JP2020092587A - 電池パック - Google Patents

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泰央 山崎
Yasuhisa Yamazaki
泰央 山崎
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Abstract

【課題】充電設備側のコネクタおよび自動車側のコネクタの配置の自由度を向上することが可能な電池パックを提供する。【解決手段】車両100の駆動手段に、充放電可能な二次電池を含む電池群16から出力する電力を供給する電池パック1であって、二次電池を収容する筐体10と、車両100に設けられたコネクタ55と接続される電力供給用のコネクタ12と、電力供給用のコネクタ12とは異なるコネクタであって、二次電池を充電するための充電設備60に設けられた充電設備側コネクタ62と接続する充電用コネクタ14とを備える。【選択図】図7

Description

本発明は、電池パックに関する。
電気自動車やハイブリッドカーなど、電池パックに蓄えられる電力を用いて駆動される車両が広く普及している。このような車両に搭載される電池パックは、車両の駆動手段と接続される接続端子を有しており、車両側に電力を供給することができる。
このように車両に搭載される電池パックには、車両に対して着脱可能なものがある。例えば、特許文献1には、自動走行する無人車両に搭載される電池パックを自動で交換するシステムが開示されている。このシステムでは、電池パックを充電する際には、車体から電池パックを取り外して、電池パックに設けられたコネクタを充電設備に接続する。このとき、取り外した電池パックを充電済みの電池パックと交換することができるため、取り外した電池パックを充電している間も車両を走行させることが可能である。
特開昭59−108283号公報
しかしながら、特許文献1に記載のシステムでは、電池パックを自動車の駆動手段と接続するための電力供給用のコネクタと、充電設備と接続するための充電用のコネクタとは一体である。このため、充電設備側のコネクタおよび自動車側のコネクタの両方の配置を、電池パックの単一のコネクタの位置に合わせる必要があり、これらのコネクタの配置に対する自由度が低いという問題があった。
本発明の目的は、充電設備側のコネクタおよび自動車側のコネクタの配置の自由度を向上することが可能な電池パックを提供することである。
本発明の電池パックは、
車両に対して着脱可能であり、車載時に前記車両の駆動手段に二次電池から出力される電力を供給する電池パックであって、
前記二次電池を収容する筐体と、
前記車両に設けられたコネクタと電気的に接続される電力供給用のコネクタと、
前記電力供給用のコネクタと異なるコネクタであって、前記二次電池を充電するための充電設備に設けられたコネクタと電気的に接続される充電用のコネクタと、
前記電力供給用のコネクタと前記二次電池との間の経路が導通した状態である場合に、前記二次電池と前記充電用のコネクタとの間の経路を遮断する充電コネクタ用のリレーと、
前記二次電池と前記電力供給用のコネクタとの間に設けられたメインリレーと、
前記メインリレーと並列に接続された抵抗を含むプリチャージリレーとを備え、
前記充電コネクタ用のリレーは、前記メインリレーと前記充電用のコネクタとの間に設けられ、
前記充電設備が充電を開始するとき、前記充電コネクタ用のリレー、前記プリチャージリレー、前記メインリレーの順で導通される。
本発明によれば、充電設備側のコネクタおよび自動車側のコネクタの配置の自由度を向上することが可能である。
本発明の一実施形態に係る電池パックの外観を模式的に示す図である。 図1の電池パックの底面の構成を模式的に示す図である。 図1の電池パックを搭載する車両の一例を示す図である。 図1の電池パックを車両に固定した状態を示す側面図である。 図1の電池パックを車両に固定した状態を示す背面図である。 図1の電池パックを充電設備に載置する動作を説明するための図である。 図1の電池パックの回路構成を説明するための図である。 図1の電力供給用のコネクタの端子配置例を示す図である。 図2の充電用コネクタの端子配置例を示す図である。 図1の電池パックの接続検知について説明するための図である。 図1の電池パックを充電開始するときの動作を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、同一の機能を有する構成要素については同じ符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。
