルチセル蓄積パックを設けるために並列に接続することができる。各制御回路の処理回路は、各エネルギー蓄積セルの全体に亘る性能及び寿命を上げながらマルチセル蓄積パックの各ノードに特定の出力電圧を供給するために監視用コントローラとやり取りを行うことができる。
【００２３】
本システム及び方法を、集中監視用コントローラにより、又は、分散処理システムで実現される監視用コントローラの機能により実現することができる。一実施の形態によれば、そのような分散処理システムは、マルチノードエネルギー蓄積パックのノードの制御回路のソフトウェアとして組み込まれる。
【００２４】
一実施の形態によれば、エネルギー蓄積制御システムは、電気的なエネルギーを蓄積し及び供給するために互いに電気的に接続した複数のノードを含む。ノードを直列及び／又は並列に接続することができる。中央処理システムは、複数の電気的なノードとやり取りを行い、複数の電気的なノードを制御する。各ノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し又はセルからの入力電流を所望の入力電流に変換することによって対応するエネルギー蓄積セルを制御する電気的なコンバータ回路を有する。一実施の形態によれば、各ノードは、電気的なコンバータ回路に接続可能なエネルギー蓄積セルの電気的な特性を検知する検知システムと、検知システムからの情報を用いて対応するエネルギー蓄積セルの電気的なコンバータ回路を制御する処理システムと、処理システムからの情報を用いて電気的なコンバータ回路を駆動する駆動システムと、を有する。中央処理システムは、個別のノードの動作特性に基づいて全体に亘るシステム性能を向上させるために各ノードの処理システムとやり取りを行うとともに各ノードの処理システムに指示を行う。
【００２５】
本システム及び方法は、（例えば、電気自動車若しくはハイブリッド自動車の）推進駆動用のシステム又はオングリッド若しくはオフグリッド固定電力システム(on-grid or off-grid stationary powering system)において更に有効なＤＣ／ＡＣ変換を促進することができる高電圧直列配列を有するエネルギー蓄積パックを提供する。高電圧用途に対して、直流から交流への変換は、高入力直流電圧において更に有効になる。例えば、ここで説明する典型的な実施の形態による高電圧エネルギー蓄積パックにおいて、典型的にはセルパックとＤＣ／ＡＣコンバータとの間で必要とされる中間ＤＣ／ＤＣアップコンバータを除外することができる。
【００２６】
以下の記載において、説明のために、ここで開示する種々の発明の概念を完全に理解するために具体的な術語体系(specific nomenclature)を説明する。しかしながら、ここで開示する種々の発明の概念を実現するためにこれらの具体的な詳細を必要としないことは当業者には明らかである。
【００２７】
図１は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの制御回路及びエネルギー蓄積セルを有するノードの典型的なレイアウトを示す。典型的なノード１００は、制御回路１０２と、（便宜上電気記号によって表す）エネルギー蓄積セル１０４と、を有する。ノード１００は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの「インテリジェント」電圧及び電流源として機能する。
【００２８】
典型的な制御回路１０２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を有し、その一例を以下で説明する。制御回路１０２は、検知システム１０８、温度センサ１１０、処理システム１１２及び駆動システム１１４も有する。検知システム１０８は、所定の時間に亘るセル温度、セル電流及び電圧特性、並びにノード電圧特性を監視し、当該情報を処理システム１１２に提供する。処理システム１１２は、監視された状態に依存するＤＣ−ＤＣコンバータを制御する方法に関する記憶情報に基づいて、検知システムからの情報を処理し、セル１０４の向上した特性を得るようコンバータ１０６を適切に制御するために情報を駆動システム１１４に出力する。
【００２９】
検知システム１０８のピンＡ及びピンＢは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に含まれる電流センサに接続される。検知システム１０８のピンＣ及びピンＤは、（例えば、セル１０４に装着された）温度センサ１１０に接続される。セル１０４は、コンバータ１０６に電気的に接続するためにシステムノード１００のピン２及びピン３に接続される。検知システム１０８のピンＥは、システムノード１００のピン２（Ｂｕｓ＋）に接続され、検知システム１０８のピンＦは、システムノード１００のピン３（Ｂｕｓ−）に接続される。検知システム１０８のピンＧは、システムノード１００のピン２（Ｂａｔ＋）に接続される。
【００３０】
処理システム１１２は、検知システム１０８からの信号を受信する入力接続部と、システムノード１００のピン５に対する通信バス接続部と、を有する。処理システム１１２は、駆動システム１１４に対する出力接続部も有する。駆動システム１１４は、処理システム１１２からの入力接続部と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に対する出力接続部と、を有する。
【００３１】
図２は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの典型的な制御回路を詳細に示す。ノード１００は、制御回路１０２と、セル１０４と、を有する。制御回路１０２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６と、検知及び測定システム１０８と、温度センサ１１０と、処理及び通信システム１１２と、駆動信号生成及び保護システム１１４と、を有する。
【００３２】
典型的な検知及び通信システム１０８は、検知、駆動及び信号調整モジュール２２０を有し、検知、駆動及び信号調整モジュール２２０は、電流センサ１６０の出力部ＣＳ１及びＣＳ２に対する電気的な接続部、温度センサ１１０に対する電気的な接続部、ピン１（Ｂｕｓ＋）に対する電気的な接続部、ピン２（Ｂａｔ＋）に対する電気的な接続部及びピン３（Ｂｕｓ−）に対する電気的な接続部を有する。検知、駆動及び信号調整モジュール２２０は、電流測定モジュール２２１、温度測定モジュール２２２及び電圧測定モジュール２２３において所定の時間に亘って測定した電流信号、温度信号及び電圧入力信号を作成し及び調整する。検知及び測定システム１０８は、測定された値を処理及び通信システム１１２に送信する。
【００３３】
処理及び通信システム１１２は、アナログ−デジタルコンバータ、処理システム及びデジタル記憶部を有するモジュール２１７を有する。アナログ−デジタルコンバータは、検知システム１０８からの電流、温度及び電圧のアナログ測定値を対応するデジタル値に変換する。処理システムは、システムメモリに含まれる命令により電流データ、温度データ及び電圧データを記憶して相互に関連付けを行い、デジタル−アナログコンバータ２１５及びコマンド信号総和モジュール２１４を通じて駆動信号生成及び保護システム１１４に送信される命令を生成するために充電／放電アルゴリズムを処理する。モジュール２１７は、送信器２１３にもエンコーダモジュール２１６を通じてデータを送信する。送信器２１３は、２線通信モジュール２１２にデータを送信し、２線通信モジュール２１２は、データを送信し、監視用コントローラからのデータ及び命令を受信する。２線通信モジュール２１２は、入力データ及び命令を受信モジュール２１１に送信し、受信モジュール２１１は、デコーダモジュール２１０に送信するデータ及び命令を作成する。デコーダモジュール２１０は、受信データを解釈し、コマンド信号総和モジュール２１４を通じて処理モジュール２１７及び駆動システム１１４に情報を送り出すことができる。
【００３４】
駆動システム１１４は、処理システム１１２からの信号が入力される電流モード制御モジュール１９３と、システム起動中に制御信号を提供するソフトスタートモジュール１９２と、通常動作中に基準駆動信号(baseline drive signal)を生成するランプ生成器モジュール(ramp generator module)１９１と、を有する。電流モード制御モジュール１９３は、入力信号を処理し、充電動作と放電動作の両方のためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３５】
駆動システム１１４は、電流制限シャットダウンモジュール１９４も有し、電流制限シャットダウンモジュール１９４は、システム電流レベルがＤＣ−ＤＣコンバータ１０６又はセル１０４の素子の安全動作範囲を超えるときにシステム動作を管理するためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３６】
駆動システム１１４は、駆動不足電圧ロックアウトモジュール(drive under-voltage lockout module)１９５も有し、駆動不足電圧ロックアウトモジュール１９５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６又はセル１０４の電圧レベルが安全かつ十分な動作に必要なレベルより下に降下するときにシステム動作を管理するためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３７】
駆動システム１１４は、発振器及び抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路モジュール１９０も有し、発振器及びＲＣ回路モジュール１９０は、ドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６にクロック信号を供給する。駆動システム１１４のドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６のスイッチング装置に制御信号を供給する。
【００３８】
充電アルゴリズム及び放電アルゴリズムの典型的な処理は、例えば、セル動作情報が予め設けられたルックアップテーブルの探索と、探索した情報に基づいて行われる決定と、を含む。典型的な決定アルゴリズムは、例えば、検査セルの寿命サイクルに亘る時間の関数としての異なる充電条件及び放電条件の下でのセル動作の試行錯誤による検査(trial-and-error testing)に基づく。換言すれば、試行錯誤による検査の制御された条件の下で、現在の状態に依存する所定のタイプのセルの変化する電圧及び／又は電流特性のセル動作に対する影響は、表形式にされている。アルゴリズムは、所望の特性を得るためにそのようなセルの電圧及び／又は電流特性を（ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を通じて）変更するようコード化される。例えば、処理システム１１２が、（検知システム１０８からの測定を通じて決定(assess)される）特定のセル１０４の現在の放電速度が２ヶ月の非常に短いセルの寿命を示唆していると判断する場合、アルゴリズムはルックアップテーブルを探索し、セル１０４の計算された寿命の不足分並びに現在の電流動作特性及び電圧動作特性に基づいて、当該セル１０４のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に対して適切な補正を行う。
