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TECHNISCHER BEREICH
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Schutz einer Energiespeichervorrichtung.
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HINTERGRUND
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Eine Technik ist bekannt, die das Laden und Entladen einer Energiespeichervorrichtung erlaubt und gleichzeitig die Energiespeichervorrichtung vor Anomalien wie Überladung und übermäßiger Entladung schützt (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Eine in Patentdokument 1 beschriebene Energiespeichervorrichtung umfasst eine Vielzahl von parallel zueinander geschalteten Schaltern und eine Gleichrichtervorrichtung, die in Reihe mit einem beliebigen Schalter geschaltet ist und die zwischen einer elektrischen Anlage und einer Energiespeichervorrichtung vorgesehen sind. Wenn in der Energiespeichervorrichtung bestimmt wird, dass die Energiespeichervorrichtung nicht normal ist, wird der mit der Gleichrichtervorrichtung verbundene Schalter in einen geschlossenen Zustand (energetisierter Zustand) gebracht, indem ein geschlossenes Befehlssignal von einer Steuerung an den Schalter übertragen wird, und der andere Schalter wird in einen geöffneten Zustand (Abschaltzustand) gebracht.
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Wenn die Gleichrichtervorrichtung den Strom nur in Richtung beispielsweise des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, kann die Energiespeichervorrichtung gemäß der Energiespeichervorrichtung geladen werden, während die Energiespeichervorrichtung vor der übermäßigen Entladung geschützt werden kann. Wenn die Gleichrichtervorrichtung hingegen den Stromfluss nur in Richtung der Entladung der Energiespeichervorrichtung zulässt, kann der elektrischen Anlage elektrische Energie zugeführt werden, während die Energiespeichervorrichtung vor der Überladung geschützt werden kann.
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STAND DER TECHNIK
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PATENTSCHRIFT
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Patentdokument 1:
JP-A-2014-217169 -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
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Die vorgenannte Energiespeichervorrichtung, die in Patentdokument 1 beschrieben ist, bringt den Schalter durch die Steuerung der Software in den geschlossenen Zustand, um ein Schließbefehlssignal von der Steuerung an den Schalter zu übertragen. Wenn der Schalter jedoch durch die Steuerung der Software in den geschlossenen Zustand gebracht wird, kann die Stromaufnahme steigen.
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Offenbart wird eine Technik zum schnellen Schalten eines Ein-/Ausschalters in einen erregten Zustand bei gleichzeitiger Reduzierung der Stromaufnahme für das Schalten, wenn der Ein-/Ausschalter in den erregten Zustand geschaltet werden soll, nachdem der Ein-/Ausschalter, wie beispielsweise ein Schalter, in einen Abschaltzustand versetzt wurde, um ein Energiespeichermedium vor Anomalien wie Überladung und übermäßiger Entladung zu schützen.
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MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
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Eine Schutzvorrichtung für eine Energiespeichervorrichtung umfasst: einen Ein-/Ausschalter, der in einem Strompfad vorgesehen ist, der die Energiespeichervorrichtung und die elektrische Anlage verbindet; eine Steuerung, die den Ein-/Ausschalter in einen Abschaltzustand schaltet, wenn eine Anomalie in der Energiespeichervorrichtung erwartet wird; und eine Umgehungsroute, die parallel zum Ein-/Ausschalter geschaltet ist und wenigstens eine von einer Gleichrichtervorrichtung aufweist, die den Stromfluss nur in einer Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung ermöglicht, und eine Gleichrichtervorrichtung, die den Stromfluss nur in einer Richtung des Entladens der Energiespeichervorrichtung ermöglicht. Eine Erregerspule ist in Reihe mit der Gleichrichtervorrichtung in der Umgehungsroute geschaltet, wobei die Erregerspule den Ein-/Ausschalter in einen erregten Zustand mit magnetischem Fluss durch Stromfluss mit einem vorgegebenen Stromwert schaltet.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Um ein Energiespeichermedium vor Anomalien wie Überladung und übermäßiger Entladung zu schützen, ist es nach dem Schalten eines Ein-/Ausschalters in einen Abschaltzustand, wenn der Ein-/Ausschalter in einen erregten Zustand versetzt werden soll, möglich, den Ein-/Ausschalter schnell in den erregten Zustand zu versetzen und gleichzeitig die Stromaufnahme für das Schalten zu reduzieren.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Automobil und eine Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht der Batterie.
- 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Batterie.
- 4 ist ein Schaltplan der Batterie (wenn keine Anomalie zu erwarten ist).
- 5 ist ein Schaltplan der Batterie (wenn mit Überladung zu rechnen ist: der Ein-/Ausschalter ist ausgeschaltet).
- 6 ist ein Schaltplan der Batterie (wenn mit Überladung zu rechnen ist: der Ein-/Ausschalter ist eingeschaltet).
- 7 ist ein Schaltplan der Batterie (bei erwarteter übermäßiger Entladung: der Ein-/Ausschalter ist ausgeschaltet).
- 8 ist ein Schaltplan der Batterie (bei erwarteter übermäßiger Entladung: der Ein-/Ausschalter ist eingeschaltet).
