JP5976634B2 - 電源装置及び電源装置を備える車両 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池セルを金属プレートで接続している電源装置及び電源装置を備える車両に関し、特にハイブリッド車、燃料電池自動車、電気自動車、電動オートバイ等の電動車両を駆動するモータの電源用、あるいは家庭用、工場用の蓄電用途等に使用される大電流用の電源装置に最適な電源装置及び電源装置を備える車両に関する。

電源装置は、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高く、また並列に接続して充放電電流を大きくできる。したがって、自動車を走行させるモータの電源に使用される大電流、大出力用の電源装置は、複数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くしている。この種の用途に使用される電源装置は、大きな電流で充放電されるので、複数の電池セルを電気抵抗の小さい金属プレートで接続している。（特許文献１参照）

特開平５−３４３１０５号公報 特開２０１１−０６０６２３号公報

複数の電池セルを積層してこれらを直列及び並列に接続して電源装置を構成する場合、各電池セルの電極端子同士を、金属プレートで構成したバスバーで接続する。例えば電池セルに、外装缶が角型の角型電池セルを用いる場合、これを積層した電池積層体では、細長い短冊状のバスバーを用いて、隣接する電池セルの電極端子同士を接続する。図２９に示す電池積層体の例では、電池セル１を３並５直に接続して、バスバーＢＢで連結している。

一方で、電源装置の異常を監視するため、電源装置全体の出力電圧のみならず、各電池セルや複数の電池セルを接続したブロック単位で電圧を検出することが行われている。例えば、リチウムイオン二次電池の電池セルを積層した電源装置においては、各電池セルの電圧を検出するために、バスバー毎に電圧検出線を接続している。

しかしながら、このようなバスバーを利用した電圧検出においては、バスバー自体の持つ抵抗によって、測定誤差が生じることを本発明者らは見出した。すなわち、従来バスバーは抵抗率の小さい銅製やアルミニウム製であり、その抵抗値は微々たるものであって無視できるレベルと考えられていたところ、電圧検出タブをバスバーと固定する位置が異なることによって、個々のセル電圧に加算されるバスバーの抵抗成分による電圧降下も異なることを本発明者らは実験により見出した。

ここで抵抗値は長さに比例するため、バスバーが細長い場合は、長さ方向の位置に応じてバスバーの抵抗値も異なる。特に、並列接続される電池セル数が多くなるほど、バスバーが長くなる。また一方で、近年の電源装置の高出力化、大容量化に伴い、使用する電池セルの数は多くなる傾向にあるところ、いずれか一の電池セルに異常が発生すると、他の電池セルにも影響が及ぶ可能性があるため、多くの電池セルを使用する場合は特に、各電池セルの監視が安全性の確保の面から重要となる。よって、正確に電池セルの状態を把握するために、より正確な電圧検出が求められているところである。

その一方で、金属製のバスバーを同一の材質で構成すると、腐食が生じるという問題がある。例えば特許文献１の電源装置では、図３０に示すように、バスバーを構成する金属プレート３２の両端を電池セル３１の電極端子にナットで固定している。すなわち、金属プレート３２の貫通孔に電極端子を挿入し、電極端子の雄ネジにナットをねじ込んで金属プレート３２を電極端子に固定している。この構造の電源装置は、正負の電極端子を異種金属とする電池セル３１にあっては、金属プレート３２と正負の電極端子との接触面を同じ金属にできない。たとえば、正負の電極端子を銅とアルミニウムとからなる異種金属とするリチウムイオン二次電池にあっては、金属プレートを銅板とすると、アルミニウムの電極端子との接触面が異種金属となる。金属プレートと電極端子の接触面を異種金属とする電源装置は、異種金属の接触面で電食による腐食が発生して、長期間にわたって安定して密着できない欠点がある。電食は異種金属の間に電流が流れ、この電流が金属を電気分解して腐食させることで発生する。

そこで、図３１に示すように、異種金属を張り合わせたクラッド材でバスバーを構成することが提案されている。例えば、銅板とアルミニウム板を組み合わせたクラッド材でバスバーを構成し、アルミニウム板を正極に、銅板を負極に、それぞれ接触させて導通させることができる（特許文献２参照）。

しかしながら、このような異種金属を組み合わせたクラッド材のバスバーで電圧検出を行う場合は、特に細長いバスバーを利用する場合、バスバーに電圧検出用の端子（電圧検出タブ）を設ける位置によって、検出される抵抗値にバスバー自体の抵抗値が異なってしまうという問題があった。特にクラッド材を構成する材質の違いによっても導電率すなわち抵抗値が異なるため、一層誤差が複雑となる。例えばアルミニウムの導電率は銅の約６０％程度であるため、同じ形状でも抵抗値が異なってしまう。さらに加えて、銅製の電圧検出タブを用いる場合、アルミニウムと銅を用いたクラッド材のバスバーに、電圧検出タブを固定するためにレーザ溶接を行うと、材質同士の相性から、アルミニウム側でなく銅側で接続する必要が生じる。このため、電圧検出タブの取付け位置がクラッド材の中間でなく、銅側にずれることから、各電極端子と電圧検出タブとのインピーダンスが異なってしまう問題が生じる。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、電池セルの電圧検出に際して誤差を抑制して正確な電圧検出が行えるようにした電源装置及び電源装置を備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電源装置によれば、電極端子を有する電池セルを複数積層してなる電池積層体と、隣接する電池セルの、電極端子同士を接続するための、一方向に延長されたバスバーと、前記バスバーと電気的に接続される電圧検出線と、前記バスバーと前記電圧検出線との間を電気的に接続する複数の電圧検出タブとを備え、前記バスバーは、第一金属と、該第一金属と異なる第二金属で構成されたクラッド材で構成され、前記バスバーはさらに、前記第一金属に設けられた、前記電極端子を固定する位置を規定する第一端子固定部と、前記第二金属に設けられた、前記電極端子を固定する位置を規定する第二端子固定部と、前記第一金属に設けられた、前記電圧検出タブを固定する位置を規定するタブ固定部と、を有してなる電源装置であって、前記第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスと略等しくすることができる。これにより、異種金属で構成されたクラッド材をバスバーに利用しても、各電圧検出タブで検出される、電池セルの電圧値の誤差を抑制でき、正確なセル電圧の検出が可能となる。

