(57)【要約】【課題】  簡易な回路でリチウムイオン電池の安全弁の状態を検知する。【解決手段】  リチウムイオン電池４００は、４つのバッテリセル４１０，４２０，４３０，４４０を直列に接続した構造を有する。それぞれのバッテリセルの上面には安全弁４１６，４２６，４３６，４４６が設けられる。この安全弁４１６は、金属箔４１６Ａと破断線４１６Ｂとから構成される。リチウムイオン電池４００の内圧が上昇して破断線４１６Ｂに沿って金属箔４１６Ａが破断すると切断される導線４１８Ｃが、安全弁４１６を構成する金属箔４１６Ａと一体的に設けられる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉型電池の安全弁の状態を検知する検知装置であって、
前記安全弁は、前記電池の内圧が上昇すると破断して前記電池内部の気体を放出し、
前記検知装置は、
前記安全弁の破断する部分に一体的に設けられ、前記破断に伴い断線する導線と、
前記導線の導通状態を検知するための検知手段とを含む、検知装置。
【請求項２】
前記導線は、前記破断により断線する細さの導線である、請求項１に記載の検知装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の検知装置を有する電池。
【請求項４】
前記電池は、リチウムイオン電池である、請求項３に記載の電池。
【請求項５】
複数の密閉型電池から構成される集合電池の安全弁の状態を検知する検知装置であって、
前記安全弁は、前記電池ごとに設けられ、前記電池の内圧が上昇すると破断して前記電池内部の気体を放出し、
前記検知装置は、
前記電池ごとに、前記安全弁の破断する部分に一体的に設けられ、前記破断に伴い断線する導線と、
前記導線を直列に接続するための接続手段と、
前記直列に接続された導線の導通状態を検知するための検知手段とを含む、検知装置。
【請求項６】
前記導線は、前記破断により断線する細さの導線である、請求項５に記載の検知装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の検知装置を有する集合電池。
【請求項８】
前記電池は、リチウムイオン電池である、請求項７に記載の集合電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池内部の圧力が規定値よりも高くなったときに内部の気体を外部に放出する安全弁の状態を検知する装置に関し、特に、低コストで精度高く安全弁の状態を検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車の駆動源である電気モータに電力を供給するために、二次電池が搭載される。従来から、このような二次電池は、必要な電力容量が得られるように複数の単電池を接続して一体的に連結して構成された集合型二次電池（以下、バッテリパックと記載する）が多く採用されている。このようなバッテリパックは、たとえば、単電池として、密閉型の単電池が使用される。たとえば、複数個の単電池を、単電池の電槽の幅の広い長側面どうしを互いに対向させて重ねるように配置して、両端の単電池の電槽の外側にエンドプレートを当接させ、両エンドプレート間を拘束バンドにて結束することにより一体的に連結して構成される。
【０００３】
このようにして用いられる電池の種類の１つにリチウムイオン電池がある。このリチウムイオン電池は、動作電圧が高く、重量および体積あたりのエネルギ密度が高いため、軽量化・コンパクト化を図ることができ、また、メモリ効果がないという長所を有する。
【０００４】
リチウムイオン電池のバッテリパックは、電池温度が異常な高温に上昇すると電流を遮断するために、温度センサを内蔵している。温度センサは、電池温度を正確に検知するために、電池に接触して配設される。温度センサを温度ヒューズとし、これを電池と直列に接続しているため、電池温度が異常に高くなると、温度ヒューズがオフになって電流を遮断する。電池温度が低下すると温度ヒューズはオンになって、再び使用できる状態となる。
【０００５】
従来、複数の単電池から構成されるバッテリパックにおいては、電池の温度を検知して電流を遮断する温度センサは、電池の底面に配設される。複数の円筒電池を平行に並べて構成されるバッテリパックにおいては、温度センサは、電池の間にできる谷間に配設される。すなわち、単電池の底面に配設される温度センサ、あるいは、円筒電池の谷間に配設される温度センサは、電池温度を検知して、電池温度が異常に高くなったときに、電池電流を遮断できる。
【０００６】
一方、このようなリチウムイオン電池は、電池が異常な状態で使用されたときに内部に発生したガスを排出するための安全弁を有する。たとえば、電池が異常な状態になると（大電流で放電したり、あるいは過充電したりすると）、電池の内部でガスが発生して、電池の内圧が異常に高くなることがある。この状態になると、安全弁を開弁してガスを排出し、内圧で電池ケースが破壊されるのを防止している。
