WO2023119967A1

WO2023119967A1 - 電源システムおよび電子機器

Info

Publication number: WO2023119967A1
Application number: PCT/JP2022/042590
Authority: WO
Inventors: 重輔志村; 沙織林
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-06-29

Abstract

本技術の一実施形態に係る電源システムは、二次電池と、電圧測定部と、電圧スパイク検出部と、判定部と、ローパスフィルタとを備えている。電圧測定部は、二次電池における正極負極端子間電圧を測定する。電圧スパイク検出部は、電圧測定部で計測された正極負極端子間電圧に含まれる電圧スパイクを検出する。判定部は、電圧スパイク検出部で検出された電圧スパイクの発生頻度に応じて二次電池の異常が発生するおそれがあるか否かを判定する。ローパスフィルタは、二次電池と、二次電池の電力の供給先である負荷とを接続する配線のうち、電圧測定部と負荷との間に挿入されている。

Description

電源システムおよび電子機器

　本技術は、電源システムおよび電子機器に関する。

　近年、電気自動車やハイブリッド自動車の普及に伴い、また、太陽光発電や風力発電のような発電電力が安定せず、平準化が必要とされる発電デバイスの普及に伴い、リチウムイオン二次電池を始めとする各種二次電池に対する需要が急速に増えてきている。

　ところで、二次電池においては、内部に生じるデンドライトによって微小短絡が生じることがある。この微小短絡を検知する従来技術として、例えば、特許文献１に記載の技術がある。

特開２００３－００９４０５号公報

　ところで、オンライン環境、すなわち二次電池を含む電源装置が負荷に接続され、その負荷が変動している環境では、電圧スパイクは、微小短絡が生じた二次電池からだけでなく、負荷からも生じ得る。そのため、特許文献１に記載の方法では、電圧スパイクが検出されただけでは、その電圧スパイクが二次電池由来であるか、負荷由来であるかを判別できず、よって二次電池に異常があるか否かを正しく判断することができないという問題があった。

　二次電池の用途の中には、二次電池を負荷から取り外さず、かつ負荷の主電源をオフせずに使用する用途がある。そのような用途としては、例えば、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車、ＥＳＳ（エネルギー貯蔵システム）などが挙げられる。特許文献１に記載の方法では、このような用途において、二次電池の異常を正しく判断することができないという問題があった。従って、微小短絡に起因する二次電池の異常を正しく判断することの可能な電源システムおよび電子機器を提供することが望ましい。

　本技術の一実施形態に係る電子機器は、電圧測定部と、電圧スパイク検出部と、判定部と、ローパスフィルタとを備えている。電圧測定部は、二次電池における正極負極端子間電圧を測定する。電圧スパイク検出部は、電圧測定部で計測された正極負極端子間電圧に含まれる電圧スパイクを検出する。判定部は、電圧スパイク検出部で検出された電圧スパイクの発生頻度に応じて二次電池の異常が発生するおそれがあるか否かを判定する。ローパスフィルタは、二次電池と、二次電池の電力の供給先である負荷とを接続する配線のうち、電圧測定部と負荷との間に挿入されている。

　本技術の一実施形態に係る電源システムおよび電子機器によれば、二次電池と負荷とを接続する配線のうち、電圧測定部と負荷との間にローパスフィルタが挿入されている。これにより、負荷が変動するオンライン環境であっても、負荷由来の電圧スパイクを排除することができる。その結果、電圧スパイク検出部では、二次電池由来の電圧スパイクを正しく検出することができるので、微小短絡に起因する二次電池の異常を正しく判断することができる。

　なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。

本技術の一実施形態に係る電子機器の機能ブロック例を表す図である。図１の電圧ピーク検出部の回路構成例を表す図である。図１のローパスフィルタの回路構成例を表す図である。図１の二次電池の出力電圧波形の一例と、電圧ピーク検出部の出力電圧波形の一例とを表す図である。図１の二次電池の出力電圧波形の一例と、電圧ピーク検出部の出力電圧波形の一例とを表す図である。図１の二次電池の出力電圧波形の一例と、電圧ピーク検出部の出力電圧波形の一例とを表す図である。図１の二次電池の出力電圧波形および特徴量波形の一例を表す図である。図７の出力電圧波形および特徴量波形を拡大して表す図である。図１の電子機器の機能ブロックの一変形例を表す図である。図１の電子機器の機能ブロックの一変形例を表す図である。

　以下、本技術を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

　１．二次電池
　２．実施形態
　３．変形例

＜１．二次電池＞
　まず、本技術の一実施形態に係る電源装置に用いられる二次電池について説明する。

　本技術で用いられる二次電池には、例えば、内部短絡が発生したときに実際に発煙・発火に至る危険性のある概ね数百ｍＡｈを超える二次電池が含まれ得る。概ね数百ｍＡｈを超える二次電池としては、例えば、ラミネート型もしくは円筒型の電池が挙げられる。本技術で用いられる二次電池の充放電原理は、特に限定されないが、本技術で用いられる二次電池は、例えば、電極反応物質の吸蔵放出を利用して電池容量を得るように構成されている。本技術で用いられる二次電池は、例えば、正極および負極と共に電解質を備えている。本技術で用いられる二次電池では、例えば、充電途中において負極の表面に電極反応物質が析出することを低減するために、その負極の充電容量が正極の放電容量よりも大きくなっている。このとき、負極の単位面積当たりの電気化学容量は、例えば、正極の単位面積当たりの電気化学容量よりも大きくなるように設定されている。

