JP2012515998A - ガルバニセルのための保護装置 - Google Patents

Abstract

適切な方法でガルバニセルの端子接続部に接続された接触要素を介してバッテリーに相互接続されているガルバニセルのための保護装置は、バッテリーの個々のセルに配設され得る。保護装置は、当該保護装置を起動するための起動装置（１００８，１１０８，１２０８，１０１１，１１１１）を有する。保護装置の起動時に、当該保護装置は、当該保護装置に配設されたセルを、相互接続の変更によってバイパスし、かつバッテリー接続から電気的に取り除く。

Description

本発明は、ガルバニセルのための保護装置と、そのような保護装置を有するガルバニセルと、そのようなガルバニセルから成るバッテリーとに関する。バッテリーは、しばしば付属する電子部品と冷却器とともに、共通のハウジング内にある、直列および／あるいは並列に接続された単独セルから成る。自動車技術では、そのようなバッテリー、特に高電圧バッテリーは、とりわけ電気車両用の牽引用バッテリーやハイブリッド車両用のエネルギー中間貯蔵装置として用いられる。そのようなセルは、たとえば過充電あるいはショートあるいはその他の要因によって損傷されかねず、あるいはその他の方法で当該セルの用途に応じた機能が損なわれかねない。

たとえば、セルの過充電あるいはショートの際に回路を遮断するリチウムイオンバッテリーが知られている。たとえば、そのようなセルの過熱の際に、当該セルのハウジングを、意図的に弱められた箇所で、たとえばバーストディスクを使って、同時に上昇するセルの内圧の作用で破裂させ、その際に電極コイルからバッテリー端子への電気接触を分離することが知られている。そのような既知の解決法はいくつかの場合において、セル側で回路を分離することによって、故障したセルと直列接続されているセルが、同様に電流をもはや流すことができないという欠点がある。特に電気車両では、これによって完全な故障（「故障車」）に至りかねない。ハイブリッド車両では、システム構成によっては、たとえば内燃機関の再スタートがもはや不可能となりかねない。

これらの欠点を回避するために、故障したセルが電気的直列接続から取り除かれ、同時にバイパスされる装置が提案されてきた。そのような既知の解決法では、セル側で回路を分離しかつ故障したセルをバイパスするための装置は、しばしばセル内部の圧力上昇から作動エネルギーを受け取る。これらの既知の装置はそれにより、セルがすでに再起不能に損傷している場合に初めて効果がある。そのような場合には、セルの内容物、たとえば部分的に気化した電解液が流出しかねず、当該セルの内容物は、その導電性ゆえにさらなるショートを引き起こしかねない。バッテリーの修理はこのような場合、しばしばもはや不可能あるいは合理的ではない。なぜなら、電解液の腐食作用によって、短時間の内にバッテリーの内部が腐蝕されるからである。

本発明の課題は、ガルバニセルのための効果的な保護装置を提供し、かつ既知の解決法と結びついた問題をできるだけ回避することである。この課題は、請求項１に記載のガルバニセルのための保護装置によって解決される。さらに、さらなる独立請求項の１つに記載の成果によって解決される。

本発明は、適切な方法でセルの端子接続部と接続された接触要素を介してバッテリーに相互接続されているガルバニセルのための、保護装置を備えている。本発明に係る保護装置は、当該保護装置を起動するための起動装置を有していることを特徴としている。本発明に係るこの保護装置は、当該保護装置の起動時に、当該保護装置に配設されたセルを、相互接続の変更によってバイパスし、かつこれらのセルをバッテリー接続から電気的に取り除く。

本願発明の記述に関連して使用される用語は、以下に定義されかつ説明される。

本願発明の主旨におけるガルバニセルとは、バッテリーを構成するために適した、電気的あるいは電気化学的なセル、特に一次電池あるいは二次電池と理解されるべきである。そのようなセルは、以下に、バッテリーセルあるいはセルあるいは単独セルとも記される。バッテリーとは、そのようなセルを直列および／あるいは並列に相互接続したものと理解され得る。

