JP2014089850A - 車載用電池システム - Google Patents

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信幸 大隅
Hideki Sakata
英樹 坂田
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Abstract

【課題】鉛蓄電池とこれに併設された蓄電部とを有する車載用電池システムにおいて、蓄電部を鉛蓄電池から引き離す際に取り扱いを容易にする。
【解決手段】ある態様の車載用電池システム100は第1の蓄電モジュール10およびこれと隣接する第2の蓄電モジュール20を有する。第1の蓄電モジュール10は鉛蓄電池とこれを収容する第1の筐体14を有する。また、第2の蓄電モジュール20は鉛蓄電池よりエネルギ密度が高い蓄電部とこれを収容する第2の筐体24を有する。第2の筐体24を第1の筐体14に併設して設置した場合に、スプリング98がピン97を外部端子96に付勢することにより、ピン97が外部端子96に接触し、接触端子95と外部端子96とが電気的に接続される。第2の筐体24を第1の筐体14から取り外すと、ピン97が外部端子96に接触しなくなり、接触端子95と外部端子96との電気的な接続が遮断される。
【選択図】図4

Description

本発明は、車載用電池システムに関する。
一般に、内燃機関を駆動源とする車両には、スタータモータ等の各種電気負荷へ電力供給する鉛蓄電池が搭載されている。鉛蓄電池は、ニッケル蓄電池やリチウムイオン蓄電池等の高出力、高エネルギ密度の高性能蓄電池に比べて安価であるものの、充電率が低い状態となるまで放電されると著しく寿命が低下する特徴がある。そのため、鉛蓄電池は、80〜100%の充電率の範囲で充放電されるように制御される。しかしながら、頻繁に充放電される場合は、満充電状態を維持することが難しく、鉛蓄電池の寿命が低下する。特にアイドルストップ機能を備える車両では、比較的大きい電力を必要とするスタータモータを頻繁に駆動するため、鉛蓄電池が頻繁に大電流で放電されることとなり早期劣化が懸念される。また、車両の回生エネルギによりオルタネータを発電させて充電する場合、鉛蓄電池が頻繁に充電されることになるため、早期劣化がより一層懸念される。これらの懸念に対し、鉛蓄電池を高性能蓄電池に置き換えるだけでは、大幅なコストアップを招く。
これに対し、オルタネータ等の発電機と、発電機で発生した電力を充電可能な鉛蓄電池と、鉛蓄電池に対して電気的に並列接続され、発電機で発生した電力を充電可能であり、かつ、鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い第2蓄電池と、を備えた車載電池装置が知られている(特許文献1参照)。このように、鉛蓄電池に加えて高性能蓄電池である第2蓄電池を備えることで、鉛蓄電池の劣化抑制とコストダウンとの両立を図ることができる。すなわち、例えばアイドルストップ中における電気負荷への電力供給や回生充電は、高性能蓄電池が優先的に実施することで、鉛蓄電池の劣化軽減を図ることができる。一方、車両を駐車する場合等、長時間に亘って要求される電力供給は、安価な鉛蓄電池が優先的に実施することで、高性能蓄電池を小容量化してコストアップ抑制を図ることができる。
特開2011−176958号公報
従来、鉛蓄電池を交換する際などに、鉛蓄電池を蓄電部から引き離して作業する場合、蓄電部が鉛蓄電池と通電したままになっているため、取り扱いに注意する必要があった。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉛蓄電池とこれに併設された蓄電部とを有する車載用電池システムにおいて、蓄電部を鉛蓄電池から取り外す際に取り扱いを容易にすることができる技術を提供することにある。
