JP2008113505A - バッテリーの温度管理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、電気車両用のバッテリーが充電中に異常に温度上昇することを感知し、安価に提供できるバッテリーの温度管理システムを提供する。
【解決手段】バッテリーの温度管理システムは、所定の温度以上の温度で溶解する温度ヒューズ3と、制御装置4とから構成される。温度ヒューズ3はバッテリーセル2ごとに固定され、バッテリーセル2の温度が所定の温度以上になるとき、温度ヒューズ3が溶解する。そして、制御装置4が温度ヒューズ3の溶解を感知して、バッテリー1に電力を供給している電気回線を切断し、警報信号を出力する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、バッテリーの異常状態を監視し、保護するためのバッテリー保護システムに関する。詳しくは、産業用自動車、電気自動車やハイブリッド自動車等に用いられるバッテリーの異常を検知するための保護システムに関する。
近年、ガソリン価格の値上がりも後押しした影響もあって、産業用車両、電気自動車やハイブリッドカー等の電気モータを動力源とする車両(以下、電気車両という。)の需要が高まっている。これらの電気車両は、電気モータの電源としてバッテリーを使っている。電気モータは小型高出力にするために必用な電圧を200V以上にする場合が多い。このために、リチウムバッテリーやリチウムポリマーバッテリーを多数直列に接続して高電圧を出力するようにしている。例えば、3.7V定格のリチウムバッテリーを数十個直列にして、必要な電圧を得ている。
これらのバッテリーは、商業用の充電コンセントからの電気で充電されている。特に、安価な深夜電気が利用されることが多い。電気車両のバッテリーを充電するための充電スタンドをガソリンスタンドに設置することも多くなっている。また、電気車両専用の充電スタンドも見かけるようになってきている。電気車両には、バッテリーを多数直列にして使用している。そのため、多数直列に接続されたバッテリーを、その配線を変更させないでそのままの状態で、充電する。
通常、ほとんど夜中や休憩中の充電となるため、運転手や整備担当者等が、充電中のバッテリーの状況を常に監視していない。しかし、充電中のバッテリーに異常があるか否かを把握するニーズは、電気車両の運転手、整備担当者、及びメーカーそれぞれにある。運転手や整備担当者の場合は、リアルタイムでバッテリーの状況を知る必要はなく、安全に充電が完了すれば十分である。バッテリーメーカーの場合は、充電中の各バッテリーの電圧と温度を正確に把握し、管理することが重要である。
バッテリーマネージメントシステム(以下、BMSという。)を電気車両に組み込み、個々のバッテリーセルの電圧、温度を監視している。BMSが複数のICやマイクロコンピュータにより構成されたもので、自動車に組み込むという性格上、振動、温度、電波、各種ノイズを避けるわけにはいけない。直列接続されたバッテリーの個数が多数になればなるほど、BMSが複雑化し、コストとスペースの増加になる。更に、バッテリーは、あと何回くらい充電と放電が出来るのかを知りたいというニーズがある。
電気車両によく使用されている高性能のリチウムバッテリーの場合、通常の走行なら自動車の方が先に老朽化するので、バッテリーの老巧、寿命等に関する詳細なデータ管理は、運転手にとってそれほど必要が無い。バッテリーの不具合による急激な温度上昇の原因は、衝突事故によるバッテリーのショート、又は充電中にどこかのバッテリーセルが不良でよく充電できない状態で起きることが経験から分かっている。衝突事故によるバッテリーのショートの場合は、電気自動車の電気回路のブレーカーが落ち、走行不可能の状態になる。この後は、車の整備者、メーカーによるメンテナンスに任せることになる。
電気車両のバッテリーは、多数のバッテリーセルを直列にしているため、能力の低いバッテリーセル1個でも電圧が上がらなければ、他の能力の高いバッテリーセルの電圧がその分だけ上がることになる。これでバッテリーが過充電という状態となり、能力の高いバッテリーセルが熱を持つようになる。このような状況になると、バッテリー全体で整備が必要になり、その場で運転手や整備担当者が対応できる問題ではなく、車整備場、メンテナンス担当者が取り扱うことになる。
更に、バッテリーを並列にして充電を行いながら、電気的に個々のバッテリーの温度を監視する場合のシステムは、費用がかかるだけで、エンドユーザにとっては負担増になる。電気車両には、放電充電特性が優れているリチウムバッテリーを利用することが多い。リチウムバッテリーは、高エネルギーのために、扱い方によっては発火事故につながる場合があり、保護回路は最低二重(ダブルシステム)にしておく必要がある。電子回路は経年変化による絶縁不良や各種電波等によって誤動作することがあり、充分な対策が講じられなければならない。
