JP2023000661A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組電池を構成する複数の単電池の各々から光信号が光導波路上で重なる確率を低減した、二次電池モジュールを提供する。【解決手段】複数の単電池が積層された組電池と、複数の送信機と、複数の送信機に共通の通信媒体とを備え、複数の送信機の各々が、複数の単電池の各々に備えられ、複数の送信機の各々が、固有のタイミングに基づいた周期で信号を送信するように構成された、二次電池モジュールにおいて、送信機が、所定の確率で、各々の周期で送信する複数の信号のうちの一部の信号を送信しないようにさらに構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池モジュールに関する。

従来、電気自動車およびハイブリッド電気自動車等の電源や携帯型電子機器の電源としてリチウムイオン電池等で構成された複数の単電池を積層した組電池が用いられている。このような組電池を充電する場合、過充電状態になる単電池が存在することがないように充電管理を行う必要がある。

特許文献１には、直列に接続された単電池を含む電池モジュールの両端に、発光ダイオードを含む過充電発熱回路を並列に接続し、過充電が生じたときに発光ダイオードの発光が共通の光ファイバーにより受光ダイオードに送られることが開示されている（例えば、特許文献１の第００１２、００２３－００２４段落、第５図参照）。

特開平１１－３４１６９３号公報

しかしながら、特許文献１の構成は、単電池に過充電が生じて対応する発光ダイオードに通電が生じると発光する構成であるため、任意のタイミングで発光ダイオードを発光させて温度や電圧などの特性を通知させることができない。また、特許文献１の構成は、複数の発光ダイオードの発光が共通の光ファイバーにより受光ダイオードに送られる構成であるため、共通の光ファイバー上で重なった複数の発光ダイオードの発光を分離するための追加の処理を必要とする。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、組電池を構成する複数の単電池の各々から光信号が光導波路上で重なる確率を低減した、二次電池モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態は、複数の単電池が積層された組電池と、複数の送信機であり、複数の送信機の各々が、複数の単電池の各々に備えられ、複数の送信機の各々が、固有のタイミングに基づいた周期で信号を送信するように構成された、複数の送信機と、複数の送信機に共通の通信媒体とを備えた二次電池モジュールであって、送信機が、所定の確率で、上記周期で送信する複数の信号のうちの一部の信号を送信しないようにさらに構成されている。

以上説明したように、本発明の一実施形態の二次電池モジュールによれば、組電池を構成する複数の単電池の各々から光信号が光導波路上で重なる確率を低減することができる。

本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を切り欠いた斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの一部の概略断面構造を示す図であり、（ａ）は単電池の概略断面構造を示す図であり、（ｂ）は二次電池モジュールの一部の概略断面構造を説明する図であり、（ｃ）は（ｂ）の変形例を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの単電池に備えられた光送信機の構成の概略を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールにおいて送信される複数の信号を説明するための図であり、（ａ）はある送信機からの信号を示す図、（ｂ）は別の送信機からの信号を示す図、（ｃ）は比較例を説明する図、（ｄ）は一実施形態による信号を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールにおいて送信される複数の信号を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示すものとし、繰り返しの説明を省略する場合がある。以下に説明される数値および材料は例示であり、したがって、本発明の実施形態は、その要旨を逸脱しない範囲で他の数値および材料を用いて実施することができることは言うまでもない。

本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールは、複数の単電池が積層された組電池と、複数の送信機と、複数の送信機に共通の通信媒体とを備える。複数の送信機の各々は、複数の単電池の各々に備えられている。複数の送信機の各々は、固有のタイミングに基づいた周期で信号を送信するように構成されている。送信機は、所定の確率で、各々の周期で送信する複数の信号のうちの一部の信号を送信しないようにさらに構成されている。

本実施形態にかかる二次電池モジュールは、複数の送信機に対して信号の送信を要求または指示する集中制御装置を備えない構成とすることができる。そのような集中制御装置によらずに、本実施形態にかかる二次電池モジュールが備える複数の送信機は、自律的に光信号が光導波路上で重なる確率を低減することができる。

