JP7717115B2 - バッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックに関する。

エンジンとモータとバッテリとを併用するハイブリッドシステムは、低公害化と化石燃料の省資源化との要求に伴って、産業機械や自動車等のために開発されている。ハイブリッドシステムは、例えば化石燃料を使用し動力を発生する内燃式エンジンと、内燃式エンジンを補助するモータと、モータに電力を供給する例えばリチウムイオン電池等のバッテリと、を備えている。

ハイブリッドシステムでは、例えばリチウムイオン電池を含むバッテリパックが、モータを駆動するための電源として用いられている。リチウムイオン電池では、長期の保管や長期の使用によって内部抵抗が増加し、放電時の電圧降下量が増加していく内部抵抗劣化が生ずる。内部抵抗劣化が生ずると、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：エレクトロニック・コントロール・ユニット）が電圧範囲を抑えるために出力制限を行う場合がある。

特許文献１には、リチウム二次電池の閉回路時の充電終止電圧と充電後の開回路時の電圧の組、および閉回路時の放電終止電圧と放電後の開回路時の電圧の組の少なくともいずれかの組を検出し、検出された電圧の組より判定値を算出し、判定値と、あらかじめ記憶した基準値と、を比較した結果に基づき、リチウム二次電池の劣化度合いを推定するリチウム二次電池の劣化検出方法および劣化検出器が開示されている。しかし、特許文献１に記載された劣化検出方法および劣化検出器では、閉回路時の充電終止電圧と充電後の開回路時の電圧の組、および閉回路時の放電終止電圧と放電後の開回路時の電圧の組の少なくともいずれかの組を検出する必要があり、充電あるいは放電を可能にする放電用抵抗等が必要になる。そのため、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の放電用抵抗を設けることなく、バッテリパック単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することは困難である。

特許文献２には、放電中の供試蓄電池の内部インピーダンスを測定し、放電終止電圧直前の内部インピーダンスの急激な立ち上がりにおける最大値が良品蓄電池の内部インピーダンスの最大値より大きいことから供試蓄電池の劣化を判定する蓄電池の劣化判定方法が開示されている。しかし、特許文献２に記載された蓄電池の劣化判定方法では、特許文献１と同様に、放電用抵抗等としての負荷が必要になる。そのため、バッテリパック単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することは困難である。

特許文献３には、二次電池と、二次電池の内部インピーダンスを所定周期の交流電圧により測定する回路と、回路の測定した内部インピーダンス値が所定値以上のとき警報を発する警報回路とを具えた二次電池の容量終止警報方式が開示されている。しかし、特許文献３に記載された二次電池は、ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックのバッテリ（すなわちリチウムイオン電池の組電池）ではない。ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックには、例えばコンタクタなどの種々の電気機器が含まれるため、二次電池の内部インピーダンスの測定に基づく劣化診断をリチウムイオン電池の組電池に適用するためには、改善の余地がある。

以上より、ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックについて、バッテリパック単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断できることが望まれている。

特開２００８－１９２６０７号公報 特開平０９－１３４７４２号公報 特開昭６３－１５７０８０号公報

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断できるバッテリパックを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックであって、筐体と、前記筐体の内部に設けられ、前記ハイブリッドシステムのモータジェネレータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリの正極と前記モータジェネレータとの間の第１配線および前記バッテリの負極と前記モータジェネレータとの間の第２配線の少なくともいずれかに設けられ前記第１配線および前記第２配線の少なくともいずれかの開閉を行うコンタクタと、前記第１配線に接続された第３配線と、前記第２配線に接続された第４配線と、前記第３配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記バッテリの内部抵抗を測定する測定機器の一方の端子に接続される第１端子と、前記第４配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記測定機器の他方の端子に接続される第２端子と、を備えたことを特徴とするバッテリパックである。

本発明によれば、単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断できるバッテリパックを提供することができる。

本発明の実施形態に係るバッテリパックが搭載されたハイブリッドシステムを表すブロック図である。 電流がバッテリからモータジェネレータに向かって流れたときのバッテリの電圧変動の挙動例を示すグラフである。 劣化度合と、充放電時の電圧変化量および出力と、の関係を表すグラフである。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るバッテリパックが搭載されたハイブリッドシステムを表すブロック図である。
図１に表したハイブリッドシステム１０は、エンジン１と、モータジェネレータ２と、バッテリパック４０と、を備える。

