JP2023007669A - バッテリの検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの漏れ電流不良の検査時間を短縮する。【解決手段】バッテリ９の検査方法は、直流電源１からバッテリ９にバッテリ９のＯＣＶを印可中の時刻毎に第１～第４の処理を実行するステップを含む。第１の処理は、直流電源１からの供給電流を電流センサ３により測定する処理である。第２の処理は、温度センサ４により測定されたバッテリ９の温度の変化速度と、バッテリ９の温度変化に伴う電圧変化量を表す第１係数（ＴＣＶ）と、バッテリ９の電圧変化に伴う電流変動量を表す第２係数（Ｃｅｆｆ）とに基づいて、バッテリ９の温度変化に伴う電流変動量（Ｉｏｆｆｓｅｔ）を算出する処理である。第３の処理は、第３の処理により算出された電流変動量を用いて、電流センサ３による供給電流の測定値を補正する処理である。第４の処理は、補正された電流が収束したかどうかを判定する処理である。【選択図】図６

Description

本開示は、バッテリの検査方法に関し、より特定的には、バッテリの漏れ電流不良の検査方法に関する。

特開２０１９－１１３４５０号公報（特許文献１）に開示された蓄電デバイスの検査方法は、電流印加工程と、判定工程とを有する。電流印加工程とは、充電済みの蓄電デバイスと電源とにより回路を構成し、電源により回路に、蓄電デバイスを充電する向きまたは放電する向きの電流を流す工程である。判定工程とは、電流印加工程で回路に流れる電流の収束状況により蓄電デバイスの良否を判定する工程である。

特開２０１９－１１３４５０号公報 特開２０１４－１３４３９５号公報 特開２０２０－３８８３６号公報

バッテリの検査効率を向上させるためには、バッテリからの漏れ電流の不良（短絡不良）の検査時間をできるだけ短くすることが望ましい。一般に、バッテリの検査環境の温度は一定程度管理されているものの、数℃程度の温度変化が生じ得る。検査環境に温度変化が生じた場合、その温度変化に起因して微小な電圧変動が生じる。そうすると、バッテリと直流電源との間の電圧差が変化するため、直流電源からバッテリに供給される電流にも変動が生じ得る。そうした場合、変動した電流が収束するまで待つことも考えられるが、その分だけ検査時間が長くなる可能性がある。

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、本開示の目的は、バッテリの漏れ電流不良の検査時間を短縮することである。

本開示のある局面に係るバッテリの検査方法は、直流電源からバッテリに、バッテリの開放電圧を印加するステップと、開放電圧の印可中の時刻毎に第１～第４の処理を実行するステップとを含む。第１の処理は、直流電源からバッテリへの供給電流を電流センサにより測定するとともに、バッテリの温度を温度センサにより測定する処理である。第２の処理は、温度センサにより測定されたバッテリの温度の変化速度と、バッテリの温度変化に伴う電圧変化量を表す第１係数と、バッテリの電圧変化に伴う電流変動量を表す第２係数とに基づいて、バッテリの温度変化に伴う電流変動量を算出する処理である。第３の処理は、第２の処理により算出された電流変動量を用いて、電流センサによる供給電流の測定値を補正する処理である。第４の処理は、第３の処理により補正された電流が収束したかどうかを判定する処理である。バッテリの検査方法は、補正された電流が収束した場合に、収束後の電流と所定の基準値とを比較することによってバッテリの良否を判定するステップをさらに含む。

上記方法においては、第２の処理により、バッテリの温度変化に伴う電流変動量が算出される。さらに、第３の処理により、第２の処理により算出された電流変動量を用いて、電流センサによる供給電流の測定値が補正される。これにより、直流電源からバッテリに供給される電流の測定値から、バッテリの温度変化に伴う電流変動量（電流成分）を除去し、自己放電により流れる電流を抽出して評価することが可能になる。よって、上記方法によれば、バッテリの漏れ電流不良の検査時間を短縮できる。

本開示によれば、バッテリの漏れ電流不良の検査時間を短縮できる。

本開示の実施の形態に係るバッテリ検査システムの構成図である。 バッテリ検査システムの等価回路図である。 バッテリの構成の一例を示す斜視図である。 バッテリ検査システムの環境温度の変化が及ぼす影響を説明するための図である。 本実施の形態における補正処理の概要を説明するための図である。 本実施の形態における検査処理の処理手順を示すフローチャートである。 第１補正係数の算出手法を説明するための図である。 第２補正係数の算出手法を説明するための図である。 本実施の形態における検査処理の検証結果を示す図である。

