JP2020187993A - Secondary battery system and in-wheel electric system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池システム及びこれを用いたホイール内電動システムに関し、特にインダクタンス低減に関する。 The present invention relates to a secondary battery system and an in-wheel electric system using the same, and particularly to reducing inductance.
従来から、電池の寄生インダクタンスを下げて高周波帯での応答性を向上させる検討が行われてきた。例えば、特許文献1は、電池を配線するバスバーを対向構造とすることで、逆方向の電流によって磁界をキャンセルし、電池システムとしてインダクタンスを下げる方法が開示されている。 Conventionally, studies have been conducted to reduce the parasitic inductance of the battery to improve the responsiveness in the high frequency band. For example, Patent Document 1 discloses a method of reducing the inductance as a battery system by canceling a magnetic field by a current in the opposite direction by forming a bus bar for wiring a battery into a facing structure.
特許文献1では、電池配線のインダクタンスを低減する方法が示されているが、電池内部のインダクタンス低減には言及されていない。電池を複数を直列化して使用した場合、電池内部のインダクタンスは電池の直列数分増加してしまう。この場合、電池内部のインダクタンスが、システム全体に悪影響を及ぼす虞がある。従って、電池内部のインダクタンスを低減する必要がある。 Patent Document 1 describes a method of reducing the inductance of the battery wiring, but does not mention the reduction of the inductance inside the battery. When a plurality of batteries are used in series, the inductance inside the batteries increases by the number of batteries in series. In this case, the inductance inside the battery may adversely affect the entire system. Therefore, it is necessary to reduce the inductance inside the battery.
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。 The features of the present invention for solving the above problems are as follows, for example.
互いに電気的に直列に接続される複数の電池セル(300)と、
複数の電池セルから供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路部(903)と、
電力変換回路部と複数の電池セルを電気的に接続するバスバー(511)と、
複数の電池セルと電力変換回路部と前記バスバーの収納空間を形成しかつシャフト(920)と接続するホイール部(914)と、を備え、
複数の電池セルのそれぞれは、各電池セルの電池格納部から突出したタブ群(301、302)を有し、
タブ群は、隣接する電池セル間の異極のタブ同士を接続した端子部(304、305)を有し、
バスバーは、端子部に対向するとともに、端子部の配列方向に沿って延在し、当該バスバーの電流の流通方向が接続面を流通する電流とは逆方向になるようにタブ群と接続されるホイール内電動システム。
A plurality of battery cells (300) electrically connected in series with each other,
A power conversion circuit unit (903) that converts DC power supplied from multiple battery cells into AC power, and
A bus bar (511) that electrically connects the power conversion circuit and multiple battery cells,
It is provided with a plurality of battery cells, a power conversion circuit unit, and a wheel unit (914) that forms a storage space for the bus bar and connects to a shaft (920).
Each of the plurality of battery cells has a tab group (301, 302) protruding from the battery storage portion of each battery cell.
The tab group has terminal portions (304, 305) for connecting tabs of different poles between adjacent battery cells.
The bus bar faces the terminal portion and extends along the arrangement direction of the terminal portion, and is connected to the tab group so that the current flow direction of the bus bar is opposite to the current flowing through the connection surface. In-wheel electric system.
本発明により、低インダクタンスの電池システムが提供できる。 The present invention can provide a low inductance battery system.
[実施例1]
以下、図面等を用いて、本発明の実施例について説明する。以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
[Example 1]
Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions, and within the scope of the technical idea disclosed in the present specification, those skilled in the art will use it. Various changes and modifications are possible. Further, in all the drawings for explaining the present invention, those having the same function may be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted.
図1(a)は、本発明の一実施例に係る電極群20の内部構造を示す分解斜視図である。図1(b)は、本発明の一実施例に係る電極群20の組図である。本実施形態に係る電池は、リチウムイオン電池を想定しているが、電池材料はそれに限られない。
FIG. 1A is an exploded perspective view showing the internal structure of the
図1(a)に示されるように、電極群20は、負極10と正極11とセパレータ12とから構成される。負極接合部13は、負極10と接続されかつ外部との電流経路となる。
正極接合部14は、正極11と接続されかつ外部との電流経路となる。図1(a)及び図1(b)で示されるように、2つのセパレータ12は、正極11を挟むように配置され、セパレータ12のうち、いずれか一方の面に負極10が配置される。
As shown in FIG. 1A, the
The
負極10、正極11及びセパレータ12は、不図示のリチウム塩を溶解させた電解液で満たされる。この電解液を介してイオンの伝導を行われる。例えば、ラミネート型の電池では、電池20を多積層並列させる。そして、電極群20のそれぞれの負極接合部13と正極接合部14を集約し、溶接等で一体化することで電池セルを形成する。
なお、本実施形態に係る正極11は、(a)l箔にニッケル-マンガン-コバルトの三元系正極材料(NMC)に代表される正極活物質と導電助剤をバインダーにて結着され塗布される。また、本実施形態に係る負極10は、Cu箔にグラファイトに代表される負極活物質と導電助剤をバインダーにて結着され塗布される。
The
In the
図2(a)は、本発明の一実施例に係る電池セル100の分解斜視図である。図2(b)は、本発明の一実施例に係る電池セル100の組図である。図2(a)では、電極群20が3つ積層された例が示されているが、電極群20の積層数はこれに限定されない。
FIG. 2A is an exploded perspective view of the
また、本実施例では、ラミネート電池を適用した例を示しているが、電池の種類はラミネート電池に限定されず、角型等の電池でもよい。 Further, in this embodiment, an example in which a laminated battery is applied is shown, but the type of battery is not limited to the laminated battery, and a square battery or the like may be used.