(電池パック1の外観構成)
まず、図1および図2を参照しながら、本発明の一実施形態に係る電池パック1の外観構成を説明する。図1は、電池パック1の外観を模式的に示す図である。図2は、図1の電池パックの底面の構成を模式的に示す図である。
電池パック1は、筐体10と、筐体10の一面に設けられたSDSW(Service Disconnect Switch)11と、筐体10の一面に設けられた電力供給用コネクタ12とを有する。この例では、SDSW11と、電力供給用コネクタ12とは、筐体10の同じ側面に設けられている。SDSW11は、パックケースを開けて内部の保守・整備をする際、強電ラインを遮断するためのスイッチであり、電池パック1の外部から手動で操作可能で、回路の導通/遮断を切り替える。電池パック1の筐体10は、長辺、短辺および厚みを有する直方体形状であり、長辺方向をx軸方向、厚み方向をy軸方向、短辺方向をz軸方向とする。電池パック1は、電力供給用コネクタ12とは異なるコネクタであって、充電設備と接続するための充電用コネクタ14をさらに有する。充電用コネクタ14は、電力供給用コネクタ12と異なる位置、例えば電力供給用コネクタ12と異なる面に設けられることが好ましい。図2の例では、充電用コネクタ14は、筐体10の底面10aに設けられている。
(電池パック1の車両100への固定)
図3は、図1の電池パック1を搭載する車両100の一例を示す図である。この図に示すように、電池パック1は、車両100の運転席2と荷台3との間に設置することができる。電池パック1は、SDSW11および電力供給用コネクタ12が設けられた面が、車両100の側面に向くように車両100に設置される。電力供給用コネクタ12は、車載時には、車両100の車体50に設けられた車体側コネクタ55と接続ケーブルを介して電気的に接続される。これにより、電池パック1の有する二次電池から出力される電力を車両100の駆動手段に供給することができる。
図4は、電池パック1を車両100に固定した状態を示す側面図である。図5は、電池パック1を車両100に固定した状態を示す背面図である。図4に示すように、着脱機構56は、車体50に固定されており、電池パック1の厚み方向を挟んで電池パック1が倒れないように支える2つの部材を含む。電池パック1を着脱機構56の2つの部材の間に配置して、ネジ留めなどの方法で電池パック1を着脱機構56に固定することで、電池パック1は、車体50上に固定される。
(電池パック1の充電設備60への接続)
図6は、電池パック1を充電設備60に接続した状態を示す図である。電池パック1は、車体50に対して着脱可能であり、充電する際には、車体50から取り外して充電設備60と接続する。図6(a)は、電池パック1を充電設備60に載置する途中の状態を示す側面図であり、図6(b)は、図6(a)の状態を正面から見た図である。図6(c)は、電池パック1を充電設備60に載置した状態を示す側面図であり、図6(d)は、図6(c)の状態を正面から見た図である。
充電設備60は、台座部61と、電池パック1の充電用コネクタ14と接続される充電設備側コネクタ62と、電池パック1が倒れないように支える保持手段63とを有する。保持手段63は、電池パック1を厚み方向で挟むように少なくとも2つの部材からなる。図6の例では、保持手段63は4つの部材に分かれている。なお、保持手段63は、図6で示した例に限定されず、例えば2つの部材に分かれていてもよいし、台座部61に形成された凹部であってもよい。充電設備側コネクタ62は、電池パック1が載置されたときに、電池パック1の充電用コネクタ14と対面する位置に設けられる。電池パック1の充電用コネクタ14は筐体10の底面10aに設けられているため、具体的には、充電設備側コネクタ62は、台座部61上であって、保持手段63の間に台座部61から垂直に突出するように設けられている。
