JP2007250194A

JP2007250194A - 組電池の短絡検出装置

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Publication number: JP2007250194A
Application number: JP2006067647A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Maruyama; 宜之丸山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】組電池を構成する複数の単電池の性能を確保しながら、単電池間で生じた筐体同士の短絡を検出することができる組電池の短絡検出装置を提供する。
【解決手段】単電池ＢＣ１の筐体３０ａに設置された電位測定部１０１において、筐体３０ａと接地電池との間には誘電体層７０を含むコンデンサＣ１と誘電体層７２を含むコンデンサＣ２とが直列に接続される。スイッチ回路ＳＷ１がオンされると、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点となる導電体層８０が接地電位に接続される。電圧センサ９１は、導電体層８０の電位と接地電位との電位差Ｖｃ１を検出して短絡検出部１１０へ出力する。短絡検出部１１０は電位差Ｖｃ１に基づいて筐体３０ａの短絡を検出する。これによれば、筐体３０ａを通電して直接的にその電位を測定することなく、筐体同士の短絡を検出することができる。この結果、筐体の通電による電池性能の劣化を抑制できる。
【選択図】図６

Description

この発明は、組電池の短絡検出装置に関し、特に、組電池を構成する複数の単電池における電池ケース間の短絡を検出する組電池の短絡検出装置に関する。

車両に搭載されて駆動源に電力を供給したり、補機に電力を供給したりする電池として、複数の単電池を直列に接続して構成される組電池がある。このような組電池を構成する単電池としては、たとえば鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。特に、リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に比べて定格電圧が高いことから、小型かつ高電圧の出力を有する車両用電源を実現するとして注目されている。

ここで、リチウムイオン電池は、周知のように、電解液に非水電解質を用い、かつ、正極および負極にリチウムイオンと電子とを可逆的に出し入れできる材料を用いた非水電解質二次電池である。充放電時にリチウムイオンが正極と負極との間を行き来することによって二次電池として機能する。なお、ニッケル水素電池は電解液を水溶液としている。

そして、リチウムイオン電池の外形を構成する筐体には、通常、アルミニウム等の金属部材が用いられる。これは、リチウムイオン電池が電解液を非水電解質とするため、その筐体を樹脂部材で構成することにより、樹脂部材を介して電池内部に透過した水分が非水電解質と反応してフッ酸を生成して電極を腐食させるという問題が生じるためである。

すなわち、リチウムイオン電池は、電池構成上から、筐体が電解液と等電位となり、その電位が正極電位と負極電位との中間電位となる。したがって、複数のリチウムイオン電池を直列に接続して組電池を構成した場合、各単電池が直接接触することなどによって筐体間に短絡が生じると、筐体同士が同電位となるため、組電池としての十分な定格電圧が得られなくなる。

さらに、一方の筐体と他方の筐体との間をその電位差に応じた電流が流れるため、それぞれの単電池において電池性能が劣化するという問題が起こり得る。詳細には、高電圧側に配置された単電池においては、電子が筐体に流入することによって電解液中のリチウムイオン、電子、および筐体である金属部材の合金化反応が進行する。そのため、電解液中のリチウムイオンが著しく減少し、電位容量の低下を招くおそれがある。また、低電圧側に配置された単電池においては、筐体の金属部材から電子が脱離されることによって筐体の溶解反応が進行し、筐体の腐食に伴なう電解液の漏れが発生する可能性がある。

そこで、最近では、短絡を確実に阻止することを目的とした組電池の構成が検討されている（たとえば特許文献１および２参照）。

たとえば特許文献１は、金属製の皿状接続体を介して複数の二次電池を直線状に接続してなるモジュール電池を複数本ホルダーケース内に平行に並べて収納している組電池を開示する。これによれば、モジュール電池は、皿状接続体と二次電池との間に配設される絶縁体に、二次電池の端部を挿入する筒状キャップを設けるとともに、二次電池の外周面から突出する凸部を設けている。そのため、モジュール電池は、ホルダーケース内に収納するとき、あるいは組電池を使用するときにおいて、皿状接続体のフランジ部が外部の金属等に直接に接触して短絡するのを有効に防止することができる。

また、特許文献２は、アルミニウムを含む電池ケースに、金属製の正・負極端子がそれぞれ封止固定された非水電解質電池であって、正極端子と電池ケース間は絶縁されており、かつ、負極端子と電池ケース間が１Ω〜１ＭΩの抵抗を介して接続されていることを特徴とするものを開示する。これによれば、組電池の組立途中において正極端子と電池ケースとが不用意に工具などにより接触したとしても、電池ケースは負極端子と絶縁されているため接触部に電流が流れない。一方、負極端子と電池ケースとが不用意に接触したとしても、電池ケースと正極端子とは抵抗値１Ω〜１ＭΩで接続されているため、流れる電流がわずかであり、電池の破損を防止することができる。
特開２００１−１８５１０２号公報特開２００５−１６６５８４号公報

