JP6653309B2

JP6653309B2 - 電池監視装置

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Publication number: JP6653309B2
Application number: JP2017224321A
Authority: JP
Inventors: 吉田　晴彦; 晴彦吉田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2037-11-22
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Description

本発明は、電池監視装置に関する。

従来、電気自動車やハイブリッド車等の車両には、その駆動源となる回転機への給電や回生電力の充電等を行うための電池モジュールが搭載されている。その電池モジュールは、正負それぞれの電極端子を有する複数の電池セルが配列されたものであり、隣り合う電池セルの電極端子同士を導電部材で電気的に繋いでいる。この種の電池モジュールにおいては、充放電の繰り返し等に伴って、電池セル間で電池容量に差が生じてしまう可能性がある。しかしながら、電池モジュールは、その電池セル間の電池容量の差を解消することで、高出力化、出力の安定化、電池寿命の向上などを図ることができる。故に、電池モジュールには、それぞれの電池セルの電池状態（電圧、電流、温度等）を監視する電池監視装置が接続されている。電池監視装置については、例えば、下記の特許文献１及び２に開示されている。

国際公開第２０１５／０２９５４４号特開２００７−２８８８８３号公報

ところで、電池監視装置においては、電池監視用集積回路（所謂電池監視ＩＣ）や様々な素子（抵抗、コンデンサ等）が回路基板上に実装されており、これらが通電に伴い発熱して熱源となり得る。例えば、上記特許文献２には、電池監視装置の監視結果に基づいてそれぞれの電池セルの電池容量を均等化させる技術が開示されている。その技術では、電池セル毎に放電抵抗を設け、電池容量の大きな電池セルの放電抵抗に通電することで、この電池セルの電池容量を消費させる。この技術では、その放電抵抗が発熱源となるが、空気の流路にて、この放電抵抗の上流に別の発熱源が配置されている。よって、従来の技術では、発熱源の冷却効率を向上させる余地がある。

そこで、本発明は、冷却効率の高い電池監視装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、本発明は、複数の電池セルが配列された電池モジュールの前記電池セル毎の電池状態を監視し、その監視結果に基づいてそれぞれの前記電池セルを制御する監視制御部と、前記監視制御部を収容する収容部材と、を備え、前記監視制御部は、回路基板と、前記回路基板における前記電池モジュール側の一方の実装面に実装され、通電に伴い発熱する発熱源と、を有し、前記収容部材は、前記発熱源と前記電池モジュールとの間に介在する壁体と、前記壁体に設け、前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間から流出した空気を前記収容部材の収容室における前記回路基板の前記一方の実装面側に流入させて前記発熱源に当接させる空気導入孔と、前記発熱源に当接して通過した前記収容室の空気を前記回路基板の他方の実装面側で前記収容室の外に排出させる排出孔と、を有し、前記回路基板は、前記発熱源に当接した空気を前記収容室における前記回路基板の前記他方の実装面側に導く貫通孔を有することを特徴としている。

ここで、前記発熱源は、前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間の空気を流出させる流出口に対向配置することが望ましい。

また、前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間から流出した空気を前記発熱源まで案内するガイド部を設けることが望ましい。

また、前記排出孔は、前記監視制御部に接続されている電線を前記収容室の外に引き出すための孔であることが望ましい。

また、前記発熱源は、隣り合う前記電池セルの間の隙間を前記電池モジュールが複数箇所に有する場合、全ての前記隙間の内、前記電池セルの配列方向における端部側の隙間に対向配置させることが望ましい。

また、前記監視制御部は、前記電池セル毎の放電抵抗を前記発熱源として有し、前記監視結果に基づき放電対象となった前記電池セルの前記放電抵抗に通電することで、全ての前記電池セルの電池容量を均等化させることが望ましい。

本発明に係る電池監視装置は、電池セルの間の隙間を流れる空気を発熱源に当てることで、その発熱源の発熱量を低く抑えることができるので、結果として発熱源やその周囲の冷却が可能になる。従って、この電池監視装置は、発熱源やその周囲に対する高い冷却効率を得ることができる。