【０００７】
単電池の上部に設けられた安全弁が開弁して、ガスが排出されるときに、従来のように電池の底面等に配置された温度センサでは排出ガスの温度を検知できない。そのため、従来のバッテリパックでは、安全弁から排出されるガス温度を検知するための温度センサをさらに設ける必要があり、バッテリパックのコストが上昇するという問題がある。
【０００８】
特開平１１−２５９３８号公報（特許文献１）は、電池温度を検知する温度センサを、安全弁から排出されるガス温度を検知するセンサに併用して、簡単な構造で、異常な使用状態で確実に電流を遮断するパック電池を開示する。このパック電池は、スリム電池と、このスリム電池の温度を検知して、電池温度が設定温度よりも高くなると電流を遮断する温度センサを有するパック電池であって、温度センサが、安全弁を装備する封口板の上方に配設されてなることを特徴とする温度センサを有する。
【０００９】
このパック電池によると、温度センサを、安全弁を装備しているスリム電池の封口板の上方に配設しているので、電池の温度を検知する温度センサでもって、安全弁から排出されるガスの温度も検知できる。このため、極めて簡単な構造であるにもかかわらず、温度センサーでもって、電池自体の温度と、安全弁から排出されるガスの温度の両方を検知して、電池の電流を遮断できる。したがって、このパック電池は、部品コストを低減して、異常な使用状態において確実に電流を遮断して、極めて安全に使用できる。
【００１０】
さらに、温度センサにより安全弁が開弁したことによりガスが噴出してその温度を検知するというように、間接的に安全弁の開弁状態を検知するのではなく、直接的に電池の内圧を検知する技術が、特開２００１−３４５１２３号公報（特許文献２）に開示されている。この公報に開示された密閉型蓄電池は、発電要素を収納する開口部を有する外装缶と、この開口部を気密に封口する封口体とからなる電池ケースを備えた密閉型蓄電池であって、電池ケース内に電池内圧が上昇することにより抵抗値が連続的に変化する感圧導電性ゴムを備えているとともに、感圧導電性ゴムに接続されたリードが電池ケースより外部に延出して配設されており、電池ケースより外部に延出して配設されたリードより圧力検知信号を出力するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
この密閉型蓄電池によると、電池ケース内に電池内圧が上昇することにより抵抗値が連続的に変化する感圧導電性ゴムを備えるようにすると、電池内圧を即座に電気信号として取り出せるようになるので検知遅れを生じることがなくなる。さらに、圧力を検知する感圧導電性ゴムは、圧力や温度に対する耐性に優れ、経時的な劣化を有効に防止できる構造にできる。しかも、感圧導電性ゴムは、負荷（圧力）に対する抵抗値の変化が極めて大きいものとすると電池内圧の上昇をより正確に検知できる。特に、負荷が作用する初期段階での抵抗値の変化が著しく大きいので、内圧検知の精度を理想的に高くできる。
【特許文献１】特開平１１−２５９３８号公報
【特許文献２】特開２００１−３４５１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示されたパック電池では、安全弁上に温度センサを配置して温度上昇を検知することで安全弁の開弁を検知するものであるが、１）単電池の数が多くなると単電池の数の分だけ温度検知回路が必要になる、２）安全弁が開弁した直後の噴出ガスの温度は低く通常使用時の温度との判別が困難であるという問題点を有する。
【００１３】
また、特許文献２に開示された密閉型蓄電池では、充電に伴う電池内圧の上昇を直接検知でき、過充電状態を回避することができるが、その構造が複雑で、単電池に実装すると、多数の単電池から構成されるバッテリパックのコストが上昇する。
【００１４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知する検知装置、その検知装置を有する電池および集合電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の発明に係る検知装置は、密閉型電池の安全弁の状態を検知する。安全弁は、電池の内圧が上昇すると破断して電池内部の気体を放出する。この検知装置は、安全弁の破断する部分に一体的に設けられ、破断に伴い断線する導線と、導線の導通状態を検知するための検知手段とを含む。
【００１６】
