JP2015169483A

JP2015169483A - 二次電池の異常判定装置

Info

Publication number: JP2015169483A
Application number: JP2014043262A
Authority: JP
Inventors: 正規渡邉; Masanori Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-09-28
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: JP6365820B2

Abstract

【課題】内部短絡の程度を高精度に判定することができる二次電池の異常判定装置を提供する。【解決手段】二次電池の短絡電流を算出し、算出した短絡電流に基づいて二次電池の異常の有無を判定する。【選択図】図４

Description

本発明は、集電体が電池ケース内に封入されてなる二次電池の異常判定装置に関し、特に、短絡電流に基づいて電池異常の有無を判定する二次電池の異常判定装置に関する。

近年、電気自動車（ＢＥＶ）やプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の電動車両が多数実用化されている。このような電動車両には、走行用モータに電力を供給するためのリチウムイオン電池等の二次電池（高圧バッテリ）が搭載されている。この二次電池は、例えば、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層体で形成される集電体を備え、この集電体をケース内に封入することによって形成されている。

このような構成の二次電池では、例えば、電池ケース内に混入した異物等により、電池ケース内に収容された集電体において短絡（内部短絡）が発生してしまう虞がある。二次電池の集電体は電池ケース内に封入されているため、内部短絡の状態を直接検出することはできない。

このため、従来は、所定時間における二次電池の電圧の変化量を計測し、この計測結果に基づいて内部短絡の有無、すなわち二次電池の異常の有無を判定していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５３２７５号公報

特許文献１に記載されているように、二次電池の電池電圧の変化量から内部短絡の有無を判定することはできるが、適切に判定できているとは言い難い。

電池電圧の変化量は、二次電池の状態、例えば、二次電池の充電率や、二次電池の経時劣化の程度等に応じて大きく変化する場合がある。このため、電池電圧の変化量に応じて内部短絡の有無、つまり二次電池の異常の有無を判定すると、正常な範囲と判定できるものまで異常ありと判定してしまう虞がある。すなわち電池電圧の変化量からは、短絡状態（内部短絡の程度）まで高精度に判定することは難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、内部短絡の程度を高精度に判定することができる二次電池の異常判定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、正極板及び負極板を備える電極束がケース内に封入されて構成された二次電池の異常を判定する異常判定装置であって、前記二次電池の短絡電流を算出する短絡電流算出手段と、前記短絡電流算出手段の算出結果に基づいて前記二次電池の異常の有無を判定する異常判定手段と、を有することを特徴とする二次電池の異常判定装置にある。

本発明の第２の態様は、第１の態様の二次電池の異常判定装置において、前記異常判定手段は、前記短絡電流が判定基準値以上である場合に前記二次電池の異常ありと判定する
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置にある。

本発明の第３の態様は、第２の態様の二次電池の異常判定装置において、前記二次電池の充電率に応じて前記判定基準値を設定する基準値設定手段を、さらに備えることを特徴とする二次電池の異常判定装置にある。

本発明の第４の態様は、第３の態様の二次電池の異常判定装置において、前記基準値設定手段は、前記二次電池の充電率と共に当該二次電池の温度に応じて前記判定基準値を設定することを特徴とする二次電池の異常判定装置にある。

本発明の第５の態様は、第２から４の何れか一つの態様の二次電池の異常判定装置において、前記短絡電流算出手段の算出結果に基づいて所定期間内の前記短絡電流の変化を演算する電流変化演算手段と、前記電流変化演算手段の演算結果に基づいて前記短絡電流が前記判定基準値に達する時期を推定する推定手段と、をさらに備えることを特徴とする二次電池の異常判定装置にある。

かかる本発明に係る二次電池の異常判定装置によれば、内部短絡の有無を判定できると共に、短絡状態（内部短絡の程度）まで判定することができる。また、短絡電流の変化を検出することで、継続使用可能期間を推定することもできる。

