JP5430957B2

JP5430957B2 - バッテリシステム

Info

Publication number: JP5430957B2
Application number: JP2009017355A
Authority: JP
Inventors: 一広藤井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2010176999A

Description

本発明は、複数の電池セルを用いたバッテリシステムに関し、特に電池セルの接続数を容易に変更可能としたモジュール式のバッテリシステムに関する。

多数の電池セルを積層しているバッテリシステムは、電池セルを直列に接続して出力電圧を高くできることから、ハイブリッドカーや電気自動車の電源装置のように大電流で充放電される用途に使用される。このバッテリシステムは、車両を加速するときに極めて大きな電流で放電され、また、回生制動等の状態では、相当に大きな電流で充電される。このバッテリシステムは、大容量の電池セルを多数、直列及び／又は並列に接続することで、要求される出力を達成している。

しかしながら、要求される出力は車両によって異なる。バッテリシステムの出力は電池セルの接続数によって調整されるため、出力数によって電池セルを内蔵するケースの大きさが決定される。このため、従来は要求される使用毎にバッテリシステムのケースを設計する必要があり、開発コストと設計時間がかかるという問題があった。

また、バッテリシステムが高出力になるにつれて必要な電池セル数が大きくなることから、これに応じてバッテリシステムのケースも大きくなるため、このケースを配置するスペースの確保も問題となっていた。特に車載用途では、配置可能な空間の形状や位置が制約されるため、高出力のバッテリシステムを配置することは容易でない。

特開２００７−２３４３６９号公報

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、その一の目的は、電池セルの接続数を容易に変更可能としたバッテリシステムを提供することにある。また他の目的は、限られたスペースに効率よく電池セルを配置可能なバッテリシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

以上の目的を達成するために、本発明のバッテリシステムによれば、複数の電池セル１１を内蔵した第１電池ボックス１と、複数の電池セル１１を内蔵した第２電池ボックス２と、前記第１電池ボックス１及び第２電池ボックス２とを連結するための接続ボックス３と、を備え、前記接続ボックス３は、前記第１電池ボックス１と電気的に接続するための第１接続回路３１と、前記第２電池ボックス２と電気的に接続するための第２接続回路３２と、前記第１接続回路３１及び第２接続回路３２を電気的に接続するための統合接続回路３３と、前記統合接続回路３３から、前記第１電池ボックス１及び／又は第２電池ボックス２の電力を外部に出力するための出力部３４を備えている。これにより、電池ボックスを複数用意して、これらの電池ボックスの出力を一の接続ボックス３に集約して並列又は直列に接続することで、電池容量を容易に向上させることができる。すなわち、要求される仕様に応じて異なるサイズの電池ボックスを用意することなく、電池ボックスの接続数を変更することで対応可能とできる。また、電池ボックスを複数に分割することで、これらを同一の場所に配置する必要を無くし、別々に位置させた電池ボックスを接続ボックス３で統合することが可能となり、限られた空間内への効率的な配置が容易になる。

また、前記電池ボックス内で、前記第１接続回路３１、第２接続回路３２、統合接続回路３３の接続端子はそれぞれ、正極端子３１１、３２１、３３１同士、負極端子３１２、３２２、３３２同士とが各々同一面であって、かつ正極端子３１１、３２１、３３１面、負極端子３１２、３２２、３３２面とが異なる水平面高さに配置されてなり、これら正極端子３１１、３２１、３３１同士、負極端子３１２、３２２、３３２同士を金属製の平板状バスバー４によって接続することができる。これにより、接続ボックス３内部で配線する際、接続すべき正極端子３１１、３２１、３３１同士、負極端子３１２、３２２、３３２同士の接続を、各々同一平面で接続できる。また正極と負極で高度差を設けることで、これらを交差させてもショートすることがなく、剥き出しの金属製平板バスバー４を使用しても安全に配線できる。このように安価な平板バスバー４を使用できる上、極性を違えた誤配線を物理的に回避できるので、安全性及び作業性が高められる。

さらに第２の側面に係るバッテリシステムによれば、前記平板状バスバー４を、複数の平板プレートを螺合により組み合わせて構成することができる。これにより、様々なパターンの平板プレートを螺合で継ぎ足し、所望のパターンの平板状バスバーを構成できる。

