JP4411775B2

JP4411775B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4411775B2
Application number: JP2000332673A
Authority: JP
Inventors: 止小川; 孝昭安部; 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002142370A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の単電池を組み合わせて成る組電池に係り、特に小型の二次電池を組み合わせ電気自動車等のモータ駆動用電池として好適に使用できる組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護運動の高まりを背景として、二酸化炭素排出規制が切に望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入を促進すべく、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用電池の開発が鋭意行われている。このような電池としては、繰り返し充放電が可能な二次電池が使用される。以下、「電池」は主に「二次電池」を指して用いる。
【０００３】
ＥＶ、ＨＥＶのモータ駆動のように高出力及び／又は高エネルギー密度が要求される用途では、単一の大型電池は事実上作れず、複数の電池を直列に接続して構成した組電池を使用することがこれまでは一般的であった。
しかし、かかる組電池では単位電池の容量を非常に大きくする必要があり、専用の製造ラインを設けて生産する必要があった。また、特に大容量が必要とされるＥＶ用電池等では、１個の電池が非常に重くなり取り扱いが困難であった。
【０００４】
そこで、取り扱いの容易な小型の電池を多数接続して、ＥＶ、ＨＥＶ用途に供することが考えられている。例えば、図６に示すように、小型電池１をまず並列に接続して電池群をなし、合計の容量をＥＶ、ＨＥＶ用大容量電池に匹敵するものとし、これらを並列に接続した電池群を更に直列に接続することにより、単位電池が小さくても大出力及び／又は大容量の電池が提案されている。この形式の回路は、例えば特開平８−２４１７０５号公報等に示されている。
【０００５】
しかし、電池を並列に接続した場合、もし並列に接続されたいずれかの電池に短絡（ショート）が生じると、その電池へ他の電池から電流が生じ、発熱等による電池や組電池の損傷につながるため、短絡が生じた電池を並列接続された電池から開放する必要がある。このとき、並列接続されている全電池に電圧計と開放回路を設けて、大量の電池を組み合わせようとすると、莫大な部品点数になってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の問題を避けるため、まず電池を直列に接続し、その直列に接続した電池群を並列に接続することが考えられる。
例えば、該直列電池群をなす各電池の各電圧を測定することにより異常を検知し、異常を検知した際には直列の電池群を並列接続から開放する構成とすることができる。しかし、この場合、開放回路の数は並列回路数分に減らすことができるが、電圧計数は電池の個数と変わらない。
また、直列回路ごとに電流計を設置することも考えられるが、短絡等の電池異常の際に電圧の変化は大きいが電流は変化しないため、かかる異常を検知することは困難である。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単電池の組合せにより大出力及び／又は大容量を実現し、回路を構成する部品点数が削減され、更に発熱等による単電池や組電池の損傷を防止できる組電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、次のとおりである。
