(57)【要約】【課題】  リチウムイオン電池のマイクロショートを検出する装置の開発、製造、保守等に使用できる模擬的にマイクロショートを発生させる装置を提供する。【解決手段】  並列に接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路をリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記スイッチを閉じたときにリチウムイオン電池がコンデンサを充電する瞬間的な放電をリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートとする装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路をリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記スイッチが開いている間に前記コンデンサに蓄積された電荷は、前記抵抗を通じて放電され、前記スイッチを閉じたときに前記リチウムイオン電池が前記コンデンサを充電するときの前記リチウムイオン電池の瞬間的な放電をリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートとする装置。
【請求項２】
並列に接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路を一組とし、これを複数組並列接続にしてリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記各組のコンデンサの静電容量をそれぞれ異なるものとしたとき、前記各組の何れかのスイッチを閉じることで放電量の異なるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる請求項１の装置。
【請求項３】
それぞれに静電容量の異なる複数のコンデンサの一つまたは複数を選択できる選択スイッチを介して選択された前記コンデンサと一つの抵抗が並列に接続され、前記並列接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路をリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記スイッチを閉じたときに模擬的なマイクロショートを発生し、前記選択スイッチの開閉の組合せによって放電量の異なるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる請求項１の装置。
【請求項４】
前記スイッチを閉じたときに前記リチウムイオン電池によって充電されるコンデンサを、前記スイッチを閉じる前に予め前記リチウムイオン電池電圧以下の電圧まで充電することで前記スイッチや配線等の浮遊容量の影響を無くし、リチウムイオン電池の放電量を可変できるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる請求項１の装置。
【請求項５】
互いにベースとコレクタを接続してサイリスタ接続を構成した一組のＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタと、このサイリスタ接続をオンするスイッチを備え、前記ＰＮＰトランジスタのエミッタは前記リチウムイオン電池の正極に、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタはコンデンサを介して前記リチウムイオン電池の負極にそれぞれ接続され、前記スイッチによってサイリスタ接続を構成した一組のＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタが共にオンして前記リチウムイオン電池が前記コンデンサを充電するときの前記リチウムイオン電池の瞬間的な放電をリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートとする装置であり、前記ＰＮＰトランジスタのエミッタとベース間にはバイアス抵抗が接続され、前記サイリスタ接続をオンするスイッチの端子の一方は前記ＰＮＰトランジスタのベースに、他方は前記ＮＰＮトランジスタのベースにそれぞれ接続され、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタには抵抗を介して前記リチウムイオン電池の電圧を分圧した電圧が印加されるようにして前記コンデンサを前記リチウムイオン電池の放電に先立ち予め充電するように構成して、前記スイッチのチャッタリングが前記リチウムイオン電池の放電電流に影響を与えないことを特徴としたリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置。
