JP6087675B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電池モジュールに関する。

従来、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）を産業機器や車載用機器に適用するには、１セルでは電圧が低いため、必ず多直列にセルをつなぎ合わせて、組電池を形成する必要があった（例えば、特許文献１参照）。
一方、産業向けには平均作動電圧４８Ｖ程度の鉛蓄電池を用いた中大型電動機器が多数存在する。

近年、鉛蓄電池からより高性能なリチウムイオン電池に電池を切り替える動きが活発になってきているが、例えば平均作動電圧が４８Ｖの中大型電動機器では、最大充電電圧が６０Ｖ、放電終止電圧（最小放電電圧）がそのモーターの下限性能の３０Ｖ程度まで稼動することが要求される。

特開２００９−２７７６４７号公報

ところで、大電力供給の要求に応えるため、組電池を駆動電源あるいは補助電源に利用するシステムにおいては、高性能化及び使用可能時間の長時間化を目的として、高容量化の要望が高くなってきている。
このための手法として、電池を多数直列に接続して電池群を構成し、この電池群を並列接続することにより組電池を構成した組電池装置が用いられている。
ここで、電池の取り扱いを容易とするため、複数の電池を並列及び直列接続し、モジュール化して電池モジュールとして構成している場合がある。

ところで、組電池装置を構成する複数の電池モジュールの制御を行う制御装置として、バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）が用いられる場合がある。

この場合において、バッテリマネジメントユニットと各電池モジュールとの間は、制御用の通信ラインを形成する通信コネクタ及び電力供給ラインを形成する正極接続コネクタ（正極接続ケーブル）及び負極接続コネクタ（負極接続ケーブル）を介して接続される。

ところで、電池モジュールを構成している電池の劣化や故障のチェック等のメンテナンスを行うために、通信コネクタを接続したまま、正極接続コネクタ及び負極接続コネクタの接続を解除してしまう場合がある。

この場合に、電力供給ラインを再構築するために、正極接続コネクタ及び負極接続コネクタの接続を行うときに、コネクタの接続を誤った場合に、短絡状態となり、ヒューズ素子が溶断する等により、再構築に手間がかかるという不具合が生じ得る。

そこで、本発明は、電池モジュールに設けられているコネクタの接続ミスによる影響を低減し、メンテナンス性が向上することが可能な電池モジュールを提供することを目的としている。

実施形態の電池モジュールは、正極接続端子及び負極接続端子を介して前記蓄電池の充放電電流が流れる主回路を備えている。
また、抵抗素子は、主回路から分岐された電流流路に設けられ、主回路と外部制御装置との間で絶縁状態を維持しつつ、外部制御装置と正極接続端子あるいは負極接続端子を介して閉回路を構成可能とされている。
さらに外部制御装置と絶縁通信を行うための通信コネクタを備え、抵抗素子は、通信コネクタを介して、外部制御装置と閉回路を構成する。
そして、電流量検出回路は、抵抗素子を流れる電流量を検出し電流量検出信号を遮断回路に出力する。
これにより遮断回路は、電流量検出信号に基づいて、抵抗素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を下回った場合に主回路を流れる電流を遮断する。

図１は、本実施形態にかかる組電池システムを電動フォークリフトに搭載する場合における電動フォークリフトの電気系統の概要構成を示すブロック図である。 図２は、電池モジュールの外観斜視図である。 図３は、電池モジュールの詳細構成ブロック図である。 図４は、電源バックアップシステムの概要構成図である。

次に実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる組電池システムを電動フォークリフトに搭載する場合における電動フォークリフトの電気系統の概要構成を示すブロック図である。
電動フォークリフトの電気系統１０は、大別すると、電動フォークリフトの駆動用の電力を供給する電池モジュールシステム１１（電源装置または電源制御装置の一例）と、電池モジュールシステム１１の充電および電池モジュールシステム１１からの給電を受けた動作を行うフォークリフト電気系統部１２と、を備えている。

電池モジュールシステム１１は、直列接続された複数の電池モジュール１３Ａ、１３Ｂを備えている。

フォークリフト電気系統部１２は、フォークリフト電気系統部１２全体を制御する車両制御部（ＥＴＣ）２１と、車両制御部２１の制御下で駆動されるインバータモータ２２と、車両制御部２１の制御下で電池モジュールシステム１１からの電力をインバータモータ２２に供給するコンタクタ２３と、オペレータが正しい運転操作位置（例えば、正しい着座位置）にいることを検出してオン状態となるインターロックスイッチ２４と、オペレータのキー操作によりオン状態となるキースイッチ２５と、ヘッドランプ、警告ホーン、ウインカー（方向指示器）等の補機を備えた補機群２６と、オペレータのキー操作により補機群２６に駆動用の電力を供給する補機群用スイッチ２７と、外部の商用電源（例えば、三相交流電源）が接続されて、電池モジュールシステム１１から出力された充電制御信号に従って電池モジュールシステム１１を構成しているバッテリパックモジュール１４の充電を行う充電部２８と、過電圧が発生した場合に、インバータモータ２２に流れた過電流により溶断されるヒューズ素子２９と、を備えている。

