JP2019114449A - 電池情報処理装置、電池製造支援装置、組電池、電池情報処理方法、及び組電池の製造方法 - Google Patents

電池情報処理装置、電池製造支援装置、組電池、電池情報処理方法、及び組電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電池製造システム及び電池製造方法において、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択可能とする。【解決手段】管理サーバは、車両で使用された組電池の使用履歴情報を取得する(S120)。管理サーバは、組電池の使用履歴情報を用いて材料劣化量Dm及びハイレート劣化量Dhを算出する(S130)。管理サーバは、比率Dm/Dhがしきい値Thよりも大きい場合(S140にてYES)には、材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ(セルA及びスペーサA)が選択されることを示す第1の組立情報を生成する。管理サーバは、比率Dm/Dhがしきい値Thよりも小さい場合(S140にてNO)には、ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ(セルB及びスペーサB)が選択されることを示す第2の組立情報を生成する。【選択図】図10

Description

本開示は、電池情報処理装置、電池製造支援装置、組電池、電池情報処理方法、及び組電池の製造方法に関し、特に、複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池を製造するための技術に関する。
組電池は、複数の二次電池により構成される。複数の二次電池を組み合わせることで、大容量の組電池が得られる。しかし、組電池を長期にわたって使用するためには、組電池のメンテナンスが必要になる。特開2015−73427号公報(特許文献1)は、組電池のメンテナンスに関する電池管理システムを開示する。この電池管理システムでは、組電池に含まれる複数の電池ブロックの特性のばらつきに基づいて組電池のメンテナンスが必要であるか否かを判断し、組電池のメンテナンスが必要である場合には、組電池の関係者に対して組電池に関連する情報を通知する。なお、組電池を構成する各二次電池は「セル」や「単電池」等とも称され、以下では、各二次電池を「セル」と称する。
特開2015−73427号公報
組電池の劣化としては、ハイレート劣化が一般に知られている。ハイレート劣化とは、大電流(ハイレート)での充放電が継続されることにより電解液中のイオン濃度分布に偏りが生じてセルの内部抵抗が増加することをいう。内部抵抗が増加することで、セルの劣化が促進される。セルが劣化すると、セルの出力や容量(セルに蓄えることができる電力の量)が低下する。一般に、組電池を製造する際には、ハイレート劣化に対する耐性が高いセル及びスペーサが選択されることが多い。しかし、組電池の劣化はハイレート劣化に限られず、他の要因で組電池の劣化が進むこともある。このため、ハイレート劣化に対する耐性が高いセル及びスペーサを使用することが必ずしも適切であるとは限らない。
また、車両に搭載されて使用される組電池がどのような要因で劣化するかは、車両の使い方によって変わる。車両の使い方は、ユーザによって異なる。このため、組電池を製造する際には、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択することが望ましい。上記の特許文献1に記載の電池管理システムは、組電池のメンテナンスを適切な時期に行なうことができる点で有用であるが、ユーザ毎の車両の使い方の違いが考慮されておらず、組電池の製造に適したセル及びスペーサを選択可能とするためには、さらなる改善の余地がある。
本開示は、かかる課題を達成するためになされたものであり、その目的は、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択するための情報を提供可能な電池情報処理装置及び電池情報処理方法を提供することである。
また、本開示の別の目的は、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切な交換用セルを選択可能な電池製造支援装置を提供することである。
また、本開示の別の目的は、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切な交換用セルを選択して製造された組電池及びその製造方法を提供することである。
本開示の電池情報処理装置は、複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池を製造するための情報を処理する電池情報処理装置であって、電池情報取得部と、組立情報生成部とを備える。電池情報取得部は、車両で使用された組電池の使用履歴情報を取得する。組立情報生成部は、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を生成する。詳しくは、組立情報生成部は、組電池の使用履歴情報を用いて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成する。第1の組立情報は、所定の指標により、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す。第2の組立情報は、上記の指標により、セルの材料の劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す。
また、本開示の電池情報処理方法は、複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池を製造するための情報を処理する電池情報処理方法であって、車両で使用された組電池の使用履歴情報を取得するステップと、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を生成するステップとを含む。組立情報を生成するステップでは、使用履歴情報を用いて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成する。第1の組立情報は、所定の指標により、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す。第2の組立情報は、上記の指標により、セルの材料の劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す。
本願発明者は、ハイレート劣化以外での組電池の劣化として、セルの材料自体の劣化に着眼した。詳しくは、長期にわたって組電池を使用すると、熱などの影響でセルの材料自体が少しずつ劣化していく。こうした材料の劣化は、ハイレート劣化と比べると進行が遅いものの、組電池の使用期間が長くなると無視できないレベルに達する。このため、ハイレート劣化に対する耐性のみを考慮してセル及びスペーサを選択すると、組電池の長寿命化を図ることが難しくなる。また、材料の劣化とハイレート劣化との両方に対して高い耐性を有するセル及びスペーサは、一般的ではなく、技術的にもコスト的にも入手困難である。
そこで、本開示の電池情報処理装置及び電池情報処理方法では、車両で使用された組電池の使用履歴情報を取得し、その使用履歴情報に基づいて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成するようにしている。これにより、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル、スペーサ(以下、それぞれ「材料劣化高耐性セル」、「材料劣化高耐性スペーサ」と称する場合がある)と、セルの材料の劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル、スペーサ(以下、それぞれ「ハイレート劣化高耐性セル」、「ハイレート劣化高耐性スペーサ」と称する場合がある)とのいずれかを、ユーザの車両の使い方に応じて選択することが可能になる。たとえば、ユーザの車両の使い方によっては、ハイレート劣化が問題とはならないことがある。このようなユーザに対しては、材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサによって構成される組電池を提供することで、組電池の長寿命化を図ることができる。