　電極反応物質の種類は、特に限定されないが、具体的には、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などの軽金属である。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムなどであると共に、アルカリ土類金属は、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどである。リチウムの吸蔵放出を利用して電池容量が得られる二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池である。このリチウムイオン二次電池では、リチウムがイオン状態で吸蔵放出される。

　次に、本技術で用いられる二次電池の課題について説明する。

　本技術で用いられる二次電池においては、内部に生じるデンドライトによって正極と負極との微小短絡が発生することがある。微小短絡が頻繁に発生するようになると、より大きな内部短絡が発生する可能性が高まる。短絡が発生した場合、短絡部の周辺でジュール熱が発生する。そして、このジュール熱の発生の状態に依っては、二次電池に熱暴走が発生し得る。従って、微小短絡の頻繁な発生を早期に発見することが重要である。

　ところで、下記の非特許文献１および非特許文献２によると、二次電池の内部でデンドライト由来の内部短絡が生じると端子間電圧が変化するが、その変化の挙動には二つのパターンが存在する。一つは電圧がスパイク状に変化するパターン、すなわち電圧が瞬間的に低下し、その後すぐに回復するパターンである。そしてもう一つは、電圧が下がった状態を維持し、そこから徐々に電圧が下がるパターンである。この違いは内部短絡状態が速やかに自然解消するかどうかで決まっており、速やかに自然解消する場合は前者、しない場合は後者となる。内部短絡の一つの原因としてデンドライトが挙げられるが、この場合、内部短絡路となっているデンドライト自体の抵抗が高くジュール熱が発生しやすい程、またその直径が小さい程、デンドライトが溶断し易く、前者のスパイク状のパターンとして観察される傾向となる。

　非特許文献１：Lingxi Kong, Yinjiao Xing, Michael G. Pecht, “In-Situ Observations of Lithium Dendrite Growth,” IEEE Access 6, 2018, 8387-8393.
　非特許文献２：Mingxuan Zhang, Lishuo Liu, Anna Stefanopoulou, Janson Siegel, Languang Lu, Xiangming He, Minggao Ouyang, “Fusing Phenomenon of Lithium-Ion Battery Internal Short Circuit,” Journal of The Electrochemical Society 164(12), 2017, A2738-A2745.

　微小短絡の発生を検知する従来技術として、例えば、特許文献１に記載の技術がある。ところで、オンライン環境、すなわち二次電池を含む電源装置が負荷に接続され、その負荷が変動している環境では、電圧スパイクは、微小短絡が生じた二次電池からだけでなく、負荷からも生じ得る。そのため、特許文献１に記載の方法では、電圧スパイクが検出されただけでは、その電圧スパイクが二次電池由来であるか、負荷由来であるかを判別できず、よって二次電池に異常があるか否かを正しく判断することができないという問題があった。

　二次電池の用途の中には、二次電池を負荷から取り外さず、かつ負荷の主電源をオフせずに使用する用途がある。そのような用途としては、例えば、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車、ＥＳＳ（エネルギー貯蔵システム）などが挙げられる。特許文献１に記載の方法では、このような用途において、二次電池の異常を正しく判断することができないという問題があった。そこで、本願発明者は、微小短絡に起因する二次電池の異常を正しく判断することの可能な電源システムおよび電子機器を以下に提案する。

＜２．実施形態＞
[構成]
　次に、本技術の一実施形態に係る電子機器１の構成について説明する。

　図１は、本実施形態に係る電子機器１の機能ブロック例を表したものである。電子機器１は、例えば、図１に示したように、二次電池パック１００が備え付けられたものである。電子機器１は、例えば、図１に示したように、二次電池パック１００と、ローパスフィルタ２００と、負荷３００とを備えている。電子機器１において、二次電池パック１００およびローパスフィルタ２００からなるデバイスが、本技術の「電源システム」の一具体例に相当する。

　負荷３００は、電子機器１における種々の機能を担うデバイスである。負荷３００には、例えば、このデバイスを制御する制御部３１０（例えば、ＭＣＵ（Micro Controller Unit））が設けられている。負荷３００には、負荷３００に対して電力を供給する二次電池パック１００が接続されている。負荷３００と二次電池パック１００とは、配線によって電気的に接続されている。負荷３００と二次電池パック１００とを接続する配線のうち、電圧測定部１２１と負荷３００との間には、ローパスフィルタ２００が挿入されている。以下では、最初に二次電池パック１００について説明し、その後、ローパスフィルタ２００について説明する。

