JP2009004373A

JP2009004373A - 容器収納型エネルギー蓄積装置の現場故障検出装置

Info

Publication number: JP2009004373A
Application number: JP2008139886A
Authority: JP
Inventors: Ronald A Hagen; エー．ハーゲン，ロナルド; Christophe Comte; コムテ，クリストフ; Orlin B Knudson; ビー．ナッドソン，オーリン; Brian Rosenthal; ローゼンタール，ブライアン; Jean Rouillard; ロウイラード，ジーン
Original assignee: Hydro Quebec; 3M Co; Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: Hydro Quebec; 3M Co
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: JP4921418B2; WO1999005537A3; US6100702A; AU8510898A; CA2297964A1; JP2001511633A; EP1034437A2; WO1999005537A2

Abstract

【課題】直列に接続された多数のエネルギー蓄積装置が内部に配置された給電システム用導電容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する装置および方法を提供する。
【解決手段】容器内に配置されたエネルギー蓄積装置２２の直列電力接続体２４に対して検出器２ｂが連結され、直列接続エネルギー蓄積装置から導出された試験信号の状態変化を検出し、絶縁層２７における破損箇所の存在を検出する。検出器２ｂは、直列に接続されたエネルギー蓄積装置２２の対向する端部のエネルギー蓄積装置２２に隣接して夫々連結された一対のタップラインを備え、タップラインの各々と容器との間にはスイッチにより選択的接続が提供される。タップライン上において、選択された端部エネルギー蓄積装置の電圧と等しい電圧の基準状態から、選択された対向端部エネルギー蓄積装置の電圧を実質的に超える電圧より非基準状態が検出される。
【選択図】図１

Description

本発明はエネルギー蓄積装置に関し、より詳細には、容器収納型(encased) エネルギー蓄積装置内で発生し得る部分的または完全な短絡故障を検出する現場(in-situ) 装置および方法に関する。

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システムが直列接続される。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、数百ボルトの定格電圧および数百アンペアの定格電流を有し得ると思われる。

このようなエネルギー蓄積装置が導電性容器もしくはハウジング内に収納される用途においては、容器からエネルギー蓄積装置を電気的に遮断するのが望ましいと思われる。例えば、エネルギー蓄積装置と保護容器との間に低抵抗性電流経路または短絡が発生すると、通常経時的なエネルギー蓄積装置の漸進的な劣化を導くことが知られている。

部分的故障(partial fault) の場合、容器壁をエネルギー蓄積装置から分離している絶縁層には一つの破損箇所(breach)もしくは短絡(short circuit) が発生する。結果として容器は、直列接続されたエネルギー蓄積装置内で破損が発生した結合点と等しい電位まで励起される。もし早期段階で検出されれば、欠陥は修復され得る。もし未検出で放置されれば、低インピーダンスの電流経路が更に完全短絡状態へと劣化し、更なる問題として付加的な低抵抗性電流経路が発生することもある。完全故障の場合、絶縁層の劣化に依り、エネルギー蓄積装置と容器との間に２つ以上の低インピーダンス経路が発生する。完全故障状態は、危険であると共に潜在的に破滅的な容器内循環電流を生成する結果となる。

保護ハウジングとその内部に収納された１つまたはそれ以上のエネルギー蓄積装置との間で発生する一つおよび多数の内部短絡は、ハウジングの各端子間の電圧またはエネルギー蓄積装置により生成される電流を測定しても検出不能であることが多い。エネルギー蓄積システムの耐用期間の初期の間は、エネルギー蓄積装置もしくはシステムの電位および電流に対する部分的または完全な故障状態の影響は最小限であることが多い。但し、このような内部故障が未検出のままであれば、エネルギー蓄積システムの耐用期間は相当に短縮されると共に、突然で潜在的に激しい給電システムの故障が警告なしで発生することもある。

バッテリ製造業界においては、容器収納型エネルギー蓄積システムにおいて生じた内部短絡状態の存在を効果的に検出する装置および方法に対する要望が在る。また、更にいくつかの直列接続された独立したエネルギー蓄積システムが内部短絡状態に遭遇しているかを識別し得る手法に対する要望も存在する。本発明は、それらまたは他の要望を満足させるものである。

本発明は、直列に接続された多数のエネルギー蓄積装置が内部に配置された給電システム用導電容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する装置および方法に関する。容器内に配置されたエネルギー蓄積装置は、直列電力接続体に接続される。直列接続体(series connection) に対して検出器が連結されて、直列接続エネルギー蓄積装置から導出された試験信号の状態変化を検出する。検出器は、基準状態から非基準状態への試験信号の状態変化を検出することにより、絶縁層における破損箇所の存在を検出する。

一実施例において検出器は、直列に接続されたエネルギー蓄積装置の対向する端部のエネルギー蓄積装置に隣接して夫々連結された一対のタップライン(tap line)を備えている。各タップライン上で夫々試験信号を発生させる目的で、タップラインの各々と容器との間にはスイッチにより選択的接続が提供される。タップライン上において、選択された端部エネルギー蓄積装置の電圧と等しい電圧により表される基準状態から、選択された対向端部エネルギー蓄積装置の電圧を実質的に超える電圧により表される非基準状態への試験信号の状態変化が電圧検出器により検出される。

