(57)【要約】  実施形態によれば、電池パックは、二次電池と、測定部と、内部状態推定部と、温度推定部と、判定部とを含む。測定部は、二次電池の電流、電圧および温度と、当該二次電池の外部の環境温度とを測定することによって測定データを得る。内部状態推定部は、測定データに基づいて二次電池の内部状態を推定することによって推定パラメータを得る。温度推定部は、測定データと推定パラメータとに基づいて二次電池の温度を推定することによって推定温度を得る。判定部は、測定データに含まれる二次電池の測定温度と推定温度との間の温度差分の絶対値を少なくとも１段階の温度閾値と比較し、比較結果に応じて二次電池の温度状態を判定する。
2016038658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、
前記二次電池の電流、電圧および温度と、当該二次電池の外部の環境温度とを測定することによって測定データを得る測定部と、
前記測定データに基づいて前記二次電池の内部状態を推定することによって推定パラメータを得る内部状態推定部と、
前記測定データと前記推定パラメータとに基づいて前記二次電池の温度を推定することによって推定温度を得る温度推定部と、
前記測定データに含まれる前記二次電池の測定温度と前記推定温度との間の温度差分の絶対値を少なくとも１段階の温度閾値と比較し、比較結果に応じて前記二次電池の温度状態を判定する判定部と
を具備する、電池パック。
【請求項２】
前記少なくとも１段階の温度閾値を、前記測定データに含まれる前記二次電池の測定電流、当該測定データに含まれる測定環境温度および前記推定パラメータに含まれる前記二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）のうち一部または全部に基づいて調整してから設定する設定部を更に具備する、請求項１の電池パック。
【請求項３】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち最小の第１の温度閾値と比較し、当該温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が正常であると判定する、請求項１の電池パック。
【請求項４】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値が前記第１の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が異常であると判定する、請求項３の電池パック。
【請求項５】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値以上であれば、前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち前記第１の温度閾値よりも大きな第２の温度閾値とさらに比較し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が低リスクの異常であると判定する、請求項３の電池パック。
【請求項６】
前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定された場合に前記二次電池の使用制限を伴う第１の保安動作を行い、当該温度状態が低リスクの異常であると判定された場合に当該二次電池の使用制限を伴わない第２の保安動作を行う保安部をさらに具備する、請求項５の電池パック。
【請求項７】
二次電池の電流、電圧および温度と、当該二次電池の外部の環境温度とを測定することによって得られる測定データに基づいて前記二次電池の内部状態を推定することによって推定パラメータを得る内部状態推定部と、
前記測定データと前記推定パラメータとに基づいて前記二次電池の温度を推定することによって推定温度を得る温度推定部と、
前記測定データに含まれる前記二次電池の測定温度と前記推定温度との間の温度差分の絶対値を少なくとも１段階の温度閾値と比較し、比較結果に応じて前記二次電池の温度状態を判定する判定部と
を具備する、制御回路。
【請求項８】
前記少なくとも１段階の温度閾値を、前記測定データに含まれる前記二次電池の測定電流、当該測定データに含まれる測定環境温度および前記推定パラメータに含まれる前記二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）のうち一部または全部に基づいて調整してから設定する設定部を更に具備する、請求項７の制御回路。
【請求項９】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち最小の第１の温度閾値と比較し、当該温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が正常であると判定する、請求項７の制御回路。
【請求項１０】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値が前記第１の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が異常であると判定する、請求項９の制御回路。
【請求項１１】
