JP2017500837A - 複数のバッテリセルを含むバッテリのためのバッテリ管理システム、および方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、直列接続された複数のバッテリセルを含むバッテリのためのバッテリ管理システムであって、バッテリ制御装置と、１つ以上のバッテリセルの電圧を測定することが可能な複数の低電圧測定装置と、を備え、かつ、複数のバッテリセルまたは全てのバッテリセルに渡る電圧のための１つ以上の高電圧測定装置、および／または、バッテリの電流またはバッテリを通る電流を測定することが可能な少なくとも１つの電流測定装置、および／または、高電圧測定装置および電流測定装置を備える少なくとも１つの測定モジュールを備える、上記バッテリ管理システムにおいて、低電圧測定装置の信号、および、高電圧測定装置および／または電流測定装置および／または測定モジュールのうちの少なくとも１つの信号をバッテリ制御装置へと伝送することが可能な信号伝送装置を備えることを特徴とする、上記バッテリ管理システムに関する。【選択図】図４

Description

本発明は、直列接続された複数のバッテリセルを含むバッテリのためのバッテリ管理システムであって、バッテリ管理システムは、バッテリ制御装置と、１つ以上のバッテリセルの電圧を測定することが可能な複数の低電圧測定装置とを備え、かつ、以下の構成要素のうちの少なくとも１つ、すなわち、複数のバッテリセルまたは全てのバッテリセルに渡る電圧のための１つ以上の高電圧測定装置と、バッテリの電流またはバッテリを通る電流を測定することが可能な少なくとも１つの電流測定装置と、高電圧測定装置および電流測定装置を備える少なくとも１つの測定モジュールとのうちの少なくとも１つを有する、上記バッテリ管理システムに関する。さらに、本発明は、バッテリと、複数の低電圧測定装置を用いて複数の個々のバッテリセルの複数の低電圧または複数のバッテリセル群の複数の低電圧を測定するため、および、高電圧測定装置によって複数のバッテリセルまたは全てのバッテリセルに渡る高電圧を測定するための方法とに関する。高電圧は、低電圧測定装置によっては、他の対策を取らずにもはや測定が可能ではない。本明細書では、直列接続されたバッテリセルのうちの１つまたは幾つかのバッテリセルの電圧を超える電圧が、高電圧と称され、通用している一般的な定義によれば、６０Ｖを超える直流電圧、および、２５Ｖを超える交流電圧である。この概念は、電気自動車分野では一般的である。より低い電圧は、本願では低電圧と称される。
従来技術では、例えば電気自動車およびハイブリッド自動車のためのバッテリ管理システムにおいて、特にリチウムイオンセルによる実装のために、例えば個々セル電圧のような低電圧の他に、他のシステム電圧も、典型的には高電圧も、例えば、
‐複数のバッテリセルまたは全てのバッテリセルの高電圧
‐中間回路電圧、
‐充電装置の電気系統の電圧、
‐低電圧‐高電圧‐ＤＣ‐ＤＣ変換器（Ｎｉｅｄｅｒｓｐａｎｎｕｎｇｓ−Ｈｏｃｈｓｐａｎｎｕｎｇｓ−ＤＣ−ＤＣ−Ｗａｎｌｄｅｒ）のシステム電圧、
等の高電圧も測定され、マイクロプロセッサシステムによって監視される。バッテリの高電圧部からの電圧、または、バッテリに接続されたシステムからの電圧が、バッテリ制御装置の高電圧部を介して測定され、対応する測定データが、絶縁されまたは直流的に絶縁されて、デジタルバスを介してバッテリ制御装置の低電圧部へと伝送されうる。個別バッテリセルの個別セル電圧、または、例えば個別セルまたはその制御電子回路の温度等の他の測定値は、他のセル値測定装置によって測定され、対応する測定データがバッテリ制御装置に伝達される。当該伝達は、従来技術では通常、絶縁されまたは直流的に絶縁された低電圧インタフェースを介して行われる。
バッテリ制御装置は、通常では、各個別セルのセル電圧と、バッテリの総電圧と、バッテリセルの直列回路を通って流れる電流とを監視する。バッテリ制御装置と監視装置とで構成されるシステム全体が、バッテリ管理システムと呼ばれる。セル電圧の測定のために、典型的に、対応付けられたセルの電圧を測定する特別な集積回路（ＩＣ）が実装される。このようなＩＣをセルごとに設けることが可能であるが、典型的には、複数セルのセル電圧が、１つのＩＣによって測定され、例えばＩＣごとに６〜１６個のセルのセル電圧が測定される。これにより、ＩＣのためのコストが節約される。測定された電圧値はデジタル化されて、特別なバスシステムであって、電圧測定装置がインタフェースを介して鎖状に相互接続され当該バスシステムの構成要素をなす上記バスシステムを介して、データの受信者装置へと伝送される。このようなバスシステムは一般に「デイジーチェーン」（Ｄａｉｓｙ−Ｃｈａｉｎ）と呼ばれる。このバスは１つ以上のＩＣの内部のみを通るわけではない。
バッテリセルの直列回路を通って流れる電流を測定するために、当該電流が元々同じ強度で全てのセルを通って流れるため、多くの場合には電流センサが１つだけ必要である。ただし、複数の線のセルが互いに並列に接続される場合は除く。その場合には、複数の電流センサが設けられうる。電流センサは、従来技術によれば、他のインタフェースまたは他のバスを介して電流値の受信者装置に接続されている。