【００３９】
一実施の形態によれば、処理システム１１２の処理は、ソフトウェア処理命令のシーケンスを実行する一つ以上の中央プロセッサ及び任意の適切なデータベース（例えば、ローカルデータベース又はリモートデータベース）の一つ以上のメモリ又は記憶装置との適切なやり取りによって実行される。処理命令及びルックアップテーブルは、メモリカード、フラッシュメモリ、磁気ディスク若しくは光ディスク、ＣＤ若しくはＤＶＤ、又は他の任意のメモリチップ若しくはメモリカートリッジ等の任意の適切なコンピュータ読取可能記憶媒体から探索される。他の実施の形態において、有線回路を、ここで説明する典型的な方法を実現するためにソフトウェア命令の代わりに又はそれと組み合わせて用いる。したがって、本実施の形態は、ハードウェア回路及びソフトウェアの任意の特定の組合せに限定されるものではない。一つのコンピュータシステム又は任意の適切な通信リンクによって互いに動作する複数のコンピュータシステムに配置された一つ以上の通常のプロセッサのような任意の適切な処理システムを用いることによってここで開示した処理を実行できることを理解すべきである。
【００４０】
図３は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のノード及び制御回路の直列配列を示す。典型的なマルチセルエネルギー蓄積パックは、複数のノード１００を有し、各ノード１００は、制御回路１０２及びセル１０４を有する。各セル１０４は、複数の制御回路１０２の対応するものに電気的に接続される。直列配列接続において、複数の制御回路１０２は、一つの制御回路１０２の正電圧バス端子が次の制御回路１０２の負電圧バス端子に接続されるように直列接続される。そのような直列形態によって、個別のノードによって生成した個別の出力電圧の和にほぼ等しい高い全体出力電圧を可能にする。
【００４１】
直列接続された複数の回路１０２の各々の処理システム１１２は、電圧データ、電流データ及び温度データを中央処理システム３００（ＣＰＳ）及びデータリポジトリ(data repository)４００（ＤＢ）に送信する。また、各処理システム１１２は、マルチセル蓄積パックの他のセル１０４の動作に応じてマルチセル蓄積パックの全体に亘る動作を向上させるために各回路のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を制御するようＣＰＳ３００からの定期的な命令を受信する。このようにして、全体に亘るシステム特性は、所望の電圧及び電流出力を全体に亘って取得するために向上され及び制御される。また、個別のセル１０４の寿命は、パッケージのセルの全ての寿命を均一化するために制御される。セル１０４は、他のセルより著しく速く使用可能な寿命の終わりに到達しない。個別のセル１０４は、セルの寿命及びエネルギー蓄積パックに対するエネルギー供給(energy contribution)を最大にするために制御される。
【００４２】
図４は、一実施の形態によるマルチセル１０４のエネルギー蓄積パックの複数の並列のノード１００及び制御回路１０２の並列配置を示す。並列形態によって、個別のノードによって生成した個別の出力電圧の和にほぼ等しい出力電圧での高い電流容量を可能にする。
【００４３】
所望の機能を達成しながらのコンデンサに対するインダクタの適切な置換（及びその逆）、電圧に対する電流の置換並びに並列形態に対する直列形態の置換は、ここに示す教示を考慮すると本開示の範囲内とみなされる。
【００４４】
一実施の形態によれば、複数のノードは、同一又は異なる長さの他の直列配列と並列な任意の長さの直列配列で構成される。
【００４５】
一実施の形態によれば、複数のノードは、個別のエネルギー蓄積装置の均一化された集合を用いるエネルギー蓄積システムで用いられる。例えば、並列に動作する一連の直列配列は、電気化学電池セル、超コンデンサ、フライホイール又は他の任意のエネルギー蓄積装置の任意の組合せに接続されたノードから構成される。本システム及び方法は、セル技術、化学及び／又は相対的な実行能力 (relative performance capability)に関係なくセル機能を最適にする。
【００４６】
図５は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【００４７】
典型的なＤＣ−ＤＣコンバータは、セル１０４の放電及び充電をそれぞれ行うためのステップアップ（ブースト）コンバータ及びステップダウン（バック）コンバータとして機能する。コンバータ回路１０６は、放電サイクル中にスイッチＺｄ７ １２８のデューティサイクルを変更するとともに充電サイクル中にスイッチＺｅ７ １２０のデューティサイクルを変更することによって、コンデンサＣ７ １５０の両端間の電圧として規定されるバス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整することができる。セル１０４からのエネルギーは、放電サイクル中に出力コンデンサＣ７ １５０に供給され、充電サイクル中にはその逆となる。本実施の形態によれば、エネルギー伝達及び記憶媒体(energy transfer and storage medium)はインダクタＬ７ １４０である。
【００４８】
ダイオードＤｅ７ １３８及びダイオードＤｄ７ １３６は、スイッチモードパルス幅変調（ＰＷＭ）動作中にスイッチＺｅ７ １２０及びＺｄ７ １２８がオフであるときにインダクタＬ７ １４０に対する電流の経路を提供する。充電電流及び放電電流は、検知システム、処理システム及び駆動システムによりセルの最適な充電プロファイル及び放電プロファイルに基づいて調整される。
【００４９】
放電モード中、スイッチＺｄ７ １２８がオンになり、インダクタＬ７ １４０を流れる電流が増大する際にエネルギーがセルから抽出される。インダクタＬ７ １４０の電流が予め決定された大きさに到達すると、スイッチＺｄ７ １２８がオフになる。インダクタＬ７ １４０を流れる電流は、電流をダイオードＤｄ７ １３６を通じて出力コンデンサＣ７ １５０に流すことができる新たな経路を確立する。
【００５０】
充電モード中、スイッチＺｅ７ １２０がオンになり、エネルギーがコンデンサＣ７ １５０から抽出され、エネルギーをインダクタＬ７ １４０を通じて（一つ以上の）セルに注入する。インダクタの電流が予め決定された大きさに到達すると、スイッチＺｅ７ １２０がオフになり、インダクタ電流は、電流をダイオードＤｅ７ １３８に流すことができる新たな経路を確立する。
【００５１】
したがって、典型的なノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し及び／又はセルからの入力電流を所望の出力電流に変換する機能及び能力を有する。
【００５２】
図６は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のＤＣ−ＤＣコンバータ及びセルの直列配列を示す。直列配列において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６の出力部は、電気モータを駆動し又はユーティリティグリッド(utility grid)に相互接続するインバータのような電力変換装置の入力部に電気的に直列接続される。各ノードは、測定された電流、測定された電圧、測定された温度及び定期的（例えば、周期的、継続的）に更新されてメモリに記憶されるそれ自体の過去の実績データ(historical performance data)に基づいてセル１０４の充電の現在の状態を推定することができる。一実施の形態によれば、各ノードは、所定の電池化学及び特性に対して最適回数の動作の寿命サイクルを得るようプログラムされる。例えば、各ノードは、各セルが所定の負荷に対してサイクル数に対する容量減衰の目標勾配（すなわち、所望の動作）にできるだけ近づくように動作する。目標勾配は、図７の典型的なライン３００によって表される実際のセルの性能検査又はシミュレートされた予測に基づくことができる。
【００５３】
再び図６を参照すると、負荷要求に基づいて、外部のインバータ２００は、配列に対する電流要求を設定し、個別のノードは、バス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整する。ＢＣＶは、各セル１０４の容量及び配列の終端又はインバータの内側に配置することができる中央処理システム３００（ＣＰＳ）によって命令される目標ＢＣＶに基づいて調整される。中央処理システム３００は、インバータの大抵の動作状態に対して一定のバス電圧を維持する。
【００５４】
セルを流れる電流は、全体として(in aggregate)直列配列に配置された負荷又は個別のセルに配置された負荷に依存する。ＣＰＳ３００は、ＢＣＶを制御することによって個別のセルに流れる電流を管理する。したがって、個別のセルを流れる電流は、配列を流れる電流とは独立に管理される。セルを流れる電流は、ＣＰＳ３００によって決定されるとともに当該ノードのＢＣＶに相関したセルの瞬時の電力処理能力に基づく。
【００５５】
ＣＰＳ３００は、図７の目標勾配に対する報告されたセル能力及び性能に基づいてノードごとにＢＣＶを決定する。目標ＢＣＶの総和は、所望のバス電圧ターゲットに等しい。ＢＣＶターゲットが更新される速度は、予め規定されたルックアップテーブルの使用のようなセルの劣化の推定及び性能特性に基づく。
【００５６】
典型的な放電サイクルにおいて、負荷が増大する場合、インバータ２００は、更に増大する電力要求に適合するためにインバータバスの更に多くの電流Ｉ１の抽出を開始する。配列上の増大する電流要求に適合するために、処理システムは、ＣＰＳ３００によって決定されたように新たな電流要求に適合するとともにノードのＢＣＶを維持するようブーストスイッチデューティサイクルを調整する。ブーストスイッチデューティサイクルの再調整（低減）は、インバータの負荷が減少するときに行われる。
【００５７】
典型的な充電サイクルにおいて、負荷の再生力(regenerative power)が増大する場合、インバータ２００は、生成された再生力の増大に適合するためにインバータバスに更に多くの電流Ｉ１を供給し始める。配列上の増大した電流再生に適合するために、処理システムは、ＣＰＳ３００によって決定されたように供給される新たな電流に適合するとともにノードのＢＣＶを維持するようバックスイッチデューティサイクルを調整する。バックスイッチデューティサイクルの再調整（低減）は、インバータによって供給された再生電力が減少するときに行われる。
【００５８】
セルが直列配列に有用なエネルギーを供給することができず、ＢＣＶが図５のダイオードＤｃ７ １３８及びダイオードＤｄ７ １３６の順バイアス電圧(forward bias voltage)より下になる場合、回路は、直列配列が配列のセルの残りにエネルギーを供給し続けるようにセルをバイパスすることができる。そのような状態において、ＣＰＳ３００は、配列の目標バス電圧に到達するために残りのノードのＢＣＶを再調整する。
【００５９】
