(57)【要約】【課題】例えば蓄電デバイスに外乱が加わり、蓄電デバイス自体の温度が急上昇した場合においても、蓄電デバイス内部の圧力を正確に測定可能な蓄電デバイスの圧力測定装置等を提供する。【解決手段】一端が蓄電デバイスに内部圧力が測定可能に接続された配管(２)と、前記配管の他端に接続されて前記蓄電デバイス内部の圧力を検出する圧力検出部(３)と、前記圧力検出部を含む前記配管を加熱または冷却して温度管理を行う温度管理部(４、５)と、を備えた。【選択図】図１
2013205044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が蓄電デバイスに内部圧力が測定可能に接続された配管と、
前記配管の他端に接続されて前記蓄電デバイス内部の圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部を含む前記配管を加熱または冷却して温度管理を行う温度管理部と、
を備えたことを特徴とする蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項２】
前記配管の前記蓄電デバイス近傍に設けられた冷却機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項３】
前記蓄電デバイス及び前記配管の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された温度と前記圧力検出部により検出された圧力から発生ガスを定量化する測定制御装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項４】
前記蓄電デバイスと前記圧力検出部の間の前記配管に挿入された開閉バルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項５】
前記蓄電デバイス及び前記配管の温度を検出する温度検出部と、
前記蓄電デバイスと前記圧力検出部の間の前記配管に挿入された開閉バルブと、
前記開閉バルブを間欠的に開閉して前記温度検出部と前記圧力検出部により前記蓄電デバイスの圧力と温度を測定する測定制御装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項６】
前記配管の取り付け位置が、前記蓄電デバイスのガス放出弁であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項７】
前記蓄電デバイスの電圧を検出する電圧検出部と、温度を検出する温度検出部と、前記圧力検出部の圧力と前記電圧検出部の電圧と前記温度検出部の温度から前記蓄電デバイスの状態を測定する測定制御装置と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの圧力測定装置。
【請求項８】
配管の一端を蓄電デバイスの内部圧力が測定可能なように接続し、他端に前記蓄電デバイス内部の圧力を検出する圧力検出部を接続し、前記圧力検出部を含む前記配管を加熱または冷却して温度管理を行いながら前記蓄電デバイスの圧力測定を行う蓄電デバイスの圧力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蓄電デバイス内部の圧力を測定する装置及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蓄電デバイスの代表として挙げられるリチウム二次電池は、携帯機器のみならず、ＥＶ(電気自動車)や家庭用蓄電池等の大型電源として近年急激に普及している。このリチウム二次電池は、正極活物質にリチウム金属酸化物を、負極活物質にカーボンを、電解液には有機溶媒とリチウム塩からなり、正極活物質と負極活物質の間をリチウムイオンが可逆的にインターカレート−デインターカレートすることにより充放電が行われている。このリチウム二次電池は通常の可逆的な充放電においてはほとんどガスが発生しないが、過充電、過放電や過熱により、電解液が電極表面で分解し、反応生成物としてのガスが発生する。また、電池が過度に劣化すると同様にガスが発生する場合がある。このように電池内におけるガスの発生は電池において発生した事象を解析するための有効な情報であり、ガスが発生した際に電池の内圧を測定してガスの発生量を知ることは、電池内部での反応の解析を進める上で非常に有効である。
【０００３】
