JP6264186B2

JP6264186B2 - 電池パック

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Publication number: JP6264186B2
Application number: JP2014102041A
Authority: JP
Inventors: 洋明加藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: JP2015220059A

Description

本発明は、負荷へ給電する並列に接続された複数の電池モジュールを備え、各電池モジュールを個別に切離すことができる電池パックに関する。

電動フォークリフト、ハイブリッドカー、電気自動車等、電動モータを利用する車両等に搭載される電力源として、大きな電力を安定的に供給するために、単電池を複数組み合わせて構成した電池モジュールを並列に接続した電池パックが使用される。

図２に従来の電池パックの要部の構成例を示す。電池パック１００は、並列に接続された複数の電池モジュール２０（２０ａ，２０ｂ）を備える。各電池モジュール２０は、電池２１（２１ａ，２１ｂ）と、該電池２１の充放電電流経路を開閉するＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）スイッチ２２（２２ａ，２２ｂ）及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３（２３ａ，２３ｂ）と、をそれぞれ備える。

図２に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３として、Ｎチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴを使用する場合、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２は、電池２１の充電電流を通電させ又は遮断するスイッチとなり、電池２１の放電電流に対しては、寄生ダイオード（内蔵ダイオード）が順方向となるため、オン／オフに関わりなく、常に通電可能となる。

ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３は、電池２１の放電電流を通電させ又は遮断するスイッチとなり、電池２１の充電電流に対しては、寄生ダイオード（内蔵ダイオード）が順方向となるため、オン／オフに関わりなく、常に通電可能となる。なお、以下の説明において、各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及び各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３として、Ｎチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる構成例について説明する。

電池モジュール２０の電池２１は、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３がオン状態であれば、電動モータ（図示省略）等を含む車両等の負荷３０に電力を供給する。また、車両等の負荷３０の制動時には、発電機として動作する電動モータ（図示省略）からの回生電力が、また、図示省略の充電器からの電力が、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２がオン状態であれば、電池２１に供給され、電池２１が充電される。

各電池モジュール２０に対して、電池２１の電圧、電流、温度等を検知し、電池２１の充放電状態を監視するとともに、電池２１の過放電、過充電、異常電圧、異常電流、異常温度等の異常を検出する監視部（監視ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０（１０ａ，１０ｂ）が備えられる。

各監視部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１（１１ａ，１１ｂ）、絶縁回路１２（１２ａ，１２ｂ）、電源回路１３（１３ａ，１３ｂ）、駆動回路１４（１４ａ，１４ｂ）を備える。駆動回路１４には、電池２１から電源回路１３を介して動作電流が給電される。

電源回路１３は、電池２１の正極電位線１６（１６ａ，１６ｂ）から出力される電圧を入力し、所定の直流電圧を生成し、該所定の直流電圧を駆動回路１４に給電する。電源回路１３及び駆動回路１４は、基準電位ＧＮＤ１（ＧＮＤ１ａ，ＧＮＤ１ｂ）の基準電位線１５（１５ａ，１５ｂ）に接続され、該基準電位線１５は、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２のソースとＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソースに接続される。

したがって、電源回路１３及び駆動回路１４は、電池２１から正極電位線１６と基準電位線１５とＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２の寄生ダイオード（内蔵ダイオード）を経由する電流経路により動作電流が常時給電される。

駆動回路１４は、電源回路１３から給電される所定の直流電圧を元に、基準電位線１５の基準電位ＧＮＤ１に対して、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３がオンとなる閾値電圧より高い電圧の開閉信号をオン制御時に印加し、オフ制御時には、該閾値電圧より低い電圧の開閉信号を、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のゲートに印加する。

ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のオン／オフの制御は、ＣＰＵ１１から絶縁回路１２を介して駆動回路１４にオン／オフ制御信号を与え、駆動回路１４が、該オン／オフ制御信号に従って、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソース−ゲート間に前述の開閉信号を印加することにより行われる。