二次電池の構造の一例を示す分解斜視図である。二次電池の構造の一例を示す縦断面図である。二次電池が備える電極束の積層構造を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る二次電池の異常検出装置を示すブロック図である。電池容量と電池電圧との関係を規定するマップを説明するグラフである。ＳＯＣと短絡なし電流との関係を規定するマップを説明するグラフである。ＳＯＣと短絡電流との関係を示すグラフである。ＳＯＣ及び短絡電流と基準判定値との関係を示すグラフである。経過日数と短絡電流（推定値）との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
まずは、二次電池の構造の一例について簡単に説明する。図１及び図２に示すように、二次電池１０は、例えば、リチウムイオン電池である密閉形電池であり、正極板２１及び負極板２２を備える電極束（エレメント）２０と、集電体３０，４０とが非水電解液（図示なし）と共に電池ケース５０内に収容されている。この電池ケース５０の上部は、蓋部材６０で密閉されている。なお図示は省略するが、電池ケース５０内には電池ケース５０の内面を覆う絶縁部材が設けられており、電池ケース５０と内部に収容される電極束２０及び集電体３０，４０との絶縁が図られている。

電極束２０の正極板２１には集電体３０の一端側が接続され、この集電体３０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する正極端子部材７０が接続されている。負極板２２には集電体４０の一端側が接続されている。この集電体４０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する負極端子部材８０が接続されている。

蓋部材６０の上下面側には、各貫通孔６１の開口部に対応して絶縁シート部材９０がそれぞれ設けられている。正極端子部材７０及び負極端子部材８０は、この絶縁シート部材９０によって蓋部材６０との絶縁が図られている。

電極束２０は、図３に示すように、例えば、金属箔からなる正極板２１と負極板２２とがセパレータ２３を介してオフセット積層されて形成されている。本実施形態に係る電極束２０は、セパレータ２３を介して帯状の正極板２１及び負極板２２を扁平形状に捲回されて形成されている。なお帯状の正極板２１及び負極板２２には、両者が重なる部分に、それぞれ活物質が塗布されている。

次に、このような構成の二次電池１０の内部短絡の有無等の異常を判定する異常判定装置について説明する。

二次電池１０では、例えば、電池ケース５０内に混入した異物等による内部短絡が発生してしまう虞がある。本発明に係る異常判定装置は、二次電池１０の異常判定として、二次電池１０の内部短絡の有無の判定を所定のタイミングで実行する。

本実施形態に係る異常判定装置１００では、以下に詳しく説明するように、一定時間当たりの電圧の変化（低下）量を計測し、この電圧の変化量から算出される短絡電流に基づいて、二次電池１０の内部短絡の有無を判定する。これにより二次電池１０の内部短絡の有無を判定できると共に、短絡状態（短絡の程度）も比較的高精度に判定することができる。

図４に示すように、本実施形態に係る異常判定装置１００は、制御部として、電圧検出手段１１０と、短絡電流算出手段１２０と、基準値設定手段１３０と、異常判定手段１４０と、を有する。

電圧検出手段１１０は、二次電池１０の正極端子部材７０と負極端子部材８０との間における電圧（以下、電池電圧ともいう）を検出する。本実施形態では、短絡電流算出手段１２０は、電圧検出手段１１０によって検出された電池電圧に基づいて二次電池１０の短絡電流値を算出する。ここで「短絡電流」とは、二次電池１０の内部短絡に起因して生じる電流値をいう。

この「短絡電流」を算出するに当たって、まずは「総電流」を算出する。「総電流」とは、「短絡電流」と、その他の要因によって発生する電流との合計値である。まず二次電池１０の電池電圧Ｖ１（Ｖ）の変化量ΔＶ１を、電池容量Ａｈ１（Ａｈ）の変化量ΔＡｈ１に換算する。例えば、図５に示すような電池容量Ａｈ１と電池電圧Ｖ１との関係を規定したマップに基づいて、電池電圧の変化量ΔＶ１を、電池容量の変化量ΔＡｈ１に換算する。

ここで、電池容量Ａｈ１と電池電圧Ｖ１との関係は、二次電池１０の劣化状態によって変化する。具体的には、二次電池１０が「劣化あり」場合、「劣化なし」の場合よりも電池容量の最大値Ａｈ１ｍが減少する傾向にある（図５参照）。このため、電池容量の変化量ΔＡｈ１も、二次電池１０の劣化の有無によって値が変化する。したがって、電池容量Ａｈ１と電池電圧Ｖ１との関係は、複数の劣化状態で規定しておくことが好ましい。これにより、二次電池１０の劣化状態に応じて、電池電圧の変化量ΔＶ１を、電池容量の変化量ΔＡｈ１に適切に換算することができる。

