JP2013540415A - 低電圧領域と高電圧領域を有する電流供給システムのためのバッテリー管理システム - Google Patents

Abstract

電流供給システム（１）、特に自動車の電気駆動部またはハイブリッド駆動部のための電流供給システム（１）は、以下の構成要素を有している。すなわち、低電圧を供給するとともに、少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）および／または少なくとも二つのエネルギー貯蔵セル（３）から成る少なくとも一つのセルモジュール（４）を有する電気的エネルギー貯蔵装置（２）と、高電圧で作動される電気的負荷部（５）と、低電圧を高電圧に、および／または高電圧を低電圧に変換する電圧変換器（６）、特に直流／直流電圧変換器と、前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）を制御するための制御装置（８）と、である。前記電流供給システム（１）はさらに、前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）が設けられている低電圧領域（９）と、前記電気的負荷部（５）が設けられている高電圧領域（１０）と、を有している。前記制御装置（８）を概ね前記電流供給システム（１）の前記低電圧領域（９）に設けることが提案される。本発明の特に好適な実施の形態において、前記制御装置（８）は概ね前記電圧変換器（６）に組み込まれている。

Description

本発明は、電流供給システムに関するものであり、特に、自動車の電気駆動部またはハイブリッド駆動部のための電流供給システムであって、低電圧領域および高電圧領域と、低電圧を供給するとともに前記電流供給システムの低電圧領域に設けられている電気的エネルギー貯蔵装置と、高電圧で作動されるとともに前記電流供給システムの高電圧領域に設けられている電気的負荷部と、を有する電流供給システムに関する。

本発明は、自動車における使用と、当該自動車の電気駆動部またはハイブリッド駆動部のための電流供給システムと、に関して説明される。しかしながら本発明に係る電流供給システムは、自動車に関わらない他の応用、特に定置式の応用に対しても用いられ得る点が指摘される。

本発明において電流供給システムとは、電気エネルギーを作り出すための電源と、当該電気エネルギーを伝達するとともに、場合よっては変形するための構成要素と、当該電気エネルギーを機械エネルギーまたは熱エネルギーのような他のエネルギー型式に変換するための電気的負荷部と、これらの過程を制御するための装置と、場合によってはさらなる構成要素と、を有するシステムと理解される。

電流供給システムは低電圧を供給する電気的エネルギー貯蔵装置と、高電圧で作動される電気的負荷部と、を有している。

本特許出願において低電圧とは、０Ｖから９０Ｖの間、好ましくは３０Ｖから６０Ｖの間、さらに好ましくは４０Ｖから５０Ｖの間の電圧と理解される。本特許出願において高電圧とは、９０Ｖを超える、好ましくは１５０Ｖを超える、さらに好ましくは２５０Ｖを超える電圧と理解される。

上記の電圧範囲の限定は、電気エネルギー技術の領域で低電圧もしくは高電圧に対して一般に用いられている電圧範囲の限定と必ずしも一致しない点が指摘される。しかしながら上記の電圧範囲は、電気自動車技術の分野において、電気的エネルギー貯蔵装置、特にリチウムイオンバッテリーのようなバッテリー、もしくは自動車を駆動するための電気モータのような電気的負荷部に対して一般に用いられている電圧範囲である。

電気的エネルギー貯蔵装置から供給される低電圧は、好ましくは直流電圧である。電気的負荷部を作動するのに用いられる電圧は、好ましくは交流電圧である。

電気的エネルギー貯蔵装置とは、電気エネルギーの形で放出されるエネルギーを貯蔵するための装置のことである。このとき電気的エネルギー貯蔵装置は、純粋に電気的原理で動作するエネルギー貯蔵装置、例えばキャパシタであってよく、または、電気化学的エネルギー貯蔵装置、例えば（充電できない）一次バッテリーまたは（充電可能な）二次バッテリー、すなわち蓄電池であってよい。

本発明は充電可能な電気的エネルギー貯蔵装置に関して説明されるが、充電できない電気的エネルギー貯蔵装置にも応用され得る。

電気的エネルギー貯蔵装置は少なくとも一つの、好ましくは多数のエネルギー貯蔵セルを有している。エネルギー貯蔵セルとは、電気的エネルギー貯蔵装置内部の、エネルギーが貯蔵され得る最小構成単位のことである。エネルギー貯蔵セルは例えば、セルハウジングに設けられている複数のアノードと、カソードと、当該アノードとカソードとの間に設けられているセパレータと、から成る電極構造体を有しており、電気化学的エネルギー貯蔵装置の場合、当該電極構造体は例えば液体の、またはゲル状の電解質によって浸漬されており、前記エネルギー貯蔵セルはまた、放電電流および／または充電電流のための導体と、過熱に対する保護回路または保護装置のようなさらなる装置と、を有している。

電気的エネルギー貯蔵装置はさらに、少なくとも一つのセルモジュールを有し得る。セルモジュールとは、電気的エネルギー貯蔵装置内部の構成単位であって、通常の動作中は解除されない電気的接続部を有する少なくとも二つのエネルギー貯蔵セルのことである。セルモジュールは好ましくはハウジングであって、当該ハウジング内に前記少なくとも二つの、電気的に互いに接続されたエネルギー貯蔵セルが収容されているハウジングと、外部にガイドされている共通の電気的接続部と、場合によって制御回路、センサおよび冷却装置および／または消火装置のようなさらなる装置と、を有している。電気的エネルギー貯蔵装置内部のセルモジュールは、好ましくは互いに並列に接続されている。

任意の構造体において、セルモジュール内部のエネルギー貯蔵セルは相互に接続されていてよいが、エネルギー貯蔵セルは好ましくはまず直列に接続され、その後並列に接続されている。例えばまず２個から１４個のエネルギー貯蔵セルが直列に接続されてセル索体となり、その後４個のこのようなセル索体が並列接続される。例えば公称電圧がそれぞれ４Ｖである１２個のエネルギー貯蔵セルを直列接続する場合、セル索体の公称電圧、およびそれとともに４個のセル索体から成る並列接続の公称電圧は４８Ｖとなり、すなわち本発明で用いられる意味での低電圧が生じる。

