JP7018192B2

JP7018192B2 - 非水電解質２次電池の異常検出装置

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Publication number: JP7018192B2
Application number: JP2018020692A
Authority: JP
Inventors: 努山崎
Original assignee: アクソンデータマシン株式会社
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-02-08
Also published as: JP2019139895A

Description

本発明は、リチウムイオン２次電池等の非水電解質２次電池の異常状態を検出する異常検出装置に関する。

リチウムイオン２次電池等を含む非水電解質２次電池は体積当たりの充電量に関して優れた特性を有している。しかし非水系電解質を使用しているために、異常な温度上昇を抑制することが難しく、温度が異常に高くなり、さらに発火に至る恐れがある。例えばこのような技術は特開２０１５－２２２６５３号特許公開公報に記載されている。

特開２０１５－２２２６５３号公報特開２０１７－２２４５５２号公報

特許文献１には、非水電解質２次電池が発熱して高温になった状態で容器の一部が溶解することにより、それ以上に高温になることを抑制する非水電解質２次電池が開示されている。また特許文献２には、リチウムイオン２次電池の吸熱材を設け、高温になるのを阻止する構成が開示されている。これらの特許文献に開示されている技術は、非水電解質２次電池そのものが高温になるのを抑制する構造を有している。このように非水電解質２次電池そのものが高温になるのを抑制する構造を有していても良いが、世の中の一般的な非水電解質２次電池はそのような構造を有していない。従って非水電解質２次電池を使用する電源装置が非水電解質２次電池の異常をより早い段階で検知し、対応することが必要である。

高い安全性を確保するには、重大な異常状態を検知するだけでなく、異常の初期段階、すなわち重大な異常状態を引き起こす兆候をより早い段階で検知できることが必要である。

本発明の目的は、異常状態をより早い段階で捉え、初期段階の異常を検知することができる非水電解質２次電池の異常検出装置を提供することである。

第１の発明は、非水電解質２次電池を配置するための空間を有し、該非水電解質２次電池を充電するための充電制御回路と、該非水電解質２次電池から電力供給先へ供給する電力を制御する出力制御回路、上記非水電解質２次電池を配置するための空間の側面に上記非水電解質２次電池の側面に対応するようにして配置された複数の温度センサと、異常検出回路と、を有し、上記異常検出回路は上記複数の温度センサの出力に基づいて、上記空間に配置される上記非水電解質２次電池の温度を検知し、該温度が予め設定した所定レベルＴを超えたことにより上記非水電解質２次電池の異常を検知する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

第２の発明は、第１の発明の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記非水電解質２次電池は四角形の側面を有しており、該四角形の側面の各角に対応するようにしてその近傍に上記温度センサをそれぞれ配置した、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

第３の発飯は、第２の発明の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記温度センサの出力に基づいて異常発生位置を推定する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

第４の発明は、第２の発明の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記非水電解質２次電池の上記四角形の側面の中央部に、さらに温度センサを配置した、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

第５の発明は、第１の発明乃至第４の発明のそれぞれに記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記異常検出回路は、計測した高温度部と低温度部との温度差が、予め設定した所定レベルＢを超えている場合に、警戒すべき状態であると判断して警告する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

第６の発明は、第１の発明乃至第４の発明のそれぞれに記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記異常検出回路は、計測した高温度部の温度上昇率が、予め設定した所定レベルＥを超えている場合に、異常状態と判定して警告する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置である。

本発明によれば、重大な異常状態につながる兆候をより早い段階で検知することができる異常検出装置を得ることができる。

本発明を適用した異常検出装置である、非水電解質２次電池を備えた電源装置の概念を説明する説明図である。本発明を適用した異常検出装置の検知動作および検知結果に基づく対応動作を説明するフローチャートである。

１．異常検出装置１０の基本構成
１．１図１に記載の異常検出装置１０の特長
図１に記載の異常検出装置１０の構成については以下で詳述するが、次に記載の特長を備えている。