前記判定部は、前記温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値以上であれば、前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち前記第１の温度閾値よりも大きな第２の温度閾値とさらに比較し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が低リスクの異常であると判定する、請求項９の制御回路。
【請求項１２】
前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定された場合に前記二次電池の使用制限を伴う第１の保安動作を行い、当該温度状態が低リスクの異常であると判定された場合に当該二次電池の使用制限を伴わない第２の保安動作を行う保安部をさらに具備する、請求項１１の制御回路。
【請求項１３】
二次電池の電流、電圧および温度と、当該二次電池の外部の環境温度とを測定することによって得られる測定データに基づいて前記二次電池の内部状態を推定することによって推定パラメータを得ることと、
前記測定データと前記推定パラメータとに基づいて前記二次電池の温度を推定することによって推定温度を得ることと、
前記測定データに含まれる前記二次電池の測定温度と前記推定温度との間の温度差分の絶対値を少なくとも１段階の温度閾値と比較し、比較結果に応じて前記二次電池の温度状態を判定することと
を具備する、制御方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１段階の温度閾値を、前記測定データに含まれる前記二次電池の測定電流、当該測定データに含まれる測定環境温度および前記推定パラメータに含まれる前記二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）のうち一部または全部に基づいて調整してから設定することを更に具備する、請求項１３の制御方法。
【請求項１５】
前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち最小の第１の温度閾値と比較し、当該温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が正常であると判定することをさらに具備する、請求項１３の制御方法。
【請求項１６】
前記温度差分の絶対値が前記第１の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が異常であると判定することをさらに具備する、請求項１５の制御方法。
【請求項１７】
前記温度差分の絶対値が当該第１の温度閾値以上であれば、前記温度差分の絶対値を前記温度閾値のうち前記第１の温度閾値よりも大きな第２の温度閾値とさらに比較し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値以上であれば前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定し、当該温度差分の絶対値が当該第２の温度閾値未満であれば前記二次電池の温度状態が低リスクの異常であると判定することをさらに具備する、請求項１５の制御方法。
【請求項１８】
前記二次電池の温度状態が高リスクの異常であると判定された場合に前記二次電池の使用制限を伴う第１の保安動作を行い、当該温度状態が低リスクの異常であると判定された場合に当該二次電池の使用制限を伴わない第２の保安動作を行うことをさらに具備する、請求項１７の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、二次電池を含む電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を持つことで知られている。故に、非水電解質二次電池は、典型的には携帯型電子機器の電源として利用されてきた。さらに、近年では、非水電解質二次電池の用途は、ハイブリッド式輸送機器（例えば、ハイブリッド自動車、ハイブリッド二輪車）または電動式輸送機器（例えば、電気自動車、電動バイク）のエネルギー源へと拡大している。加えて、大規模な電力貯蔵用の蓄電池として非水電解質二次電池を利用することも本格的に検討されつつある。【０００３】
通常、携帯電話機などの小型の電子機器の電源には、１つのセルが利用される。他方、より大型の電子機器の電源、輸送機器のエネルギー源、大規模な電力システムにおける蓄電池などには、複数のセルを直列または並列に接続した組電池が利用される。具体的には、ラップトップＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）には数個程度のセルを接続した組電池が利用され、電気自動車用蓄電池または家庭用定置蓄電池は数十〜数百個程度のセルを接続した組電池が利用され、電力系統用蓄電池は１万個以上のセルを接続した組電池が利用される。【０００４】
非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を持つ反面、例えばセルまたは当該セル周辺の部品（例えば、モータ、インバータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ））若しくは回路の異常により過充電状態に陥った場合に異常発熱が生じるおそれがある。異常発熱を放置すると、発煙、発火などの事態に至るかもしれない。故に、一般的には、非水電解質二次電池の安全性を確保するために、複数の保安手段（例えば、使用停止手段）が用意される。これらの保安手段の多くは、セルの電圧または温度を基準に機能する。【０００５】