このような低電圧は電気自動車を作動させるにあたり、安全上の理由から極めて望ましい。例えば不具合があって電圧が供給されている部分に接触しても、車両の乗客、または、事故の際に呼び寄せられる救助作業者に対して直接的な危険がないからである。

一方で、例えば車両の加速性能、最高速度または牽引力に関して、十分な車両性能と高度な乗り心地とを達成するためには、電気モータを本発明で用いられる意味での高電圧で作動させ、それによって常に必要とされる、もしくは望まれるトルクを確保することが望ましい。

従って、電流供給システムはさらに電圧変換器、特に直流／直流電圧変換器を有している。当該直流／直流電圧変換器は低電圧を高電圧に、および／または高電圧を低電圧に変換する。電圧変換器は電気的エネルギー貯蔵装置によって作られる低電圧を、電気的負荷部が必要とする高電圧に変換する。

電流供給システムには逆方向の電力潮流、すなわち電気的負荷部から電気的エネルギー貯蔵装置への電力潮流も設けられていてよい。それによって好ましくは、回生ブレーキ、すなわち、制動時に発電機として作動される電気モータによる制動エネルギーのフィードバックを実現する。この場合、電圧変換器はまた、電気的負荷部から供給される高電圧を必要とされる低電圧に変換し、電気的エネルギー貯蔵装置が充電可能である場合、当該電気的エネルギー貯蔵装置は当該低電圧で充電され得る。

電気的負荷部によって必要とされる高電圧が交流電圧である場合、電流供給システムはさらにインバータを有しており、当該インバータは電圧変換器から供給される直流電圧を電気的負荷部によって必要とされる交流電圧に変換する。

電流供給システムがインバータを有している場合、高電圧を用いることのさらなる根拠が以下の点から生じる。すなわち、必要とされる電気出力を得るためには、高電圧を用いると、低電圧の場合よりも相応に小さな電流が流れなければならない。インバータ電子機器内の電力半導体のためのコストは、当該電力半導体が構成される対象となる電圧もしくは電流に関していえば、電圧よりも電流によって、より速く増大するため、ここで高電圧を用いると、コンバータにとってコスト上の有利点が生じる。同じ理由から、高電圧を用いる場合、好ましくは銅から製造される電流供給システム内部の導線は比較的小さな断面で、それによって低電圧を用いる場合よりも容易かつ廉価に構成され得る。

最終的に、電圧変換器を有さずに、電気的エネルギー貯蔵装置によって高電圧を作り出すためには、多数のエネルギー貯蔵セルを直列接続することが必要であると思われる。しかしながらこれは、直列接続においては、個々のエネルギー貯蔵セルの容量が一般的にわずかに異なることにより、全体として容量損失が生じるという理由によって、非効率的である。

電気的エネルギー貯蔵装置と、電気的負荷部と、電圧変換器と、を有している上記の種類の電流供給システムは、例えば特許文献１から知られている。

前記電気的エネルギー貯蔵装置はさらに、低電圧領域と高電圧領域とを有している。

低電圧領域は、低電圧によってのみ作動される電流供給システムの概ね全ての構成要素を含んでいる。従って、低電圧領域において支配的な全ての電圧は低電圧である。

高電圧領域は、完全にまたは部分的に高電圧で作動される電流供給システムの概ね全ての構成要素を含んでいる。従って、高電圧領域において支配的な電圧は概ね高電圧である。しかしながら、高電圧領域においては高電圧よりも小さな電圧が支配的になることもある。低電圧領域における逆の場合とは異なり、それによって安全上の問題が生じないためである。

このとき電圧変換器は低電圧領域と高電圧領域との間のインターフェースを形成しており、当該電圧変換器は、当該電圧変換器の部分のうち低電圧のみをガイドする部分によって低電圧領域に含まれており、その他の部分によって高電圧領域に含まれている。

電流供給システムはさらに電気的エネルギー貯蔵装置を制御するための制御装置、好ましくはバッテリー管理システムを有している。この種の制御装置は多数の機能を満たす。すなわち、好ましくは接続されている電気的エネルギー貯蔵装置の放電と、場合によっては充電とを、当該電気的エネルギー貯蔵装置の測定されたパラメータである電圧、電流、温度などに基づいて監視し、かつ、制御することと、場合によっては自動車をより安全かつ最適に駆動するために、上記の過程に対して修正的な介入を行うことである。この目的のために制御装置は、電気的エネルギー貯蔵装置のほかに、電流供給システム内部および外部にある、自動車の多数の他の構成要素、例えば電気的負荷部、電圧変換器、および、さらなる構成要素、例えばエンジン制御システム、外部充電器、外部診断装置または自動車に取り付けられたセンサ、例えば衝突を認識するための加速センサと、接続されている。

電気的エネルギー貯蔵装置のためのこのような制御装置は、例えば本特許出願の出願人による特許文献２および特許文献３から知られている。

特許文献２では特に再充電可能なエネルギー貯蔵ユニット（「バッテリー管理システム」）のための制御装置が提案され、当該制御装置は、少なくとも一つの第一の制御装置と、少なくとも一つの第一の記憶ユニットと、第二の制御装置と、第二の記憶ユニットと、を有しており、当該第一の制御装置は、少なくとも一つのガルバニセルの少なくとも一つの機能パラメータの目標値の維持を監視し、当該機能パラメータの目標値は第一の記憶ユニットに格納されている。このとき第一の記憶ユニットと第二の記憶ユニットは信号を介して接続されており、ガルバニセルの機能パラメータに関するデータのみならず、「バイタルサイン」も互いに交換する。当該特許文献にはまた、例えばエネルギー貯蔵ユニットの進行中の劣化を特定するという目的での、ガルバニセルの機能パラメータの時間履歴の評価と、当該ガルバニセルの機能パラメータの将来的な時間履歴の予測とが記載されている。

