JP2016508363A - 自動車システムのためのバックアップエネルギ源及び関連の制御方法 - Google Patents

Abstract

自動車（１０１）内の自動車システム（１０２）のバックアップエネルギ源（１）は、通常作動条件中に主供給電圧（Ｖbatt）を受電し、かつ通常作動条件と異なる故障作動条件中にバックアップ供給電圧（Ｖsc）を提供するように設計される。バックアップエネルギ源（１）は、制御ユニット（２）と、通常作動条件中にエネルギを貯蔵し、かつ故障作動条件中にバックアップ供給電圧（Ｖsc）を提供するように制御ユニット（２）によって作動可能なスーパーキャパシタ群（４）とを有する。診断モジュール（１０）は、スーパーキャパシタ群（４）の作動ステータスに関する情報を制御ユニット（２）に提供するためにスーパーキャパシタ群（４）に結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車システムのためのバックアップエネルギ源及び関連の制御方法に関する。

本出願は、２０１２年１２月２４日出願のイタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４３号明細書、イタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４４号明細書、及びイタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４５号明細書、及び２０１３年１月２日出願の米国特許出願第６１／７４８，２６２号明細書、米国特許出願第６１／７４８，２７４号明細書、及び米国特許出願第６１／７４８，２８６号明細書の出願日に対する優先権及びその利益を主張し、かつ各そのような出願の内容の全体を参照し、かつ引用によって本明細書に組み込んでいる。

公知のように、いくつかの自動車システムは、主電源の故障又は中断の場合に代わりの電気エネルギを提供するために又は車両の主電源の補助としてバックアップエネルギ源の車両における存在を要求する。

このバックアップ電源は、必要性が生じると直ちに、例えば、車両の事故又は衝突の場合に直ちに利用可能であるように通常作動中に車両の主電源によって充電状態に通常は保たれている。

例えば、車両クロージャデバイスに結合されたバックアップ電源の使用は、クロージャデバイスの開放が緊急状況においてさえ可能であるように、車両の主電源が故障した場合に電気エネルギを供給するために提案されている。

表現「クロージャデバイス」は、自動車の内側コンパートメントへのアクセスをそれぞれ開閉する開放位置と閉鎖位置の間で移動可能なあらゆる要素、従って、以下の説明が純粋に一例として明示的に参照することになる自動車のサイドドアに加えて、トランク、後部ハッチ、ボンネット蓋、又は他の閉鎖コンパートメント、窓レギュレータ、サンルーフを含む要素を一般的に示すために本明細書で使用することを強調しておく。

保安及び安全に関する規制は、実際に、車両の主電源の故障の場合又は主電源と車両ドアの間の電気接続の中断又は破断の場合でさえも、例えば車両のドアの開閉を要求しており、この種の状況は、例えば、車両に関わる事故又は衝突の場合に発生すると考えられる。

しかし、車両ドアシステムにおけるような自動車システムにおけるバックアップ電源及び関連の電子回路の統合は、サイズ要件のために困難なタスクであると判明しており、例えば非常に高温（例えば、１００℃まで）での安全作動を要求する例えば特に自動車作動条件下のエネルギ密度又は電流出力の観点から望ましい電気性能を満たすことも同じく困難であると判明している。

ＷＯ ２００５ ０４７６２８ Ａ１及びＦＲ ２ ８５７ ３９９ Ａ１に説明されるもののような車両内のバックアップエネルギ源としてのコンデンサ要素の使用を想定する一部のソリューションが提案されているが、これらのソリューションは、特に、それらがその作動中、例えば、その再充電中にバックアップエネルギ源の電気性能の確実な制御を提供しないので満足なものではないことが判明している。

更に、他の技術分野の使用に対して設計されたバックアップエネルギ源ソリューションは、自動車分野に要求される特定の要件を一般的に満たすことができないことが公知である。

イタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４３号明細書 イタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４４号明細書 イタリア特許出願第ＴＯ２０１２Ａ００１１４５号明細書 米国特許出願第６１／７４８，２６２号明細書 米国特許出願第６１／７４８，２７４号明細書 米国特許出願第６１／７４８，２８６号明細書 ＷＯ ２００５ ０４７６２８ Ａ１ ＦＲ ２ ８５７ ３９９ Ａ１

従って、主電源の故障の場合でさえも自動車システムに電源を確実に供給することができる最適化されたバックアップ電源に対する必要性が自動車分野に感じられる。

従って、本発明のある一定の態様の目的は、上述の必要性を満足させるように設計されたバックアップ電源を提供することである。

この目的は、添付の特許請求の範囲に定めるようなバックアップ電源及び関連の制御方法によって達成することができる。

添付図面を参照して本発明のある一定の態様の好ましい非限定的な実施形態を以下に一例として説明する。

自動車システムのバックアップ電源を示す一般的なブロック図である。 図１のバックアップ電源の充電モジュールの回路図である。 図１のバックアップ電源内で診断モジュールによって実行される作動の流れ図である。 図１のバックアップ電源内で診断モジュールによって実行される作動の流れ図である。 図１のバックアップ電源内の電気信号のプロットを示す図である。 異なる作動条件下の図１のバックアップ電源内のキャパシタンス量のプロットを示す図である。 異なる作動条件下の図１のバックアップ電源内のキャパシタンス量のプロットを示す図である。 異なる作動条件下の図１のバックアップ電源内のキャパシタンス量のプロットを示す図である。 図１のバックアップ電源内で診断モジュールによって実行される更に別の作動の流れ図である。

