(57)【要約】  複数の電気化学セルを監視及び管理するためのシステム及び方法は、スイッチ手段、複数のセルのセル電圧レベルを示す信号を監視するためのマルチプレクサ手段、それぞれの時間において監視信号のうちの選択された信号を、マルチプレクサを通じてスイッチ手段に結合するための選択手段、及び選択信号を測定回路に印加するためにそれぞれの時間の各々の一部分の間にスイッチ手段を瞬間的に動作させるための手段を含み、異なる信号が選択されるに従って１つ又はそれ以上の選択セルを測定回路に結合するためにスイッチ手段を用いる。典型的には、スイッチ手段からの出力は測定バスに電気的に結合され、該バスがスイッチからの選択電圧表示信号を測定回路に誘導する。測定回路は、スイッチドキャパシタ又はフローティング測定システムを用いてセル電圧を監視することができる。セルからの電圧表示信号は、マルチプレクサ入力の適正な選択によって、パック監視及び遮断監視などの他の目的で用いることもできる。【選択図】図１
2008538408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学セルを監視するためのシステムであって、
スイッチ手段と、
複数のセルのセル電圧レベルを示す信号を監視するためのマルチプレクサ手段と、
それぞれの時間において前記監視信号のうちの選択された信号を前記スイッチ手段に結合するための選択手段と、
前記選択信号を測定回路に印加するために、前記それぞれの時間の各々の一部分の間に前記スイッチ手段を瞬間的に動作させる手段と、
を含み、
前記スイッチ手段を用いて、前記マルチプレクサによって異なる信号が選択されたときに複数のセルを前記測定回路に適用する、
ことを特徴とする複数の電気化学セルを監視するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルの監視及び管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリにおいて見られるような電気化学セルを監視及び管理する必要性は、様々な用途に関連して当該技術分野で良く知られている。適正にコスト効果のあるシステムに対する必要性は、電気車両、バッテリ式電気ハイブリッド車両、及びプラグインバッテリ式電気ハイブリッド車両に対する要望の増大と共により一層高まっているが、本発明はかかる用途に限定されないことは明らかであろう。
【０００３】
電気化学セルの監視及び管理は、複数のセルが並列及び直列に組み合せられて使用される場合には極めて複雑になる。電気化学セルは、より大きな電力又はエネルギーをセル用途に供給するために直列又は並列配置で組み立てられることが多い。並列及び直列セル配置は、利用可能な電力、蓄積エネルギー、並びに電圧及び／又は電流を増倍する。直列／並列配置で配列された幾つかのセルが存在する状況では、最も脆弱なセルがシステム全体の障害を引き起こす可能性がある。各セルグループの監視は、電気化学セルシステムの健全性、ステータス、利用可能なエネルギー及び電力に関する動作知識を維持するために必要とすることができる。電気化学セルグループの監視はまた、保証記録を保持するためにも必要とすることができる。
【０００４】
セルが過充電、又は過放電、或いは特定の電圧範囲外で動作することが許容されるべきではない状況では、セルの平衡化が必要とされる可能性がある。このような場合には、全てのセルを均一な充電状態（又は一様に安全な動作点）にするようにセルを監視及び管理する必要がある。セルが均一な充電状態にされた場合でも、製造及び組み立て公差又は欠陥、電流もしくは熱の非平衡によって、セルが異なる容量で作動する可能性があり、好ましくはこれらの全てを管理すべきである。
【０００５】
典型的には、セルの監視はセルの電圧及び温度の測定を含み、場合によってはシステムソフトウェアによって他のセル特性を算出することを含むことになる。
【０００６】
測定は通常、パックレベルに対して行われる。パック電流又はパック電圧のようなこれらの測定は、全てのバッテリパックを保全するのに有用とすることができる。また、安全性のためバッテリパックを車両のシャーシ及び他のポイントから確実に分離し、ある特定のタイプの障害を検出するように試みることは一般的である。
【０００７】
最後に、用途によっては、他のシステム電圧が読み出され、接触器又はリレーを用いてセルをシステムから接断することができ、測定値が表示され、ファン及び充電器が制御され、更に他のことが行われて、セルを保護し且つセルの健全性を監視する。
【０００８】
スイッチドキャパシタ電圧監視システムは、当該技術分野で公知であり、該システムは通常、監視されることになる電圧ポイント毎に少なくとも１つのスイッチングデバイス（以下「スイッチ」）を含む。スイッチドキャパシタシステムでは、スイッチは、セル又はセルグループの両端にキャパシタを接続することになる。これによりキャパシタは、キャパシタ電圧がセル電圧と等しくなるように充電される。次いで、スイッチが接断され、キャパシタをセルに対して遮断するようにする。次に、スイッチの第２のセットが、キャパシタを電圧測定可能なデバイスに接続する。これによって、測定デバイスを監視中のバッテリから遮断することが可能になる。かかるシステムの利点は、該システムが各測定を行うためにバッテリからごく僅かな電流しか流出させず、デバイスがオフであるときに測定電流に伴う寄生負荷がないことである。しかしながら、複数のセルが共に接続される場合には、測定すべき幾つかの電圧ポイントが存在し、スイッチのコストが極めて増大する恐れがある。
【０００９】
