JP2009050155A - セルコントローラ、電池モジュールおよび電源システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セルコン80は、基板上に12個のIC−1〜IC−2が実装されており、これらのICは、組電池を構成する各単電池の電圧を検出するとともに、各単電池の容量調整を行うICであって、基板上で画定される矩形状連続直線L−L’の矩形長辺上に2個ずつ、対応する組電池の電位差の順に、最高電位側のIC−1から最低電位側のIC−12まで連続して実装されている。矩形状連続直線L−L’の矩形短辺間の距離は同じである。セルコン80上では、グランド電圧の異なるIC−1〜IC−12間において、各ICは信号出力端子がそれぞれ下位のICの信号入力端子に電気的に絶縁状態で接続されている。
【選択図】図10
Description
図1および図15に示すように、本実施形態の電源システム1は、強電バッテリを構成する2つの電池モジュール9、ブロアファン17、通気ダクト、強電系、弱電系回路およびケーブル類を収容した下容器2と、下容器2の上部開口を封止する上蓋3とで構成される略直方体状の外装ボックス1aを有している。下容器2には、外装ボックス1aの長手方向に沿う一方の側面の下部に、ハイブリッドトラック全体を制御する車両側の上位コントローラ(図17、符号110参照)との通信用ケーブル等を接続するためのケーブルコネクタ4、2つの出力プラグ5がそれぞれ突設されている。上蓋3には、長手方向一側の端面に外装ボックス1a内に冷却風(外気)を取り込むための取込口(図13、符号8参照)が形成されており、取込口の外側はフィルタガード7で覆われている。下容器2および上蓋3にはそれぞれの外縁部にフランジ32が形成されており、フランジ32にはネジ締結用のネジ穴が形成されている。
図8に示すように、組電池19では、複数個(本実施形態では4個)の単電池10の極性が交互となるように2行2列に配設され、これら複数個の好ましくは4個の単電池10が直列に接続されている。単電池形状には様々な種類があるが、本実施形態では、正極活物質をリチウムマンガン複酸化物、負極活物質を非晶質炭素とし、図9に示すように、熱伝導性の高いケーシングで被覆した円柱状リチウム二次電池が用いられている。このリチウム二次電池の公称電圧は3.6V、容量は5.5Ahである。
図4および図5に示すように、本実施形態では、電池モジュール9の組立性および取り扱いの利便性を向上させるために、断面が略h字状で互いに向き合うように配置された2本のチャネル状ブロックベース41上に複数個(本実施形態では6個)の組電池19が配置されて、ホルダ11に形成された固定孔(雌ネジ部)に螺合するタッピングネジ42で固定され、隣接する組電池19同士の負極ブスバ13と正極ブスバ12とを締結する組電池間ブスバにより直列接続がなされた組電池ブロック40が組み立てられる。従って、並行するブロックベース41に複数の組電池を固定する構造のため作業性が向上する。また、組電池の生産性が向上し、他の電源システムにおける組電池と共通する構造や寸法関係とすることが可能となる。品質管理のための単電池の検出や生産後のメンテナンスにも優れている。
図6に示すように、下蓋45は、下蓋ベース61、(冷却風)導入側固定台62、(冷却風)排出側固定台63、ブロック固定台64、補強ルーバー65、センターポール66の6種類の部品よりなる。
図7に示すように、電池モジュール9は、ブロアファン17により各単電池10を冷却風で強制的に冷却する強制冷却方式を採用している。すなわち、電池モジュール9の冷却系は、吸気口14から導入された冷却風が、下蓋45の導入側固定台62の内側を通り、補強ルーバー65と下蓋ベース61とで形成され、組電池ブロック40毎に対応したダクト75を流通し、補強ルーバー65(のダクト形成部)に形成された各通風孔76を抜けて、各組電池19を構成するそれぞれの単電池10の周囲を回りながら上蓋46との間に形成されている空間でまとまり、排出側固定台63の上面に形成された排出口72からC/Cボックス79の下を通り排気口15から抜けていく構造である。このような構造により、電池モジュール9は、コンパクトでしかも冷却効果が優れた構造になっている。
