JP2011119157A - 電池電源装置、及び電池電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の素電池1からなる電池電源装置において、異常の発生した素電池1を充放電経路から遮断するのみならず、この異常を直ちに検出できるようにする。
【解決手段】少なくとも1つの素電池1からなる電池ユニットが複数、並列に接続された組電池2を備えるとともに、該各電池ユニット毎に所定の異常状態で導電線(例えば正極バスバー34)との間の電流を遮断するように電流遮断器を設ける。該電流遮断器としては、各電池ユニットと導電線との間を遮断するのと同時に、導電線と信号線35との間を導通させるように切り替わる、3端子のスイッチ36(開閉器)を用いればよい。該信号線35からの信号により電池ユニットの異常を検出する。
【選択図】 図5
【解決手段】少なくとも1つの素電池1からなる電池ユニットが複数、並列に接続された組電池2を備えるとともに、該各電池ユニット毎に所定の異常状態で導電線(例えば正極バスバー34)との間の電流を遮断するように電流遮断器を設ける。該電流遮断器としては、各電池ユニットと導電線との間を遮断するのと同時に、導電線と信号線35との間を導通させるように切り替わる、3端子のスイッチ36(開閉器)を用いればよい。該信号線35からの信号により電池ユニットの異常を検出する。
【選択図】 図5
Description
本発明は、複数の二次電池が並列接続された組電池を備える電池電源装置、及びこれを用いる電池電源システムに関する。
従来より、複数の二次電池(セル)を直列・並列に接続して、所要の電圧及び容量を得るようにした電池電源装置は一般的に使用されている。また、近年では化石燃料の使用量及びCO2の排出量を削減するという観点から、電気自動車やハイブリッド自動車等のモータ駆動用の電源として電池電源装置への期待が高まりつつある。
そのような電池電源装置は大容量・高出力を求められることから、比較的多数の電池を並列に接続した組電池を備えることがあるが、このような組電池に含まれる一部の二次電池に過電流や過熱等の異常が生じた場合、正常時と同じようにこの組電池に対して充放電を行うと、二次電池を劣化させてしまう虞れがあった。
そこで、組電池に含まれる一部の二次電池の異常、例えば脱落や断線等を検出し、このような異常が生じた場合にスイッチング素子や保護素子をオフさせて、電池電源装置全体の充放電を禁止する技術は知られている(例えば、特許文献1、2参照。)。
しかしながら、前記従来例のように電池電源装置全体の充放電を禁止すると直ちにシステムダウンに繋がってしまい、特に自動車用の電源としては好ましくない。そこで、組電池内で異常の発生した電池だけを遮断し、残りの電池によって電力供給を継続することが考えられるが、こうして一部の電池に異常が発生した状態で電池電源装置の使用を継続すると、この異常な電池を含む組電池や電池電源装置全体としての劣化を招く虞れがある。
すなわち、例えば10個の電池が並列に接続された組電池について考えると、そのうちの1個の電池に異常が発生してヒューズ等により遮断された場合でも電圧の変化は少なく、電圧監視のみの方法では遮断の検知が難しい。
その結果、異常の発生に気づくことなく通常の充放電制御が行われると、正常な9個の電池には常に余分に電流が流れることになるから、例えば急速充電時や大電力の出力時、或いは残容量の多いとき、少ないとき等に制限値以上の電流が流れてしまい、所謂過充電若しくは過放電の状態になって、二次電池の劣化を招くことになるのである。
斯かる点に鑑みて本発明の目的は、複数の二次電池が並列に接続された組電池を備える電池電源装置において、異常の発生した二次電池を遮断するのみならず、この異常を直ちに検出できるようにすることにある。
前記の目的を達成するために本発明に係る電池電源装置では、電流遮断器の構成に工夫を凝らし、これにより電流を遮断するときに異常の検出信号が出力されるようにした。
すなわち、請求項1の発明は、少なくとも1つの素電池(二次電池)からなる電池ユニットの正極側又は負極側のいずれか一方に、当該電池ユニットの充放電経路を遮断するための電流遮断器が接続されるとともに、この電池ユニット及び電流遮断器の直列回路が導電線を介して複数、並列に接続されてなる組電池と、それらの各電池ユニットの異常を検出するための異常検出手段とを備えた電池電源装置である。そして、前記電流遮断器としては、異常の発生した電池ユニットの充放電経路を遮断するのと同時に、前記正極側又は負極側のいずれか一方の導電線と信号線との間を導通させるように切り替わる3端子の開閉器を用いて、前記異常検出手段が、前記信号線からの信号により電池ユニットの異常を検出できるようにしたものである。
前記の構成により、いずれかの素電池に例えば内部短絡等の異常が発生すると、この素電池を含む電池ユニットにおいて電流遮断器により充放電経路が遮断され、過大な電流の流れることが防止される。このとき、電流遮断器として用いられる3端子の開閉器においては導電線と信号線との間が導通されて、導電線の電位に対応する信号が信号線に出力される。
よって、その信号から直ちに素電池の異常を検出することが可能になり、これに応じて例えば充放電の際の電流の制限値を補正するようにすれば、並列に接続されている他の電池ユニットの素電池が過充電や過放電状態になることを阻止して、その劣化を防止することができる。
