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図面 (8)

課題

バッテリ動作に関連する熱問題を軽減する電気車両用のエネルギー管理システム及び方法を提供する。

解決手段

車両122のエネルギー管理システム100は、モータと、モータに電気的に接続されるインバータと、インバータに電気的に接続されるDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータを介してインバータのDCリンクに電気的に接続される第1のエネルギー蓄積ユニットと、インバータに結合される第2のエネルギー蓄積ユニットと、制御ユニット120とを含む。制御ユニットは、所定の電力閾値に応じて第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットからインバータへの電力分配を制御する。

概要

背景

電気車両は、当該技術分野において知られており、推進のために1つ以上の電気モータ又はトラクションモータを使用する(トラクションモータは、車両の推進のために使用される電気モータである)。一般に、バッテリウルトラキャパシタなどの車載エネルギー蓄積ユニットに蓄えられる電気エネルギーインバータへ供給され、このインバータにおいて直流電流(DC)が交流電流(AC)へ変換され、この交流電流は、その後、車両の車輪を駆動させる多相(一般に3相)ACモータへ供給される。都市宅配車両(PDV)、都市輸送バス、及び、坑内採鉱車両を含む材料輸送車両においては、電気推進が策定されてしばしば使用され、坑内採鉱車両の場合には、これらの車両が動作する環境の囲繞された地下空洞内で排気も最小に維持されなければならない。これに関連して、電気推進を伴う車両は、内燃機関を利用する車両とは対照的に、空気の質を改善し、生産性を高めるとともに、採鉱作業のコストを低減するために、更にまた、市街地での宅配や公共輸送における排気を減少させるためにしばしば利用される。

坑内採鉱電気車両におけるエネルギー蓄積ユニットの熱制御はしばしば困難である。これは、車載のエネルギー蓄積ユニット(例えば、バッテリ又はウルトラキャパシタ)がしばしば特定の温度範囲を超えて動作しなければならないからである。例えば温度が高すぎる場合には、バッテリ又は他のエネルギー蓄積ユニットの寿命が大きく減らされる可能性がある。加えて、エネルギー蓄積ユニットがかなり高温で動作する場合には、そのような熱状態が潜在的な安全性問題をもたらす場合もある。

逆に、特定のバッテリ技術及び化学反応に応じて、動作温度が低すぎる場合には、バッテリの性能が低下する可能性がある。或いは、例えばナトリウム金属ハロゲン化物化学反応バッテリなどの高温バッテリが利用される場合には、動作温度範囲が250°を下回るときにバッテリが適切に機能しない場合がある。また、動作温度範囲の下限での動作が低効率及びパワー能力の減少をもたらす可能性がある。同様に、所定の温度レベルを上回る高温でのバッテリの動作は、バッテリの寿命を短くして、故障等を引き起こす場合がある。

図1は、車両用の従来技術の推進システム10を示す。ここに示されるように、システムは、単一のエネルギー蓄積ユニット12と、インバータ14と、少なくとも1つのモータ16と、以下で詳しく論じられるようにエネルギー蓄積ユニット12からの電気エネルギーの分配を制御するための制御ユニット18とを含む。蓄積ユニット12は、当該技術分野において知られるタイプ及び化学反応を有するバッテリであってもよく、また、外部の発電所から、当初は外部電源から蓄積された電気から、車載発電機から、或いは、車両が下り坂勾配減速している又は速度を保持している間の再生制動エネルギー取得中に、電気エネルギーを蓄積するように構成される。エネルギー蓄積ユニット12は、蓄積された電気エネルギーをインバータ14に供給するように構成され、この場合、電気エネルギーは、特定の電圧DC電流の形態を成して、特定の時間にわたる電力(すなわちWhr)として規定され、また、インバータでは、電気エネルギーが交流電流電気励起へ変換される。インバータ14から、交流電流及び電圧電気励起は、システムが配備される車両20の車輪を駆動させるモータ16へ供給される。しかしながら、容易に分かるように、推進システム10を使用して車両を推進させるための電力及びエネルギーの全ては単一のエネルギー蓄積ユニット12によって与えられなければならない。

以上を考慮して、バッテリ動作に関連する熱問題を軽減する電気車両用のエネルギー管理システム及び方法の必要性がある。

概要

バッテリ動作に関連する熱問題を軽減する電気車両用のエネルギー管理システム及び方法を提供する。車両122のエネルギー管理システム100は、モータと、モータに電気的に接続されるインバータと、インバータに電気的に接続されるDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータを介してインバータのDCリンクに電気的に接続される第1のエネルギー蓄積ユニットと、インバータに結合される第2のエネルギー蓄積ユニットと、制御ユニット120とを含む。制御ユニットは、所定の電力閾値に応じて第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットからインバータへの電力の分配を制御する。