例えば、特許文献1には、リチウム二次電池を構成する各セルの異常を検出し、充電又は放電を行っている電気線を切断するための技術を開示している。リチウム二次電池を構成する各セルに、その過放電,過充電 または過昇温などの異常状態を、セルに並列に接続された異常検出装置によって検出し、過放電,過充電又は過昇温等の異常状態を検出すると、このセルが属するセルグループへの電圧を切断している。
特開2001−25173号公報
しかしながら、特許文献1のシステムは、過昇温の場合に限ると、各セル又は複数のセルからなるセルグループごとに並列にし、複雑な回路を組んだシステムになっており、低価格化は困難である。ユーザーにとっては、安全が確保されることが一番であり、それ以上のバッテリーメンテナンスに必要なデータは、バッテリー又は車のメーカーが引き取ってから行えばよい。市販されている安価で安定した部品を使って、電気車両用のバッテリーの保護回路システムを構築することが重要である。
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、電気車両用のバッテリーが充電中に異常に温度上昇することを感知するためのバッテリーの温度管理システムを提供する。
本発明の他の目的は、市場に安価で大量に供給されている部品を使って安価に提供できるバッテリーの温度管理システムを提供する。
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明のバッテリーの温度管理システムは、温度ヒューズを使い、充電されているバッテリーの温度上昇を感知し、制御装置を動作させてバッテリーに電力を供給している電気回線を切断するものである。つまり、本発明のバッテリーの温度管理システムは、バッテリーの不具合で温度が上昇し、火災事故につながる状況となった場合は、無人の状態でも、バッテリーの充電を停止させ、警報信号を発するシステムである。
温度ヒューズは、市場に安価で大量に供給されている安定した部品を利用するものである。温度ヒューズをバッテリーに固定する固定手段は、特に断らないが様々で使用環境によって臨機応変である。電気車両用のバッテリーに固定された温度ヒューズは、バッテリーが充電中に高温になるとき溶解し、温度ヒューズに接続されている制御装置のリレーを動作させて、バッテリーに供給されている電気回線を遮断する。従来技術にも記述した通り、BMSが故障すると、バッテリーの過充電による過熱、それによる発火事故、そして、高価なバッテリーの破壊事故につながる危険性が避けられない。
本発明の発明者らは、BMSとは別のシステムで、バッテリーの過充電、発熱、発火事故を防ぐ保護回路を含む制御装置を開発した。本発明のバッテリーの温度管理システムをBMSと併用することにより、リチウムバッテリーを二重に保護することができる。本発明の発明者らが、リチウムバッテリーがどの条件でバッテリーとしての機能を失うかを調べた。リチウムバッテリーは、4.2Vを超えて電圧をかけると、5Vを超えると発熱を始め、5.5Vで約50℃となった。
6Vで約76℃となり、電極が崩壊しバッテリーとしての機能を失った。また、同一セルのプラスとマイナスの電極をショートさせると、約4分で100℃を超え、10分でバッテリーとしての機能を失った。リチウムポリマーバッテリーは、外気温度が100℃を超えてもバッテリーとして機能するという高性能ながら、定格の電圧より高電圧をかけると短期間で発熱する等の異常状態となるものである。BMSでバッテリーの温度の上限を50℃としているのは、これらの点を考慮してからである。
バッテリーを格納したバッテリーボックスは、通常は車両内に設置されるため、外気の影響を受けて50℃となることはあまり考えられない。バッテリーの温度が50℃を超えた場合は、バッテリーが過充電されたかショートされて危険な状態にあると理解すべきである。この理由で、本発明においては、リチウムバッテリー自体の温度を監視するために、その環境下におけるふさわしい設定温度50℃〜60℃で溶解する温度ヒューズを利用している。この温度ヒューズをバッテリーの一つ一つのセルに接着固定し、直列に接続して、この温度ヒューズの直列回路に僅かな電流を流している。
バッテリーセルが異常状態になると、バッテリーセルの温度が上がる。バッテリーセルの温度が設定温度以上の温度になると温度ヒューズが溶解し、温度ヒューズの直列回路が遮断される。そして、この温度ヒューズに接続された制御装置が、温度ヒューズの直列回路の遮断を感知して、リレー等によりバッテリーに電力を供給している電気回線を遮断し、警報信号を発する。警報信号としては、異常を示すランプを点灯、又はブザーを鳴らすことができる。又は、制御装置が外部の装置に知らせるために出力電気信号を出しても良い。このように、警報信号としては、外部にバッテリーの異常を知らせることができれば、どのような信号でも良い。
