JP2019046544A - 二次電池の容量を測定する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池の容量の測定について、測定時間を短縮しつつ、かつ二次電池の容量を精度よく測定する。【解決手段】放電電流が所定値より小さい第1領域において定電流放電を行なった場合、定電流放電の完了までに要する時間と基準時間との差が放電電流が大きくなるほど小さくなり、放電電流が所定値以上の第2領域において定電流放電を行なった場合、定電流放電の完了までに要する時間と基準時間との差が放電電流の大きさに依らず規定値より小さくなる特性を有する二次電池において、第2領域において定電流放電を行なう第1ステップと、第1ステップの後に定電圧放電を行なう第2ステップと、電池の容量を算出する第3ステップとを含む方法によって二次電池の容量を測定する。【選択図】図10
Description
本開示は、二次電池の容量(以下「電池容量」ともいう)を測定する方法に関する。
特開平10−289729公報(特許文献1)には、二次電池の容量を測定する測定方法が開示されている。この測定方法では、二次電池の電圧が容量の測定開始時の初期電圧値から規定の電圧値に下がるまで、一定の放電電流で定電流放電(Constant Current放電:以下「CC放電」ともいう)が行われる。そして、CC放電に要した時間と放電電流とから二次電池の容量が算出される。
特許文献1に開示された二次電池の容量を測定する測定方法は、たとえば、二次電池の容量を検査するための容量検査工程において使用されることが考えられる。容量検査工程においては、測定効率を向上させるために二次電池の容量の測定に要する測定時間を短縮させることが望まれている。
ここで、二次電池の容量の測定に要する測定時間を短縮させるために、CC放電における放電電流を大きくして放電時間を短くすることが考えられる。しかしながら、CC放電における放電電流を大きくすると、二次電池の発熱も大きくなり、この影響によって二次電池の容量が正確に測定できない可能性がある。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、二次電池の容量の測定において、測定時間を短縮しつつ、かつ二次電池の容量を精度よく測定することである。
この開示にかかる測定方法は、二次電池の容量を測定する方法であって、二次電池の電圧が、容量の測定開始時の初期電圧値から初期電圧値よりも小さい第1電圧値に下がるまで第1放電電流値で定電流放電を行なう第1ステップと、第1ステップの後に、二次電池の放電電流が、第1放電電流値から第1放電電流値よりも小さい第2放電電流値に下がるまで、第1電圧値で定電圧放電を行なう第2ステップと、第1ステップにおける定電流放電による放電量と、第2ステップにおける定電圧放電による放電量とを用いて容量を測定する第3ステップとを含む。二次電池は、第1放電電流値が所定値より小さい第1領域において定電流放電を行なった場合、定電流放電の完了までに要する時間と基準時間との差が第1放電電流値が大きくなるほど小さくなり、第1放電電流値が所定値以上の第2領域において定電流放電を行なった場合、定電流放電の完了までに要する時間と基準時間との差が第1放電電流値の大きさに依らず規定値より小さくなる特性を有する。第1放電電流値は、第2領域に含まれる値に設定される。
上記方法によれば、所定値以上の第1放電電流値で、定電流放電が行なわれる。定電流放電を行なった後に第1電圧値で定電圧放電(Constant Voltage放電:以下「CV放電」ともいう)が行なわれる。そして、CC放電によって算出される容量とCV放電によって算出される容量とが加算されて二次電池の容量が算出される。
上記のように、所定値以上の第1放電電流値でCC放電が行われることによって、所定値よりも小さい第1放電電流値でCC放電が行われる場合に比べて放電時間が短くなる。そのため、二次電池の容量の測定時間が短縮される。
