(57)【要約】本発明は、充電および分離装置（１４、１５）を介してバッテリ（１０、２０）の極（１２、１３）と接続可能な複数のバッテリセル（１１）を含むバッテリ（１０、２０）のための安全装置に関し、バッテリセルに対して並列に接続可能なバッテリセル（１１）の放電のための手段が存在し、当該手段は、インバータ（２２）の構成要素であり、インバータ（２２）は、少なくとも作動および停止可能な電子バルブ（２２ａ、２２ｂ）を有し、および、バッテリ端子（１２、１３）と接続している。安全装置の対応する手段の起動は、バッテリ管理部（２７）によって行われる。【選択図】図３
2015527854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリセルを含むバッテリのための安全装置であって、前記バッテリセルは、充電および分離装置を介して前記バッテリの極と接続可能である、前記安全装置において、
前記バッテリセル（１１）と並列に接続可能な、前記バッテリセル（１１）の放電のための手段が存在することを特徴とする、バッテリのための安全装置。
【請求項２】
前記バッテリ（１０、２０）は、トラクションバッテリであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項３】
前記バッテリセルの放電のための前記手段は、インバータ（２２）の構成要素であり、前記インバータ（２２）は、少なくとも作動および停止可能な電子バルブ（２２ａ、２２ｂ）を有し、およびバッテリ端子（１２、１３）と接続されていることを特徴とする、請求項１、または２に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項４】
前記電子バルブ（２２ａ、２２ｂ）は、少なくとも１つの半導体スイッチまたは電気機械的スイッチを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項５】
前記バッテリセルの放電のための前記手段は、バッテリ管理部（２７）によって作動可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項６】
前記バッテリセルの放電のための前記手段に加えて、前記バッテリセル（１１）の充電状態を平衡化するための電子デバイスが存在し、
前記電子デバイスは、平衡用抵抗器と起動可能な要素を有し、バッテリ管理部（２７）と接続され、および、前記バッテリ管理部（２７）によって起動され、
前記平衡用抵抗器は、前記バッテリセル（１１）の放電のために用いられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項７】
複数のバッテリセルを含むバッテリの放電方法であって、前記バッテリセルは、充電および分離装置を介して前記バッテリの極と接続可能である、前記放電方法において、
前記バッテリセルの放電のための手段が存在し、前記バッテリセルの放電のための前記手段は、バッテリ管理部（２７）が少なくとも１つのバッテリの極からの前記バッテリセル（１１）の分離を検出する場合には、前記バッテリ管理部（２７）によって前記バッテリセル（１１）に並列に接続されることを特徴とする、バッテリの放電方法。
【請求項８】
前記バッテリ管理部は、前記前記バッテリセルの放電のための前記手段に対して、当該バッテリセルの放電のための手段を前記バッテリセル（１１）に対して並列に接続させる起動信号を発することを特徴とする、請求項７に記載のバッテリの放電方法。
【請求項９】
前記バッテリセルの前記放電は、２つの前記バッテリの極（１２、１３）からの前記バッテリセル（１１）の二極での分離後に行われることを特徴とする、請求項７または８に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１０】
前記バッテリセル（１１）の前記放電の前に、絶縁抵抗検査が行われることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１１】
前記バッテリが安全な状態になるまで実行される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１２】
