JP2013121246A - 電池モジュール及び電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル間の接続が切断された場合に、電圧計測部に印加される過電圧を防ぐことが可能な電池モジュール及び電池システムを提供する。
【解決手段】各電圧計測ラインに備えた過電流保護回路を介して、各電池セルと平行に挿入した逆電圧防止ダイオードを備えることで、電池モジュール内の電池セル間の接続が切断された場合に発生する過電圧を、逆電圧防止ダイオードが電流を流すことで電圧測定端子に過電圧が印加されることを防ぐ。この時発生する電流で電圧計測部と切断故障箇所を完全に隔離することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された複数の電池セルの電圧を測定する電圧計測部を保護する電池モジュール及び電池システムに関するものである。

電気自動車などで使用される電池システムは、モーターなど負荷の関係から高電圧が必要になる場合がある。高電圧にするため二次電池などの電池セルを複数個直列に接続してシステム電圧を数百ボルトまで高電圧にして使用することがある。そして、そのようなシステムにおいて電気自動車を安全に使用するためには、電池モジュールの状態を正確に把握する必要があり、そのために、各電池セルの電圧を測定・管理している。

各電池セルの電池電圧を測定・管理するために、各電池セルは電圧計測ラインによって電圧計測部に接続されている。この各電池セルの電圧を電圧計測部によって測定・管理している状態で、直列接続されている電池セル間の接続が切断された時、電圧計測部にシステム電圧である数百ボルトが印加される恐れがある。

電圧計測部の保護のために、電圧計測部の電源ラインに逆電圧保護用ダイオードとヒューズを入れる方法がとられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２１９２１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電圧計測部の電源ラインに挿入したヒューズが溶断された時、短絡故障の両端の電圧計測ラインが接続されている電圧計測部の測定端子にシステム電圧が印加される。そして、電圧計測部の端子間の耐電圧がシステム電圧より低い場合、電圧計測部の回路が破壊し、メンテナンスや修理に影響をおよぼす。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電圧計測部を隔離・保護することで、より安全な電池モジュールを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の電池モジュールは、直列に接続された複数の電池セルと、複数の電池セルの各々の電圧を測定する電圧計測部と、電圧計測部と電池セルとの間を接続する電圧計測ラインと、過電流遮断素子と過電流防止素子を直列に接続して構成し、電圧計測ラインに挿入された、過電流保護回路と、電池セルと並列に、電池セルの正極側の過電流遮断素子を介してカソードを、電池セルの負極側の過電流遮断素子を介してアノードを接続する逆電圧保護用ダイオードと、を備える。

以上の構成を有する電池モジュール及び電池システムでは、放電中に直列に繋いだ電池セル間が切断されると、断線故障箇所と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオードに順方向に電圧が印加され、電流が流れる。この時逆電圧保護用ダイオードの順方向降下電圧のみが電圧計測部端子に印加されるため、電圧計測部には過電圧が印加されない。更に、逆電圧保護用ダイオードに流れた電流が電圧計測ラインに挿入した過電流保護回路に流れるため、過電流保護回路が溶断される。

断線故障箇所の過電流保護回路が溶断された後も、断線故障箇所と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオードと直列に接続された逆電圧保護用ダイオードを通って電流が流れる。そのため、その逆電圧保護用ダイオードが接続された電圧計測ラインに挿入した過電流保護回路も上記の過電流保護回路と同等の電流が流れるため溶断する。このため電圧計測ラインに接続された過電流保護回路は断線故障箇所から近い順に次々と溶断されていく。過電流保護回路が次々溶断され電流が流れる経路がなくなり、逆電圧保護用ダイオードに順方向電圧が印加されなくなると、電圧計測部は過電圧から隔離され保護される。

本発明の電池モジュール及び電池システムによれば、電池セル間の接続が切断され、電圧計測部の端子にシステム電圧の逆バイアスが印加された時に、並列に接続した逆電圧保護用ダイオードに電流が流れることで電圧計測部に過度の電圧が印加されるのを防ぐ。さらに、この電流によって過電流遮断素子が溶断されるため電圧計測部を電池システムの高電圧から完璧に隔離する。

電池セル間の断線が発生した箇所と電圧計測部を完全に切り離すことができ、端子間の過電圧に対して保護することができるため、システムが停止し短絡故障と過電流遮断素子の溶断を修理した後に、電圧計測部を再び使用することができる。

本発明の実施例１における電池システム１のブロック図 本発明の実施例１における電池モジュール１００のブロック図 本発明の実施例１における電池モジュール１００の断線故障時ブロック図 本発明の実施例１における電池モジュール１００のブロック図 本発明の実施例２における電池モジュール１０１のブロック図 本発明の実施例２における電池モジュール１０１の断線故障時ブロック図 本発明の実施例３における電池モジュール１０２のブロック図

