JP5609961B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の単電池（単セル）からなる電池モジュールを備える蓄電装置に関し、特に、電池モジュールの出力電圧を所望の電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを備える蓄電装置に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車など、モータから駆動力を得る自動車に搭載する蓄電装置としては、高出力のモータを駆動するために容量および電圧の大きな蓄電装置が要求される。大容量化および高電圧化を実現した蓄電装置として、複数の単セルを直列に接続した電池モジュールを備えるものが、特開平７−１３１９０２号公報（以下、特許文献１と称す）に記載されている。単セルには、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を用いるケースが近年増えている。
ところで、電動車両等のモータの出力は、車種によって異なり、その駆動電圧も異なる。したがって、蓄電装置は、種々の車種に適用するために、出力電圧を所望の電圧に変換することができる構造とすることが望ましい。しかし、特許文献１に記載の蓄電装置においては、出力電圧を変更するためには、直列に接続する単セルの数を変更する必要があり、簡単に所望の電圧を得られる構造にはなっていない。このように特許文献１に記載の蓄電装置は、モータの駆動電圧が異なる種々の車種に適用するという観点において柔軟性に欠ける。
そこで、出力電圧を所望の電圧に変換することができる蓄電装置が、特開２０００−１８２６７６号公報（以下、特許文献２と称す）において提案されている。図１に、この蓄電装置の概略構成を示す。図１を参照すると、蓄電装置は、並列に接続された複数の単セルからなる電池モジュール１００と、この電池モジュール１００の出力電圧を所望の電圧に昇圧するための昇圧回路２００とを備える。昇圧回路２００によって、電池モジュール１００の出力電圧を所望の出力電圧に昇圧することができるため、種々の車種に適用することが可能である。
また、特許文献１に記載されたような複数の単セルを直列に接続した電池モジュールを備える蓄電装置において、単セルにリチウムイオン二次電池を使用した電池モジュールでは、充放電を継続して繰り返すと、セル間の容量が変化し、その結果、一部のセルが過充電や過放電の状態となる。この過充電や過放電の状態の発生を抑制するために、通常は、直列に接続されたセル間の容量バランスを調節するためのセルバランス回路が設けられる。セルバランス回路としては、特開２００１−１７８００８号公報（以下、特許文献３と称す）や特開平７−５０１７２号公報（以下、特許文献４と称す）に記載されたものが知られている。
図２に、セルバランス回路を有する電池モジュールの構成を示す。図２を参照すると、電池モジュールは、直列に接続された複数の単セル１００1〜１００n（ｎは自然数）と、これらセル間の容量バランスを調整するためのセルバランス回路２００とを有する。セルバランス回路２００は、複数のスイッチ２０１1〜２０１nからなるスイッチ回路２０１と、複数のスイッチ２０２1〜２０２nからなるスイッチ回路２０２と、コンデンサより構成される電圧保持回路２０３とを有する。
各単セル１００1〜１００n間を接続するラインはそれぞれ、スイッチ２０１1〜２０１n-1を介して電圧保持回路２０３の一方の端子に共通に接続されるとともに、スイッチ２０２1〜２０２nを介して電圧保持回路２０３の他方の端子に共通に接続されている。単セル１００nの負極端子に接続されたラインは、スイッチ２０１nを介して電圧保持回路２０３の一方の端子に接続されている。単セル１００1の正極端子に接続されたラインは、スイッチ２０２1を介して電圧保持回路２０３の他方の端子に接続されている。
上記の電池モジュールでは、不図示の制御回路により、スイッチ回路２０１、２０２の各スイッチのオン・オフを制御することで、各単セル１００1〜１００n間における容量バランスの調整が行われる。
２０００−１８２６７６号公報 特開２０００−１８２６７６号公報 特開２００１−１７８００８号公報 特開平７−５０１７２号公報
上述したように、特許文献１に記載されたような複数の単セルを直列に接続した電池モジュールを備える蓄電装置においては、簡単に所望の電圧を得られる構造にはなっていないため、モータの駆動電圧が異なる種々の車種に適用するという観点において柔軟性に欠ける、という第１の問題点がある。
