JP2013254586A - 内部短絡検出回路、充電装置、電池パック、及び電池電源システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる内部短絡検出回路、充電装置、電池パック、及び電池電源システムを提供する。
【解決手段】二次電池１１に流れる電流を電池電流Ｉｃとして検出する電流検出部４１１と、二次電池１１へ充電用の電圧及び電流を供給する充電部２１によって一定の基準電圧が二次電池１１へ供給される定電圧充電の実行中に、電池電流Ｉｃが増加した場合、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する判定部４１３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電中において二次電池の内部短絡を検出する内部短絡検出回路、並びにこの内部短絡検出回路を備えた充電装置、電池パック、及び電池電源システムに関する。

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耐熱層として備える非水電解質二次電池が、特許文献１に記載されている。このような耐熱層を有する二次電池は、例えば製造時に、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おそれが低減される。また、このような耐熱層を有する二次電池は、例え内部短絡が発生しても、内部短絡の拡大が防止される。

しかしながら、このような耐熱層を有する二次電池において内部短絡が発生した場合、短絡部分は局所的な狭い範囲に留まる。そのため、内部短絡が発生しても二次電池の端子電圧は急激に低下することがなく、二次電池の端子電圧に基づき内部短絡を検出することが困難であるという、不都合があった。

また、正極材料としてオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いた二次電池も知られている。しかしながら、正極材料としてオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いた二次電池は、正極の面抵抗が大きいため、内部短絡が生じた場合であっても、正極の抵抗によって短絡電流が制限される。またリチウムイオンの拡散速度も極めて遅い。その結果、内部短絡が生じた場合であっても、二次電池の端子電圧は急激に低下することがなく、二次電池の端子電圧に基づき内部短絡を検出することが困難であるという、不都合があった。

そこで、上述のような内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡を検出する方法として、以下の技術が知られている。

すなわち、二次電池を定電圧充電した場合、徐々に充電電流が減少していくことを利用して、二次電池を一定時間定電圧充電した前後での充電電流の減少量が、正常な二次電池の場合に予測される充電電流の減少量より少なかった場合に内部短絡が生じていると判定する発明が知られている（例えば特許文献２）。

特開２００７−１０９６３３号公報 特開２００９−３２５０６号公報

しかしながら、二次電池を定電圧充電することにより流れる充電電流は、徐々にわずかずつしか減少しないため、内部短絡が発生した後、二次電池を定電圧充電することによる充電電流の減少量が、二次電池の特性ばらつきや電流の測定誤差等と明確に区別できる程度に充分大きくなるのに長い時間が必要となる。そのため、特許文献２に記載の技術では、二次電池の内部短絡が発生してから、内部短絡を検出するまでの時間が長くなるという、不都合があった。

本発明の目的は、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる内部短絡検出回路、充電装置、電池パック、及び電池電源システムを提供することを目的とする。

本発明に係る内部短絡検出回路は、二次電池に流れる電流を電池電流として検出する電流検出部と、前記二次電池へ充電用の電圧及び電流を供給する充電部によって予め設定された一定の基準電圧が前記二次電池へ供給される定電圧充電の実行中に、前記電池電流が増加した場合、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定する判定部とを備える。

二次電池を定電圧充電すると、通常は二次電池に流れる電池電流が徐々に減少する。ところが、二次電池を定電圧充電している期間中に、二次電池に内部短絡が発生すると、短絡が発生した直後に二次電池に流れる電流が急激に増加する。この性質は、背景技術に記載されているような、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池であっても同様である。そこで、この構成によれば、判定部によって、二次電池へ供給される定電圧充電の実行中に、電池電流が増加した場合、二次電池に内部短絡が発生したと判定される。この場合、内部短絡が生じた直後の急激な電池電流の増加に基づき、内部短絡の発生を検出することができるので、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

また、前記判定部は、前記定電圧充電の実行中における前記電池電流の増加量が、予め設定された判定値を超えた場合、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定することが好ましい。

二次電池を定電圧充電すると、通常は二次電池に流れる電池電流は徐々に減少し、原理的には増加することはない。しかしながら、実際には、定電圧充電時における充電電圧の安定性や、電流検出部による電流検出誤差などの影響で、内部短絡が発生していないにもかかわらず、電流検出部により検出された電池電流の値が増加する場合がある。そこで、この構成によれば、判定部は、定電圧充電の実行中における電池電流の増加量が、予め設定された判定値を超えなければ、二次電池に内部短絡が発生したと判定しないので、上述のような充電電圧の安定性や電流検出誤差などの影響により、誤って内部短絡が発生したと判定するおそれが低減される。

また、前記二次電池の端子電圧を電池電圧として検出する電圧検出部と、前記充電部によって前記二次電池へ予め設定された一定の基準電流を供給させる定電流充電を実行し、前記定電流充電の実行中に、前記電圧検出部によって検出された電池電圧が前記基準電圧以上になったとき、前記定電流充電を終了し、且つ前記充電部によって前記二次電池へ前記基準電圧を供給させることによって前記定電圧充電を開始する充電制御部とを備え、前記充電制御部は、前記定電圧充電の実行中において、前記充電部によって前記二次電池に供給される電流を前記基準電流以下に制限し、前記判定部は、さらに、前記定電圧充電の実行中において前記電池電流が前記基準電流以上になったとき、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定することが好ましい。

