JP7496862B2 - バッテリシステムおよびバッテリシステムを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリシステムに関し、例えばハイブリッド車両用または完全電気車両用のバッテリシステムに関する。さらに、本発明は、このようなバッテリシステムを制御する方法に関する。

バッテリ電気車両またはプラグインハイブリッド電気車両の高電圧バッテリパックは、典型的には、バッテリセルを並列にかつ直列にグループ化してバッテリセルモジュールを組み上げることにより構築されている。この場合、これらのモジュールは、バッテリパックのＤＣリンクにおいて要求されている高電圧を形成するために直列に接続されている。

この種のバッテリパックについて、各モジュールに対するセル監視回路を使用して、各セルの温度および電圧が監視され、データがバッテリ管理コントローラに送信される。バッテリ管理コントローラは、各セルの充電状態およびＳＯＨ（健康状態）を判定する。バッテリ管理コントローラは、決定された充電状態およびＳＯＨに従い、公知の方法によってセル電圧を平衡化することができるセル平衡化回路に制御信号を送信する。

セルの不平衡は、セルが、容量、内部抵抗、化学的劣化、およびセル間温度に関して異なるという事実から生じる。セルの平衡化は、総記憶容量および寿命の低下をもたらすセルの過充電および過放電を防止するために重要である。さらに、不平衡により過電圧が生じることもあり、こうした過電圧によりセルが破壊されて重大な損傷が引き起こされることもある。

セルの不平衡の別の問題は、バッテリの不完全な充電を生じさせ、これにより容量の低下およびバッテリエネルギの不完全な使用をもたらす可能性があるということである。比較的安価であるが低速となる、または比較的高速であるが高価となる、能動平衡化技術および受動平衡化技術が存在する。

電気車両におけるバッテリのより効率的な充放電を達成するための他のアプローチが行われてきた。特に、ＤＣＤＣコンバータは、各モジュールの出力電圧を制御するために各バッテリモジュールに割り当てられている。このようなバッテリシステムは、例えば、独国特許出願公開第１０２０００９０２７８３３号明細書および米国特許出願公開第２００８／００４２４９３号明細書に開示されている。当該システムにより個々のバッテリモジュールのきわめてフレキシブルな充放電が可能となるが、当該システムは比較的複雑であり、動作時に相当量の熱を生成する多数の電力部品を要する。

したがって、本発明の課題は、改善された寿命および容量を有し、安全であって操作が容易なバッテリシステムを提供することである。

この課題は、独立請求項によるバッテリシステムによって達成される。

有利な実施形態および発展形態は各従属請求項の対象となっている。

本発明の一態様によれば、それぞれ複数のバッテリセルを備えた複数の第１のバッテリモジュールと、それぞれ複数のバッテリセルを備えた複数の第２のバッテリモジュールとを備え、各第２のバッテリモジュールは、ＤＣＤＣコンバータを有するパワーエレクトロニクスユニットを含む、バッテリシステムが提供される。第１のバッテリモジュールと第２のバッテリモジュールとは直列に接続されており、第１のバッテリモジュールは直接に直列に接続されており、第２のバッテリモジュールは各自のパワーエレクトロニクスユニットを介して接続されている。

「バッテリモジュール／バッテリセルの数」なる表現は、ここでは、「少なくとも１つのバッテリモジュール／バッテリセル」を示すために使用される。

例えば、バッテリシステムは電気車両用のものであり、特にハイブリッド車両用もしくは完全電気車両用のものである。代替的に、バッテリシステムは、定置式の電力貯蔵部の一部であってもよい。例えば、バッテリシステムは、太陽光発電システム用のものであってよい。

本発明によれば、バッテリシステムのうち幾つかのバッテリモジュールは、ＤＣＤＣコンバータを有するパワーエレクトロニクスユニットを備えている。ＤＣＤＣコンバータは、それぞれ２つの入力端子と２つの出力端子とを有しており、入力端子は、対応するモジュールのバッテリセルに接続されており、出力端子は、隣のバッテリモジュールすなわち後続のバッテリモジュールおよび先行のバッテリモジュールに直列に接続されている。つまり、第２のバッテリモジュールは、各自のパワーエレクトロニクスユニットを介して直列に接続されている。対照的に、第１のバッテリモジュールは、こうしたパワーエレクトロニクスユニットを含んでいないが、直接に隣のバッテリモジュールに直列に接続されている。

