(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極層を有する試験電池に対して釘刺し試験により強制的に内部短絡を発生させたときに電池状態から電池の安全性評価を行うための所定の層数の短絡を検出する短絡試験装置であって、
前記試験電池の表面から前記試験電池の内部に挿入される金属端部と前記試験電池とを相対的に移動させる駆動部と、
前記試験電池の正負極間の電圧値を取得する電圧値取得部と、
前記電圧値取得部が取得した電圧値に応じて前記金属端部による電極層同士の内部短絡が起きたか否かを判定する判定部と、を有し、
前記駆動部は前記判定部が前記内部短絡が起きたと判定した際に前記金属端部と前記試験電池との相対的な移動を停止させ、
前記判定部は、前記電圧値取得部からの電圧値の移動平均値及び電圧値の瞬時測定値を取得し、前記移動平均値及び前記瞬時測定値の差分が閾値以上に達した際に前記電極層同士の内部短絡が発生したと判定することを特徴とする短絡試験装置。
【請求項２】
複数の電極層を有する試験電池に対して釘刺し試験により強制的に内部短絡を発生させたときに電池状態から電池の安全性評価を行うための所定の層数の短絡を検出する短絡試験装置であって、
前記試験電池の表面から前記試験電池の内部に挿入される金属端部と前記試験電池とを相対的に移動させる駆動部と、
前記試験電池の正負極間の電圧値を取得する電圧値取得部と、
前記電圧値取得部が取得した電圧値に応じて前記金属端部による電極層同士の内部短絡が起きたか否かを判定する判定部と、を有し、
前記駆動部は前記判定部が前記内部短絡が起きたと判定した際に前記金属端部と前記試験電池との相対的な移動を停止させ、
前記電圧値取得部は、所定のサンプリング周期で前記試験電池の正負極間の電圧値を取得し、前記判定部は、前記電圧値の第１数のサンプルの平均値である第１平均値及び前記第１数よりも多い第２数のサンプルの平均値である第２平均値を取得し、前記判定部は、前記第１平均値と第２平均値との差分が閾値以上に達した際に前記電極層同士の内部短絡が発生したと判定することを特徴とする短絡試験装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記判定を示す信号を前記駆動部へ送る固体リレーを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の短絡試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電極層を有する試験電池に対して釘刺し試験により強制的に内部短絡を発生させたときに電池状態から電池の安全性評価を行う短絡試験装置に関し、特に、電極層の所定の層数の短絡を検出できる短絡試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池等の二次電池の高容量化が進み、二次電池を使用した製品が、一般の生活に身近になってきている。しかしながら、高エネルギーになるにつれ、二次電池の不具合時における破裂、発火等の現象が起きている。二次電池の内部短絡試験を評価する方法としてはＪＩＳＣ−８７１４に規定されている。当該方法では、二次電池を分解し、ニッケル小片を入れる必要があり、試験の再現性に難があり、二次電池の製作上の不具合や外的要因において、現状の方法では試験作業が煩雑であり、安定した試験が困難である。
【０００３】
そこで、二次電池の内部短絡試験を評価するために最近では釘刺し試験方法が一般的に用いられている。例えば、特許文献１においては、釘刺し試験方法としては、加圧部からの加圧により釘刺し又は、圧壊された試験二次電池の内部短絡を短絡検出部により検出し、短絡検出に応じて加圧制御部により加圧部の動作を停止させ、電池情報検出部により電池温度等の電池情報を収集記録する方法が開示されている。この方法は、電極層の最外周の３層程度の微小な領域において内部短絡を起こさせ、その後の熱暴走に至るか否か等を再現する評価技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２７６１６号公報（特許４４０８０５８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の試験方法等の従来技術においては、計測器のノイズ量が大きく、数ｍＶ変化の検出が難しい、計測器からの停止信号と連携して停止する装置がない、試験装置の動作速度が速く、停止信号を受け取って、停止させてもその場で停止しない等の電極層の一対の単層レベルの微小な短絡条件を再現させることが難しいという課題があった。
【０００６】
