(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の電池を管理するとともに負荷を駆動するためモジュール電池管理システムを提供する。【解決手段】双方向電圧変換器モジュールは、それぞれ、電池１０１、１０２〜１０ｎに接続されるとともに電池管理制御モジュール１２０１〜１２０ｎに接続される。また、双方向電圧変換器モジュール４０１、４０２〜４０ｎは、互いに並列に接続されている。エネルギー蓄積モジュール１４０１〜１４０ｎは、それぞれ、双方向電圧変換器モジュールと並列に接続されるとともに、負荷に接続される。双方向電圧変換器モジュールは、電池から負荷へあるいはエネルギー蓄積モジュールから電池へ電力を転送するように構成される。電池管理制御モジュールは、各電池の状態情報に基づいて所定のプログラムを実行し、双方向電圧変換器モジュールを制御するように構成される。電池、双方向電圧変換器モジュール、エネルギー蓄積モジュールおよび電池管理制御モジュールは、冗長系トポロジーに配置される。もし部品のうちのいずれかが故障すれば、他の部品がその故障したモジュールの機能を回復する。【選択図】図１
0003176361.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池を管理するとともに負荷を駆動するためモジュール電池管理システムであって、
複数の電池管理制御モジュールと、
それぞれ電池に接続されるとともに電池管理制御モジュールに接続される複数の双方向電圧変換器モジュールであって、双方向電圧変換器モジュールが互いに並列に接続されている双方向電圧変換器モジュールと、
それぞれ双方向電圧変換器モジュールと並列に接続されるとともに、負荷に接続される、複数のエネルギー蓄積モジュールと、
を備えるモジュール電池管理システムにおいて、
双方向電圧変換器モジュールは、電池から負荷へあるいはエネルギー蓄積モジュールから電池へ電力を転送するように構成されており、
電池管理制御モジュールは、各電池の状態情報に基づいて所定のプログラムを実行し、双方向電圧変換器モジュールを制御するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、エネルギー蓄積モジュールは、コンデンサ、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサ、フライホイールあるいはあらゆる態様の再生可能電気エネルギー蓄積要素であるモジュール電池管理システム。
【請求項３】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、双方向電圧変換器モジュールは、エネルギー蓄積モジュールの電圧が所定の値を超えたとき電池を充電するよう、エネルギー蓄積モジュールから電池へ電気エネルギーを転送するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項４】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、双方向電圧変換器モジュールはそれぞれ複数の第１スイッチを介して電池に接続されており、エネルギー蓄積モジュールはそれぞれ複数の第２スイッチを介して双方向電圧変換器モジュールと並列に接続されており、負荷は、第３スイッチを介してエネルギー蓄積モジュールと接続されており、複数の第１スイッチ、複数の第２スイッチおよび第３スイッチは電池管理制御モジュールによって制御されているモジュール電池管理システム。
【請求項５】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、さらに、それぞれ電池に接続される複数の電池状態監視モジュールを備えており、該電池状態監視モジュールは、電池管理制御モジュールに接続されており、各電池の状態をモニターするとともに各電池の状態情報を電池管理制御モジュールに送信するよう構成されており、電池状態監視モジュールおよび双方向電圧変換器モジュールは、制御バスを介して電池管理制御モジュールに接続されているモジュール電池管理システム。
【請求項６】
請求項５に記載のモジュール電池管理システムであって、１つの電池管理制御モジュールが適切に動作しなくなったとき、他の電池管理制御モジュールがその電池管理制御モジュールの機能を回復するよう構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項７】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、ユーザからの命令に基づいて双方向電圧変換器モジュールの出力電圧レベルを調整するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項８】
請求項４に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、複数の第１スイッチの１つと、そのスイッチと接続されている双方向電圧変換器モジュールと、を同時に無効にするように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項９】
複数の電池を管理するとともに負荷を駆動するためモジュール電池管理システムであって、
複数の電池管理制御モジュールと、
