JP5652802B2

JP5652802B2 - 二次電池の内部短絡検出装置および内部短絡検出方法

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Publication number: JP5652802B2
Application number: JP2008045989A
Authority: JP
Inventors: 廣嗣松山
Original assignee: レノボ・イノベーションズ・リミテッド（香港）
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009204401A; JP2014041834A

Description

本発明は、二次電池の内部短絡検出装置および内部短絡検出方法に関する。

従来の二次電池の充電制御方法について、図３を参照して説明する。図３において、端末１は充電制御回路１１、端末回路１２、および電池パック１３から構成されている。端末１は電源供給を受けるため、正極端子１１４および負極端子１１５によりＡＣアダプタ２に接続される。充電制御回路１１は電池パック１３を充電するため、充電制御ＩＣ１１１２とスイッチ素子１１１とで電圧と電流を制御する。電池パック１３は、電池セル１３１と、保護制御ＩＣ１３２と、スイッチ素子１３３と、温度検出素子１３４を備える。温度検出素子１３４は電池パック１３の温度を検出し、その温度を端末回路１２に送信し、電池パック１３が異常な温度に至らないように制御する。
特開２００３−９４０５号公報特開２００６−２５８７９７号公報

しかしながら、従来の充電制御方法では、二次電池に微小な短絡状態が生じている状態で充電するため、充電効率が低下することがあった。また、二次電池に微小な短絡状態が生じている状態で充電することで、二次電池の劣化が早まることがあった。

従来の内部短絡を検出するための技術として、リチウムイオン電池における正負電極の短絡に伴う瞬間的な電圧の低下を検出する電源装置などが提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、二次電池が電源として用いられることの多いノートパソコンや携帯電話では、短時間のパルス充放電で機器が動作している場合が多い。そのため、正常な二次電池でも短い時間間隔で電圧が変動している。したがって、瞬間的な電圧の低下を検出する方法では、短絡による電圧の低下のみを識別することは困難である。

さらに、特許文献２には、内部短絡を検出するための以下のような手段が記載されている。特許文献２では、第１の電池電圧から、それよりも高い第２の電池電圧まで充電するのに要する基準電気量を用いている。二次電池に対して電池電圧を第１の電池電圧から第２の電池電圧まで充電するのに要した測定積算電気量と、基準電気量とを比較することにより内部短絡を判断している。しかしながら、第１の電池電圧から、それよりも高い第２の電池電圧までの電気量を取得するためには、第１の電池電圧を下回るまで電力を消費し、かつ充電により充電電圧が第２の電池電圧を上回らなければならない。さらに、満充電状態では充電電圧が一定となるため、第一の電池電圧から第二の電池電圧までの電気量を取得することができず、内部短絡の判断が不可能である。

本発明は、二次電池の微小な短絡状態の検出手段を備えた内部短絡検出装置を提供するものである。

本発明によれば、二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出装置であって、時刻Ｔ_ｎにおける電池容量Ｃ_ｎを取得する充放電容量積算手段と、前記電池容量Ｃ_ｎと、予め記憶された電池基準容量と比較し、前記電池容量Ｃ_ｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する内部短絡検出手段と、を備え、前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出装置が提供される。

また、本発明によれば、二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出方法であって、時刻Ｔ_ｎにおける電池容量Ｃ_ｎを取得するステップと、前記電池容量Ｃ_ｎと、予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃ_ｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断するステップと、を含み、前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出方法が提供される。

上記内部短絡検出装置および内部短絡検出方法においては、時刻Ｔ_ｎにおける電池容量Ｃ_ｎと、予め記憶された電池基準容量とが比較される。したがって、二次電池の消費電力に依存することなく、短絡の有無の判断が可能である。これにより、二次電池の微小な短絡状態を検出することができ、充電効率の低下を防止することができる。また、電池容量Ｃ_ｎと電池基準容量とを比較しているため、満充電時における短絡の判断が可能である。
また、予め記憶された電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である。これにより、任意の温度で内部短絡を判断することができるとともに、誤判断を低減することができる。

