JP2015129677A - 異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セルの固定部材の劣化を検出可能な二次電池の異常検出装置を提供する。【解決手段】異常検出装置は、異常検出装置は、電池セル１１１，１１２と、電池セル１１１，１１２を冷却する冷却機構とを含む電池パック１０の異常検出装置である。電池セル１１１，１１２は、電解液に部分的に浸された状態の捲回体７５を収容する金属ケース７１と、金属ケース７１を電池パック１０に固定する樹脂枠５１とを有する。異常検出装置は、電池セル１１１，１１２の温度を測定する温度センサ２３と、電池セル１１１，１１２の内部抵抗を測定するための抵抗測定部２４と、コントローラ４４とを備える。コントローラ４４は、電池セル１１１，１１２の内部抵抗の初期値からの変化率を表す抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ以上であり、かつ、セル温度ＴＢがしきい値Ｔｃ以上の場合に、樹脂枠５１の破損によりその電池セルが傾いていると判断する。【選択図】図６

Description

本発明は、異常検出装置に関し、特に、二次電池の異常検出装置に関する。

二次電池は、充放電の繰返しまたは初期状態からの経時変化などに起因して劣化する。このような劣化は、二次電池の様々な箇所で生じ得る。たとえば国際公開第２０１３／０６９１４５号（特許文献１）には、液式鉛蓄電池の電解液の劣化について開示されている。具体的には、極板表面の電解液の濃度偏り、電解液の比重差による沈殿、電解液の減少に伴う濃度変化、あるいは極板への硫酸鉛の析出などが特許文献１には記載されている。

国際公開第２０１３／０６９１４５号 特開２００７−５７４３３号公報 特開２００７−５７３８５号公報

ハイブリッド車や電気自動車などに搭載される二次電池の電池パックでは、複数のセルが電池ケース内に配置される。各セルは、固定部材によって電池ケースに対して固定されている。このような電池パックでは、車両走行中の振動あるいは衝撃によって固定部材が劣化する可能性がある。固定部材が劣化すると、たとえば電池セルの外部端子のかしめ部のシール性の低下、あるいは外部端子の破断などが生じ得る。このような場合には、電池パックの性能が低下したり、場合によっては電池パックを使用できなくなったりする可能性がある。したがって、固定部材の劣化を検出することが求められる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セルの固定部材の劣化を検出可能な二次電池の異常検出装置を提供することである。

本発明のある局面に従う異常検出装置は、セルと、セルを冷却する冷却機構とを含む二次電池の異常検出装置である。セルは、電解液に部分的に浸された状態の電極体を収容する収容容器と、収容容器を二次電池に固定する固定部材とを有する。異常検出装置は、セルの温度を測定する温度測定部と、セルの内部抵抗を測定するための抵抗測定部と、コントローラとを備える。コントローラは、セルの内部抵抗の初期値からの変化率を表す抵抗変化率が判定値以上であり、かつ、セルの温度がしきい値以上の場合に、固定部材の破損によりセルが傾いていると判断する。

セルを二次電池に固定する固定部材が破損すると、セルが傾く。上記構成によれば、セルが傾くと、電極体のうち電解液に浸されている部分の体積が減少するので、電解液が電極体に浸透しにくくなり、セルの内部抵抗が増加する。また、セルが傾くと、冷却機構からの冷却風とセルとの接触面積が減少するので、セルの温度が上昇する。したがって、コントローラは、セルの内部抵抗が増加し、かつセルの温度が上昇した場合には、固定部材が破損していると判断することができる。

本発明によれば、二次電池において、セルの固定部材の劣化を検出することができる。

本発明の実施の形態に係る二次電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 図１に示す電池パックの構成を詳細に示す斜視図である。 図２に示す樹脂枠内部の構成を示す斜視図である。 図３に示す電池セル内部の構成を示す斜視図である。 充放電サイクル数の増加に伴う抵抗変化率ΔＲの変化を示す図である。 樹脂枠の破損を検出するための制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る二次電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。図１を参照して、二次電池システム１は、本実施の形態ではハイブリッド車または電気自動車（図示せず）に搭載される。ただし、二次電池システム１の用途は、車両用に限定されるものではない。

二次電池システム１は、電池パック１０と、電圧センサ２１と、電流センサ２２と、温度センサ２３と、システムメインリレー３１，３２と、昇圧回路４１と、インバータ４２と、モータジェネレータ４３と、コントローラ４４とを備える。コントローラ４４はメモリ４４ａを含む。

