JP2020529705A - バッテリーセルのスウェリングの探知システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリーセルのスウェリングの探知方法及びシステムに係り、さらに詳しくは、別途の追加の装置なしに、バッテリーモジュールに既に搭載されている温度センサーを用いて、バッテリーセルのスウェリングを探知する方法及びシステムに関する。

Description

本発明は、バッテリーセルのスウェリングを探知するシステム及び方法に係り、さらに詳しくは、別途の追加装置なしに、バッテリーモジュールに既に搭載されている温度センサーを用いて、バッテリーセルのスウェリングの発生の有無を探知するシステム及び方法に関する。

近年、携帯用パソコン、携帯電話、カメラなどの携帯用機器に関する技術の開発が盛んに行われており、且つ、携帯用機器への需要が高まることに伴い、エネルギー源としてのバッテリーへの需要が急増しており、これらのバッテリーの中でも、エネルギー密度と作動電位を示し、サイクル寿命が長い他、自己放電率が低いリチウムイオンバッテリーへの取り組みが持続的に行われており、商用レベルに至って汎用されている。

特に、パウチ型バッテリーは、顧客のニーズに応えてその構造を種々のタイプに変更しやすく、製品の応用力に優れている他、金属缶タイプのバッテリーケースを使用するバッテリーに比べて多品種少量生産に有利であるというメリットを有している。

しかしながら、パウチ型リチウムイオンバッテリーは、リチウムイオン活物質の特性からみて、使用期限を経過すると、その劣化度に応じて膨らむといったスウェリング（膨張、Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が不回避的に生じてしまう。

バッテリーは、初期の設計とは異なる運用方式及びその使用環境により、設計年限よりも早い時期に特定の劣化状態に至ってしまう虞があり、これにより、スウェリング現象の生じたバッテリーを使用し続ける場合、バッテリーの寿命及び安定性に影響を及ぼす虞があるため、スウェリング現象が生じた場合、これを速やかに感知／探知して対応を取らなければ、バッテリーのシステムの性能の保持、ダメージの防止、その他の安全事故の防止などを図ることができない。

このためのバッテリーのスウェリングを感知／探知する従来の技術では、バッテリーモジュールに別途の追加センサー（例えば、圧力センサー）を搭載して、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を感知したり、バッテリーモジュールにバッテリーを冷却させる冷却ファンの流量を測定する流量計を搭載し、流量計において測定される流量を周期的に検査して、これに基づいてバッテリーのスウェリング有無を判断し、またはバッテリーモジュールを回収した後に自ら分解して検査したりする方式を採用していた。

しかしながら、これらの従来の技術は、バッテリーモジュールのセルのスウェリングの発生の有無を遠隔にて探知することができず、バッテリーモジュールに別途の追加装置（例えば、流量計または圧力センサー）が搭載されることを余儀なくされるためコストアップが招かれ、バッテリーモジュールの内部空間の活用性の面からみて効率性が低下するという問題があった。なお、バッテリーモジュールを回収した後に分解するといった検査方式は煩雑であり、しかも、長い時間がかかるという問題があった。

日本国特許公開公報２０１２−１１０１２９号

したがって、本発明は、上記の従来の技術に見られる問題を解決するためのものであり、別途の追加装置を搭載することなく、効率よくバッテリーセルのスウェリングを探知するシステム及び方法を提供することを目的としている。

本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知システムは、一つ以上のセルを含んでなるバッテリーモジュールと、前記バッテリーモジュールを冷却させる冷却ファンと、前記バッテリーモジュール内に配備されて、一定の周期おきに前記バッテリーモジュールの温度を測定する第１及び第２の温度測定部と、前記第１及び第２の温度測定部において測定されるバッテリーモジュールの温度に基づいて、前記冷却ファンの動作有無を判断して、前記冷却ファンの動作を制御する冷却ファン制御部と、前記第１及び第２の温度測定部において測定されたバッテリーモジュールの温度を用いて、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断するスウェリング発生判断部と、を備えてなる。

具体的には、前記冷却ファン制御部は、前記第１及び第２の温度測定部においてそれぞれ測定された第１及び第２の温度値のうち、最大の温度値を取り出す最大温度取出部と、算出された最大の温度値と所定の異常状態判断値とを比較する最大温度比較部と、前記最大温度比較部における比較の結果に基づいて、前記冷却ファンの動作有無を判断する冷却ファン動作有無判断部と、を備えてなり、前記冷却ファンの動作有無の判断の結果に基づいて、前記冷却ファンの動作を制御することを特徴とする。

また、前記冷却ファン制御部は、前記冷却ファンの動作が必要であると判断された場合、冷却ファン動作オン（Ｏｎ）信号を生成して前記冷却ファンに引き渡し、前記冷却ファンの動作が不要であると判断された場合、冷却ファン動作オフ（Ｏｆｆ）信号を生成して前記冷却ファンに引き渡して冷却動作を制御することを特徴とする。

一方、前記スウェリング発生判断部は、前記冷却ファンの駆動有無を感知する冷却ファン駆動感知部と、前記第１及び第２の温度測定部において測定された第１及び第２の温度値の差分を算出する温度偏差算出部と、前記算出された温度偏差と所定の第１のスウェリング判断値とを比較する第１のスウェリング比較部と、前記算出された温度偏差と所定の第２のスウェリング判断値とを比較する第２のスウェリング比較部と、を備えてなり、前記温度偏差算出部は、前記冷却ファン駆動感知部により前記冷却ファンが駆動されることが感知された後、所定の時間後に動作することを特徴とする。

このため、前記第１のスウェリング比較部における比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第１場合が発生したと判断し、前記第２のスウェリング比較部における比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第２場合が発生したと判断することを特徴とする。