二次電池の短絡試験方法として微小な領域で短絡状態を起こし、それを起点として発熱あるいは発火の発生の有無を評価することで安全性を確認する試験装置が検討されている。そのためには複数の電極層が積層された二次電池において、微小な領域の電極層の一対の単層のみを短絡させる技術が必要とされている。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、試験電池の電極層の所定の層数の短絡を再現よく実現できる短絡試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の短絡試験装置は、複数の電極層を有する試験電池に対して釘刺し試験により強制的に内部短絡を発生させたときに電池状態から電池の安全性評価を行うための所定の層数の短絡を検出する短絡試験装置であって、前記試験電池の表面から前記試験電池の内部に挿入される金属端部と前記試験電池とを相対的に移動させる駆動部と、前記試験電池の正負極間の電圧値を取得する電圧値取得部と、前記電圧値取得部が取得した電圧値に応じて前記金属端部による電極層同士の内部短絡が起きたか否かを判定する判定部と、を有し、前記駆動部は前記判定部が前記内部短絡が起きたと判定した際に前記金属端部と前記試験電池との相対的な移動を停止させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試験電池の電極層の所定の層数の短絡を再現よく実現でき、各種の電池パック（又は単電池）の内部短絡試験を正確に行うことができる短絡試験装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係る短絡試験装置の構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係る短絡試験装置の電圧検出部の構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に係る短絡試験装置による短絡試験における経過時間に対する試験電池の電池電圧の変化の一部を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の代表的な実施例の短絡試験装置を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。本実施例は本発明の一例であって、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本実施例の短絡試験装置１０のブロック図を示す。本実施例の短絡試験装置１０は、金属端部１１を試験電池１２に挿入する駆動部２０と、試験電池１２の正負極層１２ａ、１２ｂ間の電圧を検出する電圧検出部３０と、駆動部２０及び電圧検出部３０を制御する主制御部４０と、を有する。主制御部４０は、使用者の操作により駆動部２０を操作する機能を備えている。主制御部４０としては、図示しないが、キーボード等の入出力装置や、ＵＳＢ（Universal Serial Bus)やLAN(Local Area Network）等の接続部を含み、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶部とを備え、記憶部に格納されたプログラムに従い、ＣＰＵがＲＡＭを一次記憶用ワークメモリとして利用するパーソナルコンピュータ等を用いることができる。
【００１３】
図１には、金属端部１１が試験電池１２の側面に押圧される直前の様子が示されている。なお、本実施例の短絡試験装置１０では、短絡させる正極と負極の電極層表面を露出させることなく、電池パックから分解して取り出された単電池をそのまま内部短絡の評価に用いることができる。
【００１４】
本実施例の短絡試験装置１０では、試験電池１２に金属端部１１を押し込む際に、電池電圧を測定して、金属端部１１による内部短絡に起因した電池電圧が所定の閾値以上低下したときに、内部短絡の発生を電圧検出部３０に判断させ、略同時に装置を制止させる。
【００１５】
［試験電池１２］
内部短絡試験の被検対象の試験電池１２には、例えば、捲回型電極層や積層型電極層を有する二次電池（図示せず）がある。捲回型電極層電池の場合、捲回型電極層は、円筒型であってもよいし、角型池に含まれるような断面が略楕円形の柱状体（捲回型かつ角型電極層）であってもよい。円筒型電極層電池の場合において、押圧位置は、例えば、捲回軸に平行な側面上とする。積層型電極層電池の場合において、押圧位置は、例えば、積層方向に垂直な側面上とする。
【００１６】
［駆動部］
駆動部２０は、試験電池１２を支持するための治具２１と、金属端部１１を先端に設けたロッド状の挿入部材１１ａをその長手方向に駆動する駆動機構部２２と、駆動機構部２２を制御する駆動制御部２３とを備える。
【００１７】
