WO2022269836A1

WO2022269836A1 - 電池モジュール及び電池電源回路

Info

Publication number: WO2022269836A1
Application number: PCT/JP2021/023860
Authority: WO
Inventors: 和征榊原
Original assignee: 株式会社EViP
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-12-29

Abstract

【課題】安全な放電制御を行うことができるようにする。【解決手段】電池モジュールが、電池セル群と、放電専用端子と、充電専用端子と、を備え、放電専用端子から一方向性通電遮断素子を介して負荷へ電池セル群の放電電流を出力する一方、放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする。

Description

電池モジュール及び電池電源回路

　本発明は、電池モジュール及び電池電源回路に関する。

　近年、地球環境への配慮から、内燃機関すなわちエンジンで駆動するエンジン駆動式自動車がモータで駆動する電気自動車に置き換わりつつある。特に、前記電気自動車のモータを駆動するための電池電源にエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池が多く使用されている。

特開2014-183700号公報

　内部短絡に伴う異常発熱への対応が求められている。

　本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、安全な放電制御を行うことができる技術を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、電池モジュールであって、電池セル群と、放電専用端子と、充電専用端子と、を備え、前記放電専用端子から一方向性通電遮断素子を介して負荷へ前記電池セル群の放電電流を出力する一方、前記放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする。

　その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

　本発明によれば、安全な放電制御を行うことができる。

本実施形態に係る電池モジュール２の構成の概略を示す回路ブロック図である。本実施形態に係る電池電源回路１００の構成の概略を示す回路ブロック図である。内部短絡した少なくとも１個の内部短絡したリチウムイオン二次電池セルを含む２個の電池モジュール２間の外部短絡電流の流れ込みの状態を示す回路ブロック図である。本実施形態に係る電池モジュール２０の概略を示す回路ブロック図である。本実施形態に係る電池電源回路２００の概略を示す回路ブロック図である。本実施形態に係る電池電源回路２００のメインコントローラ１２０の制御の概略を示すフローチャート図である。

　図１に示すように、電池モジュール２は、複数のリチウムイオン二次電池セルが直列接続されて成る高電圧定格の電池セル群１を、充電電流および放電電流を双方向に通電または遮断するための通電遮断素子として極性を対向して直列接続したＦＥＴ４およびＦＥＴ５を介して端子７に接続する。モジュールコントローラ３０は、前記電池セル群１の内の少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルの電圧、または、シャント抵抗６の両端に現れる電圧すなわち前記電池セル群１の電流を検知し、それらの検知結果に応じて前記ＦＥＴ４およびＦＥＴ５をオンまたはオフに操作する。

　図２に示すように、電池電源回路１００は、例えば、３個の前記電池モジュール２を端子７を介して直列接続して電池モジュール２群を成し、前記電池モジュール２群が出力する高電圧定格の直流電圧を３相インバータ回路１０へ印加する。３相インバータ回路１０は入力した前記直流電圧を３相交流電圧に変換および出力し、３相モータ１１へ前記３相交流電圧を印加しその３相モータ１１の駆動を制御する。