（１）非水電解質２次電池の一例であるリチウムイオン２次電池５０の異常を正確に検知できる位置関係に、複数の温度センサが配置されている。（２）この結果、温度センサの数が比較的少ないにもかかわらず、正確に非水電解質２次電池の異常を検知することができる。（３）またリチウムイオン２次電池５０の重大な異常だけでなく、重大な異常につながる恐れのある前兆をも正確に検知することができる。（４）さらにリチウムイオン２次電池５０の側面に対応して設けられた温度センサＳ１から温度センサＳ４により計測された温度情報、例えば所定の温度変化が現れる時間差から、その熱源となっている部分、すなわち異常状態が発生した位置、を推定することができる。この異常発生位置の推定は、異常検出回路７０によって行われ、その結果が通信回路７１を介してセンタ的な働きをする管理装置（図示せず）に送られる。送られた情報は、他の類似の製品であるリチウムイオン２次電池５０の安全性に関するメンテナンスの情報として使用される。また新たに製造されるリチウムイオン２次電池５０の安全性の向上のための重要な情報としても使用される。以下の実施例では温度センサＳ１から温度センサＳ４に加えて、さらに温度センサＳ５が設けられているので、異常状態が発生した位置の推定精度を更に向上させることができる。

（５）また上記位置関係に配置された複数の温度センサを備える検出部は、同一基板に上記各温度センサを設けており、このような構造とすることにより生産性が向上する。（６）各センサの特性の調整や評価が容易である。（７）また実際の使用状態においては、使用される環境における温度条件による特性のばらつきを抑制でき、低減できる。（８）しかも異常検出装置１０への組付けが容易であり、（９）また長期間の使用に十分に耐えられるより信頼性の高い構造を備えている。以下上記異常検出装置１０の構成について具体的に説明する。

１．２異常検出装置１０の基本構成の説明
図１に、本発明が適用された一実施形態である異常検出装置１０の構成を示す。異常検出装置１０は、ケース２２と、ケース２２の内部に設けられる破線で示すリチウムイオン２次電池５０を配置するための空間と、リチウムイオン２次電池５０に充電用電力を供給するための充電用接続端子２６と、充電用接続端子２６から供給された電力に基づいてリチウムイオン２次電池５０へ供給ライン３０を介して充電用直流電流を供給すると共に充電状態を制御する充電制御回路２８と、リチウムイオン２次電池５０に蓄えられた電力を供給先へ供給するための出力用接続端子３２と、出力ライン３６を介して供給されるリチウムイオン２次電池５０に蓄えられた電力を受けて出力用接続端子３２から出力する電流を制御する出力制御回路３４と、を有している。リチウムイオン２次電池５０は破線で示す正極５４と負極５２を備えている。

充電用接続端子２６から供給される電力は交流電力であっても直流電力であっても良く、交流電力が供給された場合には充電制御回路２８によりリチウムイオン２次電池５０に適応した電圧の直流電力に変換されてリチウムイオン２次電池５０へ供給される。また出力用接続端子３２から出力される電力は、電力の供給先の要求に応じて、交流あるいは直流の状態で出力される。交流の状態で出力される場合には、直流電力から交流電力への変換動作は出力制御回路３４で行われ、さらに出力される電流値は出力制御回路３４により制御される。

破線で示す非水電解質２次電池の一例として以下リチウムイオン２次電池５０の例で説明する。リチウムイオン２次電池５０と言ってもいろいろなタイプのリチウムイオン２次電池があるが、いろいろなタイプのリチウムイオン２次電池が適用可能である。リチウムイオン２次電池５０は例えばその内部に、正極と負極およびそれらの間に、非水電解質を含むセパレータが設けられている。該セパレータは正極と負極の間の絶縁を維持する作用をしているが、例えば絶縁特性を有すべきセパレータの一部の抵抗値が低下すると、抵抗値が低下した部分に電流が集中的に流れ、セパレータの抵抗値が低下した部分の温度が急上昇する。この現象がさらに進むと高温となり発火につながる。また上記セパレータの上記異常が急速に全体に広がる恐れがあるので、異常現象の発生をできるだけ早い段階で検知することが望ましい。