さらに、CC放電が行なわれた後にCV放電が行なわれることによって、二次電池の容量を精度よく測定することができる。所定値以上の第1放電電流値でCC放電が行われることにより二次電池が発熱し、その影響によって測定される二次電池の容量が正確に測定なされない可能性がある。本発明者は、CC放電の後にCVを行なうことによって測定される二次電池の容量が、二次電池の発熱により正確に測定なされない可能性を抑制することができることを実験的に見い出した。
所定値以上の第1放電電流値でCC放電を行ない、CC放電の後にCV放電を行なうことによって、二次電池の容量の測定において、測定時間を短縮しつつ、かつ二次電池の容量を精度よく測定できる。
本開示によれば、二次電池の容量の測定において、測定時間を短縮しつつ、かつ二次電池の容量を精度よく測定できる。
以下、本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り返さない。
<実施の形態1>
実施の形態1における測定方法は、二次電池が製造された後の検査工程における二次電池の容量の測定などに用いられるものである。実施の形態1では、二次電池の一例としてリチウムイオン電池を用いる例を示す。
実施の形態1における測定方法は、二次電池が製造された後の検査工程における二次電池の容量の測定などに用いられるものである。実施の形態1では、二次電池の一例としてリチウムイオン電池を用いる例を示す。
図1は、実施の形態1におけるリチウムイオン電池(以下、単に「電池」ともいう)2の容量の測定システム10の全体構成を示す図である。測定システム10は、検査装置1と、電池2と、充放電負荷3と、電流センサ4と、電圧センサ5とを備える。
検査装置1は、電池2の検査工程における各種の検査を行なう。検査装置1は、電流センサ4および電圧センサ5から出力された検出値を受けて、充放電負荷3を制御することによって電池2の充放電を制御する。充放電負荷3は、電池2の充放電を行なうための負荷であり、検査装置1によって制御される。電流センサ4は、電池2の放電電流を検出し、検査装置1に出力する。電圧センサ5は、電池2の放電電圧を検出し、検査装置1に出力する。
図2は、電池2の検査工程における経過時間と電圧との関係を示す図である。検査工程は、初期充電工程と、高温エージング工程と、自己放電工程と、容量検査工程と、抵抗検査工程とを含む。
初期充電工程では、電池2に初期充電が行なわれる。初期充電によって、電池のSOC(State Of Charge)は、たとえば制御上限値に調整される。高温エージング工程では、電池2に高温エージングが行なわれる。たとえば、数十℃程度の保管温度で数時間〜数日程度保管を行なう。自己放電工程では、電池2の自己放電が行なわれ電圧低下が測定される。容量検査工程では、電池2の容量が測定される。測定された容量が規定の容量を満たしているかによって良否判定が行われる。抵抗検査工程では、放電抵抗が測定される。抵抗検査工程は、容量検査工程の後に所定のSOCになるように電池2の電圧調整がなされ、放電抵抗が測定される。測定された放電抵抗が規定値以内にあるかによって良否判定が行われる。
実施の形態1に開示する電池2の容量(以下、電池2の容量を「電池容量」ともいう)を測定する測定方法は、容量検査工程において電池容量の測定に用いられる。一般に、容量検査工程においては、電池の容量を測定するために、CC放電による電池の容量を算出する方法が用いられることがある。CC放電においては、電池の電圧値が電池の容量の測定開始時の初期電圧から規定の電圧値に下がるまで一定の放電電流で放電が行なわれ、放電電流と放電に要した時間とから電池の容量が算出される。
本実施の形態1における容量検査工程においても、電池容量の測定にCC放電が用いられることが想定される。ここで、容量検査工程においては、測定効率を向上させるために電池容量の測定に要する測定時間を短縮させることが望まれている。そこで、電池容量の測定に要する測定時間を短縮させるために、CC放電における放電電流を大きくして放電時間を短くすることが考えられる。しかしながら、CC放電を行なう放電電流を大きくすると、測定時間の短縮は可能であるが、電池容量を精度よく測定することができない可能性がある。以下、その理由について具体的に説明する。
