电池包及电动车辆的制作方法

1.本发明涉及一种电池包及电动车辆。


背景技术：

2.近年来，二次电池的用途不断扩大。例如，作为二次电池的代表例的锂离子二次电池的用途不仅在各种电子设备上，而且在汽车、摩托车、电动飞行器等领域也得到了扩展。根据用途的不同，锂离子二次电池有时会使用多个，而不是一个(单电池)。当使用多个锂离子二次电池时，其中规定的锂离子二次电池可能发生内部短路等异常。在下述的专利文献1中记载了电池模块，通过使用熔断器将发生了相关异常的锂离子二次电池从电路上断开来确保安全性。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：国际公开2012/014350号公报。


技术实现要素：

6.发明所要解决的技术问题
7.然而，在专利文献1所记载的技术中，由于无法控制熔断器熔断的时机，因此存在无法从电路上断开发生异常的锂离子二次电池的风险。
8.因此，本发明的目的之一是提供一种电池包及电动车辆，通过使熔断器能够在适当的时机熔断，能够可靠地从电路上断开出现异常的二次电池。
9.用于解决技术问题的技术方案
10.本发明是一种具有一对输出端子、控制部和多个电池单元的电池包，多个电池单元中的每一个具有串联连接的多个电池块、正极端子及负极端子，电池块具有一个电池或并联连接的多个电池，在一对输出端子中的至少一个输出端子与对应于该一个输出端子的正极端子或负极端子之间连接有熔断器，熔断器可通过控制部熔断。
11.发明效果
12.至少根据本发明的实施方式，由于使熔断器能够在适当的时机熔断，能够可靠地从电路上断开出现异常的二次电池。需要说明的是，本发明的内容不受本说明书中所例示的效果的限制。
附图说明
13.图1是进行关于在一实施方式中应考虑的问题的说明时参照的图。
14.图2是进行关于在一实施方式中应考虑的问题的说明时参照的图。
15.图3是进行关于在一实施方式中应考虑的问题的说明时参照的图。
16.图4是进行关于在一实施方式中应考虑的问题的说明时参照的图。
17.图5是示出一实施方式所涉及的电池包的概略构成例的图。
18.图6的a及图6的b是示出一实施方式所涉及的带加热器的熔断器的构成例的图。
19.图7是示出一实施方式所涉及的电池包的详细构成例的图。
20.图8是用于说明应用例的图。
具体实施方式
21.以下，参照附图说明本发明的实施方式等。需要说明的是，将按照以下的顺序进行说明。
22.＜在一实施方式中应考虑的问题＞
23.＜一实施方式＞
24.＜变形例＞
25.＜应用例＞
26.以下说明的实施方式等是本发明的优选具体例，本发明的内容不限于这些实施方式等。
27.＜在一实施方式中应考虑的问题＞
28.首先，为了便于理解本发明，说明在一实施方式中应考虑的问题。
29.图1是示出一般的电池包(电池包1)的构成例的图。需要说明的是，图1中所示的箭头示意性地示出电流的流动，其粗细表示电流的大小。箭头的粗细越粗表示电流越大，箭头的粗细越细表示电流越小。
30.电池包1具有电池部2、从电池部2的正极侧引出的正极端子ta和从电池部2的负极侧引出的负极端子tb。
31.电池部2例如具有八个二次电池及七个熔断器。二次电池例如是锂离子二次电池的单电池(以下，简称为电池)。电池11及电池12串联连接，电池13及电池14串联连接，电池15及电池16串联连接，电池17及电池18串联连接。
32.电池11及电池12的连接中点和电池13及电池14的连接中点经由熔断器21连接。另外，电池13及电池14的连接中点和电池15及电池16的连接中点经由熔断器22连接。另外，电池15及电池16的连接中点和电池17及电池18的连接中点经由熔断器23连接。
33.在正极端子ta与电池11的正极侧之间连接有熔断器25。在正极端子ta与电池13的正极侧之间连接有熔断器26。在正极端子ta与电池15的正极侧之间连接有熔断器27。在正极端子ta与电池17的正极侧之间连接有熔断器28。