ハイブリッド車両または電気自動車で使用される、請求項７〜１１のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ、特に、ハイブリッド車両または電気自動車内のトラクションバッテリのための、対応する装置および付属する方法を含む安全構想に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車両または電気自動車内での利用のために設けられるバッテリは、電気駆動部の電力供給のために使用されるため、トラクションバッテリと呼ばれる。ハイブリッド車両または電気自動車で必要とされる電力データまたはエネルギーデータを獲得するために、個々のバッテリセルは直列に接続され、さらに部分的に並列に接続される。電気自動車の場合、例えば、１００個以上のセルが直列に接続され、したがって、バッテリの総電圧は３４０Ｖにもなりうる。ハイブリッド車両で使用されるバッテリも、通常では、人間が触れても問題ないと格付けされた６０Ｖの電圧限界値を超える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術によるバッテリシステムの概略的な回路図が、図１に示されている。このようなバッテリシステムは、例えば、独国特許出願公開第１０２０１００２７８５０号明細書に、より詳細なブロック図によって記載されている。
【０００４】
詳細には、図１には、割り当てられた電子デバイスが組み込まれたバッテリ１０が示されている。複数のバッテリセル１１が、各適用のために望まれる高い出力電圧を実現するために直列に接続されている。任意に、バッテリセルは追加的に、大きなバッテリ容量を実現するために並列に接続されてもよい。
【０００５】
バッテリセル１１の直列回路のプラス極とバッテリの正端子１２との間には、充電および分離装置１４が接続されている。さらに、バッテリセル１１の直列回路のマイナス極とバッテリの負端子１３との間には、分離装置１５が存在する。充電および分離装置１４と分離装置１５とはそれぞれ、分離スイッチとして接触器１６または１７を備える。この接触器は、バッテリセル１１をバッテリ端子１２、１３から分離するために設けられ、このようにして、バッテリ端子１２、１３は、必要な場合には、電源が断たれた状態で（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）接続される。接触器の場所では、この適用のために適した他の切り替え手段も使用可能である。
【０００６】
充電および分離装置１４内には、追加的に充電接触器１８も存在する。充電抵抗器１９が、充電接触器１８と直列に存在する。その際に、充電抵抗器１９は、バッテリが直流電圧中間回路に接続される場合には、通常バッテリにより電力供給される駆動システムの直流電圧中間回路へと接続されたバッファコンデンサのための充電電流を制限する。図１に示される、プラス線上の充電および分離装置とマイナス線上の分離装置との構成によって、予め設定可能な事象の際に、バッテリを、単極（ｅｉｎｐｏｌｉｇ）または二極（ｚｗｅｉｐｏｌｉｇ）で作動または停止させることが可能である。このために、図示されない制御装置が、接触器を作動させる対応する信号を発する。
【０００７】
充電抵抗器１９によって、バッテリの接続時の均等化電流も制限することが可能である。その際に、接続過程においては、充電および分離装置１４内で、分離スイッチ１６が解放された状態で、最初に充電スイッチ１８が閉鎖され、追加的に、望まれる場合には、バッテリシステムのマイナス極の分離装置内の分離スイッチ１７が閉鎖される。その後、充電抵抗器１９を介して、外部で接続されたシステムの入力キャパシタが充電される。バッテリシステムのプラス極とマイナス極との間の電圧が、バッテリセルの総電圧とほんの僅かしか異ならない場合には、充電過程は、充電および分離装置１４内の分離スイッチの閉鎖によって終了する。バッテリシステムは、低インピーダンスで（ｎｉｅｄｅｒｏｈｍｉｇ）外部システムに接続され、その規定された電力データにより駆動されうる。全体として、バッテリシステムの接続時に外部システムとバッテリシステムとの間に発生する均等化電流が、許容可能な値に制限されうる
【０００８】
図２には、例えば独国特許出願公開第１０２０１００２７８６４．５号明細書で公知の、電気自動車またはハイブリッド車両のための電気的駆動システムの概略的な回路図が示されている。その際に、バッテリ２０は、コンデンサ２１により蓄電される直流電圧中間回路に接続されている。直流電圧中間回路には、パルスインバータ２２が接続されており、このパルスインバータ２２は、３個の出力口でそれぞれ２つの切り替え可能な半導体バルブ２２ａ、２２ｂおよび２つのダイオード２２ｃおよび２２ｄを介して、電気的駆動モータ２３、例えば誘導機の駆動のための互いに位相がずれた正弦波電圧を提供する。コンデンサ２１の容量は、切り替え可能な半導体バルブのうちの１つが接続される期間の間、直流電圧中間回路内の電圧を安定させるために十分な大きさを有する必要がある。
【０００９】
