JP2016213984A - 電池モジュールおよび電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池セルの故障および劣化を回避する電池モジュールおよび電源装置を提供する。【解決手段】 電池モジュールは、第１組電池３０と、複数の電池セルＣＬの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第１端子Ｔ１と、第１組電池３０と直列に接続される第２組電池５０に含まれる電池セルＣＬの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が印加される複数の第２端子Ｔ２と、第１端子Ｔ１および第２端子Ｔ２に入力される電圧に基づいて、電池セルＣＬの電圧を算出して出力する電池監視回路２２と、複数の第１端子Ｔ１および複数の第２端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線同士の接続を切替えるセルバランス回路２６と、最も高電位側の第１端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線から、最も高電位側の第２端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線に向かって順方向に接続されたツェナーダイオード２４と、を備えた第１基板２０と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電池モジュールおよび電源装置に関する。

近年、複数の２次電池セルを含む電池モジュールを組み合わせて、大容量の電源装置を構成することが提案されている。複数の２次電池セルを組み合わせた場合、これらの２次電池セル間で容量にバラツキが生じないように、容量の均等化が行われる。複数の２次電池セルの容量の均等化は、各２次電池セルの端子間電圧や電流等の値に基づいて演算した各２次電池セルの残容量に基づいて行われる。

特開２０１２−１６１１４号公報

複数の電池モジュールを組み合わせて用いる場合、複数の電池モジュールに共通の回路基板を用意すると、回路基板は接続可能な電池モジュールの最大数に対応する回路を含むものとなる。例えば電源装置を組み立てる前に、複数の電池モジュールを別々に保管する可能性がある場合、回路基板には一部の電池セルのみが接続した状態となることがある。この場合、回路の電源が確保されていない為に回路基板の動作が不安定な状態となり、電池セルの過放電や、残容量の不均一が発生する場合があった。組み立て時に、残容量が不均一なセルを組み合わせると、充電時にはセル電圧の高いものを基準として動作が規制され、放電時にはセル電圧の低いものを基準として動作が規制される為、セル本来の容量が取り出せなくなる。
また、組み立てずに電池モジュールを長期間保管している際に、電池セルが放電され続けて過放電となると、電池セルが劣化する原因となる。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、電池セルの故障および劣化を回避する電池モジュールおよび電源装置を提供することを目的とする。

実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルを含む第１組電池と、前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第１端子と、前記第１組電池と直列に接続される第２組電池に含まれる電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が印加される複数の第２端子と、前記第１端子および前記第２端子に入力される電圧に基づいて、前記電池セルの電圧を算出して出力する電池監視回路と、前記電池監視回路からの制御信号に従って、前記複数の第１端子および前記複数の第２端子から前記電池監視回路へ延びた配線同士の接続を切替えるセルバランス回路と、最も高電位側の前記第１端子から前記電池監視回路へ延びた配線から、最も高電位側の前記第２端子から前記電池監視回路へ延びた配線に向かって順方向に接続されたツェナーダイオードと、を備えた第１基板と、を備える。

図１は、第１実施形態の電源装置の構成例を説明するためのブロック図である。 図２は、第１実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。 図３は、第２実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。 図４は、第３実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。

以下、実施形態の電源装置について、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の電源装置の構成例を説明するためのブロック図である。
本実施形態の電源装置ＢＴは、第１電池モジュールＭＤＬ１と、複数の第２電池モジュールＭＤＬ２と、電池管理部（ＢＭＵ：Battery Management Unit）１０と、を備えている。

第１電池モジュールＭＤＬ１はメイン基板２０と、組電池３０とを備えている。組電池３０の負極端子は電源装置ＢＴの負極端子ＭＴと電気的に接続している。組電池３０の正極端子は、後述する第２電池モジュールＭＤＬ２の組電池５０の負極端子と電気的に接続している。すなわち、第１電池モジュールＭＤＬの組電池３０は、第２電池モジュールＭＤＬ２の組電池５０よりも低電位側に配置される。

