JP2018010770A - 電池モジュールの検査方法及び電池モジュールの検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルと伝熱部材との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出できる電池モジュールの検査方法及び電池モジュールの検査装置を提供する。【解決手段】実施形態の電池モジュールの検査方法では、電池モジュール１０が、複数の電池セル２と、複数の電池セル２が取り付けられる伝熱部材４と、複数の電池セル２と伝熱部材４との間に配置される伝熱層６とを備える。この検査方法は、伝熱層６が複数の電池セル２と伝熱部材４との間に配置された状態で、伝熱部材４における伝熱層６とは反対側の表面４ｓを加熱する工程と、伝熱部材４の表面４ｓを加熱した後、赤外線撮像装置３０を用いて伝熱部材４の表面４ｓを撮像する工程と、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する工程とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、電池モジュールの検査方法及び電池モジュールの検査装置に関する。

例えばリチウムイオン二次電池等の複数の電池セルが配列してなる配列体を含む電池モジュールが知られている。このような電池モジュールでは、電池セルにて発生する熱を筐体に逃がすための放熱構造が設けられる。例えば、特許文献１に記載の電池モジュールでは、電池セル同士の間に伝熱プレートを配置し、当該伝熱プレートの一端側を筐体に接触させている。これにより、電池セルにおいて発生した熱を筐体に逃がしている。

特表平８−５０６２０５号公報

電池セルと、電池セルが取り付けられる伝熱部材（例えば筐体）との間の伝熱性を向上させるために、両者の間に伝熱層を介在させることがある。この場合、電池セルを伝熱層に貼り合わせる際に、電池セルと伝熱層との間に気泡が混入する可能性がある。あるいは、伝熱層が伝熱部材から剥離することにより、伝熱層と伝熱部材との間に空隙が生じる可能性もある。あるいは、伝熱層が破れることにより、伝熱層内に空隙が生じる可能性もある。いずれの場合であっても、電池セルと伝熱部材との間に空隙が存在することになる。

電池セルと伝熱部材との間に上述の空隙のような欠陥部が存在すると、電池セルと伝熱部材との間の伝熱性の向上が妨げられる。また、電池モジュールにおいて異物等の欠陥部を検出することも電池モジュールの品質向上に寄与する。

本発明の一側面は、電池セルと伝熱部材との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出できる電池モジュールの検査方法及び電池モジュールの検査装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電池モジュールの検査方法では、前記電池モジュールが、複数の電池セルと、前記複数の電池セルが取り付けられる伝熱部材と、前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置される伝熱層と、を備え、前記検査方法は、前記伝熱層が前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置された状態で、前記伝熱部材における前記伝熱層とは反対側の表面を加熱する工程と、前記伝熱部材の前記表面を加熱した後、赤外線撮像装置を用いて前記伝熱部材の前記表面を撮像する工程と、前記赤外線撮像装置から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する工程と、を含む。

この電池モジュールの検査方法では、伝熱部材の表面を加熱すると、伝熱部材から伝熱層を経由して複数の電池セルまで熱が伝わる。ここで、（１）伝熱部材と伝熱層との間、（２）伝熱層の内部、（３）伝熱層と複数の電池セルとの間のいずれかに欠陥部が存在する場合がある。欠陥部は伝熱層の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有している。そのような欠陥部としては、例えば、電池モジュールの製造の際に混入する気泡、電池モジュールの使用時に生じる伝熱層の剥離又は破れにより生じる空隙等が考えられる。この場合、欠陥部の存在する箇所において、伝熱部材から複数の電池セルまでの伝熱性が不十分となる。そのため、得られた赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が周囲よりも高温のスポットとして現れる。

欠陥部が例えば導電性粒子等の異物である場合、異物が伝熱層の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有すると、欠陥部の存在する箇所において、伝熱部材から複数の電池セルまでの伝熱性が過度に高くなる。そのため、得られた赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が周囲よりも低温のスポットとして現れる。

したがって、上記電池モジュールの検査方法を用いると、電池セルと伝熱部材との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出することができる。

