(57)【要約】【課題】温度上昇を伴わない圧力上昇を検知すること。【解決手段】リチウムイオン電池２と、リチウムイオン電池２を監視する電池監視装置１０とを備え、電池監視装置１０は、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部１１と、状態量取得部１１が取得した状態量の時間変化を求める変化量演算部１２と、変化量演算部１２が求めた時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部１３とを備える。【選択図】図１
2014120335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池を監視する電池監視装置と
を備え、
前記電池監視装置は、
前記リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、
前記状態量取得部が取得した状態量の時間変化を求める変化量演算部と、
前記変化量演算部が求めた時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部と
を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項２】
前記監視部は、予め求めた状態量と寿命との関係を示す基準データに基づいて状態量から寿命を更に求める
ことを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
リチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池を監視する電池監視装置と
を備え、
前記電池監視装置は、
リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、
予め求めた前記状態量と寿命との関係を示す基準データとに基づいて前記状態量から寿命を求める監視部と
を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項４】
リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、
前記状態量の時間変化を求める変化量演算部と、
前記時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部と
を備える電池監視装置。
【請求項５】
リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得工程と、
前記状態量の時間変化を求める時間変化取得工程と、
前記時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する比較工程と
を含み、
前記時間変化が前記時間変化基準値を超えた場合に異常を検知する
ことを特徴とする電池監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池システム、電池監視装置及び電池監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、コンパクトで軽量であるため、自然エネルギー発電システムの出力変動緩和やバックアップ電源等の蓄電システムへの活用が期待されている。
【０００３】
リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すことで劣化する。また、リチウムイオン電池は、内部で短絡が発生した場合、大きな電流が流れて発熱し、内部温度が急上昇する、いわゆる熱暴走と呼ばれる状態となる場合がある。リチウムイオン電池は、その劣化状態や、熱暴走に至る現象を未然に検知して熱暴走を防止するために、電極端子間の電圧、内部抵抗、缶温度などを測定し、監視することが行われている。また、リチウムイオン電池は、充放電を行うと、その充電状態によって内部の積層体が膨張することにより電池ケース自体も膨張する。また、リチウムイオン電池は、熱暴走の原因となる内部温度が上昇した場合に、電解液が気化することにより内圧が上昇し、この場合にも電池ケースが膨張する。
【０００４】
図９は、圧力開放弁１０１を備えた電池システムの一例を示す。この電池システムは、複数のリチウムイオン電池１０２を有する。リチウムイオン電池１０２のそれぞれは、電池ケース１０３を有する。電池ケース１０３は、それぞれの間に絶縁体１０４を取り付けている。電池ケース１０３は、上面に電極端子１０５を有する。圧力開放弁１０１は、電池ケース１０３の上面に配置している。圧力開放弁１０１は、電池ケース１０３の内圧が所定の値を超えた際に開放する。しかし、この電池システムは、圧力開放弁１０１の開放時にのみ異常を検知する。そのため、この電池システムは、圧力開放弁１０１による圧力開放が発生した場合に急激な圧力変化を伴う。これにより、この電池システムは、圧力開放時の反力としての衝撃力が電池ラックへ作用することや圧力開放弁１０１から電解液が漏洩することがある。従って、このような電池システムにおいては、圧力開放前に異常を検知する必要がある。
【０００５】
このような背景に関連する技術としては、様々なものが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００６】