目的

効果

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請求項1

モータ(118)と、前記モータ(118)に電気的に接続されるインバータ(116)と、前記インバータ(116)に電気的に接続されるDC−DCコンバータ(114)と、前記DC−DCコンバータ(114)を介して前記インバータ(116)のDCリンクに電気的に接続される第1のエネルギー蓄積ユニット(110)と、前記インバータ(116)に結合される第2のエネルギー蓄積ユニット(112)と、所定の電力閾値に応じて前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)及び前記第2のエネルギー蓄積ユニット(112)から前記インバータ(116)への電力分配を制御するように構成される制御ユニット(120)と、を備えるエネルギー管理システム(100)。

請求項2

前記制御ユニット(120)は、第1の電力量を与えるために前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)を制御するように構成され、前記第1の電力量が電力閾値以下である請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項3

前記制御ユニット(120)は、第2の電力量を与えるために前記第2のエネルギー蓄積ユニット(112)を制御するように構成され、前記第2の電力量は、要求される総電力量と前記電力閾値との間の差分である請求項2記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項4

下材輸送車両宅配車両(PDV)、又は、都市輸送バスのうちの1つに配備される請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項5

前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)又は前記第2のエネルギー蓄積ユニット(112)のうちの少なくとも一方がナトリウム金属ハロゲン化物バッテリである請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項6

前記制御ユニット(120)は、充電の状態、内部抵抗、及び、端子電圧を含む1つ以上のエネルギー蓄積ユニット特性に応じて前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)及び前記第2のエネルギー蓄積ユニット(112)からの電力の分配を制御するように構成される請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項7

前記制御ユニット(120)は、前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の温度上昇率に応じて前記電力閾値を調整するように構成される請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項8

前記制御ユニット(120)は、前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の温度上昇率が所定の温度上昇率を超えるときに前記電力閾値を下げるように構成される請求項7記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項9

前記制御ユニット(120)は、前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の検出された充電状態に応じて前記電力閾値を調整するように構成される請求項1記載のエネルギー管理システム(100)。

請求項10

電気車両(122)で電気エネルギー分配率を管理するための方法において、全体の電力需要に応じて、第1の電気エネルギー量をモータ(118)に供給するべく第1のエネルギー蓄積ユニット(110)を制御するステップであって、前記第1の電気エネルギー量が所定の電力閾値以下であるステップと、第2の電気エネルギー量を前記モータ(118)に供給するべく第2のエネルギー蓄積ユニット(112)を制御するステップであって、前記第2の電気エネルギー量が全体の電力需要と前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)により前記モータ(118)に供給される前記第1の電気エネルギー量との間の差分であるステップと、を備える方法。

請求項11

前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の検出された温度上昇率に応じて前記所定の電力閾値を調整するステップを更に備える請求項10記載の方法。

請求項12

前記所定の電力閾値を調整するステップは、前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の温度上昇率が比率閾値を超えるときに閾値量を下げることを含む請求項11記載の方法。

請求項13

前記電気車両(122)が地下材料輸送車両である請求項10記載の方法。

請求項14

前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)又は前記第2のエネルギー蓄積ユニット(112)のうちの少なくとも一方がナトリウム金属ハロゲン化物バッテリである請求項10記載の方法。

請求項15

前記第1のエネルギー蓄積ユニット(110)の検出された充電状態に応じて前記所定の電力閾値を調整するステップを更に備える請求項10記載の方法。

請求項16

エネルギー蓄積ユニット(110、112)からの電気エネルギーの分配率を管理する方法であって、第1の電力分割パラメータにしたがって前記エネルギー蓄積ユニット(110、112)の第1の化学反応を使用して動作するセルからの電気エネルギーの放電を制御するステップと、第1の決定された特性で、第2の電力分割パラメータにしたがって前記エネルギー蓄積ユニット(110、112)の第2の化学反応を用いて動作するセルからの電気エネルギーの放電を制御するステップと、第2の決定された特性で、第3の電力分割パラメータにしたがって第2の化学反応を用いて動作するセルからの電気エネルギーの放電を制御するステップと、を備える方法。

請求項17

前記第1の特性は、第1の化学反応セルの第1の決定された充電状態である請求項16記載の方法。

請求項18

前記第2の特性は、第1の化学反応を用いて動作する第1の化学反応セルの第2の決定された充電状態である請求項17記載の方法。

請求項19

前記第1の特性は、第1の化学反応セルの第1の決定された放電深度である請求項16記載の方法。

請求項20

前記エネルギー蓄積ユニット(110、112)がナトリウム金属ハロゲン化物バッテリである請求項16記載の方法。

請求項21

前記第2の決定された特性は、第1の化学反応を用いて動作するセルの第2の決定された放電深度である請求項18記載の方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は一般に電気車両に関する。他の実施形態は、電気車両用のエネルギー管理システム及び方法に関する。

