JP2013206642A - 電池パックおよび電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、ヒューズを備えた複数の電池モジュールからなる電池パックであったとしても、大型化を抑制した電池パックを提供することにある。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明の電池パックは、電池セルと、当該電池セルに直列に接続される第一のヒューズとが筐体に収納された電池モジュールを少なくとも２つ以上備え、一の電池モジュールに設けられた正極端子と、他の電池モジュールに設けられた負極端子とは第二のヒューズを介して接続され、前記第二のヒューズは、前記第一のヒューズよりも定格電圧が大きいことを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ヒューズを実装した電池システムに関する。

近年開発が進む電池システムは、様々な用途に使用可能であり、その使用目的によって、電池システムの規模が異なる。特に、サーバセンタ等の負荷変動抑制や停電対策、鉄道の回生電力吸収システム、再生可能エネルギシステムや原子力発電所などの大規模系統の安定化に使用される電池システムは、大規模なものとなる。この大規模な電池システムは、使用の最小単位である電池モジュールが複数直列接続されて電池パックを構成し、これらの電池パックがさらに複数並列に接続されて構成される。また、このような大規模な電池システムは、長期間使用されることを前提としているため、メンテナンスをすることが前提とされる。

上述したメンテナンスは、例えば現在使用されている電池モジュールの劣化状態を点検し、当該電池モジュールが使用限界に近くなる、もしくは使用限界を超えているかを判断することによって行われる。このときに使用限界に近くなる、もしくは使用限界を超えている電池モジュールは交換されることになる。一方で、特許文献１に示すように、交換を前提とするこれらの電池モジュールには、交換時に誤配線による過電流、過電圧から電池モジュールを保護するために、システムの最大電圧に耐えうるようにヒューズが設けられている。

特開２０１０−１２２１９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、耐圧の大きなヒューズをモジュール内に実装しなければならず、大規模な電池システムを構築する際には電池モジュール自体の体積の増大を招き、ひいては電池システム自体が大型化してしまうという課題がある。

従って、本発明の目的は、ヒューズを備えた複数の電池モジュールからなる電池システムであったとしても、大型化を抑制した電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電池パックは、電池セルと、当該電池セルに直列に接続される第一のヒューズとが筐体に収納された電池モジュールを少なくとも２つ以上備え、一の電池モジュールに設けられた正極端子と、他の電池モジュールに設けられた負極端子とは第二のヒューズを介して接続され、前記第二のヒューズは、前記第一のヒューズよりも定格電圧が大きいことを特徴とする。

さらに上記課題を解決するために、本発明の電池システムは、前記電池パックが複数並列に接続され、当該複数の電池パックのそれぞれに対応した抵抗素子を有することを特徴とする。

本発明を実施することによって、ヒューズを備えた複数の電池モジュールからなる電池パックであったとしても、大型化を抑制することが可能になる。

本発明に係る発電システムに関する図である。 本発明に係る電池システム２０１のブロック図である。 本発明に係る電池モジュール３０の回路図である。 本発明に係る電池モジュール３０の構成を示す図である。 本発明に係る電池システム２０１の回路図である。 本発明に係る電池パック４０の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。まずはじめに本発明に係る発電システムの説明を、図１を用いて説明する。発電システム１０１は、発電装置１０３、電力系統１０２、当該電力系統１０２と発電装置１０３を結ぶ電線１０５、インバータ１０４を介して当該電線１０５に接続される電池システム２０１を有する。発電装置１０３は、例えば風力発電・水力発電・太陽光発電やその他の発電設備などである。

電池システム２０１は、発電装置１０３が電力系統１０２で求められる電力よりも過剰に発電した場合に過剰に発電した電力を充電し、逆に発電装置１０３が電力系統１０２で求められる電力よりも発電量が少ないときに放電して、電力の安定供給を図っている。なお、電池システム２０１が充放電する場合には、インバータ１０４で交流―直流・直流―交流変換されて電力の受給・供給が行われる。

続いて、電池システム２０１のブロック図を図２に示す。本発明に係る電池システム２０１は、最小の単位を電池モジュール３０として、複数の電池モジュール３０を有する電池パック４０、複数の電池パック４０を有する電池ブロック５０を有している。