当該バッテリシステムは、第１のバッテリモジュールがきわめてシンプルに構築され、第２のバッテリモジュールがきわめてフレキシブルに充放電可能となるという利点を有する。特に、第２のバッテリモジュールのそれぞれから引き出される電流を、バッテリモジュールの均一な負荷が保証されるように最適化することができる。さらに、４００Ｖまたは８００Ｖの充電ステーションのいずれからもバッテリを充電することができる。第２のモジュール上のＤＣＤＣコンバータにより、ＤＣリンク側の電圧をより高い値に昇圧することができる。

種々異なる種類のバッテリセル、特に新たなバッテリセルと既に使用されているバッテリセルとを、バッテリシステムにおいて使用することができる。このことは、必要に応じてバッテリモジュールを選択でき、バッテリセルおよびバッテリモジュールのリサイクルが改善および促進されるという利点を有する。

本発明の一実施形態によれば、第１のバッテリモジュールは高エネルギセルから構成されており（または主に構成されており、または主としてこれを備えているかもしくはこれのみを備えており）、第２のバッテリモジュールは高電力セルから構成されている（または主に構成されている、または主としてこれを備えているかもしくはこれのみを備えている）。

高電力セルは、レンジまたはランタイムよりも電力に焦点を当てた用途に使用されるバッテリセルである。今日、高電力セルは、例えば、ニッケルマンガンコバルト酸化物カソードと組み合わされたチタン酸リチウム酸化物アノード、またはグラファイトアノードと組み合わされたリン酸鉄リチウムカソードを有することができる。他方、高エネルギセルは、例えば、ケイ素ドープされたグラファイトアノードおよび遷移金属カソードを有することができる。高エネルギセルは、典型的には、より多量のエネルギ活性材料を含み、より高い容量を有する。概して、高エネルギセルは高エネルギ密度用に最適化されており、高電力セルは高電力密度用に最適化されている。

両方のタイプのセルを、例えば電気車両において有利に使用することができるが、高電力セルがトラクションユニットへの接続およびトラクションユニットからの切断が可能なバッテリモジュールとしてグループ化される場合に、高エネルギセルと高電力セルとを組み合わせることが特に有利である。当該実施形態によれば、高エネルギセルを備えた第１のバッテリモジュールは、基本モード、例えば市街地での低パフォーマンス走行において電気車両にエネルギを供給するために使用され、これに対して、高電力セルから構成されている（または主に構成されている、または主としてこれを備えているかもしくはこれのみを備えている）第２のバッテリモジュールは、例えば高速道路走行時かつ／または急加速時に高パフォーマンスが必要とされる状況において付加的に接続されうる。

ＤＣＤＣコンバータは、好ましくは、バックモード、ブーストモード、パススルーモード、バイパスモード、および／またはオフモードで動作可能である。好ましくは、第２のバッテリモジュールに割り当てられたパワーエレクトロニクスユニットの全てのＤＣＤＣコンバータがこれらのモードで動作可能である。したがって、ＤＣＤＣコンバータを使用して、各第２のバッテリモジュールの出力電圧をフレキシブルに調整することができる。さらに、各第２のバッテリモジュールは、そのバッテリセルからエネルギが引き出されないようにバイパス可能である。

一実施形態によれば、パワーエレクトロニクスユニットは、各自の対応するモジュールを、各モジュールが他のモジュールに直列に接続されないバイパスモードへ切り替える手段を含む。モジュールをバイパスモードへ切り替える当該手段は、特に、少なくとも１つのＤＣＤＣコンバータおよび各自の対応するコントローラを備えたパワーエレクトロニクスユニット、特にバッテリ管理システムであってよい。

本発明の一実施形態によれば、バッテリシステムは、パワーエレクトロニクスユニットを制御するスマートバッテリ管理システムをさらに含み、ここで、スマートバッテリ管理システムは、充電状態および／または温度および／またはモジュールを挟んだ電圧降下を決定する手段と、各ＤＣＤＣコンバータのための最適出力電圧を決定する手段と、出力電圧が決定された最適出力電圧に設定されるようにＤＣＤＣコンバータを切り替えることによってパワーエレクトロニクスユニットを制御する手段とを含む。