本発明のある態様は、車載用電池システムである。当該車載用電池システムは、鉛蓄電池および前記鉛蓄電池を収容する第1の筐体を含む第1の蓄電モジュールと、前記第1の蓄電モジュールに隣接して配置され、前記鉛蓄電池よりエネルギ密度が高い蓄電部および前記蓄電部を収容する第2の筐体を含む第2の蓄電モジュールと、前記第2の筐体に面する前記第1の筐体の主表面に設けられ、前記鉛蓄電池に電気的に接続される第1の端子と、前記第1の筐体に面する前記第2の筐体の主表面に設けられ、前記蓄電部に電気的に接続される第2の端子と、を備え、前記第2の筐体を前記第1の筐体に併設したときに、前記第1の端子と前記第2の端子とが電気的に接続し、前記第2の筐体を前記第1の筐体から離したときに、前記第1の端子と前記第2の端子との電気的な接続が遮断されることを特徴とする。
本発明によれば、鉛蓄電池とこれに併設された蓄電部とを有する車載用電池システムにおいて、蓄電部を鉛蓄電池から引き離す際に取り扱いを容易にすることができる。
実施の形態1に係る車載用電池システムの外観を示す斜視図である。 図1に示すA−A線に沿った第2の蓄電モジュール断面図である。 実施の形態1に係る車載用電池システムを含む電気ブロック図である。 鉛蓄電池と蓄電部との通電の態様を示す模式図である。 実施の形態2に係る車載用電池システム100の外観を示す斜視図である。 実施の形態2に係る車載用電池システムを含む電気ブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(実施の形態1)
まず、本実施の形態を具体的に説明する前に、基礎となった知見を説明する。本発明者は、鉛蓄電池と高性能蓄電池などの蓄電部を備える車載用電池システムにおいて、蓄電部を、鉛蓄電池に併設して車両のエンジンルーム内に設置することに思い至った。蓄電部をエンジンルーム内に配置することで、例えば蓄電部を車両の居住スペースに設置した場合に起こる、居住スペースの狭小化や、発電機であるオルタネータあるいは鉛蓄電池との配線接続の複雑化を抑制することができる。しかしながら、鉛蓄電池を交換作業する場合などに、蓄電部鉛蓄電池を蓄電部から取り外す作業をする場合に、蓄電部が鉛蓄電池と通電したままになっているため、取り扱いに注意する必要があった。加えて、蓄電部と鉛蓄電池を並列接続した車載用電池システムでは、この車載用電池システムがスタータモータ等の各種電気負荷へ電力供給する構成であるため、鉛蓄電池を蓄電部から取り外しても、蓄電部と各種電気負荷が通電した状態のままとなるおそれがある。鉛蓄電池と蓄電部は、ほぼ同じ電圧の出力であるため、鉛蓄電池が取り外された状態であっても、各種電気負荷へ電力供給することができてしまうため、取り扱いに注意する必要があった。本出願人は、このような知見をもとに、本実施形態に係る車載用電池システムを開発するに至った。
図1は、実施の形態1に係る車載用電池システム100の外観を示す斜視図である。図2は、実施の形態1に係る車載用電池システム100を含む電気ブロック図である。図3は、図1に示すA−A線に沿った第2の蓄電モジュールの断面図である。
実施の形態1に係る車載用電池システムは、内燃機関を駆動源とする車両に搭載される電池システムである。当該車両は、停止すると内燃機関が自動的に停止し、ブレーキペダルを離すなどの発進動作を行うと内燃機関が再始動するアイドリングストップ機能を有することが好ましい。
図1に示すように、車載用電池システム100は、第1の蓄電モジュール10および第2の蓄電モジュール20を有する。第1の蓄電モジュール10は第2の蓄電モジュール20に隣接して設けられている。本実施の形態では、第1の蓄電モジュール10および第2の蓄電モジュール20の外側面を囲繞するゴムバンドが第1の蓄電モジュール10と第2の蓄電モジュール20との位置関係を固定する結束部材2として設けられている。
第1の蓄電モジュール10は、鉛蓄電池12(図2参照、図1では図示せず)および鉛蓄電池12を収容する第1の筐体14を有する。
鉛蓄電池12は周知の鉛蓄電池のセル構造であればよく、特に限定されない。具体的には、鉛蓄電池12を構成する単セルでは、負極活物質として鉛、正極活物質として二酸化鉛が用いられ、電解液として硫酸が用いられる。鉛蓄電池12は、複数の当該単セルを電気的に直列接続することで構成される。
第1の筐体14はポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレートなどの絶縁材料で形成されている。