独国特許出願公開第１０２０１００２７８６４．５号明細書で公知の電気的駆動システムは、図１に示されたバッテリ１０と同様に直列接続された複数のバッテリセルを有するバッテリ２０を備える。このバッテリセルの直列回路とバッテリ２０のプラス端子との間には、プラス線上に充電および分離装置が存在し、バッテリセルの直列回路とバッテリ２０のマイナス端子との間には、マイナス線上に分離装置が存在する。これら分離装置を介して、図１のバッテリ１０のように、バッテリ１０のプラス極および／またはバッテリのマイナス極は、事故の場合または故障の際に、充電装置の接続可能なが正常に動作しない場合には、バッテリセルから分離され、このようにして、通電していない状態で（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｌｏｓ）接続されうる。特に、バッテリを安全な状態へと移行させるために、トラクション電気系統からの二極での（ｚｗｅｉｐｏｌｉｇ）分離が提案される。その際に、バッテリセル内に蓄えられた電荷は、引き続き蓄えられたまま保持される。
【００１０】
引き続き充電されたままのバッテリセルから、当該バッテリセルの分離後に、特定の影響によって短絡が引き起こされる限りにおいて、想定可能な反応が生じる可能性がある。このことは、かなり時間が経った後でも起こりうる。本発明の利点は、バッテリ、特にトラクションバッテリのための安全構想では、バッテリまたは個々のバッテリセルが、外部の作用または影響が危険な状況に繋がりえない非クリティカルな（ｕｎｋｒｉｔｉｓｃｈ）状態に置かれることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この利点は、バッテリセルが、外部の接続部からの分離後に、特に車両のトラクション電気系統からの分離後に、放電によって安全な状態に移行させられることにより達成される。
【００１２】
本発明の上記利点を実現するために、システム、特に従来技術によるバッテリに、図３に示される放電のための手段が補充される。この追加的な放電のための手段の起動は、特に有利に、対応する起動信号を発するバッテリ管理システムによって行われる。
【００１３】
特に有利に、本発明に係るバッテリの放電は、バッテリセルの二極での分離直後に開始される。このために有利に、放電のための手段は、そのスイッチまたは接触器を用いて、バッテリ管理部によって、バッテリセルの放電が起きるように起動される。バッテリ管理部は、バッテリの分離が行われたことを検出し次第、スイッチのための起動信号を発する。
【００１４】
さらなる別の利点が、バッテリおよびバッテリセルの放電を、バッテリセルの充電状態を平衡化するための追加的な電子デバイスを介して行うという選択肢によってもたらされる。いわゆるセルバランシング（ｃｅｌｌ  ｂａｌａｎｃｉｎｇ）を行うこのような構成の場合、既に存在するオーム抵抗を、有利にセルの放電のために利用し、または追加的に援用することが可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図３には、本方法の一実施例が示されている。図３に示される構成要素は、図１および図２で詳細に記載された構成要素に対応し、同じ符号を有する。
【００１６】
追加的に、図３の本発明の実施例では、バッテリセルの放電のための手段が、バッテリセル１１の直列回路に対して並列に接続されうる。このために、図３の実施例によればインバータが利用され、このインバータの起動可能な構成要素が、バッテリ管理システム２７によって適切なやり方で起動される。その際に、バッテリ管理システム２７は、バッテリの分離後、特にバッテリの二極での分離後にすぐにバッテリセル１１の放電を開始する。
【００１７】
図３の実施例では、図１または図２の構成要素に加えて、バッテリ管理部またはバッテリ管理システム２７がさらに存在する。バッテリ管理システム２７は、適切な接続線２８、２９、３０、３１を介して、バッテリ１０または２０と、充電および分離装置１４と、分離スイッチ１７と、例えばパルスインバータとして動作するインバータ２２と接続される。上記の接続線は象徴的に示されているが、例えば、起動信号との伝送等を可能にする。インバータ２２では、矢印２９ａにより示されるバッテリ管理部２７からの接続線が、切り替え可能な半導体バルブ２２ａおよび２２ｂにつながっている。
【００１８】
本発明のさらなる別の構成において、バッテリおよび／またはバッテリセル１１の追加的な放電は、バッテリセル１１の充電状態を平衡化するための既存のまたは必要な電子デバイスを介して行われてもよい。平衡用抵抗器および起動可能なバルブを備えることが可能であり、および、好適にバッテリ管理部２７を用いていわゆるセルバランシングが行われるこのような構成では、平衡用回路の既存のオーム抵抗がセルの放電のために利用され、または追加的に援用されうる。
【００１９】
バッテリ管理システム２７による、パルスインバータの、作動および停止可能なバルブ、または、追加的な電子デバイスの起動は、バッテリ管理システム２７が特定の予め設定可能な基準を用いてこのような要求を検出する限りにおいて、バッテリ１１の単極または二極での分離の後で行われる。
【００２０】
バッテリセルを放電させるための有利なやり方を紹介する。
