JP5523480B2 - 高信頼性駆動用バッテリー - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念にかかるバッテリー、特に駆動用バッテリーに関する。

こんにち、将来的にはより多くのハイブリッド自動車および電気自動車が用いられると考えられている。これらの自動車のコンセプトでは、バッテリーに対して、こんにちの１２Ｖのオンボード電源におけるバッテリーに対するものとは全く別の要求が存在する。本願明細書ではハイブリッド自動車および電気自動車のためのバッテリーは駆動用バッテリーと称するが、それはこれらが電気的駆動部の給電用途に用いられるからである。このようなバッテリーの基本回路図を図２に示す。ハイブリッド自動車および電気自動車において求められる電力およびエネルギーを得るため、個々のバッテリーセルが直列にまたは一部付加的に並列に接続される。ハイブリッド自動車用途の、Ｌｉイオンバッテリーセルベースの駆動用バッテリーは、たとえば以下のように構成されている。

駆動用バッテリー全体：
・公称電圧：３６０Ｖ
・容量：４Ａｈ
・エネルギー：１４４０Ｗｈ

単一セル（Ｌｉイオン）：
・公称電圧：３．６０Ｖ
・容量：４Ａｈ
・エネルギー：１４．４Ｗｈ

このバッテリーは、１００個のセルの直列回路から構成されている。

ハイブリッド自動車および電気自動車の駆動システムの基本回路を図３に示す。電気モータ１７がインバータ１６を介してエネルギー供給される。このインバータ１６を介して、たとえば制動過程において、バッテリー１５のエネルギーも回復される。インバータ１６は、入力電圧をバッファするために、直流電圧側において通常、平滑コンデンサを含んで構成される。

図２に示す駆動用バッテリーは、バッテリーセルの他に別の機能要素群を有している。
・バッテリーの正極４の充電および遮断装置３
・バッテリーの負極８の遮断装置７
・サービスプラグ９

これらの機能要素群は以下の機能を有する。

駆動用バッテリーの正極４および負極８の遮断装置の両方の遮断スイッチによって、バッテリーセルは両方の極において遮断可能である。これは、バッテリーセルの両極遮断とも称される。よって、それにより、バッテリーは、休止状態または安全性に問題のある状態（たとえば事故）の場合には、自動車の駆動系車載電源網から遮断可能であり、走行動作中は駆動系車載電源網に接続される。

バッテリーの正極における充電装置は、駆動用バッテリーの接続の際の、トラクションオンボード電源内の突入電流を制限する機能を有する。このような接続過程においては、最初に、バッテリー４の負極８において遮断装置７の遮断スイッチが閉成され、かつ、バッテリー４の正極において充電および遮断装置３の充電スイッチが閉成される。バッテリーの正極４における充電および遮断装置３の遮断スイッチは、最初は開放されている。これにより、インバータ１６の平滑コンデンサはバッテリーの正極４における充電および遮断装置３の充電抵抗を介して充電される。インバータ１６の平滑コンデンサにおける電圧は、最初は直列接続されたバッテリーセルの全電圧を有しており、バッテリーの正極４における充電および遮断装置３の遮断スイッチは閉成される。このようにして、駆動系車載電源網の突入電流は制限され、バッテリーセルおよびインバータ１６の平滑コンデンサは過度に大きい電流でもって動作されない。

サービスプラグ９は、バッテリーのメンテナンスの際、安全上の理由から引き抜かれなければならない。これは、たとえばサービスプラグが事前に引き抜かれている場合にしか、バッテリーケーシングを開放できないようにすることにより保証される。バッテリーセルは、上記遮断スイッチの両方が機能障害のために開成されなかった場合でも、これにより単極で遮断される。

駆動用バッテリーの信頼性に関しては、こんにちの一般的なスタータバッテリーに対する要求よりも明らかに高い要求が設けられている。その背景には、たとえば電気自動車において駆動用バッテリーの故障はいわゆる「車輌の立往生」につながることが挙げられる。必要とされる高い稼働率は図２に示す駆動用バッテリーにおいて実現しにくい。その理由は、単独のバッテリーセルの故障が駆動用バッテリー全体の故障につながることである。単独セルを直列接続したバッテリーの故障率は以下のように求められる。
故障率_{駆動用バッテリー}＝１−（１−故障率_セル）^セル数 （１）

対象期間内の故障率が１００ｐｐｍ／セルであるセルを１００個有する駆動用バッテリーについては以下のように求められる。
故障率_{駆動用バッテリー}＝１−（１−１００ｐｐｍ）^１００
＝９．９５％ （２）

対象期間内のバッテリーセルの故障率が非常に低い場合（たとえば故障率_セル＜１‰）、バッテリーの故障率は、おおよそ以下のように計算される（二項級数のべき級数展開の第１項より後を無視）。
故障率_{駆動用バッテリー}≒セル数＊故障率_セル （３）