第2の蓄電モジュール20は、鉛蓄電池12と比べてエネルギ密度(Wh/kg)が高い蓄電部22および蓄電部22を収容する第2の筐体24を有する。
蓄電部22は、例えばリチウムイオン蓄電池や水素電池等である。例えば、蓄電部22がリチウムイオン蓄電池である場合、蓄電部22は周知のリチウムイオン蓄電池のセル構造であればよく、特に限定されない。例えば、リチウムイオン蓄電池を構成する単セルでは、正極活物質としてコバルト酸リチウムなどのリチウム金属酸化物、負極活物質としてカーボンなどの炭素材料が用いられ、電解液として炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの有機電解液が用いられる。リチウムイオン蓄電池は、複数の当該単セルを電気的に直列接続することで構成される。本実施の形態の蓄電部22は、10個の円筒形の蓄電池23を有する。なお、蓄電池23の個数や形状、配置は特に限定されない。例えば、蓄電池23の形状は角形であってもよい。
各蓄電池23は、配線(図示せず)により互いに電気的に直列接続されて、第2の筐体24内に収容されている。第2の筐体24の上部において配線の一部が露出して、負極端子29aを形成している。また、第2の筐体24の上部において配線の一部が露出して、正極端子29bを形成している。正極端子29bは、後述する車両側電装ユニットに接続される。また、第1の筐体14と対向する第2の筐体24の面に後述する外部端子96が設けられている。この外部端子96は鉛蓄電池12に接続される。
第2の筐体24は、収容部26aおよび収容部26bを有する。収容部26aおよび収容部26bは、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレートなどの絶縁材料で形成されている。
収容部26aは第1の蓄電モジュール10の側に設置されており、収容部26aの一方の主表面が第1の筐体14と接している。収容部26bは、収容部26aよりも第1の蓄電モジュール10から遠い位置に配置されている。本実施形態では、収容部26aおよび収容部26bがそれぞれ扁平な直方体形状であり、対向する主表面が当接するようにねじなどの締結部材を用いて固定されている。
図2に示すように、収容部26bと接する側の収容部26aの主表面には、蓄電部22を構成する単セルに応じた数の凹部28aが設けられている。また、収容部26aと接する側の収容部26bの主表面には、蓄電部22を構成する単セルに応じた数の凹部28bが設けられている。凹部28aおよび凹部28bは、収容部26aと収容部26bとが当接した状態で互いに対向するように配置されており、凹部28aおよび凹部28bによって蓄電池23すなわち蓄電部22の収容空間が形成される。
図3に示すように、鉛蓄電池12および蓄電部22は、オルタネータ(発電機)30、スタータモータ40および車両側電装ユニット50に対して電気的に並列に接続されている。
この他、車載用電池システム100は、電圧検出回路122、CPU124および制御回路126を有する。電圧検出回路122は蓄電部22の電圧を検出する。CPU124は電圧検出回路122によって検出された電圧や、車両の運転状況に応じて、制御回路126にスイッチ類(スイッチ90、92)のオンオフを指示する。制御回路126は、CPU124からの指示に従って、スイッチ類のオンオフを実行する。
スイッチ90は、蓄電部22と車両側電装ユニット50との間の分岐点A1と、鉛蓄電池12とオルタネータ30との間の分岐点A2との間に設置されており、スイッチ90のオンオフにより、蓄電部22とオルタネータ30との間の通電、遮断が切り替えられる。スイッチ92は、分岐点A1と蓄電部22との間に設けられており、スイッチ92のオンオフにより、蓄電部22とスイッチ90および車両側電装ユニット50との間の通電、遮断が切り替えられる。なお、本実施の形態では、スイッチ90と分岐点A2との間に後述する接触端子95および外部端子96が設置されている。
オルタネータ30は、クランク軸の回転エネルギを電力に変換する。スタータモータ40は、内燃機関の始動時にクランク軸を回転させるモータである。スタータモータ40は、分岐点A2とオルタネータ30との間の分岐点A3に接続されている。分岐点A3とスタータモータ40との間にスイッチ94が設けられている。スイッチ94のオンオフにより、スタータモータ40への通電、遮断が切り替えられる。スイッチ94のオンオフは図示しないECUによって制御される。
