JP2019074363A - 二次電池の試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充放電試験において、二次電池の充放電による発熱の影響を低く抑える。【解決手段】恒温槽２を用意する工程と、二次電池２００を個別に冷却する冷却装置１０を恒温槽２内に配置する工程と、二次電池２００を恒温槽２に配置するとともに、二次電池２００を充電または放電する回路４に接続する工程と、恒温槽２を予め定められた温度Ｔ１に設定する工程と、充電または放電されることによって二次電池２００が発熱した場合にあるいは二次電池２００の発熱が予測される場合に、二次電池の温度Ｔ２と恒温槽２に設定された温度Ｔ１との差が小さくなるように、恒温槽２内に配置された冷却装置１０によって二次電池２００を冷却する工程とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の試験方法に関する。

特開２０１３−１６４２９７号公報には、恒温槽と、恒温槽内の電池にそれぞれ通電して充放電試験を行う充放電試験器と、試験温度の設定及び調節を行う制御手段と、加熱冷却手段、恒温槽、充放電試験器及び制御手段を収容する架台とを有する電池の充放電試験装置が開示されている。同公報では、恒温槽は、開閉扉を架台の前面に露出させた状態で該架台の前上側に配置されている。加熱冷却手段は、架台の下側に配置されている。充放電試験器は、架台の背面側の左右方向一側に配置されている。制御手段は、該制御手段の操作部を開閉扉の左右方向一側に位置させて該架台の前面側の左右方向一側に配置されている。架台の背面側の左右方向他側には、加熱冷却手段を冷却した後の冷却用空気を該架台の外部に排出する排気路が設けられている。同公報では、架台の背面側の左右方向他側に、加熱冷却手段を冷却した後の冷却用空気を架台の外部に放出する排気路を設けたので、充放電試験器の他側が排気路側に位置することになって、排気路を通過する使用済の冷却用空気の流れによって、充放電試験器内からの熱を効率的に排出することができるとされている。

特開２０１３−１６４２９７号公報

ところで、二次電池は、充放電によって発熱する場合がある。このため、充放電による発熱の影響によって二次電池の周りで局所的に温度が上昇しうる。つまり、恒温槽内において、充放電による発熱の影響によって二次電池の周りで温度が上昇することがある。一定の温度条件下で二次電池の充放電試験を行う場合において、温度条件について高精度な試験が求められる場合には、二次電池の充放電による発熱の影響が低く抑えられることが望ましい。

ここで提案される二次電池の試験方法は、
恒温槽を用意する工程と、
恒温槽内に配置され、二次電池を個別に冷却する冷却装置を用意する工程と、
二次電池を恒温槽に配置するとともに、二次電池を充電または放電する回路に接続する工程と、
恒温槽を予め定められた温度Ｔ１に設定する工程と、
充電または放電されることによって二次電池が発熱した場合にあるいは二次電池の発熱が予測される場合に、二次電池の温度Ｔ２と恒温槽に設定された温度Ｔ１との差が小さくなるように、恒温槽内に配置された冷却装置によって二次電池を冷却する工程と
を含んでいる。

かかる方法によれば、予め定められた温度条件における二次電池の充電または放電を伴う試験において、二次電池の充放電による発熱の影響が低く抑えられる。

図１は、ここで提案される二次電池の試験方法の装置構成を示す模式図である。 図２は、冷却装置の一例を示す模式図である。 図３は、冷却装置の他の例を示す模式図である。 図４は、充放電試験における二次電池２００の冷却フローの一例を示すフローチャートである。

以下、ここで提案される二次電池の試験方法の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。

ところで、一定の温度条件下で二次電池の充放電試験を行う場合、例えば、恒温槽内において複数個の二次電池を配置し、それぞれ異なる充放電のパターンの試験を一度に試験することもできる。しかし、電解液の粘度や露点に影響するような低温環境、または、電解液の融点に影響するような高温環境での充放電の性能を試験するような場合には、二次電池の温度を精度良く管理することが求められる。例えば、恒温槽内において複数個の二次電池を配置し、それぞれ異なる充放電のパターンの試験を一度に行うと、恒温槽内の温度管理が難しい。

このため、発明者は、例えば、恒温槽に配置する二次電池を１つとし、充放電での二次電池の発熱量を予測し、また、二次電池に温度センサを取り付けつつ、充放電のタイミングに合わせて恒温槽の温度を目標温度よりも少し下げるなどしている。これにより、充放電による二次電池の発熱によって温度が上昇する影響が小さく抑えられる。しかし、恒温槽に配置する二次電池を１つとしなければならず、効率がよくなかった。

