(57)【要約】  特に電気自動車における使用のための大型電池アレイは、それぞれが複数の電池セルおよびモジュール管理電子機器を含む多数のモジュールで形成される。それぞれの電池モジュールは、約5ボルト〜約17ボルトの範囲の公称出力電圧を有する。該アレイ中で、個々の電池モジュールには、制御装置が連絡しており、駆動部中のモジュールの接続の切替えおよび充電構成を制御する。モジュール管理電子機器は、それに含まれるセルなどのそれぞれの電池モジュールの状態をモニタリングし、これらの状態を制御装置に伝達する。モジュール管理電子機器は、公知のまたは構成可能な具体例と比較して、それぞれのモジュールの性能に基づき、モジュールを保護モードに置き得る。該モジュールは差し込み可能なデバイスであり得るので、モジュールが永久停止保護モードにあるか、または最適でないサービス不良が検出される場合には、各モジュールは取り替えられ得る。
2012505628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気駆動部；
該電気駆動部に電力供給する電池モジュールの直列アレイ、該電池モジュールの各々は：
複数の電気エネルギー貯蔵セル；および
各電池モジュールをモニタリングし、各電池モジュールを保護モードで制御し、各電池モジュールの状態を通信するモジュール管理電子機器を含む；
モジュール管理電子機器から通信されたモジュールの状態を受信し、アレイ中の個々の電池モジュールの動作を制御する制御装置；ならびに
電池モジュールの貯蔵セルを、電流源から充電する充電回路
を備える電動車両。
【請求項２】
各電池モジュールが約5V〜約17Vの範囲の公称出力電圧を有する、請求項１記載の電動車両。
【請求項３】
各電池モジュールが、個々に取り外しおよび個々に取り替えできるように適合された、請求項１記載の電動車両。
【請求項４】
該モジュール管理電子機器が、各貯蔵セルについて、以下：温度、電流、容量および電圧の少なくとも1つをモニタリングするように構成された、請求項１記載の電動車両。
【請求項５】
該制御装置が、各電池モジュールについて、以下：温度、電流、容量および電圧の少なくとも1つをモニタリングするように構成された、請求項１記載の電動車両。
【請求項６】
該モジュール管理電子機器が、一時的停止保護モードで電池モジュールを制御する、請求項１記載の電動車両。
【請求項７】
該モジュール管理電子機器が、永久停止保護モードで電池モジュールを制御する、請求項１記載の電動車両。
【請求項８】
該モジュール管理電子機器が、各電池モジュールの以下の状態：過充電、過放電および温度の少なくとも1つを通信する、請求項１記載の電動車両。
【請求項９】
該充電回路が、各電池モジュールの充電中の均衡を保つことが可能なように各電池モジュールの電圧を制御するようにさらに構成された、請求項１記載の電動車両。
【請求項１０】
制動中に変換されたエネルギーを貯蔵し、貯蔵されたエネルギーを放電することによりアレイを充電するように連結された外部電力貯蔵デバイスをさらに備える、請求項１記載の電動車両。
【請求項１１】
電気駆動制御装置をさらに備える、請求項１記載の電動車両。
【請求項１２】
各アレイ中の電池モジュールが直列のみで接続される、請求項１１記載の電動車両。
【請求項１３】
電池モジュールの直列アレイを使用して電気駆動部に電力供給する工程、各電池モジュールは貯蔵セルおよびモジュール管理電子機器を含む；
各電池モジュールをモニタリングし、各電池モジュールを保護モードで制御し、各電池モジュールの状態を通信するようにモジュール管理電子機器を構成する工程；
モジュール管理電子機器から通信されたモジュールの状態を受信する工程；
アレイ中の個々の電池モジュールの作動を制御する工程；ならびに
電池モジュールの貯蔵セルを、電流源から充電する工程
を含む、電動車両用充電の貯蔵方法。
【請求項１４】
約5V〜約17Vの範囲の公称電圧を有するように電池モジュールを構成する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
電池モジュールを取り外す工程および取り外した電池モジュールを新しい電池モジュールに取り替える工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
取り外した電池モジュールの充電状態と正常状態を近づける工程、ならびに取り外した電池モジュールと同等の充電状態および正常状態を有する新しい電池モジュールを選択する工程をさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
各貯蔵セルについて、以下：温度、電流、容量および電圧の少なくとも1つをモニタリングする工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
各電池モジュールについて、以下：温度、電流、容量および電圧の少なくとも1つをモニタリングする工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
電池モジュールを一時的停止保護モードで制御する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
電池モジュールを永久停止保護モードで制御する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
電池モジュールの以下の状態：過充電、過放電および温度の少なくとも1つを通信する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
各電池モジュールの充電中の均衡が保たれるように各電池モジュールの電圧を制御する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２３】
外部電力貯蔵デバイスを電気制動部に連結する工程、制動中に変換されたエネルギーを貯蔵する工程、および貯蔵されたエネルギーを放電することによりアレイを充電する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２４】
電気駆動制御装置を使用して電気駆動部を制御する工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２５】
電池モジュールのアレイ、該各電池モジュールの各々は：
複数の電気エネルギー貯蔵セル；および
各電池モジュールをモニタリングし、各電池モジュールを保護モードで制御し、各電池モジュールの状態を通信するモジュール管理電子機器を含む；
モジュール管理電子機器から通信されたモジュールの状態を受信し、アレイ中の個々の電池モジュールの作動を制御する制御装置；ならびに
交流電源から個々の交流直流充電回路を介して電池モジュールへ各電池モジュールの貯蔵セルを充電する充電回路
を備える電池アレイ。
【請求項２６】
該電池モジュールが、約5V〜約17Vの範囲の公称出力電圧を有する、請求項２５記載の電池アレイ。
【請求項２７】
該電池モジュールが、個々に取り外しおよび個々に取替えできるように適合された、請求項２５記載の電池アレイ。
【請求項２８】
該電池モジュールが3つの貯蔵セルを有する、請求項２５記載の電池アレイ。
【請求項２９】
該電池モジュールが4つの貯蔵セルを有する、請求項２５記載の電池モジュール。
【請求項３０】
電気駆動部；
該電気駆動部に電力供給する電池モジュールのアレイ、該モジュールの各々は約9V〜約17Vの範囲の公称出力電圧を有し、個々に取り外しおよび個々に取り替えできるように適合され、
複数の電気エネルギー貯蔵セル；および
各電池モジュールの温度、電流、容量および電圧をモニタリングし、各電池モジュールを一時的停止保護モードおよび永久停止保護モードで制御し、各電池モジュールの温度、電流、容量および電圧の状態を通信するモジュール管理電子機器を含む；
