JP2021131952A - 電池の検査方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)の変化から、当該電池の抵抗を評価する電池の検査方法を提供すること。【解決手段】電池1の検査方法は、容量取得工程S10と、外部直流電源EPから電池1に出力電圧Vbを印加し続ける電圧印加工程S20と、電池1に流れる電流Iの電流値Ib(t1),…を検知する電流検知工程S30と、理論電流値Ii(t)の式を用いて自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)を推定する抵抗推定工程S40と、理論電流値Ii(t)の式と電流値Ib(t1),…との相関係数Kr(tn)を得る相関係数取得工程S50と、相関係数Kr(tn)が基準相関係数Krk以上となった場合に、自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて電池1を評価する電池評価工程S60,S65とを備える。【選択図】図3
Description
本発明は、電池の抵抗を評価する電池の検査方法に関する。
リチウムイオン二次電池などの電池の製造に当たっては、電極体の内部に鉄や銅などの金属異物が混入する場合があり、混入した金属異物に起因して電池に内部短絡が生じることがある。このため、電池に内部短絡が生じているか否かを外寸ことがある。
この内部短絡の検査方法として、以下の手法が知られている。即ち、予め電池を充電しておき、電池に外部直流電源を接続する。次に、外部直流電源から電池に、この電池の検査直前の検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vb(Vb=Va)を印加し続ける。そして、外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)がほぼ一定となって安定した後に、この安定時電流値Ibsを検知する。次に、検知した安定時電流値Ibsが予め定めた基準電流値Ibkのよりも大きい場合(Ibs>Ibk)に、当該電池を内部短絡が生じている不良品と判定する。なお、このような電池の検査方法に関連する従来技術として、例えば特許文献1が挙げられる。
この内部短絡の検査方法として、以下の手法が知られている。即ち、予め電池を充電しておき、電池に外部直流電源を接続する。次に、外部直流電源から電池に、この電池の検査直前の検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vb(Vb=Va)を印加し続ける。そして、外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)がほぼ一定となって安定した後に、この安定時電流値Ibsを検知する。次に、検知した安定時電流値Ibsが予め定めた基準電流値Ibkのよりも大きい場合(Ibs>Ibk)に、当該電池を内部短絡が生じている不良品と判定する。なお、このような電池の検査方法に関連する従来技術として、例えば特許文献1が挙げられる。
しかしながら、上述の電池の検査方法では、電池に流れる電流の電流値Ib(t)がほぼ一定の安定時電流値Ibsになるのに時間が掛かるという問題があった。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)の変化から、当該電池の抵抗を評価する新たな電池の検査方法を提供するものである。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、電池の抵抗を評価する電池の検査方法であって、電池の電池容量Cpを取得する容量取得工程と、外部直流電源から上記電池に、検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vbを印加し続けて、上記外部直流電源から上記電池に電流を流し続ける電圧印加工程と、上記出力電圧Vbの印加継続時間t1,t2,…における上記電流の電流値Ib(t1),Ib(t2),…を検知する電流検知工程と、上記電池に上記外部直流電源を接続した検査回路の等価回路として、上記電池容量Cpと自己放電抵抗Rpの並列回路に、直列回路抵抗Reを直列接続し、これらに上記外部直流電源の上記出力電圧Vbを印加する等価回路を想定し、この等価回路に流れる理論電流値Ii(t)の式と、既に得られている上記印加継続時間t1,t2,…,tnにおける上記電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)とを用いて、自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)を推定する抵抗推定工程と、推定した上記自己放電抵抗Rp(tn)及び上記直列回路抵抗Re(tn)を含む上記理論電流値Ii(t)の式と、取得した上記電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)との相関係数Kr(tn)を得る相関係数取得工程と、上記相関係数Kr(tn)が予め定めた基準相関係数Krk以上となった場合に、推定した上記自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて、上記電池を評価する電池評価工程と、を備える電池の検査方法である。
