JP5481796B2

JP5481796B2 - 電池スタックの拘束手段を持つ電池機器モジュール及び電池パック

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Publication number: JP5481796B2
Application number: JP2008083676A
Authority: JP
Inventors: 雅一深田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009238606A

Description

本発明は、車両搭載型の電池パック及びその電池機器モジュールに関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の、電動機により車両の駆動力を得る自動車は、充電式の電池である二次電池を搭載している。

ここで、ハイブリッド車に搭載される従来の電池パックの概略構成（例えば、特許文献１参照。）について図面を参照して説明する。図１０は、電池パックの概略構成を分かり易く示す展開図、図１１は、電池パックのカバーを外した状態の斜視図、図１２は平面図である。

電池パック３００は、図１０に示すように、ロアケース１６０と、拘束ロッド１１２、１１４、１１６、１１８と、電池スタック１３０と、電池機器モジュール２００と、拘束プレート１０２、１０４と、電池スタックカバー１５０と、電池機器モジュールカバー１５１とを有している。

電池スタック１３０は、図１１に示すように、樹脂モールド製拘束プレート１０２、１０４で狭持され、拘束ロッド１１２、１１４、１１６、１１８で間隔が一定になるように固定され、電池モジュール１００を構成している。複数の電池電槽の間にはスペーサ（不図示）が配置され、スペーサに圧力センサ１４０が固定されている。

上記電池モジュール１００に計装される電池機器モジュール２００は、図１２示すように、電池回路を開閉する二つのシステムメインリレー７１、７２と、充電開始時の突入電流を防ぐプリチャージリレー７３及びプリチャージ抵抗７４と、ヒューズ一体型サービスプラグ４ｐと、電流センサ６１ｐ及び電池ＥＣＵ６２ｐとを有する。
特開２００６−２４４４５号公報

図１３は、典型的な電池パックの出力（縦軸）と電池スタック拘束荷重（横軸）の関係を示すグラフである。初期、充放電数千サイクル後、いずれの場合も出力が拘束荷重と共に低下することがわかる。上記従来の電池パックでは、電池スタック１３０が拘束プレート１０２、１０４で狭持され、拘束ロッド１１２、１１４、１１６、１１８で間隔が一定になるように固定（定寸固定）されている。そのため、各電池電槽の温度上昇や内圧上昇などにより拘束荷重が２０００ｋｇｆ以上になることがある。したがって、従来の定寸固定では、拘束荷重増大に伴う出力低下分を補う容量の電池パックを搭載する必要がある。その結果、電池パックの重量やサイズが増大し、コストが上昇する。

また、上記従来の電池パックでは、２枚の拘束プレートと拘束ロッドとからなる電池スタック拘束手段と、電池管理に必要な機器がモジュール化された電池機器モジュールとが別体であった。そのため、従来の電池パックは、重量やサイズが増大し、コストが上昇する問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたもので、電池パックの重量やサイズを抑制し低コスト化が図れる電池スタックの拘束手段、電池機器モジュール及び電池パックを提供することを課題とする。

本発明者は、電池スタックの拘束荷重と共に電池出力が低下する現象に着目し、拘束荷重を減らすことで電池出力の低下を抑えられることを思い至り、本発明を成すに至ったものである。

参考発明の電池スタック拘束手段は、複数の電池電槽が積層された電池スタックを積層方向に拘束する電池スタックの拘束手段であって、前記積層方向において背向する前記電池スタックの二つの面の一方の面側から拘束するＡ拘束部材と、前記二つの面の他方の面側から拘束するＢ拘束部材と、前記Ａ拘束部材と前記Ｂ拘束部材とで前記電池スタックを拘束したとき、前記電池スタックに掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持する圧力保持手段と、を有することを特徴している。

また、上記拘束手段において、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の一方は、前記電池スタックに掛かる圧力を検出する圧力センサを備えるものとすることができる。

