(57)【要約】【課題】本明細書は、複数の単電池と複数の絶縁体を交互に積層した組電池に関し、より簡単な構造で、水分を含む塵埃の堆積や結露による単電池ケース間の導通を検知する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する組電池２は、導電性のケースを有する複数の単電池１０ａ−１０ｅが複数の絶縁性の冷却器４と交互に積層されているデバイスである。組電池２は、電極６ａ、６ｂと、電流センサ２２と、コントローラ２０を備える。電極６ａ、６ｂは、隣接する単電池の夫々のケースの上面１４に取り付けられている。電流センサ２２は、電極６ａと６ｂの間に流れる電流を計測する。コントローラ２０は、電極間に既知の大きさの試験電圧を印加するとともに、電流センサ２２によって計測された電流と試験電圧から得られる電極間の電気抵抗が予め定められた抵抗閾値を下回った場合にその旨を示す信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性のケースを有する複数の単電池が複数の絶縁体と交互に積層されている組電池であり、
隣接する単電池の夫々のケースの上面に取り付けられている電極と、
前記電極間を流れる電流を計測する電流センサと、
前記電極間に予め定められた大きさの試験電圧を印加するとともに、前記電流センサによって計測された電流と前記試験電圧から求まる電極間の電気抵抗が予め定められた抵抗閾値を下回った場合にその旨を示す信号を出力するコントローラと、
を備えることを特徴とする組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単電池を直列あるいは並列に接続した組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
同じ種類の複数の単電池を直列あるいは並列に接続することによって高電圧あるいは大容量の電池を実現する技術が知られている。そのような電池は組電池と呼ばれている。単電池は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などが採用される。
【０００３】
組電池は、ハードウエアとしては、金属製のケースを有する複数の単電池と複数の絶縁体が交互に積層された構造を有するものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
単電池は電池本体が金属製（導電性）のケースに収容されている場合が多い。一方、複数の単電池は出力電圧がばらつくことがある。単電池のケースと電極も絶縁されているが、導電性のケースは、内部の電池本体の帯電に依存した電位を有する。内部の電池本体の電圧が相違すれば、各単電池のケースの電位も相違することになる。隣接する単電池は絶縁体で隔離されているが、絶縁体の表面の電気抵抗が低下すると、隣接する単電池のケースの間に電流が流れる。ケース表面を電流が流れるとケースの腐食を促進してしまう。
【０００５】
組電池を空調の行き届いた空間に設置できる場合はよいが、電動車両などでは、温度や湿度が変化する外気で組電池を冷却するため、ケースや絶縁体の表面に水分を含む塵埃の堆積や結露が生じ、絶縁体表面の電気抵抗が下がってしまう。表面の電気抵抗が下がると、隣接するケース間の電位差で電流が流れ、上記した腐食が進行する。
【０００６】
特許文献１には、隣接するケース間の導通を検知する技術が開示されている。その技術は、特定の単電池の端子と、別の単電池のケースの間の電圧を計測し、その電圧からケース間に導電性液体の貯留による通電が生じたと判定する。これは、ケース間に通電が生じると、ケース内部の電解質とケースとの電圧差が大きくなるという知見に基づいている。また、特許文献２には、複数のブロックで構成されている組電池において、各ブロック毎の代表電流値の偏差を閾値と比較し、偏差が大きい場合に短絡等の異常が生じていると判定する技術が開示されている。
【０００７】
他方、特許文献３には、単電池の自己発熱を利用して結露を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１４９５８８号公報
