JP5894291B2 - 動力用電池アセンブリおよびそれを備える電動車両 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１１年１１月２５日に中華人民共和国国家知識産権局（ＳＩＰＯ）に提出された中国特許出願第２０１１２０４７６５６２．５号の優先権および利益を主張し、この中国特許出願の全内容が、参照することにより本明細書に援用される。

本開示は、車両の分野に関し、さらに詳しくは、動力用電池アセンブリおよびそれを備える電動車両に関する。

この項において述べられる内容は、あくまでも本開示に関係する背景情報を提示しているにすぎず、必ずしも先行技術を構成するものではない。

環境保護の必要性の高まりにおいて、電動車両またはハイブリッド車両が、伝統的なガソリン車の代用として、将来の方向を示しており、核心の構成部品として、動力用電池がこれまで以上に重要になってきている。車載される動力用電池は、過酷な環境および悪条件に耐えなければならないため、優秀な高率放電特性および安全性を必要とする。

短絡および連続的な過負荷は、電池の寿命に悪影響を及ぼす可能性があり、重大な事故につながる可能性もある。現時点において、素早い応答性という特徴を有する高速型のヒューズを、動力用電池アセンブリの内部に取り入れることができ、いくつかの条件下では、低速型のヒューズを使用することもできる。しかしながら、調和波およびパルス電流が、動力用電池アセンブリにおける動作電流の変動につながり、これによってヒューズの誤動作を引き起こし、ヒューズの寿命を縮める可能性がある。加えて、動力用電池アセンブリを、例えば電気自動車の駆動に再び使用できるようにする前に、ヒューズを交換する必要があり、結果として保守の時間がさらに必要になり、コストが上昇する可能性がある。

この概要は、詳細な説明においてさらに後述される構想の選択を、簡略化したかたちで紹介するために提示される。この概要は、請求項に記載の主題の重要な特徴または不可欠な特徴を特定しようとするものではなく、請求項に記載の主題の技術的範囲を確定する助けとして使用されるように意図されているわけでもない。

以上に鑑み、本開示は、この技術分野に存在する問題のうちの少なくとも１つを解決することを目的とする。したがって、保守の時間およびコストを減らすことができる動力用電池アセンブリを提供することが必要であると考えられる。

公開される本発明の特徴によれば、動力用電池アセンブリは、直列および／または並列に接続された複数の電池モジュールを有している電池回路と、前記電池回路に直列に接続された回路保護ユニットと、を備えてもよく、前記回路保護ユニットは、前記電池回路に直列に接続されたリレーおよび電流検出ユニットと、前記リレーのオン・オフを制御するために前記リレーに接続されたスイッチングユニットと、前記スイッチングユニットおよび前記電流検出ユニットに接続されたコントローラと、を備えており、前記電流検出ユニットは、前記リレーを通過する電流値を検出し、前記コントローラは、前記電流検出ユニットによって検出されて前記コントローラに送信される電流値を、第１の所定の電流値と比較することに基づいて、前記スイッチングユニットのオンまたはオフへの切り換えを制御し、前記スイッチングユニットは、電流が前記第１の所定の電流値よりも大きい値を有しかつ第１の所定の期間にわたって続く場合に、前記リレーがオフへと切り換えられるように、前記コントローラの制御のもとでオフへと切り換えられる。

本開示の実施の形態による動力用電池アセンブリにおいて、所定の電流をコントローラにおいてあらかじめ設定し、伝統的なヒューズの制御性の欠如を回避しつつ電流過負荷および短絡の保護を実現することができる。加えて、動作電流が正常値へと復帰するときに、部品の交換およびそれに関するコストを必要とせずに、スイッチング回路をコントローラの制御のもとでオンへと切り換えることで、動力用電池アセンブリのリレーを閉じ、動力用電池アセンブリをきわめて速やかに通常の使用に復帰させることができる。

本開示の一実施の形態によれば、動力用電池アセンブリを備える電動車両を提供することができる。

本開示の他の利点および特徴は後述される。

本開示のこれらの態様および利点ならびに他の態様および利点が、以下の説明を図面と併せて検討することから明らかになり、より容易に理解されるであろう。

図１は、本開示の実施の形態による動力用電池アセンブリの概略図である。 図２は、本開示の実施の形態による動力用電池アセンブリの斜視図である。 図３は、図２においてＰによって示された部分の部分拡大図である。 図４は、本開示の実施の形態による動力用電池アセンブリにおける電流センサの概略斜視図である。

