(57)【要約】汎用バッテリモジュールおよび主制御モジュールを含むバッテリパックが提供される。適切な定格の汎用バッテリモジュールを選択し、これらを直列および／または並列に接続することにより、高性能で長寿命のバッテリパックを組み立てることができ、これは電気自動車などの高電力用途に好適であり、ここで主制御モジュールはバッテリパック制御およびインターフェイスモジュールとして機能する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汎用バッテリモジュールであって、
複数の直列接続されたバッテリセル；
前記セルの物理的パラメータを送信するよう構成された、前記セルに連結されたセンサ手段；
前記センサ手段と通信して、前記センサ手段からの物理的パラメータに基づき前記セルを制御する、バッテリ制御ユニット；
を含み、ここで前記バッテリ制御ユニット、前記センサ手段および前記セルは、１つの一体型モジュールとしてパッケージ化されている、前記汎用バッテリモジュール。
【請求項２】
バッテリセルをその中に保持するためのシェルをさらに含む、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項３】
セルと熱的に連通してセルの熱的均等化を提供する熱フレームをさらに含む、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項４】
密封関係でシェルに連結され、かつ熱フレームと熱的に連通して前記熱フレームからの熱放散を増進する基板をさらに含む、請求項２に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項５】
基板が、入口、出口、および前記入口と出口とに流体的に接続して前記入口と出口の間に冷却液を送達するための複数のパスを有する、請求項４に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項６】
基板が、密封関係でシェルに密閉して連結された、請求項４に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項７】
セルの電気的均等化手段をさらに含む、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項８】
バッテリ制御ユニットに連結された電気コネクタであって、シリアル通信用の電気的接続、電源のオン／オフ信号、制御出力信号および入力信号を提供するよう構成された前記電気コネクタをさらに含む、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項９】
シリアル通信バスがＣＡＮバスである、請求項８に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１０】
バッテリ制御ユニットが、充電／放電電力制御および警告灯制御に関連する制御出力信号を発生するように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１１】
バッテリ制御ユニットが、差動入力信号からのモジュール電流をモニタリングするように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１２】
バッテリ制御ユニットが、セル電圧、モジュール電流およびモジュールの熱フレーム温度をモニタリングするように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１３】
バッテリ制御ユニットが、セルの電気的均等化を制御するように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１４】
バッテリ制御ユニットが、セルのシーケンス番号の調停を制御するように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【請求項１５】
バッテリパックであって、
一連の接続された汎用バッテリモジュール中の少なくとも２つの汎用バッテリモジュールであって、各々の汎用バッテリモジュールは、複数の直列接続されたバッテリセル、前記セルに接続され、前記セルの物理的パラメータをモニタリングおよび送信するように構成されたセンサ手段、前記センサ手段と通信して、前記センサ手段からの物理的パラメータに基づき前記セルを制御するバッテリ制御ユニットを含む、前記少なくとも２つの汎用バッテリモジュール；
前記一連の汎用バッテリモジュールに連結された主制御モジュールであって、前記主制御モジュールはバッテリパック電源のオン／オフを制御するよう構成され、そして、各汎用バッテリモジュールとインターフェイスで接続する内部電気コネクタ手段、および前記一連の汎用バッテリモジュールの電気的均等化を制御する制御手段を含む、前記主制御モジュール；
を含み、ここで前記一連の汎用バッテリモジュールおよび前記主制御モジュールは、１つの一体型バッテリパックとしてパッケージ化されている、前記バッテリパック。
【請求項１６】
汎用バッテリモジュールが電気的に直列接続されている、請求項１５に記載のバッテリパック。
【請求項１７】
汎用バッテリモジュールが電気的に並列接続されている、請求項１５に記載のバッテリパック。
【請求項１８】
主制御モジュールが、外部システムコントローラとシリアル通信バスを介してインターフェイスで接続して充電／放電電力制御信号、警告灯制御信号および安全保護装置信号を送信するための、外部電気コネクタ手段をさらに含む、請求項１５に記載のバッテリパック。
【請求項１９】
主制御モジュールが、バッテリパックの誘電インピーダンスをモニタリングする地絡センサ手段をさらに含む、請求項１５に記載のバッテリパック。
【請求項２０】
主制御モジュールが、バッテリパックの電流をモニタリングする分流器をさらに含む、請求項１５に記載のバッテリパック。
【請求項２１】
主制御モジュールが、バッテリパックを短絡から保護するためのヒューズをさらに含む、請求項１５に記載のバッテリパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵装置、特にバッテリモジュールおよびそのコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
高電力で高性能の電気駆動技術の出現とともに、運送用車両は、燃焼機関のプラットフォームから電気推進装置へとさらに移行されつつある。電気自動車はより電力効率的で、その内部部品数が少ないためにより堅固であるだけでなく、燃焼機関での化石燃料の燃焼に付随する環境に有害な排気が、ほとんどあるいは全くない。
【０００３】
高電力のバッテリパックは、運送用車両への電気駆動技術の実装を成功させるための、キーとなる部品である。バッテリパックは純粋な電気推進システムの主要な電力源であり、直列または並列に接続された複数のセルを含む。初期には、多数の鉛酸セルを含むバッテリパックが用いられた。鉛酸セルは電気的に互いに直列に連結されて、初期の電気自動車に電気的駆動機構を提供した。しかし、これらの初期のバッテリパックはかなり嵩高く、ライフサイクルが短かった。さらに、鉛酸バッテリパックはサイクル寿命が短く、充電時間が長く、長時間十分なバッテリ電力を提供できなかった。
【０００４】
これらの制限の幾つかを克服するために、バッテリパックの製造業者らは、ニッケル水素セルまたはリチウムイオンセルを用いたバッテリが、より軽く、より嵩が低く、サイクル寿命がより長く、充電がより早く、より長い距離でより高い出力を提供することに気づいた。このためニッケル水素またはリチウムイオンバッテリパックは、電気駆動自動車などの高電力用途のための、最適な貯蔵媒体となった。
【０００５】
ニッケル水素バッテリパックは大きな成功を収めたが、これらのデバイスは、典型的に特定用途に対して特注設計であり、用途に特定の機械的、熱的および電気的設計の制限条件を有するという欠点がある。そのため、これらのバッテリパックは交換可能ではなく、他の車両または高電力用途に容易に組み込むことができない。
【０００６】
