JP5847102B2

JP5847102B2 - 被加熱試験体の加熱制御装置および加熱制御方法

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Publication number: JP5847102B2
Application number: JP2013016471A
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Inventors: 馬殿　進路; 進路馬殿; 健吉加島; 和幸山本; 吉瀬　万希子; 万希子吉瀬; 吉岡　省二; 省二吉岡
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Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2016-01-20
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Description

この発明は、昇温時に自己発熱を伴う特にサイズが大きな被加熱試験体を対象にした加熱制御装置に関するものである。

熱的安定性が求められる被加熱試験体において、材料組成が不明な購入部材、あるいは高温時に自己発熱作用のある電池等では加熱試験が重要となる。安全性評価試験では、熱的破壊を含めた種々の加熱試験規格が開示されている。加熱試験規格の例による加熱温度プロファイルとして、所定速度の昇温動作と、高温状態で保持する高温保持動作などの例が知られる。電池試験規格では、昇温過程では昇温速度5±2℃/分、および高温保持過程では安定性150±3℃などの具体的な値を挙げている。以下ではこの規格を試験規格Aと呼ぶ。また電池試験規格では、加熱温度は被加熱試験体周辺でモニタすると定義している。しかし、試験電池が大きくなる程、周辺と試験電池内部とでは温度差は大きく現れる傾向がある。

また、具体的な被加熱試験体の加熱方法・手段として、次の２タイプがある。
（ａ）被加熱試験体の主に内部を昇温加熱する内部加熱
（ｂ）被加熱試験体の外表面から加熱する外部加熱
前者の加熱方法として、加熱コイルに供給する低周波電流による電磁誘導加熱があり、被加熱試験体容器を加熱せずに、直接内部を加熱することができる。
後者には、熱風加熱炉による加熱、加熱ヒータによるヒータ加熱、や、輻射熱による非接触加熱などいくつかの加熱手段が用いられる。後者の方法のいずれもが、被加熱試験体の外表面から熱を与えて、被測定体内部に熱エネルギーを伝導伝播させるものである。

そこで、次に従来の測定方法における課題について、被加熱試験体として試験電池の場合を具体例として以下説明する。図１は、被加熱試験体としての試験電池を例として模式的に透視図で示したものである。試験電池１の外筒部を試験電池外筒１１、試験電池の本体部を試験電池本体１２と呼ぶ。なお、試験電池の出力端子は図示しない。図１において、試験電池外筒１１内に、電気エネルギーを生成する試験電池本体１２が収納されている。ここで標準的な電池では、試験電池本体１２は、正電極、負電極、セパレータ、および電解液等から構成される電気エネルギーを生成する機構体となっており、試験電池外筒１１は、この電池機構を収納する金属等容器で構成されている。以上の場合において、試験電池外筒表面の温度とは試験電池外筒１１を代表する温度のことであり、試験電池本体の温度とは試験電池本体１２を代表する温度のことである。

従来、温度制御のための温度センサは、上記試験電池１の試験電池外筒１１の表面に取り付けられていた。また従来、試験電池本体１２の温度は不明な状態で、試験電池外筒の表面の温度を基準にした加熱制御が行なわれていた。

更に被加熱試験体は、上述のように熱的に安定なものでなくてはならない。従って、熱的に安定な試験電池とは、試験電池本体が高温の状態に晒されても、安定して動作する試験電池のことである。この熱的安定性は、試験電池の構成部材それぞれの熱特性に由来するから、この熱的安定性をより精度よく評価するには、それぞれの構成部材温度が均等になるように加熱する必要があり、また、この場合の実質的な温度（以下では実質温度と略称する）は、試験電池外筒の温度ではなく試験電池本体の温度でなければならない。

このように、加熱制御装置の制御温度としては、実質温度である試験電池本体の温度が望ましいが、従来は、試験電池本体を直接には実測できなかったため、測定容易な試験電池外筒の表面温度が用いられてきた。

