JP5178154B2 - 組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池を備える組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システムに関し、とくに、直列又は並列に接続される電池の個数を調整してトータル出力を大きくできる車両用に最適な組電池ユニットと、複数の組電池ユニットを備える電池電源システムに関する。

組電池ユニットは、直列や並列に接続する電池の個数で出力電圧や出力電流をコントロールできる。したがって、組電池ユニットが車両に搭載される状態では、車両によって要求される出力電圧や容量が変化するので、電池を直列に接続する個数で出力電圧をコントロールでき、また、並列に接続する個数で出力電力や容量をコントロールできる。このことから、車両に搭載される組電池ユニットは、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。また、電池の容量や並列に接続する電池の個数で最大電流や容量をコントロールしている。（特許文献１参照）

この構造の組電池ユニットは、車両によって要求される出力電圧や電流が異なることから、搭載される車両に専用設計する必要がある。このため、製造コストが高くなる欠点がある。この弊害は、複数の電池を内蔵する電源を規格化された組電池ユニットとして製作し、この組電池ユニットを接続する個数を調整して出力電圧や電流を要求される特性とすることで解消して、製造コストを低減できる。（特許文献２参照）

複数の組電池ユニットを接続している電池電源システムは、組電池ユニットを交換してメンテナンスできることから、経済的なメリットもある。ただ、複数の組電池ユニットを接続する構造は、各々の組電池ユニットの電池を均一に効率よく冷却するのが極めて難しい。とくに、この構造の組電池ユニットは、多数の電池を使用することから、全ての電池を均一に効率よく冷却するのが難しい。使用状態において電池に温度差ができると、電池の劣化がアンバランスになって寿命を著しく低下させる原因となる。たとえば、特定の領域の電池の温度が高くなると、この電池は劣化が加速される。さらに困ったことに、劣化した電池は実質的に充放電できる容量が小さくなることから、過充電や過放電の傾向が強くなって劣化が加速される。過充電や過放電が電池を著しく劣化させるからである。このことから、多数の電池を備える組電池ユニットは、各々の電池を均一に効果的に冷却することが大切である。

さらに、この種の組電池ユニットは、充放電の電流が大きくなることから、電池の温度が異常に上昇して熱暴走することがある。とくに、電池をリチウムイオン電池とする装置は、電池の温度が４００℃にも高くなることがある。電池の熱暴走は、これが隣に誘発することを防止することが大切となる。多数の電池を備える組電池ユニットで熱暴走が誘発されると、安全性を保証できなくなるからである。熱暴走の誘発は、各々の電池の間に隔壁を設けて防止できるが、この隔壁も電池の冷却を難しくする。それは、隔壁が電池の表面をカバーして、冷却するための空気を電池表面に直接に送風できなくするからである。したがって、電池の熱暴走の誘発を防止することと、電池を効果的に冷却することは互いに相反する特性となって両方を満足するのが極めて難しい。
特開２００１−２５６９４０号公報 特開２００３−２０９９３２号公報

本発明は、従来の以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、多数の電池を内蔵しながら、各々の電池を均一に効率よく冷却できる組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システムを提供することにある。
また、本発明の他の大切な目的は、直列や並列に接続して使用される状態においても、各々の電池を効率よく冷却できる組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システムを提供することにある。
さらにまた、本発明の他の大切な目的は、電池の熱暴走の誘発を防止する構造としても電池を効率よく冷却できる組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システムを提供することにある。

本発明の請求項１の組電池ユニットは、充電できる複数の電池１と、各々の電池１を、端面電極を同一面に配置し、かつ平行な姿勢として多段多列に配設してなる絶縁材からなる電池ホルダー２と、各々の電池１の端面電極に連結されて各々の電池１を接続している金属板の接続板３と、電池１に接続してなる回路基板５と、この回路基板５と電池１を定位置に配置している電池ホルダー２とを収納している電池ケース６とを備える。組電池ユニットは、電池１を電池ホルダー２で定位置に配置して、各々の電池１の端面電極を対向面に配設して電池ブロック４としており、この電池ブロック４の対向面に配置させる接続板３の表面に、絶縁材の熱伝導シート７を介して電池ブロック４の対向面に放熱プレート８を熱結合して配設している。電池ケース６は、対向面に放熱プレート８を外部に露出させる開口部９を設けて、この開口部９を放熱プレート８で閉塞している。組電池ユニットは、各々の電池１の発熱を、両端の端面電極に連結している接続板３と熱伝導シート７を介して放熱プレート８に伝導して、放熱プレート８で放熱している。