現在のバッテリパックの他の主要な欠点は、バッテリパックの耐用年数が、車両の他の部品よりも一般に短いことである。高電流排流（high current drainage）および高い熱動作条件のために、バッテリパックが故障して交換されることは珍しくない。車両システムコントローラは、バッテリパックそれ自体から隔てられた部品であり、バッテリパックより長持ちする。その結果、バッテリパックが交換される度に、車両システムコントローラを較正するか、または交換して新しいバッテリパックの仕様に対応するようにしなければならない。さらに、バッテリパックの故障は、該バッテリパック内の１つまたは数個の個別バッテリセルの、望ましくない性能または故障によることがあるにも関わらず、多くの場合バッテリパック全体が交換されるが、これは、動作中にバッテリセルを個別に診断および管理することが不可能だからである。
【０００７】
この背景情報は、本出願人が、本発明に関連する可能性があると信じる情報を明らかにするために提供する。任意の前述の情報が、本発明に対抗する従来技術を構成するものとの承認は意図しておらず、そのように理解されるべきでもない。
【発明の開示】
【０００８】
発明の概要
本発明の目的は、種々のサイズおよび種々の用途、例えば電気自動車、風力もしくは太陽エネルギー貯蔵装置、または電気通信機器などのバッテリパックのための標準構成単位として、容易に一体化して用いることができる、汎用バッテリモジュールを提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、高性能で長寿命のバッテリパックを作るのに適した、大量生産可能なバッテリモジュールを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、バッテリパック内の汎用バッテリモジュールの電力管理のための主制御モジュールを提供することである。
【００１１】
本発明は、電気自動車などの高電力用途に用いる従来のバッテリパックが、初期負荷の特性を考慮して設計されるとの認識から生まれたものである。その結果、負荷容量が変化または増加すると、バッテリパック全体を再設計し、再構築し、または交換して、新しい負荷の電力や熱的および機械的必要条件に対応する必要がある。本発明は、現在のバッテリパックの欠点を、互換性および拡張性を可能とするフレキシブルなモジュール式電力貯蔵プラットフォームを提供することによって改善することを意図する。本発明は、複数の汎用バッテリモジュールであって、各々が、バッテリパック内の他の汎用バッテリモジュールと、モジュール方式で熱的、電気的および機械的に連結するように構成可能な前記バッテリモジュールを含む、バッテリパックを提供する。本発明のバッテリパックはコントローラを含むようにすることもでき、これにより、ユニットの熱的および電気的特性をモニタリングし、また設計および動作パラメータに従って汎用バッテリモジュールの出力を調節およびバランスさせる。
【００１２】
本発明のバッテリモジュールは、拡大縮小可能で、容易に拡張可能なバッテリシステムを提供する。提案されているモジュール式設計は、電力および冷却装置の共有を提供し、これにより生産コストを低減し、製造を簡単化して信頼性を高める。さらに、単一の、再構成可能なバッテリモジュールが同等の機能を提供できるならば、車両のインベントリーにおける大幅な低減が実現できる。
【００１３】
第１の側面において、本発明は、汎用バッテリモジュールであって、複数の直列接続されたバッテリセル、セルに連結され、セルの物理的パラメータを送信するよう構成されたセンサ手段、およびセンサ手段と通信して、センサ手段からの物理的パラメータに基づきセルを制御する、バッテリ制御ユニットを有し、ここで前記バッテリ制御ユニット、センサ手段およびセルは、１つの一体型モジュールとしてパッケージ化されている、前記汎用バッテリモジュールを提供する。
【００１４】
他の側面において、本発明はバッテリパックを提供し、該バッテリパックは、一連の接続された汎用バッテリモジュール中の少なくとも２つの汎用バッテリモジュールであって、各々の汎用バッテリモジュールは、複数の直列接続されたバッテリセル、前記セルに接続され、前記セルの物理的パラメータをモニタリングおよび送信するように構成されたセンサ手段、前記センサ手段と通信して、前記センサ手段からの物理的パラメータに基づき前記セルを制御するバッテリ制御ユニットを含む、前記少なくとも２つの汎用バッテリモジュール、および、前記一連の汎用バッテリモジュールに連結された主制御モジュールであって、前記主制御モジュールはバッテリパック電源のオン／オフを制御するよう構成され、そして、各汎用バッテリモジュールとインターフェイスで接続する内部電気コネクタ手段、および前記一連の汎用バッテリモジュールの電気的均等化を制御する制御手段を含む、前記主制御モジュールを含み、ここで前記一連の汎用バッテリモジュールおよび前記主制御モジュールは、１つの一体型バッテリパックとしてパッケージ化されている。
【００１５】
本発明の他の側面および特徴は、添付の図とあわせた本発明の以下の具体的な態様の説明の検討により、当業者には明らかである。
【００１６】
本発明のこれらおよび他の態様のよりよい理解は、本発明の態様を例によって示している以下の図を参照して得ることができる。
【００１７】
発明の詳細な説明
定義
用語「センサ」は、温度、電圧または電流などの測定量の特徴に応答して測定可能なセンサパラメータを有するデバイスを定義するために用いる。
【００１８】
用語「コントローラ」は、プログラム可能な中央処理装置（ＣＰＵ）および周辺入力／出力装置（例えばＡ／ＤまたはＤ／Ａ変換器）を有し、該コントローラに電気的に連結されたセンサまたは他のデバイスからのパラメータをモニタリングする、マイクロコントローラを定義するために用いる。これらの入力／出力装置はまた、コントローラの中央処理装置が、コントローラに連結されたデバイスと通信し、これを制御することを可能にする。コントローラは、本明細書では集合的に「メモリ」と呼ぶ１または２以上の記憶媒体を含む。メモリは、揮発性または非揮発性のコンピュータメモリであってよく、例えばＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、メモリディスクなどであり、ここにコントローラに連結されたデバイスをモニタリングおよび制御するための制御プログラム（例えばソフトウェア、マイクロコードまたはファームウェア）が保存されて、ＣＰＵによって実行されるものである。コントローラはまた、ユーザー指定の動作要求を制御信号に変換して、コントローラに連結された周辺機器を制御する手段も提供するようにしてもよく、これによってコントローラは、ユーザー指定のコマンドを、キーボードまたはグラフィカル・ユーザー・インターフェイス（ＧＵＩ）などのユーザーインターフェイスを介して受信するよう、構成される。
【００１９】
用語「コントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス」は、制御信号の高信頼度高速通信のためのシリアルデータバスを定義するために用いる。
【００２０】
用語「バッテリの均等化」は、充電または放電状態の間に同一条件下（例えば温度など）で、セルの電圧を均等にする動作を記述するために用いる。
【００２１】
用語「充電率（state-of-charge）」は、定格出力に対する、バッテリの残量を定義するために用いる。
【００２２】
他の規定がない限り、本明細書で用いる全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する分野の当業者が一般に理解するのと同じ意味を有する。
【００２３】
例示の態様
一般に、本発明は、複数の電気的に連結されたＵＢＭ、およびバッテリパックを制御するためのＭＣＭを有する、バッテリパックを提供する。各ＵＢＭは、充電式の単電池（electric power cell）、および他のＵＢＭと制御信号を通信できる原始的制御回路、並びに標準の電気的インターフェイスおよびＣＡＮバスにわたる通信プロトコルを用いるＭＣＭを有する。ＭＣＭは高度制御モジュールであり、パックに対して、高電圧バッテリパックの安全制御および動作制御を提供する。したがって、ＵＢＭは、種々のサイズおよび構造のバッテリパックのための標準構成単位として用いることができて、種々の用途に適合することができる。
【００２４】
