JP2010184705A - フルハイブリッド車を後付けしてプラグイン・ハイブリッドにするための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーティリティグリッドからのエネルギ入力を使用する能力をもたないで製造されたハイブリッド自動車を後付けするためのＰＨＥＶシステム及び方法を提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車をプラグインハイブリッドに変換するための後付けシステムは、５マイルを超える電気オンリーの運転範囲を自動車に与えるのに十分な電荷を蓄積するためのバッテリと、バッテリの充電状態を示すバッテリパラメータを監視して、それを示す信号を生成するためのバッテリ管理システムと、前記バッテリ管理システムに応答して、バッテリの上昇した充電状態を前記ハイブリッド自動車のハイブリッド制御システムに報告し、拡張された運転範囲にわたり、不作動状態のガソリンエンジンを維持するようにする制御ユニットと、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車（「ＨＥＶ」）に関し、より具体的には、プラグインＨＥＶに関する。
（優先権の主張）
２００５年３月３１日に出願された米国仮特許出願番号第６０／６６７，８９１号、及び、２００５年４月５日に出願された米国仮特許出願番号第６０／６６８，４７８号の優先権がここで主張される。

ハイブリッド自動車（「ＨＥＶ」）は、多数の推進システムを用いて原動力を与える。最も一般的に使用可能なＨＥＶは、内燃エンジン（「ＩＣＥ」）に動力を与えるためにガソリンを用い、電気モータに動力を与えるために充電式バッテリを用いるガソリンと電気のハイブリッド自動車である。時には強力ハイブリッドとも呼ばれるフルハイブリッドは、エンジンだけ、バッテリだけ、又はこれら両方の組み合わせで走ることができる自動車である。
トヨタのプリウスのような大量生産のフルハイブリッドＨＥＶは、現行では、回生制動を介して、より主としてはＩＣＥを用いることにより運動エネルギを捕捉することによってバッテリを再充電して、バッテリ充電電流を生成するためのクルージング期間又はアイドリング期間中に、発電機として電気モータを稼動させる。対照的に、完全な電気自動車は、牽引されるトレーラー上に取り付けられたグリッド又は発電機のような外部源により充電されるバッテリを用いる。
ほぼすべての市販のハイブリッド車は、ＩＣＥの燃料としてガソリンを用いるが、ディーゼル、エタノール、植物性オイル（「バイオ燃料」）などを用いる幾つかのＨＥＶが製造されている。ＨＥＶは、主として、石油ベースの燃料に対する依存を減らし、汚染物質及び温室効果ガスの放出を最小にし、購買公衆に受け入れられる性能レベルを維持するように開発された。ＨＥＶは、５０ないし７０ｍｐｇのマイル距離を実現して、かなりの程度、これを達成した。

時には「強力ハイブリッド」とも呼ばれるフルハイブリッドは、エンジンだけ、バッテリだけ、又はこれら両方の組み合わせで走ることができる自動車である。当業者には知られるように、内燃モータ及び電気モータの異なる「トルク対ＲＰＭ」の特性は、共同して作動し、内燃エンジンはそれ自体の空気ポンプでなければならないため、内燃エンジンのトルクは低いＲＰＭで最小である。したがって、スタンディングスタートからの適度に高速な加速の必要性は、定速クルージングに必要とされるよりはるかに大きいエンジンをもたらす。一方、電気モータは、失速時に最大トルクを示し、したがって、このエンジンは、低いＲＰＭにおける内燃エンジンのトルク欠陥を相補するのによく適しており、より小さく、したがってより燃料効率の良いエンジンの使用を可能にする。
したがって、最高効率のために設計され、多くの場合、より高い自動車の効率全体に対して大幅に貢献するミラー又はアトキンソンサイクルのような通常のオットーサイクルの変形態様を用い、回生制動がはるかに小さい役割をもつ、より小さく融通性の少ないＩＣＥを用いることができる。コンピュータはシステム全体の作動を監視し、ＩＣＥ及び電気モータのどちらを稼動させるべきかを判断し、又は、両方を使用するべき場合（例えば、短バーストの付加的な電力又はバッテリ充電のために）には、電気モータが動力を与えるのに十分であるときにＩＣＥを停止させる。

バッテリ電気自動車は、ＨＥＶより放出性が少なく、エネルギ効率が良いが、認識される範囲制限、充電時間の必要条件、及びバッテリ費用により、妨げられている。現行では、１充電当たり１００から２００マイルの範囲が取得可能であるが、公衆は、大部分の通勤者は１日当たり５０マイルより少ない距離を運転することを示す研究にもかかわらず、より大きい範囲が必要であると認識する。５から７時間の充電時間（０から１００％）は公衆には魅力的なものではなく、充電が一夜にして実行されるときには充電時間は重要ではないことが評価されていない。バッテリ費用には課題が残るが、これは主として、ＢＥＶ使用に最適なバッテリ化学物質が大量生産されていないことの結果である。
したがって、幾らかの研究開発活動は、一般に「プラグイン・ハイブリッド電気自動車」（「ＰＨＥＶ」）と呼ばれる自動車の類に向けられた。愛好家及び例えば自動車産業の１人又はそれ以上のメンバーの現行の焦点はＰＨＥＶであり、これは電力グリッドから再充電でき、したがって、ＩＣＥを用いることなく、限定された「電気オンリー」の範囲を提供できるＨＥＶである。したがって、ＰＨＥＶは、毎日の通勤での適度な速度においてはＩＣＥとは独立したもの（例えばガソリンとは独立したもの）とすることができ、さらに、長距離の移動においてはハイブリッドの拡げられた範囲を有して、ＨＥＶよりさらに少ない放出を生成することができる。

ＰＨＥＶからの環境的な利点の程度は、もちろん、電力源に依存する。風、太陽、及び／又は再生可能な源により生成される電気は、例えば、最も汚染度の高い源である石炭により生成された電気より清潔である。しかし、中央の発電所において石炭により生成された電気は、中央の発電所のはるかに大きい効率のため、及び、固定汚染源における汚染物質制御方策の監視及びアップグレードが相対的に容易であるために、依然として、純粋なガソリン推進よりはるかに清潔である。ＰＨＥＶの範囲はバッテリ容量により制限されないため、純粋なＥＶより公然と許容可能であるべきである。グリッドにプラグされることが好ましいが必要ではないため、充電時間もまた問題ではない。付随的に、「グリッド」という用語は、屋上ソーラーのような局所的な電気源、又は風車、燃料電池などのような他の局所的な再生可能源といった電気の局所的な源を含むことが理解されるべきである。自動車の外部にある充電電流のすべての源は、本明細書で用いられる用語「グリッド」の範囲内にある。
同様に、本明細書における発明は、ＩＣＥの特定のサイクル又は特定の燃料に依存するものではない。同様に、ＩＣＥは、ディーゼル、植物由来燃料、合成燃料、水素、上記の幾つかの混合物により燃料を供給できることが知られている。オットーサイクル、ミラーサイクル、アトキンソンサイクル、又はいずれかの他の望ましいサイクルを用いることができる。すべてが本発明の範囲内である。
最後に、本発明は、ＩＣＥを用いるＨＥＶに限定されるものではないことが認識されるべきである。明らかであるように、外部の燃焼エンジン、燃料電池、又は、非グリッド燃料に依存する原動力の他の源を用いる自動車は、本発明の範囲内にある。
ＨＥＶは、ますます多くの公衆に提供されているが、現行では、ＰＨＥＶの明らかな利点にもかかわらず、使用可能なＰＨＥＶはない。

本明細書における発明は、ユーティリティグリッドからのエネルギ入力を使用する能力をもたないで製造されたハイブリッド自動車を後付けするためのＰＨＥＶシステム及び方法である。本発明は、自動車のハイブリッド電子システムを使用し、同じ電力供給機能を提供し、供給された自動車のプラットフォームの制限内で作動することに向けられ、すなわち、本発明によりグリッド接続可能特徴が加えられることはない。
既存のハイブリッド自動車は、およそ３０％と８０％との間である、容量の中間点の近くで、充電状態ＳＯＣ（「チャージ状態」）を維持するように構成される。このことは、回生制動の吸収、より良好なバッテリ熱管理、及びより長いバッテリ寿命を可能にする。５５から６５％までのＳＯＣ目標が頻繁に用いられる。通常の運転条件の下では、ハイブリッドシステムは、バッテリがＳＯＣ目標の下であるときにはこれを充電することを試み、又は、過度に充電されたバッテリを放電してＳＯＣ目標に到達することを試みる。
稀に、ＳＯＣは３０から８０％を外れる場合がある。通常のＳＯＣ目標は、バッテリ調節のために時折調整され、又は、稀な運転条件下で必要な自動車性能を提供する。（例えば、加速のために）付加的な電力が必要な場合には、典型的なハイブリッド車は、ＳＯＣ目標の下の小さい程度までバッテリを放電させる。（例えば、急な坂を運転して下る又は減速するときのように）付加的な再生電力が使用可能である場合には、典型的なハイブリッド車は、ＳＯＣ目標の上の小さい程度までバッテリを充電させる。

本発明により構築されたＰＨＥＶ後付けシステムは、現在ＨＥＶにおいて用いられるものより大きいバッテリ容量を与え、次いで、上昇されたＳＯＣを自動車に報告することにより、まさに説明された通常のハイブリッド作動モードを利用する。このことは、自動車の制御システムに、バッテリを放電させる。より大きいバッテリ容量からの付加的な電気エネルギは、このように、或いは別の場合には用いられるガソリンに取って代わる。
幾つかのハイブリッド自動車は、ＩＣＥが不作動にされた場合に「電気自動車」（ＥＶ）モードを促す又は可能にする内蔵ソフトウェア又はハードウェアを含むことができる。このことは、例えば、日本及び幾つかの他の国で販売されているトヨタのプリウスに当て嵌まる。ＥＶモードは、動力伝達系、バッテリ容量、触媒温度、及びＳＯＣ又は電力の使用可能性に応じて、作動エンベロープにより制限される。トヨタによれば、人口密集住宅地において、運転者が隣接する住人に迷惑をかけることなく、駐車場から出て行くことを可能にすることが意図される。好ましい形態においては、本明細書における後付けシステムは、ＥＶモードが存在する場合には、高性能バッテリシステムが十分な充電及び自動車の速度を有し、触媒状態及び電力要求が、ＥＶモードを可能にするために、既存のハイブリッドシステムに許容可能なものであるときはいつでも、ＥＶモードを実施することにより、ＥＶモードを利用する。

本発明は、トヨタのプリウスの後付けに関して説明されるが、本発明はこの自動車に限定されるものではないことが理解される。本明細書全体を通して：
「バッテリ」は、電気エネルギ蓄積媒体を意味する。バッテリは、リチウムイオン化学物質、ニッケル水素化学物質、又は鉛蓄電池化学物質に見出されるような電気化学蓄積システムとすることができる。本明細書に用いられる「バッテリ」という用語は、さらに、（例えば）キャパシタのような静電気記憶装置を指すことができる。
「バッテリ制御モジュール」は、接触器制御、バッテリシステムステータスの監視及び報告、バッテリシステムの障害報告、モジュールの電圧及び温度、パックの電圧及び電流を含むバッテリシステムについてのデータ収集、バッテリ熱システム制御、バッテリ及び接続される他のシステム、ユーザ、及びサービス作業員を保護するための他のシステム障害に対する応答、という機能の幾つか又はすべてを直接又は間接的に実行する装置又は装置の組を意味する。上述の機能は幾つかの装置により実行されるが、バッテリ制御モジュールの置き換えが本明細書において説明されるときには、本発明を実施するのに必要な機能を制御する装置だけを置き換えればよい。

