JP2019110750A - 動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置を作り出す方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
は、バックアップ電源として使用される一連のバッテリの個別のバッテリセルまたはバッテリセルのグループを、制御可能に充電および放電する装置ならびに方法を開示する。装置は、負荷バスおよび一次電源から少なくとも部分的にバッテリストリングを絶縁するためのバッテリ供給モジュールを含む。部分的な絶縁は、並列に配置される2つの制御されたスイッチを含むスイッチングネットワークの影響を受け、バッテリのストリングを選択的に絶縁する。特定の開示される実施形態では、制御されたスイッチの一方は、他方の制御されたスイッチが閉じるまで、バッテリのストリングを負荷バスに接続するためにオンにされる。システムは、各バッテリ供給モジュールにおけるレギュレタに、バッテリストリングを充電するために用いられる電力バスと、各バッテリ供給モジュールにバッテリを放電するための放電バスと、を供給する主電源を含む。
2.IOAおよびIOB出力端子に関して負分極化した出力の電圧(11と14は開、12と13は閉)
3.バイパス(11と13は閉、12と14は開)または(12と14は閉、11と13は開)
4.開放(11、12、13、14全て開)
5.短絡(11と12が閉、または13と14が閉)この構成は電池が完全に開いているかまたは電池の配線中にヒューズがある場合にのみ用いられることに注意。この状態はヒューズを飛ばしエネルギー貯蔵装置をパックから意図的に取り除く大容量の電流を誘導する誘因となることができる。
a.+2Vcell(アクティブスイッチ34,32,および36がONの状態)
b.+Vcell,この出力状態は2つの異なるスイッチングの組み合わせによって誘導することができる。
i.34,32,および33がONの状態
ii.31,32,および36がONの状態
a.−2Vcell,能動スイッチ31,35,および33がONの状態
b.−Vcell:この出力状態は2つの異なるスイッチングの組み合わせによって誘導することができる。
i.31,35,および36がONの状態
ii.34,35,および33がONの状態
a.31,32,および33がONの状態
b.34,35,および36がONの状態
a.31および34がOFFの状態
b.32および35がOFFの状態
c.33および36がOFFの状態
a.31および34がONの状態
b.32および35がONの状態
c.33および36がONの状態
単一のグループコントローラは「A」個のセルのこれらのグルーピングをそれぞれ管理する。この「A」個のセルのグルーピングは図2に示される逆Hブリッジモジュールのストリングとして物理的に接続されている。グループコントローラは個々のセルの特徴を(電圧、温度、電流を測定し、充電状態、劣化状態、寿命状態、故障検知などを決定するリアルタイムモデリング実行することによって)監視および管理するであろう。
グループコントローラがそのグループ内に「A」個のセルを有する場合、それは次のように示される:
ある特定の用途が単一のストリングコントローラが自身で管理できる数(「A」×「B」個のセル数より大きい)より多くのグループコントローラを必要とする場合、サブストリングコントローラが導入される。サブストリングコントローラは多くて「C」個のグループコントローラを管理するであろう、という点を除いて(「B」は「C」と等しいことが可能であるが必ずしも等しくなくてよい)ストリングコントローラと同じ動作をする。サブストリングコントローラの数はある特定の用途のためのストリングに必要であろうセルの総数によって規定されるであろう。さらに、最大数「C」はシステムを実行するためのハードウエアの実用限界から来ている(しかしまた、「C」個より少ないグルーピングが単一のサブストリングコントローラによって管理されることができる)。
必要な追加サブストリングコントローラの階層がストリングコントローラが多くて「B」個の装置を管理することを確実にするため、また任意のサブストリングコントローラの階層(X)が多くて「BX」個のセルを管理していることを確実にするために導入される場合
サブストリングコントローラ階層1:「SSC_1」
サブストリングコントローラ階層2:「SSC_2」
サブストリングコントローラ階層X−1:「SSC_(X−1)」
サブストリングコントローラ階層X:「SSC_(X)」