第１の発明によると、リチウムイオン電池等において内部の圧力が上昇すると、安全弁が破断して気体が放出される。このとき、安全弁（たとえば金属箔）と一体的に設けられた導線が断線する。この導線の導通状態が通電状態から断線状態になったことを検知手段で検知することにより、電池の安全弁が閉弁状態から開弁状態に変化したことを検知できる。このような簡単な構造であっても的確に電池安全弁の状態を検知することができる。その結果、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知する検知装置を提供することができる。
【００１７】
第２の発明に係る検知装置においては、第１の発明の構成に加えて、導線は、破断により断線する細さの導線であるものである。
【００１８】
第２の発明によると、導線は、安全弁である金属箔と一体的に設けられ、安全弁の破断により切断されて断線するほどの細さであるので、安全弁が開弁したことを、導線が断線したことにより検知することができる。
【００１９】
第３の発明に係る電池は、第１または２の発明の構成の検知装置を有する電池である。
【００２０】
第３の発明によると、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知する電池を提供することができる。
【００２１】
第４の発明に係る電池は、第３の発明の構成に加えて、電池は、リチウムイオン電池であるものである。
【００２２】
第４の発明によると、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知するリチウムイオン電池を提供することができる。
【００２３】
第５の発明に係る検知装置は、複数の密閉型電池から構成される集合電池の安全弁の状態を検知する。安全弁は、電池ごとに設けられ、電池の内圧が上昇すると破断して電池内部の気体を放出する。この検知装置は、電池ごとに、安全弁の破断する部分に一体的に設けられ、破断に伴い断線する導線と、導線を直列に接続するための接続手段と、直列に接続された導線の導通状態を検知するための検知手段とを含む。
【００２４】
第５の発明によると、複数のリチウムイオン電池等から構成される集合電池において、それぞれの電池の内部の圧力が上昇すると、安全弁が破断して気体が放出される。このとき、安全弁（たとえば金属箔）と一体的に設けられた導線が断線する。この導線の導通状態が通電状態から断線状態になったことを検知手段で検知することにより、電池の安全弁が閉弁状態から開弁状態に変化したことを検知できる。このとき、導線を直列に接続しているので、複数の電池のうちのどれか１つの電池の安全弁が開弁したことを、簡易な回路で検知することができる。このように、簡単な構造であっても的確に電池安全弁の状態を検知することができる。その結果、集合電池において、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知する検知装置を提供することができる。
【００２５】
第６の発明に係る検知装置においては、第５の発明の構成に加えて、導線は、破断により断線する細さの導線であるものである。
【００２６】
第６の発明によると、導線は、安全弁である金属箔と一体的に設けられ、安全弁の破断により切断されて断線するほどの細さであるので、集合電池のどれか１つの電池の安全弁が開弁したことを、導線が断線したことにより検知することができる。
【００２７】
第７の発明に係る集合電池は、第５または６の発明の構成の検知装置を有する集合電池であるものである。
【００２８】
第７の発明によると、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知する集合電池を提供することができる。
【００２９】
第８の発明に係る集合電池は、第７の発明の構成に加えて、電池は、リチウムイオン電池であるものである。
【００３０】
第８の発明によると、簡易な回路で電池安全弁の状態を検知するリチウムイオン集合電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３２】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る安全弁状態検知機構を備えた集合電池であるバッテリパック１００について説明する。以下においては、このバッテリパック１００を構成する電池の種類はリチウムイオン電池であるとして説明するが、本発明はこのリチウムイオン電池だけに限定して適用されるものではない。後述する安全弁の構造を有する電池であれば、リチウムイオン電池に限定されない。
【００３３】
図１に示すバッテリパック１００は、たとえば車両の前席のシート下に設置される。バッテリパック１００は、バッテリパックカバー２００と、ジャンクションブロック３００と、リチウムイオン電池４００と、ブロアファン５００とリチウムイオン電池コントロールコンピュータ（以下、電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）６００とから構成される。