駆動機構部２２は、例えば、駆動機構部２２で制御されるモータＭ（サーボモータ又はステッピングモータ）と、これに結合した減速機構付きの円筒ウォーム及びウォームラック式の挿入部材１１ａを備える駆動機構とが採用できる。モータＭには位置計測信号を生成するセンサＳが取付られている。センサＳは、例えば光学式エンコーダ等であり、金属端部１１先端の移動距離に対応するモータの回転角度位置を検出して、当該先端の移動距離を表す位置計測信号を電圧検出部３０へ出力する。
【００１８】
駆動機構部２２は、治具２１と共に支持体（図示せず）により支持されている。駆動機構部２２は、挿入部材１１ａを長手方向（矢印Ａの方向）に試験電池１２へ向け、試験電池１２の捲回軸に対して垂直な直径方向に平行となるように、移動させることにより金属端部１１の先端を試験電池１２に挿入させる。すなわち、駆動部２０は、金属端部１１を試験電池１２に対し相対的に移動させ試験電池１２に押し込む。
【００１９】
金属端部１１の材質としては、例えば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼のような金属材料を用いる。金属端部１１の試験電池１２に接触する先端部分は、鋭利な突起状又は鋭利な釘先状である。金属端部１１の駆動する矢印Ａの方向に垂直な断面における形状は、例えば、円形、楕円形又は矩形であってもよい。このような金属端部１１を、試験電池１２に挿入させることにより、金属端部１１の先端近傍に存在する正極層と負極層とを確実に短絡させることができる。すなわち、金属端部１１は、正極層と負極層とを直接接触させ短絡させてもよいし、電極層穿孔した金属端部１１を介して、正極層と負極層とを短絡させてもよい。
【００２０】
駆動制御部２３は、駆動機構部２２を介して、金属端部１１を試験電池１２に押し込むときの速度を１μｍ／秒〜１００μｍ／秒とすることが好ましい。このような条件で金属端部１１を試験電池１２に押し込むことにより、試験電池１２の短絡を精度よく有効に発生させることが可能となる。
【００２１】
［電圧検出部３０］
図２は、本実施例に係る短絡試験装置の電圧検出部の構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【００２２】
電圧検出部３０は、試験電池１２の正負極間の電圧値を取得する電圧値取得部としてのＡＤ変換器（アナログ−デジタル−コンバータ：ＡＤＣ）３１と、ＡＤ変換器３１が取得したデジタル電圧値に応じて金属端部１１による内部短絡が起きたか否かを判定する判定部３２と、停止信号出力部３３とを有する。判定部３２は、その判定に応じて停止信号出力部３３を介して停止信号ＳＴＳを駆動機構部２２へ送り、その金属端部１１の移動を停止させる。
【００２３】
［ＡＤ変換器３１］
アナログデータ入力部（電池電圧）のＡＤ変換器３１は、試験電池１２より出力されるアナログ電圧変化を取得して変換し、デジタル電池電圧値を判定部３２に渡す。測定対象の試験電池１２の電池電圧のノイズレベルは±０．１ｍＶ水準で存在する（例えば、電池電圧４Ｖに対して±２５ｐｐｍに相当する）。そこで、ＡＤ変換器３１としては、従来では１６ビットＡＤＣ（分解能１５ｐｐｍ）が一般的であったが、今回は１７ビットより高い分解能を有するＡＤＣ、例えばΔΣ型１８ビットＡＤＣ（分解能４ｐｐｍ）を用いて電圧測定の精度を向上させて、システムとして４０μＶ分解能を確保している。
【００２４】
［判定部３２］
ＡＤ変換器３１で測定された電圧値を受ける判定部３２は、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）によって構成される。
【００２５】
一般的にＦＰＧＡは、種々の回路機能を実現可能なプログラマブル論理ＬＳＩ（Large Scale Integration）である。ＦＰＧＡは、ハードウェアの構成要素として、多数の論理ユニット、規格の変更が可能な入出力部、及び内蔵メモリ等を含む。各論理ユニットは、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）で構成されたルックアップテーブルを内蔵し、ルックアップテーブルに書込まれた情報に基づいて複数の入力信号に応じた１又は複数の出力信号を出力する組合わせ論理回路として機能する。内蔵メモリは、ＳＲＡＭで構成され、入出力データ等を一時的に記憶するバッファ等として利用される。上記の各構成要素を接続するためにメッシュ状に配線が設けられており、配線の交差部には接続を切替えるためのスイッチマトリクスが設けられている。
【００２６】
ＦＰＧＡの判定部３２の機能は、予め又は起動時に主制御部４０からプログラムがＦＰＧＡ内部のＳＲＡＭにロードされることによって実現される。当該判定部機能は、ＡＤ変換器３１から取得した電圧値を基準値と比較して、内部短絡が発生したか否かを判断し、内部短絡が発生したと判断された場合には、停止信号出力部３３を介して駆動制御部２３に停止信号ＳＴＳを送信させる。これにより、駆動制御部２３は、駆動機構部２２を制御して、金属端部１１をその位置に停止させる。このようして、金属端部１１の試験電池１２への押圧すなわち内部短絡を即時停止させる。