　図３に示すように、電池電源回路１００は、例えば、電気自動車の衝突事故の際、前記衝突に伴い、車体の多数の金属部品が無秩序に変形および接触し、例えば、矢印Ａの方向に機械的衝撃が印加されて変形した電池モジュール２Ｌ内の少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルが変形して内部短絡し、および、太実線Ｓに示すように、電気自動車内に搭載される複数の電池モジュールの内、少なくとも２個の前記電池モジュール２が並列接続されるケースを想定できる。このようなケースにおいて、前記変形を免れた電池モジュール２Ｒから前記内部短絡電池セルを含む電池モジュール２Ｌへ前記２個の電池モジュール２間の電圧差に伴い外部短絡電流が流れる。前記電池モジュール２Ｒ内のモジュールコントローラ３０が前記外部短絡電流の放電を検知した直後に前記電池モジュール２Ｒ内のＦＥＴ４をオフに操作して前記外部短絡電流の放電を停止するよう機能し、および、前記電池モジュール２Ｌも前記電池モジュール２Ｒに連動してその内のＦＥＴ４をオフに操作することができるが、何等かのタイムラグにより、例えば、前記電池モジュール２Ｌ内の前記ＦＥＴ４がオン状態にある場合は前記外部短絡電流が流れ込み、また、前記電池モジュール２Ｌ内のＦＥＴ４をオフに操作した後の場合も、太線矢印８に示すように前記ＦＥＴ４が有する寄生ダイオードを通じて、前記内部短絡したリチウムイオン二次電池セルを含む電池セル群１へ前記外部短絡電流が流れ込むことが起こりうる。２個の電池モジュール２間の内部短絡点へ外部短絡電流が流れ込む事象の発生確率が相応に低くても、電気自動車に搭載される複数の電池モジュールの内、内部短絡点を含む１個の電池モジュール、および、それ以外の全ての電池モジュールとの組み合わせによる少なくとも２個の電池モジュールが前述の状態に至る確率は無視できない。

　図４に示すように、電池モジュール２０は、電池セル群１を、充電電流を通電または遮断する通電遮断素子としてのＦＥＴ５を介して充電専用端子７へ接続し、および、放電方向のみ通電し、外部からの電流の入力、すなわち、充電方向に通電しないダイオード６０を介して放電専用端子８へ接続する。前記ダイオード６０をバイパスする位置にＦＥＴ４０を並列接続し、また、ＦＥＴ５０は、放電専用端子８からの電流の出力または遮断の操作に用いるために前記ダイオード６０に直列接続する。前記ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０をオンに操作すると放電専用端子８を介して放電電流を出力する一方、前記ＦＥＴ４０をオフに操作すると外部から放電専用端子８を介した電池セル群１への電流の流れ込みを前記ダイオード６０およびＦＥＴ４０によって禁止する。すなわち、前記ダイオード６０、および、前記ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０が一方向性通電遮断素子としての機能を果たす。なお、前記ダイオード６０、および、前記ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０を１個の放熱器に固定して熱結合することにより予め一体化し省スペース化された１個のスイッチ部品として製造コストを下げることもできる。

　前記電池モジュール２の放電時の発熱量が、その放電電流が直列接続された２個のＦＥＴを通電する状態に主に基づくことに対し、電池モジュール２０の２個のＦＥＴすなわち前記ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０は、放電電流が分流され同じ放電電流値であれば電池モジュール２０の発熱が前記電池モジュール２の発熱より大きく抑えられ発熱対策に係るコストに影響しない。および、後述のフローチャート図に従い電池電源回路２００において全ての電池モジュール２０内の前記ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０をオフに操作することにより、電気自動車の衝突事故の際の少なくとも２個の電池モジュール２０間の内部短絡したリチウムイオン二次電池セルへの外部短絡電流の流れ込みを、いずれか１個の電池モジュール２０の出力禁止および他方の電池モジュール２０の入力禁止という形で互いに着実に防止することに奏功する。

　なお、前記一方向性通電遮断素子としての前記ダイオード６０、および、ＦＥＴ４０およびＦＥＴ５０を１個のサイリスタに置き換えて用いることもできる。

　図５に示すように、電池電源回路２００は、３個の電池モジュール２０を放電専用端子８を介して直列接続して電池モジュール２０群を構成し電池モジュール２０群が出力する直流電圧を３相インバータ回路１０へ印加する。メインコントローラ１２０は前記電池モジュール２０と、詳細図示しない絶縁性通信ライン３を用いて通信を行い、後述のフローチャート図に従う制御を行う。

　また、メインコントローラ１２０は、加速度センサ１０を用いた加速度の検知結果を制御に反映する。

　前記電池電源回路２００のメインコントローラ１２０の制御について、次に、図６のフローチャート図を用いて説明する。

　前記電池電源回路２００のメインコントローラ１２０は、前記電池モジュール２０群の放電中、すなわち、電池電源回路２００を搭載する電気自動車の走行中、Ｓｔｅｐ１にて、前記電池モジュール２０群のうち、少なくとも１個の電池モジュール２０がそれ自身の判定により、例えば過電流検知等の何らかの要因により放電停止したか否かを検知し、前記放電停止した電池モジュール２０が少なくとも１個存在すると判定した場合は、Ｓｔｅｐ２へ移行する一方、そうでない場合はＳｔｅｐ３へ移行する。