ＣＰＳ３００は、熱暴走のような危険動作領域(unsafe operating regime)の前段階(precursor stage)を検出するためにセルの電圧、電流及び温度を決定する。この場合、ノードは、セルのあらゆる余計な充電若しくは放電を回避し又はＣＰＳ３００及びノードコントローラの適切な動作の決定に応じてインダクタを通じてセルに放電を行うことができるようにすることによって、起こりうる有害な状態を緩和することができる。
【００６０】
図７は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内のエネルギー蓄積セルのパフォーマンス関数のサイクル数に対するターゲットコンデンサの減衰を示す。ライン３００は、サイクル数に対する容量の目標勾配を示す。上述したように、目標勾配は、実際のセルの性能検査、シミュレーション又は他の予測法に基づくことができる。
【００６１】
図８は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。典型的なＤＣ−ＤＣコンバータ８００は第１のスイッチ１２０を有し、第１のスイッチ１２０は、第１の端子１２２と、第２の端子１２４と、第１の端子１２２と第２の端子１２４との間の電気的な接続を制御する制御端子１２６と、を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は第２のスイッチ１２８も有し、第２のスイッチ１２８は、第１の端子１３０と、第２の端子１３２と、第１の端子１３０と第２の端子１３２との間の電気的な接続を制御する制御端子１３４と、を有する。ダイオード１３６は、第２の端子１２４から第１の端子１２２に電流を流すために第１の端子１２２及び第２の端子１２４に接続され、ダイオード１３８は、第２の端子１３２から第１の端子１３０に電流を流すために第１の端子１３０及び第２の端子１３２に接続される。スイッチ１２０及びスイッチ１２８を、例えば、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。一実施の形態によれば、ダイオード１３６及びダイオード１３８を、例えば、複数のパワーＭＯＳＦＥＴに含まれるボディダイオード又はショットキーダイオードのような個別の素子とすることができる。
【００６２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、第１の端子１４２及び第２の端子１４４を有するインダクタ１４０も有する。インダクタ１４０の第１の端子１４２は、第１のスイッチ１２０の第２の端子１２４と第２のスイッチ１２８の第１の端子１３０の両方に電気的に接続される。インダクタ１４０の第２の端子１４４は、セル１０４の正セル端子２に接続可能である。インダクタの適切なインダクタンスは、特定の用途、回路の電圧及びＤＣ−ＤＣコンバータコントローラで実現されるようなスイッチング変調周波数(switch modulation frequency)に依存する。一実施の形態によれば、２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の公称変調周波数(nominal modulation frequency)に対して、１００ｎＨから３００ｎＨまでの範囲のインダクタンスが有利である。
【００６３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、第１の端子１５２及び第２の端子１５４を有するコンデンサ１５０も有する。コンデンサ１５０の第１の端子１５２は、第１のスイッチ１２０の第１の端子１２２と制御回路の正電圧バス端子１の両方に電気的に接続される。コンデンサ１５０の第２の端子１５４は、第２のスイッチ１２８の第２の端子１３２と制御回路の負電圧バス端子３の両方に電気的に接続される。負電圧バス端子３は、セル１０４の負端子に接続可能である。一実施の形態によれば、２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の公称変調周波数に対して、５μＦから１０μＦまでの範囲の容量が有利である。
【００６４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、インダクタ１４０を通じてセル１０４に流れる電流を測定する電流センサ１６０も有する。電流センサ１６０を、ホール効果センサのような任意の適切なセンサとすることができ、電流センサ１６０は、インダクタ１４０に近接して配置される。電流センサ１６０を、コンバータ回路１０６に適切に挿入された任意の回路、例えば、インダクタ１４０に直列なシャント抵抗又は任意の適切な電流検知回路とすることもできる。
【００６５】
インピーダンス、容量及びスイッチングの値を、特定の用途及び当面の(at hand)性能要求に応じて選択することができる。
【００６６】
図９は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図９の典型的な回路９００は、図８に示す回路と同様なものにスイッチ１７０を加えたものである。スイッチ１７０を、例えば、電気機械式リレー、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。セル１０４が危険又は異常な動作（例えば、過度の発熱）を示す場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路９００は、セル１０４をバイパスするように動作することができ、直列配列は、バイパスされたセル１０４にエネルギーを供給することなく機能し続けることができる。スイッチ１７０によって、バイパスされたセル１０４を電気的な回路から切り離すことができ、セル１０４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路９００を通じて放電しない。この追加された機能は、セルの安全な最適動作を確実にするのに有利である。そのような動作条件において、ＣＰＳは、配列の目標バス電圧に到達するよう残りのノードのＢＣＶを再調整する。
【００６７】
図１０は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図１０の典型的な回路１０００は、図８に示す回路と同様なものにスイッチ１８０を加えたものである。スイッチ１８０を、例えば、電気機械式リレー、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。セル１０４が危険又は異常な動作（例えば、過度の発熱）を示す場合、スイッチ１２０及びスイッチ１２８は、セル１０４を回路１０００から切り離すために開状態になり、それと同時に、セル１０４をバイパスするためにスイッチ１８０が閉状態になり、直列配列は、バイパスされたセル１０４にエネルギーを供給することなく機能し続けることができる。この追加された機能は、セルの安全な最適動作を確実にするのに有利である。そのような動作条件において、ＣＰＳは、配列の目標バス電圧に到達するよう残りのノードのＢＣＶを再調整する。また、スイッチ１８０によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０００の素子のいずれかが故障した場合にノードを電気的にバイパスすることができる。
【００６８】
図１１は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。図１１のＤＣ−ＤＣコンバータは、セル１１０６の放電用のステップダウン（バック）コンバータ及びセル１１０６の充電中のステップアップ（ブースト）コンバータとして機能する。
【００６９】
コンバータ回路は、放電サイクル中にスイッチＳ１ １１０３のデューティサイクルを変更するとともに充電サイクル中にスイッチＳ２ １１０５のデューティサイクルを変更することによって、コンデンサＣ１ １１００の両端間の電圧として規定されるバス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整することができる。セル１１０６からのエネルギーは、放電サイクル中に出力コンデンサＣ１ １１００に供給され、充電サイクル中にはその逆となる。本実施の形態によれば、エネルギー伝達及び蓄積媒体はインダクタＬ１ １１０１である。
【００７０】
ダイオードＤ１ １１０２及びダイオードＤ２ １１０４は、スイッチモードパルス幅変調（ＰＷＭ）動作中にスイッチＳ１ １１０３及びスイッチＳ２ １１０５がオフであるときにインダクタＬ１ １１０１に対する電流経路を設ける。充電電流及び放電電流は、検知システム、処理システム及び駆動システムによってセルの最適な充電プロファイル及び放電プロファイルに基づいて調整される。
【００７１】
放電モード中、スイッチＳ１ １１０３がオンになり、インダクタＬ１ １１０１を流れる電流が増大するとエネルギーがセル１１０６から抽出される。インダクタＬ１ １１０１の電流が予め設定された大きさに到達すると、スイッチＳ１ １１０３はオフになる。インダクタＬ１ １１０１を流れる電流は、ダイオードＤ２ １１０４を通じて出力コンデンサＣ１ １１００に流すことができる新たな経路を確立する。
【００７２】
充電モード中、スイッチＳ２ １１０５がオンになり、エネルギーが、直列配列で既に確立された電流とともにコンデンサＣ１ １１００から抽出され、これによって、インダクタＬ１ １１０１の電流が増大する。インダクタＬ１ １１０１の電流が予め設定された大きさに到達すると、スイッチＳ２ １１０５はオフになり、インダクタＬ１ １１０１を流れる電流は、ダイオードＤ１ １１０２及びセル１１０６を通じて流すことができる新たな経路を確立する。
【００７３】
したがって、典型的なノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し及び／又はセルからの入力電流を所望の出力電流に変換する機能及び能力を有する。
【００７４】
本開示の精神及び範囲を逸脱することなく典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを当業者によって構成できることを理解されたい。例えば、電気回路の双対性(duality)の原理に基づいて、コンデンサに対するインダクタの適切な置換（又はその逆）、電圧に対する電流の適切な置換及び並列形態に対する直列の置換により、所望の機能を得ながら典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの変形例を構成することができ、そのような変形例は、ここに示す教示を考慮すると本開示の範囲内とみなされる。
【００７５】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示した。ここに記載した実施の形態は、説明のためのものであり、開示の主題を制限するものと考えるべきではないことを理解すべきである。本発明の範囲又は精神を逸脱することのない種々の変形、使用、置換、組合せ、改善及び製造方法は、当業者に明らかである。
【技術分野】
【０００１】
