JP6204357B2 - エネルギー・ストレージ・デバイスに関する直列／並列接続スキーム - Google Patents

Description

［関連した特許出願］
[0001] ２００９年７月６日に出願の米国特許出願シリアル番号第１２／４５９，６５４号は、本発明と同じ譲受人に譲渡され、全体としてここに組み込まれる。

[0002] 本発明は、電池に関し、特に直列―並列構造で配置される複数のセルから成る大容量二次電池に関する。特に本発明は、セル短絡イベントの間に電池を保護するために、電流制限装置を有する複数のセル電池に関する。

[0003] 所望電圧および容量を成し遂げるために、電池は、多くのセルからしばしば成る。直列に一緒にセルのストリングを接続することによって、従来の直列並列スキームは特徴づけられる。そして、並列にストリングの倍数を接続する。従来の直列―並列スキームは並列にセルのバンクを接続することによって、特徴づけられる。そして、直列に複数のバンクを接続する。

[0004] 基本の物理学において、公知であるように、並列に接続されるセル（またはセルのストリング）は同一の電圧を成し遂げて、維持する傾向がある。バンクの中の自然発生的な電圧同等化は、通常の使用の間、電圧モニタおよび制御プロセスを単純化する。
しかし、セル（またはセルのストリング）の１つが内部ショートを開発する場合に備えて、それは危険である。簡潔のために、ショートを含んでいるセル（またはセルのストリング）は、短絡するセル（または、セルのストリングを短絡させた）と呼ばれている。バンクまたは列の他のセル（またはセルのストリング）は、並列隣と呼ばれている。自然流入電流によって、短絡するセル（またはセルのストリング）はその並列隣人からエネルギーを受け取る。そして、過熱するためによりおそらくなられる。

[0005] 並列直列電池構造において、複数のバンクは、直列に接続される。流入電流は、ショートを収容しているバンクのまわりを、主に回っている。直列並列スキームにおいて、ストリングの１つのバンクだけがある。流入電流は、全ての電池に巻きついている。
ループ抵抗は、並列直列構造でより直列並列電池構造で大きい。このように、流入電流は、並列直列構造でより直列並列構造で小さい。その結果、短絡するセルは、並列直列電池構造でより直列並列電池構造で過熱しそうでない。換言すれば、 直列並列構造は内部ショートに対してより強力である。このように、並列直列構造より安全である。

[0006] しかしながら通常の使用で、直列並列電池構造の各ストリングはモニタされて、それぞれにバランスが保たれることを必要とするが、並列直列電池構造は単一のストリングとしてモニタされることができて、バランスが保たれることができる。このように、直列並列構造は、並列直列構造より多くのバッテリー管理装置（ＢＭＵ）を必要とする。安全性を代償にして、この経済的な考慮は、直列並列スキームの上の直列―並列スキームの人気につながった。

[0007] 本発明の目的は、セルのセルまたはストリングが内部ショートを経験するときに流入電流が減らされるような内部列隔離を有する直列並列接続した電池セルのマトリックスを提供することである。

[0008] 少なくともこの目的を達成するために、電池パックは、直列並列電池セルのマトリックスを有する。他のバッテリ・セルに損傷を与えることから電流に対して短絡する電池セルを妨げるために、電池パックは、流入電流を制限している回路を有する。各カラムにおいて、カラムの各電池セルが接合を隣接する電池セルの負ノードにより形成するために接続される正のノードを備えているように、電池セルが接続される直列であるような行または列で、直列並列接続した電池セルまたはバッテリ・セル・ストリングは、配置される。電池セルの各カラムの第1の電池セルの正のノードは電池パックの正の出力コネクタに接続している。そして、電池セルの各カラムの最後の電池セルの負ノードは電池パックの負のコネクタに接続している。

[0009] 緩衝レジスタの各々は、電池セルの１つの正のノードまたはカラムの隣接する電池の負ノードを有するカラムのセルのストリングの１つの接合に連結する第1の端末を有する。緩衝レジスタの第２の端末は列の電池セルを接合に接続した、または、セルのストリングは一緒に接続されて、バッテリー管理システムの測定ノードのコネクタにある。
緩衝レジスタの各々は、電池パックの他の電池に損害を与えることから電流過剰を防止するためにセルの一つ以上の電池セルまたはストリングが短絡させるときに、抵抗を増加させる可変抵抗である。

[0010] いくつかの実施形態では、緩衝レジスタの抵抗が増加させる緩衝レジスタの範囲内で温度が増加するように、緩衝レジスタの各々は正の温度係数を有する。他の実施態様において、緩衝レジスタの各々は、１つの電池セルまたはストリングが失敗するときに、自己崩壊するヒューズである。