加えて、図２に示したようなセルバランス回路を設けた場合において、各スイッチ回路２０１、２０２を構成するスイッチは、直列に接続する単セル１００1〜１００nの数だけ必要となる。このため、数十個から数百個といった多数の単セルを直列に接続した場合には、各スイッチ回路のスイッチの数が多くなり、その結果、セルバランス回路２００の規模が大きくなって、電池モジュールが大型化するとともに重くなる、という第２の問題点がある。車載においては、体積が大きくなったり、重くなったりすることは致命的なデメリットとなる。
特許文献２に記載されたような昇圧回路を備える蓄電装置においては、第１の問題点を解消することができるものの、以下のような問題がある。
図１に示した回路構成において、並列に接続された単セルの出力電圧は、例えば２．５Ｖ程度である。昇圧回路２００によって電池モジュール１００の出力電圧を３００Ｖ程度に昇圧する場合、昇圧回路２００の入力側の配線や電池モジュール１００内の配線には、昇圧回路２００の出力側の配線に流れる電流の１０倍程度の電流（例えば、１０００Ａ）が流れる。このように電池と昇圧回路の間の配線部に大電流が流れると、配線部で大量の熱が発生し、その発生した熱が配線から単セルの端子を経由して単セルの内部まで伝わり、単セル内部の電解液が熱劣化して、単セルの充放電性能が劣化することがある。加えて、一般に単セルとして用いられているリチウムイオン二次電池は、熱を放出し難い構造（冷却し難い構造）であるため、熱による充放電性能の劣化がより顕著なものとなる。
本発明の第１の目的は、第１の問題を解決し、昇圧時に発生する熱の影響による単セルの充放電性能の劣化を抑制することのできる蓄電装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、第２の問題も解決することのできる、低コストで小型の電池モジュールを提供することにある。
第１の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、少なくとも１つの電池と、該電池の出力電圧を所望の電圧まで昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータとを有する自動車用蓄電装置において、前記電池がラミネート形リチウムイオン電池より構成されている。
ラミネート形リチウムイオン電池は、単セルとして一般に用いられているリチウムイオン二次電池と比べて、放熱性に優れており、配線部からの熱の影響を受け難いという利点を有する。本発明の第１の態様では、このラミネート形リチウムイオン電池の優れた放熱性を利用することで、電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで３００Ｖといった大きな電圧にまで昇圧する場合に、電池側の配線部（電池とＤＣ−ＤＣコンバータを接続する配線など）で発生する熱の影響により電池の充放電性能が劣化するといった、これまで問題にされていなかった新規な課題を解決する。すなわち、本発明の第１の態様では、電池にラミネート形リチウムイオン電池を用いることで、昇圧時に配線部で発生した熱が電池に伝わっても、電池にて放熱される。よって、熱の影響による電池の充放電性能の劣化を抑制することができる。
上記のとおりの本発明の第１の態様によれば、昇圧時に発生する熱の影響による単セルの充放電性能の劣化を抑制することができるので、従来のものと比べて、電力の供給を安定して行うことができ、かつ、電池の寿命も長い、蓄電装置を提供することができる。
第２の目的、すなわちセルバランス回路の規模を縮小するという目的を達成するため、本発明の第２の態様は、第１の態様の自動車用蓄電装置において、直列に接続された複数のセルブロックと、前記複数のセルブロックの各ブロック間における容量バランスを調整するセルバランス回路と、をさらに有し、前記複数のセルブロックのそれぞれが、前記電池を複数並列に接続したセルブロックとされている。
この構成によれば、セルバランス回路により、直列に接続されたセルブロック間における容量バランスの調整が行われるので、充放電を継続して繰り返した場合に、一部のセルブロックが過充電や過放電の状態となることはない。
また、複数の電池を並列に接続したセルブロックにおいては、各電池に均等に電圧が供給されるとともに、各電池から外部への電流の供給も均等に行われる。このように、セルブロック自体が電池間の容量バランスの調整が可能な構成とされている。