　二次電池パック１００は、二次電池１１０を有している。二次電池パック１００に設けられた二次電池１１０は、例えば、互いに並列接続された複数の二次電池や、互いに直列に接続された複数の二次電池が含まれた、組み立てタイプの電池であってもよい。二次電池１１０は、例えば、リチウムイオン電池である。

　二次電池パック１００は、さらに、異常判定デバイス１２０および通信部１３０を有している。異常判定デバイス１２０は、二次電池１１０とローパスフィルタ２００との間に設けられている。異常判定デバイス１２０は、二次電池１１０の異常を判定し、その判定結果を通信部１３０に出力する。通信部１３０は、異常判定デバイス１２０から入力された判定結果を、例えば制御部３１０に伝送する通信インターフェースである。本明細書では、二次電池１１０の異常とは、正極と負極との短絡に起因する二次電池１１０の熱暴走を指す。

　異常判定デバイス１２０は、例えば、電圧測定部１２１、電圧ピーク検出部１２２、異常判定部１２３およびコントローラ１２４を有している。

　電圧測定部１２１は、二次電池１１０の正極と負極に接続されており、二次電池１１０の正極と負極との間のアナログの電圧（つまり、二次電池１１０の出力電圧を測定する。以下、二次電池１１０の出力電圧を現在電圧Ｖｃと称する。電圧測定部１２１は、測定により得られた現在電圧Ｖｃを電圧ピーク検出部１２２に出力する。

　電圧ピーク検出部１２２は、電圧測定部１２１で測定された現在電圧Ｖｃに含まれる電圧スパイクを検出する。電圧ピーク検出部１２２は、検出した電圧スパイクの最大電圧Ｖｕと、検出した電圧スパイクの最小電圧Ｖｌとを異常判定部１２３に出力する。

　ここで、電圧測定部１２１で測定された現在電圧Ｖｃには、上述の微小短絡による電圧スパイクが含まれ得る。この電圧スパイクの半値幅はμｓオーダーとなっていることが多い。そこで、半値幅１μｓの瞬間的な電圧スパイクを、サンプリング周波数の低い安価なＡＤコンバータにて検出可能にするために、電流帰還のかかったチャージ回路を接続することによって応答を高速化させたピークホールド回路が電圧ピーク検出部１２２に設けられている。電圧ピーク検出部１２２は、正方向にピークを有する電圧スパイクのピーク電圧（最大電圧Ｖｕ）をホールドするピークホールド回路、および、負方向にピークを有する電圧スパイクのピーク電圧（最小電圧Ｖｌ）をホールドするピークホールド回路の少なくとも一方を有している。これにより、電圧ピーク検出部１２２は、例えば、５０ｍｓ間ごとの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌを、１ｓ間に２０回の頻度（すなわち２０Ｈｚ）にて順次出力することができるようになっている。

　図２は、電圧ピーク検出部１２２に設けられた、最大電圧Ｖｕをホールドするピークホールド回路１２２ａの回路構成例を表したものである。ピークホールド回路１２２ａは、３つの入力端子（Ｉｎｐｕｔ端子、Ｉｎｉｔｉａｌ端子、Ｒｅｓｅｔ端子）と、１つの出力端子（ＡＤ端子）とを有している。Ｉｎｐｕｔ端子およびＩｎｉｔｉａｌ端子には、現在電圧Ｖｃが入力される。Ｒｅｓｅｔ端子には、電圧スパイクの半値幅よりも長い期間ΔＴ（例えば５０ｍｓ）ごとに一時的にＨｉｇｈになるリセット信号が入力される。リセット信号は、コントローラ１２４から出力される。ＡＤ端子は、異常判定部１２３に接続されている。コントローラ１２４は、例えば、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）を含んで構成されており、期間ΔＴ（例えば５０ｍｓ）ごとに一時的にＨｉｇｈになるリセット信号を電圧ピーク検出部１２２に出力する。これにより、電圧ピーク検出部１２２は、期間ΔＴ（例えば５０ｍｓ）ごとの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌの少なくとも一方を、１ｓ間にΔＴ回の頻度（すなわち１／ΔＴ［Ｈｚ］（例えば２０Ｈｚ））にて順次出力することができる。

　ピークホールド回路１２２ａは、さらに、３つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と、オペアンプＡＭＰ、ボルテージフォロアＶＦ、コンパレータＣＭＰ、２つのトランジスタＴＲ１，ＴＲ２、容量素子Ｃおよび３つの抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を有している。

　スイッチＳＷ１は、２入力１出力のスイッチである。スイッチＳＷ１において、入力端子の一方がＩｎｐｕｔ端子に接続されており、入力端子の他方がＩｎｉｔｉａｌ端子に接続されており、出力端子がオペアンプＡＭＰの入力端子（＋）に接続されている。スイッチＳＷ１のオンオフを制御する信号は、Ｒｅｓｅｔ端子から入力される。スイッチＳＷ２は、１入力１出力のスイッチである。スイッチＳＷ２において、入力端子がトランジスタＴＲ２のエミッタに接続されており、出力端子がスイッチＳＷ３の出力端子と、オペアンプＡＭＰの入力端子（＋）と、容量素子Ｃとに接続されている。スイッチＳＷ２のオンオフを制御する信号は、コンパレータＣＭＰの出力端子から入力される。スイッチＳＷ３は、１入力１出力のスイッチである。スイッチＳＷ３において、入力端子がＩｎｉｔｉａｌ端子に接続されており、出力端子がスイッチＳＷ２の出力端子と、オペアンプＡＭＰの入力端子（＋）と、容量素子Ｃとに接続されている。スイッチＳＷ３のオンオフを制御する信号は、Ｒｅｓｅｔ端子から入力される。

