(57)【要約】  複数の電気化学セルと、バッテリの陽極および陰極のうちの１つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスを含むバッテリ。
2019506837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリであって、
陽極および陰極と、
前記バッテリの前記陽極および前記陰極に電気的に接続されている複数の電気化学セルと、
前記複数の電気化学セルと、前記バッテリの前記陽極および前記陰極のうちの１つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスと、を備え、
前記保護デバイスは、前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極に電気的に接続する導体素子と、遮断機と、を有し、
前記保護デバイスは、独立回路に接続され、かつ、前記独立回路により制御され、前記独立回路は、ノーマリーオープンのサーモスタットスイッチと、中に電荷を蓄えるコンデンサと、を備え、
前記サーモスタットスイッチは、密閉されたケーシングの中の温度が所定の温度に到達したときに、前記独立回路を閉じることにより、前記コンデンサから前記保護デバイスに前記電荷を開放し、前記保護デバイスの遮断機を動作させて前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極から切断し、前記バッテリの動作を停止させることを特徴とするバッテリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバッテリであって、前記保護デバイスは更に、前記遮断機を通過する前記導体素子の中央部分を備え、
前記遮断機は、点火器と、起爆剤と、前記導体素子の前記中央部分を切るように構成された機械カッターと、を含み、前記点火器は、前記サーモスタットスイッチが閉じたときに前記起爆剤に点火し、これにより前記機械カッターが押圧されて前記導体素子の前記中央部分を切り、これにより前記複数の電気化学セルが前記バッテリの前記陽極または前記陰極から切断されることを特徴とするバッテリ。
【請求項３】
請求項１に記載のバッテリであって、筐体を画定する密閉されたケーシングを更に備え、前記複数の電気化学セルは前記筐体の内部に位置し、前記陽極および前記陰極は前記密閉されたケーシングの外部に延出していることを特徴とするバッテリ。
【請求項４】
請求項３に記載のバッテリであって、前記保護デバイスは、前記密閉されたケーシングの内部に位置していることを特徴とするバッテリ。
【請求項５】
請求項３に記載のバッテリであって、前記独立回路は、前記密閉されたケーシングの内部に位置していることを特徴とするバッテリ。
【請求項６】
請求項１に記載のバッテリであって、前記保護デバイスは、前記独立回路と並列に、電子制御装置（ＥＣＵ）にも接続されていることを特徴とするバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、据え置き型アプリケーション向けバッテリ、特に、保護デバイスを有するバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車用のバッテリパックは、典型的には、バッテリの陽極および陰極を接続するハイゲージワイヤを経由して直列に接続された複数の様々な電圧のバッテリを含む。電気自動車のバッテリパックの合計電圧は、全てのバッテリが同時に接続されると合計で６００ボルトに到達しうる。
【０００３】
バッテリパックは、ハイゲージワイヤで直列に組み立てられた複数のバッテリからなる。安全装置が、バッテリパックの各バッテリの間に装着され、バッテリパックのバッテリのうちの１つが短絡している、または、バッテリを搭載する車両が衝突に巻き込まれた、などの緊急の事態には、各バッテリ間の電気的接続が確実に切断されるようにしている。小さなバッテリでは、電流がある閾値を越えたときに電流を切断するのにヒューズが使われてきた。しかしながら、高電圧のバッテリパックにおいては、ヒューズが飛んでしまうと、高電圧のためアーク放電が生じ、このアーク放電が更なるダメージをもたらすことによってより大きな問題になりうるため、ヒューズは非効率である。他のタイプの安全装置が、米国特許第８，７０９，６２８号明細書に説明されており、その内容をここに援用する。援用する。米国特許第８，７０９，６２８号明細書では、緊急時にバッテリ間の電気的接続を切断するよう構成された起爆素子（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を有する遮断機を備えた電気コネクタが説明されている。起爆素子は、故障や衝突を検知した電子制御装置（ＥＣＵ）から受信した電気信号により動作させられる。
