JP2013534399A

JP2013534399A - バッテリシステム、及び、複数の直列接続されたバッテリセルを充電する方法

Info

Publication number: JP2013534399A
Application number: JP2013522150A
Authority: JP
Inventors: クルーテ、クリスティアン; マティアス、フランソワ; ハイトケンパー、フランク; トーマス、ローベルト
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-09-02
Also published as: CN103155339A; WO2012016736A3; US20130193926A1; KR20130070630A; WO2012016736A2; DE102010038882A1; EP2601721A2

Abstract

複数の直列接続されたバッテリセル（１０）を備えたバッテリシステム（１００）であって、複数のバッテリセル（１０）の少なくとも１つには、電気素子（１２）が並列に接続され、電気素子（１２）及びバッテリセル（１０）に印加される電圧が所定の電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回る場合には、電気素子（１２）の抵抗が下がる、上記バッテリシステム（１００）が記載される。さらに、本発明に係るバッテリシステム（１００）により実施可能な、複数の直列接続されたバッテリセル（１０）を充電する方法が記載される。
【選択図】図１
【その他】
国際段階において、「ローベルトボッシュゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング」及び「三星エスディアイ株式会社」へ出願人の名義を変更する手続きが行われています。

Description

本発明は、バッテリシステム、本発明に係るバッテリシステムを備える車両、及び、複数の直列接続されたバッテリセルを充電する方法に関する。

リチウムイオン技術を用いて、他のバッテリ技術で製造されるバッテリよりも高いエネルギー密度を有する高出力バッテリを製造することが可能である。さらに、リチウムイオンバッテリは、メモリ効果（Ｍｅｍｏｒｙ−Ｅｆｆｅｋｔ）として知られるコンデンサ損に悩まされない。これに対して、リチウムイオンバッテリセルの数少ない欠点のうちの１つは、セル電圧値が典型的に４．２Ｖより大きい場合に起こる過電圧になりやすいことである。過電圧の際には、金属リチウムが陰極上に堆積し、これにより、陽極材料が酸化性要素となりその安定性が失われる。これによりバッテリセルが更に熱を発し、極端な場合には発火する可能性がある（所謂熱暴走）。電気自動車内での適用において数百の直列接続されたバッテリセルで構成されるバッテリパックでは、１つのセルの熱暴走が全バッテリパック内のカスケード反応を引き起こしうるので、過電圧は必ず防止しなければならない。

熱暴走を防止するために、リチウムイオンバッテリパック内に含まれる個別セルの電圧は、特別な制御回路を介して監視される。その際に制御回路は、バッテリセルを１２個まで監視することが可能である。バッテリパックの充電の途中で、バッテリセルのうちの１つで過電圧が発生した場合には、制御回路を備えるバッテリ管理システムによって瞬時に高電圧接触器が解放され、バッテリパック全体の充電プロセスが中断される。このやり方によって、バッテリパックの安全は保障されるが、複数の欠点がある。

即ち、制御回路上に評価回路を装備するには、比較的高いコストが掛かる。さらに、過電圧を有するバッテリのみならず、バッテリセル全体の充電プロセスが中断される。電気自動車のＤＣチョッパ、充電装置、又は電動機の作動又は停止に起因する短く、非クリティカルな（ｕｎｋｒｉｔｉｓｃｈ）ピーク電圧が既にバッテリの停止を招き、これにより例えば、電気自動車が走行を継続出来ないということになりうる。更に、従来の構想は、安価な単相の充電装置を利用する際には適切ではない。なぜならば、上記充電装置は、満充電になる前にバッテリの停止をもたらしうる正弦波形状の高い電流リップル、従って、これに対応する電圧リップルも形成するからである。最後に、従来の方法を利用した際には、バッテリパックの利用可能な容量が制限されることになる。なぜならば、充電プロセスの期間の間、関連する充電状態を定義する開放電圧よりもセル電圧が高いからである。過電圧の損傷により充電が突然中止された場合に、バッテリセルはこの時点では常に、その全容量に対応するだけ未だ充電されていない。

セル電圧の監視の他に、制御回路はバッテリセルの電圧を平衡化するというタスクを有する。このことは、幾つかのバッテリセルが既に１００％の充電状態にあり、従って過電圧停止制限値の近傍にある一方で、残りのバッテリセルの大部分が未だ明らかに１００％を下回る充電状態を有するということを防止するために必要である。従って、複数の充電段階の間に充電平衡化の段階が無ければ、バッテリパックの利用可能な容量は、個別セルの利用可能な容量の和よりも遥かに低いであろう。

従って従来では、充電段階の前又は充電段階の間に、セルの充電平衡化（所謂セルバランシング、ＣｅｌｌＢａｌａｎｃｉｎｇ）が行われ、その際に、最も高く充電されたバッテリセルが、全てのバッテリセルが最も低く充電されたセルの充電状態に近づくまで、制御回路上の抵抗を介して放電される。この従来使用されるストラテジはセルの充電平衡化を保証するが、幾つかの欠点がある。