上述の電池の検査方法では、上述の容量取得工程、電圧印加工程、電流検知工程、抵抗推定工程、相関係数取得工程及び電池評価工程を行って、電池の抵抗を評価する。抵抗推定工程では、外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)の変化から当該電池の自己放電抵抗Rp(tn)を推定し、電池評価工程では、推定した自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて当該電池を評価する。このように、上述の電池の検査方法では、外部直流電源から電池に流れる電流の電流値Ib(t)の変化から、当該電池の抵抗を評価できる。
なお、電池評価工程において、自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて電池を評価する手法としては、例えば、自己放電抵抗Rp(tn)が予め定めた基準抵抗Rpkよりも小さい場合(Rp(tn)<Rpk)に、当該電池を抵抗の小さい(内部短絡が生じている)不良品と判定する手法が挙げられる。また、自己放電抵抗Rp(tn)の大きさに基づいて、電池を抵抗(内部短絡)の程度に応じた複数のグループにランク分けする手法も挙げられる。
また、上述の電池の検査方法は、電池の製造過程において行うことができるほか、自動車等に搭載され、或いは単独で市場に置かれた以降の使用済の電池に対して行うこともできる。
また、上述の電池の検査方法は、電池の製造過程において行うことができるほか、自動車等に搭載され、或いは単独で市場に置かれた以降の使用済の電池に対して行うこともできる。
更に、上記の電池の検査方法であって、前記容量取得工程において、前記電池容量Cpは、前記電池を、SOC100%からSOC0%の電池電圧Vの範囲うち、第1電池電圧V1から第2電池電圧V2まで強制放電または充電して(但し、上記電池をSOC100%からSOC0%の範囲にわたり強制放電または充電する場合を除く)、この部分電圧区間ΔV=V1−V2に放電または充電した部分電気量ΔQを測定し、Cp=ΔQ/ΔVにより得る電池の検査方法とするのが好ましい。
容量取得工程において当該電池の電池容量Cpを得る手法としては、例えば、当該電池を全電圧区間(SOC100%からSOC0%の範囲)にわたり強制放電または充電して、その際の放電電流値(または充電電流値)と放電時間(または充電時間)との積により算出する手法が挙げられる。これに対し、上述の検査方法では、部分電圧区間ΔV=V1−V2に強制放電または充電した部分電気量ΔQを測定し、Cp=ΔQ/ΔVにより電池容量Cpを得るため、電池を全電圧区間にわたり強制放電または充電しなくても済む。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態に係る電池1の斜視図を示す。この電池1は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池1は、直方体箱状の電池ケース10と、この内部に収容された扁平状捲回型の電極体20及び電解液17と、電池ケース10に支持された正極端子部材30及び負極端子部材40等から構成される。電池1の公称容量は、5.0Ahである。
次いで、上記電池1の抵抗を評価する検査方法を含む電池1の製造方法について説明する(図2〜図4参照)。まず「組立工程S1」(図2参照)において、電池1を組み立てる。即ち、電池ケース10のケース蓋部材13を用意し、これに正極端子部材30及び負極端子部材40を固設する(図1参照)。その後、正極端子部材30及び負極端子部材40を、別途形成した電極体20の正極板及び負極板にそれぞれ溶接する。その後、この電極体20を電池ケース10のケース本体部材11内に挿入すると共に、ケース本体部材11の開口をケース蓋部材13で塞ぐ。そして、ケース本体部材11とケース蓋部材13とを溶接して電池ケース10を形成する。その後、電解液17を注液孔13hから電池ケース10内に注液し、封止部材15で注液孔13hを封止する。これにより、電池1が形成される。
次に、「初充電工程S2」(図2参照)において、この組み立てた電池1を初充電する。具体的には、拘束治具(不図示)を用いて、電池1を電池厚み方向に圧縮した状態で拘束する。本実施形態では、この電池1を拘束した状態で、初充電工程S2から後述する検査工程S5まで行う。その後、電池1に充放電装置(不図示)を接続して、環境温度20℃下において、定電流定電圧(CCCV)充電により、SOC90%に相当する電池電圧Vまで電池1を初充電する。
次に、「高温エージング工程S3」において、充電された電池1を環境温度40〜85℃の温度下で、端子開放した状態で放置して、高温エージングする。初充電直後の電池1の電池電圧Vは不安定で、安定するまで時間を要するが、この高温エージング工程S3を行うことにより、電池電圧Vの安定化を促進できる。なお、本実施形態では、この高温エージング工程S3を終えた電池1の電池電圧Vは、SOC約86%に相当する電池電圧となっている。
