(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの二次電池からなるセルまたは複数のセルからなるモジュールを、複数個直列または直並列に接続した組電池と、
上記組電池に熱伝導的に接して設けられた熱電素子と、
上記組電池の非動作時、すなわち充電および放電を行なっていない時に、上記組電池の異常時に発生する熱によって発生する上記熱電素子の起電力によって動作し、上記組電池の温度を計測する温度モニタ回路と、
上記温度モニタ回路で計測した異常時の温度を記憶する記憶手段と、
を備えたことを特徴とする組電池の異常検出装置。
【請求項２】
上記組電池の動作時、すなわち充電時または放電時に、上記記憶手段の記憶内容を読み出し、温度の異常上昇が記録されていた場合に異常発生を報知する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の組電池の異常検出装置。
【請求項３】
上記判定手段は、上記組電池の動作時、すなわち充電時または放電時に、上記記憶手段の記憶内容を読み出して、上記セルまたはモジュールの電圧値が大幅に低下し、かつ温度の異常上昇が記録されていた場合には電池の内部短絡と判定し、上記セルまたはモジュールの電圧値が大幅に低下し、かつ温度の異常上昇が記録されていなかった場合には電池の自己放電と判定して報知するものである、ことを特徴とする請求項２に記載の組電池の異常検出装置。
【請求項４】
上記熱電素子もしくは上記電池の温度を検出する温度センサを、上記各セル毎に、もしくは上記各モジュール毎に設け、各セルもしくは各モジュール毎に異常時の温度を計測して記憶する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組電池の異常検出装置。
【請求項５】
全てのセルもしくはモジュールに接して設けられた一つの熱伝導機構を有し、上記熱電素子を上記熱伝導機構に接して設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の組電池の異常検出装置。
【請求項６】
上記二次電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の組電池の異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数個の二次電池を直列接続または直並列接続して用いる組電池の異常検出装置に関し、特にリチウムイオン電池のような非水系電解質二次電池の組電池に好適な異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
電気自動車等においては、複数個の二次電池を必要とする容量分だけ直列または直並列に接続した組電池が用いられる。このような組電池の異常を検知する装置の従来例としては、例えば、特開平１−２３２６７２号公報や特開平４−１０９８２３号公報に記載されたものがある。これらの装置は、電池近傍に温度センサを設け、電池の動作中、すなわち充電時もしくは放電時に、電池の温度を検出し、所定の許容温度以上に上昇した場合に警報を発したり、充電や放電を停止させたりするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のごとき従来の異常検出装置は、全て組電池の動作時、すなわち充電時や放電時に温度を検出して異常を判定するものであり、組電池の非動作時、すなわち充電や放電を行なっていない時に発生する異常、例えば電池の内部短絡に対して、その検出を行なうことが出来ない、という問題があった。
また、電気自動車等においては、一般に上記の組電池が全てのエネルギー源になるので、従来の異常検出装置を組電池の非動作時にも作動させるためには、異常検出装置を組電池の電力で駆動しなければならず、そのため組電池の電力を無駄に消費してしまうという問題が生じる。
