JP2013541175A - 保護装置 - Google Patents

Abstract

保護装置は、電気エネルギー蓄積器の変形が生じようとしているとき、または電気エネルギー蓄積器が変形したときに該電気エネルギー蓄積器の放電を行うための放電装置を含む。

Description

従来技術
電気化学的な蓄電用の電池はしばしば、露出すると人や物を危険にさらす可能性がある攻撃性の物質を含むことが多い。エネルギー蓄積器の中には、そのような危険の他にさらに、使用される電解質が可燃性であるため火災や爆発の危険もある電池もあり、たとえばリチウムイオン（「Ｌｉイオン」）電池ではそのような危険がある。それゆえ公知の電池やキャパシタは、予測される機械的負荷にも、電池の被覆部が損傷することなく電池やキャパシタが耐え、危険物質がエネルギー蓄積器の周辺に流出するのを防止するように構成される。

それにも関わらず、被覆部の損傷を完全に排除することはできず、事故時にはたとえば、車載電気網の給電や駆動に電池を使用することができる自動車の領域において、良好に保護された電池も大きく変形して破裂することがある。流出した電解質の着火はこの変形中に発生するかまたはそれ以降に発生し、場合によっては、数秒または数分経過してから初めて発生することもある。

本発明の課題は、エネルギー蓄積器が変形によって損傷されたときにこのエネルギー蓄積器から人や材料を保護するための保護装置および保護方法を提供することである。

本発明では前記課題は、請求項１に記載の構成を有する保護装置と、請求項１０に記載の特徴を有する保護方法と、請求項１１に記載の特徴を有するコンピュータプログラム製品とによって解決される。

本発明の開示
電池やキャパシタ等であるエネルギー蓄積器やエネルギー蓄積器の電解質の火災や爆発の危険性は、エネルギー蓄積器の充電状態に依存する。テストを行った結果、電解質が露出したときのエネルギー蓄積器の充電状態の低下の割合が小さいと、変形しても火災または爆発による損傷を回避できる場合が多いことが判明した。

それゆえ本発明では、電気エネルギー蓄積器の変形が生じようとしているとき、または電気エネルギー蓄積器が変形したときに該電気エネルギー蓄積器の放電を行うための放電装置を備えた保護装置を使用することを提案する。電池の変形速度および最大容量に依存して、場合によってはさらに、電池の予測される変形が生じるまでの警報時間にも依存して、該電池の充電状態を適時に、十分な割合だけ低下させることにより、電解質の流出によって火災ないしは爆発が生じるのが回避されるようにすることができる。

本発明の第１の実施形態では、前記保護装置は、エネルギー蓄積器の変形が生じようとしていること、またはエネルギー蓄積器の変形が生じたことを判定するための決定装置と、この判定結果に依存してエネルギー蓄積器の放電を行うための放電装置とを含む。前記決定装置は有利には、エネルギー蓄積器の変形が生じようとしていることまたはエネルギー蓄積器の変形が生じたことの判定の品質を上昇させるために、電池の周辺に設けられたセンサまたは処理装置に接続することができ、たとえば自動車において、衝突を示唆する、セーフティシステムの信号（"pre-crash"）を受け取ることができる。この実施形態の代わりに、またはこの実施形態と併せてさらに、センサ値を検出し、このセンサ値に基づいて、エネルギー蓄積器の生じようとしている変形を前記決定装置によって判定することができる。

一実施形態では、前記決定装置はエネルギー蓄積器の変形速度を求めるように構成されている。その際には前記放電装置は、求められたこの変形速度に依存してエネルギー蓄積器の放電を行うように構成されている。生じた変形速度ないしは生じようとしている変形速度が高い場合には、たとえば、エネルギー蓄積器の放電速度も高くすることができる。

また、前記決定装置がエネルギー蓄積器の変形の程度を求めるように構成することもできる。その際には前記保護装置は、求められたこの変形の程度に依存して前記エネルギー蓄積器の放電を行うように構成される。生じた変形の程度ないしは生じようとしている変形の程度が大きい場合には、たとえば、エネルギー蓄積器の放電速度も高くすることができる。

本発明の第２の実施形態では、前記エネルギー蓄積器に第１の電気的コンタクト部材と第２の電気的コンタクト部材とを相互に隣接させて取り付ける。この第２の実施形態は、前記第１の実施形態と併用することができる。前記第１のコンタクト部材は、軸方向に押しつぶされたときに半径方向に伸長することにより、前記第２のコンタクト部材と導電接続するように構成されている。このような構成は、簡単かつ低コストで実現することができる。このように純粋に機械的な実装がなされることにより、保護装置の信頼性を非常に高くすることができる。