しかしながら、上記の特許文献１による組電池は、直線状に接続された複数の二次電池からなるモジュール電池と外部の金属等との短絡を防止することを目的としており、隣接する二次電池間で起こり得る筐体同士の短絡を防止することについては検討されるに至っていない。

また、特許文献２による非水電解質電池においても、正極端子または負極端子と電池ケースとの間の短絡を防止することができるが、複数個を配列させて組電池を構成したときに隣り合う電池間で起こり得る電池ケース同士の短絡については、その対応が不十分であるといえる。

さらに、いずれの特許文献においても、万一、組電池内部への漏水や結露などに起因して筐体同士の短絡が生じた場合に、その短絡を検出する技術については何ら開示しておらず、組電池の性能確保の点において未だ問題が残る。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組電池を構成する複数の単電池の性能を確保しながら、単電池間で生じた筐体同士の短絡を検出することができる組電池の短絡検出装置を提供することである。

この発明によれば、組電池の短絡検出装置は、直列接続された複数の単電池からなる組電池に用いられる。各複数の単電池は、正負極端子と絶縁され、かつ、電解液と導通可能に配された筐体を含む。組電池の短絡検出装置は、筐体と所定電位との間に直列に接続された第１および第２の容量素子と、第１の容量素子と第２の容量素子との接続点の電位を測定する電位測定部と、測定された接続点の電位に基づいて、隣接する単電池間の筐体同士の短絡を検出する短絡検出部とを備える。

上記の組電池の短絡検出装置によれば、筐体と容量結合された接続点に筐体の電位に応じて誘起される電位に基づいて筐体同士の短絡を検出する。これによれば、個々の筐体の電位を直接的に測定して短絡を検出するのに対して、筐体に電流を流すことなく筐体同士の短絡を検出することができる。この結果、筐体が通電されることにより生じる単電池の性能劣化を抑制しながら、筐体同士の短絡を検出することが可能となる。

好ましくは、電位測定部は、接続点と所定の電位とを電気的に接続するためのスイッチ回路と、スイッチ回路が導通したことに応じて接続点の電位を検出する電位センサとを含む。短絡検出部は、スイッチ回路が導通した時点以降に検出される接続点の電位の時間的変化に基づいて、隣接する単電池間の筐体同士の短絡を検出する。

上記の組電池の短絡検出装置によれば、接続点の電位はスイッチ回路の導通直後に急峻に変化してその後安定化する時間的変化を示すため、スイッチ回路を導通した時点以降に安定した接続点の電位に基づいて筐体同士の短絡を検出することにより、高い精度で短絡を検出することができる。

好ましくは、短絡検出部は、スイッチ回路が導通した時点から所定期間が経過した時点における接続点の電位が所定の電圧範囲にないことに応じて、隣接する単電池間の筐体同士の短絡を検出する。所定の電圧範囲は、筐体が隣接する単電池の筐体と短絡していないときにスイッチ回路が導通した時点から所定期間が経過した時点において接続点が取り得る電位に基づいて設定される。

上記の組電池の短絡検出装置によれば、接続点の電位の測定結果を正常時の接続点の電位を基に設定された所定の電位範囲に照らし合わせることにより、筐体同士の短絡を容易かつ迅速に検出することができる。

好ましくは、短絡検出部は、隣接する２個の単電池において、一方の単電池に対応する接続点の電位が所定の電位範囲にないこと、かつ、他方の単電池に対応する接続点の電位が所定の電位範囲にないことに応じて、２個の単電池間の筐体同士の短絡を検出する。

上記の組電池の短絡検出装置によれば、組電池を構成する複数の単電池の中から筐体同士が短絡した単電池を容易に特定することができる。また、隣接する単電池の双方に短絡が検出されたことに応じて筐体同士が短絡したと判定することから、正確な短絡検出を行なうことができる。

この発明によれば、単電池の筐体と容量結合された接続点に筐体の電位に応じて誘起される電位に基づいて筐体同士の短絡を検出する。そのため、筐体を通電してその電位を測定して短絡を検出するのに対して、筐体の通電に起因する電池性能の劣化を抑制することができる。この結果、単電池の性能を劣化させることなく、筐体同士の短絡を検出することが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態による組電池の短絡検出装置が適用される組電池の斜視図である。

図１を参照して、組電池１０は、複数の単電池を直列に接続して構成される。具体的には、組電池１０は、複数個（たとえば４個とする）の単電池ＢＣ１〜ＢＣ４を積層した積層体１２と、一対のエンドプレート１８ａ，１８ｂと、エンドプレート１８ａ，１８ｂに取り付けられた締結部材２０ａ，２０ｂ（ただし、２０ｂは積層体１２の裏面にあるため図示されていない）とを含む。

