JP2014175127A - 電池モジュール及び電池モジュールシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電池を多直列接続、多並列接続して組電池を構成し、大容量化、高電圧化を図る場合であっても、サブバッテリパックモジュールを劣化、故障等により交換する場合でも、容易、かつ、安全に行う。
【解決手段】実施形態の電池モジュールは、複数の電池モジュールを並列接続して組電池装置を構成する電池モジュールである。過電流遮断手段は、基本電池ユニットが直列接続され、各基本電池ユニット毎に電圧測定が可能な複数の電圧検出線に挿入され、当該電圧検出線を過電流が流れた場合に、当該過電流を遮断する。電圧緩衝手段は、電圧検出線に挿入され、他の電池モジュールを構成している基本電池ユニットの電圧と、当該電池モジュールを構成している前記基本電池ユニットの電圧を徐々に一致させる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電池モジュール及び電池モジュールシステムに関する。

従来、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）を産業機器や車載用機器に適用するには、１セルでは電圧が低いため、必ず多直列にセルをつなぎ合わせて、組電池を形成する必要があった（例えば、特許文献１参照）。
一方、産業向けには平均作動電圧４８Ｖ程度の鉛蓄電池を用いた中大型電動機器が多数存在する。

近年、鉛蓄電池からより高性能なリチウムイオン電池に電池を切り替える動きが活発になってきているが、例えば平均作動電圧が４８Ｖの中大型電動機器では、最大充電電圧が６０Ｖ、放電終止電圧（最小放電電圧）がそのモーターの下限性能の３０Ｖ程度まで稼動することが要求される。

特開２００９−２７７６４７号公報

ところで、大電力供給の要求に応えるため、組電池を駆動電源あるいは補助電源に利用するシステムにおいては、高性能化及び使用可能時間の長時間化を目的として、高容量化の要望が高くなってきている。
このための手法として、電池を多数直列に接続して電池群を構成し、この電池群を並列接続することにより組電池を構成した組電池装置が用いられている。
この場合において、電池の取り扱いを容易とするため、複数の電池を並列及び直列接続し、モジュール化電池として構成している場合がある。
このような電池モジュールを構成している電池の劣化や故障により、モジュール化電池を交換する場合、使用中のモジュール化電池との電位差がある場合、そのまま接続すると、お互いの電圧差により、接続時にアーク放電などが発生する虞があるため、モジュール化電池の電圧を調整してから接続する必要があり、手間がかかっていた。
そこで、本発明は、電池を多直列接続、多並列接続して組電池を構成し、大容量化、高電圧化を図る場合であっても、サブバッテリパックモジュールを劣化、故障等により交換する場合でも、容易、かつ、安全に行うことができ、メンテナンス性が向上することが可能な電池モジュール及び電池モジュールシステムを提供することを目的としている。

実施形態の電池モジュールは、複数の電池モジュールを並列接続して組電池装置を構成する電池モジュールである。
過電流遮断手段は、基本電池ユニットが直列接続され、各基本電池ユニット毎に電圧測定が可能な複数の電圧検出線に挿入され、当該電圧検出線を過電流が流れた場合に、当該過電流を遮断する。
電圧緩衝手段は、電圧検出線に挿入され、他の電池モジュールを構成している基本電池ユニットの電圧と、当該電池モジュールを構成している基本電池ユニットの電圧を徐々に一致させる。

図１は、実施形態の電池モジュールシステムを電源バックアップシステムの電気系統に適用した場合の概要構成ブロック図である。 図２は、実施形態のサブバッテリパックモジュール（バッテリパックモジュール）の構成説明図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電池モジュールシステムを電源バックアップシステムの電気系統に適用した場合の概要構成ブロック図である。
電源バックアップシステムの電気系統１０は、大別すると負荷Ｌの駆動用電源を供給する電池モジュールシステム１１と、電池モジュールシステム１１の充電がなされるとともに、商用電源からの電源供給ができなくなった場合に、電池モジュールシステム１１によりバックアップ対象として電源供給がされる負荷１２と、を備えている。

電池モジュールシステム１１は、組電池装置として機能する複数のサブバッテリパックモジュール１３が並列接続されたバッテリパックモジュール１４と、バッテリパックモジュール１４の状態を監視してバッテリーパック１４と負荷Ｌおよび主電源との接続を制御するバッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）１５と、電源線の過電流保護ヒューズ素子１９と、バッテリパックモジュール１４を後述の負荷Ｌに接続するための開閉器２０と、を備えている。
なお、本実施形態ではＢＭＵ１５が状態監視及び負荷及び主電源との制御を行っているが、これらの機能をＢＭＵ及びＢＣＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に分けて実行する形態であってもよい。

