JP2016031891A - 荷重推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電要素に直接作用する荷重を推定する。
【解決手段】 電極端子（３２）は、発電要素（２０）を構成する電極板（２２）の集電板（２２ａ）と電気的に接続され、ケース（１０，１０ａ）に設けられている。導電性リード（４３）は、活物質層（２２ｂ）の表面と接触し、活物質層を介して集電板（２２ａ）と対向する。活物質層の表面は、凹凸面となっているため、発電要素に作用する荷重に応じて、導電性リードのうち、活物質層の表面と接触する領域が変化し、電極端子および導電性リードを通電しているときの電流経路上の接触抵抗が変化する。そこで、電極端子および導電性リードが通電状態にあるときの電流値から抵抗値を算出すれば、抵抗値に基づいて、発電要素に作用する荷重を算出（推定）できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、正極板、負極板およびセパレータによって構成された発電要素に作用する荷重を推定する荷重推定システムに関する。

特許文献１では、セル（電池電槽）の外面に接触させた圧力検出器を用いて、セルの面圧（荷重）を検出している。

特開２０１３−０２０８２６号公報 特開２０１２−２５２９３４号公報

電池は、電池ケース（電池電槽）と、電池ケースに収容され、充放電を行う発電要素とによって構成されている。特許文献１では、電池ケースの外面における荷重を検出しているだけであり、発電要素に直接作用する荷重を把握することはできない。

本発明の荷重推定システムは、電池およびコントローラを有する。電池は、充放電を行う発電要素と、発電要素を収容するケースとを有する。発電要素は、集電板の表面に活物質層が形成された電極板を有する。コントローラは、ケースの外部からケースを介して発電要素に作用する荷重を推定する。

電池は、さらに、電極端子および導電性リードを有する。電極端子は、集電板と電気的に接続され、ケースに設けられている。導電性リードは、活物質層の表面と接触し、活物質層を介して集電板と対向する。コントローラは、電極端子および導電性リードが通電状態にあるときの電流値から算出される抵抗値に基づいて、発電要素に作用する荷重を算出する。

本発明によれば、活物質層と接触する導電性リードを用いることにより、発電要素に直接作用する荷重を推定することができる。電極端子および導電性リードが通電状態にあるとき、導電性リードおよび活物質層の接触部分は、接触抵抗となる。ここで、活物質層の表面は、凹凸面となっているため、発電要素に作用する荷重に応じて、導電性リードのうち、活物質層の表面と接触する領域が変化し、接触抵抗が変化する。そこで、電極端子および導電性リードが通電状態にあるときの電流値から抵抗値を算出すれば、抵抗値に基づいて、発電要素に作用する荷重を算出（推定）できる。

実施例１において、単電池の構造および荷重推定装置の構成を示す図である。 実施例１において、発電要素の構造を示す図であって、検出リードを配置する位置を説明する図である。 検出リードの周辺構造を示す拡大図である。 抵抗値および荷重の対応関係を示す図である。 実施例１の変形例において、検出リードを配置する位置を説明する図である。 実施例１の他の変形例において、単電池の構造を示す図である。 実施例２において、単電池の構造および荷重推定装置の構成を示す図である。 実施例２において、発電要素の構造を示す図であって、検出リードを配置する位置を説明する図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、単電池の構造および荷重推定装置の構成を示す。図１において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交しており、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。

まず、単電池（本発明の電池に相当する）１の構造について説明する。単電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０に収容された発電要素２０とを有する。電池ケース１０の上面１０ａには、正極端子３１と、負極端子３２と、検出端子３３とが固定されている。正極端子３１および負極端子３２は、単電池１（発電要素２０）を充放電するために用いられる。

負極端子３２および検出端子３３は、後述するように、発電要素２０に作用する荷重を測定するために用いられる。単電池１の電池ケース１０には、Ｘ軸の方向において、拘束力が与えられる。この拘束力は、Ｘ軸の方向において、単電池１を挟む力である。単電池１に拘束力を与えるとき、複数の単電池１をＸ軸の方向に並べて電池スタックを構成し、Ｘ軸の方向における電池スタックの両端部から拘束力が与えられる。発電要素２０には、電池ケース１０を介して、単電池１の拘束力に応じた荷重が作用する。単電池１に対する拘束力が変化すると、発電要素２０に作用する荷重も変化する。

電池ケース１０には、正極リード４１が収容されており、正極リード４１の一端部４１ａは、正極端子３１に接続され、正極リード４１の他端部４１ｂは、発電要素２０の正極板２１（後述する集電板２１ａ）に接続されている。電池ケース１０には、負極リード４２が収容されており、負極リード４２の一端部４２ａは、負極端子３２に接続され、負極リード４２の他端部４２ｂは、発電要素２０の負極板２２（後述する集電板２２ａ）に接続されている。