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MODI FÜR DIE DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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(Zusammenfassung der vorliegenden Ausführungsform)
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Eine Schutzvorrichtung für eine Energiespeichervorrichtung umfasst: einen Ein-/Ausschalter, der in einem Strompfad vorgesehen ist, der die Energiespeichervorrichtung und die elektrische Anlage verbindet; eine Steuerung, die den Ein-/Ausschalter in einen Abschaltzustand schaltet, wenn eine Anomalie in der Energiespeichervorrichtung erwartet wird; und eine Umgehungsroute, die parallel zum Ein-/Ausschalter geschaltet ist und wenigstens eine von einer Gleichrichtervorrichtung aufweist, die den Stromfluss nur in einer Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung ermöglicht, und eine Gleichrichtervorrichtung, die den Stromfluss nur in einer Richtung des Entladens der Energiespeichervorrichtung ermöglicht. Eine Erregerspule kann in Reihe mit der Gleichrichtervorrichtung in der Umgehungsroute geschaltet werden, wobei die Erregerspule den Ein-/Ausschalter in einen erregten Zustand mit magnetischem Fluss durch Stromfluss mit einem vorgegebenen Stromwert schaltet.
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In einem Fall, in dem die Gleichrichtervorrichtung den Strom nur in Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, kann die Energiespeichervorrichtung vor übermäßiger Entladung geschützt werden, indem der Ein-/Ausschalter in den Abschaltzustand versetzt wird, wenn die übermäßige Entladung erwartet wird. Wenn eine Batterieladevorrichtung in diesem Zustand angeschlossen ist, wird die Ladung durch den Ladestrom ermöglicht, der über die Gleichrichtervorrichtung von der Batterieladevorrichtung zum Energiespeicher fließt.
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Andererseits kann die Energiespeichervorrichtung in einem Fall, in dem die Gleichrichtervorrichtung den Strom nur in Richtung der Entladung der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, vor Überladung geschützt werden, indem der Ein-/Ausschalter in den Abschaltzustand versetzt wird, wenn die Überladung erwartet wird. Wenn in diesem Zustand eine elektrische Last angeschlossen wird, fließt der Entladestrom von der Energiespeichervorrichtung über die Gleichrichtervorrichtung zur elektrischen Last und ermöglicht so die Entladung.
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Wenn ein großer Strom durch die Gleichrichtervorrichtung fließt, kann die Gleichrichtervorrichtung beschädigt werden. In diesem Fall ist es denkbar, Schäden durch den Einsatz eines Gleichrichters mit einem großen maximal zulässigen Strom zu vermeiden, aber im Allgemeinen ist der Gleichrichter mit einem großen maximal zulässigen Strom teuer und hat eine größere Größe. Aus diesem Grund wird, wenn der Stromwert des durch die Gleichrichtervorrichtung fließenden Stroms den vorgegebenen Stromwert erreicht, der Ein-/Ausschalter in den eingeschalteten Zustand versetzt, um eine Beschädigung der Gleichrichtervorrichtung zu vermeiden.
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In diesem Fall ist es denkbar, den durch die Gleichrichtervorrichtung fließenden Strom periodisch zu messen und den Ein-/Ausschalter bei Erreichen des vorgegebenen Stromwertes in den eingeschalteten Zustand zu versetzen. Es ist denkbar, den Ein-/Ausschalter durch die Steuerung der Software in den eingeschalteten Zustand zu versetzen. Um jedoch den Ein-/Ausschalter schnell in den eingeschalteten Zustand zu versetzen, wenn der Stromwert den vorgegebenen Stromwert erreicht, muss der Strom in einem kurzen Zyklus gemessen werden, und die Stromaufnahme steigt.
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Wenn der Strom mit dem vorgegebenen Stromwert durch die Gleichrichtervorrichtung fließt, wird der Ein-/Ausschalter durch eine Erregerspule in den erregten Zustand geschaltet, wodurch es möglich ist, den Ein-/Ausschalter schnell in den erregten Zustand zu schalten, wenn der Stromwert den vorgegebenen Stromwert erreicht (d.h. wenn der Ein-/Ausschalter in den erregten Zustand geschaltet werden soll). Da es nicht notwendig ist, den Strom für das Einschalten des Ausschalters zu messen, um in den eingeschalteten Zustand zu gelangen, kann die Stromaufnahme im Vergleich zu einem Fall, in dem der Strom in einem kurzen Zyklus gemessen wird, reduziert werden.
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Da der Ein-/Ausschalter nicht durch die Steuerung der Software, sondern durch die Hardware in den eingeschalteten Zustand versetzt wird, um ein Energiespeichermedium vor Anomalien wie Überladung und übermäßiger Entladung zu schützen, ist es nach dem Einschalten eines Ein-/Ausschalters in einen Abschaltzustand, wenn der Ein-/Ausschalter in einen eingeschalteten Zustand versetzt werden soll, möglich, den Ein-/Ausschalter schnell in den eingeschalteten Zustand zu schalten und gleichzeitig die Stromaufnahme für das Schalten zu reduzieren.
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Eine erste Parallelschaltung, in der ein erster Schalter und die Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, parallel geschaltet sind, und eine zweite Parallelschaltung, in der ein zweiter Schalter und die Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung des Entladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, parallel geschaltet sind, sind in Reihe in der Umgehungsroute vorgesehen. Wenn eine Überladung der Energiespeichervorrichtung zu erwarten ist, kann die Steuerung den ersten Schalter in den eingeschalteten Zustand und den zweiten Schalter in den Abschaltzustand versetzen.