ガルバニセルの相互接続とは、本願発明との関連において、そのようなセルの直列接続および／あるいは並列接続の、技術上合理的な各組み合わせと理解され得る。相互接続は、接触要素を使って、特に接触板、バスバー、絶縁体などを使ってそのようなガルバニセルの端子接続部を適切に接続することによって製造される。

起動装置とは、本件の関連において、本発明に係る保護装置を起動するための各装置と理解され得、当該装置は本発明に係る保護装置を、バッテリーの個々のセルを意図的にバイパスさせ、バッテリー接続から電気的に取り除くことができる状態にする。電気的に取り除くという表現は、該当のセルが、確かに空間的にはバッテリー接続においてその位置に残るが、しかしこのセルは、バッテリーを構成する、複数のセルの電気的な直列接続および／あるいは並列接続から、特定の接続をバイパスすることによって取り除かれるということを意味する。

起動装置を使って保護装置を起動させるためにはエネルギーが必要である。なぜなら、たとえばこのために接触要素を動かさなくてはならないからである。このエネルギーは、本発明に従えば、外部から起動装置に供給されるか、あるいは、保護装置あるいは起動装置の構成部材であるエネルギー貯蔵装置によって準備される。これは、考えられ得る各々の種類のエネルギー貯蔵装置、特に機械的エネルギー貯蔵装置であってよい。起動に必要なエネルギーを外部から供給する場合に、このために適した、あらゆる種類の装置、特にたとえば電磁式切換器（継電器など）のような電磁式変成器が問題となる。当該電磁式切換器は、外部から供給されるエネルギー、すなわちたとえば、残りのセルは規則的に機能可能なままであるバッテリー接続から取り出されるエネルギーを使って駆動される。

本発明の有利なさらなる形態は、従属請求項の対象を形成する。

以下に、本発明が、好ましい実施例に基づいてかつ図を使ってより詳細に記述される。図に示されるのは以下である。

本発明の好ましい実施形態に従った、電気的に直列に接続されたセルを取り除きかつバイパスするための、能動的に制御可能なセル側の装置をそれぞれ有するバッテリーセルの、直列接続の配線図である。 全バッテリーセルの直列接続を引き起こす位置に全切換器がある、バッテリーセルと保護装置の切換器との相互接続である。 １つのバッテリーセルのバイパスとひいてはバッテリー接続からの当該バッテリーセルの取り除きを引き起こす位置に１つの切換器がある、バッテリーセルの相互接続である。 本発明の好ましい実施形態に従った保護装置を有するバッテリーセルの相互接続である。 本願発明の好ましい実施形態に従った保護装置を有するセルブロックの側面図である。 本願発明の好ましい実施形態に従った保護装置を有する、図３に表されたセルブロックの上部分の拡大図である。 本願発明の好ましい実施例に従った保護装置を有するセルの図である。 本発明の好ましい実施形態に従った保護装置の詳細図である。 図６に示された実施形態の分解図である。 非起動状態（通常駆動）での、本発明の好ましい実施形態に従った保護装置の側面図である。 本発明の好ましい実施形態に従った保護装置の断面図である。 非起動状態（通常駆動）での、図９ａに表された実施形態の右側部分の拡大図である。 本願発明の好ましい実施形態に従った、起動された保護装置を有するセルブロックの図である。 本願発明の好ましい実施形態に従った、起動された保護装置の側面図である。 保護装置が起動された場合の、本発明の好ましい実施形態に従った保護装置の断面図である。 起動された保護装置の、図１２ａに表された実施形態の右側部分の拡大図である。

図１ａに表されているように、本発明に係る保護装置の原則的な作用の仕方は、故障したセルを、バイパスによって、複数のセルの相互接続から意図的に取り除くことにある。このために、切換器１０１，１０２，１０３の１つが起動した場合に、電極１０７を隣り合うセルの同種の電極と接続させるバイパス１０４，１０５，１０６が備えられている。これに対して、保護装置が非起動の状態では、電極１０８は、それとは異種の、隣りのセルの電極と接続されている。類似した方法で、図１ｂと図１ｃとは、本発明に係る保護装置の原則的な作用の仕方を示している。図１ｂにおいては、全切換器Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，・・・Ｓ５ｂは対応する同じ位置にあるので、図１ｂでは、セルＺ１ｂ，Ｚ２ｂ，・・・Ｚ５ｂは直列接続になっている。図１ｃでは、切換器Ｓ２ｃが起動位置にあり、それによってセルＺ２ｃは相互接続から取り除かれている。

