特許 7328614 電池パックの異常検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-08

(45)【発行日】2023-08-17

(54)【発明の名称】電池パックの異常検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20230809BHJP

   H01M 50/30 20210101ALI20230809BHJP

   H01M 50/249 20210101ALI20230809BHJP

   H01M 50/202 20210101ALI20230809BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 301

H01M50/30

H01M50/249

H01M50/202 101

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019092415

(22)【出願日】2019-05-15

(65)【公開番号】P2020187941

(43)【公開日】2020-11-19

【審査請求日】2022-05-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】加藤 久貴

(72)【発明者】

【氏名】梅谷 龍彦

(72)【発明者】

【氏名】石本 淳一

(72)【発明者】

【氏名】岸川 武

(72)【発明者】

【氏名】八木下 幸成

(72)【発明者】

【氏名】小林 孝一

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 幸治

(72)【発明者】

【氏名】中尾 允俊

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩真

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１２９３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０７７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００６１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０６９３０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０４９０３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４２－１０／６６７

Ｈ０１Ｍ ５０／２０－５０／３９２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内圧の上昇により開弁する安全弁が設けられた複数の電池セルが電池ケース内に収容された電池パックにおける異常を検出する異常検出装置であって、
前記電池セルの前記安全弁から排出されるガスが流入する排気管と、
前記排気管を流通するガスの流量を計測するガス流量計と、
前記ガス流量計で計測された流量に基づいて前記電池セルの異常を検出する異常検出手段と、を備え、
前記排気管は、複数の前記電池セルごとに設けられ、
前記ガス流量計は、前記排気管ごとに設けられ、
前記異常検出手段は、各前記電池セルごとに各前記ガス流量計で計測された流量に基づいて前記電池セルの異常を検出する
ことを特徴とする電池パックの異常検出装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電池パックの異常検出装置において、
前記電池ケースには、開口部が設けられ、
前記排気管は、前記電池ケースの外部に配置され、前記開口部に接続されている
ことを特徴とする電池パックの異常検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両の電池パックの異常を検出する電池パックの異常検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機（モータ）を動力源として備える電気自動車やハイブリッド車等の電動車両には、電動機に電力を供給するための電池パックが搭載されている。電池パックは、複数の電池セルと、これら複数の電池セルを収容するケースとを備えており、各電池セルはケース内で電気的に接続されている。

【0003】

各電池セルの構造は様々あるが、例えば、正極板、負極板及びセパレータを含む発電要素を電解液と共に容器内に収容し、この容器を蓋部材によって密閉するようにしたものがある。このような電池セルにおいては、例えば、容器内に金属ごみ等の異物が混入していると、この異物によって内部短絡（ショート）が発生してしまう虞がある。

【0004】

内部短絡が生じると、容器内の温度が上昇すると共にガスが発生し、容器内の圧力が上昇してしまうことがある。このため電池セルには、一般的に、容器内の圧力が所定値まで上昇すると開弁する安全弁が設けられ、圧力上昇による破裂を抑制している。

【0005】

また、複数の電池セルが容器内に密封されている電池パックにおいては、内部短絡に伴い安全弁が開弁すると、その電池セルの熱の影響を受けて、隣接する正常な電池セルでも内圧が上昇して安全弁が開弁してしまうといった状況（いわゆる熱連鎖）に陥る虞がある。このため、電池パックにおいては各電池セルの異常（安全弁の開弁）を適切に検出し、早期に対処することが好ましい。

【0006】

電池セルにおける安全弁の開弁（内部圧力の上昇）を検出するための技術は様々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術では、電池セルの安全弁が開いて内部からガスが放出されたときに、当該ガスに含まれる特定物質の濃度を検知する。この濃度が所定値以上であれば、安全弁が開弁したと判断する。

