JP2005056654A - 組電池モジュール管理装置およびその管理装置を備えた組電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 組電池モジュールの信頼性を向上させることができる組電池モジュール管理装置を提供する。
【解決手段】 複数の二次電池が接続されてなる組電池モジュール（５０）の管理装置であって、二次電池の電圧を検出する電圧モニタ（３０ａ〜３０ｎ）と、二次電池の正極と負極とを短絡させる短絡スイッチ（３５ａ〜３５ｎ）と、二次電池の正極と負極とを抵抗器（３７ａ〜３７ｎ）を介して接続する接続スイッチ（３８ａ〜３８ｎ）と、電圧モニタ（３０ａ〜３０ｎ）によって検出された電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには短絡スイッチ（３５ａ〜３５ｎ）を動作させ、その電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには接続スイッチ（３８ａ〜３８ｎ）を動作させるコントローラ（４０）とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、組電池モジュールの信頼性を向上させることができる組電池モジュール管理装置およびその管理装置を備えた信頼性の高い組電池モジュールに関する。

出力電圧が低く容量の小さな二次電池を、たとえば車両の駆動用エネルギー供給源として、また民生用エネルギー供給源として使用する場合、複数の二次電池を直列に接続しこれをさらに複数並列に接続して所要の電圧と容量とを備えた組電池モジュールを作製する必要がある。

組電池モジュールを構成するすべての二次電池が正常に機能していれば組電池モジュールも正常に機能することになるが、組電池モジュールを構成する二次電池の内の一つでも正常に機能しなくなると他の二次電池にその影響が及ぶため組電池モジュールは正常に機能できなくなる。

下記特許文献１に記載されている発明では、組電池モジュールを構成するすべての二次電池が正常に機能しているか否かを次のようにして判断する。まず、組電池モジュールを構成するすべての二次電池の無負荷時の電圧を計測してその最低電圧を求め、この最低電圧とそれぞれの二次電池の電圧との偏差を求める。そして、その偏差が一定値を超えているか否かを調べ、一定値を超えていればその二次電池は異常であると判断する。異常の認められた二次電池については均等化回路を機能させて容量調整を行うが、この容量調整を行う回数（均等化回路を機能させる回数）が一定の回数を超えたときには、その組電池モジュールはこれ以上使用を継続できないと判断する。つまり、この発明は、無負荷時に各二次電池の容量が均等になるように調整するが、この調整の回数が一定の回数を超えると組電池モジュールが使用できないと判断するものである。
特開２００２−２５６２８号公報（段落番号「００１９」、図２および図５）

本発明は、一部の二次電池に異常が生じただけで組電池モジュールが使用できなくなってしまうという従来の技術の不具合を解消するために成されたものであり、組電池モジュールを構成する二次電池のいくつかに異常が生じた場合であっても組電池モジュールが使用しつづけられるようにするための、組電池モジュールの信頼性を向上させることができる組電池モジュール管理装置およびその管理装置を備えた信頼性の高い組電池モジュールの提供を目的とする。

上記目的を達成するための組電池モジュール管理装置は、複数の二次電池が接続されてなる組電池モジュールの管理装置であって、当該二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池の正極と負極とを短絡させる短絡手段と、前記二次電池の正極と負極とを抵抗器を介して接続する接続手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには前記短絡手段を動作させ、その電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには前記接続手段を動作させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

二次電池の電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには短絡手段によってその二次電池の正極と負極とが直接接続される。正極と負極とが短絡されることによって、組電池モジュールからその二次電池を電気的に取り除くことができる。電圧が異常下限電圧よりも低くなった二次電池にはエネルギーがほとんど蓄えられていないので、その正極と負極とを短絡させても安全上の問題は生じない。

また、二次電池の電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには接続手段によってその二次電池の正極と負極とが抵抗器を介して接続される。正極と負極とを抵抗器を介して接続させると、異常に蓄えられてしまったエネルギーをその抵抗器の発熱によって安全に放出させることができる。

本発明にかかる組電池モジュール管理装置によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、過放電状態の二次電池は電気的に短絡することによって無効にし、過充電状態の二次電池は安全に放電させるようにしたので、一部の二次電池に異常が生じただけで組電池モジュールが使用できなくなってしまうという事態を回避することができ、組電池モジュールの信頼性を向上させることができる。

本発明にかかる組電池モジュールによれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、過放電状態の二次電池が電気的に短絡することによって無効にされ、過充電状態の二次電池は安全に放電されるので、組電池モジュールを構成する二次電池のいくつかに異常が生じた場合であっても組電池モジュールを使用しつづけられるようになり、信頼性の高い組電池モジュールが提供できる。

本発明にかかる組電池モジュールの管理装置およびその管理装置を備えた組電池モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。

本発明にかかる組電池モジュールの管理装置は、図１および図２に示すような構成を有している。図１は、本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、二次電池（一般的な二次電池）が複数直列に接続されてなる組電池モジュールに適用した場合を示し、図２は、本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、１つの直列段が並列に接続された複数の二次電池から構成され、この直列段を複数直列に接続してなる組電池モジュールに適用した場合を示している。図１と図２とでは、組電池モジュールの構成が異なっているが、両図とも管理装置の構成は全く同一である。すなわち、図１の組電池モジュール５０は、各二次電池が組電池モジュール５０を構成する複数の直列段の内の１つの直列段を構成し、図２の組電池モジュール５０は、並列に接続された複数の二次電池が１つの直列段を構成している。

