JP2015510381A - バッテリシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリ（２）、特に、リチウムイオンセルと、少なくとも１つのヒューズ（６）と少なくとも１つのスイッチングリレー（４）とが電気的に直列接続された過電流スイッチオフ装置（３）と、バッテリ電流（Ｉ）を検出するための少なくとも１つの電流センサ（５ａ；５ｂ）、とを有するバッテリシステム（１）に関し、スイッチングリレー（４）は最大スイッチ可能電流（Ｉｍａｘ）を備える第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ３）を有し、ヒューズ（６）は最小スイッチ可能電流（Ｉｍｉｎ）を備える第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ４）を有し、第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ３）の最大スイッチ可能電流（Ｉｍａｘ）と第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ４）の最小スイッチ可能電流（Ｉｍｉｎ）は作動電流範囲（Ｉ１）の最大電流（Ｉｐ）の上方にあり、かつ当該第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ４）のスイッチ可能電流（Ｉ）は第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ３）のスイッチ可能電流（Ｉ）よりも少なくとも優勢に（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ）大きい。コンポーネントにダメージを与えることなくバッテリ電流を確実に遮断するために、第１および第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ３；Ｉ４）は重複範囲（ΔＩ）を有し、そして、少なくとも１つの第１電流センサ（５ａ）は少なくとも、第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ４）の最小スイッチ可能電流（Ｉｍｉｎ）まで、好ましくは、第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ３）の最大スイッチ可能電流（Ｉｍａｘ）までの電流（Ｉ）を検出するように構成されている。

Description

本発明は、バッテリ、特に、リチウムイオンセルを備えるバッテリと、少なくとも１つのヒューズと少なくとも１つのスイッチングリレーとが電気的に直列接続された過電流スイッチオフ装置と、バッテリ電流を検出するための少なくとも１つの電流センサ、とを有するバッテリシステムに関し、前記スイッチングリレーは最大スイッチ可能電流を備える第１スイッチオフ電流範囲を有し、前記ヒューズは最小スイッチ可能電流を備える第２スイッチオフ電流範囲を有し、前記第１スイッチオフ電流範囲の最大スイッチ可能電流と前記第２スイッチオフ電流範囲の最小スイッチ可能電流は作動電流範囲の最大電流の上方にあり、かつ当該第２スイッチオフ電流範囲のスイッチ可能電流は前記第１スイッチオフ電流範囲のスイッチ可能電流よりも少なくとも優勢に（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ）大きい。

主リレーを開放することのみによって過電流のスイッチオフを行うことが知られている。更に、過電流に対して、又、短絡の場合に、余剰保護を提供するためにしばしば高圧線にヒューズが設けられる。

そのようなバッテリシステムはたとえば特開２００８−１９３７７６号公報（特許文献１）から知られている。当該バッテリシステムは、ヒューズを介して直列に接続された複数のバッテリブロックを有する。更に、当該バッテリシステムは、バッテリの出力側に接続された複数のリレーを有する。このバッテリシステムにおいて、過電流が駆動バッテリに流れるとヒューズがとんでバッテリの電流をスイッチオフする。更に、リレーを制御する制御回路がリレーをスイッチオフして電流を断つ。バッテリシステムのこの制御回路は、バッテリの電流を検出する電流検出回路を備え、バッテリの充電と放電とが検出電流に基づいて制御される。前記電流検出回路は、正常なバッテリの充電および放電範囲内での電流、たとえば、車両のバッテリシステムでは２００Ａ又はそれ以下、を検出する。もしもこれよりも高い電流がバッテリに流れると、特に、異常に高い電流がバッテリに流れると、バッテリ電流を遮断するために前記リレーがスイッチオフされる。

短絡又はバッテリ外部のパワーエレクトロニクスにおけるエラー、あるいは、コンポーネントの故障による、前記システムに不備があると、正常に許容され又は規定の電流範囲を超える電流が発生しうる。そのようなバッテリパックに使用されるヒューズには、過電流遮断のための使用を制限してしまう、不利な特性がある。ヒューズは、老化することなく、また、あまりにも容易にとぶことなく、作動電流範囲に耐えなければならない。これを保証するために、ヒューズ部材をそれに応じて設計しなければならない。しかし、これによってヒューズのスイッチオフ電流下限値（最小スイッチ可能電流）が制限される。ヒューズをこのスイッチオフ電流下限値以下でとぶようにすることはできない。この最低閾値を僅かに下回る電流によってその周囲のパーツの過剰な加熱と火災の発生へとつながる溶解が起こりうる。

