JP2022500676A - センサ装置および貯蔵システムを監視する方法 - Google Patents

Abstract

電気エネルギの車両用貯蔵システムのためのセンサ装置を開示する。車両用貯蔵システムは、電気エネルギの複数の貯蔵ユニット（３）を備え、貯蔵ユニット（３）は、基準電圧ノード（１０）と第１の出力端子（３１）または第２の出力端子（３２）との間で直列に接続されて、少なくとも１つの消費装置（８，９）のための電気エネルギを第１の出力端子（３１）または第２の出力端子（３２）に供給する。車両用貯蔵システムは、複数のセンサユニット（２，４，５，６，１２）を備え、当該センサユニット（２，４，５，６，１２）は、隣接する貯蔵ユニット（３）間のノードと基準電圧ノード（１０）の間の１つもしくは複数の電圧、少なくとも貯蔵ユニット（３）のサブセットを介した１つもしくは複数の電圧降下、第１の出力端子（３１）および／または第２の出力端子（３２）を流れる電流、貯蔵ユニット（３）の温度、のうちの少なくとも１つの量を測定することにより、貯蔵ユニットの充電レベルを求めるように構成されている。

Description

本発明は、（冗長的な）電気エネルギ管理システムのためのセンサ装置および電気エネルギ貯蔵システムを監視する方法、特に安全性に関連する電気エネルギ貯蔵システムのためのセンサに関する。

近年、制動または操舵等の安全性に関連する機能であっても、特に自律走行との組み合わせにおいて電動部品に置き換えられる車両部品が増えている。しかしながら、安全性にとって重要なシステムには高度な安全性レベルの冗長的な電力管理システムが必要である。そのための明確な解決策としては、電気エネルギ貯蔵回路を含む冗長的な装置の（例えば、全部品を二重化することによる）作製がある。しかしながら、この解決策は、常に実行可能かつ望ましいものであるとは限らない。さらに、その電気化学的挙動から、バッテリの管理には別の種々の問題が生じる。

米国特許出願公開第２０１８／２４１２２６号明細書には、緩衝増幅器が所与のバッテリセルに接続され、その電圧が別の増幅器によって差分として測定される、従来の電気エネルギ貯蔵システムが開示されている。豪国特許出願公開第２０１７／２７２１８８号明細書には、測定ユニットにより貯蔵ユニットのサブセットを介した電圧降下が求められる、別の従来の監視システムが開示されている。しかしながら、このような従来システムは多くの部品を必要とし、自動車用途に必要な冗長的な管理を提供しない。

したがって、自動車部門における安全性の用途に必要な冗長化を提供する電気エネルギ貯蔵システムに適した他のセンサ装置が求められている。

これらの問題の少なくとも幾つかは、請求項１記載のセンサ装置および請求項１１記載の方法によって解決される。各従属請求項には、各独立請求項の主題の別の有利な実現形態が挙げられている。

本発明の実施形態は、電気エネルギの車両用貯蔵システムのためのセンサ装置に関する。車両用貯蔵システムは、電気エネルギ用の複数の貯蔵ユニットを備え、当該貯蔵ユニットは、第１の出力端子および／または第２の出力端子と基準電圧ノードとの間に直列に接続されて、少なくとも１つの消費装置のための電気エネルギを第１の出力端子または第２の出力端子に供給する。センサ装置は、複数のセンサユニットを含み、当該複数のセンサユニットは、
‐隣接する貯蔵ユニット間のノードと基準電圧ノードとの間の１つもしくは複数の電圧、
‐貯蔵ユニットの少なくともサブセットにおける１つもしくは複数の電圧降下、
‐第１の出力端子および／または第２の出力端子を流れる電流、
‐少なくとも幾つかの貯蔵ユニットの温度、
のうちの少なくとも１つの量を測定することにより、貯蔵ユニットの充電レベルを求めるように構成されている。

本発明の実施形態に係るセンサ装置は、定義された車両用貯蔵システムへの組み込みに適しているだけでよく、車両用貯蔵システム自体はセンサ装置の一部であってもよいし、またはそうでなくてもよいことが理解される。基準電圧ノードはグラウンドノードであってもよいし、またはそうでなくてもよい。

