(57)【要約】      （修正有）【課題】過充電および／または重放電を防止するバッテリシステムを提供する。【解決手段】過充電および／または重放電を防止するバッテリシステム２０は、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を含む。電気エネルギー蓄積器は、電気エネルギー蓄積器の第１電極に電気接続された第１極２２と、電気エネルギー蓄積器の第２電極に電気接続された第２極２４と、電気エネルギー蓄積器を放電するための急速放電ユニット２６とを備える。急速放電ユニットは、第１極に電気接続された第１接続部２６１を備える。バッテリシステムは、急速放電ユニットをトリガするための導電性の機械的構成要素を備えるトリガユニット２７を含む。機械的構成要素は、電気エネルギー蓄積器の導電性のケーシング２１によっておよび／または電気接続部によって直接に第２極に電気接続される。【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過充電および／または重放電を防止するバッテリシステム（１０，２０）であって、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を含み、電気エネルギー蓄積器が、電気エネルギー蓄積器の第１電極に電気接続された第１極（１２，２２）と、急速放電ユニット（１６，２６）によって電気エネルギー蓄積器の第２電極に電気接続された第２極（１４，２４）とを備え、電気エネルギー蓄積器を放電するための急速放電ユニット（１６，２６）が、第１極に電気接続された第１接続部（２６１）を備えるバッテリシステムにおいて、
バッテリシステム（１０，２０）が、急速放電ユニット（１６，２６）をトリガするための導電性の機械的構成要素（２９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ）を有するトリガユニット（１７，２７，３７）を含み、機械的構成要素（２９，３９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ）が、電気エネルギー蓄積器の導電性のケーシング（１１，２１）によって、および／または電気接続部によって直接に第２極に電気接続されることを特徴とするバッテリシステム（１０，２０）。
【請求項２】
請求項１に記載のバッテリシステム（１０，２０）において、
前記急速放電ユニット（１６，２６）が急速放電回路（２６３）を含むバッテリシステム（１０，２０）。
【請求項３】
請求項２に記載のバッテリシステム（１０，２０）において、
前記急速放電回路（２６３）が、放電回路（３００）およびハーフブリッジ（３１０）を含むバッテリシステム（１０，２０）。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０，２０）において、
前記トリガユニット（１７，２７）の前記機械的構成要素（２９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ）が、前記機械的構成要素（２９，４９ａ，４９ｂ，４９ｃ）に作用する力によって可逆的または不可逆的に変形可能であるバッテリシステム（１０，２０）。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０，２０）の急速放電ユニット（２６３）を制御する方法において、
電気エネルギー蓄積器を放電するためにハーフブリッジ（３１０）でパワー半導体（３１２）をスイッチオンし、別のパワー半導体（３１１）を、能動的な作動時に制御可能な抵抗器として作動することを特徴とする方法。
【請求項６】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を備える車両において請求項１から４までのいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０，２０）を使用する使用方法。
【請求項７】
請求項６に記載のバッテリシステム（１０，２０）の使用方法において、
電気エネルギー蓄積器が、リチウムイオン電池、リチウム硫黄電池、および／またはリチウム空気電池である使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前提部分に記載の過充電および／または重放電を防止するバッテリシステムであって、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を含み、電気エネルギー蓄積器は、電気エネルギー蓄積器の第１電極に電気接続された第１極と、電気エネルギー蓄積器の第２電極に電気接続された第２極と、電気エネルギー蓄積器を放電するための急速放電ユニットとを備え、急速放電ユニットは、第１極に電気接続された第１接続部および第２極に電気接続された第２接続部を備えるバッテリシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０１５８２９号明細書は、電気化学式のエネルギー蓄積セルを開示している。このエネルギー蓄積セルは電流遮断装置を備え、電流遮断装置は、エネルギー蓄積セルを作動するためにエネルギー蓄積セルに設けられた少なくとも１つの電気接続部を遮断する。さらに、エネルギー蓄積セルは放電装置を備え、この放電装置は、エネルギー蓄積セルを作動するために設けられたエネルギー蓄積セルの少なくとも１つの電気接続部が電流遮断装置によって遮断された場合に、エネルギー蓄積セルの完全な放電または部分的な放電を可能にする。