JP2010257692A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の温度検出等を安定して行うことができる電池システムを提供することである。
【解決手段】本発明によって提供される電池システム１００は、電気的に中性である金属製の電池ケース１０を有する二次電池２０を少なくとも一つ備えている電池システム１００であって、上記二次電池のケース１０と、該ケース１０に接合した二つの導線３４、３６であって一方の導線３６は該ケース１０を構成する金属材料からなる同種金属導線３６であり他方は該ケース１０を構成する金属材料とは異なる金属材料からなる異種金属導線３４である二つの導線３４、３６と、を含む回路により構成される熱起電力検出部３０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製の電池ケースを有する二次電池と熱起電力検出部とを備える電池システムに関する。

リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子を単電池とし、該単電池を複数直列接続して成る組電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン電池を単電池として複数直列に接続した組電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。

この種の複数の単電池から構成された組電池においては、不良電池の存在や充電装置の故障による誤作動があった場合、単電池に通常以上の電流が供給され、単電池内で異常な発熱が生じることが想定される。そのような単電池の発熱を監視するために、温度センサを用いて単電池の温度管理を行うことが検討されている。

例えば、特許文献１には、二次電池の温度、具体的には当該電池温度の指標として当該電池の電極本体を内部に収容した電池ケースの表面温度を検知するために電池ケースの外表面に温度検知器を固定した構造が開示されている。その他、この種の温度センサに関する従来技術として例えば特許文献２〜５が開示されている。

特開２００６−１４００５４号公報 特許第２９４１３４５号公報 特許第３０６９０３１号公報 特許第３６９７７２４号公報 特公平６−４０７１２号公報

しかしながら、電池ケースの表面に温度センサ（例えば熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタ等）を貼り付けるだけでは、電池に加わる振動等によって電池ケースと温度センサとの間に位置ズレや隙間が発生し、検出される温度に変化が生じてしまう場合がある。特に自動車等に搭載される電池は、振動が発生する状態での使用が前提となることから、電池に加わる振動によって不都合が生じないような機構が求められている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、二次電池の温度検出等を安定して行うことができる電池システムを提供することである。

本発明により提供される電池システムは、電気的に中性である金属製の電池ケースを有する二次電池を少なくとも一つ備えている電池システムである。上記電池システムは、上記二次電池のケースと、該ケースに接合した二つの導線であって一方の導線は該ケースを構成する金属材料からなる同種金属導線であり他方は該ケースを構成する金属材料とは異なる金属材料からなる異種金属導線である二つの導線と、を含む回路により構成される熱起電力検出部を備える。

本明細書において「電池システム」とは、少なくとも一つの二次電池と、ここで開示される熱起電力検出部（熱起電力検出機構または熱起電力検出回路とも呼称し得る）を主要構成要素とする構成体をいう。
また、本明細書において「二次電池」とは、所定の電気エネルギーを取り出し得る充放電可能な蓄電装置をいい、特定の蓄電機構（電極体や電解質の構成）に限定されない。リチウム二次電池（例えばリチウムイオン電池）、ニッケル水素電池その他の二次電池或いは電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（即ち物理電池）は、ここでいう二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「電池ケース」とは、二次電池を構成する一部材であって電極体ユニット及び電解質を収容し、所定の開口部（即ち電極体ユニット収容口）を有する電池用筐体をいう。

本発明の電池システムでは、二次電池のケースと該ケースに接合した異種金属導線とを含む回路により構成される熱起電力検出部を形成し、該回路で変動する熱起電力（ケースと異種金属導線との間に発生する電位差）を検出することによって、二次電池の温度（当該電池温度の指標となる電池ケースの表面温度）の検知等が行われる。かかる構成によれば、電池ケースの外表面に温度センサを貼り付けるのではなく、ケースそのものを熱起電力検出部の一部としているので、ケースと温度センサの位置ズレ等に起因する検出誤差の発生を防止することができる。従って、本発明によれば、二次電池の温度検知等を安定して行うことができる電池システムを提供することができる。

ここで開示される電池システムのある好適な一態様において、上記電池ケースはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。上記異種金属導線は該電池ケースとはフェルミ準位が異なる異種のアルミニウム合金から形成されている。かかるアルミニウム合金としては、安価なジュラルミンが特に好適である。このような構成によれば、比較的安価なアルミニウムと該アルミニウムの合金（好ましくはジュラルミン）を組み合わせて熱起電力検出部を構築することができるので、該熱起電力検出部を備えた電池システム自体のコストを低減することができる。

