JP2017513204A

JP2017513204A - バッテリ管理装置

Info

Publication number: JP2017513204A
Application number: JP2017500122A
Authority: JP
Inventors: 楊安陶; 陳錚錚
Original assignee: アリースエコアーク（ケイマン）シーオー．エルティーディー．
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: TW201539933A; EP3121929A4; CA2943305C; CN106463998A; KR101889206B1; US20170182908A1; JP6336673B2; KR20160135794A; TWI547057B; WO2015139664A1; US10124694B2; CA2943305A1; EP3121929A1

Abstract

バッテリ管理装置が提供される。バッテリ管理装置は、バッテリモジュールの品質の制御能力を増大させるため及びシステム統合を増大させるため用いられる。バッテリ管理装置は、可換バッテリモジュール及びバッテリパック管理ユニットを含む。可換バッテリモジュールは、バッテリ管理ユニット、リレー、及びバッテリセルパッケージを含む。バッテリ管理ユニットは、電圧測定回路とメモリ回路を含む。電圧測定回路とメモリ回路は、互いに絶縁される。リレーは、可換バッテリモジュールの内部回路を切り替えるために使われる。バッテリセルパッケージは、バッテリ管理ユニットに接続され、バッテリ管理装置の電源として役立つ。バッテリパック管理ユニットは、可換バッテリモジュールの電圧測定回路と接続される。電圧測定回路は、バッテリセルパッケージにより動かされる。電圧測定回路は、電圧情報をバッテリパック管理ユニットに出力する。バッテリ操作データは、メモリ回路に保存される。メモリ回路は、メモリ入出力コネクタを介してバッテリパック管理ユニットによってのみアクセス可能である。【選択図】図3

Description

本発明は、バッテリ管理装置に関する。本発明は、特に独立しており及び分離されているメモリ回路を有する複数のバッテリモジュールを利用したバッテリ管理装置に関する。

今日では、電気自動車は、化石燃料車両に取って代わり始めている。さらに、電気自動車は、公共交通分野において徐々に適用されつつある。公共交通車両に、電気動力システムを実装するための多くの実現可能方法のうちの1つは、交換可能バッテリパック及びバッテリ交換ステーションを使用することである。例えば、バッテリ交換ステーションにおけるバッテリパックは、最初に完全に充電される。電気バスのバッテリパックがほとんど無くなったころには、電気バスは、指定されたバッテリ交換ステーションに停車する。そして、電気バスの無くなったバッテリパック及びバッテリ交換ステーションにおける完全に充電されたバッテリパックは、互いに5分〜10分以内に交換される。その結果、電気バスは、継続して駆動するために完全に充電されたバッテリパックから十分な電力を得ることができる。

実際には、そのサービス時間の間、バッテリパックのバッテリモジュールにおける個々のバッテリセルは異なったスピードで劣化する。さらに、サービスから３年後には、個々のバッテリモジュールの能力は必然的に悪化する。バッテリ能力の悪化は、約３０パーセントまで走行距離の低下を起こす。均一に放電するバッテリパックを可能とするためには、バッテリパックのすべてのバッテリモジュールは、同様な容量範囲及び内部抵抗範囲に保持されなければならない。バッテリモジュールの経過年数を問わず、バッテリパックにおけるどんな劣化したバッテリモジュールも、新しいものへ交換する必要がある。そのようなバッテリモジュールのステータスを実現するためには、バッテリパック提供者がバッテリモジュールを頻繁にテストする必要である。バッテリモジュールの容量が予測され、バッテリパックのステータスが実現された後に、バッテリパック提供者は、電気バスエージェンシー及び電気タクシーエージェンシーへよいサービスを提供できる。

慣例的に、バッテリモジュールは、専門的な施設において再テストされる。バッテリモジュールは、再テストされた後、操作データ、SOH（健全な状態）データ、SOC（充電の状態）、及び代替バッテリモジュール又は新たにインストールされたバッテリモジュールの利用履歴をバッテリパック管理ユニット又は電子制御ユニット（ＥＣＵ）からダウンロードし、転送する必要がある。知られているように、この処理は、バッテリパック提供者にとって時間がかかるものでありコストの掛かるものである。