ここで、サブバッテリパックモジュール１３には、２種類有り、他の並列接続されたサブバッテリパックモジュール１３を構成している後述の基本電池ユニットの電圧を電圧検出線を介して検出する電池電圧検出部ＢＳを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｍと、電圧検出線を電池電圧検出部ＢＳに接続するための接続基板ＣＢを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｓと、が存在する。なお、電池電圧検出部ＢＳを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｍに代えて、電池電圧検出部ＢＳを、バッテリパックモジュールの外部に配置し、全てのサブバッテリパックモジュールを接続基板ＣＢを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｓとして構成することも可能である。

本実施形態においては、電池電圧検出部ＢＳを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｍは１個であり、このサブバッテリパック１３Ｍのみが直接バッテリマネジメントユニット１５に接続されている。
また、接続基板ＣＢを備えたサブバッテリパックモジュール１３Ｓは複数（図１においては、９個）有り、各接続基板ＣＢは、電池電圧検出部ＢＳに対してシリアル接続されている。

負荷１２は、商用交流電源２１（単相あるいは三相）からの電力供給を受けて、交流／直流電力変換を行って、電池モジュールシステム１１の充電を行うとともに、負荷Ｌへの電力供給を行う主電源２２を備えている。

ここで、電源バックアップシステムの電気系統１０の概要動作について説明する。
通常動作状態においては、主電源２２は、商用交流電源２１からの電力供給を受けて、交流／直流電力変換を行って、電池モジュールシステム１１の充電を行うとともに、負荷Ｌへの電力供給を行う。

一方、停電等により主電源２２からの電力供給がなされなくなった場合には、接触器を介して電池モジュールシステム１１から負荷Ｌに対して複数のサブバッテリパックモジュール１３の蓄電電力の電力供給がなされることとなる。
この結果、負荷１２は動作を継続することが可能となる。

さらに、サブバッテリパックモジュール１３を構成している基本電池ユニットあるいは基本電池ユニットを構成するリチウムイオン電池の故障等何らかの理由により電源供給ラインが過電圧状態になった場合には、ヒューズ素子１９は、過電圧に起因する過電流により溶断される。
また、何らかの原因（たとえば外部短絡）で過電流がサブバッテリパックモジュールに流れた場合、ヒューズ素子１９は、過電流により溶断される。

したがって、過電圧を遮断するコンタクタ等を設ける必要が無いので、電池モジュールシステム１１の小型化及び軽量化を図ることができる。

ところで、上記電池モジュールシステム１１の構成において、サブバッテリパックモジュール１３を、最大充電電圧６０Ｖ、最小放電電圧３０Ｖの鉛蓄電池に置き換えることを考えると、例えば、４８Ｖ、４００Ａｈの性能を有するリチウムイオン電池として機能することが望まれる。
そこで、本実施形態は、２０Ａｈ−定格電圧２．４Ｖのリチウムイオン電池を用いて、サブバッテリパックモジュール１３を構成している。

ここで、電池モジュールシステム１１を構成しているリチウムイオン電池の構成について説明する。
従来、鉛蓄電池を用いた平均作動電圧が４８Ｖの負荷Ｌでは、最大充電電圧が６０Ｖ、最小放電電圧が負荷Ｌの下限性能の３０Ｖ程度まで稼動することが要求されていた。

これを従来の代表的なリチウムイオンバッテリで置き換えて最大充電電圧を合わせたとすると、最小放電電圧は、４２Ｖ程度となり、稼働電圧範囲が異なってしまい、単純には置き換えることはできなかった。

そこで、本実施形態においては、稼働電圧範囲が従来の鉛蓄電池と同様になるようにリチウムイオン電池を設計し、これを用いて電池モジュールシステム１１を構成している。
すなわち、放電終止電圧に相当する下限ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が鉛蓄電池と同等のリチウムイオン電池を設計し、電池モジュールシステム１１を構成している。
この結果、本実施形態の電池モジュールシステム１１によれば、鉛蓄電池とそっくり置き換えることが可能となっている。