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Es ist möglich, die elektrische Last mit Strom zu versorgen und gleichzeitig den Energiespeicher vor Überladung zu schützen.
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Eine erste Parallelschaltung, in der ein erster Schalter und die Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, parallel geschaltet sind, und eine zweite Parallelschaltung, in der ein zweiter Schalter und die Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung des Entladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt, parallel geschaltet sind, sind in Reihe in der Umgehungsroute vorgesehen. Wenn eine übermäßige Entladung der Energiespeichervorrichtung zu erwarten ist, kann die Steuerung den ersten Schalter in den Abschaltzustand und den zweiten Schalter in den eingeschalteten Zustand bringen.
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Es ist möglich, den Energiespeicher zu laden und gleichzeitig den Energiespeicher vor übermäßiger Entladung zu schützen.
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Der zweite Schalter ist ein normalerweise offener, nicht verriegelnder Schalter. Ein verriegelnder Hilfs-Ein/Ausschalter ist parallel zum zweiten Schalter in der Umgehungsroute vorgesehen. Die Steuerung kann den Hilfs-Ein/Ausschalter in den eingeschalteten Zustand schalten, wenn der zweite Schalter in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird.
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Wenn mit einer übermäßigen Entladung zu rechnen ist, ist der verbleibende Akkustand niedrig. Wenn also der zweite Schalter in den eingeschalteten Zustand gebracht wird, besteht bei längerem Fortbestand des Zustands die Möglichkeit, dass die elektrische Leistung der Energiespeichervorrichtung auf dem Weg dorthin unzureichend wird und der zweite Schalter in den Abschaltzustand übergeht. Wenn der zweite Schalter in den Abschaltzustand kommt, kann der Energiespeicher nicht geladen werden. Da es sich bei dem Hilfs-Ein/Ausschalter dagegen um eine Verriegelung handelt, ist die elektrische Energie zum Aufrechterhalten des eingeschalteten Zustandes unnötig, und der eingeschaltete Zustand bleibt erhalten, auch wenn die elektrische Energie der Energiespeichervorrichtung unzureichend wird. Aus diesem Grund kann der Energiespeicher auch dann, wenn der zweite Schalter in den Abschaltzustand kommt, über den zusätzlichen Ein-/Ausschalter geladen werden.
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Die vorliegende Ausführungsform kann in verschiedenen Modi realisiert werden, wie beispielsweise einer Schutzvorrichtung für eine Energiespeichervorrichtung, einem Verfahren zum Schutz einer Energiespeichervorrichtung, einem Computerprogramm zur Realisierung der Funktion der Vorrichtung oder des Verfahrens und einem Aufzeichnungsmedium, auf dem das Computerprogramm aufgezeichnet ist.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine erste Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 bis 8 beschrieben. In der folgenden Beschreibung, die sich auf die 2 und 3 bezieht, wird eine vertikale Richtung eines Batteriegehäuses 21 zum Zeitpunkt, an dem das Batteriegehäuse 21 horizontal platziert wird, ohne in Bezug auf die Montagefläche geneigt zu sein, als Y-Richtung, eine Richtung entlang der Längsseite des Batteriegehäuses 21 als X-Richtung und die Tiefenrichtung des Batteriegehäuses 21 als Z-Richtung genommen.
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Aufbau der Batterie
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Wie in 1 dargestellt, ist eine Batterie 20 an einem Automobil 1 wie einem Elektroauto oder einem Hybridauto montiert und versorgt eine elektrische Last 3 (vgl. 4), wie beispielsweise eine Stromquelle, die mit elektrischer Energie arbeitet.
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Wie in 2 dargestellt, weist die Batterie 20 ein blockförmiges Batteriegehäuse 21 auf. Wie in 3 dargestellt, nimmt das Batteriegehäuse 21 eine zusammengesetzte Batterie 30 mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 31, einer Steuerplatine 28 und dergleichen auf. Die zusammengesetzte Batterie 30 ist ein Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung. Das Batteriegehäuse 21 umfasst einen kastenförmigen Gehäusekörper 23, der sich nach oben öffnet, ein Positionierungselement 24, das die Vielzahl von Batteriezellen 31 positioniert, einen inneren Deckel 25, der an einem oberen Abschnitt des Gehäusekörpers 23 befestigt ist, und einen oberen Deckel 26, der an dem oberen Abschnitt des inneren Deckels 25 befestigt ist.
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Im Gehäusekörper 23 sind eine Vielzahl von Zellkammern 23A, die die Batteriezellen 31 einzeln aufnehmen, in X-Richtung nebeneinander angeordnet. Im Positionierungselement 24 sind eine Vielzahl von Stromschienen 27 auf der Oberseite angeordnet, und durch Platzieren des Positionierungselements 24 auf den oberen Abschnitten der Vielzahl von im Gehäusekörper 23 angeordneten Batteriezellen 31 wird die Vielzahl von Batteriezellen 31 positioniert und durch eine Vielzahl von Stromschienen 27 in Reihe geschaltet.