【特許文献２】特開２００９−２７６１６９号公報
【特許文献３】特開２００３−２８８８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本明細書は、より簡単な構造で、絶縁体を挟んだケース間の電気抵抗の低下を検知する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書が開示する組電池は、導電性のケースを有する複数の単電池と複数の絶縁体が交互に積層された構造を有している。その組電池は、隣接する一対の単電池の夫々のケースの上面に取り付けられている電極と、それら電極間を流れる電流を計測する電流センサと、コントローラを備えている。コントローラは、上記の電極間に予め定められた大きさの電圧（試験電圧）を印加するとともに、電流センサによって計測された電流と試験電圧から求まる電気抵抗が予め定められた抵抗閾値を下回ったときにその旨を示す信号を出力する。なお、印加する試験電圧の大きさが既知であるので、計測される電流の大きさを電流閾値と比較してもよい。なお、電流閾値を用いる場合には、計測された電流が抵抗閾値に対応する電流閾値を上回った場合に、電気抵抗の低下を示す信号を出力する。
【００１１】
この組電池は、ケース間に電気抵抗計測用の電圧（試験電圧）を積極的に印加し、流れる電流を直接に計測することによってケース間の電気抵抗の低下を検知する。なお、ケースの上面に電極を取り付けるのは、ケースの上面が最も塵埃が堆積し易いからである。また、絶縁体は、隣接する単電池を冷却するための冷却器であってよい。
【００１２】
一つの典型的な組電池、特に、電動車両の走行用モータに電力を供給するための組電池では、各単電池を冷却するために、単電池のケースの上方を単電池の積層方向に空気を流すダクトが備えられていることがある。そのような組電池の場合、空気流の最上流側の２個の単電池のケース上面に前述した電極を取り付けることが好ましい。空気流とともに運ばれてくる塵埃は、最上流の単電池や絶縁体の上面に堆積し易いからである。
【００１３】
また、電動車両では、ダクトへ空気を送る送風装置を備える場合もある。その場合、コントローラは、計測された電気抵抗が所定の抵抗閾値を下回った場合（即ち、電極間に流れる電流が抵抗閾値に対応する電流閾値を上回った場合）、ダクトに空気を送る送風装置に温風出力を指令する信号を出力することも好適である。ダクトに温風を送り込むことによって、塵埃の水分を迅速に除去することができ、ケース間の電気抵抗を回復することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書が開示する技術によれば、導電性のケースを有する複数の単電池と複数の絶縁体が交互に積層されている組電池において、絶縁体を挟んだ単電池ケース間の電気抵抗の低下を簡単な構造で検知することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の組電池の模式的斜視図である。
【図２】組電池の一部上面図である。
【図３】コントローラが実行する電気抵抗の低下防止処理のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照して実施例の組電池２を説明する。図１に、組電池の模式的斜視図を示す。なお、単電池１０の一部の上面が見えるように、ダクト７（後述）の一部はカットして描いてある。図中において、符号Ｂがカットした箇所を示している。また、図１には、ダクト７を通じて組電池の上方に空気を送る送風装置３０も描いてある。
【００１７】
組電池２は、電動車両に搭載され、走行用モータに供給する電力を蓄える電池である。組電池２は、リチウムイオン型の単電池１０ａ−１０ｅと複数の冷却器４が交互に積層された構造を有している。なお、図では５個の単電池１０ａ−１０ｅが積層されているのみであるが、積層される単電池の個数は実際にはさらに多い。以下、複数の単電池１０ａ−１０ｅを区別なく表す場合には「単電池１０」と表記する。