【請求項６】
請求項５のサイリスタ接続をオンするスイッチに光電変換素子を採用し、前記光電変換素子を制御する信号経路と前記リチウムイオン電池の放電経路を電気的に絶縁したことを特徴としたリチウムイオン電池の模擬的なマイクロシュートを発生できる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、リチウムイオン電池で発生するマイクロショートを模擬的に発生させる装置に関するものであり、リチウムイオン電池の製造段階で用いる検査装置等の開発、製造および校正等への応用が可能な装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  ノートパソコンや携帯電話等の電子機器で使用されているリチウムイオン電池は、ニーズの拡大と共に高容量化が進み、その生産量も飛躍的に増えている。その一方で製造時の微細物質の混入等が原因とされる製品不良の件数も少なくなく、万一電池が原因で製品の発火等の事故が発生すると、製品の回収や補償問題によりメーカーは多額の損失を負う場合もあり、電池メーカーにとっては重大な問題となる。更に今後需要が高まるであろう電気自動車用の電池では、高電圧、高容量が求められ、事故が発生した場合は人命に関わる危険性を伴うため、より一層の品質管理が求められるようになる。【０００３】  リチウムイオン電池の不良は、正負の電極間に混入する微細な金属粉や電解質の不均一な分布によるリチウムイオンの部分的な過剰析出などにより発生する電極間のマイクロショート（微小な短絡）に起因する漏れ電流の増加が原因となるとされている。【０００４】  このため電池メーカーでは、製造したリチウムイオン電池に対して検査を行いマイクロショートの発生している製品を出荷しないようにしている。この検査方法には様々なものが考案されているが現在多く行われているのは、初期充電後の電圧と数週間程度放置後の電圧の差を測定して、基準値以上に電圧が低下したものを除く方法である。【０００５】  この検査方法は、不良の検出に時間が掛かるのが欠点であり、より短時間で確実にマイクロショートを検出できる装置が望まれている。このような装置を考案し製品化するには、マイクロショートが発生している電池のサンプルが必要であるが、これは不良品のサンプルであるため使い方によっては思わぬ事故を引き起こす可能性があり、電池メーカー以外の部外者がこれを入手することは、極めて困難である。またこのような不良サンプル電池では、一定量で継続してマイクロショートを発生させることはできないので、検出装置の感度や精度を維持するための基準としては使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明が解決しようとする課題は、リチウムイオン電池のマイクロショートを検出する装置の開発、製造、保守等に使用できる模擬的にマイクロショートを発生させる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明では、次に示す手段をもって上記課題を解決する。
並列に接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路をリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記スイッチが開いている間に前記コンデンサに蓄積された電荷は、前記抵抗を通じて放電され、前記スイッチを閉じたときに前記リチウムイオン電池が前記コンデンサを充電するときの前記リチウムイオン電池の瞬間的な放電をリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートとする装置とする。【０００８】  並列に接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路を一組とし、これを複数組並列接続にしてリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記各組のコンデンサの静電容量をそれぞれ異なるものとしたとき、前記各組の何れかのスイッチを閉じることで放電量の異なるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置とすることもある。【０００９】  それぞれに静電容量の異なる複数のコンデンサの一つまたは複数を選択できる選択スイッチを介して選択された前記コンデンサと一つの抵抗が並列に接続され、前記並列接続されたコンデンサと抵抗にスイッチを直列に接続した回路をリチウムイオン電池の正負電極間に接続し、前記スイッチを閉じたときに模擬的なマイクロショートを発生し、前記選択スイッチの開閉の組合せによって放電量の異なるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置とすることもある。