JP7000932B2

JP7000932B2 - バッテリの異常箇所特定方法

Info

Publication number: JP7000932B2
Application number: JP2018045382A
Authority: JP
Inventors: 寿隆藤巻; 真徳三浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: JP2019158578A

Description

本発明はバッテリの異常箇所特定方法に関する。

近年、リチウムイオン二次電池等のバッテリが様々な分野において利用されている。バッテリは安全性が重要であり、例えば、リチウムイオン二次電池では、Ｌｉ析出等の異常箇所の有無を出荷前に検査し、異常箇所がある場合は製品の出荷を停止している。

特許文献１には、バッテリの使用時や充放電時等におけるバッテリ内部の状態や状態変化、発熱や短絡などの挙動等を直接的に測定、観察または解析する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、充放電を実施しているバッテリの発熱状態をサーモグラフィを用いて測定することでバッテリの不良を予測している。

特開２０１６－０５１６４２号公報

例えば、リチウムイオン二次電池においてＬｉ析出等の異常が発生した場合は、析出するＬｉの量が少ないため、リチウムイオン二次電池の表面における温度変化が小さい。このため、特許文献１のように単にバッテリの発熱状態をサーモグラフィを用いて測定するだけでは異常箇所を検出することが困難であるという問題がある。

本発明の目的は、バッテリの異常箇所を精度よく特定することが可能なバッテリの異常箇所特定方法を提供することである。

本発明にかかるバッテリの異常箇所特定方法は、第１の面と、当該第１の面と反対側の第２の面と、を備えるバッテリの異常箇所特定方法であって、次のステップを備える。前記バッテリを所定の周期で加熱し、前記第２の面に伝達される熱による前記第２の面の周期的な温度変化を測定し、前記第２の面における前記周期的な温度変化の位相差分布を求める第１のステップ。前記バッテリを所定の周期で加熱し、前記第１の面に伝達される熱による前記第１の面の周期的な温度変化を測定し、前記第１の面における前記周期的な温度変化の位相差分布を求める第２のステップ。前記第１及び第２のステップで求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量を用いて異常箇所を特定する第３のステップ。

上述の本発明にかかるバッテリの異常箇所特定方法では、第１のステップにおいてバッテリを所定の周期で加熱し、バッテリの第２の面における温度変化の位相差分布を求めている。また、第２のステップにおいてバッテリを所定の周期で加熱し、バッテリの第１の面における温度変化の位相差分布を求めている。そして、第３のステップにおいて、第１及び第２のステップで求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量を用いて異常箇所を特定している。このように、本発明にかかるバッテリの異常箇所特定方法では、バッテリの両面における温度変化の位相差分布を用いているので、バッテリの厚さ方向における異常箇所を精度よく特定することができる。

本発明により、バッテリの異常箇所を精度よく特定することが可能なバッテリの異常箇所特定方法を提供することができる。

実施の形態にかかる異常箇所特定装置の構成を示すブロック図である。実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法を説明するためのフローチャートである。実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法を説明するための図である。実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法を説明するための図である。実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法を説明するための図である。実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法を説明するための図である。検証実験で用いたサンプルを説明するための図である。図６に示すサンプルの切断線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。検証実験の結果を示す図である。実施の形態にかかる異常箇所特定装置の他の構成例を示すブロック図である。

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。
図１は、本実施の形態にかかる異常箇所特定装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法は、図１に示す異常箇所特定装置を用いて実施することができる。図１に示すように、異常箇所特定装置１は、加熱装置１１、サーモカメラ１２、波形発生器１３、電源部１４、及び解析部１５を備える。

加熱装置１１は、バッテリ２０の一方の面を所定の周期で加熱するための装置である。加熱装置１１は、例えばフラッシュランプやハロゲンランプを用いて構成することができる。

サーモカメラ１２は、バッテリ２０の他方の面の温度を測定するための装置である。具体的には、サーモカメラ１２は、バッテリ２０の他方の面から放射された赤外線を検出する赤外線カメラである。加熱装置１１を用いてバッテリ２０を一方の面側から所定の周期で加熱すると、バッテリ２０の一方の面から他方の面（つまり、一方の面と反対側の面）に熱が伝達される。そして、この伝達された熱によって、バッテリ２０の他方の面が周期的に温度変化する。サーモカメラ１２は、このバッテリ２０の他方の面の周期的な温度変化を測定する。サーモカメラ１２で測定された測定結果（赤外線熱画像データ）は、解析部１５に出力される。