エンジン１は、例えばターボチャージを有する過給式の高出力な３気筒エンジンや４気筒エンジン等の多気筒ディーゼルエンジンである。但し、エンジン１は、ディーゼルエンジンに限定されるわけではない。エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：エレクトロニック・コントロール・ユニット）１５０を有する。ＥＣＵ１５０は、エンジン１の動作を制御するとともに、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）によりモータジェネレータ２と通信を行いモータジェネレータ２を制御する。

モータジェネレータ２は、ハイブリッドシステム１０が搭載される産業機械等の発進時や加速時などパワーが必要な時に、バッテリパック４０から供給される電力により稼動しエンジン１をサポートする。なお、ハイブリッドシステム１０は、例えばフォークリフト等の建設機械およびトラクタ等の農業機械を含む産業機械等に搭載される。また、モータジェネレータ２は、回生ブレーキなどを利用し、ハイブリッドシステム１０が搭載される産業機械等の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する。モータジェネレータ２は、インバータを内蔵している。但し、インバータは、必ずしもモータジェネレータ２に内蔵されていなくともよく、モータジェネレータ２とは別体として設けられていてもよい。

バッテリパック４０は、バッテリ５０と、ＢＭＵ（Battery Management Unit：バッテリ・マネージメント・ユニット）８５と、を有する。バッテリ５０は、モータジェネレータ２の駆動電源として設けられ、モータジェネレータ２に電力を供給する。バッテリ５０は、正極端子５１と、負極端子５２と、を有する。本実施形態の正極端子５１は、本発明の「正極」の一例である。本実施形態の負極端子５２は、本発明の「負極」の一例である。バッテリ５０としては、例えば４８Ｖの高電圧型のリチウムイオン電池（ＬｉＢ）などが挙げられる。但し、バッテリ５０は、リチウムイオン電池に限定されるわけではない。また、バッテリ５０の電圧は、４８Ｖに限定されるわけではなく、４８Ｖ以上であってもよい。

モータジェネレータ２は、バッテリ５０の正極端子５１に接続された正極配線１７４に接続されている。正極配線１７４は、バッテリ５０の正極端子５１とモータジェネレータ２とを電気的に接続する配線である。正極配線１７４は、本発明の「第１配線」の一例である。また、モータジェネレータ２は、バッテリ５０の負極端子５２に接続された負極配線１７５に接続されている。負極配線１７５は、バッテリ５０の負極端子５２とモータジェネレータ２とを電気的に接続する配線である。負極配線１７５は、本発明の「第２配線」の一例である。

バッテリパック４０は、正極側コンタクタ７５と、負極側コンタクタ７６と、電流値検出部６５と、をさらに有する。なお、バッテリパック４０は、必ずしも正極側コンタクタ７５および負極側コンタクタ７６の両方を有していなくともよく、正極側コンタクタ７５だけを有していてもよく、負極側コンタクタ７６だけを有していてもよい。以下の説明では、バッテリパック４０が正極側コンタクタ７５および負極側コンタクタ７６の両方を有する場合を例に挙げる。

正極側コンタクタ７５は、本発明の「第１コンタクタ」の一例であり、バッテリ５０の正極端子５１とモータジェネレータ２との間における電気回路すなわち正極配線１７４に設けられている。正極側コンタクタ７５は、信号線１８１によりＥＣＵ１５０に電気的に接続されており、ＥＣＵ１５０から信号線１８１を通して送信される制御信号に基づいて正極配線１７４の開閉を行う。

なお、正極側コンタクタ７５は、ＢＭＵ８５に電気的に接続されていてもよい。この場合には、正極側コンタクタ７５は、ＢＭＵ８５から送信される制御信号に基づいて正極配線１７４の開閉を行う。

負極側コンタクタ７６は、本発明の「第２コンタクタ」の一例であり、バッテリ５０の負極端子５２とモータジェネレータ２との間における電気回路すなわち負極配線１７５に設けられている。負極側コンタクタ７６は、信号線１８２によりＢＭＵ８５に電気的に接続されており、ＢＭＵ８５から信号線１８２を通して送信される制御信号に基づいて負極配線１７５の開閉を行う。

なお、負極側コンタクタ７６は、ＥＣＵ１５０に電気的に接続されていてもよい。この場合には、負極側コンタクタ７６は、ＥＣＵ１５０から送信される制御信号に基づいて負極配線１７５の開閉を行う。