【００１８】
各単電池１０は、ケースの内部に電池本体を収容しており、ケースの上面１４に正極端子１２と負極端子１３が備えられている。図では正極端子１２と負極端子１３を区別し易いように、負極端子１３は灰色を付してある。図１によく示されているように、積層方向に沿って正極端子１２と負極端子１３が交互に並ぶように、隣接する２個の単電池１０の一方は、図中のＺ軸回りに反転させて配置される。隣接する２個の単電池１０は、積層方向に正極端子１２と負極端子１３が並び、それらをバスバ５が接続する。具体的には、図中のＸ軸の負の側から、単電池１０ａの正極端子１２とその隣の単電池１０ｂの負極端子１３がバスバ５ａで接続され、単電池１０ｂの正極端子１２とその隣の単電池１０ｃの負極端子１３がバスバ５ｂで接続され、単電池１０ｃの正極端子１２とその隣の単電池１０ｄの負極端子１３がバスバ５ｃで接続され、単電池１０ｄの正極端子１２と単電池１０ｅの負極端子１３がバスバ５ｄで接続される。こうして、５個の単電池１０ａ−１０ｅは、直列に接続される。組電池２は、一つの単電池１０の出力電圧を組電池の数だけ倍加した電圧を出力することができる。
【００１９】
組電池２は、その出力電圧が１００ボルトを超える大出力電池であり、各単電池は発熱量が大きい。そこで、隣接する単電池１０の間に冷却器４が挟まれている。図１では、冷却器４を単純な直方体で描いてあるが、冷却器４は、絶縁コーティングされたアルミニウムの複数の板が隙間を空けて配置されたブロックであり、その隙間を空気が通過することで放熱する。冷却器４は、前述したように絶縁コーティングされているので、冷却器４の全体が絶縁体に相当する。即ち、複数の単電池１０は、絶縁体に相当する複数の冷却器４と交互に積層されている。
【００２０】
各単電池１０は、導電性のケースを有しており、そのケースの内部に電池本体が収容されている。ケースは具体的にはアルミニウムで作られている。ケース上面に設けられている正極端子１２と負極端子１３とアルミニウムのケースとは絶縁されている。電池本体とケースとは絶縁されているが、電池本体の帯電量に依存してケース自体も電位を有することになる。隣り合う単電池において内部の電池本体の電位が異なると、単電池のケース間にも電位差が生じる。隣接する単電池は絶縁体に相当する冷却器４で隔離されているが、冷却器４の表面の電気抵抗が下がると、一対の単電池ケースの間に電流が流れることがある。ケース表面を流れる電流はケースの腐食をもたらすので好ましくない。冷却器４の表面の電気抵抗を低下させる要因の一つが、水分を含む塵埃の堆積や結露である。
【００２１】
また、組電池２は、各単電池１０のケースの上方に空気を送るためのダクト７を有している。ダクト７は、単電池１０の上面１４に向けて開口しており、ダクト内を通る空気が各単電池１０の上面１４及び、各冷却器４の上面を通るようになっている。なお、前述したように、ダクト７の下側の一部の単電池の上面１４が見えるように図１ではダクト７の一部をカットして描いてある。符号Ｂが示すハッチング部分がカットした部位である。
【００２２】
ダクト７は、単電池１０と冷却器４の積層方向に沿って伸びており、その一端には送風装置３０が繋がっており、他端は開放されている。送風装置３０はダクト７を通じて複数の単電池１０と複数の冷却器４の上面に空気を送る。図１において符号Ａが示す矢印が空気の流れを示している。なお、送風装置３０の内部には、空気を送るファン３１と、その空気を加熱するヒータ３２が内蔵されている。ヒータ３２を作動させることで、ダクト７に温風が送られる。送風装置３０は、後述するコントローラ２０によって制御される。
【００２３】
ダクト７のカットされた部分に描かれているように、単電池１０ａの上面１４と単電池１０ｂの上面１４には電極６ａと６ｂが取り付けられている。なお、前述したように、単電池１０の上面を含むケースは導電性である。単電池１０ａと１０ｂは、ダクト７を流れる空気流の最上流側に位置する単電池である。電極６ａと６ｂは、コントローラ２０に接続されている。コントローラ２０の内部には、電極６ａと６ｂに予め定められた大きさ電圧を加える直流電源２１と、電極６ａと６ｂの間を流れる電流を計測する電流センサ２２が内蔵されている。電極６ａと６ｂの間に印加される電圧を以下では試験電圧と称する。電極６ａと６ｂの利用について次に説明する。