以下、本開示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、その説明は繰り返さない。

［実施の形態］
＜バッテリ検査システムの全体構成＞
図１は、本開示の実施の形態に係るバッテリ検査システムの構成図である。バッテリ検査システム１０は接続端子Ｔｐ，Ｔｎを備える。接続端子Ｔｐ，Ｔｎは、バッテリ９を電気的に接続可能に構成されている。バッテリ９は、新たに製造された新品電池であってよいし、使用先から回収された中古電池であってもよい。バッテリ検査システム１０は、バッテリ９が良品であるか不良品であるかを判定するための検査を実行する。

本実施の形態において、検査対象のバッテリ９は、リチウムイオン二次電池のセルである。ただし、検査可能なバッテリの種類はリチウムイオン二次電池に限定されるものではない。また、検査可能なバッテリの接続態様も単セルに限定されず、複数のセル（たとえば電池モジュール）であってもよい。

バッテリ検査システム１０は、直流電源１と、電圧センサ２と、電流センサ３と、温度センサ４と、コントローラ５とをさらに備える。

直流電源１は、コントローラ５からの制御指令に従って、バッテリ９を充放電するように構成されている。直流電源１は、たとえばＡＣ／ＤＣコンバータである。直流電源１は、外部交流電源（たとえば商用電源）９０から供給される交流電力を直流電力に変換する。直流電源１は、コントローラ５からの制御指令に従って、直流電力の電圧を昇圧／降圧することも可能である。

電圧センサ２は、バッテリ９に並列に接続される。電圧センサ２は、バッテリ９の端子間電圧（電圧Ｖ）を検出し、その検出値をコントローラ５に出力する。

電流センサ３は、直流電源１とバッテリ９との間に直列に接続される。電流センサ３は、直流電源１からバッテリ９に印加される電流（以下、「電流Ｉ_ｓｄｍ」とも記載する）を検出し、その検出値をコントローラ５に出力する。

温度センサ４は、バッテリ９の温度（電池温度Ｔ）を検出し、その検出値をコントローラ５に出力する。温度センサ４は、接触式センサ（たとえばサーミスタ）であり、バッテリ９のケース（後述する電池ケース９１）に設けられている。

コントローラ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ５１と、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリ５２と、入出力インターフェイス（図示せず）とを含む。コントローラ５は、直流電源１を制御することによってバッテリ９の充放電を制御する。また、コントローラ５は、バッテリ９の良品／不良品を判定するための「検査処理」を実行する。検査処理については後に詳細に説明する。なお、コントローラ５は、機能毎に２以上のコントローラに分割して構成されていてもよい。

図２は、バッテリ検査システム１０の等価回路図である。バッテリ９は、容量成分Ｃと短絡抵抗Ｒとの並列接続により表すことができる。容量成分Ｃから電流が漏れ出て消える。この電流が「漏れ電流Ｉ_ｌｅａｋ」である。なお、直流電源１とバッテリ９との間には直流抵抗成分ｒ（配線抵抗など）が存在する。

＜セル構成＞
図３は、バッテリ９の構成の一例を示す斜視図である。理解を容易にするため、図２にはバッテリ９（セル）の内部を透視した図が示されている。バッテリ９は、この例では密閉型の角型電池ある。ただし、バッテリ９の形状は角型に限定されず、たとえば円筒型であってもよい。バッテリ９は、電池ケース９１と、電極体９２と、電解液９３とを含む。

電池ケース９１は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）合金等により構成され得る。ただし、電池ケース９１は、たとえばＡｌラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。電池ケース９１は、ケース本体９１１と、蓋体９１２とを含む。ケース本体９１１は、扁平直方体の外形形状を有し、電極体９２および電解液９３を収容する。蓋体９１２には正極端子９４および負極端子９５が設けられている。ケース本体９１１と蓋体９１２とは、たとえばレーザ溶接により接合されている。温度センサ４は、たとえば蓋体９１２（たとえば正極端子９４と負極端子９５との間）に設けられている。

電極体９２は、たとえば巻回型である。すなわち、電極体９２は、正極と負極とが、その間にセパレータを挟みつつ交互に積層され、さらに、その積層体が筒状に巻回されることにより成型されている。電解液９３は、電池ケース９１に注入され、電極体９２に含浸している。なお、図１では電解液９３の液面を一点鎖線で示している。

