JP2009301893A - Battery testing device and battery testing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯電話などの携帯機器に内蔵されているリチウムイオン電池などの充電可能な電池の性能や安全性などを評価するための試験装置及び試験方法に関するものである。 The present invention relates to a test apparatus and a test method for evaluating the performance and safety of a rechargeable battery such as a lithium ion battery built in a portable device such as a mobile phone.
携帯電話などの携帯機器に内蔵されている充電可能な二次電池、例えばリチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム化合物、負極にグラファイト、電解液にリチウム塩を含んだ有機電解液からなっている。この二次電池は、薄い薄膜膜からなる正極と負極の間を電気的に絶縁するセパレータを挟んで、その正極、負極およびセパレータを巻いた構造になっている。特に角型のリチウムイオン電池においては、巻いたものを角型に変形させ、角型のアルミ缶などに挿入して、電解液を注入し、密閉することで形成されている。 A rechargeable secondary battery built in a portable device such as a mobile phone, for example, a lithium ion battery is composed of an organic electrolyte containing a lithium cobaltate compound as a positive electrode, graphite as a negative electrode, and a lithium salt as an electrolyte. . This secondary battery has a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator, which are electrically insulated from each other between a positive electrode and a negative electrode made of a thin thin film film, are wound. In particular, a prismatic lithium ion battery is formed by transforming a rolled one into a prismatic shape, inserting it into a prismatic aluminum can or the like, injecting an electrolyte, and sealing it.
このリチウムイオン電池は、小型、軽量化および高エネルギー密度化が特徴の電池であり、その目的のために化学的に活性度の高いコバルト酸化合物や有機電解液を用いて、薄い正極や負極の薄膜を使って電池を構成している。さらに電池の小型、軽量化を目指すために軽量なアルミケースに上記の電池材料を格納している。 This lithium-ion battery is characterized by its small size, light weight, and high energy density. For this purpose, it uses a highly active cobalt acid compound or organic electrolyte solution, and has a thin positive electrode or negative electrode. A battery is constructed using a thin film. Furthermore, in order to reduce the size and weight of the battery, the above battery material is stored in a lightweight aluminum case.
この種の構造のリチウムイオン電池では、外圧による電池の内部の電極の破損によって、正極や負極の内部短絡等が発生し、電池の異常発熱や発煙などの不具合が生じる虞がある。そこで、従来から、リチウムイオン電池を意図的に破壊し、破壊した状態での安全性を図る安全性試験が行われてきた(特許文献1参照)。例えば、この種の安全性試験では、満充電したリチウムイオン電池を外部から金属の金属棒(丸棒)を押し当てて完全につぶし(全圧壊)、全圧壊後の電池の振る舞い、例えば、約160℃以上の異常発熱や発煙などが発生するかどうか確認する。そして、異常発熱や発煙などの異常な状態にならない電池のみを良品電池(OK電池)と判断することで、電池の安全性を評価していた。
しかしながら、携帯電話などに入っている一般のリチウムイオン電池が遭遇する外部からの力によって電池が全圧壊するような場合はまれであり、電池が部分的に破損(部分圧壊)する方が圧倒的に多い。したがって、携帯電話などで一般に使用されている範囲内において電池の全圧壊試験は極端な試験であるといえ、電池が破損した場合の振る舞いを図る試験としては適切ではなかった。 However, it is rare that the battery is completely crushed by the external force encountered by a general lithium ion battery in a mobile phone or the like, and it is overwhelming that the battery is partially damaged (partial collapse). Too many. Therefore, it can be said that the total crushing test of the battery is an extreme test within a range generally used in a mobile phone or the like, but it is not appropriate as a test for behavior when the battery is broken.
さらに、従来の装置を利用して電池を部分的に破損させて部分圧壊試験を行えたとしても、部分圧壊直後の評価は可能であるが、その後の継続した使用に対してまでは検証できない。特に、携帯電話などに用いられる二次電池の場合には、落下直後の挙動が正常であれば、そのまま継続して使用される場合も多い。例えば、携帯電話を使用中に誤って二次電池を部分的に損傷させてしまっても、その二次電池が使える場合(携帯電話に設置できて、充電・放電ができる)には、通常は使用禁止であるが、間違って利用者が引き続きその二次電池を使ってしまう場合もある。そして、従来の試験装置及び試験方法では、破損後に継続して使用された電池の検証はできず、電池が破損した場合の振る舞いを図る試験としては適切ではなかった。 Further, even if a partial crushing test can be performed by partially damaging the battery using a conventional device, the evaluation immediately after the partial crushing is possible, but it cannot be verified until subsequent use. In particular, in the case of a secondary battery used for a mobile phone or the like, if the behavior immediately after dropping is normal, it is often used as it is. For example, even if a secondary battery is accidentally damaged while using a mobile phone, if the secondary battery can be used (it can be installed in a mobile phone and charged / discharged), it is usually Although use is prohibited, there are cases where the user continues to use the secondary battery by mistake. In addition, the conventional test apparatus and test method cannot verify a battery that has been used continuously after being damaged, and is not appropriate as a test for behavior when the battery is damaged.
そこで、本発明は、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる電池試験装置及び電池試験方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a battery test apparatus and a battery test method capable of appropriately verifying behavior when a battery is damaged.
