CN102651488A

CN102651488A - 蓄电池系统和蓄电池模块

Info

Publication number: CN102651488A
Application number: CN2011104583053A
Authority: CN
Inventors: 竹内隆; 寺田崇秀; 长田健一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-08-29
Also published as: US20120217813A1; EP2493003A1; JP5481413B2; JP2012178936A

Abstract

本发明提供一种蓄电池系统，其串联连接多个蓄电池模块，不产生绝缘破坏就能够更换劣化的蓄电池模块。具有串联连接的多个蓄电池模块(510～530)的蓄电池系统具有如下的机构(521、522)：在要拆下蓄电池模块(520)的情况下，在断开与蓄电池模块(520)相连接的通信线之后，断开与蓄电池模块(520)相连接的电源线。

Description

蓄电池系统和蓄电池模块

技术领域

本发明涉及一种蓄电池模块以及由多个蓄电池模块构成的蓄电池系统。

背景技术

本发明将串联连接的多个单电池(例如Li离子电池单元)设为电池模块。研究出这样一种蓄电池系统，其通过以该蓄电池模块为一个单位，并串联连接多个，而用于高电压化并获得高输出电力。

然而，在由于随着时间经过等而在各个蓄电池模块的电压、充放电电容中产生偏差的情况下，这些蓄电池模块所负担的充放电电容变得不均匀，从而使系统整体的性能下降。原因是由于蓄电池模块串联连接，因此若其中的蓄电池模块间的充放电电容偏差变大，则在放电时放电能力受到电容较少的模块限制，在充电时，剩余电力大的模块先被充满，从而无法再继续进行充电，由此系统整体的充放电能力下降。

因此，公开了一种在各个蓄电池模块中配置模块控制装置、对蓄电池模块的状态进行监视或控制来抑制偏差的技术(专利文献1)。各个模块控制装置通过监视下的单电池进行串联连接，因此在进行信号传递时将模块控制装置间连接成串级链状来进行信息传递。

专利文献1：日本特开2008-289234号公报

发明内容

近年来，从使全球变暖的气体减少、节省资源消耗的观点出发，一直关注着HEV(Hybrid Electric Vehicle：混合动力车辆)、EV(ElectricVehicle：电动车辆)之类的电动汽车。这些车载用的直流电源需要较高的输出电力，从而将单电池串联连接多个来进行使用。尤其是从其能量密度的高度出发，关注着一种使用锂离子二次电池的蓄电池系统。另一方面，像这样小型且能够获得高输出的电池从对于安全性的考虑出发，必须以较高的精确度控制各单电池的充放电状态。另外，如上所述的蓄电池系统假设在各种环境下长时间使用，因此必须维持较高的可靠性。

另外，在这些蓄电池模块中，随着系统的运行，电池确实在逐渐劣化，因此在蓄电池系统长期运行时，对劣化模块的处理成为重要的课题。在本发明中，为了能够维持系统的性能来长时间运行，而提供一种用于安全地更换劣化的蓄电池模块而不产生绝缘破坏的蓄电池模块和蓄电池系统。

为了解决本发明的问题，在具有串联连接的多个蓄电池模块的蓄电池系统中，设有：电源线，其将多个蓄电池模块的电源端子间进行连接；通信线，其将多个蓄电池模块的通信端子间进行连接；以及断开机构，其在从多个蓄电池模块拆下第一蓄电池模块的情况下，在断开与第一蓄电池模块相连接的通信线之后，断开与第一蓄电池模块相连接的电源线。

