JP2026052257A - 硫化水素検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを低減しつつ硫化物電解質を有する電池セルを格納する電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することが可能な硫化水素検出装置を提供する。
【解決手段】硫化水素検出装置は、第１ノードと第２ノードとを電気的に接続する配線と、第１ノードと第２ノードとの間の電圧を監視する監視回路と、を備える。配線は、硫化水素と反応して腐食する金属が露出した複数の金属露出部を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、硫化物系電解質を有する電池セルを格納する電池パックに適用される硫化水素検出装置に関する。

電池パックを構成する次世代の電池セルとして全固体電池が注目されている。全固体電池は、電解質が液体である従来の電池と比べて、高い安全性や長寿命などの利点がある。特に硫化物系電解質を用いた全固体電池は、大容量高出力であり、車両のバッテリに利用することが期待されている。

一方で、全固体電池の電池セルとして硫化物系電解質を有する電池セルを構成する場合、故障により硫化水素ガスが発生するおそれがある。硫化水素ガスは有毒であり、また周辺の金属部品を腐食させてしまう。このため、硫化物系電解質を有する電池セルを格納する電池パックにおいて硫化水素の発生を適切に検出するための技術が求められている。

特許文献１には、電池セルに硫化水素との化学反応により電気抵抗が変化する抵抗変化材料を含む抵抗変化部材を設け、抵抗変化部材の端子間の検出値に基づいて、電池セルにおける硫化水素の発生の有無を判定する検出システムが開示されている。その他、本技術分野の技術レベルを示す文献として以下の特許文献２がある。

特開２０１７－１９９６６７号公報 国際公開第２００３／０２９８０１号

全固体電池としての硫化物系電解質を有する電池セルでは、硫化水素の発生箇所をあらかじめ予測することは非常に難しい。また発生した硫化水素がどのように分布するのかを予測することも難しい。このため、硫化水素の発生を適切に検出するためには、電池パック内の複数箇所において検出を行うことが望ましい。

しかしながら特許文献１で開示される技術では、抵抗変化部材ごとに検出回路が構成されるため、抵抗変化部材を電池パック内の複数箇所に配置すると検出回路が複雑化する。このため、電池パック内の複数箇所において検出を行う場合のコストの高さが問題となる。また、検出システムを構成するために必要なスペースも大きくなってしまう。

本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものである。本開示の１つの目的は、コストを低減しつつ電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することが可能な技術を提供することにある。

本開示の１つの観点は、硫化物系電解質を有する電池セルを格納する電池パックに適用される硫化水素検出装置に関する。硫化水素検出装置は、第１ノードと第２ノードとを電気的に接続する配線と、第１ノードと第２ノードとの間の電圧を監視する監視回路と、を備える。配線は、硫化水素と反応して腐食する金属が露出した複数の金属露出部を含む。

本開示によれば、複数の金属露出部が電池パック内の複数箇所に配置されることで、電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することができる。また本開示によれば、検出箇所の数にかかわらず監視回路と１つの配線で硫化水素検出装置が構成されるので、コストを低減することができる。

第１実施形態に係る硫化水素検出装置の構成を示す模式図である。 硫化水素検出装置の動作について説明するための模式図である。 監視回路が実行する処理の処理フローを示すフローチャートである。 金属露出部の配置の一例を示す概念図である。 第２実施形態に係る硫化水素検出装置の構成を示す模式図である。 第３実施形態に係る硫化水素検出装置の構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する構成には同一符号を付してその説明を簡略化し又は省略する。

１ 第１実施形態
１．１ 構成
図１は、第１実施形態に係る硫化水素検出装置１０の構成を示す模式図である。硫化水素検出装置１０は、硫化物系電解質を有する電池セルを格納する電池パックに適用され、硫化水素の発生を検出する。硫化水素検出装置１０は、電池セルとともに電池パック内に格納される。硫化物系電解質を有する電池セルは、典型的には、固体の硫化物系電解質を用いた全固体電池である。電池セルの形態は特に限定されない。例えば電池セルの形態は、ラミネート型であってもよいし、角型であってもよい。硫化物系電解質を用いた全固体電池は、大容量高出力であり、車両のバッテリに適している。従って硫化水素検出装置１０が適用される電池パックは、特に車両に搭載されるバッテリであってもよい。