また、加熱試験時の昇温速度条件および高温保持過程の安定性温度条件の２条件の加熱仕様を満足させるために、内部温度が不明な周辺温度に依る温度制御に変えて、加熱制御として事前に取得した試験電池の熱容量値に基づく熱流を用いる方法がある。この熱流を計測する場合には熱流センサを用いるが、この熱流センサを使用した例として、流体配管内壁のスケールの計測や、高圧環境下での熱流計測を行っているものがある。しかし、これらは何れも熱流を加熱制御装置の制御信号として使用したものではない（例えば特許文献１〜３参照）。

特開平８−６２１６３号公報（図１、図４）特開平６−３３００号公報（図１）特開２００６−３０８３３５号公報

上記のような、従来の加熱制御装置の制御方法について、本願との相違をさらに明確に示し、従来の制御方法についての問題点を明らかにするため、従来の代表的な２つの方法について、以下にさらに詳しく説明する。本願では、特に、PC（パソコン）や携帯電話用電池（例えば型名18650）に比べて熱容量が大きいEVや電鉄用電池（例えばLEV50）を試験電池とした場合について検討することに主な狙いがあるからである。

（従来の実施例１）
従来の外部加熱法の一例を図５に示す。図５は従来の実施例１による加熱部２００と加熱制御手段６１で構成される加熱制御装置を示す図である。同図において、加熱ヒータ２が発生する熱流Qex（厳密には後述するように、予め求めた試験電池の熱容量Ccellと所与の昇温速度Trから導出する熱流Qex[Joul/sec]のことである）。被加熱試験体の外部から与えられる熱流であるので、内部発熱に伴う熱流と区別して、以降、これを外部熱流Qexと呼ぶ。）は、熱拡散板５を介して試験電池１に伝播する。この加熱ヒータ２からの熱が試験電池１の外部に拡散流出するのを防ぐために、加熱ヒータ２の外側は、断熱材４を用いて囲われるように実装される。加熱ヒータ２に電流を流すためにヒータ電流線aが取り付けられ、従来の加熱制御手段６１はヒータ電流Ihを加熱ヒータ２に供給する。加熱ヒータ２で発生したヒータ熱は、熱拡散板５を通って試験電池１に供給され、その温度を上昇させる。温度センサ７がこの上昇した温度を検出し、これを温度信号として温度信号線ｂを通じて従来の加熱制御手段６１に伝えられる。この加熱制御手段６１は、検出した温度信号について、目標温度Toに達しているかどうか判断し、適宜、ヒータ電流量を加減することで温度制御を行う。

同図において、加熱ヒータ２を用いた外部加熱の際に、試験電池１が自己発熱を伴う場合には、更に温度が上昇する。これを受けて従来の加熱制御手段６１は、加熱ヒータ２による外部からの供給熱量を減じるように動作する。

以上のような従来の温度制御プロセスによる加熱方法について、図８に示す加熱制御機能ブロック図で説明する。
同図において、従来の加熱制御手段６１は、外部熱流Qexを試験電池１に供給すると同時に、試験電池１の温度信号Tsを取得し、目標温度Toと比較し、過不足分を外部加熱量として補正出力することができる。ここで、従来の加熱制御手段６１が加熱の際に取得する温度信号Tsは、制御信号として用いる（従来の場合には加熱時の制御温度信号となるが、本発明では、校正試験時の校正の際の温度信号となる）。試験電池１は温度変換器２２を含む。また、従来の加熱制御手段６１は、制御演算器611、及び加算器612を含む。

しかしながら、試験電池１自身の内部発熱によって温度上昇するので、温度上昇分ΔT、試験電池１の熱容量Ccellとし、内部発熱に伴う熱流をQｉｎ（以下この熱流を内部熱流と呼ぶ）とすると、試験電池１の実測温度Tmeas（以下、実測温度Tm1と略称する）は、次式（１）に従う。
ここで、目標温度Toに近づけるには外部熱流Qexを減らさなければならなかった。

