(57)【要約】【課題】締結異常の発生を迅速かつ精度良く検知することができる締結状態判定装置および組電池モジュールを提供することである。【解決手段】実施形態の組電池モジュールは、電流検出器と、温度検出器と、処理部とを持つ。電流検出器は、複数の導電部材が重ね合わされて導電性の締結部材の締結によって導電接続された締結部位に流れる電流を検出する。温度検出器は、締結部位の温度を検出する。処理部は、電流検出器により検出された締結部位に流れる電流の方向が反転するときに温度検出器により検出された締結部位の温度の変化に応じて、締結部位の締結状態の異常有無を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電部材が重ね合わされて導電性の締結部材の締結によって導電接続された締結部位に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記締結部位の温度を検出する温度検出器と、
前記電流検出器により検出された前記締結部位に流れる電流の方向が反転するときに前記温度検出器により検出された前記締結部位の温度の変化に応じて、前記締結部位の締結状態の異常有無を判定する処理部と、
を備える、
締結状態判定装置。
【請求項２】
複数の導電部材が重ね合わされて導電性の締結部材の締結によって導電接続された締結部位に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記締結部位の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電流検出器により検出された前記締結部位に流れる電流の方向が反転するときに前記電圧検出器により検出された前記締結部位の電圧の変化に応じて、前記締結部位の締結状態の異常有無を判定する処理部と、
を備える、
締結状態判定装置。
【請求項３】
前記複数の導電部材および前記締結部材は、複数の異なる材質により形成されている、
請求項１に記載の締結状態判定装置。
【請求項４】
前記複数の異なる材質は、互いに異なるゼーベック係数を有する、
請求項３に記載の締結状態判定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１つに記載の締結状態判定装置と、
複数の二次電池と、
前記複数の導電部材のうちの１つとして、前記複数の二次電池の各々の電極端子に電気的に接続された導電性の接続部材と、
前記複数の導電部材のうちの１つとして、外部の電気機器に対する入出力用の導電性の入出力端子部材と、
を備える、
組電池モジュール。
【請求項６】
前記処理部は、前記複数の二次電池の充電と放電とが切り替わるときの前記締結部位の締結状態の異常有無を判定する、
請求項５に記載の組電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、締結状態判定装置および組電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電源の電力を検出するセンサにおいて、電源に接続された端子と、電力計量用の電圧が印加される試験用の端子とを、接続部材を用いたねじ止めにより接続し、これらの端子間の電圧差を検出することによって、ねじの緩みなどに起因する接続異常の有無を判定する技術が知られている。
また、従来、二次電池の電極端子とバスバーとを締結部材により締結し、電極端子の温度を検出することによって、締結部材の緩みに起因する接触抵抗の増大の有無を検出する検出装置が知られている。
ところで、定常的な締結異常による電気抵抗の増大に起因して、締結部位の温度上昇および電圧降下の増大が緩やかに変化する場合には、締結異常の有無を精度良く判定することが困難になる虞があり、締結異常の発生を迅速かつ精度良く検知することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１７１６６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、締結異常の発生を迅速かつ精度良く検知することができる締結状態判定装置および組電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の組電池モジュールは、電流検出器と、温度検出器と、処理部とを持つ。電流検出器は、複数の導電部材が重ね合わされて導電性の締結部材の締結によって導電接続された締結部位に流れる電流を検出する。温度検出器は、締結部位の温度を検出する。処理部は、電流検出器により検出された締結部位に流れる電流の方向が反転するときに温度検出器により検出された締結部位の温度の変化に応じて、締結部位の締結状態の異常有無を判定する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の組電池モジュールのモジュール間バスバー部分以外の一部を省略して構成を模式的に示す斜視図と、モジュール間バスバー部分を拡大して構成を模式的に示す斜視図。
【図２】実施形態の組電池モジュールのモジュール間バスバー部分を拡大して構成を模式的に示す断面図。
【図３】実施形態の組電池モジュールの回路構成を示す図。
【図４】実施形態の組電池モジュールにおいて実施した異常試験での充放電電流、締結部材の温度、および充放電電圧の変化に対する試験結果の一例を示す図。
【図５】実施形態の第１の変形例の組電池モジュールのモジュール間バスバー部分を拡大して構成を模式的に示す断面図。
