JP6204357B2 - エネルギー・ストレージ・デバイスに関する直列/並列接続スキーム - Google Patents
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Description
[0001] 2009年7月6日に出願の米国特許出願シリアル番号第12/459,654号は、本発明と同じ譲受人に譲渡され、全体としてここに組み込まれる。
しかし、セル(またはセルのストリング)の1つが内部ショートを開発する場合に備えて、それは危険である。簡潔のために、ショートを含んでいるセル(またはセルのストリング)は、短絡するセル(または、セルのストリングを短絡させた)と呼ばれている。バンクまたは列の他のセル(またはセルのストリング)は、並列隣と呼ばれている。自然流入電流によって、短絡するセル(またはセルのストリング)はその並列隣人からエネルギーを受け取る。そして、過熱するためによりおそらくなられる。
ループ抵抗は、並列直列構造でより直列並列電池構造で大きい。このように、流入電流は、並列直列構造でより直列並列構造で小さい。その結果、短絡するセルは、並列直列電池構造でより直列並列電池構造で過熱しそうでない。換言すれば、 直列並列構造は内部ショートに対してより強力である。このように、並列直列構造より安全である。
緩衝レジスタの各々は、電池パックの他の電池に損害を与えることから電流過剰を防止するためにセルの一つ以上の電池セルまたはストリングが短絡させるときに、抵抗を増加させる可変抵抗である。
各種実施形態において、緩衝抵抗器は、ヒート・シンクに連結されて、ヒート・シンクから緩衝レジスタの電気絶縁体を形成している電気的絶縁を有する。ヒート・シンクは、銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である。緩衝レジスタの同一の暖房を保証するために、緩衝レジスタは、熱的に緩衝レジスタを周囲温度から分離するために、ヒート・シンクに囲まれるかまたはほとんど囲まれている。同様に、電気絶縁体は、緩衝レジスタとヒート・シンクの間に電気的絶縁を保証するために緩衝レジスタを囲んでいる。
オーバーチャージの電圧比率が4:3の代わりに2:1であるので、これは、従来の直列並列スキームにおいて、より深刻である。各種実施形態において、この課題は同じストリング上のすべての可変緩衝レジスタR11、R12、…、R32、R33により除去され、または、カラムは同時に変化するようにされる。例えば緩衝レジスタR11、R21、R31、緩衝レジスタR12、R22、R32、および、緩衝レジスタR13、R23、R33は、同じストリング上にあり、それらの温度が一緒に上下するように、熱的に連結される。これは、同時にすべての変化にそれらの抵抗を引き起こす。電池が、電池(または電池セル)B11、B12、…、B33、B34の各ストリング上の電池セルの長いストリングから成る場合、特に、内部ショートの間、効果的に同じストリングにある緩衝レジスタR11、R12、…、R32、R33のこの結合は、オーバーチャージを妨げ、および/または、過放電を妨げる。
それから、PTCの複数のストリップは、所望の緩衝レジスタを形成するために、ESに敷設されることができる。プラスチック膜は、熱耐久性を高めるために、ガラス繊維またはアルミナ粉で補強されることができる。
電流調整ユニットCR1、CR2、CR3は、他の実施形態において、以下のエレメントの一つ以上から造られる:
1.スイッチ、リレーまたは接触(それによって、安価であるが、診断に役立って、電池パックが1つの直列が失敗する場合に備えて、減少した容量に取り組むことができる)。
ヒューズは電池B11、B12、…、B33、B34のカラムまたはストリングをオーバーロードから保護し、または、極端に高い温度で作動する。
パック200の各連続が4つ未満の緩衝レジスタを有する場合に備えて、緩衝レジスタの場所のいくつかは空でありえる。緩衝レジスタR1、R2、R3、および、R4、並びに、電流調整ユニットCRのアセンブリは、電気的絶縁EIに配置された緩衝レジスタR1、R2、R3、R4を有する。緩衝レジスタR1、R2、R3およびR4を備えた電気的絶縁EIは、電流調整ユニットCRを緩衝レジスタR1、R2、R3およびR4に熱的に連結するように、電流調整ユニットCRに固着する。この全構成は、それは緩衝レジスタR1、R2、R3、および、R4のアセンブリ、並びに環境から電流調整ユニットCRを分離する断熱にある。断熱TIの構造およびサーマルは緩衝レジスタR1、R2、R3R4および電流調整ユニットCRは設計され、そして、所望の起動させている温度(緩衝抵抗が鋭く増加する温度)および潜在性(緩衝抵抗が増加する流入電流の増加から)になる。示されない一方、上のヒート・シンク構造のいずれかが記載されて緩衝レジスタR1、R2、R3、および、R4のアセンブリに含まれることができ、および電流調整ユニットCR、そして、本発明の原則に合わせてある。
Claims (43)
- 直列並列接続された電池セルのマトリックスから成る電池パックの中で流入電流を制限することに関する電流緩衝アセンブリであって、
複数の電流制限装置であって、複数の電流制限装置の各々は、直列並列接続された電池のマトリックスの1つのカラムで2つの隣接する電池セルの接合に接続された第1の端末と、直列並列被接続電池の1本の行と関連した複数の電流制限装置のすべての第2の端末が共通に接続されるように接続されたことを特徴とする第2の端末と、を有することを特徴とする、複数の電流制限装置と、
少なくとも1つの電流制限追跡手段であって、カラム上の1つの電池セルがショートするときのように、少なくとも1つの電流制限追跡手段が、1つのカラムで2つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結され、カラム上の1つの電池セルがショートするとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、少なくとも1つの電流制限追跡手段と、
を有することを特徴とする電流緩衝アセンブリ。 - 前記複数の電流制限装置の各々が、緩衝レジスタである請求項1の電流緩衝アセンブリ。
- 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項2の電流緩衝アセンブリ。