[0011] 各種実施形態において、緩衝レジスタの抵抗が同時に変化するように、各カラムのセルの電池セルまたはストリングに接続している緩衝レジスタは熱的に連結される。
各種実施形態において、緩衝抵抗器は、ヒート・シンクに連結されて、ヒート・シンクから緩衝レジスタの電気絶縁体を形成している電気的絶縁を有する。ヒート・シンクは、銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である。緩衝レジスタの同一の暖房を保証するために、緩衝レジスタは、熱的に緩衝レジスタを周囲温度から分離するために、ヒート・シンクに囲まれるかまたはほとんど囲まれている。同様に、電気絶縁体は、緩衝レジスタとヒート・シンクの間に電気的絶縁を保証するために緩衝レジスタを囲んでいる。

[0012] いくつかの実施形態では、電池セルの各カラムは、オーバーチャージするかまたは短絡する電池セルの場合の電池セルの中で過剰放電するのを妨げる電池セルのストリングと直列に配置される電流調整しているエレメントを有する。各種実施形態において、エレメントを調整している電流およびこのカラムの各セルに関する緩衝レジスタは、緩衝レジスタの抵抗を等しくするために、熱的に連結される。各種実施形態において、エレメントを調整している電流は、電池セルの列の各々の流入電流を抑制するために自発的に電流を等しくする正の温度係数を有するレジスタである。

[0013] 各種実施形態において、エレメントを調整している緩衝レジスタおよび電流は、周囲環境から熱的に分離される。いくつかの実施形態では、熱的に緩衝レジスタおよび電流調整しているエレメントを周囲温度から分離するために、熱的に被結合緩衝抵抗器のアセンブリおよびエレメントを調整している電流は、熱絶縁体によって、囲まれる。

[0014] 他の実施形態において、流入電流を調整しているアセンブリは、直列並列接続した電池セルのマトリックスの直列接続した電池セルの列の接合に連結する複数の正の温度係数バッファ抵抗器を備えている。正の温度係数バッファ抵抗器は、熱的に連結されて、電気的に絶縁される。いくつかの実施形態では、正の温度係数バッファ・レジスタとヒート・シンクの間に配置される電気絶縁体を有するヒート・シンクに、正の温度係数バッファ・レジスタは、固定される。ヒート・シンクは、銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である。緩衝レジスタの同一の暖房を保証するために、緩衝レジスタは、熱的に緩衝レジスタを周囲温度から分離するために、ヒート・シンクに囲まれるかまたはほとんど囲まれている。同様に、電気絶縁体は、緩衝レジスタとヒート・シンクの間に電気的絶縁を保証するために緩衝レジスタを囲んでいる。

[0015] いくつかの実施形態では、流入電流を調整しているアセンブリには、電池セルの各カラムと直列に電流調整エレメントを有する。電流調整エレメントは、各種実施形態において、正の温度係数バッファ・レジスタである。電流調整エレメントは、熱的に電流調整しているエレメントを有する直列である電池セルのカラムの緩衝レジスタに連結して、それから電気的に絶縁される。各種実施形態において、電流調整エレメントは、電池セルの列の各々の流入電流を抑制するために自発的に電流を等しくする正の温度係数を有するレジスタである。

[0016] 図１は、本発明の原則を実施している電池の直列の複数のカラムにより共有される測定ノードを有する直列―並列バッテリパックの概略図である。 [0017] 本発明の原則を実施している緩衝抵抗器のアセンブリの実施形態の側面図である。 本発明の原則を実施している緩衝抵抗器のアセンブリの実施形態の平面図である。 [0018] 図３は、本発明の原則を実施している緩衝抵抗器のアセンブリの他の実施形態の側面図である。 [0019] 図４は、バッテリー管理装置（ＢＭＵ）の測定ノードに連結するバッテリパックの実施形態の概略図であり、バッテリパックは、本発明の原則を実施しているユニットを調整している電流を有する。 [0020] 図５は、本発明の原則を実施しているエレメントを調整している電流および緩衝抵抗器のアセンブリの他の実施形態の側面図である。 [0021] 図６は、本発明対温度の原則を実施している正の熱係数抵抗装置の抵抗のプロットである。 [0022] 図７は、本発明の原則を実施している緩衝抵抗器のアセンブリの他の実施形態の上面図である。 [0023] 図８は、本発明の原則を実施している緩衝抵抗器のアセンブリの他の実施形態の側面図である。

