JP7122938B2 - Micro-short circuit detection method and micro-short circuit detection device - Google Patents
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Description
本発明は、微短絡検知方法及び微短絡検知装置に関する。 The present invention relates to a micro-short circuit detection method and a micro-short circuit detection device.
リチウム二次電池は、一般的に、リチウムが挿入脱離可能な金属酸化物を正極に使用し、リチウムが挿入脱離可能な黒鉛材料を負極に使用して構成されることが多く、充電時においては正極からリチウムイオンが脱離して負極に挿入される。そして、リチウム二次電池は、エネルギー密度、出力電圧、電池寿命等の面で比較的優れていることから、様々な電子機器の電力供給源として広く使用されている。 Lithium secondary batteries are generally constructed by using a metal oxide into which lithium can be intercalated and deintercalated for the positive electrode, and a graphite material into which lithium can be intercalated and deintercalated, for the negative electrode. , lithium ions are desorbed from the positive electrode and inserted into the negative electrode. Lithium secondary batteries are widely used as power supply sources for various electronic devices because they are relatively superior in terms of energy density, output voltage, battery life, and the like.
ところで、リチウム二次電池は、充電時における負極表面においてデンドライトと呼ばれるリチウムの針状結晶が析出することがあり、デンドライトが正極と負極との間に介在するセパレータを突き破って正極まで成長した場合には、短絡不良を引き起こして電解液やセパレータの発火を招く虞がある。また、この場合、リチウム二次電池の正極として使用されるリチウム酸化物は、高温になることにより活性の高い酸素イオンを放出し、熱暴走による激しい燃焼を引き起こす虞がある。 By the way, in a lithium secondary battery, needle-like crystals of lithium called dendrites may be deposited on the surface of the negative electrode during charging. However, there is a risk that a short circuit may occur and the electrolyte or the separator may ignite. Moreover, in this case, the lithium oxide used as the positive electrode of the lithium secondary battery releases highly active oxygen ions when it reaches a high temperature, which may cause violent combustion due to thermal runaway.
上記のような短絡不良への対策として、特許文献1には、リチウム二次電池の充電中において、電極間が短絡する兆候としての微短絡の発生を判定するための従来技術が開示されている。より具体的には、当該従来技術では、充電中のリチウム二次電池の電池電圧の変化量の逆数が、事前に設定された規定値よりも大きい値となった場合に、デンドライトが析出したと判定している。 As a countermeasure against short-circuit failures such as those described above, Patent Document 1 discloses a conventional technique for determining the occurrence of a minute short-circuit as a sign of short-circuiting between electrodes during charging of a lithium secondary battery. . More specifically, in the prior art, dendrite deposition is considered to occur when the reciprocal of the amount of change in the battery voltage of a lithium secondary battery during charging becomes a value greater than a preset specified value. Judging.
しかしながら、リチウム二次電池の電池電圧の変化量は、電池特性や充電条件などの諸条件によって異なる。このため、微短絡を判定するための電池電圧の変化量が、上記の規定値を設定するために予め取得されたデータと異なる条件で取得されていた場合には、正しく微短絡を判定することができない。よって、上記の従来技術では、微短絡の発生を正しく判定するための条件が制約され汎用性が低下してしまう。また、測定される電池電圧は、測定系に起因して確率的に発生するノイズの影響により、稀に真の電圧値から大きく外れた値を示す場合があり、当該外れ値により微短絡の発生を誤判定させる虞がある。 However, the amount of change in battery voltage of a lithium secondary battery varies depending on various conditions such as battery characteristics and charging conditions. Therefore, if the amount of change in the battery voltage for judging a small short circuit is obtained under conditions different from the data previously obtained for setting the specified value, it is possible to correctly judge a small short circuit. can't Therefore, in the conventional technology described above, the conditions for correctly determining the occurrence of a micro-short are restricted, and versatility is reduced. In addition, the measured battery voltage may show a value that deviates greatly from the true voltage value due to the influence of noise that occurs stochastically due to the measurement system. may be erroneously determined.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リチウム二次電池の微短絡検知における汎用性及び判定精度を改善する微短絡検知方法及び微短絡検知装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to improve the versatility and accuracy of detection of micro-short circuits in lithium secondary batteries. is to provide
<本発明の第1の態様>
本発明の第1の態様は、リチウム二次電池の定電流充電による充電期間において微短絡を検知する微短絡検知方法であって、前記リチウム二次電池の充電電流に対する電池容量の比率で単位時間を規定する単位時間規定工程と、前記充電期間における前記リチウム二次電池の電池電圧を前記単位時間おきに取得する電圧取得工程と、前記電池電圧の前記単位時間おきの電圧変化量を算出する変化量算出工程と、前記リチウム二次電池の前記充電期間に前記電圧変化量が所定の閾値を下回った場合に微短絡が発生したと判定する微短絡判定工程と、を含み、前記閾値は、前記単位時間に応じた係数αと予め取得された前記電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて、Th=μ-α×σとして設定される、微短絡検知方法である。
<First aspect of the present invention>
A first aspect of the present invention is a micro-short circuit detection method for detecting a micro-short circuit in a charging period of a lithium secondary battery by constant current charging, wherein the ratio of the battery capacity to the charging current of the lithium secondary battery per unit time a voltage acquisition step of acquiring the battery voltage of the lithium secondary battery in the charging period every unit time; and a change of calculating a voltage change amount of the battery voltage every unit time. and a slight short circuit determination step of determining that a slight short circuit has occurred when the amount of voltage change during the charging period of the lithium secondary battery is less than a predetermined threshold, wherein the threshold is the The micro-short circuit detection method is set as Th=μ−α×σ using the coefficient α corresponding to the unit time and the previously obtained average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount.