モジュール管理電子機器から通信された電池モジュールの過充電、過放電および温度の状態を受信し、アレイ中の個々の電池モジュールの作動を制御し、駆動部と電池モジュールと充電回路の間の個々の接続を制御し、電池モジュールの交換について警告する制御装置；ならびに
交流電源から個々の交流直流充電回路を介して電池モジュールへ、電池モジュールの貯蔵セルを充電する充電回路
を備える電動車両。
【請求項３１】
該充電回路が、各電池モジュールの充電中の均衡を保つことが可能なように各電池モジュールの電圧を制御するように構成された、請求項３０記載の電動車両。
【請求項３２】
電気駆動制御装置をさらに備える、請求項３０記載の電動車両。
【請求項３３】
電池モジュールのアレイ、該モジュールの各々は、約5V〜約17Vの範囲の公称出力電圧を有し、個々に取り外しおよび個々に取り替えできるように適合され、
複数の電気エネルギー貯蔵セル；および
各電池モジュールの温度、電流、容量および電圧をモニタリングし、電池モジュールを一時的停止保護モードおよび永久停止保護モードで制御し、各電池モジュールの温度、電流、容量および電圧の状態を通信するモジュール管理電子機器を含む；
モジュール管理電子機器から通信された電池モジュールの過充電、過放電および温度の状態を受信し、アレイ中の個々の電池モジュールの動作を制御する制御装置；ならびに
交流電源から個々の交流直流充電回路を介し電池モジュールへ各電池モジュールの貯蔵セルを充電し、かつ各電池モジュールの充電中の均衡を保つことが可能なように各電池モジュールの電圧を制御するように構成された充電回路
を含む電池アレイ。
【請求項３４】
交流電源電圧を提供する工程；
交流直流充電回路と並行して、交流電源電圧を個々の直流充電電圧にダウンコンバートする工程；
直流充電電圧をそれぞれ個々の電池モジュールに印加して、各電池モジュール中の1つ以上のセルを充電する工程
を含む、電池アレイの充電方法。
【請求項３５】
各電池モジュールが、電池モジュール中のモジュール管理電子機器の制御下で、モジュール中の多数のセルを充電する、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
全ての電池モジュールが並行して同時に充電される、請求項３４記載の方法。
【請求項３７】
各モジュールに印加された直流充電電圧が、モジュール中の直列のセル全体に印加される、請求項３４記載の方法。
【請求項３８】
全てのセルが、個々の直流充電電圧から同時に充電される、請求項３４記載の方法。
【請求項３９】
交流電源電圧端子；
直流出力電圧端子；
出力電圧端子間に延びた電池モジュールの少なくとも1つのアレイ；および
複数の交流直流充電回路、該回路の各々は、交流電源電圧端子において交流電源電圧を、アレイの個々のモジュールに印加される個々の直流充電電圧にダウンコンバートする
を含む電池アレイ。
【請求項４０】
各アレイ中の電池モジュールが直列のみで接続される、請求項３９記載の電池アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、2008年10月7日に出願された米国特許仮出願第61/195,441号および2009年5月8日に出願された米国特許仮出願第61/176,707号の恩典を主張する。上述の出願の全教示は参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
自動車両には、オートバイ、自動車、バス、トラックまたは建設用/軍用車両などのいくつかの形態がある。現在、最も一般的に使用されているモーターは内燃機関である。内燃機関は、燃料と酸化剤、通常、空気が閉鎖された空間内で(燃焼室としても知られる)燃焼するエンジンである。燃焼により、高温高圧のガスが生じる。内燃機関は、主に種々の型の石油誘導体によって燃料供給される。また、燃焼により、蒸気、二酸化炭素、粒子状物質および他の化学物質などの排気ガスが生じる。
【０００３】
自動車両への依存によってもたらされる効果は、石油への依存から環境に対する負の影響にまでにわたって数多くある。石油への依存は、自動車両用の燃料を提供する新しい技術を開発するための試験および研究に大きな波を引き起こされた。いくつかの研究および試験により、水素、トウモロコシ、太陽エネルギーおよび電力などの新しい燃料源がもたらされた。
【０００４】
電動車両（electric vehicle）には、車両の駆動部を作動させるために、少なくとも1つの電動モーターが使用され得る。電動車両は、バッテリー、燃料電池または発電機などの装置から生じ得る電気を用いて電力供給される。バッテリーにより電力供給される電動車両には、作動させるために数千の電池セルが必要とされ得、電動車両の総重量の相当な割合を占め得る。現行のハイブリッド電動車両には、旧来の推進システムが充電式バッテリーエネルギー貯蔵システムとともに組み込まれており、これにより、従来の自動車両と比較して燃料の経済性の改善ならびに車からの排出物の低減がもたらされ、完全電動車両と比べてバッテリーに必要とされる大きさが小さくなる。プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)には、電力の交流(AC)電源への接続によって充電されるバッテリーが使用されるが、車両はなお、さらなる蓄電器およびバッテリー充電器としての機能を果たす内燃機関を含む。
【０００５】
現在、大容量バッテリー、例えば、以下のもの：HEV/PHEV/EVトラック、車、バイクなどの電動車両用の牽引バッテリー；無人の自律的な土地(autonomous land) 用バッテリー、海上用および航空用車両；トラック、レクレーション用車両、船舶、軍用、および航空宇宙適用のための補助電源装置(APU)；電気グリッド用の負荷バランシングシステム、例えば、太陽熱および風力発電などの再生可能なエネルギー源における固有のばらつきに対する調整のためのバランシングシステム；中断不可能な電力供給；飛行機用のスターターバッテリー；ならびに発電所のバックアップバッテリーの使用を必要とする多くの車両用および非車両用適用が存在している。
【発明の概要】
【０００６】
発明の概要
以下の概要は、本開示に含まれるいくつかの態様を詳述する。この情報は、本発明の局面の基本レベルの理解を示すために提供する。該詳細は、本質的に一般的であり、本態様の最高の局面を提供するものでない。以下に詳述する情報の唯一の意図は、本開示の単純化した実施例を示すことおよび、より詳細な説明を導入することである。当業者であれば、特許請求の範囲および該説明の範囲に含まれる態様、修正例、変形例などが他にあることが理解され得よう。
【０００７】
一例の態様は、ノート型パーソナルコンピュータ(PC)市場において開発された既存の技術および該技術が現在製造されている容積を活用することにより、大型電池アレイを製造する費用効果が高く安全な手段を提供する。電池アレイは、各々が、例えばPCに使用されているリチウムイオンバッテリーパックに対応し得る数多くの貯蔵セル(storage cell)を含む電池モジュールのアレイを備える。さらに、貯蔵セルをモジュール化することにより、実用性およびメンテナンス手順が、個々のどのモジュールが交換または修復を必要としているかを特定することができる制御装置により、大きく単純化され得る。
【０００８】
