(57)【要約】  本発明は、特に自動車駆動部のための、高作動電流が流れる高電流バッテリシステム（１）に関する。高電流バッテリシステム（１）は、バッテリシステム監視電子装置（１２）と、各モジュールが、少なくとも１つの再充電可能な電池セル（１０）を含み、作動中に作動電流が作動電流ライン（５）を流れるように、作動電流ライン（５）によって電気的に直列接続されている複数の電池モジュール（４）とを有する。少なくとも１つの電池モジュール（４）は、バイパススイッチ（７）およびバイパスライン（８）を備えるバイパス電池モジュール（６）としてデザインされ、それらのスイッチおよびラインは、作動電流がバイパスライン（８）を流れるように、バイパススイッチ（７）が通常の作動位置からバイパス位置に切替えられた後に、電池モジュール（６）がバイパスライン（８）によって電気的にブリッジされるようにデザインおよび配置される。各バイパス電池モジュール（６）のために、バッテリシステム監視電子装置（１２）は、関連する電池モジュール（６）を監視して、モジュール（６）の故障状態を検出するモジュール監視ユニット（１１）を含む。モジュール監視ユニット（１１）のうちの１つによる電池モジュール（６）の故障状態の検出時に、バッテリシステム監視電子装置（１２）は、作動電流ライン（５）の電流フローを測定し、作動電流ライン（５）の電流フローが所定の制限値よりも小さい場合、当該電池モジュール（６）のバイパススイッチ（７）を、通常の作動位置からバイパス位置に切替える。
2013519357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大きな作動電流が流れる、特に、車両駆動系のための高出力バッテリシステムであって、
バッテリシステム監視電子装置（１２）と、
複数の電池モジュール（４）であって、各モジュールが、少なくとも１つの充電式電池セル（１０）を備え、およびそれらのモジュールが、作動中、作動電流が作動電流ライン（５）を通って流れるように、作動電流ライン（５）を介して電気的に直列接続されている前記複数の電池モジュールと、
を備え、
電気エネルギを蓄積するために、電解質および活物質が、前記電池セル（１０）内に収容され、
電池モジュール（４）のうちの少なくとも１つは、バイパス電池モジュール（６）として構成され、前記バイパス電池モジュールは、バイパススイッチ（７）およびバイパスライン（８）を備え、前記バイパス電池モジュールは、バイパススイッチ（７）が通常の作動位置からバイパス位置に切替えられた場合、前記作動電流がバイパスライン（８）を流れるように電池モジュール（４）がバイパスライン（８）によって電気的にバイパスされ、それによって、電池モジュール（４）の電池セル（１０）の外部短絡を回避するようにデザインおよび配置され、
前記バッテリシステム監視電子装置（１２）は、各バイパス電池モジュール（６）のためのモジュール監視ユニット（１１）を備え、そのユニットは、電池モジュール（４）を監視し電池モジュール（４）の故障状態を検出し、
モジュール監視ユニット（１１）の１つによって、電池モジュール（４）の故障状態が検出された場合、バッテリシステム監視電子装置（１２）は、作動電流ライン（５）の電流フローを測定し、作動電流ライン（５）の電流フローが所定の制限値よりも低い場合には、当該電池モジュール（４）のバイパススイッチ（７）を、通常の作動位置からバイパス位置に切替える、高出力バッテリシステム。
【請求項２】
電池セル（１０）の動作中、前記活物質も前記電解質も補充されず、追加されず、または、電池セル（１０）から除去されないことを特徴とする請求項１に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項３】
電池セル（１０）は、前記電解質および前記活物質が中に収容される閉じたハウジングを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項４】
モジュール監視ユニット（１１）は、電子的電池監視手段（１２）に一体化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項５】
電池モジュール（４）は、複数の電池セル（１０）、好ましくは、直列接続されている６つの電池セル（１０）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項６】
前記高出力バッテリシステムは、少なくとも３つ、好ましくは、少なくとも５つのバイパス電池モジュール（６）を、および特に好ましくは、少なくとも１０のバイパス電池モジュール（６）を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項７】
前記電流フローの所定の制限値は、１Ａ以下、好ましくは、０．５Ａ以下、特に好ましくは、０．１Ａ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項８】
バイパススイッチ（７）が磁気スイッチであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項９】
電池セル（１０）は、ＳＯ２ベースの電解質を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項１０】
電池モジュール（４）は、電池モジュール（４）と並列に切替えられ、放電抵抗（１８）および放電スイッチ（１７）を有する放電ライン（１６）を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項１１】
放電ライン（１６）は、作動電流がバイパスライン（８）を流れるように、バイパススイッチ（７）がバイパス位置にあり、および電池モジュール（４）がバイパスライン（８）によって電気的にバイパスされるまで、放電スイッチ（１７）によって閉じられないことを特徴とする請求項１０に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項１２】