それぞれ電池に複数の第１スイッチを介して接続されるとともに電池管理制御モジュールに接続される複数の双方向電圧変換器モジュールであって、双方向電圧変換器モジュールが互いに並列に接続されている双方向電圧変換器モジュールと、
それぞれ双方向電圧変換器モジュールと並列に接続されるとともに、負荷に接続される、複数のエネルギー蓄積モジュールと、
を備えるモジュール電池管理システムにおいて、
双方向電圧変換器モジュールは、電池から負荷へあるいはエネルギー蓄積モジュールから電池へ電力を転送するように構成されており、
電池管理制御モジュールは、各電池の状態情報に基づいて所定のプログラムを実行し、双方向電圧変換器モジュールと複数の第１スイッチとを制御するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のモジュール電池管理システムであって、エネルギー蓄積モジュールは、コンデンサ、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサ、フライホイールあるいはあらゆる態様の再生可能電気エネルギー蓄積要素であるモジュール電池管理システム。
【請求項１１】
請求項９に記載のモジュール電池管理システムであって、双方向電圧変換器モジュールは、エネルギー蓄積モジュールの電圧が所定の値を超えたとき電池を充電するよう、エネルギー蓄積モジュールから電池へ電気エネルギーを転送するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１２】
請求項９に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、複数の第１スイッチの１つと、そのスイッチと接続されている双方向電圧変換器モジュールと、を同時に無効にするように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１３】
請求項９に記載のモジュール電池管理システムであって、さらに、それぞれ電池に接続される複数の電池状態監視モジュールを備えており、該電池状態監視モジュールは、電池管理制御モジュールに接続されており、各電池の状態をモニターするとともに各電池の状態情報を電池管理制御モジュールに送信するよう構成されており、電池状態監視モジュールおよび双方向電圧変換器モジュールは、制御バスを介して電池管理制御モジュールに接続されているモジュール電池管理システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のモジュール電池管理システムであって、１つの電池管理制御モジュールが適切に動作しなくなったとき、他の電池管理制御モジュールがその電池管理制御モジュールの機能を回復するよう構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１５】
請求項９に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、ユーザからの命令に基づいて双方向電圧変換器モジュールの出力電圧レベルを調整するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１６】
複数の電池を管理するとともに負荷を駆動するためモジュール電池管理システムであって、
複数の電池管理制御モジュールと、
それぞれ電池に接続される複数の電池状態監視モジュールであって、電池管理制御モジュールに接続されており、各電池の状態をモニターするとともに各電池の状態情報を電池管理制御モジュールに送信するよう構成される電池状態監視モジュールと、
それぞれ電池に複数の第１スイッチを介して接続されるとともに電池管理制御モジュールに接続される複数の双方向電圧変換器モジュールであって、双方向電圧変換器モジュールが互いに並列に接続されている双方向電圧変換器モジュールと、
それぞれ双方向電圧変換器モジュールと複数の第２スイッチを介して並列に接続されるとともに、負荷に第３スイッチを介して接続される、複数のエネルギー蓄積モジュールと、
を備えるモジュール電池管理システムにおいて、
双方向電圧変換器モジュールは、電池から負荷へあるいはエネルギー蓄積モジュールから電池へ電力を転送するように構成されており、
電池管理制御モジュールは、各電池の状態情報に基づいて所定のプログラムを実行し、双方向電圧変換器モジュールと複数の第１スイッチと複数の第２スイッチと第３スイッチを制御するように構成されており、
電池状態監視モジュールおよび双方向電圧変換器モジュールは、制御バスを介して電池管理制御モジュールに接続されているモジュール電池管理システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のモジュール電池管理システムであって、双方向電圧変換器モジュールは、エネルギー蓄積モジュールの電圧が所定の値を超えたとき電池を充電するよう、エネルギー蓄積モジュールから電池へ電気エネルギーを転送するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１８】
請求項１６に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、複数の第１スイッチの１つと、そのスイッチと接続されている双方向電圧変換器モジュールと、を同時に無効にするように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、ユーザからの命令に基づいて双方向電圧変換器モジュールの出力電圧レベルを調整するように構成されているモジュール電池管理システム。