請求項１に記載した発明は、単電池を複数個接続して成る組電池であって、この単電池を複数個並列接続して成る電池単位が、複数個直列に接続された電池群を有し、この直列電池群が複数且つ並列に接続されて成る並列回路型をなし、上記直列電池群のいずれか１個の電池単位に電圧検知手段が設けられ、これら電圧検知手段には電圧値の信号を受信する制御回路が接続され、更に上記直列電池群の両端にはこの制御回路が制御する開放回路が接続されており、上記電圧検知手段の示す電圧値が相対的に異なるときに、上記制御回路により上記開放回路を開放して、当該電圧検知手段が設置されている直列電池群を上記並列回路全体から開放することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載した直列電池群が、直列電池群ごとに上記並列回路から脱着できるサブモジュール構造であることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載した上記単電池がリチウムイオン電池であることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載した組電池が、電気自動車又はハイブリッド電気自動車に用いられることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、単電池を複数個接続して成る組電池であって、この単電池複数個から成る電池単位が、複数個直列に接続された電池群を有し、この直列電池群が複数且つ並列に接続されて成る並列回路型をなし、上記直列電池群のいずれか１個の電池単位に電圧検知手段が設けられ、これら電圧検知手段には電圧値の信号を受信する制御回路が接続され、更に上記直列電池群の両端にはこの制御回路が制御する開放回路が接続されており、上記電圧検知手段の示す電圧値が相対的に異なるときに、上記制御回路により上記開放回路を開放して、当該電圧検知手段が設置されている直列電池群を上記並列回路全体から開放することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の組電池について好適形態を参照して詳細に説明する。
本発明の好適実施形態である組電池全体の回路概略図を図１に示す。なお、本組電池における電池単位（組電池の構成単位となる電池又は電池群）は、１個の二次電池１である。
【００１３】
本組電池３は、二次電池（１、１’及び１”）を直列に３個つないで成る直列電池群２を有する。直列電池群２を構成する二次電池のうちの１個（二次電池１）には電圧検知手段４が設けられている。なお、図１において、実線で示された電圧検知手段（Ｖａａ、Ｖａｂ及びＶａｃ）は実際に設けられている電圧検知手段を示し、点線で示された電圧検知手段（Ｖｂａ、Ｖｂｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａ、Ｖｃｂ及びＶｃｃ）は実際には設けられていないが、仮想的に後の説明で考慮するものであることを示す。
【００１４】
また、直列電池群２の回路端部には開放回路５が設けられている。開放回路５はスイッチ、リレー等、所定の信号が入力されることにより回路を開放する機能を有し、本実施形態では直列電池群２の両端部に設けてある。これより開放時には当該直列電池群２を並列回路から絶縁して、発熱等による電池の損傷を防止する。
更に、本実施形態では、直列電池群２をなす二次電池と、電圧検知手段４と、開放回路５と、これらを接続するための配線と、をサブモジュール構造とし、並列回路から脱着できるようにしている。かかるサブモジュール構造を採用すると、直列電池群ごとに容易に交換できるので有効である。
【００１５】
更にまた、本組電池３は、３組の直列電池群２が並列に接続された並列回路型をなしている。また、組電池３を構成する並列回路上には外部接続用の正極端子７及び負極端子７’が設けられている。
また、本実施形態では、直列電池群２が３組あり、その両端に開放回路５を設けてあるため、電圧検知手段４は計３個（Ｖａａ、Ｖａｂ及びＶａｃ）、開放回路５は計６個（Ｓａａ、Ｓａｃ、Ｓａｂ、Ｓｃｂ、Ｓａｃ及びＳｃｃ）設けられている。電圧検知手段４及び開放回路５は、全て制御回路６と接続されている。更に、組電池３の外部に異常警報装置８を設け、この装置８は制御回路６と接続されている。
【００１６】
