JP2011040198A - Battery deterioration determination device, and battery deterioration determination method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池劣化判定装置及び電池劣化判定方法に関する。 The present invention relates to a battery deterioration determination device and a battery deterioration determination method.
充電電流パルス又は放電電流パルスを二次電池に流し、当該二次電池の分極電圧の変化を測定することにより、二次電池の劣化程度を判定する劣化判定方法が知られている(特許文献1)。 A degradation determination method is known in which a charge current pulse or a discharge current pulse is supplied to a secondary battery and a change in polarization voltage of the secondary battery is measured to determine the degree of degradation of the secondary battery (Patent Document 1). ).
しかしながら、従来の劣化判定方法では、電極や電解液等の電池部材の劣化程度は判定できるが、二次電池の正極、負極におけるイオンバランスの変化による電池の劣化を判定することが困難であった。 However, in the conventional deterioration determination method, although the degree of deterioration of battery members such as electrodes and electrolytes can be determined, it is difficult to determine battery deterioration due to changes in ion balance in the positive and negative electrodes of the secondary battery. .
そこで本発明は、イオンバランスの変化による電池の劣化を判定できる電池劣化判定装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a battery deterioration determination device that can determine battery deterioration due to a change in ion balance.
本発明は、電池の正極の開放電位及び負極の開放電位と、当該電池に含まれるイオン量との特性に応じて、電池の劣化を判定することによって上記課題を解決する。 The present invention solves the above problem by determining the deterioration of the battery according to the characteristics of the open potential of the positive electrode and the open potential of the negative electrode of the battery and the amount of ions contained in the battery.
本発明によれば、電池の正極の開放電位及び負極の開放電位と、当該電池に含まれるイオン量との特性に応じて、電池の劣化を判定するため、電池の劣化により生じるイオンバランスの変化を把握することができ、その結果、電池の劣化を精度よく判定することができる。 According to the present invention, since the battery deterioration is determined according to the characteristics of the open-circuit potential of the positive electrode and the open-circuit potential of the negative electrode and the amount of ions contained in the battery, the change in the ion balance caused by the deterioration of the battery As a result, it is possible to accurately determine the deterioration of the battery.
以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
《第1実施形態》
本発明の電池劣化判定装置を、例えば車両に搭載される場合を例として説明する。図1は、電池劣化判定装置を含むコントローラと組電池のブロック図を示す。
<< First Embodiment >>
The battery deterioration determination device of the present invention will be described as an example when mounted on a vehicle, for example. FIG. 1 is a block diagram of a controller and a battery pack including a battery deterioration determination device.
図1に示す組電池2は、例えばリチウムイオン電池である、複数の単電池20を直列に接続する。コントローラ1は、組電池2に電流を流し、組電池2の開放電位(Open Circuit Voltage)を測定する測定部11と、組電池2の劣化程度を判定する判定部12を有する。
The assembled