図１は、実施形態の電池監視装置を電池モジュールと共に示す斜視図である。図２は、図１のＸ−Ｘ線断面図であって、電池監視装置の一部を拡大表示したものである。図３は、実施形態の電池監視装置を示す斜視図である。図４は、実施形態の電池監視装置を示す分解斜視図である。図５は、実施形態の電池監視装置を別角度から見た分解斜視図である。図６は、監視制御部を示す平面図である。図７は、電池セル間における空気の流路の一例を示す図である。図８は、電池セル間における空気の流路の他の例を示す図である。図９は、電池セル間における空気の流路の他の例を示す図である。

以下に、本発明に係る電池監視装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

［実施形態］
本発明に係る電池監視装置の実施形態の１つを図１から図９に基づいて説明する。

図１から図５の符号１は、本実施形態の電池監視装置を示す。また、図１及び２の符号１００は、その電池監視装置１の適用対象となる電池モジュールを示す。ここでは、先ず、電池モジュール１００について説明する。

電池モジュール１００は、互いに隙間を空けて配列された複数の電池セル１０１を備える（図１及び図２）。電池セル１０１は、セル本体１０２と、セル本体１０２の何れかの場所で外方に露出させた２つの電極端子１０３と、を備える。この例示のセル本体１０２は、方体状に形成されている。電池モジュール１００は、それぞれの電池セル１０１によって、方体を成している。また、それぞれの電極端子１０３は、一方が正極となり、他方が負極となる。この電池モジュール１００においては、それぞれの電池セル１０１の何れか一方の電極端子１０３を一列に並べ、かつ、他方の電極端子１０３も一列に並べた状態で、それぞれの電池セル１０１を連ねて配列している。よって、この電池モジュール１００は、一列に並べられた複数の電極端子１０３（電極端子群）が２組形成されている。この例示では、方体状の電池モジュール１００の１つの面に、それぞれの電極端子群を配置している。

一方の電極端子群においては、対となる隣り合う２つの電極端子１０３の組み合わせ毎に、その２つの電極端子１０３を導電部材で電気的に接続し、配列方向における一端の電池セル１０１の一方の電極端子１０３を余らせる。また、他方の電極端子群においては、対となる隣り合う２つの電極端子１０３の組み合わせ毎に、その２つの電極端子１０３を導電部材で電気的に接続し、配列方向における他端の電池セル１０１の他方の電極端子１０３を余らせる。電池モジュール１００においては、その余らせた２つの電極端子１０３の内の一方が所謂総正極となり、その内の他方が所謂総負極となる。

この電池モジュール１００は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される。この例示の電池モジュール１００は、２つの電極端子群が配置されている面を車両上方に向けて車両に取り付けている。この電池モジュール１００においては、電池セル１０１の配列状態を保つべく、それぞれの電池セル１０１が保持部材（図示略）で一纏めにして保持されている。

このように構成されている電池モジュール１００では、先に示したように、充放電の繰り返し等に伴って電池セル１０１間で電池容量差が生じてしまうので、その電池容量差の解消が求められる。電池監視装置１は、その電池容量差の解消を担っている。続いて、電池監視装置１の説明を行う。

電池監視装置１は、電池セル１０１毎の電池状態（電圧、電流、温度等）を監視する電池監視機能と、その監視結果に基づいてそれぞれの電池セル１０１を制御する電池制御機能と、を有する監視制御部１０を備える（図１から図６）。また、この電池監視装置１は、その監視制御部１０を収容する収容部材２０を備える（図１から図５）。

監視制御部１０は、矩形の回路基板１１を備える（図２から図６）。更に、この監視制御部１０は、電池監視機能を成す電池監視部１２（図２から図４）と、電池制御機能を成す電池制御部１３（図２から図６）と、を備える。回路基板１１には、その電池監視部１２と電池制御部１３とが実装される。

電池監視部１２は、この技術分野で周知の構成から成るものであり、例えば、電池監視の制御を担う電池監視用集積回路（電池監視ＩＣ）１２ａ（図２から図４）、抵抗やコンデンサ等の様々な素子（図示略）を備えている。