さらに、バッテリモジュールに障害が起こった際には、サージ電流が生じる。サージ電流は、バッテリセルの破壊及びバッテリ管理ユニットの損傷を起こしうる。この状況の下では、バッテリ管理ユニットに保存されたバッテリモジュールの操作データは、回復不能である。すなわち、バッテリモジュールのユーザーは、バッテリモジュールの操作データを取得できない。

従って、サージ電流によるバッテリ管理ユニットの損傷、バッテリモジュールの回復不能な操作データ及びバッテリモジュールの状態を取得するために時間のかかる処理等の従来技術の欠点を克服するためのバッテリ管理装置を提供することについてニーズがある。

本発明の目的は、電気制御ユニット、充電システム及びバッテリモジュール間における信頼性があり効果的なデータ転送を提供するためのバッテリ管理装置を提供することである。

本発明の別の目的は、電気自動車又はバッテリモジュールの誤動作が電気機械的システムにおいて起こったとしてもバッテリモジュールの操作データ及び利用履歴の記録が可能なバッテリ管理装置を提供することである。その結果、バッテリサービスステーションは、製造欠陥を追跡し、リースされたバッテリモジュールの品質及び性能を監視することができる。

本発明の更なる目的は、バッテリモジュールが充電される際にバッテリモジュールの操作データ及び利用履歴をバッテリサービスステーションへ個々に提供し、バッテリモジュールの操作データ及び利用履歴を効率的に比較することができるバッテリ管理装置を提供することである。その結果、全てのバッテリモジュールの状態が検査される。

本発明の１つの側面によれば、バッテリ管理装置が提供される。バッテリ管理装置は、可換バッテリモジュール及びバッテリパック管理ユニットを含む。可換バッテリモジュールは、バッテリ管理ユニット、リレー、及びバッテリセルパッケージを含む。バッテリ管理ユニットは、電圧測定回路及びメモリ回路を含む。電圧測定回路及びメモリ回路は、互いに絶縁される。リレーは、可換バッテリモジュールの内部回路を切り替えるために用いられる。バッテリセルパッケージは、バッテリ管理ユニットに接続され、バッテリ管理装置の電源として役立つ。バッテリパック管理ユニットは、可換バッテリモジュールの電圧測定回路に接続される。電圧測定回路は、バッテリセルパッケージによって電力を供給される。電圧測定回路は、電圧情報をバッテリパック管理ユニットに出力する。バッテリ操作データは、メモリ回路に保存される。メモリ回路は、メモリ入出力コネクタを介してバッテリパック管理ユニットによってのみアクセス可能である。

以下の添付の図面とともに発明の詳細な説明を参照することにより、本発明の上記の内容は、当業者にとってより容易に明らかなものとなる。

図1は、実施形態による電気自動車のためのバッテリ管理装置の構成を概略的に示す。

図2は、図1に示したように、バッテリ管理装置の構成の詳細な電気回路を概略的に示す。

図3は、本発明の実施形態によるバッテリ管理装置の構成の詳細な電気回路を概略的に示し、バッテリ管理装置は、充電システムに接続される。

本発明は、以下の実施形態を参照してより明確に記載されるであろう。本発明の好ましい実施形態に関する以下の記載は、ここに、説明及び記載のみの目的のために提供されることに留意されたい。以下の実施形態及び図面において、本発明のコンセプトと無関係な要素は省略し、示さない。