単電池ＢＣ１〜ＢＣ４は、非水電解質二次電池であって、たとえばリチウムイオン電池からなる。単電池ＢＣ１〜ＢＣ４の各々は、いわゆる角型平板状の外形を有しており、所定の間隔をおいて側面を対向させて整列配置される。この整列配置については、４個の単電池ＢＣ１〜ＢＣ４を直列接続しやすいように、正極端子と負極端子との配置が１個おきに逆になるように配置することができる。すなわち、単電池ＢＣ１の負極端子４２ａに単電池ＢＣ２の正極端子４０ｂが隣接し、単電池ＢＣ２の負極端子４２ｂに単電池ＢＣ３の正極端子４０ｃが隣接し、単電池ＢＣ３の負極端子４２ｃに単電池ＢＣ４の正極端子４０ｄが隣接するように配置される。

そして、負極端子４２ａと正極端子４０ｂ、負極端子４２ｂと正極端子４０ｃ、負極端子４２ｃと正極端子４０ｄを接続すれば、正極端子４０ａと負極端子４２ｄとの間に、４段直列接続の定格電圧を取り出すことができる。

図２は、図１における単電池ＢＣ１〜ＢＣ４を構成するリチウムイオン電池の構成の一例を示す図である。なお、単電池ＢＣ１〜ＢＣ４はいずれも同一構成を有するため、図２では、代表して単電池ＢＣ１の構成を示す。

図２を参照して、単電池ＢＣ１は、リチウムイオン電池であり、上部に開口部を有する金属部材からなる扁平箱型の筐体３０ａと、筐体３０ａの上部開口部に嵌合される蓋部３２ａと、筐体３０ａの内部に収容される電極群３４ａと、電極群３４ａに含浸させる電解液とからなる。

筐体３０ａは、たとえばアルミニウムなどの金属板を略直方体の箱型に成形したものが用いられる。蓋部３２ａには、互いに絶縁された正極端子４０ａと負極端子４２ａとが取り付けられている。蓋部３２ａに筐体３０ａと同じ材質の金属板を用いた場合、蓋部３２ａと正極端子４０ａおよび負極端子４２ａとの間には樹脂等の絶縁部材が設けられる。

電極群３４ａは、図示は省略するが、各々に活物質が塗布された２枚の電極体をセパレータを介して積層して、ロール状に巻回したものである。具体的には、２枚の電極体のうちの一方の電極体は、アルミニウム箔を下地としてその表面に活物質が塗布され、正極引出部５０ａがアルミニウムの部分に溶接等によって接続される。また、他方の電極体は、銅箔を下地としてその表面に活物質が塗布され、負極引出部５２ａが銅の部分に溶接等によって接続される。そして、電極群３４ａは、電極体、セパレータ、電極体の順に重ね合わされて巻回されると、正極引出部５０ａと負極引出部５２ａとを筐体３０ａの上部開口部に突き出すようにして筐体３０ａの内部に収容される。その後、電解液が注入されて電極体とセパレータとの間に含浸される。正極引出部５０ａと負極引出部５２ａとは、蓋部３２ａの正極端子４０ａおよび負極端子４２ａにそれぞれ接続される。

図２から明らかなように、筐体３０ａは金属部材からなり導電性を有するため、内部に注入された電解液と略同電位となる。すなわち、正極電位と負極電位との中間電位となる。したがって、図１のように複数個の単電池ＢＣ１〜ＢＣ４を直列に接続して組電池１０を構成した場合、隣り合う２個の単電池において、各々の正負極端子および筐体の電位は、図３のような関係となる。

図３は、組電池の隣り合う単電池間における電位の関係を説明するための図である。
図３を参照して、たとえば図１の組電池１０のうちの隣り合う単電池ＢＣ１と単電池ＢＣ２とにおいて、高電圧側に配置される単電池ＢＣ１は、正極端子４０ａの電位（正極電位）をＶ１Ｈとし、負極端子４２ａの電位（負極電位）をＶ１Ｌとする。また、低圧側に配置される単電池ＢＣ２は、正極端子４０ｂの電位（正極電位）をＶ２Ｈとし、負極端子４２ｂの電位（負極電位）をＶ２Ｌとする。

図３から分かるように、負極端子４２ａと正極端子４０ｂとは導電部材４４により電気的に接続されているため、単電池ＢＣ１の負極電位Ｖ１Ｌと単電池ＢＣ２の正極電位Ｖ２Ｈとは等電位となる。