「ＣＡＮ／４８５モジュール」は、ＬＣＭ（以下を参照されたい）と通信することができるモジュール、又は、同等の監視ハードウェア、自動車通信バス、及び存在する場合には、自動車のバッテリ熱制御システムとすることができる。当業者であれば、もちろん、このモジュールを異なる自動車及び熱制御アーキテクチャに適応させることができ、すべてのこうした適応は本発明の範囲内にある。ＣＡＮ／４８５モジュールは、さらに、接触器又は充電を制御するのに用いることができる付加的な入力部及び出力部を有することができる。本明細書においては、ＣＡＮ４８５モジュールは、ＲＳ４８５上で通信するＬＣＭ要求、及び、ＣＡＮ上で通信するトヨタのプリウスの要求のために、このように命名された。当業者であれば、このモジュールは、自動車のインターフェース及びバッテリ監視インターフェースによる要求に応じて、異なる通信プロトコルを用いるように修正することができ、すべてのこうした修正は本発明の範囲内にある。
「ＣＤＵ」すなわち「制御及び表示ユニット」は、ストックハイブリッド自動車上の既存のバッテリシステムのコントローラを置き換える、本発明により構築されたコントローラである。ＣＤＵは、有る場合には、ストック表示とは異なる情報をユーザに示すことができる表示を含むことができ、したがって、自動車の通信バスと通信するための手段と、ストックハイブリッド車の（現在、日本及び幾つかの他の国で販売されているプリウスのモデル上などに存在する場合には）「ＥＶオンリー」モードに関するハードウェアを操作するための手段とを含む。他のコントローラは、ＣＤＵ上の同じ機能を実行することができるとすることができる。ＣＤＵは、さらに、制御に用いることができる多目的入力部及び出力部を有する。

「ＦＡＴ」は「ファイル割り当て表」を意味する。
本明細書に用いられる「ガソリン」は、ガソリン、ペトロール、及び／又は、圧縮天然ガス、ディーゼル、液化石油ガスといったすべての他の炭化水素ベース燃料を意味する。さらに、植物性燃料及びアルコール性燃料、及び自動車の推進のための「車内に搭載される」燃料源として用いられるときには水素を含む。
「ＬＣＭ」はリチウム電池モニタ／マネージャを意味する。ＬＣＭは、説明される本発明のバッテリパック内の電池の電圧及び温度を収集し、報告する。ＬＣＭは、さらに、バッテリパックの電池の「均衡をとる」。同じ機能を実行する他の装置を用いてこれらを実現することができ、その範囲においては、以下に定義されるようにＬＣＭとして考慮される。
「ＬＥＤ」は「発光ダイオード」を意味する。ランプ又は運転者がその最も効率のよいモードで自動車を作動することを助ける可聴キューを含む他のインジケータを用いることができ、すべてのこうした代替的な指示装置は本発明の範囲内に含まれる。
「ＳＯＣ」又は「充電状態」は、バッテリの合計使用可能容量に対する使用可能バッテリ容量の、百分率で示される比率である。
「ＶＩＴ」は電圧、電流、及び温度ノードを意味する。ＶＩＴは、バッテリシステム内のバルクバッテリシステム電圧、電流、及び付加的な温度を測定する。同じ機能を実行する他の装置を用いて本発明の結果を実現することができ、その範囲においては、本明細書に定義されるようにＬＣＭとして考慮される。
本発明に関する付加的な詳細は、図面が一部を形成する、以下の好ましい実施形態の詳細な説明に提供される。

本発明を使用するように適応された現在購入可能な１つのハイブリッド自動車（プリウス）の作動システムの単純化された概略ブロック図である。図１は、多数のマイクロコントローラ１、７０、７２、７４、及び、共通で並列のマルチドロップ通信バス３に取り付けられたバッテリ制御モジュール５の使用を含む、ハイブリッド自動車の分散された制御態様に対する１つの基本的で一般的なアーキテクチャを示す。図１に示すように、バッテリ制御モジュール５は、基本的なハイブリッドバッテリ４及びファン６に電気結合されて、当該技術分野で知られる接触器及びセンサを用いることにより、ファン及びバッテリの充電／放電を監視し、制御する。 本発明により構築された後付けシステムにより修正された現在入手可能なＨＥＶ作動システムのブロック概略図である。本発明の通信ノード４４、４６、４８、５２の実施形態の位置及び自動車の並列バス３に対するその関係は、当業者が同じ機能を実現するために他の単一の又は多数のコントローラのアーキテクチャを使用できるように、他の方法により実現することができる。充電器は、本発明の適当な動作に不可欠なものではないが、本発明の好ましい実施形態の一部であり、搭載充電器は、燃料補給の融通性、及び、電気接続されることができ、通常の移送においては現在使用可能ではない様々な再生可能エネルギ生成の可能性の使用を可能にする。より具体的には、搭載充電器は、事実上、どのような１２０Ｖ又は２４０Ｖのソケットからの充電も可能にして、事実上どのような施設も充電場所になるようにすることを可能にする。さらに、事実上どのような施設においてもバッテリを充電する能力は、或いは別の場合には、相対的に高い放出ピーク生成器が出現したときのピークエネルギ使用期間中にグリッドにより車両の充電を使用するのに適したものにするが、これは、自動車のバッテリは、ピーク要求が落ちたときに再充電されるためである。 ＳＯＣ（「充電状態」）マッピングの可能性のグラフ図である。水平方向軸上の実バッテリ充電状態は、自動車に報告されたＳＯＣにマップされて、ＥＶ特性に望ましいプラグを取得し、本発明のバッテリは許容可能な作動限度内に残り、使用可能な容量が残っている。エネルギが使い尽くされた後で、ＳＯＣは元のバッテリパックから使用可能な残りのエネルギに適合するか又は近似するように減少されて、自動車に力を与えてその通常のＨＥＶ充電維持モードをシミュレートする。 報告されたＳＯＣ３００をどのように一時的に異なるレベルに摂動させて、ＳＵＬＥＶ放出の維持のような特定の作動特性、又は、エンジンを回転させることによってのみ与えられるトランスアクスルの必要とされる潤滑を実現できるかを示すフロー図である。 安全作動範囲の外に逸脱した場合に、報告されたＳＯＣをどのように一時的に摂動させて、バッテリから引き出されるエネルギ量を減少できるかを示すフロー図である。 再生許容電力限度がＣＤＵ６０からハイブリッド制御モジュール１に送られる手段の論理図である。当業者であれば、ある時間にわたり限度を保持して、システムのステータスが改善しているか又は限度はさらなる減少を必要としているかを評価することが可能であることに気づくであろう。 放電限度がＣＤＵ６０からハイブリッド制御モジュール１に送られる手段の論理図である。当業者であれば、ある時間にわたり限度を保持して、システムのステータスが改善しているか又は限度はさらなる減少を必要としているかを評価することが可能であることに気づくであろう。 本発明により構築されたＣＤＵ６０の正面図である。ＣＤＵは、バッテリシステム４６、４８のプラントのバランス、及び、これらに接続された物品又は４６、４８に接続された物品に後続して接続された物品と合わせて作用する。表示される特徴は表示が付され、電池変動グラフ、電池平均及び最大温度、実充電状態及び報告された充電状態、ＥＶモード、パック電圧、１２Ｖのシステムのステータス、エンジンｒｐｍ、及び、相対的な再生／放電限度、Ａｈ減損、ＳＤカードメモリ使用、触媒温度計算、及び通信バストラフィックのステータスのような他の情報を含む。 図８のＣＤＵの別の視認スクリーンの正面図であり、バッテリ電流、スロットル位置及びエンジンオン閾値の矢印、実ＳＯＣ、ＥＶモード、エンジン冷却剤温度、及び最後の１／２マイル及び最後の放電サイクルの移動ブースト情報を示す。 図８のＣＤＵの別の視認スクリーンの正面図であり、１６のダイアモンドの真のＳＯＣと併せて、７９．５％の報告されたＳＯＣを示す。 図８のＣＤＵの別の視認スクリーンの正面図であり、３つのダイアモンドの真のＳＯＣと併せて、７３％の報告されたＳＯＣを示す。 図８のＣＤＵの別の視認スクリーンの正面図であり、７０％の報告されたＳＯＣ及び６％より少ない使用可能なブースト又は残っているＥＶ容量（ダイアモンドなし）を示す。 ６２％の報告されたＳＯＣ及びブースト又はＥＶ容量が残っていないことを示す図である。この時点でのバッテリの残りの容量は、充電維持又は通常のＨＥＶモードに使用される。

本明細書における本発明は、新規な制御電子機器及び大きいバッテリが後付けされる、小さい搭載バッテリをもち、大きいバッテリが使い尽くされたと判断され、作動が以前から存在するハイブリッド作動モードに戻るまで、バッテリを外部で充電し、バッテリ内の付加的な電気エネルギを用いて、所与の時間又は距離において又はユーザが選択可能な一連の時間及び距離において、ガソリン又は他の燃料消費を補償することができるハイブリッド自動車を可能にする。
以下の詳細な説明は、プリウスに、４０から６０マイルのグリッド充電可能な電気オンリー範囲を与える、プリウスの後付けに向けられる。プリウスは、現行では最も人気のあるハイブリッドであるために選択された。範囲は、一方では、米国における実社会の通勤者の予測される一日の範囲と、他方では、使用可能なバッテリの現行の費用との間の均衡をとるように選択された。当業者であれば、この機能は、公衆の要求、公衆の期待並びに願望、及び（新規な化学物質が発見されて、大量生産技術が支配するようになるため、将来は低下することが予測される）バッテリの費用により、正当であるように調整できることを認識するであろう。

好ましい実施形態は、図１に示す従来技術のハイブリッド自動車の元のバッテリシステムにより占められる空間を、図２に示すシステムで置き換えることにより使用する。好ましい実施形態においては、幾つかの部品が単一の部品に統合されるが、当業者であれば、冗長性を排除し、制御方策を合理化する機会を理解するであろう。システムの通信のバックボーンは、制御表示ユニット（「ＣＤＵ」）６０、ＶＩＴ４８、及び自動車のハイブリッド制御モジュール１と通信するＣＡＮ／４８５モジュール４６を接続する自動車自体のＣＡＮバス３である。自動車のハイブリッド制御モジュールは変更されず、ＡＢＳ制御モジュール７０、本体コントローラ７２、及びエンジン制御モジュール７４といった自動車上の他のコントローラも置き換えられない。本発明の高エネルギバッテリ４０は、バッテリ維持管理システム（「ＢＭＳ」）４２ａないしｃ及びＶＩＴ４８により監視される。ＢＭＳは、上述のように、部品番号ＬｉＢＭＳｖ２としてＥｎｅｒｇｙＣＳ（モンロビア、米国カリフォルニア）から入手可能なＬＣＭであることが好ましい。さらに、ＬＣＭに関する詳細は、引用により本明細書に組み入れられ、その一部を構成する付録１に与えられる。

これらのブロックからの情報は、ＲＳ４８５又はＣＡＮといった並行バス上で、これら及び自動車の残りの部分の間で処理されて伝達される。好ましい実施形態においては、ＶＩＴ４８の特徴は、ブロック５２及び４６と組み合わされて、占める空間が少なく、より効率的な単一のコントローラのカードを生成する。ＶＩＴ４８は、パックのレベル電圧及び電流並びにシャーシからの高電圧バッテリシステムの隔離を監視する。ＢＭＳ４２ａないしｃは、電池電圧及び温度を監視し、選択された電池を段階的に放電することにより、高エネルギのバッテリ４０内の電池のすべての均衡をとる。充電器５０は、シリアル通信リンク、個別のオン／オフ制御、又は、望ましい電力の出力に対するｐｗｍ信号のいずれかによって、ＶＩＴ４８により制御される。ＤＣＤＣ５４は、さらに、ＶＩＴ４８により制御され、充電時間及びスタンド時間中に１２Ｖシステムを支持する。ＶＩＴは、リアルタイムクロックを有し、これは、自動車が充電のために接続されたとき又は電源を入れられたときはいつでも、システム全体を起動させることができる。リアルタイムクロックは、稀にかつ周期的にシステムを起動させて、自動車が運転又は充電されていないときにバッテリのステータスを観察する。ＶＩＴ４８及びＣＤＵ６０は、直接自動車のシステムと通信する。バッテリの電圧及び電流に対するメッセージは、高い率で、ハイブリッド制御モジュール１により要求される。充電状態のような他のメッセージは、さらに稀に報告されることができる。ＣＤＵ６０及びＶＩＴ４８は、ハイブリッド制御モジュール１、ＡＢＳコントローラ７０、本体コントローラ７２、エンジンコントローラ７４などにより制御される、自動車のプラントバランスの完全な機能を維持するのに必要なすべてのメッセージを与える。充電器は、自動車がバッテリ４０を充電するために外部のエネルギ源に接続されている間に移動した場合に、容易な切断及び分離特徴を可能にする短い電源コードにより接続される。当業者であれば、充電器を独立して冷却するために、６と同様で、バッテリを充電するために４８により又は外部エネルギ源に対する接続により制御可能な付加的なファンが必要になり、加えることができることを認識するであろう。

