JP2015006102A - 蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法 - Google Patents

蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法 Download PDF

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Shinichiro Yanagida
慎一郎 柳田
黒田 和人
Kazuto Kuroda
和人 黒田
輝彦 早坂
Teruhiko Hayasaka
輝彦 早坂
小杉 伸一郎
Shinichiro Kosugi
伸一郎 小杉
関野 正宏
Masahiro Sekino
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Abstract

【課題】大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保する。【解決手段】実施形態の蓄電池システムは、それぞれコネクタハウジングに収納された一対の電源端子と、前記コネクタハウジングの少なくとも一方に収納され、対応する前記電源端子と熱的に結合され、当該電源端子の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子と、充放電可能な電池セルを複数備え、一対の電源端子間に接続される電池ユニットと、を備え、監視制御部は、電源端子を介した電源供給制御を行うとともに、温度検出信号に基づいて、遮断制御信号を出力する。これにより電池ユニットに直列に接続された遮断回路は、遮断制御信号の入力に伴って、電池ユニットを電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断する。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法に関する。
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)。
また、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して電池モジュールが用いられている。この場合に、電池モジュールの取り扱いを容易とするため、複数の電池モジュールを並列及び直列接続した蓄電池システムとして構成する場合がある。
特開2009−277647号公報
ところで、このような蓄電池システムに対し、外部の負荷を接続するにあたり、電源コネクタを用いて電気的に接続する場合がある。
このような構成を採った場合に、電源コネクタにおける電気的接触部の接触抵抗が、例えば、10mΩであったとしても、蓄電池システムから100Aの大電流を供給した場合には、100Wの電力を消費することとなり、発熱が生じる。
この発熱が継続した場合、さらなる接触抵抗の増大を招き、発熱量が大きくなる虞があった。
そこで、本発明の目的は、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することが可能な蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法を提供することにある。
実施形態の蓄電池システムは、それぞれコネクタハウジングに収納された一対の電源端子と、前記コネクタハウジングの少なくとも一方に収納され、対応する前記電源端子と熱的に結合され、当該電源端子の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子と、充放電可能な電池セルを複数備え、一対の電源端子間に接続される電池ユニットと、を備え、監視制御部は、電源端子を介した電源供給制御を行うとともに、温度検出信号に基づいて、遮断制御信号を出力する。これにより電池ユニットに直列に接続された遮断回路は、遮断制御信号の入力に伴って、電池ユニットを電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断する。
図1は、実施形態の蓄電池システムをモータ駆動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、第1実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。 図3は、図2の電源コネクタの接続状態の説明図である。 図4は、第1実施形態のBMUの処理フローチャートである。 図5は、第2実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。 図6は、図5の電源コネクタの接続状態の説明図である。 図7は、第3実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。 図8は、図7の電源コネクタの接続状態の説明図である。 図9は、第4実施形態の基板対ケーブルコネクタの概要説明図である。 図10は、第4実施形態の実装状態説明図である。 図11は、第5実施形態の基板対ケーブルコネクタの概要説明図である。 図12は、第5実施形態の基板対ケーブルコネクタの実装工程説明図である。
次に図面を参照して実施形態について説明する。
[1]第1実施形態