本発明にかかる組電池モジュールの管理装置は、図１および図２に示すように、組電池モジュール（すべての二次電池で構成される）５０の電圧を検出する電圧モニタ１０、組電池モジュール５０を充電する場合に充電電源１５からの充電電流を制御し、また、負荷２０に電力を供給する場合に組電池モジュール５０からの供給電流を制御する電流制御装置２５、組電池モジュール５０の各直列段Ｎｏ．１〜Ｎｏ．Ｎのそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段としての電圧モニタ３０ａ〜３０ｎ、直列段を構成する二次電池の正極と負極とを短絡させる短絡手段としての短絡スイッチ３５ａ〜３５ｎ、直列段を構成する二次電池の正極と負極とを抵抗器３７ａ〜３７ｎを介して接続する接続手段としての接続スイッチ３８ａ〜３８ｎ、電圧モニタ１０、３０ａ〜３０ｎが検出した電圧に基づいて、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｎまたは接続スイッチ３８ａ〜３８ｎの動作を制御するコントローラ４０を備えている。

組電池ユニット５０を充電する場合、充電電源１５と組電池ユニット５０とを接続するスイッチ１６を閉じる。コントローラ４０は、Ｎｏ．１直列段からＮｏ．Ｎ直列段までの各直列段に設けられている電圧モニタ３０ａ〜３０ｎのそれぞれが検出した電圧を入力し、その入力した電圧があらかじめ設定してある異常上限電圧よりも高くなっているか否かを判断する。検出した電圧が異常上限電圧よりも高くなっている直列段については、接続スイッチ３８を閉じて直列段を構成する二次電池と並列に抵抗器を接続する。たとえば、充電中にＮｏ．２直列段の電圧が異常上限電圧を超えたとすると、コントローラ４０は接続スイッチ３８ｂをＯＮしてＮｏ．２直列段を構成する二次電池に抵抗器３７ｂを並列に接続する。抵抗器３７ｂが並列に接続されると、多くの充電電流は抵抗器３７ｂを流れるようになり、Ｎｏ．２直列段を構成する二次電池の電圧上昇が抑制され、その二次電池の過充電が自動的に阻止される。なお、抵抗器３７ａ〜３７ｎの抵抗値は、このような効果が期待できるよう各二次電池のインピーダンスを勘案して決定する。一般的には二次電池の内部抵抗値よりも大きな抵抗値とするのが望ましく、１００ｍΩ〜１００Ω程度の範囲で選択される。数Ａから数十Ａといった大電流が流れると予測される場合、抵抗器を放熱させるため、金属板上に設置する等の放熱対策をしてもよい。

組電池モジュール５０は、非常に多くの二次電池が直列または直並列に接続されて構成されている。また、各二次電池のインピーダンスは完全に同一ではなく微妙に異なっている。そのため、組電池ユニット５０が満充電に近づくと、それぞれの二次電池に、満充電を迎えるもの、過充電となっているもの、まだ充電不足のものなど、さまざまな状態のものが混在する。本発明の管理装置を使用しない場合には、組電池モジュール５０としては満充電になっていなくとも、二次電池のいずれかが満充電になった時点で充電を終了しなければならない。過充電は二次電池の寿命を大きく縮めてしまうからである。ところが、本発明の管理装置を用いると、満充電となった二次電池は自動的に充電が終了するので、二次電池の寿命を縮めることなくしかも安全に組電池モジュール５０を満充電させることができる。

一方、負荷２０に電力を供給する場合、負荷２０と組電池ユニット５０とを接続するスイッチ２１を閉じる。コントローラ４０は、Ｎｏ．１直列段からＮｏ．Ｎ直列段までの各直列段に設けられている電圧モニタ３０ａ〜３０ｎのそれぞれが検出した電圧を入力し、その入力した電圧があらかじめ設定してある異常下限電圧よりも低くなっているか否かを判断する。検出した電圧が異常下限電圧よりも低くなっている直列段については、短絡スイッチ３５を閉じることによって直列段を構成する二次電池を組電池ユニット５０から切り離す。たとえば、放電中にＮｏ．１直列段の電圧が異常下限電圧を下回ったとすると、コントローラ４０は短絡スイッチ３５ａをＯＮしてＮｏ．１直列段を構成する二次電池を短絡する。二次電池を短絡すると、組電池モジュール５０から負荷２０に供給される放電電流は短絡スイッチ３５ａを流れるようになることから、その二次電池は電気的に組電池モジュール５０から存在しないことになる。なお、図１および図２では二次電池を単に短絡させているが、あまり大きな短絡電流が流れないようにするためには、二次電池の内部抵抗値と同じかそれよりも小さい抵抗値の抵抗器を短絡スイッチ３５に直列に接続しても良い。

二次電池がリチウムイオン電池であるときには、２．５〜４．２Ｖの範囲が通常使用される範囲であり、この範囲を逸脱するとリチウムイオン電池としての性能が急激に悪化することから、異常上限電圧を４．２〜５Ｖの範囲に、異常下限電圧を０〜２．５Ｖの範囲に設定するのが望ましい。