図3は、CC放電における放電電流と放電時間との関係を示す図である。本発明者は、実験的に図3に示す関係を見い出した。図3においては、横軸に放電電流(電流レート)が示され、縦軸に放電時間が示されている。放電電流は、電流レートと電池2の定格容量とにより一意に決定される。電流レートとは、電池2の定格容量に対する放電電流の比である。定格容量が一定であれば、電流レートと放電電流とは等価の関係になるものである。
図3に示すように、本開示における電池2は、放電電流を大きくするに従がって放電時間は短くなるが、所定値X以上の放電電流においては、放電時間はある基準の時間程度となる特性を有することがわかった。つまり、本開示における電池2は、所定値X以上の放電電流においては、放電時間とある基準の時間との差が規定の値よりも小さくなる。以下においては、所定値X以上の放電電流において、放電時間とある基準の時間との差が規定の値よりも小さくなることを「収束」ともいう。また、以下においては、上述の放電時間が収束するある基準の時間を「基準時間」ともいう。換言すると、本開示における電池2は、放電電流を大きくするに従がって放電時間は短くなるが、所定値X以上の放電電流においては放電時間が基準時間に概ね収束する特性を有する。なお、規定の値は、電池2についての実験等の結果から定められる。
所定値X以上の放電電流においては、放電電流をそれ以上大きくしても放電時間はほぼ短縮できない。所定値X以上の放電電流でCC放電を行なう領域を「収束領域」といい、所定値X未満の放電電流でCC放電を行なう領域を「変化領域」という。図3に示された所定値Yは、実施の形態1において最も低く設定された放電電流である。所定値Yは、変化領域にあり、所定値Yの放電電流による放電時間も最も長くなっている。
上述した特性を有する電池2においては、所定値X以上の放電電流においてCC放電を行なうことによって、放電時間を大幅に短縮させることが考えられる。
しかしながら、放電電流を大きくすることによって、電池2の発熱が大きくなる。電池2の発熱が大きくなることによって、電池2の温度(以下「電池温度」ともいう)のばらつきが顕著となり、算出される電池容量が正確に測定できず測定精度が低下する場合が生じ得る。以下、図4および図5を用いて上記課題について説明する。
図4は、CC放電における放電電流と電池温度との関係を示す図である。図4においては、横軸に放電電流(電流レート)が示され、縦軸に電池温度が示されている。図4に示されるとおり、放電電流が大きくなるに伴って、電池温度のばらつき幅が大きくなっている。
図5は、所定値Xの放電電流でのCC放電における電池温度と電池容量との関係を示す図である。図5においては、横軸に電池温度が示され、縦軸に電池容量が示されている。電池温度が高くなるに伴って、電池容量も大きくなっている。CC放電によって算出される電池容量は、電池温度によって容量幅Dccでばらつくことが示されている。
図4に示されたように放電電流を大きくすることによって電池温度のばらつき幅が大きくなると、電池温度がばらつくことに伴って図5に示されたように電池容量にも容量幅Dccのばらつきを生ずる。容量幅Dccのばらつきが生ずるため、電池容量が正確に測定できず測定精度が低下する。電池温度のばらつきが電池容量の測定精度を低下させることについて図6を用いて具体的に説明する。
図6は、所定値Xの放電電流でのCC放電における放電時間と電圧との関係を示す図である。図6においては、横軸に時間が示され、縦軸に電池2の電圧が示されている。放電電流が大きいと、電池2の発熱も大きくなり、図4で示した電池温度のばらつきによって、電池2の内部抵抗に影響を与える。内部抵抗が影響を受ける結果、図6に示すように、電圧の傾きがばらつき、電圧が規定の電圧となるまでの放電時間に差が生じる。ゆえに、放電電流と放電時間とから算出される電池容量に容量幅Dccが生じる。
以上のように、CC放電を行なう放電電流を大きくすると、測定時間を短縮させることはできるが、電池容量を精度よく測定することができない可能性がある。
