JP2020532271A - バッテリーセルを監視ユニットに接続する配線の状態を判定する方法、および対応する監視ユニット - Google Patents
バッテリーセルを監視ユニットに接続する配線の状態を判定する方法、および対応する監視ユニット Download PDFInfo
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Abstract
Description
このために、各セルの正と負の端子間の電圧を定期的に監視する必要があり、バッテリーが充電中か放電中か、または休止中(バッテリーは多少充電されているが、電流を供給していない)か、定期的に監視する必要がある。
前記セルの端子間で電圧を測定することは、強い安全上の制約(過電圧または低電圧の監視)および性能上の制約(充電状態の測定の精度)の影響を受ける。
バッテリーのセルは通常、配線により各セルに接続された電子ユニットによって監視される。当該配線は、各セルの2つの端子を電子ユニットの2つの入力端子に接続する2つの分岐配線を含んでいる。
配線が長い場合(たとえば、監視ユニットがバッテリーから遠く離れて設置されている場合)、またはそれらの配線(分岐配線)の状態が劣化する可能性がある場合、各配線の配線抵抗を判定する必要がある。
配線「抵抗」とは、配線のインピーダンスの実数部を意味する。インピーダンスは、用語の数学的な意味での(実数部と虚数部を持つ)複素数で表される。配線抵抗の値はオームで測定される。
その結果、配線に異常があり、たとえば配線抵抗が高すぎる場合には、セルのバランスを制御すると、たとえば自律性が低下するなど、バッテリーの最適でない動作につながる可能性がある。
さらに、監視ユニットによってもたらされる電圧測定値が正常値でない場合には、オンボード診断機能も正常に行われず、電子ユニットに誤った診断結果が送られる可能性がある。アクティブセルバランシング(active cell balancing)の場合、これは、たとえばバランスの悪い電圧補償につながる可能性がある。
−前記配線の配線抵抗の値を演算するステップ、及び、
−前記演算された配線抵抗の値に応じて前記配線の状態を判定するステップを含む。
これにより、バッテリーの使用の各サイクルで配線の状態を判定することにより、配線の異常を検出し、配線を遮断する必要があるかどうかを検出することで、バッテリーの安全で効率的な動作を維持し、影響を受ける可能性のあるオンボード診断機能を無効化できる。
本発明の意味において、配線抵抗は、前記配線を形成する第1分岐配線および第2分岐配線の抵抗(すなわち、インピーダンスの実部)の合計であることが理解される。
−前記バッテリのセルが充電又は放電していない時に、前記第1入力端子と第2入力端子との間の第1開回路電圧値を第1測定時間で測定する第1サブステップ、
−第1時間に、前記監視ユニットが、電気抵抗値が予め定められた分岐配線を介して前記第1入力端子と前記第2入力端子とを接続するクロージングサブステップ、
−第2時間に、前記第1入力端子と前記第2入力との間の第2閉回路電圧値を演算するステップであり、前記第2時間が前記第1時間と、所定の最小期間(Δtmin)と所定の最大期間(Δtmаx)との間の時間(Δt)分、前記第1時間から離れた時間である、第2サブステップ、及び
−前記所定の電気抵抗値、前記測定された第1電圧値、及び前記測定された第2電圧値に応じて、前記配線の前記配線抵抗値を推定するサブステップを含む。
これにより、特定のセルに関連付けられた2つの入力端子間の電気回路を開閉できる監視ユニットによって、開回路と閉回路のこれらの入力端子で2つの電圧測定を行うことができる。よって、その配線の配線抵抗の値を推定でき、後者の状態を決定することができる。
言い換えれば、閉回路電圧測定は、第1測定サブステップと第2測定サブステップ間の電気的負荷の変動を無視できるように、十分に早く実行される。このようにして、関係するセルの正極端子と負極端子間の電圧は、2つの測定間で実質的に一定のままである(最大1%以内)。
これにより、一方では配線抵抗が探され、他方では関連するセルの内部抵抗が周囲温度に応じて変化する程度までに、電圧測定の精度を改善することができる。セルの内部抵抗の変動は一般に温度変動に反比例するが、配線抵抗は温度が上昇すると増加する傾向がある。
方法は、
−上述の判定方法を使用して、前記配線の状態を判定するステップ、及び、
−前記配線の配線抵抗値が前記電気抵抗閾値よりも大きい場合、前記配線の配線抵抗値の変化によって影響を受ける診断機能を停止するステップ、を含む。
−上記の判定方法を使用して、上記配線の状態を判定するステップ、及び
−配線抵抗値が電気抵抗閾値よりも大きい場合にアラート信号(警告信号)を送信するステップを含む。
−各配線の配線抵抗値を計測し、及び
−前記計測された配線抵抗値に応じて前記配線の状態を判定する、
ように構成されている。