関連する電圧監視システムは、スイッチを保持するが、キャパシタは排除されている。２つのスイッチにより電圧が共通バスに接続される。電圧は、このバスに常時接続された測定デバイスによって測定される。この電圧測定デバイスは、スイッチが閉じている時には測定中のセルに関連付けられることになり、必要に応じて別のシステムから遮断することができる。
【００１０】
上記の変形形態では、他の回路を用いて１つ又はそれ以上のセルを測定バスに同時に接続することにより、パック電圧、遮断測定値、又は他の測定値を得ることができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書による本発明は、従来技術のシステムと同様の安全及び性能レベルを維持しながら、従来技術よりも優れた部品点数の劇的な削減を可能にするマルチプレクサ及びスイッチングデバイスを用いる新規のシステム及び方法を提供する。本発明はハードウェアにおける比較的容易な実装に役立ち、比較的単純なマイクロプロセッサを用いることを可能にする。
【００１２】
要約すると、複数の電気化学セルを監視するためのシステムが本明細書で開示され、該システムは、スイッチ手段、複数のセルのセル電圧レベルを示す信号を監視するためのマルチプレクサ手段、それぞれの時間において監視信号のうちの選択された信号をスイッチ手段に結合するための選択手段、及び選択信号を測定回路に印加するためにそれぞれの時間の各々の一部分の間にスイッチ手段を瞬間的に動作させるための手段を含み、マルチプレクサによって異なる信号が選択されると、複数のセルを測定回路に対して適用するためにスイッチ手段が使用される。
【００１３】
典型的には、スイッチ手段からの出力は、測定バスに電気的に結合され、該バスがスイッチからの電圧表示信号を測定回路に誘導する。測定回路は、スイッチドキャパシタ又はフローティング測定システムを用いてセル電圧を監視することができる。
【００１４】
セルからの電圧表示信号は、マルチプレクサ入力の適正な選択によって、パック監視及び遮断監視などの他の目的で用いることもできる。
【００１５】
本明細書で使用される用語は以下の通りである。
「電気化学セル」又は「セル」は、固体、プラスチック、又は液体電解質と接触状態にある導電材料（金属、炭素又は他のＩＶ族元素及び化合物、複合材料、或いはプラスチック等）で作られた平面又は非平面電極から構成される電気化学セルを意味する。電気化学セルの実施例は、バッテリ、燃料セル、電解槽、及び同様のものである。電気化学セルは、その構成に有機及び無機構成要素を有することができる。セルは、容器内に収容することができ、又は収容されていなくてもよい。容器がある場合には、該容器は導電性又は非導電性とすることができる。セルは自立することができる。
【００１６】
「マルチプレクサ」は、その出力に接続すべき「入力がない」ことを含む、幾つかの入力信号選択肢のうちの１つ又はそれ以上を選ぶことができるデバイスを意味する。かかるデバイスに対する出力として異なる入力又は入力の組み合せを選択的に選ぶことができる点は、当業者であれば認識するであろう。接続は双方向とすることができ、又は単方向方式で出力ポイント上に入力信号を表することができる。従って、マルチプレクサ及びスイッチは各々、出力に信号が伝達されない、すなわち全てのスイッチがオフ又は全ての入力が非選択であるモードを有することができる。
【００１７】
「パック」は、直列、並列、又は直列と並列の組み合せで接続された電気化学セルの集合を意味する。本発明の目的において、単一のセルもパックと見なすことができる。
【００１８】
「スイッチ」は、２つの点を互いに接続することができ、続いてこれらの点を互いから接断することができるあらゆるデバイスを意味する。スイッチの実施例には、リレー、固体リレー、接触器、トグルスイッチ、ＦＥＴ、トランジスタ、光カプラ、光アイソレータがある。本明細書では、１つより多いスイッチを含むデバイスを２つの個々のスイッチとして概略的に表すことができる点に留意されたい。
【００１９】
本発明の別の新規の態様の利点によれば、該態様の構成要素は、例えば最大２４個のセルを監視するように構成されたプリント基板（「ＰＣＢ」）上に搭載することができる。ＰＣＢは、２４個よりも少ないセルを監視することができる小部分に切断することができるように設計することができる。ＰＣＢを分離するための方法は、本発明の一部として詳細に説明する。
【００２０】
本発明の別の新規の態様によれば、これまで必要とされていたものよりも小さなマイクロプロセッサの使用を可能にするソフトウェア抽象化層を用いることができる。
【００２１】
本発明の更に別の新規の態様によれば、新規の制御を利用して、適正な平衡化のためにセルを選択的に放電する。
【００２２】
これらの態様の各々が他のものがなくとも実施することができ、これらの複数の使用は、本発明の好ましい実施形態を実施する以外には必要ではない点を当業者は認識するであろう。
【００２３】
最後に、各図は、例証として説明の目的でマルチプレクサに接続された特定の数のセルを示しているが、セルの数は固定されない点に留意されたい。より多くの又はより少ないセルをマルチプレクサに安全に接続することができる場合には、本発明の範囲から逸脱することなくこれらのセルを接続することができる。同様にアイソレータに接続されたセルの数は、図面において例証として示される数に限定されず、特定のデバイスの安全な適用制限によってのみ限定される。
【００２４】
各図面がその一部を形成する、以下に記載される本発明の好ましい実施形態の説明を読めば、当業者には本発明の更なる詳細が理解されるであろう。
【００２５】