車両側電装ユニット50は、ナビゲーションシステムやオーディオ機器などのように、供給電力の電圧が安定していることが要求される電気負荷やヘッドライト、ワイパ、空調装置の送風ファンなどの一般的な電気負荷である。
(回生充電時)
車両の減速時に生じる回生エネルギにより、鉛蓄電池12および蓄電部22を充電する場合には、スイッチ90がオンにされる。鉛蓄電池12は回生エネルギが生じている間、逐次充電が行われ、満充電に近い状態に保たれる。一方、電圧検出回路122によって検出された蓄電部22の電圧が所定の下限電圧より低くなっている場合にスイッチ92がオンにされ、スイッチ92がオンにされている間に蓄電部22が充電される。なお、回生エネルギによる充電動作時には、スイッチ94はオフにされ、スタータモータ40は放充電回路から切り離される。
(通常放電時)
上述した回生エネルギによる充電動作時以外のエンジン運転時には、スイッチ90、スイッチ94がともにオフにされる。一方、電圧検出回路122によって検出された蓄電部22の電圧が所定の下限電圧以上である場合には、スイッチ92がオンにされ、蓄電部22の電力が車両側電装ユニット50に供給される。
(アイドルストップ時およびスタータモータ作動時)
エンジンが自動停止されたアイドルストップ時およびエンジンが始動する際のスタータモータ作動時では、スイッチ94がオンにされ、スイッチ90がオフにされる。また、スイッチ92はオンにされる。これにより、蓄電部22および車両側電装ユニット50はオルタネータ30およびスタータモータ40から切り離され、蓄電部22からスタータモータ40への放電が生じることが防止される。この状態で、電圧検出回路122によって検出された蓄電部22の電圧が所定の下限電圧以上である場合には、スイッチ92がオンにされ、蓄電部22の電力が車両側電装ユニット50に供給される。
図4は、鉛蓄電池12と蓄電部22との通電の態様を示す模式図である。図4に示すように、第2の筐体24に面する第1の筐体14の主表面に接触端子95が設けられている。接触端子95は鉛蓄電池12と電気的に接続されている。接触端子95は、ピン97およびスプリング98を有するいわゆるスプリングプローブである。スプリング98はピン97を第2の筐体24の方へ付勢する機能を担う。
一方、第1の筐体14に面する第2の筐体24の主表面に上述した接触端子95と対向するように外部端子96が設けられている。
図4のように、第2の筐体24を第1の筐体14に併設して設置した場合に、スプリング98がピン97を外部端子96に付勢することにより、ピン97が外部端子96に接触し、接触端子95と外部端子96とが電気的に接続される。また、ピン97は外部端子96に物理的に固定されていないため、第2の筐体24を第1の筐体14から取り外すと、ピン97が外部端子96に接触しなくなり、接触端子95と外部端子96との電気的な接続が遮断される。
なお、本実施の形態では、第2の筐体24を第1の筐体14に併設して設置する場合に、第2の筐体24および第1の筐体14の周囲に結束部材2としてゴムバンドを巻き付けることにより、スプリングププローブが付勢される方向に、第1の蓄電モジュール10と第2の蓄電モジュール20が加圧されるため、接触端子95と外部端子96をより確実に接触させることができる。この他、結束部材2は、一対の金属プレートにロッドを架設して締結する構成や、第1の蓄電モジュール10及び第2の蓄電モジュール20を収納する枠体など、様々な構成を採用し得る。
なお、上記実施の形態では、スプリングプローグである接触端子95を鉛蓄電池12の第1の筐体14に設ける構成としているが、蓄電部22の第2の筐体24に設ける構成とすることもできる。
