JP2012517210A - 信頼性の高いバッテリ - Google Patents

Abstract

本発明は、直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）を有するトラクションバッテリに関しており、これらのバッテリモジュールには、１つずつの第１バッテリモジュール極（１ａ，２ａ）と、第２バッテリモジュール極（１ｂ，２ｂ）と、これらの間に接続されたバッテリセル（１ｃ，２ｃ）の少なくとも１つの直列回路および／または並列回路とが含まれている。バッテリモジュール（１，２）の直列回路の第１端子（３）は、第１バッテリ極（４）に接続されており、またバッテリモジュール（１，２）の直列回路の第２端子（５）は、第２バッテリ極（６）に接続されている。本発明では、上記の直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）のうちの少なくとも１つのバッテリモジュール（１）は、第１バッテリモジュール（１）であり、この第１バッテリモジュールは、少なくとも１つの分離装置（１ｄ）およびバイパス装置（１ｅ）を有している。相応に駆動制御した際、この少なくとも１つの分離装置（１ｄ）により、上記のバッテリセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路と、第１バッテリモジュール（１ａ）および／または第２バッテリモジュール（１ｂ）との接続が遮断され、および／またはバッテリセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路が遮断される。相応に駆動制御した際、前記の第１バッテリモジュール極（１ａ）と第２バッテリモジュール極（１ｂ）との間に接続されているバイパス装置（１ｄ）を介して第１バッテリモジュール（１ａ）と、第２バッテリモジュール極（１ｂ）とが短絡され、および／または上記の直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）のうちの少なくとも１つのバッテリモジュール（２）は、第２バッテリモジュール（２）であり、このモジュールは、少なくとも１つの充電および分離装置（２ｄ）およびバイパス装置（２ｅ）を有しており、相応に駆動制御した際、この少なくとも１つの充電および分離装置（２ｄ）により、バッテリセル（２ｃ）の直列回路および／または並列回路と、第２バッテリモジュール（２ａ）および／または第２バッテリモジュール（２ｂ）と接続が遮断され、および／またはバッテリモジュール（２ｃ）の直列回路および／または並列回路が遮断され、また上記のバッテリモジュール（２）、ないしはバッテリモジュール（２）を有するバッテリを導通した際に発生する充電ないしは補償電流を制限し、相応に制御を行った場合、上記の第１バッテリモジュール極（２ａ）と第２バッテリモジュール極（２ｂ）との間に接続されるバイパス装置（２ｅ）を介し、第１バッテリモジュール極（２ａ）と第２バッテリモジュール極（２ｂ）とが短絡される。

Description

従来の技術
本発明は、バッテリに関し、殊に請求項１の上位概念に記載したトラクションバッテリに関する。

将来的には定置的な応用分野（例えば風力発電設備）においても、また車両（例えばハイブリッド車両および電動車両）においても新たなバッテリシステムがますます使用されるようになることは明らかであり、これらのシステムには高い要求ないしは信頼性が要供される。このような高い要求の背景は、バッテリの故障が全体システム故障に結びつくことがあり（例えば電動車両ではトラクションバッテリの故障は、いわゆる「立ち往生車」になってしまう）、また安全に関わる問題になってしまうこともある（風力発電設備では例えば、強風時に回転翼を調整することによって許容されない動作状態から設備を保護するためにバッテリが使用される）ためである。

