JP2015021827A - 電池の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液の含浸不良による不具合個所を短時間で正確に検査する電池の検査方法を提供する。
【解決手段】正極板１３と、負極板１４と、正極板１３および負極板１４との間に介挿されるセパレータ１５とを含む電極巻回体２０と、セパレータ１５に含浸された状態で保持される電解液３０と、電極巻回体２０の周囲に電解液３０を封入して保持する電池ケース４０とを備える電池の検査方法である。超音波を送信する送信機６０と超音波を受信する受信機７０とを、セパレータ１５が電解液３０を含浸すべき位置に、電池ケース４０の外方から挟んで対向させて配置し、受信機７０で受信された超音波の信号に基づいて行なう。
【選択図】図４

Description

この発明は、電池、特に二次電池の電解液が所望の状態に注入されているかを検査する、電池の検査方法に関する。

従来、電池の内部の状態を電池を分解などすることなく、検査する方法が知られている。

特開２００２−３０５０３６号公報（特許文献１）は、電解液に含浸された電極に対して、２以上の異なる定電流値で所定の端子電圧となるまで放電する。そして放電後に測定される放電容量を比較することにより、電極のサイクル特性を評価する。

特開２００７−３２２２３６号公報（特許文献２）には、鉛蓄電池のケース内の溶液に浸漬するように、一対の超音波トランスデューサからなるセンサを備え、残存容量を把握する構成が開示されている。

特開２００２−３０５０３６号公報 特開２００７−３２２２３６号公報

電池内に電解液を含浸する工程において含浸が不十分な箇所が発生すると、電池の初期性能が得られず、耐久性能が低下するおそれがある。

従来技術の検査方法では、電池内の電解液の含浸不良を発見するため、いくつか条件を変更して放電させる必要があり、検査に時間がかかるといった問題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電解液の含浸不良による不具合個所を短時間で正確に検査することである。

本発明による電池の検査方法は、正極と、負極と、正極および負極との間に介挿されるセパレータとを含む電極と、セパレータに含浸された状態で保持される電解液と、電極の周囲に電解液を封入して保持する容器と、を備える。電池の検査方法では、超音波を送信する送信機と超音波を受信する受信機とを、セパレータが電解液を含浸すべき位置に、容器の外方から挟んで対向させて配置し、受信機で受信された超音波の信号に基づいて行なう。

本発明による電池の検査方法によれば、容器の外方に配置された送信機から超音波を送信すると、容器の内部を通過する際、電解液を含浸すべきセパレータの位置を通過して、容器を外方から挟んで対向する受信機により受信される。

受信機が受信した超音波の伝播特性の変化に基づいて、セパレータが電解液を含浸しているか否かの検査を行ない、含浸すべき位置で含浸されていない場合、含浸不良とすることができる。

本発明の実施の形態に従う電池の検査方法を示す模式的な斜視図である。 図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿った位置での断面図である。 図２の要部の拡大図で、含浸不良が発生しやすい箇所を示す模式的な平面図である。 図１中ＩＶ−ＩＶ線に沿った位置での電池ケースの断面図である。 実施の形態の一変形例で、図４に相当し間隔を一定に保持する検査治具により超音波トランスデューサが配置された様子を示す電池の断面図である。 実施の形態の他の変形例で、電池と超音波トランスデューサとの配置関係を示す断面図である。 実施の形態の電池の検査方法に用いる検査装置の回路図である。 送信用のトランスデューサに印加するパルス状の信号波形の一例を示す波形図である。 トランスデューサで受信された信号波形を示し、含浸不良の場合の波形図である。 トランスデューサで受信された信号波形を示し、正常の場合の波形図である。 実施の形態の検査時間と、比較例の検査方法の時間とを比較して短縮結果を示すグラフ図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従う電池の検査方法を示す模式的な斜視図である。
図２は、図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿った位置での断面図である。

