JP2000133322A - 二次電池の充放電システム - Google Patents

二次電池の充放電システム

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JP2000133322A
JP2000133322A JP10306657A JP30665798A JP2000133322A JP 2000133322 A JP2000133322 A JP 2000133322A JP 10306657 A JP10306657 A JP 10306657A JP 30665798 A JP30665798 A JP 30665798A JP 2000133322 A JP2000133322 A JP 2000133322A
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resistance
battery
electrode
electrolyte
secondary battery
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JP10306657A
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Yoshiaki Kumashiro
祥晃 熊代
Tadashi Takahashi
正 高橋
Katsunori Nishimura
勝憲 西村
Hisashi Ando
壽 安藤
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】二次電池の内部抵抗を電解液,電極で分離して
測定することで、電池の劣化を電解液の劣化なのか、電
極の劣化なのかを判別し、二次電池の寿命診断を行うこ
と。 【解決手段】二次電池を起電力E,電解液抵抗R1,正
負極を合わせた電極抵抗R2,電極のキャパシタンスC
よりなる等価回路で表し、充電中、所定の周期で充電電
流I1をI2(I1>I2)に変化させて、電池電圧を
測定することで、近似式よりR1,R2を求める。これ
らの値を用いて二次電池の寿命診断を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池の内部抵
抗を用いた寿命予測に係わり、特に電解液に関する電気
抵抗と電極に関する電気抵抗とを分離して測定を行うこ
とによる二次電池の寿命予測に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、二次電池の内部抵抗の測定は、電
池の充電中に充電電流をオフにして、その前後の電圧差
から抵抗を計算しており、このとき内部抵抗は正極及び
負極の電気抵抗と電解液の電気抵抗の和として取り扱わ
れている(特開平7−240235 号公報)。
【0003】しかし、この方式で測定した内部抵抗を寿
命診断に用いたのでは、電極の劣化が支配的なのか、電
解液の劣化が支配的なのか明らかでなく、劣化の要因を
特定することは困難である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで、容易に二次電
池の内部抵抗を電極の抵抗,電解液の抵抗に分離して測
定し、それぞれの抵抗の変化から、従来よりも高精度な
寿命診断技術を発明した。
【0005】本発明の第1目的は、簡易で、精度良く、
かつ実用的な時間で内部抵抗を電極の抵抗,電解液の抵
抗に分離して測定することが可能となる方法を提案する
ことである。
【0006】また第2の目的は、二次電池の内部抵抗を
電解液,電極で分離することで、電解液と電極抵抗を別
々に劣化診断することを可能とし、過充電,過放電を防
ぐことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では二次電池の内部抵抗を電解液抵抗と電極
抵抗に分離して調べられるように起電力,電解液抵抗,
電極の抵抗とキャパシタンスを用いた等価回路から簡易
に電解液抵抗,電極抵抗を求めることで二次電池の寿命
予測を行う方法を発明した。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1〜
図5を用いて説明する。
【0009】図1は本発明を実施するため等価回路であ
る。図1の二点鎖線で示す11は二次電池の等価回路、
破線部の12は電極の等価回路を示す。抵抗R1は電池
の電解液の抵抗を示し、抵抗R2とコンデンサCは正極
及び負極を合わせた電極の抵抗を示し、Eは電池の起電
力を表している。この等価回路に図2に示すようなI
1,I2の充電電流を周期的に変化させながら流す。こ
のとき電圧は図示のように変化する。
【0010】そこで、電流値をI1からI2に切り替え
る直前の二次電池の端子電圧をV1,I2になった直後
の端子電圧をV2、電流を切り替えてから所定の時間t
秒経過後の端子電圧V3を測定する。但し、厳密にはV
1,V2,V3は電流値がI1からI2に変化する直前
の時刻t1−における二次電池の端子電圧をV1、変化
した直後の時刻t1+における二次電池の端子電圧をV
2,t1+からt秒経過した時刻t2における二次電池