- 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項3の電流緩衝アセンブリ。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させ、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗を増加させ、熱的に連結された緩衝レジスタは、短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも1つの電流制限追跡手段は、緩衝レジスタを熱的に一緒に連結する少なくとも1つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項4に記載の電流緩衝アセンブリ。
- ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項5の電流緩衝アセンブリ。
- 複数の電流調整エレメントを更に有し、複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントが、電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな流入電流を防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの1つのカラムの電池セルと直列にあることを特徴とする、請求項1に記載の電流緩衝アセンブリ。
- 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項7の電流緩衝アセンブリ。
- 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項8の電流緩衝アセンブリ。
- カラム上の1つの電池セルが短絡するとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも1つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項7の電流緩衝アセンブリ。
- 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項10の電流緩衝アセンブリ。
- 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項11の電流緩衝アセンブリ。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも1つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも1つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項12に記載の電流緩衝アセンブリ。
- 複数の電流制限手段をおおっている断熱手段と、を更に有し、
前記少なくとも1つの電流制限追跡手段が、周囲温度から少なくとも1つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を断熱する、ことを特徴とする請求項1に記載の電流緩衝アセンブリ。 - 直列並列接続された電池セルの行または列のマトリックスと、
直列並列接続された電池セルの少なくとも1つの短絡から生じている電池パック内に流入する電流を制限するための流入電流制限回路と、を有し、
前記流入電流制限回路が、
複数の電流制限装置のすべての第2の端末が、共通に接続されるように接続される第2の端末と、複数の電流制限装置の各々が、直列並列接続された電池のマトリックスの1つのカラム上の2つの隣接する電池セルの接合に接続している第1の端末と、を有する複数の電流制限装置と、
少なくとも1つの電流制限追跡手段と、
を有することを特徴とし、
少なくとも1つの電流制限追跡手段の各々が、カラム上の1つの電池セルがショートするときのように、少なくとも1つの電流制限追跡手段が、1つのカラムで2つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結され、カラム上の1つの電池セルがショートするとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、
電池パック。 - 複数の電流制限装置の各々が緩衝レジスタである請求項15の電池パック。
- 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項16の電池パック。
- 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項17の電池パック。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも1つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも1つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項18に記載の電池パック。
- ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項19に記載の電池パック。
- 前記流入電流制限回路が、複数の電流調整エレメントを更に有し、複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントが、電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな流入電流を防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの1つのカラムの電池セルと直列にあることを特徴とする、請求項15に記載の電池パック。
- 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項21に記載の電池パック。
- 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、接触、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項22に記載の電池パック。
- カラム上の1つの電池セルが短絡するとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも1つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項21に記載の電池パック。