また第２の側面に係る電源装置によれば、前記第一金属の導電率を、前記第二金属の導電率よりも高くできる。

さらに第３の側面に係る電源装置によれば、前記第一端子固定部とタブ固定部との間の距離を、前記タブ固定部と第二端子固定部との間の距離よりも長くすることができる。これにより、第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスに近づけることができ、導電率差に起因する抵抗値の相違を補償できる。

さらにまた第４の側面に係る電源装置によれば、前記第一金属を、前記第二金属よりも薄くすることができる。これにより、第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスに近づけることができ、導電率差に起因する抵抗値の相違を補償できる。

さらにまた第５の側面に係る電源装置によれば、前記第一金属を、第一端子固定部とタブ固定部との間で、部分的に幅を狭く形成することができる。これにより、第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスに近づけることができ、導電率差に起因する抵抗値の相違を補償できる。

さらにまた第６の側面に係る電源装置によれば、前記第二金属の幅を、前記第一金属の幅よりも広く形成することができる。これにより、第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスに近づけることができ、導電率差に起因する抵抗値の相違を補償できる。

さらにまた第７の側面に係る電源装置によれば、前記第一金属が、２以上の第一端子固定部を有しており、前記第二金属が、２以上の第二端子固定部を有しており、前記第一金属における第一端子固定部同士の間のインピーダンスが、前記第二金属における第二端子固定部同士の間のインピーダンスと、ほぼ等しくすることができる。これにより、バスバーで２個以上の電池セルを並列に接続する態様においても、バスバーによる抵抗値の差を低減して、より正確なセル電圧の検出が可能となる。

さらにまた第８の側面に係る電源装置によれば、前記複数の第一端子固定部の内、第二金属と最も近接した第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記複数の第二端子固定部の内、第一金属と最も近接した第二端子固定部と前記タブ固定部との間のインピーダンスと略等しくすることができる。これにより、異種金属で構成されたクラッド材をバスバーに利用しても、各電圧検出タブで検出される、電池セルの電圧値の誤差を抑制でき、正確なセル電圧の検出が可能となる。

さらにまた第９の側面に係る電源装置によれば、前記バスバーを構成する第一金属と、前記電圧検出タブとを、同じ材質の金属で構成できる。これにより、バスバーと電圧検出タブとを、レーザ溶接などにより固定し易くできる。

さらにまた第１０の側面に係る電源装置によれば、前記バスバーを構成する第一金属が銅であり、第二金属がアルミニウムであり、前記電圧検出タブを銅製とできる。

さらにまた第１１の側面に係る電源装置によれば、電極端子を有する電池セルを複数積層してなる電池積層体と、隣接する電池セルの、電極端子同士を接続するための、一方向に延長されたバスバーと、前記バスバーと電気的に接続される電圧検出線と、前記バスバーと前記電圧検出線との間を電気的に接続する複数の電圧検出タブと、を備え、前記バスバーが、隣接する一方の電池セルの電極端子を固定する位置を規定する第一端子固定部と、隣接する他方の電池セルの電極端子を固定する位置を規定する第二端子固定部と、前記第一端子固定部及び第一端子固定部の間に配置され、前記電圧検出タブを固定する位置を規定するタブ固定部と、を有してなる電源装置であって、前記第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスと略等しくすることができる。これにより、各電圧検出タブで検出される、電池セルの電圧値の誤差を抑制でき、正確なセル電圧の検出が可能となる。

さらにまた第１２の側面に係る電源装置によれば、前記電圧検出タブを、前記バスバーとレーザ溶接することができる。

さらにまた第１３の側面に係る電源装置によれば、前記電圧検出タブを、前記フレキシブル基板とリフローで接合することができる。

さらにまた第１４の側面に係る電源装置によれば、前記電圧検出線を、各バスバーと電気的に接続される検出線を複数纏めた、一方向に延長されたフレキシブル基板で構成できる。これにより、複数本の検出線を纏めて扱いやすくできる。

さらにまた第１５の側面に係る電源装置によれば、前記バスバーは、前記電池セルの積層方向と略平行な姿勢に配置されており、前記フレキシブル基板は、前記バスバーと略平行な姿勢に配置されており、前記電圧検出タブは、前記バスバーと前記フレキシブル基板との間を橋渡すようにして接続できる。これにより、フレキシブル基板とバスバーとを接続する電圧検出タブを短くでき、構成を簡素化できる利点が得られる。

さらにまた第１６の側面に係る電源装置によれば、前記電池セルを、外形を角型とする角形電池セルとできる。これにより、角型電池セルを積層した電池積層体において、体積高率を向上させることができ、バスバーを効率よく配置できる。