図１の参照番号１は、例えば１２Ｖの値を有する主電圧Ｖ_battを受電するように自動車１０１（概略的に図示）の主電源１００、例えば、バッテリに結合された一体型バックアップエネルギ源を全体として示している。

バックアップエネルギ源１は、主電源１００の故障又は中断の場合に、その代わりに通常作動条件下で主電源１００によって供給される電気エネルギを自動車１０１の自動車システム１０２（概略的に図示）に供給するように構成される。自動車システム１０２は、例えば、自動車１０１のドアに結合された電子ラッチとすることができる。

バックアップ電源１は、制御ユニット２と電力ユニット３を含み、制御ユニット２には、例えば、同じく主電圧Ｖ_battの値に基づいて電力ユニット３の作動を制御するように構成されたマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又は類似のコンピュータモジュール２ａが設けられ、例えば、主電圧Ｖ_battの値が予め決められた閾値を下回った場合に、制御ユニット２は、バックアップエネルギ源１を必要とすると考えられる緊急状態が発生していると決定することができる。

制御ユニット２は、適切なプログラム及びコンピュータ命令を格納する（例えば、ファームウエアの形態で）コンピュータモジュール２ａに結合された内蔵型メモリ２ｂ、例えば、不揮発性ランダムアクセスメモリを有する。制御ユニット２が、これに代えてコンピュータモジュール２ａ及びメモリ２ｂの機能を実行するために個別の構成要素の論理回路を含むことができることは認識される。

本発明のソリューションの態様により、バックアップエネルギ源１の電力ユニット３は、停電の場合でさえも電力バックアップを自動車システム１０２に供給するエネルギ供給ユニット（あるいは、エネルギタンク）として低電圧スーパーキャパシタ４の群（以下、スーパーキャップ群４）を含む。スーパーキャパシタは、電解二重層コンデンサ、疑似コンデンサ、又はその組合せを含むことができる。

スーパーキャパシタは、高いエネルギ密度、高い出力電流機能を有利に提供し、かつメモリに影響を与えず、更に、スーパーキャパシタは、小さいサイズを有し、統合しやすく、拡張された温度範囲、長い寿命を有し、かつ非常に多数の充電サイクルに耐えることができる。スーパーキャパシタは、無毒であり、爆発又は火災の危険を伴わず、従って、自動車用途のためなどの危険な条件に適している。

可能な実施形態において、図２に示すように、スーパーキャップ群４は、第１のノード４ａと第２のノード４ｂの間に直列に接続されて（例えば、基準接地電位に接続されて）中間ノード４ｃを定める２つのスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂを含むことができ、各々は、充電された時に、第１のノード４ａ上で例えば３Ｖ〜５Ｖ台のスーパーキャップ電圧Ｖ_scを共同で提供するために、例えば、２．５Ｖ〜２．７Ｖの電圧レベルを提供し、スーパーキャパシタセルは、緊急状況において、すなわち、自動車１０１の主電源１００からのエネルギが利用可能ではない時にバックアップ電源として使用することができる。スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂは、従って、低電圧タイプであり、かつ例えば１６Ｆ〜２０Ｆ台、例えば、１８Ｆの高い容量も有する。

バックアップエネルギ源１の電力ユニット３は、充電モジュール６と、等化モジュール８と、ブーストモジュール９とを更に含む。

充電モジュール６は、スーパーキャップ群４に電気的に接続され、スーパーキャップ群４が緊急状況に対して完全なエネルギ貯蔵を提供することができ、かつあらゆる漏れ電流が補償されるように、主電源１００から電力が利用可能な時はいつでも主電圧Ｖ_battから始めてスーパーキャップ群４を再充電するように構成される。

等化モジュール８は、スーパーキャップ群４に電気的に接続され、かつ両方のスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂが望ましいセル電圧値、特に作動中に同じセル電圧値を有することを保証するように構成される（均衡作動条件を達成するために）。等化モジュール８はまた、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂが最大の望ましいセル電圧レベルよりも大きいセル電圧を有することを回避してスーパーキャパシタを過充電に対して保護する。

ここでは詳細に説明しない公知のタイプの例えばＰＷＭブーストコンバータ（あるいは、ｄｃ−ｄｃステップアップコンバータ）を含むブーストモジュール９は、スーパーキャップ群４によって生成されたスーパーキャップ電圧Ｖ_scをその入力で受電し、かつその値を自動車標準電圧（例えば、９Ｖ〜１６Ｖ）までブーストし、すなわち、上昇させ、かつ電動機のような標準的な自動車システム１０２を駆動するのに十分な出力電流機能をもたらすように構成される。実際に、スーパーキャップ電圧Ｖ_scは、自動車１０１の主電源１００からの電源が損失又は不十分であるような緊急状況において自動車システム１０２を駆動する有効なバックアップ電源をもたらすには低すぎる場合がある。従って、ブーストモジュール９は、スーパーキャップ電圧Ｖ_scの関数としてブースト電圧Ｖ_boostをその出力（バックアップエネルギ源１の出力でもある）で提供する。

