WO2023073978A1 - 電池モジュール及び電池電源回路 - Google Patents

電池モジュール及び電池電源回路 Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to battery modules and battery power circuits.
  • lithium ion secondary batteries with high energy density are often used as battery power sources for driving motors of electric vehicles.
  • the present invention has been made in view of this background, and aims to provide a technique that can deal with internal short circuits.
  • the main invention of the present invention for solving the above problems is a battery module comprising a battery cell, a dedicated discharge terminal for outputting the discharge current of the battery cell to a load, and a charging terminal for inputting the charging current to the battery cell. and a dedicated terminal, and a current is not input from the outside through the dedicated discharge terminal.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing an outline of the configuration of a battery module 2;
  • FIG. FIG. 2 is a circuit block diagram showing the state of external short-circuit current flowing between two battery modules 2 each including at least one lithium-ion secondary battery cell that is internally short-circuited.
  • 1 is a circuit block diagram showing an outline of a battery power supply circuit 100;
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing an outline of a battery power supply circuit 101;
  • FIG. 3 is a flow chart diagram showing an outline of control of the main controller 12 of the battery power supply circuit 101.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing an outline of a battery module 20;
  • FIG. 3 is a flowchart diagram showing an outline of control of a module controller 31 of a battery module 20;
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing an outline of a battery power supply circuit 102;
  • FIG. 3 is a flow chart diagram showing an outline of control of a main controller 120 of the battery power supply circuit 102.
  • the battery module 2 includes a high-voltage rated battery cell group 1H composed of a plurality of lithium ion secondary battery cells connected in series. It is connected to the terminal 7 via FET4 and FET5 which are connected in series with opposite polarities as elements.
  • the module controller 30 detects the voltage of at least one lithium-ion secondary battery cell in the battery cell group 1H or the voltage appearing across the shunt resistor 6, that is, the current of the battery cell group 1H, and The FET4 or FET5 is turned on or off according to the detection result.
  • the module controller 30 also operates the FET 4 or FET 5 in accordance with a control instruction signal received from the main controller 12 of the battery power supply circuit 101, which will be described later, via the insulated communication line 3 (not shown in detail).
  • the external short-circuit current flows.
  • the external short-circuit current flows into the battery cell group 1H including the internal short-circuited battery cell through the parasitic diode. That is, regardless of whether the FET 4 is on or off, abnormal heat generation at the internal short-circuit point is superimposed on abnormal heat generation due to the external short-circuit current, resulting in thermal runaway.
  • the FETs 4 in the two battery modules 2 are turned off from the moment the external short circuit starts in the battery module 2R. Even if the time lag until it is done is short, it will ignite with a high probability.
  • the battery power supply circuit 100 connects a plurality of battery modules 2 in series via terminals 7 to form two groups of high voltage rated battery modules. It is applied to the motor drive circuit 10 to supply power.
  • the motor drive circuit 10 is represented by, for example, a 3-phase inverter, converts the DC voltage input from the battery module 2 group into a 3-phase AC voltage, and applies the 3-phase AC voltage to the 3-phase motor 11 to drive it. .
  • the main controller 12 acquires information on the battery module 2 using the insulated communication line 3 and issues a control instruction.
  • the battery power supply circuit 101 As shown in FIG. 4, the battery power supply circuit 101 according to the first embodiment has the same configuration (hardware) as the battery power supply circuit 100 shown in FIG. be.
  • Step 1 the main controller 12 of the battery power supply circuit 101 communicates with each battery module 2 to acquire information in the battery module, and detects whether or not each battery module 2 is in a dischargeable state. do.
  • the process proceeds to Step 2, a discharge permission signal is transmitted to all the battery modules 2, and all the battery modules 2 that have received the discharge permission signal
  • the FET 4 is turned on to output a DC voltage and supply power to the motor drive circuit 10 .
  • Step 3 the main controller 12 detects whether or not the voltage difference between at least two battery modules 2 in the two groups of battery modules exceeds a predetermined value, and the voltage difference exceeds the predetermined value.
  • Step 6 when it is determined that at least one lithium-ion secondary battery cell with an internal short circuit exists in at least one battery module 2, the process proceeds to Step 6, and charging and discharging to all battery modules 2 are prohibited to prohibit charging and discharging. All the battery module 2 groups that have transmitted the prohibition signal and received the charge prohibition/discharge prohibition signal turn off the FET 4 and FET 5 in each battery module 2.