34.这里，考虑电池18内部短路的例子。由于内部短路而流过短路电流。具体地，如图1所示，从电池12、电池14及电池16放电的电流流过电池部2的下级侧的环路rp1。从电池12放电的电流c12经由熔断器21后，与从电池14放电的电流c14合成为电流ca。电流ca经由熔断器22后，与从电池16放电的电流c16合成为电流cb。电流cb流过熔断器23。
35.流过熔断器23的电流大于流过熔断器21及熔断器22中的每一个的电流(简而言之，流过熔断器23的电流成为流过熔断器21的电流的3倍。)。因此，如图2所示，熔断器23比熔断器21及熔断器22先熔断。
36.然后，如图2所示，从电池11～电池16放电的电流流过电池部2的环路rp2。在熔断器25、熔断器26及熔断器27中的每一个中流过的电流(电流cc)的大小大致相等。另一方面，流过熔断器28的电流是将在熔断器25、熔断器26及熔断器27中的每一个中流过的电流合成
后的电流3cc。因此，如图3所示，熔断器28比熔断器25、熔断器26及熔断器27中的每一个先熔断。由此，发生了内部短路的电池18开路，即在电池包1内从电路上被断开。因此，由于电池18不能进行充放电，因此能够防止电池18的发热、起火，能够担保电池包1的安全性。
37.需要说明的是，即使在电池18以外的电池中发生了内部短路的情况下，也以同样的方式担保电池包1的安全性。
38.图4是示出一般的电池包的其他例子所涉及的电池包(电池包1a)的构成例的图。电池包1a与电池包1在构成上不同之处在于：具有电池部2a而不是电池部2。电池部2a具有上述的电池15～电池18、及熔断器23、熔断器27、熔断器28(各构成的连接关系与电池部2相同。)。
39.考虑在电池18中发生了内部短路的例子。如图4所示，在熔断器23被从电池16放电的电流c16熔断后，从电池15及电池16放电的电流cc经由熔断器27也流过熔断器28。
40.在熔断器27及熔断器28中流过的电流的大小相同。因此，不清楚熔断器27及熔断器28中的哪一个先熔断。例如，在熔断器27比熔断器28先熔断的情况下，由于无法将发生了内部短路的电池18从电路上断开，因此存在电池18继续充放电的问题。由于无法预测在哪个电池中会发生内部短路，因此只将特定的熔断器制成易熔断特性的熔断器在现实中也是不可能的。因此，希望能够控制使熔断器熔断的时机。另外，例如，如图4所示的电路那样，在串联连接的电池组的并联连接数为2时，希望能够控制使连接到该电池组中的每一个的熔断器熔断的时机。根据以上几点，说明本发明的一实施方式。
41.＜一实施方式＞
42.[本说明书中使用的术语的定义]
[0043]
首先，说明本说明书中使用的术语的定义。
[0044]“电池”：是指所谓的一个电池(单电池)。需要说明的是，在本实施方式中，将锂离子二次电池的单电池作为电池的例子进行说明，但也可以是其他电池。
[0045]“电池块”：是指具有一个电池或并联连接的多个电池的块。
[0046]“电池单元”：是指多个电池块串联连接的单元。不同的电池单元中的每一个具有的电池块数量相同。
[0047]“电池部”：是指包括多个电池单元的构成。
[0048]
[本实施方式所涉及的电池包]
[0049]
(概略构成)
[0050]
图5是示出本实施方式所涉及的电池包(电池包10)的概略构成例的图。电池包10具有电池部20。从电池部20的正极侧引出正极端子ta。从电池部20的负极侧引出负极端子tb。正极端子ta及负极端子tb对应于一对输出端子。
[0051]
电池包10具有电池单元30、控制ic(integrated circuit，集成电路)35、带加热器的熔断器38、电池单元40、控制ic45、带加热器的熔断器48和熔断器50。包括电池单元30及带加热器的熔断器38的构成与包括电池单元40及带加热器的熔断器48的构成并联连接。需要说明的是，在本实施方式中，控制ic35及控制ic45中的每一个对应于控制部。
[0052]
作为第一电池单元的一例的电池单元30具有电池块31及电池块32串联连接的形态。关于电池块31及电池块32的具体构成例将在后面叙述。另外，电池单元30具有正极端子t1及负极端子t2。
[0053]
