JP5347701B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続された複数の蓄電素子の電圧を均等化させる均等化回路を備えた蓄電装置に関するものである。

図７に示すように、複数の単電池（二次電池）１００が直列に接続された電池モジュールでは、各単電池１００に対して放電回路２００が並列に接続されているものがある。放電回路２００は、抵抗素子２０１およびスイッチング素子２０２を有しており、複数の単電池１００における電圧のバラツキ（言い換えれば、容量バラツキ）を抑制するために設けられている。

ここで、放電回路２００のスイッチング素子２０２がオフ状態からオン状態に切り替わると、単電池１００に充電される電流の一部が放電回路２００にも流れることになる。これにより、スイッチング素子２０２がオフ状態である場合に比べて、単電池１００に流れる充電電流が減少し、単電池１００の充電量が低下することになる。このように充電量を制御することにより、複数の単電池１００における電圧のバラツキを抑制することができる。

特開２００２−３５４７０３号公報（段落００１３、図１）

いわゆる円筒形の単電池では、長手方向における両端部に、正極端子および負極端子が設けられており、この正極端子および負極端子に対して、図７に示す放電回路２００を接続しようとすると、配線が複雑になってしまう。具体的には、放電回路２００の配線を、単電池の長手方向に沿って配置しなければならない。また、複数の単電池が複数の方向に並んで配置されている場合には、放電回路２００を接続するための配線の配置が複雑になりやすい。

そこで、本発明の目的は、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを抑制するための均等化回路を備えた構成において、均等化回路の配線を簡素化することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、複数の蓄電素子を含む蓄電モジュールと、第１抵抗素子および第２抵抗素子とを有している。蓄電素子は、所定方向の両端部において、正極端子および負極端子を有しており、複数の蓄電素子は、直列に接続された状態で、両端部が略同一面内に位置するように並んで配置されている。第１抵抗素子は、複数の蓄電素子のうち、直列に接続された２ｎ（ｎは整数、以下同じ）個の蓄電素子からなる第１素子群に対して並列に接続されている。第２抵抗素子は、複数の蓄電素子のうち、直列に接続された２ｎ個の蓄電素子からなる第２素子群に対して並列に接続されているとともに、第１素子群のうち、直列に接続された２つの蓄電素子の間に一端が接続されている。

ここで、第１素子群には、正極端子が第１抵抗素子の一端と接続され、負極端子が第２抵抗素子の一端と接続される蓄電素子が含まれる。また、隣り合って配置された蓄電素子がバスバーを介して直列に接続されている場合には、各抵抗素子を、配線を介してバスバーに接続することができる。そして、バスバーおよび各抵抗素子を、基板に取り付けておくことができる。これにより、基板を用いて、バスバーおよび各抵抗素子を複数の蓄電素子に接続することができ、蓄電装置の組立性を向上させることができる。

一方、各抵抗素子と直列に接続され、各抵抗素子への通電および非通電を切り替えるためのスイッチング素子を設けることができる。この場合には、各抵抗素子およびスイッチング素子を、各素子群に対して並列に接続すればよい。

蓄電素子としては、長手方向と直交する断面の形状が略円形に形成されたもの、いわゆる円筒形の蓄電素子を用いることができる。円筒形の蓄電素子では、長手方向の両端部に、正極端子および負極端子がそれぞれ設けられている。このような構成の蓄電素子を用いた場合には、第１抵抗素子および第２抵抗素子を、蓄電素子の両端側にそれぞれ配置することができる。なお、円筒形の蓄電素子を複数用いる場合には、ホルダによって各蓄電素子の両端部を支持することができる。

本発明によれば、複数の蓄電素子が並んで配置された構成において、蓄電素子の正極端子又は負極端子の側に、抵抗素子や抵抗素子の配線を位置させることができる。これにより、抵抗素子の配線を蓄電素子（所定方向）に沿って配置する必要がなく、配線の配置を簡素化することができる。また、第１抵抗素子および第２抵抗素子を用いることにより、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを抑制することもできる。