  • the energization of the charging current and the discharging current is cut off. As a result, it is possible to prevent ignition due to external short-circuit current flowing into the internal short-circuit point in the unlikely event of a collision accident of the electric vehicle.
  • the battery cell group 1H is connected to the charging-only terminal 7 via the FET 5 as a current-disconnecting element that applies or interrupts the charging current. Then, it is connected to a discharge-only terminal 8 via a diode 9 that conducts current only in the discharging direction and receives current from the outside, that is, does not conduct current in the charging direction.
  • an FET 40 is connected in parallel at a position bypassing the diode 9, and the FET 40 is turned on when a discharge current flows through the diode 9 to bypass the discharge current and pass the discharge current through the diode 9.
  • the FET 40 When the discharge current does not flow through the diode 9, i.e., when the current flows in the direction of charging the battery cell group 1H, the FET 40 is turned off to suppress the heat generation of the diode 9.
  • the charging current flowing into the cell group 1H that is, the external short-circuit current flowing into the internal short-circuit point at the time of the collision accident of the electric vehicle is controlled by the battery power supply circuit 101 that controls a plurality of battery modules.
  • a battery power supply circuit 102 having the battery module 20 described later can prevent the battery module 20 itself without relying on control software. Reliability at the time of an automobile collision accident can be improved, and the total cost of the battery power supply can be reduced by reducing the number of parts that generate heat during discharging in the battery module 20.
  • step 101 the module controller 31 of the battery module 20 detects whether or not the discharge current of the battery cell group 1H, that is, the discharge current flowing through the diode 9 exceeds a predetermined value. If determined, the process proceeds to Step 102 to turn on the FET 40. On the other hand, if it is determined that the discharge current value does not exceed the predetermined value, the process proceeds to Step 103 to turn off the FET 40.
  • Step 102 the discharge current bypasses the diode 9 and energizes the FET 40, thereby suppressing heat generation due to the discharge current flowing through the diode 9.
  • FIG. In general, FETs are more likely to suppress heat generation than diodes in the same current-applying state, so they tend to contribute to cost reduction of battery modules.
  • Step 103 is a state in which a current is about to be input from the outside through the dedicated discharge terminal 8, and by turning off the FET 40, the input of the current from the outside is performed by the diode 9 and the FET 40. voluntarily prohibits
  • a plurality of battery modules 20 are connected in series via discharge-only terminals 8 to form a battery module 20 group.
  • a group of DC voltages is applied to the motor drive circuit 10 .
  • the charging of the battery module 20 is performed by connecting a charging circuit (not shown) to the dedicated charging terminal 7 .
  • the main controller 120 transmits and receives control-related information to and from the module controller 31 in the battery module 20 using the insulated communication line 3 (not shown in detail). Further, the main controller 120 communicates with the motor drive circuit 10 by using an insulated communication line 13 (not shown in detail) to transmit and receive information regarding control, and executes control according to a flowchart shown later.
  • Step 1 the main controller 120 communicates with the module controller 31 of each battery module 20 using the insulated communication line 3, and detects whether each battery module 20 is in a dischargeable state. , when it is determined that all of the battery modules 20 are in a dischargeable state, the process proceeds to Step 2, and communicates with the motor drive circuit 10 using the insulated communication line 13 to drive the load, that is, the motor drive circuit 10. do.
  • Step 3 the main controller 120 detects whether or not a load stop request signal has been received from at least one battery module 20 in the battery module 20 group. to stop the load, that is, the motor drive circuit 10 using the insulating communication line 13. If it is determined that the load stop request signal has not been received, the process returns to Step 1.
  • the state of receiving a load stop request signal from the battery module 20 corresponds to, for example, an over-discharged state in which at least one lithium ion battery cell of the battery module 20 has a small remaining capacity.
  • the battery module 20 performs the same overdischarge prevention function as described above by transmitting the load stop request signal to the load side and stopping the discharge current on the load side without using the two FETs that directly cut off the discharge current. Fulfill.
  • the FET 5 also serves to prevent overcharge during charging when charging current is input from the terminal 7 .
  • the cost of the battery module can be reduced. Reliability can be improved by the effect of autonomous prevention, and total cost reduction of a battery power supply circuit having a plurality of battery modules can be realized.