バックアップエネルギ源１は、診断モジュール１０を更に含み、診断モジュール１０は、スーパーキャップ群４に作動的に結合され、かつ以下に説明するように電圧値、キャパシタンス値、及び内部等価抵抗（ＤＣＲ−直流抵抗）を測定することにより、充電処理中に及び充電処理に基づいてスーパーキャパシタの健全性ステータスをモニタするように構成される。

温度センサ１１は、スーパーキャップ群４の作動温度をモニタするように構成され、かつ検出された温度情報Ｔ_dを提供するために診断モジュール１０に結合され、例えば、温度センサ１１は、スーパーキャップ群４の近くに配置されたＮＴＣ（負温度係数）抵抗器を含むことができる。診断モジュール１０は、診断情報を提供するために制御ユニット２に作動的に結合される。

可能な実施形態において、図１に示すように、診断モジュール１０は、コンピュータモジュール２ａのマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラによって実行される診断ルーチンとしてバックアップエネルギ源１の制御ユニット２において実施することができ、制御ユニット２は、こういう理由で、入力でスーパーキャップ電圧Ｖ_sc値、及び／又はスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂ間の中間ノード４ｃでＶ_intを用いて示す電圧値及び温度Ｔ_dを受け入れることができる。

より詳細にかつ図２の回路図に示すように、バックアップエネルギ源１の充電モジュール６は、第１の入力６ａを有し、第１の入力６ａは、主電圧Ｖ_battをスーパーキャップ群４の充電のために受電するように設計される。

充電モジュール６はまた、第２の入力６ｂを有し、第２の入力６ｂは、充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈを制御ユニット２から受信するように設計され、充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈは、スーパーキャップ群４の充電を可能又は停止する制御ユニット２によって決定される要件を示す値を有するデジタル信号である。

充電モジュール６は、電力スイッチ６ｃと電力抵抗器６ｄを含む。

電力スイッチ６ｃ、例えば、ＭＯＳＦＥＴスイッチのような半導体スイッチは、第１の入力６ａと電力抵抗器６ｄの間に接続され、かつ第２の入力６ｂに結合されて従って充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈが受信される制御端子を有する。

電力抵抗器６ｄは、電力スイッチ６ｃとスーパーキャップ群４の第１のノードの４ａとの間に結合される。

電力スイッチ６ｃを通して充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈによって有効にされた時に、主電圧Ｖ_battでのスーパーキャップ群４の充電は、電力抵抗器６ｄを通して行われる。

特に、制御ユニット２は、ＰＷＭ（変調パルス幅）充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈをスーパーキャップ群４の充電中に生成することができ、従って、スーパーキャップ群４を主電圧Ｖ_battに対して急速継続で接続及び切断する。

上述したように、スーパーキャップ群４の充電は、制御ユニット２が、主電源４に影響を与える故障の可能性を示す予め設定された閾値よりも高い主電圧Ｖ_battの値を感知する限り、連続的な処理とすることができる。

等化モジュール８は、可能な受動的実施形態において、同じ抵抗値を有する第１及び第２の等化抵抗器８ａ、８ｂを含む。第１の等化抵抗器８ａは、第１の等化スイッチ８ｃの介在を通じてスーパーキャップ群４の中間ノード４ｃと第１のノードの４ａとの間に接続され、従って、第１のスーパーキャパシタセル５ａと並列に選択的に接続可能であり、第２の等化抵抗器８ｂは、第２の等化スイッチ８ｄの介在を通してスーパーキャップ群４の中間ノード４ｃと第２のノードの４ｂとの間に接続され、従って、第２のスーパーキャパシタセル５ｂと並列に選択的に接続可能である。

第１及び第２の等化スイッチ８ｃ、８ｄは、例えば、それぞれのＭＯＳＦＥＴトランジスタを含む半導体スイッチであり、両方とも、等化モジュール８の制御入力８ｅで制御ユニット２から受信した等価有効信号ＥＮ＿ｅｑによって制御される。

特に、等価有効信号ＥＮ＿ｅｑは、スーパーキャップ群４がバックアップ電源として使用されていない時にスーパーキャップ群４内に貯蔵されたエネルギを節約するために、等化処理を可能又は無効にするように第１及び第２の等化スイッチ８ｃ、８ｄを制御する。

バックアップエネルギ源１の診断モジュール１０の作動をここでより詳細に説明する。

診断モジュール１０によってモニタされ、かつスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのいずれか一方又は両方に影響を与える場合がある可能な故障モードは、以下である。
−開回路故障、
−短絡故障、
−漏れ電流の増加、
−等価直列抵抗の増加、
−キャパシタンス値の減少。

