JP5285337B2 - 電池試験装置及び電池試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話などの携帯機器に内蔵されているリチウムイオン電池などの充電可能な電池の性能や安全性などを評価するための試験装置及び試験方法に関するものである。

携帯電話などの携帯機器に内蔵されている充電可能な二次電池、例えばリチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム化合物、負極にグラファイト、電解液にリチウム塩を含んだ有機電解液からなっている。この二次電池は、薄い薄膜膜からなる正極と負極の間を電気的に絶縁するセパレータを挟んで、その正極、負極およびセパレータを巻いた構造になっている。特に角型のリチウムイオン電池においては、巻いたものを角型に変形させ、角型のアルミ缶などに挿入して、電解液を注入し、密閉することで形成されている。

このリチウムイオン電池は、小型、軽量化および高エネルギー密度化が特徴の電池であり、その目的のために化学的に活性度の高いコバルト酸化合物や有機電解液を用いて、薄い正極や負極の薄膜を使って電池を構成している。さらに電池の小型、軽量化を目指すために軽量なアルミケースに上記の電池材料を格納している。

この種の構造のリチウムイオン電池では、外圧による電池の内部の電極の破損によって、正極や負極の内部短絡等が発生し、電池の異常発熱や発煙などの不具合が生じる虞がある。そこで、従来から、リチウムイオン電池を意図的に破壊し、破壊した状態での安全性を図る安全性試験が行われてきた（特許文献１参照）。例えば、この種の安全性試験では、満充電したリチウムイオン電池を外部から金属の金属棒（丸棒）を押し当てて完全につぶし（全圧壊）、全圧壊後の電池の振る舞い、例えば、約１６０℃以上の異常発熱や発煙などが発生するかどうか確認する。そして、異常発熱や発煙などの異常な状態にならない電池のみを良品電池（ＯＫ電池）と判断することで、電池の安全性を評価していた。
特開２００５−３２７６１６号公報

しかしながら、携帯電話などに入っている一般のリチウムイオン電池が遭遇する外部からの力によって電池が全圧壊するような場合はまれであり、電池が部分的に破損（部分圧壊）する方が圧倒的に多い。したがって、携帯電話などで一般に使用されている範囲内において電池の全圧壊試験は極端な試験であるといえ、電池が破損した場合の振る舞いを図る試験としては適切ではなかった。

さらに、従来の装置を利用して電池を部分的に破損させて部分圧壊試験を行えたとしても、部分圧壊直後の評価は可能であるが、その後の継続した使用に対してまでは検証できない。特に、携帯電話などに用いられる二次電池の場合には、落下直後の挙動が正常であれば、そのまま継続して使用される場合も多い。例えば、携帯電話を使用中に誤って二次電池を部分的に損傷させてしまっても、その二次電池が使える場合（携帯電話に設置できて、充電・放電ができる）には、通常は使用禁止であるが、間違って利用者が引き続きその二次電池を使ってしまう場合もある。そして、従来の試験装置及び試験方法では、破損後に継続して使用された電池の検証はできず、電池が破損した場合の振る舞いを図る試験としては適切ではなかった。

そこで、本発明は、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる電池試験装置及び電池試験方法を提供することを目的とする。

本願の発明者は、電池の安全性を適切に評価するための検討を重ねた結果、リチウムイオン電池などの電池では、全圧壊させると電池系をすべて破壊するので、内部短絡による内部発熱は速やかに収束する可能性があり、その反面、リチウムイオン電池などの電池を部分的に破損させ、内部短絡を発生させた場合、電池系は破損した部分以外動作するので、内部短絡による内部発熱が継続しやすいという知見を得た。その結果として、発明者は、リチウムイオン電池などの電池に外部からの力を加えて破損させる場合、部分圧壊する方が電池の不安定化（異常発熱や発煙の発生）を招き易いという知見を得た。さらに、本願の発明者は、部分圧壊直後は充電が可能な正常状態であったとしても、そのまま電池を使い続けた場合には、振動や衝撃、経年変化、電池の劣化や膨れなどにより、結果的に電池の内部短絡が発生して、異常発熱、発煙などの異常事象が発生する虞があるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。