本発明によれば、二次電池の微少な短絡状態を検出することができる。二次電池の微少な短絡状態を検出することにより、充電効率の低下を防止できる。また、任意の温度において内部短絡を正確に判断することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による二次電池の内部短絡を検出する内部短絡検出装置の回路図である。内部短絡検出装置１００は、時刻Ｔ_ｎにおける電池容量Ｃ_ｎを取得する充放電容量積算回路１４と、この電池容量Ｃ_ｎと、予め記憶された電池基準容量とを比較し、この電池容量Ｃ_ｎがこの電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する内部短絡検出回路１２１とを備える。

この充放電容量積算回路１４は、充電制御回路１１、端末回路１２、電池パック１３および電流抵抗１５と共に、端末１を構成している。端末１は、ＡＣアダプタ２から電力を受けるために、正極端子１１４および負極端子１１５で接続される。充電制御回路１１は、電池セル１３１を充電するための充電制御ＩＣ２１１３とスイッチ素子１１１を備え、これにより、電池セル１３１に印加される電圧と電流を制御する。

電池パック１３は、電池セル１３１、保護制御ＩＣ１３２、スイッチ素子１３３、および温度検出素子１３４を備える。温度検出素子１３４は、電池パック１３の温度を検出し、この温度データを、端末回路１２に送信し、電池パック１３が異常な温度に至らないように制御する。充放電容量積算回路１４は、時刻Ｔ_ｎにおける電池セル１３１の電池容量Ｃ_ｎを取得する。

端末回路１２は、内部短絡検出回路１２１、メモリ１２２、タイマー１２３、報知回路１２４、およびその他の回路１２５を備える。メモリ１２２は、電池基準容量を記憶する。この電池基準容量は、電池セル１３１の所定温度における満充電電池容量と、各温度における電池容量温度パラメータとを積算した値である。電池セル１３１の満充電電池容量は、前回測定した値であってもよい。各温度における電池容量温度パラメータは、各温度における電池セル１３１の満充電電池容量から算出してもよいし、シミュレーションにより求めてもよい。内部短絡検出回路１２１は、電池セル１３１の上記の電池容量Ｃ_ｎを、充放電容量積算回路１４から取得するとともに、温度検出素子１３４から電池セル１３１の温度データを取得する。

次いで、この内部短絡検出回路１２１は、この取得した電池セル１３１の電池容量Ｃ_ｎと、メモリ１２２に記憶された電池基準容量とを比較する。ここで比較に用いられる電池基準容量は、電池セル１３１の常温時の満充電電池容量に、所定の温度における充電容量温度パラメータを掛けた値である。内部短絡検出回路１２１は、電池容量Ｃ_ｎが電池基準容量よりも大きい場合、内部短絡有りと判断して電池交換指示を報知回路１２４に報知させる。報知回路１２４は、電池交換指示を表示する表示回路であってもよいし、音、光等で報知する報知回路であってもよい。

この電池セル１３１の電池容量Ｃ_ｎが、満充電時の電池容量である場合、言い換えると、最終測定時刻Ｔ_ｎにおける電池容量である場合、この内部短絡検出回路１２１は、電池容量Ｃ_ｎと、電池基準容量とを比較し、電池容量Ｃ_ｎが電池基準容量より大きい場合、内部短絡有りと判断し、電池交換指示が報知回路１２４により報知される。一方、電池容量Ｃ_ｎが電池基準容量より小さい場合、内部短絡なしと判断して、充電を終了する。

次に、図１に示す内部短絡検出装置１００による内部短絡の検出方法を、図２に示すフローチャートにより説明する。本実施形態において、電池基準容量は、前回測定した満充電時の電池容量から算出する。

内部短絡検出回路１２１は、ＡＣアダプタ２が挿入されたことを検出し（Ｓ１０２）、電池セル１３１が充電されるフラグを取得する（Ｓ１０３）。その後、タイマー１２３から時刻Ｔ_１を、充放電容量積算回路１４から充電容量Ｃ_１を取得する（Ｓ１０４）。メモリ１２２に記憶された電池セル１３１の充電容量温度パラメータと、前回の満充電時の電池容量（以下、電池標準容量と称する）Ｃ_Ｄ１とを積算して得られる電池基準容量Ｃ_Ｒ１と、充電容量Ｃ_１とが比較される（Ｓ１０５）。電池容量Ｃ_１が電池基準容量Ｃ_Ｒ１より小さい場合、内部短絡はないと判断されて、一定時間後、同様にして、時刻Ｔ_２における充電容量Ｃ_２が取得される（Ｓ１０６）。