代替的な実施例において、検出器は、試験信号を、時間変化もしくは変調された試験信号として生成すると共に試験信号を直列接続体へと導入する信号生成器を有する。検出器は、時間変化もしくは変調された試験信号の信号強度における、基準状態から非基準状態への状態変化もしくは変動を検出する。この実施例において、試験信号と実質的に等しい特性を有する検出信号により基準状態が特定されると共に、試験信号の不在を検出することにより非基準状態が特定される。

図面の内の特に図１を参照すると、容器収納型エネルギー蓄積システム20と共に使用される故障検出装置の実施例が示されている。ここに示される実施例においてエネルギー生成システム20は、ノード(node)24a 乃至24e などの多数の直列ノードもしくは結合点により構成された直列接続体24に直列接続された多数のエネルギー蓄積装置22を含んでいる。直列接続されたエネルギー蓄積装置22は、装置22の直列配列を電力消費装置へと接続する一対の終端端子23を含む保護ハウジング21内に収納される。エネルギー蓄積システム20に対して検出器26が連結され、導電性容器21と、直列接続体24を構成する直列ノード24a 乃至24e との間に配置された電気絶縁材料もしくは表面27内における破損箇所の結果として発生し得る電流経路の存在を検出する。

図１に示された如く直列接続されたエネルギー蓄積システム20においては、直列ノード24a 乃至24e と導電性ハウジング21との間に配置された絶縁材料もしくは表面27の劣化は、直列ノードと導電性ハウジング21との間の一個以上の低抵抗性電流経路の発生に帰着し得る。多くのエネルギー蓄積システム形態において、ハウジング絶縁材料27の破損箇所から生ずる( 例えば部分的故障または完全故障などの) 短絡電流経路の存在は、従来の外部からの電力監視手法を採用しても検出不能であることが多い。

例えば、ノード24b と導電性ハウジング21との間で単一の低抵抗性破損箇所もしくは部分的故障が発生したとき、もしハウジングのアースがフローティング状態(floating)に在ればハウジングはノード24b の電位( 即ちV_２４ｂ) と同一の電位へと励起される。代替的に、もしハウジング21が所定電位に固定されていれば、ハウジング21は電力端子23間の電位へと励起される。通常部分的故障状態は導電性ハウジング21を所定電位へと励起する結果となるが、一般に部分的故障はエネルギー蓄積システム20の端子間電位のかなりの程度又は検出可能な変化に帰着しない。

部分的故障は必ずしもエネルギー蓄積システム20の出力電流もしくは端子電位を減少しないが、通常部分的故障状態は、端子電位の減少に帰着し得る故障状態の前触れを示す。例えば、直列ノード24a 乃至24e とハウジング21との間の絶縁における２つ以上の低抵抗性破損箇所の発生は、完全故障状態を構成するハウジング21を通る危険な循環電流の発生に帰着する。例えば、ノード24c とハウジング21との間で生ずる絶縁破損箇所は、ノード24e とハウジング21との間に引き続き形成される絶縁破損箇所と協働してそれらの間に短絡電流を形成することもある。

ノード24c 、24e を介してハウジング21を流れる循環電流の大きさは、ノード24c 、24e における破損箇所の接触抵抗と、影響を受けたエネルギー蓄積装置22の内部インピーダンスとに依存する。もし接触抵抗が低ければ、短絡電流の大きさは相当なものになり得る。この場合に完全故障状態は、各電力端子23を介して供給される電流としてでは無く、循環電流の形態による無駄なエネルギー消耗に帰着する。

完全故障から帰着する循環電流の存在は、給電システムの温度上昇として間接的に検出され得ると共に、もし十分に顕著であれば、給電システムの電位の減少として検出され得る。但し、電気的雑音の多い環境の場合、電力端子電位における何らかの低下を検出するのは困難であり、システムの内部干渉によりマスクされることもある。故に、電力端子電圧の顕著な変化が検出され得るという危険で潜在的に破滅的なレベルへと故障状態が到達する前に、給電システム内における完全故障状態の存在を検出することは、従来の技術を使用しては行えない場合があった。

本発明に係る故障検出方法は、従来の外部電位測定技術が採用されたときには検出不能であった部分的故障状態の発生を検出する。完全故障状態の可能性があるというこのような早期の警告に依れば、十分な時間的余裕が提供され、システムは目前の完全故障状態に対して応答したり適切な修正処置を取ることができる。部分的故障の早期検出および部分的故障状態の修復は、危険な完全故障状態の発生を防止する。

一実施例において容器21は、エネルギー蓄積装置22の直列配列を導電性容器21から絶縁する容器21の内面上に展開された電気抵抗材料27を含む。短絡電流が直列ノードから容器21へと通過するような絶縁層27で発生しつつある破損箇所の検出時に、故障検出器26は、局部制御器28へと伝達され得る故障信号を生成する。局部制御器28は、容器21内に配置、または容器21から離間された制御ボード上に位置し得る。

故障検出器26により検出された故障状態の大きさに依存して局部制御器28は、多数のエネルギー蓄積システム20の局部制御器28と連絡し得る給電システム制御器30に対して故障状態を報告する。局部制御器28は単に故障状態を報告しもしくは記録を行うか、又は、故障検出器26からの故障信号の受信に応じて修正処置を取り得る。例えば局部制御器28は、保守が必要なことをユーザもしくは技術者に対して通知する車両制御パネル上のディスプレイなどの報知器に信号を送信し得る。

