JP5551303B2 - セルバランシング機能を有するバッテリ - Google Patents

Description

本発明は、新型のセルバランシング機能を有するバッテリに関する。

将来的に、定置型の利用において、および、ハイブリット車または電気自動車のような車両においても、バッテリシステムが益々使用されることが明らかである。電圧と、提供される電力とに対する各用途について与えられる要請を満たしうるために、数多くのバッテリセルが直列に接続される。このようなバッテリによって提供される電流は全てのバッテリセルを通って流れる必要があり、１つのバッテリセルは限られた電流のみ通しうるため、最大電流を上げるために、追加的なバッテリセルが並列に接続されることが多い。

図１は、一般的なバッテリ１０の詳細なブロック図を示す。各適用について望まれる高い出力電圧（直列回路）およびバッテリ容量（並列回路）を実現するために、複数のバッテリセル１１が直列に接続され、または任意に追加的に並列接続される。バッテリセルの陽極と、正のバッテリ端子１２との間には、充電および分離素子１４が接続される。任意に、バッテリセルの陰極と、負のバッテリ端子１３との間に分離素子１５が追加的に接続されてもよい。充電および分離素子１４と、分離素子１５とはそれぞれ、バッテリ端子１２、１３を零電位（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）で接続するために、当該バッテリ端末１２、１３からバッテリセル１３を分離するために設けられた接触器１６または１７を備える。さもなければ、直列接続されたバッテリセル１１の高い直流電圧のために、整備員等が重大な潜在的危険にさらされることになる。充電および分離素子１４内には、充電接触器１８と、当該充電接触器１８に対して直列に接続された充電抵抗１９とが追加的に設けられる。充電抵抗１９は、バッテリを動力源とする一般的な駆動システムの直流電圧中間回路内に接続されたバッファコンデンサの充電電流を、バッテリが当該直流電圧中間回路に接続される場合に制限する。このために、最初に接触器１６は解放されて、充電接触器１８のみが閉鎖され、したがって、充電抵抗１９によって制限される電流は、最大で、バッテリ電圧を充電抵抗１９で割った値と等しい電流に達しうる。正のバッテリ端子１２の電圧が、少なくとも近似的にバッテリ電圧に達する場合には、接触器１６を閉鎖し、場合によっては充電接触器１８が解放されうる。接触器１６、１７および充電接触器１８は、それらの信頼性およびそれらが案内する電流に対する要求が高いため、バッテリ１０のコストを著しく押し上げる。

大きな数のバッテリセルの直列回路には、総電圧が高いことの他に、１つのバッテリセルが故障した場合にバッテリ全体が故障するという問題が伴う。なぜならば、直列回路であるために、バッテリ電流が全てのバッテリセルの中を流れられなければならないからである。このようなバッテリの故障は、システム全体の故障に繋がる可能性がある。電気自動車の場合は、駆動バッテリの故障によって車両が立ち往生することになり、強風の場合の風力発電所の、例えば動翼調整装置のような他の装置の場合は、安全性が脅かされる状況となる可能性がある。したがって、バッテリの信頼性が高いことは有利である。定義によれば、「信頼性」という概念は、所定の時間の間正確に機能するというシステムの性能を意味する。

いわゆるセルバランシング（Ｃｅｌｌ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）は、バッテリの寿命を延ばすための広く普及したアプローチである。これは、バッテリの全バッテリセルに対して可能な限り均等に負荷を掛けるという考えに基づいており、したがって、個々のバッテリセルは予定された時点よりも早くには放電されず、したがって、他のバッテリセル内でまだ十分に電気エネルギーが提供されるにも関わらず、バッテリ全体が故障する。さらに、予定された時点より早く放電したバッテリセルは、残りのバッテリセルから見れば、電流が引き続き流れるために強く発熱しうる負担となり始めるので、安全な駆動にとっては重大なリスクとなる。バッテリセルが既に放電しているにも関わらず、バッテリが引き続き駆動される場合には、バッテリセルの破損、したがって、バッテリ全体の永続的な故障が発生する危険が迫っている。したがって、従来技術では、セル電圧が比較的高いバッテリセルを発見し、他のバッテリセルに対して合目的的に放電させるセルバランシングについての様々なアプローチが考案されている（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓ Ｃｅｌｌ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ、抵抗型セルバランシング）。抵抗型セルバランシングの場合、セルバランシングによって取り出されたエネルギーが失われるため、放電すべきバッテリセルから取り出された電気エネルギーが他のバッテリセルへと供給される誘導型セルバランシング（ｉｎｄｕｋｔｉｖｅｓ Ｃｅｌｌ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）がさらに提案された。しかしながら、この場合にも電力損失が起こり、さらに、非常にコストが高く容量が大きいコイルを利用した上で、回路技術的に高いコストを掛ける必要がある。

