JP2014164812A - 蓄電装置モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】センサの数を減らして蓄電装置モジュールの交換時期を適切に判断することができる蓄電装置モジュールを提供する。
【解決手段】二次電池モジュール１０（蓄電装置モジュール）は、複数の二次電池１１（蓄電装置）が並列に配置されて構成されており、二次電池モジュール１０の並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセル１２を有する。パイロットセル１２として、他の二次電池１１と同じ二次電池１１が使用されている。パイロットセル１２は、それぞれ温度センサ１７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池やキャパシタのような蓄電装置が複数並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールに関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。また、電気自動車やハイブリッド自動車のように走行モータの電源として二次電池を使用する場合は、大電流充電や大電流放電及び大容量化が要求されるため、複数個の二次電池からなる組電池（電池モジュール）が使用されている。

大電流での充・放電は電池内部の大きな発熱を伴い、また、組電池では限られたスペースに多数の電池を収納することから電池温度が上昇し、電池性能の劣化を促進してしまうという問題がある。そのため、電池の劣化防止、抑制のために電池の冷却が必要とされる。また、電池は所定温度以上でないと、充・放電が円滑に行われないため、冬季や寒冷地等、使用環境が低温の場合は加熱が必要となる。即ち、電池を適正に使用するためには温度調整が必要になる。二次電池に限らず、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタにおいても同様である。

しかし、電池モジュール（蓄電装置モジュール）は、二次電池（蓄電装置）が並列に配置されて構成されており、内側に配置された二次電池は少なくとも両側に他の二次電池が存在する状態のため、外側に配置された二次電池に比べて放熱がし難い。一方、外側に配置された二次電池は外部環境の影響を受け易い。

電池モジュールの寿命は、使用条件により異なるため、電池モジュールの交換時期を適切に判断することが重要になる。電池モジュールの交換時期には、寿命による交換時期の他、蓄電装置の異常が原因による交換時期がある。電池モジュールの状態を監視するため、一般には各電池の状態を監視する。例えば、組電池を構成する各蓄電池の電圧を検出して各蓄電池の電圧を個別に監視する電圧監視回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１５１６８２号公報

ところが、蓄電装置モジュールの異常を検出するため、各蓄電装置にセンサを取り付けることは、蓄電装置モジュールが大型化するだけでなく取り付けの手間やコストも増加する。

本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、センサの数を減らして蓄電装置モジュールの交換時期を適切に判断することができる蓄電装置モジュールを提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置モジュールは、複数の蓄電装置が並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールであって、前記蓄電装置モジュールの並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセルを有する。ここで、「パイロットセル」とは、必ずしも他の蓄電装置と同じ構成及び容量の蓄電装置に限らず、容量が小さな蓄電装置であったり蓄電装置の機能がないものであったりしてもよい。また、「異常」とは、パイロットセルの状態が予め設定された正常状態と異なる状態であることを意味し、例えば、温度が設定された温度範囲から外れたり、蓄電装置の機能を有するパイロットセルの場合に、セル内の圧力が設定された圧力範囲から外れたりすることを意味する。

この構成によれば、複数の蓄電装置が並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールの並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセルが存在する。複数の蓄電装置が並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールでは、蓄電装置の蓄電装置モジュール中における位置によって、充電時あるいは放電時の条件が異なり、蓄電装置モジュールの並列方向の外側に配置された蓄電装置は、環境温度が蓄電装置の反応に適した温度より低い場合、並列方向の内側に配置された蓄電装置に比べて悪条件となる。そして、悪条件となる位置にパイロットセルが配置されているため、良好な条件となる位置にパイロットセルを配置した場合に比べて、パイロットセルの異常を検出し易くなり、蓄電装置モジュールが交換を必要とする状態であるか否かを判断し易くなる。したがって、センサの数を減らして蓄電装置モジュールの交換時期を適切に判断することができる。