本発明の請求項２の組電池ユニットは、多段に積層している電池１の間に空気を送風する送風隙間１６を設けている。

本発明の請求項３の組電池ユニットは、電池ホルダー２が各々の電池１を挿入して定位置に配置する保持筒１１を一体的に成形して設けている。

本発明の請求項４の組電池ユニットは、電池ブロック４の上面に正負の出力端子１２を設けている。

本発明の請求項５の組電池ユニットは、電池１を非水電解質電池としている。さらに、本発明の請求項６の組電池ユニットは、電池１を円筒形電池としている。

本発明の請求項７の複数の組電池ユニットを備える電池電源システムは、複数の電池１を備える組電池ユニット１０を直列又は並列に接続している。組電池ユニット１０は、充電できる複数の電池１と、各々の電池１を、端面電極を同一面に配置し、かつ平行な姿勢として多段多列に配設してなる絶縁材からなる電池ホルダー２と、各々の電池１の端面電極に連結されて各々の電池１を接続している金属板の接続板３と、電池１に接続してなる回路基板５と、この回路基板５と電池１を定位置に配置している電池ホルダー２とを収納している電池ケース６とを備える。この組電池ユニット１０は、電池１を電池ホルダー２で定位置に配置して、各々の電池１の端面電極を対向面に配設して電池ブロック４としており、この電池ブロック４の対向面に配置させる接続板３の表面に絶縁材の熱伝導シート７を介して電池ブロック４の対向面に放熱プレート８を熱結合して配設している。電池ケース６は、対向面に放熱プレート８を外部に露出させる開口部９を設けて、この開口部９を放熱プレート８で閉塞している。各組電池ユニット１０は、各々の電池１の発熱を、電池１の両端の端面電極に連結している接続板３と熱伝導シート７を介して放熱プレート８に伝導して放熱プレート８で放熱している。

本発明の請求項８の電池電源システムは、複数の組電池ユニット１０を、互いの放熱プレート８が対向する姿勢で配列すると共に、互いに隣接する組電池ユニット１０の放熱プレート８の間に冷却プレート２１を配設して熱結合させている。この電池電源システムは、組電池ユニット１０の電池１の発熱を、放熱プレート８から冷却プレート２１に熱伝導させて放熱している。

本発明の請求項９の電池電源システムは、組電池ユニット１０が上面に正負の出力端子１２を備えており、複数の組電池ユニット１０の出力端子１２を連結バー２３で接続して複数の組電池ユニット１０を直列または並列に接続している。さらに、本発明の請求項１０の電池電源システムは、車両に搭載している。

本発明の組電池ユニットと複数の組電池ユニットを備える電池電源システムは、多数の電池を内蔵しながら、各々の電池を均一に効率よく冷却できる特徴がある。それは、本発明の組電池ユニットが、複数の電池を電池ホルダーで定位置に配置して、各々の電池の端面電極に配置している接続板の表面に、絶縁材の熱伝導シートを介して放熱プレートを熱結合して配設し、さらに、電池ホルダーを収納する電池ケースの対向面に、放熱プレートを外部に露出させる開口部を設けており、各々の電池の発熱を、両端の端面電極に連結している接続板と熱伝導シートを介して放熱プレートに伝導して放熱するからである。この構造の組電池ユニットは、各々の電池の発熱を、両端の端面電極から接続板と熱伝導シートを介して放熱プレートに熱伝導させて放電するので、多数の電池を直列や並列に接続して使用する状態においても、各々の電池を効率よく冷却できる。しかも、多数の電池の発熱を両端の端面電極から放熱するので、互いに隣接する電池間における熱暴走の誘発を防止する構造としても、各々の電池を効率よく冷却できる特徴がある。さらに、この組電池ユニットを直列または並列に接続している本発明の電池電源システムは、各々の組電池ユニットの電池を均一に効率よく冷却できる構造としながら、組電池ユニットを個別に交換して、極めて効率よくメンテナンスできる特徴がある。

さらに、本発明の請求項２の組電池ユニットは、多段に積層している電池の間に空気を送風する送風隙間を設けているので、この送風隙間に冷却空気を送風して、多数の電池を効率よく冷却できる。また、電池の間に設けている送風隙間によって、電池間における熱暴走の誘発を有効に防止できる特徴もある。

さらに、本発明の請求項３の組電池ユニットは、電池ホルダーが各々の電池を挿入して定位置に配置する保持筒を一体的に成形して設けているので、多数の電池を定位置に配置しながら、この保持筒でもって、電池間の熱暴走の誘発を確実に防止して安全性を向上できる特徴がある。

さらに、本発明の請求項４の組電池ユニットは、電池ブロックの上面に正負の出力端子を設けているので、これらの出力端子を介して、簡単に電力を取り出しできる。

さらに、本発明の請求項８の電池電源システムは、複数の組電池ユニットを、互いの放熱プレートが対向する姿勢で配列すると共に、互いに隣接する組電池ユニットの放熱プレートの間に冷却プレートを配設して熱結合させているので、組電池ユニットの電池の発熱を、放熱プレートから冷却プレートに熱伝導させて効率よく放熱できる。とくに、この電池電源システムは、複数の組電池ユニットを、互いに積層して省スペースに配置しながら、複数の組電池ユニットの電池を効率よく放熱できる。