[0024]米国特許公報２０１１／０００３１８２Ａ１（Ｚｈｕ）は、直列―並列の安全性および並列−直列方式の効率を結合する複合型バッテリパックを記載する。構造は、変更された直列―並列方式であり、２つの直列的に接続されたセルの間のいかなる接続も、接合と呼ばれている。すなわち、同じノミナル電位で、同じ列上の各接合は、共通ノードに緩衝レジスタを介して連結される。バッテリー管理装置（ＢＭＵ）は、各ノードの電位およびバッテリ端子の可能性をモニタする。あるいは、構造は、変更された並列−直列方式として見られることもでき、セルの各バンクの中の並列接続は、ごくわずかでない抵抗を有する。

[0025] 従来の直列―並列スキームにおいて、数ヵ月のオーダーの時定数で、同じ列上のセルの電圧は、分岐する傾向がある。従来の直列―並列スキームにおいて、内部ショートの間の有害な流入電流の時定数は、秒のオーダーである。Ｚｈｕに記載されている構造において、自然発生的な内部バンク電圧同等化の時定数が前述の２つの時定数で中間であるように、緩衝レジスタの抵抗は選択される。このように、流入電流の危険は減らされる。そして、電池セルの各列に関する独立モニタおよび均衡を保つことに関する要求は排除される。

[0026] 内部短いおよび内部バンク同等化に加えて、緩衝抵抗の最適化は、付加的な考慮点に従う。例えば、同じストリングのセルは、異なる容量を所有できる。低い緩衝抵抗によって、よりオペレーティング（充電／放電）電流が低い容量のセルを迂回できる。このように、オーバーローディングおよびこのセルの早い低下を回避する。

[0027] 他の考慮において、直列―並列スキームの流入電流は、短絡するストリング上の良好なセルおよび電池セルの並列隣列上の過大放電セルをオーバーチャージすることができる。緩衝抵抗があまりに大きい場合、類似のダメージは、Ｚｈｕにおいて、記載されている構造で起こる場合がある。図示する実施形態として、電池セルが短絡し、その緩衝レジスタがあまりに大きいときに、並列隣接カラム上のバッテリ・セル・レジデントは、短絡する電池セルを有する電池セルのカラム上の残留するセルを一緒にオーバーチャージすることができる。短絡するバッター電池を有する並列隣接カラム上の電池セルは、それ自身を上に放電することができない。これらの付加的な考慮点を与えられて、緩衝抵抗は、最適化するのがより困難になる。

[0028] 電池の中でオーバーチャージすることおよびセルを上に放電することに関して補償するために、電池セル短絡イベントの間に流入電流を制限するために、電流制限装置は、Ｚｈｕの緩衝レジスタを置き換える。各種実施形態において、電流制限装置は、それらによる電流がある量を超えるときに、それらの抵抗を増加させる可変緩衝抵抗器である。いくつかの実施形態では、可変緩衝抵抗器は、正の温度係数を有する。

[0029] 図１は、直列接続した電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、本発明の原則を実施しているＢ３４の複数のカラムにより共有される測定ノードのＭＮ１、ＭＮ２およびＭＮ３を有する直列―並列バッテリパック１００のブロック線図である。電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４が、行または列で配置され、各カラムの電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ４４は、バッテリパック１００の正の端末Ｔ＋に接続している各直列Ｂ１４、Ｂ２４およびＢ３４との第１の正の端子と直列に接続される。各直列Ｂ１１、Ｂ２１およびＢ３１の最後の電池の負極端子は、バッテリパック１００の負極端子Ｔ―に接続している。各カラムの電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３２、Ｂ３３レジデントは、隣接する電池Ｂ１２、Ｂ１３、…、Ｂ３３、Ｂ３４の負極端子に接続しているそれらの正の端末を有する。図１が４つの直列接続した電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の３つのカラムを示すにもかかわらず、より多くの一般的構成が直列に接続された電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂｍ（ｎ―１）、Ｂｍｎのいかなる数ｎのカラムのもいかなる数ｍも有する点に留意する必要があり、本発明の範囲および意図の範囲内である。更に、電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４は、単一のセルとして示されるが、しかしながら、アレイが本発明の原則を実施するにつれて、ストリングとして直列に接続され、または、バンクとして並列に接続され、または、直列および並列接続の組合せによって、接続した複数のセルを有する。