図２に表されているように、バッテリーセルの相互接続は、接触要素を使って行われる。たとえばそのような接触要素は、図２に表されているバスバー２０５，２０９，２１２である。電極（導体）２０３もしくは２０４は、適切な方法で、これらの接触要素に接続されているか、もしくは接続されていない。本発明に係る保護装置は好適には、隣り合う２つのセルのストライプ状の端子（「導体」）間にそれぞれ設けられている。保護装置を起動するための作動エネルギーはたとえば、図７と図９とに示されたヒューズ線７１１，８１１，９１１によって初期位置に保持される波型バネ２０８に貯蔵される。機能不全が始まると、当該ヒューズ線は電流インパルスによって融解し、図２と図７と図９とに示された波型バネ２０８，７０８，９０８が、これまで隣りのセルとの電気的な直列接続を行っている可動式のバスバーを持ち上げて外し、かつ故障したセルを電気的に迂回する第２のバスバーに、当該パスバーを押し付ける。

本願発明の好ましい実施形態に従えば、本発明に係る保護装置はエネルギー貯蔵装置を装備されており、当該エネルギー貯蔵装置は、相互接続を変更するために必要なエネルギーを貯蔵し、起動時に利用可能にする。その際、機械的エネルギー貯蔵装置あるいはその他のエネルギー貯蔵装置、たとえば化学的あるいは電気的なエネルギー貯蔵装置が問題となり得る。簡単に組み立てられたエネルギー貯蔵装置２０８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８は、図２、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２に表されている。波型バネ２０８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８は、下から軸受２１０，３１０，９１０，１０１０，１１１０によって保持されている。ヒューズ線７１１，８１１，９１１，１１１１は、当該波型バネを、初期位置かつ初期形態に、すなわち応力をかけられた状態に保持する。線が融解すると、波型バネが接触板２０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７，９０７，１００７，１２０７を持ち上げ、かつバスバー１１０５，１２０５に、当該接触板を押し付ける。接触板１１０６への接触が遮断される。それによってセルのバイパスが行われる。

保護装置は好適には、イラストには表されていないハウジング内にある。当該ハウジングは、腐食を回避するために、好適には気密に密閉されており、必要とあらば不活性の保護ガスで満たされている。

本発明に係る保護装置は好適には、各セルのために能動的かつ個別的に制御され得、該当する損傷したセルを個々に回路から取り除いてバイパスすることができる。たとえばバッテリー電子部品が、セル電圧および／あるいはセル温度の監視によって、セルの機能不全の開始を確認すると、装置が予防的に作動させられ得る。バッテリーは、わずかに減少した電圧レベルでさらに駆動可能なままである。

起動のためのエネルギーが、バイパスされるべき該当のセルの機能不全あるいは崩壊と関係のある事象から引き出されず、起動のためのエネルギーは、保護装置の外部から供給あるいは、好適には保護装置あるいは起動装置の構成部材であるエネルギー貯蔵装置から引き出される、本発明に係る解決法には、機能障害に襲われたセルを、セルの崩壊がまだ始まっていないか、あるいは保護装置の起動に必要なエネルギーを崩壊プロセスから引き出しかねないほどにはまだ進行していない、すでに早期の時点で、バッテリー接続から電気的に取り除くことができるという利点がある。これによって多くの場合、セルの崩壊が回避可能となる。有利な条件下では、バイパスされたセルは一定の時間がたつと回復し、改めてバッテリー接続に受け入れられ得るということが可能である。