第２電池モジュールＭＤＬ２は、サブ基板４０と、組電池５０とを備えている。組電池５０は、互いに直列に接続している。最も低電位側の組電池５０の負極端子は第１電池モジュールＭＤＬ１の組電池３０の正極端子と電気的に接続している。最も高電位側の組電池５０の正極端子は電源装置ＢＴの正極端子ＰＴと電気的に接続している。

電池管理部１０は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサである。電池管理部１０は、第１電池モジュールＭＤＬ１のメイン基板２０から、組電池３０、５０の電圧、電流、温度などの情報を受信する。電池管理部１０は、組電池３０、５０に含まれる電池セル（図２に示す）の残容量を演算し、上位制御装置（図示せず）へ送信する。また、電池管理部１０は、上位制御装置から受信した制御信号に従って、組電池３０、５０に含まれる電池セルの充電、放電、おより残容量均等化の制御等を行う。

図２は、第１実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。ここで示す例は、上述の課題を解決する電池モジュールおよび電源装置の一つの事例である。
ここでは、第１電池モジュールＭＤＬ１と、１つの第２電池モジュールＭＤＬ２とを示している。

組電池３０は、例えば直列に接続した９個の電池セルＣＬを含んでいる。組電池５０は、例えば直列に接続した６個の電池セルＣＬを含んでいる。組電池３０と組電池５０とは、コネクタ６０を介して直列に接続されている。

サブ基板４０は、端子Ｔ３、Ｔ４を含んでいる。
端子Ｔ４は、組電池５０の電池セルＣＬの端子間と電気的に接続している。端子Ｔ４の数は、組電池５０に含まれる電池セルＣＬの数よりも１つ多い。すなわち、端子Ｔ４には、各電池セルＣＬの正極端子電圧と負極端子電圧とが供給される。端子Ｔ４は、サブ基板４０内でヒューズを介して端子Ｔ３と電気的に接続されている。

端子Ｔ３は、コネクタとしてのハーネスを介してメイン基板２０の端子Ｔ２と電気的に接続される。端子Ｔ３の数は端子Ｔ４の数よりも１つ多く、最も高電位側の端子Ｔ４は、２つの端子Ｔ３と電気的に接続している。

また、サブ基板４０がメイン基板２０と接続していないときには、最も高電位側の端子Ｔ３の一方と、最も低電位側の端子Ｔ３とが抵抗を介して電気的に接続されている。

メイン基板２０は、監視回路（ＣＭＵ）２２と、ツェナーダイオード２４と、セルバランス回路２６と、ダイオード２８と、ローパスフィルタＦＬと、コンデンサＣと、端子Ｔ１、Ｔ２とを備えている。

端子Ｔ１は、組電池３０の複数の電池セルＣＬの端子間と電気的に接続している。端子Ｔ１の数は、組電池３０に含まれる電池セルＣＬの数よりも１つ多い。すなわち、端子Ｔ１には、組電池３０の電池セルＣＬの正極端子電圧および負極端子電圧が供給される。端子Ｔ１は、メイン基板２０内でヒューズおよびローパスフィルタＦＬを介して電池監視回路２２と電気的に接続されている。最も低電位側の端子Ｔ１は、接地されている。

端子Ｔ２は、コネクタを介してサブ基板４０の端子Ｔ３と接続される。端子Ｔ２の数は、端子Ｔ３の数と同じであり、１つの端子Ｔ２と１つの端子Ｔ３とが互いに接続される。端子Ｔ２は、サブ基板４０を介して、組電池５０の電池セルＣＬの正極端子電圧および負極端子電圧が供給される。端子Ｔ２は、メイン基板２０内でローパスフィルタＦＬを介して電池監視回路２２と電気的に接続している。

ダイオード２８は、隣り合う端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線間、隣り合う端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間、最も高電位側の端子Ｔ１と最も低電位側の端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間に、低電位側から高電位側へ向かう方向が順方向になるように接続されている。

コンデンサＣは、隣り合う端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線間、隣り合う端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間、最も高電位側の端子Ｔ１と最も低電位側の端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間に、接続している。