前記高出力バッテリシステム（１）の前記作動電流ライン（５）を流れる電流フローが、前記所定の制限値よりも小さくなるように、前記高出力バッテリシステム（１）に接続された消費者の負荷（１４）を介して前記電流フローを制御するための負荷電流駆動部（１３）を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステム。
【請求項１３】
電気モータ（２）、当該電気モータ（２）を制御するための電気モータ制御ユニット（３）および高出力バッテリシステム（１）を有する電気自動車であって、前記高出力バッテリシステム（１）が、請求項１から１２のいずれか一項に従ってデザインされていることを特徴とする電気自動車。
【請求項１４】
前記高出力バッテリシステム（１）の前記作動電流ライン（５）を流れる電流が、前記所定の制限値よりも小さくなるように、前記高出力バッテリシステム（１）と前記電気モータ（２）との間を流れる負荷電流が、前記電気モータ制御ユニット（３）によって制御可能であることを特徴とする請求項１３に記載の電気自動車。
【請求項１５】
高出力バッテリシステムを制御するための方法、特に、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高出力バッテリシステムであって、
電子的電池監視手段（１２）と、
複数の電池モジュール（４）であって、各モジュールが、少なくとも１つの充電式電池セル（１０）を備え、およびそれらのモジュールが、作動中、作動電流が作動電流回路（８）を通って流れるように、作動電流ライン（５）を介して電気的に直列接続されている前記複数の電池モジュールと、を備え、
電気エネルギを蓄積するために、電解質および活物質が電池セル（１０）内に収容され、
電池モジュール（４）のうちの少なくとも１つは、バイパス電池モジュール（６）として構成され、前記バイパス電池モジュールは、バイパススイッチ（７）と、電池モジュール（４）と並列に切替えられるバイパスライン（８）を備え、
前記高出力バッテリシステム（１）は、各バイパス電池モジュール（６）のための１つのモジュール監視ユニット（１１）を備えている高出力バッテリシステムを制御するための方法であって、
ａ）前記モジュール監視ユニット（１１）を介して前記電池モジュール（４）を監視するステップと、
ｂ）前記電池モジュール（４）の故障状態を検出するステップと、
ｃ）前記モジュール監視ユニット（１１）のうちの１つによって、前記電池モジュール（４）の故障状態が検出された場合に、前記バッテリシステム監視電子装置（１２）によって、前記作動電流ライン（５）の電流フローを測定するステップと、
ｄ）前記作動電流ライン（５）における測定した電流フローが、所定の制限値よりも小さいか否かをチェックするステップと、
ｅ）測定した電流フローが前記所定の制限値よりも小さい場合には、故障状態が検出された前記電池モジュール（４）が、前記バイパスライン（８）によって電気的にバイパスされ、前記作動電流がバイパスライン（８）を流れて、それによって、前記電池セル（１０）の外部短絡を回避するように、前記バイパススイッチ（７）を通常の作動位置からバイパス位置に切替えるステップと、
を備えることを特徴とする高出力バッテリシステムを制御するための方法。
【請求項１６】
前記高出力バッテリシステム（１）が、当該高出力バッテリシステム（１）に接続された消費者の負荷（１４）を流れる電流フローを制御するための負荷電流駆動部（１３）を備える、高出力バッテリシステムを制御するための方法であって、
前記高出力バッテリシステム（１）の前記作動電流ライン（５）の電流フローが、前記所定の制限値よりも小さくなるように、前記高出力バッテリシステム（１）の電流フローを前記負荷電流駆動部（１３）を介して制限するステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載の高出力バッテリシステムを制御するための方法。
【請求項１７】
前記電池モジュール（４）が、放電スイッチ（１７）と、前記電池モジュール（４）に電気的に並列な放電ライン（１６）に配置されている放電抵抗（１８）とを備え、前記放電スイッチ（１７）が前記放電ライン（１６）に配置され、
前記電池モジュール（４）が前記バイパスライン（８）によってバイパスされ、作動電流が前記バイパスライン（８）を流れるように、前記バイパススイッチ（７）が前記バイパス位置に切替えられているか否かをチェックするステップと、
負荷回路が前記放電ライン（１６）によって閉じられるように、前記放電スイッチ（１７）を閉位置に切替えるステップと、
前記電池モジュール（４）から前記放電抵抗（１８）への電流フローを介して、前記放電抵抗（１７）によって前記電池モジュール（４）を放電するステップと、
を備えたことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の高出力バッテリシステムを制御するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流が流れ、特に車両駆動系に適している高出力バッテリシステムに関する。高出力バッテリシステムは、複数の電池モジュールを備え、各モジュールは、少なくとも１つの充電式電池（蓄電池）を備え、またモジュールは、動作中、作動電流が作動電流ラインを通って流れるように、作動電流ラインを介して電気的に直列接続されている。
【背景技術】
【０００２】
高出力バッテリシステムは、大容量を必要とし、数十〜数百アンペアの大電流が流れることが可能な多くのモバイル機器に用いられている。高出力バッテリシステムの用途の実例は、移動手段、または車両、特に電気自動車であり、この場合、通常、１００Ａ〜約４００Ａの最大電流が生成される。しかし、高出力バッテリシステムは、他の電気装置、特に、モータを備え、モータを始動させるための高電流が必要な装置にも必要である。
【０００３】
従来、バッテリシステムを使用する場合、例えば、過充電により、または、バッテリ内の障害のために起きる可能性のあるバッテリの損傷または破壊のリスクを避けるため、個々の電池セルを監視しなければならないことが分かっている。
【０００４】