当業者であれば、変換されるべきハイブリッド自動車上のバッテリシステムは、本明細書に説明されるシステムにより補完することができ、又は、本明細書に説明されるシステムにより完全に置き換えることができることを認識するであろう。実際、本システムの早期の試作品は、図２に示されるものと同様な先行モデルの実施形態と並行して元のシステムの有用性を維持する２バッテリシステム手法を使用する。しかし、好ましい実施形態は、単一バッテリシステムを用いて、自動車の管理及び部品数を単純化する。
既存のハイブリッド自動車は、およそ３０％と８０％との間の充電状態容量の中間点近くでそのＳＯＣを維持するように構成される。これは最も効率の良い作動範囲であり、回生制動の吸収、より良いバッテリの熱管理、及びより長いバッテリ寿命を可能にする。５５から６５％までのＳＯＣ目標が頻繁に用いられる。通常の運転条件下では、ハイブリッドシステムは、ＳＯＣ目標より下であるときにはバッテリを充電することを試み、又は、過度に充電されたバッテリを放電してＳＯＣ目標に到達することを試みる。

稀に、ＳＯＣは３０から８０％を外れる場合がある。
通常のＳＯＣ目標は、バッテリ調節のために時折調整され、又は、稀な運転条件下で必要な自動車性能を提供する。（例えば、加速のために）付加的な電力が必要な場合には、典型的なハイブリッド車は、ＳＯＣ目標より下の小さい程度までバッテリを放電させる。（例えば、急な坂を運転して下る又は減速するときのように）付加的な再生電力が使用可能である場合には、典型的なハイブリッド車は、ＳＯＣ目標より上の小さい程度までバッテリを充電させる。
本発明により構築された後付けシステムは、ストックより大きいバッテリ容量を与え、上昇された又は適応されたＳＯＣを自動車に報告することにより、まさに説明された通常のハイブリッド作動モードを利用する。このことは、製造業者の自動車の制御システムに、回生制動によりバッテリを放電又は充電させる。より大きいバッテリ容量からの付加的な電気エネルギは、このように、或いは別の場合には用いられるガソリンに取って代わる。
幾つかのハイブリッド車は、ＩＣＥが不作動にされたときに「電気自動車」（ＥＶ）モードを促す又は可能にする内蔵ソフトウェア又はハードウェアを含むことができる。このことは、例えば、日本及び幾つかの他の国で販売されているトヨタのプリウスに当て嵌まる。ＥＶモードは、動力伝達系、バッテリ容量、触媒温度、及びＳＯＣ又は電力の使用可能性に応じて、作動エンベロープにより制限される。トヨタによれば、人口密集住宅地において、運転者が隣接する住人に迷惑をかけることなく、駐車場から出て行くことを可能にすることが意図される。好ましい形態においては、本明細書における後付けシステムは、ＥＶモードが存在する場合には、高性能バッテリシステムが十分な充電及び自動車の速度を有し、触媒状態及び電力要求が、ＥＶモードを可能にするために、既存のハイブリッドシステムに許容可能なものであるときはいつでも、ＥＶモードを強化することにより、ＥＶモードを利用する。

好ましい後付けシステムは、自動車に報告されたＳＯＣを単に上昇させるだけではない。これは、後付けシステムが重要な自動車のパラメータを干渉していないことを保証するために、自動車のパラメータの数を監視する（図４を参照されたい。）ＣＤＵ６０が、例えば、自動車の触媒変換器の温度が、米国環境保護局により自動車に割り当てられたＳＵＬＥＶ（超低公害車）を維持するのにもはや十分に熱い温度ではないと判断した場合には、ＣＤＵは、報告したＳＯＣを変更して（又は「ＥＶモード」をオフにして）、ガスエンジンをオンにするように助長し、したがって、触媒システムを、最小の放出に最適な作動点まで加熱することを助長する。触媒システムが清潔な作動に十分な温度に到達すると、ＣＤＵは、（付加されたバッテリに十分な実際のＳＯＣがある限り）自動車がバッテリ放電モードに戻ることを可能にする。
自動車のエンジンの冷却剤温度が十分に高く、エネルギがバッテリにおいて使用可能な場合には、拡張ＥＶモード作動は、より高速で実現することができる。
後付けシステムの付加されたバッテリが十分に使い尽くされて、最適なバッテリの健康及びサイクル寿命を維持する観点から、さらなる放電が望ましくない場合には、ＣＤＵは、報告されたＳＯＣの値を変更することにより、自動車のハイブリッド推進モードを再び設ける。上述のように、真のＳＯＣは報告されたＳＯＣとは異なるものであることがあり、後者は、典型的には、バッテリ放電モード又はバッテリ維持モードを助長するように、既存のハイブリッド制御システムに伝達される上昇された値である。バッテリの真のＳＯＣは、バッテリにより電流を測定し積算することにより、ＣＤＵによって求められ、さらに、ＢＭＳ４２ａないしｃからの情報に基づく特定の電圧トリガ又はバッテリ温度に対するリセット点又は通過点を提供する。

付加されたバッテリの真のＳＯＣが、バッテリ放電モードを停止し、バッテリ維持モードに切り換えるのに十分なだけ低いと判断されたときには、ＣＤＵにより既存のハイブリッド制御システムに報告されるＳＯＣは、付加されたバッテリを実質的に再充電することなく、付加されたバッテリを維持するように用いられることが好ましく、付加されたバッテリは、自動車を、グリッドのような外部の電気エネルギ源に接続することによってのみ再充電されることが好ましい。自動車は、ストックシステムが与えられたバッテリを用いて、又は、置き換えられたバッテリの残りの容量レベルを用いて、通常のハイブリッド作動に戻される。ＣＤＵは、低い充電状態を、（現在は約６２％である）定常状態の中間点の目標の近くで、自動車に報告されたＳＯＣにおける大きい逸脱に対応する低バッテリＳＯＣからの小さい逸脱を有するように、報告されたＳＯＣにマッピングすることにより、定常状態の作動を実施する。したがって、通常のハイブリッドモードにおいては、付加されたバッテリを外部源から再充電できるまで、付加されたバッテリは、多かれ少なかれ、低い真のＳＯＣにおいて維持される。
当業者であれば、「ブーストされた」バッテリ放電モードの持続時間（すなわち、この後付けシステムにより可能にされる電気オンリー範囲）は、付加されたバッテリ容量の量及び最適なバッテリ寿命のために安全に放電されることができるレベルに依存することを認識するであろう。通常のハイブリッド作動モード（すなわち、付加されたバッテリの充電維持モード）中、「ＥＶモード」は実施又は作動されなくなる。

ＨＥＶを後付けしてＰＨＥＶ機能を提供するには、考慮しなければならない多数の側面がある。
１．既存の自動車のバッテリパックを、より高い容量のパック（以下「高性能バッテリ」）の１つと置き換え、実施されるバッテリシステムに適切な機械的及び熱的設計を含む既存の自動車の内部構造に新規なパックを一体化するための方法。異なるバッテリ容量、化学物質、形状因子、及びプラットフォーム用途は、本明細書に説明される例示的な特有の実施に対して修正を必要とする。
２．改良されていない自動車のプラットフォームと比較したときに、等しいか又はより多い電気エネルギ蓄積をもつバッテリシステム、及び、必要に応じて、バッテリ全体にわたる電圧及び温度を測定するためのバッテリ監視システムの選択。バッテリ監視システムは、さらに、バッテリシステムの中又は外に流れる電流を測定することができる。バッテリシステムは、加熱又は冷却を規制するために、バッテリ上の冷却剤の流れを制御することができる。バッテリシステムは、必要に応じて、等しい充電状態において、システムにおけるすべての電池を保持するように、バッテリ電池の均衡をとる回路を含むことができる。バッテリシステムは、特定の回路を自動車のシャーシから隔離し、その回路の他のものは自動車のシャーシを基準にするように要求することができる。隔離要求は、当業者であれば、数ある中でも、安全性及び回路保護要求により支配されることを認識するであろう。

３．高性能バッテリから情報を受け取り、自動車のハイブリッド制御システムとインターフェースして、高性能バッテリの使用を最大にするように、既存のハイブリッド制御システムを助長する制御及び表示ユニット（ＣＤＵ）６０。
４．好ましくは、高性能バッテリシステムを従来の壁に埋め込んだコンセント又は世界中どこにでもある再生可能なエネルギ源から充電させることができる搭載バッテリ充電器５０。バッテリ充電器は、より高速な充電が望まれる場合、又は、より高い電源又はＥＶ充電ステーションにアクセス可能な場合には、標準的な壁に埋め込んだコンセントより高速で充電することができる。このことは、付加的なガソリン消費なしで付加的なＥＶ又はブーストされた範囲を可能にする。

図１は、現在入手可能なＨＥＶ作動システムのブロック概略図である。ハイブリッド制御モジュール１は、自動車通信バス３によりバッテリシステム２と通信する。バッテリシステム２は、一般に、ハイブリッドバッテリ４とバッテリ制御モジュールとを含む。バッテリは、バッテリ制御モジュールにより監視されて、電池電圧、電池温度、電流の流れなどのデータを獲得して、そのデータを自動車通信バス３によりハイブリッド制御モジュール１に通信する。ファン６は、バッテリ内の感知された電池温度が所定の閾値又はファン速度及び冷却速度の範囲に対応する値の範囲を超えたときには、バッテリ制御モジュールにより作動されてバッテリパックを冷却する。
図２は、本発明により構築された後付けシステムによって修正された現在入手可能なＨＥＶ作動システムのブロック概略図である。自動車に後付けされる高性能バッテリシステムは、周期的に、高性能バッテリ４０についての情報をバス３によりＣＤＵ６０に伝達する。この情報は、電圧、温度、バッテリ電流、又は冷却ファンのステータス或いは充電器のステータスのような他の制御情報を含むことができる。情報は、既存の自動車通信ネットワーク上の付加的な空間を通して伝達されることができる。ＣＤＵは、さらに、バッテリの最大値、最小値、変動、及び一般的な健康を即座に示すモードを有することができる。本実施形態においては、情報は、必要に応じて、これらのすべてを報告するのに使用可能である。

ＣＤＵ６０は、すべての必要な情報を既存の自動車のハイブリッド制御システムに伝達して、ストック自動車の（変換中に取り外された）以前のバッテリ制御システムをエミュレートする。さらに、バッテリの作動エンベロープが超過している場合には、「タートル」モードを可能にする又は接触器を開く能力を有する。
高性能バッテリ４０が十分に充電されているときは、ＣＤＵ６０は、高バッテリのＳＯＣを報告することにより、より多くのバッテリエネルギを用いるように既存のハイブリッド制御システムを促し、したがって、既存のハイブリッド制御システムが、ストック自動車制御により目標とされる均衡ＳＯＣまで（より多くのエネルギを使用することによって）バッテリを放電することを試みるよう促す。ユーザは、安全で信頼性のあるシステム作動の範囲内で、いつバッテリエネルギを使用できるかについての入力も有することができる。
ＣＤＵ６０は、さらに、（数字又はグラフの形態で）高性能バッテリの充電状態（ＳＯＣ）及びバッテリから引き出される又はバッテリを充電するのに用いられる電力又は電流の量といった情報をユーザに表示する。自動車性能（１ガロン当たりのマイル、マイル当たりのワット時）又はバッテリ性能（電圧、温度）についての付加的なステータス情報もまた表示することができる。

ユーザ（アクセルペダル位置）により要求される電力量についての情報は、ＥＶモード（ガソリンエンジンがオフ）に留まることが必要な最大電力要求の指示によりグラフで表示することができる。この情報は、運転者により用いられてガソリンエンジンが稼動する時間の量を減少させ、したがってガソリン消費を減少させる方法により、運転習慣を調整することができる。
ＣＤＵは、さらに、バッテリの最大値、最小値、変動、及び一般的な健康を即座に示すモードを有することができる。本実施形態においては、情報は、必要に応じてこれらのすべてを報告するのに使用可能である。
試作品の自動車においては、後付けＰＨＥＶ変換は、以下に説明されるように、２００４年のトヨタのプリウス上で実行され、４０Ａｈ容量をもつ９ｋＷｈのＶａｌｅｎｃｅ（商標）リチウムイオン・バッテリを取り付けて、約８０％（３２Ａｈ）のバッテリ容量を用いる５０から６０マイルの「電気オンリー」範囲をもつ自動車を提供した。実社会での使用においては、多数の移動は、電気オンリーの範囲より少ないものであり、ガソリンエンジンは用いられなかったため、これは１００から１８０ｍｐｇのブーストされたマイル距離に変換される（ガソリン使用により運転されたマイル距離を割る）。同時に、電気エネルギの使用は、１００から２００Ｗｈ／マイルの範囲であった。