上記検査方法は、前記伝熱部材の前記表面を撮像した後に、前記赤外線画像の高解像度化処理を行う工程を更に含み、前記欠陥部を検出する工程では、前記高解像度化処理後の前記赤外線画像に基づいて前記欠陥部を検出してもよい。

この場合、欠陥部が微小な径を有する空隙であっても高精度に欠陥部を検出することができる。

上記検査方法は、前記伝熱部材の前記表面を撮像する前に、前記複数の電池セルにより前記伝熱層を圧縮する工程を更に含んでもよい。

伝熱層を圧縮すると、熱弾性効果により、応力変動に応じた温度変化が生じる。伝熱層が圧縮されることにより発生する残留応力の分布は、欠陥部が存在すると、不均一になる。欠陥部が空隙であると、空隙内の気体の温度が断熱圧縮により上昇するからである。その結果、赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が、周囲よりも高温のスポットとして現れる。したがって、高精度に欠陥部を検出することができる。

本発明の一側面に係る電池モジュールの検査装置では、前記電池モジュールが、複数の電池セルと、前記複数の電池セルが取り付けられる伝熱部材と、前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置される伝熱層と、を備え、前記検査装置は、前記伝熱部材における前記伝熱層とは反対側の表面を加熱するための加熱装置と、前記伝熱部材の前記表面を撮像するための赤外線撮像装置と、前記赤外線撮像装置から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出するための欠陥部検出装置と、を備える。

この電池モジュールの検査装置では、上記電池モジュールの検査方法を好適に実施することができる。そのため、電池セルと伝熱部材との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出することができる。

本発明の一側面によれば、電池セルと伝熱部材との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出できる電池モジュールの検査方法及び電池モジュールの検査装置が提供され得る。

検査対象の電池モジュールを模式的に示す側面図である。 実施形態に係る電池モジュールの検査装置を模式的に示す図である。 実施形態に係る電池モジュールの検査装置を模式的に示す図である。 実施形態に係る電池モジュールの検査方法を示すフローチャートである。 サーモグラフィ画像の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１は、検査対象の電池モジュールを模式的に示す側面図である。図１に示される電池モジュール１０は、複数の電池セル２と、複数の電池セル２が取り付けられる伝熱部材４と、複数の電池セル２と伝熱部材４との間に配置される伝熱層６とを備える。

複数の電池セル２は、一方向に配列される。複数の電池セル２には複数の伝熱プレート８がそれぞれ取り付けられてもよい。各伝熱プレート８は、隣り合う電池セル２間に配置される第１の板状部分８ａと、伝熱層６と電池セル２との間に配置される第２の板状部分８ｂとを有する。ただし、電池セル２の配列方向の一端に位置する伝熱プレート８の第１の板状部分８ａは、電池セル２と後述するエンドプレート１２との間に配置される。第２の板状部分８ｂの端部は、第１の板状部分８ａの端部に接続されており、第１の板状部分８ａの延在方向と交差する方向に延びている。各伝熱プレート８は、例えば金属板である。

各電池セル２は、枠体をなす電池ホルダによって保持されている。電池セル２は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池であり、ケース内に電極組立体を収容している。電池セル２には、正極端子及び負極端子が設けられている。

各電池セル２は、極性の異なる端子が隣り合うように配列されており、バスバーによって電気的に直列に接続されている。電池セル２の配列端には、複数の電池セル２を配列方向に拘束可能な一対のエンドプレート１２がそれぞれ設けられている。各エンドプレート１２は、複数の電池セル２を押圧する板状部分１２ａと、エンドプレート１２を伝熱部材４に固定するためのブラケット部分１２ｂとを有する。エンドプレート１２は、例えばボルト等の締結部材により、ブラケット部分１２ｂを介して伝熱部材４に固定される。

伝熱部材４は、例えば複数の電池セル２を収容する筐体又は筐体の一部であってもよい。伝熱部材４は、例えば鉄板等の金属板である。

伝熱層６は弾性を有してもよい。伝熱層６は例えばゲル状の樹脂層である。伝熱層６は、液状の熱伝導材料（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）が硬化してなる固体状の層であってもよい。伝熱層６は、例えば１．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。伝熱層６の熱伝導率は、２Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよく、２．５Ｗ／ｍ・Ｋでもよく、３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。伝熱層６の熱伝導材料としては、例えばポリウレタン樹脂、シリコーンゲル、ゴム及び樹脂系のスポンジ等の弾性変形可能な材料が挙げられる。