本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法は、一定の周期おきにバッテリーモジュールの二つ以上の温度を測定する温度測定ステップと、前記温度測定ステップにおいて測定されるバッテリーモジュールの二つ以上の温度値を用いて、バッテリーモジュールの温度の異常状態の有無を判断する異常状態判断ステップと、前記異常状態判断ステップにおける判断の結果に基づいて、バッテリーモジュールの冷却ファンを動作させる冷却ファン動作ステップと、前記温度測定ステップにおいて測定された二つ以上の温度値に基づいて、前記バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断するスウェリング発生判断ステップと、を含んでなる。

このとき、前記スウェリング発生判断ステップは、前記冷却ファン動作ステップが行われてから所定の時間後に行われることを特徴とする。

具体的には、前記異常状態判断ステップは、前記二つ以上の温度値のうち、最大の温度値を取り出す最大温度値取出ステップと、前記取り出された最大の温度値と所定の異常状態判断値とを比較する最大温度比較ステップと、を含んでなり、前記最大の温度値が所定の異常状態判断値を超える場合、バッテリーモジュールの温度異常状態が発生したと判断することを特徴とする。

一方、前記スウェリング発生判断ステップは、前記二つ以上の温度値間の差分を算出する温度偏差算出ステップと、前記算出された温度偏差と所定の第１のスウェリング判断値とを比較する第１のスウェリング比較ステップと、を含んでなり、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第１場合が発生したと判断することを特徴とする。

一方、前記スウェリング発生判断ステップでは、前記第１のスウェリング比較ステップにおける比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値以上である場合、前記算出された温度偏差と所定の第２のスウェリング判断値とを比較する第２のスウェリング比較ステップを行うことを特徴とし、前記算出された温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第２場合が発生したと判断することを特徴とする。

本発明は、別途の装置を搭載することなく簡単にバッテリーセルまたはパックのスウェリングの発生を感知／探知することができるので、バッテリーモジュールの生産コストの節減効果が奏される。

また、その適用範囲が限定的ではなく、空冷及び水冷方式など流路によりバッテリーパックの冷却を行うあらゆるシステムに適用可能であるので、パウチ型リチウムイオンバッテリーに加えて、種々のタイプ、素材のバッテリーに適用可能である。

本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知システムの構成を示すブロック図である。 セルスウェリングによる冷却流路の絞り（上述したように、）現象を例示する図である。 冷却流路の絞り現象による冷却性能の落ち込みに伴うモジュール内の温度偏差の異常状態を例示する図である。 本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法の手順図である

以下、添付図面に基づいて、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態をより詳しく説明する。しかしながら、本発明は、異なる様々な形態に具体化され、ここで説明する実施形態に何ら限定されない。なお、図中、本発明を明確に説明するために、説明とは無関係な部分は省略し、明細書の全体を通して、類似の部分に対して類似の図面符号を付している。

「第１の」、「第２の」などのように序数を含む言い回しは、様々な構成要素を説明するうえで使用可能であるが、前記構成要素は、前記言い回しによって何等限定されない。前記言い回しは、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でしか使えない。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない範囲内において第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてもよく、同様に、第２の構成要素もまた第１の構成要素と命名されてもよい。本出願において用いた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであり、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。

明細書の全般に亘って、ある部分が他の部分と「連結」されているとか、「接続」されているとか、と言及された場合、前記ある構成要素が前記他の構成要素に直接的に連結されたり接続されたりすると理解されるべきであるか、または、新たな他の構成要素を介して連結されたり接続されたりすると理解されるべきである。なお、ある部分がある構成要素を「備える（含む）」としたとき、これは、特に断りのない限り、他の構成要素を除外するわけではなく、他の構成要素をさらに備えていてもよいことを意味する。本願の明細書の全般に亘って用いられる度合いの言い回しである「〜（する）ステップ」又は「〜のステップ」は、「〜のためのステップ」を意味するものではない。

本発明において用いられる用語としては、本発明における機能を考慮しつつ、できる限り現在汎広く用いられている一般的な用語を選択したが、これは、当分野に携わっている技術者の意図又は判例、新たな技術の出現などによって異なる。なお、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合、当該する発明の説明の部分の欄において詳しくその意味を記載する。よって、本発明において用いられる用語は、単なる用語の名称ではなく、その用語が有する意味と本発明の全般に亘っての内容を踏まえて定義されるべきである。

以下、添付図面に基づき、本発明について詳しく説明する。

１．本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知システム（図１参照）
本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知システムは、次のような構成要素を備えてなってもよい。

１．１．バッテリーモジュール１００
バッテリーモジュールは、例えば、電力貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ；ＥＳＳ)装置、各種の携帯用機器などに搭載されて電力を供給する構成要素であり、これは、複数のバッテリーセル１１０を含んでなってもよい。

このとき、バッテリーモジュール１００には、当該モジュール識別番号が設定されている。これにより、複数のバッテリーモジュール１００が直列及び並列に接続されて、例えば、一つのバッテリーパックをなす場合、各バッテリーモジュールごとに設定された当該モジュール識別番号を用いて、それぞれのバッテリーモジュールを制御することができる。

１．２．冷却ファン２００
冷却ファン２００は、後述する冷却ファン制御部５００の制御に従って動作して、前記バッテリーモジュール１００が高温状態に曝され続けないようにする構成要素であってもよい。

例えば、バッテリーモジュールの最大の温度が所定の異常状態判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールが高温状態に曝されていてその温度を下げるために冷却ファン２００の動作が必要であると判断されることから、前記冷却ファン制御部５００は、前記冷却ファン２００をオンに制御することができる。これにより、前記冷却ファン２００は、バッテリーモジュールを冷却して高温状態に曝され続けることを防止することができる。

