JP2016200539A - センサ、リチウムイオン電池の異常検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で、例えばリチウムイオン電池の温度異常と異常な膨張を検知することが可能なセンサ等を提供する。【解決手段】 リチウムイオン電池５の筐体外周面には、１本のセンサ本体３が接合部７で接合される。センサ本体３は、Ｔｉが４９．０〜５１．０ａｔ％、Ｃｕが４．０〜１０．０ａｔ％、残部がＮｉおよび不可避元素からなることが望ましい。センサ本体３は、外力を加えることで伸び、この際、電気抵抗値が増加する。一方、センサ本体３は、熱が加わると相変態によって縮み、この際、電気抵抗値が低下する。検知部９は、センサ本体３の電気抵抗値を測定し、異常を検知する部位である。検知部９には警報部１１が接続され、検知部９で異常が検知されると、警報部１１から警報が発せられる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、リチウムイオン電池の異常を検知するためのセンサ等に関するものである。

現在、様々な用途で、リチウムイオン電池が使用されている。このリチウムイオン電池の使用中に異常が生じると、火災等の恐れがある。このため、リチウムイオン電池の異常を常に監視する必要がある。

リチウムイオン電池の異常としては、例えば温度異常がある。この場合、リチウムイオン電池の温度を測定して、温度が所定温度以上となると使用を中止する必要がある。また、リチウムイオン電池の異常としては、この他に異常な膨張がある。この場合、リチウムイオン電池の歪を測定して、歪が所定量以上となると使用を中止する必要がある。

このような、リチウムイオン電池の異常を検知する方法として、温度変動に伴う圧力変動を圧力センサで測定するとともに、歪ゲージで歪を測定する方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００２−２８９２６５号公報

特許文献１のように、歪ゲージと圧力センサを用いれば、前述した温度異常や異常な膨張を検知することができるが、２つのセンサを用いる必要があることから、コストが高く、また、センサの取り付け位置が必要であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で、例えばリチウムイオン電池の温度異常と異常な膨張を検知することが可能なセンサ等を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、ＮｉＴｉ系形状記憶合金製のセンサ本体と、前記センサ本体と接続され、歪検知および温度検知をおこなう検知部と、を具備し、前記センサ本体が測定対象に固定され、前記測定対象の歪変化または温度変化によって生じる、前記センサ本体の電気抵抗変化を前記検知部で検知することを特徴とするセンサである。

前記センサ本体は、Ｎｉの一部が４〜１０ａｔ％Ｃｕに置換されることが望ましい。

前記センサ本体は、二方向形状記憶効果を有することが望ましい。

前記検知部で異常を検知した際に警報を発する警報部を具備することが望ましい。

初期状態において、前記センサ本体はマルテンサイト相であり、歪が０であることが望ましい。

第１の発明によれば、ＮｉＴｉ系形状記憶合金製の１本のセンサ本体を用いて、測定対象の歪変化と温度変化とを検知するため、複数のセンサを用いる必要がなく、センサを取り付けるスペースも小さくて済む。

また、Ｎｉの一部が４〜１０ａｔ％Ｃｕに置換されることで、温度変化に対する電気抵抗値の変化率が大きくなる。この結果、より精度よく温度変化を検知することができる。

また、センサ本体が二方向形状記憶効果を有すれば、例えば温度上昇に伴いセンサ本体が縮んだ後に、温度が低下しても、センサ本体が元の長さに戻り、繰り返して温度変化を検知することができる。

また、検知部で異常を検知した際に警報部によって警報を発することで、確実に使用者が異常を把握することができる。

また、センサ本体の初期状態がマルテンサイト相であることで、温度上昇時にオーステナイト相へ相変態させることができ、また、歪が０であることで、歪変化と電気抵抗値の変化を比例関係とすることができる。

このような本発明のセンサは、特にリチウムイオン電池に好適である。

第２の発明は、ＮｉＴｉ系形状記憶合金製のセンサ本体と、前記センサ本体と接続され、歪検知および温度検知をおこなう検知部と、前記検知部で異常を検知した際に警報を発する警報部と、を用い、１本の前記センサ本体をリチウムイオン電池に固定し、前記検知部は、測定された前記センサ本体の電気抵抗値を初期状態と比較し、前記センサ本体の電気抵抗値が初期状態よりも低い場合には、温度検知用閾値と前記センサ本体の電気抵抗値と比較して、前記センサ本体の電気抵抗値が前記温度検知用閾値よりも低い場合に前記警報部が警報を発し、前記センサ本体の電気抵抗値が初期状態よりも高い場合には、歪検知用閾値と前記センサ本体の電気抵抗値と比較して、前記センサ本体の電気抵抗値が前記歪検知用閾値よりも高い場合に前記警報部が警報を発することを特徴とするリチウムイオン電池の異常検知方法である。

