專利名稱：蓄電池系統(tǒng)和蓄電池模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池模塊以及由多個蓄電池模塊構成的蓄電池系統(tǒng)。
背景技術：
本發(fā)明將串聯(lián)連接的多個單電池(例如Li離子電池單元)設為電池模塊。研究出這樣ー種蓄電池系統(tǒng)，其通過以該蓄電池模塊為ー個單位，井串聯(lián)連接多個，而用于高電壓化并獲得聞輸出電カ。然而，在由于隨著時間經過等而在各個蓄電池模塊的電壓、充放電電容中產生偏 差的情況下，這些蓄電池模塊所負擔的充放電電容變得不均勻，從而使系統(tǒng)整體的性能下降。原因是由于蓄電池模塊串聯(lián)連接，因此若其中的蓄電池模塊間的充放電電容偏差變大，則在放電時放電能力受到電容較少的模塊限制，在充電時，剰余電カ大的模塊先被充滿，從而無法再繼續(xù)進行充電，由此系統(tǒng)整體的充放電能力下降。因此，公開了ー種在各個蓄電池模塊中配置模塊控制裝置、對蓄電池模塊的狀態(tài)進行監(jiān)視或控制來抑制偏差的技術(專利文獻I)。各個模塊控制裝置通過監(jiān)視下的單電池進行串聯(lián)連接，因此在進行信號傳遞時將模塊控制裝置間連接成串級鏈狀來進行信息傳遞。專利文獻I :日本特開2008-289234號公報

發(fā)明內容
近年來，從使全球變暖的氣體減少、節(jié)省資源消耗的觀點出發(fā)，一直關注著HEV (Hybrid Electric Vehicle :混合動カ車輛)、EV (ElectricVehicle 電動車輛)之類的電動汽車。這些車載用的直流電源需要較高的輸出電力，從而將單電池串聯(lián)連接多個來進行使用。尤其是從其能量密度的高度出發(fā)，關注著ー種使用鋰離子二次電池的蓄電池系統(tǒng)。另ー方面，像這樣小型且能夠獲得高輸出的電池從對于安全性的考慮出發(fā)，必須以較高的精確度控制各單電池的充放電狀態(tài)。另外，如上所述的蓄電池系統(tǒng)假設在各種環(huán)境下長時間使用，因此必須維持較高的可靠性。另外，在這些蓄電池模塊中，隨著系統(tǒng)的運行，電池確實在逐漸劣化，因此在蓄電池系統(tǒng)長期運行時，對劣化模塊的處理成為重要的課題。在本發(fā)明中，為了能夠維持系統(tǒng)的性能來長時間運行，而提供一種用于安全地更換劣化的蓄電池模塊而不產生絕緣破壞的蓄電池模塊和蓄電池系統(tǒng)。為了解決本發(fā)明的問題，在具有串聯(lián)連接的多個蓄電池模塊的蓄電池系統(tǒng)中，設有電源線，其將多個蓄電池模塊的電源端子間進行連接；通信線，其將多個蓄電池模塊的通信端子間進行連接；以及斷開機構，其在從多個蓄電池模塊拆下第一蓄電池模塊的情況下，在斷開與第一蓄電池模塊相連接的通信線之后，斷開與第一蓄電池模塊相連接的電源線。根據(jù)本發(fā)明，能夠安全地更換劣化的蓄電池模塊而不產生絕緣破壞。


圖I是表示電池系統(tǒng)的圖。圖2是用于說明本發(fā)明的課題的圖。圖3是實施例I所涉及的蓄電池模塊的框圖。圖4是表示蓄電池模塊的更換流程的圖。圖5是表示圖3的更換流程中的步驟S08的情形的圖。
圖6是表示圖3的更換流程中的步驟S14的情形的圖。圖7是圖3的更換流程的變形例。圖8是實施例I所涉及的蓄電池模塊的變形圖。圖9是實施例2所涉及的蓄電池模塊的外觀。圖10是實施例2所涉及的蓄電池模塊的截面圖。圖11是表示實施例2所涉及的蓄電池模塊在電池架上連接的狀態(tài)的圖。附圖標記的說明100蓄電池系統(tǒng)SCON控制裝置101 :正極102 負極103蓄電池模塊104通信線
