JP2006024445A - 組電池および電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長寿命でかつ安全性が高められた組電池およびそれを搭載する電源装置を提供する。
【解決手段】 組電池１００は、複数の電池電槽１３０．１〜１３０．ｎと、拘束プレート１０２，１０４と、拘束プレート１０２，１０４のプレート間の距離が広がらないように拘束する拘束ロッド１１２，１１４と、積層された電池電槽１３０．１〜１３０．ｎおよび拘束プレート１０２，１０４の複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサ１２０．１〜１２０．ｎおよび１４０とを含む。スペーサ１２０．１〜１２０．ｎは、複数の電槽１３０．１〜１３０．ｎよりも剛性が高く電槽の膨れをスペーサ１４０に伝達することができる。スペーサ１４０は圧力センサを含んでおり電槽１３０．１〜１３０．ｎの一部または全部が圧力の上昇により膨れた場合にこれを検知することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、組電池および電源装置に関し、特に、密閉型の電槽を含む組電池および電源装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の、電動機により車両の駆動力を得る自動車は、二次電池を搭載している。電気自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、エンジンと電動機を併用して車両を駆動したりする。

ハイブリッド自動車に搭載される二次電池は、複数の電槽が集合配置される組電池である。この組電池に対しては、電圧、電流によって二次電池の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge、残存容量ともいう。）を検出して充電制御が行なわれていた。また、電池電槽には過充電により圧力が上昇した場合の安全のため圧力弁が設けられていた。

一方で、単一の電槽を有する二次電池に対しては、圧力センサを付加したものが知られている。特開平１１−２９５１７３号公報（特許文献１）には、角型の電池電槽の表面に圧力センサを設けて、電槽の膨れ、変形をこの圧力センサの検出値を利用して判断する構成が開示されている。
特開平１１−２９５１７３号公報 特開平１１−１６２５２７号公報 特開２００３−１９７２６８号公報 実開平６−５１２３号公報

電気自動車、ハイブリッド自動車に搭載される二次電池に対しては、電圧および電流で充電状態を予測しており、直接的に圧力を検知することはされていない。したがって、何らかの理由により圧力が上昇し圧力弁が開放されると、液漏れ等により電解液が失われ二次電池の寿命が短くなる恐れがある。

一方で、圧力センサを組電池の複数の電槽すべてに取付けて圧力を監視するのでは、圧力センサを設置するコストが大きくなってしまう。

この発明の目的は、長寿命でかつ安全性が高められた組電池およびそれを搭載する電源装置を提供することである。

この発明は、要約すると組電池であって、複数の電池電槽と、複数の電池電槽と一列を成し、一列の両端に配置され、複数の電池電槽よりも剛性の高い一対のプレートと、一対のプレートの距離が広がらないように拘束する拘束手段と、複数の電池電槽および一対のプレートの複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサとを備える。複数のスペーサは、第１、第２のグループを含む。第１のグループに属するスペーサは、複数の電池電槽よりも剛性が高い。第２のグループに属するスペーサは、圧力センサを有する。

好ましくは、複数の電池電槽の各々は、扁平形状を有し、積層して一列に配置される。

好ましくは、第１のグループに属するスペーサは、電池電槽と一体成型される。

好ましくは、複数のスペーサは、同一直線上に配置される。

好ましくは、複数の電池電槽の各々は角型である。

好ましくは、第２のグループに属するスペーサは１つであり、一方のプレートと一列において一方のプレートの次に配置される電池電槽との間に配置される。

好ましくは、組電池は、複数の電池電槽の隙間に送風するためのファンをさらに備える。

この発明の他の局面に従うと、電源装置であって組電池と電源制御部とを備える。組電池は、電気的に直列接続される複数の電池電槽と、複数の電池電槽と一列を成し、一列の両端に配置され、複数の電池電槽よりも剛性の高い一対のプレートと、一対のプレートの距離が広がらないように拘束する拘束手段と、複数の電池電槽および一対のプレートの複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサとを含む。複数のスペーサは、第１、第２のグループを有し、第１のグループに属するスペーサは、複数の電池電槽よりも剛性が高く、第２のグループに属するスペーサは、圧力センサを有する。電源制御部は、複数の電池電槽の各々の電圧および組電池に流れる電流を観測し、かつ圧力センサの出力を受ける。電源制御部は、電圧および電流を検知して組電池の残存容量が所定値以上となったと判断した場合および圧力センサによって組電池のいずれかの電池電槽の圧力が異常であると判断した場合に、組電池を充電装置から分離する。

