JP2019506837A - Battery protection device - Google Patents
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Abstract
複数の電気化学セルと、バッテリの陽極および陰極のうちの1つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスを含むバッテリ。 A battery comprising an autonomous protection device electrically connected in series between a plurality of electrochemical cells and one of the battery's anode and cathode.
Description
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、据え置き型アプリケーション向けバッテリ、特に、保護デバイスを有するバッテリに関する。 The present invention relates to a battery for an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a stationary application, and more particularly to a battery having a protection device.
電気自動車用のバッテリパックは、典型的には、バッテリの陽極および陰極を接続するハイゲージワイヤを経由して直列に接続された複数の様々な電圧のバッテリを含む。電気自動車のバッテリパックの合計電圧は、全てのバッテリが同時に接続されると合計で600ボルトに到達しうる。 Battery packs for electric vehicles typically include a plurality of different voltage batteries connected in series via a high gauge wire connecting the anode and cathode of the battery. The total voltage of the electric vehicle battery pack can reach a total of 600 volts when all batteries are connected simultaneously.
バッテリパックは、ハイゲージワイヤで直列に組み立てられた複数のバッテリからなる。安全装置が、バッテリパックの各バッテリの間に装着され、バッテリパックのバッテリのうちの1つが短絡している、または、バッテリを搭載する車両が衝突に巻き込まれた、などの緊急の事態には、各バッテリ間の電気的接続が確実に切断されるようにしている。小さなバッテリでは、電流がある閾値を越えたときに電流を切断するのにヒューズが使われてきた。しかしながら、高電圧のバッテリパックにおいては、ヒューズが飛んでしまうと、高電圧のためアーク放電が生じ、このアーク放電が更なるダメージをもたらすことによってより大きな問題になりうるため、ヒューズは非効率である。他のタイプの安全装置が、米国特許第8,709,628号明細書に説明されており、その内容をここに援用する。援用する。米国特許第8,709,628号明細書では、緊急時にバッテリ間の電気的接続を切断するよう構成された起爆素子(pyrotechnic element)を有する遮断機を備えた電気コネクタが説明されている。起爆素子は、故障や衝突を検知した電子制御装置(ECU)から受信した電気信号により動作させられる。 The battery pack is composed of a plurality of batteries assembled in series with high gauge wires. In an emergency situation where a safety device is installed between each battery in the battery pack and one of the batteries in the battery pack is shorted or the vehicle carrying the battery is involved in a collision The electrical connection between the batteries is surely cut off. In small batteries, fuses have been used to cut the current when the current exceeds a certain threshold. However, in high voltage battery packs, if the fuse blows, the high voltage causes arcing, which can be a greater problem by causing further damage, so the fuse is inefficient. is there. Another type of safety device is described in US Pat. No. 8,709,628, the contents of which are incorporated herein. Incorporate. U.S. Pat. No. 8,709,628 describes an electrical connector with a circuit breaker having a pyrotechnic element configured to disconnect the electrical connection between batteries in an emergency. The detonator is operated by an electrical signal received from an electronic control unit (ECU) that has detected a failure or collision.
米国特許第8,709,628号で説明されている安全装置のひとつの欠点は、バッテリパックそのものは緊急時に安全装置により動作が停止するが、パックのバッテリは依然として生きているため、電気的に危険な状態に相当するという点である。米国特許第8,709,628号で説明されている安全装置の2つ目の欠点は、電子制御装置(ECU)から受信した電気信号により動作させられるが、緊急時にECUの動作が停止したり電源が切断されたりして、バッテリを切断するためにECUが電気信号を起爆素子に送信することができない場合があり、このような場合には、バッテリパックが依然として生きているため、電気的に危険な状態に相当するという点である。 One drawback of the safety device described in US Pat. No. 8,709,628 is that the battery pack itself is deactivated by the safety device in an emergency, but the pack battery is still alive and electrically This is a dangerous situation. The second drawback of the safety device described in US Pat. No. 8,709,628 is activated by an electrical signal received from an electronic control unit (ECU), but the operation of the ECU stops in an emergency. The ECU may not be able to send an electrical signal to the detonator to disconnect the battery, such as when the power is turned off. This is a dangerous situation.
そのため、緊急時に独立してバッテリパックの個々のバッテリの動作を停止させるバッテリ用の保護デバイスへの需要がある。 Therefore, there is a demand for a protection device for a battery that stops the operation of each battery of the battery pack independently in an emergency.
本発明の目的は、先行技術に存在している上記の不都合のうち少なくとも一部を改善することである。 The object of the present invention is to remedy at least some of the above disadvantages present in the prior art.