このように、上記の電池情報処理装置及び電池情報処理方法によれば、組電池の製造に際して、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択することができる。なお、組電池の製造には、新たに組電池を製造することも、既成の組電池を構成する複数のセルの一部を交換して組電池を再構築(リビルド)することも含まれる。
電池情報処理装置は、電池情報を管理するサーバであってもよいし、そのようなサーバとは異なる端末、又は車両の制御装置であってもよい。電池情報処理装置が端末である場合、たとえば、サーバにおいて取得された使用履歴情報をサーバから端末が取得し、端末において組立情報を生成してもよい。
本開示の電池情報処理装置は、材料劣化量算出部と、ハイレート劣化量算出部とをさらに備えてもよい。材料劣化量算出部は、組電池の使用履歴情報を用いて材料劣化量(Dm)を算出する。ハイレート劣化量算出部は、組電池の使用履歴情報を用いてハイレート劣化量(Dh)を算出する。材料劣化量は、熱の影響によりセルの材料が劣化したことに起因するセルの抵抗増加量である。ハイレート劣化量は、セルのハイレート劣化に起因するセルの抵抗増加量である。そして、組立情報生成部が、ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率(Dm/Dh)がしきい値(Th)よりも大きい場合には第1の組立情報を生成し、上記の比率(Dm/Dh)が上記しきい値(Th)よりも小さい場合には第2の組立情報を生成するようにしてもよい。
このような構成を有する電池情報処理装置では、車両で使用された組電池の使用履歴情報から材料劣化量及びハイレート劣化量を算出し、これら材料劣化量及びハイレート劣化量を用いて、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択する。詳しくは、ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率(Dm/Dh)に基づいて、ユーザに合ったセル及びスペーサを選択する。
ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率(Dm/Dh)は、材料劣化量をハイレート劣化量で除算した値に相当する。しきい値は任意に設定できる。たとえば、しきい値に「1」を設定した場合には、材料劣化量がハイレート劣化量よりも小さい場合に、ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率がしきい値(1)よりも小さくなる。
上記のようなハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率(Dm/Dh)によれば、対象車両の使い方に関して、熱による材料の劣化とハイレート劣化とのいずれが進行しやすいかを容易かつ的確に判断できる。そして、こうした判断の結果に基づき、対象車両のユーザに合った適切なセル及びスペーサを選択することが可能になる。上記構成は、車両に搭載された組電池を構成する複数のセルの少なくとも一部を交換して組電池を再構築(リビルド)するシステムにおいて特に有効である。
なお、セルの抵抗増加量を示すパラメータとして、抵抗増加率を用いてもよい。抵抗増加率は、基準の抵抗値(例えば、出荷時の抵抗値)に対する抵抗値の増加率に相当する。
また、本開示の電池情報処理装置において、電池情報取得部によって取得される上記の使用履歴情報が、組電池の使用環境、車両の走行条件、車両の走行時間、及び車両の走行頻度の少なくとも1つを含んでもよい。そして、組立情報生成部が、上記の使用履歴情報が所定の条件を満たす場合に第1の組立情報を生成し、上記の使用履歴情報が上記条件を満たさない場合に第2の組立情報を生成するようにしてもよい。
組電池の使用環境、車両の走行条件、車両の走行時間、又は車両の走行頻度により、対象車両の使い方に関して、材料の劣化とハイレート劣化とのいずれが進行しやすいかを判断することができる。たとえば、組電池の使用温度が高い場合、車両の走行負荷が低い場合、1日あたりの走行時間が短い場合、又は走行頻度が低い場合には、ハイレート劣化よりも材料の劣化のほうが進行しやすくなる。このため、上記の条件は、上記使用環境により示される使用温度が所定値よりも高いことと、上記走行条件により示される走行負荷が所定値よりも低いことと、上記走行時間により示される1日あたりの走行時間が所定値よりも短いことと、上記走行頻度により示される頻度が所定値よりも低いこととの少なくとも1つを必要条件としてもよい。各所定値は、各々独立して、任意の値を設定できる。なお、車両の走行頻度は、所定期間における走行頻度(走行回数)であってもよい。また、車両の走行時間は、特定条件での走行時間であってもよい。車両の走行条件の例としては、走行負荷、又は走行時のSOC(State Of Charge)が挙げられる。低SOCでの走行時間が長い場合には、材料の劣化よりもハイレート劣化のほうが進行しやすくなる。上記構成は、新たに組電池を製造するシステムにおいて特に有効である。
また、本開示の電池情報処理装置において、上記の指標が、セルの負極の目付量と、セルの負極のBET比表面積とを含むようにしてもよい。そして、負極の目付量が所定値よりも少なく、かつ、負極のBET比表面積が所定値よりも小さいセルが、ハイレート劣化に対する耐性よりも材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるようにしてもよい。
このような構成とすることにより、材料劣化高耐性セルとハイレート劣化高耐性セルとを適切に選択することが可能になる。なお、目付量は、単位面積あたりの活物質量である。また、BET比表面積は、BET法によって測定される比表面積である。上記の各所定値は、各々独立して、任意の値を設定できる。
また、組電池の製造に用いるスペーサが、板状の本体部と、本体部からセル側に突出する突起部とを有する場合には、上記の指標が、突起部とセルとの接触面積を含むようにしてもよい。そして、その接触面積が所定値よりも大きいスペーサが、ハイレート劣化に対する耐性よりも材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるようにしてもよい。
このような構成とすることにより、材料劣化高耐性スペーサとハイレート劣化高耐性スペーサとを適切に選択することが可能になる。なお、上記所定値は任意に設定できる。
本開示の電池製造支援装置は、組電池を構成するセル及びスペーサを交換して組電池を製造するための電池製造支援装置であって、上述したいずれかの電池情報処理装置によって生成された組立情報を取得する取得部と、取得部によって取得された組立情報に従って、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択する選択部とを備える。
この電池製造支援装置によれば、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択し、その選択されたセル及びスペーサを用いて組電池を製造することができる。
本開示の組電池は、上述したいずれかの電池情報処理装置によって生成された組立情報に従って製造される。
この組電池は、ユーザの車両の使い方に合った適切なセル及びスペーサを含む。すなわち、こうした組電池は、ユーザにとって好適である。
本開示の組電池の製造方法は、複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池の製造方法であって、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を取得する工程と、取得された組立情報に従って選択されたセル及びスペーサを用いて組電池を製造する工程とを含む。組立情報は、車両で使用された組電池の使用履歴情報を用いて生成された第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方である。第1の組立情報は、所定の指標により、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示し、第2の組立情報は、上記の指標により、セルの材料の劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す。