好ましくは、複数の電池電槽の各々は、扁平形状を有し、積層して一列に配置される。

好ましくは、第１のグループに属するスペーサは、電池電槽と一体成型される。

好ましくは、複数のスペーサは、同一直線上に配置される。

好ましくは、複数の電池電槽の各々は角型である。

好ましくは、第２のグループに属するスペーサは１つであり、一方のプレートと一列において一方のプレートの次に配置される電池電槽との間に配置される。

好ましくは、電源装置は、複数の電池電槽の隙間に送風するためのファンをさらに備える。

本発明によれば、積層された複数の電池電槽の間にスペーサを設け、そのスペーサの一部分に圧力センサを配置する。電槽が膨張しても確実にスペーサを介して圧力センサに伝達されるので、すべての電槽毎に圧力センサを設ける必要はなく圧力センサを設置するコストを抑制できる。

また、圧力弁が動作する前に圧力上昇を検知して充電を中止することができるので電解液が失われることがなく長寿命の電池を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明の組電池１００の構成を概略的に示した図である。

図１を参照して、組電池１００は、複数の電池電槽１３０．１〜１３０．ｎと、複数の電池電槽を１３０．１〜１３０．ｎと一列をなすようにこの一列の両端に配置される拘束プレート１０２，１０４と、拘束プレート１０２，１０４のプレート間の距離が広がらないように拘束する拘束ロッド１１２，１１４と、積層された電池電槽１３０．１〜１３０．ｎおよび拘束プレート１０２，１０４の複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサ１２０．１〜１２０．ｎおよび１４０とを含む。

この複数のスペーサは第１、第２のグループに分割される。第１のグループに属するスペーサはスペーサ１２０．１〜１２０．ｎであり、複数の電槽１３０．１〜１３０．ｎよりも剛性が高く電槽の膨れを第２のグループに属するスペーサ１４０に伝達することができる。

スペーサ１４０は圧力センサを含んでおり電槽１３０．１〜１３０．ｎの一部または全部が圧力の上昇により膨れた場合にこれを検知することができる。スペーサ１４０は内蔵する圧力センサによって検知した圧力を信号ＰＯＵＴとしてバッテリコンピュータ２００に対して出力する。

複数の電池電槽１３０．１〜１３０．ｎの各々は、偏平形状の角型電槽であり、積層して一列に配置されている。スペーサ１２０．１〜１２０．ｎは、好ましくは電槽１３０．１〜１３０．ｎとそれぞれ一体成型される。一体成形される場合は、スペーサを後で取付ける必要が無いので組立てがいっそう容易となる。たとえば、樹脂製の電槽であれば、電槽壁面にスペーサが形成されるように電槽成形用の型を作ればよい。

そしてスペーサ１２０．１〜１２０．ｎおよびスペーサ１４０は、電池電槽の積層方向に平行な同一直線上に配置される。直線上に配置することにより、圧力上昇による電池電槽の積層方向の膨れが感度良く検出可能となる。

なお、圧力センサを内蔵するスペーサがスペーサ１４０の１つである例を図１に示したが、スペーサ１２０．１〜１２０．ｎの一部分に圧力センサを内蔵させ、圧力センサを内蔵するスペーサを複数設けることにしてもよい。

またスペーサ１４０が拘束プレート１０４と電槽１３０．１との間に設けられる例を示したが圧力センサを内蔵するスペーサ１４０の位置は、他のスペーサ１２０．１〜１２０．ｎのいずれの位置でもよい。

ただし、図１のように圧力センサを内蔵するスペーサがスペーサ１４０の１つである場合は、圧力センサを複数も受けるよりもコスト的に有利である。また、拘束プレート１０４の近くに配置するほうが、バッテリコンピュータ２００に対して距離が短くなるので圧力センサとバッテリコンピュータ２００とを接続する配線の引き回しが容易である。

圧力センサとしては、各種のものを用いることができるが、例えば半導体圧力センサ等を用いることができる。また、電槽１３０．１の壁面にひずみゲージを貼り付けて電槽の膨れを検知し、圧力センサとして用いてもよい。

図２は、本発明の組電池が内蔵されるハイブリッド自動車用バッテリパックの具体的な構成を示した図である。

図２を参照して、バッテリパックは、ロアケース１６０と、拘束ロッド１１２，１１４，１１６，１１８と、バッテリモジュール１３０と、バッテリコンピュータ２００と、拘束プレート１０２，１０４と、バッテリカバー１５０と、機器ケースカバー１５１とを含む。

