JP3986895B2 - 組電池ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題などから、ハイブリッド自動車、電気自動車、或いは、夜間電力を有効活用するための電力のロードレベリング等が注目されており、そのために各種の二次電池が開発されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、密閉性に優れ、かつ、メンテナンスフリーであるため、ハイブリッド自動車や電気自動車用のバッテリとして優れているが、大型のものは実用化されていない。そこで、複数個の小型の電池セルを直列に接続することによって組電池化し、この組電池を用いて、所望の電圧や容量を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の電池セルを組電池として１ユニット化した場合、その性能を最大限に引き出すため、組電池の劣化を抑制するため、負荷の制御を適切に行うため、或いは、危険防止のために、様々な周辺機器を設ける必要がある。特に、リチウム系電池を用いる場合、それぞれのセル電圧にばらつきが生じ、特定の電池セルにおいて過放電または過充電が生じる可能性がある。そこで、そのための対策として、それぞれのセル電圧が均一になるように制御するバランサ回路を設ける必要がある。しかしながら、このバランサ回路が搭載された基板は、比較的大きな占有面積を必要とするため、組電池ユニットにおける配置レイアウトを最適化しないと、組電池ユニットの小型化を阻害する。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池ユニットにおいて、バランサ回路が搭載された基板の配置レイアウトを最適化することにより、組電池ユニットの小型化を図ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明は、ボックスと、ボックス内に収納された組電池と、ボックス内に収納され、バランサ回路が搭載された基板とを有する組電池ユニットを提供する。ここで、組電池は、複数の電池セルを重ね合わせることによって構成されている。電池セルのそれぞれは、外部に突出した電極タブを有し、電極タブを接続することによって、電池セルが直列接続されている。また、基板は、組電池上に載置されており、それぞれの電池セルが有する電極タブに接続されている。バランサ回路は、電池セルのそれぞれのセル電圧が均一になるように制御する。
【０００６】
ここで、上記電池セルは、リチウム系電池であってもよい。また、基板には、組電池ユニットの動作状態に関するデータを外部システムに送信するための通信回路が搭載されていてもよい。また、ボックスには、このボックスの内部空間を冷却するための冷却ファンと、空気取入口とが設けられていることが好ましい。また、外部システムから供給される制御信号によって、組電池ユニットの電流経路を遮断可能なリレーをさらに設けてもよい。また、ボックスに着脱自在に設けられ、組電池ユニットの電流経路を遮断可能な安全プラグをさらに設けてもよい。また、組電池ユニットの電流経路に設けられ、電流経路に異常電流が流れた場合に、電流経路を遮断するヒューズをさらに有していてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態に係る組電池ユニットの構成図であり、図２は、組電池ユニットの回路図である。ボックス１は、内部に空間が形成された樹脂製の箱体であって、一例として、そのサイズは640mm×240mm×190mmである。このボックス１内には、複数の電池セル２０を重ね合わせることによって構成された組電池２が収納されている。本実施形態では、電池セル２０として、薄板状のリチウム系電池（マンガン系リチウム電池）を用いており、金属層の両面を樹脂層で覆ったラミネートシート内に発電要素が収容されている。この電池セル２０の板厚は5mm程度であり、これを数十枚（例えば80枚）直列に接続することによって組電池２が構成されている。また、電池セル２０の一方の縁部（図１の上方）には、正極の電極タブ２１が突出して設けられているとともに、これとは反対側に縁部（図１の下方）には、負極の電極タブ２１が突出して設けられている。
【０００８】