例えば、組電池の制御を行うバッテリマネジメントシステム（ＢＭＵ）は、各セルの電流および電圧の管理に加えて各セルの充電状態および放電状態を均一に保つセルバランサなどの周辺部品を制御することによって、安全な充電状態および放電状態を維持しながら（すなわち、過充電および過放電を防止しながら）当該組電池を運用する。【０００６】
さらに、保安手段の１つとして温度保護デバイスも利用される。温度保護デバイスは、セルの温度が温度閾値以上であることを条件に充放電動作を制限または停止することによって異常発熱を防止する。温度保護デバイスには、高温時に溶断することで電流を物理的に遮断する温度ヒューズ、高温時に抵抗値が上昇することで電流を制限するＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタ、ならびに、温度センサの測定値が温度閾値以上になると充放電動作を停止させる過昇温防止回路などが含まれる。【０００７】
しかしながら、このような温度保護デバイスが通常の電池使用時に誤って機能するとユーザの利便性は大きく損なわれてしまう。係る事態を避けるために、温度保護デバイスが機能する温度閾値は、典型的には、通常の電池使用時には到達しないような非常に高い温度に設定されることになる。上記温度閾値を高温に設定することでユーザの利便性は維持される反面、電池パックまたはその周辺が復旧困難な程のダメージを負うまで温度保護デバイスが機能しない可能性もある。【０００８】
さらに、輸送機器用の組電池または大規模な電力貯蔵用の組電池の稼働期間は１０〜１５年程度と想定されているが、電池特性は時間と共に劣化する。すなわち、組電池の稼働期間中に、各セルの特性、組電池内のセルの性能分布などが変化していくことになる。故に、組電池の安全性を長期間に亘って確保するためには、電池特性の劣化を考慮して保安手段を機能させることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２７８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
実施形態は、電池パックの異常発熱を早期に検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態によれば、電池パックは、二次電池と、測定部と、内部状態推定部と、温度推定部と、判定部とを含む。測定部は、二次電池の電流、電圧および温度と、当該二次電池の外部の環境温度とを測定することによって測定データを得る。内部状態推定部は、測定データに基づいて二次電池の内部状態を推定することによって推定パラメータを得る。温度推定部は、測定データと推定パラメータとに基づいて二次電池の温度を推定することによって推定温度を得る。判定部は、測定データに含まれる二次電池の測定温度と推定温度との間の温度差分の絶対値を少なくとも１段階の温度閾値と比較し、比較結果に応じて二次電池の温度状態を判定する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る電池パックを例示するブロック図。
【図２】図１の演算部を例示するブロック図。
【図３】図１の電池パックにおいて実行される異常発熱検出処理を例示するフローチャート。
【図４】二次電池の充放電曲線を例示するグラフ。
【図５】二次電池の内部状態を例示するグラフ。
【図６】正極活物質がコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図７】正極活物質がマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図８】正極活物質がＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図９】正極活物質がオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図１０】負極活物質が黒鉛（ＬｉＣ６）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図１１】負極活物質がチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示するグラフ。
【図１２】電池の電流、電圧および温度の実際の測定データを例示するグラフ。
【図１３】電池の測定温度および推定温度の時間変動を例示するグラフ。
【図１４】温度差分および温度閾値の時間変動を例示するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら実施形態の説明が述べられる。尚、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、重複する説明は基本的に省略される。
【００１４】
（第１の実施形態）  
