WO2022269836A1 - 電池モジュール及び電池電源回路 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to battery modules and battery power circuits.
- lithium ion secondary batteries with high energy density are often used as battery power sources for driving motors of electric vehicles.
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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
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。
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。
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
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 (6)
- 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。
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JP2021078223A (ja) * | 2019-11-08 | 2021-05-20 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG | 電動車両 |
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2021
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