【００２７】
具体的に、判定部３２は、校正回路３２１と、瞬時測定値生成部３２２と、基準値生成部３２３と、減算器３２４と、比較器３２５と、パルス幅延長回路３２６と、を備える。
【００２８】
［校正回路３２１］
校正回路３２１は、ＡＤ変換器３１より出力される電圧値を校正（キャリブレーション）し、出力を瞬時測定値生成部３２２に渡す。分解能１８ビットＡＤＣのＡＤ変換器３１を使用したからといって、システム精度が１８ビットになるとは限らず、ＡＤ変換器３１の精度は、オフセット誤差、利得誤差、リファレンス電圧の精度、温度ドリフト等のいくつかの重要な仕様に依存する。オフセット及び利得誤差を校正（キャリブレーション）するために、例えば、校正回路３２１にデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用できる。
【００２９】
［瞬時測定値生成部３２２］
瞬時測定値生成部３２２は、校正回路３２１から出力される電圧値に基づき移動平均を行い、結果出力を瞬時の電圧測定値として基準値生成部３２３と減算器３２４に渡す。ここで瞬時測定値は、電池電圧の揺らぎ等を抑制するために６５個のサンプル電圧値を移動平均で平均化している。瞬時測定値生成部３２２の電圧値は急速な変動を反映する瞬時測定値である。６５個のサンプル電圧値を移動平均で平均化により、数百μＶのゆらぎ幅の電圧変化が得られる。
【００３０】
移動平均は、変動の激しい時系列データの変動傾向を検知する時に使用され、時系列データ例えばＮ個のサンプル電圧値の平均を順次取っていく。ｎ時刻（サンプリングのタイミング）の電圧値をＳ［ｎ］と表し、移動平均値をＡ［ｎ］と表すとして、Ｎ個のサンプル電圧値の移動平均を取るとすると、移動平均値Ａ［ｎ］は下式（１）で表すことができる。
【００３１】
A[n] = (S[n]+S[n-1]+S[n-2]+・・・・・+S[n-(N-1)])×1/N   （１）。
【００３２】
瞬時測定値生成部３２２は、式（１）を、図２の上部左の部分ブロック図に示す回路により実行する。この部分ブロック図において、Ｄを含む四角記号は一時刻（サンプル値）前に戻す遅延素子を表し、＋を含む丸記号は加算器を表し、三角記号はサンプル数Ｎの逆数１／Ｎを固定倍率として乗算する乗算器を表す。時測定値生成部３２２では、過去Ｎ＝６４個のサンプル数（電圧値）の合計を１／６４の固定倍率で移動平均値を演算する。
【００３３】
［基準値生成部３２３］
基準値生成部３２３は、瞬時測定値生成部３２２から出力される電圧値に基づき移動平均を行い、結果出力を基準値として減算器３２４に渡す。基準値生成部３２３は、上記式（１）を、図２の上部右の部分ブロック図に示す回路により実行する。基準値生成部３２３では、過去Ｎ＝１０２４個のサンプル数（電圧値）の合計を１／１０２４の固定倍率で移動平均値を演算する。すなわち、基準値生成部３２３では、電池の環境温度等に対する電圧の変動等を抑制するために、瞬時測定値生成部３２２の６４個のサンプル電圧値よりも多いサンプル数、１０２４個のサンプル電圧値を平均化している。このように検出用の基準値に移動平均を取ると、急激な電圧変動が吸収されて電圧変化の傾向を検知できるようになる。１０２４個のサンプル電圧値を移動平均で平均化により、電圧値のゆらぎ幅の少ない電圧変化が得られる。
【００３４】
［減算器３２４］
減算器３２４は、瞬時測定値生成部３２２及び基準値生成部３２３から出力される電圧値の減算を行い、結果出力を比較器３２５に渡す。減算器３２４は、基準値生成部３２３の移動平均値（基準値）と瞬時測定値生成部３２２の移動平均値（瞬時測定値）との電位差値（電圧降下）を求めこれを比較器３２５に出力する。
【００３５】
［比較器３２５］
比較器３２５は、減算器３２４の出力の電位差値と、主制御部４０によりレジスタ（図示せず）に設定されている所定の閾値ＳＨとを比較し、判定結果“１”又は“０”を出力してパルス幅延長回路３２６に渡す。閾値ＳＨは、例えば０．４６ｍＶ等のサブｍＶレベルで設定することにより、微細な電圧降下を検知できるようになる。比較器３２５は、閾値ＳＨと減算器３２４の出力の電位差値（基準値生成部３２３の基準値と瞬時測定値生成部３２２の瞬時測定値との差分）とを比較して、電位差値が閾値ＳＨ以上である場合には判定結果“１”を、電位差値が閾値ＳＨ未満である場合には判定結果“０”を出力し、結果をパルス幅延長回路３２６に渡す。
【００３６】
［パルス幅延長回路３２６］
