JP6542856B2 - バッテリー安全システム - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリー安全システム及びバッテリーの放電方法に関し、排他的ではないが、より端的には、バッテリーの完全性が危険に晒される時のバッテリーの放電のためのバッテリー安全システムに関する。本発明の側面が、システム、自動車、及び方法に関する。
自動車を推進するために電気駆動モーターへ電力を提供するために電気自動車及びハイブリッド電気自動車にバッテリーシステムを設けることが知られている。そのようなバッテリーは、典型的には、約300〜400ボルトの範囲で稼働し、少なくとも一時的に1000アンペアのレベルの直流を配給することができる。
例えば、自動車の衝突を伴う特定の状況においては、バッテリーの放電が自動的若しくは手動のいずれかでトリガー可能であるバッテリー安全システムを提供することが望ましい。
この背景に反して本発明が着想された。本発明の実施形態が、自動車用の特定の用途を持つバッテリーシステムの分野での改善を提供する。本発明は自動車以外の用途で用いられ得る。本発明の他の目的及び利益が、次の記述、請求項及び図面から明らかになる。
本発明の側面が、添付請求項において請求のシステム、自動車、及び方法を提供する。
保護が求められる本発明の一側面によれば、自動車バッテリーの放電方法が提供され、
1以上のセンサーを介して自動車イベントを検出するステップと、これに応じ、バッテリーの電気的特性が事前規定閾値に到達するまでバッテリー管理システムを用いて自動車バッテリーの1以上のセルを放電するステップを含み、
バッテリー管理システムは、少なくとも第2グループのセルとは独立して第1グループのセルの放電を制御するように構成される。
オプションとして、バッテリー管理システムは、少なくとも第2グループのセルとは独立して第1グループのセルを選択的に放電するべく複数のスイッチを制御するように適合される。
オプションとして、電気的特性が、次の一つである;1以上のセルにより保持された電荷、若しくはバッテリーに亘る電圧若しくはポテンシャル差。
幾つかの実施形態においては、方法が、事前規定の基準に基づいて1以上のセルの放電に優先順位を付けるステップを含む。
オプションとして、事前規定の基準が、次の1つ以上である:バッテリーのハウジング内の1以上のセルの物理的場所、1以上のセルへのダメージの検出、若しくは自動車のデザイン。
本発明の実施形態においては、方法が、バッテリーセルからバッテリー端子を絶縁するステップを含む。
オプションとして、バッテリー温度が閾値レベルに到達することを阻止するように1以上のセルの放電が制御される。
保護が求められる本発明の別側面によれば、自動車のバッテリーの放電方法が提供され、バッテリーが、各々が電荷を保持するように適合された複数のセルを有する、当該方法が、
1以上のセンサーを介して自動車イベントを検出するステップと、これに応じ、
バッテリーの電気的特性が事前規定閾値に到達するまでバッテリー管理システムを用いてバッテリーを放電するステップを含み、
バッテリー管理システムは、少なくとも第2の1以上の複数のセルとは独立して第1の1以上の複数のセルの放電を制御するように適合され、前記複数のセルの第1グループが1以上のセルを備える。
保護が求められる本発明の別側面によれば、複数のセルを有するバッテリーの電荷を放電するためのシステムが提供され、当該システムが、各セルの電荷を平衡化するためのバッテリー管理システム、及び自動車イベントを検出するためのセンサーを備え、
バッテリー管理システムは、自動車イベントが発生したことを示す信号を受信すると、1以上のエネルギー損失装置を介し、バッテリーの1以上のセルに保持された電気エネルギーの放電サイクルを開始するように構成され、
バッテリー管理システムは、少なくとも複数のセルの第2グループとは独立に複数のセルの第1グループの放電を制御するように適合される。
オプションとして、エネルギー損失装置は、受動バッテリー調整器若しくは能動バッテリー平衡器である。従って、有利には、エネルギー損失装置は、バッテリーの通常動作の過程で用いられるバッテリーの部品部分である。これは、追加の放電手段を格納する必要がないことを意味する。従って、直接なコスト利益がある。