この構成によれば、充電制御部は、充電電流を一定の基準電流とする定電流充電を実行した後に充電電圧を一定の基準電圧とする定電圧充電を実行する。また、充電制御部は、定電圧充電の実行中であっても、二次電池に供給される電流を基準電流以下に制限することによって、過電流による二次電池の劣化を低減する。この場合、定電圧充電の開始直後、電池電流が基準電流−判定値を下回る前に内部短絡が発生すると、内部短絡に伴う電池電流の増加量は、判定値を超えることがない。そのため、電池電流の増加量が判定値を超えるか否かのみに基づいて内部短絡の有無を判定すると、内部短絡を検出できない場合がある。そこで、判定部は、さらに、定電圧充電の実行中において電池電流が基準電流以上になったときにも、二次電池に内部短絡が発生したと判定することによって、内部短絡の発生を検出する確実性を向上することができる。

また、前記二次電池の正極及び負極のうち少なくとも一方の極板の面抵抗は、４Ω・ｃｍ^２以上であることが好ましい。

二次電池の正極及び負極のうち少なくとも一方の極板の面抵抗は、４Ω・ｃｍ^２以上である二次電池は、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない。本発明に係る内部短絡検出回路は、このような二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮することが容易である。

また、前記二次電池は、正極と負極との間に、耐熱性を有する耐熱層を有する非水電解質二次電池であってもよい。

正極と負極との間に耐熱性を有する耐熱層を有する非水電解質二次電池は、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない。本発明に係る内部短絡検出回路は、このような二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮することが容易である。

また、本発明に係る電池電源システムは、前記二次電池と、前記二次電池と接続された負荷回路と、前記二次電池から前記負荷回路へ流れる電流を負荷電流として検出する負荷電流検出部とを含む電気機器と、上述の内部短絡検出回路と、前記充電部と、前記充電部から前記二次電池及び前記負荷回路へ供給される電流を供給電流として検出する供給電流検出部とを含む充電装置とを含み、前記電流検出部は、前記供給電流と前記負荷電流との差を、前記電池電流として取得する。

二次電池と負荷回路とを含む電気機器と、充電装置とが分離可能な電池電源システムにおいて、電気機器は、負荷回路に流れる電流を管理する必要から、二次電池から前記負荷回路へ流れる電流を負荷電流として検出する負荷電流検出部を備えている。一方、充電装置は、二次電池の充電を制御する必要から、充電装置から電気機器へ流れる供給電流を検出する供給電流検出部を備えている。しかしながら、電気機器には、二次電池と負荷回路とが含まれているため、充電装置から電気機器へ供給された供給電流は、二次電池及び負荷回路に流れることになる。そのため、供給電流検出部により検出された供給電流は、二次電池に流れる電池電流と一致しない。そこで、電流検出部が、供給電流検出部により検出された供給電流と負荷電流検出部により検出された負荷電流との差を、電池電流として取得することによって、電流検出部は、二次電池に流れる電流を電池電流として検出することが可能となる。その結果、判定部は、電池電流に基づき内部短絡の発生の有無を判定することが可能となる。

また、本発明に係る電池電源システムは、上述の内部短絡検出回路と、前記二次電池と、前記充電部とを含む。

この構成によれば、内部短絡検出回路と、二次電池と、充電部とを含んだ電池電源システムにおいて、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

また、本発明に係る充電装置は、上述の内部短絡検出回路と、前記充電部とを含む。

この構成によれば、内部短絡検出回路と、充電部とを含んだ充電装置において、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

また、本発明に係る電池パックは、上述の内部短絡検出回路と、前記二次電池とを含む。

この構成によれば、内部短絡検出回路と、二次電池とを含んだ電池パックにおいて、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

このような構成の内部短絡検出回路、充電装置、電池パック、及び電池電源システムは、内部短絡が生じても急激な電圧低下が生じない二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

本発明の一実施形態に係る内部短絡検出回路を備えた電池電源システムの構成の一例を示すブロック図である。 、図１に示す二次電池（または二次電池に含まれる単電池）の構成の一例を示す概略断面図である。 図２に示す極板群の構成を詳細に示す断面図である。 図１に示す電池電源システムの動作の一例を示すフローチャートである。 二次電池に内部短絡が生じていない正常時における電池電源システムの動作を説明するための説明図である。 定電圧充電の実行中に、二次電池に内部短絡が発生した場合の電池電源システムの動作の一例を説明するための説明図である。 定電圧充電の実行中に、二次電池に内部短絡が発生した場合の電池電源システムの動作の他の例を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態に係る内部短絡検出回路を備えた電池電源システムの構成の他の例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る内部短絡検出回路を備えた電池電源システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す電池電源システム３は、電気機器１と、充電装置２とが組み合わされて構成されている。

電気機器１は、例えばＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）等の電動車両であってもよく、無停電電源装置や負荷平準化電源装置であってもよく、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器であってもよい。電気機器１は、二次電池を電源として用いる装置であればよく、特定の機器、装置に限定されない。

電気機器１は、例えば、二次電池１１、負荷回路１２、負荷側電流センサ１３（負荷電流検出部の一例）、制御部１４、及び接続端子１０１，１０２，１０３を備えている。

充電装置２は、二次電池１１を充電するための充電装置である。充電装置２は、内部短絡検出回路４、充電部２１、供給側電流センサ２２（供給電流検出部の一例）、及び接続端子２０１，２０２，２０３を備えている。内部短絡検出回路４は、制御部４１と、電圧検出部４２とを備えている。

例えば電気機器１が電動車両である場合、接続端子１０１，１０２，１０３は、例えば充電ポートとして設けられたコネクタである。接続端子２０１，２０２，２０３は、例えば充電ケーブルの先端に設けられたコネクタである。そして、ユーザが充電ケーブルを電動車両の充電ポートに接続することによって、接続端子１０１，１０２，１０３と接続端子２０１，２０２，２０３とが接続されるようになっている。