本発明の一実施形態によれば、各第１のバッテリモジュールは、バッテリ平衡化のための監視回路を含む。これにより、ＤＣＤＣコンバータを含むパワーエレクトロニクスユニットを備えていない第１のバッテリモジュールのセルが充電中および放電中に平衡化されることが保証される。有利には、第２のバッテリモジュールもバッテリ平衡化のための監視回路を含むが、ここでの平衡化は、それぞれ異なる第２のモジュールのセル間ではなく、モジュールレベルのみで行われる。

本発明の一態様によれば、電気車両は上述したバッテリシステムを備えている。電気車両は、例えば、バッテリ電気車両またはプラグインハイブリッド電気車両であってよい。

本発明の別の態様によれば、説明しているバッテリシステムを制御する方法が提供される。当該方法は、充電状態および／または温度および／またはモジュールを挟んだ電圧降下を決定することと、各ＤＣＤＣコンバータのための最適出力電圧を決定することと、出力電圧が決定された最適出力電圧に設定されるようにＤＣＤＣコンバータを切り替えることによってパワーエレクトロニクスユニットを制御することとを含む。

当該方法は、バッテリシステムに関連して既に説明した利点を有する。

一実施形態によれば、バッテリモジュールに対して決定された最適出力電圧が０Ｖである場合、ＤＣＤＣコンバータをバイパスモードへ切り替えることによって、パワーエレクトロニクスユニットが制御される。

一実施形態によれば、第１のバッテリモジュールの全てのセルは、相互間でかつ他の第１のバッテリモジュールのセル間で平衡化されている（平衡化される）のに対し、第２のバッテリモジュールのセルは相互間でのみ平衡化されている（相互間でのみ平衡化される）。

モジュールおよび／またはバッテリのセル上での均一な負荷を達成するために、バッテリセルの平衡化が行われる。セルの平衡化のために、各セルの温度および電圧が決定され、各セルの充電状態が計算される。充電状態の平衡化のために、より高い電圧を有するセルを、均一な充電状態に達するまで小さな負荷で放電させることができる。

当該実施形態によれば、第１のバッテリモジュールのセルは、従来の方式で、相互間でかつ他の第１のバッテリモジュールのセル間で平衡化される。しかし、第２のバッテリモジュールのセルは相互間でのみ平衡化される。なぜなら、第２のバッテリモジュールは、パワーエレクトロニクスユニットによって相互に分離されているからである。

バッテリシステムおよび方法は、バッテリセルの各グループを個別に制御することができ、さらにはバイパスすることもできるという利点を有する。これにより、バッテリセルの利用効率が高まる。バッテリセルの寿命が３０％まで延長可能となり、また利用可能なＤＣリンク電圧の広い範囲によって全体的なシステム効率が向上する。

さらに、異なる種類のセルおよび／または異なる銘柄のセルを一緒に使用して、制限なしにバッテリを構成することができ、このバッテリは８００Ｖまでの任意のＤＣ電圧から充電することができる。

本発明の実施形態を、概略図を参照して説明する。

本発明の一実施形態によるバッテリシステムを示す図である。 図１によるバッテリシステムの一部を示す図である。

図１には、バッテリシステム１が示されている。バッテリシステム１は、複数の第１のバッテリモジュール２および複数の第２のバッテリモジュール３を含む。図１に示されている実施形態では、２つのみの第１のバッテリモジュール２およびＮ個の第２のバッテリモジュール３が存在する。しかし、代替的な実施形態では、より少数またはより多数の第１のバッテリモジュール２が設けられていてもよい。

以下ではバッテリシステムを電気車両用のバッテリシステムとして開示する。当該バッテリシステムは、定置式の電力貯蔵部にも使用可能であることに留意されたい。例えば、バッテリシステムは太陽光発電システムにも使用可能である。

バッテリモジュール２，３は、直列に接続されており、バッテリシステム１のメインコンタクタ７，９間にＤＣリンク電圧が形成される。

第１のバッテリモジュール２は、直列接続されかつ並列接続されて第１のバッテリモジュール２を形成する複数のバッテリセル４から構成されている。また、各第１のバッテリモジュール２は、セル電圧およびセル温度を監視するセル監視回路１３を有する。セル監視回路１３は、バッテリシステム１のバッテリ管理システム１１と通信し、バッテリ管理システム１１に電圧および温度の測定値を送信する。