ここで開示される電池システムのある好適な一態様において、上記電池は上記電池ケースの開口部が密閉されている密閉型電池である。上記電池ケースの一部には該電池の内部異常圧力により開弁される安全弁が設けられている。そして、上記異種金属導線は、上記電池ケースの表面であって上記安全弁の近傍に接合されている。かかる構成によれば、安全弁の開弁時に放出された電解液が異種金属導線に付着するため、熱起電力検出部において検出された熱起電力に変化が生じる。このことによって、安全弁の開弁を検知することができる。

ここで開示される電池システムのある好適な一態様において、上記熱起電力検出部において検出された熱起電力に基づいて上記二次電池の充電及び／又は放電を制御する制御部をさらに備える。このような構成によれば、二次電池の充電及び／又は放電の制御を安定して行うことができる、信頼性の高い電池システムを提供することができる。

このような電池システムは、上記のとおり二次電池の温度計測や制御を安定して行うことができるので、例えば自動車等の車両に搭載される電池システムとして好適である。したがって、本発明によると、ここに開示されるいずれかの電池システムを備える車両が提供される。特に、高出力でサイクル寿命に優れることから、上記電池システムを備える電池（複数の電池が接続された組電池の形態であり得る。）を動力源（典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源）として備える車両（例えば自動車）が好適である。

本発明の一実施形態に係る電池システムを模式的に示す図。 温度−熱起電力特性を模式的に示すグラフ。 本発明の一実施形態に係る電池システムを模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る電池システムを模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る電池システムを模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る電池システムを模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る電池システムを備えた車両の側面図。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製法、セパレータや電解質の構成および製法、二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。なお本発明は以下の実施形態に限定されない。

本実施形態に係る電池システム１００は、図１に示すように、金属製の電池ケース１０を有する二次電池２０と、熱起電力検出部３０とを備えている。二次電池２０は、正極８２および負極８４を備える電極体８０と、該電極体８０および電解質を収容する電池ケース１０とを備える。本実施形態の電極体８０は、所定の電池構成材料（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等）から構成されている。また、ここでは電極体８０として扁平形状の捲回電極体８０が用いられている。

電池ケース１０は、扁平形状の捲回電極体８０を収容し得る形状（ここでは箱型）を有する。電池ケース１０の材質は、典型的な二次電池で使用される金属材料と同じであればよく特に制限はないが、電池システム自体の軽量化の観点から、例えば薄いアルミニウム製（本実施形態）のケースが用いられる。電池ケース１０は、捲回電極体８０が備える正極８２および負極８４とは電気的に絶縁されており、電気的に中性となるように構成されている。なお、ここでいう電気的に中性とは、電極体が備える正極及び負極の何れにも電気的に接続されていないことを意味する。

熱起電力検出部３０は、二次電池のケース１０と、該ケース１０に接合した二つの導線３４、３６とを含む回路により構成されている。ケース１０に接合した二つの導線のうちの一方は、同種金属導線３６である。同種金属導線３６は、ケース１０を構成する金属材料からなり、この実施形態ではアルミニウム製である。同種金属導線３６の形状やサイズは特に制限されないが、ここでは線状のアルミ線３６が用いられている。アルミ線３６の一端はケース１０（この例ではケースの下面１４）に接合され、他端は電圧計３２に接続されている。

ケース１０に接合した二つの導線のうちの他方は、異種金属導線３４である。異種金属導線３４は、ケース１０を構成する金属材料とは異なる金属材料からなり、例えば、ケース１０とはフェルミ準位が異なる異種のアルミニウム合金から形成されている。かかるアルミニウム合金としては、安価なジュラルミンが特に好適である。異種金属導線３４の形状やサイズは特に制限されないが、ここでは線状のジュラルミン線３４が用いられている。ジュラルミン線３４の一端はケース１０（この例ではケースの下面１４）に接合され、他端は電圧計３２に接続されている。

このように、同種金属導線３６及び異種金属導線３４の一端をケース１０に接合し、他端を電圧計３２にそれぞれ接続することにより、ケース１０と同種金属導線３６と異種金属導線３４とを含む回路により構成される熱起電力検出部３０が構築される。この熱起電力検出部３０を備えた電池パック１００において、二次電池２０に発熱等が生じると、ケース１０と異種金属導線３４との接合部３４ａの温度が変動する。ケース１０と異種金属導線３４との接合部３４ａの温度が変動すると、ゼーベック効果により上記回路に生じた熱起電力（ケース１０と異種金属導線３４間の電位差）も変動する。熱起電力検出部３０は、ケース１０と異種金属導線３４との接合部３４ａの温度変動に伴って上記回路で変動している熱起電力（ケース１０と異種金属導線３４間の電位差）を電圧計３２で検出するように構成されている。