保護装置の起動が充分に早期に行われるという想定で、バイパスされるべきセルは、その保護装置の起動のためのエネルギーを自身で供給することすらできる。当該セルはそれゆえ、バイパスによってバッテリー接続から電気的に取り出される前に、保護装置のエネルギー貯蔵装置として作用することができる。

本願の使用法によっては、本発明に係る保護装置は、当該保護装置の内部もしくは外部で作られる信号によって起動され得る起動装置を装備されている。これら２つの可能性のどちらが優先されるべきかは、第一に、起動する出来事の種類に依存するであろう。考えられ得るのはたとえば、バッテリー電子部品が個々のセルのセル電圧を監視し、測定結果をバッテリー外部の中央制御ユニットに転送し、それから当該中央制御ユニットが、当該セルの保護装置を起動するための信号を作り、バイパスされるべきセルに配設されている該当の保護装置に転送することである。

本発明に係る保護装置の特に有利な実施形態は、当該保護装置に配設されているバッテリーセルの駆動状態を示すものである、少なくとも１つの物理的な大きさを測定する少なくとも１つのセンサによって作られる信号によって起動され得る起動装置を備えている。そのようなセンサはたとえば、各セルに取り付けられておりかつ配設されたセルの温度を継続的に測定する温度センサであってよい。ここでもまた、測定結果を評価する様々な可能性がある。

考えられ得るのはたとえば、温度センサがセルの保護装置を起動するための信号をローカルに作り、当該温度センサが当該セルの温度を継続的に測定することである。しかしまた考えられ得るのは、複数の測定結果に応じて、特別な決定論理を使って、個々のセルの保護装置を起動するための信号を作るために、中央制御ユニットがこれらのセンサおよび／あるいは別のセンサ、たとえば温度センサと電圧センサの測定結果を一緒に評価することである。当該信号はそれから、これらのセルの保護装置の起動装置に転送され、そこで該当の保護装置の起動をもたらす。

本願発明の同様に好ましい実施形態に従えば、起動のための前提が後になくなった場合に、その起動装置が停止され得る保護装置が備えられており、当該保護装置はその後直ちに、当該保護装置に配設されているセルのバイパスを取りやめ、それによってこれらのセルは再びバッテリー接続に組み込まれる。本発明に係る保護装置の起動装置は好適には、たとえば該当のセルが、冷却後に再びバッテリー接続に接続され得るようにも実施されてよい。このために必要なエネルギーはたとえば、再び機能可能となったセル自身あるいはバッテリー接続に残っていたその他のセルから取り出され得る。このような接続の際には好適には、保護装置の起動のためのエネルギー貯蔵装置も再び充電され得る。

本願発明の同様に好ましい実施形態に従えば、隣り合うセルの端子接続部間に設けられ得るように構成されている保護装置が備えられている。図３、図４、図８、図１０、図１１は、本願発明のそのような実施例の図を示している。

本願発明の同様に好ましい実施形態に従えば、起動装置を有する保護装置が備えられており、当該起動装置は、エネルギー貯蔵装置として用いられる波型バネを、応力をかけられた状態に保持するヒューズ線を備え、かつ当該ヒューズ線を融解する電流パルスによって起動され、その後直ちに波型バネは応力が解かれ、その際相互接続を変更するために必要なエネルギーを利用可能にする。エネルギー貯蔵装置のこのような機械的構成は、たとえば外部の能動的な、起動装置の制御と比較して、障害に対して特に丈夫であり、かつ信号ラインがなくなるので、コスト的に有利に製造され得る。

さらに、気密に密閉されたハウジングを有する、本発明に係る保護装置が有利である。そのハウジングが不活性の保護ガスで満たされている、本発明に係る保護装置が、特に有利である。大気で満たされたハウジングと比較して、保護ガスを適切に選択すれば腐食に対する保護はしばしばより良好である。

図５は、本発明に係る保護装置を有するバッテリーセル５０１を示している。電極５０３，５０４は、適切な接触板５０６，５０７を介してバスバー５０９と接続されている。波型バネ５０８は、セル５０１の保護装置が起動した場合、接触板５０７の位置を変える。

