JP2011133443A - 診断装置、電池パック及び電池価値指標の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを決定する抵抗成分決定部と、使用サイクル数をパラメータとするRSOLおよびRCTの劣化推移情報を参照して、決定したRSOLおよびRCTの内からより劣化が進行している抵抗成分について、推定現在使用サイクル数を求め、この推定現在使用サイクル数を用いて放電容量が下限値に到達するまでの残サイクル数と放電時間が下限値に到達するまでの残サイクル数の内小さい残サイクル数を電池の現在価値を表す指標とする指標算出部とを備えた診断装置である。
【選択図】図2
Description
特許文献1には、電池の劣化度を電池の内部抵抗を用いて判定する方法が提案されている。また特許文献2に開示された技術では、充放電電流の積算値を用いて電池の現在容量を求め、初期電池容量との比を求めて劣化度合いを判定している。
従って、車載用として価値のなくなった電池であっても、他の用途としては価値が認められることから、電池部分の現在価格は、今後使用される用途も考慮して決定されなければならない。
一般に、電池の内部抵抗とは、電池内部に存在する直流の抵抗成分のことを意味することが多い。しかし電池に直流電圧を印加し続けると、イオンが時間の経過と共に電極に偏ることで電流が流れにくくなる。この現象は、オーミック(ohmic)な抵抗以外に電流と電圧に位相差を生じさせるインピーダンス成分が存在していることを示している。
通常、二次電池の使用によって電極の表面には皮膜が蓄積し、これによってRCTが増加する。電極の表面に皮膜が蓄積していく場合は、RCTの増加はリニアである。ところで、二次電池では電極の結晶構造の崩壊やバルククラックと呼ばれる電極の微細化現象が発生すると、微細化した隙間に皮膜が蓄積する。この電極の微細化が発生するとそれに伴って電極の表面積が増加するためRCTは加速度的に増加する。図1に示すRCTの曲線はこの特性を良く表している。
RSOLの推移曲線が、700サイクル付近では増加傾向に変化が見られず、900サイクル以降で急激に増加しているのは、このことを示している。
図2は、第1の実施の形態に係る診断装置100と電池パック200との接続を示す図である。電池パック200は、通常は電気自動車などに搭載されて電源を供給する。診断装置100は、電池パック200と接続してRSOL、RCTを測定する。
電池モジュールの外装にはホール(孔)が設けられて、このホールを介して単電池の一つの正極と負極とからの配線が端子205と接続している。この端子205に、RSOL、RCTを測定するための診断装置100からの信号線が接続される。
交流インピーダンス法測定器110は、交流発振部111、電圧測定器112及び電流測定器113を備え、交流発振部111からの複数周波数をスイープした交流電圧を端子205を介して電池に付与する。そして、それぞれの周波数の下で電圧測定器112及び電流測定器113で電圧及び電流を測定する。
制御器122は、充放電器120の動作を制御すると共に交流インピーダンス法測定器110からの測定信号に基づいてRSOL、RCTを測定する。開始スイッチ121は、制御器122に対して測定動作開始タイミングを指示する。
ここで、SOCを50%にセットするのは、以降に実施する交流インピーダンス測定での充放電において電池が過充電状態、過放電状態となることを回避するためである。ところで、BMS210が算出するSOCは電池パック200全体としてのSOCであるため、交流インピーダンス測定の対象となる単電池がステップS03の動作の結果で50%になっているとはいえない。しかし、SOCを50%にセットする動作は、上述のように過充電状態を回避することが目的であるため、単電池が厳密に50%とならなくても良い。
図4は、測定結果をコール・コールプロットで表した図である。図4の縦軸はインピーダンスの虚数部を表し、横軸は実数部を表している。そして、スイープした周波数毎に測定した複数の点を三角印でプロットしている。
図5は、フィッティングに使用する電池の等価回路を示す図である。この等価回路によれば、高周波領域ではCのインピーダンスが無視できRSOLのみの回路と等価であるため、回路インピーダンスの虚数部は0となる。従って、コール・コールプロットにおける原点から実数部軸に最初にプロットされた点が現れるまでの距離がRSOLに相当する。また低周波領域ではCのインピーダンスは無限大と考えられ、フィッティング結果である半円曲線の直径がRCTに相当する。
BMS210は送信されたRSOLおよびRCTと共に、電圧温度測定器211が測定した電池パック各部の温度、電圧に関する情報を暗号化した後、不揮発性メモリ213に保存する。図6は、不揮発性メモリ213に保存される情報を例示する図である。
電池の現在価値は、得られたRSOLとRCTと、電池評価で得られた劣化傾向データを基に、残りの使用可能サイクル数を求めることにより行う。