図１は本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの一部を切り欠いた斜視図である。本実施形態の二次電池モジュールは、例えば、リチウムイオン電池モジュールである。より好適には、安全性が高く、要求される監視密度が低い（温度や電圧の状態を測定した情報を収集する頻度が低い）、全樹脂電池である。以下、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールをリチウムイオン電池モジュールで構成する例を説明する。

図１に示すように、リチウムイオン電池モジュール１は積層された複数の単電池３０を有する。また、リチウムイオン電池モジュール１は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置された光導波路６０を有する。さらに、リチウムイオン電池モジュール１は複数の単電池３０および光導波路６０を収容する外装体７０を有する。

積層された複数の単電池３０は組電池５０を構成している。図１は、５つの単電池３０を積層した形態を示しているが、単電池の積層数は５より多くても、または５より少なくてもよい。一実装例では、単電池３０の積層数は２０以上であり得る。

組電池５０の最上面の負極集電体の上には導電性シートが設けられている。導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５７となっている。また、組電池５０の最下面の正極集電体の下には導電性シートが設けられている。導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５９となっている。

各単電池３０は、当該単電池の測定された温度や電圧などの特性を光信号で外部に送信するための発光部２０を有する。

光導波路６０は、発光部２０から入射して伝搬した光信号が出射する光出力部を有し、通信媒体を構成する。一実装例では、１つの光導波路６０に隣接または近接して配置された２０個以上の単電池３０の各々に備えられた発光部２０からの発光が、光学的に結合され、光出力部から出射する。本実施形態において、光導波路６０の一部は、外装体７０から引き出されて、光出力部となっている。光出力部から出射した光信号は、フォトダイオードやフォトトランジスタなどを用いて構成することができる受光部８０により受信される。なお、光出力部を含む光導波路６０の全体は外装体７０の内部に収容されていてもよい。光導波路６０の全体を外装体７０の内部に収容する場合、光出力部から出射した光信号は、外装体７０の内部に配置された受光部８０により受信される。

図２は、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの概略断面構造を示す図であり、（ａ）は単電池の概略断面構造を示す図であり、（ｂ）は二次電池モジュールの概略断面構造を説明する図であり、（ｃ）は（ｂ）の変形例を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、各単電池３０は、下から順に正極集電体１７と、正極活物質層１５と、セパレータ１４と、負極活物質層１６と、負極集電体１９とを積層したものである。また、単電池３０は、略矩形平板状の正極集電体１７の表面に正極活物質層１５が形成された正極１２と、同様に略矩形平板状の負極集電体１９の表面に負極活物質層１６が形成された負極１３とが、略平板状のセパレータ１４を介して積層されて形成されている。単電池３０は、正極集電体１７と負極集電体１９との間に環状の枠部材１８を配置し、当該枠部材により、正極集電体１７と負極集電体１９の間にセパレータ１４の周縁部を固定するとともに、正極活物質層１５、セパレータ１４および負極活物質層１６を封止している。

図２（ａ）には、配線基板２２に配置された発光部２０および発光部２０を制御する制御回路２３が示されている。配線基板２２、発光部２０、および制御回路２３は、単電池３０が備える光送信機２８を構成する。配線基板２２に電圧センサや温度センサを配置してもよい。例えば、発光部２０の一部は、枠部材１８の外部と接する面から露出するように、枠部材１８内に埋め込まれて、絶縁樹脂２６で固定されている。枠部材１８の外部と接する面は、単電池３０の積層方向に略平行な側面であってもよく、または当該側面に開口部を有し当該側面から単電池３０へ向かう凹部の面（単電池３０の積層方向に略垂直な面または略平行な面）であってもよい。発光部２０の発光面の少なくとも一部、または発光面を含む発光部２０の少なくとも一部が枠部材１８の外部と接する面から露出するように配置することで、光信号が枠部材１８に遮られずに外部へ送出される。

