JP2013207958A - 電池システムおよび電池システムの劣化判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シャント回路を備えた電池システムにおいて電池の劣化状態を適切に判定することが可能な電池システムを提供する。
【解決手段】この電池システム１００は、セル１と、セル１に並列に接続されており、オン状態で電流を迂回させるシャント回路３とを備える。シャント回路は電池の電圧に基づいてオン状態とオフ状態とが切り換えられ、電池システム１００は、セル１の充電過程における、シャント回路３がオン状態となる頻度に基づいて、セル１の劣化状態を判定する演算処理部５を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池システムおよび電池システムの劣化判定方法に関する。

上記特許文献１には、二次電池（セル）に対して並列に接続され、オン状態で電流を迂回させるシャント回路を備えた電池システムが開示されている。シャント回路は、電池の過充電を防止する機能を有する。電池電圧が基準上限電圧に達するとシャント回路はオンされ、電池に対する充電電流を迂回させる。電圧降下によって電池電圧が基準下限電圧に達すると、シャント回路はオフされ、電池の充電が再開されて電池電圧が再び上昇する。このシャント回路のオンオフ動作が繰り返されることにより、徐々に電池の充電状態が高くなる。

ところで、二次電池は充放電サイクルの進行に伴い、容量の低下や内部抵抗の増大など劣化することが知られており、電池システムにおいて電池の劣化状態を判定することは重要である。従来では、充電電流を迂回させるバイパス回路を備えた劣化判定システムが知られている（たとえば、特許文献２参照）。上記特許文献２では、容量劣化度の大きいセルが他のセルよりも先に充電終止電圧に達してバイパス回路がオンになることから、充放電サイクルを多数回繰り返した後にバイパス回路のオン動作の累計数が他のセルと比べて大きいセルについて、容量劣化度が大きい（相対的に容量が小さい）と判定する。

特開２００２―１８６１９１号公報 特開平７―２５５１３３号公報

しかしながら、上記特許文献２の劣化判定システムのバイパス回路は、充電時に一旦オン状態になるとそのセルの充電が終了するため、上記特許文献１に開示されたような充電時にオンオフ動作を繰り返すシャント回路とは動作および構成が異なる。このため、上記特許文献２に開示されたような劣化判定システムを、上記特許文献１に開示されたシャント回路を備えた電池システムに適用することは困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、シャント回路を備えた電池システムにおいて電池の劣化状態を適切に判定することが可能な電池システムおよび電池システムの劣化判定方法を提供することである。

上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、シャント回路を備えた電池システムにおいて、劣化の大きい電池は充電時のシャント回路の動作頻度が劣化の小さい電池と比較して上昇することを見出し、シャント回路の動作頻度に着目すれば、電池の劣化状態を判定することが可能であることを見出した。すなわち、この発明による電池システムは、電池と、電池に並列に接続されており、オン状態で電流を迂回させるシャント回路と、を備える電池システムであって、シャント回路は電池の電圧に基づいてオン状態とオフ状態とが切り換えられ、電池の充電過程における、シャント回路がオン状態となる頻度またはオフ状態となる頻度に基づいて、電池の劣化状態を判定する判定手段を備える。なお、オン状態（オフ状態）となる頻度とは、シャント回路のオン（オフ）状態が切り替わる時間間隔の長さの大小を表す尺度であり、たとえば一定時間当たりのオン（オフ）回数や、一定のオン（オフ）回数動作するのに要する時間を含む。

この発明では、過充電を防止するシャント回路を備えた電池システムにて、充電開始から充電終了に至る１回の充電中に、シャント回路がオン状態となる頻度またはオフ状態となる頻度に基づいて、容易に電池の劣化状態を判定することができる。また、複数の電池を備え、各電池のそれぞれにシャント回路が設けられた場合では、各電池どうしの比較による劣化状態の判定ではなく、それぞれの電池の劣化状態を個別に判定することができ、電池システムの劣化度を適切に判定することができる。

上記発明による電池システムにおいて、好ましくは、判定手段は、シャント回路がオン状態となる頻度の最大値またはオフ状態となる頻度の最大値に基づいて、電池の劣化状態を判定するように構成されている。充電過程のどの時点の頻度に基づいて劣化判定を行うかによって、判定結果がばらつく可能性がある。そこで、本発明では、シャント回路がオン状態となる頻度（またはオフ状態となる頻度）の最大値に基づいて劣化状態を判定することによって、判定結果がばらつくことなく客観的な劣化判定を行うことができる。また、シャント回路がオン（オフ）状態となる頻度が最大となる時点で、電池の劣化の大小による差異がより明確に表れることから、シャント回路がオン（オフ）状態となる頻度の最大値に基づいて劣化状態を容易に判定することができる。