監視部１０は、各電池モジュールの電池、例えば電池２１ａに異常が検出されたとすると、該電池２１ａを充放電電流経路から個別に切離すために、そのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ａをオフにするよう制御する。

ここで、絶縁回路１２を備える理由について説明する。監視部１０のＣＰＵ１１は、上位の制御部（図示省略）等と通信線で接続され、それらと通信信号を送受信するため、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２は、上位の制御部及び他の監視部１０のＣＰＵと共通の基準電位となるよう構成される。

それに対して、電源回路１３及び駆動回路１４の基準電位線１５を、各監視部１０ａ，１０ｂに対して共通の基準電位の導体に接続し、基準電位ＧＮＤ１ａ，ＧＮＤ１ｂを共通の電位にすることは、以下に述べる電流の回り込みが発生するためにできない。

したがって、駆動回路１４の基準電位ＧＮＤ１と、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２とが異なることとなり、駆動回路１４とＣＰＵ１１との間に、直流電流路を遮断し、基準電位の差異による影響を除去するために絶縁回路１２を設けなければならない。

次に電流の回り込みについて説明する。ここで、各駆動回路１４ａ，１４ｂの基準電位ＧＮＤ１ａと基準電位ＧＮＤ１ｂとが同電位となるように、各駆動回路１４ａ，１４ｂの各基準電位線１５ａ，１５ｂが、相互に共通の導体で接続されているとする。

また、電池モジュール２０ａを個別に切離すために、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ａをオフにしたとする。このとき、電池モジュール２０ｂのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ｂ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ｂはオンの状態であり、電池モジュール２０ｂの電池２１ｂから負荷３０に給電される。

この場合、電池モジュール２０ａの電池２１ａからの放電電流が、負荷３０を通り、電池モジュール２０ｂのオン状態のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ｂを通り、駆動回路１４ｂの基準電位線１５ｂを通り、基準電位線１５ａとの共通の導体（図示省略）を通り、駆動回路１４ａの基準電位線１５ａを通り、電池モジュール２０ａのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ａの寄生ダイオード（内蔵ダイオード）を通して流れてしまう。

すなわち、基準電位線１５ａと基準電位線１５ｂとを共通の導体で接続すると、電池モジュール２０の間で回り込みの電流が生じてしまい、各電池モジュール２０の電池２１を個別に切離すことができなくなる。

したがって、各電池モジュール２０対応の駆動回路１４の基準電位ＧＮＤ１を共通の電位とすることができず、また、駆動回路１４の基準電位ＧＮＤ１と、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２とを共通にすることができない。従って、駆動回路１４とＣＰＵ１１との間に、絶縁回路１２を設ける必要がある。

本発明に関連する先行技術文献として、並列に接続された複数の電池モジュールを備え、各電池モジュールを個別に切離すモジュールスイッチを備えた電池パックに関して下記の特許文献１等に記載されている。また、増設した太陽電池と増設した蓄電池との間に逆流防止ダイオードを設け、電流の逆流を防止する構成に関して下記の特許文献２等に記載されている。

特開２０１０−１３０７３８号公報特開平６−２０５５３７号公報

前述のように、各電池モジュール２０に対応して設けられる各電源回路１３及び各駆動回路１４の各基準電位線１５を共通の導体で接続し、共通の電位にすると、電池モジュール２０の間で電流の回り込みを生じ、各電池モジュール２０の電池２１をＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２，２３により個別に切離すことができなくなる。

そのため、各電池モジュール２０対応の各電源回路１３及び駆動回路１４の基準電位ＧＮＤ１ａ，ＧＮＤ１ｂを相互に分離し、基準電位線１５ａ，１５ｂを介して他の電池モジュール２０からの電流が回り込まないようにしなければならない。

その結果、駆動回路１４の基準電位ＧＮＤ１とＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２とが異なることとなり、駆動回路１４とＣＰＵ１１の間に、直流電流路を遮断する絶縁回路１２を設けなければならない。絶縁回路１２には、アイソレータやフォトカプラのように、直流分を除去して、ＣＰＵ１１からのオン／オフ制御信号を駆動回路１４に伝達する複雑な回路を用いなければならず、コストの増大を招く要因となっていた。