以上説明したように、車両100に対して着脱可能な電池パック1は、電力供給用コネクタ12と、充電用コネクタ14とを別体のコネクタとすることで、車体側コネクタ55および充電設備側コネクタ62の配置の自由度が高まるという効果を奏する。
(電池パック1の回路構成)
図7は、電池パック1の回路構成を示す図である。図7を参照すると、電池パック1と接続される車両100は、車体50と、タイヤ51と、モータ52と、インバータ53と、VCM54とを有する。
インバータ53は、電池パック1からの直流電力を交流電力に変換する。インバータ53は、変換して得られた交流電力をモータ52など車両100の各部に供給する。モータ52は、供給された電力を用いて車両100のタイヤ51を駆動する。タイヤ51は、車両100の車体50を支持する。車両100は複数のタイヤ51を有しており、2つのタイヤ51間に接続された車軸をモータ52が回転させることにより、タイヤ51が回転する。VCM54は、車両統合コントローラの一例である。VCM54は、電池パック1、モータ52およびインバータ53などと通信線で接続されている。VCM54は、モータ52/インバータ53の状態を検知する信号や、車両の状態を検知する図示しないセンサからの信号や、電池パック1から通知される情報に基づいて、例えば車両100の駆動など車両100の全体を制御する。
電池パック1は、SDSW11と、電力供給用コネクタ12と、充電用コネクタ14と、電池群16と、メインジャンクションボックス17Aと、サブジャンクションボックス17Bと、電流センサ41と、BMS(Battery Management System)42とを有する。
SDSW11は、スイッチ48と、ヒューズ49とを有する。スイッチ48は、筐体10の外部からの手動の操作に応じて回路の導通/遮断を切り替える。ヒューズ49は、所定の閾値以上の電流が印加された場合に切断される安全装置である。
電力供給用コネクタ12は、電力供給用の強電端子部121と、制御端子122と、車体接続端子123とを有する。電力供給用の強電端子部121と、制御端子122と、車体接続端子123とは、単一のコネクタ筐体内に収容されており、電力供給用コネクタ12は、車体側コネクタ55と嵌合する形状を有する。車体側コネクタ55は、電力供給用の強電端子部121、制御端子122および車体接続端子123のそれぞれと対応する端子を有する。電力供給用コネクタ12が車体側コネクタ55と嵌合すると、対応する端子同士が電気的に接続される。
電力供給用の強電端子部121は、強電ハーネスを介して電池群16と接続されており、電力供給用コネクタ12が車体側コネクタ55と嵌合すると、インバータ53と接続され、モータ52に電力を供給することができる。制御端子122は、通信線を介してBMS42などと接続されており、電力供給用コネクタ12が車体側コネクタ55と嵌合すると、VCM54と接続される。これにより、BMS42からVCM54に情報を通知したり、VCM54からの指示をBMS42に伝送したりできるようになる。車体接続端子123は、電池パック1の筐体10と等電位となっており、電力供給用コネクタ12が車体側コネクタ55と嵌合すると、車両100の車体50と接続されて、電池パック1の筐体10と車体50とを等電位にすることができる。電力供給用コネクタ12は、後に詳述する接続検知機構を有しており、電池パック1は、車体50側と接続されたか否かを検知することができる。
充電用コネクタ14は、充電用の強電端子部141と、制御端子142とを有する。充電用の強電端子部141と、制御端子142とは、単一のコネクタ筐体内に収容されており、充電用コネクタ14は、充電設備60に設けられた充電設備側コネクタ62と嵌合する形状を有する。充電設備側コネクタ62は、充電用の強電端子部141および制御端子142のそれぞれと対応する端子を有する。充電用コネクタ14が充電設備側コネクタ62と嵌合すると、対応する端子同士が電気的に接続される。
充電用の強電端子部141は、強電ハーネスを介して電池群16と接続されており、充電用コネクタ14が充電設備側コネクタ62と嵌合すると、商用電源などの電源と接続される。これにより、充電設備60から供給される電力を電池群16に充電することができる。制御端子142は、通信線を介してBMS42などと接続されており、充電用コネクタ14が充電設備側コネクタ62と嵌合すると、充電設備60に設けられた制御部(図示せず)と接続される。これにより、電池パック1が充電設備60からの指示に従って動作することができる。
