JP2017506795A - 本質的に安全なバッテリセルを駆動する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、本質的に安全なバッテリセルへの低温での充電後に、本質的に安全なバッテリセルを駆動する方法に関する。本発明によれば、バッテリセルの放電曲線が定められ、めっき基準が出現しているかに関してバッテリセルの放電曲線が分析され、少なくとも１つのめっき基準が出現している場合には、監視モードでの駆動に切り替えられ、監視モードでは、本質的に安全なバッテリセルの容量が監視されることが構想される。本発明はさらに、本方法を実行するために実現された本質的に安全なバッテリセルに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、本質的に安全なバッテリセルへの低温での充電後に本質的に安全なバッテリセルを駆動する方法に関する。

バッテリセルは、定置型又は移動型の適用のためのエネルギー貯蔵システムにおいて、例えば、緊急電源システムにおいて、又は、自動車産業では電気自動車及びハイブリッド自動車のために、非常に広く使用されている。このような適用のために通常では、複数のバッテリセルが直列又は並列に互いに電気的に接続されて、バッテリモジュール及びバッテリとなる。

製造許容差、及び又は、劣化による容量損失により、上記接続されてバッテリとなるバッテリセルの容量は正確には同じではない。しかしながら、上記バッテリセルの充電及び放電は、通常では結合された状態で一緒に行われ、これにより、例えば、個別のバッテリセルの過充電又は深放電に対する危険性が発生する。これに伴って、個々のバッテリセルが過熱する危険性が発生し、これにより、通常では複数段階を経て、対応するバッテリセルが熱によって破壊される。

このような理由から、自身の保護のための***品を有する本質的に安全なバッテリセルを提供するという意図が生まれた。この***品には、通常では特に、安全回路ＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、電流断続器）、圧力逃がし弁、又は、過充電による過熱若しくは電流フローが大き過ぎることよる過熱に対する熱防護装置、などの機能及び装置が挙げられる。簡素な場合には、本質的に安全なバッテリは切り替え要素を有し、この切り替え要素によって、バッテリ内の本質的に安全なバッテリセルが非活動化され、バッテリの残りのバッテリセルは引き続き駆動されうる。

例えば、本質的に安全なリチウムイオン電池のような本質的に安全なバッテリセルは、従来技術によれば、内部短絡若しくは外部短絡、過充電、深放電、又は外部過熱のような状況においてバッテリセルを保護するために、例えば急速放電装置のような電子部品を有する。

バッテリセルの内部短絡を引き起こす仕組みとして、めっき（Ｐｌａｔｉｎｇ）が挙げられる。めっきの場合、充電過程の間に陽イオンが電極構造に挿入されず、層として電極上に析出する。この析出物の層は、電極間での短絡を引き起こしうる。この影響は、特に、非常に大きな電での充電又は低温時の充電において発生する可能性がある。ここでは、約０℃以下の温度が低温と見なされる。

この関連において、国際公開第２００９／０３６４４４号明細書では、保全状態を監視するための参照電極を備えた再充電可能なリチウム電池が開示されている。リチウム電池は、駆動電極の電位差、及び、参照電極に対する１つ以上の駆動電極での電位に関する情報を得るために、充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）モニタを備えたバッテリ監視システムを含む。

さらに、米国特許第７９８２４３７号明細書では、車両のメインバッテリと関連付けられた放電電圧を監視するバッテリ制御モジュールが開示されている。バッテリ制御モジュールは、メインバッテリ内で熱を生成させるために、充電電圧に依存する充電／放電プロファイルを用いてメインバッテリを周期的に駆動する。メインバッテリの温度が、限界値を下回り、例えば１０℃を下回る場合には、バッテリ制御モジュールは、例えば低温条件下での車両駆動の早期の範囲の間に、メインバッテリ内で熱を生成させるために、メインバッテリを周期的に駆動する。

従って、バッテリセル、特にリチウムイオンセルへの低温での充電によって、めっきによる危険性及びバッテリの故障の危険性が発生する。本質的に安全なバッテリセルと称するためには、バッテリセル及び場合よってはバッテリを更なる損傷から保護するために、めっきの生成を検出することが有益である。

本発明の主題は、本質的に安全なバッテリセルへの低温での充電後に、本質的に安全なバッテリセルを駆動する方法である。さらに、本発明の主題は、本方法を実行するよう構成された本質的に安全なバッテリセルである。本発明の有利な構成は、従属請求項に示される。