今日の従来技術によるバッテリシステムの基本図は図９に示されている。要求される出力データおよびエネルギデータを上記のバッテリシステムによって達成するため、個々のバッテリセルは直列接続され、また一部分は付加的に並列接続される。バッテリシステムは、これらのバッテリセルの他にいわゆる充電および分離装置を有しており、これらの装置は、図９において一般性を失うことなしに、バッテリの正極とバッテリセルとの間に配置される。分離スイッチＴＳにより、バッテリは一方の極側で導通ないしは遮断することができる。オプションの機能ユニットとして図９にはさらに別の分離装置が示されており、この装置によって上記のバッテリ（必要な場合、第２の分離スイッチを介して）２極で遮断することができる。上記の充電および分離装置にはさらにいわゆる充電スイッチがあり、このスイッチによってバッテリセルと外部に接続されたシステムとの間の充電抵抗を接続し、バッテリを導通させた際の補償電流を制限することができる。このような導通過程では、充電および分離装置において、分離スイッチが開かれている際にまず充電スイッチが閉じられ、（設けられている場合には）付加的に上記のオプションの分離装置の分離スイッチがバッテリシステムの負極において閉じられる。つぎに上記の充電抵抗を介して上記の外部に接続されるシステムの入力側キャパシタンスが充電される。バッテリシステムの負極と正極との間の電圧が、バッテリセルの合計電圧からわずかにしか偏差していない場合、上記の充電過程は、充電および分離装置における分離スイッチを閉じることによって終了される。この場合にバッテリシステムは、上記の外部システムに低抵抗で接続され、またその特有の出力データで作動させることができる。ここで説明した手法により、バッテリシステムの導通時に外部システムとバッテリシステムとの間で発生する補償電流を、許容される値に制限することができる。

上記のバッテリシステムの信頼性は、故障率によって特徴付けられる。故障率は、考察中の時間において平均して予想される故障の数を表す。

個別セルを直列接続したバッテリの故障率はつぎのように求めることができる。すなわち、
故障率_{トラクションバッテリ} ＝ １−（１−故障率_セル）^セル数 （１）
である。

したがって１００個のセルの直接接続と、１００ppm／セルの観察時間における故障率とを有する電動車両のトラクションバッテリに対し、例えば、
故障率_{トラクションバッテリ} ＝ １−（１−１００ppm）¹⁰⁰
＝ ９.９５‰ （２）
が得られる。

個々のバッテリセルの故障率が極めて小さい場合（例えば、考察する時間において故障率_セル＜１‰）、上記の故障率は近似的につぎのように計算することができる（上記の２項式を第２成分について展開し途中で打ち切ったもの）、すなわち、
故障率_{トラクションバッテリ} ＝ セル数＊故障率_セル （３）
である。

したがって考察中のトラクションバッテリの故障率は、個々のセルの故障率よりもほぼ１００倍高い。つまり個々のセルの故障率は、（バッテリシステムの故障率に要求される値において）約１００倍小さくなければならないのである。直列接続された１００個のセルを有するバッテリシステムに対して、考察する時間において１００ppmの故障率が要求される場合、これらのセルはこの時間内において１ppmの故障率を有しなければならない。これは、満足させるのが極端に困難な要求である。

本発明の課題は、今日の従来技術よりもバッテリシステムの信頼性を高めることである。ここではバッテリモジュールの１つないしは複数のセルの故障が、バッテリシステムの完全な故障に結び付かないようにする。この場合であってもバッテリシステムが引き続き、制限された出力能力で利用できるようにする。

発明の開示
これに対し、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する本発明のバッテリは、上記のバッテリシステムが今日の従来技術よりも、付加的な機能ユニット分だけ内部的に拡張されているという利点を有する。ここでこれらの機能ユニットは、
・分離装置および／または
・充電および分離装置および／または
・ブリッジ装置であり、これらを以下、詳しく説明する。これらの機能ユニットに基づき、本発明によるバッテリモジュールを構成する。ここでこれらのバッテリモジュールは、１つまたは複数のセルが故障した際にはバイパスすることができる。全体システムが、このような複数のバッテリモジュールから構成される場合、相応するモジュールにおいて１つまたは複数のセルが故障しても、（バッテリシステムの要求および実施に応じて）１つのバッテリモジュールまたは複数のバッテリモジュールをバイパスすることができる。この場合にバッテリシステムは、その端子において通常動作に比べて制限された出力能力しか有しないが、バッテリシステムを適切に設計した場合、システムの故障ないしはシステムの安全にクリティカルな状態を回避することができる。さらにセルないしはモジュールの故障を識別して修理のための処置を開始することができる。これによってバッテリシステムの信頼性が高まるのである。