２．リチウムイオン２次電池５０の異常状態検知の概要
２．１図２に記載の異常状態あるいはその兆候である初期異常状態の検知動作、回避動作の特長
以下に詳述する図２に示す異常検出装置１０の動作では、次に記載の特長を有している。

（１）リチウムイオン２次電池５０の重大な異常状態だけでなく、その兆候としての異常をより早い段階で、より正確に検知できる。（２）このようなより正確な検知を可能とするために、複数の温度センサが以下に説明するように配置される。（３）以下で説明するステップＳＴ１５で異常状態を正確に検知することができる。（４）さらにそれに加えステップＳＴ１６で異常状態をより早い段階で検知することができる。（５）以下で説明するステップＳＴ１８で、異常状態につながる兆候をより早い段階で検知することができる。（６）またそれに加えステップＳＴ２０の実行により、異常状態につながる兆候をより正確に検知することができる。（７）さらにまたステップＳＴ２２の実行により、より早い段階で異常状態につながる兆候を検知することができる。（８）以下で説明する実施例では、重大な異常状態と、兆候を検知した警戒状態である早い段階の異常と、に分けてそれぞれ適切に対応することができる。

２．２異常状態あるいはその兆候の検知するための温度センサの配置の説明
上記異常現象を早い段階で検知して対応するために、図１に記載の実施例では、破線で示すリチウムイオン２次電池５０の片側側面に、または該リチウムイオン２次電池５０を挟むようにしてその両側側面に、温度センサＳ１～Ｓ５を有する回路基板６０が設けられている。回路基板６０に設けられた各温度センサは回路基板６０に設けられている配線６２に接続され、さらに図示しないコネクタを介して異常検出回路７０に接続されている。回路基板６０をケース２２の内側に固定することにより各温度センサはリチウムイオン２次電池５０の対応する位置に配置され、上述の図示しないコネクタを介して配線６２は異常検出回路７０と接続することができる。このような構造にすることにより、リチウムイオン２次電池５０の適切な位置の温度を正確に計測することができる。また異常検出装置１０の構成が簡素化され、生産性が向上する。

回路基板６０に温度センサＳ１～温度センサＳ５が固定された構成の部分は、異常検出装置１０のセンサ部として動作する。センサ部は、ケース２２に組み込む前に、独立した状態で事前に検出精度の確認や調整を行うことができる。また回路基板６０を樹脂基板とすることにより、熱伝導を抑えることができ、リチウムイオン２次電池５０の各部の温度を正確に測定でき、また異常位置の推定制度の向上につながる。センサ部について特性試験を行った後にケース２２に組み込むことができ、精度向上や信頼性向上につながる。

なお図１では温度センサＳ１から温度センサＳ５の配置の状態を分かりやすくするためにリチウムイオン２次電池５０を破線で記載しているが、通常はこの破線のようにリチウムイオン２次電池５０が配置される。またリチウムイオン２次電池５０の近傍に、内部に消火剤２４を有する消火装置２５が設けられている。

なおこの実施例では一例として温度センサＳ１～Ｓ５の五個のセンサを用いているが、温度センサＳ１と温度センサＳ４、あるいは温度センサＳ２と温度センサＳ３、のように、リチウムイオン２次電池５０の四角形の側面に対して対角線上に２個の温度センサを配置してもよい。あるいは温度センサＳ１と温度センサＳ４と温度センサＳ５、あるいは温度センサＳ２と温度センサＳ３と温度センサＳ５のように、リチウムイオン２次電池５０の四角形の側面に対して対角線上に３個の温度センサを配置してもよい。あるいはリチウムイオン２次電池５０の各角に対応するその近傍にそれぞれ位置するように温度センサＳ１から温度センサＳ４の４個の温度センサを配置しても良い。さらに本実施例のように５個の温度センサを設けてもよい。

