JP2014127324A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】最小の温度センサにより、効率良く低コストで電池セルの過熱状況を監視するとともに、セルユニット内において隣接する電池セルの影響を受けず、さらに冷却空気を考慮した正確な温度測定を可能とした電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数の電池セルＣ１〜Ｃ８を互いに密着させて配置したセルユニット４１と、セルユニット４１の配列方向（矢印（イ）−（ロ）方向）に対する一側面４１Ａで電池セルＣ１〜Ｃ８のいずれかの温度を測定する第１の温度センサ６０と、一側面４１Ａと対向する他側面４１Ｂで電池セルＣ１〜Ｃ８以外の電池セルＣ１〜Ｃ８の温度を測定する第２の温度センサ６１とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、リチウムイオン電池からなる複数の電池セルが密着状態で配置された電池モジュールにおいて、最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの温度状況を監視することができる技術に関する。

電気自動車などに使用されるリチウムイオン電池で代表される二次電池の電池モジュールとして、特許文献１の組電池が知られている。
特許文献１に示される組電池は、複数の電池セルを直列に配設してなる複数のセルユニットを、該電池セルの配設方向と直交する方向に並列配置した構造であって、所要数の温度センサを適当間隔おきに接続してなる温度センサユニットが、セルユニット間の側面に配設されている。

そして、このような温度センサにより、電池セルの電極板群との伝熱距離を最小限にして伝熱ロスを小さくして、異常温度を適切に検出するようにしている。

特開２００１−９１３６３号公報

ところで、特許文献１に示される電池モジュールでは、複数の電池セルを直列に配設してなるセルユニットにて、該セルユニットの電池セル間に挟まれるように温度センサが配置される構成であるので、該温度センサでの検出温度が平均化されてしまい、セルユニット内の最高セル温度を正確に検出できないという問題がある。

また、上記電池モジュールでは、温度センサが電池セル２個毎に配置されているので、計測点が多くなり、その結果、配線が複雑となり、コスト高になるという問題がある。
また、上記電池モジュールでは、電池セルの配列方向に沿うように冷却空気が流れているが、該冷却空気を考慮した温度測定がなされておらず、この点においても改良の余地が残されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの過熱状況を監視することができるとともに、セルユニット内において隣接する電池セルの影響を受けず、さらに冷却空気を考慮した正確な温度測定を可能とした電池モジュールを提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、複数の電池セルを互いに密着させて重ねて配置したセルユニットと、前記電池セルの配列方向に沿う一方の側面において、前記電池セルのいずれかの温度を測定する第１の温度センサと、前記一方の側面と対向する他方の側面において、前記電池セル以外のいずれかの電池セルの温度を測定する第２の温度センサと、を有することを特徴とする。なお、密着とは、セルユニット内において隣接する電池セルが互いに直接的に接触する場合のみならず、電気絶縁性のシートや、防水性のシート、分離用のシート、これとは逆に接着用のシート等が介在する場合、特に、これらを目的とするシートとして、熱伝導性の良好なシートを用い、電池セル間の熱伝導性を損なわないようにして接する場合を含むものとする。

そして、上記のように構成された発明では、複数の電池セルを互いに密着させて重ねて配置したセルユニットにおいて、電池セル配列方向に沿う一方の側面に、該電池セルのいずれかの温度を測定する第１の温度センサを設け、かつ前記一方の側面と対向する他方の側面にて、前記電池セル以外のいずれかの電池セルの温度を測定する第２の温度センサを設けるようにした。
これにより例えば、冷却風の影響を考慮して、第１の温度センサをセルユニット内の最高温度となる電池セルの一方側面に配置するとともに、第２の温度センサを、セルユニットの中心部に対して第１の温度センサと対称となる電池セルの他方側面に配置し、これら第１及び第２の温度センサでの検出値を監視すれば、セルユニット内における電池セルの温度状況を正確に知ることができる。
また、セルユニットの一方の側面と、他方の側面にそれぞれ第１、第２の温度センサを設ける構成であるので、最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの最高温度を監視することができるとともに、セルユニット内において隣接する電池セルの影響を受けず、さらに冷却空気を考慮した正確な温度測定が可能となる。

また、本発明では、前記セルユニット内における電池セルの配列方向は、冷却風の流れる方向に向けられたことを特徴とする。

また、本発明では、前記一方の温度センサは、前記電池セルの配列方向一端からＮ番目の電池セルに、他方の温度センサは、配列方向他端からＮ番目の電池セルに設けられたことを特徴とする。