ＢＭＵ８５は、信号線１８３によりバッテリ５０に電気的に接続されており、バッテリ５０から信号線１８３を通して送信される信号に基づいてバッテリ５０の電圧値を検出する。具体的には、ＢＭＵ８５は、ＢＭＵ８５自体に内蔵された内部回路を用いて、バッテリ５０に内蔵された各セルの電圧値を検出し、各セルの電圧値の総和をバッテリ５０の電圧値として検出する。ＢＭＵ８５は、バッテリ５０の状態を監視しており、バッテリ５０から信号線１８３を通して送信される信号に基づいてバッテリ５０の異常を検出することができる。例えば、ＢＭＵ８５は、バッテリ５０から信号線１８３を通して送信される信号に基づいてバッテリ５０の電圧値を検出し、過充電異常および過放電異常を検出する。

ＢＭＵ８５は、信号線１８４により電流値検出部６５に電気的に接続されており、信号線１８４を通して電流値検出部６５から電流値を取得する。電流値検出部６５は、正極配線１７４に設けられており、正極配線１７４を流れる電流値を検出する。つまり、ＢＭＵ８５は、正極配線１７４を流れる電流値を、信号線１８４を通して電流値検出部６５から取得する。ＢＭＵ８５は、信号線１８４を通して電流値検出部６５から取得した電流値に基づいて過電流異常を検出する。あるいは、ＢＭＵ８５は、ＣＭＵ（Cell Management Unit：セル・マネージメント・ユニット；図示せず）から取得したセル温度に基づいて過温度異常を検出する。

また、ＢＭＵ８５は、信号線１９３によりＥＣＵ１５０に電気的に接続され、ＥＣＵ１５０から信号線１９３を通して送信される制御信号に基づいて負極側コンタクタ７６を制御する。ＥＣＵ１５０およびＢＭＵ８５は、例えばＣＡＮにより互いに通信し互いの状態を監視する。

ここで、リチウムイオン電池などの二次電池では、長期の保管や長期の使用によって内部抵抗が増加し、放電時の電圧降下量が増加していく内部抵抗劣化が生ずる。これについて、図面を参照して以下に説明する。

図２は、電流がバッテリからモータジェネレータに向かって流れたときのバッテリの電圧変動の挙動例を示すグラフである。
図３は、劣化度合と、充放電時の電圧変化量および出力と、の関係を表すグラフである。

図２に表したように、電流がバッテリ５０からモータジェネレータ２へ向かって所定時間だけ流れると、ＢＭＵ８５により検出されるバッテリ５０の電圧値が降下する。つまり、バッテリ５０の放電時に、バッテリ５０において電圧降下が生ずる。そして、例えば金属化合物がバッテリ５０の負極に付着することによりバッテリ５０の内部抵抗が増大しバッテリ５０の内部抵抗劣化が生ずると、図２に表した矢印のように、放電時の電圧降下量が増加する。

そして、図３に表したように、バッテリ５０の内部抵抗劣化が生じ、充放電時の電圧変化量（すなわち、図２の説明では放電時の電圧降下量）が閾値以上になると、ＥＣＵ１５０が電圧範囲を抑えるために出力制限を行う場合がある。

ここで、リチウムイオン電池などの二次電池の一般的な劣化検出方法として、例えばＤＣ／ＤＣコンバータおよび負荷などの放電用抵抗を用いる方法が挙げられる。しかし、このような劣化検出方法では、放電用抵抗が必要になるため、バッテリパック単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することは困難である。また、ハイブリッドシステム１０に搭載されるバッテリパック４０のバッテリ５０は、必要な電圧（前述した例では４８Ｖ）を得るために複数のセルが直列に接続された組電池として設けられる。そのため、前述したように、バッテリパック４０は、バッテリ５０だけではなく、正極側コンタクタ７５、負極側コンタクタ７６および電流値検出部６５などの種々の電気機器を有する。そのため、劣化検出方法によっては、正極側コンタクタ７５、負極側コンタクタ７６および電流値検出部６５の少なくともいずれかの抵抗成分が入ることがあり、バッテリパック単体でバッテリの内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することは困難である。