本発明によれば、バッテリセルの放電曲線を定める工程と、めっき基準（Ｐｌａｔｉｎｇ‐Ｋｒｉｔｅｒｉｕｍ）が出現しているかに関して、バッテリセルの放電曲線を分析する工程と、少なくとも１つのめっき基準が出現している場合には、バッテリセルの容量が監視される監視モードでの駆動に切り替える工程と、を含むことを特徴とする、本質的に安全なバッテリセルへの低温での充電後に、本質的に安全なバッテリセルを駆動する方法が構想される。

本発明の利点は、本質的に安全なバッテリセル（以下では、本発明に係る方法に従って駆動されるバッテリセルとも称される）が、複数の駆動モードで駆動されうることである。様々な駆動モードにおいてバッテリセルは様々な程度に検査され、このようにして効率良く保守作業が行われる。本発明に係る本質的に安全なバッテリセルが、低温での充電のためにめっきによる特別な危険に晒された場合には、その後の放電過程において放電曲線が定められる。本発明によれば、この手続きのためのコストは、充電過程及び放電過程の各周期には発生せず、効率的なやり方で危険な場合にのみ発生する。

他の工程において、放電曲線は、めっき基準が出現した後に検査される。めっき基準が出現していない場合には、バッテリセルは引き続き通常モードで駆動される。この通常モードでも、バッテリセルのパラメータが通常は監視されるが、放電曲線を定める必要はない。

これに対して、めっき基準が出現していることが確認された場合には、セルは、それ以降は、バッテリセルの容量が監視される監視モードで駆動される。本発明の利点は、この監視も、具体的な理由があった場合にのみ効率的に行われることにある。バッテリセルの容量の監視によって、セルの性能及び動作信頼性への推測、並びに場合によっては更なる措置を可能とする容量の変化が確認出来るという利点がもたらされる。従って、本発明に係る方法は、有利に、本質的に安全なバッテリセルという意味において動作信頼性を効率良く向上させることに寄与する。

有利に、本発明に係る方法は、本質的に安全なバッテリセルの急速な容量損失が確認された場合には、セーフモードでの駆動への切り替えが行われ、セーフモードでは本質的に安全なバッテリセルが非活動化されるという更なる別の工程を有する。その際に、本質的に安全なバッテリセルは、例えば、内部の切り替え素子を介して、本質的に安全なバッテリセルに接続された回路構成から分離される。本質的に安全なバッテリセルが直列回路で駆動される場合には、切り替え素子によってバイバスが形成される。

ここで、急速な容量損失とは、１の周期から次の周期までのバッテリセルの容量の明らかな低下、又は、数周期内でのバッテリセルの容量の明らかな低下として理解されたい。通常では、バッテリセルの容量は、最初の５０周期〜１００周期以内では０．１％〜１％分だけ低下する。これは、１周期当たり０．０１‰〜０．２‰の平均的な勾配に相当する。この勾配が１周期以内、又は数周期以内、例えば１０周期以内に１０〜１００倍に上昇し、即ち０．１％〜１％の値に上昇した場合には、急速な容量損失が起きている。

本工程の利点は、十中八九は損傷しているバッテリセルが、例えば、バッテリ内の直列回路から分離されてバイパスが形成され、従って、当該バッテリセルが将来的な充電過程及び放電過程から外されることである。上記の分離及びバイパスの形成に基づいて、一方では、損傷したバッテリセルの焼損の危険が回避され、他方では、損傷したバッテリセルが過充電又は過負荷により放熱することが防止される。この放熱によって、未だ無償の可能性がある他のバッテリセルが損傷を受ける可能性があるであろう。

有利に、本発明に係る方法として、上述の放電曲線が室温での既知の参照曲線よりも高い放電電圧を有する場合にはめっき基準が出現しているという形態により実行される。その際に、例えば、バッテリセルの構造形態にとって典型的な放電曲線、又は、バッテリセル自体での測定により定められた参照曲線が、既知の参照曲線としての役目を果たす。

放電曲線の様々な特徴によって、めっきの出現が示唆されうる。有利に、本発明に係る方法は、上述の放電曲線が平坦域により特徴付けられる場合にはめっき基準が出現しているという形態により実行される。同様に、２つの変曲点を有する放電曲線も、めっきの出現を示唆しうる。従って有利に、本発明に係る方法はさらに、上述の放電曲線が２つの電圧間隔の間に少なくとも２つの変曲点を有する場合には、めっき基準が出現しているという形態により実行される。

