JP2020523966A - デュアルバッテリーシステムを動作させるためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
バッテリーシステムの方法は、並列に電気的に接続された第1のバッテリーおよび第2のバッテリーに充電電圧を印加する工程と、前記第2バッテリーのすべてのバッテリーセルから前記第2のバッテリーの外部に結合されたヒーターに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する工程と、前記ヒーターから前記第2のバッテリーに、前記充電電圧の前記一部から発生した熱を伝達する工程と、含む。このようにして、第2のバッテリーの劣化は、バッテリー充電中、特に、低温で低減される。【選択図】図1
Description
本出願は、2017年6月15日に出願された、「デュアルバッテリーシステムを動作させるためのシステムおよび方法」と題された米国仮特許出願第62/520,468号の優先権を主張する。その出願の全ての内容は、参照としてここに挿入される。
本発明は、デュアルバッテリーシステムに関連するシステムおよび方法に関する。
補助(Aux)デュアルバッテリーシステムは、バッテリーアプリケーション向けにコスト効率の高い設計を提供する。そのアプリケーションは、長期および短期の両方のエネルギー貯蔵と消費が望ましい。たとえば、ハイブリッド車では、低コストの従来の鉛酸蓄電池は、小型の高出力リチウムイオンバッテリーと組み合わせられる。鉛酸蓄電池は主にエンジンのクランキングに使用されるが、より小さなリチウムイオンバッテリーは、回生制動中の充電回復と、コールドクランキングの放電電力とのために、より高い電力を可能とする。
しかしながら、本明細書の発明者らは、上記のアプローチに関する潜在的な欠点を認識した。鉛酸蓄電池の充電電圧は、温度が下がると増加し、低温でのリチウムイオンバッテリーの特定の構成の充電電圧よりも高くなる。これらの高い充電電圧をリチウムイオンバッテリーに印加すると、たとえば、バッテリーの電極のリチウム金属めっきのため、リチウムイオン電池が劣化する。いくつかの従来のデュアルバッテリーシステムは、鉛酸蓄電池と組み合わせたチタン酸リチウム(LTO)バッテリーを利用する。なぜなら、LTOバッテリーは、他のタイプのリチウムイオンバッテリーと比較して低温でのめっきにより耐性があるからである。しかしながら、LTOバッテリーは、製造コストが高く、他のタイプのリチウムバッテリーよりもコンパクトではない。これは、製造コストを高くさせている。
上記の問題に少なくとも部分的に対処する1つのアプローチは、バッテリーシステムを含むことにある。このバッテリーシステムは、並列に電気的に接続された第1のバッテリーおよび第2のバッテリーを含む。第2のバッテリーは、複数のバッテリーセルと、複数のバッテリーセルに熱的に結合されたヒーターとを含む。また、バッテリーシステムは、第2のバッテリーに搭載されたコントローラを含む、このコントローラは、閾値電圧より大きい充電電圧に応答して、閾値電圧を超える充電電圧の一部を第2のバッテリーからヒーターに伝送する(diverting)実行可能命令を含む。
第2のバッテリーの1または複数のバッテリーセルに熱的に結合されたヒーターに第2のバッテリーからの電圧を伝送することにより、高い充電電圧による第2のバッテリーの劣化を低減することができる。さらに、電圧をヒーターに伝送することで、第2のバッテリーの温度を上げることができる。これにより、第2のバッテリーの劣化をさらに低減することがでる。さらに、低温時を含む第2のバッテリーの劣化を低減することにより、デュアルバッテリーシステムにおいて、低コストで高密度のリチウムバッテリー化学物質(例えば、リン酸鉄リチウム(LFP)など)の利用を促進する。
本説明の上記の利点および他の利点、ならびに特徴は、単独で、または添付の図面と関連して、以下の詳細な説明から容易に明らかになる。
上記の概要は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供されることを理解されたい。クレームされた発明の重要なまたは本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、その範囲は、詳細な説明に続くクレームによって一意に定義される。さらに、クレームされた発明は、上記または本開示の任意の部分で指摘された欠点を解決する実施形態に限定されない。
本説明は、図3に示すように、デュアルバッテリーシステムの方法およびシステムに関する。デュアルバッテリーシステムは、第2のバッテリーに電気的に結合された第1のバッテリーを含む。一実施形態では、第2のバッテリーのバッテリーパックは、1または複数のバッテリーセルスタックから構成されている。その1つは、図1に示される。バッテリーセルスタックは、複数のバッテリーセルから構成されている。その1つは、図2に示されている。図6に示すように、第2のバッテリーは、電圧検出制御システムをさらに含む。図4に示されるように、第1のバッテリーおよび第2のバッテリーは、温度に関して、別個の充電プロファイルを示す。図5に示すように、第2のバッテリーのバッテリーセルの外側に隣接してヒーターを追加することにより、およびより高い充電電圧を第2のバッテリーからヒーターに伝送(転用)することにより、第2のバッテリーの劣化を低減することができる。図3のデュアルバッテリーシステムを動作させるための方法およびタイムラインは、図7および図8に示される。
ここで図1を参照すると、バッテリーセルスタック200の例示的なアセンブリが示される。バッテリーセルスタック200は、複数のバッテリーセル202で構成される。いくつかの実施形態では、バッテリーセルは、例えば、リチウムイオンバッテリーセル((リン酸鉄リチウム)LFPまたは(チタン酸リチウム)LTOバッテリーセルなど)である。図1の例では、バッテリーセルスタック200は、10個のバッテリーセル202で構成される。バッテリーセルスタック200は10個のバッテリーセル202を有するものとして示されているが、バッテリーセルスタック200は、10個より多いまたは少ないバッテリーセルを含むことができる。例えば、バッテリーセルスタック200内のセルの数は、バッテリーセルスタック200からの所望の電力量に基づく。バッテリーセルスタック200内で、バッテリーセル202は、バッテリーセルスタック電圧を増加させるために直列に結合される。または、バッテリーセル202は、特定のバッテリー電圧で電流容量を増加させるために並列に結合される。さらに、バッテリーパックは、1または複数のバッテリーセルスタック200から構成されてもよい。図1に示されるように、バッテリーセルスタック200は、複数のバッテリーセル202からバッテリーパックの出力端子に電荷(charge)を送るバッテリー相互接続(図示せず)を保護するカバー204をさらに含む。