次に、従来の実施例１の熱等価回路について図９、図１０に基づいて説明する。図９は、PCや携帯電話用の小形の試験電池１、すなわち熱容量の小さい試験電池１および加熱ヒータ２の熱等価回路である。同図において、外部熱抵抗Rexは断熱材4に、Rmsは熱拡散板５に相当する。また、R_ip、R_isは、試験電池の表面温度と内部温度が表現できる２つの熱抵抗成分である。ここでは、明らかにR_ipとR_isの結合点が内部温度を示し、R_isとR_ipとの結合点が表面温度を示している。ここで、小形の試験電池の場合、特に外部熱抵抗Rexは、断熱材ゆえに熱拡散板熱抵抗Rmsや試験電池の内部抵抗R_ipおよび、R_isに比べ高いので、本案発明の説明を行うため便宜上、大部分外部熱流Qexが、試験電池内部に流れるとする。よって測定温度Tｍ1は、外部熱流Qexおよび試験電池の熱抵抗R_ipおよびR_isを用いて、
と簡単化できる。

実際には、試験電池１は内部発熱を伴うから、内部熱流Qｉｎを用いて、
となる。式（３）より、実測温度Tmeas（＝T_m1）は、外部熱流Qexに依存する他、内部熱流Qｉｎの影響を受けていることを明確にした。ここで、外部熱流Qex、内部熱流Qｉｎは単位時間当たりの熱エネルギー[W]である。

次に、EV用あるいは電鉄用など大形の試験電池１の場合を検討する。この場合には、熱容量が大きい分、加熱応答時間により大きな遅れが生じる。
図１０は、熱容量の大きい試験電池１および加熱ヒータ２の熱等価回路である。同図は、図９の熱容量の小さい試験電池１および加熱ヒータ２の熱等価回路に、外部熱容量Cex、C_ip1、およびC_ip2が加えられたものである。ここで、試験電池１は、外筒容器ならびに電池本体からなる機構体であるから、よってC_ip1は、試験電池１の外筒容器の熱容量、C_ip2は、試験電池１の本体の熱容量に相当する。
外部熱流Qexは、単位時間あたりに流れる熱エネルギーの量[W]である。応答時間特性は、外部熱流Qexを試験電池１に加えた時のステップ応答特性であり応答時間遅れを伴う。このような温度上昇特性は、図１０の外部熱容量Cex、試験電池の熱容量C_ip1、およびC_ip2による効果の反映である。

電池等の試験電池１では、実際の加熱試験で内部発熱を伴うことを述べてきたが、これを具体的に図１１および図１２を用いて説明する。これらの図は、試験電池１の加熱温度プロファイルの模式図であり、前者は昇温動作時、後者は高温保持動作時の加熱特性である。これらの図において、試験電池がその内部発熱により所定の温度プロファイル曲線から増加する様子を示す。この増加分は内部発熱の有無による式（２）と式（３）の差となって現れる。これについて、図８に示す負帰還動作による制御手段を構成した場合、従来の加熱制御手段６１は、目標温度Toと比較して外部熱流Qexを減らすように調整する。

実際には、試験電池供試体の場合、加熱昇温途中に自己発熱が原因で熱暴走による破壊の発生、あるいは、熱暴走前の兆候（熱膨張による試験電池の膨れ、発煙）が現れることがある。しかし、従来の温度制御プロセスによれば、上記のように、被加熱試験体の自己発熱そのものが制御外乱とみなされて、外部熱量を減じる作用を及ぼすので、評価対象である試験電池１の自己発熱を等価的に消失させて扱うことになる。

上述のように加熱中に試験電池内部で自己発熱がある場合、外部入熱による温度上昇分と試験電池の内部発熱による温度上昇分が区別できない点が問題となる。これは、被加熱試験体の加熱制御装置において、試験規格Aの例のように所与の昇温プロファイルに従って加熱を行う場合、時々刻々変化する加熱プロセス温度が制御目標信号となるので、昇温中の試験電池が、自己発熱を伴って温度上昇すると、従来の加熱制御手段６１は外部からの供給熱量を減じるように動作するからであり、また、この外部からの熱供給量を減じると、自己発熱現象そのものを消失させる結果となる。これは、外部熱量を一定量供給する試験電池の加熱試験の目的に沿わない。

