(57)【要約】  本発明は、外部装置を動作させる電流を印加するための電池パックシステムに関する。複数の充放電可能な電池セルからなり、外部装置に電力を供給する電池モジュールと、電池モジュールの温度を検出する温度センサと、電池モジュールに充放電パルス電流を印加する補助電力ユニットと、電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に、温度センサによって検出された情報に基づき電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低いときには、補助電力ユニットを電池モジュールに接続することによって、充放電パルス電流を印加し、また電池モジュールの温度が設定温度(Tcrit)より高くなったときには、充放電パルス電流をブロックするコントロールユニットとを備える電池パックシステム、ならびにその動作方法が提供される。
2013518550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部装置を動作させるために必要な電流を供給する電池パックシステムであって、
前記外部装置に電力を供給する、充放電可能な複数の電池セルを有する電池モジュールと、
前記電池モジュールの温度を検出する温度センサと、
前記電池モジュールに充放電パルス電流を供給する補助電力ユニットと、
前記電池モジュールが前記外部装置に電気的に接続される前に、前記温度センサによって検出された情報に基づき前記電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低いときには、前記電池モジュールに前記充放電パルス電流が供給されるように前記補助電力ユニットを前記電池モジュールに接続し、前記電池モジュールの前記温度が前記設定温度(Tcrit)に等しくなるか、またはそれより高くなるときには、前記電池モジュールへの前記充放電パルス電流の供給を中断させるコントローラと
を備える電池パックシステム。
【請求項２】
前記電池セルのそれぞれが、板状の2次電池である、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項３】
前記板状の2次電池が、カソード/セパレータ/アノード構造を有する電極アセンブリが、樹脂層および金属層を備える積層シートから形成される電池ケース内に取り付けられる構造を有するように形成される、請求項2に記載の電池パックシステム。
【請求項４】
前記補助電力ユニットが、低容量の補助電池またはコンデンサである、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項５】
前記補助電池の容量が、前記電池モジュールの容量の3〜15%である、請求項4に記載の電池パックシステム。
【請求項６】
前記設定温度(Tcrit)が、-5℃から10℃の温度範囲に設定される、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項７】
前記設定温度(Tcrit)が、動作が適切に実行される15℃〜40℃の温度よりも5℃から20℃高い温度範囲に設定される、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項８】
前記充放電パルス電流が、同一の充放電レートを有するパルス波電流である、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項９】
前記パルス波電流が、矩形波タイプのパルス波電流または正弦波タイプのパルス波電流である、請求項8に記載の電池パックシステム。
【請求項１０】
前記充放電パルス電流が、前記電池モジュールを構成する各電池セルの1/3Cから5Cのレートで、2〜30秒間供給される、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項１１】
前記コントローラが、独立の装置であるか、または電池管理システム(BMS)内に取り付けられる、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項１２】
前記充放電パルス電流を駆動するために、前記電池モジュールと前記補助電力ユニットとの間に配置された双方向コンバータをさらに備える、請求項1に記載の電池パックシステム。
【請求項１３】
電源として、請求項1から12のいずれか一項に記載の電池パックシステムを備える装置。
【請求項１４】
電動車両、ハイブリッド電動車両、またはプラグインハイブリッド電動車両である、請求項13に記載の装置。
【請求項１５】
請求項1から12のいずれか一項に記載の電池パックシステムの動作方法であって、
(a)電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に、前記電池モジュールの温度を測定するステップと、
(b)前記電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低い場合には、充放電パルス電流が前記電池モジュールに供給されるように補助電力ユニットを前記電池モジュールに接続するステップと、