さらに、本発明の請求項９の電池電源システムは、組電池ユニットの上面に設けた正負の出力端子を連結バーで接続して複数の組電池ユニットを直列または並列に接続するので、複数の組電池ユニットを簡単かつ容易に接続しながら、出力を調整できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための組電池ユニットを例示するものであって、本発明は組電池ユニットを以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１の組電池ユニット１０は、主としてハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載されて、走行用のモータを駆動する用途に使用される。この組電池ユニット１０が電池電源システムとして車両に搭載される状態を図２に示している。この図に示す電池電源システムは、複数の組電池ユニット１０を直列に接続して出力電圧を高く、また、並列に接続して出力電流を大きくできる。車両の電池電源システムは、搭載される車両の重量、要求されるモータ出力などを考慮して、直列と並列に接続する組電池ユニット１０の個数を調整して、車両に最適や出力電圧や電流に調整される。図に示す電池電源システムは、複数の組電池ユニット１０を、金属製の連結バー２３を介して直列と並列とに接続している。図の電池電源システムは、連結バー２３でもって、２個の組電池ユニット１０を直列に接続して、３個の組電池ユニットを並列に接続している。すなわち、６個の組電池ユニット１０を、３行２列に配列して、２直３並に接続している。ただ、電池電源システムは、要求される出力電圧や電流に応じて、直列と並列に接続する組電池ユニットの個数を種々に変更できる。

車両に搭載される電池電源システムは、全体をコンパクトにする必要がある。したがって、組電池ユニット１０は、互いに接近して配設される。図２の電池電源システムは、組電池ユニット１０の間に冷却プレート２１を挟んで、冷却台２０の上に固定している。冷却台２０は、上面に突出する冷却プレート２１を有し、冷却パイプ２２で強制冷却している。冷却パイプ２２は、冷媒を循環させて冷却台２０を強制冷却する。冷却台２０は冷却プレート２１を冷却し、冷却プレート２１が組電池ユニット１０を冷却する。図の電池電源システムは、冷却台２０を冷却パイプ２２で強制冷却しているが、この冷却台は、冷却パイプによらず空気を送風して冷却することもできる。

図１の組電池ユニット１０のＡ−Ａ線断面図を図３に、分解斜視図を図４に示している。これらの図の組電池ユニット１０は、充電できる複数の電池１と、各々の電池１を、端面電極を同一面に配置し、かつ平行な姿勢として多段多列に配設してなる絶縁材からなる電池ホルダー２と、各々の電池１の端面電極に連結されて各々の電池１を接続している金属板の接続板３と、電池１に接続してなる回路基板５と、この回路基板５と電池１を定位置に配置している電池ホルダー２とを収納している電池ケース６とを備える。

電池１は、リチウムイオン電池等の非水電解質電池である。この組電池ユニット１０は、ひとつの電池１の電圧が高く、少ない個数で出力電圧を高くできる。ただ、電池には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる他の電池も使用できる。さらに、図４の組電池ユニット１０は、電池１を円筒形電池としている。ただ、電池には、角型電池も使用できる。円筒形電池又は角型電池は、両端に端面電極のある構造の電池である。電池１は、両端の端面電極に接続板３をスポット溶接やレーザー溶接などの方法で連結して、接続板３でもって抜けないように電池ホルダー２の定位置に配置される。複数の電池１は、多段多列に配設される。図４の組電池ユニット１０は、５段１３列に電池１を配列している。ただし、この明細書において、上下方向は図面に基づいて特定する。全ての電池１は、端面電極を同一面に位置するように配置して、接続板３を同一面に配置している。図４において、電池１は水平な姿勢で多段多列に配列している。

図４の組電池ユニット１０は、接続板３でもって上下に配列する電池１を並列に接続して、横に配列する電池１を直列に接続している。したがって、図４の組電池ユニット１０は、接続板３でもって、１３個の電池１を直列に接続して、５個の電池１を並列に接続している。すなわち、６５個の電池１を、１３直５並に接続している。

電池１は、電池ホルダー２で定位置に配置される。電池ホルダー２は、各々の電池１の端面電極を対向面に配設して電池ブロック４としている。図４の電池ホルダー２は、絶縁材のプラスチック製で、各々の電池１を挿入して定位置に配置する保持筒１１を一体的に成形して設けている。保持筒１１は、電池１を挿入できるように、内形を電池１の外形にほぼ等しいがわずかに大きくして、電池１をほとんど隙間なく挿入して定位置に配置している。図４の電池ブロック４は、電池１を円筒形電池とするので、保持筒１１を円筒状としている。電池ホルダー２は、保持筒１１を中央で２分割するように、ふたつに分割している。左右の電池ホルダー２は、各々の保持筒１１を一体的に成形して連結している。保持筒１１は、内形を一端に向かって開口面積が大きくなるテーパー状に成形している。この保持筒１１は電池１をスムーズに挿入できる。