また、本発明では、前記第１の温度センサは、前記セルユニット内の最高温度となる電池セルの一方側面に配置され、前記第２の温度センサは、前記セルユニットの中心部に対して前記第１の温度センサと対称となる電池セルの他方側面に配置されていることを特徴とする。

また、本発明では、前記第１の温度センサは、前記冷却風に沿って流れる方向に配置された前記複数の電池セルの中で、中央部より後方の電池セルの一方側側面に配置されていることを特徴とする。

そして、上記のように構成された発明では、セルユニットの配列方向に対する一方側面に第１の温度センサを配置するとともに、該第１の温度センサを、冷却風の流れる方向に沿って配置したセルユニット内における電池セルの配列方向一端からＮ番目に位置させ，かつ他方の温度センサである第２の温度センサを、配列方向他端からＮ番目の電池セルの他方側面に位置させるようにする。これにより、Ｎ番目の電池セルをセルユニット内の最高温度となるセルに設定した上で、該Ｎ番目の電池セルに第１の温度センサを配置し、かつ配列方向他端からＮ番目の電池セルに第２の温度センサを配置することで、第１の温度センサと第２の温度センサとはセルユニットの中心部に対して第１の温度センサと対称となる位置に設置することができる。この状態で、これら第１及び第２の温度センサでの検出値を監視すれば、セルユニット内における電池セルの温度状況を正確に知ることができる。
また、第１の温度センサを、電池セルの配列方向一端からＮ番目の電池セルに設置し、かつ第２の温度センサを、配列方向他端からＮ番目の電池セルに設置することで、電池セルの配列方向に沿ういずれの側から冷却風が流れてきたとしても、同じ条件でセルユニット内における電池セルの温度状況を知ることができ、これによっても最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの最高温度を監視することが可能となる。

また、本発明では、前記セルユニットは複数あり、これら複数のセルユニットが直列接続されることを特徴とする。

また、本発明では、前記セルユニットは複数あり、これら複数のセルユニットが並列接続されることを特徴とする。

また、本発明では、前記複数のセルユニットが収容された電池パックケースの端部には冷却風を流通させるための冷却ファンが設置されていることを特徴とする。

そして、上記のように構成された発明では、セルユニットが複数あり、該複数のセルユニットが直列接続又は並列接続される構成であるので、これら直列接続又は並列接続されたセルユニットのそれぞれにおいて、電池セルの温度状況を正確に知ることができる。これにより複数あるセルユニットにて検出された温度を比較し、それら温度にばらつきがあれば、ばらつきが生じたユニットセルを異常と判定することができ、正確な温度異常検知を行うことができる。
また、前記複数のセルユニットが収容された電池パックケースの端部に冷却ファンを設けることで、該電池パックケース内で冷却風を強制的に流通させることができ、高い冷却効果を得ることができる。

本発明によれば、複数の電池セルを互いに密着させて重ねて配置したセルユニットにおいて、電池セル配列方向に沿う一方の側面に、該電池セルのいずれかの温度を測定する第１の温度センサを設け、かつ前記一方の側面と対向する他方の側面にて、前記電池セル以外のいずれかの電池セルの温度を測定する第２の温度センサを設けるようにした。
これにより例えば、冷却風の影響を考慮して、第１の温度センサをセルユニット内の最高温度となる電池セルの一方側面に配置するとともに、第２の温度センサを、セルユニットの中心部に対して第１の温度センサと対称となる電池セルの他方側面に配置し、これら第１及び第２の温度センサでの検出値を監視すれば、セルユニット内における電池セルの温度状況を正確に知ることができる。
また、セルユニットの一方の側面と、他方の側面にそれぞれ第１、第２の温度センサを設ける構成であるので、最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの過熱状況を監視することができるとともに、セルユニット内において隣接する電池セルの影響を受けず、さらに冷却空気を考慮した正確な温度測定が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電池モジュールが複数組み込まれた電源管理装置を示す概略構成図である。 図１の電源管理装置に内蔵された組電池を示す斜視図である。 電池モジュールの電池セル毎の温度分布を示すグラフである。 一電池モジュールにおける温度センサの配置状態を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係り、電池パックケース内に電池モジュールが直列に配置された状態を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係り、電池パックケース内に電池モジュールが並列に配置された状態を示す平面図である。

（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は本発明に係る電池モジュール４０が複数組み込まれた電源管理装置１０を示す図であり、図２は電池モジュール４０が一体化された組電池１００を示す斜視図であって、電池管理装置１０は、複数組の電池ユニット２０−１〜２０−ｍを備えている。

