(57)【要約】  過充電状態に陥りやすく、かつ、充電電流を用いて充電される電池内の炎の状態を緩和するためのセンサーシステムが提供される。温度センサーは、電池の少なくとも１つの部品の温度を検知するように構成され、ガスセンサーは、可燃性のガスまたは蒸気を検知するように構成される。センサーシステムはセンサー制御部を含む。センサー制御部は、電池の少なくとも１つの部品の温度が予め定義した温度閾値を越える場合、および、ガスセンサーが可燃性ガスまたは蒸気を検知する場合に、充電電流を停止させるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過充電状態に陥りやすく、かつ、充電電流を用いて充電される電池内の炎の状態を緩和するためのセンサーシステムであって、
前記センサーシステムは、
電池の少なくとも１つの部品の温度を検知するように構成された温度センサーと、
可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つを検知するように構成されたガスセンサーと、
電池の少なくとも１つの部品の温度が予め定義した温度閾値を越える場合、および、ガスセンサーが可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つを検知する場合に、充電電流を停止させるように構成されるセンサー制御部を含むことを特徴とするセンサーシステム。
【請求項２】
予め決められた遅延期間、センサーシステムの動作を遅らせるように構成される遅延回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項３】
予め決められた遅延期間が１５秒以上であることを特徴とする請求項２に記載のセンサーシステム。
【請求項４】
ガスセンサーが有機蒸気を検知するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項５】
温度センサーは電池の端子の温度を検知するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項６】
予め決められた温度閾値が摂氏１１０度であることを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項７】
温度センサーがサーミスターを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項８】
過充電状態に陥りやすく、かつ、充電電流を用いて充電される電池内の炎の状態を緩和するための方法であって、
前記方法は、
電池の少なくとも１つの部品の温度を検知する工程と、
可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つを検知する工程と、
電池の少なくとも１つの部品の温度が予め定義した温度閾値を超え、かつ、可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つが検知される場合に、充電電流を停止させる工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
ガスセンサーの起動期間を補うために、予め決められた遅延期間によって、可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つの検知を遅らせる工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
予め決められた遅延期間は１５秒以上であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
可燃性のガスおよび可燃性の蒸気の少なくとも１つを検知する工程は、有機蒸気を検知する方法を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
電池の少なくとも１つの部品の温度を検知する工程は、電池の端子の温度を検知する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
予め決められた温度閾値が摂氏１１０度であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
電池の少なくとも１つの部品の温度を検知するために、サーミスターを使用する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の様々な実施およびその組み合わせは、センサー、特に、電池またはセルによって放出された有機蒸気またはガスを検知すること、および、電池またはセルの温度上昇を検知することによって、電池が過充電時に燃えるのを防ぐためのセンサーシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は電気エネルギーを貯蔵する電子部品である。多くの電池は、伝導性電解質によって直列につながれた複数のボルタ電池を用いて、電気エネルギーを化学エネルギーの形で貯蔵することによって作動する。１つの半電池はアノードを含み、もう一方の半電池はカソードを含む。電池が作動すると、還元−酸化（レドックス）工程が生じ、カソードで陽イオンを還元させ、その一方で、陰イオンはアノードで酸化（電子の除去）する。レドックス工程中に、電位は電池の端子全域で生み出される。