ここで、電動フォークリフトの電気系統１０の概要動作について説明する。通常動作状態においては、オペレータが正しい運転操作位置に至ると、インターロックスイッチ２４がオン状態となる。補機群用スイッチ２７は、常にオン状態であり、ヘッドランプ、警告ホーン、ウインカー（方向指示器）等の補機の操作が可能となっている。

続いてオペレータがキー操作を継続すると、キースイッチ２５がオン状態となる。キースイッチ２５がオン状態となると第２配線Ｗ２および車両制御部２１に電力が供給され、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂに車両が起動したことが通知され、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂと車両制御部２１との間で第３配線Ｗ３を介して通信が開始される。すなわち、インターロックスイッチ２４およびキースイッチ２５がオン状態となると、インバータモータ２２が駆動可能な状態となるので、車両制御部２１は、コンタクタ２３をオン状態として、電池モジュールシステム１１の電池モジュール１３Ａ、１３Ｂから第１配線Ｗ１を介してインバータモータ２２に対して電力を供給する。

この結果、インバータモータ２２は駆動状態となり、電動フォークリフトは駆動され、オペレータにより操作されることとなる。

また、充電動作状態においては、充電部２８に外部の商用電源（例えば、三相交流電源）が接続されて、電池モジュールシステム１１を構成している電池モジュール１３Ａ、１３Ｂの充電を行う。

ところで、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂは、車両停止時も常に充放電可能な状態になっているが、モジュール組み付け時などのメンテナンス時には、安全のため充放電できない状態とされる。ここで、充放電できない状態の電池モジュールを充放電可能な状態にする（電池モジュールを起動する）方法の一例としては、起動時には、必ず充電を行い、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂの正極接続コネクタＴＰおよび負極接続コネクタＴＢに電圧が印加されたことを検出すると、起動するような方法が考えられる。

図２は、電池モジュールの外観斜視図である。
図２に示すように、電池モジュール１３Ａあるいは電池モジュール１３Ｂは、箱形の電池モジュール本体から正極接続コネクタＴＰ、通信コネクタＴＣ及び負極接続コネクタＴＭが引き出されている。

したがって、図１に示したように、通常使用状態においては、電池モジュール１３Ａの正極接続コネクタＴＰは、第１配線Ｗ１の高電位側に接続されるとともに、電池管理装置１５の高電位側電源端子に接続されている。

一方、電池モジュール１３Ａの負極接続コネクタＴＭは、電池モジュール１３Ｂの正極接続コネクタＴＰに接続されている。
さらに電池モジュール１３Ｂの負極接続コネクタＴＭは、第１配線Ｗ１の低電位側に接続されるとともに、車両側１２の低電位側電源端子に接続されている。

また、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂの通信コネクタＴＣは、通信ケーブルを介して電池管理装置１５の通信コネクタＴＣ１に接続されており、通信コネクタＴＣ及び通信コネクタＴＣ１は、電気的には、車両側１２の基準電位（グランド電位）に接続（共通接地）されている。

図３は、電池モジュールの詳細構成ブロック図である。
電池モジュール１３Ａ、１３Ｂは、同一構造であるので、ここでは、電池モジュール１３Ａを例として説明する。
電池モジュール１３Ａは、複数の直列接続された基本電池セル３１と、複数の直列接続された基本電池セル３１の両端電圧を測定して、電池状態を監視する電池監視回路３２と、車両側１２からの指令及び電池監視回路３２の出力等に基づいて、電流遮断素子として機能するＦＥＴで構成されたトランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２の開閉制御を行う制御演算回路３３と、一端が複数の直列接続された基本電池セル３１の高電位側に接続された電流検出抵抗ＲＳの両端電圧を検出して、当該電流検出抵抗ＲＳを流れる電流量を検出して、電流量検出信号を制御演算回路３３に出力する電流検出回路３４と、電池モジュール１３Ａの電力供給系統とは電圧系統が大きく異なるフォークリフト電気系統部１２と電気的に絶縁された状態で通信を行う絶縁通信回路３５と、一端が電流検出抵抗ＲＳに接続され、絶縁通信回路３５と同等の絶縁状態を維持可能な高い抵抗値を有し、他端が通信コネクタＴＣを介して電池管理装置１５の基準電位（グランド電位）に接続された接地抵抗ＲＧと、正極接続コネクタＴＰと基本電池セル３１との間で過電流が流れたときに溶断する過電流遮断用のヒューズ素子３６と、を備えている。
ここで、上記回路は、いわゆる特別低電圧回路として構成されている。また、制御演算回路３３は、充放電の制御を行う充放電制御部として機能する。