図２乃至図８には、容器収納型エネルギー蓄積装置と共に使用される直流検出技術を実施する部分的故障検出装置の実施例が示されている。図２に示された如く、多数のエネルギー蓄積装置が、保護ハウジング40内に含まれると共に相互に接続されて複数ノードによる直列接続体42を形成する。ハウジング40はアルミニウムなどの導電性材料から作製されると共に、酸化被膜が形成された表面または絶縁材料が表面に載置されたシートなどの電気抵抗性の内面を含む。ハウジング40は、該ハウジング40に電流を流出入させる正負の絶縁貫通44、46を含む。

この実施例に依れば、エネルギー蓄積装置の直列配列の最初のエネルギー蓄積装置および最後のエネルギー蓄積装置には故障検出回路51が連結される。故障検出回路51は、直列接続体42の最外側結合点J_０、J_６のそれぞれに回路51を選択的に連結すべく起動され得るスイッチSW１を含んでいる。またスイッチSW_１は、導電性ハウジング40にも連結される。

タップライン50は、スイッチSW_１の第1 端子である端子A を、負端子44へと、即ちエネルギー蓄積システム41の結合点J_０へと連結する。負端子44は、 V_ＮＥＧもしくはV_０の電位を有するものとして示されている。結合点J_０における電位V_０は、負端子44の電位である V_ＮＥＧに等しいことが理解できる。タップライン50は、図示内容では直列抵抗R_０として示されたインピーダンスと結合されている。第2 タップライン54は、スイッチSW_１の第2 端子すなわち端子B を、正端子46へと、即ち、エネルギー蓄積システム41の結合点J_６へと連結する。この図において、基準状態の下では、タップライン54は、結合点J_６の電位と等しい V_ＰＯＳの電位を有している。タップライン54は、直列抵抗R_６により示される内部インピーダンスを有するものとして示されている。

上記スイッチSW_１は端子A および端子B との間のニュートラルな位置との間で切換えられ、故障検出回路51のタップライン50、54をハウジング40と選択的に接続する。特定の電源の試験が所望でなければ、スイッチSW_１は、多数の他の電源の試験の為にニュートラルな位置へと設定される。スイッチSW_１がハウジング40へと接続される結合点の電位は、電位 V_ＣＡＳＥにより与えられる。更に、スイッチSW_１は単極双投式スイッチとして示されているが、代替的に二極単投式スイッチまたは他のスイッチ形態を構成しても良い。スイッチSW_１は、故障検出回路51のタップライン50、54をハウジング40に対して選択的に接続する無安定マルチバイブレータなどのマイクロコントローラまたは他の制御装置により制御され得る。スイッチSW_１の起動を制御すべく、他の制御装置が採用され得ることが理解される。

基準状態の下では、ハウジング40はアースを有するが、これはフローティング状態であると共に、通常エネルギー蓄積装置の直列配列42と結合された高インピーダンス漏れ経路を通して所定電位と等しい。端子A を接触させるべくスイッチSW_１が起動されたとき、ハウジングの電位 V_ＣＡＳＥは迅速に電位V_０へと平衡する。同様にして、スイッチSW_１が端子B と接触すべく起動されたとき、ハウジング電位 V_ＣＡＳＥは迅速に電位V_６へと平衡する。エネルギー蓄積装置の直列配列42の漏れ抵抗は、タップライン50、54のインピーダンスR_０、R_６よりも相当に大きいことを銘記されたい。

エネルギー蓄積装置の直列配列42とハウジング40との間の絶縁表面もしくは材料において破損箇所が発生した場合、ハウジング40の電位 V_ＣＡＳＥは迅速に、破損箇所が発生した直列接続体42の結合点の電位に対応する電位へと平衡する。例えば図３を参照すると、ハウジング40と直列配列42との間の絶縁材料における破損箇所は短絡45として示されている。短絡45は、エネルギー蓄積装置E２とエネルギー蓄積装置E３との間の結合点J_２にて発生したものとして示されると共に、V_２の電位を有している。絶縁層における破損箇所によりハウジング40は、エネルギー蓄積装置E_１およびE_２の結合電位( すなわちE_１＋E_２) へと励起される。

一般的に、絶縁材料における破損箇所が、直列接続体42に沿ってV_１、V_２、V_３、V_４、V_５またはV_６の電位を有する結合点( すなわち、V_０の電位を有する結合点以外の結合点) にて発生するのであれば、スイッチSW_１が端子A と接触しているときに、タップライン50を介して短絡電流を導通する経路が確立される。図４に示された如くV_２の電位を有する結合点にて短絡電流経路52が確立されると共に、短絡循環電流は、破損箇所が発生した直列配列結合点からタップライン50の抵抗R_０およびスイッチSW_１を通り、導電性ハウジング40を介して戻る。絶縁破損箇所の詳細箇所、故に絶縁破損箇所および短絡45の箇所は、抵抗R_０を介して流れる電流の量、または、抵抗R_０に掛かる電圧を計算することにより決定され得る。電流もしくは電圧を検出し得る検出器53は、試験信号と見なされ得るタップライン50上の電流信号もしくは電圧信号の存在を検出すると共に、試験信号の大きさを決定する。