図1は、実施形態の蓄電池システムをモータ駆動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。
モータ駆動システムの電気系統10は、必要に応じて充電器11が接続されて充電がなされる蓄電池システム12と、蓄電池システム12に電源コネクタ13P、13Nを介して接続され、供給された電力によりモータ14を駆動するドライブユニット15と、蓄電池システム12に電源コネクタ13P、13Nを介して接続され、供給された電力のDC/DC変換を行ってドライブユニット15に供給するDC/DCコンバータ16と、を備えている。
蓄電池システム12は、高電位側電源端子として機能するとともに、電源コネクタ13Pを構成する電源コネクタ13PAと、低電位側電源端子として機能するとともに、電源コネクタ13Nを構成する電源コネクタ13NAと、それぞれ高電位側電源端子BATP及び低電位側電源端子BATNを有し、直列接続されたn個(n:自然数)の電池モジュール21−1〜21−nと、を備えている。
上記構成において、最低電位側に接続されている電池モジュール21−1の低電位側電源端子BATNは、電源コネクタ13NAに電気的に接続されている。
また、最高電位側に接続されている電池モジュール21−nの高電位側電源端子BATPは、電源コネクタ13PAに電気的に接続されている。
各電池モジュール21−1〜21−nは、同一構成であるので、電池モジュール21−1を例として説明する。
電池モジュール21−1は、高電位側電源端子BATPと、低電位側電源端子BATNと、高電位側電源端子BATPと低電位側電源端子BATNとの間に直列接続された複数の電池セルを備えた電池セル部31と、電池セル部31の状態(電圧及び温度)を監視する電圧温度監視部32を有し、電池セル部31の監視及び制御を行う監視制御部として機能するバッテリマネジメントユニット(BMU:Battery Management Unit)33と、スイッチ素子として機能するFETを備え、BMU33の管理下で、電池セル部31を電気的に遮断する遮断回路34と、を備えている。
ここで、BMU33は、他の電池モジュールを構成する他のBMU33及びドライブユニット15との間でCAN(Control Area Network)通信を行う通信機能を有している。
ここで、実施形態の動作説明に先立ち、電源コネクタ13P及び電源コネクタ13Nの構成について説明する。
電源コネクタ13P及び電源コネクタ13Nは、基本的に同一構成であるので、以下の説明においては電源コネクタ13Pについて説明する。
図2は、第1実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。
図2において、電源コネクタ13Pを構成する電源コネクタ13PAがメス型端子を備えている場合のものである。
電源コネクタ13PAは、樹脂製のコネクタハウジング41に収納された電源端子としてのメス型端子(メス側コンタクト)42と、メス型端子42に電気的に接続された引出線43と、メス型端子42と熱的に結合され、当該メス型端子42(電源端子)の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子としてのサーミスタ44と、を備えている。
この場合において、サーミスタ44は、絶縁コーティングがなされており、熱伝導率の高い樹脂製接着剤(熱伝導樹脂)により、メス型端子42に接着固定されることにより熱的に結合されている。ここで、熱伝導率の高い樹脂製接着剤としては、エポキシ樹脂系接着剤、フェノール樹脂系接着剤が用いられる。
さらにサーミスタ44は、信号出力線45を介して対応する電池モジュール21−x(x=1〜n)のBMU33に温度検出信号を出力する。
電源コネクタ13PBは、樹脂製のコネクタハウジング51に収納された電源端子としてのオス型端子(オス側コンタクト)52と、オス型端子52に電気的に接続された引出線53と、を備えている。
図3は、図2の電源コネクタの接続状態の説明図である。
コネクタハウジング51が、コネクタハウジング41の先端部分を覆うように挿入されると、図3に示すように、オス型端子52は、メス型端子42に挿入され、電気的に接続されることとなる。
次に第1実施形態の動作を説明する。
図4は、第1実施形態のBMUの処理フローチャートである。
初期状態において、遮断回路34は、閉状態(オン状態)であり、電池セル部31の蓄電電力を供給可能な状態となっている。
ドライブユニット15から各電池モジュール21−1〜21−nのBMU33に電力供給要求がなされると(ステップS11)、電源コネクタ13PA及び電源コネクタ13NAを介して、ドライブユニット15及びDC/DCコンバータ16に蓄電電力を供給することとなる(ステップS12)。
これと並行して各BMU33の電圧温度監視部32は、電池セル部31の状態(電圧及び温度)を監視する(ステップS13)。
また、電池モジュール21−1のBMU33には、電源コネクタ13NAに設けられているサーミスタ44がメス型端子42(電源端子)の温度を検出して出力した温度検出信号が入力される。同様に、電池モジュール21−nのBMU33には、電源コネクタ13PAに設けられているサーミスタ44がメス型端子42(電源端子)の温度を検出して出力した温度検出信号が入力される(ステップS14)。