また、前記圧力保持手段は、バネを備えるものとすることができる。

本発明の電池機器モジュールは、複数の電池電槽が積層された電池スタックを積層方向に拘束する拘束手段を持つ電池機器モジュールであって、前記拘束手段は、前記積層方向において背向する前記電池スタックの二つの面の一方の面側から拘束するＡ拘束部材と、前記二つの面の他方の面側から拘束するＢ拘束部材と、前記Ａ拘束部材と前記Ｂ拘束部材とで前記電池スタックを拘束したとき、前記電池スタックに掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持する圧力保持手段と、を有し、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の一方は、前記電池スタックに掛かる圧力を検出する圧力センサを備え、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の一方は、前記電池スタックの両端への回路を開閉する一対のメインリレーと、前記電池スタックに流れる電流を計測する電流センサと、前記電流センサからの信号を監視する電池ＥＣＵと、前記電池スタックの回路に挿置されるサービスプラグと、を備え、
前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の少なくとも一方は、前記電池スタックを収容する筐体を兼ねており、前記圧力保持手段は、前記電池スタックの二つの面の一方の面の内側に前記電池スタックの積層方向に対して並列に配置された２個以上複数の小型バネを備えており、前記圧力保持手段は、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材のうち前記電池スタックを収容する筐体を兼ねた一方に囲まれるように、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材のうち前記電池スタックを収容する筐体を兼ねた一方と、前記電池スタックとの間に配置されることを特徴としている。

本発明の電池パックは、上記電池機器モジュールを用いてなることを特徴としている。

参考発明の電池スタック拘束手段は、電池スタックに掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持する圧力保持手段を有するので、電池スタックの拘束荷重を増大させない。その結果、電池出力の低下を抑制することができる。出力低下が少ないのでその分電池重量及びサイズを減らすことができ、低コスト化が図れる。

圧力センサを有していると、電池スタックに掛かる異常圧力を検知して充電を中止することができ、電解液が失われることがなく長寿命の電池パックを実現できる。

圧力保持手段がバネを有していると、バネの伸縮で電池スタックに掛かる圧力を調整でき、圧力保持手段の機構が簡単になる。

本発明の電池機器モジュールは、電池スタックを積層方向に拘束する拘束部材と一体化しているので、高価な拘束プレートを１枚減らすことができると共に電池パックの重量及びサイズを減らすことができる。

本発明の電池パックは、上記の効果をもつ拘束手段或いは電池機器モジュールを用いてなるものであり、上記の効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。また、図中同一又は相当部分には同一の符号を付し説明を省略する。

（実施形態１）図１は、本発明の電池スタック拘束手段を備える電池パックの構成を概略的に示した図である。

図１を参照して、電池スタック２０は、複数の電池電槽２０．1〜２０．nを積層してなる。

この電池スタック２０を拘束する拘束手段１０は、スタック２０の両端に配置される拘束プレート（Ａ拘束部材）１１a、拘束プレート（Ｂ拘束部材）１１bと、一端部が拘束プレート１１aに固定された拘束ロッド１２２a、一端部が拘束プレート１１bに係合する拘束ロッド１２２b及び拘束ロッド１２２a、１２２bの他端部の間に装着されたバネ１２とからなる圧力保持手段１２と、を備えている。拘束ロッド１２２bの一端部にはネジが切られており、ナット１２３を時計回りに回すとバネ１２１が伸び電池スタック２０に掛かる拘束荷重が増大する。

例えば、外気温が２５℃で電池電槽も２５℃の時、ナット１２３を調節して拘束荷重を５００kgfに設定すると、外気温がマイナス１０℃の時、電池電槽が収縮するが、バネ１２１が収縮するので拘束荷重がゼロにはならず、例えば１００kgfに保持することができる。また、電池電槽の発熱や内圧上昇があると、バネ１２１が伸張するので、拘束荷重が極端に増大せず、例えば、１０００kgfに保持することができる。したがって、本実施形態の拘束手段を用いると、従来の拘束手段で最大拘束荷重２０００kgfでの出力を約１０％増大させることができる（図１３参照。）。

拘束プレート１１bは、圧力センサ３１９aを含んでおり、電槽２０．1〜２０．nの一部又は全部が圧力の上昇により膨れた場合にこれを検知することができる。圧力センサ３１９aは、検知した圧力を信号Ｐoutとして電池ＥＣＵ３２に対して出力する。

圧力センサとしては、各種のものを用いることができる。例えば、半導体圧力センサ等を用いることができる。また、圧力センサとして電池電槽２０．1の壁面にひずみゲージを貼り付けて電槽の膨れを検知してもよい。