次に、「冷却工程S4」において、電池1を環境温度20℃下に放置して、放置冷却することにより、電池1の電池温度を20℃とする。
次に、「冷却工程S4」において、電池1を環境温度20℃下に放置して、放置冷却することにより、電池1の電池温度を20℃とする。
次に、「検査工程S5」(図3も参照)を行う。この検査工程S5は、環境温度20℃下で行う。検査工程S5は、容量取得工程S10、電圧印加工程S20、電流検知工程S30、抵抗推定工程S40、相関係数取得工程S50、電池評価工程S60,S65を含む。
まず「容量取得工程S10」において、当該電池1の電池容量Cpを取得する。本実施形態では、上述の冷却工程S4後の電池1(SOC約86%に相当する電池電圧V)に充放電装置(不図示)を接続し、1Cの定電流で、SOC85%に相当する電池電圧VまでSOCの約1%分を強制放電させる。なお、この放電開始時におけるSOC約86%に相当する電池電圧Vが、前述の「第1電池電圧V1」に該当し、放電終了時におけるSOC85%に相当する電池電圧Vが、前述の「第2電池電圧V2」に該当する。
そして、この第1電池電圧V1から第2電池電圧V2までの部分電圧区間ΔV=V1−V2(V)に放電された部分電気量ΔQ(C)を測定し、電池容量Cp=ΔQ/ΔVにより、当該電池1の局所的な電池容量Cp(F)を算出する。
このように局所的な電池容量Cpを得ることで、当該電池1を全電圧区間(SOC100%からSOC0%の範囲)にわたり強制放電または充電しなくても済む。
また、電池容量Cpの大きさは、電池1毎にバラツキがある。このため、電池1毎に実際に測定した電池容量Cpを用いて、後述する抵抗推定工程S40を行うことで、当該電池1の自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reをより正確に推定できる。そして、電池評価工程S60,S65において、当該電池1をより適切に評価できる。
このように局所的な電池容量Cpを得ることで、当該電池1を全電圧区間(SOC100%からSOC0%の範囲)にわたり強制放電または充電しなくても済む。
また、電池容量Cpの大きさは、電池1毎にバラツキがある。このため、電池1毎に実際に測定した電池容量Cpを用いて、後述する抵抗推定工程S40を行うことで、当該電池1の自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reをより正確に推定できる。そして、電池評価工程S60,S65において、当該電池1をより適切に評価できる。
次に、「電圧印加工程S20」において、外部直流電源EPから電池1に、検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vb(Vb=Va)を印加し続けて、外部直流電源EPから電池1に電流Iを流し続ける(図4参照)。まず、上述の容量取得工程S10後の電池1に外部直流電源EPを接続して、検査回路100を構成する。具体的には、電池1の正極端子部材30及び負極端子部材40に、外部直流電源EPの一対のプローブP1,P2をそれぞれ接触させる。
本実施形態では、この検査回路100の等価回路110として、図4に示すように、電池1の電池容量Cpと電池1の自己放電抵抗Rpとからなる並列回路115に、直列回路抵抗Reを直列接続し、これらに外部直流電源EPの出力電圧Vbを印加する等価回路を想定している。
具体的には、電池容量Cpは、電池1(電池成分1C)の電池容量であり、自己放電抵抗Rpは、主に電池1の内部短絡によって生じる抵抗であり、電池抵抗Rsは、電池1の直流抵抗である。等価回路上、電池容量Cpと自己放電抵抗Rpの並列回路115に、電池抵抗Rsが直列接続される。
具体的には、電池容量Cpは、電池1(電池成分1C)の電池容量であり、自己放電抵抗Rpは、主に電池1の内部短絡によって生じる抵抗であり、電池抵抗Rsは、電池1の直流抵抗である。等価回路上、電池容量Cpと自己放電抵抗Rpの並列回路115に、電池抵抗Rsが直列接続される。
また、検査回路100において、配線抵抗Rwは、外部直流電源EP内、及び、外部直流電源EPからプローブP1,P2までに分布する配線抵抗である。また、接触抵抗R1は、外部直流電源EPの一方のプローブP1と電池1の正極端子部材30との接触抵抗であり、接触抵抗R2は、外部直流電源EPの他方のプローブP2と電池1の負極端子部材40との接触抵抗である。そして、配線抵抗Rwと接触抵抗R1,R2と電池抵抗Rsとの和(Re=Rw+R1+R2+Rs)が、この検査回路100の前述の直列回路抵抗Reである。
また、電流Iは、外部直流電源EPから電池1に流れる電流であり、自己放電電流IDは、自己放電に伴って電池1内(電池成分1C)を流れる電流である。
また、電流Iは、外部直流電源EPから電池1に流れる電流であり、自己放電電流IDは、自己放電に伴って電池1内(電池成分1C)を流れる電流である。
