JP2009049005A - 電池の内部短絡検知装置および方法、電池パック並びに電子機器システム - Google Patents

電池の内部短絡検知装置および方法、電池パック並びに電子機器システム Download PDF

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Abstract

【課題】内部短絡が発生しても電池の電圧が一気に低下することのない電池であっても、内部短絡を確実に判定する。
【解決手段】放電量（Ｓ３）とは釣り合わないようなセル電圧の低下（Ｓ１０）に、セル温度の上昇（Ｓ１５）があるときには、内部短絡が発生し、放電電流がその短絡箇所を通して流れていると推察されるので、それを検知することで、内部短絡を判定する（Ｓ１６）。したがって、前記の構成の二次電池において、内部短絡を確実に検知することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、負極と正極との間に樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜などから成る耐熱層を有する非水系電解質二次電池、または極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上を有する非水系電解質オリビン型リン酸鉄リチウム二次電池などの非水系電解質二次電池の内部短絡を検知するための装置および方法、電池パック並びに電子機器システムに関する。
負極と正極との間に、樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜を有する非水系電解質二次電池が、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されている。このような多孔性保護膜を有する非水系電解質二次電池の構造によれば、製造時に、電極から剥がれ落ちた活物質や裁断工程での切り屑などが電極表面に付着しても、その後に内部短絡が発生することが抑制されている。しかしながら、そのような構造のために、もし内部短絡が発生した場合、多孔性保護膜を有しない従来構造のセルで用いられる従来の手法では、内部短絡の発生を検知できないという問題がある。
上記の問題を説明するため、先ず、多孔性保護膜を有しない従来構造のセルで用いられる従来の手法について以下に記載する。
すなわち、多孔性保護膜を有しない従来構造のセルの場合は、内部短絡が発生すると、図３で示すようにセル電圧は一気に低下してしまい、その後、電圧は復帰しない。そこで、適当な周期でセル電圧をモニタするか、あるいは短絡電流による急激な温度上昇を検知することで、内部短絡を検知することができる。
これは、以下のようなメカニズムによる。たとえば、製造工程で剥がれ落ちた電極材料や切り屑などの金属異物によって、先ず図４（ａ）で示すような内部短絡が生じると、その短絡により発生する熱によって、図４（ｂ）で示すように短絡部の正極アルミ芯材が溶融する。続いて、それによる熱によって、図４（ｃ）で示すようにポリエチレンなどの高分子材料から成るセパレータが溶融して収縮し、図４（ｄ）で示すように短絡孔が拡大することで短絡面積が拡大する。その後、図４（ｅ）で示すように短絡部分が溶融し、その熱によって再び図４（ｃ）で示す溶融（短絡孔）の拡大から繰返す。こうして、セル電圧が一気に低下するとともに、熱暴走によってセル温度が一気に上昇するというものである。
そこで、たとえば特許文献３には、内部短絡等によって温度上昇が生じると、そのことを記憶しておくことで、非動作時における内部短絡等を検知可能であることが示されている。また、当該特許文献３には、大幅な電圧低下に対して、大幅な温度上昇が検出されたときに、内部短絡と判定することが示されている。また、特許文献４には、電圧、圧力、温度、音等から、内部短絡を検知することが示されている。さらにまた、特許文献５には、電極から複数の周波数の信号を与えて内部短絡を検知することが開示されている。
特許第３３７１３０１号公報 国際公開第０５／０９８９９７号パンフレット 特開平８−８３６３０号公報 特開２００２−８６３１号公報 特開２００３−３１７８１０号公報
これに対して、上記特許文献１や特許文献２のような多孔性保護膜を有する構造では、製造工程で剥がれ落ちた電極材料や切り屑などの金属異物によって、図５（ａ）で示すように内部短絡が生じた場合、次のようになる。すなわち、図５（ｂ）で示すように短絡部の正極アルミ芯材が溶融しても、前記多孔性保護膜によって正極アルミ芯材と負極合剤との接触が回避される。このため、図５（ｂ）ないし図５（ｄ）に示すように、セパレータが溶融するのは、前記金属異物が存在する領域付近だけに留まり、短絡の拡大が阻止される。その後、セル電圧もほぼ回復し、微小短絡の状態で使用可能となる。この特許文献１や特許文献２のような構造での内部短絡発生時のセル電圧の変化を、図６で示す。したがって、上記特許文献３〜５の手法では、内部短絡を検知し難いという問題がある。
また、正極材料としてオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を用いた二次電池は、熱的・化学的安定性が高く、しかも安価で、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いた二次電池に替わるものと期待されている。しかし、この正極材料としてオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を用いた二次電池は、導電性が低く、またリチウムイオンの拡散速度も極めて遅いので、内部短絡時に前記特許文献３〜５の手法では、検出できないという、前記特許文献１や特許文献２のような多孔性保護膜を有する構造の二次電池と同様の問題を包含している。