まず、電気機器１について説明する。二次電池１１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。なお、二次電池１１は、単電池であってもよく、複数の単電池が組み合わされた組電池として構成されていてもよい。

図２は、図１に示す二次電池１１（または二次電池１１に含まれる単電池）の構成の一例を示す概略断面図である。図２に示す二次電池１１は、巻回構造の極板群を有する円筒形の非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。極板群３１２は、正極リード集電体３０２を備えた正極板３０１と、負極リード集電体３０４を備えた負極板３０３とが、セパレータ３０５を介して渦巻き状に巻回された構造を有している。また、負極板３０３とセパレータ３０５との間には、図略の多孔性保護膜（耐熱層）が形成されている。

極板群３１２の上部には図略の上部絶縁板が、下部には下部絶縁板３０７が取り付けられている。そして、極板群３１２、及び図略の非水電解液（電解質）が入れられたケース３０８は、ガスケット３０９と封口板３１０と正極端子３１１とで封口されている。

そして、封口板３１０の略中央には、略円形の溝３１３が形成されている。ケース３０８内でガスが発生して内部圧力が所定の圧力を超えると、溝３１３が破断してケース３０８内のガスを放出するようになっている。また、正極端子３１１の略中央部には、外部接続用の凸部が設けられ、この凸部に電極開口部３１４が設けられている。溝３１３が破断して放出されたガスを、電極開口部３１４から二次電池１１の外部へ放出するようになっている。

負極リード集電体３０４は、ケース３０８と接続されている。これにより、ケース３０８は、負極端子３０８ａとして機能する。

なお、二次電池１１は、図２に示すような円筒型電池に限らない。

図３は、図２に示す極板群３１２の構成を詳細に示す断面図である。図３に示す極板群３１２は、負極集電体３２３、負極活物質３２４、多孔性保護膜３２５（耐熱層）、セパレータ３０５、正極活物質３２２、及び正極集電体３２１がこの順に積層されて構成されている。

図３に示す正極板３０１は、例えばアルミ箔等の金属箔からなる正極集電体３２１の表面に、正極活物質３２２が略均一に塗着されて構成されている。正極活物質３２２は、リチウムを含む遷移金属含有複合酸化物、例えば、非水電解質二次電池に使用されるＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等の遷移金属含有複合酸化物を正極活物質として含有する。

なお、正極活物質３２２として、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いてもよい。オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）は高抵抗であるため、正極活物質３２２として、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いた正極板３０１の面抵抗は、４Ω・ｃｍ^２以上となる。なお、電極板の面抵抗は、面積が大きくなるほど抵抗値が小さくなる反比例の関係にあるため、面抵抗の単位は、Ω・ｃｍ^２で表される。

また、図３に示す負極板３０３は、例えばアルミ箔等の金属箔からなる負極集電体３２３の表面に、負極活物質３２４が略均一に塗着されて構成されている。なお、正極板３０１及び負極板３０３のうち少なくとも一方の極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上であってもよい。

図３に示すセパレータ３０５は、大きなイオン透過度、及び所定の機械的強度を有する絶縁性の微多孔性薄膜である。

図３に示す多孔性保護膜３２５（耐熱層）は、例えば無機酸化物フィラーおよび樹脂結着剤を含む塗料（以下、多孔膜塗料）を調製し、これを負極板３０３の表面に塗布し、その塗膜を乾燥することで得られる。これにより、多孔性保護膜３２５は、負極板３０３の表面に密着して設けられている。

多孔膜塗料は、無機酸化物フィラーおよび樹脂結着剤を、フィラーの分散媒と混合することにより得られる。なお、多孔性保護膜３２５は、樹脂結着剤と無機酸化物フィラーを含む微粒子スラリーが、負極又は正極の表面の少なくとも一方に塗布されるものであればよい。多孔性保護膜３２５は、負極板３０３の表面に形成される例に限られず、正極板３０１の表面に形成されてもよく、正極板３０１及び負極板３０３の両方の表面に相対向するように形成されていてもよい。また、多孔性保護膜３２５の厚さは、０．１μｍ〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。

耐熱性の高い多孔性保護膜３２５を得る観点からは、無機酸化物フィラーが２５０℃以上の耐熱性（融点）を有し、かつ非水電解液二次電池の電位窓内で電気化学的に安定であることが望まれる。多くの無機酸化物フィラーはこれらの条件を満たすが、無機酸化物のなかでも、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどが好ましく、特に、粒径が０．１μｍ〜５０μｍの範囲にあるアルミナ粉末又はＳｉＯ_２粉末（シリカ）より選ばれることが好ましい。無機酸化物フィラーは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。なお、多孔性保護膜３２５（耐熱層）の耐熱温度（融点）は、必ずしも２５０℃以上に限られない。

イオン伝導性の良好な多孔性保護膜３２５を得る観点からは、無機酸化物フィラーの嵩密度（タップ密度）が０．２ｇ／ｃｍ^３以上０．８ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。嵩密度が０．２ｇ／ｃｍ^３未満では、無機酸化物フィラーが嵩高くなり過ぎて、多孔性保護膜３２５の構造が脆弱になることがある。一方、嵩密度が０．８ｇ／ｃｍ^３を超えると、フィラー粒子間に好適な空隙を形成することが困難になることがある。無機酸化物フィラーの粒子径は、特に限定されないが、粒子径が小さい方が嵩密度が低くなりやすい。

