JP2018096744A - リチウムイオン電池の劣化判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池の内部抵抗値を演算してリチウムイオン電池の劣化度合いを正確に判定する劣化判定方法を提供する。【解決手段】エンジン始動時におけるスタータモータに給電するリチウムイオン電池の内部抵抗値と所定の基準抵抗値との比較によりこのリチウムイオン電池の劣化判定を行う劣化判定方法において、前記リチウムイオン電池の出力電流値と出力電圧値を所定時間間隔毎に測定し、前記出力電流値が最大となる第１ピークと、この第１ピークの後に前記出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークを検出し、前記第２ピーク直前の所定期間内における前記出力電流値及び前記出力電圧値に基づいて前記内部抵抗値としての劣化判定用内部抵抗値を演算する。【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法に関し、特に車両に搭載されてエンジン始動時にスタータモータに電力を供給するリチウムイオン電池の劣化判定方法に関する。

従来から、鉛蓄電池等のバッテリが車両に搭載され、このバッテリから供給される電力によりスタータモータを駆動してエンジンを始動し、車両に装備された電装機器を作動さる。鉛蓄電池は安価で大電流を供給できるため広く使用されているが、単位重量当たりの蓄電容量が小さく、必要な容量を確保するため重くなってしまう。

そのため、単位重量当たりの蓄電容量が大きいバッテリとしてリチウムイオン電池が採用され始め、車両の軽量化が図られている。また、リチウムイオン電池が大電流を供給可能であることや急速充電が可能であることも車両への搭載に有利となっている。

エンジンで駆動する車両は、信号待ちなどで一時的に停車している間の燃料の消費を抑えるためにエンジンのアイドリングを停止し、所定の始動条件の成立によりエンジンを再始動するようにしたものが広く採用されつつある。このような車両では、エンジンの始動回数が増加し、バッテリから大きい出力を取り出す回数が増えるので、充放電が繰り返されてバッテリの劣化が進行し易い状況にある。

エンジンの再始動は、一般的にはバッテリが電力を供給してから短時間（概ね０．５秒以内）で完了する。例えば、エンジンの始動を開始すると、スタータモータに電流が供給されてスタータモータが回転を始める。このスタータモータの回転によりクランクシャフトを回転させてエンジンを回し始め、エンジン回転数が所定の回転数に達するとエンジン各部が機能してエンジンが作動を開始する。エンジン作動後は、スタータモータへの電力供給を停止する。

バッテリは、その種類を問わず充放電の繰り返しによる劣化の進行と共に、蓄電容量や出力電圧等が低下していく。バッテリの劣化によりエンジンの始動性が悪くなり、最終的にはエンジンを始動できなくなる。そのため、バッテリの劣化度合いを検出してエンジンが始動できなくなるほど劣化する前に、一時的な停車時のアイドリングを停止しないようにしたりバッテリの交換を促したりする必要があり、出力電圧等を測定してバッテリの劣化判定を行う方法が既に知られている。

例えば、特許文献１の劣化判定方法は、鉛蓄電池から電力を供給してエンジンを始動させるときに、鉛蓄電池の出力電圧が低下した後、最初に出力電圧が極大となった時点から元の出力電圧に戻るまでの期間内の最低出力電圧を検出するように構成され、鉛蓄電池を車両に搭載した当初の最低出力電圧と現在の最低出力電圧を比較して劣化判定を行う。

具体的には、スタータモータに電力供給を開始したときの突入電流により出力電圧が低下して一旦回復した後、スタータモータにエンジン始動時の最大負荷がかかったときの最低出力電圧を検出する。この最低出力電圧がバッテリの劣化と共に低下していくことを利用した劣化判定方法である。

特許５１０９３８６号公報

しかし、一般的にエンジン始動時には、短時間の間にバッテリの出力電圧値等は急激に変動する。また、バッテリの出力電圧値等は、所定時間間隔毎にサンプリングされるものである。従って、サンプリング間隔の制約によって出力電圧の極大値や極小値を的確に捉えることは困難である。そのため、エンジン始動時において比較的緩やかに出力電圧等が変動する期間に検知可能なバッテリの内部抵抗に基づいて劣化判定を行う。