したがって、例えばバッテリ制御装置のような同一の受信者装置によってセル電圧値および電流値が処理されるバッテリ管理システムでは、バッテリ制御装置のために、２つの異なるインタフェースが設けられる。高電圧の測定のためには、さらなる別の電圧センサと、同一データの受信者装置への第３のインタフェースとが必要であり、または、高電圧は、例えばバッテリ制御装置のような受信者装置によって直接測定される。従来技術でのこの状況によって、個別電圧値と、高電圧値と、（必要な場合には）電流値との可能な限り同時のサンプリングの同期化が困難になる。例えば、国際公開第２０１３／００７６１７号明細書には、電圧測定装置の２つの異なる線のための２つの別体のバスが開示されている。
従来技術によるバッテリ管理システムの構造が、図１に簡略化されて示されている。例えば１２０個までの、互いに直列に接続されたバッテリセルから成るバッテリ線が、低電圧測定装置を各々が備えるモジュール型のセル測定モジュールによって監視される。この測定モジュールは、各個別セルの電圧を測定し、バッテリセルおよび／または当該バッテリセルに対応付けられた電子回路の温度を検出する。測定値は、共通のバスを介してバッテリ制御装置へと伝達される。バスインタフェースのトポロジは、従来技術によればデイジーチェーンの原則で実現される。セル測定モジュールのチェーンの末端に存在するセル測定モジュールは、直接的に、すなわち他のセル測定モジュールを介さずに、バッテリ制御装置と接続されている。他のセル測定モジュールは各々、自身の前に存在するセル測定モジュールと鎖状に接続されている（直列回路の原則）。個別バッテリセルの直列回路内の個別バッテリセル間で電圧がずれているために、必要なレベル変換を行う特別な回路が各セル測定モジュールに組み込まれている。
システム電圧を測定するために、バッテリ制御装置には、高電圧信号のためのインタフェースを備えた回路部が設けられる。高電圧の電位を有する信号が、さらに処理することが可能な低電圧信号に変換され、フィルタに掛けられ、その後でデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、（例えば容量的、誘導的、または光学的な）分離装置を介して直流的に絶縁され、バッテリ制御装置の低電圧部へと伝送されてそこで処理される。
全ての必要なシステム値を収集するためには、全体で、バッテリ制御装置への複数のインタフェースが必要となる。アルゴリズムによるさらなる処理のための全てのシステム値が時間同期で収集される際には多大なコストが追加的に発生する。
従来技術によれば、バッテリセルまたはバッテリ全体の電圧または電流を測定するために、バッテリ制御装置または当該バッテリ制御装置の一部であるマイクロコントローラのアナログデジタル変換器を利用することがさらに知られている。米国特許出願公開第２００６／０１７０３８９号明細書には、例えば、バッテリセルの複数の電圧を測定するために、マルチプレクサを備えたＡ／Ｄ変換器を使用することが開示されている。米国特許出願公開第２０１３／０１７５９７６号明細書には、バッテリ制御システムからＣＡＮバスを電気的に絶縁しまたはガルバニック的に絶縁することが開示されている。
従来では、バッテリの全てのバッテリセルの状態を決定しうる各測定のために、複数の様々なバスシステムを介して、対応する測定装置へと複数の信号を送信する必要があった。このためには、複数の様々なプロトコルによる複数の様々な命令が必要であり、すなわち、実装時のコストの増大、および、実行時の計算コストの増大を意味する。このことは、測定装置からバッテリ制御装置へと測定信号を伝送するための命令についても同じように当てはまる。
本発明の主題は、低電圧測定装置の信号（例えば測定信号および制御信号）のみならず、高電圧測定装置の信号、および／または、バッテリを通って流れる電流を測定するための電流測定装置の信号、および／または、高電圧測定装置および低電圧測定装置を備える測定モジュールの信号も、バッテリ制御装置へと伝送することが可能な信号伝送装置を有するバッテリ管理システムである。
したがって、これら測定周辺装置のために、バッテリ制御装置上にインタフェースが１つだけ必要である。対応して、接続される全ての測定システムでは、共通のトリガ信号によって全ての測定装置での測定を開始することが可能である。それによりトリガ信号が送信されまたは測定装置の測定データについて問い合わせが行われ測定データが伝送されうるソフトウェアモジュールが、１つだけ必要である。接続された個別の測定システムの測定データについても、問い合わせが行われうる。例えば従来技術のような同期化コマンドを介した、バッテリ制御装置の命令の同期化がもはや必要ではない。上記の構成要素は、バッテリ管理システム内に存在する限り、信号伝送装置への、機能的に互換性を有するインタフェースを有する。
従属請求項は、本発明の好適な発展形態を示す。