本発明の従属請求項には本発明の有利な発展形態が記載されている。

本発明によるバッテリは、殊に有利には充電装置を有しており、この装置は、バッテリモジュールの直列回路の第１端子と、第１バッテリ極との間に接続されており、および／またはバッテリモジュールの直列回路の第２端子と、第２バッテリ極との間に接続されている。ここで上記のバッテリには、第１バッテリモジュールだけが含まれている。この場合、任意のバッテリモジュールが故障した際にトラクション車載電源網における補償電流の制限が補償される。ここでは単純に構成された第１バッテリモジュールだけが設けられている。

有利には本発明によるバッテリは択一的に第２モジュールだけを含む。この場合、任意のバッテリモジュールが故障した際にもトラクション車載電源網における補償電流の制限が補償される。ここでは別個の充電装置を設ける必要はない。それは第２バッテリモジュールにはそれぞれこれが含まれるからである。これにより、同じモジュールだけによるバッテリの比較的簡単なバッテリの取り付けが可能になる。

上記とは択一的に、本発明によるバッテリは有利にはｎ個のバッテリモジュールを含んでおり、ここでは２個の第２バッテリモジュールおよびｎ−２個の第１バッテリモジュールが設けられている。この場合にトラクション車載電源網における補償電流の制限は、第２バッテリモジュールが故障した場合にも保証される。それは、この場合にはなお第２バッテリモジュールの充電装置が設けられており、これを使用することができるからである。

本発明によるバッテリには、付加的または択一的に有利にはバイパス装置が構成されており、バッテリセルの直列回路および／または並列回路と、第１バッテリ極との接続の遮断、および／またはバッテリセルの直列回路および／または並列回路と、第２バッテリモジュール極との接続の遮断、および／またはバッテリセルの直列回路および／または並列回路の遮断が行われる場合にだけ、上記のバイパス装置によって第１バッテリモジュール極および第２バッテリモジュール極との短絡を行うことができる。

以下では添付の図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。

本発明の第１の好適な実施形態にしたがい、有利にはトラクションバッテリであるバッテリを示す基本回路図である。 本発明の第２の好適な実施形態にしたがい、有利にはトラクションバッテリであるバッテリを示す基本回路図である。 本発明の第３の好適な実施形態にしたがい、有利にはトラクションバッテリであるバッテリを示す基本回路図である。 本発明の有利な実施形態による第１バッテリモジュールの基本回路図である。 本発明の有利な実施形態による第２バッテリモジュールの基本回路図である。 本発明の有利な実施形態による分離装置の基本回路図である。 本発明の有利な実施形態による充電および分離装置の基本回路図である。 本発明の有利な実施形態によるバイパス装置の基本回路図である。 従来技術によるトラクションバッテリの基本回路図である。

本発明の有利な実施形態
以下で図面を参照して本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

まず、ここで使用する意味での高信頼性の概念を定義する（Lauber/Goehner: Prozessautomatisierung 1，第３版，Springer-Verlagによる定義）
Zuverlaessigkeit（高信頼性 Reliability）とは、あらかじめ定めた時間の間、正しく動作するシステムの能力のこと（Verlaessigkeitとも称される）。

本発明により、バッテリシステムの信頼性は、従来技術よりも高くなる。それは、個々のバッテリセルの故障が、バッテリシステムの故障に直接結び付かないからである。本発明では、バッテリシステムは、今日の従来技術に比べ、バッテリセルの直列接続を有するバッテリモジュールが有利には付加的な複数の機能ユニットの分だけ内部的に拡張されている。まずこれらの機能ユニットを以下に説明する。

・ 図６ａに原理を、また図６ｂに１実施形態を示した分離装置１ｄ
分離装置１ｄは、第１バッテリモジュール１のバッテリセル１ｃの一方の極を、バッテリモジュール１の２つの極１ａ，１ｂから遮断するかないしはバッテリセル１ｃを、相応する極１ａ，１ｂに低抵抗に接続するために使用される。

バッテリモジュール１の２つの極１ａ，１ｂからバッテリセル１ｃの２つの極を遮断するためには、バッテリモジュール１に２つの分離装置１ｄを使用することも可能である（有利には１つずつの分離装置をバッテリモジュールの正極に直接、また負極に直接使用する）。