発電要素２０は、図２に示すように、正極板２１と、負極板２２と、セパレータ２３とを有する。正極板２１は、集電板２１ａと、集電板２１ａの表面（両面）に形成された正極活物質層２１ｂとを有する。ここで、Ｙ方向における集電板２１ａの一端部には、正極活物質層２１ｂが形成されていなく、集電板２１ａが露出している。集電板２１ａの材料としては、例えば、アルミニウムが用いられる。正極活物質層２１ｂは、正極活物質、導電材や結着材を含んでいる。

負極板２２は、集電板２２ａと、集電板２２ａの表面（両面）に形成された負極活物質層２２ｂとを有する。ここで、Ｙ方向における集電板２２ａの一端部には、負極活物質層２２ｂが形成されていなく、集電板２２ａが露出している。集電板２２ａの材料としては、例えば、銅が用いられる。負極活物質層２２ｂは、負極活物質、導電材や結着材を含んでいる。

セパレータ２３は、正極板２１および負極板２２の間に配置される。ここで、セパレータ２３、正極活物質層２１ｂおよび負極活物質層２２ｂには、電解液が染み込んでいる。図２に示すように、正極板２１、負極板２２およびセパレータ２３を積層し、この積層体を巻くことにより、発電要素２０が構成される。

ここで、積層体を巻き終わったときの積層体の端部Ｅは、テープなどを用いて固定される。また、巻き終わった積層体を変形させることにより、積層体がＹ−Ｚ平面に沿って配置された平坦部２０Ａと、積層体が屈曲する屈曲部２０Ｂとが発電要素２０に形成される。

図２において、Ｙ方向における発電要素２０の一端部では、集電板２１ａのうち、正極活物質層２１ｂが形成されていない部分が巻かれており、この集電板２１ａには、図１に示す正極リード４１の他端部４１ｂが接続される。Ｙ方向における発電要素２０の他端部では、集電板２２ａのうち、負極活物質層２２ｂが形成されていない部分が巻かれており、この集電板２２ａには、図１に示す負極リード４２の他端部４２ｂが接続される。

セパレータ２３と、負極板（本発明の電極板に相当する）２２の負極活物質層（本発明の活物質層に相当する）２２ｂとの間には、検出リード（本発明の導電性リードに相当する）４３の一端部４３ａが配置されている。図１に示すように、検出リード４３は、電池ケース１０に収容されており、検出リード４３の他端部４３ｂは、検出端子３３に接続されている。検出リード４３は、導電性材料で形成されており、検出リード４３の材料としては、集電板２２ａの材料と同じ材料を用いることができる。

次に、図１を用いて、荷重推定装置１００の構成について説明する。荷重推定装置１００は、検出ラインＤＬ１を介して負極端子３２に接続されているとともに、検出ラインＤＬ２を介して検出端子３３に接続されている。荷重推定装置１００は、電源１１０と、電流センサ１２０と、電圧センサ１３０と、コントローラ１４０と、メモリ１５０とを有する。

検出ラインＤＬ１の一端部は、負極端子３２と接続され、検出ラインＤＬ１の他端部は、電源１１０と接続されている。検出ラインＤＬ２の一端部は、検出端子３３に接続され、検出ラインＤＬ２の他端部は、接地されている。なお、検出ラインＤＬ１の一端部を検出端子３３に接続し、検出ラインＤＬ２の一端部を負極端子３２に接続することもできる。

電源１１０は、検出ラインＤＬ１，ＤＬ２に電流を流すために用いられる。電流センサ１２０は、検出ラインＤＬ１に設けられ、検出ラインＤＬ１，ＤＬ２に流れる電流値Ｉｄを検出し、検出結果をコントローラ１４０に出力する。なお、検出ラインＤＬ２に電流センサ１２０を設けてもよい。電圧センサ１３０は、検出ラインＤＬ１，ＤＬ２の間の電圧値Ｖｄを検出し、検出結果をコントローラ１４０に出力する。コントローラ１４０は、電流値Ｉｄおよび電圧値Ｖｄに基づいて、発電要素２０に作用する荷重を算出する。

ここで、発電要素２０に作用する荷重を算出する原理について、図３を用いて説明する。図３は、検出リード４３の周辺における構造を示す拡大図（断面図）である。

図３に示すように、検出リード４３の一端部４３ａは、セパレータ２３および負極活物質層２２ｂの間に配置される。ここで、負極活物質層２２ｂは、負極活物質などの粒子によって構成されており、負極活物質層２２ｂの表面は凹凸面となる。