根据本发明，能够安全地更换劣化的蓄电池模块而不产生绝缘破坏。

附图说明

图1是表示电池系统的图。

图2是用于说明本发明的课题的图。

图3是实施例1所涉及的蓄电池模块的框图。

图4是表示蓄电池模块的更换流程的图。

图5是表示图3的更换流程中的步骤S08的情形的图。

图6是表示图3的更换流程中的步骤S14的情形的图。

图7是图3的更换流程的变形例。

图8是实施例1所涉及的蓄电池模块的变形图。

图9是实施例2所涉及的蓄电池模块的外观。

图10是实施例2所涉及的蓄电池模块的截面图。

图11是表示实施例2所涉及的蓄电池模块在电池架上连接的状态的图。

附图标记的说明

100蓄电池系统

SCON控制装置

101：正极

102负极

103蓄电池模块

104通信线

具体实施方式

图1是本发明的蓄电池系统。蓄电池模块103是蓄电池的最小更换单位。其内部结构使用图3等详细记述。蓄电池系统100由多个蓄电池模块构成，在图1的例子中，将蓄电池模块列103a～i进行了串联连接。端子101(正极)、端子102(负极)是蓄电池系统的输出端子，由蓄电池系统驱动的负载连接在这些端子之间。

控制装置SCON是用于监视蓄电池系统100输出的电流、或者与输出电流量等相应地控制各蓄电池模块的状态的控制装置。因此，控制装置SCON具有将用于与各模块进行通信的蓄电池模块连接成串级链状的通信线。在本发明中，控制装置SCON还进行用于更换蓄电池模块的控制。

在图1的例子中，在通信端子D1(+)与D1(-)之间设置有通信线104，控制装置SCON与蓄电池模块103a～i的通信通过被连接成串级链状的通信线104而进行。

此外，通信线104可以构成为从正极侧通信端子D(+)向负极侧通信端子D(-)的单向通信(或者从负极侧通信端子D(-)向正极侧通信端子D(+)的单向通信)，或者也可以构成为在正极侧通信端子D(+)与负极侧通信端子D(-)之间进行双向通信。稍后记述开关105的作用。

在图1的蓄电池系统中，发明人注意到，如果想要更换一个劣化的蓄电池模块，则有可能更换时产生的高电压导致绝缘破坏而破坏构成蓄电池模块的元件。利用由普通结构的蓄电池模块210构成蓄电池系统的图2的例子来说明本发明的课题。图2的例子是额定电压为302.4V的蓄电池系统。将每一个为3.6V的单电池(用电池符号标记)串联连接四个而成的蓄电池模块串联连接了21个。另外，如图1所说明的那样，串联连接而成的蓄电池模块将用于与控制装置200进行通信的通信线连接成串级链状。

在此，在要将蓄电池模块210b拆下时，首先将模块210a的电源端子Tb11、Tb12与模块210b的电源端子Tu21、Tu22以及模块210c的电源端子Tu31、Tu32与模块210b的电源端子Tb21、Tb22进行电分离，另一方面，取为模块210a的通信端子CTb1、模块210b的通信端子CTu2和CTb2、模块210c的通信端子CTu3保持连接成串级链的状态不变。图2示出了该状态。

电源端子被分离，通过负载RL进行放电，由此正极201的电位变为0V。因而，模块210a的模块控制器MCON1的电源电位VCC1变为0V，该电位出现在通信端子CTb1中。通信端子CTb1与模块210b的通信端子CTu2进行电连接，因此通信端子CTu2的电位也变为0V。另一方面，由于在比模块210c更靠负极的一侧连接有18个模块、即连接有串联连接而成的72个单电池，因此模块210c的电源端子Tb32和模块控制器MCON3的局部基准电位GNDL3变为259.2V(＝72×3.6V)。因此，当忽略由于模块控制器MCON3的元件产生的电压下降部分时，在模块210b的通信端子CTb2中出现259.2V的电位。

其结果，模块210b的模块控制器MCON2的局部基准电位GNDL2通过正向电流流过接收电路RX2的齐纳二极管，而向通信端子CTu2放电，变为大约0V。其结果，对电容器212的一方端子施加从259.2V下降了三个串联的单电池相应的电压(10.8V)得到的248.4V的电位，对另一方端子施加大约0V的电位。同样地，对发送电路TX2的二极管施加大约259.2V的逆向电压。元件的耐压通常只具有模块的数倍程度的耐压，因此施加这样的大电压有可能产生元件的绝缘破坏。

[实施例1]