図では、概略的に示された電気化学セルは、単一のセル、並列の幾つかの電気化学セル、直列の１つ又はそれ以上の電気化学セル（この場合、個々のセルの中間にある全ての電圧ポイントを監視する必要はない）、又は直列／並列の組み合せとすることができる。
【００２６】
加えて、明瞭にするために全ての配線が図示されているとは限らない点を当業者であれば認識されるであろう。例えば、スイッチは、互いに接続され、又は互いに接断されることになるポイントである２つの端子だけが図示されることになる。スイッチが、あるポイントに接続することができるが使用されない他のポイントを含む場合には、これらのポイントは図示されないことになる。スイッチを作動させるために制御回路が必要な場合、該制御回路を図示しない場合がある。例えばマルチプレクサでは、チャンネル数は概念によって制限されるのではなく、特定の用途及び使用する構成要素によって制限されるので、選択するラインに必要とされる全回路は図示されない。当業者であれば、本明細書の説明の利点によって、種々の用途又は異なる用途に対して本発明の目標を達成することができるように構成要素を選択し、配線を完成させ、値を割り当てることができる。
【００２７】
図の全てにおいて、メインバスは２つの電線として示すことにする。２つよりも多いか又は少ない電線のバス、並びに２つより多い電線で終端する構成要素ブロックを有することができる点は、当業者であれば認識するであろう。異なるブロックに接続された複数のバスを有することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明に従って構成された好ましいセル監視回路１０の概略図である。マルチプレクサ１２（２つのブロック１２ａ、１２ｂとして示されている）は、その入力において複数のセル１４ａ〜ｄに結合される。図示のように、セル１４ａの両端にマルチプレクサの入力「０Ｙ」及び「１Ｙ」が電気的に結合され、セル１４ｂの両端に入力「１Ｙ」及び「２Ｙ」並びに入力「０Ｘ」及び「１Ｘ」、セル１４ｃの両端に入力「２Ｙ」及び「３Ｙ」並びに入力「１Ｘ」及び「２Ｘ」、セル１４ｃの両端に入力「２Ｘ」及び「３Ｘ」、更にセル１４ｄの両端に入力「０Ｘ」及び「１Ｘ」が電気的に結合される。マルチプレクサ入力の各々は、限流抵抗器を通してそれぞれのセルのそれぞれの側に結合される。マルチプレクサ１２ａ、１２ｂの出力は、それぞれスイッチ１４ａ、１４ｂに結合される。このようにして、セルのいずれか１つに結合された入力を選択することによって、当該セルの電圧を示す信号をマルチプレクサの出力に選択的に印加することができる。
【００２９】
作動時には、制御回路によって発生した「選択信号」は、マルチプレクサ１２に各セルからの電圧表示信号をマルチプレクサの出力のスイッチに繰り返し結合させるように動作する。スイッチは、電圧表示信号がスイッチの入力に印加されるまで「開状態」に維持され、次いでスイッチを瞬間的に閉じて当該信号を測定バス１８に印加し、ここで、当該信号は、キャパシタ（スイッチイングキャパシタ型測定回路を用いる場合）、又はマイクロプロセッサ互換デジタル出力値を生成するためのアナログ／デジタルコンバータを含むことができる別のタイプの測定回路１９を充電するのに用いることができる。パック電圧は、入力「０Ｙ」及び「３Ｘ」を選択することによって、又はこのモジュールでは入力「０Ｙ」のみを選択し、これを同じ共通バスを共有する別のモジュールの入力「３Ｘ」と比較することによって測定することができる（ここで、第２の同様のモジュールは、該モジュールの追加セルを監視するためにパックに取付られる）。遮断を可能にするために、スイッチは、選択入力が印加された後まで開放状態を維持し、次のセルに切り替える前まで開放されている。
【００３０】
当然ながら、選ばれたマルチプレクサは、図示のセル数よりも多くのセルを監視するのに十分な数の入力を有することができ、本発明は、マルチプレクサ当たり又はモジュール当たりのある特定のセル数に限定されない。図１が測定モジュールを表す場合、モジュールは、図示の数のマルチプレクサよりも多くの数を含むことができる。必要に応じて複数のかかるモジュールをカスケードして、ある特定の用途で用いられるセル数を監視することができ、これによって測定回路が変わらないようにすることができる点は、当業者には認識されるであろう。
【００３１】
前述の構成で電気化学セルのセットとスイッとの間にマルチプレクサを配置することによって、電圧ポイントの所与のセットに必要とされるスイッチ数が低減される。マルチプレクサにおける漏洩電流は、驚く程低くすることができる。スイッチの数がより少ない程コストが低減される。最後に、共通バスに接続されたブロックのアーキテクチャを用いて、機能性を安価に拡張することができる。
【００３２】
図示のマルチプレクサは、アイソレータ１７によってその動作環境において他のシステムから遮断される。本明細書で使用される「アイソレータ」とは、入力信号を出力信号から電気的に遮断するデバイスである。場合によっては、信号を遮断するプロセスにおいて、出力が入力と異なることになる。これは、オープンドレイン出力、反転出力、バッファ出力、又は幾つかの他の可能性を有することを含むことができる。測定中の電気化学セルに直接関連付けられない電子制御信号を有するスイッチ又はリレーは、遮断されているとみなすことができ、この関連ではアイソレータと考えることができる。アイソレータの他の幾つかの実施例は、磁気アイソレータ及び光アイソレータである。
【００３３】
図示の構成を利用して、図示のモジュールの出力から得た電圧、及び選択入力をシャーシ又は接地に接続させた同様のモジュールから得た電圧を用いることによって遮断測定値を得ることができる。更に、図示のモジュールを用いて、セル電圧以外のパラメータを測定することができる。必要とされる遮断の程度に応じて、安価な遮断デバイスを用いてマルチプレクサ用の選択線を制御することができる。
