JP4408058B2

JP4408058B2 - 電池評価装置

Info

Publication number: JP4408058B2
Application number: JP2004145062A
Authority: JP
Inventors: 真治笠松; 肇西野; 幹也嶋田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: CN1697245A; KR20060047689A; JP2005327616A; US20050253591A1; CN100433446C; US7336081B2; KR101102644B1

Description

本発明は、釘刺し試験あるいは圧壊試験等により電池に意図的に内部短絡を発生させたときに得られる電池情報から電池の安全性を評価する電池評価装置に関するものである。

リチウムイオン二次電池のように可燃性の有機電解液を使用する電池では、誤使用や接続機器の故障等によって電池内部に高熱が生じないように保護回路などの安全機能が設けられている。しかし、極端な誤使用にも対応できるものではなく、その場合でも熱暴走から破裂や発火に至らないようにする安全基準が設定されている。安全基準は電池としては極めて過酷な条件での電池評価試験においても破裂や発火が生じないことが要求されている。電池評価試験は、例えばリチウム電池のためのＵＬ規格（ＵＬ１６４２）や電池工業会の指針（非特許文献１参照）などで制定されている。

試験項目は電気的試験、機械的試験、環境試験に大別され、本願発明が対象とする機械的試験における誤用試験に釘刺し、圧壊等の試験項目が示されている。例えば、釘刺し試験は、完全充電したフレッシュ電池及び定格容量が約１／２となった試験電池に対し、側面中央から極板面に対して垂直になるように釘を貫通させ、６時間以上放置しても破裂や発火がないことが評価基準とされている。
リチウム二次電池安全性評価基準ガイドラインＧ１１０１−１９９７

しかしながら、従来の釘刺し試験あるいは圧壊試験においては試験電池に対して釘を貫通もしくは所定深さまで突き刺し、所定圧力で加圧圧壊するだけの試験であるため、釘刺しあるいは圧壊によって発生した短絡箇所が変化し、短絡箇所の特定や短絡電流によって発生するジュール発熱による温度変化が安定しない課題があった。

また、釘刺しや圧壊によって発生した内部短絡によって流れる短絡電流は電池の内部抵抗によって決定されるため、種々の電池を評価する場合に短絡電流によるジュール発熱と電池構成材料の化学反応による発熱とが異なるため、電池温度変化による要因を正しく考察することができなかった。また、電池パックなどで想定される複数の電池が並列接続された状態で１つの電池に内部短絡が発生した場合に、並列接続した他の電池から短絡電流が流れ込むことによる電池温度の上昇などを評価することができなかった。また、サイクル劣化あるいは高温劣化して内部抵抗が増加した電池の評価を行う場合に、試験用にサイクル劣化あるいは高温劣化させた電池を作成する必要があった。

本発明が目的とするところは、誤用試験における内部短絡の発生箇所の特定及び内部短絡に伴う電池温度上昇のバラツキが少なく、並列電池が存在する場合や劣化電池の評価をそれらの電池を準備することなく実施することができる電池評価装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本願第１発明は、試験電池に対して加圧手段により強制的に内部短絡を発生させたときの電池状態から電池の安全性評価を行う電池評価装置であって、前記試験電池に内部短絡が発生したことを検出する短絡検出手段と、この短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき前記加圧手段の加圧動作を停止する加圧制御手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき内部短絡前後の試験電池の電池温度、電池電圧、電池内圧のうちの少なくとも一つを所定期間記録する電池情報検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。

上記構成によれば、加圧手段により試験電池に加圧が加えられて内部短絡が発生した状態は短絡検出手段により検出されるので、短絡検出出力により加圧制御手段は加圧手段による試験電池に対する加圧を停止することができる。従って、内部短絡が発生する箇所のバラツキが少なく、電池情報検出手段により検出される電池温度等の情報にもバラツキが少なくなり、釘刺しあるいは圧壊を受けた電池に発生する現象を正確に評価することができ、内部短絡が発生した箇所の特定も可能となる。