また、外部直流電源EPは、自身の直流電源EPEが発生する出力電圧Vbを可変かつ高精度に制御できるほか、電圧計EPVを有しており、電池電圧V(V)を計測できる。更に、外部直流電源EPは、電流計EPIを有しており、外部直流電源EP(直流電源EPE)から電池1に流れる電流Iの電流値Ib(μA)を高精度に計測できる。
電圧印加工程S20では、まずステップS21(図3参照)において、電流値Ib=0(μA)の条件下で、外部直流電源EPに含まれる電圧計EPVによって、当該電池1の電池電圧V(検査前電池電圧Va)を検知する。本実施形態では、この検査前電池電圧Vaとして、3.9V近傍の値が計測される。
その後、ステップS22に進み、当該電池1に対して、測定された検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vb(Vb=Va)の印加を開始する。
その後、ステップS22に進み、当該電池1に対して、測定された検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vb(Vb=Va)の印加を開始する。
その後、ステップS23に進み、後述する相関係数取得工程S50で取得した相関係数Kr(tn)が、予め定めた基準相関係数Krk(本実施形態ではKrk=0.9)以上(Kr(tn)≧0.9)となった否かを判定する。ここで、NO、即ち、Kr(tn)≧0.9となっていない場合には、外部直流電源EPから電池1への電圧印加を継続する。即ち、外部直流電源EPから電池1に出力電圧Vbを印加し続けて、外部直流電源EPから電池1に電流Iを流し続ける。一方、YES、即ち、Kr(tn)≧0.9となっている場合には、ステップS24に進み、出力電圧Vbの印加を終了して、この電圧印加工程S20を終了する。
また、出力電圧Vbの印加開始後(印加継続時間t=0以降)、電圧印加工程S20と並行して、「電流検知工程S30」(図3参照)を行い、印加継続時間t1,t2,…において、外部直流電源EPから電池1に流れる電流Iの電流値Ib(t1),Ib(t2),…を検知する。本実施形態では、印加継続時間tが1sec経過する毎に、外部直流電源EPに含まれる電流計EPIによって、電池1に流れる電流値Ib(t)(μA)を検知する。即ち、印加継続時間t=1,2,3,4,5,…(sec)における電流値Ib(1),Ib(2),Ib(3),Ib(4),Ib(5),…(μA)をそれぞれ検知する。
そして本実施形態では、10組(10sec分)の印加継続時間t及び電流値Ib(t)の検知結果が得られたら、抵抗推定工程S40に進む。即ち、1回目の電流検知工程S30では、印加継続時間t=1,2,…,10(sec)における電流値Ib(1),Ib(2),…,Ib(10)(μA)が得られたら、抵抗推定工程S40に進む。また、2回目の電流検知工程S30では、印加継続時間t=11,12,…,20(sec)における電流値Ib(11),Ib(12),…,Ib(20)(μA)が得られたら、抵抗推定工程S40に進む。
ここで、外部直流電源EPから電池1に流れる電流Iの理論電流値Ii(t)について説明する。下記<数1>に示す理論電流値Ii(t)の式は、前述した検査回路100の等価回路110の微分方程式を、初期条件下(印加継続時間t=0において理論電流値Ii(t)=0)で解いた式である。
また、図5に、良品及び不良品の各電池1について、外部直流電源EPによる出力電圧Vbの印加継続時間tと、出力電圧Vb、電池電圧V(t)、及び、外部直流電源EPから電池1に流れる電流Iの電流値Ib(t)との関係の概略を示す。図5に示すように、電池電圧V(t)は、検査前電池電圧Vaから印加継続時間tの経過と共に徐々に低下した後、印加継続時間t=安定時間ts以降は、ほぼ一定の値(安定時電池電圧Vs)となる。但し、良品の電池1に比べて不良品の電池1は、電池電圧V(t)が大きく低下するため、安定時電池電圧Vsも低い値となる。
一方、電流値Ib(t)は、0(零)から印加継続時間tの経過と共に徐々に増加した後、印加継続時間t=安定時間ts以降は、ほぼ一定の値(安定時電流値Ibs)となる。但し、良品の電池1に比べて不良品の電池1は、電流値Ib(t)が大きく増加するため、安定時電流値Ibsも大きい値となる。
一方、電流値Ib(t)は、0(零)から印加継続時間tの経過と共に徐々に増加した後、印加継続時間t=安定時間ts以降は、ほぼ一定の値(安定時電流値Ibs)となる。但し、良品の電池1に比べて不良品の電池1は、電流値Ib(t)が大きく増加するため、安定時電流値Ibsも大きい値となる。
このように電池電圧V(t)及び電流値Ib(t)が変化する理由は、以下の通りである。即ち、電池1では、自己放電により電池成分1Cから自己放電電流IDが流れ出ることによって、電池成分1Cの電圧及び電池電圧V(t)が徐々に低下する。その際、不良品の電池1は、良品の電池1に比べて、短絡に伴い自己放電電流IDが大きいため、電池電圧V(t)の低下が大きい。
一方、電池電圧V(t)が出力電圧Vbよりも低くなると、外部直流電源EPから電池1(電池成分1C)に向けて、電圧差ΔVb=Vb−V(t)の大きさに応じた電流Iが流れ込んで、電池1(電池成分1C)が充電される。
