JPH11318037A

JPH11318037A - バッテリ・セルのバイパス配置

Info

Publication number: JPH11318037A
Application number: JP11016428A
Authority: JP
Inventors: John C Hall; シー．ホールジョン
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Maxar Space LLC
Priority date: 1998-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 1999-11-16
Also published as: US5898291A; EP0932239A2; EP0932239A3

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】バッテリが故障し、修正に人間が介入できな
い場合に、バッテリのエネルギー蓄積容量を最適化する
システムの提供。【解決手段】２つのセル・ストリングは各々、電気的に
直列に接続された複数のバッテリ・セルを含む。全ての
セル・ストリングは、同数のバッテリ・セルを含み、電
気的に並列に接続され負荷に電力を供給するバッテリ・
アレイを形成する。センサは、各バッテリ・セルの状態
を検出して、負荷に電力を供給するバッテリ・アレイを
動作させる制御装置に検出状態の信号を送る。センサが
バッテリ・セルの１つのセル・ストリングの故障を検知
すると、応答してスイッチング装置がバッテリ・アレイ
の少なくとも１つの他のバッテリ・セルを切り離して、
その後、変更されたバッテリ・アレイが低減され最適化
された電力を負荷に供給し続ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙船に用いられ
るバッテリ、特に、故障が生じた後の使用可能なバッテ
リ・エネルギー蓄電容量を最適化するようにバッテリ回
路を動作させることによって、故障したバッテリ・セル
のインパクトを最小にするシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】故障したセルが残りのセルの容量に与え
る効果は、保護ヒューズと並列に接続された多数のバッ
テリ・セルを用いることによって最小にすることができ
る。かかる技術は、「大規模並列の宇宙船バッテリ・セ
ル・モジュール設計（Massively Parallel Spacecraft
Battery Cell Module Design）」と題する、本願と同一
の出願人に譲渡され１９９７年１０月２２日に出願され
た同時係属の米国出願第０８／９５５，９３１号（スペ
ース・システムズ／ロラール（Space Systems/Loral）
社に譲渡、事件番号ＰＡ−９６０９０）に記載されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】考慮すべき重要な点
は、直列−並列アレイのリチウムイオン・バッテリにお
いて、バッテリ・セル・アレイの１つの直列ストリング
のうち故障したセルは、望ましくないことに、アレイの
残りの直列ストリングの充電可能電圧を減少させるので
それらの容量を減少させることである。本発明は、アレ
イの全ての直列ストリングからセルを犠牲的に取り除く
ことによってかかる望ましくない結果を避けるものであ
る。

【０００４】例えば、１００Ｖのリチウムイオン・バッ
テリにおいて１セルが故障した場合、本発明では４％の
容量損失に至る。低下した電圧で全てのアレイを動作さ
せると５０％の損失であるが、影響を受けたストリング
を取り除くと、より緩和された２５％の損失となる。予
備知識として、宇宙船の信頼性要求においては、衛星上
のどんな機能も単一の装置の故障に対して脆弱であって
はならないことが理解されなければならない。通常、こ
の要求は、各機能に対して多重冗長装置を設けることに
よって満たされる。バッテリにおいて、この要求は今
日、各直列ストリングに追加のセルを含ませることによ
って満たされる。ストリングの全てのバッテリ・セル
は、バイパス電子部品（例えば、ダイオード又はスイッ
チ）を備えている。バッテリ・セルが故障又はショート
した場合、バッテリは当初の大きさより１セルの容量減
少で動作する。セルが故障した場合、開回路電流がバイ
パス回路を経由して直列ストリングに流れ続ける。

【０００５】本発明は一般に全ての型のバッテリに適用
できるが、現在、高度な高出力衛星の要求を満たす単一
の直列ストリングの十分なセルサイズが利用できないと
いう点においてリチウムイオン・バッテリの状況はいく
ぶんユニークである。例え、適切なサイズのかかるリチ
ウムイオン・バッテリ・セルが利用可能だった場合で
も、容量の要求に合致するようにセルを再設計すること
は望ましいことではない。これらの要因は、直列−並列
組合せの、より小さいビルディング・ブロック・セルの
使用を魅力あるものにする。