前記パイロットセルは、それぞれ温度センサを有することが好ましい。蓄電装置は、充電及び放電の際に電池内部に発熱を伴い、蓄電装置に異常があれば蓄電装置の温度に異常が生じる。そのため、パイロットセルが蓄電装置の機能を備えていれば、温度を検出することによりパイロットセルが異常か否かを判断することができる。また、パイロットセルが蓄電装置の機能を備えていなくても、周囲の蓄電装置の温度の影響で温度が変化するため、異常か否かを判断することができる。

前記温度センサの検出信号に基づいて異常の有無を判断する閾値は、前記外側に配置されたパイロットセルと、前記内側に配置されたパイロットセルとで異なることが好ましい。この構成によれば、異常の有無を判断する閾値を同じに設定した場合に比べて、蓄電装置モジュールの交換時期を適切に判断することができる。

前記パイロットセルは、それぞれ圧力センサを有することが好ましい。この構成によれば、パイロットセルが蓄電装置の場合、圧力センサの検出信号に基づいてパイロットセルが異常か否かを判断することができる。

前記パイロットセルは、それぞれ電圧センサを有することが好ましい。この構成によれば、検出された電圧値に基づいて電気抵抗あるいは電流値を演算することができる。
前記パイロットセルは、異常時における電流遮断機能を有することが好ましい。この構成によれば、異常時にパイロットセル自身で電流を遮断するため、センサの検出信号をモニタして異常の有無を判断した後、異常時に蓄電装置モジュールの電流を遮断する構成に比べて、異常状態で蓄電装置モジュールの作動を早期に停止させることができる。

本発明によれば、センサの数を減らして蓄電装置モジュールの交換時期を適切に判断することができる。

一実施形態の蓄電装置モジュールの模式図。 蓄電装置モジュールの部分模式斜視図。 蓄電装置モジュールの使用状態を示す模式図。 別の実施形態のセンサの取付け位置を示す蓄電装置モジュールの部分模式図。

以下、蓄電装置モジュールとしての二次電池モジュールに具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置モジュールとしての二次電池モジュール１０は、複数の蓄電装置としての二次電池１１が並列に配置されて構成されている。図１では隣り合う二次電池１１の厚さ方向に重なる状態で配置された二次電池１１の列が３列に並列に配置されている。二次電池モジュール１０は、二次電池モジュール１０の並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセル１２を有する。この実施形態では、内側に１個のパイロットセル１２を有し、外側に２個のパイロットセル１２を有する。パイロットセル１２として他の二次電池１１と同じ構成で、同じ放電容量の二次電池１１が使用されている。

二次電池モジュール１０の並列方向の内側とは、図１のように二次電池１１が３列の場合、真ん中の列の中央の二次電池１１を内側の二次電池１１とみてもよいし、それぞれの列の中央の二次電池１１を内側の二次電池１１とみてもよい。また、各列を構成する二次電池１１の数が奇数ではなく偶数の場合は、中央の二次電池１１はそれぞれ２個になり、いずれか一方の二次電池１１をパイロットセル１２として使用する。

図１では二次電池１１を模式的に四角箱状に示しているが、図２に示すように、二次電池１１は、有底四角箱状のケース本体１３の開口部を覆う蓋体１４から正極端子１１ｐ及び負極端子１１ｎが突出するように形成されている。二次電池１１は、正極端子１１ｐが隣り合う二次電池１１の負極端子１１ｎに、負極端子１１ｎが隣り合う二次電池１１の正極端子１１ｐにそれぞれバスバー１５を介して接続されて、電気的に直列に接続されている。そして、二次電池モジュール１０を構成する各二次電池１１は、一体的に移動可能に図示しないケース内に収容、あるいは図示しない支持フレームで固定されている。また、二次電池モジュール１０を構成する二次電池１１の数は、二次電池モジュール１０が必要とする出力電圧に対応して設定される。