【０００４】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、組電池の電力を無駄に消費することなしに、組電池の非動作時に生じる異常を検出することの出来る組電池の異常検出装置を提供するを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、一つの二次電池からなるセルまたは複数のセルからなるモジュールを、複数個直列または直並列に接続した組電池と、上記組電池に熱伝導的に接して設けられた熱電素子と、上記組電池の非動作時、すなわち充電および放電を行なっていない時に、上記組電池の異常時に発生する熱によって発生する上記熱電素子の起電力によって動作し、上記組電池の温度を計測する温度モニタ回路と、上記温度モニタ回路で計測した異常時の温度を記憶する記憶手段と、を備えるように構成している。
なお、温度の計測は、上記温度モニタ回路に温度センサを設けてもよいし、或いは上記熱電素子の出力によって計測してもよい。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に、上記組電池の動作時、すなわち充電時または放電時に、上記記憶手段の記憶内容を読み出し、温度の異常上昇が記録されていた場合に異常発生を報知する判定手段を追加したものである。
なお、上記の判定手段は、例えば組電池の電力で負荷を駆動する際の制御装置（例えばコンピュータで構成）または充電装置に組込み、負荷駆動開始時すなわち組電池の放電開始時や充電開始時に作動して異常を判定するように構成すればよい。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、上記判定手段の構成として、上記組電池の動作時、すなわち充電時または放電時に、上記記憶手段の記憶内容を読み出して、上記セルまたはモジュールの電圧値が大幅に低下し、かつ温度の異常上昇が記録されていた場合には電池の内部短絡と判定し、上記セルまたはモジュールの電圧値が大幅に低下し、かつ温度の異常上昇が記録されていなかった場合には電池の自己放電と判定して報知するように構成したものである。
また、請求項４に記載の発明は、上記熱電素子もしくは上記電池の温度を検出する温度センサを、上記各セル毎に、もしくは上記各モジュール毎に設け、各セルもしくは各モジュール毎に異常時の温度を計測して記憶するように構成したものである。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、全てのセルもしくはモジュールに接して設けられた一つの熱伝導機構を有し、上記熱電素子を上記熱伝導機構に接して設けるように構成したものである。
なお、上記の熱伝導機構は、例えば各セルまたは各モジュールに接する金属板であり、その金属板に接して熱電素子を設ければよい。
また、上記二次電池は、例えば、請求項６に記載のごとく、リチウムイオン二次電池である。ただし、他の形式のリチウム二次電池や鉛−酸二次電池等の他の二次電池の組電池においても本発明を適用することが出来る。
【０００９】
【作用】
本発明においては、組電池に熱伝導的に接して熱電素子を設け、組電池の異常時、すなわち電池の内部短絡等が生じて電池の温度が異常に上昇した場合に、その熱エネルギーによって生じる熱電素子の起電力を利用して、温度モニタ回路を作動させ、そのような温度の異常が生じたことを記憶手段に記憶させるものである。
上記のように構成すれば、上記組電池の非動作時、すなわち充電および放電を行なっていない時においても、異常が発生した事実を確実に記憶しておくことが出来、かつ温度モニタ回路を駆動するエネルギー源として組電池の電力を全く用いないので、無駄な電力を消費することもない。
【００１０】
また、請求項２に記載のような判定手段を設け、上記の記憶手段に記憶した異常情報は、組電池の動作時、すなわち充電時または放電時、特にその開始時に、記憶手段の記憶内容を読み出し、温度の異常上昇が記録されていた場合に異常発生を報知することにより、操作員等に異常発生を告知することが出来る。また、その報知信号を用いて充電や放電を停止させることもできる。
また、請求項３に記載のように、内部短絡と自己放電とを区別して判定することもできる。すなわち、内部短絡と自己放電の場合には、共に電圧が低下するので、電圧だけではその区別をすることが出来ない。しかし、単なる自己放電の場合には温度の異常上昇はないので、記憶手段の記憶内容を読み出し、温度の異常上昇の記録があると共に電圧が低下（例えば０Ｖまで低下）している場合には内部短絡、電圧の低下のみの場合には自己放電と判定することが出来る。
【００１１】
また、請求項４に記載のように、熱電素子もしくは温度センサを、各セル毎もしくは各モジュール毎に設けることにより、各セルもしくは各モジュール毎に異常時の温度を計測して記憶すること、すなわち異常を生じたセルまたはモジュールがどれであるかを検出することが出来る。