次いで、内部短絡検出回路１２１において、同様に、充電容量Ｃ_２と電池基準容量Ｃ_Ｒ１とが比較される（Ｓ１０７）。同様の工程が、時刻Ｔ_ｎ−１まで繰り返される。時刻Ｔ_ｎ−１における電池容量Ｃ_ｎ−１を取得し（Ｓ１０８）、電池容量Ｃ_ｎ−１と電池標準容量Ｃ_Ｒ１とが比較された（Ｓ１０９）後、電池充電完了フラグが取得される（Ｓ１１０）。最後に、内部短絡検出回路１２１は、タイマー１２３から時刻Ｔ_ｎを、充放電容量積算回路１４から電池容量Ｃ_ｎを取得し（Ｓ１１１）、電池容量Ｃ_ｎと電池基準容量Ｃ_Ｒ１とを比較する（Ｓ１１２）。電池容量Ｃ_ｎが電池基準容量Ｃ_Ｒ１より小さい場合、電池容量Ｃ_ｎを電池標準容量Ｃ_Ｄ１とし（Ｓ１１３）、充電を終了する（Ｓ１１４）。上記フローにおいて、電池容量Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_ｎ−１およびＣ_ｎが、電池基準容量Ｃ_Ｒ１より大きい場合は、電池交換報知が報知回路１２４により報知され（Ｓ１１５）、充電がオフになり（Ｓ１１６）、充電を終了する。

以下に、上記実施形態の内部短絡検出装置１００における内部短絡検出処理の実験例について説明する。以下の実験例において、電池セルとして、温度２０℃で、満充電まで充電した場合の電池容量（電池標準容量）が、８００ｍＡｈのものを使用する。

電池容量温度パラメータ（％）は、上記電池セルの０℃および４５℃における満充電時の電池容量を測定することにより求められる。得られる電池容量温度パラメータ（％）を以下の表１に示す。

次いで、別の電池セルを、以下の条件で充電する。
充電温度：０℃
電池状態：残電池容量１２０ｍＡｈ
充電電圧：４．２Ｖ
充電電流：８００ｍＡ（電流５０ｍＡで充電完了）
電池容量の測定間隔：１秒

温度０℃における、電池基準容量は以下のようにして求められる。
電池基準容量＝８００ｍＡｈ×０．９４＝７５２ｍＡｈ
したがって、各時刻における電池容量が、７５２ｍＡｈより小さい場合は、内部短絡が発生していないと判断し、一連の内部短絡検出工程を繰り返した。表２は、充電時間（秒）、電池容量（ｍＡｈ）および内部短絡の判定結果を示す表である。

次いで、内部短絡生じた場合の例を以下の表３に示す。充電条件は、上記と同様である。

この場合、充電時間３６００秒において、電池容量７５２．２ｍＡｈは、電池基準容量７５２ｍＡｈより大きいため、内部短絡有りと判断されて、充電は停止される。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、上記実施形態において、電池基準容量は、電池セルの前回の満充電時電池容量と充電容量温度パラメータとから求めたが、コンピュータでのモデリングによって、満充電時の疑似電池容量を求めてもよい。