背景技術

0002

電気車両は、当該技術分野において知られており、推進のために1つ以上の電気モータ又はトラクションモータを使用する(トラクションモータは、車両の推進のために使用される電気モータである)。一般に、バッテリウルトラキャパシタなどの車載エネルギー蓄積ユニットに蓄えられる電気エネルギーインバータへ供給され、このインバータにおいて直流電流(DC)が交流電流(AC)へ変換され、この交流電流は、その後、車両の車輪を駆動させる多相(一般に3相)ACモータへ供給される。都市宅配車両(PDV)、都市輸送バス、及び、坑内採鉱車両を含む材料輸送車両においては、電気推進が策定されてしばしば使用され、坑内採鉱車両の場合には、これらの車両が動作する環境の囲繞された地下空洞内で排気も最小に維持されなければならない。これに関連して、電気推進を伴う車両は、内燃機関を利用する車両とは対照的に、空気の質を改善し、生産性を高めるとともに、採鉱作業のコストを低減するために、更にまた、市街地での宅配や公共輸送における排気を減少させるためにしばしば利用される。

0003

坑内採鉱電気車両におけるエネルギー蓄積ユニットの熱制御はしばしば困難である。これは、車載のエネルギー蓄積ユニット(例えば、バッテリ又はウルトラキャパシタ)がしばしば特定の温度範囲を超えて動作しなければならないからである。例えば温度が高すぎる場合には、バッテリ又は他のエネルギー蓄積ユニットの寿命が大きく減らされる可能性がある。加えて、エネルギー蓄積ユニットがかなり高温で動作する場合には、そのような熱状態が潜在的な安全性問題をもたらす場合もある。

0004

逆に、特定のバッテリ技術及び化学反応に応じて、動作温度が低すぎる場合には、バッテリの性能が低下する可能性がある。或いは、例えばナトリウム金属ハロゲン化物化学反応バッテリなどの高温バッテリが利用される場合には、動作温度範囲が250°を下回るときにバッテリが適切に機能しない場合がある。また、動作温度範囲の下限での動作が低効率及びパワー能力の減少をもたらす可能性がある。同様に、所定の温度レベルを上回る高温でのバッテリの動作は、バッテリの寿命を短くして、故障等を引き起こす場合がある。

0005

図1は、車両用の従来技術の推進システム10を示す。ここに示されるように、システムは、単一のエネルギー蓄積ユニット12と、インバータ14と、少なくとも1つのモータ16と、以下で詳しく論じられるようにエネルギー蓄積ユニット12からの電気エネルギーの分配を制御するための制御ユニット18とを含む。蓄積ユニット12は、当該技術分野において知られるタイプ及び化学反応を有するバッテリであってもよく、また、外部の発電所から、当初は外部電源から蓄積された電気から、車載発電機から、或いは、車両が下り坂勾配減速している又は速度を保持している間の再生制動エネルギー取得中に、電気エネルギーを蓄積するように構成される。エネルギー蓄積ユニット12は、蓄積された電気エネルギーをインバータ14に供給するように構成され、この場合、電気エネルギーは、特定の電圧DC電流の形態を成して、特定の時間にわたる電力(すなわちWhr)として規定され、また、インバータでは、電気エネルギーが交流電流電気励起へ変換される。インバータ14から、交流電流及び電圧電気励起は、システムが配備される車両20の車輪を駆動させるモータ16へ供給される。しかしながら、容易に分かるように、推進システム10を使用して車両を推進させるための電力及びエネルギーの全ては単一のエネルギー蓄積ユニット12によって与えられなければならない。

0006

以上を考慮して、バッテリ動作に関連する熱問題を軽減する電気車両用のエネルギー管理システム及び方法の必要性がある。

先行技術

0007

米国特許第9174525号明細書

0008

本発明は、モータと、モータに電気的に接続されるインバータと、インバータに電気的に接続されるDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータを介してインバータのDCリンクに電気的に接続される第1のエネルギー蓄積ユニットと、インバータに結合される第2のエネルギー蓄積ユニットと、制御ユニットとを含むエネルギー管理システムに関する。制御ユニットは、所定の電力閾値に応じて第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットからインバータへの電力の分配を制御するように構成される。