幾つかの実施形態においては、バッテリーが、自動車の推進のために電力供給を受ける駆動モーターへ電力供給するためのけん引用バッテリーである。
オプションとして、自動車イベントが衝突(crash)であり、センサーが自動車の減速を測定する若しくは衝突インパクトを検出するための衝突センサーである。
オプションとして、自動車イベントが自動車の冠水(flooding)であり、センサーが不適当な場所での水の存在を検出するための水センサーである。
オプションとして、自動車イベントが自動車の補修であり、センサーが補修過程で動作可能なスイッチである。
本発明の側面が、非急速放電時間を提供し得る。これは、保持電荷を漸次低くするようにセルのグループの電荷を平衡化することにより達成される。これは、バッテリーの急速な放電が望まれない衝突状況において有利である。
システムは、複数のセルからバッテリー端子を電気的に非接続にするための断路器を備える。
保護が求められる本発明のまた別側面によれば、関連の先行の段落に記述されたシステムを備える自動車が提供される。
この出願の範囲内において、先行の段落、請求項及び/又は次の記述及び図面に提示された様々な側面、実施形態、実施例、代替例、また特にはこれらの個別の特徴が独立若しくは任意の組み合わせにおいて理解され得ることが明示的に意図される。例えば、一つの実施形態との関係において記述された特徴は、そのような特徴が不整合でなければ、全ての実施形態に適用可能である。
本発明の実施形態が、添付図面を参照して例示のみのために記述される。
図1は、本発明の実施形態に係る自動車の側面図である。 図2は、本発明の実施形態に係るバッテリーシステムの概略図である。
本発明のバッテリーシステム及びバッテリーの放電方法の特定の実施形態の詳細な記述が本明細書に開示される。開示の実施形態が本発明のある側面が実施される方法の単なる例であり、本発明が具現化される全方法の排他的リストを提示しないものと理解される。実際には、本明細書に記述のバッテリーシステム及びバッテリーの放電方法が様々な及び代替の形態において具現化され得るものと理解される。図面は必ずしも縮尺のものではなく、幾つかの特徴が大きく若しくは小さくされ、特定の要素の詳細を図示する。よく知られた部品、材料若しくは方法は、本開示を不明瞭にすることを避けるために、必ずしも十分に詳細に記述されない。本明細書に開示の任意の特定の構造及び機能の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、請求項の単なる基礎、当業者が本発明を様々に採用する教示の代表的な基礎として解釈される。
図1は、本発明の実施形態に係る自動車10を図示し、自動車10がバッテリー12を備える。バッテリー12は、オプションとして、自動車10の推進のための駆動モーター(不図示)に電力供給するためのけん引用バッテリーである。幾つかの実施形態においては、自動車10は、内燃エンジンといった追加の駆動手段(不図示)も備え得る。
制御ユニット14は、バッテリー12及びセンサー16、より端的には自動車イベントセンサー16に結合される。図示の実施形態においては、センサー16が衝突センサーであり、衝突センサー16が、助手席エアーバック安全システム(不図示)の一部を形成する。
衝突センサー16は、ピエゾ電気といった電気機械若しくは電気の加速度計であり得る。オプションとして、衝突センサー16は、自動車が衝突イベントにおいて十分な減速を経験することに応じて自動車10内の助手席エアーバック(不図示)を有効化するように構成され得る。
代替の実施形態においては、センサー16が、自動車の冠水イベントを検出するのに適する水センサーであり得る。自動車10を利用不能にする冠水イベントは、自動車の即時のシャットダウンも要求し得るものと理解されるべきである。そのようなシナリオにおいては、センサーは、自動車シャットダウンを有効化するように構成される。
代替の実施形態においては、センサー16は、自動車の補修の過程で補修エンジニアにより動作可能であるスイッチである。