さらにまた第１７の側面に係る電源装置を備える車両には、上記電源装置を利用できる。

本発明の一実施例に係る電源装置の斜視図である。 図１に示す電源装置の分解斜視図である。 図１に示す電源装置の電池セルと絶縁スペーサの積層構造を示す分解斜視図である。 電池セル１０個をバスバーを用いて２並５直に接続した電池積層体を示す模式平面図である。 電圧検出タブの固定位置をバスバーの中央とした例を示す模式平面図である。 セル電圧の計算方法示す模式平面図である。 クラッド材のバスバーに電圧検出タブを固定する部位を示す拡大斜視図である。 クラッド材のバスバーでセル電圧の計算方法を示す模式平面図である。 図８の等価回路を示す回路図である。 バスバーの模式平面図である。 実施の形態に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式側面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 ２並列接続用のバスバーを用いた電池積層体を示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 変形例に係るバスバーを示す模式平面図である。 ５並列接続用のバスバーを用いた電池積層体を示す模式平面図である。 図２２の等価回路を示す回路図である。 図２３の等価回路を示す回路図である。 冷媒冷却を用いた電源装置を示す模式斜視図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 蓄電用の電源装置に適用する例を示すブロック図である。従来例 電池セルを３並５直に接続した電池積層体を示す模式平面図である。 従来のバッテリモジュールを示す模式平面図である。 クラッド材で構成したバスバーを示す模式斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置及びこれを備える車両を例示するものであって、本発明は電源装置及びこれを備える車両を以下のものに特定しない。また、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

図１〜図２に、本発明の実施例１に係る電源装置として、主としてハイブリッド車や電気自動車などの電動車両に搭載されて、車両の走行モータに電力を供給して、車両を走行させる電源に使用される電源装置１００の斜視図を示す。この図に示す電源装置１００は、電極端子２を有する角形電池セル１を複数積層してなる電池積層体と、隣接する電池セル１の、電極端子２同士を接続するための、一方向に延長されたバスバーＢＢと、バスバーＢＢと電気的に接続される電圧検出線２０と、バスバーＢＢと電圧検出線２０との間を電気的に接続する複数の電圧検出タブＴＢとを備える。

電池積層体は、複数の電池セル１を互いに絶縁して積層状態に固定している。電池セル１は角形電池セルである。さらに、電池セル１は、リチウムイオン電池からなる角形電池セルである。ただし、本発明の電源装置は、電池セルを角形電池セルには特定せず、円筒形の電池セルも利用できる。またリチウムイオン二次電池にも特定せず、たとえばニッケル水素電池なども使用できる。角形電池セル１は、図３に示すように、正負の電極板を積層している電極体を外装缶１１に収納して電解液を充填して、開口部を封口板１２で気密に密閉したものである。図の外装缶１１は、底を閉塞する四角い筒状に成形したもので、上方の開口部を封口板１２で気密に閉塞している。また、電池セル１同士の間に、必要に応じて絶縁性のスペーサ４が介在させることで、これらの間を絶縁できる。

外装缶１１は、アルミニウムなどの金属板を深絞り加工したもので、表面が導電性を有する。積層される電池セル１は薄い角形に成形される。封口板１２は外装缶１１と同じ金属であるアルミニウムなどの金属板で製作される。封口板１２は、正負の電極端子２を両端部に、絶縁材１３を介して固定している。正負の電極端子２は内蔵する正負の電極板に接続される。リチウムイオン二次電池は、外装缶１１を電極に接続しない。ただ、外装缶１１は電解液を介して電極板に接続されることから、正負の電極板の中間電位となる。ただし、電池セルは、一方の電極端子をリード線で外装缶に接続することもできる。この電池セルは、外装缶に接続される電極端子を絶縁することなく封口板に固定できる。

電源装置１００は、複数の電池セル１を積層して直方体のブロック状の電池積層体としている。電池セル１は、電極端子２を設けている面、図にあっては封口板１２を同一平面となるように積層してブロック状としている。図１〜図２の電源装置１００は、ブロックの上面に電極端子２を配設している。電源装置１００は、封口板１２の両端部にある正負の電極端子２が左右逆となる状態で積層している。この電源装置１００は、図に示すように、ブロックの両側で隣接する電極端子２をバスバーＢＢで連結して、電池セル１を直列に接続している。バスバーＢＢは、その両端部を正負の電極端子２に接続して、電池セル１を直列に接続する。図の電源装置１００は、電池セル１を直列に接続して出力電圧を高くしているが、本発明の電源装置は、電池セルを直列と並列に接続して、出力電圧と出力電流を大きくすることもできる。

電極端子２は、絶縁材１３を介して封口板１２に固定されて、その先端部を筒状としている。筒状の電極端子２は、カシメ加工によって先端にカシメリングを設けることができる。ただし、本発明の電源装置は、必ずしも電極端子をカシメ加工してカシメリングを設ける構造とはしない。電極端子の上端面に、バスバーを溶接して固定することができるからである。この電極端子は、円柱状とし、あるいは多角柱状とし、あるいは上端面の外側に突出するようにリングを設けた形状として、上端面にバスバーを溶接して接続する。

電池セル１は、正負の電極端子２を同じ金属でなくて、異なる金属としている。リチウムイオン電池は、正極２Ａをアルミニウム、負極２Ｂを銅とする。バスバーＢＢは、その両端部を異なる金属として、電極端子２に同じ金属を接続している。銅とアルミニウムを電極端子２とする電池セル１に接続されるバスバーＢＢは、第二金属３Ｂをアルミニウム板、第一金属３Ａを銅板として、第二金属３Ｂと第一金属３Ａとを密着状態に接合している。
（バスバーＢＢ）