電池群16は、充放電可能な二次電池を含む。図7の例では、電池群16は、複数の電池モジュールを積層した電池スタック部160aおよび160bを有している。電池スタック部160aは、正極側端子1601および負極側端子1602を有し、電池スタック部160bは、正極側端子1603および負極側端子1604を有する。電池スタック部160aおよび160bは、図7の例では直列接続されており、電池スタック部160aの負極側端子1602と、電池スタック部160bの正極側端子1603とが電池群16の端子となる。電池スタック部160aの正極側端子1601は、強電ハーネス18dを介してSDSW11と接続されている。電池スタック部160bの負極側端子1604は、強電ハーネス18gを介してSDSW11と接続されている。これにより、電池スタック部160aの正極側端子1601と電池スタック部160bの負極側端子1604は、強電ハーネス18d、SDSW11および強電ハーネス18gを介して接続されることになる。
メインジャンクションボックス17Aは、強電ハーネス18の途中に配策されたリレーを有する。具体的には、メインジャンクションボックス17Aは、ネガティブリレー43と、ポジティブリレー44と、プリチャージリレー45と、プリチャージ抵抗46と、ヒューズ47とを有する。ネガティブリレー43の一端は、強電ハーネス18hを介して、電池スタック部160aの負極側端子1602と接続されている。ネガティブリレー43の他端は、強電ハーネス18eを介して充電コネクタ14の強電端子141と接続されており、強電ハーネス18fを介して接続端子部12の強電端子121と接続されている。これにより、ネガティブリレー43は、電池スタック部160aの負極側端子1602と強電端子141との間であって、負極側端子1602と強電端子121との間に介在することとなり、出力回路の導通/遮断を切り替える。ポジティブリレー44の一端は、強電ハーネス18cを介して、電池スタック部160bの正極側端子1603と接続されている。ポジティブリレー44の他端は、強電ハーネス18aを介して充電コネクタ14の強電端子141と接続されており、強電ハーネス18bを介して接続端子部12の強電端子121と接続されている。これにより、ポジティブリレー44は、電池スタック部160bの正極側端子1603と強電端子141との間であって、正極側端子1603と強電端子121との間に介在することになり、出力回路の導通/遮断を切り替える。プリチャージリレー45およびプリチャージ抵抗46は、ポジティブリレー44と並列に接続されて迂回経路を形成している。ネガティブリレー43、ポジティブリレー44およびプリチャージリレー45は、通信線でBMS42と接続されている。ネガティブリレー43、ポジティブリレー44およびプリチャージリレー45の導通/遮断の切り替えは、BMS42により制御される。ヒューズ47は、一端をポジティブリレー44およびプリチャージ抵抗46と接続されており、他端を強電ハーネス18aを介して充電コネクタ14に接続されている。ヒューズ47は所定の閾値以上の電流が印加された場合に切断される安全装置である。
サブジャンクションボックス17Bは、強電ハーネス18aおよび18eの途中に配策されたリレーを有する。サブジャンクションボックス17Bは、充電用コネクタ14と電池群16との間の経路の遮断と導通とを切り替える充電用コネクタ14用のリレーを有し、具体的には、ポジティブリレー48とネガティブリレー49とを有する。ポジティブリレー48とネガティブリレー49とは、電力供給用コネクタ12と電池群16との間の経路が導通した状態である場合に、電池群16と充電用コネクタ14との間の経路を遮断する。この構成により、電池パック1を車両100に取り付けている状態では、充電用コネクタ14に電圧がかからないため、安全性を向上することができる。