波形発生器１３は、所定の周期（周波数）の波形を生成し、生成した波形を電源部１４および解析部１５に出力する。

電源部１４は、波形発生器１３から供給された波形に応じた周期（周波数）の電源を加熱装置１１に供給する。これにより、加熱装置１１は、所定の周期でバッテリ２０の一方の面を加熱することができる。

解析部１５は、波形発生器１３から供給された波形情報、及びサーモカメラ１２から供給された測定結果を用いてバッテリ２０の表面における周期的な温度変化の位相差分布を求める。波形発生器１３から供給された波形情報は、例えば波形の周波数および位相に関する情報である。例えば、解析部１５は、サーモカメラ１２から供給された測定結果に対してロックイン解析を実施することで、サーモカメラ１２から供給された測定結果を解析することができる。

サーモカメラ１２から供給された測定結果は赤外線熱画像データであり、バッテリ２０の表面温度を反映した画像データである。バッテリ２０の表面温度は周期的に変化しているので、サーモカメラ１２から供給された画像データも周期的に変化する。解析部１５は、この画像データの周期的な変化を、波形発生器１３から供給された波形情報を用いてロックイン解析することで、バッテリ２０の表面における周期的な温度変化の位相差分布を求めることができる。ここで、バッテリ２０の表面における位相差分布は、基準波形に対する各々の箇所における位相のずれ（遅れ）を示している。

次に、本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法について、図２に示すフローチャート、及び図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。

バッテリの異常箇所特定方法を実施する際は、まず、図２のフローチャートに示すように、バッテリ２０を所定の周期で加熱し、バッテリ２０のＡ面２１における温度変化の位相差分布を求める（ステップＳ１）。つまり、図３Ａに示すように、バッテリ２０のＢ面２２側からバッテリ２０を加熱し、バッテリ２０のＡ面２１における温度変化の位相差分布を求める。

具体的には、加熱装置１１に所定の周波数の加熱パルス２４を供給する。つまり、図１に示した電源部１４は、波形発生器１３から供給された波形に応じた周期の電源（加熱パルス２４）を加熱装置１１に供給する。加熱装置１１は、所定の周期でバッテリ２０のＢ面２２側を加熱する。これにより、バッテリ２０のＢ面２２からＡ面２１に熱が伝達されて、バッテリ２０のＡ面２１が周期的に温度変化する。

サーモカメラ１２は、バッテリ２０のＡ面２１における周期的な温度変化を測定して、この測定結果を解析部１５に出力する。解析部１５は、波形発生器１３から供給された波形情報、及びサーモカメラ１２から供給された測定結果を用いてロックイン解析を実施することで、バッテリ２０のＡ面２１における周期的な温度変化の位相差分布を求める。

図３Ａに示すように、バッテリ２０のＢ面２２側を所定の周期（加熱パルス２４）で加熱すると、この熱がバッテリ２０のＢ面２２側からＡ面２１側に伝わる。このとき、バッテリ２０のＡ面２１側に伝わる熱は、所定の位相ずれて伝わる。図３Ａに示す例では、バッテリ２０の正常箇所における波形２５は、加熱パルス２４に対して位相がＰ１ずれており、振幅がＡ１である。また、バッテリ２０に異常箇所３１がある場合の波形２６は、加熱パルス２４に対して位相がＰ２ずれており、振幅はＡ２である。

バッテリ２０に異常箇所３１がある場合は、バッテリ２０の厚さ方向（積層方向）にＬｉ析出などの異常箇所があるため、その部分における熱伝導が悪くなり、熱の伝達が遅くなる。よって、図３Ａに示す場合は、正常箇所の波形２５の位相Ｐ１よりも異常箇所の波形２６の位相Ｐ２のほうが遅くなる（つまり、Ｐ１＜Ｐ２）。また、正常箇所の波形２５の振幅Ａ１よりも異常箇所の波形２６の振幅Ａ２のほうが小さくなる（つまり、Ａ１＞Ａ２）。

解析部１５は、バッテリ２０のＡ面２１の各々の場所における位相差を求めることで、バッテリ２０のＡ面２１における周期的な温度変化の位相差分布を求めることができる。例えば、解析部１５は、正常箇所（波形２５）に対する異常箇所（波形２６）の位相の遅れ（位相差＝Ｐ２－Ｐ１）を求めることで、バッテリ２０のＡ面２１における周期的な温度変化の位相差分布を求めてもよい。このように、バッテリ２０のＡ面２１における位相差分布を求めることで、バッテリ２０の面内における異常箇所を検出することができる。