したがって、本発明に基づいて、少なくとも１つのバッテリモジュール線と、バッテリセルの充電状態を決定するためのセンサ手段と、制御ユニットと、を備えたバッテリが導入される。バッテリモジュール線は、直列に接続された複数のバッテリモジュールを備え、各バッテリモジュールは、少なくとも１つのバッテリセルと、結合ユニットとを有する。少なくとも１つのバッテリセルは、結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間に接続され、結合ユニットは、第１の制御信号に応じて、少なくとも１つのバッテリセルを、バッテリモジュールの第１の端子とバッテリモジュールの第２の端子との間で切り替え、かつ、第２の制御信号に応じて、第１の端子を第２の端子と接続するよう構成される。センサ手段は、各バッテリモジュールの少なくとも１つのバッテリセルと接続可能である。制御ユニットは、センサ手段と接続され、かつ、全バッテリモジュールの中で最低の充電状態をその少なくとも１つのバッテリセルが有するバッテリモジュールを選択し、第２の制御信号を、バッテリモジュール線の選択されたバッテリモジュールの結合ユニットへと出力口するよう構成される。１より多いバッテリモジュール線が設けられる場合には、バッテリモジュールの選択は、バッテリモジュール線ごとに個別に行われうる。

結合ユニットによって、当該結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間に接続されたバッテリモジュールの１つ以上のバッテリセルを、当該バッテリセルの電圧が外部へと提供されるように、結合ユニットの出力口に結合することが可能となり、または、バッテリセルにバイパスを付ける（ｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｅｎ）ことが可能となり、したがって、０Ｖの電圧が外部から見える。第１のケースでは、バッテリセルは、バッテリによる電気エネルギーの提供に関与するが、第２のケースでは、バッテリセルは、バッテリによる電気エネルギーの提供に関与しない。

したがって、バッテリは、駆動中にバッテリセルに対してバッテリの実際の負荷を時間的に分散させることよってセルバランシングが可能となるという利点を有する。他のバッテリモジュールのバッテリセルよりも高い充電状態を有する１つ以上のバッテリセルを備えたバッテリモジュールは、均衡化（Ａｎｇｌｅｉｃｈｕｎｇ）が行われるまで、より低い充電状態を有するバッテリモジュールよりも、電気エネルギーの提供により長く関与する。より高く充電したバッテリセルから取り出されたエネルギーは、このようにして直接的に、バッテリの本来の使用目的のために利用され、抵抗型セルバランシングの場合のように浪費されたり、または、誘導型バランシングの場合のように高いコストを掛けて未だに電力損失を伴いながら、他のバッテリセルに転送されたりすることはない。

本発明のセルバランシングは、極端な場合には個々のバッテリセルのために駆動され、すなわち結合ユニットがバッテリセルを１つだけ有する場合にも駆動される。しかしながら、回路技術的に有効な妥協案として、結合ユニットに接続されるバッテリセル群も共同で、セルバランシングを行うことが可能である。

バッテリの出力電圧は、バッテリモジュールの分離によって下げられるが、通常の適用の場合、比較的低い出力電圧は、構成全体の故障に繋がらず、したがって容認されうる。

結合ユニットは、第１の出力口を有し、第１の制御信号に応じて、第１の入力口または第２の入力口を上記出力口と接続するよう構成されうる。その際に、出力口は、バッテリモジュールの端子のうちの一方と接続され、第１の入力口または第２の入力口の一方が、バッテリモジュールの端子のうちの他方と接続される。このような結合ユニットは、２つのスイッチを使用して、好適にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチを使用して実現されうる。