本発明の実施例１である電池パックの構成を示す分解図である。 実施例１における電池モジュールの一部の構成を示す概略図である。 実施例１における均等化回路の構成を示す図である。 実施例１の変形例における均等化回路の構成を示す図である。 本発明の実施例２における均等化回路の構成を示す図である。 実施例２における電池モジュールの一部の構成を示す概略図である。 従来における均等化回路の構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池パック（蓄電装置）の構成について、図１を用いて説明する。図１は、電池パックの構成を示す分解斜視図である。

本実施例の電池パック１は、車両に搭載することができ、この車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車とは、車両の走行に用いられるエネルギを出力する動力源として、内燃機関又は燃料電池の他に、電池パック１を備えた車両である。また、電気自動車とは、車両の動力源として電池パック１だけを備えた車両である。本実施例の電池パック１は、放電によって車両の走行に用いられるエネルギを出力したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として蓄えたりする。また、車両の外部から電力を供給することにより、電池パック１を充電することもできる。

電池パック１は、電池モジュール（蓄電モジュール）１０およびパックケース２０を有している。パックケース２０は、電池モジュール１０を収容するための空間を形成するロアーケース２１と、ロアーケース２１の開口部２１ａを塞ぐアッパーケース２２とを有している。アッパーケース２２は、ロアーケース２１に対して、ネジ等の締結部材によって固定されたり、溶接によって固定されたりする。

なお、本実施例では、パックケース２０の内部を空気で満たすようにしているが、これに限るものではなく、空気の代わりに、空気以外の気体や液体を用いることができる。液体としては、絶縁性を有する液体、例えば、パーフロロカーボン、フッ素系不活性液体、脂肪酸エステルを用いることができる。また、液体を用いる場合には、パックケース２０の内部を密閉状態としておくことが好ましい。

電池モジュール１０は、複数の単電池（蓄電素子）１１が直列に接続されたものである。単電池１１は、いわゆる円筒形の電池であり、リチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることもできる。円筒形の単電池１１は、長手方向と直交する断面の形状が略円形に形成されており、複数の単電池１１は、パックケース２０の内部において、並んで配置されている。具体的には、単電池１１の長手方向から見たときに、複数の単電池１１がマトリクス状に配置されている。

各単電池１１は、発電要素（不図示）と、発電要素を密閉状態で収容する電池ケースとを有している。発電要素は、充放電を行うことができる要素であり、例えば、正極素子と、負極素子と、電解液を含むセパレータとで構成することができる。本実施例では、正極素子および負極素子がセパレータを挟んで配置され、この積層体が円筒形状の電池ケース内において、巻かれた状態で収容されている。なお、正極素子は、集電板の表面に正極活物質の層を形成したものであり、負極素子は、集電板の表面に負極活物質の層を形成したものである。

各単電池１１の長手方向における両端には、正極端子（電極端子）１１ａおよび負極端子（電極端子）１１ｂがそれぞれ設けられている。正極端子１１ａは、上述した発電要素の正極素子と電気的に接続されており、負極端子１１ｂは、発電要素の負極素子と電気的に接続されている。各単電池１１の正極端子１１ａは、隣り合って配置された他の単電池１１の負極端子１１ｂとバスバー１２を介して電気的に接続されている。そして、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１は、電気的に直列に接続されている。

複数のバスバー１２は、位置決めされた状態で基板１３に固定されており、後述する電池ホルダ１４によって位置決めされた複数の単電池１１に対して取り付けられるようになっている。基板１３は、絶縁性を有する材料（例えば、樹脂）で形成されている。各バスバー１２は、電極端子１１ａ，１１ｂを貫通させるための穴部（不図示）を有しており、この穴部を貫通した電極端子１１ａ，１１ｂの先端には、ナット１６が取り付けられる。このように構成することにより、複数のバスバー１２を複数の単電池１１に対して容易に取り付けることができる。

