JP2013021821A

JP2013021821A - 電池均等化回路装置

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Publication number: JP2013021821A
Application number: JP2011153407A
Authority: JP
Inventors: Taido Onuki; 泰道大貫
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】電池均等化回路装置を搭載する基板の温度上昇を抑制し、ひいては前記基板に搭載されている前記電池均等化回路装置を構成する部品の劣化や損傷を抑制することを可能とする電池均等化回路装置を提供する。
【解決手段】セル２０が多数直列に接続された組電池２２を管理する電池均等化回路装置１０において、セル２０の容量（充電量）を均等化するための放電部３０に発光素子５２を使用し、発光素子５２により放電電力の一部を光に変換するように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数のセルが直列接続されて構成される組電池の前記各セルの電圧を均等化する電池均等化回路装置に関する。

従来から、リチウムイオン電池や電気２重層キャパシタ等の二次電池のセルを、例えば数百個、直列に接続して使用される組電池においては、各セルの容量や、内部抵抗、自己放電率等が不均一であること等を原因として各セルの電圧（セル電圧）にばらつきが発生する。

セル電圧がばらつくと、セルの劣化が加速的に進行したり、利用可能なエネルギ量が低下したりする。そこで、セル電圧のばらつきを解消するために、電池均等化回路装置（組電池の容量調整装置又は組電池の残容量調整装置ともいう。）が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に係る電池均等化回路装置では、図８に示すように、組電池１を構成する各セル１ａ〜１ｃに対して、基板５上に、容量調整部２を構成する放電抵抗器Ｒ１〜Ｒ３と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３との直列回路が並列に設けられ、さらに、前記スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の両端に電圧センサＶ１〜Ｖ３を接続する構成とされている。そして、基板５上には、各セル１ａ〜１ｃの両端電圧を検出するセル電圧検出部３とＣＰＵ４が設けられている。

各セル１ａ〜１ｃの電圧を均等化する際には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の開放時に電圧センサＶ１〜Ｖ３又はセル電圧検出部３により検出されるセル電圧の高いセル１（ここでは、理解の便宜のために、例としてセル１ａとする。）に対してＣＰＵ４によりスイッチＳＷ１をオン状態（導通状態）にする。これにより、当該セル電圧の高いセル１ａ、放電抵抗器Ｒ１、及びスイッチＳＷ１を通るループで放電回路が形成され、この放電回路でセル１ａの電力を放電させることにより当該セル電圧の高いセル１ａの電圧を低くし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３の開放状態にある他のセル１ｂ、１ｃの電圧と合わせる（均等化させる）ようにしている。

特開２００６−７３３６４号公報（［００５１］、［００６０］）

ところで、特許文献１には、容量均等化のための放電時に前記抵抗器Ｒ１〜Ｒ３で発生するジュール熱により電池均等化回路装置を搭載する基板５の温度（基板温度）が高くなってしまい、基板５が損傷するおそれがあると開示されている。実際上、基板５は、放電回路や制御回路の素子を保護するため蓋を有するケース内に配されることが多く、その分、温度上昇が大きくなる。

基板の損傷を未然に回避するために、特許文献１に係る電池均等化回路装置においては、充電容量のばらつきの少ないセルの放電を停止して、放電の動作頻度を低下させるようにしている。また、基板の損傷を未然に回避するために、放電電流を制限して、すなわち放電抵抗器の抵抗値を大きくして、放電時間を長くすることも考えられる。

しかしながら、放電動作頻度を低下させたり、放電時間を長くしたりすることは、結局、電池均等化処理に要する時間が長くなってしまい、組電池の本来の使用用途、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車としての使用時間を制限するおそれがある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、放電動作頻度を高くすること及び（又は）放電電流を大きくすることを可能としてより好ましい均等化をしながらも、電池均等化回路装置を搭載する基板の温度上昇を抑制し、ひいては前記基板に搭載されている前記電池均等化回路装置を構成する部品の劣化や損傷を抑制することを可能とする電池均等化回路装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電池均等化回路装置は、直列接続された複数の充放電可能なセルのそれぞれに並列に接続された放電部と、前記各セルの充電容量に不均衡が生じた場合に、前記各放電部を用いて不均衡を低減する均等化制御部と、前記各放電部が表面に配置される基板と、前記基板の前記表面に配置された前記各放電部に対面する対向面部を有する対面部材と、を備え、前記各放電部は、スイッチと、前記各放電部に流れる電流を光に変換する発光素子と、が直列に接続されて構成されており、前記対向面部は、前記放電部を構成する前記発光素子からの光が照射される光照射部であって、前記光照射部に光非反射部を形成したことを特徴とする。

