JP6252439B2 - 二次電池の異常検出方法及び異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の異常検出方法及び異常検出装置に関し、例えば、二次電池の微小短絡を検出する二次電池の異常検出方法及び異常検出装置に関する。

二次電池は、内部で微小な短絡が発生することがあり、このような内部短絡を検出することが求められる。微小短絡の検出方法として、電圧低下を直接観測する微小短絡検出方法がある。しかしながら、電圧低下を直接観測する微小短絡検出方法では、電池の容量が大きくなると電圧降下量自体が極めて微小となり、観測が困難になる問題がある。この問題の解決手段の１つとして、長時間二次電池を放置することで電圧降下量を大きくする方法がある。しかしながら、この方法を用いた場合、二次電池の保管スペース、温度管理等生産上多大なコストを要する。そこで、微小な内部短絡の検出方法として特許文献１に検出方法の一例が提案されている。

特許文献１では、検出対象の二次電池の周囲環境温度を調節する恒温槽と、二次電池に定電圧充電を施す充電手段と、二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池の内部抵抗が低くなる高温環境下にて、定電圧充電を実施して二次電池の充電状態を所定状態に調整し、該定電圧充電状態を保持したまま、当該検査時間内における二次電池の自己放電量がほぼゼロとみなせる温度まで周囲温度を低下させ、該低温環境下での電流収束値から二次電池の内部短絡の有無を判定する判定手段と、を備える異常検出装置が開示されている。特許文献１に記載の異常検出装置では、上記構成を有することで、二次電池の温度を下げて自己放電の影響を小さくして電流ばらつきの影響を小さくすることで内部短絡の検出を行う。

特開２００８−２４３４４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、二次電池の温度が高い初期状態から二次電池の温度を下げる工程中、常に二次電池に印加する定電圧を維持する。そのため、特許文献１では、充放電設備を長時間使用しなければならない問題がある。また、二次電池の温度を下げていくと二次電池の電圧は自然と上昇する。これにより、特許文献１に記載の技術では、二次電池の温度低下に伴い上昇する電圧に対抗して流す放電電流が本来検出すべき微小短絡に起因して発生する電流に重畳してしまう現象が発生する。そのため、特許文献１では、放電電流の影響を最小限にするために設備が更に延びる問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微小な内部短絡の検出に必要な時間を短縮することを目的とするものである。

本発明にかかる二次電池の異常検出方法は、二次電池の内部短絡の有無を検査する異常検出方法であって、第１の温度とした二次電池に対して電圧を所定の電圧に調整する電圧調整工程と、前記充電を停止した状態で前記二次電池を前記第１の温度よりも低い第２の温度とする温度調整工程と、前記第２の温度となった前記二次電池の電圧を測定する電圧測定工程と、前記第２の温度となった前記二次電池に対して前記電圧測定工程で測定した電圧を定電圧として印加した充電を行う充電工程と、前記充電工程中に前記二次電池が出力する電流を測定する電流測定工程と、前記電流測定工程で測定された電流値の収束値に基づき前記二次電池の内部短絡の有無を判断する良品判定工程と、を有する。

本発明にかかる二次電池の異常検出装置は、二次電池に対して充電を行う充電部と、前記二次電池から出力される電流を計測する電流計と、前記二次電池の電圧を計測する電圧計と、前記充電部が出力する電圧の設定と、前記二次電池の良否判断と、を行う検査処理部と、前記二次電池を第１の温度よりも低い第２の温度に設定する恒温槽と、を有し、前記検査処理部は、前記充電部に、前記第１の温度とした二次電池に対して電圧を所定の電圧に調整することを指示した後に充電の停止を指示する充電処理と、前記第２の温度とした二次電池の電圧値を前記電圧計から取得する電圧測定処理と、前記電圧計から取得した電圧値を定電圧として前記二次電池に印加して充電を再開することを前記充電部に指示する充電再開処理と、前記充電再開処理後に前記二次電池が出力する電流を測定する電流測定処理と、前記電流測定処理で測定された電流値の収束値に基づき前記二次電池の内部短絡の有無を判断する良品判定処理と、を実施する。

