JP2012152021A

JP2012152021A - 電池システム

Info

Publication number: JP2012152021A
Application number: JP2011008887A
Authority: JP
Inventors: Soma Suzuki; 聡馬鈴木; Hideki Hashimoto; 英樹橋本; Takashi Fujinaga; 隆藤永; Koji Mitsuyama; 康志光山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】各直列セル群に流れる電流値の均一化を低コストで実現可能な電池システムを提供する。
【解決手段】電池システム（１００）は、組電池（１）から電源供給線（２）を介して電動モータ（３）に電力を供給する電源ユニット（４）を複数備えてなる。特に、一端が接続点（１１）に接続されると共に、他端が補機類（１５）に接続された共通電位線（１３）に接続された電源供給線（１２）を備える。電源供給線（１２）には、電流の方向を接続点（１１）から共通電位線（１３）に向かう方向に制限する整流器（１６）が直列に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルが直列接続されてなる組電池から電源供給線を介して負荷に電力を供給する電源ユニットを複数備えてなる電池システムの技術分野に関する。

充放電可能な二次電池として、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池などが知られている。この種の二次電池の応用分野として、例えば電気自動車やハイブリッド電気自動車のような大電力を必要とする系に搭載される電池システムがある。特にリチウムイオン二次電池はエネルギー密度及び入出力密度が高く、且つ、サイクル寿命が長いという特徴を有するため、この分野における研究開発が盛んに行われている。

電池システムでは、複数の二次電池セルを組み合わせて組電池を構成して運用がなされている。特に大電力を供給するための組電池の場合、複数の電池セルを直列接続してなる直列セル群を並列に組み合わせてなる構成が用いられる場合がある。この構成では、何らかの要因によって組電池内に短絡などの不具合が生じた場合に、電池セル間に過大電流が流れることを防ぐことができるというメリットがある。

上述した直列セル群を並列に組み合わせてなる構成では、実際の電池セルには個体差があるので、各直列セル群に流れる電流値には少なからずバラツキが生じる。このような電流値のバラツキは、各直列セル群の温度などの配置環境のバラツキによっても生じ得る。このように各直列セル群に流れる電流値にバラツキが生じると、各直列セル群間の消耗度合いに差が生じ、消耗度合が大きい特定の直列セル群の寿命が他の直列セル群に比べて短くなってしまうという問題がある。

このような各直列セル群に流れる電流値の均等化するための技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、直列セル群毎に状態情報を検出し、該検出した状態情報に基づいて各直列セル群に流れる電流量を制御することにより、電流値のバラツキを均等化し、電池システムの寿命を可及的長期にする技術が開示されている。このような電流量の調整は、各直列セル群に直列に挿入された電力分配部により行われ、当該電力分配部は例えば可変抵抗やスイッチトキャパシタ、DC／DCコンバータ、DCチョッパなどの素子からなっている。

特開２００８−１１８７９０号公報

しかしながら、上記特許文献１では各直列セル群の状態情報を検出するための検出手段や、当該検出値に基づいて電力分配部を制御するための制御回路などを設ける必要がある。そのため、特許文献１では構成が複雑化し、低コストで実現することが難しいという問題点がある。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、各直列セル群に流れる電流値の均等化を低コストで実現可能な電池システムを提供することを目的とする。

本発明の電池システムは上記課題を解決するために、複数の電池セルが直列接続されてなる第１の組電池から第１の電源供給線を介して第１の負荷に電力を供給する電源ユニットを複数備えてなる電池システムにおいて、一端が前記第１の電源供給線の各々に設けられた第１の接続点に接続されると共に、他端が第２の負荷に接続された共通電位線に接続された第２の電源供給線を備え、前記第２の電源供給線には、該第２の電源供給線に流れる電流の方向を前記第１の接続点から前記共通電位線に向かう方向に制限する第１の整流器が直列に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、第２の電源供給線によって、第１の電源供給線に設けられた第１の接続点と、第２の負荷に接続された共通電位線とが互いに接続された構成を有する。これにより、各電源ユニットにおける組電池からの出力電流値にバラツキが生じた場合であっても、組電池間の電位差に基づいて第２の電源供給線上に第２の負荷に向かって電流が流れ、第１の電源供給線上の電流値のバラツキが均等化される。特に、第２の電源供給線には電流の方向を第１の接続点から前記共通電位線に向かう方向に制限する第１の整流器が設けられているので、第１の組電池に過大電流が流れ込むような危険な状態に陥ることがないように構成されている。このように、特段の検出回路や制御回路を設けることなく、シンプルな回路構成で各直列セル群に流れる電流値の均等化を低コストで実現することができる。