また、本願第２発明は、試験電池に対して加圧手段により強制的に内部短絡を発生させたときの電池状態から電池の安全性評価を行う電池評価装置であって、前記試験電池に内部短絡が発生したことを検出する短絡検出手段と、この短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき前記加圧手段の加圧動作を停止する加圧制御手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき内部短絡前後の試験電池の電池温度、電池電圧、電池内圧のうちの少なくとも一つを所定期間記録する電池情報検出手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき試験電池に充電方向又は放電方向に流す電流を制御する短絡電流制御手段とを備えてなることを特徴とする。

上記構成によれば、短絡検出手段により試験電池に内部短絡が発生したことが検出されたとき、短絡電流制御手段から試験電池に充電方向の電流を流すと、試験電池に並列に他の電池が接続されている使用状態を擬似的に再現することができ、並列電池が存在する場合の挙動を検証することができる。また、短絡検出手段により試験電池に内部短絡が発生したことが検出されたとき、短絡電流制御手段から試験電池に放電方向の電流を流すと、試験電池の内部短絡に伴う短絡電流は分散されるので、試験電池が劣化して内部抵抗が増加している状態を擬似的に再現することができる。従って、劣化した電池を準備することなく劣化した電池に発生する挙動を検証することができる。

上記各構成において、加圧手段は電池を強制的に短絡させるためのものである。加圧手段の加圧部の先端に釘を設置した場合には釘刺しにより、また丸棒、角棒、平板などを設置した場合には圧壊により、電池内部で正極、負極間で短絡が発生する、つまり内部短絡させることができ、また、電池内にＮｉ微粉、ＳＵＳ微粉などを仕込み、正極、負極間に存在するセパレータを一部切除するなどの試験電池に対する加工した後、平板加圧して内部短絡させるなど様々な加圧により内部短絡を起こさせることができる。
また上記各構成において、短絡検知手段は、試験電池から得られる情報の変化が入力され、その入力値を基準値と比較して内部短絡であることを検出する手段のことである。特に、短絡検出手段は、試験電池の正極、負極間の電圧降下から内部短絡を検出するように構成することが好ましく、内部短絡の検出を速やかに検出することができる。

上記短絡電流制御手段は、短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき直流電流源から試験電池に充電方向の電流を流すことにより、試験電池に並列接続された電池が存在する状態を擬似的に構成することができる。また、短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき試験電池に負荷を接続して放電方向の電流を流すことにより、試験電池が劣化した電池である状態を擬似的に構成することができる。

本発明に係る電池評価装置によれば、釘刺し試験や圧壊試験において試験電池に内部短絡が発生したことを検出して加圧を停止することができるので、内部短絡の発生箇所の特定が可能であり、内部短絡に伴う電池の挙動をバラツキが少ない状態で評価することができる。また、試験電池に並列接続された電池が存在する状態あるいは試験電池が劣化した電池である状態を擬似的に再現することができる。

図１は、第１の実施形態に係る電池評価装置Ａの構成を示すもので、所定位置に配置された試験電池１に対して加圧部２により釘刺し又は圧壊を加える加圧状態を制御可能とすると共に、加圧が加えられた試験電池１の状態が検出できるように、所定位置に配置された試験電池１には短絡検出部４及び電池情報検出部６が接続されている。

前記加圧部２は、図示しない加圧装置によって試験電池１に向けて進出駆動されるロッド２ａの先端に釘を取り付けることにより釘刺し試験を実施することができ、ロッド２ａの先端に平板、角材などを取り付けることにより圧壊試験を実施できるように構成されたものである。前記加圧装置はロッド２ａに対して加圧速度：０．１〜１８０ｍｍ／ｓで加圧力：０．１〜３０ｋＮを加えることができ、ロッド２ａの進出移動距離を制御できるものであれば、その形式はサーボモータを用いたスクリュー式、ポストガイドスクリュー式、フリコ式、テコ式、クランク式、メカニカルプレス式、油圧プレス式、エアプレス式などから任意に選択することができる。加圧制御部３は前記加圧装置を駆動制御してロッド２ａの進出動作を任意位置で停止させることができる。