【０００６】ビルディング・ブロック・セルを配置する
２つの可能な方法を図１に示す。図示するように、並列
−直列アレイ２０において、まず個々のセル２２は並列
に接続されセル・モジュール２４を形成し、次にリード
２６に沿って直列に接続され高電圧のバッテリ装置が形
成される。また、図２に示すように、直列−並列アレイ
２８においてセル３６の直列ストリング３０、３２及び
３４は並列に接続される。

【０００７】並列−直列アレイ２０は、現在の衛星バッ
テリに一般に用いられるものと電気的に同一であり、ま
た同様のバイパス方法が用いられる場合がある。直列−
並列アレイは、リチウムイオン・セルを充電するための
セル電圧の範囲（図３に図示する）が狭く、リチウムイ
オン型のバッテリでは個々のセル電圧が高いために別の
問題が生じる。図３を参照すると、電圧が４．１Ｖから
４．２Ｖに増加するとおよそ容量の半分（約６００ｍＡ
ｈから１２００＋ｍＡｈ）がセルに充電される。これ
は、２５個のセル・バッテリに対して２．５Ｖの電圧変
化に対応する。

【０００８】２５個のセルの直列ストリングにおいて１
セルが故障した場合、そのストリングの充電電圧は、１
セル当たり４．２Ｖ／２５＝０．１７Ｖ低減する。図３
に基づけば、この動作は、並列−直列ストリングの容量
を１２５０ｍＡｈから３００ｍＡｈへ７５％減少させ
る。それに加えて、故障したセルを有するストリング
は、故障したセルのない並列ストリングと比較して４倍
のクーロン性容量分の不安定性がバッテリ・システムに
生じる。この問題に対する可能な解決策は以下の通りで
ある。すなわち、１）ストリングの数がストリング当たりのセルの数を超
えない限り、その直列ストリング全体をバイパスするこ
と。しかしながら、これは悪い取引である。例えば、６
０Ａｈのセルで構成された１０ｋＷ、１００Ｖ、ＤＯＤ
（「放電の深さ」）が７３％の衛星バッテリでは、容量
要求を満たすために３つの２４セル直列ストリングを必
要とする。一点における故障に対する対応から、バッテ
リの規模を３３％増加させる追加の直列ストリングを必
要とする。

【０００９】２）個別に、各ストリングの電圧をレギュ
レートする。レギュレートされたバスでさえ、レギュレ
ータに冗長な構成を要求することになるので、逆に分散
処理システムの質量を増大させるので魅力的な選択肢で
はない。また、これはレギュレートされたバスより質量
的に優れているレギュレートしないバスを排除する。上記したことから本発明は理解され、以下において実行
に移される。

【００１０】

【課題を解決するための手段】バッテリ、特にリチウム
イオン・バッテリのセルが故障して、問題を修正するの
に人間が介入できない場合に、バッテリのエネルギー蓄
積容量を最適化するためのシステムを提供する。少なく
とも２つのセル・ストリングは各々、電気的に直列に接
続された複数のバッテリ・セルを含む。全てのセル・ス
トリングは、同数のバッテリ・セルを含み、電気的に並
列に接続され負荷に電力を供給するバッテリ・アレイを
形成している。センサは、各バッテリ・セルの状態を検
出して、負荷に電力を供給するバッテリ・アレイを動作
させる制御装置にその検出した状態の信号を送る。セン
サがバッテリ・セルの１つのセル・ストリングの故障を
検知すると、これに応答してスイッチング装置がバッテ
リ・アレイの少なくとも１つの他のバッテリ・セルを切
り離して、その後、変更されたバッテリ・アレイが低減
された、しかし最適化された電力を負荷に供給し続け
る。１例として、スイッチング装置は、バッテリ・セル
の１つのセル・ストリングが故障すると、そのセル・ス
トリングを残りのセル・ストリングから切断するように
動作し、その後、電力を負荷に供給し続ける。他の場合
には、バッテリ・セルの１つのセル・ストリングが故障
すると、そのセル・ストリングを残りのセル・ストリン
グの各々から切断するように動作し、これによって、動
作バッテリ・セルの数は減少するが、当初のように、全
てのセル・ストリングは同数のセルを有し、変更された
バッテリ・アレイが負荷に電力を供給し続ける。