これらの故障モードは、診断ルーチンによって想定される特定の論理及びアルゴリズムを使用して自動車システムの作動中にリアルタイムで検出することができる。

特に、２つのスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのいずれか一方の「開回路」故障は、全体の系における対応する故障を生じさせ、それ障は、たとえ充電されていても実質的に０電圧がスーパーキャパシタ直列上に存在する時はいつでも検出することができる。

直列のスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂの「短絡」故障は、直列キャパシタンスの倍化及びスーパーキャップ電圧Ｖ_scの値の対応する減少を発生させ、完全充電電圧値は、到達することができず、及び／又は経時的に維持することができない。

「漏れ電流」の増加は、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂの充電状態（その値は、予め設定された閾値として設定することができる）が長い充電時間の後でさえも得られない時、又は直列にわたるスーパーキャップ電圧Ｖ_scの値に想定外の変動（例えば、スーパーキャップ群４に適用される充電処理に適合しない変動）が発生した時に検出することができる。

スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのいずれか一方の「等価直列抵抗」の増加によって直列全体の抵抗の増加が決まり、一方、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのいずれか一方の「キャパシタンス」の減少によって直列全体のキャパシタンスの増加が決まる。

開回路故障及び短絡故障は、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのエネルギ貯蔵機能が無効にされるので、バックアップエネルギ源１の完全故障を決定する。

これに反して、先に列挙した他の故障は、進行性であり、特に、測定値（例えば、キャパシタンス値及び／又は抵抗値）が、適切に予め決定することができる第１のアラーム閾値に到達した時に、診断モジュール１０は、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂがまだ作業状態である時でさえも、迫っている故障をユーザ／ドライバ又はサービス職員に示すプレアラームを生成することができる。

故障が、その後に限界値に到達した時に（かつ測定値が、第２の予め決められたアラーム閾値に到達した時に）、診断モジュール１０は、バックアップエネルギ源１の完全故障を通知することができる。

本発明のソリューションの態様により、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのキャパシタンスは、それらの寿命サイクル中に、充電が電源電圧（主電圧Ｖ_batt）から直接に直列抵抗器（充電モジュール６の電力抵抗器６ｄ）を通じて実施される時に、スーパーキャパシタが部分充電電圧から完全充電電圧まで充電するのに要する時間を診断モジュール１０が充電処理に基づいて測定することによって推定される。

特にかつ図３に示すように、診断モジュール１０は、最初に段階２０で、以下の式に基づいて完全放電状態から始めて非ゼロ値を有する部分充電電圧Ｖ₁に到達する時間Ｔ₁を決定する。

診断モジュール１０は、その後に段階２１で、以下の式に基づいて完全充電電圧Ｖ₂に到達する時間Ｔ₂を決定する。

上述の式では、Ｃは、スーパーキャパシタキャパシタンスであり（スーパーキャップ電圧Ｖ_scが考慮される場合は直列全体のもの、又は中間ノード４ｃでの電圧Ｖ_intが考慮される場合はスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂの第１のもののもの）、Ｒは、電力抵抗器６ｄの抵抗である。

その後に、部分充電電圧Ｖ₁から完全充電電圧Ｖ₂への充電に必要とされる充電時間ΔＴは、段階２２で以下のように決定され、

又は

キャパシタンスＣの値は、段階２３で以下のように決定され、

又は

ここで、以下の通りである。

特に、Ｒ、Ｖ₁、及びＶ₂は、予め設定され、かつ既知の値を有するので、複雑な対数計算は、可能な異なる主電圧でのＫの値が予め計算されて表（制御ユニット２に結合された不揮発性メモリ２ｂ内に含めることができる）に格納された場合は実行時間中に回避することができる。

診断モジュール１０によるキャパシタンス推定の精度に関して、例示的な事例及び例示的な値を参照して以下の考察を行うことができる。

抵抗Ｒは、５％の絶対精度を有することができ、この場合に、例えば、１００ｍΩ（抵抗Ｒに対して合計しなければならない）に等しい電力スイッチ６ｃの抵抗は、５％の値よりも遥かに低い。

時間ΔＴは、完全な温度範囲にわたる内部発振器公差のために２％の絶対精度を有することができる（発振器は、検査され、ここで詳細には論じない公知の方法で制御ユニット２によって検証される）。スーパーキャップ群４の充電が電力スイッチ６ｃを通じてＰＷＭ制御される場合に、充電時間ΔＴは、それにＰＷＭ負荷サイクルを掛けて補正される。

電圧値は、電圧測定の絶対精度がキャパシタンス推定の精度に影響を及ぼさないように、絶対値ではなく比率として現れる。

３％の絶対精度は、打切り誤差（制御ユニット２でのアナログ／デジタル変換による）を考慮に入れて主電圧Ｖ_battの測定に関連付けることができる。

従って、キャパシタンス値の測定における最終的な精度は、抵抗測定の５％、時間測定の２％、及びあらゆる電圧測定及び打切り誤差の３％を合計すると約１０％である。

主電圧Ｖ_battの値は、通常作動中は一定であると思われるが、スーパーキャップ群４の充電中に変動が発生しやすい。

この態様を考慮に入れるために、診断モジュール１０は、予め決められた期間中の主電圧Ｖ_battの変動が決定された閾値よりも大きい場合に、主電圧Ｖ_battの変動を測定してキャパシタンスＣの測定を停止又は無効にするように構成される。

