(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続される複数の蓄電池モジュールを有する蓄電池システムであって、
上記複数の蓄電池モジュールの電源端子間を接続する電源線と、
上記複数の蓄電池モジュールの通信端子間を接続する通信線とを有し、
上記蓄電池モジュールは、それぞれ、単電池が直列接続された単電池列と、モジュールコントローラとを有し、
上記複数の蓄電池モジュールは第1の蓄電池モジュールと、上記第1の蓄電池モジュールの接地電位側に、上記第1の蓄電池モジュールと直列接続されたところの第２の蓄電池モジュールとを有し、
上記第1の蓄電池モジュールと上記第２の蓄電池モジュールとは、上記電源線および上記通信線により直列接続されており、かつ、
上記第1の蓄電池モジュールと上記第２の蓄電池モジュールとは隣接して配置され、上記第1の蓄電池モジュール内の前記単電池列の負極側と上記第２の蓄電池モジュール内の前記単電池列の正極側とが電気的に直列接続されており、
上記複数の蓄電池モジュールから、上記第１の蓄電池モジュールを取り外す場合に、上記第２の蓄電池モジュールに接続される上記通信線を切り離した後に、上記第２の蓄電池モジュールに接続される上記電源線を切り離し、その後に、上記第１の蓄電池モジュールに接続される通信線を切り離し、さらにその後に上記第１の蓄電池モジュールに接続される上記電源線を切り離すものであり、
上記第1および第２の蓄電池モジュールは、それぞれ、そのモジュールの正極側のみに上記電源線の切り離しスイッチおよび上記通信線の切り離しスイッチを有し、それらに切り離しスイッチにより上記切り離しを個別に行うものであり、
上記複数の蓄電池モジュールの間は、上記通信線によりデイジーチェーン状に接続されていることを特徴とする蓄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電池モジュール及び複数の蓄電池モジュールから構成される蓄電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直列に接続した複数の単電池（例えば、Ｌｉイオン電池セル）を電池モジュールとする。この蓄電池モジュールを一単位として、複数直列に接続することで高電圧化し、高い出力電力を得るための蓄電池システムが考えられている。
【０００３】
しかしながら、経時変化などによって個々の蓄電池モジュールの電圧や充放電容量にばらつきが生じた場合、これらの蓄電池モジュールが負担する充放電容量は不均一となり、システム全体としての性能を落とすこととなる。なぜならば、蓄電池モジュールは直列接続されているため、この中の蓄電池モジュール間の充放電容量ばらつきが大きくなると、放電時には放電能力は容量の少ないモジュールに制約され、充電時には残存電力の大きいモジュールが先に満充電となることでそれ以上の充電がなされなくなることにより、システム全体の充放電能力が低下する。
【０００４】
そのため、それぞれの蓄電池モジュールにモジュール制御装置を配置し、蓄電池モジュールの状態を監視・制御することでばらつきを抑制する技術が開示されている（特許文献１）。それぞれのモジュール制御装置は監視下の単電池を介して直列に接続されるため、信号伝達にはモジュール制御装置間をデイジーチェーン状に接続して情報伝達を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８９２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、地球温暖化ガスの低減や省資源消費の観点から、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）といった電気自動車が注目されている。これら車載用に用いられる直流電源は高い出力電力を必要とし、単電池を直列に多数接続して使用する。とりわけそのエネルギー密度の高さからＬｉイオン二次電池を用いた蓄電池システムが注目されている。一方、このように小型で高い出力を得ることができる電池は安全性への配慮から、各単電池の充放電状態を高い精度で制御しなければならない。また上記のような蓄電池システムは、様々な環境でしかも長期間使用されることが想定されることから、高い信頼性を維持しなければならない。