RSOL曲線では、約600サイクル使用した状態に相当しているのに対し、RCT曲線では、約700サイクル使用した状態に相当している。そうすると、RCTの方がRSOLより劣化が進んでいることが分かる。従って以降の処理では、RCTを判定のための指標とする。
放電時間では、下限に達するときのサイクル数が950サイクルであるため、残サイクル数は250サイクルとなる。放電容量では、下限に達するときのサイクル数が900サイクルであるため、残サイクル数は200サイクルとなる。
第2の実施の形態では、測定したRSOL、RCTに加え、測定した電流容量を用いて電池の現在価値を判定する点が第1の実施の形態と異なっている。従って、第1の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、詳細の説明は省略する。
なお、診断装置100の充放電器120は、ステップダウン放電とステップダウン充電の機能を備えており、1C、2C、4C、8Cの各Cレートにおける電池容量を測定可能である。
図9は、充放電によって得られる電流積算量QL1〜QL4、QH1〜QH4の関係を示す図である。また制御器122は、図9の下部に示す式に従って、各Cレート時の容量を計算する。
図10の左上の座標を例として説明する。測定により得られた8Cレート時電池容量の履歴情報をプロットする。この履歴情報は▲点で表されている。次に、リファレンス情報として表されている各パターン(パターンA〜C)の中から履歴情報に最も合致するものを選択する。この例では、パターンAが選択できる。
図12は、点数を求めるための点数表を示す図である。当該電池の使用年数が2年とする。
図13は、電池の用途に応じた係数を表す係数表を示す図である。上述の指標にこの係数表から得た係数を乗じた値をそれぞれ合算した値を電池パックの現在価値とする。
第2の実施の形態では、1C、2C、4C、8Cの各電流での電池容量を充放電器120の充放電動作を制御して測定した。これに対して第3の実施の形態では、充電のみの動作によって指標を測定する点が第2の実施の形態と異なっている。従って、第1の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、詳細の説明は省略する。
本発明の第1の実施の形態で述べた診断装置100を用いた評価手法により、将来の電池の現在価値を確度高く判定することが可能となる。また、第2の実施の形態に代表される診断装置100を用いた判定手法により、将来の用途に応じた価値算定が可能となる。また、第3の実施の形態で述べた診断方法では、ステップダウン充電における高レート充電終了から低レート充電終了までの時間を、高レートにおける電池容量の代替指標とする。これにより充電器120に放電機能を搭載する必要がなくなり、診断装置100の設計を簡素化、コストを低減させることができる。また、測定されたデータを暗号化して不揮発性メモリなどのデータストレージに保存するBMSにより、データの改ざんを防ぎ、電池の正確・公平な価値算定を保障することができる。
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
Claims (11)
- 電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを決定する抵抗成分決定部と、
使用サイクル数をパラメータとするRSOLおよびRCTの劣化推移情報を参照して、決定したRSOLおよびRCTの内からより劣化が進行している抵抗成分について、推定現在使用サイクル数を求め、この推定現在使用サイクル数を用いて放電容量が下限値に到達するまでの残サイクル数と放電時間が下限値に到達するまでの残サイクル数の内小さい残サイクル数を電池の現在価値を表す指標とする指標算出部と
を備えたことを特徴とする診断装置。 - 電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを決定する抵抗成分決定部と、
前記少なくとも一つの電池を含む電池パックをステップダウン充放電する充放電器と、
前記充放電器を動作させて複数の電流による充放電を制御して各Cレート時の電池容量を求める電池容量決定部と、
電池の特性を表す前記各Cレート時の電池容量、RSOLおよびRCTの履歴情報を取得して、前記履歴情報と参照用劣化データとを比較して最も合致する劣化データを選択し、選択した劣化データに基づいて現在の電池の劣化状態をそれぞれの特性について数値化し、将来の用途に応じた係数で前記数値を重み付けした新たな数値を合計した値を電池の現在価値指標とする現在価値指標算出部と
を備えたことを特徴とする診断装置。 - 電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを決定する抵抗成分決定部と、
前記少なくとも一つの電池を含む電池パックをステップダウン充電する充電器と、
前記制御部は、
前記充電器を動作させて複数のステップダウン電流による充電を制御して、最初の電流による充電終了時から最後の電流による充電終了時までの時間情報を求める時間情報取得部と、
