JP2019221130A

JP2019221130A - バッテリアセンブリ内の揮発性有機化合物を検出するための方法およびシステム

Info

Publication number: JP2019221130A
Application number: JP2019075672A
Authority: JP
Inventors: ファイフィールドジョン; M Fifield Jon
Original assignee: Astronics Advanced Electronic Systems Corp
Current assignee: Astronics Advanced Electronic Systems Corp
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-12-26
Also published as: CN110364773A; EP3553875A1; US20190319316A1

Abstract

【課題】バッテリセルおよびバッテリ制御回路を含むバッテリパッケージアセンブリを有するバッテリシステムを提供する。【解決手段】バッテリシステム１００において、バッテリ制御回路２００は、内部揮発性有機化合物（ＶＯＣ）センサ２１０および制御回路を含む。バッテリセル１は、バッテリ端子３１０を介してバッテリ制御回路に接続され、次にインターフェース接続ライン２４０を介してインターフェース１０２に接続される。ＶＯＣセンサは、バッテリセルの不具合または切迫した不具合を示す、バッテリパッケージアセンブリ内のＶＯＣの存在を検出する。【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

［本開示の分野］
本開示の主題は、概してバッテリアセンブリの気体放電を監視することに関し、より具体的には、バッテリアセンブリ内の揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）を検出することに関する。
［本開示の背景］
予期せぬバッテリの不具合は、とりわけ、閉塞的な環境または可燃性物質が近くにある場所で使用される際に、不都合で危険ですらある状況を引き起こす可能性がある。

具体的には、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）化学を利用しているバッテリは、損害や死亡を引き起こす重大な不具合をこれまで生じている。これらは、航空機内において、頭上の荷物置き場または荷物保管領域で不具合が発生すると、特に危険になりえるため、預け入れ荷物へのＬｉ−ｉｏｎバッテリの持ち込みは禁止されることになった。しかし、これらのバッテリは、世界中で携帯式電子機器に最も広く使用されているバッテリタイプでもある。Ｌｉ−ｉｏｎバッテリの不具合は、電力密度容量、物理的な寸法、または、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリが使用される個人用途、商業用途又は工業用途の種類にも関わらず、発生しうる。既存の工業設計基準や、例えばＬｉ−ｉｏｎバッテリ技術などの様々なバッテリ化学の適切な構築、製造、安全操作を考慮した多様な政府規制の管理体制をもってしても、そのようなバッテリの不具合は発生し続けている。Ｌｉ−ｉｏｎは、複数種類のリチウムバッテリ化学と、様々な用途に向けた複数のバッテリ組み立て形式とを網羅した総称である。

バッテリは、陰極（−）、陽極（＋）、及び固形または液状で形成されうる電解質、の３つの部品を含む。液状の有機電解質は、高い揮発性と可燃性を有し、上昇した電圧及び／又は温度は、電解質と活バッテリ材料との反応を引き起こし、製品の近くに熱やガスを放出させる。例えば、ガス放出の間にできるＬｉ−ｉｏｎバッテリの副産物は、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、エチレン、フルオロエタン、及びその他いくつかの気体である。

バッテリの不具合サイクルは、３つの段階を含む。第１の段階は、バッテリ温度の上昇を含み、ＶＯＣガス放出が発生し始める。第２の段階は、「熱暴走」と呼ばれる。「熱暴走」とは、バッテリがもはや入力電力を必要とせずに、勝手に温度上昇（自己発熱）を続けるポイントまで増加し続ける熱量をバッテリが含むという事象であり、セル内の圧力も上昇する。第３の段階では、バッテリ内の化学物質が発火し、破壊的な不具合を引き起こす。

充電式バッテリシステムの多くは、バッテリセル、ファームウエアとソフトウエアのアプリケーションとを含む制御及び保護回路、並びにインターフェース接続部からなる。このシステムは、通常、組立体の一部として配置されたインターフェースコネクタ、または、緩んだ電気コネクタと一緒に１つのアセンブリにパッケージされる。バッテリセルは、線路損失を減少させるために、制御及び保護回路基板のできる限り近くに物理的に配置され、一般の人々がこれら部品に直接触れるのを防ぐべく、システムを囲う膜が含まれている。

さまざまなバッテリの化学的性質の不具合のメカニズムに関連する危険を減少させるために採用され得る特定の既存の保護方法が存在する。例えば、過電圧、過電流、過充電、過放電及び温度などの、バッテリ内における潜在的に危険な状況に関する特定の産業標準がある。