そして電池モジュール21−1のBMU33は、入力された温度検出信号に基づいて、電源コネクタ13Nの温度を算出し、電池モジュール21−nのBMU33は、入力された温度検出信号に基づいて、電源コネクタ13Pの温度を算出する(ステップS15)。
そして、電池モジュール21−1のBMU33及び電池モジュール21−nのBMU33は、それぞれ、算出した電源コネクタ13P、13Nの温度に基づいて、正常な電源供給制御状態に対応する温度状態となっているか否かを判別する(ステップS16)。
ステップS16の判別において、正常な電源供給制御状態に対応する温度状態となっている場合には(ステップS16;Yes)、処理を再びステップS12に移行して、以下、同様の処理を行う。
ステップS16の判別において、正常な電源供給制御状態に対応する温度状態となっていない場合に(ステップS16;No)、遮断回路34に遮断制御信号を出力して、電池セル部31を電源供給路から電気的に遮断させる(ステップS17)。
具体的には、端子溶着異常により、電源コネクタ13P、13Nに正常な電源供給制御状態と比較して大きな電流が流れて大きな温度上昇が発生し、あるいは、端子浮きなどの端子接触不良により、正常な電源供給制御状態と比較して電流が流れていないことにより、全く温度上昇が生じないなどの異常が検出された場合には、遮断回路34に遮断制御信号を出力して、電池セル部31を電源供給路から電気的に遮断させて電流供給を停止する。
以上の説明のように、本第1実施形態によれば、電源コネクタ13P、13Nの温度をサーミスタ44により検出し、電源コネクタ13P、13Nを流れる電流が正常な電源供給制御状態とは異なると検出した場合には、電源供給を直ちに遮断できるため、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することができる。
[2]第2実施形態
図5は、第2実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。
図5において、図2と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図5は、電源コネクタ13Pを構成する電源コネクタ13PAがオス型端子を備えている場合のものである。
電源コネクタ13PAは、樹脂製のコネクタハウジング61に収納された電源端子としてのオス型端子(オス側コンタクト)62と、オス型端子62に電気的に接続された引出線63と、オス型端子62と熱的に結合され、当該オス型端子62(電源端子)の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子としてのサーミスタ44と、を備えている。
この場合において、オス型端子62は、中空部62Cを有する中空構造となっており、サーミスタ44は、絶縁コーティングがなされて熱伝導率の高い樹脂製接着剤(熱伝導樹脂)により、オス型端子62の中空部62C内に接着固定されることにより熱的に結合されている。ここで、熱伝導率の高い樹脂製接着剤としては、エポキシ樹脂系接着剤、フェノール樹脂系接着剤が用いられる。
さらにサーミスタ44は、信号出力線45を介して対応する電池モジュールのBMU33に温度検出信号を出力する。
電源コネクタ13PBは、樹脂製のコネクタハウジング71に収納された電源端子としてのメス型端子(メス側コンタクト)72と、メス型端子72に電気的に接続された引出線73と、を備えている。
図6は、図5の電源コネクタの接続状態の説明図である。
コネクタハウジング61が、コネクタハウジング71の先端部分を覆うように挿入されると、図6に示すように、オス型端子62は、メス型端子72に挿入され、電気的に接続されることとなる。
本第2実施形態の動作については、第1実施形態と同様であるので、その詳細な説明を援用する。
以上の説明のように、本第2実施形態によっても、電源コネクタ13P、13Nの温度をサーミスタ44により検出し、電源コネクタ13P、13Nを流れる電流が正常な電源供給制御状態とは異なると検出した場合には、電源供給を直ちに遮断できるため、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することができる。
[3]第3実施形態
以上の各実施形態は、単線の電源コネクタを例としていたが、本第3実施形態は、複線の電源コネクタの実施形態である。
図7は、第3実施形態の電源コネクタの概要構成説明図である。
図7は、第1実施形態における電源コネクタ13P及び電源コネクタ13Nを一体に構成した場合と同様の構成を採っている。
電源コネクタ80Pは、メス型端子を内蔵した電源コネクタ80PAと、オス型端子を内蔵した電源コネクタ80PBと、を備えている。
電源コネクタ80PAは、樹脂製のコネクタハウジング81に収納された電源端子としての一対のメス型端子(メス側コンタクト)82A、82Bと、メス型端子82A、82Bに電気的に接続された引出線83A、83Bと、メス型端子82Aの係合爪82A1、82A2のうち係合爪82A2及びメス型端子82Bの係合爪82B1、82B2のうちの係合爪82B1と熱的に結合され、当該メス型端子82A、82B(電源端子)の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子としてのサーミスタ44と、を備えている。