控制ic35与电池单元30及带加热器的熔断器38连接。控制ic35判别电池块31及电池块32中的每一个的状态。例如，控制ic35测定电池块31及电池块32中的每一个的电压，判别每一个电池块是否处于过充电状态。然后，控制ic35在存在处于过充电状态的电池块的情况下，控制向与该电池块串联连接的带加热器的熔断器即带加热器的熔断器38具有的加热器的电流。通过相关控制，带加热器的熔断器38能够熔断。
[0054]
带加热器的熔断器38连接在作为一对输出端子中的一个输出端子的正极端子ta与对应于正极端子ta的正极端子之间、即正极端子ta与相同极性侧的电池单元30的正极端子t1之间。带加热器的熔断器38根据控制ic35的控制能够熔断。
[0055]
作为第二电池单元的一例的电池单元40具有串联连接的电池块41及电池块42。关于电池块41及电池块42的具体构成例将在后面叙述。另外，电池单元40具有正极端子t3及负极端子t4。
[0056]
控制ic45与电池单元40及带加热器的熔断器48连接。控制ic45判别电池块41及电池块42中的每一个的状态。例如，控制ic45测定电池块41及电池块42中的每一个的电压，判别每一个电池块是否处于过充电状态。然后，控制ic45在存在处于过充电状态的电池块的情况下，控制向与该电池块串联连接的带加热器的熔断器即带加热器的熔断器48具有的加热器的电流。通过相关控制，带加热器的熔断器48能够熔断。
[0057]
带加热器的熔断器48连接在作为一对输出端子中的一个输出端子的正极端子ta与对应的正极端子之间、即正极端子ta与相同极性侧的电池单元40的正极端子t3之间。带加热器的熔断器48根据控制ic35的控制能够熔断。
[0058]
熔断器50是不同于带加热器的熔断器38及带加热器的熔断器48的其他熔断器。作为熔断器50，能够应用电流熔断器等一般的熔断器。不同的电池单元中的每一个中的电池块的连接中点彼此经由熔断器50连接。具体地，电池单元30中的电池块31及电池块32之间的连接中点p1与电池单元40中的电池块41及电池块42之间的连接中点p2经由熔断器50连接。需要说明的是，本说明书中的连接中点是指电路连接路径中的任意位置，而不必是该连接路径中的中央。
[0059]
(关于带加热器的熔断器)
[0060]
接下来，说明带加热器的熔断器的一例。如图6的a所示，带加热器的熔断器38具有在正极端子ta与正极端子t1之间串联连接的两个熔断器38a及熔断器38b和一端侧与熔断器38a与熔断器38b之间的连接中点p38连接的加热器38c。加热器38c是电阻式加热器等发热体。
[0061]
熔断器38a的一端侧(与连接中点p38相反的一侧)经由电池e1接地。另外，加热器38c的另一端侧经由开关sw1接地。开关sw1是由控制ic35接通/断开的开关，设置在带加热器的熔断器38的附近。电池e1例如是成为过充电状态的电池块(详细情况将在后面叙述)。
[0062]
通常，开关sw1断开。在需要熔断熔断器38a及熔断器38b时，由控制ic35进行使带加热器的熔断器38动作的控制。具体地，通过控制ic35使开关sw1接通。通过使开关sw1接通，电流在图6的a中的电流环路rpa中流过。通过由相关控制ic35进行的流过电流的控制，电流在加热器38c中流过，加热器38c发热。熔断器38a及熔断器38b因其热而熔断。这样，带加热器的熔断器38是能够与通常的电流熔断器等同样地通过在熔断器中流过的过大电流而熔断，并且通过在加热器38c中流过电流而在规定的时机熔断熔断器38a及熔断器38b的
器件。
[0063]
如图6的b所示，带加热器的熔断器48具有在正极端子ta与正极端子t3之间串联连接的两个熔断器48a及熔断器48b和一端侧与熔断器48a与熔断器48b之间的连接中点p48连接的加热器48c。加热器48c是电阻式加热器等发热体。
[0064]
熔断器48a的一端侧(与连接中点p48相反的一侧)经由电池e2接地。加热器48c的另一端侧经由开关sw2接地。开关sw2是由控制ic45接通/断开的开关，设置在带加热器的熔断器48的附近。电池e2例如是成为过充电状态的电池块(详细情况将在后面叙述)。