図１，図２を参照して、車両に用いられるリチウムイオン二次電池などのバッテリ１０は、正極端子１１と、負極端子１２と、これらの正，負極端子１１，１２にそれぞれ接続される薄板状の正極および負極とそれらを隔てるセパレータが巻回された電極に該当する電極巻回体２０と、電極巻回体２０に含浸された状態で保持される電解液（図示せず）と、電極巻回体２０の周囲に電解液を封入して保持する容器に相当する電池ケース４０とを備える。

バッテリ１０の基本的な構成は、特開２０１１−２３１４１号公報に記載されているものとほぼ同じである。電池ケース４０の厚さ方向寸法Ｗ１は、長手方向寸法Ｌ１，高さ方向寸法Ｈ１に比較して小さく設定されている。

電池ケース４０のうち最も薄い厚さ方向寸法Ｗ１が設定される側面部４１，４１間は、外方から挟むように検査装置５０（後に図７に示す）の送信機６０および受信機７０が当接されて、被検査対象部位となる。

検査が行なわれる際、電池ケース４０の外方から送信機６０により、超音波の信号が送信されると、電池ケース４０内の電極巻回体２０のうち、被検査対象としての電解液３０が含浸すべき位置をこの信号が通過する。電池ケース４０の反対側で対向する位置に配置された受信機７０はこの超音波の信号を受信する。この実施の形態の検査装置５０は、発信された超音波の信号と、受信された超音波の信号とを比較して得られる変化に基づいて、バッテリ１０の検査を行なう。

図２を参照して、送信機６０と受信機７０とが対向して配置される位置は、側面部４１の幅方向中央で上面部材４３よりに設定されている。

さらにこの実施の形態では、送信機６０と受信機７０とが対向して配置される位置は、側面部４１のうち、電極巻回体２０の外側面を押圧する押圧部（図２の破線で示す長方形の範囲）４１ａの上部中央で、電解液３０が保持されにくいと考えられる箇所に対向するように設定されている。

さらに具体的には、電解液３０を注液する際に注液口４４に近く、最後に含浸されて電解液３０が不均一になりやすい箇所などを検査可能とすることが要求される。このため、所望の良好な含浸状態になりにくい箇所に超音波の信号を当てて検査できるように送信機６０と受信機７０とを対向させる配置としている。

図３は、図２の要部の拡大図で、含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１，Ｋ２を示す模式的な平面図である。

図３を参照して、含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１，Ｋ２は、電解液３０が注入される際に最後に満たされる注液口４４近傍（Ｋ２参照）で、電極巻回体２０の上湾曲部２１（図４参照）のうち、長手方向中央（Ｋ１参照）である。そこで、送信機６０と受信機７０とを対向させる配置位置として、これらの箇所Ｋ１，Ｋ２を超音波の信号が通過するように設定されることが好ましい。

また、図３に示すように、含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１，Ｋ２に対向する位置に送信機６０と受信機７０とを配置するものに限らず、例えば、電極巻回体２０の上下方向上半分の下端と、注液口４４との間を放物線を描いて結ぶ範囲の内側に送信機６０と受信機７０とを対向させて配置するものであってもよい。

図４は、図１中ＩＶ−ＩＶ線に沿った位置での電池ケース４０の断面図である。
図４を参照して、この実施の形態の電池ケース４０の内部には、正極端子１１と、負極端子１２とから延設された接続部材１７，１８（図２参照）が延設されている。これらの接続部材１７，１８は、電解液に浸された電極巻回体２０に接続されている。

電池ケース４０内に収納される電極巻回体２０は、正極板１３と、負極板１４と、セパレータ１５とを含む。

正極板１３は、正極端子１１と接続部材１７により接続されていて導通可能とされている。負極板１４は、負極端子１２と接続部材１８により接続されていて導通可能とされている。これらの正極板１３と負極板１４とは、それぞれ長尺平板状で湾曲可能に構成されている。

セパレータ１５は、これらの正極板１３と負極板１４とほぼ同じ大きさの長尺平板状であり、正極板１３と負極板１４と同様に湾曲可能に構成されている。セパレータ１５は、正極板１３と負極板１４との間に介挿されることにより正極板１３と負極板１４との間の短絡を防止する。

