JP2014206441A

JP2014206441A - 電池状態判定装置

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Publication number: JP2014206441A
Application number: JP2013083788A
Authority: JP
Inventors: 大輔木庭; Daisuke Kiba; 幸大武田; Yukihiro Takeda; 公一市川; Koichi Ichikawa; 高橋　泰博; Yasuhiro Takahashi; 泰博高橋; 三井　正彦; Masahiko Mitsui; 正彦三井
Original assignee: Toyota Motor Corp; Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: DE112014001917T5; JP5744956B2; WO2014167936A1; US20160054389A1; CN105190330A; DE112014001917B4; US9880225B2; CN105190330B

Abstract

【課題】微小短絡が生じた微小短絡状態であるか否かを判定する電池状態判定装置の判定精度を向上する。
【解決手段】電池モジュールＭにおける微小短絡が生じた状態である微小短絡状態を判定する電池状態判定装置１０であって、電池モジュールＭの電圧値を検出する電圧検出回路１３と、電流値を検出する電流検出回路１２と、電池モジュールＭの充電状態を検出する制御部１１とを備え、制御部１１は、電池モジュールＭの充電状態が４０％未満で、放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きを算出し、電圧傾き及び予め設定された上限値を比較して、電圧傾きが上限値よりも大きい場合に微小短絡状態であると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池に対し、微小短絡が生じた状態であるか否かを判定する電池状態判定装置に関する。

二次電池の劣化等の異常状態を検出する方法として、充電時又は放電時の電圧変化に基づき異常の有無を判断する方法が既に用いられている。この方法では電池を破壊することなくその状態を評価できるため、該方法によって正常であると判定された二次電池を再利用することも可能である。

二次電池の電圧に基づき異常状態を検出する方法として、組電池の放電深さが０〜６０％であるときの電池電圧を所定値と比較する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、電池の液枯れ等の異常を検出することを目的としており、組電池の放電深さを０〜６０％とした状態で、組電池を複数に分割したブロック毎に電圧を測定する。そして該電圧が所定値以下になったときに異常であると判定する。放電深さ０〜６０％、即ち充電状態が４０％〜１００％であるときに測定された電圧を判定に用いる理由は、放電末期においては正常な電池でも電圧は低下し、電圧のみでは良品と不良品とが区別しにくいためである。

特開平１１−１４４７６９号公報

しかし、いわゆる微小短絡が生じた二次電池を選別することを目的として、放電深さ０〜６０％で測定された電圧のみに基づき判定を行うと、判定の精度が低下することが発明者の実験により判明している。例えば上述した方法で電圧が正常値であると判定された二次電池に対し、別の検査を行うと微小短絡が生じている場合がある。このため二次電池における微小短絡が生じた状態を精度よく判定できる方法が要請されていた。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、微小短絡が生じた状態であるか否かを判定する電池状態判定装置の判定精度を向上することにある。

上記課題を解決する電池状態判定装置は、二次電池に微小短絡が生じた微小短絡状態を判定する電池状態判定装置であって、前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出部と、前記二次電池の電流値を検出する電流検出部と、前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部と、前記二次電池の充電状態が４０％未満で、放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きの絶対値を算出し、前記電圧傾きの絶対値及び予め設定された上限値を比較して、前記電圧傾きの絶対値が前記上限値よりも大きい場合に判定対象の前記二次電池が前記微小短絡状態であると判定する。

この態様によれば、微小短絡状態を測定する際に、電池の充電状態を４０％未満とし、判定用のパラメータを電圧ではなく電圧傾きの絶対値としている。微小短絡状態の電池は、充電状態が４０％未満の領域において電圧傾きが大きくなるため、該電圧傾きを予め実験等によって求めた上限値と比較することで、微小短絡状態の不良品と、微小短絡状態でない良品とを精度よく判別できる。また電池の充電状態を４０％未満とすればよいため、電池の充電状態を１００％としていた場合と比べて電池の充電時間を短くすることができる。