電池モジュール１０では、電池セル２の充放電により電池セル２が発熱し、熱が電池セル２から伝熱プレート８及び伝熱層６を経由して伝熱部材４に到達する。これにより、伝熱部材４から外気に放熱される。すなわち、伝熱部材４は放熱部材として機能する。伝熱層６と伝熱プレート８との間に空隙Ｖが存在すると、電池セル２と伝熱部材４との間の伝熱性の向上が妨げられる。このような空隙Ｖは、例えば、伝熱層６に伝熱プレート８を貼り合わせる際に混入する気泡、電池セル２の充放電に伴う電池セル２の膨張及び収縮によって生じる伝熱層６の剥離又は破れ等に起因する。空隙Ｖは、以下に説明する電池モジュール１０の検査装置及び検査方法によって検出され得る。

図２及び図３は、実施形態に係る電池モジュールの検査装置を模式的に示す図である。図２及び図３に示される検査装置１００は、電池モジュール１０の検査を行うことができる。図２は後述する加熱工程における検査装置１００を示し、図３は後述する撮像工程における検査装置１００を示す。

検査装置１００は、伝熱部材４における伝熱層６とは反対側の表面４ｓを加熱するための加熱装置２０と、伝熱部材４の表面４ｓを撮像するための赤外線撮像装置３０と、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出するための欠陥部検出装置４０とを備える。検査装置１００は、電池モジュール１０を加熱装置２０から赤外線撮像装置３０まで搬送するための搬送装置としての一対のレール５０を備えてもよい。

加熱装置２０は、熱源を伝熱部材４の表面４ｓに接触させ、熱源を伝熱部材４の表面４ｓから離すように熱源を駆動する駆動装置を備えてもよい。当該駆動装置は、伝熱部材４の表面４ｓの交差方向（例えば垂直方向）に熱源を駆動可能である。

赤外線撮像装置３０は例えば赤外線カメラである。赤外線撮像装置３０により、伝熱部材４の表面４ｓの赤外線画像が得られる。

欠陥部検出装置４０は、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像を受けるコンピュータ４２と、赤外線画像に基づいて欠陥部の検出結果を表示するモニタ４４とを備える。コンピュータ４２は、赤外線画像を処理することができる。赤外線画像は、例えば図５に示されるようなサーモグラフィ画像としてモニタ４４に表示され得る。

コンピュータ４２は、例えば以下のようにして、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像の高解像度化処理を行うこともできる。まず、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像の輝度曲線データをデジタル化して、画素幅にて平均化された離散値を含む第１のデジタル画像を作成する。次に、第１のデジタル画像を作成した画素位置に対して１／２画素だけずれた画素位置において、同じ輝度曲線データをデジタル化して、第２のデジタル画像を作成する。その後、第１のデジタル画像の値と第２のデジタル画像の値との平均値を算出することによって、高解像度化処理されたデジタル画像が得られる。このような処理を２次元的に行うことによって、伝熱部材４の表面４ｓの赤外線画像の全体に対して高解像度化処理を行うことができる。

一対のレール５０は、電池モジュール１０の両端を支持しながら、レール５０の延びる方向Ａに電池モジュール１０を搬送可能である。加熱装置２０の熱源は、一対のレール５０間の空間を通って、電池モジュール１０に近づくように、又は電池モジュール１０から遠ざかるように駆動可能である。

検査装置１００では、後述する電池モジュール１０の検査方法を好適に実施することができる。そのため、電池セル２と伝熱部材４との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出することができる。

図４は、実施形態に係る電池モジュールの検査方法を示すフローチャートである。実施形態に係る電池モジュールの検査方法は、例えば検査装置１００を用いて以下のように実施され得る。

（圧縮工程）
まず、図１の電池モジュール１０を準備する。例えば、伝熱部材４上に設けられた伝熱層６と、電池セル２に取り付けられた伝熱プレート８とを貼り合わせる。その後、例えばボルト等の締結部材により、一対のエンドプレート１２のブラケット部分１２ｂを伝熱部材４に固定する。その結果、電池セル２及び伝熱プレート８の自重により伝熱層６は圧縮される（工程Ｓ１）。