本願の発明者は、電池の安全性を適切に評価するための検討を重ねた結果、リチウムイオン電池などの電池では、全圧壊させると電池系をすべて破壊するので、内部短絡による内部発熱は速やかに収束する可能性があり、その反面、リチウムイオン電池などの電池を部分的に破損させ、内部短絡を発生させた場合、電池系は破損した部分以外動作するので、内部短絡による内部発熱が継続しやすいという知見を得た。その結果として、発明者は、リチウムイオン電池などの電池に外部からの力を加えて破損させる場合、部分圧壊する方が電池の不安定化(異常発熱や発煙の発生)を招き易いという知見を得た。さらに、本願の発明者は、部分圧壊直後は充電が可能な正常状態であったとしても、そのまま電池を使い続けた場合には、振動や衝撃、経年変化、電池の劣化や膨れなどにより、結果的に電池の内部短絡が発生して、異常発熱、発煙などの異常事象が発生する虞があるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。 As a result of repeated studies for appropriately evaluating the safety of the battery, the inventor of the present application destroys the entire battery system when the battery is completely crushed, such as a lithium ion battery. On the other hand, if a battery such as a lithium-ion battery is partially damaged and an internal short circuit occurs, the battery system operates except for the damaged part, so internal heat generation due to the internal short circuit continues. The knowledge that it is easy to do was acquired. As a result, the inventor has found that when a battery such as a lithium ion battery is damaged by applying external force, partial collapse tends to cause instability of the battery (occurrence of abnormal heat generation or smoke generation). Obtained. Furthermore, even if the inventor of the present application is in a normal state in which charging is possible immediately after partial crushing, if the battery is continuously used as it is, the result of vibration, impact, aging, battery deterioration, swelling, etc. It was found that there is a possibility that abnormal events such as abnormal heat generation and smoke may occur due to internal short circuit of the battery. The present invention has been made based on this finding.
本発明に係る電池試験装置は、充電可能な電池の圧壊試験を行うための第1の試験ユニットと、電池の充放電試験を行うための第2の試験ユニットと、を備え、第1の試験ユニットは、電池を設置する試験台と、電池を圧壊する押圧部材と、電池が不完全な部分圧壊となるように押圧部材の押圧力を制御する加圧手段と、部分圧壊された電池の温度および電圧の少なくとも一方を測定する第1の測定手段と、を備え、第2の試験ユニットは、押圧部材によって部分圧壊された電池に対して充電と放電とを交互に繰り返す電力制御手段と、電力制御手段によって充電と放電とが繰り返し実施された電池の温度を測定する第2の測定手段と、を備えることを特徴とする。 A battery test apparatus according to the present invention includes a first test unit for performing a crushing test of a rechargeable battery, and a second test unit for performing a charge / discharge test of the battery. The unit includes a test stand on which the battery is installed, a pressing member that crushes the battery, a pressing means that controls the pressing force of the pressing member so that the battery is partially collapsed, and the temperature of the partially collapsed battery. And a first measurement unit that measures at least one of the voltage, and the second test unit includes a power control unit that alternately repeats charging and discharging of the battery partially collapsed by the pressing member; And second measuring means for measuring the temperature of the battery that has been repeatedly charged and discharged by the control means.
電池の全圧壊状態は、携帯電話などの携帯機器を使用している状況では極めてまれにしか生じない状態であり、さらに、電池の全圧壊状態は内部短絡などに起因する異常判定において最悪条件ではないため、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証できなかった。しなしながら、本発明によれば、電池を部分圧壊させた状態で温度や電圧を測定するので、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。さらに、部分圧壊の直後は正常であっても、その後継続して電池の使用を続けた場合には、異常事象が生じる場合がある。しかしながら、本発明によれば、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いも適切に検証できる。 The total collapsed state of the battery is a condition that occurs very rarely in the situation where a mobile device such as a mobile phone is used.In addition, the total collapsed state of the battery is the worst condition in determining an abnormality caused by an internal short circuit or the like. Therefore, the behavior when the battery was damaged could not be properly verified. However, according to the present invention, since the temperature and voltage are measured in a state in which the battery is partially collapsed, it is possible to appropriately verify the behavior when the battery is damaged. Furthermore, even if it is normal immediately after partial crushing, an abnormal event may occur if the battery is used continuously thereafter. However, according to the present invention, it is possible to appropriately verify the behavior of the battery when the battery is continuously used after partial collapse.
さらに、第2の試験ユニットは、部分圧壊された電池の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置を更に備えると好適である。恒温装置を備えることにより、第2の試験ユニットによる試験環境を、二次電池の実際の使用環境を想定した温度に保持することができ、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いを適切に検証できる。 Furthermore, it is preferable that the second test unit further includes a thermostatic device that maintains the temperature of the environment surrounding the partially collapsed battery at a predetermined temperature. By providing the thermostatic device, the test environment by the second test unit can be maintained at a temperature that assumes the actual use environment of the secondary battery, and the battery when the battery is used continuously after partial collapse Can be verified appropriately.
さらに、恒温装置は、電池の周囲環境の温度を−5℃〜+50℃の間の任意の温度に保持すると好適である。二次電池の実際の使用環境を想定した温度での電池の振る舞いを適切に検証できる。 Furthermore, it is preferable that the thermostatic device keeps the temperature of the ambient environment of the battery at an arbitrary temperature between −5 ° C. and + 50 ° C. It is possible to appropriately verify the behavior of the battery at a temperature assuming the actual usage environment of the secondary battery.
さらに、電池は角型であり、且つ矩形で一対の平面部分と一対の平面部分を取り巻く側面部分とを有し、加圧手段は、押圧部材によって電池の平面部分及び側面部分の少なくとも一方が所定の深さになるまで押圧部材で電池を押圧すると好適である。所定の深さを規定しておくことで、複数の電池に対して同じ条件で試験を行うことが可能になる。 Furthermore, the battery is rectangular and has a rectangular pair of flat portions and a side portion surrounding the pair of flat portions, and the pressing means is configured such that at least one of the flat portion and the side portion of the battery is predetermined by the pressing member. It is preferable that the battery is pressed with the pressing member until the depth becomes. By defining the predetermined depth, it becomes possible to perform tests on a plurality of batteries under the same conditions.