好ましいのは電池電源装置自体に、前記信号線からの信号によって電池ユニットの異常を検出する異常検出手段を備えることであり、これは例えば、簡単な電気回路やマイコン等のソフトウェア処理によって実現できる。
また、好ましいのは、各電池ユニット毎の信号線に各々抵抗器を設けておき、それらを集合させて単一の信号線とすることであり、こうすれば多数の電池ユニットが並列接続されている場合でも、それに対応する多数の信号線を個別に設ける必要がなく、省スペース化が図られる(請求項6)。
その場合に、前記正極側、負極側の導電線のうち電流遮断器に接続されていない他方の導電線と前記単一の信号線との間に分圧抵抗器を介接させれば、多数の信号線を集合させていても、その単一の信号線に現れる分圧値(電圧値)によって異常な電池ユニットの個数を検出することができ、これに応じて充放電電流の制限値をより適切に補正することが可能になる。
そうして異常な電池ユニットの個数を検出するだけであれば、各電池ユニット毎の信号線に各々配設された抵抗器は全て同一の抵抗値を有するものでよいが(請求項7)、各電池ユニット毎の抵抗器を互いに異なる抵抗値を有するものとすれば、異常な電池ユニットがどれであるか特定することも可能になる。すなわち、異常な電池ユニットが1つであれば、それは信号の電圧値から直ちに特定することができるし、続いて別の電池ユニットに異常が発生すれば、これによる電圧値の変化によって新たに異常の発生した電池ユニットも特定することができる。
より好ましいのは、各抵抗器の抵抗値を、任意の数の抵抗器を並列に組み合わせたときの合成抵抗値が全て異なる値となるように設定することであり(請求項8)、一例として、抵抗値の小さなものから順に 2n×R (n=0,1,2,3…) とすればよい(請求項9)、こうすれば、前記のように異常の発生した履歴を考慮する必要がなくなり、また、仮に同時に2以上の電池ユニットで素電池に異常が発生したとしても、その全てを特定することが可能になる。尚、理論的には抵抗値は 2n×R に限定されず、例えば 3n×R、4n×R というように、mn×R(m=2,3,4,…)とすればよい。
そうして検出した異常な電池ユニットの個数に応じて、前記したように充電ないし放電電流の制限値を補正する手段も、前記異常検出手段と同様にマイコン等によって実現できるから、これもまた電池電源装置自体に備えることが好ましい(請求項10)。
尚、前記のように電流遮断器として用いる3端子の開閉器は、所定の閾値温度を超えたときに3端子の接続状態が切り替わるものであっても、また、所定の閾値電流を超えたときに3端子の接続状態が切り替わるものであってもよい(請求項2、4)。
前者の例として具体的には、例えば、非反転状態で導電線側の端子と電池ユニット側の端子とを接続するバイメタルプレートを備え、該バイメタルプレートが所定温度以上で反転状態になって、導電線側の端子と信号線側の端子と接続するものが使用できる(請求項3)。この場合、バイメタルプレートが反転状態から非反転状態に復帰する温度は常温よりもかなり低く設定し、実質的に復帰しないようにするのがよい。
また、後者の具体例として開閉器は、導電線側の端子と電池ユニット側の端子との間に介設された電流ヒューズと、この電流ヒューズが溶断したときに前記導電線側の端子を信号線側の端子と接続するように付勢されている接続片と、を備えるものであってもよい(請求項5)。
以上、説明したように本発明に係る電池電源装置によると、少なくとも1つの素電池(二次電池)からなる電池ユニットが複数、並列に接続されている場合に、そのうちの幾つかに異常が発生すると、この素電池を含む電池ユニットが電流遮断器によって導電線から遮断されることで、安全性を確保できるとともに、その電流遮断器からの信号によって異常を検出することもできるようになる。これに応じて例えば充放電電流の制限値を適切に補正することができ、電池電源装置全体として寿命が担保される。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、これはあくまで例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限するものではない。実施形態の構成は本発明の効果を奏する範囲内で適宜、変更可能であり、他の実施形態と組み合わせることもできる。
(電池パックの全体構成)
図1は、本発明の実施形態に係る電池パック(電池電源装置)の分解斜視図である。この電池パックは、一例として電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されるものであり、ここでは汎用の電池(以下、素電池という)1つを最小単位(電池ユニット)とし、これを直列・並列に接続することで、電動車両のモータ駆動に必要な電圧及び容量を確保している。図の例では素電池1を図の左右方向に20個並べ並列に接続して組電池2とし、これを7組、図の前後(紙面の手前・奥)方向に並べ直列に接続して、合計140個の素電池1からなる矩形状の集合体(電池ブロック3)を構成している。