本発明の目的はまた、バッテリであって、陽極および陰極と、筐体の内部にある複数の電気化学セルであって、前記バッテリの前記陽極および前記陰極に電気的に接続されている複数の電気化学セルと、前記複数の電気化学セルと、前記バッテリの前記陽極および前記陰極のうちの1つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスと、を備え、前記保護デバイスは、前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極に電気的に接続する導体素子と、遮断機と、を有し、前記保護デバイスは、独立回路に接続され、かつ、前記独立回路により制御され前記独立回路は、ノーマリーオープンのサーモスタットスイッチと、中に電荷を蓄えるコンデンサと、を備え、前記サーモスタットスイッチは、密閉されたケーシングの中の温度が所定の温度に到達したときに、前記独立回路を閉じることにより、前記コンデンサから前記保護デバイスに前記電荷を開放し、前記保護デバイスの遮断機を動作させて前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極から切断し、前記バッテリの動作を停止させることを特徴とするバッテリを提供することである。 An object of the present invention is also a battery, comprising: an anode and a cathode; and a plurality of electrochemical cells inside the housing, wherein the plurality of cells are electrically connected to the anode and the cathode of the battery. An autonomous protection device electrically connected in series between the electrochemical cell, the plurality of electrochemical cells, and one of the anode and the cathode of the battery, The protection device includes a conductor element that electrically connects the plurality of electrochemical cells to the anode or the cathode, and a circuit breaker, and the protection device is connected to an independent circuit, and the independent circuit And the independent circuit includes a normally open thermostat switch and a capacitor for storing electric charge therein, and the thermostat switch is provided in a sealed casing. When the temperature reaches a predetermined temperature, by closing the independent circuit, the charge is released from the capacitor to the protection device, and a circuit breaker of the protection device is operated to connect the plurality of electrochemical cells to the protection device. An object of the present invention is to provide a battery that is disconnected from the anode or the cathode and stops the operation of the battery.
本発明の各実施形態は、少なくとも一つの上述の目的および/または態様を有するが、必ずしもすべてを有するわけではない。上述の目的を達成するための試行の結果として生じた本発明の幾つかの態様は、これらの目的を達成しえないものであってもよく、および/または、ここに具体的に記載されていない他の目的を達成するものであってもよい。 Each embodiment of the invention has at least one, but not necessarily all, of the above-mentioned objects and / or aspects. Some aspects of the present invention that have arisen as a result of attempts to achieve the above objectives may not be able to achieve these objectives and / or are specifically described herein. It may achieve other purposes that are not.
本発明の実施形態の追加の、および/または、代替的な特徴、態様、利点は、以下の説明、添付図面、添付された特許請求の範囲により明らかにされる。 Additional and / or alternative features, aspects, and advantages of embodiments of the present invention will become apparent from the following description, the accompanying drawings, and the appended claims.
本発明および他の態様、更なる特徴をより良く理解するため、添付図面と共に用いられる以下の説明を参照する。 For a better understanding of the present invention, other aspects, and further features, refer to the following description that is used in conjunction with the accompanying drawings.
図1を参照すると、バッテリコネクタ14を経由して直列に接続された複数のバッテリ12a、12b、12c、…を含むバッテリパック10の一部が示されている。図1において、バッテリ12aの陽極は、バッテリ12bの陰極に接続されており、バッテリ12bの陽極は、バッテリ12cの陰極に接続されている。各バッテリコネクタ14は、導電性のブリッジ18、電気絶縁性プラスチックで作られたバッテリ電極カバー16、および、隣り合うバッテリの陽極および陰極に導体のブリッジ18の先端を接続するように構成された一対の締め具20を含む。バッテリパック10の各バッテリ12は、硬質のケーシング22、および、硬質のケーシング22を密閉し、バッテリ12の電気化学セルを収容する密閉されたケーシングを形成するように構成されたカバー24を含む。各カバー24は、バッテリ12のバッテリ状態、ならびに、充電および放電機能を管理するための電子制御システム25(図2)を収容する前方コンパートメント26を含む。コンパートメント26は、コンパートメント26が確実に密封されるようにするため、シーリングプレート28により密閉されている。