ここで図2を参照すると、個々のバッテリーセル300の例示的な実施形態が示される。バッテリーセル202は、図2のバッテリーセル300によって表される。バッテリーセル300は、バス(図示せず)に接続するためのカソード302およびアノード304を含む。バスは、複数のバッテリープレートからバッテリーパックの出力端子に電荷を送付する。そして、バスは、バスバーサポート310に結合される。バッテリーセル300は、電解化合物を含む角柱(prismatic)セル308をさらに含む。角柱セル308は、ヒートシンク306と連通している。ヒートシンク306は、フランジ付きエッジを形成するために、1つまたは複数の側で90度曲げられたエッジを有する金属板で形成される。図2の例では、底部の縁、および側面は、それぞれフランジ付きエッジを含む。
複数のセルがスタックに入れられるとき、角柱セルは、コンプライアントパッド(図示せず)によって分離される。したがって、バッテリーセルスタックは、ヒートシンク、角柱セル、コンプライアントパッド、角柱セル、ヒートシンクなどの順序で構築される。次に、ヒートシンクの一方の側(例えば、フランジ付きエッジなど)をコールドプレートに接触させて、熱伝達を高める。いくつかの実施形態では、角柱セルを分離するコンプライアントパッドは、バッテリーセル300に熱を伝達するための加熱コイルまたは加熱パッドを含む(図5を参照)。
ここで図3を参照すると、デュアルバッテリーシステム400の簡略図が示される。そのシステム400は、第1のバッテリー410と、第2の(補助)バッテリー420とを含む。一実施形態では、デュアルバッテリーシステム400は、第1のバッテリー410として鉛酸蓄電池を含み、第2のバッテリー420としてリチウムイオンバッテリー(例えば、LTOまたはLFPバッテリーなど)を含む。第2のバッテリー420は、図1および図2を参照して説明したように、1つまたは複数のバッテリーセルスタック200を含む1つまたは複数のバッテリーパック200を含む。図3のデュアルバッテリーシステムでは、第1のバッテリーおよび第2のバッテリーは、互いに並列に、1つまたは複数の電源404と、1つまたは複数の電気機器(負荷ともいう)(loads)460と、モーター402とに電気的に結合される。
電源404は、1つまたは複数の電源(例えば、内燃エンジンに結合されたオルタネーターおよび回生ブレーキシステムに結合されたモーターなど)を含む。電源404は、第1のバッテリーおよび第2のバッテリーの一方または両方を充電するために使用される。電源404による第1のバッテリーおよび第2のバッテリーの一方または両方の充電は、電源404によって生成される電力の種類に依存する。いくつかの例では、1つまたは複数の電源404は、第1のバッテリー410および第2のバッテリー420の一方または両方を充電するために使用される。例えば、オルタネーターは、第1のバッテリー410および第2のバッテリー420の両方を充電するために使用される。一方、回生ブレーキシステムによって駆動されるモーターは、第2のバッテリー420を充電するために使用される。例えば、電源404が自動車(vehicle)の回生制動から電力を生成するフライホイールを含む場合、充電率が高いため、電源404からの電力は、主に第2のバッテリー(例えば、リチウムイオンバッテリー)を充電する。別の例では、モーター402は、電源404(例えば、オルタネーターなど)を駆動する。これは、第1のバッテリー410(例えば、PbAタイプのバッテリー)をよりゆっくり充電するために使用できる。
第1のバッテリー410および第2のバッテリー420の一方または両方は、電力放電率に応じて、1つまたは複数の電気機器460に電力を提供する。より高い放電率を必要とする負荷460(例えば、車両のモーター推進力)は、主に第2のバッテリー420によって提供される。一方、より低い放電率を必要とする負荷460は、主に第1のバッテリー410によって電力供給される。デュアルバッテリーシステム400は、補助電気機器(例えば、車両照明、HVAC、オーディオ/ビジュアルアクセサリ、車両シートポジショナー、シートウォーマーなど)などの電気機器460に電力を供給するために車両に搭載される。
デュアルバッテリーシステムは、1つまたは複数のバッテリー管理システム414および424を備える。図3に示されるように、バッテリー制御モジュールまたはバッテリー管理システム(BMS)414は、第1のバッテリー410に近位で電気的に接続される。そして、BMS414は、第1のバッテリー410に供給され、第1のバッテリー410から消費(dissipate)される電圧および/または電流を調整または測定することを支援する。いくつかの例では、第1のバッテリー410はBMSを含まない。他の例では、第1のバッテリー410は、インテリジェントバッテリーセンサー(IBS)を含む。BMS424は、図5の例に示されるように、第2のバッテリー420に搭載されていてもよい。また、BMS424は、第2のバッテリー420のバッテリーセルスタック200内の個々のバッテリーセル202に供給され、個々のバッテリーセル202から消費される電圧および/または電流を調整するためのモジュールを制御する。他の実施形態では、BMS414およびBMS424は、第1のバッテリー410および第2のバッテリー420の両方に供給され、両方から消費される電圧および/または電流を調整するために単一のBMSに統合されてもよい。さらに、BMSは、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、入力ポート、リアルタイムクロック、および出力ポートを有するマイクロプロセッサで構成される。温度センサーなどの様々なセンサーは、バッテリーパック200の内部環境条件をBMS424に伝達する。BMSは、バッテリーセルスタック200に供給され、バッテリーセルスタック200から消費される電圧および/または電流の調整をさらに支援する。例えば、バッテリーパック200の充電中、BMSは、バッテリーセルスタック200内の個々のバッテリーセルの電圧レベルを調整して、各バッテリーセルの充電のバランスを取り、バッテリーセルスタックの劣化を引き起こすバッテリーセルの過充電を低減する。
デュアルバッテリーシステムは、図5を参照して上述したように、温度センサー624などの様々なセンサーをさらに含む。これは、1つまたは複数のBMS414および424に信号を送信できる。様々なスイッチおよび/またはリレーは、クランキング切断(cranking disconnect)470を含む。一例では、クランキング切断は、エンジンが始動した後、エンジンからモーター402(例えば、始動モータなど)を分断するために使用される。スイッチまたはリレー474は、例えば、充電電圧が閾値電圧よりも大きい場合に、第2のバッテリー420を劣化させるリスクを低減するために、電源404から第2のバッテリー420を切り離すために使用される。