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
本発明の各電池セル測定用の電圧計測部の保護方法の実施例を、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１における電池システム１のブロック図である。

図１のように、電池システム１は複数の電池モジュール１００（図では５個、１００ａ〜１００ｅ）を直列接続し、負荷装置２００に接続している。

次に、電池モジュール１００について説明する。

図２に示すとおり、電池モジュール１００は、電池セル１１１〜１１４を直列に接続されている。そして、電圧計測部１５０は、電圧計測ラインを用いて電池セル１１１〜１１４の各々に接続されている。電池セル１１１〜１１４は直列接続しているため上位電池セルの負極と下位電池セルの正極は接続されている。そのためＮ個の電池セルを直列接続したＮ直列の電池セルの電圧計測には、電圧計測部１５０の電圧測定端子はＮ＋１個必要になる。電圧計測ラインには、過電流保護回路として電池セルから過電流遮断素子であるヒューズ１２１〜１２５と過電流防止素子である抵抗１４１〜１４５を直列に挿入する。

逆電圧保護用ダイオード１３１は、電池セル１１１と並列になるように、アノードを電池セル１１１の負極側の電圧計測ラインのヒューズ１２２と抵抗１４２間に、カソードを電池セル１１１の正極側の電圧計測ラインのヒューズ１２１と抵抗１４１間に接続されている。同様に、逆電圧保護用ダイオード１３２〜１３４も電池セル１１２〜１１４に並列に接続されている。

また、電圧計測部１５０は、直列接続した電池セル１１１〜１１４から電力を供給されるため、電圧計測ラインのヒューズ１２１と抵抗１４１の間に電力供給線１５１を、電圧計測ラインのヒューズ１２５と抵抗１４５の間にＧＮＤ線１５２を接続している。

次に、電池モジュール１００に通常状態で電流が流れるときの状態について図２を用いて説明する。

図２に示すように、通常時、電圧計測部１５０は電池セル一つ分の電圧を各々測定している。この時、電圧計測部１５０では殆ど電力を消費せず、また逆電圧保護用ダイオード１３１〜１３５には並列に接続されている電池セル１１１〜１１４の電圧が逆バイアスされるため電流を流さないので、ヒューズ１２１〜１２５には殆ど電流が流れない。

次に、電池モジュール１００に断線異常個所が発生した状態について、図３を用いて説明する。

図３に示すように、電池モジュール１００では、放電中に直列に繋いだ電池セル１１３と電池セル１１２との間が切断された断線異常になると、断線故障箇所と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオード１３３に順方向に電圧が印加され、電流が流れる。

この時、逆電圧保護用ダイオード１３３の順方向降下電圧（約０．７Ｖ）のみが電圧計測部端子に印加されるため、電圧計測部１５０には過電圧が印加されない。さらに、逆電圧保護用ダイオード１３３に流れた電流のため、電圧計測ラインに挿入したヒューズ１２４、或いは、ヒューズ１２３が溶断される。図３では、ヒューズ１２４が溶断された場合を示している。

そして、ヒューズ１２４が溶断された後も、断線故障部位と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオード１３３と直列に接続された逆電圧保護用ダイオード１３４とヒューズ１２５を通って電流が流れる。またヒューズ１２３も溶断したヒューズ１２４と同等の電流が流れるため溶断する。このため電圧計測ラインに接続されたヒューズは断線故障から近い順に溶断されていく。ヒューズ１２１〜１２４が次々溶断され電流が流れる経路がなくなると、逆電圧保護用ダイオードに順方向電圧が印加されなくなり、電圧計測部１５０は過電圧から隔離され保護される。

なお、図１で示す電池セル数、モジュール数は、図１のような形態に限定するものではなく２つ以上の任意であるものとする。

図２、図３で示す直列に接続する電池セル数は、図２、図３のような形態に限定するものではなく、２つ以上の任意であるものとし、そのとき、逆電圧防止ダイオードは電池セルの直列数と同じ数で、ヒューズと抵抗は電池セルの数に１個加えた数としている。

また、電池セルと表記したが、単体の電池セルに限らず、複数の電池セルを接続した組電池としてもいいとする。

また、セル間の接続の断線故障箇所も今回は電池セル１１２と１１３の間としたが、セル間であれば断線故障箇所は任意であるとする。

電圧計測ライン上のヒューズ１２１〜１２５は電流経路の関係から、セルとセルの間の接続が断線した時に、最上位のヒューズ１２１または最下位のヒューズ１２５のどちらか一方を残して溶断すると考えられる。そのため、図４に示すように電池モジュールの最上位電圧の電圧計測ラインのヒューズ１２１と最下位の電圧計測ラインのヒューズ１２５のいずれかは、電圧計測ラインに挿入しなくてもいい。つまり、ヒューズを電池セルと同じ数にすることが可能である。図４ではヒューズ１２１を取り除いた場合を示している。
（実施例２）
次に本発明の実施例２に係る電池システムを、図５を参照して以下に説明する。図５は本発明の実施例２における電池モジュール１０１のブロック図を示す。