複数の充電式電池を含むバッテリシステムにおける個々のセルの過充電を防ぐため、特許文献１は、電荷を供給し、および直列に接続された複数の充電式電池を監視するための装置を提案している。その個々の充電式電池は、充電中の入射電圧、電圧勾配および温度を記録することによって監視される。故障が起きると、対応する充電式電池は、可変インピーダンスによってバイパスされ、それによって、充電電流供給が遮断または低減され、バイパスが作動される。
【０００５】
危険な状態は、充電時、特に過充電によってだけではなく、動作中にも生じる可能性がある。従来、電池およびバッテリシステムの様々な動作状態を監視しなければならず、また、不具合が生じた電池は、不具合状態が生じたらすぐにバッテリシステムから切離さなければならないことが分かっている。そのようなバッテリ管理システムのための一つの提案が、特許文献２に開示されている。
【０００６】
特許文献３は、いくつかの監視パラメータが目標値から外れた場合の、１つ以上の電池セル、特に、リチウムイオン電池を備えるバッテリシステムのための安全な遮断に関連する。例えば、電池の温度がチェックされる。セル群のうちの少なくとも１つが所定の温度を超えた場合、全てのセルを電子的に遮断することができる。別法として、または追加的に、監視装置が、充電状態およびセル群の充電サイクルを監視することができる。電気化学セルの電圧および／または内部インピーダンスも監視することができる。
【０００７】
特許文献４は、車両内のバッテリを遮断するための装置を提案している。故障が発生したときに、短絡、火災、事故または同様の状況が、車両またはその乗員の安全を脅かす場合、車両内のバッテリは遮断される。さらに、この遮断装置は、作動および解除が可能で、それにより、車両の完全な作動停止を防ぐことが実現されている。別法として、安全な遮断を実施できるように、短絡または電圧降下が起きても、バッテリの電圧供給が完全になくならないようにコンデンサが設けられる。この安全な遮断は、好ましくは、バッテリを遮断するスイッチとして機能するトランジスタを介して確保される。
【０００８】
バッテリが使用される多くの分野において、例えば、電気自動車においては、バッテリは、確実にかつ故障発生時に可能な限り素早く遮断されなければならない。このため、最新式では、不具合が生じたバッテリを遮断またはバイパスするのに、バッテリの高作動電流を処理することが可能な高電流スイッチが用いられる。しかし、高電流スイッチの欠点は、それが非常に高価であるということである。また、別々の高電流スイッチを各バッテリまたは電池セルに使用しなければならない。このことは、特に、多数の電池セルが電気自動車に使用される場合、それに応じてスイッチのコストを増加させる。
【０００９】
高電流スイッチの使用の他に、例えば、個々の電池セルが壊れることによって、その電池セルの供給ラインまたは作動電流ラインが破壊され、深刻な障害発生時に少なくともそのラインが遮断されることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０１３  ３５１号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００８４１８２号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０２１２５９６号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／００７４８６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この文脈において、本発明の目的は、個々の電池モジュールを監視することができ、および故障状態が検出された場合に遮断することのできる、改良された高出力バッテリシステムを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１の特徴を有する高出力バッテリシステムによって、および請求項１５の特徴を有する高出力バッテリシステムを制御するための方法によって解決される。従属クレームは、それぞれの独立クレームに戻って参照し、およびそれぞれ本発明による高出力バッテリシステムおよび本発明による方法の好適で不明確な実施形態について記載している。
【００１３】
本発明による高出力バッテリシステム内には、高作動電流が流れる。その最大値は、通常、少なくとも数十アンペアであり、場合によっては、１００〜約４００Ａである。この作動電流は、高出力バッテリシステムがその電流で充電される充電電流であり、または、高出力バッテリシステムからその電流でエネルギが放出される放電電流である。本発明の文脈において、「高作動電流」という用語は、少なくとも１０Ａ程度、および好ましくは、少なくとも２０Ａの充電電流または放電電流を意味することを理解されたい。このような種類の高出力バッテリシステムは、それ自体が特に、例えば、電動車両用の車両駆動系に使用するのに役に立つ。本願明細書においては以後、車両駆動系用の高出力バッテリシステムについて説明し、また、本発明を、本発明の一般的適用を制限することなく、この種の駆動系および電気自動車に関連してより詳細に説明する。
【００１４】
上記高出力バッテリシステムは、バッテリシステム監視電子装置および複数の電池モジュールを備えている。各電池モジュールは、少なくとも１つの再充電可能な電池セルを含む。閉じたユニットである電池セルは、電気エネルギを蓄積または放出することができ、換言すれば、電池セルは、充電または放電することができる。そのため、セル内に含まれる活物質が必要である。本発明の目的のために、活物質は、充電および放電中の酸化または還元反応時に作用する正または負の電極の電気化学的に有効な物質である。それらの電極は、電池セル内部では互いに電気的に絶縁しなければならない。しかし、適切な電解質によって、それらの電極間でのイオンの移動を確実にしなければならない。
【００１５】
例えば、リチウムイオン電池においては、活物質は、電荷を帯びているリチウムイオンの可逆的な取込みまたは喪失を可能にする物質である。正または負の電極の主要な成分がある。例えば、正極は、リチウムコバルト酸化物を含有し得る。充電中、リチウムイオンは電極によって放出され、コバルトイオンは酸化される。負極は、例えば、セルが充電されるときに還元され、およびその過程でリチウムイオンを受取る炭素を含有する。電解質は、有機溶媒または溶媒混合液と、導電塩とから成る。