【0007】

しかしながら、例えば、電池パックの密閉度が低いと、特定物質の濃度を精度よく検出することは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特許第６１２２４９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電池セルの異常（安全弁の開弁）をより確実に検出することができる電池パックの異常検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、内圧の上昇により開弁する安全弁が設けられた複数の電池セルが電池ケース内に収容された電池パックにおける異常を検出する異常検出装置であって、前記電池セルの前記安全弁から排出されるガスが流入する排気管と、前記排気管を流通するガスの流量を計測するガス流量計と、前記ガス流量計で計測された流量に基づいて前記電池セルの異常を検出する異常検出手段と、を備え、前記排気管は、複数の前記電池セルごとに設けられ、前記ガス流量計は、前記排気管ごとに設けられ、前記異常検出手段は、各前記電池セルごとに各前記ガス流量計で計測された流量に基づいて前記電池セルの異常を検出することを特徴とする電池パックの異常検出装置にある。

【0011】

第１の態様では、安全弁から排出されたガスを含む電池ケース内の空気を排気管に流入させる。このような構成とすることで、当該ガスの量が少ないとしても、排気管内では、ガスの流れが生じ、ガス流量計でガスの流量を計測しやすくすることができる。そして、ガス流量計において所定値以上の流量を検出したことをもって電池セルの異常を検出することができる。電池セルのそれぞれについて排気管を設け、各排気管でガス流量計によりガスの流量を計測する。このため、複数の電池セルを個別に監視対象とすることができる。したがって、複数の電池セルのうち、異常となった電池セルを特定することができる。

【0012】

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の電池パックの異常検出装置において、前記電池ケースには、開口部が設けられ、前記排気管は、前記電池ケースの外部に配置され、前記開口部に接続されていることを特徴とする電池パックの異常検出装置にある。

【0013】

第２の態様では、複数の電池セルをまとめて排気管及びガス流量計によりまとめて監視対象とすることができる。したがって、異常検出装置の構成を簡易にしてコストを削減することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、電池セルの異常をより確実に検出することができる電池パックの異常検出装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態１に係る異常検出装置の概略図である。

【図2】実施形態１に係る異常検出装置の動作を示すフローである。

【図3】実施形態２に係る異常検出装置の概略図である。

【図4】実施形態３に係る異常検出装置の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

〈実施形態１〉
図１を用いて、電池パックの異常検出装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態の異常検出装置１０は、電動車両に搭載された電池パック１を異常の検出対象とする。電池パック１は、電動車両（図示せず）の床面の下方に設けられた電池ケース２を備えている。

【0021】

電池ケース２は、電池セル３を収容する箱状の部材であり、内部には複数の電池セル３がモジュール化されて収容されている。

【0022】

各電池セル３は、例えば、リチウムイオン電池等の密閉型の二次電池である。特に図示しないが、電池セル３は、容器４、容器４を封止する蓋部材５を備えており、容器４の内部に正極板、負極板及びセパレータを含む電極体（何れも図示せず）が電解液と共に収容されている。電極体は、公知の構造であるため、ここでの説明は省略する。

【0023】

蓋部材５には、容器４内に収容された電極体の正極板又は負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子（何れも図示せず）が設けられている。蓋部材にはさらに、これら正極端子及び負極端子間に安全弁６が設けられている。

【0024】

安全弁６は、蓋部材５の他の部分よりも相対的に脆弱に形成されており、例えば、容器４内で内部短絡（ショート）が生じた際等に、容器４の内圧が所定値に達すると開弁するように構成されている。これにより容器４の内圧が上昇した場合でも、容器４内のガスが開弁した安全弁６から外部に噴出する。したがって、内圧の上昇による容器４の破裂を抑制することができる。

【0025】

また、電池ケース２には、上部に開口部１１が設けられている。この開口部１１には、排気管１２が接続されている。なお、本実施形態の電池ケース２は、内部の空間が密閉されており、開口部１１及び排気管１２を介してのみ外部に連通している。

【0026】

排気管１２は、電池セル３の安全弁（図示せず）から排出されたガスが流入する通路を形成する部材である。具体的には、排気管１２は、電池ケース２の外部に配置され、一端が開口部１１に接続されている。このような構成とすることで、電池セル３から排出されたガスが排気管１２に流入し、電池ケース２の外部へ排出されるようになっている。なお、排気管１２の材質や形状については特に限定はない。

【0027】

排気管１２の途中には、ガス流量計１３が設けられている。ガス流量計１３は、排気管１２内において、電池ケース２の内部から外部へ向けて流れるガスの流量を計測する装置である。ガス流量計１３は、公知の装置を適用できるので、詳細な構成については説明を省略する。また、ガス流量計１３は、制御装置１５に接続されており、計測したガスの流量を表す電気信号を制御装置１５に伝送するようになっている。