なお、図３では、集電板２２ａの片面だけに負極活物質層２２ｂが形成されているが、実際には、集電板２２ａの両面に負極活物質層２２ｂが形成されている。また、図３では、負極活物質層２２ｂの表面（凹凸面）がセパレータ２３から離れているが、実際には、負極活物質層２２ｂの表面がセパレータ２３に接触している。ただし、検出リード４３が配置されている部分では、負極活物質層２２ｂの表面がセパレータ２３に接触していない。

図３に示す矢印Ｆは、上述したＸ軸の方向における拘束力によって、発電要素２０に作用する荷重を示す。この荷重の大きさに応じて、検出リード４３のうち、負極活物質層２２ｂの表面（凹凸面）と接触する領域（面積）が変化する。具体的には、荷重が大きいほど、検出リード４３のうち、負極活物質層２２ｂの表面と接触する領域が大きくなる。言い換えれば、荷重が小さいほど、検出リード４３のうち、負極活物質層２２ｂの表面と接触する領域が小さくなる。

上述したように、荷重推定装置１００を負極端子（本発明の電極端子に相当する）３２および検出端子３３に接続し、電源１１０からの電流を流すと、図３に示す検出リード４３および集電板２２ａの間で電流が流れる。すなわち、検出リード４３および集電板２２ａは、負極活物質層２２ｂを介して対向しているため、負極活物質層２２ｂを介して、集電板２２ａから検出リード４３に電流が流れる。

ここで、検出リード４３および負極活物質層２２ｂの接触部分は、接触抵抗となる。検出リード４３のうち、負極活物質層２２ｂの表面と接触する領域が大きいほど、接触抵抗値が低くなる。言い換えれば、検出リード４３のうち、負極活物質層２２ｂの表面と接触する領域が小さいほど、接触抵抗値が高くなる。

このように接触抵抗値が変化すると、電流値Ｉｄが変化する。このため、電流値Ｉｄに基づいて、接触抵抗値を算出することができる。具体的には、コントローラ１４０は、電流値Ｉｄおよび電圧値Ｖｄに基づいて、抵抗値Ｒｄを算出することができる。抵抗値Ｒｄには、接触抵抗値だけでなく、他の抵抗値も含まれるが、他の抵抗値は一定とみなすことができる。このため、接触抵抗値が変化すると、抵抗値Ｒｄが変化し、抵抗値Ｒｄに基づいて、接触抵抗値を把握することができる。

抵抗値Ｒｄを算出すれば、発電要素２０に作用する荷重を算出することができる。上述したように、発電要素２０に作用する荷重に応じて、接触抵抗値（すなわち、抵抗値Ｒｄ）が変化するため、図４に示すように、発電要素２０に作用する荷重および抵抗値Ｒｄの対応関係を予め求めておけば、算出した抵抗値Ｒｄに対応する荷重を算出できる。

図４に示すように、発電要素２０に作用する荷重が高いほど、抵抗値Ｒｄが低くなる。言い換えれば、発電要素２０に作用する荷重が低いほど、抵抗値Ｒｄが高くなる。図４に示す対応関係は、マップ又は演算式として表すことができ、この対応関係を示す情報は、メモリ１５０に記憶しておくことができる。

負極活物質層２２ｂでは、単電池１（発電要素２０）の充放電に応じた化学反応が行われる。具体的には、負極活物質層２２ｂのうち、セパレータ２３を介して正極活物質層２１ｂと対向する領域において、単電池１の充放電に応じた化学反応が行われる。ここで、負極活物質層２２ｂにおいて、正極活物質層２１ｂと対向しない領域を設けておき、この領域に対して検出リード４３を接触させることができる。これにより、単電池１の充放電に応じた負極活物質層２２ｂでの化学反応が検出リード４３によって妨げられてしまうことを防止できる。

本実施例では、検出リード４３の一端部４３ａを、発電要素２０の平坦部２０Ａに沿って配置しているが、これに限るものではない。具体的には、図５に示すように、検出リード４３の一端部４３ａを、発電要素２０の屈曲部２０Ｂに沿って配置することもできる。この場合であっても、検出リード４３の一端部４３ａを、セパレータ２３および負極活物質層２２ｂの間に配置することができる。なお、図５では、正極リード４１を省略している。

また、本実施例では、検出端子３３を設けているが、検出端子３３を省略することもできる。具体的には、図６に示すように、検出リード４３の他端部４３ｂを、電池ケース１０の上面１０ａに固定することもできる。ここで、検出リード４３の他端部４３ｂは、上面１０ａにおいて、電池ケース１０の内壁面と接触する。電池ケース１０（少なくとも上面１０ａ）を金属などの導電材料によって形成すれば、電池ケース１０を検出端子３３として用いることができる。なお、検出リード４３の他端部４３ｂは、電池ケース１０のうち、上面１０ａ以外の面に固定することもできる。