本発明は、内部短絡が発生しても電池の電圧が一気に低下することのない電池であっても、内部短絡を確実に検知することができる電池の内部短絡検知装置および方法、電池パック並びに電子機器システムを提供することを目的とするものである。
本発明の請求項１に係る電池の内部短絡検知装置は、電池温度Ｔｒを検出する電池温度検出部と、環境温度Ｔｅを検出する環境温度検出部と、電池の放電または充電に伴う、予め定める第１期間ΔＷ１当りの電池の発熱量の平均値Ｐａｖを検出する平均発熱量検出部と、前記発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、当該発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度Ｔｅに基づいて求める電池温度推定部と、前記第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに内部短絡と判定する内部短絡判定部とを含んでいる。
上記の構成によれば、内部短絡が発生しても電池の電圧が一気に低下することのない電池であっても、以下に説明するように、確実に内部短絡を検知することができる。
すなわち、放電量または充電量とは釣り合わないような電池の温度上昇があるときには、当該電池において、前述のメカニズムによる内部短絡が発生し、放電電流がその短絡箇所を通して流れていると推察されるので、それを検知することで、内部短絡を判定する。
具体的には、予め定める第１期間ΔＷ１だけ放電または充電させて、当該第１期間ΔＷ１の発熱量の平均値Ｐａｖを平均発熱量検出部が検出する。また、前記第１期間ΔＷ１が経過した時点またはそれ以降で、電池に発生した熱の放散性を決定する環境温度Ｔｅを環境温度検出部が検出する。そして、前記発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度Ｔｅから、前記発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、前記電池温度推定部が求める。さらに、第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに、前記内部短絡判定部が内部短絡と判定する。
これにより、たとえ内部短絡が発生しても電池の電圧が急激に低下してしまうことのない電池であっても、内部短絡を高精度で検知することができる。
上記の構成において、前記電池に流れる電流Ｉを検出する電流検出部と、前記電池温度Ｔｒに対応した電池の内部抵抗ｒを求める内部抵抗取得部とを含み、前記平均発熱量検出部は、前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流Ｉと内部抵抗ｒとに基づいて電池の発熱量Ｐを所定回数算出し、当該発熱量Ｐの平均値を前記Ｐａｖとして求める構成とすることが望ましい（請求項２）。
上記の構成によれば、前記のような放電量または充電量とは釣り合わないような二次電池の温度上昇の有無を求めるにあたって、前記第１期間ΔＷ１中に、電流検出部により電池に流れる電流Ｉが検出されるとともに、電池温度検出部により電池温度Ｔｒが検出される。また、検出された電池温度Ｔｒに対応した内部抵抗ｒが、内部抵抗取得部により求められる。そして、平均発熱量検出部により、前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流Ｉと内部抵抗ｒとに基づいて瞬時の発熱量Ｐが所定回数算出され、当該発熱量Ｐの平均値Ｐａｖが求められる。
したがって、前記発熱量の平均値Ｐａｖを、電池に流れた電流による比較的正確な発熱量だけから求めているので、前記内部短絡を正確に検知することができる。
上記の構成において、前記第１期間ΔＷ１開始時点での前記電池残容量ＳＯＣを取得した後、前記電流検出部が電流Ｉを検出する毎に当該電池残容量ＳＯＣを更新し、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣを求める電池残容量取得部と、前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣより推定される電池の端子電圧Ｖｐを求める端子電圧推定部と、前記第１期間ΔＷ１経過時点での実際の電池の端子電圧Ｖｒを検出する端子電圧検出部と、前記実際の電池の端子電圧Ｖｒが、前記端子電圧Ｖｐに予め定める係数βを加味した閾値以下であるときのみ、前記平均発熱量検出部、電池温度推定部および内部短絡判定部を動作させる動作制御部とを含む構成とすることが望ましい（請求項３）。
上記の構成によれば、通常行われる電池残容量ＳＯＣの管理を応用して、放電量または充電量とは釣り合わないような端子電圧低下が発生したか否かを判断している。そして、そのような端子電圧低下が発生した場合にのみ、前記平均発熱量検出部、電池温度推定部および内部短絡判定部の動作（すなわち、放電量または充電量とは釣り合わないような電池の発熱が生じたか否かを判定する処理）を実行させる構成をとっている。これにより、内部短絡の判定精度を向上することができるとともに、判定処理を簡略化することができる。