【０００４】
米国特許第８，７０９，６２８号で説明されている安全装置のひとつの欠点は、バッテリパックそのものは緊急時に安全装置により動作が停止するが、パックのバッテリは依然として生きているため、電気的に危険な状態に相当するという点である。米国特許第８，７０９，６２８号で説明されている安全装置の２つ目の欠点は、電子制御装置（ＥＣＵ）から受信した電気信号により動作させられるが、緊急時にＥＣＵの動作が停止したり電源が切断されたりして、バッテリを切断するためにＥＣＵが電気信号を起爆素子に送信することができない場合があり、このような場合には、バッテリパックが依然として生きているため、電気的に危険な状態に相当するという点である。
【０００５】
そのため、緊急時に独立してバッテリパックの個々のバッテリの動作を停止させるバッテリ用の保護デバイスへの需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８，７０９，６２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、先行技術に存在している上記の不都合のうち少なくとも一部を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的はまた、バッテリであって、陽極および陰極と、筐体の内部にある複数の電気化学セルであって、前記バッテリの前記陽極および前記陰極に電気的に接続されている複数の電気化学セルと、前記複数の電気化学セルと、前記バッテリの前記陽極および前記陰極のうちの１つとの間に、直列に電気的に接続されている自律性の保護デバイスと、を備え、前記保護デバイスは、前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極に電気的に接続する導体素子と、遮断機と、を有し、前記保護デバイスは、独立回路に接続され、かつ、前記独立回路により制御され前記独立回路は、ノーマリーオープンのサーモスタットスイッチと、中に電荷を蓄えるコンデンサと、を備え、前記サーモスタットスイッチは、密閉されたケーシングの中の温度が所定の温度に到達したときに、前記独立回路を閉じることにより、前記コンデンサから前記保護デバイスに前記電荷を開放し、前記保護デバイスの遮断機を動作させて前記複数の電気化学セルを前記陽極または前記陰極から切断し、前記バッテリの動作を停止させることを特徴とするバッテリを提供することである。
【０００９】
本発明の各実施形態は、少なくとも一つの上述の目的および／または態様を有するが、必ずしもすべてを有するわけではない。上述の目的を達成するための試行の結果として生じた本発明の幾つかの態様は、これらの目的を達成しえないものであってもよく、および／または、ここに具体的に記載されていない他の目的を達成するものであってもよい。
【００１０】
本発明の実施形態の追加の、および／または、代替的な特徴、態様、利点は、以下の説明、添付図面、添付された特許請求の範囲により明らかにされる。
【００１１】
本発明および他の態様、更なる特徴をより良く理解するため、添付図面と共に用いられる以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】直列に接続されたバッテリパックの一部の下向き正面の斜視図である。
【図２】図１に示すバッテリパックの、単一のバッテリの左側の斜視図であり、断面部分は、バッテリの内部の部品を示している。
【図３】図２に示す単一のバッテリの前面部分の左側の斜視図であり、フロントカバーを外した状態で、本発明の１つの実施形態による保護デバイスが示されている。
【図４】図２に示す単一のバッテリの前面部分の正面立面図であり、フロントカバーを外した状態で、本発明の１つの実施形態による保護デバイスが示されている。