なお、制御回路６は、電圧検知手段４の示す電圧値が相対的に異なるときに、開放回路５が開放するよう機能する。ここでいう「電圧値が相対的に異なる」とは、組電池が有する複数の直列電池群の少なくとも１個の電池単位に設ける電圧検知手段の電圧値が、短絡等により他の電圧検知手段の電圧値と比較して変化することをいい、制御回路６は、複数の直列電池群に加わっている一定電圧から後述する範囲を超えて変化した電圧値を示す電圧検知手段を経時的に検出し、制御する。
【００１７】
ここで、本実施形態（図１）における制御回路６の作用について、図２に示すフローチャートに基づき説明する。
【００１８】
まず、ステップ１（以下［Ｓ１］のように示す）では、通常の作動時において制御回路６へ各電圧検知手段４の電圧Ｖａｉ（Ｖａａ、Ｖａｂ及びＶａｃ）が入力され、これらの平均電圧Ｖａｖｅが以下の式１より求められる［Ｓ２］。
Ｖａｖｅ＝ΣＶａｉ／ｎ（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ） …（１）
式１において、ΣＶａｉは各電圧検知手段４で測定された電圧の総和を表す。また、ｎは電圧検知手段４の数、言い換えれば、並列回路に接続された直列電池群２の数であり、本実施形態では初期はｎ＝３である。
【００１９】
次いで、上記式１で求めた平均電圧Ｖａｖｅと各電圧検知手段４から入力された電圧Ｖａｉが比較される［Ｓ３］。即ち、式２に従って各電池の平均電圧Ｖａｖｅからの誤差Ｖｅｉ（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ）を求める。
Ｖｅｉ＝Ｖａｉ−Ｖａｖｅ（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ） …（２）
【００２０】
更に、予め定めておいた上界誤差判定電圧Ｖｅｕ及び下界誤差判定電圧Ｖｅｌと、上記誤差Ｖｅｉと、が比較され、ＶｅｉがＶｅｕとＶｅｌの間（Ｖｅｕ＜Ｖｅｉ＜Ｖｅｌ）にあるときは異常なし（Ｎｏ）、それ以外のときは異常あり（Ｙｅｓ）と判定される［Ｓ４］。
なお、Ｖｅｕ及びＶｅｌは、電池の材料、個数等によって異なるが、図１に示す組電池では、上界誤差判定電圧Ｖｅｕが０．４〜０．６（Ｖ）程度、下界誤差判定電圧Ｖｅｌが−０．４〜−０．２（Ｖ）程度であることが望ましい。
【００２１】
ここで、本実施形態の構成で、単電池としてリチウムイオン電池を用い、通常に使用する電圧域を２．６〜４．１Ｖとし、過充電上限電圧を５Ｖとしたときの上界誤差判定電圧Ｖｅｕ及び下界誤差判定電圧Ｖｅｌの算出例を示す。なお、上述の電圧域は本実施形態の説明上例示するものであり、別の数値を用いることを何ら妨げるものではない。
図３に、電池ａａ又は電池ｂａが、最高電圧時又は最低電圧時に短絡し、５Ｖまで電圧（Ｖｊａ）が上昇したときの各電池の電圧とＶａｖｅ、Ｖｅａ、Ｖｅｂ及びＶｅｃの値を示す。なお、Ｖｊｂ及びＶｊｃは全て等しいと仮定し、Ｖｅｂ＝Ｖｅｃとした。また、本明細書で用いる「短絡」は、短絡した結果、その部分の抵抗が増大するものを示す。
【００２２】
図３の（１）から（４）の場合分けは、
（１）電池ａａ短絡、最高電圧時
（２）電池ｂａ短絡、最高電圧時
（３）電池ａａ短絡、最低電圧時
（４）電池ｂａ短絡、最低電圧時
とした。これらの場合のＶｅａ及びＶｅｂを計算した結果、正の誤差Ｖｅａの最小値は０．６（Ｖ）、負の誤差Ｖｅａの最大値は−０．３（Ｖ）であることから、Ｖｅｕ＝０．６（Ｖ）、Ｖｅｌ＝−０．３（Ｖ）となった。
【００２３】
上記Ｓ４で異常ありと判定されたとき、言い換えれば、例えばＶｅａが単独でＶｅｕを超えるとき又はＶｅｌ未満になったときで、ａａを含む直列電池群２に異常があると判定されたときは、開放回路５（Ｓａａ及びＳｃａ）を開放し、ａａを含む直列電池群２が電池全体から絶縁され他の電池への悪影響が防止されるとともに、ａａを含む直列電池群２が開放され更なる負荷がかかることが防止される［Ｓ５］。また、組電池３の外部、例えばＥＶ、ＨＥＶのインストルメントパネル内に設置された警報装置８を点滅させる等して、使用者（運転者など）に異常の発生が伝えられる［Ｓ６］。これより、異常がある電池又は直列電池群２をいち早く修理・交換することができる。