組電池２を構成する一連の電池セル２０は、一方向からみた場合に、表面と裏面とが交互に反転するように配置されている。したがって、隣接した２つの電池セル２０において、正極の電極タブ２１と負極の電極タブ２１とは互いに対向する。そして、互いに対向して隣接した電極タブ２１同士を接続することによって、一連の電池セル２０が直列に接続される。そして、組電池２における右上端の電極タブ２１は、電流センサ６とリレー７とを介して、互いに並列な２つの正極コネクタ３ａに接続されている。電流センサ６は、組電池２の充放電電流を検出する。この検出結果は、電流制限値の管理や組電池２の残存容量を算出する際に用いられる。また、リレー７は、図示しない外部システムから供給される制御信号によって制御され、故障した組電池ユニットの電流経路を遮断する。一方、組電池２における左下端の電極タブ２１は、互いに並列な２つの負極コネクタ３ｂに接続されている。
【０００９】
ここで、組電池２は、右電池セル群２ａと左電池セル群２ｂとに分けられており、両セル群２ａ，２ｂとの間にはヒューズ８と安全プラグ４とが設けられている。具体的には、右電池セル群２ａは、その上下において互いに対向した電極タブ２１同士を接合することによって、直列に接続されている。そして、右電池セル群２ａの左上端（組電池２でみた場合には中間上）の電極タブ２１は、第１の配線１４ａと接合している。この配線１４ａには、ヒューズ８が設けられている。ヒューズ８は、負荷側の制御暴走時や短絡、或いは、ボックス１内部での短絡等に起因して異常電流が流れた場合に溶断し、組電池ユニット内の電流経路を遮断する。一方、左電池セル群２ｂも、その上下において互いに対向した電極タブ２１同士を接合することによって、直列に接続されている。そして、左電池セル群２ｂの右下端（組電池２でみた場合には中間下）の電極タブ２１は、第２の配線１４ｂと接合している。そして、第１の配線１４ａと第２の配線１４ｂとは、安全プラグ４を介して電気的に接続されている。安全プラグ４は、ボックス１の外壁部に着脱可能に設けられており、このプラグ４を引き抜くことにより、組電池ユニットの電流経路を物理的に遮断する。このような安全プラグ４を設ける理由は、リレー７誤動作に起因した誤出力を防止するため、或いは、メンテナンス時や組電池ユニットの輸送時における感電を防止するためである。このように、右電池セル群２ａと左電池セル群２ｂとは、配線１４ａ，１４ｂを介して接続されているため、組電池２全体において、電池セル２０が直列接続された形態となる。
【００１０】
また、ボックス１には、この内部空間を冷却するための冷却ファン１３と、スリット状の空気取入口１２とが設けられている。この冷却ファン１３の回転によって、ボックス１内の空気が強制的に外部に排出される。したがって、充放電時に組電池２が発熱しても、空冷によって組電池２の温度上昇を効率的に抑制することができる。なお、ボックス１の各部位の温度検出を行うために、本実施形態では３カ所にサーミスタ３０が設けられている。具体的には、第１のサーミスタ３０は、ボックス１の内部空間に配置されており、第２のサーミスタ３０は、隣接した電池セル２０の間に挟持されており、第３のサーミスタ３０は、電極タブ２１と接触して設けられている。
【００１１】
さらに、ボックス１の所定部位（本実施形態では冷却用ファン１３の直上）には、外部システムとの間で通信を行うための制御コネクタ１５が設けられている。
【００１２】
一方、電池セル２０を重ね合わせることによって構成された組電池２上には、基板５が載置されており、この基板５にはバランサ回路が搭載されている。バランサ回路は、それぞれの電極タブ２１と接続されている。具体的には、図３および図４に示すように、基板５の上部には４つのコネクタ１６が設けられているとともに、その下部にも４つのコネクタ１６が設けられている。それぞれのコネクタ１６には１０本の配線１７が取り付けられており、それぞれの配線１７は、組電池２側のそれぞれの電極タブ２１と接続されている。バランサ回路は、それぞれの電池セル２０におけるセル電圧のばらつきを修正し、組電池２全体でこれらが均一になるように制御する。バランサ回路は、互いに磁気結合された複数の巻き線を有するトランスと、それぞれの巻き線に直列接続されたスイッチと、セル電圧を監視する監視回路とのセットを電池セル２０の個数分だけ有する。そして、バランサ回路は、セル電圧が所定のしきい値を超えた場合に、スイッチによるスイッチングを停止することにより、セル電圧の異常な上昇を回避する。その結果、特定の電池セル２０の過放電や過充電を防ぎ、電池セル２０の劣化を防止する。なお、バランサ回路の詳細については、特開２００１−３０９５７３号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。