各電池ユニット２０は、上位管理部となる１つのＢＭＵ（Battery Management Unit）３０と、複数個の電池モジュール４０（本例では、４０−１〜４０−６の６組からなる）を備える。ＢＭＵ３０と、電池モジュール４０の各々は、通信バス３１Ａを経由して相互通信が可能に接続される。また、ＢＭＵ３０は、通信バス３１Ｂを経由して各電源ユニット２０内の電池モジュール４０を管理する。

また、各電池モジュール４０は、図２に示されるように、８つの電池セルＣ１〜Ｃ８とともに、電池セルＣ１〜Ｃ８毎に１つのＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）３２を備えている。
電池セルＣ１〜Ｃ８は、それぞれ単体の二次電池であり、例えばリチウムイオン電池が採用されるが、二次電池としての種別は特に限定されない。また、ＣＭＵ３２は、電池セルＣ１〜Ｃ８で検出した温度（温度センサ６０、６１により検出）に基づき、電池セルＣ１〜Ｃ８における各々の充放電動作などを制御する。また、ＣＭＵ３２は、通信バス３１Ａ、３１Ｂと接続されることで、ＢＭＵ３０と相互通信可能に接続される。

次に、図２を参照して、電池ユニット２０内にあって、複数個の電池モジュール４０が収容されて一体化された組電池１００について説明する。
この組電池１００は、全体として矩形をなす電池パックケース５０内に、複数個の電池モジュール４０（本例では、電池モジュール４０−１〜４０−６の６組からなる）が並列に収容されたものである。
各電池モジュール４０は、８つの電池セルＣ１〜Ｃ８が互いに密着されたセルユニット４１を備えており、それぞれの電池セルＣ１〜Ｃ８は電池容器４２の上面に電極端子４３、４４が設けられた構成となっている。また、電池セルＣ１〜Ｃ８は全体として直方体に形成されており、長辺４２Ａ及び短辺４２Ｂの向きを一致させ、かつ電池容器４２同士が互いに面接触するように整列配置されている。なお、これら各電池モジュール４０のセルユニット４１は、密着させた８つの電池セルＣ１〜Ｃ８の両端に固定プレート４５を設置した状態で、結束バンド４６で一体化された構成とされている。
なお、以下の説明において、結束バンド４６及び固定プレート４５により８つの電池セルＣ１〜Ｃ８が互いに密着かつ一体化されたものを「セルユニット４１」と定義し、該セルユニット４１に、第１の温度センサ６０（後述する）及び第２の温度センサ６１（後述する）が設置されたものを「電池モジュール４０」と定義する。

また、組電池１００において、電池モジュール４０と他の電池モジュール４０との間、及び電池モジュール４０と電池パックケース５０の壁面との間は、該電池モジュール４０を冷やす冷却風が流れている。
この冷却風は、符号Ｆで示すように電池モジュール４０における電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）‐（ロ）で示す方向）に沿うように流れており、これによってセルユニット４１の一方の側面（符号４１Ａで示す）及び他方側面（符号４１Ｂで示す）からなる両側面を冷却する。

次に、図３を参照して、電池モジュール４０を構成する８つの電池セルＣ１〜Ｃ８の温度分布について説明する。
図２に示すように、電池セルＣ１から電池セルＣ８に向けて、矢印（イ）−（ロ）方向に冷却風Ｆが流れると、電池セルＣ１〜Ｃ８は両側面４１Ａ・４１Ｂからそれぞれ冷却されるが、このとき上流側の電池セルＣ１〜Ｃ８を通過する毎に、冷却風Ｆが徐々に温められることから、各電池セルＣ１〜Ｃ８の温度にばらつきが生じる。

これをまとめたのが図３である。図３を参照して分かるように、冷却風Ｆが流れる方向に設置された電池セルＣ１〜Ｃ８の中で、６番目（＝Ｎ番目）が最も温度が高いことが分かった（最も温度が高い電池セルをＮで示す）。これは電池セルＣの数が異なったとしても同じ傾向が表れ、冷却風Ｆに沿って流れる方向に配置された複数の電池セルの中で、中央部より後方の電池セル（本例ではＮ＝６番目）の温度が最も高くなる。
このため、本実施形態では、図４に示すように、電池セルＣ１〜Ｃ８の中で、最も温度が高い６番目（＝Ｎ番目）の温度セルＣ６の一方の側面４１Ａに、第１の温度センサ６０を設置している。これとともに、電池モジュール４０の一方の側面４１Ａと対向する他方側面４１Ｂで、かつ電池セルＣ６以外のいずれかの位置の電池セルには第２の温度センサ６１が設置されている。

