电池的内部短路检测装置和方法、电池组件以及电子设备系统.pdf

本发明提供一种电池的内部短路检测装置，包括：检测电池温度Tr的电池温度检测部；检测环境温度Te的环境温度检测部；检测伴随电池的放电或充电在预定的第1期间ΔW1内电池发热量的平均值Pav的平均发热量检测部；基于该发热量的平均值Pav以及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp的电池温度推定部；当经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α所得的值以上时，判定为内部短路的内部短路判定部。

1.  一种电池的内部短路检测装置，其特征在于包括：
电池温度检测部，检测电池温度Tr；
环境温度检测部，检测环境温度Te；
平均发热量检测部，检测伴随电池的放电或充电在预定的第1期间ΔW1内电池发热量的平均值Pav；
电池温度推定部，基于该发热量的平均值Pav以及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp；
内部短路判定部，在经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α后所得的值以上时，判定为内部短路。

2.  根据权利要求1所述的电池的内部短路检测装置，其特征在于还包括：
电流检测部，检测流经所述电池的电流I，以及
内阻取得部，求出对应于所述电池温度Tr的电池的内阻r，其中，
所述平均发热量检测部，在所述第1期间ΔW1，基于所述电流I和内阻r，以指定次数算出电池的发热量P，将该发热量P的平均值作为所述Pav求出。

3.  根据权利要求2所述的电池的内部短路检测装置，其特征在于还包括：
电池残存容量取得部，当取得在所述第1期间ΔW1起始时的所述电池残存容量SOC之后，每当所述电流检测部检测出电流I时则更新该电池残存容量SOC，求出第1期间ΔW1经过时的电池残存容量SOC；
端子电压推定部，求出从所述第1期间ΔW1经过时的所述电池残存容量SOC可推定的电池端子电压Vp；
端子电压检测部，检测所述第1期间ΔW1经过时的实际的电池端子电压Vr；以及
动作控制部，仅在所述实际的电池端子电压Vr为在所述端子电压Vp的基础上考虑到预定的系数β所得的阈值以下时，让所述平均发热量检测部、电池温度推定部及内部短路判定部动作。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的电池的内部短路检测装置，其特征在于：
所述电池是在负极与正极之间具有耐热层的非水电解质二次电池或者极板阻抗为4Ω·cm²以上的非水电解质二次电池。

5.  一种电池组件，其特征在于包括：
电池；以及
如权利要求1至4中任一项所述的电池的内部短路检测装置。

6.  一种电子设备系统，其特征在于包括：
电池；
由所述电池供电的负载设备；以及
如权利要求1至4中任一项所述的电池的内部短路检测装置。

7.  一种电池的内部短路检测方法，其特征在于包括：
检测电池温度Tr的步骤；
检测环境温度Te的步骤；
检测伴随电池的放电或充电在预定第1期间ΔW1内电池发热量的平均值Pav的平均发热量检测步骤；
基于该发热量的平均值Pav以及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所可推定的应达到的电池温度Tp的电池温度推定步骤；
检测经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr的步骤；
在经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α后所得的值以上时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。

8.  根据权利要求7所述的电池的内部短路检测方法，其特征在于，所述平均发热量检测步骤包括：
求出流经所述电池的电流I的步骤；
求出对应于所述电池温度Tr的电池的内阻r的步骤；
在所述第1期间ΔW1，基于所述电流I和内阻r，以指定次数算出电池的发热量P，将该发热量P的平均值作为所述Pav求出的步骤。

9.  根据权利要求8所述的电池的内部短路检测方法，其特征在于还包括：
取得所述第1期间ΔW1起始时的所述电池残存容量SOC的步骤；
在取得所述电池残存容量SOC的步骤之后，每当所述电流检测部检测电流I时则更新该电池残存容量SOC，求出第1期间ΔW1经过时的电池残存容量SOC的步骤；
求出从所述第1期间ΔW1经过时的所述电池残存容量SOC可推定的电池端子电压Vp的步骤；
检测所述第1期间ΔW1经过时的实际的电池端子电压Vr的步骤；
仅在所述实际的电池端子电压Vr为在所述端子电压Vp的基础上考虑到预定的系数β所得的阈值以下时，开始所述平均发热量检测步骤的步骤。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的电池的内部短路检测方法，其特征在于：
所述电池是在负极与正极之间具有耐热层的非水电解质二次电池或者极板阻抗为4Ω·cm²以上的非水电解质二次电池。