次に、図２のフローチャートに示すように、バッテリ２０を所定の周期で加熱し、バッテリ２０のＢ面２２における温度変化の位相差分布を求める（ステップＳ２）。つまり、図３Ｂに示すように、バッテリ２０のＡ面２１側からバッテリ２０を加熱し、バッテリ２０のＢ面２２における温度変化の位相差分布を求める。換言すると、バッテリ２０を裏返して、ステップＳ１と同様の測定を実施する。

図３Ｂに示すように、バッテリ２０のＡ面２１側を所定の周期（加熱パルス２４）で加熱すると、この熱がバッテリ２０のＡ面２１側からＢ面２２側に伝わる。このとき、バッテリ２０のＢ面２２側に伝わる熱は、所定の位相ずれて伝わる。図３Ｂに示す例では、バッテリ２０の正常箇所における波形２７は、加熱パルス２４に対して位相がＰ３ずれており、振幅がＡ３である。また、バッテリ２０に異常箇所３１がある場合の波形２８は、加熱パルス２４に対して位相がＰ４ずれており、振幅はＡ４である。

バッテリ２０に異常箇所３１がある場合は、バッテリ２０の厚さ方向にＬｉ析出などの異常箇所があるため、その部分における熱伝導が悪くなり、熱の伝達が遅くなる。よって、図３Ｂに示す場合は、正常箇所の波形２７の位相Ｐ３よりも異常箇所の波形２８の位相Ｐ４のほうが遅くなる（つまり、Ｐ３＜Ｐ４）。また、正常箇所の波形２７の振幅Ａ３よりも異常箇所の波形２８の振幅Ａ４のほうが小さくなる（つまり、Ａ３＞Ａ４）。

解析部１５は、バッテリ２０のＢ面２２の各々の場所における位相差を求めることで、バッテリ２０のＢ面２２における周期的な温度変化の位相差分布を求めることができる。例えば、解析部１５は、正常箇所（波形２７）に対する異常箇所（波形２８）の位相の遅れ（位相差＝Ｐ４－Ｐ３）を求めることで、バッテリ２０のＢ面２２における周期的な温度変化の位相差分布を求めてもよい。このように、バッテリ２０のＢ面２２における位相差分布を求めることで、バッテリ２０の面内における異常箇所を検出することができる。

次に、図２のフローチャートに示すように、ステップＳ１で求めた位相差分布とステップＳ２で求めた位相差分布とを用いて異常箇所を特定する（ステップＳ３）。つまり、ステップＳ１、Ｓ２で求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量を用いて異常箇所を特定する。

以下、異常箇所の特定方法について、図４、図５を用いて具体的に説明する。図４（ａ）は、ステップＳ１において測定したＡ面側の位相差分布４１を示す。また、位相差分布４３は、破線Ｌ１における位相差分布を示している。図４（ｂ）は、ステップＳ２において測定したＢ面側の位相差分布４５を示す。また、位相差分布４７は、破線Ｌ２における位相差分布を示している。

図４（ａ）に示すように、バッテリ２０の異常箇所３１が加熱装置１１側にある場合は、Ａ面側の位相差分布４１において、異常箇所３１に対応する箇所の位相差分布４２、４３はブロードになる。この理由は、異常箇所３１が加熱装置１１側にある場合は、加熱装置１１側から伝わった熱が早い段階で異常箇所３１に到達し、異常箇所３１において熱が分散するためである。このときの位相差分布４３のピーク値はＦａである。

一方、図４（ｂ）に示すように、バッテリ２０の異常箇所３１がサーモカメラ１２側にある場合は、Ｂ面側の位相差分布４５において、異常箇所３１に対応する箇所の位相差分布４６、４７はシャープになる。この理由は、異常箇所３１がサーモカメラ１２側にある場合は、加熱装置１１側から伝わった熱がＢ面側の表面近くで異常箇所３１を通過するため、異常箇所３１による熱の分散の影響が少ないためである。このときの位相差分布４７のピーク値はＦｂである。

本実施の形態では、ステップＳ１で求めた異常箇所３１に対応する位相差分布４３のピーク値Ｆａと、ステップＳ２で求めた異常箇所３１に対応する位相差分布４７のピーク値Ｆｂとを用いて、異常箇所３１の厚さ方向の位置を特定することができる。例えば、位相差分布４３のピーク値Ｆａを位相差分布４７のピーク値Ｆｂで除算した値（Ｆａ／Ｆｂ）を用いることで、異常箇所３１の厚さ方向の位置を特定することができる。