　オペアンプＡＭＰにおいて、入力端子（＋）がスイッチＳＷ１の出力端子と、コンパレータＣＭＰの入力端子（＋）とに接続されており、入力端子（－）が抵抗器Ｒ１を介してトランジスタＴＲ１のエミッタと、抵抗器Ｒ２とに接続されている。オペアンプＡＭＰにおいて、出力端子がトランジスタＴＲ１のベースと、トランジスタＴＲ２のベースとに接続されている。

　ボルテージフォロアＶＦにおいて、入力端子（＋）がスイッチＳＷ２，ＳＷ３の出力端子と、容量素子Ｃとに接続されており、入力端子（－）がボルテージフォロアＶＦの出力端子に接続されており、出力端子がコンパレータＣＭＰの入力端子（－）と、ＡＤ端子とに接続されている。コンパレータＣＭＰにおいて、入力端子（＋）がスイッチＳＷ１の出力端子と、オペアンプＡＭＰの出力端子とに接続されており、入力端子（－）がボルテージフォロアＶＦの出力端子と、ＡＤ端子とに接続されており、出力端子が抵抗器Ｒ３を介して電源線Ｖｄｄ２に接続されている。

　トランジスタＴＲ１において、ベースがオペアンプＡＭＰの出力端子と、トランジスタＴＲ２のベースとに接続されており、コレクタが電源線Ｖｄｄ１に接続されており、エミッタが抵抗器Ｒ１を介してオペアンプＡＭＰの入力端子（－）に接続されるとともに、抵抗器Ｒ２を介してグラウンドに接続されている。トランジスタＴＲ２において、ベースがオペアンプＡＭＰの出力端子と、トランジスタＴＲ１のベースとに接続されており、コレクタが電源線Ｖｄｄ１に接続されており、エミッタがスイッチＳＷ２を介して、スイッチＳＷ３の出力端子と、ボルテージフォロアＶＦの入力端（＋）と、容量素子Ｃとに接続されている。容量素子Ｃにおいて、一端がスイッチＳＷ２，ＳＷ３の出力端子と、ボルテージフォロアＶＦの入力端（＋）とに接続されており、他端がグラウンドに接続されている。

　このような回路構成のピークホールド回路では、Ｒｅｓｅｔ端子がＨｉｇｈとなっているとき、Ｉｎｉｔｉａｌ端子の電圧（現在電圧Ｖｃ）が容量素子Ｃに直接、印加されるようになっている。ＡＤ端子からは、ピークホールド電圧（５０ｍｓ間の最大電圧Ｖｕ）が出力される。容量素子Ｃに蓄えられた電荷によって生成される電圧がピークホールド電圧に対応する。このピークホールド電圧はボルテージフォロアＶＦによって読み取られ、コンパレータＣＭＰによって現在電圧Ｖｃと比較される。このとき、ピークホールド電圧が現在電圧Ｖｃよりも低くなっている場合には、スイッチＳＷ２がオンし、容量素子Ｃの電荷が調整される。容量素子ＣにつながるスイッチＳＷ２の先には、カレントミラーによって電流が制御されたトランジスタＴＲ２が設置されており、その電流値は現在電圧Ｖｃが高いときほど大きくなるよう、ミラー元のトランジスタＴＲ１およびオペアンプＡＭＰによって調整される。

　異常判定部１２３は、電圧ピーク検出部１２２で得られた電圧スパイクの検出結果（最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌ）に基づいて、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあるか否かの判定を行う。異常判定部１２３は、上記判定を２段階で行う。

　異常判定部１２３は、１段階目の判定において、上記検出結果において所定の期間内に所定の数を超える電圧スパイクが存在するか否かを判定する。異常判定部１２３は、例えばＣＰＳ（counts per second）単位の閾値を保持しており、電圧スパイクの発生頻度がこの閾値を超えた場合に、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあると判定する。