−セルに関連付けられた各第1および第2入力端子間の回路を開くことで、バッテリーの各セルに関連付けられた回路を開き、
−同じセルのそれぞれに関連する回路を閉じることで、ユニットの各第1および第2入力端子を、静的条件下で純粋な(purely)抵抗性をもつ分岐配線を介して互いに接続し、その分岐の抵抗が既知な値で固定されており、
−上記の条件下で、各第1入力端子と各第2入力端子間の開回路または閉回路の電圧値を測定し、及び
−測定値と既知の抵抗値に応じて、バッテリーのセルに関連付けられた各配線の配線抵抗を測定する、ように構成されている。
−複数のセルを含むバッテリー
−上記のバッテリーを監視するための上記のユニットを有する。
−上記のシステム、及び
−前記システムの前記バッテリーによって電流が供給される電気モータ。
−バッテリー100とバッテリー100の複数のセル110、120、130、140、150、160の充電状態を監視および制御するように適合される、バッテリー100を監視するためのユニット300を含むシステム、及び、
−前記システムのバッテリー100によって電流IHV(図1 参照)が供給された時に、前記自動車を推進するように設計された電気モータ、およびバッテリー100を充電するための手段
通常、各セルの端子の公称電圧は、2−5Vである。ここで、セル110、120、130、140、150、160はリチウムイオン(Li−Ion)タイプであり、それぞれに公称電圧が定めされている。完全に充電されると、約3.7Vになる。
図1の例では、バッテリー100は、直列に接続された108個の単一リチウムイオンセルを含むが、図面を明確にするために、それらのセル110、120、130、140、150、160のうち6つのみが図に表されている。
−最初の2つのセル150、160が、セルランクでNo.1、2となる。
−最後の2つのセル110、120がセルランクで、No.107、となる。
−セル130、140がセルランクでランクNo.3およびNo.106となる(図1に破線で一部表示)。
これは、さまざまなセルがすべて厳密に同一ではなく(製造工場から出荷時に、容量と内部抵抗が正確に等しくない)、時間の経過とともに同じように放電しない、つまり、すべてが同じ方法で放電されないためである(自己放電の分散)。さらに、各セルは、バッテリー100のボックス内の、冷却または換気が多少とも異なる空間に配置され、各セルの周囲の温度は異なる。
したがって、収容バッテリー内のセルのいくつかは他のセルよりもストレスがかかり、収容バッテリーの全体的な容量とその耐用年数が減少する。
バッテリー100のセル110、120、130、140、150、160は直列に接続されており、ランクn(n= 1..N−1、ここではN=108)のセルの正極端子、例えばセル120(セルランクNo.107)の端子121は、セルランクNo.n+1の隣接セルの負極端子、ここではセル110(セルランクNo.108)の負極端子112と直列に接続されている。
さらに、セル110(セルランクNo.108)の正極端子111は、バッテリ100の正極端子101と共通化され、電気的に接続される。同様に、セル160(セルランクNo.1)の負極端子162は、バッテリ100のマイナス端子102と共通化され、電気的に接続されている。
したがって、バッテリ100のすべてのセル110、120、130、140、150、160の充電状態を監視し、均等化するために、これらの充電状態を監視するユニット300が提供される。
− 各セル110、120、130、140、150、160の端子電圧(以下、Vcell、1、Vcell、2、...、Vcell、n、...、Vcell、108、電圧Vcell、nについては図2を参照)、及び/又は、バッテリー100の正極端子101と負極端子102との間の総電圧UBATを決定
− 各セル110、120、130、140、150、160の充電状態(SoC)を独立して決定
− バッテリー100によってモータに供給される総電流IHVを決定
− バッテリー100の平均温度TBATまたはバッテリー100の各セル110、120、130、140、150、160の個々の温度Tcell、n(n= 1..N)を決定
セル110、120、130、140、150、160のバランスは、アクティブであってもパッシブであってもよい。
パッシブバランシングの場合、監視ユニットは、最も充電されたセルに蓄積されたエネルギーの一部を消費して、一般には、熱として、そのエネルギーを放散する。実際には、最も充電されたセルの過剰な充電は、ユニットの電気抵抗のジュール効果によって簡単に排出される。
「配線によりユニット300に接続されている」点は、図1に示すように、各配線を以下のように分割できることを意味している。
−ユニット300の第1入力端子301、302、303、304、305に接続され、セル110、120、130、150、160の正極端子111、121、131、151、161に接続される第1分岐配線201、202、203、204、205