本発明の第1の態様に係る微短絡検知方法は、リチウム二次電池の充電期間において、充電電流に対する電池容量の比率で単位時間を規定すると共に、当該単位時間おきに取得した電池電圧の電圧変化量を算出することにより、リチウム二次電池の電池電圧及び充電電流に依存しない微短絡検知のための指標を算出することができる。さらに、本発明の第1の態様に係る微短絡検知方法は、単位時間に応じた係数αと予め取得された電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて閾値を設定することにより、確率的に発生するノイズに起因する誤検知の発生を抑制した微短絡検知が可能となる。これにより、本発明の第1の態様に係る微短絡検知方法によれば、リチウム二次電池の微短絡検知における汎用性及び判定精度を改善することができる。 In the method for detecting a slight short circuit according to the first aspect of the present invention, in the charging period of the lithium secondary battery, the unit time is defined by the ratio of the battery capacity to the charging current, and the battery voltage obtained every unit time. By calculating the amount of change, it is possible to calculate an index for detecting a slight short circuit that does not depend on the battery voltage and charging current of the lithium secondary battery. Furthermore, in the method for detecting a small short circuit according to the first aspect of the present invention, the threshold value is set using the coefficient α corresponding to the unit time and the average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount obtained in advance. , it is possible to detect a slight short circuit while suppressing the occurrence of erroneous detection due to stochastically generated noise. As a result, according to the method for detecting a minute short circuit according to the first aspect of the present invention, it is possible to improve the versatility and the accuracy of determination in detecting a minute short circuit in a lithium secondary battery.
<本発明の第2の態様>
本発明の第2の態様は、上記した本発明の第1の態様において、前記係数αは、前記充電期間における前記電圧変化量の算出回数の逆数が、前記閾値で規定される分布の区間から外れる確率よりも低くなるように設定される、微短絡検知方法である。
<Second aspect of the present invention>
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention described above, the coefficient α is such that the reciprocal of the number of calculations of the voltage change amount in the charging period is from the interval of the distribution defined by the threshold value. It is a micro short circuit detection method that is set to be lower than the probability of disconnection.
本発明の第2の態様によれば、微短絡検知のための閾値の算出に用いられる係数αが、確率的に発生するノイズに起因する微短絡の誤検知を抑制する値として設定されることから、微短絡の検知精度をより向上させることができる。 According to the second aspect of the present invention, the coefficient α used for calculating the threshold value for detecting a small short circuit is set as a value that suppresses erroneous detection of a small short circuit caused by stochastically occurring noise. Therefore, it is possible to further improve the detection accuracy of a micro short circuit.
<本発明の第3の態様>
本発明の第3の態様は、上記した本発明の第1又は2の態様において、前記微短絡判定工程においては、微短絡が発生したと判定される回数が所定回数以上となった場合に、前記リチウム二次電池の充電が停止される、微短絡検知方法である。
<Third aspect of the present invention>
According to a third aspect of the present invention, in the above-described first or second aspect of the present invention, when the number of times it is determined that a slight short circuit has occurred is equal to or greater than a predetermined number of times in the minute short circuit determination step, In the method for detecting a slight short circuit, charging of the lithium secondary battery is stopped.
本発明の第3の態様によれば、確率的に発生するノイズに起因して万が一、微短絡の発生を単発的に誤判定した場合であっても、直ちにリチウム二次電池の充電を停止しないことにより、正常なリチウム二次電池を誤って廃棄してしまう虞を低減することができる。 According to the third aspect of the present invention, charging of the lithium secondary battery is not immediately stopped even in the unlikely event that the occurrence of a small short circuit is erroneously determined due to noise that occurs stochastically. As a result, the risk of erroneously discarding a normal lithium secondary battery can be reduced.