リチウムイオン２次電池５０の各角の近傍にそれぞれ位置するように温度センサＳ１から温度センサＳ４を配置する構成では、リチウムイオン２次電池５０の側面全体の温度変化の状態を正確に把握でき、高い精度で異常状態を検知することができる。また図２に示す実施例では、リチウムイオン２次電池５０の４つの角Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の近傍に温度センサＳ１から温度センサＳ４を配置し、さらにチウムイオン２次電池５０の側面のほぼ中央の位置に温度センサＳ５を配置している。このようにすることによりさらに高い精度で、重大な異常だけでなく前兆となる異常をより正確に検知することができる。

上述した温度センサＳ１から温度センサＳ５の配置で、各温度センサＳ１～温度センサＳ５はリチウムイオン２次電池５０の側面に近接する位置に配置されている。もちろんリチウムイオン２次電池５０の側面に接するように配置してもよい。

異常検出回路７０は、各温度センサＳ１～温度センサＳ５からの温度に関する情報に基づいて前兆となる異常を検知し、充電制御回路２８に指令を送りリチウムイオン２次電池５０への電流の供給を停止したり、あるいは出力制御回路３４へ指令を送りリチウムイオン２次電池５０からの電力の供給を停止したりする。さらに異常状態の検知の結果、発火の危険性がある重大な異常の場合には、消火装置２５を動作させて消火剤２４を噴出させ、発火を防止したり、発火を初期段階で鎮火させたりする。

また温度変化が温度センサＳ１から温度センサＳ４によって測定され、計測された温度変化の時間差から異常位置が推定可能となり、最高温度の推定も可能となる。更に温度センサＳ５も加えたことにより、異常位置の推定制度や最高温度の推定制度が向上する。これらの情報は、通信回路７１を介して外部の装置に送信される。この情報は上述したように類するリチウムイオン２次電池５０の異常に関するメンテナンスにすぐに使用可能となる。このことにより、異常の発生を低減でき、安全性を向上することができる。

２．３異常状態の検知動作および危険回避動作
図２は異常検出回路７０の検知動作及び危険回避制御を示すフローチャートである。ステップＳＴ１０で異常検出回路７０の実行が開始されると、異常検出回路７０はステップＳＴ１１で温度センサＳ１乃至温度センサＳ５のそれぞれの温度情報である各センサ出力を取り込み、ステップＳＴ１２で温度センサＳ１から温度センサＳ５が配置されている近傍のリチウムイオン２次電池５０の各部分の温度を算出して、算出した各部分の温度を図示しない記憶部に記憶維持する。

ステップＳＴ１３で、リチウムイオン２次電池５０の各温度計測部分の温度差を求める。例えば最も温度の高い位置と最も温度の低い位置との温度差を求める。あるいは最も温度の高い位置とそれ以外の位置の温度の平均値との差を求めてもよい。しかし実際に最も高い温度や最も低い温度を正確に計測することは、なかなか難しいことが多い。最も高い温度や最も低い温度にこだわる必要性は低く、温度の高い領域と温度の低い領域とを定め、温度の高い領域と温度の低い領域との間の温度差を求めることで、以下に説明する重大な異常の状態や兆候としての初期の異常状態を正確に検知することができる。

ステップＳＴ１４で、最も温度の高い位置を推定して位置情報を上記図示しない記憶部に記憶する。最も温度の高い位置の算出は、例えば所定の温度変化の各温度センサＳ１～温度センサＳ５における計測時間差から求める。求めた最も高温の位置情報は、ステップＳＴ３０あるいはステップＳＴ３２で通信回路７１を介して外部の管理装置に送信される。

