JP2020532260A - カスケード接触器駆動システム - Google Patents

Abstract

バッテリーパックのバッテリーモジュールを連続的に相互接続するためのシステムを開示する。バッテリーパックは、第１、第２、及び第３のバッテリーモジュールを含むことがある。第１、第２、及び第３のバッテリーモジュールの各々は、第１の電力出力端子及び第２の電力出力端子を含む。第１の電力出力端子の各々は第１の極性であり、第２の電力出力端子の各々は第２の反対の極性である。このシステムは、バッテリーモジュールを連続的に相互接続するための制御信号を供給するための制御モジュールと、第１のバッテリーモジュールと第２のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置される第１の相互接続コントローラと、第２のバッテリーモジュールと第３のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置される第２の相互接続コントローラと、を含む。第１及び第２の相互接続コントローラの各々は、主接触子と、補助接触子と、それぞれの主接触子及び補助接触子を閉じるための作動コイルと、を含む接触器を含む。第１の相互接続コントローラの作動コイルは、制御信号に応答してそれぞれの主接触子を閉じ、第１のバッテリーモジュールを第２のバッテリーモジュールに結合し、且つそれぞれの補助接触子を閉じて制御信号を第２の相互接続コントローラに渡す。第２の相互接続コントローラの作動コイルは、第１の相互接続コントローラからの渡された制御信号に応答して、第２の相互接続コントローラのそれぞれの主接触子を閉じ、第３のバッテリーモジュールを予め接続された第１及び第２のバッテリーモジュールに結合する。

Description

背景
大きなバッテリーパックシステムをより安全なものにするために、それらを複数のモジュールに物理的に分割し、モジュールの各々が６０Ｖ以下の最大電圧を有するようにすることができる。そのような分離されたモジュールに対して作業することは、５７６ボルトＤＣ車両充電器などの大型パックと比較すると、オペレーターに重大な感電死の危険性をもたらすものではない。動作させるためにモジュールを直列に接続するために、ある種の機械的スイッチが各モジュール間に必要である。物理的スイッチを使用することもできるが、各モジュールに移動しスイッチを手動で操作することが必要なので、これはあまり実用的ではない。更に、ユーザがスイッチの傍にいるので、これにより安全率が幾分か低下する。

より安全でより便利な方法は、各モジュール間に接触器などの電気機械式スイッチを置き、制御モジュールからの低電力制御信号を使用して、それらのスイッチの全てを遠隔でオンにすることである。しかしながら、複数の接触器を同時に駆動するには、相当な初期電流が必要である。例えば、Ｔｙｃｏ ＥＶ２００では、閉じたままにするには約２００ｍＡしか必要としないが、オンにするには２．５Ａの初期駆動電流を必要とすることがある。よって、１７個の接触器のシステムの場合、初期電流は４２．５Ａにもなり得る。これは、単純な制御システムを駆動するように設計すること以上のことであり得る。

１つの解決策は、各駆動線が２．５Ａのみを必要とするように、各駆動線を分離することであり得る。しかしながら、これは１６本の追加の制御線を必要とすることがあり、それにより、コントローラ及び全ての分離した接触器への配線ハーネスが著しくより複雑になることがある。

概要
本発明の一態様によれば、単一の制御線を使用して第１の接触器を駆動し、その後、第１の接触器を閉じた後で、第１の接触器を使用して次の接触器を駆動し、バッテリーシステム全体が関与するまで以下同様であることがある。

本発明のこれらの及び他の目的及び利点は、本発明の説明及び例示的な特定の実施形態として記載される、添付の図面並びに以下の説明から明らかになるであろう。

図面の説明
図１は、本発明による、カスケード接触器駆動システムを組み込んだ高電圧バッテリーシステムのブロック図である。 図２は、図１のカスケード接触器駆動システムで利用することができる相互接続回路の一実施形態の概略図である。 図３は、図１のカスケード接触器駆動システムで利用することができる、駆動回路を組み込んだ相互接続回路の別の実施形態の概略図である。 図４ａは、図３の駆動回路に遅延回路の一実施形態を追加した、相互接続回路の別の実施形態の概略図である。 図４ｂは、図３の駆動回路に遅延回路の別の実施形態を追加した、相互接続回路の別の実施形態の概略図である。 図５は、接触器駆動回路、遅延、及び電力出力を含む相互接続回路の概略図である。 図６は、接触器駆動回路、遅延、電力出力、及びＬＥＤを含む相互接続回路の概略図である。 図７は、本発明による、二重相互接続カスケード接触器駆動システムを組み込んだ高電圧バッテリーシステムのブロック図である。