図1は、本発明の実施形態に係る電池パック(電池電源装置)の分解斜視図である。この電池パックは、一例として電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されるものであり、ここでは汎用の電池(以下、素電池という)1つを最小単位(電池ユニット)とし、これを直列・並列に接続することで、電動車両のモータ駆動に必要な電圧及び容量を確保している。図の例では素電池1を図の左右方向に20個並べ並列に接続して組電池2とし、これを7組、図の前後(紙面の手前・奥)方向に並べ直列に接続して、合計140個の素電池1からなる矩形状の集合体(電池ブロック3)を構成している。
そうして多数の素電池1を集合した電池ブロック3は、図示のように、上面及び長手方向の一端(図の左端)面が開口する矩形状のケース4内に水冷ダクト5と共に収容されて、その上から中間パネル6及び上面パネル7が被せられる。上面パネル7は、ケース4の上部開口を閉塞する外装板であり、これと同様にケース4前端の開口は前面パネル8によって閉塞される。尚、同図には示さないが、ケース4にはマイコン等を実装した制御基板からなる監視ユニット9(図3,4を参照)も収容される。
図示の電池ブロック3においては、各組電池2毎の20個の素電池1がそれぞれ正極側を上に向けて配置されており、その上部に長手方向に亘って長尺状の回路基板31が取り付けられている。この回路基板31にはプリント配線によって正極バスバー(正極側の導電線:図4、5にのみ符号34を付して示す)が形成されて、20個の素電池1の正極端子を並列に接続している。また、図の例では一番奥の組電池2の回路基板31の左端に電池ブロック3の正極端子32が設けられており、この正極端子32が、前面パネル8を貫通する外部接続用の正極端子81と接続される。
一方で20個の素電池1の負極端子を接続する負極バスバー(負極側の導電線:図4、5にのみ符号37を付して示す)は、この例では回路基板31とは別体の長尺状の部材とされ、絶縁体を介して正極バスバーと絶縁された状態で各素電池1の肩部に跨るように載置されている。負極バスバーは、図の前後方向に隣り合う組電池2の正極バスバーと接続されており、このことで隣り合う組電池2同士が直列に接続されている。また、図では一番手前の組電池2の左端において負極バスバーに電池ブロック3の負極端子33が接続されており、この負極端子33が前記の正極端子32と同様に、前面パネル8を貫通する外部接続用の負極端子82と接続される。
そうして多数の素電池1が集合された電池ブロック3は、全体としては矩形のブロック状をなす水冷ダクト5と組み合わされてケース4内に収容される。すなわち、図の例では水冷ダクト5は樹脂の成形品であり、矩形ブロックの厚み方向(図の上下方向)に貫通する多数の保持孔5aが、電池ブロック3を構成する140個の素電池1に対応して蜂の巣状に形成されていて、その各々に圧入される素電池1を保持するようになっている。
それら多数の保持孔5aのうち、水冷ダクト5の長手方向(図の左右方向)に並ぶものは互いに連通している。一方、幅方向(図の前後方向)については隣り合う保持孔5aの間に隔壁が形成されていて、その内部に冷却水の流路が形成されている。つまり、この例では冷却水が水冷ダクト5の内部をその長手方向に流れるようになっており、その冷却水を供給及び排出するための入出路菅51、52が、水冷ダクト5の前面パネル8側の側面に形成されている。入出路菅51、52はそれぞれ前面パネル8の貫通孔83、84に挿通される。
尚、この例では、前記したようにケース4の上部に配置される中間パネル6によって、その上方の上面パネル7との間に、素電池1の異常の際に排出されるガスをケース4外に排気するための排気ダクトが区画されるようになっている。この排気ダクトは前面パネル8に形成された排気口85に連通する。
−素電池の構造−
次に、前記のような電池パックに使用する素電池1の構造例を、図2を参照して説明する。尚、本発明の電池パックに使用する電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源としても使用可能な汎用の円筒形電池であり、こうして汎用の電池を電池パックの素電池1として使用することによって電池パックの高性能化が図られるとともに、量産効果による大幅なコストの低減が可能になる。
次に、前記のような電池パックに使用する素電池1の構造例を、図2を参照して説明する。尚、本発明の電池パックに使用する電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源としても使用可能な汎用の円筒形電池であり、こうして汎用の電池を電池パックの素電池1として使用することによって電池パックの高性能化が図られるとともに、量産効果による大幅なコストの低減が可能になる。
図示の素電池1は例えばリチウムイオン二次電池であり、図では上端が開口する有底円筒状の電池ケース10の内部に、正極11及び負極12がセパレータ13を介して捲回された電極群を非水電解液と共に収容してなる。この電極群は上下に絶縁板14、15を装着して電池ケース10に収容され、その正極11が正極リード16を介して円盤状のフィルタ17に接続される一方、負極12は負極リード18を介して、負極端子を兼ねる電池ケース10の底部に接続されている。