本開示の主題は、上記で述べた問題のうちの１つ以上を克服するか、または少なくともその影響を低減することに関する。
［本開示の概要］
開示されているのは、不具合が発生しているか、または不具合が発生したバッテリセルによって生成された複数のガスまたは単体の炭素系化合物を検出するように構成された揮発性有機化合物（ＶＯＣ）センサを採用することによって、充電式バッテリシステムアセンブリを、バッテリセルまたはパッケージのガス放出に起因する破壊的不具合から保護するためのシステムおよび方法である。ＶＯＣは、ある実施形態では、３０ｇ／モルから３００ｇ／モルまでの非極性分子量を有する、気体、臭気放出の結果である。

ＶＯＣは、炭素系化学物質であり、例えば、１０１．３ｋＰａの標準気圧下で測定されたときの初期沸点が２５０℃以下であるあらゆる有機化合物であり得る。ＶＯＣは、常温では気体の状態で存在しうる。一実施形態では、含まれているＶＯＣセンサが、過剰なレベルの炭素系化合物を検出する。ＶＯＣセンサは、バッテリの環境用途に基づき、とりわけ、特定の化学物質を測定または監視するために調整されうる。ＶＯＣセンサは、更なる処理のため、付随する制御及び保護回路に対し、アナログまたはデジタル信号を発生する。センサは、影響を受けたバッテリセルをシステムから物理的に切断する機能を任意に提供してもよい。

特定の実施形態では、ＶＯＣセンサは既存の充電式バッテリシステム設計に組み込まれてもよく、それによって、有害な化学物質のガス放出の原因となるさまざまなバッテリ不具合メカニズムに関連する危険を最小化する追加の保護方法を提供している。

本開示の前述の概要、好ましい実施形態及び他の局面は、以下に続く特定の実施形態の詳細な説明を参照し、次の添付図面と合わせて読むと最もよく理解されるであろう。
バッテリシステムアセンブリ内の単一のＶＯＣセンサの機能ブロック図を示す。図１の実施形態の物理的レイアウトの断面図を示す。マルチＶＯＣセンサアプリケーションのブロック図を示す。

各種図内の同様の参照符号や名称は、同様の要素を示す。

［詳細な説明］
図１−２を参照すると、一実施形態は、有害な化学物質のガス放出をもたらす様々なバッテリ不具合メカニズムに関連する危険性を最小限にするための追加の保護方法を提供しているあらゆる既存の充電式バッテリシステム設計に、ＶＯＣセンサ２１０を組み込んでいる。

ＶＯＣセンサ２１０は、多種多様なＶＯＣを検出する非選択的な装置であるトータルＶＯＣセンサ（ＴＶＯＣ）であってもよい。一実施形態では、ＴＶＯＣは、０ｐｐｍから２０００ｐｐｍまでの間の典型的な測定レベルを有してもよい。ＶＯＣセンサ２１０は、センサ較正に使用される特定の補正要素を含む、目標ＶＯＣセンサであってもよい。すなわち、目標ＶＯＣセンサは、特定の化学物質または化学物質のサブセットのために使用されてもよく、これら特定のＶＯＣ化学物質を検出するために較正されてもよい。閾値は、ＶＯＣの濃度レベルに合わせて設定される。例えば、３つのセルの６０Ｗｈバッテリアセンブリでは、閾値レベルは９０ｐｐｂ（十億分率）または１００ｐｐｂに設定されうる。

バッテリシステムパッケージレイアウト１００は、充電式バッテリシステム内に、ＶＯＣセンサ２１０以外の主要な要素を含んでいる。具体的に、バッテリパッケージアセンブリ１０１は、バッテリ３００とバッテリ制御回路２００とを含む。外部インターフェース接続部１０２は、バッテリパッケージ１０１の充電、放電、監視、通信及び制御のための外部回路システムへのインターフェースを提供する。ここで、電気エネルギーが提供され、バッテリの充電、そして、バッテリの放電も行う。

バッテリ端子３１０は、典型的にはスポット溶接または適切な機械的取付方法によって制御及び保護回路基板２３０に直接接続される、正および負の有線接続を含む。一実施形態では、バッテリ３００と制御及び保護回路基板２００との間の接続部は、追加のセンサ接続部を含んでいてもよい。例えば、バッテリセル３００の内部を監視するために温度センサが含まれ得る。