バッテリ管理システムの好適な実施形態によれば、信号伝送装置は、複数の測定装置の直列回路として実現され、このことは、デイジーチェーンバス（Ｄａｉｓｙ−Ｃｈａｉｎ−Ｂｕｓ）と呼ばれる。ここでは、バッテリ制御装置からのデータおよびバッテリ制御装置へのデータが、測定装置のうちの少なくとも１つを通って、隣の測定装置へと転送される。特に、低電圧測定装置および高電圧測定装置が、同一のバスに接続されている。好適に、全ての測定装置が１つのバスを介して互いに接続され、およびバッテリ制御装置と接続される。バスが１つだけ必要なため、全体で測定装置の配線コストが削減される。さらに、インタフェースの追加コストが発生することなくスケーラビリティが改善される。他の測定装置は、例えば単純にバスに接続されてもよく、または、バスが、直列回路の他の構成要素の分だけ拡張されてもよい。さらに、有利にバッテリ制御装置のガルバニック絶縁が簡素化される。なぜならば、様々なバスの信号からのバッテリ制御装置の多重のガルバニック絶縁が必要ないからである。しかしながら、特に好適に、バッテリ制御装置は、本発明に係る信号伝送装置から直流的に分離されまたは絶縁されて実現される。さらに、このようにして、測定装置をグループに分けることが容易になる。高電圧システムの電圧の収集は、例えば、コストを掛けずに、バッテリ管理システムの様々なサブコンポーネントに、例えば、バッテリ制御装置、保護ボックス、ヒューズボックス等に移される。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態によれば、特に測定モジュール内に配置される高電圧測定装置には、高電圧‐低電圧変換器が具備される。この高電圧‐低電圧変換器によって、高電圧と接続されまたは高電圧に基づく測定信号が、低電圧測定装置、信号伝送装置、および／または、バッテリ制御装置の電圧と互換性がある低電圧信号に変換される。このような高電圧‐低電圧変換器によって、特に低電圧を測定し特に信号伝送装置と通信することが可能な様々な構成要素へと、高電圧の測定が簡単に移される。本実施形態に係る測定モジュールによって、測定モジュール内のさらなる高電圧測定装置または総電圧測定装置の分だけ、バッテリ管理システムを拡張するという可能性が生まれ、その際に、ガルバニック絶縁のためにさらなる装置が必要とならない。このようなさらなる高電圧測定装置は、例えば、バッテリ管理システムの内部のさらなる別のシステム電圧を測定することが可能である。さらなる効果として、バッテリ制御装置は低電圧構成要素のみを必要とし、バッテリ制御装置のよりコンパクトな実施形態が可能となる。高電圧‐低電圧変換器は、好適に、高電圧が掛っても大きな電流を流れさせない高インピーダンスの抵抗器を備えた抵抗分圧器として実現されるため、エネルギー消費が小さいままである。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、バッテリ管理システムは、バッテリをその電流消費機器から分離するためのカットオフ継電器の前の高電圧を測定するよう構成された高電圧測定装置と、上記カットオフ継電器の後ろの高電圧を測定することが可能なさらなる別の高電圧測定装置とを有する。バッテリ管理システムのこのような設計は、例えば、このようなカットオフ継電器の動作にエラーが無いかを検査するために役立つ。このことは、例えば、カットオフ継電器の制御信号と、両方の高電圧測定装置の測定結果との比較によって実現されうる。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、バッテリ管理システムは、少なくとも１つの電圧測定チップを備え、この電圧測定チップは、信号伝送装置を介した通信を行うよう構成された通信モジュールを有する。特に好適に、通信モジュールは、電圧測定チップの他の構成要素から直流的に絶縁されおよび／または電気的に絶縁される。これにより、信号伝送装置の電位と比較して異なる他の電位にある可能性がある様々なバッテリセルで、電圧測定チップを使用することが可能となる。さらに、この電圧測定チップを、高電圧の測定のために使用することも構想可能であり、その際に、電圧を下げるために高電圧‐低電圧変換器が設けられうる。特に、このような電圧測定チップは、高電圧測定装置の中心的要素となりうる。高電圧に適した、電圧測定チップの電圧測定入力部も同様に構想されうる。代替的に、電圧測定チップから、または当該電圧測定チップを備える電圧測定装置自体から、独立しておりおよび／または空間的に分離された固有のモジュール内での、信号伝送装置と電圧測定チップとの間のガルバニック絶縁を実現することがさらに構想されうる。電圧測定チップにガルバニック絶縁を組み込んだ実現の代わりに、他の代替例において、他の集積回路でガルバニック絶縁を実現しまたはそのためのディスクリート回路を構成することが構想されうる。好適に、ガルバニック絶縁または絶縁を行うユニットが、信号伝送装置との通信に適した通信インタフェースを備える。このことは、本稿で記載される全ての変形例または代替例に当てはまる。電圧測定チップは、考えられるところでは様々な実施形態において、バッテリ制御装置に論理的に最も近い位置を含めた、信号伝送装置の各任意の場所に配置されうる。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、高電圧測定装置は、少なくとも１つの個別の低電圧測定装置にも具備されるのと同じ電圧測定チップを有する。