WO2012176261A1 - 電池システム - Google Patents

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housing
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晋 山内
啓 角谷
二見　基生
高橋　俊樹
務 須藤
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株式会社日立製作所
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
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    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
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    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
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    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
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    • H02J7/007192—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technology of a battery system including a plurality of batteries.
  • Patent Documents 1 to 3 are effective when the internal resistance such as a lead battery is sufficiently smaller than the resistance of the wiring cable.
  • the internal resistance component of the battery cannot be ignored, and the internal resistance fluctuates due to heat generation during charging and discharging.
  • the resistance of the wiring cable is made uniform, the resistance of each set becomes non-uniform due to fluctuations in the internal resistance of the battery, and as a result, the load is concentrated on the battery having a small internal resistance. This becomes a factor that the electric power in the battery system cannot be used efficiently and the deterioration of the battery due to the concentration of the load on the battery.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to cope with a difference in internal resistance of a battery.
  • the present invention provides a battery system in which a plurality of batteries are connected, and a battery where the temperature of the place where the battery is installed is higher than a battery where the battery is not high.
  • the resistance value of the wiring cable connected to the battery is increased.
  • 1 is an external perspective view of a battery system according to a first embodiment. It is a graph which shows the relationship between the position in the housing
  • FIG. 1 is an external perspective view of the battery system according to the first embodiment.
  • a battery module (battery) 3 composed of a plurality of cell batteries (not shown) is housed in the housing 2 in a form that is stored in the horizontal direction for each stage.
  • a group of battery modules 3 for each stage is referred to as a battery group 4.
  • a fan 5 for releasing heat in the housing 2 is provided on the upper surface of the housing 2, but this fan 5 can be omitted.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the position of the battery group in the housing and the temperature. As shown in FIG. 2, the inventor found that the temperature of the uppermost battery group 4 in the case 2 of FIG. 1 tends to be higher than that of the lowermost battery group 4. This is considered to be due to an increase in heat due to heat generation in the battery module 3.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the internal resistance of the cell battery and the temperature. As shown in FIG. 3, it is known that when the temperature of a cell battery such as a lithium ion battery rises, the viscosity of the electrolyte in the cell battery decreases, ion mobility improves, and internal resistance decreases. ing.
  • the internal resistance of the cell battery at the top of the casing 2 is small.
  • the cell battery (battery group 4) at the lower part of the casing 2 has a lower temperature than the cell battery at the upper part of the casing 2, its internal resistance is larger than that of the cell battery at the upper part of the casing 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a wiring example of the battery system according to the first embodiment.
  • five battery modules 3 are connected in series for one battery group 4.
  • the battery group 4 arranged in a place where the temperature is high, that is, the cell, by installing the output terminal 12 for outputting the electric power from each battery group 4 to the outside at the bottom of the casing 2
  • the length of the wiring cable 11 connected to the battery group 4 is increased as the internal resistance of the battery decreases toward the top of the housing 2.
  • the length of the wiring cable 11 to each battery group 4 is: battery group 4a> battery group 4b> battery group 4c> battery group 4d.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another wiring example of the battery system according to the first embodiment.
  • the output end 12 is installed at the lowermost part of the casing 2 in the same manner as in FIG. The length is made longer.
  • the battery groups 4 in FIG. 4 are connected in parallel, in the example of FIG. 5, the battery groups 4 similar to FIG. 4 are divided into two groups 21, and each group 21 has two batteries. Group 4 is connected in series. Each group 21 is connected in parallel to the output end 12. At this time, two groups 21 are formed by two of the upper battery group 4 and two of the lower battery group 4, and the length of the wiring cable 11 connected to each of them is changed.
  • the battery group 4 is divided into a plurality of upper and lower groups 21, and the resistance of each group 21 is increased by increasing the length of the connected wiring cable 11 and increasing the resistance toward the upper group 21. , It may be uniform. That is, when the battery group 4a, the battery group 4b, the battery group 4c, and the battery group 4d are defined in the same manner as in FIG. 4, the battery group 4a and the battery group 4b are group 21a, and the battery group 4c and the battery group 4d are group 21b.
  • the length of the wiring cable 11 to each group 21 is group 21a> group 21b.
  • the battery module 3 is stored in the vertical direction.
  • the battery module 3 is accommodated in the vertical direction.
  • the battery group 4 is formed by connecting four vertical battery modules 3 in series (connection is not shown in FIG. 6A). And five battery groups 4 are arranged horizontally.