また、電池ケース４０の内部に封入された電解液３０は、セパレータ１５に含浸され、電解液３０は、正極板１３と負極板１４との間に保持される。

そして、電極巻回体２０は、縦方向に巻回されて電池ケース４０内に収容される。電極巻回体２０は、セパレータ１５を正極板１３と、負極板１４との間に介装させ、さらに短絡を防止するために別のセパレータ１５を加えて合計４枚が積層された状態で、電池ケース４０に対して縦方向に巻回されている。

この際、電極巻回体２０が巻回された際の中心軸が延設される方向をほぼ水平として、電池ケース４０の長手方向（図４の紙面前後方向）Ｍ１に沿った状態で、電池ケース４０の内側に平行に設けられた押圧部４１ａ，４１ａ間に圧入される。

電池ケース４０の内部では、円柱状の電極巻回体２０が左右両側から押圧部４１ａ，４１ａに挟まれて、湾曲していた外周の両側部が押圧部４１ａ，４１ａに倣って変形することにより、平坦部２３，２４を構成する。

電極巻回体２０の平坦部２３，２４は、変形により電池ケース４０内側面に位置する押圧部４１ａ，４１ａとの接触面積を増大させながら平行に圧接される。このため、振動等による電極巻回体２０の移動が抑制される。また、図１に示すように電池ケース４０は、厚さ方向寸法Ｗ１が比較的小さくても、内部に積層数の多い電極巻回体２０を高い占有率で収容できる。よって、設置スペースが限られる車両などへの搭載性も良好である。

電池ケース４０は、有底の直方体形状を有し、左右一対の側面部４１，４１は、他の側端面４２などに比較して広い面積に設定されている。電池ケース４０の上面部に開口形成された開口部には、長尺板状の上面部材４３が嵌着されている。上面部材４３の左右端縁近傍には、外側方に向けて正極端子１１と負極端子１２とが突設されている。

上面部材４３には、正極端子１１と負極端子１２との間に図１に示す注液口４４が開口形成されている。注液口４４は、蓋体４５によって開閉塞可能であり、開放状態では図示しない電解液３０を電池ケース４０の内部に注入可能としている。

なお、電解液３０は、電池ケース４０内に封入されて用いられているが、構造部分の説明の容易化のため、各図１〜４の電解液３０の記載を一部または全部省略して説明する。

また、電解液３０が含浸される電極巻回体２０のうち、上湾曲部２１と、下湾曲部２２と、平坦部２３，２４とは、連続して渦巻状に形成されている。このうち、上湾曲部２１は、下湾曲部２２に比して含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１に近く、含浸にくい箇所Ｋ２が含まれる。

また、電極巻回体２０の平坦部２３，２４は、電池ケース４０の側面部４１，４１の内側で押圧部４１ａ，４１ａによって、両側から中心方向へ押圧されている。このため、平坦部２３，２４は、平面状の側面部４１裏面側に位置する押圧部４１ａに倣って、ほぼ鉛直方向へセパレータ１５を延在させている。

電解液３０の注液口４４に近い電極巻回体２０の上部中央位置では、注入された電解液３０が上湾曲部２１のセパレータ１５と連続する沿直方向へ変形したセパレータ１５を伝って流下していわゆる含浸不良となる可能性がある。

次に、この実施の形態の電池の検査方法の作用効果について説明する。
この実施の形態では、電池ケース４０の外方に配置された送信機６０から超音波の信号を送信すると、電池ケース４０の内部を通過する際、電解液３０を含浸すべきセパレータ１５の位置を通過する。セパレータ１５で電解液３０の含浸の程度に応じて、波形を変化させた超音波の信号は、電池ケース４０を外方から挟んで対向する受信機７０により受信される。

受信機７０が受信した超音波の信号に基づいて、セパレータ１５が電解液３０を含浸しているか否かの検査が行なわれる。そして、含浸すべき位置でセパレータ１５が含浸されていない場合、信号の電波特性の変化から含浸不良とすることができる。