本発明にかかる二次電池の異常検出方法及び異常検出装置は、充電後の二次電池に対して電圧を印加することなく測定環境である第２の温度に設定し、その後、第２の温度となった二次電池の電圧を測定して、その測定した電圧を定電圧として二次電池に印加した状態で二次電池の電流を測定する。そのため、二次電池の温度変動に伴う電圧の変化に起因して発生する充放電電流の影響を受けることなく、第２の温度となった二次電池が出力する電流を測定することができる。つまり、本発明にかかる二次電池の異常検出方法及び異常検出装置は、二次電池の内部の微小短絡の検査において二次電池の温度変化に伴い発生する充放電電流の影響を小さくするために要する時間を短縮することができる。

本発明にかかる二次電池の異常検出方法及び異常検出装置によれば、二次電池の内部の微小短絡の検出に必要な時間を短縮することができる。

実施の形態１にかかる異常検出装置の概略図である。 実施の形態１にかかる異常検出方法のフローチャートである。 実施の形態１にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の時間変化を説明するグラフである。 比較例にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の時間変化を説明するグラフである。 実施の形態１にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の１時間毎の電流平均値の時間変化と標準偏差の時間変化を説明するグラフである。 比較例にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の１時間毎の電流平均値の時間変化と標準偏差の時間変化を説明するグラフである。 二次電池の電圧とリーク電流の標準偏差との関係を説明するグラフである。 二次電池の温度とリーク電流の標準偏差との関係を説明するグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１に実施の形態１にかかる異常検出装置１のブロック図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる異常検出装置１は、検査処理部１１、充電部１２、電流計１３、電圧計１４、恒温槽１５を有する。なお、二次電池１０は、異常検出装置１は、これらの構成を用いて二次電池１０の異常（例えば、内部の微小短絡故障）の有無を検査する。なお、以下の説明では、二次電池１０はリチウムイオン電池であるものとする。また、図１では、二次電池１０を恒温槽１５の外に出した状態から恒温槽１５に入れる様子を示しているが、検査中は二次電池１０を恒温槽１５に入れたままにして、恒温槽１５の温度を検査の段階毎に変化させても構わない。

検査処理部１１は、充電部１２が二次電池１０に対して充放電を行う場合に二次電池１０に与える電圧値或いは電流値の制御を行う。検査処理部１１は、電圧計１４から得た計測結果に応じて充電部１２の出力電圧を設定することもできる。また、検査処理部１１は、電流計１３から得た測定結果に応じて二次電池１０の良否判定を行う。

充電部１２は、二次電池１０に対する充放電を行う。ここで、充電部１２は、二次電池１０に定電流を与えて（電圧は可変）充電を行う定電流充電と、二次電池１０に定電流と定電圧を与えて充電を行う定電流定電圧充電と、二次電池１０に定電圧を与えて（電流は可変）充電を行う定電圧充電と、を行うことが出来るものとする。

電流計１３は、二次電池１０の負極と充電部１２との間に設けられ、二次電池１０が出力する電流の大きさを測定する。電圧計１４は、二次電池１０の正極と負極との間の電圧を測定する。つまり、電圧計１４は、二次電池１０が発生する電圧を測定する。

恒温槽１５は、庫内を一定の温度の雰囲気に維持する装置である。恒温槽１５内に二次電池１０を一定時間以上入れると二次電池１０の温度を恒温槽１５に設定した温度にすることができる。また、恒温槽１５の庫内の温度は変更可能である。

続いて、実施の形態１にかかる異常検出装置を用いた異常検出方法について説明する。そこで、実施の形態１にかかる異常検出方法を説明するフローチャートを図２に示す。図２に示すように、実施の形態１にかかる異常検出方法では、二次電池１０の検査を開始すると、まず、第１の温度の雰囲気中で二次電池１０の電圧を所定の電圧に調整する（ステップＳ１）。ここで、第１の温度は、室温以上の電圧であり、より好ましくは室温である。第１の温度を室温とすることで、二次電池１０の温度を変更するための工程を省略することができる。また、所定の電圧は、１．０Ｖ〜３．４５Ｖの範囲内であることが好ましい。定電圧充電時に二次電池１０に与える電圧の詳細は後述する。ステップＳ１の電圧調整工程では、二次電池１０に対して、定電圧充電、定電流充電、定電流定電圧充電のいずれかの方法を用いて充電を行う。

次いで、実施の形態１にかかる異常検出方法では、二次電池１０への充電を停止する（ステップＳ２）。その後、二次電池１０を恒温槽１５に入れて、二次電池の温度を第１の温度よりも低い第２の温度にする（ステップＳ３）。ここで、第２の温度は、１０℃以下、より好ましくは０℃である。第２の温度として好ましい温度の詳細は後述する。