この発明によれば、各放電部が各発光素子を有し、この各発光素子からの光が照射される対向面部の光照射部に光非反射部を形成したので、従来技術のようにセル（二次電池）の放電時に流れる電流により抵抗器において熱として消費されていたエネルギの一部が光として放射（放出）されることになり、その分、基板上での発熱が抑制される。加えて、放電時に流れる電流に応じて発光素子から前記光照射部に照射される光が、前記光照射部に設けられた光非反射部で反射が制限されることから、反射光が前記基板の表面に戻って前記放電部や前記基板の温度を上昇させてしまうことが抑制される。

これにより、放電部が配置される基板の温度上昇を効果的に低減することができる。よって、セルの放電動作頻度を高くすることができ、又、放電電流を多くして放電時間を短くすることができる。

その結果、基板及び放電部を構成する発光素子等の各種部品の劣化や損傷を抑制することができる。

この場合、前記発光素子からの光が照射される前記対向面部の前記光照射部に形成される前記光非反射部は、光吸収材料により形成されることが放熱効率上好ましい。ここで、前記光吸収材料を、黒色部材とするとさらに好ましい。また、前記光吸収材料を光電池としてもよい。

前記の光非反射部は、前記対向面部を貫通する光透過材料とすると、より放熱効果を上げることができる。

また、前記光非反射部を、乱反射表面処理部として形成すると基板の表面に反射される光の量が抑制されるので、好ましい。

乱反射表面処理部は、例えば、多数の溝を形成することで製作される。

前記発光素子は、赤外光を放出する発光ダイオードであることが好ましい。赤外光の発光ダイオードは、可視光を放出する発光ダイオードに比較して、順方向電圧が低いことから、放電動作ができなくなるセルの電圧範囲を小さくすることができる。逆に言えば、広い電圧範囲で放電動作、すなわち容量均等化動作が可能になる。

また、赤外光の発光ダイオードは、可視光を放出する発光ダイオードに比較して、電光変換効率が高いので、基板表面で発生する熱をより効果的に低減することができる。

さらに、前記放電部が正常に動作しているかどうかを確認するために、前記基板上に、光検出器を配置してもよい。

この発明によれば、各放電部が各発光素子を有し、この各発光素子からの光が照射される対向面部の光照射部に光非反射部を形成したので、セル（二次電池）の放電時に流れる電流に応じて発光素子から光が照射されることにより放電電力の一部が光に変換されて放射され熱の発生が抑制される。同時に、セル（二次電池）の放電時に流れる電流に応じて発光素子から照射される光の反射が光非反射部により抑制されることになるので、反射光が基板の表面に戻ることが抑制される。これにより、放電部が配置される基板の温度上昇を効果的に低減することができる。よって、電池均等化回路装置の放電動作頻度を高くすること及び（又は）放電電流を大きくすることを可能としてより好ましい容量均等化（電圧均等化）を図りながらも、電池均等化回路装置を搭載する基板の温度上昇の抑制、ひいては前記基板に搭載されている前記電池均等化回路装置を構成する部品の劣化や損傷を抑制することができる。

この発明の実施形態に係る電池均等化回路装置が搭載された基板を備える車両の一部構成を示すブロック図である。図１に示す電池均等化回路装置が搭載された基板の模式的構成図である。図１に示す電池均等化回路装置が搭載された基板の収納構造を示す模式的構成図である。図４Ａは、蓋部材に形成される光非反射部の一例（全体塗装）を示す一部省略模式図、図４Ｂは、蓋部材に形成される光非反射部の他の例（一部塗装）を示す一部省略模式図である。蓋部材に形成される光非反射部のさらに他の例（光透過材料）を示す一部省略模式図である。蓋部材に形成される光非反射部のさらに他の例（乱反射表面処理部）を示す一部省略模式図である。蓋部材に形成される光非反射部のさらに他の例（光電池）を示す一部省略模式図である。従来技術に係る電池均等化回路装置の回路説明図である。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施形態に係る電池均等化回路装置１０が搭載された基板１２を備えるＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＰＨＥＶ（プラグインハイブリッド電気自動車）、あるいはＦＣＶ（燃料電池自動車）等の車両１４の一部構成を示している。