第２の発明によれば、リチウムイオン電池の異常を、１本のセンサ本体で検知することができるため、低コストであり、センサの取り付けスペースも小さくてよい。

本発明によれば、簡易な構造で、高弾性・対腐食性・応答性に優れた、例えばリチウムイオン電池の温度異常と異常な膨張を検知することが可能なセンサ等を低コストにて提供することができる。

センサ１を示す構成図。 検知回路１０を示す回路図。 リチウムイオン電池の異常検知フローチャート。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、センサ１の構成を示す図である。センサ１は、リチウムイオン電池用のセンサであり、センサ本体３、リチウムイオン電池５、検知部９、警報部１１等からなる。なお、以下の説明では、測定対象がリチウムイオン電池である例を示すが、他の測定対象に対しても適用可能である。例えば、バッテリ、トランス、トンネル等の建造物等である。

リチウムイオン電池５の筐体外周面には、１本のセンサ本体３が接合部７で接合される。図に示す例では、センサ本体３は、リチウムイオン電池５の幅方向に沿って配置され、リチウムイオン電池５の対向する両側面に接合される。センサ本体３は、ＮｉＴｉ系の形状記憶合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ：ＳＭＡ）ワイヤである。

センサ本体３は、Ｔｉが４９．０〜５１．０ａｔ％、Ｃｕが４．０〜１０．０ａｔ％、残部がＮｉおよび不可避元素からなることが望ましい。Ｔｉが４９．０〜５１．０ａｔ％の範囲を外れると、加工性が悪くなる。また、ＣｕをＮｉの一部と置換することで、より安定して形状を回復させることができる。

なお、Ｃｕ量が多いほど、温度上昇時の電気抵抗値減少率が大きくなる傾向がある。このため、この効果を得るため、Ｃｕは４ａｔ％以上であることが望ましく、さらに望ましくは６．０ａｔ％以上である。一方、Ｃｕ量が多くなると、形状回復歪量が小さくなる傾向がある。また、Ｃｕ量が増加すると、加工性が悪くなる。このため、Ｃｕは１０．０ａｔ％以下が望ましく、さらに望ましくは、８．０ａｔ％以下である。

センサ本体３は、外力を加えることで伸び、この際、電気抵抗値が増加する。一方、センサ本体３は、熱が加わると相変態によって縮み、この際、電気抵抗値が低下する。なお、センサ本体３をリチウムイオン電池５に固定する際の初期状態では、センサ本体３はマルテンサイト相であり、歪が０とすることが望ましい。また、この際のセンサ本体３は、予め電気抵抗値が測定される。

検知部９は、センサ本体３の電気抵抗値を測定し、異常を検知する部位である。検知部９には警報部１１が接続され、検知部９で異常が検知されると、警報部１１から警報が発せられる。なお、警報部１１は、ライトの点灯やブザーを鳴らすなどして、使用者に警報を発することができればいずれの構成であってもよい。また、検知部９の詳細は後述する。

センサ本体３は、二方向形状記憶効果を有することが望ましい。センサ本体３が二方向形状記憶効果を有すれば、例えば温度上昇と温度低下とが繰り返された際に、温度上昇時に縮んだセンサ本体３が、温度低下時には元の状態に戻るため、繰り返しの温度変化も計測することが可能である。

なお、センサ本体３に二方向形状記憶効果を付与するためには、例えば、以下のようなトレーニング処理を施せばよい。まず、ＮｉＴｉ系ワイヤに対して荷重を付与する。この状態で、Ａｆ点（加熱時の変態終了温度）以上への加熱と、Ｍｆ点（冷却時の変態終了温度）以下への冷却を繰り返す。

この際、付加する荷重が、ワイヤに塑性変形が生じるほど大きいと、ワイヤに与えるダメージが大きくなり、回復歪量が小さくなる。一方、付加する荷重が小さいと、繰り返しの効果がほとんど得られない。このため、ワイヤへ付与する荷重としては、破断強度の１０〜３０％程度が望ましく、さら望ましくは、破断強度の１５〜２５％である。

なお、加熱方法としては、通電による方法や、加熱炉を用いる方法等、特に限定されない。また、加熱と冷却の繰り返し回数としては、１０回程度行えば十分である。加熱温度は、Ａｆ点以上であれば良いが、温度が高すぎると、ワイヤへのダメージが大きくなり、回復歪量が小さくなる。このため、加熱温度としては、Ａｆ点＋１０〜５０℃程度が望ましい。また、冷却は、自然空冷であってもよく、強制空冷であってもよい。また、冷却温度はＭｆ点以下で特に限定されない。以上のトレーニング処理によって、二方向形状記憶効果を有するセンサ本体３を得ることができる。