【００３４】
図２は、個々のセルの放電を可能にする追加回路を有するセル測定ブロックを示している。これによって、セル平衡化をセル測定ブロックに安価に追加することが可能になる。放電デバイス２０ａ〜ｄはそれぞれ、セル１４ａ〜ｄの両端に結合され、遮断回路２２を通じてデバイス２０ａ〜ｄに結合されたコントローラ２３からのコマンドによって制御される。放電デバイスデバイス２０ａ〜ｄは、例えば、限流抵抗器、スイッチ、ＬＥＤ、並びに抵抗器又は高抵抗スイッチを含むことができる。各放電デバイスは、セル温度及びセル電圧等のパラメータの値２５に応答し、全セルを平衡にするためにどのセルを放電させる必要があるかを判定する。更に、例えばハイブリッド車両用途では、コントローラは、セルを平衡化するのに適切な時間であるかどうか、例えばその時点で大きな電流引き込み又は再生等によるセルの高速充電がないことを判定することができる。
【００３５】
図３は、セル測定ブロックへの追加の性能向上を提示する追加回路を有する図２のセル測定回路の概略図である。この性能向上により、平衡化状態を蓄積することが可能となり、その結果、システムの他の部分を停止してメモリ及び電力を節約することができるようにする。メモリ／電荷蓄積デバイス２６ａ〜ｄは、平衡化回路の状態を「オン」に保持することができ、平衡化作用に影響を及ぼすことなく他のシステムの一部又は全ての電源を停止することができるようにする。１つの好ましいメモリ／電荷蓄積デバイスはＭＯＳＦＥＴであり、ここでは、かかる電源停止の前にゲートが充電される。その後ドレイン及びソースの電圧が切断されると、ゲートは「オン」を継続し、選択したセルから電荷が引き出されてアイソレータ２８を通じて放電されるので、セルの平衡化作用が維持される。記憶装置は、セルに関連付けられるように図示されているが、記憶装置はまた、アイソレータの他方の側に配置することもできる点を当業者であれば認識されるであろう。使用されることになり且つ結果として得られる良好な設計実施に適合する放電デバイスのタイプに応じて、１つ又はそれ以上の抵抗器、キャパシタ、又は他の受動もしくは能動デバイスをメモリストレージデバイスとアイソレータとの間に含めることができる点に留意されたい。
【００３６】
平衡化がセルに対してアイドリング期間中に実施されることになる場合には、電気化学セル監視電流を低減することができる方法がある。個々のタイマの代わりにパルス幅変調（「ＰＷＭ」）負荷サイクルを有するシステムでは、ＰＷＭ周期は、全体の平衡化サイクルが１つの周期となるようにスケール変更される。ＰＷＭ周期及び負荷サイクルを制御するタイマは、デバイスを規則的な時間間隔で起動させ、セルグループに対する平衡化をオフにし、又は電荷蓄積／メモリデバイスを再充電する。メモリ／電荷蓄積法の利点は、平衡化作用を管理するのに極めて僅かな供給電力しか必要としない点である。ＰＷＭタイマ又は個々のタイマのいずれかによって、電気化学セルモニタの機能の大部分を休止状態にすることができる。次いで、該モニタは、必要に応じてセルの平衡化を更新するために起動することになる。
【００３７】
また、デバイスの待機電力要件を更に低減する改良が存在する。デバイスが休止状態にある間、すなわち実質的に全てのバックグラウンド電力要件が排除される期間中に平衡化を実施するための方法が考案された。この概念は、デバイスのゲートを別のデバイスにロードし、次いでオン／オフ／又は高インピーダンスとすることができるトライステートデバイスでゲートをｈｉｇｈレベルに駆動することによって、金属酸化物電界効果トランジスタ及び類似デバイスのゲートとドレイン−ソース接合部との間の高抵抗を利用する。
【００３８】
待機電力要件を低減させる別の方法は、放電中のセルの外のバイパスに電力を供給し、外部信号を用いて該バイパスの状態を設定することである。バイパスが望ましい場合には、トライステートスイッチが望ましい状態（オン又はオフ）にロードされ、次いでデバイスをオフにする。同様の方式で、セルのバイパス状態をオンに切り替えることができ、続に外部電源がオフされる。平衡化が行われている間、デバイスは、外部電源から電力を引き出さない。デバイスは、定期的に起動することができ、バイパス状態を「リセット」し、又は新しい状態をロードして、次いで再び休止状態に戻る。
【００３９】
待機電力要件を低減させる別の方法はハードウェア指向である。平衡化用のハードウェア制御線は、入力側の電荷蓄積又はメモリデバイスで設定される。タイマベースのシステムでは、メモリストレージデバイスを起動又は充電することによって平衡化が可能になる。個々のタイマが切れると、メモリデバイスがオフされることになる。
【００４０】
基本発明は、幾つかのブロックをメインバスに接続することによって実現される。ブロックは、一度に１つ又はそれ以上ずつメインバスに接続されることになる。
【００４１】
バッテリパック（以下「パック」）電圧の測定は、図１に示したものに加えて回路を必要とする可能性がある。例えば、図１に示すモジュールは、２４個のセルを監視することができ、パックは、３つのかかるモジュール又は７２個のセルから成る。従って、パック電圧は、単一のモジュールの出力から得ることができない。
【００４２】
図４は、パック電圧を測定するために本発明に従って利用することができる回路の概略ブロック図である。簡潔に述べると、パックの正端及びパックの負端が抵抗分割器を通じてメインバスに電気的に結合され、電圧を適切に調整する。利用する測定回路は実際のパック電圧の範囲内の電圧を測定することができないので、電圧調整が必要となる可能性が高い。