(c)前記充放電パルス電流の前記電池モジュールへの供給によって、前記電池モジュールの前記温度を上昇させるステップと、
(d)前記電池モジュールの前記温度が前記設定温度(Tcrit)と等しいか、または高い場合には、前記充放電パルス電流の前記電池モジュールへの前記供給を中断するステップと、
(e)前記電池モジュールを電気的に前記外部装置に接続するステップと
を含む動作方法。
【請求項１６】
ステップ(a)もしくはステップ(b)の前に、またはステップ(e)の後に、前記補助電力ユニットを充電するステップをさらに含む、請求項15に記載の動作方法。
【請求項１７】
前記電池モジュールの前記温度を前記設定温度(Tcrit)の範囲に上昇させるために、前記電池モジュールが前記外部装置に接続される直前に前記ステップの各々が実行される、請求項15に記載の動作方法。
【請求項１８】
前記外部装置が停止(OFF)している状態で、前記電池モジュールの前記温度を前記設定温度(Tcrit)以上に維持するために、前記電池モジュールの前記温度が監視され続けている間に、前記ステップの各々が繰り返し実行される、請求項15に記載の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルの内部抵抗を使用して動作性能を改善した電池パックシステムに関し、より詳細には、外部装置を動作させるために必要な電流を供給する電池パックシステムであって、外部装置に電力を供給する、充放電可能な複数の電池セルを有する電池モジュールと、電池モジュールの温度を検出する温度センサと、電池モジュールに充放電パルス電流を供給する補助電力ユニットと、電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に、温度センサによって検出された情報に基づき電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低いときには、電池モジュールに充放電パルス電流が供給されるように補助電力ユニットを電池モジュールに接続し、電池モジュールの温度が設定温度(Tcrit)に等しくなるか、またはそれより高くなるときには、電池モジュールへの充放電パルス電流の供給を中断させるコントローラとを備える電池パックシステム、ならびにその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
2次電池は、無線モバイル装置用のエネルギー源として、相当の注目を集めている。さらに、2次電池は、化石燃料を使用する現在のガソリンおよびディーゼル車両によって引き起こされる大気汚染などの問題を解決するために開発された電動車両(EV)、ハイブリッド電動車両(HEV)、およびプラグインハイブリッド電動車両(プラグインHEV)用の電源として相当の注目を集めている。
【０００３】
そうした電動車両、ハイブリッド電動車両、およびプラグインハイブリッド電動車両は、小規模モバイル装置よりも苛酷な条件下で動作しなければならない装置である。すなわち、電動車両、ハイブリッド電動車両、およびプラグインハイブリッド電動車両は、夏に、例えば高温で、および冬に、例えば低温で、適切な性能を示すことが必要である。
【０００４】
良好な高温性能を得るために、高温安全対策を有する2次電池が製造され、または電池モジュール内もしくは電池パック内に冷媒チャネルを形成する方法が使用されてきた。
【０００５】
他方、低温時には、2次電池は、低温において電池の内部抵抗が高くなるため、高温時よりも低い性能を示す。その結果、電池の容量が制約され、電池の寿命が低下する。
【０００６】
上記の問題を解決するために、電池の低温性能を改善する方法が研究されてきた。しかし、そうした電池では、電池の低温性能は改善されるが、電池の容量および高温性能は劣化する。
【０００７】
電池の低温性能を改善する別の方法として、追加の加熱装置(ヒータ)を使用して電池の温度を上昇させる方法が考えられうる。しかし、電池の大きな熱容量のために多くの時間がかかり、内部電力消費によって電池の容量が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】韓国特許出願第2006-45443号
【特許文献２】韓国特許出願第2006-45444号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、内部電力消費を最小化でき、電池性能を変えずに低温において優れた性能を示すことができる電池パックシステムに対する必要性が高い。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、本発明は、上記の問題点および未解決の他の技術的な問題点を解決するためになされた。
【００１１】
中規模または大規模な電池パックケースに関しての様々な広範で徹底した研究および実験の結果として、本出願の発明者らは、電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に、温度センサによって検出された情報に基づき電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低いときに、充放電パルス電流が電池モジュールに印加されるように補助電力ユニットを電池モジュールに接続すると、電池モジュールの大きな内部抵抗が電池モジュールの温度を上昇させる発熱体として働くことを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