上記電池状態判定装置について、前記電圧傾きの絶対値の前記上限値は、充電状態が４０％未満の範囲をさらに細分化した範囲に応じてそれぞれ異なる値に設定され、該各上限値は充電状態の低下に伴い大きくすることが好ましい。

この態様によれば、例えば充電状態が０％以上１０％以下の範囲と１０％超４０％未満の範囲に対応させて上限値をそれぞれ設定する。また充電状態が低い範囲に対応する上限値は、充電状態が高い範囲に対応する上限値よりも大きい。即ち微小短絡状態の電池の電圧傾きの絶対値は、充電状態が４０％未満の範囲内でも変化する場合があり、電圧傾きの絶対値は放電終止電圧に向かうにつれ大きくなるため、例えば放電終止電圧に近い電圧値で電圧傾きが急に増大する電池であっても、充電状態に応じた上限値を設定できる。

上記電池状態判定装置について、前記判定部は、前記二次電池の充電状態が０％以上１０％以下の範囲で放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きの絶対値を算出し、前記電圧傾きの絶対値及び予め設定された上限値を比較して、前記電圧傾きの絶対値が前記上限値よりも大きい場合に判定対象の前記二次電池が前記微小短絡状態であると判定することが好ましい。

この態様における二次電池の充電状態が０％以上１０％以下の状態では、微小短絡状態である電池の電圧傾きの異常が顕著に現れる。また充電状態が０％以上１０％以下では電圧傾きの絶対値もほぼ一定になるため上限値を設定しやすく、判定精度も向上できる。また判定のために電池の充電状態を高くする必要がない。

本発明にかかる電池状態判定装置によれば、二次電池に対し微小短絡を生じた状態であるか否かを従来よりも高い精度で判定することができる。

本発明の電池状態判定装置及び方法に係る第１実施形態の装置概略を示す図。良品の電池モジュールにおける放電量に対する電圧変化を示すグラフ。不良品の電池モジュールにおける放電量に対する電圧変化を示すグラフ。同実施形態で判定に用いられる良品及び不良品の分布と電圧傾きとの関係を示す分布図。本発明の電池状態判定装置及び方法に係る第２実施形態を説明するためのグラフであって、不良品の電池モジュールにおける放電量に対する電圧変化を示す図。

（第１実施形態）
以下、電池状態判定装置の第１実施形態を説明する。この装置及び方法では、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池に対し、微小短絡が生じた状態（微小短絡状態）であるか否かを判定する。微小短絡は、電池内における僅かな析出物や微小な異物の混入等を要因とする微小な短絡であり、直ちに電池が使用不可能な状態にはならない場合もある。微小短絡は短絡箇所に微小電流が流れることで瞬間的に焼切れる場合もあるが、電池の性能低下の要因となりうる他、内部短絡を招来する可能性もある。

図１に示すように、電池状態判定装置１０は、制御部１１、電流検出回路１２及び電圧検出回路１３を備えている。電流検出回路１２は、電池モジュールＭに直列に接続された検出用抵抗器１２ａを流れる電流値を測定し、電流値を制御部１１に出力する。電圧検出回路１３は、電池モジュールＭの両端の電圧を測定し、電圧値を制御部１１に出力する。

電池モジュールＭは、本実施形態では複数のバッテリーセルから構成されている。この電池モジュールＭが複数組み合わされることによって、電池スタックが構成され、当該電池スタック及びＥＣＵ等により車両等に搭載される電池パックが構成される。本実施形態では電池モジュールＭは、ＳＯＣが「０」である状態（未充電状態）で制御部１１を介して図示しない充電器に接続される。

制御部１１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備え、ディスプレイや印刷装置等から構成される出力部１４に判定結果を出力する。また制御部１１は、電流検出回路１２から出力された電流値を積算して、電池モジュールＭのＳＯＣ（State of Charge；充電状態）を算出する。そして電池モジュールＭのＳＯＣが４０％未満の所定値に到達すると、制御部１１は電池モジュールＭと充電器との接続をオフとして充電を停止する。本実施形態では、ＳＯＣの所定値は１０％に設定されている。