【００４３】
図４を参照すると、パックの正側が第１の抵抗器Ｒ３４を通じてスイッチＳ１の入力に電気的に結合されている。第２の抵抗器Ｒ３３の出力は、第２のスイッチＳ２の入力に電気的に結合される。同様に第２の抵抗器３３の出力は、第３の抵抗器Ｒ３２を通じてメインバスの負の経路に電気的に結合される。第２のスイッチＳ２の出力は、メインバスの正の経路に結合される。パックの負側は、抵抗器Ｒ３５、第３のスイッチＳ５、及び第２の抵抗器Ｒ３６を通じてメインバスの負の経路に結合される。
【００４４】
作動時には、最初に第２のスイッチＳ２が閉じられ、抵抗器Ｒ３２を通じてメインバスの正及び負の経路を接続する。次に、スイッチＳ１及びＳ５が閉じられ、抵抗器Ｒ３３及びＲ３２が分圧器ネットワークを形成した状態で、メインバス上に予め定義した割合のパック電圧を印加する。次いで、電圧が測定される（後続の測定用にキャパシタを充電することによって、又は測定回路を用いることで）。次に、スイッチＳ２が開かれ、抵抗器Ｒ３２を通じた放電を防止し、スイッチＳ１及びＳ５が開かれる。この時点で、キャパシタを用いている場合には充電されたキャパシタを測定することができる。
【００４５】
スイッチＳ５を用いる代わりに、セルを収容するセル測定モジュールを通じてパックの負側を選択することができる。パックの負側を図４におけるパックの正側と切り替えることも可能である。これらの変更形態の全ては、各々は本開示の利益を有する当業者には明らかであるように、本発明の範囲内にある。
【００４６】
測定デバイス又はスイッチドキャパシタのキャパシタ部分がパック電圧を扱うことができる場合には、パック電圧は、マルチプレクサブロックを通じてメインバスに接続することができる。このことを達成する１つの手法は、メインバスとスイッチドキャパシタ又はフローティング測定回路との間で調整を加えることによるものである。スイッチを若干動かすことによって、電圧のいずれかを抵抗分割器を通じて接続することが可能になる。この方法は、単一のモジュールがパック内の電圧の全てを測定している場合にのみ機能する。単一のモジュールが電圧のサブセットのみを監視する場合には、パック電圧は、他の方法を用いるか、又は一方のパック電極を適切なマルチプレクサを通じて接続し、他方のパック電極を該モジュール自体のスイッチを通じて接続することによって測定しなければならなくなる。図５を参照されたい。
【００４７】
図５に示すように、メインバスを用いて、高電圧信号を測定する（Ｓ３及び場合によってはＳ１を接続することによって）か、又は低電圧信号を測定する（Ｓ１及びＳ２を接続することによって）かのいずれかを行うことができる。パック電圧を検査するためには、パック電圧をメインバスの両端に接続し、高電圧測定リンクが使用される。
【００４８】
パックが遮断されることになり、遮断障害が存在する場合には、障害を特徴付けることができる遮断抵抗及びパック内相対位置が存在する。遮断抵抗及び障害位置を算出するために、２つの式、従って２つの測定が必要となる。
【００４９】
典型的な遮断検出回路は、１つのポイントにおいてパックをシャーシに弱く接続し、次いで電流を測定することになる。パックが遮断されている場合には電流は０となり、障害がある場合には、電流は障害の位置及び強度に依存することになる。次いで、検出回路を別のポイントに弱く接続し、別の測定を行う。これによってあらゆる障害の位置及び強度を算出することが可能になる。弱い接続は、単一の接続又は複数のポイントへの抵抗性接続とすることができ、等価テブナン電圧位置及び抵抗が得られる。
【００５０】
図７を参照すると、スイッチＳ２が閉じられ、続いてスイッチＳ１、次いでスイッチＳ４が閉じられる。前述のように、結果として得られるメインバス上の電圧は、キャパシタを充電するのに用いられ、又は測定される。次に、スイッチＳ２が接断され、続いてスイッチＳ１及びスイッチＳ４が接断される。キャパシタが存在する場合には、その両端の電圧が測定される。これは１つのデータポイントをもたらす。抵抗器Ｒ６が適正な大きさにされている場合には、スイッチＳ２、次いでＳ４、更にＳ１及びＳ５を閉じることによって第２のポイントを得ることができる。電圧測定が行われ、場合によってはキャパシタが充電される。次に、スイッチＳ２が接断され、次いで、他のスイッチが接断される。キャパシタが存在する場合には、その両端電圧が測定される。第２のポイントを得る第２の手法は、Ｓ２を閉じ、次いでＳ３及びＳ５を閉じることである。電圧を測定し又はキャパシタを充電し、Ｓ２、次いでＳ３及びＳ５が接断される。
【００５１】
測定回路をトライステートバッファ又はその等価物と並列に配置する場合には、抵抗器Ｒ７及びＲ６をゼロに設定することができ、スイッチＳ３及びＳ４には、キャパシタを測定回路に接続することになる同じスイッチを用いることができる。フローティング測定システムを用いる場合には、Ｓ４を抵抗と共に用いることができ、スイッチ３は不要とすることができる。
【００５２】
この遮断技術は、回路を共有できる場合は常に、マルチプレクサセル測定及びパック測定と組み合せることができる。セル測定及びパック測定回路におけるスイッチが遮断検出回路におけるスイッチの幾つかと同じ機能を果たすことができる場合には、１つよりも多くの目的で共通構成要素を用いることができる。
【００５３】
図５では、パック電圧測定のための回路を示しており、システムは、異なるパックポイントから共通バスまでの高抵抗経路をすぐに選択することができる。シャーシ又は参照電圧を共通バスの他の側に接続することによって、異なるポイントを容易に選ぶことができる。これは図６に示される。