【0028】

排気管１２には、ガス流量計１３よりも下流（開口部１１とは反対側）に、逆止弁１４が設けられている。逆止弁１４は、ガスを電池ケース２の内部から外部へ向けてのみ流通させ、その逆には流通させないように配置されている。

【0029】

制御装置１５は、電動車両に搭載されたＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。制御装置１５は、インターフェース部を介して車両の各部を制御することで、電動車両の走行、制動、充放電などの各種制御を実現している。

【0030】

制御装置１５の一機能として、ガス流量計１３で計測された流量に基づいて電池セル３の異常検出が行われる。この異常検出を行う機能は、制御プログラムとして実装された異常検出部１６により実現される。なお、この異常検出部１６は、請求項に記載の異常検出手段の一例である。

【0031】

上述したように、電池ケース２の内部は、密閉された状態であり、開口部１１及び排気管１２を介してのみ外部に連通している。そして、排気管１２には、外部から内部へ空気が流入しないように逆止弁１４が設けられている。このため、電池セル３の安全弁６が開いていない状態では、電池ケース２の内部の空気に流れはほとんど生じず、ガス流量計１３によって計測される流量も極僅かである。

【0032】

一方、電池セル３の安全弁６が開いてガスが排出されると、当該ガス（電池ケース２の内部に元々存在していた空気を含む）は、開口部１１から排気管１２に流入する。そして、当該ガスの流量は、ガス流量計１３によって計測される。当該ガスは、逆止弁１４を通過して外部へ排出されるので、次第に、ガスの流量はゼロに近づく。つまり、ガス流量計１３によって計測されるガスの流量は、安全弁６が閉じた状態ではほぼゼロであり、安全弁６が開いたときには短時間で上昇し、元に戻る。

【0033】

異常検出部１６には、安全弁６が閉じた状態におけるガスの流量としては想定しえない流量を所定値に設定する。そして、異常検出部１６は、ガスの流量が上昇して所定値以上になったときに、安全弁６が開いた状態、すなわち、電池セル３の異常を検出する。

【0034】

なお、ガスの流量が所定値以上になったことを判定する方法としては様々な態様が挙げられる。例えば、ガスの流量が所定値以上になった回数を計上し、その回数が所定時間内に所定回数であれば電池セル３の異常と判定する。他に、ガスの流量の微分値が所定値以上であれば電池セル３の異常と判定してもよい。いずれにしても、ガスの流量に基づいて電池セル３の異常を判定することができる。

【0035】

また、上述した所定値は、実測、あるいはシミュレーションにより得ることができる。例えば、安全弁６が開くような環境に電池パック１をおき、実際に安全弁６が開いたときのガスの流量をガス流量計１３で計測することで所定値を得ることができる。

【0036】

また、異常検出部１６により電池セル３の異常が検出されたとき、異常が生じた旨を搭乗者に警告する警報システムを異常検出装置１０に設けてもよい。警報システムとしては、例えば、電動車両に備わる液晶ディスプレイやスピーカーなどの情報伝達のための装置と、このような装置に、電池セル３に異常が生じた旨の情報（文字、画像、図形、音声など）を提示させる制御装置１５の一機能（プログラム）とを挙げることができる。

【0037】

また、異常検出部１６による電池セル３の異常検出は、常時機能していてもよいし、特定の条件が成立しているときに機能するようにしてもよい。異常検出部１６が電池セル３の異常検出を行っている状態を監視モード、異常検出を行っていない状態を非監視モードと称する。図２を用いて、監視モード及び非監視モードを切替える判定について説明する。

【0038】

まず、異常検出部１６は、車両のイグニッションスイッチがＯＮであるかを判定する（ステップＳ１）。イグニションスイッチがＯＮであるならば（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、異常検出部１６は監視モードに移行する（ステップＳ５）。

