JP2020181678A - 電池パックの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの異常をより確実に検出することができる電池パックの異常検出装置を提供する。【解決手段】電池セル３が電池ケース２内に収容された電池パック１における異常を検出する異常検出装置１０であって、電池セル３から排出されるガスの臭気レベルを検出する臭気センサー１３と、臭気センサー１３で検出された臭気レベルに基づいて電池セル３の異常を検出する異常検出部１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の電池パックの異常を検出する電池パックの異変検出装置に関する。

電動機（モータ）を動力源として備える電気自動車やハイブリッド車等の電動車両には、電動機に電力を供給するための電池パックが搭載されている。電池パックは、複数の電池セルと、これら複数の電池セルを収容するケースとを備えており、各電池セルはケース内で電気的に接続されている。

各電池セルの構造は様々あるが、例えば、正極板、負極板及びセパレータを含む発電要素を電解液と共に容器内に収容し、この容器を蓋部材によって密閉するようにしたものがある。このような電池セルにおいては、例えば、容器内に金属ごみ等の異物が混入していると、この異物によって内部短絡（ショート）が発生してしまう虞がある。

内部短絡が生じると、容器内の温度が上昇すると共にガスが発生し、容器内の圧力が上昇してしまうことがある。このため電池セルには、一般的に、容器内の圧力が所定値まで上昇すると開弁する安全弁が設けられ、圧力上昇による破裂を抑制している。

また、複数の電池セルが容器内に密封されている電池パックにおいては、内部短絡に伴い安全弁が開弁すると、その電池セルの熱の影響を受けて、隣接する正常な電池セルでも内圧が上昇して安全弁が開弁してしまうといった状況（いわゆる熱連鎖）に陥る虞がある。このため、電池パックにおいては各電池セルの異常（安全弁の開弁）を適切に検出し、早期に対処することが好ましい。

電池セルにおける安全弁の開弁（内部圧力の上昇）を検出するための技術は様々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術では、電池セルの安全弁が開いて内部からガスが放出されたときに、当該ガスに含まれる一酸化炭素や水素の濃度を検知する。この濃度が所定値以上であれば、安全弁が開弁したと判断する。

しかしながら、一酸化炭素や水素は大気中にも含まれていることから、電池セルに異常はないにも関わらず、電池セルから一酸化炭素等が排出され、安全弁が開弁したと誤判定する可能性がある。

特許第４５８２２０５号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電池セルの異常（安全弁の開弁）をより確実に検出することができる電池パックの異常検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電池セルが電池ケース内に収容された電池パックにおける異常を検出する異常検出装置であって、前記電池セルから排出されるガスの臭気レベルを検出する臭気センサーと、前記臭気センサーで検出された臭気レベルに基づいて前記電池セルの異常を検出する異常検出手段と、を備えることを特徴とする電池パックの異常検出装置にある。

第１の態様では、大気にも含まれる一酸化炭素等に基づく従来技術のように誤判定する可能性を低減し、より正確に、電池セルの異常を検出することができる。また、第１の態様の異常検出装置は、臭気レベルを対象とするものであり、ガス中の特定成分の濃度が低いものであっても、ガス全体として臭気を生じさせるものであれば、電池セルの異常が生じていると判断することができる。このように、第１の態様の異常検出装置は、特定成分の濃度を対象とした場合では検出できないような電池セルの異常を検出することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の電池パックの異常検出装置において、前記異常検出手段は、前記臭気センサーにより検出された臭気レベルが第１の閾値以上であるとき、前記異常として、前記電池セルが熱暴走していることを検出することを特徴とする電池パックの異常検出装置にある。
第２の態様では、電解液の漏出という異常を検出することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の電池パックの異常検出装置において、前記異常検出手段は、前記臭気センサーにより検出された臭気レベルが前記第１の閾値より小さい第２の閾値以上であり、前記第１の閾値未満であるとき、前記異常として、前記電池セルに含まれる電解液が漏出していることを検出することを特徴とする電池パックの異常検出装置にある。
第３の態様では、電池セルの熱暴走という異常を検出することができる。