この場合において、電池ケース１０には、正極端子３１および負極端子３２が設けられているため、電池ケース１０と、正極端子３１および負極端子３２とを絶縁状態にする必要がある。具体的には、電池ケース１０および正極端子３１の間に絶縁部材を配置したり、電池ケース１０および負極端子３２の間に絶縁部材を配置したりすればよい。

本発明の実施例２について説明する。ここで、実施例１で説明した部材と同じ部材については、同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。以下、実施例１と異なる点について、主に説明する。

図７に示すように、荷重推定装置１００は、検出ラインＤＬ１を介して正極端子３１に接続されるとともに、検出ラインＤＬ２を介して検出端子３３に接続されている。図８に示すように、検出リード４３の一端部４３ａは、正極板（本発明の電極板に相当する）２１の正極活物質層（本発明の活物質層に相当する）２１ｂと、セパレータ２３との間に配置されている。ここで、検出リード４３の材料としては、集電板２１ａの材料と同じ材料を用いることができる。

検出ラインＤＬ１，ＤＬ２に電源１１０からの電流を流すと、集電板２１ａおよび検出リード４３の間において電流が流れる。すなわち、検出リード４３は、正極活物質層２１ｂを介して集電板２１ａと対向しているため、正極活物質層２１ｂを介して、集電板２１ａから検出リード４３に電流が流れる。ここで、検出リード４３および正極活物質層２１ｂの表面（凹凸面）が接触する部分が、接触抵抗となる。また、正極活物質層２１ｂは、正極活物質などの粒子によって構成されており、正極活物質層２１ｂの表面は凹凸面となる。

このため、実施例１と同様に、発電要素２０に作用する荷重が変化すると、検出リード４３のうち、正極活物質層２１ｂの表面と接触する領域が変化し、接触抵抗値が変化する。このため、電流値Ｉｄおよび電圧値Ｖｄに基づいて、抵抗値Ｒｄを算出すれば、抵抗値Ｒｄに基づいて、発電要素２０に作用する荷重を算出できる。ここで、発電要素２０に作用する荷重を算出するために、抵抗値Ｒｄおよび荷重の対応関係（マップ又は演算式）を予め求めておけばよい。この対応関係を示す情報は、メモリ１５０に記憶しておくことができる。

正極活物質層２１ｂでは、単電池１（発電要素２０）の充放電に応じた化学反応が行われる。具体的には、正極活物質層２１ｂのうち、セパレータ２３を介して負極活物質層２２ｂと対向する領域において、単電池１の充放電に応じた化学反応が行われる。ここで、正極活物質層２１ｂにおいて、負極活物質層２２ｂと対向しない領域を設けておき、この領域に対して検出リード４３を接触させることができる。これにより、単電池１の充放電に応じた正極活物質層２１ｂでの化学反応が検出リード４３によって妨げられてしまうことを防止できる。

本実施例では、検出リード４３の一端部４３ａを発電要素２０の平坦部２０Ａに沿って配置しているが、図５に示す構造と同様に、検出リード４３の一端部４３ａを発電要素２０の屈曲部２０Ｂに沿って配置することもできる。この場合にも、セパレータ２３および正極活物質層２１ｂの間に、検出リード４３の一端部４３ａを配置することができる。

また、本実施例では、検出リード４３の他端部４３ｂを検出端子３３に接続しているが、図６に示す構造と同様に、検出リード４３の他端部４３ｂを電池ケース１０の上面１０ａに接続することもできる。また、検出リード４３の他端部４３ｂは、電池ケース１０のうち、上面１０ａ以外の面に接続することもできる。

１：単電池、１０：電池ケース、２０：発電要素、２１：正極板、２１ａ：集電板、
２１ｂ：正極活物質層、２２：負極板、２２ａ：集電板、２２ｂ：負極活物質層、
２３：セパレータ、３１：正極端子、３２：負極端子、３３：検出端子、
４１：正極リード、４２：負極リード、４３：検出リード、１００：荷重推定装置、
１１０：電源、１２０：電流センサ、１３０：電圧センサ、１４０：コントローラ、
１５０：メモリ

Claims (1)

1. 集電板の表面に活物質層が形成された電極板を有し、充放電を行う発電要素と、前記発電要素を収容するケースとを備えた電池と、
   前記ケースの外部から前記ケースを介して前記発電要素に作用する荷重を推定するコントローラと、を有し、
   前記電池は、
   前記集電板と電気的に接続され、前記ケースに設けられた電極端子と、
   前記活物質層の表面と接触し、前記活物質層を介して前記集電板と対向する導電性リードと、を有しており、
   前記コントローラは、前記電極端子および前記導電性リードが通電状態にあるときの電流値から算出される抵抗値に基づいて、前記発電要素に作用する荷重を算出する、
   ことを特徴とする荷重推定システム。