定義された電圧／電流／温度は直接に測定されてもよいし、または他の量から導出されてもよい。ゆえに、センサユニットは、隣接する貯蔵ユニット間のノードと基準電圧ノードとの間に配置された電圧センサを含むことができる。同様に、センサユニットは、貯蔵ユニットのサブセットに対して並列に配置された別の電圧センサを含むこともできる。別の電圧センサは、オペアンプであってもよく、またはオペアンプを含んでもよい。オペアンプは、貴重なエネルギのうちのわずかな量のみの消費で効果的な電圧測定を可能にするので、特にこの用途に適している。

車両用貯蔵システムは、第１の出力端子と第２の出力端子との間の電流路または貯蔵ユニットのうちの少なくとも１つに対して並列の電流路を設けるように構成された、少なくとも１つの充電平衡化ユニットをさらに備えることができる。この場合、センサユニットは、第１の出力端子または第２の出力端子と貯蔵ユニットとの間に直列に配置された少なくとも１つの電流センサの対を含むことができ、ここで、第１の出力端子または第２の出力端子を流れる電流の測定または充電平衡化ユニットを流れる電流の測定を可能にするために、平衡化ユニットは２つの電流センサ間のノードに結合される。平衡化ユニットは、充電状態の種々のレベルを平衡化するように構成されている。こうしたバッテリ平衡化によって、貯蔵ユニットの利用可能な容量および耐用期間が増大する。任意手段として、少なくとも１つの電流センサの対は、第１の出力端子に接続された電流センサの第１の対と、第２の出力端子に接続された電流センサの第２の対とを含む。平衡化ユニットは、第１の対の２つの電流センサ間のノードと第２の対の２つの電流センサ間のノードとの間に結合される。

任意手段として、センサユニットは、貯蔵ユニット内または貯蔵ユニット上に形成されて１つもしくは複数の貯蔵ユニットの温度を測定する、１つもしくは複数の温度センサを含む。

任意手段として、センサユニットは、
‐１つもしくは複数の貯蔵ユニットを介した電圧、
‐出力端子を流れる電流および／または充電平衡化ユニットを流れる電流、
‐１つもしくは複数の貯蔵ユニットの温度、
のうちの少なくとも１つの冗長的な測定を行うように適合化される。最も簡単なケースでは、幾つかのまたは全てのセンサを二重化することにより、冗長的な測定が可能になる。

本発明の実施形態は、車両用、特に商用車両用の冗長的な電気エネルギ貯蔵システムにも関する。エネルギ貯蔵システムは、電気エネルギ用の複数の貯蔵ユニットであって、第１の出力端子または第２の出力端子と基準電圧ノードとの間で直列に接続されて、少なくとも１つの消費装置のための電気エネルギを第１の出力端子または第２の出力端子に供給する、貯蔵ユニットと、上で定義したセンサ装置とを備える。

本発明の他の実施形態は、車両、特に商用車両に関し、当該車両は、上で定義した冗長的な電気エネルギ貯蔵システムを備える。

さらなる実施形態は、複数の直列に接続された貯蔵ユニットと、少なくとも第１の出力端子および第２の出力端子と、第１の出力端子と第２の出力端子との間に（１つもしくは複数の貯蔵ユニットに対して並列に）電流路を設けるための充電平衡化ユニットとによって貯蔵システムの状態を監視する方法に関する。当該方法は、
‐直列に接続された貯蔵ユニットの隣接する貯蔵ユニット間のノードと基準電圧ノードとの間の１つもしくは複数の電圧、
‐貯蔵ユニットの少なくともサブセットを介した１つもしくは複数の電圧降下と、
‐第１の出力端子および／または第２の出力端子を流れる電流、および／または充電平衡化ユニットを流れる電流、
‐貯蔵ユニットの温度、
のうちの少なくとも１つを測定することを含む。

当該方法およびその一部は、ソフトウェアまたはコンピュータプログラム製品としても実現可能であり、所望の効果の達成にとって各ステップの順序はさほど重要ではない。本発明の実施形態は特に、ＥＣＵ内のソフトウェアまたはソフトウェアモジュールによる実現または提供が可能であり、またはプロセッサ上で実行される際に当該方法のステップを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムによって実現または提供が可能である。