0009

他の実施形態では、電気車両で電気エネルギーの分配率を管理するための方法が提供される。方法は、全体の電力需要に応じて、第1の電気エネルギー量をモータに供給するべく第1のエネルギー蓄積ユニットを制御するステップであって、第1の電気エネルギー量が所定の電力閾値以下であるステップと、第2の電気エネルギー量をモータに供給するべく第2のエネルギー蓄積ユニットを制御するステップであって、第2の電気エネルギー量が全体の電力需要と第1のエネルギー蓄積ユニットによりモータに供給される第1の電気エネルギー量との間の差分であるステップとを含む。

0010

他の実施形態では、エネルギー蓄積ユニットからの電気エネルギーの分配を管理する方法が提供される。方法は、第1の電力分割パラメータにしたがってエネルギー蓄積ユニットのセル内の第1の化学反応からの電気エネルギーの放電率を制御するステップと、第1の決定された特性で、第2の電力分割パラメータにしたがってエネルギー蓄積ユニットのセル内の第1の化学反応からの電気エネルギーの放電率を制御するステップと、第2の決定された特性で、第3の電力分割パラメータにしたがってセル内の第2の化学反応からの電気エネルギーの放電率を制御するステップとを含む。

0011

本発明は、添付図面に関連する非限定的な実施形態の以下の説明を読むことにより更に良く理解される。

図面の簡単な説明

0012

単一のエネルギー蓄積ユニットを有する車両用の従来技術の推進システムの概略図である。
本発明の一実施形態に係る複数のエネルギー蓄積ユニットを利用するエネルギー管理システムの概略図である。
図2のエネルギー管理システムを示す回路図である。
シフト操作中の電気車両の典型的な電力プロファイルを示す図である。
電気車両にとって望ましい放電範囲にわたる典型的なエネルギー蓄積温度プロファイルを示すグラフである。
図1に示される車両などの単一のエネルギー蓄積ユニットを有する車両のための推進システムに関するDC電圧図である。
高温ナトリウム金属ハロゲン化物バッテリを有する推進システムに関するDC電圧図である。

実施例

0013

以下、本発明の典型的な実施形態について詳しく言及し、実施形態の例が添付図面に示される。可能な限り、図面の全体にわたって使用される同じ参照数字は、同じ又は同様の部分を示す。本発明のシステム及び方法が地下材輸送車両に関連して説明されて図示されるが、本発明のシステム及び方法は、一般に、電気車両及び他の電気機械に適用できる。

0014

明細書中で使用される「電気的に接続される」とは、電流が一方から他方へ流れることができるように参照された要素が直接的に或いは間接的に接続されることを意味する。接続は、直接的な導電接続(すなわち、介在する容量素子誘導素子、又は、能動素子を伴わない)、誘導接続、容量接続、及び/又は、任意の他の適した電気接続を含んでもよい。介在する構成要素が存在してもよい。

0015

図2を参照すると、本発明の一実施形態に係るエネルギー管理システム100が示される。この図に示されるように、システムは、ロー側エネルギー蓄積ユニット110及びハイ側エネルギー蓄積ユニット112を含む複数のエネルギー蓄積ユニットと、DC−DCコンバータ114と、インバータ116と、少なくとも1つのモータ118とを含む。エネルギー蓄積ユニット110、112は、当該技術分野において知られる任意のタイプのエネルギー蓄積装置であってもよく、また、当該技術分野において知られる任意の技術及び化学反応を有することができる。一実施形態では、DC−DCコンバータ114は双方向ブーストコンバータである。ロー側エネルギー蓄積ユニット110は、DC−DCコンバータ114を介してインバータ116のDCリンクに電気的に結合され、一方、ハイ側エネルギー蓄積ユニット112はインバータ116のDCリンクに直接に結合される。容易に分かるように、インバータ116は、(コンバータ114を介した)ロー側エネルギー蓄積ユニット110からの直流電流及びハイ側エネルギー蓄積ユニット112からの直流電流をモータ118へ供給される交流電流へ変換する。モータ118は、システム100が配備される車両122の車輪を駆動させて、車両122を推進させる。この図に示されるように、システム100は、以下で詳しく論じられるように、電気エネルギーの分配及び利用を制御するように構成される制御ユニット120も含む。

0016

図3は、図2のシステム100の構成要素の相互接続を例示する回路図であって、特に、インバータ116のDCリンクに直接に結合されるハイ側エネルギー蓄積ユニット112と、DC−DCコンバータ114を介してインバータ116のDCリンクに電気的に結合されるロー側エネルギー蓄積ユニット110とを示す回路図である。一実施形態では、制御ユニット120は、ロー側エネルギー蓄積ユニット110とハイ側エネルギー蓄積ユニット112との間で分けられる動的電力を与えるためにメモリに記憶された制御アルゴリズムにしたがって動作する。特に、制御ユニット120は、充電状態内部抵抗、及び、端子電圧を含む1つ以上のバッテリ特性に応じて、及び/又は、周囲温度状態、車両冷却システムパラメータ、並びに、車両荷重及びデューティサイクル持続時間の変化を含む、システム100が配備される車両122のための1つ以上の車両動作パラメータに応じて、ロー側バッテリ110及びハイ側バッテリ112からの電気エネルギー分配を制御するように構成される。