セルバランス回路２６は、隣り合う端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線間、隣り合う端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間、最も高電位側の端子Ｔ１と最も低電位側の端子Ｔ２から電池監視回路２２へ延びた配線間に、接続している。セルバランス回路２６は、電池監視回路２２からの制御信号に従って、各電池セルＣＬの正極端子と負極端子との間の電気的接続を切替える。

電池監視回路２２は、組電池３０、５０に含まれる電池セルＣＬの正極端子電圧および負極端子電圧を受信し、電池セルＣＬの電圧を演算して、電池管理部１０へ出力する。また、電池監視回路２２は、電池管理部１０からセルバランス制御のための信号を受信し、セルバランス回路２６の動作を制御する。

電池監視回路２２には、組電池５０の最も高電位側の電池セルＣＬの正極端子電圧が、電源電圧として入力されている。すなわち、メイン基板２０の最も高電位の電圧が入力される端子Ｔ２の一方は、電源電圧入力端子である。この電源電圧が電池監視回路２２に入力されない場合、電池監視回路２２に含まれるトランジスタ等の素子の基準電位が所定の値とならないことから電池監視回路２２の動作が不安定になり、セルバランス回路２６の誤動作により組電池３０の電池セルＣＬが過放電となることがあった。

そこで、本実施形態の電源装置では、組電池５０の最も高電位側の電池セルＣＬの正極端子電圧が供給される２つの端子Ｔ２の一方と、組電池３０の最も高電位側の電池セルＣＬの正極端子電圧が供給される端子Ｔ１との間にツェナーダイオード２４を接続している。

ツェナーダイオード２４は、最も高電位側の端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線と、最も高電位側の２つの端子Ｔ２の一方から電池監視回路２２へ延びた配線との間に、低電位側から高電位側へ向かう方向が順方向となるように接続している。したがって、例えば、第２モジュールＭＤＬ２がメイン基板２０に接続されていないときには、組電池５０の最も高電位側の電池セルＣＬの正極電位に代えて、ツェナーダイオード２４を通じて組電池３０の最も高電位側の電池セルＣＬの正極電位を電池監視回路２２に供給する。これにより電池監視回路２２の誤動作を防止することができる。

すなわち、組電池５０と組電池３０との電池モジュールを接続可能であるとき、組電池５０は未接続で組電池３０は接続されているとする。この時、ツェナーダイオード２４が無いと電池監視回路２２の電源電圧は供給されない。しかしながら、ツェナーダイオード２４が有れば、組電池３０から電池監視回路２２へ電力が供給されるため、電池監視回路２２の動作が安定することになる。

上記のように本実施形態によれば、電池セルの故障および劣化を回避する電池モジュールおよび電源装置を提供することができる。

なお、本実施形態において、最も高電位側の端子Ｔ１から電池監視回路２２へ延びた配線と、最も高電位側の２つの端子Ｔ２の一方から電池監視回路２２へ延びた配線との間に接続する素子として、ツェナーダイオード２４を選択しているのは、ツェナーダイオード２４は順方向の電圧が低いという特徴に基づいている。

次に、第２実施形態の電池モジュールおよび電源装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図３は、第２実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。
本実施形態の電源装置は、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とを備えている。第１電池モジュールＭＤＬ１は、組電池３０とメイン基板２０とを備えている。第２電池モジュールＭＤＬ２は、組電池５０とサブ基板４０とを備えている。

サブ基板４０は、端子Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４と、配線群Ｗ２と、を含む。
端子Ｔ４は、上述の第１実施形態と同様の構成である。配線群Ｗ２はハーネスとして束ねられている。端子（第２出力端子）Ｔ３１は、メイン基板２０の端子Ｔ２１と電気的に接続される。端子（第２入力端子）Ｔ３２は、メイン基板２０の端子Ｔ２２と電気的に接続される。端子Ｔ３１と端子Ｔ３２とはサブ基板４０内に引き回された配線群（第２配線群）Ｗ２により互いに電気的に接続している。