そうして正極11の接続されているフィルタ17が外周部においてインナーキャップ19に接続され、このインナーキャップ19の中央の突起部が上方の弁板20に接合され、さらに弁板20の外周部は、正極端子を兼ねる端子板21に接続されている。端子板21は断面ハット状に形成されていて、前記の弁板20、インナーキャップ19、及びフィルタ17と共に封口体を構成し、それらの外周側がガスケット22を介して電池ケース10の上部にかしめられて固定されている。
このような構造の素電池1においては内部短絡等の異常が発生し、電池ケース10内の圧力が上昇すると、弁体20が上方の端子板21に向かって膨れ上がり、インナーキャップ19との結合が外れて、電流の経路が遮断される。さらに圧力が上昇すると弁体20は破断し、電池ケース10内に発生したガスは、フィルタ17の貫通孔17a、インナーキャップ19の貫通孔19a、及び弁体20の裂け目を流通して、端子板21の開放部21aから連通する排気ダクトへ排出される。
(電池パックの充放電制御)
図3には、前記の如き電池パックを搭載する電動車両の駆動系の構成例を模式的に示す。同図において駆動用モータMは、モータ作動及び発電作動の可能なモータ・ジェネレータであり、複数の電池パックからなる車載バッテリBから電力の供給を向けて車輪Wを駆動する(モータ作動)一方、車両の回生制動時には発電機として作動し、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリBを充電する。
図3には、前記の如き電池パックを搭載する電動車両の駆動系の構成例を模式的に示す。同図において駆動用モータMは、モータ作動及び発電作動の可能なモータ・ジェネレータであり、複数の電池パックからなる車載バッテリBから電力の供給を向けて車輪Wを駆動する(モータ作動)一方、車両の回生制動時には発電機として作動し、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリBを充電する。
その際にバッテリBから供給される直流電流はインバータVによって交流に変換され、モータMに供給される。また、モータMの発電作動による交流電流はインバータVにより直流に変換されて、バッテリBに供給される。このようなバッテリBの充放電に係る制御自体は本発明とは関係がなく、従来公知の種々の手法が用いられる。すなわち基本的には運転者の要求に従って電動車両が走行するように、アクセルないしブレーキの操作に応じて車両ECU(図には符号Eを付す)によりインバータVやモータMの制御が行われる。
その際、バッテリBの、即ち電池パックの充放電は、電池ECUを介して送られてくる電池パックの種々の情報に基づいて、充放電それぞれの際の電流値が所定の範囲内に収まるように制限される。このためにバッテリBには、図示のように直列に接続されている電池パックの電流を検出するための電流センサAが設けられ、さらに、各電池パック毎に電圧検出器やサーミスタ等の温度センサ(図示せず)が設けられている。
一例として、電流や電圧の検出値に基づいて算出される電池パックの残容量に応じて、基本的にはそれが大きいほど放電電流の制限値は大きくされる。一方、充電電流の制限値は残容量が少ないか或いは中程度であればあまり変化せず、それ以上では残容量の増大に応じて小さくされる(制限が厳しくなる)。また、一般に電気化学反応の活性が温度によって変化することを考慮して、電池パックの温度が所定以上に高いか或いは低いときに、それぞれ制限が厳しくなるように補正される。
つまり、この実施形態では、前記の駆動用モータM、インバータV、車両ECUによって、電池パックを充放電する外部装置が構成されている。駆動用モータMは、電池パックからの放電電流が供給される負荷回路であり、インバータVは、電池パックへ充電電流を供給する電流供給部である。また、車両ECUは、電池パックのそれぞれの組電池2に流れる電流が制限値を超えないように充放電電流を制御する充放電制御部である。
そのような充放電電流の制限値の設定は、この例では各電池パック毎の監視ユニット9によって行われる。また、この実施形態では以下に説明するように、各電池パックの組電池2毎に異常の発生した素電池1の個数を検出し、この個数に応じて前記の制限値を補正するようにしている。
−素電池の異常検出−
まず、図4に模式的に示すように監視ユニット9は、電池パック毎に直列に接続されている7組の組電池2のそれぞれの電圧を検出する電圧検出器9aと、これによる電圧の検出値や電流センサAによる電流の検出値等に基づいて、電池パックの残容量を演算する残容量演算部9bと、充放電の際の電流の制限値を設定する制限値設定部9cと、を備えている。
まず、図4に模式的に示すように監視ユニット9は、電池パック毎に直列に接続されている7組の組電池2のそれぞれの電圧を検出する電圧検出器9aと、これによる電圧の検出値や電流センサAによる電流の検出値等に基づいて、電池パックの残容量を演算する残容量演算部9bと、充放電の際の電流の制限値を設定する制限値設定部9cと、を備えている。
また、監視ユニット9は各組電池2毎の素電池1の異常を検出する異常検出部9dを備えており、これにより検出された異常な素電池1の個数に応じて、前記制限値設定部9cにおける電流の制限値が補正されるようになっている。この意味で前記制限値設定部9cは特許請求の範囲に記載の制限値補正手段に対応している。