（従来の実施例２）
次に、低周波電磁誘導による加熱原理を用いた従来の内部加熱法の一実施例について、図６を用いて説明する。図６は従来の実施例２による加熱部２０１と従来の加熱制御手段６２で構成される加熱制御装置を示す図である。同図において、従来の加熱制御手段６２は誘導加熱コイル８への誘導コイル電流ｄを通じて誘導加熱コイル８から試験電池１に向けて誘導加熱磁束φを放射する。誘導加熱磁束φは試験電池１を透過中に渦電流損に基づく加熱作用を起こす。

この結果、試験電池１内部で発生した誘導加熱による発生熱Qｉｎd（以下、誘導熱流Qindと呼ぶ）の一部は、その場で温度上昇に寄与する。残りは熱伝導作用を受けて、外部に向けて熱流出する。この熱伝導および熱流出過程で、試験電池１の中心部から外表面に向けて温度分布を形成する。

以上のように、従来の低周波ＩＨ（induction heating（誘導加熱）の略）手段など、加熱制御装置を用いた内部加熱プロセスでは、均一加熱するために熱エネルギーを均一に付与したとしても、外部から熱エネルギーを付与すると同時に、試験電池内部で熱拡散が起きる。このように内部加熱法は、外筒表面からの伝導加熱を避けられるので、試験電池外筒より試験電池本体が優先して加熱できる特徴を有するものであった。しかしながら、均一加熱のために付与された熱エネルギーが外部に向かって熱拡散し、温度勾配が形成される結果、必ずしも均一な温度分布には至らない。

以上の内部加熱方法においては、試験電池内部で均一な熱エネルギーを供給した場合に、試験電池外部へ熱拡散して形成された中心部を頂点とする温度分布について、試験電池の周辺の温度が室温の場合には、加熱温度が高いほど温度勾配が顕著となるため、その温度勾配を改善する必要がある。

通常の加熱試験では、上記従来例１のように、試験電池の外筒部である試験電池外筒の表面の温度を制御温度としている。本願では、上述のようにPC（パソコン）用電池、携帯電話用電池に比べて熱容量が大きいEV用電池、電鉄用電池を試験電池とした場合について検討することを主な狙いとしているが、このように、更に試験電池サイズが大きくなると、試験電池の深部と外表面との温度差が増加する傾向がある。これについて、以下、図１３及び図１４を用いて詳しく説明する。

試験電池各部の昇温状態は、非定常熱解析によれば、試験電池外筒１１の表面の温度と試験電池本体１２の温度に温度差が認められ、通常、外部から加熱する場合には、前者の方が、後者より高い昇温速度で推移する傾向がある。図１３は、外部加熱法による試験電池の加熱昇温特性を示す実測データである。同図は、外部熱流Qexを試験電池１に加えた時のステップ応答特性である。このような応答時間遅れを伴った温度上昇特性は、外部熱容量Cex、試験電池の熱容量C_ip1、C_ip2の効果が反映されていることを示している。同図は、昇温速度について、試験電池外筒の方が試験電池本体より高いことを示す。また、いずれの経過時刻においても測定温度は、前者の方が後者より高いことを示す。

これは主に２つの理由に依るためである。一番目の理由は試験電池外筒と試験電池本体間の一部が空隙で、しかも減圧状態にあるから、熱輸送は昇温時の飽和蒸気圧曲線から対流による熱伝達効果は期待できず、熱輸送効率の悪い輻射が支配的である。二番目の理由は、試験電池本体の周囲を熱伝導性が高くない絶縁シートで覆っているためである。

このように、試験電池本体の温度は実質的な温度であり、外筒部の表面の温度は見かけの温度であると言える。なぜならば、加熱試験評価の対象となる部位が試験電池本体であるためである。

従来、実際に用いられていた制御温度は試験電池外筒の温度であった。よって実質温度である試験電池本体の温度でコントロールしていたのではなく、熱安定性の評価対象でない試験電池の外筒の温度で加熱制御を行なっていたことになる。