図１は、ここで提案される二次電池の試験方法の装置構成を示す模式図である。
図１に示されているように、ここで提案される二次電池の試験方法では、恒温槽２と、二次電池２００を個別に冷却するための冷却装置１０とが用意される。ここで、二次電池は、単電池でもよいし、複数の単電池を組み合わせた組電池でもよい。

ここで、用意される恒温槽２は、二次電池２００の試験に必要な温度に恒温槽２内を調整しうる機能を備えているとよい。また、二次電池２００の充放電に必要な配線や、冷却装置の必要な配管などが設置できるとよい。その余の点を含めて、市販の恒温槽や、または、市販の恒温槽に必要な改良を施した恒温槽などを採用しうる。恒温槽には、例えば、エスペック株式会社製のＬＵ−１２３、ＮＥＯＶ−Ｂ８００Ｔ、ＰＵ−２ＫＴ、ナガノサイエンス株式会社製のＬＨ−４３−１２Ｍなどが採用されうる。

冷却装置１０は、恒温槽２の冷却装置とは別に、二次電池２００を個別に冷却するできる装置であるとよい。例えば、恒温槽２に、複数の二次電池２００が配置されている場合には、二次電池２００に個別に取り付けられて、あるいは、複数の二次電池２００が配置される部位にそれぞれ設けられて、複数の二次電池２００を個別に冷却する装置であればよい。また、二次電池２００が組電池である場合には、組電池を１つの二次電池として扱って組電池を冷却するものでもよい。この場合、冷却装置は、組電池に含まれる単電池を個別に冷却するものでもよい。

図２は、冷却装置の一例を示す模式図である。
図２に示された冷却装置１０は、二次電池に取り付けられる拘束板１１に冷却機能を設けたものである。拘束板１１は、図１に示されているように、一対の拘束板１１で二次電池を挟む部材であり、二次電池を冷却する機能を備えているとよい。図２に示された拘束板１１では、金属製の板状のブロック体であり、冷媒を通す管路１１ａが内部に形成されている。管路１１ａには、冷媒を供給する配管１１ｂが接続されており、配管１１ｂは温度管理された冷媒を供給するための冷媒供給装置１１ｃに接続されている。なお、この場合、恒温槽１０の温度管理も並行して行ってもよい。

図３は、冷却装置の他の例を示す模式図である。図３に示された冷却装置１０は、二次電池２００を挟む一対の拘束板１２ａ，１２ｂと、一対の拘束板１２ａ，１２ｂで挟まれた二次電池２００に向けて風を送る冷却ファン１２ｃ，１２ｄを備えている。この場合、二次電池２００が発熱しても、恒温槽２内の冷気を二次電池２００に供給することができ、二次電池２００を冷やすことができる。なお、この場合、恒温槽１０の温度管理も並行して行ってもよい。

ここで、二次電池２００を挟む一対の拘束板１２ａ，１２ｂには、二次電池２００を挟む対向面に、冷却ファン１２ｃ，１２ｄから送られる風が通る溝１２ａ１，１２ｂ１が形成されていてもよい。このような溝１２ａ１，１２ｂ１が形成されていることによって、冷却ファン１２ｃ，１２ｄから送られる風が二次電池２００により直接的に当たりやすくなり、二次電池２００が冷やされやすくなる。

また、冷却ファン１２ｃ，１２ｄには、冷却ファン１２ｃ，１２ｄから送られる風を冷やすための冷却装置が設けられていてもよい。例えば、冷却ファン１２ｃ，１２ｄの囲いに、冷媒を流す管１２ｄ１を配管し、管１２ｄ１には、冷媒を供給する配管１２ｄ２が接続されており、配管１２ｄ２は温度管理された冷媒を供給するための冷媒供給装置１２ｅに接続されているとよい。この場合、冷媒供給装置１２ｅによって、冷却ファン１２ｃ，１２ｄの囲いに設けられた管１２ｄ１に冷媒を流すことによって、温度が制御された冷風を二次電池２００に送ることができるので、二次電池２００の温度を制御しやすくなる。