並列ストリングコントローラ:「PSC」
並列ストリングコントローラは「D」個までの個々のストリングコントローラを管理する。さらに、数「D」はシステムを実行するためのハードウエアの実用限界から来ている(しかしまた、「D」個より少ないグルーピングが単一の並列ストリングコントローラに管理されることができる)。
コーディネータは「E」個の並列ストリングコントローラを制御する。
ディレクタ階層1「D1」
ディレクタは「F」個のコーディネータを管理する。
ディレクタ階層2「D2」
ディレクタは「G」個のディレクタ階層{1} を管理する。
・
・
・
ディレクタ階層X「DX」
ディレクタは「Y」個のディレクタ階層{X−1} を管理する。
マスタコントローラ
マスタコントローラ
1.パケットの終了
a.パケットが送信された時に必ずすべてをリセットする。
2.モジュール識別子
a.マネージャによってモジュールに与えられる連続番号である。
b.2バイト
3.長パケットコード
a.2−4バイト
4.送信バイト数
a.1バイト
5.日付/時間
a.4バイト
b.セルがRTCを有する場合のみ重要である。
6.アクションコード
a.データ読み込み
b.データ書き込み
c.状況報告
d.セルの強制停止
e.モジュールの強制停止
f.温度読み込み
g.電圧読み込み
h.電流読み込み
i.SOC読み込み
j.同期カウントのリセット
k.同期カウントの読み込み
l.最終メッセージの再送信
7.あればアクションコードのデータ
8.チェックサムまたはハッシュ
9.パケットの終了
1.送信バイト数
a.1バイト
2.アクションコードの確認
3.報告データ
4.チェックサムまたはハッシュ
5.パケットの終了
マスタコントローラ
1.モジュール識別子
2.短パケットコード
a.1−2バイト
3.短アクションコード
a.セルの強制停止
b.モジュールの強制停止 c.パックの強制停止
d.新規ピラミッドポジションの設定
e.ピラミッドポジションの稼働
f.ピラミッドのセル数の設定
1.マネージャの識別子
2.短パケットコード
3.受信確認
a.メッセージ受信と実行
b.メッセージ受信するも実行できず
下記が「長い」アクションコードとその動作の一覧である:
・データ読み込み−(0x01):このコードは情報を要求するためマスタコントローラからモジュールへデータを要求する。一般データのために留保されている予約である。
・データ書き込み−(0x02):一般データがモジュール上で不正であると判明した場合、マスタコントローラはそのデータを変更または修正することができる。
・状況報告−(0x03):マスタコントローラからの要求に応じてモジュールの現況報告を行う。
a.コードを返信
b.全てOK
c.低電圧のセルがある
d.要求される電圧を生成できない
e.非作動のセルがある
・セルの強制停止−(0x04):マスタコントローラに個々のセルを取り除く能力を与える。モジュールがすべての情報を有するためストリングに決定力をゆだねる。緊急用に留保されている。
・モジュールの強制停止−(0x05):ストリングを強制停止信号である。緊急時またはストリングのシャットダウンが要求された場合のために提供される。より速くシャットダウンさせるために、緊急時には短コードを使う方がよい手法であろう。
・温度読み込み−(0x06):ストリングから温度を獲得する。マスタコントローラが報告するために使用され、緊急時のみ作動する。
・電圧読み込み−(0x07):ストリングの全電圧を読み込む。パック電圧を得るために、セルがストリングにいくつ割り当てられればよいかの概算見積もりとしてマスタコントローラに使われることができる。
・電流読み込み−(0x08):ストリングが放電している電流を獲得する。これは実行されてもされなくてもよい。システム全体が電流にマスタコントローラのレベル(充電レベル)またはストリングレベルにおいて電流を読ませている。
・SOC読み込み−(0x09):ストリングのSOCを与える。マスタコントローラが必要な電圧に到達するための正しい量のセルを備えるモジュールを「ロード」する手助けをする。
・同期カウントのリセット−(0x0A):すべてのストリングは電流同期カウントのカウンタを維持する。マスタコントローラは特別な機会に同期カウントをリセットすることができる。
・同期カウントの読み込み−(0x0B):ストリングが正しく同期していることを確実にするために電流同期カウントを見る能力をマスタコントローラに与える。