図2(a)に示されるように、電極群20のセパレータ10が、他の電極群20の負極10と対向するように同方向を向いて積層される。これにより、積層された電極群20は、一方の面にセパレータ11が配置され、他方の面に負極10が配置されることとなる。さらに、セパレータ11が配置される面と対向するように、新たに負極10が積層される。これにより、電池セル100の内部では、両面に負極が配置される。
As shown in FIG. 2A, the
次に、多積層された負極接合部13と、負極タブ101とを溶接等で接合する。負極タブ101は、外部回路と接続する。
Next, the multi-layered negative electrode
負極タブ101は、例えば0.2mmとある程度の厚みを持った板が好ましい。負極タブ101は、銅等が材料として用いられ、Niメッキ等で腐食処理してもよい。
The
正極11も同様に、多積層させ集約した正極接合部14と正極タブ103を溶接等で接合する。
Similarly, for the
正極タブ103は、例えば0.2mmとある程度の厚みを持った板が好ましい。また、正極タブ103は、Alなどが材料として用いられる。
The
負極タブ101と正極タブ103は、ラミネートで密閉するため、シール材104が配置される。ここで、負極タブ101(正極タブ103)とシール材とを一体に形成してもよい。これらをラミネートシート105により、両側から挟み、熱溶着することでシールされる。
Since the
これにより、ラミネートシート105上には、絶縁と密閉を可能にするシール材がコーティングされているため、シール材104と接着し電解液の漏れを防ぐことができる。
As a result, since the
図3を用いて、電池の等価回路モデルに関して説明する。 The equivalent circuit model of the battery will be described with reference to FIG.
図3は、本発明の一実施例に係る電池の等価回路図である。なお、今回は高周波帯での
特性を議論するため、高周波帯で関連する等価回路モデルのみを記載している。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a battery according to an embodiment of the present invention. This time, in order to discuss the characteristics in the high frequency band, only the equivalent circuit model related to the high frequency band is described.
図3中の等価回路200は、電極群20に対応している。図3に示されるように、タブ近傍の電池の電極材料由来の等価回路200は、電池の起電力201と、電気二重層形成の反応によるキャパシタンス202と電極活物質の電荷移動抵抗203の並列回路、電極内のインダクタンス204とインダクタンス部抵抗205の並列回路及び電池の電解液抵抗や部材の抵抗の総和である直流抵抗206から構成されている。
The
電極全体では、電極材料由来の等価回路200が、抵抗208を介して、外部回路に対してタブ等を含む配線由来のインダクタンス207と接続している。ここで、タブとは、負極タブ101及び正極タブ102のことを指す。
In the entire electrode, the
タブから遠いほど箔のインダクタンス209の影響を受ける。したがって、タブから遠い部分zでの電極材料由来の等価回路210は、箔のインダクタンス209が電極長さの分積算されていく。
The farther from the tab, the more affected by the
インダクタンスによるインピーダンスの絶対値は下記式(1)で表現される。ωは周波数、Lはインダクタンス値を示している。
Z=ωL (1)
式(1)より、高周波帯ではインダクタンス209の影響を大きく受け、高インピーダンスになってしまう。そのため、タブから遠い部分の電極材料から電力を供給することは困難である。つまり、高周波帯で応答できるのはタブ近傍である。
The absolute value of impedance due to inductance is expressed by the following equation (1). ω indicates the frequency and L indicates the inductance value.
Z = ωL (1)
From the equation (1), the high-frequency band is greatly affected by the
平滑キャパシタと比較すると、電池は、電気二重層形成の反応によるキャパシタンスのみでも十分な容量があり、タブ近傍の容量のみでも十分である。従って、タブのインダクタンス207を低減することが有効であると考えられる。
Compared to the smoothing capacitor, the battery has a sufficient capacity only by the capacitance due to the reaction of the electric double layer formation, and the capacitance near the tab alone is sufficient. Therefore, it is considered effective to reduce the
図4(a)及び図4(b)を用いて、電池セル300のタブ近傍のインダクタンスを低減させる方法を説明する。 図4(a)は、本発明の一実施例に係る高周波対応電池セル300の分解斜視図である。 図4(b)は、本発明の一実施例に係る高周波対応電池セル300の組図である。
A method of reducing the inductance in the vicinity of the tab of the
図4(a)、図4(b)に示されるように、負極タブ301と正極タブ302は、ラミネートシート105の一端面から、同方向に突出するよう配置される。負極タブ301と正極タブ302は、電極群20の積層方向と同じ方向に積層している。絶縁板303は、負極タブ301と正極タブ302の間に配置される。負極タブ301は、負極端子部304を有しており、正極タブ302は、正極端子部305を有している。負極端子部304は、正極タブ302が配置されている方向と反対側に折り曲がるように形成されている。正極タブ302は、負極端子部304と反対方向に折れ曲がるように形成されている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
電池セル300の内部構造は、図2で示される電池セル100と同様に、負極13と電極群20が3積層された構成を示している。
Similar to the
負極タブ101と正極タブ103と同様に、負極タブ301及び負極接合部13、並びに正極タブ302及び正極接合部14は、それぞれ互いに接続する。
Similar to the
正極タブ302と負極タブ301は、負極接続部306のような突出した部分を備える。正極タブ302も同様に、正極タブ接合部307を備える。負極突出部306と正極突出部307の形状は限定されないが、電極群20の積層方向から見た場合に、重ならない位置に配置されることで、絶縁性を確保することができる。
The
このような構造にすることで、正極タブ309と負極タブ301が重なる領域において、
正極タブ302と負極タブ301を流れる電流が反対方向に流れることになるため、インダクタンスを小さくすることができる。
With such a structure, in the region where the positive electrode tab 309 and the
Since the currents flowing through the
負極タブ101及び正極タブ103と同様に、負極タブ301と正極タブ302には、ラミネートで密閉するため、シール材308が配置される。これらをラミネートシート105により、両側から挟み、熱溶着することでシールされる。
Similar to the
図5を用いて、電池の直列化配線に関して説明する。図5は、本発明の一実施例に係る高周波対応電池の直列化配線を示す図である。 The serial wiring of the battery will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing serial wiring of a high frequency compatible battery according to an embodiment of the present invention.