変換を行う際、ストックの１．３Ｗｈ ＮｉＭＨバッテリパック（公称定格は、２０２Ｖでおよそ６．５Ａｈｒ）、並びに、３つの接触器の中継器及びプリウスのバッテリ電流センサが自動車から除去された。接触器及び電流センサは、車の後部で再パッケージされ、ＶＩＴ４８はバッテリ電流を測定する能力が与えられた。接触器の制御部はハイブリッド制御モジュール１と共に残ったが、本実施形態においては、ＶＩＴ４８及びＣＤＵ６０によりハイブリッド制御モジュールに与えられる情報によって、部分的に管理される。１８のＶａｌｅｎｃｅ（商標）ＵＩ（商標）４２Ａｈｒ ＬｉＦｅＰＯ（すなわち、リン酸鉄）バッテリモジュールで構成される、新規な９ｋＷｈ（６．９ｘストックバッテリ定格）のリチウムイオンのバッテリパック４０が、後部貨物区域に取り付けられたベースプレートの上部に組み立てられた。各々のモジュールは、次いで、各々のモジュールにおいて直列で接続された３３の並列電池の４つの群で構成される。１８のモジュールは、（通常のカーペットが敷いてある貨物区域の下の）ベースプレートの上部で、２×３構成において、６つのモジュールの群に組み立てられた。構造的剛性を与え、冷却空気流を向けるために、６つのモジュールの各々の群の周りにボックスが設けられた。蓋がバッテリシステム全体の上に配置されて装置をシールし、通常の自動車環境のための構造的一体性を提供した。開口部がバッテリボックスの底部に設けられて、冷却剤がモジュールを通過して、装置を出て行くように流れることを可能にした。冷却剤は、以下に説明される既存のプリウスのバッテリ冷却ファンを用いて、バッテリボックスの上部に押し込まれる。

バッテリパックには、３ＥｎｅｒｇｙＣＳ Ｌｉｔｈｉｕｍ電池監視システム（ＬＣＭ）４２ａないしｃが装備された（６つのモジュールの各群について１つ又は「ポッド」）。ＬＣＭ４２ａないしｃは、個々の電池電圧（１モジュール当たり４つの電圧、１ポッド当たり２４）並びにモジュール温度（１ポッド当たり６）を、ＲＳ４８５／ＭＯＤＢＵＳシリアル通信システム４４により、自動車のコントローラ６０上に提示するためにＬＣＭから情報を収集する４８５／ＣＡＮ変換器ノード４６に報告し戻す。当業者であれば、インターフェース電子機器の構成（４２ａないしｃ、４６、５２、４８）は、同じ機能を実現するように多様な方法で構成することができる。ＬＣＭは、バッテリの均衡をとり、ＲＳ４８５（マルチポイント通信のための電子工業会（ＥＩＡ）標準）及びＭｏｄＢｕｓ（既知の通信プロトコル）を用いてバッテリの重要なパラメータを通信するように機能する。幾つかの製造業者は、ＬＣＭの代わりに同じ情報を報告し、したがってＬＣＭはこうした場合に必要ないとすることができる他のモジュールを有すると記載することができる。目標は、もちろん、システムの要素が、基本的なハイブリッドバッテリ及びその制御モジュール（４、５）により又はこれらなしで、図１に示される自動車のハイブリッド部品により整理できる方法で、バッテリシステムに関するすべてのデータを通信できるものでなければならないことである。

（高性能バッテリシステムの一部である）４８５／ＣＡＮモジュール４６は、ＬＣＭ通信バス４４と自動車通信バス３との間をインターフェースするだけでなく、パルス幅変調（ＰＷＭ）出力により、既存のプリウスのバッテリ冷却ファン６を制御する。既存のプリウスのバッテリ冷却ファンは、既存の管をバッテリボックスの上部に用いることにより、送られる。ＬＣＭにより報告されるバッテリ温度は、バッテリパックを冷却又は加熱するのに必要なファン速度を求めるのに用いられる。トヨタのプリウスのマニュアルは、ファンの使用に関する情報を含む。バッテリ温度に基づいてファンの負荷サイクルを変化させることができる単純なＰＷＭ制御出力は、本発明の元の実施形態においてはＣＡＮ／４８５モジュール４６からの付加的な出力として実施され、後には、ＶＩＴの一部として同様な手段により実施された。

高性能バッテリシステムにおける４８５／ＣＡＮモジュール４６に加えて、既存のプリウスのバッテリ電流センサを用いてバッテリバック電流を測定するように設計されたＶＩＴモジュール４８がある。ＶＩＴは、さらに、合計バッテリパック電圧を測定し、合計電圧及び電流を周期的に（１０Ｈｚ）自動車のＣａｎバス？？？上に報告する。これは、パック電圧測定が隔離されている限り、カスタマイズされた回路で置き換えることができる。電流センサを読み取ることについての情報は、２００６年式プリウスの修理マニュアル番号ＲＭ０１Ｒ０Ｕ１、ＲＭ０１Ｒ０Ｕ２、ＲＭ０１Ｒ０Ｕ３、及びＲＭ０１Ｒ０Ｕ４に見出すことができ、その内容は引用によりここに組み入れられる。
ＣＤＵ６０の表示ユニットは、車のダッシュボード上に搭載され、プリウスハイブリッドＥＣＵ上に見出される「ＥＶ」ボタンを作動させるワイヤと併せて、自動車のＣＡＮバス３、電力、接地に取り付けられる。ＣＤＵはディスプレイ、ＣＡＮ通信、４８５通信、及び多目的入力部及び出力部を有する。ＣＤＵ６０は、バッテリ電圧及び電流情報を（ＶＩＴ４８から）受け取り、個々の電池及び温度情報を（４８５／ＣＡＮモジュール４６から）受け取り、この情報を用いて制御決定を行い、幾つかの場合においては、生データを既存のハイブリッド制御システムにエコーして従来の自動車のバッテリコントローラをエミュレートする。

バッテリシステム内には、幾つかの異なる電圧源及び隔離レベルがある。（ｐ）及び（ｑ）により表わされる隔離された供給源は、ＢＭＳ４２に対する感知電力を与える。他のモジュールの多くは、多くの場合１２Ｖであり、負シャーシが使用されるが、他のレベルであってもよい、（ｔ）及び（ｕ）により表わされる自動車の予備的なバッテリバスにより電力を与えられる。システムに対する入力電力は、どのようなレベルであっても、ＡＣ又はＤＣであってもよく、アース又は浮動接地が安全のために必要とされる。システムに対する入力電力は（ｗ）及び（ｖ）により表わされる。バッテリから自動車のＨＶ部品への高電圧バッテリシステムバスは、（ｒ）及び（ｓ）により表わされる。他の高電圧バスは、用途条件に応じて、本発明の中又は外に存在することができる。ガルバニック隔離バリアが図表に示され、特定のシステム部品は、当業者が判断することができる安全又は測定の理由のために隔離されることにより利益を享受することが示されている。
ＣＤＵ６０は、後の分析のためにバッテリパック及び自動車の性能についての情報を格納するＳＤフラッシュメモリカードライタを含む。ＳＤフラッシュカードの最適な使用を保証するために、特別なファイルシステムが開発され、これついては本文書において後述される。ＬＥＤは「一覧」システムステータス情報も与えるように存在する。埋め込まれた不揮発性メモリを取り外し可能媒体の代わりに用いることができる。

本発明の好ましい特徴によれば、自動車に関する特定の作動情報は、運転者にとって迅速に理解できる方法により表示されて、自動車の性能を最適化する。これらの視覚的キューは、さらに、自動車の特性に慣れていない運転者にとっての訓練ツールとして働く。自動車の「電気オンリー」作動を最大化するように運転者を促すために、情報は図で表示されて、ガソリンエンジンがオンになる前に、どれだけの電力を要求できるかが運転者に示される。したがって、システムは、電力要求が、ガソリンエンジンがオンになることを要求する点に到達する前に、ＥＶ運転（ガソリンエンジンがオフ）中に、運転者が要求された電力を修正することを可能にする方法により、即時の電力要求（アクセルペダル位置）をダッシュボードのディスプレイ上に図示する。この特徴は、ユーザが最大性能の実現し、依然として最小のガソリンを用い、ガソリンエンジンが「オン」になる時間を最小にするか又はまったくなくすることを可能にする。

ＣＤＵ６０は、８ラインのＬＣＤディスプレイ上に情報を表示するが、当業者であれば、より多くの又はより少ないラインを用いてそれらの要求に関する情報を教示できることが好ましい。ディスプレイのトップラインは、ＣＡＮバス４６により自動車のストックハイブリッド制御システムから受け取ったアクセル位置情報に関して移動する水平方向のバーを表わす。棒グラフに隣接する電子的に生成された矢印は、ガソリンエンジンを作動させることなく、その当時の運転パラメータにより、押下げることができるアクセルの最高レベルを示す。ガソリンエンジンがオフのとき（ＣＡＮバス４６上の既存のハイブリッドシステムにより伝達される「燃料使用」情報から読み取られるゼロ燃料消費の読み取り値により判断される）はいつでも、矢印は、グラフに関して電子的に位置させられて、ガソリンエンジンがオンになる点、すなわち、エンジンを作動させる電力要求レベル（アクセル位置）を示す。矢印の位置は、以下の好ましいパラメータに基づく計算の結果である。自動車が「ＥＶモード」であるときには、３４ｍｐｈより少ない速度においては、アクセルは、ガソリンエンジンがオンになる前に、６０％まで押し下げることができることが好ましく、３４と４０ｍｐｈとの間の速度においては、ガソリンエンジンがオンになる前に、３０％まで押し下げることができることが好ましい。４０ｍｐｈを超える速度において、ガソリンエンジンがオフになった場合には、ガソリンエンジンがオンになる前に、電力が２２％（アクセル位置）まで再印加される。したがって、ガソリンエンジンをオンにさせるスロットル位置を示す矢印は、作動条件及びバッテリからのエネルギの使用可能性に応じて、スロットル位置のバーの下で水平方向に移動する。（当業者であれば、これらのパラメータは重要なものではなく、システムは他のパラメータ、及び望ましい場合には、さらに、可変のパラメータを用いてもよいことを認識するであろう。）

したがって、矢印は、好ましくは、アクセル位置を示す移動バーの下（又は上）に表示されて、ガソリンエンジンがオンになることが予測される前に、アクセルを押下げることができる電流条件の最高レベルを示し、すなわち、バーが矢印に到達したときには、ガソリンエンジンはオンになる。この特徴は、運転者が性能を最大化し、望まれるときにガソリンエンジンを最小にすることを可能にする。
表示ユニット上のアクセルバーの下には、（例えば、アンプで）バッテリ電流を示す、第２の表示グラフ形態の「電力使用」メータがあることが好ましい。第２の棒グラフは、電流がバッテリから引き出されると、左から右に延びる。棒グラフは、バッテリを充電するのに送給される電流については右から左に延びることが好ましい。例えば、回生制動は、棒を右から左に延ばす。したがって、単一のグラフ上で、ユーザは相対的な電力消費及び生成の両方を容易に見ることができる。

「電力使用」メータの下には、電子表示マーカの列があり、これは高性能バッテリシステムにおける残りの充電量を示す本実施形態における１６のダイアモンド形状のマーカである（ＶＩＴモジュールにより示される電流感知を用いて測定された蓄積ａｍｐ時間により測定された）。高性能バッテリシステムが「フル」であるときには、スクリーンは、報告された７９．５％のＳＯＣ（及び９７％又はそれ以上の実際のＳＯＣ）を示すすべての１６のダイアモンドを自動車に表示する。ダイアモンドは、本発明のバッテリシステムの真の使用可能な充電状態を表わす。ダイアモンドの列がフルであるときには、本発明のバッテリはフルであり、ダイアモンドの列が空であるときには、本発明のバッテリは「空」である（すなわち、ブーストされた「電気オンリー」範囲を与えるようには用いられなくなり、自動車は充電維持モードに戻る。）