ＵＢＭは簡易システム制御が可能であり、したがってバッテリパックはＭＣＭを必要としない場合もある。各ＵＢＭは、その温度、セル電圧、モジュール電圧およびモジュール均等化コマンドに関して、制御信号を他のＵＢＭと通信することができる。バッテリパック中でＭＣＭなしで作動している場合、各ＵＢＭは分流器入力を受信して充電率をモニタリングでき、および用途関連のデバイス、例えばリレー、遮断器または接触器、警告灯および充電／放電用電力制御などを駆動するための電気信号を送信することができる。
【００２５】
ＭＣＭの心臓部は高度制御ユニットであり、これはＵＢＭの性能をモニタリングし、パックの充電率を計算し、動作安全制御を提供する。ＭＣＭはまた、制御ユニットに連結されてバッテリパックをオン／オフすることができる、接触器を含む。ＭＣＭはさらに、分流器、電圧センサ、および制御ユニットに連結された地絡センサを含み、バッテリパックの電流、電圧および誘電インピーダンスの読取り値を提供することができる。
【００２６】
ＭＣＭは、分離した２つの電気コネクタであって、ＵＢＭおよび外部システム制御ユニットにインターフェイスで接続できる前記コネクタを有する。これはＵＢＭから情報を集め、セル電圧、パックの温度分布、パックの充電率、パック電流、パック状態および誤動作コードを、外部制御システム（例えば電気自動車内の制御システム）に報告し、相応して該外部制御システムから接触器を起動するためのコマンドを受信する。
【００２７】
本発明の例示の態様を、添付の図を参照してここに記載するが、複数の図を通して、類似の要素は類似の参照番号で指定される。
【００２８】
汎用バッテリモジュール
その拡張性および互換性のために、本発明によるＵＢＭを含むバッテリパックは、バッテリの電力を利用する種々の用途に用いることができる。バッテリパックは特に、電気的原動力を車両の駆動に利用する、電気自動車に適している。
【００２９】
図１（ａ）に、電気自動車において用いるための、複数のＵＢＭ２ａ〜２ｅを有するバッテリパック１ａを示す。ＵＢＭ２ａ〜２ｅは、バッテリパック１ａを構成するための基本構成単位として機能する。ＵＢＭ２ａ〜２ｅは、内蔵のインテリジェント電気制御および冷却回路を有する、定格２４Ｖ・ＤＣまたは３６Ｖ・ＤＣのバッテリモジュールである。代表的な電力制御システム、例えば図１（ａ）に示す電気自動車用電力制御システム３などにおいては、複数のＵＢＭ２ａ〜２ｅが直列接続されてバッテリパック１ａを形成し、電気自動車を駆動するのに十分な電力を提供する。ＵＢＭ２ａ〜２ｅはＭＣＭ１０２に電気的に連結されており、ＭＣＭ１０２はバッテリパック１ａ全体の動作を制御する。
【００３０】
ＵＢＭを含むバッテリパック１ａは、ＵＢＭ２ａ〜２ｅにエネルギーを再貯蔵するために、充電器５に高圧ＤＣ電力バス７を介して連結されている。充電器５は、充電ステージ中バッテリパック１ａを充電するように機能し、これは、２２０ＶＡＣから１２０ＶＤＣへの電力変換器であって、そのＤＣ電力はＭＣＭ１０２からの充電制御信号により制御される。ＤＣ電力バス７は、充電電力を充電器５からバッテリパック１ａへと運ぶだけでなく、バッテリパック１ａから放電された電力を他の車両デバイスへと運ぶ。したがって、放電ステージ中、バッテリパック１ａに貯蔵された電力は放電され、ＤＣ電力バス７に電気的に連結されているインバータ９およびトラクションモーター１１へと運ばれて、車両を推進させる。インバータ９は、バッテリパック１ａからのＤＣ電力をＡＣ電力に変換して、トラクションモーター１１を駆動する。トラクションモーター１１は、ドライブシャフト１３に機械的に連結され、該ドライブシャフトは機械的エネルギーを車両の車輪１５へと伝達し、車両を前進させる。同様に、ＤＣ電力バス７に電気的に連結されたパワーステアリングポンプ１７は、車両のパワーステアリングモーター１９に電力を提供する。ＤＣ電力バス７に連結された電力変換器２１は、バッテリパック１ａからの電力を変換して、車両のバッテリ２３を充電し、これは種々の周辺機器、例えば電気自動車のライト２５、インバータ９および複合計器３５などに電力を供給する。
【００３１】
有利なことには、ＤＣ電力バス７は標準電力バスである。したがって、バッテリパック１ａは、検査および交換のために電力制御システム３から容易に取り外せるだけでなく、異なる電圧が必要な他のシステムにおける使用にも適合可能である。
【００３２】
制御システム３の心臓部はコントローラ２７であり、これはシリアルリンクＣＡＮバス２９に電気的に連結されて、車両の種々のデバイスの動作状態をモニタリングし、ＤＣ電力バス７の電力の流れを制御する。コントローラ２７はまた、制御信号をＣＡＮバス２９を通して伝達することにより、車両の種々の動作状況の制御も行う。
【００３３】
複合計器３５は、コントローラ２７に、ＣＡＮバス２９を介して電気的に連結され、車両およびバッテリパック１ａの状態に関する情報を車両の運転者に表示する。好ましくは、複合計器３５は、バッテリパック１ａの安全および信頼性に関する全ての必要な情報を示すべきである。運転者は、イグニッションキー３７を用いて、車両のエンジンをかけ、またはエンジンを切り、またはコントローラ２７に接続されたアクセル３９またはブレーキ４１によって車両を制御する。イグニッション３７、アクセル３９またはブレーキ４１からの信号はコントローラ２７に伝達され、これによって運転者の指示に従って車両が制御される。
【００３４】
図１（ａ）に示す電気自動車制御システムなどの高電力用途において、熱放散は重要な問題となる。したがって、ポンプ４３はコンジット４５、４７に冷却材循環を提供して、ＵＢＭ２ａ〜２ｅを冷却および熱的に均等化する。
【００３５】
図１（ｂ）を参照すると、例示の低電圧電気自動車用途における、複数のＵＢＭを有するバッテリパックを含む電気自動車の部品を示すブロック図が示されている。図１（ｂ）に示されたバッテリパック１ｂは、低電圧用途に適しており、ＵＢＭ２ａおよび２ｂを含む。バッテリパック１ｂは、図１（ａ）に示すバッテリパック１ａと類似であるが、バッテリパック１ａと異なり、バッテリパック１ｂはＭＣＭ１０２（図１（ａ）に示す）を含まない。その代わりに、ＵＢＭ２ａおよび２ｂの各々は、バッテリパック１ｂを制御するよう構成された内蔵コントローラ（図示されず）を含む。ここに記載された態様において、ＵＢＭ２ｂはバッテリパック１ｂの制御に責任を負う。ＵＢＭ２ｂはそれ自体の動作状況をモニタリングおよび制御するのみでなく、複合計器３５およびイグニッションキー３７などの幾つかの外部デバイスも制御し、これらとインターフェイスで接続する。
【００３６】
ＵＢＭ２ｂは、種々のセンサからの、例えばＤＣ電力バス７の電流値をＵＢＭ２ｂへと伝達する分流センサ３１からの信号を受信する。
【００３７】
ＤＣ電力バス７に接続された接触器３３も、ＵＢＭ２ｂと電気的に連結し、ＵＢＭ２ｂからの制御信号を受信する。車両の動作条件が安全動作レベルを超えた場合、ＵＢＭ２ｂは接触器３３を開放して、ＤＣ電力バス７の電力の流れを遮断する。
【００３８】
次に図２を参照すると、これは、本発明によるバッテリパック（例えば図１（ａ）のバッテリパック１ａ）における、ＵＢＭの例示の態様を示す。図２に示すＵＢＭ２は、好ましくは、水分がシェル４を透過するのを防ぐために、密封関係で基板８に連結されたシェル４を含む。シェル４はその中に、熱フレーム２０内に隣り合った様式で横方向に配置された、複数の電気化学バッテリセル６を含む。熱フレーム２０はセル６と密着し、基板８と熱的に連通して、セル６から熱を取り去る。さらに熱フレーム２０は、セル６を、セル６間の熱的バランスを提供する熱的関係に維持する。したがって動作中に誤動作のため特定のセル６の温度が異常に上昇した場合、熱フレーム２０は、その過剰な熱をフレーム内にわたって分散させることにより、ホットスポットが生じるのを防ぐ。有利には、熱フレーム２０は、セル６の間の温度を均等化するアルミニウムなどの熱伝導材料で作られる。
【００３９】
１つの態様において、基板８はさらに、入口１０および出口２０に流体的に連通された、熱放散の改善のために基板８内に液体冷却材を循環させるチャネル（図示されず）を含むよう構成される。他の態様において、ＵＢＭ２はまた、液体冷却回路を含み、これは、熱フレーム２０の周りに液体冷却材を循環させることにより、ＵＢＭ２内の各セル６を冷却する。
【００４０】