上記課題に鑑み、本発明は簡素な回路構成により、電池モジュールの間の電流の回り込みを防止し、各電池モジュールの電池を並列接続から個別に切離すＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのオン／オフ制御信号を、絶縁回路を用いることなく、ＣＰＵから駆動回路に送出することができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係る電池パックは、複数の電池モジュールを並列に接続した電池パックであって、前記電池モジュールの各々に備えられ、自身の電池モジュールの充放電電流経路を開閉する各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチと、前記各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチに対して開閉信号を出力する前記各電池モジュール対応の各駆動回路であって、各駆動回路間で共通の電位の基準電位導体に接続された各基準電位線に接続され、該基準電位線の電位を基準とする前記開閉信号を、前記各基準電位線にソースが接続された前記ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのゲートに出力する前記各駆動回路と、前記各基準電位導体と前記各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのソースとを接続する前記各基準電位線に挿入された各ダイオードと、を備えたものである。

また、前記各駆動回路は、前記各電池モジュールの電池から、前記各基準電位線を一部の通電経路とする動作電流が給電され、前記各ダイオードを、前記各基準電位線における前記各駆動回路の前記動作電流の前記通電経路に、前記動作電流の方向が順方向となるように備えたことを特徴とする。

本発明によれば、各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのソースと各駆動回路とが接続される各基準電位線に、ダイオードを挿入することにより、簡素な回路構成で、各基準電位線の電位を共通の電位にするとともに、各電池モジュールの間の電流の回り込みを防止することができ、それにより、絶縁回路を用いることなく、各電池モジュールの電池を個別に切離すＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのオン／オフ制御信号を、ＣＰＵから駆動回路に直接送出することが可能となる。

また、各基準電位線における各駆動回路の動作電流の通電経路に、該動作電流の方向が順方向となるようにダイオードを備えたことにより、電池が誤って逆向き（逆極性）に接続された場合に、逆向きの動作電流は、該ダイオードに遮られて電源回路及び駆動回路に流れず、電源回路及び駆動回路における逆極性電圧による破壊に対する耐性を高めることができる。

本実施形態の電池パックの要部の構成例を示す図である。従来の電池パックの要部の構成例を示す図である。

本実施形態について、以下、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の電池パックの要部の構成例を示す。図１の構成例において、図２で説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１に示すように、電池パック１００は、並列に接続された複数の電池モジュール２０を備える。なお、図１では２個の電池モジュール２０ａ，２０ｂを示しているが、電池モジュール２０は、２個に限られるものではなく、２個以上の任意の個数備えたものであってもよい。

電池モジュール２０は、１つの電池又は直列に接続した複数の電池２１と、該電池２１と直列に接続され、該電池２１の充放電電流経路を開閉する直列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３と、をそれぞれ備える。

各電池モジュール２０に対して、その電池２１の状態を監視するとともに、その電池２１の過放電、過充電、異常電圧、異常電流、異常温度等の異常を検出する監視部１０がそれぞれ備えられる。各監視部１０は、ＣＰＵ、電源回路１３、駆動回路１４、ダイオード１８（１８ａ，１８ｂ）をそれぞれ備える。駆動回路１４は、電池２１から電源回路１３を介して動作電流が給電される。

電源回路１３は、電池２１から出力される電圧を入力し、所定の直流電圧を生成し、該所定の直流電圧を駆動回路１４に給電する。電源回路１３及び駆動回路１４は、基準電位ＧＮＤ１の基準電位線１５に接続され、該基準電位線１５は、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２のソースとＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソースに接続される。

したがって、電源回路１３及び駆動回路１４は、電池２１から正極電位線１６と基準電位線１５とＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２の寄生ダイオード（内蔵ダイオード）を経由する電流経路により、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２がオフの状態であっても、動作電流が常時給電される。

