(57)【要約】  本発明はバッテリの構成要素の数を減少させることができるバッテリの制御に関する。バッテリはいくつかのモジュール（２ａ、…、２ｎ）を備え、各モジュールは充電制限回路（４）を備える。モジュールが欠陥品として検出される場合、充電制限回路（４）は前記欠陥モジュールの放電のための命令を短絡経路の形成によって実行する。その後、バッテリは欠陥モジュールによる機能障害なしに使用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）からなる直列に接続された少なくとも２つのモジュール（２ａ、…、２ｎ）を備える充電式バッテリ（１）を管理する方法であって、前記電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）は各モジュール（２ａ、…、２ｎ）内で互いに並列に接続され、電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）の各モジュール（２ａ、…、２ｎ）は前記モジュールに並列に接続された前記モジュール用の充電制限回路（４）を備え、
（ａ）欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）を検出するステップと、
（ｂ）前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）内で電気化学反応を引き起こすために放電電流が前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）を通るようにさせるステップであって、前記反応が前記欠陥モジュールの接続端子間に短絡経路を形成することになるステップと、
（ｃ）前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）と異なる少なくとも１つのモジュール（２ａ、…、２ｎ）の放電によって生成された電流を、前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）に通すことによって前記バッテリ（１）を使用するステップと、を含み、
前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の最初の部分的な放電が前記ステップ（ｂ）の前に行われ、前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の部分的な放電電流が前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記充電制限回路（４）を通り、前記欠陥モジュールの前記充電制限回路（４）用の基準信号の変更によって制御されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記セル（３ａ、…、３ｂ）がリチウムイオンタイプである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記短絡経路を形成する前記反応を引き起こす前記放電電流が、前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）と異なる前記バッテリ（１）の少なくとも１つのモジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記放電によって生成される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記短絡経路を形成する前記反応を引き起こす前記放電電流が、前記バッテリ（１）の外にあるデバイスに電力供給するのにさらに使用される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）に前記短絡経路を形成する前記反応を引き起こす前記放電電流が、前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の逆転を生成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記短絡経路が前記欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の少なくとも１つのセル（３ａ、…、３ｐ）に形成された導電性デンドライトを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記導電性デンドライトが金属である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