【図６】実施形態の第１の変形例の組電池モジュールの回路構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の締結状態判定装置および組電池モジュールを、図面を参照して説明する。
【０００８】
本実施形態の組電池モジュール１０は、図１に示すように、樹脂などから成る筐体１１と、筐体１１の内部に収容された複数の二次電池１２と、制御回路基板１３と、を備えている。
複数の二次電池１２の各々は、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された扁平な略直方体形状の外装容器２１と、外装容器２１内に非水電解液と共に収納された電極体（図示略）と、を備えている。
各二次電池１２は、電極体の正極に接続された正極端子２２および負極に接続された負極端子２３を、例えば合成樹脂やガラスなどの絶縁体からなるガスケット２４を介して、外装容器２１の表面に設けられた端子面２５（例えば、鉛直方向上方の上端面）上の長手方向両端部のそれぞれに備えている。
複数の二次電池１２において隣り合う二次電池１２同士は、隣り合う互いの正極端子２２および負極端子２３が、導電性のアルミニウムなどの金属からなる接続バスバー２７により電気的に接続されている。
【０００９】
複数の二次電池１２のうちの少なくとも何れか２つの二次電池１２の各々は、接続バスバー２７を介して、正極側の入出力バスバー２８または負極側の入出力バスバー２８に電気的に接続されている。各入出力バスバー２８は、組電池モジュール１０を外部の電気機器（例えば、他の組電池モジュール１０または外部負荷１０ａなど）に電気的に接続する。各入出力バスバー２８は、例えば、接続バスバー２７とは異なる材質（例えば、接続バスバー２７とは異なるゼーベック係数を有する材質であって、銅などの金属）により形成されている。
【００１０】
図２に示すように、正極側および負極側の入出力バスバー２８の各々と、二次電池１２の正極端子２２または負極端子２３に接続された接続バスバー２７とは、導電性の接続部材２９を挟み込むように配置されている。順次重ね合わされた入出力バスバー２８、接続部材２９、および接続バスバー２７の各々は、導電性の締結ボルト３０が装着される各ボルト装着孔２８ａ，２９ａ，２７ａを有し、各ボルト装着孔２８ａ，２９ａ，２７ａに装着された締結ボルト３０と、締結ボルト３０が装着されるワッシャー３１および締結ナット３２とによって締結固定されている。
【００１１】
なお、接続部材２９は、例えば、接続バスバー２７および入出力バスバー２８とは異なる材質（例えば、接続バスバー２７および入出力バスバー２８とは異なるゼーベック係数を有する材質であって、真鍮などの金属）により形成されている。また、締結ボルト３０、ワッシャー３１および締結ナット３２は、例えば、接続バスバー２７、入出力バスバー２８、および接続部材２９とは異なる材質（例えば、接続バスバー２７、入出力バスバー２８、および接続部材２９とは異なるゼーベック係数を有する材質であって、鉄鋼などの金属）により形成されている。
【００１２】
組電池モジュール１０は、図３に示すように、接続バスバー２７、入出力バスバー２８、および接続部材２９が順次重ね合わされて締結ボルト３０の締結によって導電接続された締結部位４０に流れる電流を検出する電流センサ４１に加えて、締結部位４０の温度を検出する温度センサ４２を備えている。例えば、温度センサ４２は、締結ボルト３０に接続され、締結ボルト３０の温度に応じた信号を出力する。
【００１３】
制御回路基板１３には、各種の電子回路として、温度検出部５１と異常判定部５２とが実装されている。
温度検出部５１は、温度センサ４２に接続されており、温度センサ４２から出力される信号に応じて締結部位４０の温度を検出する。
異常判定部５２は、電流センサ４１および温度検出部５１に接続されており、電流センサ４１により検出された締結部位４０に流れる電流の方向が反転するときに温度センサ４２により検出された締結部位４０の温度の変化に応じて、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定する。そして、異常判定部５２は、締結部位４０の締結状態が異常であると判定した場合には、組電池モジュール１０の通電停止を指示する信号を出力する。
なお、本実施形態において、電流センサ４１と、温度センサ４２および温度検出部５１と、異常判定部５２とは、締結状態判定装置１を構成している。
【００１４】
異常判定部５２は、締結部位４０に流れる電流の方向が反転する場合を、例えば、外部負荷１０ａである回転電機の力行および回生に応じて組電池モジュール１０の放電および充電が切り替わる場合、または、組電池モジュール１０の停電時における放電と、停電からの復帰時における外部電源（図示略）による充電と、が切り替わる場合などとしている。
【００１５】
異常判定部５２は、例えば、組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替わるときに、この切替時の前後に亘る所定期間内に締結部位４０の温度が所定変化よりも大きい変化を示した場合に、締結部位４０の締結状態が異常であると判定する。
この締結部位４０の温度の変化を判定するための所定変化は、例えば、充電および放電により締結部位４０に流れる電流の大きさ、締結部位４０を構成する各部材の材質、大きさ、および重量などに応じた値を有している。この所定変化の値は、例えば、予め実施される異常試験、もしくはシミュレーションまたは数理モデルによる演算などによって設定されてもよい。
