JP2009059663A - 蓄電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】充電状態検出手段との接続部構造を簡素化できるようにして、全体の小型化および低コスト化と、組付け・分解時の作業性の向上を図ることのできる蓄電池ユニットを提供する。
【解決手段】一方側に正電極３ａと負電極３ｂの少なくとも一方を有する複数の電池セル２を重合して配置し、電池セル２をバスバーを介して直列に接続する。バスバーと端部の電極３ａに充電状態検出端子を設ける。複数の電池セル２を固定する絶縁ホルダ６により、電極３ａ，３ｂとバスバーの充電状態検出端子を除く部位を覆う。充電状態検出端子に当接するコネクタ接点を導通回路基板１０に設け、導通回路基板１０を絶縁ホルダ６に固定する。導通回路基板１０は電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂを含む電圧制御装置１５に接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の蓄電池が直列に接続された蓄電池ユニットに関するものである。

環境への配慮、低騒音化、ガソリン消費の低減のため電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド車といった電動車両が実用化されており、これらの電動車両には、走行用モータを駆動する高圧の蓄電池ユニットが搭載されている。この蓄電池ユニットは、通常の低圧の蓄電池を直列に複数接続することにより、高圧化したものであり、蓄電池ユニットの高圧化により、走行用モータに流れる電流が低減され、低電圧・高出力の走行用モータに比較して、電線の重量を低減することができる。

ところで、このような蓄電池ユニットは、充放電を繰り返すと電池セル毎の充電量にばらつきが増加する。
このため、現在、蓄電池ユニットの各電池セルの電圧を検出し、その検出結果に応じて電池セル毎に充放電を行うことによって、全電池セルの充電量を均等化する技術が案出されている（例えば、特許文献１参照）。
そして、この技術を採用する場合には、電池セル毎の充電状態を検出するために、各電池セルの電極と外部の電圧検出回路等の充電状態検出回路を配線によって接続するようしている。
特開２００４−８０９０９号公報

しかし、このように各電池セルの電極と充電状態検出回路を配線で接続する場合、配線の過熱を防止するために配線の上流側に高価なポジスタ抵抗等を設ける必要があり、それにより、蓄電池ユニット内の部品占有容積が大きくなって蓄電池ユニットの大型化を余儀なくされるとともに、蓄電池ユニットの製品コストの上昇を招くことが懸念される。

また、蓄電池ユニット内に配線の接続個所が複数設けられるため、蓄電池ユニットの組付け時やメンテナンス時の作業性が悪いことも改善すべき点となっている。

そこでこの発明は、充電状態検出手段との接続部構造を簡素化できるようにして、全体の小型化および低コスト化と、組付け・分解時の作業性の向上を図ることのできる蓄電池ユニットを提供しようとするものである。