电池的内部短路检测装置和方法、电池组件以及电子设备系统
技术领域
本发明涉及用于检测在负极与正极之间具有由包含树脂粘结剂和无机氧化物填充物的多孔性保护膜等构成的耐热层的非水电解质二次电池(non-aqueous electrolytesecondary battery)、极板阻抗为4Ω·cm²以上的非水电解质橄榄石型磷酸铁锂二次电池(non-aqueous electrolyte olivine-type lithium iron phosphate secondary battery)等非水电解质二次电池的内部短路的装置、方法、电池组件以及电子设备系统。
背景技术
例如在日本专利公报第3371301号(以下简称作“专利文献1”)和国际公布第05/098997号小册子(以下简称作“专利文献2”)中记载有一种在负极与正极之间具有包含树脂粘结剂和无机氧化物填充物的多孔性保护膜的非水电解质二次电池。根据具有此种多孔性保护膜的非水电解质二次电池的结构，即使在制造时从电极剥落的活性物质或裁剪工序中的碎屑等附着在电极表面，也可抑制之后发生内部短路。然而，因为是这样的结构，所以如果发生内部短路，以不具有多孔性保护膜的以往结构的电池中所用的以往方案，存在无法检测到内部短路的发生的问题。
为了说明上述问题，首先，以下叙述不具有多孔性保护膜的以往结构的电池中所用的以往方案。
即，在不具有多孔性保护膜的以往结构的电池的情况下，当发生内部短路时，如图3所示，电池电压一下子下降，之后电压不再恢复。因此，通过以适当的周期监视电池电压，或者检测短路电流造成的急剧的温度上升，可检测到内部短路。
这基于如下机制(mechanism)。例如，因制造工序中剥落的电极材料或碎屑等金属异物，首先，当如图4(A)所示发生内部短路时，则因该短路而产生的热，如图4(B)所示，短路部的正极铝芯材熔融。接着，在该热的作用下，如图4(C)所示，由聚乙烯等高分子材料构成的隔膜发生熔融而收缩，从而如图4(D)所示短路孔扩大，导致短路面积扩大。随后，如图4(E)所示短路部分熔融，在该热的作用下再次从图4(C)所示的熔融(短路孔)扩大开始反复。这样，电池电压一下子下降，而且因热失去控制导致单位电池温度一下子上升。
因此，例如在日本专利公开公报特开平8-83630号(以下简称作“专利文献3”)中示出了如因内部短路等发生温度上升则存储该情况，从而可检测非工作时的内部短路等的技术。而且，在该专利文献3中示出了在针对大幅度的电压下降检测到大幅度的温度上升时判定为内部短路的方案。而且，在日本专利公开公报特开2002-8631号(以下简称作“专利文献4”)中示出了基于电压、压力、温度、声音等检测内部短路的方案。另外，在日本专利公开公报特开2003-317810号(以下简称作“专利文献5”)中公开了从电极赋予多个频率的信号以检测内部短路的方案。
对此，在如上述专利文献1或专利文献2的具有多孔性保护膜的结构中，当因制造工序中剥落的电极材料或碎屑等金属异物而如图5(A)所示发生内部短路时，其情况如下。即，即使如图5(B)所示，短路部的正极铝芯材发生熔融，也可通过所述多孔性保护膜避免正极铝芯材与负极合剂的接触。因此，如图5(B)至图5(D)所示，隔膜的熔融只会停留在所述金属异物所存在的区域附近，短路的扩大得到阻止。随后，单位电池电压也大致恢复，可在微小短路(small short circuit)的状态下使用。在此专利文献1或专利文献2的结构下发生内部短路时的单位电池电压的变化如图6所示。因此，上述专利文献3至5的方案存在难以检测内部短路的问题。
而且，使用橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO₄)作为正极材料的二次电池其热·化学稳定性高(high thermal/chemical stability)，并且价格便宜，被期待取代使用钴酸锂(LiCoO₂)的二次电池。但是，使用橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO₄)作为该正极材料的二次电池其导电性低，而且锂离子的扩散速度也极慢，所以存在与所述专利文献1或专利文献2的具有多孔性保护膜的结构的二次电池同样的问题，即在内部短路时通过所述专利文献3至5的方法无法检测出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池的内部短路检测装置、方法、电池组件以及电子设备系统，对于那些即使发生内部短路电池的电压也不会一下子下降的电池，也能可靠地检测出其内部短路。