制御回路上の評価回路に掛かる批判すべき比較的高いコストと並んで、発生した熱が中央の制御回路へと導かれることに起因するバッテリパック内での不均一な温度分布は不利である。さらに、充電平衡化は比較的長い時間を必要とする。なぜならば、充電平衡化は常に、バッテリパックの少数のバッテリセルで同時に（典型的には、１２個のバッテリセルのうちの１つのみが、所与の時点に制御回路の抵抗を介して放電されうる）、バッテリ状態検出のための休止段階と入れ替わりに行われるからである。

本発明によれば、複数の直列接続されたバッテリセルを備えたバッテリシステムであって、複数のバッテリセルの少なくとも１つに、電気素子が並列に接続される、上記バッテリシステムが提供される。電気素子及びバッテリセルに共通に印加される電圧が、所定の電圧閾値を上回る場合には、電気素子の抵抗が下がる。

バッテリシステムは、好適にリチウムイオンバッテリシステムである。

本発明に係るバッテリシステムは、バッテリセルに印加される電圧を評価するために、いかなる種類のインテリジェンス（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｚ）又はソフトウェアも必要としないという利点を有する。本発明に係るバッテリシステムでは、所望の特性を備えた安価な電気素子を利用して、バッテリセル間の充電平衡化のための堅牢な方法を、同時に過電圧を回避しながら実施することが可能である。直列接続されたバッテリセルの利用可能な容量は、個々のセル容量の和に等しい。さらに、本発明に係るバッテリシステムで実施される充電プロセスは、ピーク電圧に対して堅牢であり、従って、この充電プロセスは、単相の充電装置を利用しても問題なく実施することが可能である。充電プロセスの際に、利用される全電気素子を介して熱が生じるため、バッテリシステム内の温度分布は、従来技術で公知のシステム内よりも均一である。最後に、充電プロセス及び充電平衡化の時間が比較的短い。なぜならば、所望の特性を備えた適切な電気素子が並列に接続される全バッテリセルの充電平衡化が、同時に行われるからである。

好適に、各複数のバッテリセルにはそれぞれ電気素子が並列に接続され、電気素子、及び、当該電気素子と並列に接続されたバッテリセルに印加される電圧が所定の電圧閾値を上回る場合には、電気素子の抵抗が下がる。

所定の電圧閾値を上回ると、電気素子の抵抗は、印加される電圧が上がるにつれて指数関数的に下がりうる。

電気素子は、ツェナーダイオードであってもよい。但し、例えば、ＴＶＳ（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＶｏｔａｇｅＳｕｐｐｒｅｓｓｏｒ、過度電圧抑制器）ダイオードとしても知られる抑制ダイオード、又は、酸化金属バリスタを利用した他の実現も可能である。これら構成要素は、その特性曲線に関してツェナーダイオードと類似した特性を有する。上記の構成要素とトランジスタとの組み合わせも可能である。

本発明の更なる別の観点は、本発明に係るバッテリシステムを備えた車両であって、バッテリシステムは車両の駆動システムと接続される、上記車両に関する。

本発明の更なる別の観点は、複数の直列接続されたバッテリセルを充電する方法であって、複数の直列接続されたバッテリセルには、充電プロセスの間充電電流が供給され、バッテリセルに印加される電圧が所定の電圧閾値を上回る場合には、複数のバッテリセルの１つを通って流れる電流が抑制される、上記方法に関する。電圧閾値を上回る際には、バッテリセルに並列に接続された電気素子の抵抗が下がり、充電電流の一部が電気素子を通って流れることが構想される。

本発明に係る方法は、従来技術と比較してバッテリセルの充電が簡素化されるという利点を有する。特に、複数のバッテリセルは、所謂ＣＣ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ、定電流）充電段階において一定の充電電流によって満充電されうる。その際に、バッテリセル内で過電圧が発生することはなく、同時に、バッテリセル間の充電平衡化が行われる。

その際に、充電プロセスは以下のように進行する。即ち、最初に、僅かに異なる充電状態を有するバッテリセルが、最も高い充電状態を有するバッテリセルが電圧閾値（例えば、ツェナーダイオードのアバランシェ電圧）に達するまで充電される。その後、最も高い充電状態を有するバッテリセル内では、ますます量が増大する充電電流を、高い充電状態を有するバッテリセルに通さずに案内する電気素子の抵抗が急激に下がり、これにより、高い充電状態を有するバッテリセルは、より低い充電状態を有するバッテリセルよりも少なく充電される。従って、電気素子の並列回路はパイパス回路の効果を有する。

更なる充電の際には、充電電流はほぼ完全に、電気素子により形成されるバイパス回路を通って案内されるため、ほぼ１００％の充電状態を有するバッテリセル内には、充電電流が来なくなり、一方、残りのバッテリセルは、そのバイパス回路が更なる充電を妨げるまで、引き続いて充電される。

充電プロセスの終了時には、全てのバッテリセルが満充電される。その際に、バッテリセル間の更なる充電平衡化は必要ではない。

バイパス回路の抵抗は、電圧が上がるにつれて指数関数的に小さくなり、従って、全充電電流を迂回して案内するため、全充電プロセスの間にバッテリセル内で過電圧が発生しない。