代替の実施形態においては、制御ユニット14は、センサー16に非直接的に結合され、オプションとしては、例えば、1以上の中間コントローラーを介して結合される。例えば、センサー16が衝突センサーである実施形態においては、中間コントローラーは、助手席エアーバックコントローラー(不図示)である。センサー16からの情報が、自動車CANバス若しくは他の適当な自動車基準のデータネットワークを介して関連のコントローラーを介して送信され得る。また更なる実施形態においては、センサー16は、バッテリー安全システム専用であり、バッテリー12のパッケージ内に組み込まれる。
図2は、自動車10における使用のためのシステム20を図示する;システム20は、バッテリー12、制御ユニット14、及びセンサー16を備える。
バッテリー12は、第1の正の端子T1と第2の負の端子T2を有するハウジング13を備える。第1及び第2端子T1、T2は、リード線を介して、自動車10(図1に図示)の駆動ホイール22に回転を提供する電気モーター(不図示)に結合される。バッテリー12は、電荷蓄積用の複数のセルC1、C2、C3、C4、C5を備える。
バッテリー12は、一組のスイッチ若しくは接触器23、24を備える。接触器23は、端子T1に電気的に近接して設けられ、接触器24は、端子T2に電気的に近接して設けられ、バッテリー12のセルC1、C2、C3、C4、C5が電気的に非接続可能である。接触器23、24は、使用中でない時、若しくは自動車イベントに続くような緊急の場合に自動車の乗員と救助活動中の緊急隊員を保護するためにバッテリー12を自動車10から隔離するように採用可能である。自動車イベントは、例えば、自動車の衝突若しくは冠水であり得る。同様に、補修の間、接触器がバッテリーを隔離するように採用され、従って補修人員を保護する。従って、自動車イベントは、自動車の補修でもあり得る。
スイッチ23、24が個別の接続26、30を介して制御ユニット14に結合され、センサー16による自動車イベントの検出に際して、スイッチ23、24が開位置になるように構成され、従って、セルC1、C2、C3、C4、C5が第1及び第2端子T1、T2から電気的に非接続になることが想定される。
平衡化コントローラー(balancing controller)18がコネクター28により制御ユニット14に結合され、センサー16による自動車イベントの検出に際して、平衡化コントローラーが、スイッチS1、S2、S3を閉じるように指示し、これにより各抵抗器R1、R2、R3に亘る熱として電荷が損失され、各セルC2、C3、C4が放電される。従って、抵抗器がエネルギー損失装置である点に留意されたい。
バッテリー12は、セルC1、C2、C3、C4、C5の能動平衡化のためのバッテリー平衡器(battery balancer)若しくはセルC1、C2、C3、C4、C5の電荷状態を受動的に制御するためのバッテリー調整器(battery regulator)を備えるバッテリー管理システム19を備える。図2に図示の実施形態においては、バッテリー調整器が図示される。受動バッテリー調整器と能動バッテリー平衡器の各々は、エネルギー損失装置である。バッテリー平衡器及び/又は調整器は、通常動作の間、すなわちバッテリーが放電される前に利用されるバッテリーの部品である。従って、システムの実施形態が、高価であり得る、追加、別の、放電手段を要求しない。更には、衝突といった自動車イベントの間にはバッテリーと別の放電手段の間の連絡路が妨害され、従って、バッテリーの放電が抑制されるリスクが存在する。本発明の実施形態により可能のバッテリーと放電手段の組み合わせは、従って、リスクを軽減する。
図2のバッテリー管理システム19は、個別のセルC1、C2、C3、C4、C5に並列接続された抵抗器R1、R2、R3を含む受動バッテリー調整器を備える。図示の実施形態においては、抵抗器R1がセルC2に並列接続される;抵抗器R2がセルC3に並列接続される;及び抵抗器R3がセルC4に並列接続される。抵抗器(不図示)は、各セルC1及びC5に並列接続される。
スイッチS1は、セルC2に並列に抵抗器R1に直列に接続される。スイッチS2は、セルC3に並列に抵抗器R2に直列に接続される。スイッチS3は、セルC4に並列に抵抗器R3に直列に接続される。
スイッチS1、S2、S3は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)といったトランジスタであることが想定される。
