JP4560825B2

JP4560825B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4560825B2
Application number: JP2000332672A
Authority: JP
Inventors: 達弘福沢; 幹夫川合; 止小川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002142353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電池を接続して成る組電池に係り、更に詳細には、リチウムイオン二次電池などの単電池を適切に接続して構成された組電池に関するものであり、かかる組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーや大気汚染問題などの面から、電気自動車やハイブリッド自動車の必要性が高まっており、電気自動車電源用電池の重要性も高まっている。かかる電気自動車電源用電池の重要な技術の一つとして、信頼性の確保が挙げられ、電池に異常が生じた際には、異常電池を系から独立させて、他の電池への影響を少なくし、その後の車の走行を妨げない技術が求められている。
このような技術としては、従来、単電池又は単電池を直列に接続した電池群を並列に接続して構成した組電池において、単電池又は直列電池群にヒューズを直列に接続したものが提案されている（特開平５−２５０９７９号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来技術のように、ただ単にヒューズを電池に対して直列に接続しただけでは、下記の理由から、電気自動車電源用の電池としては十分な信頼性が確保されないという課題があった。
即ち、常に一定の負荷電流が流れる電池については、ヒューズの溶断電流値を負荷電流値の近くに設定し、小さな過大電流でヒューズを溶断させることができるが、車両電源用電池には極めて大きな電流が流れ、通常走行時の負荷電流と最大負荷電流（最大負荷電流を流すことはあまりないが）との差が大きく、負荷変動も大きいため、これに使用されるヒューズには大容量であることが要求され、このような大容量ヒューズでは、例えば電池に微小短絡が生じた際の小さな漏れ電流は検出できない可能性があった。
【０００４】
また、異常電池が生じた際にも、車両が安全な場所へ移動するための動力源は残す必要があり、このことを考慮すると、特に電気自動車やシリーズハイブリッド自動車においては、異常時に全ての電池を一度に負荷から切り離すことは難しいという課題もあった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、電池に生じた微小短絡等の異常を確実に検出し、異常電池を系から切り離し、且つ異常の起こった電池の悪影響が他の並列電池に及ぶことなく必要最低限の動力は確保できる組電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電池並列回路においても電池の異常検出を可能にし、電池に異常が生じた際にその異常を電圧計などで検出し、その信号を受けて上記電池に並列に接続された電流バイパス回路に大電流を流し、確実に回路を遮断することにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の組電池は、電池を並列に接続した組電池において、
該電池の異常を検出する手段と、この各電池に並列に接続された、通電を制御する手段と抵抗体を有する電流バイパス回路と、このバイパス回路と上記電池に直列に接続された、過電流により回路を電気的に遮断する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の組電池の好適形態は、上記電池が、複数の単電池が直列に接続された電池群であることを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の組電池の他の好適形態は、上記電池の異常を検出する手段が、上記直列電池群の一部又は全部の電圧を電圧計で検出し、該電圧が所定値を超えたとき、異常と判断することを特徴とし、この場合、上記電圧計が上記電池ごとに設置されており、いずれかの上記電池が所定値以上の電圧を示したとき、その電圧を該電池に並列に接続された上記電圧計が検出し、上記バイパス回路のスイッチに信号を送り、このバイパス回路を閉状態にすることが望ましい。
【００１０】
更にまた、本発明の組電池の他の好適形態は、上記単電池の平均電圧をＶ（Ｖ）、その内部抵抗をｒｃ（Ω）、上記直列電池群の直列接続数をｍ（個）、当該組電池の並列接続数をｎ（個）、通常時最大負荷電流を（Ｉｍａｘ）としたとき、