【００３４】
ジャンクションボックス３００は、リチウムイオン電池４００と、モータジェネレータや電動オイルポンプや電動ウォータポンプなどとの配線の接続部であって、その内部には電線の接続のみならず、分岐などの機能を有する場合もある。
【００３５】
リチウムイオン電池４００は、一般的には、正極にコバルト系リチウム、ニッケル系リチウム、マンガン酸リチウムのようなリチウムを含む化合物を、負極にリチウムを含まない炭素材料を、電解液にリチウム塩を有機溶媒に溶かしたものを用い、リチウムをイオンとして使用する。特に、正極にニッケル系リチウムを用いたものは、高温下での長寿命化を図ることができるとともに、電解液と電解界面での劣化反応を抑制することで低温下での高出力化および長寿命化を図ることも可能である。このようなリチウムイオン電池４００は、動作電圧が高く、重量および体積あたりのエネルギ密度が高いため、軽量化・コンパクト化を図ることが容易である。
【００３６】
ブロアファン５００は、リチウムイオン電池４００の高温時に、リチウムイオン電池４００を冷却する。リチウムイオン電池４００は、常温付近で最も高い性能を発揮する。このため、電池温度センサにより測定された温度が予め定められたしきい値よりも高いと、電池性能を確保するため、電動のブロアファン５００により車室内空気を冷却媒体として、リチウムイオン電池４００を冷却する。
【００３７】
電池ＥＣＵ６００は、リチウムイオン電池４００の充放電管理を行なう。リチウムイオン電池４００のＳＯＣ（States Of Charge）を適切な値にするために、ＳＯＣ管理制御、ＳＯＣ均等化管理制御、電池温度制御を実行する。
【００３８】
ＳＯＣ管理制御は、リチウムイオン電池４００のＳＯＣを車両の走行状態に応じて管理する。たとえば、回生制動時にモータジェネレータにより発電された電力を充電できるように満充電状態にならないようにＳＯＣを管理する。
【００３９】
ＳＯＣ均等化管理制御は、複数の単電池（バッテリセル）を１組のバッテリパックとして使用する場合、各バッテリセルのＳＯＣを均等化して、集合電池としてのバッテリパックのＳＯＣの使用幅を最大限にして、蓄電量を有効に使用する。このため、各バッテリセルのＳＯＣにばらつきができると、最もＳＯＣの低いバッテリセルに合わせて他のバッテリセルを放電させて均等化を行なう。
【００４０】
電池温度制御は、リチウムイオン電池４００が常温付近で最も高い性能を発揮するため、リチウムイオン電池４００の温度が上昇すると、ブロアファン５００を用いて電池温度を最適な温度まで冷却する。
【００４１】
図２に、リチウムイオン電池４００の内部構造を示す。図２に示すように、リチウムイオン電池４００は、たとえば、バッテリセル４１０，４２０，４３０，４４０の４個のバッテリセルを直列に接続して構成される。なお、本発明は、リチウムイオン電池４００を構成するバッテリセルの個数は１個であってもよいし、このように４個または４個以外の複数であってもよい。
【００４２】
バッテリセル４１０，４２０，４３０，４４０の上面には、正極または負極の端子４１２，４１４，４２２，４２４，４３２，４３４，４４２，４４４が設けられ、この端子を用いて、４個のバッテリセルが直列に接続される。
【００４３】
また、バッテリセル４１０，４２０，４３０，４４０の上面には、安全弁４１６，４２６，４３６，４４６が設けられる。図３に示すように、この安全弁４１６，４２６，４３６，４４６は、それぞれ金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａおよびそれらの金属箔に設けられた金属箔上の破断線４１６Ｂ，４２６Ｂ，４３６Ｂ，４４６Ｂとから構成される。
【００４４】
金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａは、バッテリセルの内圧が、たとえば１０〜２０ｋｇ／ｃｍ２の設定圧力よりも高くなると、破断線４１６Ｂ，４２６Ｂ，４３６Ｂ，４４６Ｂに従って破断されるアルミニウム箔等である。破断線４１６Ｂ，４２６Ｂ，４３６Ｂ，４４６Ｂに従って、金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａが破断すると、その破断線４１６Ｂ，４２６Ｂ，４３６Ｂ，４４６Ｂを跨ぐように、金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａと一体的に設けられた（たとえば、金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａに貼り付けられた）導線４１８Ｃ、４２８Ｃ、４３８Ｃ、４４８Ｃが切断される。これらの導線の太さは、金属箔４１６Ａ，４２６Ａ，４３６Ａ，４４６Ａが破断すると、断線するように設定されている。
