(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の単電池を直列若しくは並列に接続してなる組電池において、充電時又は放電時の各単電池の温度上昇を監視する装置であって、各単電池には、負の温度係数を有する素子が取り付けられ、これらの素子は、２本の直列線路(41)(42)の間を連結する複数本の並列線路(51)(52)(53)(54)(55)中にそれぞれ介在して、互いに並列に接続され、一方の直列線路(42)には、隣接する並列線路の間を伸びる各直列線路区間に、抵抗器が介在し、前記２本の直列線路(41)(42)は抵抗検出回路(７)に接続されて、両直列線路(41)(42)間の抵抗値を検出することによって、温度上昇が発生している単電池を特定することが可能である電池の温度上昇監視装置。
【請求項２】
負の温度係数を有する素子は、臨界温度サーミスタである請求項１に記載の温度上昇監視装置。
【請求項３】
組電池に充電器(６)からの電力を供給するための充電線路(60)を具えると共に、該充電線路(60)から各単電池を個別に切り離すための切り離し回路を具えている請求項１又は請求項２に記載の温度上昇監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の単電池を直列若しくは並列に接続してなる組電池において、充放電時の各単電池の温度上昇を監視する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、組電池を構成する複数本の単電池のそれぞれに正の温度係数を有する素子(ＰＴＣ素子)を貼り付けると共に、これらのＰＴＣ素子を互いに直列に接続して、これらのＰＴＣ素子の全抵抗を測定することによって、充放電時の大きな昇温を検知する装置が提案されている(特開平１０−２７００９４号)。
該装置においては、何れかの単電池に所定値を越える大きな温度上昇が発生した場合、該単電池に貼り付けられたＰＴＣ素子の抵抗値が急激に増大し、これによって複数のＰＴＣ素子の全抵抗の測定値が増大するので、これをもって大きな温度上昇の発生を検出することが出来る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の昇温検出装置によって何れかの単電池に大きな温度上昇が発生したことが検出出来たとしても、何れの単電池に大きな温度上昇が発生したかを特定することは出来ない。
例えば図６(ａ)に示す様に５本の単電池からなる組電池において、充放電サイクルが繰り返される過程で、電池特性のバラツキや放熱状態の相違が原因で図示の如く放電残容量(充電深度)にバラツキが発生することがある。この様に放電残容量にバラツキが発生している状態で充電を開始した場合、同図(ｂ)に示す様に充電開始時の放電残容量が大きい電池(“電池１”及び“電池５”)が先ず満充電の状態となって、電池の温度が上昇し、この結果、該電池に貼り付けられたＰＴＣ素子の抵抗値が増大して、充電は終了される。
【０００４】
ところが、図６(ｂ)に示す如く、充電開始時に放電残容量が小さかった電池(“電池３”)は満充電に至らない状態で充電が終了されることになる。
従って、充放電サイクルが繰り返されることによって、特定の電池の放電残容量が徐々に増大し、組電池全体としての電池容量が減少することになる。
【０００５】
そこで本発明の目的は、組電池を構成している複数本の単電池の何れかに大きな温度上昇が発生した場合に、該電池を特定し、必要に応じて該電池を充放電系統から切り離すことが出来る電池の温度上昇監視装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る電池の温度上昇監視装置は、複数本の単電池を直列若しくは並列に接続してなる組電池において、充放電時の各単電池の温度上昇を監視する装置であって、各単電池には、負の温度係数を有する素子(以下、ＮＴＣ素子という)が取り付けられ、これらの素子は、２本の直列線路(41)(42)の間を連結する複数本の並列線路(51)(52)(53)(54)(55)中にそれぞれ介在して、互いに並列に接続され、一方の直列線路(42)には、隣接する並列線路の間を伸びる各直列線路区間に、抵抗器が介在し、前記２本の直列線路(41)(42)は抵抗検出回路(７)に接続されている。
ＮＴＣ素子としては、例えば臨界温度サーミスタ(ＣＴＲ)を採用することが出来る。
【０００７】