次に、検知回路について説明する。図２は、検知回路１０の一例を示す図であり、図３は異常を検知するためのフローチャートである。図２に示すように、検知回路１０は、検知部９と、警報部１１等からなる。検知部９は、非反転増幅器９ａ、歪検知用比較器９ｂ、温度上昇検知用比較器９ｃからなる。

まず、非反転増幅器９ａは、センサ本体３の電気抵抗値を測定する（ステップＳ１００）。非反転増幅器９ａは、ポテンショメータＰＴ１によって、オペアンプＯＰ１の出力電圧Ｖｒを、センサ本体３の電気抵抗値の例えば１／１００になるように調整する。例えば、センサ本体３の抵抗２０Ωの場合には、Ｖｒを０．２Ｖにセットする。

センサ本体３の電気抵抗値から算出されるＶｒが、初期状態（定常状態）における電気抵抗値よりも大きい場合には（ステップＳ１０１）、歪検知用比較器９ｂは、ポテンショメータＰＴ２によって、Ｖｒより大きい電圧（歪検知用閾値）を設定し、オペアンプＯＰ２によって、Ｖｒと歪検知用閾値とを比較する（ステップＳ１０５）。Ｖｒが歪検知用閾値以上になると（ステップＳ１０６）、ＯＰ２の出力がＯＮして警報部１１ａ（ＬＥＤ）が点灯する（ステップＳ１０７）。すなわち、歪量が大きくなり、電気抵抗値が設定値以上となると、警報を発する。

センサ本体３の電気抵抗値から算出されるＶｒが、初期状態（定常状態）における電気抵抗値よりも小さい場合には（ステップＳ１０１）、温度上昇検知用比較器９ｃは、ポテンショメータＰＴ３によって、Ｖｒより小さい電圧（温度検知用閾値）を設定し、オペアンプＯＰ３によって、Ｖｒと温度検知用閾値とを比較する（ステップＳ１０２）。Ｖｒが温度検知用閾値以下になると（ステップＳ１０３）、ＯＰ３の出力がＯＮして警報部１１ｂ（ＬＥＤ）が点灯する（ステップＳ１０４）。すなわち、温度が上昇し、電気抵抗値が設定値以下となると、警報を発する。

このように、本発明では、リチウムイオン電池が膨張すると、センサ本体３が歪として検知し、歪量が設定された閾値よりも大きくなると、警報を発して使用者に異常を認知させることができる。同様に、リチウムイオン電池の温度が上昇すると、センサ本体３が温度上昇を検知し、温度が設定された閾値よりも高くなると、警報を発して使用者に異常を認知させることができる。

なお、単に異常時に警報を発するのみではなく、その時点における電気抵抗値または電圧をモニタに表示させるようにしてもよい。

表１に示した各組成のＮｉＴｉ系合金鋳塊に熱間加工を施し、次に中間焼鈍と冷間加工を繰り返して伸線加工を行い、ワイヤａ〜ｆを製造した。なお、いずれのワイヤも、ワイヤ径は０．１０ｍｍとし、最終冷間伸線加工率は４０％とした。

Ｃｕ量が１０ａｔ％を超えるワイヤｃは、加工性が悪く、０．５ｍｍまで線引加工を行うことができなかった。

次に、ワイヤｃを除く、ワイヤａ、ｂ、ｄ、ｅ、ｆに対して形状記憶熱処理を行い、長さを記憶させた。また、３００ＭＰａ（破断荷重の約２２％）の荷重で負荷を付与しながら、１５０℃（Ａｆ＋２０℃）の炉中に５秒入れて加熱し、ついで室温で５秒間放冷するサイクルを１０回繰り返した。

次に、各ワイヤを回路に組み込んで、動作実験を行った。まず、室温・無負荷の状態で組み込んだワイヤの電気抵抗値の初期値を測定した。次に、ワイヤに５０ＭＰａの負荷を付与し、その際のワイヤの電気抵抗値を測定した。次に、負荷を除荷して、温度９０℃の熱風をワイヤに吹きかけて、その際のワイヤの電気抵抗値を測定した。結果を表２に示す。

いずれのワイヤも、荷重を付加すると、１．５〜１．７％程度電気抵抗値が増加した。また、いずれのワイヤも、温度を上昇させると、１０〜３５％程度電気抵抗値が減少した。この際、Ｃｕ量が多いほど、温度上昇時の電気抵抗値の減少が大きくなった。なお、いずれのワイヤも、その後室温まで冷却すると、元の電気抵抗値に戻った。

次に、ワイヤｅを用いて、図１に示したように、リチウムイオン電池（縦５５ｍｍ、幅３６ｍｍ、厚み６ｍｍ）に固定した。次に、リチウムイオン電池を意図的に膨張させて、厚みを１．５倍にした（試験Ｎｏ．６）。また、リチウムイオン電池を意図的に加熱し、温度を２３℃から８０℃に上昇させた（試験Ｎｏ．７）。その際の電気抵抗値の変化を表３に示す。