左右に分割された電池ホルダー２は、保持筒１１の両端を開口している。電池１は、保持筒１１の開口部から端面電極を電池ホルダー２の外部に露出させている。保持筒１１の端から露出される端面電極は、接続板３を溶接して固定している。図４の組電池ユニット１０は、２列の電池１を接続板３で連結して、同じ段の電池１を直列に接続している。この接続板３は、２列の電池１を接続する幅を有する。さらに、接続板３は、同じ列の電池１を並列に接続するので、上段から下段の電池１を接続する長さを有する。電池ブロック４は、対向面に配設している複数の接続板３でもって、直列と並列に接続される。図４の電池ブロック４は、同じ段の電池１を直列に接続して、同じ列の電池１を並列に接続している。この図の電池ブロック４は、電池１を１３列５段に配列するので、接続板３を介して１３個の電池１を直列に、５個の電池１を並列に接続している。

電池ブロック４は、対向面に複数の接続板３を配置して、この接続板３でもって電池１を直列と並列に接続している。接続板３は、熱伝導に優れた金属板で、しかも電池１の端面電極に連結される。したがって、電池１の発熱は効率よく接続板３に伝導される。接続板３は、電池１の温度が上昇するとき、電池１の熱で加温される。接続板３は、その表面に絶縁材の熱伝導シート７を積層している。熱伝導シート７は、絶縁材であって熱伝導に優れたシート、たとえばシリコン樹脂からなるシートである。この熱伝導シート７は、可撓性のあるシートである。この熱伝導シート７は、接続板３の表面に沿う形状となって広い面積で密着する。このため、接続板３の熱を効率よく熱伝導シート７から放熱プレート８に伝導できる。

さらに、電池ブロック４は、図４と図５に示すように、熱伝導シート７の表面に、放熱プレート８を熱結合して配置している。接続板３と放熱プレート８に挟着される熱伝導シート７は、接続板３と放熱プレート８を絶縁しながら、接続板３の熱を効率よく放熱プレート８に伝導する。熱伝導シート７は、片面を広い面積で接続板３に接触して熱結合し、他の片面を放熱プレート８に広い面積で接触させて熱結合する。両面を好ましい状態で熱結合している熱伝導シート７は、接続板３と放熱プレート８を効率よく熱結合する。電池ブロック４は、対向する両面に接続板３を配設しているので、対向面に放熱プレート８を配設している。

電池ブロック４の両端に配列される電池１の端面電極は、出力端子１２を接続するバスバー１３を溶接して連結している。出力端子１２に接続されるバスバー１３は大電流が流れるので、接続板３よりも厚い金属板で制作される。熱伝導シート７は、全ての接続板３と出力端子１２に接続されるバスバー１３に熱結合するように密着する。放熱プレート８は、熱伝導シート７を介して、全ての接続板３とバスバー１３に熱結合される。したがって、図４の放熱プレート８は、バスバー１３を案内する部分を薄くして、ここに熱伝導シート７を挟着してバスバー１３を配設している。この放熱プレート８は、厚いバスバー１３と全ての接続板３に熱伝導シート７を介して熱結合される。

図４と図５の電池ブロック４は、放熱プレート８を止ネジ１４で電池ホルダー２に固定している。止ネジ１４は、放熱プレート８と熱伝導シート７を貫通して、電池ホルダー２に設けているボス１５にねじ込まれて、放熱プレート８を電池ブロック４に固定している。この構造は、放熱プレート８で熱伝導シート７を挟着することで、放熱プレート８と接続板３とを熱結合しながら、放熱プレート８をしっかりと固定できる。

さらに、図３ないし図５の電池ホルダー２は、上下の保持筒１１の間に送風隙間１６を設けている。この組電池ユニット１０は、送風隙間１６に空気を強制送風して電池１を冷却できる。送風隙間１６に空気を強制送風する組電池ユニット１０は、たとえば、図４の鎖線で示すように、電池ケース６の周壁６Ｂに送風開口６ａを開口して実現できる。また、送風隙間１６は、上下の保持筒１１を分離して、上下の電池１の熱暴走をより確実に阻止する。また、送風隙間に、ヒートパイプを挿入して、このヒートパイプにより熱交換することで、放熱効率を向上することができる。

電池ブロック４は、電池ホルダー２の上面に回路基板５を固定している。この回路基板５は、詳細には後述するが、電池１に接続されて、電池１の状態を検出する電池状態検出回路を備える。電池状態検出回路は、電池１の過充電や過放電、過電流を検出する回路や、電池電圧や電池の充放電の電流から電池の残容量を検出する回路を備える。したがって、回路基板は、これらの回路を実現する電子部品（図示せず）を実装している。

さらに、図４と図５の電池ブロック４は、バスバー１３の上端に、ヒューズ１７と電流検出抵抗１８とを介して出力端子１２を連結している。一方のバスバー１３は、ヒューズ１７を介して出力端子１２を接続して、他方のバスバー１３は、電流検出抵抗１８を介して出力端子１２を接続している。ヒューズ１７は、電池ブロック４に過電流が流れるとジュール熱で溶断されて、電池１に流れる電流を遮断する。電流検出抵抗１８は、電池１の充放電の電流を検出するための抵抗であって、回路基板５に実装される電池状態検出回路の電流検出回路が、この電流検出抵抗１８の両端に誘導される電圧から電池１の電流を検出する。図４と図５の組電池ユニット１０は、上面の両端部に正負の出力端子１２を配置している。
図４と図５の電池ブロック４は、図２の電池電源システムのように、連結バー２３にて連結されているが、組電池ユニット１０の出力端子１２の位置及び形状等を適宜変更することも可能である。