  • the left and right ends of the housing 2 in which the battery group 4 is housed are referred to as both end portions, and the central portion of the housing 2 when viewed from the left and right is referred to as the center portion.
  • a fan 5 may be provided on the upper surface of the housing 2.
  • FIG. 6B is a graph showing the relationship between the position of the battery group 4 and the temperature when the fan 5 is provided on the upper surface of the housing 2.
  • the fan 5 is provided on the upper surface of the housing 2 (not shown in FIG. 6)
  • a large air volume can be secured at the center of the housing 2, but the air volume at both ends of the housing 2 can be secured. May decrease.
  • the temperature of the battery group 4 at both ends may be higher than that of the central battery group 4 of the housing 2.
  • FIG. 7 shows an example of wiring for the battery system 1a shown in FIG.
  • five battery groups 4 (4e to 4i) are connected in parallel to the output end 12 in the vertical direction.
  • a battery group 4e, a battery group 4f, a battery group 4g, a battery group 4h, and a battery group 4i are used, and the wiring cable 11 connected to the battery group 4e and the battery group 4i is a wiring cable 11a.
  • the wiring cable 11 connected to 4g and the battery group 4h is referred to as a wiring cable 11b.
  • the length of each wiring cable 11 is wiring cable 11a> wiring cable 11b.
  • the wiring cable 11a is made longer than the wiring cable 11b at reference numeral 601.
  • the wiring cable 11a to the battery group 4i is lengthened, and the battery group 4f, battery group 4g installed at a low temperature place, The wiring cable 11b to the battery group 4h is shortened.
  • the wiring cable 11a to the battery group 4 (battery group 4e, battery group 4i) arrange
  • the resistance of the set in each battery group 4 is made uniform by making it longer than the wiring cable 11b to the battery group 4 (battery group 4f, battery group 4g, battery group 4h) and increasing the resistance.
  • a plurality of battery groups 4 are grouped, and in each group, the battery groups 4 are connected in series, and each group is connected in parallel to the output end 12. Good.
  • the resistance of the wiring cable 11 is increased by increasing the length of the wiring cable 11, but the wiring cable 11 can be made thinner or wired.
  • the resistance of the wiring cable 11 may be increased by using a material having a high resistance for the cable 11 or connecting a resistance element or the like in the middle.
  • the output end 12 is installed at the bottom of the housing 2, but if the resistance of the wiring cable 11 to the battery group 4 installed in a place with a high temperature can be increased, The output end 12 may not be installed at the lowermost part of the housing 2.
  • the resistance of the wiring cable 11 can be reduced by making the wiring cable 11 thin, making the material of the wiring cable 11 to the upper part of the housing 2 a material having high resistance, or connecting a resistor, a capacitor, a coil, or the like in the middle. Can be increased, the output end 12 may be installed at a location different from the lowest part.
  • one battery group 4 is formed by five battery modules 3 and four or five battery groups 4 are stored in the housing 2.
  • FIG. 5 shows an example in which two battery groups 4 are stored for one group 21, but the number of each battery is not limited to these.
  • the length of the wiring cable 11 to the battery group 4 arranged at a high temperature place is lengthened, and the length of the wiring cable 11 to the battery group 4 arranged at a low temperature place is set.
  • the resistance of each battery group 4 is made uniform. That is, the present application does not equalize the resistance values of the wiring cables 11 connected to the batteries as in Patent Documents 1 to 3, but intentionally corresponds the resistance values of the wiring cables 11 to the connected battery groups 4. And changing.
  • the resistance of each battery group 4 can be made uniform, and the load can be prevented from being concentrated on the battery.
  • the electric power in the battery systems 1 and 1a can be used efficiently, and further, it is possible to prevent the deterioration of the battery due to the load concentration on the battery having a small internal resistance.
