JP2018152156A - 組電池の電池セル膨れ推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル膨れ推定システムにおいて、組電池のパウチ状電池セルの膨れ量をより簡単な構成で精度よく推定することである。
【解決手段】電池セル膨れ推定システム１０は、充放電可能な発電要素と、シート材から構成され発電要素を収容する外装体とを有するパウチ状電池セル３３が複数並んで配置された電池モジュール３２を含む。電池モジュールは、少なくとも一部の隣り合う電池セルの間に設けられた内部流路であって、電池セルの外装体の側面が内側壁面を構成する内部流路を有する。電池セル膨れ推定システムは、電池モジュールの内部流路に冷媒流体を供給し通過させる冷媒供給部と、冷媒供給部を駆動する駆動部と、電池モジュールの充電時または放電時における駆動部の負荷の取得値に基づいて、各電池セルの膨れ量を推定する制御装置５０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池の電池セル膨れ推定システムに関する。

パウチ状電池セルを複数並べて配置することにより電池モジュールを構成する場合がある。通常は電池モジュールがケースの内部に収容されて組電池が構成される。この場合において、複数の電池セルの充電または放電によって電池セルの膨れが生じる可能性がある。このため、電池セルに取り付けたスイッチまたは感圧装置などにより物理的に電池セルの膨れを推定することが提案されている。

特許文献１には、パウチ状電池セルのフィルム外装体の表面に歪センサを付着し、フィルム外装体の伸びを検出し、内圧の上昇を検出することが記載されている。

特開２０００−３４０２６４号公報

専用のスイッチまたは感圧装置などにより物理的にパウチ状電池セルの膨れを推定する構成では、感圧装置などを必要とするため構成が複雑となり、コストが過度に増大する可能性がある。このため、組電池のパウチ状電池セルの膨れ量をより簡単な構成で精度よく推定することが望まれる。

本発明に係る組電池の電池セル膨れ推定システムは、充放電可能な発電要素と、シート材から構成され発電要素を収容する外装体とを有するパウチ状電池セルが複数並んで配置された電池モジュールを含む組電池の電池セル膨れ推定システムである。電池モジュールは、少なくとも一部の隣り合う電池セルの間に設けられた内部流路であって、電池セルの外装体の側面が内側壁面を構成する内部流路を有する。そして、電池セル膨れ推定システムは、電池モジュールの内部流路に冷媒流体を供給し通過させる冷媒供給部と、冷媒供給部を駆動する駆動部と、電池モジュールの充電時または放電時における駆動部の負荷の取得値に基づいて、各電池セルの膨れ量を推定する制御装置とを備える。

本発明に係る組電池の電池セル膨れ推定システムによれば、パウチ状電池セルの膨れ量をより簡単な構成で精度よく推定できる。

実施形態の電池セル膨れ推定システムの構成図である。 実施形態の電池セル膨れ推定システムを構成する組電池及び冷却構造の斜視図である。 図２に示す組電池を構成する電池モジュールの斜視図である。 電池モジュールを構成する電池セルの斜視図（ａ）と、（ａ）のＣ部拡大断面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図（ａ）と、（ａ）のＤ部拡大図（ｂ）である。 実施形態の電池セル膨れ推定システムにおいて、電池セルの膨れ量を推定する方法を示す模式図である。 実施形態の電池セル膨れ推定システムにおいて、冷却ファンを駆動するモータの負荷の時間変化の１例を示す図である。 実施形態の電池セル膨れ推定システムの別例を構成する電池モジュールの並列ブロックの分解斜視図である。 実施形態の電池セル膨れ推定システムの別例の構成を示すブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、電池セル膨れ推定システムの仕様等に応じ適宜変更することができる。以下において複数の実施形態、変形例などが含まれる場合、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、実施形態の電池セル膨れ推定システム１０の構成図である。電池セル膨れ推定システム１０は、充放電制御システム１２と、冷却構造６０とを備える。充放電制御システム１２は、電池モジュール３２に充放電を行うために用いられる。充放電制御システム１２は、充電入力端子１３、外部出力端子１４、充電器１５、充放電スイッチ部１６、組電池３０、及び制御装置５０を含む。

充電入力端子１３には、図示しない外部電源が接続可能である。外部電源は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ等の周波数と１００Ｖ等の電圧（電圧振幅：１４１Ｖ）を有する商用交流電源である。

外部出力端子１４には、図示しない外部負荷が接続可能である。外部負荷は、例えば、家庭または工場施設等における照明器具、空調設備等である。外部負荷は交流電力で動作するものが多いが、充放電制御システム１２が内蔵する電池モジュール３２の出力は直流電力であるので、ＤＣ／ＡＣ変換器である出力変換部１７が設けられる。出力変換部１７は、電池モジュール３２から充放電スイッチ部１６を介して供給される直流電力を交流電力に変換して、外部出力端子１４に出力する。ユーザの要望によって、ＤＣ／ＡＣ変換器を充放電制御システム１２の外部に設ける場合には、出力変換部１７は省略する。

図１では、充放電制御システム１２の各構成要素の接続関係について、電力線を太線で、信号線を細線で示している。

充電器１５は、充電入力端子１３から供給される入力交流電力を電池モジュール３２の直流電力仕様に合わせて変換する充電用ＡＣ／ＤＣ変換器である。充電器１５は、後述する制御装置５０から充電指示を受け取り、それに対して制御装置５０に応答信号を返し、それに基づいてＡＣ／ＤＣ変換を実行する。

充放電スイッチ部１６は、充電器１５側から電池モジュール３２への充電と、電池モジュール３２から外部出力端子１４側への放電とを切り替える。具体的には、充放電スイッチ部１６は、充電器１５から出力される直流電力を電池モジュール３２に充電電力として供給する充電用スイッチング素子を含む。充放電スイッチ部１６は、電池モジュール３２に蓄電された直流電力を外部出力端子１４側へ放電電力として出力する放電用スイッチング素子も含む。かかる充電用スイッチング素子及び放電用スイッチング素子として、大電力用半導体素子が用いられる。例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または大電力用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることができる。充放電スイッチ部１６の動作は、制御装置５０の制御の下で行われる。

