(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の電池セル（単位電池）を有してなる電池モジュールであって、
電池セルの物理的な作動状態変化を確認する検出手段が各電池セルに装着され、
前記各検出手段が直列方式で互いに連結された状態で電池モジュールの制御部に接続され、
各電池セルから検出される信号（検出信号）が全体の電池セルに対する検出信号に含まれて前記制御部に伝達されてなる構造に構成されてなり、
前記電池セルの物理的な作動状態が電池セルの体積変化であり、及び前記検出手段が、低い膨張係数を有する連続的な各線形部材であり、各電池セルに連続的に接続されてなり、
前記各線形部材が制御部に接続されてなる際に、前記各線形部材が、互いにジグザグ型で連結されることにより、前記各線形部材が隣接した各電池セルの対向側面を取り囲んでなる、電池モジュール。
【請求項２】
前記線形部材を通して制御部に伝達される各電池セルの体積変化信号（検出信号）が、安全性確保のための所定のアルゴリズム実行に必要な入力データとして用いられるか、または、それ自体の引張力変化によって機械的作動を行うための作動信号として用いられるものである、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記制御部が機械的作動方式の安全スイッチを含むか、それ自体が安全スイッチであり、前記線形部材から伝達される引張力変化の大きさ（変位）が所定値以上であるとき、安全スイッチが断電されてなるものである、請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記制御部が、検出手段から伝送された検出信号が所定の臨界値以上であるとき、所定の制御過程を行うように構成されてなる、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記制御過程が、警告信号を発送する第１段階の制御過程と、電源を遮断する第２段階の制御過程と、冷却システムを作動する第３段階の制御過程と、消火システムを作動する第４段階の制御過程とを備えてなる、請求項４に記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記制御部が、電池モジュールの作動を総括するＢＭＳに包含されてなる、請求項１に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造の安全手段を備えた電池モジュールに関し、より詳しくは、電池セルの物理的な作動状態変化を確認する検出手段が各電池セルに装着され、前記各検出手段が直列方式で互いに連結された状態で電池モジュールの制御部に接続され、各電池セルから検出される信号（検出信号）が全体の電池セルに対する検出信号に含まれて前記制御部に伝達される構造であり、各電池セルからの検出信号を個別的でなく一体に伝送することで、検出信号伝送のための構造を簡素化した中大型電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電が可能な二次電池は、小型モバイル機器のみならず、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの中大型装置の動力源としても用いられている。二次電池が中大型装置の動力源として用いられるとき、多数の単位電池（二次電池）が直列または直列／並列に連結されることで、高出力を提供する電池モジュールに製作される。したがって、電池モジュールは、多数の二次電池が電気的に連結された構造となっている。
【０００３】
中大型電池モジュールの単位電池（電池セル）としては、現在までニッケル水素二次電池が大いに用いられたが、最近は、高いエネルギー密度及び高い放電電圧を有するリチウム二次電池に関心が集まっている。
【０００４】
電池モジュールは、多数の電池セルを含む構造であるので、個々の電池セルの作動状態を確認して制御することが要求される。例えば、各電池セルの電圧及び温度などの物理的な作動状態を検出し、最適の作動状態及び安全性を確保する必要がある。この物理的な作動状態の確認は、測定対象である電池セル及び制御部に電圧測定のためのワイヤーなどの接続部材をそれぞれ連結する構成と、測定対象である電池セルの外面または隣接部に温度センサーを設置し、各温度センサーによる検出信号を接続部材を用いて制御部にそれぞれ伝送する構成で達成される。
【０００５】
したがって、電池モジュールを構成する電池セルの数が増加するにつれて、物理的な作動状態を確認するための検出手段と制御部との連結構造が非常に複雑になる。電池セルの電圧を測定する構成において、電圧を検出する過程と、検出信号を制御部に伝送する過程が個別的に行われる反面、各電池セルの温度測定には改善の余地がある。
【０００６】