そして、単電池ＢＣ１の筐体３０ａは、正極電位Ｖ１Ｈと負極電位Ｖ１Ｌとの中間電位（＝（Ｖ１Ｈ＋Ｖ１Ｌ）／２）を示す。一方、単電池ＢＣ２の筐体３０ｂは、正極電位Ｖ２Ｈと負極電位Ｖ２Ｌとの中間電位（＝（Ｖ２Ｈ＋Ｖ２Ｌ）／２）を示す。

ここで、以上の電位関係からなる単電池ＢＣ１と単電池ＢＣ２との間で、筐体３０ａと筐体３０ｂとが短絡した場合を考える。なお、隣接する単電池間での筐体同士が短絡する場合としては、たとえば、一方の単電池の筐体の側面とこれに対向する他方の単電池の筐体の側面との間に結露が生成されたとき、もしくは、組電池に漏水が生じたときなどが挙げられる。

このとき、筐体３０ａ，３０ｂの電位は、短絡によって図中に矢印で示すように、互いに等しい電位となる。すなわち、筐体３０ａの電位は、それまでの単電池ＢＣ１の正負極電位の中間電位から負極電位Ｖ１Ｌまで低下する。一方、筐体３０ｂの電位は、それまでの単電池ＢＣ２の正負極電位の中間電位から正極電位Ｖ２Ｈ（すなわち、単電池ＢＣ１の負極電位Ｖ１Ｌに相当）まで増加する。

そして、筐体３０ａ，３０ｂの電位が低下／増加する過程において、両者間には本来の電位差に応じた電流が流れることとなる。これにより、単電池ＢＣ１，ＢＣ２の内部では図４に示すような反応が促進して、それぞれの電池性能を劣化に至らしめる。

図４は、単電池間での筐体同士の短絡により生じる現象を説明するための図である。
図４を参照して、単電池ＢＣ１と単電池ＢＣ２との間には、高電位側の筐体３０ａから低電位側の筐体３０ｂへ通じる電流の経路Ｒｔ１が形成される。すなわち、この経路Ｒｔ１を通って筐体３０ｂから筐体３０ａへ電子が流入することとなる。そのため、筐体３０ａでは、電解液中のリチウムイオンＬｉ^＋が筐体３０ａとの界面に引き寄せられて、リチウムイオンＬｉ^＋とアルミニウムとの合金化が進行する。かかる合金化によって電解液中のリチウムイオンＬｉ^＋が減少するため、単電池ＢＣ１の性能が低下する可能性がある。

これに対し、単電池ＢＣ２では、筐体３０ｂを構成するアルミニウムから電子が電離することに応じて、アルミニウムイオンＡｌ^３＋が電解液中に溶け出す。そのため、筐体３０ｂの腐食が進み、単電池ＢＣ２の性能を低下させるおそれがある。

以上に述べたように、筐体が金属部材からなる非水電解質二次電池を直列接続して組電池を構成した場合、隣接する単電池間で筐体同士が短絡したことによって、いずれの単電池についても性能劣化を引き起こす可能性がある。

なお、かかる不具合を防止する方策の１つとしては、各単電池の筐体を絶縁部材で被覆することが挙げられる。しかしながら、一般に絶縁部材は熱伝導率が金属部材に比べて低いことから、組電池としての十分な放熱性を得ることが困難となる。また、かかる方策によっても、万一、単電池間で筐体同士が短絡した場合には、その短絡を検出することは不可能とされる。

そこで、筐体同士の短絡を検出する手段としては、以下に示すように、図３の電位関係に基づいて筐体ごとの電位を測定するのが最も簡易であると予想される。

図５は、筐体の電位を測定するための電位測定装置の一例を説明するための概略構成図である。

図５を参照して、単電池ＢＣ１の筐体３０ａには一組の電位測定装置が取り付けられる。電位測定装置は、電圧センサ６２と、電圧センサ６２と筐体３０ａとを電気的に結合または分離するためのスイッチ回路ＳＷとを含む。

図５の構成において、スイッチ回路ＳＷを導通して筐体３０ａと電圧センサ６２とを電気的に結合すると、電圧センサ６２の内部抵抗ｒには、筐体３０ａと接地レベルとの電位差に応じた電流が流れる。このとき、内部抵抗ｒの両端に生じた電圧を電圧センサ６２で検出することにより、筐体３０ａの電位を測定することができる。

しかしながら、図５から明らかなように、筐体３０ａの電位を測定する際に筐体３０ａを電流が流れる。したがって、電子が筐体３０ａに流れ込むことによって、単電池ＢＣ１の内部では、筐体３０ａと電解液との境界面においてリチウムイオンＬｉ^＋とアルミニウムとの合金６０が生成されることとなる。すなわち、単電池ＢＣ１の内部では、筐体３０ａが他の単電池の筐体と短絡したときと同じ現象が電位測定時においても起こることから、電池性能の劣化を招く結果となる。