  • Battery system 2 Housing 3 Battery module (battery) 4, 4a to 4i Battery group 5 Fan 11, 11a, 11b Wiring cable 12 Output end 21, 21a, 21b Group

Abstract

　電池の内部抵抗の違いに対応できることを課題とする。　複数の電池モジュール（３）が接続されている電池システム（１）であって、電池モジュール（３）が設置されている場所の温度が高くなるにつれて、電池モジュール（３）へ接続される配線ケーブル（１１）の抵抗値を大きくすることを特徴とする。筐体（２）内において、温度の高い場所に配置されている電池群（４）への配線ケーブル（１１）の長さを長くし、温度の低い場所に配置されている電池群（４）への配線ケーブル（１１）の長さを短くする。具体的には、筐体（２）上部に配置されている電池群（４）への配線ケーブル（１１）の長さを長くし、筐体（２）下部に配置されている電池群（４）への配線ケーブル（１１）の長さを短くする。なお、配線ケーブル（１１）の長さは、出力端（２１）を筐体（２）の最下部に配置することで調節してもよい。

Description

電池システム
　本発明は、複数の電池を備える電池システムの技術に関する。
　複数の電池を備える電池システムにおいて、電池や、電池に接続される配線ケーブルなどによるセットにおける抵抗を、各セットにおいて均一にすることは重要である。
　特許文献１～３には、複数の電池を備える電池システムにおいて、各電池から延びる配線ケーブルの長さ、断面積、抵抗率を均一化することによって、各電池に接続される配線ケーブルの抵抗値を揃え、セット毎の抵抗が等しくなるよう配線する技術が記載されている。
特開２０１０－８０１３５号公報 特開平６－１６５３１０号公報 特開２００６－４２４０７号公報
　特許文献１～３に記載の技術は、鉛電池のような内部抵抗が配線ケーブルの抵抗に比べて十分に小さい場合には有効である。しかしながら、鉛電池より内部抵抗が大きいリチウム電池などでは、電池の内部抵抗成分を無視することができず、さらに充放電時の発熱により内部抵抗が変動する。このため、配線ケーブルの抵抗を均一にしても、電池の内部抵抗の変動により、結果として各セットの抵抗が不均一となり、結果として内部抵抗が小さい電池に負荷が集中してしまう。このことが、電池システムにおける電力を効率的に使用できないことや、電池への負荷集中による電池の劣化促進の要因となる。
　このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、電池の内部抵抗の違いに対応できることを課題とする。
　前記課題を解決するため、本発明は、複数の電池が接続されている電池システムであって、前記電池が設置されている場所の温度が高くなるところの電池は、高くならないところの電池よりも、前記電池へ接続される配線ケーブルの抵抗値を大きくすることを特徴とする。
　本発明によれば、電池の内部抵抗の違いに対応できる。
第１実施形態に係る電池システムの外観斜視図である。 電池群の筐体内における位置と温度との関係を示すグラフである。 セル電池の内部抵抗と、温度の関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る電池システムの配線例を示す図である。 第１実施形態に係る電池システムの別の配線例を示す図である。 第２実施形態に係る電池システムの電池モジュールの配列と、電池群の筐体内における位置と温度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る電池システムの配線例である。
　次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　なお、本実施形態は、電池システムが熱的に安定している状態での運用を基準としている。
《第１実施形態》
　図１は、第１実施形態に係る電池システムの外観斜視図である。
　本実施形態に係る電池システム１では、複数のセル電池（図示せず）から構成される電池モジュール（電池）３が、段毎に横方向に格納される形式で筐体２に収納されている。段毎の電池モジュール３の群を電池群４と称することとする。
　筐体２の上面には筐体２内の熱を放出するためのファン５が設けられているが、このファン５は省略可能である。
　図２は、電池群の筐体内における位置と温度との関係を示すグラフである。
　発明者は、図２に示すように、図１の筐体２内において最上部の電池群４の温度は、最下段の電池群４に比べて高くなる傾向にあることを見出した。これは、電池モジュール３での発熱による熱が上昇することによるものと考えられる。
　図３は、セル電池の内部抵抗と、温度の関係を示すグラフである。