ここで、バッテリの内部抵抗について説明する。
バッテリの内部抵抗は、一般的に図３に示す等価回路で表される。バッテリに静的負荷を接続すると、その内部抵抗は図４に示すようなステップ応答を示す。電流出力開始直後の内部抵抗は電極等抵抗Ｒ０であり、電流出力開始後に時間経過と共に急増する速い過渡応答を示す化学反応抵抗成分Ｚ１が抵抗Ｒ１と容量Ｃ１で表され、緩やかに増加する遅い過渡応答を示す拡散抵抗成分Ｚ２が抵抗Ｒ２と容量Ｃ２で表される。

鉛蓄電池では、その内部抵抗の大部分を電極等抵抗Ｒ０が占め、充放電の繰り返しにより電極表面に絶縁性の硫酸鉛が析出・結晶化して内部抵抗が増加する。しかし、鉛蓄電池の内部抵抗は、過渡応答を示す成分Ｚ１，Ｚ２が電極等抵抗Ｒ０と比べて小さいため無視できる。そのため、内部抵抗を測定し易い出力電流Ｉ・出力電圧Ｖが大きいエンジン始動時のどのタイミングにおいても内部抵抗を測定して劣化判定を行うことができる。

一方、リチウムイオン電池では、内部抵抗のうち化学反応抵抗成分Ｚ１、及び拡散抵抗成分Ｚ２が占める割合が大きいため、これら過渡応答を示す抵抗成分を無視できない。また、劣化の進行と共に電極における化学反応が妨げられて化学反応抵抗成分Ｚ１が増加する。従って、内部抵抗の測定タイミングによって過渡応答を示す抵抗成分が占める割合が異なるため、鉛蓄電池のように、エンジン始動時に内部抵抗を測定して劣化判定を行う方法をそのままリチウムイオン電池の劣化判定に採用できない。

そのため、従来このようなリチウムイオン電池からの電力供給により車両のエンジンを始動するときには、過渡応答を示す抵抗成分の影響を抑えるように、複雑に変動するエンジン始動期間内の出力電流Ｉ・出力電圧Ｖのピーク値や平均値等により内部抵抗値を演算して劣化判定を行っていた。しかし、サンプリング間隔の制約によってピーク値を的確に捉えることが困難であり、また時間経過と共に過渡応答を示す抵抗成分の内部抵抗に占める割合が変わるので、演算した内部抵抗値は正確性に欠け、内部抵抗値に基づいて劣化度合いを正確に判定することが困難であった。

本発明の目的は、リチウムイオン電池の内部抵抗値を正確に演算してリチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法を提供することである。

第１の発明の劣化判定方法は、エンジン始動時におけるスタータモータに給電するリチウムイオン電池の内部抵抗値と所定の基準抵抗値との比較によりこのリチウムイオン電池の劣化判定を行う劣化判定方法において、前記リチウムイオン電池の出力電流値と出力電圧値を所定時間間隔毎に測定し、前記出力電流値が最大となる第１ピークと、この第１ピークの後に前記出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークを検出し、前記第２ピーク直前の所定期間内における出力電流値及び出力電圧値に基づいて前記内部抵抗値として劣化判定用内部抵抗値を演算することを特徴としている。

上記構成により、エンジン始動時複雑に変動するリチウムイオン電池の出力電流、出力電圧のうち、変動が緩やかな第２ピーク直前の所定期間内の出力電流、出力電圧に基づいて劣化判定用の内部抵抗値を演算することができ、出力電流、出力電圧の変動の影響を小さくして正確な内部抵抗値を演算することができるので、正確に演算された内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池の劣化度合いを判定することができる。

第２の発明の劣化判定方法は、第１の発明において、前記劣化判定用の内部抵抗値は、前記所定時間間隔毎に演算される内部抵抗値の前記所定期間内における平均値であることを特徴としている。

上記構成により、出力電流、出力電圧の変動の影響をさらに小さくして正確な内部抵抗値を演算することができる。

第３の発明の劣化判定方法は、第１または第２の発明において、前記劣化判定用の内部抵抗値は、前記リチウムイオン電池の電流出力開始後の出力電流の時間積分値に比例する補正量であって、リチウムイオンの拡散抵抗を反映する補正量を減算した値であることを特徴としている。

上記構成により、演算した内部抵抗値から遅い過渡応答を示す拡散抵抗成分を取り除いた劣化判定用の内部抵抗値を求め、その内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池の劣化度合いを判定することができる。

本発明によれば、リチウムイオン電池の内部抵抗値を正確に演算してリチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法を提供することができる。