図１に例示されるように、第１の実施形態に係る電池パックは、電池１００と、電池制御部１１０と、測定部１２０と、演算部１３０と、記憶部１４０とを備える。なお、電池制御部１１０、測定部１２０、演算部１３０および記憶部１４０の一部または全部が電池パックの外部の制御回路として設けられてもよい。さらに、この制御回路と電池パックとをまとめて電池管理システムとみなすこともできる。
【００１５】
電池１００は、単一のセルに相当してもよいし、複数のセルを直列または並列に接続した組電池に相当してもよい。以降の説明では、電池１００は、組電池に相当するものとする。各セルは、好ましくは、例えばリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池に相当する。
【００１６】
電池制御部１１０は、電池１００の入出力制御を行う。具体的には、電池制御部１１０は、電池１００の電流および電圧を制御する。
【００１７】
測定部１２０は、電池１００の電流、電圧および温度（例えば、セルの表面の温度）を測定する。具体的には、測定部１２０は、セル単位で電流、電圧および温度を測定してもよいし、複数のセルからなるセルグループ単位で電流、電圧および温度を測定してもよい。例えば、電池１００は、直列接続された複数の電池段からなり、各電池段において複数のセルが並列接続されている場合には、各電池段（すなわち、並列接続された複数のセル）をセルグループとして扱うことができる。さらに、測定部１２０は、電池１００の外部の環境温度（例えば、電池パックの外装の温度）も測定する。測定部１２０は、電池１００の測定データ（すなわち、測定電流、測定電圧および測定温度ならびに測定環境温度）を演算部１３０へと出力する。
【００１８】
測定部１２０は、例えばサーミスタ、熱電対、測温抵抗体、温度センサＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを用いて温度を測定することができる。なお、図示されない冷却機構または放熱機構が電池１００に対して作用する場合には、測定部１２０は冷媒の温度または空冷に用いられる外気の温度などをさらに測定してもよい。このような冷却機構または放熱機構に関する温度を用いることによって、演算部１３０は後述される電池１００の放熱量を高精度に算出することができる。
【００１９】
演算部１３０は、測定データを測定部１２０から受け取り、記憶部１４０から後述されるＯＣＶ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）データおよびエントロピーデータを読み出す。演算部１３０は、測定データおよびＯＣＶデータに基づいて、例えば充放電曲線の回帰分析を行うことによって、例えば正極の活物質量、負極の活物質量、内部抵抗値、正極のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）、負極のＳＯＣ、セルのＳＯＣなどの内部状態パラメータをセル単位またはセルグループ単位で推定する。さらに、演算部１３０は、測定データ、エントロピーデータおよび推定された内部状態パラメータに基づいて電池１００の理論温度をセル単位またはセルグループ単位で熱学的に推定する。それから、演算部１３０は、電池１００の推定温度と電池１００の測定温度との間の温度差分を計算し、当該温度差分を少なくとも１段階の温度閾値と比較することによって電池１００の温度状態をセル単位またはセルグループ単位で判定する。なお、演算部１３０は、必要に応じて上記少なくとも１段階の温度閾値を設定してもよい。複数段階の温度閾値を設定すれば、異常状態を段階的に判定することが可能となる。そして、リスクに見合ったレベルの保安動作を採ることにより、電池パックおよびその周辺の部品および回路の安全も確保しながらユーザの利便性を維持することができる。
【００２０】
記憶部１４０には、電池１００の正極活物質のＯＣＶデータおよびエントロピーデータならびに当該電池１００の負極活物質のＯＣＶデータおよびエントロピーデータが保存される。活物質のＯＣＶデータは、当該活物質のＯＣＶと充電状態との間の関係を示すＯＣＶ曲線を表す。活物質のエントロピーデータは、当該活物質のエントロピーと充電状態との関係を示すエントロピー曲線を表す。
【００２１】
ＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線の具体例が図６乃至図１１に例示される。図６、図７、図８および図９は、それぞれ、正極活物質が、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、Ｌｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２およびオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示する。図１０および図１１は、それぞれ、負極活物質が、黒鉛（ＬｉＣ６）およびチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）である場合のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線を例示する。
【００２２】