これにより、低電圧測定装置よりも明らかに少ない個数で製造される、高電圧測定装置のための特別な電圧測定チップを開発しなければならないということが回避される。様々な電圧レベルの調整は、高電圧‐低電圧変換器によって実現されうる。電圧測定チップとは、電圧のための測定機能を備える集積回路と理解されたい。さらに、電圧測定チップは、信号伝送装置へのインタフェースをするため、高電圧測定装置は、バッテリ制御装置および低電圧測定装置と通信することが可能であり、このことは、高電圧測定装置が測定モジュールの構成要素である場合についても言える。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、高電圧測定装置と、バッテリを通る電圧を測定することが可能な電流測定装置とを有する測定モジュールを有するバッテリ管理システムであって、測定モジュールは、インタフェースを用いて信号伝送装置を介して測定信号を伝送するよう構成され、高電圧測定装置と、少なくとも電流測定装置の少なくとも一部と、インタフェースとはチップ上に統合されている、上記バッテリ管理システムが提案される。測定モジュールは、電流測定装置の信号および高電圧測定装置の信号を、信号伝送装置を介して伝送するよう構成される。好適に、測定モジュールは、信号伝送装置への通信モジュールのみを有する。信号伝送装置へのインタフェースは、特に好適に、バッテリ管理システムの低電圧測定装置も有するのと同じインタフェースであるため、バッテリ管理システムとの通信、および、バッテリ制御装置との通信が可能である。このような測定モジュールは、既存のバッテリ管理システムでは、高電圧測定装置を持たない従来の電流測定モジュールの代わりとなりうる。したがって、同一のモジュールによって、バッテリを通る電流も高電圧も測定可能であり、通信のための配線コストが削減される。測定モジュールまたは測定モジュールの少なくとも一部は、１つの集積回路としてまたは、チップとして実現されうる。さらに、１つより多いチップを備えた測定モジュールを実現することも構想されうる。このような統合による解決策によって配線コストが削減され、小さな空間のみ必要であり、コストが安い。さらに高い信頼性が得られる。バッテリを通って流れる電流を測定しうるために、バッテリ電流を案内する線が測定モジュールを通っている。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、測定モジュールは、バッテリを通って流れる電流を測定することが可能な少なくとも２つの電流測定装置を有する。このやり方で、バッテリ管理システムを備えるバッテリの安全性の向上が実現されうる。なぜならば、少なくとも２つの電流測定装置の冗長性によって、様々な値を元にして、バッテリおよびバッテリ管理システムが正しく機能しているかどうかを検知することが可能である。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、先に記載した実施形態のうちの１つに係る測定モジュールは、温度測定装置を備える。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、測定モジュールは、バッテリ管理システム内で測定される全てのシステム電圧のための１つ以上の電圧測定装置を有する。このようなシステム電圧は、例えば、マイクロコントローラまたはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、デジタル信号プロセッサ）または特別なＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ、特定用途向け集積回路）等のような集積回路の、多目的アナログ入力部を介して測定されうる。好適に、このような入力部の前段には、上記入力部による検出に適した電圧へと高電圧を分圧することが可能な高電圧‐低電圧変換器が接続される。このような分圧器は、好適に高インピーダンス状態となるよう実現され、したがって、高電圧が、大きな電流を、分圧器を通して流れされない。各接続スイッチにより電圧測定装置と接続可能な複数の高電圧‐低電圧変換器が設けられてもよい。測定される１つの電圧のみが、電圧測定装置と接続される。測定される全ての電圧のための１つの電圧測定装置が設けられてもよい。電圧測定装置は、例えば、マイクロコントローラまたはＤＳＰまたはＡＳＩＣの構成要素であってもよい。分圧器の切り替えは、マイクロコントローラまたはＤＳＰまたはＡＳＩＣの多目的出力部を介して行われる。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、測定モジュールは、例えばバッテリ制御装置または信号伝送装置の電位とは合わない電位で動作するためバッテリ制御装置との直接的な通信には適さない通信構成要素を備える。例えば、このような通信構成要素は、バッテリ制御装置または信号伝送装置に対する電気的絶縁またはガルバニック絶縁を必要とする。ガルバニック絶縁はいずれにせよ測定モジュール内に設けられているため、このような通信構成要素を測定モジュールへと移すことは有利である。なぜならば、ガルバニック的な絶縁または分離が、さらに他にも必要とならないからである。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、測定モジュールは、バッテリの極と電気的に接続されまたは接続可能な電圧供給装置を有する。したがって、測定モジュールには、バッテリの高電圧が供給されうる。電流供給のためのこのような接続も、バッテリの高電圧の検出に加えて一緒に利用されうる。