セル６は、電圧コンダクタ５０により、互いに直列構造で電気的に接続されている。ここに記載の態様において、セル６はリチウムイオン電池であり、これらは直列接続されて、ＵＢＭ２のアノード端子１６とカソード端子１８を通って２４Ｖ・ＤＣまたは３６Ｖ・ＤＣの範囲の電圧を提供する。しかし、当業者に理解されるように、セル６は並列に、または並列直列組み合わせて接続することもできる。
【００４１】
ＵＢＭ２は２つの異なる状態、すなわち、充電状態および放電状態で動作する。充電状態の間、電気エネルギーがセル６に貯蔵される化学的電荷に変換されてその充電率が上がると、ＵＢＭ２の端子電圧が増加する。放電状態の間、その充電率が低下して貯蔵エネルギーが放出されると、ＵＢＭ２の電圧は下がる。
【００４２】
各セル６に対して、充電または放電電流をバイパスさせるためのバイパス抵抗器４８が、セル６の端子に渡って接続される。１つのセル６の電圧が充電状態の間に他よりも高い場合、バイパス抵抗器４８は充電電流を減少させる。１つのセル６の電圧が放電状態の間に他よりも低い場合、バイパス抵抗器４８は放電電流が減少するように動作する。
【００４３】
バッテリパック（例えば図１（ａ）に示すバッテリパック１ａ）中の各ＵＢＭは同一の制御ロジックおよび機能を含み、局所的ＵＢＭ２の物理的パラメータの自己起動制御を行う。したがって、ＵＢＭ２はバッテリ制御ユニット（ＢＣＵ）１４を含み、これはセル６の電圧およびモジュール温度をモニタリングし、セル６の間の電圧均等化を制御し、充電および放電状態でのＵＢＭ２の状態に関する種々の情報を、他のＵＢＭ２および主制御モジュールＭＣＭに伝達する。主制御モジュールＭＣＭについては、以下の図４との関連でさらに詳細に記載する。
【００４４】
本発明のここに記載する態様において、ＢＣＵ１４は、本明細書に規定されたコントローラを用いて実装される。ＢＣＵ１４のメモリは、ＵＢＭ２の温度および電圧閾値についての予め規定された値を含む。この予め規定された値は、ＢＣＵ１４のメモリの参照テーブル中に保存されている。ＢＣＵ１４はコネクタ２４に電気的に連結されて、ＵＢＭ２の動作状態に対応する信号をＭＣＭに、またはバッテリパック中の他のＵＢＭ２に、伝達する。
【００４５】
コネクタ２４はシェル４から突き出ており、シリアル通信ＣＡＮバス、例えば図１（ａ）のＣＡＮバス２９との接続のための端子２６〜４６を提供する。代替的に、コネクタ２４は、バッテリパックの次のＵＢＭ２からのはめ合わせコネクタと直接接続するように構成することもできる。ＢＣＵ１４は端子２６〜４６を通して、ＵＢＭの種々の状況に対応する電気的制御信号を、例えば図１（ａ）のＣＡＮバス２９などの端子２６〜４６に電気的に連結されたシリアル通信ＣＡＮバスを通して送信し、電力制御システム内の周辺機器へと、またはこれらから、制御信号を送信または受信する。好ましくは、制御信号はリレー、接触器、または同様の操作デバイスを駆動するように適応される。
【００４６】
図１（ａ）に示すバッテリパック１ａのＵＢＭ２ａ〜２ｅなどのような、複数のＵＢＭ２を含むバッテリパックにおいて、各ＢＣＵ１４は、その制御信号をバッテリパックの他のＢＣＵ１４に渡すための、通信チャネルが必要である。これは、各ＢＣＵ１４の端子２６および２８を、図１（ａ）に示すＣＡＮバス５１などのシリアル通信バスに連結することにより実現でき、これはバッテリパックにおける種々のＢＣＵのための、主通信チャネルとして機能する。ＢＣＵ１４は任意に、シリアル通信バス上で主または周辺ＣＡＮ通信プロトコルを用いて、互いに通信することができる。
【００４７】
低電圧バッテリシステムを必要とする小規模の用途に対して、これらの制御信号は、バッテリパック全体を制御するための外部コントローラを用いることなく、基本システム制御を提供するために用いることができる。制御信号は、バッテリパックの種々の動作状況を制御するための内部ＭＣＭを有する、大きなバッテリパックを構成する場合には、用いられない（接続されない）。
【００４８】
端子２６〜４６で利用可能な信号を、次の表１にまとめる： 
【表１】
2009512144.tif 000003
【００４９】
表１に示すように、コネクタ２４はさらに、ＢＣＵ１４が発生する他の制御信号、例えば端子４２における接触器信号、端子３２における警告灯信号、および端子３４における簡易システム動作制御を提供するための電力制御信号、およびバッテリパック（例えば図１（ｂ）に示すバッテリパック１ｂなど）の電流を計測するための、差動分流電圧入力ＤｉｆｆＩＮ＋４４およびＤｉｆｆＩＮ−４６などを伝達する。例えば、図１（ｂ）の低電圧用途において、分流器３５は、ＤＣ電力バス７の電流の値を伝達する。端子３６は、ＢＣＵ１４からの「シーケンスＵＰ」信号を伝達し、これは、バッテリパック内でのＵＢＭ２のシーケンス番号の調停（arbitration）を可能／不可能にするための、現ＵＢＭ２への入力である。端子３８は、ＢＣＵ１４からの「シーケンスＤｏｗｎ」信号を示し、これは隣接するＵＢＭ２に、バッテリパックの複数ＵＢＭ２の中の該ＵＢＭ２のシーケンス番号を調停して、外部コントローラにそれを認識させることを、可能／不可能とする出力である。バッテリパック内にただ２つのみのＵＢＭ２がある場合は、「シーケンスＵＰ」入力接続なしの１つのＵＢＭ２を、簡易システム制御に責任を負う第１ＵＢＭ２と考える。これが、図１（ｂ）に示すＵＢＭ２ｂの場合である。
【００５０】
高電力バッテリは、特に図１（ａ）および１（ｂ）に示すような自動車用途に用いられるものの場合、動作中に大量の熱を発生する。この熱は、セル６の寿命を短縮するだけでなく、電力システム３を組み込んだシステムの安全な動作にも危険である。ＵＢＭ２の熱特性を制御するために、熱センサ２２（例えばサーモスタット）を設けて、セル６が発生する熱をモニタリングする。熱センサ２２を熱フレーム２０と熱的連通関係におき、ＢＣＵ１４と電気的に接続する。ＢＣＵ１４はＵＢＭ２の温度を継続的にモニタリングし、温度を、ＢＣＵ１４に保存された所定の許容可能な閾値と比較する。閾値には２つのレベル、（ｉ）警告閾値；および（ｉｉ）オフ閾値がある。ＵＢＭ２の温度が所定の警告閾値を超えた場合、ＢＣＵ１４はまず警告フラグを端子２６および２８における信号に送信し、警告フラグをＣＡＮバス２９を介してコントローラ２７（図１（ａ）に示す）に伝達する。ＢＣＵ１４は、温度が上昇し続けて閾値を超える場合にのみ、ＵＢＭ２を遮断する。
【００５１】
ＢＣＵ１４は、端子３２において、バッテリパックの充電率の逆特性のデューティサイクルで警告灯信号を送信する。例えば充電率が６０％より大の場合、警告灯３２はデューティサイクル２％にセットされる；充電率が５％の場合、警告灯３２のデューティサイクルは９９％である。同様に、ＢＣＵ１４が、ＵＢＭ２の動作温度が安全限界を超えたか、充電率が３％未満であるか、またはＵＢＭ２が過電圧または過小電圧であることを検知した場合、ＢＣＵ１４は警告灯信号をデューティサイクル９９％に保つ。端子３２における警告灯信号は、任意に、端子３２に接続された警告灯５２に送信され、ＵＢＭ２が過剰または過小電圧であるか、過剰放電であるか、またはＵＢＭ２の温度が所定の閾値を超えた場合には、警告灯５２は固定して点灯される。
【００５２】
正常な動作条件下で、端子３４において利用可能なモジュール電力制御信号は、デューティサイクル９８％に設定される。任意のセル６の電圧が、所定の定電圧設定点に近ければ、電力制御信号デューティサイクルが２％まで減少し始める。この信号は、充電電力がその制御入力信号デューティサイクルに比例する、ＵＢＭ２に連結された充電器（例えば図１（ａ）に示された充電器５）を制御するために用いることができる。制御信号デューティサイクルが減少している場合、充電器の出力は減少しており、したがってどのセル６の電圧も定電圧設定点を超えない。比例積分微分（ＰＩＤ）アルゴリズムが、ＢＣＵ１４にソフトウェアまたはファームウェアとして実装されており、これが電圧を継続的にモニタリングし、セル電圧を設定点以下に保つ。
【００５３】
図１（ｂ）に示すように、分流器３５はバッテリパックの出力端子１８に電気的に直列に接続してＢＣＵ１４に差動フィードバックを供給することができ、これにより、充電または放電状態における、ＢＣＵ１４によるバッテリパックの電流特性のモニタリングを可能とする。この分流器３５は、端子ＤｉｆｆＩＮ＋４４およびＤｉｆｆＩＮ−４６を通してＢＣＵ１４に電気的に連結され、バッテリの充電率のモニタリングのために、ＢＣＵ１４に電流特性を伝達する。
【００５４】