なお、開放後は、１直列電池群分の電池が少なくなるので電池の総容量は減少するが、電圧は減少しないので、急に電池の出力が低下することはない。
【００２４】
ａａを含む直列電池群２の異常発生を伝達した後は、入力からＶａａが除外され、ｎ＝ｎ−１とし［Ｓ７］、Ｖａｂ、Ｖａｃについて平均計算と誤差計算及び誤差確認が続けられる［Ｓ８］。
【００２５】
なお、本実施形態は電池の上限電圧に注目してＶｅｕ及びＶｅｌを設定しているが、下限電圧（例えば、過放電下限電圧を２．４（Ｖ）とする）に注目して同様の設定をすることも可能である。
また、これらの誤差判定電圧を組み合わせることにより、いっそう信頼性の高い制御回路６とすることができる。
更に、並列回路全体の電圧、例えば、図１に示す電圧Ｖｔを直列電池群２の電池の個数で割った値と各電池の電圧を比較することにより、測定の精度をいっそう上げることができる。
【００２６】
次に、本発明の他の好適実施形態である組電池全体の回路概略図を図４に示す。
本実施形態は、図１に示す組電池に比べて非常に小さい単電池１を用いた組電池である。なお、ここで本組電池３の電池単位は、５個の二次電池の並列回路である。
【００２７】
かかる組電池は、上述の組電池（図１）とほぼ同様な構成を有するが、以下の点が異なる。即ち、単電池１を５個並列につなぎ、その並列電池群を５組直列につなぎ、更にその直列電池群２を４組並列につないだ並列回路型の組電池である。また、本組電池の有する電圧検知手段４及び開放回路５は、直列電池群２を含むサブモジュール構造の外側に設置されている。更に、個々の単電池の容量が非常に小さく使用数も多いので、例えば５個並列に組んで短絡が生じ、温度上昇が起こっても、電池全体に致命的な悪影響を与えにくく、いっそう制御回路を省略することが実用上可能となっている。
【００２８】
ここで、本実施形態における電圧検知手段４（Ｖａ、Ｖｂ等）からの入力と開放回路５（Ｓａａ、Ｓａｂ等）への制御回路６の作用について、図５に示すフローチャートに基づき説明する。
【００２９】
まず、通常は各直列電池群の１並列電池群の電圧Ｖｉ（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ，ｄ）が測定され［Ｓ１］、隣り合う直列電池群の電圧の差Ｖｉｊ（Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃｄ及びＶｄａ）が計算される［Ｓ２］。ここで、例えばＶａｂは｜Ｖａ−Ｖｂ｜を表し、記号「｜｜」は、記号に挟まれた値の絶対値をとることを表す。
【００３０】
次いで、これら電圧の差Ｖｉｊと、予め定めた限界差電圧Ｖｔｈとが比較され、ＶｉｊがＶｔｈを超えるとき（Ｖｔｈ＜Ｖｉｊ）は異常あり（Ｙｅｓ）、それ以外のときは異常なし（Ｎｏ）と判定される［Ｓ３］。なお、Ｖｔｈは電池の種類、個数により異なるが、例えば本実施形態の構成においてリチウムイオン電池を適用する場合は、０．２（Ｖ）程度が考えられる。
【００３１】
上記Ｓ３で異常ありと判断されたときは、Ｖｔｈより大きいＶｉｊのｉ、ｊに共通して現われる直列電池群２の符号が探索される［Ｓ４］。なお、Ｓ３で異常がなければ次のタイムステップ（例えばａ→ｂ→ｃ→ｄの順）に進められる。
また、上記Ｓ４の探索の結果、例えば、直列電池群２−ａ（ａ直列）が共通して現われていたら、直列電池群２−ａの両端にある開放回路５（Ｓａａ及びＳａｂ）が開放され直列電池群２−ａが電池回路全体から切り離され［Ｓ５］、警報が外部に発信されるとともに［Ｓ６］、直列電池群２−ａを除いた電池群（２−ｂ、２−ｃ及び２−ｄ）により運転が続けられる［Ｓ７、Ｓ８］。
【００３２】
上述のように、本発明の組電池は、従来の組電池に比較して少ない回路要素で電池の保護ができ、例えば電気自動車又はハイブリッド電気自動車などに好適に用いることができる。
また、本発明の組電池を構成する単電池としては、代表的にリチウムイオン電池を用いることができる。
【００３３】