本发明所涉及的电池的内部短路检测装置包括：电池温度检测部，检测电池温度Tr；环境温度检测部，检测环境温度Te；平均发热量检测部，检测伴随电池的放电或充电在预定的第1期间ΔW1内的电池发热量的平均值Pav；电池温度推定部，基于该发热量的平均值Pav以及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp；内部短路判定部，在经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α所得的值以上时，判定为内部短路。
本发明所涉及的电池的内部短路检测方法，包括：检测电池温度Tr的步骤；检测环境温度Te的步骤；检测伴随电池的放电或充电在预定的第1期间ΔW1内电池发热量的平均值Pav的平均发热量检测步骤；基于该发热量的平均值Pav以及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp的电池温度推定步骤；检测经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr的步骤；在经过所述第2期间ΔW2后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α所得的值以上时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。
根据上述结构，对于即使发生内部短路电池的电压也不会一下子下降的电池，也可如以下所说明，可靠地检测出内部短路。
即，当出现与放电量或充电量不相应的电池温度上升时，可推测该电池中发生所述的机制引起的内部短路，放电电流通过其短路部位流动，因此通过检测此现象判定内部短路。
具体而言，放电或充电预定的第1期间ΔW1后，平均发热量检测部检测该第1期间ΔW1的发热量的平均值Pav。而且，在所述第1期间ΔW1经过时或之后，环境温度检测部检测用于决定电池产生的热量的扩散性的环境温度Te。并且，电池温度推定部从所述发热量的平均值Pav及环境温度Te，求出自检测出所述发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp。另外，当经过第2期间ΔW2后的实际电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α后所得的值以上时，内部短路判定部判定为内部短路。
由此，对于即使发生内部短路电池的电压也不会急剧下降的电池，也能高精度地检测出内部短路。
本发明所涉及的电池组件包括电池和本发明的所述电池的内部短路检测装置。
本发明所涉及的电子设备系统包括电池、由所述电池供电的负载设备、和本发明的所述电池的内部短路检测装置。
根据本发明的上述电池组件及电子设备系统，可实现与所述的本发明的各内部短路检测装置的结构相同的效果。
通过以下的详细说明和附图，本发明的目的、特征和优点将更加明确。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的非水电解质二次电池的内部短路检测装置即电子设备系统的电结构的方框图。
图2是用于详细说明本发明的一实施方式所涉及的内部短路判定动作的流程图。
图3是表示以往结构的二次电池的单位电池内部短路时的电压变化的坐标图。
图4(A)至(E)是用于说明所述以往结构的二次电池的单位电池的内部短路部分的现象的模式剖视图。
图5(A)至(D)是用于说明在负极与正极之间具有由包含树脂粘结剂和无机氧化物填充物的多孔性保护膜构成的耐热层的非水电解质二次电池的单位电池的内部短路部分的现象的模式剖视图。
图6是表示所述在负极与正极之间具有由包含树脂粘结剂和无机氧化物填充物的多孔性保护膜构成的耐热层的非水电解质二次电池的单位电池内部短路时的电压变化的坐标图。
图7是本发明的一实施方式所涉及的电池的内部短路检测装置的功能方框图。
具体实施方式