電流センサ41は、電流を検知する。電流センサ41は、通信線でBMS42と接続されており、検知した電流をBMS42に通知する。電流センサ41は、メインジャンクションボックス17Aと電池スタック部160aの負極側端子1602とを接続する強電ハーネス18hに挿入されている。
BMS42は、電池パック1を制御する制御部である。BMS42は、電池パック1内の各部と通信線で接続されており、電力供給用コネクタ12を介してVCM54と通信線で接続されている。BMS42は、電池パック1が車両100または充電設備60に接続されたときに、接続検知信号を出力する。具体的には、BMS42は、電力供給用コネクタ12および充電用コネクタ14のいずれか一方が接続した状態であることを検知すると、接続検知信号を出力する。電力供給用コネクタ12および充電用コネクタ14のいずれが接続されたかを問わず、一方が接続した状態で接続検知信号を出力することで、複雑な処理が必要なくなるため、電池パック1の小型化を図ることができる。またBMS42は、電池パック1の充電が行われているとき、電池群16の充電状態を監視し、電池群16が満充電状態となった場合、満充電検知信号を出力することができる。
(コネクタの端子配置例)
図8は、電力供給用コネクタ12の端子配置例を示す図である。電力供給用コネクタ12は、1つのコネクタ筐体内に、電力供給用の強電端子部121と、制御端子122と、車体接続端子123とを有している。電力供給用の強電端子部121はさらに、正極接続検知端子124Pと、負極接続検知端子124Nと、正極強電端子125Pと、負極強電端子125Nとを有する。正極接続検知端子124Pおよび負極接続検知端子124Nは、電力供給用コネクタ12が車体側コネクタ55と嵌合して、電池パック1が車両100と電気的に接続されたことを検知するための端子である。正極強電端子125Pおよび負極強電端子125Nは、電池パック1に蓄えられた電力を車両100の電気負荷に供給するための端子である。接続検知用の端子である正極接続検知端子124Pおよび負極接続検知端子124Nは、正極強電端子125Pおよび負極強電端子125Nの近傍に設けられている。これにより、正極強電端子125Pおよび負極強電端子125Nが車体側と電気的に接続されたか否かを正確に検知することが可能になる。
図9は、充電用コネクタ14の端子配置例を示す図である。充電用コネクタ14は、単一のコネクタ筐体内に収容された充電用の強電端子部141と、制御端子142とを有する。充電用の強電端子部141は、正極接続検知端子143Pと、負極接続検知端子143Nと、正極強電端子144Pと、負極強電端子144Nとを有する。正極接続端子143Pおよび負極接続端子143Nは、充電用コネクタ14が充電設備60の充電設備側コネクタ62と嵌合して、電池パック1が充電設備60と電気的に接続されたことを検知するための端子である。正極強電端子144Pおよび負極強電端子144Nは、充電設備60から供給される電力を電池パック1内の電池群16に供給するための端子である。接続検知のための端子である正極接続検知端子143Pおよび負極接続検知端子143Nは、正極強電端子144Pおよび負極強電端子144Nの近傍に設けられている。これにより、正極強電端子144Pおよび負極強電端子144Nが充電設備60側の端子と電気的に接続されたか否かを正確に検知することが可能になる。
(接続検知)
図10は、電池パック1における接続検知について説明するための図である。BMS42は、図10に示す2つのポイントP1およびP2間の電位差を監視している。例えば、ポイントP1は、電力供給用コネクタ12の接続検知回路及び充電用コネクタ14の接続検知回路の一方側電位での接続点であり、ポイントP2は、電力供給用コネクタ12の接続検知回路及び充電用コネクタ14の接続検知回路の他方側電位での接続点である。そしてBMS42は、この電位差に基づいて、電池パック1と車体50または充電設備60とが接続されたか否かを判断する。図10に示すように、電力供給用コネクタ12がケーブルを介して車体50に設けられた車体側コネクタ55と接続されると、接続検知用のループ回路が形成される。このループ回路を以下電力供給用コネクタの接続検知回路と称する。同様に、充電用コネクタ14が充電設備60の充電設備側コネクタ62と接続されると、接続検知用のループ回路が形成される。このループ回路を充電用コネクタの接続検知回路と称する。