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Abstract

【課題】内部短絡に対処することができるようにする。 【解決手段】電池モジュールが、電池セルと、負荷へ電池セルの放電電流を出力する放電専用端子と、電池セルへ充電電流を入力する充電専用端子と、を備え、放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする。

Description

電池モジュール及び電池電源回路
　本発明は、電池モジュール及び電池電源回路に関する。
　近年、地球環境への配慮から、内燃機関すなわちエンジンで駆動するエンジン駆動式自動車がモータで駆動する電気自動車に置き換わりつつある。特に、前記電気自動車のモータを駆動するための電池電源にエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池が多く使用されている。
特表2007-503690号公報
　リチウムイオン二次電池セルは前記電池セルが機械的に変形すると前記電池セル内の正極及び負極の間に介在するセパレータが破損して前記正極および前記負極が接触して内部短絡が生じると異常発熱して発火する場合がある。
　本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、内部短絡に対処することのできる技術を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、電池モジュールであって、電池セルと、負荷へ前記電池セルの放電電流を出力する放電専用端子と、前記電池セルへ充電電流を入力する充電専用端子と、を備え、前記放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする。
　その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。
　本発明によれば、内部短絡に対処することができる。
電池モジュール２の構成の概略を示す回路ブロック図である。 内部短絡した少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルを含む２個の電池モジュール２間の外部短絡電流の流れ込みの状態を示す回路ブロック図である。 電池電源回路１００の概略を示す回路ブロック図である。 電池電源回路１０１の概略を示す回路ブロック図である。 電池電源回路１０１のメインコントローラ１２の制御の概略を示すフローチャート図である。 電池モジュール２０の概略を示す回路ブロック図である。 電池モジュール２０のモジュールコントローラ３１の制御の概略を示すフローチャート図である。 電池電源回路１０２の概略を示す回路ブロック図である。 電池電源回路１０２のメインコントローラ１２０の制御の概略を示すフローチャート図である。
　図１に示すように、電池モジュール２は、複数のリチウムイオン二次電池セルが直列接続されて成る高電圧定格の電池セル群１Ｈを、充電電流および放電電流を通電または遮断するための通電遮断素子として極性を対向して直列接続したＦＥＴ４およびＦＥＴ５を介して端子７に接続する。モジュールコントローラ３０は、前記電池セル群１Ｈの内の少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルの電圧、または、シャント抵抗６の両端に現れる電圧すなわち前記電池セル群１Ｈの電流を検知し、それらの検知結果に応じて前記ＦＥＴ４またはＦＥＴ５をオンまたはオフに操作する。また、前記モジュールコントローラ３０は、後述の電池電源回路１０１のメインコントローラコントローラ１２から詳細図示しない絶縁性通信ライン３を介して受信する制御指示信号に従って前記ＦＥＴ４またはＦＥＴ５の操作も実行する。
　図２に示すように、例えば、電気自動車の衝突事故の際、前記衝突に伴い、車体の金属部品の多数が無秩序に変形および接触し、例えば、矢印Ａの方向に機械的衝撃が印加されて変形した電池モジュール２Ｌ内の少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルが変形して内部短絡し、および、太実線Ｓに示すように、電気自動車内に搭載される複数の電池モジュールの内、少なくとも２個の前記電池モジュール２が並列接続されるケースを想定できる。このようなケースにおいて、前記変形を免れた電池モジュール２Ｒから前記内部短絡電池セルを含む電池モジュール２Ｌへ外部短絡電流が流れる。前記電池モジュール２Ｌ内の前記ＦＥＴ４がオン状態にある場合は前記外部短絡電流が流れこみ、また、前記電池モジュール２Ｌ内のＦＥＴ４をオフに操作しても、太線矢印８に示すように前記ＦＥＴ４が有する寄生ダイオードを通じて、前記内部短絡電池セルを含む電池セル群１Ｈへ前記外部短絡電流が流れ込む。