本発明に係る電池試験装置は、充電可能な電池の圧壊試験を行うための第１の試験ユニットと、電池の充放電試験を行うための第２の試験ユニットと、を備え、第１の試験ユニットは、電池を設置する試験台と、電池を圧壊する押圧部材と、電池が不完全な部分圧壊となるように押圧部材の押圧力を制御する加圧手段と、部分圧壊された電池の温度および電圧の少なくとも一方を測定する第１の測定手段と、を備え、第２の試験ユニットは、押圧部材によって部分圧壊された電池に対して充電と放電とを交互に繰り返す電力制御手段と、電力制御手段によって充電と放電とが繰り返し実施された電池の温度を測定する第２の測定手段と、を備えることを特徴とする。

電池の全圧壊状態は、携帯電話などの携帯機器を使用している状況では極めてまれにしか生じない状態であり、さらに、電池の全圧壊状態は内部短絡などに起因する異常判定において最悪条件ではないため、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証できなかった。しなしながら、本発明によれば、電池を部分圧壊させた状態で温度や電圧を測定するので、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。さらに、部分圧壊の直後は正常であっても、その後継続して電池の使用を続けた場合には、異常事象が生じる場合がある。しかしながら、本発明によれば、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いも適切に検証できる。

さらに、第２の試験ユニットは、部分圧壊された電池の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置を更に備えると好適である。恒温装置を備えることにより、第２の試験ユニットによる試験環境を、二次電池の実際の使用環境を想定した温度に保持することができ、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いを適切に検証できる。

さらに、恒温装置は、電池の周囲環境の温度を−５℃〜＋５０℃の間の任意の温度に保持すると好適である。二次電池の実際の使用環境を想定した温度での電池の振る舞いを適切に検証できる。

さらに、電池は角型であり、且つ矩形で一対の平面部分と一対の平面部分を取り巻く側面部分とを有し、加圧手段は、押圧部材によって電池の平面部分及び側面部分の少なくとも一方が所定の深さになるまで押圧部材で電池を押圧すると好適である。所定の深さを規定しておくことで、複数の電池に対して同じ条件で試験を行うことが可能になる。

さらに、平面部分の短辺は、一対の平面部分の間の距離である側面部分の幅よりも長く、平面部分における所定の深さは、側面部分の幅の１／８〜１／４の範囲に含まれ、側面部分における所定の深さは、平面部分の短辺の長さの１／４〜１／２の範囲に含まれると好適である。実際の使用態様において二次電池に生じやすい部分圧壊の深さになるため、より現実的な試験が可能になって電池の振る舞いを適切に検証できる。

さらに、電力制御手段は、１サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とすることが可能であると好適である。ユーザは、完全放電した後で二次電池を充電する場合もあれば、完全放電してしまう前に二次電池を充電する場合もある。そのような各ケースに柔軟に対応できるようになる。

また、本発明に係る電池試験方法は、試験対象となる電池を試験台に設置し、電池が不完全な部分圧壊となるように電池に押圧力をかける部分圧壊ステップと、部分圧壊した電池の温度及び電圧の少なくとも一方を検出する第１の検出ステップと、第１の検出ステップにおける検出結果が、良品候補判定のための閾値以下であれば良品候補と判定する第１の判定ステップと、第１の判定ステップにおいて良品候補と判定された電池に対して所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返す電力制御ステップと、電力制御ステップにおいて所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返された電池の温度を検出する第２の検出ステップと、第２の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値以下であれば良品と判定する第２の判定ステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。さらに、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いも適切に検証できる。

さらに、第１の判定ステップは、第１の検出ステップにおいて部分圧壊した電池の温度が検出された場合、当該検出結果が、良品候補判定のための閾値である１６０℃以下であれば良品候補と判定することを特徴とすると好適である。また、第２の判定ステップは、第２の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値である１６０℃以下であれば良品と判定することを特徴とすると好適である。電池、特に二次電池を部分圧壊して内部短絡が発生すると、二次電池の温度が短絡電流によるジュール熱によってあがっていき、さらに、二次電池の温度が臨界温度（二次電池２の材料の熱分解が始まる温度：１５０℃〜１６０℃程度）に達すると、二次電池２の電極や電解液の電池材料自体の熱分解が始まり、それにより熱暴走が始まってしまう。したがって、不良電池の判断基準として、二次電池の温度が臨界温度に達するか否かを監視することが最も望ましいため、所定の閾値は１６０℃にすると好適である。

さらに、部分圧壊ステップの前に、試験対象となる電池を部分圧壊させずに所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返し、電池の劣化電池容量とサイクル数との関係を求める予備試験ステップを更に含み、電力制御ステップでの所定のサイクル数は、予備試験ステップでの前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定されると好適である。予備試験ステップを行うことにより、所定のサイクル数を部分圧壊されていない電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定することができる。