具體實施例方式圖I是本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)。蓄電池模塊103是蓄電池的最小更換單位。其內部結構使用圖3等詳細記述。蓄電池系統(tǒng)100由多個蓄電池模塊構成，在圖I的例子中，將蓄電池模塊列103a i進行了串聯(lián)連接。端子101 (正扱)、端子102 (負極)是蓄電池系統(tǒng)的輸出端子，由蓄電池系統(tǒng)驅動的負載連接在這些端子之間?？刂蒲b置SCON是用于監(jiān)視蓄電池系統(tǒng)100輸出的電流、或者與輸出電流量等相應地控制各蓄電池模塊的狀態(tài)的控制裝置。因此，控制裝置SCON具有將用于與各模塊進行通信的蓄電池模塊連接成串級鏈狀的通信線。在本發(fā)明中，控制裝置SCON還進行用于更換蓄電池模塊的控制。在圖I的例子中，在通信端子Dl(+)與Dl㈠之間設置有通信線104，控制裝置SCON與蓄電池模塊103a i的通信通過被連接成串級鏈狀的通信線104而進行。此外，通信線104可以構成為從正極側通信端子D(+)向負極側通信端子D(_)的單向通信(或者從負極側通信端子D(-)向正極側通信端子D(+)的單向通信)，或者也可以構成為在正極側通信端子D (+)與負極側通信端子D (-)之間進行雙向通信。稍后記述開關105的作用。在圖I的蓄電池系統(tǒng)中，發(fā)明人注意到，如果想要更換ー個劣化的蓄電池模塊，則有可能更換時產生的高電壓導致絕緣破壞而破壞構成蓄電池模塊的元件。利用由普通結構的蓄電池模塊210構成蓄電池系統(tǒng)的圖2的例子來說明本發(fā)明的課題。圖2的例子是額定電壓為302.4V的蓄電池系統(tǒng)。將每ー個為3.6V的單電池(用電池符號標記)串聯(lián)連接四個而成的蓄電池模塊串聯(lián)連接了 21個。另外，如圖I所說明的那樣，串聯(lián)連接而成的蓄電池模塊將用于與控制裝置200進行通信的通信線連接成串級鏈狀。在此，在要將蓄電池模塊210b拆下時，首先將模塊210a的電源端子Tbll、Tbl2與模塊210b的電源端子Tu21、Tu22以及模塊210c的電源端子Tu31、Tu32與模塊210b的電源端子Tb21、Tb22進行電分離，另一方面，取為模塊210a的通信端子CTbl、模塊210b的通信端子CTu2和CTb2、模塊210c的通信端子CTu3保持連接成串級鏈的狀態(tài)不變。圖2示出了該狀態(tài)。電源端子被分離，通過負載RL進行放電，由此正極201的電位變?yōu)?V。因而，模塊210a的模塊控制器MCONl的電源電位VCCl變?yōu)?V，該電位出現(xiàn)在通信端子CTbl中。通信端子CTbl與模塊210b的通信端子CTu2進行電連接，因此通信端子CTu2的電位也變?yōu)?V。另ー方面，由于在比模塊210c更靠負極的ー側連接有18個模塊、即連接有串聯(lián)連接而成的 72個單電池，因此模塊210c的電源端子Tb32和模塊控制器MC0N3的局部基準電位GNDL3變?yōu)?59. 2V( = 72X3. 6V)。因此，當忽略由于模塊控制器MC0N3的元件產生的電壓下降部分時，在模塊210b的通信端子CTb2中出現(xiàn)259. 2V的電位。其結果，模塊210b的模塊控制器MC0N2的局部基準電位GNDL2通過正向電流流過接收電路RX2的齊納ニ極管，而向通信端子CTu2放電，變?yōu)榇蠹s0V。其結果，對電容器212的一方端子施加從259. 2V下降了三個串聯(lián)的單電池相應的電壓(10. 8V)得到的248. 