貯蔵セルを電池アレイの各モジュールに組み立てる場合、同様のインピーダンスおよび容量を有する貯蔵セルが選択される。電池モジュール内の最小容量または最大インピーダンスを有する貯蔵セルにより、モジュールの全体性能が決定されるため、所定のモジュール内のセルは、同様のインピーダンスおよび容量特性を有し、それにより、該モジュールから最大のエネルギー量が抽出されるように選択される。同様に、モジュールを電池アレイに組み立てる場合、同様のインピーダンスおよび容量を有するモジュールを選択し、それにより、ユーザーが電池アレイから抽出することができない「無駄な」エネルギー量を最小限にすることが好ましい。弱い、または損傷モジュールの交換のためのメンテナンス手順は、新しいモジュールが、点検された電池アレイに対応する正しい容量およびインピーダンス特性を有することを確実にする。このようにしてセルを選択することにより、容量およびインピーダンスが不均衡なモジュールと比べて、モジュールのサイクル寿命が増大する。
【０００９】
モジュール化アレイは、3つの主な動作モード：低電圧充電、放電および絶縁を補助する。低電圧充電モードでは、供給電圧、特に交流供給電圧が個々の直流(DC)充電電圧にダウンコンバートされる。DC充電電圧は、それぞれの個々の電池モジュールに印加され、各電池モジュール内の複数の電池セルが充電される。各電池モジュール内の多数のセルは、各モジュール内のモジュール管理電子機器の制御下で充電され得る。アレイ内のすべてのモジュールは、パラレル変換器によって同時に並行して充電され得る。充電中、モジュールは、全充電時間が最小になり、電池アレイ全体の使用可能な寿命が最大となるように、その低電圧充電源から選択的に接続および接続切断される。放電モードでは、外部負荷への接続可能になるようにモジュールを直列に配列する。次いで、エネルギーがモジュールから該負荷に転移される。絶縁モードでは、アレイの自己放電を最小限にするために、各モジュールをその他のモジュールから絶縁する。また、絶縁モードは、電池アレイ内のセンサーによって、起こり得る危険な動作条件が検出された場合にも使用される。モジュールは、外部負荷への不慮の接続に関連する安全性リスクを最小限にするために互いに接続が切断されている。
【００１０】
一態様において、本発明は、以下のもの：電力駆動部、電力駆動部に電力供給する電池モジュールのアレイ、制御装置、および充電回路を備える電動車両を提供する。アレイの各電池モジュールは、複数の電気エネルギー貯蔵セルと、各電池モジュールをモニターし、各電池モジュールを保護モードに制御し、各電池モジュールの状態を通信するモジュール管理電子機器とを含む。制御装置は、モジュール管理電子機器から通信されたモジュールの状態を受信するために使用され得、個々の電池モジュールの動作を制御し得る。制御装置は、充電中の電池モジュールのバランシングが可能になるように、個々の電池モジュールの充電を制御し得る。制御装置により、各電池モジュールの状態に基づいて電池モジュールのスイッチが切られ得る。制御装置により、弱い、不適切に機能しているモジュールを、該モジュール内のコンディショニングルーチンを開始することにより回復させようと試みられ得る。制御装置により、モジュールと関連する正常状態(State of Health)(SOH)および他のパラメータがモニターされ得、これらのパラメータの履歴の記録が後の使用のために維持される。制御装置により、ユーザーに、特定のモジュールにメンテナンスの必要があることを示す点検要請シグナルが提供され得る。メンテナンス手順中、制御装置により、点検提供者に、修復の必要があるモジュールの特定および位置などの情報、ならびに交換モジュールが電池アレイ内のその他のモジュールに適合されるように容量およびインピーダンスなどの交換モジュールに関する所望のパラメータの情報が提供され得る。
【００１１】
モジュールを該直列部(series string)に接続するため、および充電回路を各モジュールに接続するために使用される切り替え素子は、好ましくは、機械的なリレーとは反対に、電界効果トランジスタ(FET)として実装された種々のソリッドステートのものである。FETスイッチは機械的な磨耗がないため、高い信頼性を有する。FETのスイッチオンおよびスイッチオフ時間は、機械的同等物よりも速い。さらに、FETスイッチは、多くの場合、よりコンパクトなデバイスであり、プリント回路基板上への低プロファイル組立てによく適している。
【００１２】
充電回路は、完全電気式またはプラグインハイブリッドシステム内の電流電源、好ましくは交流電源から電池モジュールを充電するために使用され得る。多数の個々の充電器は、各々が1つ以上の電池モジュールに連結され得る。充電の必要があるモジュールのみを充電するために、多数の個々の充電器を並行して一緒に作動させてもよい。電池アレイ制御装置により、個々の充電器がそのそれぞれのモジュールへ、または該モジュールから選択的に接続または接続切断され得る。制御装置には、モジュールの現在および履歴のパラメータおよびその時間的展開を考慮して、各モジュールに最適な充電時間シーケンスを選択するためのアルゴリズムが使用され得る。制御装置のアルゴリズムは、モジュール間の充電状態(State of Charge)(SOC)、開路電圧、インピーダンスおよび他のパラメータを、各パラメータに対して一定の許容範囲内に等化または均衡させようとし得る。かかる制御アルゴリズムの主目的は、電池アレイ全体を充電するのに必要な時間を最小にすること、また、電池アレイの使用可能な寿命を最大にすることであり得る。
【００１３】
各モジュールは、中央電池アレイ制御装置に利用可能な関連する組のパラメータを有し得る。例えば、Texas Instruments bq20z90ガス計量計または同様のデバイスをモジュール内に使用する場合、以下のモジュールパラメータ：温度、モジュールの電圧、瞬間電流、平均電流、SOC、完全充電容量、充電サイクル数、設計充電容量、モジュール製造日、SOH、安全性状態、永久故障警報、永久故障状態、設計エネルギー容量、寿命最大および最小モジュール温度、寿命最大および最小セル電圧、寿命最大および最小モジュール電圧、寿命最大充電および放電電流レベル、寿命最大充電および放電電力、各セルの電圧、ならびに各セルの充電量が、電池アレイ制御装置に利用可能であり得る。
【００１４】
各電池モジュールは、PCのバッテリーパックに見られる電圧に相当する約5V〜17Vの範囲の公称出力電圧を有し得る。好ましい3セルモジュールは、少なくとも9V、好ましくは約11Vの公称電圧を有し得、好ましい4セルモジュールは、少なくとも12V、好ましくは約15Vの公称電圧を有し得る。別の好ましい配列は、3つ直列を2つ並列のセルおよび4つ直列で2つ並列のセルモジュールであり、各々は、それぞれ、3セルおよび4セルモジュールと同じ公称電圧範囲を有する。
【００１５】
各電池モジュールは、中央電池アレイ制御装置の誘導下で、個々の取り外しおよび交換を提供し得る。モジュール管理電子機器は、上記の各貯蔵セルおよび個々の電池モジュールの温度、電流、容量および電圧をモニターするために使用され得る。モジュール管理電子機器は、電池モジュールを、一時的停止保護モードまたは永久停止保護モードのいずれかに制御するために使用され得る。また、モジュール管理電子機器は、各電池モジュールの過充電、過放電および温度を通信し得る。モジュール管理電子機器は、各電池モジュールの貯蔵セルのバランシングならびに各セル内のインピーダンスの追跡を制御し得る。モジュール管理電子機器は、中央電池アレイ制御装置の誘導下で、同じモジュール内のセル間のSOC、インピーダンスおよび開路電圧などの特定のパラメータのバランシングをしようとし得；また、電池アレイ全体のモジュール間のSOC、インピーダンスおよび開路電圧などの特定の同様のパラメータのバランシングをしようとし得る。
【００１６】
電動車両の別の例示的な態様は、制動中に変換されたエネルギーを貯蔵するため、および貯蔵されたエネルギーを放電することによりバッテリーのアレイを充電するための発電機に連結され得る外部電力貯蔵装置を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