エンジン制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明のリチウムイオン電池の劣化判定方法のフローチャートである。 バッテリの内部抵抗を示す等価回路図である。 図３のバッテリの内部抵抗のステップ応答を示す図である。 エンジン始動時のバッテリの出力電流と内部抵抗を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、車両のエンジン制御系の概略構成について説明する。
図１に示すように、エンジン制御用ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１には、リチウムイオン電池で構成されたバッテリ２とエンジン３を始動させるスタータモータ４が接続され、エンジン制御用ＥＣＵ１はバッテリ２からスタータモータ４への電力供給等を制御する。また、信号待ちなどの停車時にはエンジン３のアイドリングを停止させ、所定の始動条件の成立によりエンジン３を再始動させる制御を行う。図示を省略するが、エンジン制御用ＥＣＵ１は、発電機や減速エネルギを利用して発電した電力をバッテリ２に充電する制御を行うように構成されている。

次に、エンジン３の再始動時の動作及びバッテリ２の出力電流について説明する。
図５に示すように、エンジン３の始動を開始すると、バッテリ２からスタータモータ４へ突入電流が流れる。このときの出力電流のピークがＰ０である。バッテリ２から供給される電流によりスタータモータ４を回転させて所定の回転数に到達するまでエンジン３を回す。このときの出力電流のピークがエンジン始動時の出力電流が最大となる第１ピークＰ１である。

時刻ｔ１において、エンジン３が所定の回転数に到達すると各部が機能してエンジン３が作動を開始し、スタータモータ４の負荷が小さくなって出力電流が小さくなる。エンジン３が作動開始した後は、スタータモータ４の回転を車両駆動のための駆動アシストに利用してエンジン３の始動を終了する。このときの出力電流のピークが第１ピークＰ１の後に極大且つ最大となる第２ピークＰ２である。

次に、バッテリ２について説明する。
バッテリ２はリチウムイオン電池であり、リチウム酸化物の正極と黒鉛等の負極とリチウム塩有機溶媒の電解質等により構成されている。充電時には、リチウムイオンが正極から負極へ電解質を通って移動すると共に負極に蓄積される。放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオンが電解質を通って正極に移動する。

既に説明したように、図３に示すバッテリ２の内部抵抗は、電極等抵抗Ｒ０と、化学反応抵抗成分Ｚ１と、拡散抵抗成分Ｚ２に分けて考えることができ、化学反応抵抗成分Ｚ１と、拡散抵抗成分Ｚ２は過渡応答する成分であり、夫々抵抗Ｒ１と容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ２と容量Ｃ２で構成される。

次に、バッテリ２の劣化について説明する。
リチウムイオン電池で構成されるバッテリ２の劣化は、主としてバッテリ２の電極におけるリチウムイオンの受け渡しが阻害されるようになることが原因である。即ち、劣化すると電極等抵抗Ｒ０と化学反応抵抗成分Ｚ１が大きくなる。従って、電極等抵抗Ｒ０と化学反応抵抗成分Ｚ１を正確に検知することによりバッテリ２の劣化度合いを正確に判定することができる。

化学反応抵抗成分Ｚ１は、過渡応答する状態で正確に検知することが困難であるため、化学反応抵抗成分Ｚ１の過渡応答が終わって定常状態（Ｚ１＝Ｒ１）にあるときの内部抵抗を検知する。このとき、拡散抵抗成分Ｚ２が過渡応答するが、時刻tにおいてその両端に生じる電位差ＥＰ２（ｔ）が次式（１）で表される。

拡散抵抗成分Ｚ２は、ｔ＜＜Ｒ２Ｃ２のときは出力電流Iが抵抗Ｒ２には流れず容量Ｃ２が充電される。このとき電位差ＥＰ２（ｔ）は次式（２）となる。

従って、内部抵抗の拡散抵抗成分Ｚ２は出力電流Ｉの時間積分値及び容量Ｃ２が反映された次式（３）で表される。

図５に示すように、化学反応抵抗成分Ｚ１が定常状態になってから内部抵抗を検知すると、内部抵抗には拡散抵抗成分Ｚ２が含まれている。このとき内部抵抗は次式（４）で表される。

過渡応答する拡散抵抗成分Ｚ２を除いた内部抵抗によって後述の劣化判定を行うため、次式（５）に示すように、上記（４）式の内部抵抗から上記式（３）に示す拡散抵抗成分Ｚ２を減算する補正をする。