オームの法則を適用することにより、抵抗R_０を流れる電流は、抵抗R_０に掛かる電位を合計すると共に電位値を抵抗R_０の抵抗値で除算することにより決定され得る( すなわち、試験電流 I_Ｔ＝(E_１+E_２)/R_０または V_Ｒ０/ R_０) 。尚、直列接続体42に連結された個々のエネルギー蓄積装置の公称作動電圧は実質的に等しいものと見なされる。例えば、もしタップライン50を通過する試験電流 I_Ｔが検出されれば、短絡45の相対箇所は、短絡45が発生した結合点の電位を先ず算出することにより間接的に決定され得る。電位は、試験電流 I_Ｔを抵抗R_０の値で除算することにより決定され得る( すなわち、 V_Ｘ=I_Ｔ/R_０)。結合点電位の大きさを決定すれば短絡結合点の箇所は、負端子44から正端子46まで連続する個々のエネルギー蓄積装置の既知電圧の合計と、算出電位 V_Ｘとを比較することにより決定され得る。上記 V_ＳＵＭの値が実質的に一個のエネルギー蓄積装置に関する電位の量の算出電位 V_Ｘを超える場合、破損箇所が発生した結合点は、最初の２個のエネルギー蓄積装置の間に位置している。

短絡45が発生する結合点を直接的に決定することが所望される実施例においては、直列接続体42内のエネルギー蓄積装置の各々と並列に電圧検出器が連結され得る。電圧検出器47は、対応するエネルギー蓄積装置に連結された電圧検出器の各々から電圧レベル情報を得る局部制御器もしくは外部制御器に連結され得る。短絡結合点を決定する方法は、上述した方法と類似すると共に、直列接続体42におけるエネルギー蓄積装置の各々に対して得られた電圧レベル情報を使用した手法で決定され得る。

図５に示されたようにスイッチSW_１が接触端子B へと起動されたとき、絶縁破損箇所を通過する短絡電流はタップライン54を通過すべく方向変換される。スイッチSW_１が端子B と接触する基準的非故障状態の下では、ハウジング電位 V_ＣＡＳＥは抵抗R_６を通る電位V_６となることから、電流はタップライン54を流れない。V_２の電位を有する結合点におけるハウジング40の短絡45の発生時に生ずる部分的故障状態の下では、抵抗R_６の電位、故にハウジング電位 V_ＣＡＳＥは、 V_ＣＡＳＥ＝(E_６+E_５+E_４+E_３) ／R_６で与えられる。

端子A およびB の間でスイッチSW_１を起動することにより選択的に起動される２個のタップライン50、54を含んでいることは、終端端子44、46と夫々の最初および最後のエネルギー蓄積装置E_１およびE_６との間で発生する短絡状態の存在を検出して確認する場合に特に好都合である。図６乃至図８を参照すると短絡45は、負端子44と第1 エネルギー蓄積装置E_１との間の結合点J_０にて発生したものとして示されている。短絡45の発生時に、ハウジング40の電位は結合点J_０の電位V_０へと動かされる。スイッチSW_１が端子A との接触を確立すべく切換えられたとき、タップライン50の抵抗R_０間で発生した電位もまた電位V_０になることから、抵抗R_０の電位はハウジング電位V_０に等しく、故に、誤って非故障状態を示してしまう。

故に、電位V_０を有する結合点に沿った短絡45の有無を検出することは、図２乃至図８に示された手法により直列接続体42に接続されたタップライン50の使用では不可能である。タップライン54を起動すべくスイッチSW_１を起動して端子B との接触を確立することにより、負端子44とエネルギー蓄積装置E_１との間の絶縁層における単一の故障もしくは破損箇所は信頼性を以て正確に検出され得る。例えば図８に示された如くスイッチSW_１を動かして端子B と接触させると、タップライン54および抵抗R_６を通過する短絡電流の検出が許容される。短絡電流経路59を流れる電流の大きさは、 I_Ｔ＝(E_１+E_２+E_３+E_４+E_５+E_６) ／R_６により与えられる。

スイッチSW_１を端子A と端子B との間で動かすことにより、直列接続体42の最初および最後のエネルギー蓄積装置に関する結合点を含め、直列接続体42における全ての結合点における部分的故障が検出され得る。更に、破損箇所の箇所および大きさを表示することにより、該当結合点とハウジング容器との間の絶縁層における破損箇所を介して流れる短絡電流の大きさも決定され得る。更に、短絡状態の箇所、および、短絡により影響を受けたエネルギー蓄積装置の識別もまた、上述のDC部分的故障検出方法を使用して決定され得る。

図９乃至図１１を参照すると、高エネルギー固体バッテリなどの高出力エネルギー蓄積装置の直列配列に沿って発生する部分的故障の存在を検出するのに特に適したDC検出回路の他の実施例が概略形態で示されている。検出回路100 は、本発明の一実施例に係る以下の部分的故障検出方法を実施すべく採用され得る。最初に、直列接続されたエネルギー蓄積装置が収納されるバッテリケースなどの導電性ハウジングは、固体リレーもしくはアナログスイッチ108 および抵抗器107を使用して、直列配列内で最低電位を有するエネルギー蓄積装置の電位 V_ＮＥＧへと抵抗的に充電される。検知された電位 V_ＮＥＧは、ノードVB0 102 にて利用可能である。