<本発明の第4の態様>
本発明の第4の態様は、リチウム二次電池を充電する充電回路と、前記リチウム二次電池の充電電流を測定する電流計と、前記リチウム二次電池の電池電圧を測定する電圧計と、前記充電回路を制御することにより前記リチウム二次電池を充電する制御部と、を備え、前記制御部は、前記リチウム二次電池の定電流充電による充電期間において、前記充電電流に対する前記リチウム二次電池の電池容量の比率で規定した単位時間ごとに前記電池電圧の電圧変化量を算出すると共に、前記電圧変化量が所定の閾値を下回った場合に前記リチウム二次電池に微短絡が発生したと判定し、前記閾値は、前記単位時間に応じた係数αと予め取得された前記電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて、Th=μ-α×σとして設定される、微短絡検知装置である。
<Fourth aspect of the present invention>
A fourth aspect of the present invention includes a charging circuit for charging a lithium secondary battery, an ammeter for measuring the charging current of the lithium secondary battery, a voltmeter for measuring the battery voltage of the lithium secondary battery, a control unit that charges the lithium secondary battery by controlling the charging circuit, wherein the control unit controls the lithium secondary battery with respect to the charging current during a charging period of the lithium secondary battery by constant current charging. The amount of voltage change in the battery voltage is calculated for each unit time defined by the ratio of the battery capacity of the battery, and when the amount of voltage change is below a predetermined threshold, it is determined that a slight short circuit has occurred in the lithium secondary battery. and the threshold value is set as Th=μ-α×σ using the coefficient α corresponding to the unit time and the pre-obtained average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount. It is a short circuit detection device.
本発明の第4の態様に係る微短絡検知装置は、リチウム二次電池の充電期間において、充電電流に対する電池容量の比率で単位時間を規定すると共に、当該単位時間おきに取得した電池電圧の電圧変化量を算出することにより、リチウム二次電池の電池電圧及び充電電流に依存しない微短絡検知のための指標を算出することができる。さらに、本発明の第4の態様に係る微短絡検知装置は、単位時間に応じた係数αと予め取得された電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて閾値を設定することにより、確率的に発生するノイズに起因する誤検知の発生を抑制した微短絡検知が可能となる。これにより、本発明の第4の態様に係る微短絡検知装置によれば、リチウム二次電池の微短絡検知における汎用性及び判定精度を改善することができる。 A slight short circuit detection device according to a fourth aspect of the present invention is a charging period of a lithium secondary battery, in which the unit time is defined by the ratio of the battery capacity to the charging current, and the battery voltage voltage obtained every unit time By calculating the amount of change, it is possible to calculate an index for detecting a slight short circuit that does not depend on the battery voltage and charging current of the lithium secondary battery. Furthermore, in the micro-short detection device according to the fourth aspect of the present invention, the threshold value is set using the coefficient α corresponding to the unit time and the pre-obtained average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount. , it is possible to detect a slight short circuit while suppressing the occurrence of erroneous detection due to stochastically generated noise. As a result, according to the micro-short circuit detection device according to the fourth aspect of the present invention, it is possible to improve versatility and determination accuracy in detecting micro-short circuits in lithium secondary batteries.
<本発明の第5の態様>
本発明の第5の態様は、上記した本発明の第4の態様において、前記係数αは、前記充電期間における前記電圧変化量の算出回数の逆数が、前記閾値で規定される分布の区間から外れる確率よりも低くなるように設定される、微短絡検知装置である。
<Fifth aspect of the present invention>
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention described above, the coefficient α is such that the reciprocal of the number of calculations of the voltage change amount in the charging period is from the interval of the distribution defined by the threshold value. It is a micro-short circuit detection device that is set to be lower than the probability of disconnection.
本発明の第5の態様によれば、微短絡検知のための閾値の算出に用いられる係数αが、確率的に発生するノイズに起因する微短絡の誤検知を抑制する値として設定されることから、微短絡の検知精度をより向上させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the coefficient α used for calculating the threshold value for detecting a small short circuit is set as a value that suppresses erroneous detection of a small short circuit caused by stochastically occurring noise. Therefore, it is possible to further improve the detection accuracy of a micro short circuit.
<本発明の第6の態様>
本発明の第6の態様は、上記した本発明の第5又は6の態様において、前記制御部は、微短絡が発生したと判定される回数が所定回数以上となった場合に、前記リチウム二次電池の充電を停止する、微短絡検知装置である。
<Sixth aspect of the present invention>
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth or sixth aspect of the present invention described above, when the number of times it is determined that a slight short circuit has occurred is equal to or greater than a predetermined number of times, the lithium secondary It is a micro-short circuit detection device that stops charging of the next battery.
本発明の第6の態様によれば、確率的に発生するノイズに起因して万が一、微短絡の発生を単発的に誤判定した場合であっても、直ちにリチウム二次電池の充電を停止しないことにより、正常なリチウム二次電池を誤って廃棄してしまう虞を低減することができる。 According to the sixth aspect of the present invention, charging of the lithium secondary battery is not stopped immediately even in the unlikely event that the occurrence of a small short circuit is erroneously determined due to stochastically generated noise. As a result, the risk of erroneously discarding a normal lithium secondary battery can be reduced.