他方、上述したタイプのバッテリシステム用に使用可能なリレーには、電流スイッチオフ能力において不利な特性がある。高電流のスイッチオフの結果、再起動時におけるコンタクト抵抗があまりにも不良でそれ以後の作動におけるリレーの過熱が起こり、これにより、システム全体の性能における顕著な低下が発生しうる程度にまで、コンタクトの損傷が発生する可能性がある。更に、強力なアークによって高電流範囲でのスイッチオフ中にコンタクトチャンバ内においてコンタクト材が分散し、それによってリレーの一方のコンタクト極の他方のコンタクト極に対する抵抗が許容閾値以下になってしまう。このことにより、スイッチングリレーが開放されているにもかかわらずバッテリの外部において電圧がタッピングされうる可能性が生じる。

バッテリに接続され、過剰電流が流れた時にとぶヒューズを有するバッテリシステムは、独国特許出願公開第１０２００９０５３７１２号公報（特許文献２）からも知られている。更に、前記バッテリの出力側にはリレーが接続されている。過剰なバッテリ電流を検出することができ、前記リレーは、電流遮断回路を介して制御することができる。この電流遮断回路は、前記リレーのトリッピングのための遅延時間を決定するタイマ部に接続されている。前記タイマ部の遅延時間のために、前記ヒューズの溶解電流は、リレーの最大遮断電流よりも低く、かつ、最大許容バッテリ充電及び放電電流よりも高い、レベルに設定される。リレーの最大遮断電流よりも大きな過剰電流がバッテリに流れる状況において、前記ヒューズが前記タイマ遅延時間中にとび、当該遅延時間経過後、前記電流遮断回路によってリレーが「ＯＮ」から「ＯＦＦ」にスイッチングされる。リレーコンタクトを溶解させるのに十分大きな電流があると、この電流を遮断するために、遅延時間中、ヒューズがとぶ。従って、前記遅延時間中にヒューズが飛ぶことを許容しない過剰電流は、リレーコンタクトが溶解することを許容しない電流であり、これが遅延時間後にリレーをトリップできる理由である。

前記過電流のレベルが検出されず遅延時間経過後になって初めてリレーがトリップされるということは不都合である。前記遅延時間はわずか０．３秒にすぎないが、最大作動電流強度よりも大きいが、ヒューズのトリッピング電流強度よりかはわずかに小さな電流強度において周囲のバーツの過剰な加熱が生じ、その結果、局所的な熱過負荷を回避することができない。

特開２００８−１９３７７６号公報 独国特許出願公開第１０２００９０５３７１２号公報

本発明の課題は、コンポーネントの熱過負荷を導くことなくバッテリ電流を確実に遮断又はスイッチオフすることの可能なバッテリシステムを最も簡単に提供することにある。

これは、本発明に依れば、前記第１および第２スイッチオフ電流範囲が重複範囲を有し、かつ、少なくとも１つの第１電流センサが前記第２スイッチオフ電流範囲の最小スイッチ可能電流まで、好ましくは、前記第１スイッチオフ電流範囲の最大スイッチ可能電流までの電流を検出するように構成されることによって達成される。

好ましくは、第２電流センサは、前記作動電流範囲内のみの電流を検出するように構成される。

前記作動電流範囲は、作動的に正常な充電および放電プロセスが、なんら時間制限無く、コンポーネントに熱的に過負荷を与えることなく行うことが可能な電流範囲である。しかしながら、前記作動電流範囲の充電および放電電流よりも大きな過電流範囲の電流が発生する。従って、過電流範囲は当該過電流範囲の最大許容電流から短絡電流までである。過電流によって、特に、それらが長時間続く場合に、コンポーネントに対する熱応力が生じる。

前記重複範囲は、前記第１スイッチオフ電流範囲の少なくとも５％、好ましくは、少なくとも１０％にすることができる。

独国特許出願公開第１０２００９０５３７１２号公報（特許文献２）と異なり、スイッチングリレーをトリップするために遅延時間を待つ必要がない。従って、前記バッテリ制御ユニットが、前記電流センサによって測定された電流が前記第１スイッチオフ電流範囲内ではあるが、最大作動電流範囲以上である、と判断したら、スイッチングリレーのトリッピングは即座に起こる。

前記バッテリ電流は、好ましくは、前記第２スイッチオフ電流範囲の最小スイッチ可能電流以下、好ましくは、前記最大作動電流範囲以上、の電流の場合に、前記スイッチングリレーを作動させることによって遮断される。

更に、前記第１スイッチオフ電流範囲以上又は前記第２スイッチオフ電流範囲の最小スイッチ可能電流以上のバッテリ電流の場合には、前記スイッチングリレーの開放が防止されるように構成することも可能である。他方、前記第２スイッチオフ電流範囲以下の電流の場合には、前記ヒューズによるバッテリ電流の遮断は防止される。