さらに、平面部分の短辺は、一対の平面部分の間の距離である側面部分の幅よりも長く、平面部分における所定の深さは、側面部分の幅の1/8〜1/4の範囲に含まれ、側面部分における所定の深さは、平面部分の短辺の長さの1/4〜1/2の範囲に含まれると好適である。実際の使用態様において二次電池に生じやすい部分圧壊の深さになるため、より現実的な試験が可能になって電池の振る舞いを適切に検証できる。 Furthermore, the short side of the plane portion is longer than the width of the side surface portion, which is the distance between the pair of plane portions, and the predetermined depth in the plane portion is in the range of 1/8 to 1/4 of the width of the side surface portion. The predetermined depth in the side surface portion is preferably included in a range of ¼ to ½ of the length of the short side of the plane portion. Since the partial crushing depth is likely to occur in the secondary battery in an actual usage mode, a more realistic test can be performed and the behavior of the battery can be appropriately verified.
さらに、電力制御手段は、1サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまで量以下の任意の量とすることが可能であると好適である。ユーザは、完全放電した後で二次電池を充電する場合もあれば、完全放電してしまう前に二次電池を充電する場合もある。そのような各ケースに柔軟に対応できるようになる。 Furthermore, it is preferable that the power control means can set the amount of discharge in one cycle to an arbitrary amount equal to or less than the amount from full charge to complete discharge. The user may charge the secondary battery after complete discharge, or may charge the secondary battery before full discharge. Each of these cases can be flexibly handled.
また、本発明に係る電池試験方法は、試験対象となる電池を試験台に設置し、電池が不完全な部分圧壊となるように電池に押圧力をかける部分圧壊ステップと、部分圧壊した電池の温度及び電圧の少なくとも一方を検出する第1の検出ステップと、第1の検出ステップにおける検出結果が、良品候補判定のための閾値以下であれば良品候補と判定する第1の判定ステップと、第1の判定ステップにおいて良品候補と判定された電池に対して所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返す電力制御ステップと、電力制御ステップにおいて所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返された電池の温度を検出する第2の検出ステップと、第2の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値以下であれば良品と判定する第2の判定ステップとを含むことを特徴とする。 In addition, the battery test method according to the present invention includes a partial crushing step in which a battery to be tested is placed on a test bench, and a pressing force is applied to the battery so that the battery is incompletely crushed. A first detection step for detecting at least one of temperature and voltage; a first determination step for determining a good product candidate if a detection result in the first detection step is equal to or less than a threshold for determining a good product candidate; A power control step in which charging and discharging are alternately repeated for a predetermined number of cycles for a battery determined as a good product candidate in one determination step, and charging and discharging are repeated for a predetermined number of cycles in the power control step. A second detection step for detecting the temperature of the battery, and a non-defective product if the temperature detected in the second detection step is equal to or less than a predetermined threshold value for determining a good product Characterized in that it comprises a second determination step that.
本発明によれば、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。さらに、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いも適切に検証できる。 According to the present invention, it is possible to appropriately verify the behavior when a battery is damaged. Furthermore, it is possible to appropriately verify the behavior of the battery when the battery is continuously used after partial collapse.
さらに、良品候補判定のための所定の閾値は、160℃であることを特徴とすると好適である。電池、特に二次電池を部分圧壊して内部短絡が発生すると、二次電池の温度が短絡電流によるジュール熱によってあがっていき、さらに、二次電池の温度が臨界温度(二次電池2の材料の熱分解が始まる温度:150℃〜160℃程度)に達すると、二次電池2の電極や電解液の電池材料自体の熱分解が始まり、それにより熱暴走が始まってしまう。したがって、不良電池の判断基準として、二次電池の温度が臨海温度に達するか否かを監視することが最も望ましいため、所定の閾値は160℃にすると好適である。
Furthermore, it is preferable that the predetermined threshold for determining good product candidates is 160 ° C. When an internal short circuit occurs due to partial crushing of a battery, particularly a secondary battery, the temperature of the secondary battery rises due to Joule heat due to the short circuit current, and the temperature of the secondary battery becomes the critical temperature (the material of the secondary battery 2). When the temperature reaches a temperature at which the thermal decomposition of the
さらに、部分圧壊ステップの前に、試験対象となる電池を部分圧壊させずに所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返し、電池の劣化電池容量とサイクル数との関係を求める予備試験ステップを更に含み、電力制御ステップでの所定のサイクル数は、予備試験ステップでの前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定されると好適である。予備試験ステップを行うことにより、所定のサイクル数を部分圧壊されていない電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定することができる。 Further, prior to the partial crushing step, charging and discharging are alternately repeated for a predetermined number of cycles without partially crushing the battery to be tested, and a preliminary test step for determining the relationship between the battery capacity and the number of cycles Preferably, the predetermined cycle number in the power control step is defined based on the relationship between the deteriorated battery capacity of the battery and the cycle number in the preliminary test step. By performing the preliminary test step, the predetermined number of cycles can be defined based on the relationship between the number of cycles and the deteriorated battery capacity of the battery that is not partially collapsed.