電池モジュールＭが上記充電器から切り離された状態のとき、制御部１１は、電流検出回路１２から出力された電流値に基づいて放電量を算出する。またこのとき制御部１１は、電圧検出回路１３から出力された電圧値を、放電量と対応付けて図示しない記憶部に格納する。制御部１１は、ＳＯＣが１０％である状態から、ＳＯＣが０％となる状態、即ち放電終止電圧に到達するまでの放電量及び電圧変化量を求める。さらに制御部１１は、放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きＧ（Ｖ／Ａｈ）を算出する。このとき算出される電圧傾きＧは負の値である。

図２は、微小短絡状態ではない良品の電池モジュールＭの放電カーブを示すグラフであって、横軸が放電量（Ａｈ）、縦軸が電圧（Ｖ）である。またこのグラフでは、ＳＯＣが１００％から放電してＳＯＣが０％になるまでの曲線を示している。電池モジュールＭが放電するに従い、電池電圧は緩やかに下降していく。ＳＯＣが１０％に近づくと、電圧傾きＧの大きさ（絶対値）は増大しながら変化し、ＳＯＣが１０％に到達するとほぼ一定となる。

図３は微小短絡状態である電池モジュールＭの放電カーブを示すグラフであって、ＳＯＣが１００％から放電してＳＯＣが０％になるまでの曲線を示している。電池モジュールＭが放電するに従い、電池電圧は急速に下降し、良品の電池モジュールＭに比べ、その過程の電圧傾きＧの絶対値も大きくなる。ＳＯＣが１０％に到達すると電圧傾きＧはほぼ一定となるが、その絶対値は良品に比べて極めて大きい。

図４はＳＯＣが０％以上１０％以下における電圧傾きＧと微小短絡状態との相関性を示す分布図であって、数百個の電池モジュールＭを判定対象としている。横軸が電圧傾きＧの絶対値であって、縦軸は電池モジュールＭの数量を示す。この分布図では、電圧傾きＧの絶対値が３０Ｖ／Ａｈより小さい領域に良品、電圧傾きＧの絶対値が３０Ｖ／Ａｈ以上の領域に不良品が分布している。従ってこの良品及び不良品の境界である３０Ｖ／Ａｈを、電圧傾きＧの絶対値における上限値Ｇｍａｘ（＞０）とする。なお、分布図に、良品及び不良品の明確な境界が見られず、良品及び不良品が混在する領域がある場合には、その混在領域の最大値、又は混在領域のうち良品個数が不良品個数よりも多くなる値に上限値Ｇｍａｘを設定してもよい。

制御部１１は、判定対象となる電池モジュールＭの上限値Ｇｍａｘを図示しない記憶部に予め記憶している。そして制御部１１は、判定対象となる電圧傾きＧを算出すると、電圧傾きＧの絶対値と予め設定した上限値Ｇｍａｘとを比較する。そして制御部１１は、電圧傾きＧの絶対値が上限値Ｇｍａｘ未満である場合には判定対象の電池モジュールＭを良品であると判定し、電圧傾きＧの絶対値が上限値Ｇｍａｘ以上である場合には電池モジュールＭを不良品であると判定する。

(動作)
次に本実施形態の微小短絡状態の判定方法について説明する。
先ず判定対象の電池モジュールＭを電池状態判定装置１０に接続する。このとき接続される電池モジュールＭは、例えば初期充電前のエージング後の電池モジュールＭである。このためこの段階における電池モジュールＭのＳＯＣは「０」である。

さらに制御部１１を介して電池モジュールＭ及び充電器を接続して、電池モジュールＭを所定値（ＳＯＣ１０％）まで充電する。このとき制御部１１は、電流検出回路１２から出力された電流値を積算してＳＯＣを算出し、積算値が１０％に到達すると、電池モジュールＭ及び充電器を接続するためのスイッチ等をオフにして、電池モジュールＭ及び充電器を切り離す。

