JP7243298B2

JP7243298B2 - 電池評価方法

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Publication number: JP7243298B2
Application number: JP2019038344A
Authority: JP
Inventors: 寿隆藤巻; 雄人川田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: JP2020144982A

Description

本発明は、電池評価方法に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動源として、複数の電池セルを積層して形成した組電池が用いられることがある。
図１は、複数の電池セルを積層した組電池１０の模式断面図である。図１に示す組電池１０は、電池セル１１～１５及びスペーサ１６～１９を含む。電池セル１１～１５は、例えばリチウムイオン電池のような、充放電可能な二次電池の電池セルである。電池セル１１～１５はこの順に積層されるとともに、電気的に直列に接続されている。電池セル１１～１５のそれぞれの間には、絶縁性のスペーサ１６～１９がこの順に挿入されている。スペーサ１６～１９は、電池セル１１～１５間の絶縁を確保する板であり、空気などの冷却用流体が流れるための流路を備えている。また、組電池１０は、一対の拘束治具９０によって、配列方向に固定されている。これによって、組電池１０の熱膨張等に伴う配列方向の変形が規制される。組電池１０は、一対の拘束治具９０によって両端から加圧されていてもよい。

電池セル１１～１５の品質を評価する方法として、図１に示す状態から、導線２０を介して組電池１０を通電し、各電池セル１１～１５の耐久性等を評価する方法が考えられる。しかしながら、この評価方法には以下の問題点がある。

電池セル１１～１５は、それぞれ通電に伴って発熱する。ここで、拘束治具９０に隣接する電池セル１１、１５は、拘束治具９０に熱を直接放出できるのに対し、拘束治具９０からの距離が遠い電池セル１３では、熱を効率よく放出することができない。したがって、図１の組電池１０を通電させると、電池セル１３が最も高温となり、次いで電池セル１２、１４が高温となり、電池セル１１、１５が最も低温となる。

この結果、組電池１０を通電して各電池セルの性能を評価した場合、電池セル１３に対しては厳しい温度環境下で評価し、電池セル１１に対しては緩やかな温度環境下で評価することになる。すなわち、それぞれの電池セルに対して均一な条件で性能評価を行うことができない。

以上の背景から、組電池を形成しないまま電池セルの性能を評価できる評価方法の開発が望まれている。特許文献１には、温湿度環境を調整可能な恒温恒湿層内に電池を収納し、電池の周囲の温湿度環境を所定の環境条件に設定した状態で当該電池の性能を評価する装置が開示されている。特許文献１に係る装置を用いることで、組電池内の環境を模擬的に再現しつつ電池の性能を評価できるとされている。

特開２００７－２９２６５４号公報

上述した通り、特許文献１に開示されている装置においては、電池の周囲の温湿度を所望の値に設定することができる。しかしながら、実際の組電池内における電池セルは、隣接する他の電池セルとの間で熱の授受を行うため、周囲の温度が経時変化する場合がある。したがって、温湿度を一定に保つような特許文献１の装置では、組電池内の環境を十分に再現できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、組電池内の経時的な温度変化を再現しながら電池セルの性能を評価することができる電池評価方法を提供するものである。

本発明に係る電池評価方法は、電池セルの電池性能を評価する電池評価方法であって、前記電池セルと、前記電池セルに隣接する隣接部材と、を有する組電池を形成した場合における、前記電池セルと前記隣接部材との間の熱伝導率を算出するステップと、前記算出された熱伝導率に対応する伝熱部材を選択するステップと、前記伝熱部材を前記電池セルに当接させながら前記電池セルの性能評価を行うステップと、を備えることを特徴としたものである。

このような構成を有する電池評価方法では、伝熱部材を電池セルに当接させながら当該電池セルの性能評価を行う。また、伝熱部材は、評価対象の電池セルが組電池を形成した場合における、隣接部材との間の熱伝導率に対応して選択される。したがって、実際の組電池における熱の授受を模擬的に再現しながら電池セルの性能を評価することができる。すなわち、組電池内の経時的な温度変化を再現しながら電池セルの性能を評価することができる。