なお、多孔性保護膜３２５（耐熱層）の耐熱温度（融点）は、必ずしも２５０℃以上に限られない。また、耐熱層は、リチウムイオンが透過可能な耐熱性の材料で構成されていればよく、特定の材料に限定されない。耐熱層として、例えば融点が２５０℃以上の耐熱材料であるアラミド樹脂層を用いてもよい。

なお、極板群３１２は、正極板３０１及び負極板３０３のうち少なくとも一方の極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上であって、かつ多孔性保護膜３２５を備えない構成であってもよい。

多孔性保護膜３２５を備えた二次電池１１、あるいは正極板３０１及び負極板３０３のうち少なくとも一方の極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上である二次電池１１は、内部短絡が生じても、急激な端子電圧の低下が生じない二次電池である。

なお、二次電池１１は、必ずしも急激な端子電圧の低下が生じない二次電池でなくてもよい。二次電池１１は、多孔性保護膜３２５を備えていなくてもよいし、正極板３０１及び負極板３０３の面抵抗が、いずれも４Ω・ｃｍ^２未満であってもよい。

図１を参照して、接続端子１０１は、二次電池１１の正極端子と接続されている。接続端子１０２は、二次電池１１の負極端子と接続されている。そして、接続端子１０１と二次電池１１の正極端子との接続点Ｐ１が、負荷側電流センサ１３を介して負荷回路１２の一端に接続されている。負荷回路１２の他端は、二次電池１１の負極端子と接続端子１０２との接続点Ｐ２に接続されている。

負荷側電流センサ１３は、二次電池１１から負荷回路１２へ流れる電流を負荷電流ＩＬとして検出する。そして、負荷側電流センサ１３は、負荷電流ＩＬを示す信号を、制御部１４へ出力すると共に、接続端子１０３，２０３を介して制御部４１へ出力する。負荷側電流センサ１３は、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサである。

負荷回路１２は、例えばモータや、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の電気回路である。

制御部１４は、例えばマイクロコンピュータである。制御部１４は、例えば図略のＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを実行することによって、負荷電流ＩＬを積算する。そして、制御部１４は、負荷電流ＩＬの積算値を二次電池１１の満充電容量から減算することによって、二次電池１１に蓄電されている残電気量や、ＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。そして、制御部１４は、算出した残電気量やＳＯＣを示す情報を、例えば図略の液晶表示器に表示したり、図略のＥＣＵへ送信したりする。

次に、充電装置２について説明する。電圧検出部４２は、例えば分圧抵抗やＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ等により構成されている。電圧検出部４２は、接続端子２０１，２０２に接続されている。これにより、電圧検出部４２は、接続端子２０１，２０２、及び接続端子１０１，１０２を介して、二次電池１１の電池電圧Ｖｂを検出する。そして、電圧検出部４２は、電池電圧Ｖｂを示す信号を制御部４１へ出力する。

供給側電流センサ２２は、充電部２１から電気機器１へ供給される電流を供給電流Ｉｓとして検出する電流センサである。そして、供給側電流センサ２２は、供給電流Ｉｓを示す信号を、制御部４１へ出力する。供給側電流センサ２２は、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサである。

充電部２１は、例えばスイッチング電源回路を用いて構成されている。充電部２１の＋端子は供給側電流センサ２２、接続端子２０１，１０１を介して二次電池１１の正極端子に接続される。また、充電部２１の−端子は接続端子２０２，１０２を介して二次電池１１の負極端子に接続される。

そして、充電部２１は、制御部４１からの要求に応じた充電電圧、充電電流を生成し、生成した充電電圧、充電電流を、供給側電流センサ２２及び接続端子２０１，１０１，２０２，１０２を介して二次電池１１へ供給する。

制御部４１は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭと、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部４１は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、電流検出部４１１、充電制御部４１２、及び判定部４１３として機能する。

電流検出部４１１は、供給側電流センサ２２から出力された供給電流Ｉｓを示す信号と、負荷側電流センサ１３から出力された負荷電流ＩＬを示す信号とに基づいて、下記の式（１）に基づき、供給電流Ｉｓから負荷電流ＩＬを減算することによって、二次電池１１に流れる電流を電池電流Ｉｃとして算出する。

電池電流Ｉｃ＝Ｉｓ−ＩＬ ・・・（１）
電気機器１では、充電装置２が取り外された状態では、二次電池１１から負荷回路１２へ供給される負荷電流ＩＬが検出できればよいので、負荷側電流センサ１３は接続点Ｐ１と負荷回路１２との間に設けられている。そのため、電気機器１は、二次電池１１に充電される充電電流を検出する電流センサを備えていない。

一方、充電装置２は、充電部２１から電気機器１へ供給される供給電流Ｉｓを検出する供給側電流センサ２２を備えている。しかしながら、充電部２１から電気機器１へ供給された電流は、二次電池１１のみならず、負荷回路１２にも流れる。

そこで、充電装置２は、電流検出部４１１を備えることによって、二次電池１１に充電される充電電流を検出する電流センサを備えず、二次電池１１から負荷回路１２へ流れる負荷電流ＩＬを検出する負荷側電流センサ１３を備えた電気機器１が充電対象であった場合であっても、二次電池１１に流れる電流を電池電流Ｉｃとして検出することができる。

なお、負荷側電流センサ１３が、接続点Ｐ１と二次電池１１との間、又は接続点Ｐ２と二次電池１１との間に配設されている場合、負荷側電流センサ１３を電流検出部として用い、負荷側電流センサ１３の検出電流値を、電池電流Ｉｃとして用いてもよい。この場合、電流検出部４１１、及び供給側電流センサ２２を備える必要はない。