代替的に、結合ユニットは、第１の出力口と第２の出力口とを有し、かつ、第１の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口と接続し、第２の入力口を第２の出力口と接続するよう構成される。その際に、結合ユニットはさらに、第２の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口から分離し、第２の入力口を第２の出力口から分離し、第１の出力口を第２の出力口と接続するよう構成される。本実施例は、少しだけ高い回路用コスト（通常は３つのスイッチ）を必要とするが、バッテリモジュールのバッテリセルを、バッテリモジュールの両極において分離し、したがって、深放電の危険が迫る場合またはバッテリモジュールが損傷した場合には、バッテリモジュールのバッテリセルは、零電位で接続されるため、構成全体が継続的に駆動する間に安全に交換されうる。

センサ手段は、バッテリセルのセル電圧またはバッテリモジュールの電圧を決定するよう構成された電圧測定ユニットを備えうる。バッテリセルのセル電圧またはバッテリモジュールの電圧は、バッテリセルまたはバッテリモジュールの充電状態を決定する際の最も重要なパラメータである。特に、セル電圧またはバッテリモジュール電圧の時間的推移が検出され評価される場合に、正確な帰納的推測が可能である。

追加的に、センサ手段は、バッテリセルのセル温度またはバッテリモジュールの温度を決定するよう構成された温度測定ユニットを備えてもよい。バッテリセルのセル電圧および容量は温度に依存し、したがって、バッテリセルまたはバッテリモジュールの温度の追加的な検出によって、充電状態の正確な決定が可能となる。

センサ手段は、少なくとも１つのバッテリモジュール線の電流を決定するよう構成された電流測定ユニットをさらに備えてもよい。充電状態が同じである場合に、負荷が比較的大きい際には、負荷が比較的小さい際よりも、バッテリセルのセル電圧またはバッテリモジュールの電圧が低くなる。したがって、バッテリモジュール線の電流が追加的に決定される場合に、負荷が変化する際に充電状態の決定をより正確に行うことが可能である。

特に有利に、バッテリは、厳密に３つのバッテリモジュール線を有する。このことによって、１つのバッテリで、三相電動機を駆動することが可能となる。

少なくとも１つのバッテリセルは、好適にリチウムイオンバッテリセルである。リチウムイオンバッテリは、セル電圧が高く、所与の容積当たりの容量が大きいという利点を有する。

本発明の第２の観点は、車両を駆動するための電動機と、当該電動機と接続された上記観点に係るバッテリと、を備えた車両に関する。

本発明の実施形態は、図面および以下の明細書の記載の記載によってより詳細に解説され、同一または機能的に同種の構成要素には、同じ符号が付される。
従来技術によるバッテリのブロック回路図を示す。 本発明に係るバッテリに使用される結合ユニットの第１の実施例を示す。 結合ユニットの第１の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。 第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 本発明に係るバッテリに使用される結合ユニットの第２の実施形態を示す。 結合ユニットの第２の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。 第２の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 本発明に係るバッテリの一実施形態を示す。

図２は、本発明に係るバッテリに使用される結合ユニット２０の第１の実施例を示す。結合ユニット２０は、２つの入力口２１および２２と、１つの出力口２３と、を有し、入力口２１または２２の一方を出力口２３と接続し、他方を分離するように構成される。結合ユニットの特定の実施形態において、この結合ユニットはさらに、２つの入力口２１、２２を、出力口２３から分離するよう構成されてもよい。しかしながら、入力口２１および入力口２２を出力口２３と接続することは構想されておらず、入力口２１および入力口２２を出力口２３と接続した場合には、２つの入力口２１、２２の短絡が引き起こされるであろう。

図３は、結合ユニット２０の第１の実現形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ２５と、第２のスイッチ２６とが設けられる。各スイッチは、入力口２１または２２のうちの１つと、出力口２３と、の間に接続される。本実施形態は、２つの入力口２１、２２も、出力口２３から分離することが可能であり、したがって、出力口２３が高インピーダンス状態（ｈｏｃｈｏｈｍｉｇ）になるという利点を提供し、このことは、例えば修理または整備の場合に有利となりうる。さらに、スイッチ２５、２６は簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうる。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット２０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能であり、速い切り替え速度が実現されうる。