図２は、本発明の電池スタック拘束手段が搭載される電池パックの構成を示した回路図である。

図２を参照して、この電池パックは、直列に接続される電槽２０．1〜２０．nからなる電池スタック２０と、圧力センサ３１９aを内蔵する拘束手段１０と、電池スタック２０に流れる電流を検知する電流センサ３１４と、電池スタック２０を充電装置４０と接続するためのシステムメインリレー３１５と、システムメインリレー３１５の導通を制御する電池ＥＣＵ３１３とを含む。

電池ＥＣＵ３１３は、電槽２１．1〜２１．nの各電圧を示す信号Ｖout、電流センサ３１４の出力信号Ｉout、及び圧力センサ３１９aの圧力を示す信号Ｐoutに応じて、システムメインリレー３１５の制御を行う。

図３は、図２の電池ＥＣＵ３１３の制御フローを示したフローチャートの一般的な事例である。

電池ＥＣＵ３２は、ある一定時間毎にバッテリの監視を行い、図３に示すバッテリ監視時の制御ルーチンを実行する。図２、図３を参照して、先ず、ステップＳ１において、信号Ｖout、Ｉout、Ｐoutを受けて対応する電圧、電流、及び圧力を電池ＥＣＵ３１３は取得する。

そして、ステップＳ２において、電圧及び電流によって充放電電流の積算などによりバッテリの残存容量（ＳＯＣ）を算出する。

続いてステップＳ３に進み、残存容量ＳＯＣが所定の値Ａ（％）より大きいか否かが判断される。

ステップＳ３において残存容量ＳＯＣが所定の値より大きい場合には、これ以上充電する必要がないのでステップＳ４又はステップＳ４Ａに進み、電池ＥＣＵ３１３はシステムメインリレー３１５のオフを要求するか、又は充電装置４０に対して充電の停止を要求する。ステップＳ４又はステップＳ４Ａが終了するとステップＳ５に進む。

一方、ステップＳ３において残存容量ＳＯＣが所定の値Ａ（％）よりも大きくないと判断された場合は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ１で取得した圧力が所定の値Ｂ（Pa）以上であるか否かが判断される。

ステップＳ５において、圧力が所定値Ｂに満たなかった場合は、この監視ルーチンを抜けて制御が終了する。

一方、圧力が所定Ｂ以上であるある場合には、過充電による電槽の内圧の上昇を避けるためステップＳ６に進み、システムメインリレー３１５をオフすることが要求される。ステップＳ６が終了すると、この制御ルーチンを抜けて制御は終了する。

（実施形態２）本実施形態の電池パックの電池機器モジュール及び電池パックを図面を参照して説明する。図４は、本実施形態の電池パックの構成を示す図で、上部カバーを外した状態の平面図、図５は、本実施形態の電池パックの構成を示す図で、上部カバーを外した状態の側面図である。図６は、本実施形態の電池パックの構成及び組み立て方法を説明する概略図である。図７は、圧力保持手段の平面図、図８は、図７のＡ−Ａ線断面図である。図９は、電池パック全体の回路図である。

電池パックは、図４〜図６に示すように、２列に積層された電池スタック２０と、電池スタック２０を積層方向に拘束する電池機器モジュール３０とを備えている。

電池機器モジュール３０は、電池スタック２０の一方の面側から拘束する電池機器モジュール部（Ａ拘束部材）３１と、電池スタック２０の他方の面側から拘束するベルト状拘束部材（Ｂ拘束部材）３２と、電池スタック２０と拘束部材３２との間に狭装されるバネを内蔵する圧力保持手段１２と、を備えている。

電池機器モジュール部３１は、電池スタック２０の拘束プレートとして作用する基部３１１と、基部３１１の一方の面に固定された回路基板３１２及び他方の面に固定された圧力センサ３１９a内蔵の断熱パネルヒータ３１９と、基板３１２に実装された電池ＥＣＵ３１３、電流センサ３１４、システムメインリレー３１５、プリチャージリレー３１６及びプリチャージ抵抗３１７と、高圧ヒューズ３１８c内蔵のサービスプラグ３１８と、を備えている。