この電池監視部１２は、例えば、電池容量（電圧）、電流値、温度等を電池セル１０１毎に測定し、その測定結果を監視結果として電池制御部１３に送る。この電池監視部１２においては、電池監視用集積回路１２ａや素子などに通電させることで、これらが発熱する。その電池監視用集積回路１２ａや素子などは、発熱量の差はあるが、通電に伴い発熱する発熱源となり得る。

電池制御部１３は、この技術分野で周知の構成から成るものであり、例えば、電池セル１０１毎の制御を担う電池制御用集積回路（電池制御ＩＣ）１３ａ（図３及び図４）、放電抵抗１３ｂ（図２、図５及び図６）等の様々な素子を備えている。この電池制御部１３においても、その電池制御視用集積回路１３ａや素子などは、発熱量の差はあるが、通電に伴い発熱する発熱源となり得る。

電池制御用集積回路１３ａは、例えば、電池監視部１２から受け取った監視結果に基づいて、それぞれの電池セル１０１の電池容量を把握する。この電池制御用集積回路１３ａは、例えば、電池容量の最も少ない電池セル１０１を基準にして、この基準となる電池セル１０１の電池容量（基準電池容量）と残りの電池セル１０１の電池容量との差を演算する。電池制御用集積回路１３ａは、基準電池容量に対して所定の閾値以上の差が生じている電池セル１０１を制御対象として選び、基準電池容量に対する電池容量の差分情報と共に記憶装置（図示略）に一時記憶させる。

ここで、放電抵抗１３ｂは、電池セル１０１毎に設けている。そして、この放電抵抗１３ｂは、接続対象となる電池セル１０１の電極端子１０３に対して、この電池セル１０１の電池容量を消費させ得るように電気的に接続している。電池制御用集積回路１３ａは、制御対象（放電対象）に選んだ電池セル１０１の放電抵抗１３ｂに通電し、この電池セル１０１の電池容量を基準電池容量に対する電池容量の差分だけ消費させる。電池制御用集積回路１３ａは、全ての制御対象の電池セル１０１の電池容量を減少させることによって、全ての電池セル１０１の電池容量の均等化を図る。

ところで、この監視制御部１０は、通電に伴い発熱する発熱源を有している。発熱源の熱は、その発熱量如何で、自らの機能や耐久性を低下させる可能性がある。また、この監視制御部１０は、収容部材２０の収容室２０ａ（図２から図４）に収容されるので、発熱源の熱が収容室２０ａの室内の温度を上昇させ、発熱源の周囲の部品（別の発熱源も含む）の機能や耐久性を低下させる可能性もある。

ここで、電池モジュール１００においては、例えば、各電池セル１０１の冷却のために、隣り合う電池セル１０１の間の隙間Ｇに空気Ａを流入させ、その流入させた空気Ａを隙間Ｇから流出させる（図２及び図７から図９）。電池モジュール１００においては、その隙間Ｇに対する空気Ａの流入口１００ａと流出口１００ｂが如何様な場所に設けられていてもよい。図７から図９は、その空気Ａの流路の一例を示したものである。図７は、下方側（この例示では車両下方側）の流入口１００ａから空気Ａを隙間Ｇに流入させ、その隙間Ｇの空気Ａを上方側（この例示では車両上方側）の流出口１００ｂから流出させる場合を示している。図８は、対向する２つの側方側（この例示では車両側方側）の流入口１００ａから空気Ａを隙間Ｇに流入させ、その隙間Ｇの空気Ａを上方側（車両上方側）の流出口１００ｂから流出させる場合を示している。図９は、一方の側方側（車両側方側）の流入口１００ａから空気Ａを隙間Ｇに流入させ、その隙間Ｇの空気Ａを他方の側方側（車両側方側）の流出口１００ｂから流出させる場合を示している。この例示では、電極端子１０３が配置されている上方側（車両上方側）に空気Ａの流出口１００ｂが設けられているものとして話を進める（図２）。

この電池監視装置１は、その隣り合う電池セル１０１の間の隙間Ｇから流出した空気Ａを利用して、監視制御部１０の発熱源の冷却を行う。よって、その発熱源は、その隙間Ｇから流出した空気Ａを当接させる位置に配置する。つまり、発熱源は、隙間Ｇから流出した空気Ａの流路上に配置する。そこで、この電池監視装置１においては、発熱源と電池モジュール１００における流出口１００ｂが配置されている面との間で且つ隙間Ｇから流出した空気Ａの流路上に、他の部品を介在させないようにする。