発明の分野は、一般的にエネルギー蓄積ベースの電力システム(energy storage based power system)に関する。特に、本発明は、インテリジェントエネルギー蓄積パック(intelligent energy storage pack)を拡張可能に構成するシステム及び方法を対象にする。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーパック、すなわち、互いに結合した複数のエネルギー蓄積セルの配置は、装置のホストの電源として使用される。装置は、全ての電気自動車、ハイブリッド電気自動車、携帯用電子機器、軍事用途、医療機器、並びに住宅立地及び事業拠点におけるバックアップ電力システム及び分散型エネルギー蓄積システムの全てを含むことができる。基礎的な電気化学の進歩により、改良された性能特性を有する電池、例えば、リチウムイオン電池を生み出した。しかしながら、複数のエネルギー蓄積セルの構造及び性能特性を同一にすることを意図した場合でも、個別のセル間に相違がある。従来の製造においても、セルは、本質的に異なり、容量、寿命、充電／放電の速度及び他の相互に関連する特性においてばらつき(variation)を示す。例えば、個別のセルの集合を含むバッテリーパックは、新品のときにはセル間で２〜３％の蓄電容量の違いを示すことがあり、このようなばらつきは時間の経過に従って（例えば、バッテリーパックが古くなって充電及び放電を繰り返し行うに従って）増大する。従来のバッテリーパックの個別のセルが直列配列(series string)を形成するために電気的に直列に接続されるので、バッテリーパックの全体の性能は、配列中の最も弱くなったセルの性能によって劣化するおそれがある。例えば、従来のパック構成を用いた場合、セルの直列配列において、使用中に放電を開始する最初のセルが他のセルの放電を小さくするように制限するおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の提案は、上述した問題に注意を向けるとともに、充電の平衡を保つことによって、すなわち、セル電圧又は充電の状態を均等にすることを目的とした電子回路を設けることによってバッテリーパックの性能を向上させることを試みていた。そのような充電平衡システムは、バッテリーパックの各セル又はセルのグループごとに存在する電気スイッチ及び他の電気素子（抵抗、コンデンサ、インダクタ）を有する。そのようなシステムにおいて、過度の充電をシャントすることによってセルの充電電圧を均等に調整するように抵抗をバッテリセルに並列に断続的に接続することができる。他のシステムにおいて、コンデンサ又はインダクタをセルに並列に断続的に接続し、充電を比較的高い電圧のセルから比較的低い電圧のセルに移すことができる。このようにして、セル間の性能のばらつきを部分的に管理し、バッテリーパックのセルは、所望の電圧又は充電状態に収束する。
【０００４】
従来のスイッチド抵抗バッテリ管理システムアーキテクチャ、スイッチドキャパシタバッテリ管理システムアーキテクチャ及びスイッチドインダクタバッテリ管理システムアーキテクチャは、マルチセルパックのセル間の性能のばらつきの問題に対して部分的な解決しか提供しない。これらのバッテリ管理システムは、セル容量、寿命、充電／放電の最大速度及びマルチセルパックの他の特性のばらつきに適合するのに限られた能力しか有さない。さらに、従来のバッテリ管理システムは、使用性能を補償するもののバッテリーパックのセルの使用可能な寿命が実際には減少するおそれがある。その結果、従来のバッテリーパックにおいて、有用な寿命が減少し、典型的には、有用な寿命がパックの最も弱いセルによって制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示する。一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシー(load policy)に従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧(bus contribution voltage)に変換する。
【０００６】
素子の実装及び組合せの種々の新規な詳細を含む上記及び他の好適な形態を、添付図面を参照しながら更に詳しく説明し、特許請求の範囲で指摘する。ここで説明する特定の方法及び回路は、単なる実例として示したものであり、制限のために示したものではない。当業者によって理解できるように、ここで説明した原理及び特徴を、発明の範囲を逸脱することなく種々の多数の実施の形態で用いることができる。
【０００７】
この出願は、２００９年３月２日に出願した「インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法」(SYSTEMS AND METHODS FOR SCALABLE CONFIGURATIONS OF INTELLIGENT ENERGY STORAGE PACKS)の表題の米国仮出願第６１／２０２，４６０号の利益及び優先権を主張し、これは参照よりここに組み込まれる。
【０００８】
本明細書の一部として含まれる添付図面は、上述した一般的な説明及び本発明の原理を説明し及び教示する役割を果たす後述する好適な実施の形態の詳細な説明とともに好適な実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの制御回路及びエネルギー蓄積セルを有するノードの典型的なレイアウトを示す。
【図２】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの典型的な制御回路を示す。
【図３】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数ノードの直列配列を示す。
【図４】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数ノードの並列配列を示す。
【図５】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【図６】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のＤＣ−ＤＣコンバータ及びセルの直列配列を示す。
【図７】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内のエネルギー蓄積セルのパフォーマンス関数のサイクル数に対するターゲットコンデンサの減衰を示す。
【図８】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図９】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図１０】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。
【図１１】一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示する。一実施の形態によれば、方法は、第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流を測定し、第１のコンバータ回路は、第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御する。第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧を測定する。第１の制御信号を受信し、第１の制御信号は、ロードポリシーに従って決定される。第１のコンバータ回路は、第１の制御信号に従って第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバスコントリビューション電圧に変換する。
【００１１】
本システム及び方法は、マルチセルエネルギー蓄積パックの個別のエネルギー蓄積装置（ここでは一般的に「セル」と称する。）に関連した性能のばらつきに対処する。ここで説明する典型的なエネルギー蓄積装置は、例えば、電気化学セル、超コンデンサ、磁気エネルギー蓄積装置、フライホイール及び関連の電気変換回路、並びに電気エネルギーを蓄積する他の装置を含む。
【００１２】
本システム及び方法は、各セルをエネルギー蓄積パックの他のセルから電気的に緩衝する(electrically buffering)ことによってセル間のばらつきに適応する。換言すれば、エネルギー蓄積パックの各セルは、負荷の電力要求を満たしながら各セルにおける充電及び放電に関する管理を十分かつ独立して行うことができる。
【００１３】
本システム及び方法は、個別のセルだけでなくセルのグループを緩衝するためにも適用される。換言すれば、マルチセルは、直列及び／又は並列の組合せにグループ分けされ、当該グループは、他のセル及び／又はセルグループから十分かつ独立して管理される。
【００１４】
さらに、本システム及び方法は、個別のセル性能を落とすことなく緩衝セル(buffered cell)を直列配列で配置することができる。高電圧の長い直列配列は、自動車のソリューション及びグリッドインタラクティブ(grid-interactive)のソリューションを有するもののように大抵の高電力アプリケーションに望ましい。短い直列配列は、自動車電子装置（例えば、ラップトップコンピュータ）のような他の多数の低電力アプリケーションに望ましい。そのような全ての直列配列において、本システム及び方法によって、各セルに注入され及び各セルから抽出される電力を、充電を放出し及び受け入れるセルの独自の能力に基づいて最適化することができる。
【００１５】
本システム及び方法は、パック寿命の延長及び目標とする性能レベルに到達するために少数のセルを用いることによるパックサイズの減少を含む向上した性能特性の組合せを可能にする。その理由は、各セルが最適に用いられるからである。本システム及び方法は、蓄積セル間のばらつきに対する大きな許容誤差も有し、従来のパックに必要なセルよりも厳しくない誤差で製造される廉価なセルを使用することができる。同様に、ばらつきに対するこのように大きな許容誤差によって、製造されるセルの多くを使用することができる（すなわち、外れ値のパフォーマー(outlier performer)を廃棄せずに用いることができる。）。本システム及び方法によって、セルレベル監視、故障検出及び故障セルの電気的な分離を通じた向上した安全性及び信頼性も可能にする。
【００１６】
本システム及び方法は、安定した一定の出力電圧を生成する緩衝セルの長い直列配列−出力電圧が典型的には負荷の要求に応じて変動するとともにエネルギー蓄積セルの充電状態に依存する従来のエネルギー蓄積パックとは著しく異なる所望の能力を可能にもする。
【００１７】
一実施の形態において、本システム及び方法は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを各セルと他のセルとの間に配置することによって各セルに対する他のセルからの衝撃を和らげる。ＤＣ−ＤＣコンバータそれ自体を、高い合計電圧(high aggregate voltage)に到達するために長い直列配列で配置することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、対応するＤＣ−ＤＣコンバータの出力部の電圧及び電流と異なるようにセルの電圧及び電流を設定することができる。出力部に対する入力部の差によって、上述した電気的な緩衝及び各セルに対する電力の注入及び抽出の最適化を可能にする。
【００１８】