【００１２】
本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、外部装置を動作させるために必要な電流を供給する電池パックシステムであって、外部装置に電力を供給する、充放電可能な複数の電池セルを有する電池モジュールと、電池モジュールの温度を検出する温度センサと、電池モジュールに充放電パルス電流を供給する補助電力ユニットと、電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に、温度センサによって検出された情報に基づき電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低いときには、電池モジュールに充放電パルス電流が供給されるように補助電力ユニットを電池モジュールに接続し、電池モジュールの温度が設定温度(Tcrit)に等しくなるか、またはそれより高くなるときには、電池モジュールへの充放電パルス電流の供給を中断させるコントローラとを備える電池パックシステムを提供することによって達成されうる。
【００１３】
本発明による電池パックシステムでは、電池モジュールの大きな内部抵抗は、補助電力ユニットからの充放電パルス電流のために、低温などの設定温度において電池モジュールの温度を上昇させる一種の発熱体として使用される。したがって、追加の加熱装置が使用される従来技術とは異なって、電池の熱容量にもかかわらず、短時間で電池モジュールの温度を急速に上昇させることが可能である。また、内部電力消費による電池容量の低下は起こらない。すなわち、電池モジュールの動作効率が大きく改善される。
【００１４】
上記したように具体的に構成される電池パックシステムは、電池パックの動作効率を最大化するのに必要とされる短い時間内に電池パックの温度を急速に上昇させることが必要な場合、ならびに電池モジュールの温度が外部環境要因のために低く、その結果電池モジュールが適切に動作する状態に達することができないときに、電池モジュールの温度を上昇させることが必要な場合に対して適用できることが好ましい。
【００１５】
電池モジュールを構成する各電池セルの種類は、各電池セルが、充放電可能な2次電池である限り特に制約されない。例えば、各電池セルは、角状電池セル、円柱状電池セル、または板状電池セルであってよい。
【００１６】
一般に、電池パックは、中規模または大規模装置用の電源として使用されるように大出力および大容量を有することが必要である。この目的を達成するために、複数の小規模の2次電池(単位セル)を互いに直列、および/または並列に接続して、電池モジュールを構成し、複数の電池モジュールを互いに直列、および/または並列に接続して、電池パックを構成する。したがって、集積度を高くするためには、各電池セルは、板状2次電池であることが好ましい。
【００１７】
板状電池セルの構造およびそれ用の材料は、特には制約されない。例えば、板状電池セルは、カソード/セパレータ/アノード構造を有する電極アセンブリが、樹脂層および金属層を備える積層シートから形成される電池ケース内に取り付けられる構造を有するポーチ状の電池セルであってよい。
【００１８】
参考までに、本明細書で使用される「電池モジュール」という用語は、2つ以上の充放電可能な電池セルまたは単位モジュールが、大出力、大容量の電気を供給するように、互いに機械的に結合されると同時に、電気的に接続された構造を有するように構成される電池システムの構造を含む。したがって、電池モジュールそのものが、単一の装置、または大規模な装置の一部を構成することができる。例えば、複数の小規模の電池モジュールが互いに接続されて、大規模の電池モジュールを構成することができる。あるいは、少数の電池セルが互いに接続されて、単位モジュールを構成し、この単位モジュールを複数互いに接続することができる。
【００１９】
その一方、単位モジュールは、様々な構造を有するように構成することができ、その好ましい例を以降に説明する。
【００２０】
単位モジュールは、それぞれが、上端部および下端部に形成される電極端子を有する複数の板状電池セルが、互いに直列に接続される構造を有するように構成される。具体的には、単位モジュールは、スタック構造に配置され、このスタック構造において電池セルの電極端子間の接続部分がベンドされた（bent）、2つ以上の電池セルと、電池セルの電極端子を除く電池セルの外装部分を覆うように互いに結合された、高強度のセルカバーとを含む。
【００２１】
2つ以上の電池セルは、合成樹脂または金属から作製された高強度のセルカバーによって覆われ、単位モジュールを構成する。高強度のセルカバーは、機械的な強度が低い電池セルを保護し、さらに、電池セルの充放電中に繰り返される膨張および収縮における変化を抑え、それによって電池セルの封止部分が互いに分離することを防止する。したがって、より良い安全性を示す電池モジュール集合体を製造することが可能である。
【００２２】
