JP2011075461A - 二次電池の特性評価装置および車両および充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の特性を簡便に把握することを支援する。
【解決手段】 電池に搭載された電池制御ユニットで測定された充電電圧は、測定値記憶手段に記憶される。演算手段は、関数記憶手段から関数ｆを、演算結果記憶手段から前回測定時の電池容量と内部抵抗とをそれぞれ読み出して、回帰的に充電電圧に対応する電池容量、内部抵抗を演算する。演算が終了すると、演算した電池容量、内部抵抗とともに測定日時、電池温度、充電電圧、充電時間と関連付けて電池容量、内部抵抗を記録する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、二次電池の特性を評価する特性評価装置と特性評価装置を有する二次電池装置およびこの二次電池装置により走行する車両に関する。

二次電池は繰り返して使用することで、性能が劣化していく。 一般に、電池の劣化度合いの指標としては、電池の持久力を示す電池容量[Ａｈ]や、出力特性を示す内部抵抗[ω]により診断を行っている。

電池容量の劣化に着目した方法としては、所定量だけ充電し、その充電の前後の電池電圧に基づいて総合的な容量を推定し、推定結果に基づいて電池の劣化判定を行うというものがある（例えば特許文献１参照）。
また、バッテリ開放電圧から満電池容量に対する実際の電池容量の割合に対応するバッテリ充電レベルを検出し、バッテリの入力又は出力電力量に対する前記バッテリ充電レベルの変化量に基づいてバッテリの劣化状態を判定するというものがある（例えば特許文献２参照）。
また、電池の下限電圧から上限電圧までの充電に要する充電時間について、初期状態と現在の値の比率から劣化状態を判定するというものがある（例えば特許文献３参照）。
また、２点以上の電圧間の電池容量を実測して第１の電池容量を求めるとともに、充電時にパルス充電を行った時の電圧降下に基づいて充電時に測定した電池の内部抵抗由来の電圧を求め、その電池の内部抵抗由来の電圧で上記２点以上の電圧を補正した２点以上の補正電圧Ｖを用いて、上記基準となる放電曲線から導かれる充電曲線から電池容量を計算して第２の電池容量をもとめ、これら電池容量の比を取ることにより、電池の劣化による容量の減少比である容量劣化を算出するというものがある（例えば特許文献４参照）。

電池劣化診断方法であって内部抵抗の劣化に着目した方法としては、予め設定された複数の入出力パターンのいずれかに該当するかを判別し、判別された特定の入出力パターンに応じたバッテリへの電力の入出力の終了後にバッテリの内部抵抗を算出するとともに、この内部抵抗値と、各入出力パターンに応じて個別に設定されている内部抵抗値の最小値のうちで上記判別された特定の入出力パターンに対する最小値とに基づいてバッテリの劣化度合いを診断するというものがある（例えば特許文献５参照）。

特開平８−１７４７７ 特開２００３−１４３７０３ 特開２００３−３０８８８５ 特開２００３−３２９７４４ 特開２００４−７２９２７

電動機によって駆動される自動車（ＥＶ）などのアプリケーションでは、電池容量は走行可能距離の低下に直接的に関係する。また内部抵抗が増加すると、電池内部での電圧ドロップが増加して出力電圧が弱まるので運動性能の低下に直接的に関係するし、ジュール熱の発生が増すのでエネルギー効率が悪化して走行可能距離にも間接的に関係する。
たとえば電気自動車（ＥＶ）は、エネルギー供給源である電池を完全に放電させると移動ができなくなるため、どの程度走行が可能かを正確に把握できることが重要となる。電池容量が劣化して減少している場合には、満充電にしていても、走行可能な距離は減少している。また内部抵抗が増加すると、電池内部でのエネルギー消費量が大きくなり、取り出せるエネルギーが減るので、これによっても走行可能な距離は減少する。このように、劣化が進んだ現在の電池の特性を正確に把握することが重要なアプリケーションが存在する。
したがって、電池容量、内部抵抗いずれの劣化も影響をうけることを前提にした特性評価を都度正しく行うことが課題である。
なお、電池容量や内部抵抗は急激には劣化しないので、診断の頻度は、ＥＶならば１充電当たり１回行えば足りる程度である。