モジュール（２ａ、…、２ｎ）当たりのセル（３ａ、…、３ｐ）の数が３と１３との間にある、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記バッテリ（１）内のモジュール（２ａ、…、２ｎ）の数が９と２４との間にある、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）からなる直列に接続された少なくとも２つのモジュール（２ａ、…、２ｎ）を備える請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実行するための充電式バッテリ（１）であって、前記電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）が各モジュール内で互いに並列に接続され、各モジュール（２ａ、…、２ｎ）が前記モジュールに並列に接続された前記モジュール（２ａ、…、２ｎ）用の充電制限回路（４）をさらに備え、各充電制限回路（４）は、
前記対応するバッテリ（１）のモジュール（２ａ、…、２ｎ）の入力端子と出力端子との間に接続されたバイパスブランチと、
基準信号源（８）と、
調整デバイス（６）の制御端子で受け取られた制御信号に基づいて前記バイパスブランチの電流を制御するのに適する調整デバイス（６）と、
前記調整デバイス（６）の前記制御端子に結合された出力端子と、前記バッテリ（１）の前記モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記端子の電圧を表す信号を受け取るように接続された第１の入力端子と、前記基準信号を受け取るように接続された第２の入力端子と、を含む少なくとも１つの差動オペレータ（７）であって、差動オペレータ（７）の前記第１および第２の入力端子で受け取られた前記信号間の差に応じた前記制御信号を生成するのに適する差動オペレータ（７）と、を備え、
前記バッテリ（１）の各モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記充電制限回路の前記基準信号源（８）が、欠陥モジュールを部分的に放電させるように変更され得るバッテリ（１）。
【請求項１１】
前記バイパスブランチが少なくとも１つの抵抗素子（５）を備える、請求項１０に記載のバッテリ（１）。
【請求項１２】
各モジュール（２ａ、…、２ｎ）の出力電圧を表す前記信号が前記モジュールに並列に接続された分圧器ブリッジによって得られる、請求項１０または１１に記載のバッテリ（１）。
【請求項１３】
少なくとも１つの無線受信機を含み、前記電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）からなる前記モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記それぞれの基準信号源が前記無線受信機に結合され、受信した無線制御信号に応じて前記対応する基準信号を変更するのに適する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
【請求項１４】
各充電制限回路（４）の前記差動オペレータ（７）がフィードバックループ（９）を含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
【請求項１５】
前記フィードバックループ（９）が、直列に接続された抵抗およびキャパシタを含む、請求項１４に記載のバッテリ（１）。
【請求項１６】
各モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記充電制限回路（４）の前記調整デバイス（６）が少なくとも１つのトランジスタを含み、前記トランジスタが前記モジュールの前記バイパスブランチに接続された２つの主端子を有する、請求項１０から１５のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
【請求項１７】
各充電制限回路（４）の前記調整デバイス（６）がダーリントン構成の少なくとも２つの関連するトランジスタを含む、請求項１６に記載のバッテリ（１）。
【請求項１８】
モジュール（２ａ、…、２ｎ）当たりのセル（３ａ、…、３ｐ）の数が３と１３との間にある、請求項１０から１７のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
【請求項１９】
バッテリ（１）当たりのモジュール（２ａ、…、２ｎ）の数が９と２４との間にある、請求項１０から１８のいずれか一項に記載のバッテリ（１）。
【請求項２０】
請求項１０から１９のいずれか一項に記載の少なくとも１つのバッテリ（１）を備える衛星。
【請求項２１】
欠陥モジュール検出器（２ａ、…、２ｎ）と、前記バッテリ（１）内の欠陥モジュール（２ａ、…、２ｎ）の識別コードを送信するように構成された無線送信機と、をさらに備える、請求項２０に記載の衛星。
【請求項２２】