【００１０】  前記スイッチを閉じたときに前記リチウムイオン電池によって充電されるコンデンサを、前記スイッチを閉じる前に予め前記リチウムイオン電池電圧以下の電圧まで充電することで、放電量を可変できるリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置とすることもある。【００１１】  互いにベースとコレクタを接続してサイリスタ接続を構成した一組のＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタと、このサイリスタ接続をオンするスイッチを備え、前記ＰＮＰトランジスタのエミッタは前記リチウムイオン電池の正極に、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタはコンデンサを介して前記リチウムイオン電池の負極にそれぞれ接続され、前記スイッチによってサイリスタ接続を構成した一組のＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタが共にオンして前記リチウムイオン電池が前記コンデンサを充電するときの前記リチウムイオン電池の瞬間的な放電をリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートとする装置であり、前記ＰＮＰトランジスタのエミッタとベース間にはバイアス抵抗が接続され、前記サイリスタ接続をオンするスイッチの端子の一方は前記ＰＮＰトランジスタのベースに、他方は前記ＮＰＮトランジスタのベースにそれぞれ接続され、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタには抵抗を介して前記リチウムイオン電池の電圧を分圧した電圧が印加されるようにして前記コンデンサを前記リチウムイオン電池の放電に先立ち予め充電するように構成して、前記スイッチのチャッタリングが前記リチウムイオン電池の放電電流に影響を与えないことを特徴としたリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置とすることもある。【００１２】  前記サイリスタ接続をオンするスイッチに光電変換素子を採用し、前記光電変換素子を制御する信号経路と前記リチ��ムイオン電池の放電経路を電気的に絶縁したことを特徴としたリチウムイオン電池の模擬的なマイクロショートを発生できる装置とすることもある。
【発明の効果】
【００１３】  本発明は、リチウムイオン電池のマイクロショートによって発生する短時間の微小な短絡電流を、コンデンサに充電する電流によって模擬的に再現し、その放電量を任意に設定できるように構成しているので、リチウムイオン電池のマイクロショートを検出する装置を開発、製造する際の試験装置や校正装置に応用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００１４】  図１に示したのは、本発明の実施例の一つである。スイッチ４を閉じたときにリチウムイオン電池１がコンデンサ２を充電するときにリチウムイオン電池から放電される電流は、図５に示すように瞬間的に流れる。スイッチ４を閉じたときリチウムイオン電池１は、コンデンサ２で短絡された状態になり、その後コンデンサ２が充電されて行くに従って電流が低下していく。【００１５】  マイクロショートは、リチウムイオン電池内部の微細な混入物やリチウムイオンの過剰析出によって発生する瞬間的な電極間の短絡である。短絡による放電のエネルギーで電極間を短絡している異物は短時間でなくなるため、放電電流は瞬間的にしか流れない。従ってコンデンサによりリチウムイオン電池を短絡したときのリチウムイオン電池からの放電電流は、瞬間的な放電経路が形成されて発生するリチウムイオン電池内部の短絡電流と等価である。【００１６】  本発明は、この点に着目しリチウムイオン電池１の電極間を短絡するコンデンサ２と短絡を任意に行えるようにするためのスイッチ４と短絡によって充電されたコンデンサの電荷を放電するための抵抗４を備えることで、模擬的にリチウムイオン電池のマイクロショートを発生させることができるものである。【００１７】  図６は、図１の構成による放電回路をリチウムイオン電池の等価回路で示したもので、抵抗３の抵抗値は、リチウムイオン電池１の等価直列抵抗７に対して充分大きく、図１のスイッチ４が開いている間にコンデンサ２の電荷を充分放電できる程度とする。本発明人の具体的実施例で抵抗３は、１００ｋΩ〜１ＭΩ程度である。【００１８】  ここでリチウムイオン電池１の電圧をＥ［Ｖ］、等価直列抵抗７をｒ［Ω］、コンデンサ２の静電容量をＣ［Ｆ］とし、抵抗３は無視できるものとすればリチウムイオン電池１の放電電流ｉは、数式１で表される。
