JP6813937B2 - バッテリ熱管理のための仮想セル - Google Patents

Description

本発明はバッテリ熱管理に関する。具体的には、バッテリ熱管理のための仮想セルに関する。

バッテリからの熱発生は、バッテリが運ぶ電流に直接関連する。電流が大きい程より多くの熱が発生する。実際、外的なバッテリ熱管理システムでは十分に低減させることができないような、膨大な量の熱がバッテリから発生する可能性がある。このような大きな熱発生は、（１）負荷要求超過又は負荷障害に起因する極度の高電流、（２）バッテリ内部の障害、及び／又は（３）充電／放電回路の故障から起こり得る。さらに、熱管理システムが熱を素早く追い出すことに失敗する又はできない場合、熱はバッテリ内に急速に溜まり、結果としてバッテリが非常に高温となる。

従来型のバッテリ熱管理システムは、外的な能動的又は受動的冷却システムによってバッテリから熱を追い出す手段を提供する。高度な高エネルギ密度バッテリ（例えばリチウムタイプのバッテリ）に対し、従来型のバッテリ熱管理システムは、障害又は連続的な悪条件の際には不適切であることが多い。現在、従来方法はバッテリ内部からの熱発生の制御には対処しない。

したがって、定格負荷要求を損なわずに、バッテリの温度が常に安全限界内に維持されるよう、バッテリ内部からの熱発生を制御できる改良されたバッテリ熱管理システムが必要とされる。

本発明は、バッテリ熱管理のための仮想セルの方法、システム、及び装置に関する。一又は複数の実施形態において、熱的なバッテリ管理のための方法は、バッテリパック内の少なくとも１つのバッテリセルの温度を、少なくとも１つの温度センサにより感知することを含む。方法はさらに、バッテリパック内の少なくとも１つの電流を、少なくとも１つの電流センサにより感知することを含む。方法はさらに、バッテリパック内のいずれかのバッテリセルの温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置により決定することを含む。方法はさらに、バッテリパック内のバッテリセルのうち温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルに対して電流を供給する又は電流をシンクするために、少なくとも１つの仮想セルをＢＴＭＳ制御装置によって活動化することを含む。

一又は複数の実施形態において、バッテリセルはバッテリパック内に層状に配置される。幾つかの実施形態で、各層のバッテリセルは並列接続される。少なくとも１つの実施形態で、層は直列接続される。幾つかの実施形態で、仮想セルの各々は、バッテリセルの層のうちの１つに接続される。

少なくとも１つの実施形態で、方法は、少なくとも１つの温度センサによって、少なくとも１つの温度信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信することをさらに含み、少なくとも１つの温度信号は、バッテリセルのうち少なくとも１つのバッテリセルの温度に関する情報を含む。

一又は複数の実施形態において、少なくとも１つの電流センサは、バッテリパック電流センサ及び／又は少なくとも１つの仮想セル電流センサを含む。幾つかの実施形態において、方法は、バッテリパック電流センサによって、少なくとも１つの電流信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信することをさらに含み、少なくとも１つの電流信号は、バッテリパックの電流（Ｉ_０）に関する情報を含む。少なくとも１つの実施形態で、方法は、少なくとも１つの仮想セル電流センサによって、少なくとも１つの電流信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信することをさらに含み、少なくとも１つの電流信号は、少なくとも１つの仮想セル電流センサに関連付けられるバッテリセルの層の、電流に関する情報を含む。

少なくとも１つの実施形態で、少なくとも１つの仮想セルは、直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ及び／又は交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータである。幾つかの実施形態で、ＤＣ／ＤＣコンバータは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。少なくとも１つの実施形態で、ＡＣ／ＤＣコンバータは双方向ＡＣ／ＤＣコンバータである。一又は複数の実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力は、バッテリパックの端子又はＤＣ電源に接続される。少なくとも１つの実施形態で、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力は、ＡＣ電源の端子に接続される。

一又は複数の実施形態において、熱的なバッテリ管理のためのシステムは、バッテリパック内の少なくとも１つのバッテリセルの温度を感知するための、少なくとも１つの温度センサを含む。システムは、バッテリパック内の少なくとも１つの電流を感知するための、少なくとも１つの電流センサをさらに含む。さらに、システムは、バッテリパック内のいずれかのバッテリセルの温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定し、バッテリパック内のバッテリセルのうち温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルに対して電流を供給する又は電流をシンクするために、少なくとも１つの仮想セルを活動化するための、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置を含む。

少なくとも１つの実施形態で、少なくとも１つの温度センサはさらに、少なくとも１つの温度信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信し、少なくとも１つの温度信号は、バッテリセルのうち少なくとも１つのバッテリセルの温度に関する情報を含む。