特許文献３は、内蔵型回路の形でこのようなバッテリー管理システムを、技術的にさらに展開させたものを対象としている。

米国特許第５３７３１９５号明細書 独国特許発明第１０２００８００９９７０号明細書 独国特許発明第１０２００８０５２９８６号明細書

本特許出願の発明は、上記の種類の電流供給システムであって、当該電流供給システムの構成を十分に利用するとともに、当該電流供給システムの安全な動作を可能にする電流供給システムを創出することを課題とする。

上記の課題は、独立請求項１の特徴を有する電流供給システムによって解決される。従属請求項は、本発明の有利なさらなる構成を提供している。

本発明によれば、制御装置は概ね電流供給システムの低電圧領域に設けられている。制御導線またはセンサなど、制御装置の個々の構成要素であって、電気的負荷部のような高電圧領域内の構成要素への接続を行う個々の構成要素のみが、場合によって低電圧領域に設けられていない。しかしながらこれらは制御装置の動作にとって必ずしも不可欠ではないような構成要素にすぎない。制御装置は、個々の上記の構成要素、あるいは全ての上記の構成要素が停止される場合も、当該制御装置の機能の大部分を果たし続けることができる。

本発明のように制御装置を概ね低電圧領域に設けることは、電流供給システムを低電圧領域と高電圧領域とに、明瞭に機能的に区分することが可能であるという利点を有する。特に低電圧領域は、高電圧領域が例えば安全上の理由から停止されたり、あるいはその他の理由から利用できないときに、機能を果たし続けられる。

本発明の特に好適な実施の形態において、制御装置は概ね電圧変換器に組み込まれている。

このとき「組み込まれている」という概念は一つには、二つの装置が共同で単一の構成要素として構成されており、当該単一の構成要素は同一の作用工程において車両内に取り付けられ得、当該単一の構成要素においてはまた、例えば二つの装置のコミュニケーション・バスのため、あるいは電流供給のための特定の接続導線が一回のみ設けられている。好ましくは当該二つの装置は共通のハウジングに収容されている。

「組み込まれている」という概念はしかしまた、二つの装置が単独の集積回路の形で実施されていることを意味する。当該集積回路も特定の接続導線を一回のみ有しており、および／または単独のハウジングに収容されている。

二つの別個の構成要素に対して単独の構成要素がもたらす明らかな有利点、すなわち、必要とされるスペースがより少ない、重量が比較的小さい、製造および組立コストが比較的少ない、エネルギー負荷が比較的少ない、などの有利点のほかに、制御装置が電圧変換器内に組み込まれていることから、さらなる相乗効果が生じる。当該相乗効果は、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ、メモリユニットまたは電力工学部材といった特定の電子工学的構成要素が一回だけ設けられていればよいということから得られる。

さらに制御装置が電圧変換器内に組み込まれている場合、電気的エネルギー貯蔵装置によって作り出される低電圧と、電圧変換器によって作り出される高電圧とは、双方とも電圧変換器内部で利用されるとともに、組み込まれている構成要素内部で直接的に、従って非常に簡単に測定される。

例えばバッテリー管理システムとしての制御装置の機能を実現するために、さらなる構成要素としてさらに必要とされるのは、概ね電気的エネルギー貯蔵装置のパラメータ、例えばセル電圧、セル電流、またはセル温度、に対するセンサのみである。このようなセンサと、場合によっては、センサ測定値を処理するために必要とされる電流供給システムの構成要素、例えば信号増幅器、アナログ／デジタル変換器、符号化回路または変調回路、のうち、好ましくは「非インテリジェント」な部分は、好ましくはエネルギー貯蔵セルおよび／またはセルモジュール内に、またはエネルギー貯蔵セルおよび／またはセルモジュールに接して設けられている。

制御装置の上記の配置は、電流供給システムを特に容易に構成することを可能にする。

本発明の好適な実施の形態において、制御装置は少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータを測定するための測定装置と、当該少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータを評価するための評価装置と、当該機能パラメータまたは当該機能パラメータから導出される値を格納するための少なくとも一つの記憶装置と、を有している。

測定装置とは、エネルギー貯蔵セルの機能パラメータを検出するための装置のことである。これは例えば電圧、電流、電荷などの電気的数値、あるいはまたエネルギー貯蔵セルの温度を測定するためのセンサであってよい。

機能パラメータとは、エネルギー貯蔵セルを説明するために有益であり得る物理変数のことである。これは例えばエネルギー貯蔵セルの電気的容量、無負荷運転時にエネルギー貯蔵セルの二つの電極の間で測定可能な電圧、または、負荷に依存する端子電圧、充電または放電を生じさせる電流の強度、エネルギー貯蔵セルの内部抵抗、エネルギー貯蔵セルの充電済みあるいは利用可能な電荷、エネルギー貯蔵セル内部の電極間の漏洩電流、あるいはまたセルの温度である。電気的エネルギー貯蔵装置の種類および当該電気的エネルギー貯蔵装置の動作に対する要求に応じて、さらに他の物理変数が重要になり得る。

評価装置とは、機能パラメータを例えばスケーリングによって、物理変数から算術変数に変換するための装置のことであり、当該変換は、例えば設定された計算規則を用いて、他の測定された機能パラメータまたはその他の数値に関連づけることにより、演算処理を行うために、あるいは、検出された数値の集合または選別など、その他の処理を行うためになされる。評価装置はまた、測定された機能パラメータを、制御装置によるさらなる処理のために利用可能とするためにも用いられる。