4V的電位，對另一方端子施加大約OV的電位。同樣地，對發(fā)送電路TX2的ニ極管施加大約259. 2V的逆向電壓。元件的耐壓通常只具有模塊的數(shù)倍程度的耐壓，因此施加這樣的大電壓有可能產生元件的絕緣破壞。[實施例I]說明第一實施例。在第一實施例中，由內置有開關的蓄電池模塊構成蓄電池系統(tǒng)。圖3是表示蓄電池模塊300的主要結構的框圖。作為圖I的蓄電池系統(tǒng)的蓄電池模塊使用。蓄電池模塊具有串聯(lián)連接的單電池列301、模塊控制器MC0N、將模塊的外部端子與內部元件的連接斷開的開關SW。單電池列301例如是鋰離子電池單元那樣的二次電池。模塊控制器MCON獲取單電池的電壓、電流、溫度等的信息，通過與其它模塊進行串級鏈連接的通信線302、通信線303來與控制裝置SCON進行通信。在本例中，示出了用于與控制裝置SCON進行單向通信的發(fā)送電路TX和接收電路RX。由接收電路RX從系統(tǒng)的正極側的通信端子CTu接收信號Rsig，將信號Tsig通過發(fā)送電路TX調制后輸出到系統(tǒng)的負極側的通信端子CTb0在進行雙向通信的情況下，設置另ー個通信端子的組，能夠通過設置從系統(tǒng)的負極側的通信端子接收信號的接收電路和向系統(tǒng)的正極側的通信端子發(fā)送信號的發(fā)送電路來實現(xiàn)。作為蓄電池模塊間的通信方式，能夠應用眾所周知的標準(例如CAN、LIN、UART等)。另外，模塊控制器MCON從單電池串301獲得電源VCC和局部基準電位GNDL。模塊控制器MCON通過監(jiān)視單電池間電位nl n4，來監(jiān)視各單電池的輸出電壓(VCl 3、VCC)。例如在從系統(tǒng)控制器SCON接收到指示來降低蓄電池模塊300的輸出電壓的情況下，模塊控制器MCON確定輸出電壓高的單電池，通過使電流流過相應的電阻Rl來消耗電力，由此能夠調整該單電池的輸出電壓。開關SWl 3分別用于將蓄電池模塊的電源線304、監(jiān)視器線305、通信線302、303進行連接/斷開。模塊控制器MCON生成電源控制信號Psw、通信控制信號Csw，開關SWl、SW2通過電源控制信號Psw進行控制，開關SW3通過通信控制信號Csw進行控制。在圖3中，開關被安裝在蓄電池模塊的正極側，但是也能夠安裝在負極側或者正極、負極兩側。利用圖4 6說明進行蓄電池模塊300的信息收集和劣化判斷、以及更換作業(yè)時的流程。此外，圖5、6的蓄電池模塊與圖3所示的蓄電池模塊相同，但是簡化標記而示出(例如，省略了監(jiān)視器線)。另外，只要控制裝置SCON與蓄電池模塊能夠進行單向通信(D (+) - DB),就能夠應用圖4的流程圖。 控制裝置SCON周期性地從模塊控制器MCON收集關于各蓄電池模塊的狀態(tài)的信息(S01)。控制裝置SCON根據(jù)所獲取的信息，針對各蓄電池模塊進行劣化的判斷(S02)。蓄電池模塊的劣化由于反復進行充放電而產生，通過蓄電池模塊的電容下降(電容劣化)或者內部電阻的増加(電阻劣化)是否超過了規(guī)定的閾值來判斷劣化。例如，能夠將根據(jù)所收集的信息假擬的充滿電時的電容減少到了額定電容的70% (閾值)的模塊定義為劣化模塊。此外，由于劣化判斷的運算處理量較大且實時性也較低，因此由控制裝置SCON進行了模塊的劣化判斷。在本例中，設模塊520 (圖5)是被判定為劣化模塊的模塊?？刂蒲b置SCON向與劣化模塊520的負極側相鄰接的模塊530通知斷開指示(S03)。鄰接模塊530將通信開關532設為打開(OPEN)，斷開通信線(S04)?？