電池ケース６は、回路基板５を固定している電池ブロック４を収納する四角形の箱形に成形している。図３と図４の組電池ユニット１０は、電池ケース６を左右に２分割して、プラスチックで成形している。分割された電池ケース６は、四角形の表面プレート６Ａの周囲に周壁６Ｂを設けた形状に成形している。表面プレート６Ａは、熱伝導シート７の外形にほぼ等しく、内面に熱伝導シート７を配設している。この電池ケース６は、対向面となる表面プレート６Ａに、放熱プレート８を外部に露出させる開口部９を設けている。表面プレート６Ａの開口部９は、電池ブロック４に固定している放熱プレート８で閉塞される。放熱プレート８は、全ての接続板３とバスバー１３に熱伝導シート７を介して熱結合される外形を有する。表面プレート６Ａは、開口部９の内形を放熱プレート８の外形に等しくして、開口部９に放熱プレート８を嵌着して、開口部９を放熱プレート８で閉塞している。放熱プレート８は、表面プレート６Ａよりも厚く、表面プレート６Ａの表面から突出している。表面プレート６Ａから突出する放熱プレート８は、冷却プレート２１などに密着して、効率よく冷却できる。

分割された電池ケース６は、互いに周壁６Ｂの端縁を合わすように止ネジ１９で連結されて、内部に電池ブロック４を収納する。

以上の実施例の組電池ユニット１０のブロック図を図６に示す。図に示す組電池ユニット１０は、複数の電池１を直列と並列に接続している電池ブロック４と、この電池ブロック４を構成する電池１に接続されて、電池１の状態を検出する電池状態検出回路３２と、電池状態検出回路３２で検出した電池情報を通信回線４３を介して外部に通信する通信回路３３とを備える。組電池ユニット１０は、電池ブロック４を構成する電池１の状態を電池状態検出回路３２で検出し、検出された電池情報を通信回路３３を介してサブコントローラー３１に伝送している。

電池状態検出回路３２は、電池ブロック４を構成する電池１の電圧を検出して過充電や過放電を検出し、また、電池ブロック４の充放電の電流を検出して電池ブロック４に流れる過電流を検出し、さらに、電池１の温度を検出して電池の温度異常を検出し、さらにまた、電池ブロック４に流れる充放電の電流を積算して電池ブロック４の残容量を検出して、これらの検出結果を電池情報として出力する。したがって、電池状態検出回路３２は、電池ブロック４を構成する電池１の電圧を検出する電圧検出回路３４と、電池ブロック４に流れる充放電の電流を検出する電流検出回路３５と、電池ブロック４を構成する電池１の温度を検出する温度検出回路３６と、これらの回路から入力される検出信号から電池１の過充電や過放電、過電流、及び温度異常を判定すると共に、電池ブロック４の残容量を演算する演算回路３７とを備える。

電圧検出回路３４は、図示しないが、電池ブロック４を構成する各々の電池１の電圧を検出する測定点を切り換えて出力するマルチプレクサと、このマルチプレクサから出力される電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータとを備える。本実施例の電池ブロック４は、６５本の電池１を１３直５並に接続しているので、電圧検出回路３４は、互いに並列に接続している５本の電池１の平均電圧を各々の電池１の電圧として検出する。この電圧検出回路３４は、各々の測定点の電圧信号を順番に切り換えて演算回路３７に出力する。

電流検出回路３５は、電池ブロック４に直列に接続した電流検出抵抗１８と、この電流検出抵抗１８の両端電圧を測定して電池ブロック４に流れる充放電の電流を検出する電流検出部３８とを備える。電流検出部３８は、電流検出抵抗１８の両端に誘導される電圧から電流を検出する。また、充電電流と放電電流では電流の方向が逆になるので、電流検出抵抗１８に誘導される電圧の正負から充電電流と放電電流を検出できる。電流検出部３８は、検出した電流信号をＡ／Ｄコンバータ（図示せず）でデジタル信号に変換して演算回路３７に出力する。電流検出抵抗１８には、たとえば、シャント抵抗が使用できる。なお、電流検出回路は、シャント抵抗に代えて、ホール素子等、電流値を測定することができる素子を用いても良い。

温度検出回路３６は、電池１に接近して配設される温度センサー４０と、この温度センサー４０から入力される電気信号から電池１の温度を検出する温度検出部３９を備える。温度センサー４０には、サーミスター等の検出温度によって電気抵抗が変化する素子が使用できる。温度検出部３９は、温度センサー４０から入力される電気抵抗の変化から電池１の温度を検出し、検出した温度信号をＡ／Ｄコンバータ（図示せず）でデジタル信号に変換して演算回路３７に出力する。

