JP6708011B2

JP6708011B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP6708011B2
Application number: JP2016123520A
Authority: JP
Inventors: 真一会沢; 隆広都竹; 祐希村松
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: WO2017221569A1; JP2017229152A

Description

本発明は、電池パックに関する。

既存の電池パックとして、互いに並列接続される複数の電池モジュールを備え、複数の電池モジュールのうちのある電池モジュールが異常になった場合に、その異常になった電池モジュールを他の電池モジュールから電気的に切り離して、他の電池モジュールのみで負荷への電力供給を継続するものがある。

このように構成される電池パックでは、電池モジュール間の電圧差が増加すると、その電圧差の増加に伴って、電池モジュール間に流れる還流電流も増加する。そのため、異常になった電池モジュールが正常に戻り、その正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続するとき、還流電流が電池モジュールを構成する電池やスイッチや電線などの各部品の定格電流よりも大きいと、それら部品が還流電流によって劣化したり故障したりするおそれがある。

そこで、還流電流を抑えるために、正常に戻った電池モジュールが有する電池の電圧と他の電池モジュールが有する電池の電圧との電圧差が閾値以下になったときに、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続することが考えられる。例えば、特許文献１参照。

特開２０１０−２２０２８０号公報

しかしながら、既存の電池パックでは、通常、想定される最大の還流電流が考慮され、閾値が比較的低い値に設定されるため、実際の還流電流が定格電流よりも小さいにもかかわらず、電圧差が閾値よりも大きく、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続させることができない場合が発生するおそれがある。すなわち、既存の電池パックでは、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続する機会の低下が懸念される。

本発明の一側面に係る目的は、互いに並列接続される複数の電池モジュールを備える電池パックにおいて、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続する機会の増加を図ることである。

本発明に係る一つの形態である電池パックは、複数の電池モジュールと、制御部とを備える。
複数の電池モジュールは、それぞれ、直列接続される電池及びスイッチを有し、互いに並列接続される。

制御部は、複数の電池モジュールのうち、１つ以上の電池モジュールが異常になると、その異常になった電池モジュールが有するスイッチをオフさせることにより、異常になった電池モジュールを他の電池モジュールから切り離し、異常から正常に戻った電池モジュールが有する電池の電圧と、他の電池モジュールが有する電池の電圧との電圧差が閾値以下であると、正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせることにより、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続させる。

また、制御部は、正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせる前にオンとなっているスイッチを有する他の電池モジュールの数または充電率により閾値を設定する。

本発明によれば、互いに並列接続される複数の電池モジュールを備える電池パックにおいて、正常に戻った電池モジュールを他の電池モジュールに再接続する機会の増加を図ることができる。

実施形態の電池パックの一例を示す図である。制御部の動作の一例を示すフローチャートである。記憶部に記憶されている情報の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の電池パックの一例を示す図である。
図１に示す電池パック１は、互いに並列接続される複数の電池モジュール２と、制御部３と、記憶部４とを備えている。なお、記憶部４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。

また、電池パック１は、例えば、電動フォークリフトやハイブリッドカーなどの車両に搭載され、走行モータを駆動するインバータなどの負荷Ｌｏが接続されているとき、その負荷Ｌｏへ電力を供給する。また、電池パック１は、負荷Ｌｏまたは充電器Ｃｈが接続されているとき、負荷Ｌｏまたは充電器Ｃｈから電力が供給される。

各電池モジュール２は、それぞれ、電池Ｂと、スイッチＳＷと、電流検出部２１と、温度検出部２２と、監視部２３とを備えている。
電池Ｂは、直列接続される複数の電池（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または電気二重層コンデンサ）により構成される。なお、電池Ｂは、１つの電池により構成されてもよい。また、電池Ｂの電圧は、例えば、電池パック１から負荷Ｌｏへ電力が供給されているときや負荷Ｌｏまたは充電器Ｃｈから電池パック１へ電力が供給されているときなどに変動する。