【００１３】
また、基板５には、コントローラ９が搭載されており、このコントローラ９は、有線通信システム１０と無線通信システム１１とを含む。これらのシステム１０，１１は、組電池ユニットの動作状態に関するデータを外部システムに送信するための通信回路である。具体的には、有線通信システム１０は、上述した制御コネクタ１５を介して、電源系全体を制御する外部のコントローラとの間で制御上必要なデータの送受信を行う。このデータとしては、上述した各種センサ６，３０等のセンサ情報も含まれる。また、無線通信システム１１は、無線通信を介して、管理者側のシステムに対して上記データを送信する。なお、コントローラ９は、基板５上に直接載置してもよいが、コントローラ９を搭載した別の基板を基板５上に載置した場合においても同様の形態を実現できる。このような有線・無線の通信を外部システムとの間で行うことによって、組電池２の早期劣化を抑制するような最適負荷での運転が可能となる。
【００１４】
このように、本実施形態では、バランサ回路が搭載された基板５を、複数の電池セル２０を重ね合わせることによって構成された組電池２の上に載置しているので、その分だけ省スペース化を図ることができる。したがって、組電池ユニットを小型化できる。また、組電池をユニット化した際に必要となる様々な周辺機器をボックス２内の収納しているので、高性能かつ高品質で安全性の高い組電池ユニットを低価格で実現できる。
【００１５】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、組電池ユニットにおいて、バランサ回路が搭載された基板の配置レイアウトを最適化することにより、組電池ユニットの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】組電池ユニットの構成図
【図２】組電池ユニットの回路図
【図３】組電池ユニットの断面図
【図４】基板に接続される配線の説明図
【符号の説明】
１ ボックス
２ 組電池
２ａ 右電池セル群
２ｂ 左電池セル群
３ａ 正極コネクタ
３ｂ 負極コネクタ
４ 安全プラグ
５ バランサ基板
６ 電流センサ
７ リレー
８ ヒューズ
９ コントローラ
１０ 有線通信システム
１１ 無線通信システム
１２ 空気取入口
１３ 冷却ファン
１４ａ 第１の配線
１４ｂ 第２の配線
１５ 制御コネクタ
１６ コネクタ
１７ 配線
２０ 電池セル
２１ 電極タブ
３０ サーミスタ

Claims (6)

1. 組電池ユニットにおいて、
   ボックスと、
   前記ボックス内に収納されており、複数の電池セルを重ね合わせることによって構成されており、前記電池セルのそれぞれが、外部に突出した電極タブを有し、前記電極タブを接続することによって、前記電池セルが直列接続されている組電池と、
   前記ボックス内において、前記組電池上に載置されており、前記電極タブのそれぞれに接続されており、かつ、前記電池セルのそれぞれのセル電圧が均一になるように制御するバランサ回路が搭載された基板とを有し、
   前記基板には、前記組電池ユニットの動作状態に関するデータを外部システムに送信するための通信回路が搭載されていることを特徴とする組電池ユニット。
2. 前記電池セルは、リチウム系電池であることを特徴とする請求項１に記載された組電池ユニット。
3. 前記ボックスには、当該ボックスの内部空間を冷却するための冷却ファンと、空気取入口とが設けられていることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載された組電池ユニット。
4. 外部システムから供給される制御信号によって、前記組電池ユニットの電流経路を遮断可能なリレーをさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された組電池ユニット。
5. 前記ボックスに着脱自在に設けられ、前記組電池ユニットの電流経路を遮断可能な安全プラグをさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された組電池ユニット。
6. 前記組電池ユニットの電流経路に設けられ、前記電流経路に異常電流が流れた場合に、前記電流経路を遮断するヒューズをさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された組電池ユニット。

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