図６乃至図１１に示されるように、活物質に依存してエントロピー変化量（ΔＳ）の挙動は大きく異なる。具体的には、コバルト酸リチウムおよび黒鉛のようにエントロピー変化量（ΔＳ）が比較的大きい活物質もあれば、マンガン酸リチウム、オリビン型リン酸鉄リチウムおよびチタン酸リチウムのようにエントロピー変化量（ΔＳ）が比較的小さい（０に近い）活物質もある。故に、例えば、電池１００の正極および負極がエントロピー変化量（ΔＳ）の比較的小さい活物質を主に含むのであれば、演算部１３０は後述されるエントロピー吸発熱量を０に近似してもよい。さらに、この場合には、演算部１３０は、エントロピーデータを参照することなく電池１００の温度を推定できる。
【００２３】
なお、活物質のＯＣＶ曲線およびエントロピー曲線は、実験セルを作成し、当該実験セルの様々な充電状態において開回路電圧およびエントロピー変化量（ΔＳ）を測定および算出することによって導出することができる。実験セルは、活物質、導電材およびバインダを含む電極を対極として持ち、Ｌｉを参照極として持つ。この実験セルをある充電状態に設定してから十分な休止時間の後に、温度（Ｔ）を段階的に変化させながら開回路電圧（Ｅ（Ｔ））が測定される。さらに、これら温度（Ｔ）および開回路電圧（Ｅ（Ｔ））を下記数式（１）に代入し、エントロピー変化量（ΔＳ）が算出される。他の充電状態についても同様に開回路電圧およびエントロピー変化量が測定および算出される。
【数１】
2016038658.tif 000003
【００２４】
なお、数式（１）において、Ｅ０は、基準温度における開回路電圧を表し、ΔＴは基準温度と温度（Ｔ）との差分を表す。Ｆはファラデー定数を表す。
【００２５】
演算部１３０は、図２に例示されるように、内部状態推定部１３１、温度推定部１３２、温度閾値設定部１３３および温度状態判定部１３４へと機能分割することができる。
【００２６】
内部状態推定部１３１は、測定部１２０から測定データを受け取り、記憶部１４０からＯＣＶデータを読み出す。内部状態推定部１３１は、充放電曲線の形状に対して正極および負極の活物質のＯＣＶを基準に内部抵抗値ならびに正極および負極の活物質量などをパラメータとしてフィッティング計算を行うことによって、当該パラメータを推定する。内部状態推定部１３１は、例えば、図４に示される充放電曲線に対して図５に示される内部状態を推定する。
【００２７】
このような充放電曲線の回帰分析によれば、正極または負極が複数の活物質を含有する場合であっても、内部状態推定部１３１は、活物質毎に個別の内部状態（特に、劣化状態）を推定できる。結果的に、温度推定部１３２は、各活物質量に比例するエントロピー吸発熱量を高精度に推定できる。
【００２８】
さらに、電池１００が組電池に相当する場合には、セル毎またはセルグループ毎に個別の内部状態を推定できる点で充放電曲線の回帰分析が好ましい。経年劣化により組電池内のセルの内部状態にばらつきが生じるので、当該組電池の充放電時にセルにおける熱挙動は一様でない。従って、セル毎またはセルグループ毎に個別の内部状態を推定し、各セルまたは各セルグループの熱挙動を再現することが好ましい。なお、一般的な組電池においてもＢＭＵは安全対策のために各セルの電圧を測定しているので、測定部１２０がセル単位またはセルグループ単位で電圧を測定したとしても大きな設計変更にはならない。
【００２９】
一般的に、電池１００の充電時の動作条件は放電時の動作条件に比べて単純である。例えば、電池１００は、所定電圧まで定電流で充電され、それから定電圧で充電される（ＣＣ−ＣＶ）。他方、電池１００の放電は典型的には負荷の駆動を意味し、電流は必ずしも一定ではないから、動作条件はより複雑である。従って、内部状態推定部１３１は、好ましくは充電曲線を分析するが、放電曲線を分析することも可能である。
【００３０】
温度推定部１３２は、測定部１２０から測定データを受け取り、内部状態推定部１３１から推定された内部状態パラメータを受け取り、記憶部１４０からエントロピーデータを読み出す。温度推定部１３２は、測定データ、エントロピーデータおよび推定された内部状態パラメータに基づいて電池１００の理論温度を熱学的に推定する。但し、電池１００の正極および負極がエントロピー変化量（ΔＳ）の比較的小さい活物質を主に含むのであれば、温度推定部１３２はエントロピー吸発熱量を０に近似してもよい。この場合に、温度推定部１３２は、エントロピーデータを記憶部１４０から読み出さない。
【００３１】
具体的には、温度推定部１３２は、下記数式（２）に示されるように、使用中（すなわち、充放電中）のセル（または、セルグループ）の単位期間内の温度変化（ΔＴｃ）を、当該セルにおける単位期間内の熱量の収支（Ｑ）を当該セルの熱容量（Ｃ）で除算することによって導出する。
【数２】
2016038658.tif 000004
【００３２】
温度推定部１３２は、下記数式（３）に示されるように、セルにおけるジュール発熱量、エントロピー吸発熱量および外部への放熱量の総和を当該セルにおける熱量の収支として算出する。
【数３】
2016038658.tif 000005
【００３３】
温度推定部１３２は、数式（３）のうち右辺第１項（ジュール発熱量）を下記数式（４）に従って算出する。
【数４】
2016038658.tif 000006
【００３４】
数式（４）において、Ｉは電流を表す。Ｉは、充電時に正の値となり、放電時に負の値となる。Ｒは内部抵抗値を表す。なお、内部抵抗値（Ｒ）は、セルの状態（すなわち、セルの温度（Ｔｃ）およびセルのＳＯＣ（ＳＯＣｃ））の関数であるから、数式（４）は下記数式（５）に書き換えることができる。