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、一方側に正電極と負電極の少なくとも一方を有する複数の電池セル（例えば、後述の実施形態における電池セル２）が導電連結部材（例えば、後述の実施形態におけるバスバー４）を介して直列に接続され、前記各電池セルの充電状態が充電状態検出手段（例えば、後述の実施形態における電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂ）によって検出される蓄電池ユニットであって、前記導電連結部材、若しくは、電極に設けられた充電状態検出端子（例えば、後述の実施形態における充電状態検出端子５，５Ａ）と、少なくとも前記充電状態検出端子を露出させて前記一方側から導電連結部材を覆い、かつ前記複数の電池セルを固定する絶縁ホルダ（例えば、後述の実施形態における絶縁ホルダ６）と、前記各充電状態検出端子と対向する位置に接点（例えば、後述の実施形態におけるコネクタ接点１２）を有し、この接点を介して前記各充電状態検出端子と前記充電状態検出手段を接続する導通回路基板（例えば、後述の実施形態における導通回路基板１０）と、を備え、前記導通回路基板が前記絶縁ホルダに固定されることにより、前記絶縁ホルダから露出した充電状態検出端子と前記導通回路基板の接点が接続されていることを特徴とする。
これにより、絶縁ホルダが複数の電池セルに組み付けられると、正電極および負電極と導電連結部材のうちの、少なくとも充電状態検出端子部分が絶縁ホルダによって覆われるようになり、さらに、この状態から絶縁ホルダに導通回路基板が固定されると、充電状態検出端子が導通回路基板の接点に接続されるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電池ユニットにおいて、前記導通回路基板の接点は接圧式のコネクタであり、前記導通回路基板を絶縁ホルダに押圧固定することによって前記充電状態検出端子に接続されることを特徴とする。
これにより、導通回路基板が絶縁ホルダに固定されると、導通回路基板の接点が充電状態検出端子に圧接状態で接続されるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の蓄電池ユニットにおいて、前記導通回路基板は、前記充電状態検出手段による各電池セルの充電状態の検出結果に応じて、導通パターンを通して任意の電池セルに調整電流を入出させることを特徴とする。
これにより、導通回路基板と各充電状態検出端子の接続部構造が各電池セルの充電状態の検出の他に、電池セル間の充電状態の均等化に用いられるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の蓄電池ユニットにおいて、前記導通回路基板には、充電回路（例えば、後述の実施形態における充電回路１９Ａ，１９Ｂ）と放電回路（例えば、後述の実施形態における放電回路１６Ａ，１６Ｂ）の少なくとも一方を有する均等化回路が配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数の電池セルを固定する絶縁ホルダによって各電極と導電部材のうちの少なくとも充電状態検出端子部分を覆い、その絶縁ホルダに導通回路基板を固定して導通回路基板の接点を充電状態検出端子に接続するため、配線を用いない簡素な構造によって、各電池セルに対応する充電状態検出端子を充電状態検出手段に安定的に接続することができる。したがって、この発明によれば、蓄電池ユニット全体の小型化と製品コストの低減を図ることができるとともに、蓄電池ユニットの組付け時や分解時における作業性を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、導通回路基板の接点を接圧式のコネクタとして、導通回路基板を絶縁ホルダに固定する際に接点と充電状態検出端子が圧接状態で接続されるようにしたため、簡単な組付け作業によって確実な接続を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、導通回路基板と各充電状態検出端子の接続部構造を、各電池セルの充電状態の検出と電池セル間の充電状態の均等化のための電流通路として有効に利用することができる。

請求項４に記載の発明によれば、充電回路と放電回路の少なくとも一方を有する均等化回路が導通回路基板に配置されるため、均等化回路を含む周辺回路を蓄電池ユニット内にコンパクトに配置することができる。

以下、この発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
最初に、図１〜図８に示すこの発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、この発明にかかる蓄電池ユニット１の斜視図であり、図２，図３は蓄電池ユニット１の組立工程を示す斜視図、図４は、蓄電池ユニット１で用いる部品を示す斜視図である。
この実施形態の蓄電池ユニット１は、電気自動車やハイブリッド車両の駆動電源として用いられるものであり、薄型の直方体状の複数の電池セル２…が厚み方向で重合され、これらの電池セル２…が直列に接続されて高圧電源として用いられるようになっている。電池セル２は、例えば、充電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。

電池セル２は、図２に示すように、長尺方向の一方の端面に正電極３ａと負電極３ｂを有し、隣接する電池セル２，２同士の正電極３ａと負電極３ｂが夫々隣り合うように、つまり、正電極３ａと負電極３ｂの配置が隣り合うもの同士で逆になるように配列されている。そして、各電池セル２の正電極３ａと負電極３ｂは夫々略円柱状に突出し、その円柱状の突出部分に、隣接する電池セル２，２の正電極３ａと負電極３ｂを電気的に接続するバスバー４（導電連結部材）が嵌合接続されている。各バスバー４は、略長方形状の導電性の金属板によって形成され、各電池セル２の正電極３ａと負電極３ｂの間の中間領域に臨む側に舌片状の充電状態検出端子５が一体に延設されている。また、電力出力用の配線が接続される端部の電池セル２では、一方の電極（正電極３ａまたは負電極３ｂ）にバスバー４の代わりに専用の充電状態検出端子５Ａが嵌合接続されている。
充電状態検出端子５，５Ａは、各電池セル２の電圧状態を検出するとともに、各電池セル２の電圧状態に応じて電池セル２…を適宜充放電するのに用いられる。