図４Ａおよび図４Ｂは、第１の実施形態による結合ユニット２０を備えたバッテリモジュール３０の２つの実施形態を示す。複数のバッテリセル１１が、結合ユニット２０の入力口間に直列に接続されている。しかしながら、本発明は、このようなバッテリセルの直列回路には限定されず、バッテリセル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、バッテリセル１１の並列回路、もしくは、バッテリセル１１の直列−並列の混合回路（ｇｅｍｉｓｃｈｔ−ｓｅｒｉｅｌｌ−ｐａｒａｌｌｅｌｅ Ｓｃｈａｌｔｕｎｇ）も可能である。図４Ａの例では、結合ユニット２０の出力口は、第１の端子３１と接続され、バッテリセル１１の陰極は、第２の端子３２と接続される。しかしながら、図４Ｂのようなほぼ対称的な構成も可能であり、ここでは、バッテリセル１１の陽極が第１の端子３１と接続され、結合ユニット２０の出力口は、第２の端子３２と接続される。

図５は、本発明に係るバッテリに使用される結合ユニット４０の第２の実現形態を示す。結合ユニット４０は、２つの入力口４１および４２と、２つの出力口４３および４４とを有する。結合ユニット４０は、第１の入力口４１を第１の出力口４３と接続し、および、第２の入力口４２を第２の出力口４４と接続し（および、第１の出力口４３を第２の出力口４４から分離し）、または、第１の出力口４３を第２の出力口４４と接続する（および、その際に、入力口４１および４２を分離する）よう構成される。結合ユニットの特定の実施形態において、結合ユニット４０はさらに、２つの入力口４１、４２を出力口４３、４４から分離し、さらに、第１の出力口４３を第２の出力口４４から分離するよう構成されてもよい。しかしながら、第１の入力口４１を第２の入力口４２と接続することは構想されない。

図６は、結合ユニット４０の第２の実現形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ４５、第２のスイッチ４６、第３のスイッチ４７が設けられる。第１のスイッチ４５は、第１の入力口４１と第１の出力口４３との間に接続され、第２のスイッチ４６は、第２の入力口４２と第２の出力口４４との間に接続され、第３のスイッチ４７は、第１の出力口４３と第２の出力口４４との間に接続される。本実施形態も同様に、スイッチ４５、４６、および４７が簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうるという利点を有する。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット４０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能であり、速い切り替え速度が実現されうる。

図７は、第２の実施形態による結合ユニット４０を備えたバッテリモジュール５０の一実施形態を示す。複数のバッテリセル１１が、結合ユニット４０の入力口間に直列に接続されている。本実施形態も、このようなバッテリセル１１の直列回路には限定されず、バッテリセル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、バッテリセル１１の並列回路、もしくは、バッテリセル１１の直列−並列の混合回路も可能である。結合ユニット４０の第１の出力口は、第１の端子５１と接続され、結合ユニット４０の第２の出力口は、第２の端子５２と接続される。図４Ａおよび図４Ｂのバッテリモジュール３０に対して、バッテリモジュール５０は、結合ユニット４０によって、バッテリセル１１を残りのバッテリから両側で分離出来るという利点を有し、このことによって、駆動中の安全な交換が可能となる。なぜならば、バッテリセル１１のどの極にも、バッテリの残りのバッテリモジュールの危険な高い総電圧が印加されないからである。

図８は、ｎ個のバッテリモジュール線６０−１〜６０−ｎを有する本発明に係るバッテリの一実施形態を示す。各バッテリモジュール線６０−１〜６０−ｎは、複数のバッテリモジュール３０または５０を有し、好適に各バッテリモジュール線６０−１〜６０−ｎは、同じ数のバッテリモジュール３０または５０を有し、各バッテリモジュール３０、５０は、同じ形態で接続された同じ数のバッテリセル１１を含む。各１のバッテリモジュール線６０の極は、他のバッテリモジュール線６０の対応する極と接続可能であり、このことが図８の点線で示されている。一般的に、バッテリモジュール線６０は、１より多い任意の数のバッテリモジュール３０、５０を有し、バッテリは、任意の数のバッテリモジュール線６０を含みうる。さらに、安全規定により要請される場合には、バッテリセル線６０の極に、図１に記載されたような充電および分離素子と、分離素子とを追加的に設けることも可能である。ただし、本発明によれば、このような分離素子は必要ではない。なぜならば、バッテリモジュール３０、５０に含まれる結合ユニット２０、４０によって、バッテリ端子からのバッテリセル１１の分離が行えるからである。