本開示の実施の形態を、以下の説明において詳しく述べており、本開示の実施の形態の例が、添付の図面に示されており、添付の図面において、同じまたは類似の構成要素ならびに同じまたは類似の機能を有する構成要素は、説明の全体を通して同様の参照番号によって示されている。本明細書において説明される実施の形態は、あくまでも本開示を全体的に理解するために用いられているにすぎず、本開示を限定するものとして解釈してはならないことを、理解すべきである。

以下に、電流過負荷または短絡から保護されることができる動力用電池アセンブリ１を、添付の図面を参照して実例として説明することができ、添付の図面において、類似の図面番号は、以下の文脈において類似の構成部品または部分を示している。図１は、動力用電池アセンブリ１の概略図である。図２は、動力用電池アセンブリ１の斜視図である。

図１に示されるとおり、動力用電池アセンブリ１は、直列および／または並列に接続された複数の電池モジュール１１を有している電池回路と、回路保護ユニット１００とを備えることができる。回路保護ユニット１００は、電池回路に直列に接続されてもよく、リレー２、電流検出ユニット３、スイッチングユニット５、およびコントローラ４を有することができる。リレー２および電流検出ユニット３は、電池回路に直列に接続することができ、電流検出ユニット３は、リレー２を通過する電流値を検出する。一実施の形態においては、スイッチングユニット５は、リレー２を制御するためにリレー２に接続されることができる。すなわち、電流が正常値の範囲内にある場合、スイッチングユニット５がオンにされ、リレー２は、オンにされる。電流が異常である場合、スイッチングユニット５がオフにされ、リレー２は、遮断される。電流検出ユニット３によって検出されてコントローラ４へと送信される電流値を第１の所定の電流値と比較することによってスイッチングユニット５のオン／オフを制御するために、コントローラ４は、スイッチングユニット５および電流検出ユニット３に接続されることができる。電流が第１の所定の電流値よりも大きな値を有しており、かつ第１の所定の期間にわたって続く場合、スイッチングユニット５は、コントローラ４の制御のもとでオフにされることができる。一実施の形態においては、電流検出ユニット３によって検出される電流が、第１の所定の電流値よりも大きい第２の所定の電流値よりも大きい値を有し、かつ第２の所定の期間にわたって続く場合に、スイッチングユニット５は、コントローラ４の制御のもとでオフにされることができる。一実施の形態においては、第１の所定の電流値が、動力用電池アセンブリ１の過負荷保護電流値であってもよく、第２の所定の電流値が、動力用電池アセンブリ１の短絡電流値であってもよい。あるいは、他の実施の形態においては、電流検出ユニット３によって検出される電流値が、所定の期間における平均値であってもよい。

本開示の実施の形態による動力用電池アセンブリ１において、伝統的なヒューズの制御性の欠如を回避しつつ過電流および短絡の保護を実現する所定の電流が、コントローラ４においてあらかじめ設定されていることができる。加えて、動作電流が正常値へと復帰するときに、部品の交換およびそれに関するコストを必要とせずに、スイッチング回路５がコントローラ４の制御のもとでオンへと切り換えられることで、動力用電池アセンブリ１のリレー２を閉じ、動力用電池アセンブリ１をきわめて速やかに通常の使用に復帰させることができる。

図２を参照すると、直列および／または並列に接続された電池モジュールは、電池支持トレイ１２上に設けられることができ、正極端子１３および負極端子１４は、動力用電池アセンブリ１から引き出されることができる。電池モジュールは、当該分野で一般に実施されており、したがってここではその詳細な説明を明瞭化のために省略しても差し支えないことに留意されたい。

あるいは、一実施の形態においては、リレー２、コントローラ４、および電流検出ユニット３は、複数の電池モジュール１１のうちの少なくとも１つの電池モジュールによって電力を供給されることができ、スイッチングユニット５が、複数の電池モジュール１１のうちの少なくとも１つの電池モジュールとリレー２との間に直列に接続される。