本発明の実施形態は、全ての信号を測定して貯蔵システム（バッテリ、キャパシタ、その他の貯蔵エレメント）の詳細な状態を提供する完全な監視システムを提供するので、従来のシステムに対して有利である。さらに、実施形態は、電気エネルギ貯蔵部の状態を推定するために必要な全ての措置を講じることができる。特に、各電気エネルギ貯蔵部で、負荷および充電平衡化部の電流を随時に監視できるようにする手段と組み合わせて、電圧レベルの監視が実行される。

以下に、添付図面に沿って、当該システムおよび／または方法の幾つかの例についてあくまでも例示として述べる。

本発明の実施形態に係る、冗長的な電気エネルギ貯蔵システムのためのセンサ装置を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る（冗長的な）電気エネルギ貯蔵システムのためのセンサ装置を示す。当該装置は、貯蔵ユニット３のコンタクト（例えば、正のコンタクト）と基準電圧ノード１０（例えば、グラウンド）との間に配置された複数の電圧センサ２を含む。グラウンドが負のコンタクトに配属されている場合、電圧センサ２はグラウンドと貯蔵ユニット３の対応する正のコンタクトとの間に接続されるが、極性を切り替えることもできる。貯蔵ユニット３は、バッテリセルであってもよいし、または例示のグラウンド端子１０と終端ノード１３との間に直列に接続された任意の他の種類の貯蔵エレメントであってもよい。したがって、複数の電圧センサ２は、隣接するバッテリセル３とグラウンド端子１０との間に設けられるため、グラウンド（または他の基準電圧）に比較した、隣接するバッテリセル３間の電圧レベルを測定する。電力は、例えば終端ノード１３に接続された車両電力および通信ネットワーク１によって供給可能である。貯蔵システムの管理は、当該ネットワーク１を通じて実現することができる。

上述の実施形態によれば、別の電圧センサ１２が１つもしくは複数のバッテリセル３に対して並列に配置されて、当該１つもしくは複数のバッテリセル３を介した電圧降下を直接に測定する。

貯蔵システムはさらに、電力が供給される車両部品（例えば制動用または操舵用のアクチュエータ）等の消費装置８，９への第１の出力端子３１および第２の出力端子３２を備えている。電流センサ５，６は、隣接するバッテリセル３間の１つもしくは複数のノード（または終端ノード１３）に直列に接続されて、例示の消費装置８，９への電流を測定する。図示の実施形態では、電流センサの第１の対５１，６１が、第１の出力端子３１とバッテリセル３（２つのバッテリセル３間のノード）との間に直列に設けられている。さらに、電流センサの第２の対５２，６２が、第２の出力端子３２とバッテリセル３の終端ノード１３との間に直列に設けられている。

なお、第１の出力端子３１と第２の出力端子３２との間に電流路を設け、両出力端子３１，３２間の充電平衡化を可能にするために、（能動）充電平衡化回路７が２つの直列の電流センサ５，６間のノードに設けられている。よって、電流センサ５，６は、各消費装置８，９への電流と、さらに充電監視回路７を流れる電流を測定することができる。

さらに、それぞれのまたは幾つかのバッテリセル３は、各バッテリセル３の温度を測定する任意の温度センサ４を含んでいる。温度センサ４は、バッテリセル３に組み込まれていてもよいし、またはバッテリセル３の表面に設けられていてもよい。

本発明の実施形態には、以下のような利点がある。

電気エネルギ貯蔵管理によって、貯蔵システムの状態を随時に監視することができ、このことは安全性に関連する消費装置８，９にとって特に重要である。このようなバッテリの監視は、典型的には直接の測定では実現できないが、いわゆる状態監視回路は評価されなくてはならない。当該評価は、電気エネルギ貯蔵部の状態を判定するための入力として複数の量を必要とする、バッテリのための様々な電気化学モデルに基づいて行うことができる。

測定すべき第１の量はバッテリの出力電圧であり、これは、実施形態によれば、隣接するバッテリセル３間のノードと基準電圧ノード１０との間に配置された電圧センサ２によって、実施形態にしたがって測定される。ゆえに、実施形態では、所与のバッテリセルの出力電圧を直接に測定する必要はなく、バッテリセルのサブセットまたは全てのバッテリセルを介した直列の電圧のみが測定される。所与のバッテリセルにおけるそれぞれの電圧降下は、電圧センサ２を使用した２回以上の電圧測定の減算によって最終的に取得することができる。代替的に、例えばオペアンプを別の電圧センサ１２として使用することで、各バッテリにおいて直接に差電圧を求めることもできる。