ここで図4を参照すると、鉛酸(PbA)バッテリーおよびリン酸鉄リチウム(LFP)バッテリーの温度に対する充電プロファイル510および520をそれぞれ示す例示的なプロット500が示される。鉛酸蓄電池充電プロファイル510によって示されるように、低温では、鉛酸蓄電池の充電電圧は、高く、低温(cold temperature)リチウムめっき電圧530よりも大きい。プロット500の例では、低温リチウムめっき電圧530は、0℃未満で約14.4Vである。さらに、鉛酸蓄電池の充電電圧は、温度が閾値温度540(例えば、約20℃)を超えるまで、低温リチウムめっき電圧を下回って低下しない。そのため、20℃未満の温度で、並列に接続された鉛酸蓄電池とLFPバッテリーとを含むデュアルバッテリーシステムを充電すると、リチウムめっきを引き起こし、LFPバッテリーの劣化につながる。なぜなら、デュアルバッテリーに印加される充電電圧が、PbAバッテリーの充電プロファイルによって与えられるからである。
温度が上昇すると、PbAバッテリーの充電電圧は、低下する傾向にある。一方、LFPバッテリーの充電電圧は、上昇する傾向にある。したがって、デュアルバッテリーシステムの加熱(特に、LFPバッテリーの加熱)は、第2のバッテリーの劣化のリスクを軽減でき、LFPバッテリーの充電をより高い充電電圧で実行できるため(ただし、低温リチウムめっき電圧530よりも低い)、充電性能も向上させることができる。20℃を超える温度で、PbAバッテリーの充電電圧は、リチウムめっき電圧よりも低い。ヒーターは、使用されない。
ここで図5を参照すると、バッテリーセルスタック200内の各バッテリーセル間およびバッテリーセルスタック200の端部に配置された1つまたは複数のヒーター620を含む例示的なバッテリーパック600が示される。ヒーターは、バッテリーセルに隣接し、バッテリーセルの外側に配置され、バッテリーセル内の電解質から離れて配置される。このようにして、既存のバッテリーパックの設計をヒーター620で容易に改良することができる。例えば、バッテリーセル間の既存の圧縮パッドまたはコンプライアントパッドをヒーター620と交換またはヒーター620で装備/増強することができる。一実施形態では、バッテリーパック600は、LFPバッテリーパックである。ヒーター620は、LFPバッテリーセルスタック内のLFPバッテリーセルを加熱するために使用される。ヒーター620は、フラットシート圧縮パッドタイプのヒーター、抵抗ヒーター、またはバッテリーセルに熱を効率的かつ均一に伝達できる別のタイプのコンパクトヒーターを含む。ヒーター620は、BMS608に電気的に結合される。さらに、図示されていないが、バッテリーパック600は、バッテリーセルスタック200の各バッテリーセルの電圧および温度を測定および/または暗示するために、1つまたは複数の温度センサー624および1つまたは複数の電圧センサー(図6を参照)をさらに含む。このようにして、各バッテリーセルの温度および印加電圧は、決定され、BMS608に伝達される。
さらに、BMS608は、バッテリーセルの1つまたは複数の温度および電圧に応答して、バッテリーセルスタック200内の1つまたは複数のバッテリーセルに電圧および/または電流を向けることができる。例えば、充電電圧が閾値電圧よりも高いことに応答して、BMSは、バッテリーセルスタック200のバッテリーセルから、それに隣接し、外部の1つまたは複数のヒーター620に、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する。閾値電圧は、電極めっき電圧(例えば、低温リチウムめっき電圧530など)に対応する。したがって、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送することにより、デュアルバッテリーシステムの劣化のリスクを減らす。別の例では、閾値電圧は、温度および充電状態によって変化し、バッテリーの充電電圧プロファイル520およびバッテリーの温度に基づいて決定される。バッテリーから1つまたは複数のヒーター620に過剰電圧を伝送すると、ヒーター620で熱が発生する。それにより、バッテリーセルの温度が上昇する。充電電圧プロファイル520の場合、バッテリー温度を上げると、閾値電圧を上げることができる。閾値電圧が高くなると、バッテリーの有効充電電圧が上昇する(閾値電圧を超える電圧のみが伝送されるため)。それにより、劣化のリスクを低減し、充電電力を増加させる。
ここで図6を参照すると、電圧検出管理システム700の概略図が示される。電圧検出管理システム700は、バッテリー(例えば、図3に示されるようなバッテリー420または図5に示されるようなバッテリーパック600)内に存在し、BMSに搭載されている。図示のように、システムは、複数のバッテリーセル712と、電圧検出器702と、各バッテリーセルの電荷低減回路(charge reducing circuitry)と、電源704と、不揮発性ストレージ710と、通信チャネル708によってBMSと通信するマイクロコントローラ706とを含む。電源704は、電圧検出器またはBMSによって起動される。いくつかの例では、電圧検出器702、電源704、マイクロコントローラ706、不揮発性ストレージ710、および通信チャネル708のうちの1つまたは複数は、BMSに統合される。
図6の例において、複数のバッテリーセル712のそれぞれは、電圧検出回路を含む電圧検出器702と連通するように示される。電圧検出器回路702と、電源704と、マイクロコントローラ706と、不揮発性ストレージ710と、負荷抵抗器714と、トランジスタスイッチ716と、通信チャネル708とは、BMSに組み込まれる。BMSがバッテリーセルスタック200に結合されると、バッテリーセルは、電圧検出器回路により連続的にモニターされる。電圧検出器回路は、バッテリーセルスタック内のバッテリーセルによって電力供給される。したがって、バッテリーセルスタックは、いくつかの条件の間に、自己調整になる。一実施形態では、電圧検出器回路702は、閾値バランス電圧(threshold balancing voltage)に言及されるコンパレータで構成される。コンパレータへの入力が閾値バランス電圧を超えると、コンパレータは、低電圧出力から高電圧出力に状態を変化する。より高い電圧出力は、特定のバッテリーセルが所望のレベルよりも高いレベルに充電される兆候を提供する。さらに、電圧検出回路の出力はOR配置で一緒に結び付けられる。その結果、高レベル信号は、複数のバッテリーセルの1つが閾値バランスレベルよりも大きいときはいつでも、BMS上に位置する電源に存在する。
