(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された少なくとも二つのバッテリーモジュール（１、２）を有するバッテリー、とりわけ駆動バッテリーであって、
該バッテリーモジュールはそれぞれ、第１のバッテリーモジュール極（１ａ、２ａ）と、第２のバッテリーモジュール極（１ｂ、２ｂ）と、それらの極の間に接続されたバッテリーセル（１ｃ、２ｃ）の少なくとも一つの直列回路および／または並列回路とを有し、
バッテリーモジュール（１、２）の直列回路の第１の端子（３）は第１のバッテリー極（４）と接続されており、バッテリーモジュール（１、２）の直列回路の第２の端子（５）は第２のバッテリー極（６）と接続されており、
直列に接続された前記少なくとも二つのバッテリーモジュール（１、２）の少なくとも一つのバッテリーモジュール（１）が第１のバッテリーモジュール（１）であり、該第１のバッテリーモジュールは第１の分離装置（１ｄ）と、第２の分離装置（１ｆ）と、橋絡装置（１ｅ）を有し、
第１の分離装置（１ｄ）は、相応に制御されると、バッテリーセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路と第１のバッテリーモジュール極（１ａ）との接続を遮断し、
第２の分離装置（１ｆ）は、相応に制御されると、バッテリーセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）との接続を遮断し、
第１のバッテリーモジュール極（１ａ）と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）との間に接続された橋絡装置（１ｅ）を介して、相応に制御されると、第１のバッテリーモジュール極（１ａ）と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）とが短絡され、
および／または
直列に接続された前記少なくとも二つのバッテリーモジュール（１、２）の少なくとも一つのバッテリーモジュール（２）が第２のバッテリーモジュール（２）であり、該第２のバッテリーモジュールは少なくとも一つの充電分離装置（２ｄ）と、分離装置（２ｆ）と、橋絡装置（２ｅ）を有し、
少なくとも一つの充電分離装置（２ｄ）は、相応に制御されると、第２のバッテリーセル（２ｃ）の直列回路および／または並列回路と第１のバッテリーモジュール極（２ａ）との接続を遮断し、バッテリーモジュール（２）の接続時、またはバッテリーとバッテリーモジュール（２）の接続時に発生する充電電流または調整電流を制限し、
分離装置（２ｆ）は、相応に制御されると、バッテリーセル（２ｃ）の直列回路および／または並列回路と第２のバッテリーモジュール極（２ｂ）との接続を遮断し、
第１のバッテリーモジュール極（２ａ）と第２のバッテリーモジュール極（２ｂ）との間に接続された橋絡装置（２ｅ）を介して、相応に制御されると、第１のバッテリーモジュール極（１ａ）と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）とが短絡されるバッテリーにおいて、
前記バッテリーは、ｎ個のバッテリーモジュール（１，２）を有し、ここでは二つの第２のバッテリーモジュール（２）と、ｎ−２個の第１のバッテリーモジュール（１）とが設けられている、ことを特徴とするバッテリー。
【請求項２】
前記橋絡装置（１ｅ、２ｅ）は、バッテリーセル（１ｃ、２ｃ）の直列回路および／または並列回路と第１のバッテリーモジュール極（１ａ）との接続が遮断されているとき、およびバッテリーセル（１ｃ）の直列回路および／または並列回路と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）との接続が遮断されているときに、第１のバッテリーモジュール極（１ａ）と第２のバッテリーモジュール極（１ｂ）の短絡だけに作用するように構成されている、請求項１記載のバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念によるバッテリー、とりわけ駆動バッテリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
将来的には、定置での使用（たとえば風力発電所）でも、車両（ハイブリッド車および電気自動車）での使用でも、ますます新規のバッテリーシステムが使用されるようになり、信頼性に関して高い要求が課せられるであろう。この高い要求の背景は、バッテリーの故障はシステム全体の故障につながることであり（たとえば電気自動車では駆動バッテリーの故障は走行不能になる）、それどころか安全性に関連する問題が生じ得ることである（たとえば風力発電所では、強風時にローター翼調節により、許容できない動作状態から発電所を保護するためにバッテリーが使用される）。
【０００３】