【０００７】
またこれらの蓄電池モジュールではシステム運用に伴って確実に電池劣化が進行することから、蓄電池システムの長期運用にあたっては劣化モジュールへの対処が重要な課題となる。本発明ではシステムの性能を維持して長期間の運用を可能にするために、劣化した蓄電池モジュールを、絶縁破壊を生じさせることなく安全に交換するための蓄電池モジュールおよび蓄電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題を解決するため、直列接続される複数の蓄電池モジュールを有する蓄電池システムにおいて、複数の蓄電池モジュールの電源端子間を接続する電源線と、複数の蓄電池モジュールの通信端子間を接続する通信線と、複数の蓄電池モジュールから、第１の蓄電池モジュールを取り外す場合に、第１の蓄電池モジュールに接続される通信線を切り離した後に、第１の蓄電池モジュールに接続される電源線を切り離す機構を設ける。
【発明の効果】
【０００９】
劣化した蓄電池モジュールを、絶縁破壊をおこさせることなく安全に交換できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電池システムを示す図である。
【図２】本発明の課題を説明するための図である。
【図３】実施例１にかかる蓄電池モジュールのブロック図である。
【図４】蓄電池モジュールの交換フローを示した図である。
【図５】図３の交換フローにおけるステップＳ０８の様子を示した図である。
【図６】図３の交換フローにおけるステップＳ１４の様子を示した図である。
【図７】図３の交換フローの変形例である。
【図８】実施例１にかかる蓄電池モジュールの変形図である。
【図９】実施例２にかかる蓄電池モジュールの外観である。
【図１０】実施例２にかかる蓄電池モジュールの断面図である。
【図１１】実施例２にかかる蓄電池モジュールが電池ラックにおいて接続された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の蓄電池システムである。蓄電池モジュール１０３は蓄電池の最小交換単位である。その内部構成は図３等を用いて詳述する。蓄電池システム１００は複数の蓄電池モジュールで構成されており、図１の例では、蓄電池モジュール列１０３ａ〜ｉを直列に接続している。端子１０１（正極）、端子１０２（負極）は蓄電池システムの出力端子であって、蓄電池システムにより駆動される負荷はこれら端子間に接続される。
【００１２】
制御装置ＳＣＯＮは、蓄電池システム１００が出力する電流の監視や、出力電流量等に応じて各蓄電池モジュールの状態を制御するための制御装置である。そのため、制御装置ＳＣＯＮは各モジュールと通信を行うための蓄電池モジュールをデイジーチェーン状に接続した通信線を有している。本発明では、さらに、制御装置ＳＣＯＮは蓄電池モジュール交換のための制御を行う。
【００１３】
図１の例では、通信端子Ｄ１（＋）とＤ１（−）との間に通信線１０４が設けられていおり、制御装置ＳＣＯＭと蓄電池モジュール１０３ａ〜ｉとの通信は、デイジーチェーン状に接続された通信線１０４により行われる。
【００１４】
なお、通信線１０４は、正極側通信端子Ｄ（＋）から負極側通信端子Ｄ（−）の単方向通信（または負極側通信端子Ｄ（−）から正極側通信端子Ｄ（＋）への単方向通信）として構成してもよく、または正極側通信端子Ｄ（＋）と負極側通信端子Ｄ（−）との間で双方向通信として構成することも可能である。スイッチ１０５の役割については後述する。
【００１５】