すなわち、前記冷却ファン２００は、バッテリーモジュールが高温状態に入ったと判断された場合に限って、冷却ファン制御部５００の制御により駆動される。

前記冷却ファン２００は、バッテリーモジュール１００を冷却させ易い個所に配備されてもよく、前記バッテリーモジュールの内部に冷媒を投入するか（Ｂｌｏｗｉｎｇ Ｔｙｐｅ）、若しくはバッテリーモジュールの外部に冷媒を排出する（Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ）などして、バッテリーモジュールを冷却させる方式など、公知のバッテリーモジュールの冷却方式を用いて、バッテリーモジュールを冷却させることができる。例えば、前記冷却ファン２００は、バッテリーモジュール１００が実装されるケースの内部に配置されてもよい。

１．３．第１及び第２の温度測定部３００、４００
第１及び第２の温度測定部３００、４００は、図２に示すように、バッテリーモジュール１００内に配備されて一定の周期おきにバッテリーモジュール１００の温度を測定する構成要素であってもよい。

前記第１及び第２の温度測定部３００、４００は、バッテリーモジュール１００の内部、具体的には、バッテリーモジュール１００内に流入する冷媒が通過するように既に設計された冷却流路上の非対称地点にそれぞれ位置して、バッテリーモジュール１００の温度を測定することができる。

しかし、バッテリーモジュール１００内に第１及び第２の温度測定部３００、４００、すなわち、バッテリーモジュール１００内に二つの温度センサーのみが配設されることに何ら限定されるわけではなく、それ以上の数に配設されてバッテリーモジュール１００の温度を測定してもよい。このような場合であっても、バッテリーモジュール１００内の既に設計された冷却流路の上の非対称地点に二つ以上の温度センサーＡが配備されてバッテリーモジュール１００の温度を測定することができる。これは、つまり、上述したように、例えば、図２の参照符号Ａのように位置してバッテリーモジュール１００の温度を測定することができるということを意味する。

このとき、第１及び第２の温度測定部３００、４００は、具体的には後述するが、測定されるそれぞれの温度値の偏差を用いて、バッテリーモジュール内の温度の分布の異常状態を把握するのに用いられるため、その温度の分布状態をより正確に判断できるようにした地点に互いに近づくように位置するよりは、一定の間隔だけ離れて位置することが好ましいといえる。

１．４．冷却ファン制御部５００
冷却ファン制御部５００は、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００において測定されるバッテリーモジュール１００の温度に応じて、前記冷却ファン２００の動作を制御する構成要素であり、その細部構成は、下記の通りである。

イ．最大温度取出部５１０
まず、最大温度取出部５１０は、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００においてそれぞれ測定された第１及び第２の温度値を比較して、それら温度値のうちさらに大きな温度値を取り出す構成要素である。すなわち、第１及び第２の温度測定値のうち、最大の温度値を取り出す。

前記最大温度取出部５１０において、前記第１及び第２の温度値のうち最大の温度値を取り出す理由は、バッテリーモジュール１００内において測定される温度値のうちの最大の温度値と、後述するバッテリーモジュールの温度異常状態を判断する値である所定の異常有無判断値とを比較して、バッテリーモジュール１００の温度の異常状態を判断するためである。

ロ．最大温度比較部５２０
上述したように、前記最大温度取出部５１０を介してバッテリーモジュール１００の最大の温度値が取り出されれば、前記取り出されたバッテリーモジュール１００の最大の温度値と、所定の異常状態判断値とを比較することができる。ここで、バッテリーモジュール１００の温度の異常状態とは、バッテリーモジュール１００の高温状態を意味するため、所定の異常状態判断値とは、バッテリーモジュール１００の高温状態の有無を判断できるように設定された温度値を意味することもある。

このように比較して、その比較結果に基づいて、後述する冷却ファン動作有無判断部５３０は、冷却動作の有無を判断することができる。

ハ．冷却ファン動作有無判断部５３０
冷却ファン動作有無判断部５３０は、前記最大の温度比較部５２０における比較の結果に基づいて、バッテリーモジュール１００の冷却ファン２００の動作有無を判断することができる。

前術したように、冷却ファン２００は、バッテリーモジュール１００が高温状態に晒され続けないようにバッテリーモジュール１００を冷却させる構成要素である。このため、冷却ファン動作有無判断部５３０は、バッテリーモジュール１００の最大の温度値と、所定の異常状態判断値との比較結果に基づいて、バッテリーモジュール１００の温度の異常状態の有無を判断して冷却ファン２００の動作有無を判断することができる。

例えば、比較の結果、バッテリーモジュール１００の最大の温度値が所定の異常状態判断値を超えた場合、当該バッテリーモジュール１００が高温状態に入ったと判断して、バッテリーモジュール１００を冷却させなければならないと判断することができる。これは、つまり、冷却ファン２００を動作させなければならないと判断することを意味する。

これに対し、バッテリーモジュール１００の最大の温度値が所定の異常状態判断値以下である場合、当該バッテリーモジュール１００は、高温状態ではなく、適正な温度状態であることを意味するため、バッテリーモジュール１００を冷却させる必要がないと判断して、冷却ファン２００を動作させないと判断することができる。

このため、冷却ファン制御部５００は、上記のような冷却ファン動作有無判断部５３０における判断の結果に基づいて、冷却ファン２００の動作を制御する信号を生成して、冷却ファン２００の動作を制御することができる。

具体的には、冷却ファン２００を動作させなければならないと判断された場合、冷却ファン動作オン（Ｏｎ）信号を生成して冷却ファン２００に引き渡すことにより、冷却ファン２００の動作を制御することができる。このため、前記冷却ファン動作オン（Ｏｎ）信号を入力された冷却ファン２００が動作することにより、バッテリーモジュール１００を冷却させることができる。

これに対し、冷却ファン２００の動作が不要であると判断された場合には、冷却ファン動作オフ（Ｏｆｆ）信号を生成して冷却ファン２００に引き渡すことにより、冷却ファン２００の動作を制御することができる。このため、前記冷却ファン動作オフ（Ｏｆｆ）信号を入力された冷却ファン２００は、バッテリーモジュール１００を冷却させる動作を行わない。