上記の課題を解決するための方策の検討を重ねた結果、本発明者は、図7に示すように、所定値Xの放電電流でのCC放電の後にCV放電を行なう定電流定電圧放電(Constant Current Constant Voltage放電:以下「CCCV放電」ともいう)を行なうことにより、電池温度に起因する電池容量のばらつきを抑制することができることを見い出した。
図7は、所定値Xの放電電流でのCC放電における電池温度と電池容量との関係および所定値Xの放電電流でのCCCV放電における電池温度と電池容量との関係を示す図である。図7は、CC放電についてプロットされた図5に、さらにCCCV放電についてのプロットが加えられたものである。図7には、CC放電によって算出される電池容量が電池温度によってばらつきを生じる容量幅Dccと、CCCV放電によって算出される電池容量が電池温度によってばらつきを生じる容量幅Dcccvが示されている。図7に示されたように、容量幅Dcccvは容量幅Dccよりも小さくなっている。つまり、CC放電は、電池温度に起因する電池容量のばらつきが大きい。一方、CCCV放電は、電池温度に起因する電池容量のばらつきは小さく、電池温度に依らず精度よく電池容量の測定がなされている。
本発明者は、CC放電を行なう放電電流を大きくすると、電池容量を精度よく測定することができない可能性が生じる課題を解決する方策として上記の見い出した関係に着目した。本発明者は、所定値Xの放電電流でCC放電を行なった後にCV放電を行なうことにより電池容量を測定することとした。
これによって、所定値Xの放電電流におけるCC放電により、電池温度に起因する電池容量のばらつきが生じている状態であっても、CC放電を行なった後にCV放電を行なうことで、電池温度に起因する電池容量のばらつきを小さく抑えることができる。つまり、所定値Xの放電電流におけるCC放電により、放電時間を短くすることによって測定時間を短縮しつつ、CC放電を行なった後にCV放電を行なうことで電池容量を精度よく測定することができる。
図8は、所定値Xの放電電流でのCC放電における放電時間と電圧との関係および所定値Xの放電電流でのCCCV放電における放電時間と電圧との関係を示す図である。図8においては、横軸に時間が示され、縦軸に電池2の電圧が示されている。CCCV放電は、CC放電を行なった後にCV放電を行なうが、所定値Xの放電電流においては、CCCV放電の放電時間はCC放電の放電時間と概ね同等である。
よって、所定値Xの放電電流でのCCCV放電は、電池容量を精度よく測定しつつ、かつ放電時間を所定値Xの放電電流でのCC放電における放電時間と同等程度に短縮させることが可能である。
なお、各放電電流におけるCC放電とCCCV放電との放電時間の関係が図9に示されている。図9は、CC放電およびCCCV放電の放電電流と放電時間との関係を示した図である。図9は、CC放電についてプロットされた図3に、さらにCCCV放電についてのプロットが加えられたものである。図9に示されるとおり、CCCV放電の放電時間は、いずれの放電電流においてもCC放電の放電時間と概ね同等であることがわかる。
実施の形態1におけるCCCV放電について、フローチャートを用いて説明する。図10は、実施の形態1におけるCCCV放電のフローチャートである。このフローチャートは、容量検査工程が行われる毎に繰り返し実行される。
検査装置1はまず、メモリから電流レートを読み出す。検査装置1は、読み出した電流レートと電池2の定格容量とから第1放電電流値Ix1を決定する(ステップ10、以下ステップを「S」と略す)。
電池容量の測定を行なう電流レートはあらかじめ決められており、検査装置1の図示しないCPU(Central Processing Unit)に含まれるメモリに格納されている。
実施の形態1においては、第1放電電流値Ix1は所定値Xの放電電流に決定される。所定値Xの放電電流は、収束領域において最も小さい放電電流であるので、放電時間を短くして測定時間を短縮しつつ、電池2の発熱を抑制することができる。