図２に、上記回路で変動する熱起電力Ｖと温度Ｔとの関係を示している。図２はアルミニウム‐ジュラルミンの熱起電力特性の温度変化を示すグラフであり、横軸が温度Ｔを、縦軸が熱起電力Ｖを表している。図２に示すように、上記回路で変動する熱起電力Ｖは、ケース１０と異種金属導線３４との接合部３４ａの温度Ｔに依存する。したがって、上記回路で変動している熱起電力Ｖを電圧計３２で検出することによって、ケース１０の表面温度（接合部３４ａの温度）を得ることができる。例えば、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力がｖ１の場合、ケース１０の表面温度ｔ１が得られる。

本実施形態の電池システム１００では、二次電池のケース１０と該ケース１０に接合した異種金属導線３４とを含む回路により構成される熱起電力検出部３０を形成し、該回路で変動する熱起電力（ケース１０と異種金属導線３４との間に発生する電位差）を検出することによって、二次電池２０の温度（当該電池温度の指標となる電池ケース１０の表面温度）の検知が行われる。かかる構成によれば、電池ケース１０の外表面に温度センサ（熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタ等）を貼り付けるのではなく、ケース１０そのものを熱起電力検出部３０の一部としているので、ケース１０と温度センサの位置ズレ等に起因する検出誤差の発生を防止することができる。従って、本実施形態によれば、二次電池２０の温度検知等を安定して行うことができる電池システム１００を提供することができる。

また、本実施形態では、上記電池ケースはアルミニウム製であり、上記異種金属導線は該電池ケースとはフェルミ準位が異なる異種のアルミニウム合金から形成されている。かかるアルミニウム合金としては、安価なジュラルミンが特に好適である。このような構成によれば、比較的安価なアルミニウムと該アルミニウムの合金（好ましくはジュラルミン）を組み合わせて熱起電力検出部３０を構築することができるので、該熱起電力検出部３０を備えた電池システム１００自体のコストを低減することができる。

異種金属導線３４の材質は、ケース１０とはフェルミ準位が異なる異種の金属材料であればよく、上記のジュラルミンに限定されない。本実施形態に適用可能な異種の金属材料としては、例えば、白金、タングステン、銀、カドニウム、鉄等の金属単体、あるいはそれらの合金（アルミニウムを含む合金であってもよい。）などが挙げられる。あるいは、従来公知の熱電対に用いられるアルメル、クロメル等のニッケル合金やコンスタンタンのような銅合金等を使用してもよい。

また、異種金属導線３４の接合位置は、図示したケースの下面１４に限らず、二次電池２０の温度を検出したい所望の位置に接合するとよい。例えば、二次電池のケース側面１６の温度を検出したい場合には、該ケース側面１６に異種金属導線３４を接合するとよい。また、異種金属導線３４の数は１本に限らず、複数本であってもよい。電池ケース１０の異なる箇所に複数本の異種金属導線３４を接合し、該ケース１０の異なる複数箇所にて二次電池２０の温度を検出することもできる。

異種金属導線３４および同種金属導線３６の接合方法は特に限定されず、適当な溶接手段を用いて接合するとよい。この実施形態では、異種金属導線３４および同種金属導線３６をケースの下面１４にスポット溶接している。

なお、図１に示した例では、異種金属導線３４と同種金属導線３６とがケースの下面１４の互いに離れた位置に接合されているが、これに限らない。例えば図３に示すように、異種金属導線３４と同種金属導線３６とを近接した位置に接合することもできる。図３に示した構成では、ケース１０と異種金属導線３４との接合部３４ａと、ケース１０と同種金属導線３６との接合部３６ａとが隣接するように配置されている。

電池ケース１０がアルミニウムまたはアルミニウム合金製の場合、アルミニウムは大気に晒せば酸化されるため、ケース１０が酸化されて変質する。典型的には、ケース１０の表面に酸化アルミニウムの被膜が形成される。本実施形態では、電池ケース１０そのものを熱起電力検出部３０の一部としているので、ケース１０が酸化により変質すると、検出される熱起電力に変化が生じてしまう虞がある。これに対し、図３に示した構成では、異種金属導線３４と同種金属導線３６とがより近接した位置に接合されているので、ケース１０が酸化により変質した場合でも、ケース１０の酸化による影響を小さくすることができ、熱起電力を適切に検出することができる。

