JP6124770B2 - 試験装置及び二次電池の評価方法 - Google Patents
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Description
この二次電池の特性評価には、主に二次電池の性能を評価する性能特性評価試験と、二次電池の耐久性を評価する耐久性評価試験があり、一つの二次電池に対して性能特性評価試験と耐久性評価試験の双方を組み合わせて評価することがある。具体例を挙げると、交流インピーダンス測定(性能特性評価試験)と充放電試験(耐久性評価試験)を繰り返し行う。
性能評価の手順の一例について説明すると、最初に交流インピーダンス測定を行って二次電池の初期特性を評価する。
充放電試験が終了した後に再度交流インピーダンス測定を行い、充放電試験の前後の二次電池の性能特性の変化を評価する。そして所定の回数に渡って交流インピーダンス測定と充放電試験を交互に繰り返し、二次電池の性能特性及び耐久性を試験する。なお試験の途中で二次電池が完全に劣化し、二次電池として機能しなくなってしまった場合は、その段階で試験を中止する。
一方、交流インピーダンス測定においては、二次電池の極めて小さな抵抗成分まで測定することが多く、温度等の条件によって抵抗値が大きく乱れてしまう。すなわち二次電池の現実の温度が試験条件として想定された目標温度から離れてしまうと測定誤差が大きくなる。
一方、交流インピーダンス測定を行う場合には、温度等の誤差や振動等のノイズを極力減らすため、容積の小さな試験装置のチャンバーに二次電池を一個ずつ設置し、二次電池自身の温度を一定温度に維持した状態で所定のデータを測定していた。
また本発明によれば、対象温度測定手段の検知温度に基づいて、被試験物の温度が所定の温度(試験物目標温度)となるように被試験物配置室の温度を調整できる補助熱源を備えている。すなわち本発明によれば、全体温度調整手段によって調整された温度を、補助熱源によって微調整することができる。
充放電試験を行う場合には、全体温度調整手段の主熱源と主送風機によって各被試験物配置室に対して試験温度に調整された送風を供給することによって、二次電池の温度を概ね試験温度にすることが可能である。
また、交流インピーダンス測定を行う場合には、精密な温度条件が求められるので、全体温度調整手段の主熱源と主送風機によって各被試験物配置室に対して概ね試験温度に近い温度に調整された送風を供給する。そして、二次電池の温度を測定する対象温度測定手段の検知温度に基づいて、二次電池の温度が試験温度となるように補助熱源が全体温度調整手段からの送風を被試験物の温度に合わせて再調整することによって、二次電池を試験温度にする。
こうすることによって、一つの試験室内で交流インピーダンス測定及び充放電試験の双方を正確に実施することが可能となる。
また、一つの試験室内で性能特性評価試験及び耐久性評価試験を実施することが可能であるから、被試験物の移動や配線直しといった煩雑さや配線直しによる評価のバラツキを低減させることができる。
また本発明の構成によれば、被試験物の温度を早期に試験物目標温度に至らせることができる。
他の被試験物配置室に対応する補助熱源が起動あるいは発熱量が増大されて各被試験物の温度が試験物目標温度に維持されることを特徴とする請求項2に記載の試験装置である。
二次電池に対して充放電試験を行う場合を想定すると、実験の開始直後は、いずれの二次電池も発熱しない。そこで実験の開始直後は、全体温度調整手段によって各被試験物配置室に対して試験物目標温度近傍の送風目標温度に調整された送風を供給することにより、複数の二次電池を試験物目標温度に維持することができる。
一方、試験が進むと、劣化して発熱する二次電池が出現し、試験物目標温度近傍の送風に晒すだけでは二次電池を試験物目標温度に維持することができないものが現れる。
本発明の試験装置では、この様な状況に至った場合、補助送風機を起動して二次電池(被試験物)に風を当て、二次電池(被試験物)をさます。また送風目標温度を下方に修正し、二次電池(被試験物)に当てられる送風の温度を低下させる。
一方、他の被試験物配置室に対応する補助熱源が起動あるいは発熱量が増大され、各被試験物の温度を試験物目標温度に維持する。
本発明の構成によれば、全体調整運転と個別調整運転が行われる。例えば、要求される試験条件が比較的緩やかな場合には、全体調整運転を行い、要求される試験条件が厳格な場合には、個別調整運転を行うことによって要求される試験条件を満たしつつ、消費電力を低減できる。