制御装置は、温度ヒューズの直列回路の切断を検知するための検知回路と、バッテリーを充電器から切断するためのリレー回路から構成される。リレー回路は、バッテリーと、バッテリーを充電している充電器とを接続している電気回線を切断するためのものである。制御装置は、その内部には、警報信号を発するための手段を有する。この手段は、警報光信号を発するためのランプ、警報音を鳴らすためのブザー等を有することが望ましい。また、この手段は、警報信号として電気信号を出力すると良い。温度ヒューズの切断を検知するための検知回路は、トランジスタにより次のように構成されることができる。
トランジスタのベースに温度ヒューズの直列回路を接続し、僅かな電流を流しておく。このとき、トランジスタのコレクタには、出力電圧が生じないように設定にする。温度ヒューズの直列回路が切断され、トランジスタのベースに電流が流れなくなったとき、コレクタに出力電圧が生じる。コレクタの出力電圧により、このコレクタに接続された警報装置が動作すると良い。更に、このコレクタにリレー回路を接続し、コレクタの出力電圧によって、リレー回路に電流が流れ、リレーが作動して充電器をバッテリーから切断することが望ましい。更に、トランジスタと、警報装置又はリレー回路の間に増幅器を設けると良い。この増幅器は、1個のトランジスタと抵抗器で構成することができる。
本発明によると、次の効果が奏される。
本発明は、市場に安価で大量に供給されている温度ヒューズを使い、バッテリーの温度管理システムを安価に提供することができた。
本発明のバッテリーの温度管理システムは、温度ヒューズを使ったものであり、バッテリーの温度が設定温度より上昇すると、温度ヒューズがすぐに溶けて、制御装置が充電用の電気回線をすぐに切断し、警報信号を発するため実用的な保護回路になった。
本発明のバッテリーの温度管理システムの温度ヒューズは、バッテリーにガムテープ等の固定手段を用いて固定しており、繰り返しの使用に適したものになった。
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。図1には、バッテリーの温度管理システムの概要を図示している。図2には、温度管理システムの制御装置の回路図を図示している。図示するように、バッテリー1は、複数のバッテリーセル2から構成されている。本実施の形態においては、紙面の都合により、4個のバッテリーセル2からなるバッテリー1を図示している。しかしながら、車両用のバッテリー1は、数十個のバッテリーセル2から構成されることが一般的である。例えば、リチウムバッテリーの場合は、3.7V定格のリチウムバッテリーセルを数十個直列にして、必要な200V以上の電圧を得ている。
各バッテリーセル2には、温度ヒューズ3を固定している。温度ヒューズ3は、バッテリーセル2に出来るだけ接触するように固定する。全ての温度ヒューズ3を直列にし接続している。この直列に接続された温度ヒューズ3からなる回路には、電流を流している。1個でも温度ヒューズ3が溶解すると、温度ヒューズ3の直列回路が切断され、電流が流れなくなる。温度ヒューズ3は、汎用工業品で、多くのメーカーが様々な温度で溶解するものを製造している。
本発明は、温度ヒューズ3として、設定温度の摂氏50〜60度で溶解するものを使用している。温度ヒューズ3は、様々な材料で製造可能であるが、金属かガスを用いたものが最も安価であり、これらの安価なものを使うことが望ましい。温度ヒューズ3をバッテリーセル2に固定する方法は、特に種類は問わないが、繰り返し利用できる方法が望ましい。例えば、ガムテープ等の一般的な固定手段で、取替えがスムーズにできることが望ましい。このような固定手段を用いると、温度ヒューズ3が溶解したとき交換できるという利点がある。バッテリー1は、充電器5に接続されて充電されている。
直列に接続された温度ヒューズ3には、制御装置4の回路が接続されている。制御装置4は、充電器4からバッテリー1に電流を供給している電気回線の切断を行う機能を持つ。制御装置4の回路を詳細に説明する。図2には、制御装置4の回路の一例を図示している。回路には、2個のトランジスタTR1、TR2、ランプLED1、及び整流器D1が図示されている。そして、これらの電子部品の間に必要に応じて抵抗器R1〜R4が配置されている。
図2には、図1中の温度ヒューズ3は、直列に接続された温度ヒューズTF1〜TF4として図示されている。温度ヒューズTF1〜TF4は、抵抗器R1を介してトランジスタTR1のベースに接続されている。トランジスタTR1は、温度ヒューズTR1〜TR4の切断を検知するためのものである。トランジスタTR1のエミッタはグランドに接続されている。トランジスタTR1のコレクタは抵抗器R2を介して電源に、そして、抵抗器R3を介してトランジスタTR2のベースに接続されている。トランジスタTR1のコレクタには、電圧VCが抵抗器R2を介して印加されている。
