电池评价方法及电池评价装置与流程

专利检索2022-05-10  3



1.本发明涉及一种电池评价方法及电池评价装置。


背景技术:

2.受到锂离子二次电池等的着火事故的影响,为了确保电池的安全性,正在纳入电池的安全性试验法及安全基准中。在专利文献1中,揭示了一种电池评价装置,“利用短路检测部4检测由于来自加压部2的加压而被钉刺或压坏的试验电池1的内部短路,根据短路检测利用加压控制部3停止加压部2的动作,并利用电池信息检测部6收集记录电池温度等的电池信息”。
3.[先前技术文献]
[0004]
(专利文献)
[0005]
专利文献1:日本特开2005

327616号公报


技术实现要素:

[0006]
[发明所要解决的问题]
[0007]
专利文献1的电池评价装置藉由短路检测部4,根据被钉刺的试验电池1的电池电压的变化来判断内部短路的发生。但是,在容量大的锂离子电池的情况下,由钉子的进入位置引起的电池电压(单体(cell)电压)的变化缓慢,特别是由内部短路引起的电池电压的下降缓慢,因此难以高精确度地控制钉子的进入位置。因此,无法精确度良好地控制发生内部短路的层的数量,试验结果产生大的偏差。
[0008]
本发明的目的在于提供一种能够以更高的精确度来推测内部短路的状态的电池评价方法及电池评价装置。
[0009]
[解决问题的技术手段]
[0010]
本发明人发现一种电池评价方法,从而完成了本发明;所述电池评价方法是向试验电池扎刺金属制突起物,强制引发内部短路,检测与之相伴的电池状态的变化,由此来评价电池的安全性,所述电池评价方法具有:刺入开始步骤,使前述金属制突起物以预定的速度移动,开始向前述试验电池刺入;测量开始步骤,开始测量前述试验电池的正极端子与前述金属制突起物之间的电压及电阻;及,第一判断步骤,在前述电压高于第一阈电压值v1,且前述电阻低于第一阈电阻值r1时,判断为前述金属制突起物接触了前述试验电池的负极。
[0011]
在本发明的另一实施方式中,在前述第一判断步骤之后,具有:第二判断步骤,在前述电压低于第二阈电压值v2,且前述电阻低于第二阈电阻值r2并高于第三阈电阻值r3时,判断为前述金属制突起物接触了前述试验电池的正极复合材料;及,第三判断步骤,在前述电压低于前述第二阈电压值v2,且前述电阻低于前述第三阈电阻值r3时,判断为前述金属制突起物接触了前述试验电池的正极箔。
[0012]
此外,在本发明的另一实施方式中,在前述第一判断步骤之后,具有:第三判断步
骤,在前述电压低于第二阈电压值v2,且前述电阻低于第三阈电阻值r3时,判断为前述金属制突起物接触了前述试验电池的正极箔。
[0013]
进而,作为本发明的另一实施方式,是一种电池评价装置,向试验电池扎刺金属制突起物,强制引发内部短路,检测与之相伴的电池状态的变化,由此来评价电池的安全性,所述电池评价装置具有:驱动装置,使前述金属制突起物以预定的速度移动,向前述试验电池刺入;测量装置,测量前述试验电池的正极端子与前述金属制突起物之间的电压及电阻;及,短路判断部,在前述电压高于第一阈电压值v1,且前述电阻低于第一阈电阻值r1时,判断为前述金属制突起物接触了前述试验电池的负极。
[0014]
(发明的效果)
[0015]
根据本发明,藉由随着金属制突起物的刺入,来测量试验电池的正极端子与金属制突起物之间的电压及电阻,从而判断金属制突起物的进入位置。由金属制突起物的进入位置引起的正极端子与金属制突起物之间的电压及电阻的变化比电池电压的变化更显著,因此可以高精确度地判断并控制金属制突起物的进入位置。
附图说明
[0016]
图1是概略地绘示在本发明的一实施方式中使用的装置的图。
[0017]
图2是概略地绘示在本发明的一实施方式中将钉子刺入电池的各阶段的图。
[0018]
图3是本发明的实验结果的图表。
[0019]
图4是将图3的图表的一部分放大后的图表。
[0020]
图5是说明判断用阈值的图。
[0021]
图6是在将图4的一部分放大后的图表中加入了钉子温度的测量结果的图表。
[0022]
图7是说明判断用阈值的图。
[0023]
图8是本发明的一实施方式的流程图。
[0024]
图9是本发明的一实施方式的电池评价装置的框图。
具体实施方式
[0025]
以下,藉由发明的实施方式来说明本发明。本发明涉及一种电池评价方法,其是向试验电池扎刺钉子,强制引发内部短路,检测与之相伴的电池状态的变化,由此来评价电池的安全性。
[0026]
图1是概略地绘示在本发明的一实施方式中使用的装置的图。在图1中,试验电池100是本发明的电池评价方法的评价对象。试验电池100具有正极端子102及负极端子104。钉子200用于刺入试验电池100,强制引发内部短路。钉子200是金属制突起物的一例。钉子200安装于加压装置,可以被该加压装置驱动,而朝向试验电池100以预定的速度移动,并刺入试验电池。测量装置300测量试验电池100的正极端子102与钉子200之间的电压(以下,也称为“正极