電池パック１０は、後述するように複数の電池セル１１１，１１２（図２参照）を含む。各電池セル１１１，１１２には、たとえばニッケル水素電池またはリチウムイオン電池などを採用することができる。本実施の形態ではリチウムイオン電池が採用される。

昇圧回路４１は、システムメインリレー３１，３２を介して、電池パック１０に電気的に接続されている。システムメインリレー３１，３２は、コントローラ４４からの制御信号（図示せず）に応答して、電池パック１０と昇圧回路４１との間の導通および遮断を切換える。昇圧回路４１は、電池パック１０の電力を昇圧して、昇圧された電力をインバータ４２に供給する。インバータ４２は、昇圧回路４１から出力された直流電力を交流電力に変換する。インバータ４２からの交流電力は、モータジェネレータ４３に供給される。

モータジェネレータ４３は、車両を走行させるための駆動力を生成する。また、モータジェネレータ４３は、回生制動時には車両の減速に伴って発生する運動エネルギーを電気エネルギー（交流電力）に変換する。モータジェネレータ４３で生成された交流電力は、インバータ４２によって直流電力に変換される。昇圧回路４１は、インバータ４２からの直流電力を降圧して、降圧された電力を電池パック１０に供給する。これにより、回生電力で電池パック１０を充電することができる。

コントローラ４４は、昇圧回路４１とインバータ４２とを制御する。メモリ４４ａには、コントローラ４４を動作させるためのプログラムと、後述するマップ（図５参照）とが記憶されている。

電圧センサ２１は、電池セル１１１，１１２の端子間電圧を検出する。電流センサ２２は、電池セル１１１，１１２に出入りする充放電電流を検出する。温度センサ２３は、電池セル１１１，１１２の温度（以下、セル温度ＴＢとも称する）を検出する。各センサは、検出結果をコントローラ４４に送信する。コントローラ４４は、電圧センサ２１および電流センサ２２からの検出結果に基づいて、電池セル１１１，１１２の内部抵抗を算出する。つまり、電圧センサ２１および電流センサ２２は抵抗測定部２４を構成する。

図２は、図１に示す電池パック１０の構成を詳細に示す斜視図である。図２を参照して、電池パック１０では、電池ケース５０内に二次電池１１が収容されている。

二次電池１１は、積層された複数の電池セルから構成されている。本実施の形態では、二次電池１１は、並列に並べられた電池セル１１１，１１２の組が積層されて構成されている。以下、１組の電池セル１１１，１１２を電池セル１１０とも表わす。複数の電池セル１１０は、バスバー（図示せず）によって互いに電気的に接続されている。

電池セル１１０の積層方向をＸ軸方向とし、電池セル１１１と電池セル１１２とが並べられた方向をＹ軸方向とする。また、鉛直方向をＺ軸方向とする。

電池セル１１０の各々は、樹脂枠５１によって保持されている。樹脂枠５１は、たとえばポリプロピレン（polypropylene）等の樹脂材料から形成される。樹脂枠５１の各々は、電池セル１１０を保持した状態で、電池セル１１０の積層方向に並べられている。

樹脂枠５１の積層方向の両側には、エンドプレート５２，５３が配置されている。エンドプレート５２とエンドプレート５３とは、複数の樹脂枠５１を挟み込んだ状態で、拘束バンド（図示せず）によって拘束されている。

次に、電池パック１０の冷却構造の一例を説明する。図２では、電池パック１０の冷却構造が二点鎖線で示されている。

電池ケース５０では、二次電池１１の両側に通気チャンバ６１，６２が設けられている。通気チャンバ６１，６２には、冷却風通過口６３，６４がそれぞれ形成されている。冷却風通過口６３，６４には、冷却風ダクト６５，６６がそれぞれ接続されている。冷却風ダクト６５，６６の経路上には、冷却風を供給する電動のファン（図示せず）が設けられている。さらに、樹脂枠５１には、積層方向に隣り合う電池セル１１０間を通って延びる通気孔５４が形成されている。通気孔５４により、冷却風の経路が通気チャンバ６１と通気チャンバ６２との間で形成されている。

以上のように構成された電池パック１０内では、冷却風ダクト６５―冷却風通過口６３―通気チャンバ６１―電池セル１１０（通気孔５４間）―通気チャンバ６２―冷却風通過口６４―冷却風ダクト６６の順に冷却風が流れる。

なお、樹脂枠５１は「固定部材」に相当する。ただし、「固定部材」は、電池セルを電池ケース５０に固定する部材であればよく、その構造は図２に示す構造に限定されるものではない。また、図２では２つの電池セル（電池セル１１１，１１２）が並列に並べられる構造を示すが、電池セルは１つであってもよく、あるいは３以上の電池セルが並列に並べられていてもよい。さらに、電池パック１０の冷却構造も図２に示す構造に限定されるものではない。