前述のことは、添付の図面によって示される本発明の例示的な態様の以下のより具体的な記載から明白であろう。図において、同様の参照符号は、異なる図において同じ部分を示す。図面は、必ずしも同じ縮尺ではなく、本発明の態様を説明することに重点を置いている。
【００１８】
【図１】図1は、自動車両の駆動部に電力供給するための、一態様において存在し得る例示的な電子回路を示す。
【図２】図2は、電流源を用いて電池モジュールを充電するように構成された図1の電子回路を示す。
【図３】図3は、電池モジュール内に存在し得る電子回路の配線略図である。
【図４−１】図4は、変形電池モジュールを用いる場合に使用され得る電子回路の配線略図である。
【図４−２】図4は、変形電池モジュールを用いる場合に使用され得る電子回路の配線略図である。
【図５】図5は、電池モジュールを充電するための再生制動システムを使用する態様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明の例示的な態様の説明を以下に示す。
【００２０】
現在使用されているノート型PCのバッテリーパックは、既に、充電、放電、バランシングを制御し、リチウムイオン電池セルをモニターする電子機器を含む。本開示では、ノート型PCのバッテリーパックの既存の技術の主要な特徴を組み込み、車両用バッテリーにおける「電池モジュール」を提供する。各モジュールは、いくつかのリチウムイオンセルと、該セルの充電、放電、モニタリング、バランシング、および保護モードを制御する電子機器とを含み得る。また、アレイは、それ自体を充電するために必要とされるDC電圧を提供するのに必要なACアダプターも含み得る(その大きさは、電池モジュールの所望の充電時間に対して最適化され得る)。アレイの電池モジュールは、モジュール管理電子機器によって制御され得、電源アダプターによって低電圧を用いて充電され得、これらはすべて、高電圧電源バスに接続されている。スイッチのネットワークにより、放電時は直列に接続され、充電時は互いに絶縁される電池モジュールが可能になる。高電力出力のために、アレイ内で多数の組の直列接続電池モジュールを並列に接続してもよい。
【００２１】
個々の電池モジュールは、既存のノート型PCバッテリー管理回路に含まれるものと同様の回路を含み得る。該管理回路は、温度、電流、容量、電圧、正常状態、充電状態、サイクル数、および他のパラメータを、各電池モジュールがモニターされ、各電池モジュールの充電および放電が制御され得る制御装置に通信し戻す能力を有する。各電池モジュールの制御装置とモジュール管理電子機器間の連続通信(すなわち、充電状態のときと、放電状態のときの両方)を可能にするため、各電池モジュールの通信バスは、誘導結合、静電結合または光学的結合によって、制御装置からガルヴァーニ電気により絶縁され得る。
【００２２】
また、アレイ内の過放電および／または温度過剰の状態を防ぐため、制御装置により、リアルタイムで負荷の電力限界のフィードバックシグナルが車両駆動制御装置に提供され得る。負荷の電力限界フィードバックシグナルにより、アレイの更新された温度およびSOCの状態に基づいて、車両駆動制御装置の最大車両駆動負荷を低減させることが可能になる。また、制御装置は、電池モジュール(またはその内部に含まれた貯蔵セル)にメンテナンスが必要な場合、車両内の他のシステムに共通するコミュニケーションバスによって、車両のユーザー(または操縦者)に通知する。自動車産業において広く使用されている共通車両用通信バスの一例は、Control Area Network (CAN) バスであり得、これはいくつかの車両システム、例えば限定されないが、環境制御、セキュリティシステム、およびタイヤ圧センサーに典型的に使用される。共通車両用通信バスへの制御装置の接続は、起こり得る電磁-無線周波干渉(Electromagnetic and Radio-Frequency Interference)(EMI/RFI)経路を制限するため、誘導結合、静電結合または光学的結合によって、ガルヴァーニ電気により絶縁され得る。
【００２３】
図1は、一態様において、自動車両の駆動部に電力供給するために存在し得る電子回路100の例を示す。電子回路100は、電池モジュール115a〜n(集合的に115と称する)のアレイ114に対する負荷として見られる車両駆動部105、制御装置110、車両駆動制御装置107a、および例えば、110Vまたは220VのAC充電バス125からのモジュールの低電圧充電を可能にする交流(AC)アダプター120a〜nを含む。電池モジュール115a〜nは、車両駆動部に必要とされる、PCで使用されているような約5V〜約17Vの範囲の公称出力電圧を有するモジュール115からの高電圧が提供されるように直列に接続される。駆動部への利用可能な電力を増大させるため、さらなる直列アレイを並列に連結してもよい。
【００２４】
各電池モジュール115a〜nは、いくつかの電気エネルギー貯蔵セル (図1に図示せず)およびモジュール管理電子機器(図1に図示せず)を含み得る。各電池モジュール115a〜nの貯蔵セルは、2.5V〜4.2Vの範囲、おそらく少なくとも3Vの公称電圧出力を有し得る。一態様は、3.7Vの電圧出力を有する貯蔵セルを有する。該貯蔵セルが3つの貯蔵セル電池モジュール115において使用される場合、電池モジュール115は、少なくとも9V、好ましくは約11.1Vの公称出力電圧を有し得る。該貯蔵セルが4つの貯蔵セル電池モジュール115において使用される場合、電池モジュール115は、14.8Vの公称出力電圧を有し得る。PCバッテリーパックの場合のように、モジュール管理電子機器により、各電池モジュール115がモニターされ、各電池モジュール115が保護モードに制御され、各電池モジュール115の条件が通信され、充電中の貯蔵セルのバランシングが制御され得る。モジュール管理電子機器は、これらの機能が実行されるようにプログラムされ得る。モジュール管理電子機器により、該モジュール内のセル間の電圧、SOCまたは別のパラメータを均一にするために必要に応じてセルのバランシング機能が起動され得る。充電中、過充電を防ぐため、モジュール管理電子機器により貯蔵セルがモニターされる。
【００２５】
電池モジュール115の数は、モジュール115が使用されるシステムの型に依存する。例えば、スクーターには、１個だけの電池モジュール115aが必要とされ得るが、車には、10個の電池モジュール115が必要とされ得る。ハイブリッド電動車両の典型的な電圧要件は300Vである。したがって、27個の11.1Vモジュールまたは20個の14.8Vモジュールが直列に接続され得る。さらなる電力が必要とされる場合、さらなる組の直列接続電池モジュール115を使用してもよい。該組を並列に接続することが必要であり得るが、ハイブリッドシステムでは、単一の組の電池モジュール115を直列に配列することで充分であり得る。
【００２６】
制御装置110は、各電池モジュール115a〜nのモジュール管理電子機器からモジュールの状態が受信されるように構成され得る。また、制御装置110は、アレイ114内の個々の各電池モジュール115a〜nの動作、例えば、モジュールのアレイ内外へのスイッチングおよび充電中の電池モジュールのバランシングのさらなる制御が制御されるように構成され得る。車両駆動部105が動作中である場合、電池モジュール115は、おそらく、122a〜n、123a〜nをACアダプター120a〜nまたはAC充電バス125に接続124a〜nによって連結させない。
【００２７】