【００４５】
導線４１８Ｃは、検知線端子４１８Ａ，４１８Ｂにより、バッテリセル４１０の安全弁４１６の金属箔４１６Ａの上面に固定されている。導線４２８Ｃは、検知線端子４２８Ａ，４２８Ｂにより、バッテリセル４２０の安全弁４２６の金属箔４２６Ａの上面に固定されている。導線４３８Ｃは、検知線端子４３８Ａ，４３８Ｂにより、バッテリセル４３０の安全弁４３６の金属箔４３６Ａの上面に固定されている。導線４４８Ｃは、検知線端子４４８Ａ，４４８Ｂにより、バッテリセル４４０の安全弁４４６の金属箔４４６Ａの上面に固定されている。このように導線が金属箔の上面に一体的に固定されていることにより、金属箔の破断により導線が切断される。
【００４６】
さらに、バッテリセル４１０の検知線端子４１８Ｂがバッテリセル４２０の検知線端子４２８Ａに、バッテリセル４２０の検知線端子４２８Ｂがバッテリセル４３０の検知線端子４３８Ａに、バッテリセル４３０の検知線端子４３８Ｂがバッテリセル４４０の検知線端子４４８Ａに、接続されている。また、バッテリセル４１０の検知線端子４１８Ａおよびバッテリセル４４０の検知線端子４４８Ｂは、電池ＥＣＵ６００に接続線４５０により接続されている。
【００４７】
図４にバッテリパック１００の全体配線図を示す。図４に示すように、上述した構成以外に、リチウムイオン電池４００の電流値を検知する電流センサ６１０、リチウムイオン電池４００の温度を検知する温度センサ６２０、サービスプラグ６３０、電池リレー６４０をさらに含む。また、電池ＥＣＵ４００には、リチウムイオン電池４００が異常状態であることを表わす信号を他のＥＣＵ（たとえば異常検知用ＥＣＵ）に出力するための信号線６５０、イグニッションスイッチの状態を表わす信号を入力するための信号線６５２が接続されている。また、電池ＥＣＵ４００には、電池リレー６４０をオンオフさせるための信号を電池リレー６４０に出力するための信号線が接続されている。
【００４８】
以上のような構成を有するバッテリパック１００の動作について説明する。
【００４９】
何らかの原因で、バッテリセル４１０（またはバッテリセル４２０、バッテリセル４３０、バッテリセル４４０でもよいし、この４個の中の複数のバッテリセルであってもよいが、以下の説明においてはバッテリセル４１０の内部の圧力が上昇したと想定する）の内部の圧力が上昇して、金属箔４１６Ａがその破断線４１６Ｂに沿って破断して、バッテリセル４１０の内部からのガスが放出される。この金属箔４１６Ａの破断により、導線４１８Ｃが切断される。
【００５０】
電池ＥＣＵ６００は、導線４１８Ｃが切断されたことを検知すると（接続線４５０が導通状態から非導通状態になると）、安全弁４１６が開弁したと判断する。この判断に基づいて、たとえば、電池ＥＣＵ６００は、他のＥＣＵ（たとえば異常検知用ＥＣＵ）に異常信号を出力して、異常検知用ＥＣＵにより警告灯が点灯されたり点滅されたりする。また、電池リレー６４０をオフさせるように、電池リレー６４０に信号を出力するようにしてもよい。
【００５１】
以上のようにして、本実施の形態に係るバッテリパックによると、複数のバッテリセルのそれぞれに設けられた金属箔等の安全弁が破断して開弁してガスが放出されると、安全弁と一体的に設けられた導線が切断される。すなわち、導線の導通状態が通電状態から断線状態になったことを検知することにより、バッテリセルの安全弁が閉弁状態から開弁状態に変化したことを検知できる。このとき、導線を直列に接続しているので、複数の電池のうちのどれか１つのバッテリセルの安全弁が開弁したことを、簡易な回路で検知することができる。このように、簡単な構造であっても的確にバッテリセル安全弁の状態を検知することができる。
【００５２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係るバッテリパックの全体斜視図である。
【図２】リチウムイオン電池の斜視図である。
【図３】リチウムイオン電池の安全弁開弁状態検知回路の配線図である。
【図４】バッテリパックの全体配線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００  バッテリパック、２００  バッテリパックカバー、３００  ジャンクションブロック、４００  リチウムイオン電池、５００  ブロアファン、６００  電池ＥＣＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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