さらに第３の側面に係るバッテリシステムによれば、各電池ボックスは、一方の側面に排出ガス用ダクト１７の連結機構を設けており、前記第１電池ボックス１及び第２電池ボックス２を、前記ダクト連結機構を設けた面が同一面となるように積層して配置し、さらにその上面に前記接続ボックス３を、前記ダクト連結機構を設けた面と反対側の面に近接するよう載置できる。これにより、排出ガス用ダクト１７の連結作業を一方の面で行うと共に、各電池ボックスと接続ボックス３との配線を別の面側で行うことができ、両作業を空間的に離間させて行えるのでバッテリシステムの組み付け性を容易にできる。

さらにまた第４の側面に係るバッテリシステムによれば、前記接続ボックス３は、接続される複数の電池ボックスの内、少なくとも一部の電池ボックスについて、その電気接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なリレーを内蔵してなる。これにより、電池ボックスの接続状態をリレーのＯＮ／ＯＦＦで切り替えることが可能となり、接続数を変更することで出力を変化させたり、あるいは一部の電池ボックスを使用した状態で出力を一定に保ちながら使用する電池ボックスを変更して、問題のある電池ボックスを切り離す等の利用が可能となる。

本発明の実施の形態に係るバッテリシステムの外観を示す斜視図である。図１のバッテリシステムの垂直断面図である。接続ボックスの水平断面図である。図３の接続ボックスの内部を示す斜視図である。図１の電池ボックスの水平断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリシステムを例示するものであって、本発明はバッテリシステムを以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の一実施の形態に係るバッテリシステムを、車載用のバッテリシステムに適用する例を、以下図１〜図５に基づいて説明する。これらの図において、図１はバッテリシステムの外観を示す斜視図を、図２に図１のバッテリシステムの垂直断面図を、図３に接続ボックスの水平断面図を、図４に図３の接続ボックスの内部を示す斜視図を、図５に図１の電池ボックスの水平断面図を、それぞれ示している。これらの図に示すバッテリシステム１００は、第１電池ボックス１と、第２電池ボックス２と、接続ボックス３とを、順に積層状態に固定している。
（電池ボックス）

第１電池ボックス１と第２電池ボックス２は、各々が多数の電池セル１１を内蔵している。図２の例では第１電池ボックス１と第２電池ボックス２を同じものを利用しているので、以下第１電池ボックス１を例として説明する。なお、第１電池ボックスと第２電池ボックスとで、異なる構成を採用することもできる。例えば第２電池ボックスは、第１電池ボックスよりも電池セル数を少なくしても良い。このように、要求される仕様に応じて使用する電池ボックスの形態も適宜変更できる。

各電池ボックスは、図２の垂直断面図に示すように複数の電池セル１１を縦置きに並べ、直列又は並列に電気的に接続した電池ブロックと、各電池セル１１の充放電を制御するための電池制御部１２を内部に備えている。電池制御部１２は各電池セル１１の温度や電圧を検出し、これらの温度や電圧の検出信号に基づき各電池セル１１の充放電を制御する。電池制御部１２は、図２の垂直断面図に示すように電池ブロックの上面の片側に配置される。

車載用のバッテリシステムでは、モータ駆動用の高電圧と、従来の車載バッテリで駆動される電装品などの駆動用の低電圧（この例では１２Ｖ）が求められる。そこで電池ブロックから得られる電圧を、高電圧用と低電圧用とに分けて適切に管理すべく、図５の水平断面図に示す例では、電池制御部１２は高電圧回路１３と低電圧回路１４とに分けられている。

高電圧回路１３は、パワー系部品を備えており、また各電池セル１１の電圧を検出する電圧検出線と接続されて、これらの電圧に従い電池の充放電を制御する。一方低電圧回路１４は、各電池セル１１の温度を検出する温度検出線と接続されており、これらの温度をモニタする。また車両側の１２Ｖ信号線への低電圧出力端子と、制御用の信号端子とを外部に設けている。これら高電圧回路１３と低電圧回路１４とは絶縁されている。また高電圧回路１３に実装されるパワー系部品は発熱量が大きいため、これらの発熱部材を低電圧回路１４と離間させることで、低電圧回路１４による制御の信頼性を高められる。また一方で、高電圧回路１３の正極側出力と負極側出力、及び低電圧回路１４の正負出力は、それぞれ出力ケーブルを介して接続ボックス３側に接続される。なお、制御系の信号電圧及びパワー系の出力電圧の両方を接続ボックスに送出する構成の他、パワー系の出力電圧のみを接続ボックスに送出し、制御系の信号電圧は車側に直接送信する構成としてもよい。