　図３に示すように、リチウムイオン電池のようなセル電池の温度が上昇すると、セル電池内の電解液の粘度が低下し、イオンの移動度が向上し、内部抵抗が小さくなることが知られている。
　図２で説明したように、筐体２上部のセル電池（電池群４）の温度が上昇していることから、筐体２上部のセル電池の内部抵抗は小さくなっている。また、筐体２下部のセル電池（電池群４）は、筐体２上部のセル電池より温度が低いため、その内部抵抗は筐体２上部のセル電池より大きくなっている。
　そこで、本実施形態では、筐体２上部の電池群４に接続される配線ケーブル１１の抵抗を大きくし、筐体２下部の電池群４に接続される配線ケーブル１１の抵抗を小さくすることによって、筐体２の上下における電池群４毎の抵抗を均一化する。
　図４は、第１実施形態に係る電池システムの配線例を示す図である。
　図４の例では、電池群４の１つにつき、５つの電池モジュール３が直列に接続されている。そして、合計４つの電池群４が出力端１２に対し並列接続されて、筐体２内に格納されている例を示す。
　図４に示すように、各電池群４からの電力を外部へ出力する出力端１２を筐体２最下部に設置することにより、温度が高い場所に配置されている電池群４、すなわち、セル電池の内部抵抗が小さい筐体２上部へいくほど電池群４に接続される配線ケーブル１１の長さを長くする。つまり、図４における筐体２最上部から、電池群４ａ、電池群４ｂ、電池群４ｃ、電池群４ｄとすると、各電池群４への配線ケーブル１１の長さは、電池群４ａ＞電池群４ｂ＞電池群４ｃ＞電池群４ｄとなるようにしている。これにより、筐体２上部へ行くほど、電池群４に接続される配線ケーブル１１の抵抗を大きくし、各電池群４における抵抗を均一化している。つまり、温度の高い場所に設置されている電池群４ほど、接続される配線ケーブル１１の長さを長くしている。
　図５は、第１実施形態に係る電池システムの別の配線例を示す図である。
　図５においても、図４と同様に出力端１２を筐体２の最下部に設置することで、セル電池の抵抗が小さい筐体２上部へいくほど電池群４に接続される配線ケーブル１１の長さを長くするようにしている。
　しかしながら、図４における各電池群４が並列に接続されていたのに対し、図５の例では図４と同様の電池群４を２つのグループ２１に分け、それぞれのグループ２１では、２つの電池群４が直列に接続されている。そして、それぞれのグループ２１が、出力端１２に対し、並列接続されている。このとき、上部の電池群４の２つと、下部の電池群４の２つとでグループ２１を２つ形成し、それぞれに接続される配線ケーブル１１の長さを変えている。
　このように、電池群４を上下複数のグループ２１に分け、上部のグループ２１へいくほど、接続される配線ケーブル１１の長さを長くし、抵抗を大きくすることによって、グループ２１毎の抵抗を、均一化してもよい。
　つまり、電池群４ａ、電池群４ｂ、電池群４ｃ、電池群４ｄを図４と同様に定義し、電池群４ａ、電池群４ｂをグループ２１ａとし、電池群４ｃ、電池群４ｄをグループ２１ｂとすると、各グループ２１への配線ケーブル１１の長さは、グループ２１ａ＞グループ２１ｂとなる。
《第２実施形態》
　ここでは、図６（ａ）に示すように、電池モジュール３が縦方向に収納されている場合について説明する。
　図６（ａ）に示す電池システム１ａは、電池モジュール３が縦方向に収納されている。図６（ａ）の例では、縦４つの電池モジュール３が直列に接続される（図６（ａ）では接続は図示せず）ことで、電池群４を形成している。そして、電池群４は、横に５つ並べられている。
　また、電池群４が収納されている筐体２の左右両端を両端部と称し、左右からみて筐体２中央の部分を中央部と称することとする。
　なお、筐体２の上面にはファン５が設けられていてもよい。
　図６（ｂ）は、筐体２の上面にファン５を設けた場合における電池群４の位置と温度との関係を示すグラフである。
　筐体２の上面にファン５を設けた場合（図６で図示せず）、必ずではないものの、筐体２の中央部は大きな風量を確保できるが、筐体２の両端部は、風量が低下することがある。このため、図６（ｂ）に示すように両端部の電池群４の温度が筐体２の中央部電池群４のに比べ、高くなる場合がある。
　図７では、図６（ａ）に示す電池システム１ａに対する配線例を示す。
　図７の例では、５つの電池群４（４ｅ～４ｉ）が、出力端１２に対し縦方向に並列接続されている。
　図面左から電池群４ｅ、電池群４ｆ、電池群４ｇ、電池群４ｈ、電池群４ｉとし、電池群４ｅおよび電池群４ｉに接続される配線ケーブル１１を配線ケーブル１１ａとし、電池群４ｆ、電池群４ｇ、電池群４ｈに接続される配線ケーブル１１を配線ケーブル１１ｂとする。
　ここで、各配線ケーブル１１の長さは、配線ケーブル１１ａ＞配線ケーブル１１ｂとなっている。具体的には、符号６０１のところで配線ケーブル１１ａを配線ケーブル１１ｂより長くしている。
　つまり、筐体２内において、温度の高い場所に設置されている電池群４ｅ、電池群４ｉへの配線ケーブル１１ａを長くし、温度の低い場所に設置されている電池群４ｆ、電池群４ｇ、電池群４ｈへの配線ケーブル１１ｂを短くしている。