【００２１】
バッテリ管理システム２７は、二極での分離後に、最初に、分離スイッチ１６、１７が解放された状態で絶縁抵抗検査を実行する。その際に、バッテリ１０、２０の高電圧回路が、車両のアースに対して未だに十分な電気的な絶縁抵抗を有しているかどうかが検査される。絶縁抵抗が、定められた限界値を下回らない場合には、インバータの電子デバイスに、トラクション駆動部の通信インタフェース、例えば「駆動ＣＡＮ」（Ａｎｔｒｉｅｂｓ−ＣＡＮ）を介して、バッテリ管理システム２７によって、バッテリ１０、２０が「安全な状態にバッテリを移行する」という駆動モードを設定したいということが報知される。トラクション駆動部の通信インタフェース、例えば、いわゆる「駆動ＣＡＮ」は、例えば、図３のバッテリ管理システムとインバータ２２との間の接続線２９に相当する。
【００２２】
その観点から、場合によっては、図に示されていないインバータ電子デバイスも、絶縁抵抗検査を実行する。この絶縁抵抗検査が必要な場合には、以下のように進められる。
【００２３】
ａ）インバータ２２は、最初に、その３個の支線のうちの少なくとも１個の支線内で、２つの電力スイッチを作動させる。その際、３個の支線の６個の電力スイッチ全てを作動させることが有効であるが、必ずしも必須ではない。
【００２４】
ｂ）インバータ２２は、自身が駆動モード「安全な状態にバッテリを移行させる」のために動作可能であるということを、トラクション駆動部の通信インタフェース２９を介してバッテリ１０、２０に報知する。
【００２５】
ｃ）これに基づいて、最初に、バッテリ１０の充電および分離装置１４の充電スイッチが閉鎖される。バッテリ１０が第２の分離装置１５を有する場合には、続いて、この分離装置１５の分離スイッチ１７が閉鎖される。ここで、バッテリセル１１は、充電および分離装置１４の充電抵抗器１９を介して短絡させられる。したがって、バッテリセル１１は放電させられる。電気機械２３内では、インバータ２２の選択された起動に基づいて回転トルクが生成されない。
【００２６】
従来技術によるバッテリシステム内では、充電抵抗器１９は、直流電圧中間回路コンデンサ２１の充電のためにのみ使用される。したがって、充電抵抗器１９は、連続的に比較的大きな電流を案内する必要はなく、したがって、コストおよびスペースの理由から、このような駆動ケースのためには設計されていない。
【００２７】
充電抵抗器１９が、本発明に基づき記載される形態により、安全構想の一部である場合には、充電抵抗器１９は、より大きな連続出力のために設計されている必要があり、または、バッテリシステムは、あるモデルで充電抵抗器１９の温度を形成する。限界温度を越え次第、バッテリ管理システム２７は、充電および分離装置１４の充電スイッチ、および／または、第２の任意の分離装置１５内の分離スイッチ１７を解放する。
【００２８】
充電抵抗器１９の温度が下がった後で、上記スイッチが、記載されたように再び閉鎖され、セル１１が再び放電させられる。このようにして、例えば強い発熱または発火により場合によっては後に発生する内部または外部の短絡も、外部短絡により生じる火事または燃焼するバッテリセルによる危険を招かない程度にまで、バッテリシステムのセルが放電させられる。
【００２９】
駆動モード「安全な状態にバッテリを移行させる」が終了した後で、バッテリ１０は有利に、分離スイッチ１６、１７の開放によって、コンデンサ２１により象徴されるトラクション電気系統から二極で分離される。
【００３０】
記載された安全構想を適用することによって、電気的トラクション駆動部またはトラクションバッテリの安全性を、従来技術に対して大幅に改善することが可能である。このために、以下のような技術的措置が講じられる。
【００３１】
バッテリの充電および分離装置の充電抵抗器は、場合によっては比較的大きな定電流のために設計される必要がある。
【００３２】
インバータ２２内の電力スイッチ２２ａ、２２ｂは、支線のうちの少なくとも１つの支線内で両方が同時に作動可能である必要がある。このことは、公知の解決策では、例えば、半導体スイッチのトリガ回路内でのハードウェアの削減により妨げられる。したがって、本発明に基づいて、場合によっては、トリガ回路を駆動モード「安全な状態にバッテリを移行させる」の分だけ拡張する必要がある。
【００３３】
駆動モード「安全な状態にバッテリを移行させる」は、機能的に、バッテリ管理システムのソフトウェア、および、インバータ電気デバイスの制御ソフトウェアに追加的に導入される。
【００３４】