組電池３０は、後述するケース３９（図２）の内部に電池モジュール３２が収容されてなる。電池モジュール３２は、複数の電池セル３３を含む。図１では４つの電池セル３３が直列接続されている。複数の電池セル３３は、充放電制御システム１２の仕様によっては並列接続されてもよく、後述の図９の構成で示すように直列接続と並列接続とが組み合わされてもよい。

図１では、４つの電池セルを区別して、電池セル３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと示している。電池セル３３ａの負極端子を電池セル３３ｂの正極端子に接続し、電池セル３３ｂの負極端子を電池セル３３ｃの正極端子に接続し、以下これを繰り返している。電池セル３３ａの正極端子と電池セル３３ｄの負極端子との間の電圧値が電池モジュール３２の総電圧値となる。

電池モジュール３２を構成する電池セル３３は、パウチ状の二次電池であり、例えばリチウムイオン電池、またはリチウムポリマー電池である。電池セル３３は、後述の図４で示すようにシート材から構成される外装体３４の密閉空間内に発電要素３７が内蔵される。

電池モジュール３２は、複数の電池セル３３が積層されることにより、一方向に並んで配置されて構成される。

制御装置５０は、ＳＯＣ算出部５１と、充放電制御部５２と、セル膨れ推定部５３と、寿命判定部５４と、ファン制御部５５とを有する。制御装置５０は、コンピュータまたはマイクロプロセッサを搭載した制御回路などで構成される。

ＳＯＣ算出部５１は、後述の温度検出部１８で検出される電池モジュール３２の検出温度、後述の電圧検出部１９により計測される電圧、及び電流検出部２０のデータに基づいて、電池モジュール３２の充電状態指標を算出する。充電状態指標は、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）と呼ばれる。

充放電制御部５２は、電池モジュール３２の電力蓄電状態を高い状態に維持するように、充放電制御を行う。充放電制御部５２は、外部負荷が要求する出力電力量と電池モジュール３２のＳＯＣとに基づいて充電と放電を制御する。充放電制御部５２は、手動による入力操作に応じて、充放電制御を行うこともできる。制御装置５０が有するセル膨れ推定部５３、寿命判定部５４、及びファン制御部５５は後で説明する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ２２とＤＣ／ＤＣコンバータ２３とは、制御装置５０に所定の直流電圧値を有する電源電力を供給する電力変換器である。制御装置５０には、通常、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２を介して外部電源から電力が供給される。充電器１５が動作しなくても制御装置５０の動作を確保するために、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２は、充電器１５を介さずに制御装置５０に電力を供給する。外部電源が停電などによって充電入力端子１３に供給されないときには、制御装置５０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を介して電池モジュール３２から電力が供給される。

また、電池モジュール３２は充電時及び放電時に温度上昇する。後述の冷却構造６０は、電池モジュール３２を冷却するために用いられる。冷却構造６０は、冷媒供給部である冷却ファン６１、冷却ファン６１の駆動部であるモータ６１ａ、導入ダクト６２（図２）及び排出ダクト６３（図２）を含んで構成される。

また、電池モジュール３２を構成する電池セル３３は、充放電の長時間の繰り返しによって、または高レートの充電または放電によって、内圧が上昇する。これにより、電池セル３３の両側面が外側に膨らむ場合がある。電池セル３３の膨れ量が所定値以上になると、寿命に達したとして、充放電の動作を停止させる必要がある。このために、電池セル膨れ推定システム１０は、電池セル３３の膨れ量を推定する制御装置５０を有する。具体的には、制御装置５０が有するセル膨れ推定部５３は、電池モジュール３２の充電時または放電時におけるモータ６１ａの負荷の計測値に基づいて、各電池セル３３の膨れ量を推定する。この膨れ量の推定には冷却構造６０が用いられる。したがって、まず、冷却構造６０と、冷却構造６０で冷却する電池モジュール３２とについて、図２から図６を用いて説明し、その後、セル膨れ推定部５３を説明する。

図２は、電池セル膨れ推定システム１０を構成する組電池３０及び冷却構造６０の斜視図である。図３は、図２に示す組電池３０を構成する電池モジュール３２の斜視図である。

図２に示すように、組電池３０は、略直方体状のケース３９の内側に、図３に示す電池モジュール３２が収容されている。ケース３９の縦方向一端部（図２の紙面の表側端部）には、冷却風導入用の導入ダクト６２と冷却風排出用の排出ダクト６３とが接続されている。なお、図２では、導入ダクト６２及び排出ダクト６３の接続部と内部とを分かりやすくするために、透視図として示している。

図３に示すように、電池モジュール３２は、電池セル３３を一方向に複数積層して構成される。電池モジュール３２も、ケース３９（図２）と同様に、略直方体形状であり、横方向Ｘよりも縦方向Ｙに長く伸びている。図２、図３、及び後述の図４では、ケース３９及び電池モジュール３２の横方向をＸ，縦方向をＹ、横方向Ｘ及び縦方向Ｙに直交する上下方向をＺで示す。なお、横方向Ｘ、縦方向Ｙ、上下方向Ｚは、説明の便宜上用いるもので、その方向と実際の使用状態の方向との関係及び寸法関係が限定されるものではない。なお、電池モジュール３２は、複数の電池セル３３が接触するように積み重なる構成に限定せず、例えば複数の電池セルの横方向端部が両側の壁部材で結合されて一方向に並んで配置されたものでもよい。

図４は、電池モジュール３２を構成する電池セル３３の斜視図（ａ）と、（ａ）のＣ部拡大断面図である。図４では、電池セル３３の縦方向Ｙの一端部が紙面の裏側に配置され、縦方向Ｙの他端部が紙面の表側に配置されるので、図３の縦方向Ｙの両側の位置関係とは逆になっている。具体的には、図４の紙面の裏側が導入ダクト６２及び排出ダクト６３の接続側（ダクト接続側）である。