端子部304及び端子部305は、電池セル300を直列化するための面として機能する。つまり、端子部304及び端子部305は、端子部304及び305の面に対して垂直方向に互いに重なる領域を備える。この端子部304、305を直列化するための溶接点として使用することで直列化が容易となり、製造性が向上する。
The
この構成のメリットを、図6(a)及び図6(b)を用いて説明する。 The merits of this configuration will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
図6(a)は、2つの電池セル300の直列配線とバスバー500の接続構造を示す図である。図6(b)は、バスバー500を配線した際の構成を示す図である。単純に直列化配線をするのみでは、負極端子部304及び正極端子部305に起因するインダクタンスが直列数分増加してしまう。したがって、低インダクタンス化するためには、負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305に起因するインダクタンスも低減することが重要である。
FIG. 6A is a diagram showing a series wiring of two
本実施例では、図6(b)に示されるように、バスバー511を負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305と最も広い面で対向するように配置する。これにより、直列化した電池を流れる電流501とバスバーを流れる電流502とが逆方向となるため、インダクタンス低減効果が期待できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6B, the
このように、電池内部でのインダクタンス低減及び直列化でのインダクタンス低減を実現する構造を用いることで配線インダクタンス207(図3参照)を低減でき、高周波応答が可能になる。 As described above, by using the structure that realizes the inductance reduction inside the battery and the inductance reduction by serialization, the wiring inductance 207 (see FIG. 3) can be reduced, and the high frequency response becomes possible.
なお、図6(a)では不図示であるが、バスバー511とタブの間に絶縁処理が必要な場合は、間に絶縁体を配置することが望ましい。
Although not shown in FIG. 6A, if an insulating treatment is required between the
本発明の一実施例に係る電池モジュール500の構成を図7(a)から(c)を用いて説明する。
The configuration of the
図7(a)は、本発明の一実施例に係る電池モジュール500展開斜視図である。図7(b)は、本発明の一実施例に係る電池モジュール500の展開斜視図である。図7(c)は、本発明の一実施例に係る電池モジュール500の外観斜視図である。
FIG. 7A is a developed perspective view of the
図7(a)に示されるように、複数の電池セル300は、所定の電池セル300の正極タブ端子部305と、隣接する電池セル300の負極タブ端子部304とが重なり合うように積層される。金属板507は、複数の電池セル300の積層方向の両端から、電池セル300を挟むように配置される。金属板507と電池セル300とは、ビス等の固定部材508により固定される。
As shown in FIG. 7A, the plurality of
バスバー511は、負極側バスバー504及び正極側バスバー505により構成される。負極側バスバー504及び正極側バスバー505は、負荷接続部513を備えており、それぞれ外部装置、または他の電池モジュール500に接続される。バスバー511は、上述したように、負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305に対向させる形で配線する。
The
負極側バスバー504は、中継導体510を介して、負極タブ端子部304に接続される。同様に、正極側バスバー505は、中継導体510を介して、反対側の外側に位置する正極タブ端子部305に接続される。
The negative electrode
負極側に配置される中継導体510は、一方が負極バスバー504と接続し、他方が負極タブ端子部304と接続される。
One of the
正極バスバー505及び負極バスバー504は、固定部材515により絶縁体506に固定される。固定部材515は、ビスにより固定される構成としているが、これに限定されない。
The positive
図7(b)に示されるように、絶縁体506は、負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305とバスバー511の間に配置される。これにより、絶縁を確保することができる。
As shown in FIG. 7B, the
絶縁部材506は、バスバー511と負極端子部304が接続するために、端部に中継導体510の幅分だけ高さ方向が低い部分を持つ。これにより、絶縁体506を固定部材508により(図7(c)参照)固定することができ、製造性が向上する。また、負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305の端部を覆うことができるため、絶縁の信頼性が向上する。
Since the
なお、図7(c)においては、負荷接続部512、負荷接続部513がバスバー511の中央に配置されているが、負荷接続部の位置はこの位置に限定されない。もっとも、負荷接続部503が中央に配置されることによって、負極側バスバー504と、正極側バスバー505を共通化することができるため、部品点数を削減することができる。
In FIG. 7C, the
また、本実施例では、中継導体510を用いているが、必ずしもこれを設ける必要はない。例えば、バスバー511と接続する負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305を、バスバー511方向に傾けることによって、電気的接続を確保することができる。また、バスバー511及び中継端子510を一体とする構成としてもよい。これらにより、部品点数を低減することができ、製造工数を低減することができる。
Further, in this embodiment, the
もっとも、中継導体510を用いることにより、確実にバスバー511と負極タブ端子部304及び正極タブ端子部305とを接続することができるため、接続信頼性を向上することができる。
However, by using the
図8に、本発明の一実施例に係る電池を適用したモータシステムを示す。インバータ601は、電池602から電力が供給され、モータ600を駆動する。一般的にインバータに電池から電力を供給する際には、電池とインバータ間に平滑キャパシタを並列接続する必要がある。
FIG. 8 shows a motor system to which a battery according to an embodiment of the present invention is applied. The
本実施例の低インダクタンス電池を使用することで、電池が高周波の電力を出力可能になるため、平滑キャパシタを削減することができる。これにより、システムとしての出力密度の向上及び部品点数削減によるコスト低減という効果を奏する。 By using the low-inductance battery of this embodiment, the battery can output high-frequency power, so that the smoothing capacitor can be reduced. This has the effect of improving the output density of the system and reducing the number of parts to reduce costs.
[実施例2]
実施例1では、負極タブ301及び正極タブ302を用いた例を示したが、本実施例では、負極タブ301及び正極タブ302を用いない場合のインダクタンスを低減させる配線に関して説明する。
[Example 2]
In the first embodiment, an example using the
実施例1の対向タブ構造をとらずとも、直列化が少ない電池システムにおいては目標のインダクタンス値を下回ることが可能な場合がある。その際には、配線のみを対向させて低インダクタンス化を図ることが有効である。 Even if the opposed tab structure of the first embodiment is not adopted, it may be possible to fall below the target inductance value in a battery system with few serializations. In that case, it is effective to reduce the inductance by facing only the wiring.