前記のように構成された二次電池モジュール１０を車両の走行用モータの電源として使用した場合の作用を説明する。
図３に示すように、二次電池モジュール１０は入出力端子１０ａ，１０ｂが負荷１６に接続されている。負荷１６は、例えば、車両の走行用モータ及びその駆動回路である。二次電池モジュール１０を構成する各パイロットセル１２には、それぞれ温度センサ１７が取り付けられている。温度センサ１７は、パイロットセル１２の表面温度を検出する。温度センサ１７は判断装置１８に電気的に接続されている。また、判断装置１８には二次電池モジュール１０の入出力電流を検出する電流センサ１９が電気的に接続されている。判断装置１８は、二次電池モジュール１０が負荷１６を駆動するときには、電流センサ１９の検出信号により二次電池モジュール１０の出力電流を演算し、二次電池モジュール１０の充電時には電流センサ１９の検出信号により二次電池モジュール１０の入力電流を演算する。

温度センサ１７、電流センサ１９及び判断装置１８は、車両の電源がオフの状態でも一定期間は情報を検出可能な機能を有する。例えば、温度センサ１７、電流センサ１９及び判断装置１８の電源は車両の電源と独立している。

判断装置１８は、ＣＰＵ２０及びメモリ２１を備えている。メモリ２１には予め試験により求められた二次電池モジュール１０の正常な状態における各パイロットセル１２の表面温度と、使用条件との関係を示すマップが記憶されている。使用条件とは充電時及び放電時の環境温度と、充電電流（入力電流）あるいは放電電流（出力電流）の大きさの他、二次電池モジュール１０の使用履歴と現時点におけるパイロットセル１２の適正温度範囲を意味する。判断装置１８は、充電時及び放電時に、温度センサ１７及び電流センサ１９の検出信号を入力し、パイロットセル１２の表面温度が適正温度範囲にあるか否かを判断する。判断装置１８は、パイロットセル１２の表面温度が適正温度範囲から逸脱した状態が予め設定された所定時間経過すると、異常状態と判断する。そして、図示しない異常状態報知手段を作動させたり、車両全体の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）へ異常信号を出力してＥＣＵを介して二次電池モジュール１０の出力を停止させたりする。異常状態報知手段は、例えば、警告ランプや警告ブザーである。

異常状態と判断された二次電池モジュール１０は、新しい二次電池モジュール１０と交換される。そして、異常状態と判断された二次電池モジュール１０は、検査工場で分解されて各二次電池１１の異常の有無が検査される。そして、二次電池モジュール１０は、異常が検出された二次電池１１が交換されて、再生二次電池モジュールとして利用される場合もある。

二次電池モジュール１０は、多数の二次電池１１が並列に配置されて構成されており、図１では、模式的に２７個の二次電池１１で構成されているが、例えば、必要とする出力電圧に対応して直列に接続される二次電池１１の数は多くなり、１００個以上の二次電池１１が必要な場合もある。そのため、二次電池モジュール１０の内側中央に位置する二次電池１１は、周囲の二次電池１１の発熱の影響を受けて最も温度が高い環境で充放電を行うことになり、使用条件が苛酷になる。一方、二次電池モジュール１０の外側に位置する二次電池１１は、二次電池モジュール１０の外部環境の温度の影響を受け易く、寒冷地や冷蔵倉庫、冷凍倉庫内等の気温の低い環境では使用条件が苛酷になる。

したがって、二次電池モジュール１０の異常を検出するためのセンサの数が少ない状態で適切に交換時期を判断するには、使用条件が苛酷な状態にある二次電池１１が異常か否かを判断することが、適切となる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池モジュール１０（蓄電装置モジュール）は、複数の二次電池１１（蓄電装置）が並列に配置されて構成された二次電池モジュール１０であって、二次電池モジュール１０の並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセル１２を有する。したがって、パイロットセルの状態が異常か否かを検出するのに必要なセンサの数を減らして二次電池モジュール１０の交換時期を適切に判断することができる。

