(57)【要約】      （修正有）【課題】各セルの電圧を検出するための複数の電圧検出線に電流遮断素子を挿入せずとも、電圧検出線を通じたセル間の短絡を防止する。【解決手段】電源システム１において、蓄電モジュール１０は、直列接続された複数のセルＳ１−Ｓｎを含む。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは、各セルＳ１−Ｓｎの両端のノードに接続される。制御回路２０は、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの電位をもとに複数のセルの各電圧を検出し、当該各電圧をもとに複数のセルＳ１−Ｓｎを管理する。ケースは、少なくとも、蓄電モジュール１０、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎ、及び制御回路２０を収納する。ケースに荷重が加わってケースが変位するとき、当該変位により複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎが切断されるように、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎが配策される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数のセルを含む蓄電モジュールと、
各セルの両端のノードに接続された複数の電圧検出線と、
前記複数の電圧検出線の電位をもとに前記複数のセルの各電圧を検出し、当該各電圧をもとに前記複数のセルを管理する管理部と、
少なくとも、前記蓄電モジュール、前記複数の電圧検出線、及び前記管理部を収納するケースと、を備え、
前記ケースに荷重が加わって前記ケースが変位するとき、当該変位により前記複数の電圧検出線が切断されるように、前記複数の電圧検出線が配策されることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記ケースは外部から荷重が加わると、所定の切り口で分離またはスライドし、
前記切り口を境に、一方のケース部分に前記蓄電モジュールが配置され、他方のケース部分に前記管理部が配置され、
前記複数の電圧検出線は、前記切り口の断面を横切るように配策されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記ケースは外部から荷重が加わると、前記ケースの少なくとも１つの部分が内側に変形し、変形した部分の先端が破断機構となり、
前記複数の電圧検出線は、前記変形した部分の先端により切断されるように配策されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記変形する部分の先端に突起が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【請求項５】
前記変形する部分の先端が樹脂で覆われていることを特徴とする請求項３または４に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルが直列接続された蓄電モジュールを含む電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車両には、走行用モータに駆動電力を供給するための電源システムとして、複数のセルが直列接続された蓄電モジュールを含む電源システムが搭載される。
【０００３】
車載用の電源システムには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セルが用いられることが一般的である。特に、リチウムイオン電池セルは常用領域と使用禁止領域が近接しているため、セル単位の厳格な電圧管理が必要となる。従って、直列接続された複数のセル間の各ノードに電圧検出線を設け、各セルの電圧を監視している。
【０００４】
当該電源システムを搭載した車両がクラッシュ事故を起こした場合、当該電源システムを収容したボックスにも荷重がかかる（例えば、特許文献１参照）。その荷重により複数の電圧検出線が断線し、その内の２本の電圧検出線が電気的に接触すると、当該２本の電圧検出線間のセルが短絡する。この短絡により最悪のケースでは、発煙・発火に至るリスクがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００７／１０００７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電圧検出線間の短絡対策として、各電圧検出線にヒューズ等の電流遮断素子を挿入することが考えられる。しかしながら各電圧検出線に電流遮断素子を挿入するとコストが増大し、回路規模も増大する。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、各セルの電圧を検出するための複数の電圧検出線に電流遮断素子を挿入せずとも、電圧検出線を通じたセル間の短絡を防止する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、直列接続された複数のセルを含む蓄電モジュールと、各セルの両端のノードに接続された複数の電圧検出線と、前記複数の電圧検出線の電位をもとに前記複数のセルの各電圧を検出し、当該各電圧をもとに前記複数のセルを管理する管理部と、少なくとも、前記蓄電モジュール、前記複数の電圧検出線、及び前記管理部を収納するケースと、を備える。前記ケースに荷重が加わって前記ケースが変位するとき、当該変位により前記複数の電圧検出線が切断されるように、前記複数の電圧検出線が配策される。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各セルの電圧を検出するための複数の電圧検出線に電流遮断素子を挿入せずとも、電圧検出線を通じたセル間の短絡を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】比較例に係る車載用の電源システムの回路構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る車載用の電源システムの回路構成例を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、比較例に係る車載用の電源システム１の回路構成例を示す図である。電源システム１は、モータ３に供給するための電力を蓄える蓄電システムである。電源システム１は車両内において、補機用の１２Ｖ系の二次電池（通常、鉛電池が使用される）と別に設けられる。
【００１３】