前術したように、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００は、一定の周期おきにバッテリーモジュールの温度を測定するため、これにより、前記冷却ファン制御部５００もまた、一定の周期おきに、上述したように、バッテリーモジュールが高温状態であるか否かを判断して冷却ファン２００の動作を制御して、バッテリーモジュールが高温状態に晒され続けないように制御することができる。

１．５．スウェリング発生判断部６００
スウェリング発生判断部６００は、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００において測定されたバッテリーモジュール１００の温度値を用いて、バッテリーモジュール１００のスウェリングの発生の有無を判断する構成要素である。具体的な細部構成は、下記の通りである。

イ．冷却ファン駆動感知部６１０
冷却ファン駆動感知部６１０は、前記冷却ファン２００の冷却動作の有無を感知する構成要素である。これは、前記冷却ファン制御部５００と接続されて、そこから出力される冷却ファン動作オン（Ｏｎ）／オフ（Ｏｆｆ）信号に基づいて、冷却ファン２００の駆動有無を感知することができる。

前記冷却ファン制御部５００から冷却ファン動作オン（Ｏｎ）信号が出力されれば、これを感知して、冷却ファン２００が駆動されることを確認することができる。確認されれば、冷却ファン２００の駆動を知らせる冷却ファン駆動信号を生成して、後述する温度偏差算出部６２０に出力してもよい。

このように構成される理由は、本発明は、バッテリーモジュール１００内のセルのスウェリングの発生に伴う冷却流路の絞りをバッテリーモジュール１００の温度分布異常であると探知して、バッテリーモジュール１００のスウェリングの発生を判断する原理を利用したものであるため、バッテリーモジュール１００の温度の異常状態（高温状態）に応じて、冷却ファン２００が駆動される環境下でバッテリーモジュール１００のスウェリングの発生の有無を判断／探知することができるので、これを行うための後述する温度偏差算出部６２０は、冷却ファン駆動信号が入力されれば動作するように構成されるのである。

ロ．温度偏差算出部６２０
温度偏差算出部６２０は、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００において測定された第１及び第２の温度値の差分を算出する構成要素であり、上述したように、冷却ファン駆動感知部６１０から冷却ファン駆動信号を入力された場合に動作することができる。このとき、前記冷却ファン駆動信号を入力されてから、所定の時間後に動作することができる。

その理由は、本発明は、冷却動作後に、バッテリーモジュール１００内の冷却流量の変化に伴う温度分布の異常状態をみて、セルのスウェリングの発生を判断するといった原理を利用するものであるため、バッテリーモジュール１００の冷却動作がある程度行われた後にその内部の温度の分布状態をみてスウェリングの有無を判断することがより向上した正確性にて行われる。そのため、冷却ファン駆動信号を入力されてから、所定の時間が経った後に温度偏差を算出することにより、スウェリングの判断に用いられることが好ましいといえる。

一方、前記第１及び第２の温度測定部３００、４００の構成の欄において説明したように、例えば、バッテリーモジュール１００内に二つの温度センサー（第１及び第２の温度測定部）以上に構成される場合には、次のようにして温度偏差を算出してもよい。

例えば、バッテリーモジュール１００内に４つの温度センサーが構成される場合、これらをそれぞれ第１乃至第４の温度測定部と称して説明する。第１乃至第４の温度測定部においてそれぞれ測定された温度値を第１乃至第４の温度値とすれば、温度偏差算出部６２０は、これらから温度偏差を算出するとき、第１及び第３の温度測定部を一つのグループ（以下、第１の温度グループ）に設定し、第２及び第４の温度測定部を一つのグループ（以下、第２の温度グループ）に設定し、第１及び第３の温度値の平均を算出して第１の温度グループの代表温度として、第２及び第４の温度値の平均を算出して第２の温度グループの代表温度として算出することができる。

これにより、温度偏差算出部６２０は、上述したようにして算出された第１の温度グループの代表温度と第２の温度グループの代表温度との差分を算出することにより、温度偏差を算出することができる。

このような場合の他に、４つの温度センサー以上に構成される場合であっても、上記のように二つの温度グループに分類し、各温度グループに含まれる温度値の平均を当該温度グループの代表温度として算出することにより、二つの温度グループ間の温度偏差を算出することができる。

ハ．第１のスウェリング比較部６３０
第１のスウェリング比較部６３０は、前記温度偏差算出部６２０において算出された温度偏差と、バッテリーモジュール１００のスウェリングの発生の有無を判断するための値である所定の第１のスウェリング判断値とを比較する構成要素である。

ここで、前記所定の第１のスウェリング判断値は、バッテリーモジュール１００のスウェリング第１場合の発生の有無を判断するために設定された値であり、バッテリーモジュールの正常判定許容範囲の下限値を意味し、これは、モジュールパックの大きさ、構造、セルの配置形態及び冷却流路（冷媒通路）の設計要素に応じて実験的に取り出されて設定されてもよい。

前記スウェリング発生判断部６００は、前記第１のスウェリング比較部における比較の結果に基づいて、バッテリーモジュール１００のスウェリング第１場合の発生の有無を判断することができる。

その比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュール１００にスウェリング第１場合が発生したと判断することができる。前記スウェリング第１場合とは、深刻なスウェリング状態であって、当該バッテリーモジュールの冷却が到底行えない状態を意味することがある。

このとき、上述したように、前記温度偏差算出部６２０は、前記冷却ファン駆動感知部６１０により冷却ファン２００が駆動されることが感知された場合に動作するものであり、冷却ファン２００が駆動されるということは、第１及び第２の温度値のうちの最大の温度値がバッテリーモジュール１００の高温状態の有無を判断する値である異常状態判断値を超えた場合であることを意味する。したがって、第１及び第２の温度値の差分である温度偏差がバッテリーモジュール１００の正常判定許容範囲の下限値である第１のスウェリング判断値未満であるということは、第１及び第２の温度値が両方とも異常状態判断値を超えた状態であることを意味することから、冷却ファン２００が駆動されるにも拘わらず、バッテリーモジュール１００の高温状態が解消されない、すなわち、バッテリーモジュール１００内の冷却動作が正常に行われないことを意味するため、このような場合に相当するスウェリング第１場合を、深刻なスウェリング状態であって、バッテリーモジュール１００の冷却が到底行えない状態であることを意味することがある。

