(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続体に連結されたエネルギー蓄積装置用のバイパス装置であって、
起動可能な媒体を収納するチャンバと、
前記チャンバに隣接して配置されると共に固定端子に関して接触状態および非接触状態の間で移動可能な可動端子であって、前記可動端子および前記固定端子はバイパススイッチを形成するために前記エネルギー蓄積装置に対して並列接続された可動端子と、
定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードと互いに直列且つ前記エネルギー蓄積装置と並列に接続されたヒューズを有し、前記チャンバおよび前記エネルギー蓄積装置に連結された起動回路であって、前記起動回路は、前記定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードに対する電流の導通により前記ヒューズを破裂させて前記起動可能媒体を起動するように適応され、起動された前記媒体が前記可動端子を移動させて前記固定端子に接触させる力を生成することにより前記エネルギー蓄積装置をバイパスするバイパス電流経路を前記直列接続体に対して構築する前記バイパススイッチを起動する起動回路と、
前記エネルギー蓄積装置と並列に連結され、互いに直列に接続され且つ前記起動回路及び前記エネルギー蓄積装置と並列に接続された少なくとも２つの定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードを有し、前記バイパス電流経路が提供される間、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限するように適応される電圧制限回路と、
を有するバイパス装置。
【請求項２】
更に、前記チャンバ内に配置されると共に前記定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードに対する電流の導通により前記ヒューズを破裂させて前記起動可能媒体を起動する前記起動回路に連結された点火源を有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項３】
更に前記可動端子がその上を移動する案内部を有し、前記案内部は前記可動端子が前記固定端子との接触へと移動した後における前記可動端子の移動を阻止する溝付き表面を有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項４】
前記起動可能媒体はエアバッグパウダを有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項５】
前記起動可能媒体は気体状媒体を有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項６】
更に、前記起動可能媒体の起動に先立ち前記可動端子および前記固定端子の間の接触を防止すべく前記可動端子および前記固定端子の間に配置された可動アイソレータを有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項７】
前記起動回路は、前記定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードに対する電流の導通により前記ヒューズを破裂させる制御器を有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項８】
前記制御器は前記起動回路の外部に配置される請求項７に記載のバイパス装置。
【請求項９】
直列接続体に連結されたエネルギー蓄積装置用のバイパス装置であって、
起動可能媒体を収納する第１チャンバと、
前記第１チャンバに隣接して配置されると共に導電性流体を収納する第２チャンバと、
前記第２チャンバに隣接して配置された第３チャンバ内に提供されると共に前記エネルギー蓄積装置に対して並列接続された一対の端子と、
前記第１チャンバおよび前記エネルギー蓄積装置に連結された起動回路であって、前記起動回路は前記エネルギー蓄積装置における異常状態の検出に応じて前記起動可能媒体を起動し、起動された前記媒体が前記導電性流体を前記第２チャンバから前記第３チャンバ内および前記一対の端子の間へと通過させることにより、前記エネルギー蓄積装置をバイパスする電流経路を前記直列接続体に提供する起動回路とを有するバイパス装置。
【請求項１０】
前記バイパス装置は更に、前記起動可能媒体を起動すべく前記第１チャンバ内に配置された点火源を有し、
前記起動可能媒体は、気体状媒体またはエアバッグパウダである請求項９に記載のバイパス装置。
【請求項１１】
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積装置間の異常電圧を検出する検出器を有する請求項９に記載のバイパス装置。
【請求項１２】
直列接続体に連結されたエネルギー蓄積ユニット用のバイパス装置であって、
起動可能な媒体を収納するチャンバと、
前記エネルギー蓄積ユニットに並列接続され、前記エネルギー蓄積ユニットのエネルギー状態を表すエネルギーパラメータを検知するセンサと、
前記エネルギー蓄積ユニットに並列接続されると共に非励起状態および励起状態で作動可能なバイパス機構であって、前記非励起状態においては前記エネルギー蓄積ユニットを通る電流に関して実質的に導通せず且つ前記励起状態においては前記エネルギー蓄積ユニットを通ることなく前記直列接続体を通る電流に対する電流経路を提供するバイパス機構と、
定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードと互いに直列且つ前記エネルギー蓄積装置と並列に接続されたヒューズを有し、前記チャンバおよび前記エネルギー蓄積装置に連結され、前記定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードに対する電流の導通により前記ヒューズを破裂させて前記起動可能媒体を起動するように適応され、前記バイパススイッチを起動する起動回路と、