上記のようにバスバー４によって直列に接続された電池セル２…の上面（電極３ａ…３ｂ…の配置される側の面）には、図３に示すように、バスバー４の上面と各電池セル２の正電極３ａと負電極３ｂの周囲を覆う絶縁ホルダ６がビス止め等によって固定されている。絶縁ホルダ６は絶縁性樹脂等から成り、上面に長手方向に連続する断面略方形状の凹部７が形成されるとともに、各充電状態検出端子５，５Ａを凹部７内に露出させる複数の開口８…が形成されている。

絶縁ホルダ６には、図４に示す導電パターン９が凹部７内に向くようにして導通回路基板１０がビス１１…によって取付けられている。そして、導通回路基板１０の凹部７内に臨む側の面には、各電池セル２…側の充電状態検出端子５，５Ａに対応する接圧式のコネクタ接点１２…が設けられるとともに、外部配線１３のコネクタプラグ１３ａを接続するための受け側コネクタ１４が設けられている。受け側コネクタ１４は、コネクタプラグ１３ａの差込口が凹部７の外側に露出するように導通回路基板１０の端部に配置されるとともに、内部の接続ピン（図示せず。）が導通回路基板１０上の導電パターン９を介して各コネクタ接点１２…に接続されている。

コネクタ接点１２は、例えば、図４に拡大して示すように、充電状態検出端子５，５Ａの端面に当接する当接部１２ａと撓み変形可能な脚部１２ｂが一体の金属片によって形成され、導通回路基板１０がビス１１によって絶縁ホルダ６に締結固定されるときに、当接部１２ａが締結荷重を受けて、脚部１２ｂをたわみ変形させつつ対応する充電状態検出端子５，５Ａに圧接されるようになっている。

また、導通回路基板１０は、コネクタ１４と配線１３を介して外部の電圧制御装置１５に接続されている。この電圧制御装置１５は、図５の回路構成図に示すように、導通回路基板１０を介して隣接する各４つずつの電池セル２に接続される放電回路１６Ａ，１６Ｂおよび電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂ（充電状態検出手段）と、隣接する４つの電池セル２…によって構成される２組の電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂに夫々接続される充電回路１９Ａ，１９Ｂと、充電回路１９Ａ，１９Ｂを駆動する矩形波を生成する矩形波電源であるパルス回路２０と、パルス回路２０を制御する制御装置２１（ＣＰＵ）と、外部の低圧電源２２の電圧を所定電圧に変換して制御装置２１とパルス回路２０に電力を供給する電源回路２３を備えている。

放電回路１６Ａ，１６Ｂは、図６に示すように、各電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂの電池セル２の電極３ａ，３ｂ間を接続するように抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が設けられ、これらの抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４による抵抗放電によって各電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂ内の電池セル２…の電圧を均等にするようになっている。

電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂは、図７に示すように、各電池セル２に対応するオペアンプ回路ＯＡ１，ＯＡ２…ＯＡｎと、各オペアンプ回路ＯＡ１，ＯＡ２…ＯＡｎの入力に並列接続されたコンデンサＣ_０１，Ｃ_０２…Ｃ_０ｎと、各コンデンサＣ_０１，Ｃ_０２…Ｃ_０ｎの両端と各電池セル２の各接続点との間に接続された抵抗器ｒ１１，ｒ１２，ｒ２１，ｒ２２…ｒｎ１，ｒｎ２とを備えている。このコンデンサＣ_０１，Ｃ_０２…Ｃ_０ｎと抵抗器ｒ１１，ｒ１２，ｒ２１，ｒ２２…ｒｎ１，ｒｎ２とでノーマルモードノイズを防止している。また、電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂには、図５に示すように、オペアンプ回路ＯＡ１，ＯＡ２…ＯＡｎによる検出結果を制御装置に送信する通信回路２４Ａ，２４Ｂが付設されている。

充電回路１９Ａ，１９Ｂは、電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂ毎に充電を行うものであり、図８に示すように、各回路１９Ａ，１９Ｂは、ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４とコンデンサＣ１１，Ｃ１２と抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２とを備えている。電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂの正極側にはダイオードＤ１１，Ｄ１３の各カソードが接続され、電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂの負極側には、ダイオードＤ１２，Ｄ１４の各アノードが接続されている。ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードにはコンデンサＣ１１と抵抗器Ｒ１１を介してパルス回路２０からパルス信号が入力され、ダイオードＤ１３のアノードとダイオードＤ１４のカソードにはコンデンサＣ１２と抵抗器Ｒ１２を介してパルス回路２０からパルス信号を反転した反転信号が入力されるようになっている。なお、ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４は全波整流回路を構成している。