図9(a)は電池セル810を直列化した電池モジュール800の分解斜視図である。図9(b)は電池セル810を直列化した電池モジュール800の組図である。
FIG. 9A is an exploded perspective view of the
電池セル810は、対向させていない負極タブ811と正極タブ812を有している。この正負極のタブを、中継導体801を介して接合することで直列化を行っている。
The
図9(a)に示されるように、中継導体801は、正負タブと対向する接続部802を有している。一方の接続部802が、正極タブ811と接続し、他方の接続部802が負極タブ812に接続することで、正負極タブを接続する。
As shown in FIG. 9A, the
バスバー803は、図9(a)のA方向から見た場合、中継導体801と重なるように形成され、配置される。これにより、実施例1と同様に電池の直列方向に流れる電流804とバスバー803を流れる電流812が逆方向になるため、インダクタンスを低減できる。なお、バスバー803と中継導体801との間に、絶縁体を配置してもよい。(不図示)
なお、図9(a)では2つの電池間の配線と、その前後の電池への配線部分のみを示しているが、直列数は任意の値で良い。また、本実施例では、コの字形状に形成された中継導体801の例を示したが、その形状はコの字に限定されない。また、バスバー803の形状も、電流804とバスバー803を流れる電流805が逆方向となるように形成されていればよく、その形状は限定されない。もっとも、本実施例に示した形状は、配線距離が最短となるため、配線抵抗を低減できる。
The
Note that FIG. 9A shows only the wiring between the two batteries and the wiring portions to the batteries before and after the wiring, but the number of series may be any value. Further, in this embodiment, an example of the
[実施例3]
パワーホイールシステムを搭載した電気自動車の構成を図10に示す。電気自動車900は、複数のパワーホイール901を備える。パワーホイール901は、モータ902とインバータ903とパワー型電池904を内蔵しており、電力線を介して車体内に搭載されている容量型電池905と並列接続されている。インバータ903、パワー型電池904、容量型電池905は、ECU906(“ECU”は“Electronic Control Unit”の略)によって制御される。本実施例は複数のパワーホイールとして4つの車輪全てにパワーホイールを搭載する構成としているが、パワーホイールの数は任意の数でよい。
ここで、モータジェネレータ902は交流機、例えば、誘導機や同期機である。パワー型電池904および、容量型電池905からインバータ903へは直流電力が出力される。インバータ903は、パワー型電池904および容量型電池905から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ903が出力する三相交流電力によって、モータジェネレータ902が電動機として回転駆動される。これにより、電気自動車900が走行する。
[Example 3]
FIG. 10 shows the configuration of an electric vehicle equipped with a power wheel system. The
Here, the
容量型電池905だけではモータジェネレータ11への供給電力が不足する場合、例えば電気自動車900の加速時などにおいては、パワー型電池904からも、インバータ903を介してモータジェネレータ902に電力が供給される。本実施例では、容量型電池905とパワー型電池904は単純な並列接続の関係になっているが、両者の電流配分制御等が可能になるリレーやDC/DCコンバータ等を配置し、アクセル等と連動して電流分配制御することも可能である。これは要求されるシステム要求によって決定される。
When the power supply to the
電気自動車900の減速時あるいは制動時などにおいて、すなわちモータジェネレータ902の回生時において、モータジェネレータ902で発電される交流電力は、インバータ903を整流装置として動作させることにより直流電力に変換され、パワー型電池904および、容量型電池905に蓄電される。
During deceleration or braking of the
電気自動車900の駐車時には、容量型電池905およびパワー型電池904は、図示しない充電装置によって充電される。
When the
パワー型電池904は、容量型電池905よりも、出力密度に優れるがエネルギー密度,容量(Ah)は小さい。もしくは、コストを軸とすると、エネルギー(kWh)当たりのコストは容量型電池904よりも高いものの、出力(kW)当たりのコストが容量型電池905よりも安いという特徴を有する。このようなパワー型電池904としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが適用される。また、パワー型電池905に代えて、これと同様の高出力特性を有するリチウムイオンキャパシタや電気二十層キャパシタなどの蓄電装置(言わば、パワー型蓄電装置)を用いても良い。なお、以下においては、これらの電池およびキャパシタを含めて、「パワー型電池」と総称する。
容量型電池905は、パワー型電池904よりも出力密度は劣るものの、エネルギー密度に優れ容量(Ah)が大きい。もしくは、コストを軸とすると、出力(kW)当たりのコストはパワー型電池904よりも高いものの、エネルギー(kWh)当たりのコストがパワー型電池904よりも安いという特徴を有する。このような容量型電池905としては、リチウムイオン電池、リチウムイオン半固体電池、リチウム固体電池、鉛電池、ニッケル亜鉛電池などが適用される。
The
Although the
上記のように、本実施例では、パワー型電池904および容量型電池905を併用して、使用する電池全体として、電池容量を確保しながらも電池出力を高めるといった出力容量性能の最適化と、要求性能(kWh、kW)に対するコストの最適化が可能となる。このようなシステムは、性能の最適化が可能であるため、容量型電池のみを使用するのに比べ負荷軽減が可能なシステム構成である。
As described above, in this embodiment, the
図11は、本実施形態に係るパワーホイール901の分解斜視図である。図12は、本実施形態に係るパワーホイール901の全体斜視図である。
FIG. 11 is an exploded perspective view of the
モータ910は、ステータ911と、ロータ912と、により構成される。ロータ912は、タイヤ913を支持するロータフレーム914を有する。シャフト920は、ロータフレーム914に接続される。
The
インバータ903は、パワー型電池904から供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をステータ911に伝達する。インバータ903は、U相交流電流を出力するU相パワー半導体モジュール930Uと、V相交流電流を出力するV相パワー半導体モジュール930Vと、W相交流電流を出力するW相パワー半導体モジュール930Wと、直流電力を平滑化するコンデンサモジュール931と、コンデンサモジュール931と3相のパワー半導体モジュールを接続する直流バスバー932と、により構成される。インバータ903の詳細構造は、後述する。
The
本実施形態におけるパワー型電池904は、前述の実施例にて説示した電池ユニット904Aないし904Fを6つ設ける。6つの電池ユニット904Aないし904Fは、シャフト920を中心に周方向に並べられる。
The
図13は、パワー型電池904からインバータ903までの電流経路を構成する電気回路の全体斜視図である。図14は、図13の電気回路を矢印方向から見た上面図である。図15は、図12の平面Sによる断面を矢印方向から見た断面図である。
FIG. 13 is an overall perspective view of an electric circuit constituting a current path from the