0017

一実施形態では、制御ユニット120は、予め決定された電力閾値に応じてインバータ116へのエネルギー分配を制御するように構成される。例えば、一実施形態では、75kWの一定の予め設定された/予め決定された電力閾値が利用されてもよい。一実施形態では、負荷電力が75kW閾値未満であるときに、制御ユニット120は、全体の負荷電力要件を満たすように電力を供給するべくロー側エネルギー蓄積ユニット110を制御してもよい。負荷電力が所定の閾値よりも大きい場合には、負荷電力と閾値電力との間の差分がハイ側エネルギー蓄積ユニット112によって供給されてもよい。したがって、制御ユニット120は、車両動作中の電力需要に応じて、電力を所定の閾値に至るまで供給するべくロー側エネルギー蓄積ユニット110を制御するとともに、車両122の全体の電力需要を満たすために所定の閾値量を超えて補助電力を供給するべくハイ側エネルギー蓄積ユニット112を制御する。そのため、容易に分かるように、ロー側エネルギー蓄積ユニット110とハイ側エネルギー蓄積ユニット112との間で所要電力を分けることにより、車両の電力需要全体を満たそうとする単一バッテリに起因し得る熱問題が予め回避される。

0018

図4を参照すると、図1に示される車両などの単一のエネルギー蓄積ユニットを有する地下材料輸送電気車両のシフト操作中における典型的な電力プロファイルがその左側に150で示される。ここに示されるように、単一のエネルギー蓄積ユニットは、車両の電力需要全体を満たさなければならない。単一の蓄積ユニットは、全シフトの間中にわたって電力の全てを供給しなければならないため、エネルギー蓄積ユニット/バッテリの動作温度が全シフト時間の一部にわたって高くなる場合があり、それにより、潜在的な寿命問題等がもたらされる。図4の右側に示されるように、図2及び図3に示されるシステム100を有する車両122における典型的な電力プロファイルが160で示される。ここに示されるように、車両122における全体の電力需要は図1に示される単一エネルギーユニット形態の場合と同じとなり得るが、電力需要は、ユニット10、112のうちのいずれか一方により供給される電力のピークレベルが単一エネルギー蓄積ユニットが使用された場合よりもかなり低くなるようにロー側エネルギー蓄積ユニット110とハイ側エネルギーユニット112との間で分けられ得る。ピーク電力負荷の減少の結果として、各バッテリ110、112の動作温度を低下させることができ、それにより、バッテリ寿命を延ばして、安全性を高めることができる。すなわち、図2及び図3に示されるデュアルエネルギー蓄積形態では、エネルギー蓄積の熱問題を解決するために、複数のエネルギー蓄積ユニット間で、或いは、この実施形態に記載されるように2つのエネルギー蓄積ユニット110、112間で所要電力を分けて動的に制御することができる。

0019

図5は、電気的な材料ハンドラ車両にとって望ましい放電範囲にわたる典型的なエネルギー蓄積温度プロファイル170を示す。ここに示されるように、エネルギー蓄積ユニット/バッテリ温度は、一貫して増大するが、異なる勾配を伴う。充電の状態、セル温度サーマルマス、周囲温度、エネルギー蓄積冷却システム有効性化合物、並びに、負荷電力要件及びデューティサイクル要件を含む、バッテリ及び関連するシステムのパラメータ及び特性に応じて、温度上昇率に対応する異なる温度勾配172、174が存在する。例えば、複数のエネルギー蓄積ユニットのうちの1つが2つの異なる化学反応を含むバッテリセル、例えば高温ナトリウム金属ハロゲン化物バッテリから構成される場合には、2つの温度上昇率が存在する。一実施形態では、前述のようなマルチエネルギー形態を成すそれぞれのエネルギー蓄積ユニット又はバッテリの温度を最小にするために動的な制御アルゴリズムを制御ユニット120によって実施できる。