車両１４は、充放電可能な二次電池である複数のセル２０が直列接続された組電池２２等を図示しないシャーシ上等に備える。組電池２２により図示しない走行用のモータ等が駆動される。

図２は、図１に示す電池均等化回路装置１０が搭載された基板１２の模式的な構成を示している。

図１において、組電池２２は、実際上、多数のセル２０が直列接続された構成とされているが、この実施形態では、理解の便宜のために４個のみ描いている。

組電池２２の各セル２０の各正極端子及び各負極端子は、配線及びコネクタ２４（図２も参照）を通じて基板１２に接続され、さらに、基板１２上の配線パターンを通じて基板１２の表面側に搭載されている放電部３０（放電回路）及び制御回路２６に接続される。

制御回路２６は、マイクロコンピュータや複数のＩＣ（集積回路）等を有し、マイクロコンピュータは、ＣＰＵが各種入力に基づきＲＯＭ等のメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能実現部（機能実現手段）として動作する。これらの機能は、ハードウエアにより実現することもできる。

なお、この実施形態において、制御回路２６は、図１に示すように、セル２０の各セル電圧を検出するとともに直列合成電圧（組電池２２の両端電圧）や各セルの平均電圧を算出するセル電圧検出部３４、及びセル電圧検出部３４において検出された各セル電圧を均等化するために各放電部３０を個々に放電制御可能な均等化制御部３２を備える。

制御回路２６は、制御回路２６内の各種状態を通信回路３６、コネクタ３８（図２も参照）を通じて、走行用モータ等車両１４の全体を制御する車両制御装置４０に接続されている。また、制御回路２６は、受光素子４２に接続されている。

放電部３０は、セル２０にそれぞれ並列に接続される。放電部３０は、抵抗器５１と発光素子５２とスイッチ５３との直列回路で形成される。半導体素子等で構成されるスイッチ５３のオンオフ制御は、制御回路２６を構成する均等化制御部３２により行われる。スイッチ５３は、均等化処理時に、均等化が必要なセル２０に並列に接続されている放電部３０のスイッチ５３がオン状態にされる。

スイッチ５３がオン状態にされると、閉ループとされたセル２０の正極端子から放電部３０を構成する抵抗器５１、発光素子５２及びスイッチ５３を通じて当該セル２０の負極端子側に電流が流れ込んで放電され、放電電流が流れているとき、抵抗器５１及び発光素子５２を通じて放熱（熱が放出乃至放射）される。抵抗器５１は、発光素子５２に流れる電流を発光素子５２の定格電流等に応じた値に制限できるよう、適宜の抵抗値に設定されている。

なお、車両１４の状態（力行状態等）は、車両制御装置４０から通信回路３６を通じて制御回路２６が時々刻々知ることができる。

発光素子５２は、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ：発光ダイオード）等の発光素子が使用される。この実施形態において発光素子５２は、赤外ＬＥＤ（赤外発光ダイオード）が使用されている。赤外ＬＥＤは、可視光帯のＬＥＤに比較して、発光効率（光量／電流）が高く、且つ順方向降下電圧が低いという特性を有している。

順方向降下電圧が低いので、セル電圧の高い二次電池のセルはもちろんのこと、セル電圧の低い蓄電素子、例えばリチウムイオンキャパシタ等のセルの放電部３０にも適する。

図２に示す回路素子を含む回路部品は、基板１２上に半田付け等により搭載されるが、部品が搭載された基板１２（回路基板又は制御基板という。）は、車両１４に配置される際、図３に模式的に示すように、ケース６０内に格納されて固定され、また、ケース６０の開口部は、各放電部３０に対面する対向面部６２ｓを有する対面部材としての蓋部材６２で塞がれるようにされる。

図４Ａ、図４Ｂは、基板１２がケース６０（図３参照）に収納され蓋部材６２がケース６０に固定された状態（ケース６０が蓋部材６２で塞がれた状態）の要部の模式的断面を示している。