演算回路３７は、電圧検出回路３４から入力される各々の測定点の電圧信号を順番に検出し、測定点の電圧差を演算して各々の電池電圧を検出し、また、電池ブロック全体のトータル電圧を検出する。さらに、演算回路３７は、検出される各々の電池電圧から電池１の過充電や過放電を検出する。演算回路３７は、検出される各々の電池電圧を、過充電と判定する最高電圧と比較し、電池電圧が最高電圧以上になると過充電であると判定し、また、電池電圧を、過放電と判定する最低電圧と比較し、電池電圧が最低電圧以下になると過放電であると判定する。演算回路３７は、電池ブロック４を構成する電池１が過充電または過放電であると判定すると、このことを、通信回路３３からサブコントローラー３１に伝送する。したがって、演算回路３７は、各々の電池電圧やトータル電圧である電圧情報に加えて、電池ブロック４を構成する電池１の過充電と過放電を検出して、これらの電池情報を、通信回路３３からサブコントローラー３１に伝送する。

さらに、演算回路３７は、電流検出回路３５から入力される充放電の電流値を、過電流と判定する設定電流に比較し、電流値がこの設定電流を超えると過電流と判定する。演算回路３７は、電池ブロック４に過電流が流れていることを検出すると、このことを、通信回路３３を介してサブコントローラー３１に出力する。また、演算回路３７は、温度検出回路３６から入力される電池温度を異常判定温度に比較し、電池温度が異常判定温度を超えると電池１の温度異常であると判定する。演算回路３７は、電池１の温度異常を検出すると、このことを、通信回路３３を介してサブコントローラー３１に出力する。

さらに、演算回路３７は、電流検出回路３５から入力される充放電の電流と、電圧検出回路３４から入力される電圧信号から演算される電池電圧から、電池１の残容量、または電池ブロック４全体の残容量を演算する。電池１の残容量、または電池ブロック４の残容量は、電池ブロック４に流れる充放電の電流を積算して演算される。残容量は、充電容量から放電容量を減算して演算される。充電容量は、充電電流の積算値と充電効率の積で演算され、放電容量は放電電流の積算値と放電効率の積で演算される。ここで、電池ブロック４を構成する各々の電池１の残容量は必ずしも一致しない。とくに、残容量を％で表示する相対残容量は、電池が劣化するにしたがって変動する。最大充電容量が変化して相対残容量を変化させるからである。相対残容量は、残容量／最大充電容量の比率で演算される。さらに、電池ブロック４は、相対残容量が１００％を越える電池がさらに充電されると過充電されて電池を著しく劣化させる。また、相対残容量が０％になった電池を放電しても電池を過放電させて著しく劣化させる。電池の劣化をできるかぎり少なくするために、全ての電池は過充電と過放電が阻止されなければならない。したがって、電池ブロック４は、電池の相対残容量が０〜１００％の範囲を越えないように、好ましくは２０〜８０％、さらに好ましくは３０〜７０％の範囲で充放電される。

電池ブロック４は、電池１を完全に放電させると電圧が低下する。したがって、演算回路３７は、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、充放電電流の積算値から演算した残容量を完全に放電された残容量が０の状態と補正する。また、電池が満充電されると電池電圧が設定電圧まで上昇し、あるいは、電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とする組電池ユニットにあっては、電池のピーク電圧が−ΔＶ低下する。電池１をリチウムイオン電池とする組電池ユニット１０は、電池電圧が設定電圧まで上昇したことを検出して満充電と判定する。電池が満充電されると相対残容量を１００％と補正し、あるいはそのときに演算された残容量（Ａｈ）を最大充電容量と補正する。このように、電池の残容量が０または１００％になったことを検出して、残容量を補正すると極めて正確に残容量を補正できる。また、電池をリチウムイオン電池とする組電池ユニットは、電池の電圧からも残容量を検出できる。したがって、電池をリチウムイオン電池とする組電池ユニットは、電池電圧と充放電の電流の両方から残容量をより正確に演算できる。このようにして残容量を演算する演算回路は、電池電圧で検出される電圧残容量と、充放電の電流から演算される電流残容量の両方を平均し、あるいは電池電圧によって電圧残容量と電流残容量の重みを変化させて残容量を演算し、あるいは電池電圧、電圧残容量、電流残容量から残容量を演算するテーブルを記憶して、このテーブルから残容量を演算して正確に検出する。

さらに、演算回路は、充放電サイクルの回数、充放電電流のトータル値、あるいは組電池ユニットの使用状態等から補正して電池ブロックの残容量を補正することもできる。この演算回路は、残容量を所定の容量となるまで充電したり放電させることなく、演算した残容量を補正できる特長がある。演算回路で演算された残容量は、相対残容量として、あるいはＡｈで表される容量で特定される。

演算回路３７は、検出した電圧や残容量を記憶するメモリ４１を備え、このメモリ４１に、検出した電圧データや残容量のデータを記憶している。演算回路３７は、メモリ４１に記憶される電圧データや残容量データを通信回路３３を介してサブコントローラー３１に伝送する。