一方、電池モジュールの単位電池として、上述したリチウム二次電池を用いる場合、電池モジュールの安全性問題が一層慎重に考慮されるべきである。リチウム二次電池は、リチウムイオンが負極から吸蔵及び放出される過程で、相対的に大きい体積変化を体験するようになる。すなわち、リチウム二次電池は、反復的な充放電過程で膨脹及び収縮を繰り返すようになるが、この膨脹及び収縮過程で内部抵抗が増加することで、電池の性能が大いに減少するだけでなく、過度の膨脹によって電池ケースが分離されながら電解液が漏れることで、火災または爆発をもたらす恐れがある。さらに、一部の電池セルで生じた発火または爆発が他の電池セルに連続的に伝達されることで、深刻な状態を引き起こすこともある。
【０００７】
上記のような問題点を考慮したとき、リチウム二次電池を単位電池として用いる中大型電池モジュールにおいては、各単位電池の膨脹状態を確認する必要があり、一部の先行技術では、電池セルの表面に、圧電素子またはその他の膨脹度を測定するための手段を装着する技術を提示している。
【０００８】
しかしながら、電池セルの体積膨脹度を確認するために、上記のような検出手段及び接続部材をさらに装着する場合、電池セルの物理的な作動状態を確認する構造は一層複雑になる。
【０００９】
例えば、図１は、従来技術に係る多数の電池セルからなる中大型電池モジュールにおいて、電池セルの物理的な作動状態を検出するための構成を示す模式図である。
【００１０】
図１は、一つの検出信号を得るための構成のみを概略的に示しているが、電池セルから得る物理的作動状態の数が増加するほどセンサーの数が増加するだけでなく、これを電気的に連結するための検出回路の数も大いに増加し、限定された大きさを有する電池モジュールの構造が一層複雑になる。
【００１１】
これと関連して、特許文献１には、多数の電池セルが直列に連結された中大型電池モジュールの各電池セルから物理的な作動状態に対する情報を獲得し、この獲得された情報をコード化された交流電圧に変換させ、このコード化された交流電圧を電池モジュールの動力ケーブルを通して制御部に伝送する技術が開示されている。上記のような特許文献１の構造は、各電池セルに対する検出信号を別途の接続部材でなく電池モジュール自体の動力ケーブルを通して伝送する点で非常に簡単であるが、検出信号をコード化された交流電圧に変換させるための別途の装置が電池セル単位で装着されるべきであり、電池モジュールの製造費用が上昇するとともに、前記変換装置によって構造が複雑になるという短所を有する。
【００１２】
また、特許文献２には、各電池セルに温度センサーを装着せず、直列に連結されて電池セルの両端部に位置する多数の熱電対の電圧変化を測定し、蓄電池の異常状態を確認する技術が開示されている。上記のような特許文献２の構造は、検出部材としての温度センサーの数を減少させることで、検出信号を伝送するための回路を簡素化できるという長所がある一方、各電池セルに対する作動状態情報を確認することができず、実質的な安全性の確保が不可能であるという問題点がある。また、上記の特許文献２は、リチウム二次電池を単位電池として用いる電池モジュールにおける各電池セルの膨脹度を測定するための技術に適用するに限界があった。
【００１３】
したがって、各電池セルに対する情報を検出し、その検出信号を制御部に伝送するための構成を簡素化した新しい構造の電池モジュールに対する要求が高まっている。
【特許文献１】米国特許登録第６，１３７，２６２号
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００１−４６８７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような従来の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。
【００１５】
本出願の発明者たちは、鋭意検討及び種々の実験を試みた結果、電池モジュールを構成する各電池セルに対する物理的な作動状態情報を正確に獲得するために、電池セル別に検出手段を装着した。そして、これら検出手段を直列に電気的に連結し、両端の検出手段のみを制御部に電気的に連結し、特定の電池セルで生じた異常作動状態を、制御部に伝送される一つの検出信号によって総括的に確認することで、検出手段の数を電池セルの数と同一に用いる場合も、電池モジュールの簡単な回路構成が可能であるとの知見を得た。本発明はかかる知見に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る電池モジュールは、多数の電池セル（単位電池）からなる中大型電池モジュールであり、電池セルの物理的な作動状態変化を確認する検出手段が各電池セルに装着され、前記各検出手段が直列方式で互いに連結された状態で電池モジュールの制御部に接続され、各電池セルから検出される信号（検出信号）が全体の電池セルに対する検出信号に含まれて前記制御部に伝達されるように構成される。
【００１７】