電池セルは、1つの単位モジュール内で互いに直列、および/または並列に接続されるか、あるいは1つの単位モジュールの電池セルが、別の単位モジュールの電池セルと直列、および/または並列に接続される。好ましい例では、複数の単位モジュールは、電池セルの電極端子が連続して互いに隣接するように電池セルを長手方向に直列に配置しながら電池セルの電極端子を互いに結合し、電池セルが積み重ねられるように電池セルを2つ以上の単位でベンドしている（bending）、積み重ねられた電池セルを所定の数量ずつセルカバーでカバーすることによって製造することができる。
【００２３】
電極端子間の結合は、溶接、はんだ付け、機械的な結合などの様々な方法で実現することができる。電極端子間の結合は溶接によって実現されるのが好ましい。
【００２４】
高い集積度で積み重ねられ、電池セルまたは単位モジュールの電極端子が互いに接続されている複数の電池セルまたは単位モジュールは、集合体タイプの結合構造内で互いに結合されるように構成される分離可能な上部ケースおよび下部ケース内に垂直方向に取り付けられて、矩形の電池モジュールを構成することができる。
【００２５】
単位モジュール、および複数の単位モジュールを使用して製造された矩形電池モジュールの詳細は、韓国特許出願第2006-45443号、および同第2006-45444号に開示され、これらは、本出願の出願人の名義で出願されており、これらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
電池モジュールと装置間の接続は、様々な様式で実現されうる。例えば、コントローラからの信号に応じてスイッチを入れたり、または切ったりすることができるように、電池モジュールと装置間の電気的な接続領域にスイッチを配置することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２７】
本発明による電池パックシステムでは、温度センサによって検出される電池モジュールの温度は、設定する条件によって変わりうる。例えば、電池セルの一部またはすべての温度を測定することができ、さらには最高温度および最低温度を測定温度(Tbat)として設定すること、測定された各温度の平均値を測定温度(Tbat)として設定すること、または特定の位置に配置された電池セル(複数可)の温度を測定温度(Tbat)として設定することが可能である。測定温度(Tbat)は、コントローラが一連の手順を実行するために必要な重要な情報である。
【００２８】
一般に、2次電池の内部抵抗は、2次電池の温度が低下すると増加する。図1を参照すると、温度-10℃における2次電池の内部抵抗は、温度25℃における2次電池の内部抵抗の4倍である。2次電池の内部抵抗を使用して、高い効率(I2*R)で、低温における2次電池の温度を上昇させることが可能である。しかし、内部抵抗に基づく2次電池の温度の上昇中に電力が消費される場合、外部装置を駆動する電池モジュールの放電が加速されるおそれがある。
【００２９】
他方、本発明による電池パックシステムは、電池モジュールに充放電パルス電流を供給する補助電力ユニットを含む。結果として、電池モジュールの温度を適切な温度に急速に上昇させることができ、電池モジュールと補助電力ユニットの間の充放電パルス電流のおかげで、電池モジュール内の電力消費を最小化できる。
【００３０】
すなわち、電池モジュールと補助電力ユニットの間の充放電が継続されて、消費される電力を電力循環によって最小化し、充放電動作中の内部抵抗による熱発生を利用して電池モジュールの温度を上昇させることができる。
【００３１】
上記したように電池パックシステムの低温の効率が改善される場合は、現在の電池のカソード、アノード、および電解質を化学的に変更して、それによって電池パックシステムの低温の効率を改善する試みは必要でない。具体的には、低温の効率を改善するために電池を化学的に変更する方法は、高温の性能、容量、または電気的な効率の点で好ましくない。他方、本発明による電池パックシステムでは、高温の性能、容量、または電気的な効率の点で優位性を有する電池を使用し、それによって、従来の電池モジュールよりも高い性能を有する電池モジュールを提供することが可能である。
【００３２】
電池パックシステムの補助電力ユニットの種類は、この補助電力ユニットが電池モジュールに充放電パルス電流を供給するように電池モジュールに接続されている限り、特に制約されない。好ましい例では、補助電力ユニットは、低容量の補助電池またはコンデンサとすることができる。
【００３３】
低容量の補助電池が補助電力ユニットして使用される場合、補助電池の容量は、電池モジュールの容量の3〜15%であることが好ましい。補助電池の容量が、電池モジュールの容量の15%より大きい場合は、外部装置に供給される電池モジュールの電力に比して、電池システムのサイズが増大し、電池パックシステムの効率が低下することとなる。他方、補助電池の容量が、電池モジュールの容量の3%未満の場合は、電池モジュールの温度を上昇させるための補助電力ユニットの動作時間が増加し、これは好ましくない。補助電池の容量は、電池モジュールの容量の4〜12%であることがより好ましい。
【００３４】