好ましい実施形態の説明
本発明は、多数の異なる形態の実施形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態をここで詳細に説明する。この説明は、本開示は、本発明の原理の実例とみなされるべきであり、本発明を例示された特定の実施形態に限定することを意図したものではない、という理解に基づいている。

このカスケード効果を生成する様々な方法が考えられる。

全般的に１０と示される高電圧バッテリーシステムが図１に示されている。バッテリーシステム１０は、第１のバッテリーモジュール１２ａ、第２のバッテリーモジュール１２ｂ、第３のバッテリーモジュール１２ｃから第ｎのバッテリーモジュール１２ｎに至るまで（総称して、バッテリーモジュール１２）などの複数のバッテリーモジュールを含むことがある。バッテリーモジュール１２の各々は、３２ボルトＤＣの公称電圧を有することがあり、バッテリーモジュール１２は直列に結合されることがある。各バッテリーモジュールは、それぞれ従来の正及び負の電力端子Ｂ＋及びＢ−を有することがある。

バッテリー制御システム１０は制御モジュール１４を含むことがある。バッテリーシステム１０は、「ｎ」個のバッテリーモジュール１２の間にそれぞれ配置された、第１の相互接続コントローラ１６ａ、第２の相互接続コントローラ１６ｂから第ｎ−１の相互接続コントローラ１６（ｎ−１）に至るまでなどの、複数の相互接続コントローラ（総称して、相互接続コントローラ１６）を更に含むことがある。制御モジュール１４は、負荷（図示せず）などへ従来の態様でシステム出力ＤＣ電力を提供することができる電力出力端子（Ｐ＋、Ｐ−）を含むことがある。各バッテリーモジュール１２が３２ボルトＤＣの電力出力を有する場合、電力出力端子Ｐ＋、Ｐ−で提供される電力は「ｎ」の３２倍であり、ここで「ｎ」は直列に結合されたバッテリーモジュール１２の数に等しい。

相互接続コントローラ１６^１の第１の実施形態を図２に示す。相互接続コントローラ１６^１は、バッテリーモジュール１２のうちの２つの間に配置されることがある。図２に示すように、相互接続コントローラ１６^１は、作動コイル２０、主接触子２２、及び補助接触子２４を有する電磁スイッチ又は接触器１８を含むことがある。主接触子２２は、バッテリーモジュール１２のうちの１つの電力出力と、バッテリーモジュール１２のうちの直列に結合された別の１つの電力入力との間に電気的に結合されることがある。

図１の第１の相互接続コントローラ１６ａの場合、補助接触子２４は、制御モジュール１４の制御出力に結合された入力と、直列に下流にある相互接続コントローラ１６ｂの制御入力に結合された出力と、を有することがある。図１の第２の相互接続コントローラ１６ｂ、及び直列に後に続く相互接続コントローラ１６のうちの他のものの場合、補助接触子２４は、前の相互接続コントローラ１６の制御出力に結合された制御入力と、直列に下流にある相互接続コントローラ１６の制御入力に結合された制御出力と、を有することがある。

以下で考察するように、制御モジュール１４によって生成された制御信号は、補助接触子２４のそれぞれが順次閉じられると、直列に接続された相互接続コントローラ１６を順次通過することができる。

具体的には、制御モジュール１４（図１）は、コマンドに応じて、その制御アウト（Ｃｔｌ Ｏｕｔ）出力から初期駆動信号又は制御信号を提供することがある。駆動信号の電圧／電流の大きさは、使用される特定の接触器の要件に依存することがある。

引き続き図２を参照すると、第１の相互接続コントローラ１６^１は、初期駆動信号に応答して接触器１８のコイル２０を通電することができる。知られているように、初期駆動信号によるコイル２０の通電により、主接触子２２及び補助接触子２４の両方を閉じることができる。主接触子２２を閉じることにより、前のバッテリーモジュール１２の電力出力を直列に後に続くバッテリーモジュール１２に結合することができる。その後、接触器１８が閉じたことを相互接続コントローラ１６^１が感知した後で、補助接触器２４の閉鎖を介して、相互接続コントローラ１６^１は相互接続コントローラ１６^１の次のものに制御信号を送信することができ、以下同様である。このようにして、接触器１８のうちの第１のものを閉じるのに必要なエネルギーは、接触器１８のうちの次のものが駆動される前に既に消費されているので、接触器１８のうちの後に続くものを閉じるための電流需要量は、単一の接触器を駆動するのに必要とされる量と比較的に等しい量のままである。