無線受信機をさらに含み、電気化学セル（３ａ、…、３ｐ）からなる前記モジュール（２ａ、…、２ｎ）の前記それぞれの基準信号源が前記無線受信機に結合され、前記対応する基準信号を受信した無線制御信号にしたがって変更するのに適している、請求項２０または２１に記載の衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電式バッテリを管理する方法およびこの方法を実行するのに適する充電式バッテリに関する。
【０００２】
本発明は、より詳細には、電気化学セルからなる直列に接続された少なくとも２つのモジュールを備え、電気化学セルが各モジュール内で互いに並列に接続される充電式バッテリを管理する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
文献ＥＰ０４９８６７９は直列に接続されたいくつかのセルからなるバッテリの充電を管理する一例を説明している。各セルでは、充電制限回路がそのセルと並列に接続された電流バイパスブランチを備える。セルの端子の電圧が飽和電圧を超える場合、セルの充電電流はセルの過負荷を避けるようにバイパスブランチを介して送られる。このようにして各セルの寿命が延ばされる。
【０００４】
それにもかかわらず、そのようなバッテリでは、欠陥セルはバッテリによって送出される電流が通され続ける。これにより、欠陥セルが加熱し、全体としてバッテリの効率が低下する。
【０００５】
バッテリ内に欠陥セルがあることによって引き起こされるこの欠点を避けるため、欠陥品になったセルまたはセルモジュールを無力化するのに図１に示されるようなデバイスを使用することが知られている。
【０００６】
図１において、バッテリ１０は互いに直列に接続された２０ａ、…、２０ｎで参照されるｎ個のモジュールを備える。各モジュールはそれ自体３０ａ、…、３０ｐで参照されるいくつかの電気化学セルで構成される。セル３０ａ、…、３０ｐは各モジュール内で互いに並列に接続される。セルの各モジュール２０ａ、…、２０ｎは充電制限回路４０をさらに備える。各モジュール２０ａ、…、２０ｎの入力のところで、スイッチ５０はバッテリを通る全ての電流をモジュールバイパスブランチにそらすことができる。したがって、所与のモジュールのセルが欠陥品になる場合、対応するスイッチの制御によりこのモジュールを無力化することができ、その結果、バッテリ電流はもはやそれを通らない。そのようなバッテリ構成は、それを扱いにくく、高価で、重くする多数の電気構成要素および電子構成要素を含む。これらの欠点は、特に衛星用のエネルギー電源を含めて、多くのバッテリ用途と折り合わない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の１つの目的はこれらの欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これに対して、本発明によれば、当該タイプの方法は、
（ａ）欠陥モジュールを検出するステップと、
（ｂ）欠陥モジュール内で電気化学反応を引き起こすように放電電流が欠陥モジュールを通るようにさせるステップであって、前記反応が前記欠陥モジュールの接続端子間に短絡経路を形成することになるステップと、
（ｃ）欠陥モジュールと異なる少なくとも１つのモジュールの放電により生成された電流を前記欠陥モジュールに通すことによってバッテリを使用するステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
これらの構成では、モジュールのセルが欠陥品になる場合に作動するように設計された各モジュール用のスイッチまたはバイパスブランチを設ける必要がない。したがって、バッテリはより簡単、より軽量、およびより低コストになる。実際、欠陥セルを含むモジュールの端子間に短絡経路が形成される場合、このモジュールは内部的に無力化される。したがって、バッテリの他のモジュールの動作は欠陥セルを含むモジュールによって妨害されない。
【００１０】
本発明の方法の様々な実施形態では、以下の構成の１つまたはいくつかを使用することも可能である。
セルはリチウムイオンタイプである。
短絡経路を形成する反応を引き起こす放電電流は、欠陥モジュールと異なるバッテリの少なくとも１つのモジュールの放電によって生成される。
短絡経路を形成する反応を引き起こす放電電流もバッテリの外にあるデバイスに電力供給するのに使用される。
欠陥モジュールの最初の部分放電がステップ（ｂ）の前に行われる。
電気化学セルの各モジュールは、前記モジュールに並列に接続された前記モジュール用の充電制限回路を備え、欠陥モジュールからの部分放電的な電流が前記欠陥モジュールの充電制限回路を通る。
欠陥モジュールからの部分的な放電電流は充電制限回路用の基準信号の変更によって制御される。
欠陥モジュールに短絡経路を形成する反応を引き起こす放電電流は欠陥モジュールの逆転を生成する。
短絡経路は欠陥モジュールの少なくとも１つのセルに形成された導電性デンドライトを含む。
導電性デンドライトは金属である。
モジュール当たりのセルの数は３と１３との間である。
バッテリ内のモジュールの数は９と２４との間である。