尚、前記電圧検出器9aは、コンパレータやADコンバータ等の回路が集積された汎用のICによって構成され、前記した残容量の演算等のために組電池2毎の電圧(正極及び負極バスバーの電位差)を検出して対応するデジタル信号を出力するとともに、以下に詳しく述べるように素電池1の異常検出信号として信号線35の電位(負極バスバーとの電位差)を検出して対応するデジタル信号を出力する。一方、前記残容量演算部9b、制限値設定部9c及び異常検出部9dは、それぞれがマイコンによるソフトウェア処理によって実現される。
以下、前記図4の他に図5、6も参照しながら、より具体的に説明すると、上述したようにこの実施形態の電池パックにおいては各組電池2毎に20個の素電池1が並列に接続されており、図5に示すようにその各素電池1毎の正極端子と正極バスバー34との間には、温度ヒューズとして機能する3端子のスイッチ36(開閉器)が介設されている。尚、図では便宜上、20個の素電池1のうち4個のみを示し、また、負極バスバー37については隣り合う組電池2の正極バスバー34と接続されているため、図4においては7組の組電池2のうち最下位のものにのみ符号を付して示す。
前記のスイッチ36は、正極バスバー34に接続された端子と、素電池1の正極に接続された端子との他に、異常の検出信号が出力される信号線35の分岐部35aが接続された端子を備えており、図示のように初期状態では正極バスバー34側の端子と素電池1側の端子とを接続する一方、素電池1に異常が発生すれば正極バスバー34側の端子を素電池1側の端子から遮断して、信号線35側の端子に接続するようになっている。
ここで、スイッチ36の構造につき一例を図6に示す。まず、図(a)に示す初期状態(非反転状態)ではバイメタルプレート36aがその中央部を上方に膨出させるように湾曲していて、その基端部(図の右端部)の接点が正極バスバー34側の端子36bに溶接されている。一方、バイメタルプレート36aの先端部(図の左端部)では図の下側の接点が素電池1側の端子36cに接触していて、図の上側の接点は信号線35側の端子36dから離間している。
周知の如くバイメタルプレート36aは、熱膨張係数の異なる2種類の金属板を貼り合わせたもので、予め設定された動作温度(この例では90〜100℃くらい)以上になると同図(b)に示すように反転して、その中央部が下方に膨出する、前記とは逆の湾曲状態になる。この反転状態ではバイメタルプレート36aの先端部下側の接点が素電池1側の端子36cから離れて、その上側の接点が信号線35側の端子36dに接触し、正極バスバー34側の端子36bと信号線35側の端子36dとを導通させる。
尚、前記のようにバイメタルプレート36aが反転する温度は、貼り合わせる金属板の種類の他に、前記のように形成するプレートの湾曲度合いによって調整することができる。また、バイメタルプレート36aが非反転状態に復帰する温度も同様にして調整できるが、この実施形態では復帰温度を常温よりもかなり低く、例えば−30〜50℃くらいに設定することで、実質的には復帰しないようにしている。
そして、前記のようにバイメタルプレート36aが反転して、正極バスバー34側の端子36bと信号線35側の端子36dとが導通されると、この端子36dが正極バスバー34と同じ電位になって、信号線35には異常の検出信号が出力されるようになる。
より詳しくは図5の例では、信号線35が各素電池1毎に分岐してスイッチ36に接続されており、そのスイッチ36の近傍の分岐部35aに抵抗器38が介設されている(逆に言えば素電池1毎の信号線の分岐部35aが集合して単一の信号線35になっている)。その単一の信号線35は、前記のように監視ユニット9の電圧検出部9aに接続されるとともに、分圧抵抗器39を介在させて負極バスバー37にも接続されており、このことで、正極バスバー34と負極バスバー37との間が、信号線35やスイッチ36により構成される経路によって、接続されるようになっている。
このように構成される経路の合成抵抗値は、前記のように正極バスバー34と信号線35とを接続するスイッチ36の個数、即ち、異常の発生した素電池1の個数によって変化し、これに応じて信号線35の電位も変化する。例えば1つの素電池1において内部短絡等の異常が発生し、これに対応するスイッチ36によって正極バスバー34と信号線35(分岐部35a)とが接続されると、これを介して正極及び負極バスバー34,37同士を繋ぐ経路の合成抵抗値は、抵抗器38の抵抗値をRとすると 2×R になるから、組電池2の電圧値をEとすれば信号線35の分圧値は、E/2となる。
同様に2個の素電池1に異常が発生すれば、並列な2個のスイッチ36によって正極バスバー34と信号線35とが導通されることになるから、経路の合成抵抗は3×R/2となり、信号線35の分圧値は、2×E/3となるのである。よって、このような信号線35の分圧値(電圧値)を電圧検出器9aにより検出し、これに基づいて異常検出部9dにより、異常の発生した素電池1の個数を検出することができる。
尚、いずれの素電池1にも異常が発生していなければ、全てのスイッチ36が動作しておらず、これにより前記の経路が遮断されていることから、信号線35の電位は負極バスバー37と同じになり、電圧検出器9aによる検出電圧が零になって、異常検出部9dは異常な素電池1の個数が零(つまり異常なし)と判定する。