また、前記短絡検出部４は、加圧部２によって加圧された試験電池１から得られる情報変化を検出して試験電池１に内部短絡が発生した状態を検出するもので、ここでは試験電池１の電池電圧を監視して内部短絡の発生により電池電圧が変化した状態を検出する。短絡検出部４は、図２に示すように、試験電池１の正極端子、負極端子間に接続して電池電圧を監視する電池電圧監視回路９と、電池電圧監視回路９が検出する電池電圧を予め設定された基準電圧と比較して内部短絡により電圧低下した電池電圧が基準電圧以下になったとき内部短絡が発生したと判定する内部短絡判定回路１０と、内部短絡判定回路１０により内部短絡と判定されたとき短絡検出信号を出力する検出信号出力回路１１とを備えて構成されている。前記検出信号出力回路１１から出力される短絡検出信号は加圧制御部３及び電池情報検出部６に入力される。

前記電池情報検出部６は、試験電池１に取り付けた熱電対等の温度センサにより検出される電池温度や電池電圧、電池内圧などの電池情報を収集記録するもので、内部短絡時の電池電圧は非常に短時間で変化することから１０ｍｓｅｃ以内のサンプリング間隔で情報収集することが可能なデータロガーによって構成されている。

上記構成になる電池評価装置Ａを用いて釘刺し試験を実施するときには、加圧部２のロッド２ａの先端に釘を取り付け、所定位置に試験電池１を配置し、電池評価装置Ａの動作を開始させる。加圧部２の動作によりロッド２ａが試験電池１に向けて進出移動し、ロッド２ａに取り付けた釘が試験電池１の胴部から内部に侵入したとき、釘の侵入によって試験電池１の正極板と負極板との間が導通する内部短絡が発生すると、電池電圧を監視する短絡検出部４により内部短絡が検出されて検出出力が加圧制御部３に入力される。加圧制御部３は検出出力の入力により加圧部２によるロッド２ａの進出動作を停止させる。短絡検出部４から出力される内部短絡の検出出力は電池情報検出部６にも入力されるので、内部短絡の発生により変化する電池温度、電池電圧などの変化情報が収集記録される。この電池評価装置Ａを用いた釘刺し試験の具体的な実施例について以下に説明する。

試験電池１として円筒形のリチウムイオン二次電池（松下電池工業製：ＣＧＲ１８６５０ＨＧ）を充電電圧４．２Ｖで完全充電した状態のものに釘刺し試験を実施した。釘は市販の直径３ｍｍ鉄製丸釘を使用した。この釘に加圧力を加える加圧部２の加圧条件は、加圧速度２０ｍｍ／ｓ、加圧最大３０ｋＮに設定した。

短絡検出部４は、電池電圧監視回路９により試験電池１の電池電圧を監視し、その電池電圧が基準値として設定した３Ｖ以下になったとき、内部短絡判定回路１０は加圧部２により加圧された釘が試験電池１に突き刺されて内部短絡が発生したと判定し、直ちに検出信号出力回路１１から検出信号を出力して加圧制御部３に入力する。加圧制御部３は内部短絡の検出信号が入力されると、直ちに加圧部２を制御して加圧装置によるロッド２ａの進出動作を停止させる。この制御動作により、試験電池１に突き刺された釘は複数層に巻回された正極及び負極の極板の内部短絡を発生させた層の近傍で突き刺し動作が停止されることになる。また、短絡検出部４から出力される内部短絡の検出信号は電池情報検出部６にも入力されるので、電池情報検出部６は内部短絡発生前後の試験電池１の電池温度、電池電圧などを所定時間にわたって継続して収集記録する。