ノード VCASE 104にて利用可能であるハウジング電位 V_ＣＡＳＥは次に、ノードVB0 102 における電位 V_ＮＥＧに関して測定される。アナログスイッチ112 、114 は電圧信号 V_ＮＥＧおよび V_ＣＡＳＥをA/D 変換器118 へと導く。A/D 変換器118 は、 V_ＮＥＧと V_ＣＡＳＥとのアナログ電圧差を対応するデジタル電圧信号へと変換するが、これは制御器により実行されるソフトウェアを使用して決定され得る。基準的非故障状態の下では、測定された信号は約0.1V程度の±誤差範囲で実質的に0 V の値を有さねばならない。

次に給電システムのハウジングはアナログスイッチ110 および抵抗器109 を使用して、直列配列内で最高電位を有するエネルギー蓄積装置の電位 V_ＰＯＳへと抵抗的に充電される。検知された電位 V_ＰＯＳはノードVB10 106にて利用可能である。ノード VCASE 104にて利用可能であるハウジング電位 V_ＣＡＳＥが次に測定され、アナログスイッチ112 、114 は２つの電圧信号 V_ＰＯＳおよび V_ＣＡＳＥをA/D 変換器118 へと導く。基準的非故障状態の下で、測定された信号もまた実質的に0V±電圧誤差範囲の値を有さねばならない。電圧誤差範囲の大きさは、ノイズおよびキャリブレーション(calibration) エラーに対処するに十分なものであるべきことを銘記されたい。

エネルギー蓄積装置の直列配列における任意の結合点もしくはノードで発生する部分的故障は、電圧スレッショルド( すなわち、0 V ±の電圧誤差範囲) を超える測定信号として故障検出回路100 により検出される。例えば、通常部分的故障状態の存在は、2 V を超える測定信号として検出される。一実施例においては、直列配列における個々のエネルギー蓄積装置の電圧を検出すべく電圧検出器が提供され、内部もしくは外部制御器（図示せず) と協働して個々のエネルギー蓄積装置用電圧検出器とハウジング電圧検出器との間の切換えを行う。故に、エネルギー蓄積装置の各々は、定期的に上述の故障検出処置を受け、エネルギー蓄積装置の直列配列の継続的監視を提供する。

尚、所定の給電システム形態の特定要件に対処すべく、部分的故障検出が実行される方法を変更する機会を提供するソフトウェアが制御器もしくはプロセッサにより実行されることが理解される。尚、構成要素120 および116 はマイクロコントローラとの間で信号を送受する光学的アイソレータを示すことを銘記されたい。更に、図１０に示された構成要素122 から受信したデータおよびクロック信号はマイクロコントローラから受信されることを銘記されたい。

本発明の他の実施例に依れば、直列接続もしくは並列接続された容器収納型エネルギー蓄積システムの配列内で発生する部分的故障状態の存在を検出すべく、交流(AC)故障検出方法を実施する回路が採用される。この手法は、導電容器がアースされることが必要なときに特に有用である。図１２に示された実施例においては、多数のエネルギー蓄積システム62、64、66が接続された直列電力接続68に対して導入(inject)される試験信号を部分的故障検出回路60が生成する。３個のエネルギー蓄積システム62、64、66が電力ライン68に直列接続されるものとして示されるが、はめ込まれた検出回路60を各々が有する任意の個数のエネルギー蓄積システムが、電力ライン68および電力ライン68に連結された他のエネルギー蓄積システムに関して直列もしくは並列関係で接続され得ることを理解されたい。ここで示される実施例においてバッテリを構成するエネルギー蓄積システム62、64、66は、各々、電力ライン68と直列接続された多数の個別のエネルギー蓄積装置を含み得る。一実施例においてエネルギー蓄積システム62、64、66は、先に図２乃至図１１に関して記述されたものと実質的に等しい内部故障検出回路を含む。

部分的故障検出回路60は、ライン71により直列接続体68に連結される。一実施例において信号生成器70は、顕著な周波数成分 f_Ｃを有すると共にコンデンサ C_ｉｎｊおよび抵抗器 R_ｉｎｊを介して、第1 エネルギー蓄積システム62に隣接する接続63にて直列電力ライン68に導入される試験信号 V_ｉｎｊを生成する。エネルギー蓄積システム62、64、66のいずれにおいても破損箇所が存在せず、且つ、バッテリ61のアースがバッテリ61を支持するシャーシ（図示せず）に関してフローティング状態であるとすれば、バッテリは、正弦波であり得るAC試験信号 V_ｉｎｊをバッテリ回路を介して伝達する導波路として作用する。試験信号は、コンデンサ C_{ＳＥＮＳＥ}を通過せしめられ、そこで増幅器72により増幅される。増幅器72からの出力信号は、一実施例において f_Ｃの中心周波数を有する帯域フィルタを含む検出器74に伝達される。帯域フィルタの通過帯域は、ノイズおよび外来信号成分および高調波を濾過すべく選択されることから、試験信号 V_ｉｎｊが増幅器72の出力に存在するのであれば信頼性を以て検出され得る。検出器74の出力は、出力接点76におけるマイクロプロセッサもしくは制御器などの外部回路もしくは装置に連結され得る。