短絡スイッチ３５および接続スイッチ３８は、機械的スイッチ、リレーのような電気−機械的スイッチ、電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチを用いることができる。本発明の場合、小型化かつ高信頼性が要求されるので、これらのスイッチには半導体スイッチを用いることが好ましい。

抵抗器３７はスイッチ３８（半導体スイッチ）自体に形成しても良いし、専用の外部抵抗器としても良い。ただ、この抵抗器には満充電となった二次電池の余剰エネルギーを流す必要があることから、この抵抗器はそのエネルギーによる発熱に耐えられる容量としておく必要がある。

コントローラ４０は、その内部に、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｎまたは接続スイッチ３８ａ〜３８ｎの動作数を計数する計数手段としての機能と、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｎの動作数を記録する記録手段としての機能と、記録された動作数に基づいて組電池モジュール５０の劣化状態を報知する報知手段としての機能を備えている。

コントローラ４０は、計数されたこれらのスイッチの動作数が一定数を超えたときには、電流制御装置２５に指令を出して、組電池モジュール５０を負荷２０または充電電源１５から切り離す。つまり、電流制御装置２５によって組電池モジュール５０と負荷２０または充電電源１５との接続が断たれる。この場合、電流制御装置２５は遮断手段として機能することになる。そして、コントローラ４０は、計数されたこれらのスイッチの動作数が一定数を超えたときには、電流制御装置２５に指令を出す。すなわち、充電時には、充電電源１５から組電池モジュール５０に供給される充電電流を抑制し、結果的に組電池モジュール５０の各直列段に印加される電圧を制限する。一方、放電時には、組電池モジュール５０から負荷２０に供給される放電電流を制限する。したがって、電流制御装置２５は充電時には電圧制限手段として、また、放電時には電流制限手段として機能することになる。

コントローラ４０は、どの短絡スイッチ３５がＯＮしているのか、また、どの接続スイッチ３８がＯＮしているのかを、計数手段の計数結果からリアルタイムで把握することができる。組電池モジュール５０の充電が行われる場合、接続スイッチ３８の動作数がある一定数を超えたら、組電池モジュール５０がほぼ満充電の状態になったと判断し、電流制御装置２５により充電電流を制限することによって、各直列段に印加される電圧を制限し、安全な充電状態が維持できるようにする。一方、組電池モジュール５０の放電が行われる場合、短絡スイッチ３８の動作数がある一定数を超えたら、組電池モジュール５０としての出力電圧が負荷２０の要求電圧に応じられなくなる（短絡スイッチ３８がＯＮするとその直列段の電圧だけ組電池モジュールの出力電圧が低下する）ことから、電流制御装置２５により負荷２０の供給電流を制限する。このように、充電電圧と放電電流を制御することによって、組電池モジュール５０の寿命を延ばすことができる。

コントローラ４０は、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｎの動作数に基づいて組電池モジュール５０の劣化状態を報知することができる。組電池モジュール５０がたとえば車両に搭載されている場合、車室内に設けられている表示装置によって、あとどの程度の距離を走行することができるのかをリアルタイムで乗員に報知することができる。

以上に説明した組電池モジュールの管理装置は、一般的な二次電池で構成した組電池モジュールに適用したが、バイポーラ二次電池と称する、薄型でエネルギー密度の高い二次電池によって構成された組電池モジュールにも適用することができる。

バイポーラ二次電池は、図３Ａ、Ｂに示したような構成を有している。すなわち、バイポーラ二次電池４５は、集電体３１の一方の面に正極層３２が形成されその他方の面に負極層３３が形成されてなるバイポーラ電極３４を、電解質４１を介して複数積層し電池要素４４を構成してなるものである。電池要素４４の積層方向両端に位置する集電体３１ａ、３１ｂには、負極リード４２、正極リード４３が接続される。また、バイポーラ二次電池４５の場合、隣り合う集電体との間で１つの電池、すなわち単電池を構成するため、各集電体に電圧検知タブ５６を接続して単電池の電圧を検出できるようにしている。電池要素４４と負極リード４２、正極リード４３の一部、電圧検知タブ５６の一部は、外装材（ラミネートフィルム）５７によって覆う。電池要素４４の周囲の外装材５７は熱融着され、電池内部が密封される。

以上のような構成のバイポーラ二次電池４５に本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を適用する場合には、管理装置は図４に示すように接続する。すなわち、負極リード４２と正極リード４３に電圧モニタ１０、充電電源１５、負荷２０、電流制御装置２５を接続し、それぞれの電圧検知用タブ５６の間に電圧モニタ３０ａ〜３０ｊ、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｊ、接続スイッチ（抵抗器付き）３８ａ〜３８ｊを接続する。

このように管理装置を接続した場合、バイポーラ二次電池４５の電圧は電圧モニタ１０によって検出され、このバイポーラ二次電池４５を構成する単電池の電圧は電圧モニタ３０ａ〜３０ｊによって検出される。

図５は、１０個のバイポーラ二次電池４５を図示されているように直並列に接続した組電池モジュール５０に本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を適用した場合を示している。この場合には、組電池モジュール５０の正極電極端子３６と負極電極端子３９に電圧モニタ１０、充電電源１５、負荷２０、電流制御装置２５を接続し、それぞれの電圧検知用タブ５６の間に電圧モニタ３０ａ〜３０ｔ、短絡スイッチ３５ａ〜３５ｔ、接続スイッチ（抵抗器付き）３８ａ〜３８ｔを接続する。

