JP2015513761A - バッテリ監視方法 - Google Patents

Abstract

ここで提案されているのは、バッテリ（１０）を監視する方法と、バッテリ（１０）と、このようなバッテリ（１０）に関連して上記の方法を実行するための装置（５０）とである。バッテリ（１０）には所定の個数のセンサ（２０，２２，２４）が対応付けられており、センサ（２０，２２，２４）はデータ線路（４０）を介して互いに直列接続されており、かつ、制御装置（１２）に接続されている。上記の複数のセンサ（２０，２２，２４）のうちの少なくとも１つのセンサはそれぞれ、少なくとも１つのデータワードをデータ線路（４０）に送出する。

Description

本発明は、バッテリ監視方法と、この方法を実施するように構成されているバッテリと、上記の方法を実施する上記のようなバッテリにおいて使用される装置とに関する。

従来の技術
バッテリは、一般的に同種の複数のガルバニ電池をまとめて接続したものであり、電気化学的なエネルギ蓄積器であり、また電気エネルギを放出するために設けられたエネルギ変換器である。このためにこのバッテリでは、放電時に、蓄積された化学エネルギが電気化学反応によって電気エネルギに変換される。並列または直列またはその混合型に接続され得る、バッテリのセルは、複数のいわゆるモジュールに配置される。直列または並列接続されるこれらのモジュールの１つまたは複数が上記のバッテリを構成するのである。

上記のセルでは、再充電できない１次電池と、再充電可能な２次電池とが区別される。再充電可能なバッテリは、蓄積セルを有する蓄電池とも称される。以下では、バッテリとは、再充電できないバッテリも再充電可能なバッテリも共に示すものとする。

バッテリは、例えば自動車において内燃機械のスタータに電流を供給するために使用される。このようなバッテリはスタータバッテリと称され、例えば鉛蓄電池として構成される。スタータに給電する他にこのバッテリは、車両における別の電気消費装置にも給電を行う。内燃機関を始動するためには一時的に大電流が必要であり、この大電流は、低温時にも供給しなければならないのである。

電動車両またはハイブリッド車両では、バッテリは、車両の駆動部用のエネルギ源としても使用される。これらは、トラクションバッテリとも称される。

いずれの場合においても、自動車の確実な動作が保証されるようにするため、車両においてこのバッテリが機能するか否かを規則的に監視するか、または連続的にさえ監視する必要がある。このためには、例えば端子電圧、温度、圧力、殊にセル内圧、電流、インピーダンスなどのバッテリの特性量ないしは動作量を記録する。

上記の監視および通信のため、上記のバッテリにおいて複数のセンサを使用することは公知である。さらに、上記のバッテリ内でセンサ信号を検出すること、例えば典型的には自動車において使用されるＣＡＮバスなどの、このために設けられたデータ線路を介してセンサ信号を検出することが公知である。

刊行物WO 2009/149690 A1には、バッテリセルを有するバッテリと、このバッテリを監視する方法が記載されている。このバッテリは、複数のバッテリセル積層体を有しており、１つのバッテリセル積層体はただ１つのバッテリを有しているか、または並列接続された複数のバッテリセルから構成することが可能である。センサにより、個々のバッテリセルの充電状態が監視される。上記のバッテリには、チャージバランシング装置が対応付けられており、この装置は、個々のバッテリの許容充電状態の目標値テーブルを有している。充電状態に依存して、上記のチャージバランシング装置は、充電状態を変化させる。

個々のバッテリセルの充電状態に対する目標値に達すると、上記のバッテリセルのチャージバランシングは停止される。各バッテリセルには、チャージバランシング線路のタップが配置されており、上記のチャージバランシング装置は、ワイヤハーネスに統合されており、設けられた複数のセル監視モジュールに通じている。これらのセル監視モジュールそれ自体は、複数のセンサおよびセル監視回路を有しており、このセル監視部のこれらのコンポーネントは、バッテリセルから空間的に離れているチャージバランシング装置に一緒に配置されている。

発明の開示
このような背景から本発明では、請求項１に記載したバッテリ監視方法と、請求項９に記載した特徴的構成を有するバッテリと、このようなバッテリに使用される、請求項１２に記載した装置とが提供される。従属請求項および以下の説明からは複数の実施形態が得られる。