本発明により、組電池内の経時的な温度変化を再現しながら電池セルの性能を評価することができる電池評価方法を提供することかできる。

組電池の概略断面図である。本発明に係る電池評価方法のフローチャートである。電池セルの温度の時間変化を表すグラフである。伝熱部材を当接させた電池セルの概略断面図である。図４で示した電池セルの周りに空気を流した例である。電池セルの熱の授受を表すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。また、以下に説明される複数の構成例は、独立に実施されることもできるし、適宜組み合わせて実施されることもできる。これら複数の構成例は、互いに異なる新規な特徴を有している。したがって、これら複数の構成例は、互いに異なる目的又は課題を解決することに寄与し、互いに異なる効果を奏することに寄与する。

本発明は、組電池などに用いられる電池セルの電池性能を評価する電池評価方法である。本実施形態においては、図１に例示した組電池１０の電池セルのうち、最も温度環境が厳しい電池セル１３の経時的な温度変化を再現する方法について説明する。

まず、図２を用いて、本発明に係る電池評価方法の概略を説明する。図２は、本発明に係る電池評価方法のフローチャートである。
図２に示す通り、本発明に係る電池評価方法は、ステップＳ１０～Ｓ３０を備える。なお、本明細書において、ステップＳ１０～Ｓ３０の操作は、電池セルを評価したいユーザが行うものとして説明するが、可能であれば、その一部または全部について、ＣＰＵを備えたコンピュータやロボットが行ってもよい。

まず、ステップＳ１０において、電池セルと、電池セルに隣接する隣接部材と、を有する組電池を形成した場合における、電池セルと隣接部材との間の熱伝導率を算出する。本実施形態では、図１における電池セル１３と、電池セル１３に隣接する隣接部材（電池セル１４）との間の熱伝導率κを算出するものとする。

次いで、ステップＳ２０において、ステップＳ１０で算出された熱伝導率に対応する伝熱部材を選択する。本実施形態においては、ステップＳ１０で算出された熱伝導率κと実質的に同じ熱伝導率を有する部材を伝熱部材として選択する。なお、本明細書中において「熱伝導率κと実質的に同じ」とは、本発明の効果を損なわない範囲で熱伝導率κと同視できる値であることを指す。熱伝導率κと同視できる値の範囲は、実際には電池セルの材質や構造等によって決定されるが、例えば熱伝導率κとの誤差が１０％以内の値とすることができる。熱伝導率κと同視できる値の範囲は、物理シミュレーションや予備実験によって求めてもよい。

次いで、ステップＳ３０において、ステップＳ２０で選択された伝熱部材を電池セルに当接させながら電池セルの性能評価を行う。本実施形態においては、電池セルを伝熱部材で挟持した状態で性能評価を行う。
このような構成においては、実際の組電池における熱の授受を再現しながら、電池セルの性能を評価することができる。すなわち、組電池内の経時的な温度変化を再現しながら電池セルの性能を評価することができる。

次に、図１及び図３を用いて、ステップＳ１０の詳細について説明する。
まず、電池セル１３の温度Ｔ_３と、電池セル１３に隣接する隣接部材である電池セル１４の温度Ｔ_４とを測定しながら、組電池１０を通電させる（図１参照）。電池セル１３の温度Ｔ_３は、例えば電池セル１３に固定した温度センサ（不図示）によって測定することができる。また、電池セル１４の温度Ｔ_４は、例えば電池セル１４に固定した温度センサ（不図示）によって測定することができる。

図３は、電池セル１３の温度Ｔ_３、及び電池セル１４の温度Ｔ_４の温度変化を表すグラフである。図３の縦軸は各電池セルの温度を表し、横軸は時刻を表している。図３に示すように、通電開始した直後では、電池セル１３の温度Ｔ_３が上昇する。このことは、以下のようにして説明できる。

電池セル１３の温度Ｔ_３は、電池セル１３に流入する熱の量（発熱量Ｑ）と、電池セル１３から流出する熱の量（放熱量Ｑ’）との関係によって上昇あるいは下降する。発熱量Ｑが放熱量Ｑ’よりも大きい場合は、温度Ｔ_３は上昇する。発熱量Ｑが放熱量Ｑ’よりも小さい場合は、温度Ｔ_３は下降する。発熱量Ｑと放熱量Ｑ’が等しい場合は、温度Ｔ_３は変化しない。

ここで、電池セル１３に流入する熱の量（発熱量Ｑ）は、通電によるジュール熱である。したがって、通電時の電流Ｉと電池セル１３の抵抗Ｒを用いて、次式（１）のように表される。なお、通電時の電流Ｉは図示しない電流計で測定することができる。また、電池セル１３の抵抗Ｒは図示しない抵抗計で測定することができる。