そこで、この発明による組電池の短絡検出装置は、筐体自体には電流を流さず、すなわち筐体に電子を流入させずに、その筐体同士の短絡を検出する手段を備えることを特徴的な構成とする。これによれば、電池性能の劣化を伴なうことなく、単電池間の筐体同士の短絡を簡易に検出することができる。

図６は、この発明による組電池の短絡検出装置の構成を示す図である。
図６を参照して、組電池の短絡検出装置は、電位測定部１０１，１０２と、短絡検出部１１０とを備える。

電位測定部１０１は、単電池ＢＣ１の筐体３０ａに設置され、誘電体層７０，７２と、導電体層８０，８２と、電圧センサ９１と、スイッチ回路ＳＷ１とを含む。

誘電体層７０は、筐体３０ａの側面と導電体層８０の一方端面との間に配される。誘電体層７２は、導電体層８０の他方端面と導電体層８２の一方端面との間に配される。そして、導電体層８２の他方端面は、接地電位に接続される。

誘電体層７０は、筐体３０ａおよび導電体層８０を電極板としてコンデンサＣ１を形成する。また、誘電体層７２は、導電体層８０，８２を電極板としてコンデンサＣ２を形成する。すなわち、筐体３０ａと接地電位との間に２つのコンデンサＣ１，Ｃ２が直列接続されたものとみなすことができる。

そして、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点となる導電体層８０は、スイッチ回路ＳＷ１と電圧センサ９１とを介して接地電位に接続される。スイッチ回路ＳＷ１は、短絡検出部１１０からの信号ＳＥ１に応じてオン／オフされる。スイッチ回路ＳＷ１が信号ＳＥ１に応じてオンされることにより、導電体層８０は接地電位に電気的に接続される。これにより、導電体層８０の電位と接地電位との電位差に応じた電流が電圧センサ９１の内部抵抗ｒを通過する。電圧センサ９１は、内部抵抗ｒ１の両端に生じた電圧Ｖｃ１を検出し、その検出した電圧Ｖｃ１を短絡検出部１１０へ出力する。

電圧測定部１０２は、電圧測定部１０１と同様の構成からなる。すなわち、電位測定部１０２は、単電池ＢＣ２の筐体３０ｂと接地電池との間に直列接続された２つのコンデンサＣ１，Ｃ２と、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点と接地電位との間に配されたスイッチ回路ＳＷ２および電圧センサ９２とを含む。

電圧センサ９２は、短絡検出部１１０からの信号ＳＥ２に応じてスイッチ回路ＳＷ２がオンされると、単電池ＢＣ２の筐体３０ｂと接地電池との間に直列接続された２つのコンデンサの接続点の電位Ｖｃ２を検出し、その検出した電圧Ｖｃ２を短絡検出部１１０へ出力する。

図７は、図６の電位測定部１０１の等価回路図である。なお、図６の電位測定部１０２についても同様の等価回路で表わされる。

図７を参照して、単電池ＢＣ１の筐体３０ａと接地電位との間には、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とが直列に接続されている。なお、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量Ｃは、たとえば誘電体層７０，７２をともに誘電率ε、面積Ｓおよび厚さｄとした場合、Ｃ＝εＳ／ｄで表わされる。

コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点であるノードＮ１は、スイッチ回路ＳＷ１および電圧センサ９１を介して接地電位に接続される。スイッチ回路ＳＷ１は、図示しない短絡検出部１１０からの信号ＳＥ１によりオン／オフされる。

以上の構成において、筐体３０ａに電位Ｖが与えられたとする。スイッチ回路ＳＷ１がオフ状態のとき、コンデンサＣ１，Ｃ２の一対の電極板には＋Ｑ、−Ｑの電荷がそれぞれ誘導される。このとき、コンデンサＣ１，Ｃ２にかかる電圧Ｖ１，Ｖ２は、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｑ／Ｃであることから、ノードＮ１の電位は、Ｖ／２となる。すなわち、ノードＮ１には、筐体３０ａの電位に応じた電位が誘起されることが分かる。よって、ノードＮ１の電位Ｖｎ１を測定することにより、筐体３０ａの電位を検出することが可能となる。

次に、スイッチ回路ＳＷ１がオフ状態からオン状態に切換えられると、ノードＮ１が接地電位と電気的に接続されるため、その電位はＶ／２から接地電位に低下する。したがって、コンデンサＣ１にかかる電圧Ｖ１がＶ／２からＶに増加し、コンデンサＣ１の電極板には＋２Ｑ，−２Ｑの電荷が誘導される。

このとき、図７に示すように、コンデンサＣ１の電荷が増加したことに応じて、コンデンサＣ１の電極板の一方には電子ｅ⁻がさらに引き寄せられる。これに応じて、単電池ＢＣ１の内部では、筐体３０ａと電解液との境界面に電解液中のリチウムイオンＬｉ^＋が引き寄せられる。