制御装置110は、回線(点線で示す)112a〜n、113a〜nによって、各電池モジュール115のモジュール管理電子機器と通信し得る。通信は、図1において各電池モジュールモジュール管理電子機器のSMBD(データ)およびSMBC(クロック)端子で示し、以下にさらに詳細に説明する。各電池モジュール115から状態のデータを経時的に収集することにより、制御装置110によって、各電池モジュール115a〜nの状態、例えば、温度、電流、容量および電圧の情報の更新が維持され得る。状態の情報の更新の維持により、制御装置110が、例えば、電池モジュール不均衡、熱ヒューズ活性化、非最適温度などの各電池モジュール115a〜n内の故障をモニターして検出することが可能になる。また、状態の情報の更新の維持により、制御装置110が、利用可能なバッテリー電力をリアルタイムで決定することが可能になる。また、制御装置110には、更新された最も弱いモジュールSOC情報、温度、およびバッテリーパック電力仕様に基づいて、利用可能なバッテリー電力を決定するためのアルゴリズムがプログラムされ得る。制御装置110には、利用可能なバッテリーの電力測定が使用されてリアルタイムの負荷の電力限界フィードバックシグナル107bを、車両駆動部105と通信108された車両駆動制御装置107aに提供する。負荷の電力限界フィードバックシグナルは、100%デューティサイクルは全負荷電力が利用可能であり、0%デューティサイクルは利用可能な負荷電力がない線形比例パルス幅変調(PWM)シグナルであり得る。
【００２８】
モジュール管理電子機器により電池モジュール115の温度が高すぎることが検出されると、モジュール管理電子機器により、電池モジュール115は永久停止保護モードに置かれ得る。しかしながら、モジュール管理電子機器により電池モジュール115の温度が冷たすぎることが検出されると、モジュール管理電子機器により、電池モジュール115は一時的停止保護モードに置かれ得る。モジュール管理電子機器により電池モジュール115の非最適温度が検出されると、制御装置110により、電池モジュール115は一時的停止保護モードに置かれ得る。電池モジュール115が永久停止保護モードに置かれると、電池モジュール115はもはや、作動しなくなる。該情報は、モジュール管理電子機器によって制御装置110に通信され、制御装置110により、電動車両システムの操縦者に、電池モジュールを交換すべきであることが通信される。しかしながら、モジュール管理電子機器により電池モジュール115が一時的停止保護モードに置かれると、制御装置110により、車両の操縦者に、電池モジュール115に故障が起こったが、電池モジュール115をすぐに交換する必要はないことが通知され得る。モジュールが停止された場合はいつでも、バックアップモジュールが該直列回路内に切り替えられる。また、いずれも利用可能でない場合、および電池モジュール115a〜nの組が並列に接続されている場合、制御装置110には、該並列の組からの等電圧出力を維持するために並列電池モジュールを停止することが必要とされ得る。
【００２９】
また、制御装置110には、電池モジュールのアレイ114のSOC、SOHおよび／またはサイクル数をモニターするためのアルゴリズム、および／または電池モジュール115a〜nとACアダプター120a〜n間のスイッチ(例えば、スイッチ118a〜n、130a〜n、131a〜n)を制御するためのアルゴリズムがプログラムされ得る。また、制御装置110は、以下の機能：(i) 各電池モジュール115から通信されたデータの座標化(coordinate)および処理、(ii) 自動車両の車両駆動制御装置107aへの電池モジュールのアレイ114の状態をに詳細に示すデータの送信、ならびに(iii) 各電池モジュール115のSOH、SOC、サイクル数および／または他のパラメータのモニターおよび追跡を行なうために使用され得、これにより、各電池モジュール115のサービス機能の検出(例えば、サービスステーションでの交換が必要になる弱い電池モジュールの検出)が可能になる。そのため、制御装置110により、電池モジュール115の動作に基づいて、例えば、電池モジュール115の動作が他の電池モジュール115よりも効率が低い場合、電池モジュール115は保護モードに置かれ得る。
【００３０】
各電池モジュール115は、さらなるスイッチまたはリレーを含めることにより、個々に取り外しと交換が行なわれるように構成され得る。操縦者は、電池モジュール115に故障が起こったという警告を受けたら、操縦者は車両をサービスステーションに持ち込み得、技術者(または点検提供者)により、故障した電池モジュールはどれかが検索され、故障した電池モジュールが交換され得る。電池モジュール115に関して収集されたデータ、例えば、SOH、サイクル数、容量などに基づき、技術者により、交換電池モジュールの適切な仕様(例えば、年数、容量、電圧など)が概算され得る。電池モジュール115はプラグ接続可能であるため、技術者に必要とされることは、故障した電池モジュールを外し、交換電池モジュールをプラグインするだけであり得る。また、制御装置110は、交換電池モジュールの適切な仕様が推奨され、その推奨が、共通車両コミュニケーションバスによって点検提供者に通信されるようにプログラムされ得る。
【００３１】
図2には、電源を使用して電池モジュール115を充電するように構成された、図1に示される電子回路100が示されている。該電子回路100は、図1の説明に従って作動して電池モジュール115を充電するが、それに加えて駆動部105は電池モジュール115a〜nから切り離され（例えばスイッチ117が開いた位置にある）、それぞれの電池モジュール115a〜nは、それぞれの電池モジュール115a〜nの正端子122a〜nに対する接続および負端子123a〜nに対する接続を介してそれぞれのACアダプター125a〜nに連結され得る。AC充電バス125が電源供給ラインであるならば、ACアダプター120a〜nは、AC出力からの電圧を変換する変圧器などの充電回路を含み得る。Acアダプター120a〜nがAC充電バス125を介してAC電力供給装置（示さず）に接続されると、電池モジュール115a〜nの貯蔵セルはAC電源から充電され得る。ACアダプター120a〜nは、それぞれの電池モジュール115に低電圧充電を供給し得る。ACアダプター120a〜nは、一般にPCに使用される。例えば、アダプターは、110V ACラインで電力供給されるが、それぞれのモジュールに低DC電圧を供給するためにダウンコンバートする。
【００３２】
図3には、本発明の態様が実施され得るPC電池パックにおける現在の実務において使用されるそれぞれの電池モジュール115中の電子回路の例示的配線略図が示されている。図3では、多数の貯蔵セル301が、独立過電圧保護（independent overvoltage protection）（OVP）集積回路302、アナログフロントエンド（Analog Front End）保護集積回路（AFE）304および電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306を備える電池モジュール115のモジュール管理電子機器に接続され得る。本発明は図3に示された前述の模式的に示された電子回路に限定されないことを当業者は理解しよう。
【００３３】
独立過電圧保護集積回路302は、それぞれの値と内部参照電圧を比較することにより、電池モジュール115のそれぞれのセルのモニタリングを可能にし得る。そうすることにより、独立過電圧保護集積回路302は、セルの電圧が望ましくない様式で実施される場合、例えば電圧が最適なレベルを超える場合に、保護機構を開始し得る。独立過電圧保護集積回路302は、選択されたプリセット過電圧値（例えば4.35V、4.40V、4.45Vまたは4.65V）がプリセット時間を超える場合にノンリセットヒューズ（示さず）を作動させるように設計される。
【００３４】
独立過電圧保護集積回路302は、VC1、VC2、VC3、VC4およびVC5端子（それぞれ最も正のセル側から最も負のセル側の順序）を通る多数の貯蔵セル301のそれぞれの個々のセルをモニタリングし得る。さらに、独立過電圧保護集積回路302は、制御装置110に、多数の貯蔵セル301のそれぞれのセルを測定させ得る。制御回路内部の独立過電圧保護集積回路302は、安定した電圧（Vcc）で電力供給され、安定した電圧のモニタリングを行う。