上記の構成において、前記電池としては、例えば、負極と正極との間に耐熱層を有する非水系電解質二次電池、または極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質二次電池を用いることができる（請求項４）。
本発明の請求項５に係る電池パックは、電池と、前記請求項１ないし４の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知装置とを備えていることを特徴としている。
本発明の請求項６に係る電子機器システムは、電池と、前記電池によって電源供給される負荷機器と、前記請求項１ないし４の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知装置とを備えていることを特徴としている。
本発明の上記の電池パック及び電子機器システムによれば、前述の本発明の各内部短絡検知装置の構成と同様の効果を奏することができる。
本発明の請求項７に係る電池の内部短絡検知方法は、電池温度Ｔｒを検出するステップと、環境温度Ｔｅを検出するステップと、電池の放電または充電に伴う、予め定める第１期間ΔＷ１当りの電池の発熱量の平均値Ｐａｖを検出する平均発熱量検出ステップと、前記発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、当該発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度Ｔｅに基づいて求める電池温度推定ステップと、前記第２期間ΔＷ２経過後に実際の電池温度Ｔｒを検出するステップと、前記第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに内部短絡と判定する内部短絡判定ステップとを含むことを特徴としている。
上記の内部短絡検知方法において、前記平均発熱量検出ステップが、前記電池に流れる電流Ｉを求めるステップと、前記電池温度Ｔｒに対応した電池の内部抵抗ｒを求めるステップと、前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流Ｉと内部抵抗ｒとに基づいて電池の発熱量Ｐを所定回数算出し、当該発熱量Ｐの平均値を前記Ｐａｖとして求めるステップとを含むことが望ましい（請求項８）。
上記の内部短絡検知方法において、前記第１期間ΔＷ１開始時点での前記電池残容量ＳＯＣを取得するステップと、前記電池残容量ＳＯＣを取得するステップの後に、前記電流検出部が電流Ｉを検出する毎に当該電池残容量ＳＯＣを更新し、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣを求めるステップと、前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣより推定される電池の端子電圧Ｖｐを求めるステップと、前記第１期間ΔＷ１経過時点での実際の電池の端子電圧Ｖｒを検出するステップと、前記実際の電池の端子電圧Ｖｒが、前記端子電圧Ｖｐに予め定める係数βを加味した閾値以下であるときのみ、前記平均発熱量検出ステップを開始するステップと、をさらに備えることが望ましい（請求項９）。
上記の内部短絡検知方法において、前記電池としては、例えば、負極と正極との間に耐熱層を有する非水系電解質二次電池、または極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質二次電池を用いることができる（請求項１０）。
本発明の上記の各内部短絡検知方法によれば、前述の本発明の各内部短絡検知装置の構成と同様の効果を奏することができる。
本発明によれば、内部短絡が発生しても電池の電圧が一気に低下することのない電池であっても、内部短絡を確実に検知することができる電池の内部短絡検知装置および方法、電池パック並びに電子機器システムを提供することができる。
図１は、本発明の実施の一形態に係る非水系電解質二次電池の内部短絡検知装置を含む電子機器システムの電気的構成を示すブロック図である。この電子機器システムは、電池パック１に、それによって電源供給される負荷機器２を備えて構成されるが、前記電池パック１は、図示しない充電器によって充電される。その充電の際、電池パック１は、前記負荷機器２に装着されて、該負荷機器２を通して充電が行われてもよい。電池パック１および負荷機器２は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記充電器にも、同様の３つの端子が設けられる。
前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充放電経路１１には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充放電経路１１が組電池（二次電池）１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充放電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充放電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。
