JP6472838B2 - 電池試験装置及びその方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ１１９（ａ）の下で２０１６年７月２７日に台湾（中華民国）に出願された特許出願第１０５１２３７７１号の優先権を主張し、その内容を全体として本願で参照として組み込む。

本開示は、電池試験装置及びその方法に関わり、特に、二階微分により対象電池の電圧波形及び電流波形を処理する、電池試験装置及びその方法に関わる。

電池は、通常、電池コア、セルシェル、及び、電力盤を有する。電池コアは、電極、電解液、セパレータ、及び、ポットを含む。リチウム電池に関して、セパレータは、正電極と負電極との間に配置され、これら三つの構成要素は一緒に巻回されてゼリーロールを形成する。電解液は、リチウム電池においてリチウムイオンの伝送媒体として機能する。リチウム電池が充電されるか放電されると、リチウムイオンはセパレータを通り、電解液を介して正電極又は負電極に流れる。

セパレータ、正電極及び負電極を一緒に巻回してゼリーロールを形成する製造処理において、原料又は外部物体のバリがセパレータに接してしまい、結果として、通常、正電極と負電極との間に不十分な距離が生じる。正電極と負電極との間の距離が不十分である場合、電池の容量、抵抗、耐電圧、又は他の特性に影響を及ぼし、電池の出検品質が低下することがある。

本開示は、電池試験装置及びその方法を提供する。

本開示の一つ以上の実施形態によると、電池を試験する方法は、対象電池に定電流信号を供給し、定電流信号が供給される対象電池によって生成される電圧波形を検出し、対象電池によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達した場合に、対象電池への定電圧信号の供給に切り換え、定電圧信号が供給される対象電池によって生成される電流波形を検出し、二階微分によって電圧波形及び電流波形を処理することで、処理された電圧波形及び処理された電流波形をそれぞれ取得し、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて対象電池の試験結果を決定することを含む。

本開示の一つ以上の実施形態によると、電池試験装置は、電源と、電圧計と、検流計と、差分回路と、分析器とを備える。電源は、対象電池に電気的に接続され、対象電池に定電流信号又は定電圧信号を供給するように構成される。電圧計は、対象電池に電気的に接続され、電源が対象電池に定電流信号を供給した場合に対象電池によって生成される電圧波形を検出するように構成される。検流計は、対象電池に電気的に接続され、電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達し、電源が対象電池に定電圧信号を供給するよう切り換えられた場合に対象電池によって生成される電流波形を検出するように構成される。差分回路は、電圧計と検流計に電気的に接続され、二階微分によって電圧波形及び電流波形を処理することで、処理された電圧波形及び処理された電流波形をそれぞれ取得する。分析器は、差分回路に電気的に接続され、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて対象電池の試験結果を決定する。

本開示は、以下に提供する詳細な説明、及び、例示的にのみ提供され本開示を制限しない添付の図面からより完全に理解されるであろう。
本開示の実施形態における電池試験装置の機能ブロック図である。 本開示の実施形態における電圧波形、電流波形、及び、処理された電圧波形の概略図である。 本開示の別の実施形態における電圧波形、電流波形、及び、処理された電流波形の概略図である。 本開示の更なる別の実施形態における電圧波形、電流波形、及び、処理された電圧電流波形の概略図である。 本開示の実施形態における電池を試験する方法のフローチャートである。

以下の詳細な説明では、説明の目的のため、開示する実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、一つ以上の実施形態がこれら特定の詳細を有することなく実施されてもよいことは明らかであろう。他の場合では、周知の構造及び装置は、図面を簡略化するために概略的に示される。

ここで、図１を参照する。図１は、本開示の実施形態における電池試験装置の機能ブロック図である。図１に示すように、電池試験装置１０は、容量、抵抗、耐電圧等、対象電池２０の特性を検査するよう対象電池２０と電気的に接続されるように構成される。電池試験装置１０は、電源１１と、電圧計１３と、検流計１５と、差分回路１７と、分析器１９とを含む。対象電池２０は、限定されず、例えば、電池の最終製品、電池コア、電池製品のゼリーロール又は他の電池関連対象物でもよい。