記憶装置は、測定された機能パラメータまたは当該機能パラメータから導出される値、例えば関連する積分値または微分値を格納するのに役立つ。これらの値と共に時間的な割り当ても格納され、それによってエネルギー貯蔵セルにおける過程を後から、時間的に再構築できる。このとき記憶装置は例えば、データを揮発性または不揮発性に記憶するための電子工学的、磁気的、または光学的に記録可能な装置であり、例えばＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ−ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ハードディスク、または記録可能なコンパクトディスクである。

本発明のさらなる好適な実施の形態において、機能パラメータから導出される値は、電気的エネルギー貯蔵装置、セルモジュール、またはエネルギー貯蔵セルの劣化および／または残留寿命である。これは以下の理由により重要である。すなわち、エネルギー貯蔵セルは劣化が進むにつれて、当該エネルギー貯蔵セルの挙動を変化させ得、それによって例えば充電過程が不変であっても、エネルギー貯蔵セルの充電が減少し得、利用可能な電圧が減少し得るからである。

エネルギー貯蔵セルの劣化を特定するために、例えば測定装置によって測定されたエネルギー貯蔵セルの機能パラメータから、当該機能パラメータの将来の時間履歴が評価装置によって予測され、それとともにエネルギー貯蔵セルが将来的に受容可能な電荷および／または当該エネルギー貯蔵セルから取り出し可能な電荷および／またはエネルギー貯蔵セルが達成可能な最大電圧も検出される。このようにして電気的エネルギー貯蔵装置のさらなる動作に関する叙述が可能となる。一つまたは複数のエネルギー貯蔵セルの劣化に関する予測から、当該エネルギー貯蔵セル、個々のセルモジュール、または電気的エネルギー貯蔵装置全体の経済的な残留寿命についての予測がなされ得る。このようにしてまた、必要なメンテナンスまたは必要な交換が示唆され得る。

本発明のさらなる好適な実施の形態において、エネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータが目標値から偏移しているとき、制御装置は当該目標値を維持するための少なくとも一つの手段を講じるか、および／または、当該手段が功を奏さないままである場合は、エネルギー貯蔵セルを停止させる。このような手段は、好ましくは電気的エネルギー貯蔵装置の安全な動作に寄与し、それによって電流供給装置全体の安全な動作に寄与する。

機能パラメータは例えば、電気的エネルギー貯蔵装置の点火またはその他の損傷を避けるために、一定の最高温度を上回ってはならないエネルギー貯蔵セルの温度であってよい。その場合、目標値を維持するための手段は、例えば一時的にエネルギー貯蔵セルから取り出される充電電流を減少させること、および／または、エネルギー貯蔵セルの冷却を強めること、および／または冷却剤または消火剤を自動的に供給することであってよい。これらの手段によってセル温度が所定の最高温度を下回るように減少しない場合は、過熱されたエネルギー貯蔵セル、またはセルモジュール、または電気的エネルギー貯蔵装置全体が停止される。後者の場合、制御装置が好ましくは、できる限り少数のエネルギー貯蔵セルおよび／またはセルモジュールのみを停止するように努め、それによって電流供給システムの動作を、場合によっては限定された形で、維持する。

使用者は好ましくは、このような手段もしくは停止について知らされているとともに、電気的エネルギー貯蔵装置の利用可能な容量が当該手段によって、もしくは停止によって変化している場合、当該容量変化についてのメッセージを得る。

本発明のさらなる好適な実施の形態において、少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータまたは当該機能パラメータからから導出される値を測定すること、および／または評価すること、および／または記憶することは、高電圧領域に概ね電力が供給されないときに行われる。

高電圧領域に電力が供給されないこのような状態は例えば、電流供給システム全体がまだ全然作動されていないとき、例えば電流供給システムまたは当該電流供給システムの構成ユニットとしての部分を組み立てた後であるが、自動車に取り付ける前であるとき、あるいは電流供給システムを自動車から取り外した後であるが、分解および／または解体する前であるとき、に成立する。

比較的長い時間にわたって持続し得るとともに、例えば、特に電気的エネルギー貯蔵装置の電流供給システムまたは当該電流供給システムの部分の輸送または保管が行われる上記の状態においてすでに、電気的エネルギー貯蔵装置の状態を監視し、かつ、記録することは重要である。

上記の状態において重要であり、かつ、認識されるべき電気的エネルギー貯蔵装置における出来事は例えば短絡、（例えば輸送中の振動による）接触の解除、危険な熱の増大、あるいは例えば湿気に関係する表面漏れ電流による望まない放電、である。このような監視は一般に、好ましくは輸送および保管の間の、電気的エネルギー貯蔵装置の安全と価値の維持とに役立つ。このような監視の可能性は、法律的な規定に基づいて定められている場合すらある。

しかしながら自動車を始動させた後も、当該自動車がちょうど使用されていないとき、あるいは、高電圧領域における高電圧が他の理由から、例えば衝突を認識した後に停止されたとき、高電圧領域に電力が供給されない状態があり得る。

本発明のさらなる好適な実施の形態において制御装置は、エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールが電流供給システムに対して好適であるか、および／またはエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールがどのような状態にあるか、検出する。

エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールのこのような適合性検査は好ましくは、電気的エネルギー貯蔵装置にエネルギー貯蔵セルもしくはセルモジュールを最初に装填するときに行われ得るが、一つまたは複数のエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールが、例えば欠陥があったり、劣化が進み過ぎていて、交換された場合も行われる。

このとき適合性検査は例えば、エネルギー貯蔵セルの型式、供給可能な電圧、あるいは供給可能な電流に関係し得る。このとき適合性検査は、エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールの相応の測定された機能パラメータを用いることができるが、制御装置と好ましくはセルモジュールの間の通信接続を介してデータを読み出すことを介して、適合性検査を行うことも可能である。このようにしてエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールの適合性にとって重要であるさらなるパラメータ、例えば製造者、識別番号、または、直接、物理的に測定され得ないが、データの形でエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールに格納されているような機能パラメータ、例えば最高許容動作温度または最低許容動作温度または最大放電電流が検出され得る。