钉子电压”,用符号“vcn”表示)、以及正极端子102与钉子200之间的交流电阻(以下,也称为“正极

钉子电阻”,用符号“rcn”表示)。
[0027]
图2是概略地绘示在本发明的一实施方式中将钉子刺入电池的各阶段的图。在图2中,试验电池100以锂离子二次电池为例,其一部分用截面来表示。试验电池100是从外侧(图2的上方侧)依次层叠壳体110、外装膜112、隔膜114、负极复合材料122、负极箔124、负极
复合材料126、隔膜128、正极复合材料132、正极箔134及正极复合材料136而构成。此外,朝向试验电池100的内侧(图2的下方侧),还重复从隔膜114至正极复合材料136的层叠结构。由负极复合材料122、负极箔124及负极复合材料126构成负极120。由正极复合材料132、正极箔134及正极复合材料136构成正极130。
[0028]
此外,在图2中,从左向右,依次表示钉子200接触壳体110之前、接触壳体110的状态、接触负极箔124的状态、接触正极复合材料132的状态以及接触正极箔134的状态。但是,实际上将钉子刺入电池的情况下,电池的各层会因钉子的压迫而变形并凹陷,因此无法单纯根据钉子的行进距离来判断钉子接触了哪一层。
[0029]
图3是本发明的实验结果的图表。如图2所示,该实验是一边将钉子200逐渐刺入试验电池100,一边测量正极

钉子电压vcn、正极

钉子电阻rcn、电池电压(用符号“vc”表示)以及钉子200的温度。测量是以1ms的间隔采样。图3的横轴表示钉子200行进的时间。在纵轴的方向上,上下并列示出两个图表。在上方的图表中绘制了正极

钉子电压vcn及电池电压vc的测量值,在下方的图表中绘制了正极

钉子电阻rcn的测量值。
[0030]
在图3的实验中使用的钉子200是直径为3mm、前端角为60
°
的金属钉子。钉子200的移动速度为0.01mm/s。作为试验电池100,使用了方形锂离子二次电池。作为测量装置300,使用了日置电机制造的电池测试仪bt3463。
[0031]
图4是将图3的图表的一部分放大后的图表。为了看出正极

钉子电压、正极

钉子电阻及电池电压的细微变动,在图4中,只放大了纵轴的刻度,横轴的刻度与图3相同。
[0032]
在图3中,在虚线a的左侧,处于钉子200朝向试验电池100接近,但尚未接触试验电池100的状态。在该状态下,试验电池100呈现3.14v的电池电压,正极

钉子电压呈现接近于零的值,正极

钉子电阻呈现超过测量装置300的量程程度的高值。在虚线a的时刻,钉子200接触试验电池100的壳体110,正极

钉子电压急剧上升,在图表中形成阶差。
[0033]
继而,钉子200进入试验电池100的内部,在虚线b的时刻,钉子200接触负极120,正极

钉子电压骤升,正极

钉子电阻骤降。但是,在从虚线b到虚线c之间,正极

钉子电压与正极

钉子电阻不稳定,上下大幅摆动变动。这被认为是因为虽然尖锐的钉子200的前端接触了负极120,但钉子200与负极120之间尚未成为良好的接触状态(良好的导通状态)。
[0034]
如图3及图4所示,在从虚线c到虚线d之间,正极