ニ．第２のスウェリング比較部６４０
第２のスウェリング比較部６４０は、前記温度偏差算出部６２０において算出された温度偏差と、バッテリーモジュール１００のスウェリングの発生の有無を判断するための値である所定の第２のスウェリング判断値とを比較する構成要素である。

ここで、前記所定の第２のスウェリング判断値は、バッテリーモジュール１００のスウェリング第２場合の発生の有無を判断するために設定された値であり、バッテリーモジュール１００の正常判定許容範囲の上限値を意味し、これは、上述したように、モジュールパックの大きさ、構造、セルの配置形態及び冷却流路（冷媒通路）の設計要素に応じて実験的に取り出されて設定されてもよい。

前記スウェリング発生判断部６００は、前記第２のスウェリング比較部における比較の結果に基づいて、バッテリーモジュール１００のスウェリング第２場合の発生の有無を判断することができる。

その比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュール１００にスウェリング第２場合が発生したと判断することができる。前記スウェリング第２場合とは、前記スウェリング第１場合よりも良好な状態である重症なスウェリング状態であって、当該バッテリーモジュール１００の一部の冷却流路が遮蔽された状態であることを意味することがある。

このとき、上述したように、前記温度偏差算出部６２０は、前記冷却ファン駆動感知部６１０により冷却ファン２００が駆動されることが感知された場合に動作するものであり、冷却ファン２００が駆動されるということは、第１及び第２の温度値のうちの最大の温度値がバッテリーモジュール１００の高温状態の有無を判断する値である異常状態判断値を超えた場合であることを意味する。したがって、第１及び第２の温度値の差分である温度偏差がバッテリーモジュール１００の正常判定許容範囲の上限値である第２のスウェリング判断値を超えたということは、第１及び第２の温度値のうちのどちらか一方の温度値が異常状態判断値を超えた状態であり、且つ、もう一方の温度値はバッテリーモジュール１００の正常判定許容範囲に収まれている状態であることを意味するため、これは、バッテリーモジュール１００内に発生したセルスウェリング地点の以前までは冷却動作が行われるが、冷却流路の絞りによりセルのスウェリング地点以降には冷却が行われず、当該バッテリーモジュール１００の部分の高温状態が解消されていないことを意味することがある。したがって、このような場合であるスウェリング第２場合を、重症なスウェリング状態であって、当該バッテリーモジュール１００の一部の冷却流路が遮蔽された状態であると判断することができる。

このように判断できる根拠は、図２を参照すれば、バッテリーモジュール１００内のセルにスウェリング現象が発生すれば、膨らんだセルにより、冷却ファン２００により流入する冷媒が通過する冷却流路の絞りが生じてしまう結果、その空間が足りなくなることに起因して、前記冷却流路の絞りが生じた地点以降の部分の冷却を行うことができず、バッテリーモジュール１００内の冷却流量の変化が生じてしまう。これにより、図３を参照すれば、本発明は、バッテリーモジュール１００内の冷却の均一度が低下して、バッテリーモジュール１００の正常判定許容範囲、すなわち、第１のスウェリング判断値〜第２のスウェリング判断値の区間を外れる特異偏差状態であるスウェリング第１場合またはスウェリング第２場合が発生するため、セルのスウェリングにより発生する冷却流路の絞り現象に伴う冷却流量の変化を温度分布の異常状態であると探知できるといった原理を利用したものである。したがって、冷却ファン２００の駆動に際して、バッテリーモジュール１００内の非対称地点に位置する第１及び第２の温度測定部３００、４００においてそれぞれ測定された温度値の差分である温度偏差を用いて、上述したように、バッテリーモジュール１００のスウェリングの発生の有無を判断することができる。前記図３は、スウェリングの発生の際に現れる温度特異偏差といった現象を説明するために、複数のバッテリーモジュール１００ａ〜１００ｅのうち特定のバッテリーモジュール１００ｃ、１００ｅにおいて温度特異偏差といった現象が現れることを例示している。

１．６．メモリー部７００
メモリー部７００は、バッテリーモジュール１００の温度の異常状態及びスウェリングの発生の有無を判断するための基準データを保存する構成要素である。前記基準データは、前記冷却ファン制御部５００においてバッテリーモジュール１００の温度の異常状態、すなわち、高温状態への進入有無を判断するための異常状態判断値、前記スウェリング発生判断部６００においてバッテリーモジュール１００のスウェリング第１場合の発生の有無を判断するための第１のスウェリング判断値、及びスウェリング第２場合の発生の有無を判断するための第２のスウェリング判断値を含んでなってもよい。

１．７．報知部８００
本発明は、前記スウェリング発生判断部６００においてバッテリーモジュール１００に含まれているセルにスウェリングが発生したと判断されれば、これをマネージャーやユーザーに知らせる報知部８００をさらに備えてなってもよい。

前記報知部８００は、前記スウェリング発生判断部における判断の結果に基づいて、当該バッテリーモジュール識別番号、スウェリング第１場合若しくはスウェリング第２場合のスウェリングの度合いなどの情報を紐付けてディスプレイすることにより、マネージャーやユーザーに認識せしめるように提供することができる。

参考までに、上述した冷却ファン制御部５００、スウェリング発生判断部６００、メモリー部７００及び報知部８００は、バッテリー管理システム（ＢＭＳ）に組み込まれる構成要素であってもよい。