上述した既知の電池劣化診断方法においては、電池容量の劣化または内部抵抗の劣化のいずれかのみを診断している。
容量推定のロジックは、開放電圧により、充電状態（ＳＯＣ）、すなわち満充電量に対する現在充電されている充電量の割合を算出しているが、この場合は電池特性の変化により開放電圧と充電状態の関係が変わった場合には、正しい値を求めることができない。
また、データのサンプリングの都合でパルス充電を行う必要がある手法を用いる場合には、連続して充電することが好ましい時に、わざわざパルス充電を行う必要が生じる課題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、電池の特性の把握を簡便に行うことのできる電池特性把握手法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、定電流による充電中に電池に発生する充電電圧と充電開始からの時刻とを記憶する測定値記憶手段と、電池容量と内部抵抗と充電開始からの時刻とを変数とし充電電圧を求める関数を記憶する関数記憶手段と、前記測定値記憶手段に記憶され充電電圧を用いて関数記憶手段に記憶された関数を回帰計算し電池容量と内部抵抗とを求める演算手段と、を具備する二次電池の特性評価装置を提供する。
このとき、前記演算手段は、充電開始からの所定期間に測定された値を除いて計算することが好ましい。
また、前記関数記憶手段に記憶された関数は、電池温度および充電電流毎に記憶されていることが好ましい。
また、前記関数記憶手段に記憶された関数は、充電終止電圧となる時刻を基準として定義されていることが好ましい。
また本発明は、前記の特性評価装置を具備する定電流充電器を提供する。
また本発明は、前記の特性評価装置を具備することを特徴とする車両を提供する。

この発明によれば、二次電池の特性の把握を簡便にし、二次電池を現状に即した制御化で利用可能とする。

図１は、本実施の形態が実現する二次電池の流通形態を示す模式図。 図２は、本実施の形態の充電電圧の測定例を示す模式図。 図３は、本実施の形態の特性評価方法を適用した電池診断装置の概要を示す模式図。 図４は、本実施の形態が実現する車両の形態を示す模式図。 図５は、本実施の形態が実現する車両の形態を示す模式図。 図６は、本実施の形態が実現する車両の形態を示す模式図。 図７は、本実施の形態が実現する車両の形態を示す模式図。

以下、本発明に係る電池劣化診断方法の実施例について、図面を参照して説明する。
一般に、リチウムイオン電池は、定電流充電される。図１に充電状態０％から定電流充電で充電した時の充電電圧の時間変化を示す。図１に示すように電池が劣化すると内部抵抗が大きくなり、電池容量が小さくなるため、充電電圧の時間変化のカーブが変化する。したがって、充電電圧の時間変化のカーブを測定することにより電池の現在の特性を知ることができる。このとき充電電圧は、充電時間を変数とする関数として表される。

ＥＶは、完全に放電すると走行させて移動することができないため、完全に放電する前に充電を開始する。したがって、充電を開始する時の充電状態（ＳＯＣ）は不定である。他方、充電終了は通常、所定の充電終止電圧まで充電されると終了するよう制御される。
そこで、充電電圧の関数は、充電終止電圧に到達した時点を時間の基準点として作成する。具体的には、充電開始から充電終止電圧に到達するまでに要した時間をｔｃとし、充電開始からの時間をｔとすると、ｔ−ｔｃが充電電圧の関数の変数である。

また、図１に示す通り充電電圧の関数は、電池容量の劣化、内部抵抗の劣化により変わる。
そこで、現在の電池容量をＣ、初期状態での電池容量をＣ_ｉとおくとき、その比α＝Ｃ／Ｃ_ｉを電池容量の劣化の変数とする。
また、現在の内部抵抗をＲｉ、初期状態の内部抵抗をＲｉ_ｉとおくとき、その比β＝Ｒｉ／Ｒｉ_ｉを内部抵抗劣化の変数とする。
一般に電池は温度、充電電流などが変わるなかで繰返し充放電を繰り返している。充電電圧は電池の温度Ｔｂと、充電電流Ｉｃによっても変化する。