また、請求項５に記載のように、全てのセルもしくはモジュールに接して設けられた一つの熱伝導機構、例えば金属板を設け、熱電素子をその金属板に接して設ければ、１個の熱電素子を用いて全てのセルまたはモジュールの発熱を利用することが出来る。なお、この場合には、組電池全体として異常発生の有無を検出するものであれば上記１個の熱電素子のみで構成することが出来るが、各セルまたは各モジュールのどれに異常が発生したかを記憶するためには、各セルまたは各モジュール毎に別個の温度センサを設ける必要がある。
また、本発明は全ての種類の二次電池からなる組電池に適用できるが、請求項６に記載のごとく、リチウムイオン二次電池のように異常検出を確実に行なう必要性の大きな電池に特に適している。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施例図である。
図１において、１は組電池であり、１ａ〜１ｎからなる各電池（単一の電池からなるセルまたは複数のセルからなるモジュール）を直列に接続したものである。なお、直並列に接続したものでもよい。また、２は制御装置であり、組電池１の電力で負荷３を駆動する際の電力供給を制御するものである。例えば、制御装置２は電気自動車における直流−交流変換用コンバータと制御用コンピュータからなる回路であり、負荷３は電気自動車駆動用モータである。４は熱電素子であり、熱を加えるとそれに対応した起電力を生じるものであって、各電池に接して設けられている。５は蓄電用のコンデンサ、６は抵抗、７はツェナダイオード、８はトランジスタ、９は温度モニタ回路、１０はメモリ装置、１１は演算装置である。この演算装置１１は、例えば前記制御装置２の制御用コンピュータを共用することが出来る。
なお、制御装置２と負荷３との代わりに、図示しない充電装置を組電池１に接続する場合もある。また、熱電素子４は１個のみを示しているが、各電池毎に設けてもよい。或いは組電池１の全体に１個設けてもよい。ただし、その場合には、組電池の全ての電池に熱的に接する熱伝導機構（例えば金属板）を設け、その金属板に熱電素子４を取り付ける。このようにすれば、どの電池で異常発熱が発生した場合でもその熱を有効に利用することが出来る。
【００１３】
次に作用を説明する。
組電池１の非動作時、すなわち充電も放電も行なっていない場合には、制御装置２および演算装置１１は非動作であり、したがって電力は消費していない。
この状態において、例えば組電池１内の電池１ａに内部短絡が生じると、電池１ａの温度が上昇し、その熱によって熱電素子４が電力を出力する。その電力はコンデンサ５に蓄えられる。コンデンサ５の端子電圧が上昇してツェナダイオードのツェナ電圧を越えると、抵抗６とツェナダイオード７を介してトランジスタ８にベース電流が流れ、トランジスタ８は導通する。そのため、熱電素子４の電力が温度モニタ回路９に与えられ、温度モニタ回路９が作動する。温度モニタ回路９は、熱電素子４の出力電圧に基づいて電池１ａの温度を判定し、その値をメモリ装置１０に書き込む。なお、温度モニタ回路９は温度の判定とメモリ装置１０への書き込み機能を有する回路であればよいので、熱電素子４の起電力で十分に動作することが出来る。
上記のようにして、組電池１の非動作時に組電池１に異常が生じて発熱した場合には、その温度をメモリ装置１０に記憶することが出来る。そしてこの場合、各回路を作動させる電力は、全て熱電素子４の起電力によるものであるから、組電池１の電力は全く消費しない。
【００１４】
次に、組電池の動作時、例えば制御装置２を介して負荷３を駆動する場合には、制御装置２と演算装置１１（例えば制御装置２の一部）とに組電池１からの電力が与えれ、それらの装置が起動される。その際、演算装置１１によってメモリ装置１０の記憶内容を読み出し、温度上昇が記録されている場合には、異常が発生したことを検知することが出来る。この検知結果は、図示しない表示装置等で操作員等に表示することもできるし、或いはその検知結果を制御装置２に送って、組電池１の放電或いは充電を停止させるように制御することもできる。
【００１５】
上記のように、図１の実施例においては、組電池１に異常が発生した場合にのみ動作し、かつ異常発熱のエネルギーを利用して異常発生を記憶することが出来る。したがって組電池１の電力を消費することなしに、制御装置や演算装置が作動していない非動作時における異常発生を確実に検出することが出来る。