図６は、電極６０３，６０４と、波型バネ６０８と、接触板６０６，６０７とを有する本発明に係る保護装置の拡大図を示している。図７に示されているように、波型バネ７０８は軸受７１０に軸受けされており、当該軸受７１０は、ヒューズ線７１１が融解した場合に、応力が解かれた波型バネが下へ向かって変形できないようにしており、それゆえ当該波型バネは、保護装置の起動時には電極７０４の接触板７０７を上へ向かって押さなくてはならない。

図８で明確に分かるように、接触板７０７もしくは８０７は、起動前は隣り合うセル８０２の接触板８０６と接触している。ヒューズ線８１１が溶解して起動した後、当該接触板は、バスバー８０５と接触する。

図９ａ、図９ｂもしくは図１２ａ、図１２ｂの側面部分図は、起動前もしくは起動後の、本発明に係る保護装置の同じ実施形態を示している。図９ａもしくは図１２ａは、図９ｂもしくは図１２ｂに表された部分図の関連を示している。

以下の参照符号が、表された個々の部分を同定するために、図中で用いられた。
２０１，３０１，８０１，１００１，１１０１，１２０１ ガルバニセル、バッテリーセル
２０２，３０２，８０２，１００２，１１０２，１２０２ ガルバニセル、バッテリーセル
２０３，５０３，６０３，８０３，１００３，１１０３，１２０３ 電極、導体、導体板
２０４，５０４，６０４，７０４，１１０４ 電極、導体、導体板
２０５，４０５，８０５，９０５，１００５，１２０５ バスバー、接触要素
２０６，４０６，５０６，６０６，７０６，８０６，１１０６ 電極の接触板
２０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７，９０７，１００７，１１０７，１２０７ 電極の接触板
２０８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８ 波型バネ
２０９，４０９，５０９，７０９，１００９ バスバー、接触要素
９１０，１１１０，１２１０ 波型バネの軸受
９１１，１０１１，１１１１，１２１１ ヒューズ線
２１２，１０１２，１２１２ バスバー、接触要素
１０１３ 電極の接触板
２１４，１０１４ 電極の接触板
１２３０ ヒューズ線の設定破断箇所
３９０ 図４で表された、図３の部分図

図２、図３、図４、図８、図１０、図１１は、本発明に係る保護装置を有するバッテリーセルから成るバッテリーを示している。そのようなバッテリーは好適には、バッテリーの隣り合ったセル間に設けられている複数の保護装置から成る。その際、バッテリーのセルの直列接続および／あるいは並列接続の相互接続のための複数の接触要素が備えられている。これらの接触要素の第１の部分は可動式に設けられている。これらの接触要素の第２の部分は、非可動式に設けられている。第１のセルの保護装置が起動することによって、起動前には隣り合う第２のセルへの電気的直列接続に用いられる、可動式の第１の接触要素が、保護装置の起動時に動かされ、かつ非可動式の第２の接触要素に押し付けられるということが起こり、それによって第１のセルがバイパスされ、それにより直列接続から電気的に取り除かれる。

本発明のすべての実施例に当てはまるのは、故障したセルのバイパスあるいは遮断、あるいは起動装置の制御、あるいは本願発明を実際に実行する枠内での類似の課題は好適には、半導体の構成要素を使って実行され得るということである。たとえばサイリスタあるいは電界効果トランジスタ（たとえばパワーＭＯＳＦＥＴ）のような半導体回路素子が、たとえばそのような目的によく適している。これらは好適には、制御電子部品を介して温度センサによって制御され得る。