【００１１】
本発明は、電気化学セルからなる直列に接続された少なくとも２つのモジュールを含む充電式バッテリも提案する。電気化学セルは各モジュール内で互いに並列に接続される。各モジュールは、前記モジュールに並列に接続された前記モジュール用の充電制限回路をさらに備え、
対応するバッテリモジュールの入力端子と出力端子との間に接続されたバイパスブランチと、
基準信号源と、
調整デバイスの制御端子で受け取られた制御信号に基づいて前記バイパスブランチの電流を制御するのに適する調整デバイスと、
調整デバイスの制御端子に結合された出力端子と、バッテリの前記モジュールの端子の電圧を表す信号を受け取るように接続された第１の入力端子と、前記基準信号を受け取るように接続された第２の入力端子とを含む少なくとも１つの差動オペレータであって、差動オペレータは差動オペレータの前記第１および第２の入力端子で受け取った信号間の差に応じた制御信号を生成するのに適する差動オペレータを備え、
バッテリは各バッテリモジュールの基準信号源が変更され得るという特徴がある。
【００１２】
本発明のバッテリの様々な実施形態では、以下の構成の１つまたはいくつかを使用することもできる。
バイパスブランチは少なくとも１つの抵抗素子を含む。
各モジュールの出力電圧を表す信号は前記モジュールに並列に接続された分圧器ブリッジによって得られる。
バッテリは少なくとも１つの無線受信機を含み、電気化学セルのモジュールのそれぞれの基準信号源が無線受信機に結合され、受信した無線制御信号に応じて対応する基準信号を変更するのに適する。
各充電制限回路の差動オペレータはフィードバックループを含む。
フィードバックループは直列に接続された抵抗とキャパシタを含む。
各モジュールの充電制限回路の調整デバイスは少なくとも１つのトランジスタを含み、前記トランジスタは前記モジュールのバイパスブランチに接続された２つの主端子を有する。
各充電制限回路の調整デバイスはダーリントン構成の少なくとも２つの関連するトランジスタを含む。
モジュール当たりのセルの数は３と１３との間にある。
バッテリ当たりのモジュールの数は９と２４との間にある。
【００１３】
さらに、本発明の別の主題は前述のように少なくとも１つのバッテリを備える衛星である。
【００１４】
衛星は欠陥モジュール検出器をさらに含むことがあり、無線送信機はバッテリ内の欠陥モジュールの識別コードを送信するように構成される。
【００１５】
衛星はセルのモジュールの基準信号源が結合された無線受信機をさらに含むことができ、各基準信号源は受信した無線制御信号に応じて対応する基準信号を変更するのに適する。
【００１６】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に照らして、非限定の例として与えられる一実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２において、バッテリ１は互いに直列に接続されたいくつかのモジュール２ａ、…、２ｎを備える。各モジュール２ａ、…、２ｎはそれ自体、互いに並列に接続されたいくつかのセル３ａ、…、３ｐを備えることができる。セル３ａ、…、３ｐはリチウムイオンタイプとすることができる。
【００１８】
充電制限回路４はモジュール２ａ、…、２ｎの各々の端子に接続される。これにより、それが接続されたモジュールの過負荷を避けることができる。図４に関して、各充電制限回路４は少なくとも１つの抵抗５を含むバイパスブランチを備える。調整デバイス６は、差動オペレータ７によって送出された制御信号に基づいて抵抗５の電流を制御する。この差動オペレータ７は２つの入力端子および１つの出力端子を含む。差動オペレータ７の第１の入力端子は、例えば電圧源などの基準信号源８に接続される。第２の入力端子は、自体がセルモジュールの端子間に並列に接続された分圧器ブリッジの中間点に接続される。したがって、差動オペレータ７の第２の入力端子は、モジュールの端子の電圧を表す信号、すなわちモジュールの端子の電圧の所定の一部を受け取る。差動オペレータ７の出力端子は調整デバイス６の制御入力に結合される。
【００１９】
フィードバックループ９は差動オペレータ７の第２の入力端子を出力端子に結合する。このフィードバックループ９はキャパシタに直列に接続した抵抗を含む比例積分ループタイプとすることができる。そのようなフィードバックループ９は充電制限回路４に特に適切な応答ダイナミックレンジをもたらす。特に、そのようなフィードバックループでは、モジュールの負荷電流は、モジュールの端子間の電圧が飽和電圧に近づくにつれて増加する割合で、バイパスブランチによって漸次タップされる。
【００２０】
調整デバイス６はダーリントン構成で接続されたトランジスタを含むことができる。そのようなカスケード接続トランジスタ構成は、電流がバイパスブランチを通らない第１の状態と、全てのバッテリ充電電流がバイパスブランチによって伝導される第２の状態と、の間の漸進的移行を伴う動作特性を可能にする。