次いで、実施の形態１にかかる異常検出方法では、第２の温度となった二次電池１０の電圧を電圧計１４により測定し、検査処理部１１が充電部１２に測定した電圧を二次電池１０に与えて充電を行うことを指示する（ステップＳ４）。そして、二次電池１０は、ステップＳ４で定電圧が印加された状態の二次電池１０から出力される電流を電流計１３により測定する（ステップＳ５）。このステップＳ５で計測される電流値は、二次電池１０で発生するリーク電流が主成分となる。検査処理部１１は、ステップＳ５で測定された電流値の収束値に基づき二次電池１０の良否判定を行い（ステップＳ６）、二次電池１０の検査を終了する。

ステップＳ６の良否判定においては、電流の収束値の絶対値に基づく判定（以下、絶対値判定と称す）と、電流の収束値の相対値に基づく判定（以下、相対値判定と称す）が考えられる。絶対値判定では、良品と判定可能な電流の収束値の範囲を設定し、その範囲に基づき良否判定を行う。相対値判定では、製造ロットが同一の二次電池１０の電流の収束値を記憶しておき、収束値が他の収束値から外れた二次電池を不良として判定する等の方法で二次電池１０の不良を判定する。相対値判定を用いた場合、製造ロット間の自己放電電流のばらつきの影響を排除できるため、より高精度な判定が可能である。

ここで、測定対象の二次電池１０の特性について説明する。まず、温度を第１の温度から第２の温度にした二次電池１０の電流出力特性について説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池１０の出力電流の時間変化を説明するグラフを示す。また、図４に、比較例にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の時間変化を説明するグラフを示す。

なお、比較例にかかる異常検出方法では、第１の温度で実施した充電処理で印加した定電圧を印加したまま二次電池１０の温度を第１の温度から第２の温度に変化させ、第２の温度となった二次電池１０の出力電流を測定する異常検出方法である。

図３に示すように、実施の形態１にかかる異常検出方法では、二次電池１０の出力電流を測定開始後、１時間が経過する前に出力電流が安定した状態となる。一方、図４に示す比較例では、二次電池１０の出力電流の測定開始後、８時間が経過しても出力電流が安定しない。

これは、二次電池１０は、温度が低下すると出力電圧が上昇する特性があるところ、二次電池１０の温度を第１の温度から第２の温度へ変化させ、その後に二次電池１０の出力電流を計測する期間、二次電池１０に定電圧を印加させ続けるためである。二次電池１０の出力電圧が温度変化に伴い変化しているのに対して、定電圧を印加し続けると、二次電池１０に電圧を定電圧を維持するための放電電流が発生する。このような放電電流の発生を自己放電現象と称す。比較例にかかる異常検出方法を適用した場合、この自己放電現象の影響が収束するまでに実施の形態１にかかる異常検出方法よりも長い時間を要する。

一方、実施の形態１にかかる異常検出方法では、電圧を印加することなく二次電池１０を第１の温度から第２の温度にする。その後、実施の形態１にかかる異常検出方法では、第２の温度となった二次電池１０の電圧を測定し、この測定電圧を定電圧として二次電池１０に印加した状態で二次電池１０の出力電流を測定する。これにより、実施の形態１にかかる異常検出方法では、自己放電現象の影響が抑制され、出力電流値が収束するまでの時間を短くすることができる。

続いて、二次電池１０の出力電流のばらつき（標準偏差）について説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の１時間毎の電流平均値の時間変化と標準偏差の時間変化を説明するグラフを示す。また、図６に比較例にかかる異常検出方法を適用した場合における二次電池の出力電流の１時間毎の電流平均値の時間変化と標準偏差の時間変化を説明するグラフを示す。なお、図５及び図６に示したグラフは、二次電池１０を第２の温度に設定した後に出力電流を測定したときのものである。

図５に示すように、実施の形態１にかかる異常検出方法を用いた場合、二次電池１０の出力電流は、電流測定を開始してから１時間経過後から安定した状態を維持し、計測値の標準偏差も０．２以下となっている。一方、図６に示すように、比較例にかかる異常検出方法を用いた場合、時間の経過と共に電流の計測値は安定状態に近づくが、計測値の標準偏差は測定開始後１５時間が経過しても０．６以上の値となってしまっている。