また、パルス回路２０は、図８に示すように、各充電回路１９Ａ，１９Ｂの抵抗器Ｒ１１側に印加するパルス信号と、そのパルス信号の反転信号とを生成する。パルス回路２０は、抵抗器Ｒ１１側に接続される一方のパルス出力系では、Ｈｉ側のスイッチＳ１１とＬｏ側のスイッチＳ１２との直列回路が基準電位との間で電源電位Ｖｐに維持されており、抵抗器Ｒ１２に接続される他方のパルス出力系では、Ｈｉ側のスイッチＳ２１とＬｏ側のスイッチＳ２２との直列回路が基準電位との間で電源電位Ｖｐに維持されている。
スイッチＳ１１は、パルス発生回路２５によるパルス信号により制御され、スイッチＳ１２は、このパルス信号をインバータＩＮＶ１で反転した反転信号により制御される。また、スイッチＳ２１は、パルス発生回路２５によるパルス信号をインバータＩＮＶ３により反転した信号により制御され、スイッチＳ２２は、インバータＩＮＶ３で反転した信号をインバータＩＮＶ２で反転した反転信号により制御される。これにより、スイッチＳ１１とスイッチＳ１２との接続点の電位は、スイッチＳ２１とスイッチＳ２２との接続点の電位に対して反転する。なお、パルス発生回路２５でのパルスの出力は、電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂの検出結果に基づいて制御装置２１によって制御される。

ここで、パルス回路２０から充電回路１９Ａ（または、１９Ｂ）の抵抗器Ｒ１１に正のパルス信号、抵抗器Ｒ１２に負のパルス信号が夫々入力される場合には、抵抗器Ｒ１１、コンデンサＣ１１、ダイオードＤ１１、電池セルモジュール１８Ａ（または、１８Ｂ）、ダイオードＤ１４、コンデンサＣ１２、抵抗器Ｒ１２の経路で電流が流れ、逆に、パルス回路から抵抗器Ｒ１１に負のパルス信号、抵抗器Ｒ１２に正のパルス信号が夫々入力される場合には、抵抗器Ｒ１２、コンデンサＣ１２、ダイオードＤ１３、電池セルモジュール１８Ａ（または、１８Ｂ）、ダイオードＤ１２、コンデンサＣ１１、抵抗器Ｒ１１の経路で電流が流れる。

したがって、電圧制御装置１５においては、各電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂ内の電池セル２…間の電圧が放電回路１６Ａ，１６Ｂによって均等化されるとともに、両電池セルモジュール１８Ａ，１８Ｂ間の電圧が充電回路１９Ａによって均等化される。

この蓄電池ユニット１は、重合配置された複数の電池セル２…に固定される絶縁ホルダ６に、充電状態検出端子５，５Ａが露出するように開口８が設けられ、絶縁ホルダ６の凹部７にビス止めされる導通回路基板１０に、開口８を通して充電状態検出端子５，５Ａに圧接されるコネクタ接点１２…が設けられた構造となっているため、内部の複数の配線を用いない簡単な構造によって、各電池セル２を、電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂを含む外部の電圧制御装置１５に安定的に接続することができる。
そして、この蓄電池ユニット１は、内部に複数の配線を接続しないことから、ユニット１全体の小型化と製品コストの低減を図ることができるとともに、蓄電池ユニット１の組み付け時や分解時における作業性を大幅に高めることができる。

また、この蓄電池ユニット１においては、充電状態検出端子５，５Ａに接続される導通回路基板１０の接点が接圧式のコネクタ接点１２によって構成されているため、導通回路基板１０をビス１１で絶縁ホルダ６に固定する際に、導通回路基板１０の導通パターン９と充電状態検出端子５，５Ａとを容易に、かつ、確実に接続することができる。