钉子电压稳定,成为与电池电压大致相同的电压。另一方面,正极

钉子电阻在虚线c的附近再次骤降,从超过量程的310ω一下子下落到20ω以下,其后维持着低值。这被认为是因为钉子200与负极120之间形成了良好的接触状态(良好的导通状态)。基于这些现象,可知虚线c的时刻是钉子200与负极120切实接触而确立了良好的导通状态的时刻。
[0035]
理想的是将该虚线c的时刻设为钉子200接触负极120的时刻,为了检测该时刻,考虑以下方法:将接近电池电压的电压值设定为第一阈电压值v1,在正极

钉子电压超过所述第一阈电压值v1时,判断为钉子200与负极120接触。例如,在电池电压为3.14v的情况下,将与其接近的电压值3.13v设定为第一阈电压值v1,当随着钉子的刺入,正极

钉子电压超过3.13v时,在超过的时刻判断为钉子200与负极120接触。
[0036]
但是,由于在从虚线b到虚线c之间,正极

钉子电压会大幅变动,因此在该变动中,如果正极

钉子电压超过3.13v,则可能将钉子200与负极120的接触尚不良好的状态判断为两者的接触状态。
[0037]
对此,本发明的发明人发现了一种方法,所述方法藉由对正极

钉子电阻也设定阈值,将正极

钉子电阻的变化也用于判断,而能够以更高的精确度检测钉子与试验电池内的电极层的接触状态。
[0038]
图5是说明判断用阈值的图。在图5中,除了显示与图3相同的实测值(1ms采样间隔)之外,还显示了100ms移动平均及1000ms移动平均的图表。由于在实测值中有时也会带有噪声、尖峰等,因此为了减轻其影响,也讨论了利用移动平均值。显示为“v1”的虚线表示第一阈电压值v1。第一阈电压值v1设定为比实验初期的电池电压更低,但接近该电池电压的电压值。在该实验中,初期的电池电压为3.14v,相对于此,将第一阈电压值v1设定为3.13v。显示为“r1”的虚线表示第一阈电阻值r1,其值设定为100ω。
[0039]
如上所述,在图3的虚线c的时刻,正极

钉子电压上升至与3.14v的电池电压大致相同的电压,正极

钉子电阻大幅骤降,且其后维持低值。因此,如图5所示,藉由针对正极

钉子电压设定第一阈电压值v1,并且针对正极

钉子电阻也设定第一阈电阻值r1,将正极

钉子电压高于第一阈电压值v1(vcn>v1),且正极

钉子电阻低于第一阈电阻值r1(rcn<r1)作为第一判断条件,可以在与图3的虚线c极其接近的图5的虚线(1)的时刻,判断为钉子200接触了负极120,而检测出该情况。
[0040]
第一阈电阻值r1设定为低至即使正极

钉子电阻rcn在虚线b到虚线c之间上下摆动也无法到达的程度,此外,优选设定为比rcn在虚线c的时刻骤降而到达的电阻值更高。在图5中,第一阈电阻值r1被设定为100ω,但也可以设定为50ω。另外,由图5的结果可知,在该检测(判断)方法中可以使用正极

钉子电压与正极

钉子电阻的实测值(1ms采样间隔),也可以使用100ms移动平均及1000ms移动平均。但是,如果使用1000ms移动平均,则检测钉子200与负极120的接触的时刻会稍微变迟。
[0041]
基于该研究结果,本发明的第一实施方式具有:刺入开始步骤,使钉子200以预定的速度移动,开始向试验电池100刺入;测量开始步骤,开始测量试验电池100的正极端子102与钉子200之间的正极