このため、蓄電池に直接圧力センサを取り付け、充放電時の圧力変化や電池製造時の圧力管理を行っている例がある(例えば下記特許文献１及び２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２０８４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０２９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の蓄電デバイスの圧力測定装置にあっては、圧力測定部が蓄電デバイスに直接若しくは蓄電デバイスのごく近傍に設置されているため、蓄電デバイスが過渡的な状態になり、温度が急激に上昇した際には、圧力センサの温度自体も高温になり機能しなくなってしまう、若しくは蓄電デバイスの正確な圧力を測定することができなかった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、例えば蓄電デバイスに外乱が加わり、蓄電デバイス自体の温度が急上昇した場合においても、蓄電デバイス内部の圧力を正確に測定可能な蓄電デバイスの圧力測定装置等を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、一端が蓄電デバイスに内部圧力が測定可能に接続された配管と、前記配管の他端に接続されて前記蓄電デバイス内部の圧力を検出する圧力検出部と、前記圧力検出部を含む前記配管を加熱または冷却して温度管理を行う温度管理部と、を備えたことを特徴とする蓄電デバイスの圧力測定装置等にある。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、上記の構成としたことにより、蓄電デバイスの温度が急上昇した際においても、圧力検出部の温度が一定であるため、蓄電デバイスの内部温度によらず正確な圧力計側が行える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明による蓄電デバイスの圧力測定装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２による蓄電デバイスの圧力測定装置に特に係る部分の具体的な構成を示した図である。
【図３】この発明による蓄電デバイスの圧力測定装置の変形例を説明するための部分構成図である。
【図４】この発明による蓄電デバイスの圧力測定装置の別の変形例を説明するための部分構成図である。
【図５】実施例１における温度、電圧、圧力を説明するための図である。
【図６】比較例１における温度、電圧、圧力を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この発明では、例えば蓄電デバイスに外乱が加わり、蓄電デバイス自体の温度が急上昇した場合においても、蓄電デバイス内部の圧力を正確に測定し、蓄電デバイス内部で発生した事象の解析が行える。
【００１１】
以下、この発明による蓄電デバイスの圧力測定装置及びその方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明による蓄電デバイスの圧力測定装置の構成図である。１は蓄電デバイス、２は配管、３ａは圧力検出部３を構成する圧力検出器、４はヒータ４ａａと放熱フィン４ａｂを含む加温・冷却機構４ａ、および加温・冷却機構４ａの温度管理をする温度管理器４ｂを含む温度管理部、５は蓄電デバイス１および配管２の温度をそれぞれ検出する温度センサ５ａ，５ｂおよび温度センサ５ａ，５ｂからの信号を受ける温度検出器５ｃを含む温度検出部、６は配管２に挿入された開閉バルブ、７は蓄電デバイス１の電圧を検出する電圧検出部を構成する電圧検出器、１００は圧力検出器３ａ、温度センサ５ａ、電圧検出器７等からの信号を受けて圧力、温度、電圧の測定、これらに基づく種々の解析を行うと共に温度管理器４ｂ、各開閉バルブ６、ガズ流量調整弁２０(図４参照)等の測定動作制御を行う測定制御装置である。
【００１３】
以下、この発明の実施の形態１の蓄電デバイスの圧力測定装置について説明する。配管２は一端が蓄電デバイス１に蓄電デバイス内部の圧力検出が可能なように接続され、他端が圧力センサ、圧力ゲージなどで圧力を測定し、測定した圧力を電気信号に変換して出力する圧力検出部の、上記圧力センサ、圧力ゲージ等からなる圧力検出器３ａが接続されている。配管２は一般的なＳＵＳ(ステインレス鋼)や銅製の配管で、フレキシブルチューブのように自由度のあるものでもよい。
【００１４】
圧力検出器３ａは加温・冷却機構４ａ、温度管理器４ｂを含む温度管理部４により一定温度に保持されている。加温・冷却機構４ａは温度管理器４ｂにより圧力検出器３ａが一定温度になるように制御されている。即ち、蓄電デバイス１の温度が低い場合には、加温・冷却機構４ａで圧力検出器３ａの加熱を行い、また、蓄電デバイス１の温度が高い場合には加温・冷却機構４ａで圧力検出器３ａの冷却をおこなう。
【００１５】
なお、加温・冷却機構４ａとしては例えばヒータと、放熱フィンと冷却用ファン、又は螺旋配管に水等の比熱の高い液体を還流させたものからなり、温度管理器４ｂはその温度管理する制御を行う。
【００１６】