本発明によれば、リチウム二次電池の微短絡検知における汎用性及び判定精度を改善する微短絡検知方法及び微短絡検知装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a micro-short-circuit detection method and a micro-short-circuit detection device that improve versatility and determination accuracy in detecting micro-short circuits in lithium secondary batteries.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the content described below, and can be arbitrarily changed and implemented without changing the gist of the present invention. In addition, all of the drawings used for describing the embodiments schematically show constituent members, and are partially emphasized, enlarged, reduced, or omitted for the purpose of deepening understanding. It may not represent the scale, shape, etc. accurately.
図1は、本発明に係る充電器1の回路構成を模式的に示す構成図である。充電器1は、本実施形態においては、外部電源2及びリチウム二次電池3にそれぞれ接続されることにより、外部電源2から供給される電力でリチウム二次電池3を充電する。また、充電器1は、リチウム二次電池3を定電流で充電する充電期間において、リチウム二次電池3における微短絡の発生を検知する「微短絡検知装置」として機能する。
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the circuit configuration of a charger 1 according to the present invention. In this embodiment, the charger 1 charges the lithium
充電器1は、より具体的には、充電回路10、制御部20、電流計30、電圧計40、入力部50、及び出力部60を備える。
The charger 1 more specifically includes a charging
充電回路10は、制御部20による制御に基づいて、外部電源2から入力される電力をリチウム二次電池3の充電電力に変換して出力する。ここで、充電回路10は、外部電源2から交流電力が供給される場合には、当該交流電力を直流電力に変換する。
The charging
制御部20は、例えば公知のマイコン制御回路やパーソナルコンピュータなどの電子計算機からなり、リチウム二次電池3の状態を監視しながら充電制御を行うと共に、詳細を後述するようにリチウム二次電池3における微短絡の発生を検知する。
The
電流計30は、充電回路10とリチウム二次電池3とを接続する回路上に直列に設けられ、リチウム二次電池3に供給される充電電流を測定して制御部20に出力する。
電圧計40は、充電回路10とリチウム二次電池3とを接続する回路上に並列に設けられ、リチウム二次電池3の電池電圧を測定して制御部20に出力する。
The
ここで、電流計30及び電圧計40は、内蔵されたADコンバータでアナログ信号としての電流及び電圧をそれぞれ測定し、それぞれのスペックに応じたサンプリング周期でデジタル信号に変換して制御部20に出力する。このため、制御部20が電流及び電圧を取得する周期は、電流計30及び電圧計40で電流及び電圧を測定する周期とは異なる場合がある。
Here, the
入力部50は、リチウム二次電池3に対する充電制御や微短絡発生の判定を行うための制御に必要となる各種パラメータの入力に使用され、入力される各種パラメータを制御部20に出力する。入力部50は、例えばキーボードであってもよく、パラメータを選択するボタンであってもよい。
The
出力部60は、制御部20から出力される各種情報をユーザに提示するために使用され、リチウム二次電池3の充電状態や微短絡の発生などを通知する。出力部60は、例えばディスプレイであってもよく、LEDの点灯により各種情報を提示する表示灯であってもよい。
The
次に、充電器1における制御部20の動作について説明する。図2は、制御部20が実行する手順を示すフローチャートである。制御部20は、図2に示される微短絡検知方法によって、リチウム二次電池3を充電しつつ微短絡の検知を行う。
Next, the operation of the
尚、本実施形態においては、充電器1は、リチウム二次電池3に対して目標電圧(ここでは4.2[V]とする)に達するまで定電流充電を行い(CC充電)、その後に定電圧充電(CV充電)に切り替える所謂CCCV充電(Constant Current Constant Voltage)を行うものとする。本発明に係る微短絡検知はCC充電の充電期間において実行されるため、以下ではCV充電の詳細な説明は省略する。
In this embodiment, the charger 1 performs constant current charging (CC charging) until the lithium
充電器1の制御部20は、まず、図2のフローチャートを開始するための準備として、リチウム二次電池3についての各種パラメータが入力される。より具体的には、制御部20は、入力部50を介して入力される充電対象のリチウム二次電池3の電池容量A[Ah]、及びリチウム二次電池3を充電する充電電流B[A]の設定値を読み込む。
Various parameters of the lithium
各種パラメータが読み込まれると、制御部20は、フローチャートに沿った手順を開始し、微短絡を判定するための演算周期である単位時間dtを規定する(ステップS1、単位時間規定工程)。より具体的には、制御部20は、リチウム二次電池3の充電電流Bに対する電池容量Aの比率として以下の式(1)により単位時間dtを規定する。ここで、式中の数値である3600は、電池容量Aの単位を[Ah]としていることによるものであり、単位の表記により適宜変更され得る。