上記釘刺し試験を１０個の試験電池１に対して実施すると共に、比較例として短絡検出を行うことなく釘が試験電池１を貫通するまで加圧する従来形態の釘指し試験を同じく１０個の試験電池１に対して実施した。この実施例１及び比較例１を実行したとき、電池情報検出部６により試験電池１の表面温度を所定時間継続して測定して最高電池温度を検出する。また、実施例１及び比較例１による釘刺し試験後の試験電池１を分解して釘が貫通して短絡が発生している層の数を計数した。この実施例１及び比較例１による釘刺し試験の結果を表１に示す。

表１からわかるように、本発明の第１の実施形態に係る電池評価装置Ａを用いた釘刺し試験の結果である実施例１では、釘が突き刺されたときに内部短絡が最初に発生する箇所を特定することができ、安定した短絡点が得られることから内部短絡に伴う短絡電流によって発生するジュール熱により試験電池１が発熱する状態のバラツキ（σ）が少なく、電池に釘が突き刺される過酷な誤用条件下で電池が温度上昇する最高温度を知ることができる。即ち、検知される内部短絡時の最高温度から釘刺し試験において試験電池１が破裂や発火に至ることの有無を判定することができる。

一方、比較例１とする従来形態の釘刺し試験では、釘が試験電池１を貫通しているので内部短絡が全ての層で発生しており、それに伴う短絡電流の流れも多様に変化するので、温度上昇のバラツキ（σ）が大きく、電池に釘が突き刺される過酷な誤用条件下で電池が温度上昇する最高温度を特定することが困難である。

次いで、本発明の第２の実施形態に係る電池評価装置Ｂについて、図３及び図４を参照して以下に説明する。本実施形態は、釘刺し試験された電池に並列に接続されている電池が存在する場合や、劣化が進行して内部抵抗が増加した状態にある電池の場合などを擬似的に評価することも可能としたものである。

電池は必ずしも１個単独で使用されるものではなく、多くは複数個の電池を直列及び／又は並列に接続して使用されている。内部短絡が発生したとき、その電池に並列接続された他の電池があると、短絡した電池には並列接続された他の電池からも短絡電流が供給され、過大な電流によって内部短絡に起因する電池温度の上昇が大きくなることが予想され、並列接続された電池が存在する場合を擬似的に構成することができると有効な電池評価となる。

また、電池工業会で制定されている前述のリチウムイオン二次電池安全性評価基準ガイドラインでは、釘刺し試験又は圧壊試験はフレッシュ電池及び定格容量の約１／２となった電池に対して実施することとしている。定格容量が減少した電池、即ち劣化が進行した電池では内部抵抗が増加しており、これを擬似的に再現できれば試験電池１として用意することが困難な劣化が適度に進行した電池を揃えることなく、劣化が進行した状態を任意に構成して電池評価を行うことができる。

図３は、第２の実施形態に係る電池評価装置Ｂの構成を示すもので、第１の実施形態において説明したものと共通の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。第２の実施形態に係る電池評価装置Ｂでは、第１の実施形態に係る電池評価装置Ａの構成に加えて短絡電流制御部５が設けられている。

前記短絡電流制御部５は、図４に示すように、試験電池１と直列にスイッチング回路１３、短絡電流制御回路１４、電流検出回路１５が接続される。試験電池１に並列接続された電池が存在することを擬似的に構成するときには、前記短絡電流制御回路１４には直流電流源が接続される。

釘刺し試験を開始して短絡検出部４により内部短絡が検出されたとき、短絡検出信号は短絡電流制御部５に入力されるので、スイッチング回路１３は試験電池１への接続回路を閉じ、短絡電流制御回路１４に接続された直流電流源から試験電池１に充電方向の直流電流が印加される。この短絡電流制御部５の動作により、釘刺しにより内部短絡が発生した試験電池１には自らの短絡電流に合わせて直流電流源から供給される直流電流が加算されて過大な短絡電流が流れた状態が得られる。