以上により充電電圧Ｖは、ｔ−ｔｃ，α，β，Ｔｂ，Ｉｃの関数として、次のように表すことができる。

Ｖ＝ｆ（ｔ−ｔｃ，α，β，Ｔｂ，Ｉｃ）

各条件（α、β、Ｔｂ、Ｉｃ）の測定、および充電時における充電電圧の所定周期でのサンプリングを行い、同時期に得られたデータを一単位として、これらを記録する。
組電池のように複数のセルを有する場合には、各セルごとに劣化の進行度が異なるので、充電電圧の時間変化はセル毎に測定する。リチウムイオン電池は、過充電に弱いので、過充電が起きないように制御するために充電時に計測手段を用いて各セルの電圧を測定している。その測定結果を利用して記録することで、部品を追加することなく充電電圧履歴を得ることができる。

次に測定した充電電圧の時間変化から、関数ｆについて回帰分析を行い電池容量および内部抵抗の特性を求める方法について説明する。

なお、説明を容易とするため１セルごとの電池の特性評価と診断について説明を行う。
また、本実施の形態ではニュートン法による回帰分析による方法を説明するが、その他の回帰分析方法を用いて行っても良い。

図２に充電電圧の測定例を示す。充電開始から充電終止電圧到達までの充電時間ｔｃの間にＮ個の測定値が得られた。
充電開始直後は、電極部材における反応抵抗などの影響で充電電圧が安定しない過渡期間となるため、この過渡期ｔｓの期間に得られたｎｓ個目までのデータは回帰分析には用いない。なお、通常のサンプリングは所定周期で行うため、ｔｓとｎｓには一義的な相関がある。使用しないデータ数ｎｓは電池の特性に応じて任意に余裕を持って設定できる。
このため、最小とすべき残差平方和は次のようになる。

ここで、時間は充電終止電圧に到達した時間を基準としているが、最大電圧のセルが充電終止電圧に到達した時に充電を止めるので、その他のセルは充電終止電圧に達していない。そのため充電終止電圧に到達していないセルについては、その補正量としてｔｒを考える。

このとき、充電電圧の関数ｆの変数の内、電池温度Ｔｂと充電電流Ｉｃは測定もしくは設定する値で既知であるから、未知数はｔｒ、α、βとなるので、Ｓが最小となるためには、次の連立方程式の解を求めることになる。

∂Ｓ／∂ｔｒ＝０
∂Ｓ／∂α＝０
∂Ｓ／∂β＝０

この連立方程式を数値解析により解く。

初期値としては、前回測定時の電池容量をＣ_ｐ、Ｒｉ_ｐとすると、

ｔｒ₀＝０
α₀＝Ｃ_ｐ／Ｃ_ｉ
β₀＝Ｒｉ_ｐ／Ｒｉ_ｉ

次のステップのｔｒ_ｉ＋１、α_ｉ＋１、β_ｉ＋１は次式で得られる。

ｔｒ_ｉ＋１＝ｔｒ_ｉ＋Δｔｒ_ｉ
α_ｉ＋１ ＝α_ｉ ＋Δα_ｉ
β_ｉ＋１ ＝β_ｉ ＋Δβ_ｉ

この時、Δｔｒ_ｉ、Δα_ｉ、Δβ_ｉは次式を解いて得られる。

上記の行列式を掃き出し法により数値計算し、Δｔｒ_i、Δα_ｉ、Δβ_ｉを求める。
これを繰り返し計算を行い、εtｒ、εα、εβに対して予め設定した収束条件

Δｔｒ_ｉ＜εtｒ
Δα_ｉ ＜εα
Δβ_ｉ ＜εβ

が全て満たされたとき、繰返し計算を終了する。

繰返し計算により得られたα、βより現在の電池容量、内部抵抗を算出する。

Ｃ＝α×Ｃ_ｉ
Ｒｉ＝β×Ｒｉ_ｉ

ここで得られたＲ，Ｃを利用して車両の乗り味を同一に維持し続けるよう車両の駆動系に向けた出力を調整することができる。
また、Ｒ，Ｃに求められる最低限度の値を閾値として持つことで、電池の寿命を診断する指標として活用できる。
求められた現在の電池容量Ｃと、ＥＶとして必要な航続距離を満たすために要する必要容量と比較し、Ｃが必要容量に比して小さい値を示した場合に寿命と判断する。
また、内部抵抗が大きくなった場合には、ＥＶとして必要な電力を取り出すことができなくなるので、ＥＶとして必要な電力を取り出すことができる内部抵抗値より内部抵抗Ｒが大きくなった場合に寿命と判断する。