本システム及び方法によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電気的に緩衝されたセルに対する接続部間のあらゆるインピーダンス差を電気的に補償することができる。従来のバッテリーパックにおいて、セルに対する電気的な接続部間のインピーダンス差によって性能が阻害されている。この問題は、電気化学セルの温度感度によって悪化し、一様なインピーダンスの信頼性のある電気的な接続部を構成するための溶接及びはんだ付けの使用を制限する。これらのインピーダンス差を補償する能力に加えて、本システムのＤＣ−ＤＣコンバータは、電気化学セルよりも強固であり、容易に溶接又ははんだ付けすることができる電気的なタブを有する。
【００１９】
本システム及び方法によれば、システムの熱損失を最小に維持しながら高い合計電圧出力が得られる。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電源電圧を更に高い又は更に低い出力電圧に変換する。システムのエネルギー損失及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路の発熱は、典型的には全てのＤＣ−ＤＣコンバータ設計の固有の特性である入力電圧と出力電圧との間の差に比例する。例えば、入力電圧と出力電圧との間の増加率が大きくなると、典型的にはエネルギー損失が大きくなる。本システム及び方法において、そのようなエネルギー損失は、入力電圧と出力電圧との間の差を最小にすることによって最小になる。ＤＣ−ＤＣコンバータを直列配列で配置することによって、各ＤＣ−ＤＣコンバータが配列に対して比較的低い電圧を供給(contribute)しながら高い合計出力電圧が得られる。
【００２０】
さらに、そのような形態において、各ＤＣ−ＤＣコンバータが比較的低い電圧で動作するので、本システムのＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、比較的廉価な素子から構成される。例えば、低電圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、比較的廉価なＭＯＳＦＥＴスイッチによって構成され、それに対し、高電圧で動作する同様なＤＣ−ＤＣコンバータは、比較的高価な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチによって最適に構成される。
【００２１】
一実施の形態によれば、各々が自身の蓄積セルに接続された複数の制御回路を、高電圧源としてマルチセル蓄積パックを設けるために直列配列で接続することができ、各制御回路及び対応するエネルギー蓄積セルは、直列配列の「ノード」となる。
【００２２】
一実施の形態によれば、そのような複数の直列配列を、更に大きな電力処理及びエネルギー容量を有するマルチセル蓄積パックを設けるために並列に接続することができる。各制御回路の処理回路は、各エネルギー蓄積セルの全体に亘る性能及び寿命を上げながらマルチセル蓄積パックの各ノードに特定の出力電圧を供給するために監視用コントローラとやり取りを行うことができる。
【００２３】
本システム及び方法を、集中監視用コントローラにより、又は、分散処理システムで実現される監視用コントローラの機能により実現することができる。一実施の形態によれば、そのような分散処理システムは、マルチノードエネルギー蓄積パックのノードの制御回路のソフトウェアとして組み込まれる。
【００２４】
一実施の形態によれば、エネルギー蓄積制御システムは、電気的なエネルギーを蓄積し及び供給するために互いに電気的に接続した複数のノードを含む。ノードを直列及び／又は並列に接続することができる。中央処理システムは、複数の電気的なノードとやり取りを行い、複数の電気的なノードを制御する。各ノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し又はセルからの入力電流を所望の入力電流に変換することによって対応するエネルギー蓄積セルを制御する電気的なコンバータ回路を有する。一実施の形態によれば、各ノードは、電気的なコンバータ回路に接続可能なエネルギー蓄積セルの電気的な特性を検知する検知システムと、検知システムからの情報を用いて対応するエネルギー蓄積セルの電気的なコンバータ回路を制御する処理システムと、処理システムからの情報を用いて電気的なコンバータ回路を駆動する駆動システムと、を有する。中央処理システムは、個別のノードの動作特性に基づいて全体に亘るシステム性能を向上させるために各ノードの処理システムとやり取りを行うとともに各ノードの処理システムに指示を行う。
【００２５】
本システム及び方法は、（例えば、電気自動車若しくはハイブリッド自動車の）推進駆動用のシステム又はオングリッド若しくはオフグリッド固定電力システム(on-grid or off-grid stationary powering system)において更に有効なＤＣ／ＡＣ変換を促進することができる高電圧直列配列を有するエネルギー蓄積パックを提供する。高電圧用途に対して、直流から交流への変換は、高入力直流電圧において更に有効になる。例えば、ここで説明する典型的な実施の形態による高電圧エネルギー蓄積パックにおいて、典型的にはセルパックとＤＣ／ＡＣコンバータとの間で必要とされる中間ＤＣ／ＤＣアップコンバータを除外することができる。
【００２６】
以下の記載において、説明のために、ここで開示する種々の発明の概念を完全に理解するために具体的な術語体系(specific nomenclature)を説明する。しかしながら、ここで開示する種々の発明の概念を実現するためにこれらの具体的な詳細を必要としないことは当業者には明らかである。
【００２７】
図１は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの制御回路及びエネルギー蓄積セルを有するノードの典型的なレイアウトを示す。典型的なノード１００は、制御回路１０２と、（便宜上電気記号によって表す）エネルギー蓄積セル１０４と、を有する。ノード１００は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの「インテリジェント」電圧及び電流源として機能する。
【００２８】
典型的な制御回路１０２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を有し、その一例を以下で説明する。制御回路１０２は、検知システム１０８、温度センサ１１０、処理システム１１２及び駆動システム１１４も有する。検知システム１０８は、所定の時間に亘るセル温度、セル電流及び電圧特性、並びにノード電圧特性を監視し、当該情報を処理システム１１２に提供する。処理システム１１２は、監視された状態に依存するＤＣ−ＤＣコンバータを制御する方法に関する記憶情報に基づいて、検知システムからの情報を処理し、セル１０４の向上した特性を得るようコンバータ１０６を適切に制御するために情報を駆動システム１１４に出力する。
【００２９】
検知システム１０８のピンＡ及びピンＢは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に含まれる電流センサに接続される。検知システム１０８のピンＣ及びピンＤは、（例えば、セル１０４に装着された）温度センサ１１０に接続される。セル１０４は、コンバータ１０６に電気的に接続するためにシステムノード１００のピン２及びピン３に接続される。検知システム１０８のピンＥは、システムノード１００のピン２（Ｂｕｓ＋）に接続され、検知システム１０８のピンＦは、システムノード１００のピン３（Ｂｕｓ−）に接続される。検知システム１０８のピンＧは、システムノード１００のピン２（Ｂａｔ＋）に接続される。
【００３０】
処理システム１１２は、検知システム１０８からの信号を受信する入力接続部と、システムノード１００のピン５に対する通信バス接続部と、を有する。処理システム１１２は、駆動システム１１４に対する出力接続部も有する。駆動システム１１４は、処理システム１１２からの入力接続部と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に対する出力接続部と、を有する。
【００３１】
図２は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの典型的な制御回路を詳細に示す。ノード１００は、制御回路１０２と、セル１０４と、を有する。制御回路１０２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６と、検知及び測定システム１０８と、温度センサ１１０と、処理及び通信システム１１２と、駆動信号生成及び保護システム１１４と、を有する。
【００３２】
典型的な検知及び通信システム１０８は、検知、駆動及び信号調整モジュール２２０を有し、検知、駆動及び信号調整モジュール２２０は、電流センサ１６０の出力部ＣＳ１及びＣＳ２に対する電気的な接続部、温度センサ１１０に対する電気的な接続部、ピン１（Ｂｕｓ＋）に対する電気的な接続部、ピン２（Ｂａｔ＋）に対する電気的な接続部及びピン３（Ｂｕｓ−）に対する電気的な接続部を有する。検知、駆動及び信号調整モジュール２２０は、電流測定モジュール２２１、温度測定モジュール２２２及び電圧測定モジュール２２３において所定の時間に亘って測定した電流信号、温度信号及び電圧入力信号を作成し及び調整する。検知及び測定システム１０８は、測定された値を処理及び通信システム１１２に送信する。
【００３３】
処理及び通信システム１１２は、アナログ−デジタルコンバータ、処理システム及びデジタル記憶部を有するモジュール２１７を有する。アナログ−デジタルコンバータは、検知システム１０８からの電流、温度及び電圧のアナログ測定値を対応するデジタル値に変換する。処理システムは、システムメモリに含まれる命令により電流データ、温度データ及び電圧データを記憶して相互に関連付けを行い、デジタル−アナログコンバータ２１５及びコマンド信号総和モジュール２１４を通じて駆動信号生成及び保護システム１１４に送信される命令を生成するために充電／放電アルゴリズムを処理する。モジュール２１７は、送信器２１３にもエンコーダモジュール２１６を通じてデータを送信する。送信器２１３は、２線通信モジュール２１２にデータを送信し、２線通信モジュール２１２は、データを送信し、監視用コントローラからのデータ及び命令を受信する。２線通信モジュール２１２は、入力データ及び命令を受信モジュール２１１に送信し、受信モジュール２１１は、デコーダモジュール２１０に送信するデータ及び命令を作成する。デコーダモジュール２１０は、受信データを解釈し、コマンド信号総和モジュール２１４を通じて処理モジュール２１７及び駆動システム１１４に情報を送り出すことができる。
【００３４】
駆動システム１１４は、処理システム１１２からの信号が入力される電流モード制御モジュール１９３と、システム起動中に制御信号を提供するソフトスタートモジュール１９２と、通常動作中に基準駆動信号(baseline drive signal)を生成するランプ生成器モジュール(ramp generator module)１９１と、を有する。電流モード制御モジュール１９３は、入力信号を処理し、充電動作と放電動作の両方のためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３５】