また、試験電池の寸法が大きくなれば、熱容量が増し、当然ながら試験電池内部の昇温速度は遅くなる。本来、試験電池内部は、上記試験規格Aで定めた要求速度で昇温される
のが望ましい。

さらに、試験電池外筒と試験電池本体の材料・組成が異なるので、昇温過程において試験電池の外表面との温度差が認められて、この外筒部の表面の温度は、試験電池本体の実質温度と異なっている点が、サイズも含めた本願での解決すべき技術課題である。

この発明による熱流センサを用いた加熱制御装置は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、本願発明は、上記に挙げた２タイプ（ａ）、（ｂ）の試験電池の加熱方法・手段である外部加熱ならびに内部加熱において、試験電池本体の実質温度について加熱制御を行なうことができることを目的とするものである。更に加熱試験中では、電池等の試験電池では必ず内部発熱するが、このように試験電池で内部発熱が生じても、外部からの入熱量を安定して供給することができることを目的とするものである。

そして、このような本願で狙いとしている試験電池について外部加熱を行う場合には、試験電池外筒の表面が試験電池本体（図１を参照）より過度に加熱される実情を考えて、試験電池本体の熱的安定性の評価（上記試験規格A参照）が可能となるようにするため、試験電池本体の実質温度について、例えば試験規格Aに基づいた昇温条件を、従来の試験電池外筒の温度に替え、試験電池本体の温度を用いて満足させる加熱手段を提供するものである。

本発明に係る被加熱試験体の加熱制御装置は、
試験電池の内部にエネルギーを供給する誘導加熱コイルと、
前記試験電池の外部からエネルギーを供給する加熱ヒータと、
前記加熱ヒータからのエネルギーを拡散させて前記試験電池に均等に熱を伝える熱拡散板と、
前記試験電池と前記加熱ヒータとの間に配置され、互いに逆方向の熱流である前記誘導加熱コイルによる熱流及び前記加熱ヒータによる熱流を計測する熱流センサと、
前記熱流センサで計測した熱流密度信号の値が零となるように、前記加熱ヒータに入力する電流を制御する加熱制御手段と、
を備えたものである。

本発明によれば、内部発熱量の程度に関わらず一定熱量を安定して外部から供給できることから、電池試験規格による昇温速度に従って、実質温度での加熱制御が可能となり、以下に挙げる効果を奏するものである。（1）試験電池内部の温度分布に配慮しなくて良い。（2）試験電池の筐体温度を制御温度としない。（3）熱容量特性が異なる試験電池に対しても、本願の加熱方式に依る昇温速度が適用できる。また、内部加熱において、試験電池内部に付与した外部熱量に因る温度上昇が、周辺温度の影響を受けない均一な加熱を行える第２の効果がある。

本発明に係る被加熱試験体である試験電池の一例を示す図である。本発明の実施の形態１による加熱制御装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態２による加熱制御装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態３による加熱制御装置の一例を示す図である。従来の実施例１による加熱制御装置の図である。従来の実施例２による加熱制御装置の図である。本発明の実施の形態１による加熱制御機能ブロック図である。従来の実施例１による加熱制御機能ブロック図である。小容量の試験電池および加熱手段の熱等価回路の図である。大容量の試験電池および加熱手段の熱等価回路の図である。昇温時の試験電池の加熱特性の図である。高温保持時の試験電池の加熱特性の図である。試験電池の加熱昇温特性（実測値）を示す図である。熱流センサ出力積算量VS試験電池内部温度時間特性（実測値）の図である。試験電池の加熱制御方法のフローを示す図である。校正試験を含む試験電池の加熱プロファイルの説明図である。

本願発明では、上記のような所謂、制御外乱の問題を解消するために、従来の温度センサを用いた温度制御に替えて、熱流センサを用いた熱流制御の方法および手段を用いた加熱制御装置を提案するものである。本発明で提案する試験電池の加熱試験装置では、加熱試験時の昇温速度条件および高温保持過程の安定性温度条件の２条件の加熱仕様を満足させるために、内部温度が不明な周辺温度に依る温度制御に変えて、加熱制御として事前に取得した試験電池の熱容量値に基づく熱流を計測する熱流センサを用いた熱流制御装置を提案するものである。また、この熱流センサにより計測された熱流を加熱制御装置の制御信号として使用し加熱制御を行うものである。以下この内容について、図面に基づいて本発明の実施の形態例について説明する。なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。