この場合において、サーミスタ44は、絶縁コーティングがなされており、熱伝導率の高い樹脂製充填剤(熱伝導樹脂)により、メス型端子82Aの係合爪82A2及びメス型端子82Bの係合爪82B1と熱的に結合されている。ここで、熱伝導率の高い樹脂製充填剤としては、エポキシ樹脂系充填剤、フェノール樹脂系充填剤あるいはジアリルフタラート系充填剤が用いられる。
さらにサーミスタ44は、信号出力線85を介して対応する電池モジュールのBMU33に温度検出信号を出力する。
一方、電源コネクタ80PBは、樹脂製のコネクタハウジング91に収納された電源端子としての一対のオス型端子(オス側コンタクト)92A、92Bと、オス型端子92A、92B2に電気的に接続された引出線93A、93Bと、を備えている。
図8は、図7の電源コネクタの接続状態の説明図である。
コネクタハウジング91が、コネクタハウジング81の先端部分を覆うように挿入されると、図8に示すように、オス型端子92Aは、メス型端子82Aに挿入されて電気的に接続され、オス型端子92Bは、メス型端子82Bに挿入されて電気的に接続されることとなる。
これにより、対応するBMU33には、電源コネクタ80PAに設けられているサーミスタ44がメス型端子82Aの係合爪82A2及びメス型端子82Bの係合爪82B1の温度を検出して出力した温度検出信号が入力される。
そして対応するBMU33は、入力された温度検出信号に基づいて、電源コネクタ80Pの温度を算出する。
そして、BMU33は、それぞれ、算出した電源コネクタ80Pの温度に基づいて、正常な電源供給制御状態に対応する温度状態となっていない場合に、遮断回路34に遮断制御信号を出力して、電池セル部31を電源供給路から電気的に遮断させる。
以上の説明のように、本第3実施形態によっても、電源コネクタ80PAの温度をサーミスタ44により検出し、電源コネクタ80PAを流れる電流が正常な電源共供給制御状態とは異なると検出した場合には、電源供給を直ちに遮断できるため、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することができる。
[4]第4実施形態
図9は、第4実施形態の基板対ケーブルコネクタの概要説明図である。
基板101の上面には、接続ピン(コネクタピン)102が突設された樹脂製の電源コネクタ103が実装されており、電源コネクタ103の下面側に設けられた切欠き104内には、サーミスタ44が熱伝導性の高い接着剤で熱的に埋設された状態で設けられている。
図10は、第4実施形態の実装状態説明図である。
これらの結果、接続ピン102を流れる電流により、電源コネクタ103の接続時の接触抵抗に起因する発熱は、電源コネクタ103を構成している樹脂、熱伝導性の高い接着剤を介してサーミスタ44に伝達される。
したがって、本第4実施形態によっても、電源コネクタ103の温度をサーミスタ44により検出し、電源コネクタ103を流れる電流が正常な電源供給制御状態とは異なると検出した場合には、電源供給を直ちに遮断できるため、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することができる。
[5]第5実施形態
図11は、第5実施形態の基板対ケーブルコネクタの概要説明図である。
基板111の上面には、接続ピン112が突設された樹脂製の電源コネクタ113が実装されており、電源コネクタ113の下面側に設けられた凹部114内には、サーミスタ44が熱伝導性の高い接着剤に埋設された状態で設けられている。
次に実装工程について説明する。
図12は、第5実施形態の基板対ケーブルコネクタの実装工程説明図である。
まず、図12(a)に示すように、基板111にサーミスタ44を実装する。
次に、図12(b)に示すように、電源コネクタ113の下面に設けられたサーミスタ収納用の凹部114とサーミスタ44の間が確実に熱伝導性の高い接着剤で埋められるようにサーミスタ44の上に接着剤110を塗る(盛る)。
続いて、図12(c)に示すように、接着剤110が固化する前に、電源コネクタ113の接続ピン112を基板111に差し込んで、半田付けし、実装を完了する。
本第5実施形態によれば、電源コネクタ113の接続ピン112の熱が電源コネクタ113を構成している樹脂及び熱伝導性の高い接着剤110を介してサーミスタ44に伝導し、電源コネクタ113の接続時の接触抵抗に起因して発生する熱による接続ピン112の温度上昇を測定することが出来るようになっている。
したがって、上記各実施形態と同様に、電源コネクタ113の温度をサーミスタ44により検出し、電源コネクタ113の接続ピン112を流れる電流が正常な電源共供給制御状態とは異なると検出した場合には、電源供給を直ちに遮断できるため、大電力供給の要求に応えつつ、電源コネクタの信頼性、ひいては、蓄電池システムの信頼性を確保することができる。
本実施形態の蓄電池システム(のBMU)で実行される制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されるようにしてもよい。
また、本実施形態の蓄電池システム(のBMU)で実行される制御プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の蓄電池システム(のBMU)で実行される制御プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