【００１６】
本発明による電池セルは、電解質および活物質を含む。電池セルの動作中には、活物質も電解質も補充、追加または除去されない。換言すれば、電解質も活物質も追加または減じられず、電池セル内に存在する物質の量は、電流が電池セルに流入し、または電池セルから流出する充電または放電プロセス中には、外部からの影響を決して受けない。セルは、エネルギを蓄積するのに必要な全ての成分、およびセルを充電および放電できるようにする全ての成分を含んでいる。
【００１７】
好適な実施形態において、電池セルは、活物質および電解質を収容するハウジングを有している。ハウジングは、セルの動作中に、活物質も電解質も除去または補充できないように閉じられている。
【００１８】
電池セルは、正極および負極を含む少なくとも一組の電極対を含む。その最も単純な構成において、電池セルは、２つの電極のみを備える。例えば、円筒形セルにおいては、１つの負極と、１つの正極とが一緒にロール状に巻かれている。電池セルは、好ましくは、各電極のための１つの接続部を有するハウジングを備える。しかし、１つの電池セルに多数の正極および負極を収容することも可能である。そのような種類の電池セルの場合、積み重ねられて、または隣り合って配置され、およびその表面積が、その厚さよりも著しく大きいいくつかの層から成る構造が典型的である。それらの層は、略等しい表面積を有し、および電池セル内部で挟み込まれるように配置される。例えば、立方形のハウジングを備えた角柱電池セルが一般的である。典型的には、正極および負極は共に、電池セルの内部で並列接続されている。
【００１９】
電池セルは、２つの接続部（端子）を有しており、電池セルを電気回路に組み込むことができるように、一方のコネクタは、１つ以上の正極との接触を実現し、他方のコネクタは、１つ以上の負極との接触を実現する。
【００２０】
上記高出力バッテリシステム内の複数の電池モジュールは、高出力バッテリシステムの作動中に、作動電流（放電電流または充電電流）が作動電流ラインを流れるように、作動電流ラインに電気的に直列接続される。作動電流ラインは、少なくとも２つの隣接する電池モジュールを接続する。しかし、本発明の目的のために、作動電流ラインという用語は、バッテリシステムの負荷接続部につながる高出力バッテリシステム内部のラインを表すのにも用いられる。
【００２１】
高出力バッテリシステム内の電池モジュールのうちの少なくとも１つは、バイパス電池モジュールとして構成される。モジュールは、バイパススイッチおよびバイパスラインを備える。バイパススイッチは、通常の作動位置にある場合、作動電流が関連する（バイパス）電池モジュールを流れるようにデザインされる。バイパスラインは、バイパススイッチが、通常の作動位置からバイパス位置に切替えられた場合に、バイパス電池モジュールが、バイパスラインを介して電気的にバイパスされるようにデザインされ、配置される。スイッチがバイパス位置にある場合、作動電流は、前述したようにバイパスラインを流れ、およびバイパス電池モジュールを流れず、そのため、電池セルは、外部から短絡されることはない。高出力バッテリシステムは、各バイパス電池モジュールのためのモジュール監視ユニットを備えている。このモジュール監視ユニットは、関連するバイパス電池モジュールを監視して、そのモジュールの故障状態を検出する。
【００２２】
本発明による方法は、以下のステップを備える。
【００２３】
上記システムにおけるバイパス電池モジュールは、高出力バッテリシステムのモジュール監視ユニットを介して監視される。電池モジュール群のうちの１つで故障状態が発生すると、この状態が検出される。バッテリシステム監視電子装置は、作動電流ラインの電流のフローを測定する。ある電池モジュールが故障している場合、作動電流回路内の電流フローが所定の制限値よりも低いか否かを判断するためにチェックが行われ、その制限値は、通常、使用されている高出力バッテリシステムのバイパススイッチに従って定義される。電流フローが制限値を下回るとすぐに、バイパススイッチは、通常の作動位置からバイパス位置へ切替えられる。その結果、故障状態が検出された（関連する）バイパス電池モジュールは、作動電流がバイパスラインを流れるように、電気的にバイパスされる。したがって、この場合、作動電流はもはや故障が発生した電池モジュールを流れず、代わりにそこをバイパスする。作動電流は、高出力バッテリシステム内の損傷を受けていない電池モジュールを流れ続ける。
【００２４】
本発明による高出力バッテリシステムには、故障状態の検出によって、バイパススイッチを介した外部短絡が防止されるという利点がある。バイパススイッチは、故障発生時に故障が生じた電池モジュールは、電池モジュールコネクタを介してバイパスされないが、その代わり、作動電流は、独立したバイパスラインを通って迂回されるように構成およびデザインされる。その結果、電池モジュールはもはや、高出力バッテリシステムの電源回路の一部ではなくなり、システムから切り離されている。このことは、電池モジュールが電池セル１つのみを備えている場合、この電池セルが切り離されることを意味する。このようにして、外部から短絡される電池セルを確実になくし、すなわち、それらの接続端子間では短絡は生じない。
【００２５】
電池モジュール接続部を介した、故障の生じた電池モジュールのバイパスは、モジュールの外部短絡を引き起こすであろう。外部短絡が、電池モジュールまたは電気化学電池セル内で起きた場合、内部短絡と同様に、電池セル内に蓄積されたエネルギの全てが放電される。例えば、有機電解質溶液を有する従来のリチウムイオン電池においては、エネルギの自然放出が、セルを爆発させて発火を引き起こす状態を生じることが分かっている。したがって、電気化学的活物質を含むどのような種類の電池における短絡も、一般的に回避すべきである。このような事象は、本発明による電池スイッチ、およびバイパスラインを介した電流の変更経路指定によって確実に防ぐことができる。
【００２６】