しかしながら、筐体３０ａとノードＮ１とはコンデンサＣ１により容量結合されているため、引き寄せられた電子ｅ⁻が筐体３０ａに流入することがない。これにより、単電池ＢＣ１では、筐体３０ａと電解液との境界面に極めて薄い層の両面が帯電されてなる電気二重層が形成される。したがって、リチウムイオンＬｉ^＋が筐体３０ａに付着するのが抑えられるため、リチウムイオンＬｉ^＋と筐体３０ａのアルミニウムとの合金化反応を阻止することができる。

以上のように、この発明によれば、筐体と容量結合されたノードに誘起される電位を測定することから、筐体には電位測定時に電流が流れることがない。したがって、電池性能を劣化させることなく、単電池間で生じた筐体同士の短絡を検出することが可能となる。以下に、この発明による組電池の短絡検出装置における短絡検出動作について説明する。

図８は、図６の短絡検出部１１０が行なう短絡検出動作の説明するためのタイミングチャートである。

図８を参照して、単電池ＢＣ１に設置された電位測定部１０１にて検出されるノードＮ１の電位Ｖｎ１は、筐体３０ａと筐体３０ｂとが開放している正常時では、曲線ＬＮ１に示すように、単電池ＢＣ１の正負極電位Ｖ１Ｈ，Ｖ１Ｌの中間電位に応じた所定の電位Ｖ１＿ｓｔｄを示す。そして、時刻ｔ０にスイッチ回路ＳＷ１がオンされたことに応じて、所定の電位Ｖ１＿ｓｔｄから接地電位へと徐々に低下する。なお、時刻ｔ０からノードの電位Ｖｎ１が接地電位となる時刻ｔ２までの期間は、コンデンサＣ１の容量Ｃと電圧センサ９１の内部抵抗ｒ１の抵抗値とで決まる時定数から求めることができる。

これに対し、筐体３０ａが筐体３０ｂと短絡しているときには、ノードＮ１の電位Ｖｎ１は、曲線ＬＮ２に示すように、所定の電位Ｖ１＿ｓｔｄを下回る。図３で述べたように、筐体３０ａの電位が負極電位Ｖ１Ｌに低下したことによる。そのため、時刻ｔ０にスイッチ回路ＳＷ１がオンされると、ノードＮ１の電位Ｖｎ１は、所定の電位Ｖ１＿ｓｔｄよりも低い電位を初期値として、所定の時定数を持って接地電位まで低下する。

そこで、短絡検出部１１０は、電圧センサ９１から時刻ｔ０以降のノードＮ１の電位Ｖｎ１を受けると、その大きさに基づいて筐体３０ａが短絡しているか否かを判定する。

より具体的には、短絡検出部１１０は、時刻ｔ０から所定期間Δｔが経過した時刻ｔ１におけるノードＮ１の電位Ｖｎ１が予め設定した所定の電圧範囲Ｒ１にあるか否かに基づいて、筐体３０ａが短絡しているか否かを判定する。

なお、所定の電圧範囲Ｒ１としては、図８に示すように、曲線ＬＮ１で示される正常時におけるノードＮ１の電位Ｖｎ１の時間的変化に基づいて、時刻ｔ１に電位Ｖｎ１が取り得る電圧範囲が設定される。また、所定期間Δｔは、時刻ｔ０直後ではノードＮ１の電位Ｖｎ１が急激に低下するため電位の検出精度に影響を及ぼすことを考慮して、電位Ｖｎ１が比較的安定した時刻での電位Ｖｎ１を検出するように設定される。

したがって、短絡検出部１１０は、時刻ｔ１におけるノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にあることに応じて、筐体３０ａが他の単電池の筐体と短絡していないと判定する。一方、時刻ｔ１におけるノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にないことに応じて、筐体３０ａが他の単電池の筐体と短絡していると判定する。

さらに、短絡検出部１１０は、単電池ＢＣ２についても同様に、電位測定部１０２からノードＮ２の電位Ｖｎ２を受けると、その大きさに基づいて筐体３０ｂが短絡しているか否かを判定する。

具体的には、図９を参照して、筐体３０ｂが短絡していない正常時であれば、ノードＮ２の電位Ｖｎ２は、曲線ＬＮ３で示すように、単電池ＢＣ２の正負極電位Ｖ２Ｈ，Ｖ２Ｌの中間電位に応じた所定の電位Ｖ２＿ｓｔｄを示す。そして、時刻ｔ０でスイッチ回路ＳＷ２がオンされたことに応じて、コンデンサＣ１の容量Ｃと電圧センサ９２の内部抵抗ｒ２の抵抗値とで決まる時定数に従って接地電位へと次第に低下する。