さらに、予備試験ステップにおいて電池の劣化電池容量とサイクル数との関係から、劣化電池容量が５０％〜２５％の範囲に最初に含まれるようになった基準サイクル数を求め、電力制御ステップでは、基準サイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返すと好適である。劣化電池容量が５０％〜２５％の範囲に含まれた場合を基準にして電池の良否判定を行うことができる。

本発明によれば、電池が破損した場合の振る舞いを適切に図ることが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る電池試験装置の好適な実施形態について説明する。

図１は、第１実施形態に係る電池試験装置の概略を示す図である。図１に示されるように、電池試験装置１００は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの充電可能な二次電池２を部分圧壊させた場合の振る舞いを調べる部分圧壊試験のための第１の試験ユニット１０１と、部分圧壊した二次電池２に充電と放電とを繰り返した場合の二次電池２の振る舞いを調べる充放電試験のための第２の試験ユニット１０３とを備える。

図１及び図２に示されるように、第１の試験ユニット１０１は、試験対象となる二次電池２が設置される試験台３と、二次電池２に当接して二次電池２を圧壊する丸棒（押圧部材）５と、丸棒５を二次電池２に対して昇降させる可動板７に連結され、丸棒５による二次電池２への押圧力を制御する加圧装置（加圧手段）９と、試験台３上に載せられた二次電池２に接する温度センサ１１と、温度センサ１１に接続された測定装置（第１の測定手段）１３とを備えている。なお、本実施形態では、温度センサ１１で検出された温度に基づいて、圧壊された二次電池２の振る舞いを検証するが、温度の代わりに二次電池２の電圧を測定したり、温度と電圧の両方を測定したりする第１の測定手段を設け、その測定結果に基づいて圧壊された二次電池２の振る舞いを検証するようにしてもよい。

試験台３には、二次電池２が設置される所定部位を挟むようにして一対のガイドバー３ａが立設されており、可動板７はガイドバー３ａに案内されながら所定の軌道に沿って昇降する。可動板７の下面には丸棒固定棒７ａが突出しており、丸棒固定棒７ａの下端には、丸棒５が水平（丸棒固定棒７ａに対して垂直）になるように固定されている。

加圧装置９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどからなる制御回路９ａ、可動板７を昇降させる駆動モータ９ｂ及び試験実施者の操作入力を受け付ける操作部９ｃなどを備えている。制御回路９ａは、例えば、操作部９ｃを介して二次電池２の型式などを受け付けると、二次電池２に見合った押圧力の付与が可能となるように駆動モータ９ｂを制御し、丸棒５によって二次電池２を部分圧壊する。

測定装置１３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどからなる測定回路１３ａ及び測定結果などを出力するディスプレイなどの出力部１３ｂを備えている。測定装置１３は、温度センサ１１に有線または無線によって接続されており、温度センサ１１による測定結果を出力部１３ｂから出力する。さらに、測定装置１３は、測定結果が所定の閾値、例えば１６０℃以下であるか否かを判断する。

また、測定装置１３と加圧装置９とは、信号を送受信可能に接続されている。加圧装置９は、二次電池２を部分圧壊させる規定の押圧力で押圧し、その押圧力に係るデータを測定装置１３に通知する。測定装置１３は、押圧力に係るデータを受け付けると共に、二次電池２の良否判定に必要となる情報を出力部１３ｂから出力する。

図１及び図３に示されるように、第２の試験ユニット１０３は、第１の試験ユニット１０１で部分圧壊された二次電池２を収容し、二次電池２の周囲環境を規定された所定の温度に保持する恒温装置２５を備える。モバイル機器の代表としての携帯電話の場合、−５℃〜＋５０℃の範囲で充電可能であるが、それ以外の温度範囲では充電を禁止している（図７参照）。この温度設定に従い、恒温装置２５では、環境温度（試験温度）として、−５℃〜＋５０℃の範囲内の任意の温度を保持するように設定される。

また、第２の試験ユニット１０３は、充電・放電器（電力制御手段）２７、温度センサ２９、測定器３１及び出力装置３３を備える。

充電・放電器２７は、規定された条件において二次電池２の充電及び放電を行う。充電・放電器２７は、二次電池２の正極端子２ｆ及び負極端子２ｇのそれぞれに接続されたコード２７ａ，２７ｂを備えており、充電する際には充電電流Ｉ１の向きに電流が流れ、放電する際には放電電流Ｉ２の向きに電流が流れる。さらに、充電・放電器２７は、所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返されるように電力の制御を行う。