バッテリ管理システムのさらなる別の実施形態において、測定モジュールは、バッテリの電流を測定することが可能な測定抵抗器での電圧降下のための差動的な測定入力部を有する。この測定抵抗器は、好適に、極めて低インピーダンス状態になるよう実現され、特に好適に、１００μΩよりも小さい抵抗を有する。例えば、電圧測定の精度は±１％である。
本発明の他の観点において、先に記載した実施形態のうちの１つに係るバッテリ管理システムを有するバッテリが提案される。
本発明のさらに別の観点において、複数のバッテリセルの複数の低電圧、特に個別電圧をそれぞれ個別に測定しうる方法であって、当該測定のために複数の低電圧測定装置が使用される方法が提案される。本方法によればさらに、複数のバッテリセルまたは全てのバッテリセルに渡る電圧でありうるバッテリの高電圧の測定が、高電圧測定装置によって行われる。低電圧測定装置の信号および高電圧測定装置の信号が、同一の信号伝送装置を介してバッテリ制御装置へと伝送される。本方法の実施形態は、先に記載した実施形態に係るバッテリ管理システムによって実現可能であり、その際に、手続きに関する上記実施形態の特徴は、本方法の実施形態の特徴と対応しうる。
以下では、本発明の好適な実施例が、添付の図面を参照しながら詳細に記載される。
従来技術によるバッテリ管理システムの概略的な回路図を示す。 本発明の第１の実施形態に係るバッテリ管理システムの概略的な回路図を示す。 本発明の第２の実施形態に係るバッテリ管理システムの概略的な回路図を示す。 本発明の第３の実施形態に係るバッテリ管理システムの概略的な回路図を示す。 本発明に係るバッテリ管理システムの構成要素となりうる、高電圧およびバッテリの電流のための測定モジュールの概略的な回路図を示す。 測定モジュールの構成要素となりうる、または、測定モジュールには属さない、バッテリ管理システムの構成要素となりうる電流測定装置の概略的な回路図を示す。
図１は、従来技術によるバッテリ管理システム１の構造を概略的に示している。バッテリ管理システム１はバッテリ制御装置２を備え、バッテリ制御装置２は、第１の信号伝送装置３、高電圧測定装置４と接続され、さらなる別の信号伝送装置５を介して電流測定装置６と接続され、さらに第３の信号伝送装置７を介して複数の電圧測定装置８と接続されており、電圧測定装置８は各々がバッテリ１０の個別セルを１つずつ監視し、または、図１に示されるように、各々が、バッテリ１０の複数の個別セル９を監視する。信号伝送装置７は、加入者装置が直列接続により数珠つなぎになった（デイジーチェーン）バスシステムであり、ここでは、データが１つの低電圧測定装置を通って隣の低電圧測定装置へと転送されることで、同一のバスを介して、複数の低電圧測定装置８が、バッテリ制御装置２と通信することが可能である。個別バッテリセルの直列回路において、電位が高い電圧を測定する低電圧測定装置８の高い電圧から、バッテリ制御装置２を保護するために、信号伝送装置７は、バッテリ制御装置２の電位を低電圧測定装置８の電位から分離することが可能な分離装置１１を有する。信号伝送装置３および５も各々がこのような分離装置１１を有する。バッテリ制御装置２は、３つのインタフェース１３、１５、および１７を有し、これらインタフェース１３、１５、および１７は、典型的に、様々なプロトコルによる様々なバスのために役立つ。高電圧測定装置４は、バッテリ１０の極１８および１９の電圧が測定できるように、バッテリ１０の極１８および１９と接続されている。電流測定装置６は、バッテリ極１９から中間回路２６への信号経路２１に配置されているため、当該信号経路２１を介して流れる電流を測定することが可能である。極１８から中間回路２６への信号経路２０には継電器２２が配置され、継電器２２によって電流経路２０を介する電流の流れを遮断することが可能であり、極１９から中間回路２６への電流経路２１には継電器２３が配置され、継電器２３によって信号経路２１を介する電流の流れを遮断することが可能である。バッテリ１０を中間回路２６から分離するために、継電器２２または２３を、制御線２４または２５を介してバッテリ制御装置２によって切り替えることが可能である。中間回路２６には、典型的に、バッテリ１０により電力供給される消費機器が接続される。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るバッテリ管理システムの構造を概略的に示している。本実施形態は、図１に関して記載された従来技術によるバッテリ管理システム１と、幾つかの観点で類似している。