【数式１】
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リチウムイオン電池１の電極間をコンデンサ２で短絡した瞬間は、電池電圧Ｅはすべて等価直列抵抗７に印加され大きな電流が流れる。その後コンデンサ２が充電されると時間ｔと共にコンデンサ２の電圧が上昇し、これに伴って電流が低下していく。
【００１９】  時間ｔに対する電流ｉの変化は、時定数（等価直列抵抗ｒとコンデンサの静電容量Ｃの積）によって決定される。従ってコンデンサ２の静電容量を変えると放電電流の流れる時間すなわちリチウムイオン電池からの放電量を変えられる。これを応用したものが図２および図３に示した実施例である。
【００２０】  図２の実施例は、一つのリチウムイオン電池１にコンデンサ２と抵抗３およびスイッチ４で構成される放電回路を複数接続し、それぞれの放電回路でコンデンサ２は、異なる静電容量とする。複数あるスイッチ４から閉じるスイッチを選択することで異なる放電量の模擬的なマイクロショートを発生させることができる。
【００２１】  図３に示す実施例は、図２の実施例と機能は同じであるが、リチウムイオン電池１を短絡するスイッチ４と異なる静電容量の複数のコンデンサ２を選択するスイッチ５を分けていることに特徴がある。
【００２２】  実際のスイッチでは、接点どうしが接触するときにチャッタリングが発生し、放電のエネルギーの一部が微細な火花になって消化されてしまう。このような現象が発生すると、本来リチウムイオン電池からコンデンサに移動すべき電荷の一部をスイッチで消耗することになる。コンデンサの静電容量が大きいときは、移動する電荷の量も大きいため、スイッチでの消耗は無視できるが、静電容量が小さいくなるとこの誤差は非常に大きくなる。そのために短絡するスイッチとしては、チャッタリングのないウェットスイッチ（水銀リレー）等を採用することが望ましい。
【００２３】  しかし水銀リレー等は、形状が大きく高価である。そのため図２の実施例のように複数のコンデンサの切り替えと短絡を一種類のスイッチで兼ねるのは、装置を小型化できず、且つ高価なものになってしまう。図３に示す実施例では、この点を考慮し短絡するスイッチ４と選択するスイッチ５を分けている。短絡するスイッチ４にはチャッタリングのないウェットスイッチを採用し、選択するスイッチ５には安価で小型な機械接点等のスイッチを採用している。
【００２４】  実際のリチウムイオン電池において発生するマイクロショートの放電量は、非常に微小なものであり、これを本発明の実施例で模擬しようとすると、コンデンサの静電容量として０．１ｐＦ以下になってしまう。このような静電容量は、図４で示すスイッチや配線の浮遊容量８の影響が大きくなり実現が困難である。
【００２５】  そこで図４で示す実施例では、スイッチ４を閉じる前に予めコンデンサ２と浮遊容量８をＶｏ［Ｖ］まで充電しておくことでリチウムイオン電池１の放電量を少なくできる。数式２で示すように図４の場合の放電電流は、電池電圧と予め充電したコンデンサ２の電圧との差に比例するので、コンデンサ２と浮遊容量８による静電容量の和Ｃを一定にしても、充電電圧Ｖｏ［Ｖ］を可変することで放電電流を可変できる。
【数式２】
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【００２６】  図４の実施例では、予めコンデンサ２を充電する回路として分圧抵抗６で電池電圧を分圧した電圧をコンデンサ２に加えているが、本発明の主旨はリチウムイオン電池１からコンデンサ２への放電電流量を変えるために予めコンデンサ２を充電するものであり、コンデンサ２を充電する回路は、ここに示した例に限られるものではない。
【００２７】  予めコンデンサを充電する方法は、スイッチ４として半導体スイッチを採用する場合にも有効である。図７では、半導体スイッチをスイッチ４と浮遊容量８で等価的に表している。半導体スイッチとして使用されるトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴ等は、入出力間の帰還容量やスイッチ間の出力容量を含んでいる。図７ではこれらを総合してスイッチ間に存在する浮遊容量８としている。
【００２８】  半導体スイッチの浮遊容量８は、使用される半導体の種類によって様々であるが、スイッチ用ＭＯＳ−ＦＥＴの一例として浮遊容量Ｃｓ＝１０００ｐＦとし、コンデンサ２をＣ＝１０ｐＦとしたとき、図７で分圧抵抗６がなかった場合、スイッチが開いている状態でスイッチ端子間の電圧Ｖｓとコンデンサ２の電圧Ｖｏは、数式３で表されるように各静電容量に反比例するため、半導体スイッチ間の電圧はコンデンサ２の電圧の１／１００となり、スイッチが開いていても電池電圧のほとんどがコンデンサ２に印加された状態になってしまい、スイッチ４を閉じてもリチウムイオン電池１からコンデンサ２への放電は大変少なくなってしまう。