図１および図３を参照すると、リレー２の常時開の接点２１は、電池回路に直列に接続されることができ、リレー２のコイル巻線２２は、検出回路を形成するためにスイッチングユニット５に直列に接続されることができる。一実施の形態においては、リレー２、コントローラ４、および電流検出ユニット３に電力を供給するための電源６は、動力用電池アセンブリ１に設けられることができ、スイッチングユニット５は、電源６とリレー２との間に直列に接続される。リレー２のコイル巻線２２の一端２２ａは、電源６の負極に接続されることができ、他端２２ｂは、スイッチングユニット５を介して電源６の正極に接続されることができる。一実施の形態においては、リレー２は、韓国のＬＳＩＳ Ｃｏ．Ｌｔｄ．が流通させている、４００Ａの定格動作電流を有する製品型番ＧＥＲ−４００などの大電力の高電圧ＤＣリレーであってもよい。また、リレー２の定格電流は、動力用電池アセンブリ１の正常な動作電流の上限よりも大きくてもよい。さらに、リレー２は、状況に応じて、適切な寸法精度および温度などを有することができる。

図３に示されるとおり、リレー２は、取り付け穴２４が形成されたベース２３を備えることができ、ベース２３は、物理的な変位を避けるために、例えば、ねじによって電池支持トレイ１２に固定されることができる。一実施の形態においては、電流検出ユニット３が、ホールセンサであってもよく、ホールセンサ３は、ホールセンサ３を介してリレー２を電池回路に接続する第１のリード１６を通す貫通穴３６を有する第１のリード支持部材３１を備えることができ、第１のリード１６が頻繁な摩擦によって第１のリード支持部材３１による損傷を被ることがないように、貫通穴３６と貫通穴３６を通過する第１のリード１６との間に第１の弾性ワッシャ３２が、設けられることができる。第１の弾性ワッシャ３２は、例えばＰＰ、ＰＥＴ、ゴム、など、優秀な絶縁および耐候性を有する材料によって形成されることができる。

図４に示されるとおり、第１のリード支持部材３１は、半環状の上側リング３１１および下側リング３１２を備えることができ、上側リング３１１および下側リング３１２は、接続突起３３によって互いにヒンジ状に連結されることができ、他端は、組み立ておよび分解が容易であるように、ボルトによって着脱可能に接続されることができる。

一実施の形態においては、ホールセンサ３は、コントローラ４および電力端子３６，３７との接続のための出力端子３４，３５を備えることができる。ホールセンサ３によって検出された電流信号は、出力端子３４，３５を介してコントローラ４へと伝えることができ、ホールセンサ３は、電力端子３６，３７を介して電源６によって電力を供給されることができる。

図３に示されるとおり、電流検出ユニット３を支持するための取り付けブラケット１５が、電池支持トレイ１２上に設けられることができ、ホールセンサ３は、ねじによって取り付けブラケット１５に固定されることができる。

一実施の形態においては、回路保護ユニット１００が、リレー２を電池回路（すなわち、電池モジュール１１）に接続する第２のリード８６を支持および固定するためのリード支持ブラケット８をさらに備えることができる。リード支持ブラケット８は、電池支持トレイ１２上に支持されることができる。一実施の形態においては、リード支持ブラケット８は、電池支持トレイ１２上に固定されるベース８１と、ベース８１に固定された下側半リング８２と、上側半リング８３とを備えることができ、該上側半リング８３は、上側および下側半リング８２，８３にそれぞれ形成されたフランジ８４を介して下側半リング８２と結合する。第２の弾性ワッシャ８５は、第２のリード８６と、結合した下側および上側半リング８２，８３によって形成された開口との間に設けられることができる。一実施の形態においては、上側および下側半リング８２，８３は、フランジ８４においてヒンジ状に連結でき、フランジ８４の反対側の他方のフランジ（図示されていない）においてねじによって互いに固定されることができる。一実施の形態においては、第２の弾性ワッシャ８５は、上側および下側半リング８２，８３と第２のリード８６との間に設けられることができる。

一実施の形態においては、図１に示されるように、スイッチングユニット５が、直列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴ Ｖ０および第２のＭＯＳＦＥＴ Ｖ１を備えることができ、第１のＭＯＳＦＥＴ Ｖ０および第２のＭＯＳＦＥＴ Ｖ１のグリッド電極が、コントローラ４の出力端子４１，４２にそれぞれ接続される。ＭＯＳＦＥＴ Ｖ１のドレイン電極は、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０のソース電極に電気的に接続されることができ、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ１のソース電極は、電源６の正極に電気的に接続されることができ、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０のドレイン電極は、図３に示されるように入力端子２４に電気的に接続されることができる。一実施の形態においては、コントローラ４は、電流過負荷および短絡の保護を、以下で詳しく説明されるように、独立して実行する。スイッチングは、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０およびＭＯＳＦＥＴ Ｖ１のそれぞれによって制御されることができる。ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０およびＭＯＳＦＥＴ Ｖ１が同時にオンされている場合に限り、リレー２のコイル巻線２２に通電して、常時開の接点２１をオンにすることができ、したがって動力用電池アセンブリ１を通常の動作状態とすることができる。

