JPWO2018092599A1 - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

電源装置は、複数の電池セルを有する組電池と、前記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える。複数の前記電池セルが直列接続されてなる電池モジュールを複数有する組電池の少なくとも１つの前記電池モジュールには、前記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置を内蔵する電池セルが１つのみ設けられている。

Description

本発明は、電源装置に関する。
本願は、２０１６年１１月１５日に出願された日本国特願２０１６−２２２２７７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
現在、車両等に搭載される電源装置は、直列接続された複数の電池セルを有する組電池と、各々の電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備えている。電池セルには、例えば特許文献１に開示されているように、ＣＩＤ（Current Interrupt Device）が内蔵されている。
このＣＩＤは、過充電等により電池セルの内圧が上昇した場合に電池セル内部の通電経路を遮断することにより、異常が発生した電池セルによる充放電を停止するための機構である。例えば、特許文献１に開示されているように、このようなＣＩＤは、バッテリが備える複数の電池セルの全てに対して各々内蔵されている。
日本国特許第５５５６９０２号
しかしながら、電池セルにＣＩＤを内蔵すると、ＣＩＤの設置スペースを電池セルの内部に確保する必要があることから電池セルが大型化することになる。逆に、電池セルの外形の大きさを変化させずにＣＩＤを内蔵させるためには、電解液等の収納スペースが減少し、電池セルの電池容量が減少することなる。ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）では、限られた収納スペースにバッテリを設置する必要があることから、可能な限り電池セルの１つ１つの電池容量を増加させ、組電池小型化あるいは組電池全体のとしての電池容量を増加させる必要がある。
本発明に係る態様は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、複数の電池セルを有する組電池と、電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置において、組電池の小型化あるいは組電池全体のとしての電池容量の増加を可能とすることを目的とする。
上記技術課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明に係る一態様の電源装置は、複数の電池セルと、上記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、複数の上記電池セルが直列接続されてなる電池モジュールを複数有する組電池の少なくとも１つの上記電池モジュールには、上記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置を内蔵する電池セルが１つのみ設けられている。
（２）上記（１）の態様において、上記遮断装置が内蔵された上記電池セルは、前記組電池に対して１つのみ設けられてもよい。
（３）上記（１）の態様において、上記遮断装置が内蔵された上記電池セルは、各前記電池モジュールに対して１つずつ設けられてもよい。
（４）本発明に係る一態様の電源装置は、複数の電池セルを有する組電池と、上記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、１つのグループに属する複数の上記電池セルのうち、電池容量が最も小さい上記電池セルのみに対して、上記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置が内蔵されている。
（５）本発明に係る一態様の電源装置は、複数の電池セルを有する組電池と、上記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、上記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置が内蔵されていない上記電池セルを少なくとも１つ有する。
本発明に係る態様によれば、組電池が備える複数の電池セルのうち、少なくとも１つはＣＩＤを内蔵していない。ＣＩＤが内蔵されていない電池セルは、小型化あるいは電池容量の増加を図ることができる。したがって、本発明に係る態様によれば、複数の電池セルを有する組電池と、電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置において、組電池の小型化あるいは組電池全体のとしての電池容量の増加を図ることが可能となる。
本発明の第１実施形態における電源装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態における電源装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電源装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の電源装置１の概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように、本実施形態の電源装置１は、組電池２と、電圧検出装置３と、第１絶縁素子４と、第２絶縁素子５と、マイコン６とを備えている。
組電池２は、複数の電池モジュール２ａが直列接続されることにより形成されている。