また、充電・放電器２７は、１サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とする電力制御が可能である。そのため、例えば、二次電池２を完全充電および完全放電を繰り返す状態（K=１００％）から連続充電状態（K=０％：常に充電量が満充電の状態、数mＡ以下の微小電流を連続的に流して充電を行う「トリクル充電状態」ともいう）までの適当な量を考慮して放電量Ｋを規定することができる。二次電池２が使用される携帯電話などのモバイル機器では、ユーザは、完全放電した後で二次電池を充電する場合もあれば、完全放電してしまう前に二次電池を充電する場合もある。充電・放電器２７によれば、１サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とする電力制御が可能であるため、ユーザの使用態様に合わせた各ケースに柔軟に対応させた充放電試験の実施が可能になる。

温度センサ２９は、二次電池２に設置されており、二次電池２の温度を検出する。測定器３１は、温度センサ２９を監視しており、温度センサ２９で検出された値から温度を測定し、測定結果を充電・放電器２７に通知する。出力装置３３は、測定器３１で測定された温度を出力する。

次に、図４を参照して、電池試験方法について説明する。図４は、本実施形態に係る電池試験の手順を示すフローチャートである。

この電池試験では、最初に部分圧壊試験を行い、その後で充放電試験を行う。図４に示されるように、部分圧壊試験を開始する際には、試験実施者は、まず試験対象となる二次電池２の選定をし、選定した二次電池２を満充電状態で準備する。さらに、二次電池２の圧破壊方向及び深さＤを決定する。さらに、充電と放電とを繰り返し実施するためのサイクル条件（放電量Ｋ、終止サイクル数Ｎend、環境温度Ｔ）を決定する（ステップＳ１）。

図５及び図６に示されるように、二次電池２は六面体からなる角型であり、二次電池２の周面は、一対の平面部分２ａと、平面部分２ａ以外の側面部分２ｂとを有している。平面部分２ａは各面の中で面積が最大になる領域である。側面部分２ｂは平面部分２ａ同士を連絡するように取り巻く領域であり、平面部分２ａに比べて極めて狭くなっている。また、二次電池２の平面部分２ａは矩形であり、図５及び図６では、横方向（長辺側）の寸法は“Ａ”、縦方向（短辺側）の寸法は“Ｂ”で示してあり、さらに一対の平面部分２ａ同士の間の距離（高さ寸法）は“Ｃ”で示している。従って平面部分２ａの短辺の長さＢは、一対の平面部分２ａの間の距離である側面部分の幅である距離Ｃよりも長くなっている。さらに、圧壊する深さは“Ｄ”で示してあり、深さＤを変化させて圧壊試験を実施することにより、二次電池２を部分的に破損（部分圧壊）させる。なお、図５に示す状態では、深さＤが電池高さＣと同じとなる時に全圧壊となり、図６に示す状態では、深さＤが電池高さＡと同じとなる時に全圧壊となる。

次に、圧壊方向の決定について説明する。図５及び図６は、圧壊する面が上側になるように試験台３に二次電池２を取り付けた場合を示している。圧壊方向の決定とは、丸棒５が当接して圧壊する面を決定することを意味し、圧壊方向を平面部分２ａに決定した場合（図５参照）には、平面部分２ａを上側に向けて試験台３に設置する。その結果、丸棒５は平面部分２ａに当接し、主として平面部分２ａを潰すことになる。また、側面部分２ｂに決定した場合（図６参照）には、側面部分２ｂを上側に向けて試験台３に設置する。その結果、丸棒５は側面部分２ｂに当接し、主として側面部分２ｂを潰すことになる。

次に、部分圧壊させる際の所定の深さＤについて説明する。携帯電話などのモバイル機器の場合、日常使用している範囲（実際の使用態様）で遭遇する異常な荷重圧力としては、アイロン、ノートＰＣ、椅子、机などの日用品を想定することができる。このような日用品による荷重はおおよそ１００ｋｇｆから５００ｋｇｆ程度である。図８に示されるように、このような荷重を想定すると、二次電池２の平面部分２ａに対して部分圧壊させる場合の所定の深さＤは、側面部分２ｂの幅Ｃの１／８〜１／４の範囲の深さになり、また、側面部分２ｂに対して部分圧壊させる場合の所定の深さＤは、平面部分２ａの短辺の長さＢの１／４〜１／２の範囲の深さになる。従って、本実施形態では、実際の使用態様において二次電池２に生じやすい部分圧壊の深さＤに合わせるために、二次電池２の平面部分２ａに対して部分圧壊させる場合の所定の深さＤは、側面部分２ｂの幅Ｃの１／８〜１／４の範囲の任意の深さに規定し、また、側面部分２ｂに対して部分圧壊させる場合の所定の深さＤは、平面部分２ａの短辺の長さＢの１／４〜１／２の範囲の任意の深さに規定する。