実施の形態１にかかる異常検出方法を用いて、測定時に二次電池１０に与える電圧値と、第２の温度の設定値とを適切に設定することで、図５のような結果を得ることができる。これは、適切な電圧及び温度を設定することで、二次電池１０内の電気化学反応が抑制されるためである。なお、実施の形態１にかかる異常検出方法を適用した場合、第２の温度の二次電池１０から出力される出力電流は、リーク電流を主成分とするものであるため、以下では、二次電池１０のリーク電流の特性について説明する。

そこで、二次電池１０に与える電圧と温度について以下で説明する。図７に二次電池１０の電圧とリーク電流の標準偏差との関係を説明するグラフを示し、図８に二次電池１０の温度とリーク電流の標準偏差との関係を説明するグラフを示す。

図７に示すように、二次電池１０は、印加する電圧が３．４５Ｖ以下となるとリーク電流の標準偏差が１．５以下となる。特に、二次電池１０に与える電圧が３．０Ｖ以下となる領域においては、リーク電流の標準偏差が０．５以下となるため、よりリーク電流のばらつきが小さくなる。なお、二次電池１０に与える電圧の下限は、１．０Ｖとする。これは、二次電池１０に与える電圧が１．０Ｖを下回ると負極の電位の上昇が大きくなり集電体として使われる銅が溶出してしまうためである。このようなことから、二次電池１０に与える電圧は、１．０Ｖ〜３．４５Ｖとすることが好ましい。

また、図８に示すように、二次電池１０の温度は、１０℃以下に設定するとリーク電流の標準偏差を０．８以下に抑えることができる。特に、二次電池１０の温度を０℃以下に設定するとリーク電流の標準偏差は０．４以下となりより好ましい結果を得ることができる。なお、二次電池１０の温度の下限は、−４０℃とする。これは、温度が−４０℃以下となると二次電池１０の電解液が凍結し、微小短絡による電流が流れなくなり、電流の計測値の信頼性が損なわれるためである。

上記説明より、実施の形態１にかかる異常検出方法は、第１の温度（例えば、常温）とした二次電池１０に対して電圧を所定の電圧に調整する電圧調整工程と、充電を停止した状態で二次電池を第１の温度よりも低い第２の温度（例えば、１０℃以下の温度）とする温度調整工程と、第２の温度となった二次電池１０の電圧を測定する電圧測定工程と、第２の温度となった二次電池に対して電圧測定工程で測定した電圧を定電圧として印加した充電を行う充電工程と、充電工程中に二次電池１０が出力する電流を測定する電流測定工程と、電流測定工程で測定された電流値の収束値に基づき二次電池１０の内部短絡の有無を判断する良品判定工程と、を有する。

また、実施の形態１にかかる異常検出装置１は、二次電池１０に対して充電を行う充電部１２と、二次電池１０から出力される電流を計測する電流計１３と、二次電池の電圧を計測する電圧計１４と、充電部１２が出力する電圧の設定と、二次電池の良否判断と、を行う検査処理部１１と、二次電池１０を第１の温度よりも低い第２の温度に設定する恒温槽１５と、を有する。そして、実施の形態１にかかる異常検出装置１は、検査処理部１１は、充電部１２に、第１の温度とした二次電池１０に対して電圧を所定の電圧に調整することを指示した後に充電の停止を指示する充電処理と、第２の温度とした二次電池１０の電圧値を電圧計１４から取得する電圧測定処理と、電圧計１４から取得した電圧値を定電圧として二次電池に印加して充電を再開することを充電部１２に指示する充電再開処理と、充電再開処理後に二次電池１０が出力する電流を測定する電流測定処理と、電流測定処理で測定された電流値の収束値に基づき二次電池の内部短絡の有無を判断する良品判定処理と、を実施する。

つまり、実施の形態１にかかる異常検出装置１及び異常検出方法では、二次電池１０の電圧が所定の電圧となるまで充電した後に、電圧を加えない状態で第１の温度から第２の温度に二次電池１０の温度を低下させる。そして、低温となった二次電池１０の電圧を測定して、測定した電圧を二次電池１０に印加した状態で二次電池１０の出力電流の大きさを測定する。

これにより、二次電池１０の自己放電現象が最小限に抑制され、出力電流が収束するまでの時間を削減することができる。このように、出力電流が収束するまでの時間を短縮することで、充電設備、恒温槽を含む検査設備の占有時間を短くすることができる。また、二次電池１０の自己放電現象を抑制した検査を行うことで、二次電池１０の充放電に必要な電力を削減することができる。