主電圧Ｖ_battの低い変動値に関して、より低いキャパシタンス推定結果を得るように、Ｖ_battの最小値（考慮された期間において検出されるものの間の）を使用して計算を行うことができる。

本発明のソリューションの別の態様により、スーパーキャップ群４の等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、作動中に、特に所要の最大値よりも低いか否かを検査するために充電方法に基づいて診断モジュール１０によって推定される。

充電電流を印加する時に、スーパーキャップ群４にわたる電圧は、充電電流×等価直列抵抗の積によって増大する。特に、充電電流がゼロに設定された時に、スーパーキャップ電圧Ｖ_scの値は、等価直列抵抗器上での電圧降下分だけ直ちに減少することになる。

ｎビット、例えば、１０ビットの解像度及び完全スケール電圧（ＦＳ）（例えば５Ｖ）を有するアナログ／デジタルコンバータを使用して、スーパーキャップ電圧Ｖ_sc測定の解像度ｄＶは、以下の通りである。

上述のＡＤコンバータは、制御ユニット２内に特にコンピュータモジュール２ａによって実施することができる。

ＥＳＲの定格値は、例えば、１０ｍΩ（平均値の１／１０）の抵抗解像度ｄｒを取得するために最小充電電流Ｉ_chが以下であるように１００ｍΩに等しいか又はこれを下回ることができる。

電力抵抗器６ｄの抵抗Ｒは、主電圧Ｖ_battのＥＳＲ検出の最大値及びスーパーキャップ電圧Ｖ_scの最小値を考慮して、図４に示すように、第１の段階３０で診断モジュール１０によって以下のように計算される。

上述したように、充電モジュール６内の電力スイッチ６ｃは、電力抵抗器６ｄ上での電力損失を低減するようにＰＷＭ変調法を通じて簡単に制御することができる。

この点に関して、図５は、それぞれの持続時間が充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈの負荷サイクルによって決定されるＯＮ位相、次にＯＦＦ位相を各周期で有するスーパーキャップ群４の充電中のスーパーキャップ電圧Ｖ_scの可能なＰＷＭパターンを示している。

この状況では、抵抗測定は、負荷サイクルのＯＦＦ位相において（すなわち、充電電流が電力スイッチ６ｃ開成のためにゼロに設定される時に）充電有効信号Ｅｎ＿ｃｈの各周期で有利に行うことができる。平均化された得られる値を得るために、様々な測定の適切な平均を実施することができる。

上記に基づいて、ＥＳＲは、図４に示すように段階３１で診断モジュール１０によって以下の式を通じて推定することができ、

ここで、ΔＶ_scは、充電電流Ｉ_chによるスーパーキャップ群４にわたる電圧降下である。

その後に、診断モジュール１０は、段階３２で、決定されたＥＳＲ値が所要値よりも低いか否か検査することができる。

電圧は、比率として使用され、従って、ＡＤコンバータの対応する精度は、測定全体の精度に関連しない。

Ｒに関する測定公差は、約５％であり、かつ代わりにＥＳＲ測定に反映される。

電圧精度が０．５％である場合に、総合的な推定誤差は、１０％よりも小さいと予想される。

本発明のソリューションの更に別の態様により、診断モジュール１０は、スーパーキャップ群４が自動車システムにおいて作動する温度条件を考慮に入れるように構成される。これらの温度条件は、温度センサ１１によってモニタされる。

実際に、スーパーキャパシタ性能は、温度条件及び作動寿命の影響を直接受ける。

図６ａ〜図６ｃに示すように、スーパーキャパシタのキャパシタンスは、寿命に直接に相関し、経時的な減少を示し（最終値Ｃ_fと初期値Ｃ_iの間の比率を図示）、更に、この減少の速度は、同じスーパーキャパシタにわたる作動温度及び初期電圧Ｖ_i値によって影響される。

自動車システムは、正しい作動を保証し、又は少なくとも故障を回避すると同時に非常に高い温度（例えば、７０℃〜１００℃）に耐えることができなければならない。

例えば、スーパーキャップ群４は、ユーザが誤作動（例えば、バッテリ、ヒューズ、又は配線ハーネスの誤作動）の場合に車両を出ることを可能にするために自動車のｅラッチアセンブリへのエネルギバックアップを保証しなければならず、７０℃〜１００℃もの高い温度では、ユーザは、自動車の中に閉じ込められたままであることはできない。

従って、高温時でさえスーパーキャップ群４の適切な使用を可能にするために、診断モジュール１０は、作動温度の増加中にスーパーキャップ電圧Ｖ_scの値に対して適切な減少戦略を実行するように構成される（この値は、充電モジュール６を通じた充電処理の適切な修正によって制御される）。