dt=A/(B×3600)・・・式(1)
When various parameters are read, the
dt=A/(B×3600) Expression (1)
次に、制御部20は、微短絡の発生を逐次判定するための閾値THを算出する(ステップS2)。ここで、閾値THは、リチウム二次電池3の充電期間における電池電圧Vの電圧変化量dV/dtに対する閾値であり、その算出方法については詳細を後述する。
Next, the
単位時間dtの規定と閾値THの算出が完了すると、制御部20は、充電回路10を制御することにより、読み込まれた充電電流B[A]の設定値でリチウム二次電池3に対する定電流充電を開始する(ステップS3)。
When the unit time dt has been defined and the threshold value TH has been calculated, the
充電が開始されると、制御部20は、ステップS1で規定した単位時間dtが経過したか否かを判定する(ステップS4)。すなわち、ステップS4では、微短絡の判定を単位時間dtごとに行うために、以降の処理を一時的に保留する(ステップS4でNo)。
When charging is started, the
単位時間dtが経過すると、制御部20は、電圧計40が連続的に測定しているリチウム二次電池3の電池電圧Vのうち、このタイミングの電池電圧Vを取得する(ステップS5)。すなわち、制御部20は、リチウム二次電池3の電池電圧Vを単位時間dtおきに取得する(電圧取得工程)。
After the unit time dt has elapsed, the
そして、制御部20は、取得した電池電圧Vが目標電圧の4.2[V]に達したか否かを判定する(ステップS6)。
Then, the
電池電圧Vが目標電圧に達した場合には(ステップS6でYes)、制御部20は、リチウム二次電池3に対する微短絡検知を含む定電流充電を終了し、引き続き上記した定電圧充電に移行する。ここで、制御部20は、定電流充電が正常に終了した旨や定電流充電の充電期間中に微短絡が検知されなかったことを、出力部60を介してユーザに提示してもよい。
When the battery voltage V reaches the target voltage (Yes in step S6), the
一方、ステップS6で電池電圧Vが目標電圧に達していない場合には(ステップS6でNo)、制御部20は、電池電圧Vの単位時間dtおきの電圧変化量dV/dtを算出する(ステップS8、変化量算出工程)。
On the other hand, if the battery voltage V has not reached the target voltage in step S6 (No in step S6), the
そして、制御部20は、算出された電圧変化量dV/dtとステップS2で算出された閾値THとを比較することにより、リチウム二次電池3に微短絡が発生したか否かを判定する(ステップS9、微短絡判定工程)。
Then, the
ここで、リチウム二次電池3は、微短絡が発生した場合には、正極と負極とが瞬間的に導通することで電池電圧Vが低下し、これにより電圧変化量dV/dtの値を低下させることになる。そのため、制御部20は、電圧変化量dV/dtが閾値THを下回った場合に(ステップS9でYes)、リチウム二次電池3に微短絡が発生したと判定し、ステップS7において定電流充電を終了する。この場合、制御部20は、微短絡の発生により定電流充電を強制終了した旨を、出力部60を介してユーザに提示する。
Here, when a slight short circuit occurs in the lithium
ステップS9において、電圧変化量dV/dtが閾値TH以上であると判定された場合には(ステップS9でNo)、制御部20は、リチウム二次電池3の微短絡が未検知であるとして、ステップS4に戻り、リチウム二次電池3の定電流充電を継続する。これにより、制御部20は、定電流充電の充電期間において、単位時間dtおきに微短絡判定を継続する。
In step S9, when it is determined that the voltage change amount dV/dt is equal to or greater than the threshold TH (No in step S9), the
続いて、電池電圧V及び電圧変化量dV/dtの実測データについて説明する。ここでは、新たに作製したリチウム二次電池3に対し、複数の条件で上記の定電流充電を行った場合の測定データを例示する。まず、リチウム二次電池3を以下の手順により作製した。
Next, actual measurement data of the battery voltage V and the amount of voltage change dV/dt will be described. Measured data obtained when the above-described constant-current charging was performed under a plurality of conditions for a newly manufactured lithium
(正極)
アルミニウム集電体の片面に、活物質であるLiNiCoAlO2を94重量部、導電材であるアセチレンブラックを3重量部、バインダであるPVdFを3重量部で調整したスラリーを、片面塗布量11[mg/cm2]で塗布し、乾燥・プレス後17×17[mm](端子溶接部を除く)で切り出し、正極電極を得た。
(positive electrode)
On one side of the aluminum current collector, a slurry prepared by adjusting 94 parts by weight of LiNiCoAlO2 as an active material, 3 parts by weight of acetylene black as a conductive material, and 3 parts by weight of PVdF as a binder was applied to one side in an amount of 11 [mg/ cm 2 ], dried and pressed, and then cut into a size of 17×17 [mm] (excluding the terminal welded portion) to obtain a positive electrode.