【請求項２０】
請求項１６に記載のモジュール電池管理システムであって、エネルギー蓄積モジュールは、コンデンサ、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサ、フライホイールあるいはあらゆる態様の再生可能電気エネルギー蓄積要素であるモジュール電池管理システム。
【請求項２１】
請求項５に記載のモジュール電池管理システムであって、電池状態監視モジュールは、充電の状態、健全性の状態、電池温度および電池の充電条件／状況をモニターするモジュール電池管理システム。
【請求項２２】
請求項１に記載のモジュール電池管理システムであって、電池管理制御モジュールは、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールの出力電圧レベルをある一定の範囲内に調整することができるモジュール電池管理システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００９年６月１５日出願の米国仮特許出願シリアル番号６１／１８７，２７３からの優先権を主張し、その内容全体を参照によって援用する。
【０００２】
本願は、概して、電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車のための電池管理システムに関し、特に、高電力を要求する重要な負荷をサポートするフォールトトレラントモジュール電池管理システム（ＭＢＭＳ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気自動車（ＥＶ）あるいはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の電力需要は非常に高い。電池（バッテリ）は、車両起動／走行モードや走行／制動／内部・外部充電モードのそれぞれの際に充電・放電サイクルを行うことになる。駆動の際には電力を遮断できない電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車の用途において、健全（ｈｅａｌｔｈ）な電池状態、電池の充電状態および電池の温度の管理は、重要である。異なる電池のタイプ、異なる電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車における電圧・電力要求には、異なる電池管理システムを必要とする場合もある。したがって、電池電源システムのフレームワークは、電池のタイプ、電力要求および車両動作電圧の違いによって、ある車両設計と他の車両設計とは全く異なることもありえる。ときに、組電池パックの充電時間および交換時間によって、ユーザは一時的に中断を余儀なくされることもある。組電池パックが故障すると、電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車がたちまち誤動作するおそれがある。
【０００４】
一般に、電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車のモータおよび他の補助システムに高電圧および高電流を供給するために、組電池パック（あるいはセル）は直列に接続されて、組電池パックアッセンブリ（ＢＰＡ）を構成している。組電池パックあるいはセルが直列に接続されるので、充放電電流が各組電池パック（あるいはセル）を流れることになる。このことにより、個々の組電池パック（あるいはセル）特性のバランスが問題となる。従来の電池管理システムは、電池が直列接続されているために、複雑な電池管理設計を通じて個々の組電池パック（セルの）充電の状態と健全性の状態と電池温度とを検出する。検出された組電池パック（あるいはセルの）条件に応じて、個々の組電池パック（あるいはセル）を、直列接続されている組電池パック（あるいはセル）と接続するよう（ＯＮ）あるいは切断するよう（ＯＦＦ）切り換える。この結果、ＢＰＡ出力電圧は変動する。このため、モータドライバおよび関連回路に対する不安定性の問題が生じる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータが、モータドライバおよび関連回路のために変動するＢＰＡ出力電圧を安定した電圧供給に変換するよう、用いられることになる。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは、高電圧および高電流条件で動作しなければならない。一般に、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける電力消費が高いと、システム全体の信頼性が低下する。システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障すると必ずシャットダウンすることになる。さらに、組電池パックアセンブリ（ＢＰＡ）の電力は、異なる負荷要求と合致するように簡単には増減できない。また、寿命が終了した組電池パックやセルは、組電池パックアセンブリ（ＢＰＡ）を車両から取り外すまで交換することができない。
【０００５】
したがって、当該技術において、電池アンバランスおよび寿命が終了したセルの問題を解決するフォールトトレラント機能を有する改良電池管理システムのニーズがある。また、電力（パワー）バス電圧、電力出力容量および電池の数の変化など特徴を追加することも望まれている。