硫化水素検出装置１０は、監視回路１００と、複数の基板２００と、を備えている。複数の基板２００はそれぞれ、金属で形成された同一のパターン２２０を有するプリント基板（PCB: Printed Circuit Board）である。各基板２００は、特にフレキシブルプリント基板（FPC: Flexible Printed Circuit）であってもよい。

監視回路１００と基板２００は、それぞれ、コネクタ１１０、２１０を介して外部の機器と接続する。図１に示すように、監視回路１００と複数の基板２００は、ケーブル３００によってデイジーチェーン接続で接続している。これにより、ケーブル３００と各基板２００のパターン２２０は、第１ノード４０１と第２ノード４０２とを電気的に接続する配線（以下、単に配線とも呼ぶ）を形成する。配線は、１本の電流経路となっている。

監視回路１００は、第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧を監視する。監視回路１００において、第１ノード４０１は、抵抗１２０を介して電圧Ｖｃｃ（例えば、５Ｖ）の電源に接続し、第２ノード４０２は、基準電位（例えば、０Ｖ）のグランドＧＮＤに接続している。監視回路１００は、監視処理部１３０を含んでいる。監視処理部１３０は、電圧を監視する処理を実行するコンピュータである。特に監視処理部１３０は、マイクロコントローラであってもよい。監視処理部１３０は、抵抗１２０と第１ノード４０１の間の電位が入力されるように配置される。例えば、監視処理部１３０がマイクロコントローラであるとき、マイクロコントローラの入力ポートが抵抗１２０と第１ノード４０１の間に接続される。抵抗１２０は、監視処理部１３０に対するプルアップ抵抗となる。例えば、抵抗１２０の抵抗値は１０ｋΩ程度である。第２ノード４０２がグランドＧＮＤに接続しているため、監視処理部１３０は、第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧を検出することができる。

なお、抵抗１２０の両端間の電圧を測定することによっても、第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧を間接的に検出することができる。従って、第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧を監視することは、抵抗１２０の両端間の電圧を測定することも含む。この観点から、監視処理部１３０は、抵抗１２０の両端間の電圧を測定するように配置されていてもよい。

監視処理部１３０は、１又は複数のプロセッサ１３１（以下、単にプロセッサ１３１と呼ぶ）と１又は複数の記憶装置１３２（以下、単に記憶装置１３２と呼ぶ）を含んでいる。プロセッサ１３１は、各種処理を実行する。プロセッサ１３１は、例えば、汎用プロセッサ、特定用途プロセッサ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、集積回路、従来型の回路、及びこれらの１又は複数の組み合わせで構成される。プロセッサ１３１をprocessing circuitryと呼ぶこともできる。記憶装置１３２は、プロセッサ１３１による処理の実行に必要な各種情報を格納する。記憶装置１３２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、等の記録媒体で構成される。記憶装置１３２は、プロセッサ１３１で実行可能なコンピュータプログラムを格納している。コンピュータプログラムは、プロセッサ１３１に実行させる処理を記述する複数のインストラクションコードで構成されている。コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録される。コンピュータプログラムを実行するプロセッサ１３１と記憶装置１３２との協働により監視処理部１３０の機能が実現される。

基板２００のパターン２２０を形成する金属は、硫化水素と反応して腐食する金属が用いられる。例えば、銅や銀が金属として用いられる。さらに第１実施形態では、各基板２００のパターン２２０の一部は、金属が基板２００の表面に露出することにより金属露出部５００を形成している。これは、パターン２２０の一部に表面保護（例；ソルダーレジスト、カバーレイ）や表面処理（例；メッキ）を行わないように基板２００を構成することで実現することができる。このように第１実施形態では、各基板２００のパターン２２０の一部が金属露出部５００を形成する。これにより、図１に示すように、配線は複数の金属露出部５００を含んでいる。

１．２ 硫化水素検出装置の動作
以下、第１実施形態に係る硫化水素検出装置１０の動作について説明する。図２は、硫化水素検出装置１０の動作について説明するための模式図である。

図２中の（Ａ）は、対象の電池パックが正常であるときの動作を示している。つまり、電池セルから硫化水素が発生していないときの動作を示している。正常時において、配線は、単に抵抗を有さない電流経路となる。従って、伝達経路ＴＲで示すように、監視処理部１３０には、グランドＧＮＤの電位がそのまま入力されることになる。すなわち、監視処理部１３０は、基準電位を検出値として取得する。