異常判定部５２は、この所定変化を、単に締結ボルト３０に定常的な緩みが生じている場合などの電気抵抗の増大による発熱に対する緩やかな熱伝導に起因した温度変化（温度上昇など）とは区別しており、締結部位４０に流れる電流の方向が反転したときに締結部位４０に生じる特有の温度変化としている。
【００１６】
例えば図４は、締結部位４０の締結状態を異常状態として、組電池モジュール１０の充電と放電とを切り替えつつ締結部位４０の温度変化を検出した異常試験の試験結果を示している。この異常試験において、締結部位４０では、締結ボルト３０が所定の締結規格下限トルクよりも小さいトルクで締め付けられている。また、締結部位４０に流れる電流は、所定電流値（例えば、±１００Ａ程度など）の充電電流および放電電流とされている。
この場合に異常判定部５２は、組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替わる各時刻ｔ１，…，ｔ５の前後において、締結部位４０の温度の変化傾向が不規則的に変化していることを検知して、締結部位４０の締結状態が異常であると判定する。
例えば、時刻ｔ１および時刻ｔ５における放電から充電への切り替え時には、温度の上昇傾向が下降傾向に変化しており、時刻ｔ３における放電から充電への切り替え時には、温度の緩やかな上昇傾向が急激な上昇傾向へと変化している。
また、例えば、時刻ｔ２における充電から放電への切り替え時には、温度の緩やかな下降傾向が急激な下降傾向へと変化しており、時刻ｔ４における充電から放電への切り替え時には、温度の緩やかな上昇傾向が不安定な上昇傾向へと変化している。
【００１７】
異常判定部５２は、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定するための根拠の一つを、締結部位４０に流れる電流による磁界の変化に起因して、締結ボルト３０などに磁力が作用することによって、締結ボルト３０などの配置状態（つまり、通電経路の接触状態および電気抵抗）が変化すること、としている。
【００１８】
例えば、締結ボルト３０の緩みが生じて、締結ボルト３０の配置状態が可変となった異常時には、締結ボルト３０に外力が作用して締結ボルト３０の配置状態が変化すると、締結部位４０の通電経路の接触状態および電気抵抗が変化する。定常的な通電状態の締結部位４０では、電流による磁界が発生することに起因して、磁性を有する締結ボルト３０に磁力が作用し、発生した磁界に応じて締結ボルト３０の配置状態（つまり、通電経路の接触状態および電気抵抗）が固定される。組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替えられると、締結部位４０に流れる電流の方向が反転することに伴って、発生する磁界の方向が変化し、締結ボルト３０に作用する磁力の方向が変化する。これにより、締結ボルト３０の配置状態（つまり、通電経路の接触状態および電気抵抗）が変化し、ジュール熱による発熱量が変化することによって、締結部位４０の温度が所定変化よりも大きく変化する。
これに対して、締結ボルト３０に緩みが生じていない正常時には、締結部位４０に流れる電流の方向が反転することに伴って、発生する磁界の方向が変化し、締結ボルト３０に作用する磁力の方向が変化したとしても、締結ボルト３０は締め付け軸力により固定されており、締結ボルト３０の配置状態（つまり、通電経路の接触状態および電気抵抗）は変化しない。これにより、組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替えられても、締結部位４０の温度が所定変化よりも大きく変化することはない。
これにより異常判定部５２は、締結部位４０で流れる方向が反転する電流による電磁気力に起因した締結ボルト３０などの部材の配置状態の変化に応じた締結部位４０の温度の所定変化を用いて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定する。
【００１９】
また、異常判定部５２は、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定するための根拠の一つを、締結部位４０に流れる電流によるペルチェ効果に起因して締結部位４０に吸熱および放熱が生じること、としている。
【００２０】
例えば、締結部位４０において異なる材質（つまり、異なるゼーベック係数を有する材質）の金属からなる部材同士が接触している場合には、この接触部位を通電経路として流れる電流によるペルチェ効果によって発熱または吸熱が発生する。組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替えられると、締結部位４０に流れる電流の方向が反転することに伴って、ペルチェ効果による発熱と吸熱とが切り替わって発生する。このとき、締結ボルト３０に緩みが生じていない正常時には、通電経路の部材間の熱伝導が十分大きいために温度が平均化され、組電池モジュール１０の充電と放電とが切り替えられても、締結部位４０の温度が所定変化よりも大きく変化することはない。
これに対して、締結ボルト３０の緩みが生じて、通電経路の部材間の接触熱抵抗が増大している場合には、通電経路の部材間の熱伝導が小さくなり、各部材の温度はペルチェ効果による発熱および吸熱の影響を受け易くなり、締結部位４０の温度が所定変化よりも大きく変化する。
これにより異常判定部５２は、締結部位４０で流れる方向が反転する電流によるペルチェ効果に応じた締結部位４０の温度の所定変化を用いて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定する。
【００２１】