スイッチＳＷは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体リレーや電磁式リレーにより構成され、電池Ｂに直列接続されている。スイッチＳＷがオンすると、そのスイッチＳＷを有する電池モジュール２は、オンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２と電気的に接続される。また、スイッチＳＷがオフすると、そのスイッチＳＷを有する電池モジュール２は、オンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２から電気的に切り離される。なお、図１に示す例では、スイッチＳＷが電池Ｂのマイナス端子側に接続されているが、スイッチＳＷが電池Ｂのプラス端子側に接続されていてもよい。

電流検出部２１は、例えば、ホール素子やシャント抵抗により構成され、電池ＢやスイッチＳＷなどに流れる電流を検出する。
温度検出部２２は、例えば、サーミスタにより構成され、電池Ｂの温度を検出する。

監視部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、電池Ｂの電圧を検出する。

また、監視部２３は、制御部３から送られてくる指示により、スイッチＳＷのオン、オフを制御する。
また、監視部２３は、電池Ｂの電圧、電流検出部２１により検出される電流、及び温度検出部２２により検出される温度を示す電池状態情報を制御部３に送る。

制御部３は、例えば、ＣＰＵまたはプログラマブルディバイスにより構成される。
また、制御部３は、電池状態情報に示される電圧、電流、及び温度などにより、電池Ｂの充電率（ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）：電池の満充電容量に対する残容量の割合）を求める。

また、制御部３は、電池状態情報に示される電圧、電流、及び温度のうちの少なくとも１つが所定値以上であると、その電池状態情報の送り元の電池モジュール２が異常であると判断する。

また、制御部３は、電池状態情報に示される電圧、電流、及び温度がいずれも所定値よりも小さいと、その電池状態情報の送り元の電池モジュール２が正常であると判断する。
また、制御部３は、異常になった電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオフさせることにより、その異常になった電池モジュール２を他の電池モジュール２から電気的に切り離す。

また、制御部３は、異常から正常に戻った電池モジュール２（再接続可能状態の電池モジュール２）以外の他の電池モジュール２（オンとなっているスイッチＳＷを有する電池モジュール２）が有する電池Ｂの電圧（閉回路電圧）と、異常から正常に戻った電池モジュール２が有する電池Ｂの電圧（開回路電圧）との電圧差Ｖｄが閾値Ｖｔｈ以下であると、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせることにより、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続させる。なお、上記電圧差Ｖｄは、絶対値とする。また、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの電圧は、他の電池モジュール２が複数存在する場合、それら電池モジュール２が有する電池Ｂの電圧の平均値とする。

また、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が存在していると判断すると、その正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数または充電率により閾値Ｖｔｈを設定する。なお、上記充電率は、他の電池モジュール２が複数存在する場合、それら電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率の平均値とする。

図２は、制御部３の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が存在していないと判断しているとき（Ｓ２０１：Ｎｏ）、現在の状態を維持し、正常に戻った電池モジュール２が存在していると判断すると（Ｓ２０１：Ｙｅｓ）、オンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数または充電率により閾値Ｖｔｈを設定する（Ｓ２０２）。

次に、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が有する電池Ｂの電圧と、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの電圧との電圧差Ｖｄが閾値Ｖｔｈより大きいと判断しているとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、現在の状態を維持し、電圧差Ｖｄが閾値Ｖｔｈ以下であると判断すると（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせることにより、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続させる（Ｓ２０４）。なお、制御部３は、電圧差Ｖｄが閾値Ｖｔｈより大きいと判断したとき（Ｓ２０３：Ｎｏ）、Ｓ２０１またはＳ２０２の処理に戻ってもよい。

閾値Ｖｔｈの設定方法について説明する。
例えば、制御部３は、図３（ａ）に示すように、他の電池モジュール２の数ｎと閾値Ｖｔｈとの対応関係を示す情報を記憶部４から取り出し、その情報を参照して、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数ｎに対応する閾値Ｖｔｈを取得し、その取得した閾値Ｖｔｈを現在使用する閾値Ｖｔｈとして設定する。図３（ａ）に示す情報では、他の電池モジュール２の数ｎとしての「４」と、閾値Ｖｔｈとしての「０．２０Ｖ」とが対応付けられ、他の電池モジュール２の数ｎとしての「３」と、閾値Ｖｔｈとしての「０．２５Ｖ」とが対応付けられている。このように、図３（ａ）に示す情報では、他の電池モジュール２の数ｎが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくしている（または、図３（ａ）に示す情報では、他の電池モジュール２の数ｎが大きいほど、閾値Ｖｔｈを小さくしている）。これにより、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数ｎが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくすることができる（または、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数ｎが大きいほど、閾値Ｖｔｈを小さくすることができる）。

オンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数ｎが小さいほど、他の電池モジュール２に流れる電流の合計値が小さくなるため、還流電流が小さくなる。還流電流が小さくなると、電池モジュール２の定格電流（電池ＢやスイッチＳＷなどの各部品の定格電流）と還流電流との差に余裕ができるため、その分、閾値Ｖｔｈを大きくすることができる。閾値Ｖｔｈを大きくすると、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続させ易くすることができるため、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続する機会の増加を図ることができる。

すなわち、実施形態の電池パック１では、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２の数ｎが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくしているため、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続する機会の増加を図ることができる。

また、例えば、制御部３は、図３（ｂ）に示すように、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣと閾値Ｖｔｈとの対応関係を示す情報を記憶部４から取り出し、その情報を参照して、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣに対応する閾値Ｖｔｈを取得し、その取得した閾値Ｖｔｈを現在使用する閾値Ｖｔｈとして設定する。図３（ｂ）に示す情報では、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣとしての「８０％」と、閾値Ｖｔｈとしての「０．５Ｖ」とが対応付けられ、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣとしての「２０％」と、閾値Ｖｔｈとしての「１．０Ｖ」とが対応付けられている。このように、図３（ｂ）に示す情報では、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくしている（または、図３（ｂ）に示す情報では、他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが大きいほど、閾値Ｖｔｈを小さくしている）。これにより、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくすることができる（または、制御部３は、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが大きいほど、閾値Ｖｔｈを小さくすることができる）。

オンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが小さいほど、その電池Ｂの内部抵抗が高くなるため、還流電流が小さくなる。還流電流が小さくなると、電池モジュール２の定格電流と還流電流との差に余裕ができるため、その分、閾値Ｖｔｈを大きくすることができる。閾値Ｖｔｈを大きくすると、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続させ易くすることができるため、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続する機会の増加を図ることができる。

すなわち、実施形態の電池パック１では、正常に戻った電池モジュール２が有するスイッチＳＷをオンさせる前にオンとなっているスイッチＳＷを有する他の電池モジュール２が有する電池Ｂの充電率ＳＯＣが小さいほど、閾値Ｖｔｈを大きくしているため、正常に戻った電池モジュール２を他の電池モジュール２に再接続する機会の増加を図ることができる。

また、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１電池パック
２電池モジュール
３制御部
４記憶部
２１電流検出部
２２温度検出部
２３監視部
Ｃｈ充電器
Ｌｏ負荷
Ｂ電池
ＳＷスイッチ

Claims

それぞれ、直列接続される電池及びスイッチを有し、互いに並列接続される複数の電池モジュールと、
前記複数の電池モジュールのうち、１つ以上の電池モジュールが異常になると、その異常になった電池モジュールが有するスイッチをオフさせることにより、前記異常になった電池モジュールを他の電池モジュールから切り離し、異常から正常に戻った電池モジュールが有する電池の電圧と、前記他の電池モジュールが有する電池の電圧との電圧差が閾値以下であると、前記正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせることにより、前記正常に戻った電池モジュールを前記他の電池モジュールに再接続させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせる前にオンとなっているスイッチを有する前記他の電池モジュールの数または充電率により前記閾値を設定する
ことを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックであって、
前記制御部は、前記正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせる前にオンとなっているスイッチを有する前記他の電池モジュールの数が小さいほど、前記閾値を大きくする
ことを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックであって、
前記制御部は、前記正常に戻った電池モジュールが有するスイッチをオンさせる前にオンとなっているスイッチを有する前記他の電池モジュールの充電率が小さいほど、前記閾値を大きくする
ことを特徴とする電池パック。