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.pdf

本发明提供一种检测在以一定的电流量I进行充电的恒流充电中的电池的内部短路的内部短路检测装置，包括：检测电池的端子电压的电压检测部；通过所述电压检测部取得预定的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2的端子电压取得部；根据所述端子电压V1、V2算出所述第1期间ΔW1内的端子电压的实际增加量ΔV3的电压增加量算出部；算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时的该期间内的端子电压的预测增加量ΔV4的电压增加量预测部；当所述实际的增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，判定为内部短路的内部短路判定部。

1.  一种内部短路检测装置，用于检测在以一定的电流量I进行充电的恒流充电的电池的内部短路，其特征在于包括：
电压检测部，检测电池的端子电压；
端子电压取得部，取得通过所述电压检测部检测出的在预定的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2；
电压增加量算出部，从所述端子电压V1、V2算出在所述第1期间ΔW1的端子电压的实际增加量ΔV3；
电压增加量预测部，算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时在该期间的端子电压的预测增加量ΔV4；
内部短路判定部，当所述实际的增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，判定为内部短路。

2.  一种内部短路检测装置，用于检测在以一定的电压V进行充电的恒压充电的电池的内部短路，其特征在于包括：
电流检测部，检测电池的充电电流；
充电电流取得部，取得通过所述电流检测部检测出的在预定的第2期间ΔW2的起始点的充电电流I1和终点的充电电流I2；
电流减小量算出部，从所述充电电流I1、I2算出在所述第2期间ΔW2的实际的电流减小量ΔI3；
电流减小量预测部，算出以所述电压V充电所述第2期间ΔW2时在该期间的预测减小量ΔI4；
内部短路判定部，当所述实际的电流减小量ΔI3为在所述预测减小量ΔI4的基础上考虑到预定的系数β所得的值以下时，判定为内部短路。

3.  根据权利要求1或2所述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。

4.  一种内部短路检测方法，用于检测在以一定的电流量I进行充电的恒流充电的电池的内部短路，其特征在于包括：
检测电池的端子电压的步骤；
取得通过所述电压检测部检测出的在预定的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2的步骤；
从所述端子电压V1、V2算出在所述第1期间ΔW1的端子电压的实际增加量ΔV3的步骤；
算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时在该期间的端子电压的预测增加量ΔV4的步骤；
当所述实际的增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。

5.  一种内部短路检测方法，用于检测在以一定的电压V进行充电的恒压充电的电池的内部短路，其特征在于包括：
检测电池的充电电流的步骤；
取得通过所述电流检测部检测出的在预定的第2期间ΔW2的起始点的充电电流I1和终点的充电电流I2的步骤；
从所述充电电流I1、I2算出在所述第2期间ΔW2的实际的电流减小量ΔI3的步骤；
算出以所述电压V充电所述第2期间ΔW2时在该期间的预测减小量ΔI4的步骤；
当所述实际的电流减小量ΔI3为在所述预测减小量ΔI4的基础上考虑到预定的系数β所得的值以下时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。