【0039】

イグニションスイッチがオフであるならば（ステップＳ１：Ｎｏ）、車両に乗員が乗車しているかを判定する（ステップＳ２）。乗員が乗車しているか否かは、例えば、乗員が乗車しているかを検出するシートセンサーにより得ることができる。他にも、車内に設けたカメラにより得られた映像を解析することで車内に乗員が登場しているかを判定することができる。

【0040】

乗員が登場している場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、異常検出部１６は、監視モードに移行する（ステップＳ５）。イグニションスイッチがオフであっても、車内に乗員が登場していれば、監視モードとなるので、より一層、安全性を高めることができる。

【0041】

乗員が登場していないならば（ステップＳ２：Ｎｏ）、異常検出部１６は、マニュアルスイッチがオンであるかを判定する（ステップＳ３）。マニュアルスイッチは、異常検出部１６に、監視モードに強制的に移行させるためのスイッチである。マニュアルスイッチがオンであれば（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、異常検出部１６は監視モードに移行する（ステップＳ５）。

【0042】

マニュアルスイッチがオフであれば（ステップＳ３：Ｎｏ）、異常検出部１６は、非監視モードに移行する（ステップＳ４）。

【0043】

このような特定の条件（ステップＳ１～ステップＳ３）が成立するときに監視モードとすることにより、乗員に対して安全確保が必要な時に、電池セル３の異常検出を行うことができる。なお、上述のように特定の条件の何れかが成立しているときに監視モードとしてもよいし、特定の条件によらず常時監視モードとしてもよい。

【0044】

以上に説明した電池パックの異常検出装置１０は、安全弁６から排出されたガスを含む電池ケース２内の空気を排気管１２に流入させる。このような構成とすることで、当該ガスの量が少ないとしても、排気管１２内では、ガスの流れが生じ、ガス流量計１３でガスの流量を計測しやすくすることができる。そして、ガス流量計１３において所定値以上の流量を検出したことをもって電池セル３の異常を検出することができる。

【0045】

なお、従来技術では、電池セル３の安全弁６から排出されたガスに含まれる特定物質の濃度を検出するが、特定物質の流量は微量であり、また、電池パック１の密閉度に影響を受けやすい。このため、特定物質の濃度を精度よく検出し、当該濃度に基づいて電池セル３の異常を検出することは困難である。

【0046】

一方、本実施形態の異常検出装置１０は、電池セル３から排出されたガスを含む電池ケース２内の空気の流量を対象とする。このため、特定物質の量に関わらず、ガスの流量を良好に検出することができ、当該流量に基づいて電池セル３の異常をより確実に検出することができる。

【0047】

また、本実施形態の異常検出装置１０は、排気管１２を電池ケース２の外部に設け、開口部１１に接続する形態とした。このような異常検出装置１０によれば、複数の電池セル３を一本の排気管１２及び一個のガス流量計１３によりまとめて監視対象とすることができる。したがって、異常検出装置１０の構成を簡易にしてコストを削減することができる。

【0048】

〈実施形態２〉
図３を用いて、実施形態２に係る異常検出装置１０について説明する。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0049】

図３に示すように、異常検出装置１０の電池ケース２は、実施形態１と異なり、開口部１１は設けられておらず、密閉状態の構成となっている。

【0050】

電池ケース２の内部には、複数の電池セル３の上方に、ガス収集部材１７が配置されている。ガス収集部材１７は、一方面が開口した箱状の部材である。ガス収集部材１７の開口は、複数の電池セル３の全体に覆い隠す程度の大きさ、形状となっており、電池パック１の安全弁６側を向いている。

【0051】

このようなガス収集部材１７を電池セル３の上方に配置することで、電池セル３の安全弁６から排出されたガスは、ガス収集部材１７の内部に集まるようになっている。

【0052】

ガス収集部材１７の底部には、開口部１８が設けられており、開口部１８に排気管１２が接続されている。本実施形態の排気管１２、ガス流量計１３及び逆止弁１４は、ガス収集部材１７の外側であり、かつ、電池ケース２の内部に配置されている。

【0053】

以上に説明した電池パックの異常検出装置１０は、実施形態１と同様に、ガス流量計１３において所定値以上の流量を検出したことをもって電池セル３の異常を検出することができる。