相互接続コントローラ１６^２の第２の実施形態を図３に示す。相互接続コントローラ１６^２の第２の実施形態は、全般的に２５で示される駆動回路を含むことができ、この駆動回路は、第１及び第２の、慣例的にバイアスされたＭＯＳＦＥＴトランジスタ２６、２８を含む。駆動回路２５は、高電圧バッテリーのバッテリーモジュール分離システムを簡素化するための比較的に安価な方法を提供することができる。相互接続コントローラ１６^２の第２の実施形態によれば、”制御イン”の信号が、主接触器２２及び補助接触器２４を閉じる。”制御イン”信号は補助接触器２４を通過して駆動回路２５に至り、その後”制御アウト”線から出て、相互接続コントローラ１６の直列の次のものに至る。

相互接続コントローラ１６^３の第３の実施形態を図４ａに示す。相互接続コントローラ１６^３の第３の実施形態によれば、コンデンサ３２を駆動回路２５に追加して、駆動回路２５に遅延を追加し、”制御イン”信号を直列の次の相互接続コントローラ１６に渡すことができる。

相互接続コントローラ１６^４の第４の実施形態を図４ｂに示す。相互接続コントローラ１６^４の第４の実施形態によれば、マイクロプロセッサ３４を駆動回路２５に追加して、駆動回路２５にプログラム可能な遅延を追加し、”制御イン”信号を直列の次の相互接続コントローラ１６に渡すことができる。

相互接続コントローラ１６^５の第５の実施形態を図５に示す。相互接続コントローラ１６^５の第５の実施形態によれば、駆動回路２５の出力に結合されるなどの、そのステージのセルモニターを実行するためなどの、”電力アウト”線を設けることができる。

相互接続コントローラ１６^６の第６の実施形態を図６に示す。相互接続コントローラ１６^６の第６の実施形態によれば、接触器１８の接触状態を視覚的に示すために、駆動回路２５の出力にＬＥＤ４４が設けられることがある。

図７を参照すると、接触器１８は、相互接続コントローラ１６の各々の正と負の電力端子の両方に設けられることがあり、人間の安全のためなどに分離が望まれるか又は必要である場合に、バッテリーモジュール１２の各々を更に分離する。図７に示すように、関連する接触器１８の補助出力は、関連する駆動回路２５に入力される前に、まずＡＮＤゲート４０に入力されることがある。

本開示は、説明した特定の形態に本発明を限定することを意図したものではなく、反対に、本発明は、本発明の趣旨及び範囲内に該当する全ての修正例、代替例、及び均等物を含むことが意図されていることを、理解されたい。

Claims (20)