本実施形態では、電池容量と内部抵抗の両方を求めるため、一方だけが劣化しているような場合であっても診断等の用に寄与することが可能である。
また、従来の方法のように特定の条件の数個の測定値から求めているのではなく、充電期間の数多くの充電電圧をサンプリングして用いるので測定装置の精度が同じであれば、求められる電池容量と内部抵抗の精度が向上している。
また、定電流充電が安定して行われている状態での充電電圧の測定値を用いているので、ＥＶ走行中に発生するノイズや不規則な充放電履歴に起因する測定誤差もなく、解の精度が安定している。

図３に本実施の形態の特性評価方法を適用した電池診断装置の概要を示す。
電池に搭載された電池制御ユニット（ＢＭＵ）で測定された充電電圧は、通信手段を経由して測定値記憶手段に記憶される。
演算手段は、関数記憶手段から関数ｆを、演算結果記憶手段から前回測定時の電池容量、内部抵抗をそれぞれ読み出して、上述した特性評価方法により今回測定した充電電圧に対応する電池容量、内部抵抗を演算する。演算が終了すると、演算した電池容量、内部抵抗とともに測定日時、電池温度、充電電圧、充電時間を関連付けて演算結果記憶手段に記憶する。
劣化診断手段が演算結果記憶手段に記憶された電池容量、内部抵抗を基に所定の指標に照らして劣化診断を行う。

この電池診断装置は、車載することも（図４参照）、急速充電器に設置することも（図７参照）、電池診断を専門にする機関に設置することもできる（図５、図６参照）。
車載した場合に電池からの充電電圧測定データは、有線、無線、光通信、いずれの方法でも入手することができる。

また、急速充電器に設置した場合には、有線（図７参照）、無線（例えば図６参照）、光通信（図７参照）、電力線通信（図５参照）により電池からの充電電圧測定データを入手することができる。

電池診断を専門にする機関に設置した場合には、急速充電器と同様な方法により通信機が充電電圧測定データを入手し、通信機からインターネットなどの通信手段を用いて入手することができる。

Ｖ…充電電圧、Ｎ…側定数、ｔ…充電時間、Ｔｂ…電池温度、Ｉｃ…充電電流、
ｔｃ…充電期間、ｔｓ…充電開始後過渡期間、Ｃ…電池容量、Ｒ…内部抵抗

Claims (7)

1. 定電流による充電中に電池に発生する充電電圧と充電開始からの時刻とを記憶する測定値記憶手段と、
   電池容量と内部抵抗と充電開始からの時刻とを変数とし充電電圧を求める関数を記憶する関数記憶手段と、
   前記測定値記憶手段に記憶され充電電圧を用いて関数記憶手段に記憶された関数を回帰計算し電池容量と内部抵抗とを求める演算手段と、
   を具備することを特徴とする電池の特性評価装置。
2. 前記演算手段は、充電開始からの所定期間に測定された値を除いて計算することを特徴とする請求項１記載の特性評価装置。
3. 前記関数記憶手段に記憶された関数は、電池温度および充電電流毎に記憶されていることを特徴とする請求項１または請求項２にいずれかに記載の電池の特性評価装置。
4. 前記関数記憶手段に記憶された関数は、充電終止電圧となる時刻を基準として定義されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電池の特性評価装置。
5. 前記演算手段での回帰計算は、ニュートン法によることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の電池の特性評価装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の特性評価装置を具備することを特徴とする定電流充電器。
7. 請求項１乃至５いずれかに記載の特性評価装置を具備することを特徴とする車両。

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