一又は複数の実施形態において、少なくとも１つの電流センサは、バッテリパック電流センサ及び／又は少なくとも１つの仮想セル電流センサを含む。少なくとも１つの実施形態で、バッテリパック電流センサは、少なくとも１つの電流信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信し、少なくとも１つの電流信号は、バッテリパックの電流（Ｉ_０）に関する情報を含む。少なくとも１つの実施形態で、少なくとも１つの仮想セル電流センサは、少なくとも１つの電流信号をＢＴＭＳ制御装置へ送信し、少なくとも１つの電流信号は、少なくとも１つの仮想セル電流センサに関連付けられるバッテリセルの層の、電流に関する情報を含む。

特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成することができるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。

本開示の上記及び他の特徴、態様、及び利点に対する理解は、後述の説明、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより深まるであろう。

本発明の少なくとも１つの実施形態による、仮想セルに対しＤＣ／ＤＣコンバータを用いた、バッテリ熱管理のための開示されるシステムの概略図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、仮想セルに対しＡＣ／ＤＣコンバータを用いた、バッテリ熱管理のための開示されるシステムの概略図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１及び図２のバッテリ熱管理システムの、開示される作動方法の概観フロー図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１及び図２のバッテリ熱管理システムの、開示される作動方法のフロー図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４の開示される方法のための仮想セル放電サブルーチンのフロー図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４の開示される方法のための仮想セル充電サブルーチンのフロー図である。

本明細書に開示する方法及び装置は、バッテリ熱管理のための仮想セルの作動システムを提供する。開示されるシステムは、バッテリ温度が定格負荷要求を損なわずに常に安全限界内に維持されるよう、バッテリ内部からの熱発生を制御するためのソリューションを提供する。具体的には、開示されるシステムの作動中、システムは個々のバッテリセルの温度を感知し、最高温度限界に接近するもしくはそれ以上の温度にある一又は複数のセルを識別し、不具合のある一又は複数のセルの電流を、より少ない熱が発生されるよう、低減させる。したがってシステムは、一又は複数のバッテリセルがオーバーヒート及び／又は熱暴走に到達することを防止することができる。

上述のように、バッテリ熱管理を実施するための従来型の方法は、能動的又は受動的に熱をバッテリの外へと外的に取り去ることのみを扱う。一方で本発明の開示は、従来の外的な冷却システムの使用を伴いつつ、バッテリ熱管理を実施するためにバッテリ内部からの熱発生を直接管理する。本発明の開示は、バッテリセル温度の測定を要求し、オーバーヒートを防ぐため温度管理に部分的に注力する。

具体的には、開示されるシステムはまず、個々のバッテリセルの温度を感知し、最高温度限界に接近するもしくはそれ以上の温度にある一又は複数のバッテリセルを識別する。次いでシステムは、不具合のある一又は複数のバッテリセルによってより少ない熱が発生するよう、それら不具合のある一又は複数のバッテリセルの電流負荷を低減し、これにより、より低く且つ安定した温度レベルに到達する。不具合のある一又は複数のバッテリセルの負荷低減により生み出された電流損失は、一又は複数の仮想セル（例えば能動的に制御される双方向直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ又は交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータ）によって補償され、仮想セルは、一又は複数のバッテリセルに並列接続される。

開示されるシステムは、（１）最高温度限界に接近するもしくはそれ以上の温度を有するバッテリセルの電流を低減させ、（２）負荷により決定されるバッテリ電流要件を全て満たすために、バッテリセル電流低減に起因する電流損失を、仮想セルの使用によって補償することができる。したがって開示されるシステムによって、従来型のバッテリ熱管理システムでは現在可能でない、バッテリ温度の先制的な制御が可能となる。開示されるシステムは、温度が常に安全域内に留まるようバッテリの熱発生を制御し、これによりシステムのオーバーヒートを防ぐ。

下記の説明には、システムのさらに徹底した説明を提供するため、多数の詳細事項が記載されている。しかしながら、開示されたシステムがこれら具体的な詳細事項なしで実施可能であることは、当業者には明らかであろう。その他の場合では、システムを不要に分かりにくくしないよう、よく知られる特徴については詳細に説明していない。

図１は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、仮想セル１１０ａ、１１０ｂに対しＤＣ／ＤＣコンバータ１１０ａ、１１０ｂを用いた、バッテリ熱管理のための開示されるシステム１００の概略図である。この図では、システム１００のための６つの主要素が示される。第１の主要素はバッテリパック１２０（例えば、「バッテリアレイ」とも称されるバッテリセルのアレイ）である。バッテリパック１２０はＭ×Ｎ個のバッテリセル１３０ａ〜１３０ｆから成り、ここでＭ個の層（すなわち行）及び各層にＮ個のセル（すなわち列）が存在する。バッテリセル１３０ａ〜１３０ｆは、合計Ｍ層の各々が並列接続されたＮバッテリセル１３０ａ〜１３０ｃを有するよう相互接続され、合計Ｍバッテリセル層は直列接続される。この構成によりＭ×Ｎバッテリアレイ１２０が作成される。