−ユニット300の第2入力端子302、303、304、305、306に接続され、セル110、120、130、150、160の負極端子112、122、142、152、162に接続される第2分岐配線202、203、204、205、206
たとえば、セル120(セルランクNo.107)の正極端子121をユニット300に接続する107番目の第1分岐配線202は、セル110(セルランクNo.108)の負極端子112(セル120と共通の端子)を接続する108番目の第2分岐配線(202とも呼ばれる)でもある。
したがって、セルと同数の配線があり、各(以下「ランクn」と呼ぶ)は特定の電気セル(ランクn)に関連付けられています。
−前記配線の第1分岐配線202の等価電気抵抗RLn、及び
−前記配線の第2分岐配線203の等価電気抵抗RLn−1
−マイクロコントローラ330からカード310まで延びる第1電気的バス321、及び
−カード310からマイクロコントローラ330まで延びる第2電気的バス322 を含む。
−マイクロプロセッサ(CPU)、
−ランダムアクセスメモリ(RAM)、
−読み取り専用メモリ(ROM)、
−アナログデジタルコンバーター(ADC)またはデジタルアナログコンバーター(DAC)、及び
−さまざまな入出力インターフェイス。
その部分について、入力インターフェースにより、マイクロコントローラ330は、第2バス322を介して、トラクションバッテリー100のセル110、120、130、140、150、160、充電器、電気モータに関連したデータを、ランダムアクセスメモリに保存するために取得できる。
出力インターフェースにより、マイクロコントローラ330は、第1バス321を介して、プリント回路カード310上の集積回路340(図2を参照)を制御することが可能になる。
−負荷抵抗Rc(電圧VRc、n、電流ICn)を介してユニット300の第1入力端子302に接続された集積回路340の第1測定ピン341、及び
−負荷抵抗Rc(電圧VRc、n−1、電流ICn−1)を介してユニット300の第2入力端子303に接続された集積回路340の第2測定ピン344
−抵抗Rswと同等の通過状態、及び
−開回路と同等のブロッキング状態(2つの平衡ピン間のゼロ電流である)
−1個以上のトランジスタをブロッキング状態にするために、
ブロッキング状態は、これらトランジスタのためのバランス不均衡(balancing deactivated)(「OFF」のバランスの状態)、及び
−1個以上のトランジスタをパッシング状態(passing sate)にするために、
パッシング状態は、これらトランジスタのためのバランス均衡(balancing activated)(「ON」のバランスの状態)
この方法は、ユニット300によって実行され、より正確には、ユニット300のマイクロコントローラ330によって実行される。
したがって、その監視ユニット300は次のように設計されています。
−各配線201−202、202−203、204−205、205−206の配線抵抗値RI、nを測定する。
−前記測定された配線抵抗値RI、nに応じて、前記配線201−202、202−203、204−205、205−206の状態を判定する。
−前記配線の配線抵抗値を測定するステップ(図3のブロックB)。
−その測定された配線抵抗値に応じて前記配線の状態を判定するステップ(図3のブロックC)。
−バッテリー100のセル120が充電または放電でない時に、第1入力端子302と第2入力端子303との間の第1開回路電圧値Vm1、nを測定する第1サブステップ(サブブロックB1)。
−第1測定時間t1におけるクローズサブステップ(サブブロックB2)であり、ユニット300が第1入力端子302と第2入力端子303を、抵抗分岐配線(ここでは平衡分岐312、313およびトランジスタ345の分岐パス342、343により形成される)により接続し、前記電気抵抗値はRbal、nは予め定められている、ステップ
−第2測定時刻t2における、第1入力端子302と第2入力端子303との間の閉回路電圧値Vm2、nを測定するステップ(サブブロックB3)であり、前記第2測定時刻t2は、
所定の最小期間ΔVtminと所定の最大期間ΔVtmaxとの間の時間Δt分、前記第1測定時間t1から離れた時間である。
−前記所定の電気抵抗値Rbal、n、第1測定電圧Vm1、n、及び第2測定電圧Vm2、nに応じて、配線202,203の配線抵抗RI、nを推定するステップ(サブブロックB4)
この最初の測定サブステップでは、静的条件が適用され、バッテリー100のパワーリレーがまだ開いていると想定され、バッテリー100の無負荷電圧値UBATと出力電流IHVが0アンペアに等しい。
また、このサブステップB1の間、ユニット300のトランジスタ345は、ブロックモード(バランスOFF)になるように、マイクロコントローラ330によって命令され、2つのバランスピン342、343との間の電気回路が開かれ、Ibal、n=0、かつ、ICn=ILnとなる。