電池ボックスの外観は、図１の斜視図に示すように、上面を長方形状とする箱形である。また車載時に固定しやすいよう、長手方向の側面には垂直に突出したフランジ１５が設けられている。フランジ１５にはねじ穴を開口しており、ねじ穴を利用したねじ止めを容易にしている。また短手方向の端面には、電池セル１１を冷却するための冷却ガスのガスダクトの流入用と流出用の冷却ガス用スリット１６が開口されている。この例では、冷却ガスを電池ブロックの側面に流して、隣接する電池セル１１間に設けられた冷却隙間を冷却ガスが通じるようにして電池セル１１表面の温度を吸熱させている。
（排出ガス用ダクト１７）

さらに電池ボックスは、安全のための過電流を防止するヒューズ１８やサービスリレー１９を内蔵している。さらに電池ボックスの側面には、電池セル１１のガス排出弁から排出されるガスを外部に排出するための排出ガス用ダクト１７を引き出している。電池セル１１は、過充電や過放電で内圧が上昇する異常な状態での破壊を防止して安全性を確保するために、ガス排出弁を設けている。ガス排出弁は、電池の内圧が異常に上昇すると開弁してガスを排気する。このため排出ガス用ダクト１７は、電池ボックスの内部で各電池セル１１のガス排出弁の位置に沿うように配置されている。

この排出ガス用ダクト１７は、冷却ガス用スリット１６を設けた端面と反対側の端面に設けることが好ましい。冷却ガスと排出ガスを隔離するためと、各々のガスの配管作業の能率を向上させるためである。また第１電池ボックス１と第２電池ボックス２は、図２に示すように排出ガス用ダクト１７を設けた面と、冷却ガス用スリット１６を設けた面が揃うように、同一姿勢で積層する。これにより、各排出ガス用ダクト１７、冷却ガス用スリット１６の連結をそれぞれ同一面で纏めて行うことができ好ましい。

この例では、電池セル１１はリチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルはリチウムイオン二次電池には特定されず、充電できる全ての電池、たとえばニッケル水素電池なども使用できる。電池セル１１は、正負の電極板を積層している電極体を外装缶に収納して電解液を充填して気密に密閉したものである。外装缶は、底を閉塞する四角い筒状に成形したもので、上方の開口部を封口板で気密に閉塞している。外装缶は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板を深絞り加工したもので、表面が導電性を有する。積層される電池セル１１は、薄い角形に成形される。封口板もアルミニウムやアルミニウム合金などの金属板で製作される。この封口板は、正負の電極端子を両端部に、端子ホルダを介して固定している。

なおこの例では角形の電池セルを使用しているが、これに限られず円筒型の電池やポリマー電池なども電池セルとして利用可能であることはいうまでもない。
（接続ボックス３）

また接続ボックス３は、第１電池ボックス１及び第２電池ボックス２と各々接続されて、これらの電池ボックスからの出力を統合して出力するための部材である。接続ボックス３の外形は、図１の斜視図に示すように、上面を正方形状とする箱形である。図１及び図２の例では、接続ボックス３を第２電池ボックス２の上面に載置した状態で、これらを固定している。固定にはボルトや締結バンド等が利用できる。

接続ボックス３は図３及び図４に示すように、第１電池ボックス１と接続されて第１電池ボックス１の出力を受領する第１接続回路３１と、第２電池ボックス２と接続されて第２電池ボックス２の出力を受領する第２接続回路３２と、これら第１接続回路３１及び第２接続回路３２の出力を統合する統合接続回路３３を内蔵している。
（第１接続回路３１）

第１接続回路３１と第２接続回路３２は、対象とする電池ボックス以外は基本的に同じ構成であるので、ここでは第１接続回路３１を例に挙げて説明する。第１接続回路３１は、第１電池ボックス１の高電圧回路１３及び低電圧回路１４と接続され、必要な電力及び信号を受領する。具体的には、電池ブロックの出力の他、電池電圧、電池温度、サービスリレーの開閉情報、電流センサで検出した充放電電流量、接点の溶着情報などである。また第１接続回路３１は、第１電池ボックス１の電圧を接続ボックス３側に供給するための正極端子３１１と、負極端子３１２を備える。正極端子３１１と負極端子３１２は、高さを違えている。

高低差は、金属製バスバーが交差しても十分な絶縁性を確保できる距離とする。特に後述するように平板状バスバー４を螺合により接続する場合は、螺合による厚さの増大を考慮し、ネジ厚などによって正負のバスバー４１、４２が接触しない高さに設定する。これは使用するネジ厚などに応じて設定されるが、好ましくは８ｍｍ〜７０ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍとする。（要確認）
（バスバー４）