図５に示すグラフは、Ｆａ／Ｆｂの値と異常箇所の推定箇所との関係を示している。図５のグラフは片対数グラフであり、横軸はＦａ／Ｆｂの対数目盛となっている。また、縦軸はバッテリ２０の中央部からの異常箇所存在位置を示しており、縦軸の上側はＡ面側の位置を示し、縦軸の下側はＢ面側の位置を示している。なお、異常箇所がバッテリ２０の中央部（縦軸の位置が０）である場合は、位相差分布４３のピーク値Ｆａと位相差分布４７のピーク値Ｆｂとが等しくなるため、Ｆａ／Ｆｂ＝１となる。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、異常箇所３１がバッテリ２０のＢ面２２側にある場合は、Ａ面側の位相差分布のピーク値Ｆａは、Ｂ面側の位相差分布のピーク値Ｆｂよりも小さくなる（Ｆａ＜Ｆｂ）。この場合は、Ｆａ／Ｆｂの値が１よりも小さくなるので、図５のグラフに示すように、異常箇所３１はバッテリ２０のＢ面側の位置と推定することができる。

一方、異常箇所３１がバッテリ２０のＡ面２１側にある場合（不図示）は、Ａ面側の位相差分布のピーク値Ｆａは、Ｂ面側の位相差分布のピーク値Ｆｂよりも大きくなる（Ｆａ＞Ｆｂ）。この場合は、Ｆａ／Ｆｂの値が１よりも大きくなるので、図５に示すグラフを用いることで、異常箇所３１がバッテリ２０のＡ面側の位置と推定することができる。

なお、上記の説明では、ステップＳ２で求めた位相差分布に対するステップＳ１で求めた位相差分布の変化量（Ｆａ／Ｆｂ）を用いて、バッテリ２０の異常箇所３１を推定する場合を説明した。しかし、ステップＳ３では、ステップＳ１で求めた位相差分布に対するステップＳ２で求めた位相差分布の変化量（Ｆｂ／Ｆａ）を用いて、バッテリ２０の異常箇所３１を推定してもよい。この場合は、図５に示したグラフの縦軸が逆、つまり縦軸の上側がＢ面側となり、下側がＡ面側になる。

以上で説明したように、本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法では、バッテリ２０のＢ面２２側からバッテリ２０を加熱し、バッテリ２０のＡ面２１における温度変化の位相差分布を求め（図２のステップＳ１）、その後、バッテリ２０のＡ面２１側からバッテリ２０を加熱し、バッテリ２０のＢ面２２における温度変化の位相差分布を求めている（図２のステップＳ２）。そして、ステップＳ１、Ｓ２で求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量（Ｆａ／Ｆｂ）を用いて異常箇所を特定している（図２のステップＳ３）。このように、本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法では、バッテリ２０の両面における温度変化の位相差分布を用いているので、バッテリの厚さ方向における異常箇所を精度よく特定することができる。

次に、本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法の検証実験について説明する。図６は、検証実験で用いたサンプル６０を説明するための図である。図７は、図６に示すサンプル６０の切断線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。図６は、サンプル６０のＢ面側を図示しており、各々の部材７１～７４の位置を示している。

異常箇所（Ｌｉ析出）を模擬した検証実験をするために、サンプル６０のＢ面側に各々の部材７１～７４を配置した。部材７１は７０μｍの銅箔とし、部材７２は１００μｍのアルミニウム箔とし、部材７３は５０μｍのカプトン（登録商標）とし、部材７４は２００μｍのビニールとした。

また、図７に示すように、サンプル６０の中央に負極部材６５を配置し、負極部材６５の両側にセパレータ６３、６４を配置し、セパレータ６３、６４の各々の外側に正極部材６１、６２を配置し、正極部材６１、６２の各々の外側に黒体塗料６６、６７を配置して積層体のサンプル６０を形成した。

そして、サンプル６０に対して上記で説明したステップＳ１、Ｓ２の処理を実施した。このとき、加熱装置１１としてフラッシュランプを用い、１００Ｊ／Ｆのエネルギーで照射した。また、波形発生器１３を用いて、０．２５ＨｚのＴＴＬ信号（０－５Ｖ）を生成した。そして、フラッシュランプを２秒間オン、２秒間オフする動作を８０秒間（２０周期）繰り返した。この周期とすることで、サンプル６０の温度を５０℃以下に抑えることができた。