【０００６】
背景の上記説明は、フォールトトレラントモジュール電池管理システムについての理解を助けるために提供されるが、本願において開示されるフォールトトレラントモジュール電池管理システムに関連する従来技術を説明あるいは構成することを自認するものではない。
【考案の概要】
【０００７】
本考案は、複数の電池を管理するとともに負荷を駆動するためモジュール電池管理システムに対してなされたものである。一の面では、システムは、複数の電池管理制御モジュールと、複数の双方向電圧変換器モジュールと、複数のエネルギー蓄積モジュールと、を有する。双方向電圧変換器モジュールは、それぞれ、電池に接続されるとともに電池管理制御モジュールに接続される。また、双方向電圧変換器モジュールは、互いに並列に接続されている。エネルギー蓄積モジュールは、それぞれ、双方向電圧変換器モジュールと並列に接続されるとともに、負荷に接続される。双方向電圧変換器モジュールは、電池から負荷へあるいはエネルギー蓄積モジュールから電池へ電力を転送するように構成される。電池管理制御モジュールは、各電池の状態情報に基づいて所定のプログラムを実行し、双方向電圧変換器モジュールを制御するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本考案の実施形態にかかるフォールトトレラントモジュール電池管理システムの概略的システムブロック図である。
【図２】図１に示すフォールトトレラントモジュール電池管理システムの概略的回路図である。
【考案を実施するための形態】
【０００９】
本考案において開示するフォールトトレラントモジュール電池管理システムの好ましい実施形態を詳細に説明する。その例示を以下の説明において行う。本考案において開示するフォールトトレラントモジュール電池管理システムの例示的な実施形態を詳細に説明するが、フォールトトレラントモジュール電池管理システムの理解に特に重要でないいくつかの特徴は簡略化のために示していないことは当業者には明らかであろう。
【００１０】
さらに、本考案において開示されるフォールトトレラントモジュール電池管理システムは、後述する詳細な実施形態に限定されず、保護の精神あるいは範囲を逸脱することなく種々の変形および変更を当業者によってなしうることは、理解されよう。例えば、種々の例示的な実施形態のエレメントおよび／または特徴を、本開示の範囲内で、互いに組み合わせること、および／または互いと置き換えることもできる。
【００１１】
図１は、本考案の実施形態にかかるフォールトトレラントモジュール電池管理システムの概略的システムブロック図である。図２は、図１に示すフォールトトレラントモジュール電池管理システムの概略的回路図である。図１および図２を参照して、フォールトトレラントモジュール電池管理システムは、複数の電池状態監視モジュール（２０１、２０２、…、２０ｎ）と、複数の双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール（４０１、４０２、…、４０ｎ）と、複数のエネルギー蓄積モジュール（１４０１、１４０２、…、１４０ｎ）と、複数の電池管理制御モジュール（１２０１、…、１２０ｎ）と、複数の組電池パック（あるいはセル）（１０１、１０２、…、１０ｎ）と、を有する。組電池パック（あるいはセル）１０１、１０２、…、１０ｎ等は、それぞれ、その組電池パック専用の電池状態監視モジュールに個々に接続され、そして、複数のスイッチ３０１、３０２、…、３０ｎを介して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（４０１、４０２、…、４０ｎ等）にリンクされる。この組合せは、電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）と呼ばれる。それぞれの組電池パック（あるいはセル）は、他の組電池パック（あるいはセル）から絶縁されている。この配列（トポロジー）は、従来の電池管理システムにおいて直列に接続されている電池とは異なる。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力は、負荷電流を供給するために全体的な出力電流容量を増加させるよう、並列に接続される。
【００１２】
組電池パックは、あらゆる種類の電池を有することができ、限定するものではないが、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ゼブラ（Ｚｅｂｒａ）Ｎａ／ＮｉＣｌ2電池、ＮｉＺｎ電池、リン酸鉄リチウム電池、鉄金属（Ｆｅｒｒｏｕｓ）電池、あるいはあらゆる態様の電気的に再充電可能なエネルギー蓄積要素とできる。
【００１３】
ここで用いるエネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールは、電気エネルギー蓄積要素をいい、限定するものではないが、エネルギー蓄積モジュールは、コンデンサ、スーパーコンデンサ、ウルトラコンデンサ、フライホイールあるいはあらゆる態様の再生可能電気エネルギー蓄積要素とできる。本実施形態において、図１を参照して、エネルギー蓄積モジュールは、すべての双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールとスイッチ５０１、…、５０ｎを通じてそれぞれ接続されるコンデンサ１４０１、…、１４０ｎである。
【００１４】