同じ構成要素および特徴は、同じ符号で示されており、相違点を除いて、再度個別には記載しない。図１の実施形態を参照されたい。従来技術との主な相違点は、バスシステム３および５が無くなっていることである。高電圧測定装置４が、自身のデータをさらに処理する装置と通信できるために、高電圧測定装置４は、低電圧測定装置８へのバス７に組み込まれている。本実施形態では、高電圧測定装置はバッテリ制御装置２に統合されており、バッテリ制御装置２は、高電圧部２８と、低電圧部２９とを有する。測定される電圧への高電圧測定装置４の接続線は概略的に示され、バッテリ１０までの接続は示されていない。好適に、高電圧測定装置４は、複数の高電圧であって、全てのバッテリセル９に渡る電圧とは異なりうる上記複数の高電圧を測定することが可能であり、すなわち、上記複数の電圧は、例えば、バッテリ１０の構成要素の電圧、または、バッテリの周辺装置の電圧でありうる。バッテリ制御装置２の高電圧部２８と低電圧部２９との間には、低電圧部２９から高電圧部２８を直流的に絶縁するための分離装置１１が配置され、この分離装置１１は、信号伝送装置７におけるガルバニック絶縁箇所として機能する。これにより、信号伝送装置７からのデータを処理するマイクロプロセッサ２７が、電圧測定装置８および高電圧測定装置４から直流的に絶縁される。電流測定装置も、他の想定される構成要素と同様に、提示されるバッテリ管理システム１に含まれていてもよい。図１の実施形態とは異なって、低電圧測定装置８は、１つ以上のバッテリセル９の電圧の他に、１つ以上でのバッテリセル９の温度も測定することが可能である。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るバッテリ管理システム１を概略的に示しており、このバッテリシステム１は、多くの部分で、図２に示された実施形態と一致している。以下では、図２の実施形態との相違点にのみ言及する。同じ構成要素および特徴は同じ符号で示される。図２に示される実施形態とは異なって、高電圧測定装置４は、バッテリ制御装置２から分離され、別体のユニットとして実現される。このことによって、例えば電気自動車内で、構成要素を分散させる際のフレキシビリティをより高くすることが可能となり、配線時のケーブルが節約されうる。図３では、バッテリの極１８および１９、並びに、当該極１８および１９に接続された接続経路２０および２１が示されている。高電圧測定装置４が接続経路２０および２１に接続されているため、高電圧測定装置４は、それらの電位間の電圧を測定することが可能である。
図４は、第３の実施形態に係るバッテリ管理システム１を概略的に示しており、このバッテリ管理システム１は、基本的な部分では、図２および図３に示された実施形態と一致している。図２および図３の実施形態との相違点にのみ言及する。同じ構成要素および特徴は同じ符号を有する。先に記載された実施形態とは異なって、図４の本実施形態では、高電圧もバッテリ１０の電流も測定することが可能な測定モジュール４６が存在する。この測定モジュール４６は、好適に、バッテリ管理システム１０内の、従来技術では電流測定装置６があった位置に配置される。しかしながら、測定モジュールは、従来技術とは異なって、電圧測定装置８の信号をバッテリ制御装置２へと伝送する信号伝送装置７に組み込まれている。その際に、測定モジュール４６は、好適に、信号伝送装置７による信号伝送に関与する数珠つなぎになった加入者装置による鎖のメンバであり、データ伝送に関してバッテリ制御装置２の一番近くに配置されている。測定モジュール４６を通って、極１９からの電流が流れ、この電流は、電流接続経路２１を介して測定モジュール４６を通って案内され、したがって電流測定装置に測定のために提供される。代替的に、測定モジュール４６は、当然のことながら電流案内経路２０に配置されてもよい。測定モジュール４６の構成要素をなす高電圧測定装置が、バッテリ１０の極１８と極１９との間の電圧を測定できるために、測定モジュール４６は、電圧測定接続線４７を介してバッテリ極１８または１９と接続され、バッテリ極１８または１９の電流は、測定モジュール４６を通っては流れない。従来技術のように、中間回路２６からバッテリ１０を分離するために、継電器２２および２３が、制御線２４または２５を介してバッテリ制御装置２によって操作されうる。
図５は、測定モジュール４６の構造を概略的に示している。測定モジュール４６は、図４でも示されたように電流案内経路２１に配置され、したがってバッテリの電流が、電流案内経路２１を介して電流測定装置６を通って流れうる。電流測定装置６は、好適に、冗長的に動作する２つの別体の電流センサで構成される。このようにして、電流センサのうちの一方の動作にエラーが発生しているかどうかが確認されうる。冗長性を高めるために、さらに多くの電流センサを使用することも構想されうる。電流センサは、その測定データをインタフェース１７へと転送し、インタフェース１７はこの測定データを、信号伝送装置７を介してバッテリ管理システム１のさらなる別の構成要素へ送信することが可能である。信号伝送装置７は、デイジーチェーンとも呼ばれる数珠つなぎになったバスシステムである。