前記センサおよび前記起動回路に連結され、事前設定値から逸脱する前記エネルギーパラメータに応じて前記非励起状態から前記励起状態へと前記バイパス機構を起動させる制御器と、
前記エネルギー蓄積装置と並列に連結され、互いに直列に接続され且つ前記起動回路及び前記エネルギー蓄積装置と並列に接続された少なくとも２つの定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードを有し、前記バイパス電流経路が提供される間、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限するように適応される電圧制限回路と、
を有するバイパス装置。
【請求項１３】
前記センサにより検知されるエネルギーパラメータは前記エネルギー蓄積ユニットの電圧である請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項１４】
前記バイパス機構は変位可能導体および固定導体を有し、前記変位可能導体は前記固定導体との係合へと移動して前記バイパス電流経路を提供する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項１５】
前記変位可能導体は導電性ロッドを有する請求項１４に記載のバイパス装置。
【請求項１６】
前記バイパス機構は変位可能導体および固定導体を有し、前記変位可能導体は爆発性の力により前記固定導体との係合へと移動して前記バイパス電流経路を提供する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項１７】
前記バイパス機構は前記直列接続体に対して電流を通過させる永続的バイパス電流経路を提供する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項１８】
前記制御器は前記バイパス装置の外部に配置されたマイクロプロセッサを有する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項１９】
前記エネルギー蓄積ユニットは、前記直列接続体に連結された１つの薄膜電気化学セルを有する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項２０】
前記エネルギー蓄積ユニットは前記直列接続体に連結された１つのエネルギー蓄積モジュールを備え、前記複数のモジュールの各々は直列接続された１つの薄膜電気化学セルを有する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項２１】
起動可能な媒体を収納するチャンバと、
直列接続体を通る電流を生成する複数のエネルギー蓄積ユニットと、
前記複数のエネルギー蓄積ユニットのひとつに対して各々が連結された複数のバイパス機構と、を有し、前記複数のバイパス機構の各々は、
前記複数のエネルギー蓄積ユニットの特定のエネルギー蓄積ユニットに並列接続されて前記特定のエネルギー蓄積ユニットの電圧を検知するバイパス回路と、
定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードと互いに直列且つ前記エネルギー蓄積装置と並列に接続されたヒューズを有し、前記チャンバおよび前記エネルギー蓄積装置に連結され、前記定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードに対する電流の導通により前記ヒューズを破裂させて前記起動可能媒体を起動するように適応され、前記バイパススイッチを起動する起動回路と、
前記特定のエネルギー蓄積ユニットに並列接続されると共に、前記バイパス回路によって起動されたときに前記特定のエネルギー蓄積ユニットをバイパスすべく前記直列接続体への電流を通過させるバイパス電流経路を提供するバイパススイッチと、
前記エネルギー蓄積装置と並列に連結され、互いに直列に接続され且つ前記起動回路及び前記エネルギー蓄積装置と並列に接続された少なくとも２つの定電圧ダイオードまたはツェナーダイオードを有し、前記バイパス電流経路が提供される間、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限するように適応される電圧制限回路と、
を有するバイパス装置。
【請求項２２】
前記バイパススイッチは変位可能導体および固定導体を有し、前記変位可能導体は前記固定導体との係合へと移動して前記バイパス電流経路を提供する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項２３】
前記変位可能導体は導電性ロッドを有する請求項２２に記載のバイパス装置。
【請求項２４】
前記バイパススイッチは、起動されたときに前記直列接続体を通る実質的に全ての電流を通過する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項２５】
前記バイパス回路は前記特定のエネルギー蓄積ユニットの電圧を検知する制御器を有し、前記制御器は前記事前設定電圧限界値から逸脱する検知電圧に応じて前記バイパススイッチを起動する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項２６】
前記バイパス回路は前記特定のエネルギー蓄積ユニットにおける開路を検出すると共に前記開路の検出に応じて前記バイパススイッチを起動する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項２７】
前記バイパス回路は、前記エネルギー蓄積ユニットの充電間の第１電圧極性によって前記特定のエネルギー蓄積ユニットにおける開路を検出し、前記エネルギー蓄積ユニットの放電間の第２電圧極性によって前記特定のエネルギー蓄積ユニットにおける開路を検出する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項２８】