【図５】図３および図４に示される保護デバイスの内部の部品の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、バッテリコネクタ１４を経由して直列に接続された複数のバッテリ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、…を含むバッテリパック１０の一部が示されている。図１において、バッテリ１２ａの陽極は、バッテリ１２ｂの陰極に接続されており、バッテリ１２ｂの陽極は、バッテリ１２ｃの陰極に接続されている。各バッテリコネクタ１４は、導電性のブリッジ１８、電気絶縁性プラスチックで作られたバッテリ電極カバー１６、および、隣り合うバッテリの陽極および陰極に導体のブリッジ１８の先端を接続するように構成された一対の締め具２０を含む。バッテリパック１０の各バッテリ１２は、硬質のケーシング２２、および、硬質のケーシング２２を密閉し、バッテリ１２の電気化学セルを収容する密閉されたケーシングを形成するように構成されたカバー２４を含む。各カバー２４は、バッテリ１２のバッテリ状態、ならびに、充電および放電機能を管理するための電子制御システム２５（図２）を収容する前方コンパートメント２６を含む。コンパートメント２６は、コンパートメント２６が確実に密封されるようにするため、シーリングプレート２８により密閉されている。
【００１４】
図２を参照すると、単一のバッテリ１２が示されており、断面部分には各バッテリ１２の内部の部品が示されている。そして、シーリングプレート２８を外した状態で、電子制御システム２５が示されている。例示されるように、硬質のケーシング２２、およびシーリングカバー２４が一緒になって、積層された複数の平らな電気化学セル３２が収容されている筐体３０を画定している。複数のスプリング３５を含む機械的圧力システム３４もまた、電気化学セル３２の積層体の最適な動作に必要な機械的圧力を提供するように、密閉されたケーシング２２に挿入されている。複数の電気化学セル３２の陰極側は、バッテリ１２の陰極３６に接続されており、複数の電気化学セル３２の陽極側は、バッテリ１２の陽極３８に接続されている。
【００１５】
図３および図４を参照すると、シーリングカバー２４が外された状態のバッテリ１２の前面部分が示されている。
複数の電気化学セル３２の陰極側は、ハイゲージワイヤ４２を経由して陰極３６に接続されており、一方で複数の電気化学セル３２の陽極側は、第１のハイゲージワイヤ４３を経由してバッテリ１２の陽極３８に接続されている。第１のハイゲージワイヤ４３は、保護デバイス４０に接続されており、保護デバイス４０は、第２のハイゲージワイヤ４４を経由してバッテリ陽極３８に接続されており、保護デバイス４０が直列に複数の電気化学セル３２とバッテリ１２の陽極３８との間に接続されるようにしている。
【００１６】
より具体的には、保護デバイス４０は、保護デバイス４０の本体を横切り、かつ、保護デバイス４０の本体５０の両側から延出する導体素子４８（図４）を含み、これにより、電流が複数の電気化学セル３２からバッテリ陽極３８まで保護デバイス４０を通過することができる。第１のハイゲージワイヤ４３は、一端４６で締め具４５を用いて電気化学セル３２の陽極側に接続されており、他端４７では第２の締め具４５を用いて導体素子４８の延在部に接続されている。第２のハイゲージワイヤ４４は、一端４９で締め具４５を用いて導体素子  ４８の第２の延在部に接続されており、他端５１ではバッテリ陽極３８に接続されている。当然ながら、保護デバイス４０は、複数の電気化学セル３２とバッテリ陰極３６との間に、直列に接続されることもあり得る。保護デバイス４０は、電気化学セル３２と、バッテリ１２の陽極３８または陰極３６とのいずれか一方との間に、直列に接続されうる。
【００１７】
保護デバイス４０は、サーモスタットスイッチ５４と、中に蓄えた電荷を有するコンデンサ５６と、を備える独立回路５３に接続され、かつ、独立回路５３により制御されている。サーモスタットスイッチ５４は、独立回路５３に電流が流れないように、ノーマリーオープンのポジションである。サーモスタットスイッチ５４のサーモスタット部分は、バッテリ１２の内部の短絡、外因により引き起こされた温度の異常な上昇、制御されていない充電または放電、硬質のケーシング２２またはカバー２４の破損などを示す所定の温度において、サーモスタットスイッチ５４のスイッチ部分を作動させて閉じるように設定されている。所定の温度は、電気化学セルのタイプに応じて設定される。リチウム金属ポリマーの電気化学セルについては、温度の閾値は１３５℃と摂氏１７０℃との間に設定される。リチウムイオン電気化学セルについては、温度の閾値は６０℃と７０℃との間に設定される。ナトリウム硫黄電気化学セルについては、温度の閾値は２２０℃と２７５℃との間に設定される。バッテリ１２の温度が所定の温度まで上昇したとき、サーモスタットスイッチ５４が作動し、これによりノーマリーオープンの回路５３を閉じ、コンデンサ５６から電荷を開放し、保護デバイス４０を作動させることにより、電気化学セル３２から陽極３８への電流を切断し、バッテリ１２の動作を停止させる。