上述したように、セルコン80は複数個、例えば、本実施形態ではIC−1〜IC−12の12個のICを有している。これらのICは、組電池AB1〜AB12にそれぞれ対応している。つまり、IC−1は最高電位側の組電池AB1に、IC−2は次に電位の高い組電池AB2に対応しており、IC−12は最低電位側の組電池AB12に対応している。
図11に示すように、セルコン80は12個のICの他に、これらのICに外付けされる多くのチップ素子で構成されるという制約と、各IC間の信号出力端子Outと信号入力端子Inとがチェーン状に電気的に非絶縁状態で接続されるという制約を踏まえて、セルコン80を構成する全素子を一枚基板上にコンパクトに実装にはかなりの工夫を要する。図10に示すように、IC−1〜IC−12の12個のICを被測定対象の単電池の接続状態と対応させて位置決めして実装している。上述のごとく直列接続された単電池の電位は電池の充放電状態により変動し、各ICの被測定対象である単電池の電位は変化する。これに応じてICの基準電位も自動的に変化する。これら変化するIC間で正確に信号の授受を行うことが必要である。このため被測定対象である単電池の直列接続の関係に関係付けられた位置関係で測定回路を内蔵するICを配置することが望ましい。このようにすることで異なる電位のIC間の信号伝送の煩雑さが解消される。また信号伝送が容易となり、信号授受の信頼性が高くなる。電位の異なるIC間の信号伝送はいろいろな影響を受けやすく、例えば外部ノイズや浮遊容量の影響を受けにくくすることが望ましい。本実施形態では単電池の接続関係と関係付けてICを配置することで上記影響を少なくしている。また、各ICはその基準電位の近いものが近くに配置される位置関係となるので、信号伝送のための配線が短くなり、上記影響など、いろいろな悪影響が少なくなり高い信頼性が得られる。
図14に示すように、外装ボックス1aの下容器2は、電池モジュール9を固定するための基台38を有している。図12および図13に示すように、電池モジュール9はこの基台38に2段に重ねられて収容されている。
図13に示すように、外装ボックス1aには、上蓋3に取込口8が形成されており、底面に放出口26が形成されている。外装ボックス1aに収容された電池モジュール9には、長手方向両側の端面にそれぞれ吸気口14と排気口15とが形成されている。吸気口14は、上蓋3の取込口8が形成された端面側に位置している。排気口15は通気ダクト16の水平方向の導管の先端部に連結されており、通気ダクト16の垂直方向の導管の上端部はブロアダクトケース22の下面に形成された開口に連結されている。ブロアダクトケース22の上面に形成された開口はブロアファン17の取入口17aに連結されており、ブロアファン17の排出口17bは中間ダクトケース24、JBダクトケース23を介して排出ダクト25の水平方向の導管の先端部に連結されている。排出ダクト25の垂直方向の導管の下端部は放出口26に連結されている。従って、通気ダクト16とブロアダクトケース22とブロアファン17とが連通しており、ブロアファン17と排出ダクト25とが中間ダクト24、JBダクトケース23を介して連通した排気経路が形成される。
図17に示すように、上下に重ねられた電池モジュール9のうちの一方(低電位側)の電池モジュール9の正極強電ケーブル81は、スイッチとヒューズとが直列接続された保守・点検用のSD(サービスディスコネクト)スイッチ6のヒューズ側に接続されており、上下に重ねられた電池モジュール9のうちの他方(高電位側)の電池モジュール9の負極強電ケーブル82は、SDスイッチ6のスイッチ側に接続されている。すなわち、2つの電池モジュール9はSDスイッチ6を介して直列接続され、公称電圧340V、容量5.5Ahの強電バッテリ(2つの電池モジュール9が直列接続された電源システムのバッテリ)を構成している。なお、SDスイッチ6のヒューズには、例えば、定格電流が125A程度のものを用いることができる。このような構成により高い安全性が維持できる。