バスバーＢＢは、均質な金属板とする他、第一金属３Ａと、この第一金属３Ａと異なる第二金属３Ｂで構成されたクラッド材とすることもできる。バスバーＢＢには、電圧検出タブＴＢを固定して、セル電圧を検出している。ここでバスバーＢＢを構成する第一金属３Ａと電圧検出タブＴＢとは、同じ材質の金属で構成することが好ましい。バスバーＢＢと電圧検出タブＴＢとを同じ材質とすることで、レーザ溶接などにより固定し易くできる。

このようなバスバーＢＢを利用した電圧検出においては、バスバーＢＢ自体の持つ抵抗、すなわちインピーダンスによって、測定誤差が生じる。例えば図４に示す電池セル１０個をバスバーＢＢを用いて２並５直に接続した電池積層体を考える。ここでは２個の電池セルが並列接続された１組の組電池セルＫＣ１〜５のセル電圧を、各バスバーＢＢに電圧検出タブＴＢ１〜６を接続して、タブ検出電圧の差分から検出する。この場合、電圧検出タブＴＢをバスバーＢＢに接続する位置によって、セル電圧値に加算されるバスバーＢＢの抵抗成分による電圧降下分が変化することが判明した。特に、バスバーＢＢと電圧検出タブＴＢとをレーザ溶接する場合は、バスバーＢＢ自体が上述の通り銅製であるため、同一金属である銅同士の溶接とすることが、異種金属間合金の生成を避けて安定的な強度を得るためにも好ましい。この結果、バスバーＢＢと電圧検出タブＴＢとの接合位置は、バスバーＢＢの中央とならず、第１金属３Ａ側にずれた位置となる傾向にある。

図４の例では、このような中央からずれた固定位置を分かり易く示すため、電圧検出タブＴＢ１〜６の固定位置を誇張して図示している。また、電圧検出タブＴＢ２を接続したバスバーＢＢ２の、電圧検出タブＴＢ１の固定位置と組電池セルＫＣ１の電極端子２の固定位置との間の抵抗値を、Ｃ［Ω］とする。なお、電圧検出タブＴＢ２はバスバーＢＢ２において組電池セルＫＣ２の電極端子２の位置で固定されており、このため組電池セルＫＣ２の電極端子２の固定位置と電圧検出タブＴＢの固定位置との間におけるバスバーＢＢ２の抵抗値は、ほぼ０となる。同様に、電圧検出タブＴＢ３を接続したバスバーＢＢ３の、電圧検出タブＴＢと組電池セルＫＣ２との間の抵抗値を０、電圧検出タブＴＢと組電池セルＫＣ３との間の抵抗値をＡとする。また電圧検出タブＴＢ４を接続したバスバーＢＢ４の、組電池セルＫＣ３と電圧検出タブＴＢとの間の抵抗値をＤ、電圧検出タブＴＢと組電池セルＫＣ４との間の抵抗値を０とし、さらに電圧検出タブＴＢ５を接続したバスバーＢＢ５の、電圧検出タブＴＢと組電池セルＫＣ４との間の抵抗値を０、電圧検出タブＴＢと組電池セルＫＣ５との間の抵抗値をＢとする。

この図において、組電池セルＫＣ１のセル電圧は、本来的には電圧検出タブＴＢ１と電圧検出タブＴＢ２との間に発生するタブ検出電圧で表されるべきところ、タブ検出電圧の実測値は、組電池セルＫＣ１のセル電圧に、Ｃ［Ω］×電流の電圧分が加算された値となっている。一方、組電池セルＫＣ２のセル電圧は、電圧検出タブＴＢ２と電圧検出タブＴＢ３との間に発生するタブ検出電圧とほぼ等しくなる。また組電池セルＫＣ３のセル電圧は、電圧検出タブＴＢ３と電圧検出タブＴＢ４との間のタブ検出電圧から、Ａ＋Ｄ［Ω］×電流の電圧分が加算された値となる。さらに組電池セルＫＣ４のセル電圧は、電圧検出タブＴＢ４と電圧検出タブＴＢ５との間に発生するタブ検出電圧とほぼ等しく、最後に組電池セルＫＣ５のセル電圧は、電圧検出タブＴＢ５と電圧検出タブＴＢ６との間のタブ検出電圧から、Ｂ［Ω］×電流の電圧分が加算された値となる。このように、各組電池セルＫＣのセル電圧は、単純に電圧検出タブＴＢで実測されたタブ検出電圧でなく、誤差を含んだ値となるため、複雑な計算を経て補正しないと、正確な電圧値を検出できない。

以上のようなバスバーへの電圧検出タブＴＢの取付位置に起因する電圧検出誤差の問題は、バスバーにクラッド材を用いた例に限られず、同一の金属で構成されたバスバーにおいても生じる。同一素材のバスバーを用いる場合は、図５に示すように、電圧検出タブＴＢの固定位置を、バスバーの中央、すなわち電圧検出タブＴＢから、各電極端子２までの距離を一定にすることで、バランスが保たれ、バスバーの抵抗成分による電圧の加算が均等化されて、真のセル電圧の算出を容易にできる。しかしながら、上述の通りクラッド材のバスバーを用いた構成においては、電圧検出タブＴＢから電極端子２までの距離を等しくしても、材質の相違から抵抗値が異なるため、このような単純な配置位置の調整では対応できないという問題があった。