前記第１電圧極性は正の電圧極性により特徴付けられると共に前記第２電圧極性は負の電圧極性により特徴付けられる請求項２７に記載のバイパス装置。
【請求項２９】
前記起動可能媒体の起動により、前記直列接続体を通る実質的に全ての電流が、前記可動端子および前記固定端子により規定された前記バイパス電流経路を通る請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項３０】
前記起動可能媒体の起動により前記可動端子および前記固定端子を通る電流は、数百アンペア台のアンペア数を有する請求項２９に記載のバイパス装置。
【請求項３１】
前記起動可能媒体の起動により、前記直列接続体を通る実質的に全ての電流が、前記一対の端子により規定された前記電流経路を通る請求項９に記載のバイパス装置。
【請求項３２】
前記バイパス機構が前記励起状態にあるときに、前記直列接続体を通る実質的に全ての電流が、前記バイパス機構により規定された前記バイパス電流経路を通る請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項３３】
前記バイパス機構により規定された前記バイパス電流経路を通る電流は数百アンペア台のアンペア数を有する請求項３２に記載のバイパス装置。
【請求項３４】
前記制御器は、前記エネルギー蓄積ユニットの電圧として前記エネルギーパラメータを検知するマイクロプロセッサを有し、
前記マイクロプロセッサは、事前設定電圧限界値から逸脱する検知電圧に応じて前記バイパス機構を前記励起状態で作動させる請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項３５】
前記起動回路は前記エネルギー蓄積装置で生じた前記異常状態として開路状態を検出すると共に、前記起動回路は前記開路状態に応じて前記起動可能媒体を起動する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項３６】
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積装置の充電間の第１電圧極性により前記エネルギー蓄積装置における開路を検出し、前記エネルギー蓄積装置の放電間の第２電圧極性により前記エネルギー蓄積装置における開路を検出する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項３７】
前記第１電圧極性は正の電圧極性により特徴付けられると共に前記第２電圧極性は負の電圧極性により特徴付けられる請求項３６に記載のバイパス装置。
【請求項３８】
前記検出器は前記エネルギー蓄積装置間の異常電圧として開路電圧を検出すると共に、前記起動回路は前記検出器が前記開路電圧を検出したことに応じて前記起動可能媒体を起動する請求項１１に記載のバイパス装置。
【請求項３９】
前記電圧制限回路は、前記起動可能媒体の起動と前記可動端子及び前記固定端子間の確立された接触との間の時間中、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項４０】
前記電圧制限回路は、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を予め決められた電圧限界値に制限する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項４１】
前記電圧制限回路は、前記少なくとも２以上の直列に接続されたダイオードと関連した順方向バイアス電圧値の合計と等しい電圧に、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項４２】
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積装置で発生した異常状態の前記起動回路による検出または外部制御器からの起動信号の受信に応答して、前記起動可能媒体を起動する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項４３】
前記制御器は前記起動回路中に提供される請求項７に記載のバイパス装置。
【請求項４４】
前記電圧制限回路は、前記エネルギー蓄積ユニット間の電圧を予め決められた電圧限界値に制限する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項４５】
前記電圧制限回路は、前記少なくとも２以上の直列に接続されたダイオードと関連した順方向バイアス電圧値の合計と等しい電圧に、前記エネルギー蓄積装置間の電圧を制限する請求項４４に記載のバイパス装置。
【請求項４６】
前記電圧制限回路は、前記起動可能媒体の起動と前記可動端子及び前記固定端子間の確立された接触との間の時間中、前記特定のエネルギー蓄積ユニット間の電圧を制限する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項４７】
前記電圧制限回路は、前記特定のエネルギー蓄積ユニット間の電圧を予め決められた電圧限界値に制限する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項４８】
前記電圧制限回路は、前記少なくとも２以上の直列に接続されたダイオードと関連した順方向バイアス電圧値の合計と等しい電圧に、前記特定のエネルギー蓄積ユニット間の電圧を制限する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項４９】
前記起動回路は、前記特定のエネルギー蓄積ユニットで発生した異常状態の前記起動回路による検出または外部制御器からの起動信号の受信に応答して、前記起動可能媒体を起動する請求項２１に記載のバイパス装置。
【請求項５０】