なお、図１においては、熱電素子４および付属の回路（５〜８の部分）は１個のみを示しているが、各電池毎に熱電素子４と回路を設け、温度モニタ回路９では発熱した電池を区別してメモリ回路１０に記憶するように構成すれば、どの電池で異常が生じたかを区別して検出することができる。
【００１６】
次に、図２は本発明の第２の実施例図である。
図２において、１２は組電池１の各電池の電圧を検出する電圧センサであり、その他、図１と同符号は同一物を示す。
図２の装置は、動作開始時に、演算装置１１が起動した際、メモリ装置１０の記憶内容と電圧センサ１２で求めたセルまたはモジュールの電圧とによって、内部短絡か単なる自己放電かを判定するものである。
すなわち、電池の電圧値が大幅に低下し、かつ温度の異常上昇が記録されていた場合には電池の内部短絡であり、電圧値は大幅に低下しているが温度の異常上昇が記録されていなかった場合には単なる自己放電と判断することが出来る。
なお、電圧センサ１２は、単に各電池から演算装置１１への結線でもよく、演算装置１１内のＤ／Ａ変換器等で電圧値を判断すればよい。また、図２においては、電圧センサ１２は省略して１個のみを示しているが、これは各電池毎に設ける。
その他の作用効果は、図１と同様である。
【００１７】
次に、図３は、本発明の第３の実施例図である。
図３において、１３は電池の温度を検出する温度センサ、１４はトランジスタ、１５〜１７は抵抗であり、その他、図１と同符号は同一物を示す。
次に作用を説明する。
組電池１の非動作時において、組電池１内の電池１ａに内部短絡が生じると、電池１ａの温度が上昇し、その熱によって熱電素子４が電力を出力する。その電力はコンデンサ５に蓄えられる。コンデンサ５の端子電圧が上昇してツェナダイオードのツェナ電圧を越えると、抵抗６とツェナダイオード７を介してトランジスタ８にベース電流が流れ、トランジスタ８は導通する。そのため、トランジスタ１４にもベース電流が流れ、トランジスタ１４が導通するので、トランジスタ８のベース電流はツェナダイオード７をバイパスしてトランジスタ１４を介して流れることになる。このため、一旦、トランジスタ８、１４が導通すると、熱電素子４やコンデンサ５の電圧が多少低下してもトランジスタ８は導通状態を継続し、温度モニタ回路９は作動を続けることが出来る。このようにヒステリシス特性を持たせることにより、安定した異常検知を行なうことが出来る。
【００１８】
また、図３の回路においては、熱電素子４とは別個に温度センサ１３を設けており、この温度センサ１３の信号によって温度モニタ回路９が電池の温度を検出するように構成している。このように構成すれば電池の温度をより正確に検出することが出来る。
また、温度センサ１３を各電池毎に取り付ければ、熱電素子４およびその回路は組電池１の全体に１個設けるだけでよい。ただし、その場合には、前記のように、組電池の全ての電池に熱的に接する金属板を設け、その金属板に熱電素子４を取り付ける。このようにすれば、どの電池で異常発熱が発生した場合でもその熱を有効に利用することが出来ると共に、各電池毎に設けた温度センサによってどの電池で異常が発生したかを記憶させることが出来る。
なお、熱電素子４とは別個に温度センサ１３を設ける構成は、前記図１、図２にも当然適用できる。また、図３の構成に、前記図２の電圧センサ１２を設け、図２と同様の判定機能を設けることも出来る。
【００１９】
次に、図４は本発明の第４の実施例図である。
この実施例は、バックアップ電池１８を設け、熱電素子４の出力が比較的低い場合にも確実に温度モニタ回路が動作するように構成したものである。
図４において、１８はバックアップ電池、１９〜２１はダイオード、２２、２３は抵抗であり、その他、図３と同符号は同一物を示す。なお、図４の回路は、熱電素子４と温度センサ１２を組電池１内の電池１ａに接して設けた場合を示しているが、前記と同様に、熱電素子４とその回路（バックアップ電池１８を含む）は各電池毎に設けてもよいし、または伝熱用の金属板を介して組電池１の全体に１個だけ設けてもよい。全体に１個設ける場合には、バックアップ電池１８のマイナス側端子は組電池１全体のマイナス側端子（電池１ｎのマイナス端子）に接続する。また、温度センサ１３は各電池毎に設ける。
