JP6411665B2 - 本質的に安全なバッテリセルのためのターンオン遅延 - Google Patents

Description

本発明は、再充電可能なバッテリセルユニットであって、相互接続されてバッテリモジュールとなりうる上記バッテリセルユニット、および、特に、ターンオン遅延が設けられる本質的に安全なバッテリセルユニット、および、本質的に安全なバッテリセルユニットの切り替え方法に関する。

電気的に互いに接続された複数のバッテリセルから通常構成される、大容量の再充電可能なバッテリモジュールは、電気自動車技術およびハイブリッド自動車技術における重要な構成要素である。特に、相互接続された複数のバッテリモジュールで構成され、したがって比較的多数のバッテリセルで構成されうるバッテリシステムの容量および安全性に対して、この分野で求められる要件は、蓄電池技術の開発が挑戦すべき課題となっている。自動車産業では、リチウムイオンバッテリが益々利用されている。リチウムイオンバッテリは、その高いエネルギー密度およびセル電圧により卓越している。しかしながら、リチウムイオンバッテリは、過充電および深放電に関して比較的損傷を受けやすい。

特にリチウムイオン電池の安全性を向上させるためには、以下のような本質的に安全なバッテリセルおよびバッテリモジュールが追求するに値し、すなわち、バッテリ管理システムのエレクトロニクス部の機能に頼ることなく、自身に対応付けられたエレクトロニクス部を用いて、許容しえない電気的駆動状態から自身を防護することが可能な上記バッテリセルおよびバッテリモジュールが追求するに値する。本質的に安全なバッテリセルは、短絡に対して強く、可燃性ではなく、爆発性でもなく、さらに、英語では「ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ（熱暴走）」とも呼ばれる発熱反応も引き起こすべきではないだろう。従来技術では、例えば急速放電回路等の電子部品を有する本質的に安全なバッテリセルが公知である。急速放電回路は、内部もしくは外部短絡、過負荷、深放電、または許容しえない外部からの加熱等の障害からバッテリセルを防護する。

バッテリモジュールまたはバッテリシステムの総電圧の特定値に達するために、現在の従来技術に対応して、直列および／または並列に相互接続された電気的に本質的に安全な複数のバッテリセルが、上位の制御ユニットによって、例えばバッテリ管理システムによって、予め定められた確率に従って作動される。個々のバッテリセルの容量を最大化しその寿命を延ばすために、個々のバッテリセルにエレクトロニクス部が備えられ、したがって、固有の状態条件が定められ、これに応じて固有の切り替え状態が実現される。バッテリセルの利用の優先度設定は典型的に、英語では「Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）」とも呼ばれる個々のバッテリセルの充電状態に応じて行われ、または、英語では「Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ（ＳＯＨ）」とも呼ばれる個々のバッテリセルの劣化に応じて行われる。この切り替え方法を実施するために、現在の従来技術によれば、各個々のバッテリセルに、英語では「Ｍｉｃｒｏ−Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（ＭＣＵ）」とも呼ばれるマイクロプロセッサユニットが備えられ、このマイクロプロセッサユニットが、対応するバッテリセルの切り替え確率を定める。このことは、著しい技術的コストとなり、さらに、バッテリ管理システムに対して、特に通信バスの情報密度に対して負荷を掛ける。

米国特許出願公開第２０１２／０２７４１４０号明細書には、制御ユニットと接続された切り替え装置を有するバッテリシステムが開示されている。切り替え装置は、複数のバッテリセルと、バッテリモジュール内の個々のバッテリセルの編成を制御ユニットがそれにより変更することが可能なケーブルとを含む。上記変更の際には、個々のバッテリセルの充電状態および劣化、バッテリモジュールの前歴、並びに、環境条件および製造規格が考慮されうる。切り替え装置によって、バッテリモジュールの出力電圧が、消費機器の要求、例えば電動機の要求に対して調整されうる。

従来技術で知られる、バッテリセルまたはバッテリモジュールのための切り替え方法は、比較的複雑性が高く、このように高い複雑性は効率にとっては不利であり、さらに、個々のバッテリセルとバッテリ管理システムとの間の通信バスにぎりぎりまで負荷を掛けることになる。通信バスへの過負荷によって、結果的に、バッテリモジュールまたはバッテリシステムのバッテリセルの作動時または停止時に遅延が生じうる。これにより、特定の公称電圧を調整するための制御の精度が損なわれる可能性がある。