【数５】
2016038658.tif 000007
【００３５】
温度推定部１３２は、上記数式（３）のうち右辺第２項（エントロピー吸発熱量）を下記数式（６）に従って算出する。
【数６】
2016038658.tif 000008
【００３６】
数式（６）において、ΔＳｐは正極のエントロピー変化量を表し、ΔＳｎは負極のエントロピー変化量を表す。エントロピー吸発熱量は、活物質の充放電による当該活物質内のＬｉ組成の変化に起因する。故に、正極エントロピー変化量および負極エントロピー変化量は、それぞれ正極のＳＯＣ（ＳＯＣｐ）および負極のＳＯＣ（ＳＯＣｎ）の関数であるから、数式（６）は下記数式（７）に書き換えることができる。
【数７】
2016038658.tif 000009
【００３７】
温度推定部１３２は、上記数式（３）のうち右辺第３項（外部への放熱量）を下記数式（８）に従って算出する。
【数８】
2016038658.tif 000010
【００３８】
数式（８）において、Ｈは伝熱係数を表し、Ｔｅは環境温度を表す。
【００３９】
例えば、図１２に示される測定データに基づいて、図１３に示される推定温度を導出することができる。図１２は、オリビン型リン酸鉄リチウムを正極活物質として含有し、黒鉛を負極活物質として含有する、容量が約２Ａｈの電池１００に対して、電流の大きさを１Ｃ、２Ｃおよび０．５Ｃにそれぞれ設定して充放電を行った場合の当該電池１００の表面温度の時間変動を示す。図１２によれば、充放電による温度変動は最大で４℃程度である。なお、一定電流が印加されている間の温度の増減は、主に負極活物質としての黒鉛のエントロピー変化の影響である。
【００４０】
上記数式（２）に従って単位期間内の温度変化を算出し、係る温度変化を累積加算することによって電池１００の温度を推定可能である。より具体的には、上記数式（２）中のＱを下記数式（９）に従って算出することにより、図１３に示される推定温度が導出された。
【数９】
2016038658.tif 000011
【００４１】
数式（９）において、Ｖは電池１００の電圧を表し、ＯＣＶは電池１００のＯＣＶを表す。数式（９）のうち右辺第１項は、一見すると上記数式（４）および上記数式（５）のいずれとも異なる。しかしながら、オームの法則により下記数式（１０）が成立するので、数式（９）は上記数式（４）および上記数式（５）とは矛盾しない。また、正極活物質としてのオリビン型リン酸鉄リチウムのエントロピー変化量は比較的小さいので、正極のエントロピー吸発熱量は０に近似されている。
【数１０】
2016038658.tif 000012
【００４２】
図１３に示されるように、推定温度は変動幅および変動方向の点で測定温度に概ね一致している。特に、変動の激しい２Ｃ充放電時であっても推定誤差は高々１℃である。すなわち、電池１００が正常に動作している限り温度推定部１３２は高い精度で当該電池１００の理論温度を推定できる。
【００４３】
なお、一般的に、セルの経年劣化により、当該セルの容量は減少し、内部抵抗値は増加し、正極ＳＯＣと負極ＳＯＣとのずれも生じる。故に、内部状態推定部１３１は、係る経年劣化の影響により温度推定部１３２による温度の推定精度が低下しないように、適切な頻度で内部状態パラメータを再推定（すなわち、更新）することが好ましい。
【００４４】
温度閾値設定部１３３は、測定部１２０から測定データを受け取り、内部状態推定部１３１から推定された内部状態パラメータを受け取る。温度閾値設定部１３３は、例えば電流、セルのＳＯＣ、セルの温度、環境温度などに基づいて少なくとも１段階の温度閾値を調整し、調整された温度閾値を設定する。
【００４５】
なお、温度状態判定部１３４が、固定の温度閾値を用いて電池１００の温度状態を判定する場合には、温度閾値設定部１３３は省略されてもよい。しかしながら、可変の温度閾値を用いることによって温度推定部１３２における推定誤差の変動を補償できるので、電池１００の温度状態をより適切に判定することが可能となる。具体的には、電池１００が不使用である場合、或いは、穏やかに使用されている場合には温度推定部１３２における推定誤差は大きくなりにくいので、温度閾値設定部１３３が温度閾値の絶対値を減少させたとしても温度状態の誤判定は生じにくい。他方、電池１００が激しく使用されている場合（例えば、電流そのものまたはその変動が大きい場合）には推定誤差が大きくなりやすいので、温度閾値設定部１３３が温度閾値の絶対値を増加させることにより温度状態の誤判定の発生を抑制することが好ましい。
【００４６】
具体的には、温度閾値設定部１３３は、電流の大きさ、セルの温度と環境温度との温度差分、セルのＳＯＣ、電池１００内のセルの内部状態および充電状態のばらつきなどのパラメータの一部または全部の関数に従って温度閾値を調整する。
【００４７】
例えば、温度閾値設定部１３３は、温度閾値の大きさを測定電流の大きさの一次関数に従って定めてもよい。前述の図１２および図１３の例において、温度閾値の大きさを測定電流の大きさの一次関数として定めたとすれば、当該温度閾値および温度差分は図１４に例示されるように変動する。図１４の例では、充放電電流が大きい期間に温度差分はわずかに増加するが、電流の増加に伴って温度閾値もまた最大５℃まで増加する。故に、電池１００の正常な動作の下での電流増加により推定誤差が一時的に大きくなったとしても、温度状態の誤判定の発生は生じない。