本発明によれば、電池セルの異常をより確実に検出することができる電池パックの異常検出装置が提供される。

実施形態１に係る異常検出装置の概略図である。 実施形態１に係る異常検出装置の動作を示すフローである。

〈実施形態１〉
図１を用いて、電池パックの異常検出装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態の異常検出装置１０は、電動車両に搭載された電池パック１を異常の検出対象とする。電池パック１は、電動車両（図示せず）の床面の下方に設けられた電池ケース２を備えている。

電池ケース２は、電池セル３を収容する箱状の部材であり、内部には複数の電池セル３がモジュール化されて収容されている。本実施形態では、電池ケース２は、内部の空間が密閉されている。

各電池セル３は、例えば、リチウムイオン電池等の密閉型の二次電池である。特に図示しないが、電池セル３は、容器４、容器４を封止する蓋部材５を備えており、容器４の内部に正極板、負極板及びセパレータを含む電極体（何れも図示せず）が電解液と共に収容されている。電極体は、公知の構造であるため、ここでの説明は省略する。

蓋部材５には、容器４内に収容された電極体の正極板又は負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子（何れも図示せず）が設けられている。蓋部材５にはさらに、これら正極端子及び負極端子間に安全弁６が設けられている。

安全弁６は、蓋部材５の他の部分よりも相対的に脆弱に形成されており、例えば、容器４内で内部短絡（ショート）が生じた際等に、容器４の内圧が所定値に達すると開弁するように構成されている。これにより容器４の内圧が上昇した場合でも、容器４内のガスが開弁した安全弁６から外部に噴出する。したがって、内圧の上昇による容器４の破裂を抑制することができる。

電池ケース２の内部には、臭気センサー１３が設けられている。臭気センサー１３は、電池ケース２の内部において、電池セル３から放出されるガスの臭気を検出する装置である。

具体的には、臭気センサー１３は、臭いの強さを電気信号である臭気レベルに変換する機器であり、上述した電解液に由来するガスの臭気レベルを検出する。臭気センサー１３としては、水晶振動子を用いた脂質膜式センサーや金属酸化物半導体を用いた半導体センサーを用いることができる。脂質膜式センサーは、水晶振動子の表面に脂質膜を形成し、脂質膜に臭気物質が付着したときに変化する周波数を電気的に取り出す仕組みである。また、脂質膜の材料を選択することにより、検知を目的とする臭気物質を選択することができる。半導体センサーでは、臭気物質の金属酸化物半導体への吸着・反応により変化する抵抗値を電気的に取り出す仕組みである。

電池セル３から放出されるガスは、電池セル３の容器４から漏れ出した電解液が一部ガス化したものであったり、電池セル３が熱暴走して開いた安全弁６から放出されたもの（主として電解液が燃焼して生じたガス）である。電解液が漏れ出したときのガスの主成分は、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等である。電池セル３が熱暴走したときのガスの主成分は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、エチレン、プロピレン、エチルメチル等である。

制御装置１１は、電動車両に搭載されたＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。制御装置１１は、インターフェース部を介して車両の各部を制御することで、電動車両の走行、制動、充放電などの各種制御を実現している。

制御装置１１の一機能として、臭気センサー１３で計測された流量に基づいて電池セル３の異常検出が行われる。この異常検出を行う機能は、制御プログラムとして実装された異常検出部１２により実現される。なお、この異常検出部１２は、請求項に記載の異常検出手段の一例である。

異常検出部１２は、臭気センサー１３で検出された臭気レベルに基づいて電池セル３の異常を検出する。電池セル３の異常とは、具体的には、電池セル３に含まれる電解液が漏出したこと、または電池セル３が熱暴走して安全弁６が開いたことが挙げられる。

電池セル３が熱暴走して生じたガスの臭気レベルは、電解液が漏れ出して生じたガスの臭気レベルよりも高い。したがって、臭気レベルによって、電池セル３が熱暴走しているのか、または、電解液が漏れ出しているという異常が生じているかを判断できる。