組電池５０内において隣り合う２つの単電池３０は、一方の単電池３０の負極集電体１９の上面と他方の単電池３０の正極集電体１７の下面が隣接するように積層されている。

図２（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの一部の概略断面構造を示す図である。図２（ｂ）は、光導波路６０の一部が外装体７０から引き出されて光出力部となる構造を例示する。図２（ｂ）に示すように、単電池３０の積層方向に延伸した光導波路６０は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置される。光導波路６０は、共通の通信媒体を構成する。光導波路６０は、例えば、光ファイバーとしてもよく、発光部２０からの光信号を受光するのに十分な幅（単電池の積層方向に直交する方向の長さ）を有する導光板としてもよい。光導波路６０を導光板で構成する場合、光導波路６０の幅方向寸法を発光部２０の発光面の最大寸法（発光面が円形の場合は直径、矩形の場合は対角線）よりも大きくするとよい。図２（ｂ）は、導光板を用いて光導波路６０を構成した場合を示している。

光導波路６０として導光板を用いる場合、複数の発光部２０の発光面（各々が積層された複数の単電池３０に対応する）のすべてを覆うように光導波路６０を配置することができる。また、発光部２０の発光方向（発光面の鉛直方向に一致する場合および発光面の鉛直方向から傾斜している場合を含む）を覆うように光導波路６０を配置することができる。

このように光導波路６０として導光板を用いる場合、光導波路６０として光ファイバーを用いる場合に比べて、発光部２０から出力された光信号が導光板に入射し易くなり、これにより、発光部２０と光導波路６０との間に光信号を集光するためのレンズなどの追加部品が必要なくなる、光導波路の位置決めの手間が削減される、または位置ずれの許容量が増大される。勿論、光導波路６０としての導光板と発光部２０との間の光信号の結合効率を高めるために、レンズなどの追加部品を用いてもよく、集光加工を施した導光板を用いてもよい。レンズなどの追加部品および集光加工を施した導光板の一方または双方を用いる場合であっても、光導波路６０として光ファイバーを用いる場合に比べ、位置決めの手間の煩雑性が削減される、または位置ずれ許容量が増大される。単電池の積層方向に延伸した光導波路６０を例示するが、単電池の積層方向に直交する方向に延伸した光導波路６０を用いることも可能である。この場合、光導波路６０としての導光板は、複数の発光部２０の発光面のすべてを覆うことが可能である。

図２（ｂ）に示すように、光導波路６０は、発光部２０から光信号を受光する表面の位置に対応する裏面の位置に対応する裏面の位置に、散乱加工６０ａが施されている。散乱加工６０ａは、隣接または近接する発光部２０の発光面に対応する位置に施されている。散乱加工６０ａは、例えば、凹凸加工であり得る。光導波路６０に入射し散乱加工６０ａにより散乱した光信号の一部は、光出力部の方向に伝搬する。

また、光導波路６０は、曲げ部分に反射加工６０ｂが施されており、これにより曲げ部分により散乱した光信号を光出力部の方向へ反射することができる。また、光導波路６０の光出力部となる端部と反対の端部および曲げ部分に反射加工６０ｂが施されており、これにより凹凸加工により光出力部の方向と反対方向に散乱した光を、光出力部の方向へ反射することができる。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）の変形例である、光出力部を含む光導波路６０の全体が外装体７０の内部に収容される構造を例示する。光導波路６０の全体を外装体７０の内部に収容する場合、図２（ｂ）に示すような光導波路６０に示すようや引き出し部が不要となる。外装体７０内の光出力部から出射した光信号は、外装体７０の内部に光導波路６０に隣接して配置された受光部８０により受信される。受光部８０により受信された光信号は、電気信号に変換されて引出配線８２を介して、外装体７０の外部へ送信される。

図３は、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールの単電池に備えられた光送信機の構成の概略を示す図である。光送信機２８は、配線基板２２に配置された、制御回路２３、発振回路２４、および発光部２０により構成される。光送信機２８は、対応する単電池３０を電源として駆動する。配線基板２２には、単電池の測定された温度や電圧を測定するセンサ（不図示）も配置され得る。