一方、電池電圧V(t)が出力電圧Vbよりも低くなると、外部直流電源EPから電池1(電池成分1C)に向けて、電圧差ΔVb=Vb−V(t)の大きさに応じた電流Iが流れ込んで、電池1(電池成分1C)が充電される。
電圧差ΔVb=Vb−V(t)が小さいうちは、外部直流電源EPから電池1に流れ込む電流Iが少ないため、この電流Iよりも、電池成分1Cから流れ出る自己放電電流IDの方が多い。このため、電池成分1Cの電圧及び電池電圧V(t)が徐々に低下する。
しかし、電池電圧V(t)が更に低下し、電流Iが増加して自己放電電流IDの大きさにほぼ等しくなると(図5中、安定時間tsにおいて)、電池成分1Cの電圧及び電池電圧V(t)の低下がほぼ止まると共に、電流値Ib(t)の増加がほぼ止まる。このため、印加継続時間t=安定時間ts以降、電池電圧V(t)がほぼ一定の安定時電池電圧Vsとなると共に、電流値Ib(t)がほぼ一定の安定時電流値Ibsとなる。
しかし、電池電圧V(t)が更に低下し、電流Iが増加して自己放電電流IDの大きさにほぼ等しくなると(図5中、安定時間tsにおいて)、電池成分1Cの電圧及び電池電圧V(t)の低下がほぼ止まると共に、電流値Ib(t)の増加がほぼ止まる。このため、印加継続時間t=安定時間ts以降、電池電圧V(t)がほぼ一定の安定時電池電圧Vsとなると共に、電流値Ib(t)がほぼ一定の安定時電流値Ibsとなる。
ここで、図6に、良品の電池1の一例及び不良品の電池1の一例について、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜安定時間tsの範囲)と、実際に測定して得られた電流値Ib(t)との関係を示す。なお、安定時間tsは、例えば15〜30hr程度(54,000〜108,000sec程度)である。
更に、図7に、良品の電池について、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、実際に測定された電流値Ib(t)及び理論電流値Ii(t)との関係を示す。また、図8に、不良品の電池について、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、実際に測定された電流値Ib(t)及び理論電流値Ii(t)との関係を示す。なお、印加継続時間t=teは、上述の安定時間tsの5分の1の時間である。
更に、図7に、良品の電池について、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、実際に測定された電流値Ib(t)及び理論電流値Ii(t)との関係を示す。また、図8に、不良品の電池について、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、実際に測定された電流値Ib(t)及び理論電流値Ii(t)との関係を示す。なお、印加継続時間t=teは、上述の安定時間tsの5分の1の時間である。
なお、図7及び図8の理論電流値Ii(t)のグラフでは、前述の理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、電池容量Cpに、前述の容量取得工程S10で取得した電池容量Cpの値をそれぞれ代入すると共に、出力電圧Vb(=検査前電池電圧Va)に、電圧印加工程S20のステップS21で測定された検査前電池電圧Vaの値をそれぞれ代入した。また、式<数1>の自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reには、後述する抵抗推定工程S40で推定した、印加継続時間t=teにおける自己放電抵抗Rp(te)及び直列回路抵抗Re(te)の値をそれぞれ代入した。
図6〜図8の各グラフから判るように、良品の電池1においても不良品の電池1においても、外部直流電源EPから電池1に流れる電流Iの電流値Ib(t)は、印加継続時間tの経過と共に徐々に増加して、各々ほぼ一定の値(安定時電流値Ibs)に収束していく。但し、良品の電池1に比べて不良品の電池1は、電流値Ib(t)が大きく増加する。このため、印加継続時間t=安定時間ts以降に電流値Ib(t)=安定時電流値Ibsを検知して、この安定時電流値Ibsの大きさに基づいて電池1を評価すれば、適切に電池1を評価できる。
しかし、この手法では、印加継続時間t=安定時間tsが経過する(安定時電流値Ibsを検知できる)まで待つ必要があり、検査工程S5が長く掛かる。これに対し、図7の良品の電池1においても図8の不良品の電池1においても、印加継続時間t=teにおいて導かれる理論電流値Ii(t)のグラフと、実際に測定された電流値Ib(t)のグラフとがそれぞれ良く一致している。このことから、自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reを適切に推定できれば、後述するように、安定時間tsの5分の1の時間teよりも短い時間で、検査工程S5を終えることが可能であることが理解できる。