組電池2は、負荷(例えばモータ等)、充電器等に接続され、当該充電器からの充電電力により充電される。また、組電池2を電力源として、当該負荷に対して電力を供給する。また組電池2の正極端子には、正極用検出線13が接続され、コントローラ1の測定部11に含まれる、例えばポテンショガルバノスタットの入力端子に接続される。同様に、組電池2の負極端子には、負極用検出線14が接続され、コントローラ1に含まれる、例えばポテンショガルバノスタットの入力端子に接続される。また、測定部11に含まれるポテンショガルバノスタットの参照極13を、組電池2に含まれる単電池20の任意の端子に接続する。
The assembled
測定部11は、組電池2が充電または放電している時に、ポテンショガルバノスタットの電流制御によって、組電池2の正極端子と参照極15との間、及び、組電池2の負極端子と参照極15との間に、電流を流す。そして、測定部11は、電流の導通、電流の遮断を繰り返し、正負極別の開放電位を測定する。また、測定部11は、当該電流を流し初めてから開放電位を測定する時点までのクーロン量から、リチウムイオン量を測定する。
When the assembled
ここで、測定部11により測定される開放電位とイオン量について説明する。本例の電池劣化判定装置は、より正確な開放電位を測定することが好ましい。その一方で、電流を遮断した後、開放電位は回復するために時間を要するため、開放電位は遮断時から時間共に変化し、長時間経過して安定する。開放電位が安定した後に、電圧を検知すると時間を要するため、本例は、電流を遮断後、時間に対する開放電位の変化電圧が、dV/dt=1mV/s以下となる時に、開放電位を測定する。また測定部11は、開放電位を測定した後、電流を流し、再び電流を遮断して、上記と同様の要領で開放電位を測定する。そして、測定部11は、繰り返して流される電流の電流値(クーロン量)からイオン量を測定する。これにより、測定部11は開放電位とリチウムイオン量との関係を測定する。
Here, the open circuit potential and ion amount measured by the
判定部12は、測定部11により測定される開放電位とリチウムイオン量から、組電池2の劣化を判定する。判定部12は、初期の組電池2(劣化する前の状態の電池)における、開放電位に対するリチウムイオン量の特性を格納し、当該特性と、現在の組電池2における特性とを比較することで、組電池2の劣化を判定する。開放電位に対するリチウムイオン量の初期特性は、例えば組電池2が本システムに搭載されて、最初の充放電の際、測定部11により、特性を抽出すればよい。また、コントローラ1は、設計時に、搭載される組電池2の初期特性を、格納してもよい。
The
ここで、これまでの研究により、開放電位は活物質中のリチウムイオン量に依存することが分かった。本例では、この依存性を利用することで、リチウムイオン電池の劣化の原因となっている、リチウムイオンバランスの変化を測定し、組電池2の劣化を判定する。
Here, previous studies have revealed that the open-circuit potential depends on the amount of lithium ions in the active material. In this example, by utilizing this dependency, a change in the lithium ion balance that causes the deterioration of the lithium ion battery is measured, and the deterioration of the assembled
初期の組電池2の満充電の状態から組電池2を放電しつつ、コントローラ1から組電池2へ流れる電流の通電、遮断を繰り返し、放電時間に対する正極側の開放電位の特性をとると、図2に示すような特性となる。そして、満充電の時点から開放電位を測定する時点までの、クーロン量を、電流の通電、遮断の繰り返しのタイミングで測定し、リチウムイオン量に対する開放電位の特性をとると、図3に示すような特性となる。図2は、正極側における、充放電時間に対する開放電位の特性を示し、図3は、正・負極別の開放電位における、イオン量又はSOC(State of Charge)に対する開放電位の特性を示す。図3及び後述する図4において、Xは、イオン量を表す。
When the assembled
図4aに示すように、初期の組電池2は、正極側の特性と負極側の特性とのバランスが取れている。そのため、当該初期の組電池2が放電すると、負極に含まれる、多くのイオン量が正極に移動し、組電池2は、劣化前の放電容量を出力することができる。一方、組電池2の劣化が進むと、図4bに示すように、正極側の特性と負極側の特性とのバランスがずれてしまうため、組電池2の放電により、負極側から引き出されるイオン量が減り、電気容量が減少する。
As shown in FIG. 4a, the assembled
これにより、本例は、組電池2のイオン量に対する開放電位特性を測定し、初期特性と比較することにより、電池の劣化を判定する。以下、図5を参照し、本例の電池劣化判定装置の制御手順を説明する。図5は、本例の電池劣化判定装置の制御手順を示すフローチャートである。
Thus, in this example, the open-circuit potential characteristic with respect to the ion amount of the assembled
イグニッションキーのオン動作により、組電池2の放電が開始し、またコントローラ1による充電制御により、組電池2への充電が開始する(ステップS1)。ステップ2にて、コントローラ1は、組電池2からモータ等の負荷へ放電電流を流す、または充電器から組電池2へ充電電流を流す。ステップS3にて、コントローラ1の測定部11は、組電池2の正極と参照極15の間と、組電池2の負極と参照極15との間に、それぞれ電流を流し、正極の開放電位と負極の開放電位をそれぞれ測定する。当該電流は、通電、遮断を繰り返して流れ、組電池2への充電中又は放電中に、充電電流又は放電電流とは別の電流として流れる。ステップS4にて、測定部11は、組電池2に流れたクーロン量から、リチウムイオン量を測定する。
When the ignition key is turned on, discharging of the assembled
次に、コントローラ1の判定部12は、組電池2が劣化する前である、初期状態のイオン量に対する開放電位の初期特性と、ステップS3及びS4にて測定されるイオン量に対する開放電位の特性とを比較し、組電池2の劣化状態を判定する(ステップS5)。
Next, the