電源システム1は、弱電系回路を構成する要素として、バッテリコントローラ20、コンバータボックス21内に内蔵されバッテリコントローラ20に12V電源を供給するDC/DCコンバータ、ブロアファン17、ブロアファン17と一体にユニット化されブロアファン17を作動させるためのリレー94、上述したセルコン80および電流センサSIを有している。
次に、本実施形態の電源システム1の組立て手順について、組電池19、組電池ブロック40、電池モジュール9、電源システム1の順に段階的に説明する。
ホルダ11の単電池10と接触する湾曲部に接着剤を塗布し、単電池10を極性が互い違いになるように配設し、加圧して2つのホルダ11、ホルダ11間の支柱となる十字状ルーバー37間のスナップフィットを機能させる。次に、ホルダ11にインサート成形されて金属ブスバと各単電池10とをスポット溶接する。なお、単電池10と2つのホルダ11との最終固定は接着剤に依存しているが、接着剤が乾燥・固化するまでの間、スナップフィットによる物理的拘束力でも十分まかなえる構造が採用されている。このため、接着工程から後の溶接、検査、組み立ての各工程へ乾燥時間を待たなくても移ることができるため、時間効率が高くなる。
以上のように作製した組電池19を、図4に示すように、2つのブロックベース41が向き合うように平行に配置してタッピングネジ42で固定して行く。図5に示すように、ブロックベース41に組電池19を固定した後、ブロック補強板51を組電池19の上部に配置し、ブロックベース41のときと同様に、タッピングネジ42で固定する。このとき、電圧検出線58が配置された面では、結束バンド54を装着するためのケーブルタイ55を4箇所、タッピングネジ42で取り付ける。その後、ケーブルタイ55の近傍に電圧検出ハーネス52を配置し、結束バンド54で組電池ブロック40に固定する。そして、電圧検出ハーネス52の他側(ハーネスコネクタの反対側)に設けられた6つの接続コネクタを、組電池ブロック40を構成する6個の組電池11のコネクタのそれぞれに差し込む(接続する)ことで、組電池ブロック40の組立が完了する。
図3に示すように、下蓋45に組電池ブロック40を配置・固定する。このとき、組電池ブロック40は、ブロック補強板51のブロック補強板湾曲部56の丸穴に、太い針金で作ったフックを差し込んで持ち運び等の取り扱いが行われる。組電池ブロック40のブロックベース41の両端に形成した丸穴47を、下蓋45を構成する導入側固定台62、排出側固定台63上のスタッドボルト78を通してスプリング組み込みナットで締結し固定する。2つの組電池ブロック40を並設して固定した後、組電池ブロック40のブロックベース41から飛び出しているブロックフランジB44同士がブロック固定台64上で相対しているのを確認してスプリング組み込みナットで締結する。
図14に示すように、下容器2に出力プラグ5やケーブルコネクタ4と供にケーブル類の取り付けを行う。長手方向に沿う一側の側面に出力プラグ5、ケーブルコネクタ4を配置固定し、他側の側面でケーブルコネクタ4と対向する位置にSDスイッチ6を配置固定する。SDスイッチ6は、ケーブルが予め所定の長さで接続されているため、少しとりつけ難い状態になっているが、ケーブル自体に少し癖をつけて挿入配置すれば作業性が向上する。
次に、図11および図17を参照して、本実施形態の電源システム1の動作について、セルコン80のIC、バッテリコントローラ20のMPUおよび上位コントローラ110をそれぞれ主体として説明する。
イグニッションスイッチIGNがオン位置に位置すると、コンバータボックス21内のDC/DCコンバータは、24V系鉛電池からの電源の供給を受け、24V電圧を12V電圧に変換し、バッテリコントローラ20に12V電源を供給する。これにより、バッテリコントローラ20のMPUは、RAMに展開されたプログラムに従って初期設定処理を実行し、イグニッションスイッチIGNがオン位置に位置したことを認識すると、スリープ状態にあるセルコン80のIC−1〜IC−12を起動させる。すなわち、MPUは、フォトカプラF1を介してIC−1の信号入力端子In−1に起動信号を伝達する。