駆動回路１４は、電源回路１３から給電される所定の直流電圧を元に、基準電位線１５の電位に対して、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３がオンとなる閾値電圧より高い電圧の開閉信号をオン制御時に印加し、オフ制御時には、該閾値電圧より低い電圧の開閉信号を、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のゲートに印加する。

ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のオン／オフの制御は、ＣＰＵ１１から駆動回路１４にオン／オフ制御信号を直接与え、駆動回路１４が、該オン／オフ制御信号に従って、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソース−ゲート間に前述の開閉信号を印加することにより行われる。

監視部１０は、例えば電池２１ａに異常が検出されたとすると、電池２１ａを充放電電流経路から切離すために、そのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ａをオフにするよう制御する。

監視部１０のＣＰＵ１１は、上位の制御部（図示省略）等と通信線で接続され、それらと通信信号を送受信するため、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２は、上位の制御部及び他の監視部１０のＣＰＵと共通の基準電位となるよう構成される。また、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２は、ＣＰＵ１１から駆動回路１４にオン／オフ制御信号を直接送出するために、駆動回路１４及びその電源回路１３の基準電位線１５の電位となるよう構成する。

すなわち、各駆動回路１４の各基準電位線１５の電位が、各ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２と同一となるように、各基準電位線１５を、共通の基準電位ＧＮＤ２の基準電位導体１７（１７ａ，１７ｂ）に接続する。そして、基準電位導体１７とＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソースとを接続する基準電位線１５にダイオード１８（１８ａ，１８ｂ）を挿入する。

次にダイオード１８の挿入による電流の回り込み防止について説明する。ここで、電池モジュール２０ａの電池２１ａを切離すために、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ａをオフにしたとする。このとき、電池モジュール２０ｂのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ｂ及びＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ｂはオンの状態であり、電池モジュール２０ｂの電池２１ｂから負荷３０に給電される。

この場合、電池モジュール２０ａの電池２１ａからの放電電流が、負荷３０を通り、電池モジュール２０ｂのオン状態のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ｂを通り、駆動回路１４ｂの基準電位線１５ｂを通ろうとしても、ダイオード１８ｂが挿入されているため、そこから先に流れることができず、電池モジュール２０ａの電池２１ａの電流の回りこみを防ぐことができる。

また、ダイオード１８の向きが図示と逆向きに接続されている場合でも、電池２１ａからの放電電流が、負荷３０を通り、電池モジュール２０ｂのオン状態のＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ｂを通り、駆動回路１４ｂの基準電位線１５ｂ、ダイオード１８ｂを通り、基準電位導体１７ｂから基準電位導体１７ａを通り、基準電位線１５ａを通ろうとしても、ダイオード１８ａが挿入されているため、そこから先に流れることができず、電池モジュール２０ａの電池２１ａの電流の回りこみを防ぐことができる。

電池モジュール２０ｂを切離す場合でも、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２ｂ，２３ｂをオフにすると、電池２１ｂからの放電電流は、負荷３０を通り、電池モジュール２０ａのＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３ａを通り、駆動回路１４ａの基準電位線１５ａを通ろうとしても、ダイオード１８ａが挿入されているため、そこから先に流れることができず、したがって、電池モジュール２０ｂの電池２１ｂの電流の回りこみを防ぐことができる。図示の向きと逆向きにダイオード１８を挿入した場合でも同様に、電流の回りこみを防ぐことができる。

このように、各電池モジュール２０対応の各駆動回路１４が接続され、かつ、各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２のソースとＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２３のソースとに接続される各基準電位線１５に、ダイオード１８を挿入することにより、電池モジュール２０間の電流の回り込みを防ぐことができる。

さらに、ダイオード１８を、基準電位線１５における駆動回路１４の動作電流の通電経路の位置に、該動作電流の方向が順方向となるように挿入する。こうすることにより、ダイオード１８を挿入しても、電源回路１３及び駆動回路１４は、電池２１から正極電位線１６と基準電位線１５とダイオード１８とＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２の寄生ダイオード（内蔵ダイオード）を経由する電流経路により動作電流が常時給電される。