表２に示す実施例２では、釘刺し試験により内部短絡が発生した試験電池１に短絡電流制御部５から直流電流を流し、試験電池１に並列接続された電池から短絡電流が加算される状態を再現しており、試験電池１単独での短絡電流より大きな短絡電流が流れる状態が得られ、試験電池１単独での内部短絡の場合より温度上昇が大きくなることが示されている。

また、試験電池１が劣化の進行した電池である状態を擬似的に検証するときには、短絡電流制御回路１４には劣化によって内部抵抗が増加した度合いに応じた抵抗負荷を接続する。表２に示す実施例３及び実施例４では、短絡電流制御回路１４としてそれぞれ所要の抵抗値を示す電子負荷を接続し、釘刺しによって内部短絡が発生した試験電池１から放電方向に短絡電流が流れるようにしている。内部短絡が発生した試験電池１の短絡電流は短絡箇所と外部に接続された電子負荷に分散し、試験電池１内に流れる短絡電流が減少する結果、最高電池温度は低くなる状態が記録されている。

以上説明した構成において、短絡検出部４により試験電池１の内部短絡が検出されたとき、短絡検出出力により高速カメラ、サーモビューアの作動を開始させ、内部短絡が発生した試験電池１の外的挙動を観察するように構成することもできる。

また、上記実施形態は釘刺し試験を実施した場合について説明したが、加圧部２により試験電池１に平面的な圧迫を加える圧壊試験についても同様に実施することができる。

また、上記実施形態は試験電池１としてリチウムイオン二次電池を対象とした例について説明したが、一次電池、二次電池を問わずたの種類の電池についても同様に安全性評価を行うことができる。

以上の説明の通り本発明によれば、釘刺し試験や圧壊試験を実施して試験電池に内部短絡が発生したことを検出して加圧を停止することができるので、内部短絡の発生箇所の特定が可能であり、内部短絡に伴う電池の挙動をバラツキが少ない状態で評価することができ、更に、試験電池に並列接続された電池が存在する状態あるいは試験電池が劣化した電池である状態を擬似的に再現することができる電池評価装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る電池評価装置の構成を示すブロック図。短絡検出部の構成を示すブロック図。第２の実施形態に係る電池評価装置の構成を示すブロック図。短絡電流制御部の構成を示すブロック図。

符号の説明

Ａ、Ｂ電池評価装置
１試験電池
２加圧部
３加圧制御部
４短絡検出部
５短絡電流制御部
６電池情報検出部

Claims

試験電池に対して加圧手段により強制的に内部短絡を発生させたときの電池状態から電池の安全性評価を行う電池評価装置であって、
前記試験電池に内部短絡が発生したことを検出する短絡検出手段と、この短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき前記加圧手段の加圧動作を停止する加圧制御手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき内部短絡前後の試験電池の電池温度、電池電圧、電池内圧のうちの少なくとも一つを所定期間記録する電池情報検出手段とを備えてなることを特徴とする電池評価装置。
試験電池に対して加圧手段により強制的に内部短絡を発生させたときの電池状態から電池の安全性評価を行う電池評価装置であって、
前記試験電池に内部短絡が発生したことを検出する短絡検出手段と、この短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき前記加圧手段の加圧動作を停止する加圧制御手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき内部短絡前後の試験電池の電池温度、電池電圧、電池内圧のうちの少なくとも一つを所定期間記録する電池情報検出手段と、前記短絡検出手段により内部短絡が検出されたとき試験電池に充電方向又は放電方向に流す電流を制御する短絡電流制御手段とを備えてなることを特徴とする電池評価装置。
短絡検出手段は、試験電池の正極、負極間の電圧降下変化から内部短絡を検出する請求項１又は２に記載の電池評価装置。
電池情報検出手段は、電池温度、電池電圧、電池内圧を検出する請求項１に記載の電池評価装置。
電池情報検出手段は、電池温度、電池電圧、電池内圧及び短絡電流制御手段による制御電流を検出する請求項２に記載の電池評価装置。