上記バッテリシステム監視電子装置は、監視しなければならない電池モジュールのための全てのモジュール監視ユニットと、他の何らかのコンポーネントを含む。バッテリシステム監視電子装置は、高出力バッテリシステムを監視および制御するのに不可欠な全ての機能を備えている。具体的には、電子装置は、マイクロプロセッサまたは他のハードウェアを含むことができる。その機能のうちのいくつかは、ソフトウェアによって確保することができる。好ましくは、例えば、高出力バッテリシステムの外部のモジュールまたはコンポーネントと通信するための追加的な機能を実行することもできる。
【００２７】
電池バイパスモジュールにエラー状態が検出されると、作動電流ラインの電流フローが、バッテリシステム監視電子装置を介して測定される。この検出は、バッテリシステム監視電子装置のコンポーネントによって実行される。好ましくは、その検出は、故障が生じた電池モジュールのモジュール監視ユニットによって実施される。この文脈において、個々のモジュール監視ユニットは、自立的にかつ互いに独立に機能し得る。それらの監視ユニットは、電流フローを測定し、所定の制限値と比較し、および／またはバイパススイッチが、通常の作動位置からバイパス位置に切替わるようにバイパススイッチを作動させるよう構成することができる。この場合、好ましくは、各監視ユニットはそれぞれ、それ自体のマイクロプロセッサを有している。別法として、それらの機能のうちのいくつかまたは全ては、バッテリシステム監視電子装置の別のコンポーネントによって実行してもよい。
【００２８】
モジュール監視ユニットは、ハードウェアの、および場合によっては選択的にソフトウェアの形態を有していてもよい。当然、それらの電子コンポーネントは、要件により、１つ以上のアセンブリを組合わせてもよい。具体的には、モジュール監視ユニットは、独立したアセンブリとして各電池モジュールに割り当ててもよい。例えば、モジュール監視ユニットは、測定した作動電流ラインの電流フローをバッテリシステム監視電子装置のコンポーネント（例えば、マイクロプロセッサ）へ伝送してもよく、その結果、バッテリシステム監視電子装置のマイクロプロセッサが、例えば、バッテリシステム監視電子装置の記憶装置に格納されている所定の制限値との比較を実行する。
【００２９】
電子装置が必要とするセンサを除いて、モジュール監視ユニットは、好ましくは、バッテリシステム監視電子装置の中央ユニットに一体化されている。これは非常にコンパクトな構造を可能にし、複数のモジュール監視ユニットを組合わせられるため、空間的な一体化が有利である。この実施形態において、電池モジュールは、故障状態を記録するのに不可欠なセンサ（例えば、温度センサ）のみを有している。それらの測定値は、バッテリシステム監視電子装置の中央ユニットで、さらなる処理を経る。
【００３０】
各モジュール監視ユニットは、割り当てられた電池モジュールを監視し、故障状態が発生した場合、それを検出する。電池モジュールの故障状態は、動作パラメータまたは動作値の標準値または基準値からの逸脱であってもよい。加熱、漏れまたは電池モジュールに対する過度の圧力の存在等、技術的故障または欠陥もまた、故障状態として分類される。電圧、電流、充電サイクルまたは温度等の個々のパラメータを、測定または観察して、電池モジュールの監視という目的のために、基準値と比較することができる。監視している測定値が基準値から逸脱して、電池セルまたは電池モジュールが損傷を受ける可能性があり、または、発火または爆発する危険性があるほどまでに許容範囲を外れると即座に故障状態が検出される。当業者には、故障検出および必要なセンサは、例えば、関連技術によって、具体的には、特許文献１から既知である。
【００３１】
特に好適な実施形態において、高出力バッテリシステムの電池セルは、アルカリ金属セルである。それらの活性金属は、アルカリ金属の化学群からの金属であり、好ましくは、リチウムである。例えば、幅広く使用されているリチウムイオン電池セルは、効果的に使用することができる。しかし、その電解質がＳＯ２をベースにしているアルカリ金属セルまたはリチウムセルが特に好適である。一般的に使用されている有機電解質を有するリチウムイオンセルと比較すると、ＳＯ２電解質を有するリチウムイオンセルは、いくつかある利点の中で特に、優れた機能信頼性を呈している。
【００３２】
電気自動車の高出力バッテリシステムは、非常に変わりやすい態様で作動される。一定の運転および加速状態では、電流がバッテリシステムから取り出されて、放電電流を電気自動車の駆動モータへ流入させる。自動車にブレーキがかけられると、制動エネルギがバッテリシステムを充電するのに用いられ、充電電流が高出力バッテリシステムに流れる。駆動動作と制動動作とが繰り返して変更されることにより、電気モータとバッテリシステムの間の供給ラインに流れる電流が少ない作動状態が生じる。作動電流はゼロまで低下する場合があり、その結果、高出力バッテリシステムは電源を切られる。したがって、電気自動車の駆動系が、実際の条件で作動される場合、作動電流ラインの作動電流が制限値以下である作動状態が生じる場合がある。それらの状態は、バイパススイッチを切替えて、故障が生じた電池モジュールをバイパスさせるのに十分な期間、存在する。
【００３３】
本発明は、この認識を活用する。電池モジュールにおける故障が、モジュール監視ユニット群のうちの１つによって検出された場合、好ましくは、バッテリシステム監視電子装置は、作動電流ラインの電流フローを測定して、作動電流ラインの電流フローが所定の制限値よりも小さい場合には、その電池モジュールのためのバイパススイッチを通常の作動位置からバイパス位置に切替えさせる。
【００３４】
個々のケースの要件により、電池モジュールを、比較的短時間、好ましくは、１分未満、特に好ましくは、数秒未満（１０秒以下）、切断しなければならない。そのために、バイパスは、故障の生じたモジュールを電気的に切り離して、電流フローが確実に他の（損傷を受けていない）電池モジュールを流れるように切替えられる。全てのケースにおいて、制限値以下の作動電流を伴う作動状態が、所望の期間内に生じることを保証することは不可能である。また、この状態は、意図的に誘発される可能性もある。そのため、電池モジュール群を有する高出力バッテリシステム全体は、負荷または充電から（例えば、電気モータから）簡単に遮断することができる。この遮断は、システムのバイパススイッチが切替えられて、故障が生じた電池モジュールがバイパスされるまで続く。