　異常判定部１２３は、１段階目の判定において、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあると判定したとき、２段階目の判定を行う。異常判定部１２３は、２段階目の判定において、前後数点ずつの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌから電圧スパイクの形状を認識し、その認識結果に基づいて、その電圧スパイクが良性（異常発生のおそれが低いもの）であるか、悪性（異常発生のおそれが高いもの）であるかを判定する。異常判定部１２３は、例えば、前後数点ずつの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌから電圧スパイクの形状の特徴を表す特徴量を計算し、計算により得られた特徴量に基づくクラスター分析を行う。異常判定部１２３は、例えば、そのクラスター分析の結果に基づいて、電圧スパイクの良性・悪性を判定し、その結果、電圧スパイクが悪性であると判定した場合には、二次電池１１０に異常が発生するおそれがある（もしくは、二次電池１１０に異常が発生するおそれが高い）と判定する。異常判定部１２３は、例えば、電圧スパイクが良性であると判定した場合には、二次電池１１０に異常が発生するおそれがない（もしくは低い）と判定する。異常判定部１２３は、判定結果を、通信部１３０を介して制御部３１０に出力する。制御部３１０は、異常判定部１２３から入力された判定結果に基づく処理を実行する。

　異常判定部１２３は、例えば、ＡＤコンバータと、ＤＳＰ（Digital Signal Processing）とを含んで構成されている。ＡＤコンバータは、電圧ピーク検出部１２２から入力されたアナログの電圧をＡＤ変換し、それにより得られたデジタル信号をＤＳＰに出力する。ＤＳＰは、ＡＤコンバータから入力されたデジタル信号に基づいて、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあるか否かを判定する。ＤＳＰは、ＡＤコンバータから入力されたデジタル信号から、所定の期間内に所定の数を超える電圧スパイクを検出した場合には、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあると判定する。ＤＳＰは、ＡＤコンバータから入力されたデジタル信号から、所定の期間内に所定の数を超えない電圧スパイクを検出した場合には、二次電池１１０に異常が発生するおそれが無いと判定する。ＤＳＰは、判定結果を、通信部１３０を介して制御部３１０に出力する。

　ローパスフィルタ２００は、負荷３００から二次電池パック１００に入力される電圧スパイクを除去するフィルタである。オンライン環境、すなわち二次電池１１０を含む二次電池パック１００が負荷３００に接続され、その負荷３００が変動している環境では、電圧スパイクは、微小短絡が生じた二次電池１１０からだけでなく、負荷３００からも生じ得る。ローパスフィルタ２００は、オンライン環境で負荷３００から二次電池パック１００に入力される電圧スパイクを除去し、異常判定部１２３における誤判定を防止することを目的として設けられている。従って、ローパスフィルタ２００には、二次電池１１０と負荷３００との間の直流抵抗成分となってしまうような回路構成（例えば、ＲＣローパスフィルタ）は適さない。

　ローパスフィルタ２００は、ＬＣローパスフィルタとなっている。ローパスフィルタ２００は、例えば、図３に示したように、６次のＬＣローパスフィルタとなっている。図３において、端子２１０，２２０は二次電池パック１００側に接続されており、端子２３０，２４０は負荷３００側に接続されている。

　ローパスフィルタ２００のカットオフ周波数は、電圧ピーク検出部１２２が最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌを送出する頻度（２０Ｈｚ）よりも低い周波数（例えば４Ｈｚ）となっている。これは、二次電池１１０由来の電圧スパイクの情報が、変動する負荷３００に由来する電圧変化の中に埋もれにくくすることを狙ったものである。つまり、電圧ピーク検出部１２２が出力する電圧スパイクの情報は、電圧ピーク検出部１２２が最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌを送出する頻度である２０Ｈｚの周波数成分の情報となる。一方で、ローパスフィルタ２００のカットオフ周波数が４Ｈｚであるため、仮に負荷３００が２０Ｈｚの速さで変動したとしても、その変動はローパスフィルタ２００によって遮断され、電圧ピーク検出部１２２にまで届くことはない。よって、電圧ピーク検出部１２２にて測定される２０Ｈｚの周波数成分を、純粋に二次電池１１０由来の情報とすることが可能となる。

[実験]
　次に、二次電池パック１００の動作を確認するために、２種類のリチウムイオン電池を作製した。この２種類のリチウムイオン電池には、内部短絡が生じるよう意図的な細工が施されている。

　１つ目のリチウムイオン電池（以下、「第１のリチウムイオン電池」と称する。）は、２０３２サイズ（直径２０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ）のコイン電池である。正極はニッケルサイトの一部がコバルトおよびアルミニウムに置換されたニッケル酸リチウム（ＮＣＡ）を主成分とする材料で形成されている。負極はグラファイトおよびシリコンを主成分とする材料で形成されている。セパレータはポリエチレンを主成分とする材料で形成されている。二次電池としてくみ上げる際に、セパレータと正極との間にニッケル片が挿入されている。ニッケル片は電解液に溶解してイオンとなり、初回充電時にニッケルがデンドライトとして析出する。ニッケル片の挿入は、ニッケルデンドライトによる内部短絡が生じることを狙ったものである。