说明第一实施例。在第一实施例中，由内置有开关的蓄电池模块构成蓄电池系统。图3是表示蓄电池模块300的主要结构的框图。作为图1的蓄电池系统的蓄电池模块使用。蓄电池模块具有串联连接的单电池列301、模块控制器MCON、将模块的外部端子与内部元件的连接断开的开关SW。单电池列301例如是锂离子电池单元那样的二次电池。模块控制器MCON获取单电池的电压、电流、温度等的信息，通过与其它模块进行串级链连接的通信线302、通信线303来与控制装置SCON进行通信。在本例中，示出了用于与控制装置SCON进行单向通信的发送电路TX和接收电路RX。由接收电路RX从系统的正极侧的通信端子CTu接收信号Rsig，将信号Tsig通过发送电路TX调制后输出到系统的负极侧的通信端子CTb。在进行双向通信的情况下，设置另一个通信端子的组，能够通过设置从系统的负极侧的通信端子接收信号的接收电路和向系统的正极侧的通信端子发送信号的发送电路来实现。作为蓄电池模块间的通信方式，能够应用众所周知的标准(例如CAN、LIN、UART等)。

另外，模块控制器MCON从单电池串301获得电源VCC和局部基准电位GNDL。模块控制器MCON通过监视单电池间电位n1～n4，来监视各单电池的输出电压(VC1～3、VCC)。例如在从系统控制器SCON接收到指示来降低蓄电池模块300的输出电压的情况下，模块控制器MCON确定输出电压高的单电池，通过使电流流过相应的电阻R1来消耗电力，由此能够调整该单电池的输出电压。

开关SW1～3分别用于将蓄电池模块的电源线304、监视器线305、通信线302、303进行连接/断开。模块控制器MCON生成电源控制信号Psw、通信控制信号Csw，开关SW1、SW2通过电源控制信号Psw进行控制，开关SW3通过通信控制信号Csw进行控制。在图3中，开关被安装在蓄电池模块的正极侧，但是也能够安装在负极侧或者正极、负极两侧。

利用图4～6说明进行蓄电池模块300的信息收集和劣化判断、以及更换作业时的流程。此外，图5、6的蓄电池模块与图3所示的蓄电池模块相同，但是简化标记而示出(例如，省略了监视器线)。另外，只要控制装置SCON与蓄电池模块能够进行单向通信(D(+)→D(-))，就能够应用图4的流程图。

控制装置SCON周期性地从模块控制器MCON收集关于各蓄电池模块的状态的信息(S01)。控制装置SCON根据所获取的信息，针对各蓄电池模块进行劣化的判断(S02)。蓄电池模块的劣化由于反复进行充放电而产生，通过蓄电池模块的电容下降(电容劣化)或者内部电阻的增加(电阻劣化)是否超过了规定的阈值来判断劣化。例如，能够将根据所收集的信息假拟的充满电时的电容减少到了额定电容的70％(阈值)的模块定义为劣化模块。此外，由于劣化判断的运算处理量较大且实时性也较低，因此由控制装置SCON进行了模块的劣化判断。在本例中，设模块520(图5)是被判定为劣化模块的模块。

控制装置SCON向与劣化模块520的负极侧相邻接的模块530通知断开指示(S03)。邻接模块530将通信开关532设为打开(OPEN)，断开通信线(S04)。控制装置SCON从通信端子D(+)发送测试信号，根据超时而确认出该测试信号没有通过进行串级链连接的通信线返回到通信端子D(-)的情形。由此，控制装置SCON能够确认出通信线被断开。由此，将劣化模块与负极侧相邻接的模块530断开。

接着，控制装置SCON向劣化模块520通知断开指示(S07)。串级链连接虽然通过开关532被断开，然而位于正极侧的蓄电池模块正常连接，因此能够接受来自控制装置SCON的指示。劣化模块520也同样地按通信线、电源线的顺序断开(S08、S09)。此外，图5表示步骤S08中的开关的连接状态。通过以上内容形成为劣化模块520独立于系统的状态，能够由用户进行更换。关于劣化模块520的断开完成，也可以在控制装置SCON进行断开指示后，根据经过了充分的时间来判定为劣化模块520的断开完成。另外，也可以在蓄电池模块中设置与开关的打开/闭合(CLOSE)相应地点亮的LED，用户能够可视地判断蓄电池模块的开关的打开/闭合。

