JP2022087447A

JP2022087447A - 電池パック

Info

Publication number: JP2022087447A
Application number: JP2020199380A
Authority: JP
Inventors: 伸夫松井; Nobuo Matsui
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-13

Abstract

【課題】短い時間で充電することができる電池パックを提供する。【解決手段】車両２００において、電池パック１００は、複数の電池セルが並列接続された電池モジュールを有する電池集合体１０と、電池セル間の接続形態を切り替えるための切り替え装置２０とを有する。切り替え装置は、電池モジュールにおける電池セル間の接続形態を、充電時には一部または全部を直列接続に切り替え、放電時には切り替えられた直列接続を並列接続に切り替える。【効果】放電時に並列接続されている電池セル間を、充電時には直列接続に切り替えるため、電池パックを短い時間で充電することができる。【選択図】図１

Description

本開示は、電池パックに関する。

充電時間が短くなるように、効率よくリチウムイオン二次電池を充電することができる充電装置が知られている。例えば特許文献１には、複数の電池セルが、並列接続と直列接続とが組み合わされて接続された電池集合体を定電圧・定電流で充電する際に、充電時間が短くなるように、効率よく充電することができる充電装置が開示されている。

特開２００７－２６７４９９号公報

並列接続された複数の電池セルは、それぞれに容量を持つため、全ての電池セルを充電するのに長い時間がかかる。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、短い時間で充電することができる電池パックを提供することを主目的とする。

上記課題を解決するために、本開示においては、複数の電池セルが並列接続された電池モジュールを有する電池集合体と、上記電池セル間の接続形態を切り替えるための切り替え装置とを有し、上記切り替え装置は、上記電池モジュールにおける上記電池セル間の接続形態を、充電時には一部または全部を直列接続に切り替え、放電時には上記切り替えられた直列接続を並列接続に切り替えるように構成されている、電池パックを提供する。

本開示によれば、放電時に並列接続されている電池セル間を、充電時には直列接続に切り替えるため、電池パックを短い時間で充電することができる。

本開示における電池パックは、短い時間で充電することができるという効果を奏する。

本開示における電池パックが搭載された車両の全体構成を概略的に例示する模式図である。本開示における電池集合体内の回路の接続形態を説明する回路図である。従来の電池集合体内の回路の接続形態を説明する回路図である。実施例１および比較例１における充電状態（ＳＯＣ）の推移を示すグラフである。実施例１および比較例１における充電電流の推移を示すグラフである。実施例１および比較例１における充電レートの推移を示すグラフである。

以下、本開示における電池パックについて、図面を用いて詳細に説明する。以下に示す各図は、模式的に示したものであり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。また、各図において、部材の断面を示すハッチングを適宜省略している。また、本明細書において、ある部材に対して他の部材を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」または「下に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある部材に接するように、直上または直下に他の部材を配置する場合と、ある部材の上方または下方に、別の部材を介して他の部材を配置する場合との両方を含む。

図１は、本開示における電池パックが搭載された車両の全体構成を概略的に例示する模式図である。車両２００は、電池パック１００と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１１０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１３０と、駆動輪１４０とを備える。電池パック１００は、電池集合体１０と、切り替え装置２０と、を備える。

また、図２は、本開示における電池集合体内の回路の接続を説明する回路図であり、図２（ａ）は、放電中の状態を例示している。図２（ａ）に示す例において電池モジュール１は、並列接続された２つの電池セル２を有し、複数の電池モジュール１が直列接続されている。電池パック１００と車両外部の電源（電源装置）とが接続された信号をＥＣＵ１１０が取得すると、ＥＣＵ１１０は回路を切り替える信号を切り替え装置２０に送り、切り替え装置２０は切り替え部３を切り替え、図２（ｂ）に例示するように、電池モジュール１内の電池セル２間の接続は、すべて直列接続になる。また、ＥＣＵ１１０が充電完了信号を取得すると、ＥＣＵ１１０は回路を切り替える信号を切り替え装置２０に送り、切り替え装置２０は切り替え部３を切り替え、電池モジュール１内の電池セル２間の接続は、図２（ａ）に例示される元の並列接続になる。

図３に示すような、電池セル２間が並列接続された、従来の電池モジュール５の場合は、並列接続のまま充電されていた。上述したように、並列接続された複数の電池セルは、それぞれに容量を持つため、全ての電池セルを充電するのに長い時間がかかる。しかしながら本開示によれば、放電時に並列接続されている電池セル間を、充電時には直列接続に切り替えるため、電池パックを短い時間で充電することができる。並列接続されていた電池セルを直列接続に切替えることにより、電池モジュールの容量が（１／並列数［Ａｈ］に）減少するため、充電レートを高めることができ、充電完了までの時間を短縮することができる。なお、並列接続されていた電池セル間を直列接続に切り替えると、電池集合体の総電圧が高くなるため、本開示における電池パックの充電に用いられる電源装置は、直列接続時の総電圧に対応できるように、比較的高い電源電圧であることが好ましい。
以下、本開示における電池パックの各構成について、詳細に説明する。

１．電池集合体
電池集合体は、複数の電池セルが並列接続された電池モジュールを有する。電池セルは、正極層、負極層および電解質を有する発電要素と、発電要素を収納する外装体とを備える。電解質は、液体電解質（電解液）であってもよく、固体電解質であってもよい。また、電池セルは、通常、正極層の集電を行う正極集電体、および、負極層の集電を行う負極集電体を有する。電池セルの電圧は、特に限定されないが、例えば３．０Ｖ以上、４．２Ｖ以下である。また、電池セルは、２以上の発電要素を有していてもよい。電池モジュールにおいて、複数の電池セルが並列接続される。並列接続される電池セルの数は、例えば２以上、１０以下である。