充電制御部４１２は、いわゆる定電流定電圧（ＣＣＣＶ：Constant Current Constant Voltage）充電によって、二次電池１１を充電するように充電部２１の動作を制御する。具体的には、充電制御部４１２は、充電部２１によって二次電池１１へ予め設定された一定の基準電流Ｉｃｃを供給させる定電流充電を実行する。

また、充電制御部４１２は、定電流充電の実行中に電圧検出部４２によって検出された電池電圧Ｖｂが、定電圧充電の充電電圧として予め設定された基準電圧Ｖｆ以上になったとき、定電流充電を終了する。そして、充電制御部４１２は、充電部２１によって二次電池１１へ基準電圧Ｖｆを供給させることによって定電圧充電を開始する。基準電圧Ｖｆは、例えば二次電池１１の満充電電圧である。

充電制御部４１２は、定電圧充電の実行中において、充電部２１によって二次電池１１に供給される電池電流Ｉｃを基準電流Ｉｃｃ以下に制限させる。充電制御部４１２によって電池電流Ｉｃが制限されたときは、電池電圧Ｖｂは基準電圧Ｖｆより低くなる。

判定部４１３は、充電制御部４１２によって定電圧充電が実行されている期間中に、電流検出部４１１によって取得された電池電流Ｉｃが予め設定された基準時間ｔｗ内に増加した場合において、その増加量が予め設定された判定値Ａを超えたとき、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する。

判定値Ａとしては、二次電池１１に内部短絡が生じていない場合において、定電圧充電中に電池電流Ｉｃが増加する可能性のある電流値が設定されている。具体的には、例えばノイズや、充電部２１の出力電圧精度誤差（基準電圧Ｖｆからの出力電圧のずれ）、あるいは電流検出部４１１による電池電流Ｉｃの算出誤差（負荷側電流センサ１３及び供給側電流センサ２２の電流検出誤差）等を加算した値が、判定値Ａとして設定されている。

次に、上述のように構成された電池電源システム３の動作について説明する。図４は、図１に示す電池電源システム３の動作の一例を示すフローチャートである。図５は、二次電池１１に内部短絡が生じていない正常時における電池電源システム３の動作を説明するための説明図である。

まず、充電制御部４１２は、電流検出部４１１により取得される電池電流Ｉｃに基づいて、二次電池１１に流れる電池電流Ｉｃの電流値が基準電流Ｉｃｃと一致するように、充電部２１によって、二次電池１１の充電電流を供給させる（ステップＳ１、タイミングＴ１）。これにより、一定の基準電流Ｉｃｃによって二次電池１１を充電する定電流充電が開始される。

電池電流Ｉｃは、上記式（１）に基づき算出されるので、電池電流Ｉｃが基準電流Ｉｃｃとなるように、充電部２１の出力電流を調節すると、充電部２１は、基準電流Ｉｃｃと、負荷回路１２に流れる負荷電流ＩＬとを加算した電流を出力することになる。

定電流充電が実行されると、二次電池１１の電池電圧Ｖｂは徐々に上昇する。

充電制御部４１２は、電圧検出部４２によって検出された電池電圧Ｖｂを基準電圧Ｖｆと比較する（ステップＳ２）。そして、電池電圧Ｖｂが基準電圧Ｖｆに満たなければ（ステップＳ２でＮＯ）、充電制御部４１２は、再びステップＳ１，Ｓ２を繰り返し、定電流充電を継続する。

一方、電池電圧Ｖｂが基準電圧Ｖｆ以上になると（ステップＳ２でＹＥＳ）、充電制御部４１２は、定電流充電から定電圧充電に移行する。すなわち、充電制御部４１２は、充電部２１によって、一定の基準電圧Ｖｆを充電電圧として二次電池１１へ供給させる（ステップＳ３、タイミングＴ２）。定電圧充電が実行されると、二次電池１１に流れる電池電流Ｉｃは、徐々に減少する。

次に、定電圧充電の実行中に、判定部４１３は、電流検出部４１１によって電池電流Ｉｃを取得させる。そして、判定部４１３は、その電池電流Ｉｃを電流値Ｉ１として一時的に記憶することによって取得する（ステップＳ４）。

判定部４１３は、電流検出部４１１によって電池電流Ｉｃを取得させた後、予め設定された基準時間ｔｗの間待機する（ステップＳ５）。

そして、ステップＳ４の実行後、基準時間ｔｗが経過すると、判定部４１３は、電流検出部４１１によって電池電流Ｉｃを取得させる。そして、判定部４１３は、その電池電流Ｉｃを電流値Ｉ２として一時的に記憶することによって取得する（ステップＳ６）。

次に、判定部４１３は、電流値Ｉ１と判定値Ａとの加算値と、電流値Ｉ２とを比較する（ステップＳ７）。そして、電流値Ｉ２が、電流値Ｉ１と判定値Ａとの加算値より大きくなければ（ステップＳ７でＮＯ）、判定部４１３は、二次電池１１の内部短絡は発生していないと判断し、ステップＳ８へ移行する。

二次電池１１に内部短絡が発生していない場合、電池電流Ｉｃは、定電圧充電中において、図５（ｂ）に示すように、徐々に低下する。従って、ステップＳ７において、原則的にはＩ２＞Ｉ１となる。しかしながら、実際には、ノイズの影響や、充電部２１の出力電圧精度誤差（基準電圧Ｖｆからの出力電圧のずれ）、あるいは電流検出部４１１による電池電流Ｉｃの算出誤差（負荷側電流センサ１３及び供給側電流センサ２２の電流検出誤差）等によって、内部短絡が生じていなくても、わずかながら電流値Ｉ１が電流値Ｉ２を超えるおそれがある。