之后，用户拆下劣化模块520，并更换为新模块540(S10)。例如通过检测到各模块的正极侧电源端子、负极侧电源端子都连接在了其它的蓄电池模块上的情形来自主地实施模块的再连接。此时，各模块控制器MCON进行控制使得在闭合电源线开关后闭合通信线开关(S11～12、S14～15)。在图4的例子中，是邻接模块在前的例子，但是邻接模块和新模块中的任一个都可以在前，也可以是同时的。此外，图6示出了步骤S13中的开关的连接状态。开关连接已完成的模块向控制装置SCON输出连接完成信号(S13、S16)。控制装置SCON通过接收来自两个模块的连接完成信号，来结束蓄电池模块的更换。

以上是在被更换的蓄电池模块的负极侧还存在蓄电池模块时的例子，但是在更换最靠近负极侧的蓄电池模块的情况下，为了断开负极侧的通信线而使用开关105(图1)。开关105由控制装置SCON进行控制。

此外，在蓄电池系统中，在蓄电池模块间以能够进行双向通信的方式构成的情况下，能够如图7那样进行新模块的连接流程。变更的部分是图4的(A)-(B)之间。在更换模块后，用户向控制装置SCON通知模块的更换完成(S18)。接收该通知后，控制装置200指示与新模块540的负极侧相邻接的模块530开始进行连接。该指示能够通过从负极侧通信端子D(-)向正极方向通信来进行传递。接收该指示，在邻接模块530中，最初连接电源线(S20)。在电源线的连接结束之后，连接通信线(S21)。邻接模块530向控制装置SCON发送连接完成信号(S22)。连接完成信号还使用负极侧的通信线从邻接模块发送到控制装置SCON。当控制装置SCON接受连接完成信号时(S23)，控制装置SCON指示新模块540开始进行连接(S24)。该指示也从负极侧通信端子D(-)进行传递。同样地，新模块540也按电源线、通信线的顺序进行连接(S25～26)。当控制装置SCON接收到连接完成信号时(S27～28)，结束蓄电池的更换。

在像这样能够进行双向通信的情况下，不需要蓄电池模块更换时的自主的开关控制。另外，通过发送表示断开完成的信号，也能够进行通信线断开确认(图3的步骤S06)。

并且，在图3的结构中，作为附带的效果，由于在外部端子与内部元件之间设置内置开关，因此只要在不使用蓄电池模块时将这些内置开关事先设为打开即可，也能够提高蓄电池模块单体的安全性。

图8是图3所示的蓄电池模块的变形例。本例是从图3中去除通过电源控制信号Psw进行控制的开关SW1、SW2得到的结构。如已经说明的那样，只要不存在电源线短路、通信线连接在蓄电池系统上的状态即可。因而，只要在更换时进行控制使开关SW3打开，即使是图8的结构也能够避免耐压破坏。即，能够通过去除蓄电池模块更换流程(图4)的与电源线开关断开/连接有关的步骤S05、S09、S11、S14的步骤后的流程、或者去除蓄电池模块再连接流程(图7)的与电源线开关连接有关的步骤S20、S25的步骤后的流程进行更换。在这种情况下，无需将开关与电源线(即，单电池间)进行串联连接，就将提高系统的效率。

以上在实施例1中说明了在蓄电池模块中设置内置开关的例子，都是通过控制内置开关的打开/闭合的定时稳定电源后可靠地拆下模块并能够进行再连接的例子，具有提高模块、甚至系统的安全性的效果。

[实施例2]

针对第二实施例进行说明。在第二实施例中，通过使蓄电池模块的外部端子的结构在电源端子和通信端子中不同来防止模块内部元件的绝缘破坏。在第二实施例中，蓄电池模块的内部结构例如是相当于图2的210的结构。