二次電池に対して所定の試験温度において充放電を繰り返させる充放電試験を行う充放電基本モードと、所定の試験温度における電気的な性能特性を評価する性能特性評価試験を行う性能特性評価モードとを、切り替え実施可能であることが望ましい。
本発明の評価方法によれば、劣化による二次電池の温度上昇が、測定環境に影響しにくいため、性能特性評価試験において正確な性能特性を評価することが可能である。
本発明の二次電池の評価方法によれば、充放電試験後の二次電池の性能特性を正確に評価することができる。
なお、以下の説明において、特に断りがない限り、上下の位置関係は、通常の設置位置(図1)を基準に説明する。また、特に断りの無い限り、物性は、標準状態を基準とする。
試験装置1は図1,図6のように、本体装置6と評価装置3によって構成されている。本体装置6は、試験室2と後述の全体温度調整手段28を内蔵するものである。また評価装置3は、試験評価を行う装置である。
本体側筐体8は、前方が開放した直方体状の筐体であり、図2、図3、図6から読み取れるように、四角形状の底面部41と、底面部41と略同一形状の天面部42と、これらの三辺を繋ぐ左右側壁部43,44及び背面部45から形成されており、正面側が開口している。
扉部材7には、図6のように、その内側(本体装置6側)の内側壁部46に前後仕切り壁31a,31bが設けられている。
本実施形態においては、試験室2は本体装置6の中央部に位置し、その周囲に全体温度調整手段28として機能する領域がある。
試験室2は、二次電池50を収容する領域であり、前記した扉部材7を開閉することによって、二次電池50を出し入れすることが可能となっている。
すなわち試験室2は、横2列、縦3段に区画されている。より具体的には、試験室2に棚板部材10が2枚設けられており、試験室2は縦方向に3段に仕切られている。
また各段の中央には、中仕切り壁13があり各段が2室に区切られている。その結果、試験室2は、6個の被試験物配置室11a〜11fに区画されている。
各被試験物配置室11a〜11fは、いずれも、奥面と、天面と、底面と、左右側面が壁で覆われており、それぞれが独立している。
被試験物配置室11a〜11fは、図2のように、評価試験を行う際に、二次電池50を配置し、所望の試験環境が形成される空間である。
すなわち各被試験物配置室11a〜11fに対応して一個ずつ補助熱源17(17a〜17f)が設けられている。また各被試験物配置室11a〜11f内に一個ずつ補助送風機18(18a〜18f)が設けられている。
補助送風機18(18a〜18f)は、縦仕切り壁55に設けられた開口たる送風導入部15a〜15fの近傍に設けられており、補助送風機18(18a〜18f)を通過する送風の全てが、対応する各被試験物配置室11a〜11fの一つに導入される。
補助熱源17a〜17fは、図5のように、制御装置33a〜33fを介して対象温度測定手段20a〜20fと接続されている。
補助送風機18a〜18fは、被試験物配置室11a〜11fの側壁に相当する部位に設けられており、送風は被試験物配置室11a〜11fの側壁側から中央に向かう。
補助送風機18a〜18fの周囲には邪魔板58が設けられている。
具体的には、対象温度測定手段20a〜20fは、被試験物配置室11a〜11fに設置された二次電池50a〜50fの表面に貼り付けて二次電池50a〜50fの表面温度を測定する個別温度センサーである。
また全体温度調整手段28を構成する主送風通路12は、大きく機器配置領域57と、分配流路60に分かれている。
機器配置領域57は、試験室2の下部にあり、横仕切り壁56と本体側筐体8の底面部41によって囲まれた領域部位である。
一方、分配流路60は、縦仕切り壁55と本体側筐体8の背面部45によって囲まれた領域である。
すなわち全体温度調整手段28の分配流路60と、試験室2の各被試験物配置室11a〜11fとは、縦仕切り壁55に設けられた開口たる送風導入部15a〜15fで連通している。
また前記した扉部材7を閉じると、図2の様に、棚板部材10の端部が扉部材7の前後仕切り壁31a, 31bと接し、各被試験物配置室11a〜11fと、送風排出部16a〜16fとを繋ぐ一連の流路が形成される。
ここで送風導入部15a〜15fは、主送風通路12から各被試験物配置室11a〜11fに空気を導入する導入口である。
また送風排出部16a〜16fは、各被試験物配置室11a〜11fから主送風通路12に空気を戻す戻り口である。