電池の異常発熱によって熱電素子４の出力電圧が上昇し、ツェナダイオード７のツェナ電圧を越えると、トランジスタ８が導通する。そのため、バックアップ電池１８の電力が温度モニタ回路９に与えられ、温度モニタ回路９が作動する。この場合、熱電素子４の起電力は、トランジスタ８を導通させるだけでよいので、異常発熱の温度が比較的低い場合でも、確実に温度検出を行なうことが出来る。また、熱電素子４の起電力は、抵抗２２とダイオード２１とを介して温度モニタ回路９の電力としても与えられるようになっているので、温度が上昇して熱電素子４の起電力が大きくなった場合には、その電力も利用することが出来る。したがってバックアップ電池１８が自己放電していたような場合でも、異常温度が生じれば確実に検出することが出来る。
なお、バックアップ電池１８は、組電池１の充電時に、ダイオード１９を介して同時に充電される。
また、また、図４の構成に、前記図２の電圧センサ１２を設け、図２と同様の判定機能を設けることも出来る。
【００２０】
次に、図５は、本発明の第５の実施例図である。
この実施例は、図４の実施例において、温度センサ１３を省略し、熱電素子４の出力によって温度を検出するように構成したものである。
図５において、熱電素子４の両端子は温度モニタ回路９に結線されており、熱電素子４の温度信号が温度モニタ回路９に送られるようになっている。その他の構成、作用は図４の回路と同様である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明においては、組電池に熱伝導的に接して熱電素子を設け、組電池の異常時に発生する熱エネルギーによって生じる熱電素子の起電力を利用して、温度モニタ回路を作動させ、そのような温度の異常が生じたことを記憶手段に記憶させるように構成したことにより、組電池の非動作時においても、異常が発生した事実を確実に記憶しておくことが出来、かつ温度モニタ回路を駆動するエネルギー源として組電池の電力を全く用いないので、無駄な電力を消費することもない。
また、請求項２に記載の発明においては、組電池の動作時に、記憶手段の記憶内容を読み出し、温度の異常上昇が記録されていた場合に異常発生を報知することにより、操作員等に異常発生を告知することが出来る。また、その報知信号を用いて充電や放電を停止させることもできる。
また、請求項３に記載の発明においては、内部短絡と自己放電とを区別して判定することができる。
また、請求項４に記載の発明においては、異常を生じたセルまたはモジュールがどれであるかを検出することが出来る。
また、請求項５に記載の発明においては、１個の熱電素子を用いて全てのセルまたはモジュールの発熱を利用することが出来る、等の多くの効果が得られる。
なお、本発明は全ての種類の二次電池からなる組電池に適用できるが、請求項６に記載のごとく、リチウムイオン二次電池のように異常検出を確実に行なう必要性の大きな電池に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のブロック図。
【図２】本発明の第２の実施例のブロック図。
【図３】本発明の第３の実施例のブロック図。
【図４】本発明の第４の実施例のブロック図。
【図５】本発明の第５の実施例のブロック図。
【符号の説明】
１…組電池                        １０…メモリ
１ａ〜１ｎ…電池（セルまたはモジュール）  １１…演算装置
２…制御装置                      １２…電圧センサ
３…負荷                          １３…温度センサ
４…熱電素子                      １４…トランジスタ
５…コンデンサ                    １５〜１７…抵抗
６…抵抗                          １８…バックアップ電池
７…ツェナダイオード              １９〜２１…ダイオード
８…トランジスタ                  ２２、２３…抵抗
９…温度モニタ回路
【図１】
0003697724.tif 000002
【図２】
0003697724.tif 000003
【図３】
0003697724.tif 000004
【図４】
0003697724.tif 000005
【図５】
0003697724.tif 000006