MPUは、電源システム1が充放電停止状態にある場合に、IC−1〜IC−12にフォトカプラF1〜F3を介して電圧検出指令を送出する。電源システム1が充電状態、放電状態、休止状態のいずれにあるかは電流センサSIからの出力を監視することでMPUは判断可能であるが、ハイブリッドトラックの走行中には強電バッテリ、インバータモータコントローラ間での充放電が行われるため、この電圧検出指令はハイブリッドトラックが充放電停止状態にある場合に行われる。また、単電池に非晶質炭素を負極活物質に用いたリチウム二次電池の場合、単電池の開回路電圧と充電状態(SOC)ないし容量との相関が極めて高く、充放電停止状態にある場合に電圧検出指令を発することで正確に各単電池のSOC等の電池状態を把握できる。
MPUは、所定時間毎に、上位コントローラ110に、通信線96を介して、電源システム1を構成する全単電池B1〜B48のSOC(充電状態)、放電可能出力容量、充電可能出力容量、単電池の平均温度、強電バッテリの総電圧、充電電流、放電電流等を報告している。
上述したように、MPUは、電源システム1を構成する全単電池B1〜B48の起動時のSOCを把握している。全単電池B1〜B48のSOCに規定値以上のバラツキがある場合には、バラツキの範囲が規定値の範囲内となるように、規定値を越える単電池(容量調整対象の単電池)の調整容量を算出し、算出した調整容量に対応する容量調整時間を算出する。抵抗R1〜R48の抵抗値は既知のため、テーブルを参照することにより容易に容量調整時間を算出することが可能である。MPUは、電源システム1が充放電状態にある場合に、IC−1〜IC−12にフォトカプラF1〜F3を介して容量調整対象の単電池の容量調整指令を送出する。この指令には、容量調整対象の単電池番号(例えば、B1)、容量調整時間に関する情報が付加される。
本実施形態の電源システム1の有する特徴および効果を上述の説明の中で述べたので、上記説明と重複する部分もあるが、再度効果等について説明する。
6 SDスイッチ(スイッチ)
9 電池モジュール(強電バッテリの一部)
10 単電池
17 ブロアファン(ファン)
19 組電池(単電池群)
20 バッテリコントローラ
40 組電池ブロック(電池ユニットの一部)
80 セルコン(セルコントローラ)
94 リレー
120 インバータモータコントローラ(外部装置)
CN コンデンサ
CP コンデンサ
DC/DCコンバータ(電圧変換器)
F1〜F6 フォトカプラ
L−L’ 矩形状連続直線
In−1、In−2、In−3 信号入力端子(信号の入出力に係る端子、入力端子)
IC−1(最高電位側のIC)
IC−12(最低電位側のIC)
Out−1、Out−2、Out−3 信号出力端子(信号の入出力に係る端子、出力端子)
R1〜R48 抵抗(抵抗素子)
RLN 負極側メインリレー(リレー)
RLP 正極側メインリレー(リレー)
RLPRE プリチャージリレー(耐電流値の小さなリレー)
RPRE 抵抗
S1〜S48 スイッチ素子
TH1〜TH4 温度センサ
Claims (23)
- 複数個の単電池を直列接続した電池ユニット用のセルコントローラであって、前記電池ユニットを構成する各単電池の電圧を検出するためのICを単電池群の個数に対応して基板上に実装したセルコントローラにおいて、前記ICは、前記基板上で画定される矩形状連続直線の矩形長辺上に複数個ずつ、対応する前記単電池群の電位差の順に、最高電位側のICから最低電位側のICまで、または、最低電位側のICから最高電位側のICまで連続して実装されたことを特徴とするセルコントローラ。
- 前記矩形状連続直線の矩形長辺上に実装されたICの数が各矩形長辺で同数であることを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 前記矩形状連続直線の矩形短辺間の距離が同じであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセルコントローラ。