前記第１のコンタクト部材は、軸方向に変形するときに半径方向の伸長を促すために、狭窄化されたかまたは胴太の円筒形の形状を有することができる。さらに、前記第１のコンタクト部材は軸方向のスリットを有することもできる。前記スリットはとりわけ、前記第２のコンタクト部材が配置された方向に対して垂直な方向に延在することができる。前記スリットにより、軸方向に変形するときに、前記第２のコンタクト部材の方を向いている前記第１のコンタクト部材の部分が該第２のコンタクト部材の方向に変形するのがより容易になるようにすることができる。

有利には、第２のコンタクト部材は適切に変形可能であるように構成されることにより、両コンタクト部材が変形時に相互に良好に電気的コンタクトするように構成される。

前記放電装置は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するように構成することができる。前記放電装置と熱伝導結合された熱的材料を設けることができる。前記熱的材料は、熱を吸収することにより物質状態を遷移することができる材料であり、これによって、高い熱量を短時間以内で排出することができる。このことにより、保護装置の放電速度を上昇させ、放電装置が大きく加熱されることによる危険を最小限にすることができる。

電気エネルギー蓄積器の放電を行う保護方法は、エネルギー蓄積器の変形が生じようとしていること、またはエネルギー蓄積器の変形が生じたことを判定するステップと、当該判定結果に依存してエネルギー蓄積器の放電を行うステップとを含む。

前記保護方法の一部、とりわけ電気エネルギー蓄積器の変形が生じようとしていることを判定するステップは、該電気エネルギー蓄積器の周辺においてすでに設けられている機能の範囲内で実施することができる。この機能はとりわけ、前記電気エネルギー蓄積器のエネルギー管理システムとすることができる。

前記保護方法は、プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品として、処理装置上で実行するか、または、コンピュータ読出し可能なデータ担体上に記憶することができる。

以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

保護装置のブロック回路図である。 図１の保護装置の抵抗を示す図である。 機械的な保護装置を示す図である。 図４の保護装置のコンタクト部材の択一的な実施形態を示す図である。 図４の保護装置の制御方法のフローチャートである。

実施形態の詳細な説明
図１に、保護装置１００をブロック回路図で示す。処理装置１１０がセンサ１２０に接続されている。前記処理装置１１０は有利には、マイクロコンピュータの形態の電子処理装置とされるが、ハードワイヤードロジックとして構成することもできる。

センサ１２０は通常、エネルギー蓄積器１５０に取り付けられるか、または該エネルギー蓄積器１５０の直近に配置される。センサ１２０は、エネルギー蓄積器１５０の発生した変形または発生しようとしている変形を示唆する１つまたは複数の物理量を検出することができ、たとえば伸長、圧縮、力、加速度または振動を検出することができる。別の実施形態では、前記物理量のうち複数を組み合わせるか、または前記物理量のうち複数を複数のセンサ１２０によってサンプリングし、処理装置１１０へ供給することもできる。

前記処理装置１１０はさらにインタフェース１３０にも接続されており、該インタフェース１３０を介して別の構成要素との間で、別のセンサ値および／または検出結果が交換できるように構成されている。前記保護装置１００を自動車において使用する場合には、前記インタフェース１３０を用いて、前記処理装置１１０と自動車の１つまたは複数の制御システムとを接続することができる。

さらに、前記処理装置１１０は放電装置１４０に接続されている。この放電装置１４０は、電気エネルギーをエネルギー蓄積器１５０から取り出すために構成されている。このエネルギー蓄積器１５０は、保護装置１００の一構成要素とするか、または別体の部品とすることができる。いずれの場合にも、保護装置１００の別の構成要素、とりわけ処理装置１００を、エネルギー蓄積器１５０の直近に配置することができ、また、エネルギー蓄積器１５０内部に取り付けることもできる。

前記エネルギー蓄積器１５０は、通常は電気化学エネルギー蓄積器であり、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル金属ハイブリッド（「ＮｉＭｈ」）電池、または電気二重層コンデンサである。変形した場合、または別の原因により電解質が流出した場合にエネルギー蓄積器１５０が爆発または着火する傾向は、エネルギー蓄積器１５０の充電状態に依存する。エネルギー蓄積器１５０の充電状態が高いほど、爆発または火災の危険性は高くなる。