そこで、判定部４１３は、Ｉ２＞Ｉ１＋Ａとなった場合に、二次電池１１の内部短絡は発生していないと判断することで、内部短絡の有無を判定する確実性を向上することができる。

一方、ステップＳ７において、電流値Ｉ２が、電流値Ｉ１と判定値Ａとの加算値より大きい場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、判定部４１３は、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する（ステップＳ１１）。そして、判定部４１３は、二次電池１１の充電を停止するべくステップＳ１０へ移行する。

図６は、定電圧充電の実行中に、二次電池１１に内部短絡が発生した場合の電池電源システム３の動作の一例を説明するための説明図である。図６（ａ）は電池電圧Ｖｂの変化を示し、図６（ｂ）は電池電流Ｉｃの変化を示している。

図６（ｂ）は、タイミングＴ３において二次電池１１に内部短絡が発生した場合の電池電流Ｉｃを示している。なお、電池電源システム３によれば、本来は図６におけるタイミングＴ４の後、二次電池１１の充電は終了するのであるが、理解を容易にするため、図６においては、タイミングＴ４以降も定電圧充電が継続した場合における電池電圧Ｖｂと電池電流Ｉｃとを示している。図６（ｂ）におけるグラフＧ１は、二次電池１１に内部短絡が発生した直後の電池電流Ｉｃの過渡的な変化を示し、グラフＧ２は、グラフＧ１の過渡的な変化後の電池電流Ｉｃを示し、グラフＧ３は、二次電池１１に内部短絡が発生していない場合の電池電流Ｉｃを示している。

図６（ｂ）に示すように、二次電池１１に内部短絡が発生すると（タイミングＴ３）、二次電池１１に流れる電池電流Ｉｃは一時的（過渡的）に急増する（グラフＧ１）。

この場合、例えば、タイミングＴ３において判定部４１３がステップＳ４を実行し、タイミングＴ３における電池電流Ｉｃが判定部４１３によって電流値Ｉ１として取得される（ステップＳ４）。そして、基準時間ｔｗの経過後（ステップＳ５）、タイミングＴ４における電池電流Ｉｃが判定部４１３によって電流値Ｉ２として取得される（ステップＳ６）。

内部短絡が発生した直後の電池電流Ｉｃの過渡的な変化（グラフＧ１）は、二次電池１１の特性、例えば多孔性保護膜３２５の特性や、極板の面抵抗などによって異なる。そこで、二次電池１１の特性に応じて、電池電流Ｉｃの過渡的な上昇時間（内部短絡により生じる過渡的な電流パルスの時間幅）より短く、かつ電池電流Ｉｃの過渡的な変化を検出可能な時間が、例えば実験的に求められて、基準時間ｔｗとして予め設定されている。

次に、判定部４１３は、電流値Ｉ１と判定値Ａとの加算値と、電流値Ｉ２とを比較する（ステップＳ７）。グラフＧ１によれば、電流値Ｉ２は、電流値Ｉ１と判定値Ａとの加算値より大きいので（ステップＳ７でＹＥＳ）、判定部４１３は、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する（ステップＳ１１）。そして、判定部４１３は、二次電池１１の充電を停止するべくステップＳ１０へ移行する。

なお、判定部４１３は、必ずしも電流値Ｉ１を取得してから基準時間ｔｗ経過後に電流値Ｉ２を取得する例に限らない。例えば、判定部４１３は、定電圧充電中に、電池電流Ｉｃが減少から増加に転じたときの電池電流Ｉｃを電流値Ｉ１として取得し、その後に電池電流Ｉｃが増加から減少に転じたときの電池電流Ｉｃ（ピーク値）を電流値Ｉ２として取得することによって、内部短絡が発生した直後の電池電流Ｉｃの過渡的な変化（グラフＧ１）におけるピークｔｏピーク値を、定電圧充電の実行中における電池電流Ｉｃの増加量として取得してもよい。

ところで、もし仮に、タイミングＴ４以降も定電圧充電を継続した場合、図６（ｂ）に示すように、定電圧充電による充電が進むにつれて、徐々に電池電流Ｉｃが減少する（グラフＧ２）。

多孔性保護膜３２５を備えた二次電池１１、あるいは正極板３０１及び負極板３０３のうち少なくとも一方の極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上である二次電池１１は、内部短絡が生じても、図６（ｂ）に示すように、電池電流Ｉｃの過渡的な上昇（グラフＧ１）が発生した後、緩やかな電流減少（グラフＧ２）に移行する性質がある。このとき、電池電流Ｉｃの減少速度（グラフＧ２の傾き）は、内部短絡が発生していないときの電池電流Ｉｃの減少速度（グラフＧ３の傾き）よりも遅く（緩やか）になる。

そこで、特許文献２に記載の背景技術では、二次電池を定電圧充電したときの充電電流の減少（グラフＧ２に相当）が、正常な二次電池の場合に予測される充電電流の減少（グラフＧ３に相当）より少なかった場合に内部短絡が生じていると判定している。そのため、特許文献２に記載の技術では、電池電流Ｉｃの過渡的な上昇（グラフＧ１）後、電池電流Ｉｃが緩やかに減少する状態（グラフＧ２）になってからでなければ内部短絡の有無を判定できない。