また、電池セル１３から流出する熱の量（放熱量Ｑ’）は、電池セル１３から電池セル１２への伝熱を無視した場合、主に電池セル１３から電池セル１４への伝熱によるものと近似できる。したがって、電池セル１３の温度Ｔ_３、電池セル１４の温度Ｔ_４、及び電池セル１３と電池セル１４の間の熱伝導率κを用いて、次式（２）のように表される。

通電直後においては、温度Ｔ_３と温度Ｔ_４の間に差が少ないため、放熱量Ｑ’が小さい。したがって、発熱量Ｑが放熱量Ｑ’よりも大きく、温度Ｔ_３は時間とともに上昇する。また、温度Ｔ_３と温度Ｔ_４の温度差（Ｔ_３－Ｔ_４）も、時間とともに大きくなる。

次に、温度Ｔ_３がほぼ変化しなくなった時刻を時刻ｔ_０とする。時刻ｔ_０では、温度Ｔ_３と温度Ｔ_４の温度差（Ｔ_３－Ｔ_４）が十分大きくなり、放熱量Ｑ’と発熱量Ｑとが等しくなった（Ｑ＝Ｑ’である）と近似できる。このとき、上述した式（１）（２）から、次の関係が成立する。

したがって、上記の式（３）に抵抗Ｒ、電流Ｉ、温度Ｔ_３、及び温度Ｔ_４の値を代入することで、電池セル１３と電池セル１４との間の熱伝導率κを算出することができる。換言すると、温度Ｔ_３がほぼ変化しなくなった時刻ｔ_０における、電池セル１３のジュール熱ＲＩ^２と、電池セル１３及び１４の温度差（Ｔ_３－Ｔ_４）との比から、熱伝導率κを算出することができる。
ステップＳ１０では、以上のような方法により、熱伝導率κを算出することができる。

次に、ステップＳ２０の詳細について説明する。
ステップＳ２０においては、ステップＳ１０で算出された熱伝導率κと実質的に同じ熱伝導率を有する部材を伝熱部材として選択する。伝熱部材は、ステップＳ３０において電池セルに当接させる部材であって、好ましくは板状部材である。熱伝導率κと実質的に同じ熱伝導率を有する材質があれば、当該材質で形成した板状部材を伝熱部材として選択することができる。また、熱伝導率が異なる２つ以上の材質を任意の割合で組み合わせ、熱伝導率κに近い熱伝導率を再現した材質を作成し、当該材質で伝熱部材を形成してもよい。
なお、伝熱部材は、電池セルと十分な接触面積を介して当接できる部材であれば、板状部材でなくてもよい。例えば、伝熱部材として、可撓性を有する熱伝導グリスや熱伝導ゲルを用いてもよい。

次に、図４及び図５を用いて、ステップＳ３０の詳細について説明する。
図４は、電池セル１００に伝熱部材３０を当接させて電池性能評価を行っている様子を表す概略断面図である。電池セル１００は、例えばリチウムイオン電池のような、充放電可能な二次電池の電池セルである。電池セル１００と、図１で示した電池セル１３とは、同じ型の電池セルであることが好ましく、材質及び構造が同じであることがより好ましい。
なお、電池セル１００及び伝熱部材３０は、図１で示した組電池１０と同じように、一対の拘束治具によって配列方向に固定または加圧されていてもよい。

本実施形態におけるステップＳ３０では、図４に示すように、伝熱部材３０を電池セル１００に当接させながら、導線２０を介して電池セル１００を通電させることで、電池セル１００の電池性能評価を行う。電池性能評価とは、電池セル１００の電池性能を調べる評価であって、例えば出力電圧や耐久性などの評価である。

伝熱部材３０の熱伝導率は、熱伝導率κと実質的に同じであるため、伝熱部材３０と当接している電池セル１００は、実際の組電池と同じような熱の授受を行う。したがって、組電池内の経時的な温度変化を再現しながら電池セルの性能を評価することができる。