さらに定置使用でのバッテリーシステムでは、保守作業中も制限された発電能力によるバッテリーシステムの運転が可能でなければならないという要求がしばしば発生する。すなわちこのようなバッテリーシステムは、中断なしで常時使用可能でなければならない。
【０００４】
従来技術によるバッテリーシステムの基本回路図が図９に示されている。要求される電力およびエネルギーをバッテリーシステムによって達成するために、個々のバッテリーセルが直列に、部分的には加えて並列に接続されている。バッテリーセルの他に、バッテリーシステムはいわゆる充電分離装置を有している。この充電分離装置は図９では、一般性を制限することなくバッテリーのプラス極とバッテリーセルとの間に配置されている。分離スイッチＴＳにより、バッテリーは単極で接続・遮断される。オプションの機能ユニットとして図９にはさらに別の分離装置が示されており、この別の分離装置によりバッテリーを、第２の分離スイッチを介して要求される場合には、双極でスイッチオフすることができる。充電分離装置内には充電スイッチがあり、この充電スイッチにより、バッテリーが接続されているときに調整電流を制限するために、バッテリーセルと、外部にある接続されたシステムとの間で充電状態を切り換えることができる。
【０００５】
このような切換過程では、充電分離装置内で分離スイッチが開放しているときは、まず充電スイッチが閉鎖され、追加で（存在する場合）オプションの分離装置にある分離スイッチがバッテリーシステムのマイナス極で閉鎖される。次に充電抵抗を介して、外部に接続されたシステムの入力キャパシタが充電される。バッテリーシステムのプラス極とマイナス極の間の電圧が、バッテリーセルの合計電圧から無視できる程度しか偏差していなければ、充電過程が、充電分離装置の分離スイッチの閉鎖によって終了される。次にバッテリーシステムは低抵抗に外部システムに接続され、その固有の電力データによって駆動することができる。前記の措置により、外部システムとバッテリーシステムとの間でバッテリーシステムの接続過程時に発生する調整電流を許容値に制限することができる。
【０００６】
バッテリーシステムの信頼性は、故障率によって表される。故障率は、注目する期間内での予想される故障数の平均である。
【０００７】
個々のセルが直列接続されたバッテリーの故障率は、次のように求めることができる。
故障率駆動バッテリー＝１−（１−故障率セル）セル数        （１）
【０００８】
１００個のセルが直列に接続された電気自動車の駆動バッテリーについて、１００ｐｐｍ／セルの注目する期間内の故障率はたとえば次のとおりである。
故障率駆動バッテリー＝１−（１−１００ｐｐｍ）１００
＝９．９５‰                    （２）
【０００９】
個々のバッテリーセルの故障率が非常に小さければ（たとえば注目する期間内での故障率セル＜１‰）、故障率は近似的に次のように計算することができる（第１項による二項列のべき級数展開の撤去）：
故障率駆動バッテリー＝セル数×故障率セル                （３）
【００１０】
これにより、注目する駆動バッテリーの故障率は、個々のセルの故障率のほぼ１００倍となる。したがって個々のセルの故障率は、バッテリーシステムの故障率に対する要求値に対して約１００分の一以下でなければならない。１００個のセルが直列に接続されたバッテリーシステムに対して、注目する時間内で１００ｐｐｍの故障率が要求される場合、この時間内のセルの故障率は１ｐｐｍでなければならない。これは満たすのが極端に困難な要求である。
【００１１】
さらに一つのセルの故障はバッテリーシステム全体の故障につながる。故障したセルの交換修理作業中は、バッテリーシステムを使用することができない。したがって現在の技術水準にあるバッテリーシステムでは、可用性に関して高い要求が課せられるバッテリーシステムを実現することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Lauber/Goehner著：Prozessautomatisierung １、 3.Auflage、 Springer-Verlag
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、バッテリーシステムの信頼性と可用性を、現在の技術水準に対して高めることである。ここでは一つのセルの故障、またはバッテリーモジュールの複数のセルの故障でも、バッテリーシステムの完全な故障を引き起こさないようにする。バッテリーシステムを制限された電力で使用できるようにする。さらにバッテリーシステムを、故障したセルの交換が必要な修理作業中でも制限された電力で駆動できるようにし、もってバッテリーシステムの可用性を高める。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明特定事項を備える本発明のバッテリーは、バッテリーシステムが現在の技術水準に対して内部で、追加の機能ユニットだけ拡張されているという利点を有する。  これは、