電池モジュール３０の構成から、具体的に説明する。電池モジュール３０は複数の電池セル群２０と、電池セル群２０の電池情報（例えば、電池セルの電流情報・電圧情報・温度情報・充電状態など）を収集するセル制御装置（ＣＣＵ）２１０、及び電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１を有する。なお、このセル制御装置２１０は、後述する電池セル間のバランシング制御も行う。セル制御装置２１０で収集された電池情報は、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１に送られる。そして、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１では、電池モジュール３０内の電池セル群２０の平均充電状態が算出され、先ほどの電池情報にさらに電池セル群２０の平均充電状態の電池情報を付加して、上位の電池パック制御装置（ＢＰＣＵ）２３０に電池情報を送信する。

電池パック４０は、複数の電池モジュール３０、及び電池パック制御装置２３０を有している。電池パック制御装置２３０は、各電池モジュール制御装置３１から出力された電池情報を収集し、電池パック４０内にある電池モジュール３０の充電状態を平均した電池モジュール３０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池モジュール制御装置３１から得られた電池情報に、複数の電池モジュール３０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位の電池ブロック制御装置２４０に電池情報を出力する。

電池ブロック５０は、複数の電池パック４０、及び電池ブロック制御装置２４０を有している。電池ブロック制御装置２４０は、各電池パック制御装置２３０から出力された電池情報を収集し、電池ブロック５０内にある電池パック４０の充電状態を平均した電池パック４０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池パック制御装置２３０から得られた電池情報に、複数の電池パック４０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位のシステム制御装置２５０に電池情報を出力する。なお、説明では電池ブロック５０には複数の電池パック４０があるとしたが、電池ブロック５０を構成する電池パック４０は、１つでもよい。その場合には、電池ブロック制御装置２４０は、電池パック制御装置２３０から出力された電池情報をそのままシステム制御装置２５０に出力する。

本発明では、このように複数階層で電池の状態を監視しているため、安全性が高い電池システム２０１となっている。また、本発明に係る電池モジュール３０、電池パック４０、及び電池ブロック５０はそれぞれの単位で交換可能であるため、メンテナンス性が良い電池システムとなっている。

続いて、図３を用いて具体的な電池モジュール３０の回路構成について説明する。電池モジュール３０は、複数の電池セル群２０が直列に接続された電源回路２５と、当該電源回路と直列に接続されたヒューズ３２が設けられている。

ヒューズ３２の電源回路２５と接続されていない側は、正極側端子１と接続されており、この電池モジュール３０の外部に配置された他の機器（他の電池モジュール３０も含む）と接続されている。

一方で、電源回路２５の負極側は、負極側端子２と接続されており、当該負極側端子２も他の機器（他の電池モジュール３０も含む）と接続されている。

電池セル群２０は、複数の電池セルＢｎ１、Ｂｎ２・・・ＢｎＸ（ｎは１より大きい数で電池セル群２０が直列接続されている数。Ｘはセルの数。）が複数並列に設けられた構成となっている。また、この電池セル群２０と並列に抵抗素子２１及びスイッチ素子２２が接続されている。この抵抗素子２１及びスイッチ素子２２は、例えば電池セルＢ１１、Ｂ１２・・・Ｂ１Ｘ間の電圧や充電状態にばらつきが出たとき、この電池セルＢ１１、Ｂ１２・・・Ｂ１Ｘ間のバランシングを行うためのものである。

セル制御装置２１０は、各電池セルＢｎ１、Ｂｎ２・・・ＢｎＸの電池情報を取得して、電池モジュール制御装置３１に出力する。電池モジュール制御装置３１は、各セル制御装置２１０から出力された電池情報を元に、各電池セルの充電状態（ＳＯＣ）を演算し、この充電状態の情報をセル制御装置２１０に出力する。例えば、この充電状態の情報を受けたセル制御装置２１０は、セル制御装置２１０が監視している電池セル群２０内の各電池セルＢｎ１、Ｂｎ２・・・ＢｎＸ間の充電状態の差が１０％以上になったとき、スイッチ素子２２をオン状態とする信号を出力して、各電池セルＢｎ１、Ｂｎ２・・・ＢｎＸ間のバランシングを行う。

さらに、図４を用いて電池モジュール３０が複数直列に接続された構成について説明する。なお、図４では説明を簡単にするために電池モジュール３０ａ、３０ｂ、３０ｃが３つ直列に接続された構成を用いて説明するが、当該電池モジュール３０の直列数についてはこの数に限定されるものではない。

図３で説明したように、電池モジュール３０は、筐体３５の内部に電源回路２５及び当該電源回路２５に直列に接続されたヒューズ３２を有する。さらにこの筐体３５には正極側端子１及び負極側端子２が設けられている。