[0030] バッテリパック１００は、可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３をインプリメントされる複数の電流制限装置を備えている。可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３の各々は、カラムの隣接する電池Ｂ１２、Ｂ１３、…、Ｂ３３、Ｂ３４の負ノードを有するカラムの電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３２、Ｂ３３の１つの正のノードの１つの接合に連結する第一末端を有する。電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３２、Ｂ３３の列を接合して接続し、ている可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３の第２の端末が、測定ノードのＭＮ１、ＭＮ２およびＭＮ３に一緒に接続される。測定ノードのＭＮ１、ＭＮ２およびＭＮ３は、バッテリー管理装置ＢＭＵの入力ターミナルである。バッテリー管理装置ＢＭＵは、連続した測定ノード、ＭＮ１、ＭＮ２、ＭＮ３と、電池パック１００の正のターミナルのＴ＋および負極端子Ｔ−との間の電圧（すなわち、電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の各列の電圧）をモニタして、バランスをとる。従来技術でバッテリー管理装置ＢＭＵがマルチプレクサ（図示せず）を概して含むことは公知であり、それによって、複数の列が単一のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを用いて連続してモニタされることができる。バッテリー管理装置ＢＭＵは、過充電の電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の列をドレーンさせるために短絡通路を決めることもでき、または、充電が不足している電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の列へ過充電を転送することもできる。

[0031] 電池パックの他の電池に損害を与えることから電流過剰を防止するために一つ以上の電池セルまたはセルの列が短絡させるときに、可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３の各々は抵抗を増加させる。

[0032] 各種実施形態において、可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３は、正の温度係数（ＰＴＣ）装置である。可変的なバッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３が、通常のオペレーティングおよび記憶条件の下で、低い抵抗値を有するが、しかし、深刻な内部ショートが発生するとき、抵抗は自動的に増加する。過剰な流入電流は、正の温度係数変数バッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３を加熱し、短絡するセルから直接、または、流入電流の結果として発生する熱により移される熱によって、抵抗は、増加する。正の温度係数レジスタは公知技術で、円筒状リチウムイオン・エネルギー・セルの標準安全装置として用いられる。正の温度係数変数バッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３は通常のオペレーティング電流をもたらさず、かくして、エネルギーも消失されず、熱も発生させない。正の温度係数変数バッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３は、従来のセルにおいて、使われて、それとは異なる。従来技術の円筒状リチウムイオン・エネルギー・セルの正の温度係数レジスタは、環状である（ガスケットに似る）。正の温度係数変数バッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３が、各種実施形態において、自動車リア・ウインドウ―除霜装置のそれと類似の正の温度係数抵抗性材料のストリップである。正の温度係数抵抗性材料は、チタン酸バリウム・セラミックまたは黒鉛およびクリストバル石タイプＳｉＯ２コンポジットでできていてもよい。

[0033] 他の実施形態において、可変的なバッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３は、ヒューズである。ヒューズの抵抗は、通常の状況の下でごくわずかで、深刻な内部ショートの後無限に大きくなる。各種実施形態において、ヒューズは、リセットされることが可能である。再設定可能なヒューズは、一般に熱切断ユニットと呼ばれて、より高価である。しかしながら、熱切断ユニットは、とんだヒューズを修理する効果を減らす。

[0034] 各種実施形態では、Ｚｈｕにて説明したように、固定緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３、正の温度係数変数バッファ・レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３、および、ヒューズは、様々な直列および／または並列の組合せで、多様な条件の下で所望の様々な抵抗を成し遂げるために、連結される。一般に、目的は通常作動の間、低い緩衝抵抗を成し遂げることである。そして、安全性に関する直列―並列電池パック構造を達成するために内部ショートが発生するとき、高い緩衝抵抗を成し遂げると共に、管理の容易さに関する並列直列電池パック構造を模倣する。

[0035] 上記した実施形態において、可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３のいずれかの抵抗の散発的な増加は、有害な副作用を引き起こす場合がある。例えば、短絡する電池（または電池セル）Ｂ１４と関連する緩衝レジスタＲ１３が開回路を破壊的に形成した場合、すべての他の緩衝レジスタＲ１１（Ｒ１２）…（Ｒ３２）Ｒ３３超低抵抗体のままである。Ｂ２４と直列の電池（または電池セル）Ｂ２３、および、Ｂ３４と直列のＢ３３は、電池セルＢ１３をオーバーチャージし、それ自身をオーバーチャージする。
オーバーチャージの電圧比率が４：３の代わりに２：１であるので、これは、従来の直列並列スキームにおいて、より深刻である。各種実施形態において、この課題は同じストリング上のすべての可変緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３により除去され、または、カラムは同時に変化するようにされる。例えば緩衝レジスタＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１、緩衝レジスタＲ１２、Ｒ２２、Ｒ３２、および、緩衝レジスタＲ１３、Ｒ２３、Ｒ３３は、同じストリング上にあり、それらの温度が一緒に上下するように、熱的に連結される。これは、同時にすべての変化にそれらの抵抗を引き起こす。電池が、電池（または電池セル）Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の各ストリング上の電池セルの長いストリングから成る場合、特に、内部ショートの間、効果的に同じストリングにある緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３のこの結合は、オーバーチャージを妨げ、および／または、過放電を妨げる。