【数式３】
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【００２９】  分圧抵抗６によって半導体スイッチの浮遊容量に予め電池電圧に近い電圧で充電しておくと、半導体スイッチ４を閉じたときに浮遊容量８に充電されていた電荷は、スイッチで放電され、同時に前述のようにリチウムイオン電池１の電圧Ｅとコンデンサ２の電圧Ｖｏの差に比例した放電も行われる。
【００３０】  このようにコンデンサ２を予め充電する方法は、スイッチの浮遊容量８の影響を無くすことができ、かつ任意の放電量が得られるため、マイクロショート検出装置等の校正装置として精度の良いものを提供するために大変有効な手段である。
【００３１】  図８で半導体スイッチを用いた本発明の実施例を説明する。この実施例でスイッチとして動作するのは、サイリスタ接続された一組のＮＰＮトランジスタ９とＰＮＰトランジスタ１０である。トランジスタをサイリスタ接続することで機械的なスイッチ４のチャッタリングの影響を無くしているのが特徴である。
【００３２】  スイッチ４が開いているときバイアス抵抗１１によりＰＮＰトランジスタ１０はオフ状態であり、且つＮＰＮトランジスタ９もベース電流は流れないのでオフ状態に維持される。スイッチ４が閉じたときバイアス抵抗１１によりＮＰＮトランジスタ９のベース電流が流れるのでＮＰＮトランジスタ９がオンし、これにより同時にＰＮＰトランジスタ１０もオンしてリチウムイオン電池１からコンデンサ２への放電が行われる。
【００３３】  サイリスタ接続されたＮＰＮトランジスタ９とＰＮＰトランジスタ１０は、スイッチ４が一度閉じるとスイッチ４が開いた後もオン状態を維持し続けるので、スイッチ４のチャッタリングの影響を無くすことができる。コンデンサ２がおよそリチウムイオン電池１の電圧まで充電されるとＮＰＮトランジスタ９とＰＮＰトランジスタ１０はオフ状態に移行し、その後は再びスイッチ４が閉じられるまでオフ状態を維持する。
【００３４】  更に図９に示す実施例では、前記半導体スイッチを用いた実施例のスイッチ４を光電変換素子１２にすることでリモートコントロールによる模擬的なマイクロショート発生を可能にしている。図９の光電変換素子１２は、フォトカプラであり、外部よりＬＥＤをオンする信号を加えると図８のスイッチ４が閉じたときと同じように動作する。光電変換素子１２としてはその他フォトＭＯＳスイッチなどが利用できる。
【００３５】  リチウムイオン電池１とＮＰＮトランジスタ９、ＰＮＰトランジスタ１０、コンデンサ２で構成される電流ループには、マイクロショートにより瞬時的に非常に微小な電流が流れる。従って外部からのノイズの影響を少なくしてマイクロショートを精密に再現するためには、上記電流ループの経路は可能な限り小さく作らなければならない。スイッチとして光電変換素子を採用することで、リモートコントロールの信号と上記電流ループの経路を電気的に絶縁できるのでノイズの混入を無くすことができる。
【００３６】  このように本発明の模擬的なマイクロショートを発生する装置に半導体スイッチを用いると、外部信号によるリモートコントロールが可能になり、機械式スイッチのチャッタリングの影響を無くすことができるので、より精密なマイクロショートの試験を自動的に行うことを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】  本発明の構成
【図２】  マイクロショートの放電量を切り替える本発明の実施例１
【図３】  マイクロショートの放電量を切り替える本発明の実施例２
【図４】  マイクロショートの放電量を可変する本発明の実施例
【図５】  放電電流波形
【図６】  放電時の等価回路
【図７】  半導体スイッチの浮遊容量を考慮した実施例
【図８】  半導体スイッチを採用した実施例
【図９】  光電変換によるリモートコントロール機能を備えた実施例
【符号の説明】
【００３８】      １  リチウムイオン電池
２  コンデンサ
３  抵抗
４  スイッチ
５  選択スイッチ
６  分圧抵抗
７  等価直列抵抗
８  浮遊容量
９  ＮＰＮトランジスタ
１０  ＰＮＰトランジスタ
１１  バイアス抵抗
１２  光電変換素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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