【００１１】本発明の第一の特徴は、故障が生じた後
に、使用可能なバッテリ蓄電容量を最適化するようにバ
ッテリ回路を動作させることによって故障したバッテリ
・セルのインパクトを最小にするシステムを提供するこ
とである。本発明の他の特徴は、単一のセルが故障した
ときに追加のセルを供することにより容量損失を最小に
する技術を提供することである。

【００１２】さらに、本発明の他の特徴は、あるセル・
ストリングの１つのセルが故障したときにそのセル・ス
トリングの全体をアレイから取り除いて容量損失を最小
にする技術を提供することである。更なる本発明の特徴
は、あるセル・ストリングの１つのセルが故障したとき
にアレイの他のストリング各々から１つのセルを取り除
いて容量損失を最小にする技術を提供することである。

【００１３】本発明の、更なる特徴及び利点は、図面及
び以下の説明によって明らかになる。前述の一般的な説
明及び下記の詳細な説明は例示的及び説明的なものであ
り、本発明を限定するものでないことは理解されるべき
である。本発明に含まれて一部を構成する添付の図面
は、本発明の実施例のうちの１つを示しているが、本発
明の説明と共に本発明の原則を一般的に説明するのに役
立つものである。本開示の全体にわたって同様の部分に
は同一の参照符を付している。

【００１４】

【発明の実施の形態】まず最初に図４を参照すると、本
発明を具現化する、バッテリ・アレイ４２として示すバ
ッテリのエネルギー蓄積容量を最適化するシステム４０
が示されている。本発明は全てのタイプのバッテリに適
用することができるが、特にリチウムイオン・バッテリ
に用いるのが好ましい。なぜなら、リチウムイオン・バ
ッテリの充電電圧範囲は狭く、また過充電した場合にリ
チウムイオン・バッテリはひどく損傷を受け、周りの環
境を破壊する場合があるからである。

【００１５】図４に示すように、バッテリ・アレイ４２
は負荷４４に電力を供給することを意図している。本発
明を限定するものではないが、典型的な構成において
は、バッテリ・アレイ４２は３つのセル・ストリング４
６、４８及び５０を含み、それらは各々、電気的に直列
に接続された複数の、例えば２５個の個別のバッテリ・
セル５２を含むものとして図示されている。セル・スト
リング４６、４８、５０の各々は、同数のバッテリ・セ
ルを含む。この図では４つしか示されていないが、ここ
では各セル・ストリングは２５個のバッテリ・セルを含
むものとして説明する。しかしながら、実際のバッテリ
・セルの数は本発明の目的とは無関係である。セル・ス
トリング４６、４８及び５０は並列に接続されてバッテ
リ・アレイ４２を形成し、適切な制御装置５４の下で負
荷４４にそれらの全電力を供給する。制御装置は、シス
テム４０を動作させるために必要な知能及びメモリを有
するコンピュータであってもよい。

【００１６】例えば、電圧又は電流を測定するための適
切なセンサ５６（簡便性のために１つのみを示す）が各
バッテリ・セル５２の両端に接続され、全てのセル・ス
トリング４６、４８、５０の各バッテリ・セル５２の状
態を検知し、制御装置５４に検知状態の信号を送る。例
えば、センサ５６は、バッテリ・セルが起電力を生成し
なくなったときに制御装置５４に通知を行う電圧計を含
んでいてもよい。ここにおいて、スイッチ機構はセル・
ストリングのうちの１つのバッテリ・セル５２が故障す
ると、センサ５６に応答し、制御装置５４を介してバッ
テリ・アレイ４２の他の各直列ストリングのセルを切り
離して変更されたバッテリ・アレイを形成し、この変更
バッテリ・アレイは、減少したが最適化された容量の電
力を負荷に供給する。