なお、本実施形態においては、組電池２が複数の電池モジュール２ａを備える構成となっているが、組電池２を単体の電池モジュール２ａで構成するようにしても良い。このような組電池２は、一対の出力端子（つまり、プラス端子２ｂとマイナス端子２ｃ）を備えており、不図示のコンタクタを介してインバータに接続され、インバータを介して走行用モータに接続されている。
各々の電池モジュール２ａは、図１に示すように、直列接続された複数の電池セル２ａ１を備えている。このように、本実施形態の電源装置１において組電池２は、直列接続された複数の電池セル２ａ１を有する電池モジュール２ａが複数直列接続された構成を有している。つまり、組電池２は、多数の電池セル２ａ１が直列接続された構成を有している。
本実施形態の電源装置１では、組電池２に含まれる多数の電池セル２ａ１のうち、１つの電池セル２ａ１のみにＣＩＤ２ａ２（遮断装置）が内蔵されている。つまり、組電池２を構成する１つのグループに属する複数の電池セル２ａ１のうち、１つの電池セル２ａ１のみにＣＩＤ２ａ２が内蔵されている。
ＣＩＤ２ａ２は、過充電等により電池セル２ａ１の内圧が上昇した場合には、電池セル２ａ１の内部の通電経路を機械的に遮断する機構である。例えば、ＣＩＤ２ａ２は、電池セル２ａ１の内圧が異常な高圧になると、電池セル２ａ１の出力端（プラス端及びマイナス端）の一方を機械的に開放する。このようなＣＩＤ２ａ２が作動して電池セル２ａ１の内部の通電回路が遮断されると、組電池２は外部に直流電力を供給し得ない状態となる。
ＣＩＤ２ａ２が内蔵された電池セル２ａ１（以下、ＣＩＤ内蔵電池セル１０と称する）は、本実施形態においては、組電池２に含まれる全ての電池セル２ａ１のうち、電池容量が最も小さい。なお、ＣＩＤ内蔵電池セル１０は、ＣＩＤ２ａ１が内蔵されていない他の電池セル２ａ１と外形形状が同一とされており、ＣＩＤ２ａ２を内蔵する分だけ電解液の収納スペースが減少されたことで低容量化されている。つまり、本実施形態においては、意図的にＣＩＤ内蔵電池セル１０の電池容量が他の電池セル２ａ１に対して小さく設定されている。このように、ＣＩＤ内蔵電池セル１０の外形形状を他の電池セル２ａ１と同一とすることによって、ＣＩＤ内蔵電池セル１０を含む電池モジュール２ａと、ＣＩＤ内蔵電池セル１０を含まない電池モジュール２ａとの形状を一致させることができ、電池モジュール２ａの取付構造等を共通化することができる。
なお、ＣＩＤ内蔵電池セル１０は、全ての電池セル２ａ１のうち、最も低電位の位置に配置されることが好ましい。つまり、本実施形態においては、図１に示す組電池２のうち、最もマイナス端子２ｃ側に配置された電池セル２ａ１をＣＩＤ内蔵電池セル１０とすることが好ましい。このように、ＣＩＤ内蔵電池セル１０を最も低電位の位置に配置することによって、ＣＩＤ２ａ２が作動した場合の異常電圧を検出する際の信号のレベル調整等が容易となり、簡単な回路構成で異常電圧を検出することが可能となる。
また、ＣＩＤ内蔵電池セル１０は、全ての電池セル２ａ１のうち、最も冷却効率が低い位置に配置されることが好ましい。例えば、全ての電池セル２ａ１は、冷却空気の流路に配置される場合には、電池セル２ａ１の冷却により冷却空気の温度が徐々に上昇していくことから、冷却空気の流れの最も下流側が最も冷却効率が低い位置となる。したがって、ＣＩＤ内蔵電池セル１０は、冷却空気の流れの最も下流側に配置されることが好ましい。
一般的に、最も冷却効率が低い位置に設置された電池セル２ａ１は、他の電池セル２ａ１よりも劣化の進行速度が速く、内圧の上昇が発生し易い。このため、最も内圧の上昇が生じる可能性が高い位置にＣＩＤ内蔵電池セル１０を配置することによって、ＣＩＤ内蔵電池セル１０が他の電池セル２ａ１よりも早く異常を示すことなり、組電池２の異常をより確実に把握することが可能となる。
電圧検出装置３は、組電池２の出力電圧を検出する回路であり、本実施形態においては、電池モジュール２ａごとに設けられている。各々の電圧検出装置３は、電池モジュール２ａの電池セル２ａ１の出力端子と接続されており、各々の電池セル２ａ１の出力電圧を検出する。なお、電圧検出装置３は、電池モジュール２ａごとに複数設けるようにしたり、複数の電池モジュール２ａを跨ぐように設けたりすることも可能である。これらの電圧検出装置３は、いわゆるデイジチェーン方式で第１絶縁素子４及び第２絶縁素子５を介してマイコン６と接続されている。これらの電圧検出装置３は、接続された各々の電池セル２ａ１の出力電圧を示す信号をマイコン６に向けて出力する。
第１絶縁素子４は、マイコン６の出力端と、複数の電圧検出装置３のうち信号の伝達方向においてマイコン６から見て最も上流側の電圧検出装置３との間に配置されている。第２絶縁素子５は、マイコン６の入力端と、複数の電圧検出装置３のうち信号の伝達方向においてマイコン６から見て最も下流側の電圧検出装置３との間に配置されている。これらの第１絶縁素子４及び第２絶縁素子５は、電圧検出装置３とマイコン６とが電気的に直接接続されることを防止することで、電気的に絶縁するための素子である。これらの第１絶縁素子４及び第２絶縁素子５としては、電気信号を一端光信号に変換した後に再度電気信号に変換するフォトカプラが用いられる。
マイコン６は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれており、いわゆるワンチップマイコンからなる。このマイコン６は、内部メモリに記憶された電圧検知プログラムを実行することにより組電池２に関する電圧検知機能を発揮する。より具体的には、このマイコン６は、電圧検出装置３から入力される各電池セル２ａ１の出力電圧をデジタル値に変換し、所定の演算をした上でバッテリＥＣＵに向けて出力する。