ステップＳＴ１５で、異常検出回路７０は計測した高い領域の温度が危険温度Ｔを超えているかどうかを判断する。もし計測した温度が危険温度Ｔを超えている場合には、発火に至る危険な状態であると判断し、ステップＳＴ２３およびステップＳＴ２４を実行する。ステップＳＴ２３の実行では、音声を含む警報音を発して異常の発生を警報する。更にステップＳＴ２４で消火装置２５を起動し、消火剤を噴出すると共に充電制御回路２８や出力制御回路３４へ異常検出回路７０から制御線７２を介して指令を送り、リチウムイオン２次電池５０への充電やリチウムイオン２次電池５０から外部への電力の供給を停止する。このようにすることで発火を防止したり、あるいは発火しても早い状態で鎮火させたり、することができる。ステップＳＴ１５で計測した最も高い温度が危険レベルＴを超えていない場合には、ステップＳＴ１６に実行が移る。

ステップＳＴ１６では、ステップＳＴ１４で算出した温度差が予め記憶部に記憶していた危険レベルである温度差Ａより大きいかどうかを判断する。温度差Ａは発火現象を起こしかねない危険性のある温度差であり、予め実験等で求めて記憶部に記憶しておく。算出した温度差が上記温度差Ａより大きい場合には、発火につながる危険性があるので、上述のステップＳＴ２３が実行される。更に上述のステップＳＴ２４が実行される。このようにすることで発火を防止したり、あるいは発火しても早い状態で鎮火させたり、することができる。

算出した温度差が予め定めた温度差Ａより小さい場合はステップＳＴ１８を実行する。ステップＳＴ１８では算出した温度差が、温度差Ａより小さい値であるが、重大な異常につながる兆候の可能性がある温度差Ｂより大きいかどうかを判断する。上記温度差Ｂは予め実験等で求めて記憶部に記憶しておく。算出した温度差が温度差Ｂより大きい場合には、ステップＳＴ２０を実行し、重大な異常が高い確率で引き起こされる危険性の有無を判断する。

ステップＳＴ２０では、ステップＳＴ１３で記憶していた過去の温度の計測値を読みだして比較し、温度の高い部分の温度上昇の上昇率が予め設定している危険レベルＥより大きいかどうかを判断する。急速な温度上昇は発火につながり大変危険である。従って絶対温度が低い状態であっても急速な温度上昇が検知されると上述したステップＳＴ２３およびステップＳＴ２４を実行し、発火を防止したり、あるいは発火しても早い状態で鎮火させたり、する。

ステップＳＴ２０で、温度上昇率が危険レベルＥより小さいと判断されると、警戒すべき状態の異常であると判断して、ステップＳＴ２６を実行する。ステップＳＴ２６では、充電用接続端子２６からリチウムイオン２次電池５０に充電電流を供給している充電状態であれば制御線７２を介して充電制御回路２８へ指令を送り、充電制御回路２８からリチウムイオン２次電池５０への充電電流の供給を停止する。またリチウムイオン２次電池５０から電力供給先へ出力制御回路３４を介して電力を供給している状態であれば、異常検出回路７０から制御線７２を介して指令を送り、リチウムイオン２次電池５０からの電力の供給を停止する。さらにステップＳＴ２８を実行して音声あるいは音あるいは表示により警告を発する。

ステップＳＴ１８で、算出された温度差が警戒レベルである温度差Ｂに達していないと判断された場合には、ステップＳＴ２２に実行が移り、過去に記憶していた温度を読み出し、温度上昇の変化率を算出する。算出された温度変化率が警戒レベルＦに達していてこれより大きい場合には、異常検出回路７０は警戒レベルに相当する異常と判断し、上述したステップＳＴ２６及びステップＳＴ２８を実行する。また算出された温度変化率が警戒レベルＦに達していない場合には、重大な異常状態ではないし、さらに警戒状態に相当する異常状態でもないと、異常検出回路７０は判断する。そして、再び上述したステップＳＴ１２に実行が移る。

ステップＳＴ２８の実行の後も、再び上述したステップＳＴ１２に異常検出回路７０の実行が移る。この場合は警戒に相当する異常状態であると判断されているが、再び上述したステップＳＴ１２に実行が移ることにより、重大な異常状態の発生を監視することができる。さらに該重大な異常状態の発生が検知されると、ステップＳＴ２３やステップＳＴ２４に、異常検出回路７０の実行が移り、火災の発生を抑制したり、火災の規模を抑制したり、することが可能となる。