このように管理装置を接続した場合、組電池モジュール５０の電圧は電圧モニタ１０によって検出され、この組電池モジュール５０を構成するバイポーラ二次電池４５の単電池の電圧は電圧モニタ３０ａ〜３０ｔによって検出される。

図４および図５のいずれの場合も、電流制御装置２５、短絡スイッチ３５、接続スイッチ（抵抗器付き）３８、コントローラ４０の動作は図１および図２の場合と同一である。したがって、これらの構成要素の機能説明は省略する。

次に、この管理装置を備えた組電池モジュールについて説明する。上記の説明では、組電池モジュールを管理する管理装置について説明したが、以下では、この管理装置を組み込んだ組電池モジュールの発明について説明する。

組電池モジュールとしての構成部材を減らし、より一層の軽量化、低価格化を行うためには、図４および図５に示したようなバイポーラ電池で組電池モジュールを構成することが望ましい。バイポーラ電池を用いた場合、直列段の増加が容易であり、冗長性（並列接続）の確保もしやすい。また、バイポーラ電池は高電圧を得やすいので、一般的な二次電池を用いた場合よりも、必要とされる直列段数が少なくて済み、その分小型軽量化される。

バイポーラ二次電池により構成される組電池モジュールは、このような多くのメリットを持っている。このため、本発明を、複数のバイポーラ二次電池が直列および並列に接続されてなる図５の組電池モジュールに基づいて説明する。

この組電池モジュールは、複数の直列段が形成されるように接続されたバイポーラ二次電池４５の単電池４５ａ〜４５ｔ、１つの直列段を形成する単電池４５ａ〜４５ｔそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段としての電圧モニタ３０ａ〜３０ｔ、単電池４５ａ〜４５ｔの正極と負極とを短絡させる短絡手段としての短絡スイッチ３５ａ〜３５ｔ、単電池４５ａ〜４５ｔの正極と負極とを抵抗器（図示せず）を介して接続する接続手段としての接続スイッチ３８ａ〜３８ｔ、電圧モニタ３０ａ〜３０ｔによって検出された電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには該当する短絡スイッチ３５ａ〜３５ｔを動作させ、その電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには接続スイッチ３８ａ〜３８ｔを動作させる制御手段としてのコントローラ４０とを備えている。

組電池モジュールを構成する単電池の数、すなわち直列段の段数は、組電池モジュールの必要出力電圧を満たすための段数よりも多く、前記必要出力電圧の１．３倍の出力電圧を超える段数よりも少ない範囲に設定されている。たとえば、負荷２０の必要出力電圧（定格電圧）が７０Ｖ±１０Ｖであり、バイポーラ二次電池４５の単電池の出力電圧が４．０Ｖであったとすると、直列段としては１８段（４×１８＝７２Ｖ）で足りるが、本発明の組電池モジュールでは直列段を２０段（２つのバイポーラ電池４５を直列に接続）としている。このように、設ける直列段の段数を多めに設定しておけば、いくつかの短絡スイッチが動作して直列段の数が減少しても、組電池モジュールを使用し続けることができる。上記の場合、負荷２０の最低電圧が６０Ｖであるから、５個の短絡スイッチがＯＮするまで、すなわち、２０段ある直列段が１５段になるまでは組電池モジュールとして使用することができる。

また、本発明にかかる組電池モジュールは、５個のバイポーラ２次電池４５を並列に接続している。このように１つの直列段を並列に接続された複数の単電池で構成すれば、組電池モジュールは複数の単電池がマトリックス状に接続されたものとなる。したがって、各単電池の容量に多少のばらつきがあったとしても、並列に接続されている単電池間でその容量が平準化され、単電池の電圧が異常上限電圧に達し難くなり、組電池モジュールとしての信頼性が向上する。

ここで、冗長数が組電池モジュールの不良率にどのような影響を与えるのかを説明しておく。組電池モジュールを構成する二次電池の数をＮ、冗長数をｍ、個々の二次電池の不良率をｐとすると、
組電池モジュールの不良率Ｐは、
ｍ
Ｐ＝１−Σ（Ｎ！／Ｎ−ａ）！／ａ！）×（１−ｐ）^{（Ｎ−ａ）}×ｐ^ａ
ａ＝０
という式で表される。

たとえば、直列段が１００段で冗長性を持たない組電池モジュールの場合、１つの直列段を構成する二次電池の不良率が１０００ｐｐｍであったとすると、組電池モジュールとしての不良率は９．５％となる。一方、この組電池モジュールに１つの冗長性を設ける（直列段が１００段のものを２つ並列にする）と、その組電池モジュールの不良率は０．４７％まで減少する。同様に３つの冗長性を設けるとその不良率は０．０８４ｐｐｍとなり、信頼性の非常に高い組電池モジュールとなる。このように冗長性を増加させると、組電池モジュールの信頼性は向上する。どの程度の冗長度にするのかは、要求される組電池モジュールの信頼性と、容量、大きさ価格などを総合的に考慮して決める。

次に、本発明にかかる組電池モジュールの動作を図７および図８に示すフローチャートに基づいて説明する。このフローチャートは、組電池モジュールが充電中、放電中またはこれ以外でもコントローラ４０によって処理される。