钉子电压及正极

钉子电阻;及,第一判断步骤,在正极

钉子电压高于第一阈电压值v1,且正极

钉子电阻低于第一阈电阻值r1时,判断为钉子200接触了试验电池100的负极120。
[0042]
根据该实施方式,能够以高精确度来检测钉子与试验电池的负极切实接触而确立良好的导通状态的时机。可以防止像从图3的虚线b到虚线c的时间段那样,将钉子200与负极120的接触尚不良好的状态判断为两者的接触状态。
[0043]
图6是在将图4的一部分放大后的图表中加入了钉子温度的测量结果的图表。图6中,在纵轴方向上,上下排列三个图表。上方的两个图表放大了图4的右侧的部分,最下方的图表绘制了钉子200的温度的测量值。在虚线d的时刻,正极

钉子电压vcn开始下降。这被认为是因为钉子200接触正极复合材料132,负极120与正极130藉由钉子200而开始短路。另一方面,正极

钉子电阻rcn在从虚线d到虚线e之间维持着大致固定的低值,但在虚线e的时刻,进一步开始下降。这被认为是因为在虚线e的时刻,钉子200接触正极箔134,负极120与正极130的短路进一步加剧。
[0044]
当再经过一段时间后,在虚线f的时刻,正极

钉子电阻rcn开始振荡。这被认为是因为正极箔134开始熔断。在虚线g的时刻,电池电压vc开始下降,钉子200的温度开始上升。表示负极120与正极130切实发生了短路。本发明的发明人对这些实验结果进行了分析、研
究,结果发现一种方法,所述方法藉由对正极

钉子电阻也设定阈值,将正极

钉子电阻的变化也用于判断,而能够以更高的精确度检测钉子与试验电池的正极的接触状态。
[0045]
图7是说明判断用阈值的图。在图7中,除了显示与图6相同的实测值(1ms采样间隔)之外,还显示了100ms移动平均及1000ms移动平均的图表。显示为“v2”的虚线表示第二阈电压值v2。第二阈电压值v2设定为比实验初期的电池电压更低,但接近该电池电压的电压值。在该实验中,初期的电池电压为3.14v,相对于此,将第二阈电压值v2设定为与第一阈电压值v1相同的3.13v。
[0046]
显示为“r2”的虚线表示第二阈电阻值r2。第二阈电阻值r2是为了检测钉子200与正极复合材料132接触的状态而设定,优选设定为比图6中的虚线d到虚线e之间的正极

钉子电阻rcn的值稍高。在该实验中,将第二阈电阻值r2设定为6ω。显示为“r3”的虚线表示第三阈电阻值r3。第三阈电阻值r3是为了检测钉子200与正极箔134接触的状态而设定,优选设定为比图6中的虚线d到虚线e之间的正极

钉子电阻rcn的值稍低。在该实验中,将第三阈电阻值r3设定为3ω。
[0047]
藉由将正极

钉子电压低于第二阈电压值v2(vcn<v2)且正极

钉子电阻低于第二阈电阻值r2并高于第三阈电阻值r3(r3<rcn<r2)设为第二判断条件,可以判断为在图7的虚线(2)的位置,钉子200接触了正极复合材料132,而检测出该情况。
[0048]
此外,藉由将正极

钉子电压低于第二阈电压值v2(vcn<v2)且正极

钉子电阻低于第三阈电阻值r3(rcn<r3)设为第三判断条件,可以判断为在图7的虚线(3)的位置,钉子200接触了正极箔134,而检测出该情况。由图7的结果可知,在该检测(判断)方法中可以使用正极

钉子电压与正极

钉子电阻的实测值(1ms采样间隔),也可以使用100ms移动平均及1000ms移动平均。
[0049]
基于该研究结果,本发明的第二实施方式是第一实施方式的变形,在前述第一判断步骤之后,具有:第二判断步骤,在正极

钉子电压低于第二阈电压值v2,且正极

钉子电阻低于第二阈电阻值r2并高于第三阈电阻值r3时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极复合材料132;及,第三判断步骤,在正极