バッテリー管理システム19は、スイッチS1、S2、S3に結合された平衡化コントローラー18を備える。平衡化コントローラー18は、バッテリー12内のセルC1、C2、C3、C4、C5の各々に保持された電荷を平衡化(balance)若しくは調整するように構成される。
スイッチS1、S2、S3の一つを閉じることにより、各セルC2、C3、C4は、そこに保持された電荷を放出することができる。必要条件のスイッチS1、S2、S3を閉じ、若しくは個別の電気回路を完成させ、個別の抵抗器R1、R2、R3を介して電流が流れるためである。各セルC1、C2、C3、C4、C5に保持された電気エネルギー若しくは電荷は、抵抗器R1、R2、R3内において熱として損失される。
衝突若しくは自動車激突といった自動車イベントの場合、センサー16により検出される、自動車10の突然の減速が帰結する。代替して、若しくは加えて、センサー16は、バッテリーが放電若しくは非接続にされることが望ましい自動車の冠水若しくは補修若しくは維持活動といった他の自動車イベントを検出するように構成される。これらの各例においては、制御ユニット14は、センサー16からの信号を受け取り、これに応じて制御ユニット14は、バッテリー12上で放電サイクルが開始されるべきと決定するように構成される。制御ユニット14から平衡化コントローラー18により信号が受信される。平衡化コントローラー18は、次に、1以上のスイッチS1、S2、S3を閉じるように指示するように構成される。幾つかの実施形態においては、全てのスイッチS1、S2、S3が同時に閉じられる。他の実施形態においては、全てのスイッチS1、S2、S3が事前設定の順番で閉じられる。また更なる実施形態においては、2以上のスイッチS1、S2、S3が同時に閉じられ、更に後述のように、スイッチS1、S2、S3の残部の次の閉鎖が連続して続く。
従って、どのスイッチS1、S2、S3が閉じられたかに関する限りで各セルC1、C2、C3、C4、C5に保持された電荷が放電される。従って、各セルC1、C2、C3、C4、C5の電圧若しくはポテンシャル差が減じられ、従って、バッテリー12全体の電圧若しくはポテンシャル差が減じられる。
平衡化コントローラー18は、温度センサー(不図示)を含み、セルC1、C2、C3、C4、C5が放電される時のバッテリー12の温度をモニターし得る。本発明の幾つかの実施形態においては、複数の温度センサーが設けられる;オプションとして、一つの温度センサーが各セルC1、C2、C3、C4、C5のために設けられる。平衡化コントローラー18は、1以上のスイッチS1、S2、S3を開くように構成され、これにより、各抵抗器R1、R2、R3がセルC2、C3、C4から非接続にされ、これにより少なくとも一時的に電流の流れを中止若しくは終了させる。そのようにする場合において、抵抗器R1、R2、R3における熱としての電気エネルギーの損失が止み、対流、伝導、若しくは放射により熱が周囲に送出可能である。従って、バッテリー12の温度が減じられる。幾つかの実施形態においては、ファン若しくは送風機が設けられ、放電サイクル過程でバッテリー12の温度を制御する。
また別の実施形態においては、平衡化コントローラー18は、一つおきのスイッチを閉じ、例えば、スイッチS1及びS3を閉じ、他方、スイッチS2を開けたままにする。次にセルC3はセルC1及びC3間のヒートシンク若しくはバッファーとして機能し、放電サイクルの間にバッテリー12内で増大する熱を分配する。
そのような構成においては、平衡化コントローラー18は、ある期間だけ若しくは放電される各セルC1、C2、C3、C4、C5が事前規定の電荷レベル若しくは電圧ポテンシャルに到達するまで、バッテリー12内の配列若しくは場所に従って第1グループのセルC1、C2、C3、C4、C5を放電し、次に、異なる第2グループのセルC1、C2、C3、C4、C5を第2の期間だけ若しくは事前規定の電荷レベルに到達するまで続いて放電する。