また、本実施形態の蓄電池システム(のBMU)で実行される制御プログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
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。
10 モータ駆動システムの電気系統
11 充電器
12 蓄電池システム
13N、13P 電源コネクタ
14 モータ
15 ドライブユニット
16 DC/DCコンバータ
21 電池モジュール
31 電池セル部
32 電圧温度監視部
33 BMU
34 遮断回路
41 コネクタハウジング
42 メス型端子
43 引出線
44 サーミスタ

Claims (11)

  1. それぞれコネクタハウジングに収納された一対の電源端子と、
    前記コネクタハウジングの少なくとも一方に収納され、対応する前記電源端子と熱的に結合され、当該電源端子の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子と、
    充放電可能な電池セルを複数備え、前記一対の電源端子間に接続される電池ユニットと、
    前記電池ユニットに直列に接続され、遮断制御信号の入力に伴って、前記電池ユニットを前記電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断する遮断回路と、
    前記電源端子を介した電源供給制御を行うとともに、前記温度検出信号に基づいて、前記遮断制御信号を出力する監視制御部と、
    を備えた蓄電池システム。
  2. 前記監視制御部は、前記温度検出信号に対応する前記電源端子の温度に基づいて、電源供給制御状態に対応する温度状態となっていない場合に、前記遮断制御信号を前記遮断回路に出力して、前記電池ユニットを前記電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断させる、
    請求項1記載の蓄電池システム。
  3. 前記電源供給制御状態に対応する温度状態となっていない場合とは、電源供給状態が正常である場合における前記電源端子の温度範囲と比較して、前記電源端子の温度が高くなっている場合及び低くなっている場合のいずれかである、
    請求項2記載の蓄電池システム。
  4. 前記温度検出素子と前記電源端子とは、熱伝導樹脂を介して熱的に結合されている、
    請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の蓄電池システム。
  5. 前記電源端子は、内部が空洞とされたオス型端子として構成されており、
    前記温度検出素子は、前記空洞内に前記熱伝導樹脂により固定配置されている、
    請求項4記載の蓄電池システム。
  6. 前記電源端子は、メス型端子として構成されており、
    前記温度検出素子は、前記メス型端子にオス型端子が挿入される側とは反対側の前記メス型端子の面に当接あるいは沿わせた状態で前記熱伝導樹脂により固定配置されている、
    請求項4記載の蓄電池システム。
  7. 前記メス型端子は、前記コネクタハウジングから抜けてしまうのを防止するために前記コネクタハウジング内で当該コネクタハウジングに係合する係合爪を有しており、
    前記温度検出素子は、前記係合爪の近傍に配置され、前記係合爪を介して伝導された熱を検出する、
    請求項6記載の蓄電池システム。
  8. 前記電源端子は、複数のメス型端子を有し、
    前記複数のメス型端子に対応づけて一つの前記温度検出素子が設けられている、
    請求項6又は請求項7記載の蓄電池システム。
  9. 前記電源端子は、前記コネクタハウジングから突設される接続ピンを有し、前記接続ピンを介して基板上に実装され、
    前記温度検出素子は、前記基板と前記接続ピンとの間に前記熱伝導樹脂を介して固定配置されている、
    請求項4記載の蓄電池システム。
  10. 前記コネクタハウジングには、前記固定配置された温度検出素子を収納する切欠きあるいは凹部が設けられている、
    請求項9記載の蓄電池システム。
  11. それぞれコネクタハウジングに収納された一対の電源端子と、充放電可能な電池セルを複数備え、前記一対の電源端子間に接続される電池ユニットと、前記電池ユニットに直列に接続され、前記電池ユニットを前記電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断可能な遮断回路と、を備えた蓄電池システムの制御方法であって、
    前記コネクタハウジングの少なくとも一方に収納され、対応する前記電源端子と熱的に結合され、当該電源端子の温度を検出して、温度検出信号を出力する温度検出素子を備え、
    前記温度検出素子を介して前記電源端子の温度を検出する過程と、
    検出した前記電源端子の温度に基づいて、前記電源端子の温度が予め記憶した正常温度範囲を逸脱したか否かを判別する過程と、
    前記電源端子の温度が前記正常温度範囲を逸脱している場合に、前記遮断回路を用いて前記電池ユニットを前記電源端子を介した電源供給路から電気的に遮断する過程と、
    を備えた蓄電システムの制御方法。
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