図２中の（Ｂ）は、電池セルから硫化水素が発生したときの動作を示している。このとき、金属露出部５００の金属は、発生した硫化水素と反応して腐食する。腐食により金属が硫化物となると、金属露出部５００の抵抗値が上昇する。さらに、金属は腐食によって放射状に移動していく傾向がある。また腐食した金属は、振動が加わることによっても移動する。例えば、車両の振動が伝わることで、腐食した金属が移動する。このようにして腐食が進行すると、金属露出部５００の金属は、徐々に消失して断面積が小さくなっていく。これにより、金属露出部５００の抵抗値はさらに上昇する。そして、最終的に金属露出部５００の金属は断線することになる。

このように、電池セルから硫化水素が発生すると、金属露出部５００は、抵抗値が上昇していき、最終的に断線する。従って、金属露出部５００の抵抗値が上昇する過程では、監視処理部１３０は、金属露出部５００の抵抗値による分圧を検出値として取得する。つまり、金属露出部５００の抵抗値が上昇するにつれて、監視処理部１３０の検出値は、基準電位から上昇していく。そして、最終的に金属露出部５００が断線すると、監視処理部１３０には、電源の電圧Ｖｃｃがそのまま入力されることになる。すなわち、監視処理部１３０は、電源の電圧Ｖｃｃを検出値として取得する。

図２中の（Ｂ）では、基準電位を０Ｖとしたときの監視処理部１３０の検出値の一例をグラフで示している。グラフで示されるように、電池セルから硫化水素が発生したとき、監視処理部１３０の検出値は、０ＶからＶｃｃまで変化する。従って監視処理部１３０は、検出値（第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧）に基づいて、電池セルから硫化水素が発生しているか否かを判定することができる。例えば、監視処理部１３０は、検出値の初期値からの変動量がしきい値よりも大きくなったことを受けて、電池セルから硫化水素が発生していると判定する。また、例えば、監視処理部１３０は、検出値の変動量を計算せずに、検出値をそのまま利用し、検出値がしきい値よりも大きくなったことを受けて、電池セルから硫化水素が発生していると判定してもよい。

図３は、監視回路１００（より詳しくは、監視処理部１３０）が実行する処理の処理フローを示すフローチャートである。図３に示す処理フローは、所定の処理周期ごとに繰り返し実行される。

まずステップＳ１１０で、監視回路１００は、検出値を取得する。次にステップＳ１２０で、監視回路１００は、検出値の初期値からの変動量を計算する。上述した硫化水素検出装置１０では、検出値の初期値は基準電位であり、初期値からの変動量は、検出値と基準電位の差分である。特に基準電位を０Ｖとするとき、初期値からの変動量は検出値と一致する。次にステップＳ１３０で、監視回路１００は、計算された変動量がしきい値よりも大きいか否かを判定する。

変動量がしきい値以下である場合（ステップＳ１３０；Ｎｏ）、監視回路１００は、硫化水素は発生していないとして今回の処理を終了する。変動量がしきい値よりも大きい場合（ステップＳ１３０；Ｙｅｓ）、監視回路１００は、電池セルから硫化水素が発生していると判定する（ステップＳ１４０）。監視回路１００は、さらに硫化水素が発生していることを表示や音によりユーザに警告する処理を実行してもよい。

１．３ 効果
以上説明したように、第１実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、電池セルからの硫化水素の発生を検出することができる。特に上述した硫化水素検出装置１０によれば、複数の金属露出部５００のうちのいずれか１つの金属が硫化水素と反応することで、硫化水素の発生が検出される。つまり、硫化水素検出装置１０は、複数の金属露出部５００が電池パック内の複数箇所に配置されることで、電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することができる。しかも、硫化水素検出装置１０は、検出箇所の数にかかわらず１つの監視回路１００と１本の電流経路となる配線で構成される。特に監視回路１００の監視処理部１３０の１つの入力ポートの使用だけで実現できる。このように硫化水素検出装置１０は、検出箇所が多くなったとしても、回路が複雑化せず低コストかつ省スペースで構成可能である。さらに、電池セルの端子間の検出値を用いる場合に比べ、回路が電池セルと電気的に接続されていない場合、回路構成を単純化でき、検出箇所の増設を容易に行うことができる。