各単電池１１は、両端側において、一対の板状の電池ホルダ１４によって支持されている。具体的には、各電池ホルダ１４は、単電池１１の電極端子１１ａ，１１ｂを貫通させるための穴部（不図示）を有しており、この穴部において、単電池１１の端部を支持している。そして、複数の単電池１１において、各単電池１１の両端部は略同一面内（電池ホルダ１４が位置する面内）に位置している。ここで、略同一面とは、複数の単電池１１の組立公差を考慮したものである。

電池ホルダ１４は、例えば、樹脂で形成することができ、締結部材によってパックケース２０（ロアーケース２１）に固定することができる。なお、本実施例では、一対の電池ホルダ１４を用いているが、これらの電池ホルダ１４を一体として構成することもできる。

電池モジュール１０の特定の単電池１１における正極端子１１ａは、電池モジュール１０の総プラス端子となり、この端子には、高圧ケーブルとしての総プラスケーブルが接続されている。また、電池モジュール１０の他の特定の単電池１１における負極端子１１ｂは、電池モジュール１０の総マイナス端子となり、この端子には、高圧ケーブルとしての総マイナスケーブルが接続されている。これらの高圧ケーブルは、システムリレーを介して、電圧値の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータや、直流電力および交流電力の間で変換を行うインバータに接続することができる。

次に、本実施例における均等化回路の構成について、図２および図３を用いて説明する。ここで、図２は、電池モジュール１０の一部の構成を示す概略図であり、図３は、均等化回路の構成を示す図である。

図２に示すように、隣り合って配置された２つのバスバー１２には、配線３０を介して抵抗素子（いわゆるバランス抵抗）４０が接続されている。そして、各基板１３には、複数の抵抗素子４０が取り付けられている。抵抗素子４０は、抵抗素子４０が接続された単電池１１における両端電圧のバランスをとるために、言い換えれば、複数の単電池１１における容量のばらつきを抑制するために用いられる。

図３は、図２に示す構成と等価の回路構成を示しており、各抵抗素子４０は、直列に接続された２つの単電池１１からなる電池群（素子群）に対して、並列に接続されている。具体的には、抵抗素子４０の一端は、２つの単電池１１のうち一方の単電池１１の正極端子１１ａと接続され、抵抗素子４０の他端は、他方の単電池１１の負極端子１１ｂと接続されている。また、抵抗素子４０と並列に接続された２つの単電池１１の間には、他の抵抗素子４０の一端が接続されている。そして、他の抵抗素子４０も直列に接続された２つの単電池１１に対して並列に接続されている。

図３において、複数の単電池１１よりも上方に位置する抵抗素子４０は、一対の基板１３のうち、一方の基板１３に固定される抵抗素子４０を示している。また、複数の単電池１１よりも下方に位置する抵抗素子４０は、他方の基板１３に固定される抵抗素子４０を示している。

上述した構成において、電池モジュール１０の充電を行うと、充電電流が単電池１１に流れるとともに、抵抗素子４０にも流れることになる。また、電池モジュール１０の放電を行えば、放電電流が抵抗素子４０に流れることになる。このように抵抗素子４０を用いることにより、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１において、電圧のバラツキを抑制することができる。

本実施例では、上述したように、単電池１１の両端側、言い換えれば、一対の電池ホルダ１４が位置する側に、複数の抵抗素子４０を振り分けて配置することができる。そして、抵抗素子４０およびバスバー１２を接続するための配線３０も、単電池１１の両端側に振り分けることができ、配線３０の配置を簡素化することができる。これにより、電池モジュール１０（電池パック１）を小型化することができる。

ここで、１つの単電池１１に対して抵抗素子４０を並列に接続しようとすると、各電極端子１１ａ，１１ｂおよび抵抗素子を接続する配線を単電池１１の長手方向に沿って配置しなければならなくなる。また、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１に対して、抵抗素子４０をそれぞれ接続するためには、配線の配置が複雑になってしまう。

本実施例では、配線３０が単電池１１の両端側に配置されるだけであり、単電池１１の長手方向に沿って配線３０を配置する必要がなく、配線３０を配置しやすくなる。しかも、バスバー１２、抵抗素子４０および配線３０は、単電池１１の両端側に配置される各基板１３に取り付けておくことができ、電池モジュール１０の組立性を向上させることができる。すなわち、基板１３を用いることにより、複数のバスバー１２や複数の抵抗素子４０を複数の単電池１１に対して一度に取り付けることができ、電池モジュール１０の組立が容易になる。