次に実施形態の電池モジュールシステム１１に用いるリチウムイオン電池の組成について具体的に説明する。
リチウムイオン電池の第１の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_aＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_２（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質とを備えた非水電解質二次電池として構成される。
この場合、本第１の態様のリチウムイオン電池を用いて、鉛蓄電池を置き換えることを想定すると、その電圧から、２１個直列に接続して組電池が構成される。

また、リチウムイオン電池の第２の態様としては、コバルト、ニッケルおよびマンガンよりなる群から選択される少なくとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物を含みリチウム金属化合物はＬｉ_aＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＯ_４（但し、モル比ａ，ｂ，ｃ及びｄは０≦ａ≦１．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２）で表される正極活物質含有層を備えた正極と、チタン含有金属複合酸化物を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池として構成される。

本第２の態様のリチウムイオン電池を用いて、鉛蓄電池を置き換えることを想定すると、その電圧から、２０個直列に接続して組電池が構成される。
また、上記第１の態様及び第２の態様のリチウムイオン電池を構成する場合にリチウムチタン酸化物の一次粒子の平均粒径が１μｍ以下で、負極層のＢＥＴ法による比表面積が３〜５０ｍ^２／ｇの範囲であるようにすることが望ましい。

さらに、リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ_４＋ｘＴｉ_５Ｏ_１２（ｘは−１≦ｘ≦３）もしくはＬｉ_２＋ｘＴｉ_３Ｏ_７（ｘは−１≦ｘ≦３）で表されるようにするのが望ましい。
さらにまた、チタン含有金属複合酸化物はＰ、Ｖ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素とＴｉとを含有する金属複合酸化物であるようにするのが望ましい。

図２は、実施形態のサブバッテリパックモジュール（バッテリパックモジュール）の構成説明図である。
以上の説明では、サブバッテリパックモジュー１３Ｍが１個、サブバッテリパックモジュール１３Ｓが９個の場合であって、各サブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓにおいて、リチウムイオン電池が２１個直列あるいは２０個直列の場合について説明したが、図２においては、理解の容易のため、リチウムイオン電池３１を２個並列接続した基本電池ユニット３２を３個直列接続したサブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓを用いて、基本電池ユニット３２を２並列３直列（２Ｐ３Ｓ）接続したバッテリパックモジュール１４を例として説明する。
なお、要求される電池容量及び電池電圧に応じて並列数及び直列数を変更可能であることは言うまでもない。

バッテリパックモジュール１４においては、図２に示すように、３個直列接続された基本電池ユニット３２が２組、高電位側電源線ＰＬと、低電位側電源線ＮＬと、の間に並列に接続されている。
ここで、サブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓを構成する基本電池ユニット３２のうち、最も高電位側の基本電池ユニット３２は、電圧検出線ＢＳＬ１と、電圧検出線ＢＳＬ２と、の間に並列に接続されている。

また、サブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓを構成する基本電池ユニット３２のうち、次に高電位側の基本電池ユニット３２は、電圧検出線ＢＳＬ２と、電圧検出線ＢＳＬ３と、の間に並列に接続されている。

さらに、サブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓを構成する基本電池ユニット３２のうち、最も低電位側の基本電池ユニット３２は、電圧検出線ＢＳＬ３と、低電位側電源線ＮＬと、の間に並列に接続されている。

上記構成において、サブバッテリパックモジュール１３Ｍを構成している基本電池ユニット３２と、サブバッテリパックモジュール１３Ｓを構成している基本電池ユニット３２と、の間には、接続基板ＣＢが配置されている。

そして、接続基板ＣＢの電圧検出線ＢＳＬ１、ＢＳＬ２、ＢＳＬ３には、それぞれ、当該電圧検出線ＢＳＬ１、ＢＳＬ２、ＢＳＬ３を過電流が流れた場合に、当該過電流を遮断する過電流遮断手段として機能するヒューズＦ１と、他の電池モジュールであるサブバッテリパックモジュール１３Ｍを構成している基本電池ユニット３２の電圧と、同一の電圧検出線に接続されているサブバッテリパックモジュール１３Ｓを構成している基本電池ユニット３２の電圧を徐々に一致させる電圧緩衝手段として機能するヒューズＦ１と直列に接続されている電流制限抵抗Ｒ１と、電流制限抵抗Ｒ１及びヒューズＦ１と並列に接続されるとともに、電流制限抵抗Ｒ１よりも大きな抵抗値を有する抵抗Ｒ２と、を備える。