インタフェース１７は、任意のガルバニック絶縁部１１を介して、および、インタフェース１７を例えば車両の中央制御装置と接続する信号伝送経路７ａを介して信号を送信することが可能である。接続線７ａは、好適に信号伝送装置７の一構成要素であり、これにより、接続される中央制御装置も同様に、数珠つなぎになったバスシステムによる信号伝送装置７の構成要素である。さらに、測定モジュール４６は、測定モジュール４６または当該測定モジュール４６の構成要素の温度を測定することが可能な１つ以上の温度センサ４８を有する。対応する測定データはインタフェース１７へと転送され、インタフェース１７は、信号伝送装置７を介して、測定データをさらに送信することが可能である。さらに測定モジュール４６は、１つ以上の高電圧測定装置４を有する。この高電圧測定装置４は、測定線４７または５１によって、バッテリ１０の極１８または１９の電位に接続されている。その際に、電圧測定線５１は、極１９の電位が信号伝送経路２１で内部で提供されるため、測定モジュール４６の中を通っている。代替的に、信号伝送経路２０も測定モジュール４６を通ることが可能であり、したがって、電圧測定線が極１８と接続され、その際に、測定線４７は対応して極１９と接続されている。１つ以上の高電圧測定装置４が自身のデータをインタフェース１７とへ伝送し、インタフェース１７から、データが信号伝送装置７または７ａを介して転送されうる。さらに、測定モジュール４６は、電圧供給装置４９を有し、この電圧供給装置４９は、測定モジュール４６への供給のために、電圧測定線４７と電流伝送経路２１または２０との間の電圧を利用する。この電圧は、バッテリセル９の直列回路により典型的に高電圧であるバッテリ１０の電圧であるため、電圧供給装置４９は、対応する電圧低減手段を有する。好適に、上記の構成要素は、すなわち、インタフェース１７、ガルバニック絶縁部１１、高電圧測定装置４、温度測定装置４８、および、電流測定装置６の少なくとも一部は、集積回路５０として実現され、以下では測定モジュールＩＣ５０と称される。
図６は、測定モジュール４６の内部構造を概略的に示している。測定モジュー４６は、電流案内経路２１内に配置された測定抵抗器６０を備える。代替的に、測定抵抗器６０は、電流案内経路２０内に配置されてもよい。測定抵抗器６０を通って電流が流れた際に、この電流抵抗器６０で電流の流れに典型的に比例する電圧が発生する。この電圧は、任意のフィルタ６１を介して測定モジュールＩＣ５０に供給されうる。フィルタ６１は、信号から干渉周波数を取り除くことが可能である。測定モジュール４６内には、さらに、複数の測定抵抗器６０も配置されてもよく、任意に、複数の測定モジュールＩＣ５０も配置されてもよい。
測定モジュール４６の図示されない一般的な実施形態において、測定抵抗器を介した測定の代わりに他の測定原則が利用されてもよい。一例として、電流の流れと関連する磁場の測定が、電流の流れの強さを決定するために行われうる。
測定モジュールＩＣ５０は、信号伝送装置７とそれを介して通信することが可能なインタフェースを備える。このようにして、電流測定装置６が、数珠つなぎのバスシステムによる信号伝送装置７に組み込まれる。さらに、測定モジュール４６は、好適に、内部の電流供給部６３を有する。測定モジュールＩＣ５０は、測定抵抗器６０を介した電圧の測定に加えて高電圧１０を測定することが可能である。このために、測定モジュール４６は、電圧測定線４７を介してバッテリ極１８と接続されている。測定抵抗器６０が電流案内経路２０内に配置される代替的な変形例において、電圧測定線４７は、測定モジュール４６をバッテリ１０の極１９と接続する。極１８または１９の電圧は、フィルタ６４を介して測定モジュールＩＣ５０に供給されうる。この電圧の供給は、切り替え装置６５によって遮断することが可能であり、その際に、この切り替え装置６５は、測定モジュールＩＣ５０によって制御線６６を介して切り替え可能である。フィルタ６４は、例えば、バッテリ電圧から干渉周波数成分を取り除くことが可能である。このような干渉電圧は、例えば消費機器によって誘導されうる。フィルタ６４の前段には分圧器６７が接続可能であり、この分圧器６７によって、電圧測定線４７を介して測定モジュール４６に達するバッテリ１０の電圧が、フィルタ６４および測定モジュールＩＣ５０により処理することが可能な電圧レベルに下げられる。このように提供されるバッテリ極１８の電位の他に、測定モジュールＩＣ５０には、電流案内経路２１の電位であって、バッテリ極１９の方向の測定抵抗器６０の端子にバッテリ極１９の電位として印加される上記電位が提供される。代替的に、電流案内経路２０内に測定モジュール４６を配置し、電圧測定線４７でバッテリ極１９の電位を提供することが構想可能である。したがって、２つの極１８および１９の電位が利用可能であるため、高電圧の正確な測定が可能である。全てのバッテリセル９に渡るバッテリ１０の高電圧の測定の他に、バッテリ１０または当該バッテリ１０の周辺装置のさらなる別の高電圧が測定されうる。このために、さらなる別の分圧器６７およびさらなる別の切り替え装置６５が設けられ、その際に、さらなる別の切り替え装置６５は、測定される個々の電圧間で切り替えるためにも利用されうる。このために、現在測定されない電圧は切断され、測定される電圧がフィルタ６４に接続されて、測定モジュールＩＣ５０へと案内されうる。