[0036] 図２ａおよび２ｂは、側面図の図面および緩衝レジスタＲ１１、Ｒ１２、…、Ｒ３２、Ｒ３３の熱的に接続されたストリングに関するアセンブリの実施形態の平面図である。同じストリング上の緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３は、普通のヒートシンクＨＳに配置される。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３は、電気絶縁体ＥＳによって、ヒートシンクＨＳから切り離される。例えば、プラスチック（例えばポリイミド）の薄膜は、所望の電気絶縁体ＥＳを形成するために、ヒートシンクでコーティングされることができる。
それから、ＰＴＣの複数のストリップは、所望の緩衝レジスタを形成するために、ＥＳに敷設されることができる。プラスチック膜は、熱耐久性を高めるために、ガラス繊維またはアルミナ粉で補強されることができる。

[0037] 各種実施形態において、ヒートシンクＨＳは、同じストリング上の緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３の中の実質的に同一の温度を維持するのに十分である銅、アルミニウム、鉛、スズまたは他のいかなる適切な熱導体のような金属である。短絡するセルと関連した緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３がヒートシンクを加熱するように、ヒートシンクＨＳの熱容量は設計され、それゆえに、ヒートシンク上のすべての緩衝レジスタは、予め定められた範囲内の遅延をする。電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ４４の各カラムまたはストリングと関連した緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３は、それ自身のヒートシンクＨＳを有する。

[0038] 図３は、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３のアセンブリの他の実施形態の側面図であり、それは、短絡する電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４を伴う緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３のストリングの範囲内で、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３の同一の温度上昇を確実にする。各種実施形態において、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３は、第1のヒート・シンクＨＳ１に付着した第１の電気絶縁体ＥＩ１を備えて第１のヒートシンクＨＳ１に配置される。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３は、第１の電気絶縁体ＥＩ１の上に形成される。第２の電気絶縁体ＥＩ２は、第２のヒート・シンクＨＳ２に付着した。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３のより完全な熱結合を保証するために、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３は囲まれるように、配置された第２の電気絶縁体ＥＩ２を有する第２のヒート・シンクＨＳ２は、第1のヒート・シンクＨＳ１に配置される。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３の熱結合によって、一緒にそれらの温度上昇および低下が生じ、すべての変化に対するそれらの抵抗を生じる。電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４の同じカラムまたはストリングに接続している緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３のこの結合は、内部ショートの間、オーバーチャージおよび／または過放電を効果的に妨げる。しかしながら、すべての緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３が効果的に開いている場合であっても、流入電流は重要であるように十分大きくなることができる。特に図１の電池パック１００が電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ４４の短いカラムまたはストリングから成る場合、これは真である。すなわち、流入電流は、バッテリパック１００の陽極端子Ｔ＋および負極端子Ｔ―で最も大規模なループを通過できる。この場合、電流調整エレメントが、電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４の各カラムまたはストリングと直列に配置されることは、望ましい。

[0039] 図４は、バッテリー管理装置ＢＭＵの測定ノードに連結するバッテリパック１００の実施形態の概略図であり、電池パック２００は、本発明の原則を具体化している電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３を有する。電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４の各カラムには、カラム上の電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４のカラムまたはストリングと直列に電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３を有する。示されるように電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３が電池パック２００の負極端子Ｔ―とバッテリ・セルＢ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の電池またはストリングの列との間に接続されるにもかかわらず、電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３が電池の直列またはバッテリ・セルＢ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４のストリングでどこにでも挿入されることができる点に留意する必要がある。各種実施形態において、電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３は可変抵抗である。そして、それはアセンブリおよび保守の間、手動で調整されることができるか、またはアプリケーションの間、自動的に制御されることができる。
電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３は、他の実施形態において、以下のエレメントの一つ以上から造られる：
１.スイッチ、リレーまたは接触（それによって、安価であるが、診断に役立って、電池パックが１つの直列が失敗する場合に備えて、減少した容量に取り組むことができる）。

２.いずれの温度または電流によっても起動できるヒューズ、そこにおいて、ヒューズは、リセットされることが可能でもよいかまたは、可能でなくてもよい。
ヒューズは電池Ｂ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４のカラムまたはストリングをオーバーロードから保護し、または、極端に高い温度で作動する。