この組電池の製造方法によれば、ユーザの車両の使い方に合った適切なセル及びスペーサを含む組電池を製造することができる。すなわち、ユーザにとって好適な組電池が得られる。
本開示の電池情報処理装置及び電池情報処理方法によれば、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択するための情報を提供することができる。
本開示の電池製造支援装置によれば、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択することができる。
本開示の組電池及びその製造方法によれば、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮して適切なセル及びスペーサを選択して製造された組電池及びその製造方法を提供することができる。
本開示における、電池パックの回収から製造・販売までの物流の一態様を示した図である。 図1に示す電池物流モデルにおける処理の流れを示した図である。 図1に示す電池物流モデルに適用される電池管理システムの構成例を示した図である。 図3に示す車両、管理サーバ、及び電池パック製造業者の端末の構成を詳細に示した図である。 図4に示す組電池の概略構造を示した斜視図である。 図5に示す組電池の側面図である。 図5に示す組電池のセルの内部構造を示した断面図である。 実施の形態1に従う電池製造システムにおいて、車両のECUにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。 組電池の使用履歴情報(温度頻度分布)の一例を示した図である。 実施の形態1に従う電池製造システムにおいて、管理サーバにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。 ハイレート劣化量(Dh)を求めるためのΣD値−Dh対応情報の一例を示した図である。 材料劣化量(Dm)を求めるためのT−β対応情報の一例を示した図である。 図10のステップS151及びS152で選択される交換用セル(セルA及びB)を示した図である。 図10のステップS151及びS152で選択される交換用スペーサ(スペーサA及びB)を示した図である。 スペーサAを用いて製造した組電池のセルの主面を示した図である。 スペーサBを用いて製造した組電池のセルの主面を示した図である。 スペーサAを使用した組電池と、スペーサBを使用した組電池との各々について、ハイレート劣化量(Dh)の測定結果を示した図である。 スペーサAを使用した組電池と、スペーサBを使用した組電池との各々について、材料劣化量(Dm)の測定結果を示した図である。 実施例によるリビルド品と比較例によるリビルド品とについて、走行後の抵抗増加率、及び長期使用後の出力を評価した結果を示した図である。 実施の形態1の変形例において、リビルドに用いられる交換用セル(セルA及びB)を示した図である。 実施の形態2に従う電池製造システムの全体構成を概略的に示す図である。 実施の形態2に従う電池製造システムにおいて、車両のECUにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。 実施の形態2に従う電池製造システムにおいて、管理サーバにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、本開示における、電池パックの回収から製造・販売までの物流の一態様を示した図である。以下では、図1に示される物流の態様を「電池物流モデル」と称する。この電池物流モデルでは、電池パックを搭載した複数の車両から使用済みの電池パックが回収され、回収された電池パックに含まれる再利用可能なセルを用いて電池パックが製造・販売される。
なお、本開示において「電池パックを製造する」とは、電池パックに含まれる複数のセルの少なくとも一部を交換用セルに交換して電池パックを製造することを意味する。交換用セルは、基本的には、回収された電池パックから取出される再利用可能なセルであるが、新品のセルであってもよい。
図1を参照して、回収業者31は、車両60−1,60−2,・・・から使用済みの電池パックを回収する。車両60−1,60−2,・・・は、それぞれ電池パック62−1,62−2,・・・を搭載しており、各電池パックは、複数のセルを含んで構成される組電池を含む。また、回収業者31は、回収した電池パックを解体し、電池パックからセルを取出す。電池パックからのセルの取出しは、セル毎であってもよいし、いくつかのセルが纏められたモジュール毎であってもよい。
なお、この電池物流モデルでは、セル毎に当該セルを特定するためのIDが付与されており、各セルの情報が管理サーバ20によって管理される。そして、回収業者31は、電池パックから取出された各セルのIDを、端末(図示せず)を用いて管理サーバ20へ送信する。
検査業者32は、回収業者31によって回収された各セルの性能検査を行なう。具体的には、検査業者32は、回収されたセルの電気的特性を検査する。たとえば、検査業者32は、セルの容量、抵抗値、OCV(Open Circuit Voltage)、SOC(State Of Charge)等の電気的特性を検査する。そして、検査業者32は、検査結果に基づいて、再利用可能なセルと再利用不可能なセルとを分別し、再利用可能なセルについては性能回復業者33へ引き渡し、再利用不可能なセルについてはリサイクル業者36へ引き渡す。なお、各セルの検査結果は、検査業者32の端末(図示せず)を用いて管理サーバ20へ送信される。
性能回復業者33は、検査業者32によって再利用可能とされたセル(交換用セル)の性能を回復させるための処理を行なう。一例として、性能回復業者33は、過放電状態までセルを放電させたり、過充電状態までセルを充電したりすることによって、セルの容量を回復させる。なお、検査業者32による検査において性能低下が小さいと判断されたセルについては、性能回復業者33による性能回復処理を省略してもよい。各セルの性能回復結果は、性能回復業者33の端末(図示せず)を用いて管理サーバ20へ送信される。
電池パック製造業者34は、性能回復業者33によって性能が回復されたセルを用いて電池パックの製造を行なう。この実施の形態では、電池パック製造業者34は、電池パックを製造するための情報を、端末(図示せず)を用いて管理サーバ20から取得し、その取得された情報に従って電池パックを製造する。
詳しくは、この実施の形態では、車両10に搭載される電池パックのリビルド品を製造するための組立情報が管理サーバ20において生成され、電池パック製造業者34の端末へ送信される。電池パック製造業者34は、その組立情報に従って、車両10の電池パックに含まれるセル及びスペーサを交換して、車両10の電池パックを製造(リビルド)する。
販売店35は、電池パック製造業者34によって製造された電池パックを車両用として販売したり、住宅等で利用可能な定置用として販売したりする。この実施の形態では、車両10が販売店35に持ち込まれ、販売店35において、車両10の電池パックが電池パック製造業者34により製造されたリビルド品に交換される。
リサイクル業者36は、検査業者32によって再利用不可能とされたセルを解体し、新たなセルやその他製品の原料として利用するための再資源化を行なう。
図2は、図1に示した電池物流モデルにおける処理の流れを示した図である。図2とともに図1を参照して、回収業者31によって、車両60−1,60−2,・・・から使用済みの電池パックが回収・解体され(ステップS1)、電池パックから使用済みのセルが取出される。
電池パックから取出された使用済みの各セルは、検査業者32に引き渡され、検査業者32によって、使用済みの各セルの性能検査が行なわれる(ステップS2)。具体的には、上述のように各セルの電気的特性(容量等)が検査される。この性能検査によって、再利用可能なセルと再利用不可能なセルとに分別され、再利用不可能なセルについては、リサイクル業者36へと引き渡される。
性能検査によって再利用可能とされたセルは、性能回復業者33に引き渡され、性能回復業者33によって、セルの性能を回復するための処理が行なわれる(ステップS3)。たとえば、過放電状態までセルを放電させたり、過充電状態までセルを充電したりすることによって、セルの容量が回復される。