ここで用いる双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールは、エネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールからのエネルギーを組電池パック（あるいはセル）に充電するよう機能できる、あるいは組電池パック（あるいはセル）からのエネルギーをエネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールやエネルギー蓄積モジュールと接続された負荷に変換するよう機能できる電気的構成をいう。
【００１５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力とエネルギー蓄積モジュールと負荷との間の接続は、電力（パワー）バスと呼ばれる。電流は電力バスから負荷に流れる。負荷電流は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力間で分担（シェアリング）されることになる。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールは、絶縁タイプあるいは非絶縁タイプとでき、必要とする負荷電圧レベルに電池電圧を変換するように構成される。したがって、負荷電圧は、従来の電池管理システムにおける直列に接続されている電池の端部端子電圧の代わりに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧設定によって決定される。他方、十分なエネルギーがエネルギー蓄積モジュールに蓄積されている場合、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールは電池を充電することができる。これにより、従来の電池管理システムにおける組電池パック（あるいはセル）のアンバランス問題を解決できる。
【００１６】
電池状態モニタリング（ＢＳＭ）モジュール（２０１、２０２、…、２０ｎ）は、電池状態情報を双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールおよび電池管理制御（ＢＭＣ）モジュール（１２０１、…、１２０ｎ）に提供するよう構成される。ＢＭＣモジュールは、個々の動作状態毎に、それぞれの電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）に制御命令を送信するよう構成される。例えば、電池エネルギーは双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールを介して電池から電力バスへ転送できる。電池は電力バスからエネルギーを受け取ることができ、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールを介して電池が充電される。組電池パックを、無効にしてシステムから切断することができる。電池を、システムから取り外すことができる。追加の電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）をシステムに追加できる。ＢＭＣプログラムにおいて実行されるアルゴリズムに応じて、同時に、組電池パック（あるいはセル）のいくつかは放電サイクル（送電）とでき、他のいくつかの電池は充電サイクル（受電）とでき、さらに他の電池はシステムから切断することもできる。
【００１７】
組電池パック（セル）は、満充電状態、危険な状態あるいは寿命が終了した状態では、切断できる。電池のうちの１つをシステムから取り外す必要がある場合、電池状態モニタリング（ＢＳＭ）モジュールは、ＢＳＭモジュールパネルの解除信号をアクティブにし、ＢＭＣモジュールへと送信する。満充電された組電池パック（セル）は、ＢＭＣモジュールの制御下でＢＰＣＭに接続される。危険な組電池パック（あるいはセル）は、危険な状態ではなくなった場合には、ＢＭＣモジュールの制御下でＢＰＣＭに接続される。
【００１８】
ユーザは、モジュール電池管理システムから電池を取り外すことができる。同様に、ユーザは、交換電池をモジュール電池管理システムに取り付けることができ、その場合、電池状態監視モジュールをアクティブにして、電池管理システム（ＢＭＳ）制御バスを介して電池管理制御（ＢＭＣ）モジュールに通知する。新しい電池をシステムに取り付ける場合、追加のＢＳＭおよび双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。新しい電池あるいは交換電池は、モジュール電池管理システム（ＭＢＭＳ）の一部となる。この技術によれば、ユーザは、大きなシステム設計変更なしに、さらに電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）を追加することによって、モジュール電池管理システム（ＭＢＭＳ）出力電力を高めることができ、あるいは必要に応じてシステム組電池パック（セル）をから取り外すことができる。
【００１９】
電池（あるいはセル）の電力密度により、同様にＭＢＭＳ出力電力を高めることができる。エネルギー蓄積モジュールは、電力バスと並列に接続される。エネルギー蓄積モジュールは、短時間（例えば１０〜２０分）内で高エネルギーで満たすことができるエネルギー蓄積装置である。エネルギー蓄積モジュールは、サージ負荷電流や突入充電電流に対するバッファーとして機能する。エネルギー蓄積モジュールの電圧が所定値を超える場合、電池管理制御（ＢＭＣ）モジュールは、ＢＭＳ制御バスを介して組電池パック（あるいはセル）を充電するよう、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールに指示する。充電の際に、ＥＳモジュールは、組電池パックを個々にあるいはみんな一斉にあるいはランダムに充電するようにプログラムできる。