正極活物質層、負極活物質層、セパレータおよび電解液９３には、リチウムイオン電池の正極活物質、負極活物質、セパレータおよび電解液として従来公知の材料をそれぞれ用いることができる。一例として、正極活物質層には、コバルト酸リチウムの一部がニッケルおよび／またはマンガンにより置換された三元系の材料を用いることができる。負極活物質層には黒鉛（炭素材料）を用いることができる。セパレータには、ポリオレフィン（たとえばポリエチレンまたはポリプロピレン）を用いることができる。電解液は、有機溶媒（たとえばＤＭＣ（dimethyl carbonate)とＥＭＣ（ethyl methyl carbonate)とＥＣ（ethylene carbonate)との混合溶媒）と、リチウム塩（たとえばＬｉＰＦ_６）と、添加剤（たとえばＬｉＢＯＢ（lithium bis(oxalate)borate）またはＬｉ［ＰＦ_２（Ｃ_２Ｏ_４）_２］）等を含む。

＜温度変化＞
以上のように構成されたバッテリ検査システム１０において、過大な漏れ電流Ｉ_ｌｅａｋが流れる不良（短絡不良）の検査時間をできるだけ短くすることが望ましい。バッテリ検査システム１０の環境温度（典型的には空調温度）は管理されているものの、数℃程度の温度変化が生じ得る。

図４は、バッテリ検査システム１０の環境温度の変化が及ぼす影響を説明するための図である。横軸は経過時間を表す。縦軸は、上から順にバッテリ９の温度Ｔおよび電圧Ｖを表す。

バッテリ検査システム１０の環境温度が変動した場合、その温度変化に起因して電池温度Ｔも変動し、それにより図４に示すような微小（たとえばμＶオーダー）の電圧変動が生じる。そうすると、バッテリ９と直流電源１との間の電圧差が変化するため、直流電源１からバッテリ９に印加される電流にも変動が生じ得る。そうした場合、変動した電流が収束するまで待つことも考えられる。しかしながら、変動した電流が収束するのに要する時間だけ検査時間が長くなる可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、バッテリ９の温度Ｔの変動に起因する電流変動を算出し、その電流変動量だけ、電流センサ３の検出値を補正する処理を採用する。以下、この補正処理について詳細に説明する。

図５は、本実施の形態における補正処理の概要を説明するための図である。横軸は経過時間を表す。縦軸は電流を表す。

バッテリ検査システム１０の環境温度が変動した場合に、上記の補正を非実施であるときの電流変化がＩ_ｓｄｍにより表されている。本実施の形態においてコントローラ５は、時刻毎に、バッテリ検査システム１０の環境温度の変動に伴う電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}をＩ_ｓｄｍから差し引く補正を行う。補正後の電流をＩ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}で表す。そして、コントローラ５は、補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}に基づいて、バッテリ９の漏れ電流の多寡を判定する。

＜処理フロー＞
図６は、本実施の形態における検査処理の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、たとえば予め定められた周期毎に繰り返し実行される。各ステップは、コントローラ５によるソフトウェア処理により実現されるが、コントローラ５内に配置されたハードウェア（電気回路）により実現されてもよい。以下、ステップをＳと略す。

Ｓ１において、コントローラ５は、直流電源１からバッテリ９への電圧印加が開始されるように直流電源１を制御する。より具体的には、コントローラ５は、まず、バッテリ９に電流が流れていない状態におけるバッテリ９の電圧、すなわち、バッテリ９の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を電圧センサ２から取得する。そして、コントローラ５は、直流電源１の供給電圧をバッテリ９のＯＣＶと等しい値に設定する。その後、時間の経過とともにバッテリ９の自己放電によりバッテリ９の電圧Ｖが低下する。そうすると、直流電源１からの供給電圧とバッテリ９の電圧との間に電圧差が生じる。この電圧差により電流Ｉ_ｓｄｍが流れる。

Ｓ２において、コントローラ５は、当該時刻ｔにおける直流電源１からバッテリ９への供給電流Ｉ_ｓｄｍ（ｔ）を電流センサ３から取得するとともに、時刻ｔにおける電池温度Ｔ（ｔ）を温度センサ４から取得する。