また、電圧検出線ＢＳＬ１は、サブバッテリパックモジュール１３Ｍを構成している開閉器Ｃ１及びサブバッテリパックモジュール１３Ｓを構成している開閉器Ｃ２を介して高電位側電源線ＰＬに接続可能とされている。

さらにサブバッテリパックモジュール１３Ｍにおいては、電圧検出線ＢＳＬ１、ＢＳＬ２、ＢＳＬ３に接続され、全サブバッテリパックモジュール１３において同一の電圧検出線に接続されている基本電池ユニット３２の電圧をそれぞれ検出する電池電圧検出部ＢＳが電圧監視基板ＢＳＢ上に設けられている。この電池電圧検出部ＢＳの電圧検出結果は、全サブバッテリパックモジュール１３全体の電圧検出結果として、バッテリマネジメントユニット１５に通知される。

また、電圧監視基板ＢＳＢは、電池電圧検出部ＢＳの検出結果に基づいて、ＢＭＵに電圧情報を送信し、バッテリパックモジュール１４から電力が供給可能な状態である場合には、ＢＭＵは開閉器２０を閉状態として、バッテリパックモジュール１４を主電源２２側と接続し、バッテリパックモジュール１４から電力を負荷Ｌ側に供給する。

次にサブバッテリパックモジュール１３の交換時の動作について説明する。
サブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓは、寿命や故障等によりサブバッテリパックモジュール１３Ｍ、１３Ｓ単位で交換することが可能となっている。

ところで、サブバッテリパックモジュール１３Ｓに接続基板ＣＢが設けられていないとすると、新たにバッテリパックモジュール１４に組み込まれるサブバッテリパックモジュール１３の電池電圧が、既にバッテリパックモジュール１４に組み込まれている他のサブバッテリパックモジュール１３と差異がある場合には、電池電圧の高いサブバッテリパックモジュール１３から電池電圧の低いサブバッテリパックモジュール１３に急激に電流が流れ込もうとし、電気的接続がなされる際にアーク放電などが発生する虞がある。

これに対し、サブバッテリパックモジュール１３Ｓに接続基板ＣＢが設けられている場合には、まず、ヒューズＦ１及びこのヒューズＦ１と直列に接続されている電流制限抵抗Ｒ１を介して、電池電圧の高いサブバッテリパックモジュール１３（例えば、サブバッテリパックモジュール１３Ｍ）から電池電圧の低いサブバッテリパックモジュール１３（例えば、サブバッテリパックモジュール１３Ｓ）に電流が流れ込もうとする。
この結果、ヒューズＦ１及び電流制限抵抗Ｒ１を介して徐々に電流が流れ込んで、いずれ平衡状態（単位時間当たりの電池電圧変化量が所定変化量以下となった場合）に至ることとなる。

したがって、平衡状態に至ったことを電池電圧検出部ＢＳが検出すると、電圧監視基板ＢＳＢは、ＢＭＵ１５に電圧情報を送信しバッテリパックモジュール１４から電力が供給可能な状態であるとして、ＢＭＵ１５は開閉器２０を閉状態として、バッテリパックモジュール１４を主電源２２側と接続し、バッテリパックモジュール１４から電力を負荷Ｌ側に供給する。

一方、セルやＣＢ間の配線短絡故障等が発生した場合、並列接続されたセルからヒューズＦ１及び電流制限抵抗Ｒ１を介して、故障発生箇所に過電流が流れ、ヒューズＦ１を溶断して遮断状態に至らせる、許容電流範囲外であれば、ヒューズＦ１は溶断される。
この結果、電流制限抵抗Ｒ１よりも大きな抵抗値を有する抵抗Ｒ２を介して徐々に電流が流れ込んで、いずれ平衡状態（単位時間当たりの電池電圧変化量が所定変化量以下となった場合）に至ることとなる。

したがって、正常な平衡状態に至ったことを電池電圧検出部ＢＳが検出すると、電圧監視基板ＢＳＢは、バッテリパックモジュール１４から電力が供給可能な状態であるとして、開閉器２０を閉状態として、バッテリパックモジュール１４を主電源２２側と接続し、バッテリパックモジュール１４から電力を負荷Ｌ側に供給する。セルの短絡や接続線の短絡等の異常時には、抵抗Ｒ２を介して徐々に電圧が低下し、ＢＳＢから送信される電圧が所定電圧以下になると、ＢＭＵは異常を判定し、開閉器２０を開状態とする。