図４に示されるように、二次電池２の選定など（ステップＳ１）が終わると、ステップＳ１で決定された圧壊方向に基づいて二次電池（試験対象電池）２を第１の試験ユニット１０１の試験台３に取り付ける（ステップＳ２）。

次に、試験実施者は、加圧装置９の開始操作を行って丸棒圧壊を実施する。加圧装置９の制御回路９ａは駆動モータ９ｂを制御し、丸棒５を降下させて二次電池２を押圧し、部分圧壊を実施する（ステップＳ３）。なお、部分圧壊させる際の所定の深さＤは、平面部分２ａを丸棒５で部分圧壊させる場合には、側面部分２ｂの幅の１／８〜１／４の範囲内の任意の深さとなるように予め規定されており、側面部分２ｂを丸棒５で部分圧壊させる場合には、平面部分２ａの短辺の長さＢの１／４〜１／２の範囲内の任意の深さとなるように予め規定されている。ステップＳ３は、部分圧壊ステップに相当する。

次に、測定装置１３の測定回路１３ａは、部分圧壊された二次電池２の電池温度Ｔを温度センサ１１での検出値に基づいて測定し、検出結果を出力部１３ｂに出力する。さらに、測定回路１３ａは、検出結果を出力部１３ｂに出力すると加圧装置９に測定終了を示すデータを通知し、丸棒５を上昇させて二次電池２への押圧を解く。試験実施者は、測定結果が所定の閾値、例えば、１６０℃を超えているか否かを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４は、第１の検出ステップ及び第１の判定ステップに相当する。試験実施者は、ステップＳ４において、１６０℃を超えていると判断する場合には、試験対象の二次電池２を不良電池と判断（ステップＳ５）して電池試験を終了する。一方で、１６０℃以下と判断する場合には、試験実施者は、試験対象の二次電池２を良品候補と判定し、良品候補電池を試験台３から取り外して後続の充放電試験を実施する。

ここで、部分圧壊された二次電池２の異常の有無を判断する基準となる所定の閾値（１６０℃）の決定について説明する。図９は、圧壊後の二次電池２の温度変化を示している。図９に示されるように、二次電池２を圧壊した場合には、パターン１〜３までの三態様の温度変化（振る舞い）があることが確認された。

パターン１は、二次電池２を圧壊した場合でも、二次電池２の内部の正極、負極間の短絡が発生せず、温度変化が無いパターンである。また、パターン２は、二次電池２の内部の正極、負極間の短絡が発生し、二次電池２の電池温度Ｔが短絡電流によるジュール熱によってあがっていくが、臨界温度（二次電池２の材料の熱分解が始まる温度：１５０℃〜１６０℃程度）に達せずに、かつ短絡電流自体が収束することによって、電池温度Ｔがピークに達した後に低下するパターンである。また、パターン３は、二次電池２の内部の正極、負極間の短絡が発生し、二次電池２の温度が短絡電流によるジュール熱によってあがっていき、さらに、二次電池２の温度が臨界温度（二次電池２の材料の熱分解が始まる温度：１５０℃〜１６０℃程度）に達して、二次電池２の電極や電解液の電池材料自体の熱分解が始まり、それにより熱暴走が始まるパターンである。

パターン３の熱暴走により、二次電池２自体が５００℃前後の異常発熱や発煙などを引き起こすことになる。本実施形態では、二次電池２を部分圧壊してパターン１またはパターン２の振る舞いをする場合には、良否候補電池の範疇であると判断することにし、パターン３の振る舞いをする場合には、不良電池であると定義することにした。従って、不良電池の判断基準として、二次電池２の電池温度Ｔが臨界温度に達するか否かを監視することが最も望ましいため、異常の有無を判断する基準となる電池温度Ｔを１６０℃に決定することで熱暴走の発生を精度良く確認できる。

