JP2016081748A - 電池アッセンブリ及び電池アッセンブリの接続状態の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池アッセンブリ１の電池ユニット２とバランス回路との接続と接続の解除を容易にする。【解決手段】充放電可能な複数の単電池７を直列接続した電池ユニット２を複数個並列接続する。複数の電池ユニット２の、電位に関して同じ順位に位置する単電池７の集電体８に接続する端子１２をハードケース１７から外側へ取り出す。端子１２をハードケース１７の外側に位置する導電板２０に当接保持する弾性手段２５を備えることで、端子１２の導電板１９への固定作業が不要となる。【選択図】図４

Description

この発明は、複数の単電池を積層した電池ユニットを有する電池アッセンブリの、各単電池の集電体とバランス回路との接続手段に関する。

二次電池として、充放電可能な複数の単電池を直列接続した電池ユニットを、複数個並列接続した電池アッセンブリが知られている。特許文献１はこうした電池アッセンブリにおいて、単電池間の充電電圧の差異を解消するためのバランス回路を提案している。

すなわち、単電池ごとにバランス回路を設けるのではなく、各電池ユニットの電位的に同じ順位に位置する単電池を共通のバランス回路に接続する。バランス回路は、充電電圧の高い単電池に放電させることで、接続された複数個の単電池間の電位差を解消する。

特許文献１の従来技術によれば、複数の電池ユニットの電位的に同じ順位に位置する単電池が１個のバランス回路を共有するため、バランス回路の数を減らすことができる。

特開２００７−１２５８４号公報

単電池をバランス回路に接続するためには、単電池の集電板に接続された端子を電池アッセンブリのパッケージの外側に取り出す必要がある。特許文献１の電池アッセンブリにおいては、複数の電池ユニットの電位的に同じ順位に位置する単電池が１個のバランス回路を共有するため、複数の電池ユニットの電位的に同じ順位に位置する単電池から取り出された端子が共通の導電板に接続される。

特許文献１は導電板の数を減らすうえでも好ましい効果をもたらすが、依然としてパッケージの外側に数多くの端子を取り出して、導電板に接続する必要がある。この接続は、スポット溶接、超音波溶接、はんだ付けなど様々な方法により行なわれる。こうした接続作業は手間がかかる。また、いったん接続してしまうと、電池アッセンブリを交換あるいはメンテナンスのためにパランス回路から取り外そうとしても容易に取り外すことはできない。

この発明は、電池アッセンブリのバランス回路への接続と取り外しを容易にすることを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明の実施形態は、充放電可能な複数の単電池を直列接続した電池ユニットを、複数個並列接続し、複数の電池ユニットの、電位に関して同じ順位に位置する単電池の集電体を共通のバランス回路に接続した電池アッセンブリに適用される。

電池アッセンブリは、電池ユニットを収装するケースと、各単電池の集電体に接続してケースからそれぞれ外側へ取り出される端子と、電位に関して同じ順位に位置する単電池の端子が所定位置に当接することで、電位に関して同じ順位に位置する単電池をバランス回路に接続する導電板と、端子を導電板に弾性的に当接保持する弾性手段と、を備えている。

弾性手段が端子を導電板の所定位置に当接保持することで、端子を導電板に接続するので、端子の導電板への固定作業が不要となり、電池アッセンブリのバランス回路への接続とバランス回路からの電池アッセンブリの取り外しを容易に行なうことができる。

この発明を適用する電池アッセンブリと制御回路の概略構成図である。 電池アッセンブリを構成する電池ユニットの基本構造を示す電池ユニット要部の横断面図である。 電池ユニットの概略斜視図である。 この発明の実施形態による端子の基本構成を示す、電池アッセンブリ要部の概略横断面図である。 この発明の実施形態による端子のバリエーションを示す、電池アッセンブリ要部の概略横断面図である。 電池アッセンブリの斜視図である。 電圧計測板の正面図と縦断面図である。 電圧計測板に取り付けられる接続ボックスの斜視図である。 電池アッセンブリの異常診断の原理を模式的に説明するダイアグラムである。 図９に類似するが、異常の発生した単電池の位置が異なる場合を示す。 端子が正常に接続された電圧計測板の端部に出力される交流電圧の波形を示すダイアグラムである。 端子との間に接続不良が生じた電圧計測板の端部に出力される交流電圧の波形を示すダイアグラムである。