ベルト状拘束部材３２は、図６に示すように、拘束プレートとして作用する起立面３２１と、起立面３２１から略直角に曲がって電池スタック２０の側面を覆う壁面３２２と、壁面３２２から直角に曲がって電池スタック２０の底面を覆う底面３２３と、を備えている。したがって、本実施形態のベルト状拘束部材３２は、電池スタック２０を収容する筐体を兼ねている。

圧力保持手段１２は、図７及び図８に示すように、ベルト状拘束部材３２の起立部３２に当接するＵ字状部材１２４と、Ｕ字状部材１２４に入れ子状に係合し電池スタック２０に当接するコの字状部材１２５と、一端部がＵ字状部材１２４に、他端部がコの字状部材１２５に、固定されたバネ１２６と、を備えている。バネ１２６のバネ定数は、電池スタック２０に掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持することができるように設定されている。バネ１２６が一個の場合、バネ定数の大きな、すなわち大寸法のバネが必要になり、圧力保持手段１２が大型化、重量化するが、本実施形態のバネ１２６は、小型コイルバネで、並列に１６個配置されているので、圧力保持手段１２は、小型化、軽量化、薄型化、低コスト化が達成される。

次に、図６を参照して電池パックの組み立て方法を説明する。先ず、電池スタック２０と圧力保持部材１２との間に断熱パネルヒータ３２０（図４参照。）を狭持して両者を矢印方向に移動させ、ベルト状拘束部材３２に挿入する。次に電池機器モジュール部３１を矢印方向に移動させ、モジュール部３１のネジ穴３１１aを壁面３２２の穴３２２aに合致させ、ボルト３２４（図４参照。）で固定する。同時に穴３２２bとネジ穴（不図示）を合致させボルト３２５（図４参照。）で固定する。最後に図示しない電池スタックカバーと、電池機器モジュール部カバーと、を取り付けて組み立てが終了する。

本実施形態の電池パックは、上記のように断熱性を有する断熱パネルヒータ３１９、３２０を備えているが、それは、以下の理由によるものである。

外気温が低いと電池スタック２０の内、外側の電池槽２０．1、２０．m、２０．m+1、２０．nは、熱伝導で冷却され低温になる。一般に電池は、低温になると出力が低下するので、断熱パネルヒータ３１９、３２０は、外側の電池槽２０．1、２０．m、２０．m+1、２０．nの低温化を防止するために備えられているのである。すなわち、断熱性を有する断熱パネルヒータ３１９、３２０は、外側の電池槽２０．1、２０．m、２０．m+1、２０．nが熱伝導で冷却されるのを防ぎ、それでも、電池槽の温度が低下したときは電流を流してヒータを発熱させて電池槽を加熱する。

次に、図９を参照して本実施形態の電池パックの全体における回路図を説明する。電流センサ３１４は、電池パックのプラス側の外部端子３２０bと内部端子３２０aとの間を流れる電流を計測するように、外部端子３２０bと内部端子３２０aとの間に挿入されている。また、プラス側とマイナス側のそれぞれの外部端子３２０bと内部端子３２０aとの間には、システムメインリレー３１５が挿入されている。なお、プラス側の外部端子３２０bと内部端子３２０aとの間には、充電開始時の突入電流を防ぐために、システムメインリレー３１５と並列にプリチャージリレー３１６とプリチャージ抵抗３１７が挿入されている。

電池ＥＣＵ３１３は、電流センサ３１４、システムメインリレー３１５、プリチャージリレー３１６及び圧力センサ３１９aと信号ハーネスによって接続されており、電流センサ３４及び圧力センサ３１９aからの信号に応じて、システムメインリレー３１５、プリチャージリレー３１６の制御を行う。

一方、パワーヒューズ３１８a内蔵のサービスプラグ３１８は、サービスプラグ・ソケット３１８bに挿置されるようになっており、ソケット３１８bは、電池スタック２０を二分する中間電圧部位に配置されている。そして、点検や整備の際には、先ずソケット３１８bからサービスプラグ３１８を抜いておかないと、電池機器モジュール部３１のカバーが開かず、その内部機器にアクセスできないように、電池機器モジュール部３１は、設計されている。