本発明の本実施形態においては、（以下に説明されるように）エネルギはバッテリから引き出されるため、ダイアモンドは、２アンペア時（Ａｈｒｓ）当たり１つのダイアモンドの速度で（すなわち、報告されたＳＯＣの０．５％の低下毎に）、ＳＯＣが低下するに伴い消える。ダイアモンドは、本発明のバッテリにおいて使用可能なエネルギの「実」充電状態をユーザに提供する。バッテリの容量のおよそ８０％が放電された（すなわち、３２ＳＡｒｓ用いられた）ときには、最後のダイアモンドは、７２％の報告されたＳＯＣから７１．５％の報告されたＳＯＣまでの段階を表わして消える。この時点から、残りのバッテリ容量についての表示は与えられず、報告されたＳＯＣにおける０．５％の変化は、「ブーストされた」運転セッション中に測定された２．００Ａｈではなく、バッテリ電荷における０．０５Ａｈ変化について示される。この時点で、プリウスは、依然として、約６２％の均衡点に到達するようにバッテリから引き出すことを試みるが、それに到達するのに約１Ａｈｒだけが除去される（合計３４Ａｈｒｓの除去、又は、１８％の真のＳＯＣに近いものがもたらされる。）本発明のバッテリの実充電状態は、図３に示される曲線を辿るようにマップされる。

ここでＡｈｒｓは従来のプリウスのバッテリコントローラのＳＣＯ報告と同様に適合されたことにより、自動車は、多かれ少なかれ、報告されたＳＯＣが５０％から７０％ｍまでで変化し、実際の真のＳＯＣは１５％から２０％までの間に留まる、標準的な修正されていない自動車のように働く。高性能バッテリシステムが再充電されると、報告されたＳＯＣは、７９．５％に再設定され、ＣＤＵディスプレイ上にすべての１６のダイアモンドが再出現する。本発明のバッテリシステムは、従来技術により具現化されたバッテリシステムより低い充電状態で、充電維持モードにおいて効率的に作動する。しかし、本発明のバッテリシステムは、電荷が、自動車性能を維持するのに十分なエネルギ及び電力を与える量を超えて使い尽くされるべきではないことを要求し、本発明は、最終的に、充電維持モードにおける作動を要求する。当業者であれば、本明細書に提案される限度は、許容可能な性能制限及びライフサイクルの予測内にバッテリを保持する修正を必要とすることができる又は必要とするであろう。当業者であれば、さらに、バッテリが経年変化するに伴い、作動限度もまた変化することがわかるであろう。

報告されたＳＯＣが７２％より低く、自動車がブーストされた／バッテリ放電モードではなくなったとき（すなわち、バッテリ維持モード）、ＣＤＵは、直接、従来の自動車バッテリ監視システムをエミュレートする。しかし、ブーストモードにおいては、ＣＤＵは、さらに、自動車ハイブリッドＥＣＵ上のＥＶモードを選択することにより、強制的に自動車を自動車ＥＶモードにすることを試みる。ＥＶモードは、自動車がＥＶ（ガソリンエンジンオフ）モードに残ることができる自動車のハイブリッドパラメータを変化させる。ＣＤＵは、種々の条件下で、強制的にＥＶモードをオフにして、ＥＶモードから非ＥＶモードへのより滑らかな遷移を与え、又は、触媒システムを加熱して自動車の放出を低下させるように強制的にエンジンをオンにする。これらの限度は、異なる自動車の実施形態に対して異なり、時には、許容可能な性能を与えるように調整を必要とする。

ＣＤＵディスプレイについて上述されたものに加えて、ＣＤＵは、さらに、電池電圧、バッテリバルクパラメータ間の変動、システム制限、最大／最小データ極値、及び必要に応じて、バッテリ及び他の部品又は周囲温度のような高性能バッテリシステムについての情報を表示することができる。このことは、図８に示される。ＣＤＵは、さらに、最近のｍｐｇ、再充電からの全体ｍｐｇ、及びブーストされたサイクルに対する平均ｍｐｇのようなユーザ効率情報を表示することができる（バッテリ放電モードからバッテリ維持モードへの遷移が生じてからの）。ＣＤＵは、さらに、最近のＷｈ／マイル、再充電からの全体Ｗｈ／マイル、及びブーストされたサイクルに対する平均Ｗｈ／マイルのような電気効率についての情報を表示することができる。さらに、ＣＤＵは、自動車ＣＡＮバス上の既存のハイブリッド制御システムから検出された即時の自動車速度を積分することによりオドメータを計算し、図９及び図１３に示すように、これを「移動マイル」として表示することができる。ブーストされた運転モードの移動持続時間は、ブーストされたモードが終了したときに表示され、これもまた図９及び図１３に表示される。
したがって、本明細書におけるシステムは、さらに、自動車の性能をどのように最適化するかを学習する際に運転者を助ける視覚的キューを与えることにより、自動車の特性に慣れていない運転者にとっての訓練ツールとして働く。他の知覚的フィードバックは、訓練キューとして運転者に与えられることができる。

試作品上の公称作動電圧は２３０Ｖであり、充電電圧は２５０Ｖである。外部電気手段による充電は、現行では、２５０Ｖまで行われ、充電が終了するまで１時間だけ２５０Ｖで維持される。充電は、さらに、バッテリ温度、電池電圧、又は、均衡に達した電池の数により制御され、終了されることができる。自動車は充電器上にロック係合されたソフトウェア及びハードウェアを有し、プラグイン中に車で走り去ってしまわないようにし、充電接続部における切断特徴を外す。充電器がこれを必要とした場合には、接触器を図２の（ｗ）と（ｖ）の充電器とユーティリティグリッドとの間に取り付けることができ、又は、図２の（ｙ）と（ｘ）の充電器とバッテリとの間に取り付けることができる。

好ましい実施形態は、バッテリ放電／ブーストされたモード及び通常のハイブリッド（すなわち、バッテリ維持）モード中に、エネルギ／電荷の量の異なる尺度を使用する融通性のあるバッテリの充電状態（ＳＯＣ）システムを使用するデフォルトモードを有する。既存のハイブリッド自動車制御システムに対して報告されたＳＯＣを生成する実ＳＯＣ又は真のＡｍｐ時のスライドする尺度は、真のバッテリＳＯＣの正確な追跡を可能にし、自動車に対して異なるＳＯＣ尺度を報告して、望ましい動作結果を実現する。種々のベースラインＳＯＣマッピング方策は図３に示される。ベースライン方策は、パック寿命、電池温度、放電速度、及び電池電圧に基づいて修正することができる。マッピング曲線は、複雑とすることができ、特定のパラメータ内でユーザ入力を可能にすることができる。例えば、再充電なしで、長い移動後で、使用可能な実質的なＥＶモードを有することが望ましい場合には、ユーザは、ＥＶモードを停止して、相当な時間だけ充電維持モードにおいて自動車を作動させ、次いで、ＥＶブーストモードを再び可能にして、バッテリからのエネルギの使用を再び始めることができる。多数の市は、特定の区域において、エンジンの燃焼を禁止したり又はそれに税金をかける区域の実験しており、これらの場合において、予めマップされた放電曲線を手動で変更して、ＥＶモードの使用のためにバッテリエネルギを保存するユーザの能力は、本発明の好ましい実施形態の有利な特性である。

例えば、既存の試作品上では、７１．５％から７９．５％までの報告されたＳＯＣのブーストされた作動（プリウスが能動的にバッテリを放電することを試みる）は、高性能バッテリの真の能力の８０％以上を占める（試作品上で３２Ａｈｓ）。７１．５％から０％までで、Ａｈ尺度は大いに圧縮されて（すなわち、ＳＯＣが大いに増加して）、ＳＯＣは従来のより小さいハイブリッドバッテリのように反応する。プリウスは、能動的に、およそ６２％のＳＯＣを維持するようにする。より幅狭の帯域を用いて、バッテリのサイクル寿命を改善することができ、又はより大きな保存を可能にすることができる。
ＣＤＵの報告された４２％より低い放電は、完全な３５Ａｈ又は１３％の真のＳＯＣからの合計放電を表わすため、極めてありそうもないことである。最も通常の状況下では、プリウスはおよそ６２％のＳＯＣ＋／−１０％を維持することを試みる（すなわち、３３Ａｈ減損＋／−１Ａｈ又は１８％ＳＯＣ＋／−２％真のＳＯＣ）。

要約すると、スライドするＳＯＣ尺度は、運転サイクルに対する助けを与えるようにバッテリを放電する１つ又はそれ以上のモード、バッテリを同じＳＯＣに又はその近くに維持することができる１つ又はそれ以上のモード、及びバッテリを充電することができる１つ又はそれ以上のモードを可能にする。
コントローラ及びアルゴリズムは、異なる自動車のプラットフォーム要求及び異なるサイズのより大きいバッテリシステムに応じて、異なる設定点、勾配、及び曲線に再プログラムすることができる。コントローラは、一度に幾つかの曲線を格納して、ユーザは、特定の運転要求に対して異なる機能を選択することができる。

本発明は、カスタマイズ可能なＳＯＣ最適化のために代替的なモードを有する。例えば、ユーザが毎日の通勤又は長い移動の特定の段階において、バッテリ容量のすべてを使用するか又はまったく使用しないように、コントローラをプログラムすることを望むことができる選択肢である。コントローラは、ＥＶオンリーの運転区域を有することができる市の中又は市の間で移動する利点を自動車に与える方法で、純粋な運転範囲をユーザが使用することを可能にする。例えば、消費者は、両方が商業地域においてＥＶオンリー運転を必要とするＡ市からＢ市まで運転することを希望する。以下のように多数の運転シナリオが存在するであろう。
１）デフォルトは、バッテリがブーストを維持できなくなるまでのＨＥＶ上昇モードである。
２）ＥＶオンリーは、ＨＥＶブーストモードと同じＳＯＣを用いるが、ＥＶ機能をより積極的に用いる。
３）中間範囲ブーストはさらに少ない電力を用いるが、長い範囲のブーストされた運転を有する。
４）長範囲ブーストは、長い移動に対して、さらに少ない電力を用いる。
５）ニュートラルモードは同じＳＯＣを維持して、ユーザは移動の後の部分のためにＥＶ範囲を取っておくことができる。
６）段階的充電は、運転中に自動車をゆっくり充電する
７）ＨＥＶ機会充電の重充電は、ＥＶモードが近い将来に必要で、バッテリの充電状態が低い状況のために保存される。

デフォルト６０マイルの補助運転がグリッド電力の理想的な使用ではない特定の用途があるとすることができる。例えば、長距離ドライブに出かけた場合に、エネルギは、より長い時間量に対しては、より低い電力で、より効率的に分散されることができる。
他のときには、運転者は、低速の市又は移動の最後でのＥＶ運転に使用可能なエネルギの幾らかを取っておくことを希望することがある。これを達成するためには、幾つかの作動モードが使用可能である。上述の通常モードは、常に、他のシステムのステータス又はオペレータ要求とは関係なく、エネルギを運転サイクルに注入しようとする。このモードでの作動は、本発明の本実施形態のバッテリを約６０マイル内で減損させる。

他のモードが使用可能である。
１．注入範囲を拡げるが、バッテリによりもたらされる電力を減少させる積極性が少ないモードがある。
２．ＥＶ範囲を移動の最後に取っておくことができるように、充電状態をそのまま保持するモードがある。
３．長期間のＥＶが必要であり、パックが既に減損した場合に、ハイブリッドシステムがバッテリを軽く充電するモードがある。
４．ユーザが、プラグインすることなく、幾らかのＥＶ範囲を迅速に回復できなければならない場合に、より高い充電電流を要求することができるモードがある。

１つの可能性のある充電曲線及び放電曲線の組を見るのに図３を参照されたい。図表２は、バッテリに対する電流の充電状態を維持するべきであるデルタＳＯＣに基づく曲線を示す。ユーザは、移動全体にわたりモードを切り換えて、付加的なエネルギの効果を最適化することができる。
各々のモードの一般的な目標は、バッテリＳＯＣが特定の範囲内に残る限りは、特定の充電又は放電電流を与えることである。報告されたＳＯＣに対して実バッテリＳＯＣをマッピングすることは、望ましい結果をもたらす。別の方法は、ＳＯＣ目標ではなく電流上のフィードバックを用いることである。このことは、パックが、ユーザが望むいずれかのＳＯＣにおいて「浮動」することを可能にする。このことは、上述の同じ運動モードを達成する異なる方法を表わす。ある期間にわたる平均電流を計算することにより、ユーザは、所定のレベルの放電又は充電を実現するように、報告されたＳＯＣを変更することができる。この融通性は、ユーザが、特定の経路の運転範囲又はブースト時間を数的に選択し、したがって、使用可能な付加された電気エネルギの効率を最大にすることを可能にする。対照的に、ユーザは、パックが減損し、ＥＶ範囲が必要である場合には、充電速度を選択することができる。