図１を参照すると、この発明の実施形態を適用する電池アッセンブリ１は、充放電可能な複数の単電池を直列接続した電池ユニット２を、複数個並列に接続することで構成される。電池アッセンブリ１の充放電は強電コネクタ３を介して行なわれる。言い換えれば、電池アッセンブリ１は強電コネクタ３を介して電気負荷及び発電設備に接続される。電池アッセンブリ１の充放電の制御は充放電制御装置４により行なわれる。充放電制御装置４はジャンクションボックス５とバッテリコントローラ６とで構成される。

図２を参照すると、電池ユニット２は直列接続された複数個の単電池７の積層体で構成される。単電池７は例えばバイポーラ型リチウムイオン電池で構成される。単電池７は、集電体８と集電体８の両面の中央部にそれぞれ配置された正極活物質層９と負極活物質層１０とからなるバイポーラ電極７Ａを備える。単電池７はさらに隣接するバイポーラ電極７Ａの間に介在するセパレータ１４を備える。電池ユニット２は複数の単電池７を所定数積層し、直列に接続した積層体で構成される。なお、図には詳しく示されていないが、積層体の積層方向の両端の集電体８は強電コネクタ３に接続される正負の電極を構成する。

以上のように構成された単電池７の積層体は予め所定形状に形成された２枚のラミネートシートによるパッケージ１６に収装される。ラミネートシートは、例えばアルミニウム層の両面を樹脂層で被覆した三層構造を有する。２枚のラミネートシートは外縁部を互いに熱溶着により溶着することでパッケージ１６の内部を外部から遮断する。パッケージ１６の内側の単電池７の周囲には樹脂などで構成されたシール材１５が充填される。

各単電池７の集電体８には端子１２が接続される。シール材１５は集電体８と端子１２との接続部を包み込むように充填される。

図３を参照すると、各層の単電池７の集電体８に接続される端子１２はシート状に形成され、２枚のラミネートシートの接合面からパッケージ１６の外側に取り出される。パッケージ１６からは積層された単電池７と同数の端子１２が取り出される。これらの端子は互いに重なり合わないように、２枚のラミネートシートの接合面に沿って所定距離ずつ順次オフセットした位置でパッケージ１６から取り出される。

図６を参照すると、電池ユニットさらにハードケース１７に収装される。各端子１２はハードケース１７から外側へ露出する。電池アッセンブリ１はハードケース１７に収装された電池ユニット２を複数個、図に示すように積層することで構成される。

各電池ユニット２のハードケース１７の外側へ露出した端子１２は、電池ユニット２内での電位に関する単電池７の順位ごとにまとめられ、同順位の単電池７の端子１２がそれぞれ共通のバランス回路に接続される。図６においては、複数のハードケース１７が上下方向に重なり合う形で積層されている。この図において、上下方向に重なり合う複数の端子１２が各電池ユニット２の同順位の単電池７の端子１２に相当する。

なお、電位的に同順位に位置する複数の単電池７の充放電を制御するバランス回路の構成は、特許文献１に開示されたバランス回路と同一であるので、ここでは説明を省略する。

図７を参照すると、各ハードケース１７の外側に露出した端子１２は、電圧計測板１９に接続される。電圧計測板１９は電池ユニット２を構成する単電池７と同数の帯状の導電板２０と、導電板２０を水平方向に並列させた状態で固定する板状本体２１とからなる。板状本体２１の上部には、図８に示すように各導電板２０に接続されたコネクタ２３を有する接続ボックス２２が固定され、コネクタ２３に接続した配線２４が図１のジャンクションボックス５に接続される。複数の電池ユニット２の電位的に同順位の単電池７から取り出された端子１２が同一の導電板２０に接続される。

このようにして、複数の電池ユニット２の電位的に同順位の単電池７の端子１２が所定位置の導電板２０とジャンクションボックス５とを介してバッテリコントローラ６に接続される。バッテリコントローラ６には、各電池ユニット２の電位的に同順位の端子１２に接続されるバランス回路がそれぞれ内蔵される。つまり、バッテリコントローラ６は１個の電池ユニット２を構成する単電池７と同数のバランス回路を内蔵する。

以上説明した電池アッセンブリ１と充放電制御装置４の基本的な構成は、特許文献１に開示された電池アッセンブリと制御回路の構成と同一である。

さて、この発明の実施形態は、端子１２と導電板２０との接続に関する。

端子１２を導電板２０にスポット溶接、超音波溶接、はんだ付けなどの方法で固定する作業は多大な手間を要する。また、これらの方法でいったん導電板２０に固定された端子１２を、導電板２０から取り外すことは難しい。これは、電池アッセンブリ１の交換やメンテナンスにとって大きな支障となる。