本発明の一態様では、前記第２の電源供給線の各々には、前記第１の接続点における設計電圧値を、前記共通電位線における共通電圧値に変換する電圧変換器が設けられていてもよい。この態様によれば、第２の電源供給線に設けられた電圧変換器によって、第１の電源供給線の電位を第２の負荷に適した電圧値に変換して供給することができる。

また本発明の他の態様では、一端が前記共通電位線に設けられた第２の接続点に接続された第３の電源供給線を介して前記第２の負荷に電力を供給する第２の組電池を備え、前記第３の電源供給線には、該第３の電源供給線に流れる電流の方向が前記第２の組電池から前記第２の接続点に向かう方向に制限する第２の整流器が直列に設けられていてもよい。この態様では、第２の負荷を駆動させるために、第１の組電池側から供給される電力のみでは不足している場合には、第２の組電池から不足分を供給することができる。

また、前記第２の負荷は電力を蓄電可能な蓄電手段であってもよい。この態様によれば電流値のバラツキを抑制することによって、第２の電源供給線から流れ出た電力をバッテリなどの蓄電手段に蓄えることによって、然るべきタイミングで蓄えられた電力を取り出し、有効活用することができる。

例えば、前記第１の負荷は車両の駆動輪を駆動するための走行用モータであり、前記第２の負荷は前記車両が備える補機である。第１の負荷が走行用モータの場合、車両の走行状態によって第１の負荷の電力消費量が変動し、第１の組電池の各々に流れる電流値にバラツキが生じやすい。このような場合であっても、本発明の電池システムを採用することにより、電流値のバラツキを効果的に抑制し、均等化を図ることができる。

第１実施例に係る電池システムの全体構成を示すブロック図である。第１実施例に係る電池システムが備える保護回路の構成を示す回路図である。組電池１のSOCと出力電圧値（即ち、電源供給線２上の電位）の相関関係を示すグラフ図である。第１実施例に係る電池システムの構成を、各部位の電位及び電流と共に簡略的に示すブロック図である。第２実施例に係る電池システムの全体構成を示すブロック図である。第３実施例に係る電池システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（第１実施例）
図１は第１実施例に係る電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。電池システム１００は、第１の組電池１（以下、「組電池１」と称する）から第１の電源供給線２（以下、「電源供給線２」と称する）を介して、第１の負荷たる電動モータ３に電力を供給する電源ユニット４を複数備えてなる。本実施例では、電源ユニット４の電力供給先である第１の負荷として、車両の走行用動力源として機能する電動モータ３を用いた場合を例に説明する。特に、電動モータ３は車両の左右の駆動輪（図不示）に対応するように一対用意されており、当該一対の電動モータ３に対応するように、同様の構成を有する２つの電源ユニット４を有してなる。

電源ユニット４に含まれる組電池１は、例えばリチウムイオン二次電池セルなどの電池セルが複数直列接続されてなる。尚、組電池１を構成する電池セルとして、ニッケル水素電池、鉛電池など各種二次電池セルを用いてもよい。

電源供給線２には、遮断機５、保護回路６、インバータ７を介して電動モータ３が接続されている。遮断機５は、組電池１を構成する各セルの状態（SOC、温度、湿度、変形度など）をモニタする図不示のCMU（Cell Monitor Unit）からの制御信号に基づいて、組電池１が異常な状態に陥った場合に、組電池１を負荷側から隔離するための安全装置である。

図２を参照して保護回路６の具体的構成について説明する。図２は、第１実施例に係る電池システム１００が備える保護回路６の構成を示す回路図である。保護回路６は、スイッチSW１と負荷抵抗８とが直列に接続されてなる第１の回路９と、スイッチSW２のみからなる第２の回路１０とが並列に接続されてなる。スイッチSW１及びSW２は図不示のコントローラからの制御信号に基づいて、そのON／OFFが切替可能に構成されている。例えば、電池システム１００の始動時には、スイッチSW１をON、SW２をOFFに設定することによって、一時的に生じる過大な突入電流が第１の回路９に流れ、負荷抵抗８にて消費される。これにより、電池システム１００の始動時に生じる過大な突入電流から負荷側を保護することができる。そして、電池システム１００の始動後は、スイッチSW１をOFF、SW２をONに設定することによって、組電池１から供給される電力はロスなく、負荷側に供給される。