３．実施例の効果
図１や図２に記載の実施例によれば、非水電解質２次電池の一例であるリチウムイオン２次電池５０の異常を正確に検知できる位置関係に、複数の温度センサが配置されている。また重大な異常だけでなく、その前兆となる異常を正確に検知できる位置関係に、複数の温度センサが配置されている。さらに上記位置関係に配置された複数の温度センサを備える検出部は、生産が容易であり、しかも異常検出装置１０への組付けが容易であり、長年にわたる使用に十分に耐えられる高い信頼性が得られる。

上述したように、重大な異常状態を正確に検知できる。それに加えその兆候となる早い段階の異常を正確に検知することができる。また重大な異常状態を検知した場合と兆候状態の異常を検知した場合とに分けて対応することができ、より適切な対策が可能となる。

１０・・・異常検出装置、２２・・・ケース、２４・・・消火剤、２５・・・消火装置、２６・・・充電用接続端子、２８・・・充電制御回路、３０・・・供給ライン、３２・・・出力用接続端子、３４・・・出力制御回路、３６・・・出力ライン、５０・・・リチウムイオン２次電池、６０・・・回路基板、６２・・・配線、７０・・・異常検出回路、Ｓ１・・・温度センサ、Ｓ２・・・温度センサ、Ｓ３・・・温度センサ、Ｓ４・・・温度センサ。

Claims

非水電解質２次電池を配置するための空間を内部に有するケースと、
上記非水電解質２次電池を充電するために、上記ケース内に設けられた充電制御回路と、
上記非水電解質２次電池に充電された電力を上記ケースから電力供給先へ出力するために設けられた出力用接続端子と、
上記電力供給先へ上記出力用接続端子を介して電力を供給するために上記出力用接続端子から出力する電流を制御する、上記ケースの内部に設けられた出力制御回路と、
上記ケースの内部に設けられており、上記非水電解質２次電池を配置するための空間の側面に、上記非水電解質２次電池の側面に対応するようにして配置された回路基板と、
上記回路基板に設けられ、上記非水電解質２次電池の上記側面の温度を計測するための複数の温度センサと、
上記ケースの内部に設けられた異常検出回路と、
を有し、
上記出力制御回路は、上記複数の温度センサが設けられている上記回路基板に対して、空間を介して隔てられた位置に配置されており、
上記異常検出回路は上記複数の温度センサの出力に基づいて、上記空間に配置される上記非水電解質２次電池の上記側面の温度を計測し、
上記異常検出回路は、計測した上記温度が予め設定した所定レベルＴを超えたことにより上記非水電解質２次電池の異常を検知する、
ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。
請求項１に記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記充電制御回路は、上記複数の温度センサを有する上記回路基板に対して、空間を介して隔てられた位置に設けられている、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。
請求項1あるいは請求項２の内の一に記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記異常検出回路は、上記複数の温度センサの出力に基づいて異常発生位置を推定する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。
請求項1乃至請求項３の内の一に記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、
上記非水電解質２次電池の上記側面は四角形の形状をなし、
上記回路基板に設けられた上記複数の温度センサは、上記非水電解質２次電池の上記側面の上記四角形の各四隅および上記四角形の中央部に対応する位置に設けられている、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。
請求項１乃至請求項４の内の一に記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、
上記異常検出回路は、上記複数の温度センサにより計測された温度の内の高い温度と低い温度との温度差が、予め設定した所定レベルＢを超えている場合に、警戒すべき状態であると判断して警告する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。
請求項１乃至請求項５の内の一に記載の非水電解質２次電池の異常検出装置において、上記異常検出回路は、上記複数の温度センサにより計測された温度および過去に計測された温度から温度上昇の変化率を算出し、温度上昇の変化率が予め設定した所定レベルＦに達している場合に、異常状態と判定する、ことを特徴とする非水電解質２次電池の異常検出装置。