【０００３】
再充電されるように構成された電池もある。再充電工程中に、電位が電池の端子全域に加えられ、上記のレドックス工程は逆になる−電池内部の活物質は酸化して電子を生成し、その一方で、電池中の負物質は還元して電子を消費する。電池を充電した後、負荷は電池端子全域で接続可能であり、元々のレドックス工程が生じて、電池内部に貯蔵された化学エネルギーによって負荷に電力が供給される。
【０００４】
場合によっては、電池は過充電され、潜在的に危険な状態をもたらしかねない。例えば、いくつかの電池またはセルでは、過充電によって電池は（電解質中の水の電気分解によって生成された）水素−潜在的に爆発性のガスを放出することもある。１つの特定の実施例において、リチウムポリマーセルが過充電されると、内部の電解質が過熱し、電池セルの内部に圧力を生む。電池が過充電されると、柔軟なアルミニウムの外部ケーシングに穴が開いて、潜在的に爆発性の内部の溶媒ガスが放出されるまで、温度と圧力は上昇し続ける。過充電が継続することを許される場合、溶媒ガスは発火して、およそ１分間続く大規模な炎の一閃（ｆｉｒｅ  ｆｌａｓｈ）を引き起こすこともある。しかしながら、場合によっては、過充電が穿孔（放出）の際に中断されると、火災事象が起こらないこともある。
【０００５】
難燃剤（ｆｌａｍｅ  ｒｅｔａｒｄｅｎｔｓ）が電池上で使用されるべきか否かを決定するために、電池の温度にだけに依存しないシステムが必要とされている。さらに、もっとも一般的な過充電状況である温度上昇のソースを取り除くニーズがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの実施形態では、過充電状態に陥りやすく、かつ、充電電流を用いて充電される電池内の炎の状態を緩和するためのセンサーシステムは、電池の少なくとも１つの部品の温度を検知するように構成された温度センサー、および、可燃性のガスまたは蒸気を検知するように構成されたガスセンサーを含む。センサーシステムはセンサー制御部を含む。センサー制御部は、電池の少なくとも１つの部品の温度が予め定義した温度閾値を越える場合、および、ガスセンサーが可燃性のガスまたは蒸気を検知する場合に、充電電流を停止させように構成される。
【０００７】
別の実施形態では、過充電状態に陥りやすく、かつ、充電電流を用いて充電される電池内の炎の状態を緩和するための方法は、電池の少なくとも１つの部品の温度を検知する工程と、可燃性のガスまたは蒸気を検知する工程を含む。電池の少なくとも１つの部品の温度が、予め定義した温度閾値を超え、かつ、可燃性のガスまたは蒸気が検知される場合、該方法は充電電流を停止させる工程を含む。
【０００８】
類似の要素が類似の参照番号を有する図面と併用されると、実施は以下に説明される詳細な記載からより明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電池の過充電のリスクを軽減するための本センサーシステムの実施例を示す図である。
【図２】過充電を経験した電池から放出される可燃性のガスを検知するために、本システムに統合される有機センサーの図である。
【図３】ａ乃至ｄは、本センサーシステムの１つの実施から測定されたデータを示す一連のグラフである。
【図４】ガスセンサー、温度センサー、および、センサーシステムの起動時に生じる誤報を防ぐための遅延回路を含む本センサーシステムの１つの可能な電子回路の実施を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、類似の数字が同じ要素または似た要素を表す図面に関連して、以下の詳細な記載のなかの好ましい実施形態において記載される。「１つの実施形態」、「実施形態」、または、似たような言い回しに対するこの明細書全体にわたる言及は、実施形態に関連して記載された特定の特色、構成または特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味している。したがって、本明細書全体にわたる「１つの実施形態で」、「実施形態で」、および、似たような言い回しのフレーズの体裁は、いつもというわけではないが、すべて同じ実施形態を指すこともある。
【００１１】
本発明の記載された特色、構造または特徴は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよい。以下の記載では、多くの特定の詳細は、本発明の実施形態についての完全な理解を提供するために列挙される。しかしながら、当業者は、本発明が、１以上の特定の詳細がなくとも実施されるか、または、他の方法、部品、材料などでも発明が実施されることを認識するであろう。他の例では、本発明の態様を分かりにくくしないようにするために、周知の構造、材料または操作は詳細に示されたり、記載されたりはしない。