この場合において、好ましくは、判定手段は、取得された頻度の最大値と、予め設定された基準値とを比較することで劣化状態を判定する。たとえば劣化の進んだ電池のシャント回路がオン（またはオフ）状態となる頻度の最大値を実測して、その実測値を予め基準値として設定しておけば、取得された頻度の最大値と基準値とを比較するだけで、容易に電池の劣化状態を判定することができる。

この発明による電池システムの劣化判定方法は、電池と、電池に並列に接続されており、オン状態で電流を迂回させるシャント回路と、を備える電池システムの劣化判定方法であって、シャント回路は電池の電圧に基づいてオン状態とオフ状態とが切り換えられ、電池の充電過程における、シャント回路がオン状態となる頻度またはオフ状態となる頻度に基づいて、電池の劣化状態を判定する。

本発明によれば、シャント回路を備えた電池システムにおいて電池の劣化度を適切に判定することが可能な電池システムおよび電池システムの劣化判定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による電池システムの全体構成を示した図である。 本発明の一実施形態による電池システムにおいて劣化の小さいセルの充電過程を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による電池システムにおいて劣化の大きいセルの充電過程を模式的に示した図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による電池システム１００の構成について説明する。

本実施形態による電池システム１００は、複数のセル（単位二次電池）１が直列に接続されて構成された組電池２と、シャント回路３と、制御部４と、演算処理部５とを備えている。電池システム１００は、各セル１の劣化状態を演算処理部５により個別に判定するように構成されている。なお、セル１は、本発明の「電池」の一例である。また、演算処理部５は、本発明の「判定手段」の一例である。

各セル１は、リチウムイオン二次電池からなる。図１は、電池システム１００が充電用電源６および負荷７に接続されている状態を示しており、組電池２は、充電用電源６および負荷７と電気的に接続されている。負荷７は、組電池２に蓄積された電荷を電源として動作する対象機器である。電池システム１００は、充電用電源６により各セル１に対して定電流充電を行う。

シャント回路３は、複数のセル１に対してそれぞれ設けられ、セル１と並列に接続された分流回路である。シャント回路３は、ＦＥＴなどのスイッチング素子３１と、抵抗３２とを有している。組電池２の充電時において、スイッチング素子３１がオフ状態（すなわち、シャント回路３がオフ状態）では、充電用電源６からの充電電流は全てセル１に供給され、セル１が充電される。スイッチング素子３１がオン状態にされると（すなわち、シャント回路３がオン状態にされると）、充電用電源６からの充電電流はシャント回路３側に分流される。

制御部４は、各セル１の端子間電圧を検出し、検出した端子間電圧に基づいて、各スイッチング素子３１のオンオフを個別に切替える機能を有する。制御部４は、通常はスイッチング素子３１をオフ状態としておく。そして、制御部４は、セル１の電圧が所定の上限電圧Ｖ_ＯＮに達した場合に、シャント回路３のスイッチング素子３１をオン状態とする。スイッチング素子３１をオン状態とした後、セル１の電圧が所定の下限電圧Ｖ_ＯＦＦまで下降した場合には、制御部４は、スイッチング素子３１をオフ状態に戻す。なお、以下では、スイッチング素子３１をオン状態にすることを、「シャント回路をオンする」と表現し、スイッチング素子３１をオフ状態にすることを、「シャント回路をオフする」と表現する。

制御部４は、組電池２の充電開始から充電終了に至る１回の継続的な充電過程において、検出した端子間電圧と、上記の上限電圧Ｖ_ＯＮおよび下限電圧Ｖ_ＯＦＦとの比較に基づいてシャント回路３のオンオフの切替えを制御することにより、各セル１の過充電を防止するとともに、各セル１の電圧が均等になるようにする。なお、図１では、複数の制御部４がセル１ごとに設けられているように示しているが、単一の制御部４で各セル１のシャント回路３を制御してもよい。

ここで、本実施形態において、演算処理部５は、それぞれのシャント回路３がオン状態となる頻度（以下、「オン頻度」という）を取得する機能、および、取得したシャント回路３のオン頻度に基づいてセル１の劣化状態を判定する機能を備える。演算処理部５は、たとえばＣＰＵコア、メモリ、タイマー、Ｉ／Ｏ部などを備えたマイコンから構成され、このマイコンに劣化判定プログラムを実行させることにより劣化判定を行う。