1. 負荷にＤＣ電力を供給するためのシステムであって、
   第１、第２、及び第３のバッテリーモジュールであって、前記第１、前記第２、及び前記第３のバッテリーモジュールの各々は第１の電力出力端子及び第２の電力出力端子を含み、前記第１の電力出力端子の各々は第１の極性であり、前記第２の電力出力端子の各々は第２の反対の極性である、第１、第２、及び第３のバッテリーモジュールと、
   制御信号を供給するための制御モジュール出力を有する制御モジュールと、
   前記第１のバッテリーモジュールと前記第２のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置された第１の相互接続コントローラであって、第１の制御入力及び第１の制御出力、第１のコイル入力及び第１のコイル出力を有する第１の作動コイル、第１の主接触子入力及び第１の主接触子出力を有する第１の主接触子、並びに第１の補助接触子入力及び第１の補助接触子出力を有する第１の補助接触子を含み、前記第１の制御入力は前記制御モジュール出力に結合されて前記制御信号を動作可能に受け取り、前記第１のコイル入力は前記第１の制御入力に結合され、前記第１の主接触子入力は前記第１のバッテリーモジュールの前記第１の電力出力端子に結合され、前記第１の主接触子出力は前記第２のバッテリーモジュールの前記第２の電力出力端子に結合され、前記第１の補助接触子入力は前記第１の制御入力に結合され、前記第１の補助接触子出力は第１の制御出力に結合される、第１の相互接続コントローラと、
   前記第２のバッテリーモジュールと前記第３のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置された第２の相互接続コントローラであって、第２の制御入力、第２のコイル入力を有する第２の作動コイル、第２の主接触子入力及び第２の主接触子出力を有する第２の主接触子を含み、前記第２の制御入力は前記第１の制御出力に結合され、前記第２の主接触子入力は前記第２のバッテリーモジュールの前記第１の電力出力端子に結合され、前記第２の主接触子出力は前記第３のバッテリーモジュールの前記第２の電力出力端子に結合される、第２の相互接続コントローラと、を含み、
   前記制御信号の作動により、前記第１の作動コイルを通電し、前記第１の主接触子を閉じて前記第１のバッテリーモジュールを前記第２のバッテリーモジュールと結合し、前記第１の補助接触子を閉じて前記制御信号を前記第２の制御入力に渡し、前記第２の作動コイルを通電し、前記第２の主接触子を閉じて前記第３のバッテリーモジュールを前記第１及び前記第２のバッテリーモジュールと結合する、システム。
2. 前記第１の極性は正である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御信号から前記バッテリーモジュールを分離するために、前記第１の補助接触子出力と前記第１の制御出力との間に結合された駆動回路を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記駆動回路は、前記制御信号が前記第１の制御出力に渡されるのを遅延させるための手段を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記駆動回路はＭＯＳＦＥＴトランジスタを備える、請求項３に記載のシステム。
6. 前記駆動回路は、前記制御信号が前記第１の制御出力に渡されるのを遅延させるためのコンデンサを含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記駆動回路は、前記制御信号が前記第１の制御出力に渡されるのを遅延させるためのマイクロプロセッサを含む、請求項５に記載のシステム。
8. セルステージを監視するための前記駆動回路からの出力を含む、請求項４に記載のシステム。
9. 前記接触器の接触状態を示すために前記駆動回路に結合されたＬＥＤを含む、請求項４に記載のシステム。
10. 電力出力端子の他のセットを相互接続するための、相互接続コントローラの第２のセットを含む、請求項１に記載のシステム。
11. 第１、第２、及び第３のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックシステムであって、前記第１、前記第２、及び前記第３のバッテリーモジュールの各々は第１の電力出力端子及び第２の電力出力端子を含み、前記第１の電力出力端子の各々は第１の極性であり、前記第２の電力出力端子の各々は第２の反対の極性である、バッテリーパックシステムについて、前記バッテリーモジュールを連続的に相互接続するためのシステムであって、
    前記バッテリーモジュールを連続的に相互接続するために制御信号を供給するための制御モジュールと、
    前記第１のバッテリーモジュールと前記第２のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置された第１の相互接続コントローラと、
    前記第２のバッテリーモジュールと前記第３のバッテリーモジュールとの間に電気的に配置された第２の相互接続コントローラと、を含み、
    前記第１及び前記第２の相互接続コントローラの各々は、主接触子と、補助接触子と、前記それぞれの主接触子及び補助接触子を閉じるための作動コイルと、を含む接触器を含み、
    前記第１の相互接続コントローラの前記補助コイルは、前記制御信号に応答して前記それぞれの主接触子を閉じ、前記第１のバッテリーモジュールを前記第２のバッテリーモジュールに結合し、且つ前記それぞれの補助接触子を閉じて前記制御信号を前記第２の相互接続コントローラに渡し、
    前記第２の相互接続コントローラの前記補助コイルは、前記第１の相互接続コントローラからの前記渡された制御信号に応答して、前記第２の相互接続コントローラの前記それぞれの主接触子を閉じ、前記第３のバッテリーモジュールを前記予め接続された第１及び第２のバッテリーモジュールに結合する、システム。
12. 第３の相互接続コントローラを含み、前記第２の相互接続コントローラの前記補助コイルは、前記渡された制御信号に応答して前記第２の相互接続コントローラの前記それぞれの補助接触子を閉じて、前記制御信号を前記第３の相互接続コントローラに渡す、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１の相互接続コントローラは、前記制御信号から前記バッテリーモジュールを分離するための駆動回路を含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記駆動回路は、前記制御信号の通過を遅延させるための手段を含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記駆動回路はＭＯＳＦＥＴトランジスタを備える、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記駆動回路は、前記制御信号が前記第１の制御出力に渡されるのを遅延させるためのコンデンサを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記駆動回路は、前記制御信号が前記第１の制御出力に渡されるのを遅延させるためのマイクロプロセッサを含む、請求項１５に記載のシステム。
18. セルステージを監視するための前記駆動回路からの出力を含む、請求項１３に記載のシステム。
19. 前記接触器の接触状態を示すために前記駆動回路に結合されたＬＥＤを含む、請求項１３に記載のシステム。
20. 電力出力端子の他のセットを相互接続するための、相互接続コントローラの第２のセットを含む、請求項１１に記載のシステム。