图1是表示包含本发明的一实施方式所涉及的非水电解质二次电池的内部短路检测装置的电子设备系统的电结构的方框图。该电子设备系统包括电池组件1及由其供电的负载设备2，所述电池组件1通过未图示的充电器被进行充电。在充电时，电池组件1也可安装在所述负载设备2上，通过该负载设备2进行充电。电池组件1和负载设备2通过进行供电的直流高侧的端子T11、T21、通信信号的端子T12、T22和用于供电及通信信号的GND端子T13、T23而彼此连接。所述充电器也设有同样的3个端子。
在所述电池组件1内，在从所述端子T11延伸的直流高侧的充放电路径11上，介有充电用和放电用的导电形式彼此不同的FET12、13，其充放电路径11连接于组电池(二次电池、电池)14的高侧端子。所述组电池14的低侧端子经由直流低侧的充放电路径15连接于所述GND端子T13，在该充放电路径15上，介有将充电电流及放电电流转换成电压值的电流检测阻抗16。
所述组电池14由多个单位电池(cell)串联、并联、或串联与并联组合连接而成，该单位电池的温度由单位电池温度传感器(电池温度检测部)17a检测，并输入至控制IC18内的模拟/数字转换器19。并且，环境温度由环境温度传感器(环境温度检测部)17b检测，并同样地输入至控制IC18内的模拟/数字转换器19。此外，所述各单位电池的端子间电压由电压检测电路(端子电压检测部)20读取，并输入至所述控制IC18内的模拟/数字转换器19。另外，由所述电流检测阻抗(电流检测部)16检测出的电流值也被输入至所述控制IC18内的模拟/数字转换器19。所述模拟/数字转换器19将各输入值转换成数字值，并输出至控制判定部21。
所述控制判定部21具备微机及其周边电路等。该控制判定部21响应来自所述模拟/数字转换器19的各输入值，运算出组电池14的残存容量为满充电时的百分之多少，并从通信部22经由端子T12、T22、T13、T23发送至负载设备2。并且，所述控制判定部21基于来自所述模拟/数字转换器19的各输入值，运算出对充电器请求输出的充电电流的电压值和电流值，并从通信部22经由端子T12发送至充电器。进一步，所述控制判定部21基于所述各输入值，检测端子T11、T13间的短路或来自充电器的异常电流等电池组件1的外部异常，并且检测组电池14的内部短路等异常。而且，所述控制判定部21在检测到这些异常时，进行遮断所述FET12、13等的保护动作。
负载设备2通过控制IC30的通信部32接收所述组电池14的残存容量，控制部31基于各种负载电路33的电力消耗运算出电池组件1的残存使用时间，并显示于显示面板34。并且，所述控制部31响应未图示的输入操作装置的输入等，控制所述各种负载电路33。
以上述方式构成的电池组件1，在本实施方式中，组电池14采用如图5所示的在负极与正极之间具有耐热层(多孔性保护膜)的非水电解质二次电池或者极板阻抗为4Ω·cm²以上的非水电解质橄榄石型磷酸铁锂二次电池。并且，应注意的是，控制判定部21在非充电时或充电时响应电压检测电路20、电流检测阻抗16、单位电池温度传感器17a及环境传感器17b的检测结果，按以下方式判定组电池14是否发生内部短路。
所述控制判定部21的功能方框图如图7所示。所述控制判定部21具备以下说明的内阻取得部35、平均发热量检测部36、电池温度推定部37、内部短路判定部38、电池残存容量取得部39、端子电压推定部40、动作控制部41及未图示的存储器。
所述内阻取得部35具有求出与所述单位电池温度传感器17a检测出的电池温度Tr相对应的电池内阻r的功能。为了实现该功能，内阻取得部35可将例如表示电池温度Tr与电池的内阻r的对应关系的查阅表存储在存储器内，从该查阅表中取得与单位电池温度传感器17a检测出的电池温度Tr相对应的内阻值r。另外，内阻取得部35也可根据组电池14的内阻的温度系数和单位电池温度传感器17a检测出的电池温度Tr，运算出电池的内阻r。
而且，所述平均发热量检测部36具有检测伴随电池的放电或充电在预定的第1期间ΔW1内电池发热量的平均值Pav的功能。为了实现该功能，平均发热量检测部36例如在所述第1期间ΔW1内，基于所述电流检测阻抗16检测出的电流I和所述内阻取得部35取得的内阻r，以指定次数算出电池的发热量P，求出该发热量P的平均值Pav。关于该平均发热量检测部36的更具体的动作，将在后面进行说明。
此外，所述电池温度推定部37具有基于该发热量的平均值Pav以及环境温度传感器17b检测出的环境温度Te，求出自所述平均发热量检测部36检测出发热量的平均值Pav起经过预定的第2期间ΔW2后所推定的应达到的电池温度Tp的功能。关于该电池温度推定部37的更具体的动作，将在后面进行说明。