バッテリ健康の表示
バッテリパックの健康を見るときには、パック内の電池の電圧の最大値及び最小値を知ることが重要である。さらに、パックの変動を知ることも重要である。最後に、特定の用途においては、電圧が特定の設定点を超えるか、又は他のものの下になった場合には、この用途は性能を制限するか又は停止する。単一のスクリーン上でこの情報のすべてを迅速に見る能力は、かなり重要であるとすることができる。
この情報のすべてを一覧して理解することを可能にする方法がある。図表４を参照されたい。一番左寄りの側及び一番右寄りの側は、欠陥又は性能が減少した点に対応する矢印である。特定の時間の量に対して、最大電圧が右の矢印の右になった場合、又は最小値が左の矢印になった場合には、用途の性能は変化する。

異なる、可能性のある事象を示す幾つかの矢印があるとすることができる。棒グラフは、最小電圧と最大電圧との間にまたがる。右に行けばいくほど、これら２つの値の電圧は高くなる。同様に、これらは左に行けばいくほど、電圧は低くなる。バー自体の長さは、最大電圧と最小電圧との間の差異又は電圧の変動である。健康なパックにおいては、バーは、かなり細いまま残るものとする。しかし、パックが不均衡になったり、又は、電池が弱くなるに伴い、バーは重電流下では幅広になる。電流を示すゲージ又はディスプレイのすぐ横に配置されたときには、ユーザは、電流レベルに対する変動を迅速に比較して、パック内の電池がどれだけ健康であるかを見ることができる。
この技術は、さらに温度のような他の測定可能な量にも適用することができる。ディスプレイは、バッテリパックの健康状態を示すように、矢印の間の可変幅のバーを示す。通常のバッテリシステムは、すべてのバッテリを１つとして扱い、この方法は、バッテリ間の差異が、バッテリシステムのバルクパラメータに対して等しい又はより高い重要性を有するように扱う。バーの長さは、バッテリの健康の相対的な指標である。２つの矢印の間にバーを配置することは、ユーザに、バッテリの健康及び作動エンベロープに対してどれだけ近いかについて即時の視認を与える。上の図は、通常範囲内で作動する不健康なバッテリパックである。下の図は、通常範囲内で作動する健康なバッテリである。
図表においては、電圧又は熱の変動が示される。均衡度、並列ストリング間の電流、又は、計算された容量の差異のような他の値を示すことができる。多数のバーは互い違いになったり又は入れ子式になったりすることができる。範囲は、同じエンドポイントで異なる尺度であってもよいし、又は、異なるエンドポイントで同じ尺度であってもよい。バーは、どのような方位に配置されてもよい。同じ情報を伝えるために、例えば、可変のウェッジサイズをもつパイ形状及び／又はシステム故障表示の移動アーク限度のような他の形状を長方形のバーと併せて用いることができる。

ＳＤカードのためのフラッシュＦＡＴファイルシステム
ハイブリッド自動車制御に用いられるＣＤＵ内のデータロギング革新
当業者であれば、ここで述べられる方法は、自動車の用途に限定されるものではなく、不揮発性データストレージのために不揮発性フラッシュメモリを用いるいずれかのプラットフォームにわたり携帯できることがわかるであろう。
フラッシュメモリを含む通常の用途においては、ファイル全体は、一度に書き込まれる。これは、ファイル割り当て表（ＦＡＴ）の幾つかの領域が更新され、幾つかのメモリ位置が更新され、ディレクトリのエントリが更新されることを意味する。１ファイル当たり１つの更新により、フラッシュメモリは、かなり長い間、保証における書き込みの数を超えない。さらに、ＦＡＴ表のような特定のセクションは、周期的に移動させられて、いずれか１つの領域が過度に応力を与えられることがないようにすることができる。

データロギング用途においては、ファイルは、一度にすべて書き込まれることができない。既存のデータは新規なデータが測定され、観察され又は計算され、記録されるときに追加される。データロギング用途においては、フラッシュメモリ技術を用いることに対して幾つかの要求がある。データは、入ってくるときに書き込み可能でなければならない。データファイルは、通常の機器により読み込み可能でなければならない。データロガーは、データ損失を最小にしてオン及びオフにされることができなければならない。オンにされたときには、データのロギングを迅速に開始することができなければならない。
データロギングアルゴリズムに対して通常のＦＡＴアルゴリズムを用いることは、早期のフラッシュメモリの障害をもたらす。１２８ＭｂＳＤカードが一度に５１２バイト更新された場合には、各々のカードがいっぱいになる前に、ディレクトリに対しておよそ２５６０００の書き込みがある。このことは、メモリのその領域に非常に迅速に応力をかけることになり、フラッシュデバイスの性能が犠牲になる。

この問題を解決するために、ファイルについての情報は、ファイル自体の中に格納されなければならない。このことは、各々の書き込みに対するＦＡＴ表及びディレクトリのエントリを更新することなく、用途が、ファイルの大きさ、ファイルの終端、及び他の重要な属性を位置決めすることを可能にする。ユーザ入力に基づいて、ＦＡＴ表及びディレクトリのエントリは、次いで、ファイルコンピュータを可読にするために、一度だけ更新されることができる。
１つの実施に対する詳細が続く。本実施形態においては、用いられる方法はこれである。一般に、当業者が、同じ結果を実現するためにこのアルゴリズムを用いて、事象の順序又は書き込まれた情報の特定の量を変更することができる他の方法がある。
ファイル情報を格納するためには、各々の５１２バイトブロックの最初の２つのバイトが１６ビットのファイル識別子のために取っておかれる。ファイル識別子は、新規なファイルが開始する毎に増分される。１６ビット識別子の特定の値は、これらが、ファイルの通常の読み取りと干渉することがあるアスキー文字と一致する場合には、制限される。

最初にフラッシュカードが用いられるときには、ファイル空間全体がゼロで上書きされる。このことは、メモリ内のランダムな値がファイル識別子と干渉できないことを保証する。
アプリケーションが起動したときには、フォーマット化が正しいかどうかを確認するために、容量ラベルをチェックする。容量ラベルが正しくない場合には、ユーザは、カードをフォーマットするかどうか質問される。カードがフォーマットされると、又は、容量ラベルが正しい場合には、ディレクトリのエントリをチェックして、ファイルが削除されたかどうかを確認する。
ファイルが削除されたときにはいつでも、アプリケーションは最初のファイル位置をチェックして、以前のファイル識別子を見出す。次いで、これを増分して、新規なファイルの第１のブロックを書き込む。さらに、ディレクトリのエントリ及びＦＡＴ表を調整する。
ファイルが削除されていない場合には、ＦＡＴエントリ及びディレクトリのエントリが正しいかどうかをチェックする。これらか正しい場合には、デバイスが１つのファイルで一杯であるかのようにＦＡＴエントリ及びディレクトリのエントリを再設定する。
ファイルが削除されておらず、エントリが正しくない場合には、最初のファイル位置を読み取って、ファイル識別子を見出す。次いで、バイナリサーチを行いファイルの最終位置を見出して、そこから書き込みを続ける。詳細については図表Ｗを参照されたい。

当業者であれば、１つのデバイスから別のデバイスに機能を移動させる方法を考案することができ、機能をより少ないデバイスに統合することができ、又は、機能をより多くのデバイスにわたり分散し、依然として本発明を使用することができる。
バッテリ制御モジュールがより多いか又はより少ない機能を有する統合においては、上述の全機能は、依然として、自動車が適切に作動するのに必要とされる。当業者であれば、１つの自動車システムの機能の組と異なるプラットフォームの機能の組との間の差異を評価し、本発明を用いて異なる自動車の要求を満たすようにすることができると予測される。
等しい又はより大きいバッテリシステムは、他の自動車の運転可能性又は取り扱い特徴に影響を与えることなく、既存の自動車のバッテリ制御コンピュータを置き換えることができ、既存の自動車のコンピュータを、より良好に新規なバッテリシステムを使用するように操作することができるハードウェアを含む。本発明の他の実施形態においては、現行のバッテリを保持することができ、既存の容量を完全に使用するために、コントローラだけが置き換えられる。
バッテリパックの大きさを増加させるようにする他の方法は、第２のパックを並列に加えること、又は、高電流の双方向ｄｃ−ｄｃ変換器を既存のパックと新規なパックとの間に入れることを含む。パック及びパック制御回路を置き換えることは、付加的な課題を呈し、既存の自動車のプラットフォオームへの清潔な統合を可能にする。

本実施形態における自動車は乗用車である。当業者であれば、これらの原理を、例えば、ハイブリッド電気スクーター、ハイブリッド電気乗用バス、又はハイブリッド電気機関車のような乗用車より大きい又は小さい自動車に適用することができるであろう。
バッテリ充電器は、より大きいバッテリが、殆どの先進国に見出される通常の家の電気コンセント（１００／１２０／２３０Ｖ、６０／５０Ｈｚ）から再充電することを可能にするように本発明に含まれる。既存のハイブリッドシステムを、バッテリからのエネルギをより使用するように促すことによって、ガソリン消費は、ガソリン作動をより大きいバッテリからの電気モータ作動と取って代わるようにすることにより、減少させることができる。増加された電気作動の利点は、使用可能なエネルギのより効率的な使用、内燃エンジンを起動させることなく運転する可能性、又は内燃エンジンを助けて、より少ない燃料を燃焼させることを可能にする可能性において実現される。
バッテリ充電器は、自動車に搭載されていてもよいし、又は搭載されていなくてもよい。充電器は、バッテリ、自動車、その乗員又はサービス員、又は電気的内部構造に対する損傷又はリスクなしで安全に電気格納媒体又はバッテリを充電するように制御されなければならないこと以外は、充電器のサイズに対する制限は指定されていない。自動車は、複雑な又は排他的な接続要求なしで、ユーザの居住地又は仕事場で再充電される機能を少なくとも有することが望ましいが、これは、本発明を適切に機能させるのに必要な条件ではない。

付録１
マルチプレクサ及びスイッチベースの電気化学電池モニタ及び管理装置
発明者：Ｄａｎｉｅｌ Ａ．Ｓｕｆｒｉｎ−Ｄｉｓｌｅｒ、Ｐｅｔｅｒ Ｆ．Ｎｏｒｔｍａｎ、Ｇｒｅｇ Ｈａｎｓｓｅｎ
本発明は、電気化学電池監視及び管理に関し、具体的には、多数の電池が並列及び直列の組み合わせて用いられる場合に関する。マルチプレクサ及びスイッチを使用する革新的な方法は、他のシステムと比べて、劇的に減少した部品数を可能にし、同様なレベルの安全性及び性能を維持することを可能にすることが本発明の説明にわたり教示される。
電気化学電池は、多くの場合、直列又は並列構成に組み合わされて、増加した電力又は容量を与える。並列及び直接の電池構成は、使用可能な電力、格納エネルギ、及び電圧、又は電流を増加させる。均衡化は、すべての電池を等しい充電状態にするために過充電できない状況において必要とされることがある。電池が等しい充電状態になった場合でも、製造及び組み立て許容差又は欠陥、電流又は熱の不均衡は、電池が異なる容量で作動することを引き起こすことがある。

用語
スイッチは、２つの点を互いに接続し、次いで、これらの点を互いから切断することができるいずれかの装置を意味する。スイッチの幾つかの例は、中継器、ソリッドステート中継器、接触器、トグルスイッチ、ＦＥＴ、トランジスタ、オプトカプラ、オプトアイソレータなどである。装置が１つより多いスイッチを含む場合には、２つの独立したスイッチとして示すことができる。
マルチプレクサは、単一の点に接続される幾つかの信号の１つを選択することができる装置を意味する。接続は双方向とすることができ、又は、双方向ではない方法により、出力点上に入力信号の表現を有することができる。どの信号も出力部を通って運ばれないモードを有することができる。例えば、ＳＰＤＴ中継器は、２：１マルチプレクサとして用いることができる。
パックは、直列、並列、又はこれら２つの組み合わせで接続された電気化学電池の集合を意味する。本発明の目的のためには、単一の電池は、パックとしての資格もある。