特定のバッテリーセル電圧または電圧範囲が検出されると、電圧検出器回路702は、電源704に高レベル信号を出力する。例えば、個々のバッテリーセルの電圧が閾値バランス値よりも大きい場合、電圧検出器回路702は、電源704に信号を送り、それにより電源を作動させる。電源704は、マイクロコントローラ706と連通する。したがって、電源704がオンになると、マイクロコントローラ706は起動する。マイクロコントローラ706は、デジタル入力および出力、ならびに1つまたは複数のA/D入力、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、および不揮発性ストレージを含む。
図6に示されるように、マイクロコントローラ706は、バッテリーパック用に通信チャネル708を提供する。一実施形態では、通信チャネル708は、CANリンクである。バッテリーパックコントローラは、例えば、図3を参照して上述したように、バッテリー制御モジュール(BMS)であってもよい。通信チャネル708を介して、マイクロコントローラ706は、さまざまな情報を通信する。一例として、マイクロコントローラ706は、BMSが利用できない間、放電されたバッテリーセルに関してBMSを更新する。
マイクロコントローラ706は、不揮発性ストレージ710を含む。したがって、マイクロコントローラ706は、複数のバッテリーセルに関するデータを不揮発性ストレージ710に保存する。例えば、不揮発性ストレージ710は、バッテリーセルの電圧状態に関するデータを保存する。そのデータは、閾値電圧を超える1つまたは複数のバッテリーセルから流れる(draining)電荷に関するデータ(例えば、流れた電荷の量、電荷が特定のバッテリーセルから流れた回数、バッテリーセルの放電の日時など)を含む。このようにして、マイクロコントローラ706は、条件がより好ましい場合に、バッテリーセル情報をBMSに伝達する。
起動されると、マイクロコントローラ706は、負荷抵抗器714およびスイッチ716を含むバッテリーセル電荷低減回路をオンにする信号を出力する。例えば、マイクロコントローラ706からのデジタル出力は、スイッチ716を閉じる。一例として、スイッチ716は、電界効果トランジスタなどのトランジスタである。したがって、スイッチ716が閉じられると、電流が電荷低減回路を通って流れることができる。バッテリーセルの電荷は、負荷抵抗器714によって消費される。図6の例において、複数のバッテリーセルの各バッテリーセルは、スイッチと並列に結合される(例えば、各バッテリーセルは、スイッチと連通する)。特定のバッテリーセルの充電(charge)が閾値レベル未満になると、バッテリーセルに結合された電圧検出器702の出力は、特定のバッテリーセルの充電が所望のレベル未満であることを示す状態に状態を変える。
適切なスイッチ(例えば、スイッチ716)は、A/D変換器によって測定されるような、および、マイクロコントローラ706へ入力されるようなバッテリーセル電圧が所望の閾値電圧未満である場合、マイクロコントローラ706によって開状態に設定される。さらに、電源704は、マイクロコントローラ(例えば、マイクロコントローラ706)からの出力によってオン状態でラッチされる。マイクロコントローラは、バッテリーセルスタック200内の各バッテリーセルの充電が閾値未満になるまで、電源を起動したままにするためにデジタル出力を高く保持する。さらに、マイクロコントローラは、電源704を起動することによって開始されたスケジュールタスクを完了するまで(例えば、バッテリーセルイベントデータを不揮発性ストレージに書き込んだ後)、電源を起動したままにする。
電圧検出管理システム700は、バッテリー充電中にバッテリースタック内の個々のバッテリーセル間で充電(電荷)をバランス化または再分配し、過充電を緩和するために利用される。通常、バッテリー内の個々のセルは、多少異なる容量を有し、充電状態(SOC)のレベルが異なる。再分配なしに、放電は、最小容量のセルが空になると(他のセルがまだ空ではないとしても)、停止する。これにより、バッテリーから取り出したおよびバッテリーに戻すエネルギーを制限する。バランス化なしに、最小容量のバッテリーセルは、他のバッテリーセルに制限される。それは、より高い容量のセルが部分的なサイクルのみを受ける間、容易に過充電または過放電される。充電をバランス化することは、低容量のバッテリーセルをバイパスする。その結果、バランス化されたバッテリーにおいて、大容量のセルは、小容量のバッテリーセルの過充電を低減しつつ、より完全に充電される。逆に、バランス化されたバッテリーにおいて、大容量のバッテリーセルは、小容量のバッテリーセルの過放電を低減しつつ、より完全に放電される。バッテリーのバランス化(例えば、バランス化モード)は、最小容量のセルのSOCがバッテリーのSOCと等しくなるまで、個々のセルから、または、個々のセルに電圧(閾値バランス電圧を超える)を伝送する工程を含む。
ここで図7を参照すると、第1のバッテリー410および第2のバッテリー420(例えば、バッテリーパック600など)を含むデュアルバッテリーシステム400を動作させる方法800が示される。一実施形態では、第1のバッテリー410は、鉛酸蓄電池を含む。第2のバッテリー420は、LTOまたはLFPバッテリーなどのリチウムイオンバッテリーを含む。方法800は、BMS608などのコントローラで行われる実行可能命令を含む。他の例では、方法800は、第2のバッテリー420の外部にあるが、デュアルバッテリーシステム400に電気的に結合されるコントローラで行われる実行可能命令を含む。方法800は、バランス化モードとは独立して実行される。そのバランス化モードは、電圧検出管理システム700が図6を参照して上述したように、個々のバッテリーセル間で充電をバランス化させるときを含む。したがって、方法800は、バランス化モードがアクティブである間、またはバランス化モードが非アクティブである間に実行される。
方法800は、802で始まる。バッテリーシステムの条件(例えば、第1および第2のバッテリーの温度(T1、T2)、第1および第2のバッテリーの充電状態(SOC1、SOC2)など)は、推定および/または測定される。上述のように、T1およびT2は、バッテリーセルの外部に配置されているが、バッテリーセルに機械的に結合される1つまたは複数の温度センサーを使用して測定される。他の実施形態では、T1および/またはT2は、1つまたは複数の温度センサーを使用して推測される。方法800は810に続く。コントローラは、第1および第2のバッテリーを並列に接続する。図3および図6を参照して上述したように、バッテリーシステムは、様々な回路コンポーネント(例えば、スイッチ、トランジスタなど)を含む。これは、第1および第2のバッテリーを並列に電気的に接続するためにコントローラによって作動される。814で、コントローラは、様々な接続回路コンポーネント(例えば、スイッチ、トランジスタなど)を同様に作動させる。こうして、1つまたは複数のモーター、発電機、および電子機器を第1および第2のバッテリーと並列に接続する。