セパレータ１５が電解液３０を含浸しているか否かの検査は、最も含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１，Ｋ２で行なうことが好ましい。

図５は、実施の形態の一変形例で、図４に相当し間隔を一定に保持する検査治具８０により超音波トランスデューサの送信機６０，受信機７０が配置された様子を示すバッテリ１０の断面図である。

図５を参照して、検査治具８０の左，右一対のアーム部８１，８２には、それぞれ超音波トランスデューサの送信機６０，受信機７０が予め装着されている。

この一変形例では、図１〜図４に示した実施の形態のバッテリ１０の検査方法に加えて、さらに検査治具８０が用いられて送信機６０と受信機７０とがそれぞれ図５に示すように電池ケース４０の外側から挟むように配置される。

検査治具８０を用いることによって、送信機６０と受信機７０とは、電池ケース４０の内部の含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１，Ｋ２（図３参照）に対して、側面部４１，４１の外方から、常に一定の間隔で対向する。このため検査の精度を向上させることができる。

また、検査治具８０を用いることにより複数個のバッテリ１０の検査であっても、迅速に行なうことができる。

さらに、送信機６０と受信機７０との間隔が検査治具８０に固定されることにより、一定に保たれる。このため、検査対象であるバッテリ１０ごとに一定となるように管理が容易に行なえる。このような管理を行なうことにより、バッテリ１０の形状や種類が異なっても同様に検査することができる。

図６は、実施の形態の他の変形例で、バッテリ１０と超音波トランスデューサの送信機１６０，受信機１７０との配置関係を示す断面図である。

図６を参照して、この変形例の超音波トランスデューサの送信機１６０，受信機１７０は、超音波の送受信を行なう先端面１６１，１７１を斜めに形成している。

送信機６０と受信機７０とを電池ケース４０の側面部４１，４１に配置すると、送信機１６０の先端面１６１と受信機１７０の先端面１７１とは、それぞれ図６に示すように電池ケース４０の上部でさらに上面部材４３に近い上湾曲部２１の方向へ向けて、超音波を送受信できる。

従って、例えば図３に示した含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ１によりもさらに上面部材４３寄りの箇所Ｋ２を検査することができる。このため、送信機１６０，受信機１７０の配置スペースが限られる場合などでも、含浸不良が発生しやすい箇所Ｋ２に超音波を当てることができる。

図７は、実施の形態の電池の検査方法に用いる検査装置５０の回路図である。
図７を参照して、この実施の形態の検査装置５０は、超音波トランスデューサの送信機６０に接続されるパルス生成回路５６と、受信機７０に接続されるアンプ５４とにそれぞれ接続される監視回路５２とを備える。

監視回路５２は、伝播特性検出回路５１と、電解液含浸不良判定回路５３とを含む。
パルス生成回路５６で発生させたパルスは、超音波トランスデューサの送信機６０に送られる。超音波トランスデューサの受信機７０は、バッテリ１０内を伝播してきた超音波を電気信号に変換する。

バッテリ１０の内部の図示しない電極巻回体２０は超音波を大きく減衰させる。このため、受信された受信信号はアンプ５４で増幅されて監視回路５２に出力されることが好ましい。

監視回路５２の伝播特性検出回路５１は、増幅した受信信号と、パルス生成回路５６で生成された元の信号とを比較する。比較されるパラメータは、音の伝播速度の変化と、信号振幅の変化とがある。

セパレータ１５に対する電解液３０の含浸が十分でない場合、音の伝播速度は遅くなり、信号の振幅は減少する。これは電極巻回体２０内のセパレータ１５に電解液３０が十分含浸した場合、含浸していない場合と比較して、電解液３０が接触媒体となって超音波を通しやすいからである。なおここでは、送信波としてパルス波を用いた例を示しているが送信波は連続波であっても良い。

連続波の場合は、位相の変化から音の伝播速度を求めたり、振幅の変化から伝達に伴う減衰量を求めることができる。音の伝播速度を求めるには、ロックイン法など既存の方法を用いることができる。