数Ｍ及びＮは任意であるが、Ｍは一（１）以上（≧）であり、Ｎ≧１である。Ｍ番目の層及びＮ番目の列に位置するバッテリセル１３０ｆに対し、このバッテリセル１３０ｆの変数は添字（Ｍ，Ｎ）により指定される。バッテリセルの最上層１３０ａ〜１３０ｃの正極は共接続され、バッテリパック１２０の正極１４０を形成する。最下層バッテリセル１３０ｄ〜１３０ｆの負極は共接続され、バッテリパック１２０の負極１５０を形成する。

第２の主要素は仮想セル１１０ａ、１１０ｂである。この図では、仮想セル１１０ａ、１１０ｂの各々に対しＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。仮想セル１１０ａ、１１０ｂに対し、任意のタイプの電流双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが使用され得る。さらに、１つの仮想セル１１０ａ、１１０ｂがバッテリセル１３０ａ〜１３０ｆの各層に対して用いられ（例えば、１つの仮想セル１１０ａがバッテリセルの最上層１３０ａ〜１３０ｃに対し用いられ、仮想セル１１０ｂはバッテリセルの最下層１３０ｄ〜１３０ｆに対し用いられる）、したがって合計でＭ個の仮想セル１１０ａ、１１０ｂが存在する。各仮想セル１１０ａ、１１０ｂの出力の正極及び負極は、仮想セルの対応するバッテリセル層１３０ａ〜１３０ｃ、１３０ｄ〜１３０ｆの正極及び負極に接続される。各仮想セルの入力の正極及び負極は、バッテリパック１２０の正極１４０及び負極１５０に接続される。他の実施形態においては、各仮想セルの入力の正極及び負極が、バッテリパック１２０の端子に代わってＤＣ電源の端子に接続されることに留意されたい。他の実施形態（図２を参照のこと）では、仮想セル１１０ａ、１１０ｂの各々に対しＡＣ／ＤＣコンバータが用いられ得ることにも留意されたい。

第３の主要素はバッテリセル温度センサであり、これは図面においてダイヤ記号で表される。各バッテリセル１３０ａ〜１３０ｆの温度は温度センサによって感知され、温度センサは、感知された温度に関する情報を含む温度信号を、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置１６０へ送信する。Ｍ番目の層及びＮ番目の列のバッテリセル１３０ｆに対し、温度はＴ_Ｍ，Ｎと記される。この図では、各バッテリセル１３０ａ〜１３０ｆに対し温度センサが用いられる。しかしながら他の実施形態では、各バッテリセル１３０ａ〜１３０ｆに対し、より多くの又はより少ない温度センサが用いられ得ることに留意されたい。例えば、より重要なバッテリセルに対してはより多くの温度センサが用いられ得る。

第４の主要素は電流センサ１７０ａ〜１７０ｃ（すなわちバッテリセル（すなわちバッテリアレイ）及び仮想セルに対する電流センサ）であり、これは図において、半円で囲まれた点で表される。この図では、バッテリパック１２０に対して及び仮想セル１１０ａ、１１０ｂの各々に対して、電流センサ１７０ａが用いられる。バッテリパック電流は、正方向を矢印で示すＩ_０で表される。Ｍ番目の仮想セルの電流は、正方向を矢印で示すＩ_Ｍで表される。バッテリパック１２０の電流はバッテリパック電流センサ１７０ａにより感知され、仮想セル１１０ａ、１１０ｂの電流は仮想セル電流センサ１７０ｂ、１７０ｃにより感知され、バッテリパック電流センサ１７０ａ及び仮想セル電流センサ１７０ｂ、１７０ｃの各々は、感知された電流に関する情報を含む電流信号を、ＢＴＭＳ制御装置１６０へ送信する。

第５の主要素はＢＴＭＳ制御装置１６０である。ＢＴＭＳ制御装置１６０は、デジタル及び／又はアナログエレクトロニクスを使用して実装され得る。ＢＴＭＳ制御装置１６０は温度信号及び電流信号を受信する。ＢＴＭＳ制御装置１６０は、受信した温度信号及び電流信号に従って、Ｍ個の仮想セル１１０ａ、１１０ｂの各々に対して特定の制御決定を下す。次いでＢＴＭＳ制御装置１６０は、制御決定に関する制御信号を仮想セル１１０ａ、１１０ｂへ放出する。