上記の方法により、バッテリセルにおけるバッテリセンサ間の通信および中央の制御装置に至る通信を行うことができる。

これまでハイブリッド車両および電動車両のバッテリセルの、またはバッテリセル内のセンサシステムに複数のバッテリセンサを取り付けるまたは組み込むことが公知である。一般的には１００個またはそれ以上のセルがあり、これらのセルの各々に１つのバッテリセンサが設けられ得るのである。これらのセンサ間およびこれらのセンサと中央の制御装置との間では、測定データおよび制御命令を単方向または双方向に交換しなければならないのである。

本発明では、個々のセンサの間でシリアル通信を使用することが記載されている。１つの実施形態において各センサはそのデータないしはデータワードを隣のセンサに伝送し、この隣のセンサは自身のデータを付け加えて、全体パケットをさらに隣のセンサに転送する。上記の制御装置は上記のチェーンの端部に接続されており、すべてのセンサのデータを有する全体データパケットを受け取る。これにより、各センサは、対応するデータワードをデータ線路に送出する。すべてのデータワードは、順次に付け加えられて上記の全体データパケットを構成する。別の方向にはオプションで、上記のチェーンにおいて上記の制御装置から第１センサに至る逆方向通信路を設けることができる。この場合、上記のデータおよび／または制御信号も同様に、これらがすべてのセンサによって受信されるまで上記のチェーンを動き回る。上記のセンサは、上記のセル内部または外部に設けることができる。セル内に設けられる場合、２つの付加的なワイヤ用の引き込み部が必要である。逆方向通信路が設けられる場合、上記のデータワードないしは全体データパケットは「周回」することができ、各センサによって再度上書きされ得る。

上記の方法では、上記の複数のセンサのうちの少なくとも１つはそれぞれ、少なくとも１つのデータワードを上記のデータセンサに送出する。上記の複数のデータワードは１つの全体データパケットに順次に付け加えることができ、この全体データパケットは、上記のデータ線路を介して上記の制御装置に送信され得る。

１つの実施例において、１つのセンサにより、上記のデータ線路を介して第１のデータワードが隣のセンサに送信され、この隣のセンサにより、別のデータワードが上記の第１データワードに付け加えられ、すべてのセンサのデータワードを含む１つの全体データパケットが上記の制御装置に達するまで上記が実行される。

上記の制御装置によって受信されるべきデータパケットのサイズが既知の場合には択一的に、１つのセンサによって第１データワードを上記のデータ線路に送出し、これを上記の制御装置に伝送し、あらかじめ定めた時間の後、つぎのセンサが第２データワードをデータ線路に送出するようにすることが可能である。この場合には第１センサは、例えば８ビット長の例えば「通常の」RS232データパケットを送信し、つぎに例えば、上記の制御装置への送信に必要な時間の２００倍の休止を設けることができる。これに続き、つぎのセンサないしは第２センサが、その後ろにそのデータワードを付け加える等々である。この場合に上記の制御装置は、例えば１００個の８ビットデータパケットを受け取り、この制御装置はこれらのデータパケットを通常のRS232受信器（UART）によって順次に受信することができる。

上記の方法は、上記の複数の実施例のうちの少なくともいくつかにおいて、以下のような重要な利点を有する。すなわち、
１． 上記の方法は、コスト的に有利な手法である。なぜならば、センサ毎にただ２つの端子しか必要でなく、センサ間に１つの１線式接続しか必要でないからである。
２． 各センサは、その直ぐ隣のセンサとの電圧差分、すなわちプラスまたはマイナス４Ｖだけを確認する。これは、並列接続時に加わり得るすべてのセルの全合計電圧と異なり、標準ＣＭＯＳ技術によって簡単に実行することできる。
３． 上記のシリアル接続により、個々のセルの識別が容易になる。ここではバッテリセンサが、例えばチェーン内の３５番目の個所にある否かを簡単に確認することができる。
４． 望ましくない動作状態、例えば充電完了電圧に到達したことの警告するためにただ１つのビットを伝送するだけでよい。各センサは、先行するセンサの「ＯＫ」信号を転送するか、またはそれ自体の状態が危機的な場合にはこれを「ＯＫでない」信号に変化させる。