前記組電池１４は、複数のセルが直列、並列、または直列と並列とが組み合わされて接続されて成り、そのセルの温度はセル温度センサ（電池温度検出部）１７ａによって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、環境温度は環境温度センサ（環境温度検出部）１７ｂによって検出され、同様に制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路（端子電圧検出部）２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記電流検出抵抗（電流検出部）１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、制御判定部２１へ出力する。
前記制御判定部２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えている。この制御判定部２１は、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、組電池１４の残量が、満充電時の何％であるかを演算して、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して負荷機器２へ送信する。また、前記制御判定部２１は、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、充電器に対して、出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２を介して送信する。さらに、前記制御判定部２１は、前記各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器からの異常電流などの電池パック１の外部における異常を検知すると共に、組電池１４の内部短絡などの異常を検知する。そして、前記制御判定部２１は、これらの異常を検知したとき、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。
負荷機器２では、前記組電池１４の残量を制御ＩＣ３０の通信部３２で受信し、制御部３１が各種の負荷回路３３の消費電力から、電池パック１の残使用時間を演算し、表示パネル３４に表示を行う。また、前記制御部３１は、図示しない入力操作装置の入力などに応答して、前記各種の負荷回路３３を制御する。
上述のように構成される電池パック１において、本実施の形態では、組電池１４が、図５に示すような負極と正極との間に耐熱層（多孔性保護膜）を有する非水系電解質二次電池や、極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上を有する非水系電解質オリビン型リン酸鉄リチウム二次電池から成る。そして、注目すべきは、制御判定部２１が、非充電時または充電時に、電圧検出回路２０、電流検出抵抗１６、セル温度センサ１７ａおよび環境温度センサ１７ｂの検出結果に応答して、以下のようにして組電池１４に内部短絡が生じているか否かを判定することである。
前記制御判定部２１の機能ブロック図を、図７に示している。前記制御判定部２１は、以下に説明する、内部抵抗取得部３５、平均発熱量検出部３６、電池温度推定部３７、内部短絡判定部３８、電池残容量取得部３９、端子電圧推定部４０、動作制御部４１および図示しないメモリを備えている。
前記内部抵抗取得部３５は、前記セル温度センサ１７ａにより検出される電池温度Ｔｒに対応した電池の内部抵抗ｒを求める機能を有する。この機能を実現するために、内部抵抗取得部３５は、例えば、電池温度Ｔｒと電池の内部抵抗ｒとの対応関係を示すルックアップテーブルをメモリ内に記憶しておき、セル温度センサ１７ａにて検出された電池温度Ｔｒに対応する内部抵抗値ｒを当該ルックアップテーブルから取得する構成とすることができる。または、内部抵抗取得部３５は、組電池１４の内部抵抗の温度係数と、セル温度センサ１７ａにて検出された電池温度Ｔｒとから、電池の内部抵抗ｒを演算するようにしてもよい。
そして、前記平均発熱量検出部３６は、電池の放電または充電に伴う、予め定める第１期間ΔＷ１当りの電池の発熱量の平均値Ｐａｖを検出する機能を有する。この機能を実現するために、平均発熱量検出部３６は、例えば、前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流検出抵抗１６にて検出される電流Ｉと前記内部抵抗取得部３５にて取得される内部抵抗ｒとに基づいて、電池の発熱量Ｐを所定回数算出し、当該発熱量Ｐの平均値Ｐａｖを求める。この平均発熱量検出部３６のより詳細な動作については後述する。
さらに、前記電池温度推定部３７は、前記平均発熱量検出部３６が発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、当該発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度センサ１７ｂにて検出される環境温度Ｔｅに基づいて求める機能を有する。この電池温度推定部３７のより詳細な動作は後述する。
また、前記内部短絡判定部３８は、前記第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに内部短絡が発生していると判定する機能を有する。即ち、図５（ａ）〜図５（ｄ）で示したメカニズムによる内部短絡が発生した場合、電流がその短絡箇所を通して流れていると推察される。そして、このような内部短絡は、組電池１４の放電量または充電量とは釣り合わないような、組電池１４の温度上昇を招来する。そこで、内部短絡判定部３８は、上記の判断条件（Ｔｒ≧αＴｐ）により、放電量または充電量とは釣り合わないような組電池１４の温度上昇が発生しているか否かを判断し、内部短絡の有無を判定する。