したがって、対象の駆動用バッテリーの故障率は、単独セルの故障率のほぼ１００倍高い。つまり単独セルの故障率はバッテリー全体の故障率について求められる値の場合よりも、約１／１００小さくなければならない。１００個の直列接続されたセルを有するバッテリー全体に対して一定期間で１００ｐｐｍの故障率が求められるならば、それらのセルは当該期間内で１ｐｐｍの故障率しか有さないものでなければならない。これは非常に難しい要求である。

本発明の課題は、ハイブリッド自動車および電気自動車における駆動用バッテリーの信頼性を向上させることにある。この場合の駆動用バッテリーは駆動系車載電源網に対して制限（コントロール）された電力供給が可能である。

これに対して、請求項１の特徴を有する本発明にかかる装置は、駆動用バッテリーは１つの好適には２つの付加的な橋絡スイッチを備え、橋絡スイッチによってバッテリーセルの半分はそれぞれ橋絡可能であるという利点を有する。これにより、第１のセルが故障した場合でも、影響を受けるハーフバッテリー１ないし２は遮断が可能となる。ハーフバッテリー１、２とは、バッテリーの正極４とサービスプラグに対する第１の出力側（第１のサービスプラグ端子）５との間のセルの直列回路、および、バッテリーの負極８と第２のサービスプラグ端子６との間のセルの直列回路をそれぞれ指す。駆動系車載電源網には、ハーフバッテリーの橋絡の際には半分の電源供給能力を有するバッテリーが未だ使用可能である。これにより、車輌の立往生は回避され、修理工場に行くことが求められるような障害が駆動用バッテリーに発生したことについて、ドライバーに信号を発信することができる。本発明の利点は、このため、バッテリーの稼働率を危うくすることなく、最初のセル故障の発生までバッテリーが動作可能とされることである。１つのバッテリーセルだけですぐに全体が故障する駆動システムにおいては、ドライバーにはたとえばバッテリー交換通知が与えられなければならなかった。この通知は本来はバッテリー状態の識別と予測に基づいて生成されるべきものである。しかし、このようなシステムは残っている寿命を正確に定めることは全くできないので、バッテリーは不要に速く交換されなければならず、バッテリー交換表示によって最初のセル故障を事前に識別できないというリスクは残ったままである。本発明により、一方では駆動用バッテリーの信頼性が明らかに高められる。他方では、駆動用バッテリーは自動車においてより長く作動可能となる。

従属請求項は本発明の他の好適な実施形態を示す。

特に好適には、本発明のバッテリーは遮断装置に並列接続された充電装置を備えている。この場合、駆動系車載電源網における突入電流は、第１のバッテリーセル群の故障の際にも確実に制限される。

本発明にかかる装置は、付加的にまたは代替的に、好適には、第１の識別装置および／または第２の識別装置をさらに備えている。第１の識別装置は、第１のバッテリーセル群の機能を検出し、第１のバッテリーセル群の機能障害の際に、第１のバッテリーセル群の第１の端子と第１のバッテリー極との接続を充電および遮断装置を介した開放し、かつ、第１のバッテリー極と第１のサービスプラグ端子との間の接続の第１の橋絡装置を介して閉成し、および／または、第２の識別装置は、第２のバッテリーセル群の機能を検出し、第２のバッテリーセル群の機能障害の際に、第２のバッテリーセル群の第２の端子と第２のバッテリー極との接続を遮断装置を介して開成し、かつ、第２のバッテリー極と第２のサービスプラグ端子との間の接続を第２の橋絡装置を介して閉成する。

本発明の好適な実施形態にかかるバッテリー特に駆動用バッテリーの基本回路図を示す。 従来技術における駆動用バッテリーの基本回路図を示す。 ハイブリッド自動車および電気自動車に使用される駆動システムの基本回路図を示す。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

本発明によれば、個々のセルの故障がシステム全体の故障（車輌の立往生）に直接つながらないため、駆動用バッテリーの信頼性は、従来技術に対して飛躍的に向上される。本発明の好適な実施においては、この目的のため、図１に示されているように、（バッテリーの正極４および負極８における）２つの橋絡装置１０、１１の２つの橋絡スイッチが付加的に設けられている。故障の際、第１のセルは、こんにちの従来技術においては両方の遮断スイッチが開成されるが、本発明においては以下のように動作される。