このような適合性検査の結果は、検査されるエネルギー貯蔵セルまたは検査されるセルモジュールと、検査されるエネルギー貯蔵セル／検査されるセルモジュールを電気的および／またはデータ技術的に電気的エネルギー貯蔵装置に組み込むこと、とを承認することであり得る。しかしながら当該適合性検査の結果はまた、エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールを拒否するとともに、使用者または保守作業者に充てた相応の情報を発信することでもあり得る。

エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールの状態の初期検査、例えば充電状態の検出は相応に行われ得る。

このような状態検査の結果は、新しいエネルギー貯蔵セルまたは新しいセルモジュールを一定の充電状態に自動的に再充電すること、あるいは、一定の動作温度に冷却または加熱することでもあり得る。

電気的エネルギー貯蔵装置に新たに受容されるエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールの適合性検査も状態検査も、当該電気的エネルギー貯蔵装置の正しい構成と、安全な動作と、に役立つ。

本発明のさらなる好適な実施の形態によれば、少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータまたは当該機能パラメータから導出される値を測定すること、および／または評価すること、および／または記憶することは、高電圧領域が高電圧下にあるときに行われる。

電流供給システムの上記の状態は一般に、当該電流供給システムが適正かつ障害無く作動している間に生じる。このような状態では制御装置も当該制御装置の主たる課題を実現する。すなわち、自動車の運転中、電気的エネルギー貯蔵装置を、できる限り最適な、つまり、エネルギーを節約し、および／または電気的エネルギー貯蔵装置を保護するやり方で制御することである。作動を最適化する際、例えば個々のエネルギー貯蔵セルの劣化と、当該エネルギー貯蔵セルを含むセルモジュール内部または電気的エネルギー貯蔵装置全体内部での充電挙動が考慮され得、それによって電気的エネルギー貯蔵装置の利用価値を増大させるとともに、当該電気的エネルギー貯蔵装置の寿命を延長する。

本発明のさらなる好適な実施の形態は以下の点を特徴とする。すなわち、異常な動作条件において、特に事故において、
−制御装置は少なくとも二つのエネルギー貯蔵セル同士またはセルモジュール同士の間の電気的接続を遮断する、および／または
−少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータを評価することが、当該エネルギー貯蔵セル、セルモジュール、または、電気的エネルギー貯蔵装置の機能性を判断するステップを有している、および／または
−前記少なくとも一つのエネルギー貯蔵セルの少なくとも一つの機能パラメータから導出される値は、当該エネルギー貯蔵セル、セルモジュール、または、電気的エネルギー貯蔵装置の機能性に関する報告である。

上記の特徴は「事故安全モード」に対応している。当該モードにおいて、エネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールを分離することにより、電気的エネルギー貯蔵装置内部の電気的な接続を意図的に遮断することによる、エネルギー貯蔵セルの無制御、かつ、突然の放電は回避されるべきである。

同時に、自動的に行われ得るという条件で、エネルギー貯蔵セルは事故によって起こり得る損傷について、好ましくはエネルギー貯蔵セルのための検査プログラムが開始されることにより、検査されるべきである。

最終的に自動車の使用者は、事故の後、個々のエネルギー貯蔵セル、セルモジュール、または、電気的エネルギー貯蔵装置全体のさらなる機能性に関する確実な伝達内容を有する報告を得るべきである。当該報告は使用者に対して、自動車がそのまま、例えば非常時運転で、使用可能であるか、あるいは、外部からの救助を要求すべきであるか、決定できるようにする。エネルギー貯蔵システムの機能性に関する報告はその場合、呼び出される保守作業員にも直接利用できるようになっており、当該保守作業員が診断および修理活動を行う際の助けとなり得る。

本発明のさらなる好適な実施の形態において、エネルギー貯蔵セルは充電可能であり、制御装置は異なるエネルギー貯蔵セルの異なる充電状態を、当該エネルギー貯蔵セル同士の間で電荷を移動させることによって等しくすることができる。

これにより、特に多数の直列に接続されたエネルギー貯蔵セルの場合、電荷の取り出しまたは貯蔵は、個々のエネルギー貯蔵セルに対して、より均一に分配され得る。当該処置はセルモジュールと電気的エネルギー貯蔵装置の利用可能な容量全体を増大させられるとともに、個々のエネルギー貯蔵セルの寿命を延長させ、それとともに電気的エネルギー貯蔵装置全体の寿命を延長させられる。このような電荷の均等化に対しては、いわゆる静的方法も、いわゆる動的方法も知られている。

本発明のさらなる好適な実施の形態において制御装置は、異なる構成形式を有する、および／または異なる容量を有する、および／または異なる性能データを有するエネルギー貯蔵セルまたはセルモジュールを制御することができる。

これにより、例えば、リチウムイオンバッテリー、リチウムポリマーバッテリー、リン酸鉄リチウムバッテリー、および鉛バッテリー、ハイパワーバッテリー、ハイエネルギーバッテリー、のようなイオン性のエネルギー貯蔵セルおよび非イオン性のエネルギー貯蔵セル、あるいはキャパシタおよび蓄電池のような電気的エネルギー貯蔵セルおよび電気化学的エネルギー貯蔵セルまでもが、一つのエネルギー貯蔵システム内部に混在し、かつ、共に作動され得ることにより、エネルギー貯蔵システムのより柔軟な構成が可能となる。異なる容量のエネルギー貯蔵セルも相応に混合され、当該エネルギー貯蔵セルの容量は累積され得る。電気的エネルギー貯蔵装置は好ましくはこのように、時間の経過とともに、より大きな容量を有する新たなバッテリー型式が利用可能となる場合、逐次的に「アップグレード」され得る。