具体的には、演算処理部５は、それぞれの制御部４と接続されており、制御部４からシャント回路３のオンオフ制御の情報を取得して、それぞれのシャント回路３のオン頻度を個別に取得する。

シャント回路３のオン頻度は、たとえば移動平均法によって算出される。一例としては、演算処理部５は、直近の時間区間Ｔ１において、シャント回路３がオン状態となる回数の時間平均を算出し、この時間平均をシャント回路３のオン頻度とする。時間間隔Ｔ２ごとに時間区間Ｔ１を移動させながら頻度算出を行うことにより、演算処理部５は、１回の充電過程における時間間隔Ｔ２ごとのオン頻度を取得することが可能である。たとえば時間区間Ｔ１を１秒、時間間隔Ｔ２を０．５秒とすれば、演算処理部５は、０．５秒間隔で１秒間のシャント回路３のオン回数の時間平均をオン頻度として取得する。

上記以外のオン頻度を取得する方法としては、たとえば、常時短い周期（たとえば１０ミリ秒）でシャント回路３のオンオフ状態を検出し、シャント回路３がオンされてから、次にオンされるまでの時間間隔を計測して、この時間間隔をオン頻度として算出してもよい。ただし、時間区間Ｔ１のオン回数の平均値を用いる方法の方が、時間間隔を測る方法と比較して、より正確にオン頻度を取得することができる。

演算処理部５は、時間間隔Ｔ２ごとに取得された複数のオン頻度のうちの最大値ｆｍａｘに基づいて、セル１の劣化状態の判定を行う。本実施形態では、演算処理部５は、オン頻度の最大値ｆｍａｘと、予め設定された基準値Ｒとを比較して、セル１の劣化状態を判定する。ここで、基準値Ｒは、たとえば、セルを実際に充電してオン頻度の最大値を実測することで実験的に決定することができる。具体的には、劣化の大きいセルを準備して、このセルのオン頻度の最大値を実測して、この実測値を基準値Ｒとすることができる。ただし、どの程度までセル１の劣化が進行した場合に「劣化大（問題あり）」と判定するかは、電池システム１００の用途や運用方法によって異なるので、基準値Ｒは電池システム１００の用途などに応じて適宜設定される。

また、劣化状態の判定は、単一の基準値Ｒを用いて「劣化の大小（問題の有無）」を判定するだけでもよいし、複数の基準値Ｒを設定して、セルの劣化の進行度合いを判定するようにしてもよい。単一の基準値Ｒを用いる場合、演算処理部５は、取得されたオン頻度の最大値ｆｍａｘが、基準値Ｒ以上であるか否かに基づいて「劣化の大小（問題の有無）」の判定を行う。

セル１の劣化の進行度合いを判定する場合には、たとえば、劣化の進行度合いが異なる状態のセルで、各状態におけるオン頻度の最大値を実測し、各実測値を劣化度合いに応じた基準値とすることができる。複数の基準値（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）によって分割された複数の区分を設定し、取得されたオン頻度の最大値ｆｍａｘがどの区分に該当するか照合する。劣化度をＡ（ｆｍａｘ＜Ｒ１）、Ｂ（Ｒ１≦ｆｍａｘ＜Ｒ２）、Ｃ（Ｒ２≦ｆｍａｘ＜Ｒ３）、Ｄ（Ｒ３≦ｆｍａｘ）と区分し、取得されたオン頻度の最大値ｆｍａｘが、Ａ〜Ｄのいずれの区分に該当するかに基づいて劣化の進行度合いを判定する。

また、本実施形態では、演算処理部５は、通信ネットワークを介して図示しない外部管理システムや外部サーバなどと通信可能に構成されている。演算処理部５は、各セル１の劣化判定を行い、セル１ごとの劣化状態を外部管理システムなどに通知することが可能である。これにより、通知を受けた管理者は、セル１ごとの劣化状態を把握することが可能である。

次に、図２および図３を参照して、１回の充電過程における劣化状態の判定について具体的に説明する。図２および図３は、定電流充電を行った場合のセル電圧の時間変化を模式的に示した概念図であり、図２では劣化の小さいセルの充電過程の一例を示し、図３では劣化の大きいセルの充電過程の一例を示している。