再び図１に戻って、組電池１から供給された電力は、電源供給線２上でインバータ７に入力される。インバータ７では、組電池１から出力された直流電力を、電動モータ３の駆動に適した周波数、電圧値を有する交流電力に変換する。電源モータ３は、このようにインバータ７を介して供給される交流電力によって駆動され、その出力軸に連結された動力伝達機構を介して駆動輪に連結され、車両の走行が行われる。

電源供給線２の各々に設けられた第１の接続点１１（以下、「接続点１１」と称する）には、第２の電源供給線１２（以下、「電源供給線１２」と称する）の一端が接続されている。各電源供給線１２の他端は、共通電位線１３上に設けられた共通接続点１４にて互いに接続されており、共通電位線１３は保護回路６を介して補機類１５に接続されている。ここで補機類１５は、例えば車両に搭載されたランプやホーンや空調用のヒータなどの電力負荷であり、本発明の第２の負荷の一例である。

共通電位線１３における電位は、補機類１５の動作に適した値（以下、「共通電位V_COM」と称する）に設定されている。共通電位V_COMは、各組電池１の設計電圧V_SETに比べて低電圧側に設定されており、組電池１から出力された電力が、電源供給線２，１２及び共通電位線１３を介して補機類１５に供給可能に構成されている。

ここで、電源供給線１２には整流器１６が直列に設けられている。整流器１６は、電源供給線１２に流れる電流の方向が接続点１１から共通接続点１４に向かう方向に制限する、本発明の「第１の整流器」の一例である。具体的には、例えばダイオードなどの整流素子、或いはこれらを組み合わせてなる整流デバイスである。

また、電源供給線１２には電圧変換器１７が設けられている。電圧変換器１７は組電池１の設計電圧V_SETを共通電位V_COMに変換するための変換器であり、例えばDC／DCコンバータなどの回路素子からなる。

ここで、上述したように各電源ユニット４は同じ仕様で設計されているが、従来技術では、各電源ユニット４の動作環境や個体差に起因して、電源供給線２上を流れる電流値には少なからずバラツキが生じ得る。特に電動モータ３が走行用モータのように、車両の走行状態（例えば、走行路面の勾配や曲率など）によって消費電力量が変動する場合、各組電池１から出力される電流値にバラツキが生じやすい。

ここで図３に組電池１のSOCと出力電圧値（即ち、電源供給線２上の電位）の相関関係を示す。組電池１のSOCが７０％から３０％に低下すると、組電池１の出力電圧値もまた減少する。そのため、上述したように各組電池１から出力される電流値にバラツキが生じることによって、各組電池１のSOCに差が生じると、各電源ユニット４における電源供給線１２間に電位差が生じてしまう。

本発明では、このような電流値のバラツキに起因する電源供給線１２間の電位差は、以下に説明するように解決可能である。図４は第１実施例に係る電池システム１００の構成を、各部位の電位及び電流と共に簡略的に示すブロック図である。ここでは、本発明の効果を分かりやすく説明するために、上記理由によって電流値にバラツキが生じた結果、電源供給線２aの電位Vaが、電源供給線２ｂの電位Vｂに比べて大きくなった場合を想定して説明することとする。

各電源供給線２の電位Va、Vｂは共に共通電位V_COMより高いため、各組電池１から電源供給線１２，１３を介して、補機類１５に向かって電流が流れる。即ち、出力端子の電位が高い組電池１aからは電流Iaが流れ込み、出力端子の電位が低い組電池１ｂからは電流Iｂが流れ込む。ここで、流れ込む電流の大きさは、電源供給線２の電位（Va又はVｂ）と共通電位V_COMとの電位差に依存するため、電流Iaは電流Iｂに比べて大きくなる。

すると、電位が高い組電池１aにおける電力消費が電位の低い組電池１ｂに比べて促進され、組電池１a及び１ｂ間のSOCの差が減少する。図４にて説明したように、組電池１のSOCと出力電圧値との間には相関関係があるので、このように組電池１a及び１ｂ間のSOCの差が減少すると、電源供給線２間の電位差も減少するので、結果的に電流値の均等化が図られる。