一方、筐体３０ｂが筐体３０ａと短絡しているときには、曲線ＬＮ４で示すように、
ノードＮ２の電位Ｖｎ２は、所定の電位Ｖ２＿ｓｔｄを上回る。図３で述べたように、筐体３０ｂの電位が正極電位Ｖ２Ｈに増加したことによる。そのため、時刻ｔ０にスイッチ回路ＳＷ２がオンされると、ノードＮ２の電位Ｖｎ２は、所定の電位Ｖ２＿ｓｔｄよりも高い電位を初期値として、所定の時定数を持って接地電位まで低下する。

そこで、短絡検出部１１０は、図９の曲線ＬＮ３で示される正常時におけるノードＮ２の電位Ｖｎ２の時間的変化に基づいて、時刻ｔ１に電位Ｖｎ２が取り得る電圧範囲を所定の電圧範囲Ｒ２として予め設定する。そして、時刻ｔ１における電位Ｖｎ２がその設定した所定の電圧範囲Ｒ２にあるか否かに基づいて筐体３０ｂが短絡しているか否かを判定する。

以上のように、組電池を構成する単電池の各々について、筐体の電位に応じて筐体と容量結合されたノードに誘起される電位を測定することにより、筐体に電流を流すことなく筐体が短絡しているか否かを判定することができる。

さらに、単電池ごとの判定結果を組合せることにより、いずれの単電池間で短絡が生じているかを検出することが可能となる。たとえば図８に示したノードＮ１の電位Ｖｎ１の大きさに基づいて単電池ＢＣ１が短絡していると判定され、かつ、図９で示したノードＮ２の電位Ｖｎ２の大きさに基づいて単電池ＢＣ２が短絡していると判定されたときには、単電池ＢＣ１，ＢＣ２の筐体同士が短絡していると判断することができる。また、ノードＮ２の電位Ｖｎ２の大きさに基づいて単電池ＢＣ２が短絡していると判定され、かつ、単電池ＢＣ３が短絡していると判定されたときには、単電池ＢＣ２，ＢＣ３の筐体同士が短絡していると判断することができる。したがって、組電池を構成する複数の単電池の中から筐体同士の短絡が生じた２個の単電池を正確に特定することが可能となる。

図１０は、この発明による組電池の短絡検出動作を説明するためのフローチャートである。なお、図１０のフローチャートは、組電池を構成する複数の単電池のうちの隣り合う２個の単電池ＢＣ１，ＢＣ２について筐体同士の短絡を検出する動作を示している。

図１０を参照して、一連の短絡検出動作を開始するにあたり、隣り合う単電池ＢＣ１，ＢＣ２において、筐体３０ａ，３０ｂに電位測定部１０１，１０２がそれぞれ取り付けられる（ステップＳ０１）。

次に、短絡検出部１１０は、単電池ＢＣ１に対応する電位測定部１０１に含まれるスイッチ回路ＳＷ１をオンするための信号ＳＥ１を生成してスイッチ回路ＳＷ１へ出力する。これにより、スイッチ回路ＳＷ１のみがオンされ、ノードＮ１と接地電位とが電気的に接続される（ステップＳ０２）。電圧センサ９１は、スイッチ回路ＳＷ１がオンされたことに応じてノードＮ１の電位Ｖｎ１を検出し、その検出した電位Ｖｎ１を短絡検出部１１０へ出力する。

短絡検出部１１０は、スイッチ回路ＳＷ１はオンされた時刻から所定期間Δｔだけ経過した時刻におけるノードＮ１の電位Ｖｎ１を検出する（ステップＳ０３）。そして、短絡検出部１１０は、その検出されたノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にあるか否かを判定する（ステップＳ０４）．
ステップＳ０４にてノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にあるとき、短絡検出部１１０は、単電池ＢＣ１の筐体３０ａが短絡していないと判定する。一方、ステップＳ０４にてノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にないとき、短絡検出部１１０は、単電池ＢＣ２に対応する電位測定部１０２に含まれるスイッチ回路ＳＷ２をオンするための信号ＳＥ２を生成してスイッチ回路ＳＷ２へ出力する。これにより、スイッチ回路ＳＷ２のみがオンされ、ノードＮ２と接地電位とが電気的に接続される（ステップＳ０５）。電圧センサ９２は、スイッチ回路ＳＷ２がオンされたことに応じてノードＮ２の電位Ｖｎ２を検出し、その検出した電位Ｖｎ２を短絡検出部１１０へ出力する。