【００２４】
組電池２は、電動車両の走行用モータに電力を供給するバッテリであり、電動車両に搭載される。ダクト７へ送られる空気は、送風装置３０が外気から取り込んだものであり、水分や塵埃を含む。それゆえ、各単電池１０や冷却器４の表面には水分や塵埃が付着する。特に、ダクトを流れる空気流の上流に位置する単電池１０ａと単電池１０ｂとそれらの間の冷却器４の上面１４には塵埃が付着し易い。隣接する単電池同士は絶縁体である冷却器４で隔離されているが、冷却器４の上面にも水分や塵埃が付着する。水分、及び、水分を含む塵埃は電気を通し易い。前述したように、絶縁体である冷却器４の表面に水分や水分を含んだ塵埃が堆積すると、表面の電気抵抗が低下する。冷却器４の表面の電気抵抗が低下すると、隣接する単電池１０のケースの電位差により、冷却器４を挟んで一方のケースから他方のケースへ電流が流れることがある。この電流によりケースの腐食が進行する。それゆえ、冷却器４の表面の電気抵抗は高い値を維持することが望ましい。そこで、組電池２では、塵埃等が最も付着し単電池１０ａの上面１４と単電池１０ｂの上面１４の夫々に電極６ａ、６ｂを取り付け、その電極に試験電圧を加えることで、２つのケース間の電気抵抗の低下を検知し、所定の値まで電気抵抗が低下したら送風装置３０を使って電気抵抗を回復する。
【００２５】
なお、図２に示すように、電極６ａと６ｂは、単電池の積層方向（図中のＸ軸方向）に並んで配置され、それらを結ぶ線分（図２中の符号Ｃが示す線分）が最短距離で冷却器４の表面を横断する。別言すれば、電極６ａと６ｂは、それらを結ぶ線分Ｃが積層方向と平行となるように配置される。電極６ａと６ｂのそのような配置により、ケース間の電気抵抗の計測精度が高まる。
【００２６】
コントローラ２０は、冷却器４の表面の電気抵抗が所定の値を下回ると、電気抵抗を回復すべく、送風装置３０を制御する。コントローラ２０が行う電気抵抗の低下防止処理を、図３のフローチャートを参照して説明する。コントローラ２０は、電動車両のイグニッションがオンされたときからオフされるまでの間、図３の処理を一定間隔で繰り返し実行する。その一定間隔とは例えば１秒間隔である。
【００２７】
コントローラ２０は、内蔵の直流電源２１で電極６ａと６ｂの間に予め定められた大きさの電圧（試験電圧）を印加するとともに、内蔵の電流センサ２２で電極６ａと６ｂの間を流れる電流を計測する（Ｓ２）。次いで、コントローラ２０は、電極６ａと６ｂの間の電気抵抗が予め定められた第１抵抗閾値以下であるか否かをチェックする（Ｓ３）。なお、実際には、印加している試験電圧が既知であるので、電極６ａと６ｂの間の電気抵抗は計測した電流から一意に求められる。従ってコントローラ２０は、実際には、計測した電流が、第１抵抗閾値に対応した第１電流閾値以上であるか否かをチェックする（Ｓ３）。計測した電流が第１電流閾値を下回っている場合（Ｓ３：ＮＯ）、即ち、電極間の電気抵抗が第１抵抗閾値を上回っている場合、コントローラ２０は、送風装置３０のファンが３１作動していればこれを停止し（Ｓ５）、処理を終える。一方、コントローラ２０は、計測した電流が第１電流閾値以上の場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、すなわち、電極間の電気抵抗が第１抵抗閾値以下の場合には、送風装置３０のファン３１を作動させ（Ｓ４）、ダクト７に空気を送る。ダクト７に空気が送り込まれることで単電池１０の上面１４や冷却器４の上面の水分が蒸発し、電極間（即ち、隣接するケース間）の電気抵抗が回復する（即ち電気抵抗が高くなる）。
【００２８】