　メインコントローラは、Ｓｔｅｐ３にて、加速度センサ１０を用いて、加速度または加速度変化率が所定値を上回るか否かを検知し、前記加速度または加速度変化率のいずれか１個が所定値を上回った、すなわち、衝突事故が発生したと判定した場合は、Ｓｔｅｐ２へ移行する一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ１へ帰還する。

　メインコントローラ１２０は、Ｓｔｅｐ２にて、全ての電池モジュール２０に対し放電停止を指示し電池モジュール群２０内の全ての電池モジュ―ル２０のモジュールコントローラ３１が全てのＦＥＴ、すなわち、ＦＥＴ５ないしＦＥＴ５０の全てをオフに操作する。これによって、電池モジュール２０の放電専用端子８から電圧が出力されず、および、放電専用端子８または充電専用端子７へ外部からの電流の流れ込みを禁止する。前述の全ての電池モジュール２０の放電専用端子８から電圧が出力されない状態により、電池電源回路２００の電池モジュール２０群内に存在する最高電位は、それ以前の３個の電池セル群１を直列接続した高電圧の定格電圧から前記電池セル群１の１個分の定格電圧に切り換わり、かつ、図３を用いて説明した内部短絡したリチウムイオン二次電池セルを有する電池モジュール２０への他の電池モジュール２０からの外部短絡電流の流れ込みを禁止する。前記Ｓｔｅｐ１ないしＳｔｅｐ２のシーケンスは、電池モジュール２０群の内の少なくとも１個の電池モジュール２０の放電停止の動作に対して直列接続された他の電池モジュール２０が連動して放電停止することにより、電気自動車の衝突事故時に、前記内部短絡点への外部短絡電流の流れ込みに伴う発火事故、および、高電圧が存在することに伴う感電事故、に対する保護制御の冗長性の向上に奏功する。

　これらによって、本発明の電池電源回路２００は、コストアップを抑制しながら、電気自動車の万一の衝突事故の際の多数のリチウムイオン二次電池セルを有する複数の電池モジュールに起因する感電事故または火災事故から乗員および救助者の保護に貢献する。

　以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

　　２　　　電池モジュール
　　２０　　電池モジュール
　　１００　電池電源回路
　　１２０　メインコントローラ
　　２００　電池電源回路

Claims

　電池セル群と、
　放電専用端子と、
　充電専用端子と、
　を備え、
　前記放電専用端子から一方向性通電遮断素子を介して負荷へ前記電池セル群の放電電流を出力する一方、前記放電専用端子を介して外部から電流を入力しないことを特徴とする電池モジュール。
　前記一方向性通電遮断素子は、ダイオード、および、前記ダイオードに並列接続または直列接続された少なくとも２個のＦＥＴで構成される回路を含む請求項１に記載の電池モジュール。
　前記ダイオードおよび少なくとも２個の前記ＦＥＴを少なくとも１個の放熱器に熱結合した請求項３に記載の電池モジュール。
　電池セルを含む電池モジュールを備え、
　前記電池モジュールから電力供給する移動体の衝突を検知した場合に、内部に存在する最高電位を前記電池モジュールの定格電圧以下に切り換え、少なくとも１個の内部短絡した前記電池セルへの外部短絡電流の流れ込みを禁止する電池電源回路。
　少なくとも１個の前記電池モジュールが放電停止した場合、他の前記電池モジュールも連動して放電停止する請求項４に記載の電池電源回路。
　加速度センサを備え、
　前記車両衝突の検知は、前記加速度センサにより検知した加速度に基づいて行い、
　前記車両衝突を検知した場合に、全ての前記電池モジュール内の全ての前記通電遮断素子を遮断状態に操作する請求項４に記載の電池電源回路。