通信回路３３は、演算回路３７で検出された電池情報をサブコントローラー３１に伝送する。通信回路３３から出力される信号は、外部通信バス等の通信回線４３を介してサブコントローラー３１に伝送される。また、通信回路３３は、サブコントローラー３１から伝送される信号を演算回路３７に入力する。

さらに、図６に示す組電池ユニット１０は、電池ブロック４から電池状態検出回路３２に電源電力を供給している。電池ブロック４の電圧は、たとえば、電源回路４２で降圧して、電池状態検出回路３２に供給することができる。この回路構成によると、電池ブロック４の電圧が高くても、電池状態検出回路３２に最適電圧として供給できる。また、電源回路４２には、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、１次側と２次側とを絶縁しながら電池状態検出回路３２に電源電力を供給できる。

以上の構造の組電池ユニット１０は、複数個が互いに直列又は並列に接続されて電池電源システムとなる。複数の組電池ユニット１０を備える電池電源システムの一例を図７に示す。図７の電池電源システムは、複数の組電池ユニット１０と、これらの組電池ユニット１０から入力される電池状態を検出して電池の充放電を制御するサブコントローラー３１とを備える。

複数の組電池ユニット１０は、その正負の出力端子を互いに直列と並列に接続して、出力電圧を高く、また、出力電流を大きくしている。図の電池電源システムは、６個の組電池ユニット１０を備えており、２個の組電池ユニット１０を直列に、３個の組電池ユニットを並列に接続して、６個の組電池ユニット１０を２直３並に接続している。

さらに、各々の組電池ユニット１０は、通信回線４３を介してサブコントローラー３１に接続している。すなわち、サブコントローラー３１には、通信回線４３を介して複数の組電池ユニット１０を接続している。サブコントローラー３１は、入力側に通信回路（図示せず）を介して切換回路（図示せず）を設けており、この切換回路で通信回線を切り換えて、各々の組電池ユニット１０を順番にサブコントローラー３１に接続する。この切換回路は、組電池ユニット１０を順番に切り換えて、各々の電池状態検出回路３２で検出する各電池ブロック４の電池情報をサブコントローラー３１に伝送する。切換回路が通信回線を切り換えるタイミングは、サブコントローラー３１で制御される。サブコントローラー３１の入力側に接続される通信回路は、サブコントローラー３１と各々の組電池ユニット１０とを通信回線４３で接続するためのインターフェース回路である。各々の組電池ユニット１０は、電池状態検出回路３２で検出した電池情報を、通信回線４３を介してサブコントローラー３１に伝送する。また、サブコントローラー３１からの信号が、通信回線４３を介して各々の組電池ユニット１０に伝送される。

サブコントローラー３１は、各々の組電池ユニット１０の電池状態検出回路３２から入力される電圧データや残容量データ等の電池情報に加えて、電池１の過充電や過放電、過電流、温度異常等の電池情報を受信し、これらの情報に基づいて各々の組電池ユニット１０の電池状態を監視する。さらに、サブコントローラー３１は、通信回線４４を介して車両側のメインコントローラー３０に接続されており、各々の組電池ユニット１０の電池状態検出回路３２から入力される電池情報を、車両側のメインコントローラー３０に伝送する。

さらに、サブコントローラー３１は、メインコントローラー３０に接続される通信回線４４を介して、車両に搭載される車載バッテリ４５から電力が供給される。車載バッテリ４５は、車両の電装品に電力を供給する１２Ｖの電装用バッテリが使用できる。ここで、各々の組電池ユニット１０の電池状態検出回路３２は、図６に示すように、電池ブロック２から電力を供給するようにしているので、各々の電池状態検出回路３２のグランドラインは電池ブロック４のマイナス側となる。したがって、各々の電池状態検出回路３２のグランドラインは互いに接続されずに、電位差がある状態となる。さらに、電池状態検出回路３２の全てのグランドラインは、サブコントローラー３１のグランドラインに接続されない。このように、高電圧の組電池ユニットを車両のシャーシーアースに接続しない回路構成は、漏電や感電を防止して安全性を高くできる。

車両側のメインコントローラー３０は、サブコントローラー３１から伝送される電池の残容量があらかじめ設定している範囲になるように、インバータ（図示せず）を制御する。インバータは、電池電源システムからモータに電力を供給して電池を放電し、また発電機から電池電源システムに電力を供給して電池を充電して、電池の残容量を所定の範囲に制御する。

本発明の一実施例にかかる組電池ユニットの斜視図である。 本発明の一実施例にかかる電池電源システムを車両に搭載する一例を示す断面斜視図である。 図１に示す組電池ユニットのＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す組電池ユニットの背面から見た分解斜視図である 図４に示す組電池ユニットを組み立てた状態であって、電池ケースを取り除いた状態を示す斜視図である。 本発明の一実施例にかかる組電池ユニットのブロック図である。 本発明の一実施例にかかる電池電源システムのブロック図である。