（加熱工程）
次に、図２に示されるように、伝熱層６が複数の電池セル２と伝熱部材４との間に配置された状態で、伝熱部材４の表面４ｓを加熱する（工程Ｓ２）。図２（ａ）は、検査装置１００の平面図であり、図２（ｂ）は、検査装置１００の側面図である。加熱装置２０の熱源を伝熱部材４の表面４ｓに例えば３〜６０秒間接触させてもよい。また、熱源からの輻射熱によって伝熱部材４の表面４ｓを加熱してもよい。熱源の温度は、５０〜７０℃であってもよいし、５５〜６５℃であってもよいし、５９〜６１℃であってもよい。加熱工程は、電池モジュール１０のエージング試験にも相当する。加熱後、加熱装置２０の熱源を伝熱部材４の表面４ｓから離して電池モジュール１０を冷却する。これにより、電池モジュール１０の使用時の状態を再現できるので、電池セル２の充放電に伴う電池セル２の膨張及び収縮によって生じる伝熱層６の剥離又は破れ等を再現することができる。

（撮像工程）
次に、例えばレール５０により電池モジュール１０を搬送した後、図３に示されるように、赤外線撮像装置３０を用いて伝熱部材４の表面４ｓを撮像する（工程Ｓ３）。図３（ａ）は、検査装置１００の平面図であり、図３（ｂ）は、検査装置１００の側面図である。

（高解像度化処理工程）
次に、必要に応じて、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像の高解像度化処理を行う（工程Ｓ４）。

（欠陥部検出工程）
次に、赤外線撮像装置３０から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する（工程Ｓ５）。赤外線画像の高解像度化処理を行う場合には、高解像度化処理後の赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する。赤外線画像の高解像度化処理を行うと、例えば図５に示されるようなサーモグラフィ画像が得られる。このサーモグラフィ画像では、欠陥部が空隙Ｖである場合、欠陥部の存在する箇所が周囲よりも高温のスポットＨとして現れる。

欠陥部検出装置４０は、欠陥部が予め設定された製品基準（例えば欠陥部の寸法が閾値以下、欠陥部が空隙Ｖの場合は欠陥部の温度が閾値以下、欠陥部が伝熱層よりも大きい熱伝導率の異物の場合は欠陥部の温度が閾値以上）を満たす場合には、良品と判断し、製品基準を満たさない場合には不良品と判断してもよい。不良品の場合、一対のエンドプレート１２のブラケット部分１２ｂを伝熱部材４から外して、ブラケット部分１２ｂを伝熱部材４に固定し直す。あるいは、一対のエンドプレート１２のブラケット部分１２ｂを伝熱部材４から外した後、伝熱部材４から伝熱層６を剥離除去してもよい。この場合、新たな伝熱層６を伝熱部材４上に形成した後、ブラケット部分１２ｂを伝熱部材４に固定する。

上記電池モジュール１０の検査方法では、伝熱部材４の表面４ｓを加熱すると、伝熱部材４から伝熱層６及び伝熱プレート８を経由して複数の電池セル２まで熱が伝わる。ここで、（１）伝熱部材４と伝熱層６との間、（２）伝熱層６の内部、（３）伝熱層６と伝熱プレート８との間のいずれかに欠陥部が存在する場合がある。欠陥部は伝熱層の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有している。そのような欠陥部としては、例えば、電池モジュール１０の製造の際に混入する気泡、電池モジュール１０の使用時に生じる伝熱層６の剥離又は破れにより生じる空隙Ｖ等が考えられる。この場合、欠陥部の存在する箇所において、伝熱部材４から複数の電池セル２までの伝熱性が不十分となる。そのため、得られた赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が周囲よりも高温のスポットとして現れる。

欠陥部が例えば導電性粒子等の異物である場合、異物が伝熱層６の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有すると、欠陥部の存在する箇所において、伝熱部材４から複数の電池セル２までの伝熱性が過度に高くなる。そのため、得られた赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が周囲よりも低温のスポットとして現れる。