本発明のさらなる好適な実施の形態において制御装置は、電流供給システムの状態、特に利用状態および／または危険状態に応じて、高電圧領域の電圧を変化させられ、特にオンオフ切り替えすることができる。

このような危険状態は好ましくは、自動車の衝突を認識することにある。当該衝突後、自動車における高電圧は即座に停止されるべきである。衝突によって電圧が供給されている部分は露出する可能性があり、当該電圧が供給されている部分は自動車の乗客または第三者を生命の危険に陥れかねない。

高電圧領域の高電圧が作動または停止されるべき利用状態は好ましくは、自動車の運転もしくは非運転であるが、例えばバッテリーカバーまたはエンジンカバーの開放もしくは閉鎖でもある。これにより、それ自体が高電圧を供給されている構成要素（例えば電気モータ）、あるいは（例えば電気的エネルギー貯蔵装置の部分に接触することにより）このような構成要素に作用し得る構成要素が開放される。従ってこの特徴も、電流供給装置の安全な動作に役立つ。

本発明のさらなる好適な実施の形態において制御装置は、高電圧領域と低電圧領域の間の電力潮流に関するデータを、好ましくは二つの方向において検出し得る。二つの方向において電力潮流を検出するための前提は、電圧変換器が双方向性に機能すること、すなわち低電圧を高電圧に変換するとともに、高電圧を低電圧に変換できるということである。

自動車の通常運転時に、低電圧領域における電気的エネルギー貯蔵装置から、高電圧領域における電気的負荷部への電力潮流が生じる一方、高電圧領域から低電圧領域への逆の電力潮流は、好ましくは回生ブレーキの際に、すなわち、自動車の電気モータが発電機として作動され、当該発電機によって作られるエネルギーが電気的エネルギー貯蔵装置にフィードバックされるとき、生じ得る。

高電圧領域から低電圧領域への電力潮流の他の場合は、電気的エネルギー貯蔵装置の充電の際、特に、好ましくは従来の２３０Ｖ配電線を介して行われる外部充電の際、あるいは、好ましくはいわゆる「レンジエクステンダー」、すなわち自動車の動作範囲を拡大する目的で、発電機を有する比較的小さな内燃機関を介して行われる内部充電の際に生じる。これらの場合、いずれにしても設けられている電圧変換器は必要とされる低電圧を生じさせるために用いられ得る。

最終的に電気的エネルギー貯蔵装置は、電力網のための外部エネルギー・バッファーとしても用いられ得る。充電の際の電力潮流は上記のように生じ、バッファーに格納されたエネルギーを電力網にフィードバックする際に、低電圧領域から高電圧領域への電力潮流が生じる。

上記の全ての場合において、制御装置は伝送される電気的出力およびエネルギーに関するデータを測定し、評価し、記憶する。それによって、電気的エネルギー貯蔵装置の状態、例えば充電状態に関する現時点での情報を、場合によっては届けられる、および／または供給されるエネルギーを遮断する目的のためにも、前記データから常に導出することができる。

本発明のさらなる実施の形態において制御装置は、個々のセルモジュールを別個に監視し、このとき電気的エネルギー貯蔵装置内部の少なくとも二つのセルモジュールは好ましくは互いに平行に接続されている。これによっても、セルモジュールと、当該セルモジュールに含まれているエネルギー貯蔵セルの寿命は高められる。監視されるパラメータもしくは認識される出来事は例えば、セルモジュールの電圧、電流、温度、または充電状態と、セルモジュールにおける過電圧および不足電圧、過電流、過熱、短絡、または接続遮断である。

本発明のさらなる実施の形態において制御装置は、個々のエネルギー貯蔵装置またはセルモジュールを少なくとも部分的に個々に充電する。これにより、エネルギー貯蔵セルの劣化が異なることに起因する、個々のエネルギー貯蔵セルの充電状態または容量が場合によっては異なることに対して配慮がなされ得る。これにより、個々のエネルギー貯蔵セル同士の間の、上記のような電荷の均等化の場合と同様、個々のエネルギー貯蔵セルのより均一な充放電が可能となり、これもまた、個々のエネルギー貯蔵セルの寿命および電気的エネルギー貯蔵装置全体の効率を高める。

本発明の上記の実施の形態のうちの複数は、それが技術的に可能である限り、任意に互いに組み合わせられ得ることは自明である。

本発明に係る電流供給システムの例としての実施の形態が、以下の図面においてブロック図の形で示されている。図に示すのは以下の通りである。

本発明に係る電流供給システムのブロック回路図である。 本発明に係る電流供給システムであって、制御装置が電圧変換器に組み込まれている電流供給システムのブロック回路図である。

図１は電気自動車またはハイブリッド車において用いるための本発明に係る電流供給システム１の実施を示しており、周囲に設けられている、破線で限定された二つのブロックは、低電圧領域９もしくは高電圧領域１０を表す。

低電圧領域９内には、バッテリー２と、バッテリー管理システム８と、電圧変換器６の部分であって、当該部分において低電圧のみが支配的である部分と、が設けられている。このときバッテリー２は電気的エネルギー貯蔵装置を表し、バッテリー管理システム８は制御装置を表している。電圧変換器６は直流／直流電圧変換器である。バッテリー２は一つまたは複数のセルモジュール４を有し得、当該セルモジュールのうちの一つが細かい破線による限定線によって暗示的に表されている。セルモジュール４はまた、それぞれが直列に接続された８個のバッテリーセル３から成る、並列接続された二つの索体を有している。

当該実施の形態において、個々のバッテリーセル３はそれぞれ、４Ｖの公称電圧を有しており、それによって、個々のセル索体およびそれとともにセルモジュール全体は、３２Ｖの公称電圧を有する。バッテリーセル３は例えば、最大貯蔵容量がそれぞれ６０Ａｈであるリチウムイオンセルである。