放電装置１４０はエネルギー蓄積器１５０に導電接続されている。短時間以内でエネルギー蓄積器１５０から大量の電気エネルギーを確実に取り出せるようにするためには、断面が大きい導電接続部が有利であり、たとえば、編組された銅ケーブルの形態の導電接続部が有利である。放電装置１４０は、エネルギー蓄積器１５０からの電気エネルギーの取り出しを制御するためのスイッチを含む。このスイッチはたとえば、１つまたは複数のトランジスタ、たとえば電界効果トランジスタ（［ＦＥＴ］）を含むことができる。また、たとえば電磁作動型、流体圧作動型または空気圧作動型である従来のスイッチを設けることもできる。前記放電装置１４０は、前記エネルギー蓄積器１５０から取り出された電気エネルギーを別のエネルギー形態に変換し、有利には熱に変換する。別の実施形態では、この取り出された電気エネルギーを別の用途に利用することもでき、たとえば、鉛電池等である別のエネルギー蓄積器の充電に利用することもできる。

図２Ａおよび２Ｂに、図１の放電装置１４０内部において電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための抵抗２００の異なる実施形態を示す。絶縁体２１０に抵抗ワイヤ２２０が複数回巻き付けられており、該抵抗ワイヤ２２０は電気的端子２３０に接続されている。前記絶縁体２１０は抵抗ワイヤ２２０の巻線を支持し、有利にはこの絶縁体２１０は、高い熱伝導率を有するセラミック材料から形成されている。別の実施形態では、前記絶縁体２１０を省略することもできる。

図２Ａでは、抵抗２００はさらにケーシング２４０を有し、該ケーシング２４０は前記絶縁体２１０と、前記抵抗ワイヤ２２０と、塩粒２５０とを収容する。塩粒２５０は熱の影響を受けると、塩粒２５０の物質状態は固体から液体に変化し、その際に塩粒２５０は、大量の熱エネルギーを吸収する。抵抗ワイヤ２２０に電流が流れると該抵抗ワイヤ２２０は加熱され、それにより塩粒２５０が加熱される。塩粒２５０が特定の温度になると、該塩粒２５０の物質状態は固体から液体に変化し、該塩粒２５０は大量の熱エネルギーを吸収するようになり、この熱エネルギーの吸収によって抵抗ワイヤ２２０は冷却される。液体化した塩粒２５０を流出させるための装置を設けることにより、抵抗ワイヤ２２０が、固体状態の別の塩粒２５０によって包囲されるようにすることができる。

別の実施形態では、前記抵抗ワイヤ２２０の熱の影響を受けて物質状態ないしは相を変化させる別の熱的材料、たとえば固体から液体へ、および／または液体から気体へ変化する別の熱的材料を、前記熱的材料２５０として使用することもできる。

図２Ｂに、図２Ａの抵抗２００の一実施形態を示す。絶縁体２１０と抵抗ワイヤ２２０と電気的端子２３０とは、図２Ａと同様に構成されているが、図２Ａに示された塩粒２５０が設けられたケーシング２４０の場所には、前記抵抗ワイヤ２２０を液体によって冷却するためのチューブシステムないしは配管システム２６０が設けられている。この配管システム２６０は、抵抗ワイヤ２２０を包含する絶縁体２１０を幾重にも包囲し、この配管システム２６０内に液体が流れる。この配管システム２６０内に流れる液体は、自動車の液冷システムの一構成要素とすることができ、この液冷システムに、図１の保護システム１００が組み込まれる。別の実施形態では、前記絶縁体２１０および前記抵抗ワイヤ２２０の周囲に直に、冷却用液体を流すこともできる。こうするためには、前記絶縁体２１０および前記抵抗ワイヤ２２０を配管システム２６０内に配置することができる。

有利には、抵抗２００にて発生した熱が周辺へ放出されるように、たとえば自動車の別の部品へ放出されるように、該抵抗２００を配置する。自動車のこのような別の部品はたとえば、車体、走行装置部品またはエンジンブロックを含むことができる。別の実施形態では前記抵抗２００は、自動車の前述の部品を通る電流路によって構成される。

さらに有利には、抵抗２００を通って熱が放出されることによりエネルギー蓄積器１５０が実質的に加熱されないように、該抵抗２００による熱の放出を行う。このことを実現するためにはたとえば、抵抗２００とエネルギー蓄積器１５０との間に所定の最小間隔を設けることができる。上述の実施形態の代わりに択一的に、抵抗２００とエネルギー蓄積器１５０との間に熱絶縁体を設けることもできる。