本発明の基本原理は、分離装置１ｄにおける分離スイッチＴＳの具体的の実現とは無関係である。この分離スイッチに対し、例えば、電気機械式スイッチ（リレーまたは接触片）として、電子スイッチ（半導体スイッチ）または電気機械式スイッチおよび電子スイッチからなる組み合わせとしての実現が考えられる。

・ 図７ａに原理を、また図７ｂに１実施形態を示した充電および分離装置２ｄ充電および分離装置２ｄは、分離装置２ｄ１の機能的な拡張であり、この装置は、上で図６に関連して説明した分離装置１ｄのように機能し、また充電装置２ｄ２になるという目的を有する。ここでこの充電装置により、バッテリシステムないしはバッテリモジュールが導通した際に発生する充電電流ないしは補償電流が制限される。これらの電流の原因は、外部システムの入力キャパシタンスであり、これらのシステムは、バッテリを導通する前にはふつうバッテリシステムの合計電圧と同じ電圧を有しない。充電電流ないしは補償電流の制限は、最も簡単な場合、充電スイッチＬＳと直接接続されている抵抗ＬＷを介して行われる。その抵抗値を適当に選択することにより、上記の補償電流をバッテリシステムに対する許容値および上記の外部システムに対する許容値に制限することができる。上記のバッテリシステムの極における電圧、ないしは充電および分離装置２ｄを有するバッテリモジュール２の極における電圧が、相応するバッテリセル２ｃの合計電圧と同じ電圧を有する場合（すなわち上記の充電抵抗における電圧降下が小さい場合）、充電および分離装置２ｄにおける分離スイッチＴＳを閉じることができる。したがってバッテリシステムないしはバッテリモジュールの導通過程は、つぎのように経過する。まず、分離スイッチＴＳが開いている時に充電および分離モジュール２ｄの充電スイッチＬＳが閉じられる。上記の外部のキャパシタンスはこれに応じて充電ないしは再充電され、これは、バッテリシステムないしはバッテリモジュールの極における電圧が、対応するバッテリセルの合計電圧にほぼ等しくなるまで行われる。つぎに分離スイッチＴＳが閉じられて充電過程が終了する。つぎにバッテリセルは、バッテリシステムないしはバッテリモジュールの極に低抵抗で接続される。

充電および分離モジュール２ｄの分離スイッチＴＳおよび充電スイッチＬＳは具体的には、分離装置１ｄの分離スイッチＴＳと同様に実現することができる。

・ バイパス装置１ｅ；２ｅ、図８ａに原理が、また図８ｂに実施形態が示されている。

バイパス回路１ｅ；２ｅは、バッテリモジュール１，２を低抵抗にバイパスするのに使用される。すなわち、バッテリモジュール１，２において１つまたは複数のバッテリセル１ｃ，２ｃが故障した場合、バッテリモジュール１，２の正極および負極を低抵抗に接続するのに使用されるのである。

本発明の基本原理は、バイパス装置におけるバイパススイッチＵＳの具体的な実現の仕方には依存しない。このバイパススイッチに対し、（上記の分離スイッチの場合に説明したように）、例えば、電気機械式スイッチ（リレーまたは接触片）として、電子スイッチ（半導体スイッチ）または電気機械式スイッチと電子スイッチとの組み合わせとして実現することが考えられる。

上で説明した機能ユニットをベースにしてバッテリモジュールを構成することができ、これらのバッテリモジュールは続いてバッテリシステムに接続することができる。

このシステムに対する要求に依存し、バッテリモジュールに対して以下のトポロジを使用することが有利になり得る。すなわち、
・ 図４に示した分離およびバイパス装置を有する第１バッテリモジュール（トポロジ１）。

このトポロジでは、分離装置１ｄが使用されて、バッテリセル１ｃの一方の極が、第１バッテリモジュール１の２つの極１ａ，１ｂのうちの一方から遮断されるか、ないしはバッテリセル１ｃが、相応する極１ａ，１ｂに低抵抗で接続される。分離装置１ｄは、図４において、一般性を制限することなく正極１ａに配置されている。

分離装置１ｄおよびバッテリセル１ｃに並列に使用されるバイパス装置１ｅは、第１バッテリモジュール１の１つまたは複数のセル１ｃが故障した際に第１バッテリモジュール１を低抵抗にバイパスするのに使用される。バイパス装置１ｅにおけるバイパススイッチは有利には、分離装置の分離スイッチが開かれた場合にだけ閉じられる。