上記ヒューズの容量が２Ｉｍａｘであり、上記バイパス回路の抵抗値が、（ｍＶ／２Ｉｍａｘ）−（ｒｃｍ／ｎ）（Ω）以下であることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明の組電池においては、並列に接続した電池又は複数の単電池を直列に並べた直列電池群の異常を検出する手段と、通電を制御する手段と、抵抗体を有する電流バイパス回路を組合せたことにより、微小短絡など、ヒューズ等が検知できなかった異常を確実に検出して、異常の起こった電池を回路から早期に切り離し、上記異常の起こった電池の悪影響（短絡による他の電池の過放電など）が他の電池に及ぶことなく、組電池として必要最低限の動力を確保することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の組電池について詳細に説明する。
本発明の組電池は、電池を並列に接続して成り、上記電池の一部又は全部の異常を検出する手段（以下、「異常検出手段」と略す）と、この各電池に並列に接続された、通電を制御する手段（以下、「通電制御手段」と略す）と抵抗体を有する電流バイパス回路と、このバイパス回路と上記電池に直列に接続された、過電流により回路を電気的に遮断する手段（以下、「回路遮断手段」と略す）と、を備える。また、上記電池としては、複数の単電池が直列に接続された電池群を適用することができる。
【００１３】
ここで、上記異常検出手段としては、精度の良さから、例えば電圧計で所定値を超えたことにより異常を検出することが適当である。また、上記通電制御手段としては、利便性、確実性の面から、例えばスイッチが適当である。更に、回路遮断手段としては、信頼性の面から、例えばヒューズが適当である。
【００１４】
また、上記単電池の平均電圧をＶ（Ｖ）、上記単電池の内部抵抗をｒｃ（Ω）、上記直列電池群の直列接続数をｍ（個）、当該組電池の並列接続数をｎ（個）、通常時最大負荷電流を（Ｉｍａｘ）としたとき、上記ヒューズの容量は、安全率を考慮すると、通常使用時の最大負荷電流の２倍が適当であり、上記バイパス回路の抵抗値は、（ｍＶ／２Ｉｍａｘ）−（ｒｃｍ／ｎ）（Ω）以下であることが好ましい。
【００１５】
更に、上記単電池としては、ナトリウム硫黄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウム電池及びリチウムイオン電池などが例示できる。特に、並列組電池への適性、電気自動車電源用電池としての適性などの面から、正極にマンガン酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池を使用することが好ましい。また、リチウムイオン電池は、外部短絡が起こっても電池に問題が起こらないため、バイパス回路の抵抗の最小値は０Ωにできる。
【００１６】
次に、上述した本発明の組電池を好適実施形態に基づき、説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に示すように、この組電池８では、単電池１ごとに異常検出手段の一例である電圧計２が接続され、また、単電池１が成す直列電池群７には、通電制御手段の一例であるスイッチ４と抵抗体５を有する電流バイパス回路３が並列に接続され、この電流バイパス回路３と直列電池群７には上記回路遮断手段の一例であるヒューズ６が直列に接続されている。また、スイッチ４は各電圧計２と接続されたスイッチコントローラー９により開閉制御できる。
単電池１としては、正極にマンガン酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池が用い、この組電池８はハイブリッド自動車に設置されている。
【００１８】
また、この組電池８は、いずれかの単電池の異常電圧を電圧計２により検出し、異常が生じている直列電池群７に接続されたバイパス回路３に、スイッチ４により電流を流すことができる。バイパス回路３に電流が流されると、過電流によりヒューズ６に過電流が流されるので、異常電池を含む回路を系から独立させることができる。
【００１９】
更に、この組電池８は、上記単電池の平均電圧をＶ（Ｖ）、単電池の内部抵抗をｒｃ（Ω）、直列電池群の直列接続数をｍ（個）、組電池の並列接続数をｎ（個）、通常時最大負荷電流を（Ｉｍａｘ）としたとき、ヒューズの容量が２Ｉｍａｘであり、上記バイパス回路の抵抗値が、（ｍＶ／２Ｉｍａｘ）−（ｒｃｍ／ｎ）（Ω）以下となる。
【００２０】
以上説明した組電池８において、内部短絡等の異常が発生した際に、異常電池の電流の遮断は、包括的に行うことが望ましく、代表的には図２に示すフローチャートに従って実行することができる。
【００２１】
以下、図２に示すフローチャートをプロセス順に説明する。
まず、プロセス１（以下、［Ｐ１］のように略す）では、各単電池１の電圧が測定される。例えば内部短絡等の異常が生じた際には、その異常は単電池の電圧異常として、電圧計２で検出される。
次いで、電圧計２で検出された電圧が異常電圧（この電池の場合は４．３Ｖ超えるとき又は１．５Ｖ未満のとき）であるかが判定される［Ｐ２］。検出された電圧がかかる範囲内にあるとき（Ｙｅｓのとき：１．５〜４．５Ｖ）は、通常の使用が続行される。
【００２２】
検出された電圧が異常電圧であるとき（Ｎｏのとき：４．３Ｖ超えるとき又は１．５Ｖ未満のとき）は、電圧計２に接続されたスイッチコントローラー９からバイパス回路３のスイッチ４に信号が送られ、スイッチが閉状態になる［Ｐ３］。