性能が回復されたセルは、電池パック製造業者34へ引き渡され、電池パック製造業者34によって、性能回復されたセルを用いて電池パックが製造される(ステップS4)。この実施の形態では、電池パックを製造するための情報(組立情報)が管理サーバ20において生成され、電池パック製造業者34によって、その組立情報に従って電池パックが製造される。
そして、電池パック製造業者34により製造された電池パックは、販売店35に引き渡され、車両用として、或いは住宅等で利用可能な定置用として販売される(ステップS5)。
再び図1を参照して、車両10は、電池パック(図示せず)を搭載し、この電池物流モデルにおいて電池パックのリビルドが行なわれる車両である(以下では、車両10を「対象車両」と称する場合がある)。上述のように、この実施の形態では、車両10に搭載された電池パックに含まれる複数のセルの少なくとも一部を交換用セルに交換して車両10用の電池パックが再構築される。
詳細は後述するが、概略的には、車両10に搭載される電池パック内の組電池の使用履歴情報が車両10から管理サーバ20へ送信され、管理サーバ20に蓄積される。また、管理サーバ20は、電池パックを搭載した車両60−1,60−2,・・・から回収された電池パック62−1,62−2,・・・に含まれる再利用可能なセルの情報を蓄積する。
電池パックの交換を希望する車両10(対象車両)のユーザが販売店35へ車両10を引き渡すと、販売店35の端末から管理サーバ20へ車両10を特定するための情報が送信される。管理サーバ20は、蓄積されている車両10の組電池の使用履歴情報を用いて、組電池のハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率(詳しくは、後述)を求める。そして、管理サーバ20は、組電池のハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率と、再利用可能なセルの情報とを参照して、車両10に搭載される電池パックのリビルド品を構成するための組立情報を生成する。組立情報は、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを指定するものである。
生成された組立情報は、管理サーバ20から電池パック製造業者34の端末へ送信され、電池パック製造業者34において、電池パック製造業者34で管理されている交換用セル及び交換用スペーサの中から組立情報に基づくセル及びスペーサが選択されて、電池パックに含まれるセル及びスペーサの少なくとも一部がその選択されたセル及びスペーサに交換される。これにより、車両10の電池パックが製造(リビルド)される。交換用セル及び交換用スペーサとしては、新品を使用してもよいし、中古品(再利用品)を使用してもよい。交換用セルとしては、たとえば、性能回復業者33により性能が回復されたセルを用いることができる。
上記のように製造された電池パック(リビルド品)は、車両10が持ち込まれた販売店35へ配送され、販売店35において、車両10の電池パックがリビルド品に交換される。
なお、上記では、回収業者31、検査業者32、性能回復業者33、電池パック製造業者、及び販売店35は、互いに個別の業者としたが、業者の区分はこれに限定されるものではない。たとえば、検査業者32と性能回復業者33とが一の業者であってもよい。或いは、回収業者31は、電池パックを回収する業者と、回収された電池パックを解体する業者とに分かれていてもよい。また、上記各業者及び販売店の各拠点は限定されない。各業者及び販売店の各拠点は別々であってもよいし、複数の業者或いは販売店が同一拠点にあってもよい。
また、上記では、セル毎に検査及び性能回復が行なわれるものとしたが、いくつかのセルが纏められたモジュール毎に検査や性能回復が行なわれるものとしてもよい。
図3は、図1に示した電池物流モデルに適用される電池管理システムの構成例を示した図である。図3を参照して、電池管理システム1は、車両10と、管理サーバ20と、端末41〜45と、通信ネットワーク50とを備える。
車両10、管理サーバ20、及び各端末41〜45は、インターネット或いは電話回線等の通信ネットワーク50を介して互いに通信可能に構成される。なお、車両10は、通信ネットワーク50の基地局51と無線通信によって情報の授受が可能に構成される。
端末41は、回収業者31の端末であり、端末42は、検査業者32の端末である。また、端末43は、性能回復業者33の端末であり、端末44は、電池パック製造業者34の端末である。端末45は、販売店35の端末である。
図4は、図3に示した車両10、管理サーバ20、及び電池パック製造業者34の端末44の構成を詳細に示した図である。図4を参照して、車両10は、組電池100を含む電池パックと、電池監視ユニット11と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)12と、モータジェネレータ(MG:Motor Generator)13と、駆動輪14と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)15と、記憶部16(たとえば、不揮発性メモリ)と、通信装置17と、通信線18とを含む。ECU15、記憶部16、及び通信装置17は、通信線18によって接続され、互いに情報を送受可能に構成されている。
車両10は、組電池100に蓄えられた電力を使って走行するように構成される。車両10は、組電池100に蓄えられた電力のみを用いて走行可能な電気自動車であってもよいし、組電池100に蓄えられた電力とエンジン(図示せず)の出力との両方を用いて走行可能なハイブリッド車であってもよい。
組電池100は、たとえば、複数のセルが直列及び/又は並列に適宜接続されて構成される。組電池100は、MG13により駆動輪14を駆動するための電力をPCU12へ供給する。
図5〜図7は、組電池100の構成を詳細に示した図である。図5〜図7において、配列方向D1は、組電池100を構成する複数のセル110が配列する方向を示し、幅方向D2は、配列方向D1と直交する方向を示す。
図5を参照して、組電池100は、複数のセル110と複数のスペーサ120とが配列方向D1に交互に積層されて構成される。すなわち、組電池100は、配列方向D1に配列されている複数のセル110と、セル110同士の間に介在するスペーサ120とを備える。セル110の個数は、たとえば2個以上20個以下である。ただし、セル110の個数は、組電池100に求められる出力等に応じて適宜変更できる。
セル110は、非水電解液二次電池(たとえば、リチウムイオン電池)である。セル110は、正極端子131及び負極端子132を備える。また、正極端子131と負極端子132との間にガス放出弁130が設けられている。ガス放出弁130は、セル110の内部で異常反応が起きた時に、その異常反応により発生したガスをセル110の外部へ放出するための弁である。組電池100は、各セル110のガス放出弁130を通じて外部へ放出されたガスを排気するためのダクトをさらに備えていてもよい。
図5に示す複数のセル110は、電気的に直列に接続されている。詳しくは、組電池100を構成する複数のセル110は、1個ずつ向きを反転させられながら配列されている。そして、一のセル110の正極端子131と、隣接する別のセル110の負極端子132とは、接続部材140(バスバー)によって電気的に接続されている。組電池100の配列方向D1の両端には、拘束板141,142が配置されている。また、拘束板141と拘束板142とは、拘束バンド151を介して互いに接続されている。拘束バンド151と拘束板141,142とは、ビス152によって連結されている。ビス152を締め付けることにより、複数のセル110及びスペーサ120を、拘束バンド151及び拘束板141,142によって固定することができる。また、ビス152を締め付けることによりセル110及びスペーサ120に圧力(拘束力)が加わることになる。
図6を参照して、スペーサ120は、板状の本体部122と、本体部122からセル110側に突出する突起部121(たとえば、リブ)とを有する。本体部122と突起部121とは、たとえば一体的に形成される。ただしこれに限られず、突起部121と本体部122とが別体であってもよい。また、突起部121が本体部122に対して着脱自在に設けられてもよい。