また主送風通路12の分配流路60には、主送風機22(22a,22b)と全体温度センサー23が設けられている。
主熱源21は、全体温度センサー23の検知温度に基づいて各被試験物配置室11a〜11f内の温度を調整するものであり、冷却手段25と、加熱手段26から形成されている。
加熱手段26は、加熱ヒーター等の全体加熱装置であり、全体温度センサー23の測定温度に基づいて熱量を調整可能となっている。加熱手段26は、図5のように、制御装置34を介して全体温度センサー23と接続されている。
主送風機22は、試験室2内の空気を全体温度調整手段28の機器配置領域57内に導入し、温度調節した後、分配流路60に送って試験室2内に戻すものである。すなわち主送風機22は、試験室2と全体温度調整手段28の間で空気を循環させるものであり、具体的には、遠心ファンであって主送風通路12の空気を各被試験物配置室11a〜11fに供給するものである。主送風機22は、送風量を変化させることができるものであることが望ましい。
全体温度センサー23は、主熱源21及び主送風機22の下流側にあり、送風導入部15a〜15fの上流側の温度を測定する温度センサーである。なお全体温度センサー23は、主熱源21の下流側にありさえすれば良く、主熱源21と主送風機22との間に設けられていてもよい。
評価装置3は、二次電池50の電極端子と接続可能な電源を備えている。
そのため本実施形態の試験装置1は、6個の被試験物配置室11a〜11fを有しているが、各被試験物配置室11a〜11fの説明は、代表して左列最上段の被試験物配置室11aの説明だけに止める。
主送風通路12には、空気の流れ方向上流側(送風排出部16a〜16c側)から下流側(送風導入部15a〜15f)にかけて、冷却手段25、加熱手段26、主送風機22a,22b、全体温度センサー23の順に配されている。
主送風機22a,22bは、左右方向Xに並列されている。各主送風機22a,22bの送風口は、ともに同じ方向を向いており、具体的には、各主送風機22a,22bの送風口は、ともに上方に向かって開口している。
被試験物配置室11aの下に位置する被試験物配置室11b及び被試験物配置室11cについても同様である。
また右列の被試験物配置室11d,11e,11fについては、被試験物配置室11aの左右方向Xの他方(右側)に、補助送風機18d,18e,18fが設けられている。
吸気口29,30は、被試験物配置室11a〜11f内の空気を吸気して補助送風機18(18a〜18f)に導入する開口である。
すなわち、各被試験物配置室11a〜11f内の空気は、吸気口29,30から吸気されて、補助送風機18a〜18fによって、主に主送風機22により送風される空気の流れ方向(前後方向Z)に対して交差する方向に送風される。
すなわち、二次電池50a〜50fの設置位置は、送風導入部15a〜15fから供給された空気が通過し、かつ、補助送風機18a〜18fによって撹拌された空気にも接触する位置となっている。
すなわち、まず最初に試験装置1により、所望の測定環境を形成し、各被試験物配置室11a〜11fに配された二次電池50a〜50fについて、交流インピーダンス測定を行い、初期特性を計測する。
一方、交流インピーダンス測定は、正確な測定結果を得るためには極めて厳密に測定温度を制御しなければならない。
すなわち、本実施形態の試験装置1は、充放電試験を行う際の充放電基本モード(全体調整運転)と、インピーダンス測定などの電気的な性能特性を評価する性能特性評価モード(個別調整運転)と言う異なる評価モードが実施可能である。
また充放電試験を実施した場合における二次電池50a〜50fの発熱に備えて、充放電調整モード(個別調整運転)を備えている。
充放電基本モード(全体調整運転)は、図11,図12のように、主熱源21と主送風機22と全体温度センサー23によって被試験物配置室11a〜11f(図11、図12には左列の3個の被試験物配置室11a〜11cの様子のみ表示 以下同じ)全体が設定温度になるように制御するモードである。言い換えると、二次電池50a〜50fに対応する補助熱源17a〜17f及び補助送風機18a〜18fを駆動させない。
このように、充放電基本モードでは、全体温度調整手段28のみによって各被試験物配置室11a〜11fの温度が調整される。