図３は、図２に示す樹脂枠５１内部の構成を示す斜視図である。図３を参照して、電池セル１１１，１１２の各々の金属ケース７１（収容容器）の開口は、蓋体７３で蓋されている。蓋体７３には、外部正極端子７７および外部負極端子７９が設けられている。

電池セル１１０と、Ｘ軸方向（積層方向）に隣接する他の電池セル１１０との間には、スペーサ８０が配置されている。スペーサ８０のＸ軸方向の両端面には、複数の突起部８１が櫛歯状に形成されている。突起部８１は、Ｙ軸方向（電池セル１１１と電池セル１１２とが並べられた方向）に延びており、Ｚ軸方向（鉛直方向）に一定の間隔を隔てて複数設けられている。冷却風（図中矢印で示す）が隣接する突起部８１間を流れることにより、電池セル１１０を冷却することができる。なお、通気チャンバ６１，６２、冷却風通過口６３，６４およびスペーサ８０は、「冷却機構」に相当する。

図４は、図３に示す電池セル１１１内部の構成を示す斜視図である。図４では、金属ケース７１（破線で示す）を透視して金属ケース７１内部の構成要素を示している。

図４を参照して、電池セル１１１では、捲回体７５（電極体）が電解液とともに金属ケース７１内部に配置されている。捲回体７５は、正極と負極とがセパレータを介して捲回されて扁平状に形成されたものである。金属ケース７１内部は減圧されているため、捲回体７５には電解液が吸い上げられて浸透している。金属ケース７１の底部には、余剰電解液ＥＬが貯留されている。なお、電池セル１１２の構造は電池セル１１１の構造と同等である。

電池パック１０では、上述のように、車両走行中の振動あるいは衝撃によって樹脂枠５１が劣化する可能性がある。樹脂枠５１が破損すると、電池セルが傾く場合がある。電池セルが傾いた場合には、電池セルが傾いていない場合と比べて、捲回体７５を浸す余剰電解液ＥＬの量が減少するため、電解液が捲回体７５に吸い上げられにくくなる。その結果、電池セルの内部抵抗が増加する。したがって、電池セルの内部抵抗に基づいて、電池セルの傾きの有無を検出することができる。

より具体的には、電池セルの傾きを検出するためのパラメータとして、抵抗変化率ΔＲを用いることができる。抵抗変化率ΔＲは、下記式（１）に示すように、初期状態での内部抵抗Ｒ０に対する劣化後の内部抵抗Ｒｎの比率で表される。初期状態とは、二次電池が劣化していない状態であり、たとえば二次電池を製造した直後の状態である。

ΔＲ＝Ｒｎ／Ｒ０ ・・・（１）
以下、電池セルの傾きの有無が抵抗変化率ΔＲに基づいて検出可能であることを確認するために、発明者らが行なった測定結果について説明する。

図５は、充放電サイクル数の増加に伴う抵抗変化率ΔＲの変化を示す図である。図５を参照して、横軸は充放電サイクル数を示し、縦軸は抵抗変化率ΔＲを示す。

発明者らは、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して１０°傾いている電池セルと、傾いていない電池セルとを準備した。図５では、電池セルの傾きがある場合の抵抗変化率ΔＲを実線で示し、電池セルの傾きがない場合の抵抗変化率ΔＲを破線で示す。

充放電サイクルとしては、まず、各電池セルのＳＯＣが６７％に調整された。その後、２５℃の温度下において、３６Ｃでの定電流放電と、３１Ｃでの定電流充電とを繰返し行なった。その間、電池セルには、加速度４．５Ｇで周波数２０Ｈｚの振動が加えられた。そして、各電池セルについて、充放電サイクルの開始前および８００回の充放電サイクルの終了後に内部抵抗を測定した。内部抵抗の測定時には、２５℃の温度下において、ＳＯＣを５７％に調整し、１３０Ａの定電流放電を１０秒間行なった。

図５に示されるように、電池セルが傾いている場合には、電池セルが傾いていない場合と比べて、抵抗変化率ΔＲが増加する速度が速い。このように、電池セルの傾いている場合には抵抗変化率ΔＲが大きくなることから、抵抗変化率ΔＲの測定によって電池セルが傾いているか否かを判定することができる。