また、複数のバスバー１２が固定された基板１３に対して、複数の抵抗素子４０および複数の配線３０を一体的に形成しておくことにより、抵抗素子４０および配線３０を基板１３と別体として配置する場合に比べて、電池モジュール１０を小型化しやすくなる。

なお、本実施例における均等化回路では、直列に接続された２つの単電池１１に対して、抵抗素子４０を並列に接続しているが、この構成に限るものではない。具体的には、均等化回路を図４に示す構成とすることができる。図４は、本実施例の変形例である均等化回路の構成を示す概略図である。本変形例は、本実施例の構成において、スイッチング素子を追加したものである。以下、具体的に説明する。

本変形例では、複数の単電池１１に対して放電回路５０が接続されており、放電回路５０は、抵抗素子（いわゆるバランス抵抗）５１およびスイッチング素子５２を有している。具体的には、各放電回路５０は、直列に接続された２つの単電池１１に対して、配線３０を介して並列に接続されており、放電回路５０が接続された２つの単電池１１の間には、他の放電回路５０の一端が接続されるようになっている。

そして、図２に示す構成と同様に、各基板１３において、隣り合って配置された２つのバスバー１２には、配線３０を介して放電回路５０が接続されており、放電回路５０および配線３０は、各基板１３に固定されている。図４において、複数の単電池１１の上側に位置する放電回路５０は、単電池１１の一端側に配置される基板１３に固定され、複数の単電池１１の下側に位置する放電回路５０は、単電池１１の他端側に配置される基板１３に固定される。

スイッチング素子５２は、ベースにおいて、コントローラ（不図示）からの制御信号を受けることにより、オン状態およびオフ状態の間で切り替わるようになっている。スイッチング素子５２をオフ状態からオン状態に切り替えれば、例えば、単電池１１への充電が行われる際に、充電電流が抵抗素子５１にも流れることになり、複数の単電池１１における電圧バラツキを抑制することができる。

本変形例においても、複数の放電回路５０を、単電池１１の両端側、言い換えれば、各基板１３に振り分けて配置することができるため、放電回路５０の配線３０を簡素化することができる。また、複数のバスバー１２が固定された基板１３に対して、放電回路５０および配線３０を一体的に取り付けておくことにより、電池モジュール１０の組立性を向上させたり、電池モジュール１０の小型化を図ったりすることができる。

次に、本発明の実施例２における均等化回路の構成について、図５および図６を用いて説明する。ここで、図５は、本実施例における均等化回路の構成を示す図であり、図６は、本実施例における電池モジュールの一部の構成を示す概略図である。なお、実施例１で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例１と異なる点について、主に説明する。

実施例１では、互いに直列に接続された２つの単電池１１に対して、抵抗素子４０を並列に接続しているが、本実施例では、互いに直列に接続された４つの単電池１１からなる電池群（素子群）に対して、抵抗素子４０を並列に接続している。

図５に示す４つの抵抗素子４０のうちの１つの抵抗素子４０は、直列に接続された４つの単電池１１からなる電池群に対して、配線３０を介して並列に接続されている。具体的には、抵抗素子４０の一端は、電池群の総プラス端子と接続され、抵抗素子４０の他端は、電池群の総マイナス端子と接続されている。

また、抵抗素子４０が並列に接続された４つの単電池１１において、直列に接続された２つの単電池１１の間にはそれぞれ、他の３つの抵抗素子４０の一端が接続されている。このように構成すると、図６に示すように、単電池１１の両端側に、４つの抵抗素子４０を振り分けて配置することができる。図６において、各抵抗素子４０は、配線３０を介して２つのバスバー１２に接続されている。本実施例でも、抵抗素子４０および配線３０は、複数のバスバー１２が固定された基板１３に取り付けられるようになっている。