なお、図５の例では、二次電池１０の「劣化あり」の場合と、「劣化なし」の場合とで、電池容量Ａｈ１と電池電圧Ｖ１との関係を規定しているが、「劣化あり」の替わりに、程度の異なる複数の劣化状態で、電池容量Ａｈ１と電池電圧Ｖ１との関係を規定するようにしてもよい。

この図５のグラフから分かるように、二次電池１０を満充電（この例では、４．１（Ｖ））の状態から所定時間ｔ（ｈ）だけ放置したときの電池電圧の変化量ΔＶ１が二次電池１０の劣化状態に拘わらず一定であるとすると、「劣化なし」の場合の電池容量の変化量ΔＡｈ１ａは、「劣化あり」の場合の電池容量の変化量ΔＡｈ１ｂよりも大きい値となる。すなわち二次電池１０の電池容量の変化量ΔＡｈ１は、二次電池１０の劣化状態によって変化する。したがって、図５のようなグラフ（マップ）に基づいて、二次電池１０の劣化状態に応じて電池電圧の変化量ΔＶ１を電池容量の変化量ΔＡｈ１に変換することで、電池容量の変化量ΔＡｈ１の正確性を高めることができる。

総電流Ａ１（Ａ）は、このように換算した電池容量の変化量ΔＡｈ１と、上記所定時間ｔ（ｈ）とから、下記式（１）で求めることができる。上述のように電池容量の変化量ΔＡｈ１の正確性が向上することに伴って、総電流Ａ１（Ａ）の正確性も向上される。
Ａ１＝ΔＡｈ１／ｔ（１）

そして、短絡電流Ａ２は、下記式（２）で表されるように、このように算出した総電流Ａ１から短絡なし電流Ａ３を減算することで求められる。
Ａ２＝Ａ１−Ａ３（２）

ここで、「短絡なし電流」とは、例えば、自己放電、セルモニタユニット（ＣＭＵ）での消費、暗電流等により流れる電流の値であり、予め計測しておく。またこの短絡なし電流は、二次電池１０の状態、例えば、充電率（ＳＯＣ）、温度、劣化状態等によって変化する。そこで、本実施形態では、異常判定装置１００が、二次電池１０の状態を変化させた複数のデータ（短絡なし電流）を保有するようにしている。例えば、図６に示すように、本実施形態では、温度を室温（２５℃）、０℃、−３０℃としたときの二次電池１０のＳＯＣと短絡なし電流との関係を規定したデータをマップとして保有するようにしている。また「劣化あり」の二次電池１０についても同様のデータを保有している。

このようなデータに基づいて短絡なし電流を求めることで、短絡電流の正確性を向上することができる。また上述のように総電流Ａ１（Ａ）の正確性も向上している。したがって、上記式（２）で求められる短絡電流Ａ２の正確性も大きく向上することになる。

また、短絡電流Ａ２は、二次電池１０の短絡状態（短絡の程度）によって大きく変化する。例えば、図７に示すように、短絡の程度が小さい状態（短絡：小）と、短絡の程度が中程度の状態（短絡：中）と、短絡の程度が大きい状態（短絡：大）と、を比較すると、短絡の程度が大きいほど総電流Ａ１の値は大きくなる。この傾向は、温度が違っていても同様である。そこで、本実施形態に係る異常判定装置１００は、二次電池１０の短絡状態に応じて、短絡電流Ａ２から二次電池１０の異常の有無を判定するようにしている。

ここで、基準値設定手段１３０は、二次電池１０の異常の有無の判定基準となる判定基準値Ｓ１を設定する。本実施形態に係る基準値設定手段１３０は、例えば、二次電池１０の充電率（ＳＯＣ）、二次電池１０の温度等に応じて判定基準値Ｓ１を設定する。

そして異常判定手段１４０は、このように短絡電流算出手段１２０によって算出された短絡電流Ａ２に基づいて、二次電池１０の異常の有無を判定する。具体的には、異常判定手段１４０は、短絡電流Ａ２が基準値設定手段１３０によって設定された判定基準値Ｓ１以上である場合に二次電池１０の異常ありと判定する。