【００１８】
前記保護デバイス４０は、銅のような導電性の金属で作られた導体素子４８と、遮断機５７を含む。導体素子４８の中央部分は、遮断機５７を通過する。遮断機５７は、内部の短絡やバッテリ１２の温度を上昇させる他の異常が生じた場合に導体素子４８の中央部分を切断するように構成された起爆デバイス（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）である。遮断機５７は、小さな起爆剤（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ  ｃｈａｒｇｅ）を含み、当該起爆剤は、作動すると、機械カッターに衝撃荷重を発生させ、当該機械カッターが導体素子４８の中央部分を切り、これによりバッテリ陽極３８の接続が切断され、バッテリ１２が電気的に絶縁される。
【００１９】
図５に概略で例示するような特定の実施形態において、遮断機５７は、くさび状部５８を含み、当該くさび状部５８は、導体素子４８の中央部分５９に対して位置合わせされており、かつ、内部の短絡や他の異常が生じた場合に、起爆剤６０で作動して導体素子４８の中央部分５９を恒久的に切る。  上述のように、バッテリ１２の内部の温度が所定の温度に到達したときに、サーモスタットスイッチ５４が閉じ、電流が遮断機５７に放電され、点火器６１を動作させる。点火器６１は、起爆剤６０に点火することにより圧力プレート６２に対して衝撃を発生させ、即時にくさび状部５８を導体素子４８の中央部分５９に対して押圧し、これにより導体素子４８を切り、電気化学セル３２とバッテリ陽極３８との電気的接続を切断し、バッテリ１２の動作を停止させる。
【００２０】
保護デバイス４０は、サーモスタットスイッチ５４およびコンデンサ５６を含む独立回路５３とともに、破損したり、技術者により改修されたりしないように、シーリングカバー２４の後ろの密閉ケーシングの中に位置しているのが望ましい。しかしながら、保護デバイス４０は、バッテリ１２のコンパートメント２６の中に位置していてもよい。
【００２１】
保護デバイス４０は、コンデンサ５６を電源とする独立回路５３に接続され、かつ独立回路５３により制御されているため、保護デバイスは自律性があり、内部または外部のＥＣＵに依存することなく、緊急時に作動する。好ましくは、保護デバイス４０は、また、例えば車両の衝突などの際に電子制御装置（ＥＣＵ）によっても保護デバイス４０を動作させることができるように、独立回路５３と並列に、ＥＣＵにも接続されている。独立回路５３は、ＥＣＵの動作が停止しているときのフェールセーフシステムである。
【００２２】
本発明の上述の実施形態の変更や改良は、当業者にとって明らかなものとなりうる。先の説明は、限定的であることではなく、むしろ例示的であることを意図している。したがって、本発明の範囲は、唯一、添付の特許請求の範囲により限定されることを意図している。
【符号の説明】
【００２３】
１０  バッテリパック
１２  バッテリ
１４  バッテリコネクタ
１６  バッテリ電極カバー
１８  ブリッジ
２２  ケーシング
２４  シーリングカバー
２５  電子制御システム
２６  コンパートメント
２８  シーリングプレート
３０  筐体
３２  電気化学セル
３４  機械的圧力システム
３５  スプリング
３６  バッテリ陰極
３８  バッテリ陽極
４０  保護デバイス
４２  ハイゲージワイヤ
４８  導体素子
５３  独立回路
５４  サーモスタットスイッチ
５６  コンデンサ
５７  遮断機
６２  圧力プレート
【図１】
2019506837.tif 000003
【図２】
2019506837.tif 000004
【図３】
2019506837.tif 000005
【図４】
2019506837.tif 000006
【図５】
2019506837.tif 000007
【国際調査報告】
2019506837.tif 000008
2019506837.tif 000009