図４を参照すると、この発明の実施形態による電池アッセンブリ１において、端子１２は樹脂板２５に貼り付けられた導電シート２６で構成される。樹脂板２５はオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、ジエン系樹脂、フッ素樹脂などで形成される。導電シート２６は金属箔で構成される。樹脂板２５は図に示すように上下方向に屈曲させることで、図の矢印に示すように導電板２０に向けた弾性復元力を導電シート２６に及ぼし、導電シート２６を導電板２０に当接保持する。屈曲した樹脂板２５がシート状の弾性手段を、導電シート２６が端子１２を、それぞれ構成する。この構成により、弾性手段と端子１２とを容易に構成することができる。

再び図６を参照すると、電池アッセンブリ１は以上のように構成された単電池７と同数の端子１２をハードケース１７の外に露出する。電圧計測板１９は屈曲させた端子１２の弾性復元力により各端子１２が導電板２０に押しつけられるよう、電池アッセンブリ１の近傍に端子１２に相対して配置される。この配置により、すべての端子１２が導電板２０に当接保持される。

以上とおり、この実施形態による電池アッセンブリ１は、電位に関して同じ順位に位置する単電池７の集電体８に接続してパッケージ１６及びハードケース１７の外側へ取り出される端子１２として、樹脂板２５に貼り付けられた導電シート２６を備えている。

樹脂板２５は端子１２を導電板２０に弾性的に当接保持する弾性手段として機能する。すなわち、樹脂板２５を導電シート２６とともに屈曲状態とすることで、屈曲した樹脂板２５の弾性復元力で導電シート２６が導電板２０に当接保持される。そのため、端子１２を導電板２０に接続するためのスポット溶接、超音波溶接、はんだ付けなどの処理が不要となる。つまり、同順位の単電池７をバランス回路に並列接続する接続作業の手間を大幅に削減できる。さらに、この接続構造により、端子１２の導電板２０への接続や取り外しを容易に行なうことができる。

図５を参照すると、導電板２０への当接保持に必要な弾性復元力を得るために、端子１２を複数回に渡って屈曲させることも好ましい。

この実施形態のバリエーションとして、端子１２と弾性手段とを単一の樹脂集電体で構成することも好ましい。樹脂集電体は樹脂に導電剤を添加してプレート状に成形した部材である。樹脂にはオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、ジエン系樹脂、フッ素樹脂などが用いられる。導電剤にはカーボン粒子、あるいはアルミニウム、ステンレス、金、銀、銅、チタンなどの金属粒子が用いられる。樹脂集電体はそれ自体が弾性と導電性を有するので、端子１２と弾性手段とを兼用することができる。また、樹脂集電体は軽量であるため、単電池７とバランス回路との接続構造を軽量化することができる。

この実施形態では、図２に示すように、電池ユニット２は集電体８の一方の面に正極活物質層９が配置され、他方の面に負極活物質層１０が配置されたバイポーラ電極７Ａを、セパレータ１４を介して積層した複数の単電池７と、積層した単電池７の周囲に配置され、単電池７と外気との接触を遮断するシール材１５とを含むバイポーラ電池で構成される。この実施形態による端子１２の導電板２０への接続構造はこうしたバイポーラ電池への適用において特に好ましい効果をもたらす。

ところで、この実施形態による端子１２の導電板２０への接続構造においては、屈曲させた端子１２は弾性復元力で導電板２０に当接保持されるだけで、導電板２０に固定されていない。そのため、端子１２と導電板２０との接続不良が生じる可能性がある。

この実施形態によるバッテリコントローラ６は、前述のバランス回路の他に、各端子１２の導電板２０への接続状態の診断を行なうために、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ インタフェース）を備えたマイクロコンピュータを備える。

この実施形態においては、バッテリコントローラ６が、特定の電池ユニット２の一方の電極２Ａと、一方の電極２Ａから最も離れた位置にある導電板２０の一端２０Ａとの間に交流電圧を印加した状態で、各導電板２０の一端２０Ａに出力される交流電圧を計測する計測手段と、計測手段が計測した交流電圧に基づき、特定の電池ユニット２内の各単電池７の端子１２と対応する導電板２０との間に接続不良が生じているかどうかを判定する判定手段と、を構成する。