また、第２のバッテリモジュール３も、相互に直列接続されかつ並列接続されたバッテリセル５から構成されている。第２のバッテリモジュール３もまた、セル電圧およびセル温度を監視するセル監視回路１３を含む。さらに、第２のバッテリモジュール３はそれぞれ、ＤＣＤＣコンバータを有するパワーエレクトロニクスユニット１４を備えている。

第１のバッテリモジュール２は、第２のバッテリモジュール３とは異なる種類のバッテリセル４を含んでいてよい。特に、バッテリセル４は高エネルギセルであってよく、これに対してバッテリセル５は高電力セルであってよい。

ＤＣＤＣコンバータを使用して、対応する第２のバッテリモジュール３の出力電圧を所定の値に設定することができる。このことを達成するために、パワーエレクトロニクスユニット１４のＤＣＤＣコンバータは、バックモード、ブーストモードで動作可能であり、好ましくはさらにパススルーモードおよびバイパスモードでも動作可能である。

第１のバッテリモジュール１は、接続部１８によって示されているように、相互に直列に直接に接続されている。これに対して、第２のバッテリモジュール３は、接続部１９によって示されているように、各自のパワーエレクトロニクスユニット１４を介して相互に直列に接続されている。電気車両の運転時、すなわちバッテリの充電中またはバッテリからの電流の引き出し中、車両制御ユニット１２と通信するバッテリ管理システム１１は、第１のバッテリモジュール２および第２のバッテリモジュール３からの全ての電圧測定値および温度測定値を受信し、次いで、各セルの充電状態および各モジュール２，３の平均充電状態を推定する。車両制御ユニット１２から要求された所定のＤＣリンク電圧に対して、バッテリ管理システム１１は、どの第２のバッテリモジュール３がＤＣリンク電圧に寄与しており、よって第１のバッテリモジュール２に接続されるべきかを判別する。当該モジュール３のそれぞれのＤＣＤＣコンバータのための基準電圧が計算される。これに従って、第２のバッテリモジュール３のＤＣＤＣコンバータは、所望の出力電圧を送出するかまたは所定の第２のバッテリモジュール３をバイパスするように制御される。

よって、ＤＣＤＣコンバータを備えたパワーエレクトロニクスユニット１４は、第２のバッテリモジュール３を相互に分離しており、さらにこれを第１のバッテリモジュール２から分離している。

電圧および温度の測定値から、バッテリ管理システム１１は、第１のバッテリモジュール２間の充電状態の差と、第２のバッテリモジュール３のそれぞれの間の充電状態の差とを計算することができる。その結果、バッテリ管理システム１１は、相互に依存する第１のバッテリモジュール２のバッテリセル４が平衡化されるよう、セル監視回路１３を制御することができる。第２のバッテリモジュール３はパワーエレクトロニクスユニット１４によって相互に分離されているので、モジュールレベルのみで平衡化されなければならない。

バッテリシステム１はさらに、バッテリモジュール２，３への接続のための２つのメインコンタクタ７および９を有するバッテリジャンクションボックス６を含んでいる。バッテリジャンクションボックス６は、ＤＣ充電ヒューズ１６およびメインヒューズ１７、ならびにＤＣ充電＋、ＡＣ充電器＋、ＤＣリンク＋、ＡＣ充電器－、ＤＣリンク－およびＤＣ充電－のための各端子１５を含んでいる。

通常、バッテリ管理システム１１は、バッテリジャンクションボックス６のハウジング内に配置されている。また、バッテリ管理システム１１がバッテリジャンクションボックス６外に配置されていてもよい。

図２には、図１によるバッテリシステム１の１つの第２のバッテリモジュール３およびそのパワーエレクトロニクスユニット１４が示されている。セル監視回路は図２には示されていない。この実施形態によれば、パワーエレクトロニクスユニット１４は、ＤＣＤＣコンバータと、パワーエレクトロニクスユニット１４の異なる動作モードを制御するための付加的なスイッチとを含む。バック／ブーストモードでは、スイッチＳ３およびＳ４がオンとなり、スイッチＳ１とスイッチＳ２とが切り替えられる。バック／ブーストモードでは、第２のバッテリモジュール３の充電状態に応じて、かつ車両制御ユニット１２からの要求に応じて、端子２０，２１間の電圧降下を所定の電圧に設定することができる。