[0065]
通常，开关sw2断开。在需要熔断熔断器48a及熔断器48b时，由控制ic45进行使带加热器的熔断器48动作的控制。具体地，通过控制ic45使开关sw2接通。通过使开关sw2接通，电流在图6的b中的电流环路rpb中流过。通过由相关控制ic45进行的流过电流的控制，电流在加热器48c中流过，加热器48c发热。熔断器48a及熔断器48b因其热而熔断。这样，带加热器的熔断器48是能够与通常的电流熔断器等同样地通过在熔断器中流过的过大电流而熔断，并且通过在加热器48c中流过电流而在规定的时机熔断熔断器48a及熔断器48b的器件。
[0066]
[本实施方式所涉及的电池包的详细构成例]
[0067]
图7是示出本实施方式所涉及的电池包10的详细构成例的图。电池单元30例如具有串联连接的14个电池块(电池块311a、电池块311b
…
电池块311n)。需要说明的是，在不需要区分各个电池块时，适当地简称为电池块311。
[0068]
电池块311具有四个电池并联连接的构成。并联连接的电池数可适当变更，但在某一个电池中发生了内部短路时产生的短路电流不会导致电池的温度为一定以上的范围内适当地设定。
[0069]
电池单元40例如具有串联连接的14个电池块(电池块411a、电池块411b
…
电池块411n)。需要说明的是，在不需要区分各个电池块时，适当地简称为电池块411。
[0070]
电池块411具有四个电池并联连接的构成。并联连接的电池数可适当变更，但在某一个电池中发生了内部短路时产生的短路电流不会导致电池的温度为一定以上的范围内适当地设定。
[0071]
熔断器50具有(电池块数-1)个、即13个熔断器(熔断器50a、熔断器50b
…
熔断器50m)。例如，电池块311a与电池块311b之间的连接中点与电池单元40的电池块411a与电池块411b之间的连接中点经由熔断器50a连接。其他电池块的连接中点彼此也以同样的方式经由熔断器连接。
[0072]
另外，电池包10具有afe(analog front end，模拟前端)71、mpu(micro processing unit，微处理装置)72和充放电控制开关73。充放电控制开关73具有充电控制开关73a及放电控制开关73b。
[0073]
afe71是保护ic的一种，测定各电池块的电压、流过电池包10内的电路的充电电流、放电电流。然后，afe71将测定结果发送到作为上位的ic的mpu72。
[0074]
mpu72统一控制电池包1的保护动作等动作。另外，mpu72与应用电池包10的电子设备侧(主机侧)经由通信端子com进行通信。
[0075]
充放电控制开关73是由afe71控制接通/断开的开关。作为充放电控制开关73，例如能够使用fet(field effect transistor，场效应晶体管)。充放电控制开关73在正极侧
的电力线pla上与正极端子ta和带加热器的熔断器38或带加热器的熔断器48串联连接。
[0076]
[电池包的动作例]
[0077]
(充放电控制开关的接通/断开控制)
[0078]
接下来，说明本实施方式所涉及的电池包10的动作例。首先，说明对充放电控制开关73的接通/断开控制。
[0079]
如上所述，afe71将各电池块的电压、流过电池包10内的电路的充电电流、放电电流的测定结果发送到mpu72。mpu72基于发送的测定结果，判断是否需要切断电流路径。在需要切断电流路径时，mpu72向afe71输出控制命令。根据控制命令，afe71适当地接通/断开充电控制开关73a、放电控制开关73b，从而切断电流路径。
[0080]
例如，在mpu72判断电池部20没有异常等且能够没有问题地进行充放电时，mpu72控制afe71以接通充电控制开关73a和放电控制开关73b。另外，在电池部20的电压达到过充电禁止电压时等需要禁止充电的情况下，mpu72控制afe71以至少断开充电控制开关73a。另外，在电池部20的电压达到过放电禁止电压时等需要禁止放电的情况下，mpu72控制afe71以至少断开放电控制开关73b。另外，在电池部20深放电达到再充电禁止区域时，mpu72控制afe71以断开充电控制开关73a及放电控制开关73b从而停止充放电。