次に、この二次電池の試験方法では、図１に示されているように、二次電池２００が恒温槽２に配置されるとともに、二次電池２００を充電または放電する回路に接続する。また、二次電池２００には温度センサ２１（例えば、熱電対）が取り付けられており、コンピュータなどを通じて二次電池２００の温度が取得されるように設定されているとよい。二次電池２００の温度は、二次電池２００を充放電した際に発熱が多い箇所に取り付けられているとよい。二次電池２００を充放電した際に発熱が多い箇所としては、例えば、二次電池２００のケースに、二次電池２００内部の電極体が接触している箇所などが挙げられる。また、恒温槽内の雰囲気の温度は、通常、恒温槽に取り付けられる温度計２２が利用されて把握されうる。また、必要に応じて恒温槽内に温度センサを取り付けてもよい。

図１に示された形態では、恒温槽２に配置された二次電池２００には、冷却機能を備えた拘束板１１（図２参照）で挟まれている。図１では、冷却装置１０は、模式的に記載されている。二次電池は、充電または放電する回路４に接続されている。なお、図１に示された形態では、二次電池２００は、いわゆる角型の電池ケースに収容されているが、二次電池２００は、かかる形態に限定されない。拘束板１１の形状や構造などは、二次電池２００に合わせて適宜に変更されうる。また、二次電池２００には、非水電解液が用いられたリチウムイオン二次電池などが例示されうる。

次に、恒温槽２が予め定められた温度Ｔ１に設定される。恒温槽２は、恒温槽２の機能として、二次電池２００に実施する試験に応じて予め定められた温度の雰囲気に調整される。二次電池２００は、時間の経過と共に、恒温槽２内の温度に近づいていく。この際、二次電池２００は、充放電が停止されていることが望ましい。

次に、温度センサ２１によって二次電池の温度Ｔ２を検知しつつ、二次電池２００を充放電する所定の試験が行われる。ここで、二次電池２００を充放電する所定の試験は、例えば、二次電池２００を少なくとも１回充電または放電するような試験でもよい。この中には、二次電池２００の充電と放電を繰り返す、充放電サイクルが含まれうる。充放電サイクル試験には、充電と放電の間に休止期間が設定されていてもよい。

ここで、充電または放電されることによって二次電池２００が発熱した場合に、あるいは二次電池２００の発熱が予測される場合に、温度センサ２１によって検知される二次電池２００の温度Ｔ２と、温度計２２によって把握されうる恒温槽２の温度Ｔ１との差が小さくなるように、冷却装置１０が制御される。この場合、恒温槽２内に配置された二次電池２００を個別に冷却するための冷却装置１０によって、発熱した、または、発熱が予測される二次電池２００を個別に冷却するとよい。

例えば、恒温槽２に設定された温度が−３０℃である場合に、二次電池２００が発熱し、二次電池２００が−２８℃になるような場合には、二次電池２００が発熱したことを検知し、または、二次電池２００の発熱量を予測して、冷却装置１０によって二次電池２００を冷却するとよい。また、二次電池２００の発熱の有無に関わらず、冷却装置１０を作動させて二次電池２００を冷却しつつ、充電または放電されるように冷却装置１０を制御してもよい。

これによって、恒温槽２内に配置された二次電池２００は、個々の発熱状況に応じて、適宜に冷却装置１０によって冷却される。このため、予め定められた温度条件で行われる二次電池２００の充放電試験において、充電または放電による二次電池２００の発熱によって二次電池２００の温度が上昇する影響が小さく抑えられる。

なお、図１では、二次電池２００が１つ配置された形態が例示されているが、これに限定されない。二次電池２００には、二次電池２００を個別に冷却する冷却装置１０が取り付けられる。このため、冷却装置１０が個別に取り付けられた二次電池２００が、複数、恒温槽２に配置されていてもよい。この場合、冷却装置１０によって、二次電池２００が発熱状況において個別に冷却されるので、同じ温度条件で試験される複数の二次電池２００を一度に試験しうる。

例えば、一定の温度条件下で二次電池２００の充放電試験を行う場合、例えば、恒温槽２内において複数個の二次電池２００を配置し、それぞれ異なる充放電のパターンの試験を一度に試験することもできる。また、電解液の粘度や露点に影響するような低温環境での充放電の性能を試験するような場合においても、二次電池２００の温度を個々に管理することができる。このため、例えば、恒温槽２内において複数個の二次電池２００を配置し、それぞれ異なる充放電のパターンの試験を一度に行うこともできるようになる。