前記エネルギー蓄積装置は、金属水素化物セル、リチウム・イオン・セル、及びリチウム・ポリマ・セルから選択される電気化学セルを有する請求項１に記載のバイパス装置。
【請求項５１】
前記エネルギー蓄積ユニットは、金属水素化物セル、リチウム・イオン・セル、及びリチウム・ポリマ・セルから選択される電気化学セルを有する請求項１２に記載のバイパス装置。
【請求項５２】
前記エネルギー蓄積ユニットは、金属水素化物セル、リチウム・イオン・セル、及びリチウム・ポリマ・セルから選択される電気化学セルを有する請求項２１に記載のバイパス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明はエネルギー蓄積装置に関し、より詳細には、他のエネルギー蓄積装置に対して直列接続された欠陥エネルギー蓄積装置に対してバイパス電流経路を提供する装置および方法に関する。
従来の技術
最近では多くの先進のバッテリ技術が開発されているが、それは例えば金属水素化物(例えばNi-MH)、リチウム・イオンおよびリチウム・ポリマ・セル技術などであり、広範囲な商用的用途および消費者用途に対して高エネルギー生成を約束するものである。高エネルギー用途においては、通常必要な量の電力を生成すべく相当に多数の別体のエネルギー蓄積装置もしくはセルが直列接続されている。一例として電気自動車に給電するのに適したバッテリシステムは、数百ボルトの電圧定格および数百アンペアの電流定格を有し得る。
【０００２】
再充電可能なエネルギー蓄積セルが直列に接続された用途においては、電気化学的および電圧／電流特性が等しい、または極めて類似したセルを使用することが望ましい。直列に配列されたセル中のあるエネルギー蓄積セルが、直列接続された他の複数のエネルギー蓄積セルとはまったく異なる特性を示す場合、充電および放電の間に不都合な結果に帰着することが知られている。
【０００３】
例えば、電気化学セルの直列配列のエネルギー出力は、直列接続体内の個々のセルの性能により制限される。欠陥のあるセル又は異常に動作するセルは、直列接続セルの全体性能を減少するが、直列配列における高性能セルと等しいレベルで動作しようとする。セル作動特性におけるこの不都合な不均衡は、低性能セルの劣化を促進し、これは更に全体的なエネルギーシステム性能の劣化速度を増大させる。
【０００４】
直列接続体内におけるセルの不均衡による別の不都合な結果としては、直列配列内における異常なエネルギー蓄積セルの電圧が充電の間において公称最大電圧の限界を急速に超えることが挙げられる。このような過電圧もしくは過充電状態はセルを損傷し得ると共に、直列接続体における当該セルおよび他のセルの耐用期間を相当に減少することもある。
【０００５】
直列配列セル内における欠陥セルが継続的に存在することから生ずる不都合な結果を緩和すべく、多数の技術が開発されている。しかしながら通常、このような技術は、高電流高電圧電力生成システムにおいては適用できない。他の公知の手法は直列接続体を通る電流に対して容認し得ない高抵抗を示すことから、直列配列セルにより供給される電力を減少すると共にセル配列内における熱発生を増大する。通常このような手法は、不都合な漏れ電流特性も示す。
【０００６】
大量生産されるエネルギー蓄積セルの特性は、所定の構築要件から種々の度合で逸脱することが理解される。更に、製造時点では容認可能と見なされたとしても、セル特性は経時的に種々の比率で且つ種々の度合で製造仕様から逸脱する。  故にバッテリ製造業界においては、直列接続されたエネルギー蓄積セルの全体性能に対する欠陥セルの悪影響を効果的にかつ安全に緩和する装置および方法に対する要望が存在する。また、更に直列接続体を通る大電流も処理し得る手法に対する要望が存在する。本発明はこれらのおよび他の要望を満足するものである。
発明の要約
本発明は、直列接続エネルギー蓄積装置に対するバイパス装置および方法に関する。共通直列接続体に連結されたエネルギー蓄積装置の各々は、並列に接続された関連するバイパスユニットを有している。電流バイパスユニットは、関連するエネルギー蓄積装置もしくはセルに対して並列接続されると共にセル電圧などのセルのエネルギー状態を表すエネルギーパラメータを検知するセンサを含む。エネルギー蓄積セルには、バイパススイッチが並列接続されて、非励起状態および励起状態の間で動作可能である。バイパススイッチは、非励起状態にあるときにはエネルギー蓄積セルを通る電流に関して実質的に導通せず、励起状態にあるときには関連セルをバイパスすべく直列接続体に対する電流を通過せしめるバイパス電流経路を提供する。制御器は、所定電圧設定値から逸脱するセルの電圧に応じて、バイパススイッチの起動を制御する。制御器は、バイパスユニット内に包含され、またはバイパスユニットの外部の制御プラットフォーム上に配置され得る。バイパススイッチが起動されたときに、永続的な又は一時的なバイパス電流経路を確立し得る。
発明の実施の形態
図面の内の特に図１を参照すると、直列接続エネルギー蓄積装置と共に使用されるバイパス装置の実施例が示されている。多数のエネルギー蓄積装置２２は、正極端子２５および負極端子２７で終端する直列接続体もしくはバス２４により直列接続されている。バイパス装置２０は対応するエネルギー蓄積装置２２と関連付けられ、通常は対応するエネルギー蓄積装置２２に並列接続される。
【０００７】
通常の動作モードにおいて、直列接続体２４に接続されたエネルギー蓄積装置２２は、負荷または他のエネルギー消費要素に供給される放電電流を生成する。基準状態の下でバイパスユニット２０の各々は、直列接続された各エネルギー蓄積装置２２を通る電流を中断しない様に、非干渉状態に留まっている。また通常の充電動作モードの間においてバイパスユニット２０は、基準状態において直列接続体を通る充電電流に関して非干渉である。
【０００８】