図２に示すように、充電開始から時間ｔ１に至る期間Ｐ１では、時間経過に伴ってセルへの充電が進み、セル電圧Ｖが上昇する。この間、シャント回路３はオフ状態のままである。セルへの充電が進むと、時間ｔ１でセル電圧Ｖが上限電圧Ｖ_ＯＮに到達し、制御部４によりシャント回路３がオンされる。これにより、充電電流がシャント回路３に分流され、セルへの充電電流が減少し、ＩＲドロップによりセル電圧Ｖは降下し始める。時間ｔ２においてセル電圧Ｖが下限電圧Ｖ_ＯＦＦまで降下すると、制御部４によりシャント回路３がオフされ、再びセルに充電電流が流れることで再びセル電圧Ｖの上昇が始まる。時間ｔ１以降は、シャント回路３のオンオフが繰り返されることによりセルへの充電が進み、徐々にセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）が上昇する。

図２から分かるように、充電開始から充電終了に至る１回の充電過程におけるシャント回路３のオン頻度は、セル電圧Ｖが上限電圧Ｖ_ＯＮに到達した点の時間方向の間隔の大小で表される。時間ｔ１の直後の期間Ｐ２では、セルのＳＯＣが十分に上昇していないことから、シャント回路３のオン頻度は高くない。

セルのＳＯＣがさらに上昇すると、シャント回路３をオフにしたときのセル電圧Ｖが上昇しやすくなるため、期間Ｐ３ではシャント回路３のオンオフ頻度が高くなる。そして、充電末期の期間Ｐ４では、シャント回路３をオフにしてもセル電圧Ｖの上昇に時間がかかるようになり、シャント回路３のオンオフ頻度は低くなる。

このような充電過程において、演算処理部５は、時間間隔Ｔ２ごとに、シャント回路３のオン回数の移動平均（時間区間Ｔ１の時間平均）を算出する。この結果、図２の例（劣化の小さい状態）では、シャント回路３のオン頻度は時間ｔ３で最大値ｆｍａｘとなる。

図３に示すように、劣化の大きい状態においても、各期間Ｐ１〜Ｐ４で説明したセル電圧Ｖの変化の全体的な傾向は、同様である。劣化の小さい状態（図２）との相違点として、劣化の大きい状態（図３）では、セルの内部抵抗の増加などに起因して、最初の上限電圧Ｖ_ＯＮへの到達時間ｔ４（ｔ４＜ｔ１）が早くなる。また、時間ｔ４以降も、セル電圧Ｖの上昇および下降が劣化の小さい状態と比較して早くなり、シャント回路３のオンオフの頻度が高くなる。図３の例では、シャント回路３のオン頻度は時間ｔ５で最大値ｆｍａｘとなる。

ここで、図２の例では、時間ｔ３の時間区間Ｔ１にシャント回路３がＭ回オンされており（ｆｍａｘ＝Ｍ）、図３の例では、時間ｔ５の時間区間Ｔ１にシャント回路３がＮ回オンされている（ｆｍａｘ＝Ｎ）とすると、Ｎ＞Ｍとなり、劣化の大きい状態にてオン頻度が高くなる。このように、セルの劣化の大小によって、シャント回路３のオン頻度の最大値で差異が明確に現れる。

本実施形態では、上記のように、過充電を防止するシャント回路３を備えた電池システム１００にて、充電開始から充電終了に至る１回の充電中に、シャント回路３のオン頻度に基づいて、容易にセル１の劣化状態を判定することができる。また、複数のセル１を備え、各セル１のそれぞれにシャント回路３が設けられた電池システム１００において、各セル１どうしの比較による劣化状態の判定ではなく、それぞれのセル１の劣化状態を個別に判定することができ、電池システム１００の劣化度を適切に判定することができる。

また、本実施形態では、演算処理部５は、シャント回路３のオン頻度の最大値ｆｍａｘに基づいて、セル１の劣化状態を判定するように構成されている。これにより、ＳＯＣの上昇に伴ってシャント回路３のオン頻度が変化する場合にも、判定結果がばらつくことなく客観的な劣化判定を行うことができる。また、シャント回路３のオン頻度が最大となる時点で、セル１の劣化の大小による差異がより明確に表れることから、オン頻度の最大値ｆｍａｘに基づいて劣化状態を容易に判定することができる。