電池セル３３は、外装体３４と、外装体３４のダクト接続側とは反対側の端部から延出した一対の電極タブ、すなわち正極タブ３６ａ及び負極タブ３６ｂとを有するラミネート電池である。外装体３４は、２枚のシート材であるラミネートフィルム３５ａ、３５ｂから構成される。外装体は、２枚のラミネートフィルム３５ａ、３５ｂから構成されるものに限定されず、例えば１枚のラミネートフィルムから構成されてもよく、また、金属製のシート材から構成されてもよい。

電池セル３３は、電極体及び電解質を含む発電要素３７が、外装体３４の内部に収容されている。電極体の１例は、正極及び負極がセパレータを介して巻回された巻回型である。正極タブ３６ａは正極に接続され、負極タブ３６ｂは負極に接続される。外装体３４を構成するラミネートフィルム３５ａ、３５ｂとして、金属層の両面に樹脂層が形成されたフィルムを用いることができる。

外装体３４は、扁平な略直方体部分の縦方向Ｙ両端部から接合部３８が延出している。接合部３８は、２枚のラミネートフィルム３５ａ、３５ｂの端縁が接合されて形成される。外装体３４の横方向Ｘ両端部でも縦方向Ｙ両端部と同様に２枚のラミネートフィルム３５ａ、３５ｂが接合される。この横方向Ｘ両端部は、図４（ｂ）に示すように、略直方体部分の横方向Ｘ両側面に沿うように上下方向に曲げられる。なお、電池セルは、このような形状に限定するものではなく、シート材から構成された外装体を有するパウチ状であればよい。

図３に戻って、電池モジュール３２の縦方向Ｙ両端面には、第１ホルダ４０と第２ホルダ４１とがそれぞれ取り付けられる。第１ホルダ４０は、各電池セル３３の各タブ３６ａ、３６ｂ（図４）とは反対側の端部（図３の紙面表側端部）付近において、複数の第１ホルダ要素４０ａを積み重ねて結合することにより形成される。第１ホルダ要素４０ａの裏側（電池セル３３側）の端面には横方向Ｘに伸びる図示しない溝部が形成される。溝部には、各電池セル３３の縦方向Ｙ一端部（図３の表側端部）の接合部が挿入される。

第２ホルダ４１は、各電池セル３３のタブ３６ａ、３６ｂ側の端部（図３の紙面裏側端部）付近において、複数の第２ホルダ要素４１ａを積み重ねて結合することにより形成される。また、隣り合う第２ホルダ要素４１ａにより、各電池セル３３の縦方向Ｙ他端部（図３の裏側端部、図４の表側端部）の接合部３８（図４）が挟み込まれる。このとき、各電池セル３３の正極タブ３６ａ（図４）及び負極タブ３６ｂ（図４）は、隣り合う第２ホルダ要素４１ａの間から縦方向Ｙに伸びて外側に導出される。

隣り合う電池セル３３のうち、一方の電池セル３３の正極タブ３６ａと他方の電池セル３３の負極タブ３６ｂとが、図示しないバスバーによって接続され、これが隣り合う電池セル３３で繰り返される。これにより、複数の電池セル３３が直列接続される。そして、電池モジュール３２の上下方向一端の電池セル３３の正極タブ３６ａには、電池モジュール３２の正極端子（図示せず）が接続される。また、電池モジュール３２の上下方向他端の電池セル３３の負極タブ３６ｂには、電池モジュール３２の負極端子（図示せず）が接続される。

第２ホルダ４１の縦方向Ｙ外側面（図３の紙面裏側面）には、図示しない絶縁カバーが取り付けられてもよい。絶縁カバーが取り付けられる場合、絶縁カバーの上下方向両端部に形成される孔を通じて正極端子及び負極端子が外側に導出される。また、電池モジュール３２の横方向Ｘ両側面には、略全域にテープ４２が貼付されている。

図５は、図３のＡ−Ａ断面図である。図６は、図３のＢ−Ｂ断面図（ａ）と、（ａ）のＤ部拡大図（ｂ）である。図３、図５、図６に示すように、各電池セル３３の上側面には、隔壁部材４３が縦方向Ｙ一端の横方向Ｘ中央部から縦方向Ｙに伸びるように取り付けられる。また、各電池セル３３の上側面の横方向Ｘ両端部には、縦方向Ｙに沿うように側壁部材４４が取り付けられる。これにより、隣り合う電池セル３３の間に隔壁部材４３及び側壁部材４４が配置される。そして、隣り合う電池セル３３の間にＵ字形の内部流路４５が形成される。

複数の電池セル３３のうち、上端に位置する電池セル３３の上側面に取り付けられた隔壁部材４３及び側壁部材４４の上端は、ケース３９の内側面に接触して、上端の電池セル３３の上側面とケース３９の内側面との間にもＵ字形の内部流路４５が形成される。また、複数の電池セル３３のうち、下端に位置する電池セル３３の下側面にも、上側面と同様に隔壁部材４３及び側壁部材４４が取り付けられる。下端の電池セル３３の隔壁部材４３及び側壁部材４４の下端は、ケース３９の内側面に接触して、下端の電池セル３３とケース３９との間にもＵ字形の内部流路４５が形成される。

隔壁部材４３及び側壁部材４４には、弾性変形可能な弾性部材を用いることができる。弾性部材として、例えばゴム、発泡樹脂材が用いられる。弾性部材は、電池セル３３の略直方体部分の上面または上下両面に接着剤を用いて取り付けられる。内部流路４５は、隣り合う電池セル３３の間、または電池セル３３とケース３９との間に設けられるので、電池セル３３の外装体３４の外側面が内部流路４５の内側壁面を構成する。