図３に、機械的な保護装置３００の垂直方向の断面を示しており、図３Ａは、未損傷状態の保護装置３００を示し、図３Ｂは、垂直方向に変形した保護装置３００を示す。

ケーシング３１０内に、円柱形のリチウムイオン電池として構成されたエネルギー蓄積器１５０が収容されている。ケーシング３１０の上面は、封止板３２０によって封止されている。この封止板３２０に２つのコンタクト部材３３０が相互に隣接して配置されており、両コンタクト部材３３０は電気的線路３４０を用いて、エネルギー蓄積器１５０の正極ないしは負極に電気的に接続されている。負荷に接続するためにコンタクト部材３３０に上方向からアクセスできる状態に維持し、かつ側方では該コンタクト部材３３０がカバーされるように、オプションのカバー部３５０が保護装置３００を上方向から封止している。

両コンタクト３３０はそれぞれ、下面が閉じられた円筒形の形状を有し、この円筒形は、該円筒形の高さの約２／３にまで狭められている。その代わりに択一的な実施形態では、図中に示された断面を実質的に変えずに、両コンタクト部材３３０をフラットな部材から、たとえば金属板ストリップから形成することができる。

前記保護装置３００が垂直方向に押しつぶされると、コンタクト部材３３０は変形してよりフラットかつより幅広くなり、このことにより、両コンタクト部材３３０の相互間に電気的コンタクトが閉成されるまで、両コンタクト部材３３０の外側の境界面が相互に接するように動く。このような変形時に生じる前記カバー部３５０の変形の仕方は任意であり、このカバー部３５０の変形時には、該カバー部３５０の破壊も甘受することができる。その際には、カバー部３５０の一部が両コンタクト部材３３０の間の領域に入り込んで両コンタクト部材３３０のコンタクトが阻害されることがないように留意するだけでよい。このコンタクト閉成により、両コンタクト部材３３０間に電流が流れ、この電流が両コンタクト部材３３０を加熱する。この実施例では、コンタクト部材３３０は、エネルギー蓄積器３００の変形が生じたことを判定する決定装置としても、エネルギー蓄積器１５０の電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための放電装置としても機能する。封止板３２０は、生じた熱からエネルギー蓄積器１５０を遮蔽するために熱絶縁性に構成することができる。

図４に、図３の保護装置３００のコンタクト部材３３０の択一的な実施形態を示す。関連性を分かりやすくするため、ここでも付加的に封止板３２０を示す。図４Ａには未損傷状態のコンタクト部材３３０を示し、図４Ｂには、垂直方向に押しつぶされたコンタクト部材３３０を示す。

ここでは、各コンタクト部材３３０の縦断面を示しており、各コンタクト部材３３０は、底面が閉じられた円筒形から派生した形状を有する。コンタクト部材３３０は上端部および下端部において、半径方向に凹んだ部分を有し、これにより、コンタクト部材３３０は胴太の形状を有するようになる。図４Ａでは、図３Ａおよび３Ｂと同様の両コンタクト部材３３０の長手方向に垂直に、スリット４１０が延在する。

前記スリット４１０はコンタクト部材３３０が図４Ｂに示されたように垂直方向に変形したときに両コンタクト部材３３０の幅が広がって両コンタクト部材３３０が相互に接するのを容易にするように、両コンタクト部材３３０に設けられる。上述の変形時には、これらのスリット４１０は図中のように菱形になる。有利には、前記スリット４１０は一対となって、コンタクト部材３３０の垂直方向の長手軸を挟んで相互に対向する。その際に有利なのは、各コンタクト部材３３０において、それぞれ他方のコンタクト部材３３０の方向を向いている領域にスリット４１０を設けないことである。

図５に、図１の保護装置１００の制御方法５００のフローチャートである。前記制御方法５００はたとえば、図１の保護装置１００の処理装置１１０上で実行することができる。抽象的には、前記制御方法５００は図３の保護装置３００に適用することもできる。しかし、以下では特に、図１の保護装置１００との併用に関して説明する。