次に、方法800は818に続く。ここで、第2のバッテリーのセルの外部の1つまたは複数のヒーターは、第2のバッテリー818のセルに接続される。第2のバッテリーのセルの外部の1つまたは複数のヒーターを接続する工程は、第2のバッテリーのバッテリーセルの外部に隣接するが、第2のバッテリーパック内の1つまたは複数のヒーターを設置する工程を含む。このようにして、外部ヒーターで生成された熱をより効率的かつ迅速に第2のバッテリーのバッテリーセルに伝達することができる。さらに、1つまたは複数のヒーターをバッテリーセルに隣接して外部に配置することにより、バッテリーセルの内部に(セル内に)ヒーターを設置する場合と比較して、既存のバッテリーパックは、外部ヒーターで安価に改良される。
方法800は820に続く。コントローラは、第1のバッテリーの温度T1に基づいて、充電電圧Vcを決定する。一例では、T1は、充電電圧プロファイル510、ルックアップテーブルなどから決定される。このように、Vcは、温度に依存する。830で、コントローラは、第2のバッテリーの温度T2に基づいて、閾値電圧VTHを決定する。T2は、第2のバッテリーのバッテリー充電電圧プロファイル520、ルックアップテーブルなどから決定される。このようにして、第2のバッテリーの閾値電圧VTHは、温度に依存し、第2のバッテリーの充電プロファイルに対応する。別の例では、VTHは、電圧に対応する。それを超えると、バッテリー劣化率は、増加する。例えば、VTHは、LFPバッテリーの場合、〜14.4Vの低温めっき電圧にほぼ対応する。
850で、コントローラは、第1の条件が満たされているかどうかを判断する。第1の条件は、第2のバッテリー420内の1つまたは複数のバッテリーセルに印加されるVcがVTHよりも大きい場合を含む。例えば、第2のバッテリー420がLFPバッテリーを含む場合、VTHは、充電プロファイル520から決定されてもよく、第2のバッテリーの温度の関数であってもよい。さらに、第1のバッテリーがPbAバッテリーを含む場合、Vcは、充電プロファイル510から決定されてもよく、第1のバッテリーの温度の関数であってもよい。図4を参照すると、プロット500は、第1および第2のバッテリーの温度が閾値温度540TTHよりも低い場合、充電プロファイル510によって与えられるVcが充電プロファイル520によって与えられるVTHよりも大きいことを明確に示す。したがって、第1の条件は、温度T1およびT2の一方または両方が閾値温度TTH未満であるときをさらに含む。
VcがVTHより大きいと(または、第1の条件が850で満たされるとき)、コントローラは852に進む。VTHを超えるVcの一部は、第2のバッテリーから1つまたは複数の外部ヒーターに伝送される。852で、コントローラは、Vc>VTHを受ける第2のバッテリー内のすべてのバッテリーセルからの過剰電圧の伝送を支援するために、1つまたは複数のスイッチング回路コンポーネント(例えば、スイッチまたはリレー474)を作動させる。さらに、コントローラは、第1のバッテリーのバッテリーセルから電圧を伝送することなく、VcがVTHよりも大きいと(または、第1の条件が850で満たされるとき)、第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルから1つまたは複数の外部ヒーター620にVTHを超えるVcの一部を伝送する。
次に、854で、熱は、第2のバッテリーからヒーターに伝送されたVTHを超えるVcの一部から外部ヒーターで生成される。外部ヒーター620は、第2のバッテリーのバッテリーセルに隣接して外部に配置されるので、発生した熱は、856で第2のバッテリーのバッテリーセルに伝達される。それにより、T2が増加する。そして、858で、コントローラは、T2の新しい値に基づいて、VTHを調整する。したがって、第2のバッテリーがLFPバッテリーを含み、VTHが充電プロファイル520に基づいて決定される場合、VTHは、外部ヒーターへの過剰電圧の伝送に応じて増加する。なぜなら、充電電圧は、温度の上昇とともに増加するからである。その結果、VTHを超えて第2のバッテリーに印加される充電電圧Vcを伝送することは、バッテリーの過充電が低減されるため、第2のバッテリーの劣化のリスクを低減する。さらに、VTHを超えて第2のバッテリーに印加される充電電圧Vcを伝送することは、T2が増加するため、第2のバッテリーの充電性能を向上させる。それにより、VTHと、第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルを充電できる電圧を増加させる。
850で、Vc<VTHである場合、方法800は、860に続く。コントローラは、第2のバッテリーからいずれの部分も伝送することなく、第2のバッテリーにVcを印加する。Vc<VTHであるため、Vcは、バッテリー劣化のリスクを増やすことなく、第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルに印加される。860の後、858に続いて、方法800は、870に続く。そこで、コントローラは、外部ヒーターに電圧を伝送することなく、第1のバッテリーにVcを印加する。上述のように、コントローラは、外部ヒーターに電圧を伝送することなく、ステップ860および870で、第1のバッテリーおよび第2のバッテリーにVcをそれぞれ向けるために、1つまたは複数のスイッチング回路コンポーネントを作動させる。870の後、方法800は終了する。
上述したように、方法800は、図6を参照して説明したように、バランス化モード動作と独立に、コントローラによって実行される。さらに、方法800では、VTHを超えるVcの一部は、Vc>VTHである第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルに伝送される。このようにして、方法800は、図6のバランス化動作(バランス操作)とは異なる。なぜなら、バランス操作は、充電状態またはバッテリー残量に基づいて、個々のバッテリーセルから電圧を伝送するからである。さらに、方法800のステップは、バッテリー容量と独立して、コントローラによって実行される。したがって、方法800のステップは、第2のバッテリーのバッテリー容量が閾値バッテリー容量よりも高い場合、および、第2のバッテリーのバッテリー容量が閾値バッテリー容量よりも低い場合に実行される。