配線群Ｗ２は、端子Ｔ３１と端子Ｔ３２との間に延びた複数の配線と、端子Ｔ４のそれぞれからヒューズを介して端子Ｔ３１へ延びた複数の配線とを含む。最も高電位側の端子Ｔ４から延びた配線は、端子Ｔ３１の前段で２本に分岐している。端子Ｔ３１と端子Ｔ３２との間に延びた複数の配線の数は、組電池３０に含まれる電池セルＣＬの数と同じである。端子Ｔ３１に接続した配線の数は、組電池３０に含まれる電池セルＣＬの数と、組電池５０に含まれる電池セルＣＬの数に２を足した数と、の和と同じである。

メイン基板２０は、監視回路（ＣＭＵ）２２と、セルバランス回路２６と、ダイオード２８と、ローパスフィルタＦＬと、コンデンサＣと、端子Ｔ１、Ｔ２１、Ｔ２２と、配線群Ｗ１、Ｗ３とを備えている。配線群Ｗ１、Ｗ３はハーネスとして束ねられている。
本実施形態では、端子Ｔ２１、Ｔ２２、および、配線群Ｗ１、Ｗ３の構成が上述の第１実施形態と異なっている。

配線群（第１配線群）Ｗ１は、最も低電位側の端子Ｔ１を除く端子Ｔ１から端子（出力端子）Ｔ２２へ延びた配線を含む。すなわち、配線群Ｗ１に含まれる配線の数は、組電池３０に含まれる電池セルＣＬの数と同じである。

配線群（第３配線群）Ｗ３は、端子（入力端子）Ｔ２１から延びて、メイン基板２０内において高電位側から低電位側まで引き回された配線を含む。配線群Ｗ３に含まれる配線の数は、組電池３０および組電池５０に含まれる電池セルＣＬの数と同じである。サブ基板４０をメイン基板２０に接続したときに、配線群Ｗ１に含まれる複数の配線は、端子Ｔ２２、コネクタ、端子Ｔ３２、配線群Ｗ２、端子Ｔ３１、コネクタ、および端子Ｔ２１を介して配線群Ｗ３と電気的に接続する。

配線群Ｗ３に含まれる配線は、電池監視回路２２へ延びている。このとき、配線群Ｗ３に含まれる配線は、印加される電圧の大きさの順に並んで電池監視回路２２へ延びて配置される。この並び順は、上述の第１実施形態と同様である。

本実施形態のメイン基板２０およびサブ基板４０は、上記の構成以外は上述の第１実施形態と同様である。本実施形態では、サブ基板４０とメイン基板２０とを接続したときに、組電池３０と組電池５０とが電池監視回路２２と電気的に接続される。したがって、第１モジュールＭＤＬ１と第２モジュールＭＤＬ２とを別々に保管している際に、電池監視回路２２の動作が不安定となり、セルバランス回路２６の誤動作により組電池３０が過放電となることを回避することができる。また、第１電池モジュールＭＤＬ１と第２電池モジュールＭＤＬ２とを別々に保管している際に、組電池３０と組電池５０との一方のみが電池監視回路２２と接続されて、電池セルＣＬの残容量が不均一になることがなくなる。

上記のように本実施形態によれば、電池セルの故障および劣化を回避する電池モジュールおよび電源装置を提供することができる。

次に、第３実施形態の電池モジュールおよび電源装置について図面を参照して説明する。本実施形態の電池モジュールおよび電源装置は、メイン基板２０がツェナーダイオード２４を備えない点が上述の第１実施形態と異なっている。

図４は、第３実施形態の第１電池モジュールおよび第２電池モジュールの構成例を説明する為の図である。
本実施形態の電源装置は、メイン基板２０と、サブ基板４０とが接続されていない状態で、組電池３０の正極端子と、複数の端子Ｔ２とを電気的に接続するコネクタとしてショートバーを備えている。