・最後の送信の再送−(0x0F):チェックサムまたはハッシュが一列に並ばない場合マスタが別の応答を要求することができる。
・セルの強制停止−(0x04):マスタコントローラに個々のセルを強制停止する(使用をやめる)能力を与える。ストリングがすべての情報を有するためモジュールに決定力をゆだねる。緊急用に留保されている。
・モジュールの強制停止−(0x05):ストリングを強制停止する信号である。緊急時または特定のストリングのシャットダウンが要求された場合のために提供される。
・パックの強制停止−(0x0C):このコードはすべての回線上のストリングに互いに強制停止させるよう一斉同報する。
・新規ピラミッドポジションの設定−(0x0D):ストリングに自身がピラミッドのどの位置にあるか教える。
・ピラミッドポジションをアクティブにする−(0x0E):モジュールがピラミッド内の正しい位置にあることを確認するためにストリングのアクティブポジションを返す。
・ピラミッドのセル数の設定−(0x10):エネルギーストリングに、ピラミッド内のいくつのセルがアクティブであるか教える。例えば、セル数が2であった場合、モジュール内の11セルのうち多くて2セルだけが同時に稼働している。
・カウントの稼働−(0x11):これは新規構成が同期カウント=稼働カウントを変える際の将来の同期カウントである。
・カウント稼働の中止−(0x12):過去の稼働カウントをキャンセルし現在の構成に変化を与えない。
図18は、複合的可変直流電源または多相交流電源の作成のための本発明のアプリケーションを示している。本発明によって複合的可変直流電源を作成するために、エネルギーモジュールのストリング中の中間点が選択される。この点が接地点として設定される。この接地点の右側に、モジュールは+Vdc_Aから−Vdc_Aの幅で変えられることができ、左側は共通の参照地点から複合的可変直流電源を設置するために+Vdc_Cから−Vdc_Cへと切り替えることができる。接地点の上部および下部では次の電圧が得られ、それぞれ+Vdc_Bから−Vdc_Bへ、+Vdc_Dから−Vdc_Dへ、となる。一般性を失うことなく、Vd_Aの強度はVdc_B、Vdc_CまたはVdc_Dの強度と同一または異なるようにすることができる。
a.このハードウエア構成によって独立して駆動される各車輪におけるダイレクトモータ駆動方式の四輪自動車
b.様々な電圧が要求される任意のシステム
c.三相交流電源を作成するために、Vssが中性線として利用でき、Va、VbおよびVc中のエネルギーモジュールがそれぞれの交流信号の間の望ましい位相オフセットの交流正弦波を発生させるために制御されることができる。
一例として、図2の縮尺版として示される一連の5つのエネルギーモジュール直列接続を挙げる。この例では、各エネルギーモジュールがそれらの内部エネルギー貯蔵装置としてリチウムセルを有すると仮定する。この例では、各エネルギーモジュールは、図6に示されるように、追加のローカルエネルギー貯蔵装置および回路を有する。各エネルギーモジュールのローカルエネルギー貯蔵装置は、単なるキャパシタである。エネルギーモジュール内のリチウムセルが、十分に高い貯蔵電荷を有して正常に機能する場合、リチウムセルはキャパシタにエネルギーを移送させる。マイクロコントローラなどの計算装置は、2つの絶縁された制御信号を各エネルギーモジュールに与え、各モジュールの出力構成を所望のように変化させる。
ゴルフカートは、セルによって動力を供給することができる。エネルギー源は、120Vの交流電源または36Vの直流ソーラーパネルのいずれかから充電される、36Vモータ動作に対応するオンボードのエネルギー源であると推定される。直列接続される60個のエネルギーモジュールのセットが使用され、エネルギーモジュール内の内部エネルギー貯蔵装置は、名目的には3.3Vのセルバッテリセルである。60個のエネルギーモジュールのうちの52個が適切なスイッチ構成を介して直列に接続されるならば、得られ得る最大公称電圧は171.6Vとなる。追加の8個のエネルギーモジュールは、セルが低劣化状態である場合に冗長性を持たせ、セルの充電状態を平衡化させるときにより柔軟性を持たせる。52個のエネルギーモジュールの公称値は、グルーピングが標準の120VrmsACコンセントに直接接続させ、図17(同一概念の縮小版)に示すように各エネルギーモジュールが適切にスイッチ切り替えされることで、それらは交流電源から直接充電可能である。これら60個のエネルギーモジュールを管理するアーキテクチャは、以下に記載する。