コントローラ４０は、直列段数をカウントするカウンタＮの値を１に設定する（Ｓ１）。そして、Ｎｏ．１直列段の電圧を測定する。図５の組電池モジュールの場合は、電圧モニタ３０ａで検出されている電圧を入力することを意味する（Ｓ２）。コントローラ４０は、測定した電圧が異常上限電圧を超えているか否かを判断する（Ｓ３）。測定した電圧が異常上限電圧を超えていれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、Ｎｏ．１直列段の接続スイッチ３８ａをＯＮする（Ｓ４）。一方、測定した電圧が異常上限電圧を超えていなければ（Ｓ３：ＮＯ）、今度は、測定した電圧が異常下限電圧を超えているか（下回っている）否かを判断する（Ｓ５）。測定した電圧が異常下限電圧を超えていれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、Ｎｏ．１直列段の接続スイッチ３５ａをＯＮする（Ｓ６）。

一方、測定した電圧が異常下限電圧を超えていなければ（Ｓ５：ＮＯ）、短絡済の直列段数が許容数を超えたか否かを判断する。すなわち、ＯＮしている短絡スイッチ３５またはＯＮしている接続スイッチ３８の数が許容範囲内であるか否かを判断する。この判断を行うのは、組電池モジュールとしての電圧が負荷の定格電圧以下になっていないかどうか、充電電圧を下げる必要があるかどうかを見極めるためである（Ｓ７）。短絡済の直列段数が許容数を超えていなければ（Ｓ７：ＯＮ）、カウンタＮの値を１だけインクリメントし（Ｓ８）、カウンタＮの値がＮｍａｘ（Ｎｏ．Ｎ直列段、図５ではＮｏ．２０直列段）を超えていないかどうかを判断する（Ｓ９）。カウンタＮの値がＮｍａｘを超えていなければ（Ｓ９：ＮＯ）、Ｓ２のステップの処理に戻って、Ｎｏ．２直列段に対してＳ２〜Ｓ８の処理を行う。一方、カウンタＮの値がＮｍａｘを超えていれば（Ｓ９：ＹＥＳ）、Ｓ１のステップの処理に戻って、再度Ｎｏ．１直列段からＳ２〜Ｓ８の処理を行う。

Ｓ７のステップにおいて、短絡済の直列段数が許容数を超えていると判断されたときには（Ｓ７：ＹＥＳ）、組電池モジュール全体の電圧を下げる必要があるか否かを判断する（Ｓ１０）。組電池モジュール全体の電圧を下げる必要があれば（Ｓ１０：ＹＥＳ）、電流制御装置２５によって充電電流を制御して（低下させて）組電池モジュール全体の電圧を下げる（Ｓ１１）。組電池モジュール全体の電圧を下げる必要がなければ（Ｓ１０：ＮＯ）、電流制御装置２５によって組電池モジュールの電流を遮断する（Ｓ１２）。

以上のように、本発明にかかる組電池モジュールは、充電時、異常上限電圧を超えた直列段は接続スイッチにより抵抗器に置き換えられ、その数が一定の数を超えたら組電池モジュール全体に印加される電圧が下げられる。また、放電時、異常下限電圧を下回った直列段は短絡スイッチにより組電池モジュールから切り離され、その数が一定の数を超えたら組電池モジュール自体を負荷から切り離す。

なお、図７および図８のフローチャートには記載していないが、短絡状態に移行させた直列段の個数を記録する処理を設けることによって、二次電池の劣化により短絡状態に移行した二次電池が増えて組電池モジュールが動作できる限界に近づいた場合、あらかじめ警告を出し、利用者に交換を促がす事ができる。この処理を設けることによって組電池モジュールを利用するシステム全体の停止を防ぐことができる。直列の冗長段を持つ組電池モジュールを使用した場合、短絡状態になった二次電池が発生するごとに冗長性が減ったことを使用者に通知しても良いし、冗長性がある基準以下になったところで初めて使用者に組電池モジュールの劣化として警告を発しても良い。冗長性が全くなくなる前に利用者に警告しておけば、組電池モジュールを使用するシステムの非稼動時間を最小限に留めることができる。たとえば、１０段の冗長段を持った組電池モジュールで、冗長性が２まで低下、すなわち８つの直列段が短絡状態になった時点で警告を出し、冗長性が全くなくなった時点で最後の警告を出すといった例が考えられる。

図３に示したようなバイポーラ二次電池を複数直並列に接続して組電池モジュール５０を作製する場合には、図６に示すように構成することができる。具体的には、図６に示すように、バイポーラ二次電池１０を４枚並列に接続し（図６Ｂ参照）、４枚並列にしたバイポーラ二次電池１０をさらに６枚直列にして金属製の組電池ケース５５に収納し（図６Ａ、Ｃ参照）組電池モジュール５０を構成することができる。組電池ケース５５内には、管理装置を構成する、電流制御装置２５、短絡スイッチ３５、接続スイッチ（抵抗器付き）３８、コントローラ４０が内蔵される。このように、バイポーラ二次電池１０を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール５０を提供することができる。