【0054】

また、ガス収集部材１７を設けることで、複数の電池セル３を一本の排気管１２及び一個のガス流量計１３によりまとめて監視対象とすることができる。したがって、異常検出装置１０の構成を簡易にしてコストを削減することができる。

【0055】

さらに、排気管１２及びガス流量計１３は、電池ケース２の内部に配置されているので、外気の影響を受けにくくなっている。このため、ガス流量計１３では、電池セル３由来のガスの流量を精度よく計測することができ、この流量に基づく電池セル３の異常判定をより正確なものとすることができる。

【0056】

なお、ガス収集部材１７は、複数の電池セル３の全てに共通したものであるが、このような構成に限定されない。例えば、ガス収集部材１７を複数とし、複数の電池セル３をいくつかのグループに分け、各ガス収集部材１７を各グループに割り当ててもよい。また、排気管１２及びガス流量計１３は、電池ケース２の内部に収容されているが、このような構成に限定されない。例えば、排気管１２は一端が電池ケース２内のガス収集部材１７に接続され、他端は電池ケース２の外部に露出していてもよい。そして、ガス流量計１３や逆止弁１４は、特に取付位置に限定はなく、電池ケース２の内部にあってもよいし、外部にあってもよい。

【0057】

〈実施形態３〉
図４を用いて、実施形態３に係る異常検出装置１０について説明する。なお、実施形態１及び実施形態２と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0058】

図４に示すように、異常検出装置１０は、電池セル３ごとに複数の排気管１２が設けられている。なお、同図では、電池ケース２の図示を省略し、また、一台の電池セル３、一本の排気管１２のみを図示している。

【0059】

具体的には、各排気管１２が各電池セル３に接続され、安全弁６が排気管１２内に収容されている。また、ガス流量計１３は、排気管１２ごとに設けられている。各ガス流量計１３で計測されたガスの流量は、それぞれ制御装置１５に伝達される。

【0060】

以上に説明した電池パックの異常検出装置１０は、実施形態１と同様に、ガス流量計１３において所定値以上の流量を検出したことをもって電池セル３の異常を検出することができる。

【0061】

また、電池セル３のそれぞれについて排気管１２を設け、各排気管１２でガス流量計１３によりガスの流量を計測する。このため、複数の電池セル３を個別に監視対象とすることができる。したがって、複数の電池セル３のうち、異常となった電池セル３を特定することができる。

【0062】

なお、排気管１２は、全体が電池ケース２の内部にあってもよいし、一部が電池ケース２の外部に露出していてもよい。また、ガス流量計１３及び逆止弁１４は、特に取付位置に限定はなく、電池ケース２の内部にあってもよいし、外部にあってもよい。

【0063】

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

【0064】

例えば、各実施形態で説明した電池パック１は、密閉型の電池ケース２に電池セル３が収納されたものであるが、これに限定されない。例えば、電池セル３を冷却するための空気などが流通する開口などが設けられた非密閉型の電池ケース２でもよい。このような電池ケース２を備えた電池パック１であっても、外気の影響を受けにくい排気管１２においてガス流量計１３による流量の計測を行うことができ、当該流量に基づく電池セル３の異常判定を行うことができる。

【0065】

また、電池パック１は、車両の床面よりも下方に配置された構成について説明したがこれに限定されず、電池パック１は車室内に配置されていてもよい。この場合では、安全弁６から排出されたガスが車室内に漏れないよう、実施形態２のような構成の異常検出装置１０を適用することが好ましい。さらに、電池パック１は電動車両に適用される場合に限定されず、他の用途に用いられる電池パック１であっても、本発明の異常検出装置１０を適用することができる。

【0066】

異常検出手段としては、制御装置１５で実行されるプログラムである異常検出部１６を例示したがこれに限定されない。異常検出手段は、例えば、異常検出部１６と同等の機能を実現する電子回路であってもよい。

【0067】

また、排気管１２には逆止弁１４が設けられていたが、必須の構成ではない。例えば、排気管１２が電池ケース２内に配置された実施形態２のような構成では、逆止弁１４はなくてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１…電池パック、２…電池ケース、３…電池セル、６…安全弁、１０…異常検出装置、１１…開口部、１２…排気管、１３…ガス流量計、１６…異常検出部（異常検出手段）、１７…ガス収集部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】