ロアケース１６０には複数のねじ穴が２列設けられており、バッテリモジュール１３０の各電槽はこれらのねじ穴を用いてロアケースにねじにより固定される。また拘束プレート１０２，１０４はバッテリモジュール１３０を両端から挟むように配置されロアケースにねじ留めされる。なお、バッテリモジュール１３０は、積層された電槽であり、図１に示すように電槽間には隙間が設けられ，スペーサが配置されている。

また拘束プレート１０２および１０４には拘束ロッド１１２，１１４，１１６，１１８を取付けるためのロッド貫通穴が設けられている。バッテリモジュール１３０の下部には拘束ロッド１１６，１１８が配置され、バッテリモジュール１３０の上部には拘束ロッド１１２，１１４が配置され、これらの拘束ロッド１１２，１１４，１１６，１１８は拘束プレート１０２および１０４に図示しないボルトで締結される。

電槽内の圧力を圧力センサで検出しやすいように、拘束プレート１０２，１０４は、剛性が高められるようにリブが設けられている。なお、剛性を高めるために拘束プレート１０２，１０４を金属製にしても良い。いずれにせよ、拘束プレート１０２，１０４は、材質、厚み、構造を選択することにより、バッテリモジュール１３０の各電槽よりも変形しにくいように構成されている。

バッテリコンピュータ２００は、バッテリモジュール１３０に隣接して配置され、その上に機器ケースカバー１５１が被せられる。またバッテリモジュール１３０を覆うようにバッテリカバー１５０が被せられ、図示しないねじによってロアケース１６０にねじ留めされる。

図３は、図２のバッテリモジュール１３０を構成する複数の電槽のうちの１つを示した図である。

図３を参照して、電槽１３０．１は、直列に電気的に接続された６個の電池セル２２０〜２３０と、直列に接続された電池セルの両端の電圧を取出すための端子２１２，２１４と、電槽内の圧力が許容範囲を越える程度に上昇した場合に開放される圧力弁２１６と、図２の拘束ロッド１１２または１１４の位置決めに用いられる突起２１８とを含む。

電槽１３０．１は図１において拘束プレート１０４に隣接して配置される端の部分の電槽であり、圧力センサを内蔵するスペーサ１４０がほぼ中央部分に取付けられている。

電槽１３０．１は偏平の形状を有した角型電槽である。このような扁平の形状を有した密閉型の角型電槽は、内部の圧力が上昇すると扁平部の厚みが増すように膨らむ。したがって、スペーサを配置する位置は、電槽を水平に切った時の長方形の断面の長辺のおよそ中央付近であることが望ましい。

図３の電槽１３０．１は６個の電池セルが一体化されているので、電池セル２２４の中央部分にセンサ内蔵スペーサ１４０を設けたが、電池セル２２６の中央部分に設けても良い。

なお、図１における電槽１３０．２〜１３０．ｎについては、圧力センサを含まないスペーサが取付けられている点が電槽１３０．１とは異なるが他の部分については電槽１３０．１と同様であるのでその説明は繰返さない。

なお、電池セル２２０，２２２，２２６，２２８，２３０の中央部分にも、積層の際の位置決めがしやすいように突起が設けられている。これらの突起もスペーサとしての役割を果たし、電槽を冷却するための隙間が電槽と電槽の間に形成される。なお、図示しない電槽の裏面には、これらの突起と組み合わさるような突起よりも浅い凹部が設けられている。

図４は、電槽の冷却について説明するための図である。

図４を参照して、バッテリカバー１５０にはブロアファン３００が取付けられている。ブロアファン３００から送風が行なわれることにより、図４に示す矢印のように電槽１３０．１〜１３０．ｎの隙間には空気が通過する。

スペーサ１２０．１〜１２０．ｎは、通風のための隙間を確保するとともに、電槽の膨れによる圧力を伝達する役割を果たす。

これにより、バッテリの充放電による発熱に対して、電池性能を確保するために冷却を行なうことができるとともに、電槽の内部の圧力の異常増加を検知することが可能となる。なお、ブロアファン３００の動作は、バッテリコンピュータ２００によって制御されている。