制御及び保護ブロック２３０は、充電式バッテリシステムアプリケーションを含む、各種機能を含む。いくつかの実施形態では、制御及び保護ブロック２３０は、マイクロプロセッサ制御ユニット（ＭＣＵ）型の装置として機能してもよい。この回路は、インターフェース接続ライン２４０を介して、バッテリおよびインターフェース１０２へのエネルギーの流れ、およびバッテリおよびインターフェース１０２からのエネルギーの流れを制御する。この回路は、バッテリシステムのための各種保護機能を提供する。一例として、インターフェース接続ライン２４０に含まれる電力ラインと共に、ＶＯＣセンサ２１０の出力測定値に起因するバッテリの不具合を示すステータスラインを設けることができる。

ＶＯＣセンサ２１０は、バッテリパッケージ１０１内の環境におけるＶＯＣの上昇レベルを測定することになる。上昇レベルは、バッテリシステムのための既存の継承された所定のＶＯＣ環境条件に基づく許容限界値となり得る。設定済みの許容限界は、例えば、閾値を設定するための参照ガイドとしての職業曝露限界（ＯＥＬｓ）または一時緊急曝露限界（ＴＥＥＬｓ）などの、既存の工業標準を利用してもよい。ＶＯＣセンサ２１０からの測定値は、デジタル信号を生成し、生成したデジタル信号を更なる処理のために有線システム２２０を介して制御回路２３０へ送信してもよい。別の実施形態では、ＶＯＣセンサ２１０は、さらなる処理のために有線システム２２０を介して制御回路２３０へ送信されるアナログ信号を生成してもよい。

制御回路２３０内では、ＶＯＣセンサ２１０からの信号の処理は、さまざまな用途に使用されることができる。例えば、バッテリセル３００の不具合に起因して、ＶＯＣセンサ２１０からアクティブ信号を受信すると、制御回路２３０は、バッテリ制御回路２００内で、バッテリ３００の正及び／または負のリード線を切断しえる。これは結果として、バッテリ３００とインターフェースコネクタ１０２とを分離して、一切のエネルギーが不具合バッテリセルに供給されるのを防ぐことにより、熱暴走の事象を減少させる。

別の実施形態では、ＶＯＣセンサ２１０は、独立したマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）装置にインターフェースされていてもよい。そして、センサ２１０は、非選択的またはターゲットされたＶＯＣの測定処理のためにプログラムされてもよい。そして、センサ２１０は、デジタルまたはアナログ信号を提供してもよく、デジタルまたはアナログ信号を有線システム２２０を介して制御回路２３０へ送信してもよい。そして、センサ２１０は、さらなる処理のために他のマイクロプロセッサに接続されてもよい。

他の実施形態では、制御回路２３０内で、ＶＯＣセンサ２１０からの信号の処理は、外部のデジタル信号として、インターフェース接続ライン２４０を介して、外部インターフェース接続部１０２を通じて、バッテリアセンブリ１０１の外へ送られてもよい。その信号は、バッテリ３００の不具合に関する危険性を示してもよい。外部処理は、例えば、バッテリアセンブリ１０１への入力電力を絶つのに使用されてもよい。

開示された発明は、他の電子機器内における過熱した電子部品の検出に用いられてもよい。その理由は、一定の電子部品の不具合は、完全な不具合の前、および他の既存の保護及び監視システムがストレスを受けた部品に反応し得る前に、不良部品のガス放出というかたちで出現し得るからである。

図３は、複数セルの実施形態を示し、各バッテリセルは関連付けられた制御ユニット及びＶＯＣセンサを有する。
一実施形態では、ＶＯＣセンサ２１０は電源内蔵型であってもよい。例えば、バッテリ３００からの過剰な放出レベルのＶＯＣのあらゆる検出はバッテリセル３００が危険なレベルに達する前に生じることになり、そして、シャットダウンが必要となるようになるため、バッテリセル３００は、ＶＯＣセンサ自体に電力を供給するのに使用されてもよい。

一実施形態では、バッテリセル３００の物理的切断は、電気制御スイッチを介して達成されてもよい。スイッチは、入力電源とバッテリセルとの間に配置されてもよく、スイッチは、制御回路により制御される。スイッチはまた、別の適切な場所に配置されてもよい。そして、スイッチは、ＶＯＣのレベルが上昇したこと、またはＶＯＣのレベルが閾値を超えたことを検出すると、バッテリセルおよび入力電源を切断するようにトグルされるか切り替えられてもよい。