また、上述した構成要素１００〜８００は、一つのモジュールパックケース内に含まれる構成要素であってもよく、図１には、説明のしやすさのために、一つのバッテリーモジュール１００のみが示されているが、複数のバッテリーモジュールから構成されてもよく、前術したように、各バッテリーモジュールには当該モジュール識別番号が設定されているため、冷却ファン制御部５００及びスウェリング発生判断部６００は、各モジュール識別番号を用いて、当該バッテリーモジュールの冷却動作の制御及びスウェリングの発生の有無の判断を行うことができる。

２．本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法
図４は、本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法の手順図である。

これを参照して、上述した本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法について説明する。

本発明の実施形態に係るバッテリーセルのスウェリングの探知方法は、バッテリーモジュール内に既に搭載されている少なくとも二つ以上の温度センサーを用いて測定される温度値の偏差を算出し、これに基づいて、バッテリーモジュール内の温度分布の異常状態を判断して、バッテリーモジュールの冷却流路の絞り現象を把握することにより、バッテリーモジュールのセルスウェリングの発生の有無を判断／探知する方法である。

本発明のバッテリーセルのスウェリングの探知方法は、次のような手順に従って行われてもよい。

２．１．温度測定ステップ（Ｓ１００）
温度測定ステップ（Ｓ１００）は、一定の周期おきにバッテリーモジュールの温度を測定するステップである。これは、システムの構成の欄において説明したように、バッテリーモジュール１００内に配備される二つ以上の温度センサーＡを用いて行われてもよい（図２参照）。前記システムの構成の説明においては、二つよりも多い数の温度センサーが構成される場合についても説明したが、以下の手順の説明の欄においては、バッテリーモジュール内に二つの温度センサーが配備された場合を想定して説明し、これを第１及び第２の温度測定部３００、４００と称して説明し、前記第１及び第２の温度測定部において測定される各温度値を第１及び第２の温度値と称して説明する。

具体的には、前記温度測定ステップ（Ｓ１００）は、バッテリーモジュール内の既に設計された冷却流路の上の非対称的な位置にそれぞれ配備される第１及び第２の温度測定部３００、４００により行われ、これにより、第１及び第２の温度値を算出することができる。

２．２．異常状態判断ステップ（Ｓ２００）
異常状態判断ステップ（Ｓ２００）は、前記温度測定ステップにおいて測定される第１及び第２の温度値を用いて、バッテリーモジュールの温度の異常状態の有無を判断するステップである。ここで、前記温度の異常状態とは、バッテリーモジュールが高温状態であることを意味し、これを判断する細部的な手順は、次のように構成可能である。

イ．最大温度値取出ステップ（Ｓ２１０）
最大温度値取出ステップ（Ｓ２１０）は、前記温度測定ステップ（Ｓ１００）において測定された第１及び第２の温度値のうちさらに大きな温度値、すなわち、最大の温度値を取り出すステップである。これは、バッテリーモジュール内の最大の温度値を所定の異常状態判断値と比較すれば、バッテリーモジュールの温度状態が異常状態であるか、すなわち、高温状態であるかを判断することができるためである。

ロ.最大温度比較ステップ（Ｓ２２０）
最大温度比較ステップ（Ｓ２２０）は、前記最大温度値算出ステップ（Ｓ２２０）において算出されたバッテリーモジュールの最大の温度値を所定の異常状態判断値と比較するステップである。

前記所定の異常状態判断値は、バッテリーモジュールが高温状態であるか否かを判断できるように設定された温度値である。

前記比較を通して、その比較の結果に基づいて、バッテリーモジュールの温度の異常状態、すなわち、高温状態を判断することができる。前記バッテリーモジュールの最大の温度値が所定の異常状態判断値を超えると、当該バッテリーモジュールが高温状態に入ったと判断することができる。これに対し、前記バッテリーモジュールの最大の温度値が所定の異常状態判断値以下である場合、当該バッテリーモジュールは、適正な温度状態であると判断することができる。

これは、システムの構成の欄において説明した冷却ファン制御部５００により行われてもよい。

２．３．冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）
冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）は、前記異常状態判断ステップ（Ｓ２００）における判断の結果に基づいて、冷却ファン２００の動作させるステップである。

前記異常状態判断ステップ（Ｓ２００）における判断の結果、バッテリーモジュールが高温状態に入ったと判断された場合、バッテリーモジュールが高温状態に晒され続けることを防止するために、冷却ファン２００を動作させることができる。これにより、前記冷却ファン２００は、当該バッテリーモジュールの冷却動作を行って冷却させることにより、バッテリーモジュールの温度を下げて高温状態から逸脱させることができる。これは、システムの構成の欄において説明した冷却ファン制御部５００により行われてもよい。

これに対し、前記異常状態判断ステップ（Ｓ２００）における判断の結果、バッテリーモジュールが高温状態ではないと判断された場合には、冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）が行われることなく、前記温度測定ステップ（Ｓ１００）に戻って再びバッテリーモジュールの温度状態を測定することができる。

２．４．スウェリング発生判断ステップ（Ｓ４００）
スウェリング発生判断ステップ（Ｓ４００）は、前記温度測定ステップ（Ｓ１００）において測定された第１及び第２の温度値を用いて、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断するステップであり、その細部的な手順は、次のように構成可能である。このとき、前記システムの構成の欄において説明したように、スウェリング発生判断ステップ（Ｓ４００）は、前記冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）が行われてから所定の時間後に動作することが好ましい。これは、上述した前記冷却ファン駆動感知部６１０から冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）が行われることを意味する冷却ファン駆動信号を入力されてから、所定の時間後に動作することを意味する。

イ．温度偏差算出ステップ（Ｓ４１０）
温度偏差算出ステップ（Ｓ４１０）は、前記第１及び第２の温度値の差分を算出するステップである。これは、バッテリーモジュール内のスウェリングの発生に伴う冷却流路の絞り現象をバッテリーモジュールの冷却流量の変化に伴う温度分布の異常であると探知して、後述するステップを通じてバッテリーモジュールのスウェリングの発生を判断するためである（図２及び図３参照）。