(負極)
銅集電体の片面に、グラファイトを100重量部、増粘剤であるCMC(カルボキシメチルセルロース)を1.5重量部、バインダであるSBR(スチレンブタジエンゴム)を3.0重量部の組成に調整したスラリーを片面塗布量7.0[mg/cm2]で塗布し、乾燥・プレス後18×18[mm](端子溶接部を除く)で切り出し、負極電極を得た。
(negative electrode)
On one side of the copper current collector, a slurry adjusted to a composition of 100 parts by weight of graphite, 1.5 parts by weight of CMC (carboxymethyl cellulose) as a thickener, and 3.0 parts by weight of SBR (styrene butadiene rubber) as a binder was applied to one side. It was applied at a coating amount of 7.0 [mg/cm 2 ], dried and pressed, and then cut into a size of 18×18 [mm] (excluding the terminal welded portion) to obtain a negative electrode.
(セパレータ)
セパレータは、一般的なリチウムイオン二次電池で用いられるオレフィン製やセルロース製のセパレータを用いることができ、厚さ35[μm]のセルロース製不織布(市販品)を使用した。
(separator)
As the separator, an olefin-made or cellulose-made separator used in a general lithium-ion secondary battery can be used.
(セルの作成)
正極、セパレータ、負極の順に積層し、積層体を作成した。得られた積層体を外装材であるアルミラミネートフィルムに挿入し、セルを組み立てた。セルの内部に、電解液(エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートを重量比で1:2とした混合溶媒にLiPF6を1[mol/l]の濃度で溶解した溶液)を注入し、減圧含浸後、真空封止した。アルミラミネートの封止幅は2.5[mm]として、表面にPTFEシートを配置した180[℃]のヒートバーにて、四辺を封止してセルを作製した。このときの電池容量Aは約5[mAh]であった。
(Creating a cell)
A laminate was prepared by laminating the positive electrode, the separator, and the negative electrode in this order. The obtained laminate was inserted into an aluminum laminate film as an exterior material to assemble a cell. An electrolytic solution (1 [mol/l] concentration of LiPF6 dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a weight ratio of 1:2) was injected into the cell, impregnated under reduced pressure, and then vacuum-sealed. stopped. The sealing width of the aluminum laminate was set to 2.5 [mm], and the four sides were sealed with a heat bar of 180 [°C] having a PTFE sheet on the surface to prepare a cell. The battery capacity A at this time was about 5 [mAh].
また、上記と同様の作成方法により、電池容量Aが約10[mAh]であるリチウム二次電池3を作製した。
Further, a lithium
上記のように作製したリチウム二次電池3に対し、複数の充電電流Bでそれぞれ充電したときの電池電圧V及び電圧変化量dV/dtを図3乃至8に示す。図3乃至8は、リチウム二次電池3を目標電圧まで充電した場合の電池電圧V及び電圧変化量dV/dtのデータ系列について、横軸を充電開始からの時間[s]として表している。
3 to 8 show the battery voltage V and voltage change amount dV/dt when the lithium
より具体的には、電池容量Aが5[mAh]であるリチウム二次電池3の電池電圧V及び電圧変化量dV/dtについて、充電電流Bが1[mA]の場合(0.2C)を図3に示し、充電電流Bが5[mA]の場合(1C)を図4に示し、充電電流Bが15[mA]の場合(3C)を図5に示している。
More specifically, for the battery voltage V and the voltage change amount dV/dt of the lithium
また、電池容量Aが10[mAh]であるリチウム二次電池3の電池電圧V及び電圧変化量dV/dtについて、充電電流Bが2[mA]の場合(0.2C)を図6に示し、充電電流Bが10[mA]の場合(1C)を図7に示し、充電電流Bが30[mA]の場合(3C)を図8に示している。
FIG. 6 shows the battery voltage V and voltage change amount dV/dt of the lithium
図3乃至8に見られるように、リチウム二次電池3は、充電電流Bの大きさに伴い目標電圧に達するまでに要する時間やデータのバラつきが異なるものの、上記の式(1)で規定される単位時間dtごとに取得される電池電圧Vに基づいて電圧変化量dV/dtが算出されているため、いずれの条件においても電圧変化量dV/dtの値が約-0.0005に揃うことが確認できる。すなわち、リチウム二次電池3は、微短絡が発生していない限り、電圧変化量dV/dtを式(1)の単位時間dtごとに算出することで、リチウム二次電池3の電池容量Aや充電電流Bに関わらず安定した電圧変化量dV/dtを算出することができる。
As can be seen from FIGS. 3 to 8, the lithium