図１３に示されたエネルギー蓄積システム62、64、66のひとつにおいて短絡状態が発生すると、シャーシに対してアース78されている負高電圧ライン68により、試験信号 V_ｉｎｊはシャーシアース78に導かれる。故に、増幅器72の入力には認識可能な信号は存在せず、したがって、検出器74の入力または出力接点76には試験信号は存在しない。ここに示された実施例において、AC部分的故障検出回路60を構成するものとして示された成分の各値は次の様に与えられる： V_ｉｎｊ＝1 V； R_ｉｎｊ＝1 KA； C_ｉｎｊ＝0.1 TF； C_{ＳＥＮＳＥ}＝0.1 TF； f_Ｃ＝10 KHz；通過帯域＝50Hz；及び、増幅器ゲイン＝10。尚、部分的故障状態から帰着する電位HV＋及びHV−の間の差として定義されるバッテリ61の出力電位には認識可能な変化が無いことを銘記されたい。AC回路60は、従来の外部電位測定手法の採用によっては検出不能であった、経時的にバッテリの性能に悪影響を与え得る不都合な部分的故障の検出を行う。

次に図１４乃至図１５を参照すると、AC部分的故障検出回路84の他の実施例が示されており、信号生成器86により生成された試験信号 V_ｉｎｊの周波数を決定する周波数発生器88に検出器92が連結されている。検出器は周波数発生器88に対して直接的に連結されていることから、図１２乃至図１３に示された６個の直列接続エネルギー蓄積システムなどの、直列接続もしくは並列接続された多数のエネルギー蓄積システムに対する部分的故障を検出するときに、更に強化された検出性能が実現され得る。数個のエネルギー蓄積システムのいずれのものが部分的故障状態に遭遇したかを正確に識別すべく、例えばロックイン(lock-in) 増幅器を採用するような種々の公知の同期検出技術が使用され得る。

一実施例において、グループ化されたエネルギー蓄積システムの中の特定のエネルギー蓄積システムには、固有周波数、周波数帯域または他の特性を有するAC試験信号が関連付けられる。固有AC信号の有無の検出は、特定のエネルギー蓄積システムにおける部分的故障の有無を示す。他の実施例においては、特定のエネルギー蓄積システムに対する試験信号が、電力ライン82に接続された他のエネルギー蓄積システムに関連する試験信号から識別されるように励起および検出された試験信号を変調すべく周波数発生器88が採用され得る。

図１４に示された実施例において、エネルギー蓄積システム80は、負および正のフローティング端子81、83に夫々直列接続された６個のエネルギー蓄積装置E_１乃至E_６を含んでいる。試験信号 V_ｉｎｊは、エネルギー蓄積装置の直列配列82の中央部に向けて配置された電力ライン82上の結合点93において電力ライン82に導入される。ここに示された実施例において試験信号 V_ｉｎｊは、エネルギー蓄積装置E_３とエネルギー蓄積装置E_４との間における結合点93にて導入される。故障検出回路84に対するアース85は、エネルギー蓄積システム80に対して局部的(local) であることを銘記されたい。

各エネルギー蓄積システムとハウジング80との間の絶縁層における破損箇所の結果として発生する短絡状態が無ければ、結合点93にて導入される試験信号 V_ｉｎｊはV_３の電位を有する。試験信号 V_ｉｎｊが電力ライン82を通過するときに、例えば寄生容量および離散容量、インダクタンスまたはチョークなどに依り、試験信号は減衰され得る。但しこの減衰は、相対的に最小限であることから、エネルギー蓄積システム内における短絡状態の正確な局部検出が実現され得る。

図１５に示されたように負端子81とエネルギー蓄積装置E_１との間の結合点において部分的故障が発生した場合、試験信号 V_ｉｎｊはハウジング80の電位となる。ハウジング80が、局部アースに結合されている場合、増幅器90の出力に存在する試験信号 V_ｉｎｊは実質的に0 V である。この手法は、多数の電力供給モジュールのひとつにおいて発生する短絡状態の早期検出を許容する。試験信号 V_ｉｎｊがハウジング80を通過する箇所における直列のチョークもしくはコンデンサの値を慎重に選択することにより、短絡状態に遭遇している特定のエネルギー蓄積システムが、試験信号 V_ｉｎｊの固有周波数もしくは特性を決定することにより正確に決定され得る。

本発明の一実施例に依れば、図１乃至図１５に示されたエネルギー蓄積装置は、図１６乃至図１７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発電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。図１６には、アノード接点201 およびカソード接点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、母線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。通常母線202 は、アノード接点201 およびカソード接点203 の長さに沿って配置されると共に、電気化学セル200 に対して電流を導通する電気接続導線204 を含む。

一実施例において母線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。更に母線202 は、セル200 と、セル200 に隣接して配置された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。母線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形状またはＯ形状の断面を有し得る。

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 W_ｅｃ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 W_ｃ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１８は、図１６乃至図１７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の公称作動電圧を有することが理解される。

図１６に示された電気化学セルは、図１７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。

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。次に、図１６に示された母線202 などのスプリング状熱伝導器もしくは母線が金属溶射接点に対してスポット溶接もしくは他の手法で取付けられる。図１６乃至図１７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。