電池の特性を表す前記時間情報、RSOLおよびRCTの履歴情報を取得して、前記履歴情報と参照用劣化データとを比較して最も合致する劣化データを選択し、選択した劣化データに基づいて現在の電池の劣化状態をそれぞれの特性について数値化し、将来の用途に応じた係数で前記数値を重み付けした新たな数値を合計した値を電池の現在価値指標とする現在価値指標算出部と
を備えたことを特徴とする診断装置。 - 少なくとも一つの電池の両端に複数の周波数の交流電圧をスイープして印加する交流発振部と、
印加される周波数毎に前記少なくとも一つの電池の両端に発生する電圧変化と電流変化とをそれぞれ測定する電圧測定部及び電流測定部とを有し、
前記抵抗成分決定部は、前記測定した周波数毎の電圧変化と電流変化とから電池の周波数毎のインピーダンスを複素表現として求め、前記電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを含む等価回路のインピーダンスが、前記複素表現のインピーダンスとフィットするように前記RSOLおよびRCTを決定することを特徴とする請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の診断装置。 - 少なくとも一つの電池の両端に複数の周波数の正弦波を重畳した交流電圧を印加する交流発振部と、
印加される交流電圧によって前記少なくとも一つの電池の両端に発生する電圧変化と電流変化とをそれぞれ測定する電圧測定部及び電流測定部とを有し、
前記抵抗成分決定部は、前記電圧変化と電流変化の波形をフーリエ変換して前記電池の周波数毎のインピーダンスを複素表現として求め、前記電池の電解液抵抗成分RSOLおよび電荷移行抵抗成分RCTを含む等価回路のインピーダンスが、前記複素表現のインピーダンスとフィットするように前記RSOLおよびRCTを決定することを特徴とする請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の診断装置 - 少なくとも一つの電池を含む電池パックを充放電する充放電器を有し、
前記抵抗成分決定部は、前記RSOLおよびRCTを決定するに際し、前記充放電器を制御して前記電池パックの充電状態SOCを略50%とすることを特徴とする請求項1に記載の診断装置。 - 請求項1乃至3の内1項に記載の診断装置と接続可能になされた電池パックであって、
少なくとも複数の電池が直列に接続された電池モジュールと、
前記電池の電圧、温度を測定する電圧・温度測定器と、
前記診断装置との情報授受を行うための通信線を接続する通信端子と、
前記少なくとも一つの電池の両端からの配線を接続する第1の端子と、
前記電池モジュールの両端からの配線を接続する第2の端子とを有し、
前記電池モジュールの外装には、前記少なくとも一つの電池の両端と接続するための配線導通孔が設けられていることを特徴とする電池パック。 - 接続された診断装置より電池容量、RSOLおよびRCTを前記通信端子を介して取得し、
前記電圧・温度測定器が測定した温度情報とともに履歴情報としてメモリに蓄積することを特徴とする請求項7に記載の電池パック。 - 接続された診断装置より時間情報、RSOLおよびRCTを前記通信端子を介して取得し、
前記電圧・温度測定器が測定した温度情報とともに履歴情報としてメモリに蓄積し、
前記時間情報は、当該診断装置が複数のステップダウン電流による前記電池の充電を制御することで取得した、最初の電流による充電終了時から最後の電流による充電終了時までの時間情報であることを特徴とする請求項7に記載の電池パック。 - 診断装置を電池に接続して各Cレート時の電池容量、RSOLおよびRCTを取得して履歴情報として蓄積する工程と、
電池の特性を表す前記各Cレート時の電池容量、RSOLおよびRCTの履歴情報を取得して、前記履歴情報と参照用劣化データとを比較して最も合致する劣化データを選択し、選択した劣化データに基づいて現在の電池の劣化状態をそれぞれの特性について数値化する工程と、
将来の用途に応じた係数で前記数値を重み付けした新たな数値を合計して前記電池の現在価値指標を作成する工程と
を具備することを特徴とする電池価値指標の製造方法。 - 診断装置を電池に接続して時間情報、RSOLおよびRCTを取得して、履歴情報として蓄積する工程と、
電池の特性を表す前記時間情報、RSOLおよびRCTの履歴情報を取得して、前記履歴情報と参照用劣化データとを比較して最も合致する劣化データを選択し、選択した劣化データに基づいて現在の電池の劣化状態をそれぞれの特性について数値化する工程と、
将来の用途に応じた係数で前記数値を重み付けした新たな数値を合計して電池の現在価値指標を作成する工程とを具備し、
前記時間情報は、当該診断装置が複数のステップダウン電流による前記電池の充電を制御することで取得した、最初の電流による充電終了時から最後の電流による充電終了時までの時間情報であることを特徴とする電池価値指標の製造方法。
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