例えば、特許文献１には、電気化学素子の膨張検知方法が記載されている。より具体的に説明すると、この電気化学素子の膨張検知方法は、素体と、素体を封入する封入体とを有する電気化学素子が膨張したときに、電気化学素子が固定される固定面、及び電気化学素子の固定面側の面のうちの少なくとも一方に形成された回路部が断線して、電気化学素子の膨張が検知される。このようにして、この電気化学素子の膨張検知方法によっては、簡易な構成で電気化学素子の膨張を検知することができる。
【０００７】
また、例えば、特許文献２には、単電池を複数組み合わせて構成された電池システムが記載されている。より具体的に説明すると、この電池システムは、略箱状の電池収容ケースと、複数の電極板が積層されて構成された積層体、及び積層体を収容するセルケースとを有し、セルケースの積層体の積層方向に対向する第一の側面の少なくとも一方、及び積層方向と直交する方向に対向する第二の側面の少なくとも一方を、電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板に対向させるようにしてそれぞれ電池収容ケース内部に収容された単電池を備える。そして、この電池システムは、第一の側面と、第一の側面に対向する電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板との第一の離間距離、及び第二の側面と、第二の側面に対向する電池収容ケース壁面、又は電池収容ケース区画板との第二の離間距離をそれぞれ検出する。そして、この電池システムは、検出結果に基づいて、第一の離間距離と第二の離間距離との両方が小さくなった場合に、対応する単電池が内圧異常であると判定する。このようにして、この電池システムによっては、各単電池について、セルケースの膨張により、的確に内圧異常を検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５１４３７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１１５０９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１、及び特許文献２に記載の技術は、いずれも電池ケースの膨張を検知しているものの、温度上昇を伴わない圧力上昇を検知することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、電池システムであって、リチウムイオン電池と、リチウムイオン電池を監視する電池監視装置とを備え、電池監視装置は、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、状態量取得部が取得した状態量の時間変化を求める変化量演算部と、変化量演算部が求めた時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部とを備える。
【００１１】
監視部は、予め求めた状態量と寿命との関係を示す基準データに基づいて状態量から寿命を更に求めてよい。
【００１２】
本発明の第２の形態によると、電池システムであって、リチウムイオン電池と、リチウムイオン電池を監視する電池監視装置とを備え、電池監視装置は、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、予め求めた状態量と寿命との関係を示す基準データとに基づいて状態量から寿命を求める監視部とを備える。
【００１３】
本発明の第３の形態によると、電池監視装置であって、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部と、状態量の時間変化を求める変化量演算部と、時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部とを備える。
【００１４】
本発明の第４の形態によると、電池監視方法であって、リチウムイオン電池の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得工程と、状態量の時間変化を求める時間変化取得工程と、時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する比較工程とを含み、時間変化が時間変化基準値を超えた場合に異常を検知する。
【００１５】
なおまた、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から明らかなように、この発明によっては、温度上昇を伴わない圧力上昇を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態の電池システムの概念ブロック図である。
【図２】第１の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池の断面図を含むブロック構成図である。
【図３】第１の実施形態の電池システムの異常判定を行う際のタイムチャートである。
【図４】第１の実施形態の電池システムの異常判定を行う際の平均変化率を求める方法を説明するタイムチャートである。
【図５】第１の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池の断面図である。