ロ．第１のスウェリング判断ステップ（Ｓ４２０）
第１のスウェリング判断ステップ（Ｓ４２０）は、前記温度偏差算出ステップ（Ｓ４１０）において算出されたバッテリーモジュールの温度偏差と、所定の第１のスウェリング判断値とを比較して、その比較の結果に基づいて、バッテリーモジュールのスウェリング第１場合の発生の有無を判断するステップである。

ここで、前記所定の第１のスウェリング判断値は、バッテリーモジュールのスウェリング第１場合の発生の有無を判断するために設定された値であり、バッテリーモジュールの正常判定許容範囲の下限値を意味することがある。これは、モジュールパックの大きさ、構造、セルの配置形態及び冷却流路（冷媒通路）の設計要素に応じて実験的に取り出されて設定されてもよい。前記バッテリーモジュールの温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュールは、スウェリング第１場合が発生したと判断することができる。前記スウェリング第１場合とは、深刻なスウェリング状態であって、当該バッテリーモジュールの冷却がそれ以上到底行えない状態であることを意味することがある。

このように、バッテリーモジュールがスウェリング第１場合である判断されれば、その判断結果を当該バッテリーモジュール識別番号とともにマネージャーやユーザーに報知・提供することができる。

したがって、これを認知したマネージャー／ユーザーがこれに相当する対応を取ることができて、システムのダメージを防止して性能を保持できるようにし、当該バッテリーモジュールのスウェリング第１場合を探知できずに持続された場合、これにより発生し得る各種の危険な事故を防止することができる。

ハ．第２のスウェリング判断ステップ（Ｓ４３０）
前記第１のスウェリング判断ステップ（Ｓ４２０）において、前記バッテリーモジュールの温度偏差が第１のスウェリング判断値以上である場合、当該バッテリーモジュールは、スウェリング第１場合が発生しなかったと判断し、第２のスウェリング判断ステップ（Ｓ４３０）が行われてもよい。

前記第２のスウェリング判断ステップ（Ｓ４３０）は、前記バッテリーモジュールの温度偏差と、所定の第２のスウェリング判断値とを比較して、バッテリーモジュールのスウェリング第２場合の発生の有無を判断するステップである。ここで、前記所定の第２のスウェリング判断値は、バッテリーモジュールのスウェリング第２場合の発生の有無を判断するために設定された値であり、バッテリーモジュールの正常判定許容範囲の上限値を意味し、これは、前述したように、モジュールパックの大きさ、構造、セルの配置形態及び冷却流路（冷媒通路）の設計要素に応じて実験的に取り出されて設定されてもよい。

前記バッテリーモジュールの温度偏差と所定の第２のスウェリング判断値とを比較して、その比較の結果、前記バッテリーモジュールの温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第２場合が発生したと判断することができる。前記スウェリング第２場合とは、前記スウェリング第１場合よりは良好な状態である重症なスウェリング状態であって、当該バッテリーモジュールの一部の冷却流路が遮蔽された状態であることを意味することがある。

これにより、バッテリーモジュールにより、スウェリング第２場合が発生したが判断されれば、その判断結果を当該バッテリーモジュール識別番号とともにマネージャーやユーザーに報知・提供することができる。したがって、これを認知したマネージャー／ユーザーがこれに相当する対応を取ることができて、システムのダメージを防止して性能を保持できるようにし、当該バッテリーモジュールのスウェリング第２場合を探知できずに持続された場合、これにより発生し得る各種の危険な事故を防止することができる。

これに対し、バッテリーモジュールの温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値以下である場合には、当該バッテリーモジュールは、スウェリング第２場合も発生しなかったと判断し、前記温度測定ステップ（Ｓ１００）に戻って再びバッテリーモジュールの温度状態を探知することができる。前記スウェリング判断ステップ（Ｓ４００）は、前記冷却ファン動作ステップ（Ｓ３００）を用いて冷却ファンが駆動される環境下で行われてもよく、これについてのさらに具体的な説明は、システムの構成の欄におけるスウェリング発生判断部６００を参照されたい。

このように、ステップＳ１００〜Ｓ４００を用いてバッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断できる根拠は、バッテリーモジュール内のセルのスウェリングが発生すれば、それにより、バッテリーモジュール内の冷媒通路である冷却流路が絞られるといった現象が発生してしまって、バッテリーモジュール内の冷却の流量の変化が生じてしまう。これにより、冷却ファンの動作に際して、冷却ファンからバッテリーモジュール内へと流入する冷媒が通過する空間（冷却流路）が足りなくなることにより、セルのスウェリングによる冷却流路の絞り現象が発生した地点以降の部分の冷却を行えなくなる。これにより、本発明は、バッテリーモジュール内の冷却の均一度が低下して、バッテリーモジュールの正常判定許容範囲、すなわち、第１のスウェリング判断値〜第２のスウェリング判断値の区間を外れる特異偏差状態であるスウェリング第１場合またはスウェリング第２場合が発生するため、セルのスウェリングにより発生する冷却流路の絞り現象に伴う冷却流量の変化を温度分布の異常状態であると探知できるといった原理を利用したものである（図２、図３参照）

したがって、冷却ファンの駆動に際して、バッテリーモジュール内の非対称地点に位置する温度センサーにより測定される温度値の偏差を用いて、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断することができる。

これにより、バッテリーモジュールのスウェリングを感知／探知するために別途の装置（例えば、流量計）をさらに搭載せずとも、バッテリーモジュール内に既に搭載されている温度センサーを用いて、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断することにより、スウェリングの発生したバッテリーモジュールを検出し、これに対する対応を取ることができて、バッテリーシステムのダメージを防止してその性能を保持することができ、スウェリングの発生したバッテリーモジュールを探知できずに引き起こされ得る各種の安全事故を予防することができる。