このような背景から、本発明の課題は、本質的に安全なバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルの切り替え可能性を、特に、バッテリモジュールまたはバッテリシステムの複雑性の低減に関して、および、個々のバッテリセルとバッテリ監視システムとの間の通信バスへの通信負荷の低減に関して改善することである。

本課題を解決するために、請求項１に記載のターンオン遅延が設けられる本質的に安全なバッテリセルユニットと、請求項１０に記載の本質的に安全なバッテリセルユニットの切り替え方法とが提案される。

これに応じて、本発明は、再充電可能な電気化学的なバッテリセルと、当該バッテリセルに対して並列に接続された監視および制御ユニットと、第１のパワー半導体および第２のパワー半導体を備えたハーフブリッジとして構成された結合ユニットと、を備えるバッテリセルユニットを構想する。バッテリセルユニットには、雑音源を有する集積回路が備えられる。雑音源によってターンオン遅延が実現されうる。

本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニットは、従来技術に対して、以下のような利点をもたらし、すなわち、従来切り替え方法のために利用されたマイクロプロセッサユニットが、雑音源を有する集積回路によって置換可能であり、これによりバッテリシステムのコストおよび複雑性を下げられるという利点をもたらす。ソフトウェアおよびプロセッサチップはもはや必要ではない。マイクロプロセッサユニットの代わりに集積回路を利用することによって、個々のバッテリセルユニットをバッテリ管理システムと接続する通信バスへのデータ負荷が軽減される。本質的に安全なバッテリセルユニットの個別のターンオン遅延を生成するための雑音源の利用によって、さらに、バッテリセルユニットの作動および停止の頻度が高くなり、複数の本発明に係るバッテリセルユニットを有するバッテリモジュールまたはバッテリシステムの公称電圧がより正確に調整されうる。

本発明の有利な構成において、雑音源は誘導コイルであり、特に、小信号誘導コイルであることが構想される。比較的簡素な構成要素を利用することによって、本発明に係るバッテリセルユニットのコストおよび複雑性が下げられる。

本発明のさらなる別の構成において、複数のバッテリセルユニットが、バッテリモジュールへと互いに接続可能であり、ターンオン遅延は、個々のバッテリセルユニットごとに個別に調整されうることが構想される。本発明に係るバッテリセルユニットによって、対応付けられたバッテリ管理システムに対する要求が基本的により小さいバッテリシステムが構築されうる。これにより、フレキシブルで、ユーザ固有のバッテリモジュールまたはバッテリシステムが可能となる。

本発明の好適な構成によれば、雑音源の様々な電圧を用いて、バッテリセルユニットの様々な電圧特性曲線が生成可能であり、これにより、様々な起動時点が生成可能であることが、構想される。これにより、バッテリセルユニットを作動および停止の頻度が高くなり、複数の本発明に係るバッテリセルユニットを有するバッテリモジュールまたはバッテリシステムの公称電圧が、より正確に調整されうる。

本発明のさらなる別の好適な構成によれば、バッテリセルユニットの作動または停止の時点を決定する閾値電圧Ｕ_１が設定されうることが構想される。さらに、バッテリセルユニットは、閾値電圧Ｕ_１を上回った際には作動され、閾値電圧Ｕ_１を下回った際には停止されうることが構想されうる。これにより、バッテリセルユニットのバッテリセルのバッテリセル状態、特に充電状態または劣化状態が、バッテリセルユニットの切り替えの際に考慮されうる。このことによって、個々のバッテリセルの寿命が延ばされ、個々のバッテリセルの容量が上げられる。

本発明のさらなる別の有利な構成では、バッテリセルがリチウムイオンバッテリセルであることが構想される。リチウムイオンバッテリシステムによって、現在では、ハイブリッド自動車および電気自動車の成功のための最良の開発チャンスが提供される。