本発明の実施例が、図面、及び、以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
第１の実施形態に係るバッテリ管理システムを示す。第１の実施形態に係るバッテリシステム内に配置されるツェナーダイオードの特性曲線を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るバッテリシステム１００を示す。バッテリシステム１００は、直列接続された複数のバッテリセル１０を備え、上記バッテリセル１０はそれぞれ、内部抵抗１４を有する。各バッテリセル１０にはそれぞれ、ツェナーダイオード１２が並列に接続され、その際に、ツェナーダイオード１２は、図１に示すバッテリセル１０の極性に対して逆方向に接続される。

特定のバッテリセル１０に並列に接続されるツェナーダイオード１２は、バイパス回路の機能を果たし、上記機能は、充電プロセスの間に、バッテリセル１０のセル電圧が或る電圧閾値を上回ると直ちに作動される。この電圧閾値を超えると、ツェナーダイオード１２の抵抗は、電圧が上がるにつれて指数関数的に下がる。ツェナーダイオード１２の抵抗と、バッテリセル１０の内部抵抗１４との比率に依存して、電圧が上がるにつれて、ますます量が増大する充電電流が、ツェナーダイオード１２を介して流れ、これにより、バッテリセル１０を通らずに案内される。

図２は、図１に示したツェナーダイオード１２の特性曲線を示す。ツェナーダイオード１２は、セル電圧の作動範囲１６内では非常に高い抵抗を有し、従って、この範囲内では（典型的に１μＡより小さい）無視しうる小さな漏れ電流のみが、ツェナーダイオード１２を介して流れる。従って、ツェナーダイオード１２のアバランシェ電圧Ｕ_ＢＲを下回る作動用域１６内では、ツェナーダイオード１２の抵抗は、実際に全充電電流がバッテリセル１０を介して案内され当該バッテリセル１０を充電するほどの高さがある。

ツェナーダイオード１２のアバランシェ電圧Ｕ_ＢＲは、当該アバランシェ電圧Ｕ_ＢＲがバッテリセル１４の過電圧制限値にほぼ対応するように選択される。ツェナーダイオード１２のアバランシェ電圧Ｕ_ＢＲでは、電流Ｉ_１が流れる。電圧が更に上がった場合には（図２の負のＵ［Ｖ］方向）、ツェナーダイオード１２の抵抗は、電圧が更に上がるにつれて指数関数的に下がる。ツェナーダイオード１２の抵抗が低いほど、より大量の電流がこのダイオード１２を介して流れ、これに対応するバッテリセル１０を引き続き充電するために、より少量の電流が提供される。

アバランシェ電圧Ｕ_ＢＲを上回ると、ツェナーダイオード１２を流れる電流が急激に増大し、従って、電圧Ｕ_２では、実際には全充電電流Ｉ_２が、バッテリセル１０を通らず、ツェナーダイオード１２により形成されるバイパス回路を通って案内され、これにより、バッテリセル１０は過電圧から護られる。

放電プロセスの際には、ツェナーダイオード１２の抵抗は、バッテリセル１０の内部抵抗１４に比べて、放電電流が完全にバッテリセル１０を介して流れるほどの高さがある。

Claims

複数の直列接続されたバッテリセル（１０）を備えたバッテリシステム（１００）であって、前記複数のバッテリセル（１０）の少なくとも１つに、電気素子（１２）が並列に接続され、前記電気素子（１２）及び前記バッテリセル（１０）に印加される電圧が所定の電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回る場合には、前記電気素子（１２）の抵抗が下がることを特徴とする、バッテリシステム（１００）。
各前記複数のバッテリセル（１０）にはそれぞれ電気素子（１２）が並列に接続され、前記電気素子（１２）、及び、当該電気素子（１２）に並列に接続された前記バッテリセル（１０）に印加される電圧が前記所定の電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回る場合には、前記電気素子（１２）の抵抗が下がる、請求項１に記載のバッテリシステム（１００）。
前記所定の電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回ると、前記電気素子（１２）の前記抵抗は、印加される電圧が上がるにつれて指数関数的に下がる、請求項１又は２に記載のバッテリシステム（１００）。
前記電気素子は、ツェナーダイオードである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリシステム（１００）。
前記電気素子は、抑制ダイオードである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリシステム（１００）。
前記電気素子は、酸化金属バリスタである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリシステム（１００）。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリシステム（１００）を備えた車両であって、前記バッテリシステム（１００）は、前記車両の駆動システムと接続される、車両。
複数の直列接続されたバッテリセル（１０）を充電する方法であって、前記複数の直列接続されたバッテリセル（１０）には、充電プロセスの間充電電流が供給され、前記バッテリセル（１０）に印加される電圧が所定の電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回る場合には、前記複数のバッテリセル（１０）の１つを通って流れる電流が抑制される、前記方法において、前記電圧閾値（Ｕ_ＢＲ）を上回る際には、前記バッテリセル（１０）に並列に接続された電気素子（１２）の抵抗が下がり、前記充電電流の一部が、前記電気素子（１２）を通って流れることを特徴とする、方法。