【図７】（ａ）は、第２の実施形態の電池システムに適用する使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブのタイムチャートであり、（ｂ）は、センサ出力平均値のタイムチャートである。
【図８】第２の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。
【図９】圧力開放弁１０１を備えた電池システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、第１の実施形態の電池システムの概念ブロック図である。図１に示すように、電池システム１は、組電池３と、組電池３を監視、制御する電池監視装置１０とを有する。組電池３は、複数の単電池であるリチウムイオン電池２から構成する。組電池３は、電力負荷４に接続していて充放電を行うことが可能である。電力負荷４としては、電気自動車が例として挙げられる。電力負荷４は、不図示の車輪に接続した電気モータやインバータ等の電力変換器などであり、インバータ等の電力変換器の動作や電気モータの回転数を制御する。電力負荷４は、ワイパーなどを駆動する電気モータであってもよい。なお、電力負荷４は、電気自動車以外にも、例えば、フォークリフトなどの産業車両や電車、電気モータにプロペラまたはスクリューを接続した飛行機または船などの移動体であってもよい。さらに、電力負荷４は、例えば家庭用の電力貯蔵システムや，風車や太陽光のような自然エネルギー発電と組み合わせた系統連系円滑化蓄電システムなどの定置用のシステムであってもよい。すなわち、電力負荷４は、リチウムイオン電池２による電力の充放電を利用するシステム全般に係るものである。
【００２０】
電池監視装置１０は、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量を取得する状態量取得部１１を備える。電池監視装置１０は、状態量の時間変化を求める変化量演算部１２を備える。そして、電池監視装置１０は、時間変化を監視して、予め得られた劣化を示す時間変化基準値と比較する監視部１３を備える。
【００２１】
図２は、電池システム１におけるリチウムイオン電池２の断面図を含むブロック構成図である。図２に示すように、リチウムイオン電池２は、電池収容ケース１４に収容している。この電池収容ケース１４は、絶縁性を有する例えば樹脂材料により有底の箱形状に形成している。電池収容ケース１４は、上部開口部１５と、上蓋１６と、底板１７と、側板１８とを備える。電池収容ケース１４には、例えば四個のリチウムイオン電池２を並列に整列して収容している。
【００２２】
リチウムイオン電池２は、電池ケース１９の上面に、プラス側電極端子２０と、マイナス側電極端子２１とを有する。リチウムイオン電池２は、バスバー２２により各電極端子２０、２１を直列に電気的に接続している。バスバー２２は、導電性金属材料により形成している。
【００２３】
互いに隣り合う一対のリチウムイオン電池２の電池ケース１９は、それぞれの間に第１絶縁体２３と第２絶縁体２４とを独立して取り付けている。各絶縁体２３、２４は、絶縁材料により成形してあり、電池ケース１９の側部に当接している。各絶縁体２３、２４は、例えば車両の振動等により各リチウムイオン電池２同士に揺れが生じた場合に、互いに電気的に接触しないようにする機能を有する。
【００２４】
電池システム１は、各絶縁体２３、２４の間に圧力センサ２５を取り付けている。圧力センサ２５は、両側部に不図示のセンシング部を有し、これらセンシング部を各絶縁体２３、２４に当接している。そのため、圧力センサ２５は、各絶縁体２３、２４を介してリチウムイオン電池２の電池ケース１９に生ずる膨張状態の変形を感圧素子にて検知し、検知した出力信号を出力する。なお、圧力センサ２５は、各絶縁体２３、２４の間に一つ配置するのに代えて、複数個を各絶縁体２３、２４の間に配置することもできる。その場合、圧力センサ２５は、電池ケース１９の複数個所における変形をセンシングすることができる。
【００２５】
電池監視装置１０は、所定の容量を有するメモリを備えたＣＰＵ等を内蔵している。状態量取得部１１は、圧力センサ２５に接続している。そのため、状態量取得部１１は、圧力センサ２５から得られた出力信号を、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量データＳとして取得する。
【００２６】
変化量演算部１２は、不図示の演算回路を内蔵している。変化量演算部１２は、状態量データＳを演算して状態量データＳの時間変化データＴを算出する。
【００２７】
監視部１３は、破裂試験等の実験データに基づいて得た時間変化基準値となる閾値ａｃを格納している。監視部１３は、時間変化データＴに基づいて算出した平均変化率Ａ（図４参照）と閾値ａｃとを比較する。そして、電池監視装置１０は、圧力センサ２５の出力信号の時間変化をモニタリングし、ある時間内における平均変化率Ａと閾値ａｃとの比較により異常判定を行う。電池監視装置１０は、停止装置２６に接続している。停止装置２６は、異常判定を行った場合に充電動作を停止する。
【００２８】