本実施の形態では、コントローラ４４は、図５に示す関係をたとえばマップとしてメモリ４４ａに記憶している。コントローラ４４は、電池セル１１１，１１２の各々について抵抗変化率ΔＲを算出する。さらに、コントローラ４４は、算出した抵抗変化率ΔＲが電池セルの傾きがない場合よりも大きい場合（斜線で示す領域内の場合）には、その電池セルが傾いていると判断する。一方、コントローラ４４は、算出した抵抗変化率ΔＲが電池セル１１１の傾きがない場合の抵抗変化率ΔＲよりも小さい場合（斜線のない領域内の場合）には、その電池セルは傾いていないと判断する。つまり、本実施の形態では、図５に示す破線上の抵抗変化率ΔＲの値が「判定値」に相当する。

ただし、電池セルの傾きの有無を判定するための基準は、上述の例に限定されるものではない。図５に示すような関係は、電池セルの種類、構造または用途等に応じて適宜求められる。

あるいは、コントローラ４４は、複数の電池セル間で抵抗変化率ΔＲを比較してもよい。ある電池セルの抵抗変化率ΔＲが他の電池セルの抵抗変化率ΔＲよりも高い場合（たとえばある電池セルの抵抗変化率ΔＲが全電池セルの抵抗変化率ΔＲの平均値よりも所定値以上高い場合）には、その電池セルが傾いていると判断することができる。

本実施の形態では、抵抗変化率ΔＲに加えて電池セルの温度（セル温度ＴＢ）を利用して電池セルの傾きを検出する。ただし、電池セルの傾きの検出にセル温度ＴＢは必須ではない。

図２および図３を再び参照して、樹脂枠５１が破損して電池セル１１１，１１２が傾くと、櫛歯状の突起部８１間を流れる冷却風が電池セル１１１，１１２に接触する面積が小さくなる。したがって、電池セル１１１，１１２が冷却されにくくなるので、セル温度ＴＢが上昇する。

コントローラ４４は、セル温度ＴＢが所定のしきい値Ｔｃ以上の場合には、電池セル１１１，１１２が傾いていると判断する一方で、セル温度ＴＢがしきい値Ｔｃ未満の場合には、電池セル１１１，１１２が傾いていないと判断する。このように、抵抗変化率ΔＲとセル温度ＴＢとを併用することにより、電池セル１１１，１１２が傾いているか否かの判定精度を向上させることができる。

なお、セル温度ＴＢについても抵抗変化率ΔＲと同様に、複数の電池セル間の温度差を求めてもよい。ある電池セルのセル温度ＴＢが他の電池セルのセル温度ＴＢよりも高い場合（たとえばある電池セルのセル温度ＴＢが全電池セルのセル温度ＴＢの平均値よりも所定値以上高い場合）には、その電池セルが傾いていると判断することができる。

図６は、樹脂枠５１の破損を検出するための制御を示すフローチャートである。図６を参照して、このフローチャートに示す処理は、たとえば所定期間が経過する毎に、あるいは所定条件が成立する度に実行される。

ステップＳ１０において、コントローラ４４は、ハイレート通電による走行を開始（あるいは継続）するように昇圧回路４１、インバータ４２およびエンジン（図示せず）を制御する。

ステップＳ２０において、コントローラ４４は、複数の電池セル１１１，１１２の各々について、抵抗変化率ΔＲを算出する。その後、ステップＳ３０において、コントローラ４４は、抵抗変化率ΔＲを判定値Ｒｃ（図５に示す破線上の値）と比較する。抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ以上の場合（ステップＳ３０においてＹＥＳ）には、処理はステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０において、コントローラ４４は、複数の電池セル１１１，１１２の各々についてセル温度ＴＢを取得し、セル温度ＴＢをしきい値Ｔｃと比較する。ステップＳ３０で抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ以上であった電池セルに関して、その電池セルのセル温度Ｔｂがしきい値Ｔｃ以上の場合（ステップＳ４０においてＹＥＳ）には、処理はステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０において、コントローラ４４は、抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ以上であり、かつ、セル温度Ｔｂがしきい値Ｔｃ以上である電池セルについて、その電池セルが傾いていると判断する。電池セルが傾いている場合には、樹脂枠５１が破損している可能性が高い。そのため、ステップＳ６０において、コントローラ４４は、電池パック１０への通電を中止するようにシステムメインリレー３１，３２を制御する。さらに、コントローラ４４は、電池パック１０に異常が発生した旨を使用者に報知することが望ましい。その後、図６に示す一連の処理が終了する。