ここで図３を参照すると、図３は、ＢＣＵ１４によるセル６の均等化および充電に関与するステップを示す、フロー図である。これらのステップは、ＢＣＵ１４のファームウェアまたはソフトウェアによってＢＣＵ１４に実装することができる。図３の目的のために、バッテリパックにはＮ個のセル６があると仮定する。端子３０において電力信号が検出されると（ステップＳ１０）、ＢＣＵ１４は動作モードに入り、セルの均等化状態を継続的にモニタリングする。充電中、セル６の複数の電圧値が多様になると、ＢＣＵ１４はセルの電気的均等化モードに入って、セル６を均等化する（例えば、ＵＢＭ２内のセル６の平均電圧に所定の誤差を加えた値より上または下の電圧を有するセル６のバイパス回路を、オンにする）。同時に、ＢＣＵ１４は継続的に、セル６電圧の最大値および最小値、並びにＵＢＭ２の温度を、シリアル通信ＣＡＮバス２９（図１（ａ）に示す）を介して報告する。したがって、ＢＣＵ１４は初めにセル６の平均電圧を計算して、セル平均電圧Ｖａｖｅ（ステップＳ１２）を決定する。次にＢＣＵ１４は、セル６が２秒より長く充電状態にあるかどうかを判定する（ステップＳ１４）。セル６が２秒より長く充電されている場合は、ＢＣＵ１４は各セル６の電圧Ｖｉを、平均電圧Ｖａｖｅに電圧閾値を加えたものと比較する（ステップＳ１６）。
【００５５】
セル６の電圧Ｖｉが平均電圧Ｖａｖｅに電圧閾値を加えたものより大きければ、ＢＣＵ１４はその特定のセル６に対するバイパス回路ＢＣｉのスイッチをオンにして、セル６を充電する電流の幾分かをバイパスさせる（ステップＳ１８）。しかし、セル６の電圧Ｖｉが電圧閾値内であれば、ＢＣＵ１４はそのセル６のバイパス回路ＢＣｉ４８を遮断する（ステップＳ２０）。続いてＢＣＵ１４は、そのセル６の最大セル電圧Ｖｍａｘ−ｉを決定する（ステップＳ２２）。この時、ＢＣＵ１４は次の式に従ってＤｖを決定する：Ｄｖ＝Ｖｓｐ（Ｔ）−Ｖｍａｘ−ｉ；ここでＤｖは、ＵＢＭ２の電流動作温度Ｔに対する充電セル６の電圧設定点Ｖｓｐ（Ｔ）と、セル６のＶｍａｘ−ｉとの差に対応する（ステップＳ２４）。Ｄｖに基づいて、ＢＣＵ１４はＰＩＤアルゴリズムから充電器のデューティサイクルを設定する。デューティサイクルは、９８％を超えたり２％を下回ったりしないように設定される（ステップＳ２６）。
【００５６】
セル６が２秒より長く充電されていない場合は、ＢＣＵ１４は次に、セル６が１秒より長く放電されているかどうかをチェックする（ステップＳ２８）。セル６が１秒より長く放電されていない場合、次にＵＢＭ２内の全てのバイパス回路はオフにされ（ステップＳ３０）、充電器（例えば図１（ａ）の充電器５）のデューティサイクルは２％にセットされる（ステップＳ３２）。
【００５７】
放電中、電力制御信号は、許容される最大放電電力を示すのに用いられる。したがってセル６が１秒より長く放電されていれば、放電状態が確認され、電力制御信号デューティサイクルは、最大許容放電電力に対する現在の放電電力のパーセントとして設定される（ステップＳ３８）。
【００５８】
セル６が１秒より長く放電されている場合、ＢＣＵ１４は次に、各セル６の電圧Ｖｉを、平均電圧Ｖａｖｅに電圧閾値を加えたものと比較する（ステップＳ３４）。セル６の電圧Ｖｉが平均電圧Ｖａｖｅに電圧閾値を加えたものより小さければ、ＢＣＵ１４はそのセル６のバイパス回路ＢＣｉを起動して、セル６の放電から幾分かの電流をバイパスさせる（ステップＳ３６）。しかし、セル６の電圧Ｖｉが電圧閾値内であれば、ＢＣＵ１４はそのセル６のバイパス回路ＢＣｉを遮断する（ステップＳ４０）。
【００５９】
主制御モジュール
ここで図４を参照すると、図４は、バッテリパック（例えば図１（ａ）に示すバッテリパック１ａ）のための主制御モジュール（ＭＣＭ）１０２を示す。ＭＣＭ１０２は、バッテリパック全体の動作パラメータをモニタリングし、ＵＢＭ２のリソースを管理してバッテリパックの安全動作を実現する、インターフェイスおよび制御モジュールである。
【００６０】
図４に示すように、ＭＣＭ１０２は、内部のプラス電力端子１２０およびマイナス電力端子１２２、外部のプラス電力端子１０８およびマイナス電力端子１０６、およびバッテリパック内の少なくとも１つのＵＢＭ２（図４には図示されず）と内部シリアル通信するための第１コネクタ１１２に連結されたコントローラを含む。ＭＣＭ１０２は、シリアル通信リンク、例えばコネクタ１１２の端子に連結されたＣＡＮバスを用いて、ＵＢＭ２と制御信号を通信する。
【００６１】
ＭＣＭ１０２はさらに、システムのバッテリ充電器などの種々の周辺機器と外部シリアル通信を行うための、第２コネクタ１１０も含む。したがってＭＣＭ１０２は、外部シリアル通信と内部シリアル通信を、第１コネクタ１１２および第２コネクタ１１０にそれぞれ連結された２つのシリアルバスＣＡＮ１バス１１３およびＣＡＮ２バス１１１によって、分離している。ＭＣＭ１０２およびそのインターフェイスは、表２に示す以下の信号を含む。
【表２】
2009512144.tif 000004
【００６２】
ＭＣＭ１０２はまた、主接触器１２４、プレチャージ接触器１２６、分流器１１６、ヒューズ１１８、および誘電インピーダンス検出回路を含むコントローラ１１４も含む。ＭＣＭ１０２は、システム制御シリアル通信バスと直接インターフェイスで接続するＣＡＮ２バス１１１から隔てられた内部ＣＡＮ１バス１１３を有する、７２Ｖより大きい電圧のバッテリパックをサポートする。ＭＣＭ１０２は任意に、バッテリパックが短絡した場合にバッテリパックへの電力を遮断するヒューズを含むものであってもよい。ヒューズは、内蔵された接触器１２４、１２６により高電圧バスのスイッチをオン／オフすることができ、前記接触器は、ＣＡＮ、コマンドまたは電力信号に従って制御される。
【００６３】
安全保護装置端子１３８、１４０は、内蔵接触器１２４、１２６の閉鎖を可能にするためのものである。付勢された場合にのみ、接触器１２４、１２６は閉じることができて、電力を出力するか、または充電を受け入れる。この保護により、バッテリパックからの高電圧電力を、非常時に物理的スイッチによって中断することが可能となる。
【００６４】
ＵＢＭ２は通常は、充電ステージ中の電圧範囲に維持されて、充電時の過電圧を防ぎ、バッテリパックの充電を最大化する。ＭＣＭ１０２は、セル６（図１（ａ）に示す）の電圧および、複数のＵＢＭ２（例えば、図１（ａ）に示すバッテリパック１ａのＵＢＭ２ａ〜２ｅ）からなるバッテリパックに供給される充電電流の両方をモニタリングし、充電サイクル中に電力制御信号１３６を介して充電電力を制御し、これによりバッテリパックの過充電を防ぐ。
【００６５】
ＭＣＭ１０２はまた、警告灯および充電器を駆動するための電気信号を送信するように、構成および配置することができる。有利には、ＭＣＭ１０２は、バッテリパックの充電／放電電流および高電圧バス誘電インピーダンスレベル（オーム）を、ＳＡＥ推奨回路（図示されず）によりさらにモニタリングするよう、構成される。他の態様においては、電圧センサが提供されて、バッテリパックからの電圧を決定する。したがって、ＭＣＭ１０２はまた、電圧センサによりＭＣＭ１０２に伝達された検知電圧に基づいて、バッテリパックの瞬間および平均電圧をモニタリングすることができる。
【００６６】
ここで図５を参照すると、図５は、図４に示すＭＣＭ１０２の起動操作におけるステップを示す。初めに、ＭＣＭ１０２はＣＡＮ２バス１１１をモニタリングして、ＣＡＮ信号がＣＡＮ２（１１１）に受信されたかどうかを決定する（ステップＳ５２）。ＣＡＮ信号が電力制御システム（例えば、図１（ａ）に示す電力制御システム３）から始動されている場合は、ＭＣＭ１０２はそのメモリから、（ｉ）パックのスイッチがオフにされた時に保存された時刻、（ｉｉ）最後にスイッチがオフにされてからのパックの充電率、（ｉｉｉ）バッテリパックの寿命における蓄積されたエネルギーＩｎおよびＯｕｔ、（ｉｖ）バッテリパックの寿命における累積動作時間、（ｉｖ）バッテリパックの寿命における累積故障コード、を検索する（ステップＳ５４）。ＭＣＭ１０２は次に、バッテリパックのスイッチが最後にオフにされてからの休止時間を計算する（ステップＳ５６）。ＭＣＭ１０２は、休止時間が所定の時間枠、例えば３時間を越えたかどうかを決定する（ステップＳ５８）。休止時間が３時間より長い場合は、ＭＣＭ１０２はバッテリパックの開回路電圧Ｖｏｃを得て（ステップＳ６０）、これに基づき、バッテリパックの新しいＳＯＣを計算する（ステップＳ６４）。ＭＣＭ１０２は、バッテリパックの誘電インピーダンスＲｄｉを得るステップに進む（ステップＳ６６）。休止時間が３時間以内の場合は、ＭＣＭ１０２は保存されたＳＯＣ動作値を新しいＳＯＣ値として用いる（ステップＳ６８）。新しいＳＯＣは、クーロン積分計算に初期値として用いられ（ステップＳ６４）、誘電検知回路１１４からバッテリパックの誘電インピーダンスＲｄｉを得るステップに直接進む（ステップＳ６６）。