すなわち、本発明に係る電池モジュールは、各電池セル別に物理的な作動状態の変化を検出する手段をそれぞれ装着する。そして、これら手段からの検出信号を各電池セル全体に対する単一信号として制御部に伝送するように構成され、この検出信号値が臨界値以上である場合、制御部では、電池モジュールが非正常な作動状態であると判断し、電池モジュールの作動を制御するように構成される。すなわち、多数の電池セルからなる中大型電池モジュールにおいて一部の電池セルに異常が発生する場合、連鎖反応によって電池モジュール全体の安全性に問題が生じ得るが、上記のような構成によると、一部の電池セルの作動状態で異常が発生した場合も、電池セルを効率的に制御することができる。
【００１８】
前記物理的な作動状態は、電池セルの温度及び／または体積変化であることが好ましい。したがって、検出を要する電池セルの物理的な作動状態が温度変化であるとき、前記検出手段は温度センサーである。本発明によると、検出手段としての温度センサーを電池セル別にそれぞれ装着し、これら温度センサーを直列に連結し、両端の温度センサー、すなわち、最初の温度センサー及びｎ番目の温度センサーのみを制御部に電気的に連結し、これら温度センサーの中間に位置するｉ番目の温度センサー及びｉ+１番目の温度センサーなどから発生した検出信号を、最終ｎ番目の温度センサーから伝送される検出信号に統合して制御部に伝送する。したがって、全ての電池セルが正常な作動温度条件であるときの検出信号範囲を予め設定しておき、少なくとも一つの温度センサーから高温の検出温度が確認されたとき、その検出信号が前記範囲を越える場合、異常作動状態として処理されるように構成することができる。
【００１９】
また、検出を要する電池セルの前記物理的な作動状態が電池セルの体積変化であるとき、前記検出手段は、圧電素子、機械式断電センサーなどの体積変化測定センサーである。このような体積変化測定は、電池セルとしてリチウム二次電池を用いる電池モジュールにおいて一層好ましい。
【００２０】
前記圧電素子は、所定の結晶板に所定方向の圧力を加えると、外力に比例する正・負の電荷が板の外面で発生する構造の素子であり、電池セルの体積が膨脹するときに所定の電流が発生することで、電池セルの異常作動状態を確認することができる。
【００２１】
前記機械式断電センサーは、電池セルの体積が膨脹するとき、所定の構成によって電気的断電が誘導される構造のセンサーであり、電気的断電は、電池セルの体積膨脹に対応して機械的に進行される。上記のような構造は、非常に多様に変形可能であり、これら変更は、全て本発明の範疇に含まれるものと解析されるべきである。
【００２２】
一つの好ましい例において、前記体積変化測定センサーは、低い膨張係数を有する連続的な線形部材であり、各電池セルの外面を連続的に取り囲みながら制御部に接続された構造となっている。このような線形構造の体積変化測定センサーは、圧電素子及び機械的断電センサーなどに比べると、非常に低廉であり、装着が容易であるという長所を有する。
【００２３】
前記線形部材は、多様な方式で電池セルの外面を取り囲む。例えば、線形部材は、互いに隣接した各電池セルの対向側面を取り囲むようにジグザグ型で連結されるか、各電池セルの外面を１回またはそれ以上の回数で取り囲んだ状態で、隣接した各電池セルの外面を同一の方式で取り囲みながら連結される。
【００２４】
線形部材は、電池セルが膨脹するとき、体積変化の大きい電池セルの中央部を取り囲みながら連続的に連結されることで、体積変化の測定に対する精密度を高めることができる。
【００２５】
前記線形部材を通して制御部に伝達される各電池セルの体積変化信号（検出信号）は、例えば、安全性確保のための所定のアルゴリズム実行に必要な入力データとして用いられるか、または、それ自体の引張力変化によって機械的作動を行うための作動信号として用いられる。すなわち、検出信号は、制御部の構成によって多様な形態で用いられる。前記入力データとして用いられる一つの例は、後述する制御過程で確認することができる。前記作動信号として用いられる一つの例としては、制御部が機械的作動方式の安全スイッチを含んでいるか、それ自体が安全スイッチであり、前記線形部材から伝達される引張力変化の大きさ（変位）が所定値以上であるとき、安全スイッチが断電される場合を挙げることができる。しかしながら、上記のような例以外にも、多様な構成が可能であることは言うまでもない。
【００２６】
前記制御部は、好ましくは、検出手段から伝送された検出信号が所定の臨界値以上であるとき、所定の制御過程を行うように構成される。
【００２７】
例えば、警告信号を発送する第１段階の制御過程と、電源を遮断する第２段階の制御過程と、冷却システムを作動する第３段階の制御過程と、消火システムを作動する第４段階の制御過程と、から構成される。
【００２８】