・分離装置、および／または
・充電分離装置、および／または
・橋絡装置であり、
これらについて以下詳細に説明する。
【００１５】
この機能ユニットに基づいて、本発明のバッテリーモジュールは一つまたは複数のセルの故障時に橋絡することができるように構成されている。システム全体がそのようなバッテリーモジュールから構成されていれば、バッテリーシステムの要求と実施態様に応じて、バッテリーモジュールにおいて一つまたは複数のセルが故障した場合には、そのようなバッテリーモジュールを橋絡することができる。この場合、バッテリーシステムの端子には正規動作よりも制限された電力が送出されるが、バッテリーシステムが適切に設計されていれば、システムの故障または安全上問題となるシステム状態が回避される。さらにセルまたはモジュールの故障が識別され、修理措置を開始することができる。これによりバッテリーシステムの信頼性が高まる。さらにセルまたはモジュールの故障が識別され、修理措置を開始することができる。バッテリーシステムは、動作の中断なしで修理措置を実施できるように構成されている。これによりバッテリーシステムの可用性が高まる。
【００１６】
従属請求項は、本発明の好ましい改善形態を示す。
【００１７】
とくに好ましくは、本発明のバッテリーは、バッテリーモジュールの直列回路の第１の端子と第１のバッテリー極との間に接続された充電装置、および／またはバッテリーモジュールの直列回路の第２の端子と第２のバッテリー極との間に接続された充電装置を有し、バッテリーは第１のバッテリーモジュールだけを有する。この場合、任意のバッテリーモジュールが故障した際の駆動搭載電源網での調整電流の制限が保証され、ここでは、簡単に構成された第１のバッテリーモジュールだけが設けられている。
【００１８】
択一的に本発明のバッテリーは、好ましくは第２のバッテリーモジュールだけを有する。この場合も、任意のバッテリーモジュールが故障した際の駆動搭載電源網での調整電流の制限が保証され、ここでは別個の充電装置を設ける必要がない。なぜなら、第２のバッテリーモジュールがそれぞれ一つの充電装置を有するからである。これにより同じモジュールだけによってバッテリーを簡単に組み立てることができる。
【００１９】
択一的に本発明のバッテリーは好ましくは、ｎ個のバッテリーモジュールを有し、ここでは二つの第２のバッテリーモジュールと、ｎ−２個の第１のバッテリーモジュールが設けられている。この場合、第２のバッテリーモジュールが故障しても駆動搭載電源網での調整電流の制限が保証される。なぜならこの場合は、第２のバッテリーモジュールの充電装置が存在していて使用することができるからである。
【００２０】
本発明のバッテリーでは、追加でまたは択一的に好ましくは、バッテリーセルの直列回路および／または並列回路と第１のバッテリーモジュール極との接続が遮断されるとき、およびバッテリーセルの直列回路および／または並列回路と第２のバッテリーモジュール極との接続が遮断されるときに、橋絡装置が、第１のバッテリーモジュール極と第２のバッテリーモジュール極の短絡だけに作用するよう構成されている。
【００２１】
以下に本発明の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の好ましい実施形態によるバッテリー、好ましくは駆動バッテリーの基本回路図である。
【図２】本発明の第２の好ましい実施形態によるバッテリー、好ましくは駆動バッテリーの基本回路図である。
【図３】本発明の第３の好ましい実施形態によるバッテリー、好ましくは駆動バッテリーの基本回路図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による第１のバッテリーモジュールの基本回路図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による第２のバッテリーモジュールの基本回路図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による分離装置の基本回路図である。
【図７】本発明の好ましい実施形態による充電分離装置の基本回路図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態による橋絡装置の基本回路図である。
【図９】従来技術からの駆動バッテリーの基本回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
まず概念「信頼性」と「可用性」をここに使用される意味で定義する。定義は非特許文献１による。
【００２５】
信頼性（リライアビリティ）は、所定の時間の間に正しく動作することに対するシステムの能力である。
【００２６】
可用性（アベイラビリティ）は、修理可能なシステムが所定の時点で機能能力のある状態にある確率である。
【００２７】
したがって高い可用性は、
・システムの高い信頼性と、