【００３５】
独立過電圧保護集積回路302はまた、セルが多数の貯蔵セル301の任意の個々のセルを制御するように構成され得る。例えば、モジュールにかけられる充電圧は、直列のセルじゅうにかけられ、3または4つのセルを同時に充電し得る。1つのセルが所望のレベルに達すると、その1つのセルは直列回路から取り除かれて該セルのさらなる充電が妨げられ、残りのセルが所望のレベルまでさらに充電される。結果的に、モジュール管理電子機器によりセルが選択的に切替えられて、所望の充電状態に達するように完全アレイ中の全てのセルが同時に充電され得る。
【００３６】
制御装置110は、AFE 304を使用して電池モジュール115の状態をモニタリングし得、該システムの電池の状態の最新情報を提供する。AFE 304は電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306と連絡して、効率および安全性を高める。AFE 304は、電源（例えば多数の貯蔵セル301）からの入力を使用して電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306に電力を供給し得るので、周辺調節回路が必要なくなる。AFE 404と電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306の両方は、電池の充電および放電電流のモニタリングを可能にする抵抗器312に接続され得るSR1およびSR2端子を有し得る。CELL端子を使用して、AFE 304は、多数の貯蔵セル301の個々のセルについての電圧値を、電池モニタリング集積回路制御装置306のVIN端子に出力する。電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306は、SCLK（クロック）およびSDATA（データ）端子を介してAFE 304と連絡する。
【００３７】
電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306は、多数の貯蔵セル301の充電および放電をモニタリングするために使用され得る。電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306は、SR1端子を介して多数の貯蔵セル301の負のセルとSR2端子を介して電池モジュール115の負の端子の間に配置された抵抗器を312使用して、充電および放電活性をモニタリングする。電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306のアナログ-デジタル変換器（ADC）は、SR1およびSR2端子をモニタリングして充電流および放電流を測定するために使用され得る。電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306のADC出力は、多数の貯蔵セル301に関する最適または適切な安全性警告を開始するための制御シグナルを発するために使用され得る。
【００３８】
電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306のADC出力がSR1およびSR2端子をモニタリングしている間、電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306は（そのVIN端子を介して）、AFE 304のCELL端子を使用して多数の貯蔵セル301のそれぞれのセルをモニタリンし得る。ADCは、経時的に受信されるシグナルの集積を許容する計数回路を使用し得る。積分変換器は、多数の貯蔵セル301のそれぞれのセルと内部参照電圧を比較することにより電池の充電および放電流を測定およびモニタリングする、連続サンプリングを可能にし得る。電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置106のディスプレイ端子（DISP）は、電池301のLEDディスプレイ308（LED1、LED2、LED3、LED4およびLED5と示される）を作動させるために使用され得る。該ディスプレイは、スイッチ314を閉じることで開始され得る。
【００３９】
電池モジュール115の通信プロトコルはスマート電池バスプロトコル（smart battery bus protocol）（SMBus）であり、これは電池モジュール115の性能に関する性能および情報（例えば、種類、放電速度、温度等）をモニタリングするための電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306を使用し、該情報は直列通信バス（SMBus）を通って通信される。SMBus通信端子（SMBCおよびSMBD）は、制御装置110と電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306を連絡させる。制御装置110は、SMBCおよびSMBDピンを使用して電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306との通信を開始し、システムが効率的に貯蔵セル301をモニタリングおよび管理するようにする。
【００４０】
AFE 304および電池モニタリング集積回路マイクロ制御装置306は、貯蔵セル301の充電および放電制御に加えて、安全性保護の第1および第2の手段を提供する。第1安全性手段の現在の実務の例としては、電池セルおよび電池電圧保護、充電および放電の過電流保護、短絡回路保護、ならびに温度保護が挙げられる。現在使用されている第2安全性手段の例としては、電圧、電池セル（1つまたは複数）、電流、および温度のモニタリングが挙げられる。OVP集積回路302は、安全性保護の第3の手段を提供し得る。
【００４１】
多数の貯蔵セル301の連続サンプリングにより、電子回路が電池モジュール115の特性、例えばSOH、SOC、温度、充電等のモニタリングまたは計算が可能になる。該電子回路により制御されるパラメータの一つは、許容充電電流（ACC）である。
【００４２】
電池モジュール115中のセル301のインピーダンスが異なるために、必ずしも必要ではないが、貯蔵セル301を直列にすることが好ましい。インピーダンス不均衡は、電池モジュール115内の温度勾配およびセル間の製造のばらつきにより生じる。異なるインピーダンスを有する2つのセルは、ゆっくり充電される場合ほぼ同じ容量を有し得る。より高いインピーダンスを有するセルは、測定設定（例えば4.2V）において、他方のセルよりも早く電圧上限（Vmax）に達する。これら2つのセルが電池モジュール115中で並列にある場合、充電電流は一方のセルの性能により制限されるようになり、並列の他方のセルについての充電が不充分で中断される。電池モジュール容量と電池モジュール充電速度の両方はこのために低下する。かかる好ましい構成は、PCT/US2005/047383に記載されており、これはその全体において参照により本明細書に援用される。好ましい電池は、Phillip PartinおよびYanning Songにより2006年6月23日に出願された米国特許出願公開公報第2007/0298314 A1、Lithium Battery With External Positive Thermal Coefficient Layerに開示されており、該公報はその全体において参照により援用される。さらに本明細書において引用される以下の特許、公開出願および参考文献の教示は、その全体において本明細書に援用される。
【００４３】
2005年12月23日に出願された PCT/US2005/047383
2006年6月23日に出願された米国特許出願第11/474,056号