以下、2つの測定ピン341、344の間の入力抵抗は非常に高く、すなわち、2つの測定分岐311、314の2つの負荷抵抗Rcに対して準無限であると仮定される。
これにより、Vcell、n=Vbal、n(ILnは下記式(2)であり、セルの内部抵抗は非常に低い)が成立し、下記式(3)〜(5)も成立する。
t1と示される最初の時間に、ユニット300は、ランクn(n=107)のセル120の平衡化をトリガーし、プリント回路340のトランジスタ345が通過状態(passing state)になり、Rsw、n(以下、2つの平衡端子間に配置されたプリント回路340上のすべてのトランジスタは同一であり、同じ抵抗Rswを有している)電気抵抗と同等になるようにする。その場合、ユニット300の2つの入力端子302、303を接続する分岐配線の電気抵抗値Rbal、nは、Rbal、n=2・Rbal+Rswである。次のステップB3の前に、2番目の時間t2まで待機する。
第2時間t2は、時間間隔Δtが、第1時間t1と第2時間t2との間であり(Δt=t2−t1)、所定の最小時間間隔Δtminと所定の最大時間間隔Δtmaxとの間であり、
好ましくは以下を含む。
−第2測定サブステップB3は、静条件下で行われ、t2はt1から十分に離れ、静的条件下で適用される。
−セル120の正負極端子121、122の間の電圧の絶対値Vcell、nは、第1測定サブステップB1と第2サブステップB3との間で1%以上変化せず、t2は、セル120の端子間の電圧変動を無視できほど(1%以内)、t1から離れてはない。
トランジスタ345が通過モードになり、静的条件が確立されると、集積回路340の2つの測定ピン341,344間の電圧Vm2、nが同じ時間t2で測定される。
2つの測定サブステップB1およびB3に続いて、バランシングが非アクティブ化された(Ibal、n=0A)、かつ、バランシングがアクティブ化された場合の、集積回路340の2つの測定ピン341、344の間に値Vm1、nおよびVm2、nが把握できる。
これら2つの値は、第2バス322を介してユニット300からマイクロコントローラ330に送信され、マイクロコントローラ330はこれらを使用して配線抵抗値RI、nを演算する。
−各電線の代表温度の値TL1、TL2、...、TLn、...、TLN及び
−各電線の電線抵抗の値RI、1、RI、2、...、RI、n、...、RI、N
ランクnの配線の配線抵抗閾値RLmax、nは、その配線の周囲温度TLnに応じて予め決定されることが好ましい(図1のブロックAのサブブロックA2)。
上記の比較により、ランクnの配線の配線抵抗値RI、nが閾値RLmax、nよりも低いことが示される場合(図3のサブブロックC2)、ユニット300は、ランクnの配線がnは通常の動作状態とみなしている。
配線抵抗値RI、nが当該温度TLnの電気抵抗閾値RLmax、nよりも大きい場合、警告信号を送信することもできる。
Claims (10)
- バッテリ(100)のセル(110、120、130、140、150、160)を前記バッテリ(100)の監視ユニット(300)に接続する配線の状態を判定する方法であって、
前記配線は、前記セル(110、120、130、140、150、160)の正極端子(111、121、131、151、161)を前記監視ユニット(300)の第1入力端子(301、302、303、304、305)に接続する第1分岐配線(201、202、203、204、205)と、前記セル(110、120、130、140、150、160)の負極端子(112、122、142、152)を前記監視ユニット(300)の第2入力端子(302、303、304、305、306)に接続する第2分岐配線(202、203、204、205、206)を有し、
前記方法は、
前記配線(201、202、203、204、205、206)の配線抵抗の値(RI、n)を演算するステップ(B)と、
前記演算された配線抵抗の値(RI、n)に応じて、前記配線(201、202、203、204、205、206)の状態を判定するステップ(C)とを含む方法。 - 請求項1記載の方法において、
前記配線抵抗の値(RI、n)を演算する前記ステップ(B)は、
前記バッテリ(100)の前記セルが充電又は放電していない時に、前記第1入力端子と前記第2入力端子(301、302、303、304、305、306)との間の第1開回路電圧値(Vm1、n)を測定する第1サブステップ(B1)と、
第1時間(t1)に、前記監視ユニット(300)が、電気抵抗値が予め定められた分岐配線(312,313、342−343)を介して前記第1入力端子と前記第2入力端子(301、302、303、304、305、306)を接続するクロージングサブステップ(B2)と、
第2時間(t2)に、前記第1入力端子と前記第2入力端子(301、302、303、304、305、306)との間の第2閉回路電圧値(Vm2、n)を演算するステップであり、前記第2時間は、所定の最小期間(Δtmin)と所定の最大期間(Δtmаx)との間の時間(Δt)分、前記第1時間から離れた時間である、第2サブステップ(B3)と、