電源１１は、対象電池２０の正電極及び負電極のそれぞれに電気的に接続され、対象電池２０に定電流信号又は定電圧信号を供給するように構成される。電圧計１３及び検流計１５は、対象電池２０に電気的に接続され、対象電池２０によって生成される電圧波形及び電流波形をそれぞれ検出するように構成される。一実施形態では、電圧計１３は対象電池２０と並列に接続され、検流計１５及び電源１１は対象電池２０と直列に接続される。本開示は、これら構成要素の接続スキームを制限することを意図していない。

電源１１は、定電流モードと定電圧モードとの間で切り換えることで、対象電池２０を充電する。定電流モードでは、電源１１は、対象電池２０に定電流信号を供給して、定電流信号に応じて対象電池２０を充電する。対象電池２０が定電流信号によって充電される場合、対象電池２０の正電極と負電極との間の電圧差は対象電池２０内に蓄積される電荷量と一緒に増加する。電圧計１３は、正電極と負電極との間の電圧波形を検出し、差分回路１７に電圧波形を送信する。

対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達すると、電池試験装置１０は定電圧期間に入る。定電圧期間では、電源１１は、対象電池２０に供給する定電流信号を定電圧信号に切り換える。即ち、電源１１は、対象電池２０に定電圧信号を供給し、それにより、対象電池２０の正電極と負電極との間の電圧差は一定値の近くで維持される。検流計１５は、対象電池２０によって生成される電流波形を検出し、差分回路１７に電流波形を送信する。一実施形態では、検流計１５は、対象電池２０と電源１１との間のループ回路における電流を検出する。

差分回路１７は、電圧計１３、検流計１５、及び、分析器１９に電気的に接続される。差分回路１７は、対象電池２０に定電流信号が供給された場合に電圧計１３によって検出された電圧波形を取得し、対象電池２０に定電圧信号が供給された場合に検流計１５によって検出された電流波形を取得する。つまり、差分回路１７は、定電流モードと定電圧モードとの間で切り換える。定電流モードでは、差分回路１７は、対象電池２０の電圧波形を取得する。定電圧モードでは、差分回路１７は、対象電池２０の電流波形を取得するよう切り換える。差分回路１７は二階微分により電圧波形及び電流波形を処理するため、電圧波形又は電流波形に異常曲線があると、異常曲線は処理された電圧波形又は処理された電流波形として誇張される。処理された電圧波形又は処理された電流波形では、異常曲線は狭い幅及び大きい変動範囲を有するパルスとして示されるか、簡単に識別される別のタイプの波形として示される。処理された電圧波形及び処理された電流波形は、分析のために分析器１９に送られる。分析器１９は、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて対象電池２０の試験結果を決定する。例えば、分析器１９は、処理された電圧波形及び処理された電流波形を分析することができるコンピュータ又は他の装置である。本開示は、分析器１９のタイプを制限することを意図しない。

実際には、電源１１は、閾値電圧値に基づいて、対象電池２０に定電圧信号を供給するよう切り換えるか否かを決定する。閾値電圧値は、対象電池２０と同じタイプの通常電池の容量、通常電池に蓄積され得る最大電荷量、又は他の適切な基準と関連する。一実施形態では、閾値電圧値は通常電池の二つの電極間の電圧差であり、電圧差は通常電池に蓄積される電荷量が最大量に到達した場合に検出される。

試験されるべき対象電池２０として機能する電池のゼリーロールに関して、ゼリーロールの所定の容量は、正電極、負電極、及びセパレータの材料、正電極と負電極との間の距離、電解液のイオン濃度、又は他の要素に基づいて判断される。所定の容量は、ゼリーロールに蓄積され得る最大電荷量を示す。閾値電圧値は、通常のゼリーロールの正電極と負電極との間の電圧差でもよく、このとき電圧差は、通常のゼリーロールに蓄積される電荷の量が最大量に到達するまで通常のゼリーロールが定電流信号によって充電された場合に検出される。従って、一実施形態では、対象電池２０が定電流信号によって充電されるが、対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧値に達することができない場合、対象電池２０の容量は所定の容量と一致せず、対象電池２０は欠陥製品と決定される。

製造処理中に混ざる原料又は外部物体のバリにより、対象電池２０の正電極と負電極との間の距離は不十分になることがあり、即ち、対象電池２０の二つの電極間の距離が通常電池のその距離よりも短くなる。従って、不十分な距離を有する対象電池２０に定電流信号が供給されると、対象電池２０によって生成される電圧波形は異常曲線を有する。差分回路１７は、二階微分によって電圧波形を処理する。処理された電圧波形では、電圧波形における異常曲線によってパルスを生じる。分析器１９は、処理された電圧波形におけるパルスの変動範囲を識別することで、対象電池２０の試験結果を簡単に決定することができる。

