(57)【要約】【課題】小型化が可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明の電池モジュール１０は、複数のバッテリ１１，１２，１３，１４が直列に接続されている。電池モジュール１０のバッテリには、外部負荷に接続される出力バッテリ１１と、出力バッテリ１１に隣接して出力バッテリと等しい電圧を維持するバッテリ１２とが含まれている。電池モジュール１０は、全てのバッテリ１１，１２，１３，１４と並列に接続されており電池モジュール全体の充放電制御を行う第一のバランサー１５を備えている。複数のバッテリ１１，１２，１３，１４は、それぞれが複数のセル２１と、セル２１の充放電制御を行うセル用バランサー２２とを備えている。セル用バランサー２２は、バッテリ１１の出力電流よりも容量の小さいバランサーである。【選択図】図２
2020171108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリが直列に接続されている電池モジュールであって、
前記複数のバッテリが、外部負荷に接続される出力バッテリと、前記出力バッテリに隣接して前記出力バッテリと等しい電圧を維持するバッテリとを含んでおり、さらに、全ての前記バッテリと並列に接続されており前記電池モジュール全体の充放電制御を行う第一のバランサーと、を備えており、
複数の前記バッテリのそれぞれが、複数のセルと、前記セルの充放電制御を行うセル用バランサーと、を備えており、
前記セル用バランサーが、前記バッテリの出力電流よりも容量の小さいバランサーであることを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記バッテリが、前記セル用バランサーによってセルバランスの調整がされているセル群の二以上と接続してバッテリ内でバランサーの階層接続構造を提供する、階層接続用バランサーを更に備えていることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記セル用バランサーが、二個の前記セルのバランス調整を行っており、
前記階層形成用バランサーが二個の前記セル用バランサー若しくは二個の前記階層形成用バランサーと接続しており、
前記バッテリに含まれる前記セルの数が２の累乗倍となることを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記セル用バランサーと階層形成用バランサーとが同一の容量を有していることを特徴とする請求項２または３に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バランサーを備えた電池モジュールに関する。特に、車両等に搭載して高電圧で電力を供給するための電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧で電力を供給するための二次電池として、複数のセル（単電池）を直列に接続した電池モジュールが広く用いられている。このような電池モジュールでは、充電と放電を繰り返す間に、セルごとの残容量や出力電圧が不均一になり、充電状態のばらつきが発生することがある。セルごとの充電状態のばらつきは、電池モジュール全体の実効容量を低下させ、また過充電や過放電によって個々のセルの劣化を招く。そこで、セルごとに充放電制御を行い、セルの充電状態を均等化するバランス制御装置、すなわちバランサーが必要となる。
【０００３】
従来、直列に配置されたセルを有する電池モジュールのバランス制御では、充放電制御を行う全てのバランサーに、電池モジュールから取り出す電流に合わせた大容量のものを適用していた。このため、バランサーを含む電池モジュール全体が高価なものとなっており、またより大きな実装面積が必要となっていた。
【０００４】
また、特許文献１には、充放電制御装置として、コンデンサを利用した電圧バランスの補正技術が開示されている。特許文献１の充放電制御装置は、複数の単位キャパシタをセルとして直列に接続した組電源を備えており、組電源のそれぞれのセルに対して充放電可能な１つの調整用セルが、スイッチを介して接続されている。調整用セルは、順番に組電源の各セルに接続され、調整用セルと各セル間の充放電によって、各セルの電圧が均一化される。
【０００５】