すなわち、前記ＦＥＴ４がオンまたオフのいずれの状態であっても、前記内部短絡点の異常発熱に前記外部短絡電流による異常発熱が重なり熱暴走する。前記内部短絡電池セル内の内部短絡点への前記外部短絡電流の流れ込みが前記電池モジュール２Ｒ内の前記外部短絡開始の瞬間から前記２個の電池モジュール２内のＦＥＴ４のそれぞれがオンからオフに操作されるまでのタイムラグが短時間であっても高確率で発火に至る。前述の２個の電池モジュール２間の前記内部短絡点へ外部短絡電流が流れ込む現象の発生確率が低くても、少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルが一旦発火すると電気自動車に搭載される他の多数のリチウムイオン二次電池セルも延焼しその火災事故の損害は甚大である。
　図３に示すように、電池電源回路１００は、複数の電池モジュール２を、端子７を介して直列接続して高電圧定格の電池モジュール２群を構成し、その高電圧の直流電圧を負荷すなわちモータ駆動回路１０へ印加し電力供給する。モータ駆動回路１０は、例えば、３相インバータに代表され、前記電池モジュール２群から入力した直流電圧を３相交流電圧に変換して３相モータ１１へ前記３相交流電圧を印加して駆動する。メインコントローラ１２は、絶縁性通信ライン３を用いて電池モジュール２の情報を取得し制御指示を行う。
　第１実施形態に係る電池電源回路１０１は、図４に示すように、図３に示す電池電源回路１００と同じ構成（ハードウェア）であり、メインコントローラ１２の制御（ソフトウェア）を改良したものである。
　前記電池電源回路１０１のメインコントローラ１２の制御について、次に、図５のフローチャート図を用いて説明する。
　電池電源回路１０１のメインコントローラ１２は、Ｓｔｅｐ１にて、各電池モジュール２とそれぞれ通信を行い電池モジュール内の情報を取得し、前記各電池モジュール２の放電が可能な状態であるか否かを検知する。前記放電が可能な状態であると判定するとＳｔｅｐ２へ移行し、全ての電池モジュール２へ放電許可信号を送信し、前記放電許可信号を受信した全ての前記電池モジュール２群は各電池モジュール２内のＦＥＴ４をオンに操作して直流電圧を出力しモータ駆動回路１０へ電力供給を行う。前記メインコントローラ１２は、Ｓｔｅｐ３にて、電池モジュール２群の内、少なくとも２個の電池モジュール２間の電圧差が所定値を超えるか否かを検知し、前記電圧差が所定値を超えた、すなわち、少なくとも１個の電池モジュール２内に内部短絡したリチウムイオン二次電池セルが少なくとも１個存在すると判定するとＳｔｅｐ６へ移行し、全ての電池モジュール２へ充電禁止および放電禁止するための充電禁止放電禁止信号を送信し、前記充電禁止放電禁止信号を受信した全ての前記電池モジュール２群は各電池モジュール２内のＦＥＴ４およびＦＥＴ５をオフに操作して
　充電電流および放電電流の通電を遮断する。これによって、上記の万一の電気自動車の衝突事故の際の前記内部短絡点への外部短絡電流の流れ込みによる発火を予め防止できる。
　本発明の第２実施例の電池モジュール２０は、図６に示すように、電池セル群１Ｈを、充電電流を通電または遮断する通電遮断素子としてのＦＥＴ５を介して充電専用端子７へ接続し、および、放電方向のみ通電し、外部からの電流の入力、すなわち、充電方向に通電しないダイオード９を介して放電専用端子８へ接続する。また、前記ダイオード９をバイパスする位置にＦＥＴ４０を並列接続し、前記ＦＥＴ４０は、前記ダイオード９に放電電流が流れた場合にオンに操作されて前記放電電流をバイパスしてダイオード９に放電電流を通電せず前記ダイオード９の発熱を抑える一方、ダイオード９に放電電流が流れない、すなわち、前記電池セル群１Ｈを充電する方向に通電が行われようとする場合に前記ＦＥＴ４０をオフに操作して電池セル群１Ｈへの充電電流の流れ込み、すなわち、上述の電気自動車の衝突事故の際の前記内部短絡点への外部短絡電流の流れ込みを、複数の電池モジュールを制御する前記電池電源回路１０１のような制御ソフトウェアに頼らず電池モジュール２０自身で自律的に防止でき、後述の前記電池モジュール２０を有する電池電源回路１０２は、図５のフローチャート図に従うソフトウェアにより制御する電池電源回路１０１に対して、前記電気自動車の衝突事故の際の信頼性を向上でき、および、電池モジュール２に対して電池モジュール２０内の放電時に発熱する部品点数を減らして電池電源をトータルコストダウンできる。
　前記電池モジュール２０のモジュールコントローラ３１の制御について、次に、図７のフローチャート図を用いて説明する。