一方、本発明の技術的思想は、前記実施形態に基づいて具体的に記述されたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに留意すべきである。なお、本発明の技術分野における当業者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が実施可能であるということが理解できる筈である。

１００ バッテリーモジュール
１１０ バッテリーセル
２００ 冷却ファン
３００ 第１の温度測定部
４００ 第２の温度測定部
５００ 冷却ファン制御部
５１０ 最大温度取出部
５２０ 温度比較部
５２０ 最大温度比較部
５３０ 冷却ファン動作有無判断部
６００ スウェリング発生判断部
６１０ 冷却ファン駆動感知部
６２０ 温度偏差算出部
６３０ 第１のスウェリング比較部
６４０ 第２のスウェリング比較部
７００ メモリー部
８００ 報知部

Claims (9)

1. バッテリーセルのスウェリングの探知システムにおいて、
   一つ以上のセルを含んでなるバッテリーモジュールと、
   前記バッテリーモジュールを冷却させる冷却ファンと、
   前記バッテリーモジュール内に配備されて、一定の周期おきに前記バッテリーモジュールの温度を測定する第１及び第２の温度測定部と、
   前記第１及び第２の温度測定部において測定されるバッテリーモジュールの温度に基づいて、前記冷却ファンの動作有無を判断して、前記冷却ファンの動作を制御する冷却ファン制御部と、
   前記第１及び第２の温度測定部において測定されたバッテリーモジュールの温度を用いて、バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断するスウェリング発生判断部と、
   を備えてなるスウェリングの探知システム。
2. 前記冷却ファン制御部は、
   前記第１及び第２の温度測定部においてそれぞれ測定された第１及び第２の温度値のうち、最大の温度値を取り出す最大温度取出部と、
   算出された最大の温度値と所定の異常状態判断値とを比較する最大温度比較部と、
   前記最大温度比較部における比較の結果に基づいて、前記冷却ファンの動作有無を判断する冷却ファン動作有無判断部と、
   を備えてなり、
   前記冷却ファンの動作有無の判断の結果に基づいて、前記冷却ファンの動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のスウェリングの探知システム。
3. 前記冷却ファン制御部は、
   前記冷却ファンの動作が必要であると判断された場合、冷却ファン動作オン（Ｏｎ）信号を生成して前記冷却ファンに引き渡し、
   前記冷却ファンの動作が不要であると判断された場合、冷却ファン動作オフ（Ｏｆｆ）信号を生成して前記冷却ファンに引き渡して冷却動作を制御することを特徴とする請求項２に記載のスウェリングの探知システム。
4. 前記スウェリング発生判断部は、
   前記冷却ファンの駆動有無を感知する冷却ファン駆動感知部と、
   前記第１及び第２の温度測定部において測定された第１及び第２の温度値の差分を算出する温度偏差算出部と、
   前記算出された温度偏差と所定の第１のスウェリング判断値とを比較する第１のスウェリング比較部と、
   前記算出された温度偏差と所定の第２のスウェリング判断値とを比較する第２のスウェリング比較部と、
   を備えてなり、
   前記温度偏差算出部は、前記冷却ファン駆動感知部により前記冷却ファンが駆動されることが感知された後、所定の時間後に動作することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスウェリングの探知システム。
5. 前記第１のスウェリング比較部における比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第１場合が発生したと判断し、
   前記第２のスウェリング比較部における比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第２場合が発生したと判断することを特徴とする請求項４に記載のスウェリングの探知システム。
6. バッテリーセルのスウェリングの探知方法において、
   一定の周期おきにバッテリーモジュールの二つ以上の温度を測定する温度測定ステップと、
   前記温度測定ステップにおいて測定されるバッテリーモジュールの二つ以上の温度値を用いて、バッテリーモジュールの温度の異常状態の有無を判断する異常状態判断ステップと、
   前記異常状態判断ステップにおける判断の結果に基づいて、前記バッテリーモジュールの冷却ファンを動作させる冷却ファン動作ステップと、
   前記温度測定ステップにおいて測定された二つ以上の温度値に基づいて、前記バッテリーモジュールのスウェリングの発生の有無を判断するスウェリング発生判断ステップと、
   を含んでなり、
   前記スウェリング発生判断ステップは、前記冷却ファン動作ステップが行われてから所定の時間後に行われることを特徴とするスウェリングの探知方法。
7. 前記異常状態判断ステップは、
   前記二つ以上の温度値のうち、最大の温度値を取り出す最大温度値取出ステップと、
   前記取り出された最大の温度値と所定の異常状態判断値とを比較する最大温度比較ステップと、
   を含んでなり、
   前記最大の温度値が所定の異常状態判断値を超える場合、バッテリーモジュールの温度異常状態が発生したと判断することを特徴とする請求項６に記載のスウェリングの探知方法。
8. 前記スウェリング発生判断ステップは、
   前記二つ以上の温度値間の差分を算出する温度偏差算出ステップと、
   前記算出された温度偏差と所定の第１のスウェリング判断値とを比較する第１のスウェリング比較ステップと、
   を含んでなり、
   前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値未満である場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第１場合が発生したと判断することを特徴とする請求項６又は７に記載のスウェリングの探知方法。
9. 前記スウェリング発生判断ステップでは、
   前記第１のスウェリング比較ステップにおける比較の結果、前記算出された温度偏差が所定の第１のスウェリング判断値以上である場合、前記算出された温度偏差と所定の第２のスウェリング判断値とを比較する第２のスウェリング比較ステップを行うことを特徴とし、
   前記算出された温度偏差が所定の第２のスウェリング判断値を超える場合、当該バッテリーモジュールにスウェリング第２場合が発生したと判断することを特徴とする請求項８に記載のスウェリングの探知方法。

Images