　２つ目のリチウムイオン電池（以下、「第２のリチウムイオン電池」と称する。）は、１８６５０サイズ（直径１８ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ）の円筒電池である。正極はニッケルサイトの一部がコバルトおよびアルミニウムに置換されたニッケル酸リチウム（ＮＣＡ）を主成分とする材料で形成されている。負極はグラファイトおよびシリコンを主成分とする材料で形成されている。セパレータはポリエチレンを主成分とする材料で形成されている。第２のリチウムイオン電池（円筒電池）が６０℃の恒温槽内で４．２Ｖまで充電されたのち、そのまま４００時間、トリクル充電が行われた。４００時間は、製品として品質を保証している通常範囲を大幅に超える時間である。しかし、４００時間のトリクル充電が行われることにより、正極活物質に含まれる遷移金属の一部や、正極材料に不純物として僅かに含まれている遷移金属が電解液に溶け出し、デンドライトとして析出する。４．２Ｖを維持するために必要なトリクル充電の電流値は、トリクル充電開始後に一旦は減少したが、その後上昇に転じ、４００時間後には約７０ｍＡにまで達した。つまり、第２のリチウムイオン電池（円筒電池）は、デンドライトにおいて７０ｍＡの内部短絡電流が常時流れ続け、放置すると徐々に電圧が低下する電池である。

　第１のリチウムイオン電池（コイン電池）に対して、設定電流値０．３５ｍＡ（Ｃレート０．１Ｃに相当）、設定電圧値４．２ＶにてＣＣ－ＣＶ充電が行われた。その後、第１のリチウムイオン電池（コイン電池）が一定期間放置された後、設定電流値３．５ｍＡ（Ｃレート１．０Ｃに相当）、設定電圧値４．２ＶにてＣＣ－ＣＶ充電が行われた。なお、ＣＣ－ＣＶ充電とは、充電中の電池の電圧値が設定電圧値に到達するまでは設定電流値にて定電流（ＣＣ：Constant Current）充電を行い、設定電圧値に到達した後はその電圧値にて定電圧（ＣＶ：Constant Voltage）充電を行う充電方法を指している。この充電が行われる間、電圧ピーク検出部１２２を使用して、５０ｍｓ間ごとの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌが１ｓ間に２０回の頻度、すなわち２０Ｈｚで収集された。

　図４は、第１のリチウムイオン電池（コイン電池）に対して、設定電流値０．３５ｍＡ（Ｃレート０．１Ｃに相当）、設定電圧値４．２ＶにてＣＣ－ＣＶ充電（以下、「第１のＣＣ－ＣＶ充電」と称する。）を行った結果を表したものである。図５は、第１のリチウムイオン電池（コイン電池）に対して、設定電流値３．５ｍＡ（Ｃレート１．０Ｃに相当）、設定電圧値４．２ＶにてＣＣ－ＣＶ充電（以下、「第２のＣＣ－ＣＶ充電」と称する。）を行った結果を表したものである。

　第１のＣＣ－ＣＶ充電において二次電池１１０の電圧が４．２Ｖまで到達しなかった理由は、生成したデンドライトによる内部短絡が速やかに自然消滅しなかったためであると考えられる。充電電流が小さいと、より密につまって抵抗が低く、かつ、より直径の大きな、自然に解消しにくいデンドライトが形成されることが知られており、ここでも同様の現象が生じたものと推測される。

　第２のＣＣ－ＣＶ充電では、設定電圧値である４．２Ｖまで充電され、かつ、スパイク状の電圧波形が多数確認された。充電電流が大きいと、嵩高くて抵抗が高く、かつ直径の小さな、ジュール熱によって溶断して短絡状態が自然に解消しやすいデンドライトが形成されることが知られており、ここでも同様の現象が生じたものと推測される。

　図６は、図５のインセットに、毎秒１００万回、すなわち１ＭＨｚにてサンプリング可能なデータロガーを用いて測定した二次電池１１０の電圧を示したものである。２０Ｈｚのデータとして得られる電圧ピーク検出部１２２のデータでは、電圧スパイクが上側および下側の双方に同時に現れた。しかし、１ＭＨｚにてサンプリングした時間分解能１μｓのデータを見ると、両スパイクの間には、ある一定のタイムラグがあることがわかった。下側の電圧スパイクが現れた理由は、デンドライトに大電流が流れたことによる電圧の垂下と考えられる。上側の電圧スパイクが現れた理由は、デンドライトに大電流が流れ始める際に、デンドライトの周囲にファラデー磁場が発生し、その際に生じた誘導起電力によるものと考えられる。

　長時間のトリクル充電を行うことによって７０ｍＡの内部短絡電流が流れる内部短絡路を生じさせた第２のリチウムイオン電池（円筒電池）に対して、±１５Ａ、１／６Ｈｚの矩形電流が６次のＬＣローパスフィルタ越しに印加された。この充放電が行われる間、電圧ピーク検出部１２２を使用して、５０ｍｓ間ごとの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌが１秒間に２０回の頻度、すなわち２０Ｈｚで収集された。