特許文献１のような、１つのコンデンサによる充放電制御を高電圧の電池モジュールに適用した場合もまた、制御に必要な回路の規模が大きくなってしまい、電池モジュール全体の大型化を招いていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８９４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高電圧の電力を供給する電池モジュールは、充放電制御を行うバランサーが大型化することによって、実装面積が拡大する傾向があった。また、電池モジュール全体が高価なものとなる傾向があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、バランサーを用いた新規な充放電制御技術を提供し、これにより電池モジュール全体を小型化することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１にかかる発明は、複数のバッテリが直列に接続されている電池モジュールに関する。本発明の電池モジュールは、外部負荷に接続された出力バッテリと、出力バッテリに隣接して出力バッテリと等しい電圧を維持するバッテリとを備えている。そして、全てのバッテリと並列に接続されており電池モジュール全体の充放電制御を行う第一のバランサーを備えている。さらに本発明の電池モジュールは、バッテリのそれぞれが、複数のセルと、セルの充放電制御を行うセル用バランサーとを備えている。本発明の電池モジュールは、セル用バランサーが、バッテリの出力電流よりも容量の小さいバランサーであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の電池モジュールは、二以上のセル用バランサーによってセルバランスの調整がされているセル群の二以上と接続して、バッテリ内でバランサーの階層接続構造を提供する、階層接続用バランサーを更に備えていることが好ましい。
【００１１】
本発明の電池モジュールは、セル用バランサーが、二個のセルのバランス調整を行っており、階層形成用バランサーが二個の前記セル用バランサー若しくは二個の階層形成用バランサーと接続しており、バッテリに含まれるセルの数が２の累乗倍となることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の電池モジュールは、セル用バランサーと階層形成用バランサーとが同一の容量を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るバランサーを備えた電池モジュールは、バッテリ内のそれぞれのセルの充放電状態のバランスを制御するためのセル用バランサーとして、小容量のバランサーを用いている。また、電池モジュール全体のバランスを行う第一のバランサーには、大容量のバランサーを用いている。小容量のバランサーと大容量のバランサーとを併用することで、従来のような全て同一容量で大型のバランサーを用いた場合と比較すると、より低コストで大容量の電源システムを提供することができる。
【００１４】
本発明の電池モジュールは、バランサーとバランサーとの接続を、複数段の階層接続構造とすることで、全体として使用するバランサーの数を減らすことができる。
【００１５】
電池モジュールに用いるバランサーを、電気容量の小さい小容量バランサーと、電気容量が出力電流値以上の大容量のバランサーの二種類とすることで、部品の共通化を図ることができ、より効率よく電池モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従った電池モジュールのバッテリごとのアクティブバランサーとの接続状態を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１に従った、バッテリに含まれるセルとアクティブバランサーとの接続状態を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２に従った、バッテリに含まれるセルとアクティブバランサーとの接続状態を模式的に示す図である。
【図４】図４は、比較例の、電池モジュールにおけるバランサーの配置を模式的に示す図である。
【図５】図５は、本発明において好適に用いられるアクティブバランサーの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のバランサーを備えた電池モジュールについて、最初に用語を定義し、次に、最も好適な実施形態を説明する。
【００１８】
本発明において、セルとは、電池を構成する最小単位のことである。セルは、正極と、負極と、電極の間に充填される電解質とを有しており、単電池とも言われる。セルは、その構造によって、リチウムイオンセル、ニッケル水素セル、ＥＬＤＣセルなどが知られている。本発明の二次電池システムでは、特にリチウムイオンセルが好適に用いられる。
【００１９】
本発明において、バッテリとは、二以上のセルを直列に接続し、終端部分に正極端子と負極端子を配置したものである。外部負荷への電力の供給は、バッテリの端子から行うことができる。また、本発明において、電池モジュールとは、複数のバッテリを直列接続した電源供給手段のことを指す。