- 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項15に記載の電池パック。
- 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項25に記載の電池パック。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも1つの電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結する少なくとも1つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項26に記載の電池パック。
- 複数の電流制限手段をおおっている断熱手段と、を更に有し、
前記少なくとも1つの電流制限追跡手段が、周囲温度から少なくとも1つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を断熱する、
ことを特徴とする請求項15に記載の電池パック。 - 直列並列接続した電池セルのマトリックスから成る電池パックの中で流入電流を制限する方法であって、
複数の電流制限装置を提供するステップと、
直列並列接続した電池のマトリックスの1つのカラム上の2つの隣接する電池セルの接合に接続している第1の端末に複数の電流制限装置の各々を接続するステップと、
1つの列の直列並列接続した電池と関連した複数の電流制限装置の第2の端末を共通に接続するステップと、
複数の電流制限追跡手段を提供するステップと、
カラム上の1つの電池セルがショートするときのように、少なくとも1つの電流制限追跡手段の各々を、1つのカラムで2つの隣接するバッテリ・セルの接合に接続している電流制限装置に連結させるステップであって、カラム上の1つの電池セルがショートするとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々の電流を制限するプロセスによって、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルからの流入電流が、ショートしたセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージすること、及び、直列並列接続電池セルのマトリックスの範囲内で他の電池セルを過剰に放電することを制限することを特徴とする、連結させるステップと、
を有することを特徴とする流入電流を制限する方法。 - 複数の前記電流制限装置の各々が、緩衝レジスタである請求項29の流入電流を制限する方法。
- 緩衝レジスタが正の温度係数バッファ・レジスタである請求項30の流入電流を制限する方法。
- 少なくとも1つの電流制限追跡手段の各々を連結させるステップが、正の温度係数バッファ・レジスタを熱的に連結するステップを含む請求項31に記載の流入電流を制限する方法。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させたとき、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗及び熱的に連結された緩衝レジスタが短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、電流制限追跡手段は、一緒に緩衝レジスタを熱的に連結するヒート・シンクであることを特徴とする請求項32に記載の流入電流を制限する方法。
- ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項33に記載の流入電流を制限する方法。
- 複数の電流調整エレメントを提供するステップと、
電流調整エレメントが配置される電池セルのカラムに大きな電流が流入するのを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの1つのカラムの電池セルと直列に複数の電流調整エレメントの各電流調整エレメントを取り付けるステップと
を有することを特徴とする請求項29に記載の流入電流を制限する方法。 - 電流調整レジスタが配置されるカラムの電池セルが短絡するとき、電流調整エレメントの各々が、流入電流を制限するために正の温度係数を有する請求項35に記載の流入電流を制限する方法。
- 前記電流調整エレメントの各々が、可変抵抗、スイッチ、リレー、ヒューズ、電流レギュレータ回路または電子スイッチである請求項36に記載の流入電流を制限する方法。
- カラム上の1つの電池セルが短絡するとき、1つのカラム上の複数の電流制限装置の各々が、短絡したセルを有するカラム上の電池セルをオーバーチャージするのを防止し、直列並列接続された電池セルのマトリックス内で他の電池セルを過放電することを防止するために、直列並列接続された電池セルのマトリックスの並列隣接電池セルから流入電流を制限するように、電流調整エレメントの各々が、少なくとも1つの電流制限追跡手段に取り付けられることを特徴とする請求項35に記載の流入電流を制限する方法。
- 可変抵抗が、正の温度係数バッファ・レジスタである請求項38に記載の流入電流を制限する方法。
- 正の温度係数バッファ・レジスタが熱的に連結される請求項39に記載の流入電流を制限する方法。
- 短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタの中を流れる電流が、温度を上昇させ、それにより、1つの緩衝レジスタの抵抗を増加させ、熱的に連結された緩衝レジスタは、短絡した電池セルと関連した1つの緩衝レジスタによって引き起こされる温度上昇に伴って抵抗が増加するように、少なくとも1つの電流制限追跡手段は、緩衝レジスタを熱的に一緒に連結する少なくとも1つのヒート・シンクであることを特徴とする請求項40に記載の流入電流を制限する方法。
- ヒート・シンクが銅、アルミニウム、スズ、鉛または他のヒート伝導材料である請求項41に記載の流入電流を制限する方法。
- 少なくとも1つの電流制限追跡手段及び複数の電流制限装置を周囲温度から断熱するための断熱手段で、複数の電流制限装置および少なくとも1つの電流制限追跡手段を覆うステップをさらに含む、請求項29に記載の流入電流を制限する方法。
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