平衡化コントローラー18は、次に、第3若しくは次のグループのセルの放電を開始し、若しくは更なる期間だけ第1グループの放電に復帰し、若しくは第2電荷レベル又は電圧ポテンシャルが到達されるまで(第2電荷レベル若しくは電圧ポテンシャルが第1のものよりも低い)行う。平衡化コントローラー18は、次に、事前規定の電荷レベル(電荷レベルが閾値よりも低い)に到達するまで、若しくはセルC1、C2、C3、C4、C5が完全に電荷枯渇するまで2つ間でサイクルし、若しくは異なるグループのセルC1、C2、C3、C4、C5を用いる。
また別の実施形態においては、平衡化コントローラー18は、バッテリー12でのセルC1、C2、C3、C4、C5の物理的場所に基づいて、ある特定のセルC1、C2、C3、C4、C5の放電を優先し得る。例えば、バッテリーハウジングの周囲に設けられたセルC1、C2、C3、C4、C5が、中央に設けられたものよりも前に放電され得る。代替の実施形態においては、優先順位が、自動車デザイン及び/又は衝突若しくは冠水のパラメーターに基づいて、特定のセルC1、C2、C3、C4、C5を放電することに与えられ、衝突若しくは冠水イベントにおいて最もダメージを受けたであろうセルC1、C2、C3、C4、C5が最高の優先順位で放電される。
幾つかの実施形態においては、バッテリー12が、バッテリー12若しくは個別のセルC1、C2、C3、C4、C5へのダメージを検出することができる完全性センサーを含み、例えば、完全性センサーは、バッテリー12及び/又は1以上の個別のセルC1、C2、C3、C4、C5内の電解質レベルをモニターする。ダメージを受けたセル及び/又は特定のセルC1、C2、C3、C4、C5、例えば、他のセルに持続されるダメージの結果のために危険に晒され得るバッテリーハウジング内の最下部に設けられたセルの放電に優先順位が与えられる。
幾つかの実施形態においては、バッテリー12が、LED若しくは液晶表示装置といったインジケーターを備え、バッテリー管理システム19がバッテリー放電サイクルを開始したこと、若しくはバッテリー放電サイクルが進行していることを示すことが想定される。幾つかの実施形態においては、インジケーターが、バッテリーの残部の電荷若しくは電圧及び/又は事前規定電荷値までのバッテリー放電サイクルの完了の推定時間を表示し得る。
本発明の実施形態においては、バッテリー放電サイクルが、手動で、例えば、トリガー若しくは他の機械装置、例えば、自動車キーのブレード部をバッテリー12内に挿入若しくはそこから除去することによりトリガーされ得る。
バッテリー放電サイクルは、ユーザーによる要求により中止可能であり、例えば、バッテリーのインターフェイスの操作により更なるバッテリーの放電が阻止されることが想定される。
幾つかの実施形態においては、バッテリー12には「サービスプラグ」若しくは「サービス非接続」が設けられる。「サービスプラグ」若しくは「サービス非接続」は、バッテリーのセルのスタックを2以上の電気的に絶縁された部分に分割するために係合又は非係合可能である。「サービスプラグ」が除去若しくは挿入されると、バッテリーの露出した端子T1、T2が、補修技術者への高い潜在的な電気の危険を呈しない。そのような実施形態においては、例えば、電気的に絶縁された部分の一つのみから電力を引くことにより、若しくは別のバッテリーといったバックアップ電源が設けられ、バッテリー管理システム19が依然として動作可能であるようにバッテリー12は構成されることが想定される。
本発明の範囲内において様々な変更が為され得ることが予期される。例えば、本発明の他の実施形態においては、バッテリー調整器に加えて若しくは代替して、能動バッテリー平衡器が採用され、バッテリー12を放電するために、個別のセルC1、C2、C3、C4、C5間で電荷が伝送されることが想定される。
複数のセルを備える各グループに説明が為されたが、グループがただ単一のセルを備え、バッテリーが、各々が異なる数のセルから成る複数のグループを備え得るものと理解される。

Claims (17)

  1. 各々が電荷を保持するように適合された複数のセルを有する自動車のバッテリーの放電方法であって、
    1以上のセンサーを介して自動車イベントを検出するステップにして、前記自動車イベントが、自動車の衝突又は自動車の冠水を含む、ステップと、これに応じ、前記バッテリーの電気的特性が事前規定閾値に到達するまでバッテリー管理システムを用いて前記バッテリーを放電するステップを含み、