钉子电压低于第二阈电压值v2,且正极

钉子电阻低于第三阈电阻值r3时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极箔134。
[0050]
根据该实施方式,不仅可以检测钉子接触了试验电池的正极的状态,还可以更精细地判断是接触了正极复合材料,还是接触了正极箔,因此能够以高精确度控制钉子的停止位置。
[0051]
此外,基于上述研究结果,本发明的第三实施方式是第一实施方式的变形,在前述第一判断步骤之后,具有:第三判断步骤,在正极

钉子电压低于第二阈电压值v2,且正极

钉子电阻低于第三阈电阻值r3时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极箔134。
[0052]
根据该实施方式,能够以高精确度检测钉子接触正极箔的时机。
[0053]
在前述第二判断步骤或前述第三判断步骤之后,还可以具有停止钉子200的刺入的停止步骤。由此,可以固定钉子200的进入位置,藉由试验电池100的温度、电池电压等的测量、有无冒烟的观测等,来评价试验电池100的安全性。其后,也可以利用测量停止步骤来停止相关测量。另外,如上述实验所示,也可以将第二阈电压值v2设定为与第一阈电压值v1相同的值。
[0054]
图8是本发明的一实施方式的流程图。该流程图是第二实施方式的一例。在刺入开
始步骤s602中,使钉子200以预定的速度移动,开始向试验电池100刺入。此外,也可以伴随着该步骤,开始测量试验电池100的正极端子102与钉子200之间的正极

钉子电压vcn以及正极

钉子电阻rcn。该测量不需要与刺入开始步骤s602同时开始,优选在钉子200碰到试验电池100之前开始。
[0055]
在第一判断步骤s604中,判断是否正极

钉子电压高于第一阈电压值v1(vcn>v1),且正极

钉子电阻低于第一阈电阻值r1(rcn<r1)。在不满足该条件的情况下,重复第一判断步骤s604的判断。在满足vcn>v1且rcn<r1的条件时,判断为钉子200接触了试验电池100的负极120,流程前进至接下来的第二判断步骤。
[0056]
在第二判断步骤s606中,判断是否正极

钉子电压低于第二阈电压值v2(vcn<v2),且正极

钉子电阻低于第二阈电阻值r2并高于第三阈电阻值r3(r3<rcn<r2)。在不满足该条件的情况下,重复第二判断步骤s606的判断。在满足vcn<v2且r3<rcn<r2的条件时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极复合材料132,流程前进至下一步骤。
[0057]
在刺入停止判断步骤s608中,在想要在负极120与正极复合材料132的短路状态下评价电池的安全性的情况下,前进至刺入停止步骤s614,停止钉子200的刺入。否则,前进至第三判断步骤s610。
[0058]
在第三判断步骤s610中,判断是否正极

钉子电压低于第二阈电压值v2(vcn<v2),且正极

钉子电阻低于第三阈电阻值r3(rcn<r3)。在不满足该条件的情况下,重复第三判断步骤s610的判断。在满足vcn<v2且rcn<r3的条件时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极箔134,流程前进至下一步骤。
[0059]
在刺入停止判断步骤s611中,在想要在负极120与正极箔134的短路状态下评价电池的安全性的情况下,前进至刺入停止步骤s614,停止钉子200的刺入。否则,前进至刺入继续步骤s612,继续钉刺。
[0060]
根据该实施方式,可以分别精确度良好地判断并检测钉子接触了负极的状态、钉子接触了正极复合材料的状态以及钉子接触了正极箔的状态,因此可以根据需要在各状态下使钉子停止后进行电池的评价。
[0061]
图9是本发明的一实施方式的电池评价装置的框图。该电池评价装置可以直接用于上述本发明的电池评价方法的实施。该电池评价装置具有钉子200、测量装置300、短路判断部400、驱动装置500及电池状态检测部600。
[0062]
驱动装置500使钉子200以预定的速度移动,向试验电池100刺入。驱动装置500例如也可以是加压装置。例如,可以将钉子200安装于加压装置,利用该加压装置进行驱动,使所述钉子200朝向试验电池100以预定的速度移动,向试验电池100刺入。
[0063]
测量装置300测量钉子200刺入试验电池100中的状态下的、试验电池100的正极端子102与钉子200之间的电压vcn以及正极端子102与钉子200之间的交流电阻rcn,并将测量结果输出至短路判断部400。
[0064]
短路判断部400基于测量装置300的测量结果来判断试验电池100的短路状况。在短路判断部400中事先输入第一阈电压值v1、第二阈电压值v2、第一阈电阻值r1、第二阈电阻值r2及第三阈电阻值r3。在正极