図１の蓄電池システムにおいて、一つの劣化した蓄電池モジュールを交換しようとするならば、交換の際に生じる高電圧で絶縁破壊が蓄電池モジュールを構成する素子を破壊してしまうおそれがあることに、発明者らは気がついた。一般的な構成の蓄電池モジュール２１０で蓄電池システムを構成した図２の例を用いて本発明の課題を説明する。図２の例は定格電圧３０２．４Ｖの蓄電池システムである。１つあたり３．６Ｖの単電池（電池記号により表記する）が４個直列接続されている蓄電池モジュールが２１個直列接続されている。また、図１において説明したように、直列接続された蓄電池モジュールは制御装置２００と通信するための通信線がデイジーチェーン状に接続されている。
【００１６】
ここで、蓄電池モジュール２１０ｂを取り外す際、先にモジュール２１０ａの電源端子Ｔｂ１１、Ｔｂ１２とモジュール２１０ｂの電源端子Ｔｕ２１、Ｔｕ２２及びモジュール２１０ｃの電源端子Ｔｕ３１、Ｔｕ３２とモジュール２１０ｂの電源端子Ｔｂ２１、Ｔｂ２２とが電気的に分離され、一方、モジュール２１０ａの通信端子ＣＴｂ１、モジュール２１０ｂの通信端子ＣＴｕ２・ＣＴｂ２、モジュール２１０ｃの通信端子ＣＴｕ３とはデイジーチェーン接続されたままであったとする。図２はこの状態を示している。
【００１７】
電源端子が分離され、負荷ＲＬを通じて放電されることにより正極２０１の電位は０Ｖとなる。したがって、モジュール２１０ａのモジュールコントローラＭＣＯＮ１の電源電位ＶＣＣ１は０Ｖとなり、この電位が通信端子ＣＴｂ１にあらわれる。通信端子ＣＴｂ１とモジュール２１０ｂの通信端子ＣＴｕ２とは電気的に接続されているため、通信端子ＣＴｕ２の電位も０Ｖとなる。一方、モジュール２１０ｃより負極側には１８個のモジュール、すなわち７２直列された単電池が接続されているため、モジュール２１０ｃの電源端子Ｔｂ３２及びモジュールコントローラＭＣＯＮ３のローカル基準電位ＧＮＤＬ３は２５９．２Ｖ（＝７２×３．６Ｖ）となる。このため、モジュールコントローラＭＣＯＮ３の素子による電圧降下分を無視するとモジュール２１０ｂの通信端子ＣＴｂ２には２５９．２Ｖの電位があらわれる。
【００１８】
この結果、モジュール２１０ｂのモジュールコントローラＭＣＯＮ２のローカル基準電位ＧＮＤＬ２は受信回路ＲＸ２のツェナーダイオードを順方向電流が流れることにより通信端子ＣＴｕ２に放電され、約０Ｖとなる。その結果、キャパシタ２１２の一方の端子には２５９．２Ｖから３直列の単電池分（１０．８Ｖ）電圧降下した２４８．４Ｖの電位が、もう一方の端子には約０Ｖの電位が印加される。同様に、送信回路ＴＸ２のダイオードには約２５９．２Ｖの逆方向電圧が印加される。素子の耐圧は、通常、モジュールの数倍程度の耐圧しか持たないため、このような大電圧の印加は素子の絶縁破壊を生じさせる可能性がある。
【実施例１】
【００１９】
第１の実施例について説明する。第１の実施例では、スイッチを内蔵した蓄電池モジュールによって蓄電池システムを構成する。図３は蓄電池モジュール３００の主要構成を示すブロック図である。図１の蓄電池システムの蓄電池モジュールとして用いられる。蓄電池モジュールは、直列接続された単電池列３０１、モジュールコントローラＭＣＯＮ、モジュールの外部端子と内部素子との接続を遮断するスイッチＳＷを有する。単電池３０１は、例えばＬｉイオン電池セルのような二次電池である。モジュールコントローラＭＣＯＮは単電池の電圧、電流、温度等の情報を取得し、他のモジュールとデイジーチェーン接続される通信線３０２、通信線３０３によって制御装置ＳＣＯＮと通信する。この例では、制御装置ＳＣＯＮと単方向通信を行うための送信回路ＴＸと受信回路ＲＸを示している。システムの正極側の通信端子ＣＴｕから受信回路ＲＸで信号Ｒｓｉｇを受信し、信号Ｔｓｉｇを送信回路ＴＸにより変調してシステムの負極側の通信端子ＣＴｂに出力する。双方向通信を行う場合には、もう一つ通信端子の組を設け、システムの負極側の通信端子から信号を受信する受信回路とシステムの正極側の通信端子に信号を送信する送信回路とを設けることで実現可能である。蓄電池モジュール間の通信方式としては、よく知られた規格（例えば、ＣＡＮ、ＬＩＮ、ＵＡＲＴなど）を適用することができる。