[0081]
(带加热器的熔断器的熔断控制)
[0082]
接下来，说明带加热器的熔断器38及带加热器的熔断器48的熔断控制。需要说明的是，在以下的说明中，为了便于说明，将以图5所示的电池单元30及电池单元40的构成为例，说明带加热器的熔断器的熔断控制。另外，作为在电池单元40的电池块42中发生了内部短路的情况进行说明。
[0083]
在电池块42中发生了内部短路后，来自电池块32的电流在熔断器50中流过，从而熔断器50熔断。然后，来自电池单元30的电流经由带加热器的熔断器38及带加热器的熔断器48在电池单元40中流过。
[0084]
这里，如果带加热器的熔断器48比带加热器的熔断器38先熔断，则能够电断开发生了内部短路的电池块42。因此，即使在充电电压经由正极端子ta及负极端子tb施加到电池包1时，也能够担保电池包1的安全性。另一方面，在带加热器的熔断器38比带加热器的熔断器48先熔断时，无法电断开电池块42。在该状态下，如果对电池包1进行充电，则电池块42由于发生内部短路，所以电压不上升，仅电池块41的电压上升。通过电池块41的电压上升，电池块41成为过充电状态(电压大于等于阈值(在电池的情况下例如为4.3v)的状态)。
[0085]
由控制ic45检测该电池块41的过充电状态。检测到电池块41的过充电状态的控制ic45判断需要使与过充电状态的电池块41串联连接的带加热器的熔断器48动作。然后，控制ic45进行使电流流过带加热器的熔断器48的控制(接通上述的开关sw2的控制)。通过该控制，能够利用电池块41的电力使电流流过加热器48c，能够通过加热器48c的热熔断熔断器48a及熔断器48b。因此，能够电断开包括电池块42的电池单元40。
[0086]
即使在电池块42以外的电池块中发生了内部短路时，也进行同样的处理。例如，在电池块32中发生了内部短路，检测到电池块31的过充电状态时，由控制ic35进行使带加热器的熔断器38动作的控制。另外，即使在构成电池块311、电池块411的任一电池发生内部短路的情况下，也进行同样的处理。
[0087]
[效果]
[0088]
以上，根据说明的本实施方式，例如能够获得以下的效果。
[0089]
由于能够可靠地电断开发生了内部短路的电池块，因此能够防止电池块的内部短路带来的发热、起火等，能够担保电池包的安全性。
[0090]
在上述的具体例中，假设带加热器的熔断器48比带加热器的熔断器38先熔断时没有任何电池块成为过充电状态，因此不进行熔断带加热器的熔断器38的控制。因此，能够继续使用电池单元30。
[0091]
＜变形例＞
[0092]
以上具体说明了本发明的实施方式，但本发明的内容不限于上述的实施方式，可基于本发明的技术思想进行各种变形。
[0093]
在上述的一实施方式中，控制ic可以通过判别不是过充电状态而是其他状态来判断使带加热器的熔断器动作的必要性。例如，控制ic可以判别电池块彼此的电压平衡的状态。在进行充电时，在串联连接的电池块中的一个的电压上升而另一个电池块的电压大致不变化时，由于该另一个电池块发生内部短路，所以控制ic可以判断需要使带加热器的熔断器动作。即使不进行充电，在电池块彼此的电压差达到一定以上时，也可以判断为电池块发生了内部短路，需要使带加热器的熔断器动作。通过这样的控制，能够更早地断开发生了异常的电池。另外，控制ic也可以判断是否存在即使进行充电电压也大致不变化的状态的电池块，在存在这样的电池块的情况下，判断需要使带加热器的熔断器动作。也可以将这些条件组合起来，控制ic判断是否需要使带加热器的熔断器动作。
[0094]