そこで本実施例においては、このような誤差の計算を容易にするため、バスバーの構造自体を工夫して、インピーダンスを一致させるように調整している。
（バスバーが均質の場合のセル電圧の計算方法）

バスバーのインピーダンスを調整するために、セル電圧の計算方法を図６に基づいて説明する。この例では、バスバーＢＢを用いて電池セルを１０個、図４と同じく２並５直に接続した電池積層体を考える。また、図５と同じく、組電池セルＫＣ６〜１０同士の間にそれぞれ電圧検出タブＴＢを位置させている。さらにここではバスバーＢＢを均質な素材で構成されたものとし、そのインピーダンスを定数と考える。またインピーダンスの温度変化、経年変化は考慮していない。さらに電池セルの電極端子２は、各電池セルの厚さ方向においてほぼ中心に配置されているものとする。

図６において、２個の電池セルが並列接続された組電池セルＫＣ６で使用されている電池セルを、それぞれ電池セルａ、電池セルｂとする。また電圧検出タブＴＢ７を接続したバスバーＢＢ７の、電圧検出タブＴＢ６の固定位置と電池セルａの電極端子２の固定位置との間の抵抗値をＥ［Ω］、同じく電圧検出タブＴＢ７の固定位置と電池セルｂの電極端子２の固定位置との間の抵抗値をＦ［Ω］とし、一方電圧検出タブＴＢ８を接続したバスバーＢＢ８の、電圧検出タブＴＢ８の固定位置と電池セルａの電極端子２の固定位置との間の抵抗値をＧ［Ω］、同じく電圧検出タブＴＢ８の固定位置と電池セルｂの電極端子２の固定位置との間の抵抗値をＨ［Ω］とする。ここで電池セルａの電圧は、

電池セルａの電圧＝（組電池セルＫＣ６の電圧）−｛（Ｅ＋Ｇ）×電流｝となる。同じく電池セルｂの電圧は、

電池セルｂの電圧＝（組電池セルＫＣ６の電圧）−｛（Ｆ＋Ｈ）×電流｝となる。またバスバーＢＢのインピーダンスは、Ｅ＋Ｇ［Ω］≒Ｆ＋Ｈ［Ω］となるため、バスバーＢＢのインピーダンスを定数と考えれば、電池セルａと電池セルｂのセル電圧が演算できる。
（クラッド材）

上述の通り、バスバーには、単一の金属のみならず、異なる金属を接合したクラッド材が利用できる。ここでクラッド材で構成されたバスバーに、電圧検出タブＴＢを固定する様子を、図７の拡大斜視図に示す。
（電圧検出線２０）

この例では、電圧検出線２０がフレキシブル基板で構成されている。フレキシブル基板は、各バスバーＢＢと電気的に接続される検出線を複数纏めた紐状であり、薄くて嵩張らないため車載用の電源装置など、スペースが限られた位置への配置に適している。また、リフローで半田付けすることにより固定できることも、実装面において有利となる。このフレキシブル基板は、一方向に延長されたストリップ状に形成され、また電圧検出タブＴＢと電気接続するための半田付け片を中間に複数設けている。

フレキシブル基板は、電池セルの積層方向とほぼ平行な姿勢に配置される。またバスバーＢＢも、電池セルの積層方向とほぼ平行な姿勢に配置されている。このため、電圧検出タブＴＢは、バスバーＢＢとフレキシブル基板の半田付け片との間を橋渡すようにして接続できる。これにより、フレキシブル基板とバスバーＢＢとを接続する電圧検出タブＴＢを短くできる利点が得られる。また、予めタブにリフローできるように、フレキシブル基板の半田付け片は、タブと近接する位置に突出するように予め設計される。このようにして、電圧検出タブＴＢはフレキシブル基板とリフローで半田付けされ、一方バスバーＢＢとはレーザ溶接される。このため電圧検出タブＴＢは、材質を銅製とし、また表面を錫でめっきしている。
（バスバーにクラッド材を使用した場合のセル電圧の計算方法）

次に、バスバーとしてクラッド材を用いた場合の、セル電圧の計算方法を図８に基づいて説明する。ここでは、３個の電池セルを直列に接続した電池積層体を図示している。クラッド材のバスバーＢＢは、第一金属３Ａと第二金属３Ｂで構成される。第二金属３Ｂは、第一金属３Ａよりも熱伝導率の低い金属とする。ここでは、第一金属３Ａを銅製とし、第二金属３Ｂをアルミニウム製としている。また各バスバーＢＢには、電圧検出タブＴＢを固定して、セル電圧を検出している。ここで電圧検出タブＴＢは、銅製とし、表面を錫でめっきしている。よって、電圧検出タブＴＢは、同じ材質であるバスバーＢＢとレーザ溶接で確実に固定できる。その一方で、電圧検出タブＴＢと電圧検出線２０との間では半田のリフローで固定可能としている。

このため各バスバーＢＢには、電極端子２を固定する位置を規定する一以上の端子固定部と、電圧検出タブＴＢを固定する位置を規定するタブ固定部３ｔとを設けている。ここでは、第一金属３Ａには第一端子固定部３ａとタブ固定部３ｔが、第二金属３Ｂには第二端子固定部３ｂが、それぞれ設けられている。図８の構成において、バスバーＢＢ１３〜１６の各々における第一端子固定部３ａとタブ固定部３ｔとの間のインピーダンスをＺb、またタブ固定部３ｔと第二端子固定部３ｂとの間のインピーダンスをＺaとすると、図８の等価回路は図９のように表現できる。ここで第一端子固定部３ａとタブ固定部３ｔとの間のインピーダンスと、タブ固定部３ｔと第二端子固定部３ｂとの間のインピーダンスとを等しくできれば、すなわち図１０に示すバスバーＢＢにおいてＺa＝Ｚbとなるように設定できれば、セル電圧の補正が容易となる。