このようにして、バッテリーシステムの方法は、電気的に並列に接続された第1のバッテリーおよび第2のバッテリーに充電電圧を印加する工程と、第2バッテリーのすべてのバッテリーセルから第2のバッテリーの外部に結合されたヒーターに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する工程と、ヒーターから第2のバッテリーに充電電圧の一部から発生した熱を伝達する工程と、を含む。方法の第1の例では、第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルからヒーターに閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送しない場合、第2のバッテリーの電極の劣化は、第2のバッテリーに充電電圧を印加する時に生じる。方法の第2の例は、第1の例を含む。それはさらに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を、第2のバッテリーの充電容量と独立に、第2のバッテリーのすべてのバッテリーセルからヒーターに伝送する工程を含む。方法の第3の例は、第1および第2の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を、第2のバッテリーの複数のバッテリーセルのバランス電圧とは独立に、第2のバッテリーからヒーターに伝送する工程を含む。方法の第4の例は、第1から第3の例の1つまたは複数を含む。それはさらに、第2のバッテリーからヒーターに閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送することに起因してヒーターで熱を発生させる工程と、ヒーターから第2のバッテリーに熱を伝達させ、それにより、第2のバッテリーの温度を上昇させる工程と、を含む。方法の第5の例は、第1から第4の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、第2のバッテリーの温度の上昇に応答して、閾値電圧を上げる工程を含む。方法の第6の例は、第1から第5の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、第1のバッテリーの温度の上昇に応答して、充電電圧を低下させる工程を含む。
このように、バッテリーシステムの方法は、第1のバッテリーと第2のバッテリーとを並列に接続する工程と、第2のバッテリーの複数のバッテリーセルの外部にヒーターを接続する工程と、第1のバッテリーと第2のバッテリーとに充電電圧を印加する工程とを含む。充電電圧が閾値電圧よりも大きい場合を含む第1の条件の間、方法は、第2のバッテリーからヒーターに閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する工程と、第1のバッテリーから離れて充電電圧の一部を伝送することなく、第1のバッテリーに充電電圧を印加する工程とを含む。方法の第1の例では、第2のバッテリーにヒーターを接続する工程は、第2のバッテリーの複数のバッテリーセルに直接隣接するが外部にあるヒーターを設置する工程を含む。方法の第2の例は、任意で、第1の例を含む。それはさらに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する工程は、第2のバッテリーの温度が閾値温度よりも低い場合にさらに応答することを含む。方法の第3の例は、任意で、第1および第2の例を含む。それはさらに、閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する工程は、第2のバッテリーの複数のバッテリーセルのバランス電圧から独立して実行されることを含む。方法の第4の例は、任意で、第1から第3の例を含む。それはさらに、第1のバッテリーと第2のバッテリーに並行に発電機を接続する工程と、発電機から充電電圧を生成する工程とを含む。
ここで図8を参照すると、方法800によるデュアルバッテリーシステム400の動作を示す例示的なタイムライン900を示す。タイムライン900は、Vc910、VTH912用のトレンドラインと、第1のバッテリーの有効充電電圧Vc1918と、第2のバッテリーの有効充電電圧Vc2916と、T1920と、T2926と、バランス化モード状態950とを含む。閾値温度は、TTH922で示される。上述のように、第1のバッテリーおよび第2のバッテリーに印加される充電電圧Vcは、第1のバッテリーの充電電圧プロファイルから決定される。例えば、第1のバッテリーがPbAバッテリーを含む場合、Vcは、充電プロファイル510などの充電プロファイルから決定される。時間t1、t2、およびt3は、コントローラが種々のバッテリーシステムの温度および電圧センサーから送信されたデータを受信するとき、および、計算値(例えば、TTHやVcなど)が決定されるときの個別の場合に相当する。
時間t1の前で、T1とT2の両方は、TTH未満である。上述のように、TTHは、閾値温度540に対応する。それより下では、第1および第2のバッテリーに印加される充電電圧Vcは、VTHよりも大きい。VTHは、第2のバッテリーの充電プロファイルから決定される。第2のバッテリーがLFPバッテリーを含む場合、VTHは、充電プロファイル520およびT2に基づいて決定される。Vc>VTHに応答して、コントローラは、第2のバッテリーから外部ヒーターにVTHを超えるVcの一部を伝送する。それによって、外部ヒーターで熱を生成させる。VTHを超える電圧は第2のバッテリーからヒーターに伝送されるため、第2のバッテリーに印加される有効充電電圧Vc2916は、VTH912と一致する(図8では、Vc2916とVTH912は、例示的な目的のため、電圧アクセスでわずかにずれている)。さらに、VTHを超える電圧は第1のバッテリーから電圧を伝送することなく、第2のバッテリーからヒーターに伝送されるため、第1のバッテリーに印加される有効充電電圧Vc1918は、Vc910と一致する(図8では、Vc1およびVcは、例示的な目的のため、電圧アクセスでわずかにずれている)。外部ヒーターは第2のバッテリーのバッテリーセルに隣接して外部に配置されるため、発生した熱は、第2のバッテリーのバッテリーセルに伝達される。そして、T2926は増加する。時間t1の前で、T1は、PbAバッテリーの充電プロセスが発熱性であるため、徐々に増加する。