- 前記ICは、下位のICとの間で信号の入出力に係る端子が電気的に非絶縁状態で接続されていることを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 前記基板には、抵抗素子とスイッチ素子とで構成され、前記電池ユニットを構成する各単電池の容量を調整するための容量調整回路が実装されており、前記抵抗素子は前記矩形状連続直線から離間した領域にまとめて実装されたことを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 前記基板には、前記最高電位側のICの入力端子および前記最低電位側のICの出力端子と、前記セルコントローラを制御する上位のバッテリコントローラとの間の信号通信を電気的に絶縁状態で行うためのフォトカプラがさらに実装されたことを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 前記単電池群のうち少なくとも1個の単電池群には、該単電池群を構成するいずれかの単電池の温度を検出するための温度センサが配されており、前記基板は、前記温度センサから導出された導出線を、前記セルコントローラを制御する上位のバッテリコントローラまで中継することを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 前記ICは作動電源を対応する前記単電池群から供給されることを特徴とする請求項1に記載のセルコントローラ。
- 複数個の単電池を直列接続した電池ユニットと、
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のセルコントローラと、
を備えた電池モジュール。 - 前記単電池は非晶質炭素を負極活物質としたリチウム二次電池であることを特徴とする請求項9に記載の電池モジュール。
- 前記単電池はリチウムマンガン複酸化物を正極活物質としたことを特徴とする請求項10に記載の電池モジュール。
- 請求項9に記載の電池モジュールを少なくとも1個有する強電バッテリと、
前記セルコントローラと電気的に絶縁状態で通信を行い、受信した前記強電バッテリを構成する全単電池の電圧から該全単電池の電池状態を算出するバッテリコントローラと、
を備えた電源システム。 - 前記強電バッテリは前記電池モジュールを2個有しており、前記電池モジュールは保守・点検用のスイッチを介して直列接続されていることを特徴とする請求項12に記載の電源システム。
- 前記バッテリコントローラは作動電源を外部電源から供給されることを特徴とする請求項12に記載の電源システム。
- 前記外部電源は車両に搭載された鉛電池であることを特徴とする請求項14に記載の電源システム。
- 前記外部電源の電圧を変換する電圧変換器を更に備えたことを特徴とする請求項14に記載の電源システム。
- 前記強電バッテリの正負極はケースグランドとの間にそれぞれコンデンサが介在しており、前記ケースグランドは前記電圧変換器で変換された電圧電源のマイナス側と同電位であることを特徴とする請求項16に記載の電源システム。
- 前記バッテリコントローラと前記電圧変換器とは、前記バッテリコントローラ側から前記電圧変換器側に前記変換された電圧の供給停止命令を送出するための信号線で接続されていることを特徴とする請求項16に記載の電源システム。
- 前記外部電源で作動し前記強電バッテリを構成する全単電池を冷却するためのファンと、リレーとを更に備え、前記バッテリコントローラは、前記リレーをオン、オフ制御することで前記ファンの動作を制御することを特徴とする請求項14に記載の電源システム。
- 前記強電バッテリの正負極はそれぞれリレーを介して外部へ導出されていることを特徴とする請求項12に記載の電源システム。
- 前記リレーは、前記強電バッテリが電源を供給する外部装置からそれぞれオン、オフ制御されることを特徴とする請求項20に記載の電源システム。
- 前記強電バッテリの正極に挿入されたリレーには該リレーより耐電流値の小さいリレーが抵抗を介して並列接続されており、該並列接続されたリレーは、前記電池モジュールが前記外部装置に電源を供給する初期時に、前記外部装置からオン、オフ制御されることを特徴とする請求項21に記載の電源システム。
- 前記バッテリコントローラは、前記強電バッテリの総電圧を電気的に絶縁状態で取り込むための総電圧検出回路を有することを特徴とする請求項12に記載の電源システム。
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