制御方法５００はステップ５１０〜５３０を含む。第１のステップ５１０において、エネルギー蓄積器１５０の変形が生じようとしていることないしは生じたことを判定する。たとえば、エネルギー蓄積器１５０の領域における加速度が特に高いかまたは特に低い場合、または、エネルギー蓄積器１５０の周辺においてセーフティ機能が作動した場合、たとえばシートベルトテンショナ、エアバッグ、座席調整装置、または、衝突による損傷を最小限にするための自動車の別のセーフティ装置が作動した場合、変形が生じようとしていることを判定することができる。

ステップ５２０において、ステップ５１０において得られた判定結果に依存してエネルギー蓄積器１５０の放電を行う。このエネルギー蓄積器１５０の放電は、変形に付随する状況に依存して行うことができ、とりわけ、変形が生じるまでの予測される時間、生じようとしている変形速度または生じた変形速度、および／または、生じようとしている変形の程度または生じた変形の程度に、放電速度および放電の程度が依存することができる。別のパラメータを評価することもでき、たとえばエネルギー蓄積器１５０の充電状態を評価することができる。エネルギー蓄積器１５０の充電状態がたとえば２／３〜完全充電状態の領域内である場合、当該エネルギー蓄積器の充電状態が最大容量の２／３未満である場合よりも、放電速度および／または放電の程度を大きくすることができる。

オプションのステップ５３０において、放電を終了させる。予め定められた変形の程度で予め定められた変形が生じた後、および／または、エネルギー蓄積器１５０の予め定められた充電の程度に達した場合、および／または、エネルギー蓄積器１５０の予め定められた放電の程度に達した場合、前記ステップ５３０を実施することができる。ステップ５３０は、別のパラメータに依存することもできる。

Claims (11)

1. 電気エネルギー蓄積器（１５０）の変形が生じようとしているとき、または電気エネルギー蓄積器（１５０）の変形が生じたときに該電気エネルギー蓄積器（１５０）の放電を行うための放電装置（１４０，３３０）を備えた保護装置（１００，３００）。
2. 前記保護装置は、
   前記エネルギー蓄積器（１５０）の変形が生じようとしていること、または前記エネルギー蓄積器（１５０）の変形が生じたことを判定するための決定装置（１１０）と、
   前記判定結果に依存して前記エネルギー蓄積器（１５０）の放電を行うための放電装置（１４０）と
   を含む、
   請求項１記載の保護装置（１００）。
3. 前記決定装置（１１０）は、前記エネルギー蓄積器（１５０）の変形速度を求めるように構成されており、
   前記放電装置（１４０）は、求められた前記変形速度に依存して前記エネルギー蓄積器（１５０）の放電を行うように構成されている、
   請求項２記載の保護装置（１００）。
4. 前記決定装置（１１０）は、前記エネルギー蓄積器（１５０）の変形の程度を求めるように構成されており、
   前記放電装置（１４０）は、求められた前記変形の程度に依存して前記エネルギー蓄積器（１５０）の放電を行うように構成されている、
   請求項２または３記載の保護装置（１００）。
5. 前記エネルギー蓄積器（１５０）に、２つの電気的なコンタクト部材（３３０）が相互に隣接して取り付けられており、
   第１のコンタクト部材（３３０）は、軸方向に押しつぶされたときに半径方向に伸長することにより第２のコンタクト部材（３３０）と導電接続するように構成されている、
   請求項１記載の保護装置（３００）。
6. 前記第１のコンタクト部材（３３０）は、狭窄化されたかまたは胴太である円筒形の形状を有する、
   請求項５記載の保護装置。
7. 前記第１のコンタクト部材（３３０）は軸方向のスリット（４１０）を有する、
   請求項５または６記載の保護装置（３００）。
8. 前記放電装置（１４０，３３０）は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するように構成されている、
   請求項２から７までのいずれか１項記載の保護装置（１００，３００）。
9. 熱エネルギーを吸収すると物質状態を変化させる熱的材料（２５０）が前記放電装置（１４０，３３０）に熱伝導結合されている、
   請求項８記載の保護装置（１００，３００）。
10. 電気エネルギー蓄積器の放電を行う保護方法（５００）であって、
    ・エネルギー蓄積器（１５０）の変形を判定するステップ（５１０）と、
    ・放電装置（１４０，３３０）を用いて、前記判定結果に依存して前記エネルギー蓄積器（１５０）の放電を行うステップ（５２０）と
    を含むことを特徴とする、保護方法（５００）。
11. 請求項１０に記載の保護方法（５００）が処理装置（１１０）上で実行されるか、または、コンピュータ読出し可能なデータ担体上に記憶された場合、当該保護方法（５００）を実施するためのプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム製品。

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