−変形例−
ところで、前記のように異常の発生した素電池1の個数を検出する必要がなければ、図7に示す変形例のように抵抗器38を設けなくてもよい。こうすると、いずれかの素電池1に異常が発生したときには、その個数に依らず信号線35の電位が正極バスバー34と同じになるので、異常な素電池1の個数を判定することはできないが、異常の発生したことは検出できる。
ところで、前記のように異常の発生した素電池1の個数を検出する必要がなければ、図7に示す変形例のように抵抗器38を設けなくてもよい。こうすると、いずれかの素電池1に異常が発生したときには、その個数に依らず信号線35の電位が正極バスバー34と同じになるので、異常な素電池1の個数を判定することはできないが、異常の発生したことは検出できる。
また、図8に示す変形例のように素電池1毎のスイッチ36と監視ユニット9の電圧検出器9aとを個別の信号線35によって接続することも可能であり、こうすれば異常の発生した素電池の個数を検出できるのみならず、どの素電池1に異常が発生したのかも特定することができる。但し、20個の素電池1のそれぞれのスイッチ36と監視ユニット9との間に20本の信号線35を設けなくてはならず、また、電圧検出器9aのICも1つでは足りなくなる虞れがある。
換言すればこの実施形態では、前記図5に示すように多数の素電池1毎の分岐部35aを集合させて単一の信号線35とすることによって、この信号線35のためのスペースが極小化されていると言える。こうして省スペース化の図られた信号線35や抵抗器38等は、正極バスバー34と同様に回路基板31に形成することが可能であり、それ以外にもスイッチ36を回路基板31に配設することが好ましいが、これらのいずれかを例えば中間パネル6に配設することもできる。
(作用・効果)
したがって、この実施形態に係る電池パックによると、互いに直列に接続された組電池2の各々において、互いに並列に接続されている20個の素電池1のうちの幾つかに内部短絡等の異常が発生し、過大電流によって温度が所定以上に上昇すると、正極バスバー34との間のスイッチ36が動作して、その異常な素電池1を遮断することにより、この素電池1のみならず周囲の素電池1についても安全性を確保することができる。
したがって、この実施形態に係る電池パックによると、互いに直列に接続された組電池2の各々において、互いに並列に接続されている20個の素電池1のうちの幾つかに内部短絡等の異常が発生し、過大電流によって温度が所定以上に上昇すると、正極バスバー34との間のスイッチ36が動作して、その異常な素電池1を遮断することにより、この素電池1のみならず周囲の素電池1についても安全性を確保することができる。
これと同時に、異常の発生した素電池1のスイッチ36からは信号線35に異常の検出信号が出力される。この信号は、異常の発生した素電池1の個数に対応する電圧値として監視ユニット9の電圧検出器9aにより検出され、これにより異常検出部9dにおいて異常な素電池1の個数が検出される。そして、これに応じて制限値設定部9cにより充放電電流の制限値が適切に補正されることで、過充電や過放電の起きることはなくなる。
例えば、20個の素電池1のうちの1個に異常が発生し、これを遮断したときは、残りの19個の各々に流れる電流が本来の制限値を越えないように、電流の制限値を19/20に、即ち約5%小さくすればよい。同様に2個の素電池1を遮断したときは約10%、また、3個の素電池1を遮断したときは約15%、というように制限値を補正すればよい。こうして、遮断した素電池1の個数、即ち組電池2の容量の変化に対応して充放電電流の制限値を適切に補正すれば、その組電池2、ひいては電池パックやバッテリBの性能をできるだけ維持しつつ、その寿命を担保することができる。
(他の実施形態)
以上、本発明に係る電池電源装置についてその好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は本発明を限定するものではなく、その構成については種々の改変が可能である。
以上、本発明に係る電池電源装置についてその好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は本発明を限定するものではなく、その構成については種々の改変が可能である。
例えば前記の実施形態では図5に示すように信号線35の分岐部35aに介設する抵抗器38を、全て同じ抵抗値Rを有するものとしているが、これらの抵抗器38の抵抗値を互いに異なるものとしてもよい。こうすると、仮に1つの素電池1だけに異常が発生したときには、信号線35からの異常検出信号(検出電圧値)によってどの素電池1に異常が発生したか特定できる。また、続いて別の素電池1に異常が発生すれば、これによる電圧値の変化によって、新たに異常の発生した素電池1も特定することができる。
そうして異常の発生した素電池1を特定することができれば、補修の際にその素電池1の異常を確認する作業が容易になる。また、何時いかなる状況下でどの素電池1に異常が発生したか、という異常の発生履歴のデータが得られ、異常の発生原因を究明するための解析に非常に有用である。さらに、必要に応じて異常な素電池1のみを交換する、という補修の仕方も可能になる。