・（システムが修理時間中に運転できない場合には）短い修理時間、または可能であれば運転の中断なしでの修理によって達成される。
【００２８】
バッテリーシステムの可用性が本発明により、従来技術に対して高められる。なぜなら個々のバッテリーセルの故障が、バッテリーシステムの故障に直接的につながらないからである。すなわちシステムの信頼性が高まり、付加的にシステムの運転が、修理作業の実施中でも可能になることによって可用性が高められる。本発明では、バッテリーセルの直列回路である現在の従来技術のバッテリーモジュールに対して、バッテリーシステムが好ましくは内部で付加的な機能ユニットにより拡張されている。この機能ユニットについてまず説明する。
【００２９】
・分離装置１ｄが、図６ａにはその基本形態で、図６ｂにはその実施形態で示されている。
【００３０】
分離装置１ｄは、第１のバッテリーモジュール１のバッテリーセル１ｃを、バッテリーモジュール１の二つの極１ａ、１ｂの一方から単極で遮断するために、またはバッテリーセル１ｃを低抵抗で対応する極１ａ、１ｂに接続するために用いられる。バッテリーセル１ｃをバッテリーモジュール１の二つの極１ａ、１ｂから二極で遮断するためには、バッテリーモジュール１で二つの分離装置１ｄが使用される（それぞれ一つをバッテリーモジュールのプラス極に、一つをマイナス極に直接接続するのが有利）。本発明の基本原理は、分離装置１ｄにある分離スイッチＴＳの具体的な実現に依存しない。この分離スイッチについては、電子機械的スイッチ（リレーまたはブレーカー）、電子的スイッチ（半導体スイッチ）、または電子機械的スイッチと電子的スイッチとの組合わせとしての実現が考えられる。
【００３１】
・充電分離装置２ｄが、図７ａにはその基本形態で、図７ｂにはその実施形態で示されている。
【００３２】
充電分離装置２ｄは、図６に基づいて説明した分離装置１ｄと同様に機能する分離装置２ｄ１の機能を、充電装置２ｄ２だけ拡張したものであり、充電装置２ｄ２はバッテリーシステムまたはバッテリーモジュールの接続の際に発生する充電電流または調整電流を制限する。この電流の原因は、一般的にはバッテリーの接続の前にはバッテリーシステムの総電圧と外部システムの入力キャパシタの電圧とが同じでないことである。充電電流または調整電流を制限することは、もっとも簡単な場合、充電スイッチＬＳと直列に接続された抵抗ＬＷを介して行われる。抵抗値を適切に選択することにより、バッテリーシステムおよび外部システムに対する許容値に調整電流を制限することができる。バッテリーシステムの極の電圧、または充電分離装置２ｄを備えるバッテリーモジュール２の極の電圧が、対応するバッテリーセル２ｃの総電圧とほぼ同じ電圧を有していれば（すなわち充電抵抗での電圧降下が小さい）、充電分離装置２ｄにある分離スイッチＴＳを閉じることができる。
【００３３】
したがってバッテリーシステムまたはバッテリーモジュールの接続過程は次のように経過する。まず、分離スイッチＴＳが開放されているときに、充電分離装置２ｄの充電スイッチＬＳが閉じられる。これに基づき、バッテリーシステムまたはバッテリーモジュールの極の電圧が割り当てられたバッテリーセルの総電圧にほぼ相当するまで、外部キャパシタが充電または充放電される。次に分離スイッチＴＳが閉じられ、充電過程は終了される。次に、バッテリーセルが低抵抗で、バッテリーシステムまたはバッテリーモジュールの極と接続される。
【００３４】
充電分離装置２ｄの分離スイッチＴＳと充電スイッチＬＳは、分離装置１ｄの分離スイッチＴＳと同じように実現することができる。
【００３５】
橋絡装置１ｅ；２ｅ１ｄが、図８ａにはその基本形態で、図８ｂにはその実施形態で示されている。
【００３６】
橋絡装置１ｅ；２ｅは、バッテリーモジュール１、２を低抵抗で橋絡するために用いる。すなわち、バッテリーモジュール１、２内で一つまたは複数のバッテリーセル１ｃ、２ｃが故障した場合にバッテリーモジュール１、２のプラス極とマイナス極と低抵抗で接続するために用いる。本発明の基本原理は、橋絡装置にある橋絡スイッチＵＳの具体的な実現に依存しない。この橋絡スイッチについては、分離スイッチで説明したように電子機械的スイッチ（リレーまたはブレーカー）、電子的スイッチ（半導体スイッチ）、または電子機械的スイッチと電子的スイッチとの組合せとしての実現が考えられる。
【００３７】
前記の機能ユニットに基づいて、バッテリーシステムに接続されるようバッテリーモジュールを構成することができる。システムへの要求に応じて、以下の態様をバッテリーモジュールに使用するのが有利である。
【００３８】
・図４に示すように二つの分離装置と、一つの橋絡装置を備える第１のバッテリーモジュール（態様１）。
【００３９】