上記充電器から電池モジュールＭへの電流供給が停止されると、電池モジュールＭは放電し電池電圧は下降する。制御部１１は、電流検出回路１２からの出力値に基づき電池モジュールＭのＳＯＣを算出し、ＳＯＣが０％になるまで放電量を算出する。また制御部１１は、電圧検出回路１３からの出力値に基づき電池モジュールＭの電圧を算出し、放電量に対応させて電圧値を記憶する。

ＳＯＣが０％に達すると、制御部１１は、ＳＯＣ１０％〜０％に至るまでの電圧変化量及び放電量から、放電量に対する電圧変化量である電圧傾きＧ（Ｖ／Ａｈ）の絶対値を算出する。このとき、ＳＯＣ１０％のときの値、及びＳＯＣ０％のときの値の２点から電圧傾きＧを算出してもよく、３点以上の値から電圧傾きＧを算出してもよい。さらに制御部１１は、上記記憶部から上限値Ｇｍａｘを読み出し、算出した電圧傾きＧの絶対値及び上限値Ｇｍａｘを比較する。電圧傾きＧの絶対値が上限値Ｇｍａｘより小さい場合には良品と判定し、電圧傾きＧの絶対値が上限値Ｇｍａｘ以上である場合には微小短絡状態（不良品）であると判定する。

以上説明したように第１実施形態によれば以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）第１実施形態によれば、電池状態判定装置１０は、微小短絡状態を測定する際に、電池モジュールＭの充電状態を１０％以下とし、判定用のパラメータを電圧ではなく電圧傾きＧの絶対値とした。微小短絡状態の電池モジュールＭは、充電状態が４０％未満の領域において電圧傾きの絶対値が、良品の電池モジュールＭの電圧傾きの絶対値よりも大きくなる。特にＳＯＣが０％以上１０％以下の状態では、微小短絡状態である電池の電圧傾きＧの異常が顕著に現れ、電圧傾きＧの絶対値もほぼ一定になるため上限値Ｇｍａｘを設定しやすく、判定精度も向上できる。また判定を行うために電池モジュールＭのＳＯＣが１０％に達するまで充電すればいいので、充電時間を短くすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を図５にしたがって説明する。尚、第２実施形態は、第１実施形態の判定方法の手順を変更したのみの構成であるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態では、ＳＯＣが０％以上４０％未満の電池モジュールＭの電圧傾きＧの絶対値を算出し、その電圧傾きＧの絶対値を上限値Ｇｍａｘと比較する。この上限値Ｇｍａｘは、ＳＯＣを０％以上１０％以下の範囲と、１０％超４０％未満の範囲とに分け、各範囲に応じて設定されている。

図５は微小短絡状態である電池モジュールＭの放電カーブであって、ＳＯＣが１００％から放電してＳＯＣが０％になるまでの曲線であって、横軸方向を拡大したグラフである。ＳＯＣが１０％から４０％の間では、微小短絡状態による電圧傾きＧの絶対値が良品の電池モジュールＭの電圧傾きの絶対値の傾きよりも大きくなり、ＳＯＣが１０％〜４０％の電圧傾きＧの絶対値は、ＳＯＣが０％〜１０％の電圧傾きＧの絶対値よりも小さい。このため、ＳＯＣが１０％超４０％未満の範囲の第１の上限値Ｇｍａｘ１と、０％以上１０％以下の範囲の第２の上限値Ｇｍａｘ２とを設定する。第２の上限値Ｇｍａｘ２は第１の上限値Ｇｍａｘ１よりも大きい。