本発明のさらなる別の有利な構成では、第１のダイオードが、第１のパワー半導体に対して並列に接続され、第２のダイオードが、第２のパワー半導体に対して並列に接続され、第１のパワー半導体および第１のダイオードが、第１のパワー半導体スイッチを形成し、第２のパワー半導体および第２のダイオードが、第２のパワー半導体スイッチを形成することが構想される。パワーエレクトロニクスを使用することによって、本発明に係るバッテリセルユニットが、フレキシブルに制御されうる。さらに、パワーエレクトロニクスシステムは、比較的効率が高いという利点を有する。

冒頭に挙げた課題を解決するために、さらに、本質的に安全な複数のバッテリセルユニットを備えたバッテリシステムの切り替え方法であって、バッテリセルユニットはそれぞれ、再充電可能な電気化学的なバッテリセルと、当該バッテリセルに対して並列に接続された監視および制御ユニットと、第１のパワー半導体および第２のパワー半導体を備えたハーフブリッジとして構成された結合ユニットと、を有する、上記切り替え方法において、各個々のバッテリセルユニットに雑音源を組み込むことによって、個々のバッテリセルユニットごとに、個別のターンオン遅延が実現されることを特徴とする、上記切り替え方法が提案される。

本発明のさらなる別の有利な個別ユニット、特徴、および構成の詳細が、図に示される実施例との関連で詳細に解説される。
本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニットの一実施例の概略図を示す。 雑音源の電圧に依存した、様々な本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニットの電圧特性曲線の概略図を示す。 本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニットのための閾値電圧の概略図を示す。 個々の本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニットの個別の閾値電圧の概略図を示す。

図１では、本発明の一実施形態に対応した、本質的に安全なバッテリセルユニット１０の基本図が示されている。電気的に本質的に安全なバッテリセルユニット１０は、電気化学的なバッテリセル１１、特にリチウムイオンバッテリセルと、当該バッテリセル１１に対して並列に接続された監視および制御ユニット１２とを備える。監視および制御ユニット１２は、バッテリセル１１を監視するための監視エレクトロニクス部１３を有する。さらに、監視および制御ユニット１２は、例えば、物理的変数を検知するセンサ装置と、センサ信号から現在のバッテリ駆動状態を、特にその安全性に関して検出し、バッテリセル１１の将来の挙動を予測することが可能な状態決定装置（バッテリ状態検出および予測部）と、クリティカル（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）になるバッテリセル状態が検出された際にはバッテリセル１１を安全な駆動モードに移行させることが可能なアクチュエータ装置（安全アクチュエータ）とを有する。

バッテリセルユニット１０には、アクチュエータ装置を用いて作動させることが可能な（個別に示されない）放電装置が配置されうる。放電装置は、放電モードが起動された際には、中程度の放電電流でバッテリセル１１を放電させ、および／または、急速放電モードが起動された際には、短絡電流の近傍の高い放電電流でバッテリセル１１を放電させるよう構成される。さらに、バッテリセルユニット１０には、安全機能、例えば深放電安全機能を組み込むことが可能であり、この深放電安全機能は、監視および制御ユニット１２によって提供され、クリティカルなバッテリセル状態またはクリティカルになるバッテリセル状態が存在する際に、バッテリセル１１を安全な駆動状態に移行させることが可能である。

バッテリセルユニット１０は、第１のパワー半導体１５および第２のパワー半導体１６を備えるハーフブリッジ１４で構成された結合ユニットをさらに有する。パワー半導体１５および１６は、例えばトランジスタでありうる。第１のパワー半導体１５に対して並列に、第１のダイオード１７が接続され、第２のパワー半導体１６に対して並列に、第２のダイオード１８が接続されている。ダイオード１７および１８は、好適に、フライホイールダイオードである。ダイオード１７および１８の導通方向は、対応するパワー半導体１５または１６の導通方向とは反対に通っている。第１のパワー半導体１５および第１のダイオード１７が、第１のパワー半導体スイッチを形成し、第２のパワー半導体１６および第２のダイオード１８が、第２のパワー半導体スイッチを形成する。

ハーフブリッジ１４は、第１のパワー半導体１５に対応付けられた第１の端子で、バッテリセル１１のプラス極と接続され、第２のパワー半導体１６に対応付けられた第２の端子で、バッテリセル１１のマイナス極と接続される。ハーフブリッジ１４はさらに、中央端子で、バッテリセルユニット１０の第１の出力端子と接続されている。監視および制御ユニット１２は、本発明によれば、パワー半導体１５および１６のため駆動部が組み込まれて構成されている。