図８は、検証実験の結果を示す図である。左図はサンプル６０のＢ面側の解析結果８１を示し、右図はサンプル６０のＡ面側の解析結果８２を示している。位相差分布８３は、解析結果８１の直線Ｌ５における位相差分布を示している。また、位相差分布８４は、解析結果８２の直線Ｌ６における位相差分布を示している。

図８に示すように、Ｂ面側の解析結果８１では、各々の部材７１～７４が配置されている場所において、位相差分布８３がシャープな形状となった。また、Ａ面側の解析結果８２では、各々の部材７１～７４が配置されている場所において、位相差分布８４がブロードな形状となった。また、配置さている部材によって位相差分布８４のピークの高さが異なった。これは、配置されている部材によって熱伝導率が異なるため、Ａ面側に到達する熱の位相がずれたためである。

図８に示す結果から、本実施の形態にかかるバッテリの異常箇所特定方法の有効性を検証することができた。

次に、本実施の形態にかかる異常箇所特定装置の他の構成例について説明する。図９は、本実施の形態にかかる異常箇所特定装置の他の構成例を示すブロック図である。図１に示した異常箇所特定装置１では、フラッシュランプ等の加熱装置１１を用いてバッテリ２０を加熱する例を示したが、図９に示す異常箇所特定装置２では、バッテリ２０自身を加熱装置として用いている。つまり、図９に示す異常箇所特定装置２では、充放電装置９１を設けて、この充放電装置９１を用いてバッテリ２０を充放電することで、バッテリ２０の内部からバッテリ２０を所定の周期で加熱している。充放電は、例えば０．２５Ｈｚ、１／２Ｃで実施することができる。

図９に示す異常箇所特定装置においても、第１のステップにおいてバッテリを所定の周期で加熱し、バッテリの一方の面における温度変化の位相差分布を求める。また、第２のステップにおいてバッテリを所定の周期で加熱し、バッテリの他方の面における温度変化の位相差分布を求める。そして、第３のステップにおいて、第１及び第２のステップで求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量を用いて異常箇所を特定する。このように、図９に示す異常箇所特定装置を用いた場合も、バッテリの両面における温度変化の位相差分布を用いることができるので、バッテリの厚さ方向における異常箇所を精度よく特定することができる。

なお、図９に示す異常箇所特定装置を用いる場合は、バッテリ２０自身を加熱装置として用いているため、バッテリ２０が均一に加熱されない場合も想定される。このような場合は、解析部１５において温度変化を解析する際に、温度変化のばらつきを適宜補正してもよい。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１、２異常箇所特定装置
１１加熱装置
１２サーモカメラ
１３波形発生器
１４電源部
１５解析部
２０バッテリ
３１異常箇所
６０サンプル
６１、６２正極部材
６３、６４セパレータ
６５負極部材
６６、６７黒体塗料
７１、７２、７３、７４部材

Claims

第１の面と、当該第１の面と反対側の第２の面と、を備えるバッテリの異常箇所特定方法であって、
前記バッテリを所定の周期で加熱し、前記第２の面に伝達される熱による前記第２の面の周期的な温度変化を測定し、前記第２の面における前記周期的な温度変化の位相差分布を求める第１のステップと、
前記バッテリを所定の周期で加熱し、前記第１の面に伝達される熱による前記第１の面の周期的な温度変化を測定し、前記第１の面における前記周期的な温度変化の位相差分布を求める第２のステップと、
前記第１及び第２のステップで求めた位相差分布の一方の位相差分布に対する他方の位相差分布の変化量を用いて異常箇所を特定する第３のステップと、を備え、
前記第３のステップは、前記第１及び第２のステップで求めた一方の位相差分布のピーク値と他方の位相差分布のピーク値とに基づいて、前記異常箇所の前記第１の面及び前記第２の面と直交する厚さ方向における位置を特定することを含む、
バッテリの異常箇所特定方法。
前記第２の面の位相差分布のピーク値が前記第１の面の位相差分布のピーク値よりも小さい場合、前記異常箇所は前記厚さ方向における前記第１の面側の位置と推定する
請求項１に記載のバッテリの異常箇所特定方法。
前記第１の面の位相差分布のピーク値が前記第２の面の位相差分布のピーク値よりも小さい場合、前記異常箇所は前記厚さ方向における前記第２の面側の位置と推定する
請求項１に記載のバッテリの異常箇所特定方法。