尚、各電源供給線１２上には整流器１６が配置されているため、電位の高い電源供給線２aから、電位の低い電源供給線２ｂに向かって電流が流れ込むことはなく、安全である。

以上説明したように、電源供給線１２によって接続点１１と共通電位線１３とが互いに接続されるように構成することにより、各電源ユニット４における組電池１からの出力電流値にバラツキが生じた場合であっても、組電池１間の電位差に基づいて電源供給線１２上に補機類１５に向かって電流が流れ、電源供給線２上の電流値のバラツキが均等化される。このように、特段の検出回路や制御回路を設けることなく、シンプルな回路構成で各直列セル群に流れる電流値の均等化を低コストで実現することができる。

（第２実施例）
次に図５を参照して第２実施例に係る電池システム１００について説明する。図５は第２実施例に係る電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。尚、第１実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、適宜詳細な説明は省略することとする。

第２実施例では、上述の共通電位線１３上に設けられた共通接続点１４に、第３の電源供給線１８（以下、「電源供給線１８」と称する）を介して第２の組電池１９（以下、「組電池１９」と称する）が接続されている点に特徴がある。これにより、電源供給線２，１２及び共通電位線１３を介して供給される電力が補機類１５の動作に必要な量に満たない場合であっても、電源供給線１８を介して組電池１９から補うことができる。

また電源供給線１８上には、第２の整流器２０（以下、「整流器２０」と称する）が設けられており、共通接続点１４側から組電池１９側に電流が流れ込むことを防止しているため、安全である。

尚、整流器２０は上述の整流器１６と同様のものである。また、電源供給線１８上にも必要に応じて電圧変換器を設けるとよい。

（第３実施例）
次に図６を参照して第３実施例に係る電池システム１００について説明する。図６は第３実施例に係る電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。尚、第１又は第２実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、適宜詳細な説明は省略することとする。

第３実施例では、上記各実施例における補機類１５に代えてバッテリ２１を用いている点に特徴がある。この場合、補機類１５を動作させる必要が無い場合や、補機類１５における電力消費量が少ない場合、電源供給線２，１２及び共通電位線１３を介して供給された電力を、無駄に消費することなく、バッテリ２１に蓄電することができる。バッテリ２１に蓄電された電力は、然るべきタイミングでバッテリから取り出すことによって、有効活用することができる。

本発明は、複数の電池セルが直列接続されてなる組電池から電源供給線を介して負荷に電力を供給する電源ユニットを複数備えてなる電池システムに利用可能である。

１組電池
２，１２，１８電源供給線
３電動モータ
４電源ユニット
５遮断機
６保護回路
７インバータ
８負荷抵抗
９第１の回路
１０第２の回路
１１第１の接続点
１３共通電位線
１４共通接続点
１５補機類
１６第１の整流器
１７電圧変換器
１９第２の組電池
２０第２の整流器
２１バッテリ
１００電池システム

Claims

複数の電池セルが直列接続されてなる第１の組電池から第１の電源供給線を介して第１の負荷に電力を供給する電源ユニットを複数備えてなる電池システムにおいて、
一端が前記第１の電源供給線の各々に設けられた第１の接続点に接続されると共に、他端が第２の負荷に接続された共通電位線に接続された第２の電源供給線を備え、
前記第２の電源供給線には、該第２の電源供給線に流れる電流の方向を前記第１の接続点から前記共通電位線に向かう方向に制限する第１の整流器が直列に設けられていることを特徴とする電池システム。
前記第２の電源供給線の各々には、前記第１の接続点における設計電圧値を、前記共通電位線における共通電圧値に変換する電圧変換器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
一端が前記共通電位線に設けられた第２の接続点に接続された第３の電源供給線を介して前記第２の負荷に電力を供給する第２の組電池を備え、
前記第３の電源供給線には、該第３の電源供給線に流れる電流の方向が前記第２の組電池から前記第２の接続点に向かう方向に制限する第２の整流器が直列に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
前記第２の負荷は電力を蓄電可能な蓄電手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電池システム。
前記第１の負荷は車両の駆動輪を駆動するための走行用モータであり、前記第２の負荷は前記車両が備える補機であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電池システム。