例えば、図８に示すように、判定基準値Ｓ１を０．０８（Ａ）に設定している場合、二次電池１０の短絡状態が「短絡：中」「短絡：小」であると、ＳＯＣに拘わらず短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１を上回ることがないため、常に異常なしと判定される。一方、二次電池１０の短絡状態が「短絡：大」の場合、ＳＯＣが８０％以上になると短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１を上回る。したがって、ＳＯＣが８０％よりも小さい場合には異常なしと判定され、ＳＯＣが８０以上となると異常ありと判定されることになる。

以上のように短絡電流Ａ２に基づいて二次電池１０の異常の有無を判定することで、二次電池１０の状態に適した判定を行うことができる。

なお異常判定手段１４０によって判定された結果は、例えば、異常判定装置１００が備える表示装置１５０に表示される。

また、上述のように本実施形態では、短絡電流Ａ２に基づいて二次電池１０の異常の有無を判定するようにしたが、本発明の異常判定装置１００では、例えば、所定期間の短絡電流Ａ２の変化を計測することで、その測定結果を基に短絡電流が判定基準値Ｓ１に達する期間を予測することもできる。すなわち異常判定装置１００によって二次電池１０の異常ありと判定されるまでの期間を予測することができる。例えば、図９に示すように、所定期間として３０日間、短絡電流Ａ２の変化を計測することで、図中点線で示すように、その後の短絡電流Ａ２の変化を予測することができる。短絡電流Ａ２は、必ずしも直線的に変化するものではないが、ある程度の期間（例えば３０日程度）、短絡電流Ａ２の変化を計測することで、その後の短絡電流Ａ２の変化を予測することができる。つまり短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１に達するまでの期間を予測することができる。

例えば、図９に示す例では、二次電池１０の短絡状態が「短絡：Ａ」のものは、短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１に達するまでの期間を約５０日程度と予測でき、「短絡：Ｂ」のものは、短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１に達するまでの期間を約９０日程度と予測でき、「短絡：Ｃ」のものは、短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１に達するまでの期間を約１１０日程度と予測することができる。

これにより、二次電池１０の異常の発生を使用者に対して事前に警告することができ、使用者は、修理等の所望の対応を、時間的余裕をもって行うことができる。

なお二次電池１０の短絡電流Ａ２の計測は、一定条件で行うことは難しい。しかしながら、短絡電流Ａ２の測定値は、例えば、上述した各種マップを参照し、温度やＳＯＣに応じて適宜補正することができる。したがって、短絡電流Ａ２が判定基準値Ｓ１に達するまでの期間を比較的容易に予測することができる。

以上、本発明の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。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。

上述した二次電池の異常判定装置は、例えば、車両用の二次電池の異常判定に好適に用いられるものであるが、二次電池の用途は限定されるものではない。本発明に係る二次電池の異常判定装置は、例えば、家庭用の補助電源、各種ＡＶ機器、パソコン、携帯電話など、車両以外の他の機器に搭載される二次電池の異常判定にも適用でき、その場合にも上述した実施形態と同様な効果を奏する。

１０二次電池
２０電極束
２１正極板
２２負極板
２３セパレータ
３０，４０集電体
５０電池ケース
６０蓋部材
７０正極端子部材
８０負極端子部材
９０絶縁シート部材
１００異常判定装置

Claims

正極板及び負極板を備える電極束がケース内に封入されて構成された二次電池の異常を判定する異常判定装置であって、
前記二次電池の短絡電流を算出する短絡電流算出手段と、
前記短絡電流算出手段の算出結果に基づいて前記二次電池の異常の有無を判定する異常判定手段と、を有する
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置。
請求項１に記載の二次電池の異常判定装置において、
前記異常判定手段は、前記短絡電流が判定基準値以上である場合に前記二次電池の異常ありと判定する
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置。
請求項２に記載の二次電池の異常判定装置において、
前記二次電池の充電率に応じて前記判定基準値を設定する基準値設定手段を、さらに備える
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置。
請求項３に記載の二次電池の異常判定装置において、
前記基準値設定手段は、前記二次電池の充電率と共に当該二次電池の温度に応じて前記判定基準値を設定する
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置。
請求項２から４の何れか一項に記載の二次電池の異常判定装置において、
前記短絡電流算出手段の算出結果に基づいて所定期間内の前記短絡電流の変化を演算する電流変化演算手段と、
前記電流変化演算手段の演算結果に基づいて前記短絡電流が前記判定基準値に達する時期を推定する推定手段と、をさらに備える
ことを特徴とする二次電池の異常判定装置。