具体的には、第一金属３Ａと第二金属３Ｂの平面視における幅を調整してインピーダンスを一致させる。例えば図１１に示すように、第一金属３Ａの幅を小さくしインピーダンスを上げ、第二金属３Ｂと同等にする。または第二金属３Ｂの幅を大きくし、第二金属３Ｂのインピーダンスを下げて第一金属３Ａと同等にする。この際、第一金属３Ａと第二金属３Ｂとの境界は、図１１に示すように階段状とする他、図１２に示すように幅を徐々に変化させることで、段差部分でのハーネスの引っ掛かりなどを回避できる。幅の変化は、図１２に示すように直線状とする他、湾曲させてもよい。

あるいは、図１３に示すように、第一金属３Ａと第二金属３Ｂの厚さを調整してインピーダンスを一致させることもできる。例えば図１３に示すように、第一金属３Ａの厚さを薄くしてインピーダンスを上げ、第二金属３Ｂと同等にする。または第二金属３Ｂの厚さを厚くして第二金属３Ｂのインピーダンスを下げて第一金属３Ａと同等にしてもよい。またこの構成においても図１２と同様、厚さの変化は階段状に限られず、徐々に変化させることもできる。

さらには、図１４に示すように、第一金属３Ａにおいて第一端子固定部３ａとタブ固定部３ｔとの間にスリットや括れを設けて幅を部分的に狭くすることでも、同様にインピーダンスを上げる効果が得られる。この構成では、スリットや括れの深さを調整して、インピーダンスを微調整できる利点が得られる。あるいは、図１５に示すようにバスバーＢＢを蛇行させることでも、同様にインピーダンスを上げる効果が得られる。

また、バスバーＢＢの外形を変化させることなく、図１６に示すように第一金属３Ａと第二金属３Ｂの境界位置を変化させ、これによってタブ固定部３ｔの位置を調整可能とすることでも、同様にインピーダンスを調整できる。この構成では、バスバーＢＢの形状を従来と同じに維持できるので、バスバーＢＢの固定作業等を従来と同じくして作業効率の低下を回避できる。これらの構造は、単独で利用する他、複数の構造を組み合わせることも可能であることはいうまでもない。
（並列接続）

以上は、電池セルを直列接続するバスバーでセル電圧を検出する例を説明したが、電池セルを並列接続するバスバーにおいても、本発明を適用できる。このような例を、図１７に基づいて説明する。ここでは、電池セルを２並列で３組を直列に接続した電池積層体を示している。各バスバーＢＢは、第一金属３Ａに２つの端子固定部とタブ固定部３ｔを、第二金属３Ｂには２つの第二端子固定部３ｂを有している。図１７の構成において、第一端子固定部３ａ同士の間のインピーダンスをＺc、タブ固定部３ｔに近い側の第一端子固定部３ａとタブ固定部３ｔとの間のインピーダンスをＺd、また第二端子固定部３ｂ同士の間のインピーダンスをＺf、タブ固定部３ｔに近い側の第二端子固定部３ｂとタブ固定部３ｔとの間のインピーダンスをＺeとする。ここで合成インピーダンスＺｃ＋Ｚｄ＝Ｚe＋Ｚｆとなるように設定できれば、セル電圧の補正が容易となる。言い換えると、図１８に示すバスバーＢＢにおいて、Ｚｄ＝Ｚｅとなるように設定することが好ましい。さらにこれに加えてＺｃ＝Ｚｆとすることができれば、定数が３個から２個となり、セル電圧の補正演算が一層容易となる。これを実現するためには、上記と同様に、例えば図１９に示すように第一金属３Ａの幅を第二金属３Ｂよりも狭くし、または第二金属３Ｂの幅を第一金属３Ａよりも広くし、あるいはこれに加えて図２０に示すように変化分をなだらかにする。また、第一金属３Ａの厚さを第二金属３Ｂよりも薄くすることや、部分的に幅を狭くすること、蛇行させた形状とすることなども同様である。また、図２１に示すように、第一金属３Ａと第二金属３Ｂの境界位置を、第二金属３Ｂ側に移動させて、さらにタブ固定部３ｔを第二金属３Ｂ側に移動させることも可能であることは上記と同様である。

以上のようにして、異種金属で構成されたクラッド材をバスバーに利用しても、各電圧検出タブＴＢで検出される、電池セルの電圧値の誤差を抑制でき、正確なセル電圧の検出が可能となる。

なお以上の例では、電池セルのセル電圧を検出する例を説明したが、本発明はセル電圧に限られず、複数の電池セルの組み合わせで構成される電池積層体の電圧等、バスバーを用いて電圧を検出する用途において利用できる。
（５並）

上記は電池セルを２並列とした場合を説明した。ただ、本発明は並列数を２並列に限定せず、３並列以上とすることもできる。例えば、図２２に示すように電池セル１を５並列に接続する場合を考える。ここで、バスバーＢＢの抵抗成分をＲBとすると、５個の組電池セルのセル電圧を測定するために、各バスバーＢＢにそれぞれ電圧検出タブを固定したタブ固定部で検出されるセル電圧は、図２３のような回路で表現できる。ここで、電流の分流は電池セル１個とバスバーＢＢの抵抗ＲB４個分となる。よって、図２３は図２４のような回路でも表現できる。ここで、４ＲBの抵抗値を固定値とすれば、セル固定部で検出したセル電圧の測定値に基づいて、真のセル電圧の近似値を演算することが可能となる。