駆動システム１１４は、電流制限シャットダウンモジュール１９４も有し、電流制限シャットダウンモジュール１９４は、システム電流レベルがＤＣ−ＤＣコンバータ１０６又はセル１０４の素子の安全動作範囲を超えるときにシステム動作を管理するためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３６】
駆動システム１１４は、駆動不足電圧ロックアウトモジュール(drive under-voltage lockout module)１９５も有し、駆動不足電圧ロックアウトモジュール１９５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６又はセル１０４の電圧レベルが安全かつ十分な動作に必要なレベルより下に降下するときにシステム動作を管理するためにドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６に制御信号を送信する。
【００３７】
駆動システム１１４は、発振器及び抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路モジュール１９０も有し、発振器及びＲＣ回路モジュール１９０は、ドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６にクロック信号を供給する。駆動システム１１４のドライバ電源、駆動回路及び保護モジュール１９６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６のスイッチング装置に制御信号を供給する。
【００３８】
充電アルゴリズム及び放電アルゴリズムの典型的な処理は、例えば、セル動作情報が予め設けられたルックアップテーブルの探索と、探索した情報に基づいて行われる決定と、を含む。典型的な決定アルゴリズムは、例えば、検査セルの寿命サイクルに亘る時間の関数としての異なる充電条件及び放電条件の下でのセル動作の試行錯誤による検査(trial-and-error testing)に基づく。換言すれば、試行錯誤による検査の制御された条件の下で、現在の状態に依存する所定のタイプのセルの変化する電圧及び／又は電流特性のセル動作に対する影響は、表形式にされている。アルゴリズムは、所望の特性を得るためにそのようなセルの電圧及び／又は電流特性を（ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を通じて）変更するようコード化される。例えば、処理システム１１２が、（検知システム１０８からの測定を通じて決定(assess)される）特定のセル１０４の現在の放電速度が２ヶ月の非常に短いセルの寿命を示唆していると判断する場合、アルゴリズムはルックアップテーブルを探索し、セル１０４の計算された寿命の不足分並びに現在の電流動作特性及び電圧動作特性に基づいて、当該セル１０４のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６に対して適切な補正を行う。
【００３９】
一実施の形態によれば、処理システム１１２の処理は、ソフトウェア処理命令のシーケンスを実行する一つ以上の中央プロセッサ及び任意の適切なデータベース（例えば、ローカルデータベース又はリモートデータベース）の一つ以上のメモリ又は記憶装置との適切なやり取りによって実行される。処理命令及びルックアップテーブルは、メモリカード、フラッシュメモリ、磁気ディスク若しくは光ディスク、ＣＤ若しくはＤＶＤ、又は他の任意のメモリチップ若しくはメモリカートリッジ等の任意の適切なコンピュータ読取可能記憶媒体から探索される。他の実施の形態において、有線回路を、ここで説明する典型的な方法を実現するためにソフトウェア命令の代わりに又はそれと組み合わせて用いる。したがって、本実施の形態は、ハードウェア回路及びソフトウェアの任意の特定の組合せに限定されるものではない。一つのコンピュータシステム又は任意の適切な通信リンクによって互いに動作する複数のコンピュータシステムに配置された一つ以上の通常のプロセッサのような任意の適切な処理システムを用いることによってここで開示した処理を実行できることを理解すべきである。
【００４０】
図３は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のノード及び制御回路の直列配列を示す。典型的なマルチセルエネルギー蓄積パックは、複数のノード１００を有し、各ノード１００は、制御回路１０２及びセル１０４を有する。各セル１０４は、複数の制御回路１０２の対応するものに電気的に接続される。直列配列接続において、複数の制御回路１０２は、一つの制御回路１０２の正電圧バス端子が次の制御回路１０２の負電圧バス端子に接続されるように直列接続される。そのような直列形態によって、個別のノードによって生成した個別の出力電圧の和にほぼ等しい高い全体出力電圧を可能にする。
【００４１】
直列接続された複数の回路１０２の各々の処理システム１１２は、電圧データ、電流データ及び温度データを中央処理システム３００（ＣＰＳ）及びデータリポジトリ(data repository)４００（ＤＢ）に送信する。また、各処理システム１１２は、マルチセル蓄積パックの他のセル１０４の動作に応じてマルチセル蓄積パックの全体に亘る動作を向上させるために各回路のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を制御するようＣＰＳ３００からの定期的な命令を受信する。このようにして、全体に亘るシステム特性は、所望の電圧及び電流出力を全体に亘って取得するために向上され及び制御される。また、個別のセル１０４の寿命は、パッケージのセルの全ての寿命を均一化するために制御される。セル１０４は、他のセルより著しく速く使用可能な寿命の終わりに到達しない。個別のセル１０４は、セルの寿命及びエネルギー蓄積パックに対するエネルギー供給(energy contribution)を最大にするために制御される。
【００４２】
図４は、一実施の形態によるマルチセル１０４のエネルギー蓄積パックの複数の並列のノード１００及び制御回路１０２の並列配置を示す。並列形態によって、個別のノードによって生成した個別の出力電圧の和にほぼ等しい出力電圧での高い電流容量を可能にする。
【００４３】
所望の機能を達成しながらのコンデンサに対するインダクタの適切な置換（及びその逆）、電圧に対する電流の置換並びに並列形態に対する直列形態の置換は、ここに示す教示を考慮すると本開示の範囲内とみなされる。
【００４４】
一実施の形態によれば、複数のノードは、同一又は異なる長さの他の直列配列と並列な任意の長さの直列配列で構成される。
【００４５】
一実施の形態によれば、複数のノードは、個別のエネルギー蓄積装置の均一化された集合を用いるエネルギー蓄積システムで用いられる。例えば、並列に動作する一連の直列配列は、電気化学電池セル、超コンデンサ、フライホイール又は他の任意のエネルギー蓄積装置の任意の組合せに接続されたノードから構成される。本システム及び方法は、セル技術、化学及び／又は相対的な実行能力 (relative performance capability)に関係なくセル機能を最適にする。
【００４６】
図５は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックで使用される典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。
【００４７】
典型的なＤＣ−ＤＣコンバータは、セル１０４の放電及び充電をそれぞれ行うためのステップアップ（ブースト）コンバータ及びステップダウン（バック）コンバータとして機能する。コンバータ回路１０６は、放電サイクル中にスイッチＺｄ７ １２８のデューティサイクルを変更するとともに充電サイクル中にスイッチＺｅ７ １２０のデューティサイクルを変更することによって、コンデンサＣ７ １５０の両端間の電圧として規定されるバス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整することができる。セル１０４からのエネルギーは、放電サイクル中に出力コンデンサＣ７ １５０に供給され、充電サイクル中にはその逆となる。本実施の形態によれば、エネルギー伝達及び記憶媒体(energy transfer and storage medium)はインダクタＬ７ １４０である。
【００４８】
ダイオードＤｅ７ １３８及びダイオードＤｄ７ １３６は、スイッチモードパルス幅変調（ＰＷＭ）動作中にスイッチＺｅ７ １２０及びＺｄ７ １２８がオフであるときにインダクタＬ７ １４０に対する電流の経路を提供する。充電電流及び放電電流は、検知システム、処理システム及び駆動システムによりセルの最適な充電プロファイル及び放電プロファイルに基づいて調整される。
【００４９】
放電モード中、スイッチＺｄ７ １２８がオンになり、インダクタＬ７ １４０を流れる電流が増大する際にエネルギーがセルから抽出される。インダクタＬ７ １４０の電流が予め決定された大きさに到達すると、スイッチＺｄ７ １２８がオフになる。インダクタＬ７ １４０を流れる電流は、電流をダイオードＤｄ７ １３６を通じて出力コンデンサＣ７ １５０に流すことができる新たな経路を確立する。
【００５０】
充電モード中、スイッチＺｅ７ １２０がオンになり、エネルギーがコンデンサＣ７ １５０から抽出され、エネルギーをインダクタＬ７ １４０を通じて（一つ以上の）セルに注入する。インダクタの電流が予め決定された大きさに到達すると、スイッチＺｅ７ １２０がオフになり、インダクタ電流は、電流をダイオードＤｅ７ １３８に流すことができる新たな経路を確立する。
【００５１】
したがって、典型的なノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し及び／又はセルからの入力電流を所望の出力電流に変換する機能及び能力を有する。
【００５２】
図６は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パックの複数のＤＣ−ＤＣコンバータ及びセルの直列配列を示す。直列配列において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０６の出力部は、電気モータを駆動し又はユーティリティグリッド(utility grid)に相互接続するインバータのような電力変換装置の入力部に電気的に直列接続される。各ノードは、測定された電流、測定された電圧、測定された温度及び定期的（例えば、周期的、継続的）に更新されてメモリに記憶されるそれ自体の過去の実績データ(historical performance data)に基づいてセル１０４の充電の現在の状態を推定することができる。一実施の形態によれば、各ノードは、所定の電池化学及び特性に対して最適回数の動作の寿命サイクルを得るようプログラムされる。例えば、各ノードは、各セルが所定の負荷に対してサイクル数に対する容量減衰の目標勾配（すなわち、所望の動作）にできるだけ近づくように動作する。目標勾配は、図７の典型的なライン３００によって表される実際のセルの性能検査又はシミュレートされた予測に基づくことができる。
【００５３】