次に、「抵抗推定工程S40」について説明する。この抵抗推定工程S40では、前述の理論電流値Ii(t)の式<数1>と、既に得られている印加継続時間t1,t2,…,tnにおける電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)とを用いて、自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)を推定する。
具体的には、まず理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、電池容量Cpに、前述の容量取得工程S10で取得した当該電池1の電池容量Cpの値を代入すると共に、出力電圧Vb(=検査前電池電圧Va)に、電圧印加工程S20のステップS21で測定された当該電池1の検査前電池電圧Vaの値を代入する。
具体的には、まず理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、電池容量Cpに、前述の容量取得工程S10で取得した当該電池1の電池容量Cpの値を代入すると共に、出力電圧Vb(=検査前電池電圧Va)に、電圧印加工程S20のステップS21で測定された当該電池1の検査前電池電圧Vaの値を代入する。
次に、1回目の抵抗推定工程S40では、印加継続時間t=1,2,3,…,10(sec)における電流値Ib(1),Ib(2),Ib(3),…,Ib(10)(μA)が得られているため、これら10組の検知結果を理論電流値Ii(t)の式<数1>にそれぞれ代入し、最小二乗法により、自己放電抵抗Rp(10)(Ω)及び直列回路抵抗Re(10)(Ω)を推定する。また、例えば2回目の抵抗推定工程S40では、印加継続時間t=1,2,…,20(sec)における電流値Ib(1),Ib(2),…,Ib(20)(μA)が既に得られているため、これら20組の検知結果を理論電流値Ii(t)の式<数1>に代入し、最小二乗法により、自己放電抵抗Rp(20)(Ω)及び直列回路抵抗Re(20)(Ω)を推定する。
ここで、図6に示した良品及び不良品の電池1について、図9に、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、推定した自己放電抵抗Rp(t)との関係を示し、図10に、出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と、推定した直列回路抵抗Re(t)との関係を示す。なお、自己放電抵抗Rp(t)及び直列回路抵抗Re(t)は、本実施形態では10sec毎に、自己放電抵抗Rp(10),Rp(20),Rp(30),…及び直列回路抵抗Re(10),Re(20),Re(30),…が得られるが、図9及び図10のグラフは、10secよりも大きな間隔で得られた自己放電抵抗Rp(t)及び直列回路抵抗Re(t)の各値を用いて作成してある。
図9から判るように、良品の電池1においても不良品の電池1においても、印加継続時間tの経過と共に、自己放電抵抗Rp(t)の値が安定して、各々ほぼ一定の値(真の値)に収束していく。また、図10から判るように、良品の電池1においても不良品の電池1においても、印加継続時間tの経過と共に、直列回路抵抗Re(t)の値が安定して、各々ほぼ一定の値(真の値)に収束していく。このことから、理論電流値Ii(t)の式と、実測された電流値Ib(t1),Ib(t2),…との後述する相関係数Kr(t)は、印加継続時間tの経過と共に、Kr(t)の値が大きくなってKr(t)=1に近づいていくと考えられる。
次に、「相関係数取得工程S50」において、推定した自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)を含む理論電流値Ii(t)の式と、これまでに取得した電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)との相関係数Kr(tn)を得る。
具体的には、1回目の相関係数取得工程S50では、理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reに、1回目の抵抗推定工程S40で推定した自己放電抵抗Rp(10)及び直列回路抵抗Re(10)を代入する。そして、この理論電流値Ii(t)の式と、これまでに取得した電流値Ib(1),Ib(2),Ib(3),…,Ib(10)との相関係数Kr(10)を得る。
具体的には、1回目の相関係数取得工程S50では、理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reに、1回目の抵抗推定工程S40で推定した自己放電抵抗Rp(10)及び直列回路抵抗Re(10)を代入する。そして、この理論電流値Ii(t)の式と、これまでに取得した電流値Ib(1),Ib(2),Ib(3),…,Ib(10)との相関係数Kr(10)を得る。
また、例えば2回目の相関係数取得工程S50では、理論電流値Ii(t)の式<数1>のうち、自己放電抵抗Rp及び直列回路抵抗Reに、直近(2回目)の抵抗推定工程S40で推定した自己放電抵抗Rp(20)及び直列回路抵抗Re(20)を代入する。そして、この理論電流値Ii(t)の式と、これまでに取得した電流値Ib(1),Ib(2),Ib(3),…,Ib(20)との相関係数Kr(20)を得る。