なお、本実施形態では、試験実施者が測定装置１３の出力部１３ｂから出力された値に基づいて二次電池２の良否候補判定を行っていたが、安全基準を満たす値を測定装置１３に予め設定しておき、測定回路１３ａがステップＳ３で求めた値と安全基準を満たす値とを対比して電池の良否候補判定を行い、良品候補電池と判定する場合には「良品」を示すメッセージを出力部１３ｂから出力させ、不良電池と判定する場合には「不良」を示すメッセージを出力部１３ｂから出力させるようにしてもよい。

図４に戻り、二次電池２が良品候補と判定されると（ステップＳ４）、試験実施者は、充放電試験を実施するために、良品候補と判定された二次電池２を第２の試験ユニット１０３の恒温装置２５内に設置し、温度センサ２９や充電・放電器２７のコード２７ａ，１０７ｂに接続する（ステップＳ６）。

第２の試験ユニット１０３への二次電池２の設置が完了すると、試験実施者は、充電・放電器２７に対して入力操作を行い、サイクル数Ｎを示すデータを格納するメモリに“Ｎ＝０”を設定する。充電・放電器２７は、試験実施者による入力操作を受け付けると、充電及び放電の１サイクル分の電力制御を実施する（ステップＳ７）。ステップＳ７は、電力制御ステップに相当する。

充電・放電器２７による放電量は事前に規定されており、その放電量に基づく充電電流（Ｉ１）、放電電流（Ｉ２）を所定時間だけ通電させることで、充電動作及ぶ放電動作を交互に実施する。充電電流（Ｉ１）または放電電流（Ｉ２）を流す時間、すなわち充電時間Ｔ１または放電時間Ｔ２を求めるための式について図１０を参照して説明する。図１０は、充電動作と放電動作とを交互に繰り返す場合の動作時間と電池充電状態との関係を示すグラフである。充放電試験では、二次電池２の充電と放電とを１サイクルとして、事前に規定している放電量Ｋ（％）にしたがって、充電と放電が繰り返し実施される。１サイクルにおける充電時間（Ｔ１）及び放電時間（Ｔ２）は、電池容量をＱ（Ａｈ）、充電電流をＩ１（Ａ）、放電電流をＩ２（Ａ）とすると、以下の式で規定される。

Ｔ１（ｈ） = K（％）×Q（Ａｈ）／Ｉ１（Ａ）
Ｔ２（ｈ） = K（％）×Q（Ａｈ）／Ｉ２（Ａ）

なお、電池容量Ｑ（Ａｈ）は、充放電のサイクルが進むとともに電池劣化によって値が小さくなるので、充電時間Ｔ１及び放電時間Ｔ２は小さくなる。また、図１０に示される充電と放電との間に毎回休止期間（レスト時間）を入れて、サイクル（充電、放電、レスト）を行う場合もある。

続いて、図４に示されるように、充電・放電器２７は、サイクル数Ｎに設定されたデータを確認し、終止サイクル数Ｎend未満であれば、終止サイクル数Ｎendに未到達であることを示すデータを測定器３１に通知する。測定器３１は、サイクル中の全工程において、温度センサ２９を介して二次電池２の温度を測定しており、充電・放電器２７から終止サイクル数Ｎendに未到達であることを示すデータを受け付けると、その時点での温度を出力装置３３に出力させる。試験実施者は、出力装置３３で出力された温度が１６０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８は、第２の検出ステップ及び第２の判定ステップに相当する。

ステップＳ８において、試験実施者は、１６０℃以下と判定する場合、充電・放電器２７のサイクル数Ｎのメモリに“１”を加算するためのデータの入力処理を行う（ステップＳ１０）。また、試験実施者は、出力装置３３で出力された温度が１６０℃を超えていると判定する場合には、試験対象の二次電池２は不良電池であると判定して電池試験方法を終了する。

充電・放電器２７では、サイクル数Ｎが更新されると、新たなサイクル数Ｎの値が終止サイクル数Ｎendに到達しているか否かを判断し（ステップＳ８）、到達している場合には出力装置３３に良品電池を示す情報を表示させる。試験実施者は、出力装置３３に良品電池を示す情報が表示されると、試験対象の二次電池２は良品電池であると判定して電池試験を終了する。

なお、本実施形態では、試験実施者が出力装置３３から出力された温度に基づいて二次電池２の良否判定を行っていたが、安全基準を満たす温度を測定器３１に予め設定しておき、測定器３１がステップＳ７で求めた温度と安全基準を満たす温度とを対比して電池の良否判定を行い、良品電池と判定する場合には「良品」を示すメッセージを出力装置３３から出力させ、不良電池と判定する場合には「不良」を示すメッセージを出力装置３３から出力させるようにしてもよい。