Ｓ３において、コントローラ５は、時刻ｔにおける電池温度Ｔの変化速度（ｄＴ（ｔ）／ｄｔ）を算出する。

Ｓ４において、コントローラ５は、予め求められた第１補正係数ＴＣＶをメモリ５２から読み出す。第１補正係数ＴＣＶは、電池温度Ｔの変動に起因する電流変動を電流Ｉ_ｓｄｍに反映させるための定数である。第１補正係数ＴＣＶは、以下に説明するような手順に従って実験的に求めることができる。

図７は、第１補正係数ＴＣＶの算出手法を説明するための図である。横軸は経過時間を表す。縦軸は、上から順にバッテリの電圧Ｖおよび温度を表す。

まず、バッテリ９と同型（同じ仕様）のバッテリを準備し、そのバッテリを図示しない恒温槽内に十分な時間（たとえば４時間）放置する。その後、恒温槽からバッテリを取り出す。そして、バッテリの環境温度（空調温度）をΔＴ（たとえばΔＴ＝２℃）だけステップ的に低下させる（時刻ｔ１）。そうすると、環境温度の低下からやや遅れて電池温度ＴもΔＴだけ低下する。

電池温度Ｔの低下前の電圧Ｖは線形に低下する。電池温度Ｔの低下後の電圧Ｖも同様に線形に低下する。ただし、電池温度Ｔの低下前の電圧Ｖの１次近似式と、電池温度Ｔの低下後の電圧Ｖの１次近似式とは異なる。これらの２つの１次近似式の切片の差を電圧変化量ΔＶとする。なお、電圧変化量ΔＶは、典型的には１００μＶ程度の微小量である。

下記式（１）に示すように、温度変化量ΔＴに対する電圧変化量ΔＶの比を第１補正係数ＴＣＶとすることができる。なお、第１補正係数ＴＣＶは、本開示に係る「第１係数」に相当する。
ＴＣＶ＝ΔＶ／ΔＴ ・・・（１）

図６に戻り、Ｓ５において、コントローラ５は、バッテリ９のＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。バッテリ９のＳＯＣは、ＳＯＣ－ＯＣＶカーブ（図８参照）を参照することでＯＣＶから算出できる。そして、コントローラ５は、バッテリ９のＳＯＣに応じた第２補正係数Ｃ_ｅｆｆを算出する。第２補正係数Ｃ_ｅｆｆは、バッテリ９の電圧変化に伴う電流変動の生じやすさを表す係数である。なお、第２補正係数Ｃ_ｅｆｆは、本開示に係る「第２係数」に相当する。

図８は、第２補正係数Ｃ_ｅｆｆの算出手法を説明するための図である。図８にはバッテリ９のＳＯＣ－ＯＣＶカーブが示されている。

コントローラ５は、バッテリ９のＳＯＣ（この例ではＳＯＣ＝１００％）におけるＳＯＣ－ＯＣＶカーブの接線の傾きを１／Ｃ_ｅｆｆとする。コントローラ５は、ＳＯＣ－ＯＣＶカーブを参照することで、時刻ｔにおける第２補正係数Ｃ_ｅｆｆを算出できる。なお、第２補正係数Ｃ_ｅｆｆは下記式（２）のようにも記述可能である。Ｃ０はバッテリ９の満充電容量である。
１／Ｃ_ｅｆｆ＝ｄ（ＳＯＣ）／ｄＶ×Ｃ０ ・・・（２）

図６を再び参照して、Ｓ６において、コントローラ５は、Ｓ４，Ｓ５にて算出された第１補正係数ＴＣＶおよび第２補正係数Ｃ_ｅｆｆ（ｔ）を用いて、時刻ｔにおける電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）を算出する。具体的には、コントローラ５は、下記式（３）に従って電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）を算出できる。
Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）＝Ｃ_ｅｆｆ（ｔ）×ＴＣＶ×ｄＴ（ｔ）／ｄｔ ・・・（３）

Ｓ７において、コントローラ５は、Ｓ６にて算出された電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）を用いて、Ｓ２にて取得された電流Ｉ_ｓｄｍを補正する。具体的には、コントローラ５は、電流Ｉ_ｓｄｍ（ｔ）から電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ）を減算した値を補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）とすることができる（下記式（４）参照）。言い換えると、コントローラ５は、電流Ｉ_ｓｄｍからバッテリ９の温度変化に起因する電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}を除去することで、バッテリ９の温度変化によらずに自己放電により流れる電流を補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）として抽出できる。
Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）＝Ｉ_ｓｄｍ（ｔ）－Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}（ｔ） ・・・（４）