【００１２】
リチウムポリマーまたはリチウムイオンのセルが過充電されると、内部の電解質が過熱して、電池セルの内部に圧力を生む。電池セルが過充電されると、柔軟なアルミニウム外部ケーシングに穴があくか、または、過剰圧力弁が（リチウムポリマーの電池セルのために）放出あるいは排気して、潜在的に爆発性の内部の溶媒ガスまた蒸気が放出されるまで、温度と圧力は上昇し続ける。過充電が継続することを許される場合、溶媒ガスまたは蒸気は発火して、およそ１分間続く大規模な炎の一閃を引き起こすこともある。しかしながら、場合によっては、過充電が穿孔（放出）の際に中断されると、火災事象が起こらないこともある。
【００１３】
過充電は、しばしば、再充電工程を正確に実行するために電池に電子回路を接続するのに失敗したことに起因する。例えば、電池が既に完全に充電されていることを回路が検知していない場合、または、電池が完全な充電を受け取ることができない場合、充電工程は非常に長時間続いて、過充電状態を引き起こすことがある。
【００１４】
本システムは、過充電状態の電池によって放出される可燃性のガスまたは蒸気を検知するために、有機ガスセンサーを使用する。電池ケーシングに穴が開くか、または、過剰圧力排気弁が放出したか、かつ、潜在的な火炎状態が存在していることを示しながら、ガスが検知される場合、過充電する工程は、放出されたガスに由来する潜在的な火災の危険を最小限にするために停止されてもよい。
【００１５】
そのようなものとして、本センサーシステムは過充電状態に陥りやすい電池によって放出された可燃性のガスを検知するための有機ガスセンサーと、（同様に過充電状態を示している）電池またはセルの安全でない温度上昇を同時に検知する温度センサーの両方を含めるように構成される。この論理的な「ａｎｄでつながれた（ａｎｄｅｄ）」構造では、本システムは、可燃性ガスが検知され、電池の１つ以上の部品が正常な動作温度以上の温度で作動していると、電池の充電工程の停止を引き起こす。
【００１６】
本システムは、センサーシステムの起動後のセンサー信号を遅らせる遅延回路も含んでもよい。１つの実施では、ガスセンサーは、ガスセンサーが正しく作動する前に作動温度に達しなければならない小型のヒーターデバイスを含む。ヒーターが完全に使用可能になる前は、ガスセンサーは正確に可燃性のガスを検知しないこともある。本実施では、ガスセンサー起動時間はおよそ１８秒であるが、他のガスセンサーは、１５秒を超える任意の時間などの異なる遅延持続時間を有する遅延回路を必要とする異なる起動時間を有することもある。
【００１７】
図１は、電池の過充電と、その結果生じる火炎状態のリスクを軽減するための、本センサーシステムの例となる実施を示す。電池（１０）は、負荷（２０）によってエネルギーを放出し、かつ、充電回路（１８）から受け取った電荷を貯蔵するように構成された任意の電気部品を含む。
【００１８】
電池が充電されると、有機センサー（１４）は、電池（１０）からの可燃性のガスの任意の放出を検知するために、電池（１０）に近い通気隙間をモニターする。温度センサー（１６）は、例えば、電池（１０）の１以上のセルの温度をモニターすることによって、電池（１０）の温度をモニターする。電池（１０）の温度が予め定義した閾値を超える場合、その状態は電池（１０）が過充電状態に突入していることを示す。
【００１９】
センサーコントローラ（１２）は有機センサー（１４）および温度センサー（１６）から入力信号を受け取る。両方のセンサーが陽性信号を提供して、有機センサー（１４）が可燃性ガスを検知したことと、温度センサー（１６）が電池（１０）の一部が予め定義した閾値を越える温度を有することを検知したことを示している場合、センサーコントローラ（１２）は、充電システム（１８）に信号を送信して、充電システム（１８）に電池（１０）の充電を停止させることで、潜在的な火炎状態を防ぐ。
【００２０】
１つの実施では、センサーコントローラ（１２）は、センサーシステムの起動工程の間に生じる誤報の可能性を最小限にする遅延を実行するようにさらに構成されてもよい。
【００２１】
図２は、過充電を経験した電池から放出される可燃性のガスまたは蒸気を検知するために、本システムに統合される有機センサーの図である。有機センサー（３０）は揮発性の有機蒸気を検知するように構成される。１つの実施では、有機センサー（３０）は、ＦＩＧＡＲＯによって製造されたＴＧＳ２６２０センサーを含む。有機センサー（３０）は、エタノール、メタノールなどの揮発性の有機蒸気に対する高い選択性を提供するスクリーンに印刷された厚膜金属酸化膜半導体センサー（ａ  ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｅｄ  ｔｈｉｃｋ  ｆｉｌｍ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｓｅｎｓｏｒ）を含んでもよい。
【００２２】