次に図９〜図１２を参照して、バッテリコントローラ６が実行する各端子１２と導電板２０との接触状態に関する異常判定のアルゴリズムを説明する。

図９を参照すると、バッテリコントローラ６は、電池アッセンブリ１を構成する特定の電池ユニット２の、直列に積層された複数の単電池７の積層体の一端に位置する電極２Ａと、導電板２０のうち電極２Ａから最も離れた位置にある導電板２０の一端との間に交流電圧を印加する。図では上から２番目の電池ユニット２の左端の電極２Ａと、右端の導電板２０の下端２０Ａに相当する一端との間に交流電圧が印加される。この状態で各導電板２０の下端２０Ａの交流電圧を計測する。

各端子１２と導電板２０との接続状態が正常な場合には、印加された交流電流は図の白抜き矢印に示すように流れる。

図１１を参照すると、この場合に各導電板２０の下端２０Ａで計測される交流電圧は、導電板２０が電流の流れに関して上流に位置する導電板２０ほど電位の振幅が大きい。言い換えれば計測される電圧が高い。バッテリコントローラ６が備えるマイクロコンピュータのＲＯＭには、特定の電池ユニット２の全ての端子１２が対応する導電板２０に正常に接続された状態で、各導電板２０の下端２０Ａで計測された交流電圧があらかじめ格納される。

再び図９を参照すると、電圧を印加する電極２Ａを有する特定の電池ユニット２の中に、導電板２０と接続不良を起こした端子１２Ｘが存在する場合には、端子１２Ｘに対峙する導電板２０の下端２０Ａに至る交流電流の伝達経路が図のハッチング矢印に示すように変化する。すなわち、接触不良を起こした端子１２をバイパスするバイパス経路が形成される。バイパス経路は隣接する電池ユニット２を経由して形成されるため、本来形成されるべき伝達回路より内部抵抗が大きくなる。

図１２を参照すると、この内部抵抗の違いのため、端子１２Ｘに対峙する導電板２０の下端２０Ａで検出される交流電圧は、図の破線の曲線に示すように、本来計測されるべき交流電圧と比べて振幅が小さくなる。そこで、各導電板２０の下端２０Ａで計測された電圧値を、該当する導電板２０についてＲＯＭに格納された電圧値と比較することで、接続不良を起こしている端子１２を特定することができる。具体的には各導電板２０の下端２０Ａで計測された電圧値とＲＯＭに格納された各導電板２０の電圧値との差異が所定値を上回る場合に、対応する端子１２が接続不良を起こしていると判定する。

接続不良に関する以上の診断は、電池ユニット２ごとに電極２Ａに交流電圧を印加して行なう。

図１０を参照すると、ここでは、図の最も上に位置する電池ユニット２の中に接続不良を起こした端子１２Ｘが存在している。この場合には、端子１２Ｘを有する電池ユニット２の電極２Ａと図の右端の導電板２０の下端との間に交流電圧を印加することで、接続不良を起こした端子１２Ｘを特定することができる。

この場合も、電圧を印加する電極２Ａを有する電池ユニット２の中に、導電板２０と接続不良を起こした端子１２Ｘが存在する場合には、端子１２Ｘに対峙する導電板２０の下端２０Ａに至る交流電流の伝達経路が図のハッチング矢印に示すバイパス経路へと変化する。

その結果、端子１２Ｘに対峙する導電板２０の下端２０Ａにおいて計測される交流電圧は、ＲＯＭに格納された当該導電板２０の電圧値に対して低下を示す。これらの電圧の差異に基づき接続不良を起こした端子１２Ｘを特定することができる。

なお、接続不良を起こした端子１２Ｘに対峙する導電板２０に関して計測される電圧値と、端子１２が正常に接触している場合の当該導電板２０に関して計測される電圧値、すなわちＲＯＭに格納された電圧値、との間に５ミリボルト（ｍＶ）程度の電圧の差異が生じるように、あらかじめ印加する交流電圧を設定することが望ましい。印加電圧のこのような設定により、接続不良の有無を精度よく判定することができる。

以上のようにして、各電池ユニット２の電極２Ａと、電極２Ａから最も離れた位置の導電板２０の一端との間に交流電圧を順次印加し、導電板の２０の端に出力される交流電圧を、該当する導電板２０についてＲＯＭに格納された電圧値と比較する。説明の都合上、図９〜１２には３個の電池ユニット２のみが示されているが、バッテリコントローラ６は図６に示すようにより多くの電池ユニット２を備えた電池アッセンブリ１に関してこの診断を実行する。

以上のプロセスにより、バッテリコントローラ６は、全ての電池ユニット２のすべての単電池７の端子１２について接続不良の有無を判定することができる。また、バッテリコントローラ６が接続不良と診断した端子１２を有する単電池のみを交換することで、すべての単電池７とバランス回路との接続が回復する。したがって、電池ユニット２全体を交換する必要がなく、接続不良の回復処理に要するコストを削減できる。上記した電池アッセンブリ１の端子１２と導電板２０との接続構造のもとでは、このような単電池７の交換も容易に行なうことができる。