補助電力ユニットは、様々な方法で充電されうる。例えば、補助電力ユニットは、電池モジュールが外部装置に電気的に接続されているか、もしくは接続されていない状態で、電池モジュールによって充電されてもよく、または外部装置の追加の電源ユニット(例えば、電子部品を動作させる電池)によって充電されてもよいが、本発明は、これらに限定されない。
【００３５】
図1に示す温度と内部抵抗の関係を考慮すると、補助電力ユニットを動作させる設定温度(Tcrit)は、単位セルの特性に基づき-5℃〜10℃の温度範囲に設定されうる。設定温度(Tcrit)は、-2℃〜10℃の温度範囲に設定されるのが好ましい。
【００３６】
他方、電池パックの動作が、電池パックの動作効率を最大化するように適切に実行される温度であっても、電池パックの温度を、必要とされる短い時間内に急速に上昇させる場合は、設定温度(Tcrit)は、電池パックの動作が適切に実行される温度よりも高くなりうる。例えば、設定温度(Tcrit)は、動作が適切に実行される15℃〜40℃の温度よりも5℃〜20℃高くなりうる。
【００３７】
したがって、設定温度(Tcrit)は、温度上昇の目的により変更されうる。状況に応じて、システムは、2つ以上の設定温度を含むように設定されうる。
【００３８】
一方、電池パックシステムでは、充放電パルス電流は、同一の充放電レートを有するパルス波電流であることが好ましい。電池モジュールの電力消費を最小限にしつつ、電池モジュールの温度を上昇させるためには、充放電パルス電流の充放電レートは同一でなければならない。この状態で、電力循環による電池モジュールの電力損失が最小化される。
【００３９】
この場合、パルス波電流は、例えば、矩形波タイプのパルス波電流、または正弦波タイプのパルス波電流であってよい。パルス波電流において、各波形における(+)整数値および(-)整数値は充電および放電のレートとなり、したがって、充放電レートは同一である。
【００４０】
充放電パルス電流の大きさおよび供給時間は、電池モジュールの容量、補助電源の容量、測定温度(Tbat)と設定温度(Tcrit)との差などに応じて変更されうる。好ましい例では、充放電パルス電流は、電池モジュールを構成する各電池セルの1/3C〜5Cのレートで、2〜30秒間供給されうる。本発明者らが行った実験によれば、例示的な電池パックシステムでは、-30℃から10℃に到達するのにかかる時間は、Cレートの条件によって変わることが明らかになっている。
【００４１】
電池パックシステムでは、コントローラは、電池パックシステムを構成する各構成要素の動作を制御するために働く。例えば、コントローラは、測定温度および低温における上限のCレートを考慮に入れてパルス電流を制御することができる。
【００４２】
コントローラの電池システムへの適用は特に制約されない。例えば、コントローラは独立した装置であってよく、または電池管理システム(BMS)内に取り付けられてよい。
【００４３】
好ましい例では、電池パックシステムは、電池モジュールと補助電力ユニットの間に配置され、充放電パルス電流を供給する双方向コンバータをさらに含むことができる。
【００４４】
コントローラからの動作信号に応じて、双方向コンバータは、補助電力ユニットから電池モジュールに充放電パルス電流を供給するか、または電池モジュールの電流で補助電力ユニットを充電することができる。
【００４５】
本発明の別の態様によれば、電源として電池パックシステムを含む装置が提供される。
【００４６】
装置は、電動モータからの電力で動作する動力工具、電動車両(EV)、ハイブリッド電動車両(HEV)、プラグインハイブリッド電動車両(PHEV)などの電動自動車、電動自転車(Eバイク)、電動スクータ(Eスクータ)などの電動2輪車両、または電動ゴルフカートであってよいが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４７】
装置は、電動自動車、電動2輪車両、または電動ゴルフカートであることが好ましく、低温において、および/またはこれら装置の動作性能を最大化するように必要に応じて調整されるこれら装置の温度において、その性能が維持されることが必要とされる。より具体的には、装置は、電動車両、ハイブリッド電動車両、またはプラグインハイブリッド電動車両である。
【００４８】
したがって、本発明のさらなる態様によれば、以下に説明する電池パックシステムの動作方法が提供される。
【００４９】
具体的には、電池パックシステムの動作方法は、(a)電池モジュールが外部装置に電気的に接続される前に電池モジュールの温度を測定するステップと、(b)電池モジュールの測定温度(Tbat)が設定温度(Tcrit)よりも低い場合には、充放電パルス電流が電池モジュールに供給されるように、補助電力ユニットを電池モジュールに接続するステップと、(c)充放電パルス電流の電池モジュールへの供給によって、電池モジュールの温度を上昇させるステップと、(d)電池モジュールの温度が設定温度(Tcrit)と等しいか、または高い場合には、充放電パルス電流の電池モジュールへの供給を中断するステップと、(e)電池モジュールを電気的に外部装置に接続するステップとを含む。
【００５０】
状況によって、動作方法は、ステップ(a)もしくはステップ(b)の前に、またはステップ(e)の後に、補助電力ユニットを充電するステップをさらに含む。上記したように、補助電力ユニットは、電池モジュールが外部装置に電気的に接続されている状態か、もしくは外部装置に電気的に接続されていない状態において電池モジュールによって充電されてもよく、または外部装置の追加の電源ユニット(例えば、電子部品を動作させる電池)によって充電されてもよい。