インバータ２は力行時、電源システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。回生時、モータ３から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム１に供給する。モータ３には例えば、三相交流同期モータを使用する。モータ３は力行モードでは、インバータ２から供給される電力をもとに回転し、車両を走行させる。回生モードでは、車両の減速エネルギーにもとづく回転により発電し、インバータ２を介して電源システム１を充電する。
【００１４】
電源システム１は、蓄電モジュール１０、制御回路２０、第１ジャンクションボックスＪＢ１及び第２ジャンクションボックスＪＢ２を備え、それらは１つのケース内に収納される。
【００１５】
蓄電モジュール１０は、直列接続された複数のセルＳ１−Ｓｎを備える。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。
【００１６】
直列接続された複数のセルＳ１−Ｓｎの両端のノード、及び各セル間のノードにそれぞれ電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの一端が接続される。電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの他端は、制御回路２０内の電圧検出回路２１の入力端子にそれぞれ接続される。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎには、ヒューズＦ０−Ｆｎがそれぞれ挿入される。なお図１では蓄電モジュール１０が１つ設置される例を示しているが、複数の蓄電モジュールが設置され、それらが直列または並列に接続される構成でもよい。
【００１７】
第１ジャンクションボックスＪＢ１には、正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２、プリチャージ抵抗Ｒｐ、及びプリチャージコンタクタＲＹｐが収納される。正極側コンタクタＲＹ１は、外部に繋がるプラス配線と、蓄電モジュール１０の正極端子に繋がるプラス配線との間に挿入される。負極側コンタクタＲＹ２は、外部に繋がるマイナス配線と、蓄電モジュール１０の負極端子に繋がるマイナス配線との間に挿入される。
【００１８】
正極側コンタクタＲＹ１と並列にプリチャージ回路が接続される。プリチャージ回路は、直列接続されたプリチャージ抵抗ＲｐとプリチャージコンタクタＲＹｐを有する。正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２及びプリチャージコンタクタＲＹｐには、大型のリレーを使用することができる。
【００１９】
プリチャージコンタクタＲＹｐは、負極側コンタクタＲＹ２とともに、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられる前に閉じられ、モータ３と並列に接続されたプリチャージコンデンサ（不図示）を充電する。その後、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられ、モータ３への給電が開始する。この制御手順によりモータ３への突入電流を抑制できる。その後、プリチャージコンタクタＲＹｐは開かれる。
【００２０】
第２ジャンクションボックスＪＢ２には、電流センサＣＴ１及びメインヒューズＦｍが収納される。電流センサＣＴ１とメインヒューズＦｍは、蓄電モジュール１０と直列に接続される。電流センサＣＴ１は蓄電モジュール１０に流れる電流の値を検出し、制御回路２０に出力する。電流センサＣＴ１には、クランプ式の電流センサ、シャント抵抗を用いた電流センサ、ホール素子を用いた電流センサ等を使用することができる。メインヒューズＦｍは、規定値以上の大電流が流れると溶断し、蓄電モジュール１０を含む電流経路を遮断する。
【００２１】
制御回路（電池ＥＣＵともいう）２０は、蓄電モジュール１０を管理・制御する管理部である。制御回路２０は電圧検出回路２１、電流検出回路（不図示）、駆動回路（不図示）、均等化回路（不図示）を含む。電圧検出回路２１は例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成することができる。電圧検出回路２１は複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを介して複数のセルＳ１−Ｓｎの各電圧を検出する。電流検出回路は、電流センサＣＴ１から電流検出線を介して蓄電モジュール１０に流れる電流を検出する。
【００２２】
検出された複数のセルＳ１−Ｓｎの電圧値、及び電流値にもとづき複数のセルＳ１−Ｓｎの少なくとも１つに異常（例えば、過電圧、不足電圧、過電流）が発生している場合、駆動回路は正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く（ターンオフ）。また均等化回路は、検出された複数のセルＳ１−Ｓｎの電圧値にもとづき、複数のセルＳ１−Ｓｎの残容量を均等化させるための均等化処理を実行する。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態に係る車載用の電源システム１の回路構成例を示す図である。図２に示す本実施の形態に係る電源システム１の回路構成と、図１に示した比較例に係る電源システム１の回路構成を比較すると、本実施の形態に係る電源システム１の回路構成では、比較例に係る回路構成において電圧検出線Ｌ０−Ｌｎに挿入されていたヒューズＦ０−Ｆｎが省略される。
【００２４】
その代わり本実施の形態では電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを、クラッシュ事故等により発生する機械的応力を集中的に受ける位置（クラッシュゾーンＣＺ）に配置する。即ち、電源システム１のケースに荷重が加わって当該ケースが変位するとき、当該変位により発生する応力により電圧検出線Ｌ０−Ｌｎが切断されるように電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを配策する。以下、ケースの変位を利用した電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構の具体例を説明する。
【００２５】
（実施例１）
図３（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。以下、説明を単純化するため電源システム１のケース内において、第１ジャンクションボックスＪＢ１及び第２ジャンクションボックスＪＢ２を無視し、蓄電モジュール１０、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎ及び制御回路２０の関係について考える。
【００２６】