第６の主要素はシステム制御装置１８０である。システム制御装置１８０はＢＴＭＳ制御装置１６０に適合する。システム制御装置１８０は、システム指令及び制御信号のＢＴＭＳ制御装置１６０への送信、並びに、ＢＴＭＳ制御装置１６０からの温度信号及び電流信号の受信を担当する。システム制御装置１８０は、バッテリ充電／放電制御システム、バッテリ過電流保護システム、短絡保護システム、バッテリ寿命管理システム、及び配電制御システムを含むがこれらに限定されない、他の管理システムとの適合も担当する。

上述のように、バッテリセルの熱発生は、バッテリセルが運ぶ電流に直接関連する。電流が上昇するときバッテリセル温度は上昇し、外的な冷却システムによって熱が直ちに追い出されない場合、オーバーヒート状態が起こり得る。これを防ぐための、開示されるＢＴＭＳ制御装置１６０による基本的なメカニズムは、熱源の強度を低減させる（すなわち電流を低減させる）ことである。電流低減に起因するバッテリ電流の損失は、一又は複数の仮想セル１１０ａ、１１０ｂにより補償される。

システムの作動中、システム制御装置１８０はバッテリセル温度限界Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}をＢＴＭＳ制御装置１６０へ伝える。次いでＢＴＭＳ制御装置１６０は、バッテリセル温度を絶えず監視し、対応するバッテリセル層において最高温度を示しているバッテリセル１３０ａ〜１３０ｆを抽出する。あるバッテリセル層においてバッテリセル１３０ａ〜１３０ｆの最高温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）に接近する及び／又はそれ以上である場合、電流を供給する又は電流をシンクするために、そのバッテリセル層に対応する仮想セル１１０ａ、１１０ｂが、ＢＴＭＳ制御装置１６０からの制御信号を受信することによって活動化される。このように、そのバッテリセル層におけるバッテリセル電流は低減され、したがって熱発生が減少する。

一又は複数の実施形態においては、電流増分ΔＩがシステム制御装置１８０によって設定され、これは特定のバッテリシステムデザインに依拠し得る。作動中の各時間ステップΔｔに対し、温度限界を上回るバッテリセル温度が検知される場合、対応する仮想セル１１０ａ、１１０ｂの電流はΔＩによって調整される。システム制御装置１８０が停止の指令信号を送信するまで、プロセスは継続される。ＢＴＭＳ制御装置１６０の制御アルゴリズムの詳細な説明は、図４、５、及び６の記載において説明する。

図２は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、仮想セル２１０ａ、２１０ｂに対しＡＣ／ＤＣコンバータ２１０ａ、２１０ｂを用いた、バッテリ熱管理のための開示されるシステム２００の概略図である。図２のシステム２００は図１のシステム１００と同様であるが、図２のシステム２００においては、仮想セル２１０ａ、２１０ｂに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０ａ、１１０ｂに代わりＡＣ／ＤＣコンバータ２１０ａ、２１０ｂが用いられる点で、システム１００とは異なる。任意のタイプの電流双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０ａ、２１０ｂが、仮想セルに対し用いられ得る。付加的に、各ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０ａ、２１０ｂの入力の正極及び負極は、ＡＣ電源２６０（例えばシステム内の既存のＡＣバス）の正極２４０及び負極２５０に接続される。

図３は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１及び図２のバッテリ熱管理システムの、開示される作動方法３００の概観フロー図である。この図では、方法３００の開始時３１０、少なくとも１つの温度センサが、バッテリパック内の少なくとも１つのバッテリセルの温度を感知する３２０。少なくとも１つの電流センサが、バッテリパック内の少なくとも１つの電流を感知する３３０。次いで、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置は、バッテリパック内のいずれかのバッテリセルの温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定する３４０。ＢＴＭＳ制御装置は、バッテリパック内のバッテリセルのうち温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルに対して電流を供給する又は電流をシンクするために、少なくとも１つの仮想セルを活動化する３５０。次いで方法３００は終了する３６０。

図４は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１及び図２のバッテリ熱管理システム１００、２００の、開示される作動方法４００のフロー図である。この図では、方法４００の開始時に、ＢＴＭＳ制御装置が時間（ｔ）＝０（すなわち開始時間を０に等しく初期化すること）の開始指令を、システム制御装置から受信する４０５。次いで、ＢＴＭＳ制御装置は、Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}の値（すなわちバッテリセルに対する温度限界）、Δｔ（すなわち時間増分）の値、及びΔＩ（すなわち電流増分）の値を、システム制御装置から入力する又は取得する４１０。温度センサは、バッテリセル温度（Ｔ_ｍ，ｎであって、ここでｍ＝１，２，・・・Ｍ且つｎ＝１，２，・・・Ｎである）を測定する４１５。電流センサは、電流（Ｉ_０及びＩ_ｍであって、ここでｍ＝１，２，・・・Ｍである）を測定する４２０。次いでＢＴＭＳ制御装置は、各層に対して最高バッテリセル温度（Ｔ_{ｍａｘ，ｍ}＝Ｍａｘ（Ｔ_ｍ，１，Ｔ_ｍ，２，・・・Ｔ_ｍ，Ｎ）であって、ここでｍ＝１，２，・・・Ｍである）を得る４２５。