具体的には、異常検出部１２には、臭気レベルに対する第１の閾値と第２の閾値が設定されている。第２の閾値は、第１の閾値よりも小さい。異常検出部１２は、臭気レベルと第１の閾値及び第２の閾値を比較する。異常検出部１２は、臭気レベルが第２の閾値以上であり第１の閾値未満であるならば、電池セル３から電解液が漏れ出していることを検出する。また、異常検出部１２は、臭気レベルが第１の閾値以上であるならば、電池セル３は安全弁６が開いて熱暴走していることを検出する。

なお、ガスの臭気レベルが第１の閾値または第２の閾値以上になったことを判定する方法としては様々な態様が挙げられる。例えば、ガスの臭気レベルがそれらの閾値以上になった回数を計上し、その回数が所定時間内に所定回数であれば電池セル３の異常と判定する。他に、ガスの臭気レベルの微分値が所定値以上であれば電池セル３の異常と判定してもよい。いずれにしても、ガスの臭気レベルに基づいて電池セル３の異常を判定することができる。

また、上述した第１の閾値及び第２の閾値は、実測により得ることができる。例えば、電池セル３から電解液が漏れ出すような環境、または安全弁６が開くような環境に電池パック１をおき、実際に電解液が漏れ出し、または安全弁６が開いたときのガスの臭気レベルを臭気センサー１３で計測することでそれらの閾値を得ることができる。

また、異常検出部１２により電池セル３の異常が検出されたとき、異常が生じた旨を搭乗者に警告する警報システムを異常検出装置１０に設けてもよい。警報システムとしては、例えば、電動車両に備わる液晶ディスプレイやスピーカーなどの情報伝達のための装置と、このような装置に、電池セル３に異常が生じた旨の情報（文字、画像、図形、音声など）を提示させる制御装置１１の一機能（プログラム）とを挙げることができる。

また、異常検出部１２による電池セル３の異常検出は、常時機能していてもよいし、特定の条件が成立しているときに機能するようにしてもよい。異常検出部１２が電池セル３の異常検出を行っている状態を監視モード、異常検出を行っていない状態を非監視モードと称する。図２を用いて、監視モード及び非監視モードを切替える判定について説明する。

まず、異常検出部１２は、車両のイグニッションスイッチがＯＮであるかを判定する（ステップＳ１）。イグニションスイッチがＯＮであるならば（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、異常検出部１２は監視モードに移行する（ステップＳ５）。

イグニションスイッチがオフであるならば（ステップＳ１：Ｎｏ）、車両に乗員が乗車しているかを判定する（ステップＳ２）。乗員が乗車しているか否かは、例えば、乗員が乗車しているかを検出するシートセンサーにより得ることができる。他にも、車内に設けたカメラにより得られた映像を解析することで車内に乗員が搭乗しているかを判定することができる。

乗員が搭乗している場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、異常検出部１２は、監視モードに移行する（ステップＳ５）。イグニションスイッチがオフであっても、車内に乗員が搭乗していれば、監視モードとなるので、より一層、安全性を高めることができる。

乗員が搭乗していないならば（ステップＳ２：Ｎｏ）、異常検出部１２は、マニュアルスイッチがオンであるかを判定する（ステップＳ３）。マニュアルスイッチは、異常検出部１２に、監視モードに強制的に移行させるためのスイッチである。マニュアルスイッチがオンであれば（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、異常検出部１２は監視モードに移行する（ステップＳ５）。

マニュアルスイッチがオフであれば（ステップＳ３：Ｎｏ）、異常検出部１２は、非監視モードに移行する（ステップＳ４）。

このような特定の条件（ステップＳ１〜ステップＳ３）が成立するときに監視モードとすることにより、乗員に対して安全確保が必要な時に、電池セル３の異常検出を行うことができる。なお、上述のように特定の条件の何れかが成立しているときに監視モードとしてもよいし、特定の条件によらず常時監視モードとしてもよい。