既に記載したように、本発明に係るバッテリによって、比較的高い充電状態を有するバッテリモジュールのバッテリセルが、比較的低い充電状態を有するバッテリモジュールのバッテリセルよりも長い期間に渡って、電気エネルギーの供給のために援用されるというセルバランシングが可能となる。これにより、バッテリ内に蓄えられた全電気エネルギーが、実際にバッテリ駆動型適用のために提供され、通常のセルバランシングの枠組みにおいて浪費されたり、または、配給するためにコストが掛かったり電力損失が伴ったりすることがない。

本発明に係るバッテリのさらなる別の利点は、バッテリが非常に簡単に、結合ユニットが組み込まれた個々のバッテリモジュールから、モジュール方式で組み立てられることである。これにより、同じ部品の利用（組立キットの原則）が可能となる。

Claims (7)

1. 少なくとも１つのバッテリモジュール線（６０）と、バッテリセル（１１）の充電状態を決定するためのセンサ手段と、制御ユニットと、を備えたバッテリであって、
   前記少なくとも１つのバッテリモジュール線（６０）は、直列に接続された複数のバッテリモジュール（５０）を備え、
   各バッテリモジュール（５０）は、
   少なくとも１つのバッテリセル（１１）と、
   結合ユニット（４０）と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）は、前記結合ユニット（４０）が有する第１の入力口（４１）と第２の入力口（４２）との間に接続され、
   前記結合ユニット（４０）は、
   前記バッテリモジュール（５０）の第１の端子（５１）と接続される第１の出力口（４３）と、前記バッテリモジュール（５０）の第２の端子（５２）と接続される第２の出力口（４４）とをさらに有し、
   第１の制御信号に応じて、前記第１の入力口（４１）と前記第１の出力口（４３）とを接続し、前記第２の入力口（４２）と前記第２の出力口（４４）とを接続し、前記第１の出力口（４３）と前記第２の出力口（４４）とを分離し、
   第２の制御信号に応じて、前記第１の入力口（４１）と前記第１の出力口（４３）とを分離し、前記第２の入力口（４２）と前記第２の出力口（４４）とを分離し、前記第１の出力口（４３）と前記第２の出力口（４４）とを接続するよう構成され、
   前記第１の制御信号に応じて、前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）を、前記バッテリモジュール（５０）の前記第１の端子（５１）と、前記バッテリモジュール（５０）の第２の端子（５２）とに接続させ、
   前記第２の制御信号に応じて、前記第１の端子（５１）と前記第２の端子（５２）とを接続させ、前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）を、前記バッテリモジュール（５０）の前記第１の端子（５１）と、前記バッテリモジュール（５０）の第２の端子（５２）とから分離させ、
   前記センサ手段は、各前記バッテリモジュール（５０）の前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）と接続可能であり、
   前記制御ユニットは、前記センサ手段と接続され、かつ、前記バッテリモジュール線（６０）の全バッテリモジュール（５０）の中で最低の充電状態をその少なくとも１つのバッテリセル（１１）が有するバッテリモジュール（５０）を選択し、前記第２の制御信号を、前記選択されたバッテリモジュール（５０）の前記結合ユニット（４０）へと出力するよう構成される、バッテリ。
2. 前記センサ手段は、バッテリセル（１１）のセル電圧またはバッテリモジュール（５０）の電圧を検出するよう構成された電圧測定ユニットを備える、請求項１に記載のバッテリ。
3. 前記センサ手段は、前記バッテリセル（１１）のセル温度または前記バッテリモジュール（５０）の温度を検出するよう構成された温度測定ユニットをさらに備える、請求項２に記載のバッテリ。
4. 前記センサ手段は、前記少なくとも１つのバッテリモジュール線（６０）の電流を検出するよう構成された電流測定ユニットをさらに備える、請求項２または３に記載のバッテリ。
5. ３つのバッテリモジュール線（６０）を備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリ。
6. 前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）はリチウムイオンバッテリセルである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリ。
7. 車両を駆動するための電動機と、
   前記電動機と接続された請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリと、
   を備えた車両。

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