第２の温度センサ６１は、セルユニット４１の中心部Ｘに対して第１の温度センサ６０と対称となる電池セル（本例では、右端からＮ番目となる電池セルＣ３）の他方側面４１Ｂに配置されている。
そして、このような温度センサ６０・６１の設置により、電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）‐（ロ））に沿ういずれの側（上流側又は下流側）から冷却風Ｆが流れてきたとしても、同じ条件でセルユニット４１内における電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を正確に知ることができる。その結果、最小の温度センサ６０・６１（本例では２個）により、効率良くかつ低コストで電電池セルＣ１〜Ｃ８の過熱状況を監視できる。

以上詳細に説明したように本実施形態に示される電池モジュール４０では、第１の温度センサ６０を、冷却風Ｆの流れる方向に沿って配置したセルユニット４１内における電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）−（ロ）方向）一端からＮ番目（＝電池セルＣ６）に位置させ、かつ第２の温度センサ６１を、配列方向他端からＮ番目（＝電池セルＣ３）の電池セルの他方側面４１Ｂに位置させた。
ここで、第１の温度センサ６０が配置されるＮ番目（＝電池セルＣ６）は、セルユニット４１内の最高温度となる電池セルＣ６であり、また。第２の温度センサ６１は、第１の温度センサ６０と対称位置にある電池セルＣ３である。
これにより、電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）−（ロ）方向）に沿ういずれの側（上流側又は下流側）から冷却風Ｆが流れてきたとしても、同じ条件でセルユニット４１内における電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を正確に知ることができ、これによっても最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルＣ１〜Ｃ８の過熱状況を監視することが可能となる。

すなわち、本実施形態に示される電池モジュール４０では、従来と比較して温度計測点数が削減できて、モジュール電池の配置が前後入れ替わり、冷却風Ｆが電池セルＣ１側、又は電池セルＣ８側のどちらから流れても、設置位置の変更なしに電池セル最高温度を計測することができ、全ての電池セルに温度センサが設置される従来の電池モジュールと比較して省配線、コストダウンが可能となる。

なお、上記実施形態では、図１に、電池ユニット２０内に６個の電池モジュール４０（４０−１〜４０−６の６組からなる）を備えた例を示したが、これは１例であってその個数は適宜設定可能である。
また、電池モジュール４０のセルユニット４１を８個の電池セルＣ１〜Ｃ８で構成したが、これは１例であってその個数は適宜設定可能である。また、８個ある電池セルＣ１〜Ｃ８の中で、最も温度が高い６番目（＝Ｎ番目）の温度セルＣ６の一方の側面４１Ａに、第１の温度センサ６０を設置したが、これは、冷却風Ｆに沿って流れる方向に配置された複数の電池セルの中で、中央部より後方の電池セル（本例ではＮ＝６番目）の温度が最も高くなるからであり、セルユニット４１の電池セル数が８個でない場合、例えばセルユニット４１の電池セル数が１０個である場合には「Ｎ＝７番目」等が選択される。

（第２実施形態）
本発明に係る第２実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。
第２実施形態の組電池１０１が、第１実施形態の組電池１００と異なるのは、電池モジュール４０を直列又は並列に配置し、かつかつ電池パックケース５０の端部に冷却風Ｆを強制的に流通させる冷却ファン５１を設けた点である。

図５に示される電池パックケース５０では、複数の電池モジュール４０が直列配置されるとともに、途中で折り返して２列となるように配置されている。
また、図６に示される電池パックケース５０では、複数の電池モジュール４０が３個ずつ２列に並列接続されるように配置されている。

また、図５及び図６に示されるように、電池パックケース５０の後方側の端部には冷却ファン５１が設置され、該電池パックケース５０の前方側の端部には冷却風Ｆの吸気口５２が設けられている。
そして、この冷却ファン５１が駆動されることにより、吸気口５２から吸い込まれた冷却風Ｆが、電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向に沿う矢印（ロ）方向に流通し、その結果、電池モジュール４０が冷却される。

また、電池パックケース５０内の各電池モジュール４０には、第１実施形態で示した第１の温度センサ６０、第２の温度センサ６１がそれぞれ設置されている。
第１の温度センサ６０は、電池セルＣ１〜Ｃ８の中で、最も温度が高い温度セルＣ６又はＣ３の側面４１Ａ、４１Ｂに設置されている。また、第２の温度センサ６１は、セルユニット４１の中心部Ｘに対して第１の温度センサ６０と対称となる電池セルＣ３又はＣ６の側面４１Ａ、４１Ｂに設置されている。
そして、このような温度センサ６０・６１の設置により、電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）‐（ロ））に沿ういずれの側（上流側又は下流側）から冷却風Ｆが流れてきたとしても、同じ条件でセルユニット４１内における電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を正確に知ることができる。