従って、図７に示すように、診断モジュール１０は、段階４０に示すように検出された温度Ｔ_dの値をモニタする。

その後に、診断モジュール１０によって実行される戦略では、３つの異なる作動条件が、それぞれの温度間隔において想定される。
−Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₁の間に含まれた温度に対して、段階４１、Ｔｅｍｐ₁は、第１の温度閾値であり、その絶対値は、約３８℃−４２℃、例えば、４０℃であり、スーパーキャップ群４は、完全充電状態に保たれ（例えば、２．５Ｖ〜２．７Ｖの範囲の各スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂの電圧レベルで）、
−＋Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₂の間に含まれた温度に関して、段階４２、Ｔｅｍｐ₂は、第２の温度閾値であり、絶対値は、約８５℃−９０℃、例えば、８５℃であり、例えば、第１の値（例えば、２．５Ｖ）と第１の値よりも低い第２の値（例えば、２．１Ｖ）の間の線形タイプの電圧減少が、スーパーキャップ電圧Ｖ_scに適用され、かつ
−＋Ｔｅｍｐ₂よりも高い温度に関して、段階４３、スーパーキャップ群４は、第２の値（例えば、各スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂに対しては１Ｖ）よりも低い第３の値のスーパーキャップ電圧Ｖ_scまで放電される。

上述の温度戦略により、より高い温度でのスーパーキャップ電圧Ｖ_scの減少は、キャパシタンス変動の影響を経時的に低減することを可能にし、従って、バックアップエネルギ源１に使用された時に、スーパーキャップ群４の信頼性が改善する。更に、スーパーキャップ群４の寿命が延長される。

一般的に、スーパーキャパシタは、実際に必要である時に利用可能であり、かつ寿命の改善をもたらすことができ、この点に関して、シミュレーションを通じて、この制御戦略は、スーパーキャップ群４の少なくとも１５年の確実な寿命をもたらすことを可能にすることが示されている。

上述のソリューションの利点は、以上の説明から明らかである。

実際に、確実なバックアップエネルギ源１が、例えば、自動車の主電源の故障の場合にｅラッチアセンブリに電力を提供するために自動車システムに提供され、バックアップエネルギ源１の電気性能の確実な制御が作動中に行われる。

実際に、本発明の説明による実施形態は、等価直列抵抗の増加及びキャパシタンス値の減少、開回路又は短絡状態、漏れ電流の増加のようなスーパーキャップ群４内のスーパーキャパシタセル５ａ、５ｂのあらゆる故障を適宜に診断すること可能にすることができる。

スーパーキャップ群４の電気性能のモニタリングは、作動中に、特に充電処理中に充電処理の特性に基づいてリアルタイムで有利に行うことができる。

上述の温度制御戦略は、自動車用途の安全上の要件に適合するように、スーパーキャパシタを非常に高い温度時でさえもバックアップエネルギ源１として確実に使用することを可能にすることができる。

バックアップエネルギ源１は、内部制御ユニット２によって独立に制御することができ、かつ同じく自動車１０１及び関連の制御ソフトウエアの全体的な作動を制御するように構成された車両主管理ユニット（主ＥＣＵ又は「車両本体コンピュータ」としても公知）からのアクションなしで作動及び作動停止することができる。

スーパーキャパシタの使用は、バックアップエネルギ源１を廉価、軽量、かつ小型のパッケージで提供することを可能にすることができ、エネルギバックアップ源１の得られる寸法及び形状因子は、自動車システム１０２内の容易な統合を可能にするようなものである。

スーパーキャパシタの使用はまた、高いエネルギ密度、高い機能、及び高い出力電流機能を提供し、かつメモリ影響を回避して消費及び再充電時間を最小にすることを可能にすることができる。また、スーパーキャパシタ群の寿命が非常に長く、従って、追加のバックアップ電源を必要とすることなく、確実なバックアップエネルギ源としての使用が可能である。

例えば、市場で一般的に入手可能なタイプの低電圧スーパーキャパシタの使用も、システムのコストを低減して保守性を改善することを可能にすることができる。しかし、明らかに、本明細書に説明かつ図示のものに対して、特許請求の範囲で定める範囲から逸脱することなく変更を行うことができる。

例えば、スーパーキャパシタセル５ａ、５ｂの電気接続は、バックアップ供給電圧として必要とされるスーパーキャパシタ電圧Ｖ_scを提供するために直列接続ではなく並列接続とすることができ、また、スーパーキャパシタセルの数は、異なることができる。

１ 一体型バックアップエネルギ源
３ 電力ユニット
１０ 診断モジュール
１００ 主電源
１０２ 自動車システム

Claims (19)