実施の形態１．
本願の発明に係る外部のエネルギー供給体である加熱ヒータによる加熱を用いた外部加熱法による実施の形態の一例について図を用いて説明する。
図２は本発明の実施の形態１による加熱部１０１と第１の加熱制御手段６０１で構成される加熱制御装置を示す図である。なお、以下の説明においては、従来の加熱制御処理装置と同じ構成要素で、同じ機能、あるいは作用であれば、説明を省略する。

同図において、加熱ヒータ２が発生する熱による外部熱流Qexは、熱拡散板５の外側から試験電池１に向けて伝播する。熱流センサ３は、試験電池１の外表面、または熱拡散途中に配置して、外部熱流Qexの一部もしくは全部を計測し、熱流密度を出力し、熱流密度信号（Qｓｉｇ)線ｃを通じて、第１の加熱制御手段６０１に伝える。温度センサ７は、試験電池１の外表面、または熱拡散板５の内部に実装して、試験電池１の温度信号Tsを第１の加熱制御手段６０１に伝える。第１の加熱制御手段６０１は、温度信号Ts、熱流密度信号Qｓｉｇ、および、予め取得した試験電池１の熱容量Ccellから試験電池１の制御温度Tcを計算し、目標温度Toとの比較において過不足量があれば加熱ヒータ２に供給するヒータ電流Ihに反映させる。ここで、温度信号Tsは、予め実施する校正試験の際に用いて試験電池１の熱容量Ccellを算出するものである。

ここで、熱拡散板５は、加熱ヒータ２からの熱を熱拡散効果を利用して、試験電池１に均等に伝える効果がある。断熱材４は、外部への熱流出を防いで加熱ヒータ２からの熱量を有効に試験電池１に伝える効果がある。

図７は、本案の実施の形態１による加熱制御機能ブロック図を示す。まずヒータ電流により発生させた外部ヒータ熱量は試験電池１に供給される。熱流センサ３は、この熱流実測値(外部熱流)Qexを検出しQｓｉｇとして、また、温度センサ７は、実測温度Tmeas（＝T_m1）を検出し温度信号Tsとして、第１の加熱制御手段６０１に伝える。
試験電池１は外部熱流Qexを受け入れて当然に発熱昇温する温度変換機能を具備するので、この図において、試験電池１内には温度変換器２１が設置され、また加熱制御手段６０１は係数器６１１〜６１３と加算器６１４を含む他、校正試験の際には、温度信号Tsを入力し、試験電池１の熱容量Ccellを算出する熱容量算出器６１５を備える。

次いで、第１の加熱制御手段６０１の係数器K１は、時間ｔiで検出された外部熱流Qexと、予め取得した試験電池１の熱容量Ccellを用いて、試験電池１の温度上昇分ΔT_ｉを見積もると、
となる。ここで、K_devは装置定数である。本演算は、毎時刻実施されて、試験開始からn時刻後の上昇温度Tn[℃]は、次式（５）となる。

本加熱試験は、所定の温度プロファイルに沿って加熱昇温動作が行われるが、試験電池１の特殊事象により本試験の加熱プロセスは、２段階に分けられる。試験電池１において、試験前半の昇温期間は、外部熱入力に基づく加熱作用、試験後半の昇温期間は、外部熱入力に基づく加熱作用に加えて、試験電池１の自己発熱が加わる加熱作用が加わる。つまり、外部から供給される外部熱流Qexによって、試験電池１は昇温されるが、試験電池１がさらに昇温を続けると、高温領域では内部発熱量が加わることになる。

本発明で提案する単純加熱モデルによると、前半の加熱期間では、式（２）に従うが、加熱の後半部分では、式（３）に従う。ここで、加熱期間中に観測された実測温度Tmeasと、第１の加熱制御手段６０１が出力する外部熱流Qexの関係に注目すると、式（２）に示すように内部熱流Qｉｎが介在しない試験前半の加熱プロセスは、比例的な関係にある。