端子同士は、平板状バスバー４により接続される。平板状バスバー４は金属製のプレートで構成される。また、複数のプレートを組み合わせて平板状バスバー４を構成することもできる。図３及び図４の例では、直線状プレートやＵ字状プレート、Ｌ字状プレートなどを螺合により継ぎ足して、所望のパターンの平板状バスバーを構成している。この構成によれば、専用のパターンのバスバーを用意せずとも、様々なパターンの平板状バスバーを構築できるので、コスト面で有利となる。
（統合接続回路３３）

統合接続回路３３は、第１接続回路３１と第２接続回路３２からの電圧を並列に接続してこれらを統合し、外部に電力や信号を出力するための回路である。この統合接続回路３３は、外部に出力を取り出すための端子を備える出力部３４と接続される。また必要に応じてヒューズなどの安全回路を設ける。

図３の回路例では、統合接続回路３３を下段に配置し、上段に第１接続回路３１と第２接続回路３２を並べて配置している。このように、接続回路を一方の側に並列に配置して、他方の側に統合接続回路３３を配置すれば、各接続回路と統合接続回路３３との接続すべき距離を短くでき、すなわちバスバー４を短くできる。このことは、材料費削減、ショートの回避の観点から好ましい。なお図３の例では、第１接続回路３１と第２接続回路３２とを横並びに配置する際、高さを揃えずに、言い換えると左右非対称となるように配置している。このように接続回路を敢えて非対称に配置することで、第１接続回路３１と第２接続回路３２とを区別でき、意図せぬ誤配線の回避に寄与する。
（出力部３４）

図１の例では、出力部３４として、上面から前面にかけての端縁に切り欠き状の段差を設け、この部分に出力端子を露出させている。図１の例では、正負極の意図しない導通を避けるため、正極側３４１と負極側３４２に分離しており、正極側３４１は総プラス、高電圧部品１プラス、高電圧部品２プラスの３端子を設けている。また負極側３４２は総マイナス、高電圧部品１マイナス、高電圧部品２マイナスの３端子を設けている。ここで高電圧部品１はＤＣ／ＤＣコンバータであり、また高電圧部品２は緊急充電器である。

なお図２の垂直断面図に示すように、接続ボックス３は第２電池ボックス２の上面で、電池ボックスの内部で電池制御部１２を配置した側に寄せて位置させている。これにより、電池ボックスから接続ボックス３に引き出されるケーブルなどのハーネス類を短い距離で配線でき、また作業性も高まる。

上述の通り、第１接続回路３１と第２接続回路３２は、正極端子３１１、３２１と負極端子３１２、３２２のそれぞれの高さを揃えている。さらに統合接続回路３３も、正極端子３３１と負極端子３３２が接続される入力側端子の高さを、それぞれ第１接続回路３１のそれと一致させている。このため、正極端子同士を接続する際、接続すべき各端子３１１、３２１、３３１は同じ高さに揃えられているため、平板状のバスバー４を接続することで、容易に接続できる。同様に負極端子の高さも各端子３１２、３２２、３３２で一定に揃えられているため、負極側の接続も容易である。さらに、正極端子３１１、３２１、３３１と負極端子３１２、３２２、３３２の高さが異なるため、正極端子接続用のバスバー４１と負極端子接続用のバスバー４２は、交差しても互いに接触しない。このことは、配線作業の省力化に大きく貢献する。特にバスバーは金属製で導通部分が剥き出しであるため、意図しない導通が起こりやすい。このため、正負のバスバーを交差させることは容易でなく、短絡の危険があった。これに対し、本実施例の構成では高さを正負で各々同一面とし、かつ正負の高さを違えているため、交差するような配置も可能となり、安全性と作業性を向上できるという優れた利点が得られる。

このように必要な電池セル１１を複数の電池ボックスに分割して収納し、これら電池ボックスを接続ボックス３で統合することにより、電池容量を容易に調整することができる。この結果、高電圧に対しては多くの電池ボックスを接続し、低電圧に対しては少ない電池ボックスを用いるなど、要求される仕様に柔軟に対応できる。すなわち、要求される仕様に応じて異なるサイズの電池ボックスを用意することなく、電池ボックスの接続数を変更することで対応できるため、バッテリシステムの設計作業を大幅に省力化できる。