また、電池モジュール４０が直列接続又は並列接続されたセルユニット４１のそれぞれにおいて、電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を検知することができることから、複数あるセルユニット４１にて検出された温度を比較し、それら温度にばらつきがあれば、ばらつきが生じたユニットセル４１又はその冷却機構を異常と判定することができ、正確な温度異常検知を行うことができる。

具体的な異常判定方法として以下のような処理を行う。
（１）上流の電池モジュール４０との温度差が設計値（例えば２℃）を越えたか否かを、「０」（設計値範囲内で正常）又は「１」（設計値を越えて異常）のデジタル情報で表し、電池モジュール４０の各列毎にデジタル値のＯＲを取り、「１」になるとその列は異常であると判定する。
（２）電池モジュール４０の列間の同じ位置の温度センサ６０・６１の計測値を比較し、電池セル発熱と冷却流路のバラつきによる判定値を設定する（例えば判定値を５℃と設定する）。そして、温度センサ６０・６１の計測値のばらつきが、この判定値以上になった場合に電池モジュール４０に異常が生じていると判定する。
（３）電池モジュール４０の列間の温度勾配を計算して、他の列と比較して違いがあればその列は異常であると判定する。以上のような処理で電池モジュール４０の異常判定を行う。

以上詳細に説明したように第２実施形態では、電池パックケース５０内に収容される複数の電池モジュール４０のそれぞれにおいて、電池セルＣ１〜Ｃ８の中で、最も温度が高い温度セルＣ６又はＣ３の側面４１Ａ、４１Ｂに第１の温度センサ６０を設置し、また、第２の温度センサ６１は、セルユニット４１の中心部Ｘに対して第１の温度センサ６０と対称となる電池セルＣ３又はＣ６の側面４１Ａ、４１Ｂに第２の温度センサ６１を設置した。
これにより、電池セルＣ１〜Ｃ８の配列方向（矢印（イ）−（ロ）方向）に沿ういずれの側（上流側又は下流側）から冷却風Ｆが流れてきたとしても、同じ条件でセルユニット４１内における電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を正確に知ることができ、これによっても最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルＣ１〜Ｃ８の過熱状況を監視することが可能となる。
また、電池モジュール４０が直列接続又は並列接続されたセルユニット４１のそれぞれにおいて、電池セルＣ１〜Ｃ８の温度状況を検知することができることから、複数あるセルユニット４１にて検出された温度を比較し、それら温度にばらつきがあれば、ばらつきが生じたユニットセル４１又はその冷却機構を異常と判定することができ、正確な温度異常検知を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、リチウムイオン電池からなる複数の電池セルが密着状態で配置された電池モジュールにおいて、最小の温度センサにより、効率良くかつ低コストで電池セルの過熱状況を監視することができる技術に関する。

４０ 電池モジュール
４１ セルユニット
４１Ａ 一方の側面
４１Ｂ 他方の側面
５０ 電池パックケース
５１ 冷却ファン
６０ 第１の温度センサ
６１ 第２の温度センサ
Ｃ１〜Ｃ８ 電池セル
Ｘ 中心部
（イ）−（ロ）セルの配置方向

Claims (8)

1. 複数の電池セルを互いに密着させて重ねて配置したセルユニットと、
   前記電池セルの配列方向に沿う一方の側面において、前記電池セルのいずれかの温度を測定する第１の温度センサと、前記一方の側面と対向する他方の側面において、前記電池セル以外のいずれかの電池セルの温度を測定する第２の温度センサと、を有することを特徴とする電池モジュール。
2. 前記セルユニット内における電池セルの配列方向は、冷却風の流れる方向に向けられたことを特徴とする請求項１の電池モジュール。
3. 前記一方の温度センサは、前記電池セルの配列方向一端からＮ番目の電池セルに、他方の温度センサは、配列方向他端からＮ番目の電池セルに設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記第１の温度センサは、前記セルユニット内の最高温度となる電池セルの一方側面に配置され、
   前記第２の温度センサは、前記セルユニットの中心部に対して前記第１の温度センサと対称となる電池セルの他方側面に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記第１の温度センサは、前記冷却風に沿って流れる方向に配置された前記複数の電池セルの中で、中央部より後方の電池セルの一方側側面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
6. 前記セルユニットは複数あり、これら複数のセルユニットが直列接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
7. 前記セルユニットは複数あり、これら複数のセルユニットが並列接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 前記複数のセルユニットが収容された電池パックケースの端部には冷却風を流通させるための冷却ファンが設置されていることを特徴とする請求項６又は７のいずれか１項に記載の電池モジュール。

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