【００３５】
高出力バッテリシステム（高電流バッテリシステム）の好適な実施形態において、負荷電流駆動は、バッテリシステムにおける作動電流が制限値よりも小さいこの低電流作動状態を生成するのに用いられる。この電流駆動は、作動電流ラインの電流が制限値以下になるように、高出力バッテリシステムと負荷の間で電流フローを制御する。本発明との関連では、この目的のために、電気自動車にある電気モータ制御ユニットに、センダとしての電子アクセルによって生成される目標値を調節させることにより、制御ユニットを有利に使用可能なことが見出されている。電気モータ制御ユニットは、駆動および加速状態中、高出力バッテリシステムから電流が取り出されるように、自動車の電気モータを調節する。制動中には、電流は、電気モータによって生成され、バッテリシステムに供給される。モータは、惰性で回転しているとき、高出力バッテリシステムから切り離される。必要な高性能の電子的要素は、電気モータ制御ユニットのコンポーネントとして、既に電気自動車内にある。
【００３６】
本発明との関連では、自動車内に既に存在する電気モータ制御ユニットの高性能の電子的要素を、本発明の目的のために、必要に応じて、高出力バッテリシステムを負荷から遮断するのに使用可能なことが見出されている。ただし、この遮断は、切替えられるバイパススイッチ、およびバイパスされる故障の生じた電池モジュールに対して十分に長さのみ行わなければならない。この短時間の遮断は、好ましくは、１秒未満、特に好ましくは、１００ミリ秒未満、特に好ましくは、２０ミリ秒未満続く。その結果、ユーザは、通常、たとえ電気自動車が走行している場合でも、辛うじてそのことに気付く。
【００３７】
別法として、高出力バッテリシステム全体から負荷を遮断する代わりに、電気モータ制御ユニットは、高出力バッテリシステムでの作動電流が、必要な制限値以下に下がるように、負荷電流を低下させてもよい。この種の制限は、モータの位相角制御により、電流のパルス化または電流チョッピングにより、または、当業者には公知の何らかの同様の方法により実施することができる。
【００３８】
電気自動車が駆動されている場合、通常、最大で４００Ａの電流が加速中に流れる。駆動または加速モードの自動車に対して、バイパスを作動させなければならない場合、すなわち、負荷がかかっている間は、アーク放電またはスパークの危険性が大いにある。電池モジュールには、既に故障が生じており、および１つ以上の故障が生じたセルがあるため、そのようなスパークが、発火を引き起こしてさらなる損傷を与える可能性がある。
【００３９】
本発明による安全な遮断によって、故障の生じた電池モジュールは、負荷がかかっているが、作動電流ラインの作動電流が小さい状態では切り離されない。バイパススイッチが切替えられると、作動電流は、好ましくは、１Ａ未満、特に好ましくは、ゼロアンペアに近くなる。具体的には、バイパススイッチは、作動電流を（はるかに）下回る比較的小さな電流のみを切替えなければならないため、切り替えが容易である。いずれにしても、作動電流は、使用されているバイパススイッチに依存する所定の制限値よりも小さくなければならない。
【００４０】
小電流（１Ａ未満）のスイッチングには、数十〜少なくとも１００アンペアの電流と同様に、アーク放電またはスパークが起きないという利点がある。その結果、アーク消去の必要性がない。高出力バッテリシステムの好適な実施形態において、電流フローに対する所定の制限値は、０．５Ａ以下、好ましくは、０．２Ａ以下、特に好ましくは、０．１Ａ以下になるように選定される。一般に、所定の制限値を２Ａ、５Ａまたは１０Ａに設定することも可能である。バイパススイッチは、それに応じて調節しなければならない。
【００４１】
所定の制限値が１Ａを超えない場合、単純なスイッチを用いることができ、スイッチは、高負荷または高出力のスイッチである必要はない。それらの単純なスイッチは、高負荷または高出力のスイッチよりも高価でなく、このことは、著しいコスト削減を意味する。例えば、磁気スイッチ、単純なリレー、または他の単純なスイッチを用いることができる。スイッチが満たさなければならない唯一の基準は、「閉じた」状態で故障を伴うことなく、すなわち、スイッチが通常の作動位置またはバイパス位置にあるときに、高出力電池モジュール内の作動電流を確実に迂回させることができなければならないということである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】電気モータ、高出力バッテリシステムおよび電気モータ制御ユニットを有する電気自動車の全体図を示す図である。
【図２】複数の電池モジュールと、少なくとも１つのバイパス電池モジュールとを備えた本発明による高出力バッテリシステムを示す図である。
【図３】複数の個別セルを有するバイパス電池モジュールの詳細図である。
【図４】消費者の負荷が接続された状態の図２の高出力バッテリシステムを示す図である。
【図５】バイパス電池モジュールの代替的実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明によるバッテリシステムの好適な実施形態を、本発明の一般的な適用性を限定することなく、以下の図面を参照してより詳細に説明する。本願明細書に記載されている特別な機能は、個々にまたは組み合わせて存在することが可能である。
【００４４】
図１は、本発明による高出力バッテリシステム１（高電流バッテリシステム）と、電気モータ２と、電気モータ２を制御する電気モータ制御ユニット３とを備える電気自動車を示す。電気モータ制御ユニット３のためのセンダ３１は、電子アクセルの形態を有している。しかし、センダ３１は、手動コントローラまたは同様のものであってもよい。電気自動車が操作されている場合、電子「アクセル」３１の位置に基づいて、多かれ少なかれエネルギが高出力バッテリシステム１から取り出されて、電気モータ２へ供給される。この電流フローは釣り合っている。バイパス電池モジュール６に故障状態が生じたと判断されると、高出力バッテリシステム１の作動電流ライン５の複数の電池モジュール４間に流れる電流が、所定の値を下回るように、高出力バッテリシステム１と電気モータ２との間に流れる負荷電流は、電気モータ制御ユニット３によって好適に制御される。それに伴って、負荷電流が調節され、その結果、その後、故障の生じた電池モジュールを遮断することができる。この制御のため、低電流、好ましくは、１Ａ未満の電流が、高出力バッテリシステム１に流れている状態である、自動車が駆動されている間に自然に生じる作動状態を意図的に誘発することが可能である。このようにして、電池モジュールに故障が検出された場合、故障が生じたモジュールを即座に遮断することができる。システムは、制限値未満の作動電流を伴う「低電流状態」が発生するまで待つ必要はない。