図14に示されるように、第1電池側バスバー941Aは、後述するリレー正極端子943Aと電池ユニット904Aの正極端子510Aを接続する。
As shown in FIG. 14, the first battery-
第2電池側バスバー941Bは、電池ユニット904Aの負極端子509Aと電池ユニット904Bの正極端子510Bとを接続する。
The second battery
第3電池側バスバー941Cは、電池ユニット904Bの負極端子509Bと電池ユニット904Cの正極端子510Cとを接続する。
The third battery-
第4電池側バスバー941Dは、電池ユニット904Cの負極端子509Cと電池ユニット904Dの正極端子510Dとを接続する。
The fourth battery-
第5電池側バスバー941Eは、電池ユニット904Dの負極端子509Dと電池ユニット904Eの正極端子510Eとを接続する。
The fifth battery-
第6電池側バスバー941Fは、電池ユニット904Eの負極端子509Eと電池ユニット904Fの正極端子510Fとを接続する。
The sixth battery-
第1電池側バスバー941A等の6つのそれぞれのバスバーは、シャフト920を中心とした円弧状に形成される。
Each of the six bus bars, such as the first battery-
第7電池側バスバー941Gは、電池ユニット904Dの負極端子509Fと接続される。さらに第7電池側バスバー941Gは、絶縁部材944を挟んで第1電池側バスバー941Aないし第6電池側バスバー941Fと対向するように円環状に形成され、リレー負極端子943Bと接続される。
The seventh battery
これにより、第7電池側バスバー941Gと第1電池側バスバー941Aないし第6電池側バスバー941Fの積層化が図れ、互いに流れる電流により生じる磁界を打ち消しあい、配線インダクタンスの低減を図ることができる。
As a result, the 7th battery
また第1電池側バスバー941A等は、シャフト920と電池ユニット904Aないし904Fの間に配置される。つまり第1電池側バスバー941A等は、電池ユニット904Aないし904Fよりもシャフト920に近い内周側に配置される。
Further, the first battery
これにより、第1電池側バスバー941A等の配線長さを短くすることができ、配線インダクタンスを小さくすることができる。
As a result, the wiring length of the
またシャフト920は、回転するベアリング等からの熱が伝達するので高温になる傾向がある。一方、電池ユニット904Aないし904Fは他の部品に比較して厳しい耐熱条件となる傾向がある。そこで、第1電池側バスバー941A等がシャフト920と電池ユニット904Aないし904Fの間に配置されることにより、第1電池側バスバー941A等の周辺に断熱空間として機能する空気層が形成され、電池ユニット904Aないし904Fがシャフト920からの熱から守ることができる。
Further, the
また電池ユニット904Aないし904Fは、シャフト920から遠ざかるほど、その幅が大きくなるように形成される。この幅とは、シャフト920を中心にした周方向の幅である。これにより、電池ユニット904Aないし904Fの集積率を向上させることができ、パワー型電池904の容量を向上させることができる。
Further, the
リレー側バスバー942は、リレー943を介して中継バスバー945と接続される。ホイール内に、パワー型電池904からインバータ903までの電気回路を配置すると、パワー型電池904からモータ910までの配線が近くなり、回生電力が損失が少ない状態で伝達される。一方で、回生電力等によりパワー型電池904の過充電や過電流によりパワー型電池904の過温度に対して十分な対策を講じる必要がある。
The relay
そのため、本実施形態に係るパワーホイール901は、パワー型電池904からインバータ903までの経路の途中にリレー943を設けている。また本実施形態に係るリレー943は。例えば機械式のリレーを用いる。半導体リレーは、幅広面が形成することができて冷却しやすいというメリットはあるが、パワーホイール901が長期間駆動しない場合には、半導体リレーを介して漏れ電流が流れてしまい、パワー型電池904の電圧が低下してしまうおそれがある。
Therefore, the
そこで本実施形態に係るリレー943は、機械式のリレーを用いている。また機械式のリレーは形状が複雑になり冷却がしにくという点については、リレー943をパワー型電池904と同階層に配置することで対策している。つまり、パワー型電池904とリレー943は、図15に示される第1ベース945と車体側ベース940との間に配置される。またリレー943は、シャフト920の軸方向において、パワー型電池904と重なるように配置される。つまりリレー943は、電池ユニット904Aないし904Fと周方向に沿って並べられる。
Therefore, the
これにより、耐熱温度が低いリレー943であっても、他の発熱部品からの熱を遮熱しやすくなり、電気回路の信頼性を向上させることができる。
As a result, even in the
図16は、本実施形態に係る第1ベース945の全体斜視図である。
FIG. 16 is an overall perspective view of the
第1貫通孔946は、シャフト920を通すために形成される。第2貫通孔947は、リレー側バスバー942を通すために形成される。第3貫通孔948は、U相パワー半導体モジュール930Uから延びる制御端子を通すために形成される。第4貫通孔949は、V相パワー半導体モジュール930Vから延びる制御端子を通すために形成される。第5貫通孔950は、W相パワー半導体モジュール930Wから延びる制御端子を通すために形成される。基板固定部951は、図15に示される回路基板952を固定するために形成される。
The first through
図15に示されるように、第1ベース945は、軸方向に突出する突出部961を形成し、この突出部961が後述するステータコア955と接触することにより支持される。
As shown in FIG. 15, the
第1ベース945は、金属材料により構成され、U相パワー半導体モジュール930U等からの電磁ノイズが回路基板952に入ることを抑制することができる。
The
また第1ベース945は、6つの電池ユニット904Aないし904F及び回路基板952を支持する。この第1ベース945は、パワー型電池904や回路基板952で生じる熱を放熱する効果も有する。
The
また回路基板952は、第1電池側バスバー941A等の電池側バスバーと第1ベース945との間に配置されることにより、信号配線が短くなり小型化を図ることができる。
Further, by arranging the
図15に示されるように、電流センサ953Uは、U相パワー半導体モジュール930Uに入力及び出力されるU相交流電流を検出する。電流センサ953Wは、W相パワー半導体モジュール930Wに入力及び出力されるW相交流電流を検出する。不図示の電流センサ953Vも同様に、V相パワー半導体モジュール930Vに入力及び出力されるV相交流電流を検出する。
As shown in FIG. 15, the
図15に示されるように、ステータ911は、コイル954と、コイル954を収納するステータコア955と、により構成される。ステータ911は、空隙956を挟んでロータフレーム914と対向する。
As shown in FIG. 15, the
筐体957は、シャフト920から見て内周側にU相パワー半導体モジュール930U等を収納する第1収納部957Aを形成する。また筐体957は、シャフト920から見て外周側にステータ911を固定するステータ固定部957Bを形成する。さらに筐体957は、第1収納部957Aとステータ固定部957Bとの間に電流センサ953U等の電気部品を収納するための第2収納部957Cを形成する。
The
第1収納部957Aは、U相パワー半導体モジュール930Uを冷却するための冷媒が流れる流路形成体としても機能する。第1収納部957Aが流路形成体として機能した場合、ステータ固定部957Bと第2収納部957Cの熱を冷媒に伝熱させることができる。これにより、ステータ911や電流センサ953U等の電気部品の放熱性を向上させることができる。