また、図７に示す前記制御判定部２１は、電池残容量ＳＯＣを管理する機能を有している。そして、前記電池残容量取得部３９は、前記第１期間ΔＷ１開始時点での電池残容量ＳＯＣを取得した後、前記電流検出抵抗１６が組電池１４の外部を流れる電流Ｉを検出する毎に当該電池残容量ＳＯＣを更新し、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣを求める機能を有する。この電池残容量取得部３９のより詳細な動作は後述する。
また、前記端子電圧推定部４０は、前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣより推定される電池の端子電圧Ｖｐを求める機能を有する。端子電圧推定部４０は、例えば、電池残容量ＳＯＣと端子電圧Ｖｐとの対応関係を示すルックアップテーブルをメモリ内に記憶しておき、前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣに対応する端子電圧Ｖｐを当該ルックアップテーブルから取得する構成とすることができる。この端子電圧推定部４０のより詳細な動作は後述する。
また、前記電圧検出回路２０は、前記第１期間ΔＷ１経過時点での実際の電池の端子電圧Ｖｒを検出する。そして、前記動作制御部４１は、前記実際の電池の端子電圧Ｖｒが、前記端子電圧Ｖｐに予め定める係数βを加味した閾値以下であるときのみ、前記平均発熱量検出部３６、電池温度推定部３７および内部短絡判定部３８を動作させる機能を有する。
即ち、充電時において、動作制御部４１は、充電電流が流れているにも関わらず、充電量とは釣り合わないほど実際の電池の端子電圧Ｖｒが低い場合には、内部短絡が発生している可能性が高いと判断して、平均発熱量検出部３６、電池温度推定部３７および内部短絡判定部３８によるその後の内部短絡判定動作を実行させる。一方、動作制御部４１は、実際の電池の端子電圧Ｖｒが充電量と釣り合わないほど低くなければ、内部短絡が発生していないと判断して、その後の内部短絡判定動作を省略させる。
また、放電時（非充電時）において、動作制御部４１は、放電量とは釣り合わないほど実際の電池の端子電圧Ｖｒが低い場合には、内部短絡が発生している可能性が高いと判断して、平均発熱量検出部３６、電池温度推定部３７および内部短絡判定部３８によるその後の内部短絡判定動作を実行させる。一方、動作制御部４１は、実際の電池の端子電圧Ｖｒが放電量と釣り合わないほど低くなければ、内部短絡が発生していないと判断して、その後の内部短絡判定動作を省略させる。
上記の動作制御部４１による平均発熱量検出部３６、電池温度推定部３７および内部短絡判定部３８の動作制御により、内部短絡の判定精度を向上することができるとともに、判定処理を簡略化することができる。
また、図示しないメモリは、上述したルックアップテーブルのデータや動作プロブラムを記憶する。また、メモリは、演算結果データなどの各種データを一時記憶する記憶領域を有する。
前記の制御判定部２１の各機能は、マイクロコンピュータのＣＰＵや記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）などにて実現されている。
図２は、前記制御判定部２１の判定動作を詳しく説明するためのフローチャートである。制御判定部２１は、ステップＳ１で予め電池残容量ＳＯＣ０を管理している。そして制御判定部２１は、ステップＳ２で、アナログ／デジタル変換器１９を介して、電流検出抵抗１６およびセル温度センサ１７ａの検出結果を取込み、電流ＩＫおよび電池温度ＴｒＫとしてメモリに記憶する。
ここで、電子機器システムにおいて、組電池１４への充電時には、充電電流が電流検出抵抗１６により検出され、放電時（非充電時）には、放電電流が電流検出抵抗１６により検出される。
次のステップＳ３では、制御判定部２１は、予め管理していた電池残容量ＳＯＣＫ−１に対して、電流ＩＫがΔＷ１／Ｎの期間流れた時の電池残容量ＳＯＣＫを算出する。ここで、前記ΔＷ１は所定の第１期間であり、電池の容積により、たとえば６０秒間とすることができる。また、前記Ｎは、前記第１期間ΔＷ１におけるサンプリング数であり、第１期間ΔＷ１を割切れる値、たとえば６０等とすることができる。このステップＳ３は、図７に示す電池残容量取得部３９にて実行されるものである。
次のステップＳ４では、制御判定部２１は、ステップＳ２で記憶しておいた電池温度ＴｒＫから、電池の内部抵抗ｒＫを、表１に示すようなルップアップテーブルに基づいて算出する。なお、この表１はイメージであり、必ずしも正確なデータを示すものではない。このステップＳ４は、図７に示す内部抵抗取得部３５にて実行されるものである。
Figure 2009049005
次のステップＳ５では、制御判定部２１は、ステップＳ４で算出した内部抵抗ｒＫと、ステップＳ２で記憶しておいた電流ＩＫとを用いて、瞬時の発熱量ＰＫを、（ＩＫ）２・ｒＫから算出する。次のステップＳ６では、制御判定部２１は、前記ΔＷ１／Ｎの期間だけ待機した後、ステップＳ７で、ステップＳ１〜Ｓ６をＮ回繰返しているか否かを判断する。もし、ステップＳ７でＮＯの場合には、制御判定部２１は、Ｋをインクリメントした後、ステップＳ２に戻り、ステップＳ１〜Ｓ６を繰り返し実行する。