図３に示すように、電池モジュール３２の縦方向Ｙ一端面（図３の紙面表側端面）に配置された第１ホルダ４０の横方向Ｘ一方側（図３の左側）には複数の導入口４６が形成され、第１ホルダの横方向Ｘ他方側（図３の右側）には複数の排出口４７が形成される。そして、各内部流路４５の両端が、導入口４６及び排出口４７に通じる。内部流路４５の縦方向Ｙの他端（図３の紙面表側端）は、第２ホルダ４１で塞がれる。このため、導入口４６から内部流路４５内を図３の矢印Ｅ１方向に流れる冷却風は、縦方向Ｙの他端部で折り返して排出口４７に向かう。

図２に戻って示すように、ケース３９の縦方向Ｙ一端には導入側開口Ｒ１が形成され、導入側開口Ｒ１には導入ダクト６２の下流端部が接続される。導入側開口Ｒ１は、第１ホルダ４０の複数の導入口４６（図３）に通じる。また、ケース３９の縦方向一端には排出側開口Ｒ２が形成され、排出側開口Ｒ２には排出ダクト６３の上流端部が接続される。排出側開口Ｒ２は、第１ホルダ４０の複数の排出口４７（図３）に通じる。

図２に示す導入ダクト６２の上流側端部は開口して、例えば外気に通じる。排出ダクト６３の内部には、冷却ファン６１が設けられる。冷却ファン６１は、モータ６１ａによって駆動される。図１に示すように、モータ６１ａの駆動は制御装置５０が有するファン制御部５５によって、インバータなどの駆動回路２４を制御することにより制御される。冷却ファン６１が駆動されると、冷媒流体である空気が導入ダクト６２から各内部流路４５に供給され、各内部流路４５に空気が冷却風として通過する。このとき、冷却ファン６１は、空気を吸引して電池モジュール３２を冷却する吸引型として動作する。なお、冷却ファンは吸引型に限定せず、導入ダクト６２の内部に設けられて、空気を電池モジュール３２側へ押し出す押し出し型として動作するものを用いてもよい。また、冷媒流体として空気の代わりに別のガス状冷媒を用いることもできる。

次に、図１に戻って、電圧検出部１９、電流検出部２０、温度検出部１８、及び充放電制御部５２を説明する。

電圧検出部１９は、各電池セル３３の電圧状態を検知する。電圧検出部１９は、計測回路である電圧計測部１９ａと、監視回路である電圧監視部１９ｂとを含む。電圧計測部１９ａは、各電池セル３３の端子間電圧値を計測する。

例えば図３、図４の隣り合う電池セル３３のうち、一方の電池セル３３の正極タブ３６ａには第１バスバー（図示せず）が接続され、他方の電池セルの負極タブには第２バスバー（図示せず）が接続される。そして、第１バスバー及び第２バスバーが薄板状の導電性部材を挟んで接続される。この導電性部材の端部が第１バスバー及び第２バスバーの間から外側に導出して、電圧計測用端子を形成する。電圧計測用端子は、電圧検出部１９（図１）を構成する電圧計測部１９ａに接続されて、各電池セル３３の端子間電圧値の計測のために用いられる。

電圧監視部１９ｂは、各電池セル３３の端子間電圧値及び電池モジュール３２の総電圧の一方または両方が予め定めた許容範囲に入っているか否かを電圧計測部１９ａと協働して判断する。電圧計測部１９ａの計測結果と、電圧監視部１９ｂの判断結果とは、信号線を介して制御装置５０に伝送される。

電池モジュール３２にはシャント抵抗４８が設けられる。シャント抵抗４８は、電池モジュール３２の負極端子と充放電制御システム１２のシステム接地端子との間に設けられる。シャント抵抗４８は、直列接続される４つの電池セル３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに流れる電池モジュール３２の充放電電流値を検出する。シャント抵抗４８は、電池モジュール３２の負極端子側ではなく電池モジュール３２の正極端子側、または電池セル３３間に設けられてもよい。

電流検出部２０は、シャント抵抗４８の両端の電圧値を検出する。そして、電流検出部２０は、この電圧値から算出される電池モジュール３２の充放電電流値を制御装置５０に、信号線を介して伝送する。

電池モジュール３２の複数位置には、温度検出部１８が設けられる。例えば、図３に戻って、温度検出部１８（図１）は、隣り合う電池セル３３間の３つの内部流路４５に設けることができる。電池モジュール３２では、図３の砂地で示す部分である、内部流路４５の折り返し部分で温度上昇が大きくなりやすい。このため、この砂地部分のいずれかの位置に温度検出部１８を設けることができる。温度検出部１８として、温度ヒューズまたはサーミスタを用いることができる。温度検出部１８で検出された電池モジュール３２の温度は、信号線を介して制御装置５０に伝送される。電池モジュール３２の温度として、例えば、隣り合う電池セル３３間の３つの内部流路４５の温度が３つの温度検出部１８で検出される。３つの温度検出部１８で検出された温度は、そのまま制御装置５０に伝送されてもよい。これに代えて、３つの温度検出部１８で検出された温度のうち、最高の温度が、電池モジュール３２の温度として制御装置５０に伝送されてもよい。また、温度検出部１８で検出された温度が異常に高い温度に達した場合に、その高い温度に達したことを後で確認しやすくする面からは温度検出部として温度ヒューズを用いることが好ましい。

また、充放電制御部５２は、ＳＯＣと、温度検出部１８の検出温度Ｔとに基づいて、電池モジュール３２の放電制限を含む充放電停止を行う機能を有する。さらに、充放電制御部５２は、後述の寿命判定部５４において、電池モジュール３２が寿命に達したと判定された場合にも、充放電停止を行う機能を有する。