また第１実施形態によれば、金属露出部５００は、基板２００のパターン２２０によって形成されている。基板２００のパターン２２０は、非常に極薄に形成することができる。例えば、５０μｍ程度の厚さでパターン２２０を形成することができる。このようなパターン２２０によって金属露出部５００が形成されることで、金属露出部５００の金属が硫化水素と反応したときの腐食の進行速度を高くすることができる。つまり、電池セルから硫化水素が発生したときに、金属露出部５００の金属は、消失が早く簡単に断線するようになる。結果として、硫化水素検出装置１０の検出精度を高めることができる。また、電池セルの電圧監視などに用いられている既存の基板を流用して硫化水素検出装置１０を構成することも可能である。これにより、更なるコスト低減が可能である。

さらに第１実施形態によれば、硫化水素検出装置１０は、複数の金属露出部５００のそれぞれと対応する複数の基板２００を備えている。複数の金属露出部５００は、それぞれ複数の基板２００のうち対応する基板２００のパターン２２０によって形成されている。言い換えれば、複数の金属露出部５００は、それぞれ別個の基板２００のパターン２２０によって形成されている。そして、複数の基板２００は、ケーブル３００によりデイジーチェーン接続で接続される。これにより、複数の金属露出部５００を、それぞれ個別に電池パック内の所望の場所に配置することができる。結果として、検出箇所の自由度が高い硫化水素検出装置１０を実現することができる。

ところで、電池セルにおける硫化水素の発生箇所としては、電池セルの外装体の封止部（シール部）である可能性が高い。封止部は、キズに対する耐久性が他の部分よりも低くなりやすいためである。そこで、複数の金属露出部５００は、電池セルの外装体の封止部に隣接して配置される金属露出部５００を含んでいてもよい。

図４は、金属露出部５００の配置の一例を示す概念図である。図４には、電池セル２０が模式的に示されている。電池セル２０がラミネート型であるとき、電池セル２０の外装体２１は、典型的には、ラミネートフィルムである。また電池セル２０が角型であるとき、電池セル２０の外装体２１は、典型的には、金属缶である。図４に示す例では、外装体２１の封止部２２は、電池セル２０の電極端子２３を覆う位置である。そして、基板２００が外装体２１の封止部２２に隣接して配置されている。このようにして、電池セル２０の外装体２１の封止部２２に隣接して金属露出部５００が配置される。

このように電池セル２０の外装体２１の封止部２２に隣接して金属露出部５００を配置することにより、硫化水素検出装置１０の検出精度を高めることができる。

１．４ 変形例
上述の第１実施形態では、監視回路１００は、抵抗１２０が監視処理部１３０に対するプルアップ抵抗となるように構成されていた。変形例として、監視回路１００は、抵抗１２０が監視処理部１３０に対するプルダウン抵抗となるように構成されていてもよい。つまり、第１ノード４０１は、電源に直接接続し、第２ノード４０２は、抵抗１２０を介してグランドＧＮＤに接続していてもよい。そして、監視処理部１３０は、第１ノード４０１と第２ノード４０２との間の電圧を検出するように配置されていてもよい。例えば、監視処理部１３０の入力ポートが抵抗１２０と第２ノード４０２との間に接続される。

変形例に係る硫化水素検出装置１０によれば、正常時において、監視処理部１３０には、電源の電圧Ｖｃｃがそのまま入力されることになる。すなわち、監視処理部１３０は、電圧Ｖｃｃを検出値として取得する。そして、電池セルから硫化水素が発生すると、上述した動作と同様に、金属露出部５００は、抵抗値が上昇していき、最終的に断線する。これにより、監視処理部１３０の検出値は、Ｖｃｃから０Ｖまで変化する。従って変形例においても、監視処理部１３０は、検出値に基づいて、電池セルから硫化水素が発生しているか否かを判定することができる。このとき監視回路１００が実行する処理の処理フローは、図３に示すものと同じであってもよい。変形例に係る硫化水素検出装置１０では、検出値の初期値は電源の電圧Ｖｃｃであり、初期値からの変動量は、検出値とＶｃｃの差分である。

このように変形例に係る硫化水素検出装置１０によっても、上述した効果と同様の効果を奏することが可能である。

２ 第２実施形態
以下、第２実施形態について説明する。ただし、以下では第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と重複する内容については説明を適宜省略している。