0020

他の実施形態では、制御ユニット120は、バッテリの熱問題を解決するために使用される多重セグメント制御法を伴う制御アルゴリズムにしたがって動作するように構成される。容易に分かるように、負荷プロファイルの高い電力需要部分の間中においては、それぞれのバッテリにおける温度上昇率も高い。一実施形態では、制御ユニット120は、ロー側バッテリ110における温度上昇率の方が低いときには、ハイ側エネルギー蓄積ユニット/バッテリ112と比べて多くの電気エネルギーをロー側エネルギー蓄積ユニット/バッテリ110から供給するように構成される。また、制御ユニット120は、ロー側バッテリ110における温度上昇率の方が高いときには、ロー側バッテリ110における所要電力/電力閾値を調整した後に、車両122における長い方の残存所要電力部分を供給するべくハイ側バッテリを制御するように構成される。様々なセグメントを伴うこの制御法は、ロー側バッテリが急速な温度上昇を受けるときに、より低い温度上昇をロー側バッテリ110において維持できる。

0021

ここで、図6を参照すると、典型的なDCバッテリ電圧線図200が示される。図1のシステムなどの単一のエネルギー蓄積ユニットを有するシステムにおいては、図示のようなDCバッテリ電圧がDCリンク電圧に対応する。破線202は、単一の化学反応を伴うバッテリセルの放電深度を示し、一方、破線204は、2つの化学反応を伴うバッテリセルの放電深度を示す。ここに示されるように、バッテリ充電状態が減少するにつれて、バッテリ放電深度が増大するとともに、DCリンク電圧も減少する。単一の化学反応を伴うバッテリにおいては、線202により示されるように、充電状態が減少するとき或いは放電深度が増大するときに、バッテリDCリンク電圧が滑らかに単調減少している。しかしながら、2つ以上の化学反応を伴うバッテリにおいては、異なる化学反応が異なる開回路電圧を有するため、電圧の滑らかな或いは一貫した減少を見出すことができない。

0022

本明細書中で使用される、2つ以上の化学反応を伴うバッテリとは、2つ以上の化学反応をバッテリのセル内に伴うバッテリを意味する。特に、従来のバッテリとは異なり、2つ以上の化学反応を伴うバッテリ(例えば、ナトリウム金属ハロゲン化物バッテリ)は、放電の最初の部分の間にわたって一方の(第1の)化学反応が利用されるとともに、特定の予定された放電能力後に第2の化学反応が利用されるという特徴を有する。セル内の第1の化学反応を利用して放電している間、セルは、セル内の第2の化学反応を使用して放電しているときよりも高い開回路電圧を有する。また、セル内のこの多重の化学反応は、セル故障中に低いインピーダンス又は本質的に「電気的短絡」を化学反応がもたらし、それにより、低いインピーダンスを有する故障したセルを通じて電流が流れることができるという固有の特性もナトリウム金属ハロゲン化物セルに与える。大部分の他のバッテリにおいて、個々のセルの故障は、一般に、高いインピーダンスで又は電気的に「開回路」で機能しなくなる。

0023

図6を更に参照すると、2つ以上の化学反応を伴うバッテリにおいて、DCバッテリ電圧は、206に示されるように、バッテリセルが第1の化学反応から第2の化学反応へと移行するときに、低い方の電圧レベルへと移行する。セル内に2つの化学反応を伴う単一のエネルギー蓄積ユニット12を有する図1のシステムの場合、高い方の開回路電圧を伴う化学反応が最初に放電され、その後、低い方の開回路電圧を伴う化学反応が放電される。したがって、バッテリが特定の充電状態値まで放電された後、放電電圧が低い方のレベルまで大きく減少される。制御ユニット120により実施される多重セグメント動的制御法は、電力分割パラメータの組に応じてDCリンク電圧におけるこの下向きの移行を遅らせることができる。この利点以外に、図2及び図3に記載される回路概念を使用するDCリンク電圧の制御における更なる利点は、多重セグメント制御法がDCリンク電圧を単純な固定された電力分割閾値よりも高いレベルに維持する傾向があるという点である。また、高い方のDCリンク電圧は、バッテリ、パワーエレクトロニクスインバータ、及び、電気モータを含むシステム内の幾つかの他の構成要素からの電力及びエネルギーの損失を減少させ、それにより、システム効率を高め、最終的に充電ごとのレンジを増大させ、したがって生産性を高める。

0024

一実施形態では、バッテリから、特にバッテリの第1及び第2の化学反応からの電気エネルギーの放電は、バッテリ内の第1及び第2の化学反応の決定された特性に応じて制御される。決定された特性は、第1の化学反応の充電状態及び/又は放電深度、並びに、第2の化学反応の充電状態及び又は放電深度を含んでもよい。