３.抵抗が温度によって、単調に、可逆的に、そして、非線形に増加する正の熱係数抵抗装置。陽熱係数抵抗装置は細胞内部抵抗の負の熱係数を相殺できる。このように、電池パックの中の熱勾配で電流分布の感度を下げる。正の熱係数抵抗装置も、回復できる熱ヒューズとして機能する。

４.低抵抗調節可能な抵抗器（例えば抵抗が平行に導体を加えることによって、減少できる導体のストリップ）（例えば、ストリップの表面上のはんだを加えるか、または付加導体をストリップにはんだ付けする）（および導管通路（例えば、ストリップ上の穴をパンチするか、または一部のストリップを切り離す）をブロックすることによって、増加する）。それは、アセンブリおよび保守の間、役立つ。

５.電流レギュレータ回路。

６.電子スイッチ（例えばＣＭＯＳデバイス）（それはフィードバック制御によって、電流分布を制御するために用いることができる）。大きい流入電流に対して電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４のカラムまたはストリングの各々を妨げる機能を実行する電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３のいかなる設計および構造も、本発明の原則と調和する。

[0040] 電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３は、極めて信頼性が高くなければならない。単一の不全は、電池または電池セルＢ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の直列カラム・ストリングを開くことができ、電池または電池セルＢ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４の他の直列カラム・ストリング上へ、電流のそのシェアを流用することができ、かくして、それらにオーバーロードする。電流調整ユニットＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３は、低電力損失およびヒート生成も呈しなければならない。信頼できないまたは熱生成構成要素に関する要求を減らすかまたは排除するように、影響されなければならない。

[0041] 図５は、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３のアセンブリの他の実施形態の断面図および本発明の原則を具体化している電流調整ユニットＣＲの図面である。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３は、電流調整ユニットＣＲに付着される電気絶縁体ＥＩに配置される。各種実施形態において、電流調整ユニットＣＲは、正の熱係数抵抗デバイスである。

[0042] 図６は、本発明対温度の原則を具体化している正の熱係数抵抗デバイスの抵抗のプロットである。正常動作状態の下で、電流調整ユニットＣＲによる電流に荷電して／放電することによって、発生する熱および自発的に電流を等しくしているストリング間は、電流調整ユニットＣＲの転移温度を越えて緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３および電流調整ユニットＣＲのアセンブリの温度を上げるには不十分である。従って、力の散逸は低く、内部バンク同等化は効率的である。しかしながら、内部ショートが過剰な流入電流を引き起こすとき、転移温度を上回って温度を上げるために、電流調整ユニットＣＲの、そして、緩衝レジスタＲ１Ｒ２およびＲ３の正の熱係数抵抗デバイスは、十分な熱を一緒に発生させる。特に電池の電池パック２００マトリックスまたはバッテリ・セルＢ１１、Ｂ１２、…、Ｂ３３、Ｂ３４が短いストリング（すなわち、ほとんどセルの直列でない）から成るストリングである場合、緩衝レジスタＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１および電流調整ユニットＣＲのアセンブリの流入電流は、効果的にショートにより誘発されて法外な値段をふっかけることを防止しているすべての経路において、抑制されて、過放電する。

[0043] 各種実施形態において、図７は、短絡する電池と関連した電池Ｂ１１、Ｂ１２…Ｂ３３、Ｂ３４のカラムまたはストリングの範囲内で緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３および電流調整ユニットＣＲの同一の温度上昇を確実にする緩衝レジスタＲ１１、Ｒ２１、Ｒ３１および電流調整ユニットＣＲのアセンブリの他の実施形態の断面図である。各種実施形態において、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３は、第1のヒート・シンクＨＳ１に付着される第1の電気絶縁体ＥＩ１に配置されている。開口部は、電流調整ユニットＣＲを受け入れる第１のヒート・シンクＨＳ１に形成されている。ヒート・シンクＨＳから電流調整ユニットＣＲを電気的に絶縁する電気絶縁体ＥＩ３を有する第1のヒート・シンクＨＳ１に、電流調整ユニットＣＲは固着する。

[0044] 第２の電気絶縁体ＥＩ２は、第２のヒート・シンクＨＳ２に付着した。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３および電流調整ユニットＣＲのより完全な熱結合を保証するために、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３が囲まれるように、配置された第２の電気絶縁体ＥＩ２を有する第２のヒート・シンクＨＳ２は、第1のヒート・シンクＨＳ１に配置される。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３および電流調整ユニットＣＲの熱結合は、それらの温度に一緒に上下して、同時にすべての変化にそれらの抵抗を引き起こさせる。ストリングがオーバーチャージしておよび／または過放電するのを効果的に妨げる同じであるように、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２及びＲ３および電流調整ユニットＣＲが結合する。