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Der innere Deckel 25 hat in der Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Form und weist einen Höhenunterschied in Y-Richtung auf. An beiden Enden sind in X-Richtung des inneren Deckels 25 ein positiver Anschluss 22P und ein negativer Anschluss 22N vorgesehen, die mit Kabelschuhen (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Steuerplatine 28 ist im inneren Deckel 25 untergebracht, und durch die Befestigung des inneren Deckels 25 am Gehäusekörper 23 werden die zusammengesetzte Batterie 30 und die Steuerplatine 28 verbunden.
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Elektrische Konfiguration der Batterie
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Der elektrische Aufbau der Batterie 20 wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Die Batterie 20 umfasst die zusammengesetzte Batterie 30 und ein Batteriemanagementsystem (BMS) 40. Das BMS 40 ist ein Beispiel für eine Schutzvorrichtung für eine Energiespeichervorrichtung.
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Wie vorstehend beschrieben, umfasst die zusammengesetzte Batterie 30 die Vielzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 31. Jede Batteriezelle 31 ist eine wiederaufladbare Sekundärbatterie, insbesondere zum Beispiel eine Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterie mit einem Eisenphosphatmaterial für die positive Elektrode und Graphit für die negative Elektrode. Die zusammengesetzte Batterie 30 ist in einem Strompfad 41 vorgesehen, der den positiven Elektrodenanschluss 22P und den negativen Elektrodenanschluss 22N verbindet, und ist selektiv mit einem Batterieladegerät 3 innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs 1 und mit der elektrischen Last 3 innerhalb des Fahrzeugs 1 über den positiven Anschluss 22P und den negativen Anschluss 22N verbunden. Das Batterieladegerät 3 und die elektrische Last 3 sind Beispiele für elektrische Geräte.
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Das BMS 40 umfasst eine Steuerung 42, einen Stromsensor 43, einen Spannungssensor 44, einen Analog-Digital-Wandler 45 (nachfolgend ADC 45 genannt), ein Relais L1 und eine Umgehungsroute 46.
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Die Steuerung 42 arbeitet mit elektrischer Energie, die von der zusammengesetzten Batterie 30 geliefert wird. Die Steuerung 42 umfasst eine Zentraleinheit 42A (im Folgenden als CPU 42A bezeichnet), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 42B, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 42C und dergleichen. Im ROM 42B sind verschiedene Steuerprogramme gespeichert. Die CPU 42A führt ein im ROM 42B gespeichertes Steuerprogramm aus, um eine Verarbeitung zum Schätzen eines Änderungszustands („state of change“, SOC) der zusammengesetzten Batterie 30 und eine Verarbeitung zum Schutz der zusammengesetzten Batterie 30 vor Anomalien wie Überladung und übermäßiger Entladung durchzuführen. Der SOC wird auch als Ladezustand oder Laderate bezeichnet und stellt als Verhältnis eine Strommenge dar, die in Bezug auf eine elektrische Kapazität geladen wird.
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Der Stromsensor 43 ist im Strompfad 41 in Reihe mit der zusammengesetzten Batterie 30 vorgesehen. Der Stromsensor 43 misst einen Stromwert I [A] von jedem Ladestrom, der vom Batterieladegerät 3 zur zusammengesetzten Batterie 30 während des Ladevorgangs fließt, und einen Entladestrom, der von der zusammengesetzten Batterie 30 zur elektrischen Last 3 während der Entladung fließt. Ein analoges Messsignal SG1 entsprechend dem gemessenen Stromwert I wird an den ADC 45 ausgegeben. In der folgenden Beschreibung werden der Ladestrom und der Entladestrom als Lade-Entladestrom bezeichnet, wenn sie sich nicht voneinander unterscheiden.
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Der Spannungssensor 44 ist an beiden Enden jeder Batteriezelle 31 der zusammengesetzten Batterie 30 angeschlossen. Der Spannungssensor 44 erfasst einen Spannungswert V [V], der eine Anschlussspannung der Batteriezelle 31 ist, und gibt ein analoges Messsignal SG2 entsprechend dem erfassten Spannungswert V an den ADC 45 aus. Der ADC 45 wandelt die vom Stromsensor 43 und Spannungssensor 44 ausgegebenen Messsignale SG1, SG2, von Analogsignalen in Digitalsignale um und gibt digitale Daten mit dem Stromwert I und dem Spannungswert V an die Steuerung 42 aus.
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Das Relais L1 ist im Strompfad 41 in Reihe mit der zusammengesetzten Batterie 30 geschaltet. Das Relais L1 umfasst einen verriegelnden Ein-/Ausschalter 47 und eine erste Erregerspule 48, die den Ein-/Ausschalter 47 in einen Aus-Zustand (Ausschaltzustand, Offen-Zustand) mit Magnetfluss schaltet. Das Relais L1 ist nicht auf dasjenige beschränkt, das den Ein-/Ausschalter 47 mit dem magnetischen Fluss in den Aus-Zustand schaltet.
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Die Umgehungsroute 46 ist im Strompfad 41 parallel zum Relais L1 vorgesehen. Die Umgehungsroute 46 umfasst einen Lade-Feldeffekttransistor (FET) 49, einen Entlade-FET 50, eine zweite Erregerspule 51 und ein Hilfsrelais L2. Der Lade-FET 49 ist ein Beispiel für eine erste Parallelschaltung. Der Entlade-FET 50 ist ein Beispiel für eine zweite Parallelschaltung. Die zweite Erregerspule 51 ist ein Beispiel für eine Erregerspule. Das Hilfsrelais L2 ist ein Beispiel für einen zusätzlichen Ein-/Ausschalter.