【００４５】
図２および図３には、本発明による高出力バッテリシステム１が詳細に図示されている。システムは、直列接続されている複数の再充電可能な電池モジュール４を備えている。作動電流ライン５は、作動電流が電池モジュール４を流れられるように、直列接続された電池モジュール４群を接続している。これらの電池モジュール群は、モジュールチェーンを形成している。代替的な実施形態においては、１つ以上（例えば、２つ）のモジュールチェーンを、複数の電池モジュール４と並列に接続することができる。
【００４６】
図２は、全ての電池モジュール４が、バイパス電池モジュール６として構成されており、各モジュールが、バイパススイッチ７およびバイパスライン８を有していることを示している。スイッチ７がバイパス位置にある場合、作動電流ライン５の作動電流がバイパスライン８を流れ、バイパス電池モジュール６の故障状態が生じて検出された場合には、バイパス電池モジュール６がバイパスされる（図３）ように、バイパス電池モジュール６は、バイパススイッチ７によって切替えられることができる。
【００４７】
好適な実施形態において、高出力バッテリシステム１は、少なくとも３つ、好ましくは、少なくとも５つのバイパス電池モジュール６を有している。少なくとも１０のバイパス電池モジュール６を備えている実施形態が、特に好適である。高出力バッテリシステムに１６のバイパス電池モジュールがある場合が、電気自動車の実用的用途に対して最も有利であることが分かっている。直列接続されたバイパス電池モジュール６の数が多いほど、故障が生じてバイパスしなければならない電池モジュール６の影響が小さくなる。高出力バッテリシステム１の総容量は、故障の生じた電池モジュール６に比例して低下する。本発明による高出力バッテリシステム１には、個々の電池モジュール６を容易に監視できること以外に、１つのみのまたは少数の電池モジュール６が故障した場合、車両の作動も容易に再開することもできるという利点がある。
【００４８】
好適な実施形態において、電池モジュール４は、直列接続されている複数の電池セル１０を有する。６つの電池セル１０を有する実施形態（図３）が好適である。個々の電池セル１０の電圧は、好適には、電池モジュールが、２５Ｖ未満の総電圧を有するように選択されるべきである。例えば、総数６の電池セル１０が１つのモジュールに結合される場合、各セルは、４Ｖの電圧を有することができる。当然、他の電圧および／または異なる数の電池セルも可能である。重要な点は、電池モジュールが、非常に小さな安全な電圧（安全超低電圧（Ｓａｆｅｔｙ  Ｅｘｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ：ＳＥＬＶ））のみを有するよう、総電圧は２５Ｖ未満にすべきであり、その結果、例えば、保守技術者が、または事故発生時に救急隊員が、彼ら自身に危険が及ぶことなく、電池モジュール群を検査することができる。保守技術者は全てのバイパス回路を起動することができ、そのため、高出力バッテリシステムは、互いに分離されている個々の電池モジュールで構成されているにすぎず、その電圧は、２５Ｖ未満である。事故発生時には、バイパススイッチを自動的に起動して、モジュール群を互いに遮断すべきである。このことは、例えば、エアバッグ展開と関連付けてもよい。
【００４９】
１つのバイパススイッチ７は、好ましくは、電池モジュールを作動電流ライン５に接続する、バイパス電池モジュール６の２つの接続端子９の各々にあるダイバータとして設けられている。バイパスライン８は、バイパス電池モジュール６の電池セル１０に並列に構成されている。バイパス電池モジュール６で故障が検出され、作動電流ライン５に流れる電流の絶対値が所定の制限値よりも小さくなった場合、両バイパススイッチ７は、ここで図示されている通常の作動位置からバイパス位置に切替えられ、この場合、２つのスイッチ７は、バイパスライン８を作動電流ライン５に接続する。
【００５０】
制限値のレベルは、（例えば、過熱によって）スイッチ７を損傷させることなく、およびスパークまたはアーク放電を引き起こすことなく、選択されたスイッチ７を確実に切り替え可能なバイパススイッチ７の最大スイッチング電流に依存する。
【００５１】
当然、バイパス電池モジュール６を１つのバイパススイッチ７のみを有するように構成することも可能である。その場合、第２のバイパススイッチ７は、バイパスライン８が、電池モジュール６の接続端子９において作動電流ライン５に接続される導電部と置き換えられる。
【００５２】
高出力バッテリシステム１のモジュール監視ユニット１１は、バッテリシステム監視電子装置１２を構成している。図２に図示されている高出力バッテリシステム１の実施形態において、バイパス電池モジュール６のモジュール監視ユニット１１は（必須のセンサ群を除いて）、バッテリシステム監視電子装置１２の中央ユニット１２ａに一体化されている。故障状態が電池モジュール４で検出されると、電子電池監視手段１２は、作動電流ライン５の電流フローを測定する。電流は、作動電流ライン５のどの箇所でも、例えば、隣接する２つの電池モジュール４の間、または、高出力バッテリシステム１の接続端子１９と、電池モジュール４の間で測定することができる。
【００５３】