図５は、第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０の構成を示す模式図である。第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に監視回路１００を備えている。一方で第１実施形態と比較して、第２実施形態では、硫化水素検出装置１０は１つの基板２００だけを備えている。監視回路１００と基板２００は、コネクタ１１０、２１０により直接接続している。第２実施形態では、基板２００のパターン２２０が第１ノード４０１と第２ノード４０２とを電気的に接続する配線を形成する。

第２実施形態では、基板２００のパターン２２０は、複数箇所において金属が基板２００の表面に露出した金属露出部５００を形成している。これにより、図５に示すように、配線は複数の金属露出部５００を含んでいる。

第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０の動作は、第１実施形態と同じである。従って第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に、複数の金属露出部５００が電池パック内の複数箇所に配置されることで、電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することができる。また第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に、検出箇所が多くなったとしても、回路が複雑化せず低コストかつ省スペースで構成可能である。

第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、複数の金属露出部５００が同一の基板２００のパターン２２０で形成されるため、第１実施形態と比較して検出箇所の自由度は低くなる。一方で第２実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、１つの基板２００で構成することができ接続のためのケーブル３００も必要としないため、第１実施形態と比較してコストを低減することができる。

３ 第３実施形態
以下、第３実施形態について説明する。ただし、以下では第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と重複する内容については説明を適宜省略している。

図６は、第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０の構成を示す模式図である。第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に監視回路１００を備えている。一方で第１実施形態と比較して、第３実施形態では、硫化水素検出装置１０は基板２００を備えていない。代わりに、監視回路１００のコネクタ１１０には、一本のケーブル３００の両端が接続されている。第３実施形態では、ケーブル３００が第１ノード４０１と第２ノード４０２とを電気的に接続する配線を形成する。

第３実施形態では、ケーブル３００を構成する金属は、硫化水素と反応して腐食する金属が用いられる。そして、ケーブル３００は、複数箇所において金属がケーブル３００の外部に露出した金属露出部５００を有している。これは、ケーブル３００の複数箇所の被覆を剥がすことにより実現することができる。これにより、図６に示すように、配線は複数の金属露出部５００を含んでいる。

第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０の動作は、第１実施形態と同じである。従って第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に、複数の金属露出部５００が電池パック内の複数箇所に配置されることで、電池パック内の複数箇所において硫化水素の発生を検出することができる。また第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と同様に、検出箇所が多くなったとしても、回路が複雑化せず低コストかつ省スペースで構成可能である。

第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、金属露出部５００を基板２００のパターン２２０のように極薄に形成することができないため、第１実施形態と比較して検出精度は低くなる。一方で第３実施形態に係る硫化水素検出装置１０は、第１実施形態と比較して、基板２００の設計を必要とせず１本のケーブル３００によって容易に構成することができる。またコストを低減することも可能である。

１０ 硫化水素検出装置
１００ 監視回路
２００ 基板
２２０ パターン
４０１ 第１ノード
４０２ 第２ノード
５００ 金属露出部
２０ 電池セル
２１ 外装体
２２ 封止部

Claims (5)

1. 硫化物系電解質を有する電池セルを格納する電池パックに適用される硫化水素検出装置であって、
   第１ノードと第２ノードとを電気的に接続する配線と、
   前記第１ノードと前記第２ノードとの間の電圧を監視する監視回路と、
   を備え、
   前記配線は、硫化水素と反応して腐食する金属が露出した複数の金属露出部を含む
   硫化水素検出装置。
2. 請求項１に記載の硫化水素検出装置であって、
   前記複数の金属露出部は、少なくとも１つの基板のパターンによって形成されている
   硫化水素検出装置。
3. 請求項２に記載の硫化水素検出装置であって、
   前記少なくとも１つの基板は、前記複数の金属露出部のそれぞれと対応する複数の基板を含み、
   前記複数の金属露出部は、それぞれ前記複数の基板のうち対応する基板の前記パターンによって形成されている
   硫化水素検出装置。
4. 請求項１に記載の硫化水素検出装置であって、
   前記複数の金属露出部は、前記電池セルの外装体の封止部に隣接して配置される金属露出部を含む
   硫化水素検出装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の硫化水素検出装置であって、
   前記監視回路は、前記電圧の変化に基づいて、前記電池セルから硫化水素が発生しているか否かを判定する
   硫化水素検出装置。