セル110の2つの主面F1及びF2(配列方向D1の両端の面)のうち、主面F1には突起部121が接触し、主面F2には本体部122が接触する。セル110の主面F2の略全域は、本体部122と接触している。セル110の主面F1は、部分的に突起部121と接触している。詳細は後述するが、セル110と突起部121との接触面積は、突起部121の平面形状(配列方向D1から見たときの形状)によって変わる。突起部121は、たとえば櫛歯状に形成される。拘束板141,142から拘束力が加わると、スペーサ120の突起部121がセル110の主面F1を押圧する。スペーサ120は、たとえば樹脂から構成される。ただし、スペーサ120の材料は、樹脂に限定されず、金属等であってもよい。
図7を参照して、セル110は、電極群114と、ケース115(電池ケース)とを備える。電極群114は、ケース115内に収容されている。また、図示していないが、ケース115内には、電解液も収容されている。電解液に電極群114を浸すことによって、電極群114の内部にも電解液が入る。
電極群114は、正極板111とセパレータ113と負極板112との積層体が巻回されて構成される巻回型の電極群である。正極板111と負極板112とは、セパレータ113を挟んで積層されている。なお、電極群114は、巻回型の電極群に限られず、スタック型の電極群であってもよい。
正極板111は、正極集電体(たとえば、アルミニウム箔)と、正極活物質層とを含む。正極活物質層は、たとえば正極活物質を含有する正極合材を正極集電体の表面に塗工することにより、正極集電体の両面に形成される。負極板112は、負極集電体(たとえば、銅箔)と、負極活物質層とを含む。負極活物質層は、たとえば負極活物質を含有する負極合材を負極集電体の表面に塗工することにより、負極集電体の両面に形成される。セパレータ113は、たとえば微多孔膜である。セパレータ113内に細孔が存在することで、その細孔に電解液が保持されやすくなる。
正極活物質の例としては、層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有ニッケルコバルトマンガン複合酸化物が挙げられる。正極活物質層は、正極活物質に加えて、導電材(たとえば、アセチレンブラック)、バインダ(たとえば、ポリフッ化ビニリデン)を含んでいてもよい。負極活物質の例としては、炭素系材料(具体的には、黒鉛等)が挙げられる。負極活物質層は、負極活物質に加えて、増粘材(たとえば、カルボキシメチルセルロース)、バインダ(たとえば、スチレンブタジエンゴム)を含んでいてもよい。セパレータ113の材料の例としては、ポリオレフィン系樹脂(具体的には、ポリエチレン、又はポリプロピレン等)が挙げられる。
電解液は、非プロトン性溶媒と、この溶媒に溶解しているリチウム塩(たとえば、LiPF)とを含む。非プロトン性溶媒の例としては、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、又はジエチルカーボネート(DEC)が挙げられる。2種以上の溶媒を混合して使用してもよい。
ケース115は、たとえば角形ケースである。角形ケースの外形は、直方体(たとえば、扁平状の直方体)である。ケース115の材料の例としては、Al合金が挙げられる。
再び図4を参照して、電池監視ユニット11は、種々のセンサを含み、上記構成を有する組電池100の状態を監視するように構成される。電池監視ユニット11は、たとえば、電圧センサ、電流センサ、及び温度センサを含む。電圧センサは、組電池100の電圧を検出してECU15へ出力する。電流センサは、組電池100の電流を検出してECU15へ出力する。温度センサは、組電池100の温度を検出してECU15へ出力する。
MG13は、回転電機であって、たとえば三相交流モータジェネレータである。MG13は、PCU12によって駆動され、駆動輪14を回転させる。また、MG13は、車両10の制動時等に回生発電を行なうことも可能である。MG13により発電された電力は、PCU12により整流されて組電池100に充電される。
PCU12は、インバータ及びコンバータを含んで構成され(いずれも図示せず)、ECU15からの駆動信号に従ってMG13を駆動する。PCU12は、MG13の力行駆動時は、組電池100に蓄えられた電力を交流電力に変換してMG13へ供給し、MG13の回生駆動時(車両10の制動時等)は、MG13が発電した電力を整流して組電池100へ供給する。
ECU15は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ(ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory))、各種信号を入出力するための入出力ポート等を含んで構成される(いずれも図示せず)。ECU15は、車両10が所望の状態となるようにPCU12及び組電池100の充放電を制御する。また、ECU15は、組電池100の使用履歴情報(温度、電流、及びSOC(State Of Charge)等)を取得し、取得した使用履歴情報を記憶部16へ出力する。
電池管理システム1では、管理サーバ20において、リビルド品を製造するための組立情報が生成される。詳しくは、管理サーバ20は、ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率を用いて、組立情報を生成する。材料劣化量は、熱の影響によりセルの材料が劣化したことに起因するセルの抵抗増加量である。また、ハイレート劣化量は、セルのハイレート劣化に起因するセルの抵抗増加量である。以下、ハイレート劣化量を「Dh」と、材料劣化量を「Dm」と、それぞれ称する場合がある。また、Dhに対するDmの比率を「比率Dm/Dh」と称する場合がある。
ECU15は、Dh及びDmを算出するための組電池100の使用履歴情報を取得して記憶部16に蓄積し、記憶部16から使用履歴情報を読み出して通信装置17により管理サーバ20へ送信する。
管理サーバ20は、情報処理装置21と、通信装置22と、再利用品データベース(DB)23と、電池情報データベース(DB)24とを含む。
再利用品DB23は、回収業者31により回収された中古の電池パック62−1,62−2,・・・(図1)に含まれ、かつ、検査業者32により再利用可能とされたセル(交換用セル)の情報を、各セルを特定するID(識別符号)と紐付けて蓄積する。この情報は、初期のセル情報(たとえば、出荷時に格納されるトレーサビリティデータ)と、使用後のセル情報とを含む。セルのトレーサビリティデータは、セルの初期状態を示す情報(セル容量、セル抵抗、電極の厚さ、電極の目付量、電極のBET比表面積等)を含む。使用後のセル情報は、たとえば、検査業者32によって各セルの性能評価(劣化状態の評価)を実施することで収集され、各セルの劣化状態や、各セルの劣化しにくさを示す指標(劣化速度、セル容量、セル抵抗等)を含む。
電池情報DB24は、組電池100の初期情報(たとえば、出荷時に格納されるトレーサビリティデータ)と、車両10から定期的に受信する電池情報(たとえば、組電池100の使用履歴情報)とを、それぞれ車両10を特定するID(識別符号)と紐付けて記憶する。
組電池100の初期情報は、ΣD値とハイレート劣化量(Dh)との関係を示す情報(以下、「ΣD値−Dh対応情報」と称する場合がある)と、SOCと温度(T)と忘却係数(A)との関係を示す情報(以下、「SOC−T−A対応情報」と称する場合がある)と、SOCと温度(T)と限界値(C)との関係を示す情報(以下、「SOC−T−C対応情報」と称する場合がある)と、電流係数(B)とをさらに含む。
ΣD値は、ハイレート劣化を評価するための評価値Dの積算値である。評価値Dは、充放電による非水電解液中のイオン濃度の偏りに伴ってセル110の入出力性能を低下させる劣化成分を評価するための定量値である。忘却係数(A)は、セルの電解液中のイオンの拡散速度に対応する係数であり、ΣD値の算出に用いられる。電流係数(B)及び限界値(C)も、ΣD値の算出に用いられるパラメータである。ΣD値の算出方法の詳細については後述する(図10のステップS130参照)。
組電池100の初期情報は、温度(T)と劣化速度(β)との関係を示す情報(以下、「T−β対応情報」と称する場合がある)をさらに含む。劣化速度(β)は、セルの内部抵抗の増加速度に対応する係数であり、材料劣化量(Dm)を求めるために用いられる。Dmの求め方の詳細については後述する(図10のステップS130参照)。