（２）パイロットセル１２は、それぞれ温度センサ１７が取り付けられている。二次電池１１は、充電及び放電の際に電池内部に発熱を伴い、二次電池１１に異常があれば二次電池１１の温度に異常が生じる。そのため、パイロットセル１２が二次電池１１の機能を備えていれば、パイロットセル１２の温度を検出することによりパイロットセル１２が異常か否かを判断することができる。また、パイロットセル１２が二次電池１１の機能を備えていなくても、周囲の二次電池１１の温度の影響で温度が変化するため、異常か否かを判断することができる。

（３）温度センサ１７の検出信号に基づいて異常の有無を判断する閾値が、二次電池モジュール１０の並列方向の外側に配置されたパイロットセル１２と、内側に配置されたパイロットセル１２とで異なる。二次電池モジュール１０の並列方向の外側に配置された二次電池１１（パイロットセル１２）と、内側に配置された二次電池１１（パイロットセル１２）とでは環境温度が異なり、温度センサ１７の検出温度は環境温度の影響を受ける。そのため、異常の有無を判断する閾値が、前記外側に配置されたパイロットセル１２と内側に配置されたパイロットセル１２とで異なる場合は、同じに設定された場合に比べて、二次電池モジュール１０の交換時期をより適切に判断することができる。

（４）パイロットセル１２として、他の二次電池１１と同じ二次電池１１が使用されている。二次電池１１及びパイロットセル１２を電気的に直列に接続する場合、二次電池モジュール１０としての放電容量は、最も放電容量の小さなセルの放電容量と等しくなってしまう。そのため、パイロットセル１２の放電容量を二次電池１１と等しくしておくことで、二次電池モジュール１０としての放電容量が低下しない。

（５）パイロットセル１２に取り付けられた温度センサ１７の検出信号に基づいて判断装置１８が二次電池モジュール１０の交換時期を判断する。したがって、各パイロットセル１２にそれぞれ二次電池モジュール１０の交換時期を判断する構成を設ける場合に比べて、パイロットセル１２の構成が簡単になる。

（６）判断装置１８は、各パイロットセル１２に取り付けられた温度センサ１７の検出信号とその検出信号が出力された時の二次電池モジュール１０の入出力状態（充放電状態）とをメモリ２１に経過履歴として記憶させておき、その経過履歴と、現時点の温度センサ１７の検出信号と、二次電池モジュール１０の入出力状態とに基づいて二次電池モジュール１０の交換時期を判断する。したがって、温度センサ１７の検出信号と、その時点における二次電池モジュール１０の入出力状態とから二次電池モジュール１０の交換時期を判断する場合に比べて判断精度が良くなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ パイロットセル１２に取り付けられて、パイロットセル１２の異常を検出して二次電池モジュール１０の交換時期の判断に利用するセンサとして、温度センサ１７に代えて圧力センサを使用してもよい。圧力センサを使用した場合、外部からの機械的押圧によりケースが損傷した場合の異常を早期に検出することができる。

○ 圧力センサとしては、例えば、ひずみゲージが使用される。ひずみゲージの取り付け位置は、二次電池１１の蓋体１４の表面が取り付け位置の自由度やひずみゲージからの出力信号線の取り回し等の観点から最も好ましい。蓋体１４ではなくケース本体１３の表面に取り付ける場合は、二次電池モジュール１０の並列方向の内側に配置されたパイロットセル１２に対してはケース本体１３の側壁全てが隣り合う二次電池１１の側壁と対向しているため側壁に取り付けるのは難しく、底壁外面となる。一方、二次電池モジュール１０の並列方向の外側に配置されたパイロットセル１２の場合は、図４に示すように、ケース本体１３の側壁のうち２個の側壁は隣り合う二次電池１１の側壁と対向している。そのため、パイロットセル１２に対するひずみゲージの取り付け位置を好ましい順を示すと、蓋体１４の上面、パイロットセル１２の厚さ方向と直交する側壁１２ａ、パイロットセル１２の厚さ方向と平行な側壁１２ｂ、底壁（図示せず）の順になる。