表３の試験Ｎｏ．６に示すように、膨張によって電気抵抗値が初期値から０．７６Ω（２．５％）上昇した。この場合、例えば、前述した歪検知用閾値として初期値＋０．７Ωと設定することで、測定値が初期値から０．７Ω以上増加した際に、警報を発することができる。したがって、厚さが初期値より１．５倍に膨張することを検知することができる。

また、表３の試験Ｎｏ．７に示すように、温度上昇によって電気抵抗値が初期値から１．６２Ω（５．４％）減少した。この場合、例えば、前述した温度検知用閾値として初期値−１．６Ωと設定することで、測定値が初期値から１．６Ω以上減少した際に、警報を発することができる。したがって、温度が２３℃から８０℃になることを検知することができる。

以上説明したように、本発明のセンサ１によれば、１本のセンサ本体３によって、温度上昇と歪とを測定することができる。このため、リチウムイオン電池の温度異常と異常な膨張を、１本のセンサ本体３によって検知することができる。

なお、センサ本体３の温度上昇に伴う電気抵抗値の変化率は、歪変化に伴う電気抵抗値の変化率よりも十分に大きい。このため、温度上昇と歪変化とが同時に生じた場合には、温度検知用閾値によって、少なくとも温度上昇を検知することが可能である。すなわち、歪の測定は、温度上昇を伴わない膨張の検知に有効である。

特に、本発明のセンサ本体３の、Ｎｉの一部をＣｕに置換することで、温度変化に伴う電気抵抗値の減少率を大きくすることができる。このため、精度よく温度上昇を検知することができるとともに、前述した、温度上昇と歪変化の両方が生じた際の異常検知が容易となる。

また、本発明のセンサ本体３は、二方向形状記憶効果を有するため、繰り返しの温度変化に対しても検知することが可能である。

また、センサ１によって異常が検知された際に、警報を発するため、使用者が異常を認知することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本発明にかかる１本のセンサ本体３をバッテリ、トランス、トンネル等の建造物等、前述したリチウムイオン電池以外の測定対象に固定することで、測定対象の異常を検知することができる。この際、測定対象が膨張すると、検知部９によって歪を検知し、歪量が設定された閾値よりも大きくなると、警報部１１によって警報を発して使用者に異常を認知させることができる。同様に、測定対象の温度が上昇すると、検知部９によって温度上昇を検知し、温度が設定された閾値よりも高くなると、警報部１１によって警報を発して使用者に異常を認知させることができる。このように、１本のセンサ本体３によって、測定対象によらず、歪異常と温度異常の両者を検知することができる。

１………センサ
３………センサ本体
５………リチウムイオン電池
７………接合部
９………検知部
９ａ………非反転増幅器
９ｂ………歪検知用比較器
９ｃ………温度上昇検知用比較器
１０………検知回路
１１、１１ａ、１１ｂ………警報部

Claims (7)

1. ＮｉＴｉ系形状記憶合金製のセンサ本体と、
   前記センサ本体と接続され、歪検知および温度検知をおこなう検知部と、
   を具備し、
   前記センサ本体が測定対象に固定され、
   前記測定対象の歪変化または温度変化によって生じる、前記センサ本体の電気抵抗変化を前記検知部で検知することを特徴とするセンサ。
2. 前記センサ本体は、Ｎｉの一部が４〜１０ａｔ％Ｃｕに置換されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
3. 前記センサ本体は、二方向形状記憶効果を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ。
4. 前記検知部で異常を検知した際に警報を発する警報部を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ。
5. 初期状態において、前記センサ本体はマルテンサイト相であり、歪が０であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセンサ。
6. 前記測定対象がリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のセンサ。
7. ＮｉＴｉ系形状記憶合金製のセンサ本体と、
   前記センサ本体と接続され、歪検知および温度検知をおこなう検知部と、
   前記検知部で異常を検知した際に警報を発する警報部と、
   を用い、
   １本の前記センサ本体をリチウムイオン電池に固定し、
   前記検知部は、測定された前記センサ本体の電気抵抗値を初期状態と比較し、
   前記センサ本体の電気抵抗値が初期状態よりも低い場合には、温度検知用閾値と前記センサ本体の電気抵抗値と比較して、前記センサ本体の電気抵抗値が前記温度検知用閾値よりも低い場合に前記警報部が警報を発し、
   前記センサ本体の電気抵抗値が初期状態よりも高い場合には、歪検知用閾値と前記センサ本体の電気抵抗値と比較して、前記センサ本体の電気抵抗値が前記歪検知用閾値よりも高い場合に前記警報部が警報を発することを特徴とするリチウムイオン電池の異常検知方法。

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