次に実施形態の動作を説明する。
図３に示した状態（通常状態使用状態）において、電池モジュール１３Ａの正極接続コネクタＴＰは、フォークリフト電気系統部１２の高電位側電源端子に接続され、負極接続コネクタＴＭは、電池モジュール１３Ｂの正極接続コネクタＴＰに接続され、電池モジュール１３Ｂの負極接続コネクタＴＭは、フォークリフト電気系統部１２の低電位側電源端子（基準電位側、接地側）に接続されている。

したがって、フォークリフト電気系統部１２、基本電池セル３１、トランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２、電流検出抵抗ＲＳ、接地抵抗ＲＧは、通信コネクタＴＣを介して閉回路を構成している。
また、通常使用状態においては、トランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、閉状態（オン状態）にある。

このため、電流検出回路３４は、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧を検出して、当該電流検出抵抗ＲＳを流れる電流量を検出して、電流量検出信号を制御演算回路３３に出力することとなる。

ここで、絶縁通信回路３５がフォークリフト電気系統部１２と通信可能な状態で通信コネクタＴＣが正常に接続され、かつ、正極接続コネクタＴＰ及び負極接続コネクタＴＭが正常に接続されている場合に電流検出抵抗ＲＳを流れる電流量をＩ１とし、絶縁通信回路３５が電池管理装置１５と通信可能な状態で通信コネクタＴＣが正常に接続され、かつ、正極接続コネクタＴＰあるいは負極接続コネクタＴＭの少なくとも一方が非接続状態になった場合に電流検出抵抗ＲＳを流れる電流量をＩ２（＜＜Ｉ１）とし、しきい値電流量をＩｔｈ（Ｉ２＜Ｉｔｈ＜Ｉ１）とした場合に、制御演算回路３３は、入力された電流量検出信号に対応する電流量をしきい値電流量Ｉｔｈと比較して通信コネクタＴＣ、正極接続コネクタＴＰ及び負極接続コネクタＴＭのいずれも正常に接続されているか否かを判別する。

なお、通信コネクタＴＣが正常に接続されていない場合には、制御演算回路３３は、電力を供給すべき状態に無いとして、直ちにトランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開状態（オフ状態）とする。

上記判別の結果、通信コネクタＴＣが正常に接続され、かつ、正極接続コネクタＴＰあるいは負極接続コネクタＴＭの少なくとも一方が非接続状態になったと判別された場合、すなわち、入力された電流量検出信号に対応する電流量がしきい値電流量Ｉｔｈ未満であった場合には、正極接続コネクタＴＰと負極接続コネクタＴＭとは、短絡接続の虞があるものとして、トランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２を開状態（オフ状態）とする。

実際には、通信コネクタＴＣが正常に接続され、かつ、正極接続コネクタＴＰあるいは負極接続コネクタＴＭの少なくとも一方が非接続状態になった場合の電流量は、ほぼ０アンペアとなっており、確実に判別がなされる。なお、本判別方法では、最も低い負極接続コネクタＴＭの電位を基準として最も高い電位にある電池モジュール１３の正極接続コネクタＴＰ（図３の例では電池モジュール１３Ａの正極接続コネクタＴＰ）の電位を越えた場合には、電池モジュール１３は停止しないこととなるが、この場合、負極接続コネクタＴＭの接続相手は車両側の正極接続コネクタのみとなるため誤接続して短絡を発生させる虞はない。

一方、上記判別の結果、通信コネクタＴＣが正常に接続され、かつ、正極接続コネクタＴＰ及び負極接続コネクタＴＭが正常に接続されている場合、すなわち、入力された電流量検出信号に対応する電流量がしきい値電流量Ｉｔｈを越えている場合には、電力供給を行っても問題ない状態であるとして、トランジスタスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、閉状態（オン状態）にしたままとする。

以上の説明のように、本実施形態によれば、電池モジュール１３Ａあるいは電池モジュール１３Ｂの基本電池セル３１を含む電力供給ラインが正常に接続されていない状態においては、電力が外部に供給されることはないので、誤って正極接続コネクタＴＰと負極接続コネクタＴＭとを接続してしまったとしても、短絡状態に至ることはない。

また、一旦、正極接続コネクタＴＰあるいは負極接続コネクタＴＭを外した場合には、電池モジュール１３は、充放電停止状態となるので、再び正常に接続した場合は、前述した起動方法の例を用いるなどして、充放電できる状態に移行する。