また、電池容量の測定回数は、制限されず、任意の時刻で測定できる。なお、内部短絡の早期発見のためには、電池容量の測定回数は複数回繰り返すことが好ましい。
なお、上述した実施形態によれば以下の発明が開示されている。
（付記１）
二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出装置であって、
時刻Ｔｎにおける電池容量Ｃｎを取得する充放電容量積算手段と、
前記電池容量Ｃｎと、予め記憶された電池基準容量と比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する内部短絡検出手段と、
を備え、
前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出装置。
（付記２）
前記予め取得された満充電電池容量は、前回の満充電電池容量である、付記１に記載の内部短絡検出装置。
（付記３）
前記電池容量Ｃｎは満充電時の電池容量である、付記２に記載の内部短絡検出装置。
（付記４）
前記内部短絡検出手段は、前記満充電時の電池容量と、前記電池基準容量とを比較し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より小さい場合、内部短絡なしと判断して充電を完了する、付記３に記載の内部短絡検出装置。
（付記５）
内部短絡を報知する報知回路をさらに備える、付記４に記載の内部短絡検出装置。
（付記６）
二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出方法であって、
時刻Ｔｎにおける電池容量Ｃｎを取得するステップと、
前記電池容量Ｃｎと、予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断するステップと、を含み、
前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出方法。
（付記７）
前記予め取得された満充電電池容量は、前回の満充電電池容量である、付記６に記載の内部短絡検出方法。
（付記８）
前記電池容量Ｃｎは満充電時の電池容量である、付記７に記載の内部短絡検出方法。
（付記９）
前記電池容量Ｃｎと、前記予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する前記ステップは、前記満充電時の電池容量と、前記電池基準容量とを比較し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より小さい場合、内部短絡なしと判断して充電を完了するステップを含む、付記８に記載の内部短絡検出方法。
（付記１０）
内部短絡を報知するステップをさらに含む、付記９に記載の内部短絡検出方法。

本発明の一実施形態による二次電池の内部短絡検出装置の回路図である。本発明の一実施形態による内部短絡検出装置による、内部短絡の検出の流れを示すフローチャートである。従来の二次電池の内部短絡検出装置の回路図である。

符号の説明

１端末
２ＡＣアダプタ
１１充電制御回路
１２端末回路
１３電池パック
１４充放電容量積算回路
１５電流抵抗
１００内部短絡検出装置
１１１スイッチ素子
１１２充電制御ＩＣ１
１１３充電制御ＩＣ２
１１４正極端子
１１５負極端子
１２１内部短絡検出回路
１２２メモリ
１２３タイマー
１２４報知回路
１２５その他回路
１３１電池セル
１３２保護制御ＩＣ
１３３スイッチ素子
１３４温度検出素子

Claims

二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出装置であって、
電池容量Ｃｎを、予め定められた複数の時間それぞれで取得する充放電容量積算手段と、
前記複数の時間それぞれで取得された電池容量Ｃｎと、予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する内部短絡検出手段と、
を備え、
前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出装置。
前記予め取得された満充電電池容量は、前回の満充電電池容量である、請求項１に記載の内部短絡検出装置。
前記電池容量Ｃｎは満充電時の電池容量である、請求項２に記載の内部短絡検出装置。
前記内部短絡検出手段は、前記満充電時の電池容量と、前記電池基準容量とを比較し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より小さい場合、内部短絡なしと判断して充電を完了する、請求項３に記載の内部短絡検出装置。
内部短絡を報知する報知回路をさらに備える、請求項４に記載の内部短絡検出装置。
二次電池における内部短絡を検出する内部短絡検出方法であって、
電池容量Ｃｎを、予め定められた複数の時間それぞれで取得するステップと、
前記複数の時間それぞれで取得された電池容量Ｃｎと、予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断するステップと、を含み、
前記電池基準容量は、予め取得された満充電電池容量を充電容量温度パラメータで補償した値である、内部短絡検出方法。
前記予め取得された満充電電池容量は、前回の満充電電池容量である、請求項６に記載の内部短絡検出方法。
前記電池容量Ｃｎは満充電時の電池容量である、請求項７に記載の内部短絡検出方法。
前記電池容量Ｃｎと、前記予め記憶された電池基準容量とを比較し、前記電池容量Ｃｎが前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断する前記ステップは、前記満充電時の電池容量と、前記電池基準容量とを比較し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より大きい場合、内部短絡と判断し、前記満充電時の電池容量が前記電池基準容量より小さい場合、内部短絡なしと判断して充電を完了するステップを含む、請求項８に記載の内部短絡検出方法。
内部短絡を報知するステップをさらに含む、請求項９に記載の内部短絡検出方法。