各上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２は、ＳＯＣが０％以上１０％以下における電圧傾きＧと微小短絡状態との相関性を示す分布図、及び１０％以上４０％未満における電圧傾きＧと微小短絡状態との相関性を示す分布図に基づき第１実施形態と同様に設定される。即ち、各分布図において良品及び不良品の境界を求め、ＳＯＣが０％以上１０％以下における分布図における境界を第２の上限値Ｇｍａｘ２、ＳＯＣが１０％以上４０％未満における分布図における境界を第１の上限値Ｇｍａｘ１として設定する。尚、分布図に、良品及び不良品の明確な境界が見られず、良品及び不良品が混在する領域がある場合には、その混在領域の最大値、又は混在領域のうち良品個数が不良品個数よりも多くなる値に上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２を設定してもよい。

(動作)
次に本実施形態の微小短絡状態の判定方法について説明する。第１実施形態と同様に、先ず判定対象である初期充電前の電池モジュールＭを電池状態判定装置１０に接続する。

さらに制御部１１を介して電池モジュールＭ及び充電器を接続して、電池モジュールＭを所定値（ＳＯＣ４０％）まで充電する。このとき制御部１１は、電流検出回路１２から出力された電流値を積算してＳＯＣを算出し、積算値が４０％に到達すると、電池モジュールＭ及び充電器を接続するためのスイッチ等をオフにして、電池モジュールＭ及び充電器を切り離す。

上記充電器から電池モジュールＭへの電流供給が停止されると、電池モジュールＭは放電し電池電圧は下降する。制御部１１は、電流検出回路１２からの出力値に基づき電池モジュールＭのＳＯＣを算出するとともに、放電量を算出する。また制御部１１は、電圧検出回路１３からの出力値に基づき電池モジュールＭの電圧を算出し、放電量に対応させて電圧値を格納する。

電池モジュールＭのＳＯＣが０％に達すると、制御部１１は、放電量に対応した電圧値を記憶部から読み出す。さらに制御部はＳＯＣ０％〜１０％に至るまでの電圧変化量及び放電量から、放電量に対する電圧変化量である電圧傾きＧ（Ｖ／Ａｈ）を算出するとともに、ＳＯＣ１０％〜４０％に至るまでの電圧変化量及び放電量から、放電量に対する電圧変化量である電圧傾きＧ（Ｖ／Ａｈ）の絶対値を算出する。そして制御部１１は、上記記憶部から第１の上限値Ｇｍａｘ１及び第２の上限値Ｇｍａｘ２を読み出し、算出したＳＯＣ０％〜１０％の電圧傾きＧの絶対値、ＳＯＣ１０％〜４０％の電圧傾きＧ及び各上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２を比較する。

ＳＯＣ０％〜１０％の電圧傾きＧの絶対値が第２の上限値Ｇｍａｘ２よりも小さく、ＳＯＣ１０％〜４０％の電圧傾きＧの絶対値が第１の上限値Ｇｍａｘ１よりも小さい場合には、制御部１１は、判定対象の電池モジュールＭを良品と判定する。またＳＯＣ０％〜１０％の電圧傾きＧの絶対値が第２の上限値Ｇｍａｘ２以上である状態、及びＳＯＣ１０％〜４０％の電圧傾きＧの絶対値が第１の上限値Ｇｍａｘ１以上である状態の少なくとも一方を満たす場合には、電池モジュールＭを微小短絡状態であると判定する。

以上説明したように第２実施形態によれば以下に列挙する効果が得られるようになる。
（２）第２実施形態では、電池状態判定装置１０では、微小短絡状態を測定する際に、電池の充電状態を４０％未満とし、判定用のパラメータを電圧ではなく電圧傾きＧの絶対値とした。微小短絡状態の電池は、充電状態が４０％未満の領域において電圧傾きが大きくなるため、該電圧傾きＧの絶対値を予め実験等によって求めた上限値と比較することで、微小短絡状態の不良品と、微小短絡状態でない良品とを精度よく判別できる。また電池の充電状態を４０％未満とすればよいため、電池の充電時間を短くすることができる。