The first
図15に示されるように、ハブ958は、ロータフレーム914と接続されるとともに、ベアリング959を介してシャフト920に支持される。また車体側ベース940は、ータフレーム914と接続されるとともに、ベアリング960を介してシャフト920に支持される。
As shown in FIG. 15, the
なお、ハブ958が高速回転する場合、ベアリング959は高温になることもあるが、前述の筐体957の第1収納部957Aが流路形成体として機能することで、パワーホイール901内のパワー型電池904等の電気部品を熱から守ることができる。
When the
[実施例4]
実施例4では電池の配置によって低インダクタンス化を実現できる構成に関して述べる。
[Example 4]
In the fourth embodiment, a configuration capable of achieving low inductance by arranging the batteries will be described.
図17は、本実施例に係る電池1100同士の接続構造を示す図である。電池1100は、実施例1で述べた対向タブ構造をしていないため、電池自体は低インダクタンスではないが、図17に示されるように、バスバー1200を電池1100の積層方向に配置される電池のバスバー1201と対向させることにより、システムとしての低インダクタンス化が可能である。
FIG. 17 is a diagram showing a connection structure between the
バスバー1200は、所定の電池1100の負極タブ1203と、所定の電池1100の隣に配置される電池1100の正極タブ1204を接続する。この配線方法は、溶接であっても、ねじ等による固定であっても構わない。
The
バスバー1201、バスバー1200に対向するように配線されている。図17に示されるように、バスバー1200と、バスバー1201は、逆方向の向きに電流が流れる。バスバー1200とバスバー1201は対向しているため、磁界が打ち消しあい、インダクタンスをシステムとして低減させることができる。
It is wired so as to face the
ここで、バスバーが接触すると短絡してしまうため、絶縁板にて絶縁を行なう構成としてもよい(不図示)。また、この絶縁板にバスバー1200及びバスバー1201を固定してもよい。これにより、振動によるバスバーの位置ずれを防止することができ、システムの信頼性が向上する。
Here, since a short circuit occurs when the bus bar comes into contact with each other, an insulating plate may be used for insulation (not shown). Further, the
図17に示される対向配線の構造を円盤状の電池システムを適用した例を図18、図19及び図20を用いて説明する。図18は、本実施例に係る電池システムの正面図である。電池システム1300は、柱状の空間、例えばパワーホイールシステム内に実装する際に、実装効率が考慮された構成となっている。なお、図18、図19及び図20において、絶縁体1302は透過して示されている。
An example in which a disk-shaped battery system is applied to the structure of the opposite wiring shown in FIG. 17 will be described with reference to FIGS. 18, 19, and 20. FIG. 18 is a front view of the battery system according to this embodiment. The
図18に示されるように、電池1100は、バスバー1200によって直列化されている。略円環状の構成においては例えば6直列の電池1100を1つのモジュールとする。なお、電池1100の数は、電池の大きさや納めるべき円盤の円周長によって任意に選択することが可能である。
As shown in FIG. 18, the
負極側の接続口1303と正極側の接続口1301は、絶縁板1302から突出する。絶縁板1302は、径方向に電池1100が配置されていない部分は切り欠き状に形成される略円環状に形成される。円環状の絶縁板1302は、バスバー1200とバスバー1201との間に配置される。また、上述したように絶縁板1302にバスバー1200及びバスバー1201を固定してもよい。これにより、振動によるバスバーの位置ずれを防止することができ、システムの信頼性が向上する。
The
図18に示されるように、電流が正極側の接続口1301から負極側の接続口1303に向かう方向に流れる場合、磁界の向きは図18に示す方向(紙面奥方向)となる。一方、図18の円盤状電池システムを裏返しとすると、電流及び磁界の向きは図18に示される方向と逆向きになる。
As shown in FIG. 18, when the current flows in the direction from the
図19は、本実施形態に係る電池モジュール1300を直列化した電池システム1400の斜視図である。図19に示されるように、電池モジュール1300は、隣合う電池モジュールと電流の向きが反対方向となるように配置される。
FIG. 19 is a perspective view of a
中継導体1401は、それぞれの電池モジュール1300間を接続する。中継導体1401の一端は、所定の電池モジュールの正極側の接続口1301と接続し、他端は隣合う電池モジュールの負極側の接続口1303に接続する。中継導体1401は、例えば銅のバスバーをレーザー溶接等で接合することが考えられる。
The
図20は、本実施形態に係る電池システム1400の正面図である。図20に示されるように、隣合う電池モジュール1400同士は、電流の向きが逆方向に流れるため、磁界の打消し効果により、電池システム1400全体で、低インダクタンス化を実現できる。
FIG. 20 is a front view of the
なお、本実施例では、低インダクタンスではない電池を用いた例が示されているが、図4(a)に記載の電池セルの301の形状を変形させた低インダクタンスの電池を用いることも可能である。
Although an example using a battery having a non-low inductance is shown in this embodiment, it is also possible to use a battery having a low inductance obtained by modifying the shape of the
10…負極、11…正極、12…セパレータ、13…負極接合部、14…正極接合部、20…電極群、100…電池セル、101…負極タブ、103…正極タブ、104…シール材、105…ラミネートシート、200…等価回路、201…電池の起電力、202…キャパシタンス、203…電荷移動抵抗、204…電極内のインダクタンス、205…インダクタンス部抵抗、206…直流抵抗、207…配線由来のインダクタンス、208…配線由来の抵抗、209…箔のインダクタンス、210…等価回路、300…電池セル、301…負極タブ、302…正極タブ、303…絶縁板、304…負極タブ折り返し部、305…正極タブ折り返し部、306…負極タブ接合部、307…正極タブ接合部、308…シール材、500…電池モジュール、501…電流、502…電流、503…負荷接続部、504…負極側バスバー、505…正極側バスバー、506…絶縁部材、507…金属板、508…固定部材、510…中継導体、511…バスバー、512…負荷接続部、513…負荷接続部、515…固定部材、600…モータ、601…インバータ、602…電池、800…電池モジュール、801…中継導体、802…接続部、803…バスバー、804…電流、805…電流、810…電池セル、811…負極タブ、812…正極タブ、901…パワーホイール、903…インバータ、904…パワー型電池、904A〜904F…電池ユニット、910…モータ、911…ステータ、912…ロータ、913…タイヤ、914…ロータフレーム、920