発振回路２４は、制御回路２３にクロックを供給する。発振回路２４は、ＣＲ（コンデンサ、抵抗）発振器で構成することができる。ＣＲ発振器は、水晶発振器に比べ消費電力が小さいため、電源である単電池３０の電力の消費量を小さくできる。ただし、ＣＲ発振器の精度は、水晶発振器の精度よりも低く、ばらつきが大きい。

制御回路２３は、発振回路２４から供給されるクロックにしたがって、周期的に光信号を送信するように発光部２０を制御する。制御回路２３は、マイクロコントローラで構成することができる。制御回路２３は、発振回路２４を含むマイクロコントローラで構成してもよい。制御回路２３は、発振回路２４から供給されるクロックをカウントし、予め定められたカウント値に到達する毎に、光信号を送信するように発光部２０を制御することができる。ＣＲ発振器の精度はばらつきが大きいため、光送信機２８の制御回路２３は、固有のタイミング（すなわち、精度の低いクロック）で動作するということができ、したがって、固有のタイミングに基づいた周期で光信号を送信するように発光部２０を制御するということができる。制御回路２３は、対応する単電池３０の温度や電圧等の状態に応じた光パルスが送信されるように、発光部２０の発光のＯＮとＯＦＦを制御する。

本実施形態において、制御回路２３は、所定の確率で、固有のタイミングに基づいた周期で送信する複数の光信号のうちの一部の光信号を送信しないように、発光部２０を制御する。例えば、制御回路２３は、固有のタイミング毎に、発光しない（光信号を送信しない）平均の確率Ｐが「所定の確率」となるように、光信号を送信するかまたは送信しないかをランダムに決定し、この決定に基づいて発光部２０を制御する。

発光部２０は、ＬＥＤ素子などを用いて構成することができる。発光部２０は、制御回路２３の制御下で、発光することで光信号を送信する。単電池３０の温度や電圧等の状態に応じて、パルス振幅およびパルス幅の一方または双方が変調された１つまたは複数の光パルスが発光部２０から送信される。

図４は、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールにおいて送信される複数の信号を説明するための図であり、図４（ａ）はある送信機からの信号を示す図、図４（ｂ）は別の送信機からの信号を示す図、図４（ｃ）は比較例を説明する図、図４（ｄ）は一実施形態による信号を示す図である。図４は、説明を簡単にするために、組電池５０が２つの単電池３０により構成されていると仮定している。

図４（ａ）は、一方の単電池３０の発光部２０から周期１で送信される光信号を示す。図４（ｂ）は、他方の単電池３０の発光部２０から周期２で送信される光信号を示す。ここで、ＣＲ発振器の精度はばらつきの為、周期１と周期２は互いに異なっている（周期１＞周期２）。

図４（ｃ）は、比較例として、本実施形態によらない２つの発光部２０の場合の光導波路６０を伝搬する２つの光信号を示す図である。図４（ｃ）に示すように、時間軸上において、２つの発光部２０から送信された２つ光信号の相対的な位置は、互いに重ならない。周期１＞周期２の関係に起因して、時間の経過とともに、２つの発光部２０から２つ光信号の相対的な位置は、次第に、近くなり、やがて重なり、その後、離れ、再び互いに重ならなくなる。例えば、周期１が周期２よりも０．０１％だけ長いとし、周期２を６５５３６ｍｓｅｃとした仮定すると、周期１は６５５４２．５５ｍｓｅｃとなる。ここで１つの光パルスのパルス幅を１６ｍｓｅｃと仮定すると、２つの発光部２０から２つ光信号の相対的な位置が重なって、再び重ならなくなるまでに要する時間は、２．４４周期（６５５３６×２．４４ｍｓｅｃ）となる。

図４（ｄ）は、本実施形態による２つの発光部２０の場合の光導波路６０を伝搬する２つの光信号を示す図である。２つの発光部２０は、それぞれの制御回路２３によって、所定の確率で、固有のタイミングに基づいた周期で送信する複数の光信号のうちの一部の光信号を送信しないよう制御されている。図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）において２つの光信号がかさなる時間帯において、２つの光信号が重なる確率が低下することになる。