このような構成の本実施形態の電源装置１では、マイコン６から指令信号が出力され、当該指令信号が第１絶縁素子４を介して電圧検出装置３に入力される。電圧検出装置３は、指令信号に基づいて電池セル２ａ１の電圧を検出し、その検出結果を示す検出信号を出力する。電圧検出装置３から出力された検出信号は、第２絶縁素子５を介してマイコン６に入力される。マイコン６は、入力された検出信号に所定の演算をしてバッテリＥＣＵに向けて出力する。一方、ＣＩＤ２ａ２が作動した場合には、組電池２から過電圧が出力され、電圧検出装置３を通じてマイコン６にそれを示す信号が入力される。
以上のような本実施形態の電源装置１によれば、組電池２が備える複数の電池セル２ａ１のうち、１つ（ＣＩＤ内蔵電池セル１０）を除いた多数の電池セル２ａ１がＣＩＤ２ａ２を内蔵していない。ＣＩＤ２ａ２が内蔵されていない電池セル２ａ１は、ＣＩＤ内蔵電池セル１０と同一の外形形状とすることにより電池容量の増加を図ることができる。したがって、本実施形態の電源装置１によれば、組電池２の全体のとしての電池容量の増加を図ることが可能となる。
なお、本実施形態の電源装置１においては、ＣＩＤ２ａ２が内蔵されていない電池セル２ａ１は、ＣＩＤ内蔵電池セル１０と同一の外形形状とすることにより電池容量の増加を図る構成としたが、ＣＩＤ２ａ２が内蔵されていない電池セル２ａ１の電池容量をＣＩＤ内蔵電池セル１０と同一とし、ＣＩＤ２ａ２が内蔵されていない電池セル２ａ１をＣＩＤ２ａ２が削減された分小型化することもできる。このような場合には、小型の組電池２を実現することができる。
また、本実施形態の電源装置１においては、複数の電池モジュール２ａにより構成される組電池２の全体に対して、ＣＩＤ内蔵電池セル１０を１つのみ設けている。このため、組電池２において、ＣＩＤ２ａ２を内蔵しない電池セル２ａ１の数を最大化することができ、組電池２の電池容量を最大化することが可能となる。
また、本実施形態の電源装置１においては、組電池２に含まれる電池セル２ａ１のうち、最も電池容量が小さい電池セル２ａ１に対してＣＩＤ２ａ２が内蔵されている。電池容量が最も小さい電池セル２ａ１は他の電池セル２ａ１よりも早く過充電となり、他の電池セル２ａ１よりも早く内圧が上昇する。つまり、本実施形態の電源装置１においては、最も異常が発生する確率が高い電池セル２ａ１に対してＣＩＤ２ａ２が内蔵されている。このため、組電池２の異常を確実に把握することが可能とある。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図２は、本実施形態の電源装置１Ａの概略構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように、本実施形態の電源装置１Ａにおいては、組電池２を構成する複数の電池モジュール２ａの１つ１つに対して、ＣＩＤ内蔵電池セル１０が設けられている。つまり、本発明は、組電池２に対してＣＩＤ内蔵電池セル１０を１つのみしか設けない構造に限定されない。本発明は、本実施形態のように組電池２に複数のＣＩＤ内蔵電池セル１０を備える構成を採用しても良い。
なお、本実施形態の電源装置１においては、全ての電池モジュール２ａにおいて、同じ位置にＣＩＤ内蔵電池セル１０を設けるようにすることが好ましい。このような構成を採用することにより、全ての電池モジュール２ａを同一の構成とすることができ、電池モジュール２ａの製造性、及び、組電池２の組立作業性が向上することになる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、組電池２あるいは電池モジュール２ａに対して、ＣＩＤ内蔵電池セル１０が１つ設けられた構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、１つの電池モジュール２ａに対して複数のＣＩＤ内蔵電池セル１０を備える構成を採用することも可能である。例えば、本発明においては、１つの電池セル２ａ１を除いた他の全ての電池セル２ａ１をＣＩＤ内蔵電池セル１０とすることも可能である。
１……電源装置、１Ａ……電源装置、２……組電池、２ａ……電池モジュール、２ａ１……電池セル、２ａ２……ＣＩＤ（遮断装置）、３……電圧検出装置、１０……内蔵電池セル

Claims (5)

  1. 複数の電池セルを有する組電池と、前記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、
    複数の前記電池セルが直列接続されてなる電池モジュールを複数有する組電池の少なくとも１つの前記電池モジュールには、前記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置を内蔵する電池セルが１つのみ設けられている
    ことを特徴とする電源装置。
  2. 前記遮断装置が内蔵された前記電池セルは、前記組電池に対して１つのみ設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  3. 前記遮断装置が内蔵された前記電池セルは、各前記電池モジュールに対して１つずつ設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  4. 複数の電池セルを有する組電池と、前記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、
    １つのグループに属する複数の前記電池セルのうち、電池容量が最も小さい前記電池セルのみに対して、前記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置が内蔵されている
    ことを特徴とする電源装置。
  5. 複数の電池セルを有する組電池と、前記電池セルの電圧を検出する電圧検出装置とを備える電源装置であって、
    前記電池セルの内圧の上昇により通電経路を遮断する遮断装置が内蔵されていない前記電池セルを少なくとも１つ有する
    ことを特徴とする電源装置。
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