上述したように、本実施形態による締結状態判定装置１によれば、締結状態の異常が生じている締結部位４０に流れる電流の方向が反転するときに特有の温度の変化に応じて、締結状態の異常有無を迅速かつ精度良く検知することができる。
さらに、締結部位４０は、複数の異なる材質、例えば互いに異なるゼーベック係数を有する材質により形成された複数の部材（接続バスバー２７、入出力バスバー２８、接続部材２９、および締結ボルト３０など）を備えるので、締結部位４０で流れる方向が反転する電流によるペルチェ効果に応じた締結部位４０の温度の所定変化を用いて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを精度良く判定することができる。
さらに、本実施形態による組電池モジュール１０によれば、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定するための特別の動作期間を設ける必要無しに、組電池モジュール１０の動作時における所定のタイミングにおいて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定することができる。例えば、外部負荷１０ａである回転電機の力行および回生に応じて組電池モジュール１０の放電および充電が切り替わる場合、または、組電池モジュール１０の停電時における放電と、停電からの復帰時における外部電源（図示略）による充電と、が切り替わる場合などにおいて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定することができる。
【００２２】
以下、第１の変形例について説明する。
上述した実施形態では、異常判定部５２は、締結部位４０の温度の変化に応じて締結部位４０の締結状態の異常有無を判定するとしたが、これに限定されず、締結部位４０の電圧の変化に応じて締結部位４０の締結状態の異常有無を判定してもよい。
例えば、図５および図６に示す第１の変形例の締結状態判定装置１および組電池モジュール１０において、制御回路基板１３には、上述した実施形態の温度検出部５１の代わりに電圧検出部６１が実装されている。
電圧検出部６１は、締結部位４０において接続バスバー２７、入出力バスバー２８、および接続部材２９とともに締結ボルト３０によって締結され、締結ボルト３０に導電接続された導電性の電圧検出部材６２に接続されており、締結部位４０の電圧を検出する。
異常判定部５２は、電流センサ４１および電圧検出部６１に接続されており、電流センサ４１により検出された締結部位４０に流れる電流の方向が反転するときに電圧検出部６１により検出された締結部位４０の電圧の変化に応じて、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定する。
この第１の変形例において、締結部位４０の締結状態が異常である場合に締結部位４０に流れる電流の方向が反転すると、電流による電磁気力に起因して締結ボルト３０などの部材の配置状態が変化する。この配置状態の変化が生じると、締結部位４０の電圧降下が変化する。これにより、締結状態の異常が生じている締結部位４０に流れる電流の方向が反転するときに特有の電圧の変化に応じて、締結状態の異常有無を迅速かつ精度良く検知することができる。
【００２３】
以下、第２の変形例について説明する。
例えば、上述した実施形態において、制御回路基板１３には、温度検出部５１および電圧検出部６１と異常判定部５２とが実装されてもよい。この場合、異常判定部５２は、締結部位４０の温度の変化および電圧の変化の少なくとも何れかを用いて、もしくは両方を統合的に用いて、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定してもよい。
【００２４】
以下、第３の変形例について説明する。
例えば、上述した実施形態において、締結部位４０を構成する、接続バスバー２７、入出力バスバー２８、接続部材２９、および締結ボルト３０は、複数の異なる導電性の材質（例えば、複数の異なるゼーベック係数を有する材質）により形成されているとしたが、これに限定されない。この場合、異常判定部５２は、締結部位４０に流れる電流による電磁気力に起因した締結ボルト３０などの配置状態の変化に応じた締結部位４０の温度の所定変化を用いて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定する。
【００２５】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、締結部位４０に流れる電流の方向が反転するときの各種の変化（温度および電圧の変化）を検出することにより、締結状態の異常有無を迅速かつ精度良く検知することができる。さらに、締結部位４０の締結状態の異常有無を判定するための特別の動作期間を設ける必要無しに、組電池モジュール１０の動作時における所定のタイミングにおいて、締結部位４０の締結状態が異常であるか否かを判定することができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００２７】
１…締結状態判定装置、１０…組電池モジュール、１１…筐体、１２…二次電池、１３…制御回路基板、２７…接続バスバー、２８…入出力バスバー、２９…接続部材、３０…締結ボルト、４１…電流センサ、４２…温度センサ、５１…温度検出部、５２…異常判定部、６１…電圧検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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