なお、組電池ケース５５上部の蓋体に設けられた組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４と、各バイポーラ二次電池１０の正極電極端子３６、および負極電極端子３７とは、組電池モジュール５０の正極および負極端子用リード線４６、４８を用いて電気的に接続されている。また、バイポーラ二次電池１０を４枚並列に接続する際には、スペーサ４９のような適当な接続部材を用いて各バイポーラ二次電池１０の各電極端子３６、３７を電気的に接続すればよい（図６Ｂ参照）。同様に、４枚並列にした各バイポーラ二次電池１０をさらに６枚直列に接続する際には、バスバー５１のような適当な接続部材を用いて各バイポーラ二次電池１０の正極タブ１４、負極タブ１５を順次電気的に接続すればよい（図６Ｃ参照）。バイポーラ二次電池１０同士を連結するためには、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接または電子ビーム溶接により、または、リベットを用いて、またはカシメの手法を用いて、連結するようにしてもよい。

次に、図６に示した組電池モジュール５０を、少なくとも２以上直列、並列または直並列に接続し、組電池６０とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに専用の組電池モジュールを作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。たとえば、図９に示したように、組電池モジュール５０を６組並列に接続して組電池６０とするには、各組電池ケース５５上部の蓋体に設けられた組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４を、外部正極端子部、外部負極端子部を有する組電池正極端子連結板６２、組電池負極端子連結板６４を用いてそれぞれ電気的に接続する。また、各組電池ケース５５の両側面に設けられた各ネジ孔部（図示せず）に、該固定ネジ孔部に対応する開口部を有する連結板６６を固定ネジ６７で固定し、各組電池モジュール５０同士を連結する。また、各組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４は、それぞれ正極および負極絶縁カバー６８、６９により保護され、適当な色、たとえば、赤色と青色に色分けすることで識別されている。

このように、組電池モジュールを複数直並列接続されてなる組電池は、高容量、高出力を得ることができ、一つ一つの組電池モジュールの信頼性が高いことから、組電池としての長期的な信頼性の維持が可能である。また一部の電池、組電池モジュールが故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能になる。

組電池６０を、電気自動車に搭載するには、図１０に示したように、電気自動車７０の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池を用いた電気自動車は高い耐久性を有し、長期間の使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。

なお、本発明では、組電池６０だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、これら組電池と組電池モジュールを組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または組電池モジュールを搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッドカーが好ましいが、これらに制限されるものではない。

本発明にかかる組電池モジュール管理装置およびその管理装置を備えた組電池モジュールは、請求項ごとに次のような効果を生じる。

請求項１に記載の発明によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、電圧が異常下限電圧よりも低くなっている過放電状態の二次電池は短絡により電気的に無効にし、電圧が異常上限電圧よりも高くなっている過充電状態の二次電池は安全に放電させるようにしたため、一部の二次電池に異常が生じただけで組電池モジュールが使用できなくなってしまうという事態をできるだけ回避することができ、組電池モジュールの信頼性と寿命を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、短絡により電気的に無効にされた二次電池および強制的に放電が行われている二次電池の数が一定数以上に達したときに組電池モジュールを負荷または充電電源から切り離すようにしたので、組電池モジュールを使用限界まで使うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、短絡により電気的に無効にされた二次電池および強制的に放電が行われている二次電池の数が一定数以上に達したときに、電流制限手段によって負荷への電流を制限し、また、電圧制限手段によって組電池モジュールの充電電圧を制限するので、組電池モジュールの使用寿命を延ばすことができる。

請求項４に記載の発明によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、短絡により電気的に無効にされた二次電池の数がわかるようにしたので、組電池モジュールの劣化状況をリアルタイムで把握することができる。

請求項５に記載の発明によれば、１つ１つの二次電池が組電池モジュールの１つの直列段を構成するようにしたので、それぞれの二次電池を短絡により電気的に無効にしたり、放電させたりすることができる。

請求項６に記載の発明によれば、並列に接続された複数の二次電池によって１つの直列段を構成するようにしたので、各直列段の信頼性を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、二次電池をバイポーラ二次電池またはバイポーラ二次電池の単電池としたので、組電池モジュールが小型化でき、また組電池モジュールの製造コストも低く抑えることができる。

請求項８に記載の発明によれば、組電池モジュールを構成する二次電池の内、過放電状態の二次電池は短絡により電気的に無効にされ、過充電状態の二次電池は安全に放電されるようにしたので、組電池モジュールを構成する二次電池のいくつかに異常が生じた場合であっても組電池モジュールを使用しつづけることができるようになり、信頼性の高い組電池モジュールとすることができる。

請求項９に記載の発明によれば、組電池モジュールの直列段の段数を、組電池モジュールの必要出力電圧を満たすための段数よりも多く、その必要出力電圧の１．３倍の出力電圧を超える段数よりも少ない範囲で設けたので、いくつかの直列段が短絡により電気的に無効にされても、組電池モジュールの出力電圧が必要出力電圧以下になるまでは組電池モジュールの使用が可能になる。

請求項１０に記載の発明によれば、並列に接続された複数の二次電池によって１つの直列段を構成するようにしたので、各直列段の信頼性を向上させることができる。

請求項１１に記載の発明によれば、二次電池をバイポーラ二次電池またはバイポーラ二次電池の単電池としたので、組電池モジュールが小型化でき、また組電池モジュールの製造コストも低く抑えることができる。