さらに、放電曲線が平坦域を有し、この平坦域の限界値が充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在することによって、めっきの出現が示される。従って有利に、本発明に係る方法はさらに、上述の放電曲線が２つの電圧間隔の間に平坦域を有する場合にはめっき基準が出現しており、その際に、限界電圧は、充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在するという形態により実行される。

同様に、放電曲線が、充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在する２つの変曲点を有することによって、めっきの出現が示される。従って有利に、本発明に係る方法はさらに、上述の放電曲線が２つの電圧間隔の間に少なくとも２つの変曲点を有する場合にはめっき基準が出現しており、その際に、限界電圧は、充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在するという形態により実行される。

他の実施形態において、監視モードのへの切り替えを、上述の基準のうちの複数の基準が組み合わさって出現にしていることに依存させてもよい。同様に、監視モードへの切り替えを、上述のめっき基準のうちの１つの現れ度合に依存させることも可能である。

監視モードでは、この後に続く充電周期及び放電周期においてバッテリセルの容量が監視される。このために、所定間隔で、電気的特性の決定及び記録、容量の決定及び記録及び／又は充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の決定が行われる。監視タスクは、バッテリ管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）の形態による制御及び監視素子によって、通常では、複数の中央的な構成要素及び分散化された構成要素と共に、マルチライン式に実行されうる。その際に、監視タスクは、例えば、ＢＭＳの制御ユニットにおいて中央で実行されもよく、又は、例えばバッテリセル又はバッテリモジュールごとに一重又は多重に実現されるセル監視装置（セル監視回路（ＣＳＣ：Ｃｅｌｌ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とも称される）において、分散化されて実行されてもよい。従って、本発明に係る監視方法は、ＣＳＣによっても、ＢＭＳの中央的な構成要素によっても、実行され、又は、双方によって一緒に実行されうる。有利に、監視モードにおいて急速な容量損失を決定するために、特に低温時の充電状態にわたる充電電圧及び放電電圧のプロファイルが記録されて、格納される。

有利に、セーフモードにおいて又はセーフモードへの切り替えの際に信号が出力される。このような信号は、バッテリの少なくとも複数のバッテリセルがもはやエネルギー貯蔵器として利用出来ないことをシグナリングするために適している。適用に応じて、上記信号は、例えば、緊急電源の蓄えが不足していること、又は駆動バッテリの航続距離及び／又は性能が低下していることをシグナリングすることが可能である。

さらに、本発明の主題は、貯蔵要素と、切り替え素子と、制御素子と、を有し、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法を実行するために実現された本質的に安全なバッテリセルである。ここでは、切り替え素子は、有利にハーフブリッジの形態により実現され、通常モード及び監視モードにおいて、本質的に安全なバッテリセルの貯蔵要素を端子接点（Ａｎｓｃｈｌｕｓｓｋｏｎｔａｋｔ）へと接続する。これに対して、セーフモードでは、貯蔵要素が端子接点の少なくとも１つから分離され、端子接点は、バイパスに従って直接的に互いに接続される。

以下では、本発明が、実施例への図面を用いて詳細に解説される。

本発明の例示的な流れについてのフロー図を示す。 放電曲線の一例を示す。 平坦域を含む放電曲線の一例を示す。 複数の変曲点を有する放電曲線の一例を示す。 最大充電電圧の近傍又は最小放電電圧の近傍にその限界電圧が存在する平坦域を含む放電曲線の一例を示す。 最大充電電圧の近傍又は最小放電電圧の近傍にその対応する電圧が存在する複数の変曲点を有する放電曲線の一例を示す。 本質的に安全なバッテリセルの一実施例を示す。

図１は、フロー図の形態により本発明の一実施例を示している。図１では工程１０１で示される通常の駆動モードでは、工程１０２において、以下で図７との関連で詳細に解説する本質的に安全なバッテリセル１の充電が行われる。工程１０３において、本質的に安全なバッテリセル１が低温で充電されたかどうかが検査される。本質的に安全なバッテリセル１が例えば室温で充電された場合には、ここでは示されない通常の放電過程が起こって本方法は工程１０１へと進み、従って、本質的に安全なバッテリセル１は、引き続き通常の駆動モードで駆動され、次の周期で工程１０２において新たに充電される。しかしながら、本質的に安全なバッテリセル１が、低温で、即ち０℃以下で充電された場合には、この後の放電の際に、工程１０４において放電曲線が定められ、工程１０５において、めっき基準が出現しているかに関して分析される。例えば本質的に安全なバッテリセル１への損傷が生じなかったために、めっき基準が検知されなかった場合には、本質的に安全なバッテリセル１は、引き続き通常の駆動モードで駆動され、即ち、本方法は工程１０１へと進む。