充電または放電を行う間に直列接続体２４内のエネルギー蓄積装置２２が、欠陥もしくは異常に動作した場合、欠陥エネルギー蓄積装置２２に結合されたバイパスユニット２０が起動される。起動時にバイパスユニット２０は、欠陥エネルギー蓄積装置２２の回りで電流を分路(shunt) させるべく、直列接続体２４を通る電流をバイパス電流経路にそらす。一実施例においてバイパスユニット２０は、エネルギー蓄積装置２２と並列である永続的電流分路を確立し、分路は欠陥装置２２を直列接続体２４から効果的に分離する。代替実施例においては、欠陥装置２２の回りに一時的な電流分路が確立され、分路は実際に装置２２が故障したことを確認した後に永続的なものとされ得る。
【０００９】
このような異常動作状態は、特定セル間の電圧が低電圧スレッショルド値以下に低下するという低電圧状態に関係する。通常バイパス装置は、低電圧スレッショルド値以下へのセル電圧の低下に応じて起動される。別の異常状態としては、死(dead cell）セルなどの欠陥セルの極性反転状態が挙げられる。バイパスユニットは、セルの極性の変化の検出時に起動されても良い。
【００１０】
また図１に示された実施例を参照すると、バイパスユニット２０は、エネルギー蓄積装置２２と並列接続されたバイパススイッチ２６を含んでいる。またセル２２に対しては、セル２２のエネルギー状態を表すエネルギーパラメータを検知するセンサ３２が並列接続される。一実施例においてセンサ３２は、セル２２間の電位を監視する。センサ３２はスイッチ制御器３０に連結される一方、スイッチ制御器３０はバイパススイッチ２６に連結される。一実施例において上記スイッチ制御器３０は、センサ３２から受信した電圧を事前設定基準電圧と比較する。スイッチ制御器３０は、検知電圧と基準電圧との間の差を表す差分信号を計算する。事前設定値を超える差分信号に応じてスイッチ制御器３０は、バイパススイッチ２６に送信される制御信号を生成する。制御信号に応じてバイパススイッチ２６は、直列接続体２４に連結されたバイパス電流経路２８を起動して、電流がセル２２をバイパスするようにバイパス電流経路２８を介して電流を分路する。
【００１１】
一実施例に依ればスイッチ制御器３０は、バイパスユニット２０の外部の制御器３４と通信し、制御器３４から設定値パラメータおよびトリガ信号を受信する。例えば、差分信号を計算するときにスイッチ制御器３０により使用される基準電圧は、制御器３４により確立されて通信チャネル３３を介して通信され得る。更なる例として、共通直列接続体２４における特定エネルギーセル２２が欠陥しまたは異常に動作していることを決定したときに、制御器３４はスイッチ制御器３０に対して通信されるトリガ信号を生成する。トリガ信号に応じてスイッチ制御器３０はコマンド信号を生成し、コマンド信号はバイパススイッチ２６を起動することにより、欠陥セル２２の回りの直列接続体２４における電流をそらせる。
【００１２】
この実施例においては、マイクロプロセッサであり得る制御器３４により、バイパスユニット２０と、直列接続体２４に連結されたエネルギー蓄積セル２２とに関する動作および状態情報が獲得される。更にこのような実施例では、制御器３４と、モジュールプラットフォームまたはバッテリシステムプラットフォーム上に提供され得るシステム制御器もしくはコンピュータとの間における状態情報および制御パラメータなどの情報の通信を提供する。
【００１３】
図２および図３は、夫々、非励起状態および励起状態でのバイパスユニットの実施例を示している。この実施例に依れば、バイパス制御器４３は直列接続された多数のエネルギー蓄積セル４０のひとつの電位を検出する。バイパス制御器４３は、可動端子４８とチャンバ４４とを含む機械的バイパスアクチュエータ４６に連結される。セル４０の異常動作状態の検出に応じてバイパス制御器４３は、可動端子４８が図２に示されたような非接触状態から図３に示されたような接触状態へと移動するようにバイパスアクチュエータ４６を起動する。
【００１４】
より詳細にはチャンバ４４は、バイパス制御器４３により起動されたときに急速に膨張することによりチャンバ４４と可動端子４８との間に配置された分離壁４５を破壊する物質もしくはガスを収納する。チャンバ４４内に収納されたガスもしくは物質の起動は、可動端子４８を固定端子５２へと係合させる。故に、可動端子４８の接点５０は固定端子５２と交合的に（matingly）係合する。この様にしてバイパスアクチュエータ４６を通る電流経路が確立されるが、電流に対する経路の抵抗は、異常作動セル４０を通る電流経路よりも相当に小さい。バイパスアクチュエータ４６の起動の結果として、直列接続体４１内における他のセル４０に対して連続的に電流を提供する永続的な短絡電流経路がバイパスアクチュエータ４６を通して確立される。
【００１５】
図４には、図２および図３に関して概略記述されたのと同様の手法で動作するバイパスアクチュエータ６０の実施例が示されている。バイパスアクチュエータ６０は、小ヒューズ７２の使用により起動される“エアバッグパウダ(air bag powder)”が充填された容器６６を含む。“エアバッグパウダ”という語句は、自動車用のエアバッグの起動に一般的に使用される爆発性のパウダを指している。起動プロセスは、ヒューズ７２を破裂させてパウダ容器６６内のエアバッグパウダの急速な膨張を引き起こすことで開始される。エアバッグパウダの起動により生成された力は、ピストン６８および金属ロッド７０を接触端子６４に向けて迅速に加速する。端子６４との接触時に導電性金属ロッド７０は、端子６２から導電性金属ロッド７０および接触端子６４を通ることにより一対の端子６２、６４と並列接続されたセルをバイパスするという永続的バイパス電流経路を確立する。
【００１６】
金属ロッド７０と接触端子６４との間に永続的で、安定的な低抵抗のインタフェースを確立する上では、端子６４との初期衝突の後で生ずる金属ロッド７０の不都合な跳ね返り(bounce-back) が防止されることが重要である。金属ロッド７０の跳ね返りは、金属ロッド７０と接触端子６４との間にアークを生成するが、通常アークはロッド７０および接触端子６４の両者の表面特性もしくはインタフェースの幾何学形状を変化させる。このような不都合な変化は、接触インタフェースにおける電気抵抗の相当の増大、および、物理的衝撃の存在における接触インタフェースの不安定性に帰着する。故に、バイパスアクチュエータ６０の起動時に、金属ロッド７０と接触端子６４との間に跳ね返りが生ずるのを防止することが望ましい。