さらに、予備試験ステップにおいて電池の劣化電池容量とサイクル数との関係から、劣化電池容量が50%〜25%の範囲に最初に含まれるようになった基準サイクル数を求め、電力制御ステップでは、基準サイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返すと好適である。劣化電池容量が50%〜25%の範囲に含まれた場合を基準にして電池の良否判定を行うことができる。 Further, from the relationship between the deteriorated battery capacity of the battery and the number of cycles in the preliminary test step, the reference cycle number at which the deteriorated battery capacity is initially included in the range of 50% to 25% is obtained. In the power control step, It is preferable that charging and discharging are alternately repeated by the number of reference cycles. The quality of the battery can be determined based on the case where the deteriorated battery capacity is included in the range of 50% to 25%.
本発明によれば、電池が破損した場合の振る舞いを適切に図ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to appropriately achieve a behavior when a battery is damaged.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る電池試験装置の好適な実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a battery test apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、第1実施形態に係る電池試験装置の概略を示す図である。図1に示されるように、電池試験装置100は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの充電可能な二次電池2を部分圧壊させた場合の振る舞いを調べる部分圧壊試験のための第1の試験ユニット101と、部分圧壊した二次電池2に充電と放電とを繰り返した場合の二次電池2の振る舞いを調べる充放電試験のための第2の試験ユニット103とを備える。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the battery testing apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
図1及び図2に示されるように、第1の試験ユニット101は、試験対象となる二次電池2が設置される試験台3と、二次電池2に当接して二次電池2を圧壊する丸棒(押圧部材)5と、丸棒5を二次電池2に対して昇降させる可動板7に連結され、丸棒5による二次電池2への押圧力を制御する加圧装置(加圧手段)9と、試験台3上に載せられた二次電池2に接する温度センサ11と、温度センサ11に接続された測定装置(第1の測定手段)13とを備えている。なお、本実施形態では、温度センサ11で検出された温度に基づいて、圧壊された二次電池2の振る舞いを検証するが、温度の代わりに二次電池2の電圧を測定したり、温度と電圧の両方を測定したりする第1の測定手段を設け、その測定結果に基づいて圧壊された二次電池2の振る舞いを検証するようにしてもよい。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
試験台3には、二次電池2が設置される所定部位を挟むようにして一対のガイドバー3aが立設されており、可動板7はガイドバー3aに案内されながら所定の軌道に沿って昇降する。可動板7の下面には丸棒固定棒7aが突出しており、丸棒固定棒7aの下端には、丸棒5が水平(丸棒固定棒7aに対して垂直)になるように固定されている。
A pair of
加圧装置9は、CPU、RAM及びROMなどからなる制御回路9a、可動板7を昇降させる駆動モータ9b及び試験実施者の操作入力を受け付ける操作部9cなどを備えている。制御回路9aは、例えば、操作部9cを介して二次電池2の型式などを受け付けると、二次電池2に見合った押圧力の付与が可能となるように駆動モータ9bを制御し、丸棒5によって二次電池2を部分圧壊する。
The pressurizing
測定装置13は、CPU、RAM及びROMなどからなる測定回路13a及び測定結果などを出力するディスプレイなどの出力部13bを備えている。測定装置13は、温度センサ11に有線または無線によって接続されており、温度センサ11による測定結果を出力部13bから出力する。さらに、測定装置13は、測定結果が所定の閾値、例えば160℃以下であるか否かを判断する。
The
また、測定装置13と加圧装置9とは、信号を送受信可能に接続されている。加圧装置9は、二次電池2を部分圧壊させる規定の押圧力で押圧し、その押圧力に係るデータを測定装置13に通知する。測定装置13は、押圧力に係るデータを受け付けると共に、二次電池2の良否判定に必要となる情報を出力部13bから出力する。
The measuring
図1及び図3に示されるように、第2の試験ユニット103は、第1の試験ユニット101で部分圧壊された二次電池2を収容し、二次電池2の周囲環境を規定された所定の温度に保持する恒温装置25を備える。モバイル機器の代表としての携帯電話の場合、−5℃〜+50℃の範囲で充電可能であるが、それ以外の温度範囲では充電を禁止している(図7参照)。この温度設定に従い、恒温装置25では、環境温度(試験温度)として、−5℃〜+50℃の範囲内の任意の温度を保持するように設定される。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
また、第2の試験ユニット103は、充電・放電器(電力制御手段)27、温度センサ29、測定器31及び出力装置33を備える。
The
充電・放電器27は、規定された条件において二次電池2の充電及び放電を行う。充電・放電器27は、二次電池2の正極端子2f及び負極端子2gのそれぞれに接続されたコード27a,27bを備えており、充電する際には充電電流I1の向きに電流が流れ、放電する際には放電電流I2の向きに電流が流れる。さらに、充電・放電器27は、所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返されるように電力の制御を行う。
The charger /
また、充電・放電器27は、1サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とする電力制御が可能である。そのため、例えば、二次電池2を完全充電および完全放電を繰り返す状態(K=100%)から連続充電状態(K=0%:常に充電量が満充電の状態、数mA以下の微小電流を連続的に流して充電を行う「トリクル充電状態」ともいう)までの適当な量を考慮して放電量Kを規定することができる。二次電池2が使用される携帯電話などのモバイル機器では、ユーザは、完全放電した後で二次電池を充電する場合もあれば、完全放電してしまう前に二次電池を充電する場合もある。充電・放電器27によれば、1サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とする電力制御が可能であるため、ユーザの使用態様に合わせた各ケースに柔軟に対応させた充放電試験の実施が可能になる。
Further, the charger /
温度センサ29は、二次電池2に設置されており、二次電池2の温度を検出する。測定器31は、温度センサ29を監視しており、温度センサ29で検出された値から温度を測定し、測定結果を充電・放電器27に通知する。出力装置33は、測定器31で測定された温度を出力する。
The
次に、図4を参照して、電池試験方法について説明する。図4は、本実施形態に係る電池試験の手順を示すフローチャートである。 Next, a battery test method will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the battery test according to the present embodiment.