0025

図7は、多重化学反応バッテリ、特に、本発明の一実施形態にしたがってバッテリセルを適した動作温度範囲内に維持するための熱状態及び電圧状態をもたらす3つの電力分割パラメータと2つの充電状態分割パラメータとを含む3セグメント動的制御法を伴う高温ナトリウム金属ハロゲン化物バッテリに関するDC電圧線図300を示す。3つの電力分割パラメータを含む3つのセグメントが302、304、306で示されており、また、2つの充電状態分割パラメータが308、310で示される。一例として、2つの異なる化学反応をそのセル内で使用する比エネルギーが高いバッテリ、すなわち、ロー側バッテリが利用される。重要なパラメータは、3つの電力分割パラメータと2つの充電状態分割パラメータとを含み、この場合、放電深度は1−充電状態に等しい。図7に示されるように、302及び304で示される第1の化学的放電を制御するために3つの電力分割パラメータのうちの2つが使用され、また、306で示される第2の化学的放電を制御するために3番目の電力分割パラメータが使用される。2つの充電状態分割パラメータは、308及び310で示されるように、バッテリが特定の充電状態へと放電されるときに電力分割パラメータを一方から他方へ切り換えるために使用される。一実施形態では、これらのパラメータは、カスタマイズできるとともに電力分割を動的に制御するために使用でき、それにより、バッテリの熱状態を改善できる。増大したDCリンク電圧での動作によるこの多重セグメント動的制御法の大きな利点は、バッテリセル内の高い温度を防止して、パワーエレクトロニクスインバータにおける損失を減らすとともに、モータにおける損失を低減し、それにより、システム効率を向上させることである。

0026

容易に分かるように、本発明のシステム及び方法は、バッテリの熱問題を解決する結果としてバッテリ寿命の増大をもたらすとともに、ピーク電力性能を高め、また、動作時間及び生産性を高める。加えて、本発明のシステムは、バッテリ動作温度を下げることにより、従来のシステムよりも安全である。また、動的な制御法によりバッテリの熱問題を扱うことによって、バッテリ冷却システムの過大設計が排除され、温度上昇を制限するための断熱の再設計がもはや不要である。

0027

以上に関連して、制御ユニットにより実施される多重セグメント制御法は、停止或いは特別な冷却のための要件を何ら伴うことなく給電される材料輸送車両がシフト又はミッションの全体にわたって連続的に作動できるようにする。前述したように、これは、より長い持続時間のシフトをもたらし、したがって、生産性を高めて、電気推進バッテリシステムからの使用可能なエネルギーを増大させ、電気モータ及びトラクションインバータなどの他のシステム構成要素におけるエネルギー損失を低減させるとともに、より長い動作時間にわたるDCリンク電圧レベルのレベル増大の結果として電気モータピーク電力性能を向上させる。

0028

したがって、本明細書中に記載されるシステム及び方法は、電気車両にエネルギー管理をもたらす。1つの実施形態では、エネルギー管理システムは、モータと、モータに電気的に接続されるインバータと、インバータに電気的に接続されるDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータを介してインバータのDCリンクに電気的に接続される第1のエネルギー蓄積ユニットと、インバータに結合される第2のエネルギー蓄積ユニットと、制御ユニットとを含む。制御ユニットは、所定の電力閾値に応じて第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットからインバータへの電力の分配を制御するように構成される。

0029

一実施形態では、制御ユニットは、第1の電力量を与えるために第1のエネルギー蓄積ユニットを制御するように構成され、この場合、第1の電力量は電力閾値以下である。制御ユニットは、第2の電力量を与えるために第2のエネルギー蓄積ユニットを制御するように構成され、この場合、第2の電力量は、要求される総電力量と電力閾値との間の差分である。

0030

一実施形態では、システムが地下材料輸送車両に配備される。

0031

一実施形態では、第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットのうちの少なくとも一方がナトリウム金属ハロゲン化物バッテリである。

0032

一実施形態では、制御ユニットは、充電の状態、内部抵抗、及び、端子電圧を含む1つ以上のエネルギー蓄積ユニット特性に応じて第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットからの電力の分配を制御するように構成される。

0033

一実施形態では、制御ユニットは、第1のエネルギー蓄積ユニットの温度上昇率に応じて電力閾値を調整するように構成される。一実施形態では、制御ユニットは、第1のエネルギー蓄積ユニットの温度上昇率が所定の温度上昇率を超えるときに電力閾値を下げるように構成される。

0034

一実施形態では、制御ユニットは、第1のエネルギー蓄積ユニットの検出された充電状態に応じて電力閾値を調整するように構成される。

0035

他の実施形態では、電気車両で電気エネルギーの分配を管理するための方法が提供される。方法は、全体の電力需要に応じて、第1の電気エネルギー量をモータに供給するべく第1のエネルギー蓄積ユニットを制御するステップであって、第1の電気エネルギー量が所定の電力閾値以下であるステップと、第2の電気エネルギー量をモータに供給するべく第2のエネルギー蓄積ユニットを制御するステップであって、第2の電気エネルギー量が全体の電力需要と第1のエネルギー蓄積ユニットによりモータに供給される第1の電気エネルギー量との間の差分であるステップとを含む。