これに対して、図１に表したように、本実施形態に係るバッテリパック４０は、第３配線１７６と、第４配線１７７と、第１端子５３と、第２端子５４と、をさらに有する。第３配線１７６は、一方の端部において正極配線１７４に接続されている。具体的には、第３配線１７６は、一方の端部において、バッテリ５０の正極端子５１と、正極側コンタクタ７５と、の間における正極配線１７４に接続されている。図１に表したバッテリパック４０では、第３配線１７６は、一方の端部において、バッテリ５０の正極端子５１と、電流値検出部６５と、の間における正極配線１７４に接続されている。

また、第３配線１７６は、他方の端部において第１端子５３に接続されている。第１端子５３は、バッテリパック４０の筐体４１に設けられている。例えば、図１に表したように、第１端子５３は、筐体４１の外面４１１に付設され、筐体４１の外面４１１から外側に向かって突出している。第１端子５３は、バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器（図示せず）の一方の端子に接続される。バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器としては、例えばバッテリテスタなどが挙げられる。

第４配線１７７は、一方の端部において負極配線１７５に接続されている。具体的には、第４配線１７７は、一方の端部において、バッテリ５０の負極端子５２と、負極側コンタクタ７６と、の間における負極配線１７５に接続されている。また、第４配線１７７は、他方の端部において第２端子５４に接続されている。第２端子５４は、バッテリパック４０の筐体４１に設けられている。例えば、図１に表したように、第２端子５４は、筐体４１の外面４１１に付設され、筐体４１の外面４１１から外側に向かって突出している。第２端子５４は、バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器の他方の端子に接続される。前述したように、バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器としては、例えばバッテリテスタなどが挙げられる。

例えば、バッテリテスタ（図示せず）は、一方の端子において第１端子５３に接続され、他方の端子において第２端子５４に接続され、１ｋＨｚの周波数の交流定電流を第３配線１７６および第４配線１７７を通してバッテリ５０に与えて、バッテリテスタが有する交流電圧計の電圧値からバッテリ５０の内部抵抗を算出する。

図１に表したように、バッテリパック４０は、ヒューズ９５をさらに備える。ヒューズ９５は、第３配線１７６に設けられ、過電流が第３配線１７６に流れると第３配線１７６を遮断する。これにより、仮に第３配線１７６および第４配線１７７が互いに接触し、バッテリ５０と第３配線１７６と第４配線１７７とにより構成される電気回路に過電流が流れた場合であっても、ヒューズ９５は、第３配線１７６を遮断することによりバッテリパック４０の電気回路を保護することができる。

ヒューズ９５は、第３配線１７６の代わりに第４配線１７７に設けられてもよい。あるいは、ヒューズ９５は、第３配線１７６および第４配線１７７の両方に設けられてもよい。この場合であっても、ヒューズ９５は、第３配線１７６および第４配線１７７の少なくともいずれかを遮断することによりバッテリパック４０の電気回路を保護することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るバッテリパック４０によれば、第１端子５３は、バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器の一方の端子に接続される。また、第２端子５４は、バッテリ５０の内部抵抗を測定する測定機器の他方の端子に接続される。そして、バッテリテスタなどの測定機器が第１端子５３および第２端子５４に接続され、例えば１ｋＨｚの周波数の交流定電流を第３配線１７６および第４配線１７７を通してバッテリ５０に与えることにより、交流電圧計の電圧値からバッテリ５０の内部抵抗を算出することができる。これにより、本実施形態に係るバッテリパック４０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータおよび負荷などの放電用抵抗を必要とせず、バッテリパック４０単体でバッテリ５０の内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することができる。

また、第３配線１７６が、一方の端部において、バッテリ５０の正極端子５１と、正極側コンタクタ７５（図１に表したバッテリパック４０では電流値検出部６５）と、の間における正極配線１７４に接続されている。第４配線１７７が、一方の端部において、バッテリ５０の負極端子５２と、負極側コンタクタ７６と、の間における負極配線１７５に接続されている。そのため、正極側コンタクタ７５、負極側コンタクタ７６および電流値検出部６５の抵抗成分が入ることを抑え、すなわち正極側コンタクタ７５、負極側コンタクタ７６および電流値検出部６５の抵抗成分による影響を抑え、バッテリパック４０単体でバッテリ５０の内部抵抗劣化の度合を簡便に診断することができる。