【００１７】
一実施例においては、接触端子６４の傾斜表面７６に沿って多数の溝が提供される。図６Ａおよび図６Ｂなどに示された傾斜溝表面７６は、直線経路にて金属ロッド７０を接触端子７６／６４に向けて案内する。接触端子６４の傾斜溝表面７６に沿った金属ロッド７０の移動を容易にして、金属ロッド７０に対して上向きの力を付与すべく、小スプリングが採用され得る。この構成は、金属ロッド７０および接触端子６４の間に信頼性のある永続的な接触を提供すると共に、接触インタフェースにて不都合な跳ね返りが生ずるのを防止する。
【００１８】
図４に示された実施例において、エアバッグパウダ容器６６は円筒形状であると共に約６．３５mm（０．２５インチ）の直径を有している。端子６２、６４は、銅製とされ得ることを銘記されたい。非励起状態の間において金属ロッド７０はアイソレータ７４を使用して接触端子６４から分離され得るが、アイソレータ７４は金属ロッド７０に対して抵抗力を付与して、起動前におけるロッド７０の移動を制限するものである。電気的に非導電性の材料から形成され得るアイソレータ７４は、エアバッグパウダの起動時にロッド７０によりアイソレータ７４に付与される力により非干渉方位に移動される。
【００１９】
図５に示された内容は、バイパスアクチュエータ６０の起動時に、跳ね返りを生ずることなく端子６２、６４間に確立されたバイパス電流経路を介して安定電流が通過することを示している。金属ロッド７０と接触端子６４との間の接触は、エアバッグパウダの起動後の約５ミリ秒以内の期間に行われる。金属ロッド７０と接触端子６４との間におけるインタフェースの接触抵抗は、約２５ミリオーム程度である。
【００２０】
図６Ａおよび図６Ｂに示された実施例においてバイパス機構１００は、バイパス機構１００の第１端子１０１に取付けられたアクチュエータ１０４を含んでいる。バイパス機構１００の第１端子１０１および第２端子１０３は、直列接続エネルギー蓄積装置の夫々の第１および第２端子に接続される。ヒューズ１０２が破裂されたとき、アクチュエータ１０４に取付けられたピストン１０８は、第1端子１０１および絶縁体１１０により構成されたガイドに沿う方向に、導電性ロッド１０６を第２端子１０３に向けて押す。導電性ロッド１０６が第２端子１０３と接触するときに導電性ロッド１０６は、第２端子１０３のガイド部分に展開されたかえし状(barb-like）突起または溝１１２により、第２端子１０３との係合から跳ね返るのを防止される。このように、第１および第２端子１０１、１０３の間には確実な永続的接触が確立され、接触は直列接続体を通過する電流をそらす。
【００２１】
図７を参照するとバイパスユニット１１０の他の実施例が示されており、ユニット１１０は起動時に、直列接続体１１４における電流をバイパスすると共に直列接続体から欠陥エネルギー蓄積装置すなわちセル１１２を分離する目的で永続的バイパス電流経路を提供する。この特定実施例においては、エアバッグパウダなどの爆発材料を含むチャンバ１１８と、一対の端子１２２が提供されたチャンバ１２１との間に配置されたチャンバ１２０内には導電性の液体金属が収納される。各端子１２２は、セル１１２の正極接点および負極接点に夫々接続される。欠陥エネルギー蓄積セル１１２の検出時、または外部制御器もしくはプロセッサからのトリガ信号１３０の受信時に、バイパス制御器１１６はヒューズ１２４を破裂させて、チャンバ１１８内のエアバッグパウダを起動する。この起動による力が分離壁１２８を破壊し、導電性の液体金属１２０が端子１２２、１２３と接触すべく流動するのを許容する。導電性液体金属は、直列接続体１１４を通る電流を導通し、欠陥セル１１２をバイパスする為の低抵抗経路１３４を提供する。
【００２２】
一般にここで示されたバイパスユニットは、セル間で検出された開路(open circuit)の発生時、または充電もしくは放電動作モードのいずれかの間にセルが故障したことが決定されたときに起動される。バイパスユニットは、セル１１２で生じた開路状態の検出時に自己起動しても良く、またはセル１１２が故障しもしくは異常に動作していることを外部制御器もしくはプロセッサが決定したときに制御器からのトリガ信号を受信するなどして外部から起動されても良い。
【００２３】
図８を参照すると、セルにおける異常作動状態を検出すると共に欠陥セル以外の直列接続体を通る電流経路を確立する為のバイパス回路の実施例が示されている。図８に示されたバイパス回路は、セル１４０における開路状態を検出すると共に、セル１４０の回りの低抵抗電流経路１６２を確立すべくバイパススイッチ１６０を起動する内部検出回路１４４を含んでいる。バイパス回路はまた、トリガ信号の発行時にバイパススイッチ１６０を外部的に起動する外部プロセッサまたは制御器に対する接続を提供するインタフェース回路１４６も含み得る。バイパススイッチ１６０は、上述したような機械的バイパス装置、または他の永続的なもしくは非永続的な機械的なもしくは電気的なバイパス機構を表すことを銘記されたい。
【００２４】
図８に示されたバイパス機構は、少なくとも３つの条件下で起動され得る。前述の如くバイパス装置は、インタフェース回路１４６を使用して外部的に起動され得る。第２に、バイパス装置は、セル放電の間においてセル１４０に開路状態が検出されたときに起動される。第３に、充電の間においてセル１４０に生ずる開路状態は、バイパス装置の起動に帰着する。
【００２５】