ここで、図6に示した良品の電池1について、図11に出力電圧Vbの印加継続時間t(t=0〜teの範囲)と相関係数Kr(t)との関係を示す。なお、相関係数Kr(t)は、本実施形態では10sec毎に相関係数Kr(10),Kr(20),Kr(30),…が得られるが、図11のグラフは、10secよりも大きな間隔で得られた相関係数Kr(t)の各値を用いて作成してある。
図11から判るように、相関係数Kr(t)は、基本的に、印加継続時間tの経過と共に次第に大きくなって、Kr(t)=1に近づいていく。
図11から判るように、相関係数Kr(t)は、基本的に、印加継続時間tの経過と共に次第に大きくなって、Kr(t)=1に近づいていく。
なお、本実施形態では、後述するように、基準相関係数KrkをKrk=0.9に設定している。図11に示した例では、相関係数Kr(t)が基準相関係数Krk=0.9に達する到達時間tgは、時間te(安定時間tsの5分の1)よりも更に短くなっている。また、具体的なデータの記載は省略するが、他の複数の電池について本検査を行った結果を見ても、到達時間tgは、時間te(安定時間tsの5分の1)より更に短くなっていた。
次に、「電池評価工程S60,S65」のうち、ステップS60において、相関係数Kr(tn)が、予め定めた基準相関係数Krk以上(Kr(tn)≧Krk)となった否かを判定する。本実施形態では、相関係数Kr(tn)=0.9以上となれば、理論電流値Ii(t)の式と実測された電流値Ib(1),Ib(2),…,Ib(tn)との相関が十分に高くなり、この理論電流値Ii(t)に含まれる自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)がそれぞれ真の値に近い値になると考えて、基準相関係数Krk=0.9に設定した。
具体的には、1回目のステップS60では、Kr(10)≧0.9となった否かを判定する。また、2回目のステップS60では、Kr(20)≧0.9となった否かを判定する。
具体的には、1回目のステップS60では、Kr(10)≧0.9となった否かを判定する。また、2回目のステップS60では、Kr(20)≧0.9となった否かを判定する。
ここで、NO、即ち、相関係数Kr(tn)≧0.9となっていない場合には、前述の電流検知工程S30に戻る。そして、電流検知工程S30において、更に10組(10sec分)の印加継続時間t及び電流値Ib(t)の検知結果を得る。なお、図11に示した例では、印加継続時間t=到達時間tgとなるまでは、相関係数Kr(tn)が基準相関係数Krk=0.9よりも小さいため、このステップS60でNOと判断される。
一方、YES、即ち、相関係数Kr(tn)≧0.9となっている場合には、ステップS65に進み、最終的に得られた(直近の)自己放電抵抗Rp(tn)の大きさに基づいて、当該電池1を評価する。なお、図11に示した例では、印加継続時間t=到達時間tgにおいて相関係数Kr(tn)が基準相関係数Krk=0.9となるため、このステップS60でYESと判断される。
一方、YES、即ち、相関係数Kr(tn)≧0.9となっている場合には、ステップS65に進み、最終的に得られた(直近の)自己放電抵抗Rp(tn)の大きさに基づいて、当該電池1を評価する。なお、図11に示した例では、印加継続時間t=到達時間tgにおいて相関係数Kr(tn)が基準相関係数Krk=0.9となるため、このステップS60でYESと判断される。
具体的には、本実施形態では、自己放電抵抗Rp(tn)が、予め定めた基準抵抗Rpkよりも小さい場合(Rp(tn)<Rpk)に、当該電池1を抵抗が低く内部短絡が生じている不良品と判定し、当該電池1を除去する。
なお、具体的なデータの記載は省略するが、良品、不良品に拘わらず検査を行ったいずれの電池1においても、前述のように、時間te(安定時間tsの5分の1)よりも更に短い印加継続時間t(到達時間tg)で、相関係数Kr(tn)≧0.9を満たすことが判っている。従来の検査方法では、印加継続時間t=安定時間tsが経過するまで待つ必要があったのに対し、本実施形態では、印加継続時間t=te(ts/5)よりも更に短い時間で電池1を評価できる。
なお、具体的なデータの記載は省略するが、良品、不良品に拘わらず検査を行ったいずれの電池1においても、前述のように、時間te(安定時間tsの5分の1)よりも更に短い印加継続時間t(到達時間tg)で、相関係数Kr(tn)≧0.9を満たすことが判っている。従来の検査方法では、印加継続時間t=安定時間tsが経過するまで待つ必要があったのに対し、本実施形態では、印加継続時間t=te(ts/5)よりも更に短い時間で電池1を評価できる。
また、並行して行っている電圧印加工程S20においても、前述したように、相関係数Kr(tn)が基準相関係数Krk=0.9以上となった否かを判定する(ステップS23)。そして、NO、即ち、Kr(tn)≧0.9となっていない場合には、出力電圧Vbの印加を継続する。一方、YES、即ち、Kr(tn)≧0.9となっている場合には、出力電圧Vbの印加を終了して、電圧印加工程S20を終了する。