2006年7月12日に出願された米国特許出願第11/485,068号
2007年6月21日に出願された米国特許出願第11/821,102号
2007年6月22日に出願されたPCT/US2007/014591
2006年7月14日に出願された米国特許出願第11/486,970号
2006年7月14日に出願されたPCT/US2006/027245
2007年6月27日に出願された米国特許出願第11/823,479号
2007年6月27日に出願されたPCT/US2007/014905
2006年6月23日に出願された米国特許出願第11/474,081号
2006年6月23日に出願されたPCT/US2006/024885
2007年6月22日に出願された米国特許出願第11/821,585号
2007年6月22日に出願されたPCT/US2007/014592
2008年6月19日に出願された米国特許出願第12/214,535号
2008年6月19日出願されたPCT/US2008/007666
2008年4月24日に出願された米国特許仮出願第61/125,327号
2008年4月24日に出願された米国特許仮出願第61/125,281号
2008年4月24日に出願された米国特許仮出願第61/125,285号
2008年10月7日に出願された米国特許仮出願第61/195,441号
【００４４】
図4は、改変された電池モジュール420a〜mを使用する場合に使用され得る、電子回路400の配線略図である。図4において、電子回路400は、一次巻き線404および二次巻き線405a〜nを有する変圧器403、交流-直流（AC/DC）変換器410a〜n、制御装置415、複数の電池モジュール420a〜m、ならびに電気モーター105を備える。変圧器403は、AC電源からの電気エネルギーを変圧し、それぞれのAC/DC変換器は、二次巻き線に連結され；例えば、AC/DC変換器410aは二次巻き線405aに連結される。AC/DC変換器410a〜nは、1つ以上の電池モジュール420a〜mにも連結される。それぞれの電池モジュール420a〜mは、それぞれの電池モジュール420a〜mの充電または放電を制御するそれ自身のスイッチ（またはリレー）を含むように改変され、図1のスイッチ118a〜n、130a〜n、131a〜nが不要になる。図4に示されるように、それぞれの電池モジュール420a〜mは、複数の貯蔵セルを含み、本明細書では、直列に接続される4つの貯蔵セルとして示されている。電池モジュールの組が直列に接続され、複数組の直列電池モジュールが並列に接続されるので、電池モジュールのアレイは多次元的である。それぞれのAC/DC変換器410a〜nは、それぞれの組の1つの電池モジュール420a〜mを充電し、制御装置415は、それぞれの電池モジュール420a〜mと独立して連絡している。それぞれのアレイに含まれるモジュールの実際の数は、特定の車両の所要電力に基づいている。図4には、4つの貯蔵セルを含むそれぞれの電池モジュールが示されているが、該4つの貯蔵セルの構成は、例示目的のみで示されたものであった。それぞれの電池モジュールは、直列および/または並列の並びで配列され得る多数の貯蔵セルを含み得る。
【００４５】
セルを電池モジュール（複数のセルならびにそれらのセルの充電および放電を制御する電子機器、ならびにSOC、電圧、電流、温度などの特定のパラメータをホストプロセッサーに伝達する電子機器からなる）に集合させた場合、同様のインピーダンスおよび容量特性を有するセルを選択することが好ましい。電池モジュール中の最も弱いセル（すなわち、容量が最も低く、インピーダンスが最も高いセル）によりモジュール全体の性能が決まるので、ユーザーがモジュールから最大のエネルギー量を抽出でき、長いサイクル寿命を達成できるようにすべてのセルが同様のインピーダンスおよび容量特性を有することが好ましい。約4400mAhの容量を有するセルについて、モジュール中のいずれか1つのセルと他のいずれか1つのセルの容量の差は、30mAhを超えないようにすべきである。これは、セルの大きさに比例する。同様に、モジュール中のいずれか1つのセルと他のいずれか1つのセルのインピーダンスの差は、一定の限界値を超えないようにするべきであり、典型的には1〜10mOhmである。
【００４６】
同様に、いくつかの電池モジュールからなる電池アレイは、同様のインピーダンスおよび容量特性を有するモジュールで構成されることが好ましい。大きな電池アレイを充電または放電する場合、最も弱い電池モジュールが、アレイ全体の容量および性能を制限する。この場合、同様のインピーダンスおよび容量特性を有するモジュールを選択することは、ユーザーが電池アレイから抽出できない「無駄な」エネルギーの量を最小限にするので好ましい。アレイ中のいずれか1つのモジュールと他のいずれか1つのモジュールとのインピーダンスおよび容量の差は、モジュールの大きさに依存する。セルが4400mAhの個々の容量ならびに約13200mAhおよび1760OmAhの全体容量を有するセルの3セルモジュールおよび4セルモジュールについて、好ましくはモジュール間の容量の差は90〜120mAh未満、かつインピーダンスは10mOhm以内にすべきである。できる限り近い容量とインピーダンス適合を有することが望ましい。
【００４７】
多くの適用について、単一の直列モジュールからなる電池アレイが好ましい。かかるアレイは、高い端子電圧を有することが多くあり、その結果、モジュールを並列に並べて構築された同等のエネルギー密度を有するアレイよりも低い動作電流を有する。単一の直列モジュールアレイの利点としては、必要な定格電流が低くなるために、構成要素コストが低くなり得ることが挙げられる。また、電流レベルが低くなると、スイッチおよび制御回路における熱浪費が低くなり、その結果電池アレイの熱管理の必要性が低減される。
【００４８】
電池アレイのメイン制御装置（またはホスト制御装置）は、アレイ中のそれぞれの電池モジュールの状態を定期的にポーリングする（poll）。具体的に、制御装置は、開路電圧、インピーダンス、サイクル数、およびモジュールの温度などの電池モジュールのいくつかのパラメータを調べることにより、ならびに電池モジュール中の電子機器により決定されるSOHおよび利用可能容量（または完全充電容量）などのいくつかのパラメータをモジュールの設計容量の割合として読み取ることにより、それぞれのモジュールのSOHを決定する。
【００４９】
いずれか1つの電池モジュールのSOHが特定の閾値（例えば70%）未満に低下した場合、ホスト制御装置は、閾値を割った電池モジュールのアドレスをメモリ内に保存し、次に弱い電池モジュールのSOHを保存し、電池アレイは点検する必要があるとユーザーに警告する。この警告は、モジュール外部のLEDの点滅、車のダッシュボードの警報ライトの点滅、またはユーザーにアレイを点検する必要があることを知らせる無線信号の発信の形態であり得る。SOH値に応じて、ホスト制御装置は、ユーザーにモジュールの充電および/または放電をいずれもできなくさせ得る。
【００５０】
また、アレイ中のいずれか1つの電池モジュールのSOHが他のいずれか1つの電池モジュールのSOHと比べて、特定の閾値未満に低下した場合、ホスト制御装置は、電池アレイを点検する必要があることを（上述と同様の方法で）ユーザーに警告する。例えば、最大閾値差が8%に設定され、第1モジュールが95% SOHであり、第2モジュールが88% SOHである場合、ホスト制御装置は、アレイを点検する必要があることをユーザーに示す。
【００５１】
電池アレイが点検中の場合、点検技術者は、どの電池モジュールを取り替える必要があるか、および次に弱いモジュールのSOHを決定するホスト制御装置のメモリの内容を読み取ることができる。次いで、技術者は、次に弱いモジュールのSOH以上のSOHを有する交換モジュールを選択して、アレイの寿命中にアレイから利用できるエネルギーの抽出を最大にする。