刂蒲b置SCON從通信端子D(+)發(fā)送測試信號，根據(jù)超時而確認出該測試信號沒有通過進行串級鏈連接的通信線返回到通信端子D (-)的情形。由此，控制裝置SCON能夠確認出通信線被斷開。由此，將劣化模塊與負極側相鄰接的模塊530斷開。接著，控制裝置SCON向劣化模塊520通知斷開指示(S07)。串級鏈連接雖然通過開關532被斷開，然而位于正極側的蓄電池模塊正常連接，因此能夠接受來自控制裝置SCON的指示。劣化模塊520也同樣地按通信線、電源線的順序斷開(S08、S09)。此外，圖5表示步驟S08中的開關的連接狀態(tài)。通過以上內容形成為劣化模塊520獨立于系統(tǒng)的狀態(tài)，能夠由用戶進行更換。關于劣化模塊520的斷開完成，也可以在控制裝置SCON進行斷開指示后，根據(jù)經過了充分的時間來判定為劣化模塊520的斷開完成。另外，也可以在蓄電池模塊中設置與開關的打開/閉合(CLOSE)相應地點亮的LED，用戶能夠可視地判斷蓄電池模塊的開關的打開/閉合。之后，用戶拆下劣化模塊520，并更換為新模塊540 (SlO)。例如通過檢測到各模塊的正極側電源端子、負極側電源端子都連接在了其它的蓄電池模塊上的情形來自主地實施模塊的再連接。此時，各模塊控制器MCON進行控制使得在閉合電源線開關后閉合通信線開關(Sll 12、S14 15)。在圖4的例子中，是鄰接模塊在前的例子，但是鄰接模塊和新模塊中的任ー個都可以在前，也可以是同時的。此外，圖6示出了步驟S13中的開關的連接狀態(tài)。開關連接已完成的模塊向控制裝置SCON輸出連接完成信號(S13、S16)?？刂蒲b置SCON通過接收來自兩個模塊的連接完成信號，來結束蓄電池模塊的更換。以上是在被更換的蓄電池模塊的負極側還存在蓄電池模塊時的例子，但是在更換最靠近負極側的蓄電池模塊的情況下，為了斷開負極側的通信線而使用開關105 (圖I)。開關105由控制裝置SCON進行控制。此外，在蓄電池系統(tǒng)中，在蓄電池模塊間以能夠進行雙向通信的方式構成的情況下，能夠如圖7那樣進行新模塊的連接流程。變更的部分是圖4的(A)-(B)之間。在更換模塊后，用戶向控制裝置SCON通知模塊的更換完成(S18)。接收該通知后，控制裝置200指示與新模塊540的負極側相鄰接的模塊530開始進行連接。該指示能夠通過從負極側通信端子D(-)向正極方向通信來進行傳遞。接收該指示，在鄰接模塊530中，最初連接電源線(S20)。在電源線的連接結束之后，連接通信線(S21)。鄰接模塊530向控制裝置SCON發(fā)送連接完成信號(S22)。連接完成信號還使用負極側的通信線從鄰接模塊發(fā)送到控制裝置SC0N。當控制裝置SCON接受連接完成信號時(S23)，控制裝置SCON指示新模塊540開始進行連接(S24)。該指示也從負極側通信端子D (-)進行傳遞。同樣地，新模塊540也按電源線、通信線的順序進行連接(S25 26)。當控制裝置SCON接收到連接完成信號時(S27 28)，結束蓄電池的更換。在像這樣能夠進行雙向通信的情況下，不需要蓄電池模塊更換時的自主的開關控制。另外，通過發(fā)送表示斷開完成的信號，也能夠進行通信線斷開確認(圖3的步驟S06)。 并且，在圖3的結構中，作為附帶的效果，由于在外部端子與內部元件之間設置內置開關，因此只要在不使用蓄電池模塊時將這些內置開關事先設為打開即可，也能夠提高蓄電池模塊單體的安全性。圖8是圖3所示的蓄電池模塊的變形例。本例是從圖3中去除通過電源控制信號Psw進行控制的開關SW1、SW2得到的結構。如已經說明的那樣，只要不存在電源線短路、通信線連接在蓄電池系統(tǒng)上的狀態(tài)即可。因而，只要在更換時進行控制使開關SW3打開，即使是圖8的結構也能夠避免耐壓破壞。