なお、ステップＳ３０においては、伝熱部材３０を図示しない昇温装置を用いて昇温するなどしてもよい。例えば、ステップＳ１０において測定した温度Ｔ_４（図３参照）と同じように伝熱部材３０の温度を変化させれば、組電池内の電池セルの温度環境をより正確に再現することができる。また、図５に示すように、電池セル１００の周りに空気４０を流すことで、電池セル１００の温度環境を変化させてもよい。この例において、空気４０の温度を高くすれば、電池セル１００を昇温させることができ、空気４０の温度を低くすれば、電池セル１００を降温させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態においては、簡単な説明のために電池セル１３から電池セル１２への伝熱を無視したが、電池セル１３から電池セル１２への伝熱を考慮して熱伝導率κを算出してもよい。例えば、電池セル１３から電池セル１２及び電池セル１４にそれぞれ均等に熱が伝わると近似すると、電池セル１３から電池セル１４に流出する熱の量は、上記の実施形態で仮定した値の半分になる。したがって、上記の実施形態における式（３）は、下式（３）’に書き直すことができる。下式（３）’に抵抗Ｒ、電流Ｉ、温度Ｔ_３、及び温度Ｔ_４の値を代入することで、電池セル１３から電池セル１２への伝熱を考慮した場合の熱伝導率κを算出することができる。

なお、図３において、通電終了後の温度Ｔ_３の振る舞いに着目すると、温度Ｔ_３が時間とともに下降することがわかる。これは、電池セル１３で発生するジュール熱がなくなり、発熱量Ｑが放熱量Ｑ’よりも小さくなったからである。ここで、通電終了後の時刻ｔ_１から時刻ｔ_２にかけて第１の電池セルが失った熱量Ｑ’’は、電池セル１３の熱容量Ｃを用いて次式（４）で表すことができる。ただし、Ｔ_３（ｔ）は時刻ｔにおける電池セル１３の温度を表すものとする。

また、通電終了後の時刻ｔ_１から時刻ｔ_２にかけて電池セル１３が失った熱量Ｑ’’は、電池セル１４への放熱量Ｑ’の積分値としても表せる。すなわち、次式（５）のように表すことができる。ただし、Ｔ_４（ｔ）は、時刻ｔにおける電池セル１４の温度を表すものとする。

したがって、上述した式（４）（５）から、下式（６）が成立する。

したがって、上式（６）に温度Ｔ_３、Ｔ_４、時刻ｔ_１、ｔ_２、及び熱伝導率κの値を代入することで、電池セル１３の熱容量Ｃを算出することができる。このようにして求めた熱容量の情報を用いれば、所定の温度環境下にある電池セルの温度変化を推定することができる。

図６は、上述した方法で電池セル１３の熱容量Ｃを求めたときの、通電時における熱の授受を表すグラフである。各グラフの縦軸は熱量［Ｊ］、横軸は通電時間［ｓ］を表している。また、一対の棒グラフのうち左側の棒グラフは、発熱量Ｑを表している。一対の棒グラフのうち右側の棒グラフは、熱容量Ｃと温度Ｔ_３の変化量（ΔＴ_３）の積（ＣΔＴ_３）と放熱量Ｑ’の和を表している。なお、放熱量Ｑ’は、温度Ｔ_３と温度Ｔ_４の差（Ｔ_３－Ｔ_４）と熱伝導率κとの積を時間積分して求めたものである。

電池セル１３に流入した発熱量Ｑは、電池セル１３の温度変化に伴う熱量（ＣΔＴ_３）及び電池セル１３から流出した放熱量Ｑ’の和と、理想的には等しくなる。ここで、図６を用いて両者を比較すると、特に通電開始から４００ｓ以降において、ほぼ等しい値を示している。これは、上記の方法で求めた熱伝導率κ及び熱容量Ｃの妥当性を示す結果である。また、上記の方法で求めた熱伝導率κ及び熱容量Ｃに基づいて、通電時の電池セルの温度変化を予測できることを示す結果ともいえる。

１０組電池
１１～１５、１００電池セル
１６～１９スペーサ
２０導線
３０伝熱部材
４０空気
９０拘束治具

Claims

ＣＰＵを備えたコンピュータ又はロボットが、電池セルと、前記電池セルに隣接し当該電池セルとの間で熱の授受を行う他の電池セルと、を有する組電池の前記電池セルと前記他の電池セルとの間の熱伝導率と実質的に同じ熱伝導率を有する伝熱部材の温度を前記他の電池セルの温度と同じように変化させると共に、当該伝熱部材を前記組電池を形成する前の評価対象の電池セルに当接させながら当該評価対象の電池セルに通電させることで、当該評価対象の電池セルの出力電圧の評価を行うステップを備える、電池評価方法。