本実施形態の電池パックは、上記したように、電池スタック２０を電池機器モジュール部３１と拘束部材３２とで拘束したとき電池スタック２０に掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持する圧力保持手段１２を備えているので、電池電槽の発熱や内圧上昇があっても、バネ１２６が伸縮するので、拘束荷重が増大せず、電池パックの出力低下を抑えることができる。

また、本実施形態の電池パックは、電池機器モジュール部３１が電池スタック２０の一方の拘束プレートを兼ねるので、高価な拘束プレートを１枚省くことができる。

また、本実施形態の電池パックは、電池スタック２０の拘束部材３２が電池スタック２０を収容する筐体を兼ねるので、電池パックの軽量化、小型化、低コスト化が図られる。

また、本実施形態の電池パックは、電池スタック２０に掛かる圧力を検出する圧力センサ３１９aを備えているので、圧力が上がり始めた初期段階にシステムメインリレー３１５を開放することができる。その結果、過充電による電池槽の熱暴走（破損）を防止することができる。

また、本実施形態の電池パックでは、電池スタック２０の外側の電池槽に断熱パネルヒータ３１９、３２０が当接しているので、寒冷時でも電池パックの性能低下を抑えることができる。

実施形態１の電池パックの構成を概略的に示した図である。実施形態１の電池スタック拘束手段が搭載される電池パックの構成を示した回路図である。図２の電池ＥＣＵ３１３の制御フローを示したフローチャートである。実施形態２の電池パックの構成を示す上部カバーを外した状態の平面図である。実施形態２の電池パックの構成を示す上部カバーを外した状態の側面図である。実施形態２の電池パックの構成及び組み立て方法を説明する概略図である。図４の圧力保持手段１２の平面図である。図７のＡ−Ａ線断面図である。実施形態２の電池パック全体の回路図である。従来の電池パックの概略構成を分かり易く示す展開図である。従来の電池パックのカバーを外した状態の斜視図である。従来の電池パックのカバーを外した状態の平面図である。電池パックの出力（縦軸）と電池スタック拘束荷重（横軸）の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０・・・・・・・・・拘束手段
１１a・・・・・・・・Ａ拘束部材
１１b・・・・・・・・Ｂ拘束部材
１２・・・・・・・・圧力保持手段
１２１、１２６・・バネ
２０・・・・・・・・・電池スタック
３０・・・・・・・・・電池機器モジュール
３１３・・・・・・・電池ＥＣＵ
３１４・・・・・・・電流センサ
３１５・・・・・・・メインリレー
３１８・・・・・・・サービスプラグ
３１９a・・・・・・圧力センサ

Claims

複数の電池電槽が積層された電池スタックを積層方向に拘束する拘束手段を持つ電池機器モジュールであって、
前記拘束手段は、前記積層方向において背向する前記電池スタックの二つの面の一方の面側から拘束するＡ拘束部材と、前記二つの面の他方の面側から拘束するＢ拘束部材と、前記Ａ拘束部材と前記Ｂ拘束部材とで前記電池スタックを拘束したとき、前記電池スタックに掛かる圧力を所定の圧力範囲に保持する圧力保持手段と、を有し、
前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の一方は、前記電池スタックに掛かる圧力を検出する圧力センサを備え、
前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の一方は、前記電池スタックの両端への回路を開閉する一対のメインリレーと、前記電池スタックに流れる電流を計測する電流センサと、前記電流センサからの信号を監視する電池ＥＣＵと、前記電池スタックの回路に挿置されるサービスプラグと、を備え、
前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材の少なくとも一方は、前記電池スタックを収容する筐体を兼ねており、
前記圧力保持手段は、前記電池スタックの二つの面の一方の面の内側に前記電池スタックの積層方向に対して並列に配置された２個以上複数の小型バネを備えており、
前記圧力保持手段は、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材のうち前記電池スタックを収容する筐体を兼ねた一方に囲まれるように、前記Ａ拘束部材及び前記Ｂ拘束部材のうち前記電池スタックを収容する筐体を兼ねた一方と、前記電池スタックとの間に配置されることを特徴とする電池機器モジュール。
電池スタックと、前記電池スタックに付設された電池機器モジュールとを有する電池パックにおいて、
前記電池機器モジュールは、請求項１に記載のものであることを特徴とする電池パック。