分離装置１ｄおよびバイパス装置１ｅは、バッテリモジュールの機能ユニットの診断を制御する信号線路を介して駆動制御されるが、この信号線路は図示していない。

・ 図５に示した充電および分離装置およびバイパス装置を有する第２バッテリモジュール（トポロジ２）。このトポロジでは、上記のトポロジ１とは異なり、第２のバッテリモジュール２に付加的に充電装置が使用されている。すなわち、分離装置１ｄの代わりに図７に示した充電および分離装置２ｄが使用されており、これによってバッテリシステムを導通した際の充電電流ないしは補償電流が制御される（その他の特性はトポロジ１と同じである）。充電および分離装置２ｄおよびバイパス装置２ｅは、バッテリモジュールの機能ユニットの診断を制御する信号線路を介して駆動制御されるが、この線路は図示していない。

上記のバッテリモジュールにより、本発明による複数のモジュール式バッテリシステムが構成され、これらのバッテリシステムは、今日の従来技術よりも高い信頼性を有する。上記のバッテリモジュールを接続する例として、トポロジの異なる３つのバッテリシステム（トポロジＡ，Ｂ，Ｃと記す）を考察する。

・ 図２に示した本発明の第２の有利な実施形態によるトポロジＡのバッテリシステム。このバッテリシステムは、
− 別個の充電および分離装置７、
− 直列接続された複数の第１バッテリモジュール１（トポロジ１）
を有する。
利点：
− 統一したバッテリモジュールが使用される。
− 全体で１つの充電装置だけが使用される。この充電装置は、バッテリシステムを導通した際にアクティブになる。

・ 図３に示した本発明の第３の有利な実施形態によるトポロジＢのバッテリシステム。このバッテリシステムは、
− 直列接続された複数の第２バッテリモジュール（トポロジ２）を有する。
利点：
− 統一したバッテリモジュールが使用される。
− トポロジＡよりも内部抵抗が小さい。それは、直列接続される分離装置が１つ少ないからである。

・ 図１に示した本発明の第１の有利な実施形態によるトポロジＣのバッテリシステム。このバッテリシステムは、
− 直列接続された２つの第２バッテリモジュール２（トポロジ２）と、
− 直列接続された１つまたは複数の第１バッテリモジュール１（トポロジ１）とを有する。
利点：
− トポロジＡよりも内部抵抗が小さい。それは、直列接続される分離装置が１つ少ないからである。
− トポロジＢよりも充電装置に対する付加的なコストが小さい。ここでは充電装置は２つのバッテリモジュールだけに設けられている（コスト、取付スペース）。ここでは、充電装置を有する２つのバッテリモジュールが必要であるため、これらの２つのモジュールのうちの１が故障した場合、バイパスした後、バッテリを外部のシステムに接続するための充電装置がまだ１つ存在する。

上述したすべてのバッテリシステムに対して以下が当てはまる。

すなわち、バッテリモジュールの１つまたは複数のセルが故障した際、該当するモジュールの１つまたは複数の分離装置において分離スイッチを開いた後、上記のバイパススイッチを閉じることによってこのモジュールを低抵抗に短絡することができるのである。

これに引き続き、バッテリシステムのバッテリモジュールの数およびバイパスされたバッテリモジュールの数に依存して、すべてのバッテリモジュールによる通常動作に対し、つぎのようなデータを有するバッテリシステムがここでも得られる。

５個のバッテリモジュールを有するバッテリシステムでは、１バッテリモジュールをバイパスした後、欠陥のないバッテリシステムの出力の８０％およびエネルギの８０％をなお有するバッテリシステムが得られる。

上記の文章による開示内容の他に図面における開示内容もよく参照されたい。

Claims (5)