予め設定された抵抗閾値(Rbal、n)、前記測定された第1開回路電圧値、及び前記測定された第2閉回路電圧値(Vm1、n、Vm2、n)に応じて、前記配線(201、202、203、204、205、206)の前記配線抵抗の値(RI、n)を推定するサブステップ(B4)とを有する方法。 - 請求項2記載の方法において、
前記最小期間(Δtmin)は、前記第2サブステップ(B3)が静的な電気的条件下で実行されるように、予め設定されており、
前記最大期間(Δtmаx)は、前記セル(110、120、130、140、150、160)の前記正極端子と前記負極端子(111、112、121、122、131、142、151、152、161、162)との間の電圧(Vcell、n)の絶対値が、前記第1サブステップと前記第2サブステップの間で1%以上変化しないように、予め設定されている方法。 - 請求項2又は3記載の方法において、
前記クロージングサブステップ(B2)中、前記分岐配線(312、313)は、セル(120)の平衡分岐配線である方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法において、
前記演算された配線抵抗値(RI、n)と電気抵抗閾値(RLmаx)とを比較するステップ(C1)を有し、
前記配線の状態は、前記比較(C1)の結果に応じて決まる(C2、C3)方法。 - 請求項5記載の方法において
前記配線(21、22)の周囲温度を表す温度(TLn)を測定するステップ(A1)を含み、
前記電気抵抗閾値(RLmаx)は、前記周囲温度(TLn)に応じて設定されている(A2)方法。 - バッテリ(100)のセル(110、120、130、140、150、160)を前記バッテリの監視ユニット(300)に接続する配線(201、202、203、204、205、206)の状態に関してアラートを通知する方法であって、
前記配線(201、202、203、204、205、206)は、前記セル(110、120、130、150、160)の正極端子(111、121、131、151、161)を前記監視ユニット(300)の第1入力端子(301、302、303、304、305)に接続する第1分岐配線(201、202、203、204、205)と、前記セル(110、120、130、150、160)の負極端子(112、122、142、152、162)を前記監視ユニット(300)の第2入力端子(302、303、304、305、306)に接続する第2分岐配線(202、203、204、205、206)と有し、
前記方法は、
前記請求項5又は請求項6に記載の方法を用いて、前記配線(201、202、203、204、205、206)の状態を判定するステップと、
前記配線抵抗値(RI、n)が前記電気抵抗閾値(RLmаx、n)よりも大きい場合には、アラート信号を送信するステップとを有する方法。 - バッテリ(100)の複数のセル(110、120、130、140、150、160)の充電状態を管理する監視ユニット(300)を備え、
前記複数のセル(110、120、130、140、150、160)は、配線(201、202、203、204、205、206)により前記監視ユニット(300)に接続され、
前記配線は、前記セル(110、120、130、140、150、160)の正極端子(111、121、131、151、161)を前記監視ユニット(300)の第1入力端子(301、302、303、304、305)に接続する分岐配線(201、202、203、204、205)と、前記セル(110、120、130、140、150、160)の負極端子(112、122、142、152、162)を前記監視ユニット(300)の第2入力端子(302、303、304、305、306)に接続する分岐配線(202、203、204、205、206)とを有し、
前記監視ユニット(30)は、
前記配線(201、202、203、204、205、206)の配線抵抗の値(RI、n)を演算し、
前記演算された配線抵抗の値(RI、n)に応じて、前記配線(201、202、203、204、205、206)の状態を判定するように構成されている監視ユニット。 - 電気自動車又はハイブリッド車両用のシステム(100、300)であって、
複数のセル(110、120、130、140、150、160)を有するバッテリ(100)と、
前記バッテリ(100)の充電状態管理するために、請求項8記載の監視ユニットとを備えるシステム。 - 請求項9記載のシステム(100、300)を含む、電気自動車又はハイブリッド車両のいずれか一方の車両であって、
前記システム(100、300)の前記バッテリ(100)によって電流が供給されるモータを有する車両。
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