請求項１２に記載の発明によれば、本発明にかかる組電池モジュールを直列にまたは並列に、直列または並列を組み合わせて接続したので、信頼性の高い組電池とすることができる。

請求項１３に記載の発明によれば、本発明にかかる組電池モジュールまたは組電池を駆動用電源としたので、信頼性に優れた車両を提供することができる。

次に、本発明の効果を確認するために、実施例において組電池モジュールに対して過酷な試験を行った。その結果は次に示すようなものとなった。
［実施例１］
容量が１６００ｍＡｈの缶型リチウムイオン電池を２０個直列に接続して直列電池群を作製し、さらにこの直列電池群を５個並列に接続して組み電池モジュールを作製した。この組電池モジュールを１０用意した。この缶型リチウムイオン電池は充電時の電圧が４．２Ｖ、放電時の電圧が３．０Ｖである。各直列段に短絡回路と接続回路とを並列に接続するとともに、電圧検出器を接続した。短絡回路と接続回路の動作はコントローラで制御できるようにした。

この組電池モジュールを６０Ｖの電圧で放電させ、７５Ｖの電圧で充電させ、この充電と放電を１００サイクル繰り返した。そして、短絡回路と接続回路との動作状態を確認して組電池モジュール異常の有無を確認した。また、充放電を繰り返し行う前の組電池モジュールの内部抵抗を測定した。

上記の条件で充放電を繰り返した結果は下記の通りである。
１．すべての組電池モジュールに異常が認められなかった。
２．短絡回路または接続回路が動作した組電池モジュールは３つあった。
３．すべての組電池モジュールに漏液は認められなかった。
４．すべての組電池モジュールに発煙が認められなかった。
５．内部抵抗は７５ｍΩであった。
［実施例２］
容量が８００ｍＡｈ、２０層積層タイプのバイポーラリチウムイオン電池を用意した。このバイポーラリチウムイオン電池は満充電時の電圧が８４Ｖ、放電時の電圧が６０Ｖである。このバイポーラリチウムイオン電池の各直列段（単電池）に設けられている電圧検知用タブに短絡回路と接続回路とを並列に接続するとともに、電圧検出器を接続した。短絡回路と接続回路の動作はコントローラで制御できるようにした。このバイポーラリチウムイオン電池を２０個用意した。

このバイポーラリチウムイオン電池（組電池モジュール）を６０Ｖの電圧で放電させ、７５Ｖの電圧で充電させ、この充電と放電を１００サイクル繰り返した。そして、短絡回路と接続回路との動作状態を確認してバイポーラリチウムイオン電池の異常の有無を確認した。

上記の条件で充放電を繰り返した結果は下記の通りである。
１．すべてのバイポーラリチウムイオン電池に異常が認められなかった。
２．短絡回路または接続回路が動作したバイポーラリチウムイオン電池は４個あった。
３．すべての組電池モジュールに漏液は認められなかった。
４．すべての組電池モジュールに発煙が認められなかった。
［比較例１］
実施例１と全く同一の組電池モジュールを作製し、短絡回路と接続回路は設けずに、実施例１と全く同一の条件で充放電を繰り返した。その結果は下記の通りである。
１．２つの組電池モジュールに異常が認められた。
２．２つの組電池モジュールに漏液が認められた。
３．１つの組電池モジュールに発煙が認められた。
４．内部抵抗は７７ｍΩであった。
［比較例２］
実施例１と全く同一の組電池モジュールを作製し、缶型リチウムイオン電池を組み電池モジュールから完全に切り離せるようにするために、図１１に示すような回路を設けた。この回路は、組電池モジュールの直列段を構成するリチウムイオン電池の電圧を電圧モニタによって検出し、その電圧が一定値（異常下限電圧）よりも低ければスイッチをリチウムイオン電池から切り離す回路である。この回路を接続し実施例１と全く同一の条件で充放電を繰り返した。その結果は下記の通りである。
１．すべての組電池モジュールに異常が認められなかった。
２．図の回路が動作した組電池モジュールは３つあった。
３．すべての組電池モジュールに漏液は認められなかった。
４．すべての組電池モジュールに発煙が認められなかった。
５．内部抵抗は１３２ｍΩであった。
［比較例３］
実施例２と全く同一のバイポーラリチウムイオン電池を用意し、短絡回路と接続回路は設けずに、実施例２と全く同一の条件で充放電を繰り返した。その結果は下記の通りである。
１．５つのバイポーラリチウムイオン電池に異常が認められた。
２．５つのバイポーラリチウムイオン電池に漏液が認められた。
３．３つのバイポーラリチウムイオン電池に発煙が認められた。

以上の実施例と比較例との結果を表にすると下記の通りである。

なお、以上の実施例および比較例において設定した充放電の条件は、冒頭にも記したように非常に過酷な条件としてある。従って、比較例においては漏液や発煙が認められるものもあったが、通常の使用条件では、漏液や発煙にまで至ることはほとんどないことはもちろんである。

本発明は、組電池モジュールを構成する二次電池の端子間電圧に基づいて、二次電池を切り離したり、強制的に放電させたりしているので、二次電池を過放電や過充電から守り、組電池モジュールの寿命を向上させることができる。