トランジスタTR2のエミッタはグラウンドに接続されている。トランジスタTR2のコレクタは、ランプLED1及び整流器D1に接続されている。ランプLED1には、抵抗器R4を介して電圧VCが印加されている。整流器D1には電圧VCが直接印加されている。整流器D1の両端子は、リレー回路に接続される。直列に接続された温度ヒューズTF1〜TF4の一端子には、電圧VCが印加され、僅かな電流が流れている。このとき、トランジスタTR1のベースとエミッタ間に電流が流れ、コレクタには出力されない。
トランジスタTR2は、トランジスタTR1のコレクタに生じる電圧を増幅するためのものである。トランジスタTR1のコレクタに電圧が生じないときは、トランジスタTR2のコレクタにも電圧が生じないので、LED1及びリレー回路へ電流が流れない。バッテリーセル2の温度が上がり、所定の温度以上になると、そのバッテリーセル2に固定されている温度ヒューズ3(TF1〜TF4の中の1以上)が切断される。この所定の温度は、本例では50℃に設定している。つまり、温度ヒューズ3が切断される温度は50度である。
温度ヒューズ3が切断されると、トランジスタTR1のベースに流れる電流が切断され、コレクタに出力電圧が生じる。この電圧がトランジスタTR2によって増幅される。よって、LED1に電流が流れ、リレー回路への出力端子間に出力電圧が生じる。LED1に電流が流れると、このLED1が点灯する。リレー回路は、電流の供給を受けて、リレー回路のリレー(図示せず)が作動して、バッテリーを充電している電気回線(図示せず)を切断する。LED1の代わりに、又はこのLED1の並列若しくは直列に接続されて、警報音を出すための警報器があって、動作して警報音を出力しても良い。
図3には、本発明のバッテリー1の温度管理システムの全体の動作の概要をフローチャートで図示している。まず、バッテリー1が充電器4の電気回線に接続されてバッテリー1の充電が開始される(ステップ10、12)。バッテリー1の充電状況をBMSが常に監視して、充電時の制御を行っている。これと同時に、制御装置が動作し、バッテリー1の充電状況を監視している(ステップ14)。通常は、バッテリー1が問題なく十分に充電されたときは、例えば所定期間充電されときは、充電器4から切断される(ステップ16、ステップ30、34)。
または、BMSがバッテリー1の充電状況をみて、十分に充電されたら充電用の電気回線を切断する。この無事にバッテリー1の充電が終了した場合は、特に異常等を示す警報が鳴らない。無事にバッテリー1の充電が終了したことを示すシグナル、警報を出す。この警報は、例えばBMS等によって行われると良い(ステップ36)。例えば、無事に充電が終わったら、終了LEDが点灯したり、ピーピーという特定の警報音が鳴ると良い。無論、充電用の電気が切断される。BMSが、充電用の電気回線を切断しない限りは、バッテリー1が継続して充電される(ステップ32)。
バッテリー1の不具合により、例えば過充電による発熱でバッテリー1が設定温度以上になった時、バッテリー1に接触している温度ヒューズ3が溶解する(ステップ16)。この温度ヒューズ3の溶解によって、電流が流れている温度ヒューズ3の直列回路が断線となる。これは、バッテリー1に異常があることを示すものである(ステップ16)。それを制御装置5が検知し、リレー回路に電流が供給される。よって、リレー回路のリレーが作動し(ステップ20)、充電器4からバッテリー1に接続されている電気回線を遮断する(ステップ22)。
その後、制御装置14が警報信号を出力する(ステップ24)。例えば、LED1が点灯する。又は、制御装置5に付属している、あるいは、接続されたブザーが警告音を鳴らすこともできる。制御装置5の付近にいる運転手、整備担当者、又はこの付近の通行者が、LED1によって点灯している警報信号、又はブザーの警告音を聞き、駆けつけて対応することができる。このように、市場に安価で大量に供給されている温度ヒューズを使い、電気回路で温度管理システムを構築した。温度ヒューズを使うことで、従来の保護回路システムより費用を格段に下げ、例えば10分の1以下にすることができる。
本発明の制御装置5の回路は、2個のトランジスタ、抵抗器、警報用のランプ、そしてリレー回路から構成され、とてもシンプルな構造になっている。このために、安価に製造することができる。しかしながら、本発明の制御装置5の回路は、図2の回路に限定されるものではなく、この回路の一部素子を同様な機能を有する他の素子、電子デバイスに変えた回路に変更することができ、この変更回路も権利範囲に含まれるものである。
ここで、本実施の形態の制御装置5の回路に用いた電子部品の例を示す。R1は510kΩ、R2は5.1kΩ、R3は50kΩ、R4は2kΩになっている。TR1及びTR2は同一のトランジスタ2SC1815(東芝製)である。VCは、+12Vである。
本発明の実施の形態では、警報信号の発信器としてLED1を点灯させている。これと同時にリレー回路を作動させている。リレー回路がトランジスタTR2のコレクタに生じる電圧によって作動している。この代わりに、トランジスタTR1、TR2の回路からリレー回路が独立していて、LED1が発する光信号を受信して作動することができる。このためには、LED1が発する光信号を受信するためのフォトダイオードカプラー等の受光器を備え、この受光器の受信信号によって、リレー回路を制御するようにすることができる。