制御装置５０が有するセル膨れ推定部５３は、電池モジュール３２の充電時または放電時におけるモータ６１ａの負荷の取得値に基づいて、各電池セル３３の膨れ量を推定する。具体的には、電池モジュール３２の充放電を長時間繰り返した場合、または充電または放電を高レートで行った場合には、組電池３０の内部流路４５（図３）において、各電池セル３３の上下方向Ｚの両側面が外側に膨らむ可能性がある。例えば図５、図６に示すように、組電池３０の内部流路４５において、各電池セル３３の上下方向Ｚの両側面が実線で示す位置の初期時の外形から、二点鎖線で示す位置の外形に膨らむ可能性がある。図５、図６では、初期状態での電池セル３３の厚みがｄ１であるときに、電池セル３３が膨らんで最大厚みがｄ１より大きいｄ２となる可能性がある。このように電池セル３３が膨らむと、冷却ファン６１により内部流路４５に冷却風を電池モジュール３２に通過させるときに、内部流路４５の流路抵抗が増大するので、冷却ファン６１を駆動するモータ６１ａの負荷が増大する。図５では、内部流路４５において冷却風が矢印Ｅ２方向に流れ、図６では、内部流路４５において冷却風が隔壁部材４３の左側では紙面裏側に向かって流れ、右側では紙面表側に向かって流れる。このことから、セル膨れ推定部５３（図１）は、モータ６１ａの負荷の取得値に基づいて、各電池セル３３の膨れ量、例えば最大膨れ量（ｄ２−ｄ１）（図５、図６）を推定する。

モータ６１ａの負荷は内部流路４５の流路抵抗に応じて定まるので、モータ６１ａの負荷と電池セル３３の膨れ量との関係が予め実験または計算式で求められる。このとき、負荷の大きさには、内部流路４５の形状と、電池モジュール３２及びケース３９の寸法とが影響する。これにより、負荷及び膨れ量の関係を実験で求める場合には、実際に膨れ量の推定に用いる電池モジュール３２及びケース３９を用いて上記の関係を求めることが好ましい。そして、制御装置５０の記憶部には、予め設定された関係として、モータ６１ａの負荷と各電池セル３３の膨れ量との関係が予め記憶される。セル膨れ推定部５３は、モータ６１ａの負荷の取得値と、記憶された負荷及び膨れ量の関係とから、膨れ量を推定する。

モータ６１ａの負荷の値である取得値は、例えば冷却ファン駆動電力としてモータ６１ａに供給する出力である電力（モータ供給電力）の検出値と、冷却ファン６１の回転数検出値とから算出で導出することができる。例えば、モータ供給電力は、例えば駆動回路２４（図１）に供給される電流及び電圧の検出値から算出される。モータ供給電力は、制御装置５０での電流指令及び電圧指令により算出で求めることもできる。回転数検出部は、モータ６１ａの回転軸の回転角度を検出するレゾルバなどの回転角度検出部６４（図１）を含んで構成される。制御装置５０は、回転角度の検出値から冷却ファン６１の回転数の検出値を算出により導出する。モータ供給電力が一定でも、初期状態に比べて冷却ファン６１の回転数が低下した場合には、その回転数の低下量からモータ６１ａの負荷の値が取得値として算出される。なお、回転数検出部は、レゾルバ以外の手段で冷却ファン６１の回転数が直接、または間接的に算出される構成としてもよい。

図７は、電池セル膨れ推定システム１０において、電池セル３３の膨れ量を推定する方法を示す模式図である。この推定方法では、図７の実線矢印α１で示すように、冷却ファン６１の回転数検出値と冷却ファン６１の駆動電力の検出値とから負荷の取得値が算出される。このとき、負荷の取得値は、冷却ファン６１の回転数検出値と駆動電力の検出値とから、負荷、回転数及び駆動電力の関係を規定するように予め設定されたマップを用いて取得されてもよい。そして、実線矢印α２で示すように、負荷の取得値から各電池セル３３の膨れ量が推定される。通常時には、電池モジュール３２の充放電の繰り返しによって各電池セル３３がほぼ均等に徐々に膨らむ。

図８は、電池セル膨れ推定システム１０において、冷却ファン６１を駆動するモータ６１ａの負荷の時間変化の１例を示す図である。図８の横軸は、略一定のレートで電池モジュール３２の充放電を繰り返す場合の時間を示している。上記のように各電池セル３３が徐々に膨らむと、内部流路４５の抵抗が徐々に大きくなり、図８に実線Ｐ１で示すように、モータ６１ａの負荷も徐々に増大する。負荷の算出値がＰ１で示すようにほぼ直線的に緩やかに増大している場合には、各電池セル３３がほぼ均等に膨らんでいることが推測される。これにより、負荷の取得値に応じて各電池セル３３の膨れ量を推定することができる。

図７の矢印α３で示すように、制御装置５０が有する寿命判定部５４は、各電池セル３３の膨れ量の推定値から電池モジュール３２が寿命に達したか否かを判定する。例えば、各電池セル３３の膨れ量の推定値が予め設定された所定値以上になった場合には、寿命判定部５４は、電池モジュール３２が寿命に達したと判定する。制御装置５０は、その判定がされたときには、充放電スイッチ部１６（図１）の制御により電池モジュール３２の充放電を停止させる。これにより、電池セル３３の膨れ量の推定値に応じたより適切な寿命を判定してその寿命で充放電を停止させるので、単に充放電回数によって寿命を判定する場合に比べて組電池３０の長寿命化を図れる。

一方、実施形態と異なる比較例として、各電池セル３３の端子間電圧の検出値及び電池モジュール３２の放電時間の一方または両方のみにより、電池セル３３の膨れ量を推定することも考えられる。このような比較例では、電圧及び放電時間が異常でない通常時での膨れ量を推定することは困難である。

さらに、上記のように充放電を停止させるときにおいて、制御装置５０は、警告発生として、図示しない表示部に所定の警告表示を表示させたり、または警告音を発生させたり、または所定の警告灯を点灯させることができる。寿命判定部５４は、電池モジュール３２が寿命に達していないと判定した場合において、膨れ量の推定値が所定値に達するまでの充放電時における残時間である残寿命を算出する機能を有してもよい。