この電池試験では、最初に部分圧壊試験を行い、その後で充放電試験を行う。図4に示されるように、部分圧壊試験を開始する際には、試験実施者は、まず試験対象となる二次電池2の選定をし、選定した二次電池2を満充電状態で準備する。さらに、二次電池2の圧破壊方向及び深さDを決定する。さらに、充電と放電とを繰り返し実施するためのサイクル条件(放電量K、終止サイクル数Nend、環境温度T)を決定する(ステップS1)。
In this battery test, a partial crush test is first performed, and then a charge / discharge test is performed. As shown in FIG. 4, when starting the partial crush test, the tester first selects the
図5及び図6に示されるように、二次電池2は六面体からなる角型であり、二次電池2の周面は、一対の平面部分2aと、平面部分2a以外の側面部分2bとを有している。平面部分2aは各面の中で面積が最大になる領域である。側面部分2bは平面部分2a同士を連絡するように取り巻く領域であり、平面部分2aに比べて極めて狭くなっている。また、二次電池2の平面部分2aは矩形であり、図5及び図6では、横方向(長辺側)の寸法は“A”、縦方向(短辺側)の寸法は“B”で示してあり、さらに一対の平面部分2a同士の間の距離(高さ寸法)は“C”で示している。従って平面部分2aの短辺の長さBは、一対の平面部分2aの間の距離である側面部分の幅である距離Cよりも長くなっている。さらに、圧壊する深さは“D”で示してあり、深さDを変化させて圧壊試験を実施することにより、二次電池2を部分的に破損(部分圧壊)させる。なお、図5に示す状態では、深さDが電池高さCと同じとなる時に全圧壊となり、図6に示す状態では、深さDが電池高さAと同じとなる時に全圧壊となる。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
次に、圧壊方向の決定について説明する。図5及び図6は、圧壊する面が上側になるように試験台3に二次電池2を取り付けた場合を示している。圧壊方向の決定とは、丸棒5が当接して圧壊する面を決定することを意味し、圧壊方向を平面部分2aに決定した場合(図5参照)には、平面部分2aを上側に向けて試験台3に設置する。その結果、丸棒5は平面部分2aに当接し、主として平面部分2aを潰すことになる。また、側面部分2bに決定した場合(図6参照)には、側面部分2bを上側に向けて試験台3に設置する。その結果、丸棒5は側面部分2bに当接し、主として側面部分2bを潰すことになる。
Next, determination of the crushing direction will be described. 5 and 6 show a case where the
次に、部分圧壊させる際の所定の深さDについて説明する。携帯電話などのモバイル機器の場合、日常使用している範囲(実際の使用態様)で遭遇する異常な荷重圧力としては、アイロン、ノートPC、椅子、机などの日用品を想定することができる。このような日用品による荷重はおおよそ100kgfから500kgf程度である。図8に示されるように、このような荷重を想定すると、二次電池2の平面部分2aに対して部分圧壊させる場合の所定の深さDは、側面部分2bの幅Cの1/8〜1/4の範囲の深さになり、また、側面部分2bに対して部分圧壊させる場合の所定の深さDは、平面部分2aの短辺の長さBの1/4〜1/2の範囲の深さになる。従って、本実施形態では、実際の使用態様において二次電池2に生じやすい部分圧壊の深さDに合わせるために、二次電池2の平面部分2aに対して部分圧壊させる場合の所定の深さDは、側面部分2bの幅Cの1/8〜1/4の範囲の任意の深さに規定し、また、側面部分2bに対して部分圧壊させる場合の所定の深さDは、平面部分2aの短辺の長さBの1/4〜1/2の範囲の任意の深さに規定する。
Next, the predetermined depth D when partial crushing is described. In the case of a mobile device such as a mobile phone, daily goods such as an iron, a notebook PC, a chair, and a desk can be assumed as an abnormal load pressure encountered in a daily use range (actual usage mode). Such a daily load is about 100 kgf to 500 kgf. As shown in FIG. 8, assuming such a load, the predetermined depth D in the case of partial crushing with respect to the
図4に示されるように、二次電池2の選定など(ステップS1)が終わると、ステップS1で決定された圧壊方向に基づいて二次電池(試験対象電池)2を第1の試験ユニット101の試験台3に取り付ける(ステップS2)。
As shown in FIG. 4, when the selection of the
次に、試験実施者は、加圧装置9の開始操作を行って丸棒圧壊を実施する。加圧装置9の制御回路9aは駆動モータ9bを制御し、丸棒5を降下させて二次電池2を押圧し、部分圧壊を実施する(ステップS3)。なお、部分圧壊させる際の所定の深さDは、平面部分2aを丸棒5で部分圧壊させる場合には、側面部分2bの幅の1/8〜1/4の範囲内の任意の深さとなるように予め規定されており、側面部分2bを丸棒5で部分圧壊させる場合には、平面部分2aの短辺の長さBの1/4〜1/2の範囲内の任意の深さとなるように予め規定されている。ステップS3は、部分圧壊ステップに相当する。
Next, the tester performs a round bar crushing operation by starting the