以上説明した車載用電池システム100によれば、第2の蓄電モジュール20を第1の蓄電モジュール10から取り外す動作にともなって、リレーなどの電気的に動作する機器を用いることなく、鉛蓄電池12と蓄電部22との電気的な接続が遮断される。このため、車載用電池システム100の構造を簡便にするとともに、第2の蓄電モジュール20を取り外す作業を簡素化することができる。また、第2の蓄電モジュール20を交換作業する際に、第2の蓄電モジュール20を第1の蓄電モジュール10から取り外すだけで、鉛蓄電池12と蓄電部22とが電気的に遮断されるため、交換作業をより安全に行うことができる。
(実施の形態2)
上記実施の形態の車載用電池システムでは、電圧検出回路122、CPU124および制御回路126を有する構成を示したが、制御回路126による鉛蓄電池12および蓄電部22の充放電の制御を行わない構成とすることもできる。この構成によると、スイッチの切り換えによって充放電される蓄電モジュールの切り替えはできなくなるが、制御が簡略化できるほか、リレー等のスイッチング素子を無くすことができ、大幅なコストダウンを行なうことができる。具体的な回路については図6に示し、以下に実施の形態2として説明する。尚、上述した実施の形態1と同一部品は同一符号を附して説明を省略する。
図5は、実施の形態2に係る車載用電池システム100の外観を示す斜視図である。図6は、実施の形態2に係る車載用電池システムを含む電気ブロック図である。
本実施の形態では、車両側電装ユニット50に接続される正極端子29bが第1の筐体14の上面に設けられている点で、実施の形態1と異なる。
図6に示すように、鉛蓄電池12および蓄電部22は、オルタネータ(発電機)30、スタータモータ40および車両側電装ユニット50に対して電気的に並列に接続されている。この他、車載用電池システム100は、電圧検出回路122、CPU124を有する。電圧検出回路122は蓄電部22の電圧を検出する。CPU124は電圧検出回路122によって検出された電圧を演算して、蓄電部22の充電率の検出や漏電検出等を行う。
鉛蓄電池12と蓄電部22との間には、分岐点B1が設けられており、この分岐点B1に鉛蓄電池12及び蓄電部22からオルタネータ30、スタータモータ40及び車両側電装ユニット50に電力供給するための電流経路が接続されている。本実施の形態2では、蓄電部22と分岐点B1との間に接触端子95および外部端子96が設置されている。図5に示した正極端子29bは、図6に示した分岐点B1に相当する。
この構成によると、蓄電部22は、鉛蓄電池12の出力端子を介して、オルタネータ30、スタータモータ40及び車両側電装ユニット50に電気接続されているため、鉛蓄電池12を取り外した際、接触端子95と外部端子96とが切り離され、鉛蓄電池12と蓄電部22の電気接続が遮断される。そのため、鉛蓄電池12を蓄電部22から切り離した状態では、蓄電部22と各種電気負荷が通電することがない。
また、分岐点B1とスタータモータ40との間には、分岐点B2が設けられている。分岐点B2には、DC/DCコンバータ(DDC)52を介して、車両用電装ユニットが接続されている。この構成によると、スタータモータ40を駆動する際、電圧低下が起こっても、DDC52を介して、安定した電圧の電力を車両用電装ユニットへ供給することができる。
(回生充電時)
車両の減速時に生じる回生エネルギにより、鉛蓄電池12および蓄電部22を充電する場合には、鉛蓄電池12および蓄電部22は回生エネルギが生じている間、逐次充電が行われる。このとき、鉛蓄電池12および蓄電部22を充電する充電電流は、鉛蓄電池12と蓄電部22の充電抵抗に比率に応じて、充電電流がながれる。鉛蓄電池12は、充電率が低い状態では、充電抵抗が比較的低いため、積極的に充電され、満充電に近づくにつれて充電抵抗が高くなる。従って、鉛蓄電池12が満充電に近い状態となると、充電抵抗は、蓄電部22の方が小さくなる。つまり、鉛蓄電池は、満充電に近い状態に保たれる。一方、蓄電部22は、鉛蓄電池12の充電率が低い状態では、充電電流はあまり流れず、鉛蓄電池12の充電率が高くなるにつれて、充電電流が増加する。この構成によると、鉛蓄電池12が満充電となった際には、蓄電部22が積極的に充電されるので、鉛蓄電池を満充電状態に維持しながら、回生エネルギを効率よく蓄電することができる。なお、回生エネルギによる充電動作時には、スイッチ94はオフにされ、スタータモータ40は放充電回路から切り離される。
(通常放電時)