電流係数(B)及び各対応情報は、あらかじめ実験等によって取得することができる。実験等によって得られた電流係数(B)及び各対応情報は、たとえば、組電池100の出荷時に電池情報DB24に格納される。2つのパラメータを関連付ける対応情報(たとえば、ΣD値−Dh対応情報、T−β対応情報)により、1つのパラメータの数値から、他の1つのパラメータの数値を求めることができる。3つのパラメータを関連付ける対応情報(たとえば、SOC−T−A対応情報、SOC−T−C対応情報)により、2つのパラメータの数値から、他の1つのパラメータの数値を求めることができる。SOC−T−A対応情報は、SOCと温度と忘却係数との関係を規定し、たとえば、SOCが同じであれば温度が高くなるほど忘却係数が大きくなり、温度が同じであればSOCが高くなるほど忘却係数が大きくなるような関係を規定する。SOC−T−C対応情報は、SOCと温度と限界値との関係を規定し、たとえば、SOCが同じであれば温度が高くなるほど限界値が大きくなり、温度が同じであればSOCが高くなるほど限界値が大きくなるような関係を規定する。なお、各対応情報は、マップでもテーブルでも数式でもモデルでもよい。
組電池100の初期情報は、セルの初期状態を示す情報(セル容量、セル抵抗、電極の厚さ、電極の目付量、電極のBET比表面積等)と、セルの工程ばらつきに関する情報とをさらに含む。セルの工程ばらつきに関する情報は、電極の目付量とBET比表面積との各々に関する工程ばらつきデータ(たとえば、工程ばらつきの上限値、中央値、及び下限値)を含む。
組電池100の使用履歴情報は、車両10のECU15によって定期的に収集され、所定のタイミングで車両10から管理サーバ20へ送信される。管理サーバ20は、これを受け取って電池情報DB24に格納する。
情報処理装置21は、CPU、メモリ、入出力バッファ等を含んで構成される(いずれも図示せず)。情報処理装置21は、組電池100のリビルドを行なう車両10を特定するための情報を販売店35の端末45から通信装置22により受信すると、電池情報DB24に記憶された車両10についてのデータと、再利用品DB23に記憶された再利用可能なセル(交換用セル)についてのデータとを用いて、組電池100のリビルドを行なうための組立情報を生成する。この組立情報を生成するための具体的な処理の詳細については、後ほど説明する。
そして、情報処理装置21は、生成された組立情報を通信装置22により電池パック製造業者34の端末44へ送信する。これにより、電池パック製造業者34においては、管理サーバ20により生成された組立情報に従って、車両10の組電池100のリビルド品が生成される。
電池パック製造業者34の端末44は、通信装置71と、制御部72と、表示部73とを含む。通信装置71は、管理サーバ20により生成された組立情報を管理サーバ20から取得する。制御部72は、取得された組立情報に従って、交換用セル及び交換用スペーサの中からセル及びスペーサを選択し、選択されたセル及びスペーサの情報を表示部73に表示させる。電池パック製造業者34は、表示部73に表示されたセル及びスペーサの情報に基づいて、車両10の組電池100を製造(リビルド)する。
なお、この端末44は、本開示における「電池製造支援装置」の一実施例に対応する。また、通信装置71は、本開示における「取得部」の一実施例に対応し、制御部72は、本開示における「選択部」の一実施例に対応する。
ところで、組電池の劣化としては、ハイレート劣化が一般に知られている。しかし、組電池の劣化はハイレート劣化に限られず、他の要因で組電池の劣化が進むこともある。このため、ハイレート劣化に対する耐性が高いセル及びスペーサを使用することが必ずしも適切であるとは限らない。
本願発明者は、ハイレート劣化以外での組電池の劣化として、セルの材料自体の劣化に着眼した。詳しくは、長期にわたって組電池を使用すると、熱などの影響でセルの材料自体が少しずつ劣化していく。こうした材料の劣化は、ハイレート劣化と比べると進行が遅いものの、組電池の使用期間が長くなると無視できないレベルに達する。このため、ハイレート劣化に対する耐性のみを考慮してセル及びスペーサを選択すると、組電池の長寿命化を図ることが難しくなる。また、材料の劣化とハイレート劣化との両方に対して高い耐性を有するセル及びスペーサは、一般的ではなく、技術的にもコスト的にも入手困難である。
また、組電池を構成するセルの劣化の仕方は、組電池の使い方によって変わる。ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮せずにリビルドを行なうと、必ずしもユーザに合ったリビルド品が得られるとは限らない。
そこで、実施の形態1に従う電池管理システム1では、ユーザ毎の車両の使い方の違いを考慮してリビルド品を生成している。概略的には、電池管理システム1では、車両10で使用された組電池100の使用履歴情報を取得し、その使用履歴情報に基づいて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成するようにしている。ここで、第1の組立情報は、材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ(目付量やBET比表面積等の所定の指標により、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサ)が選択されることを示すリビルド情報である。第2の組立情報は、ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ(上記の指標により、セルの材料の劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサ)が選択されることを示すリビルド情報である。
上記のような電池管理システム1により、ユーザの車両10の使い方に合ったセル及びスペーサを使って組電池100をリビルド(製造)することが可能になる。以下、図8〜図18を用いて、電池管理システム1によるリビルド品の生成方法について詳述する。
図8は、車両10のECU15により実行される処理の手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。
図8を参照して、ECU15は、ハイレート劣化量(Dh)を算出するための組電池100の使用履歴情報(以下、「Dh関連情報」と称する場合がある)を取得する(ステップS10)。Dh関連情報は、たとえば、組電池100の電流値とSOCとを含む。組電池100の電流値は、たとえば、電池監視ユニット11から取得できる。SOCは、たとえば、組電池100の電流値及び電圧値から推定できる。SOCは、満充電容量に対する現在の充電容量の割合(たとえば、百分率)で定義される。SOCの算出方法は任意であり、電流値積算(クーロンカウント)による手法や、開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)の推定による手法等も採用できる。ハイレート劣化量(Dh)は、ここで得られた電流値及びSOC等を用いて算出される(詳しくは、後述する図10のステップS130参照)。なお、Dhの算出には、組電池100の温度も用いられるが、組電池100の温度は、次のステップS20で取得されるため、ステップS10では取得しない。
次いで、ECU15は、材料劣化量(Dm)を算出するための組電池100の使用履歴情報(以下、「Dm関連情報」と称する場合がある)を、電池監視ユニット11から取得する(ステップS20)。Dm関連情報は、たとえば、組電池100の温度を含む。組電池100全体において部位ごとに温度のばらつきがある場合には、たとえば、最も高い温度を組電池100の温度として採用できる。材料劣化量(Dm)は、ここで得られた組電池100の温度等を用いて算出される(詳しくは、後述する図10のステップS130参照)。
ECU15は、Dh関連情報及びDm関連情報を含む使用履歴情報を記憶部16に蓄積する(ステップS30)。Dh関連情報は、ステップS10で取得したデータに加えて、ステップS20で取得された組電池100の温度と、サイクルタイムとをさらに含む。サイクルタイムは、前回データ取得から今回データ取得までの経過時間に相当し、制御周期に対応する。使用履歴情報は、Dh関連情報及びDm関連情報に加えて、組電池100の充電回数、及び車両10の走行距離等をさらに含んでいてもよい。
ECU15は、記憶部16に蓄積された組電池100の使用履歴情報を記憶部16から読み出し、通信装置17によって管理サーバ20へ送信する(ステップS40)。