短絡検出部１１０は、スイッチ回路ＳＷ２はオンされた時刻から所定期間Δｔだけ経過した時刻におけるノードＮ２の電位Ｖｎ２を検出する（ステップＳ０６）。そして、短絡検出部１１０は、その検出されたノードＮ２の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ２にあるか否かを判定する（ステップＳ０７）．
ステップＳ０７にてノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にあるとき、短絡検出部１１０は、単電池ＢＣ２の筐体３０ｂが短絡していないと判定する。一方、ステップＳ０７にてノードＮ１の電位Ｖｎ１が所定の電圧範囲Ｒ１にないとき、すなわち、単電池ＢＣ１の筐体３０ａと単電池ＢＣ２の筐体３０ｂとの双方に短絡が検出されたとき、単電池ＢＣ１，ＢＣ２の筐体同士が短絡していると判定する（ステップＳ０８）。

なお、この発明の実施の形態では、組電池を構成する単電池をリチウムイオン電池とした場合について説明したが、リチウムイオン電池以外の非水電解質二次電池においても、この発明による組電池の短絡検出装置を適用することができる。さらには、非水電解質一次電池や非水電解質を含むキャパシタを単電池とした組電池についても、この発明による組電池の短絡検出装置を適用することができる。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、単電池の筐体と容量結合されたノードに誘起される電位に基づいて筐体同士の短絡を判定するため、筐体に電流を流すことなく筐体同士の短絡を検出することができる。この結果、電池性能を劣化させることなく、単電池間で生じた筐体同士の短絡を迅速に検出することが可能となる。

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、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。

この発明は、複数の非水電解質電池を直列に接続して構成された組電池における筐体同士の短絡を検出する組電池の短絡検出装置に利用することができる。

この発明の実施の形態による組電池の短絡検出装置が適用される組電池の斜視図である。図１における単電池を構成するリチウムイオン電池の構成の一例を示す図である。組電池の隣り合う単電池間における電位の関係を説明するための図である。単電池間での筐体同士の短絡により生じる現象を説明するための図である。筐体の電位を測定するための電位測定装置の一例を説明するための概略構成図である。この発明による組電池の短絡検出装置の構成を示す図である。図６の電位測定部の等価回路図である。図６の短絡検出部が行なう短絡検出動作の説明するためのタイミングチャートである。図６の短絡検出部が行なう短絡検出動作の説明するためのタイミングチャートである。この発明による組電池の短絡検出動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０組電池、１２積層体、１８ａ，１８ｂエンドプレート、２０ａ，２０ｂ締結部材、３０ａ，３０ｂ筐体、３２ａ蓋部、３４ａ電極群、４０ａ〜４０ｄ正極端子、４２ａ〜４２ｄ負極端子、４４導電部材、５０ａ正極引出部、５２ａ負極引出部、６０合金、６２，９１，９２電圧センサ、７０，７２誘電体層、８０，８２導電体層、１０１，１０２電位測定部、１１０短絡検出部、ＢＣ１〜ＢＣ４単電池、Ｃ１，Ｃ２コンデンサ、ｒ，ｒ１，ｒ２内部抵抗、ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ回路。

Claims

直列接続された複数の単電池からなる組電池に用いる組電池の短絡検出装置であって、
各前記複数の単電池は、正負極端子と絶縁され、かつ、電解液と導通可能に配された筐体を含み、
前記組電池の短絡検出装置は、
前記筐体と所定電位との間に直列に接続された第１および第２の容量素子と、
前記第１の容量素子と前記第２の容量素子との接続点の電位を測定する電位測定部と、
測定された前記接続点の電位に基づいて、隣接する前記単電池間の前記筐体同士の短絡を検出する短絡検出部とを備える、組電池の短絡検出装置。
前記電位測定部は、
前記接続点と前記所定の電位とを電気的に接続するためのスイッチ回路と、
前記スイッチ回路が導通したことに応じて前記接続点の電位を検出する電位センサとを含み、
前記短絡検出部は、前記スイッチ回路が導通した時点以降に検出される前記接続点の電位に基づいて、前記隣接する単電池間の前記筐体同士の短絡を検出する、請求項１に記載の組電池の短絡検出装置。
前記短絡検出部は、前記スイッチ回路が導通した時点から所定期間が経過した時点における前記接続点の電位が所定の電圧範囲にないことに応じて、前記隣接する単電池間の前記筐体同士の短絡を検出し、
前記所定の電圧範囲は、前記筐体が前記隣接する単電池の筐体と短絡していないときに前記スイッチ回路が導通した時点から前記所定期間が経過した時点において前記接続点が取り得る電位に基づいて設定される、請求項２に記載の組電池の短絡検出装置。
前記短絡検出部は、隣接する２個の単電池において、一方の前記単電池に対応する前記接続点の電位が前記所定の電位範囲にないこと、かつ、他方の前記単電池に対応する前記接続点の電位が前記所定の電位範囲にないことに応じて、前記２個の単電池間の前記筐体同士の短絡を検出する、請求項３に記載の組電池の短絡検出装置。