図1は、本発明の実施形態による電気自動車のためのバッテリ管理装置の構成を概略的に示す。図面に示されるように、バッテリ管理装置100は、外側シェル（示されない）、バッテリパック管理ユニット102、及び複数の可換バッテリモジュール130を含む。バッテリ管理装置100の外側シェル（示されない）は、バッテリパック管理ユニット102及び複数の可換バッテリモジュール130を収容するためのスペースを提供する。これに限定するものではないが、好ましくは、バッテリ管理装置100は、バッテリパックである。個々の可換バッテリモジュール130は、バッテリセルパッケージ125及びバッテリ管理ユニット101を含む。この実施形態において、バッテリ管理装置100は、４つの可換バッテリモジュール130を含む。可換バッテリモジュール130の数は、実用的な要請によって変えてもよいということには留意されたい。バッテリパック管理ユニット102は、複数の可換バッテリモジュール130のバッテリ管理ユニット101、ポジティブリレー108（図2参照のこと）、及びネガティブリレー（図2参照のこと）に接続される。バッテリ管理装置100が電気自動車に接続される際には、バッテリ管理装置100は、バッテリパック管理ユニット102を介して電気自動車の電気制御ユニット103に接続される。代わりに、バッテリ管理装置100が充電システム201（図3参照のこと）に接続される際には、バッテリ管理装置100は、バッテリパック管理ユニット102を介して充電システム201に接続される。これらの構成間の詳細な接続に関しては、後で記載される。

図１を再び参照する。個々の可換バッテリモジュール130のバッテリセルパッケージ125は、対応したバッテリ管理ユニット101に接続される。さらに、バッテリセルパッケージ125は、可換バッテリモジュール130の電源である。バッテリ管理ユニット101は、電圧測定回路106及びメモリ回路104を含む。電圧測定回路106及びメモリ回路104は、互いに絶縁される。これに限定されるものではないが、好ましくは、メモリ回路104は、不揮発メモリ回路である。バッテリ管理ユニットは、分離回路105をさらに含む。これに限定されるものではないが、好ましくは、分離回路105は、フォトカプラである。この実施形態において、分離回路105は、バッテリパック管理ユニット102及び電圧測定回路106の間に配置される。分離回路105に起因して、バッテリパック管理ユニット102及び電圧測定回路106は、互いに電気的に絶縁される。しかし、信号は、バッテリパック管理ユニット102及び電圧測定回路106の間で送信され得る。メモリ回路104は、可換バッテリモジュール130の操作データを保存するために用いられる。さらに、メモリ回路104は、バッテリパック管理ユニット102によってのみアクセス可能である。その結果として、可換バッテリモジュール130のバッテリ操作データ及び利用履歴は、メモリ回路104によって継続的に蓄積され、保存される。

この実施形態において、個々のバッテリ管理ユニット101は、第一セクション101a及び第二セクション101bにさらに分けられる。バッテリ管理ユニット101の電圧測定回路106及び分離回路105は、第一セクション101aに含まれる。バッテリ管理ユニット101のメモリ回路104は、第二セクション101bに個々に含まれる。第一セクション101a及び第二セクション101bは、互いに分離され、絶縁されるため、2つの異なるセクションにおいて電圧測定回路106及びメモリ回路104もまた互いに絶縁される。第一セクション101aにおける電圧測定回路106は、分離回路105及び手順入出力コネクタ127を介してバッテリパック管理ユニット102に接続される。その結果として、可換バッテリモジュール130の電圧情報は、バッテリパック管理ユニット102に提供される。電圧情報は、バッテリパック管理ユニット102によって処理され、そしてバッテリ操作データ〈充電状態（SOC）情報、健全な状態（SOH）情報、セル温度履歴情報、現在の利用情報、自動車の位置履歴情報等、を含む）に変換される。バッテリ管理ユニット101の第二セクション101bにおけるメモリ回路104は、メモリ入出力コネクタ126を介してバッテリパック管理ユニット102に接続される。メモリ回路104は、バッテリパック管理ユニット102とのみ接続され、他の回路とは接続されない。その結果として、メモリ回路104は、メモリ入出力コネクタ126を介してバッテリパック管理ユニット102によってのみアクセス可能である。さらに、第一セクション101aにおける電圧測定回路106に動力を供給するための電力は、バッテリセルパッケージ125により供給され、第二セクション101bにおけるメモリ回路104に動力を供給するための電力は、メモリ入出力コネクタ126を介して低電圧源（示されない）により供給される。