1. 直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）を有するバッテリ、殊にトラクションバッテリであって、
   前記のバッテリモジュールには、１つずつの第１バッテリモジュール極（１ａ，２ａ）および第２バッテリモジュール極（１ｂ，１ｂ）と、前記の第１バッテリモジュール極（１ａ，２ａ）および第２バッテリモジュール極（１ｂ，１ｂ）の間に接続されたバッテリセル（１ｃ，２ｃ）の少なくとも１つの直列回路および／または並列回路とが含まれており、
   前記のバッテリモジュール（１，２）の直列回路の第１端子（３）は、第１バッテリ極（４）に接続されており、
   前記のバッテリモジュール（１，２）の直列回路の第２端子（５）は、第２バッテリ極（６）に接続されている、バッテリにおいて、
   − 前記の直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）のうちの少なくとも１つのバッテリモジュール（１）は、第１バッテリモジュール（１）であり、該第１バッテリモジュールは、少なくとも１つの分離装置（１ｄ）およびバイパス装置（１ｅ）を有しており、
   相応に駆動制御した際、前記の少なくとも１つの分離装置（１ｄ）により、
   前記のバッテリセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路と第１バッテリモジュール極（１ａ）との接続が遮断され、および／または
   第２バッテリモジュール極（１ｂ）との接続が遮断され、および／または
   バッテリセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路が遮断され、
   相応に駆動制御した際には前記の第１バッテリモジュール（１ａ）と第２バッテリモジュール（１ｂ）との間に接続されたバイパス装置（１ｄ）を介し、前記の第１のバッテリモジュール極（１ａ）および第２のバッテリモジュール極（１ｂ）が短絡され、および／または
   − 直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）の少なくとも１つのバッテリモジュール（２）は、第２バッテリモジュール（２）であり、
   当該の第２バッテリモジュールは、少なくとも１つの充電および分離装置（２ｄ）およびバイパス装置（２ｅ）を有しており、
   相応に駆動制御した際には前記の少なくとも１つの充電および分離装置（２ｄ）により、バッテリセル（２ｃ）の直列回路および／または並列回路と、第１バッテリモジュール（２ａ）および／または第２バッテリモジュール（２ｂ）との接続が遮断され、および／または
   バッテリセル（２ｃ）の直列回路および／または並列回路が遮断され、
   前記のバッテリモジュール（２）、ないしはバッテリモジュール（２）を有するバッテリを導通した際に発生する充電電流ないしは補償電流を制限し、
   相応に制御を行った場合、前記の第１バッテリモジュール極（２ａ）と第２バッテリモジュール極（２ｂ）との間に接続されるバイパス装置（２ｅ）を介して第１バッテリモジュール極（２ａ）と第２バッテリモジュール極（２ｂ）とが短絡されることを特徴とする、
   直列接続された少なくとも２つのバッテリモジュール（１，２）を有するバッテリ。
2. 前記のバッテリモジュール（１，２）の直列回路の第１端子（３）と、第１バッテリ極（４）との間に接続されておりおよび／またはバッテリモジュール（１，２）の直列回路の第２端子（５）と第２バッテリ極（６）との間に接続されている充電装置（７）が設けられており、
   前記のバッテリには、第１バッテリモジュール（１）だけが含まれている、
   請求項１に記載のバッテリ。
3. 前記のバッテリには、第２バッテリモジュール（２）だけが含まれている、
   請求項１に記載のバッテリ。
4. 前記のバッテリにはｎ個のバッテリモジュール（１，２）が含まれており、
   ２個の第２バッテリモジュール（２）およびｎ−２個の第１バッテリモジュール（１）が設けられている、
   請求項１に記載のバッテリ。
5. 前記のバッテリセル（１ｃ，２ｃ）の直列回路および／または並列回路と、第１バッテリモジュール極（１ａ，２ａ）との接続が遮断され、および／または、
   前記のバッテリセル（１ｃ，２ｃ）の直列回路および／または並列回路と、第２バッテリモジュール極（１ｂ，２ｂ）との接続が遮断され、および／または、
   前記のバッテリセル（１ｃ，２ｃ）の直列回路および／または並列回路が遮断される場合に、前記のバイパス装置（１ｅ，２ｅ）により、第１バッテリモジュール極（１ａ，２ａ）と、第２バッテリモジュール極（１ｂ，２ｂ）との短絡が行われ得るように前記のバイパス装置（１ｅ，２ｅ）が構成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載のバッテリ。

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