続いて、図４を参照しながら、本実施形態に係る電池システムの改変例について説明する。図４に示すように、電池システム２００では、電池２０は電池ケース１０の開口部が密閉されている密閉型電池である。

電池ケース１０の上面１２には、捲回電極体８０の正極８２と電気的に接続する正極端子７２が取り付けられている。正極端子７２は、電池ケース１０の上面１２に樹脂製ガスケット７６を介して取り付けられている。この樹脂製ガスケット７６によって、正極端子７２とケース１０との隙間がシールされるとともに、正極端子７２とケース１０との間が電気的に絶縁されている。また、電池ケース１０の上面１２には、捲回電極体８０の負極８４と電気的に接続する負極端子７４が取り付けられている。負極端子７４は、電池ケース１０の上面１２に樹脂製ガスケット７８を介して取り付けられている。この樹脂製ガスケット７８によって、負極端子７４とケース１０との隙間がシールされるとともに、負極端子７４とケース１０との間が電気的に絶縁されている。

また、電池ケース１０の一部（図４では上面１２）には、電池２０の内部異常圧力により開弁される安全弁６０が設けられている。この安全弁６０は、電池２０の内部圧力が異常に上昇すると安全のために弁体（図示せず）が変形し、該弁体と電池ケース１０との間に生じた隙間から内部のガスや電解液が放出されるようになっている。

本実施形態においては、異種金属導線３４は、電池ケース１０の表面であって上記安全弁６０の近傍に接合されている。具体的には、異種金属導線３４は、安全弁６０の開弁時に該安全弁６０から放出された電解液が異種金属導線３４に付着するような領域に接合されている。

かかる構成では、安全弁６０の開弁時に放出された電解液が異種金属導線３４に付着するため、熱起電力検出部３０で検出される熱起電力に変化が生じる。例えば、異種金属導線３４が電解液により腐食され、正常時の熱起電力とは異なる熱起電力（典型的には腐食電圧）が発生する。この熱起電力の変化を検出することによって、安全弁６０の開弁を検知することができる。すなわち、本実施形態によれば、二次電池２０の温度検知に加えて、安全弁６０の開弁を検知することができる。

なお、異種金属導線３４の接合位置は、安全弁６０の開弁時に放出された電解液が異種金属導線３４に付着するような領域に限らない。例えば、異種金属導線３４は、安全弁６０の開弁に伴って異種金属導線３４が切断（断線）されるような領域に接合してもよい。この場合でも、安全弁６０の開弁時に熱起電力検出部３０で検出される熱起電力に変化が生じるため、安全弁６０の開弁を検知することができる。

続いて、図５を参照しながら、本実施形態に係る電池システムの改変例について説明する。図５に示すように、電池システム３００は、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力に基づいて二次電池２０の充電及び／又は放電を制御する制御部（例えばＣＰＵ）５０をさらに備える。制御部５０は、熱起電力検出部３０（電圧計３２）に電気的に接続されており、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力に基づいて二次電池２０の充電及び／又は放電を制御するように構成されている。

この実施形態では、制御部５０には、記憶部（ＨＤＤ、フラッシュメモリなど）５２が接続されている。この記憶部５２には、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力Ｖと温度Ｔとの相関を示す相関データ５４が設定されている（図２参照）。また、記憶部５２には、二次電池２０の保護すべき温度のしきい値５６が設定されている（図２の温度しきい値ｔ２）。

制御部５０は、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力Ｖと、記憶部５２に設定された熱起電力Ｖと温度Ｔとの相関を示すデータ５４（図２参照）とに基づいて二次電池２０の温度Ｔを検知し、そして、検知した温度Ｔが記憶部５２に設定された温度しきい値５６（温度しきい値ｔ２）を超えた場合に、二次電池２０の使用を制限または遮断する制御を実行する。

この実施形態では、制御部５０は、正極端子７２及び負極端子７４に電気的に接続されており、上記検知した温度Ｔが温度しきい値ｔ２を超えた場合には、二次電池２０の充電及び／又は放電を遮断する処理を行う。このようにして、制御部５０は、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力に基づいて二次電池２０の充電及び／又は放電を制御することができる。

本実施形態に係る電池システム３００によれば、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力に基づいて二次電池２０の充電及び／又は放電を制御するので、二次電池２０の充電及び／又は放電の制御を安定して（誤作動なく）行うことができ、信頼性の高い電池システム３００を提供することができる。