この態様１では、二つの分離装置１ｄ、１ｆが、バッテリーセル１ｃを二極で、すなわちバッテリーモジュール１の二つの極１ａ、１ｂから遮断するのに、またはバッテリーセル１ｃを低抵抗で二つの極１ａ、１ｂに接続するために用いられる。分離装置１ｄ、１ｆおよびバッテリーセル１ｃに並列に使用される橋絡装置１ｅは、バッテリーモジュール１の一つまたは複数のセル１ｃが故障した場合にバッテリーモジュール１を低抵抗に橋絡するために用いられる。橋絡装置１ｅにある橋絡スイッチは好ましくは、二つの分離装置１ｄ、１ｆの少なくとも一つの分離スイッチが開放されているときだけ閉鎖される。二つの分離装置１ｄ、１ｆを設けることにより、セルに電圧を印加することなく、橋絡されたバッテリーモジュールの修理（たとえば故障したセルの交換）をすることができる。これによりシステムの可用性が高まる。なぜなら修理作業中にもバッテリーシステムを駆動することができるからである。
【００４０】
分離装置１ｄ、１ｆと橋絡装置１ｅは、図示されていない信号線路を介してバッテリーモジュールの機能ユニットの制御および診断のために制御される。
【００４１】
・図５に示すように、一つの充電装置と、二つの分離装置と、一つの橋絡装置を備える第２のバッテリーモジュール（態様２）。
【００４２】
この態様２では、態様１に対して充電装置が第２のバッテリーモジュール２で追加で使用される。したがって図７に示された充電分離装置２ｄが、分離装置１ｄの代わりに、バッテリーシステムが接続される際の充電電流または調整電流を制限する。
【００４３】
充電分離装置２ｄ、分離装置２ｆおよび橋絡装置２ｅは、図示されていない信号線路を介してバッテリーモジュールの機能ユニットの制御および診断のために制御される。
【００４４】
前記のバッテリーモジュールにより本発明のモジュール型バッテリーシステムが構成され、このシステムは現在の技術水準と比較して高い信頼性を有する。前記のバッテリーモジュールの接続例として、態様の異なる三つのバッテリーシステム（態様Ａ、Ｂ、Ｃと称する）を考察する。
【００４５】
図２に示す本発明の第２の好ましい実施形態による態様Ａでのバッテリーシステムは、
- 一つの充電装置７と、
- 直列に接続された複数の第１のバッテリーモジュール（態様１）を備える。
利点：
- 一体的バッテリーモジュールが使用される。
- 全体では、バッテリーシステムが接続されるときにアクティブになる一つの充電装置しか使用されない。
【００４６】
・図３に示す本発明の第３の好ましい実施形態による態様Ｂでのバッテリーシステムは、
- 直列に接続された複数の第２のバッテリーモジュール（態様２）を備える。
利点：
- 一体的バッテリーモジュールが使用される。
- 態様Ａに対して内部抵抗が小さい。なぜなら比較的少数の分離装置しか直列に接続されないからである。
【００４７】
・図１に示す本発明の第１の好ましい実施形態による態様Ｃでのバッテリーシステムは、
- 直列に接続された二つの第２のバッテリーモジュール２（態様2）と、
- 直列に接続された複数の第１のバッテリーモジュール（態様１）を備える。
利点：
- 態様Ａに対して内部抵抗が小さい。なぜなら比較的少数の分離装置しか直列に接続されないからである。
- 態様Ｂに対して、充電装置に対する付加的コスト（経費、構造空間）が小さい。充電装置が二つのバッテリーモジュールにしか存在しないからである。充電装置を備える二つのバッテリーモジュールが必要であるが、これによりこの二つのモジュールの一つで故障しても、橋絡後には、バッテリーを外部システムに接続するための充電装置がまだ一つ存在する。
【００４８】
前記すべてのバッテリーシステムについて以下のことが当てはまる。
【００４９】
バッテリーモジュールの一つまたは複数のセルが故障した場合、モジュールの分離装置にある分離スイッチの開放後、該当するモジュールを橋絡スイッチの閉成によって低抵抗に短絡することができる。
【００５０】
バッテリーシステムのバッテリーモジュールの数、および橋絡されるバッテリーモジュールの数に応じて、すべてのバッテリーモジュールによる正規の運転に対して以下のデータを有するバッテリーシステムが引き続き使用される。
【００５１】
【表１】
0005502903.tif 000002
【００５２】
５個のバッテリーモジュールを有するバッテリーシステムの場合、一つのバッテリーモジュールを橋絡しても、完全なバッテリーシステムの電力が８０％、エネルギーが８０％のバッテリーシステムが使用される。
【図１】
0005502903.tif 000003
【図２】
0005502903.tif 000004
【図３】
0005502903.tif 000005
【図４】
0005502903.tif 000006
【図５】
0005502903.tif 000007
【図６ａ】
0005502903.tif 000008
【図６ｂ】
0005502903.tif 000009
【図７ａ】
0005502903.tif 000010
【図７ｂ】
0005502903.tif 000011
【図８ａ】
0005502903.tif 000012
【図８ｂ】
0005502903.tif 000013
【図９】
0005502903.tif 000014