有機センサー（３０）は、ステンレス鋼ガーゼカバー（３２）を含む。金属キャップ（３４）は有機センサー（３０）に物理的な保護と支持を提供する。様々なリードピン（３６）は、有機センサー（３０）によって生じる電子センサー信号を検索するために、かつ、ガスセンサー内に配置されたヒーターシステムにエネルギーを供給するために提供される。
【００２３】
図３のａ乃至ｄは、電池が過充電状態に陥った場合の、過充電状態が検知された場合の、充電電流が停止した場合の、本システムの１つの例となる実施から測定されたデータを示す一連のグラフである。図３のａは、過充電状態に陥った電池内のセル電圧のグラフである。図３のｂは、過充電状態に陥った電池を保持する密封したチャンバー内の気圧のグラフである。図３のｃは、過充電状態に陥った電池内の部品の温度のグラフである。図３のｄは、過充電状態に陥った電池に供給される電荷電流のグラフである。
【００２４】
図３のａ乃至ｄで示されるように、電荷電流は時間ｔ＝０で電池に加えられる。本実施例において、電荷電流は、電池が完全に充電されても停止しない。むしろ、電荷電流は電池に加えられ続け、過充電状態をもたらす。電荷電流が加えられ続けると、図３のａおよびｃは、電池内の電圧と温度の各々が上がることを示す。
【００２５】
時間ｔ=１では、電池内のセルのうちの１つの温度は、予め定義した温度閾値４０を超える。そのようなものとして、充電回路の停止を引き起こすための条件のうちの１つが満たされた。時間ｔ＝２で、電池内部の圧力が増すにつれて、電池ケーシングが可燃性のガスまたは蒸気を試験用チャンバーに放出することができなくなると、第２の閾値が満たされる。図３のｂで示されるように、気圧調節された蒸気が電池からチャンバー中に放出されると、放出時に、チャンバー内の気圧は増加する。ガスは有機センサーによって検知され、これによって、電荷電流の停止のための第２の条件が満たされる。
【００２６】
時間ｔ＝３で、温度条件および有機ガスセンサーの両方の条件が満たされたことを検知した（すなわち、可燃性のガスは検知された）後、センサーコントローラは充電工程の停止を開始する。そのようなものとして、過充電状態による温度上昇と可燃性ガスの放出に起因する潜在的な火炎状態は回避される。図３のｄで示されるように、時間ｔ＝３で、充電電流は両方の状態が検知された後にゼロになり、充電システムは停止する。
【００２７】
図４は、有機ガスセンサー、温度センサー、および、センサー起動時に生じる潜在的な誤報を回避するための遅延回路を含む本センサーシステムの１つの可能な実施を示す概略図である。センサーシステム（１００）は、万一の電池の過充電の際に放出される可燃性のガスを検知するために有機センサー（１０２）を含む。電池の過充電状態を検知するために、温度センサー（１０４）は電池内の１以上のセルにつながれてもよい。しかしながら、１つの特定の実施では、温度センサー（１０４）は電池の端子の１つ以上につながれる。
【００２８】
１つの実施では、温度センサー（１０４）は、温度で変化する抵抗を提供するように構成されたサーミスターを含む。遅延タイマー回路（１０６）は、センサーシステムの起動後に生じる潜在的な誤報を防ぐのに役立つ。例えば、１つの実施では、有機ガスセンサー（１０２）は、有機ガスセンサー（１０２）が正確な測定を報告することができる前に動作温度に達しなければならない表面ヒーターを含む。遅延回路がなければ、有機ガスセンサー（１０２）のヒーターが動作温度に達する前に、システムは誤報を報告してもよい。
【００２９】
温度センサー（１０４）のための予め定義した温度トリガー（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒｉｇｇｅｒ）は、抵抗器（１１０）および（１１２）の値を修正することによって調節されてもよい。例えば、図４に示されるように、予め定義した温度は、摂氏１１３度に設定されてもよい。遅延タイマー回路（１０６）の持続時間は、抵抗器（１１４）およびコンデンサー（１１６）の値を修正することによって調節されてもよい。図４に示されるように、遅延は１８秒に設定されるが、他の値が使用されてもよい。例えば、図４では、有機センサー（１０２）の感度は、（１１８）の値を修正することによって調節されてもよい。
【００３０】
有機センサー（１０２）および温度センサー（１０４）から受信した信号は、ＡＮＤゲート（１０８）で一緒に「ａｎｄでつながれる（ａｎｄｅｄ）」。従って、予め定義した温度が検知され、有機センサーが可燃性のガスを検知した場合、回路は、過充電と潜在的な火炎状態を引き起こす電池の充電工程を停止するよう、「ｇａｓ＿ｆａｕｌｔ」信号を供給する。
【００３１】
本発明の１つ以上の実施形態が詳細に示されてきたが、当業者はこれらの実施形態に対する変更と適用が、以下の特許請求の範囲で説明されるような本発明の範囲を逸脱することなくなされることを認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【国際調査報告】
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