【００２０】
また、モジュールコントローラＭＣＯＮは単電池列３０１から電源ＶＣＣ及びローカル基準電位ＧＮＤＬを得る。モジュールコントローラＭＣＯＮは、単電池間電位ｎ１〜ｎ４をモニタすることにより、各単電池の出力電圧（ＶＣ１〜３、ＶＣＣ）をモニタしている。例えば、システム制御装置ＳＣＯＮから蓄電池モジュール３００の出力電圧を下げるよう指示を受けた場合には、モジュールコントローラＭＣＯＮは、出力電圧の高い単電池を特定し、該当する抵抗Ｒ１に電流を流させることで電力を消費させることにより、その単電池の出力電圧を調整することができる。
【００２１】
スイッチＳＷ１〜３はそれぞれ蓄電池モジュールの電源線３０４、モニタ線３０５、通信線３０２、３０３を接続／遮断するためのものである。モジュールコントローラＭＣＯＮは電源制御信号Ｐｓｗ、通信制御信号Ｃｓｗを生成し、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は電源制御信号Ｐｓｗにより、スイッチＳＷ３は通信制御信号Ｃｓｗにより制御される。図３ではスイッチは蓄電池モジュールの正極側に取り付けられているが、負極側または正極、負極両側に取りつけることもできる。
【００２２】
蓄電池モジュール３００の情報収集と劣化判定、および交換作業を行う場合のフローを図４〜６を用いて説明する。なお、図５、６の蓄電池モジュールは図３に示す蓄電池モジュールと同じものであるが、表記を簡略化して示している（例えば、モニタ線については省略している）。また、図４のフローは制御装置ＳＣＯＮと蓄電池モジュールとが単方向通信可能（Ｄ（＋）→Ｄ（−））であれば適用できるものである。
【００２３】
制御装置ＳＣＯＮは定期的に各蓄電池モジュールの状態についての情報をモジュールコントローラＭＣＯＮから収集する（Ｓ０１）。制御装置ＳＣＯＮは取得した情報をもとに各蓄電池モジュールに対して劣化の判定を行う（Ｓ０２）。蓄電池モジュールの劣化は、充放電を繰り返すことによって生じ、劣化は蓄電池モジュールの容量低下（容量劣化）あるいは内部抵抗の増加（抵抗劣化）が所定のしきい値を超えたか否かで判定する。例えば、収集した情報から想定される満充電時の容量が定格容量の７０％（しきい値）まで減少したモジュールを劣化モジュールと定義することができる。なお、劣化判定の演算処理量が大きく、かつリアルタイム性も低いためモジュールの劣化判定は制御装置ＳＣＯＮで行なわせている。本例では、モジュール５２０（図５）が劣化モジュールと判定されたものとする。
【００２４】
制御装置ＳＣＯＮは劣化モジュール５２０の負極側に隣接するモジュール５３０に切断指示を通知する（Ｓ０３）。隣接モジュール５３０は通信線スイッチ５３２をOPENとし、通信線を切断する（Ｓ０４）。続いて、電源線をスイッチ５３１をOPENにすることで切断する（Ｓ０５）。制御装置ＳＣＯＮは通信端子Ｄ（＋）からテスト信号を送信し、このテスト信号がデイジーチェーン接続された通信線を通して通信端子Ｄ（−）に戻ってこないことをタイムアウトにより確認する。これにより、制御装置ＳＣＯＮは通信線が切断されたことを確認できる。これにより、劣化モジュールは負極側に隣接するモジュール５３０と切り離される。
【００２５】
次に、制御装置ＳＣＯＮは劣化モジュール５２０に切断指示を通知する（Ｓ０７）。デイジーチェーン接続はスイッチ５３２において切断されているが、それよりも正極側に位置する蓄電池モジュールは正常に接続されているので、制御装置ＳＣＯＮからの指示を受信することが可能である。劣化モジュール５２０も同様に通信線、電源線の順に切断する（Ｓ０８、Ｓ０９）。なお、図５はステップＳ０８でのスイッチの接続状態を示している。以上をもって劣化モジュール５２０がシステムから独立した状態となり、ユーザによる交換が可能となる。劣化モジュール５２０の切断完了については、制御装置ＳＣＯＮが切断指示をしてから十分な時間が経過したことをもって劣化モジュール５２０の切断完了と判定するようにしてもよい。また、蓄電池モジュールにスイッチのOPEN/CLOSEに応じて点灯するＬＥＤを設け、ユーザが蓄電池モジュールのスイッチのOPEN/CLOSEを視覚的に判断できるようにしてもよい。