再び図６を参照すると、負荷要求に基づいて、外部のインバータ２００は、配列に対する電流要求を設定し、個別のノードは、バス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整する。ＢＣＶは、各セル１０４の容量及び配列の終端又はインバータの内側に配置することができる中央処理システム３００（ＣＰＳ）によって命令される目標ＢＣＶに基づいて調整される。中央処理システム３００は、インバータの大抵の動作状態に対して一定のバス電圧を維持する。
【００５４】
セルを流れる電流は、全体として(in aggregate)直列配列に配置された負荷又は個別のセルに配置された負荷に依存する。ＣＰＳ３００は、ＢＣＶを制御することによって個別のセルに流れる電流を管理する。したがって、個別のセルを流れる電流は、配列を流れる電流とは独立に管理される。セルを流れる電流は、ＣＰＳ３００によって決定されるとともに当該ノードのＢＣＶに相関したセルの瞬時の電力処理能力に基づく。
【００５５】
ＣＰＳ３００は、図７の目標勾配に対する報告されたセル能力及び性能に基づいてノードごとにＢＣＶを決定する。目標ＢＣＶの総和は、所望のバス電圧ターゲットに等しい。ＢＣＶターゲットが更新される速度は、予め規定されたルックアップテーブルの使用のようなセルの劣化の推定及び性能特性に基づく。
【００５６】
典型的な放電サイクルにおいて、負荷が増大する場合、インバータ２００は、更に増大する電力要求に適合するためにインバータバスの更に多くの電流Ｉ１の抽出を開始する。配列上の増大する電流要求に適合するために、処理システムは、ＣＰＳ３００によって決定されたように新たな電流要求に適合するとともにノードのＢＣＶを維持するようブーストスイッチデューティサイクルを調整する。ブーストスイッチデューティサイクルの再調整（低減）は、インバータの負荷が減少するときに行われる。
【００５７】
典型的な充電サイクルにおいて、負荷の再生力(regenerative power)が増大する場合、インバータ２００は、生成された再生力の増大に適合するためにインバータバスに更に多くの電流Ｉ１を供給し始める。配列上の増大した電流再生に適合するために、処理システムは、ＣＰＳ３００によって決定されたように供給される新たな電流に適合するとともにノードのＢＣＶを維持するようバックスイッチデューティサイクルを調整する。バックスイッチデューティサイクルの再調整（低減）は、インバータによって供給された再生電力が減少するときに行われる。
【００５８】
セルが直列配列に有用なエネルギーを供給することができず、ＢＣＶが図５のダイオードＤｃ７ １３８及びダイオードＤｄ７ １３６の順バイアス電圧(forward bias voltage)より下になる場合、回路は、直列配列が配列のセルの残りにエネルギーを供給し続けるようにセルをバイパスすることができる。そのような状態において、ＣＰＳ３００は、配列の目標バス電圧に到達するために残りのノードのＢＣＶを再調整する。
【００５９】
ＣＰＳ３００は、熱暴走のような危険動作領域(unsafe operating regime)の前段階(precursor stage)を検出するためにセルの電圧、電流及び温度を決定する。この場合、ノードは、セルのあらゆる余計な充電若しくは放電を回避し又はＣＰＳ３００及びノードコントローラの適切な動作の決定に応じてインダクタを通じてセルに放電を行うことができるようにすることによって、起こりうる有害な状態を緩和することができる。
【００６０】
図７は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内のエネルギー蓄積セルのパフォーマンス関数のサイクル数に対するターゲットコンデンサの減衰を示す。ライン３００は、サイクル数に対する容量の目標勾配を示す。上述したように、目標勾配は、実際のセルの性能検査、シミュレーション又は他の予測法に基づくことができる。
【００６１】
図８は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。典型的なＤＣ−ＤＣコンバータ８００は第１のスイッチ１２０を有し、第１のスイッチ１２０は、第１の端子１２２と、第２の端子１２４と、第１の端子１２２と第２の端子１２４との間の電気的な接続を制御する制御端子１２６と、を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は第２のスイッチ１２８も有し、第２のスイッチ１２８は、第１の端子１３０と、第２の端子１３２と、第１の端子１３０と第２の端子１３２との間の電気的な接続を制御する制御端子１３４と、を有する。ダイオード１３６は、第２の端子１２４から第１の端子１２２に電流を流すために第１の端子１２２及び第２の端子１２４に接続され、ダイオード１３８は、第２の端子１３２から第１の端子１３０に電流を流すために第１の端子１３０及び第２の端子１３２に接続される。スイッチ１２０及びスイッチ１２８を、例えば、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。一実施の形態によれば、ダイオード１３６及びダイオード１３８を、例えば、複数のパワーＭＯＳＦＥＴに含まれるボディダイオード又はショットキーダイオードのような個別の素子とすることができる。
【００６２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、第１の端子１４２及び第２の端子１４４を有するインダクタ１４０も有する。インダクタ１４０の第１の端子１４２は、第１のスイッチ１２０の第２の端子１２４と第２のスイッチ１２８の第１の端子１３０の両方に電気的に接続される。インダクタ１４０の第２の端子１４４は、セル１０４の正セル端子２に接続可能である。インダクタの適切なインダクタンスは、特定の用途、回路の電圧及びＤＣ−ＤＣコンバータコントローラで実現されるようなスイッチング変調周波数(switch modulation frequency)に依存する。一実施の形態によれば、２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の公称変調周波数(nominal modulation frequency)に対して、１００ｎＨから３００ｎＨまでの範囲のインダクタンスが有利である。
【００６３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、第１の端子１５２及び第２の端子１５４を有するコンデンサ１５０も有する。コンデンサ１５０の第１の端子１５２は、第１のスイッチ１２０の第１の端子１２２と制御回路の正電圧バス端子１の両方に電気的に接続される。コンデンサ１５０の第２の端子１５４は、第２のスイッチ１２８の第２の端子１３２と制御回路の負電圧バス端子３の両方に電気的に接続される。負電圧バス端子３は、セル１０４の負端子に接続可能である。一実施の形態によれば、２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の公称変調周波数に対して、５μＦから１０μＦまでの範囲の容量が有利である。
【００６４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８００は、インダクタ１４０を通じてセル１０４に流れる電流を測定する電流センサ１６０も有する。電流センサ１６０を、ホール効果センサのような任意の適切なセンサとすることができ、電流センサ１６０は、インダクタ１４０に近接して配置される。電流センサ１６０を、コンバータ回路１０６に適切に挿入された任意の回路、例えば、インダクタ１４０に直列なシャント抵抗又は任意の適切な電流検知回路とすることもできる。
【００６５】
インピーダンス、容量及びスイッチングの値を、特定の用途及び当面の(at hand)性能要求に応じて選択することができる。
【００６６】
図９は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図９の典型的な回路９００は、図８に示す回路と同様なものにスイッチ１７０を加えたものである。スイッチ１７０を、例えば、電気機械式リレー、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。セル１０４が危険又は異常な動作（例えば、過度の発熱）を示す場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路９００は、セル１０４をバイパスするように動作することができ、直列配列は、バイパスされたセル１０４にエネルギーを供給することなく機能し続けることができる。スイッチ１７０によって、バイパスされたセル１０４を電気的な回路から切り離すことができ、セル１０４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路９００を通じて放電しない。この追加された機能は、セルの安全な最適動作を確実にするのに有利である。そのような動作条件において、ＣＰＳは、配列の目標バス電圧に到達するよう残りのノードのＢＣＶを再調整する。
【００６７】
図１０は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図１０の典型的な回路１０００は、図８に示す回路と同様なものにスイッチ１８０を加えたものである。スイッチ１８０を、例えば、電気機械式リレー、ＭＯＳ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）、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）又はＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）とすることができる。セル１０４が危険又は異常な動作（例えば、過度の発熱）を示す場合、スイッチ１２０及びスイッチ１２８は、セル１０４を回路１０００から切り離すために開状態になり、それと同時に、セル１０４をバイパスするためにスイッチ１８０が閉状態になり、直列配列は、バイパスされたセル１０４にエネルギーを供給することなく機能し続けることができる。この追加された機能は、セルの安全な最適動作を確実にするのに有利である。そのような動作条件において、ＣＰＳは、配列の目標バス電圧に到達するよう残りのノードのＢＣＶを再調整する。また、スイッチ１８０によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０００の素子のいずれかが故障した場合にノードを電気的にバイパスすることができる。
【００６８】
図１１は、一実施の形態によるマルチセルエネルギー蓄積パック内で用いられる典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。図１１のＤＣ−ＤＣコンバータは、セル１１０６の放電用のステップダウン（バック）コンバータ及びセル１１０６の充電中のステップアップ（ブースト）コンバータとして機能する。
【００６９】