これにより、検査工程S5が終了する。検査工程S5が終了したら、外部直流電源EPを電池1から離して、更に、拘束治具(図示外)による電池1の拘束を解除する。かくして、電池1が完成する。
これにより、検査工程S5が終了する。検査工程S5が終了したら、外部直流電源EPを電池1から離して、更に、拘束治具(図示外)による電池1の拘束を解除する。かくして、電池1が完成する。
以上説明したように、電池1の検査方法では、容量取得工程S10、電圧印加工程S20、電流検知工程S30、抵抗推定工程S40、相関係数取得工程S50及び電池評価工程S60,S65を行って、当該電池1の抵抗を評価する。抵抗推定工程S40では、外部直流電源EPから電池1に流れる電流Iの電流値Ib(t)の変化から当該電池1の自己放電抵抗Rp(tn)を推定し、電池評価工程S60,S65では、推定した自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて当該電池1を評価する。このように、上述の電池1の検査方法では、外部直流電源EPから電池1に流れる電流の電流値Ib(t)の変化から、当該電池1の抵抗を評価できる。
更に本実施形態では、容量取得工程S10で、局所的な電池容量Cpを得る。即ち、部分電圧区間ΔV=V1−V2に強制放電させた部分電気量ΔQを測定し、Cp=ΔQ/ΔVにより電池容量Cpを得る。このため、電池1を全電圧区間(SOC100%からSOC0%の範囲)にわたり強制放電または充電しなくても済む。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
1 電池
100 検査回路
110 等価回路
115 並列回路
Cp 電池容量
ΔV 部分電圧区間
ΔQ 部分電気量
V 電池電圧
V1 第1電池電圧
V2 第2電池電圧
Va 検査前電池電圧
Vb 出力電圧
I 電流
Ib 電流値
Ii 理論電流値
t 印加継続時間
Rp 自己放電抵抗
Rpk 基準抵抗
Re 直列回路抵抗
Kr 相関係数
Krk 基準相関係数
EP 外部直流電源
S1 組立工程
S2 初充電工程
S3 高温エージング工程
S4 冷却工程
S5 検査工程
S10 容量取得工程
S20 電圧印加工程
S30 電流検知工程
S40 抵抗推定工程
S50 相関係数取得工程
S60,S65 電池評価工程
100 検査回路
110 等価回路
115 並列回路
Cp 電池容量
ΔV 部分電圧区間
ΔQ 部分電気量
V 電池電圧
V1 第1電池電圧
V2 第2電池電圧
Va 検査前電池電圧
Vb 出力電圧
I 電流
Ib 電流値
Ii 理論電流値
t 印加継続時間
Rp 自己放電抵抗
Rpk 基準抵抗
Re 直列回路抵抗
Kr 相関係数
Krk 基準相関係数
EP 外部直流電源
S1 組立工程
S2 初充電工程
S3 高温エージング工程
S4 冷却工程
S5 検査工程
S10 容量取得工程
S20 電圧印加工程
S30 電流検知工程
S40 抵抗推定工程
S50 相関係数取得工程
S60,S65 電池評価工程
Claims (1)
- 電池の抵抗を評価する電池の検査方法であって、
電池の電池容量Cpを取得する容量取得工程と、
外部直流電源から上記電池に、検査前電池電圧Vaに等しい出力電圧Vbを印加し続けて、上記外部直流電源から上記電池に電流を流し続ける電圧印加工程と、
上記出力電圧Vbの印加継続時間t1,t2,…における上記電流の電流値Ib(t1),Ib(t2),…を検知する電流検知工程と、
上記電池に上記外部直流電源を接続した検査回路の等価回路として、上記電池容量Cpと自己放電抵抗Rpの並列回路に、直列回路抵抗Reを直列接続し、これらに上記外部直流電源の上記出力電圧Vbを印加する等価回路を想定し、
この等価回路に流れる理論電流値Ii(t)の式と、既に得られている上記印加継続時間t1,t2,…,tnにおける上記電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)とを用いて、自己放電抵抗Rp(tn)及び直列回路抵抗Re(tn)を推定する
抵抗推定工程と、
推定した上記自己放電抵抗Rp(tn)及び上記直列回路抵抗Re(tn)を含む上記理論電流値Ii(t)の式と、取得した上記電流値Ib(t1),Ib(t2),…,Ib(tn)との相関係数Kr(tn)を得る相関係数取得工程と、
上記相関係数Kr(tn)が予め定めた基準相関係数Krk以上となった場合に、推定した上記自己放電抵抗Rp(tn)に基づいて、上記電池を評価する電池評価工程と、を備える
電池の検査方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020025796A JP2021131952A (ja) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | 電池の検査方法 |
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-
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