ここで具体的に電池モジュール３０ｂを中心に、各電池モジュール３０ａ、及び３０ｃとの接続について説明する。電池モジュール３０ｂの正極側端子１は、隣接する電池モジュール３０ａの負極側端子２とヒューズ３３（３３ａ）を介して、バスバーなどの接続ライン３４を用いて接続される。また、当該電池モジュール３０ｂと隣接する電池モジュール３０ｃも、上記電池モジュール３０ｂと電池モジュール３０ａとの接続と同様の構成で接続されている。

このヒューズ３３は、電池モジュール３０内部に設けられたヒューズ３２よりも高耐圧となっており、ヒューズ３２よりも体積が大きい。そのため、ヒューズ３３よりも耐圧（定格電圧）の低いヒューズ３２を電池モジュール内部に設けることによって、必要最低限電池モジュール３０の安全性を確保しつつ、電池モジュール３０内部に高耐圧のヒューズを設けるよりも小型化できる。また、電池モジュール３０に小型のヒューズ３２を設けた構成とした上で、高耐圧、つまり定格電圧が高いヒューズ３２を電池モジュール３０間に設けることによって、電池システムとしての安全を十分に確保した上で、電池モジュール３０を小型化することができる。

さらに、高耐圧のヒューズ３３を、低耐圧のヒューズ３２よりも低電流で溶断するようにすることによって、異常時に先に高耐圧のヒューズ３２が破断する構成とすることができる。当該構成によって電池システムに異常が発生したり、メンテナンス者が誤配線をした場合であっても、電池モジュール３０の外部に配置されたヒューズ３３が溶断するため、電池モジュール３０自体を交換することなくヒューズ３３のみを交換すればよいため、さらにメンテナンス性が向上する。

なお、低耐圧ヒューズ３２の耐圧（定格電圧）は電池モジュール３０の最大電圧以上として、例えば電池モジュール単体での外部短絡があった場合に溶断するようにし、溶断電流（定格電流）は電池モジュール３０の仕様上の最大電流の２倍以上を目安とした電流で溶断するようにする。一例を挙げると、低耐圧ヒューズ３２の耐圧（定格電圧）及び溶断電流（定格電流）は、電池モジュール３０の最大電圧が３０Ｖである場合には、定格電圧は３０Ｖ以上とし、電池モジュール３０の仕様上の最大電流が２０Ａであった場合には溶断電流（定格電流）を４０Ａ以上にするということである。

一方で高耐圧ヒューズ３３の耐圧（定格電圧）は電池パック４０の最大電圧以上として、例えば電池システム運用での過負荷があった場合に溶断するようにし、溶断電流（定格電流）は電池パック４０の仕様上の最大電流以上でかつ低耐圧ヒューズの定格電流未満の電流で溶断するようにする。一例を挙げると、高耐圧ヒューズ３３の耐圧（定格電圧）及び溶断電流（定格電流）は、電池パック４０の最大電圧が４８０Ｖである場合には、定格電圧は４８０Ｖ以上とし、電池パック４０の仕様上の最大電流が２０Ａであった場合には溶断電流（定格電流）を２０Ａ以上４０Ａ未満にするということである。

このような構成とすれば、上述したように電池システム全体としてメンテナンス性を向上させつつ小型化でき、さらに安全性を確保することが可能となる。

引き続き図５を用いて、電池システム２０１の回路構成について説明する。図５は、複数の電池モジュール３０からなる電池パック４０を有する電池ブロック５０が複数並列に接続された電池システム２０１を示す図である。

まず、電池ブロック５０の構成について説明する。電池ブロック５０は、電池パック４０と、当該電池パック４０に直列に接続されたプリチャージ回路５５を有する。また、電池ブロック５０は互いに並列に接続されており、スイッチ体２５１を介してインバータ１０４の正極側と接続され、スイッチ体２５２を介してインバータ１０４の負極側と接続される。

プリチャージ回路５５はスイッチ素子５１と、当該スイッチ素子５１に並列に接続された抵抗素子５２及びスイッチ素子５３から構成される。当該プリチャージ回路５５は、他の電池ブロック５０との充電状態や電圧にばらつきがある場合に、スイッチ体２５１及びスイッチ体２５２をオフ状態として、さらにスイッチ素子５１をオフ状態、かつスイッチ素子５３をオン状態にする期間をしばらく維持することによって、横流を利用して各電池ブロック５０間の充電状態や電圧のばらつきを低減することができる。