【００２０】
電池管理制御（ＢＭＣ）モジュールは、異なる車両／自動車の要求を、例えば、異なる電圧レベル、異なる組電池パック（あるいはセル）特性および異なる負荷電流要求を満たす異なるアルゴリズムを行うようプログラムすることができる、プログラマブルユニットである。個々のＢＭＣモジュールは、ＢＭＳ制御バスをモニターするよう構成される。ＢＭＣモジュールが故障条件になると、システムをシャットダウンさせずに、他のＢＭＣモジュールがその制御を引き継ぐことになる。
【００２１】
故障冗長系（リダンダントの）特徴に加えて、電池管理制御モジュールは、モータ（ＤＣあるいはＡＣ）のトルクを増加するために、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールの出力電圧レベルをある一定の範囲内に調整することができる。一方、トルクの追加にはヒルクライミングが必要である。したがって、電気トルク制御（ＥＴＣ）として機能できる。
【００２２】
図１および図２を参照して、モジュール電池管理システムは冗長系トポロジーに基づいている。したがって、電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）の第１ステージの詳細をここに説明する。また、ｎステージまでのシステムをカバーするよう拡張することができる。ここでｎは正の整数である。
【００２３】
第１電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）ステージ構造は電池１０１を有する。電池１０１は、正（＋）の端子と、負（−）の端子と、電池温度信号１１０１と、を有する。電池１０１は、ＢＳＭモジュール２０１に接続される。ＢＳＭ２０１は、電池条件を、例えば、充電の状態、健全性の状態、電池温度および充電条件／状況をモニターし、その情報を電池管理システム（ＢＭＳ）制御バス１に信号経路６０１を介してフィードバックする電気回路である。ＢＳＭ制御バス１からの制御信号８０１は、ＬＥＤ、表示パネルあるいはランプなどの状態表示装置を介して電池動作状態を表示するために用いられることになる。電池動作状態は、放電、充電、電池寿命の終了、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとの接続、あるいは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからの切断とできる。電池１０１の出力電圧は、スイッチ３０１に接続される。スイッチ３０１は、ＢＳＭモジュール２０１と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１との間の電気接続を制御するために用いられる電気的作動スイッチである。スイッチ３０１は、電池管理制御（ＢＭＣ）モジュール１２０１、…、１２０ｎから送信される制御信号９０１によって電気的に制御される。スイッチ３０１は、メンテナンスあるいは整備の際に手動で無効することができる。これにより、メンテナンスあるいは整備の際に電気的な危険を回避する。さらに、信号９０１は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１のＯＮあるいはＯＦＦ状況を制御する。スイッチ３０１が信号９０１あるいは手動切換によって無効になると、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１も同時に無効になる。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１は、メンテナンスあるいは整備の際に、制御信号１００１によって無効とすることができる。
【００２４】
電池１０１の温度信号１１０１もまた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１に接続される。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール４０１は、信号１１０１に応じて充電あるいは放電電流を調整する。異なるレベルの双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール間の電流分配は、電流シェアリング信号バス６を介して制御される。電流シェアリング信号バスは、アナログあるいはディジタル信号バスとできる。電流シェアリング信号バス６は双方向である。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール４０１は、双方向であり電流シェアリング信号バス６に接続される電流シェアリング信号出力を有する。他の双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールの電流シェアリング信号出力は、電流シェアリング信号バス６に接続される。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール４０１は、その出力電流を、電流シェアリング信号バス６の電圧レベルあるいはディジタル信号に応じて、調整する。