【００５４】
フローティング測定構成ではなく、スイッチドキャパシタ法を用いる場合には、キャパシタをシャーシ−参照測定に接続するスイッチを用いて、遮断障害を測定する回路を完成することができる。
【００５５】
通常は、バッテリパックから流れる電流を測定するのが望ましい。同じ測定デバイス又はキャパシタバスをスイッチを通じてシャントに接続し、電流を測定することができる点を当業者であれば理解されるであろう。電流を測定する他の方法は、ホール効果センサ又は直接シャント測定を含む。これらは、用途に応じてデバイスに加えることができる。
【００５６】
本明細書で使用される汎用ソフトウェアはかなり単純である。スイッチ及びマルチプレクサは、測定されるべき電圧を選択する。電圧が測定されて記憶される。同時にソフトウェアは、マルチプレクサを用いて１つ又はそれ以上のサーミスタを監視し、セル温度を測定する。これはまたメモリ内に記憶される。正しいマルチプレクサ及びスイッチにアクセスすることによって、パック電圧及び遮断測定を行うことができる。電流は、ハードウェア構成に応じて電圧とは別個に測定するか、又は同じ処理中に測定することができる。
【００５７】
エネルギー消費が重要な場合、ソフトウェア及びハードウェアは異なる電力モードで動作することができる。通常モードは、可能な限り迅速に測定を行うことになる。電力節約モードは、基板のある特定の他のセクションを休止状態にしながら平衡化を継続することができる。
【００５８】
ソフトウェアは、シリアル通信を有し、又はデータに基づいて他の動作をするようにプログラムすることができる。ソフトウェアはまた、放電デバイスを制御して必要に応じてセルを平衡化することができる。
【００５９】
使用したプロセッサは小さなプロセッサであり、プロセッサリソースを節約するために幾つかの段階が必要であった。従って、幾つかの追加アルゴリズムを用いてプログラムをより効率的且つ柔軟にした。
【００６０】
ソフトウェアは、「電流×時間」又は「アンペア時間」の部分の現在の合計を記憶するレジスタを有する。精度を向上させるために時間ユニットは意図的に小さく維持される。その結果、電流の積分は、電流測定と同程度に正確である。電気化学セル監視ソフトウェアを単純に保持するために、電流積分の単位は定義しない。更に、電流積分をリセットする、或いは充電又は放電状態に変える役割は、通信プロトコルを用いることが可能な別のノードに移される。電流×時間ユニット及び用途に関するより多くの詳細を認知している第２のユニットは、ＳＯＣ及び電流スループットを追跡することができる。同様にこのユニットは、電気化学セルモニタ上の値をリセットする能力を有する。電流積分におけるこの役割負担は、大部分のカスタム用途において電気化学セルモニタのソフトウェアを再試験する必要がないことを保証する。同様にこれは、単一のシステムによってあらゆる可能性のあるバッテリに対応できることを保証する。
【００６１】
電気化学セルモニタは、高電流平衡化によって設定することができるが、電気化学セルはまた、より小さな変化によっても平衡化を保つことができる。これを行うためには、充電終了時、放電終了時、又は用途に基づくカスタムポイントのいずれかにおいて平衡を測定する必要がある。平衡状態についての判定が行われると、セルが使用されていない間、又は通常動作の間に平衡化を行うことができる。異なる時間量で個々のセルが平衡化される。これらの小さな平衡の変化は、平衡化されたセルセットを維持するのに十分である。この場合も同様に、電気化学セルモニタをより簡単に保持するために、これらのモニタは基本的な平衡化アルゴリズムを提供し、カスタム通信ノードがバッテリの平衡化の方法を最適に選ぶことができるようになる。
【００６２】
タイマベースの方法を可能にするソフトウェアにおける方法のうちの１つは、各セルに対して個々のタイマを用いることを含む。セルタイマは、規則的な時間間隔でデクリメントする。特定のタイマがゼロに達するまで各セルにおいて平衡化が能動的に継続される。これによって、アプリケーションは、平衡状態の判定に基づいて各セルをどの程度平衡化するかを決定することが可能になる。またタイマは、通常ベースで大きな時間間隔に命令されて常時オン状態を達成することができ、更に、０に命令されて常時オフ状態にすることができる。一例として、５０ｍＡの放電速度を用いてセルを平衡化することができる。１つのセルが最低セルを１００ｍＡｈだけ上回り、第２のセルが最低セルを５０ｍＡｈだけ上回る場合には、第１のセルを２時間放電し第２のセルを１時間放電する必要性に近づけることができる。従って、タイマを利用して、各セルの放電を指定時間量に設定し、更にセルの状態の更新情報を得るために定期的にのみチェックすることができる。従って、平衡化は、実質的に電源停止期間中、セル使用期間中、又はあらゆる他の望ましい時間に単純でコスト効果のあるハードウェア及びソフトウェアを用いて行うことができる。
【００６３】
状況に応じて、監視システムは、電圧がある閾値を超える時は常に平衡化を起動するようにプログラムすることができる。平衡化実行時には、監視システムは、タイマを所定の定数に設定することになる。このようにして、このデバイスに通信してタイマを調べることができるノードは、デバイスが平衡化を行っている時は常に見ることができる。更にノードは、タイマの初期値を認識しこの初期値が増加する度に通知することによって、各セルからどれ程のエネルギーが取り出されたかを判断することができる。この情報は、セルの健全性、どのセルがより平衡化を必要としているか、更に他のあらゆる平衡化アルゴリズムの効果を判断するのに用いることができる。
【００６４】