図8に示す一連の処理が繰り返し実行されることで、管理サーバ20には、組電池100の温度頻度分布がDm関連情報として出力されることになる。図9に、組電池100の温度頻度分布の一例を示す。
図9を参照して、横軸は組電池100の温度を示し、縦軸は頻度(すなわち、ステップS20で取得した温度が、横軸で示される温度であった積算回数)を示している。実線k1は、温度毎の頻度(温度頻度分布)を示している。実線k1で示される温度頻度分布においては、特定の温度で頻度がピークに達し、そのピークの温度から離れるほど頻度が低くなっている。
図8に示す処理により、ECU15は、組電池100の使用履歴情報を取得し、管理サーバ20へ送信する。そして、管理サーバ20は、受信した組電池100の使用履歴情報を電池情報DB24に蓄積する。なお、ECU15が組電池100の使用履歴情報を管理サーバ20へ送信するタイミング(ステップS40を実行するタイミング)は任意である。たとえば、ステップS40において、ECU15が、記憶部16に蓄積された組電池100の使用履歴情報を記憶部16から所定の周期で定期的に読み出し、通信装置17によって管理サーバ20へ送信してもよい。詳しくは、ステップS40を実行するタイミングでない場合には、ステップS40がスキップされ、ステップS10〜S30が繰り返し実行されてもよい。そして、ステップS40を実行するタイミングになると、ステップS40において、前回送信から今回送信までに取得した組電池100の使用履歴情報がまとめて管理サーバ20へ送信されてもよい。
図10は、管理サーバ20により実行される処理の手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、組電池100の交換を行なう車両10(対象車両)を特定するための情報を販売店35の端末45から受信すると実行される。
図10を参照して、管理サーバ20(情報処理装置21)は、対象車両(車両10)の上記情報を販売店35の端末45から受信する(ステップS110)。次いで、管理サーバ20は、対象車両(車両10)の組電池100の使用履歴情報(Dh関連情報及びDm関連情報等)を電池情報DB24から取得する(ステップS120)。すなわち、管理サーバ20は、販売店35の端末45から受信する情報によって特定される対象車両(車両10)の組電池100の使用履歴情報を電池情報DB24から取得する。
次いで、管理サーバ20は、電池情報DB24から取得した車両10の組電池100の使用履歴情報(Dh関連情報及びDm関連情報等)と、電池情報DB24内の対応情報とを用いて、比率Dm/Dh(ハイレート劣化量に対する材料劣化量の比率)を算出する(ステップS130)。具体的には、管理サーバ20は、まずDh及びDmを求めて、DmをDhで除算することにより比率Dm/Dhを得る。以下、Dh及びDmの求め方について詳述する。
まず、ハイレート劣化量(Dh)の求め方について説明する。評価値Dは、次に示す式(1)で表すことができる。
D(N)=D(N−1)−D(−)+D(+) …(1)
式(1)において、Nは2以上の自然数であり、D(N)は、今回(第N回目)の評価値Dを示し、D(N−1)は、前回(第N−1回目)の評価値Dを示す。すなわち、今回の評価値Dは、前回の評価値Dから求めることができる。初期の状態ではイオン濃度に偏りが無いため、「D(1)=0」となる。以下、第(N−1)周期から第N周期までの経過時間に相当するサイクルタイムをΔtと表記する。
式(1)中において、D(−),D(+)は、それぞれ式(2),式(3)で表すことができる。
D(−)=A×Δt×D(N−1) …(2)
D(+)=(B/C)×I×Δt …(3)
式(2)において、Aは忘却係数を示す。式(3)において、Bは電流係数を、Cは限界値を、Iは組電池100の放電電流量を、それぞれ示す。ただし、忘却係数(A)は「0<A×Δt<1」の関係を満たすように設定される。また、放電電流量(I)は、放電時には正の値(I>0)となり、充電時には負の値(I<0)となる。
式(2)において、「D(−)」は、D(N)を0へ向けて変化させる項であり、サイクルタイムΔtにおけるイオンの拡散に伴うイオン濃度の偏りの減少(回復)量を示している。「A×Δt」が大きい(1に近い)ほど、評価値D(N)が速く0に近づくように変化する。
式(3)において、「D(+)」は、イオン濃度の偏りの増加を示している。式(3)から理解されるように、放電時には、電流の量(Iの絶対値)が大きいほど、又はサイクルタイムΔtが長いほど、評価値D(N)が正(+)の方向へ変化する。また、充電時には、電流の量(Iの絶対値)が大きいほど、又はサイクルタイムΔtが長いほど、評価値D(N)が負(−)の方向へ変化する。D(N)が正の値(D(N)>0)であることは、放電側にイオン濃度が偏っていることを示し、D(N)が負の値(D(N)<0)であることは、充電側にイオン濃度が偏っていることを示す。
管理サーバ20は、ステップS120で取得したDh関連情報を用いて、対象車両(車両10)の忘却係数(A)、電流係数(B)、限界値(C)、放電電流量(I)、及びサイクルタイム(Δt)を求めて、これらを上記式(1)〜式(3)に代入することによって、評価値D(N)を算出することができる。忘却係数(A)は、電池情報DB24内のSOC−T−A対応情報を参照することにより、ステップS120で取得した組電池100の温度とSOCとから求めることができる。電流係数(B)は、あらかじめ電池情報DB24に格納されているため、電池情報DB24から取得できる。限界値(C)は、電池情報DB24内のSOC−T−C対応情報を参照することにより、ステップS120で取得した組電池100の温度とSOCとから求めることができる。また、放電電流量(I)及びサイクルタイム(Δt)としては、ステップS120で取得したDh関連情報(電流値及びサイクルタイム)をそのまま使用できる。
また、管理サーバ20は、次に示す式(4)に従って、ΣD値を求めることができる。たとえば、管理サーバ20は、初期からすべての評価値Dを積算して、ΣD値を求める。
ΣD(N)=ΣD(N−1)+D(N) …(4)
次に、管理サーバ20は、得られたΣD値からハイレート劣化量(Dh)を求める。管理サーバ20は、電池情報DB24内のΣD値−Dh対応情報を参照することにより、ΣD値からDhを求めることができる。図11に、ΣD値−Dh対応情報の一例を示す。なお、図11では、ハイレート劣化量(Dh)を示すパラメータとして、抵抗増加率を採用している。
図11を参照して、横軸は組電池100のΣD値を示し、縦軸は抵抗増加率(ΔR)を示している。抵抗増加率は、セルの抵抗増加量を示すパラメータであり、詳しくは、初期状態のセルの内部抵抗値に対して劣化状態のセルの内部抵抗値がどの程度増加したかを示す。実線k2は、ΣD値と抵抗増加率(ΔR)との関係を示している。実線k2から、たとえば、ΣD値がX1であるとき、抵抗増加率(ΔR)がY1であると推定できる。
以上、ハイレート劣化量(Dh)の求め方の一例について説明した。なお、評価値Dは、電解液中のイオン濃度の偏りの程度を定量的に示すように算出されれば、算出方法は任意である。たとえば、放電側にイオン濃度が偏っている場合の評価値Dと、充電側にイオン濃度が偏っている場合の評価値Dとを、異なる数式で算出するようにしてもよい。また、時間経過に応じたハイレート劣化の緩和を反映するための補正係数(緩和係数)を用いて、式(4)におけるΣD(N−1)を補正しながら、D(N)の積算を行なうようにしてもよい。
次に、材料劣化量(Dm)の求め方について説明する。材料劣化量(Dm)は、ステップS120で取得した組電池100の温度(たとえば、図9に示したような、組電池100の温度頻度分布)と、劣化速度(β)とから求めることができる。詳しくは、組電池100の温度頻度分布における頻度と、劣化速度(β)とを乗算することにより、初期状態からの抵抗増加量を求めることができる。管理サーバ20は、たとえば、電池情報DB24から初期状態のセルの内部抵抗値を取得し、初期状態のセルの内部抵抗値と、ステップS120で取得した温度頻度分布と、劣化速度(β)とから、抵抗増加率を求めることができる。ただし、劣化速度(β)は、組電池100の温度によって変わる。そこで、管理サーバ20は、電池情報DB24内のT−β対応情報を参照することにより、各温度の劣化速度(β)を求める。図12に、T−β対応情報の一例を示す。