の端子電圧をV3とする。測定したV1,V2,V3を
用いて等価回路で定義したE,R1,R2は、以下で詳
細に述べる方程式を解くことで求められる。
【0011】ここでは、I1,I2,V1,V2,V3
とE,R1,R2,Cの間には以下に述べるような関係
が成り立つ。
【0012】まず時刻t1−において、Cに十分に電荷
が蓄えられているとすれば、Cにはほとんど電流が流れ
ないとみなせる。従って時刻t1−では次の近似式が成
り立つ。
【0013】
【数1】 V1=(R1+R2)・I1+E …(数1) また、時刻t1+ではCの両端電圧はほとんど変化せ
ず、R2にはCの両端電圧と同じ電圧がかかっており、
R2にはI1の電流が流れているとみなせる。従って
【0014】
【数2】 V2=R1・I2+R2・I1+E …(数2) が成り立つ。
【0015】さらに時刻t1+からt秒後の時刻t2
で、電圧の変化がほとんどなくなったとするとこの場合
もCに流れる電流はほとんどないと考えられる。よって
【0016】
【数3】 V3=(R1+R2)・I2+E …(数3) が成り立つ。従って、前記3式による連立方程式を解く
ことで、R1,R2,Eが求まる。
【0017】以上で測定した電解液抵抗R1,電極抵抗
R2を用いて二次電池の寿命診断を行う。電極抵抗と充
放電サイクル数との関係を予め測定し、記憶装置などに
記憶させておくことで、これを基準に寿命予測すること
が可能となる。
【0018】また、温度と電解液抵抗R1との関係を一
次式で近似し、電解液の劣化の基準値として予め記憶装
置に記憶させておくことで、電池の温度を検出する温度
検出器を備えれば、前記連立方程式より求めたR1の値
と温度との関係より求めたR1を比較することにより、
電解液の状態を知ることが可能となる。
【0019】この結果、過充電などにより電解液が分解
して電解液が減少し、枯渇するようなことが起こった場
合にも電池の劣化の要因を知ることが出来、電解液を補
充することでこの電池の使用を続けることも可能であ
る。
【0020】以上より電解液,電極のどちらで劣化が進
んでいるかを表示し、ユーザーに知らせることで過充
電,過放電の危険を回避することができる。
【0021】図3は、充放電回路の一例である。ここで
は、単電池(31[1],31[2],・・・31[n];
nは自然数)をn個直列接続した組電池32を制御対象
とする。直列に接続された各々の単電池に流れる電流は
全て同じであり、各々の単電池の電圧を1つずつ電圧検
出部33で測定する。従って組電池32においてもこれ
を構成する各々の単電池は、図2に示したI1,I2,
V1,V2,V3と同様に各々の単電池の値として測定
することができる。組電池32には充電用の電源となる
充電器3cと放電用の負荷3dが接続されている。
【0022】充電器3cと負荷3dは電流制御部3aに
よりコントロールされる。CPU36 はROM38に記憶さ
れた図4に示すフローチャートに基づくプログラムによ
り制御を行う。充電開始の指令を受けると組電池32に
流れる電流は電流検出部34で計測され、A/Dコンバ
ータ35でデジタル値に変換後、RAM39に保存され
る。タイマ37で時間を測定し、測定した時間に応じて
CPU36が電流制御部3aを通して、充電器3cの電
流値を制御することで、電流I1での充電中に所定の周
期T毎にI1より小さな電流I2で充電を行う時間tを
設ける。
【0023】電流値I1からI2に切り替える直前の各
々の単電池の端子電圧をV1,I2になった直後の端子
電圧をV2、電流を切り替えてから所定の時間t秒経過
後の端子電圧V3をそれぞれ電圧検出部33で測定し、
A/Dコンバータ35でデジタル値に変換後、RAM3
9に保存する。
【0024】これらの測定をし、RAM39に保存され
ている前記充電電流I1,I2と前記端子電圧V1,V
2,V3をCPU36が読み出し、前記(数1)〜(数
3)に示したE,R1,R2との関係を近似して得られ
る連立方程式をCPU36で演算してR1,R2を求
め、RAM39に保存する。このようにして各々の単電
池のR1,R2を求めることができる。
【0025】さらに、このR1,R2をRAM39に保
存する。各電池の温度も温度検出部3eで測定し、A/
Dコンバータ35でデジタル値に変換後、RAM39に
保存しておく。連立方程式から求めたR2とROM38
に予め設定されているR2をCPU36において比較
し、各単電池31の充放電サイクル数を決定する。例え
ば、電池の初期容量を100%とし、これが70%に低
下したところを寿命とみなすとすれば、予め容量が初期
容量の70%になったときの電極抵抗R2値をROM3
8に記憶しているので、連立方程式から求めた電極抵抗
R2の値と比較し、電池の容量を確認しなくても劣化具
合を知ることが可能となる。
【0026】電極抵抗R2が基準値より大きいことを判
定すれば、電極が劣化していることを表示装置3bに表
示する。また、電解液抵抗R1と温度の関係を近似した
1次式をROM38に与えておき、R1を測定するとき
に、電池の温度も測定しRAM39に保存しておけば、
連立方程式から求めた電極R1の値xと温度との関係か
ら求めたR1の値bを比較することで電解液の状態がわ
かる。例えば、x>ay(a>1.0)であれば、電解液