次いで、ＢＴＭＳ制御装置は、バッテリパック電流Ｉ_０がゼロ（０）を上回る、ゼロ（０）に等しい、又はゼロ（０）を下回る（すなわち、Ｉ_０＞０もしくはＩ_０＝０もしくはＩ_０＜０）かどうかを決定する４３０。バッテリパック電流Ｉ_０がゼロを上回る場合、ＢＴＭＳ制御装置は、図５において説明される仮想セル放電サブルーチン４３５を遂行する。バッテリパック電流Ｉ_０がゼロを下回る場合、ＢＴＭＳ制御装置は、図６の記載において説明される仮想セル充電サブルーチン４４０を遂行する。しかしながら、バッテリパック電流Ｉ_０がゼロに等しい場合、ＢＴＭＳ制御装置は仮想セルをスタンバイモード４４５に保持し（例えばＢＴＭＳ制御装置は本質的には何もせず）、ＢＴＭＳ制御装置はシステム制御装置からの最新の指令をチェックする４５０。

ＢＴＭＳ制御装置が仮想セル放電サブルーチン４３５もしくは仮想セル充電サブルーチン４４０もしくはスタンバイモード４４５を遂行した後、ＢＴＭＳ制御装置は、システム制御装置からの最新の指令をチェックする４５０。ＢＴＭＳ制御装置は、指令が継続であるか否かを決定する４４５。指令が継続である場合、方法４００はステップ４１５に進む。しかしながら、指令が継続でない場合、方法４００は停止する４６５。

図５は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図４の開示される方法４００のための仮想セル放電サブルーチン４３５のフロー図である。この図では、方法が第１の層（すなわち層１）から開始されるよう、放電サブルーチン４３５の開始時に、ｍは１に等しく（すなわちｍ＝１）に設定される５０５。ＢＴＭＳ制御装置は、層の最高温度が温度限界を上回るか否か（すなわちＴ_{ｍａｘ，ｍ}＞Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}？）を決定する５１０。

ＢＴＭＳ制御装置が、最高温度が温度限界を上回らないことを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、その層における仮想セルに対する電流がゼロを上回るか否か（すなわちＩｍ＞０？）を決定する５１５。ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルに対する電流がゼロを上回らないことを決定する場合には、バッテリセル層は仮想セルからのサポートを必要とせず、したがってゼロ値が仮想セルに対する基準として設定される（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝０）５２０。次いで、サブルーチン４３５はステップ５３０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルに対する電流がゼロを上回ることを決定する場合には、その層は仮想セルからのサポートを受けて（すなわち仮想セルはバッテリセル電流の一部を供給して）おり、ＢＴＭＳ制御装置は仮想セルの電流をΔＩだけ低下させる（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉｍ（ｔ）−ΔＩ）５２５。次いで、サブルーチン４３５はステップ５３０へと進む。

しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、最高温度が温度限界を上回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は仮想セルの電流をΔＩだけ増大させ（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉｍ（ｔ）＋ΔＩ）、その層のバッテリセルの電流を引き下げる５３５。次いでＢＴＭＳ制御装置は、仮想セルの新しく増大された電流設定をチェックし、これがバッテリパック電流を上回るか否か（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＞Ｉ_０？）を決定する５４０。ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルの電流がバッテリパック電流を上回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、仮想セル電流をバッテリパック電流に制限する（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉ_０）５４５。次いで、サブルーチン４３５はステップ５３０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルの電流がバッテリパック電流を上回らないことを決定する場合には、サブルーチン４３５はステップ５３０へと進む。

ステップ５３０で、ＢＴＭＳ制御装置はｍがＭを下回るか否か（すなわちｍ＜Ｍ？）を決定する５３０。ＢＴＭＳ制御装置が、ｍがＭを下回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、方法が（ステップ５１０へと戻ることによって）次の層（すなわち層２）から再開されるために、ｍをｍ＋１に等しく（すなわちｍ＝ｍ＋１）設定する５５０。次いで、サブルーチン４３５はステップ５１０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、ｍがＭを下回らないことを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、仮想セルの電流をＩｍ（ｔ＋Δｔ）に等しくするよう制御し、ここでｍ＝１、２、・・・Ｍである５５５。次いで、サブルーチン４３５は方法４００のステップ４５０（図４を参照のこと）へと進む。