　このようにすることで、温度が高くなる傾向のある筐体２の両端部に配置されている電池群４（電池群４ｅ、電池群４ｉ）への配線ケーブル１１ａを中央部に配置されている電池群４（電池群４ｆ、電池群４ｇ、電池群４ｈ）への配線ケーブル１１ｂより長くし、抵抗を大きくすることで、各電池群４におけるセットの抵抗を均一化している。
　なお、第２実施形態においても、複数の電池群４をグループ化し、各グループにおいて、電池群４を直列に接続し、それぞれのグループが、出力端１２に対し、並列接続されるようにしてもよい。
　なお、本実施形態（第１実施形態、第２実施形態）では、配線ケーブル１１の長さを長くすることで配線ケーブル１１の抵抗を大きくしているが、配線ケーブル１１を細くしたり、配線ケーブル１１の材質を抵抗の大きい材質にしたり、途中に抵抗素子などを接続したりすることによって、配線ケーブル１１の抵抗を大きくしてもよい。
　なお、本実施形態では、出力端１２を筐体２の最下部に設置しているが、温度の高い場所に設置されている電池群４への配線ケーブル１１の抵抗を大きくすることができれば、出力端１２を筐体２の最下部に設置しなくてもよい。例えば、配線ケーブル１１を細くしたり、筐体２上部への配線ケーブル１１の材質を抵抗の大きい材質にしたり、途中に抵抗や、コンデンサや、コイルなどを接続することによって、配線ケーブル１１の抵抗を大きくすることができれば、出力端１２を最下部とは別の場所に設置してもよい。
　また、本実施形態では、５つの電池モジュール３で１つの電池群４を形成し、４つあるいは５つの電池群４が筐体２に格納されている例を示している。そして、図５では、１つのグループ２１に対し、２つの電池群４が格納されている例を示しているが、各個数の関しては、これらに限らないことは当然である。
（まとめ）
　本実施形態では、温度の高い場所に配置されている電池群４への配線ケーブル１１の長さを長くし、温度の低い場所に配置されている電池群４への配線ケーブル１１の長さを短くすることによって、電池群４毎の抵抗を均一化している。つまり、本願は、特許文献１～３のように各電池に接続される配線ケーブル１１の抵抗値を揃えるのではなく、意図的に配線ケーブル１１の抵抗値を、接続される電池群４に対応して変えている。
　これにより、リチウム電池のような内部抵抗が大きい電池でも、電池群４毎の抵抗を均一化することができ、電池に負荷が集中することを防止することができる。
　これにより、電池システム１，１ａにおける電力を効率的に使用でき、さらに、内部抵抗の小さい電池への負荷集中による電池の劣化促進を防止することが可能となる。
　１，１ａ　電池システム
　２　　　筐体
　３　　　電池モジュール（電池）
　４，４ａ～４ｉ　電池群
　５　　　ファン
　１１，１１ａ，１１ｂ　配線ケーブル
　１２　　出力端
　２１，２１ａ，２１ｂ　　グループ

Claims (6)

  1. 　複数の電池が接続されている電池システムであって、
    　前記電池が設置されている場所の温度が高くなるところの電池は、高くならないところの電池よりも、前記電池へ接続される配線ケーブルの抵抗値を大きくする
    　ことを特徴とする電池システム。
  2. 　前記配線ケーブルの長さを長くすることによって、前記配線ケーブルの抵抗値を大きくする
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電池システム。
  3. 　前記各電池からの電力を外部へ出力する出力端を、前記電池が収納されている筐体内において温度の低い場所に設置する
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項または請求の範囲第２項に記載の電池システム。
  4. 　前記出力端は、前記筐体の最下部に設置されている
    　ことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の電池システム。
  5. 　前記電池は、横方向に直列接続されることで、電池群を構成しており、
    　前記電池が収納されている筐体内において、上方に設置されている電池群ほど、前記配線ケーブルの長さを長くする
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の電池システム。
  6. 　前記電池は、縦方向に直列接続されることで、電池群を構成しており、
    　前記電池が収納されている筐体内において、側面に近い場所に設置されている電池群ほど、前記配線ケーブルの長さを長くする
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の電池システム。
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