上記のとおりの本発明の第２の態様によれば、セルバランス回路の規模は、直列に接続するセルブロックの数で決まる。本発明では、ＤＣ−ＤＣコンバータを有しているので、その入力側では、電圧を低くすることができ、そのため、セルブロックの数は、ＤＣ−ＤＣコンバータを使わない場合に比べて格段に少ないので、セルバランス回路の規模は従来の電池モジュールより小さくすることができる。例えば、従来の電池モジュールにおいて、１００個の単セルを直列に接続した場合、セルバランス回路は、直列に接続された１００個の単セル間における容量バランスを調整することになる。これに対して、本発明では、例えば２個の単セルを並列に接続してセルブロックを構成すれば、セルバランス回路は、直列に接続された５０個のセルブロックにおける容量バランスを調整することになる。この場合のセルバランス回路の規模は、従来の２分の１に削減される。このようにセルバランス回路の規模を大幅に削減することが可能であるので、従来に比べて、小型で、低コストの電池モジュールを提供することができる。
第２の目的を達成するため、本発明の第３の態様は、第１の態様の自動車用蓄電装置において、前記電池が複数直列に接続されており、各電池間における容量バランスを調整するセルバランス回路をさらに有する。
本発明では、Ｎ個の単セルを並列に接続したセルブロックの代わりに、Ｎ倍の容量を有する単セルを用いてもよい。本発明の第３の態様では、電圧をＮ倍にするＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより、所望の電圧に対して入力側の電圧を１／Ｎにするとともに、Ｎ倍の容量を有する単セルを用いることで、直列に接続される単セルの数を従来よりも削減することができ、その分、セルバランス回路の規模を削減することができる。さらにセルに流れる電流がＮ倍になったとしても、電流増大による熱の影響は放熱性のよいラミネート形電池であるがゆえに低く抑えられる。
従来の蓄電装置の構成を示すブロック図である。 セルバランス回路を有する従来の電池モジュールの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態である蓄電装置の構成を示すブロック図である。 図３に示す単セルに適用されるラミネート形電池であるフィルム外装電池の分解斜視図である。 図３に示す電池モジュールの構成を示す斜視図である。 図５に示す支持部材の開口部近傍の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態である蓄電装置の構成を示すブロック図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態である蓄電装置の構成を示すブロック図である。図３を参照すると、蓄電装置は、並列に接続された複数の単セル３０からなる電池モジュール１０と、この電池モジュール１０の出力電圧を所望の電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータ２０とから構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０には、既存の昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができる。
冷却し易い電池モジュール構造を実現するために、単セル３０がラミネート形電池より構成されている。図４は、ラミネート形電池であるフィルム外装電池の分解斜視図である。
図４に示すフィルム外装電池１は、複数の正極板および複数の負極板がセパレータを介して積層された構造を有する電極積層体２と、電極積層体２を電解液とともに封止する２枚の外装フィルム４，５と、外装フィルム４，５から先端部を延出させた状態で電極積層体２の正極板および負極板にそれぞれ接続された正極タブ３ａおよび負極タブ３ｂとを有する。
外装フィルム４，５は、電極積層体２をその厚み方向（積層方向）両側から挟んで包囲するため、電極積層体２の平面寸法よりも大きな平面寸法を有するものであり、電極積層体２の周囲で重なり合った対向面同士を熱融着することで、電極積層体２が封止される。図４では、外装フィルム４，５の熱融着された領域を、熱融着部６として斜線で示している。各外装フィルム４，５には、電極積層体２を包囲する空間を形成するために、中央領域にカップ部４ａ，５ａを有する。熱融着部６は、このカップ部４ａ，５ａの全周に亘って形成されている。カップ部４ａ，５ａの加工は、深絞り成形によって行うことができる。図２に示す例では、各外装フィルム４，５にカップ部４ａ，５ａを形成しているが、一方の外装フィルムのみにカップ部を形成してもよいし、また、カップ部を形成せずに外装フィルム４，５の柔軟性を利用して電極積層体２を包囲してもよい。