図６は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図４の開示される方法４００のための仮想セル充電サブルーチン４４０のフロー図である。この図では、方法が第１の層（すなわち層１）から開始されるよう、充電サブルーチン４４０の開始時に、ｍは１に等しく（すなわちｍ＝１）に設定される６０５。ＢＴＭＳ制御装置は、層の最高温度が温度限界を上回るか否か（すなわちＴ_{ｍａｘ，ｍ}＞Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}？）を決定する６１０。

ＢＴＭＳ制御装置が、最高温度が温度限界を上回らないことを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、その層における仮想セルに対する電流がゼロを下回るか否か（すなわちＩｍ＜０？）を決定する６１５。ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルに対する電流がゼロを下回らないことを決定する場合には、バッテリセル層は仮想セルからのサポートを必要とせず、したがってゼロ値が仮想セルに対する基準として設定される（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝０）６２０。次いで、サブルーチン４４０はステップ６３０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルに対する電流がゼロを下回ることを決定する場合には、その層は仮想セルからのサポートを受けて（すなわち仮想セルはバッテリセル電流の一部をシンクして）おり、ＢＴＭＳ制御装置は仮想セルの電流をΔＩだけ増大させる（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉｍ（ｔ）＋ΔＩ）６２５。次いで、サブルーチン４４０はステップ６３０へと進む。

しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、最高温度が温度限界を上回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、その層のバッテリセルの電流を引き下げるために、電流をΔＩだけより多くシンクする（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉｍ（ｔ）−ΔＩ）よう仮想セルを制御する６３５。次いでＢＴＭＳ制御装置は、仮想セルの新しい電流設定をチェックし、これがバッテリパック電流を下回るか否かを決定する（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＜Ｉ_０？）６４０。ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルの電流がバッテリパック電流を下回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、仮想セル電流をバッテリパック電流に制限する（すなわちＩｍ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉ_０）６４５。次いで、サブルーチン４４０はステップ６３０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、仮想セルの電流がバッテリパック電流を下回らないことを決定する場合には、サブルーチン４４０はステップ６３０へと進む。

ステップ６３０で、ＢＴＭＳ制御装置はｍがＭを下回るか否か（すなわちｍ＜Ｍ？）を決定する６３０。ＢＴＭＳ制御装置が、ｍがＭを下回ることを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、方法が（ステップ６１０へと戻ることによって）次の層（すなわち層２）から再開されるために、ｍをｍ＋１に等しく（すなわちｍ＝ｍ＋１）設定する６５０。次いで、サブルーチン４４０はステップ６１０へと進む。しかしながら、ＢＴＭＳ制御装置が、ｍがＭを下回らないことを決定する場合、ＢＴＭＳ制御装置は、仮想セルの電流をＩｍ（ｔ＋Δｔ）に等しくするよう制御し、ここでｍ＝１、２、・・・Ｍである６５５。次いで、サブルーチン４４０は方法４００のステップ４５０（図４を参照のこと）へと進む。

特定の実施形態が示され説明されたが、上述の記載はこれら実施形態の範囲を限定することを意図しないということが、理解されるべきである。本発明の多くの態様の実施形態及び変形例が、本明細書において開示され記載されたが、これら開示は解説及び例示目的でのみ提供されるものである。したがって、特許請求の範囲を逸脱することなく様々な変更及び修正が加えられ得る。

上述の方法が特定の順序で起こる特定の事象を表す場合、本開示から利益を得る当業者は、順序は修正され得ること、及び、それら修正は本発明の変形例によるものであることを認識するであろう。さらに、方法の部分は可能であれば平行プロセスにおいて同時に実施されてもよく、連続して実施されてもよい。さらに、方法のより多くの部分又はより少ない部分が実施され得る。

したがって実施形態は、特許請求の範囲内に包含される代替例、修正例、及び等価物を例示することを意図する。

特定の例示的実施形態及び方法を本明細書中に開示したが、前述の開示内容から、当業者には、本開示の精神及び範囲から逸脱することなくこのような実施形態及び方法に変更及び修正を加えることが可能であることは明らかであろう。その他多数の本開示の実施例があり、各実施例はその詳細事項においてのみ他と異なる。したがって、本開示は特許請求の範囲及び適用法の規則及び原理によって必要とされる範囲にのみ制限されることが意図されている。

１００ システム
１１０ａ、１１０ｂ 仮想セル、ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２０ バッテリパック
１３０ａ〜１３０ｆ バッテリセル
１４０ バッテリパックの正極
１５０ バッテリパックの負極
１６０ バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置
１７０ａ バッテリパック電流センサ
１７０ｂ、１７０ｃ 仮想セル電流センサ
１８０ システム制御装置
２００ システム
２１０ａ、２１０ｂ 仮想セル、ＡＣ／ＤＣコンバータ
３００ 方法
４００ 方法
４３５ 仮想セル放電サブルーチン
４４０ 仮想セル充電サブルーチン