図４Ａに示すように、発光素子５２は、表面実装パッケージの形状とされ、素子本体が収容される本体部５２ａと、基板１２の表面１２ｓに半田接続するためのリード５２ｂと、光Ｌを基板１２の表面１２ｓ側から放射するレンズ部５２ｃとから構成されている。

発光素子５２の近傍には、受光素子４２が配置されている。受光素子４２は、この実施形態では、いずれかの発光素子５２が点灯したとき、発光素子５２から放射され、後述する光非反射部６４で吸収しきれなかった反射光、あるいは散乱光を検出できるように配置構成されている。

蓋部材６２の基板１２の発光素子５２のレンズ部５２ｃに向かい合う対向面部６２ｓには、発光素子５２からの光Ｌが照射される部分を含んで光非反射部６４が形成される。光非反射部６４の形成面積は、図４Ａに示すように、対向面部６２ｓ全面でもよく、図４Ｂに示すように、光Ｌが照射される部分のみに形成してもよい。光非反射部６４は、発光素子５２から照射された光Ｌをなるべく基板１２の表面１２ｓ側に反射させないようにして、基板１２の温度上昇を防止する。

光非反射部６４は、赤外光を吸収する炭素からなる黒色体（黒色部材）、あるいは前記黒色体と樹脂等の混合体の光吸収材料を図４Ａ、図４Ｂに示すように塗布する構造としてもよい。

上記のように構成される電池均等化回路装置１０を搭載した基板１２を備える車両１４では、スイッチ５３がオフ状態（開状態）にあるときに、各セル２０の電圧（＝容量）をセル電圧検出部３４により検出し、均等化制御部３２により、例えば、許容されるセル電圧ばらつきの上限を超えた電圧を有するセル２０の放電部３０のスイッチ５３をオン状態（閉状態）として、電圧ばらつきの許容範囲内のセル電圧になるまで放電させることで、セル２０の容量の均等化を図る。

このようにすれば、放電部３０の発光素子５２からの光Ｌが照射される対向面部６２ｓの光照射部に光非反射部６４を形成したので、従来技術のようにセル（二次電池）２０の放電時に流れる電流により熱として消費されていたエネルギの一部が光Ｌとして放出されることになり、その分、基板１２上での発熱が抑制される。加えて、放電時に流れる電流に応じて発光素子５２から前記光照射部に照射される光が、前記光照射部に設けられた光非反射部６４で反射が制限され、反射光が基板１２の表面１２ｓに戻ることが抑制される。

これにより、放電部３０が配置される基板１２の温度上昇を効果的に低減することができる。よって、電池均等化回路装置１０の放電動作頻度を高くすることができ、又、放電電流を多くして放電時間を短くすることができる。

その結果、より好ましい均等化を図りながら、電池均等化回路装置１０を搭載する基板１２の温度上昇の抑制、ひいては基板１２に搭載されている電池均等化回路装置１０を構成する部品の劣化や損傷を抑制することができる。

蓋部材６２に形成される光非反射部６４の変形例を次に示す。

第１変形例として、図５に示すように、光非反射部６４は、光透過材料６６により形成してもよい。光透過材料６６は、透明樹脂によって形成された透明な部材であればよく、光Ｌが赤外光の場合には、白色ポリエチレンが好ましい。例えば、蓋部材６２の開口部に光透過材料６６を埋め込む構成とすればよい。

第２変形例として、図６に示すように、光非反射部６４は、光Ｌが照射される部分に形成される乱反射表面処理部としてのＶ溝部群６８としてもよい。この場合、光非反射部６４は、より正確には、光非正反射部６４と称される。

図６例の光非反射部６４の場合、溝角度は鋭角でなるべく小さい角度とすると、溝部における反射回数が多くなり、その結果、基板１２の表面１２ｓ側への反射光が低減される。なお、蓋部材６２の基材は、一般的には、熱伝導率のよいアルミニウム等の金属で構成されるので、金属を表面処理してざらつかせて乱反射表面処理部とすることもできる。

第３変形例として、図７に示すように、光非反射部６４は、太陽電池等の光電池７０で構成してもよい。この場合、発光素子５２から発せられた光Ｌを光電池７０により電力に変換することで発生した電力は、基板１２の回路の動作電力として使用できるほか、充電量の少ないセルを補充電するための電力として使用することもできる。