Referring to FIG. 1, a part of a battery pack 10 including a plurality of
図2を参照すると、単一のバッテリ12が示されており、断面部分には各バッテリ12の内部の部品が示されている。そして、シーリングプレート28を外した状態で、電子制御システム25が示されている。例示されるように、硬質のケーシング22、およびシーリングカバー24が一緒になって、積層された複数の平らな電気化学セル32が収容されている筐体30を画定している。複数のスプリング35を含む機械的圧力システム34もまた、電気化学セル32の積層体の最適な動作に必要な機械的圧力を提供するように、密閉されたケーシング22に挿入されている。複数の電気化学セル32の陰極側は、バッテリ12の陰極36に接続されており、複数の電気化学セル32の陽極側は、バッテリ12の陽極38に接続されている。
Referring to FIG. 2, a single battery 12 is shown, and the internal parts of each battery 12 are shown in a cross-sectional portion. The electronic control system 25 is shown with the
図3および図4を参照すると、シーリングカバー24が外された状態のバッテリ12の前面部分が示されている。
複数の電気化学セル32の陰極側は、ハイゲージワイヤ42を経由して陰極36に接続されており、一方で複数の電気化学セル32の陽極側は、第1のハイゲージワイヤ43を経由してバッテリ12の陽極38に接続されている。第1のハイゲージワイヤ43は、保護デバイス40に接続されており、保護デバイス40は、第2のハイゲージワイヤ44を経由してバッテリ陽極38に接続されており、保護デバイス40が直列に複数の電気化学セル32とバッテリ12の陽極38との間に接続されるようにしている。
Referring to FIGS. 3 and 4, the front portion of the battery 12 with the
The cathode side of the plurality of electrochemical cells 32 is connected to the cathode 36 via the high gauge wire 42, while the anode side of the plurality of electrochemical cells 32 is connected to the battery via the first high gauge wire 43. 12
より具体的には、保護デバイス40は、保護デバイス40の本体を横切り、かつ、保護デバイス40の本体50の両側から延出する導体素子48(図4)を含み、これにより、電流が複数の電気化学セル32からバッテリ陽極38まで保護デバイス40を通過することができる。第1のハイゲージワイヤ43は、一端46で締め具45を用いて電気化学セル32の陽極側に接続されており、他端47では第2の締め具45を用いて導体素子48の延在部に接続されている。第2のハイゲージワイヤ44は、一端49で締め具45を用いて導体素子 48の第2の延在部に接続されており、他端51ではバッテリ陽極38に接続されている。当然ながら、保護デバイス40は、複数の電気化学セル32とバッテリ陰極36との間に、直列に接続されることもあり得る。保護デバイス40は、電気化学セル32と、バッテリ12の陽極38または陰極36とのいずれか一方との間に、直列に接続されうる。
More specifically, the
保護デバイス40は、サーモスタットスイッチ54と、中に蓄えた電荷を有するコンデンサ56と、を備える独立回路53に接続され、かつ、独立回路53により制御されている。サーモスタットスイッチ54は、独立回路53に電流が流れないように、ノーマリーオープンのポジションである。サーモスタットスイッチ54のサーモスタット部分は、バッテリ12の内部の短絡、外因により引き起こされた温度の異常な上昇、制御されていない充電または放電、硬質のケーシング22またはカバー24の破損などを示す所定の温度において、サーモスタットスイッチ54のスイッチ部分を作動させて閉じるように設定されている。所定の温度は、電気化学セルのタイプに応じて設定される。リチウム金属ポリマーの電気化学セルについては、温度の閾値は135℃と摂氏170℃との間に設定される。リチウムイオン電気化学セルについては、温度の閾値は60℃と70℃との間に設定される。ナトリウム硫黄電気化学セルについては、温度の閾値は220℃と275℃との間に設定される。バッテリ12の温度が所定の温度まで上昇したとき、サーモスタットスイッチ54が作動し、これによりノーマリーオープンの回路53を閉じ、コンデンサ56から電荷を開放し、保護デバイス40を作動させることにより、電気化学セル32から陽極38への電流を切断し、バッテリ12の動作を停止させる。
The
前記保護デバイス40は、銅のような導電性の金属で作られた導体素子48と、遮断機57を含む。導体素子48の中央部分は、遮断機57を通過する。遮断機57は、内部の短絡やバッテリ12の温度を上昇させる他の異常が生じた場合に導体素子48の中央部分を切断するように構成された起爆デバイス(pyrotechnic device)である。遮断機57は、小さな起爆剤(pyrotechnic charge)を含み、当該起爆剤は、作動すると、機械カッターに衝撃荷重を発生させ、当該機械カッターが導体素子48の中央部分を切り、これによりバッテリ陽極38の接続が切断され、バッテリ12が電気的に絶縁される。
The
図5に概略で例示するような特定の実施形態において、遮断機57は、くさび状部58を含み、当該くさび状部58は、導体素子48の中央部分59に対して位置合わせされており、かつ、内部の短絡や他の異常が生じた場合に、起爆剤60で作動して導体素子48の中央部分59を恒久的に切る。 上述のように、バッテリ12の内部の温度が所定の温度に到達したときに、サーモスタットスイッチ54が閉じ、電流が遮断機57に放電され、点火器61を動作させる。点火器61は、起爆剤60に点火することにより圧力プレート62に対して衝撃を発生させ、即時にくさび状部58を導体素子48の中央部分59に対して押圧し、これにより導体素子48を切り、電気化学セル32とバッテリ陽極38との電気的接続を切断し、バッテリ12の動作を停止させる。
In a particular embodiment, such as schematically illustrated in FIG. 5, the
保護デバイス40は、サーモスタットスイッチ54およびコンデンサ56を含む独立回路53とともに、破損したり、技術者により改修されたりしないように、シーリングカバー24の後ろの密閉ケーシングの中に位置しているのが望ましい。しかしながら、保護デバイス40は、バッテリ12のコンパートメント26の中に位置していてもよい。
The