この電池監視装置１においては、監視制御部１０が複数の発熱源を有しているが、必ずしも全ての発熱源を冷却対象とする必要はない。また、この電池監視装置１においては、電池モジュール１００の複数の隙間Ｇの内の少なくとも１つから流出した空気Ａを発熱源の冷却に用いればよい。例えば、この例示の監視制御部１０において、発熱源でもある放電抵抗１３ｂは、他の発熱源と比べて、通電に伴う発熱量が高い。従って、ここでは、放電抵抗１３ｂの冷却を図るものとして構成する。また、ここでは、全ての放電抵抗１３ｂを電池モジュール１００の１つの隙間Ｇから流出した空気Ａで冷却させるものとして構成する。

発熱源たる放電抵抗１３ｂは、流出口１００ｂに対向配置させることが望ましい。これにより、この電池監視装置１においては、流出口１００ｂから流出した空気Ａが放電抵抗１３ｂに当り易くなるので、冷却効率が高くなる。更に、この電池監視装置１においては、流出口１００ｂから流出した空気Ａの温度が雰囲気温度で上昇する前に又はその空気Ａの温度上昇を低く抑えた状態で、その空気Ａを放電抵抗１３ｂに当てることができるので、この点からも冷却効率が高くなる。それぞれの放電抵抗１３ｂは、その流出口１００ｂに対向配置されるのであれば、如何様な形で配置してもよい。例えば、ここでは、全ての放電抵抗１３ｂを流出口１００ｂに沿って一列に並べている。また、それぞれの放電抵抗１３ｂは、流出口１００ｂに沿って複数列に並べてもよく、隣設するもの同士を互い違いにずらしながらジグザグに配列してもよい。

また、この電池監視装置１においては、隙間Ｇから流出した空気Ａを発熱源たる放電抵抗１３ｂまで案内するガイド部３０を設けてもよい（図２及び図４）。これにより、この電池監視装置１においては、流出口１００ｂから流出した空気Ａの周囲への拡散を抑えつつ、この空気Ａを放電抵抗１３ｂまで案内することができるので、冷却効率が高くなる。流出口１００ｂから流出した空気Ａは、例えば、放電抵抗１３ｂが流出口１００ｂに対向配置されている場合、周囲への拡散を抑えつつ、最短経路で放電抵抗１３ｂまで案内される。よって、この場合には、最良の冷却効率を得ることができる。また、流出口１００ｂから流出した空気Ａは、例えば、放電抵抗１３ｂが流出口１００ｂに対向配置されていない場合でも、周囲への拡散を抑えつつ、放電抵抗１３ｂまで案内される。よって、この電池監視装置１は、レイアウト等の関係で放電抵抗１３ｂを流出口１００ｂに対向配置させることができなくても、冷却効率を高めることができる。更に、この電池監視装置１は、隙間Ｇから流出した空気Ａを放電抵抗１３ｂに直接当てることができなくても、放電抵抗１３ｂに向かう空気Ａの流路をガイド部３０で作り出すことができるので、冷却効率を高めることができる。この例示では、そのガイド部３０を収容部材２０に設けている。

ここで、この電池監視装置１では、監視制御部１０が収容部材２０の収容室２０ａに収容されている。その収容部材２０は、合成樹脂等の絶縁性材料で成形する。この例示の収容部材２０は、収容体２１とカバー体２２とを備える（図２から図５）。収容体２１は、矩形の壁体２３（図２から図５）と、この壁体２３の４つの辺部から各々垂設させた立壁体２４，２５，２６，２７（図３及び図４）と、を有する。収容部材２０においては、その壁体２３と立壁体２４，２５，２６，２７とで囲まれた方体状の空間が収容室２０ａとなる。カバー体２２は、その収容室２０ａの矩形の開口を塞ぐべく、矩形の平板状に成形されている。