【００５２】
モジュールの永久的な故障の場合、モジュールに特定のパラメータを保存して、故障の様式を解析し得る。これらのパラメータとしては、それぞれ個々のセルの電圧、モジュール内外の電流、故障時のモジュール内のサーミスターの温度、ならびに永久的な故障の理由（セル過電圧、セル低電圧、モジュール過電圧、モジュール低電圧、充電時の過電流、放電時の過電流、温度超過、セル不均衡、通信故障など）が挙げられる。Texas Instruments bq20z90チップの場合、ホスト制御装置は、永久的な故障の原因を記録するPF Flags 1記録装置を読み取る。
【００５３】
ホスト制御装置は、電池モジュールからいくつかのパラメータを読み取り、それぞれの電池モジュールのSOHを決定する。これらのパラメータのあるものは、個々のセルの電圧、Qmax充電値、およびインピーダンス値などのセルレベルパラメータを含む。ホスト制御装置が読み取る他のパラメータは、電圧、温度、電流、相対SOC、絶対SOC、完全充電容量、サイクル数、設計容量（mAhまたはmWhの単位）、製造日、SOH（モジュール電子機器がこれについての値を計算する場合）、安全状態、永久的故障状態、設計容量、設計エネルギー、およびパックについてのQmax充電などのモジュールレベルパラメータである。ホスト制御装置はまた、モジュールの寿命を通じて、モジュール電圧、セル電圧、温度、充電および放電時の電流、ならびに充電力および放電力などの特定の最小および最大値を読み取り得る。
【００５４】
モジュール制御電子機器から入手可能な場合、ホスト制御装置は単に、それぞれのモジュールからのSOH記録を読み取り、それぞれのモジュールのSOHを推定し得る。これが入手できない場合、ホスト制御装置は、種々の方法でモジュールのSOHを推定し得る。1つの方法は、現在の完全充電容量と設計容量または設計エネルギーを比較して、モジュールの劣化の程度を得ることである。別の選択肢は、モジュール電圧対SOCを調べて、分かっている電圧のルックアップテーブル対種々のSOH状態のSOCを比較することである。別の選択肢は、それぞれのセルのインピーダンスを調べて、インピーダンス対SOHのルックアップテーブルを比較することである。別の可能性は、設計容量を有するモジュールのQmaxを比較することである。サイクル数は、SOHの定格出力を下げるためにも使用し得る（すなわち、任意のモジュールについてのサイクル数が特定の閾値に達する場合、ホスト制御装置は、自動的にモジュールのSOHの定格出力を下げ始める）。
【００５５】
図5は、図2に示される電池モジュール115a〜nの充電に、復熱式制動部を追加した態様の電子回路500の例示である。駆動部105が作動中の場合、駆動部105と外部電力貯蔵デバイス520の間のスイッチが開き、電池モジュール115a〜nは、図1には示されるがこの図には示されない接続を介して電動車両505の駆動部105に電力供給するために使用される。
【００５６】
制動中に、駆動部105が電池モジュール115a〜nから離れ、スイッチ507が閉じて駆動部105はジェネレーターとして働いて外部電力貯蔵デバイス520を充電し、制動エネルギーを変換して、電池モジュール115a〜nによる後の使用のために充電を貯蔵する。外部電力貯蔵デバイス520は高電力充電用に設計され、これは、貯蔵デバイス520が数秒で充電され得ることを意味する。外部電力貯蔵デバイス520は、例えば、鉛酸電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、または蓄電器（例えば超蓄電器（supercapacitor））であり得る。図2に記載されるように外部AC電源を使用して電池モジュール115a〜nを充電する前に、この貯蔵デバイス520は、個々の電池モジュール115a〜nを部分的に再充電するために使用され得る。外部電力貯蔵デバイス520は、貯蔵デバイス520と駆動部105の間のスイッチ507が開き外部電力貯蔵デバイス520と電池モジュール115a〜nの間のスイッチ527が閉じると、電池モジュール115a〜nを充電し得る。外部電力貯蔵デバイス520と電池モジュール115a〜nの間の接続が形成されると、外部電力貯蔵デバイス520は、DC/DC変換器525a〜nそれぞれを介して貯蔵したエネルギーを放電し、電池モジュール115a〜nを充電し得る。好ましい態様において、外部電力貯蔵デバイス520は、約10%の放電状態に維持され、制動時のエネルギーを変換できるようにし得る。さらにAC電源からの充電は、外部電力貯蔵デバイス520の放電時または放電後に起こり得る。
【００５７】
図5の充電アプローチと代替的または付加的に、貯蔵デバイス520は、エンジン駆動ジェネレーターにより充電され得る。さらに別の代替法として、復熱式またはエンジン駆動充電は、モジュールの全直列接続に行き渡り得る。
【００５８】
電池温度、電圧、負荷プロフィール、および充電速度に基づいた性能を測定および予測するために、制御装置（例えば、図1の制御装置110）は、種々のアルゴリズムでプログラムされ得る。以下は、低電圧充電およびシークエンシングについてのメイン制御装置アルゴリズムの擬似コードの説明である。各モジュールに続いて、制御装置により開回路電圧が調べられ、次いで保存された定数値を乗算することにより該モジュールの完全充電に必要な時間が計算される。充電される各モジュールおよび充電に必要な時間がリストに加えられる。充電されるモジュールのリストは、充電時間の降順に保存される。次いで、対応する時間量について、モジュールを選択的に並行して充電する。
【００５９】
2012505628.tif 000003
【００６０】
以下は、メンテナンスチェックおよびサービス要求についてのメイン制御装置アルゴリズムの擬似コードの説明である。所定のサービスチェック時間で、SOHについての各モジュールを試験する。SOHがサービスを必要とするレベルより低い場合は、該モジュールをサービスが必要なモジュールのリストに加える。全てのモジュールを試験したところで、モジュールのリストが空にならなければ、ユーザーが気付き、サービスが必要なモジュールのSOHがユーザーに報告される。
【００６１】
2012505628.tif 000004
【００６２】
以下は、電池アレイ中のインピーダンス漏電についてのメイン制御装置アルゴリズムの擬似コードの説明である。まず、インピーダンス漏電アルゴリズムにより、各モジュール中のそれぞれのセルのインピーダンスが測定され、モジュールおよびセル識別子、測定のタイムスタンプおよびインピーダンス値が記録される。次に、すべてのセルを経時的にスキャンして、インピーダンスの統計値（平均、メジアン、モード、変動、標準偏差など）が計算される。統計値が異常であると決定された場合には、サービスについて異常なモジュールとセルがユーザーに報告される。
【００６３】
2012505628.tif 000005
【００６４】
本発明は、その例示態様を参照して具体的に示され記載されるが、形態および詳細における種々の変更が、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲を逸脱することなく本明細書になされ得ることは当業者に理解されよう。例えば、例示の多くは車両に関するが、例示態様は一般的に、補足電源および/または貯蔵についての適用など、エネルギー貯蔵セルのアレイを必要とする任意の適用に使用され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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【国際調査報告】
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