また、電池ボックスを複数に分割して配線する構成とすることで、これらを同一の場所に配置する必要を無くすことができる。すなわち図１の例では電池ボックスと接続ボックス３を積層して一体としているが、この構成に限らず、別々の場所に配置した電池ボックスを、ケーブル接続により接続ボックスで統合することが可能となり、限られた空間内への効率的な配置が容易になる。このことは、載置空間の制約を受ける車載用途で特に有利となる。

さらに上記の例では、２つの電池ボックスを並列に接続した構成を採用しているが、電池ボックスを直列に接続する形態も可能であることはいうまでもない。また、３台以上の電池ボックスを一の接続ボックスに接続して、出力を纏めることもできる。加えて、接続ボックスを複数連結する形態も利用可能である。

加えて接続ボックス３に、接続される電池ボックスの電気接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なリレーを内蔵することもできる。リレーのＯＮ／ＯＦＦで電池ボックスの接続状態を切り替えることで、接続数を変更して出力電圧を変化させることができ、同一のバッテリシステムで異なる電圧に対応できる。また常時一部の電池ボックスのみを使用して一定出力で使用する場合は、電池ボックスをバックアップ用に利用できる。すなわち、異常発生時には問題のある電池ボックスを切り離し、予備の電池ボックスでの駆動が可能となり、信頼性を向上できる。

また図１、図２に示すように、接続ボックス３は、排出ガス用ダクト１７の連結機構を設けた面と反対側の面に近接するよう載置することが望ましい。排出ガス用ダクト１７の連結作業を一方の面で行うと共に、各電池ボックスと接続ボックス３との配線を別の面側で行うことができ、両作業を空間的に離間させて行えるのでバッテリシステムの組み付け性を容易にできるからである。

本発明に係るバッテリシステムは、車載用のバッテリシステムとして好適に利用できる。

１００…バッテリシステム
１…第１電池ボックス
２…第２電池ボックス
３…接続ボックス
４…バスバー
１１…電池セル
１２…電池制御部
１３…高電圧回路
１４…低電圧回路
１５…フランジ
１６…冷却ガス用スリット
１７…排出ガス用ダクト
１８…ヒューズ
１９…サービスリレー
３１…第１接続回路
３２…第２接続回路
３３…統合接続回路
３１１、３２１、３３１…正極端子
３１２、３２２、３３２…負極端子
３４…出力部
３４１…正極側
３４２…負極側
４１…正極端子接続用のバスバー
４２…負極端子接続用のバスバー

Claims

複数の電池セル(11)を内蔵した第１電池ボックス(1)と、
複数の電池セル(11)を内蔵した第２電池ボックス(2)と、
前記第１電池ボックス(1)及び第２電池ボックス(2)とを連結するための接続ボックス(3)と、
を備え、
前記接続ボックス(3)が、
前記第１電池ボックス(1)と電気的に接続するための第１接続回路(31)と、
前記第２電池ボックス(2)と電気的に接続するための第２接続回路(32)と、
前記第１接続回路(31)及び第２接続回路(32)を電気的に接続するための統合接続回路(33)と、
前記統合接続回路(33)から、前記第１電池ボックス(1)及び／又は第２電池ボックス(2)の電力を外部に出力するための出力部(34)と、
を備えるバッテリシステムであって、
前記電池ボックス内で、前記第１接続回路(31)、第２接続回路(32)、統合接続回路(33)の接続端子はそれぞれ、正極端子(311,321,331)同士、負極端子(312,322,332)同士とが各々同一面であって、
かつ正極端子(311,321,331)面、負極端子(312,322,332)面とが異なる水平面高さに配置されてなり、
これら正極端子(311,321,331)同士、負極端子(312,322,332)同士を金属製の平板状バスバー(4)によって接続されてなることを特徴とするバッテリシステム。
請求項１に記載のバッテリシステムであって、
前記平板状バスバー(4)が、複数の平板プレートを螺合により組み合わせて構成されてなることを特徴とするバッテリシステム。
請求項１または２に記載のバッテリシステムであって、
各電池ボックスは、一方の側面に排出ガス用ダクト(17)の連結機構を設けており、前記第１電池ボックス(1)及び第２電池ボックス(2)を、前記ダクト連結機構を設けた面が同一面となるように積層して配置し、さらにその上面に前記接続ボックス(3)を、前記ダクト
連結機構を設けた面と反対側の面に近接するよう載置してなることを特徴とするバッテリシステム。
請求項１から３のいずれか一に記載のバッテリシステムであって、
前記接続ボックス(3)は、接続される複数の電池ボックスの内、少なくとも一部の電池ボックスについて、その電気接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なリレーを内蔵してなることを特徴とするバッテリシステム。