上記本発明の電池の温度上昇監視装置を用いた充放電の監視においては、抵抗検出回路(７)から各ＮＴＣ素子へ電流が供給されて、その電流値に基づいて２本の直列線路(41)(42)間の抵抗値が検出される。但し、全ての単電池の温度が低い状態では、全てのＮＴＣ素子の抵抗値は非常に大きく、各ＮＴＣ素子に流れる電流は微弱である。
ここで、ある１本の単電池に所定値を越える温度上昇が発生した場合、該単電池に貼り付けられたＮＴＣ素子の抵抗が急激に低下して、該ＮＴＣ素子が介在している並列線路に多くの電流が流れ込むため、該並列線路よりも上流側の直列線路区間を流れる電流が増大する。
この結果、２本の直列線路(41)(42)間の抵抗値は、該並列線路よりも上流側の直列線路区間の抵抗値と、該並列線路よりも上流側の並列線路に介在するＮＴＣ素子の抵抗値とに応じて、概ね決定されることになる。
【０００８】
即ち、大きな温度上昇が、抵抗検出回路(７)に近い、より上流側の電池で発生するほど、２本の直列線路(41)(42)間の抵抗値は小さくなり、逆に抵抗検出回路(７)から遠い、より下流側の電池で発生するほど、２本の直列線路(41)(42)間の抵抗値は大きくなる。
従って、両直列線路(41)(42)間の抵抗値、即ち並列接続された複数のＮＴＣ素子の両端抵抗を検出することによって、大きな温度上昇が発生している単電池を特定することが出来る。
【０００９】
又、一方の直列線路(42)には、隣接する並列線路の間を伸びる各直列線路区間に、抵抗器が介在しているので、単電池の温度上昇によって、２本の直列線路(41)(42)間の抵抗値がより大きく変化することになる。
従って、所定値を越える温度上昇が発生している電池を、高い感度で検知することが出来る。
【００１０】
又、具体的構成において、組電池に充電器(６)からの電力を供給するための充電線路(60)を具えると共に、該充電線路(60)から各単電池を個別に切り離すための切り離し回路を具えている。
該具体的構成によれば、大きな温度上昇が発生した電池から順に、充電線路(60)から切り離しつつ、充電を続行することによって、全ての単電池を満充電状態まで充電することが出来る。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る電池の温度上昇監視装置によれば、組電池を構成している複数本の単電池の何れかに大きな温度上昇が発生した場合に、該電池を特定し、必要に応じて該電池を充放電系統から切り離すことが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１に示す如く、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、或いはニッケル−カドミウム電池などの二次電池からなる５本の単電池(11)(12)(13)(14)(15)を互いに直列に接続して、組電池(１)が構成されており、該組電池(１)には、充電線路(60)を介して充電器(６)が接続されている。該充電器(６)は、充電制御回路(８)によって動作が制御されている。
【００１３】
本発明に係る電池の温度上昇監視装置は、上記組電池(１)の充電時の温度上昇を監視するものであって、各単電池(11)(12)(13)(14)(15)の表面には、ＮＴＣ素子として、臨界温度サーミスタ(21)(22)(23)(24)(25)が貼り付けられ、これらのサーミスタは、２本の直列線路(41)(42)の間を連結する５本の並列線路(51)(52)(53)(54)(55)中にそれぞれ介在して、互いに並列に接続されている。
【００１４】
２本の直列線路(41)(42)は、抵抗検出回路(７)に設けられた一対の抵抗検出端子Ａ、Ｂに接続されており、両端子Ａ、Ｂ間の抵抗値に基づいて温度上昇指示信号が作成され、充電制御回路(８)へ供給される。これに応じて充電制御回路(８)は充電器(６)へ充電中止指令を供給する。
【００１５】
又、一方の直列線路(42)には、各並列線路(51)(52)(53)(54)(55)との連結点の間を伸びる各直列線路区間に、抵抗器(31)(32)(33)(34)(35)が介在している。
ここで、各臨界温度サーミスタ(21)(22)(23)(24)(25)の低温時(例えば７０℃以下)の抵抗値Ｒｌ(Ｌ)〜Ｒ５(Ｌ)、及び高温時(例えば８０℃以上)の抵抗値Ｒ１(Ｈ)〜Ｒ５(Ｈ)、並びに各抵抗器(31)(32)(33)(34)(35)の抵抗値Ｒ１１〜Ｒ１５との間には、下記数１の関係が成立している。