さらに、各二次電池50a〜50fの表面の温度を対応する対象温度測定手段20a〜20fで監視し、対象温度測定手段20a〜20fの測定温度に基づいて対応する補助熱源17a〜17fによる供給熱量を調整する。このようにして各被試験物配置室11a〜11fに配された二次電池50a〜50fの温度が試験物目標温度になるように再度温度が調整される。
補助送風機18a〜18fを駆動した場合における空気の流れについて説明すると、図8,図9に示されるように、主送風通路12内の空気は、主熱源21により所定の温度(試験温度または試験物目標温度よりも低い温度、基準温度)に調整され、主送風機22によって下流側に送風される。主送風機22によって送風された空気は、全体温度センサー23を通過し、送風導入部15a〜15fを介して各被試験物配置室11a〜11fに供給される。さらに、各被試験物配置室11a〜11fに供給された空気は、補助熱源17a〜17fで設定温度(所望の温度)に加熱され、補助送風機18a〜18fによって撹拌されながら二次電池50a〜50fと接触する。そして、二次電池50a〜50fを通過した空気は、送風排出部16a〜16fに至り、主送風通路12に戻る。
また、補助熱源17a〜17fによって温度が再度調整された空気を、必要に応じて補助送風機18a〜18fによって撹拌することで二次電池50a〜50fに温度が調整された空気が接触する機会を増加させて、二次電池50a〜50fの表面温度をより設定温度に近づけた状態に調整することができる。
そのため、交流インピーダンス測定において正確な測定評価を行うことができる。
上記した交流インピーダンス測定と充放電試験のサイクルは、所定の回数を達成するか、完全に劣化するまで続けられる。そのため充放電試験において二次電池50a〜50fが劣化していくにつれて発熱し、二次電池50a〜50fの表面温度が許容温度の上限を超えて高い温度になる場合がある。
この点について説明すると、図15(左列の3個の被試験物配置室11a〜11cに設置した二次電池50a〜50cに注目して表示 以下同じ)のように、充放電基本モードのまま、二次電池50a,50bが劣化すると、二次電池50a,50bの表面温度が高くなり、許容温度の上限を超えて温度が高くなる。許容温度の上限を超えると、充放電試験のそれぞれの二次電池50a〜50fの表面温度のバラツキが大きくなってしまい、各二次電池50a〜50fを同一の条件下で測定したとは言えない。
すなわち、試験装置1は、図13,図14のように二次電池50aに取り付けられた対象温度測定手段20aが、二次電池50aの温度が上昇して許容温度の上限に近づいていることを検知すると、送風目標温度を下方に修正する。そうして主熱源21の供給熱量を抑制して試験室2を循環する送風の全体温度を低くし、二次電池50aの温度が許容温度の上限(閾値)を超えないようにする。
そして各被試験物配置室11a〜11fにおいては、送風の一部が二次電池50と接触しながら、送風排出部16a〜16fに至り、主送風通路12に戻る。
また温度上昇した二次電池50aが載置された対象温度測定手段20aの補助送風機18aだけを駆動し、二次電池50aの側面に補助送風機18aから風を送る。その結果、二次電池50aに対する冷風の衝突機会が増大し、二次電池50aだけが急速に冷却される。
その結果、二次電池50aに対する冷風の衝突機会が増大し、二次電池50aだけが急速に冷却される。
正常温度を維持している他の二次電池50b〜50fが載置された被試験物配置室11b〜11fでは、補助送風機18b〜18fは駆動されない。
そして、各被試験物配置室11a〜11fに設けられた補助熱源17a〜17fを個別に駆動させて、各被試験物配置室11a〜11fに配された二次電池50a〜50fの温度が許容温度の範囲内に収まるように制御する。
このときの各補助熱源17a.17b,17cの発熱量は、図14の通りであり、二次電池50a,50b,50bの発熱量に逆比例する。
すなわち発熱をきたしていない二次電池50cが載置された被試験物配置室11cに対応する補助熱源17cの熱の供給量(出力)は、図14のように他の補助熱源17b,17cよりも多くなっている。
このように、試験装置1は、劣化により二次電池50が発熱し、二次電池50の温度が許容温度の上限を超えて上昇することを検知すると、送風目標温度を下方に修正して全体の温度を下げ、発熱していない二次電池50が設置された被試験物配置室11では補助熱源17で必要な熱を補充し、全ての二次電池50の表面温度が許容温度の範囲内に収まるように制御されているため、全ての二次電池50において、同一の表面温度での正確な測定が可能である。