　電池モジュール２０のモジュールコントローラ３１は、Ｓｔｅｐ１０１にて電池セル群１Ｈの放電電流、すなわち、ダイオード９に流れる放電電流が所定値を超えるか否かを検知し、前記放電電流値が所定値を超えたと判定するとＳｔｅｐ１０２へ移行しＦＥＴ４０をオンに操作する一方、前記放電電流値が所定値を超えないと判定するとＳｔｅｐ１０３へ移行しＦＥＴ４０をオフに操作する。前記Ｓｔｅｐ１０２では前記放電電流がダイオード９を通電せずＦＥＴ４０にバイパスして通電することで前記ダイオード９の前記放電電流の通電に伴う須発熱を抑制できる。一般に、同じ電流通電状態においてダイオードよりもＦＥＴのほうが発熱を抑えやすいので電池モジュールのコストダウンに寄与しやすい。また、前記Ｓｔｅｐ１０３は、外部から放電専用端子８を介して電流が入力されようとする状態であり、前記ＦＥＴ４０をオフに操作することで、前記ダイオード９および前記ＦＥＴ４０によって前記外部からの電流の入力を自律的に禁止する。
　図８に示すように、本発明の第２実施例の電池電源回路１０２は、複数の電池モジュール２０を、放電専用端子８を介して直列接続し電池モジュール２０群を構成し、前記電池モジュール２０群の直流電圧をモータ駆動回路１０へ印加する。
　また、前記電池モジュール２０の充電は、充電専用端子７へ図示しない充電回路を接続して行う。
　メインコントローラ１２０は、詳細図示しない絶縁性通信ライン３を用いて電池モジュール２０内のモジュールコントローラ３１と制御に関する情報の送受信を行う。また、メインコントローラ１２０は、詳細図示しない絶縁性通信ライン１３を用いてモータ駆動回路１０と通信を行い制御に関する情報の送受信を行い、後述のフローチャート図に従って制御を実行する。
　前記電池電源回路１０２のメインコントローラ１２０の制御について、次に、図９のフローチャート図を用いて説明する。
　メインコントローラ１２０は、Ｓｔｅｐ１にて、各前記電池モジュール２０のモジュールコントローラ３１と前記絶縁性通信ライン３を用いて通信を行い、各前記電池モジュール２０が放電可能な状態であるか否かを検知し、全ての前記電池モジュール２０の全てが放電可能な状態であると判定するとＳｔｅｐ２へ移行し、前記絶縁性通信ライン１３を用いてモータ駆動回路１０と通信を行い負荷すなわち前記モータ駆動回路１０を駆動する。メインコントローラ１２０は、Ｓｔｅｐ３にて、電池モジュール２０群の内、少なくとも１個の電池モジュール２０から負荷停止要求信号を受信したか否かを検知し、前記負荷停止要求信号を受信したと判定するとＳｔｅｐ４へ移行し負荷すなわち前記モータ駆動回路１０を前記絶縁性通信ライン１３を用いて停止する一方、前記負荷停止要求信号を受信していないと判定するとＳｔｅｐ１へ帰還する。
　前記電池モジュール２０から負荷停止要求信号を受信する状態とは、例えば、前記電池モジュール２０が有する少なくとも１個のリチウムイオン電池セルの残容量が少ない過放電状態に相当する。
　電池モジュール２０は、放電電流を直接遮断する前記２個のＦＥＴを用いず前記負荷停止要求信号を負荷側へ送信し前記放電電流を負荷側で停止することにより上述と同じ過放電防止の機能を果たす。なお、前記ＦＥＴ５は端子７より充電電流を入力する充電時の過充電防止の機能も果たす。
　前記電池モジュール２０では、放電電流を前記電池モジュール２の前記２個のＦＥＴに通電することに伴う発熱が無くなり電池モジュールをコストダウンでき、かつ、前記内部短絡点への外部短絡電流の流れ込みを、自律的に防止できる効果によって信頼性を向上し、またさらに、複数の電池モジュールを有する電池電源回路のトータルコストダウンを実現できる。
　以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
　　２　　　電子モジュール
　　１００　電池電源回路
　　１０１　電池電源回路
　　１０２　電池電源回路
　　１２０　メインコントローラ

Claims (5)

  1. 　電池セルと、
    　負荷へ前記電池セルの放電電流を出力する放電専用端子と、
    　前記電池セルへ充電電流を入力する充電専用端子と、
    　を備え、
    　前記放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする電池モジュール。
  2. 　前記放電専用端子と前記電池セル群はダイオードを直列に介して接続され、
    　前記ダイオードをバイパスするＦＥＴが並列接続される請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 　複数の前記電池モジュールを備え、
    　少なくとも１個の前記電池モジュールから少なくとも１個の内部短絡したリチウムイオン二次電池セルを含む前記電池モジュールへ外部短絡電流が流れ込むことを禁止する電池電源回路。
  4. 　前記電池モジュールが放電可能な状態である場合に前記電池モジュールから負荷へ電力供給する請求項２に記載の電池電源回路。
  5. 　前記負荷は電気自動車を駆動するモータおよびモータ駆動回路である請求項４に記載の電池電源回路。
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