が劣化していることを、表示装置3bに表示する。
【0027】電極抵抗R2についても温度との関係を1
次式で近似しておけば、R2測定時の温度が、ROM3
8に記憶させたR2の寿命の基準値を測定したときの温
度と異なる場合でも、R2の値を補正することが可能と
なり、より高精度の電池の寿命判定が可能となる。この
ようにして二次電池の寿命診断を行うことが出来る。ま
た二次電池を複数個直列に接続したものを並列に接続し
たときの充放電回路を図5示す。この場合も直列接続し
た電池と検出部を図中の51のような電池モジュール構
成にすることで、各電池モジュール内の各々の単電池毎
に前記直列接続の場合と同様に寿命を診断できる。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、充放電中
の二次電池の電解液抵抗,電極の抵抗を容易に検出で
き、これらを測定することで寿命予測の精度を向上さ
せ、二次電池の劣化を電解液,電極のどちらによるもの
かを分離して知ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の充放電制御装置において二次電池の
R1,R2を求める際に使用する簡易等価回路である。
【図2】充電電流値が変化したときの二次電池の端子電
圧の変化を示すタイム図である。
【図3】二次電池を直列に接続したときのこの発明の充
放電制御装置を示す図である。
【図4】この発明の充放電制御装置による二次電池のR
1,R2を求める処理を示すフローチャートである。
【図5】二次電池を直並列に接続したときのこの発明の
充放電制御装置を示す図である。
【符号の説明】
3a…電流制御部、3b…表示装置、3c…充電器、3
d…負荷、3e…温度検出部、11…二次電池の等価回
路、12…電極の等価回路、31[1],31[2],・
・・31[n]…単電池、32…単電池31複数個からな
る組電池、33…電圧検出部、34…電流検出部、35
…A/Dコンバータ、36…CPU、37…タイマ、3
8…ROM、39…RAM、51…電池モジュール。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02J 7/10 H02J 7/10 L (72)発明者 西村 勝憲 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 安藤 壽 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 5G003 AA01 BA01 CA01 CA11 CB01 CB06 DA07 EA08 GC05 5H030 AA03 AA04 AA06 AS18 BB01 BB21 FF42 FF43 FF44 FF52

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二次電池の内部抵抗を電池の電解液抵抗と
    電極抵抗に分離して寿命を推定することを特徴とする二
    次電池の充放電システム。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記二次電池を充電す
    る場合に定電流充電時の電流を短時間減少させて、電池
    の内部抵抗を電解液と電極の電気抵抗に分離して簡易に
    測定することを特徴とする二次電池の充放電システム。
  3. 【請求項3】請求項2において、起電力,電解液抵抗,
    電極抵抗,電極のキャパシタンスよりなる等価回路で表
    わすことで二次電池の内部抵抗を電解液と電極の電気抵
    抗を簡易に測定することを特徴とする二次電池の充放電
    システム。
  4. 【請求項4】電池の充電電流を変化させる装置と前記電
    池に流れる電流値を検出する電流検出部と、充電電流を
    変化させる時間を測るタイマーと、電流を変化させたと
    きの前記電池の電圧を検出する電圧検出部と、検出した
    電流値,電圧値から電解液抵抗,電極抵抗を演算する演
    算装置,電解液抵抗と電極抵抗から寿命を推定する演算
    装置を少なくとも備えたことを特徴とする二次電池の充
    放電システム。
  5. 【請求項5】請求項4に於いて、電池の電解液抵抗と電
    極抵抗を測定する際の温度を検出する温度検出部を備え
    たことを特徴とする二次電池の充放電システム。
  6. 【請求項6】請求項5において、推定した電池の寿命を
    表示する表示装置を備えたことを特徴とする二次電池の
    充放電システム。
  7. 【請求項7】請求項6に於いて、電池の電解液抵抗と電
    極抵抗を測定した温度に応じて補正することを特徴とす
    る二次電池の充放電システム。
  8. 【請求項8】請求項5又は請求項7の二次電池の充放電
    システムにおいて、電池の電解液抵抗と電極抵抗をこれ
    らを測定した温度に応じて補正した後、前記二次電池の
    寿命を推定することを特徴とする二次電池の充放電シス
    テム。
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