6.  根据权利要求4或5所述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。

7.  一种电池组件，其特征在于包括：
电池；以及
如权利要求1至3中任一项所述的内部短路检测装置。

8.  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3中任一项所述的内部短路检测装置。

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
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 Iithium 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5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6(A)所示发生内部短路时，则因该短路而产生的热，如图6(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6(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6(D)所示短路孔扩大，导致短路面积扩大。随后，如图6(E)所示短路部分熔融，在该热的作用下再次从图6(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7(A)所示发生内部短路时，其情况如下。即，即使如图7(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7(B)至图7(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，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电池电压的变化如图8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，用于检测在以一定的电流量I进行充电的恒流充电的电池的内部短路，包括：电压检测部，检测电池的端子电压；端子电压取得部，取得通过所述电压检测部检测出的在预定的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2；电压增加量算出部，从所述端子电压V1和V2算出在所述第1期间ΔW1的端子电压的实际增加量ΔV3；电压增加量预测部，算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时在该期间的端子电压的预测增加量ΔV4；内部短路判定部，当所述实际的增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，判定为内部短路。
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，可靠地检测内部短路。
即，未出现与恒流充电的充电量相应的电池的端子电压上升时，可推测该电池中发生了所述的机制引起的内部短路，放电电流通过其短路部位流过，因此通过检测此现象判定内部短路。
具体而言，以一定的电流量I恒流充电预定的第1期间ΔW1，并通过所述端子电压取得部，取得该第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2。而且，由所述电压增加量算出部从所述端子电压V1和V2算出在所述第1期间ΔW1的端子电压的实际增加量ΔV3，并且由电压增加量预测部算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时在该期间的端子电压的预测增加量ΔV4。此外，所述内部短路判定部当所述端子电压的实际增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，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，也可高精度地检测出内部短路。
本发明所涉及的另一种电池的内部短路检测装置，用于检测在以一定的电压V进行充电的恒压充电的电池的内部短路，包括：电流检测部，检测电池的充电电流；充电电流取得部，取得通过所述电流检测部检测出的在预定的第2期间ΔW2的起始点的充电电流I1和终点的充电电流I2；电流减小量算出部，从所述充电电流I1和I2算出在所述第2期间ΔW2的实际的电流减小量ΔI3；电流减小量预测部，算出以所述电压V充电所述第2期间ΔW2时在该期间的预测减小量ΔI4；内部短路判定部，当所述实际的电流减小量ΔI3为在所述预测减小量ΔI4的基础上考虑到预定的系数α(应为“β”)所得的值以下时，判定为内部短路。
根据上述结构，以一定的电压V恒压充电预定的第2期间ΔW2，并通过所述充电电流取得部，取得该第2期间ΔW2的起始点的充电电流I1和终点的充电电流I2。而且，由所述电流减小量算出部从所述充电电流I1和I2算出所述第2期间ΔW2的实际的电流减小量ΔI3，并且由所述电流减小量预测部算出以所述电压V充电所述第2期间ΔW2时在该期间的预测减小量ΔI4。而且，所述内部短路判定部当所述电流的实际减小量ΔI3为在所述预测增加量ΔI4的基础上考虑到预定的系数β所得的值以下时，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，也可高精度地检测内部短路。