Claims (10)

  1. 直列接続された複数のバッテリセル（９）を含むバッテリ（１０）のためのバッテリ管理システム（１）であって、バッテリ制御装置（２）と、１つ以上のバッテリセル（９）の電圧を測定することが可能な複数の低電圧測定装置（８）と、
    を備え、
    ‐複数のバッテリセル（９）または全てのバッテリセル（９）に渡る電圧のための１つ以上の高電圧測定装置（４）、および／または、
    ‐前記バッテリ（１０）の電流または前記バッテリ（１０）を通る電流を測定することが可能な少なくとも１つの電流測定装置（６）、および／または、
    ‐高電圧測定装置（４）および電流測定装置（６）を備える少なくとも１つの測定モジュール（４６）、
    を備える、前記バッテリ管理システム（１）において、
    ‐低電圧測定装置（８）の信号、および、前記高電圧測定装置（４）および／または前記電流測定装置（６）および／または前記測定モジュール（４６）のうちの少なくとも１つの信号を前記バッテリ制御装置（２）へと伝送することが可能な、信号伝送装置（７）を備えることを特徴とする、バッテリ管理システム（１）。
  2. 前記低電圧測定装置（８）と、前記高電圧測定装置（４）、前記電流測定装置（６）、および前記測定モジュール（４６）のうちの少なくとも１つとは、前記信号伝送装置（７）によって、１つのバスによるチェーン回路（デイジーチェーン）で相互接続され、
    前記バッテリ管理システムは、前記信号伝送装置により伝送されるデータが前記直列回路の少なくとも１つの構成要素を通りその後で隣の構成要素へと転送されるように、構成されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ管理システム（１）。
  3. 特に測定モジュール（４６）内の高電圧測定装置（４）は、高電圧‐低電圧変換器（６７）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリ管理システム（１）。
  4. 前記バッテリ管理システム（１）は、通信モジュール（１７）を有する少なくとも１つの電圧測定チップ（５０）を備え、
    前記通信モジュール（１７）は、前記信号伝送装置（７）を介した通信のために構成され、
    前記電圧測定チップ（５０）は、特に、前記信号伝送装置（７）からの前記通信モジュール（１７）のガルバニック絶縁および／または電気的絶縁のための分離装置（１１）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリ管理システム（１）。
  5. 高電圧測定装置（４）は、低電圧測定装置（８）と同じ電圧測定チップを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリ管理システム（１）。
  6. 前記バッテリ管理システム（１）は、高電圧測定装置（４）と電流測定装置（６）とを有する測定モジュール（４６）を有し、
    前記測定モジュール（４６）は、インタフェース（１７）を用いて前記信号伝送装置（７）を介して測定信号を伝送するよう構成され、
    前記高電圧測定装置（４）と、前記電流測定装置（６）の少なくとも一部と、前記インタフェース（１７）とは、チップ（５０）上に統合されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリ管理システム（１）。
  7. 前記測定モジュール（４６）は、前記バッテリ（１０）を通って流れる同一の電流を二重測定するためのさらなる別の電流測定装置（６）を有することを特徴とする、請求項６に記載のバッテリ管理システム（１）。
  8. 前記測定モジュール（４６）は、信号による前記バッテリ制御装置（２）との通信のために構成された通信構成要素を備え、
    前記通信構成要素と、前記信号伝送装置（７）および／または前記バッテリ制御装置（２）との間では、前記測定モジュール（４６）の構成要素であるガルバニック絶縁および／または電気的絶縁が有効であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリ管理システム（１）。
  9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリ管理システム（１）を備えたバッテリ（１０）。
  10. 低電圧測定装置（１０）を用いてバッテリの１つ以上のバッテリセル（９）の低電圧を測定するため、および、複数のバッテリセル（９）または全てのバッテリセル（９）に渡る電圧のための少なくとも１つの高電圧測定装置（４）によって前記バッテリ（１０）の高電圧を測定するための方法であって、前記低電圧測定装置（８）の信号、および、前記高電圧測定装置（４）の信号が、同じ信号伝送装置（７）を介してバッテリ制御装置（２）へと伝送される、方法。
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