JP2020167770A - バッテリモジュール、バッテリモジュールの運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常が発生したときに、セルバランス回路や内部負荷により自己放電を実施し、低い容量値で待機を行うことにより、異常が発生した状態で使用されるのを防ぐバッテリモジュール及びバッテリモジュールの運用方法を提供する。【解決手段】複数のセルが直列に接続されたセルライン１と、セルバランス回路２とを有するバッテリモジュール１００は、セルラインに接続された遮断器５と、内部負荷６と、セル及び遮断器から得られるデータに基づいて、異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段が少なくともセルのいずれかひとつに異常を検出し、さらに遮断器の異常を検出した場合に、スイッチ素子を制御し、抵抗とセルとを導通させ、放電させることによって電圧を下げる制御手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態はバッテリモジュール、及びバッテリモジュールの運用方法に関する
。

リチウムイオン電池をはじめとした二次電池には、セルやモジュールに異常が発生した
とき、スイッチを用いて回路を外部と切り離すことにより、安全性を確保することがある
。バッテリの保護素子として、ヒューズ、ＦＥＴを利用した半導体スイッチ、リレーや温
度ヒューズといった素子を挿入し、バッテリに異常が発生したときに、遮断器等を用いて
外部との切り離しを実施する。しかし半導体スイッチでは故障するとショートする可能性
、リレーでは接点の溶着など、スイッチが故障してショートのままとなり、バッテリに保
存されていたエネルギーが外部に放出可能となる恐れがある。

また従来のリチウムイオン電池では、過放電になると、金属が析出して、内部短絡が発
生し発火等の事故が発生する可能性があった。そのためセルやモジュールに異常が発生し
て回路を外部と切り離そうとした際に、さらに遮断器等に異常が発生してしまうと、その
他の処置方法がなく、電池に残っているエネルギーを放出させて、セルやモジュールと接
続されている部品及び、それらを扱う作業者に影響を与えてしまう可能性があった。

また従来技術（特開２０１５―２０１３１３）では、バッテリモジュール(文章内バッ
テリスタック)と並列に放電抵抗を設け、放電させる構造のバッテリモジュールもあるが
、セル間で容量ばらつきがある場合、放電させると一部のセルに逆電圧が加わる可能性が
あった。

本発明では各電池セルと並列に挿入された抵抗を利用することで、セル電圧が逆転する
ことを防止し、必要なセルのみを充放電することが可能とする。

特開２０１４−２２５９８８号公報 特開２０１５―２０１３１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、バッテリモジュール内に異常が発生したときに、セル
バランス回路や内部負荷により自己放電を実施し、低い容量値で待機を行うことにより、
異常が発生した状態で使用されるのを防ぐバッテリモジュールの運用方法を提供すること
である。

上記課題を解決するため、本実施形態のバッテリモジュールは、複数のセルが直列に接続
されたセルラインと、前記セルに並列接続され、抵抗と、前記抵抗と前記セルとの接続を
遮断または導通させるスイッチ素子とを備えたセルバランス回路と、前記セルラインとバ
ッテリモジュール外部とを切り離す遮断器と、内部負荷と、前記セル及び遮断器から得ら
れるデータから、異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段が前記セルの異常及
び前記遮断器の異常を検出した場合に、前記スイッチ素子を制御し、前記抵抗と前記セル
とを導通させ、放電させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第１の実施形態に係る電池の回路図。 第１の実施形態に係るセルバランス回路の回路図。 第１の実施形態に係る電池運用方法を説明したフローチャート。 第２の実施形態に係る電池運用方法を説明したフローチャート。

＜第１の実施形態＞

以下、本実施形態に係るバッテリモジュール及びバッテリモジュールの運用方法につい
て、図面に基づき説明する。

図１、図２は、本実施形態に係るバッテリモジュール１００の回路を表した図である。

バッテリモジュール１００は複数の二次電池のセル１１から成るセルライン１と、セル
バランス回路２、計測部３、ＢＭＵ４、遮断器５、内部負荷６を有している。

セルバランス回路２は各セル１１に接続されており、図２に示すように、セル１１の電
圧を均等化するための抵抗２１と、ＦＥＴ素子などのスイッチ素子２３が、各セル１１と
並列接続されている。スイッチ素子２３を開閉することにより、抵抗２１とセル１１との
接続を遮断または導通させることができる。

計測部３はセル１１と並列に接続され、各セル１１の電圧や温度を測定し、測定した値
を随時、或いは一定の時間ごとにＢＭＵ４に伝達する。

ＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）４は遮断器５および計測
部３と接続され、遮断器５及び計測部３から送出された結果に基づいて、バッテリモジュ
ール１００全体が最適な運転をできるよう監視・制御する。またセルバランス回路２と接
続され、セルバランス回路２のスイッチ素子２３を制御する。