一実施の形態においては、コントローラ４は、入力端子４３，４４、出力端子４１，４２、および電力端子４５，４６を有しているＩＣコントローラであってもよい。入力端子４３，４４は、ホールセンサ３の出力端子にそれぞれ接続されることができる。すでに説明したように、出力端子４１，４２は、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０およびＭＯＳＦＥＴ Ｖ１のグリッド電極にそれぞれ接続されることができる。電力端子４５，４６は、電源６によって駆動されるように、電源６の正極および負極にそれぞれ接続されることができる。

上述のように、第１の所定の電流値は、動力用電池アセンブリ１の正常動作を判断するためにコントローラ４に記憶されることができる。例えば、動力用電池アセンブリ１は、４５０Ａの連続動作電流において２５０Ａの動作電流を有することができ、動力用電池アセンブリ１は、５分未満の第１の継続時間、すなわち第１の所定の期間において、３００Ａの過負荷保護電流、すなわち第１の所定の電流値を有することができる。さらに、動力用電池アセンブリ１は、３０秒の最大継続時間、すなわち第２の所定の期間において、６００Ａの短絡保護電流、すなわち第２の所定の電流値を有することができる。次いで、電池モジュール１１における電流が、２５０Ａ未満であり、この電流値は、ホールセンサ３によって検出され、コントローラ４へと送信される。コントローラ４が、検出された電流値を第１の所定の電流値と比較し、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０およびＶ１のオンをもたらす「高」レベルを出力し、リレー２のコイル巻線２２に通電して常時開の接点２１が閉じられ、電池モジュール１１がオンとなって、動力用電池アセンブリ１が通常の動作状態となる。動力用電池アセンブリ１における電流が２５０Ａよりも大きい場合、ホールセンサ３によって検出された電流値は、コントローラ４へ送信されることができ、この電流値が第１の所定の電流値と比較され、第１の所定の期間における電流の平均値が、第１の所定の電流値よりも大きい場合に、過負荷保護に対応する出力端子４１が「低」レベルを出力し、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ０がオフに切り換わり、リレー２のコイル巻線２２の通電が断たれ、常時開の接点２１がオフに切り換わり、結果として電池モジュール１１がオフになり、電流過負荷の保護が生じる。

動力用電池アセンブリ１における電流値が４５０Ａよりも大きい場合、ホールセンサ３が電流値を検出してコントローラ４へと送信し、コントローラ４が、検出された電流値を第２の所定の電流値と比較し、例えば上述のように３０秒である第２の所定の期間における検出された電流の平均値が、第２の所定の電流値よりも大きい場合に、短絡保護に対応する出力端子４２が「低」レベルを出力し、ＭＯＳＦＥＴ Ｖ１がオフに切り換わり、リレー２のコイル巻線２２の通電が断たれ、常時開の接点２１がオフに切り換わり、結果として電池モジュール１１がオフになり、電流短絡の保護が生じる。

保守の目的で、保守が必要なときに動力用電池アセンブリ１を修理できるよう、スイッチ７は、図１に示されるように、回路保護ユニット１００と電池回路との間に直列に電気的に接続される。

以下に、動力用電池アセンブリ１の動作原理を簡単に説明する。図１に示されるとおり、電池モジュール１１が通常の状態で動作するとき、コントローラ４によって「高」レベルが出力され、スイッチングユニット５がオンになり、したがってリレー２のコイル巻線２２が通電され、結果として常時開の接点２１が閉じ、すなわちオンになり、電池モジュール１１のオンへの切り換わりが保証される。

電池モジュール１１のうちの任意の１つにおいて電流過負荷または電流の短絡が生じる場合、コントローラ４が「低」レベルを出力し、スイッチングユニット５がオフへと切り換わり、リレー２のコイル巻線２２の通電が断たれ、常時開の接点２１がオフへと切り換わり、したがって電池モジュール１１がオフに切り換わり、すなわち電流過負荷または短絡の保護が始まる。