次に、微短絡検知のための上記した閾値THについて、その算出方法をより詳しく説明する。充電器1の制御部20において算出される閾値THは、図3乃至8のいずれかに示されるような電圧変化量dV/dtを予め取得しておくことにより算出される。ここでは、図3に示される電圧変化量dV/dtが予め取得された場合を例として説明する。
Next, a method for calculating the above-described threshold value TH for detecting a slight short circuit will be described in more detail. The threshold value TH calculated by the
リチウム二次電池3は、定電流で充電した場合、初期においては電池電圧Vが比較的急激に上昇し、その後は目標電圧に向かって比較的緩やか且つ一定のペースで電池電圧Vが上昇していく。図3においては、リチウム二次電池3の電圧変化量dV/dtは、充電開始から約2000秒から略一定の値に収束していることが確認できる。そこで、約2000秒以降における電圧変化量dV/dtのデータ系列が正規分布に従うと仮定し、その平均μ及び標準偏差σを算出する。図3の電圧変化量dV/dtの例においては、平均μ=0.0005、標準偏差σ=1.8であった。
When the lithium
そして、充電器1における制御部20は、予め取得される電圧変化量dV/dtの上記の平均μ及び標準偏差σを記憶しておき、ステップS1において規定した単位時間dtに応じた係数αを用いて、以下の式(2)により閾値THを算出する。
TH=μ-α×σ・・・(2)
Then, the
TH=μ−α×σ (2)
ここで、係数αは、リチウム二次電池3の電圧変化量dV/dtのバラつきに対する許容量を調整するパラメータである。すなわち、算出される電圧変化量dV/dtは、例えば測定系に起因して確率的に発生するノイズの影響により、本来の値から大きく外れる場合があるため、設定される係数αが小さな値である程、バラつきに対して微短絡が発生したものと誤検知されやすくなる。一方、設定される係数αが大きな値である程、微短絡の発生を見落としやすくなる。そのため、係数αは、ノイズの発生確率を考慮して以下のように設定される。
Here, the coefficient α is a parameter for adjusting the allowable amount for variations in voltage variation dV/dt of the lithium
例えば、充電器1が電池容量A=5[mAh]であるリチウム二次電池3を充電電流B=2.5[mA]で充電する場合(0.5C)、ステップS1の単位時間規定工程において、上記の式(1)により単位時間dt=2[s]と規定される。このとき、リチウム二次電池3が目標電圧に達するまでに算出される電圧変化量dV/dtの算出回数nは、9000回ということになる。尚、単位時間dtがその他の値として算出される場合であっても、同様の方法により算出回数nを算出することができ、単位時間dtと算出回数nとの対応関係の一例を表1に示す。
For example, when the charger 1 charges the lithium
また、リチウム二次電池3の電圧変化量dV/dtは、データ系列が正規分布に従うと仮定していることにより、係数αに応じたμ±α×σの区間に含まれる確率、及び当該区間から外れる確率を算出することができる。係数αの値に対するそれぞれの確率を表2に示す。
Further, the voltage change amount dV / dt of the lithium
上記の確率に基づき、充電器1の制御部20は、ステップS2において、充電期間における電圧変化量dV/dtの算出回数nの逆数が、閾値THで規定される分布の区間、すなわちμ±α×σで規定される区間から外れる確率よりも低くなるように係数αを設定し、上記の式(2)に基づいて閾値THを算出する。
Based on the above probability, in step S2, the
より具体的には、本実施形態の場合、電圧変化量dV/dtの算出回数nが9000回であることから、電圧変化量dV/dtの算出値が測定系に起因して確率的に発生するノイズの影響によりμ±α×σで規定される区間から外れる確率が1/9000よりも低くなるように係数αが設定される。ここでは、係数αを例えば5に設定することにより、ノイズの発生確率よりも1桁分、誤検知の発生確率を抑制できることになる。同様に、単位時間dt=20[s]である場合には、算出回数n=900であるため、係数αを例えば4に設定することにより、ノイズの発生確率よりも1桁分、誤検知の発生確率を抑制できることになる。 More specifically, in the case of this embodiment, since the number n of calculations of the voltage change amount dV/dt is 9000, the calculated value of the voltage change amount dV/dt is stochastically generated due to the measurement system. The coefficient α is set so that the probability of deviation from the interval defined by μ±α×σ due to the influence of noise is less than 1/9000. Here, by setting the coefficient α to, for example, 5, it is possible to suppress the occurrence probability of erroneous detection by one digit more than the noise occurrence probability. Similarly, when the unit time dt = 20 [s], the number of calculations n = 900. Therefore, by setting the coefficient α to, for example, 4, the probability of false detection is reduced by one digit more than the probability of noise occurrence. The occurrence probability can be suppressed.