コンバータ回路は、放電サイクル中にスイッチＳ１ １１０３のデューティサイクルを変更するとともに充電サイクル中にスイッチＳ２ １１０５のデューティサイクルを変更することによって、コンデンサＣ１ １１００の両端間の電圧として規定されるバス寄与電圧（ＢＣＶ）を調整することができる。セル１１０６からのエネルギーは、放電サイクル中に出力コンデンサＣ１ １１００に供給され、充電サイクル中にはその逆となる。本実施の形態によれば、エネルギー伝達及び蓄積媒体はインダクタＬ１ １１０１である。
【００７０】
ダイオードＤ１ １１０２及びダイオードＤ２ １１０４は、スイッチモードパルス幅変調（ＰＷＭ）動作中にスイッチＳ１ １１０３及びスイッチＳ２ １１０５がオフであるときにインダクタＬ１ １１０１に対する電流経路を設ける。充電電流及び放電電流は、検知システム、処理システム及び駆動システムによってセルの最適な充電プロファイル及び放電プロファイルに基づいて調整される。
【００７１】
放電モード中、スイッチＳ１ １１０３がオンになり、インダクタＬ１ １１０１を流れる電流が増大するとエネルギーがセル１１０６から抽出される。インダクタＬ１ １１０１の電流が予め設定された大きさに到達すると、スイッチＳ１ １１０３はオフになる。インダクタＬ１ １１０１を流れる電流は、ダイオードＤ２ １１０４を通じて出力コンデンサＣ１ １１００に流すことができる新たな経路を確立する。
【００７２】
充電モード中、スイッチＳ２ １１０５がオンになり、エネルギーが、直列配列で既に確立された電流とともにコンデンサＣ１ １１００から抽出され、これによって、インダクタＬ１ １１０１の電流が増大する。インダクタＬ１ １１０１の電流が予め設定された大きさに到達すると、スイッチＳ２ １１０５はオフになり、インダクタＬ１ １１０１を流れる電流は、ダイオードＤ１ １１０２及びセル１１０６を通じて流すことができる新たな経路を確立する。
【００７３】
したがって、典型的なノードは、セルからの入力電圧を所望の出力電圧に変換し及び／又はセルからの入力電流を所望の出力電流に変換する機能及び能力を有する。
【００７４】
本開示の精神及び範囲を逸脱することなく典型的なＤＣ−ＤＣコンバータを当業者によって構成できることを理解されたい。例えば、電気回路の双対性(duality)の原理に基づいて、コンデンサに対するインダクタの適切な置換（又はその逆）、電圧に対する電流の適切な置換及び並列形態に対する直列の置換により、所望の機能を得ながら典型的なＤＣ−ＤＣコンバータの変形例を構成することができ、そのような変形例は、ここに示す教示を考慮すると本開示の範囲内とみなされる。
【００７５】
インテリジェントエネルギー蓄積パックを拡張可能に構成するシステム及び方法を開示した。ここに記載した実施の形態は、説明のためのものであり、開示の主題を制限するものと考えるべきではないことを理解すべきである。本発明の範囲又は精神を逸脱することのない種々の変形、使用、置換、組合せ、改善及び製造方法は、当業者に明らかである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換する方法。
【請求項２】
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の制御回路及び第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１のエネルギー蓄積セルと、
前記第１のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第１のコンバータ回路を有する第１の制御回路と、を備え、前記第１の制御回路は、
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換する装置。
【請求項９】
前記第１の制御回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
第２のエネルギー蓄積セルと、
前記第２のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第２のコンバータ回路を有する第２の制御回路と、を更に備え、前記第２の制御回路は、
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の制御回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
データベースとのやり取り行う中央処理システムと、
前記中央処理システムとやり取りを行い、第１のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第１のコンバータ回路を有する第１の制御回路と、を備え、前記第１の制御回路は、
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換するシステム。
【請求項１６】
前記第１の制御回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記中央処理システムとやり取りを行い、第２のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第２のコンバータ回路を有する第１の制御回路を更に備え、前記第２の制御回路は、
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第２の制御回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１】
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換する方法。
【請求項２】
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の制御回路及び第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１のエネルギー蓄積セルと、
前記第１のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第１のコンバータ回路を有する第１の制御回路と、を備え、前記第１の制御回路は、
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換する装置。
【請求項９】
前記第１の制御回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
第２のエネルギー蓄積セルと、
前記第２のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第２のコンバータ回路を有する第２の制御回路と、を更に備え、前記第２の制御回路は、
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の制御回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
データベースとのやり取り行う中央処理システムと、
前記中央処理システムとやり取りを行い、第１のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第１のコンバータ回路を有する第１の制御回路と、を備え、前記第１の制御回路は、
第１のコンバータ回路に電気的に接続した第１のエネルギー蓄積セルの第１の電流測定を行い、前記第１のコンバータ回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の電圧測定を行い、
ロードポリシーに従って決定される第１の制御信号を受信し、前記第１のコンバータ回路は、前記第１の制御信号に従って前記第１のエネルギー蓄積セルからの第１の電圧を所望の第１のバス寄与電圧に変換するシステム。
【請求項１６】
前記第１の制御回路は、前記第１のエネルギー蓄積セルの第１の温度測定を更に行う請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ロードポリシーは、過去のエネルギー蓄積セル特性、エネルギー蓄積セル劣化特性、エネルギー蓄積セル性能特性、並びに所望のエネルギー蓄積セルの充電及び放電動作のうちの少なくとも一つを用いて規定される請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記中央処理システムとやり取りを行い、第２のエネルギー蓄積セルに電気的に接続され、第２のコンバータ回路を有する第１の制御回路を更に備え、前記第２の制御回路は、
第２のコンバータ回路に電気的に接続した第２のエネルギー蓄積セルの第２の電流測定を行い、前記第２のコンバータ回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの充電及び放電を制御し、
前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の電圧測定を行い、
前記ロードポリシーに従って決定される第２の制御信号を受信し、前記第２のコンバータ回路は、前記第２の制御信号に従って前記第２のエネルギー蓄積セルからの第２の電圧を所望の第２のバス寄与電圧に変換する請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第２の制御回路は、前記第２のエネルギー蓄積セルの第２の温度測定を更に行う請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、エネルギー蓄積パック内で互いに電気的に接続され、前記第１の制御回路及び前記第２の制御回路は、直列形態と並列形態のうちの一つで互いに電気的に接続され、前記第１のバス寄与電圧及び前記第２のバス寄与電圧は、前記エネルギー蓄積パックから一定の出力を提供するために調整される請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１のコンバータ回路は、ブースト−バックコンバータとバック−ブーストコンバータのうちの一方である請求項１５に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１２−５１９４６９（Ｐ２０１２−５１９４６９Ａ）
【公表日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５３０５６（Ｐ２０１１−５５３０５６）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２５９７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０１９６０
【国際公開日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５１１２１４６７９）エレメント エナジー，インコーポレイティド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２５９７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０１９６０
【国際公開日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（５１１２１４６７９）エレメント エナジー，インコーポレイティド (1)
【Ｆターム（参考）】
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