以上の説明は、電池モジュールシステムをフォークリフトの動力源として用いる場合のものであったが、本実施形態の変形例は、いわゆる電源バックアップシステムに適用した場合のものである。
図４は、電源バックアップシステムの概要構成図である。
図４において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
電源バックアップシステム１０Ａは、大別すると電源を供給する電池モジュールシステム１１と、負荷４１に対し、商用電源４２からの商用交流電力の供給を受けて、電力変換を行って電力を供給するとともに、電池モジュールシステム１１の充電を行う主電源４３と、を備えている。

そして、通常時は、負荷４１は、主電源４３からの電力供給を受けて駆動されるが、低伝などにより商用電源４２からの電源供給ができなくなった場合には、負荷４１は、電池モジュールシステム１１によりバックアップ対象として電源供給がなされる。

この場合において、本実施形態の変形例における電池モジュールシステム１１の動作は、電動フォークリフトの電気系統１０の場合と同様であり、電池モジュール１３Ａあるいは電池モジュール１３Ｂの基本電池セル３１を含む電力供給ラインが正常に接続されていない状態においては、電力が外部に供給されることはないので、誤って正極接続コネクタＴＰと負極接続コネクタＴＭとを接続してしまったとしても、短絡状態に至ることはない。

また、一旦、正極接続コネクタＴＰあるいは負極接続コネクタＴＭを外し、再び正常に接続した場合には、正常に通信コネクタＴＣが接続されている限りは、直ちに正常動作状態に復帰できる。
したがって、電源バックアップシステムにおいても、メンテナンス性が向上する。

上記実施形態においては、車両制御部２１あるいは主電源４３が全ての制御を行うようにしていたが、車両制御部２１あるいは主電源４３と、ＢＣＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とに分けて制御を実行する形態であってもよい。

以上の説明における正極接続コネクタＴＰ及び負極接続コネクタＴＭは、いわゆるコネクタ部材を有するものばかりでなく、単なる端子も含む概念であることは言うまでもない。
以上の説明においては、電池モジュール１３Ａ、１３Ｂを備えた電池モジュールシステムがいわゆる特別定電圧回路を構成している場合について述べたが、これに限られるものではない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ フォークリフトの電気系統
１０Ａ 電源バックアップシステム
１１ 電池モジュールシステム
１２ フォークリフト電気系統部
１３Ａ、１３Ｂ 電池モジュール
１５ 電池管理装置
３１ 基本電池セル
３２ 電池監視回路
３３ 制御演算回路（遮断回路、充放電制御回路）
３４ 電流検出回路
３５ 絶縁通信回路
３６ ヒューズ素子
４１ 負荷
４２ 商用電源
４３ 主電源
ＲＧ 接地抵抗（抵抗素子）
ＲＳ 電流検出抵抗（電流検出用抵抗素子）
ＳＷ１、ＳＷ２ トランジスタスイッチ（遮断回路）
ＴＣ、ＴＣ１ 通信コネクタ
ＴＭ 負極接続コネクタ
ＴＰ 正極接続コネクタ

Claims (8)

1. 正極接続端子及び負極接続端子を介して蓄電池の充放電電流が流れる主回路と、
   前記主回路から分岐された電流流路に設けられ、前記主回路と外部制御装置との間で絶縁状態を維持しつつ、前記外部制御装置と前記正極接続端子あるいは前記負極接続端子を介して閉回路を構成可能な抵抗素子と、
   前記抵抗素子を流れる電流量を検出し電流量検出信号を出力する電流量検出回路と、
   前記電流量検出信号に基づいて、前記抵抗素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を下回った場合に前記主回路を流れる電流を遮断する遮断回路と、
   前記外部制御装置と絶縁通信を行うための通信コネクタと、を備え、
   前記抵抗素子は、前記通信コネクタを介して、前記外部制御装置と閉回路を構成する、
   電池モジュール。
2. 前記外部制御装置と前記通信コネクタを介して絶縁通信を行う絶縁通信回路を備えた、
   請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記主回路を介した前記蓄電池の充放電を制御するとともに、前記外部制御装置からの所定の指令に基づいて、前記充放電停止状態に移行する充放電制御回路を備えた、
   請求項１または請求項２記載の電池モジュール。
4. 前記抵抗素子は、前記外部制御装置の基準電位に接続されている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電池モジュール。
5. 前記基準電位は、接地電位である、
   請求項４記載の電池モジュール。
6. 前記電流量検出回路は、前記抵抗素子と直列に接続された電流測定抵抗素子の両端電圧を測定し、前記電流量検出信号を生成する、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電池モジュール。
7. 前記遮断回路は、前記電流量検出信号に基づいて、前記抵抗素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を上回った場合に前記主回路を流れる電流の遮断を解除する、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電池モジュール。
8. 前記正極接続端子及び前記負極接続端子を介して他の電池モジュールと直列接続可能である、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電池モジュール。

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