また、基準電位線１５を通して電源回路１３及び駆動回路１４の動作電流が電池２１の負極に常に流れるため、基準電位線１５の電位は、常に電池２１の負極電位（ただし、ダイオードの順方向降下電圧の微小電圧分だけ高い電位）となる。

各電池２１の正極は並列に接続され、各電池２１の電圧は略同一であるので、各電池２１の負極電位も略同電位となり、基準電位線１５の電位は略同電位となり、これらの電位は、ＣＰＵ１１の基準電位ＧＮＤ２と共通にすることができる。

電源回路１３及び駆動回路１４は、共通の基準電位ＧＮＤ２とすることができ、したがって、駆動回路１４をＣＰＵ１１と共通の基準電位ＧＮＤ２とすることにより、図２で説明した絶縁回路１２を設けることなく、ＣＰＵ１１からのオン／オフ制御信号を、駆動回路１４に直接送出することが可能となる。

また、図１に示すように、ダイオード１８を、基準電位線１５における電源回路１３及び駆動回路１４の動作電流の通電経路に、該動作電流の方向が順方向となるように挿入することにより、誤って電池２１を逆向き（逆極性）に接続した場合には、ダイオード１８が挿入されているために、電源回路１３及び駆動回路１４には、逆向きの動作電流がダイオード１８で遮られて流れず、電源回路１３及び駆動回路１４における逆極性電圧による破壊に対する耐性を高めることができる。

なお、上述の実施形態では、ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ２２，２３として、Ｎチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチを用い、それらのスイッチを電池２１の負極側に設けた構成例を示し、放電電流の回り込みが発生する場合について説明したが、Ｐチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチを用いた場合、及びそれらのスイッチを電池２１の正極側に設けた構成でも、同様に負極側又は正極側の共通の基準電位線にダイオードを挿入することにより、放電電流又は充電電流の回り込みを防ぐ構成とすることができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または実施形態を取ることができる。

１００電池パック
１０（１０ａ，１０ｂ）監視部
１１（１１ａ，１１ｂ）ＣＰＵ
１２（１２ａ，１２ｂ）絶縁回路
１３（１３ａ，１３ｂ）電源回路
１４（１４ａ，１４ｂ）駆動回路
１５（１５ａ，１５ｂ）基準電位線
１６（１６ａ，１６ｂ）正極電位線
１７（１７ａ，１７ｂ）基準電位導体
１８（１８ａ，１８ｂ）ダイオード
２０（２０ａ，２０ｂ）電池モジュール
２１（２１ａ，２１ｂ）電池
２２（２２ａ，２２ｂ）ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ
２３（２３ａ，２３ｂ）ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチ
３０負荷
ＧＮＤ１（ＧＮＤ１ａ，ＧＮＤ１ｂ）基準電位
ＧＮＤ２基準電位

Claims

複数の電池モジュールを並列に接続した電池パックであって、
前記電池モジュールの各々に備えられ、自身の電池モジュールの充放電電流経路を開閉する各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチと、
前記各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチに対して開閉信号を出力する前記各電池モジュール対応の各駆動回路であって、各駆動回路間で共通の電位の基準電位導体に接続された各基準電位線に接続され、該基準電位線の電位を基準とする前記開閉信号を、前記各基準電位線にソースが接続された前記ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのゲートに出力する前記各駆動回路と、
前記各基準電位導体と前記各ＭＯＳ−ＦＥＴスイッチのソースとを接続する前記各基準電位線に挿入された各ダイオードと、
を備えたことを特徴とする電池パック。
前記各駆動回路は、前記各電池モジュールの電池から、前記各基準電位線を一部の通電経路とする動作電流が給電され、前記各ダイオードを、前記各基準電位線における前記各駆動回路の前記動作電流の前記通電経路に、前記動作電流の方向が順方向となるように備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。