[0045] 図８は緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のアセンブリの他の実施形態の断面図であり、電流調整ユニットＣＲが本発明の原則を具体化する。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４並びに電流調整ユニットＣＲのアセンブリの熱制御を更に高めるために、緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、および、Ｒ４、並びに、電流調整ユニットＣＲが、雰囲気の空気の周囲温度から断熱され、図４の電池パック２００が住む。矩形の断面図と側が４つの緩衝レジスタまで適応するその四つとを有し、電流調整ユニットＣＲは示される。３つのレジスタＲ１、Ｒ２およびＲ３を有する実施形態において、上記の連続平行したバッテリパックに示すように、第４のレジスタＲ４が、使われない。さらに一般的にいえば、電流調整ユニットＣＲが必ずしも矩形であるというわけではない、そして、いかなる数の緩衝レジスタはその側壁に取り付けられることが可能である（各直列の電池の数に応じて）。
パック２００の各連続が４つ未満の緩衝レジスタを有する場合に備えて、緩衝レジスタの場所のいくつかは空でありえる。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、および、Ｒ４、並びに、電流調整ユニットＣＲのアセンブリは、電気的絶縁ＥＩに配置された緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する。緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４を備えた電気的絶縁ＥＩは、電流調整ユニットＣＲを緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４に熱的に連結するように、電流調整ユニットＣＲに固着する。この全構成は、それは緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、および、Ｒ４のアセンブリ、並びに環境から電流調整ユニットＣＲを分離する断熱にある。断熱ＴＩの構造およびサーマルは緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３Ｒ４および電流調整ユニットＣＲは設計され、そして、所望の起動させている温度（緩衝抵抗が鋭く増加する温度）および潜在性（緩衝抵抗が増加する流入電流の増加から）になる。示されない一方、上のヒート・シンク構造のいずれかが記載されて緩衝レジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、および、Ｒ４のアセンブリに含まれることができ、および電流調整ユニットＣＲ、そして、本発明の原則に合わせてある。

[0046] 本発明が特にその好ましい実施形態に関して図と共に記載された一方、さまざまな形の変更および詳細が本発明の精神と範囲から逸脱することなく作られることが可能であることは当業者によって、よく理解されている。

Claims (43)