絶縁体である冷却器４の上面に多量の水分が存在する場合、電極６ａと６ｂの間の電気抵抗はさらに小さくなる。コントローラ２０は、ステップＳ４でファン３１を作動させた後、ステップＳ６において、電極間の電気抵抗が予め定められた第２抵抗閾値以下であるか否かをチェックする（Ｓ６）。なお、実際には、コントローラ２０は、計測した電流が第２抵抗閾値に対応した第２電流閾値以上であるか否かをチェックする。ここで、第２抵抗閾値は、第１抵抗閾値よりも小さい。別言すれば、第２電流閾値には先の第１電流閾値よりも大きい値が設定されている。電極間の抵抗値が第２抵抗値よりも小さいことは、冷却器４を挟んで積層されている一対の単電池ケースの間を電流が流れ易いことを意味している。電極間の電気抵抗が第２抵抗閾値以下の場合、絶縁体である冷却器４の上面に多量の水分が存在していると判断し、コントローラ２０は、送風装置３０に対してヒータ３２を作動させる信号を送信する（Ｓ７）。ヒータ３２により加熱された空気がダクト７に送られる。加熱された空気により、冷却器４の上面１４と冷却器４の上面の水分がより積極的に除去され、電気抵抗がより早く回復する。一方、電極間の電気抵抗が第２抵抗閾値を上回っている場合（即ち、計測した電流が第２閾値を下回っている場合）には、冷却器４の上面に貯留する水分は多くないので、コントローラ２０はヒータ３２を作動させることなく送風を継続する（Ｓ４、Ｓ６：ＮＯ、Ｓ８）。
【００２９】
以上のとおり、組電池２では、冷却用の空気流の最も上流に位置する２つの単電池１０のケース上面に電極６ａ、６ｂを取り付け、絶縁性の冷却器４を挟んで隣接するケース間の電気抵抗をチェックする。コントローラ２０は、電気抵抗が第１抵抗閾値以下となるとケース上面に空気を送るように送風装置３０に信号を出力する。さらに、コントローラ２０は、隣接するケース間の電気抵抗がさらに小さい場合、ダクト７を通じて温風をケース上面に送るように送風装置３０に信号を送る。冷却器の上面に空気、あるいは温風を送ることで、隣接する単電池のケースを絶縁する冷却器４の表面の水分を除去する。こうして、組電池２は、簡単な構造で、隣接する単電池のケース間の水分を含む塵埃の堆積や結露による電気抵抗の低下を検知することができる。さらに組電池２は、電気抵抗が所定の閾値（第１又は第２抵抗閾値）を下回った場合、塵埃が堆積している絶縁体（冷却器４）の上面に空気あるいは温風を送り、電気抵抗を速やかに回復させる。
【００３０】
実施例の技術に関する留意点を述べる。図３のステップＳ３とＳ６では、等号を含む不等号を用いた。ステップＳ３とＳ６の処理において、等号を含まない不等号を用いてもよい。また、電極６ａと６ｂの間に加える試験電圧、第１電流閾値、第２電流閾値、第１抵抗閾値、第２抵抗閾値は、組電池２の個別の仕様に応じて適宜に定められる。
【００３１】
実施例の組電池では、電極６ａ、６ｂは、ダクト７を流れる空気流の最上流側の２個の単電池に取り付けられた。電極は、最上流側の単電池に取り付けられることが望ましいが、他の一対の隣接する単電池に取り付けられていてもよい。
【００３２】
コントローラ２０は、電極間の抵抗が第１抵抗閾値以下の場合（即ち、計測した電流が第１電流閾値以上の場合）、送風装置３０に対してファンを作動させる信号を送信する。また、コントローラ２０は、電極間の抵抗が第２抵抗閾値以下の場合（即ち、計測した電流が第１電流閾値以上の場合）、送風装置３０に対してファンを作動させる信号を送信する。これらの信号が、電極間の電気抵抗が所定の抵抗閾値を下回ったことを示す信号の一例に相当する。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３４】
２：組電池
４：冷却器
５ａ−５ｄ：バスバ
６ａ、６ｂ：電極
７：ダクト
１０ａ−１０ｅ：単電池
１２：正極端子
１３：負極端子
１４：上面
２０：コントローラ
２１：直流電源
２２：電流センサ
３０：送風装置
３１：ファン
３２：ヒータ
【図２】
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【図３】
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【図１】
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