图9、图10分别表示第二实施例所涉及的蓄电池模块900的外观和截面图。在蓄电池模块壳体905的背面部分设置有通信连接器901、以及电源连接器(正极、负极)903、904。如果是支持双向通信的模块，则设置四个通信连接器901。如图10所示，通信连接器901的前端与电源连接器903、904的前端相比变短用间隔g表示的长度。通过通信连接器901比电源连接器903、904短，在将模块拔出时，通信连接器先被断开，之后电源连接器被断开。另外，在插入蓄电池模块900时，电源连接器首先被连接，接着通信连接器被连接，因此能够获得与实施例1所示的断开/连接流程相同的效果。只要间隔g是1mm～50mm左右即可。此外，在图10中示出了蓄电池模块900被收容在蓄电池系统的电池架1001中的状态，1011是设置在架背面的冷却风扇。

图11示出在电池架1001上连接有蓄电池模块900的状态。示出了控制装置SCON与五个蓄电池模块900相连接的状态。蓄电池模块900的通信端子901通过通信用汇流条1002a～f连接成了串级链状。另外，相邻接的电源模块通过斜向延伸的电源用汇流条1003a～d进行连接。由此，能够将电源模块900的电源端子的位置公共化。另外，架电源端子(正极)1004通过电源用汇流条1006连接位于最靠近正极侧的电源模块900a的正极，架电源端子(负极)1005通过电源用汇流条1007连接位于最靠近负极侧的电源模块900e的负极。此外，如图10所说明的那样，形成为与电源用汇流条相连接的电源连接器的前端相比与通信用汇流条相连接的通信连接器的前端向电池架侧突出的结构，因此通信用汇流条1002与电源用汇流条1003的位置关系被设置成与被插入到电池架上的模块的连接器的位置相应的位置关系。

Claims

1.一种蓄电池系统，其具有串联连接的多个蓄电池模块，该蓄电池系统具有：

电源线，其将上述多个蓄电池模块的电源端子间进行连接；

通信线，其将上述多个蓄电池模块的通信端子间进行连接；以及

断开机构，其在从上述多个蓄电池模块拆下第一蓄电池模块的情况下，在断开与上述第一蓄电池模块相连接的通信线之后，断开与上述第一蓄电池模块相连接的电源线。

2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，具有如下结构：

在将被拆下的上述第一蓄电池模块更换为第二蓄电池模块的情况下，在将电源线连接到上述第二蓄电池模块之后，将通信线连接到上述第二蓄电池模块。

3.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，

上述蓄电池模块在上述通信线与发送电路或者与接收电路之间具有通信线开关，

在拆下上述第一蓄电池模块的情况下，断开上述通信线开关。

4.根据权利要求3所述的蓄电池系统，其特征在于，

上述蓄电池模块在上述电源线与单电池之间具有电源线开关，

在拆下上述第一蓄电池模块的情况下，断开上述通信线开关之后，断开上述电源线开关。

5.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，

在更换为上述第二蓄电池模块的情况下，在上述通信线开关被断开的状态下将电源线连接到上述蓄电池模块上。

6.根据权利要求5所述的蓄电池系统，其特征在于，

在更换为上述第二蓄电池模块的情况下，在将上述电源线开关连接之后，将上述通信线开关连接。

7.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，

具有电池架，该电池架具有用于将上述蓄电池模块之间进行连接的电源用汇流条和通信用汇流条，

在上述蓄电池模块中，与上述电源用汇流条相连接的电源连接器的前端相比与上述通信用汇流条相连接的通信连接器的前端向电池架侧突出。

8.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，

具有控制装置，该控制装置控制上述蓄电池系统，

上述控制装置与上述多个蓄电池模块通过上述通信线连接成串级链状。

9.一种蓄电池模块，其具有：

单电池，其被串联连接多个；

电源连接器，其将上述单电池与其它的蓄电池模块进行连接；

发送电路或接收电路；

通信连接器，其将上述发送电路或接收电路与其它的蓄电池模块的接收电路或发送电路进行连接；以及

第一开关，其设置在上述通信连接器与上述发送电路或上述接收电路之间。

10.根据权利要求9所述的蓄电池模块，其特征在于，

具有设置在上述电源连接器与上述发送或接收电路之间的第二开关。

11.一种蓄电池模块，其具有：

单电池，其被串联连接多个；

发送电路或接收电路；以及

通信连接器，其将上述发送电路或上述接收电路与其它的蓄电池模块的接收电路或发送电路进行连接，

其中，上述电源连接器的前端相比上述通信连接器的前端突出。