次に、終止サイクル数Ｎendを決定するための、予備試験について説明する。図１１は、予備試験の結果を示し、サイクル数Ｎと電池容量Ｑ（Ａｈ％換算）との関係を示すグラフである。図１１では、横軸にサイクル数（Ｎ）を示し、縦軸には、それに対する電池容量Ｑ（Ａｈ）を示している。予備試験は、部分圧壊試験の前に行われる。予備試験は、試験対象の二次電池２に所定のサイクル動作をさせて電池の劣化特性を測定するための試験である。予備試験は、試験対象となる二次電池２を部分圧壊させずに所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返し、図１１に示されるような、劣化電池容量とサイクル数Ｎとの関係を求める（予備試験ステップ）。終止サイクル数Ｎendは、予備試験で求められた劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定される。具体的には、二次電池２の電池容量が５０％から２５％の範囲内にまで低下した場合を電池寿命として考えており、図１１に示されるように、予備試験では、二次電池２の電池容量が５０％から２５％に含まれる範囲にまでに低下したサイクル数（基準サイクル数）Ｎが終止サイクル数Ｎendに相当する。

本実施形態に係る電池試験装置１００及び電池試験方法では、二次電池２を一方向から完全に圧壊（全圧壊）して温度や電圧を測定するのではなく、不完全な部分圧壊の状態で温度や電圧を測定する。二次電池２の圧壊に関して言えば、携帯電話などの使用中に遭遇する力に近い状況（携帯電話の使用者が落下や破損などで遭遇しやすい状況）では、全圧壊よりも部分圧壊の方が生じ易い。さらに、主としてリチウムイオン電池などでは、電池の全圧壊状態は内部短絡などに起因する異常判定において最悪条件ではなく、電池が破損した場合の振る舞いを適切に検証できなかった。すなわち、全圧壊試験よりも部分圧壊試験の方が二次電池２を厳しく試験をして安全性を確認する方法として有利である。そして、電池試験装置１００及び電池試験方法では、部分圧壊試験によって二次電池２を評価するので二次電池２が破損した場合の振る舞いを適切に検証することが可能となる。

さらに、部分圧壊の直後は正常であっても、その後継続して電池の使用を続けた場合には、異常事象が生じる場合がある。しかしながら、電池試験装置１００及び電池試験方法によれば、部分圧壊試験を行った後で充放電試験を行うので、部分圧壊後に継続して二次電池３が使用された場合の二次電池３の振る舞いも適切に検証できる。

さらに、第２の試験ユニット１０３は、丸棒（押圧部材）５によって部分圧壊された二次電池２の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置２５を備えており、第２の試験ユニット１０３による試験環境を、二次電池２の実際の使用環境を想定した温度に保持することができ、部分圧壊後に継続して電池が使用された場合の電池の振る舞いをより適切に検証できる。

さらに、加圧装置９は、丸棒５によって二次電池２の平面部分２ａ及び側面部分２ｂの少なくとも一方が所定の深さＤになるまで二次電池２を押圧する。所定の深さＤを規定しておくことで、複数の二次電池２に対して同じ条件で試験を行うことが可能になる。

なお、本発明は、上記の実施形態のみに限定されない。例えば、本実施形態では、試験実施者が第１の試験ユニット１０１への二次電池２の設置及び二次電池２の取り外し、及び第２の試験ユニット１０３への二次電池２の設置及び二次電池２の取り外しを行っていたが、これらを自動化して行えるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る電池試験装置の概略を示す図である。 第１の試験ユニットの概略を示す図である。 第２の試験ユニットの概略を示す図である。 電池試験方法の手順を示すフローチャートである。 二次電池の平面部を部分圧壊した状態を示す斜視図である。 二次電池の側面部を部分圧壊した状態を示す斜視図である。 モバイル機器の代表としての携帯電話の場合の充電動作可能温度範囲を示す図である。 圧壊試験において二次電池に付与される試験圧力と圧壊変形量との関係を示すグラフである。 丸棒を押し付けて部分圧壊した後の時間（試験時間）の経過と電池温度との関係を示すグラフである。 充電動作と放電動作とを交互に繰り返す場合の動作時間と電池充電状態との関係を示すグラフである。 予備試験において充電と放電とを交互に繰り返した場合のサイクル数と劣化電池容量との関係を示すグラフである。