しかしながら、めっき基準が満たされた場合には、工程１０１に係る通常モードでの駆動から、ここでは工程１０６として示される監視モードでの駆動に切り替えられる。監視モードでは、連続する充電周期及び放電周期において、本質的に安全なバッテリセル１の容量が監視される。即ち、本質的に安全なバッテリセル１が工程１０７で充電される場合には、工程１０８で、本質的に安全なバッテリセル１の容量が決定される。特に低温時の充電状態にわたる充電電圧及び放電電圧のプロファイルの作成及び記録が行われる。このプロファイルは、工程１０９において、例えば互いに比較され、又は、例えば以前にバッテリの稼働時に測定された１つ以上の所定の参照曲線のプロファイルと比較される。工程１０９での比較において目立つことがなかった場合には、本質的に安全なバッテリセル１は、引き続き監視モードで駆動され、本方法は工程１０６に飛ぶ。しかしながら、上記比較の際に急速な容量損失が検知された場合には、工程１１０において、セーフモードでの駆動に切り替えられ、セーフモードでは、本質的に安全なバッテリセル１又はその貯蔵要素２が切断され、バッテリセル１の端子接点を介してバイパスが形成される。

図２は、放電曲線の一例を示しており、ここでは充電状態（ＳＯＣ）にわたる放電電圧ＵＥが描かれている。時間的推移に従って、１００％から０％まで低下する充電状態が示されている。

図３は、放電曲線の一例を示しており、ここでも同様に充電状態（ＳＯＣ）に渡って放電電圧ＵＥが描かれている。図２とは異なって、めっきの出現を示唆し、即ちめっき基準を提示する平坦域５が放電曲線の一区間に形成されている。

図４は、充電状態（ＳＯＣ）に渡って放電電圧ＵＥが描かれた放電曲線の他の例を示している。図２及び図３とは異なって、放電曲線には複数の変曲点６が形成され、この変曲点６も同様にめっきの出現を示唆し、即ち同様にめっき基準を提示する。

図５は、図３のように、２つの電圧間隔７の間に平坦域５が形成された放電曲線の一例を示している。図３とは異なって、限界電圧が、最大充電電圧の近傍又は最小放電電圧の近傍に存在する。

図６は、図４のように、複数の変曲点６を含む放電曲線の一例を示しており、ここでは、変曲点６の対応する電圧が、最大充電電圧の近傍又は最小放電電圧の近傍に存在する。

図７は、本質的に安全なバッテリセル１の一実施例を示し、この本質的に安全なバッテリセル１は、貯蔵要素２と、切り替え素子３と、制御素子４と、を有する。ここでは、切り替え素子３は、２つの電子スイッチ及びフリーホイールダイオードを備えたハーフブリッジ回路として構成される。切り替え素子３は制御素子４によって制御され、制御素子４は、監視回路ＣＳＣとして、同時に貯蔵要素２の電気的パラメータを監視する。通常駆動モード及び監視モードでは、切り替え素子３の２つのスイッチのうちの下方のスイッチが開放され、かつ２つのスイッチのうちの上方のスイッチが閉鎖され、従って、貯蔵要素２は本質的に安全なバッテリセル１の端子接点と接続される。これに対してセーフモードでは、２つのスイッチのうち上方のスイッチが開放され、従って、貯蔵要素２が端子接点から切り離される。本質的に安全なバッテリセル１が、バッテリでは一般的であるように、直列回路で駆動される場合には、同時に、２つのスイッチのうちの下方のスイッチが閉鎖され、従って、バイパスが形成されて直列回路が遮断されない。

監視モードでは、この後に続く充電周期及び放電周期においてバッテリセルの容量が監視される。このために、所定間隔で、電気的特性の決定及び記録、容量の決定及び記録及び／又は充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の決定が行われる。監視タスクは、バッテリ管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）の形態による制御及び監視素子によって、通常では、複数の中央的な構成要素及び分散化された構成要素と共に、マルチライン式に実行されうる。その際に、監視タスクは、例えば、ＢＭＳの制御ユニットにおいて中央で実行されもよく、又は、例えばバッテリセル又はバッテリモジュールごとに一重又は多重に実現されるセル監視装置（セル監視回路（ＣＳＣ：Ｃｅｌｌ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とも称される）において、分散化されて実行されてもよい。従って、本発明に係る監視方法は、ＣＳＣによっても、ＢＭＳの中央的な構成要素によっても、実行され、又は、双方によって一緒に実行されうる。有利に、監視モードにおいて急速な容量損失を決定するために、特に室温時の充電状態にわたる充電電圧及び放電電圧のプロファイルが記録されて、格納される。