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Der Lade-FET 49 und der Entlade-FET 50 sind in der Umgehungsroute 46 in Reihe geschaltet. Der Lade-FET 49 umfasst einen Halbleiterschalter 49A und eine parasitäre Diode 49B, die parallel zum Halbleiterschalter 49A vorgesehen ist und den Strom nur in Richtung des Ladens der zusammengesetzten Batterie 30 fließen lässt. Der Halbleiterschalter 49A ist ein normalerweise offener, nicht verriegelnder Schalter und befindet sich nur während der Stromversorgung im eingeschalteten Zustand (energetisierter Zustand, geschlossener Zustand). Die parasitäre Diode 49B ist ein Beispiel für eine Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließen lässt. Der Halbleiterschalter 49A ist ein Beispiel für einen ersten Schalter.
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Der Entlade-FET 50 umfasst einen Halbleiterschalter 50A und eine parasitäre Diode 50B, die parallel zum Halbleiterschalter 50A vorgesehen ist und den Strom nur in Entladerichtung fließen lässt. Der Halbleiterschalter 50A ist ebenfalls ein normalerweise offener, nicht verriegelnder Schalter und befindet sich nur während der Stromversorgung im Betriebszustand. Die parasitäre Diode 50B ist ein Beispiel für eine Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung der Entladung der Energiespeichervorrichtung fließen lässt. Der Halbleiterschalter 50A ist ein Beispiel für einen zweiten Schalter.
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Die zweite Erregerspule 51 ist in der Umgehungsroute 46 in Reihe mit dem Lade-FET 49 und dem Entlade-FET 50 vorgesehen. Die zweite Erregerspule 51 ist in der Nähe des Ausschalters 47 angeordnet, und wenn Strom mit einem vorgegebenen Stromwert fließt, wird der Ausschalter 47 mit magnetischem Fluss in den Ein-Zustand geschaltet. Der vorgegebene Stromwert ist ein Stromwert, der die parasitäre Diode 49B oder 50B nicht beschädigt.
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Der zweiten Erregerspule 51 kann über einen Pfad (nicht dargestellt) Strom zugeführt werden, und der Ein-/Ausschalter 47 kann durch Stromzufuhr zur zweiten Erregerspule 51 in den Ein-Zustand geschaltet werden.
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Das Hilfsrelais L2 ist ein Rastrelais und ist in der Umgehungsroute 46 parallel zum Entlade-FET 50 vorgesehen.
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Schätzung des SOC
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Wie vorstehend beschrieben, schätzt die Steuerung 42 den SOC der zusammengesetzten Batterie 30. Als Beispiel für die Schätzung des SOC wird ein Strom-Integrationsverfahren beschrieben. Das Strom-Integrationsverfahren ist ein Verfahren, bei dem der Lade-Entladestrom der Batterie ständig gemessen wird, um eine Menge an elektrischer Leistung zu messen, die in die und aus der Batterie gelangt, und die Menge an elektrischer Leistung von einer Anfangskapazität aus erhöht oder verringert wird, um den SOC zu schätzen. Das Strom-Integrationsverfahren hat den Vorteil, dass es den SOC auch bei Verwendung der Batterie schätzen kann. Andererseits, da der Strom ständig gemessen wird und eine Lade-Entlade-Wattstunde integriert ist, kann sich ein Messfehler des Stromsensors 43 ansammeln und der erhaltene Wert kann immer ungenauer werden.
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Ein Zurücksetzen des SOC, geschätzt durch das Strom-Integrationsverfahren, basierend auf der Leerlaufspannung (OCV) der Batterie (auch OCV-Reset genannt), wurde ebenfalls durchgeführt. Dies ist eine Technik, bei der unter Verwendung der Tatsache, dass es eine relativ genaue Korrelation zwischen dem OCV und dem SOC gibt, wenn kein Strom durch die Batterie fließt, eine Batteriespannung (OCV) zu dem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem kein Strom durch die Batterie fließt, und in Bezug auf eine Korrelation zwischen einem OCV und einem im Voraus gespeicherten SOC der SOC erhalten wird, der dem gemessenen OCV entspricht, und der durch das Strom-Integrationsverfahren geschätzte SOC korrigiert wird. Wenn der OCV-Reset durchgeführt wird, wird die Akkumulation des Fehlers in dem Strom-Integrationsverfahren abgebrochen, so dass die SOC-Schätzgenauigkeit verbessert werden kann.
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Schutz der zusammengesetzten Batterie
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Die Steuerung 42 bestimmt den Zustand der zusammengesetzten Batterie 30 aus dem geschätzten SOC, und wenn eine Anomalie wie Überladung oder übermäßige Entladung zu erwarten ist, schützt die Steuerung 42 die zusammengesetzte Batterie 30 vor der Anomalie.