一方、図１に記載の内部短絡検出回路４は、ステップＳ４〜Ｓ７、Ｓ１１の処理により、電池電流Ｉｃの過渡的な上昇（グラフＧ１）が生じたときに、二次電池１１の内部短絡の有無を判定することができるので、背景技術よりも、内部短絡の発生後に内部短絡の有無を判定できるまでの時間、すなわち二次電池の内部短絡の検出に必要な時間を短縮できる。

なお、多孔性保護膜を備えず、かつ両極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上満たない一般的な二次電池は、内部短絡が発生すると、電池電流Ｉｃが急激に上昇したまま電流が低下することがない。

図１に記載の内部短絡検出回路４は、ステップＳ４〜Ｓ７、Ｓ１１の処理により、上記のような一般的な二次電池についても、内部短絡によって生じた急激な電池電流Ｉｃに基づいて、内部短絡の有無を判定することができる。従って、図１に記載の内部短絡検出回路４は、多孔性保護膜３２５を備えた二次電池、正極板及び負極板のうち少なくとも一方の極板の面抵抗が、４Ω・ｃｍ^２以上である二次電池、及び上記のような一般的な二次電池のいずれに対しても、内部短絡の有無を判定することができる。

次に、ステップＳ８において、判定部４１３は、電流値Ｉ２と基準電流Ｉｃｃとを比較する（ステップＳ８）。そして、電流値Ｉ２が基準電流Ｉｃｃに満たなければ（ステップＳ８でＮＯ）、判定部４１３は、内部短絡は発生していないと判定してステップＳ９へ移行する。一方、電流値Ｉ２が基準電流Ｉｃｃ以上であれば（ステップＳ８でＹＥＳ）、判定部４１３は、ステップＳ１１へ移行し、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する（ステップＳ１１）。そして、判定部４１３は、二次電池１１の充電を停止するべくステップＳ１０へ移行する。

図７は、ステップＳ８の動作を説明するための説明図である。図７（ｂ）に示すように、定電圧充電の開始（タイミングＴ２）後、電池電流Ｉｃが（基準電流Ｉｃｃ−判定値Ａ）を下回る前のタイミングＴ５において、二次電池１１に内部短絡が発生した場合、電池電流Ｉｃは増加するものの、電池電流Ｉｃが基準電流Ｉｃｃになると（タイミングＴ６）、充電制御部４１２は、充電部２１によって電池電流Ｉｃを基準電流Ｉｃｃに制限させる。この場合、電池電流Ｉｃの増加量は、判定値Ａに満たなくなる。その結果、内部短絡が発生しているにもかかわらず、ステップＳ７において、判定部４１３によって二次電池１１の内部短絡は発生していないと判断され（ステップＳ７でＮＯ）、ステップＳ８へ移行する。

このように、ステップＳ７の判定処理だけでは、図７（ｂ）に示すように、タイミングＴ５において、二次電池１１に内部短絡が発生した場合、内部短絡の発生を検出することができない。

そこで、ステップＳ８において、判定部４１３は、定電圧充電の開始（ステップＳ３、タイミングＴ２）後、基準時間ｔｗ以上経過（ステップＳ５）したときの電池電流Ｉｃである電流値Ｉ２と、基準電流Ｉｃｃとを比較する（ステップＳ８）。そして、電流値Ｉ２が基準電流Ｉｃｃ以上であれば（ステップＳ８でＹＥＳ）、図７（ｂ）のタイミングＴ６で示すように、内部短絡の発生により増加した電池電流Ｉｃを、充電制御部４１２が基準電流Ｉｃｃに制限していることになるから、判定部４１３は、二次電池１１に内部短絡が発生したと判定する（ステップＳ１１）。そして、判定部４１３は、二次電池１１の充電を停止するべくステップＳ１０へ移行する。

なお、判定部４１３は、ステップＳ８において必ずしも電流値Ｉ２と、基準電流Ｉｃｃとを比較しなくてもよい。判定部４１３は、定電圧充電が開始（ステップＳ３、タイミングＴ２）されてから電池電流Ｉｃの減少が確認可能な時間として予め設定された待機時間以上経過した後、ステップＳ８において電流検出部４１１により得られた電池電流Ｉｃと基準電流Ｉｃｃとを比較し、電池電流Ｉｃが基準電流Ｉｃｃ以上になったとき、ステップＳ１１へ移行して二次電池１１に内部短絡が発生したと判定してもよい。

以上、ステップＳ８の処理により、タイミングＴ５において二次電池１１に内部短絡が発生した場合であっても、内部短絡の発生を検出することが可能となる。

一方、電流値Ｉ２が基準電流Ｉｃｃに満たなければ（ステップＳ８でＮＯ）、充電制御部４１２は電池電流Ｉｃを基準電流Ｉｃｃに制限していないから、判定部４１３は、二次電池１１の内部短絡は発生していないと判定し（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ９へ移行する。

図５を参照して、ステップＳ９において、充電制御部４１２は、電流値Ｉ２と終止電流Ｉｆとを比較する（ステップＳ９）。そして、電流値Ｉ２が終止電流Ｉｆ以上であれば（ステップＳ９でＮＯ）、充電制御部４１２は、定電圧充電を継続するべくステップＳ３へ移行し、以下、ステップＳ３〜Ｓ９を繰り返す。一方、電流値Ｉ２が終止電流Ｉｆに満たなければ（ステップＳ９でＹＥＳ、タイミングＴ７）、充電制御部４１２は、定電圧充電を終了するべくステップＳ１０へ移行する。