【００４８】
なお、各パラメータに対応する適切な温度閾値は、例えば電池パックの構造、セルの構造、温度の測定点の場所、電池使用機器における設定などの様々な要因に依存する。さらに、例えば電池パックの周辺の部品（例えば、モータ）または回路による発熱の影響により環境温度が激しく変動する場合には、推定誤差も大きく変動するおそれがある。故に、環境温度の変動を考慮に入れて温度閾値を設定することが好ましい。例えば、周辺の部品または回路が動作を開始してから安定するまでの期間若しくは負荷の大きな特定の動作を行う期間に、温度閾値設定部１３３は温度閾値の絶対値を増加させることにより温度状態の誤判定の発生を抑制できる。
【００４９】
温度状態判定部１３４は、測定部１２０から測定データを受け取り、温度推定部１３２から推定温度を受け取り、温度閾値設定部１３３から設定された温度閾値を受け取る。温度状態判定部１３４は、測定温度と推定温度との間の温度差分を計算し、温度差分を温度閾値と比較することによって、電池１００の温度状態を判定する。
【００５０】
例えば、温度状態判定部１３４は、１段階の温度閾値を用いる場合には、温度差分の絶対値が当該温度閾値未満であるならば電池１００の温度状態は正常であると判定し、そうでなければ異常であると判定する。電池１００の温度状態が異常であると判定された場合には、図示されない保安部（これは、電池制御部１１０を含むことができる）が所定の保安動作を行ってもよい。例えば、保安部としての電池制御部１１０は、電池１００に対して入出力電力の制限、使用停止（緊急使用停止を含む）、再起動禁止、貯蔵電力の強制外部放電などを行ってもよい。或いは、保安部としてのディスプレイ、スピーカまたは点灯素子が異常発熱に関する注意若しくは警告または電池使用機器の使用停止要請をユーザに報知してもよいし、温度状態判定部１３４が異常を示す通知信号を保安部としての上位システムへと送信してもよい。なお、保安部は、温度状態判定部１３４が電池１００の温度状態が正常であると再判定する場合に、保安動作を解除してもよい。
【００５１】
他方、温度状態判定部１３４は、２段階以上の温度閾値を用いる場合には、温度差分の絶対値が最小の温度閾値未満であるならば電池１００の温度状態は正常であると判定し、そうでなければ電池１００の温度状態は異常であると判定する。さらに、温度状態判定部１３４は、温度差分の絶対値をより大きな温度閾値と順次比較することによって、電池１００の温度状態が低リスクの異常であるのかそれとも高リスクの異常であるのかを段階的に判定できる。この場合には、保安部がリスクに見合った保安動作を選択することによって、ユーザの利便性をできるだけ維持しながら安全性を確保できる。具体的には、温度状態がリスクの低い（即ち、温度差分の絶対値が小さい）異常と判定される場合には、ユーザの利便性が優先され、例えば保安部によって検査を促すための注意喚起が行われるものの電池１００の使用は特に制限されない。他方、温度状態がリスクの高い（即ち、温度差分の絶対値が大きい）異常と判定される場合には、安全性の確保が優先され、例えば保安部は電池１００に対して緊急使用停止、貯蔵電力の強制外部放電などを行う。
【００５２】
なお、温度状態判定部１３４は、好ましくはリアルタイムに（正確には、非常に低遅延で）温度状態を判定するが、例えば計算負荷を分散させるために多少の遅延が生じてもよい。具体的には、電池１００の負荷変動、環境変化、振動などが比較的激しい状況であっても、遅延量が概ね数秒から数分程度であれば異常発熱を十分早期に検出することができる。また、電池１００が例えば電力系統用蓄電池として利用され、かつ、その負荷も緩やかである場合には、遅延量は数時間から数日程度であってもよい。但し、遅延量が大きい場合には、突発的な異常発熱への対策のために従来の温度保護デバイスを併用することが好ましい。
【００５３】
図１の電池パックは、図３に例示されるように動作する。なお、各ステップは、図３とは異なる順序で実行されてもよい。  
まず、測定部１２０が、電池１００の電流、電圧および温度と環境温度とを測定する（ステップＳ２０１）。次に、内部状態推定部１３１は、記憶部１４０から読み出されたＯＣＶデータと、ステップＳ２０１において得られた測定データを用いて電池１００の内部状態を推定する（ステップＳ２０２）。
【００５４】
なお、ステップＳ２０２は、必ずしも図３の異常発熱検出処理の実行の度に実行されなくてもよい。すなわち、過去のステップＳ２０２の実行時に推定された内部状態パラメータをステップＳ２０３以降で再利用することができる。ステップＳ２０２は、セルの経年劣化の影響により温度推定部１３２における推定精度が低下しない程度の頻度で実行すれば十分である。例えば、ステップＳ２０２は、充放電曲線の回帰分析に適した測定データが新たに得られた場合に実行されてもよいし、或いは、電池１００に対して所定の充放電操作が定期的に施され、この間の測定データに基づいて実行されてもよい。ステップＳ２０２の実行頻度は、例えば電池１００の劣化特性、電池パックの構造、電池使用機器、電池１００の使用状況などに基づいて定められてよい。
【００５５】