2 試験室
5 断熱壁
6 本体装置
8 本体側筐体
11a〜11f 被試験物配置室
12 主送風通路
15a〜15f 送風導入部
17,17a〜17f 補助熱源
18,18a〜18f 補助送風機
20,20a〜20f 対象温度測定手段
21 主熱源
22 主送風機
23 全体温度センサー
25 冷却手段
26 加熱手段
28 全体温度調整手段
50,50a〜50f 二次電池
Claims (6)
- 断熱壁で覆われた試験室と、全体温度調整手段と、複数の補助熱源と、被試験物の温度を測定する複数の対象温度測定手段とを有し、
前記試験室は、被試験物を設置する複数の被試験物配置室に区画され、
前記全体温度調整手段は、主熱源と主送風機とを有していて、前記試験室内の各被試験物配置室に対して所定の送風目標温度に調整された送風を供給可能であり、
前記補助熱源は、対象温度測定手段の検知温度に基づいて、被試験物の温度が所定の試験物目標温度となるように被試験物配置室の温度を調整するものであり、
前記全体温度調整手段は、主送風機の送風が通過する主送風通路を有し、
当該主送風通路に全体温度センサーが設けられていて、当該全体温度センサーの検知温度が送風目標温度となるように主熱源が制御され、
主送風通路と被試験物配置室とを繋いで主送風通路を流れる空気を被試験物配置室に導入する送風導入部があり、
前記送風導入部の近傍に補助熱源が設けられていて、前記補助熱源によって温度が再調整された送風を被試験物配置室に導入可能であることを特徴とする試験装置。 - 断熱壁で覆われた試験室と、全体温度調整手段と、複数の補助熱源と、被試験物の温度を測定する複数の対象温度測定手段とを有し、
前記試験室は、被試験物を設置する複数の被試験物配置室に区画され、
前記全体温度調整手段は、主熱源と主送風機とを有していて、前記試験室内の各被試験物配置室に対して所定の送風目標温度に調整された送風を供給可能であり、
前記補助熱源は、対象温度測定手段の検知温度に基づいて、被試験物の温度が所定の試験物目標温度となるように被試験物配置室の温度を調整するものであり、
各被試験物配置室には、補助送風機が設けられ、当該補助送風機によって被試験物配置室内の空気が撹拌されて被試験物に対する被試験物配置室内の空気の接触機会を増大可能であることを特徴とする試験装置。 - 各被試験物配置室にそれぞれ対応する補助熱源があり、補助熱源によって温度が再調整された送風を各被試験物配置室に導入可能であり、
前記全体温度調整手段によって各被試験物配置室に対して所定の送風目標温度に調整された送風を供給し、いずれかの被試験物配置室に設置された被試験物の温度が上昇した場合には当該被試験物配置室の補助送風機を起動するとともに前記送風目標温度を下方に修正し、
他の被試験物配置室に対応する補助熱源が起動あるいは発熱量が増大されて各被試験物の温度が試験物目標温度に維持されることを特徴とする請求項2に記載の試験装置。 - 前記全体温度調整手段によって各被試験物配置室に対して所定の目標温度近傍の送風目標温度に調整された送風を供給し、各被試験物配置室内に配置された被試験物を前記送風目標温度に調整された送風中に晒す全体調整運転と、
前記全体温度調整手段によって各被試験物配置室に対して所定の送風目標温度に調整された送風を供給し、さらに、前記補助熱源が対象温度測定手段の検知温度に基づいて、被試験物の温度が試験物目標温度となるように被試験物配置室の温度を調整し、被試験物を調整後の送風中に晒す個別調整運転を実行可能であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の試験装置。 - 前記個別調整運転における送風目標温度は試験物目標温度よりも低く、対象温度測定手段の検知温度に基づいて前記補助熱源を制御し、被試験物の温度が試験物目標温度となるように被試験物配置室を加熱することを特徴とする請求項4に記載の試験装置。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の試験装置を用いて被試験物たる二次電池を評価する二次電池の評価方法であって、
二次電池に対して所定の試験温度において充放電を繰り返させる充放電試験と、
所定の試験温度における電気的な性能特性を評価する性能特性評価試験を少なくとも一回ずつ行うことを特徴とする二次電池の評価方法。
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