外装フィルム４，５としてはラミネートフィルムを好ましく用いることができる。外装フィルム４，５を構成するラミネートフィルムとしては、柔軟性を有しており、かつ電解液が漏洩しないように熱融着によって電極積層体２を封止できるものが用いられる。代表的には、熱融着性樹脂からなる熱融着樹脂層と、金属薄膜などからなる非通気層と、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやナイロンなどのフィルムからなる保護層とをこの順に積層したものが挙げられる。外装フィルム４，５は、これらのうち少なくとも熱融着樹脂層と非通気層とを有していればよく、保護層は必要に応じて設けられる。電極積層体２を封止するに際しては、熱融着樹脂層を対向させて電極積層体２を包囲する。
非通気層を構成する金属薄膜としては、例えば、厚さが１０〜１００μｍのＡｌ、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｆｅ、ステンレス、Ｍｇ合金などの箔を用いることができる。熱融着樹脂層を構成する樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが使用できる。熱融着性樹脂層の厚さは１０μｍ〜２００μｍが好ましく、より好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。
上述したフィルム外装電池は、現在普及しているニッケル水素電池などに比べて、パワー密度が大きく、発熱し難い構造となっており、大電流を供給することができる。このフィルム外装電池の代表例として、ラミネート型マンガン系リチウムイオン電池がある。
本実施形態では、単セル３０として図４に示したフィルム外装電池を用いることで、冷却し易い構造の電池モジュール１０を実現している。具体的には、電池モジュール１０は、図５に示すように、複数のフィルム外装電池１を、互いの面（カップ部４ａ、５ａの面）が対向するように間隔を空けて配置した状態で、支持部材７で支持した構造になっている。支持部材７には、各フィルム外装電池１の間に形成される間隙に連通する開口部７ａが形成されている。支持部材７の材質としては、正極タブ３ａおよび負極タブ３ｂとの電気的な絶縁を十分に取れる材質、例えば樹脂を用いる。
図６に、支持部材７の開口部７ａ近傍の概略断面構造を模式的に示す。図６を参照すると、支持部材７は、外装フィルム４、５の周縁部を上下方向から挟むことでフィルム外装電池１を支持する一対の枠部材７１、７２を、複数重ねた構造になっている。フィルム外装電池１を支持する枠部材７２と、その下に重ねて配置された、別のフィルム外装電池１を支持する枠部材７１との当接面には、それぞれ開口部７ａを形成するための切り欠きが設けられている。これら枠部材７２と枠部材７１を重ねて配置することで、それぞれの当接面に形成された切り欠きにより開口部７ａが形成される。この開口部７ａを通じて、外部からフィルム外装電池１の間に形成される間隙に空気を送り込むことができる。図６中の矢印は空気の流れを示す。外部から流入した空気がフィルム外装電池１の表面にあたることで、フィルム外装電池１が冷却される。
上述した本実施形態の蓄電装置によれば、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で電池モジュール１０の出力電圧を３００Ｖ程度に昇圧する場合に、電池モジュール１０内の配線に１０００Ａ程度の電流が流れて、配線部において大量の熱が発生し、その発生した熱が単セル３０に伝わったとしても、開口部７ａを通じて外部から流入した空気によって単セル３０が冷却されるので、熱の影響により単セルの性能が劣化することを抑制することができる。また、単セル３０であるフィルム外装電池１自体も、一般に単セルとして用いられているリチウムイオン二次電池と比較して、放熱性に優れているので、配線部からの熱の影響を受け難い。このように本実施形態の蓄電装置は、放熱性に優れた電池モジュール構造になっているので、従来のものよりも昇圧時に発生する熱による影響を受け難く、より安定した電力の供給が可能である。