図３は、電池システム１における電池監視装置１０の異常判定の具体的動作を説明するタイムチャートである。図３に示すように、監視部１３は、時点ｔ０から時点ｔ１までの間に、以下の二つの判定条件を設定している。監視部１３による判定条件の一つ目は、圧力センサ２５から得られた出力信号の絶対値と、閾値ａｃとを比較し、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超えた場合に異常の判定を行うことである。監視部１３による判定条件の二つ目は、圧力センサ２５の平均変化率Ａと閾値ａｃとを比較し、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた場合に異常の判定を行うことである。時点ｔ１においては、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超える。これにより、電池監視装置１０は、異常判定を行う。そして、停止装置２６は、作動する。すなわち、電池監視装置１０は、圧力センサ２５の出力信号の絶対値のみによる異常の判定を行わないとともに、圧力センサ２５の平均変化率Ａのみによる異常の判定を行わない。ここで、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えていないときに、圧力センサ２５の出力信号の絶対値のみが閾値ａｃを超えた場合、電池監視装置１０は、異常と判定する。これにより、メモリが故障し、平均変化率Ａによる判定が難しくなった場合に、電池監視装置１０は、停止装置２６を作動できる。
【００２９】
図４は、電池システム１における電池監視装置１０の異常判定を行う際の平均変化率Ａを求める方法を説明するタイムチャートである。図４に示すように、異常判定を行う際の平均変化率Ａを求める方法は、以下の二つが挙げられる。方法の一つ目は、最新のデータ取得時間を起点とし、ある一定時間分のデータをメモリに保存しておき、サンプリング間隔ごとに求めた変化率から平均変化率Ａを求めることである。方法の二つ目は、最新と最古の状態量データＳからデータ保持期間に対する平均変化率Ａを直接算出することである。ここで、圧力センサ２５の出力信号は、ｙ１、ｙ２、ｙ３〜ｙＮ−２、ｙＮ−１、ｙＮであり、電池監視装置１０は、新たなデータを取得する度にａ１、ａ２、ａ３、ａＮ−２、ａＮ−１の最新の変化率ａｉを格納する。このとき、変化率ａｉは、以下の式により得ることができる。なお、ｉ＝１、２〜Ｎ−１である。
【００３０】
【数１】
2014120335.tif 000003
【００３１】
そして、平均変化率Ａは、以下の式により得ることができる。
【００３２】
【数２】
2014120335.tif 000004
【００３３】
電池システム１は、以下に示す用途（定置用、移動体用）に応じて異常判定時の条件式を設定することにより、異常判定の確度を向上させる。
（定置用）
以下の条件式（１）、（２）を共に満足する場合、異常と判定する。
（１）平均変化率Ａ＞閾値ａｃ
（２）最新変化率ａ１＞０
なお、内部短絡等の異常発生時における内圧変動は常に上昇傾向を示すため、最新の変化率が負の場合、内圧は減少傾向にあり異常発生の可能性は低いと判定できる。
（移動体用）
以下の条件式（１）〜（３）を共に満足する場合、異常と判定する。
（１）平均変化率Ａ＞閾値ａｃ
（２）最新変化率ａ１＞０
（３）（１）、（２）の状態をＮ回（Ｎ≧２）連続で満足すること。
なお、移動体用の場合、センサ出力信号は、急激な負荷の上昇や衝撃等の外乱により一時的に増大することがある。そのため、サンプリングのタイミングがそれらイベントに一致する場合がある。そして、センサ出力信号が、一時的に閾値ａｃを超えて誤検知することが想定される。従って、このような誤検知を防止するために、移動体用には、（３）の条件を追加している。ここで、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えていないときに、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超えた場合に、電池監視装置１０は、異常と判定する。なお、異常発生から電池ケース１９が破損に至るまでの時間は最短で１〜２（Ｈｒ）程度であることを考慮すると、異常発生時の内圧上昇の傾向を的確に捉えるために、サンプリング周期は、５〜１０分以下に設定するのが好ましい。
【００３４】
図５は、電池システム１の基本的な制御動作を説明するフローチャートである。図５に示すように、制御を開始すると、状態量取得部１１により、圧力センサ２５から得られた出力信号を、リチウムイオン電池２の膨張状態を表す状態量データＳとして取得する（ステップＳ１０１）。次に、変化量演算部１２により、状態量データＳを演算して状態量データＳの時間変化データＴを算出する（ステップＳ１０２）。続いて、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えたか否かを監視部１３が判別する（ステップＳ１０３）。そして、ステップＳ１０３の判別で監視部１３により二つの判定条件を満たすと判別した場合、異常判定を行う（ステップＳ１０４）。このとき、ステップＳ１０３の判別で二つの判定条件を満たさないと判定した場合は、異常判定を行わずに、ステップＳ１０１に戻って状態量データＳを再度取得する。
【００３５】