バイパス回路３のスイッチ４が閉状態になると、通常は電流が流れていないバイパス回路３に電流が流れる［Ｐ４］。このときの電流値は通常使用時の最大負荷電流値の２倍以上であり、ヒューズ６を溶断するのに十分な電流値であるため、ヒューズ６が溶断し、直列電池群７が開放状態になる［Ｐ５］。
【００２３】
また、異常電池を含む直列電池群は、ヒューズ溶断後もバイパス回路に電流を流しつづけるため、穏やかに電圧０Ｖに到達し、その後は電池として機能しなくなる［Ｐ６］。
一方、異常単電池を含まない他の直列電池群には、何の影響も及ばないため、車両として使用できる最大出力は低下するものの、車両の走行は依然として可能であり、安全な場所に移動して修理等を行うことが可能である［Ｐ７］。
【００２４】
以上説明したように、上記組電池は、安全且つヒューズを溶断するのに十分な電流をヒューズに流すことができ、直列電池群とバイパス回路に直列に接続されているヒューズを確実に溶断し、異常電池を含む直列電池群のみを並列回路から切り離すことができる。
また、異常電池を含む直列電池群は、ヒューズ溶断後もバイパス回路に電流を流しつづけるため、穏やかに電圧０Ｖに到達し、異常電池を安全に処理することができる。
更に、異常電池を含む直列電池群以外の直列電池群への通電は保たれるため、それ以降の車両走行も可能である。
更にまた、バイパス回路を、通常使用時における電池容量バラツキ調整に使用することも可能である。
また、上記組電池は、大出力及び大容量を確保できるため、ハイブリッド自動車用の電池に限られず、信頼性の高い電気自動車用の電力供給源などにも使用できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電池並列回路においても電池の異常検出を可能にし、電池に異常が生じた際にその異常を電圧計などで検出し、その信号を受けて上記電池に並列に接続された電流バイパス回路に大電流を流し、確実に回路を遮断することとしたため、電池に生じた微小短絡等の異常を確実に検出し、異常電池を系から切り離し、且つ異常の起こった電池の悪影響が他の並列電池に及ぶことなく必要最低限の動力は確保できる組電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組電池の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態における異常電池の電流の遮断方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１単電池
２電圧計
３電流バイパス回路
４スイッチ
５抵抗体
６ヒューズ
７直列電池群
８組電池
９スイッチコントローラー

Claims

電池を並列に接続した組電池において、
該電池の異常を検出する手段と、この各電池に並列に接続された、通電を制御する手段と抵抗体を有する電流バイパス回路と、このバイパス回路と上記電池に直列に接続された、過電流により回路を電気的に遮断する手段と、を備えることを特徴とする組電池。
上記電池が、複数の単電池が直列に接続された電池群であることを特徴とする請求項１記載の組電池。
上記電池の異常を検出する手段が、上記直列電池群の一部又は全部の電圧を電圧計で検出し、該電圧が所定値を超えたとき、異常と判断することを特徴とする請求項２記載の組電池。
上記通電を制御する手段がスイッチであり、上記過電流により回路を電気的に遮断する手段がヒューズであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の組電池。
上記電圧計が上記電池ごとに設置されており、いずれかの上記電池が所定値以上の電圧を示したとき、その電圧を該電池に並列に接続された上記電圧計が検出し、上記バイパス回路のスイッチに信号を送り、このバイパス回路を閉状態にすることを特徴とする請求項３又は４記載の組電池。
上記単電池の平均電圧をＶ（Ｖ）、その内部抵抗をｒｃ（Ω）、上記直列電池群の直列接続数をｍ（個）、当該組電池の並列接続数をｎ（個）、通常時最大負荷電流を（Ｉｍａｘ）としたとき、上記ヒューズの容量が２Ｉｍａｘであり、上記バイパス回路の抵抗値が、（ｍＶ／２Ｉｍａｘ）−（ｒｃｍ／ｎ）（Ω）以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの項に記載の組電池。
上記単電池として、正極にマンガン酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池を用いたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つの項に記載の組電池。
正極にマンガン酸リチウム、負極にカーボンを使用したリチウムイオン二次電池から成る複数の単電池が直列に接続された直列電池群を並列に接続した組電池において、
上記直列電池群の一部又は全部の電圧を電圧計で検出し、該電圧が所定値から外れたとき異常と判断する異常検出手段と、
スイッチと抵抗体を有し、上記直列電池群のそれぞれに並列に接続された電流バイパス回路と、
このバイパス回路と上記直列電池群に直列に接続されたヒューズを備えたことを特徴とする車両用組電池。