電気自動車において用いられるバッテリ管理装置100の接続状態及び充電モードにおけるバッテリ管理装置100の接続状態は、以下の通り説明される。

図2は、図１に示すように、バッテリ管理装置の構成の詳細な電気回路を概略的に示す。図２に示すように、バッテリ管理装置100は、バッテリパック管理ユニット102及び複数の可換バッテリモジュール130を含む。簡潔のため、図面においてはバッテリ管理装置100の１つの可換バッテリモジュール130のみを示す。可換バッテリモジュール130の数は、限定されるものではないことに留意されたい。可換バッテリモジュール130は、バッテリセルパッケージ125、バッテリ管理ユニット101、ポジティブリレー108及びネガティブリレー109を含む。この実施形態において、バッテリセルパッケージ125は、可換バッテリモジュール130に電気エネルギーを供給するための複数のバッテリセル1251、1252、1253、1254及び1255を含む。バッテリセルパッケージ125におけるバッテリセル数は、実用的な要請によって変更してもよい。すなわち、バッテリセルパッケージ125におけるバッテリセル数は、限定されるものではない。上記のように、バッテリ管理ユニット101は、電圧測定回路106、分離回路105及びメモリ回路104を含む。バッテリ管理ユニット101は、第一セクション101a及び第二セクション101bに分けられ、互いに分離される。バッテリ管理ユニット101の電圧測定回路106及び分離回路105は、第一セクション101aに含まれる。バッテリ管理ユニット101のメモリ回路104は、第二セクション101bに含まれる。その結果として、電圧測定回路106及びメモリ回路104は、互いに分離され、絶縁される。

ポジティブリレー108及びネガティブリレー109は、バッテリセルパッケージ125の正極及び負極とそれぞれ接続される。これに限定されるものではないが、好ましくは、ポジティブリレー108は、バッテリセルパッケージ125のバッテリセル1251の正極と接続され、ネガティブリレー109は、バッテリセルパッケージ125のバッテリセル1255の負極と接続される。その結果として、可換バッテリモジュール130の電気回路ステータスは、制御可能である。バッテリ管理装置100において、バッテリパック管理ユニット102は、2つのリレー制御コネクタ128を介してポジティブリレー108及びネガティブリレー109と接続される。その結果として、ポジティブリレー108及びネガティブリレー109は、閉状態又は開状態にあるように制御される。この実施形態において、ポジティブリレー108及びネガティブリレー109は、それぞれ、バッテリモジュール正極110及びバッテリモジュール負極111にさらに接続される。その結果として、バッテリ管理装置100は、電力を供給する又は電力を受けるため電気自動車又は外部電源（例えば、図.3に示すような充電システム201）と接続され得る。

バッテリパック管理ユニット102及び関連するコンポーネント間の関係は、以下の通り説明される。図２を再び参照されたい。バッテリパック管理ユニット102は、手順入出力コネクタ127を介して可換バッテリモジュール130のバッテリ管理ユニット101における分離回路105及び電圧測定回路106に接続される。さらに、分離回路105は、電圧測定回路106及びバッテリパック管理ユニット102間に配置される。分離回路105に起因して、電圧測定回路106及びバッテリパック管理ユニット102は、互いに電気的に絶縁される。しかし、信号は、電圧測定回路106及びバッテリパック管理ユニット102間において送信され得る。バッテリパック管理ユニット102は、メモリ入出力コネクタ126を介して可換バッテリモジュール130のバッテリ管理ユニット101におけるメモリ回路104に接続される。さらに、メモリ回路104に動力を供給するための電力は、バッテリパック管理ユニット102における低電圧源（示されない）によって供給される。さらに、メモリ回路104は、バッテリパック管理ユニット102によってのみアクセス可能である。上記のように、バッテリパック管理ユニット102は、2つのリレー制御コネクタ128を介して可換バッテリモジュール130のポジティブリレー108及びネガティブリレー109に接続される。その結果として、バッテリパック管理ユニット102は、リレー制御コネクタ128を介してポジティブリレー108及びネガティブリレー109の電気回路ステータスを調整できる。バッテリ管理装置100が電気自動車と接続される際には、バッテリパック管理ユニット102は、バッテリ入出力コネクタ124を介して電気自動車の電気制御ユニット103に接続される。その結果として、可換バッテリモジュール130のバッテリ操作データ及び利用履歴は、バッテリパック管理ユニット102から電気制御ユニット103に送信され得る。