另外，所述内部短路判定部38具有当所述第2期间ΔW2经过后的实际的电池温度Tr为在所述推定的电池温度Tp的基础上考虑到预定的系数α所得的值以上时，判定为发生了内部短路的功能。即，推测为当发生图5(A)至(D)所示的机制引起的内部短路时，电流通过其短路部位而流动。而且，这样的内部短路将会造成与组电池14的放电量或充电量不相应的组电池14的温度上升。对此，内部短路判定部38根据上述的判断条件(Tr≥αTp)，判断是否发生了与放电量或充电量不相应的组电池14的温度上升，从而判定有无内部短路。
另外，图7所示的所述控制判定部21具有管理电池残存容量SOC的功能。而且，所述电池残存容量取得部39具有在取得所述第1期间ΔW1起始时的电池残存容量SOC之后，每当所述电流检测阻抗16检测流经组电池14的外部的电流I时更新该电池残存容量SOC，求出第1期间ΔW1经过时的电池残存容量SOC的功能。关于该电池残存容量取得部39的更具体的动作，将在后面进行说明。
另外，所述端子电压推定部40具有求出从所述第1期间ΔW1经过时的所述电池残存容量SOC推定的电池端子电压Vp的功能。端子电压推定部40可将例如表示电池残存容量SOC与端子电压Vp的对应关系的查阅表存储在存储器内，从该查阅表中取得与所述第1期间ΔW1经过时的所述电池残存容量SOC相对应的端子电压Vp。关于该端子电压推定部40的更具体的动作，将在后面进行说明。
另外，所述电压检测电路20检测所述第1期间ΔW1经过时的实际的电池端子电压Vr。而且，所述动作控制部41具有仅在所述实际的电池端子电压Vr为在所述端子电压Vp的基础上考虑到预定的系数β所得的阈值以下时，让所述平均发热量检测部36、电池温度推定部37及内部短路判定部38动作的功能。
即，在充电时，当尽管充电电流流动，但实际的电池端子电压Vr下降至与充电量不相应的程度的情况下，动作控制部41判断为发生内部短路的可能性高，并让平均发热量检测部36、电池温度推定部37及内部短路判定部38执行此后的内部短路判定动作。另一方面，当实际的电池端子电压Vr未下降至与充电量不相应的程度的情况下，动作控制部41判断为未发生内部短路，并省略此后的内部短路判定动作。
另外，在放电时(非充电时)，当实际的电池端子电压Vr下降至与放电量不相应的程度的情况下，动作控制部41判断为发生内部短路的可能性高，并让平均发热量检测部36、电池温度推定部37及内部短路判定部38执行此后的内部短路判定动作。另一方面，当实际的电池端子电压Vr未下降至与放电量不相应的程度的情况下，动作控制部41判断为未发生内部短路，并省略此后的内部短路判定动作。
基于由上述的动作控制部41执行的平均发热量检测部36、电池温度推定部37及内部短路判定部38的动作控制，可提高内部短路的判定精度，并简化判定处理。
另外，未图示的存储器存储上述的查阅表数据或动作程序。而且，存储器具有暂时存储运算结果数据等各种数据的存储区域。
所述控制判定部21的各功能可通过微机的CPU、存储装置(ROM、RAM)等而实现。
图2是用于详细说明所述控制判定部21的判定动作的流程图。控制判定部21在步骤S1预先管理电池残存容量SOC₀。而且，控制判定部21在步骤S2，经由模拟/数字转换器19读取电流检测阻抗16及单位电池温度传感器17a的检测结果，并作为电流I_k及电池温度Tr_k存储于存储器中。
在此，在电子设备系统中，向组电池14充电时，由电流检测阻抗16检测出充电电流，放电时(非充电时)，由电流检测阻抗16检测出放电电流。
在接下来的步骤S3，控制判定部21针对预先管理的电池残存容量SOC_K-1，算出电流I_K流过ΔW1/N的期间后的电池残存容量SOC_K。此处，所述ΔW1为指定的第1期间，根据电池的容积，例如可以是60秒。另外，所述N为所述第1期间ΔW1内的取样数，是除尽第1期间ΔW1的值，例如可以是60等。该步骤S3由图7所示的电池残存容量取得部39执行。
在接下来的步骤S4，控制判定部21根据在步骤S2存储的电池温度Tr_K，基于如表1所示的查阅表，算出电池的内阻r_K。另外，该表1仅为示意(image)，并不一定表示正确的数据。该步骤S4由图7所示的内阻取得部35执行。
[表1]