図４は、充放電試験における二次電池２００の冷却フローの一例を示すフローチャートである。
図４に示されているフローチャートでは、二次電池２００が充電または放電されているかを判定し（Ｓ１１）、二次電池２００が充電または放電されている場合（Ｙｅｓ）には、冷却装置１０によって充電または放電されている二次電池２００が冷却される（Ｓ１２）。また、二次電池２００が充電または放電されていない場合（Ｎｏ）には、温度センサ２１によって検知される二次電池２００の温度Ｔ２と、温度計２２によって把握されうる恒温槽２の温度Ｔ１との温度の差分Ｔ３（Ｔ３＝Ｔ２−Ｔ１）を取得する（Ｓ１３）。

そして、温度の差分Ｔ３が予め定められた温度差（例えば、０．５℃）以上か否かを判定する（Ｓ１４）。
温度の差分Ｔ３が予め定められた温度差（例えば、０．５℃）よりも小さい場合（Ｎｏ）には、二次電池２００の冷却は不要と判断され、スタートに戻る。また、温度の差分Ｔ３が予め定められた温度差（例えば、０．５℃）以上である場合（Ｙｅｓ）には、冷却装置１０によって当該差分Ｔ３の大きい二次電池２００を冷却し（Ｓ１５）、再び、温度の差分Ｔ３を取得し（Ｓ１３）、温度の差分Ｔ３が予め定められた温度差（例えば、０．５℃）よりも小さくなるまで、二次電池２００を冷却する処理を繰り返すとよい。

このように、二次電池２００を適宜に冷却し、二次電池２００の温度を管理しつつ、充放電を行うことによって、二次電池２００の充放電時の温度上昇の傾きを小さく抑えることができるとともに、最高到達温度が小さく抑えられる。また、温度管理（二次電池２００の個別の冷却）がされていない場合には、充放電サイクルなどで、充放電サイクルを重ねるごとに、二次電池２００の温度が上昇していく傾向がある。例えば、ＳＯＣ５０％の二次電池２００を用意し、充放電それぞれ３０Ｃの電流値で、１００秒ずつの充電と放電とを、それぞれ１０分の休止期間を挟んで繰り返すような充放電サイクルを行うような場合には、恒温槽２を狙い温度（例えば、２５℃）に維持していても、二次電池２００の温度は、サイクルが重ねられるごとに徐々に上昇していく。

このような場合に二次電池２００を適宜に冷却し、二次電池２００の温度を管理しつつ、充放電サイクルを実施すると、充放電サイクルを重ねても二次電池２００の温度上昇が小さく抑えられる。このため、狙い温度に近い温度に二次電池２００を維持しつつ、充放電サイクルの試験を実施することができる。このように、予め定められた温度条件での二次電池２００の充放電試験が、より適切に行われるようになる。また、１つの恒温槽２で、複数の二次電池２００を同じ温度条件で充放電サイクル試験を行うような場合でも、二次電池２００を個々に冷却することができる。そして、複数の二次電池２００の充放電サイクルの通電条件が異なる場合でも、狙い温度に近い温度にそれぞれ維持することができる。このため、１つの恒温槽２で複数の二次電池２００を一度に試験することが可能になる。

かかる冷却処理（Ｓ１５）では、例えば、恒温槽２の温度Ｔ１、二次電池２００の温度Ｔ２としたとき、二次電池２００を冷却するための拘束板１１の温度Ｔは、Ｔ＝Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）とするとよい。

なお、図４に示されたフローチャートのように、制御としては、二次電池２００を冷却する処理（Ｓ１５）の後、スタートに戻ってもよい。この場合、二次電池２００が充電または放電されているかが都度判定される（Ｓ１１）。そして、二次電池２００が充電または放電されると、冷却装置１０によって充電または放電されている二次電池２００が冷却される（Ｓ１２）。また、二次電池２００が充電または放電されていない場合（Ｎｏ）には、温度の差分Ｔ３が取得され（Ｓ１３）、温度の差分Ｔ３が予め定められた温度差（例えば、０．５℃）よりも小さくなるまで、二次電池２００を冷却する処理が繰り返される。

ここで、二次電池２００が充電または放電されている際の冷却処理（Ｓ１２）では、例えば、充電または放電の電流値Ｉや二次電池２００の充電状態ｃ｛ここで充電状態は、例えば、ＳＯＣ（State of Charge）で評価されうる。｝や通電時間ｔなどに基づいて、セル毎に発熱量を予測するとよい。このため、充電または放電の電流値Ｉや二次電池２００の充電状態ｃや通電時間ｔなどに基づいて、セル毎に発熱量を予測するための計算式やデータテーブルや制御マップなどを事前に用意しておくとよい。そして、冷却装置１０によって、二次電池をどの程度冷却するかを求めるとよい。