以上の例では、バスバーにクラッド材を用いた構成を説明したが、バスバーはクラッド材に限定されず、同一素材の金属板を用いたバスバーにおいても、同様に本発明を適用できる。すなわち、図５に示すようにバスバーＢＢ上において、仮に電圧検出タブＴＢを組電池セルＫＣの中間に配置することができれば、バスバーＢＢの電圧上昇分が均等化されるので、セル電圧の正確な検出が容易になる。しかしながら現実には、常に組電池セルの中間に電圧検出タブを配置できるとは限らず、また特に多数の電池セルを並列に接続するバスバーにおいては、電圧検出タブと電極端子とが近いものと遠いものが存在するため、抵抗の差が生じ得る。よってこのような場合において、位置毎の抵抗の差を低減するために、上述したバスバーの形状を適宜利用できる。
（冷媒による冷却方式）

なお、上記の例では電池セルの冷却を、電池セル同士の隙間に冷却空気を送風して冷却する空冷方式を採用しているが、これに限られず、冷媒を用いた冷却方式も利用できる。例えば、図２５に示す電源装置２００は、複数の電池セル１を接続した電池積層体１０と、電池積層体１０に熱結合されて電池１を冷却する冷却通路６と、冷却通路６に冷却媒体を供給する冷却機構７と、電池積層体１０に接続してなる電子回路を内蔵する電子部品ケース５とを備え、冷却機構７から冷却通路６に供給される冷却媒体が電池積層体１０を冷却する。冷却媒体で冷却される電池積層体１０は、冷却通路６の往路側に熱結合してなる過冷却側電池１０Ａと、冷却通路６の復路側に熱結合してなる加温側電池１０Ｂに区画している。組電池は、電子部品ケース５を電池積層体１０に熱結合状態で配置すると共に、電子部品ケース５を加温側電池１０Ｂよりも過冷却側電池１０Ａに接近して配設している。

以上の電源装置は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
（ハイブリッド車用電源装置）

図２６に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給する電源装置１００と、電源装置１００の電池を充電する発電機９４とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００の電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
（電気自動車用電源装置）

また図２７に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給する電源装置１００と、この電源装置１００の電池を充電する発電機９４とを備えている。モータ９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。
（蓄電用電源装置）

さらに、この電源装置は、移動体用の動力源としてのみならず、載置型の蓄電用設備としても利用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図２８に示す。この図に示す電源装置１００は、複数の電池パック８１をユニット状に接続して電池ユニット８２を構成している。各電池パック８１は、複数の電池セルが直列及び／又は並列に接続されている。各電池パック８１は、電源コントローラ８４により制御される。この電源装置１００は、電池ユニット８２を充電用電源ＣＰで充電した後、負荷ＬＤを駆動する。このため電源装置１００は、充電モードと放電モードを備える。負荷ＬＤと充電用電源ＣＰはそれぞれ、放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳを介して電源装置１００と接続されている。放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＦＦに切り替えて、充電用電源ＣＰから電源装置１００への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷ＬＤからの要求に応じて、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＦＦに、放電スイッチＤＳをＯＮにして放電モードに切り替え、電源装置１００から負荷ＬＤへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＮにして、負荷ＬＤの電力供給と、電源装置１００への充電を同時に行うこともできる。

電源装置１００で駆動される負荷ＬＤは、放電スイッチＤＳを介して電源装置１００と接続されている。電源装置１００の放電モードにおいては、電源コントローラ８４が放電スイッチＤＳをＯＮに切り替えて、負荷ＬＤに接続し、電源装置１００からの電力で負荷ＬＤを駆動する。放電スイッチＤＳはＦＥＴ等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチＤＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって制御される。また電源コントローラ８４は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図２８の例では、ＵＡＲＴやＲＳ−２３２Ｃ等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器ＨＴと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。

各電池パック８１は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、パック入出力端子ＤＩと、パック異常出力端子ＤＡと、パック接続端子ＤＯとを含む。パック入出力端子ＤＩは、他のパック電池や電源コントローラ８４からの信号を入出力するための端子であり、パック接続端子ＤＯは子パックである他のパック電池に対して信号を入出力するための端子である。またパック異常出力端子ＤＡは、パック電池の異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、電池パック８１同士を直列、並列に接続するための端子である。

さらにこの電源装置１００は、電池ユニット８２の均等化のための均等化モードを備える。電池ユニット８２は並列接続スイッチ８５を介して出力ラインＯＬに接続されて互いに並列に接続されている。このため電源コントローラ８４に制御される均等化回路８６を備えている。均等化回路８６によって、複数の電池ユニット８２間の電池残存容量のばらつきを抑制される。