…シャフト、930U…U相パワー半導体モジュール、930V…V相パワー半導体モジュール、930W…W相パワー半導体モジュール、931…コンデンサモジュール、932…直流バスバー、940…車体側ベース、941A…第1電池側バスバー、941B…第2電池側バスバー、941C…第3電池側バスバー、941D…第4電池側バスバー、第5電池側バスバー941E、941F…第6電池側バスバー、941G…第7電池側バスバー、942…リレー側バスバー、943…リレー、943A…リレー正極端子、943B…リレー負極端子、944…絶縁部材、945…中継バスバー、946…第1貫通孔、947…第2貫通孔、948…第3貫通孔、949…第4貫通孔、950…第5貫通孔、951…基板固定部、952…回路基板、953U…電流センサ、953V…電流センサ、953W…電流センサ、954…コイル、955…ステータコア、956…空隙、957…筐体、957A…第1収納部、957B…ステータ固定部、957C…第2収納部、958…ハブ、959…ベアリング、960…ベアリング、961…突出部、1100…電池、1200…バスバー、1201…バスバー、1203…負極タブ、1204…正極タブ、1300…電池モジュール、1301…正極側の接続口、1303…負極側の接続口、1401…中継導体
10 ... Negative electrode, 11 ... Positive electrode, 12 ... Separator, 13 ... Negative electrode joint, 14 ... Positive electrode joint, 20 ... Electrode group, 100 ... Battery cell, 101 ... Negative electrode tab, 103 ... Positive electrode tab, 104 ... Sealing material, 105 ... Laminated sheet, 200 ... Equivalent circuit, 201 ... Battery electromotive force, 202 ... Capacitance, 203 ... Charge transfer resistance, 204 ... Electrode inductance, 205 ... Inverter resistance, 206 ... DC resistance, 207 ... Wiring-derived inductance , 208 ... resistance derived from wiring, 209 ... foil inductance, 210 ... equivalent circuit, 300 ... battery cell, 301 ... negative electrode tab, 302 ... positive electrode tab, 303 ... insulating plate, 304 ... negative electrode tab folded part, 305 ... positive electrode tab Folded portion, 306 ... negative electrode tab joint, 307 ... positive electrode tab joint, 308 ... sealing material, 500 ... battery module, 501 ... current, 502 ... current, 503 ... load connection, 504 ... negative electrode side bus bar, 505 ... positive electrode Side bus bar, 506 ... Insulation member, 507 ... Metal plate, 508 ... Fixing member, 510 ... Relay conductor, 511 ... Bus bar, 512 ... Load connection part, 513 ... Load connection part, 515 ... Fixing member, 600 ... Motor, 601 ... Inverter, 602 ... Battery, 800 ... Battery module, 801 ... Relay conductor, 802 ... Connection, 803 ... Bus bar, 804 ... Current, 805 ... Current, 810 ... Battery cell, 811 ... Negative electrode tab, 812 ... Positive electrode tab, 901 ... Power wheel, 903 ... Inverter, 904 ... Power type battery, 904A to 904F ... Battery unit, 910 ... Motor, 911 ... Stator, 912 ... Rotor, 913 ... Tire, 914 ... Rotor frame, 920 ... Shaft, 930U ... U phase power Semiconductor module, 930V ... V-phase power semiconductor module, 930W ... W-phase power semiconductor module, 931 ... Condenser module, 932 ... DC bus bar, 940 ... Body side base, 941A ... 1st battery side bus bar, 941B ... 2nd battery side bus bar , 941C ... 3rd battery side bus bar, 941D ... 4th battery side bus bar, 5th battery
Claims (6)
前記複数の電池セルから供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路部(903)と、
前記電力変換回路部と前記複数の電池セルを電気的に接続するバスバー(511)と、 前記複数の電池セルと前記電力変換回路部と前記バスバーの収納空間を形成しかつシャフト(920)と接続するホイール部(914)と、を備え、
前記複数の電池セルのそれぞれは、各電池セルの電池格納部から突出したタブ群(301、302)を有し、
前記タブ群は、隣接する電池セル間の異極のタブ同士を接続した端子部(304、305)を有し、
前記バスバーは、前記端子部に対向するとともに、前記端子部の配列方向に沿って延在し、当該バスバーの電流の流通方向が前記端子部を流通する電流の流通方向と逆方向になるように前記タブ群と接続されるホイール内電動システム。 A plurality of battery cells (300) electrically connected in series with each other,
A power conversion circuit unit (903) that converts DC power supplied from the plurality of battery cells into AC power, and
A bus bar (511) that electrically connects the power conversion circuit unit and the plurality of battery cells, and a storage space for the plurality of battery cells, the power conversion circuit unit, and the bus bar are formed and connected to the shaft (920). With a wheel section (914)
Each of the plurality of battery cells has a tab group (301, 302) protruding from the battery storage portion of each battery cell.