この構成により、蓄電デバイス１の温度が急上昇した際においても、圧力検出器３ａの温度がコントロールされているため圧力検出器３ａの機能を損なうことなく蓄電デバイス１の正確な圧力が計測できる。
【００１７】
なおこの場合、例えば後述する温度検出部の配管２の温度を検出する温度センサ５ｂからの信号を温度検出器５ｃを介して測定制御装置１００に入力して、測定制御装置１００が温度管理器４ｂに制御信号を送ってフィードバック制御を行う。
【００１８】
実施の形態２．
図２は図１のうち、この発明の実施の形態２による蓄電デバイスの圧力測定装置に特に係る部分の具体的な構成を示した図である。図２において、蓄電デバイス１近傍の配管２には加温・冷却機構４ａを構成する放熱フィン(冷却機構)４ａｂが設けられている。この放熱フィン４ａｂにより配管２を冷却して蓄電デバイス１で発生した熱が圧力センサ、圧力ゲージ等からなる圧力検出器３ａに伝わることを防ぎ、圧力検出器３ａの損傷を防いでいる。そして蓄電デバイス１の温度が急上昇した場合でも、蓄電デバイス１の正確な圧力が計測できる。圧力検出器３ａはＡ／Ｄ変換器３ｂ、さらには測定制御装置１００に接続される。
なお、圧力検出器３ａとＡ／Ｄ変換器３ｂで圧力検出部を構成する。
【００１９】
放熱フィン４ａｂは図２では薄板状の形状であるが、円盤状、スパイラル状のフィンでもよく、ヒートシンクの役割を果たせばどのような形状でもよい。また、放熱フィンにファン(図示省略)等で風を送って、冷却効果を高めることが可能である(共に冷却機構を構成する)。配管２は蓄電デバイス１の外装缶に開けた開口部にネジ式に固定された接続プラグ１ａにより接続されている。接続プラグ１ａの両側(蓄電デバイス１側と配管２側)にはネジが形成されている。配管２との接続には継ぎ手１ｂが使用されていて、この継ぎ手１ｂはユニオン継ぎ手やフェルール継ぎ手等接続がしやすく、気密性が保てるものが適している。配管２はＳＵＳやテフロン（登録商標）などの材質で、耐腐食性、高温耐性の高いものが好ましい。配管２を長くする場合には、フレキシブルチューブを用いることができる。
【００２０】
また、接続プラグ１ａと蓄電デバイス１の外装缶の間にリング状のシール材が固着されていると、蓄電デバイス１の内圧が急上昇した場合でも発生ガスが漏洩することなく配管２に運ばれる。シール材はテフロン（登録商標）やメタル製の耐熱性、耐腐食性の高いガスケットが適しており、これによって気密性が高まる。蓄電デバイス１の外装缶と接続プラグ１ａの接続後に接着剤もしくはシール材を塗布することにより、機密性をあげることも可能である。
【００２１】
配管２の蓄電デバイス１と反対側の先には圧力検出器３ａが接続されており、圧力検出器３ａから、測定した圧力をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換器３ｂを通じて出力された信号は、例えばパーソナルコンピュータ(ＰＣ)からなる測定制御装置１００でデータ処理される。圧力検出器３ａ近傍の配管２には加温・冷却機構４ａを構成する例えばヒータ４ａａが巻かれ(加温機構)、温度管理器４ｂで温度管理されている。配管２の温度が低い場合、発生ガスの一部が固化して配管２内壁に付着することがあり、これを防ぐために配管２が加温されている。
【００２２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３による蓄電デバイスの圧力測定装置では、図１に示すように蓄電デバイス１及び配管２には温度センサ５ａ，５ｂが取り付けられており、温度センサ５ａ，５ｂと、これらの測定した値を入力する温度検出器５ｃで温度検出部５を構成している。測定制御装置１００は圧力検出器３ａで測定した圧力、及び温度検出部５で測定した温度の値から、発生ガス量を演算する(発生ガスの定量化)。これにより、蓄電デバイス１と配管２に含まれたガスの平均温度及び測定圧力から発生ガスの圧力を正確に求めることができる
【００２３】
また図３に示すように、配管２の圧力検出器３ａの近傍に開閉可能な開閉バルブ６を挿入し、例えば測定制御装置１００の制御により、開閉バルブ６を閉じて開閉バルブ６の出力側に接続されている圧力検出器３ａを切り離し、代わりにガス捕集容器８を接続することにより、ガスをガス捕集容器８内に採集することができる。この開閉バルブ６はボールバルブ、バタフライバルブ等のバルブが適する。ガス捕集容器８はアルミラミネート製、ポリエチレンやポリプロピレン製の容器、ポリビニール製等発生ガスを収集し、密封できるものであればどのような形状でもよい。
【００２４】