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Erwartung von Anomalieen bei der zusammengesetzten Batterie
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So wird beispielsweise angenommen, dass die Überladung stattgefunden hat, wenn der SOC 90% oder mehr beträgt, und die übermäßige Entladung, wenn der SOC 10% oder weniger beträgt. In diesem Fall bestimmt die Steuerung 42, dass die Überladung nahe ist, wenn der SOC auf 85% ansteigt. Das heißt, die Überladung wird von der Steuerung 42 erwartet. Weiterhin bestimmt die Steuerung 42, dass die übermäßige Entladung nahe ist, wenn der SOC auf 15% sinkt. Das heißt, die übermäßige Entladung wird von der Steuerung 42 erwartet.
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Jeder oben beschriebene Wert ist ein Beispiel, und ein Wert, der als Referenz für die Überladung oder die übermäßige Entladung dient, oder ein Wert, der als Referenz für die Bestimmung verwendet wird, dass die Überladung oder die übermäßige Entladung nahe beieinander liegt, ist nicht auf den oben beschriebenen Wert beschränkt.
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Betrieb, wenn keine Anomalie zu erwarten ist.
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Wie in 4 dargestellt, schaltet die Steuerung 42 den Ein-/Ausschalter 47 ein, um den Halbleiterschalter 49A, den Halbleiterschalter 50A und das Hilfsrelais L2 in den Aus-Zustand zu versetzen, wenn keine Anomalie wie Überladung oder übermäßige Entladung zu erwarten ist, d.h. wenn die zusammengesetzte Batterie 30 normal ist.
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Betrieb bei zu erwartender Überladung
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Wie in 5 dargestellt, führt die Steuerung 42, wenn mit einer Überladung der zusammengesetzten Batterie 30 zu rechnen ist, den folgenden Vorgang durch, um die zusammengesetzte Batterie 30 vor der Überladung zu schützen.
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(a1) Erregen der ersten Erregerspule 48, um den Ein-/Ausschalter 47 in den Aus-Zustand zu versetzen.
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(a2) Schalten des Halbleiterschalters 49A des Lade-FET 49 wird in den Ein-Zustand.
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Durch Ausführen des vorstehend beschriebenen Vorgangs (a1) wird verhindert, dass der Ladestrom über den Strompfad 41 vom Batterieladegerät 3 zur zusammengesetzten Batterie 30 fließt. Da der Halbleiterschalter 50A des Entlade-FETs 50 ausgeschaltet bleibt, wird auch verhindert, dass der Ladestrom über die Umgehungsroute 46 vom Batterieladegerät 3 zur zusammengesetzten Batterie 30 fließt. Dadurch ist die zusammengesetzte Batterie 30 vor Überladung geschützt.
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Wenn die elektrische Last 3 in einem Zustand an die Batterie 20 angeschlossen ist, in dem die zusammengesetzte Batterie 30 durch Ausführen des vorstehend beschriebenen Vorgangs (a2) vor Überladung geschützt ist, fließt der Entladestrom von der zusammengesetzten Batterie 30 zur elektrischen Last 3 über den Halbleiterschalter 49A des Lade-FETs 49 und die parasitäre Diode 50B des Entlade-FETs 50. Aus diesem Grund wird auch in einem Zustand, in dem die zusammengesetzte Batterie 30 vor Überladung geschützt ist, ein Stromausfall (Unterbrechung der Stromversorgung) verhindert, in dem der elektrischen Last 3 keine elektrische Energie zugeführt wird.
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Wie in 6 dargestellt, wird während des Entladestroms I1 von der zusammengesetzten Batterie 30 zur elektrischen Last 3 über den Halbleiterschalter 49A und die parasitäre Diode 50B, wenn der Entladestrom I1 allmählich ansteigt und den vorstehend beschriebenen vorgegebenen Stromwert erreicht, der Ausschalter 47 von der zweiten Erregerspule 51 in den Ein-Zustand geschaltet. Dadurch wird verhindert, dass die parasitäre Diode 50B durch einen großen Strom beschädigt wird, der durch die parasitäre Diode 50B fließt.
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Betrieb bei zu erwartender übermäßiger Entladung
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Wie in 7 dargestellt, führt die Steuerung 42, wenn mit einer übermäßigen Entladung der zusammengesetzten Batterie 30 zu rechnen ist, den folgenden Vorgang durch, um die zusammengesetzte Batterie 30 vor der übermäßigen Entladung zu schützen.
- (b1) Einschalten der ersten Erregerspule 48, um den Ein-/Ausschalter 47 in den Aus-Zustand zu versetzen.
- (b2) Schalten des Halbleiterschalters 50A des Entlade-FETs 50 in den Ein-Zustand.
- (b3) Schalten des Hilfsrelais L2 in den Ein-Zustand.
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Durch Ausführen des vorstehend beschriebenen Vorgangs (b1) wird verhindert, dass der Entladestrom von der zusammengesetzten Batterie 30 über den Strompfad 41 zur elektrischen Last 3 fließt. Da der Halbleiterschalter 49A des Lade-FET 49 ausgeschaltet bleibt, wird auch verhindert, dass der Entladestrom von der zusammengesetzten Batterie 30 über die Umgehungsroute 46 zur elektrischen Last 3 fließt. Dadurch wird die zusammengesetzte Batterie 30 vor der übermäßigen Entladung geschützt.