　収集された最大電圧Ｖｕ_ｉおよび最小電圧Ｖｌ_ｉから、以下の式で定義されるスパイク係数Ｓ_ｉ、埋もれ係数Ｂ_ｉ、マスキング係数Ｍ_ｉ、特徴量Ｃ_ｉが計算された。これらの係数はいずれも、電圧スパイクの形状を考慮して、ヒューリスティックに定義した量である。スパイク係数Ｓ_ｉは、最大電圧Ｖｕ_ｉが上がって下がる、かつ、最小電圧Ｖｌ_ｉが下がって上がる、という動きをした時に大きな値となるようになっている。最大電圧Ｖｕ_ｉよりも最小電圧Ｖｌ_ｉの方が大きなスパイクが出るため、最小電圧Ｖｌ_ｉの動きに対する寄与度は最大電圧Ｖｕ_ｉの動きの３倍になっている。また、スパイクが生じた場所ではスパイク係数が正の値となるため、負となった場合はゼロを返すようになっている。

　最大電圧Ｖｕ_ｉのピークと最小電圧Ｖｌ_ｉのピークとが時間的に互いに離れているところでは、そもそもスパイク波形は埋もれてしまい、見えにくくなってしまう。この効果を考慮するのが埋もれ係数Ｂ_ｉであり、最大電圧Ｖｕ_ｉのピークと最小電圧Ｖｌ_ｉのピークとが時間的に接近しているときに大きな値が返されるようになっている。

　マスキング係数Ｍ_ｉは、電圧変化が大きいところではそもそもスパイク波形が観察されにくいという特徴を定式化して算出するものであり、電圧が全体的に大きく動くときに検出感度が低くなるようにした係数となっている。特徴量Ｃ_ｉは、スパイク係数Ｓ_ｉ、埋もれ係数Ｂ_ｉ、マスキング係数Ｍ_ｉをすべて乗じた値であり、内部短絡の特徴を持つ電圧スパイクが観察されたときに大きな値が返されるようになっている。

Ｘ_ｉ＝ｅｘｐ（Ｙ／Ｚ）－１
Ｙ＝－Ｖｕ_ｉ－１＋２Ｖｕ_ｉ－Ｖｕ_ｉ＋１－３Ｖｌ_ｉ－１＋６Ｖｌ_ｉ－３Ｖｌ_ｉ＋１
Ｚ＝Ｖｕ_ｉ＋Ｖｌ_ｉ
Ｓ_ｉ＝Ｘ_ｉ＋｜Ｘ_ｉ｜
Ｂ_ｉ＝Ｚ／｜Ｖｕ_ｉ－１－Ｖｌ_ｉ－１－Ｖｕ_ｉ＋Ｖｌ_ｉ＋Ｖｕ_ｉ＋１－Ｖｌ_ｉ＋１｜
Ｍ_ｉ＝｜Ｚ／（Ｖｕ_ｉ＋１－Ｖｕ_ｉ－１＋Ｖｌ_ｉ＋１－Ｖｌ_ｉ－１）｜
Ｃ_ｉ＝Ｓ_ｉＢ_ｉＭ_ｉ

　図７は、第２のリチウムイオン電池（円筒電池）に対して矩形電流を流した際の電圧挙動例を表したものである。図８は、図７における１２０秒～１３０秒の部分を拡大して表したものである。図８の１２３．５秒の箇所には、最大電圧Ｖｕ_ｉが上側に出っ張る波形と、最小電圧Ｖｌ_ｉが下側に出っ張る波形が観察された。また、この位置において、特徴量Ｃ_ｉの値は、１００００を超える大きな値となった。

　１２３．５秒に現れた最大電圧Ｖｕ_ｉおよび最小電圧Ｖｌ_ｉの出っ張りは、二次電池１１０の内部に、自然解消しやすいデンドライトが形成されたために生じたものであると考えられる。図４～図６で観察された第１のリチウムイオン電池（コイン電池）における波形よりもピーク値が小さく、スパイクというよりはむしろ出っ張り、という状態になったのは、両者の電極面積の差によるものであると考えられる。第２のリチウムイオン電池（円筒電池）の電極は両面塗布であり、かつ幅広の電極シートが巻かれた状態で円筒内に詰まっており、第１のリチウムイオン電池（コイン電池）の電極面積とは比較にならない程大きい。一方で、デンドライトによる内部短絡現象は電極面積に関わらず同様の規模で発生していると考えられ、そのため、電極面積の大きい第２のリチウムイオン電池（円筒電池）では、ピーク値が小さくなったと考えられる。

　特徴量Ｃ_ｉの値は、ちょうど１２３．５秒のところで大きな値を示しており、すなわち、±１５Ａの電流が作り出す大きな電圧変化の中に埋もれた内部短絡のスパイクを抽出するのに十分機能することがわかった。特徴量Ｃ_ｉの値を求める式は、ヒューリスティックな手法により作られたものである。このように、抽出したい波形の特徴をきちんと記述した定義式を作ることができれば、その定義式によって得られた特徴量Ｃ_ｉは、電圧スパイクか否かの判別するための指標として十分に使えることがわかった。