なお、上述した例では、記憶部５２には、二次電池２０の保護すべき温度のしきい値５６が設定されているが、これに限定されず、例えば、二次電池２０の保護すべき熱起電力のしきい値を設定してもよい。この場合、制御部５０は、熱起電力検出部３０において検出された熱起電力Ｖが熱起電力しきい値を超えた場合に、二次電池２０の使用を制限または遮断する制御を行うように構成してもよい。

また、本実施形態に係る電池システム３００は、従来の温度センサ（白金測温抵抗体、サーミスタ等）を用いた電池制御システムのフェイルセーフとして利用することもできる。この場合、従来の温度センサと熱起電力検出部３０とを併用することで電池温度検知系が二重系となり、電池制御システムの信頼性がさらに向上する。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。

本実施形態に係る電池システムは、図６に示すように、複数の二次電池２０から構成された組電池に好ましく適用することができる。図６に示した電池システム４００は、金属製の電池ケース１０を有する二次電池２０を複数備えている（図では４個）。各二次電池２０が備えるケース１０の上面には、正極端子７２および負極端子７４が設けられている。そして、隣接する二次電池２０間において一方の正極端子７２と他方の負極端子７４とがバスバー６２によって電気的に接続される。このように各二次電池２０を直列に接続することにより、所望の電圧を有する組電池が構築されている。

熱起電力検出部３０は、上記組電池を構成する二次電池２０の何れか一つに対して取り付けてもよいし、二次電池２０のそれぞれに対して個別に取り付けてもよい。本実施形態では、比較的安価なアルミニウムと該アルミニウムの合金（好ましくはジュラルミン）を組み合わせて熱起電力検出部３０を構築しているので、組電池を構成する二次電池２０のそれぞれに熱起電力検出部３０を取り付けた場合でも、電池システム４００自体のコストを安価にすることができる。

また、本実施形態に係る電池システムは、振動が発生する状態で使用した場合でも、二次電池２０の温度検出等を安定して行うことができるので、例えば自動車等の車両に搭載される電池システムとして好適である。したがって本実施形態によると、図７に示すように、ここに開示されるいずれかの電池システム（図では電池システム１００）を備える車両１が提供される。特に、高出力でサイクル寿命に優れることから、上記電池システムを動力源（典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源）として備える車両１（例えば自動車）が好適である。なお、図５に示した電池システム３００を車両１に搭載する場合には、制御部５０は電池システム３００が備える二次電池２００側に取り付けてもよいし、車両１が備えるエンジン等の動力制御ユニット（例えばＥＣＵ）側に取り付けてもよい。

１ 車両
１０ 電池ケース
１２ ケースの上面
１４ ケースの下面
１６ ケースの側面
２０ 二次電池
３０ 熱起電力検出部
３２ 電圧計
３４ 異種金属導線
３４ａ 接合部
３６ 同種金属導線
３６ａ 接合部
５０ 制御部
５２ 記憶部
５４ 相関データ
５６ 温度しきい値
６０ 安全弁
６２ バスバー
７２ 正極端子
７４ 負極端子
７６、７８ 樹脂製ガスケット
８０ 捲回電極体
８２ 正極
８４ 負極
１００、２００、３００、４００ 電池システム

Claims (5)

1. 電気的に中性である金属製の電池ケースを有する二次電池を少なくとも一つ備えている電池システムであって、
   前記二次電池のケースと、
   該ケースに接合した二つの導線であって一方の導線は該ケースを構成する金属材料からなる同種金属導線であり他方は該ケースを構成する金属材料とは異なる金属材料からなる異種金属導線である二つの導線と、
   を含む回路により構成される熱起電力検出部を備える、電池システム。
2. 前記電池ケースはアルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、前記異種金属導線は該電池ケースとはフェルミ準位が異なる異種のアルミニウム合金から形成されている、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記電池は前記電池ケースの開口部が密閉されている密閉型電池であり、該電池ケースの一部には該電池の内部異常圧力により開弁される安全弁が設けられており、
   前記異種金属導線は、前記電池ケースの表面であって前記安全弁の近傍に接合されている、請求項１または２に記載の電池システム。
4. 前記熱起電力検出部において検出された熱起電力に基づいて前記二次電池の充電及び／又は放電を制御する制御部をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の電池システム。
5. 請求項１〜４の何れか一つに記載の電池システムを備える車両。
   

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