同様にして、不十分な距離を有する対象電池２０に定電圧信号が供給されると、対象電池２０によって生成される電流波形もまた、異常曲線を有する。差分回路１７は、二階微分によって電流波形を処理する。処理された電流波形では、電流波形における異常曲線によってパルスを生じる。分析器１９は、処理された電流波形に応じて対象電池２０の試験結果を簡単に決定することができる。

一実施形態では、ゼリーロール（対象電池２０）によって生成され電圧計１３によって検出される電圧波形の電圧値が閾値電圧に到達すると、電圧計１３はモードを切り換えるよう電源１１に指示する。電圧計１３は、ゼリーロールの過充電を回避するために、電圧波形の電圧値が閾値電圧に到達する前にゼリーロールに定電流信号を供給することを停止又は延期するよう電源１１に指示することもできる。別の実施形態では、ゼリーロールによって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達したか否かを決定し、モードを切り換えるよう電源１１に指示するよう、別のタイプのプロセッサが電池試験装置１０に含まれてもよく、本開示では限定されない。

その後、多数の電流波形、電圧波形、処理された電圧波形、及び、処理された電流波形が例示される。図１及び図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）を参照して説明する。図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）は、本開示の実施形態における電圧波形、電流波形、及び処理された電圧波形の概略図である。図示するように、定電流期間Ｐ１では、電源１１は対象電池２０に定電流信号を供給し、電圧計１３は対象電池２０によって生成される電圧波形を検出する。図２（Ａ）に示すように、対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧ｈ１に到達すると、電池試験装置１０は定電圧モードに切り換えられ、定電圧期間Ｔ１に入る。図２（Ｂ）に示すように、電源１１は対象電池２０に定電圧信号を供給するよう切り換えられ、検流計１５は対象電池２０によって生成される電流波形を検出する。差分回路１７は、二階微分によって電圧波形及び電流波形を処理することで、処理された電圧波形及び処理された電流波形を取得する。図２（Ｃ）は、処理された電圧波形を示す。分析器１９は、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて対象電池２０の試験結果を決定する。

より具体的には、定電流期間Ｐ１では、対象電池２０の正電極と負電極との間の電圧差は、対象電池２０内に蓄積される電荷量と共に増加する。対象電池２０の正電極と負電極との間の距離が不十分である場合、対象電池２０によって生成される電圧波形は、定電流期間Ｐ１中、異常曲線ｎ１を有する。例えば、異常曲線ｎ１は、異常放電、電極間のアーク放電、電極の損傷、又は他の要素により電圧値の異常減少を含む。この時、差分回路１７が二階微分により電圧波形を処理した後、処理された電圧波形は電圧値の異常減少を反映するパルスｘ１を示す。パルスｘ１は、異常曲線ｎ１よりもより簡単に識別される。パルスｘ１により、分析器１９は、対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値の異常減少が許容範囲内か否かを決定することができる。実際には、パルスｘ１の変動範囲は、電圧波形の電圧値の異常減少と関連している。パルスｘ１の変動範囲により、分析器１９は、対象電池２０が充電されると電荷を蓄積する対象電池２０に蓄積された電荷の状態を決定する。つまり、対象電池２０の電圧波形は対象電池２０の容量と関連している。

一実施形態では、対象電池２０の電圧波形の電圧値の異常減少が許容範囲を超えると分析器１９が決定した場合、分析器１９は対象電池２０を欠陥製品として決定する。例えば、対象電池２０の正電極と負電極との間の距離が短すぎるために、充電中に異常放電が起こる。この時、対象電池２０は欠陥製品として決定される。別の実施形態では、異常放電又は他の要素に起因する対象電池２０の損傷により、対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧に到達することができない場合、対象電池２０は欠陥製品として決定され、電源１１は定電圧期間Ｔ１に入らない。電源１１は、電圧値が閾値電圧値に到達していない対象電池２０に定電圧信号を供給しない。

以後、図１及び図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）を参照する。図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）は、本開示の別の実施形態における電圧波形、電流波形、及び処理された電流波形の概略図である。図示するように、定電流期間Ｐ２では、電源１１は対象電池２０に定電流信号を供給し、電圧計１３は対象電池２０によって生成される電圧波形を検出する。対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧ｈ２に到達すると、電池試験装置１０は定電圧モードに切り換えられ、定電圧期間Ｔ２に入る。電源１１は対象電池２０に定電圧信号を供給するよう切り換えられ、検流計１５は対象電池２０によって生成される電流波形を検出する。