【００６７】
ＭＣＭ１０２はバッテリパックの誘電インピーダンスＲｄｉの測定に進み（ステップＳ６６）、誘電インピーダンスＲｄｉをＣＡＮバス上に伝達して（ステップＳ７０）、誘電インピーダンスＲｄｉを閾値と比較する（ステップＳ７２）。誘電インピーダンスＲｄｉが閾値より小さい場合は、ＭＣＭ１０２は警告フラグをセットし、このフラグをＣＡＮバスを介して伝達する。ＭＣＭ１０２は次に、ＣＡＮ２バス１１１に起動コマンドがあるかどうかをチェックする（ステップＳ７６）。誘電インピーダンスＲｄｉが閾値より大きい場合は、ＭＣＭ１０２は、システムコントローラからのＣＡＮ２バス１１１を介した起動／停止コマンドを待つ（ステップＳ７６、Ｓ７８）。ＣＡＮ２バス１１１に起動コマンドがある場合は、ＭＣＭ１０２はプレチャージ接触器のスイッチをオンにし（ステップＳ８０）、そうでない場合は、ＣＡＮ２バス１１１からの起動コマンドを待つ（ステップＳ７６）。
【００６８】
プレチャージを制御するために、ＭＣＭ１０２はバッテリパックの出力電圧Ｖｃおよびプレチャージ時間をモニタリングする（ステップＳ８２）。出力電圧Ｖｃが閾値電圧レベルＶｏｃの９０％より大きい場合は（ステップＳ８４）、ＭＣＭ１０２は主接触器を起動し（ステップＳ８６）、起動フラグをセットしてＣＡＮバス１１１を介して更新し（ステップＳ８８）、内蔵リアルタイムクロックから起動時刻を保存する（ステップＳ９０）。出力電圧ＶｃがＶｏｃの９０％より小さい場合は（ステップＳ８４）、ＭＣＭ１０２はプレチャージタイマーがタイムアウトであるかどうかを確認する（ステップＳ９２）。タイムアウトでなければ、ＭＣＭ１０２はバッテリパックの出力電圧Ｖｃをモニタリングし、待機時間をモニタリングする（ステップＳ８２）。タイマーがタイムアウトの場合は、ＭＣＭ１０２はプレチャージ失敗フラグをセットして、ＣＡＮ２バス１１１を介して更新し（ステップＳ９４）、プレチャージ接触器のスイッチをオフにする（ステップＳ９６）。
【００６９】
ここで図６を参照すると、図６は図２と共に、ＵＢＭ２の起動操作におけるステップを示す。最初に、ＵＢＭ２はＢＣＵ１４の端子２６および２８に連結されたＣＡＮバスをモニタリングする。バッテリパックにＭＣＭ１０２が存在する場合は、そのＣＡＮ１バス１１３（図４に図示）はＢＣＵ１４の端子２６および２８に連結される。ＢＣＵ１４はＣＡＮ１バス１１３をモニタリングし、バッテリパックのＭＣＭ１０２または他のＵＢＭ２によりＣＡＮ１バス１１３に伝達されるＣＡＮコマンドを待つ（ステップＳ１０２）。ＭＣＭ１０２または他のＵＢＭ２のどちらかからのＣＡＮコマンドを受信している場合は、ＢＣＵ１４はさらに、これがパックの第１ＵＢＭ２であるかどうか（すなわち、ＭＣＭ１０２がバッテリパックにないかどうか）をチェックする（ステップＳ１０４）。
【００７０】
ＵＢＭ２が第１ＵＢＭでない場合（すなわち、バッテリパックにＭＣＭ１０２が存在する場合）、ＢＣＵ１４はそのメモリから、（ｉ）バッテリパックの寿命における累積動作時間、および（ｉｉ）バッテリパックの寿命における累積故障コードを検索して（ステップＳ１２６）、起動プロセスを終了する（ステップＳ１２８）。
【００７１】
ＵＢＭ２が第１ＵＢＭである場合、そのＢＣＵ１４は、バッテリパック制御機能を提供するために初期化しなければならない。したがってＢＣＵ１４は、そのメモリから、（ｉ）パックのスイッチがオフにされた時に保存された時刻、（ｉｉ）最後にスイッチがオフにされてからのパックの充電率、（ｉｉｉ）バッテリパックの寿命における蓄積されたエネルギーＩｎおよびＯｕｔ、を検索する（ステップＳ１０６）。
【００７２】
初めのＳＯＣを決定するため、ＢＣＵ１４はまず、バッテリパックの休止時間を計算する（ステップＳ１０８）。次にＢＣＵ１４は、バッテリパックが３時間より長く非活動状態であるかどうかをチェックする（ステップＳ１１０）。バッテリパックの休止が３時間以内であれば、ＢＣＵ１４は保存されたＳＯＣ値を、続く動作の間にバッテリパックのＳＯＣを計算するための初期積分値として用いる（ステップＳ１１８）。バッテリパックが３時間より長く休止している場合は、ＢＣＵ１４はパックの開回路電圧を読み（ステップＳ１１２）、これを用いて、続く動作中のパックのＳＯＣを計算するための初期積分値としての、新しいＳＯＣを計算する（ステップＳ１１６）。
【００７３】
初期ＳＯＣ計算の終了後、ＢＣＵ１４はバッテリパックを以下によって初期化する：後に動作時間を計算するために起動時刻をそのメモリに保存し（ステップＳ１２０）、警告灯信号デューティサイクルを３％にリセットし（警告灯オフ）、電力制御信号デューティサイクルを２％にリセットする（充電器電源オフ）（ステップＳ１２２）。上記の初期化が完了すると、ＢＣＵ１４は接触器のスイッチをオンにして（ステップＳ１２４）電力を供給するか（例えば、車両の運転のため）、または充電を受ける。ＢＣＵ１４はそのメモリから、（ｉ）バッテリパックの寿命における累積動作時間；および（ｉｉ）バッテリパックの寿命における累積故障コードを検索して（ステップＳ１２６）、起動プロセスを終了する（ステップＳ１２８）。
【００７４】
通常５つのＵＢＭ動作モードおよび４つのＭＣＭ動作モードがあり、これらは代表的用途において必要とされるものと考えられる。代表的な動作サイクルの間、バッテリパックの動作モードは、システム制御要求に応答して利用可能なモードの間で切り換えることができる。これらのモードは、当業者に知られているように、ソフトウェアまたはファームウェアで実装することができる。
【００７５】
ここで図７を参照すると、これは図２に示されたＵＢＭ２の種々のモードの動作を示す状態図である。図に示すように、ＵＢＭ２は次のモードで動作することができる：（ｉ）初期化モード３０１；（ｉｉ）動作モード３０２；（ｉｉｉ）サービスモード３０４；（ｉｖ）スリープモード３０６；および（ｖ）動作中の制御モード３０８。
【００７６】
初期化モード３０１において、ＢＣＵ１４は再起動する。このモードでは、ＢＣＵ１４はＣＡＮ通信ボーレートおよび繰り返し数を含むパラメータをリロードし、モジュールシーケンス番号の調停を行う。ＵＢＭ２が初期化モードに入る３つのケースがある：（ｉ）最初の起動３００；（ｉｉ）サービスモード３０４からの外部サービスリセットコマンド；および（ｉｉｉ）正常動作３０２または３０８からの、ＵＢＭ２監視リセット。
【００７７】
動作モード３０２の間、ＢＣＵ１４は継続してセル６の電圧およびＵＢＭ２の温度をモニタリングする。セル６の電圧分布に基づき、ＢＣＵ１４はセル均等化バイパス回路をオン／オフして、セル６の電圧を均等化する。任意のセル６における過電圧またはＵＢＭ２の過剰温度が検出された場合は、ＢＣＵ１４はＣＡＮ１バス１１３を通して警告信号を送信する。
【００７８】
ＢＣＵ１４はまた、ＭＣＭ１０２に定期的にデータ（例えば、セル６の電圧または温度に関する情報）を送信する。同期電圧測定コマンドを、ＭＣＭ１０２または第１ＵＢＭ２からＣＡＮ１バス１１３を通して受信した場合、ＢＣＵ１４は全てのセル６の電圧をサンプリングし、これを直ちに、ＣＡＮ１バス１１３を通して報告する。ＢＣＵ１４がグローバル均等化コマンドをＣＡＮ１バス１１３から受信した場合、全てのセル６の均等化回路が、コマンドが取り除かれるまでオンとなる。
【００７９】
低電圧用途、例えば図１（ｂ）に示す場合のように、第１ＵＢＭ２ｂがバッテリパック機能を制御する場合、任意のＵＢＭ２からのＣＡＮ１バス１１３からの警告フラグがＣＡＮメッセージの３回の更新より長く継続して存在するか、または３個より多くのＵＢＭ２が同時に警告を報告すると、第１ＵＢＭ２に対するＢＣＵ１４が接触器３３を開にし、任意のセル６の過電圧またはＵＢＭ２の過剰温度が検出された場合に警告灯を点灯する。
【００８０】