図５は、スペーサ１２０．１〜１２０．ｎによる圧力の伝達を模式的に説明するための図である。

図５において、電槽１３０．ｍの内部の圧力がたとえば過充電等により上昇したとする。これにより、偏平の形状の電槽１３０．ｍの中央部分は厚みが増すように膨らむことになる。

電槽１３０．１〜１３０．ｎよりもスペーサ１２０．１〜１２０．ｎは変形がしにくいように構成されている。また拘束プレート１０２，１０４も電槽１３０．１〜１３０．ｎよりも変形がしにくいように構成されている。

電槽１３０．ｍの中央部分が膨らんだ場合には、この膨らみによる圧力の上昇はスペーサ１２０．１〜１２０．ｍ−１を介して圧力センサを内蔵するスペーサ１４０にまで伝達される。したがって、内圧が上昇した電槽の位置がどこであろうとも圧力センサを内蔵するスペーサ１４０を少なくとも１つ配置しておけば、電槽のいずれかに圧力上昇が発生していることを検知することができる。

もちろん電槽１３０．１〜１３０．ｎの内部の圧力が全体的に上昇した場合であっても、少なくとも１箇所に圧力センサを設けておくことで圧力上昇を検知することができる。

図６は、本発明の組電池が搭載される電源装置の構成を示した回路図である。

図６を参照して、この電源装置は、直列に接続される電槽１３０．１〜１３０．ｎおよび圧力センサを内蔵するスペーサ１４０を含む組電池１００と、組電池１００に流れる電流を検知する電流センサ３００と、組電池を充電装置３１０と接続するためのシステムメインリレー３０２，３０４と、システムメインリレー３０２，３０４の導通を制御するバッテリコンピュータ２００とを含む。

バッテリコンピュータ２００は、電槽１３０．１〜１３０．ｎの各電圧を示す信号ＶＯＵＴ、電流センサ３００の出力信号ＩＯＵＴ、および圧力センサを内蔵するスペーサからの圧力を示す信号ＰＯＵＴに応じて、システムメインリレー３０２，３０４の制御を行なう。

なお、組電池１００には、充電のために充電装置３１０が接続されているが、他にも負荷であるモータなどが接続されている。充電装置３１０は、たとえばハイブリッド自動車の場合には、エンジンによって回転される発電機や、回生制動時に車輪によって回転される発電機などが該当する。なお、回生制動とは、車両制動時に電動機を発電機として機能させ、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより制動することである。ここで変換された電気エネルギは組電池１００に蓄えられ、加速する時などに電動機に再利用される。

図７は、図６のバッテリコンピュータ２００の制御フローを示したフローチャートである。

バッテリコンピュータ２００は、ある一定時間毎にバッテリの監視を行ない、図７に示すバッテリの監視時の制御ルーチンを実行する。図６、図７を参照して、まずステップＳ１において、信号ＶＯＵＴ，ＩＯＵＴ，ＰＯＵＴを受けて対応する電圧、電流および圧力をバッテリコンピュータ２００は取得する。

そしてステップＳ２において、電圧および電流によって充放電電流の積算などによりバッテリの残存容量（ＳＯＣ）を算出する。

続いてステップＳ３に進み、残存容量ＳＯＣが所定の値Ａ（％）より大きいか否かが判断される。

ステップＳ３において残存容量ＳＯＣが所定の値よりも大きい場合には、これ以上充電する必要がないのでステップＳ４またはステップＳ４Ａに進み、バッテリコンピュータ２００はシステムメインリレーのオフを要求するか、または充電装置３１０に対して充電の停止を要求する。ステップＳ４またはステップＳ４Ａが終了するとステップＳ５に進む。

一方ステップＳ３において残存容量ＳＯＣが所定の値Ａ（％）よりも大きくないと判断された場合には、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ１で取得した圧力が所定の値Ｂ（Ｐａ）以上であるか否かが判断される。

ステップＳ５において圧力が所定値Ｂに満たなかった場合はこの監視ルーチンを抜けて制御が終了する。

一方、圧力が所定値Ｂ以上である場合には、過充電による電槽の内圧の上昇を避けるためステップＳ６に進み、システムメインリレー３０２，３０４をオフすることが要求される。ステップＳ６が終了するとこの制御ルーチンを抜けて制御は終了する。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、圧力センサと変形しにくいスペーサとがほぼ同一直線上に配置される。このため電槽が膨張しても確実にスペーサを介して膨張に伴う電槽の変形が圧力センサに伝達できるので、組電池１つ当りの圧力センサ設置個数を抑制できる。