定電圧期間Ｔ２では、定電圧信号が対象電池２０の正電極と負電極に印加される。例えば、定電圧信号の電圧値は閾値電圧値と等しくなるよう設定される。対象電池２０と電源１１との間のループ回路における電流は、対象電池２０に蓄積される電荷量と共に減少する。対象電池２０の正電極と負電極との間の距離が不十分である場合、定電圧期間Ｔ２における対象電池２０の電流波形は、異常曲線ｎ２を有する。例えば、異常曲線ｎ２は異常放電、電極間のアーク放電、電極の損傷、又は他の要素による電流値の異常増加を含む。この時、差分回路１７が二階微分により電流波形を処理した後、処理された電流波形は電流波形の電流値の異常増加を反映するパルスｘ２を示す。パルスｘ２は、異常曲線ｎ２よりもより簡単に識別される。パルスｘ２により、分析器１９は、対象電池２０によって生成される電流波形の電流値の異常増加が許容範囲内か否かを決定することができる。実際には、パルスｘ２の変動範囲は、電流波形の電流値の異常増加と関連している。パルスｘ２の変動範囲により、分析器１９は、定電圧期間Ｔ２における対象電池２０の自己放電の状態を決定する。即ち、定電圧期間Ｔ２における対象電池２０の電流波形の電流値の減少率は、対象電池２０の等価抵抗と関連している。

図１及び図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）を参照する。図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）は、本開示の更なる別の実施形態における電圧波形、電流波形、及び、処理された電圧波形の概略図である。図示するように、定電流期間Ｐ３では、電源１１は充電のために対象電池２０に定電流信号を供給する。対象電池２０の電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達すると、電源１１が対象電池２０への定電流信号の供給を既に停止又は延期していても、対象電池２０の過充電が生じる可能性がある。過充電は、図４（Ａ）において過充電曲線として示される。対象電池２０が過充電されると、処理された電圧波形は過充電を反映するパルスｘ３を有し、差分回路１７によって二階微分により電圧波形を処理することで、処理された電圧波形を取得できる。つまり、分析器１９が処理された電圧波形を差分回路１７から受信すると、分析器１９は処理された電圧波形におけるパルスに応じて試験結果を決定することができる。処理された電圧波形におけるパルスが正のパルスである場合、分析器１９は、電圧波形の電圧値が異常に増加すると決定する。処理された電圧波形におけるパルスが負のパルスである場合、分析器１９は、対象電池２０が過充電されたと決定する。処理された電圧波形における負のパルスｘ３の変動範囲が許容範囲にある場合、対象電池２０の過充電は無視され得る。

電池試験装置１０が対象電池２０を試験する方法について、図１及び図５を参照して、より具体的に説明する。図５は、本開示の実施形態における電池試験方法のフローチャートである。図示するように、ステップＳ２１において、電源１１は対象電池２０に定電流信号を供給する。ステップＳ２２において、電圧計１３は対象電池２０によって生成される電圧波形を検出し、このとき、対象電池２０には定電流信号が供給されている。ステップＳ２３において、対象電池２０によって生成される電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達した場合、電源１１は、対象電池２０に定電圧信号を供給するよう切り換える。ステップＳ２４において、検流計１５は、対象電池２０によって生成される電流波形を検出し、このとき、対象電池２０には定電圧信号が供給されている。ステップＳ２５において、差分回路１７は、二階微分によって電圧波形及び電流波形を処理する。ステップＳ２６において、分析器１９は、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて対象電池２０の試験結果を決定する。電池試験の実用的な方法は前述の実施形態に開示されるため、関連する詳細は本実施形態では繰り返さない。

上述の説明を鑑みて、本開示は電池試験装置及び電池試験方法を提供する。対象電池が充電された場合に、定電流信号を供給し、試験されるべき対象電池に定電圧信号を供給するよう切り換えられ、対象電池に定電流信号が供給された場合に対象電池によって生成される電圧波形を検出し、対象電池に定電圧信号が供給された場合に対象電池によって生成される電流波形を検出して、二階微分によって電圧波形及び電流波形を処理することで、電圧波形又は電流波形における異常曲線が、処理された電圧波形又は処理された電流波形において誇張され、それにより、分析器は、処理された電圧波形及び処理された電流波形に応じて、充電中に対象電池の電圧変動及び電流変動を簡単に分析することができる。従って、充電中の対象電池の全ての状態を扱うことができ、損傷、セパレータの炭化、又は対象電池の充電中に生じ、その結果として対象電池の出検品質の低下を招く他の状況を回避することができる。