以上説明した本実施形態の電池モジュールは、本発明の一例であり、その構成は適宜変更することができる。例えば、支持部材７は、図５および図６に示した構成に限定されるものではない。支持部材７は、並列に接続された複数のラミネート形の単セルを、互いの面が対向するように間隔を空けて配置した状態で支持することができ、かつ、各単セルの間に形成される間隙に連通する開口を有するものであれば、どのような構成であってもよい。
また、並列に接続する単セルの数も、特に限定されるものではなく、設計に応じて適宜変更可能である。
また、ラミネート形電池は、一般に用いられているリチウムイオン二次電池と比べて放熱性がよいことから大電流を流すことができるため、Ｎ個の単セルを並列につなぐ代わりに、Ｎ倍の容量を有する１つの単セルで電池モジュールを構成してもよい。
また、単セルは直列に接続してもよい。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態である蓄電装置の構成を示すブロック図である。図７を参照すると、本実施形態の蓄電装置は、直列に接続された複数のセルブロック１０1〜１０n（ｎは自然数）からなる電池モジュールと、これらセルブロック間の容量バランスを調整するセルバランス回路４０と、電池モジュールの出力ラインに設けられたＤＣ−ＤＣコンバータ２０とを有する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、直列に接続されたセルブロックの出力電圧を所望の電圧に昇圧または降圧する。このＤＣ−ＤＣコンバータ４０により、電池モジュールの出力を所望の電圧に昇圧または降圧することで、所望の出力電圧を得ることができる。
セルブロック１０1〜１０nのそれぞれは、並列に接続された複数の単セル３０からなる。単セル３０は、リチウムイオン二次電池に代表される充電可能な電池である。セルバランス回路４０は、複数のスイッチ２１1〜２１nからなるスイッチ回路２１と、複数のスイッチ２２1〜２２nからなるスイッチ回路２２と、コンデンサより構成される電圧保持回路２３とを有する。
各セルブロック１０1〜１０n間を接続するラインはそれぞれ、スイッチ２１1〜２１n-1を介して電圧保持回路２３の一方の端子に共通に接続されるとともに、スイッチ２２1〜２２nを介して電圧保持回路２３の他方の端子に共通に接続されている。セルブロック１０nの各単セルの負極端子が共通に接続されたラインは、スイッチ２１nを介して電圧保持回路２３の一方の端子に接続されている。セルブロック１０1の各単セルの正極端子が共通に接続されたラインは、スイッチ２２1を介して電圧保持回路２３の他方の端子に接続されている。
本実施形態の蓄電装置では、不図示の制御回路が、スイッチ回路２１、２２の各スイッチのオン・オフを制御することで、セルブロック１０1〜１０n間における容量バランスの調整が行われる。具体的には、セルブロック１０1と電圧保持回路２３を並列接続し、次に、セルブロック１０2と電圧保持回路２３を並列接続するといった具合に、セルブロック１０1〜１０nのそれぞれを電圧保持回路２３と並列接続することで、セルブロック１０1〜１０n間における容量バランスを調整する。これにより、充放電を継続して繰り返した場合に、一部のセルブロックが過充電や過放電の状態となることを抑制する。
また、各セルブロック１０1〜１０nにおいては、複数の単セル３０を並列に接続したことで、各単セル３０にほぼ均等に電圧が供給されるとともに、各単セル３０からの電流の供給もほぼ均等に行われる。このように、各セルブロック１０1〜１０nは、それ自体が単セル間の容量バランスの調整が可能な構成になっているので、充放電を継続して繰り返しても、単セル間の容量が変化することがなく、一部の単セルが過充電や過放電の状態になることもない。
また、セルブロックを構成する並列に接続された単セルについては、セルバランス回路による容量バランスの調整を行う必要がないので、その分、スイッチ回路２１、２２を構成するスイッチの数を削減することができる。例えば、図２に示した従来の電池モジュールにおいて、１００個の単セルを直列に接続した場合は、各スイッチ回路２０１、２０２を構成するスイッチの数は、合計で２００個（＝１００×２）となる。これに対して、本実施形態の電池モジュールにおいては、２０個の単セルを並列に接続したセルブロックを５個直列に接続した場合、各スイッチ回路２１、２２を構成するスイッチの数は、合計で１０個（＝５×２）となる。このように、本実施形態によれば、スイッチの数を大幅に削減することができるので、セルバランス回路４０の回路規模を小さくすることができる。また、セルバランス回路は、コンデンサ方式の他に、抵抗またはコイルを用いたものでもよく、使用する抵抗素子のサイズや数、使用するコイル素子のサイズや数、といった観点で、回路規模を小さくできるメリットは同様に得られる。