【００２６】
この後、ユーザは劣化モジュール５２０の取り外し、および新規モジュール５４０に交換する（Ｓ１０）。モジュールの再接続は、例えば各モジュールが正極側電源端子、負極側電源端子とも他の蓄電池モジュールに接続されていることを検知して自律的に実施する。このとき、各モジュールコントローラＭＣＯＮは電源線スイッチをCLOSEしてから通信線スイッチをCLOSEにするように制御する（Ｓ１１〜１２、Ｓ１４〜１５）。図４の例では、隣接モジュールが先行する例であるが、隣接モジュールと新規モジュールのいずれが先行してもよく、また同時であってもよい。なお、図６はステップＳ１３でのスイッチの接続状態を示している。スイッチ接続が完了したモジュールは接続完了信号を制御装置ＳＣＯＮに対して出力する（Ｓ１３、Ｓ１６）。制御装置ＳＣＯＮは、両モジュールからの接続完了信号を受信することにより、蓄電池モジュールの交換を終了する。
【００２７】
以上は、交換される蓄電池モジュールの負極側にも蓄電池モジュールが存在する場合の例であるが、最負極側の蓄電池モジュールの交換の場合には、負極側の通信線の切断のためにスイッチ１０５（図１）を用いる。スイッチ１０５は制御装置ＳＣＯＮにより制御される。
【００２８】
なお、蓄電池システムにおいて、蓄電池モジュール間で双方向通信可能に構成される場合は、新規モジュールの接続フローを図７のように行うことができる。変更される部分は図４の（Ａ）−（Ｂ）間である。モジュールの交換後、ユーザは制御装置ＳＣＯＮにモジュールの交換完了を通知する（Ｓ１８）。この通知を受けて、制御装置２００は、新規モジュール５４０の負極側に隣接するモジュール５３０に対して、接続を開始するように指示する。この指示は、負極側通信端子Ｄ（−）から正極方向に通信することで伝達可能である。この指示を受けて、隣接モジュール５３０では、最初に電源線を接続する（Ｓ２０）。電源線の接続が終了した後、通信線を接続する（Ｓ２１）。隣接モジュール５３０は接続完了信号を制御装置ＳＣＯＮに送信する（Ｓ２２）。接続完了信号も負極側の通信線を用いて、隣接モジュールから制御装置ＳＣＯＮに送信される。接続完了信号を制御装置ＳＣＯＮが受け取ると（Ｓ２３）、制御装置ＳＣＯＮは新規モジュール５４０に接続を開始するように指示する（Ｓ２４）。この指示も、負極側通信端子Ｄ（−）から伝達される。同様に、新規モジュール５４０も電源線、通信線の順で接続され（Ｓ２５〜２６）。隣接接続完了を制御装置ＳＣＯＮが受け取ると（Ｓ２７〜２８）、蓄電池モジュールの交換を終了する。
【００２９】
このように双方向通信ができる場合には、蓄電池モジュール交換の場合の自律的なスイッチ制御は不要になる。また、通信線切断確認（図３のステップＳ０６）も切断完了を示す信号を送信させることによって確認することが可能になる。
【００３０】
さらに、図３の構成において付随的効果として、外部端子と内部素子との間に内蔵スイッチが設けられることから、蓄電池モジュールの不使用時にこれらの内蔵スイッチをOPENにするようにしておけば、蓄電池モジュール単体としての安全性を高めることも可能である。
【００３１】