ここで、拡散抵抗成分Ｚ２は下記式（６）のように表すことができるので、これに基づいて演算してもよい。尚、Ｉave.(ｔ)はエンジン始動開始から時刻ｔまでの時間ΔＴの間の平均出力電流値である。

次に、本発明のバッテリ２の劣化判定方法について図２に基づいて説明する。尚、図中のＳｉ（ｉ=１，２…）はステップを表す。
エンジン３のアイドリング停止時、所定の始動条件の成立によりエンジン３の始動が開始されると、エンジン制御用ＥＣＵ１は、Ｓ１において、エンジン始動時のバッテリ２の出力電流I及び出力電圧Ｖを所定時間間隔毎に測定し、少なくともエンジン３の始動期間内に測定した全データを記憶する。所定時間間隔は例えば１０ミリ秒間隔であり、この時間間隔はエンジン制御用ＥＣＵ１の処理能力だけでなく他の制御用機器の処理能力や通信タイミング等によって決まる。

次にＳ２において、記憶された出力電流値のデータから出力電流値が最大となる第１ピークＰ１を検出する。次にＳ３において、この第１ピークＰ１の後に出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークＰ２を検出する。次にＳ４において、第２ピークＰ２直前の所定期間内における出力電流値及び出力電圧値を抽出する。次にＳ５において、Ｓ４で抽出した出力電流値及び出力電圧値に基づいてバッテリ２の内部抵抗値を演算する。

所定期間は例えば７０ミリ秒間であり、第２ピークＰ２のデータより所定時間間隔（１０ミリ秒）前のデータから７０ミリ秒遡った所定期間内に所定時間間隔でサンプリングした８組の出力電流値と出力電圧値のデータに基づいて内部抵抗値（ｄＶ／ｄＩ）を演算する。内部抵抗値の演算は、各サンプリングタイミングにおける抵抗値を演算し、所定期間内におけるこれらの平均値を算出している。変動が緩やかな所定期間内のデータに基づいて抵抗値が演算されるのでサンプリングタイミングの影響が小さく、これらの平均値を算出して正確な内部抵抗値が得られる。尚、所定期間は上記に限定されるものではなく、本発明の劣化判定方法を適用する車両に応じて適宜設定可能である。

次にＳ６において、上記式（５）に基づいて、演算した拡散抵抗成分Ｚ２をＳ５で演算した内部抵抗値から減算して劣化判定用内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）を演算する。所定期間内のデータに基づいて演算された内部抵抗値からバッテリ２の電流出力開始後の出力電流の時間積分値に比例する補正量を減算、即ちリチウムイオンの拡散抵抗を反映する補正量を減算するので、劣化判定用内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）に基づいて正確に劣化判定を行うことができる。

次に、Ｓ７において、Ｓ６で演算した劣化判定用の内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）と所定の基準抵抗値の比が所定比未満であるか否か判定し、判定がＹｅｓの場合、即ち劣化度合いが許容範囲内の場合はＳ８に進み、判定がＮｏの場合、即ち劣化と判定された場合はＳ９に進む。基準抵抗値は、例えばバッテリ２の仕様値であるが、バッテリ２の搭載後に最初に演算される劣化判定用の内部抵抗値を基準抵抗値として記憶するように構成することも可能である。

Ｓ８において、正常時動作として特に運転者に報知等をせずに劣化判定を終了するが、バッテリ２の劣化度合いを報知手段５である表示部に表示して劣化判定を終了してもよい。Ｓ９においては、バッテリ２の劣化を表示部に警告等を表示して劣化判定を終了するが、さらにアラーム音等で報知するようにしてもよい。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ エンジン制御用ＥＣＵ
２ バッテリ（リチウムイオン電池）
３ エンジン
４ スタータモータ
５ 報知手段
Ｒ０ 電極等抵抗
Ｚ１ 化学反応抵抗成分
Ｚ２ 拡散抵抗成分
Ｐ１ 第１ピーク
Ｐ２ 第２ピーク

本発明は、リチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法に関し、特に車両に搭載されてエンジン始動時にスタータモータに電力を供給するリチウムイオン電池の劣化判定方法に関する。