本発明に係る電源装置及びこれを備える車両は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。

１００、２００…電源装置
１…電池セル
２…電極端子；２Ａ…正極；２Ｂ…負極
３Ａ…第一金属；３Ｂ…第二金属
３ａ…第一端子固定部；３ｂ…第二端子固定部；３ｔ…タブ固定部
４…スペーサ
５…電子部品ケース
６…冷却通路
７…冷却機構
１０…電池積層体；１０Ａ…過冷却側電池；１０Ｂ…加温側電池
１１…外装缶
１２…封口板
１３…絶縁材
２０…電圧検出線
３１…電池セル；３２…金属プレート
８１…電池パック
８２…電池ユニット
８４…電源コントローラ
８５…並列接続スイッチ
８６…均等化回路
９３…モータ
９４…発電機
９５…ＤＣ／ＡＣインバータ
９６…エンジン
ＫＣ１〜ＫＣ１０…組電池セル；ＢＢ、ＢＢ１〜ＢＢ１６…バスバー
ＴＢ、ＴＢ１〜ＴＢ１６…電圧検出タブ
ＥＶ、ＨＶ…車両
ＬＤ…負荷；ＣＰ…充電用電源；ＤＳ…放電スイッチ；ＣＳ…充電スイッチ
ＯＬ…出力ライン；ＨＴ…ホスト機器
ＤＩ…パック入出力端子；ＤＡ…パック異常出力端子；ＤＯ…パック接続端子

Claims (17)

1. 電極端子を有する電池セルを複数積層してなる電池積層体と、
   隣接する電池セルの、電極端子同士を接続するための、一方向に延長されたバスバーと、
   前記バスバーと電気的に接続される電圧検出線と、
   前記バスバーと前記電圧検出線との間を電気的に接続する複数の電圧検出タブと、
   を備え、
   前記バスバーは、第一金属と、該第一金属と異なる第二金属で構成されたクラッド材で構成され、
   前記バスバーはさらに、
   前記第一金属に設けられた、前記電極端子を固定する位置を規定する第一端子固定部と、
   前記第二金属に設けられた、前記電極端子を固定する位置を規定する第二端子固定部と、
   前記第一金属に設けられた、前記電圧検出タブを固定する位置を規定するタブ固定部と、
   を有してなる電源装置であって、
   前記第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスと略等しくしてなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記第一金属の導電率が、前記第二金属の導電率よりも高いことを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記第一端子固定部とタブ固定部との間の距離を、前記タブ固定部と第二端子固定部との間の距離よりも長くしてなることを特徴とする電源装置。
4. 請求項２又は３に記載の電源装置であって、
   前記第一金属を、前記第二金属よりも薄くしてなることを特徴とする電源装置。
5. 請求項２から４のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記第一金属を、第一端子固定部とタブ固定部との間で、部分的に幅を狭く形成してなることを特徴とする電源装置。
6. 請求項２から５のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記第二金属の幅を、前記第一金属の幅よりも広く形成してなることを特徴とする電源装置。
7. 請求項２から６のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記第一金属が、２以上の第一端子固定部を有しており、
   前記第二金属が、２以上の第二端子固定部を有しており、
   前記第一金属における第一端子固定部同士の間のインピーダンスが、前記第二金属における第二端子固定部同士の間のインピーダンスと、ほぼ等しくしてなることを特徴とする電源装置。
8. 請求項７に記載の電源装置であって、
   前記複数の第一端子固定部の内、第二金属と最も近接した第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記複数の第二端子固定部の内、第一金属と最も近接した第二端子固定部と前記タブ固定部との間のインピーダンスと略等しくしてなることを特徴とする電源装置。
9. 請求項２から８のいずれか一に記載の電源装置であって、
   前記バスバーを構成する第一金属と、前記電圧検出タブとが、同じ材質の金属で構成されてなることを特徴とする電源装置。
10. 請求項９に記載の電源装置であって、
    前記バスバーを構成する第一金属が銅であり、第二金属がアルミニウムであり、
    前記電圧検出タブが銅製であることを特徴とする電源装置。
11. 電極端子を有する電池セルを複数積層してなる電池積層体と、
    隣接する電池セルの、電極端子同士を接続するための、一方向に延長されたバスバーと、
    前記バスバーと電気的に接続される電圧検出線と、
    前記バスバーと前記電圧検出線との間を電気的に接続する複数の電圧検出タブと、
    を備え、
    前記バスバーが、
    隣接する一方の電池セルの電極端子を固定する位置を規定する第一端子固定部と、
    隣接する他方の電池セルの電極端子を固定する位置を規定する第二端子固定部と、
    前記第一端子固定部及び第一端子固定部の間に配置され、前記電圧検出タブを固定する位置を規定するタブ固定部と、
    を有してなる電源装置であって、
    前記タブ固定部は、前記タブ固定部から前記第一端子固定部までの距離と、前記タブ固定部から前記第二端子固定部までの距離が異なる位置に設けられており、
    前記バスバーは、前記第一端子固定部とタブ固定部との間のインピーダンスを、前記タブ固定部と第二端子固定部との間のインピーダンスと略等しくしてなるように、前記第一端子固定部から前記第二端子固定部までの間に形成されるインピーダンス調整部を含んでいることを特徴とする電源装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記電圧検出タブが、前記バスバーとレーザ溶接されてなることを特徴とする電源装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記電圧検出線が、各バスバーと電気的に接続される検出線を複数纏めた、一方向に延長されたフレキシブル基板で構成されてなることを特徴とする電源装置。
14. 請求項１３に記載の電源装置であって、
    前記電圧検出タブが、前記フレキシブル基板とリフローで接合されてなることを特徴とする電源装置。
15. 請求項１３に記載の電源装置であって、
    前記バスバーは、前記電池セルの積層方向と略平行な姿勢に配置されており、
    前記フレキシブル基板は、前記バスバーと略平行な姿勢に配置されており、
    前記電圧検出タブは、前記バスバーと前記フレキシブル基板との間を橋渡すようにして接続してなることを特徴とする電源装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記電池セルが、外形を角型とする角形電池セルであることを特徴とする電源装置。
17. 請求項１から１６のいずれか一に記載の電源装置を搭載してなる車両。

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