組電池2の劣化は、初期特性におけるイオン量に対して、10%以上イオン量が変化した場合、組電池2が劣化したと判定する。図4aを参照し、組電池2が初期状態から満充電の状態において、イオン量の正極と負極との割合は正極0に対して、負極1.0となる。一方、組電池2が劣化する場合、図4bに示すようにイオンバランスがずれるため、劣化後の組電池2が満充電の状態において、イオン量の正極と負極との割合は正極0に対して、負極1.0以下となる。そのため、劣化後の組電池2が満充電の状態において、正極に対する負極側のイオン量が、0.9以下になった場合、判定部12は、組電池2が劣化したと判定する。なお、判定部12は、負極に対する正極のイオン量により、組電池2の劣化を判定してもよい。
The deterioration of the assembled
また判定部12は、SOCが100パーセントから0パーセントになるまでのイオン量により劣化を判定してもよい。図4a及び図4bに示すように、SOCが100パーセントに対する正極と負極との開放電位差(4.2V)は、劣化前後で、ほぼ同電位差であり、またSOCが0パーセントに対する正極と負極との開放電位差(2.5V)も、ほぼ同電位差である。そのため、コントローラ1は、正極と負極との開放電位差より、SOCの状態を把握し、SOCが100パーセントから0パーセントになるまでのイオン量の変化により、組電池2の劣化状態を判定する。図4aに示すように、劣化前の組電池2において、SOCが0〜100パーセントの間で、正極及び負極のイオン量は、0.0〜1.0の割合をとる。一方、図4bに示すように、劣化後の組電池2において、SOCが0〜100パーセントの間で、正極及び負極のイオン量は、0.7〜1.0の割合をとる。このように、組電池2が劣化することにより、SOCに対するイオン量が変化するため、判定部は、当該イオン量の変化に基づいて、組電池2の劣化を判定しても良い。
The
判定部12により、組電池2が劣化した、と判断されると、ステップS6にて、コントローラ1は、例えば警告ランプを点灯させて、操作者に対して、組電池2が劣化したことを報知する。
When the
そして、コントローラ1は、組電池2の劣化判定を終了する。
Then, the
上記のように、本例の電池劣化判定装置は、組電池2の正極の開放電位と負極の開放電位、及び、組電池2に含まれる活性物質中のイオン量に応じて、組電池2の劣化を判定する。これにより、組電池2の劣化により生じるイオンバランスの変化を把握することができ、組電池2の劣化を精度よく判定することができる。
As described above, the battery deterioration determination device according to the present embodiment is configured so that the assembled
また本発明は、劣化前の初期の組電池2において、充電又は放電により移動する初期のイオン量に対して、測定部12により測定されるイオン量が90パーセント以下の状態になった場合、組電池2は劣化したと判定する。組電池2の電極表面の劣化を考慮して、当該90パーセントを閾値に設定し、劣化を判断することにより、精度のよく劣化を判定することができる。
Further, in the present invention, when the initial amount of ions measured by the
また本例は、電流を遮断した後、時間に対する開放電位の変化電圧が、dV/dt=1mV/s以下となる時に、開放電位を測定する。これにより、組電池1の電極の厚み等のサンプル形状によらず、安定して開放電位を測定することができ、イオン量を測定することができる。ここで、図6は、電極の厚みが異なる場合、時間に対する開放電位の特性を示すグラフである。図6に示すように、組電池2に含まれる電極の厚みの違いによって、開放電位が安定するまでの時間が異なるが、本例は時間に対する開放電位の変化電圧により、開放電位の測定ポイントを設定するため、電極厚みの違いによらず、安定した開放電位を測定することができる。
Further, in this example, after the current is cut off, the open potential is measured when the change voltage of the open potential with respect to time becomes dV / dt = 1 mV / s or less. Thereby, irrespective of sample shape, such as the thickness of the electrode of the assembled
なお、本例の測定部11は、本発明の「測定手段」に相当し、判定部12は「劣化判定手段」に相当する。
The
1…コントローラ
11…測定部
12…判定部
13…正極用検出線
14…負極用検出線
15…参照極
2…組電池
20…単電池
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記組電池の正極と参照極との間、及び、前記組電池の負極と前記参照極との間に、それぞれ電流を流し、前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と、前記組電池に含まれるイオン量とを測定する測定手段と、
前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と前記イオン量との特性に応じて、前記劣化を判定する劣化判定手段とを有する
ことを特徴とする
電池劣化判定装置。 In a battery deterioration determination device for connecting a battery pack and determining the deterioration of the battery pack,
Current flows between the positive electrode of the assembled battery and the reference electrode, and between the negative electrode of the assembled battery and the reference electrode, respectively, and the open potential of the positive electrode and the open potential of the negative electrode are applied to the assembled battery. Measuring means for measuring the amount of ions contained;