したがって、上記電池モジュール１０の検査方法を用いると、電池セル２と伝熱部材４との間に存在し得る欠陥部を非破壊で検出することができる。

さらに、上記電池モジュール１０の検査方法では、加熱前から存在する欠陥部だけでなく、加熱前には存在しておらず、加熱により初めて発生した欠陥部も検出することができる。

高解像度化処理後の赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する場合、伝熱層６の熱伝導率が低く（例えば０Ｗ／ｍＫ超１．０Ｗ／ｍＫ以下、より好ましくは０．２Ｗ／ｍＫ以上１．０Ｗ／ｍＫ以下）、欠陥部が微小な径（例えば０．５〜５．０ｍｍ、より好ましくは０．５〜１．５ｍｍ）を有する空隙Ｖであっても高精度に欠陥部を検出することができる。

伝熱層６を圧縮すると、熱弾性効果により、応力変動に応じた温度変化が生じる。伝熱層６が圧縮されることにより発生する残留応力の分布は、欠陥部が存在すると、不均一になる。欠陥部が空隙Ｖであると、空隙Ｖ内の気体の温度が断熱圧縮により上昇するからである。その結果、赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が、周囲よりも高温のスポットとして現れる。したがって、高精度に欠陥部を検出することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、圧縮工程Ｓ１及び高解像度化処理工程Ｓ４は実施されなくてもよい。圧縮工程Ｓ１は、加熱工程Ｓ２と撮像工程Ｓ３との間に実施されてもよい。

また、加熱工程Ｓ２を行わなくても圧縮工程Ｓ１を行うことにより欠陥部を検出することができる。この場合、圧縮工程Ｓ１において伝熱層６を圧縮すると、熱弾性効果により、応力変動に応じた温度変化が生じる。伝熱層６が圧縮されることにより発生する残留応力の分布は、欠陥部が存在すると、不均一になる。欠陥部が空隙Ｖであると、空隙Ｖ内の気体の温度が断熱圧縮により上昇するからである。その結果、赤外線画像において、欠陥部の存在する箇所が、周囲よりも高温のスポットとして現れる。したがって、欠陥部を検出することができる。

２…電池セル、４…伝熱部材、４ｓ…表面、６…伝熱層、１０…電池モジュール、２０…加熱装置、３０…赤外線撮像装置、４０…欠陥部検出装置、１００…検査装置。

Claims (4)

1. 電池モジュールの検査方法であって、
   前記電池モジュールは、複数の電池セルと、前記複数の電池セルが取り付けられる伝熱部材と、前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置される伝熱層と、を備え、
   前記検査方法は、
   前記伝熱層が前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置された状態で、前記伝熱部材における前記伝熱層とは反対側の表面を加熱する工程と、
   前記伝熱部材の前記表面を加熱した後、赤外線撮像装置を用いて前記伝熱部材の前記表面を撮像する工程と、
   前記赤外線撮像装置から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出する工程と、
   を含む、電池モジュールの検査方法。
2. 前記伝熱部材の前記表面を撮像した後に、前記赤外線画像の高解像度化処理を行う工程を更に含み、
   前記欠陥部を検出する工程では、前記高解像度化処理後の前記赤外線画像に基づいて前記欠陥部を検出する、請求項１に記載の電池モジュールの検査方法。
3. 前記伝熱部材の前記表面を撮像する前に、前記複数の電池セルにより前記伝熱層を圧縮する工程を更に含む、請求項１又は２に記載の電池モジュールの検査方法。
4. 電池モジュールの検査装置であって、
   前記電池モジュールは、複数の電池セルと、前記複数の電池セルが取り付けられる伝熱部材と、前記複数の電池セルと前記伝熱部材との間に配置される伝熱層と、を備え、
   前記検査装置は、
   前記伝熱部材における前記伝熱層とは反対側の表面を加熱するための加熱装置と、
   前記伝熱部材の前記表面を撮像するための赤外線撮像装置と、
   前記赤外線撮像装置から得られる赤外線画像に基づいて欠陥部を検出するための欠陥部検出装置と、
   を備える、電池モジュールの検査装置。