図４に示すような好適な実施形態において、高出力バッテリシステム１には、負荷電流ライン１５を介して高出力バッテリシステム１に接続されている消費者の負荷１４を流れる電流フローを制御する負荷電流駆動部１３が設けられている。バイパス電池モジュール６群のうちの１つで故障状態が検出されると、作動電流ライン５の電流フローが所定の制限値よりも小さくなるように、負荷電流ライン１５の電流フローが制御され、故障の生じたモジュール６のバイパススイッチ７が作動される。高出力バッテリシステム１が電気自動車で用いられる場合、負荷電流駆動部１３は、電気モータ制御ユニット３である。消費者の負荷１４は電気モータ２であり、そのため、電気モータ制御ユニット３は、電気モータ２への電流フローおよびそのモータからの電流フローを適宜調節する。電子電池監視手段１２と、モジュール監視ユニット１１と、バイパススイッチ７と、負荷電流駆動部１３と、および／または電気モータ制御ユニット３との情報のやりとりは、例えば、バスシステム（例えば、ＣＡＮバス）または他の信号回路を介して確実に行われる。
【００５４】
図３に示すように、各電池セル１０は、モジュール監視ユニット１１によって監視され、このユニットは、必要に応じて、各モジュールに設けてもよい。バイパス電池モジュール６を監視し、バイパス電池モジュール６および電池セル１０の状態をチェックするために、例えば、電池セル１０内の電圧および温度が測定される。別法として、電池セル１０群のうちのいくつかのみを、またはバイパス電池モジュール６全体のみを監視してもよい。バイパス電池モジュール６を監視する場合、例えば、電池モジュール６の温度、電圧または電流を記録することができる。この種のおよび同種の監視回路は、例えば、特許文献１に記載されている。モジュール監視ユニット１１は、例えば、作動電流回路８の電流を測定し、および／またはバイパススイッチ７を制御することもできる。
【００５５】
本発明との関連では、異なる電池セル１０を、電池モジュール４のコンポーネントとして使用することもできる。好ましくは、アルカリ金属セルが用いられ、特に、活性金属がリチウムであるセルが用いられる。幅広く用いられているリチウムイオン電池を有利に用いることができる。しかし、ＳＯ２ベースの電解質を有するリチウム電池セルまたは他のアルカリ金属セルが特に好適である。それらは、有機電解質と共に作用する標準的なリチウムイオンセルとは、特により機能的に信頼できるという点で異なる。より完全な詳細は、関連する文献に記載されており、例えば、国際公開第２００５／０３１９０８号、国際公開第２００９／０７７１４０号、国際公開第２０００／７９６３１号に、および本願明細書で挙げられている文書に記載されている。
【００５６】
好適な実施形態において、高出力バッテリシステム１は、個々の電池モジュール４の電池セル１０が、ＳＯ２ベースの電解質溶液を含むように構成される。そのような種類のセルは、他のセルと、電解質溶液およびバッテリシステムの他のコンポーネントが不燃性であるという点で異なっている。セルは、セーフティクリティカルな状態でも発火しない。ＳＯ２電池セルのさらなる利点は、著しく放電されたり、個々のセルの極性が逆転したりした場合でも、それによってセーフティクリティカルな状態が生じないことである。
【００５７】
過充電時に生成される反応生成物は、電解質溶液の成分に可逆的に戻すことができ、そのため、電池セル１０は、モジュールの緊急遮断を要することなく、ある程度まで過充電することができる。また、故障の生じたセル１０を有するモジュールは、一定の休止期間の後、電流回路に再挿入してもよい。この休止期間において、モジュールは、ある種の自己修復を行うため、高出力バッテリシステム１から遮断されている。バッテリシステム監視電子装置１２および／またはモジュール監視ユニット１１は、好ましくは、セルが再び作動可能であることを検出し、バイパススイッチ７を切り替えて通常の作動位置に戻し、またそれに伴って、バイパス電池モジュール６も切り替えて高出力バッテリシステム１の電流回路に戻す。また、このスイッチングは、作動電流ライン５の作動電流が制限値未満のときにのみ行う。
【００５８】
本発明との関連では、ＳＯ２電池セルを有するこのようなバッテリシステムは、「電源を切る」こともできることが見出されている。図５に示すような好適な実施形態において、バイパス電池モジュール６は、モジュール６と並列に切り替えられ、放電スイッチ１７および放電抵抗１８を有する放電ライン１６を備えている。この放電回路は、バイパス電池モジュール６に一体化されていてもよい。放電スイッチ１７が閉じられるとすぐに、電池モジュール４は、電池モジュール４の電圧が０Ｖに下がるまで、放電抵抗１８を介して放電される。電池モジュール６のコンデンサは、放電抵抗１８を介して放電され、そのエネルギは熱に変換される。放電抵抗１８は、それによって生成された熱を（抵抗を破壊することなく）放出できるように選択しなければならない。
【００５９】
電池モジュール６のこの電源が切られた状態は、モジュール６を完全に安全に扱えるようにする。このモジュールが電気自動車に使用されている場合、個々のモジュールは、電池が交換される前、または、電気自動車に対して何らかの作業が行われる前に、電源を切ることができる。例えば、取付けまたは取り外し中に生じる偶発的な短絡は、もはや起きない。高出力バッテリシステム１には、事故発生時に、放電回路を介して完全に電源を切ることができるという利点がある。電池モジュール４に入力される電圧がないため、運搬中でも、セーフティクリティカルな状態は起きない。これらのモジュール４は、極めて安全であり、これは特に航空輸送に有利である。
【００６０】
好適な実施形態において、バイパススイッチ７がバイパス位置に切り替えられて、電池モジュール６が、高出力バッテリシステム１の電流回路から切り離されるまで、放電スイッチ１７は閉じられない。したがって、放電スイッチ１７が作動される前に、図５に示すように、バイパススイッチ７がバイパス位置に切り替えられているか否かのチェックが行われる。そして、その場合にのみ、放電スイッチ１７が閉位置に切り替わる。
【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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【国際調査報告】
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