ここで説明している方法は、例えば温度などの特性量を動作時に測定しなければならないすべての応用に使用可能である。この方法は、車両のバッテリ、殊に電動車両のバッテリにおける使用に殊に適している。

上記の温度の他に、例えばセル電圧も測定することができる。この場合に上記の評価は、接続された上記の制御装置において行うことができる。サポート可能な考えられ得る別の機能は、いわゆるセルバランシングである。

上記の測定量を記録する上記のセンサは、対応するバッテリモジュールまたはバッテリセルに接触接続することができる。すなわちセンサは、上記の複数のモジュールないしはセルに配置されるかその中に配置されるのである。各モジュールにはまた各セルにも１つのセンサを対応付けることができる。この場合に上記のセンサは、少なくとも１つの測定量および／または情報、例えば「ＯＫ」および「ＯＫでない」、対応付けられているモジュールまたは対応付けられているセルの状態を送出可能である。

本発明の別の利点および実施形態は、明細書および添付の図面から得られる。

上で挙げた特徴的構成および以下でさらに説明する特徴的構成は、それぞれ示された組み合わせだけでなく、別の組み合わせでも、または単独でも、本発明の枠を逸脱することなく使用可能である。

ここで説明しているバッテリの１つの実施例を概略的に示す図である。 ここで説明している方法の１つの実施形態を示す流れ図である。

本発明の実施形態
複数の実施形態に基づき、複数の図面に本発明を略示し、またこれらの図面を参照して本発明を以下に詳しく説明する。

図１には、まとめて参照符号１０で示した本発明のバッテリの１つの実施例が示されている。この図には制御装置１２と、第１セル１４と、第２セル１６と、第３セル１８とが示されている。この図では、わかりやすくするために３つのセル１４，１６および１８だけが示されているが、当然のことながらより多くのセル１４，１６，１８を設けることもでき、これらセルそれ自体もモジュールにグループ化することができる。これらの個々のセル自体も複数のガルバニ電池を含むことが可能である。

第１セル１４には第１センサ２０が、第２セル１６には第２センサ２２が、また第３セル１８には第３センサ２４が対応付けられている。この実施例では各セル１４，１６および１８にちょうど１つのセンサ２０，２２ないしは２４が対応付けられている。しかしながら、複数のセンサ２０，２２，２４を、複数のセル１４，１６，１８、複数のガルバニ電池、複数のモジュールのうちの幾つかだけに対応付ける別の実施形態も考えられる。セル１４，１６，１８は、この実施例において直列接続されており、それ自体は複数のガルバニ電池の並列接続および／または直列接続を含み得る。

さらにこの図には２つのブスバー３０および３２が示されており、これらを介してセル１４，１６および１８が接続されており、これらを介してセンサ２０，２２および２４に給電することができる。センサ２０，２２，２４はそれぞれ、対応付けられたセル１４，１６，１８から給電することも、または専用の給電線路によって給電することも可能である。ここではさらにシリアルデータ線路４０が示されており、このデータ線路を介してセンサ２０，２２および２４はシリアルないしは直列に接続されている。このシリアル接続の一方の端部には、制御装置１２が接続されている。センサ２０，２２および２４は、シリアルセンサインタフェース３６を介してシリアルデータセンサ４０に接続されている。またさらに明確にするため、この図には、オプションの逆方向通信路４２と、この図には示されていない隣のセルへの接続線路４４とが示されている。

上記のシリアルデータ線路４０と、センサインタフェース３６と、センサ２０，２２および２４と、制御装置１２は、１つの装置５０であり、この装置により、個々のセル１４，１６および１８間のシリアル通信が可能になる。このために各センサ２０，２２および２４は、隣のセンサ２０，２２および２４にデータワードを伝送することができる。つぎにこのセンサは、伝送されたこのデータパケットに自身のデータワードを付け加えて、これを隣のセンサ２０，２２および２４に転送する。このチェーンの端部にある制御装置１２は、すべてのセンサ２０，２２および２４ないしはセル１４，１６および１８についての情報を受け取る。制御装置１２から第１センサ２０に至り、ここからさらに延びる、オプションで設けられる逆方向通信路４２は、データ、例えば制御信号または構成データをセンサ２０，２２および２４に送信するのに使用可能である。