電池集合体は、少なくとも一つの電池モジュールを有する。電池集合体における電池モジュールの数は、例えば２以上であり、３０以上であってもよい。一方、電池集合体における電池モジュールの数は、例えば１００以下である。電池集合体が２以上の電池モジュールを有する場合、各電池モジュール間の接続は、直接接続でも、並列接続でもよい。また、電池集合体の具体例としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケル・カドミウム蓄電池等の公知の電池（二次電池）が挙げられる。

２．切り替え装置
本開示における切り替え装置は、上記電池モジュールにおける上記電池セル間の接続形態を、充電時には一部または全部を直列接続に切り替え、放電時には上記切り替えられた直列接続を並列接続に切り替えるように構成されている装置である。切り替え装置は、電池セル間の電気回路を切り替えることができるものであれば特に限定されるものではない。切り替え装置としては、例えば、機械的に電気回路を切り替えるための切り替え部（スイッチ）を有する装置が挙げられる。

また、電池集合体が、複数の電池モジュールを有する場合、切り替え装置は、電池集合体における電池モジュール間の接続形態を、充電時には直列接続に切り替え、放電時には並列接続に切り替える装置であってもよい。

３．電池パック
本開示における電池パックは、上述した電池集合体および切り替え装置を有する。電池パックの用途は、特に限定されないが、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、ガソリン自動車、ディーゼル自動車等の車両の電源が挙げられる。特に、ハイブリッド電気自動車または電気自動車の駆動用電源に用いられることが好ましい。車両走行時は、上記電池モジュールにおける上記電池セル間が並列接続された状態で放電し、充電時は、上記電池モジュールにおける上記電池セル間が直列接続された状態で充電することができる。また、本開示における電池パックは、車両以外の移動体（例えば、鉄道、船舶、航空機）の電源として用いられてもよく、情報処理装置等の電気製品の電源として用いられてもよい。

本開示における電池パックは、上述した電子制御装置により制御されていてもよい。すなわち、本開示においては、上記電池パックと、上記電池パックを制御する電子制御装置と、を有する電池システムを提供することもできる。電子制御装置は、切り替え装置に対して、並列接続を直列接続に切り替える信号、および、直列接続を並列接続に切り替える信号を送る。

電池システムは、電池パックの状態（例えば、電圧、電流、温度）を監視する監視装置を有していてもよい。監視装置から取得した信号に基づいて、電子制御装置は、切り替え装置に切り替え信号を送ることができる。例えば、電子制御装置が、監視装置から取得した信号に基づいて充電開始と判定した場合、電子制御装置は、切り替え装置に対して、並列接続から直接接続に切り替える信号を送る。また、電子制御装置が、監視装置から取得した信号に基づいて充電終了と判定した場合、電子制御装置は、切り替え装置に対して、直接接続から並列接続に切り替える信号を送る。

電子制御装置は、充電中に電池集合体の総電圧が充電器の最大電圧に達したと判定した場合に、切り替え装置に対して、直列接続を並列接続に切り替える信号を送ってもよい。

本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

［実施例１］
電池セル（容量５０Ａｈ）を２個準備し、切り替え装置を介して並列接続し、電池モジュールを得た（図２（ａ）参照）。その電池モジュールを５０個準備し、それぞれを直列接続することで、電池パックを得た。得られた電池パックについて、電池モジュール内の電池セル間の接続形態を直列接続に切り替え（図２（ｂ）参照）、最大出力５０ｋＷ、最大電流１２５Ａ、最大電圧５００Ｖの条件で、急速充電を行った。充電状態（ＳＯＣ）の推移を図４に示す。

［比較例１］
２個の電池セルを、切り替え装置を介さずに並列接続したこと以外は、実施例１と同様にして電池パックを得た（図３参照）。切り替え装置を有していないため、電池モジュール内の電池セル間の接続形態の切り替えは行わず、並列接続のままで、実施例１と同様にして急速充電を行った。充電状態（ＳＯＣ）の推移を図４に示す。

［評価］
図４に示すように、電池モジュール内の電池セル間の接続形態を直列接続に切り替えて充電した実施例１においては、約２４分でＳＯＣ９０％に到達した。一方、並列接続のまま充電した比較例１においては、ＳＯＣ９０％に到達するまでに約４４分を要した。放電時には並列接続である電気回路を直列接続に切り替えて充電することにより、充電時間を大幅に短縮し、効率的に急速充電を行うことができた。

実施例１においても、比較例１においても、充電開始当初、充電器の最大電流である１２５Ａが印加された（図５参照）。しかしながら、並列接続で充電を行った比較例１においては１００Ａｈ（５０Ａｈ×２並列）であった容量が、直列接続に切り替えて充電を行った実施例１においては５０Ａｈ（５０Ａｈ×１並列）となり、充電レートが２倍に増加した（図６参照）ことから、充電時間を大幅に短縮することができた。

１ … 電池モジュール
２ … 電池セル
１０ … 電池集合体
２０ … 切り替え装置
１００ … 電池パック

Claims

複数の電池セルが並列接続された電池モジュールを有する電池集合体と、前記電池セル間の接続形態を切り替えるための切り替え装置とを有し、
前記切り替え装置は、前記電池モジュールにおける前記電池セル間の接続形態を、充電時には一部または全部を直列接続に切り替え、放電時には前記切り替えられた直列接続を並列接続に切り替えるように構成されている、電池パック。