図５は、本発明の一実施形態にかかる二次電池モジュールにおいて送信される複数の信号を説明するための図である。２つの光送信機２８₁および光送信機２８₂の各々において、制御回路２３が、発光しない（光信号を送信しない）平均の確率が１/２なるように発光部２０の発光をランダムに制御する場合における、光導波路６０を伝搬する２つの光信号の状態を示している。所定の確率を１／2とすることで、２つの光信号が重ならずに検出される確率が０でなくなる（２／４となる）。ｎ個（ｎは、２以上の整数）の制御回路２３が、発光しない（光信号を送信しない）平均の確率がＰ（ただし、０＜Ｐ＜１）となるように対応する発光部２０の発光を制御すると、２個以上の光信号が重ならない確率（１つの発光部２０だけが発光して光信号を送信する確率）はｎ（１－Ｐ）Ｐ^n-1となる。

制御回路２３は、発光しない（光信号を送信しない）平均の確率Ｐが「所定の確率」となるように、光信号を送信するかまたは送信しないかをランダムに決定する任意のアルゴリズムを実装することができる。また、制御回路２３は、連続してｋ回（ｋは１以上の整数）発光しないと決定した後は、必ず発光するように発光部２０を制御するアルゴリズムを実装してもよい。ｋの値は、リチウムイオン電池モジュール１に要求される監視密度に応じて適宜設定すればよい。制御回路２３が所定の確率に基づいて連続して光信号を送信しないと決定した回数を計数するカウンターまたはシフトレジスタ（不図示）を配線基板２２に配置してもよい。制御回路２３がまたはシフトレジスタを含んでいてもよい。この場合、制御回路２３は、所定の確率とカウンターまたはシフトレジスタの計数値とに基づいて、光信号を送信するように発光部２０を制御するように構成し得る。例えばｋ＝４とした場合は、制御回路２３は、５周期の間に少なくとも１回、光信号を送信するように発光部２０を制御することになる。４周期連続で光送信機２８から光信号が送信されない場合、次の周期では必ず光信号が送信されることになる。

複数の単電池の各々に備えられた複数の送信機を光送信機２８とする構成を説明したが、複数の送信機を無線送信機で構成してもよい。この場合、複数の送信機に共通の通信媒体は空気や導波管としてもよく、受光部８０の代わりに無線受信機を用いてもよい。

１ リチウムイオン電池モジュール
１２ 正極
１３ 負極
１４ セパレータ
１５ 正極活物質層
１６ 負極活物質層
１７ 正極集電体
１８ 枠部材
１９ 負極集電体
２０ 発光部
２２ 配線基板
２３ 制御回路
２４ 発振回路
２６ 絶縁樹脂
２８ 光送信機
３０ 単電池
５０ 組電池
５７、５９ 引出配線
６０ 光導波路
７０ 外装体
８０ 受光部

Claims (6)

1. 複数の単電池が積層された組電池と、
   複数の送信機であり、前記複数の送信機の各々が、前記複数の単電池の各々に備えられ、前記複数の送信機の各々が、固有のタイミングに基づいた周期で信号を送信するように構成された、複数の送信機と、
   前記複数の送信機に共通の通信媒体と、
   を備え、
   前記送信機が、所定の確率で、前記周期で送信する複数の信号のうちの一部の信号を送信しないようにさらに構成された、二次電池モジュール。
2. 前記複数の送信機の各々が、前記信号を送信する送信素子と、前記送信素子を制御する制御回路と、前記制御回路にクロックを供給する発振器と、を備え、前記クロックが前記固有のタイミングを含み、前記周期が前記クロックに基づいている、請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記発振器は、コンデンサおよび抵抗を接続した発信回路を含む、請求項２に記載の二次電池モジュール。
4. 前記制御回路は、前記所定の確率を算出するように構成されている、請求項２または３に記載の二次電池モジュール。
5. 前記送信素子は発光ダイオードを含み、前記送信機は光送信機を含み、前記信号は光信号を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
6. 前記送信機が前記単電池を電源として駆動するように構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。

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