また、本実施形態では、演算処理部５は、取得された頻度の最大値ｆｍａｘと、予め設定された基準値Ｒとを比較することで劣化状態を判定するように構成されている。これにより、劣化の進んだセル１のシャント回路３のオン頻度の最大値を実測して、その実測値を予め基準値Ｒを設定しておけば、取得された頻度の最大値ｆｍａｘと基準値Ｒとを比較するだけで、容易にセル１の劣化状態を判定することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記実施形態では、本発明の「判定手段」の一例として、演算処理部が劣化状態の判定を行うように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえばシャント回路のオンオフを制御する制御部に劣化判定プログラムを実行させることにより、制御部が劣化状態の判定を行うように構成してもよい。この他、たとえば演算処理部に代えて、外部のコンピュータや外部サーバなどに劣化判定プログラムを実行させることにより、これらの外部コンピュータや外部サーバが劣化状態の判定を行うように構成してもよい。

上記実施形態では、シャント回路のオン頻度を、移動平均法によって算出する例を説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、所定期間内のシャント回路のオン回数そのものをオン頻度として算出してもよい。この他、シャント回路のオン回数が所定回数に達するのに要する時間を計測して、この時間の長さをシャント回路のオン頻度としてもよい。

上記実施形態では、シャント回路のオン頻度に基づいてセルの劣化状態を判定した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、シャント回路がオフ状態となる頻度（すなわち、オフ頻度）に基づいてセルの劣化状態の判定を行ってもよい。図２および図３から明らかなように、シャント回路はオンとオフとを繰り返すことから、オフ頻度に基づく劣化状態の判定も、上記実施形態と同様に行うことが可能である。

上記実施形態では、オン頻度の最大値ｆｍａｘと基準値Ｒとの大小関係に基づいてセルの劣化状態を判定する例について説明したが、本発明はこれに限られない。セルの劣化状態の判定は、オン頻度の最大値ｆｍａｘの増加率に基づいて行ってもよい。電池システム１００の長期期間の使用前後でオン頻度の最大値を取得して、前記使用後のオン頻度の最大値ｆｍａｘが前記使用前のそれに対して所定の割合（たとえば２０％）以上増加した場合に、「問題あり」と判定してもよい。

上記のとおり、オン頻度の最大値ｆｍａｘの増加率に基づいて劣化の進行度合いを判定する場合には、たとえば、オン頻度の最大値ｆｍａｘの増加率Ｘの範囲を複数の区分に分割し、増加率Ｘがどの区分に該当するか照合する。すなわち、増加率Ｘの範囲をＡ（０％≦Ｘ＜Ａ％）、Ｂ（Ａ％≦Ｘ＜Ｂ％）、Ｃ（Ｂ％≦Ｘ＜Ｃ％）、Ｄ（Ｃ％≦Ｘ）と区分し、オン頻度の最大値ｆｍａｘの増加率Ｘが、Ａ〜Ｄのいずれに含まれるかに基づいて劣化の度合いを判定する。

上記実施形態では、本発明を、非水系電解質電池の一種であるリチウムイオン電池（セル）に適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明を、たとえば、リチウムイオン電池以外の非水系電解質電池に適用してもよいし、ニッケル水素電池などの水系電解質電池に適用してもよい。

１ セル（電池）
３ シャント回路
５ 演算処理部（判定手段）
１００ 電池システム

Claims (4)

1. 電池と、前記電池に並列に接続されており、オン状態で電流を迂回させるシャント回路と、を備える電池システムであって、
   前記シャント回路は前記電池の電圧に基づいてオン状態とオフ状態とが切り換えられ、
   前記電池の充電過程における、前記シャント回路がオン状態となる頻度またはオフ状態となる頻度に基づいて、前記電池の劣化状態を判定する判定手段を備える、電池システム。
2. 前記判定手段は、前記シャント回路がオン状態となる頻度の最大値またはオフ状態となる頻度の最大値に基づいて、前記電池の劣化状態を判定するように構成されている、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記判定手段は、取得された前記頻度の最大値と、予め設定された基準値とを比較することで劣化状態を判定する、請求項２に記載の電池システム。
4. 電池と、前記電池に並列に接続されており、オン状態で電流を迂回させるシャント回路と、を備える電池システムの劣化判定方法であって、
   前記シャント回路は前記電池の電圧に基づいてオン状態とオフ状態とが切り換えられ、
   前記電池の充電過程における、前記シャント回路がオン状態となる頻度またはオフ状態となる頻度に基づいて、前記電池の劣化状態を判定する、電池システムの劣化判定方法。

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