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Wenn das Batterieladegerät 3 in einem Zustand, in dem die zusammengesetzte Batterie 30 durch den vorstehend beschriebenen Vorgang (b2) vor übermäßiger Entladung geschützt ist, mit der Batterie 20 verbunden ist, fließt der Ladestrom vom Batterieladegerät 3 zur zusammengesetzten Batterie 30 über den Halbleiterschalter 50A des Entlade-FETs 50 und die parasitäre Diode 49B des Lade-FETS 49. Aus diesem Grund kann die zusammengesetzte Batterie 30 auch in einem Zustand geladen werden, in dem die zusammengesetzte Batterie 30 vor übermäßiger Entladung geschützt ist.
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Wie in 8 dargestellt, wird während des Ladestromdurchflusses I2 vom Batterieladegerät 3 zur zusammengesetzten Batterie 30 über den Halbleiterschalter 50A und die parasitäre Diode 49B, wenn der Ladestrom I2 allmählich ansteigt und den vorstehend beschriebenen vorgegebenen Stromwert erreicht, der Ausschalter 47 von der zweiten Erregerspule 51 in den Ein-Zustand geschaltet. Dadurch wird verhindert, dass die parasitäre Diode 49B des Lade-FET 49 durch hohen Strom, der durch die parasitäre Diode 49B fließt, beschädigt wird.
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Da die Steuerung 42 auch den Betrieb (b3) ausführt, wird das Hilfsrelais L2 wie in 7 dargestellt in den EIN-Zustand geschaltet. Wenn mit einer übermäßigen Entladung zu rechnen ist, ist der verbleibende Akkustand niedrig. Wenn also der Halbleiterschalter 50A des Entlade-FETs 50 durch den Betrieb (b2) in den Ein-Zustand geschaltet wird, kann die elektrische Leistung der zusammengesetzten Batterie 30 im Laufe der Zeit unzureichend werden, und der Halbleiterschalter 50A kann ausgeschaltet werden. Wenn der Halbleiterschalter 50A ausgeschaltet ist, kann die zusammengesetzte Batterie 30 nicht geladen werden.
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Da es sich bei dem Hilfsrelais L2 dagegen um ein Verriegelungsrelais handelt, ist die elektrische Energie zur Aufrechterhaltung des Betriebszustandes unnötig, und der Betriebszustand bleibt erhalten, auch wenn die elektrische Energie der zusammengesetzten Batterie 30 unzureichend wird. Aus diesem Grund kann auch bei ausgeschaltetem Halbleiterschalter 50A die zusammengesetzte Batterie 30 über das Hilfsrelais L2 geladen werden.
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Wirkung der Ausführungsform
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Gemäß dem BMS 40 in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird der Ein-/Ausschalter 47 von der zweiten Erregerspule 51 in den Ein-Zustand geschaltet, wenn der Stromwert des durch die Umgehungsroute 46 fließenden Stroms einen vorgegebenen Stromwert erreicht. Dadurch kann bei Erreichen des vorgegebenen Stromwertes (d.h. wenn der Ein-/Ausschalter 47 in den Ein-Zustand geschaltet werden soll) der Ein-/Ausschalter 47 schnell in den Ein-Zustand geschaltet werden. In dem BMS 40 ist es nicht notwendig, den Strom zum Schalten des Ausschalters 47 in den eingeschalteten Zustand zu messen, so dass die Stromaufnahme im Vergleich zu einem Fall, in dem der Strom in einem kurzen Zyklus gemessen wird, reduziert werden kann. Da der Ein-/Ausschalter 47 nicht durch die Steuerung der Software, sondern durch Hardware in den Ein-Zustand geschaltet wird, ist es laut BMS 40 möglich, den Ein-/Ausschalter 47 schnell und unter Reduzierung der Stromaufnahme in den Ein-Zustand zu schalten.
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Wenn der Ein-/Ausschalter 47 durch die Steuerung der Software eingeschaltet wird, besteht die Befürchtung, dass der Betrieb durch einen Fehler in der Software instabil wird. Da das BMS 40 hardwaremäßig in den Ein-Zustand geschaltet wird, kann der Ein-/Ausschalter 47 stabil in den Ein-Zustand geschaltet werden.
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Gemäß dem BMS 40 ist es möglich, die elektrische Last 3 mit Strom zu versorgen und gleichzeitig die zusammengesetzte Batterie 30 vor Überladung zu schützen.
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Gemäß dem BMS 40 ist es möglich, die zusammengesetzte Batterie 30 zu laden und gleichzeitig die zusammengesetzte Batterie 30 vor übermäßiger Entladung zu schützen.
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Da das Hilfsrelais L2 in den Ein-Zustand geschaltet wird, wenn der Halbleiterschalter 50A des Entlade-FETs 50 in den Ein-Zustand geschaltet wird, kann die zusammengesetzte Batterie 30 über das Hilfsrelais L2 geladen werden, auch wenn die elektrische Leistung der zusammengesetzten Batterie 30 unzureichend wird und der Halbleiterschalter 50A ausgeschaltet wird.
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ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die in der vorliegenden Spezifikation offenbarte Technologie beschränkt sich nicht nur auf die mit Bezug auf die obige Beschreibung und die Zeichnungen beschriebene Ausführungsform, sondern umfasst beispielsweise die folgenden verschiedenen Aspekte.