上述した回生エネルギによる充電動作時以外のエンジン運転時には、オルタネータ30による発電、鉛蓄電池12の放電、及び蓄電部22の放電により、車両側電装ユニット50へ電力が供給される。なお、オルタネータ30を駆動して発電を行うかどうかは適宜設定することができる。例えば、蓄電部22が満充電に近い状態であるならば、オルタネータ30の駆動を停止させ、無駄な発電を行わないようにすることもできる。
(アイドルストップ時およびスタータモータ作動時)
エンジンが自動停止されたアイドルストップ時およびエンジンが始動する際のスタータモータ作動時では、鉛蓄電池12と蓄電部22からスタータモータ40へ電力が供給される。なお、鉛蓄電池12や蓄電部22の電圧が下限電圧近傍である場合には、アイドリングストップをしないように制御してもよい。
以上の実施の形態2の構成によると、鉛蓄電池12を取り付けない状態で、オルタネータ30、スタータモータ40及び車両側電装ユニット50に蓄電部22から電力供給されることを防止できる。蓄電部22の容量は、鉛蓄電池12と並列接続される前提で設計されているため、鉛蓄電池12の容量と比較してはるかに小さい。そのため、鉛蓄電池12が取り外された状態では、蓄電部22と各種電気負荷との通電を遮断しないと、蓄電部22が過放電となるおそれがある。実施の形態2の構成では、接触端子95と外部端子96との切り離しによって、自動的に蓄電部22と各種電気負荷との電流経路が遮断されるため、例えば、メンテナンス時に、鉛蓄電池12の取り付け忘れによる蓄電部22の過放電を防止できる。
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
上述の実施の形態では、蓄電部22は蓄電池を有するが、特にこれに限定されない。例えば、蓄電部22は、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ(キャパシタ)であってもよい。
10 第1の蓄電モジュール、12 鉛蓄電池、14 第1の筐体、20 第2の蓄電モジュール、22 蓄電部、24 第2の筐体、100 車載用電池システム

Claims (4)

  1. 鉛蓄電池および前記鉛蓄電池を収容する第1の筐体を含む第1の蓄電モジュールと、
    前記第1の蓄電モジュールに隣接して配置され、前記鉛蓄電池よりエネルギ密度が高い蓄電部および前記蓄電部を収容する第2の筐体を含む第2の蓄電モジュールと、
    前記第2の筐体に面する前記第1の筐体の主表面に設けられ、前記鉛蓄電池に電気的に接続される第1の端子と、
    前記第1の筐体に面する前記第2の筐体の主表面に設けられ、前記蓄電部に電気的に接続される第2の端子と、
    を備え、
    前記第2の筐体を前記第1の筐体に併設したときに、前記第1の端子と前記第2の端子とが電気的に接続し、前記第2の筐体を前記第1の筐体から離したときに、前記第1の端子と前記第2の端子との電気的な接続が遮断されることを特徴とする車載用電池システム。
  2. 前記第1の端子、前記第2の端子のいずれか一方の端子が、他方の端子と接触するピンと、前記ピンを付勢するスプリングとを含む請求項1に記載の車載用電池システム。
  3. 前記第1の筐体と前記第2の筐体を固定し、前記スプリングを付勢する方向に拘束する拘束部材を備えることを特徴とする請求項2記載の車載用電池システム。
  4. 前記鉛蓄電池は、車両の電気負荷に接続される出力端子を前記第1の筐体の上面に有し、
    前記蓄電部は、前記鉛電池の出力端子を介して、車両の電気負荷に接続されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の車載用電池システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016067143A (ja) * 2014-09-25 2016-04-28 日立化成株式会社 電源システムおよび自動車
JP2018129935A (ja) * 2017-02-08 2018-08-16 株式会社東芝 蓄電装置

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