この試験前半で実測温度Tmeas（ti)およびQex(ti)を取得し、次式（６）に従い試験電池１の熱容量Ccellは、通常の直線回帰式を適用して導出できる。
ここで、Tiは時間tiでの実測温度、Qiは時間tiでのQexの値、ｎはデータ数、バー記号は該当の全データの平均値を示す。

本加熱試験における温度制御動作は、所定の温度プロファイルに基づいて行われる。
ステップ入熱であれば、一定な入熱量となるように、またランプ加熱であれば、所定の昇温速度が得られるように加熱制御が行われる。第１の加熱制御手段６０１が加熱試験を行う上で必要な温度プロファイルデータは各時刻毎に目標温度Toとして外部から入力される。第１の加熱制御手段６０１は、試験電池１が目標温度Toに到達するように加熱制御動作を行う。熱流センサ３から送出した熱流速値[W]について、予め取得した試験電池１の熱容量Ccellから、試験電池１の見込み温度Tm2を求め、これが、目標温度Toとの差異を算出することができる。

本発明に係る加熱制御装置において、熱量管理量である熱流センサ出力積算量は、試験電池加熱時の実質温度とは、実測された大半の範囲において比例的な関係を示した（図１４参照）。このことは、試験電池温度をフィードバック制御量としなくても、熱流量率（図では熱流センサ出力と表示、熱流率と同義）の時間積分量を制御量とすることが可能なことを示す。

図１５に、本発明に係る加熱制御装置における試験電池の加熱制御手順の例を示す。同図において、本加熱試験に先立ち校正試験を実施し、本加熱試験に必要な試験電池の加熱係数（熱容量Ｃ）を求める。続いて、本加熱試験では、この加熱係数を用いて、所定の温度プロファイルに基づき加熱試験を行なう。

図１６は、試験電池の校正試験および本加熱試験の加熱プロファイルの一実施例を示す。
同図において、校正試験では、一定熱入力（ステップ熱入力）を与えて試験電池の熱流および加熱温度の時間応答特性を求める。本校正試験データから算出した加熱係数を参照して、本加熱試験の昇温試験および高温保持試験を行なうことが出来る。この場合、昇温試験においては、予め与える温度をランプ入力として入力し、目標温度Toを目標値とするフィードバック制御を行い、高温保持試験においては、所定の高温の値を設定して与えるとともに、この温度が試験規格で定められた所定の温度を維持する定値制御を行う。

このように、本願発明では、本加熱試験前段階で取得した試験電池１の熱容量Ccellを用いて、本加熱試験では、熱流制御手段により加熱試験規格で定められた所定の昇温速度Trでの加熱を実現する方法を提供している。

実施の形態２．
低周波電磁誘導による加熱原理を用いた本願の発明に係る内部加熱法について、実施の形態２として、以下図を用いて説明する。図３は実施の形態２による加熱部１０２と第２の加熱制御手段６０２で構成される加熱制御装置の一例を示す図である。

同図において、第２の加熱制御手段６０２は誘導コイル線ｄを通じて別のエネルギー供給体である誘導加熱コイル８から試験電池１に向けて誘導加熱磁束φを放射する。誘導加熱磁束φは試験電池１を透過中に渦電流損に基づく加熱作用を起こす。この結果、試験電池１内部で発生した電磁誘導による誘導熱流Qindの一部は、その場で温度上昇に寄与する。残りは熱伝導作用を受けて、外部に向けて熱流出する。同時に、エネルギー供給体である加熱ヒータ２は、ヒータ熱を発生し熱拡散板５を通じて試験電池１に向けて伝播する。

次に、熱拡散板５の内部または、試験電池１の外表面に備えた熱流センサ３は、外部から伝導してきた外部熱流Qexを検出するとともに、内部から伝播してきた電磁誘導による誘導熱流Qindを検出する。