時間t1で、T2の増加により、VTH912が増加する。T1の増加により、Vc910が減少する。しかしながら、Vcは時間t1と時間t2との間でVTHよりも大きいままのため、第1の条件が満たされる。それに応じて、コントローラは、第2のバッテリーからVTHを超える電圧Vcの一部を伝送し続け、第2のバッテリーの劣化のリスクを低減する。そのように、熱は、第2のバッテリーのバッテリーセルに隣接した外付けの外部ヒーターで生成される。それにより、時間t1と時間t2との間でT2を増加する。T1は、時間t1と時間t2の間で徐々に増加する。なぜなら、PbAバッテリーの充電プロセスが発熱性であるからである。VTHを超える電圧は第2のバッテリーからヒーターに伝送されるため、第2のバッテリーに印加される有効充電電圧Vc2916は、VTH912と一致する。さらに、VTHを超える電圧は、第1のバッテリーから電圧を伝送することなく、第2のバッテリーからヒーターに伝送されるため、第1のバッテリーに印加される有効充電電圧Vc1918は、Vc910に一致する。
T1920の増加により、Vc910は、時間t2で減少する。同様に、T2の増加により、VTH912は、時間t2で増加する。時間t2で、T2は、TTHを超えて増加する。しかしながら、T1は、TTHを下回ったままである。タイムライン900は、TTHが閾値温度540に相当する場合の例を使用する。第1のバッテリーの充電電圧プロファイルおよび第2のバッテリーの充電電圧プロファイルは、図4において、それぞれ、510および520によって与えられる。時間t2において、第2のバッテリーの充電電圧は、TTHより高い温度で低温リチウムめっき電圧530に達するので、Vc>VTHである。一方、第1のバッテリーの充電電圧は、T1<TTHで低温リチウムめっき電圧530より高い。Vc>VTHに応答して、第1と第2のバッテリーにVcを印加すると、コントローラは、第1のバッテリーからの電圧を伝送することなく、第2のバッテリーの劣化のリスクを減らすために、第2のバッテリーから外部ヒーターにVTHを超えるVcの一部を伝送する。したがって、時間t2と時間t3との間で、第1のバッテリーに対する有効充電電圧Vc1918は、印加充電電圧Vcに等しい。第2のバッテリーに対する有効充電電圧Vc2916は、閾値電圧VTH912に等しい。
時間t3で、T1920は、TTHを超えて増加する。図4の場合の例を参照すると、第1のバッテリーの温度と第2のバッテリーの温度の両方がTTHよりも大きい場合、第2のバッテリー520の充電電圧は、第1のバッテリー510の充電電圧よりも大きくなる。したがって、時間t3で、第1と第2のバッテリーに印加された充電電圧Vc910は、第2のバッテリー520の電圧充電プロファイルと一致する。したがって、時間t3の後、Vc910は、VTH912に一致する。さらに、Vc=VTHであるため、第1の条件は、満たされない。それに応じて、コントローラは、第2のバッテリーからいずれの電圧を伝送せず、第1のバッテリーからいずれの電圧を伝送しない。したがって、第2のバッテリー916への有効印加電圧は、時間t3の後、Vc910およびVTH912とも一致する。T1およびT2は、両方ともTTHよりも大きいので、第1のバッテリーへの有効印加電圧Vc1918は、第1のバッテリー510の充電プロファイルに従って、充電電圧と一致する。それにより、Vc、VTH、およびVc2未満の値に低下する。タイムライン900から示されるように、方法800のステップは、バランス化モード状態950と独立に実行される。言い換えると、方法800は、バランス化モードがアクティブである間、または、バランス化モードが非アクティブである間に実行される。
このように、バッテリーシステムは、並列に電気的に接続された第1のバッテリーと、第2のバッテリーとを含む。第2のバッテリーは、複数のバッテリーセルと、複数のバッテリーセルに熱的に結合されたヒーターとを含む。バッテリーシステムはまた、第2のバッテリーに搭載されたコントローラを含む。コントローラは、閾値電圧よりも大きい充電電圧に応答して、第2のバッテリーからヒーターに閾値電圧を超える充電電圧の一部を伝送する実行可能命令を含む。バッテリーシステムの第1の例では、実行可能な命令は、第2のバッテリーの温度に基づいて、閾値電圧を決定することを含む。バッテリーシステムの第2の例は、任意で、第1の例を含む。それはさらに、実行可能な命令が、第1のバッテリーの温度に基づいて、充電電圧を決定することを含むことを含む。バッテリーシステムの第3の例は、任意で、第1および第2の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、実行可能命令が、第2のバッテリーの温度の上昇に応じて、閾値電圧を上げることを含むことを含む。バッテリーシステムの第4の例は、任意で、第1から第3の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、実行可能命令が、第1のバッテリーの温度の上昇に応じて、充電電圧を下げることを含むことを含む。バッテリーシステムの第5の例は、任意に、第1から第4の例の1つまたは複数を含む。それはさらに、ヒーターが複数のバッテリーセルの外部に配置され、第2のバッテリーの電解質から離れて配置されることを含む。バッテリーシステムの第6の例は、任意に、第1から第5の例の1つまたは複数を含む。それはさらに、第1のバッテリーが鉛酸蓄電池を含み、第2のバッテリーが鉛酸蓄電池以外の電池を含むことを含む。バッテリーシステムの第7の例は、任意に、第1から第6の例のうちの1つまたは複数を含む。それはさらに、第2のバッテリーがリン酸鉄リチウムバッテリーを含むことを含む。
このように、高充電電圧による第2のバッテリーの劣化を低減する技術的効果は、印加充電電圧が特に低温で閾値電圧を超えるとき、第2のバッテリーから第2のバッテリーの1つまたは複数のバッテリーセルに熱的に結合されたヒーターに電圧を伝送することによって成し遂げられる。さらに、ヒーターに電圧を伝送することは、第2のバッテリーの温度を上げることができ、第2のバッテリーの性能をさらに高めることができる。さらにまた、低温を含む第2のバッテリーの劣化を低減することは、デュアルバッテリーシステムにおいて、低コストで高密度のリチウムバッテリー化学物質(例えば、リン酸鉄リチウム(LFP)など)を利用することを促進する。さらに、本明細書に記載の方法およびシステムは、バッテリー容量とは独立して、かつ、バッテリー充電バランスとは独立して実行される。さらに、本明細書に記載の方法およびシステムは、たとえば、第1のバッテリーの充電プロファイルが温度とともに単調に減少するとき、第2のバッテリーの充電プロファイルが、温度とともに単調に増加する間、異なる化学物質のバッテリー(特に、不一致の充電電圧温度プロファイルを有するバッテリー)を含む異種デュアルバッテリーシステムに適用される。さらに、システムおよび方法は、第2のバッテリーのバッテリーセルに隣接して外部に配置された1つまたは複数の外部ヒーターで第2のバッテリーを改良することにより、既存のデュアルバッテリーシステムに比較的安価に適用される。