図２では流れ図において上記の方法の考えられ得る実施例が示されており、この方法によって基本的に、１つのバッテリにおける複数のセンサ間の通信が、ないしは、バッテリの例えば複数のセルまたは複数のモジュールなどの部分間で通信が可能になり、したがってこの方法は、このバッテリの監視に使用可能である。

第１ステップ７０において、第１のセンサは、対応付けられているセルによって検出した測定値と、動作状態および場合にはこのセルが動作可能である否かについての情報とを、シリアルセンサインタフェースを介してシリアルデータ線路に送出する。この測定値ないしはこれを表すデータワードは、別のステップ７２において、上記のシリアルデータ線路を介して、シリアルに配置された別のセンサに送信され、このセンサそれ自体は、別のステップ７４において、相応するデータパケットを上記の受信したデータパケットに付け加える。

この過程は、上記のデータ線路を介してシリアルに接続されているすべてのセンサにより、データおよびデータパケットが付け加えられるかないしは添付されるまで繰り返される。最後にこのデータパケット全体ないしは全体データパケットは、ステップ７６において上記の並びの最後のコンポーネントとしての制御装置に渡され、この制御装置が、最後のステップ７８において上記の全体データパケットを評価し、このデータパケットに含まれているデータが、上記の並びにおける上記のセンサに正確に対応付けられるのである。

Claims (13)

1. 複数のセンサ（２０，２２，２４）が対応付けられているバッテリ（１０）を監視する方法において、
   複数の前記センサ（２０，２２，２４）は、１つのデータ線路（４０）を介して互いに直列に接続され、かつ、制御装置（１２）に接続されており、
   複数の前記センサ（２０，２２，２４）のうちの少なくとも１つのセンサはそれぞれ、前記制御装置（１２）に伝送するため、少なくとも１つのデータワードを前記データ線路（４０）に送出する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   複数の前記データワードを１つの全体データパケットに順次に付け加え、
   前記データ線路（４０）を介して前記制御装置（１２）に前記全体データパケットを送信する、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   すべてのセンサのデータワードを含む１つの全体データパケットが前記制御装置（１２）に達するまで、
   １つのセンサ（２０，２２，２４）により、前記データ線路（４０）を介して隣のセンサ（２０，２２，２４）に第１データワードを送信し、
   当該隣のセンサ（２０，２２，２４）により、前記第１データワードに別のデータワードを付け加える、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   １つのセンサ（２０，２２，２４）によって第１データワードを前記データ線路（４０）に送出し、かつ、前記第１データワードを前記制御装置（１２）に伝送し、あらかじめ定めた時間の後、つぎのセンサ（２０，２２，２４）が第２データワードを前記データ線路に送出する、
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記制御装置（１２）により、前記全体データパケットを評価し、該当するセンサ（２０，２２，２４）に個々のデータワードを対応付ける、
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   個々のセンサ（２０，２２，２４）の機械的な位置を識別する、
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記データワードは、逆方向通信路（４２）を介して前記センサ（２０，２２，２４）に再度到達し、対応する前記センサ（２０，２２，２４）によってそれぞれ上書きされ得る、
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法において、
   データワードとして個々のビットを伝送する、
   ことを特徴とする方法。
9. 殊に請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法を実行するための、所定の個数のセル（１４，１６，１８）を有するバッテリにおいて、
   １つのデータセンサ（４０）を介して互いに直列接続され、かつ、制御装置（１２）に接続されている所定の個数のセンサ（２０，２２，２４）を有する、
   ことを特徴とするバッテリ。
10. 請求項９に記載のバッテリにおいて、
    前記センサ（２０，２２，２４）を給電するためのブスバー（３０，３２）が設けられている、
    ことを特徴とするバッテリ。
11. 請求項９に記載のバッテリにおいて、
    前記センサ（２０，２２，２４）の前記給電は、前記各セル（２０，２２，２４）によって、または専用の給電線路によって行われる、
    ことを特徴とするバッテリ。
12. 所定の個数のセンサ（２０，２２，２４）を有するバッテリ（１０）を監視するための装置において、
    前記センサ（２０，２２，２４）は、１つのデータ線路（４０）を介して互いに直列接続されており、かつ、制御装置（１２）に接続されている、
    ことを特徴とする装置。
13. 逆方向通信路（４２）を有する、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。

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