ＢＭＵ４は、例えば各セル１１の電圧にばらつきがある場合は、最適なセルバランスに
なるよう、放電すべきセル１１と並列接続されているスイッチ素子２３に指示を出す。指
示が出されたセルバランス回路２では回路を閉じ、抵抗２１に電流が流れることで、放電
すべきセル１１の電圧が下がる。こうして個々のセルについて電圧を調節することで、電
圧のばらつきが抑えられ、セルライン１全体のセルバランスが良くなる。
また、ＢＭＵ４は後述する遮断器５に開閉指示を出す。回路の異常を検出し、セル１１と
バッテリモジュール１００の外部とを遮断すべきと判断した場合は、遮断器５に開くよう
指示を出す。
さらに、ＢＭＵ４はセル１１の中で過充電または深放電したものがあれば検出する。

遮断器５は、セル１１と直列に接続され、ＢＭＵ４からの指示に基づいて開閉を行うこ
とにより、セルライン１とバッテリモジュール１００外部との接続を遮断または導通させ
ることができる。また、計測部３に対して、遮断器５に流れている電流の値や遮断器５へ
の遮断信号結果を送出する。計測部３は遮断器５から受けた結果をＢＭＵ４に送出する。
ＢＭＵ４が遮断指示をしたにも関わらず遮断器５に電流が流れたときや遮断器５への遮断
信号が期待値と一致しないときに、ＢＭＵ４によって遮断器５に異常がある、と判定され
る。

このように、本バッテリモジュール１００は、計測部３でセル１１や遮断器５から得ら
れるデータを計測し、それに基づいてＢＭＵ４でバッテリモジュール１００内の各セル１
１、セルバランス回路２、遮断器５を監視し、異常を検出する、異常検出手段と、遮断器
５や、それぞれのセルバランス回路２内のスイッチ素子２３を制御する制御手段を有して
いる。

低温時にバッテリモジュール１００を加温するために使用されるヒータといった内部負
荷６は、セルライン１と並列に接続され、遮断器５の内側に接続されている。

なお、図１においては、ＢＭＵ４はバッテリモジュール１００内に設けられているが、
外部にあって回路に接続されていてもかまわない。また、計測部３も同様に外部にあって
回路に接続されていても良い。

次に、バッテリモジュール１００の動作を説明する。

図３は動作を表すフローチャートである。

まず、ＢＭＵ４がバッテリモジュール１００の各部を監視する。ＢＭＵ４は計測部３で
計測されたセル１１の電圧や温度、また計測部３で計測された遮断器５を流れる電流値や
遮断信号結果を受信し、その受信結果に基づいて、各セル１１、セルバランス回路２、遮
断器５に異常がないか監視をする。また、ＢＭＵ４はその監視結果に基づいて、遮断を必
要とする以上があるか否かを判断する。遮断を必要とする異常を検出しない場合は、その
まま監視を続ける（Ｓ３１、Ｎｏ）。バッテリモジュール１００内に遮断を必要とする異
常を検出した場合（Ｓ３１、Ｙｅｓ）、ＢＭＵ４は遮断器５に対し、遮断するよう指示を
出す（Ｓ３２）。ＢＭＵ４は遮断器５が正常に遮断しているか監視をする。遮断が正常に
行われた場合は、遮断を継続し、終了する（Ｓ３３、Ｎｏ）。

遮断器５が遮断を実施しているにもかかわらず、遮断器５に電流が流れていることを検
出した場合や、遮断器５への信号送出ができていないと検出した場合は、ＢＭＵ４は遮断
器５に異常が発生したと判断する（Ｓ３３、Ｙｅｓ）。

セル１１の電圧Ｖが全て電圧閾値Ｖｔｈを上回る場合（Ｓ３４、Ｙｅｓ）は、セルバラ
ンス回路２と内部負荷６のすべてを使用し、放電を実施する（Ｓ３８）。具体的に、ＢＭ
Ｕ４は、セルバランス回路２のスイッチ素子２３に閉指示を出して抵抗２１とセル１１を
導通させるとともに、内部負荷６内にも同様に電流を流してそれぞれのセル１１を放電さ
せ、各セル１１の電圧を下げる。

一部のセル１１の電圧Ｖが電圧閾値Ｖｔｈを下回る場合（Ｓ３４、ＮＯ）は、セル１１
電圧Ｖが電圧閾値Ｖｔｈを上回るセル１１のみ放電させるよう、ＢＭＵ４がそれらのセル
１１に接続されているセルバランス回路２のスイッチ素子２３に閉指示を出して、抵抗２
１とセル１１を導通させ、セルバランス回路２の抵抗２１のみによって放電させる（Ｓ３
５）。もし、その前に内部負荷６による放電をしていた場合は、ＢＭＵ４は、セル１１と
内部負荷６を接続しているスイッチに開指示を出し、内部負荷６による放電を停止させる
。