電気化学電池又は電池：
電気化学電池は、金属、炭素、又は他のＩＶ族要素及び化合物、複合物、又は固体、プラスチック、又は液体電解質と接触するプラスチックのような導電性材料でできた平坦な又は平坦ではない電極で構成される。電池は、非導電性のコンテナに含まれてもよいし、又は含まれなくてもよく、自立型のものであってもよい。
アイソレータ又はオプトアイソレータは、出力信号から入力信号を隔離する装置である。信号を隔離するプロセスにおいては、出力は入力と異なっていることがある。このことは、開放したドレイン出力部、反転出力部、バッファされた出力部、又は幾つかの他の可能性を含むことができる。隔離されたスイッチ又は中継器は、この内容においてはアイソレータと考慮することができる。
マルチプレクサに接続される特定の電池の数を示す図においては、その電池の数は固定されていない。より多い又はより少ない電池が安全にマルチプレクサに接続されることができる場合には、これらは接続されることができ、依然として本発明の一部である。
図表においては、参照番号として数字が続く文字Ｂは、１つ又はそれ以上の電気化学電池を示す。これは、幾つかの並列の電気化学電池であってもよいし、直列の１つ又はそれ以上の電気化学電池であってもよいし（この場合は、個々の電池の間のすべての電圧点が監視されなければならないわけではない）、又は直列と並列の組み合わせであってもよい。

図表において、参照番号として数字が続くＲは、抵抗装置を示す。抵抗は、はっきり示されていない場合には、アプリケーションが短路回路から開放回路に要求するいずれかのものである。
含まれる図表においては、すべての配線が示されるわけではない。当業者であれば、部品を選択し、配線を完成させ、異なる用途の目標を達成することができる値を割り当てることができる。その幾つかの例として、スイッチは、互いに接続される点又は互いに切断される点である２つの端末だけにより示される。スイッチが、１つの点に接続されることができるが、用いられない他の点を含む場合には、これらは示されない。スイッチを作動させるのに制御回路が必要な場合には、そのように表示が付されるか、又は図示されない。マルチプレクサにおいては、選択ラインに必要な完全な回路は図示されない。
図のすべてにおいて、主バスは、２つのワイヤとして示される。２つより多いワイヤのバス及び２つより多いワイヤで終端するブロックを有することが可能である。さらに、異なるブロックに接続された多数のバスを有することが可能である。

ゲートは、２つの点を互いに完全に又は幾つかの抵抗をもって接続することができる装置である。その例としては、上で定義されたようにＦＥＴ、トランジスタ、アイソレータ又は上で定義されたようにスイッチが含まれる。
メモリ／充電格納装置は、特定の量の時間において外部干渉なしでその状態を維持することができる装置である。
ブロックは、出力部上に少なくとも２つのスイッチをもつ一組の装置を意味する。これは、物品を主中央バスに接続するのに用いられる。特定の場合においては、装置は、恒久的にバスに接続されるべきである。これらの特定の場合においては、スイッチは常に接続される。この時点で、これらは短絡回路と置き換えることができる。
独特な新規な発明として、幾つかのブロックは、スイッチが存在し、短絡回路は存在しないことを必要とする。これらのブロックは、スイッチが短絡された他のブロックと共に幾つかの適用例において用いることができる。当業者であれば、１つのブロックを別のブロックに移動させて同一の装置にし、この装置は、新規なブロックの１つと、別の短絡されたブロックにより実現できる場合にはカバーされる。

測定ブロックは、２つのスイッチ及び／又は短絡回路の他方の側に測定装置を有する通常のブロックである。
キャパシタブロックは、２つのスイッチ及び／又は短絡回路の他方の側にキャパシタを有する通常のブロックである。
充電ブロックは、２つのスイッチ及び／又は短絡回路の他方の側にバッテリ充電器を有する通常のブロックである。
放電ブロックは、２つのスイッチの他方の側に、装置を放電することができるものを有する通常のブロックである。
電荷蓄積装置ブロックは、２つのスイッチの他方の側にエネルギを格納することができる装置である。
温度ブロックは、マルチプレクサに接続されるか、独立したものとして、スイッチに接続されるか又は短絡回路をもつ、サーミスタ、熱電対、又は熱ダイオードを有する。
本特許の説明は、ブロックの使用を含む。本特許の一部では、装置は、「特別にカバーされた物品」の下での物品の少なくとも１つを使用しなければならないことを考慮する。「特別にカバーされた物品」の１つを使用するいずれのブロック構成も本特許の一部と考慮される。

導入
スイッチキャパシタ電圧監視は、典型的には、監視される電圧点毎に少なくとも１つの切り換え装置（スイッチ）を含む。これは、各々の測定をするために、バッテリから非常に小さい電流を消耗するという大きな利点を有する。しかし、幾つかの電池が互いに接続された場合には、測定される幾つかの電圧点があり、スイッチの価格はかなり高いものになるとすることができる。スイッチキャパシタ設計を用いない適用例においては、測定装置は、多くの場合、直接、電気化学電池に接続される。より大きい電池構成においては、このことは、測定装置に電力を与えるために別個の電源を必要とする。或いは、測定装置は、パックの一部から電源を与えられることができ、この方法により、電池から電力を消耗し切る。別個の電源もまた価格が高く、電池から電力を消耗することは、特定の適用例においては、貯蔵寿命を減らすことがある。

発明
本文書は、電気化学電池システムを監視するために、スイッチキャパシタのトポロジを用いる費用を減少させる方法を説明する。特定の適用例においては、電気化学電池の組とスイッチとの間にマルチプレクサを入れることが可能である。このことは、所与の電圧点の組に必要なスイッチの数を減少させる。マルチプレクサの漏れ電流は、非常に低くすることができる。少ない数のスイッチは、費用を下げる。図表１は、セルのブロックを２つのスイッチング装置に接続する基本トポロジを示す。必要な隔離程度に応じて、安価な隔離装置を用いて、マルチプレクサに対する選択ラインを制御することができる。

本発明は、以下のいずれか１つ又はそれ以上からそのすべてを行うように構成可能である。
１）電池電圧を測定する。
２）温度を測定する。
３）パック電圧或いは部分的なパック電圧、又は外部電圧を測定する。
４）１つ又はそれ以上の電流を測定する。
５）装置を保護するために外部インジケータ又は接触器を制御する。
６）必要に応じて電池の均衡をとる。
７）望ましい作動エンベロープ内にパックを保持するように熱回路を制御する。
８）収集データを通信バスに通信する。
９）回路及び作動の幾つかを、通信バス上の装置により間接的に制御させる。
１０）必要に応じて、隔離される必要があるいずれかの制御又は通信回路から測定を隔離する。
１１）測定を行い、シャーシに対する高電圧システムからの漏れ電流を定量化する。

本実施形態は、電圧及び温度の測定、電流測定、電池の均衡化、及びサブモジュール上のデータ通信、第２のサブモジュール上の適当な通信による周囲温度測定でのパック電圧及び電流の測定、及び、第３のサブモジュール上のすべての他のモジュール及びサブモジュールに対する熱システム制御、データ通信を含む。各々のモジュールは、必要に応じて、隔離回路を含んで、自動車を保護し、バッテリシステム及び部品を健康に保つ。接触器制御及び外部ＵＯ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自動車のセクションに情報を送ることにより、本実施形態において、直接及び間接の両方で感知される。
基本的な発明は、幾つかのブロックを主バスに接続するこにより実現される。ブロックは、一度に、１つ又はそれ以上、主バスに接続される。特定のブロックは、同時に接続されてはならず、さもなければ、短絡又は隔離障害を引き起こす。他のブロックは、同時に互いに接続することができる。隔離が関心事ではない場合には、隔離障害を引き起こすブロックの組み合わせが許容可能である。

他の領域ではカバーされない実施全体の一部の有益な物品：
電流を測定する１つの選択肢は、ホール効果センサを測定することである。このブロックは、ホール効果センサ及びいずれかの調整回路に電力を与えることができる２つより多いワイヤを用いる。バス上の他の装置に応じて、ソフトウェアの内部にあるスイッチを用いてもよいし又は用いなくてもよく、ａ−ｄ値が測定され、オフセットにされ、次いでスケーリングされる。オフセット及びスケーリング係数は、ユーザ構成可能メモリ内に格納され、通信インターフェースによりプログラムすることができる。電流単位は、スケーリング係数及びオフセットに基づいて求められる。
電気化学パック保護回路が、さらに、設計の一部として含まれる。電池電圧のような特定の量がフラッシュ値の範囲の組から外に出たときには、多目的出力部がトグルされる。これらは、インジケータ光の接触器制御又は他のアプリケーションのホストに用いることができる。さらに、入力及び出力は、他のノードにより、通信バス上で制御することができる。このことは、より高性能のパックの安全性を扱うようにプログラムすることができる、よりインテリジェントなコントローラを通信バス上に配置することを可能にする。

特にカバーされる物品：
電池監視ブロック
このブロックは、装置全体の堅牢性を弱めることなく、部品数を減少させるように、マルチプレクサをスイッチと特に接続する点で独特である。ブロックが設計される方法は独特であり、大幅に低い製造費及び少ない数の部品をもたらす。多数の電圧が隔離されて２つのスイッチだけで測定されることを可能にするマルチプレクサ及びスイッチを含む基本ブロックは、独特で有利である。
パック電圧ブロック
このブロックは、スイッチが新規な発明になることを必要とするが、設計全体の一部としてのスイッチなしで用いることができる。
この設計と両立性がある特徴の１つは、パック電圧を測定することを含む。パック電圧ブロックは、レジスタディバイダのようなアナログで受動的な部品を用いることにより製造されて、アナログ・デジタル変換器上で測定することができる範囲までパック電圧を減少させる。スイッチは、次いで、このスケーリングされた電圧をキャパシタ／電圧バスに切り換える。バスに接続されている場合には、いずれの回路の時定数もＡキャパシタを充電するためのスイッチ持続時間と両立性があることを保証することが重要である。可能性のあるパック電圧ブロックについては図表６を参照されたい。ソフトウェアは、ユーザ構成可能なメモリ値に基づいて電圧ブロックをスケーリングする。電圧単位は、ソフトウェアのスケーリング係数に基づく。

パック電流ブロック
このブロックは、スイッチが新規な発明になることを必要とするが、設計全体の一部としてのスイッチなしで用いることができる。
パック電流の測定を可能にする２つの異なる選択肢がある。第１の方法は、分路測定をスケーリングするのにアナログ回路を用いて、アナログ・デジタル変換器により読み取ることができるようにすることを含む。このブロックは、パック電圧ブロックと同様であるが、電圧測定の代わりに、電流測定をスケーリングする。ここでも、単位をアプリケーションによって任意に設定できるように、スケーリング係数はソフトウェア内に常駐する。
「分割」Ａｈｒ統合
ソフトウェアは、現在の時間までの現在高を格納するレジスタを有する。時間単位は、精度を増加させるために、故意に小さく保持される。電流の積算は、この場合、電流測定と同じくらい正確になる。電気化学電池の監視ソフトウェアを単純に保持するためには、電流積算のための単位は定義されない。さらに、これを充電又は放電の状態に再設定又は変換する責任は、通信プロトコルを用いることができる別のノードに移送される。現在の時間の単位及びアプリケーションについてのさらなる詳細を知る第２のユニットは、ＳＯＣ及び電流のスループットを保持することができる。さらに、これは、電気化学電池モニタ上の値を再設定する能力を有する。電流積分に対するこの分割責任は、電気化学電池モニタのソフトウェアが殆どのカスタムアプリケーションについて再試験されなくてもよいことを保証する。さらに、すべての同様なバッテリは、単一のシステムにより受け入れることができることを保証する。