小さなメモリバンクを有する小さなマイクロコントローラにアルゴリズムを適合させるために、メモリマップが構築され、図９に示される。アレイ及びポインタを直接用いる代わりに、構造の２つの連続する要素が隣接するメモリ位置を占有する必要がないように抽象化が使用された。これを行うために、全てのメモリアクセスは連続アドレスに基づいていた。構造は、この連続アドレスのメモリブロックを占有するように設定されることになる。しかしながら、マップに基づいて、連続アドレス内の隣接する位置を実メモリの異なるセクションにマッピングし、同じ設計を異なるマイクロプロセッサアーキテクチャに適合させることができる。
【００６５】
このことの利点の１つは、通常メモリ内に適合することができないアレイを用いることが可能になる点である。また、連続アドレスモデルは、通信を組織化した状態に保つのに役立つ。アドレスから読み出し又はアドレスに書き込みを行うあらゆる高レベル通信プロトコルを用いると、アドレスを連続マップに沿って設定することができる。内部の読出し及び書き込みもまた、同じマップに沿って設定される。これは、既存のメモリをより良好に利用するのに加えて、メモリベースの通信プロトコルを簡略化する。別の利点は、連続モデル内の特定のアドレスが存在するが、これらを実メモリ位置にマッピングする必要がない点である。これによって、デバイスが、マイクロプロセッサが可能とするよりも大きなアドレス空間を必要とする通信プロトコルと互換性があるようにすることが可能になる。添付図を参照されたい。
【００６６】
連続アドレス空間＃２は、＃１と同じとすることができる。更に、より多くのアドレス空間が必要な場合、２つよりも多いアドレスマッピングを用いてアドレス変換ブロックを設定することができる。
【００６７】
データ収集をより有用にする本設計の最後の態様の１つは、同期及び一時停止機能である。あらゆる通信ノードは、通信システムを用いて適時に「同期及び一時停止」メッセージを同報通信することができる。メッセージを受け取ると、デバイスは全て、該デバイスが監視する最初の電気化学セルから開始する。デバイスは、セルの全てを監視し終えると、測定値を記録するのを止め、通信ノードが、全て同じ同期時間フレーム内でとられた測定値のグループを読み取ることができるようにする。
【００６８】
「同期及び一時停止」機能と平行してパック保護を確実に実行することができるようにするため、測定は連続的に行われ、最大電圧のような重要な物理量が更に計算される。変化する唯一のものは、特定のメモリ位置への個々のセルの記録である。これにより、測定の「一時停止」が電気化学セルモニタのあらゆる他の態様に悪影響を及ぼさないことが確実にされる。比較されている値は時間と共に変化することが多いので、測定を行っている時の同期性は重要である。
【００６９】
柔軟性の向上を可能にする設計部分は、同じ回路を繰り返す連続「ユニット」において膨張性及び収縮性のある基板を形成することを含む。単一の基板「ユニット」は、該ユニットがセルの単一ブロックを処理できるように設計される。通信線の一部は、１つの基板からその横にある同一の基板に延びることができる。１つの基板は、マイクロプロセッサが完全に実装され、他方の基板はスレーブ基板となる。基板が構築される時にその用途が分からない場合には、幾つかの基板を並べて構築することがより容易である。用途が分かると、基板の一部を残りのものから分離して実装を行う。互いを短絡させる可能性のあるトレースを有することなく、基板を安全に切断することができる２つの方法がある。いずれの方法においても、平板層は可能性のある切断縁部まで完全に延ばしてはならない。これによりどの信号も平板層に短絡できないことが確実にされる。
【００７０】
第１の方法は、両方の基板にわたって抵抗器の実装面積を配置することを含む。基板をブリッジしなければならない通信線は、ゼロオーム抵抗器を通って通電される。抵抗器が実装されない場合には、基板は、短絡させることが可能なあらゆるライブ信号を有することなく切断することができる。
【００７１】
通信線に基板をブリッジさせるための第２の方法は、ブリッジのいずれの側にもビアを配置することを含む。基板が切断されようとしている場合には、トレースは、最初に２つのビア間で切断される。トレースを十分に離して配置することによって、トレースは互いに短絡することができない。その結果、ビアは、トレースが基板から容易に剥離されないことを保証する機能を果たす。ビアは、所定位置にトレースを係止しなければならない。
【００７２】
本発明の現在の試作物は、端部間を接続された最大６つのＰＣＢ基板を用いる。全ての組み合せでは、最大２４の電圧及び４８の温度を測定することができる。この試作物は１つの電流を測定し、直接又は間接的に接触器又はステータスＬＥＤを制御することができる１つの外部出力を有する（１つよりも多くが利用可能）。
【００７３】
現在の試作物では、１つのバスに接続された最大６つのセルブロックが存在する。これによって最大２４のセル電圧を監視することが可能になる。このバスに接続されたスイッチの代わりに短絡回路を有するキャパシタブロックが存在する。同様に、異なるデバイスの電圧を測定することができる測定ブロックが存在する。また、メインバスは、パック電圧バスが実装可能な区域を有する。最初に、セルブロックは、キャパシタを充電又は放電するバスに接続される。次に、セルブロックを接断し、測定ブロックが接続されて測定が行われる。
【００７４】