従来から、鉛蓄電池等のバッテリが車両に搭載され、このバッテリから供給される電力によりスタータモータを駆動してエンジンを始動し、車両に装備された電装機器を作動さる。鉛蓄電池は安価で大電流を供給できるため広く使用されているが、単位重量当たりの蓄電容量が小さく、必要な容量を確保するため重くなってしまう。

そのため、単位重量当たりの蓄電容量が大きいバッテリとしてリチウムイオン電池が採用され始め、車両の軽量化が図られている。また、リチウムイオン電池が大電流を供給可能であることや急速充電が可能であることも車両への搭載に有利となっている。

エンジンで駆動する車両は、信号待ちなどで一時的に停車している間の燃料の消費を抑えるためにエンジンのアイドリングを停止し、所定の始動条件の成立によりエンジンを再始動するようにしたものが広く採用されつつある。このような車両では、エンジンの始動回数が増加し、バッテリから大きい出力を取り出す回数が増えるので、充放電が繰り返されてバッテリの劣化が進行し易い状況にある。

エンジンの再始動は、一般的にはバッテリが電力を供給してから短時間（概ね０．５秒以内）で完了する。例えば、エンジンの始動を開始すると、スタータモータに電流が供給されてスタータモータが回転を始める。このスタータモータの回転によりクランクシャフトを回転させてエンジンを回し始め、エンジン回転数が所定の回転数に達するとエンジン各部が機能してエンジンが作動を開始する。エンジン作動後は、スタータモータへの電力供給を停止する。

バッテリは、その種類を問わず充放電の繰り返しによる劣化の進行と共に、蓄電容量や出力電圧等が低下していく。バッテリの劣化によりエンジンの始動性が悪くなり、最終的にはエンジンを始動できなくなる。そのため、バッテリの劣化度合いを検出してエンジンが始動できなくなるほど劣化する前に、一時的な停車時のアイドリングを停止しないようにしたりバッテリの交換を促したりする必要があり、出力電圧等を測定してバッテリの劣化判定を行う方法が既に知られている。

例えば、特許文献１の劣化判定方法は、鉛蓄電池から電力を供給してエンジンを始動させるときに、鉛蓄電池の出力電圧が低下した後、最初に出力電圧が極大となった時点から元の出力電圧に戻るまでの期間内の最低出力電圧を検出するように構成され、鉛蓄電池を車両に搭載した当初の最低出力電圧と現在の最低出力電圧を比較して劣化判定を行う。

具体的には、スタータモータに電力供給を開始したときの突入電流により出力電圧が低下して一旦回復した後、スタータモータにエンジン始動時の最大負荷がかかったときの最低出力電圧を検出する。この最低出力電圧がバッテリの劣化と共に低下していくことを利用した劣化判定方法である。

特許５１０９３８６号公報

しかし、一般的にエンジン始動時には、短時間の間にバッテリの出力電圧値等は急激に変動する。また、バッテリの出力電圧値等は、所定時間間隔毎にサンプリングされるものである。従って、サンプリング間隔の制約によって出力電圧の極大値や極小値を的確に捉えることは困難である。そのため、エンジン始動時において比較的緩やかに出力電圧等が変動する期間に検知可能なバッテリの内部抵抗に基づいて劣化判定を行う。

ここで、バッテリの内部抵抗について説明する。
バッテリの内部抵抗は、一般的に図３に示す等価回路で表される。バッテリに静的負荷を接続すると、その内部抵抗は図４に示すようなステップ応答を示す。電流出力開始直後の内部抵抗は電極等抵抗Ｒ０であり、電流出力開始後に時間経過と共に急増する速い過渡応答を示す化学反応抵抗成分Ｚ１が抵抗Ｒ１と容量Ｃ１で表され、緩やかに増加する遅い過渡応答を示す拡散抵抗成分Ｚ２が抵抗Ｒ２と容量Ｃ２で表される。

鉛蓄電池では、その内部抵抗の大部分を電極等抵抗Ｒ０が占め、充放電の繰り返しにより電極表面に絶縁性の硫酸鉛が析出・結晶化して内部抵抗が増加する。しかし、鉛蓄電池の内部抵抗は、過渡応答を示す成分Ｚ１，Ｚ２が電極等抵抗Ｒ０と比べて小さいため無視できる。そのため、内部抵抗を測定し易い出力電流Ｉ・出力電圧Ｖが大きいエンジン始動時のどのタイミングにおいても内部抵抗を測定して劣化判定を行うことができる。