保護デバイス40は、コンデンサ56を電源とする独立回路53に接続され、かつ独立回路53により制御されているため、保護デバイスは自律性があり、内部または外部のECUに依存することなく、緊急時に作動する。好ましくは、保護デバイス40は、また、例えば車両の衝突などの際に電子制御装置(ECU)によっても保護デバイス40を動作させることができるように、独立回路53と並列に、ECUにも接続されている。独立回路53は、ECUの動作が停止しているときのフェールセーフシステムである。
Since the
本発明の上述の実施形態の変更や改良は、当業者にとって明らかなものとなりうる。先の説明は、限定的であることではなく、むしろ例示的であることを意図している。したがって、本発明の範囲は、唯一、添付の特許請求の範囲により限定されることを意図している。 Modifications and improvements of the above-described embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. The foregoing description is intended to be illustrative rather than limiting. Accordingly, the scope of the invention is intended to be limited only by the scope of the appended claims.
10 バッテリパック
12 バッテリ
14 バッテリコネクタ
16 バッテリ電極カバー
18 ブリッジ
22 ケーシング
24 シーリングカバー
25 電子制御システム
26 コンパートメント
28 シーリングプレート
30 筐体
32 電気化学セル
34 機械的圧力システム
35 スプリング
36 バッテリ陰極
38 バッテリ陽極
40 保護デバイス
42 ハイゲージワイヤ
48 導体素子
53 独立回路
54 サーモスタットスイッチ
56 コンデンサ
57 遮断機
62 圧力プレート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Battery pack 12 Battery 14 Battery connector 16
Claims (6)
陽極および陰極と、
前記バッテリの前記陽極および前記陰極に電気的に接続されている複数の電気化学セルと、
前記複数の電気化学セルと、前記バッテリの前記陽極および前記陰極のうちの1つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスと、を備え、
前記保護デバイスは、前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極に電気的に接続する導体素子と、遮断機と、を有し、
前記保護デバイスは、独立回路に接続され、かつ、前記独立回路により制御され、前記独立回路は、ノーマリーオープンのサーモスタットスイッチと、中に電荷を蓄えるコンデンサと、を備え、
前記サーモスタットスイッチは、密閉されたケーシングの中の温度が所定の温度に到達したときに、前記独立回路を閉じることにより、前記コンデンサから前記保護デバイスに前記電荷を開放し、前記保護デバイスの遮断機を動作させて前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極から切断し、前記バッテリの動作を停止させることを特徴とするバッテリ。 A battery,
An anode and a cathode;
A plurality of electrochemical cells electrically connected to the anode and the cathode of the battery;
An autonomous protection device electrically connected in series between the plurality of electrochemical cells and one of the anode and the cathode of the battery;
The protection device includes a conductor element that electrically connects the plurality of electrochemical cells to the anode or the cathode, and a circuit breaker,
The protection device is connected to and controlled by an independent circuit, and the independent circuit includes a normally open thermostat switch and a capacitor for storing electric charge therein.
The thermostat switch opens the electric charge from the capacitor to the protection device by closing the independent circuit when the temperature in the sealed casing reaches a predetermined temperature, and the circuit breaker of the protection device The battery is operated to disconnect the plurality of electrochemical cells from the anode or the cathode to stop the operation of the battery.
前記遮断機は、点火器と、起爆剤と、前記導体素子の前記中央部分を切るように構成された機械カッターと、を含み、前記点火器は、前記サーモスタットスイッチが閉じたときに前記起爆剤に点火し、これにより前記機械カッターが押圧されて前記導体素子の前記中央部分を切り、これにより前記複数の電気化学セルが前記バッテリの前記陽極または前記陰極から切断されることを特徴とするバッテリ。 The battery of claim 1, wherein the protection device further comprises a central portion of the conductor element that passes through the circuit breaker,
The breaker includes an igniter, a detonator, and a mechanical cutter configured to cut the central portion of the conductor element, the igniter being detonated when the thermostat switch is closed. And thereby the mechanical cutter is pressed to cut the central portion of the conductor element, whereby the plurality of electrochemical cells are disconnected from the anode or the cathode of the battery. .
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