【００５１】
補助電力ユニットが、電子部品を動作させる電池を使用して充電される場合、低温で性能が低下する電池モジュールに対する損傷を低減することができ、また電池モジュールが十分に充電されていないときでさえ、補助電力ユニットを充電することが可能である。
【００５２】
本発明による電池パックシステムの動作方法は、短い時間内に設定温度(Tcrit)の範囲にまで電池モジュールの温度を上昇させるために、電池モジュールが外部装置に接続される直前か、または外部装置が停止(OFF)している状態で、電池モジュールの温度を設定温度以上に維持するために、電池モジュールの温度が監視され続けている間に、実行することが可能である。後者の場合、電池モジュールの温度を、短時間で充放電することによって使用可能な範囲内に維持することができ、これによって装置が動作可能となる前の待ち時間が短縮される。
【００５３】
本発明の上記および他の目的、特徴、ならびに他の利点は、添付の図面と併用して以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】2次電池の温度による内部抵抗の変化を示すグラフである。
【図２】同一の充放電レートを有する矩形波タイプのパルス波形を示すグラフである。
【図３】同一の充放電レートを有する正弦波タイプのパルス波形を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による電池パックシステムを適用したときの電池の温度上昇カーブを示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態による電池パックシステムの典型的な構成図である。
【図６】本発明の一実施形態による電池パックシステムの電池パック温度制御方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示した実施形態によって制限されないことに留意されるべきである。
【００５６】
図1は、2次電池の温度による内部抵抗の変化を示すグラフである。
【００５７】
図1を参照すると、温度による2次電池の内部抵抗における相対的な変化が、温度25℃における2次電池の内部抵抗に基づいて示されている。温度が低下すると、内部抵抗はゆるやかに増加する。温度10℃における内部抵抗は温度25℃における内部抵抗の1.5倍よりも大きい。その後、内部抵抗は急激に増加する。温度0℃における内部抵抗は、温度25℃における内部抵抗の2.5倍である。温度-10℃における内部抵抗は、温度25℃における内部抵抗の4倍である。
【００５８】
電池の内部抵抗に関する働きは、電池の充放電中に生成される熱エネルギーになる。すなわち、W=VI=I2Rである。熱エネルギーWは、内部抵抗Rに比例する。したがって、内部抵抗が低温において上昇すると、熱エネルギーも増加する。
【００５９】
図2および図3は、本発明による電池パックシステムにおいて使用可能な、同一の充放電レートを有するパルス波形を示すグラフである。
【００６０】
これらの図を参照して、各グラフにおける時間に対する整数値は、充放電容量になる。したがって、(+)/(-)の整数値が同じ場合は、充放電容量が同一であり、これによって電池モジュールの内部電力消費は最小化される。
【００６１】
図4は、本発明の一実施形態による電池パックシステムが適用されたときの電池の温度上昇カーブを示すグラフである。
【００６２】
図4を参照すると、グラフの傾きが時間の進行とともにゆるやかになることがわかる。これは、上記したように、内部抵抗が、温度が上昇すると減少し、したがって熱エネルギーが内部抵抗に比例して減少するからである。
【００６３】
また、電池の温度を-30℃から10℃にまで上昇させるのに約250秒かかっていることがわかる。電池が、外部の熱供給ユニットを使用して加熱される場合は、電池の高い熱容量のために短時間でそうした急速な温度上昇を実現するのは困難である。
【００６４】
状況によって、装置が停止している状態で、電池モジュールの温度が監視され続け、測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低いときに、電池モジュールの温度が、電池の充放電によって所定の範囲内にとどまるように電池モジュールが構成されている場合、電池パックシステムの動作時間は、きわめて短く、例えば、数秒から数十秒になりうる。
【００６５】
図5は、本発明の一実施形態による電池パックシステムの典型的な構成図である。
【００６６】
図6を参照すると、本発明による電池パックシステム100は、外部装置200に電力を供給する電池モジュール300と、電池モジュールの温度を測定する温度センサ310と、充放電パルス波電流を供給する補助電力ユニット400と、電池モジュール300と補助電力ユニット400との間に接続された双方向コンバータ500と、上記構成要素を制御するコントローラ600とを備える。
【００６７】