電流シェアリング信号バス６の電圧レベルあるいはディジタル情報は、個々の双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールの平均負荷電流を表す。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１は、双方向バス７０１を介してＢＳＭ制御バスと通信する。双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールの出力は、電力バス２に接続される。電力バス２は、エネルギー蓄積モジュール１４０１〜１４０ｎと、モータコントローラ３（１つあるいは複数とできる）と、内部充電回路４と、外部充電回路５と、を接続する。エネルギー蓄積モジュール１４０１〜１４０ｎは、それぞれ、スイッチ５０１〜５０ｎを介して電力バス２に接続される。スイッチ５０１〜５０ｎは、それぞれ、制御信号１３０１〜１３０ｎを介してＢＭＣモジュールによって電気的に制御される。エネルギー蓄積モジュール作動（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎｓ）の数は、ＢＭＣに組み込まれたプログラムによって制御される。エネルギー蓄積モジュール１４０１〜１４０ｎは、充放電の際にエネルギーバッファを提供するように構成される。充電モードにおいては、外部充電回路、回生制動電力および内部電気発生器からのエネルギーを蓄積する。このエネルギーは、電池１０１〜１０ｎをそれぞれ双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール４０１〜４０ｎを介して充電するのに用いられる。放電モードにおいては、サージ負荷条件と同様にモータコントローラに電力やエネルギーを供給し、これにより、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュール４０１〜４０ｎが過負荷とならない。電池管理制御（ＢＭＣ）モジュール１２０１〜１２０ｎは、冗長（リダンダンシー）トポロジーで接続されプログラムされている。もしＢＭＣモジュールのうちのどれかが故障すれば、他のＢＭＣモジュールがシームレスにその故障したモジュールの機能を回復することになる。ＢＭＣモジュールは、双方向通信バス１５０１〜１５０ｎを介してＢＭＳ制御バス１に接続される。
【００２５】
スイッチ３０１〜３０ｎ、７、８および９は、ＢＭＳ制御バスを介して電池管理制御モジュール１２０１〜１２０ｎによって制御される。車両を駐車するとき、スイッチ３０１〜３０ｎ、７、８および９はＯＦＦにされる。車両が走行状態に入る前に起動されるとき、スイッチ７および８がＯＮにされる。電池（あるいはセル）の充電が必要でなければ、スイッチ８はＯＦＦにされることになる。外部充電が必要なとき、スイッチ９はＯＮにされるとともに、スイッチ７および８はＯＦＦとされることになる。これは、外部充電の際にモータコントローラ３および内部発電器４への電気的に過剰なストレスを防止するためである。モータコントローラあるいは発電器がストレスに耐えうるよう設計されている場合には、スイッチ７および８をＯＮとしていてもよい。
【００２６】
図２を参照して、この回路の具体化においては、電池状況監視モジュールアセンブリ（２０１、２０１、…、２０ｎ）が、システムの一体型部品を形成する。バスＡコネクタはＢＭＳ制御バスに接続される。接続／切断スイッチおよび双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールは、システムの一体型部品である双方向ＤＣ／ＤＣ変換器アッセンブリを形成する。バスＢコネクタはＢＭＳ制御バスに接続される。電池状況監視モジュールアセンブリおよび双方向ＤＣ／ＤＣ変換器アセンブリは、ＢＭＳ制御バスに接続される。複数の双方向ＤＣ／ＤＣ変換器アセンブリの出力は、互いに並列にＤＣ電力バス（２）に接続される。同様に、電池管理制御モジュールは、それぞれのバスＡコネクタおよびバスＢコネクタを介してＢＭＳ制御バスに接続される。バスＣコネクタは、ＢＭＳ制御バスを介して車両信号インタフェース１０と電池管理制御モジュール（１２０１、…、１２０ｎ）との間でインタフェースを提供する。車両信号インタフェース１０は、エネルギー蓄積モジュールと内部充電回路と外部充電回路とに対する制御インタフェースである。
【００２７】
上述の実施形態において、フォールトトレラントモジュール電池管理システムは、すべてのモジュールレベルで多重リダンダンシーを特徴として有する。これらのリダンダンシー特徴は、同時メンテナンス動作（ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ  ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ）を可能にし、マルチレベルのフォルトトレランスを提供する。したがって、モジュール電池管理システムの信頼性および稼働率が向上する。さらに、モジューラ設計フレームワークにより、すべてのレベルにおけるモジュールを経済的に製造できる。
【００２８】