钉子电压vcn高于第一阈电压值v1(vcn>v1),且正极

钉子电阻rcn低于第一阈电阻值r1(rcn<r1)时,短路判断部400判断为钉子200接触了试验电池100的负极120。
[0065]
另外,短路判断部400在判断为钉子200接触了试验电池100的负极120之后,在正极

钉子电压vcn低于第二阈电压值v2(vcn<v2)且正极

钉子电阻rcn低于第二阈电阻值r2并高于第三阈电阻值r3(r3<rcn<r2)时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极复合材料132。另外,短路判断部400在正极

钉子电压vcn低于第二阈电压值v2(vcn<v2)且正极

钉子电阻rcn低于第三阈电阻值r3(rcn<r3)时,判断为钉子200接触了试验电池100的正极箔134。短路判断部400将判断结果输出至驱动装置500的控制部510。第二阈电压值v2可以与第一阈电压值v1相同,也可以不同。
[0066]
驱动装置500的控制部510基于短路判断部400的判断结果及事先设定的控制条件来控制驱动装置500。例如,作为控制条件,如果是在钉子200接触试验电池100的正极复合材料132后,停止钉子200的刺入来评价电池,则控制部510在从短路判断部400接收到钉子200接触了正极复合材料132的判断结果时,控制驱动装置500停止钉子200的刺入。此外,作为控制条件,如果是在钉子200接触了试验电池100的正极箔134时,停止钉子200的刺入来评价电池,则即使控制部510从短路判断部400接收到钉子200接触了正极复合材料132的判断结果,也不会停止钉子200的刺入,而仅在从短路判断部400接收到钉子200接触了正极箔134的判断结果的情况下,控制驱动装置500来停止钉子200的刺入。
[0067]
电池状态检测部600可以是能够利用热电偶等各种传感器测定并记录试验电池100的电池温度、电池内压、电池电压等的测量装置,也可以是能够观测并记录冒烟、着火等的照相机等。此外,作为电池状态检测部600,也可以设置多个具有不同功能的测量装置、照相机等。电池状态检测部600可以检测由钉刺而引起内部短路的试验电池100的状态变化。可以基于其检测结果来评价电池的安全性。
[0068]
本发明的电池评价装置可以分别精确度良好地判断并检测钉子接触了负极的状态、钉子接触了正极复合材料的状态以及钉子接触了正极箔的状态,因此可以根据需要在各状态下使钉子停止后进行电池的评价。
[0069]
以上,使用实施方式说明了本发明,但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。本领域技术人员显然能够对上述实施方式施加各种变更或改良。从权利要求书的记载可以明确,那样的施加了变更或改良的形态也可包含于本发明的技术范围中。此外,实施方式中所说明的特征的组合并非全部是发明的解决手段所必须的。
[0070]
应注意,权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序及方法中的动作、流程、步骤及阶段等各处理的执行顺序只要没有特别明示为“先于”、“之前”等,另外,只要不是在之后的处理中使用之前的处理的输出,则可以按照任意的顺序来实现。关于权利要求书、说明书以及附图中的动作流程,即使为了方便而使用“首先”、“其次”等进行了说明,也并不意味着必须按照该顺序来实施。
[0071]
附图标记
[0072]
100:试验电池
[0073]
102:正极端子
[0074]
104:负极端子
[0075]
110:壳体
[0076]
112:外装膜
[0077]
114:隔膜
[0078]
120:负极
[0079]
122:负极复合材料
[0080]
124:负极箔
[0081]
126:负极复合材料
[0082]
128:隔膜
[0083]
132:正极复合材料
[0084]
134:正极箔
[0085]
136:正极复合材料
[0086]
200:钉子
[0087]
300:测量装置
[0088]
400:短路判断部
[0089]
500:驱动装置
[0090]
510:控制部
[0091]
600:电池状态检测部
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