サービスモード３０４において、ＢＣＵ１４はそのメモリに、新しいソフトウェア（またはファームウェア）をアップロードでき、またはパラメータを更新できる。新しくアップロードされたソフトウェアまたはパラメータは、ＵＢＭ２が次に初期化モード３０１に入るまでは有効にならない。したがって、ＣＡＮ１バス１１３にリセットコマンドが存在する場合は、ＢＣＵ１４は新しいソフトウェアまたはパラメータをリロードし、その新しい構成について自らを再初期化し、新しいバージョンのソフトウェアをリロードする。サービスモード３０４の間、ＢＣＵ１４は、ＣＡＮ１バス１３３を介して動作状態情報（例えば、セル６電圧、ＵＢＭ２温度電流動作パラメータ、エラーコードなど）を診断目的で送信するように構成される。
【００８１】
スリープモード３０６の間、イグニッションがオフ（すなわち、ＢＣＵ１４の端子３０）において、ＵＢＭ２は省エネルギーのためにスリープモードに入り、電力消費を下げる。スリープモード３０６の間、全てのＢＣＵ１４（ＣＰＵ、ＣＡＮトランシーバおよび電力レギュレータを含む）はスリープモードに入り、これはイグニッションの電源をオンにして目覚めさせることができる。
【００８２】
初期化モード３０１の間、ＵＢＭ２が、これがバッテリパックの第１モジュール（可能な入力なし）であり、ＭＣＭ１０２が存在しないと決定した場合、該ＵＢＭ２は制御モード３０８に入る。このモードにおいて、ＢＣＵ１４は該ＵＢＭ２を、動作モード３０２におけるのと同様に制御するのみでなく、分流器差動入力を介してバッテリパックの電流をモニタリングし、警告灯、接触器および電力制御を制御して、基本的な電源オン／オフおよび充電制御を提供する。制御モード３０８において、ＢＣＵ１４はまた、バッテリパックの均等化のために、同期電圧測定値またはグローバル均等化などの制御信号を、ＣＡＮバスを通して他のＵＢＭ２に送信する。好ましい態様においては、これらの制御信号は、バッテリパック充電率および故障状態の表示のために、複合計器（例えば図１（ａ）に示す複合計器３５）に伝達することができる。
【００８３】
ここで図８を参照すると、図８は、図４のＭＣＭ１０２の種々の動作モードを示す状態図である。図８に示すように、ＭＣＭ１０２の動作モードは以下である：（ｉ）初期化モード４０１；（ｉｉ）動作モード４０２；（ｉｉｉ）スリープモード；および（ｉｖ）サービスモード。
【００８４】
起動モード４００での最初の起動のため、ＭＣＭ１０２は初期化モード４０１に入り、これによって保存されたパラメータ（例えばＣＡＮバスのボーレート、ＣＡＮ通信更新速度（update rate）、ＳＯＣ、累積充電／放電クーロン力、累積動作時間など）および最後の電源オンサイクルからの故障情報をリロードする。
【００８５】
動作モード４０２において、ＭＣＭ１０２は基本的なバッテリパックの動作、すなわちモジュール均等化、システムプリチャージおよび主電源オン／オフを制御する。同時にＭＣＭ１０２は、バッテリパック電流、電圧および高電圧バス誘電インピーダンスをモニタリングし、バッテリパックのＳＯＣおよび充電／放電容量を計算する。ＭＣＭ１０２はこれらの値を、動作モードおよび故障状態と共に、定期的に、ＣＡＮ２バス１１１を介して、電力制御システム（例えば、図１（ａ）に示す電力制御システム３）に報告する。
【００８６】
サービスモード４０４において、ＭＣＭ１０２はそのメモリに、新しいソフトウェア（またはファームウェア）をアップロードでき、またはパラメータを更新することができる。新しくアップロードされたソフトウェアまたはパラメータは、ＭＣＭ１０２が次に初期化モード４０１に入るまでは有効にならない。ＣＡＮ２バス１１１にリセットコマンドが存在する場合は、ＭＣＭ１０２は新しいソフトウェアまたはパラメータをリロードし、その新しい構成について自らを再初期化する。さらに、サービスモード４０４の間、ＭＣＭ１０２は、診断目的で、ＣＡＮ２バス１１１を介してＵＢＭ２に関する動作状態情報（ＵＢＭ２電圧および電流、ＵＢＭ２温度、エラーコードなど）を送信するよう、構成される。
【００８７】
スリープモード４０６において、ＭＣＭ１０２は電力消費を節約するためにスリープモードに入る。同時に、ＭＣＭ１０２は、リアルタイムクロックの作動を維持して、バッテリパックのリセットおよび動作時間を監視する。
【００８８】
ここで図９を参照すると、電気的に直列に連結された２つのＵＢＭ２ａおよび２ｂを有するバッテリパック６０が示される。かかるバッテリパック６０は低電圧用途に適しており、例えば全地形型車両（オフロード車：ＡＴＶ）、ゴルフカート、または身体障害者用のスクーターなどである。図９に示すように、バッテリパック６０は、ＢＣＵ１４ａ、１４ｂをそれぞれ有するＵＢＭ２ａ、２ｂを含む。ＢＣＵ１４ａ、１４ｂは、コネクタ２４ａ、２４ｂを介し、シリアル通信バス２５を介して、互いに通信する。ＢＣＵ１４ｂはその標準制御出力を用いてＵＢＭ２ａ、２ｂの基本制御を提供する。コネクタ６２はコネクタ２４ｂに電気的に接続され、ＵＢＭ２ｂからの制御信号を外部バス（図示されず）に伝達する。低電圧低コスト用途、例えばＡＴＶなどのために、外部バスは一般には存在しない。これらの用途においては、診断、ソフトウェア更新、較正の更新等のサービスを除く動作中、ＣＡＮカードを搭載したパーソナルコンピュータなどの外部コントローラをＣＡＮ１バス１１３に接続することによる、外部シリアルバス通信は存在しない場合がある。ここに記載の態様において、ＣＡＮ通信端子２６および２８は、サービス動作制御のみに用いられ、これにはソフトウェアまたはパラメータのアップロード／ダウンロードおよびシステムリセットが含まれる。電力信号（イグニッション３０およびＧＮＤ４０）は、ＤｉｆｆＩＮ＋４４およびＤｉｆｆＩＮ−４６を有する動作制御信号であり、パック６０の電流を示す。
【００８９】
ほとんどの低電圧用途において、バッテリパック６０の動作温度は臨界レベルに達しないが、ヒートシンク（図示されず）をバッテリパックのシェル６１に熱的に連通させるようにすることもでき、該シェルはバッテリモジュール基板に密着して熱放散を改善する。
【００９０】
図１０は、ＢＣＵ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、および１４ｄをそれぞれ有して電気的に直列に連結されている４つのＵＢＭ２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄを有する、バッテリパック７０の透視図である。バッテリパック７０は、高電圧保護およびバッテリパック電源のオン／オフ制御を提供するＭＣＭ１０２を必要とする、高電圧パックである。これは高電力用途、例えば純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車、風力または太陽エネルギー貯蔵などに適している。全てのＢＣＵ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、および１４ｄは、ＣＡＮ２バス８３、８１を用いて互いに通信する。
【００９１】
ＭＣＭ１０２は、その入力電力端子１２０および１２２が、ＵＢＭ１４ｄの電力端子１８ｄおよび１６ｄにそれぞれ接続されている。ＭＣＭ１０２の出力電力端子１０８および１０６は、バッテリパック７０の電力インターフェイスである。ＭＣＭ１０２は、図１（ａ）の電力制御システム３などの外部デバイスと、表２に記載されたものと同じ信号を有するコネクタ１１０を介して通信する。
【００９２】
パック７０内で、ＭＣＭ１０２は内部電気コネクタ１１２によりＵＢＭ２ｄとインターフェイスで接続され、その信号は以下を含む：（ｉ）シーケンス可能８５；（ｉｉ）ＣＡＮ＋８３；（ｉｉｉ）ＣＡＮ−８１；（ｉｖ）電源オン／オフ９１；および（ｖ）信号グラウンド８９。ＭＣＭ１０２を用いてパック７０を管理し、バッテリパックの制御を提供するためには、ＵＢＭ２ａ〜２ｄシステム制御信号、例えば表１に記載の警告灯３２、電力制御３４、接触器制御４２、ＤｉｆｆＩＮ＋４４、およびＤｉｆｆＩＮ−４６は必要ではなく、したがってこれらは接続はされず、用いられない。
【００９３】
高電力用途に対しては、ＵＢＭ２ａ〜２ｄの間での熱的な冷却および熱的な均等化のために、バッテリパック７０は、冷却材イン４５および冷却材アウト４７を有する液体冷却を必要とする。
【００９４】