なお、電圧閾値Ｖｔｈは、正負極に金属析出をしない程度の電圧とすることが望ましい
。Ｖｔｈの値は使用しているセル１１の種類によって予め設定される。

計測部３で計測された結果から、すべてのセル１１の電圧Ｖが電圧閾値Ｖｔｈを下回っ
たことが確認できた場合（Ｓ３６、Ｙｅｓ）に、ＢＭＵ４はセルバランス回路２のスイッ
チ素子２３に開指示を出し、すべてのセル１１の放電を終了させ（Ｓ３７）、動作終了と
なる。

このようにして、バッテリモジュール１００は、ＢＭＵ４によって遮断器５の異常が確
認された場合に、セル１１を自己放電させてバッテリモジュール１００を低容量で待機さ
せることで、すぐに再使用できない状態にして、異常なままバッテリモジュール１００を
制御させて短絡などが起きるのを防げるようになる。その結果、セル１１と接続されてい
る部品や、バッテリモジュール１００及びその周辺の部品等を扱う作業者が、短絡が起こ
ることによって何らかの影響を受けるのを防ぐことができるようになる。

なお、上記のバッテリモジュール１００の運用方法は、積極的に電池の放電を行うため
、内部の金属が析出しにくく、深放電に強い電池に対してのみ有効となる。例えば負極に
ＬＴＯ（チタン酸リチウム）を採用したリチウム電池等が望ましいが、これに限ったもの
ではない。深放電させた場合に金属析出してしまう恐れのある電池では、放電による事故
を防ぐため、本発明のバッテリモジュール１００の運用方法は適さない。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、ＢＭＵ４がバッテリモジュール１００内の異常に加え遮断器５の
異常を検出した場合に、放電を開始していたが、第２の実施形態では、遮断器５の異常に
関わらず、バッテリモジュール１００内に検出した異常が予め決められた内容の異常では
ない場合に放電を開始する。

この場合のバッテリモジュール１００の回路は第１の実施形態と同様であるので省略す
る。

次に、第２の実施形態におけるバッテリモジュール１００の動作を説明する。

図４は動作を表すフローチャートである。

まず、ＢＭＵ４はバッテリモジュール１００内の各部を監視している。ＢＭＵ４は計測
部３で計測されたセル１１の電圧や温度、また計測部３で計測された遮断器５を流れる電
流値や遮断信号結果を受信し、その受信結果に基づいて、各セル１１、セルバランス回路
２、遮断器５に異常がないか監視をする。また、ＢＭＵ４はその監視結果に基づいて、遮
断を必要とする以上があるか否かを判断する。監視の結果、異常がなければ（Ｓ４１、Ｎ
ｏ）そのまま監視を続ける。もしバッテリモジュール１００内の異常を検出したら（Ｓ４
１、Ｙｅｓ）、遮断器５に開くよう指示を出す（Ｓ４２）。

異常の内容が予め定められていた内容である場合（Ｓ４３、Ｙｅｓ）は、そのまま終了す
る。異常の内容が予め定められていた内容と異なる場合（Ｓ４３、Ｎｏ）は、セル１１の
放電を開始する。この放電はセルバランス回路２や負荷を用いて行われ、順序は実施形態
１の図３、Ｓ３４以降と同様であるので説明を省く。上記の予め定められていた内容とは
、例えば電池の再使用が可能な異常であり、本件では過放電や、ＢＭＵ４に内蔵されてい
るメモリ（記憶手段）の故障、ＢＭＵ４のための電源の異常などが考えられる。天絡・地
絡や、遮断器故障といった異常は、電池の再使用は行わないため、予め定められていた内
容とは異なるため、放電を行うステップに進む。

なお、放電を行う際に、セル１１が高温になることがある。高温になっても放電を続け
ると、熱暴走してしまい、セル１１の温度が上昇し続けてしまう恐れがある。そのため、
温度計測手段（図示せず）を設けることにより、高温になり、危険な状態となるのを防ぐ
ことが可能となる。

温度計測手段は、セルライン１の近傍に設けられるのが望ましい。計測結果は一定時間
ごと、場合によっては大きく変動するなど特徴のある動きをした際などに、計測部３を経
由してＢＭＵ４に送出される。ＢＭＵ４はセル温度Ｔが予め決められた閾値Ｔｔｈより高
温か否かを判断する。セル温度Ｔ＞Ｔｔｈとなる場合、Ｔ＝Ｔｔｈとなるまで放電は一旦
停止する。そしてＴ＝Ｔｔｈとなれば、停止したところから再度放電を開始する。