即，能夠通過去除蓄電池模塊更換流程(圖4)的與電源線開關斷開/連接有關的步驟S05、S09、S11、S14的步驟后的流程、或者去除蓄電池模塊再連接流程(圖7)的與電源線開關連接有關的步驟S20、S25的步驟后的流程進行更換。在這種情況下，無需將開關與電源線(即，單電池間)進行串聯(lián)連接，就將提高系統(tǒng)的效率。以上在實施例I中說明了在蓄電池模塊中設置內置開關的例子，都是通過控制內置開關的打開/閉合的定時穩(wěn)定電源后可靠地拆下模塊并能夠進行再連接的例子，具有提高模塊、甚至系統(tǒng)的安全性的效果。[實施例2]針對第二實施例進行說明。在第二實施例中，通過使蓄電池模塊的外部端子的結構在電源端子和通信端子中不同來防止模塊內部元件的絕緣破壞。在第二實施例中，蓄電池模塊的內部結構例如是相當于圖2的210的結構。圖9、圖10分別表示第二實施例所涉及的蓄電池模塊900的外觀和截面圖。在蓄電池模塊殼體905的背面部分設置有通信連接器901、以及電源連接器(正極、負極)903、904。如果是支持雙向通信的模塊，則設置四個通信連接器901。如圖10所示，通信連接器901的前端與電源連接器903、904的前端相比變短用間隔g表示的長度。通過通信連接器901比電源連接器903、904短，在將模塊拔出吋，通信連接器先被斷開，之后電源連接器被斷開。另外，在插入蓄電池模塊900吋，電源連接器首先被連接，接著通信連接器被連接，因此能夠獲得與實施例I所示的斷開/連接流程相同的效果。只要間隔g是Imm 50mm左右即可。此外，在圖10中示出了蓄電池模塊900被收容在蓄電池系統(tǒng)的電池架1001中的狀態(tài)，1011是設置在架背面的冷卻風扇。圖11示出在電池架1001上連接有蓄電池模塊900的狀態(tài)。示出了控制裝置SCON與五個蓄電池模塊900相連接的狀態(tài)。蓄電池模塊900的通信端子901通過通信用匯流條1002a f連接成了串級鏈狀。另外，相鄰接的電源模塊通過斜向延伸的電源用匯流條1003a d進行連接。由此，能夠將電源模塊900的電源端子的位置公共化。另外，架電源端子(正極)1004通過電源用匯流條1006連接位于最靠近正極側的電源模塊900a的正扱，架電源端子(負極)1005通過電源用匯流條1007連接位于最靠近負極側的電源模塊900e的負極。此外，如圖10所說明的那樣，形成為與電源用匯流條相連接的電源連接器的前端相比與通信用匯流條相連接的通信連接器的前端向電池架側突出的結構，因此通信用匯流條1002與電源用匯流條1003的位置關系被設置成與被插入到電池架上的 模塊的連接器的位置相應的位置關系。
權利要求
1.一種蓄電池系統(tǒng)，其具有串聯(lián)連接的多個蓄電池模塊，該蓄電池系統(tǒng)具有 電源線，其將上述多個蓄電池模塊的電源端子間進行連接； 通信線，其將上述多個蓄電池模塊的通信端子間進行連接；以及斷開機構，其在從上述多個蓄電池模塊拆下第一蓄電池模塊的情況下，在斷開與上述第一蓄電池模塊相連接的通信線之后，斷開與上述第一蓄電池模塊相連接的電源線。
2.根據(jù)權利要求I所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在于，具有如下結構 在將被拆下的上述第一蓄電池模塊更換為第二蓄電池模塊的情況下，在將電源線連接到上述第二蓄電池模塊之后，將通信線連接到上述第二蓄電池模塊。
3.根據(jù)權利要求I所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 上述蓄電池模塊在上述通信線與發(fā)送電路或者與接收電路之間具有通信線開關， 在拆下上述第一蓄電池模塊的情況下，斷開上述通信線開關。
