JP2010503185A - 安全性を改良するためのバッテリー装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーを包含するバッテリー装置におけるバッテリーモジュールの作動を制御する方法であって、該バッテリー装置が、充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷をさらに包含し、該方法が、特定のバッテリーモジュールまたは特定のバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動した時に、該異常作動しているバッテリーモジュールまたは該異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーを対応する該エネルギー消費負荷に接続し、該充填されたエネルギーを強制的に放出させることを包含する、方法、及び該バッテリー装置の制御方法を行うことができるバッテリー装置を開示する。

Description

発明の分野

本発明は、安全性を改良するためのバッテリー装置の制御方法に、より詳しくは、2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーを包含するバッテリー装置におけるバッテリーモジュールの作動を制御する方法であって、該バッテリー装置が、充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷をさらに包含し、該方法が、特定のバッテリーモジュールまたは特定のバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動した時に、該異常作動しているバッテリーモジュールまたは該異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーを対応する該エネルギー消費負荷に接続し、該充填されたエネルギーを強制的に放出させることを包含する、方法に、及び該バッテリー装置の制御方法を行うことができるバッテリー装置に関する。

発明の背景

最近、充電及び放電可能な二次バッテリーが、ワイヤレス携帯装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリン及びディーゼル車により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車(EV)及びハイブリッド電気自動車(HEV)用の動力源としても非常に大きな関心を集めている。

小型の可動装置は、各装置に一個または数個のバッテリーセルを使用している。他方、中または大型装置、例えば車両、には、高出力及び大容量が必要なので、複数のバッテリーセルを互いに電気的に接続した、中または大型バッテリー装置を使用する。

電気自動車及びハイブリッド電気自動車用の充電及び放電する動力供給源として使用される中または大型バッテリー装置は、複数のバッテリーモジュール(バッテリーセル)を直列／並列に互いに電気的に接続し、バッテリーモジュール(バッテリーセル)同士を互いに機械的に連結することにより、製造される。

一般的に、従属バッテリー管理装置(BMS)が各バッテリーモジュールに取り付けられており、主BMSが、複数のバッテリーモジュールを包含するバッテリーモジュールアセンブリーのそれぞれに取り付けられており、各バッテリーモジュールの充電及び放電を制御し、各バッテリーモジュールが異常作動する際に各バッテリーモジュールの安全性を確保するのに必要な制御作動を行う。各バッテリーモジュール及び各バッテリーモジュールアセンブリーの安全性を確保するために、制御装置は、異常作動するバッテリーモジュールまたは異常作動するバッテリーモジュールアセンブリーの作動を中断するための制御回路を包含する。

各バッテリーモジュールが充電された後、各バッテリーモジュールには大量のエネルギーが貯蔵されている。しかし、各バッテリーモジュールがこの状態で異常作動すると、各バッテリーモジュールが対応する外部入力及び出力端子に接続されないまま、充電されたエネルギーが各バッテリーモジュールの異常な好ましくない反応を助長し、その結果、バッテリーモジュールが危険な状態に達することがある。例えば、電気自動車の移動中に特定のバッテリーモジュールが異常作動すると、異常作動しているバッテリーモジュールを直ちに新しいバッテリーモジュールと交換しない場合、異常作動しているバッテリーモジュールの接続回路が壊れても、この危険な状態が持続するか、または車両の移動中にさらに加速される。

従って、幾つかの上記の問題を根本的に解決することができる技術が強く求められている。

従って、本発明は、上記の問題および他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。

特に、本発明の目的は、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルまたはバッテリーモジュールを包含する、高出力、大容量バッテリー装置の異常作動しているバッテリーモジュールを放電させ、それによって、バッテリー装置の全体的な安全性を改良することである。

本発明の一態様で、上記の、及び他の目的は、2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーを包含するバッテリー装置におけるバッテリーモジュールの作動を制御する方法であって、該バッテリー装置が、充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷をさらに包含し、該方法が、特定のバッテリーモジュールまたは特定のバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動した時に、該異常作動しているバッテリーモジュールまたは該異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーを対応する該エネルギー消費負荷に接続し、該充填されたエネルギーを強制的に放出させることを包含する、方法を提供することにより、達成される。

このバッテリー装置は、2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリー、及び該バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーのエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷を包含する。特定のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動すると、異常作動しているバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが、バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーからエネルギーを必要とする外部装置(例えば車両モーター)にではなく、対応するエネルギー消費負荷(例えば抵抗)に電気的に接続されるので、異常作動しているバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーのエネルギーが、対応する抵抗に強制的に放出される。その結果、異常作動しているバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが外部装置に影響を及ぼすことが防止される。