上記の例において、各バッテリパックは直列のＵＢＭの単一線形アレイを含む。しかし、ＵＢＭの代替的な配置も可能である。図１１の例示の態様に示すように、バッテリパック８０はＵＢＭ２ａ〜２ｈのアレイを含み、これらは４個のＵＢＭ２ａ〜２ｄおよび４個のＵＢＭ２ｅ〜２ｈの２列が並んで保持されている。各列のＵＢＭ２ａ〜２ｈは互いに隣接して配列され、それらの対応する入口１０ａ〜１０ｈおよび出口１２ａ〜１２ｈは、冷却システム内での冷却材の流れの改善を可能とするように配列されている。ＵＢＭ２ａ〜２ｄは互いに並列に接続される。同様に、ＵＢＭ２ｅ〜２ｈは互いに並列に接続される。第１列のＵＢＭ２ａ〜２ｄは第２列のＵＢＭ２ｅ〜２ｈと直列に接続される。ＵＢＭ２ｄはＭＣＭ１０２に接続され、ＭＣＭ１０２はバッテリパック８０全体の制御に責任を負う。
【００９５】
本発明の上記の態様は例示であり、多くの方法で改変可能であることは明白である。かかる現在または未来の改変は、本発明の精神および範囲から逸脱したものとみなされるべきではなく、かかる改変の全ては、当業者に明らかであるように、本クレームの範囲に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１ａ】本発明の態様によりＭＣＭによって制御される複数のＵＢＭを有するバッテリパックを含む電気自動車の部品を示す、ブロック図である。
【図１ｂ】本発明の他の態様による複数のＵＢＭを有するバッテリパックを含む電気自動車の部品を示す、ブロック図である。
【図２】本発明の例示の態様によるＵＢＭの透視図である。
【図３】ＵＢＭのセルの均等化および充電に関わるステップを示すフロー図である。
【図４】本発明の例示の態様によるＭＣＭの透視図である。
【図５】ＭＣＭの起動操作に関わるステップを示すフロー図である。
【００９７】
【図６】ＵＢＭの起動操作におけるステップを示すフロー図である
【図７】ＵＢＭの動作の種々のモードを示す状態図である。
【図８】ＭＣＭの動作の種々のモードを示す状態図である
【図９】ＭＣＭを有し電気的に直列接続された２つのＵＢＭを有するバッテリパックの上面の模式図である。
【図１０】ＭＣＭなしで電気的に直列接続された４つのＵＢＭを有するバッテリパックの上面の模式図である。
【図１１】４つのＵＢＭの２つの列が並んで配置されたＵＢＭのアレイを含むバッテリパックの上面の模式図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月13日(2007.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
バッテリパック用の汎用構成単位として構成された汎用バッテリモジュールであって、前記バッテリパックは複数の汎用バッテリモジュールを含み、各汎用バッテリモジュールは、
複数の電気的に接続されたバッテリセル；
前記セルの物理的パラメータを送信するよう構成された、前記セルに連結されたセンサ手段；
前記センサ手段と通信して、前記センサ手段からの物理的パラメータに基づき前記セルを制御する、バッテリ制御ユニットであって、前記バッテリ制御ユニットは、前記バッテリパック中の他の汎用バッテリモジュールとシリアル通信して、他の汎用バッテリモジュールに動作信号を提供する、前記バッテリ制御ユニット；
を含み、ここで前記バッテリ制御ユニット、前記センサ手段および前記セルは、１つの一体型モジュールとしてパッケージ化されており、ここで前記汎用バッテリモジュールは、バッテリパック内で交換可能であるように構成される、前記汎用バッテリモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１４】
バッテリ制御ユニットが、バッテリパック内の汎用バッテリモジュールのシーケンス番号の調停を制御するように構成された、請求項１に記載の汎用バッテリモジュール。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
バッテリパックであって、
一連の接続された汎用バッテリモジュール中の少なくとも２つの汎用バッテリモジュールであって、各々の汎用バッテリモジュールは、複数の電気的に接続されたバッテリセル、前記セルに接続され、前記セルの物理的パラメータをモニタリングおよび送信するように構成されたセンサ手段、前記センサ手段と通信して、前記センサ手段からの物理的パラメータに基づき前記セルを制御するバッテリ制御ユニットを含み、ここで各汎用バッテリモジュールの前記バッテリ制御ユニット、前記センサ手段および前記セルは、１つの一体型モジュールとしてパッケージ化されている、前記少なくとも２つの汎用バッテリモジュール；
前記一連の汎用バッテリモジュールに連結された主制御モジュールであって、前記主制御モジュールはバッテリパック電源のオン／オフを制御するよう構成され、そして、各汎用バッテリモジュールとインターフェイスで接続する内部電気コネクタ手段、および前記一連の汎用バッテリモジュールの電気的均等化を制御する制御手段を含む、前記主制御モジュール；
を含み、ここで前記２または３以上の汎用バッテリモジュールの各々のバッテリ制御ユニットは、バッテリパック内の他の汎用バッテリモジュールと、または主制御モジュールと、シリアル通信するように構成されて、これらに動作信号を提供し、ここで前記２または３以上の汎用バッテリモジュールの各々は、バッテリパック内で交換可能に構成され、およびここで前記一連の汎用バッテリモジュールおよび前記主制御モジュールは、１つの一体型バッテリパックとしてパッケージ化されている、前記バッテリパック。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
発明の詳細な説明
定義
用語「センサ」は、温度、電圧または電流などの測定値の特徴に応答して測定可能なセンサパラメータを有するデバイスを定義するために用いる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
各セル６に対して、充電または放電電流をバイパスさせるためのバイパス抵抗器４８が、セル６の端子に渡って接続される。１つのセル６の電圧が充電状態の間に他よりも高い場合、バイパス抵抗器４８は充電電流を減少させる。１つのセル６の電圧が放電状態の間に他よりも低い場合、バイパス抵抗器４８は放電電流が減少するように動作する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
コネクタ２４はシェル４から突き出ており、シリアル通信ＣＡＮバス、例えば図１（ａ）のＣＡＮバス２９との接続のための端子２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６を提供する。代替的に、コネクタ２４は、バッテリパックの次のＵＢＭ２からのはめ合わせコネクタと直接接続するように構成することもできる。端子２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６を通して、ＢＣＵ１４はＵＢＭの種々の状況に対応する電気的制御信号を、例えば図１（ａ）のＣＡＮバス２９などの端子２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６に電気的に連結されたシリアル通信ＣＡＮバスを通して送信し、電力制御システム中の周辺機器へと、またはこれらから、制御信号を送信または受信する。好ましくは、制御信号はリレー、接触器、または同様の操作デバイスを駆動するように適応される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
端子２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４および４６で利用可能な信号を、次の表１にまとめる： 
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【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１ｂ】
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【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【国際調査報告】
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