次に、測定装置13の測定回路13aは、部分圧壊された二次電池2の電池温度Tを温度センサ11での検出値に基づいて測定し、検出結果を出力部13bに出力する。さらに、測定回路13aは、検出結果を出力部13bに出力すると加圧装置9に測定終了を示すデータを通知し、丸棒5を上昇させて二次電池2への押圧を解く。試験実施者は、測定結果が所定の閾値、例えば、160℃を超えているか否かを判断する(ステップS4)。ステップS4は、第1の検出ステップ及び第1の判定ステップに相当する。試験実施者は、ステップS4において、160℃を超えていると判断する場合には、試験対象の二次電池2を不良電池と判断(ステップS5)して電池試験を終了する。一方で、160℃以下と判断する場合には、試験実施者は、試験対象の二次電池2を良品候補と判定し、良品候補電池を試験台3から取り外して後続の充放電試験を実施する。
Next, the
ここで、部分圧壊された二次電池2の異常の有無を判断する基準となる所定の閾値(160℃)の決定について説明する。図9は、圧壊後の二次電池2の温度変化を示している。図9に示されるように、二次電池2を圧壊した場合には、パターン1〜3までの三態様の温度変化(振る舞い)があることが確認された。
Here, determination of a predetermined threshold value (160 ° C.) serving as a reference for determining whether there is an abnormality in the partially crushed
パターン1は、二次電池2を圧壊した場合でも、二次電池2の内部の正極、負極間の短絡が発生せず、温度変化が無いパターンである。また、パターン2は、二次電池2の内部の正極、負極間の短絡が発生し、二次電池2の電池温度Tが短絡電流によるジュール熱によってあがっていくが、臨界温度(二次電池2の材料の熱分解が始まる温度:150℃〜160℃程度)に達せずに、かつ短絡電流自体が収束することによって、電池温度Tがピークに達した後に低下するパターンである。また、パターン3は、二次電池2の内部の正極、負極間の短絡が発生し、二次電池2の温度が短絡電流によるジュール熱によってあがっていき、さらに、二次電池2の温度が臨界温度(二次電池2の材料の熱分解が始まる温度:150℃〜160℃程度)に達して、二次電池2の電極や電解液の電池材料自体の熱分解が始まり、それにより熱暴走が始まるパターンである。
The
パターン3の熱暴走により、二次電池2自体が500℃前後の異常発熱や発煙などを引き起こすことになる。本実施形態では、二次電池2を部分圧壊してパターン1またはパターン2の振る舞いをする場合には、良否候補電池の範疇であると判断することにし、パターン3の振る舞いをする場合には、不良電池であると定義することにした。従って、不良電池の判断基準として、二次電池2の電池温度Tが臨海温度に達するか否かを監視することが最も望ましいため、異常の有無を判断する基準となる電池温度Tを160℃に決定することで熱暴走の発生を精度良く確認できる。
Due to the thermal runaway of the
なお、本実施形態では、試験実施者が測定装置13の出力部13bから出力された値に基づいて二次電池2の良否候補判定を行っていたが、安全基準を満たす値を測定装置13に予め設定しておき、測定回路13aがステップS3で求めた値と安全基準を満たす値とを対比して電池の良否候補判定を行い、良品候補電池と判定する場合には「良品」を示すメッセージを出力部13bから出力させ、不良電池と判定する場合には「不良」を示すメッセージを出力部13bから出力させるようにしてもよい。
In the present embodiment, the tester performs the pass / fail candidate determination for the
図4に戻り、二次電池2が良品候補と判定されると(ステップS4)、試験実施者は、充放電試験を実施するために、良品候補と判定された二次電池2を第2の試験ユニット103の恒温装置25内に設置し、温度センサ29や充電・放電器27のコード27a,107bに接続する(ステップS6)。
Returning to FIG. 4, when the
第2の試験ユニット103への二次電池2の設置が完了すると、試験実施者は、充電・放電器27に対して入力操作を行い、サイクル数Nを示すデータを格納するメモリに“N=0”を設定する。充電・放電器27は、試験実施者による入力操作を受け付けると、充電及び放電の1サイクル分の電力制御を実施する(ステップS7)。ステップS7は、電力制御ステップに相当する。
When the installation of the
充電・放電器27による放電量は事前に規定されており、その放電量に基づく充電電流(I1)、放電電流(I2)を所定時間だけ通電させることで、充電動作及ぶ放電動作を交互に実施する。充電電流(I1)または放電電流(I2)を流す時間、すなわち充電時間T1または放電時間T2を求めるための式について図10を参照して説明する。図10は、充電動作と放電動作とを交互に繰り返す場合の動作時間と電池充電状態との関係を示すグラフである。充放電試験では、二次電池2の充電と放電とを1サイクルとして、事前に規定している放電量K(%)にしたがって、充電と放電が繰り返し実施される。1サイクルにおける充電時間(T1)及び放電時間(T2)は、電池容量をQ(Ah)、充電電流をI1(A)、放電電流をI2(A)とすると、以下の式で規定される。
The amount of discharge by the charger /
T1(h) = K(%)×Q(Ah)/I1(A)
T2(h) = K(%)×Q(Ah)/I2(A)
T1 (h) = K (%) × Q (Ah) / I1 (A)
T2 (h) = K (%) × Q (Ah) / I2 (A)
なお、電池容量Q(Ah)は、充放電のサイクルが進むとともに電池劣化によって値が小さくなるので、充電時間T1及び放電時間T2は小さくなる。また、図10に示される充電と放電との間に毎回休止期間(レスト時間)を入れて、サイクル(充電、放電、レスト)を行う場合もある。 The battery capacity Q (Ah) decreases as the charge / discharge cycle proceeds and the battery deteriorates, so that the charging time T1 and the discharging time T2 are decreased. Further, a cycle (charging, discharging, resting) may be performed by putting a rest period (resting time) between charging and discharging shown in FIG.