以上説明したように上述した実施形態によれば、セル２０が多数直列に接続された組電池２２を管理する電池均等化回路装置１０において、セル２０の容量（充電量）を均等化するための放電部３０（放電回路）に発光素子５２を使用し、発光素子５２により放電電力の一部を光Ｌに変換するように構成し、さらに光Ｌが、放電部３０が搭載された基板１２に反射されてこないようにしたので、基板１２上で発生する熱を低減することができる。よって、電池均等化回路装置１０の均等化制御部３２による放電動作頻度を高くすること及び（又は）放電電流を大きくすることを可能としてより好ましい容量均等化（電圧均等化）を図りながらも、電池均等化回路装置１０を搭載する基板１２の温度上昇の抑制、ひいては基板１２に搭載されている電池均等化回路装置１０を構成する制御回路２６等の部品の劣化や損傷を抑制することができる。

特に発光素子５２として、上記実施例のように、赤外ＬＥＤを使用した場合、赤外ＬＥＤは、順方向降下電圧が低く、光Ｌへの変換効率も高いので、セル２０の均等化電圧範囲の広範囲化が図れ、且つ熱発生が少なくなるので好適である。現在流通している赤外ＬＥＤでは、３０％程度の変換効率を有するので、放電回路で発生するジュール熱を概ね３０％低減することができる。より変換効率の高い発光素子を使用することも本発明に含まれる。

そしてさらに、基板１２に対向する蓋部材６２上の対向面部６２ｓに光Ｌを吸収し易い表面処理を施した光非反射部６４を設けることで、発光素子５２から発せられた光Ｌが反射されて基板１２に熱が戻ることを防止することができる。また、蓋部材６２には、熱伝導性の高い素材（アルミニウム等の金属等）を用いることで熱を効果的に拡散することができる。発光素子５２の光Ｌが照射される光照射部に形成する光非反射部６４は、光吸収材料の他、光透過材料６６、Ｖ溝部群６８（乱反射表面処理部）、光電池７０等で構成することができる。

さらに、基板１２上に光検出器としての受光素子４２を置き、放電部３０の動作と同期して光Ｌが検出されるか否かを制御回路２６（の図示しない放電部動作確認部）が確認し、確認できなければ放電部３０の故障か、基板１２と組電池２２との間の配線の故障と判断することができる。光電池７０を設けた場合、受光素子４２は不要にできる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…電池均等化回路装置１２…基板
１２ｓ…表面１４…車両
２０…セル（二次電池）２２…組電池
２６…制御回路３０…放電部
３２…均等化制御部３４…セル電圧検出部
５１…抵抗器５２…発光素子
５３…スイッチ６０…ケース
６２…蓋部材６２ｓ…対向面部
６４…光非反射部６６…光透過材料
６８…Ｖ溝部群７０…光電池

Claims

直列接続された複数の充放電可能なセルのそれぞれに並列に接続された放電部と、
前記各セルの充電容量に不均衡が生じた場合に、前記各放電部を用いて不均衡を低減する均等化制御部と、
前記各放電部が表面に配置される基板と、
前記基板の前記表面に配置された前記各放電部に対面する対向面部を有する対面部材と、を備え、
前記各放電部は、スイッチと、前記各放電部に流れる電流を光に変換する発光素子と、が直列に接続されて構成されており、
前記対向面部は、前記放電部を構成する前記発光素子からの光が照射される光照射部であって、前記光照射部に光非反射部を形成した
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項１記載の電池均等化回路装置において、
前記光非反射部は、光吸収材料により形成される
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項２記載の電池均等化回路装置において、
前記光吸収材料は、黒色部材である
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項２記載の電池均等化回路装置において、
前記光吸収材料は、光電池である
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項１記載の電池均等化回路装置において、
前記光非反射部は、前記対向面部を貫通する光透過材料からなる
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項１記載の電池均等化回路装置において、
前記対向面部の前記発光素子からの光が照射される前記光照射部に形成される前記光非反射部は、乱反射表面処理部として形成される
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池均等化回路装置において、
前記発光素子は、赤外光を放出する発光ダイオードである
ことを特徴とする電池均等化回路装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池均等化回路装置において、
前記基板上に光検出器が配置されている
ことを特徴とする電池均等化回路装置。