一般に、大気中には、ジメチルカーボネート等の臭気の主成分はほとんど含まれておらず、少なくとも、一酸化炭素や水素よりも遙かに少ない。本実施形態の異常検出装置１０は、大気中にはほとんど存在せず、電池セル３に異常が生じたときに発生する特有のガスの臭気レベルに基づいて電池セル３の異常を検出する。このため、異常検出装置１０は、大気にも含まれる一酸化炭素等に基づく従来技術のように誤判定する可能性を低減し、より正確に、電池セル３の異常を検出することができる。

また、仮に、臭気レベルではなく、特定成分の濃度を対象とした場合では、電池セル３に臭気を伴うような異常が生じているにも関わらず、特定成分の濃度は閾値未満であるので異常が生じていないと判定することがあり得る。

しかしながら、本実施形態の異常検出装置１０は、臭気レベルを対象とするものであり、特定成分の濃度が低いものであっても、ガス全体として臭気を生じさせるものであれば、電池セル３の異常が生じていると判断することができる。このように、異常検出装置１０は、特定成分の濃度を対象とした場合では検出できないような電池セル３の異常を検出することができる。

また、本実施形態の異常検出装置１０は、臭気レベルに応じて、電池セル３の異常を、その程度に応じて検出することができる。具体的には、本実施形態の異常検出装置１０は、臭気レベルが第２の閾値以上、第１の閾値未満であるとき、電解液の漏出という異常を検出することができる。さらに、本実施形態の異常検出装置１０は、臭気レベルが第１の閾値以上であるとき、電池セル３の熱暴走という異常を検出することができる。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、各実施形態で説明した電池パック１は、密閉型の電池ケース２に電池セル３が収納されたものであるが、これに限定されない。例えば、電池セル３を冷却するための空気などが流通する開口などが設けられた非密閉型の電池ケース２でもよい。このような電池ケース２を備えた電池パック１であっても、当該開口に臭気センサー１３を設けることで、外部に排出される空気中のガスの臭気レベルを検出し、当該臭気レベルに基づく電池セル３の異常判定を行うことができる。

上記実施形態では、電池ケース２には、複数の電池セル３と、一つの臭気センサー１３が収納されている構成を例示したがこれに限定されない。例えば、電池セル３及び臭気センサー１３の個数に特に限定はない。臭気センサー１３は、電池ケース２に取り付けられているが、これに限らず、例えば、電池セル３に取り付けてもよい。さらに、電池セル３の安全弁６から放出されるガスを集めて、臭気センサー１３へ導く流路部材を設けてもよい。

異常検出手段としては、制御装置１１で実行されるプログラムである異常検出部１２を例示したがこれに限定されない。異常検出手段は、例えば、異常検出部１２と同等の機能を実現する電子回路であってもよい。

１…電池パック、２…電池ケース、３…電池セル、１０…異常検出装置、１１…制御装置、１２…異常検出部（異常検出手段）、１３…臭気センサー

Claims (3)

1. 電池セルが電池ケース内に収容された電池パックにおける異常を検出する異常検出装置であって、
   前記電池セルから排出されるガスの臭気レベルを検出する臭気センサーと、
   前記臭気センサーで検出された臭気レベルに基づいて前記電池セルの異常を検出する異常検出手段と、を備える
   ことを特徴とする電池パックの異常検出装置。
2. 請求項１に記載の電池パックの異常検出装置において、
   前記異常検出手段は、前記臭気センサーにより検出された臭気レベルが第１の閾値以上であるとき、前記異常として、前記電池セルが熱暴走していることを検出する
   ことを特徴とする電池パックの異常検出装置。
3. 請求項２に記載の電池パックの異常検出装置において、
   前記異常検出手段は、前記臭気センサーにより検出された臭気レベルが前記第１の閾値より小さい第２の閾値以上であり、前記第１の閾値未満であるとき、前記異常として、前記電池セルに含まれる電解液が漏出していることを検出する
   ことを特徴とする電池パックの異常検出装置。
   

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