１０：電池試験装置、１１：電源、１３：電圧計、１５：検流計、１７：差分回路、１９：分析器、２０：対象電池

Claims (10)

1. 電池を試験する方法であって、
   対象電池に定電流信号を供給し、
   前記定電流信号が供給される前記対象電池によって生成される電圧波形を電圧計によって検出し、
   前記対象電池によって生成される前記電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達した場合に、前記対象電池への定電圧信号を供給し、
   前記定電圧信号が供給される前記対象電池によって生成される電流波形を検流計によって検出し、
   前記定電流信号が前記対象電池に供給されると、前記電圧計から前記電圧波形を取得し、前記定電圧信号が前記対象電池に供給されると、前記検流計から前記電流波形を取得するように差分回路によって切り替り換え、
   二階微分によって前記電圧波形及び前記電流波形を処理することで、処理された電圧波形及び処理された電流波形をそれぞれ取得し、
   前記処理された電圧波形及び前記処理された電流波形に応じて前記対象電池の試験結果を決定する、方法。
2. 前記電圧波形の前記電圧値が前記閾値電圧値に到達した場合に、前記定電圧信号の電圧値として前記閾値電圧値を設定することを更に有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記対象電池の前記電圧波形は前記対象電池の容量に関連し、前記対象電池の前記電流波形は前記対象電池の等価抵抗と関連する、請求項１に記載の方法。
4. 前記対象電池の前記試験結果を決定することは、前記処理された電圧波形におけるパルスの変動範囲を識別することを含み、前記パルスは、前記対象電池によって生成される前記電圧波形を検出することで得られる前記電圧波形における異常曲線によって生じる、請求項３に記載の方法。
5. 前記対象電池の前記試験結果を決定することは、前記処理された電流波形におけるパルスの変動範囲を識別することを含み、前記パルスは、前記対象電池によって生成される前記電流波形を検出することで得られる前記電流波形における異常曲線によって生じる、請求項３に記載の方法。
6. 対象電池を試験する電池試験装置であって、
   前記対象電池に電気的に接続され、前記対象電池に定電流信号又は定電圧信号を供給するように構成される電源と、
   前記対象電池に電気的に接続され、前記電源が前記対象電池に前記定電流信号を供給する場合に前記対象電池によって生成される電圧波形を検出するように構成される電圧計と、
   前記対象電池に電気的に接続され、前記電圧波形の電圧値が閾値電圧値に到達し、前記電源が前記対象電池に前記定電圧信号を供給するよう切り換えられる場合に、前記対象電池によって生成される電流波形を検出するように構成される検流計と、
   前記電圧計と前記検流計に電気的に接続され、前記定電流信号が前記対象電池に供給されると、前記電圧計から前記電圧波形を取得し、前記定電圧信号が前記対象電池に供給されると、前記検流計から前記電流波形を取得するように切り換え、二階微分によって前記電圧波形及び前記電流波形を処理することで、処理された電圧波形及び処理された電流波形をそれぞれ取得する差分回路と、
   前記差分回路に電気的に接続され、前記処理された電圧波形及び前記処理された電流波形に応じて前記対象電池の試験結果を決定する分析器と、を備える電池試験装置。
7. 前記電源は、前記定電圧信号の電圧値を前記閾値電圧値として設定する、請求項６に記載の電池試験装置。
8. 前記対象電池の前記電圧波形は前記対象電池の容量に関連し、前記対象電池の前記電流波形は前記対象電池の等価抵抗に関連する、請求項６に記載の電池試験装置。
9. 前記対象電池の前記試験結果は前記処理された電圧波形におけるパルスの変動範囲に関連し、前記パルスは前記電圧波形における異常曲線によって生じる、請求項８に記載の電池試験装置。
10. 前記対象電池の前記試験結果は前記処理された電流波形におけるパルスの変動範囲に関連し、前記パルスは前記電流波形における異常曲線によって生じる、請求項８に記載の電池試験装置。