バイパスモードでは、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ４がオンとなり、スイッチＳ３がオフとなって、第２のバッテリモジュール３がバイパスされる。当該モードは、特定の第２のバッテリモジュール３が電気車両の動作に寄与しなくてよい場合、または特定の第２のバッテリモジュール３が欠陥を有する場合に、選択可能である。

パススルーモードでは、スイッチＳ１，Ｓ３，Ｓ４がオンであり、スイッチＳ２がオフである。当該モードでは、第２のバッテリモジュール３が、出力電圧を調整することなく、従来のモードで第１のバッテリモジュール２として動作する。

さらに、パワーエレクトロニクスユニット１４は、スイッチＳ１およびＳ２がオフであってスイッチＳ３およびＳ４がオンであるスタンバイモードと、全てのスイッチがオフであって高電圧が存在しない開回路モードとで動作することができる。

スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、バッテリ管理システム１１によって制御される。

Claims (9)

1. バッテリシステム（１）であって、
   それぞれ複数のバッテリセル（４）を含む複数の第１のバッテリモジュール（２）と、
   それぞれ複数のバッテリセル（５）を含む複数の第２のバッテリモジュール（３）と、
   を備え、
   各第２のバッテリモジュール（３）は、ＤＣＤＣコンバータを有するパワーエレクトロニクスユニット（１４）を含み、
   前記第１のバッテリモジュール（２）と前記第２のバッテリモジュール（３）とが直列に接続されており、前記第１のバッテリモジュール（２）は直接に直列に接続されており、前記第２のバッテリモジュール（３）は各自のパワーエレクトロニクスユニット（１４）を介して接続されており、
   前記第１のバッテリモジュール（２）は高エネルギセルから構成されており、前記第２のバッテリモジュール（３）は高電力セルから構成されている、
   バッテリシステム（１）。
2. 前記ＤＣＤＣコンバータは、バックモード、ブーストモード、パススルーモード、バイパスモードおよび／またはオフモードで動作可能である、請求項１記載のバッテリシステム（１）。
3. 前記パワーエレクトロニクスユニット（１４）は、各自の対応するモジュール（３）を、前記モジュール（３）が他のモジュール（２，３）に直列に接続されないバイパスモードへ切り替える手段を含む、請求項１記載のバッテリシステム（１）。
4. 前記バッテリシステム（１）は、さらに、前記パワーエレクトロニクスユニット（１４）を制御するスマートバッテリ管理システム（１１）を含み、前記スマートバッテリ管理システム（１１）が、
   ‐充電状態および／または温度および／または前記モジュール（２，３）を挟んだ電圧降下を決定する手段と、
   ‐各ＤＣＤＣコンバータのための最適出力電圧を決定する手段と、
   ‐前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が決定された最適出力電圧へ設定されるように前記ＤＣＤＣコンバータを切り替えることによって前記パワーエレクトロニクスユニット（１４）を制御する手段と、
   を含む、請求項１記載のバッテリシステム（１）。
5. 各第１のバッテリモジュール（２）は、バッテリ平衡化のためのセル監視回路（１３）を含む、請求項１記載のバッテリシステム（１）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載のバッテリシステム（１）を備えた電気車両。
7. 請求項１から５までのいずれか１項記載のバッテリシステム（１）を制御する方法であって、
   ‐充電状態および／または温度および／またはモジュール（２，３）を挟んだ電圧降下を決定するステップと、
   ‐各ＤＣＤＣコンバータのための最適出力電圧を決定するステップと、
   ‐前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が決定された最適出力電圧へ設定されるように前記ＤＣＤＣコンバータを切り替えることによってパワーエレクトロニクスユニット（１４）を制御するステップと、
   を含む、方法。
8. 前記方法は、バッテリモジュール（３）に対して決定された最適出力電圧が０Ｖである場合に、前記ＤＣＤＣコンバータをバイパスモードへ切り替えることによって、対応するパワーエレクトロニクスユニット（１４）を制御するステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 第１のバッテリモジュール（２）の全てのセル（４）が相互間でかつ他の第１のバッテリモジュール（２）のセル（４）間で平衡化される一方、第２のバッテリモジュール（３）のセル（５）は相互間でのみ平衡化される、請求項７記載の方法。

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