上記のような制御部は、別途の装置として電池モジュールに含まれるが、好ましくは、電池モジュールの作動を総括するＢＭＳに含まれる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る電池モジュールは、電池セル別に検出手段を装着することで、物理的な作動状態に対する情報の精密度を高めることができ、検出手段の数が多いにもかかわらず、検出信号を制御部に伝送する回路が簡素であるので、全体的に簡単な構造の電池モジュールを構成することができる。また、リチウム二次電池を単位電池として用いる電池モジュールにおいて、特定形態の体積変化測定センサーを用いることで、低廉な費用で電池セルの簡素な構造を達成することができ、高い精密度で電池モジュールの安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の各実施例に対し、図面を参照して一層詳しく説明するが、これら実施例によって本発明の範囲が限定されることはない。
【００３１】
図２は、本発明の一実施例に係る電池セルの温度変化を検出する構成を有する電池モジュールを示している。
【００３２】
図２に示すように、電池モジュール１００においては、多数個の電池セル２０１，２０２…が高い密集度を有して互いに充積されており、各電池セル２０１，２０２…の一側外面には、温度センサー３０１，３０２…が付着されている。また、各温度センサー３０１，３０２…は、互いに直列方式で電気的に連結されており、両端の温度センサー３０１，３０８のみが制御部４００に連結されている。したがって、各温度センサー３０１，３０２…を制御部４００に連結するための回路５００は、図１の構造と比較すると非常に簡単である。
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の他の実施例に係る電池セルの体積変化を検出する構成を有する電池モジュールを示している。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、体積変化測定センサーとしての線形部材６００は、各電池セル２０１，２０２…の外面を取り囲みながら連結されている。線形部材６００は、一つの単位として連続的に連結されているので、全体的に直列方式の連結を示す。図３Ａでは、線形部材６００が各電池セル２０１，２０２…の外面をジグザグ型で取り囲んでおり、図３Ｂでは、線形部材６００が各電池セル２０１，２０２…の外面を１回完全に取り囲んでいる。
【００３４】
電池モジュール１００を構成する各電池セル２０１，２０２…のうち一つの電池セル２０３から異常的な体積膨脹が発生する場合、それによって線形部材６００に引張力が加えられ、この引張力（検出信号）が制御部（図示せず）に伝送されることで、必要な制御が行われる。
【００３５】
各電池セル２０１，２０２…の体積変化は、温度変化より微細に表れる傾向があるので、二つまたはそれ以上の電池セル単位で各線形部材を用いることで、測定精密度を高めることもできる。しかしながら、この場合も、電池モジュールの全体構造を簡素化するために、線形部材の個数を最小化することが好ましい。
【００３６】
図４は、本発明の一実施例に係る温度及び体積変化の物理的な作動状態情報に基づいて、制御部で電池モジュールに対して行う所定の制御過程を示したフローチャートである。
【００３７】
図４に示すように、制御過程は、警告信号を発送する段階と、電源を遮断する段階と、冷却システムを作動する段階と、消火システムを作動する段階などの総４段階からなり、各段階は、電池セルからの検出情報が所定の膨脹度及び温度範囲を超えたかどうかを確認した後で行われる。
【００３８】
以上、本発明を各実施例を参照して説明してきたが、本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技術に係る多数の電池セルからなる中大型電池モジュールにおいて、電池セルの物理的な作動状態を検出するための構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例に係る電池セルの温度変化を検出するための構成を有する電池モジュールを示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の他の実施例に係る電池セルの体積変化を検出するための構成を有する電池モジュールを示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の他の実施例に係る電池セルの体積変化を検出するための構成を有する電池モジュールを示す模式図である。
【図４】本発明の一実施例に係る温度及び体積変化の物理的な作動状態情報に基づいて、制御部で電池モジュールに対して行う所定の制御過程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
２０１，２０２  電池セル
６００  線形部材
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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