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(1) In der obigen Ausführungsform wurde die zusammengesetzte Batterie 30 als Beispiel für die Energiespeichervorrichtung beschrieben. Die Energiespeichervorrichtung kann jedoch aus einer Batteriezelle 31 oder aus einer Vielzahl von Batteriezellen 31 konfiguriert sein, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
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(2) In der obigen Ausführungsform wurde die Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterie als Beispiel für die Energiespeichervorrichtung beschrieben. Die Energiespeichervorrichtung ist jedoch nicht auf die Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterie beschränkt, sondern kann eine andere Sekundärbatterie wie eine Mangan-Lithium-Ionen-Batterie, ein Titan-Lithium-Ion mit Titan in einer negativen Elektrode oder eine Bleibatterie sein. Darüber hinaus ist die Energiespeichervorrichtung nicht auf eine Sekundärbatterie beschränkt, sondern kann ein Kondensator sein.
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(3) In der obigen Ausführungsform wurde der Fall, dass der Lade-FET 49 (erste Parallelschaltung) und der Entlade-FET 50 (zweite Parallelschaltung) in der Umgehungsroute 46 vorgesehen sind, als Beispiel beschrieben. Es kann jedoch nur eine der Gleichrichtervorrichtungen, durch die Strom nur in Richtung des Ladens der Energiespeichervorrichtung fließt, und die Gleichrichtervorrichtung, durch die der Strom nur in Richtung des Entladens der Energiespeichervorrichtung fließt, vorgesehen werden.
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(4) In der obigen Ausführungsform wurde der Lade-FET 49 als Beispiel für die erste Parallelschaltung beschrieben. Die erste Parallelschaltung darf jedoch kein FET sein, solange die Gleichrichtervorrichtung und der erste Schalter parallel geschaltet sind. In diesem Fall ist der erste Schalter nicht unbedingt ein Halbleiterschalter, sondern kann beispielsweise ein mechanisches Relais sein. Das Gleiche gilt für die zweite Parallelschaltung.
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(5) In der obigen Ausführungsform wurde der Fall, dass das Hilfsrelais L2 in der Umgehungsroute 46 vorgesehen ist, als Beispiel beschrieben. Das Hilfsrelais L2 ist jedoch möglicherweise nicht vorgesehen.
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(6) In der obigen Ausführungsform wurde die Steuerung 42 mit einer CPU 42A als Beispiel für die Steuerung 42 beschrieben. Die Konfiguration der Steuerung 42 ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise die Steuerung 42 eine Konfiguration mit einer Vielzahl von CPUs, eine Konfiguration mit einer Hardware-Schaltung wie einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder eine Konfiguration mit einer Hardware-Schaltung und CPUs aufweisen.
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(7) Die vorstehende Ausführungsform kann für eine zweite Batterie (Backup-Batterie) eines Fahrzeugs verwendet werden. Die zweite Batterie (Backup-Batterie) ist eine Batterie zur Unterstützung der Hauptbatterie und wird verwendet, um zu verhindern, dass die Stromversorgung des Fahrzeugs unterbrochen wird, wenn die Hauptbatterie aus irgendeinem Grund ausgeschaltet wird (Strom geht verloren). Die zweite Batterie wird bei voller Ladung gehalten (SOC ist ein vorgegebener Wert oder mehr). Wenn die vorliegende Erfindung für die zweite Batterie verwendet wird, kann der Ein-/Ausschalter ohne Überwachung ausgeschaltet werden, um eine Überladung der zweiten Batterie zu verhindern. Beim Ausschalten der Hauptbatterie (Stromausfall) wird der Ein-/Ausschalter automatisch eingeschaltet, so dass eine Unterbrechung der Stromversorgung des Fahrzeugs verhindert werden kann.
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(8) Die vorstehende Ausführungsform kann auch für eine Hilfsbatterie des Fahrzeugs verwendet werden. Die Hilfsbatterie wird als 12V-Stromquelle zum Antreiben einer Leuchte oder einer ECU eines Hybridfahrzeugs (HEV) verwendet. Bei Ausfall der Stromquelle (Lichtmaschine) des Fahrzeugs wird der Ein-/Ausschalter automatisch eingeschaltet, so dass eine Unterbrechung der Stromversorgung des Fahrzeugs verhindert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 3: Elektrische Last
- 30: Zusammengesetzte Batterie
- 40: Batteriemanagementsystem (ein Beispiel für eine Schutzvorrichtung für eine Energiespeichervorrichtung)
- 41: Strompfad
- 42: Steuerung
- 46: Umgehungsroute
- 47: Ein-/Ausschalter
- 49: Lade-FET (ein Beispiel für eine erste Parallelschaltung)
- 49A: Halbleiterschalter (ein Beispiel für einen ersten Schalter)
- 49B: Parasitäre Diode (ein Beispiel für eine Gleichrichtervorrichtung, die den Strom nur in Richtung der Ladung der Energiespeichervorrichtung fließen lässt)
- 50: Entlade-FET (ein Beispiel für eine zweite Parallelschaltung)
- 50A: Halbleiterschalter (ein Beispiel für einen zweiten Schalter)
- 50B: Parasitäre Diode (ein Beispiel für eine Gleichrichtervorrichtung, die den Stromfluss nur in Richtung der Entladung der Energiespeichervorrichtung ermöglicht)
- 51: Zweite Erregerspule (ein Beispiel für eine Erregerspule)
- L2: Hilfsrelais (ein Beispiel für einen Hilfs-Ein/Ausschalter)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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