さらなる実施形態では、バッテリセル３００は、遮断信号により入力電源から切断されてもよい。ＶＯＣのレベルが上昇したこと、またはＶＯＣのレベルが閾値を超えたことを検出すると、遮断信号が制御回路から生成されてもよく、遮断信号はその後にバッテリシステムから外部制御システムへと伝達される。これにより、入力電源の外部切断がもたらされる。

開示された主題は、その実施形態に関して記載及び図示されたが、開示された実施形態の特徴は、本発明の範囲内において追加の実施形態を創造するために組み合わせたり、再構成することなどが可能であり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の種々の変更、省略、および追加がなされうることを、当業者は理解するはずである。

Claims

バッテリシステム（１００）であって、
少なくとも１つのバッテリセル（３００）およびバッテリ制御回路（２３０）を含むバッテリパッケージアセンブリ（１０１）であって、前記バッテリ制御回路（２００）は、更に、内部揮発性有機化合物（ＶＯＣ）センサ（２１０）および制御回路（２３０）を備え、前記少なくとも１つのバッテリセル（３００）は、前記バッテリ制御回路（２３０）に接続されている、バッテリパッケージアセンブリ（１０１）と、
外部インターフェース接続部（１０２）と
を備え、
前記ＶＯＣセンサ（２１０）は、前記少なくとも１つのバッテリセル（３００）のうちの少なくとも１つの不具合または切迫している不具合を示す、前記バッテリパッケージアセンブリ（１０１）内のＶＯＣの存在を検出するように構成されている、
バッテリシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記バッテリ制御回路（２００）は、ＶＯＣの存在の所定の閾値が超えられたという指示を前記ＶＯＣセンサ（２１０）から受信するように構成されている、
システム。
請求項２に記載のシステムであって、
前記バッテリ制御回路（２００）は、更に、ＶＯＣの存在の所定の閾値が超えられたという警告を前記外部インターフェース接続部（１０２）に伝達するように構成されている、
システム。
請求項２に記載のシステムであって、
前記バッテリ制御回路（２００）は、前記バッテリ制御回路（２３０）が前記指示を受信すると、前記少なくとも１つのバッテリセル（３００）を切断するように構成されている、
システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記内部ＶＯＣセンサ（２１０）は、有線システム（２２０）を介して前記制御回路と通信する、
システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記外部インターフェース接続部（１０２）は、インターフェース接続ライン（２４０）を介して前記制御回路（２３０）と通信する、
システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つのバッテリセル（３００）は、少なくとも１つのリチウムイオンバッテリセルである、
システム。
バッテリシステム（１００）であって、
複数のバッテリセル（３００）およびバッテリ制御回路（２００）を含むバッテリパッケージアセンブリ（１０１）を備え、
前記バッテリ制御回路（２００）は、更に、各々が前記複数のバッテリセル（３００）のうちの１つに関連付けられた複数の内部揮発性有機化合物（ＶＯＣ）センサ（２１０）と、各々が前記複数のバッテリセル（３００）のうちの１つに関連付けられた複数の制御回路（２３０）とを備え、
前記複数の制御回路（２３０）の各々は、外部インターフェース接続部（１０２）と各々通信し、
各ＶＯＣセンサ（２１０）は、関連付けられている前記バッテリセル（３００）が発するＶＯＣの存在を検出するように構成されている、
バッテリシステム。
請求項８に記載のシステムであって、
前記制御回路（２３０）は、関連付けられている前記ＶＯＣセンサ（２１０）から、ＶＯＣの存在の所定の閾値が超えられたという指示を受信するように構成されている、
システム。
請求項９に記載のシステムであって、
前記所定の閾値が超えられたという前記指示を受信する前記制御回路（２３０）は、更に、関連付けられている前記バッテリセル（３００）に関する警告を、前記外部インターフェース接続部（１０２）へ伝達するように構成されている、
システム。
請求項８に記載のシステムであって、
前記所定の閾値が超えられたという前記指示を受信する前記制御回路（２３０）は、更に、前記関連付けられているバッテリセル（３００）を切断するように構成されている、
システム。
請求項８に記載のシステムであって、
各ＶＯＣセンサ（２１０）は、有線システム（２２０）を介して、関連付けられている制御回路（２３０）と通信する、
システム。
請求項８に記載のシステムであって、
各バッテリセル（３００）は、リチウムイオンバッテリセルである、
システム。