但し、単に抵抗器38の抵抗値をそれぞれ異なるものとするだけでは、仮に2以上の素電池1に殆ど同時に異常が発生したときに、この素電池1を特定できなくなる場合がある。そこで、好ましくは各素電池1毎の抵抗器38を、その抵抗値の小さなものから順に、 2n×R (n=0,1,2,3・・・) という抵抗値に設定すればよく、こうすれば、2以上の素電池1に同時に異常が発生したとしても、その全てを特定することができる。
この点について図9を参照して説明する。同図(a)は便宜上、4個の素電池1を並列に接続した場合についての図5相当図であり、図の左側から順に素電池1、スイッチ36及び抵抗器38の組を第1(#1)、第2(#2)、第3(#3)、…として、それらの抵抗器38の抵抗値が順にR、2×R、4×R、…と大きくなっていくものとする。こうすると、同図(b)の表に上から順に示すように、第1(#1)〜第4(#4)のいずれか1個の素電池1に異常が発生すれば、これに対応するスイッチ36の合成抵抗値は順にR、2×R、4×R、8×Rとなる。
また、続いて同図(b)の表に示すように、#1、#2の2個の素電池1に異常が発生すれば合成抵抗値は2×R/3になり、#1、#3の2個の素電池1に異常が発生すれば合成抵抗値は4×R/5になる、…というように合成抵抗値が変化する。そして、その合成抵抗値の分子を揃えて表の最右欄に示すと、異常な素電池1が1個の場合の4通り、同2個の場合の6通り、同3個の場合の4通り、及び同4個の場合の1通りの合計15通りの組合せの全てについて、合成抵抗値が全て異なる値になることが判る。
このことから4個の素電池1のうちのいずれかに異常が発生すれば、その個数に関係なく起こり得る全ての場合において、信号線35の分圧値(電圧値)が互いに異なるものとなり、この分圧値に基づいて異常の発生した素電池1を特定することができるのである。
尚、理論的には抵抗値は 2n×R とすることに限定されず、例えば 3n×R、4n×R というように、mn×R(m=2,3,4,…)とすればよいが、検出の精度を考慮して 2n×R とするのが好ましい。また、並列に接続する素電池1の個数は4個以上でもよいが、20個では精度の確保が難しいので、組電池2内の素電池1を例えば10個ずつ、或いは5個ずつに分けることが望ましい。
さらに、前記の実施形態では素電池1の正極側にスイッチ36を設けているが、これは負極側に設けてもよい。また、1つの素電池1を最小単位(電池ユニット)として、これに対し個別にスイッチ36を設けているが、2以上の素電池1を電池ユニットとしてもよい。この場合に電池ユニットを構成する2以上の素電池1は、互いに並列に接続されていても、また互いに直列に接続されていてもよく、さらには互いに直列、並列に接続された3以上の素電池1を電池ユニットとすることも可能である。
また、3端子のスイッチとしては前記の如くバイメタルプレート36aを用いるものに限らず、例えば電流ヒューズや温度ヒューズを用いることも考えられる。すなわち、素電池1と正極バスバー34(負極バスバー37でもよい)との間にヒューズを設けるとともに、このヒューズによって開放状態に拘束される接続片を設け、かつこの接続片を、正極バスバー34を信号線35と接続するように付勢しておく。こうすれば、ヒューズが溶断したときに接続片によって、正極バスバー34と信号線35とが接続される。
また、前記実施形態の電池パックでは、20個の素電池1を並列接続して組電池2を構成し、これを7組、直列接続して電池ブロック3を構成しているが、このような素電池1の個数、組合せは全くの例示に過ぎず、例えば20個の素電池1を並列に接続しただけのものでもよい。電池ブロック3を水冷ダクト5と組み合わせる必要もなく、空冷式の電池パックであってもよい。
さらにまた、素電池1はリチウムイオン二次電池に限らず、これ以外の二次電池(例えばニッケル水素電池)であってもよいことは勿論であり、電池パックの用途も電動車両向けに限定されない。但し、電動車両の電源としてリチウムイオン電池を用いる場合には、特に充放電電流の制限が厳しいことから、本発明の適用対象として特に好適なものと言える。
以上、説明したように本発明に係る電池電源装置は、異常の発生した素電池を遮断するとともにその異常を直ちに検出可能としたもので、これに応じて例えば充放電の制御を適切に補正することによって寿命を担保でき、自動車用等に好適なものである。
1 素電池(電池ユニット)
2 組電池(並列に接続された素電池)
3 電池ブロック(直列・並列に接続された素電池)
34 正極バスバー(一方の導電線)
35 信号線(単一の信号線)
35a 信号線の分岐部(信号線)
36 スイッチ(3端子の開閉器)
36a バイメタルプレート
36b 導電線側の端子
36c 電池側の端子
36d 信号線側の端子
37 負極バスバー(他方の導電線)
38 抵抗器
39 分圧抵抗器
9 監視ユニット
9a 電圧検出器
9c 制限値設定部(制限値補正手段)
9d 異常検出部(異常検出手段)
M 駆動用モータ(外部装置の負荷回路)
V インバータ(外部装置の電流供給部)
E 車両ECU(外部装置の充放電制御部)
2 組電池(並列に接続された素電池)