【００１７】あるいは図４に示すように、スイッチ機構
５８，６０は、セル・ストリング４６のバッテリ・セル
５２が故障すると、そのセル・ストリングをそれに関連
したセル・ストリング４８及び５０から切り離して、そ
の後、セル・ストリング４８、５０のみが電力を負荷４
４に供給し続けるように動作することができる。このよ
うな事態が生ずると、スイッチ機構５８、６０は、制御
装置５４を介してセンサ５６からの信号により動作す
る。

【００１８】前述の議論からセル故障の際には以下の採
りうる方法があることが分かる。すなわち、（ａ）バッ
テリ・アレイ４２の容量の７５％が失なわれるまで行動
しない、又は、（ｂ）バッテリ・アレイ４２の容量の３
３％が失なわれたとき、上記したように、セル・ストリ
ング４６を除去する、又は、（ｃ）２５セルの直列スト
リングにおいて、バッテリ・アレイ４２の容量の４％が
失なわれたとき、セル・ストリング内に追加のバッテリ
・セルがあることが知られていれば、各セル・ストリン
グ４６、４８、５０の１つのバッテリ・セルを除去する
ことによってこのパーセンテージが大いに低減される。
これが、好ましい動作モードである。

【００１９】（ａ）に関しては、７５％の容量損失は以
下のように算出される。すなわち、セル・ストリング４
６は２５バッテリ・セルのうちの１つを失ったので、充
電電圧は名目上の値から４％又は０．１７Ｖ減少し、
４．２Ｖから４．０３Ｖになる。図３を見ると、電圧曲
線上の４．０３Ｖは充電時間が約０．２５時間で容量は
約３００Ａｈ又は３時間の充電時間での１２００＋Ａｈ
の２５％にあたる。

【００２０】（ｂ）に関しては、３３％の容量損失は、
その直列ストリングを切り離したことによりバッテリの
１／３が除去されたことによる。（ｃ）に関しては、４
％の容量損失は以下のように算出される。すなわち、セ
ル・ストリング４６、４８、５０の各々はその２５バッ
テリ・セルのうちの１つを失ったので、バッテリ・アレ
イの能力の４％の損失を表している。

【００２１】他の場合においては、図４に示されている
ように、上記（ｃ）を反映して、セル・ストリング４
８、５０の各々のスイッチ６２は、セル・ストリング４
６のバッテリ・セル５２が故障すると、第２のバッテリ
・セル６６、６８をセル・ストリング４８、５０の各々
から切り離すように動作する。このように、全てのセル
・ストリング４６、４８、５０は、初めと同じように、
同数の動作セルを有する変更されたバッテリ・アレイが
定められ、負荷４４への電力供給を継続する。もちろ
ん、バッテリ・セル６６が故障した場合は、セル・スト
リング４６、５０の各々のスイッチ６２は、第２のバッ
テリ・セル５２、６８をセル・ストリング４６、５０の
各々から切り離すように動作する。また、バッテリ・セ
ル６８が故障した場合は、セル・ストリング４６、４８
の各々のスイッチ６２は、第２のバッテリ・セル５２、
６６をセル・ストリング４６、４８の各々から切り離す
ように動作する。

【００２２】したがって、本発明の「切り取る」解決策
は、直列セル数を１だけ減らし、「良い」セル・ストリ
ングにバイパスするようにスイッチに指令して、全ての
セル・ストリングがもう一度同等になるようにすること
である。その結果、バッテリ容量は、自発的にバッテリ
・セルを捨てることによって増加する。この概念は図４
に示されており、各バッテリ・セルがバイパス・スイッ
チ６２を備えていることについては前述した。ダイオー
ドが備えられていない場合の電圧変動のために、従来の
技術は、リチウムイオン・バッテリに対して安全に実施
できなかった。本発明の「切り取る」解決策では、スイ
ッチには遠隔指令がなされる。