なお、本実施形態の蓄電装置では、単セルを並列に接続したセルブロックを用いるため、全てのセルを直列に接続する従来の電池モジュールに比べて、供給可能な電流量は大きくなる。よって、単セル３０には、大電流を供給することのできるラミネート形電池を用いる。ラミネート形電池としては、第１の実施形態で説明したフィルム外装電池を適用することができる。このフィルム外装電池は、現在普及しているニッケル水素電池などに比べて、パワー密度が大きく、発熱し難い構造となっており、大電流を供給することができる。このフィルム外装電池の代表例として、ラミネート型マンガン系リチウムイオン電池がある。本実施形態の蓄電装置において、このようなフィルム外装電池を単セルに用いることで、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両の駆動用に好適な蓄電装置を実現することができる。
以上説明した本実施形態の電池モジュールは、本発明の一例であり、その構成は適宜変更することができる。例えば、セルブロックを構成する単セル（並列に接続する単セル）の数は、２個以上であればよい。セルブロックの数も、特に限定されるものではなく、２個以上であればよい。
また、セルバランス回路の構成も、図１に示した回路構成に限定されるものではなく、他の構成のセルバランス回路を用いてもよい。
また、ラミネート形電池は、一般に用いられているリチウムイオン二次電池と比べて、放熱性がよく、大電流を流せるため、Ｎ個の単セルを並列に接続したセルブロックの代わりに、Ｎ倍の容量を有する単セルを用いてもよい。この場合は、Ｎ倍の容量を有する単セルを用いることで、直列に接続される単セルの数を従来よりも削減することができ、その分、セルバランス回路の規模を削減することができる。
なお、Ｎ個の単セルを並列に接続してなるセルブロックを複数直列に接続した形態においては、単セルを従来のリチウムイオン二次電池で構成してもよい。この構成においても、従来の蓄電装置に比べてセルバランス回路の規模を削減する効果を得られる。
１０ 電池モジュール
２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０ 単セル

Claims (7)

  1. フィルム外装電池と、
    前記フィルム外装電池の外装フィルムの周縁部を挟む一対の枠部材を有し、前記フィルム外装電池を支持する支持部材と、を備え、
    複数の前記支持部材が設けられ、前記支持部材は前記フィルム外装電池を支持する面とは異なる面であって、他の前記支持部材と隣り合う面に切り欠きを備え、
    前記切り欠きは、前記フィルム外装電池の端子が設けられている辺、または端子が設けられている辺と対向する辺とは異なる辺に配置され、前記支持部材と前記他の支持部材との間に開口を形成することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記切り欠きは、隣り合う前記支持部材の互いの対向する面に形成されている、請求項１に記載の蓄電装置。
  3. 前記フィルム外装電池と前記支持部材との接触面積が、前記支持部材に形成された前記切り欠きの面積より大きい、請求項１または２に記載の蓄電装置。
  4. 前記一対の枠部材は、前記フィルム外装電池の周縁部全体を挟持する、請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
  5. 前記開口は穴状であり、前記支持部材の長辺側の側面部に形成されている、請求項１に記載の蓄電装置。
  6. 直列に接続された複数のセルブロックと、
    前記複数のセルブロックの各ブロック間における容量バランスを調整するセルバランス回路と、をさらに有し、
    前記複数のセルブロックのそれぞれが、前記フィルム外装電池を複数並列に接続したセルブロックである、請求項１に記載の蓄電装置。
  7. 前記フィルム外装電池を複数有し、該複数のフィルム外装電池が前記枠部材に固定されている、請求項１に記載の蓄電装置。
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