Claims (14)

1. バッテリパックの放電動作中における、熱的なバッテリ管理のための方法であって、
   前記バッテリパックの外部への放電用の正極（１４０）および負極（１５０）に接続された少なくとも１つのバッテリセルの温度を、少なくとも１つの温度センサにより感知することと、
   前記バッテリパックの外部に放電される電流（Ｉ_０）を、少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）により感知することと、
   前記バッテリパック内のいずれかの前記バッテリセルの前記温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定することと、
   前記バッテリパック内の前記バッテリセルのうち前記温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルの放電動作を継続させつつ、該少なくとも１つのバッテリセルが前記正極（１４０）に供給する電流を引き下げ、その引き下げられた電流を補償する電流を少なくとも１つの仮想セルにより前記正極（１４０）に供給するために、該少なくとも１つの仮想セルの出力の正極及び負極が前記少なくとも１つのバッテリセルに並列接続された前記少なくとも１つの仮想セルを活動化することと
   を含み、
   前記少なくとも１つの仮想セルの活動化に伴い、前記温度限界を超える前記少なくとも１つのバッテリセルについて引き下げられる電流の量は、該少なくとも１つのバッテリセルの温度が、前記温度限界を超えない温度域内となるように、放電動作による該少なくとも１つのバッテリセル内部からの熱発生を制御するのに十分な電流量であり、
   前記少なくとも１つの仮想セルは、入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの前記正極（１４０）ならびに前記負極（１５０）と前記バッテリパックの外部にあるＤＣ電源の端子とのいずれかに接続された双方向直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ、及び入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの外部にあるＡＣ電源の端子に接続された双方向交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータ、のうちの少なくとも１つである、
   方法。
2. バッテリパックの充電動作中における、熱的なバッテリ管理のための方法であって、
   前記バッテリパックの外部から充電用の電流（Ｉ_０）を取り込むための正極（１４０）および負極（１５０）に接続された少なくとも１つのバッテリセルの温度を、少なくとも１つの温度センサにより感知することと、
   前記バッテリパックの外部から取り込まれる充電用の前記電流（Ｉ_０）を、少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）により感知することと、
   前記バッテリパック内のいずれかの前記バッテリセルの前記温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定することと、
   前記バッテリパック内の前記バッテリセルのうち前記温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルの充電動作を継続させつつ、前記正極（１４０）から取り込まれる充電用の前記電流（Ｉ_０）の一部を少なくとも１つの仮想セルに引き込むことにより、前記少なくとも１つのバッテリセルが前記正極（１４０）から取り込む電流を引き下げるために、該少なくとも１つの仮想セルの出力の正極及び負極が前記少なくとも１つのバッテリセルに並列接続された前記少なくとも１つの仮想セルを活動化することと
   を含み、
   前記少なくとも１つの仮想セルの活動化に伴い、前記温度限界を超える前記少なくとも１つのバッテリセルについて引き下げられる電流の量は、該少なくとも１つのバッテリセルの温度が、前記温度限界を超えない温度域内となるように、充電動作による該少なくとも１つのバッテリセル内部からの熱発生を制御するのに十分な電流量であり、
   前記少なくとも１つの仮想セルは、入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの前記正極（１４０）ならびに前記負極（１５０）と前記バッテリパックの外部にあるＤＣ電源の端子とのいずれかに接続された双方向直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ、及び入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの外部にあるＡＣ電源の端子に接続された双方向交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータ、のうちの少なくとも１つである、
   方法。
3. 前記バッテリセルのうち少なくとも１つのバッテリセルの前記温度に関する情報を含む、少なくとも１つの温度信号を、前記少なくとも１つの温度センサによって、ＢＴＭＳ制御装置へ送信すること
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記電流（Ｉ_０）に関する情報を含む、少なくとも１つの電流信号を、前記少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）によって、ＢＴＭＳ制御装置へ送信すること
   をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの仮想セルの各々に対する仮想セル電流センサに関連付けられる前記バッテリセルの層の、電流に関する情報を含む、少なくとも１つの電流信号を、前記仮想セル電流センサによって、ＢＴＭＳ制御装置へ送信すること
   をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. バッテリパックの放電動作中における、熱的なバッテリ管理のためのシステムであって、
   前記バッテリパックの外部への放電用の正極（１４０）および負極（１５０）と、
   前記正極（１４０）および前記負極（１５０）に接続された少なくとも１つのバッテリセルの温度を感知するための、少なくとも１つの温度センサと、
   前記バッテリパックの外部に放電される電流（Ｉ_０）を感知するための、少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）と、