本発明のバッテリー装置では、バッテリーモジュールが外部回路、例えば車両モーター、に例えば並列で接続され、バッテリー装置は、外部回路とそれぞれのバッテリーモジュールとの間の接続区域に位置する、バッテリーモジュールの作動を制御するための制御装置をさらに包含する。

この場合、特定のバッテリーモジュールの異常作動が確認されると、制御装置がバッテリーモジュールを外部回路から切断し、バッテリーモジュールを対応するエネルギー消費負荷に接続する。その結果、特定のバッテリーモジュールのエネルギーは、対応するエネルギー消費負荷に強制的に放出され、それによって、異常作動しているバッテリーモジュールが外部装置に影響を及ぼすことが防止される。

本発明のバッテリー装置が、上に説明したように、複数のバッテリーモジュールアセンブリーを包含する場合、各バッテリーモジュールアセンブリーは、追加の接続部材を経由して互いに電気的に直列接続された複数のバッテリーモジュールを包含することができる。この場合、それぞれのバッテリーモジュールアセンブリーは、外部回路に電気的に並列接続され、バッテリー装置は、外部回路とそれぞれのバッテリーモジュールアセンブリーとの間の接続区域に配置された、バッテリーモジュールアセンブリーの作動を制御するための制御装置(上側制御装置)をさらに包含する。

上記の構造では、各バッテリーモジュールアセンブリーを構成するバッテリーモジュールは、それぞれのバッテリーモジュールの作動を制御するための制御装置(下側制御装置)を包含し、下側制御装置は上側制御装置と電気的に接続されるのが好ましい。従って、それぞれのバッテリーモジュールの作動は、対応する下側制御装置により制御され、それらの下側制御装置は、上側制御装置により制御される。その結果、対応する下側制御装置により確認された特定バッテリーモジュールの強制的な放電は、最終的に上側制御装置により制御される。

例えば、上側制御装置は主バッテリー管理装置(BMS)でよく、下側制御装置は、主BMSに接続された従属BMSでよい。従って、主BMSは従属BMSを制御し、従属BMSは各バッテリーモジュールの充電及び放電を制御し、バッテリーモジュールが異常作動する際に、各バッテリーモジュールの安全性を確保するのに必要な制御操作を行う。バッテリーモジュールの安全性を確保するための制御操作は、異常作動しているバッテリーモジュールまたは異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーの作動を中断するための制御装置により達成される。

また、特定バッテリーモジュールの異常作動が、対応する下側制御装置(例えば従属BMS)により確認されると、上側制御装置(例えば主BMS)が、異常作動しているバッテリーモジュールが属するバッテリーモジュールアセンブリーと、外部回路との間の接続を中断し、該バッテリーモジュールアセンブリーを対応するエネルギー消費負荷に接続し、それによって、異常作動しているバッテリーモジュールのエネルギーが除去される。好ましくは、本方法は、冷却装置を使用する冷却工程を行い、充填されたエネルギーを強制的に放出する際に発生した熱を除去することをさらに包含する。

各エネルギー消費負荷は、抵抗、抵抗器、またはエネルギーバックアップできるはずみ車でよい。各エネルギー消費負荷にはずみ車（フライホイール）を使用する場合、バッテリーモジュールのエネルギーを急速に伝送し、伝送されたエネルギーを別の、エネルギーを必要とする場所で使用することができる。

特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーの異常作動は、バッテリー装置の条件によって様々である。好ましい実施態様では、下記の作動が、特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーの異常作動と見なされる。

(1)特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、そのバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが、残りのバッテリーモジュールまたは残りのバッテリーモジュールアセンブリーと比較して、200 mV以上の電圧差、または30％以上の急激な容量低下を示す。

(2)特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、そのバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が70℃以上に増加するか、またはそのバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が徐々に増加し、次いで急激に増加する。

(3)特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、主BMSとバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーとの間の連絡が中断される。

従って、特定バッテリーモジュールの異常作動が確認されると、主BMSが、対応する従属BMSを通して、異常作動しているバッテリーモジュールが外部装置に影響を及ぼすのを阻止する。

本発明の別の態様では、上記の方法を行うことができる高出力、大容量バッテリー装置を提供する。

特に、本発明のバッテリー装置は、2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリー、充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷、及びバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーをエネルギー消費負荷に接続するためのバイパス部材を包含する。