本发明所涉及的电池的内部短路检测方法，用于检测在以一定的电流量I进行充电的恒流充电的电池的内部短路，包括：检测电池的端子电压的步骤；取得通过所述电压检测部检测出的在预定的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1和终点的端子电压V2的步骤；从所述端子电压V1和V2算出在所述第1期间ΔW1的端子电压的实际增加量ΔV3的步骤；算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时在该期间的端子电压的预测增加量ΔV4的步骤；当所述实际的增加量ΔV3为在所述预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。
本发明所涉及的内部短路检测方法，用于检测在以一定的电压V进行充电的恒压充电的电池的内部短路，包括：检测电池的充电电流的步骤；取得通过所述电流检测部检测出的在预定的第2期间ΔW2的起始点的充电电流I1和终点的充电电流I2的步骤；从所述充电电流I1和I2算出在所述第2期间ΔW2的实际的电流减小量ΔI3的步骤；算出以所述电压V充电所述第2期间ΔW2时在该期间的预测减小量ΔI4的步骤；当所述实际的电流减小量ΔI3为在所述预测减小量ΔI4的基础上考虑到预定的系数β所得的值以下时，判定为内部短路的内部短路判定步骤。
根据本发明的上述各内部短路检测方法，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。
本发明所涉及的电池组件包括电池和本发明的所述各结构的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、以及本发明的所述各结构的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是对用于说明本发明的一实施方式所涉及的内部短路判定动作的充电电压及电流的管理方法进行说明的坐标图。
图3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4是用于说明新品状态和劣化状态下的充电电压及电流的变化的坐标图。
图5是表示以往结构的二次电池的单位电池的内部短路时的电压变化的坐标图。
图6(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7(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8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的内部短路时的电压变化的坐标图。
具体实施方式
图1是表示采用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方法的充电系统的电结构的方框图。该充电系统采用在电池组件1中具备对其充电的充电器2的结构，但也可进一步包括从电池组件1进行供电的未图示的负载设备而构成电子设备系统。
电池组件1及充电器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彼此连接。在设有所述负载设备的情况下也设置同样的端子。
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中，介有充电用与放电用时的导电形式彼此不同的FET12、13，该充放电路径11连接于二次电池(电池)14的高侧端子。所述二次电池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中，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。
所述二次电池14是由多个单位电池串联、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17b检测，并同样地输入至控制IC18内的模拟/数字转换器19。而且，所述各单位电池的端子间电压由电压检测电路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，并输出至充电控制判定部21。
所述充电控制判定部21具备微机及其周边电路等。该充电控制判定部21响应来自所述模拟/数字转换器19的各输入值，运算要求充电器2输出的充电电流的电压值及电流值，并从通信部22经由端子T12、T22；T13、T23发送至充电器2。另外，所述充电控制判定部21根据来自所述模拟/数字转换器19的各输入值，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外部的异常，同时检测二次电池14的异常升温或后述的内部短路的发生等内部的异常。并且，充电控制判定部21当检测到这些异常时执行遮断所述FET12、13等的保护动作。充电控制判定部21在正常进行充放电时，导通所述FET12、13以允许充放电，在检测到异常时截止以禁止充放电。
在充电器2中，用控制IC30的通信部32接收所述的要求输出的充电电流的电压值及电流值。并且，充电控制部31控制充电电流供给电路33，以通信部32接收的电压值及电流值供给充电电流。充电电流供给电路33包括AC-DC转换器或DC-DC转换器等，将输入电压转换为所述充电控制部31指示的电压值及电流值，再经由端子T21、T11；T23、T13供给至充放电路径11、15。