同様に低電圧領域９内に、バッテリー２を制御するためのバッテリー管理システム８が設けられている。当該バッテリー管理システム８は、上記の機能の全てまたは一部を実施し、当該機能のうちにはバッテリー２のための充電方法の制御もある。

例としての構成において、バッテリー２は標準的に１Ｃ／ｓ−３Ｃ／ｓ、最大で５Ｃ／ｓ、短時間（最大３秒に対して）で９０Ｃ／ｓの充電率で充電され得る。バッテリー２の放電は、同様にバッテリー管理システム８によって制御され、標準的に１Ｃ／ｓ−１０Ｃ／ｓ、最大で２０Ｃ／ｓ、短時間（３秒から４秒に対して）で１２５Ｃ／ｓで行われる。当該ピーク放電率は、特に追い越し過程において、短時間で必要とされる大きな駆動出力を提供するのに役立つ。当該追い越し過程においてピーク放電率は、非常に迅速に、例えば最大４０ｍｓの始動時間で達成され得る。バッテリー２の最小動作温度は−４０℃である。バッテリー管理システム８のさらなる例としてのデータは、６ｍＷのエネルギー需要と、Ｉ^２Ｃ−ＢｕｓまたはＣＡＮ−Ｂｕｓ、ＲＳ−２３２接続またはＵＳＢ接続を介した外部監視および診断の可能性である。バッテリー管理システム８は、検査規格ＩＥＣ６２６６０およびさらなるＩＳＯ規格と、電磁的互換性に対する規格を満たしている。

バッテリー管理システム８は回路基板上の回路として、例えば２５０ｍｍ×８０ｍｍ、１８０ｍｍ×２００ｍｍ、または、２００ｍｍ×３００ｍｍの寸法と、２８ｍｍの最大高さを有して実現されているか、あるいは個々の集積回路として実施されていてよい。

電流供給システム１の構成要素間の機能的な接続は、図１において両矢印で暗示されており、当該両矢印は通信線および／または電力線を表し得る。通信線の場合、接続は上記のように、例えばＣＡＮ−Ｂｕｓ、あるいはシリアルのＲＳ−２３２型インターフェイスを介して行われていてよい。

低電圧領域９内で、バッテリー２は電圧変換器６の低電圧入力部と接続されている。バッテリー管理システム８はバッテリー２と、低電圧領域内の電圧変換器６の部分と、に接続されている。それによって例えば、電圧変換器６の機能不全または機能停止を検出し、それに続いてバッテリー２を緊急時に停止することができる。

高電圧領域１０には電圧変換器６の部分であって、当該部分において高電圧も支配的である部分が設けられている。バッテリー２は直流電圧を供給し、電圧変換器６も直流／直流電圧変換器であるため、電圧変換器６の高電圧出力部はコンバータ７と接続されており、当該コンバータは電圧変換器６から供給される直流高電圧を、交流高電圧に変換する。当該コンバータ７における変換は、電力半導体を用いて行われる。

バッテリー管理システム８はコンバータ７とも接続されているが、当該接続は恒久的ではない。例えば非常時に高電圧領域１０は低電圧領域９から分離され得るからであり、それによって上記の接続も分離される。従って当該接続は破線の矢印によって特徴づけられている。

高電圧領域１０にはさらに電気的負荷部としての電気モータ５が設けられている。電気モータ５は、例えば駆動軸と、クラッチと、変速機と、差動伝動装置と、一つまたは複数の被駆動輪から成る自動車の機械的駆動システム（図に示されていない）を駆動することができる。しかしながら電気モータ５がホイールハブモータとして形成されているとともに、直接的に駆動輪を駆動することも可能である。この場合、複数の電気モータ５、すなわち個々の被駆動輪に対して一つの電気モータが設けられていてよく、当該電気モータ５はそれぞれ、個々の車輪に対して必要とされるトルクを生じさせるために制御可能である。電気モータ５はさらに、付加的な内燃機関（図に示されていない）を有するハイブリッド駆動部の部分であってよい。

電気モータ５も、例えば過熱と、それに続くバッテリー２の緊急停止のような異常な運転状態を検出するために、バッテリー管理システム８と接続されている。当該接続は上記と同じ理由から、破線による矢印として表されている。バッテリー管理システム８と、コンバータ７もしくは電気モータ５との間の接続は単に通信線であり、電力線ではない。低電圧領域９におけるバッテリー管理システム８と、高電圧領域１０におけるコンバータ７もしくは電気モータ５との間のエネルギー伝達はさらなる電圧変換器がなければ、容易に行い得ないだろうからである。

本発明に係る電流供給システム１は、図１に示されていないさらなる構成要素も含み得る。例えば、必要とされるトルクを設定するためのエンジン制御部、外部の充電接続部を備えるバッテリー２のための充電器、あるいは、バッテリー電圧、バッテリー電流、バッテリー温度、またはバッテリー２が曝されている加速などのバッテリーパラメータまたはその他のパラメータを測定するための様々なセンサである。

電気モータ５は、特に制動エネルギーを回収するために発電機としても用いられ得る。その場合、電力潮流は図１において右から左へ移動する、すなわち、電気モータ５によって作られる高電圧は、この場合は整流器として作用するコンバータ７において、あるいは付加的に設けられるべき整流器において直流高電圧に変換され、当該直流高電圧は電圧変換器６によって直流低電圧に変換され、当該直流低電圧によって最終的にバッテリー２が充電される。

このとき上記の全ての機能はバッテリー管理システム８によって制御もしくは監視され得る。

図２は本発明に係る電流供給システム１のさらなる実施の形態を示しており、当該実施の形態においてバッテリー管理システム８は電圧変換器６に組み込まれている。このとき当該組み込みは、電圧変換器６内の付加的な回路基板または付加的な集積回路として、あるいは、バッテリー管理システム８と電圧変換器６とを含んでいる集積回路としても実施されていてよい。図２に示される本発明の実施の形態は、制御装置８のために付加的に設けられるべきハードウェアに関する本発明の支出が最小であることを特徴とする。