所望の定格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１９乃至図２０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 と称されるエネルギー蓄積装置を形成する。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 と称されるエネルギー蓄積装置を形成する。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。

図１９乃至図２０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。

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１６乃至図１８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１９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。この形態において、バッテリ216 は約400A程度のピーク作用電流を生成する。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１９乃至図２０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。

図２０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／監視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。

４８個の電気化学セル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置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 の各々の中心に提供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。通常部分的故障検出回路は電力ボード220 上に提供されるが、制御ボード226 上、または、電気化学セル210 の配列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も配置され得る。

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部分的故障検出方法は、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もしくは並列接続された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なく、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。

容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。直流(DC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。 DC内部短絡検出装置の他の実施例の概略形態を示す図である。 DC内部短絡検出装置の他の実施例の概略形態を示す図である。 DC内部短絡検出装置の他の実施例の概略形態を示す図である。交流(AC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。交流(AC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。交流(AC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。交流(AC)手法を使用した容器収納型エネルギー蓄積装置の内部短絡を検出する検出装置の実施例を示す図である。保護容器内に収納され得る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の図である。図１６に示された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１６乃至図１７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と容量との間の関係をグラフで示す図である。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。本発明の実施例に係る電力生成モジュールの分解図である。

Claims

導電性容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する装置であって、
第1 端子および第2 端子を有する前記容器内に配置され、直列接続体に各々連結された複数のエネルギー蓄積装置と、
直列に接続された前記エネルギー蓄積装置内で前記第1 端子に隣接する最初のエネルギー蓄積装置に連結され、第1 のインダクタンスを有する第1 タップラインと、
直列に接続された前記エネルギー蓄積装置内で前記第2 端子に隣接する最後のエネルギー蓄積装置に連結され、第2 のインダクタンスを有する第2 タップラインと、
前記容器に連結されて第１、第2 およびニュートラル状態の間で作動すると共に、前記第１状態に作動されたときには前記第1 タップラインを前記容器と連結し且つ前記第2 状態に作動されたときには前記第2 タップラインを前記容器に連結するスイッチと、
前記スイッチが前記第１状態に作動されたときには前記第1 タップライン上に発生された第1 試験信号の電圧を検出し且つ、前記スイッチが前記第2 状態に作動されたときには前記第2 タップライン上に発生した第2 試験信号の電圧を検出する検出器とを有し、前記電気抵抗性表面における破損箇所は、前記最初のエネルギー蓄積装置もしくは前記最後のエネルギー蓄積装置の電圧を超えるそれぞれ前記第1 または第2 試験信号電圧により表される装置。
前記電気抵抗性表面において、前記最初のエネルギー蓄積装置と前記第1 端子との間における前記直列接続体上の結合点にて発生した破損箇所は、前記最後のエネルギー蓄積装置の電圧を超える、前記第2 タップライン上で発生された前記第2 試験信号の電圧として前記検出器により検出される請求項１に記載の装置。
前記電気抵抗性表面において、前記最後のエネルギー蓄積装置と前記第2 端子との間における前記直列接続体上の結合点にて発生した破損箇所は、前記最初のエネルギー蓄積装置の電圧を超える、前記第1 タップライン上で発生された前記第1 試験信号の電圧として前記検出器により検出される請求項１に記載の装置。
前記スイッチが前記ニュートラル状態に作動されたとき、前記検出器は前記直列に接続されたエネルギー蓄積装置と実質的に非干渉である請求項１に記載の装置。