電池モジュール300は、コントローラ600からの信号に応じて、電池モジュール300と装置200との間で電気的なスイッチングを実行するスイッチ110のON/OFF動作によって、装置コントローラ210に接続されるか、または装置コントローラ210から切り離される。
【００６８】
スイッチ110がOFFの状態において、電池モジュールの温度が温度センサ310によって測定され、コントローラ600が測定温度Tbatを設定温度Tcritと比較する。
【００６９】
温度比較の結果、測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低い場合には、コントローラ600は、補助電力ユニット400を電池モジュール300に接続し、その結果電池モジュール300と補助電力ユニット400との間に配置された双方向コンバータ500を介して充放電パルス波電流が電池モジュール300に供給される。充放電パルス波電流が電池モジュール300に供給されると、電池モジュール300の温度が上昇する。その結果、電池モジュール300の温度が、設定温度Tcritと等しいか、またはそれよりも高くなると、コントローラ600は、補助電力ユニット400を電池モジュール300から電気的に切り離し、スイッチ110を介して電池モジュール300を装置200に電気的に接続する。したがって、電池モジュール300が装置200に接続される前に、電池モジュール300の温度は少なくとも設定温度Tcritにまで上昇し、これによって電池パックシステムの動作効率を最大化する。
【００７０】
状況に応じて、上記の動作が繰り返し実行され、その結果、電池モジュール300と装置200間の接続が常に可能な状態であって、電池モジュール300の装置への接続が考慮されていない状態であっても、電池モジュール300の温度を、設定温度Tcritに維持することができる。
【００７１】
図6は、本発明の一実施形態による電池パックシステムの電池パック温度制御方法を示す流れ図である。
【００７２】
図5とともに図6を参照すると、コントローラ600は、電池パックシステム100が動作しているとき設定温度Tcritを読み込み(S100)、温度センサ310は、電池モジュール300の温度Tbatを測定する(S110)。続いて、コントローラ600は、測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低いかどうかを判定する(S120)。例えば、設定温度Tcritは、0℃の可能性がある。
【００７３】
測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低いと判定された場合は(はい)、コントローラ600は、双方向コンバータ500を介して、補助電力ユニット400を電池モジュール300に接続し、その結果充放電パルス波電流が電池モジュール300に供給される(S130)。他方、測定温度Tbatが設定温度Tcritと等しいか、またはそれより高いと判定された場合は(いいえ)、コントローラ600は、電池モジュール300を装置200に接続する(S150)。
【００７４】
充放電パルス波電流を供給するステップにおいて(S130)、充放電パルス波電流は、電池モジュールに供給され、電池モジュール300の測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低いかどうかが判定される。測定温度Tbatが設定温度Tcritよりも低いと判定された場合は(はい)、手順は、充放電パルス波電流を供給するステップ(S130)に戻り、その結果充放電パルス波電流を供給するステップおよび後続のステップが実行される。測定温度Tbatが設定温度Tcritと等しいか、またはそれより高いと判定された場合は(いいえ)、手順は、電池モジュール300を装置200に接続するステップ(S150)に進む。
【００７５】
本発明の好ましい実施形態を例示する目的で開示したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に開示した本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、様々な変更形態、追加形態、および置換形態が可能であることが理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
上記の説明から明らかなように、本発明による電池パックシステム、ならびのその動作方法は、設定温度における高い内部抵抗による充放電中の熱発生現象に基づいて、電池モジュールの温度を使用可能な範囲にまで急速に上昇させることができ、電池モジュールにパルス波電流を供給する補助電力ユニットを使用して電池モジュールの内部電力消費を最小化することが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
100  電池パックシステム
110  スイッチ
200  装置
210  装置コントローラ
300  電池モジュール
310  温度センサ
400  補助電力ユニット
500  双方向コンバータ
600  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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