もし、ステップＳ７でＹＥＳの場合には、すなわち前記第１期間ΔＷ１に亘るサンプルデータがＮ個得られた場合には、次にステップＳ８に進む。なお、上記のルーチンにより、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣＮが得られている。
そこで、ステップＳ８において、制御判定部２１は、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣＮより推定される電池の端子電圧Ｖｐを、表２に示すようなルックアップテーブルから算出する。このルックアップテーブルは、電池残容量ＳＯＣと端子電圧Ｖｐとの対応関係を示すデータを予め取得しておいたものである。この表２もイメージであり、必ずしも正確なデータを示すものではない。当該ステップＳ８は、図７に示す端子電圧推定部４０にて実行されるものである。
Figure 2009049005
続いてステップＳ９では、制御判定部２１は、実際の電池電圧Ｖｒを電圧検出回路２０を用いて取り込む。さらに、ステップＳ１０では、制御判定部２１は、実際の電池電圧Ｖｒが、前記ステップＳ８で求めた電池残容量ＳＯＣＮに対応する端子電圧Ｖｐに適当な係数βを加味した閾値電圧βＶｐ以下であるか否か判断される。ここでの係数βには、たとえば１．０から１．２程度の値が用いられる。
前記ステップＳ１０において、実際の電池電圧Ｖｒが閾値電圧βＶｐ以下であるときには、制御判定部２１は、内部短絡が発生している可能性が高いと判断する。すなわち、充電時において、Ｖｒ≦βＶｐを満たすということは、充電電流が流れているにも関わらず、充電量とは釣り合わないほど実際の電池の端子電圧Ｖｒが低いということであり、内部短絡が発生している可能性が高い。また、放電時（非充電時）において、Ｖｒ≦βＶｐを満たすということは、放電量とは釣り合わないほど実際の電池の端子電圧Ｖｒが低いということであり、内部短絡が発生している可能性が高い。
前記ステップＳ１０でＹＥＳの場合には、その後の内部短絡判定動作を実行すべく、ステップＳ１１に進む。当該ステップＳ１０は、図７に示す動作制御部４１にて実行されるものである。
ステップＳ１１において、制御判定部２１は、前記ステップＳ５で求められていた発熱量ＰＫの前記第１期間ΔＷ１に亘る平均値Ｐａｖを算出する。ステップＳ５およびステップＳ１１は、図７に示す平均発熱量検出部３６にて実行されるものである。
その後、ステップＳ１２において、制御判定部２１は、予め定める第２期間ΔＷ２待機後、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３において、制御判定部２１は、環境温度センサ１７ｂにより検出される環境温度Ｔｅおよびセル温度センサ１７ａにより検出される実際の電池温度Ｔｒを、それぞれアナログ／デジタル変換器１９を介して取り込む。
次のステップＳ１４において、制御判定部２１は、前記第１期間ΔＷ１に亘る発熱量の平均値が前記Ｐａｖである時に、前記第２期間ΔＷ２経過後に予測される電池温度Ｔｐを、Ｐａｖθ＋Ｔｅから算出する。ここで、前記Ｐａｖは上述の電池内部の発熱量（単位：W）である。また、前記θは電池表面の熱が大気に放出されるときの熱抵抗（単位：℃／W）であり、電池の表面積や比熱、および電池の周囲にファンがある等の電池パックの放熱構造によって決定され、たとえば１０〜２０の値が用いられる。また、前記第２期間ΔＷ２は、仮に内部短絡が発生した場合に、短絡によって発生した熱が外部に伝わるのに要する時間が適切に選定され、たとえば６０秒間程度である。当該ステップＳ１４は、図７に示す電池温度推定部３７にて実行されるものである。
続いて、ステップＳ１５では、制御判定部２１は、実際の電池温度Ｔｒが、前記ステップＳ１４で求めた電池温度Ｔｐに、１〜１．２程度の適当な係数αを加味した閾値温度αＴｐ以上であるか否かを判断する。当該ステップＳ１５は、図７に示す内部短絡判定部３８にて実行されるものである。
前記ステップＳ１５でＹＥＳの場合には、制御判定部２１は、当該組電池１４に、図５（ａ）〜図５（ｄ）で示したメカニズムによる内部短絡が発生していると判定する。すなわち、Ｔｒ≧αＴｐを満たすということは、充電時において、充電量とは釣り合わないほど実際の電池温度Ｔｒが高くなっているということであり、内部短絡が発生していると判断できる。また、Ｔｒ≧αＴｐを満たすということは、放電時（非充電時）において、放電量とは釣り合わないほど実際の電池温度Ｔｒが高くなっているということであり、内部短絡が発生していると判断できる。
前記ステップＳ１５でＹＥＳの場合には、ステップＳ１６に移り、制御判定部２１は、図１に示す前記ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦにする保護動作を行う。この場合、制御判定部２１は、さらに、通信部２２，３２を介して負荷機器２へ内部短絡の発生を報知したり、或いは図示しないインジケータなどが設けられている場合にはそのインジケータに表示させたりして、警報動作を行うことが望ましい。
一方、前記ステップＳ１０において電池の端子電圧Ｖｒが閾値電圧βＶｐより高いとき、およびステップＳ１５において実際の電池温度Ｔｒが閾値温度αＴｐより低いとき、制御判定部２１は、前記内部短絡は生じていないものと判定して、前記ステップＳ１に戻って、前記ΔＷ１／Ｎの周期毎に処理を繰返す。