温度推定部１３２は、記憶部１４０から読み出されたＯＣＶデータとステップＳ２０１において得られた測定データおよびステップＳ２０２において推定された内部状態パラメータとに基づいて電池１００の理論温度を熱学的に推定する（ステップＳ２０３）。さらに、温度閾値設定部１３３は、ステップＳ２０１において得られた測定データおよびステップＳ２０２において推定された内部状態パラメータに基づいて少なくとも１段階の温度閾値を設定する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４の例では、温度閾値設定部１３３は、３段階の温度閾値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を設定しており、０＜Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３である。
【００５６】
温度状態判定部１３４は、ステップＳ２０１において得られた電池１００の測定温度とステップＳ２０３において得られた推定温度との温度差分を計算する（ステップＳ２０５）。そして、温度状態判定部１３４は、ステップＳ２０５において計算された温度差分と、ステップＳ２０４において設定された最小の温度閾値（Ｔ１）とを比較する（ステップＳ２０６）。温度差分がＴ１未満であるならば、温度状態判定部１３４は電池１００の温度状態が正常であると判定し、図３の異常発熱検出処理は終了する。
【００５７】
ステップＳ２０６において温度差分がＴ１以上であるならば、温度状態判定部１３４は、温度差分と、ステップＳ２０４において設定された２番目に小さい温度閾値（Ｔ２）とをさらに比較する（ステップＳ２０７）。温度差分がＴ２未満であるならば、温度状態判定部１３４は電池１００の温度状態が低リスクの異常であると判定し、第１の保安動作が行われ（ステップＳ２０８）、図３の異常発熱検出処理は終了する。第１の保安動作は、電池１００の温度状態から見積もられるリスクの高低に見合ったものであることが好ましい。例えば、保安部は、電池１００の使用を特に制限しないものの、ユーザへ検査を促すための注意喚起を行う。
【００５８】
ステップＳ２０７において温度差分がＴ２以上であるならば、温度状態判定部１３４は、温度差分と、ステップＳ２０４において設定された最大の温度閾値（Ｔ３）とをさらに比較する（ステップＳ２０９）。温度差分がＴ３未満であるならば、温度状態判定部１３４は電池１００の温度状態が中リスクの異常であると判定し、第２の保安動作が行われ（ステップＳ２０９）、図３の異常発熱検出処理は終了する。他方、温度差分がＴ３以上であるならば、温度状態判定部１３４は電池１００の温度状態が高リスクの異常であると判定し、第３の保安動作が行われ（ステップＳ２１０）、図３の異常発熱検出処理は終了する。第２の保安動作および第３の保安動作もまた、電池１００の温度状態から見積もられるリスクの高低に見合ったものであることが好ましい。例えば、第３の保安動作として、保安部は、例えば電池１００に対して緊急使用停止、貯蔵電力の強制外部放電などを行ってもよい。第２の保安動作は、第１の保安動作に比べて安全の確保を重視し、第３の保安動作に比べてユーザの利便性を重視して選択されることが好ましい。
【００５９】
以上説明したように、第１の実施形態に係る電池パックは、電池の理論温度を熱学的に推定し、推定温度と実際の測定温度との間の温度差分を算出する。この電池パックは、温度差分が温度閾値を逸脱している場合には電池の温度状態が異常であると判定し、必要に応じて保安動作を行う。従って、この電池パックによれば、電池またはその周辺の回路若しくは部品の異常発熱を早期に（電池が非常に高温になるよりも前に）検出することができる。さらに、この電池パックによれば、電池の使用中に限られず不使用中であっても当該電池の外部の要因による異常発熱を検出することができる。異常発熱を早期に検出し、適切な保安動作を行うことによってユーザの利便性を維持しながら安全性を確保することができる。
【００６０】
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
【符号の説明】
【００６１】
１００・・・電池
１１０・・・電池制御部
１２０・・・測定部
１３０・・・演算部
１３１・・・内部状態推定部
１３２・・・温度推定部
１３３・・・温度閾値設定部
１３４・・・温度状態判定部
１４０・・・記憶部
【図１】
2016038658.tif 000013
【図２】
2016038658.tif 000014
【図３】
2016038658.tif 000015
【図４】
2016038658.tif 000016
【図５】
2016038658.tif 000017
【図６】
2016038658.tif 000018
【図７】
2016038658.tif 000019
【図８】
2016038658.tif 000020
【図９】
2016038658.tif 000021
【図１０】
2016038658.tif 000022
【図１１】
2016038658.tif 000023
【図１２】
2016038658.tif 000024
【図１３】
2016038658.tif 000025
【図１４】
2016038658.tif 000026
【国際調査報告】
2016038658.tif 000027
2016038658.tif 000028