尚、充電器1の制御部20は、本実施形態においては、図2のフローチャートにおけるステップS9に見られるように、電圧変化量dV/dtが閾値THを下回った場合に微短絡が発生したと判定して充電を終了することとしているが、微短絡が発生したと判定される回数をカウントし、当該回数が所定回数(例えば3回)以上となった場合に、リチウム二次電池3の充電を停止してもよい。また、充電器1の制御部20は、予め任意に設定された時間内において、微短絡が発生したと判定される回数が所定回数以上となった場合に、リチウム二次電池3の充電を停止してもよい。
In this embodiment, the
ここで、リチウム二次電池3の充電中に微短絡が発生した場合の実測データについて説明する。図9及び図10は、充電期間に微短絡が発生したリチウム二次電池3の電池電圧V及び電圧変化量dV/dtをプロットしたグラフである。
Here, actual measurement data when a slight short circuit occurs during charging of the lithium
より具体的には、図9及び図10は、電池容量A=5[mA]であるリチウム二次電池3を充電電流B=5[mA]で充電した場合の電池電圧V及び電圧変化量dV/dtを表している。ここでは、微短絡が発生したと判定した後も充電を継続してデータを取得している。尚、閾値THは、図3における上記した平均μ=0.0005、標準偏差σ=1.8の値と、単位時間dtに基づいて上記のように設定された係数α=5として、上記の式(2)によりTH=-0.0004と算出されているものとする。
More specifically, FIGS. 9 and 10 show battery voltage V and voltage variation dV when the lithium
図9及び図10において、リチウム二次電池3は、充電開始からおおよそ300[s]~2700[s]までの間は、電圧変化量dV/dtが0.0005付近で安定しているが、T1で示すタイミングにおいて電圧変化量dV/dtがバラつきはじめ、閾値Thを下回ることにより微短絡が発生したと判定される。そして、T2で示すタイミングで短絡状態に至り、電池電圧Vが急降下していることが確認できる。すなわち、充電器1は、電圧変化量dV/dtと、上記のように設定される閾値THに基づいてリチウム二次電池3の微短絡を判定することにより、短絡状態に至る前にリチウム二次電池3の充電を停止することができる。
9 and 10, the lithium
以上のように、本発明によれば、リチウム二次電池3の微短絡検知において、充電電流Bに対する電池容量Aの比率で単位時間dtを規定し、単位時間dtに応じた係数αと予め取得された電圧変化量dV/dtの平均値μ及び標準偏差σとを用いて閾値THを設定することにより、充電対象のリチウム二次電池3の電池容量Aや充電電流Bの条件を問わず、確率的に発生するノイズに起因する誤検知の発生を抑制した微短絡検知が可能となる。従って、本発明によれば、リチウム二次電池3の微短絡検知における汎用性及び判定精度を改善することができる。
As described above, according to the present invention, in detecting a slight short circuit in the lithium
1 充電器
2 外部電源
3 リチウム二次電池
10 充電回路
20 制御部
30 電流計
40 電圧計
50 入力部
60 出力部
1
Claims (6)
前記リチウム二次電池の充電電流に対する電池容量の比率で単位時間を規定する単位時間規定工程と、
前記充電期間における前記リチウム二次電池の電池電圧を前記単位時間おきに取得する電圧取得工程と、
前記電池電圧の前記単位時間おきの電圧変化量を算出する変化量算出工程と、
前記リチウム二次電池の前記充電期間に前記電圧変化量が所定の閾値を下回った場合に微短絡が発生したと判定する微短絡判定工程と、を含み、
前記閾値は、前記単位時間に応じた係数αと予め取得された前記電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて、Th=μ-α×σとして設定される、微短絡検知方法。 A slight short circuit detection method for detecting a slight short circuit during a charging period of a lithium secondary battery by constant current charging,
a unit time defining step of defining the unit time by the ratio of the battery capacity to the charging current of the lithium secondary battery;
a voltage acquisition step of acquiring the battery voltage of the lithium secondary battery during the charging period every unit time;
A change amount calculation step of calculating a voltage change amount of the battery voltage every unit time;
a slight short circuit determination step of determining that a slight short circuit has occurred when the amount of voltage change is below a predetermined threshold during the charging period of the lithium secondary battery;
The threshold value is set as Th=μ-α×σ using the coefficient α corresponding to the unit time and the pre-obtained average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount. .
前記リチウム二次電池の充電電流を測定する電流計と、
前記リチウム二次電池の電池電圧を測定する電圧計と、
前記充電回路を制御することにより前記リチウム二次電池を充電する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記リチウム二次電池の定電流充電による充電期間において、前記充電電流に対する前記リチウム二次電池の電池容量の比率で規定した単位時間ごとに前記電池電圧の電圧変化量を算出すると共に、前記電圧変化量が所定の閾値を下回った場合に前記リチウム二次電池に微短絡が発生したと判定し、
前記閾値は、前記単位時間に応じた係数αと予め取得された前記電圧変化量の平均値μ及び標準偏差σとを用いて、Th=μ-α×σとして設定される、微短絡検知装置。 a charging circuit for charging a lithium secondary battery;
an ammeter for measuring the charging current of the lithium secondary battery;
a voltmeter for measuring the battery voltage of the lithium secondary battery;
a control unit that charges the lithium secondary battery by controlling the charging circuit;
The control unit calculates a voltage change amount of the battery voltage for each unit time defined by a ratio of the battery capacity of the lithium secondary battery to the charging current during a charging period of the lithium secondary battery by constant current charging. and determining that a slight short circuit has occurred in the lithium secondary battery when the amount of voltage change is below a predetermined threshold,
The threshold value is set as Th=μ−α×σ using the coefficient α corresponding to the unit time and the pre-obtained average value μ and standard deviation σ of the voltage change amount. .
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