しかしながら、めっき基準が満たされた場合には、工程１０１に係る通常モードでの駆動から、ここでは工程１０６として示される監視モードでの駆動に切り替えられる。監視モードでは、連続する充電周期及び放電周期において、本質的に安全なバッテリセル１の容量が監視される。即ち、本質的に安全なバッテリセル１が工程１０７で充電される場合には、工程１０８で、本質的に安全なバッテリセル１の容量が決定される。特に室温時の充電状態にわたる充電電圧及び放電電圧のプロファイルの作成及び記録が行われる。このプロファイルは、工程１０９において、例えば互いに比較され、又は、例えば以前にバッテリの稼働時に測定された１つ以上の所定の参照曲線のプロファイルと比較される。工程１０９での比較において目立つことがなかった場合には、本質的に安全なバッテリセル１は、引き続き監視モードで駆動され、本方法は工程１０６に飛ぶ。しかしながら、上記比較の際に急速な容量損失が検知された場合には、工程１１０において、セーフモードでの駆動に切り替えられ、セーフモードでは、本質的に安全なバッテリセル１又はその貯蔵要素２が切断され、バッテリセル１の端子接点を介してバイパスが形成される。

製造許容差、及び／又は、劣化による容量損失により、上記接続されてバッテリとなるバッテリセルの容量は正確には同じではない。しかしながら、上記バッテリセルの充電及び放電は、通常では結合された状態で一緒に行われ、これにより、例えば、個別のバッテリセルの過充電又は深放電に対する危険性が発生する。これに伴って、個々のバッテリセルが過熱する危険性が発生し、これにより、通常では複数段階を経て、対応するバッテリセルが熱によって破壊される。

有利に、本発明に係る方法は、上述の放電曲線が室温での既知の参照曲線よりも高い放電電圧を有する場合にはめっき基準が出現しているという形態により実行される。その際に、例えば、バッテリセルの構造形態にとって典型的な放電曲線、又は、バッテリセル自体での測定により定められた参照曲線が、既知の参照曲線としての役目を果たす。

Claims (10)

1. 本質的に安全なバッテリセル（１）への低温での充電後に、本質的に安全なバッテリセル（１）を駆動する方法であって、以下の工程、即ち、
   ‐前記本質的に安全なバッテリセル（１）の前記放電曲線を定める工程と、
   ‐めっき基準が出現しているかに関して、前記本質的に安全なバッテリセル（１）の前記放電曲線を分析する工程と、
   ‐少なくとも１つのめっき基準が出現している場合には、監視モードでの駆動に切り替える工程であって、前記監視モードでは前記本質的に安全なバッテリセル（１）の容量が監視される、前記切り替える工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記本質的に安全なバッテリセル（１）の急速な容量損失が確認された場合には、前記監視モードでの駆動からセーフモードでの駆動への切り替えが行われ、前記本質的に安全なバッテリセル（１）は、前記セーフモードでは非活動化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記放電曲線が、室温での既知の参照曲線よりも高い放電電圧を有する場合には、めっき基準が出現していることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記放電曲線が、平坦域（５）により特徴付けられる場合には、めっき基準が出現していることを特徴とする、請求項１〜３にいずれか１項に記載の方法。
5. 前記放電曲線が、２つの電圧間隔の間に少なくとも２つの変曲点（６）を有する場合には、めっき基準が出現していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記放電曲線が、２つの電圧間隔（７）の間に平坦域（５）に有する場合には、めっき基準が出現しており、前記限界電圧は、充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記放電曲線が、２つの電圧間隔の間に少なくとも２つの変曲点（６）を有する場合には、めっき基準が出現しており、前記限界電圧は、充電電圧の最大値の近傍又は放電電圧の最小値の近傍に存在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記監視モードにおいて急速な容量損失を決定するために、特に低温時の充電状態にわたる充電電圧及び放電電圧のプロファイルが記録されて、格納されることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記セーフモードにおいて又は前記セーフモードへの前記切り替えの際に信号が出力されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 貯蔵要素（２）と、切り替え素子（３）と、制御素子（４）と、を有し、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法を実行するために実現された本質的に安全なバッテリセル（１）。
    

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