以上、説明したように、第１の実施形態の電池システム１によれば、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池システム１によれば、発熱を伴わない内圧変化を推定検出することができる。
【００３６】
また、電池システム１によれば、リチウムイオン電池２の内圧を直接測定せずに、内圧と圧力センサ２５の出力信号の相関関係より内圧を推定検出することができる。
【００３７】
そして、電池システム１によれば、リチウムイオン電池２の内圧の時系列変化を間接的にモニタリングすることにより、早期の異常判定を行うことができる。
【００３８】
さらに、電池システム１によれば、メモリが故障し、平均変化率Ａによる判定が難しくなった場合でも停止装置２６を作動することができる。
【００３９】
第１の実施形態の電池監視装置１０によれば、電池システム１において、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池監視装置１０によれば、発熱を伴わない内圧変化を推定検出することができる。
【００４０】
第１の実施形態の電池監視方法によれば、圧力センサ２５の出力信号の絶対値が閾値ａｃを超え、且つ、圧力センサ２５の平均変化率Ａが閾値ａｃを超えた際に異常判定を行う。従って、電池監視方法によれば、発熱を伴わない内圧変化を推定検出することができる。
【００４１】
次に、第２の実施形態について図６から図７を参照しながら説明するが、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図６は、第２の実施形態の電池システムにおけるリチウムイオン電池２の断面図である。図６に示すように、この電池システムは、単一構造の絶縁体３１を各電池ケース１９の間に取り付けている。そして、単一構造の絶縁体３１に圧力センサ２５を収容している。圧力センサ２５は、絶縁体３１を介して変形を検知する。ここで、変形とは、それぞれのリチウムイオン電池２の電池ケース１９に生ずる膨張状態のことである。圧力センサ２５は、検知した出力信号を出力する。この電池システムは、電池監視装置３２を有する。電池監視装置３２は、リチウムイオン電池２の使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブデータを性能試験等で事前に取得して格納している。
【００４２】
図７（ａ）は、第２の実施形態の電池システムに適用する使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブのタイムチャートであり、図７（ｂ）は、センサ出力平均値のタイムチャートである。図７（ａ）に示すように、電池監視装置３２は、使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブを事前に取得している。そして、図７（ｂ）に示すように、電池監視装置３２は、図７中の左図に示すセンサ出力信号平均値Ｙの時間変化と、図７（ａ）に示した内圧上昇カーブとを逐次比較する。このとき、圧力センサ２５の出力信号は、ｙ１、ｙ２、ｙ３〜ｙＮ−２、ｙＮ−１、ｙＮである。また、電池監視装置３２は、ある時点ｔｐからのリチウムイオン電池２の寿命到達時の信号平均値Ｙを算出する。そして、電池監視装置３２は、算出した信号平均値Ｙから推定残存寿命の時点ｔｅを算出する。なお、時間ｔ＝ｔにおける推定残存寿命＝ｔｅ−ｔｐである。ここで、信号平均値Ｙは、以下の式により得ることができる。
【００４３】
【数３】
2014120335.tif 000005
【００４４】
図８は、第２の実施形態の電池システムの制御動作を説明するフローチャートである。図８に示すように、まず、圧力センサ２５の信号平均値Ｙの時間変化をモニタリングする（ステップＳ２０１）。次に、ある時点における圧力センサ２５の出力信号の平均値を算出する（ステップＳ２０２）。そして、使用開始から寿命到達時までの内圧上昇カーブを参照して残存寿命を算出する（ステップＳ２０３）。
【００４５】
第２の実施形態の電池システムによれば、圧力センサ２５の信号平均値Ｙの時間変化をモニタリングし、この信号平均値Ｙと内圧上昇カーブデータとを比較する。これにより、この電池システムによれば、高精度でリチウムイオン電池２の残り寿命を推定することができる。また、この電池システムによれば、監視部１３により、予め求めた状態量と寿命との関係を示す基準データに基づいて状態量から寿命を求めるために、正確な寿命を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明の電池システム、電池監視装置、及び電池監視方法は、前述した各実施形態に限定するものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  電池システム
２  リチウムイオン電池
５  電池システム
１０  電池監視装置
１１  状態量取得部
１２  変化量演算部
１３  監視部
３２  電池監視装置
【図１】
2014120335.tif 000006
【図２】
2014120335.tif 000007
【図３】
2014120335.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014120335.tif 000012
【図８】
2014120335.tif 000013
【図９】
2014120335.tif 000014