通常駆動時には、バッテリセル１１は、ハーフブリッジ１４の上方の構成要素によって、すなわち、第１のパワー半導体１５および第１のダイオード１７により形成される第１のパワー半導体スイッチによって作動され、ハーフブリッジ１４の下方の構成要素によって、すなわち、第２のパワー半導体１６および第２のダイオード１８により形成される第２のパワー半導体スイッチによって停止される。

バッテリセル１１が、特定のバッテリ駆動状態に達した場合、例えば、バッテリセル１１がそこまでは放電が可能な所定の最小電圧値、または、バッテリセル１１がそこまでは充電が可能な所定の最大電圧値に達した場合には、ハーフブリッジ１４の上方の構成要素、すなわち、第１のパワー半導体スイッチが停止され、ハーフブリッジ１４の下方の構成要素、すなわち、第２のパワー半導体スイッチが作動される。

本質的に安全な複数のバッテリセルユニット１０は、直列および／または並列に互いに接続可能であり、これにより、バッテリモジュールまたはバッテリシステムを形成しうる。このようなバッテリモジュールまたはバッテリシステムの総電圧の特定値に達するために、本質的に安全なバッテリセルユニット１０は、上位の中央制御ユニットによって、例えばバッテリシステムによって、所定の確率に応じて作動または停止される。

個々のバッテリセル１１の容量を最大化しその寿命を延ばすために、個々のバッテリセルユニット１０にはエレクトロニクス部が備えられ、したがって、固有の状態条件が定められ、これに応じて固有の切り替え状態が実現される。バッテリセルユニット１０の利用の優先度設定は、典型的に、英語では「Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）」とも呼ばれる個々のバッテリセル１１の充電状態に応じて行われ、または、英語では「Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ（ＳＯＨ）」とも呼ばれる個々のバッテリセル１１の劣化に応じて行われる。

本切り替え方法を実施するために、本発明に係るバッテリセルユニット１０には、集積回路２０が備えられ、例えば、雑音源２１を有する論理回路が備えられる。この論理回路は、許可信号を獲得した後に単独で動作しうる。雑音源２１は、好適に誘導コイルであり、特に小信号誘導コイルである。小信号誘導コイルを用いて、個々のバッテリセルユニット１０間の明確なターンオン遅延を生じさせることが可能である。集積回路２０は、一実施形態に対応して、監視および制御ユニット１２に組み込まれうる。雑音源２１を用いて、バッテリセルユニット１０ごとに個別に調整可能なターンオン遅延が実現される。これにより、フレキシブルでユーザ固有のバッテリモジュールまたはバッテリシステムが可能となる。

図２には、雑音源２１の電圧に依存した、様々な本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニット３１、３２、および３３の電圧特性曲線が示されている。本質的に安全なバッテリセルユニット３１、３２、および３３は、その構造が、先に記載した本質的に安全なバッテリセルユニット１０に対応している。図２から分かるように、雑音源２１の様々な電圧によって、個々のバッテリセルユニット３１、３２、および３３で様々な電圧特性曲線を生成し、これにより個々のバッテリセルユニット３１、３２、および３３ごとに様々な起動時点を生じさせることが可能である。

図３には、本発明に係る本質的に安全なバッテリセルユニット３１のための閾値電圧が示されている。複数のバッテリセルユニット３１、３２、および３３の切り替えを簡素化し最適化する雑音源２１を用いたターンオン遅延の生成に加えて、個々のバッテリセルユニットごとに閾値電圧が設定されうる。図３には、バッテリセルユニット３１のための閾値電圧Ｕ_１であって、バッテリセルユニット３１がいつ作動されまたは停止されるかを決定する上記閾値電圧Ｕ_１が示されている。閾値電圧Ｕ_１を上回った場合には、バッテリセルユニット３１は作動され、閾値電圧Ｕ_１を下回った場合には、バッテリセルユニット３１は停止される。