   出力の正極及び負極が前記少なくとも１つのバッテリセルに並列接続された少なくとも１つの仮想セルと、
   前記バッテリパック内のいずれかの前記バッテリセルの前記温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定し、前記バッテリパック内の前記バッテリセルのうち前記温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルの放電動作を継続させつつ、該少なくとも１つのバッテリセルが前記正極（１４０）に供給する電流を引き下げ、その引き下げられた電流を補償する電流を前記少なくとも１つの仮想セルにより前記正極（１４０）に供給するために、前記少なくとも１つの仮想セルを活動化するための、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置と
   を含み、
   前記ＢＴＭＳ制御装置による前記少なくとも１つの仮想セルの活動化に伴い、前記温度限界を超える前記少なくとも１つのバッテリセルについて引き下げられる電流の量は、該少なくとも１つのバッテリセルの温度が、前記温度限界を超えない温度域内となるように、放電動作による該少なくとも１つのバッテリセル内部からの熱発生を制御するのに十分な電流量であり、
   前記少なくとも１つの仮想セルは、入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの前記正極（１４０）ならびに前記負極（１５０）と前記バッテリパックの外部にあるＤＣ電源の端子とのいずれかに接続された双方向直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ、及び入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの外部にあるＡＣ電源の端子に接続された双方向交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータ、のうちの少なくとも１つである、
   システム。
7. バッテリパックの充電動作中における、熱的なバッテリ管理のためのシステムであって、
   前記バッテリパックの外部から充電用の電流（Ｉ_０）を取り込むための正極（１４０）および負極（１５０）と、
   前記正極（１４０）および前記負極（１５０）に接続された少なくとも１つのバッテリセルの温度を感知するための、少なくとも１つの温度センサと、
   前記バッテリパックの外部から取り込まれる充電用の前記電流（Ｉ_０）を感知するための、少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）と、
   出力の正極及び負極が前記少なくとも１つのバッテリセルに並列接続された少なくとも１つの仮想セルと、
   前記バッテリパック内のいずれかの前記バッテリセルの前記温度が温度限界（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えるか否かを決定し、前記バッテリパック内の前記バッテリセルのうち前記温度限界を超える少なくとも１つのバッテリセルの充電動作を継続させつつ、前記正極（１４０）から取り込まれる充電用の前記電流（Ｉ_０）の一部を前記少なくとも１つの仮想セルに引き込むことにより、前記少なくとも１つのバッテリセルが前記正極（１４０）から取り込む電流を引き下げるために、前記少なくとも１つの仮想セルを活動化するための、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）制御装置と
   を含み、
   前記ＢＴＭＳ制御装置による前記少なくとも１つの仮想セルの活動化に伴い、前記温度限界を超える前記少なくとも１つのバッテリセルについて引き下げられる電流の量は、該少なくとも１つのバッテリセルの温度が、前記温度限界を超えない温度域内となるように、充電動作による該少なくとも１つのバッテリセル内部からの熱発生を制御するのに十分な電流量であり、
   前記少なくとも１つの仮想セルは、入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの前記正極（１４０）ならびに前記負極（１５０）と前記バッテリパックの外部にあるＤＣ電源の端子とのいずれかに接続された双方向直流／直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ、及び入力の正極ならびに負極が前記バッテリパックの外部にあるＡＣ電源の端子に接続された双方向交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータ、のうちの少なくとも１つである、
   システム。
8. 前記バッテリセルは前記バッテリパック内に層状に配置される、請求項６または７に記載のシステム。
9. 前記バッテリセルは、各層において並列接続される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記層は直列接続される、請求項８または９に記載のシステム。
11. 前記仮想セルの各々は、前記バッテリセルの前記層のうちの１つに接続される、請求項８から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記少なくとも１つの温度センサはさらに、少なくとも１つの温度信号を前記ＢＴＭＳ制御装置へ送信し、
    前記少なくとも１つの温度信号は、前記バッテリセルのうち少なくとも１つのバッテリセルの前記温度に関する情報を含む、請求項６から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１つの電流センサ（１７０ａ）は、前記電流（Ｉ_０）に関する情報を含む少なくとも１つの電流信号を前記ＢＴＭＳ制御装置へ送信する、請求項６から１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記少なくとも１つの仮想セルの各々に対する仮想セル電流センサをさらに含み、
    前記仮想セル電流センサは、少なくとも１つの電流信号を前記ＢＴＭＳ制御装置へ送信し、
    前記少なくとも１つの電流信号は、前記仮想セル電流センサに関連付けられる前記バッテリセルの層の、電流に関する情報を含む、請求項６から１３のいずれか一項に記載のシステム。

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