・正極におけるハーフバッテリーのセルが故障：
バッテリーの正極４の充電および遮断装置３のスイッチが開成される。これにより、上側のハーフバッテリー１は単極に切り替えられる。バッテリーの負極８における遮断装置７において、遮断スイッチが開成され、負極８の充電装置１２において充電スイッチが閉成される。さらに、バッテリーの正極４における橋絡装置１０の橋絡スイッチは閉成される。上側のハーフバッテリー１はこれにより橋絡される。インバータ１６の平滑コンデンサは負極８における充電装置１２の充電抵抗を介して、下側のハーフバッテリー２のセルの全電圧で充電または回復される。平滑コンデンサにおける電圧は下側のハーフバッテリー２のほぼ全電圧であり、バッテリーの負極８における遮断装置７の遮断スイッチは閉成される。駆動用バッテリーの正極４および負極８において、その後、半分の電圧および不変の容量でもってバッテリーが使用可能である。したがって、バッテリーの性能およびエネルギーは通常動作に対して半分である。

・負極におけるハーフバッテリーのセルが故障：
上側のハーフバッテリー１における単一セルの故障の際の過程が、遮断装置３、７および充電装置１２、橋絡装置１０、１１ならびに両方のハーフバッテリー１、２の逆の役割でもって行われる。その後、駆動用バッテリーの正極４および負極８において、再び半分の電圧と不変の容量でもってバッテリーが使用可能となる。バッテリーの性能およびエネルギーは通常の動作に対して半分である。

ハイブリッド自動車または電気自動車の電気駆動システムは、上記発明を使用することによって、駆動用バッテリーの１つのセルの故障の後でも、未だ半分の電力および半分のエネルギーで駆動可能である。これにより、個別のセルの故障に基づく車輌の立往生は回避される。

この利点は、バッテリー寿命の終盤において立ち往生させる確立が高まるリスクを犯すことなく、自動車のバッテリーをより長く稼働させるのに役立たせることができる。

本発明において、充電および遮断装置３；７、１２ならびに橋絡装置１０；１１の異なるスイッチは、電気機械的または電気的スイッチあるいは電気機械的または電気的スイッチの組み合わせとして実現可能である。

上記開示の他に、特に図面における開示が参照される。

１、２ ハーフバッテリー（第２のバッテリーセル群）、 ３ 充電および遮断装置、 ４ 正極、 ５、６ サービスプラグ端子、 ７ 遮断装置、 ８ 負極、 ９ サービスプラグ、 １０、１１ 橋絡装置、 １２ 充電装置、 １３、１４ 識別装置

Claims (2)

1. 第１のバッテリーセル群（１）と第２のバッテリーセル群（２）とを有する駆動用バッテリーであって、
   前記第１のバッテリーセル群（１）の第１の接続は充電および遮断装置（３）を介して第１のバッテリー極（４）に接続されており、
   前記第１のバッテリーセル群（１）の第２の接続は第１のサービスプラグ端子（５）に接続されており、
   前記第２のバッテリーセル群（２）の第１の接続は第２のサービスプラグ端子（６）に接続されており、
   前記第２のバッテリーセル群（２）の第２の接続は遮断装置（７）を介して第２のバッテリー極（８）に接続されており、
   前記第１のサービスプラグ端子（５）と前記第２のサービスプラグ端子（６）とは外部サービスプラグ（９）を介して橋絡可能であり、
   前記第１のバッテリー極（４）と前記第１のサービスプラグ端子（５）との間に第１の橋絡装置（１０）が設けられており、ここで該第１の橋絡装置（１０）によって前記第１のバッテリー極（４）と前記第１のサービスプラグ端子（５）とは橋絡可能であり、および／または、
   前記第２のバッテリー極（８）と前記第２のサービスプラグ端子（６）との間に第２の橋絡装置（１１）が設けられており、ここで該第２の橋絡装置（１１）によって前記第２のバッテリー極（８）と前記第２のサービスプラグ端子（６）とは橋絡可能であり、
   前記駆動用バッテリーはさらに、
   前記第１のバッテリーセル群（１）の故障を検出し、前記第１のバッテリーセル群（１）の故障の際に、前記第１のバッテリーセル群（１）の第１の端子と前記第１のバッテリー極（４）との間の接続を前記充電および遮断装置（３）を介して開放し、かつ、前記第１のバッテリー極（４）と前記第１のサービスプラグ端子（５）との間の接続を前記第１の橋絡装置（１０）を介して閉成する第１の識別装置（１３）、および／または、
   前記第２のバッテリーセル群（２）の故障を検出し、前記第２のバッテリーセル群（２）の故障の際に、前記第２のバッテリーセル群（２）の前記第２の端子と第２のバッテリー極（８）との接続を前記充電および遮断装置（７）を介して開放し、かつ、前記第２のバッテリー極（８）と前記第２のサービスプラグ端子（６）との間の接続を前記第２の橋絡装置（１１）を介して閉成する第２の識別装置（１４）、
   を備える、
   ことを特徴とする駆動用バッテリー。
2. 前記遮断装置（７）と並列に接続された充電装置（１２）を備えている、請求項１記載の駆動用バッテリー。

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