これにより、電気エネルギー蓄積セルの放電、ひいては、エネルギー蓄積セルの確実な運搬および確実な支持が可能となり、同時に過充電により損傷したエネルギー蓄積セルのさらなる作動が防止される。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１２２１９０８２号明細書は、リチウムイオン電池の電池セル内に配置される安全装置を開示している。この安全装置は、平面状に形成された少なくとも１つの金属導体、特に金属導体プレートまたは金属薄膜を含み、金属導体には絶縁層が塗布されており、金属導体は、電池セルの極との電気接続のための極接触部を備え、金属導体の絶縁層には、第１および第２の接触部を有する少なくとも１つの加熱抵抗器が配置されており、これらの接触部を介して、電流を加熱抵抗器に伝導することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０１５８２９号
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１２２１９０８２号
【発明の概要】
【０００５】
これに対して、独立請求項に記載の特徴を有する本発明による手段は、バッテリシステムが、急速放電ユニットをトリガするための導電性の機械的構成要素を備えるトリガユニットを含み、機械的構成要素は、電気エネルギー蓄積器の導電性のケーシングによって、および／または電気接続部によって直接に第２極に電気接続されるという利点を有している。これにより、有利にはバッテリシステムの電気エネルギー蓄積器を極めて迅速に放電し、バッテリシステムを安全な状態に移行することができる。
【０００６】
他の有利な実施形態が従属請求項の対象である。
【０００７】
急速放電ユニットは急速放電回路を含み、急速放電回路により、有利には電気エネルギー蓄積器の急速放電が確保される。さらに、急速放電回路を適切に設計することにより、急速放電ユニットを任意のバッテリシステムに適合させることができる。
【０００８】
急速放電回路は、パワー半導体およびハーフブリッジを有する放電回路を含む。これにより、電気エネルギー蓄積器を急速放電し、安全な状態に移行させることができる。
【０００９】
トリガユニットの機械的構成要素は、機械的構成要素に作用する力、例えばバッテリシステム内の圧力上昇によって可逆的または不可逆的に変形可能である。可逆的な変形によって、電気エネルギー蓄積器が正常な作動状態に戻った後に、導体と急速放電ユニットの接触部との間の導電性の接続が分離され、これにより、バッテリシステムにおいて電気的なエネルギー蓄積器を再び使用することができる。機械的構成要素が不可逆的に変形されている場合には、電気エネルギー蓄積器はバッテリシステムから持続的に分離され、これにより、有利には、電気エネルギー蓄積器が再び作動されることが防止される。
【００１０】
トリガユニットの機械的構成要素は、付加的な構成部品として実施されていてもよいし、および／または、例えば圧力逃し弁などの既存の構成部材によって実現されていてもよい。
【００１１】
バッテリシステムの放電回路の急速放電ユニットを制御する本発明による方法は、エネルギー蓄積器を放電するために急速放電回路のハーフブリッジのパワー半導体をスイッチオンし、放電回路の別のパワー半導体を、能動的な作動時に制御可能な抵抗器として作動する。
【００１２】
有利には、本発明によるバッテリシステムは少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を備える車両で使用され、これにより比較的少ない手間により有効な安全基準が保持される。
【００１３】
有利には、電気エネルギー蓄積器はリチウムイオン電池、リチウム硫黄電池、および／またはリチウム空気電池である。特に、このような電気エネルギー蓄積器では、起こり得る化学的な後続反応に基づいて安全な状態へ迅速に移行することが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるバッテリシステムの第１実施形態を示す図である。
【図２ａ】本発明によるバッテリシステムの第２実施形態を示す図である。
【図２ｂ】電気エネルギー蓄積器の異常な作動状態が生じた場合の本発明によるバッテリシステムの第２実施形態を示す図である。
【図３】急速放電回路の一実施形態を示す図である。
【図４ａ】本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素の第１実施形態を示す図である。
【図４ｂ】本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素の第２実施形態を示す図である。
【図４ｃ】本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素の第３実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明によるバッテリシステム１０の第１実施形態を示す。このバッテリシステム１０は少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器を含み、電気エネルギー蓄積器は、電気エネルギー蓄積器の第１電極に電気接続された第１極１２と、電気エネルギー蓄積器の第２電極に電気接続された第２極１４と、電気エネルギー蓄積器を放電するための急速放電ユニット１６とを備え、急速放電ユニット１６は第１接続部と第２接続部とを備え、第１接続部は、例えば電気接続部１３を介して第１極に電気接続されており、第２接続部は、例えば電気接続部１５を介して第２極に電気接続され、バッテリシステム１０はさらに、急速放電ユニット１６をトリガするためのトリガユニット１７、および電気エネルギー蓄積器のケーシング１１を備える。