一方、リチウムイオン電池では、内部抵抗のうち化学反応抵抗成分Ｚ１、及び拡散抵抗成分Ｚ２が占める割合が大きいため、これら過渡応答を示す抵抗成分を無視できない。また、劣化の進行と共に電極における化学反応が妨げられて化学反応抵抗成分Ｚ１が増加する。従って、内部抵抗の測定タイミングによって過渡応答を示す抵抗成分が占める割合が異なるため、鉛蓄電池のように、エンジン始動時に内部抵抗を測定して劣化判定を行う方法をそのままリチウムイオン電池の劣化判定に採用できない。

そのため、従来このようなリチウムイオン電池からの電力供給により車両のエンジンを始動するときには、過渡応答を示す抵抗成分の影響を抑えるように、複雑に変動するエンジン始動期間内の出力電流Ｉ・出力電圧Ｖのピーク値や平均値等により内部抵抗値を演算して劣化判定を行っていた。しかし、サンプリング間隔の制約によってピーク値を的確に捉えることが困難であり、また時間経過と共に過渡応答を示す抵抗成分の内部抵抗に占める割合が変わるので、演算した内部抵抗値は正確性に欠け、内部抵抗値に基づいて劣化度合いを正確に判定することが困難であった。

本発明の目的は、リチウムイオン電池の内部抵抗値を正確に演算してリチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法を提供することである。

第１の発明の劣化判定方法は、エンジン始動時におけるスタータモータに給電するリチウムイオン電池の内部抵抗値と所定の基準抵抗値との比較によりこのリチウムイオン電池の劣化判定を行う劣化判定方法において、エンジン始動時に前記リチウムイオン電池の出力電流値と出力電圧値を所定時間間隔毎に測定し、前記出力電流値が最大となる第１ピークと、この第１ピークの後に前記出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークを検出し、前記第２ピーク直前の所定期間内における出力電流値及び出力電圧値に基づいて前記内部抵抗値として劣化判定用内部抵抗値を演算することを特徴としている。

上記構成により、エンジン始動時複雑に変動するリチウムイオン電池の出力電流、出力電圧のうち、変動が緩やかな第２ピーク直前の所定期間内の出力電流、出力電圧に基づいて劣化判定用の内部抵抗値を演算することができ、出力電流、出力電圧の変動の影響を小さくして正確な内部抵抗値を演算することができるので、正確に演算された内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池の劣化度合いを判定することができる。

第２の発明の劣化判定方法は、第１の発明において、前記劣化判定用の内部抵抗値は、前記所定時間間隔毎に演算される内部抵抗値の前記所定期間内における平均値であることを特徴としている。

上記構成により、出力電流、出力電圧の変動の影響をさらに小さくして正確な内部抵抗値を演算することができる。

第３の発明の劣化判定方法は、第１または第２の発明において、前記劣化判定用の内部抵抗値は、前記リチウムイオン電池の電流出力開始後の出力電流の時間積分値に比例する補正量であって、リチウムイオンの拡散抵抗を反映する補正量を減算した値であることを特徴としている。

上記構成により、演算した内部抵抗値から遅い過渡応答を示す拡散抵抗成分を取り除いた劣化判定用の内部抵抗値を求め、その内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池の劣化度合いを判定することができる。

本発明によれば、リチウムイオン電池の内部抵抗値を正確に演算してリチウムイオン電池の劣化度合いを判定する劣化判定方法を提供することができる。

エンジン制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明のリチウムイオン電池の劣化判定方法のフローチャートである。 バッテリの内部抵抗を示す等価回路図である。 図３のバッテリの内部抵抗のステップ応答を示す図である。 エンジン始動時のバッテリの出力電流と内部抵抗を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、車両のエンジン制御系の概略構成について説明する。
図１に示すように、エンジン制御用ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１には、リチウムイオン電池で構成されたバッテリ２とエンジン３を始動させるスタータモータ４が接続され、エンジン制御用ＥＣＵ１はバッテリ２からスタータモータ４への電力供給等を制御する。また、信号待ちなどの停車時にはエンジン３のアイドリングを停止させ、所定の始動条件の成立によりエンジン３を再始動させる制御を行う。図示を省略するが、エンジン制御用ＥＣＵ１は、発電機や減速エネルギを利用して発電した電力をバッテリ２に充電する制御を行うように構成されている。