本発明は、産業用自動車、電気自動車やハイブリッド自動車等のバッテリーの充電監視、過充電防止用に利用すると良い。また、高出力のバッテリーを利用する産業及び娯楽用のロボット、建設機械等に利用することができる。更に、本発明は、住宅や工場等の高電圧の蓄電システムの蓄電監視に利用すると有効である。
図1は、バッテリーの温度管理システムの概要を図示している図である。 図2は、温度管理システムの制御装置4の回路図である。 図3は、バッテリーの温度管理システムの全体の動作の概要を示すフローチャートである。
符号の説明
1…バッテリー
2…バッテリーセル
3…温度ヒューズ
4…制御装置
5…充電器

Claims (7)

  1. 車両の電気モータの電源として用いるバッテリーの異常を監視するためのバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記バッテリーを構成するバッテリーセルごとに固定手段によって固定されて直列に接続され、所定の温度以上の温度で溶解する温度ヒューズ、及び
    直列に接続された前記温度ヒューズからなる温度ヒューズ回路に接続され、前記温度ヒューズの溶解を感知し、前記バッテリーに電力を供給している電気回線を回線切断手段によって切断する機能を有する制御装置
    からなる
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  2. 請求項1に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記制御装置は、トランジスタから構成され、
    前記トランジスタのベースが前記温度ヒューズ回路に接続され、前記トランジスタのエミッタがグラウンドに接続され、前記トランジスタのコレクタに直流電圧が印加され、かつ、前記トランジスタの前記コレクタに前記回線切断手段が接続されていて、
    前記温度ヒューズに電流が流れているとき、前記トランジスタのコレクタに出力電圧が生じることがなく、
    前記温度ヒューズが切断されて前記トランジスタのベースに電流が流れなくなったとき、前記トランジスタのコレクタに出力電圧が生じて前記回線切断手段を作動させて前記電気回線を切断し、前記バッテリーの充電を停止させる
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  3. 請求項2に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記トランジスタのコレクタに出力電圧が生じたとき、前記出力電圧を増幅するための第2トランジスタが、前記トランジスタのコレクタに接続され、
    前記第2トランジスタのコレクタに前記回線切断手段が接続されている
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  4. 請求項1〜3の中から選択される1項に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記制御装置は、前記回線切断手段に並列又は直列に接続され、前記温度ヒューズ回路が切断されたとき、警報信号を発するための警報手段を有する
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  5. 請求項4に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記警報手段は、前記制御装置に接続又は内蔵されたスピーカから出されるブザー、前記制御装置に接続又は内蔵されたランプの点灯、及び前記制御装置の出力端子から出される電気信号の内1以上の警報信号を出力する
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  6. 請求項1から5の中から選択される1項に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記所定の温度は、摂氏50度から60度である
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
  7. 請求項1から5の中から選択される1項に記載のバッテリーの温度管理システムにおいて、
    前記バッテリーセルと前記温度ヒューズは、前記固定手段によって密着されて固定され、
    前記バッテリーセルが加熱したとき発する熱が前記温度ヒューズに熱伝導によってスムーズに伝熱される
    ことを特徴とするバッテリーの温度管理システム。
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