（３）第２実施形態では、電圧傾きＧの絶対値に対する上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２は、ＳＯＣが４０％未満の範囲をさらに細分化した０％〜１０％の範囲、１０％〜４０％の範囲に応じてそれぞれ異なる値に設定され、該各上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２はＳＯＣの低下に伴い大きくなる。即ち微小短絡状態の電池モジュールの電圧傾きＧは、ＳＯＣが４０％未満の範囲内でも変化する場合があり、電圧傾きＧは放電終止電圧に向かうにつれ大きくなるため、例えば放電終止電圧に近い電圧値で電圧傾きが急に増大する電池であっても、充電状態に応じた上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２を設定できる。そして上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２と各電圧傾きＧとを比較することで、例えばＳＯＣが１０％〜４０％では異常が検出されないが、０〜１０％では異常が検出される電池モジュールＭを不良品と判定できる。このため判定精度を向上できる。

尚、上記各実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・第２実施形態では、ＳＯＣ０％〜１０％、ＳＯＣ１０％〜４０％の各範囲に対し上限値Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２をそれぞれ設定したが、ＳＯＣの範囲はそれらの範囲に限定されない。例えば、ＳＯＣ０％〜２０％、ＳＯＣ２０％〜４０％等の範囲毎に設定してもよい。また、上限値Ｇｍａｘは３段階以上に設定してもよい。例えば、ＳＯＣ０％〜１０％に対する上限値、ＳＯＣ１０％〜２０％に対する上限値、ＳＯＣ２０％〜４０％に対する上限値を設定してもよい。

・微小短絡状態の判定では、ＳＯＣが４０％未満の電池モジュールＭの電圧傾きＧを算出すればよく、第１実施形態のＳＯＣ０％以上１０％以下、第２実施形態のＳＯＣ０％以上４０％未満の状態で判定することに限定されない。例えば、ＳＯＣが０％以上５％以下、５％以上１０％以下、１０％以上３０％以下の状態で判定してもよい。

・上記各実施形態では、制御部１１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等を備える構成としたが、電圧検出回路、電流検出回路等を有する集積回路から構成してもよい。
・上記各実施形態では、ＳＯＣを測定する方法として充電電流の積算値を算出する方法を用いたが、電圧値や温度等の他のパラメータに基づき算出する方法、又は電流値を含めたそれらのパラメータを組み合わせて算出する方法を用いてもよい。

・上記各実施形態では判定対象を電池モジュールＭとしたが、判定対象は適宜変更できる。例えば複数の電池モジュールから構成される組電池を判定対象としてもよい。

１０…電池状態判定装置、１１…充電状態検出部及び判定部としての制御部、１２…電流検出部としての電流検出回路、１３…電圧検出部としての電圧検出回路、Ｇｍａｘ，Ｇｍａｘ１，Ｇｍａｘ２…上限値、Ｍ…二次電池としての電池モジュール。

Claims

二次電池に微小短絡が生じた微小短絡状態を判定する電池状態判定装置であって、
前記二次電池の電圧値を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の電流値を検出する電流検出部と、
前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部と、
前記二次電池の充電状態が４０％未満で、放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きの絶対値を算出し、前記電圧傾きの絶対値及び予め設定された上限値を比較して、前記電圧傾きの絶対値が前記上限値よりも大きい場合に判定対象の前記二次電池が前記微小短絡状態であると判定する判定部とを備えた電池状態判定装置。
前記電圧傾きの絶対値の前記上限値は、充電状態が４０％未満の範囲をさらに細分化した範囲に応じてそれぞれ異なる値に設定され、該各上限値は充電状態の低下に伴い大きくなる請求項１に記載の電池状態判定装置。
前記判定部は、
前記二次電池の充電状態が０％以上１０％以下の範囲で放電量に対する電圧変化量を示す電圧傾きの絶対値を算出し、前記電圧傾きの絶対値及び予め設定された上限値を比較して、前記電圧傾きの絶対値が前記上限値よりも大きい場合に判定対象の前記二次電池が前記微小短絡状態であると判定する請求項１又は２に記載の電池状態判定装置。