○ 二次電池モジュール１０の並列方向の外側に配置されたパイロットセル１２に、温度センサ１７及び圧力センサの両方を取り付けてもよい。
○ パイロットセル１２に取り付けられてパイロットセル１２の異常を検出し、二次電池モジュール１０の交換時期の判断に利用するセンサとして、電圧センサを使用してもよい。判断装置１８は電流センサ１９からの検出信号により二次電池モジュール１０の入出力電流値を演算し、その電流値と各パイロットセル１２に取り付けられている電圧センサの検出信号から演算した電圧値とからその時点における各パイロットセル１２の抵抗値と電流量とを演算する。そして、その時点における二次電池モジュール１０の入出力電流量に対応する適正な電流量及び抵抗値と比較して、パイロットセル１２が異常か否かを判断する。

○ 二次電池モジュール１０を車両の電源として使用する場合、車両全体の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）が判断装置１８の機能を備えた構成としてもよい。
○ パイロットセル１２に取り付けて二次電池モジュール１０の交換時期の判断に利用するセンサとして、前記センサ以外に、電気抵抗率センサ、電流センサ、熱伝導率センサを使用してもよい。

○ パイロットセル１２は、異常時における電流遮断機能を有する構成であってもよい。電流遮断機能を有する構成としては、例えば、半導体スイッチをパイロットセル１２と直列に接続される二次電池１１との接続部に設ける。半導体スイッチは異常時にオフになるように設けられる。半導体スイッチとしてはパワートランジスタ、ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）、トライアック等が挙げられる。

○ パイロットセル１２は、他の二次電池１１と同じものに限らず、例えば、大きさが同じで容量が小さな二次電池１１を使用したり、大きさが同じで二次電池１１の機能がないものを使用したりしてもよい。

○ 二次電池モジュール１０は、二次電池モジュール１０を構成する全ての二次電池１１がバスバー１５により電気的に直列に接続された構成に限らず、例えば、直列に接続された複数の二次電池１１の組が並列に接続された構成であっても、並列に接続された複数の二次電池１１の組が直列に接続された構成であってもよい。

○ 蓄電装置モジュールは、二次電池モジュール１０に限らず、例えば、複数の蓄電装置としてリチウムイオンキャパシタのようなキャパシタが複数、並列に配置された構成であってもよい。

○ 蓄電装置モジュールは、車両の走行用モータの電源に限らず、電力を使用する種々の負荷の電源として使用されてもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

（１）複数の蓄電装置が並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールの異常検出装置であって、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の蓄電装置モジュールと、前記パイロットセルに取り付けられ、前記パイロットセルの異常を検出して前記蓄電装置モジュールの交換時期の判断に利用するセンサと、前記センサの検出信号に基づいて前記蓄電装置モジュールの異常の有無を判断する判断装置とを備えた蓄電装置モジュールの異常検出装置。

１０…蓄電装置モジュールとしての二次電池モジュール、１１…蓄電装置としての二次電池、１２…パイロットセル、１７…温度センサ。

Claims (6)

1. 複数の蓄電装置が並列に配置されて構成された蓄電装置モジュールであって、
   前記蓄電装置モジュールの並列方向の外側、及び内側にそれぞれ異常を検出するパイロットセルを有する蓄電装置モジュール。
2. 前記パイロットセルは、それぞれ温度センサを有する請求項１に記載の蓄電装置モジュール。
3. 前記温度センサの検出信号に基づいて異常の有無を判断する閾値は、前記外側に配置されたパイロットセルと前記内側に配置されたパイロットセルとで異なる請求項２に記載の蓄電装置モジュール。
4. 前記パイロットセルは、それぞれ圧力センサを有する請求項１に記載の蓄電装置モジュール。
5. 前記パイロットセルは、それぞれ電圧センサを有する請求項１に記載の蓄電装置モジュール。
6. 前記パイロットセルは、異常時における電流遮断機能を有する請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の蓄電装置モジュール。