熱流センサ３の出力信号は、互いに熱流の方向が異なる誘導熱流Qindとヒータ熱流（外部熱流）Qexとが同量の時は出力信号はゼロとなる。前者の誘導熱流の値が大きければプラス出力値に、後者のヒータ熱流の値が大きければマイナス出力値になる。本発明では、熱流センサ３の出力値がゼロとなるように、第２の加熱制御手段６０２は、加熱ヒータ２の加熱熱量を調整する。

このように本願の方式の内部加熱による加熱制御処理手段は、新規に熱流センサ手段およびヒータ加熱手段を備えて、試験電池からの外部流出熱量が外部ヒータの供給熱量と熱平衡するように、熱流センサによる外部ヒータ電流制御を行なうことができる特徴を有する。

実施の形態３．
低周波電磁誘導による加熱原理を用いた本願発明に係る内部加熱法の別の実施の形態について、以下図を用いて説明する。図４は本願の実施の形態３による加熱部１０３と第３の加熱制御手段６０３で構成される加熱制御装置を示す図である。

このように実施の形態２のエネルギー供給体である加熱ヒータ２を用いた加熱機能に替えて、本実施例３では、断熱材４を付加している。この断熱材の内側で試験電池に接する位置に熱流センサが取付けられ、断熱材からリークする熱流を計測できるように構成されている。そして、この熱流センサからの信号が温度信号とともに加熱制御手段６０３に入力される。従って、昇温過程においても、外部流出による熱損失を防ぐことができて、試験電池１を均一に加熱することができる。

このように本願発明に係る実施の形態３の内部加熱による加熱制御処理手段は、新規に断熱材４を付加することで、室温の影響がなくなり試験電池からの外部流出熱量が抑制できるので、結果的に試験電池内部での温度勾配を改善することができる特徴を有する。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１試験電池、２加熱ヒータ、３熱流センサ、４断熱材、５熱拡散板、７温度センサ、８誘導加熱コイル、１１試験電池外筒、１２試験電池本体、１０１、１０２、１０３加熱部、６０１、６０２、６０３加熱制御手段、６１５熱容量算出器、ａヒータ電流線、ｂ温度信号線、ｃ熱流密度信号線、ｄ誘導コイル電流、Ccell 試験電池の熱容量、Cex 外部熱容量、Cip 試験電池の熱容量、Qex 外部熱流、Qｉｎ内部熱流、Qind 誘導熱流、Qｓｉｇ熱流密度信号、Rex 断熱材の熱抵抗、Rms 加熱装置の直列熱抵抗、Rip 試験電池の並列熱抵抗、Ris 試験電池の直列熱抵抗、Tmeas、Tm1 実測温度、Tm2 評価温度、To 目標温度、Ts 温度信号、Tr 昇温速度、Φ 誘導磁界磁束。

Claims

試験電池の内部にエネルギーを供給する誘導加熱コイルと、
前記試験電池の外部からエネルギーを供給する加熱ヒータと、
前記加熱ヒータからのエネルギーを拡散させて前記試験電池に均等に熱を伝える熱拡散板と、
前記試験電池と前記加熱ヒータとの間に配置され、互いに逆方向の熱流である前記誘導加熱コイルによる熱流及び前記加熱ヒータによる熱流を計測する熱流センサと、
前記熱流センサで計測した熱流密度信号の値が零となるように、前記加熱ヒータに入力する電流を制御する加熱制御手段と、
を備えた被加熱試験体の加熱制御装置。
誘導加熱コイルにより、試験電池の内部にエネルギーを供給する工程と、
加熱ヒータにより、前記試験電池の外部からエネルギーを供給する工程と、
熱拡散板により、前記加熱ヒータからのエネルギーを拡散させて前記試験電池に均等に熱を伝える工程と、
前記試験電池と前記加熱ヒータとの間に配置した熱流センサにより、前記誘導加熱コイルによる熱流及び前記加熱ヒータによる熱流を計測する工程と、
前記加熱ヒータに入力する電流を制御する加熱制御手段により、前記熱流センサで計測した熱流密度信号の値が零となるように制御する工程と、
を含む被加熱試験体の加熱制御方法。