検査装置1は、第1放電電流値Ix1でCC放電を行なう(S20)。検査装置1は、電池2の電圧が容量測定開始時の初期電圧値よりも小さい第1電圧値Vxまで下がったか否かを判定する(S30)。
S30において、検査装置1は、電池2の電圧が第1電圧値Vxまで電圧が下がっていないと判定すると(S30においてNO)、処理をS20に戻し、引き続きCC放電を行なう。一方、検査装置1は、S30において電池2の電圧が第1電圧値Vxまで下がったと判定すると(S30においてYES)、処理を進めCV放電を行なう(S40)。
検査装置1は、CV放電においては、第1電圧値Vxを保持し、CV放電を終了する規定の電流値である第2放電電流値Ix2まで放電電流が下がったか否かを判定する(S50)。第2放電電流値Ix2は第1放電電流値Ix1よりも小さい。
S50において、検査装置1は、放電電流値が第2放電電流値Ix2まで下がっていないと判定すると(S50においてNO)、処理をS40に戻し、引き続きCV放電を行なう。一方、S50において、検査装置1は、第2放電電流値Ix2まで放電電流値が下がったと判定すると(S50においてYES)、処理を進め電池容量の算出を行なう(S60)。
CCCV放電で算出される容量(以下「CCCV放電容量」ともいう)は、CC放電で算出される容量(以下「CC放電容量」ともいう)およびCV放電で算出される容量(以下「CV放電容量」ともいう)のそれぞれが算出され、加算されることで算出される。具体的には、CC放電容量は、第1放電電流値Ix1と、電池2の電圧が容量測定開始時の初期電圧値から第1電圧値Vxまで下がるのに要した時間とから算出される。CV放電容量は、放電電流と放電電流がCV放電開始時の第1放電電流値Ix1から第2放電電流値Ix2まで下がるのに要した時間とから算出される。これらを加算してCCCV放電容量が算出される。
なお、CC放電は、本開示にかかる「第1ステップ」に相当し、CV放電は、本開示にかかる「第2ステップ」に相当し、電池容量の算出は、本開示にかかる「第3ステップ」に相当する。
図11は、実施の形態1におけるCCCV放電のタイミングチャートである。図11においては、横軸に時間が示され、縦軸を電池2の電圧および電流が示されている。図11中の実線で電流が示され、点線で電圧が示されている。電池容量の測定が開始されると、電池2の電圧が容量測定開始時の初期電圧値よりも小さい第1電圧値Vxに下がるまで第1放電電流値Ix1でCC放電が行われる。
電池2の電圧が第1電圧値Vxまで下がると、第1電圧値Vxを維持して、CV放電が行われる。
CC放電容量は、第1放電電流値Ix1とCC放電に要した時間とから算出される。CV放電容量は、放電電流とCV放電に要した時間とから算出される。CC放電容量とCV放電容量とを加算してCCCV放電容量が算出される。換言すると、CCCV放電容量は、図11における実線で示された電流の曲線と時間軸とで囲まれる面積に相当する。
以上のように、実施の形態1においては、電池容量の測定において、所定値Xの放電電流でCC放電を行なうことで放電時間を短くし電池容量の測定時間を短縮させることができる。そして、CC放電を行なった後に、CV放電を行なうことで、所定値Xの放電電流でCC放電を行なうことによる電池容量のばらつきを抑制し、電池容量を精度よく測定することができる。
なお、実施の形態1においては、CCCV放電の放電電流を所定値Xで行なったが、収束領域にある放電電流(所定値X以上の放電電流)でCCCV放電を行えばよく、所定値Xの放電電流に限られるものではない。収束領域にある放電電流であれば、放電時間を大幅に短くすることができることにより、電池容量の測定時間を短縮することができる。また、所定値X以上の放電電流でCC放電を行なった後にCV放電を行なうことにより、電池容量を精度よく測定することができる。
<実施の形態2>