充電源は、交流電源または直流電源であってもよい。交流電源である場合は、マスタデバイスは、交流電源の強度を検知して、交流電源と一致してそこから充電するようにエネルギーモジュールを制御する交流充電モードに入れられてもよい。開示するとおり、個別のエネルギーモジュールのパルス幅変調は、入力交流電源を追跡するように採用可能であり、これによって構造は、エネルギーモジュールのグルーピングへの充電電流を制御することができるようになる。これは、エネルギーモジュールの数であるnが、交流電源の最大電圧強度に一致するだけ大きいという仮定の下にある。
固定の直流入力充電源の場合では、その電源は固定直流充電装置(例えば、市販のリチウムセル充電器)であってもよい。マスタは、直流電源の強度を検知できるモードに入れられてもよい。直流電源からの最大電圧を検知すると、一度に充電できる直列接続エネルギーモジュールの最大数を判定することができる。次に、この例では、その直列接続エネルギーモジュールの最大数がエネルギーモジュールの各並行ストリング内で選択される。次に両方のセットが、並行接続スイッチを介して並行に接続される。マスタは次にラウンドロビン方式でエネルギーモジュールのセットを変えて、それらの充電状態及び劣化状態に基づいて必要に応じてエネルギーモジュールを交換して、すべてのエネルギーモジュールの充電を最適化する。
ソーラーパネルまたは風車などの可変直流電源の場合は、マスタは、直流電源の充電電圧を変えて流入電流を最大化することを可能とするモードに入れられてもよい。本質的に、電流と電圧の両方を最大化することで、得られる最大の動力も得られる。これは業界内で、「最大電力点追従制御」または「入力源の特性インピーダンスを整合する」としても知られている。典型的には、最大電力点追従制御は、制御回路を用いることを通して実現され、このことによって、それぞれの感知されたパラメータが与えられることでパネルがバッテリパックに一致するように、DC−DCスイッチングコンバータ内のデューティサイクルが変動する。入力直流電源を所定数の直列接続エネルギーモジュールに接続して、次に流入電流及び直列ストリングの電圧を測定することで、マスタはそのエネルギーモジュールの数についての動力を判定することができる。次に、この数字を単純に増加させるまたは低下させて電流及び電圧測定を繰り返すことで、マスタはそれぞれの直列接続エネルギーモジュールの数での利用可能な動力を比べることができる。マスタはこのようにして探し続けて、流入動力が最も高い数字を見つけることができる。任意に、最大動力動作点電圧を見つける上での分解能を向上させるには、マスタは、個別のエネルギーモジュールをパルス幅変調し始めて、入力直流電源が、2つのエネルギーモジュール間の電圧の間で動作するようにすることができる。これは、本発明に固有の、最大電力点追従制御の新しい方法である。
本発明はさらに、誘導的、共振誘導的、及び無線周波数(RF)を含む多種多様な無線充電システムに適用されてもよい。この用途では、本発明は、無線の動力受信機の動力変換段階(例えば、ダイオード整流器またはチャージポンプ)にインターフェースを介して接続してもよく、またはエネルギー取得装置(例えば装荷コイルまたはアンテナ)との直接的なインターフェースを介した接続を有して、そのようなシステムの設計と代替的に一体化可能である。前の部分での「可変直流電源」で充電する場合とほぼ同様に、エネルギーモジュールのグループピングは全体的なグループピングの直列電圧を動的に再構成することができ、電源の電流を判定し、再度、動作動力点を最大化する。これは、RFまたは誘導充電システムとインターフェースを介して接続するときに重要である。
直列接続されたエネルギーモジュールストリングの2つの独立したグルーピングは、図20に示すようにまるで並列に接続されるかのように接続されてもよい。議論の便宜上、一方のエネルギーモジュール直列接続ストリングをストリング−1と示し、他方をストリング−2と示す。ストリング−1における1つ以上のエネルギー貯蔵装置の組み合わせがストリング−2におけるどの個別のエネルギー貯蔵装置よりもより高い潜在性を有するという条件の下で、エネルギーはストリング−1からストリング−2に移動可能であり、その逆もしかりである。実際の例としては、両方が本発明を含む2つの電気自動車におけるバッテリシステムであって、2つのバッテリシステムのうちの1つが低エネルギー状態で走行している場合にエネルギーを交換することができるバッテリシステムが挙げられる。各バッテリシステムにおけるマスタは、2つのシステム間での協調的なエネルギーの交換を可能とするモードに入れられてもよい。マスタは、そのエネルギー交換の方向を単に必要とするだけである。本発明の柔軟な性質によって、2つのシステムは同数のエネルギーモジュールまたは同じ大きさのエネルギー貯蔵装置を有する必要はない。各システムは交換を行うために、直列に接続されたエネルギーモジュールの数を変更してもよい。これは2つのエネルギーモジュール系システムの間でエネルギーを交換する概念を開示するが、これは同時に2つより多くのエネルギーモジュール系システムでも行うことができるであろう。