本発明のバッテリ管理装置100が電気自動車に適用される際には、バッテリパック管理ユニット102は、手順入出力コネクタ127を介してバッテリ管理ユニット101の電圧測定回路106から電圧情報を継続的に受信する。電圧情報が処理された後、バッテリパック管理ユニット102は、一連のバッテリ操作データを取得する。そして、バッテリパック管理ユニット102は、メモリ入出力コネクタ126を介してメモリ回路104にバッテリ操作データを保存するか、又はバッテリ入出力コネクタ124を介して電気自動車の電気制御ユニット103にバッテリ操作データを提供する。さらに、バッテリ管理ユニット101のメモリ回路104は、外面的に動力を供給されるバッテリ管理ユニット101に含まれかつ外部から動力を供給される独立かつ絶縁されたコンポーネントである。すなわち、可換バッテリモジュール130のバッテリ管理ユニット101は、メモリ回路104を直接読むこと又はアクセスすることができない。可換バッテリモジュール130が誤動作した場合は、生成されたサージ電流が可換バッテリモジュール130のバッテリセルパッケージ125及びバッテリ管理ユニット101の第一セクション101aにおける電圧測定回路106を破壊するだけでろう。バッテリ管理ユニット101の第一セクション101a及び第二セクション101bは、互いに分離され、絶縁されるため、バッテリ管理ユニット101の第二セクション101bにおけるメモリ回路104は、サージ電流によって攻撃されない。この状況下において、メモリ回路104に保存されたバッテリ操作データは、失われない。すなわち、メモリ回路104は、飛行機のブラックボックスと同様な機能を有している。

図３は、本発明の実施形態（バッテリ管理装置が充電システムに接続されている。）によるバッテリ管理装置の構成の詳細な電気回路を概略的に示す。図２に示すように、バッテリ管理装置100は、電気自動車の電気制御ユニット103に接続される。一方、図３に示すようなバッテリ管理装置100は、充電システム201に接続される。以下の構成を除き、バッテリ管理装置100の構成は、上で述べたものと同様の構成である。図３を参照されたい。充電操作の間に、バッテリパック管理ユニット102は、バッテリ入出力コネクタ124を介して充電システム201に接続される。その結果として、バッテリパック管理ユニット102及び充電システム201は互いに通信下におかれる。充電システム201は、正充電端子202及び負充電端子203をさらに含む。正充電端子202及び負充電端子203は、それぞれ、バッテリ管理装置100のバッテリモジュール正極110及びバッテリモジュール負極111に接続される。その結果として、バッテリ管理装置100の可換バッテリモジュール130は、充電システム201によって充電され得る。可換バッテリモジュール130のバッテリ操作データが可換バッテリモジュール130のメモリ回路104に保存されるため、充電システム201は、バッテリ管理装置100のバッテリパック管理ユニット102を介して可換バッテリモジュール130のバッテリ操作データを直接読み込むことができる。その結果として、バッテリ管理装置100が充電されている間、バッテリパックの提供者は、すべてのバッテリモジュール130の電気的特性をテストすることができる。現在と過去の電気的特性を比較することで、すべての可換バッテリモジュール130のステータスを分析することができる。充電ステーションにおいて電気的特性の比較処理が行われるため、電気自動車内よりも、比較処理を行う環境が安定している。言い換えれば、充電ステーションにおいて得られた比較処理データは、より信頼でき正確なものである。本発明によれば、バッテリパック提供者は、充電操作を行う際にはいつでもバッテリ管理装置100におけるすべての可換バッテリモジュール130のステータスを調べることが可能である。可換バッテリモジュール130がひどく劣化し、走行距離の低下を起こす場合には、可換バッテリモジュール130は、新しいものと取り替えられる。その結果として、バッテリパック提供者は、良いリースサービスを提供することができる。