一方、図８の負荷の時間変化を表す線では、点Ｑ位置以降で実線Ｐ２に示すように、負荷が急激に増大している。このような負荷の急激な増大が複数の電池セル３３で同時に発生することは生じにくい。これにより、負荷の時間変化率が急激に増大した場合には、複数の電池セル３３の一部の電池セル３３で異常が生じたと判定することができる。このことから、制御装置５０は、負荷の取得値が時間に対して上昇する比率（時間上昇比率）が所定比率以上となった場合には、電池モジュール３２の一部の電池セル３３に異常が生じたことを判定する機能を有してもよい。

さらに、制御装置５０の寿命判定部５４は、各電池セル３３の端子間電圧の検出値及び電池モジュール３２の温度検出値の少なくとも１つと、負荷の取得値とに基づいて、電池モジュール３２の寿命を判定する機能を有してもよい。このとき、図７の実線矢印α１、α２、α３と、二点鎖線矢印βとの関係から電池モジュール３２の寿命が判定される。

例えば、電池セル３３の膨れ量は電池モジュール３２の温度が上昇するほど大きくなりやすい。これにより、寿命判定部５４は、電池モジュール３２の温度検出値を用いて、膨れ量の推定値を基準温度での膨れ量となるように補正する構成としてもよい。この構成では、寿命判定部５４は、補正後の膨れ量の推定値から電池モジュール３２の寿命を判定する。これにより、電池モジュール３２が寿命に達したか否かをより精度よく判定できる。なお、電池モジュール３２の温度を検出する温度検出部１８（図１）は、組電池３０のすべての内部流路４５に設けるものに限定せず、複数の内部流路４５のうち、一部の内部流路４５のみに設ける構成としてもよい。また、電池モジュール３２に一部の電池セル３３から高圧のガスが発生した場合において、そのガスを外部に排出するダクトが設けられてもよい。そして、このときに、そのダクト内に雰囲気温度を検出する温度検出部を取り付けて、寿命判定部５４が、その温度検出部の検出温度と、膨れ量の推定値とから電池モジュール３２の寿命を判定する構成としてもよい。

充放電制御部５２、セル膨れ推定部５３及び寿命判定部５４の機能は、制御装置５０がソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、所定の制御プログラムを制御装置５０が実行することで実現できる。上記機能の一部をハードウェアで実行する構成としてもよい。

また、電池モジュール３２において、一部の電池セル３３の端子間電圧値が異常に低い場合には、寿命判定部５４は、この一部の電池セル３３に異常が生じた可能性があると判定する構成としてもよい。この構成では、上記の図８の実線Ｐ２で示したように、負荷の取得値の時間上昇比率が所定比率以上となることが合わせて生じた場合において、制御装置５０により、一部の電池セル３３に異常が生じて寿命に達したことをより精度よく判定できる。

また、寿命判定部５４は、各電池セル３３の端子間電圧の検出値及び温度検出値の両方と、負荷の取得値とに基づいて、上記の機能を組み合わせることにより、電池モジュール３２の寿命をさらに精度よく判定する構成としてもよい。

上記の電池セル膨れ推定システム１０によれば、パウチ状の電池セル３３の膨れ量を精度よく推定できる。また、専用のスイッチまたは感圧装置などにより物理的に電池セル３３の膨れを推定する必要がないので、より簡単な構成で膨れ量を精度よく推定できる。これにより、部品点数の削減によるコスト低減を図れる。また、電池モジュール３２の体格が大型化することを抑制できる。また、電圧及び放電時間に異常がない通常時でも膨れ量を連続的に推定することができるので、膨れ量の急激な変化を検出することが可能である。これにより電池モジュール３２の残寿命の推定、及び、使用条件に応じた長寿命化を図ることができ、ユーザの用途の選択の自由度を高くできる。例えば、膨れ量の推定値が、電池モジュール３２が寿命に達する以前の所定膨れ量以上となった場合において、制御装置５０が長寿命化モードとして、充放電レートが通常時より低くなるように電池モジュール３２の充放電を制御する構成を有してもよい。

図９は、実施形態の電池セル膨れ推定システムの別例を構成する電池モジュールの並列ブロック７０の分解斜視図である。図９に示す別例の電池モジュールでは、上記の図２から図６に示した電池モジュール３２において、複数の電池セル３３の代わりに複数の並列ブロック７０が用いられる。各並列ブロック７０は、上側電池セル７１及び下側電池セル７２が並列接続されてなる。図９に示すように上側電池セル７１は、上記の図４に示した電池セル３３で上側に隔壁部材４３及び側壁部材４４を取り付けた構成と同様に形成される。下側電池セル７２は、上側電池セル７１において、隔壁部材４３及び側壁部材４４を省略し、さらに、正極タブ３６ｃ及び負極タブ３６ｄのうち、外装体３４の縦方向Ｙ他端部（図９の紙面表側端部）から延出した部分が、断面Ｌ字形に曲げ形成される。正極タブ３６ｃ及び負極タブ３６ｄの先端部は、各タブ３６ｃ、３６ｄの外装体３４との接続部より上側に配置される。各電池セル７１，７２は、略直方体部分が接着層７３を介して固定されることが好ましい。接着層７３には、例えば両面テープが用いられる。上側電池セル７１及び下側電池セル７２の正極タブ３６ａ、３６ｃ及び負極タブ３６ｂ、３６ｄはそれぞれ上下方向Ｚに重ね合されて接続される。

電池モジュールは、このような並列ブロック７０を複数個、直列接続して構成される。したがって、電池モジュールでは、複数の電池セル７１，７２が、直列接続と並列接続とが組み合わされて接続される。