以上のとおり、この発明を特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

１ 電池アッセンブリ
２ 電池ユニット
２Ａ 電極
３ 強電コネクタ
３ 強電コネクタ
４ 充放電制御装置
５ ジャンクションボックス
６ バッテリコントローラ
７ 単電池
７Ａ バイポーラ電極
８ 集電体
９ 正極活物質層
１０ 負極活物質層
１２ 端子
１２Ｘ 接続不良を起こした端子
１４ 電解質層
１５ シール材
１６ パッケージ
１７ ハードケース
１９ 電圧測定板
２０ 導電板
２０Ａ 導電板の一端
２１ 板状本体
２２ 接続ボックス
２３ コネクタ
２４ 配線
２５ 樹脂板
２６ 導電シート

Claims (8)

1. 充放電可能な複数の単電池を直列接続した電池ユニットを、複数個並列接続し、前記複数の電池ユニットの、電位に関して同じ順位に位置する単電池の集電体を共通のバランス回路に接続した電池アッセンブリにおいて、
   電池ユニットを収装するケースと、
   各単電池の集電体に接続してケースからそれぞれ外側へ取り出される端子と、
   前記電位に関して同じ順位に位置する単電池の端子が所定位置に当接することで、前記電位に関して同じ順位に位置する単電池を前記バランス回路に接続する導電板と、
   前記端子を前記導電板に弾性的に当接保持する弾性手段と、
   を備える、ことを特徴とする、電池アッセンブリ。
2. 前記電池ユニットは前記集電体の一方の面に正極活物質層が配置され、他方の面に負極活物質層が配置されたバイポーラ電極を、電解質層を介在させて積層した複数の単電池と、積層した単電池の周囲に配置され、単電池と外気との接触を遮断するシール部と、を含むバイポーラ電池で構成される、ことを特徴とする、請求項１に記載の電池アッセンブリ。
3. 前記弾性手段はシート状の弾性体で構成され、前記端子は前記弾性体の一面に形成された導電性の膜体で構成されるとともに、前記弾性体は屈曲した状態で前記導電板に当接し、弾性復元力により前記導電性の膜体を前記導電板に当接保持する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の電池アッセンブリ。
4. 前記端子と前記弾性手段とを樹脂集電体で構成し、樹脂集電体は屈曲状態における自らの弾性復元力で前記導電板への当接状態を維持する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の電池アッセンブリ。
5. 前記弾性体は複数の屈曲部を有することを特徴とする、請求項３または４に記載の電池アッセンブリ。
6. 充放電可能な複数の単電池を直列接続した電池ユニットを、複数個並列接続し、前記複数の電池ユニットの、電位に関して同じ順位に位置する単電池の集電体を共通のバランス回路に接続した電池アッセンブリであって、電池ユニットを収装するケースと、各単電池の集電体に接続してケースからそれぞれ外側へ取り出される端子と、前記電位に関して同じ順位に位置する単電池の端子が所定位置に当接することで、前記電位に関して同じ順位に位置する単電池を前記バランス回路に接続する導電板と、前記端子を前記導電板に弾性的に当接保持する弾性手段と、を備える電池アッセンブリの接続状態の診断装置において、
   特定の電池ユニットの一方の電極と、前記一方の電極から最も離れた位置にある導電板の一端との間に交流電圧を印加した状態で、各導電板の一端に出力される交流電圧を計測する計測手段と、
   前記計測手段が計測した各導電板の一端に出力される交流電圧に基づき、前記特定の電池ユニット内の各単電池の端子と対応する導電板との間に接続不良が生じているかどうかを判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする、電池アッセンブリの接続状態の診断装置。
7. 交流電流を電極に印加する前記特定の電池ユニットを順次変更することで、すべての電池ユニット内の単電池の端子について導電板との接続不良が生じているかどうかを判定することを特徴とする、請求項６に記載の電池アッセンブリの接続状態の診断装置。
8. 前記判定手段は、前記計測手段が計測した個々の導電板の一端の交流電圧と、当該導電板についてあらかじめ記憶した交流電圧値との差異に基づき、前記特定の電池ユニットの当該導電板に対峙する単電池の端子に接続不良が生じているかどうかを判定するよう構成されることを特徴とする、請求項６または７に記載の電池アッセンブリの接続状態の診断装置。

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