以上の構成において、組電池１４として、負極と正極との間に樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜などから成る耐熱層を有する非水系電解質二次電池や、極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質オリビン型リン酸鉄リチウム二次電池を用いた場合、内部短絡が発生しても、通常の二次電池のようにセル電圧が急激に低下してしまう状態は発生しない。よって、従来の方法では、二次電池の電圧、電流、温度などのデータのサンプル値からは内部短絡の検知は困難であった。
これに対して、本実施形態にかかる電池の内部短絡検知装置または方法は、上述のように、組電池１４の電圧の経時変化（具体的には、放電量または充電量とは釣り合わないようなセル電圧の低下とセル温度の上昇）を検知して内部短絡が発生していると判定するので、たとえ内部短絡が発生しても電池の電圧が急激に低下してしまうことのない電池であっても、内部短絡を高精度で検知することができる。
なお、ステップＳ１におけるＳＯＣの管理、ステップＳ３における電流ＩＫが時間ΔＷ１／Ｎだけ流れたときの残容量ＳＯＣＫの算出およびステップＳ８からステップＳ１０にかけて行われる予測電池電圧Ｖｐと実際の電圧βＶｒとの比較処理は、必ずしも行われなくてもよく、省略可能である。ただし、これらの処理を行うことで、内部短絡の判定精度を一層向上することができる。
また、通常行われる電池残容量ＳＯＣの管理を応用して、ステップＳ１０において、放電量または充電量とは釣り合わないような端子電圧低下が発生したか否かを判断している。そして、そのような端子電圧低下が発生した場合にのみ、ステップＳ１１以降の内部短絡判定処理（放電量または充電量とは釣り合わないような電池の発熱が生じたか否かを判定する処理）を行う構成をとることにより、判定処理を簡略化することもできる。
本発明は、内部短絡が生じても、通常の二次電池のようなセル電圧の急激な低下はなく、電圧、電流、温度などのデータのサンプル値からはなかなか検知できない耐熱層を有する非水系電解質二次電池やオリビン型リン酸鉄リチウム二次電池の内部短絡を検知するにあたって、放電量とは釣り合わないようなセル電圧の低下にセル温度の上昇があるときに内部短絡が発生していると判定することで内部短絡を検知するので、上記のような構成の二次電池を備える電池パックや無停電電源装置等の電池組み込み機器に好適である。
なお、本実施形態の電池の内部短絡検知装置または方法は、負極と正極との間に耐熱層を有する非水系電解質二次電池および極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質二次電池に好適に用いることができるがこれに限定されるものではない。すなわち、内部短絡が発生しても電池の電圧が急激に低下してしまうことのないような電池であれば、好適に用いることが可能である。
また、本実施形態は、電池の内部短絡検出装置が電池パックに内蔵された形態を示しているが、これに限定されるものではなく、当該内部短絡検出装置が負荷機器に取り込まれた形であってもよい。
本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、無停電電源装置、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、これら電池搭載装置の電源として用いられる電池パック、及びこのような電池パックを充電する充電装置に好適に利用することができる。
本発明の実施の一形態に係る非水系電解質二次電池の内部短絡検知装置である電子機器システムの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の一形態に係る内部短絡判定動作を詳しく説明するためのフローチャートである。 従来構造の二次電池セルにおける内部短絡時の電圧変化を示すグラフである。 前記従来構造の二次電池セルにおける内部短絡部分の現象を説明するための模式的な断面図である。 負極と正極との間に樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜から成る耐熱層を有する非水系電解質二次電池セルにおける内部短絡部分の現象を説明するための模式的な断面図である。 前記負極と正極との間に樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜から成る耐熱層を有する非水系電解質二次電池セルにおける内部短絡時の電圧変化を示すグラフである。 本発明の実施の一形態に係る電池の内部短絡検知装置の機能ブロック図である。
符号の説明
１ 電池パック
２ 負荷機器
１１，１５ 充放電経路
１２，１３ ＦＥＴ
１４ 組電池（電池、二次電池）
１６ 電流検出抵抗（電流検出部）
１７ａ セル温度センサ（電池温度検出部）
１７ｂ 環境温度センサ（環境温度検出部）
１８，３０ 制御ＩＣ
１９ アナログ／デジタル変換器
２０ 電圧検出回路
２１ 制御判定部
２２，３２ 通信部
３１ 制御部
３３ 負荷回路
３４ 表示パネル
３５ 内部抵抗取得部
３６ 平均発熱量検出部
３７ 電池温度推定部
３８ 内部短絡判定部
３９ 電池残容量取得部
４０ 端子電圧推定部
４１ 動作制御部
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３ 端子

Claims (10)

  1. 電池温度Ｔｒを検出する電池温度検出部と、
    環境温度Ｔｅを検出する環境温度検出部と、