1. 通常作動条件中に主電源（１００）から主供給電圧（Ｖ_batt）を受電するように設計され、かつ該通常作動条件と異なる故障作動条件中にバックアップ供給電圧（Ｖ_sc）を提供するように構成された自動車（１０１）内の自動車システム（１０２）のためのバックアップエネルギ源（１）であって、
   制御ユニット（２）と、
   前記通常作動条件中にエネルギを貯蔵し、かつ前記故障作動条件中に前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）を提供するように前記制御ユニット（２）によって制御されるスーパーキャパシタ群（４）と、
   前記主供給電圧（Ｖ_batt）からの電力が利用可能である時はいつでも、該主供給電圧（Ｖ_batt）から始めて前記スーパーキャパシタ群（４）を再充電するように前記制御ユニット（２）によって制御可能な充電モジュール（６）と、
   前記スーパーキャパシタ群（４）に結合され、かつ該スーパーキャパシタ群（４）の作動ステータスに関する情報を前記制御ユニット（２）に提供するように設計された診断モジュール（１０）と、
   を含み、
   前記診断モジュール（１０）は、少なくとも前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）の値を検出し、かつ前記再充電処理中に該再充電処理に基づいて等価直列抵抗（ＥＳＲ）及び／又は前記スーパーキャパシタ群（４）のキャパシタンス（Ｃ）の値をモニタするように構成される、
   ことを特徴とするバックアップエネルギ源（１）。
2. 前記スーパーキャパシタ群（４）は、前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）を共同で提供するために互いに接続された少なくとも第１（５ａ）及び第２（５ｂ）のスーパーキャパシタセルを含むことを特徴とする請求項１に記載のバックアップエネルギ源。
3. 前記診断モジュール（１０）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の以下の故障モード：開回路故障、短絡故障、漏れ電流の増加、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増加、キャパシタンス（Ｃ）の値の減少のうちの１つ又はそれよりも多くを決定するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載のバックアップエネルギ源。
4. 前記診断モジュール（１０）は、前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）に対して予め設定された部分放電値（Ｖ₁）から予め設定された完全充電値（Ｖ₂）まで前記スーパーキャパシタ群（４）を充電するための時間（ΔＴ）をモニタすることにより、該スーパーキャパシタ群（４）の前記キャパシタンス値を推定するように構成されることを特徴とする請求項３に記載のバックアップエネルギ源。
5. 前記充電モジュール（６）は、抵抗Ｒを有する充電抵抗器要素（６ｄ）を通じて前記スーパーキャパシタ群（４）を前記主供給電圧（Ｖ_batt）から充電するように前記制御ユニット（２）によって制御可能であり、
   前記診断モジュール（１０）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の前記キャパシタンス値を以下の式：
   

   

   を通じて推定するように構成され、ここで、Ｋは、
   

   

   によって与えられ、かつ前記主供給電圧（Ｖ_batt）の異なる値に対して予め計算されて前記制御ユニット（２）のメモリ（２ｂ）内の表に格納される、
   ことを特徴とする請求項４に記載のバックアップエネルギ源。
6. 前記診断モジュール（１０）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の前記等価直列抵抗（ＥＳＲ）をそれが予め設定された最大値よりも低いかを検査するために推定するように構成され、
   前記充電モジュール（６）は、充電電流（Ｉ_ch）を用いて前記スーパーキャパシタ群（４）を充電するように前記制御ユニット（２）によって制御可能であり、前記診断モジュール（１０）は、充電が中断されて該充電電流（Ｉ_ch）がゼロになった時に該スーパーキャパシタ群（４）上の電圧降下を測定することによって前記等価直列抵抗（ＥＳＲ）を推定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載のバックアップエネルギ源。
7. 前記充電モジュール（６）は、抵抗Ｒを有する充電抵抗器要素（６ｄ）を通じて前記スーパーキャパシタ群（４）を前記主供給電圧（Ｖ_batt）から充電するように前記制御ユニット（２）によって制御可能であり、
   前記診断モジュール（１０）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の前記等価直列抵抗（ＥＳＲ）を以下の式：
   

   