【００２３】もし欠点を挙げるとすると、１つのセル・
ストリングがショート又はオープンのバッテリ・セルを
有する場合、バッテリ・アレイ４２の充電状態は低くな
り、問題のない直列ストリングからセルが指令可能なス
イッチによって「切り取られ」ることである。３×２５
のバッテリ・アレイの場合、１％の容量（１セル）が故
障したとき４％の容量損失（複数の２５セル・ストリン
グの各々から１つのセルが失われると仮定する）が結果
として起きる。従って、他の方法に対して、バッテリの
過剰な構成が２５％に対して４％で済み、容量損失は７
５％に対して２５％が必要である。

【００２４】本発明の好適な実施例について詳細に開示
したが、特許請求の範囲及び詳細な説明に記載された本
発明の範囲から逸脱せずに様々な他の変更が可能である
ことは当業者であれば理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】バッテリ・セルの並列−直列アレイを示す詳細
ブロック図である。

【図２】バッテリ・セルの直列−並列アレイを示す詳細
ブロック図である。

【図３】リチウムイオン・バッテリ・セルの経時的な充
電特性を示す図であり、電圧、電流及び容量の値を含ん
でいる。

【図４】直列−並列バッテリ構成を用いた、本発明を具
現化するバッテリ・アレイを示す略記的な電気ブロック
図である。

【主要部分の符号の説明】

４０システム４２バッテリ・アレイ４４負荷４６、４８、５０セル・ストリング５２、６６、６８セル５４制御装置５６センサ５８、６０、６２スイッチ機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷に電力を供給するバッテリの蓄電容
量を最適化する方法であって、 (ａ)複数のバッテリ・セルを電気的に直列に接続して、
全てが同数のバッテリ・セルを含む第１及び少なくとも
第２のセル・ストリングを形成するステップと、 (ｂ)前記セル・ストリングを電気的に並列に接続して、
前記セル・ストリングが全体として前記負荷に電力を供
給するバッテリ・アレイを形成するステップと、 (ｃ)前記第１及び第２のセル・ストリングの各々のバッ
テリ・セルの状態を検知するステップと、 (ｄ)前記ステップ（ｃ）において、１つのセル・ストリ
ングの第１のバッテリ・セルが故障したことが確定され
た場合に、前記バッテリ・アレイの他の直列ストリング
の各々から少なくとも１つのバッテリ・セルを切り離し
て変更されたバッテリ・アレイを形成し、その後、該変
更バッテリ・アレイは低減されつつも最適化された容量
の電力を前記負荷に供給し続けるステップと、を有する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法であって、前記ス
テップ（ｄ）は、 (ｅ)セル・ストリングのバッテリ・セルの故障に対し、
前記バッテリ・アレイから前記セル・ストリングを切り
離して、その後、残りのセル・ストリングが前記負荷に
電力を供給し続けるステップ、を含むことを特徴とする
方法。
【請求項３】請求項１に記載の方法であって、前記ス
テップ（ｄ）は、 (ｅ)セル・ストリングのバッテリ・セルの故障に対し、
残りのセル・ストリングからセル・ストリングを切り離
し、当初のように、前記セル・ストリングが同数の動作
バッテリ・セルを維持するように変更されたバッテリ・
アレイを定め、その後、該変更バッテリ・アレイは前記
負荷に電力を供給し続けるステップ、を含むことを特徴
とする方法。
【請求項４】請求項１に記載の方法であって、前記バ
ッテリは、リチウムイオン・バッテリであることを特徴
とする方法。
【請求項５】負荷に電力を供給するバッテリの蓄電容
量を最適化するシステムであって、電気的に直列に接続された複数のバッテリ・セルを含む
第１のセル・ストリングと、電気的に直列に接続された複数のバッテリ・セルを含む