また、開閉バルブ６の出力側にコネクタ１０を接続して、圧力検出器３ａ、ガス捕集容器８を該コネクタ１０に取り換えながら接続してもよい。さらに図４に示すようにコネクタは複数方向に分岐している分岐コネクタ１０ａでもよい。分岐コネクタ１０ａの場合、分岐後の各々の配管に開閉バルブ６を取り付けることにより、目的に応じてガスの流れる方向を切り替えることができる。また、ガス捕集容器８の代わりに直接、ガス分析装置１１を接続することにより、ガスの成分を分析することができる。この場合は、開閉バルブ６とガス分析装置１１の間に、ニードル弁等のガス流量調整弁２０を接続することが好ましい。これによって、一定量のガスをガス分析装置１１に送ることが可能である。また、例えば測定制御装置１００などでの制御により、開閉バルブ６を一定間隔で開閉し、開いた時の圧力変化ΔＰを測定すれば、初期に比べてどの程度変化したかを定量化することが可能である。
【００２５】
例えば測定制御装置１００の制御により、開閉バルブ６を間欠的に開閉して測定した蓄電デバイス１の内圧と蓄電デバイス１の温度から蓄電デバイス１内部で発生した事象を解析することができる。
また、開閉バルブ６を間欠的に開閉して測定した内圧と蓄電デバイス１の温度から発生ガスを定量化することができる。
【００２６】
さらに、図１に示したように電圧検出器７、温度検出器５ｃにより蓄電デバイス１の圧力測定時に、電圧、温度のデータを同時に測定することによって、測定制御装置１００で蓄電デバイス１の圧力、電圧、温度の変化を解析して圧力が変化した原因を特定することができる。これによって蓄電デバイス１の内部状態をより正確に把握することが可能である。
【００２７】
また、蓄電デバイス１での配管２の取り付け場所を接続プラグ１ａに代えてガス放出弁２０とすることで、ガス放出弁２０の作動圧力以上の圧力になってもガス放出弁２０からガスが噴出することがないため、より高い圧力まで圧力を測定することが可能である。
【００２８】
実施例１．
露点−８０℃のアルゴンドライボックスに、電圧３．０Ｖの市販リチウムイオン電池(１)(容量３０Ａｈ)を入れ、この電池(１)の側面をマイクログラインダーで直径１２ｍｍの円形に開口した。その後、開口部に内径１２ｍｍ、外径１８ｍｍのガスケットを重ね、外径１２ｍｍの接続プラグ(１ａ)を接続し、この接続プラグ(１ａ)に配管(２)、及び圧力センサ(３ａ)、開閉バルブ(６)を予め接続した継ぎ手(コネクタ)(８)を接続した。配管(２)、圧力センサ(３ａ)、及び開閉バルブ(６)は各々真空ボックスで真空引きした後にアルゴンドライボックス内に入れて接続しておいた。
【００２９】
この電池(１)を大気中に取り出し、圧力センサ(３ａ)と表示計(１００)を接続した。蓄電デバイス(１)に電圧計測用のケーブル(電圧検出器７)を接続し、温度検出用の熱電対(温度センサ５ａ，５ｂ)を貼付した。蓄電デバイス(１)近傍の配管には放熱フィン(４ａｂ)を取り付け、圧力センサ(３ａ)付近の配管(２)にはテープヒータ(４ａａ)を巻き、その外側を断熱材で覆った。このヒータ(４ａａ)の出力を温度管理器(４ｂ)で４０℃になるように調整した。充電状態の蓄電デバイス(１)に別のテープヒータを巻きつけ、このテープヒータを７℃／ｍｉｎの昇温速度で２００℃まで昇温した。この時の電圧(Ｖ)、温度(Ｔ)及び圧力(Ｐ)の関係を図５に示す。温度の上昇に従って電解液溶媒の揮発や電極表面における電解液の分解により徐々に内圧(Ｐ)が上昇し、電圧(Ｖ)降下に伴い蓄電デバイス内部に過大な電流が流れ、温度(Ｔ)が上昇しまた電解液の分解により急激に内圧(Ｐ)が増加し、ある一定圧力に到達すると、ガス放出弁(２０)が作動してガスが放出され、内圧が急激に低下している。
【００３０】
比較例１．
上記実施例１において、配管(２)を用いずに、圧力センサ(３ａ)を直接接続プラグ(１ａ)に取り付けたこと以外は全て、上記実施例１と同様にした時の電圧(Ｖ)、温度(Ｔ)及び圧力(Ｐ)の関係を図６に示す。図５の配管(２)を用いた場合と比較すると、圧力(Ｐ)が高く計測され、電圧(Ｖ)降下時の急激な圧力(Ｐ)増加により圧力センサ(３ａ)の測定限界を超えたため、測定不能となった。
【００３１】
以上の結果より、実施例１に示したように圧力測定部(３)を蓄電デバイス(１)から離れた位置に設置し、配管(２)の温度をコントロールすることにより正確な圧力(Ｐ)が測定できる。
【符号の説明】
【００３２】
１  蓄電デバイス、１ａ  接続プラグ、１ｂ  継ぎ手、２  配管、３  圧力検出部、３ａ  圧力検出器、３ｂ  Ａ／Ｄ変換器、４  温度管理部、４ａ  加温・冷却機構、４ａａ  ヒータ、４ａｂ  放熱フィン、４ｂ  温度管理器、５  温度検出部、５ａ，５ｂ  温度センサ、５ｃ  温度検出器、６  開閉バルブ、７  電圧検出器、８  ガス捕集容器、１０  コネクタ、１０ａ  分岐コネクタ、１１  ガス分析装置、１２  ガス流量調整弁、２０  ガス放出弁、１００  測定制御装置。
【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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