本発明の一実施形態では、デバイスは温度用の追加の第２のバスを有する。温度は、セルから遮断されたサーミスタを用いて測定される。サーミスタは既にセル及びパックから遮断されているので、使用されるスイッチは、必ずしもパック電圧全体を処理できることは必要ではない。測定デバイスは、どのような遮断問題も引き起こさないので、第２のバスに恒久的に接続される。このデバイスは４８の温度を測定することができる。
【００７５】
本デバイスは、ホール効果センサを測定する第３のバスを有する。ホール効果センサは、２線の代わりに３線バスを必要とする。ホール効果センサは遮断することができ、且つ恒久的な接続に関して問題がないので、このバスは恒久的に接続される。
【００７６】
デバイスは、ソフトウェアにおいてＰＷＭベースの平衡化を用い、アイソレータはゲートを駆動し、平衡化のためにバッテリを放電する。デバイスは、セル当たりに最大５０ｍＡまで放電するように設定される。
【００７７】
デバイスは、４００バイトよりも少ないＲＡＭを有するマイクロプロセッサを用いる。電圧及び温度の全てを共に記憶するには、マイクロプロセッサ内の隣接メモリ位置に適合することができないメモリブロックが必要とされる。メモリモデルはあらゆるものをマッピングするので、電圧及び温度の全ては、連続メモリモデルで組み合わされているように扱うことができる。デバイスは、ＲＳ４８５／ｍｏｄｂｕｓ通信を用いて、他のあらゆるデバイスとつい通信する。モドバス（Ｍｏｄｂｕｓ）ドライバは、他のアプリケーションと同じメモリマッピングを用いる。
【００７８】
本発明の一実施形態は、セル電圧及び温度測定、電流測定、セルの平衡化、遮断検出、及び１つのサブモジュールでのデータ通信、第２のサブモジュールでの適切な通信を用いた雰囲気温度測定を伴うパック電圧及び電流測定、並びに熱システム制御、第３のサブモジュールでの他の全てのモジュール及びサブモジュールへのデータ通信を含む。各モジュールは、車両を保護しバッテリシステム及び構成要素を正常に保つために必要に応じて遮断回路を含む。接触器の制御及び外部Ｉ／Ｏは、本実施形態では、デジタル及びハードウェアを用いて接触器制御を行う車両のセクションに情報を送信することによって直接的及び間接的の両方で感知され管理される。
【００７９】
接触器の制御及び外部Ｉ／Ｏは、本発明に使用されるソフトウェアアルゴリズムの全てを用いる。また最新のソフトウェアは、システムを破損から保護するために、記憶較正値、平衡化及び他のシステムについての記憶定数、並びにプログラムコードに対して巡回冗長検査を計算する。
【００８０】
このハードウェアの第２の形態は、３つの異なるサイズで構成され、その機能は、２つの異なるＰＣＢに分割された。第１のＰＣＢは、８個のセル、１６個のセル、及び２４個のセルの形態があった。スイッチドキャパシタ構成を用いる代わりに、この修正形態ではフローティング測定構成を用いた。アナログ・デジタルコンバータ及び基板全体の基準は、シャーシに対してフロートしている。通信は光アイソレータによって遮断され、電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータによって供給される。この修正形態は、セル当たりに最大２つの温度測定値を有する。フローティングキャパシタ測定をフローティング測定システムに切り替える以外は、この修正形態は、修正形態１の基板と同じ設計を有する。
【００８１】
第２のＰＣＢは、図で見られるように共通のスイッチドキャパシタバスを用いてパック電圧及びパック遮断を測定する。またこのＰＣＢは、図のように構成されるように短絡されたスイッチの幾つかを有することができる。本発明の態様に加えて、このＰＣＢは、パック電流を測定し、ファン制御を行い、第１のＰＣＢと通信し、ＣＡＮ通信ポートを有し、更に接触器制御能力を有する。
【００８２】
本発明及びその利点を詳細に説明してきたが、添付の請求項により定義されることになる本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、及び変形を加えることができる点を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に従って構成された好ましいセル監視回路の概略図である。
【図２】セル平衡化のために個々のセルの放電を可能にする追加回路を備えた図１のセル測定回路の概略図である。
【図３】セル平衡化のために個々のセルの放電を可能にするための追加回路を備えた図２のセル測定回路の概略図である。
【図４】パック電圧を測定するために本発明に従って利用することができる回路の概略ブロック図である。
【図５】本発明に従ってバッテリパック電圧及び遮断を測定するための回路のブロック図である。
【図６】本発明に従ってバッテリパック電圧及び遮断を測定するための回路のブロック図である。
【図７】本発明に従ってバッテリパック電圧及び遮断を測定するための別の回路のブロック図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態によるメモリマッピング技術を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００８４】
１２ａ、ｂ  マルチプレクサ
１４ａ〜ｃ  セル
１７  アイソレータ
１８  メインバス
１９  測定回路
【図１】
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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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【国際調査報告】
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