3 電池ブロック(直列・並列に接続された素電池)
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36b 導電線側の端子
36c 電池側の端子
36d 信号線側の端子
37 負極バスバー(他方の導電線)
38 抵抗器
39 分圧抵抗器
9 監視ユニット
9a 電圧検出器
9c 制限値設定部(制限値補正手段)
9d 異常検出部(異常検出手段)
M 駆動用モータ(外部装置の負荷回路)
V インバータ(外部装置の電流供給部)
E 車両ECU(外部装置の充放電制御部)
Claims (11)
- 少なくとも1つの素電池からなる電池ユニットの正極側又は負極側のいずれか一方に、当該電池ユニットの充放電経路を遮断するための電流遮断器が接続されるとともに、この電池ユニット及び電流遮断器の直列回路が導電線を介して複数、並列に接続されてなる組電池と、
前記各電池ユニットの異常を検出するための異常検出手段とを備え、
前記電流遮断器は、異常の発生した電池ユニットの充放電経路を遮断するのと同時に、前記正極側又は負極側のいずれか一方の導電線と信号線との間を導通させるように切り替わる、3端子の開閉器からなり、
前記異常検出手段は、前記信号線からの信号によって電池ユニットの異常を検出するように構成されている、電池電源装置。 - 前記開閉器は、所定の閾値温度を超えたときに3端子の接続状態が切り替わるものである、請求項1に記載の電池電源装置。
- 前記開閉器は、非反転状態で導電線側の端子と電池ユニット側の端子とを接続するバイメタルプレートを備え、該バイメタルプレートが所定温度以上で反転状態になって、導電線側の端子と信号線側の端子とを接続するものである、請求項2に記載の電池電源装置。
- 前記開閉器は、所定の閾値電流を超えたときに3端子の接続状態が切り替わるものである、請求項1に記載の電池電源装置。
- 前記開閉器は、導電線側の端子と電池ユニット側の端子との間に介設されたヒューズと、該ヒューズが溶断したときに前記導電線側の端子を信号線側の端子と接続するように付勢されている接続片と、を備える、請求項1に記載の電池電源装置。
- 前記各電池ユニット毎の信号線には各々抵抗器が設けられるとともに、それらが集合して単一の信号線となって、前記異常検出手段に接続され、
前記正極側及び負極側の導電線のうち、電流遮断器の接続されていない他方の導電線と前記単一の信号線との間に分圧抵抗器が介接されており、
前記異常検出手段は、前記単一の信号線からの信号である電圧値に基づいて、異常な電池ユニットの個数を検出する、請求項4に記載の電池電源装置。 - 前記各電池ユニット毎の信号線に各々配設された抵抗器が同一の抵抗値を有する、請求項6に記載の電池電源装置。
- 前記各電池ユニット毎の信号線に各々配設された抵抗器は、それぞれが異なる抵抗値を有するとともに、任意の数を並列に組み合わせたときの合成抵抗値も全て異なる値となる、請求項6に記載の電池電源装置。
- 前記各抵抗器の抵抗値が小さなものから順に 2n×R (n=0,1,2,3…) として表される、請求項8に記載の電池電源装置。
- 前記異常検出手段によって検出された異常な電池ユニットの個数に応じて、充電ないし放電電流の制限値を補正する、制限値補正手段をさらに備える、請求項6〜9のいずれか1つに記載の電池電源装置。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電池電源装置と、
前記電池電源装置を充放電する外部装置とを備え、
前記外部装置は、
前記電池電源装置の組電池からの放電電流が供給される負荷回路と、
前記組電池へ充電電流を供給する電流供給部と、
前記組電池に流れる電流が所定の制限値を超えないように、前記組電池から前記負荷回路へ供給される放電電流、及び前記電流供給部から前記組電池へ供給される充電電流を制御する充放電制御部と、
を備えることを特徴とする電池電源システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009276670A JP2011119157A (ja) | 2009-12-04 | 2009-12-04 | 電池電源装置、及び電池電源システム |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011119157A true JP2011119157A (ja) | 2011-06-16 |
Family
ID=44284260
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2009276670A Withdrawn JP2011119157A (ja) | 2009-12-04 | 2009-12-04 | 電池電源装置、及び電池電源システム |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2009
- 2009-12-04 JP JP2009276670A patent/JP2011119157A/ja not_active Withdrawn
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