図９に示す正極バスバー７４は、並列ブロック７０の正極タブ３６ａ、３６ｃに接続され、負極バスバー７５は、並列ブロック７０の負極タブ３６ｂ、３６ｄに接続される。そして、正極バスバー７４は、並列ブロック７０の上側に隣り合う図示しない別の並列ブロックの負極タブに接続されたバスバーに接続される。負極バスバー７５は、並列ブロック７０の下側に隣り合う図示しない別の並列ブロックの正極タブに接続されたバスバーに接続される。これが隣り合う並列ブロック７０で繰り返されることにより複数の並列ブロック７０が直列接続される。

さらに、並列ブロック７０の縦方向Ｙ一端部（図９の紙面の裏側端部）の図示しない各接合部は、第１ホルダを構成する第１ホルダ要素４０ａの裏面（図９の紙面の表側面）に形成された溝部７６に挿入される。並列ブロック７０の縦方向Ｙ他端部（図９の紙面の表側端部）の１つの接合部３８は、第２ホルダを構成する上下２つの第２ホルダ要素４１ｂ、４１ｃによって挟まれる。

また、第１ホルダ要素４０ａの上面には、上側電池セル７１により形成される内部流路４５の両端位置に応じて２つの溝部７７が形成される。２つの溝部７７は、第１ホルダ要素４０ａの上側の図示しない別の第１ホルダ要素またはケースの内側面によって上端が塞がれて、冷却風の導入口及び排出口をそれぞれ形成する。導入口及び排出口は、それぞれ内部流路４５の両端に通じる。

このような並列ブロック７０を有する構成でも、図１から図８の構成の電池セル３３と同様に、充放電の繰り返しによって、または高レートの充電または放電によって、各電池セル７１，７２が膨らむ可能性がある。電池セル７１，７２が膨らんだ場合には、並列ブロック７０の上面及び下面も外側に膨らむ。この構成の場合も、図１を参照して、制御装置５０は、電池モジュールの充電時または放電時におけるモータ６１ａの負荷の取得値に基づいて、各電池セル７１，７２の膨れ量を推定する。また、図示しない電圧計測用端子は、各並列ブロック７０の電圧値を計測するために用いられる。電圧計測用端子は、電圧計測部１９ａ（図１）に接続される。複数の並列ブロック７０において一部の並列ブロック７０の電圧値が異常に低下した場合には、制御装置５０は、この一部の並列ブロック７０の少なくとも一方の電池セル３３に異常が生じたことを判定する。その他の構成及び作用は、図１から図８の構成と同様である。

図１０は、実施形態の電池セル膨れ推定システム１０の別例の構成を示すブロック図である。上記の各例では、冷媒流体として空気などのガス状冷媒で電池モジュールを冷却する場合を説明した。一方、図１０に示す構成では、冷媒流体として水、または絶縁性流体などの液状冷媒で組電池３０ａの内部の電池モジュール（図示せず）が冷却される。

具体的には、組電池３０ａの内部流路は、この内部流路の外部に液状冷媒が漏れ出さない液密構造とする。この内部流路は、組電池３０ａのケース８０の導入側開口Ｒ１及び排出側開口Ｒ２に通じる。そして、導入側開口Ｒ１と冷媒供給部である冷却液ポンプ８１の吐出口Ｓ１とが第１配管Ｇ１で接続される。排出側開口Ｒ２と冷却液ポンプ８１の吸入口Ｓ２とが第２配管Ｇ２で接続される。これにより、各配管Ｇ１，Ｇ２は、冷却液ポンプ８１と組電池３０ａの内部流路とを接続する冷媒回路を構成する。冷却液ポンプ８１は、モータ８１ａで駆動され、組電池３０ａの内部の電池モジュールに液状冷媒を供給し通過させる。モータ８１ａの駆動は制御装置５０によって制御される。第１配管Ｇ１及び第２配管Ｇ２の一方、または両方には、内部の冷媒圧力を検出する圧力検出部８２が設けられる。圧力検出部８２で検出された圧力は、制御装置５０に伝送される。モータ８１ａの駆動によって冷却液ポンプ８１が駆動されると、液状冷媒は、冷却液ポンプ８１、第１配管Ｇ１、組電池３０ａの内部流路、第２配管Ｇ２を、図１０の矢印γ方向に沿って順に流れ、これが繰り返される。これにより、組電池３０ａの内部の電池モジュールが液状冷媒によって冷却される。冷媒回路の一部には、液状冷媒と空気などの別の流体を熱交換させる熱交換部が設けられてもよい。

このように電池モジュールが液状冷媒で冷却される構成でも、上記の各例の構成と同様に、充放電の繰り返しによって、または高レートの充電または放電によって、電池モジュールの各電池セルが膨らむ可能性がある。そして、電池セルが膨らんだ場合には、内部流路の抵抗の増大によってモータ８１ａの負荷が増大する。このことから、制御装置５０は、負荷の取得値に基づいて、各電池セルの膨れ量を推定する。このとき、モータ８１ａの負荷の取得値は、例えばモータ８１ａに供給する電力の検出値と、冷却液ポンプ８１の回転数検出値とから算出で導出することができる。例えば、冷却液ポンプ８１の回転数を検出する回転数検出部は、モータ８１ａの回転軸の回転角度を検出する図示しないレゾルバを含んで構成される。

一方、モータ８１ａの負荷の取得値は、冷却液ポンプ８１の回転数検出値と、圧力検出部８２で検出された液状冷媒の圧力の検出値とから算出される構成としてもよい。例えば冷却液ポンプ８１の回転数検出値から冷却液ポンプ８１の吐出量を算出し、その吐出量から初期状態での液状冷媒の圧力値が算出される。この圧力値に対し、圧力検出部８２で検出された圧力検出値が高い場合には、負荷が増大していると判断される。このことから制御装置５０は、冷却液ポンプ８１の回転数検出値と圧力検出値とから負荷の取得値を算出する。そして、制御装置５０は、予め設定された負荷及び各電池セル３３の膨れ量の関係と、負荷の取得値とから、各電池セル３３の膨れ量を推定する。その他の構成及び作用は、図１から図８の構成と同様である。