Claims (20)
- 1または複数のエネルギーモジュールを含み、
前記エネルギーモジュールは、
相互に接続された複数の回路であって、各回路が入力端子または出力端子として機能可能な少なくとも2つの入力/出力端子を有する、複数の回路と、
正極端子および負極端子を有するエネルギー貯蔵ユニットであって、前記正極端子および負極端子のいずれか一方が前記入力/出力端子の間に介装可能である、エネルギー貯蔵ユニットと、
2n+2個のスイッチを有するスイッチモジュールであって、nが1以上であって2つの前記入力/出力端子の間に接続されているエネルギー蓄積ユニットの数に基づいており、直列および/またはバイパス接続性を提供し、かつ、前記エネルギー貯蔵装置において極性を反対にする能力を有効にする、スイッチモジュールと、
前記エネルギーモジュールにおける前記エネルギー貯蔵ユニットの動作状態に従って前記複数の回路に接続される際に、バイパス、前記エネルギー貯蔵装置の直列接続および/または前記エネルギー貯蔵ユニットの極性の変更のために、前記動作状態を監視かつ前記スイッチを制御する制御ユニットであって、前記複数の回路における前記エネルギー貯蔵ユニットから使用可能な前記エネルギーユニットの数を決定する、制御ユニットとを含む、再構成可能なエネルギー貯蔵システム。 - 前記スイッチモジュールは、少なくとも4つのスイッチを含み、逆Hブリッジに基づいている、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、前記エネルギー貯蔵システムの充電状態(state-of-charge)、劣化状態(state-of-health)、寿命状態(state-of-life)および故障予測を監視する、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、前記エネルギー貯蔵システムの充電状態(state-of-charge)、劣化状態(state-of-health)、寿命状態(state-of-life)および故障予測についての情報を監視し、前記エネルギー貯蔵システムが充電又は放電されるときに、前記エネルギー貯蔵ユニットの使用に優先順位を付けて、前記複数のエネルギー貯蔵ユニット充電状態を平衡させるために、前記情報を採用する、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 各エネルギー貯蔵セル群は、電圧出力要求を満たすように配列されたエネルギー貯蔵ユニットのストリングを含む、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、所定の出力のための電圧出力要求を受け、前記所定の出力のための電圧出力要求を満たす電圧を出力する回路構成を形成するために、前記複数のエネルギー貯蔵回路における前記スイッチモジュールを構成する、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 補助電源は、前記再構成可能なエネルギー蓄積システムから電力制御回路、監視回路および他の固定電圧デバイスに誘導される、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー蓄積システム。
- 前記スイッチモジュールは、逆Hブリッジの設計に基づいており、1以上のエネルギーモジュールがある場合、スイッチの数が4nであって、nが前記エネルギーモジュールの個数である、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記エネルギー貯蔵ユニットは、バッテリセル、エネルギー貯蔵セル、燃料電池およびキャパシタのグループから選択から選択される、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記エネルギー貯蔵ユニットは、再充電可能なシステムである、