図５に示すブロック図では、直列に接続した電池セル間が断線故障をした時でも、電圧計測部１５０に電力を供給するために実施例１の電池システムの構成に下記の構成を追加したものを実施例２の電池モジュール１０１とする。

ダイオード１５５はアノードを電圧計測部１５０のＧＮＤに接続し、カソードを直列に接続した電池モジュールの最上位の電池セル１１１の正極に接続する。

ダイオード１５３はアノードを、直列に接続した電池セルの最下位の電池セルの負極に抵抗１５７を介して接続する。抵抗１５７は電流を制限するための抵抗で数百ボルトのシステム電圧が印加された時に電圧計測部で消費する電流が流れる抵抗値（約１ｋΩ〜１００ｋΩ）に設定する。

ツェナーダイオード１５４はアノードを電圧計測部１５０のＧＮＤに、カソードを電圧計測部１５０のＶｉｎに接続する。ツェナーダイオード１５４はツェナー電圧が電圧計測部１５０の最大入力電圧以下であり、電池モジュールのモジュール電圧の最大電圧以上のものを選定する。

通常運用時はダイオード１５３とダイオード１５５にはカソードからアノードに電圧が印加されるため、ダイオード１５３とダイオード１５５に電流は流れない。

次に、電池モジュール１０１の電池セル間の断線故障が発生した状態について説明する。

図６に示すように、電池モジュール１０１では、放電中に直列に繋いだ電池セル１１３と電池セル１１２との間が切断された断線故障になると、断線故障箇所と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオード１３３に順方向に電圧が印加され、電流が流れる。

この時、逆電圧保護用ダイオード１３３の順方向降下電圧（約０．７Ｖ）のみが電圧計測部端子に印加されるため、電圧計測部１５０には過電圧が印加されない。さらに、逆電圧保護用ダイオード１３３に流れた電流のため、電圧計測ラインに挿入したヒューズ１２４、或いは、ヒューズ１２３が溶断される。図６では、ヒューズ１２４が溶断された場合を示している。

そして、図６のように、ヒューズ１２４が溶断された後も、断線故障部位と並列に挿入された逆電圧保護用ダイオード１３３と直列に接続された逆電圧保護用ダイオード１３４とヒューズ１２５を通って電流が流れる。またヒューズ１２３も溶断したヒューズ１２４と同等の電流が流れるため溶断する。このため電圧計測ラインに接続されたヒューズ１２１〜１２５は断線故障から近い順に溶断されていく。ヒューズ１２１〜１２５が次々溶断され電流が流れる経路がなくなると、逆電圧保護用ダイオード１３１〜１３４に順方向電圧が印加されなくなり、電圧計測部１５０は過電圧から隔離され保護される。

この時、ダイオード１５３とダイオード１５５にはアノードからカソード方向に電圧が印加され電流が流れる。ここで流れる電流は抵抗１５７で制限されており、この電流によって電圧計測部を駆動させることができる。

ダイオード１５３とダイオード１５５を介して電力を得るときに予期せぬ過電流が流れ、電圧計測部１５０のＧＮＤとＶｉｎ間に最大入力電圧異常の電圧が印加されるのをツェナーダイオード１５４で防ぐことができる。

ダイオード１５６はアノードを最上位のヒューズ１２１と抵抗１４１の間に接続し、カソードを電圧計測部１５０のＶｉｎに接続しており、電池セルと電池セル間が断線故障し、ヒューズ１２１が溶断しなかった時に電流が流れるのを防ぐことができる。

なお図５、図６で示す電池セル数、モジュール数、逆電圧保護用ダイオード数、ヒューズ数は任意であるものとし、図５、図６のような形態に限定するものではない。また電池セルと表記したが、単体の電池セルに限らず、複数の電池セルを接続した組電池としてもいいとする。また電池モジュール１０１の最上位のヒューズ１２１は、ヒューズ挿入しなくてもいいものとする。またツェナーダイオード１５４は、無くてもいいものとする。

セル間の接続の断線故障箇所も今回は電池セル１１２と１１３の間としたが、セル間であれば断線故障箇所は任意であるとする。
（実施例３）
次に本発明の実施例３に係る電池システムを、図７を参照して以下に説明する。図７は本発明の実施例３における電池モジュール１０２のブロック図を示す。

図７の構成ブロック図では、図５の電池モジュール１０１の抵抗１５７の降下電圧を測定する降下電圧計測部１６０を搭載した電池モジュール１０２を示している。そして、全ての電池モジュール１０２の降下電圧計測部１６０の測定結果が電池システムの制御部に送信されている。それ以外は図５の構成ブロック図と同じ構成である。