図８は、送信機６０に印加されるパルス状の信号波形の一例を示す波形図である。
図８を参照して、このパルス状の信号波形をパルス生成回路５６で発生させて、超音波トランスデューサの送信機６０に送り、超音波として出力する。そして、超音波トランスデューサの受信機７０側で、バッテリ１０内を伝播してきたこの超音波の波形を受信して電気信号に変換する。

図９は、トランスデューサで受信された信号波形を示し、含浸不良の場合の波形図である。

図１０は、トランスデューサで受信された信号波形を示し、正常の場合の波形図である。

図９の波形と図１０の波形とを比較すると、波形に明確な相違が存在する。送信波がパルス波であると、受信波の波形持続時間の変化により含浸不良を捉えることができる。検出は、音の伝播速度の変化または減衰量の変化を捉えて行なわれてもよい。この方法で分析を行なうことにより、含浸の不良を精度良く検出することができる。

図１１は、実施の形態の検査時間の短縮結果を、比較例の検査方法の時間と比較して示すグラフ図である。

図４、図１１を参照して、実施の形態の方法の効果を説明する。比較例の検査方法では、電解液３０が流動しない低温に調整した後、３０Ｃの電流レートでのパルス充放電を行なって検査をする。本実施の形態では、トランスデューサの送信機６０，受信機７０をバッテリ１０の側面部４１，４１に押し付けるだけで良い。このため、検査時間の大幅な短縮が可能である。

上述してきたように、本実施の形態の電池の検査方法では、バッテリ１０の電極巻回体２０、特にセパレータ１５への電解液３０の含浸不良を短時間で精度良く判定できる。

バッテリ１０は、正極板１３と、負極板１４と、正極板１３および負極板１４との間に介挿されるセパレータ１５とを含む電極巻回体２０と、セパレータ１５に含浸された状態で保持される電解液３０と、電極巻回体２０の周囲に電解液３０を封入して保持する電池ケース４０とを備える。

電池の検査方法は、超音波を送信する送信機６０と超音波を受信する受信機７０とを、セパレータ１５が電解液３０を含浸すべき位置に、電池ケース４０の外方から挟んで対向させて配置し、受信機７０で受信された超音波の信号に基づいて行なう。

本発明による電池の検査方法によれば、電池ケース４０の外方に配置された送信機６０から超音波を送信すると、電池ケース４０の内部を通過する際、電解液３０を含浸すべきセパレータ１５の位置を通過して、電池ケース４０を外方から挟んで対向する受信機７０により受信される。

受信機７０は、受信した超音波の信号に基づいて、セパレータ１５が電解液３０を含浸しているか否かの検査を行なう。含浸すべき位置で含浸されていない場合、超音波の伝播特性が変化していることから、信号の波形の相違を捉えて不良とすることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ バッテリ、１１ 正極端子、１２ 負極端子、１３ 正極板、１４ 負極板、１５ セパレータ、１７，１８ 接続部材、２０ 電極巻回体、２１ 上湾曲部、２２ 下湾曲部、２３，２４ 平坦部、３０ 電解液、４０ 電池ケース、４１ 側面部、４１ａ 押圧部、４２ 側端面、４３ 上面部材、４４ 注液口、４５ 蓋体、５０ 検査装置、５１ 伝播特性検出回路、５２ 監視回路、５３ 電解液含浸不良判定回路、５４ アンプ、５６ パルス生成回路、６０，１６０ 送信機、６１，７１，１６１，１７１ 先端面、７０，１７０ 受信機、８０ 検査治具、８１，８２ アーム部。

Claims (1)

1. 正極と、
   負極と、
   前記正極および前記負極との間に介挿されるセパレータとを含む電極と、
   前記セパレータに含浸された状態で保持される電解液と、
   前記電極の周囲に前記電解液を封入して保持する容器と、を備えた電池の検査方法において、
   超音波を送信する送信機と超音波を受信する受信機とを、前記セパレータが前記電解液を含浸すべき位置に、前記容器の外方から挟んで対向させて配置し、前記受信機で受信された超音波の信号に基づいて検査を行なう、電池の検査方法。

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