本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、二次電池が複数直列に接続されてなる組電池モジュールに適用した場合を示す図である。 本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、１つの直列段が並列に接続された複数の二次電池から構成され、この直列段を複数直列に接続してなる組電池モジュールに適用した場合を示す図である。 バイポーラ二次電池の概略構成図である。 本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、バイポーラ二次電池に適用した場合を示す図である。 本発明にかかる組電池モジュールの管理装置を、バイポーラ二次電池が複数直並列に接続されてなる組電池モジュールに適用した場合を示す図である。 バイポーラ二次電池を複数用いて構成した組電池モジュールの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図を、（Ｂ）は側面図を、（Ｃ）は正面図をそれぞれ示す。 本発明の具体的な動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の具体的な動作を説明するためのフローチャートである。 本発明にかかる組電池の代表的な一実施形態を模式的に表した図である。 本発明にかかる組電池が搭載された車両を模式的に表した図である。 比較例２において組電池モジュールからリチウムイオン電池を切り離すために用いた回路である。

符号の説明

１０、３０ａ〜３０ｎ 電圧モニタ、
１５ 充電電源、
１６、２１ スイッチ、
２０ 負荷、
２５ 電流制御装置、
３１ 集電体、
３２ 正極層、
３３ 負極層、
３４ バイポーラ電極、
３５ａ〜３５ｎ 短絡スイッチ、
３６ 正極電極端子、
３７ａ〜３７ｎ 抵抗器、
３８ａ〜３８ｎ 接続スイッチ、
３９ 負極電極端子、
４０ コントローラ、
４１ 電解質、
４２ 負極リード、
４３ 正極リード、
４４ 電池要素、
４５ バイポーラ二次電池、
４６ 正極端子用リード線、
４８ 負極端子用リード線、
４９ スペーサ、
５０ 組電池モジュール、
５１ バスバー、
５２ 正極端子、
５４ 負極端子、
５５ 組電池ケース、
５６ 電圧検知用タブ
５７ 外装材（ラミネートフィルム）
６０ 組電池、
６２ 組電池正極端子連結板、
６４ 組電池負極端子連結板、
６６ 連結板、
６７ 固定ねじ、
６８ 正極絶縁カバー、
６９ 負極絶縁カバー、
７０ 電気自動車。

Claims (13)

1. 複数の二次電池が接続されてなる組電池モジュールの管理装置であって、
   当該二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記二次電池の正極と負極とを短絡させる短絡手段と、
   前記二次電池の正極と負極とを抵抗器を介して接続する接続手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには前記短絡手段を動作させ、その電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには前記接続手段を動作させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池モジュール管理装置。
2. 前記短絡手段または前記接続手段の動作数を計数する計数手段と、
   当該計数手段によって計数された動作数が一定数を超えたときには前記組電池モジュールを負荷または充電電源から遮断する遮断手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール管理装置。
3. 前記計数手段によって計数された動作数が一定数を超えたときには、前記組電池モジュールから負荷に供給される電流を制限する電流制限手段または前記充電電源が前記組電池モジュールに印加する電圧を制限する電圧制限手段のいずれか一方、または双方をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール管理装置。
4. 前記計数手段によって計数された前記短絡手段の動作数を記録する記録手段と、
   当該記録手段の記録に基づいて前記組電池モジュールの劣化状態を報知する報知手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール管理装置。
5. 前記二次電池は、前記組電池モジュールを構成する複数の直列段の内の１つの直列段を構成することを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール管理装置。
6. 並列に接続された複数の二次電池によって前記１つの直列段が形成されることを特徴とする請求項５記載の組電池モジュール管理装置。
7. 前記二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成されてなるバイポーラ電極を電解質を介して複数積層してなるバイポーラ二次電池であるか、または当該バイポーラ二次電池において隣接する集電体との間で形成される単電池であることを特徴とする請求項１記載の組電池モジュール管理装置。
8. 複数の直列段が形成されるように接続された複数の二次電池と、
   １つの直列段を形成する二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記１つの直列段を形成する二次電池の正極と負極とを短絡させる短絡手段と、
   前記１つの直列段を形成する二次電池の正極と負極とを抵抗器を介して接続する接続手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧が異常下限電圧よりも低くなったときには前記短絡手段を動作させ、その電圧が異常上限電圧よりも高くなったときには前記接続手段を動作させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする組電池モジュール。
9. 前記直列段の段数は、前記組電池モジュールの必要出力電圧を満たすための段数よりも多く、前記必要出力電圧の１．３倍の出力電圧を超える段数よりも少ない範囲に設定されることを特徴とする請求項８記載の組電池モジュール。
10. 前記直列段は、並列に接続された複数の二次電池によって形成されることを特徴とする請求項８記載の組電池モジュール。
11. 前記二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成されてなるバイポーラ電極を電解質を介して複数積層してなるバイポーラ二次電池であるか、または当該バイポーラ二次電池において隣接する集電体との間で形成される単電池であることを特徴とする請求項８記載の組電池モジュール。
12. 請求項８から請求項１１のいずれかに記載の複数の組電池モジュールを、直列にまたは並列に、直列または並列を組み合わせて接続したことを特徴とする組電池。
13. 請求項８から請求項１１のいずれかに記載の複数の組電池モジュールまたは請求項１２に記載の組電池を駆動用電源として搭載したことを特徴とする車両。

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