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記スイッチモジュールは、2n+2個のスイッチを有する交流回路に基づいており、nがエネルギー貯蔵ユニットの個数である、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記スイッチモジュールは、2n+2個のスイッチを有する交流回路に基づいており、nがエネルギー貯蔵ユニットの個数であり、2以上のエネルギー貯蔵ユニットがあり、隣接するエネルギー貯蔵ユニットが逆極性を有するように配列されている、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、電圧出力要求を満たすために必要とされる、直列に配列されるいくつかのエネルギー貯蔵ユニットグループを決定し、使用可能なエネルギー貯蔵ユニットの数から互いに並列に配列されるいくつかのエネルギー貯蔵ユニットを決定することにより、前記複数のエネルギー貯蔵回路において前記スイッチモジュールを構成し、各エネルギー貯蔵セルグループが出力電圧要求を満たす直列に配置されたエネルギー貯蔵ユニットのストリングを含む、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、いくつかの並列セルグルーピングを受け、回路装置内でバイパスされる使用可能なエネルギー貯蔵ユニットの数が最小となる回路装置を形成するために、複数のエネルギー貯蔵回路内にスイッチモジュールを構成する、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 前記制御ユニットは、前記制御システムによって認識されている温度、電圧、電流、充電状態(state-of-charge)、劣化状態(state-of-health)、寿命状態(state-of-life)、セル膨張、ガス放出、または短絡もしくはオープン回路状態を含む極値であって、検出または予測された極値によって引き起こされ得る故障を有する故障セルを絶縁するために、複数のスイッチを制御することにより、故障を検出および絶縁する、請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
- 請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
前記制御システムは、充電源を検出し、前記充電源が、単一のエネルギー蓄積ユニットの電圧に等しい電圧から直列に接続されたエネルギー蓄積ユニットの電圧の合計までの範囲の電圧幅で1または複数の位相を含む交流変化または直流変化からなる場合に、充電を調節するために前記複数のセルを配列する、電力管理システム。 - 請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
前記制御システムは、負荷を検出し、単一のエネルギー蓄積ユニットの電圧に等しい電圧から直列に接続されたエネルギー蓄積ユニットの電圧の合計までの範囲の電圧幅で1または複数の位相を含む交流タイプまたは直流タイプの負荷要求を調節するために前記複数のセルを構成する、電力管理システム。 - 請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
充電源は、電圧および位相の変化、風力発電、太陽光発電、熱電性もしくは原子核を含むグリッド電力システム、または、誘導性電源、共振誘導性電源もしくは無線周波数を含む他のワイヤレス充電源を含むグループから選択される、電力管理システム。 - 請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
負荷は、多数の電気自動車、グリッドおよびバックアップ貯蔵ユニット、航空宇宙アプリケーション、携帯機器、ならびに、家庭用電子装置を含む、二次バッテリの使用を必要とするアプリケーションからなるグループから選択される、電力管理システム。 - 1または複数の他の請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムと接続された請求項1に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムであって、
各システムの前記制御ユニットは、各システム間における協力的な電力交換を可能にする、再構成可能なエネルギー貯蔵システム
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