この電池監視装置１においては、発熱源たる放電抵抗１３ｂと電池モジュール１００における流出口１００ｂが配置されている面との間で且つ隙間Ｇから流出した空気Ａの流路上に、収容部材２０の壁体２３が介在することになる。よって、その壁体２３には、隙間Ｇから流出した空気Ａを収容室２０ａに流入させる空気導入孔２３ａを形成する（図２、図４及び図５）。その空気導入孔２３ａは、隙間Ｇから流出した空気Ａの流路上に設ける。ここでは、この空気導入孔２３ａを流出口１００ｂに対向配置させている。

この場合、放電抵抗１３ｂは、空気導入孔２３ａに対向配置させることによって、結果的に流出口１００ｂに対向配置させることが望ましい。かかる配置を採るときには、全ての放電抵抗１３ｂに対向配置される大きさに空気導入孔２３ａを形成することが望ましい。また、この電池監視装置１は、かかる配置を採るときでも、先のガイド部３０を設けることで、冷却効率の更なる向上を図ってもよい。そのガイド部３０は、空気導入孔２３ａの周縁から収容室２０ａに向けて立設させる（図４）。ここでは、空気導入孔２３ａの対向配置された２つの長手方向の縁部から各々矩形の壁体を立設させ、その２つの壁体をガイド部３０として利用している。尚、放電抵抗１３ｂは、ガイド部３０を設けるのであれば、必ずしも空気導入孔２３ａに対向配置させなくてもよい。

この電池監視装置１は、そのようにして収容室２０ａに空気Ａを導入することで、冷却効率の向上を図っているが、収容室２０ａからの空気Ａの抜けが悪いと、収容室２０ａに新気が導入され難くなる。そこで、収容部材２０には、発熱源たる放電抵抗１３ｂに当接して通過した収容室２０ａの空気Ａを収容室２０ａの外に排出させる排出孔２０ｂを形成することが望ましい（図２から図５）。これにより、この電池監視装置１においては、排出孔２０ｂから収容室２０ａの空気Ａが抜けると共に、新たな空気Ａが空気導入孔２３ａから流入してくるので、収容室２０ａでの空気Ａの滞留に伴う冷却効率の低下を抑えることができる。

この例示では、対向配置されている立壁体２４，２５に２つずつ排出孔２０ｂを設けている（図３及び図４）。例えば、この収容部材２０には、監視制御部１０に接続されている電線（図示略）を収容室２０ａの外に引き出すための孔が形成されている。ここでは、その孔を排出孔２０ｂとして利用している。

その排出孔２０ｂは、収容室２０ａにて、回路基板１１よりもカバー体２２側に配置されている。一方、放電抵抗１３ｂは、収容室２０ａにて、回路基板１１よりも壁体２３側に配置されている。故に、この例示の収容室２０ａにおいては、放電抵抗１３ｂに当接した後の空気Ａが排出孔２０ｂまで到達し難くなっている。そこで、この例示の回路基板１１には、放電抵抗１３ｂに当接した後の空気Ａをカバー体２２側に導くための貫通孔１１ａを形成している（図２から図６）。その貫通孔１１ａは、放電抵抗１３ｂに当接した後の空気Ａの流路上に形成する。ここでは、その貫通孔１１ａを放電抵抗１３ｂの近くで複数箇所に形成している。この例示では、複数の矩形の貫通孔１１ａから成る貫通孔群を２列並べて形成し、その貫通孔群の間に全ての放電抵抗１３ｂを配置している。これにより、収容室２０ａにおいては、それぞれの放電抵抗１３ｂに当接した後の空気Ａがそれぞれの貫通孔１１ａに導かれ易くなっているので、その空気Ａがそれぞれの貫通孔１１ａを介して回路基板１１よりもカバー体２２側に案内される。回路基板１１よりもカバー体２２側に案内された空気Ａは、それぞれの排出孔２０ｂを介して収容室２０ａの外に排出される。このように、この電池監視装置１においては、放電抵抗１３ｂに当接した後の空気Ａの収容室２０ａでの滞留を抑えることができるので、排出孔２０ｂによる冷却効率の低下抑制効果を高めることができる。