図８は図３に示した蓄電池モジュールの変形例である。この例は、図３から電源制御信号Ｐｓｗで制御されるスイッチＳＷ１，ＳＷ２を除いたものである。既に説明した通り、電源線が短絡していて通信線が蓄電池システムに接続されている状態がなくなればよい。したがって、交換の際にスイッチＳＷ３がOPENになっているように制御されるようになっていれば、図８の構成であっても耐圧破壊を免れることができる。すなわち、電池モジュール交換フロー（図４）の電源線スイッチ遮断／接続に関するステップＳ０５、Ｓ０９、Ｓ１１、Ｓ１４のステップをなくしたフロー、または電池モジュール再接続フロー（図７）の電源線スイッチ接続に関するステップＳ２０、Ｓ２５のステップをなくしたフローで交換可能になる。この場合、電源線（すなわち単電池間）にスイッチが直列接続されることがなく、システムの効率が向上する。
【００３２】
以上、実施例１に蓄電池モジュールに内蔵スイッチを設ける例を説明したが、いずれも内蔵スイッチのOPEN/CLOSEのタイミングを制御することで電源を安定してから確実にモジュールの取り外し、再接続を行うことができるものであり、モジュール、ひいてはシステムの安全性を高める効果を有する。
【実施例２】
【００３３】
第２の実施例について説明する。第２の実施例では、蓄電池モジュールの外部端子の構造を電源端子と通信端子とで異ならせることで、モジュール内部素子の絶縁破壊を防止するものである。第２の実施例では、蓄電池モジュールの内部構成は例えば図２の２１０に相当する構成である。
【００３４】
図９、１０にそれぞれ第２実施例にかかる蓄電池モジュール９００の外観と断面図を示す。蓄電池モジュール匡体９０５の背面部分に通信コネクタ９０１、および電源コネクタ（正極・負極）９０３・９０４が設けられている。双方向通信対応モジュールであれば、４個の通信コネクタ９０１が設けられる。図１０に示すように、通信コネクタ９０１の先端は、電源コネクタ９０３、９０４の先端よりも間隔ｇで示される長さだけ短くなっている。通信コネクタ９０１が電源コネクタ９０３、９０４よりも短いことで、モジュールを引き抜く際、通信コネクタが先に切断され、その後電源コネクタが切断される。また蓄電池モジュール９００を挿入する際は、先に電源コネクタが接続され、次に通信コネクタが接続されるため、実施例１に示す切断・接続フローと同様の効果を得ることができる。間隔ｇは１ｍｍ〜５０ｍｍ程度あればよい。なお、図１０では蓄電池モジュール９００は蓄電池システムの電池ラック１００１に収納された状態を示しており、１００２はラック背面に設けられる冷却ファンである。
【００３５】
図１１に電池ラック１００１において蓄電池モジュール９００が接続された状態を示す。制御装置ＳＣＯＮと５つの蓄電池モジュール９００とが接続された状態を示している。蓄電池モジュール９００の通信端子９０１は通信用バスバー１００２ａ〜ｆによりデイジーチェーン状に接続がなされている。また、隣接する電源モジュールは斜め方向に延びる電源用バスバー１００３ａ〜ｄにより接続される。これにより、電源モジュール９００の電源端子の位置を共通化できる。また、ラック電源端子（正極）１００４は最も正極側に位置する電源モジュール９００ａの正極が電源用バスバー１００６で接続され、ラック電源端子（負極）１００５は最も負極側に位置する電源モジュール９００ｅの負極が電源用バスバー１００６で接続されている。なお、図１０で説明したように、電源用バスバーに接続する電源コネクタの先端は、通信用バスバーに接続する通信コネクタの先端よりも電池ラック側に突き出している構造となっているため、通信用バスバー１００２と電源用バスバー１００３の位置関係は、電池ラックに挿入されたモジュールのコネクタの位置に応じた位置関係に設けられる。
【符号の説明】
【００３６】
１００：蓄電池システム、ＳＣＯＮ：制御装置、１０１：正極、１０２：負極、１０３：蓄電池モジュール、１０４：通信線。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図８】
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【図１１】
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