符号の説明

２…二次電池、２ａ…平面部分、２ｂ…側面部分、３…試験台、５…丸棒（押圧部材）、９…加圧装置（加圧手段）、１３…測定装置（第１の測定手段）、２７…充電・放電器（電力制御手段）、３１…測定器（第２の測定手段）、２５…恒温装置、１００…電池試験装置、１０１…第１の試験ユニット、１０３…第２の試験ユニット、Ｄ…所定の深さ、Ｂ…二次電池の平面部分の短辺の長さ、Ｃ…二次電池の側面部分の幅。

Claims (11)

1. 充電可能な電池の圧壊試験を行うための第１の試験ユニットと、
   前記電池の充放電試験を行うための第２の試験ユニットと、を備え、
   前記第１の試験ユニットは、
   前記電池を設置する試験台と、
   前記電池を圧壊する押圧部材と、
   前記電池が不完全な部分圧壊となるように前記押圧部材の押圧力を制御する加圧手段と、
   部分圧壊された前記電池の温度および電圧の少なくとも一方を測定する第１の測定手段と、を備え、
   前記第２の試験ユニットは、
   前記押圧部材によって部分圧壊された前記電池に対して充電と放電とを交互に繰り返す電力制御手段と、
   前記電力制御手段によって充電と放電とが繰り返し実施された前記電池の温度を測定する第２の測定手段と、を備えることを特徴とする電池試験装置。
2. 前記第２の試験ユニットは、
   部分圧壊された前記電池の周囲環境の温度を所定の温度に保持する恒温装置を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電池試験装置。
3. 前記恒温装置は、前記電池の周囲環境の温度を−５℃〜＋５０℃の間の任意の温度に保持することを特徴とする請求項２記載の電池試験装置。
4. 前記電池は角型であり、且つ矩形で一対の平面部分と一対の前記平面部分を取り巻く側面部分とを有し、
   前記加圧手段は、前記押圧部材によって前記電池の前記平面部分及び前記側面部分の少なくとも一方が所定の深さになるまで前記押圧部材で前記電池を押圧することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電池試験装置。
5. 前記平面部分の短辺は、一対の前記平面部分の間の距離である前記側面部分の幅よりも長く、
   前記平面部分における所定の深さは、前記側面部分の幅の１／８〜１／４の範囲に含まれ、前記側面部分における所定の深さは、前記平面部分の短辺の長さの１／４〜１／２の範囲に含まれることを特徴とする請求項４記載の電池試験装置。
6. 前記電力制御手段は、１サイクルでの放電量を満充電から完全放電するまでの量以下の任意の量とすることが可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電池試験装置。
7. 試験対象となる電池を試験台に設置し、前記電池が不完全な部分圧壊となるように前記電池に押圧力をかける部分圧壊ステップと、
   部分圧壊した前記電池の温度及び電圧の少なくとも一方を検出する第１の検出ステップと、
   前記第１の検出ステップにおける検出結果が、良品候補判定のための閾値以下であれば良品候補と判定する第１の判定ステップと、
   前記第１の判定ステップにおいて前記良品候補と判定された前記電池に対して所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返す電力制御ステップと、
   前記電力制御ステップにおいて所定のサイクル数だけ充電と放電とが繰り返された前記電池の温度を検出する第２の検出ステップと、
   前記第２の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値以下であれば良品と判定する第２の判定ステップと、
   を含むことを特徴とする電池試験方法。
8. 前記第１の判定ステップは、前記第１の検出ステップにおいて部分圧壊した前記電池の温度が検出された場合、当該検出結果が、良品候補判定のための閾値である１６０℃以下であれば良品候補と判定することを特徴とする請求項７記載の電池試験方法。
9. 前記第２の判定ステップは、前記第２の検出ステップにおいて検出された温度が、良品判定のための所定の閾値である１６０℃以下であれば良品と判定することを特徴とする請求項７又は８記載の電池試験方法。
10. 前記部分圧壊ステップの前に、試験対象となる前記電池を部分圧壊させずに所定のサイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返し、前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係を求める予備試験ステップを更に含み、
    前記電力制御ステップでの所定のサイクル数は、前記予備試験ステップでの前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係に基づいて規定されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の電池試験方法。
11. 予備試験ステップにおいて前記電池の劣化電池容量とサイクル数との関係から、前記劣化電池容量が５０％〜２５％の範囲に最初に含まれるようになった基準サイクル数を求め、
    前記電力制御ステップでは、前記基準サイクル数だけ充電と放電とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１０記載の電池試験方法。

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