0036

また、方法は、第1のエネルギー蓄積ユニットの検出された温度上昇率に応じて所定の電力閾値を調整するステップを含んでもよい。

0037

一実施形態では、電気車両が地下材料輸送車両である。

0038

一実施形態では、第1のエネルギー蓄積ユニット及び第2のエネルギー蓄積ユニットのうちの少なくとも一方がナトリウム金属ハロゲン化物バッテリである。

0039

一実施形態では、方法は、第1のエネルギー蓄積ユニットの検出された充電状態に応じて所定の電力閾値を調整するステップを含んでもよい。一実施形態では、所定の電力閾値を調整するステップは、第1のエネルギー蓄積ユニットの温度上昇率が比率閾値を超えるときに閾値量を下げることを含む。

0040

他の実施形態では、エネルギー蓄積ユニットからの電気エネルギーの分配を管理する方法が提供される。方法は、第1の電力分割パラメータにしたがってエネルギー蓄積ユニットのセル内の第1の化学反応からの電気エネルギーの放電を制御するステップと、第1の特性で、第2の電力分割パラメータにしたがってエネルギー蓄積ユニットのセル内の第1の化学反応からの電気エネルギーの放電を制御するステップと、第2の特性で、第3の電力分割パラメータにしたがってセル内の第2の化学反応からの電気エネルギーの放電を制御するステップとを含む。

0041

一実施形態では、第1の特性は、セル内の第1の化学反応の第1の決定された充電状態である。一実施形態では、第2の特性は、セル内の第1の化学反応の第2の決定された充電状態である。

0042

一実施形態では、第1の特性は、セル内の第1の化学反応の第1の決定された放電深度である。一実施形態では、第2の特性は、セル内の第1の化学反応の第2の決定された放電深度である。

0043

先の説明が例示的であって限定しようとするものでないことが理解されるべきである。例えば、前述の実施形態(及び/又はその態様)は互いに組み合わせて使用されてもよい。また、本発明の範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示内容適合させるべく多くの変更がなされてもよい。本明細書中に記載される材料の寸法及びタイプは、本発明のパラメータを規定しようとするものであるが、それらは決して限定ではなく典型的な実施形態である。多くの他の実施形態は、先の説明を見直せば当業者に明らかである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求項をそのような特許請求項に与えられる範囲と等価な全範囲と共に参照して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、用語「含む」及び「この場合(in which)」は、それぞれの用語「備える」及び「この場合(wherein)」のプレイイングリッシュ相当語句として使用される。また、以下の特許請求の範囲において、用語「第1」、「第2」、「第3」、「上側」、「下側」、「下端」、「上端」等は、単にラベルとして使用されるにすぎず、それらの対象物に対して数値要件又は位置要件を課そうとするものではない。更に、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、そのような特許請求項の限定が「〜のための手段」の表現を使用した後に更なる構造に欠ける機能の記述を明示的に続けない限り35U.S.C.§112の第6項に基づいて解釈されるように意図されていない。

0044

書かれた説明は、最良の形態を含む本発明の幾つかの実施形態を開示するため、及び、任意の装置又はシステムを形成して使用すること並びに任意の組み入れられた方法を実行することを含めて本発明の実施形態を当業者が実施できるようにするために、実施例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合、或いは、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉との実態のない差異を伴う等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に入るように意図される。

0045

本明細書中で使用されるような、単数形で挙げられて単語「1つ(a又はan)」を伴って続けられる要素又はステップは、複数の要素又はステップを排除しないように理解されるべきである。ただし、そのような排除が明確に述べられる場合を除く。また、本発明の「1つの実施形態」への言及は、挙げられた特徴も組み入れる更なる実施形態の存在を排除するべく解釈されるように意図されない。更に、逆のことが明確に述べられなければ、特定の特性を有する要素又は複数の要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」実施形態は、その特性を有さない更なるそのような要素を含んでもよい。

0046

本明細書中に含まれる発明の思想及び範囲から逸脱することなく車両用のエネルギー管理システム及び方法において特定の変更がなされてもよいため、先の説明の或いは添付図面に示される主題の全てが本明細書中の発明概念を示す単なる例として解釈されるべきであって発明を限定するように解釈されるべきでないことが意図される。

0047

100エネルギー管理システム
110ロー側エネルギー蓄積ユニット
112ハイ側エネルギー蓄積ユニット
114DC−DCコンバータ
116インバータ
118モータ
120制御ユニット
122 車両

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