前記電流センサの少なくとも一つが少なくとも前記重複範囲の始まりまでの測定を行う能力を有しているので、スイッチングリレーを作動可能であるか否かを直接に判断することができる。その後、前記電流測定に基づいて、前記スイッチングリレーがまだ閉じられたままにするか（測定電流がリレーのスイッチング電流よりも高い場合）、あるいは、それを開放して（測定電流がリレーの最大スイッチ可能電流よりも低いので）電気回路を遮断するか否か、を判断することができる。

もしも電流がずっと高すぎるままであるならば、前記ヒューズが電気回路を遮断することになる。従って、その後、前記電流測定によって、電流がリレーの最大スイッチ可能電流よりも低く、従って、リレーを再び開放することができる、ことを認識することができる。

本発明によるバッテリシステムを概略図示する。 本発明によるバッテリシステムの過電流スイッチオフ装置の作動範囲を図示している。

以下、図面を参照しながら本発明についてより詳細に説明する。

前記バッテリシステム１は、リチャーヂャブルバッテリ２、たとえば、リチウムイオン蓄電池と、スイッチングリレー４と第１電流センサ５ａと第２電流センサ５ｂと溶解可能なカットアウトとして設けられたヒューズ６とを備える過電流スイッチオフ装置３と、を有する。前記バッテリ２、スイッチングリレー４、および電流センサ５ａ，５ｂは、バッテリ制御ユニットＢＣＵと接続されている。前記スイッチングリレー４は、第１スイッチオフ電流範囲Ｉ_３を有し、この範囲内において、スイッチングリレー４は少なくとも一度フェールセーフ方式にスイッチング可能であり、これによって、スイッチングリレー４の絶縁抵抗は十分に高い範囲にある。

前記二つの電流センサ５ａ，５ｂは、異なる測定範囲を有する。第１電流センサ５ａは、スイッチングリレー４の第１スイッチオフ電流範囲Ｉ_３を実質的にカバーする別の測定範囲Ｉ_２を有する。この電流センサ５ａの測定精度はそれほど高いものである必要はない。

前記第２電流センサ５ｂは、最大許容ピーク電流Ｉ_ｐまでの作動電流範囲Ｉ_１用に構成されている。前記ヒューズ６は、第２スイッチオフ電流範囲Ｉ_４を有する。この第２スイッチオフ電流範囲Ｉ_４は、高電流Ｉにおいて、前記第１スイッチオフ範囲Ｉ_３よりも優勢に（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ）高く、ここで、第１スイッチオフ電流範囲Ｉ_３と第２スイッチオフ電流範囲Ｉ_４とは重複範囲ΔＩを有する。Ｉ_ｃは、コンポーネントの熱過負荷無しで時間制限無く作動が可能な連続作動電流を示している。

Ｉ_Ｕは前記作動範囲Ｉ_１を超えて短絡電流Ｉ_ｓｃまで及ぶ過電流範囲を示している。ＮＡは、前記スイッチングリレー４とヒューズ６のための図２のスイッチ不能電流範囲を示している。

前記第１電流センサ５ａは、前記重複範囲ΔＩまでを測定する能力を提供する。第１電流センサ５ａの測定に基づいて、前記スイッチングリレー４がまだ閉じられたままであるのか、それとも開放されているのか、が判断される。前記スイッチングリレー４は、電流Ｉが第１電流センサ５ａの測定範囲以上にある時には常に閉じられた状態に留まる。なぜなら、この場合、この電流Ｉがスイッチングリレー４のために高すぎるからである。もしも電流Ｉが前記過電流範囲Ｉ_Ｕにあるが、スイッチングリレー４の最大スイッチ可能電流Ｉ_ｍａｘよりかは低い場合には、この電流Ｉを遮断するためにスイッチングリレー４を使用することができ、それを開放することができる。

他方、電流Ｉがスイッチングリレー４によってスイッチ可能な最大電流Ｉ_ｍａｘよりもいつまでも高い場合は、前記ヒューズ６が溶解することによって電気回路を遮断する。その後、前記電流センサ５ａ，５ｂのいずれか一方によって電流がスイッチングリレー４の最大スイッチ可能電流Ｉ_ｍａｘよりも低いことが認識された場合には、追加的安全性のために、スイッチングリレー４も開放することができる。

前記スイッチングリレー４とヒューズ６とは、それらが特定の重複範囲ΔＩを有するというそれらのスイッチオフ能力に関連して構成されなければならない。図２に図示の例において、前記スイッチングリレー４は、０Ａ〜１０００Ａの第１スイッチオフ電流範囲Ｉ_３でのスイッチオフ能力を有し、前記ヒューズは、短絡電流Ｉ_ｓｃまでの約９００Ａの第２スイッチオフ電流範囲Ｉ_４を有する。前記第１電流センサ５ａは、約１０００Ａまでの電流Ｉを測定できなければならないが、ここでは粗い分解能で十分である。