ステップＳ１０において、充電制御部４１２は、充電部２１の出力電流を０にさせ、二次電池１１の充電を終了する（ステップＳ１０）。

なお、充電制御部４１２は、必ずしもステップＳ１、Ｓ２を実行しなくてもよい。また、判定部４１３は、ステップＳ８を実行しない構成であってもよい。また、判定部４１３は、ステップＳ７において、判定値Ａを用いず、電流値Ｉ２が電流値Ｉ１より大きい場合（Ｉ２＞Ｉ１）、すなわち電池電流Ｉｃが増加した場合、内部短絡が発生したと判定する（ステップＳ１１）ようにしてもよい。

また、電池電源システム３は、必ずしも電気機器１と充電装置２とから構成される例に限らない。図１に示す電気機器１と充電装置２とが一体にされた一つの装置として電池電源システム３が構成されていてもよい。この場合、電池電源システム３は、負荷回路１２を含んでいなくてもよい。

また、例えば図８に示すように、電池パック５が、内部短絡検出回路４ａと二次電池１１とを備え、充電装置２ａは、内部短絡検出回路４や供給側電流センサ２２を備えず、充電部２１を備える構成としてもよい。具体的には、内部短絡検出回路４ａが、制御部４１ａ、電圧検出部４２、及び電流検出部４１１ａを備えてもよい。そして、電流検出部４１１ａを、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサとし、電流検出部４１１ａを、接続点Ｐ１から接続点Ｐ２に至る経路上で二次電池１１と直列に配設してもよい。

制御部４１ａは、電流検出部４１１を備えず、代わりに電流検出部４１１ａを用いてもよい。そして、充電制御部４１２が、接続端子１０３ａ，２０３ａを介して充電部２１へ制御信号を出力することによって、充電部２１の動作を制御するようにしてもよい。

本発明に係る内部短絡検出回路、充電装置、電池パック、及び電池電源システムは、携帯型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ビデオカメラ、及び携帯電話機等の電子機器、並びに、太陽電池や発電装置と二次電池とを組み合わされた電源システム及び無停電源装置等の電池搭載装置、並びに電気自動車やハイブリッドカー等の車両等、種々の装置、システムにおいて、好適に利用することができる。

１ 電気機器
２，２ａ 充電装置
３ 電池電源システム
４，４ａ 内部短絡検出回路
５ 電池パック
１１ 二次電池
１２ 負荷回路
１３ 負荷側電流センサ
１４，４１，４１ａ 制御部
２１ 充電部
２２ 供給側電流センサ
４２ 電圧検出部
１０１，１０２，１０３，２０１，２０２，２０３ 接続端子
３０１ 正極板
３０３ 負極板
３０８ａ 負極端子
３１１ 正極端子
３２５ 多孔性保護膜
４１１，４１１ａ 電流検出部
４１２ 充電制御部
４１３ 判定部
Ｉ１，Ｉ２ 電流値
Ｉｃ 電池電流
Ｉｃｃ 基準電流
Ｉｆ 終止電流
ＩＬ 負荷電流
Ｉｓ 供給電流
ｔｗ 基準時間
Ｖｂ 電池電圧
Ｖｆ 基準電圧

Claims (9)

1. 二次電池に流れる電流を電池電流として検出する電流検出部と、
   前記二次電池へ充電用の電圧及び電流を供給する充電部によって予め設定された一定の基準電圧が前記二次電池へ供給される定電圧充電の実行中に、前記電池電流が増加した場合、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定する判定部と
   を備える内部短絡検出回路。
2. 前記判定部は、
   前記定電圧充電の実行中における前記電池電流の増加量が、予め設定された判定値を超えた場合、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定する請求項１記載の内部短絡検出回路。
3. 前記二次電池の端子電圧を電池電圧として検出する電圧検出部と、
   前記充電部によって前記二次電池へ予め設定された一定の基準電流を供給させる定電流充電を実行し、前記定電流充電の実行中に、前記電圧検出部によって検出された電池電圧が前記基準電圧以上になったとき、前記定電流充電を終了し、且つ前記充電部によって前記二次電池へ前記基準電圧を供給させることによって前記定電圧充電を開始する充電制御部とを備え、
   前記充電制御部は、
   前記定電圧充電の実行中において、前記充電部によって前記二次電池に供給される電流を前記基準電流以下に制限し、
   前記判定部は、さらに、
   前記定電圧充電の実行中において前記電池電流が前記基準電流以上になったとき、前記二次電池に内部短絡が発生したと判定する請求項２記載の内部短絡検出回路。
4. 前記二次電池の正極及び負極のうち少なくとも一方の極板の面抵抗は、４Ω・ｃｍ^２以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路。
5. 前記二次電池は、
   正極と負極との間に、耐熱性を有する耐熱層を有する非水電解質二次電池である請求項１〜４のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路。
6. 前記二次電池と、前記二次電池と接続された負荷回路と、前記二次電池から前記負荷回路へ流れる電流を負荷電流として検出する負荷電流検出部とを含む電気機器と、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路と、前記充電部と、前記充電部から前記二次電池及び前記負荷回路へ供給される電流を供給電流として検出する供給電流検出部とを含む充電装置とを含み、
   前記電流検出部は、
   前記供給電流と前記負荷電流との差を、前記電池電流として取得する
   電池電源システム。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路と、
   前記二次電池と、
   前記充電部とを含む電池電源システム。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路と、
   前記充電部とを含む充電装置。
9. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内部短絡検出回路と、
   前記二次電池とを含む電池パック。

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