図８に示されたバイパス回路を起動する第１モードに関し、セル１４０間の電圧が監視されると共に電圧が１．０Ｖなどの事前設定電圧限界値Ｖf 以下であると決定されたときに、インタフェース回路１４６に連結された制御器もしくはプロセッサにより生成されたトリガ信号１６４は光分離ドライバ１６６により受信される。トリガ信号１６４を受信すると光分離ドライバ１６６は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタなどのトランジスタ１４８に電流を導通させてヒューズ１５０を破裂させる。ヒューズ１５０の破裂は、バイパススイッチ１６０の起動に帰着し、これにより、直列接続体１４２から欠陥セル１４０を分離するバイパス電流経路１６２が確立される。
【００２６】
バイパス装置を起動する第２モードに関し、セル放電の間にセル１４０に開路状態が生じたすれば、欠陥セル１４０間に負電圧(negative voltage)が検出される。セル１４０の負電圧の結果として、ダイオード１５２は電流の導通を開始し、ヒューズ１５０を破裂させる。セル１４０間の電圧は、事前設定電圧限界値Ｖf に制限されることを銘記されたい。ヒューズ１５０の破裂によりバイパススイッチ１６０は閉成され、バイパス電流経路１６２を確立する。ヒューズ１５０の破裂とバイパススイッチ１６０の閉成との間の時間遅延はダイオード１５４および１５６の順方向バイアスに帰着し、この時間間隔の間においてセル間の電圧を事前設定電圧限界値Ｖf の２倍に制限している。
【００２７】
バイパス装置を起動する第３モードに関し、充電の間にセル１４０で開路状態が生ずると、欠陥セル１４０間に正電圧(positive voltage)が検出される。結果としてダイオード１５２は電流の導通を開始し、ヒューズ１５０を破裂させる。この状態においてセル１４０間の電圧は約４．７Ｖに制限される。ヒューズ１５０の破裂時にバイパススイッチ１６０が起動されて、バイパス電流経路１６２を確立する。ヒューズ破裂とバイパススイッチ１６０の閉成との間の時間遅延はダイオード１５４および１５６の逆方向バイアスに帰着し、欠陥セル間の電圧を１０Ｖ（２個のダイオード×５Ｖ）に制限している。
【００２８】
本発明の一実施例に依れば、図２および図３ならびに図７および図８に示されたエネルギー蓄積装置は、図９および図１０に示されたタイプの固体薄膜セルを構成し得る。このような薄膜電気化学セルは、例えば電気自動車などで使用されるような高電流高電圧エネルギー蓄積モジュールおよびバッテリを構成すべく使用されるのに特に適している。
【００２９】
図９には、アノード接点２０１およびカソード電流コレクタ接点２０３が各縁部に形成された角柱状(prismatic）電気化学セル２００の実施例が示されている。アノードおよびカソード接点２０１、２０３の各々には、熱伝導器２０２がスポット溶接、またそうでなければ取付けられている。通常熱伝導器２０２は、アノード接点２０１およびカソード電流コレクタ接点２０３の長さに沿って配置されると共に、アノードおよびカソード接点２０１、２０３に沿って収集かつ導通された電流を電気化学セル２００に対して導通する電気接続導線２０４を含む。
【００３０】
一実施例において熱伝導器２０２は、セル２００と、セル２００に隣接して配置された熱伝導性の電気抵抗材料又は構造との間で熱エネルギーを効果的に伝導する熱流束経路も提供する。この点に関し、アノードおよびカソード接点配置は、電流導通金属被覆層（即ち接点２０１、２０３と、別体の熱伝導器２０２とにより構成された二部材構造と見なされ得る。但し、アノードおよびカソードの電流導通膜層に取付けられた単一構造により構成された組合わされた電気／熱導体も採用し得ることが理解される。熱伝導器２０２は、セル２００と、セル２００に隣接して配置された収納容器の金属平面などの構造との間において、セル２００と隣接構造との間における相対移動に応じて実質的に連続的な接触を提供するスプリング的特性を示す形状とされている。熱伝導器２０２は銅から形成されると共に、実質的にＣ形状、２重Ｃ形状、Ｚ形状、Ｖ形状、Ｏ形状またはＳ形状の断面を有し得る。
【００３１】
この実施例において電気化学セル２００は、約１３５mmの長さＬ、約１４９mmの高さＨ、および、約５．４mmまたは発泡コア要素を含むときは約５．８６mmの幅Ｗecを有すべく作製される。カソード接点２０３およびアノード接点２０１の幅Ｗc は夫々約３．９mmである。通常セル２００は、約３６．５Whの公称定格エネルギー、８０％の放電深度(DOD）時における８７．０Ｗのピーク定格電力、および、フル充電時における１４．４Ahのセル容量を示す。図１１は、図９乃至図１０に示されたものと実質的に同一の構成を有する電気化学セルに対する電圧および容量の間の関係をグラフで示している。個々の電気化学セルは約２．０Ｖ乃至３．１Ｖの公称動作電圧を有することが理解される。
【００３２】
図９に示された電気化学セルは、図１０に示されたものと同様の構成を有し得る。この実施例において電気化学セル１８０は平坦に巻かれた角柱形状を有すべく示されているが、これは、イオン搬送膜を構成する固体ポリマ電解質１８６と、リチウム製金属アノード１８４と、酸化バナジウム製カソード１８８と、中央電流コレクタ１９０とを取り入れている。これらの膜要素は、ポリプロピレン膜などの絶縁膜をも含み得る薄膜積層角柱構造を形成すべく作製される。
【００３３】
アノードおよびカソード電流コレクタ膜１８４、１９０の夫々の縁部１８５、１８３に沿って電流収集接点を形成すべく、公知のスパッタ金属被覆処理が採用される。金属溶射(metal-sprayed）接点はアノードおよびカソード電流コレクタ膜縁部１８５、１８３の長さに沿い優れた電流収集を提供すると共に、良好な電気接触および熱伝導特性を示す。図９乃至図１０に示された電気化学セルは、米国特許第５，４２３，１１０号、第５，４１５，９５４号および第４，８９７，９１７号に開示された方法に従って作製され得る。
【００３４】
所望の電圧および定格電流を達成すべく、多数の電気化学セルが並列および／または直列関係で選択的に相互連結され得る。例えば図１２乃至図１４を参照すると、多数の別体の電気化学セル２１０がグループ化されるとともに共通の正及び負の電力バスもしくはラインに対して並列に接続されることにより、セルパック２１２を形成する。次に多数の電気化学セルパック２１２が直列接続され、モジュール２１４を形成する。更に、多数の別体モジュール２１４が直列接続されてひとつのバッテリ２１６を構成する。