図４から分かるように、閾値電圧は個々のバッテリセルユニットごとに個別に設定されうる。図４は、対応する個々のバッテリセルユニット３１および３２のための個別の閾値電圧Ｕ_１およびＵ_２を示している。個別の閾値電圧Ｕ_１およびＵ_２の決定または設定のための基準は、例えば、バッテリセルユニット３１および３２のバッテリセル１１のバッテリセル状態であり、特に、充電状態または劣化状態でありうる。これに従って、バッテリセルユニットの充電状態または劣化状態が高い場合には、閾値電圧が低く定められ、これにより、短いターンオン遅延が可能となる。

本質的に安全なバッテリセルユニット１０の個別のターンオン遅延の生成のために雑音源２１を使用することによって、バッテリシステムのコストおよび複雑性が下げられ、バッテリセルユニット１０の作動または停止の頻度が高くなる。さらに、個別バッテリセルユニット１０をバッテリ管理システムと接続する通信バスへのデータ負荷を低減するによって、複数のバッテリセルユニット１０を有するバッテリモジュールまたはバッテリシステムの公称電圧が、より正確に調整されうる。

本発明に係るバッテリセルユニット１０は、リチウムイオンバッテリセルの使用に限定されず、例えばニッケルメタルハイドライドバッテリセル等の他のバッテリセル技術のためにも使用されうる。

図に示され、図との関連で解説された実施例は、本発明を解説するために役立ち、当該解説には限定されない。

Claims (9)

1. 再充電可能な電気化学的なバッテリセル（１１）と、前記バッテリセル（１１）に対して並列に接続された監視および制御ユニット（１２）と、第１のパワー半導体（１５）および第２のパワー半導体（１６）を備えたハーフブリッジ（１４）として構成された結合ユニットと、を備えるバッテリセルユニット（１０）において、
   前記バッテリセルユニット（１０）には、雑音源（２１）を有する集積回路（２０）が備えられ、前記雑音源（２１）によってターンオン遅延が実現されえ、
   複数のバッテリセルユニット（１０）が、バッテリモジュールへと互いに接続可能であり、前記ターンオン遅延は、個々の前記バッテリセルユニット（１０）ごとに個別に調整されうることを特徴とする、バッテリセルユニット（１０）。
2. 前記雑音源（２１）は、誘導コイルであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリセルユニット（１０）。
3. 前記雑音源（２１）は、小信号誘導コイルであることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリセルユニット（１０）。
4. 前記雑音源（２１）の様々な電圧を用いて、前記バッテリセルユニット（１０）の様々な電圧特性曲線が生成可能であり、これにより、様々な起動時点が生成可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリセルユニット（１０）。
5. 前記バッテリセルユニット（１０）の作動または停止の時点を決定する閾値電圧Ｕ１が設定されうることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリセルユニット（１０）。
6. 前記バッテリセルユニット（１０）は、前記閾値電圧Ｕ１を上回った際には作動され、前記閾値電圧Ｕ１を下回った際には停止されうることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリセルユニット（１０）。
7. 前記バッテリセル（１１）は、リチウムイオンバッテリセルであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリセルユニット（１０）。
8. 第１のダイオード（１７）が、前記第１のパワー半導体（１５）に対して並列に接続され、第２のダイオード（１８）が、前記第２のパワー半導体（１６）に対して並列に接続され、前記第１のパワー半導体（１５）および前記第１のダイオード（１７）が、第１のパワー半導体スイッチを形成し、第２のパワー半導体（１６）および前記第２のダイオード（１８）が、第２のパワー半導体スイッチを形成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリセルユニット（１０）。
9. 本質的に安全な複数のバッテリセルユニット（１０）を備えたバッテリシステムの切り替え方法であって、前記バッテリセルユニット（１０）はそれぞれ、再充電可能な電気化学的なバッテリセル（１１）と、前記バッテリセル（１１）に対して並列に接続された監視および制御ユニット（１２）と、第１のパワー半導体（１５）および第２のパワー半導体（１６）を備えたハーフブリッジ（１４）として構成された結合ユニットと、を有する、前記切り替え方法において、
   各個々のバッテリセルユニット（１０）に雑音源を組み込むことによって、個々のバッテリセルユニット（１０）ごとに、個別のターンオン遅延が実現され、
   複数のバッテリセルユニット（１０）が、バッテリモジュールへと互いに接続可能であり、前記ターンオン遅延は、個々の前記バッテリセルユニット（１０）ごとに個別に調整されうることを特徴とする、切り替え方法。
   
   

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