また、出力電流の計測時に二次電池１０に与える電圧を１．０Ｖ〜３．４５Ｖとすることで、二次電池１０の電気化学反応を抑制してリーク電流のばらつきを抑制することができる。二次電池１０は、低温になるほど電気化学反応が抑制されるが、出力電流の計測時に二次電池１０に与える電圧を１．０Ｖ〜３．４５Ｖ（より好ましくは、１．０Ｖ〜３．０Ｖ）とすることで、二次電池１０の電気化学反応が抑制されるため、第２の温度の設定温度を高く設定しても高い検査精度を維持することができる。このように、第２の温度の設定温度を高くすることで、二次電池１０を第２の温度にするまでの時間と、二次電池１０を第２の温度から第１の温度に戻すまでの時間と、恒温槽１５で消費される電力と、を削減することができる。また、第２の温度を高くすることで、結露対策に要するコストも削減することができる。

なお、二次電池１０の検査温度となる第２の温度を−４０℃〜１０℃（より好ましくは−４０℃〜−１０℃）とすることで、リーク電流のばらつきを更に抑制することができるため、検査精度を向上させることができる。

また、実施の形態１にかかる異常検出方法では、第２の温度となった二次電池１０を予め設定された電圧値に合わせ込む必要がない。そのため、実施の形態１にかかる異常検出方法を用いることで、二次電池１０を予め設定された電圧値に合わせ込むための充放電電力を必要としない。また、二次電池１０の充放電工程を省略することで、充放電電流が測定対象のリーク電流に重畳しないため、測定に要する時間を短縮することができる。

また、実施の形態１にかかる異常検出方法を用いることで、自己放電現象を抑制できるため、リーク電流の測定精度を向上させ、二次電池１０の故障判断の精度をたかめることができる。

また、実施の形態１にかかる異常検出方法では、二次電池１０に対して充電を行う第１の温度として室温を設定することが好ましい。これは、室温であれば、恒温槽との温度調節のための設備及び温度調節のための時間を必要としないためである。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ 異常検出装置
１０ 二次電池
１１ 検査処理部
１２ 充電部
１３ 電流計
１４ 電圧計
１５ 恒温槽

Claims (4)

1. 二次電池の内部短絡の有無を検査する異常検出方法であって、
   第１の温度とした二次電池に対して電圧を所定の電圧に調整する電圧調整工程と、
   充電を停止した状態で前記二次電池を前記第１の温度よりも低い第２の温度とする温度調整工程と、
   前記第２の温度となった前記二次電池の電圧を測定する電圧測定工程と、
   前記第２の温度となった前記二次電池に対して前記電圧測定工程で測定した電圧を定電圧として印加した充電を行う充電工程と、
   前記充電工程中に前記二次電池が出力する電流を測定する電流測定工程と、
   前記電流測定工程で測定された電流値の収束値に基づき前記二次電池の内部短絡の有無を判断する良品判定工程と、を有し、
   前記所定の電圧は１．０Ｖ〜３．４５Ｖの範囲であり、
   前記第２の温度は−４０℃〜１０℃の範囲である異常検出方法。
2. 前記第１の温度は、室温であり、
   前記第２の温度は、−４０℃〜０℃の範囲内である請求項１に記載の異常検出方法。
3. 前記電圧調整工程において前記二次電池に印加する前記所定の電圧は１．０Ｖ〜３．０Ｖの範囲内の電圧である請求項１又は２に記載の異常検出方法。
4. 二次電池に対して充電を行う充電部と、
   前記二次電池から出力される電流を計測する電流計と、
   前記二次電池の電圧を計測する電圧計と、
   前記充電部が出力する電圧の設定と、前記二次電池の良否判断と、を行う検査処理部と、
   前記二次電池を第１の温度よりも低い第２の温度に設定する恒温槽と、を有し、
   前記検査処理部は、
   前記充電部に、前記第１の温度とした二次電池に対して電圧を所定の電圧に調整することを指示した後に充電の停止を指示する充電処理と、
   前記第２の温度とした二次電池の電圧値を前記電圧計から取得する電圧測定処理と、
   前記電圧計から取得した電圧値を定電圧として前記二次電池に印加して充電を再開することを前記充電部に指示する充電再開処理と、
   前記充電再開処理後に前記二次電池が出力する電流を測定する電流測定処理と、
   前記電流測定処理で測定された電流値の収束値に基づき前記二次電池の内部短絡の有無を判断する良品判定処理と、を実施する異常検出装置。

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