次に、エンジン３の再始動時の動作及びバッテリ２の出力電流について説明する。
図５に示すように、エンジン３の始動を開始すると、バッテリ２からスタータモータ４へ突入電流が流れる。このときの出力電流のピークがＰ０である。バッテリ２から供給される電流によりスタータモータ４を回転させて所定の回転数に到達するまでエンジン３を回す。このときの出力電流のピークがエンジン始動時の出力電流が最大となる第１ピークＰ１である。

時刻ｔ１において、エンジン３が所定の回転数に到達すると各部が機能してエンジン３が作動を開始し、スタータモータ４の負荷が小さくなって出力電流が小さくなる。エンジン３が作動開始した後は、スタータモータ４の回転を車両駆動のための駆動アシストに利用してエンジン３の始動を終了する。このときの出力電流のピークが第１ピークＰ１の後に極大且つ最大となる第２ピークＰ２である。

次に、バッテリ２について説明する。
バッテリ２はリチウムイオン電池であり、リチウム酸化物の正極と黒鉛等の負極とリチウム塩有機溶媒の電解質等により構成されている。充電時には、リチウムイオンが正極から負極へ電解質を通って移動すると共に負極に蓄積される。放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオンが電解質を通って正極に移動する。

既に説明したように、図３に示すバッテリ２の内部抵抗は、電極等抵抗Ｒ０と、化学反応抵抗成分Ｚ１と、拡散抵抗成分Ｚ２に分けて考えることができ、化学反応抵抗成分Ｚ１と、拡散抵抗成分Ｚ２は過渡応答する成分であり、夫々抵抗Ｒ１と容量Ｃ１、及び抵抗Ｒ２と容量Ｃ２で構成される。

次に、バッテリ２の劣化について説明する。
リチウムイオン電池で構成されるバッテリ２の劣化は、主としてバッテリ２の電極におけるリチウムイオンの受け渡しが阻害されるようになることが原因である。即ち、劣化すると電極等抵抗Ｒ０と化学反応抵抗成分Ｚ１が大きくなる。従って、電極等抵抗Ｒ０と化学反応抵抗成分Ｚ１を正確に検知することによりバッテリ２の劣化度合いを正確に判定することができる。

化学反応抵抗成分Ｚ１は、過渡応答する状態で正確に検知することが困難であるため、化学反応抵抗成分Ｚ１の過渡応答が終わって定常状態（Ｚ１＝Ｒ１）にあるときの内部抵抗を検知する。このとき、拡散抵抗成分Ｚ２が過渡応答するが、時刻tにおいてその両端に生じる電位差ＥＰ２（ｔ）が次式（１）で表される。

拡散抵抗成分Ｚ２は、ｔ＜＜Ｒ２Ｃ２のときは出力電流Iが抵抗Ｒ２には流れず容量Ｃ２が充電される。このとき電位差ＥＰ２（ｔ）は次式（２）となる。

従って、内部抵抗の拡散抵抗成分Ｚ２は出力電流Ｉの時間積分値及び容量Ｃ２が反映された次式（３）で表される。

図５に示すように、化学反応抵抗成分Ｚ１が定常状態になってから内部抵抗を検知すると、内部抵抗には拡散抵抗成分Ｚ２が含まれている。このとき内部抵抗は次式（４）で表される。

過渡応答する拡散抵抗成分Ｚ２を除いた内部抵抗によって後述の劣化判定を行うため、次式（５）に示すように、上記（４）式の内部抵抗から上記式（３）に示す拡散抵抗成分Ｚ２を減算する補正をする。

ここで、拡散抵抗成分Ｚ２は下記式（６）のように表すことができるので、これに基づいて演算してもよい。尚、Ｉave.(ｔ)はエンジン始動開始から時刻ｔまでの時間ΔＴの間の平均出力電流値である。

次に、本発明のバッテリ２の劣化判定方法について図２に基づいて説明する。尚、図中のＳｉ（ｉ=１，２…）はステップを表す。
エンジン３のアイドリング停止時、所定の始動条件の成立によりエンジン３の始動が開始されると、エンジン制御用ＥＣＵ１は、Ｓ１において、エンジン始動時のバッテリ２の出力電流I及び出力電圧Ｖを所定時間間隔毎に測定し、少なくともエンジン３の始動期間内に測定した全データを記憶する。所定時間間隔は例えば１０ミリ秒間隔であり、この時間間隔はエンジン制御用ＥＣＵ１の処理能力だけでなく他の制御用機器の処理能力や通信タイミング等によって決まる。