【００２０】
本発明において、バランサーとは、複数のセル、または複数のバッテリに接続して、それぞれのセルまたはバッテリの充電と放電の状態を調整し、過放電や過充電を防止するように、電圧や容量をバランス制御する手段である。
【００２１】
本実施形態では、アクティブバランサーが好適に用いられる。アクティブバランサーは、たとえば、充電状態の大きなセルの電力をキャパシタに一時蓄電し、充電状態の小さなセルに再配分するような制御を行う。本発明において好適に用いられるアクティブバランサーの構成例を図５に示す。図５のアクティブバランサーは、キャパシタＣｒと、スイッチングを行うハーフブリッジ回路を備えている。キャパシタは、ハーフブリッジ回路を介して、隣り合う２つのセルに接続されている。
【００２２】
図５に示したアクティブバランサーのキャパシタＣｒは、ハーフブリッジ回路を介して、バッテリに含まれる隣り合うセル群とセル群とに接続することができる。またキャパシタＣｒは、ハーフブリッジ回路を介して、隣り合うバッテリ同士に接続し、バッテリ間の電圧や容量のバランス制御を行うことができる。図５に示した接続形態の場合、キャパシタＣｒは、一方のセルと他方のセルとに、交互にスイッチングして接続される。この時、接続されたセルとキャパシタとの間に電位差があればセルからキャパシタ、あるいはキャパシタからセルへと電荷が移動して、セルとキャパシタとの間に電位差がなくなるように、自動的に均一化される。
【００２３】
以下、図１を参照しつつ、本発明に係る電池モジュールの最も好適な実施形態を説明する。本実施形態においては、電圧１２Ｖで電力を供給できるバッテリ１１，１２，１３，１４を直列に接続し、４８Ｖの出力が可能な電池モジュール１０によって電圧１２Ｖの電力を供給する車両用電池モジュールを構成している。
【００２４】
図１は、発電機２と負荷３に接続された電池モジュール１０の概要を模式的に示した図である。本実施形態では、バッテリ１１から負荷３に対して、１２Ｖ１００Ａの電気を出力する形態について述べる。
【００２５】
本実施形態では、全てのバッテリーと並列に接続されてバイパス回路を形成している第一のバランサー１５を備えている。第一のバランサー１６は、バッテリ１１，１２を合わせた電圧と、バッテリ１３，１４とを合わせた電圧とが、いずれも２４Ｖとなるように、それぞれのバッテリの放電状態のバランス制御を行っている。更に本実施形態では、第二のバランサー１６を備えていることが、好適である。第二のバランサー１６は、バッテリ１１及びバッテリ１２に対して並列に接続されており、バッテリ１１とバッテリ１２のそれぞれの出力電圧が１２Ｖとなり、両者の電位差がなくなるように、充放電時にバランス制御を行っている。さらに本実施形態において、第一のバランサー１５と第二のバランサー１６は、いずれも出力電流の１００Ａに対応した１００Ａの電気容量を有している。
【００２６】
バッテリ１１，１２，１３，１４は、それぞれが、複数の直列に接続されたセル２１を含んでいる。本実施形態において、セル２１は、全て同一容量、同一電圧である。図１では、一例として、バッテリ１１，１２，１３、１４のなかにそれぞれ直列に接続した４個のセル２１を備えた構成を示している。バッテリの出力電圧が１２Ｖである場合、それぞれがほぼ３Ｖの電位のセル２１が適用される。ただし、バッテリ１１，１２，１３，１４の中のセルの数と出力電圧は一例であって、図１の形態に限定されない。
【００２７】
セル２１ごとの充電状態を均一化するために、セル２１の充放電制御を行って電位を均一に維持するセル用バランサーが配置される。セル用バランサーは、バッテリ１１，１２，１３，１４の出力電流よりも容量の小さいバランサーである。さらに、バッテリ内でバランサーの複数段の階層接続構造を提供する階層接続用バランサーがさらに配置されることが好ましい。階層セル俗用バランサーは、ｌセル用バランサーによってセルバランスが調整されているセル群の二以上と接続して、バランサーの階層接続構造を提供する。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を具現化した電池モジュールの実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施例では、小容量のセル用バランサー２２と階層接続用バランサー２３とを用いて、セル２１ごとの充電状態を均一化しており、低コストで大容量の電池モジュールを提供している。
【００２９】
（実施例１）
図２に、本実施例の電池モジュール１０のバッテリに含まれるセルとアクティブバランサーとの接続状態を模式的に示す。本実施例の電池モジュール１０は、４個のバッテリを備えており、それぞれのバッテリの中に、セル２１が４個ずつ含まれている。セル２１には、全て同一の出力電圧３Ｖのセルを適用している。本実施例では、バッテリ１１の出力端子から１２Ｖの電力を放電して、負荷３に給電している。
