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
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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
【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。
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。
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VON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VOFF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VONおよび下限電圧VOFF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VON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VOFF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VON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VON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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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