動力用電池アセンブリ１の障害が修理されると、動力用電池アセンブリ１は、コントローラ４の制御のもとで通常の使用へと進むことができ、伝統的なヒューズなどの部品の交換が不要であり、したがって時間が節約され、追加のコストが回避される。

一実施の形態においては、上述の動力用電池アセンブリ１を備える電動車両が提供されることもできる。

説明のための実施の形態を図示および説明したが、本開示の技術的思想および原理から離れることなく、これらの実施の形態において変更、代替、および改良が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。そのような変更、代替、および改良はすべて、特許請求の範囲およびそれらの均等物に包含される。

Claims (9)

1. 直列および／または並列に接続された複数の電池モジュールを有している電池回路と、
   前記電池回路に直列に接続された回路保護ユニットと、を備え、
   前記回路保護ユニットは、前記電池回路に直列に接続されたリレーおよび電流検出ユニットと、前記リレーを制御するために前記リレーに接続されたスイッチングユニットと、前記スイッチングユニットおよび前記電流検出ユニットに接続されたコントローラと、を備え、
   前記スイッチングユニットは、直列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを備え、
   前記コントローラは、過負荷保護に対応する第１の出力端子および短絡保護に対応する第２の出力端子を備え、
   前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴのグリッド電極は、前記コントローラの第１及び第２の出力端子にそれぞれ接続され、
   前記電流検出ユニットは、前記リレーを通過する電流値を検出し、
   前記コントローラは、前記電流検出ユニットによって検出される電流値を、第１の所定の電流値と比較することに基づいて、前記スイッチングユニットのオンまたはオフの切り換えを制御し、
   前記スイッチングユニットは、電流が前記第１の所定の電流値よりも大きい値を有しかつ第１の所定の期間にわたって続く場合に、前記リレーがオフへと切り換えられるように、前記コントローラの制御のもとで前記第１のＭＯＳＦＥＴがオフにされることにより、オフへと切り換えられ、
   前記スイッチングユニットは、前記電流検出ユニットによって検出される電流が前記第１の所定の電流値よりも大きい第２の所定の電流値よりも大きい値を有しかつ第２の所定の期間にわたって続く場合に、前記リレーがオフへと切り換えられるように、前記コントローラの制御のもとで前記第２のＭＯＳＦＥＴがオフにされることにより、オフへと切り換えられる動力用電池アセンブリ。
2. 前記リレー、前記コントローラ、および前記電流検出ユニットに電力を供給するための電源をさらに備え、
   前記スイッチングユニットは、前記電源と前記リレーとの間に直列に接続されている請求項１に記載の動力用電池アセンブリ。
3. 前記リレー、前記コントローラ、および前記電流検出ユニットは、前記複数の電池モジュールのうちの少なくとも１つの電池モジュールに電力を供給され、
   前記スイッチングユニットは、前記複数の電池モジュールのうちの前記少なくとも１つの電池モジュールと前記リレーとの間に直列に接続されている請求項１に記載の動力用電池アセンブリ。
4. 前記電流検出ユニットは、ホールセンサである請求項１に記載の動力用電池アセンブリ。
5. 前記ホールセンサは、該ホールセンサを介して前記リレーを前記電池回路に接続する第１のリードを通す貫通穴を有して形成された第１のリード支持部材と、前記貫通穴と該貫通穴を通過する前記第１のリードとの間に設けられる第１の弾性ワッシャと、を備える請求項４に記載の動力用電池アセンブリ。
6. 前記電池モジュールを支持する電池支持トレイと、前記リレーを前記電池回路に接続する第２のリードを支持および固定するためのリード支持ブラケットと、をさらに備え、
   前記リード支持ブラケットは、前記電池支持トレイ上に支持される請求項１に記載の動力用電池アセンブリ。
7. 前記リード支持ブラケットは、前記電池支持トレイ上に固定されるベースと、前記ベースに固定された下側半リングと、それぞれに形成されたフランジを介して前記下側半リングと結合する上側半リングと、前記第２のリードと前記結合した下側および上側半リングによって形成される開口との間に設けられる第２の弾性ワッシャと、を備える請求項６に記載の動力用電池アセンブリ。
8. 前記回路保護ユニットと前記電池回路との間に、電気的に直列に接続されるスイッチを備える請求項１に記載の動力用電池アセンブリ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の動力用電池アセンブリを備えている電動車両。
   

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