在上述的一实施方式中，说明了利用过充电状态的电池块的电力使带加热器的熔断器动作的例子，但不限于此。例如，可以通过在电池包中设置恒电流源，从该恒电流源对带加热器的熔断器的加热器流过电流，由此使加热器发热。另外，电池包具有的多个带加热器的熔断器中，部分或全部的带加热器的熔断器可以连接在电池包的负极端子与电池单元的负极端子之间。另外，带加热器的熔断器可以连接在电池包的正极端子和电池单元的正极端子之间、及电池包的负极端子和电池单元的负极端子之间以防备带加热器的熔断器的动作不良。
[0095]
在上述的一实施方式中，afe可以基于电压等的测定结果而不是mpu的控制来自主地判断保护动作的必要性，根据判断结果适当地接通/断开充放电控制开关。另外，mpu可以通过将从afe发送的测定结果发送到电子设备侧，由电子设备侧的微计算机判断保护动作的必要性。
[0096]
在上述的一实施方式中，控制ic可以与afe、mpu通信。例如，控制ic可以与mpu通信，以通知mpu控制ic熔断了规定的带加热器的熔断器。然后，mpu可以通过显示、声音来通知用户或提供错误消息等以提示更换带加热器的熔断器。
[0097]
在上述的一实施方式中，充放电控制开关可以在负极侧的电力线plb上与负极端子tb、连接到电池单元的负极侧的带加热器的熔断器串联连接。另外，控制ic及afe一体化的构成等、电池包的构成在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当地变更。另外，上述的一实施方式中的电池单元的连接数、电池块的连接数、电池块的构成(电池的个数、连接方式)等能够适当地变更。
[0098]
上述的实施方式、变形例中说明的事项可适当地组合。另外，实施方式中说明的材料、工序等只不过是一个例子，本发明的内容并不限于例示的材料等。
[0099]
＜应用例＞
[0100]
本发明所涉及的电池包10能够搭载于电动工具、电动车辆、各种的电子设备等或用于供给电力。
[0101]
作为将本发明应用于电动车辆用的蓄电系统的例子，图8中概略示出采用了串联混合动力系统的混合动力车辆(hv)的构成例。串联混合动力系统是使用由以发动机为动力的发电机发电产生的电力、或者将其暂时储存在电池中的电力，通过电力驱动力转换装置行驶的车辆。
[0102]
在该混合动力车辆600搭载有发动机601、发电机602、电力驱动力转换装置(直流电机或交流电机。以下简称为“电机603”。)、驱动轮604a、驱动轮604b、车轮605a、车轮605b、电池608、车辆控制装置609、各种传感器610、充电口611。作为电池608，能够应用本发明的电池包10。
[0103]
通过电池608的电力电机603工作，电机603的旋转力被传递到驱动轮604a、604b。通过由发动机601产出的旋转力，可将由发电机602生成的电力储存在电池608中。各种传感器610经由车辆控制装置609控制发动机转速，或控制未图示的节流阀的开度。
[0104]
混合动力车辆600通过未图示的制动机构减速，该减速时的阻力作为旋转力施加到电机603，由该旋转力生成的再生电力储存在电池608中。另外电池608可经由混合动力车辆600的充电口611与外部的电源连接而充电。将这样的hv车辆称为插电式混合动力汽车(phv或phev)。
[0105]
需要说明的是，也可将本发明所涉及的二次电池应用于小型化的一次电池，作为内置于车轮604、605的气压传感器系统(tpms：tire pressure monitoring system)的电源使用。
[0106]
在以上内容中，以串联混合动力汽车为例进行了说明，但本发明也可应用于发动机和电机并用的并联方式、或组合了串联方式和并联方式的混合动力汽车。进而，本发明还可应用于仅通过不使用发动机的驱动电机行驶的电动汽车(ev或bev)、燃料电池汽车(fcv)。另外，本发明也可应用于电动自行车。
[0107]
附图标记说明
[0108]
10：电池包；30、40：电池单元；31、32、41、42：电池块；35、45：控制ic；38、48：带加热器的熔断器；38c、48c：加热器；73：充放电控制开关；ta：电池包的正极端子；tb：电池包的负极端子；t1、t3：电池单元的正极端子；t2、t4：电池单元的负极端子。