　以上のことから、二次電池１１０として、第２のリチウムイオン電池（円筒電池）のような特性のものが用いられる場合、異常判定部１２３は、電圧ピーク検出部１２２から入力された、電圧スパイクの検出結果（最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌ）に基づいて、最大電圧Ｖｕ_ｉのピークと最小電圧Ｖｌ_ｉのピークとの時間的な差分が小さくなるほど大きな値になるような特徴量Ｃ_ｉを導出してもよい。このとき、異常判定部１２３は、特徴量Ｃ_ｉが所定の閾値を超えたとき、二次電池１１０内に電圧スパイクが発生したと判定し、電圧スパイクが発生したと判定した回数が所定の期間内に所定の数を超えたとき、二次電池１１０に異常が発生するおそれがあると判定してもよい。

［効果］
　次に、本実施の形態に係る電子機器１の効果について説明する。

　本実施の形態では、二次電池１１０と負荷３００とを接続する配線のうち、電圧測定部１２１と負荷３００との間にローパスフィルタ２００が挿入されている。これにより、負荷３００が変動するオンライン環境であっても、負荷由来の電圧スパイクを排除することができる。その結果、電圧ピーク検出部１２２では、二次電池１１０由来の電圧スパイクを正しく検出することができるので、微小短絡に起因する二次電池１１０の異常を正しく判断することができる。

　本実施の形態では、正方向にピークを有する電圧スパイクおよび負方向にピークを有する電圧スパイクの少なくとも一方のピーク値を保持するピークホールド回路が設けられている。これにより、サンプリング周波数が低い安価なＡＤコンバータを用いた場合であっても、サンプリング間隔よりも遥かに短時間に生じる電圧スパイクを検出することができる。

　本実施の形態では、電圧スパイクの半値幅よりも長い期間ΔＴごとの最大電圧Ｖｕおよび最小電圧Ｖｌの少なくとも一方が、１／期間ΔＴ［Ｈｚ］にて順次、電圧ピーク検出部１２２から異常判定部１２３へ出力される。これにより、サンプリング周波数が低い安価なＡＤコンバータを用いた場合であっても、サンプリング間隔よりも遥かに短時間に生じる電圧スパイクを検出することができる。

　本実施の形態では、ローパスフィルタ２００のカットオフ周波数が、１／期間ΔＴ［Ｈｚ］よりも低い周波数［Ｈｚ］となっている。これにより、仮に負荷３００が１／期間ΔＴ［Ｈｚ］の速さで変動したとしても、その変動はローパスフィルタ２００によって遮断され、電圧ピーク検出部１２２にまで届くことはない。よって、電圧ピーク検出部１２２にて測定される１／期間ΔＴ［Ｈｚ］の周波数成分を、純粋に二次電池１１０由来の情報とすることが可能となる。

＜３．変形例＞
　次に、上記実施の形態に係る電子機器１の変形例について説明する。

［変形例Ａ］
　上記実施の形態では、ローパスフィルタ２００が二次電池パック１００の外に配置されていた。しかし、上記実施の形態において、例えば、図９に示したように、二次電池パック１００内に設けられていてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

［変形例Ｂ］
　上記実施の形態において、例えば、図１０に示したように、電子機器１が、二次電池パック１００を着脱可能な収容部４００を備えていてもよい。この場合、収容部４００に二次電池パック１００を収容することにより、二次電池パック１００と負荷３００を電気的に接続することができる。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

　本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して、他の効果が得られてもよい。

Claims

　二次電池と、
　前記二次電池における正極負極端子間電圧を測定する電圧測定部と、
　前記電圧測定部で計測された前記正極負極端子間電圧に含まれる電圧スパイクを検出する電圧スパイク検出部と、
　前記電圧スパイク検出部で検出された前記電圧スパイクの発生頻度に応じて前記二次電池の異常が発生するおそれがあるか否かを判定する判定部と、
　前記二次電池と、前記二次電池の電力の供給先である負荷とを接続する配線のうち、前記電圧測定部と前記負荷との間に挿入されたローパスフィルタと
　を備えた
　電源システム。
　前記電圧スパイク検出部は、前記正極負極端子間電圧に含まれる正方向にピークを有する電圧スパイクおよび前記正極負極端子間電圧に含まれる負方向にピークを有する電圧スパイクの少なくとも一方のピーク値を保持するピークホールド回路を有する
　請求項１に記載の電源システム。
　前記電圧スパイク検出部は、前記電圧スパイクの半値幅よりも長い第１の期間ごとの最大電圧および最小電圧の少なくとも一方を、１／第１の期間［Ｈｚ］にて順次前記判定部に出力する
　請求項２に記載の電源システム。
　前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記１／第１の期間［Ｈｚ］よりも低い周波数［Ｈｚ］となっている
　請求項３に記載の電源システム。
　二次電池における正極負極端子間電圧を測定する電圧測定部と、
　前記電圧測定部で計測された前記正極負極端子間電圧に含まれる電圧スパイクを検出する電圧スパイク検出部と、
　前記電圧スパイク検出部で検出された前記電圧スパイクの発生頻度に応じて前記二次電池の異常が発生するおそれがあるか否かを判定する判定部と、
　前記二次電池と、前記二次電池の電力の供給先である負荷とを接続する配線のうち、前記電圧測定部と前記負荷との間に挿入されたローパスフィルタと
　を備えた
　電子機器。