【００３０】
本実施例の電池モジュール１０は、隣接するセル２１とセル２１との間の充電状態を均一化するセル用バランサー２２を備えている。本実施例において、セル用バランサー２２は、隣接する２個のセル２１ごとに、セル用バランサー２２が接続されている。セル用バランサー２２の容量は、出力電流が１００Ａであるのに対して５Ａと有意に小さくなっている。以下、セル用バランサー２２によってバランスの調整がなされている２個のセルのことを「セル群」とも称する。
【００３１】
さらに電池モジュール１０は、一のセル群と、このセル群に隣接する更なるセル群とを接続して、複数のセル群内の充電状態を均一化する階層接続用バランサー２３を備えている。図２に示すように、本実施例において、階層接続用バランサー２３には、２個のセル用バランサーと４個のセル２２が接続して、階層構造を形成している。このような接続形態を、セル用バランサー２２と階層接続用バランサー２３とが多段接続されているとも言うことができる。
【００３２】
階層接続用バランサー２３は、セル用バランサー２２と同じ５Ａの電気容量を有している。階層接続用バランサー２３とセル用バランサー２２には、同一種類のアクティブバランサーを適用することができる。
【００３３】
電池モジュール１０はまた、出力電流値と同一以上の容量を有する第一のバランサー１５と第二のバランサー１６とを備えており、電池モジュール１０全体のバランス制御を行っている。小容量のセル用バランサー２２および階層接続用バランサー２３と、大容量のバランサー１５，１６とを併用することで、従来よりも低コストで小型化された電池モジュールを提供することができる。
【００３４】
（実施例２）
図３に、第二の実施例である電池モジュール３０の回路図を示す。実施例１と異なる点は、第一のバランサー１５と第二のバランサー１６の代わりに、全てのセルと並列になるように配置されたアクティブバランサー３１を備えている点である。アクティブバランサー３１は、出力電流と同等の大容量のバランサーであり、外部に電力を供給する出力バッテリ１１と、他のバッテリとの間の電圧を、１：３に制御することで、更にバランサーの必要数を減らしている。
【００３５】
（変形例）
実施例１では、電池モジュールを構成するバッテリが４個であり、それぞれのばッテリが４個のセルを含んでいる構成を示した。しかし、要求される出力電圧と電流値に応じて、バッテリに含まれるセルの数を増やすことができ、それに応じて、バランサーの数を変更することができる。実施例１と同一仕様のセルとセル用バランサーを用いる場合、セルの数を、２の累乗倍（ｎ×２＾ｘ）で増減させ、それに応じてセル用バランサーと階層接続用バランサーの数を調整すれば、適宜出力電圧と電流を調整することができる。
【００３６】
さらに、二個の前記階層形成用バランサーと接続する階層形成用バランサーを配置することで、三段以上の階層構造を形成し、使用するバランサーの数を一層減らすことも可能である。この場合も、用いるセルの数を２の累乗倍（ｎ×２＾ｘ）で増減させることで、適宜出力電圧と電流を調整することができる。
【００３７】
（比較例１）
比較例として、従来知られている電池モジュール１００のバランサーの配置を、図４に示す。図４の電池モジュール１００は、充放電制御を行う全てのバランサー１０１に、電池モジュールから取り出す電流に合わせた大容量のものを適用している。このため、バランサーを含む電池モジュール全体に、より大きな実装面積が必要となっている。
【００３８】
本実施例で説明した電池モジュールの構成は、適宜変更が可能である。例えば、要求される出力電圧と電流に応じて、どのバッテリから出力するのかは変更可能である。またバッテリに含まれるセルの数や、セルに接続するアクティブバランサーの数とその階層構造は、適宜変更が可能である。また、アクティブバランサーの構成もまた、適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る電池モジュールは、車両のほか、任意の産業用機器に好適に搭載される。
【符号の説明】
【００４０】
２    発電機
３    負荷
１０，４０，６０，１００    二次電池システム
１１，１２，１３，１４    バッテリ
２１    セル
１５    第一のバランサー
１６    第二のバランサー
３１    アクティブバランサー
２２    セル用バランサー
２３    階層接続用バランサー
Ｃｒ    キャパシタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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