The tab group has terminal portions (304, 305) connecting tabs of different poles between adjacent battery cells.
The bus bar faces the terminal portion and extends along the arrangement direction of the terminal portion so that the current flow direction of the bus bar is opposite to the flow direction of the current flowing through the terminal portion. An in-wheel electric system connected to the tab group.
前記タブ群は、正極タブおよび負極タブの互いの最も広い面を対向させた状態で各電池セルの電池格納部から突出するホイール内電動システム。 The in-wheel electric system according to claim 1.
The tab group is an in-wheel electric system that projects from the battery storage portion of each battery cell with the widest surfaces of the positive electrode tab and the negative electrode tab facing each other.
前記複数の電池セルは、複数のセルを前記シャフトの軸方向に並べられる第1セルユニット(904A)と、複数のセルを前記軸方向に並べられかつ当該第1セルユニットに対して前記シャフトの周方向に並べられる第2セルユニット(904B)と、により構成され、
前記バスバーは、前記第1セルユニット及び前記第2セルユニットよりも前記シャフトに近い側に配置されるホイール内電動システム。 The in-wheel electric system according to claim 1 or 2.
The plurality of battery cells include a first cell unit (904A) in which a plurality of cells are arranged in the axial direction of the shaft, and a plurality of cells arranged in the axial direction and of the shaft with respect to the first cell unit. It is composed of a second cell unit (904B) arranged in the circumferential direction.
The bus bar is an in-wheel electric system arranged on a side closer to the shaft than the first cell unit and the second cell unit.
前記複数の電池セルは、複数のセルを前記シャフトの軸方向に並べられる第1セルユニットと、複数のセルを前記軸方向に並べられかつ当該第1セルユニットに対して前記シャフトの周方向に並べられる第2セルユニットと、により構成され、
前記第1セルユニットと前記第2セルユニットのいずれか又は双方が、前記車軸から遠ざかるほど周方向の幅が大きくなるように形成されるホイール内電動システム。 The in-wheel electric system according to claim 1 or 2.
The plurality of battery cells include a first cell unit in which a plurality of cells are arranged in the axial direction of the shaft, and a plurality of cells arranged in the axial direction and in the circumferential direction of the shaft with respect to the first cell unit. It is composed of a second cell unit that is lined up.
An in-wheel electric system in which either or both of the first cell unit and the second cell unit are formed so that the width in the circumferential direction increases as the distance from the axle increases.
前記バスバーは、前記第1セルユニットと前記第2セルユニットのそれぞれに設けられかつ前記端子部と対向する第1バスバー部(511)と、前記第1セルユニットの第1バスバー部と前記第2セルユニットの第1バスバー部を繋ぐ第2バスバー部(941)と、により構成され、
前記第2バスバー部は、正極側第2バスバー部と、絶縁部材を介して当該正極側第2バスバー部と対向する負極側第2バスバー部と、を有するホイール内電動システム。 The in-wheel electric system according to claim 3 or 4.
The bus bar is provided in each of the first cell unit and the second cell unit and faces the terminal portion, the first bus bar portion (511), the first bus bar portion of the first cell unit, and the second bus bar. It is composed of a second bus bar section (941) that connects the first bus bar section of the cell unit.
The second bus bar portion is an in-wheel electric system including a second bus bar portion on the positive electrode side and a second bus bar portion on the negative electrode side facing the second bus bar portion on the positive electrode side via an insulating member.
前記複数の電池セルのそれぞれは、各電池セルの電池格納部から突出したタブ群(301、302)を有し、
前記タブ群は、隣接する電池セル間の異極のタブ同士を接続した端子部(304、305)を有し、
前記バスバーは、前記端子部に対向するとともに、前記端子部の配列方向に沿って延在し、当該バスバーの電流の流通方向が前記接続面を流通する電流とは逆方向になるように前記タブ群と接続される二次電池システム。 In a secondary battery system in which a plurality of battery cells (300) are connected in series,
Each of the plurality of battery cells has a tab group (301, 302) protruding from the battery storage portion of each battery cell.
The tab group has terminal portions (304, 305) connecting tabs of different poles between adjacent battery cells.
The bus bar faces the terminal portion and extends along the arrangement direction of the terminal portion, and the tab is such that the current flow direction of the bus bar is opposite to the current flowing through the connection surface. A rechargeable battery system connected to the group.
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