過電流状況において、約１０００Ａまでの電流Ｉが前記第１電流センサ５ａによって測定される。電流の上昇が１０００Ａ以下にとどまるならば、スイッチングリレー４がトリップされそれによって電気回路が遮断される。もしも電流Ｉが第２電流センサの測定範囲Ｉ_２を超えて上昇するならば、あるいは、ヒューズ６の最小スイッチ可能電流Ｉ_ｍｉｎ以上であれば、このヒューズ６が電気回路を接続解除するまでスイッチングリレー４は閉じられた状態に留まる。

これにより、０Ａから前記短絡電流Ｉ_ＳＣまでのすべての電流ステップが、システムに対してなんらダメージを与えることなく、コンポーネントから確実に接続解除される。

Claims (7)

1. バッテリ（２）、特に、リチウムイオンセルと、少なくとも１つのヒューズ（６）と少なくとも１つのスイッチングリレー（４）とが電気的に直列接続された過電流スイッチオフ装置（３）と、バッテリ電流（Ｉ）を検出するための少なくとも１つの電流センサ（５ａ；５ｂ）、とを有しており、前記スイッチングリレー（４）は最大スイッチ可能電流（Ｉ_ｍａｘ）を備える第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）を有し、前記ヒューズ（６）は最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）を備える第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）を有し、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）の前記最大スイッチ可能電流（Ｉ_ｍａｘ）と前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）の前記最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）は作動電流範囲（Ｉ_１）の最大電流（Ｉ_ｐ）の上方にあり、かつ当該第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）のスイッチ可能電流（Ｉ）は前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）のスイッチ可能電流（Ｉ）よりも少なくとも優勢に（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ）大きいバッテリシステムであって、
   前記第１および第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３；Ｉ_４）は重複範囲（ΔＩ）を有し、そして、少なくとも１つの第１電流センサ（５ａ）は少なくとも、前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）の最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）まで、好ましくは、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）の最大スイッチ可能電流（Ｉ_ｍａｘ）までの電流（Ｉ）を検出するように構成されていることを特徴とするバッテリシステム。
2. 第２電流センサ（５ｂ）は、前記作動電流範囲（Ｉ_１）内のみの電流（Ｉ）を検出するように構成されている、請求項１に記載のバッテリシステム（１）。
3. 前記重複電流範囲（ΔＩ）は、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）の少なくとも５％、好ましくは、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）の少なくとも１０％である、請求項１又は２に記載のバッテリシステム（１）。
4. バッテリ（２）、特に、リチウムイオンセルと、少なくとも１つのヒューズ（６）と少なくとも１つのスイッチングリレー（４）とが電気的に直列接続された過電流スイッチオフ装置（３）と、バッテリ電流（Ｉ）を検出するための少なくとも１つの電流センサ（５ａ；５ｂ）、とを有するバッテリシステム（１）における過電流の場合にバッテリ（２）をスイッチオフし、前記スイッチングリレー（４）は最大スイッチ可能電流（Ｉ_ｍａｘ）を備える第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）を有し、前記ヒューズ（６）は最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）を備える第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）を有し、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）の前記最大スイッチ可能電流（Ｉ_ｍａｘ）と前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）の前記最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）は作動電流範囲（Ｉ_１）の最大電流（Ｉ_ｐ）の上方にあり、かつ当該第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）のスイッチ可能電流（Ｉ）は前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）のスイッチ可能電流（Ｉ）よりも少なくとも優勢に（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ）大きい方法において、
   前記バッテリ電流（Ｉ）が少なくとも１つの電流センサ（５ａ，５ｂ）によって測定され、前記バッテリ電流（Ｉ）が、前記第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）内でかつ前記最大作動電流範囲（Ｉ_１）以上の電流（Ｉ）において前記スイッチングリレー（４）を開放することによって遮断されることを特徴とする方法。
5. 前記バッテリ電流（Ｉ）は、前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）の前記最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）以下の電流（Ｉ）で、前記スイッチングリレー（４）を開放することによって遮断される、請求項４に記載の方法。
6. 前記スイッチングリレー（４）の開放は、第１スイッチオフ電流範囲（Ｉ_３）以上、又は、前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）の最小スイッチ可能電流（Ｉ_ｍｉｎ）以上、の電流（Ｉ）で、防止される、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記ヒューズ（６）による前記バッテリ電流の遮断は、前記第２スイッチオフ電流範囲（Ｉ_４）以下の電流（Ｉ）で防止される、請求項４〜６のいずれか１つに記載の方法。

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