ところで、電池モジュール１００においては、電池セル１０１自体も発熱して熱を持つ。よって、電池モジュール１００においては、複数箇所に存在している隙間Ｇの中でも、電池セル１０１の配列方向での中央側で雰囲気温度が高く、端部側で雰囲気温度が低くなっている。従って、発熱源たる放電抵抗１３ｂは、全ての隙間Ｇの内、電池セル１０１の配列方向における端部側の隙間Ｇに寄せて配置（より好ましくは対向配置）することが望ましい。これにより、この電池監視装置１においては、全ての隙間Ｇの空気Ａの中でも、より温度の低い空気Ａを放電抵抗１３ｂに向けて導くことができるので、より高い冷却効率を得ることができる。

以上示したように、本実施形態の電池監視装置１は、電池セル１０１の間の隙間Ｇを流れる空気Ａを発熱源に当てることで、その発熱源の発熱量を低く抑えることができるので、結果として発熱源やその周囲の冷却が可能になる。従って、この電池監視装置１は、発熱源やその周囲に対する高い冷却効率を得ることができる。更に、この電池監視装置１は、かかる構成を具現化するために、新たな部品を用意せずとも済み、また、従来の構成に対する体格の大型化を招かずとも済む。よって、この電池監視装置１は、体格の大型化を抑えつつ、高い冷却効率を得ることができる。

尚、本実施形態の収容部材２０は、監視制御部１０を全体的に囲うものとして例示している。しかしながら、収容部材は、監視制御部１０と電池モジュール１００との間に壁体を介在させないもの（つまり、先の収容部材２０から壁体２３を省いたが如きもの）であってもよい。本実施形態の電池監視装置１は、そのような収容部材が適用されたとしても、先の例示と同様の効果を得ることができる。

１電池監視装置
１０監視制御部
１２電池監視部
１２ａ電池監視用集積回路（発熱源）
１３電池制御部
１３ａ電池制御用集積回路（発熱源）
１３ｂ放電抵抗（発熱源）
２０収容部材
２０ａ収容室
２０ｂ排出孔
２３壁体
２３ａ空気導入孔
３０ガイド部
１００電池モジュール
１００ｂ流出口
１０１電池セル
Ａ空気
Ｇ隙間

Claims

複数の電池セルが配列された電池モジュールの前記電池セル毎の電池状態を監視し、その監視結果に基づいてそれぞれの前記電池セルを制御する監視制御部と、
前記監視制御部を収容する収容部材と、
を備え、
前記監視制御部は、回路基板と、前記回路基板における前記電池モジュール側の一方の実装面に実装され、通電に伴い発熱する発熱源と、を有し、
前記収容部材は、前記発熱源と前記電池モジュールとの間に介在する壁体と、前記壁体に設け、前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間から流出した空気を前記収容部材の収容室における前記回路基板の前記一方の実装面側に流入させて前記発熱源に当接させる空気導入孔と、前記発熱源に当接して通過した前記収容室の空気を前記回路基板の他方の実装面側で前記収容室の外に排出させる排出孔と、を有し、
前記回路基板は、前記発熱源に当接した空気を前記収容室における前記回路基板の前記他方の実装面側に導く貫通孔を有することを特徴とした電池監視装置。
前記発熱源は、前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間の空気を流出させる流出口に対向配置することを特徴とした請求項１に記載の電池監視装置。
前記電池モジュールにおける隣り合う前記電池セルの間の隙間から流出した空気を前記発熱源まで案内するガイド部を設けることを特徴とした請求項１又は２に記載の電池監視装置。
前記排出孔は、前記監視制御部に接続されている電線を前記収容室の外に引き出すための孔であることを特徴とした請求項１，２又は３に記載の電池監視装置。
前記発熱源は、隣り合う前記電池セルの間の隙間を前記電池モジュールが複数箇所に有する場合、全ての前記隙間の内、前記電池セルの配列方向における端部側の隙間に対向配置させることを特徴とした請求項１から４の内の何れか１つに記載の電池監視装置。
前記監視制御部は、前記電池セル毎の放電抵抗を前記発熱源として有し、前記監視結果に基づき放電対象となった前記電池セルの前記放電抵抗に通電することで、全ての前記電池セルの電池容量を均等化させることを特徴とした請求項１から５の内の何れか１つに記載の電池監視装置。