上記の説明から、本発明は、バッテリ管理装置を提供する。メモリ回路は、可換バッテリモジュールのバッテリ管理ユニットにおいて独立して含まれている。メモリ回路は、バッテリパック管理ユニットによってのみアクセス可能でありかつ動力を供給される。可換バッテリモジュールにおいて欠陥が発生する場合には、メモリ回路に保存されたバッテリ操作データは、生成されたサージ電流によって悪影響を受けない。たとえ可換バッテリモジュールのうちの1つが誤動作した場合でも、バッテリパック提供者は、らメモリ入出力コネクタを介してメモリ回路からバッテリ操作データを読み込むためバッテリパック管理ユニットを操作することができる。バッテリ操作データによると、可換バッテリモジュールにおける欠陥発生の原因は明らかにすることができる。さらに、バッテリ管理装置が充電されている間、健全な状態は、現在と過去の電気的特性を比較処理した結果によって計算され得る。従来技術と比べて、バッテリパック管理ユニット又は電子制御ユニットから、関連したデータのダウンロードは不要である。テストプロセスが簡素化されるので、バッテリ管理装置は、産業上貴重でありかつ法律に従って特許取得可能なものである。

以上、本発明について、現在最も実用的且つ好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要はない。逆に、様々な改良及び類似の構成を添付の特許請求の範囲及び趣旨に含むことが意図されており、全ての改良及び類似の構成を包含するよう、最も広い解釈に従うべきである。

Claims

バッテリ管理装置であって、
少なくとも１つの可換バッテリモジュールと、バッテリパック管理ユニットとを含み、
それぞれの可換バッテリモジュールは、バッテリ管理ユニットと、リレー設定と、バッテリセルパッケージを含み、
前記バッテリ管理ユニットは、電圧測定回路と、メモリ回路を含み、前記電圧測定回路及び前記メモリ回路は、互いに絶縁されており、
前記リレー設定は、前記可換バッテリモジュールの内部回路を切り替えるためにあり、
前記バッテリセルパッケージは、前記バッテリ管理ユニットに接続され、前記バッテリ管理装置の電源であり、
前記バッテリパック管理ユニットは、少なくとも１つの前記可換バッテリモジュールの前記電圧測定回路に接続され、
前記電圧測定回路は、前記バッテリセルパッケージによって動力を与えられ、
前記電圧測定回路は、前記バッテリパック管理ユニットに電圧情報を出力し、
前記メモリ回路にバッテリ操作データが保存され、
前記メモリ回路は、メモリ入出力コネクタを介して前記バッテリパック管理ユニットによってのみアクセス可能である、
バッテリ管理装置。
前記バッテリ管理ユニットは、第一セクション及び第二セクションにさらに分けられ、
前記電圧測定回路は、前記第一セクションに含まれ、前記メモリ回路は、前記第二セクションに含まれ、前記電圧測定回路及び前記メモリ回路は、互いに分離され、絶縁される、
請求項１に記載のバッテリ管理装置。
前記第一セクションは、分離回路をさらに含み、前記分離回路は、前記バッテリパック管理ユニット及び前記電圧測定回路の間に配置される、
請求項２に記載のバッテリ管理装置。
前記メモリ回路は、メモリ入出力コネクタを介して、バッテリパック管理ユニットの低電圧源によって動力を与えられる、請求項１に記載のバッテリ管理装置。
前記メモリ回路は、不揮発性メモリ回路である、請求項１に記載のバッテリ管理装置。
バッテリセルパッケージは、複数のバッテリセルを含む、請求項１に記載のバッテリ管理装置。
前記バッテリパック管理ユニットは、充電操作をするために充電システムに接続され、前記充電システムは、前記バッテリ操作データを、前記バッテリパック管理ユニットを介してメモリ回路から読み込み、前記充電操作は実行され、少なくとも１つの可換バッテリモジュールのステータスが、現在及び過去の電気的特性を比較した結果に基いて前記充電システムによって分析される、請求項１に記載のバッテリ管理装置
前記バッテリ管理装置は、電気自動車に使用され、前記バッテリパック管理ユニットは、電気自動車の電気制御ユニットに接続され、前記電気制御ユニットは、バッテリ操作データをバッテリパック管理ユニットを介してメモリ回路から読み込む、請求項１に記載のバッテリパック管理ユニット。