また、電池ブロック５０には、さらに各電池パック４０に対応して直列に接続されたスイッチ素子５４ａ１（５４ａ）、５４ａ２（５４ａ）・・・５４ａｎ（５４ａ）（ｎは電池ブロック５０内の電池パック４０の並列数）を有している。各電池パック４０に問題が起こった場合には、問題が起こった電池パック４０に対応したスイッチ素子５４ａを開状態とすることによって、他の電池パック４０と切り離すことができる。また、このような構成にすることによって、メンテナンス時にも、スイッチ素子５４ａを開状態とすることによって電池パック４０に過電圧がかかるのを防ぐことができる。従って、電池パック４０のメンテナンス時に作業上の安全性を確保した上で、電池システム全体としてヒューズ３２及び３３によって二重の保護が可能となり、安全性とメンテナンス性がさらに向上する。

最後に電池パック４０の斜視図を図６に示す。電池パック４０は、複数の電池モジュール３０を搭載するモジュール搭載台１２０、電池パック制御装置２３０及びこれらが設置される電池ラック１１０を有している。なお、本実施形態では電池パック制御装置２３０は、電池ラック１１０の下部に配置されているが、上部に配置してもよい。また電池モジュール３０はそれぞれ互いに密着して配置することによって、高耐圧のヒューズ３３をモジュールの筐体３５外部に出して小型化した電池モジュール３０を利用して、電池パック４０全体としても更なる小型化が可能となる。なお、電池モジュール３０同士を完全に密着させず、若干の隙間をあけたとしても、電池モジュール３０自体が小型になっているため、電池パック４０は小型になる。

複数の電池モジュール３０は、互いに隣接する電池モジュール３０と接続ライン３４を介して接続されている。このとき図６に示すように、１つの電池モジュール３０ａの負極側端子２と、隣接する電池モジュール３０ｂと正極側端子１とが互いに隣り合うように配置してそれぞれの電池モジュールを接続する構成とすると、ヒューズ３３が電池モジュール３０の上部側に配置される場合と電池モジュール下部側に配置される状態が、モジュール搭載台１２０の搭載面と略平行な方向に対して交互になる。このように配置することによって、小型化された電池モジュールが密着して配置され、省スペース化された電池パック４０であっても、ヒューズ３３を交換するときの作業スペースを十分確保することが可能となる。従って、電池モジュール３０を小型化して電池パック４０全体としても小型化を図った上で、メンテナンス性及び安全性を向上させた電池システムを提供することが可能となる。

１ 正極側端子
２ 負極側端子
３０ 電池モジュール
３２、３３ ヒューズ
３４ 接続ライン
４０ 電池パック
１１０ 電池ラック
１２０ モジュール搭載台
２３０ 電池パック制御装置

Claims (7)

1. 電池セルと、当該電池セルに直列に接続される第一のヒューズとが筐体に収納された電池モジュールを少なくとも２つ以上備えた電池パックにおいて、
   一の電池モジュールに設けられた正極端子と、他の電池モジュールに設けられた負極端子とは第二のヒューズを介して接続され、
   前記第二のヒューズは、前記第一のヒューズよりも定格電圧が大きいことを特徴とする電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   前記第二のヒューズは、前記第一のヒューズが溶断する電流よりも小さな電流で溶断することを特徴とする電池パック。
3. 請求項１又は２に記載の電池パックにおいて、
   当該電池パックは、前記２つ以上の電池モジュールを搭載する台を有し、
   前記一の電池モジュールの正極端子と前記他の電池モジュールの負極端子とが前記台と略平行な位置に並ぶように、当該一の電池モジュールおよび当該他の電池モジュールが隣接して並べられていることを特徴とする電池パック。
4. 請求項３に記載の電池パックにおいて、
   前記一の電池モジュールと前記他の電池モジュールは互いに密着して前記台に搭載されていることを特徴とする電池パック。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電池パックにおいて、
   前記第二のヒューズの定格電圧は、当該電池パックの最大電圧以上であることを特徴とする電池パック。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電池パックにおいて、
   前記第一のヒューズが溶断する電流は、前記電池モジュールの最大電流の２倍以上であることを特徴とする電池パック。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電池パックが複数並列に接続され、
   当該複数の電池パックのそれぞれに対応した抵抗素子を有することを特徴とする電池システム。