さらに、この蓄電池ユニット１では、導通回路基板１０と各充電状態検出端子５，５Ａの接続部構造を、各電池セル２の電圧検出だけでなく、各電池セル２の均等化のための電流通路としても利用するため、回路全体の接続部構造を簡素化できるという利点がある。

つづいて、図９，図１０に示すこの発明の第２の実施形態と第３の実施形態について説明する。これらの実施形態は、いずれも蓄電池ユニット１０１，２０１の基本的な構成は第１の実施形態のものと同様であるが、導通回路基板１１０，２１０上の実装部品が異なっている。
即ち、上述した第１の実施形態においては、導通回路基板１０上には導通パターン９のみが印刷されており、主要な回路部品は実装されていないが、図９に示す第２の実施形態の導通回路基板１１０には、放電回路１６Ａ，１６Ｂと電圧検出回路１７Ａ，１７Ｂと充電回路１９Ａ，１９Ｂが夫々実装され、電圧制御装置１５の残余の部品であるパルス回路２０と電源回路２３と制御装置２１が電圧制御装置１５の主制御基板３０上にが実装されている。
また、図１０に示す第３の実施形態の導通回路基板２１０には、電圧制御装置１５のすべての実装部品が導通回路基板２１０に実装されている。

これらの第２，第３の実施形態の蓄電池ユニット１０１，２０１は、基本的には第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができるが、いずれも蓄電池ユニット１０１，２０１に取り付けられる導通回路基板１１０，２１０に、各電池セル２の均等化のための主要な回路部品も実装するようにしているため、周辺回路を蓄電池ユニット１０１，２０１内にコンパクトに配置して、車両搭載性を高めることができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

この発明の第１の実施形態の蓄電池ユニットを示す斜視図。 同実施形態の蓄電池ユニットの組付け工程を示す斜視図。 同実施形態の蓄電池ユニットの組付け工程を示す斜視図。 同実施形態の蓄電池ユニットに用いられる導通回路基板を示す斜視図。 同実施形態の蓄電池ユニットの回路構成図。 同実施形態の放電回路の回路図。 同実施形態の電圧検出回路の回路図。 同実施形態の充電回路とパルス回路の回路図。 この発明の第２の実施形態の蓄電池ユニットの回路構成図。 この発明の第３の実施形態の蓄電池ユニットの回路構成図。

符号の説明

１，１０１，２０１…蓄電池ユニット
２…電池セル
３ａ…正電極
３ｂ…負電極
４…バスバー（導電連結部材）
５，５Ａ…充電状態検出端子
６…絶縁ホルダ
１０，１１０，２１０…導通回路基板
１２…コネクタ接点（接点）
１６Ａ，１６Ｂ…放電回路
１７Ａ，１７Ｂ…電圧検出回路（充電状態検出手段）
１９Ａ，１９Ｂ…充電回路

Claims (4)

1. 一方側に正電極と負電極の少なくとも一方を有する複数の電池セルが導電連結部材を介して直列に接続され、前記各電池セルの充電状態が充電状態検出手段によって検出される蓄電池ユニットであって、
   前記導電連結部材、若しくは、電極に設けられた充電状態検出端子と、
   少なくとも前記充電状態検出端子を露出させて前記一方側から導電連結部材を覆い、かつ前記複数の電池セルを固定する絶縁ホルダと、
   前記各充電状態検出端子と対向する位置に接点を有し、この接点を介して前記各充電状態検出端子と前記充電状態検出手段を接続する導通回路基板と、を備え、
   前記導通回路基板が前記絶縁ホルダに固定されることにより、前記絶縁ホルダから露出した充電状態検出端子と前記導通回路基板の接点が接続されていることを特徴とする蓄電池ユニット。
2. 前記導通回路基板の接点は接圧式のコネクタであり、前記導通回路基板を絶縁ホルダに押圧固定することによって前記充電状態検出端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池ユニット。
3. 前記導通回路基板は、前記充電状態検出手段による各電池セルの充電状態の検出結果に応じて、導通パターンを通して任意の電池セルに調整電流を入出させることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池ユニット。
4. 前記導通回路基板には、充電回路と放電回路の少なくとも一方を有する均等化回路が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の蓄電池ユニット。

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