当該電気化学モデルのために使用される第２の量は、測定される負荷電流に関連しており、実施形態によれば、２つの電流測定ユニット６が例示の２つの消費装置８，９の上流に配置されている。負荷電流に加えて、充電電流も当該電流センサ５，６によって測定可能である。他の２つの電流測定モジュール５は、能動充電平衡化ユニット７の端点に配置されており、負荷に関連する全ての電流の測定に使用することができる。

当該電気化学モデルに使用される第３の量は、電気エネルギ貯蔵部３の温度であり、例えば各バッテリセル３の表面に取り付けられたまたは各バッテリセル３の電気出力極に接続された専用の温度センサ４によって、各バッテリセル３または幾つかのバッテリセル３について測定される。

任意手段として、安全性に関連する消費装置の監視を達成するために全てのセンサを冗長的に配置する（最も簡単なケースでは、全てのセンサを二重化する）ことも可能であり、これにより、センサのうちの１つまたは幾つかが故障したとしても、信頼の置ける結果をなおも得ることができる。

別の有利な実施形態は、以下の主題に関連している。
‐特に商用車両用の、冗長的な電気エネルギ管理システムのためのセンサ装置であって、直列に結合されたバッテリ（セルまたは電池パック）の正のノードとグラウンドとの間で電気エネルギ貯蔵部の電圧が測定される（最終値は減算によって計算可能である）。
‐特に商用車両の、冗長的な電気エネルギ管理システムのためのセンサ装置であって、直列に結合されたバッテリ（セルまたは電池パック）の負のノードと正のノードとの間で差分としての電気エネルギ貯蔵部の電圧が測定される（最終値は減算によって計算可能である）。
‐上で定義したセンサ装置であって、消費装置に関連する電流が、能動充電平衡化ユニット７の上流および下流の各回路内の２つの電流センサ５，６により測定される（したがって、負荷および能動平衡化部からの全ての電流が計算可能となる）。
‐上で定義したセンサ装置であって、監視が、（表面に取り付けられているかまたは出力極に接続されている）エネルギ貯蔵部温度センサによって完了される。
‐上で定義したセンサ装置であって、例えば同種の測定のためのセンサを二重化することによって、上記のセンサが冗長的に配置されている。

上記の説明および図面は、単に開示の基本方式を示したにすぎない。したがって、本明細書において明示的に記述または図示されていなくても、当業者であれば、開示した基本方式を具体化しかつその範囲に含まれる様々な装置を考察できることが理解されるであろう。

さらに、各実施形態はそれぞれ別個の実施例として独立しうるが、他の実施形態において定義された特徴を異なるように組み合わせることができ、つまり、１つの実施形態において説明した特定の特徴を他の実施形態においても実現できることに留意しなければならない。こうした組み合わせは、特定の組み合わせを意図しないとの言明がない限り、本開示によってカバーされる。

１ 車両電力および／または通信ネットワーク
２ 電圧センサ
３ 貯蔵ユニット
４ 温度センサ
５，６ 電流センサ
７ 充電平衡化ユニット
８，９ 消費装置（車両部品）
１０ 基準電圧ノード（例えばグラウンド）
１２ 別の電圧センサ（例えばオペアンプ）
１３ 終端ノード
３１，３２ 出力端子

Claims (11)