1. 直列並列接続された電池セルのマトリックスから成る電池パックの中で流入電流を制限することに関する電流緩衝アセンブリであって、
   複数の電流制限装置であって、複数の電流制限装置の各々は、直列並列接続された電池のマトリックスの１つのカラムで２つの隣接する電池セルの接合に接続された第１の端末と、直列並列被接続電池の１本の行と関連した複数の電流制限装置のすべての第２の端末が共通に接続されるように接続されたことを特徴とする第２の端末と、を有することを特徴とする、複数の電流制限装置と、
   少なくとも１つの電流制限追跡手段であって、カラム上の１つの電池セルがショートするときのように、少なくとも１つの電流制限追跡手段が、１つのカラムで２つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結され、カラム上の１つの電池セルがショートするとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、少なくとも１つの電流制限追跡手段と、
   を有することを特徴とする電流緩衝アセンブリ。
2. 前記複数の電流制限装置の各々が、緩衝レジスタである請求項１の電流緩衝アセンブリ。
3. 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項２の電流緩衝アセンブリ。
4. 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項３の電流緩衝アセンブリ。
5. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させ、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗を増加させ、熱的に連結された緩衝レジスタは、短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも１つの電流制限追跡手段は、緩衝レジスタを熱的に一緒に連結する少なくとも１つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項４に記載の電流緩衝アセンブリ。
6. ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項５の電流緩衝アセンブリ。
7. 複数の電流調整エレメントを更に有し、複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントが、電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな流入電流を防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの１つのカラムの電池セルと直列にあることを特徴とする、請求項１に記載の電流緩衝アセンブリ。
8. 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項７の電流緩衝アセンブリ。
9. 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項８の電流緩衝アセンブリ。
10. カラム上の１つの電池セルが短絡するとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも１つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項７の電流緩衝アセンブリ。
11. 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項１０の電流緩衝アセンブリ。
12. 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項１１の電流緩衝アセンブリ。
13. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも１つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも１つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項１２に記載の電流緩衝アセンブリ。
14. 複数の電流制限手段をおおっている断熱手段と、を更に有し、
    前記少なくとも１つの電流制限追跡手段が、周囲温度から少なくとも１つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を断熱する、ことを特徴とする請求項１に記載の電流緩衝アセンブリ。
15. 直列並列接続された電池セルの行または列のマトリックスと、
    直列並列接続された電池セルの少なくとも１つの短絡から生じている電池パック内に流入する電流を制限するための流入電流制限回路と、を有し、
    前記流入電流制限回路が、
    複数の電流制限装置のすべての第２の端末が、共通に接続されるように接続される第２の端末と、複数の電流制限装置の各々が、直列並列接続された電池のマトリックスの１つのカラム上の２つの隣接する電池セルの接合に接続している第1の端末と、を有する複数の電流制限装置と、
    少なくとも１つの電流制限追跡手段と、
    を有することを特徴とし、
    少なくとも１つの電流制限追跡手段の各々が、カラム上の１つの電池セルがショートするときのように、少なくとも１つの電流制限追跡手段が、１つのカラムで２つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結され、カラム上の１つの電池セルがショートするとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、
    電池パック。
16. 複数の電流制限装置の各々が緩衝レジスタである請求項１５の電池パック。
17. 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項１６の電池パック。
18. 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項１７の電池パック。
19. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも１つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも１つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項１８に記載の電池パック。
20. ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項１９に記載の電池パック。
21. 前記流入電流制限回路が、複数の電流調整エレメントを更に有し、複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントが、電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな流入電流を防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの１つのカラムの電池セルと直列にあることを特徴とする、請求項１５に記載の電池パック。
22. 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項２１に記載の電池パック。
23. 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、接触、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項２２に記載の電池パック。
24. カラム上の１つの電池セルが短絡するとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも１つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項２１に記載の電池パック。
25. 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項１５に記載の電池パック。
26. 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項２５に記載の電池パック。
27. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも１つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも１つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項２６に記載の電池パック。
28. 複数の電流制限手段をおおっている断熱手段と、を更に有し、
    前記少なくとも１つの電流制限追跡手段が、周囲温度から少なくとも１つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を断熱する、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
29. 直列並列接続した電池セルのマトリックスから成る電池パックの中で流入電流を制限する方法であって、
    複数の電流制限装置を提供するステップと、
    直列並列接続した電池のマトリックスの１つのカラム上の２つの隣接する電池セルの接合に接続している第1の端末に複数の電流制限装置の各々を接続するステップと、
    １つの列の直列並列接続した電池と関連した複数の電流制限装置の第２の端末を共通に接続するステップと、
    複数の電流制限追跡手段を提供するステップと、
    カラム上の１つの電池セルがショートするときのように、少なくとも１つの電流制限追跡手段の各々を、１つのカラムで２つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結させるステップであって、カラム上の１つの電池セルがショートするとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、連結させるステップと、
    を有することを特徴とする流入電流を制限する方法。
30. 複数の前記電流制限装置の各々が、緩衝レジスタである請求項２９の流入電流を制限する方法。
31. 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項３０の流入電流を制限する方法。
32. 少なくとも１つの電流制限追跡手段の各々を連結させるステップが、正の温度係数バッファ・レジスタを熱的に連結するステップを含む請求項３１に記載の流入電流を制限する方法。
33. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結するヒート・シンクであることを特徴とする請求項３２に記載の流入電流を制限する方法。
34. ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項３３に記載の流入電流を制限する方法。
35. 複数の電流調整エレメントを提供するステップと、
    電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな電流が流入するのを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの１つのカラムの電池セルと直列に複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントを取り付けるステップと
    を有することを特徴とする請求項２９に記載の流入電流を制限する方法。
36. 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項３５に記載の流入電流を制限する方法。
37. 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項３６に記載の流入電流を制限する方法。
38. カラム上の１つの電池セルが短絡するとき、１つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも１つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項３５に記載の流入電流を制限する方法。
39. 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項３８に記載の流入電流を制限する方法。
40. 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項３９に記載の流入電流を制限する方法。
41. 短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させ、それにより、１つの緩衝レジスタの抵抗を増加させ、熱的に連結された緩衝レジスタは、短絡した電池セルと関連した１つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも１つの電流制限追跡手段は、緩衝レジスタを熱的に一緒に連結する少なくとも１つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項４０に記載の流入電流を制限する方法。
42. ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項４１に記載の流入電流を制限する方法。
43. 少なくとも１つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を周囲温度から断熱するための断熱手段で、複数の電流制限装置および少なくとも１つの電流制限追跡手段を覆うステップをさらに含む、請求項２９に記載の流入電流を制限する方法。

Images