なお、閾値温度Ｔｔｈとは、熱暴走する少し手前の温度であり、セル１１の種類によっ
て予め設定される。

以上に説明したように、第２の実施形態では、遮断器の開閉によらず、検出された異常
の内容によってセル１１を自己放電させ、バッテリモジュール１００を低容量で待機させ
ることで、すぐに再使用できない状態にして、異常なままバッテリモジュール１００を制
御させて短絡などが起きるのを防げるようになる。その結果、セル１１と接続されている
部品や、バッテリモジュール１００及びその周辺の部品等を扱う作業者が、短絡が起こる
ことによって何らかの影響を受けるのを防ぐことができるようになる。
また、セル１１の温度Ｔに応じて自己放電を中断させることにより、セル１１の温度Ｔ
が熱暴走温度に達してしまい危険な状態になるのを防ぐことができるようになる。

なお、上記のバッテリモジュール１００の運用方法は、第１の実施形態と同様に、積極
的に電池の放電を行うため、内部の金属が析出しにくく、深放電に強い電池に対して有効
となる。例えば負極にＬＴＯ（チタン酸リチウム）を採用したリチウム電池等が望ましい
が、これに限ったものではない。深放電させた場合に金属析出してしまう恐れのある電池
では、放電による事故を防ぐため、本発明のバッテリモジュール１００の運用方法は適さ
ない。

また、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
、そのほか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。

１ セルライン
１１ セル
２ セルバランス回路
２１ 抵抗
２３ スイッチ素子
３ 計測部
４ ＢＭＵ
５ 遮断器

Claims (6)

1. 複数のセルが直列に接続されたセルラインと、
   前記セルそれぞれに並列接続され、抵抗と、前記抵抗と前記セルとの接続を遮断または導
   通させるスイッチ素子とを備えたセルバランス回路と、を有するバッテリモジュールであ
   って、
   前記セルラインに接続された遮断器と、
   内部負荷と、
   前記セル及び遮断器から得られるデータに基づいて、異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段が少なくとも前記セルのいずれかひとつに異常を検出し、さらに前記遮
   断器の異常を検出した場合に、前記スイッチ素子を制御し、前記抵抗と前記セルとを導通
   させ、放電させることによって電圧を下げる制御手段と、
   を備えたバッテリモジュール。
2. 全ての前記セルの電圧が予め定められた閾値を上回る場合には、さらに前記内部負荷も用
   いて放電し、
   その後一部の前記セルの電圧が前記閾値より小さくなった場合に、電圧が前記閾値以上の
   前記セルのみを前記抵抗のみにより放電することを特徴とする、請求項１に記載のバッテ
   リモジュール。
3. 前記セルの負極にはＬＴＯ（チタン酸リチウム）が用いられていることを特徴とする、請
   求項１〜２のいずれか１項に記載のバッテリモジュール。
4. 複数のセルが直列に接続されたセルラインと、
   前記セルそれぞれに並列接続され、抵抗と、前記抵抗と前記セルとの接続を遮断または導
   通させるスイッチ素子とを備えたセルバランス回路と、を有するバッテリモジュールであ
   って、
   前記セルラインに接続された遮断器と、
   内部負荷と、
   前記セル及び遮断器から得られるデータから、異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段が、予め定められた内容とは異なる異常を検出した場合に、前記スイッ
   チ素子を制御し、前記抵抗と前記セルとを導通させ、放電させることによって電圧を下げ
   る制御手段と、
   を備えたバッテリモジュール。
5. 前記セルの温度を計測する温度計測手段をさらに有し、
   前記温度計測手段で計測した結果、少なくともひとつの前記セルが予め定められた閾値を
   上回る温度となった場合に、前記スイッチ素子を制御し、前記抵抗と前記セルとを遮断さ
   せ、放電を止めるとともに、前記セルが予め定められた閾値と同じ温度となった場合に、
   前記スイッチ素子を制御し、前記抵抗と前記セルとを導通させることにより放電を再開さ
   せることによって電圧を下げる制御手段と、
   を備えた請求項４に記載のバッテリモジュール。
6. 複数のセルが直列に接続されたセルラインと、前記セルそれぞれに並列接続され、抵抗と
   、前記抵抗と前記セルとの接続を遮断または導通させるスイッチ素子とを備えたセルバラ
   ンス回路と、前記セルラインとバッテリモジュール外部とを電気的に遮断する遮断器と、
   内部負荷と、を有するバッテリモジュールの運用方法であって、
   前記セル及び遮断器から得られるデータを計測し、
   少なくとも前記セルのいずれかひとつに異常を検出し、さらに前記遮断器の異常を検出し
   た場合に、前記スイッチ素子を制御し、前記抵抗と前記セルとを導通させ、放電させるこ
   とによって前記セルの電圧を下げることを特徴とする、バッテリモジュールの運用方法。

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