【００１６】
トリガユニット１７は、付加的な構成部品として実施されていてもよいし、または既存の構成部品、例えばハードケースセルにおける圧力逃し弁によって実施されていてもよく、これにより有利には構成部品を節約することができる。
【００１７】
図２ａは、電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態における本発明によるバッテリシステム２０の第２実施形態を示す。電気エネルギー蓄積器は、第１接続部２６１との電気接続部２３によって急速放電ユニット２６に電気接続された第１極２２、例えばマイナス極と、第２接続部２６２との電気接続部２８ｂによって急速放電ユニット２６に電気接続された第２極２４、例えばプラス極と、第２極２４の電極に電気接続された第３接続部２６４と、トリガユニット２７とを含み、トリガユニット２７は、電気エネルギー蓄積器の導電性のケーシング２１を介して第２極２４に電気接続された導電性の機械的構成要素２９を含む。トリガユニット２７の機械的構成要素２９は、例えば、機械的構成要素２９に作用する力によって可逆的または不可逆的に変形可能である。急速放電ユニット２６は、第１接続部２６１を介して電気接続部２３に電気接続された導体２５と、第２接続部２６２を介して電気接続部２８ｂに接続され、第３接続部２６４を介して電気接続部２８ａに電気接続された電子式の急速放電回路２６３とを含む。
【００１８】
電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態では、トリガユニット２７の機械的構成要素２９と急速放電ユニット２６の導体２５との間に電気接続は生じない。
【００１９】
図２ｂは、電気エネルギー蓄積器の異常な作動状態が生じた場合の本発明によるバッテリシステム２０の第２実施形態を示す。電気エネルギー蓄積器の異常な作動状態は、例えば、電気エネルギー蓄積器が大きすぎる負荷電流によって負荷された場合に生じ、これにより、例えば、電気エネルギー蓄積器のケーシング２１の内部に圧力上昇がもたらされる。圧力上昇によって、所定の圧力を超えた場合にトリガユニット２７の機械的構成要素２９は可逆的または不可逆的に変形され、これにより、トリガユニット２７の機械的構成要素２９と急速放電ユニット２６の導体２５との間に電気接続が生じる。この電気接続により、導電性のケーシング２１、機械的構成要素２９、導体２５、および電気接続部２３を介して第２極２４と第１極２２との間に電流が流れる。急速放電ユニット２６、急速放電回路２６３および／またはバッテリ管理システムは、例えば導体２５との電気接続部を介して流れる電流を検出し、続いて急速放電回路２６３は、導体２５、電気接続部２３および／または急速放電回路２６３と第１極２２との間の直接的な電気接続部を介して電気エネルギー蓄積器を短絡させ、放電する。
【００２０】
図３は、急速放電回路２６３の実施形態を示す。急速放電ユニット２６の監視・制御ユニットが、電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態を基準として、第１電圧限界値を超えたことに基づいて電気エネルギーモジュールの差し迫る過充電を検出した場合には、ハーフブリッジ３１０の第１パワー半導体３１１がスイッチオフされ、第２パワー半導体３１２がスイッチオンされる。電圧は最小限界値と最大限界値との間に位置するので、第１パワー半導体３１１のダイオード３２０は過充電が差し迫っている場合、例えば電気エネルギー蓄積器の充電時に誤作動が生じた場合にも遮断される。これにより、電気エネルギー蓄積器のさらなる充電を確実に防止することができる。
【００２１】
急速放電ユニット２６の監視・制御ユニットが、電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態を基準として、第２電圧限界値を下回ったことに基づいて電気エネルギー蓄積器の差し迫る重放電を検出した場合には、ハーフブリッジ３１０の第１パワー半導体３１１がスイッチオフされ、第２パワー半導体３１２がスイッチオンされる。この場合、もはや電気エネルギー蓄積器に電流は流れない。電気エネルギー蓄積器の電流は急速放電回路のパワー半導体２４１を介してのみ、場合によって外部に放出される。
【００２２】
急速放電ユニット２６の監視・制御ユニットが、電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態を基準として、例えば電気エネルギー蓄積器の外部短絡の結果として生じる場合のある大きすぎる放電電流に基づいてエネルギー蓄積器の差し迫る過負荷を検出した場合には、ハーフブリッジ３１０の第１パワー半導体３１１がスイッチオフされ、第２パワー半導体３１２がスイッチオンされる。もはや電気エネルギー蓄積器に電流は流れない。このようにして、電気エネルギー蓄積器は、許容できない程に大きい放電電流による負荷から保護される。
【００２３】
急速放電ユニット２６の監視・制御ユニットが、電気エネルギー蓄積器の正常な作動状態を基準として、例えば温度が極めて低い場合に負荷電流が大きすぎることに基づいて電気エネルギー蓄積器の差し迫る過負荷を検出した場合には、監視・制御ユニットによりハーフブリッジ３１０の第１パワー半導体３１１がスイッチオフされ、第２パワー半導体３１２がスイッチオンされる。もはや電気エネルギー蓄積器に電流は流れない。このようにして、電気エネルギー蓄積器は、許容できない程に大きい放電電流による負荷から保護される。