実施例１では電源システム１のケースに外部から所定値以上の荷重が加わると、当該ケースが所定の切り口を境に第１ケース部分１ａと第２ケース部分１ｂに分離またはスライドする機構を有している。所定値未満の荷重が加わった場合は変形しないように設計される。所定値は実験やシミュレーションのデータにもとづき決定される。
【００２７】
第１ケース部分１ａに蓄電モジュール１０が配置され、第２ケース部分１ｂに制御回路２０が配置される。制御回路２０は基板に実装されており、当該基板は露出していてもよいし、基板用のケースに収容されていてもよい。
【００２８】
複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎのそれぞれはワイヤーハーネスで構成され、複数のワイヤーハーネスが、テープ等により束ねられている。各ワイヤーハーネスは芯線を樹脂で覆って構成される。なお複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎには、フラットケーブルやＦＰＣ(Flexible printed circuits）等の樹脂成形された他の配線部材を使用してもよい。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは、切り口（図３（ａ）、（ｂ）の点線箇所）の断面を略直交に横切るように配策される。
【００２９】
第１ケース部分１ａに、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを固定する第１固定部材３１が設けられる。同様に第２ケース部分１ｂに、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを固定する第２固定部材３２が設けられる。第１固定部材３１及び第２固定部材３２は、上述の所定値以上の荷重に対しても複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを固定し続ける強度で形成される。なお図３（ａ）、（ｂ）では第１固定部材３１を、蓄電モジュール１０と切り口との中間地点に設置する例を描いているが、より切り口に近い位置に設置してもよい。第２固定部材３２についても同様である。
【００３０】
図３（ａ）、（ｂ）において、電源システム１の本体ケースの右下の方向から、追突などに起因して荷重が加わると第２ケース部分１ｂが上方向にスライドし、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎに引張力が加わる。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの両側は、第１ケース部分１ａの第１固定部材３１と第２ケース部分１ｂの第２固定部材３２に固定されているため、ケースのスライドによる引張力に抗しきれなくなると、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは引きちぎれる。
【００３１】
（実施例２）
図４（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。実施例２では電源システム１のケースに外部から所定値以上の荷重が加わると、当該ケースの少なくとも１つの部分が内側に変形し、変形した部分の先端が破断機構となる。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは、当該変形した部分の先端により切断されるように配策される。
【００３２】
図４（ａ）、（ｂ）に示す例では、電源システム１のケースの長手方向の両側壁に、第１折り畳み部１ｃ、第２折り畳み部１ｄが形成される。第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄは、両側壁の対向する位置に形成され、それぞれ内側に折り畳まれる。最大折り畳み時において両者の先端が接触するように、それぞれの折り畳み範囲が規定される。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄの先端の可動域を略直交に横切るように配策される。
【００３３】
図４（ａ）、（ｂ）において、電源システム１の本体ケースの下方向から、追突などに起因して荷重が加わると、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄが折り畳まれ、ケースが上方向に圧縮される。第１折り畳み部１ｃの先端と第２折り畳み部１ｄの先端により、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは挟み込まれて切断される。
【００３４】
切断した瞬間に折り畳み部の先端を通じて、隣接する２本の電圧検出線が短絡しないよう、折り畳み部の先端部分は絶縁されている必要がある。折り畳み部の先端部分の強度を上げるために金属部材を使用した場合は、先端部分を樹脂で覆うことにより絶縁する。
【００３５】
なお図４（ａ）、（ｂ）では本体ケースの下方向から荷重が加わることにより、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄが折り畳まれて複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎが切断される例を想定した。この点、本体ケースの左方向から第１折り畳み部１ｃの外面に荷重が加わる場合、または本体ケースの右方向から第２折り畳み部１ｄの外面に荷重が加わる場合も同様に、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄが折り畳まれ、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎが切断される。
【００３６】
（実施例３）
図５（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの破断機構を説明するための模式図である。実施例３では、図４（ａ）、（ｂ）に示した実施例２における第１折り畳み部１ｃの先端に第１突起３３が形成され、第２折り畳み部１ｄの先端に第２突起３４が形成される。複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎは、第１突起３３と第２突起３４により剪断されるように配策される。
【００３７】
実施例３では、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄの先端に第１突起３３及び第２突起３４が形成されているため、第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄの可動域を小さくできる。なお第１折り畳み部１ｃ及び第２折り畳み部１ｄも絶縁されている必要がある。第１突起３３及び第２突起３４に金属部材を使用した場合は、先端部分を樹脂で覆うことにより絶縁する。