【００１６】
【数１】
Ｒｌ(Ｌ)〜Ｒ５(Ｌ)＞＞Ｒ１１〜Ｒ１５＞＞Ｒ１(Ｈ)〜Ｒ５(Ｈ)
例えば、Ｒｌ(Ｌ)〜Ｒ５(Ｌ)を数千Ω、Ｒ１１〜Ｒ１５を数百Ω、Ｒ１(Ｈ)〜Ｒ５(Ｈ)を数十Ωに設定する。
【００１７】
上記温度上昇監視装置においては、抵抗検出回路(７)によって２本の直列線路(41)(41)間に一定の電圧が印加され、直列線路(41)(42)を流れる電流の大きさに基づいて、直列線路(41)(42)間の抵抗値が検出される。
図３は上記温度上昇監視装置の抵抗値についての等価回路を表わしており、該等価回路から明らかな様に、ある１つの単電池の温度上昇によって該単電池に貼り付けられた臨界温度サーミスタの抵抗値(Ｒ１〜Ｒ５)が低下すると、該サーミスタと抵抗器の抵抗値Ｒ１１〜Ｒ１５との接続関係に応じて、これら複数の抵抗素子の複合抵抗値が変化することになる。
【００１８】
図１に示す充電器(６)によって組電池(１)の充電を開始した後、何れの単電池(11)(12)(13)(14)(15)にも所定値を越える温度上昇が発生していない状態では、各臨界温度サーミスタ(21)(22)(23)(24)(25)の抵抗値は数千Ωと高く、直列線路(41)(42)間の抵抗値は、臨界温度サーミスタ(21)(22)(23)(24)(25)の並列抵抗値が支配的となって、１つの臨界温度サーミスタの抵抗値に略等しい値になる。
従って、各並列線路(51)(52)(53)(54)(55)を流れる電流は極めて微弱なものである。
【００１９】
その後、ある１つの単電池、例えば第３番目の単電池(13)が満充電状態に達して、該単電池に所定値を越える大きな温度上昇が発生した場合は、該単電池に貼り付けられている臨界温度サーミスタ(23)の抵抗値Ｒ３が数千Ωから数十Ωへ急激に低下して、該臨界温度サーミスタ(23)が介在している並列線路(53)へ多くの電流が流れ込み、この電流は、該並列線路(53)よりも上流側の直列線路区間に介在する抵抗器(31)(32)(33)を流れることになる。
この結果、直列線路(41)(42)間の抵抗値は、これら３つの抵抗器(31)(32)(33)の直列抵抗値(Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３)が支配的となって、温度上昇発生前の抵抗値よりも小さな値となる。
【００２０】
ここで、大きな温度上昇の発生している単電池が抵抗検出回路(７)により近い上流側に位置している程、支配的となる抵抗器の数が減少する。又、大きな温度上昇の発生している単電池が抵抗検出回路(７)からより遠い下流側に位置している程、支配的となる抵抗器の数が増大する。
従って、抵抗検出回路(７)によって直列線路(41)(42)間の抵抗値を検出し、その抵抗値の大きさを判定することによって、何れの単電池(11)(12)(13)(14)(15)に大きな温度上昇が発生したかを検知することが出来る。
【００２１】
図１に示す回路においては、大きな温度上昇の発生が検知されたとき、抵抗検出回路(７)から充電制御回路(８)へ温度上昇指示信号が供給され、この結果、充電制御回路(８)から充電器(６)へ充電中止指示信号が送出されて、充電器(６)の充電動作が中断される。
そして、大きな温度上昇の発生した電池を充電線路(60)から切り離した後、再度、充電を開始する。この様にして、全ての単電池(11)(12)(13)(14)(15)に対して満充電状態まで充電を施すのである。
【００２２】
図４は、充電線路(60)から各単電池(11)(12)(13)(14)(15)を切り離すための切離し回路を装備したものである。尚、図４においては、各単電池(11)(12)(13)(14)(15)に貼り付けるべき臨界温度サーミスタ、直列線路、並列線路、及び抵抗器は図示省略している。
該回路においては、充電線路(60)に対して、各単電池(11)(12)(13)(14)(15)を迂回する５つのバイパス線路(66)(67)(68)(69)(70)が接続されると共に、各バイパス線路へ充電経路を切り換えるための５つの切換えスイッチ(61)(62)(63)(64)(65)が介在している。
尚、充電開始時には、全ての切換えスイッチ(61)(62)(63)(64)(65)をａ端子に接続して、全単電池(11)(12)(13)(14)(15)を対象とする充電系統を形成する。
【００２３】