Ｓ８において、コントローラ５は、補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）が収束しているかどうかを判定する。コントローラ５は、直近の所定時間（たとえば数分間）における電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）の変動量が所定量未満である場合に補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）が収束していると判定できる。

補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）が収束していない場合（Ｓ８においてＮＯ）、コントローラ５は、処理をＳ２に戻す。これにより、Ｓ２～Ｓ７の処理が再度実行される。補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}（ｔ）が収束すると（Ｓ８においてＹＥＳ）、コントローラ５は、処理をＳ９に進め、バッテリ９への電流印加を終了するように直流電源１を制御する。

Ｓ１０において、コントローラ５は、収束した補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}が基準値未満であるかどうかを判定する。基準値は事前実験の結果に基づいて定められる。たとえば、多数の良品と多数の不良品とを準備し、各々に対して上記と同様の測定を実施する。そして、良品における電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}の値と、不良品における電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}との間の値を基準値として設定できる。収束した補正後の電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}が基準値未満である場合（Ｓ１０においてＹＥＳ）、コントローラ５は、バッテリ９は漏れ電流Ｉ_ｌｅａｋが正常範囲内の良品であると判定する（Ｓ１１）。一方、収束した電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}が基準値以上である場合（Ｓ１０においてＮＯ）、コントローラ５は、バッテリ９は漏れ電流Ｉ_ｌｅａｋが過大な不良品であると判定する（Ｓ１２）。Ｓ１１またはＳ１２の処理により一連の処理が終了する。

＜検証結果＞
図９は、本実施の形態における検査処理の検証結果の一例を示す図である。参考のため、バッテリ検査システム１０の温度変化が生じなかった場合（１点鎖線参照）についても測定を実施したところ、電流が収束するのに要した時間は２６分間であった。

バッテリ検査システム１０の温度変化が生じた場合、第１補正係数ＴＣＶおよび第２補正係数Ｃ_ｅｆｆによる補正を行わなかったとき（破線参照）には、電流が収束するのに要した時間は３５６分間であった。これに対し、第１補正係数ＴＣＶおよび第２補正係数Ｃ_ｅｆｆによる補正を行うと（実線参照）、電流が収束するのに要した時間が４９分間に短縮された。すなわち、電流の収束時間が８６％短縮された。

以上のように、本実施の形態においては、バッテリ９の温度変化に伴う電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}が算出される。電流センサ３から取得された電流Ｉ_ｓｄｍから電流変動量Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}を差し引くことで、自己放電により流れる電流がＩ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}として残る。電流Ｉ_{ｃｏｒｒｅｃｔ}は、温度変化の影響を受けないため、早期に収束する。よって、本実施の形態によれば、バッテリ９の漏れ電流不良の検査時間を短縮できる。

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。

１０ バッテリ検査システム、１ 直流電源、２ 電圧センサ、３ 電流センサ、４ 温度センサ、５ コントローラ、５１ プロセッサ、５２ メモリ、９ バッテリ、９１ 電池ケース、９１１ ケース本体、９１２ 蓋体、９２ 電極体、９３ 電解液、９４ 正極端子、９５ 負極端子、Ｔｎ，Ｔｐ 接続端子、９０ 外部交流電源。

Claims (1)

1. バッテリの検査方法であって、
   直流電源から前記バッテリに、前記バッテリの開放電圧を印加するステップと、
   前記開放電圧の印可中の時刻毎に第１～第４の処理を実行するステップとを含み、
   前記第１の処理は、前記直流電源から前記バッテリへの供給電流を電流センサにより測定するとともに、前記バッテリの温度を温度センサにより測定する処理であり、
   前記第２の処理は、前記温度センサにより測定された前記バッテリの温度の変化速度と、前記バッテリの温度変化に伴う電圧変化量を表す第１係数と、前記バッテリの電圧変化に伴う電流変動量を表す第２係数とに基づいて、前記バッテリの温度変化に伴う電流変動量を算出する処理であり、
   前記第３の処理は、前記第２の処理により算出された電流変動量を用いて、前記電流センサによる前記供給電流の測定値を補正する処理であり、
   前記第４の処理は、前記第３の処理により補正された電流が収束したかどうかを判定する処理であり、さらに、
   前記補正された電流が収束した場合に、収束後の電流と所定の基準値とを比較することによって前記バッテリの良否を判定するステップを含む、バッテリの検査方法。
   

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