続いて、図4に示されるように、充電・放電器27は、サイクル数Nに設定されたデータを確認し、終止サイクル数Nend未満であれば、終止サイクル数Nendに未到達であることを示すデータを測定器31に通知する。測定器31は、サイクル中の全工程において、温度センサ29を介して二次電池2の温度を測定しており、充電・放電器27から終止サイクル数Nendに未到達であることを示すデータを受け付けると、その時点での温度を出力装置33に出力させる。試験実施者は、出力装置33で出力された温度が160℃以下であるか否かを判定する(ステップS8)。ステップS8は、第2の検出ステップ及び第2の判定ステップに相当する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, the charger /
ステップS8において、試験実施者は、160℃以下と判定する場合、充電・放電器27のサイクル数Nのメモリに“1”を加算するためのデータの入力処理を行う(ステップS10)。また、試験実施者は、出力装置33で出力された温度が160℃を超えていると判定する場合には、試験対象の二次電池2は不良電池であると判定して電池試験方法を終了する。
In step S8, when determining that the temperature is 160 ° C. or lower, the tester performs a data input process for adding “1” to the memory having the cycle number N of the charger / discharger 27 (step S10). If the tester determines that the temperature output from the
充電・放電器27では、サイクル数Nが更新されると、新たなサイクル数Nの値が終止サイクル数Nendに到達しているか否かを判断し(ステップS8)、到達している場合には出力装置33に良品電池を示す情報を表示させる。試験実施者は、出力装置33に良品電池を示す情報が表示されると、試験対象の二次電池2は良品電池であると判定して電池試験を終了する。
When the cycle number N is updated, the charger /
なお、本実施形態では、試験実施者が出力装置33から出力された温度に基づいて二次電池2の良否判定を行っていたが、安全基準を満たす温度を測定器31に予め設定しておき、測定器31がステップS7で求めた温度と安全基準を満たす温度とを対比して電池の良否判定を行い、良品電池と判定する場合には「良品」を示すメッセージを出力装置33から出力させ、不良電池と判定する場合には「不良」を示すメッセージを出力装置33から出力させるようにしてもよい。
In the present embodiment, the tester performs the pass / fail determination of the
次に、終止サイクル数Nendを決定するための、予備試験について説明する。図11は、予備試験の結果を示し、サイクル数Nと電池容量Q(Ah%換算)との関係を示すグラフである。図11では、横軸にサイクル数(N)を示し、縦軸には、それに対する電池容量Q(Ah)を示している。予備試験は、部分圧壊試験の前に行われる。予備試験は、試験対象の二次電池2に所定のサイクル動作をさせて電池の劣化特性を測定するための試験である。予備試験は、試験対象となる二次電池2を部分圧壊させずに所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返し、図11に示されるような、劣化電池容量とサイクル数Nとの関係を求める(予備試験ステップ)。終止サイクル数Nendは、予備試験で求められた劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定される。具体的には、二次電池2の電池容量が50%から25%の範囲内にまで低下した場合を電池寿命として考えており、図11に示されるように、予備試験では、二次電池2の電池容量が50%から25%に含まれる範囲にまでに低下したサイクル数(基準サイクル数)Nが終止サイクル数Nendに相当する。
Next, a preliminary test for determining the number of end cycles Nend will be described. FIG. 11 is a graph showing the result of the preliminary test and showing the relationship between the number of cycles N and the battery capacity Q (Ah% conversion). In FIG. 11, the horizontal axis indicates the number of cycles (N), and the vertical axis indicates the battery capacity Q (Ah) corresponding thereto. The preliminary test is performed before the partial crush test. The preliminary test is a test for measuring the deterioration characteristics of the battery by causing the
本実施形態に係る電池試験装置100及び電池試験方法では、二次電池2を一方向から完全に圧壊(全圧壊)して温度や電圧を測定するのではなく、不完全な部分圧壊の状態で温度や電圧を測定する。二次電池2の圧壊に関して言えば、携帯電話などの使用中に遭遇する力に近い状況(携帯電話の使用者が落下や破損などで遭遇しやすい状況)では、全圧壊よりも部分圧壊の方が生じ易い。さらに、主としてリチウムイオン電池などでは、電池の全圧壊状態は内部短絡などに起因する異常判定において最悪条件ではなく、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証できなかった。すなわち、全圧壊試験よりも部分圧壊試験の方が二次電池2を厳しく試験をして安全性を確認する方法として有利である。そして、電池試験装置100及び電池試験方法では、部分圧壊試験によって二次電池2を評価するので二次電池2が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。
In the
さらに、部分圧壊の直後は正常であっても、その後継続して電池の使用を続けた場合には、異常事象が生じる場合がある。しかしながら、電池試験装置100及び電池試験方法によれば、部分圧壊試験を行った後で充放電試験を行うので、部分圧壊後に継続して二次電池3が使用された場合の二次電池3の振る舞いも適切に検証できる。
Furthermore, even if it is normal immediately after partial crushing, an abnormal event may occur if the battery is used continuously thereafter. However, according to the
さらに、第2の試験ユニット103は、丸棒(押圧部材)5によって部分圧壊された二次電池2の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置25を備えており、第2の試験ユニット103による試験環境を、二次電池2の実際の使用環境を想定した温度に保持することができ、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いをより適切に検証できる。
Furthermore, the
さらに、加圧装置9は、丸棒5によって二次電池2の平面部分2a及び側面部分2bの少なくとも一方が所定の深さDになるまで二次電池2を押圧する。所定の深さDを規定しておくことで、複数の二次電池2に対して同じ条件で試験を行うことが可能になる。
Further, the pressurizing
なお、本発明は、上記の実施形態のみに限定されない。例えば、本実施形態では、試験実施者が第1の試験ユニット101への二次電池2の設置及び二次電池2の取り外し、及び第2の試験ユニット103への二次電池2の設置及び二次電池2の取り外しを行っていたが、これらを自動化して行えるようにしてもよい。
In addition, this invention is not limited only to said embodiment. For example, in the present embodiment, the tester installs the
2…二次電池、2a…平面部分、2b…側面部分、3…試験台、5…丸棒(押圧部材)、9…加圧装置(加圧手段)、13…測定装置(第1の測定手段)、27…充電・放電器(電力制御手段)、31…測定器(第2の測定手段)、25…恒温装置、100…電池試験装置、101…第1の試験ユニット、103…第2の試験ユニット、D…所定の深さ、B…二次電池の平面部分の短辺の長さ、C…二次電池の側面部分の幅。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電池の充放電試験を行うための第2の試験ユニットと、を備え、
前記第1の試験ユニットは、
前記電池を設置する試験台と、
前記電池を圧壊する押圧部材と、
前記電池が不完全な部分圧壊となるように前記押圧部材の押圧力を制御する加圧手段と、
部分圧壊された前記電池の温度および電圧の少なくとも一方を測定する第1の測定手段と、を備え、
前記第2の試験ユニットは、
前記押圧部材によって部分圧壊された前記電池に対して充電と放電とを交互に繰り返す電力制御手段と、
前記電力制御手段によって充電と放電とが繰り返し実施された前記電池の温度を測定する第2の測定手段と、を備えることを特徴とする電池試験装置。 A first test unit for performing a crush test of the rechargeable battery;
A second test unit for performing a charge / discharge test of the battery,
The first test unit comprises:
A test stand on which the battery is installed;
A pressing member for crushing the battery;
Pressurizing means for controlling the pressing force of the pressing member so that the battery is partially collapsed;