【００２１】
さらに、ダーリントン構成によれば、調整デバイス６の２つのレベル、すなわち差動オペレータ７、基準信号源８、フィードバックループ９、および分圧器ブリッジを含む制御レベルと呼ばれる第１のレベルと、バイパスブランチを含むパワーレベルと呼ばれる第２のレベルとを連結することが可能になる。
【００２２】
充電制限回路４は２つの機能を有する。一方においては、モジュールの電気化学セルの過負荷が防止される。モジュールのセル３ａ、…、３ｐが全て充電された場合、モジュールの端子の電圧は飽和値に等しい。モジュールの充電を表す電圧は基準源８によって供給された基準電圧と比較される。それが所定の閾値よりも、例えばリチウムイオンバッテリの場合には４Ｖよりも大きい場合、差動オペレータ７は、充電電流がバイパスブランチにおいてタップされるように、調整デバイス６を制御する。このようにして、モジュールのセルの過負荷が避けられる。
【００２３】
さらに、充電制限回路４により、欠陥品になったバッテリのモジュールに短絡回路を形成させることが可能になる。このために、適切な検出器が、例えばバッテリの各モジュールの電圧、圧力、温度、および／または電流に基づいて欠陥モジュールを識別する。それは、欠陥モジュールの識別情報を、返送として欠陥モジュールの無力化制御信号を生成する制御ステーションに送る。
【００２４】
この制御信号を受信するとすぐ、電圧源８は基準電圧を下げ、欠陥モジュールは部分的に放電される。新しい基準電圧は、例えばリチウムイオンバッテリの場合には３Ｖとすることができる。したがって、欠陥モジュールの端子の電圧は基準電圧よりも大きくなる。次に、差動オペレータ７は調整デバイスの切替えを制御し、バイパスブランチのトランジスタが導電性になる。抵抗５を通る電流が欠陥モジュールのセルの放電を引き起こす。これは図３のグラフに示したフェーズ１に対応する。この放電中、充電制限回路の電流Ｉｄは概略で一定とすることができる。モジュールの端子の電圧はバッテリの特有の放電曲線に従って低下する。モジュールの端子の電圧が低減された基準電圧の値に達する場合、必要ならば基準信号の電圧を再び増大させることによってこの放電を停止することができる。待機フェ−ズ２が可能である。このフェ−ズ２の間、衛星が次にバッテリを使用するのを待ち受ける。
【００２５】
このバッテリを使用して（フェーズ３）外部デバイスに電力供給する場合、モジュールからの電流Ｉｍｏｄｕｌｅが増加する。この放電電流は後者の使用条件に応じて概略で一定とすることができる。それはバッテリを通り、欠陥モジュールの電気化学セルの過放電を引き起こす。このフェーズの間に、欠陥モジュールの端子の電圧が逆転されること、すなわち負になることがある。これがいわゆる逆転効果である。リチウムイオンタイプのバッテリでは、これは欠陥モジュールのセルのうちの少なくとも１つにおいて金属デンドライトが形成されることを反映している。短絡経路が欠陥モジュールのセルのうちの１つの電極間に形成されるまで、過放電電流が維持される限りデンドライトの大きさは増大する。
【００２６】
金属デンドライトが電気化学セルの電極間にブリッジを形成するとき、短絡が発生する（図３のフェーズ４）。十分に短絡した欠陥モジュールは、例えば１０ｍΩ程度の低い抵抗の導線と同等である。
【００２７】
そのようなバッテリは衛星に搭載して使用するのに適する。衛星は、通常、地上管制ステーションと通信するための無線送受信機を備える。この無線送受信機は欠陥モジュールの識別情報を管制ステーションに送るように構成され、必要に応じて欠陥モジュールを無力化するための制御信号が返送される。
【００２８】
バッテリを構築するモジュールの数は、バッテリによって電力供給されるデバイスの電源電圧によって定められる。したがって、通常、バッテリは９から２４のモジュールからなる。
【００２９】
さらに、各モジュールの電気化学セルの数は送出されなければならない電源電流の強度に依存する。さらに、それはセルの障害により全モジュールが無力化される場合を考慮すると大きすぎないことが好ましい。通常、モジュール当たりのセルの数は３と１３との間である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】既述のように従来技術で知られているバッテリを示す図である。
【図２】本発明によるバッテリを示す図である。
【図３】本発明によるバッテリ管理方法を実行する際のバッテリモジュールの端子の電圧の傾向を示す図である。
【図４】本発明を実行するために使用することができる充電制限回路の電気回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2008518577.tif 000008
2008518577.tif 000009
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