したがって、本実施形態によれば、ヒューズＦ１及び電流制限抵抗Ｒ１を介して、あるいは、抵抗Ｒ２を介して、電池電圧の低いサブバッテリパックモジュール１３に流れ込もうとする電流の電流値を規制（抑制）するので、サブバッテリパックモジュール１３の交換時に実効的に新たにバッテリパックモジュール１４に組み込まれるサブバッテリパックモジュール１３の電池電圧と、既にバッテリパックモジュール１４に組み込まれている他のサブバッテリパックモジュール１３と、の電位差が少ない場合と等価となり、電気的接続がなされる際にアーク放電などが発生する虞がない。また、異常な電圧低下も検出することが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、サブバッテリパックモジュール１３を一部交換する場合でも、安全に交換を行うことが可能となるとともに、異常時の安全性も確保できる。
また、全てのサブバッテリパックモジュール１３の電圧を、一つのサブバッテリパックモジュール１３Ｍに設けられた電池電圧検出部ＢＳにより検出する構成を採っているので、安価に装置を構成することが可能となる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、電池を多直列接続、多並列接続して組電池を構成し、大容量化、高電圧化を図る場合であっても、サブバッテリパックモジュールを劣化、故障等により交換する場合でも、容易、かつ、安全に行うことができ、メンテナンス性が向上する。

以上の説明においては、電圧検出線は３本の場合であったが、基本電池ユニット３２の直列数が増加した場合には、直列数に応じて電圧検出線を設けることは言うまでもない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１ 電池モジュールシステム
１２ バックアップ対象回路
１３、１３Ｍ、１３Ｓ サブバッテリパックモジュール
１４ バッテリパックモジュール
１５ バッテリマネジメントユニット
１６ バッテリコントロールユニット
１７ 電源遮断制御用リレーユニット
２０ 開閉器
２１ 商用交流電源
２２ 主電源
３１ リチウムイオン電池
３２ 基本電池ユニット
ＢＳ 電池電圧検出部
ＢＳＬ１〜ＢＳＬ３ 電圧検出線
Ｆ１ ヒューズ（電流遮断素子）
Ｒ１ 電流制限抵抗（過電流遮断手段、電圧緩衝手段）
Ｒ２ 抵抗（抵抗素子、電圧緩衝手段）

Claims (5)

1. 複数の電池モジュールを並列接続して組電池装置を構成する電池モジュールであって、
   基本電池ユニットが直列接続され、各前記基本電池ユニット毎に電圧測定が可能な複数の電圧検出線と、
   前記電圧検出線に挿入され、当該電圧検出線を過電流が流れた場合に、当該過電流を遮断する過電流遮断手段と、
   前記電圧検出線に挿入され、他の電池モジュールを構成している基本電池ユニットの電圧と、当該電池モジュールを構成している前記基本電池ユニットの電圧を徐々に一致させる電圧緩衝手段と、
   を備えた電池モジュール。
2. 前記過電流遮断手段は、所定電流以上の電流が流れると、電流を遮断する電流遮断素子を備え、
   前記電圧緩衝手段は、前記電流遮断素子と直列に接続されている電流制限抵抗と、前記電流制限抵抗及び前記電流遮断素子と並列に接続されるとともに、前記電流制限抵抗よりも大きな抵抗値を有する抵抗素子を備える、
   請求項１記載の電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２記載の第１の電池モジュールと、
   基本電池ユニットが直列接続されるとともに、前記電圧検出線に前記第１の電池モジュールが接続され、同一の電圧検出線対毎に、当該電圧検出線対に接続された前記第１のモジュール及び自己の前記基本電池ユニット全体の電圧測定を行う電圧検出手段を備えた第２の電池モジュールと、
   を備えた電池モジュールシステム。
4. 前記第１の電池モジュール及び前記第２の電池モジュールは、外部電源にそれぞれ接続される開閉器を有し、
   前記開閉器は、前記電圧検出手段における単位時間当たりの検出電圧変化量が所定電圧変化量以下となった場合に前記開閉器を閉状態として、前記外部電源に接続する、
   請求項３記載の電池モジュールシステム。
5. 前記電池モジュールシステムは、前記外部電源のバックアップ電源として、あるいは、前記外部電源と共働する電源として機能する、
   請求項４記載の電池モジュールシステム。

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