理想的には、バッテリー管理システム８の機能は、電圧変換器６内にいずれにしても設けられるマイクロプロセッサに完全に組み込まれている。この場合、バッテリー管理システム８を実現するためにさらに必要なのは、バッテリーパラメータおよびその他のパラメータのために必要とされるセンサのみである。

バッテリー管理システム８を電圧変換器６に組み込むことにより、バッテリー管理システム８から電圧変換器６、バッテリー２およびコンバータ７への接続線も省かれる。電圧変換器６内の内部導線、もしくは、電圧変換器６と、バッテリー２もしくはコンバータ７との間にいずれにせよ設けられている接続線が、このために用いられ得るからである。このようにして電流供給システム１内の配線コストも減少する。電圧変換器６に対して直接的に隣接していない電気モータ５への接続線のみがさらに設けられる。

１ 電流供給システム
２ バッテリー
３ バッテリーセル
４ セルモジュール
５ 電気モータ
６ 電圧変換器
７ コンバータ
８ バッテリー管理システム
９ 低電圧領域
１０ 高電圧領域

Claims (14)

1. 電流供給システム（１）、特に自動車の電気駆動部またはハイブリッド駆動部のための電流供給システム（１）であって、当該電流供給システム（１）は、
   低電圧を供給するとともに、少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）および／または少なくとも二つのエネルギー貯蔵セル（３）から成る少なくとも一つのセルモジュール（４）を有する電気的エネルギー貯蔵装置（２）と、
   高電圧で作動される電気的負荷部（５）と、
   低電圧を高電圧に、および／または高電圧を低電圧に変換する電圧変換器（６）、特に直流／直流電圧変換器と、
   前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）が設けられている低電圧領域（９）と、
   前記電気的負荷部（５）が設けられている高電圧領域（１０）と、
   前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）を制御するための制御装置（８）と、を有する電流供給システムにおいて、
   前記制御装置（８）は概ね前記低電圧領域（９）に設けられていることを特徴とする電流供給システム。
2. 前記制御装置（８）は概ね前記電圧変換器（６）に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の電流供給システム（１）。
3. 前記制御装置（８）が少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の少なくとも一つの機能パラメータを測定するための測定装置と、当該少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の少なくとも一つの機能パラメータを評価するための評価装置と、当該機能パラメータまたは当該機能パラメータから導出される値を格納するための少なくとも一つの記憶装置と、を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電流供給システム（１）。
4. 前記機能パラメータから導出される値は、前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）、セルモジュール（４）、またはエネルギー貯蔵セル（３）の劣化および／または残留寿命であることを特徴とする請求項３に記載の電流供給システム（１）。
5. エネルギー貯蔵セル（３）の少なくとも一つの機能パラメータが目標値から偏移しているとき、前記制御装置（８）は当該目標値を維持するための少なくとも一つの手段を講じるか、および／または、当該手段が功を奏さないままである場合は、当該エネルギー貯蔵セル（３）を停止させることを特徴とする請求項３または４に記載の電流供給システム（１）。
6. 前記少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の少なくとも一つの機能パラメータまたは当該機能パラメータからから導出される値を測定すること、および／または評価すること、および／または記憶することは、前記高電圧領域（１０）に概ね電力が供給されないときに行われることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
7. 前記制御装置（８）は、エネルギー貯蔵セル（３）またはセルモジュール（４）が前記電流供給システム（１）に対して好適であるか、および／またはエネルギー貯蔵セル（３）またはセルモジュール（４）がどのような状態にあるか、検出することを特徴とする請求項６に記載の電流供給システム（１）。
8. 前記少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の少なくとも一つの機能パラメータまたは当該機能パラメータから導出される値を測定すること、および／または評価すること、および／または記憶することは、前記高電圧領域（１０）が高電圧下にあるときに行われることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
9. 異常な動作条件において、特に事故において、
   前記制御装置（８）は少なくとも二つのエネルギー貯蔵セル同士（３）またはセルモジュール（４）同士の間の電気的接続を遮断し、および／または
   前記少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の前記少なくとも一つの機能パラメータを評価することが、当該エネルギー貯蔵セル（３）、セルモジュール（４）、または前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）の機能性を判断するステップを有し、および／または
   前記少なくとも一つのエネルギー貯蔵セル（３）の前記少なくとも一つの機能パラメータから導出される値は、当該エネルギー貯蔵セル（３）、セルモジュール（４）、または、前記電気的エネルギー貯蔵装置（２）の機能性に関する報告である、
   ことを特徴とする請求項８に記載の電流供給システム（１）。
10. 前記エネルギー貯蔵セル（３）は充電可能であり、前記制御装置（８）は異なるエネルギー貯蔵セル（３）の異なる充電状態を、当該エネルギー貯蔵セル（３）同士の間で電荷を移動させることによって均等化できることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
11. 前記制御装置（８）は、異なる構成形式を有する、および／または異なる容量を有する、および／または異なる性能データを有するエネルギー貯蔵セル（３）またはセルモジュール（４）を制御できることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
12. 前記制御装置（８）は、前記電流供給システム（１）の状態、特に利用状態および／または危険状態に応じて、前記高電圧領域（１０）内の電圧を変化させられ、特にオンオフ切り替えできることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
13. 前記制御装置（８）は、前記高電圧領域（１０）と前記低電圧領域（９）の間の電力潮流に関するデータを、好ましくは二つの方向において検出可能であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の電流供給システム（１）。
14. 電流供給システム（１）を制御するための方法であって、当該電流供給システム（１）は請求項１から１３のいずれか一項に記載の電流供給システムであり、前記方法は、前記電流供給システム（１）の前記制御装置（８）において実行するために提供されることを特徴とする方法。

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