【００２４】
本発明によるバッテリシステムの監視・制御ユニットが、例えば車両においてバッテリ管理システムから車両が事故に合ったことを通知された場合、ハーフブリッジ３１０を介して電気エネルギー蓄積器を放電することができる。このために、第２パワー半導体３１２がスイッチオンされ、第１パワー半導体３１１は、いわば「能動的な作動時」に制御可能な抵抗器として作動される。電気エネルギー蓄積器は、極２２，２４に電圧を放出しないが、それにもかかわらず、ゆっくりと放電される。実現可能な放電電流は、制御可能な抵抗器として作動されるパワー半導体が連続的に作動した場合に課される放熱によって制限される。したがって、特に制御可能な抵抗器として作動されるパワー半導体３１１は、熱結合および冷却を含めて要求に応じて設計される。
【００２５】
急速放電ユニット２６は、さらに超高速放電回路（Ｕｌｔｒａ  Ｆａｓｔ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅ，  ＵＦＤＤ）３００、パワー半導体３０１および抵抗器３０２からなる直列回路を含む。放電回路３００は、放電回路３００を流れる放電電流によって電気エネルギー蓄積器を放電するための急速放電ユニット２６に設けられている。バッテリシステムの監視・制御ユニットが、車両が事故に合ったことをバッテリ管理システムから通知された場合には、電気エネルギー蓄積器は放電回路３００によって急速放電される。
【００２６】
放電回路３００を支援するために、同時にハーフブリッジ３１０を介して電気エネルギー蓄積器を放電することもできる。したがって、放電回路３００を支援するために、監視・制御ユニットによってハーフブリッジ３１０の第２パワー半導体３１２がスイッチオンされる。この場合、電気エネルギー蓄積器は放電時に極２２，２４に電圧を放出しない。放電回路３００は、短絡に近い著しく大きい放電電流によって電気エネルギー蓄積器を放電することができるように設計されていてもよい。したがって、電気エネルギー蓄積器は、極めて迅速に安定状態に移行される。この場合、監視・制御ユニットによって支援されて、第１パワー半導体３１１を、能動的な作動時に制御可能な抵抗器として作動することもできる。
【００２７】
図４ａは、本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素４９ａの第１実施形態を示す。機械的構成要素４９ａは、電気エネルギー蓄積器のケーシング４１に導電的に接続される。図示のトリガユニットの機械的構成要素４９ａは、可逆的または不可逆的に変形可能である。機械的構成要素４９ａは、図示の実施形態では薄膜として実施されており、材料として導電性の金属もしくは合金、導電性の被覆層を備える担体材料および／または導電性のプラスチックが使用される。機械的構成要素４９ａの選択された形式により、電気エネルギー蓄積器の内部における圧力上昇が機械的構成要素４９ａに均一に作用する。選択された機械的構成要素４９ａの材料により所定値を超える力が生じ、機械的構成要素４９ａが変形される。
【００２８】
図４ｂは、本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素４９ｂの第２実施形態を示す。機械的構成要素４９ｂは、電気エネルギー蓄積器のケーシング４１に電気接続される。選択された機械的構成要素４９ｂの形状により、変形が生じた場合に機械的構成要素４９ｂと導体との間により小さい抵抗が達成される。
【００２９】
図４ｃは、本発明によるバッテリシステムのトリガユニットの機械的構成要素４９ｃの第３実施形態を示す。選択された機械的構成要素４９ｃの形状により、機械的構成要素４９ｃと導体との間に大きい面積による結合が達成される。さらに、電気エネルギー蓄積器のケーシング４１の動きが補正され、これにより、機械的構成要素４９ｃの損傷が防止される。
【符号の説明】
【００３０】
１０  バッテリシステム
１１  ケーシング
１２  第１極
１３  電気接続部
１４  第２極
１５  電気接続部
１６  急速放電ユニット
１７  トリガユニット
２０  バッテリシステム
２１  導電性ケーシング
２１  ケーシング
２２  第１極
２３  電気接続部
２４  第２極
２５  導体
２６  急速放電ユニット
２７  トリガユニット
２８ａ，２８ｂ  電気接続部
２９  機械的構成要素
４１  ケーシング
２４１  パワー半導体
２６１  第１接続部
２６２  第２接続部
２６３  急速放電回路
２６４  第３接続部
３００  放電回路
３０１  パワー半導体
３０２  抵抗器
３１０  ハーフブリッジ
３１１  第１パワー半導体
３１２  第２パワー半導体
３１２  パワー半導体
３２０  ダイオード
３９ｂ  機械的構成要素
３９ｃ  機械的構成要素
４０ｃ  機械的構成要素
４９ａ  機械的構成要素
４９ｂ  機械的構成要素
４９ｃ  機械的構成要素
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2017073961.tif 000008
【図４ｃ】
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【外国語明細書】
2017073961000001.pdf