また、圧力弁のみであった組電池と比較すると、圧力上昇をいっそう確実に回避することができる。そして圧力弁の開放される可能性が減るため、電解液が失われることがなく電池の長寿命化が期待できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の組電池１００の構成を概略的に示した図である。 本発明の組電池が内蔵されるハイブリッド自動車用バッテリパックの具体的な構成を示した図である。 図２のバッテリモジュール１３０を構成する複数の電槽のうちの１つを示した図である。 電槽の冷却について説明するための図である。 スペーサ１２０．１〜１２０．ｎによる圧力の伝達を模式的に説明するための図である。 本発明の組電池が搭載される電源装置の構成を示した回路図である。 図６のバッテリコンピュータ２００の制御フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１００ 組電池、１０２，１０４ 拘束プレート、１１２，１１４，１１６，１１８ 拘束ロッド、１２０．１〜１２０．ｎ スペーサ、１４０ スペーサ、１３０ バッテリモジュール、１３０．１〜１３０．ｎ 電池電槽、１５０ バッテリカバー、１５１ 機器ケースカバー、１６０ ロアケース、２００ バッテリコンピュータ、２１２，２１４ 端子、２１６ 圧力弁、２１８ 突起、２２０，２２２，２２４，２２６，２２８，２３０ 電池セル、３００ ブロアファン、３００ 電流センサ、３０２，３０４ システムメインリレー、３１０ 充電装置。

Claims (14)

1. 複数の電池電槽と、
   前記複数の電池電槽と一列を成し、前記一列の両端に配置され、前記複数の電池電槽よりも剛性の高い一対のプレートと、
   前記一対のプレートの距離が広がらないように拘束する拘束手段と、
   前記複数の電池電槽および前記一対のプレートの複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサとを備え、
   前記複数のスペーサは、第１、第２のグループを含み、
   前記第１のグループに属するスペーサは、前記複数の電池電槽よりも剛性が高く、
   前記第２のグループに属するスペーサは、圧力センサを有する、組電池。
2. 前記複数の電池電槽の各々は、扁平形状を有し、積層して一列に配置される、請求項１に記載の組電池。
3. 前記第１のグループに属するスペーサは、前記電池電槽と一体成型される、請求項１または２に記載の組電池。
4. 前記複数のスペーサは、同一直線上に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池。
5. 前記複数の電池電槽の各々は角型である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の組電池。
6. 前記第２のグループに属するスペーサは１つであり、一方のプレートと前記一列において前記一方のプレートの次に配置される電池電槽との間に配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の組電池。
7. 前記複数の電池電槽の隙間に送風するためのファンをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の組電池。
8. 組電池を備え、
   前記組電池は、
   電気的に直列接続される複数の電池電槽と、
   前記複数の電池電槽と一列を成し、前記一列の両端に配置され、前記複数の電池電槽よりも剛性の高い一対のプレートと、
   前記一対のプレートの距離が広がらないように拘束する拘束手段と、
   前記複数の電池電槽および前記一対のプレートの複数の隙間にそれぞれ配置される複数のスペーサとを含み、
   前記複数のスペーサは、第１、第２のグループを有し、
   前記第１のグループに属するスペーサは、前記複数の電池電槽よりも剛性が高く、
   前記第２のグループに属するスペーサは、圧力センサを有し、
   前記複数の電池電槽の各々の電圧および前記組電池に流れる電流を観測し、かつ前記圧力センサの出力を受ける電源制御部をさらに備え、
   前記電源制御部は、前記電圧および電流を検知して前記組電池の残存容量が所定値以上となったと判断した場合および前記圧力センサによって前記組電池のいずれかの電池電槽の圧力が異常であると判断した場合に、前記組電池を充電装置から分離する、電源装置。
9. 前記複数の電池電槽の各々は、扁平形状を有し、積層して一列に配置される、請求項８に記載の電源装置。
10. 前記第１のグループに属するスペーサは、前記電池電槽と一体成型される、請求項８または９に記載の電源装置。
11. 前記複数のスペーサは、同一直線上に配置される、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電源装置。
12. 前記複数の電池電槽の各々は角型である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の電源装置。
13. 前記第２のグループに属するスペーサは１つであり、一方のプレートと前記一列において前記一方のプレートの次に配置される電池電槽との間に配置される、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の電源装置。
14. 前記複数の電池電槽の隙間に送風するためのファンをさらに備える、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の電源装置。

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