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 - Google Patents
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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
[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。
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。
[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。
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、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 (13)
- 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。
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