【００３５】
図１２乃至図１３に示された実施例は、広範囲な高出力用途に対して所望の電力要件を達成する効果的手段を提供するモジュラーパッケージ化手法に従った電気化学セル２１０の配置構成を示している。ここに示された実施例においては８個の電気化学セル２１０がグループ化されると共に並列接続されてセルパック２１２を形成する。また、モジュール２１４は６個のセルパック２１２をグループ化して直列接続することにより構成される。更にバッテリ２１６は、直列接続された２４個のモジュール２１４を構成するものとして示されている。
【００３６】
これらの配置構成が与えられると共に電気化学セル２１０の各々は図１１に示されたセルと等しい寸法および特性を有するとすれば、別体セル２１０の各々は約３６．５Whの合計エネルギー出力を提供する。セルパック２１２の各々は約２９２Whの合計エネルギー出力を提供する一方、各モジュール２１４は１．７５kWh の合計エネルギー出力を提供する。図１２の実施例に示された如く軸方向に４列で長手方向に６列で配向されて直列接続されたモジュール２１４により構成されるバッテリ２１６は、約４２kWh の合計エネルギー出力を提供する。セルパック２１２、モジュール２１４およびバッテリ２１６を形成する電気化学セル２１０の配置構成およびセル２１０の相互連結は、図１２乃至図１３に示された配置構成から変更され得ることが理解される。
【００３７】
本発明の原理に従って作動するバイパス装置を採用したときに実現される大きな利点は、バイパス装置の起動時に確立されるバイパス電流経路を通り、数百アンペア台の相当量の電流を通過せしめる能力である。例えば、本明細書中で上述されたタイプの個々のバイパスユニットは、バッテリ２１６を構成する各モジュール２１４内に収納された電気化学セルパック２１２の各々と並列に接続され得る。図１２に示された形態において、バッテリ２１６の直列接続モジュール２１４は約４００Ａ程度のピーク動作電流を生成する。欠陥セルパック２１２と結合された特定のバイパスユニットの起動時に、バイパスユニットにより確立されたバイパス電流経路は、直列接続体の全アンペア数（即ち４００Ａピーク）を導通する。
【００３８】
図１３においては、多数の電気化学セル２１０、相互連結ハードウェア並びに制御ハードウェアおよびソフトウェアを収納するエネルギー蓄積モジュール２１４の実施例の分解図が示されている。一実施例に依ればモジュール２１４は、電力ボード２２０を使用して相互連結された４８個の電気化学セル２１０を含む。電気化学セル２１０の積層体は６個のセルパック２１２へと分離され、その全ては２本のバンド２２２と２枚の対向スラストプレート２２４を使用して一体的に結合される。
【００３９】
４８個の電気化学的セル２１０は、バンド２２２／スラストプレート２２４と、セル２１０の各々および／またはセル２１０の全てもしくは選択されたものの間に配設された発泡体もしくはスプリング型の要素とを使用することにより生成される継続的な圧縮力を受けている。セル２１０の各々の中心に配備された発泡体もしくはスプリング型のコア要素は各セル２１０間に圧力を均等に分散する役割を果たすが、このことは充電および放電サイクルの間にセル体積が変化するときに特に重要であることを銘記されたい。通常バイパス回路は電力ボード２２０上に提供されるが、制御ボード２２６上、または、電力ボード２２０と電気的に通信された他の内部もしくは外部プラットフォーム上に配置されたマイクロプロセッサなどの構成要素も含み得る。
【００４０】
本明細書中で論じた種々の実施例に対し、本発明の範囲または精神から逸脱することなしに種々の改変および付加が為され得ることは当然理解されよう。例えば、本明細書中で開示されたバイパス方法は、湿式および乾式の電解セルなどの従来設計、または、ニッケル金属水素化物（Ni-MH)、リチウム・イオン(Li イオン)および他の高エネルギーバッテリ技術を採用した先進設計の直列接続エネルギー蓄積装置に対して採用され得る。故に、本発明の範囲は上述した特定実施例に制限されるのでは無く、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  直列接続エネルギー蓄積装置と共に使用される電流バイパス装置の実施例を示す図である。
【図２】  直列接続エネルギー蓄積ユニットに使用される電流バイパス機構の実施例における非励起状態を示す図である。
【図３】  直列接続エネルギー蓄積ユニットに使用される電流バイパス機構の実施例における励起状態を示す図である。
【図４】  本発明の実施例に係る機械的電流バイパス機構の励起状態での断面図である。
【図５】  図４に示されたバイパス機構の起動と関連したスイッチング時間を示す波形図である。
【図６Ａ】  本発明の他の実施例に係る電流バイパス機構の非励起状態の断面図である。
【図６Ｂ】  本発明の他の実施例に係る電流バイパス機構の励起状態の断面図である。
【図７】  電流バイパス機構の他の実施例を示す図である。
【図８】  電流バイパス回路の実施例の概略形態を示す図である。
【図９】  エネルギー蓄積装置の一実施例を示す角柱状電気化学セルを示す図である。
【図１０】  本発明の実施例に係る電気化学セルを構成する種々の膜層を示す図である。
【図１１】  図９乃至図１０に示されたものと同様の構成を有する固体薄膜セルの電圧および容量の間の関係をグラフで示す図である。
【図１２】  セルパック、モジュールおよびバッテリ配置構成などのエネルギー蓄積装置の種々のパッケージ形態を示す図である。
【図１３】  本発明の実施例に係るエネルギー蓄積モジュールの分解図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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