一般的に、高出力、大容量バッテリー装置は、それぞれ複数の二次バッテリーを包含する複数のバッテリーモジュール、またはそれぞれ複数のバッテリーモジュールを包含する複数のバッテリーモジュールアセンブリーを包含する。その結果、幾つかの二次バッテリー、幾つかのバッテリーモジュール、または幾つかのバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動することがある。さらに、幾つかの二次バッテリー、幾つかのバッテリーモジュール、または幾つかのバッテリーモジュールアセンブリーの異常作動のために、大きな事故が起こる場合がある。従って、安全性の確保は非常に重要である。

本発明のバッテリー装置は、好ましくは高出力及び大容量を有する中または大型バッテリー装置に使用する。高出力及び大容量の範囲は、所望の出力によって異なる場合があるので、高出力及び大容量の範囲に特に制限は無い。

本発明のバッテリー装置は、電動自転車(E-バイク)、電気モーターサイクル、電気自動車、及びハイブリッド電気自動車用の動力供給源として、または工業用または家庭用装置、例えば無停電電源装置(UPS)、アイドル低減装置、及びエネルギー貯蔵装置、を包含する様々な用途及び製品用の動力供給源として使用することができる。好ましくは、本発明のバッテリー装置は、複数の二次バッテリーを包含する、電気自動車用の充電及び放電電源装置として使用する。

本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

好ましい実施態様の詳細な説明

ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。

図1は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリー装置の構造を例示する図である。

図1に関して、バッテリー装置100は、4個のバッテリーモジュールアセンブリー110、4個の電界効果トランジスタ(FET)140、4個の強制抵抗装置150、及び8個のバイパス部材160を包含する。

各バッテリーモジュールアセンブリー110を構成するバッテリーモジュールは、接続部材170(3S)を経由して互いに電気的に直列接続されており、バッテリーモジュールアセンブリー110は、接続部材180(4P)を経由して互いに電気的に並列接続されて入る。

バッテリーモジュール130またはバッテリーモジュールアセンブリー110のいずれか1個が異常作動すると、それぞれのバッテリーモジュールアセンブリー110を制御するための主バッテリー管理装置(BMS)120が、異常作動しているバッテリーモジュール130または異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110により引き起こされる問題を、対応する従属BMSから受け取り、受け取った問題の特性に応じて、異常作動しているバッテリーモジュール130または異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110の使用を中断し、異常作動しているバッテリーモジュール130または異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110を、新しいバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーと交換するか、または異常作動しているバッテリーモジュール130または異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110からエネルギーを除去するかを決定する。主BMS120が、異常作動しているバッテリーモジュール130または異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110からエネルギーを除去することを決定する場合、主BMS120は、異常作動している、互いに電気的に直列接続されているバッテリーモジュールを包含するバッテリーモジュールアセンブリーのFETに信号を送る。続いて、FETは、対応するバイパス部材160を制御し、その結果、電流は、電力線190に沿ってではなく、対応する強制抵抗装置150を通って流れる。

異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110のエネルギーは、対応する強制抵抗装置150により強制的に消費される。この時点で、主BMS120から来る指示に基づいて冷却装置(図には示していない)が作動し、対応する強制抵抗装置150により引き起こされた強制的エネルギー消費から発生した熱を除去する。

例えば、主BMSと、特定のバッテリーモジュールまたは特定のバッテリーモジュールアセンブリーとの間の連絡がいずれか1個のバッテリーモジュールで中断すると、それぞれのバッテリーモジュールアセンブリーが主BMS120により制御されている間に、バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーは、残りのバッテリーモジュールまたは残りのバッテリーモジュールアセンブリーと比較して、200 mV以上の電圧差または30％以上の急激なバッテリー容量低下を示すか、あるいはバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が70℃以上に増加するか、またはバッテリーモジュールもしくはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が徐々に増加し、次いで急激に増加し、主BMS120は、対応するバイパス部材160を使用して異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110の作動を制御し、バッテリーモジュールアセンブリー110に接続されている電力線190を、外部回路(図には示していない)から切断するが、異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー110からエネルギーが消費されるように、電力線190を対応する強制抵抗装置150に接続する。