メイン基板２０とサブ基板４０とが接続されていないときであっても、メイン基板２０の複数の端子Ｔ２に組電池３０の正極端子電圧が印加されるため、電池監視回路２２が誤動作することがなくなる。したがって、第１モジュールＭＤＬ１と第２モジュールＭＤＬ２とを別々に保管している際に、電池監視回路２２の動作が不安定となり、セルバランス回路２６の誤動作により組電池３０が過放電となることを回避することができる。
上記のように本実施形態によれば、電池セルの故障および劣化を回避する電池モジュールおよび電源装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電池管理部、２０…メイン基板（第１基板）、２２…電池監視回路、２４…ツェナーダイオード、２６…セルバランス回路、２８…ダイオード、３０…組電池（第１組電池）、４０…サブ基板（第２基板）、５０…組電池（第２組電池）、６０…コネクタ、ＭＤＬ１…第１電池モジュール、ＭＤＬ２…第２電池モジュール、Ｔ１…端子（第１端子）、Ｔ２…端子（第２端子）、Ｔ２１…端子（入力端子）、Ｔ２２…端子（出力端子）、Ｔ３…端子（第３端子）、Ｔ３１…端子（第２出力端子）、Ｔ３２…端子（第２入力端子）、Ｔ４…端子（第４端子）、Ｗ１…配線群（第１配線群）、Ｗ２…配線群（第２配線群）、Ｗ３…配線群（第３配線群）

Claims (5)

1. 複数の電池セルを含む第１組電池と、
   前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第１端子と、前記第１組電池と直列に接続される第２組電池に含まれる電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が印加される複数の第２端子と、前記第１端子および前記第２端子に入力される電圧に基づいて、前記電池セルの電圧を算出して出力する電池監視回路と、前記電池監視回路からの制御信号に従って、前記複数の第１端子および前記複数の第２端子から前記電池監視回路へ延びた配線同士の接続を切替えるセルバランス回路と、最も高電位側の前記第１端子から前記電池監視回路へ延びた配線から、最も高電位側の前記第２端子から前記電池監視回路へ延びた配線に向かって順方向に接続されたツェナーダイオードと、を備えた第１基板と、を備えた電池モジュール。
2. 請求項１記載の電池モジュールと、
   複数の電池セルを含む前記第２組電池と、
   前記第２組電池の前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第４端子と、前記第４端子と電気的に接続した複数の第３端子と、を備え、最も高電位側の前記第４端子は、２つの前記第３端子と接続した第２基板と、を備えた第２基板を含む第２電池モジュールを更に備え、
   前記第２端子の数と前記第３端子との数は同じであり、前記第２組電池の正極端子電圧あるいは負極端子電圧は、前記第２基板の前記第４端子および前記第３端子を介して前記第２端子へ供給される電源装置。
3. 複数の電池セルを含む第１組電池と、
   前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第１端子と、出力端子と、前記複数の第１端子と前記出力端子との間に延びた第１配線群と、入力端子と、前記入力端子から延びた第３配線群と、前記第３配線群に含まれる複数の配線のそれぞれが接続された電池監視回路と、前記電池監視回路からの制御信号に従って前記第３配線群から前記電池監視回路へ延びた配線同士の接続を切替えるセルバランス回路と、を備えた第１基板と、を備えた電池モジュール。
4. 請求項３に記載の電池モジュールと、
   複数の電池セルを含む前記第２組電池と、
   前記第２組電池の前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第４端子と、前記出力端子と電気的に接続する第２入力端子と、第２出力端子と、前記第２入力端子から前記第２出力端子へ延びた複数の配線と前記複数の第４端子から前記第２出力端子へ延びた複数の配線を含む第２配線群と、を含む第２基板と、を備えた第２モジュールを更に備え、
   前記第１配線群は、前記出力端子と前記第２入力端子とが電気的に接続し、前記入力端子と前記第２出力端子とが電気的に接続したときに、前記第２配線群を介して前記第３配線群と電気的に接続される電源装置。
5. 複数の電池セルを含む第１組電池と、
   前記複数の電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が入力される複数の第１端子と、前記第１組電池と直列に接続される第２組電池に含まれる電池セルの正極端子電圧あるいは負極端子電圧が印加される複数の第２端子と、前記第１端子および前記第２端子に入力される電圧に基づいて、前記電池セルの電圧を算出して出力する電池監視回路と、前記電池監視回路からの制御信号に従って、前記複数の第１端子および前記複数の第２端子から前記電池監視回路へ延びた配線同士の接続を切替えるセルバランス回路と、前記第１組電池の正極端子と前記複数の第２端子とを接続するコネクタと、を含む第１基板と、を備えた電池モジュール。