A battery deterioration determination device, comprising: a deterioration determination unit that determines the deterioration according to characteristics of an open potential of the positive electrode, an open potential of the negative electrode, and the amount of ions.
初期の組電池における、前記開放電位と前記イオン量との関係を示す初期特性を測定し、
前記初期特性と前記特性とを比較することにより、前記劣化を判定することを特徴とする
請求項1記載の電池劣化判定装置。 The deterioration determining means includes
Measure initial characteristics indicating the relationship between the open-circuit potential and the amount of ions in the initial assembled battery,
The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein the deterioration is determined by comparing the initial characteristic and the characteristic.
請求項1または2記載の電池劣化判定装置。 The measuring means repeats conduction and interruption of the current between the positive electrode of the assembled battery and the reference electrode, and between the negative electrode of the assembled battery and the reference electrode, respectively, so that the open potential of the positive electrode The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein an open-circuit potential of the negative electrode and the amount of ions are measured.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池劣化判定装置。 The measuring means measures the open potential of the positive electrode, the open potential of the negative electrode, and the amount of ions contained in the assembled battery during charging or discharging of the assembled battery. 4. The battery deterioration determination device according to any one of 3 above.
初期の組電池が充電又は放電することにより移動するイオンの量を初期イオン量として測定し、
前記劣化判定手段は、
前記イオン量が前記初期イオン量の90%に達した時点で、前記組電池が劣化したと判定することを特徴とする
請求項1〜4のいずれか一項に記載する電池劣化判定装置。 The measuring means includes
Measure the amount of ions that move when the initial battery pack is charged or discharged as the initial ion amount,
The deterioration determining means includes
5. The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein when the ion amount reaches 90% of the initial ion amount, it is determined that the assembled battery has deteriorated.
前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と前記イオン量との特性に応じて、前記組電池の劣化を判定するステップとを有する
電池劣化判定方法。 Current flows between the positive electrode of the assembled battery and the reference electrode, and between the negative electrode of the assembled battery and the reference electrode, respectively. The open potential of the positive electrode and the open potential of the negative electrode are included in the assembled battery. Measuring the amount of ions produced;
A battery deterioration determination method including a step of determining deterioration of the assembled battery in accordance with characteristics of the open potential of the positive electrode and the open potential of the negative electrode and the amount of ions.
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