1. 電気エネルギの車両用貯蔵システムのためのセンサ装置であって、前記車両用貯蔵システムは、電気エネルギ用の複数の貯蔵ユニット（３）を備え、前記貯蔵ユニット（３）は、基準電圧ノード（１０）と第１の出力端子（３１）または第２の出力端子（３２）との間に直列に接続されて、少なくとも１つの消費装置（８，９）のための電気エネルギを前記第１の出力端子（３１）または前記第２の出力端子（３２）に供給する、センサ装置において、
   複数のセンサユニット（２，４，５，６，１２）が設けられており、該センサユニット（２，４，５，６，１２）は、
   隣接する貯蔵ユニット（３）間のノードと基準電圧ノード（１０）との間の１つもしくは複数の電圧、
   少なくとも前記貯蔵ユニット（３）のサブセットを介した１つもしくは複数の電圧降下、
   前記第１の出力端子（３１）および／または前記第２の出力端子（３２）を流れる電流、
   前記貯蔵ユニット（３）の温度、
   のうちの少なくとも１つの量を測定することにより、前記貯蔵ユニットの充電レベルを求めるように構成されている
   ことを特徴とする、センサ装置。
2. 前記センサユニット（２，４，５，６，１２）は、隣接する貯蔵ユニット（３）間のノードと前記基準電圧ノード（１０）との間に配置された電圧センサ（２）を含む、
   請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記センサユニット（２，４，５，６，１２）は、前記貯蔵ユニット（３）の前記サブセットに対して並列に配置された別の電圧センサ（１２）を含む、
   請求項１または２記載のセンサ装置。
4. 前記別の電圧センサ（１２）は、オペアンプである、
   請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記車両用貯蔵システムが、前記第１の出力端子（３１）と前記第２の出力端子（３２）との間で、前記貯蔵ユニット（３）のうちの少なくとも１つに対して並列に電流路を設けるように構成された、少なくとも１つの充電平衡化ユニット（７）をさらに備え、
   前記センサユニット（２，４，５，６，１２）は、前記第１の出力端子（３１）または前記第２の出力端子（３２）と前記貯蔵ユニット（３）との間に直列に配置された少なくとも１つの電流センサの対（５，６）を含み、
   前記平衡化ユニット（７）は、前記第１の出力端子（３１）または前記第２の出力端子（３２）を流れる電流の測定または前記充電平衡化ユニット（７）を流れる電流の測定を可能にするために、前記２つの電流センサ（５１，６１；５２，６２）間のノードに結合されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ装置。
6. 前記少なくとも１つの電流センサの対（５，６）は、電流センサの第１の対（５１，６１）および電流センサの第２の対（５２，６２）を含み、これにより、前記平衡化ユニット（７）は、前記第１の対（５１，６１）の２つの電流センサ間のノードと前記第２の対（５２，６２）の２つの電流センサ間のノードとに結合されている、
   請求項５記載のセンサ装置。
7. 前記複数のセンサユニット（２，４，５，６，１２）は、前記貯蔵ユニット（３）内または前記貯蔵ユニット（３）上に形成された温度センサ（４）を含む、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ装置。
8. 前記複数のセンサユニット（２，４，５，６，１２）は、
   １つもしくは複数の貯蔵ユニット（３）を介した電圧、
   前記出力端子（３１，３２）および／または充電平衡化ユニット（７）を流れる電流、
   １つもしくは複数の貯蔵ユニット（３）の温度、
   のうちの少なくとも１つの冗長的な測定を行うように適合化されている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ装置。
9. 冗長的な電気エネルギ貯蔵システムであって、
   電気エネルギ用の複数の貯蔵ユニット（３）を備え、前記貯蔵ユニット（３）は、基準電圧ノード（１０）と第１の出力端子（３１）または第２の出力端子（３２）との間に直列に接続されて、少なくとも１つの消費装置（８，９）のための電気エネルギを前記第１の出力端子（３１）または前記第２の出力端子（３２）に供給する、冗長的な電気エネルギ貯蔵システムにおいて、
   請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置が設けられている
   ことを特徴とする、冗長的な電気エネルギ貯蔵システム。
10. 車両、特に商用車両において、
    請求項９記載の冗長的な電気エネルギ貯蔵システムが設けられている
    ことを特徴とする、車両。
11. 電気エネルギの貯蔵システムの状態を監視する方法であって、前記貯蔵システムは、複数の直列に接続された貯蔵ユニット（３）と、少なくとも第１の出力端子（３１）および第２の出力端子（３２）と、前記第１の出力端子（３１）と前記第２の出力端子（３２）との間に電流路を設けるための充電平衡化ユニット（７）とを備える、方法において、
    前記直列に接続された貯蔵ユニット（３）の隣接する貯蔵ユニット（３）間のノードと基準電圧ノード（１０）との間の１つもしくは複数の電圧、
    少なくとも前記貯蔵ユニット（３）のサブセットを介した１つもしくは複数の電圧降下、
    前記第１の出力端子（３１）および／または前記第２の出力端子（３２）を流れる電流、
    前記貯蔵ユニットの温度、
    のうちの少なくとも１つの量を測定する
    ことを特徴とする、方法。

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