例えば、図１に示された例で、二次電池２００の温度Ｔ２が２５℃になることが目標である場合、大電流が入力されて、充電開始一秒で二次電池２００の温度が２６℃になってしまう場合で、さらに、未だ充電がトータル８秒続くとする。この場合、一秒で１℃発熱したことによる補正として、Ｔ＝２５−｛（２６＋８）−２５｝＝１６と求め、拘束板１１が１６℃になるように冷却しつつ、充電を行うとよい。

また、二次電池２００を冷却するために拘束板１１の温度Ｖは、Ｖ＝Ｖ１−（Ｖ２＋Σ｛ｄ（ｃ，Ｉ，ｔ）×Ｉ｝ｄｔ−Ｖ１）で求められるようにしてもよい。ここで、ｄ（ｃ，Ｉ，ｔ）は、充電または放電の電流値Ｉ、二次電池２００の充電状態ｃ、通電時間ｔの単位時間（例えば、１秒）の発熱量である。単位時間（例えば、１秒）の発熱量は、充電または放電の電流値Ｉ、二次電池２００の充電状態ｃ、通電時間ｔとの関係示すデータテーブルを、予め実施した試験によって用意するとよい。つまり、同じ電流値が流れても、二次電池２００のＳＯＣや通電時間の長さによって、二次電池２００の単位時間当たりの発熱量が異なる。この点、予め定められた二次電池２００を試験しておくことによって、かかる単位時間当たりの発熱量が把握されるようにしてもよい。Σ｛ｄ（ｃ，Ｉ，ｔ）×Ｉ｝ｄｔは、さらに通電時間での積分値である。なお、ここでは、二次電池２００の単位時間当たりの発熱量の算出例を示しているが、冷却装置１０の冷却温度を定める方法は、これに限定されない。また、この場合、二次電池２００の充電状態ｃは、例えば、充電容量や放電容量を管理して、二次電池２００の初期の充電状態ｃに基づいて都度求められるようにしてもよい。

ここで説明した二次電池の試験方法は、以下の工程、
恒温槽２を用意する工程と、
恒温槽２内に配置され、二次電池２００を個別に冷却する冷却装置１０を用意する工程と、
二次電池２００を恒温槽２に配置するとともに、二次電池２００を充電または放電する回路４に接続する工程と、
恒温槽２を予め定められた温度Ｔ１に設定する工程と、
充電または放電されることによって二次電池２００が発熱した場合にあるいは二次電池２００の発熱が予測される場合に、二次電池の温度Ｔ２と恒温槽２に設定された温度Ｔ１との差が小さくなるように、恒温槽２内に配置された冷却装置１０によって二次電池２００を冷却する工程と
を含んでいる（図１参照）。

かかる二次電池の試験方法によれば、予め定められた温度条件における二次電池２００の充電または放電を伴う試験において、二次電池２００の充放電による発熱の影響が低く抑えられうる。

以上、ここで提案される二次電池の試験方法について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた二次電池の試験方法の実施形態などは、本発明を限定しない。

２ 恒温槽
４ 回路
１０ 冷却装置
１１ 拘束板
１１ａ 管路
１１ｂ 配管
１１ｃ 冷媒供給装置
１２ａ，１２ｂ 拘束板
１２ａ１，１２ｂ１ 溝
１２ｃ，１２ｄ 冷却ファン
１２ｄ１ 管
１２ｄ２ 配管
１２ｅ 冷媒供給装置
２１ 温度センサ
２２ 温度計
２００ 二次電池

Claims (1)

1. 恒温槽を用意する工程と、
   前記恒温槽内に配置され二次電池を個別に冷却する冷却装置を用意する工程と、
   二次電池を前記恒温槽に配置するとともに、前記二次電池を充電または放電する回路に接続する工程と、
   前記恒温槽を予め定められた温度Ｔ１に設定する工程と、
   充電または放電されることによって前記二次電池が発熱した場合にあるいは前記二次電池の発熱が予測される場合に、前記二次電池の温度Ｔ２と前記恒温槽に設定された温度Ｔ１との差が小さくなるように、前記恒温槽内に配置された前記冷却装置によって前記二次電池を冷却する工程と
   を含む、二次電池の試験方法。

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