記載される安全性構想は、事故の場合にのみ有利に使用されるわけではない。基本的に、技術的な問題の場合にも、バッテリセル１１を放電状態に移行させることが有効である。一例として、バッテリ１０、２０が満充電であるにも関わらず、エラーのために充電装置が充電電流を減らさないという、電気自動車内のバッテリの充電過程が挙げられる。この場合には、充電電流回路を保護する電気機械的スイッチを介して充電装置が停止されるという新しい安全構想が設けられるであろう。このことは、電気自動車、およびプラグイン（Ｐｌｕｇ−ｉｎ）ハイブリッド車両に固有なことであるため、図２には示されていない。続いて、記載されたやり方で、バッテリを放電させることが可能である。これにより、バッテリ１０、２０が安全な状態に移行されたということが保証される。
【図１】
2015527854.tif 000003
【図２】
2015527854.tif 000004
【図３】
2015527854.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月19日(2014.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリセルを含むバッテリのための安全装置であって、前記バッテリセルは、充電および分離装置を介して前記バッテリの極と接続可能である、前記安全装置において、
前記バッテリセル（１１）と並列に接続可能な、前記バッテリセル（１１）の放電のための手段が存在することを特徴とする、バッテリのための安全装置。
【請求項２】
前記バッテリ（１０、２０）は、トラクションバッテリであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項３】
前記バッテリセルの放電のための前記手段は、インバータ（２２）の構成要素であり、前記インバータ（２２）は、少なくとも作動および停止可能な電子バルブ（２２ａ、２２ｂ）を有し、およびバッテリ端子（１２、１３）と接続されていることを特徴とする、請求項１、または２に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項４】
前記電子バルブ（２２ａ、２２ｂ）は、少なくとも１つの半導体スイッチまたは電気機械的スイッチを含むことを特徴とする、請求項３に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項５】
前記バッテリセルの放電のための前記手段は、バッテリ管理部（２７）によって作動可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項６】
前記バッテリセルの放電のための前記手段に加えて、前記バッテリセル（１１）の充電状態を平衡化するための電子デバイスが存在し、
前記電子デバイスは、平衡用抵抗器と起動可能な要素を有し、バッテリ管理部（２７）と接続され、および、前記バッテリ管理部（２７）によって起動され、
前記平衡用抵抗器は、前記バッテリセル（１１）の放電のために用いられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリのための安全装置。
【請求項７】
複数のバッテリセルを含むバッテリの放電方法であって、前記バッテリセルは、充電および分離装置を介して前記バッテリの極と接続可能である、前記放電方法において、
前記バッテリセルの放電のための手段が存在し、前記バッテリセルの放電のための前記手段は、バッテリ管理部（２７）が少なくとも１つのバッテリの極からの前記バッテリセル（１１）の分離を検出する場合には、前記バッテリ管理部（２７）によって前記バッテリセル（１１）に並列に接続されることを特徴とする、バッテリの放電方法。
【請求項８】
前記バッテリ管理部は、前記前記バッテリセルの放電のための前記手段に対して、当該バッテリセルの放電のための手段を前記バッテリセル（１１）に対して並列に接続させる起動信号を発することを特徴とする、請求項７に記載のバッテリの放電方法。
【請求項９】
前記バッテリセルの前記放電は、２つの前記バッテリの極（１２、１３）からの前記バッテリセル（１１）の二極での分離後に行われることを特徴とする、請求項７または８に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１０】
前記バッテリセル（１１）の前記放電の前に、絶縁抵抗検査が行われることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１１】
前記バッテリが安全な状態になるまで実行される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【請求項１２】
ハイブリッド車両または電気自動車で使用される、請求項７〜１１のいずれか１項に記載のバッテリの放電方法。
【国際調査報告】
2015527854.tif 000006
2015527854.tif 000007
2015527854.tif 000008
2015527854.tif 000009
2015527854.tif 000010
2015527854.tif 000011