上記温度上昇監視装置においては、抵抗検出回路(７)によって何れかの単電池(11)(12)(13)(14)(15)に大きな温度上昇が発生したことが検知されたとき、その旨を表わす温度上昇指示信号が充電制御回路(８)へ供給され、更に、大きな温度上昇の発生している単電池を表わす温度上昇電池表示信号が温度上昇電池表示器(９)へ供給されて、何れの単電池に大きな温度上昇が発生したかが表示される。
そこで、温度上昇電池表示器(９)の表示に応じて、大きな温度上昇が発生している単電池を充電線路(60)から切り離すべく、該単電池の入力側に位置する切換えスイッチをｂ端子へ切り換えて、残りの単電池に対して充電を続行するのである。
この結果、全ての単電池(11)(12)(13)(14)(15)に対して、満充電状態まで充電が施されることになる。
【００２４】
図５は、上述の本発明に係る温度上昇監視装置を用いた充放電における電池容量の変化と、従来の昇温検知装置(特開平１０−２７００９４号)を用いた充放電における電池容量の変化を比較したものである。
尚、本発明の温度上昇監視装置においては、単電池として単１型ニッケル−カドミウム電池を用いて図１及び図４に示す組電池を構成し、ＮＴＣ素子として２酸化バナジウムＶＯ２からなる臨界温度サーミスタを採用した。
【００２５】
又、充電のために図４に示す充電系統を構成し、放電時には、充電器(６)に代えて電子負荷装置を接続し、定電流で放電を行なった。
充放電条件は次の通りである。
充電：２０Ａ、雰囲気温度６０℃
放電：２０Ａ、終止電圧５Ｖ、雰囲気温度６０℃
【００２６】
本発明の温度上昇監視装置を用いた充電においては、上述の如く、温度上昇した単電池から順に充電系統から切り離し、全ての単電池に満充電状態まで充電を施した。
これに対し、従来の昇温検知装置を用いた充電においては、複数のＰＴＣ素子の直列抵抗値が急激に増大したときに充電を終了すること以外は、本発明と同様にして充電を行なった。
【００２７】
図５から明らかな様に、本発明の温度上昇監視装置を用いた充電においては、充放電サイクル数の増大に拘わらず、略一定の電池容量が得られているのに対し、従来の昇温検知装置を用いた充電においては、充放電サイクル数の増大に伴って電池容量が低下しており、これは、前述の如く単電池毎の充電深度のバラツキによって組電池全体としての充電が不十分となるためのである。
【００２８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、図２に示す如く直列線路(42)に介在すべき抵抗器を省略することも可能である。この場合、抵抗検出回路(７)の感度を上げることによって、何れの単電池に温度上昇が生じたかを特定することが出来る。又、抵抗検出回路(７)の感度が低い場合であっても、組電池中の何れかの単電池に温度上昇が発生したことを検知することが可能であり、然も、温度上昇に伴って発生する電流を、リレーの切り離し、安全装置の作動などに利用することが出来る。
又、ＮＴＣ素子としては、臨界温度サーミスタに限らず、周知の種々の素子を採用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る温度上昇監視装置の構成を示すブロック図であるである。
【図２】本発明に係る温度上昇監視装置の他の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す温度上昇監視装置の抵抗に関する等価回路を示す図である。
【図４】各単電池に系統切離し回路を装備した温度上昇監視装置の構成を示すブロック図である。
【図５】充放電サイクル数と電池容量の関係を示すグラフである。
【図６】従来の充電方法における放電残容量のバラツキに起因する電池容量の低下を説明するグラフである。
【符号の説明】
(１)  組電池
(11)〜(15)  単電池
(21)〜(25)  臨界温度サーミスタ
(31)〜(35)  抵抗器
(41)(42)  直列線路
(51)〜(55)  並列線路
(６)  充電器
(７)  抵抗検出回路
(８)  充電制御回路
(９)  温度上昇電池表示器
(60)  充電線路
(61)〜(65)  切換えスイッチ
(66)〜(70)  バイパス線路
【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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