１０１，１０２，１０３ 切換器
１０４，１０５，１０６ バイパス
１０７，１０８ 電極
２０１，３０１，８０１，１００１，１１０１，１２０１ ガルバニセル、バッテリーセル
２０２，３０２，８０２，１００２，１１０２，１２０２ ガルバニセル、バッテリーセル
２０３，５０３，６０３，８０３，１００３，１１０３，１２０３ 電極、導体、導体板
２０４，５０４，６０４，７０４，１１０４ 電極、導体、導体板
２０５，４０５，８０５，９０５，１００５，１２０５ バスバー、接触要素
２０６，４０６，５０６，６０６，７０６，８０６，１１０６ 電極の接触板
２０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７，９０７，１００７，１１０７，１２０７ 電極の接触板
２０８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８ 波型バネ
２０９，４０９，５０９，７０９，１００９ バスバー、接触要素
９１０，１１１０，１２１０ 波型バネの軸受
９１１，１０１１，１１１１，１２１１ ヒューズ線
２１２，１０１２，１２１２ バスバー、接触要素
１０１３ 電極の接触板
２１４，１０１４ 電極の接触板
１２３０ ヒューズ線の設定破断箇所
３９０ 図４で表された、図３の部分図

Claims (15)

1. 適切な方法でバッテリーセルの端子接続部（２０３，２０４，５０３，５０４）と接続された接触要素（２０５，２０７，２０９，２１２，４０５，４０９，４０６，４０７，５０６，５０７，５０９，６０６，６０７，７０６，７０７，７０９，８０５，８０６，８０７，８０９）を介してバッテリーに相互接続されているガルバニセル（２０１，２０２，３０１，３０２）のための保護装置において、
   該保護装置を起動するための起動装置（７０８，７１０，７１１）を有し、
   前記保護装置の起動時に、該保護装置は、該保護装置に配設されたセルを、相互接続の変更によってバイパスし、かつバッテリー接続から電気的に取り除くことを特徴とする、保護装置。
2. 相互接続を変更するために必要なエネルギーを貯蔵しかつ前記保護装置の起動時に利用可能にするエネルギー貯蔵装置を備える、請求項１に記載の保護装置。
3. 機械的エネルギー貯蔵装置（７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８，１２０８）を有する、請求項２に記載の保護装置。
4. バッテリーの個々のセルに配設され得る、請求項１から３のいずれか一項に記載の保護装置。
5. 前記保護装置の外部で作られる信号によって起動され得る起動装置を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の保護装置。
6. 前記保護装置の内部で作られる信号によって起動され得る起動装置を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の保護装置。
7. 前記保護装置に配設されているガルバニセルの駆動状態を示すものである、少なくとも１つの物理的な大きさを測定する少なくとも１つのセンサによって作られる信号によって起動され得る起動装置を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の保護装置。
8. 起動のための前提が後になくなった場合に、その起動装置が停止され得る保護装置であって、該保護装置はその後直ちに、該保護装置に配設されているセルのバイパスを取りやめ、それによってこれらのセルは再びバッテリー接続に組み込まれる、請求項１から７のいずれか一項に記載の保護装置。
9. 隣り合うセルの端子接続部間に設けられ得るように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の保護装置。
10. エネルギー貯蔵装置として用いられる波型バネ（９０８，１２０８）を、応力をかけられた状態に保持するヒューズ線（９１１，１２１１）を備え、かつ
    該ヒューズ線を融解する（１２３０）電流パルスによって起動される起動装置を有する保護装置であって、その後直ちに前記波型バネは応力が解かれ、該波型バネはその際相互接続を変更するために必要なエネルギーを利用可能にする、請求項１から９のいずれか一項に記載の保護装置。
11. 気密に密閉されたハウジングを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の保護装置。
12. 前記ハウジングが保護ガスで満たされている、請求項１１に記載の保護装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の保護装置を有するガルバニセル。
14. 請求項１３に記載のガルバニセルから成るバッテリー。
15. 複数の保護装置が、バッテリーの隣り合うセル間に設けられており、
    バッテリーのセルの直列接続の相互接続のための複数の接触要素が備えられており、
    該接触要素の第１の部分は可動式に設けられており、
    該接触要素の第２の部分は非可動式に設けられており、第１のセルの保護装置が起動することによって、起動前には隣り合う第２のセルへの電気的直列接続に用いられる、可動式の第１の接触要素が、前記保護装置の起動時に動かされ、かつ非可動式の第２の接触要素に押し付けられるということが起こり、それによって前記第１のセルがバイパスされ、それにより直列接続から電気的に取り除かれることを特徴とする請求項１４に記載のバッテリー。

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