少なくとも第２のセル・ストリングと、前記第１及び第２のセル・ストリングの前記バッテリ・
セルの各々の状態を検知する検知手段と、前記検知手段による前記第１のセル・ストリングの第１
のバッテリ・セルの故障の検知に応答して、少なくとも
前記バッテリ・アレイの第２のバッテリ・セルを切り離
し、低減されつつも最適化された容量の電力をその後前
記負荷に供給し続けるように変更されたバッテリ・アレ
イを形成するスイッチ手段と、を有し、前記第１及び第２のセル・ストリングの各々は同数の前
記バッテリ・セルを含み、前記第１及び第２のセル・ス
トリングは電気的に並列に接続されてバッテリ・アレイ
を形成し、全体として前記負荷に電力を供給し続けるこ
とを特徴とするシステム。
【請求項６】請求項５に記載のシステムであって、前記スイッチ手段は、前記第１のセル・ストリングのバ
ッテリ・セルの故障に対し、前記第１のセル・ストリン
グを前記第２のセル・ストリングから切り離し、その
後、前記第２のセル・ストリングのみが前記負荷に電力
を供給し続けるように動作可能なことを特徴とするシス
テム。
【請求項７】請求項５に記載のシステムであって、前記スイッチ手段は、前記セル・ストリングのバッテリ
・セルの故障に対し、前記第２のセル・ストリングから
第２のセル・ストリングを切り離し、当初のように、前
記第１及び第２のセル・ストリングが同数の動作バッテ
リ・セルを維持するように変更されたバッテリ・アレイ
を定め、その後、該変更バッテリ・アレイは前記負荷に
電力を供給し続けるように動作可能なことを特徴とする
システム。
【請求項８】請求項５に記載のシステムであって、前
記バッテリは、リチウムイオン・バッテリであることを
特徴とするシステム。
【請求項９】バッテリの蓄電容量を最適化するシステ
ムであって、電力を供給される負荷と、電気的に直列に接続された複数のバッテリ・セルを含む
第１のセル・ストリングと、電気的に直列に接続された複数のバッテリ・セルを含む
少なくとも第２のセル・ストリングと、前記負荷に電力を供給する前記バッテリ・アレイを制御
する制御手段と、前記第１及び第２のセル・ストリングの前記バッテリ・
セルの各々の状態を検知して、該検知状態の信号を前記
制御手段に送る検知手段と、前記検知手段による前記第１のセル・ストリングの第１
のバッテリ・セルの故障の検知に応答して、少なくとも
前記バッテリ・アレイの第２のバッテリ・セルを切り離
し、低減されつつも最適化された容量の電力をその後前
記負荷に供給し続けるように変更されたバッテリ・アレ
イを形成するスイッチ手段と、を有し、前記第１及び第２のセル・ストリングの各々は同数の前
記バッテリ・セルを含み、前記第１及び第２のセル・ス
トリングは電気的に並列に接続されてバッテリ・アレイ
を形成し、全体として前記負荷に電力を供給し続けるこ
とを特徴とするシステム。
【請求項１０】請求項９に記載のシステムであって、前記スイッチ手段は、前記第１のセル・ストリングのバ
ッテリ・セルの故障に対し、前記第１のセル・ストリン
グを前記第２のセル・ストリングから切り離し、その
後、前記第２のセル・ストリングのみが前記負荷に電力
を供給し続けるように動作可能なことを特徴とするシス
テム。
【請求項１１】請求項９に記載のシステムであって、前記スイッチ手段は、前記セル・ストリングのバッテリ
・セルの故障に対し、前記第２のセル・ストリングから
第２のセル・ストリングを切り離し、当初のように、前
記第１及び第２のセル・ストリングが同数の動作バッテ
リ・セルを維持するように変更されたバッテリ・アレイ
を定め、その後、該変更バッテリ・アレイは前記負荷に
電力を供給し続けるように動作可能なことを特徴とする
システム。
【請求項１２】請求項９に記載のシステムであって、
前記バッテリは、リチウムイオン・バッテリであること
を特徴とするシステム。