上述の実施形態においては、システム稼働率を妨げることなく、個々の要素あるいはモジュールをＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。システム稼働率を妨げることなく、組電池パック（あるいはセル）をＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。システム稼働率を妨げることなく、ＢＳＭモジュールをＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。システム稼働率を妨げることなく、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールをＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。システム稼働率を妨げることなく、エネルギー蓄積モジュールをＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。システム稼働率を妨げることなく、ＢＭＣモジュールをＭＢＭＳから取り外しあるいはＭＢＭＳに追加できる。
【００２９】
上述の実施形態において、ＭＢＭＳはフレームワークをＥＶあるいはＨＥＶあるいは電池で動作する機械／機器に提供する。このフレームワークは、異なる電池タイプ、電力バス電圧および出力電力要求に対して用いることができる。ＢＳＭおよび双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールを、特定の用途においては、単一モジュール（あるいはユニット）として組み合わせることができる。組電池パック（あるいはセル）は、従来システムにおける直列接続に代わって、個々に動作される。フォールトトレラントモジュール電池管理システムは、直列に接続される従来の組電池パックにある組電池パック（あるいはセル）のアンバランスの問題を解決する。電力バスへの出力電圧は、直列に接続されている組電池パック（あるいはセル）の数に代わって、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールによって決定される。組電池パック（あるいはセル）のうちのいくつかが出力電力を供給できない場合、残りの組電池パック（あるいはセル）が、出力電力を制限しながら定格電圧でモータ駆動回路を動作させるよう供給することができる。出力電流は、個々の双方向ＤＣ／ＤＣ変換器出力電流の合計で供給される。
【００３０】
上述の実施形態において、充電モードの際に、エネルギーは、エネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールに直接充電される。これにより充電サイクルを早めることができる。そして、エネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールに蓄積されたエネルギーは、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールを介して組電池パック（あるいはセル）を充電する。ＭＢＭＳにおける組電池パック（あるいはセル）は、異なる動作モードにおいて同時に動作することができる。これには、電池の放電、電池の充電、電池のＭＢＭＳへの接続、および電池のＭＢＭＳからの切断が含まれる。個々の組電池パック（あるいはセル）を放電あるいは充電モードにおいてＢＭＣモジュールによってプログラムできる。車両駆動モードの際に、内部発電器、回生制動および他の発電デバイスによって供給されたエネルギーは、エネルギー蓄積（ＥＳ）モジュールおよび双方向ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールを介して、組電池パック（あるいはセル）のいくつかあるいはすべてを充電できる。これにより、車両の走行距離の範囲を延長できる。電池寿命の長さを延ばすことができる。ＭＢＭＳ出力容量は、電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）の追加によって増加できる。ＭＢＭＳ出力容量は、組電池パック（あるいはセル）あるいは電池電源変換モジュール（ＢＰＣＭ）の取り外しによって低減できる。ＭＢＭＳ出力電圧は、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器出力電圧の調整によって調整できる。ＢＭＣモジュールに組み込まれた制御アルゴリズムは、個々の組電池の充電、放電あるいはＭＢＭＳからの切断に関してプログラムできる。ＢＭＣモジュール内の制御アルゴリズムは、異なる電池特性（例えばニッケル金属水素ＮｉＨＭ、リチウムイオンＬｉ  ｉｏｎ、リチウムイオンポリマーなど）に関してプログラムできる。ＢＭＣモジュールは、ＢＭＣ表示パネルを介して駆動器と接続できる。電池の充放電状況、残量エネルギーレベル、および電池メンテナンス情報に関する警告をＢＭＣ表示パネルによって提供できる。
【００３１】
上述の実施形態において、電池は異なるタイプの組合せとできる。例えば、鉛蓄電池とリチウム電池とを、システムにおいて同時に動作させることができる。リチウム電池の高出力密度と鉛蓄電池ディープサイクル放電との特性により、駆動範囲をより長くすることに貢献できる。
【００３２】
本考案をいくつかの実施形態を特に参照して示し、説明したが、本考案の範囲から逸脱することなく種々の変形および変更を行うことができることを述べておく。
【図１】
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【図２】
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