4.根據(jù)權利要求3所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 上述蓄電池模塊在上述電源線與單電池之間具有電源線開關， 在拆下上述第一蓄電池模塊的情況下，斷開上述通信線開關之后，斷開上述電源線開關。
5.根據(jù)權利要求2所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 上述蓄電池模塊在上述通信線與發(fā)送電路或者與接收電路之間具有通信線開關， 在更換為上述第二蓄電池模塊的情況下，在上述通信線開關被斷開的狀態(tài)下將電源線連接到上述蓄電池模塊上。
6.根據(jù)權利要求5所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 上述蓄電池模塊在上述電源線與單電池之間具有電源線開關， 在更換為上述第二蓄電池模塊的情況下，在將上述電源線開關連接之后，將上述通信線開關連接。
7.根據(jù)權利要求I所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 具有電池架，該電池架具有用于將上述蓄電池模塊之間進行連接的電源用匯流條和通信用匯流條， 在上述蓄電池模塊中，與上述電源用匯流條相連接的電源連接器的前端相比與上述通信用匯流條相連接的通信連接器的前端向電池架側突出。
8.根據(jù)權利要求I所述的蓄電池系統(tǒng)，其特征在干， 具有控制裝置，該控制裝置控制上述蓄電池系統(tǒng)， 上述控制裝置與上述多個蓄電池模塊通過上述通信線連接成串級鏈狀。
9.一種蓄電池模塊，其具有 單電池，其被串聯(lián)連接多個； 電源連接器，其將上述單電池與其它的蓄電池模塊進行連接； 發(fā)送電路或接收電路； 通信連接器，其將上述發(fā)送電路或接收電路與其它的蓄電池模塊的接收電路或發(fā)送電路進行連接；以及 第一開關，其設置在上述通信連接器與上述發(fā)送電路或上述接收電路之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的蓄電池模塊，其特征在干，具有設置在上述電源連接器與上述發(fā)送或接收電路之間的第二開關。
11.一種蓄電池模塊，其具有 單電池，其被串聯(lián)連接多個； 電源連接器，其將上述單電池與其它的蓄電池模塊進行連接； 發(fā)送電路或接收電路；以及 通信連接器，其將上述發(fā)送電路或上述接收電路與其它的蓄電池模塊的接收電路或發(fā)送電路進行連接， 其中，上述電源連接器的前端相比上述通信連接器的前端突出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種蓄電池系統(tǒng)，其串聯(lián)連接多個蓄電池模塊，不產生絕緣破壞就能夠更換劣化的蓄電池模塊。具有串聯(lián)連接的多個蓄電池模塊(510～530)的蓄電池系統(tǒng)具有如下的機構(521、522)在要拆下蓄電池模塊(520)的情況下，在斷開與蓄電池模塊(520)相連接的通信線之后，斷開與蓄電池模塊(520)相連接的電源線。
文檔編號H01M10/42GK102651488SQ20111045830
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權日2011年2月28日
發(fā)明者寺田崇秀, 竹內隆, 長田健一 申請人:株式會社日立制作所