一方、ステップＳ３０において抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ未満の場合（ステップＳ３０においてＮＯ）、あるいはステップＳ４０においてセル温度ＴＢがしきい値Ｔｃ未満の場合（ステップＳ４０においてＮＯ）には、処理はステップＳ７０に進む。ステップＳ７０において、コントローラ４４は、電池セルが傾いていないと判断する。この場合には、電池パック１０への通電を継続しても何ら問題ないため、処理は一旦メインルーチンに戻り、所定期間が経過する度に図６に示す一連の処理が繰返される。

なお、ステップＳ６０において電池パック１０の異常の報知を受けた使用者は、車両の修理業者に当該箇所の修理を依頼することができる。これにより電池パックの修理あるいは交換が行なわれるので、異常が発生した電池パックに振動あるいは衝撃が継続して加えられて、その電池パックの劣化がさらに進行することを防止できる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、たとえば以下（１）〜（３）のような変形例も可能である。抵抗変化率ΔＲおよびセル温度ＴＢを用いた電池セルの傾きの検出方法を、以下に示す方法と組み合わせることによって、検出精度を一層向上させることができる。

（１）図３を参照して、電池セル１１１と同形状の面圧センサ（図示せず）を、スペーサ８０のうち突起部８１が設けられた部分と電池セル１１１との間に設ける。電池セル１１１が傾くと、電池セル１１１がずれた部分の面圧センサは荷重を受けないので、電池セル１１１の傾きを検出することができる。

（２）図２を参照して、二次電池１１の鉛直方向下面（負のＺ軸方向の面）にリミットスイッチ（図示せず）を設置する。いずれかの樹脂枠５１が破損するとリミットスイッチがオンされるので、樹脂枠５１の破損を検出することができる。

（３）図２を参照して、エンドプレート５２とエンドプレート５３との間に取付けられ、複数の樹脂枠５１を挟み込む拘束バンドに歪みゲージ（いずれも図示せず）を取付ける。樹脂枠５１が破損した場合には拘束バンドが縮むので、拘束バンドに取付けられた歪みゲージによって樹脂枠５１の破損を検出することができる。

最後に、図１を再び参照して本実施の形態について総括する。異常検出装置は、電池セル１１１，１１２と、電池セル１１１，１１２を冷却する冷却機構（通気チャンバ６１，６２、冷却風通過口６３，６４、スペーサ８０）とを含む電池パック１０の異常検出装置である。電池セル１１１，１１２は、電解液に部分的に浸された状態の捲回体７５を収容する金属ケース７１と、金属ケース７１を電池パック１０（電池ケース５０）に固定する樹脂枠５１とを有する。異常検出装置は、電池セル１１１，１１２の温度を測定する温度センサ２３と、電池セル１１１，１１２の内部抵抗を測定するための抵抗測定部２４と、コントローラ４４とを備える。コントローラ４４は、電池セル１１１，１１２の内部抵抗の初期値からの変化率を表す抵抗変化率ΔＲが判定値Ｒｃ以上であり、かつ、セル温度ＴＢがしきい値Ｔｃ以上の場合に、樹脂枠５１の破損によりその電池セルが傾いていると判断する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 二次電池システム、１０ 電池パック、１１ 二次電池、１１１，１１２ 電池セル、２１ 電圧センサ、２２ 電流センサ、２３ 温度センサ、２４ 抵抗検出部、３１，３２ システムメインリレー、４１ 昇圧回路、４２ インバータ、４３ モータジェネレータ、４４ コントローラ、４４ａ メモリ、５０ 電池ケース、５１ 樹脂枠、５２，５３ エンドプレート、５４ 通気孔、６１，６２ 通気チャンバ、６３，６４ 冷却風通過口、６５，６６ 冷却風ダクト、７１ 金属ケース、７３ 蓋体、７５ 捲回体、７７ 正極端子、７９ 負極端子、８０ スペーサ、８１ 突起部、ＥＬ 余剰電解液。

Claims (1)

1. セルと、前記セルを冷却する冷却機構とを含む二次電池の異常検出装置であって、
   前記セルは、
   電解液に部分的に浸された状態の電極体を収容する収容容器と、
   前記収容容器を前記二次電池に固定する固定部材とを有し、
   前記異常検出装置は、
   前記セルの温度を測定する温度測定部と、
   前記セルの内部抵抗を測定するための抵抗測定部と、
   前記セルの内部抵抗の初期値からの変化率を表す抵抗変化率が判定値以上であり、かつ、前記セルの温度がしきい値以上の場合に、前記固定部材の破損により前記セルが傾いていると判断するコントローラとを備える、異常検出装置。

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