実施の形態1においては、検査工程において、容量検査工程の後に抵抗検査工程を行なった。容量検査工程と抵抗検査工程とを別々に行っているため、検査工程全体の検査時間が長くなる。そこで、実施の形態2においては、容量検査工程において放電抵抗値を算出する。それによって、抵抗検査工程をなくすことができ、検査工程全体にかかる時間を短縮することができる。以下、詳細を説明する。なお、電池容量の測定に関しては実施の形態1と同様であるため、ここでは繰り返し説明を行なわない。
実施の形態1においては、検査工程において、容量検査工程の後に抵抗検査工程を行なった。容量検査工程と抵抗検査工程とを別々に行っているため、検査工程全体の検査時間が長くなる。そこで、実施の形態2においては、容量検査工程において放電抵抗値を算出する。それによって、抵抗検査工程をなくすことができ、検査工程全体にかかる時間を短縮することができる。以下、詳細を説明する。なお、電池容量の測定に関しては実施の形態1と同様であるため、ここでは繰り返し説明を行なわない。
図12は、従来の電池2の検査工程における抵抗検査工程を概略的に示す図である。抵抗検査工程においては、容量検査工程の後に所定のSOCになるように電池2の電圧調整がなされ、放電抵抗値が測定される。測定された放電抵抗値が規定値以内にあるかによって良否判定が行われる。容量検査工程で電池2が放電された後に、電池2が充電され放電抵抗値の測定が行われるため、検査工程に時間を要する。
そこで、実施の形態2においては、容量検査工程において放電抵抗値の測定を行なう。図13は、実施の形態2の電池2の検査工程における抵抗検査工程を概略的に示す図である。電池容量の測定の開始時における電圧変化から放電抵抗値が算出される。つまり、CC放電の開始時における電圧と所定の間隔後の電圧との電圧変化から放電抵抗値が算出される。CC放電においては、放電電流値は一定であるから、上記の電圧変化を用いることによって、オームの法則などから放電抵抗が算出される。
なお、電池容量の測定の開始時における電圧変化から放電抵抗値が算出されたが、電池容量測定の開始時における電圧変化に限られるものではなく、CC放電時において任意の区間での電圧変化を用いてもよい。ただし、放電電流が流れることによって電池温度が高くなる。電池2の温度変化による影響が少ない電池容量の測定の開始時における電圧変化から放電抵抗値が算出されることが望ましい。
以上のように、実施の形態2においては、容量検査工程において放電抵抗の測定を行なう。そのため、抵抗検査工程をなくすことができ、検査工程全体の検査時間を短縮することができる。
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。本開示の範囲は、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。
1 検査装置、2 二次電池、3 充放電負荷、4 電流センサ、5 電圧センサ、10 測定システム。
Claims (1)
- 二次電池の容量を測定する方法であって、
前記二次電池の電圧が、前記容量の測定開始時の初期電圧値から前記初期電圧値よりも小さい第1電圧値に下がるまで第1放電電流値で定電流放電を行なう第1ステップと、
前記第1ステップの後に、前記二次電池の放電電流が、前記第1放電電流値から前記第1放電電流値よりも小さい第2放電電流値に下がるまで、前記第1電圧値で定電圧放電を行なう第2ステップと、
前記第1ステップにおける前記定電流放電による放電量と、前記第2ステップにおける前記定電圧放電による放電量とを用いて前記容量を測定する第3ステップとを含み、
前記二次電池は、前記第1放電電流値が所定値より小さい第1領域において前記定電流放電を行なった場合、前記定電流放電の完了までに要する時間と基準時間との差が前記第1放電電流値が大きくなるほど小さくなり、前記第1放電電流値が前記所定値以上の第2領域において前記定電流放電を行なった場合、前記定電流放電の完了までに要する時間と前記基準時間との差が前記第1放電電流値の大きさに依らず規定値より小さくなる特性を有し、
前記第1放電電流値は、前記第2領域に含まれる値に設定される、二次電池の容量を測定する方法。
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