    前記バッテリー管理システムは、少なくとも前記複数のセルの第2グループとは独立して前記複数のセルの第1グループの放電を制御するように構成され、前記複数のセルの前記グループ若しくは各グループが1以上のセルを備え、
    前記バッテリー管理システムは、前記複数のセルの第1及び第2グループの少なくとも一方の独立した放電に基づいて前記セルの電荷を平衡化するように構成される、方法。
  2. 前記バッテリー管理システムが、少なくとも前記複数のセルの前記第2グループとは独立して前記複数のセルの前記第1グループを選択的に放電するべく複数のスイッチを制御するように適合される、請求項1に記載の放電方法。
  3. 前記電気的特性が、1以上のセルにより保持された電荷、若しくは前記バッテリーに亘る電圧若しくはポテンシャル差の一つである、請求項1又は2に記載の放電方法。
  4. 事前規定の基準に基づいて1以上のセルの放電に優先順位を付けるステップを含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の放電方法。
  5. 前記事前規定の基準が、前記バッテリーのハウジング内の前記1以上のセルの物理的場所;若しくは自動車のデザインの1以上である、請求項4に記載の放電方法。
  6. 前記事前規定の基準が、前記1以上のセルへのダメージの検出である、請求項4に記載の放電方法。
  7. バッテリーセルからバッテリー端子を絶縁するステップを含む、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の放電方法。
  8. バッテリー温度が閾値レベルに到達することを阻止するように前記1以上のセルの放電が制御される、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の放電方法。
  9. 各々が電荷を保持するように適合された複数のセルを有する自動車のバッテリーの電荷を放電するためのシステムであって、
    各セルの電荷を平衡化するためのバッテリー管理システム、及び自動車イベントを検出するためのセンサーを備え、前記自動車イベントが、自動車の衝突又は自動車の冠水を含み、
    前記バッテリー管理システムは、前記自動車イベントが発生したことを示す信号を受信すると、前記バッテリーの電気的特性が事前規定閾値に到達するまで、複数のエネルギー損失装置を介し、前記バッテリーの複数のセルに保持された電気エネルギーの放電サイクルを開始するように構成され、
    前記バッテリー管理システムは、少なくとも前記複数のセルの第2グループとは独立に前記複数のセルの第1グループの放電を制御するように適合され、
    前記バッテリー管理システムは、前記複数のセルの第1及び第2グループの少なくとも一方の独立した放電に基づいて前記セルの電荷を平衡化するように構成され、
    前記複数のセルの前記第1グループが1以上のセルを備える、システム。
  10. 記エネルギー損失装置が、受動バッテリー調整器若しくは能動バッテリー平衡器を備える、請求項9に記載のシステム。
  11. 前記バッテリーが、自動車推進のために電力供給を受ける駆動モーターへ電力を提供するためのけん引用バッテリーである、請求項9又は請求項10に記載のシステム。
  12. 前記センサーが、自動車の減速を測定する若しくは衝突インパクトを検出するための衝突センサーである、請求項9乃至11のいずれか一項に記載のシステム。
  13. 前記センサーが不適当な場所の水の存在を検出するための水センサーである、請求項9乃至11のいずれか一項に記載のシステム。
  14. 前記複数のセルからバッテリー端子を電気的に非接続にするための断路器を備える、請求項9乃至13のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 請求項9に記載のシステムを備えるバッテリー。
  16. 請求項9乃至14のいずれか一項に記載のシステムを備える自動車。
  17. 請求項15に記載のバッテリーを備える自動車。
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