   を通じて推定するように構成され、ここで、ΔＶ_scは、該スーパーキャパシタ群（４）上の前記電圧降下である、
   ことを特徴とする請求項６に記載のバックアップエネルギ源。
8. 前記充電モジュール（６）は、前記スーパーキャパシタ群（４）に結合された充電抵抗器要素（６ｄ）と、前記主供給電圧（Ｖ_batt）を受電する入力端子（６ａ）及び該充電抵抗器要素（６ｄ）間に結合され、かつ制御端子を有する充電スイッチ要素（６ａ）とを含み、
   前記制御ユニット（２）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の充電を制御するために充電制御信号（Ｅｎ＿ｃｈ）を前記充電スイッチ要素（６ａ）の前記制御端子に提供するように構成され、該充電制御信号（Ｅｎ＿ｃｈ）は、前記通常作動条件中に、該スーパーキャパシタ群（４）が前記主供給電圧（Ｖ_batt）によって充電される時のＯＮ位相と該スーパーキャパシタ群（４）の充電が中断される場合のＯＦＦ位相とを定める負荷サイクルを有するパルス幅変調信号であり、
   前記診断モジュール（１０）は、前記充電電流（Ｉ_ch）が前記充電スイッチ要素（６ａ）の開成によってゼロになった時の前記充電制御信号（Ｅｎ＿ｃｈ）の前記負荷サイクルの前記ＯＦＦ位相中の前記スーパーキャパシタ群（４）の前記等価直列抵抗（ＥＳＲ）を推定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のバックアップエネルギ源。
9. 前記診断モジュール（１０）は、前記スーパーキャパシタ群（４）の作動温度をモニタし、かつ該検出された作動温度の関数として充電戦略を実施するために前記充電モジュール（６）及び／又は前記制御ユニット（２）と協働するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のバックアップエネルギ源。
10. 前記充電戦略は、それぞれの温度間隔において３つの異なる充電条件を想定し、それに従って
    −Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₁の間に含まれる温度に対して、前記スーパーキャップ群（４）は、Ｔｅｍｐ₁を第１の予め設定された温度値であるとして完全充電に保たれ、
    −＋Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₂の間に含まれる温度に対して、第１の電圧値と該第１の電圧値よりも低い第２の電圧値との間の電圧減少が、Ｔｅｍｐ₂を前記第１の予め設定された温度値よりも高い第２の予め設定された温度値であるとして前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）に適用され、かつ
    −Ｔｅｍｐ₂よりも高い温度に対して、前記スーパーキャップ群（４）は、前記第２の電圧値よりも低い第３の電圧値まで放電される、
    ことを特徴とする請求項９に記載のバックアップエネルギ源。
11. 前記第１の予め設定された温度値（Ｔｅｍｐ₁）は、範囲３８℃−４２℃にあり、前記第２の予め設定された温度値（Ｔｅｍｐ₂）は、範囲８５℃−９０℃にあることを特徴とする請求項１０に記載のバックアップエネルギ源。
12. 前記診断モジュール（１０）は、前記自動車システム（１０２）の作動中に前記制御ユニット（２）によって実行されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のバックアップエネルギ源。
13. 前記故障作動条件は、前記主供給電圧（Ｖ_batt）を提供する前記自動車（１０１）の前記主電源（１００）の故障又は該主電源（１００）とバックアップエネルギ源（１）の間の電気接続の故障を含むことを特徴とする前記請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のバックアップエネルギ源。
14. 通常作動条件中に主供給電圧（Ｖ_batt）を受電するように設計され、かつ該通常作動条件とは異なる故障作動条件中にバックアップ供給電圧（Ｖ_sc）を提供するように構成された自動車（１０１）内の自動車システム（１０２）のためのバックアップエネルギ源（１）を制御する方法であって、
    前記通常作動条件中にエネルギを貯蔵し、かつ前記故障作動条件中に前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）を提供するようにスーパーキャパシタ群（４）の再充電を制御する段階、
    を含み、
    前記制御する段階は、少なくとも前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）の値を検出することにより、前記スーパーキャパシタ群（４）の作動ステータスをその作動中にモニタする段階と、前記再充電処理中に該再充電処理に基づいて等価直列抵抗（ＥＳＲ）及び／又は該スーパーキャパシタ群（４）のキャパシタンス（Ｃ）の値をモニタする段階とを含む、
    ことを特徴とする方法。
15. 前記スーパーキャパシタ群（４）の前記作動ステータスをモニタする段階は、該スーパーキャパシタ群（４）の以下の故障モード：開回路故障、短絡故障、漏れ電流の増加、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増加、キャパシタンス（Ｃ）の前記値の減少のうちの１つ又はそれよりも多くを決定する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記スーパーキャパシタ群（４）の前記作動ステータスをモニタする段階は、前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）に対して予め設定された部分放電値（Ｖ₁）から予め設定された完全充電値（Ｖ₂）まで該スーパーキャパシタ群（４）を充電するための時間（ΔＴ）をモニタすることによって該スーパーキャパシタ群（４）の前記キャパシタンス値を推定する段階を含むことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
17. 前記スーパーキャパシタ群（４）の前記作動ステータスをモニタする段階は、充電が中断されて充電電流（Ｉ_ch）がゼロになった時に該スーパーキャパシタ群（４）上の電圧降下を測定することにより、該スーパーキャパシタ群（４）の等価直列抵抗（ＥＳＲ）をそれが予め設定された最大値よりも低いかを検査するために推定する段階を含むことを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記スーパーキャパシタ群（４）の前記作動ステータスをモニタする段階は、該スーパーキャパシタ群（４）の作動温度をモニタする段階を含み、該スーパーキャパシタ群（４）の充電を制御する前記段階は、該モニタされた作動温度の関数として充電戦略を実施する段階を含むことを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 充電戦略を実施する前記段階は、それぞれの温度間隔において以下の３つの異なる充電条件のうちの１つを実施する段階を含み、それに従って
    −Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₁の間に含まれる温度に対して、前記スーパーキャップ群（４）は、Ｔｅｍｐ₁を第１の予め設定された温度値であるとして完全充電に保たれ、
    −＋Ｔｅｍｐ₁と＋Ｔｅｍｐ₂の間に含まれる温度に対して、第１の電圧値と該第１の電圧値よりも低い第２の電圧値との間の電圧減少が、Ｔｅｍｐ₂を前記第１の予め設定された温度値よりも高い第２の予め設定された温度値であるとして前記バックアップ供給電圧（Ｖ_sc）に適用され、かつ
    −Ｔｅｍｐ₂よりも高い温度に対して、前記スーパーキャップ群（４）は、前記第２の電圧値よりも低い第３の電圧値まで放電される、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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