パルス幅延長回路３２６は、比較器３２５より出力される判定結果“１”又は“０”を取得し、これを停止信号出力部３３へ出力する。また、パルス幅延長回路３２６には、これに接続されたＬＥＤにも判定結果を出力する。パルス幅延長回路３２６は、例えば、決められた時間（遅延時間は数ｍ秒程度以内）のパルス電圧を出力する回路であり、単安定マルチバイブレータ（ワンショット・マルチバイブレータ）等が用いられる。パルス幅延長回路３２６は、判定結果“０”であれば何もせず、判定結果“１”であればオン信号を停止信号出力部３３に速やかに出力する。パルス幅延長回路３２６は、判定結果の瞬時検出パルスを停止信号出力部３３が看過して誤動作しないようにパルス幅を引き延ばすために設けられている。
【００３７】
［停止信号出力部３３］
停止信号出力部３３は、パルス幅延長回路３２６より出力される判定結果“１”又は“０”を取得し停止信号ＳＴＳを生成して、これを駆動制御部２３へ出力する。停止信号出力部３３はフォトＭＯＳ  ＦＥＴリレー等の固体リレーＳＳＲにより構成されている。
【００３８】
［内部インターフェイス］
瞬時測定値生成部３２２及び基準値生成部３２３は、短距離用デジタル有線伝送の内部インターフェイスのＬＶＤＳ（Low voltage differential signaling）を介して外部のディスプレイへ接続され、それらの出力結果をディスプレイへ送信することができるように構成されている。
【００３９】
［金属端部の位置計測部］
図２に示すように、駆動機構部２２のセンサＳは、金属端部１１先端の移動距離を表す位置計測信号を主制御部４０へ出力している。当該出力を利用して主制御部４０により、短絡試験装置（釘刺し試験装置）の金属端部速度のフィードバック制御が可能となり、例えば、金属端部速度を、０．１ｍｍ／秒〜１５０ｍｍ／秒や、０．０１ｍｍ／秒〜２０ｍｍ／秒０や、０．００１ｍｍ／秒〜２ｍｍ／秒と極低速度まで金属端部速度が制御可能となる。
【００４０】
［金属端部（鉄釘）による釘刺し試験］
図３は、リチウムイオン電池を試験電池とした本実施例に係る短絡試験装置による短絡試験（釘刺し試験）における経過時間に対する電池電圧の変化グラフの一部を示す。
【００４１】
当該グラフから明らかなように、本実施例によれば、電圧検出部３０における閾値４６０μＶが分別できるような、数百μＶのゆらぎ幅の電圧変化が得られた。短絡試験装置では、閾値を越える判定時点から２５ｍ秒程度の遅延時間で短絡が検出され、即座に停止信号が発生され金属端部（鉄釘）が停止した。
【００４２】
本実施例により、従来の釘刺し試験装置に対して以下のように改善できた。
（１）駆動部２０の駆動制御部２３及び減速機構により、釘刺し試験速度として極低速（１μｍ／秒〜１００μｍ／秒程度を実現できた。なお、従来釘刺し試験装置では最低速１ｍｍ／秒程度であった。
（２）電圧検出部３０の高分解能のＡＤ変換器ＡＤＣ（従来の１６ｂｉｔＡＤＣに代えて１８ｂｉｔＡＤＣ採用）により、電圧検出感度をｍＶレベルの高精度化した電圧変動検出機能を実現できた。
（３）電圧検出部３０における電圧値の移動平均化を用いた検出により、釘刺し時の電池電圧レベルを安定に保持して、ノイズの少ない計測を実現できた。
（４）電圧検出部３０の減算器３２３及び比較器３２５からの検出結果を停止信号ＳＴＳとして出力し、固体リレー３３により速やかに釘刺し試験装置の降下を停止することにより、一対の電極層間の短絡（単層短絡）でさえ確実に行える短絡試験装置の電池評価試験装置を実現できた。
【００４３】
以上、本実施例によれば、釘刺し試験において試験電池に短絡が発生して微小な電圧降下が起こる際に、その微小な電圧降下を検出して釘刺し動作を即座に停止させることができる。また、本実施例によれば、単層短絡だけでなく所定の層数の内部短絡を検出することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  短絡試験装置
１１  金属端部
１１ａ  挿入部材
１２  試験電池
２０  駆動部
２１  治具
２２  駆動機構部
２３  駆動制御部
３０  電圧検出部
３１  ＡＤ変換器
３２  判定部
３３  停止信号出力部
４０  主制御部
３２１  校正回路
３２２  瞬時測定値生成部
３２３  基準値生成部
３２４  減算器
３２５  比較器
３２６  パルス幅延長回路
Ｍ  モータ
Ｓ  センサ
【要約】
【課題】試験電池の電極層の内部短絡を再現よく実現できる短絡試験装置を提供する。
【解決手段】短絡試験装置は、試験電池の表面から複数の電極層に挿入される金属端部と試験電池とを相対的に移動させる駆動部と、試験電池の正負極間の電圧値を取得する電圧値取得部と、電圧値取得部が取得した電圧値に応じて金属端部による電極層同士の内部短絡が起きたか否かを判定する判定部と、を有する。駆動部は判定部の判定に応じて金属端部の移動を停止させる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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