前に説明したように、各強制抵抗装置150は、抵抗、抵抗器、またはエネルギーバックアップできるはずみ車でよい。

本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。

上記の説明から明らかなように、バッテリー装置は、バッテリーモジュールに加えて、エネルギー消費負荷をさらに包含する。従って、特定のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動すると、その異常作動しているバッテリーモジュールまたは異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーが対応するエネルギー消費負荷に接続されるので、異常作動しているバッテリーモジュールまたは異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリー中に貯蔵されている、充填されたエネルギーが強制的に消費され、それによって、バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの安全性が大きく改良される。

図1は、本発明の好ましい実施態様によるバッテリー装置の構造を例示する図である。

Claims (14)

1. バッテリー装置におけるバッテリーモジュールの作動を制御する方法であって、
   2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーを包含してなり、
   前記バッテリー装置が、充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷をさらに包含してなり、
   前記方法が、特定のバッテリーモジュールまたは特定のバッテリーモジュールアセンブリーが異常作動した際に、前記異常作動しているバッテリーモジュールまたは前記異常作動しているバッテリーモジュールアセンブリーを、対応する前記エネルギー消費負荷に接続し、前記充填されたエネルギーを強制的に放出させることを包含する、方法。
2. 前記バッテリーモジュールが、外部回路に並列で接続され、
   前記バッテリー装置が、前記外部回路とそれぞれの前記バッテリーモジュールとの間の接続区域に配置されてなり、前記バッテリーモジュールの作動を制御するものである、制御装置をさらに包含してなる、請求項１に記載の方法。
3. 特定のバッテリーモジュールの異常作動が確認された際に、
   前記制御装置により、
   前記バッテリーモジュールが、前記外部回路から切断され、かつ、
   前記バッテリーモジュールを、対応する前記エネルギー消費負荷に接続させることをさらに包含してなる、請求項２に記載の方法。
4. 各バッテリーモジュールアセンブリーが、互いに直列接続された複数のバッテリーモジュールを包含してなり、それぞれの前記バッテリーモジュールアセンブリーが、前記外部回路に並列接続され、かつ、
   前記バッテリー装置が、前記外部回路とそれぞれの前記バッテリーモジュールアセンブリーとの間の接続区域に配置されてなり、前記バッテリーモジュールアセンブリーの作動を制御するものである、制御装置(上側制御装置)をさらに包含してなる、請求項１に記載の方法。
5. 各バッテリーモジュールアセンブリーを構成する前記バッテリーモジュールが、それぞれのバッテリーモジュールの作動を制御する、制御装置(下側制御装置)を包含してなり、かつ、前記下側制御装置が前記上側制御装置と接続されてなる、請求項４に記載の方法。
6. 特定バッテリーモジュールの異常作動が、対応する前記下側制御装置により確認された際に、前記上側制御装置が、前記異常作動しているバッテリーモジュールが属する前記バッテリーモジュールアセンブリーと、前記外部回路との間の接続を中断し、前記バッテリーモジュールアセンブリーを、対応する前記エネルギー消費負荷に接続する、請求項５に記載の方法。
7. 各エネルギー消費負荷が、抵抗、抵抗器、またはエネルギーバックアップできるはずみ車（フライホイール）である、請求項１に記載の方法。
8. 各エネルギー消費負荷がはずみ車（フライホイール）である、請求項７に記載の方法。
9. 冷却装置を使用する冷却工程を行い、充填されたエネルギーを強制的に放出する際に発生した熱を除去することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
10. 特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、前記バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーが、残りの前記バッテリーモジュールまたは残りの前記バッテリーモジュールアセンブリーと比較して、200 mV以上の電圧差、または30％以上の急激な容量低下を示す、請求項１に記載の方法。
11. 特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、前記バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が70℃以上に増加するか、または前記バッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーの温度が徐々に増加し、次いで急激に増加する、請求項１に記載の方法。
12. 特定バッテリーモジュールまたは特定バッテリーモジュールアセンブリーが異常作動する際、前記バッテリーモジュールまたは前記バッテリーモジュールアセンブリーとの連絡が中断される、請求項１に記載の方法。
13. 高出力及び大容量バッテリー装置であって、
    2個以上のバッテリーモジュールまたはバッテリーモジュールアセンブリーと、
    充填されたエネルギーを消費するためのエネルギー消費負荷と、及び
    前記バッテリーモジュールまたは前記バッテリーモジュールアセンブリーを前記エネルギー消費負荷に接続するためのバイパス部材とを備えてなる、高出力及び大容量バッテリー装置。
14. 前記バッテリー装置が、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、無停電電源装置、アイドル低減装置、またはエネルギー貯蔵装置用の充電及び放電動力供給源として使用される、請求項１３に記載のバッテリー装置。

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