本開示の主題は、様々なシステムおよび構成、ならびに本明細書に開示される他の特徴、機能、および/または特性のすべての新規かつ非自明なコンビネーションおよびサブコンビネーションを含む。
以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明とみなされる特定のコンビネーションおよびサブコンビネーションを特に指摘する。これらの請求項は、「an」要素または「a first」要素またはそれらの同等物に言及する。そのようなクレームは、2つ以上のそのような要素を必要とすることも除外することもない、1つまたは複数のそのような要素の組み込みを含むと理解されるべきである。開示された特徴、機能、要素、および/または特性の他のコンビネーションおよびサブコンビネーションは、本請求項の補正を通じて、または、本出願または関連出願における新しい請求項の提示を通じて請求される。そのような請求項は、元の請求項よりも広い、狭い、等しい、または異なる範囲であっても、本開示の主題内に含まれるものとみなされる。
Claims (20)
- 並列に電気的に接続された第1のバッテリーと、第2のバッテリーとに充電電圧を印加する工程と、
前記第2のバッテリーの全てのバッテリーセルから前記第2のバッテリーの外部に結合されたヒーターに、閾値電圧を超える前記充電電圧の一部を伝送する工程と、
前記ヒーターから前記第2のバッテリーに、前記充電電圧の前記一部から発生した熱を伝達する工程と、を含むことを特徴とするバッテリーシステムの方法。 - 前記第2のバッテリーの前記全てのバッテリーセルから前記ヒーターに前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部を伝送する工程がない場合、
前記第2のバッテリーの電極の劣化は、前記第2のバッテリーに前記充電電圧を印加する工程時に生じる請求項1に記載の方法。 - 前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部は、前記第2のバッテリーの充電容量と独立に、前記第2のバッテリーの前記全てのバッテリーセルから前記ヒーターに伝送される請求項1に記載の方法。
- 前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部は、前記第2のバッテリーの前記複数のバッテリーセルのバランス電圧とは独立して、前記第2のバッテリーから前記ヒーターに伝送される請求項1に記載の方法。
- 前記第2のバッテリーから前記ヒーターに前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部を伝送する工程に起因して、前記ヒーターで熱を発生させる工程と、
前記ヒーターから前記第2のバッテリーに前記熱を伝達し、それにより前記第2のバッテリーの温度を上昇させる工程と、をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記第2のバッテリーの温度の上昇に応答して、前記閾値電圧を上昇させる工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記第1のバッテリーの温度の上昇に応答して、前記充電電圧を低下させる工程をさらに含む請求項6に記載の方法。
- 並列に電気的に接続された第1のバッテリーと、第2のバッテリーと、
前記第2のバッテリーに搭載されたコントローラと、を含み、
前記第2のバッテリーは、複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルに熱的に結合されたヒーターとを含み、
前記コントローラは、閾値電圧よりも大きい充電電圧に応答して、前記第2のバッテリーから前記ヒーターに前記閾値電圧を超える前記充電電圧の一部を伝送する実行可能な命令を含むことを特徴とするバッテリーシステム。 - 前記実行可能な命令は、前記第2のバッテリーの温度に基づいて、前記閾値電圧を決定することをさらに含む請求項8に記載のバッテリーシステム。
- 前記実行可能な命令は、前記第1のバッテリーの温度に基づいて、前記充電電圧を決定することをさらに含む請求項9に記載のバッテリーシステム。
- 前記実行可能な命令は、前記第2のバッテリーの前記温度の上昇に応答して、前記閾値電圧を上げることをさらに含む請求項10に記載のバッテリーシステム。
- 前記実行可能な命令は、前記第1のバッテリーの前記温度の上昇に応答して、前記充電電圧を低下させることをさらに含む請求項11に記載のバッテリーシステム。
- 前記ヒーターは、前記複数のバッテリーセルの外部に配置され、前記第2のバッテリーの電解質から離れて配置されている請求項12に記載のバッテリーシステム。
- 前記第1のバッテリーは、鉛酸蓄電池を含み、
前記第2のバッテリーは、前記鉛酸蓄電池以外の電池を含む請求項13に記載のバッテリーシステム。 - 前記第2のバッテリーは、リン酸鉄リチウムバッテリーを含む請求項14に記載のバッテリーシステム。
- 第1のバッテリーと、第2のバッテリーとを並列に接続する工程と、
前記第2のバッテリーの複数のバッテリーセルにヒーターを外部から接続する工程と、
前記第1のバッテリーと、前記第2のバッテリーとに充電電圧を印加する工程と、を含み、
前記充電電圧が閾値電圧よりも大きいときを含む第1の条件中、
前記第2のバッテリーから前記ヒーターに前記閾値電圧を超える前記充電電圧の一部を伝送する工程と、
前記第1のバッテリーから離れて前記充電電圧のどの部分も伝送することなく、前記第1のバッテリーに前記充電電圧を印加する工程と、を含むことを特徴とするバッテリーシステムの方法。 - 前記ヒーターを前記第2のバッテリーに接続する工程は、前記第2のバッテリーの前記複数のバッテリーセルに直接隣接するが外部に前記ヒーターを設置する工程を含む請求項16に記載の方法。
- 前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部を伝送する工程は、前記第2のバッテリーの温度が前記閾値温度未満であるときにさらに応答する請求項17に記載の方法。
- 前記閾値電圧を超える前記充電電圧の前記一部を伝送する工程は、前記第2のバッテリーの前記複数のバッテリーセルのバランス電圧とは独立して実行される請求項18に記載の方法。
- 前記第1のバッテリーおよび前記第2のバッテリーに並列に発電機を接続する工程と、
前記発電機から前記充電電圧を生成する工程と、をさらに含む請求項19に記載の方法。
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