并且，在电池组件1中，在所述直流高侧的充电路径11，与通常(快速)充电用FET12并联地设置有连续补充充电电路(trickle charge circuit)25。该连续补充充电电路25采用限流电阻(current limiting resistor)26和FET27的串联电路。当充电的初期或满充电附近进行补充充电时，充电控制判定部21控制为：在导通放电用FET13的状态下，让快速充电用FET12截止，导通该连续补充充电用FET27，进行连续补充充电。另一方面，在通常充电时及放电时，充电控制判定部21控制为：在导通所述FET13的状态下，导通所述FET12，让该FET27截止，以通常电流进行充放电。例如为锂离子电池的情况下，充电控制判定部21根据由所述电压检测电路20检测出的各单位电池的端子间电压是否为2.5V以下，来判定在所述充电的初期是否进行连续补充充电(trickle charge)。此时，当由所述电压检测电路20检测出的各单位电池的端子间电压超过所述2.5V时，不进行连续补充充电，从一开始就进行快速充电。
对于如上构成的电池组件1，在本实施方式中，二次电池14采用如图6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，与此相对应，作为判定手段的充电控制判定部21在充电时响应作为电压检测手段的电压检测电路20及作为电流检测手段的电流检测阻抗16的检测结果，按以下方式判定在二次电池14中是否发生了内部短路。
所述充电控制判定部21的各功能可通过微机的CPU、存储装置(ROM、RAM)等而实现。
图2是对用于详细说明所述充电控制判定部21的判定动作的充电电压及电流的管理方法进行说明的坐标图。图2是锂离子电池的情况下的坐标图，参照符号α11表示正常状态下的二次电池14的单位电池电压的变化，参照符号α21表示正常状态下的向二次电池14供给的充电电流的变化。
就电压来说，首先，从二次电池14的充电开始时起进行连续补充充电(连续补充充电区域)，供给微小的恒流I10，例如为50mA的充电电流。而且，以该连续补充充电方式进行的充电一直持续到一个或者多个单位电池的各个单位电池的电压均达到连续补充充电的终止电压Vm，例如2.5V为止。
当所述单位电池电压达到终止电压Vm时，充电方式切换为恒流充电方式(恒流充电区域)。而且，恒流(CC)充电进行到电池组件1的所述端子T11、T13间的电压成为每个单位电池的端子电压为4.2V的预定终止电压Vf(例如在3个单位电池串联的情况下为12.6V)为止。在进行该恒流充电的期间，充电端子上被施加所述终止电压Vf，并且被供给预定的恒定电流I20。例如，如果设对标称容量值为NC的各个单位电池进行恒流放电，在1小时内单位电池的残存容量变为零的电流值为1C(1It)，则恒定电流I20为1C的70％乘以并联连接的单位电池数P所得的充电电流。
当所述端子T11、T13间的电压达到终止电压Vf时，充电方式切换为恒压充电方式(恒压充电区域)，以恒压持续充电，直至所述充电电流值下降至预定的电流值I30。在进行该恒压充电的期间，充电电流值逐渐减小以使所述端子T11、T13间的电压不超过终止电压Vf，当所述充电电流值下降至预定的电流值I30时，判定为满充电而停止充电电流的供给。
另一方面，参照符号α12表示发生如上所述的内部短路的状态下的二次电池14的各个单位电池电压的变化，参照符号α22表示该内部短路状态下的向二次电池14供给的充电电流的变化。此时，二次电池14的各个单位电池的电压上升，但由于发生图7(A)至(D)所示的机制所引起的内部短路，因此即使以相同的连续补充充电及恒流(CC)充电方式进行充电，如图2中两点划线所示，与未发生内部短路的情况相比，各个单位电池的电压上升的速度较慢，充电电流从I10到I20、再到I30的切换速度也随之变慢。对此，在本实施方式中，当恒流(CC)充电时，充电控制判定部21，针对供给充电电流的指定的第1期间ΔW1，根据由电压检测电路20检测出的各单位电池电压V的实际增加量ΔV3，来判定所述内部短路。当恒压(CV)充电时，充电控制判定部21，针对以一定的电压V充电的第2期间ΔW2，根据由电流检测阻抗16检测出的充电电流的实际减小量ΔI3，来判定所述内部短路。
图3是用于详细说明所述充电控制判定部21的判定动作的流程图。充电控制判定部21首先在步骤S0判定二次电池14的充电状态。在步骤S0的判定的结果，当二次电池14处于非充电状态时则终止处理。另一方面，在步骤S0，当判定为二次电池14正在充电过程中时，如果正在进行连续补充充电方式的充电(图2中，连续补充充电区域)，则在步骤S1待机，直至切换为恒流充电方式的充电(图2中，恒流充电区域)。
当二次电池14的充电方式切换为恒流充电方式时，充电控制判定部21在步骤S1，经由模拟/数字转换器19读取所述电压检测电路20的检测结果，并将该检测结果作为以一定的电流量I充电的第1期间ΔW1的起始点的端子电压V1存储于存储器中。接着，在步骤S2待机第1期间ΔW1后，在步骤S3再次读取电压检测电路20的检测结果，并将该检测结果作为第1期间ΔW1的终点的端子电压V2存储于存储器中。在步骤S4，算出所述第1期间ΔW1内的端子电压的实际增加量ΔV3。另一方面，在步骤S5，根据预先存储于存储器中的查阅表等，算出以所述电流量I充电所述第1期间ΔW1时的该期间内的端子电压的预测增加量ΔV4。而且，在步骤S6，当实际的端子电压增加量ΔV3为在所述端子电压的预测增加量ΔV4的基础上考虑到预定的系数α所得的值以下时，充电控制判定部21在步骤S7判定为发生了内部短路。并且，所述充电控制判定部21进行遮断FET12、13等的保护动作。所述预测增加量ΔV4的查阅表例如表1所示。
[表1]