本実施形態に係るバッテリパック４０は、常時高電圧を検知できるサービスポートとしての第１端子５３および第２端子５４を有するため、バッテリパック４０の生産工程だけではなく、バッテリパック４０がハイブリッドシステム１０に搭載され市場に提供された後であっても、バッテリパック４０単体でバッテリ５０の内部抵抗劣化の度合を簡便に診断可能とする。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

１：エンジン、 ２：モータジェネレータ、 １０：ハイブリッドシステム、 ４０：バッテリパック、 ４１：筐体、 ５０：バッテリ、 ５１：正極端子、 ５２：負極端子、 ５３：第１端子、 ５４：第２端子、 ６５：電流値検出部、 ７５：正極側コンタクタ、 ７６：負極側コンタクタ、 ８５：ＢＭＵ、 ９５：ヒューズ、 １５０：ＥＣＵ、 １７４：正極配線、 １７５：負極配線、 １７６：第３配線、 １７７：第４配線、 １８１：信号線、 １８２：信号線、 １８３：信号線、 １８４：信号線、 １９３：信号線、 ４１１：外面

Claims (9)

1. ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックであって、
   筐体と、
   前記筐体の内部に設けられ、前記ハイブリッドシステムのモータジェネレータに電力を供給するバッテリと、
   前記バッテリの正極と前記モータジェネレータとの間の第１配線および前記バッテリの負極と前記モータジェネレータとの間の第２配線の少なくともいずれかに設けられ前記第１配線および前記第２配線の少なくともいずれかの開閉を行うコンタクタと、
   前記第１配線に接続された第３配線と、
   前記第２配線に接続された第４配線と、
   前記第３配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記バッテリの内部抵抗を測定する測定機器の一方の端子に接続される第１端子と、
   前記第４配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記測定機器の他方の端子に接続される第２端子と、
   前記第３配線に設けられ、過電流が前記第３配線に流れると前記第３配線を遮断するヒューズと、
   を備えたことを特徴とするバッテリパック。
2. 前記コンタクタは、
   前記第１配線に設けられ前記第１配線の開閉を行う第１コンタクタと、
   前記第２配線に設けられ前記第２配線の開閉を行う第２コンタクタと、
   を含み、
   前記第３配線は、前記正極と前記第１コンタクタとの間における前記第１配線に接続され、
   前記第４配線は、前記負極と前記第２コンタクタとの間における前記第２配線に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記第１端子および前記第２端子のそれぞれは、前記筐体の外面に付設されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
4. 前記第１端子および前記第２端子のそれぞれは、前記外面から外側に向かって突出したことを特徴とする請求項３に記載のバッテリパック。
5. 前記第４配線に設けられ、過電流が前記第４配線に流れると前記第４配線を遮断するヒューズをさらに備えたことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のバッテリパック。
6. ハイブリッドシステムに搭載されるバッテリパックであって、
   筐体と、
   前記筐体の内部に設けられ、前記ハイブリッドシステムのモータジェネレータに電力を供給するバッテリと、
   前記バッテリの正極と前記モータジェネレータとの間の第１配線および前記バッテリの負極と前記モータジェネレータとの間の第２配線の少なくともいずれかに設けられ前記第１配線および前記第２配線の少なくともいずれかの開閉を行うコンタクタと、
   前記第１配線に接続された第３配線と、
   前記第２配線に接続された第４配線と、
   前記第３配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記バッテリの内部抵抗を測定する測定機器の一方の端子に接続される第１端子と、
   前記第４配線の端部に接続されるとともに前記筐体に設けられ、前記測定機器の他方の端子に接続される第２端子と、
   前記第４配線に設けられ、過電流が前記第４配線に流れると前記第４配線を遮断するヒューズと、
   を備えたことを特徴とするバッテリパック。
7. 前記コンタクタは、
   前記第１配線に設けられ前記第１配線の開閉を行う第１コンタクタと、
   前記第２配線に設けられ前記第２配線の開閉を行う第２コンタクタと、
   を含み、
   前記第３配線は、前記正極と前記第１コンタクタとの間における前記第１配線に接続され、
   前記第４配線は、前記負極と前記第２コンタクタとの間における前記第２配線に接続されたことを特徴とする請求項６に記載のバッテリパック。
8. 前記第１端子および前記第２端子のそれぞれは、前記筐体の外面に付設されたことを特徴とする請求項６に記載のバッテリパック。
9. 前記第１端子および前記第２端子のそれぞれは、前記外面から外側に向かって突出したことを特徴とする請求項８に記載のバッテリパック。