符号の説明

１…電池
２…電池ホルダー
３…接続板
４…電池ブロック
５…回路基板
６…電池ケース ６Ａ…表面プレート
６Ｂ…周壁
６ａ…送風開口
７…熱伝導シート
８…放熱プレート
９…開口部
１０…組電池ユニット
１１…保持筒
１２…出力端子
１３…バスバー
１４…止ネジ
１５…ボス
１６…送風隙間
１７…ヒューズ
１８…電流検出抵抗
１９…止ネジ
２０…冷却台
２１…冷却プレート
２２…冷却パイプ
２３…連結バー
３０…メインコントローラー
３１…サブコントローラー
３２…電池状態検出回路
３３…通信回路
３４…電圧検出回路
３５…電流検出回路
３６…温度検出回路
３７…演算回路
３８…電流検出部
３９…温度検出部
４０…温度センサー
４１…メモリ
４２…電源回路
４３…通信回線
４４…通信回線
４５…車載バッテリ

Claims (10)

1. 充電できる複数の電池(1)と、各々の電池(1)を、端面電極を同一面に配置し、かつ平行な姿勢として多段多列に配設してなる絶縁材からなる電池ホルダー(2)と、各々の電池(1)の端面電極に連結されて各々の電池(1)を接続している金属板の接続板(3)と、前記電池(1)に接続してなる回路基板(5)と、この回路基板(5)と電池(1)を定位置に配置している電池ホルダー(2)とを収納している電池ケース(6)とを備える組電池ユニットであって、
   前記電池(1)を前記電池ホルダー(2)で定位置に配置して、各々の電池(1)の端面電極を対向面に配設して電池ブロック(4)としており、この電池ブロック(4)の対向面に配置させる接続板(3)の表面に絶縁材の熱伝導シート(7)を介して電池ブロック(4)の対向面に放熱プレート(8)を熱結合して配設しており、前記電池ケース(6)は対向面に放熱プレート(8)を外部に露出させる開口部(9)を設けて、この開口部(9)を放熱プレート(8)で閉塞しており、
   各々の電池(1)の発熱が、両端の端面電極に連結している接続板(3)と熱伝導シート(7)を介して放熱プレート(8)に伝導されて放熱プレート(8)で放熱されるようにしてなる組電池ユニット。
2. 多段に積層している電池(1)の間に空気を送風する送風隙間(16)を設けている請求項１に記載される組電池ユニット。
3. 前記電池ホルダー(2)が各々の電池(1)を挿入して定位置に配置する保持筒(11)を一体的に成形して設けている請求項１に記載される組電池ユニット。
4. 前記電池ブロック(4)の上面に正負の出力端子(12)を設けている請求項１に記載される組電池ユニット。
5. 前記電池(1)が非水電解質電池である請求項１に記載される組電池ユニット。
6. 前記電池(1)が円筒形電池である請求項１に記載される組電池ユニット。
7. 複数の電池(1)を備える組電池ユニット(10)を直列又は並列に接続してなる電池電源システムであって、
   前記組電池ユニット(10)が、充電できる複数の電池(1)と、各々の電池(1)を、端面電極を同一面に配置し、かつ平行な姿勢として多段多列に配設してなる絶縁材からなる電池ホルダー(2)と、各々の電池(1)の端面電極に連結されて各々の電池(1)を接続している金属板の接続板(3)と、前記電池(1)に接続してなる回路基板(5)と、この回路基板(5)と電池(1)を定位置に配置している電池ホルダー(2)とを収納している電池ケース(6)とを備え、
   前記電池(1)を前記電池ホルダー(2)で定位置に配置して、各々の電池(1)の端面電極を対向面に配設して電池ブロック(4)としており、この電池ブロック(4)の対向面に配置させる接続板(3)の表面に絶縁材の熱伝導シート(7)を介して電池ブロック(4)の対向面に放熱プレート(8)を熱結合して配設しており、前記電池ケース(6)は対向面に放熱プレート(8)を外部に露出させる開口部(9)を設けて、この開口部(9)を放熱プレート(8)で閉塞しており、
   各組電池ユニット(10)が、各々の電池(1)の発熱を、電池(1)の両端の端面電極に連結している接続板(3)と熱伝導シート(7)を介して放熱プレート(8)に伝導して放熱プレート(8)で放熱するようにしてなる複数の組電池ユニットを備える電池電源システム。
8. 複数の組電池ユニット(10)を、互いの放熱プレート(8)が対向する姿勢で配列すると共に、互いに隣接する組電池ユニット(10)の放熱プレート(8)の間に冷却プレート(21)を配設して熱結合させており、組電池ユニット(10)の電池(1)の発熱を放熱プレート(8)から冷却プレート(21)に熱伝導させて放熱する請求項７に記載される複数の組電池ユニットを備える電池電源システム。
9. 前記組電池ユニット(10)が上面に正負の出力端子(12)を備えており、複数の組電池ユニット(10)の出力端子(12)を連結バー(23)で接続して複数の組電池ユニット(10)を直列または並列に接続してなる請求項７に記載される複数の組電池ユニットを備える電池電源システム。
10. 電池電源システムを車両に搭載してなる請求項７に記載される複数の組電池ユニットを備える電池電源システム。

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