抵抗１５７の降下電圧を測定することで、セル間の断線が発生した時に、電池システムの制御部はどの電池モジュールで断線したか検知することができる。抵抗１５７の両端にはシステム電圧に等しい電圧が印加されるので、降下電圧を測定する降下電圧計測部１６０に過電圧が印加される。これを防ぐために抵抗１５７の代わりに抵抗１５７ａと抵抗１５７ｂの２つの抵抗を直列で、抵抗１５７ａを電池セル側に挿入し、抵抗１５７ａと抵抗１５７ｂの抵抗値は抵抗１５７ａを抵抗１５７ｂの数百倍とし抵抗１５７ｂの両端の降下電圧を降下電圧計測部１６０で測定することで、降下電圧計測部１６０にかかる過電圧を防ぐ。抵抗値の比率は数百倍と限定するものではなく降下電圧計測部の最大入力電圧とシステム電圧、電圧計測部１５０の消費電流から決定する。

なお図７で示す電池セル数、モジュール数、逆電圧保護用ダイオード数、ヒューズ数は任意であるものとし、図７のような形態に限定するものではない。また電池セルと表記したが、単体の電池セルに限らず、複数の電池セルを接続した組電池としてもいいとする。また電池モジュール１０２の最上位のヒューズ１２１は、ヒューズ挿入しなくてもいいものとする。またツェナーダイオード１５４は、無くてもいいものとする。

セル間の接続の断線故障箇所も今回は電池セル１１２と電池セル１１３の間としたが、セル間であれば断線故障箇所は任意であるとする。

また図７で示す抵抗１５７の個数は１５７ａと１５７ｂの２個で示したが、２個に限定するものではなく、抵抗１５７の個数は任意である。

本発明にかかる各電池セル測定用の電圧計測部の保護方法は、電池セルを直列に繋いだ電池モジュールの電池セル間の接続が切断された時に、電圧計測部を破壊することなく安全に保護することが可能になるので、電圧計測部の再利用等として有用である。

１００〜１０２ 電池モジュール
１１１〜１１４ 電池セル
１２１〜１２５ ヒューズ
１３１〜１３４ 逆電圧保護用ダイオード
１４１〜１４５ 抵抗
１５０ 電圧計測部
１５１ 電力供給線
１５２ ＧＮＤ線
１５３、１５５、１５６ ダイオード
１５４ ツェナーダイオード
１５７、１５７ａ、１５７ｂ 抵抗
１６０ 降下電圧計測部
２００ 負荷装置

Claims (9)

1. 直列に接続された複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルの各々の電圧を測定する電圧計測部と、
   前記電圧計測部と前記電池セルとの間を接続する電圧計測ラインと、
   過電流遮断素子と過電流防止素子を直列に接続して構成し、前記電圧計測ラインに挿入された、過電流保護回路と、
   前記電池セルと並列に、前記電池セルの正極側の前記過電流遮断素子を介してカソードを、前記電池セルの負極側の前記過電流遮断素子を介してアノードを接続する逆電圧保護用ダイオードと、
   を備える電池モジュール。
2. 前記電池セルを複数並列に接続し組み電池としたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記過電流遮断素子はヒューズからなり、
   前記過電流防止素子は抵抗からなることを特徴とする請求項１〜２に記載の電池モジュール。
4. 前記電圧計測部の最上位電圧の電圧計測ライン、或いは、最下位電圧の電圧計測ラインのどちらか一方に前記過電流遮断素子が挿入されていないことを特徴とする請求項１〜３に記載の電池モジュール。
5. 前記電圧計測部の電力供給ラインにカソードを、電流制限抵抗を介して直列接続した最下位電圧の前記電池セルの負極に接続した第１のダイオードと、
   前記電圧計測部のＧＮＤにアノードを、直列接続した最上位の前記電池セルの正極に接続した第２のダイオードと、
   直列接続した最上位の前記電池セルの正極側の前記電圧計測ラインに挿入された前記過電流遮断素子と前記過電流防止素子の間にアノードを、前記電圧計測部の電力供給ラインにカソードを接続した第３のダイオードと、
   を備える請求項１〜３に記載の電池モジュール。
6. 前記電圧計測部の最上位電圧の電圧計測ラインに挿入された前記過電流遮断素子が無いことを特徴とする請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記電圧計測部の電力供給ラインにカソードを、前記電圧計測部のＧＮＤにアノードを接続したツェナーダイオードを備えることを特徴とする請求項５〜６に記載の電池モジュール。
8. 前記電流制限抵抗の降下電圧を測定する降下電圧計測部を備えることを特徴とする請求項５〜７に記載の電池モジュール。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電池モジュールを複数直列接続した電池システム。