次にＳ２において、記憶された出力電流値のデータから出力電流値が最大となる第１ピークＰ１を検出する。次にＳ３において、この第１ピークＰ１の後に出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークＰ２を検出する。次にＳ４において、第２ピークＰ２直前の所定期間内における出力電流値及び出力電圧値を抽出する。次にＳ５において、Ｓ４で抽出した出力電流値及び出力電圧値に基づいてバッテリ２の内部抵抗値を演算する。

所定期間は例えば７０ミリ秒間であり、第２ピークＰ２のデータより所定時間間隔（１０ミリ秒）前のデータから７０ミリ秒遡った所定期間内に所定時間間隔でサンプリングした８組の出力電流値と出力電圧値のデータに基づいて内部抵抗値（ｄＶ／ｄＩ）を演算する。内部抵抗値の演算は、各サンプリングタイミングにおける抵抗値を演算し、所定期間内におけるこれらの平均値を算出している。変動が緩やかな所定期間内のデータに基づいて抵抗値が演算されるのでサンプリングタイミングの影響が小さく、これらの平均値を算出して正確な内部抵抗値が得られる。尚、所定期間は上記に限定されるものではなく、本発明の劣化判定方法を適用する車両に応じて適宜設定可能である。

次にＳ６において、上記式（５）に基づいて、演算した拡散抵抗成分Ｚ２をＳ５で演算した内部抵抗値から減算して劣化判定用内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）を演算する。所定期間内のデータに基づいて演算された内部抵抗値からバッテリ２の電流出力開始後の出力電流の時間積分値に比例する補正量を減算、即ちリチウムイオンの拡散抵抗を反映する補正量を減算するので、劣化判定用内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）に基づいて正確に劣化判定を行うことができる。

次に、Ｓ７において、Ｓ６で演算した劣化判定用の内部抵抗値（Ｒ０＋Ｒ１）と所定の基準抵抗値の比が所定比未満であるか否か判定し、判定がＹｅｓの場合、即ち劣化度合いが許容範囲内の場合はＳ８に進み、判定がＮｏの場合、即ち劣化と判定された場合はＳ９に進む。基準抵抗値は、例えばバッテリ２の仕様値であるが、バッテリ２の搭載後に最初に演算される劣化判定用の内部抵抗値を基準抵抗値として記憶するように構成することも可能である。

Ｓ８において、正常時動作として特に運転者に報知等をせずに劣化判定を終了するが、バッテリ２の劣化度合いを報知手段５である表示部に表示して劣化判定を終了してもよい。Ｓ９においては、バッテリ２の劣化を表示部に警告等を表示して劣化判定を終了するが、さらにアラーム音等で報知するようにしてもよい。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ エンジン制御用ＥＣＵ
２ バッテリ（リチウムイオン電池）
３ エンジン
４ スタータモータ
５ 報知手段
Ｒ０ 電極等抵抗
Ｚ１ 化学反応抵抗成分
Ｚ２ 拡散抵抗成分
Ｐ１ 第１ピーク
Ｐ２ 第２ピーク

Claims (3)

1. エンジン始動時におけるスタータモータに給電するリチウムイオン電池の内部抵抗値と所定の基準抵抗値との比較によりこのリチウムイオン電池の劣化判定を行う劣化判定方法において、
   前記リチウムイオン電池の出力電流値と出力電圧値を所定時間間隔毎に測定し、
   前記出力電流値が最大となる第１ピークと、この第１ピークの後に前記出力電流値が極大且つ最大となる第２ピークを検出し、
   前記第２ピーク直前の所定期間内における前記出力電流値及び前記出力電圧値に基づいて前記内部抵抗値としての劣化判定用内部抵抗値を演算することを特徴とする劣化判定方法。
2. 前記劣化判定用内部抵抗値は、前記所定時間間隔毎に演算される内部抵抗値の前記所定期間内における平均値であることを特徴とする請求項１に記載の劣化判定方法。
3. 前記劣化判定用内部抵抗値は、前記リチウムイオン電池の電流出力開始後の出力電流の時間積分値に比例する補正量であって、リチウムイオンの拡散抵抗を反映する補正量を減算した値であることを特徴とする請求項１または２に記載の劣化判定方法。