更に前記スイッチの状態を前記第１、第2 およびニュートラル状態の間で制御すべく前記スイッチに連結された制御器を有する請求項１に記載の装置。
前記制御器は前記容器の内部または外部に配置される請求項５に記載の装置。
給電システムの導電性容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する装置であって、
各々が直列接続体に連結されると共に前記容器内に配置された複数の直列に接続されたエネルギー蓄積装置と、
前記直列接続体に連結された検出器であって、前記直列に接続されたエネルギー蓄積装置から供給される試験信号の状態の変化を検出し、前記試験信号の基準状態から非基準状態への状態変化は前記直列に接続されたエネルギー蓄積装置と前記容器との間における短絡の発生を表す検出器とを有する装置。
更に前記直列に接続されたエネルギー蓄積装置の対向する端部のエネルギー蓄積装置に隣接してそれぞれ連結された一対のタップラインと、
前記タップラインの各々を前記容器に選択的に連結して前記タップラインのそれぞれにおいて試験信号を発生させるスイッチと、
前記基準状態を示す選択された端部のエネルギー蓄積装置の電圧から、前記非基準状態を示す選択された対向する端部のエネルギー蓄積装置の電圧を実質的に超える電圧への、前記試験信号の状態変化を検出する電圧検出器とを有する請求項７に記載の装置。
前記検出器は、更に時間変化試験信号として前記試験信号を生成し、且つ前記時間変化試験信号を前記直列接続体に導入する信号生成器を有し、前記検出器は、前記基準状態を示す、前記時間変化試験信号と実質的に等しい信号から、前記非基準状態を示す、前記時間変化試験信号の不在、への前記時間変化試験信号の状態変化を検出する請求項７に記載の装置。
前記時間変化試験信号は10KHz 台の周波数を有する請求項９に記載の装置。
前記検出器は、更に変調試験信号として前記試験信号を生成し且つ前記変調試験信号を前記直列接続体に導入する信号生成器を有し、前記検出器は、前記基準状態を示す、前記変調試験信号と実質的に等しい信号から、前記非基準状態を示す、前記変調試験信号の不在への前記変調試験信号の状態変化を検出する請求項７に記載の装置。
更に前記直列に接続されたエネルギー蓄積装置の各々から選択的に供給される試験信号における状態変化を検出すべく前記検出器と協働する制御器を有する請求項７に記載の装置。
前記制御器は、前記容器の内部または外部に配置される請求項１２に記載の装置。
内部に提供された直列接続体に対して複数のエネルギー蓄積装置が連結されている導電性容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する方法であって、
前記エネルギー蓄積装置を使用して試験信号を生成し、
前記エネルギー蓄積装置から前記電気抵抗性材料を通して前記導電性容器へと通過する電流の不在を示す前記試験信号の基準状態を検出し、
前記エネルギー蓄積装置から前記電気抵抗性材料を通して前記導電性容器へと通過する電流により前記電気抵抗性表面における破損箇所の発生を表す前記試験信号の非基準状態を検出する検出方法。
前記試験信号の生成は、DC試験信号の生成である請求項１４に記載の方法。
前記試験信号の生成は、AC試験信号の生成である請求項１４に記載の方法。
前記試験信号の生成は、更に、
前記導電性容器と、前記複数の直列に接続されたエネルギー蓄積装置の最初のエネルギー蓄積装置および最後のエネルギー蓄積装置の一方との間にインピーダンスを有する電流経路を選択的に確立し、
前記電気抵抗性材料を通過する電流を前記選択された電流経路に方向変換することにより前記試験信号を生成することを有する請求項１４に記載の方法。
前記試験信号の検出は、更に、前記選択された電流経路を介して方向変換された電流と前記選択された電流経路の前記インピーダンスとを使用して電圧試験信号を検出することを有する請求項１７に記載の方法。
更に前記導電性容器の前記電気抵抗性表面における前記破損箇所の箇所を決定する請求項１４に記載の方法。
更に前記電気抵抗性材料を介して前記導電性容器へと進む電流の大きさを決定する請求項１４に記載の方法。
前記試験信号の生成は、更に、時間変化試験信号もしくは周波数変化試験信号の一方を前記直列接続体に導入し、
前記試験信号の不在として前記試験信号の非基準状態を検出することにより前記電気抵抗性表面における破損箇所の発生を示す請求項１４に記載の方法。
前記試験信号の生成は、更に、時間変化試験信号もしくは周波数変化試験信号の一方を、２個の隣接するエネルギー蓄積装置の間の結合点にて前記直列接続体に導入し、
前記試験信号の不在として前記試験信号の非基準状態を検出することにより前記電気抵抗性表面における破損箇所の発生を示す請求項１４に記載の方法。
複数のエネルギー蓄積装置による第1 グループが第1 容器内に配置されると共に複数のエネルギー蓄積装置による第2 グループが第2 容器内に配置され、前記第１及び第２のグループのエネルギー蓄積装置は前記直列接続体に連結され、
前記試験信号の生成は、更に、前記第1 容器内における２個の隣接するエネルギー蓄積装置の間の結合点にて前記直列接続体内に、第1 の周波数と組合された第1 試験信号を導入し、前記第2 容器内における２個の隣接するエネルギー蓄積装置の間の結合点にて前記直列接続体内に、第2 の周波数と組合された第2 試験信号を導入し、
前記試験信号の前記非基準状態の検出は、更に、前記第1 および第2 試験信号の前記第1 および第2 の周波数を識別することにより前記第1 試験信号もしくは前記第2 試験信号の不在を検出する請求項１４に記載の方法。
内部に提供された直列接続体に対して複数のエネルギー蓄積装置が連結されている導電性容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する方法であって、
前記複数のエネルギー蓄積装置の内から選択されたエネルギー蓄積装置の電位に等しい試験電位へと前記容器を充電し、
前記容器を前記試験電位へと充電した後に、前記容器の容器電位を決定し、
前記試験電位を前記容器電位と比較することにより、前記試験電位を超える容器電位により前記容器の前記電気抵抗性表面における破損箇所が表される方法。
内部に提供された直列接続体に対して複数のエネルギー蓄積装置が連結されている導電性容器の電気抵抗性表面における破損箇所を検出する方法であって、
前記複数のエネルギー蓄積装置の内で最低の電位を有するエネルギー蓄積装置の電位に等しい低電位へと、前記容器を充電し、
前記容器を前記低電位まで充電した後に、前記容器の第1 容器電位を決定し、
前記複数のエネルギー蓄積装置の内で最高の電位を有するエネルギー蓄積装置の電位に等しい高電位へと、前記容器を充電し、
前記容器を前記高電位まで充電した後に、前記容器の第2 容器電位を決定し、
前記低電位および高電位を前記第1 容器電位および第2 容器電位とそれぞれ比較することにより、前記低電位もしくは高電位をそれぞれ超える前記第1 電位もしくは第2 電位のいずれかにより前記容器の前記電気抵抗性表面における破損箇所を表す方法。