小増分均衡化
電気化学電池モニタは、高電流均衡化により設定することができるが、電気化学電池は、さらに、より小さい変化で均衡状態を保持することができる。これを行うためには、均衡は、充電の終わり、放電の後わり、又はアプリケーションに基づくカスタム点のいずれかにおいて測定されなければならない。均衡状態についての判断がなされると、均衡化は、電池が使用中ではないとき又は通常の作動中に行うことができる。個々の電池は、異なる時間量に対して均衡をとることができる。均衡におけるこれらの小さい変化は、均衡がとられた電池の組を維持するのに十分である。ここでも、電気化学電池モニタを単純に保持するために、基本的な均衡化アルゴリズムが与えられ、カスタム通信ノードがバッテリの均衡をとるのに最適な選択を可能にする。
タイマー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１つは、各々の電池に個々のタイマーを用いることを含む。電池のタイマーは、通常の間隔で減分する。均衡化は、特定のタイマーがゼロになるまで、各々の電池に対して能動的に保持される。このことは、アプリケーションが、均衡状態の判断により、各々のセルをどれだけ均衡化するかについて決定することを可能にする。均衡化に対する第２の方法は、各々の電池に対して低速のｐｗｖｍを含む。各々の電池は、必要とされる均衡化に基づいて設定される負荷サイクルにより均衡がとられる。グローバルタイマーは減分され、タイマーがゼロになると、均衡化のための負荷サイクルのすべては、ゼロに設定される。

均衡化が電池に対するアイドル期間中に行われる場合には、電気化学電池の監視電流を減少させることができる方法がある。ｐｗｍ又は個々のタイマーにより、電気化学電池モニタの機能の殆どは、スリープにすることができる。これは次いで、必要に応じて、電池の均衡化を更新するために起動される。さらに均衡化電流を減少させることができる幾つかのハードウェアの拡張機能がある。
装置がスリープ状態である間に均衡化を実行するための方法が考慮される。この概念は、別のデバイスでデバイスのゲートをロードし、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高く駆動させることにより、金属酸化物電界効果トランジスタ及び同様なデバイスのゲート及びドレイン源の接合部の間の高抵抗を利用する。別の方法は、放電している電池からバイパスに電力を与えて、外部信号を用いてその状態を設定することである。バイパスが望まれるときには、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、デバイスはオフにされる。同様な方式により、電池のバイパス状態を、オンにトグルし、次いで、外部電力をオフにすることができる。均衡化が進む間、デバイスは、外部源から電力を引き出すことはない。デバイスは周期的に起動して、バイパス状態を再設定するか又は新規な状態をロードし、次いで、再びスリープ状態に戻ることができる。この概念についての描画図について図表を参照されたい。

スリープ均衡化のための電流を減少させた方法は、さらに、ハードウェアにおいて実現することができる。均衡化のためのハードウェア制御ラインは、入力部上の電荷蓄積部又はメモリ装置により設定される。タイマーベースのシステムにおいては、メモリ記憶装置をオンにするか又は充電することにより、均衡化が可能になる。個々のタイマーが切れると、メモリ装置はオフになる。個々のタイマーの代わりの負荷サイクルをもつシステムにおいては、ｐｗｍ期間は、均衡化サイクル全体が１つの期間になるようにスケーリングすることができる。タイマーは、次いで、通常の間隔で装置を起動させて、電池の群に対して均衡化をオフにするか、又は、電荷蓄積／メモリ装置を再充電する。メモリ／電荷蓄積法の大きい利点は、均衡化作動を管理するのに非常に低い供給電力を必要とすることである。
安価に隔離検出を行うために、既存のブロック又はわずかな修正を用いることができる３つの方法がある。
第１の方法は、不完全であるが、殆どの適用例に対してかなり有益である。パック電圧のスケーリングブロックが用いられ、Ｒ１＝Ｒ３であるときに、接続がＰａｃｋ＋−Ｒ１−Ｒ２−Ｒ３−Ｐａｃｋ−であり、スイッチがＲ１、Ｒ２とＲ３の間である場合には、Ｒ３パック測定を行うことができる。パックブロックが測定ブロックと同時にバスに接続された場合には、測定ブロックは隔離されず、パックとシャーシとの間の隔離障害は、障害がパックの中ほどに配置されていない限り、パックとシャーシとの間の隔離障害が検出される。

第２の方法は、第１の方法を完成させる。バススイッチの正端に対するパック＋又はパック−の間のレジスタと、正スイッチと負スイッチとの間のレジスタとで構成される第２のブロックを用いることができる。このブロックが測定ブロックと同時にバスに接続されていた場合には、これがｐａｃｋ＋又はパック−に配置されない限り（用いられるどちらでも）、いずれの電圧読み取り値も隔離障害を示す。
第１の方法と第２の方法との間では、あらゆる隔離障害に対する位置及び抵抗を削除することができる。

第３の方法は、実施するのにおそらく最も容易で最も安価である。両方のスイッチを互いに接続し、切断する必要がある通常のパック電圧ブロックを有する代わりに、パック電圧のスイッチは、独立して制御されることができる。さらに、中間抵抗は、抵抗ブロックに移動される（抵抗ブロックは、一方のスイッチを恒久的に短絡させ、他方のスイッチは隔離させないでよく、安価なものでよい）。通常の測定は、最初に、パック電圧ブロック全体をキャパシタブロックに接続し、抵抗ブロックも同時に接続することにより行われる。次いで、抵抗ブロック及びパックブロックは切断され、測定ブロックが接続される。その後で、測定は同時に接続されたパック電圧ブロック、抵抗ブロック、及び測定ブロックにより行われる。測定におけるどのような変化も隔離障害を示す。中間パックの隔離障害をチェックするためには、パック電圧ブロックの半分を抵抗ブロックに接続し、これは測定ブロックに接続される。非ゼロ測定は障害を示す。最後に、Ａ−Ｄ抵抗が考慮される場合には、抵抗ブロックがシステムから完全に除去され、この概念は依然として同一に機能する。

融通性を増加させることを可能にする設計の一部は、同じ回路を反復する接触「ユニット」において伸縮可能なボードを製造することを含む。単一ボードの「ユニット」は、単一の電池ブロックを扱うことができるように設計される。通信ラインの幾つかは、１つのボードから、その隣りの同一のモードまで延びることができる。一方のボードは、完全にマイクロプロセッサが設置されており、他方のボードはスレーブボードになっている。ボードが構築されるときは用途を知らなくても、幾つかのボードを並列して構築することがより容易である。用途がわかったら、ボードの幾つかが残りから分離されて設置される。互いに短絡することがあるトレースを有することなく、ボードを安全に壊すことができる２つの方法がある。いずれの方法においても、平面の層は、可能性のある裂け目の縁までずっと延びてはならない。このことは、どのような信号も平面に対して短絡できないことを保証する。
第１の方法は、両方のボードにわたりレジスタの設置面積を用意することを含む。ボードをブリッジしなければならない通信ラインは、ゼロオームレジスタにより運ばれる。レジスタが設置されない場合には、短絡する能力を有するどのようなライブ信号もなしで、ボードを壊すことができる。

通信ラインにボードをブリッジさせるための第２の方法は、ブリッジの片側にバイアを設定することを含む。ボードが切断される場合には、トレースは最初に２つのバイアの間で切断される。トレースを十分なだけ離して配置することにより、トレースは互いに短絡できなくなる。次いで、バイアは、トレースがボードから容易に引っ張られて外れることがないことを保証する。バイアはこれを所定の位置に固定するべきである。
データ収集を単純にする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。通信ノードは通信システムを用いて、「同期及び一次停止」メッセージを配信することができる。メッセージの受信により、装置はすべて、監視する第１の電気化学電池において開始する。電池のすべてを監視し終わると、測定の記録を停止して、通信ノードが同様な時間枠でとられたすべての測定の群を読み取ることができるようにする。
パック保護が「同期及び一次停止」機能と並行して稼動できることを保証するために、測定が連続的に行われ、最大電圧のような重要な量がさらに算出される。変更される唯一のことは、個々の電池を特定のメモリ位置に記録することである。このことは、測定の「一次停止」が、電気化学電池監視のいずれの他の態様にも悪影響を与えるものではないことを保証する。比較される値は、多くの場合、時間と共に変化するため、同期性は、測定を行うときに重要である。

メモリの最適化
小さい列を成すメモリの列をもつ小さい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た。アレイ及びポインタを直接用いる代わりに、抽象化が用いられて、構造体の２つの連続する要素が隣接するメモリ位置を占める必要がないようにした。これを行うために、すべてのメモリアクセスは、連続するアドレスに基づいていた。構造体は、この連続アドレスにおいてメモリのブロックを占めるように設定される。しかし、マップに基づいて、連続アドレスにおける隣接位置は、同じ設計を異なるマイクロプロセッサのアーキテクチャに適合させるために、実際のメモリの異なるセクションにマップされることができる。これについての１つの利点は、通常のメモリに適合させることができないアレイを用いることを可能にすることである。連続アドレスモデルは、さらに、通信を系統化し続けることを助ける。アドレスから読み取り、アドレスに書き込む高レベルの通信プロトコルにより、アドレスは、連続マップに沿って設定することができる。内部の読み取り及び書き込みは、さらに、同じマップに沿って設定される。このことは、既存のメモリをより良好に用いることに加えて、メモリベースの通信プロトコルを単純化する。別の利点は、連続モデルに特定のアドレスが存在するが、実際のメモリ位置にはマップされないことである。このことは、装置が、マイクロプロセッサが可能にするアドレス空間より大きい空間を必要とする通信プロトコルと互換性があるものにすることを可能にする。すぐ下の添付図を参照されたい。
＊連続アドレス空間＃２は＃１と同じとすることができる。さらに、より多くのアドレス空間が必要な場合には、アドレス移動ブロックは、２つより多いアドレスマッピングにより設定することができる。

以下の段落は、その使用を示すブロックについての１つの構成である試作品に適用される。
現行の試作品は、エンドツーエンドで接続された６ｐｃｂまでのボードを用いる。完全な組み合わせは、２４の電圧及び４８の温度まで測定することができる。これは１つの電流を測定し、接触器又はステータスＬＥＤを直接又は間接的に制御することができる１つの外部出力を有する（より多くが使用可能である）。
現行の試作品においては、６までの電池ブロックが１つのバスに接続されている。このことは、２４までの電池電圧を監視することを可能にする。このバスに接続されるスイッチの代わりに、短絡回路をもつキャパシタブロックがある。さらに、異なる装置の電圧を測定することができる測定ブロックがある。主バスは、さらに、パック電圧バスを設置することができる領域を有する。第１に、キャパシタを充電又は放電する電池ブロックがバスに接続される。次いで、セルブロックは切断され、測定ブロックは接続され、測定が行われる。

装置は、温度のために第２のバスを有する。温度は、電池から隔離されたサーミスタを用いて測定される。サーミスタは既にパックから隔離されているため、用いられるスイッチは、パック電圧全体と取り扱うことができる必要はない。測定装置は、恒久的に第２のバスに接続されるが、これはどのような隔離問題も引き起こすことはない。これは、４８の温度を測定することができる。
装置は、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つのワイヤの代わりに３つのワイヤのバスを必要とする。ホール効果センサは隔離されており、恒久的な接続による問題はないため、このバスは恒久的に接続される。
この装置は、ソフトウェアにおいてｐｗｍベースの均衡化を用い、アイソレータはゲートを駆動させて均衡化のためにバッテリを放電する。これは、１電池当たり５０ｍＡまで放電するように設定される。
この装置は、４００バイトより少ないＭを有するマイクロプロセッサを用いる。電圧及び温度のすべてを共に格納するために、マイクロプロセッサにおける隣接するメモリ位置に適合することができないメモリのブロックを必要とする。メモリモデルは、すべてをマップして、電圧及び温度のすべてを、これらが連続するメモリモデルと互いに適合するかのように扱うことができるようにする。装置は、ＲＳ４８５／ｍｏｄｂｕｓ通信を用いて、いずれかの他の装置と対話する。ｍｏｄｂｕｓ運転者は、アプリケーションの残りとして同じメモリマッピングを用いる。

上記の説明は、当業者が本発明を実施することができる詳細を含むが、この説明は、本質的に例示的なものであり、多くの修正及び変形態様は、これらの教示の利点を有する当業者に明らかであろう。したがって、本発明における本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は、従来技術を考慮して可能になるように広く解釈されることが意図される。

Claims (1)

1. ハイブリッド自動車をプラグインハイブリッドに変換するための後付けシステムであって、
   ５マイルを超える電気オンリーの運転範囲を自動車に与えるのに十分な電荷を蓄積するためのバッテリと、
   バッテリの充電状態を示すバッテリパラメータを監視して、それを示す信号を生成するためのバッテリ管理システムと、
   前記バッテリ管理システムに応答して、バッテリの上昇した充電状態を前記ハイブリッド自動車のハイブリッド制御システムに報告し、拡張された運転範囲にわたり、不作動状態のガソリンエンジンを維持するようにする制御ユニットと、
   を含むことを特徴とする後付けシステム。

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