【００３８】
以上説明したように本実施の形態によれば、クラッシュ事故等により発生する機械的応力を受ける位置（クラッシュゾーンＣＺ）に、複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを配策することにより、クラッシュ事故等の異常発生時に機械的応力によって複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎを切断することができる。よって複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎにヒューズ等の電流遮断素子を挿入しなくても異常発生時において、２本の電圧検出線の接触によるセル間の短絡を防止することができる。電流遮断素子を省略することができるため、コスト及び回路規模を削減することができる。
【００３９】
また複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎに、樹脂成形された配線部材を使用することにより、断線後も隣接する電圧検出線間の距離を確保することができる。またコネクタ外れを発生させることにより、隣接する電圧検出線間の距離を確保することができる。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これら実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４１】
例えば実施例２、３では、折り畳み部の先端または突起が複数の電圧検出線Ｌ０−Ｌｎの両側に設置される構成を示したが、片側一方に設置される構成でもよい。その場合、折り畳み部の先端の可動域を大きくする、または突起を長くする。
【００４２】
また上述の実施の形態では電源システム１を車両用電源装置に利用する例を想定したが、車載用途に限らず、航空用電源装置、船舶用電源装置等、他の用途にも利用可能である。
【００４３】
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
【００４４】
［項目１］
直列接続された複数のセル（Ｓ１−Ｓｎ）を含む蓄電モジュール（１０）と、
各セル（Ｓ１−Ｓｎ）の両端のノードに接続された複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）と、
前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）の電位をもとに前記複数のセル（Ｓ１−Ｓｎ）の各電圧を検出し、当該各電圧をもとに前記複数のセル（Ｓ１−Ｓｎ）を管理する管理部（制御回路２０）と、
少なくとも、前記蓄電モジュール（１０）、前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）、及び前記管理部（制御回路２０）を収納するケースと、を備え、
前記ケースに荷重が加わって前記ケースが変位するとき、当該変位により前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）が切断されるように、前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）が配策されることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）にヒューズを挿入しなくても、クラッシュ等の異常発生時に複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）を切断して、電圧検出線を通じたセルの短絡を防止することができる。
［項目２］
前記ケースは外部から荷重が加わると、所定の切り口で分離またはスライドし、
前記切り口を境に、一方のケース部分（１ａ）に前記蓄電モジュール（１０）が配置され、他方のケース部分（１ｂ）に前記管理部（制御回路２０）が配置され、
前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）は、前記切り口の断面を横切るように配策されることを特徴とする項目１に記載の電源システム（１）。
これによれば、クラッシュ等の異常発生時に複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）に引張力が発生し、複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）を引きちぎることができる。
［項目３］
前記ケースは外部から荷重が加わると、前記ケースの少なくとも１つの部分（１ｃ、１ｄ）が内側に変形し、変形した部分の先端が破断機構となり、
前記複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）は、前記変形した部分の先端により切断されるように配策されることを特徴とする項目１に記載の電源システム（１）。
これによれば、クラッシュ等の異常発生時に複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）を、ケースの変形した部分（１ｃ、１ｄ）の先端により切断することができる。
［項目４］
前記変形する部分の先端に突起（３３、３４）が形成されていることを特徴とする項目３に記載の電源システム（１）。
これによれば、クラッシュ等の異常発生時に複数の電圧検出線（Ｌ０−Ｌｎ）を、突起（３３、３４）により切断することができる。
［項目５］
前記変形する部分の先端が樹脂で覆われていることを特徴とする項目３または４に記載の電源システム（１）。
これによれば、切断時の短絡を防止することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  電源システム、  ２  インバータ、  ３  モータ、  １０  蓄電モジュール、  Ｓ１−Ｓｎ  セル、  Ｌ０−Ｌｎ  電圧検出線、  Ｆ０−Ｆｎ  ヒューズ、  ＪＢ１  第１ジャンクションボックス、  ＲＹ１  正極側コンタクタ、  ＲＹ２  負極側コンタクタ、  ＲＹｐ  プリチャージコンタクタ、  Ｒｐ  プリチャージ抵抗、  ＪＢ２  第２ジャンクションボックス、  ＣＴ１  電流センサ、  Ｆｍ  メインヒューズ、  ２０  制御回路、  ２１  電圧検出回路、  １ａ  第１ケース部分、  １ｂ  第２ケース部分、  １ｃ  第１折り畳み部、  １ｄ  第２折り畳み部、  ３１  第１固定部材、  ３２  第２固定部材、  ３３  第１突起、  ３４  第２突起。
【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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