First measuring means for measuring at least one of temperature and voltage of the partially collapsed battery,
The second test unit includes:
Power control means for alternately charging and discharging the battery partially collapsed by the pressing member;
And a second measuring means for measuring the temperature of the battery that has been repeatedly charged and discharged by the power control means.
部分圧壊された前記電池の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置を更に備えることを特徴とする請求項1記載の電池試験装置。 The second test unit includes:
The battery test apparatus according to claim 1, further comprising a thermostatic device that maintains a temperature of a surrounding environment of the partially collapsed battery at a predetermined temperature.
前記加圧手段は、前記押圧部材によって前記電池の前記平面部分及び前記側面部分の少なくとも一方が所定の深さになるまで前記押圧部材で前記電池を押圧することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の電池試験装置。 The battery is rectangular and has a rectangular pair of flat portions and a pair of side portions surrounding the flat portions,
The pressurizing means presses the battery with the pressing member until at least one of the planar portion and the side surface portion of the battery reaches a predetermined depth by the pressing member. The battery test apparatus according to any one of the above.
前記平面部分における所定の深さは、前記側面部分の幅の1/8〜1/4の範囲に含まれ、前記側面部分における所定の深さは、前記平面部分の短辺の長さの1/4〜1/2の範囲に含まれることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の電池試験装置。 The short side of the plane portion is longer than the width of the side portion, which is the distance between the pair of plane portions,
The predetermined depth in the plane portion is included in a range of 1/8 to 1/4 of the width of the side portion, and the predetermined depth in the side portion is 1 of the length of the short side of the plane portion. The battery test apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the battery test apparatus is included in a range of / 4 to 1/2.
部分圧壊した前記電池の温度及び電圧の少なくとも一方を検出する第1の検出ステップと、
前記第1の検出ステップにおける検出結果が、良品候補判定のための閾値以下であれば良品候補と判定する第1の判定ステップと、
前記第1の判定ステップにおいて前記良品候補と判定された前記電池に対して所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返す電力制御ステップと、
前記電力制御ステップにおいて所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返された前記電池の温度を検出する第2の検出ステップと、
前記第2の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値以下であれば良品と判定する第2の判定ステップと、
を含むことを特徴とする電池試験方法。 A partial crushing step of placing a battery to be tested on a test bench and applying a pressing force to the battery so that the battery is incompletely crushed;
A first detection step of detecting at least one of the temperature and voltage of the partially collapsed battery;
A first determination step for determining a good product candidate if the detection result in the first detection step is equal to or less than a threshold for determining a good product candidate;
A power control step of alternately repeating charging and discharging for a predetermined number of cycles for the battery determined as the good product candidate in the first determination step;
A second detection step of detecting the temperature of the battery in which charging and discharging are repeated a predetermined number of cycles in the power control step;
A second determination step for determining a non-defective product if the temperature detected in the second detection step is equal to or lower than a predetermined threshold for determining the non-defective product;
A battery test method comprising:
前記電力制御ステップでの所定のサイクル数は、前記予備試験ステップでの前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定されることを特徴とする請求項7または8記載の電池試験方法。 Prior to the partial crushing step, charging and discharging are alternately repeated for a predetermined number of cycles without partial crushing of the battery to be tested, and a preliminary test for determining the relationship between the deteriorated battery capacity of the battery and the number of cycles. Further comprising steps,
The battery test according to claim 7 or 8, wherein the predetermined number of cycles in the power control step is defined based on a relationship between a deteriorated battery capacity of the battery and the number of cycles in the preliminary test step. Method.
前記電力制御ステップでは、前記基準サイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項9記載の電池試験方法。 From the relationship between the deteriorated battery capacity of the battery and the number of cycles in the preliminary test step, the reference cycle number at which the deteriorated battery capacity is initially included in the range of 50% to 25% is obtained.
The battery test method according to claim 9, wherein in the power control step, charging and discharging are alternately repeated by the number of reference cycles.
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