なお、図１では、充放電制御システムが電池モジュール３２を１つのみ有する場合を説明した。一方、充放電制御システムにおいて複数の電池モジュールを設けて、複数の電池モジュールを直列接続したり、または並列接続したり、または並列接続と直列接続とを組み合わせて接続して、蓄電ブロックを構成することもできる。そして制御装置５０が充放電スイッチ部１６の切り替えを制御することで蓄電ブロックへの外部電源からの充電と、蓄電ブロックから外部負荷への電力供給とを切り替える構成としてもよい。このとき、各電池モジュールの電圧及び蓄電ブロックの充放電電流を監視することで充放電状態を制御できる。このような構成でも、各電池モジュールにおいて、上記の各例と同様に制御装置５０によって各電池セルの膨れ量を推定することができる。このとき、各電池モジュールに異なるダクトを接続しそれぞれに対応する冷却ファン６１により冷却風を供給する構成としてもよい。またはこの構成の代わりに、複数の電池モジュールに共通の導入ダクトまたは排出ダクトを接続し、共通の冷却ファンで各電池モジュールに冷却風が供給される構成としてもよい。

また、本発明の電池セル膨れ推定システムは、外部電源から組電池に充電し、組電池から外部負荷に放電する充放電制御システムを備える構成に限定しない。例えば、本発明のシステムは、発電機及び車両駆動モータを有する車両に搭載され、発電機の発電によって組電池に充電し、組電池から車両駆動モータに放電する構成で、組電池を構成する電池セルの膨れ量の推定のために用いられてもよい。

１０ 電池セル膨れ推定システム、１２ 充放電制御システム、１３ 充電入力端子、１４ 外部出力端子、１５ 充電器、１６ 充放電スイッチ部、１７ 出力変換部、１８ 温度検出部、１９ 電圧検出部、１９ａ 電圧計測部、１９ｂ 電圧監視部、２０ 電流検出部、２２ ＡＣ／ＤＣコンバータ、２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２４ 駆動回路、３０，３０ａ 組電池、３２ 電池モジュール、３３ 電池セル、３４ 外装体、３５ａ、３５ｂ ラミネートフィルム、３６ａ、３６ｃ 正極タブ、３６ｂ、３６ｄ 負極タブ、３７ 発電要素、３８ 接合部、３９ ケース、４０ 第１ホルダ、４０ａ 第１ホルダ要素、４１ 第２ホルダ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 第２ホルダ要素、４２ テープ、４３ 隔壁部材、４４ 側壁部材、４５ 内部流路、４６ 導入口、４７ 排出口、４８ シャント抵抗、５０ 制御装置、５１ ＳＯＣ算出部、５２ 充放電制御部、５３ セル膨れ推定部、５４ 寿命判定部、５５ ファン制御部、６０ 冷却構造、６１ 冷却ファン、６１ａ モータ、６２ 導入ダクト、６３ 排出ダクト、６４ 回転角度検出部、７０ 並列ブロック、７１ 上側電池セル、７２ 下側電池セル、７３ 接着層、７４ 正極バスバー、７５ 負極バスバー、７６ 溝部、７７ 溝部、８０ ケース、８１ 冷却液ポンプ、８２ 圧力検出部。

Claims (8)

1. 充放電可能な発電要素と、シート材から構成され前記発電要素を収容する外装体とを有するパウチ状電池セルが複数並んで配置された電池モジュールを含む組電池の電池セル膨れ推定システムであって、
   前記電池モジュールは、少なくとも一部の隣り合う前記電池セルの間に設けられた内部流路であって、前記電池セルの前記外装体の側面が内側壁面を構成する内部流路を有し、
   前記電池モジュールの前記内部流路に冷媒流体を供給し通過させる冷媒供給部と、
   前記冷媒供給部を駆動する駆動部と、
   前記電池モジュールの充電時または放電時における前記駆動部の負荷の取得値に基づいて、前記各電池セルの膨れ量を推定する制御装置とを備える、電池セル膨れ推定システム。
2. 請求項１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、前記駆動部に供給する出力と前記冷媒供給部の回転数とから前記駆動部の前記負荷の値を取得し、予め設定された前記負荷及び前記各電池セルの膨れ量の関係と、前記負荷の取得値とから、前記各電池セルの膨れ量を推定する、電池セル膨れ推定シテム。
3. 請求項１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記冷媒流体は液状冷媒であり、
   前記冷媒供給部は、前記電池モジュールに液状冷媒を供給する冷却液ポンプであり、
   前記制御装置は、前記冷却液ポンプと前記電池モジュールの前記内部流路とを接続する流路の圧力の検出値と、前記冷却液ポンプの回転数の検出値とから前記駆動部の前記負荷の値を取得し、予め設定された前記負荷及び前記各電池セルの膨れ量の関係と、前記負荷の取得値とから、前記各電池セルの膨れ量を推定する、電池セル膨れ推定システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   外部電源に接続可能な充電器と、
   前記充電器側から前記電池モジュールへの充電と、前記電池モジュールから外部出力端子側への放電とを切り替える充放電スイッチ部とを備え、
   前記制御装置は、前記充放電スイッチ部の制御によって前記電池モジュールの充放電を制御する、電池セル膨れ推定システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、前記各電池の膨れ量の推定値に基づいて、前記電池モジュールの寿命を判定する、電池セル膨れ推定システム。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、前記各電池セルの端子間電圧の検出値及び前記電池モジュールの温度検出値の少なくとも１つと、前記負荷の取得値とに基づいて、前記電池モジュールの寿命を判定する、電池セル膨れ推定システム。
7. 請求項５または請求項６に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、前記各電池の膨れ量の推定値が予め設定された所定値以上の場合に、前記電池モジュールの充放電を停止させる、電池セル膨れ推定システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１に記載の電池セル膨れ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、前記負荷の取得値が時間に対して上昇する比率が所定比率以上の場合に、前記電池モジュールの一部の前記電池セルに異常が生じたことを判定する、電池セル膨れ推定システム。

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