以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、代表的に、組電池を構成する単電池は３個以上使用し、電池群は３つ以上使用することが望ましい。また、組電池の形状は、図１及び図２に示すような平板型に限られず、円筒型などにすることも可能である。更に、本発明の組電池は、他の二次電池、一次電池、燃料電池及び太陽電池などと組み合わせた混成電池として使用することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、上記直列電池群の少なくとも１個の電池単位に設置した電圧検知手段の示す電圧値が相対的に異なるときに、上記制御回路により上記開放回路を開放させることとしたため、単電池の組合せにより大出力及び／又は大容量を実現し、回路を構成する部品点数が削減され、更に発熱等による単電池や組電池の損傷を防止できる組電池を提供することができる。
さらに、個々の単電池の容量が非常に小さく使用数も多いので、短絡が生じて温度上昇が起こっても、電池全体に致命的な悪影響を与えにくく、いっそう制御回路を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の好適実施形態を示す概略図である。
【図２】図１に示す組電池の制御回路の作用を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す組電池の電圧判定例を示す表である。
【図４】本発明の組電池の他の実施形態を示す概略図である。
【図５】図４に示す組電池の制御回路の作用を示すフローチャートである。
【図６】従来の組電池を示す概略図である。
【符号の説明】
１ …電圧検知手段を設けた電池単位
１’…電圧検知手段を設けていない電池単位
１”…電圧検知手段を設けていない電池単位
２、２−ａ、２−ｂ、２−ｃ、２−ｄ …直列電池群
３ …組電池
４ …電圧検知手段
５ …開放回路
６ …電圧比較を行う制御回路
７、７’ …組電池の端子
８ …異常警報装置
ａａ、ａｂ、ａｃ、ｂａ、ｂｂ、ｂｃ、ｃａ、ｃｂ、ｃｃ、ｄａ、ｄｂ …電池単位、電圧検知手段及び開放回路を区別する記号
Ｓａａ、Ｓａｂ、Ｓａｃ、Ｓｂａ、Ｓｂｂ、Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃ、Ｓｄａ、Ｓｄｂ …開放回路
Ｖａａ、Ｖａｂ、Ｖａｃ、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ …電圧検知手段又は電圧値

Claims

単電池を複数個接続して成る組電池であって、
この単電池を複数個並列接続して成る電池単位が、複数個直列に接続された電池群を有し、この直列電池群が複数且つ並列に接続されて成る並列回路型をなし、
上記直列電池群のいずれか１個の電池単位に電圧検知手段が設けられ、これら電圧検知手段には電圧値の信号を受信する制御回路が接続され、更に上記直列電池群の両端にはこの制御回路が制御する開放回路が接続されており、
上記電圧検知手段の示す電圧値が相対的に異なるときに、上記制御回路により上記開放回路を開放して、当該電圧検知手段が設置されている直列電池群を上記並列回路全体から開放することを特徴とする組電池。
上記直列電池群が、直列電池群ごとに上記並列回路から脱着できるサブモジュール構造であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
上記単電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池。
電気自動車又はハイブリッド電気自動車に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池。
単電池を複数個接続して成る組電池であって、
この単電池複数個から成る電池単位が、複数個直列に接続された電池群を有し、この直列電池群が複数且つ並列に接続されて成る並列回路型をなし、
上記直列電池群のいずれか１個の電池単位に電圧検知手段が設けられ、これら電圧検知手段には電圧値の信号を受信する制御回路が接続され、更に上記直列電池群の両端にはこの制御回路が制御する開放回路が接続されており、
上記電圧検知手段の示す電圧値が相対的に異なるときに、上記制御回路により上記開放回路を開放して、当該電圧検知手段が設置されている直列電池群を上記並列回路全体から開放することを特徴とする組電池。