電力供給用のコネクタの接続検知回路は、2つのポイントP1およびP2間で充電用のコネクタの接続検知回路と並列に接続されている。この構成により、電力供給用コネクタ12および充電用コネクタ14の少なくともいずれか一方が接続された状態である場合、2つのポイントP1およびP2間の電位差が変化するため、BMS42は、この電位差の変化から接続を検知することができる。このように簡易な構成により、電力供給用コネクタ12および充電用コネクタ14のいずれか一方が接続されたことを検知することができ、複雑な構成が必要ないため、電池パック1自体のサイズの増大を抑制し、小型化を図ることができる。
(充電開始動作)
図11は、本発明の一実施形態に係る電池パック1を充電開始する際の動作を説明するためのフローチャートである。電池パック1のBMS42が接続検知信号を出力すると、充電設備60の制御部(図示せず)は、この接続検知信号を受信する(ステップS100)。接続検知信号を受信すると、充電設備60の制御部は、BMS42への電力の供給を開始する(ステップS101)。そして充電設備60の制御部は、BMS42に指示して、充電用コネクタ14用のポジティブリレー48およびネガティブリレー49を導通させる(ステップS102)。続いて、充電設備60の制御部は、プリチャージリレー45を導通させる(ステップS103)。その後充電設備60の制御部は、メインリレー44を導通させ(ステップS104)、プリチャージリレー45を遮断する(ステップS105)。
その後、充電設備60の制御部は、充電を開始する(ステップS106)。充電を開始した後、充電設備60の制御部は、満充電検知信号を受信したか否かを判断する(ステップS107)。満充電検知信号は、電池パック1のBMS42が、電池群16が満充電状態であることを検知した場合に出力する信号である。満充電検知信号を受信すると、充電設備60の制御部は、充電を終了する(ステップS108)。
上記の動作によれば、充電設備60が充電を開始するとき、充電用コネクタ14用のリレーであるポジティブリレー48およびネガティブリレー49、プリチャージリレー45、メインリレー44の順で導通される。すなわち、メインジャンクションボックス17A内のリレーが導通される前に、充電用コネクタ14用のリレーが収容されたサブジャンクションボックス17B内のリレーが導通される。これにより、充電を開始する際に、充電設備60側に過電流が流れることを抑制することができる。
1 電池パック
10 電池パック筐体
10a 底面
12 電力供給用コネクタ
14 充電用コネクタ
100 車両
50 車体
55 車体側コネクタ
60 充電設備
62 充電設備側コネクタ

Claims (3)

  1. 車両に対して着脱可能であり、車載時に前記車両の駆動手段に二次電池から出力される電力を供給する電池パックであって、
    前記二次電池を収容する筐体と、
    前記車両に設けられたコネクタと電気的に接続される電力供給用のコネクタと、
    前記電力供給用のコネクタと異なるコネクタであって、前記二次電池を充電するための充電設備に設けられたコネクタと電気的に接続される充電用のコネクタと、
    前記電力供給用のコネクタと前記二次電池との間の経路が導通した状態である場合に、前記二次電池と前記充電用のコネクタとの間の経路を遮断する充電コネクタ用のリレーと、
    前記二次電池と前記電力供給用のコネクタとの間に設けられたメインリレーと、
    前記メインリレーと並列に接続された抵抗を含むプリチャージリレーとを備え、
    前記充電コネクタ用のリレーは、前記メインリレーと前記充電用のコネクタとの間に設けられ、
    前記充電設備が充電を開始するとき、前記充電コネクタ用のリレー、前記プリチャージリレー、前記メインリレーの順で導通される、電池パック。
  2. 前記充電用のコネクタは、前記筐体の面のうち前記電力供給用のコネクタが設けられた面と異なる面に設けられている、請求項1に記載の電池パック。
  3. 前記充電用のコネクタは、前記筐体の底面に設けられている、請求項2に記載の電池パック。
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