    電池の放電または充電に伴う、予め定める第１期間ΔＷ１当りの電池の発熱量の平均値Ｐａｖを検出する平均発熱量検出部と、
    前記発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、当該発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度Ｔｅに基づいて求める電池温度推定部と、
    前記第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに内部短絡と判定する内部短絡判定部とを含むことを特徴とする電池の内部短絡検知装置。
  2. 前記電池に流れる電流Ｉを検出する電流検出部と、
    前記電池温度Ｔｒに対応した電池の内部抵抗ｒを求める内部抵抗取得部とを含み、
    前記平均発熱量検出部は、前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流Ｉと内部抵抗ｒとに基づいて電池の発熱量Ｐを所定回数算出し、当該発熱量Ｐの平均値を前記Ｐａｖとして求めることを特徴とする請求項１記載の電池の内部短絡検知装置。
  3. 前記第１期間ΔＷ１開始時点での前記電池残容量ＳＯＣを取得した後、前記電流検出部が電流Ｉを検出する毎に当該電池残容量ＳＯＣを更新し、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣを求める電池残容量取得部と、
    前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣより推定される電池の端子電圧Ｖｐを求める端子電圧推定部と、
    前記第１期間ΔＷ１経過時点での実際の電池の端子電圧Ｖｒを検出する端子電圧検出部と、
    前記実際の電池の端子電圧Ｖｒが、前記端子電圧Ｖｐに予め定める係数βを加味した閾値以下であるときのみ、前記平均発熱量検出部、電池温度推定部および内部短絡判定部を動作させる動作制御部と、を含むことを特徴とする請求項２記載の電池の内部短絡検知装置。
  4. 前記電池は、負極と正極との間に耐熱層を有する非水系電解質二次電池、または極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質二次電池である、請求項１ないし３の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知装置。
  5. 電池と、
    前記請求項１ないし４の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知装置とを含む、電池パック。
  6. 電池と、
    前記電池によって電源供給される負荷機器と、
    前記請求項１ないし４の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知装置と、を含む、電子機器システム。
  7. 電池温度Ｔｒを検出するステップと、
    環境温度Ｔｅを検出するステップと、
    電池の放電または充電に伴う、予め定める第１期間ΔＷ１当りの電池の発熱量の平均値Ｐａｖを検出する平均発熱量検出ステップと、
    前記発熱量の平均値Ｐａｖを検出してから予め定める第２期間ΔＷ２経過後に到達しているであろうと推定される電池温度Ｔｐを、当該発熱量の平均値Ｐａｖおよび環境温度Ｔｅに基づいて求める電池温度推定ステップと、
    前記第２期間ΔＷ２経過後に実際の電池温度Ｔｒを検出するステップと、
    前記第２期間ΔＷ２経過後の実際の電池温度Ｔｒが、前記推定される電池温度Ｔｐに予め定める係数αを加味した値以上であるときに内部短絡と判定する内部短絡判定ステップとを含むことを特徴とする電池の内部短絡検知方法。
  8. 前記平均発熱量検出ステップは、
    前記電池に流れる電流Ｉを求めるステップと、
    前記電池温度Ｔｒに対応した電池の内部抵抗ｒを求めるステップと、
    前記第１期間ΔＷ１中に、前記電流Ｉと内部抵抗ｒとに基づいて電池の発熱量Ｐを所定回数算出し、当該発熱量Ｐの平均値を前記Ｐａｖとして求めるステップとを含むことを特徴とする請求項７記載の電池の内部短絡検知方法。
  9. 前記第１期間ΔＷ１開始時点での前記電池残容量ＳＯＣを取得するステップと、
    前記電池残容量ＳＯＣを取得するステップの後に、前記電流検出部が電流Ｉを検出する毎に当該電池残容量ＳＯＣを更新し、第１期間ΔＷ１経過時点での電池残容量ＳＯＣを求めるステップと、
    前記第１期間ΔＷ１経過時点の前記電池残容量ＳＯＣより推定される電池の端子電圧Ｖｐを求めるステップと、
    前記第１期間ΔＷ１経過時点での実際の電池の端子電圧Ｖｒを検出するステップと、
    前記実際の電池の端子電圧Ｖｒが、前記端子電圧Ｖｐに予め定める係数βを加味した閾値以下であるときのみ、前記平均発熱量検出ステップを開始するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の電池の内部短絡検知方法。
  10. 前記電池は、負極と正極との間に耐熱層を有する非水系電解質二次電池、または極板抵抗が４Ω・ｃｍ２以上有する非水系電解質二次電池である、請求項７ないし９の何れか１項に記載の電池の内部短絡検知方法。
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