本実施例でも、実施例１と同様に、複数の抵抗素子４０を用いることにより、複数の単電池１１における電圧のバラツキを抑制することができる。また、抵抗素子４０および配線３０を、単電池１１の両端側に振り分けて配置することができるため、配線３０を簡素化することができる。さらに、抵抗素子４０および配線３０を基板１３に対して一体的に取り付けることにより、電池モジュール１０の組立性を向上させたり、電池モジュール１０を小型化したりすることができる。

なお、本実施例では、抵抗素子４０だけを用いているが、実施例１の変形例で説明した場合と同様に、抵抗素子５１およびスイッチング素子５２を備えた放電回路５０を用いることもできる。この場合には、放電回路５０を、直列に接続された４つの単電池１１に対して、配線３０を介して並列に接続すればよい。

また、本実施例では、４つの単電池１１に対して抵抗素子４０を並列に接続しているが、これに限るものではない。具体的には、直列に接続された２ｎ（ｎは整数）個の単電池１１に対して、抵抗素子４０を並列に接続することができる。そして、抵抗素子４０が接続された２ｎ個の単電池１１において、互いに直列に接続された２つの単電池１１の間に、他の抵抗素子４０の一端を接続することができる。

このように構成すれば、単電池１１の両端側に、複数の抵抗素子４０や配線３０を振り分けて配置することができ、配線３０を簡素化することができる。また、実施例１と同様に、抵抗素子４０および配線３０を、基板１３に一体的に取り付けることができ、電池モジュール１０の組立性を向上させたり、電池モジュール１０を小型化したりすることができる。

一方、本実施例では、円筒形の単電池１１を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。すなわち、単電池１１の正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂが電池ケースに対して互いに異なる方向に突出した構成であれば、本発明を適用することができる。そして、いわゆる角形の単電池１１を用いた場合であっても、正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂが上述した位置関係にあるものであれば、本発明を適用することができる。

１：電池パック（蓄電装置） １０：電池モジュール（蓄電モジュール）
１１：単電池（蓄電素子） １１ａ：正極端子
１１ｂ：負極端子 １２：バスバー
１３：基板 １４：電池ホルダ
２０：パックケース ２１：ロアーケース
２１ａ：開口部 ２２：アッパーケース
３０：配線 ４０：抵抗素子
５０：放電回路 ５１：抵抗素子
５２：スイッチング素子

Claims (8)

1. 所定方向の両端部に正極端子および負極端子を備えた複数の蓄電素子が、直列に接続された状態で、前記両端部が略同一面内に位置するように並んで配置された蓄電モジュールと、
   前記複数の蓄電素子のうち、直列に接続された２ｎ（ｎは整数、以下同じ）個の前記蓄電素子からなる第１素子群に対して並列に接続された第１抵抗素子と、
   前記複数の蓄電素子のうち、直列に接続された２ｎ個の前記蓄電素子からなる第２素子群に対して並列に接続され、前記第１素子群に含まれる直列に接続された２つの前記蓄電素子の間に一端が接続された第２抵抗素子と、
   を有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記第１素子群は、前記正極端子が前記第１抵抗素子の一端と接続され、前記負極端子が前記第２抵抗素子の一端と接続される前記蓄電素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 隣り合って配置された前記蓄電素子を直列に接続するためのバスバーを有しており、
   前記各抵抗素子は、配線を介して前記バスバーに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記バスバーおよび前記各抵抗素子を支持するための基板を有することを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記各抵抗素子と直列に接続され、前記各抵抗素子への通電および非通電を切り替えるためのスイッチング素子を有しており、
   前記各抵抗素子および前記スイッチング素子は、前記各素子群に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電素子は、長手方向と直交する断面の形状が略円形に形成されており、長手方向の両端部において、前記正極端子および前記負極端子を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置。
7. 前記第１抵抗素子および前記第２抵抗素子は、前記蓄電素子の両端側にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項６に記載の蓄電装置。
8. 前記蓄電素子の両端部を支持するためのホルダを有することを特徴とする請求項６又は７に記載の蓄電装置。
   

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