図12を参照して、横軸は組電池100の温度の逆数(1/T)を示し、縦軸は劣化速度の自然対数値(ln(β))を示している。実線k3は、組電池100の温度(T)と劣化速度(β)との関係を規定しており、詳しくは、組電池100の温度(T)が高くなるほど劣化速度(β)が大きくなるような関係を規定している。実線k3により、各温度の劣化速度(β)が得られる。アレニウス則に従う温度依存性から、実線k3で示されるように、1/Tとln(β)とは略比例関係を有することが多い。
以上、材料劣化量(Dm)の求め方の一例について説明した。なお、材料劣化量(Dm)は、熱の影響によるセルの材料の劣化の程度を定量的に示すように算出されれば、算出方法は任意である。たとえば、図9に示した温度頻度分布のピーク頻度を用いて、材料劣化量(Dm)を求めるようにしてもよい。温度頻度分布におけるピーク頻度と、ピーク温度の劣化速度(β)と、あらかじめ実験等で求めた補正係数とを乗算することにより、材料劣化量(Dm)を求めることができる。
上記の例では、ハイレート劣化量(Dh)及び材料劣化量(Dm)の各々を示すパラメータとして、抵抗増加率を採用した。しかしこれに限られず、Dh及びDmの各々を示すパラメータとしては、初期状態からの抵抗増加量なども採用できる。
再び図10を参照して、管理サーバ20は、上記のようにしてDh及びDmを求めて、DmをDhで除算することにより比率Dm/Dhを算出する(ステップS130)。次に、管理サーバ20は、比率Dm/Dhに基づいて、電池の製造(リビルド)に適したセル及びスペーサが、セルA及びスペーサAの組合せと、セルB及びスペーサBの組合せとのいずれであるかを判断する(ステップS140)。ステップS151及びS152では、いずれかの組合せが選択され、選択されたセル及びスペーサでリビルドを行なうための組立情報が生成される。
図13は、ステップS151及びS152で選択される交換用セル(セルA及びB)を示した図である。セルAは、負極BET比表面積が小(小さい)、かつ、負極目付量が小(少ない)の要件を満たす交換用セルである。セルBは、負極BET比表面積が大(大きい)、かつ、負極目付量が大(多い)の要件を満たす交換用セルである。セルAよりもセルBのほうが、負極BET比表面積が大きい。各セルの負極BET比表面積の数値範囲は、この関係を満たす限りにおいて任意に設定できる。また、セルAよりもセルBのほうが、負極目付量が多い。各セルの負極目付量の数値範囲は、この関係を満たす限りにおいて任意に設定できる。セルA及びBの各々は、たとえばリチウムイオン電池である。
セルの劣化の仕方は、セルの材質や構造等によって異なる。本願発明者は、ハイレート劣化への影響が特に大きいセルの材質及び構造として、負極のBET比表面積及び目付量に着目した。詳しくは、非水電解液二次電池では、正極活物質層が比較的硬い物質(たとえば、金属酸化物)で構成され、負極活物質層が比較的軟らかい物質(たとえば、炭素系材料)で構成されることが多い。このため、非水電解液二次電池の負極板は、正極板よりも軟らかいことが多い。また、二次電池の充電時には電極群が膨張する。たとえば、図7を参照して、セル110の充電時には、電極群114が膨張する。ケース115内において膨張した電極群114は、ケース115の内壁に接触し、ケース115を外側に向かって押圧する。一方、ケース115の外では、スペーサ120の突起部121がセル110の主面F1をケース115の内側に向かって押圧する。突起部121の押圧によりケース115の変形が抑制されることで、ケース115内の電極群114(特に、軟らかい負極板112)にストレスが加わることになる。電極群114の膨張及び収縮は、充放電レートが高くなるほど激しくなる。このため、ハイレートでの充放電が繰り返されると、負極板112の負極活物質層に保持されていた電解液が外へ押し出されて、セル110の内部抵抗が増加しやすくなる。本願発明者は、負極板112のBET比表面積を大きくすることで、セル110のハイレート劣化量が少なくなることを実験的に見出した。また、本願発明者は、負極板112の目付量を多くすることで、セル110のハイレート劣化量が少なくなることを実験的に見出した。この理由は、負極板112のBET比表面積が大きくなるほど、また負極板112の目付量が多くなるほど、負極板112が電解液を保持しやすくなるからであると考えられる。
以上説明したように、図13において、セルAは、ハイレート劣化に対する耐性よりも材料劣化に対する耐性が高い。また、セルBは、材料劣化に対する耐性よりもハイレート劣化に対する耐性が高い。このため、セルAは材料劣化高耐性セルに相当し、セルBはハイレート劣化高耐性セルに相当する。
セルA及びBに関して、負極のBET比表面積及び目付量の各々の数値範囲は、セルの工程ばらつきの範囲内で設定されることが好ましい。リビルドによって組電池100の特性が大きく変化しないことで、組電池100の周辺回路を変更しなくてもリビルド品を適切に動作させることが可能になる。また、組電池100と同一仕様の組電池をリサイクルすることにより、セルA及びBに該当する交換用セルの在庫を確保しやすくなると考えられる。
たとえば、負極目付量の数値範囲に関し、セルAの数値範囲として「工程ばらつきの下限値」以上「工程ばらつきの中央値」未満の範囲を、セルBの数値範囲として「工程ばらつきの中央値」以上「工程ばらつきの上限値」以下の範囲を、それぞれ設定してもよい。仮に、負極目付量に関して工程ばらつきの下限値、中央値、上限値が10、20、30であるとすると、セルAの数値範囲を「10以上20未満」、セルBの数値範囲を「20以上30以下」とすることで、各セルの負極目付量の数値範囲はセルの工程ばらつきの範囲内に設定される。負極BET比表面積の数値範囲についても、上記負極目付量の数値範囲と同様のことがいえる。
図14は、図10に示されるステップS151及びS152で選択される交換用スペーサ(スペーサA及びB)を示した図である。スペーサA及びBの各々は、板状の本体部と、本体部からセル側に突出する突起部とを有する。スペーサA及びBのうち、スペーサAは、突起部とセルとの接触面積が大(大きい)の要件を満たす交換用スペーサであり、スペーサBは、突起部とセルとの接触面積が小(小さい)の要件を満たす交換用スペーサである。スペーサBよりもスペーサAのほうが、突起部とセルとの接触面積が大きい。各スペーサの接触面積の数値範囲は、この関係を満たす限りにおいて任意に設定できる。たとえば、スペーサAの突起部とセルとの接触面積は、スペーサBの突起部とセルとの接触面積の2倍以上である。
セルの劣化の仕方は、スペーサの材質や構造等によって異なる。本願発明者は、ハイレート劣化への影響が特に大きいスペーサの構造として、スペーサの突起部の形状に着目した。スペーサの突起部とセルとの接触面積は、スペーサの突起部の形状によって変わる。
図15は、スペーサAを使用した場合のセル110の主面F1(電池ケースの表面)において、スペーサAの突起部が接触する領域R11と、スペーサAの突起部が接触しない領域R12とを示している。
図15を参照して、領域R11は、スペーサAの突起部の平面形状(図5中の配列方向D1から見たときの形状)に対応する。スペーサAの突起部(領域R11)は、櫛歯状に形成されており、櫛歯の間(領域R12)には冷媒流路が形成される。冷媒は、たとえば図15中の矢印の方向に流される。櫛歯状の突起部は、セル110の全体にわたって配置されている。このため、スペーサAを使用した場合、セル110は全面的な拘束を受ける。こうした拘束により、セル110の充電時に電極群114が膨張しても、ケース115は変形しにくくなる。なお、図15の例において、スペーサAの突起部とセル110の主面F1との接触面積(領域R11の合計面積)は、約1500cmである。
図16は、スペーサBを使用した場合のセル110の主面F1(電池ケースの表面)において、スペーサBの突起部が接触する領域R21と、スペーサBの突起部が接触しない領域R22とを示している。
図16を参照して、領域R21は、スペーサBの突起部の平面形状(図5中の配列方向D1から見たときの形状)に対応する。スペーサBの突起部(領域R21)は、櫛歯状に形成されており、櫛歯の間(領域R22)には冷媒流路が形成される。冷媒は、たとえば図16中の矢印の方向に流される。スペーサAの突起部と比べてスペーサBの突起部は少ない。セル110の主面F1において、幅方向D2に並ぶ3つの大きな領域(正極側端部、中央部、負極側端部)には、スペーサBの突起部が接触していない。このため、スペーサBを使用した場合、セル110は部分的にしか拘束を受けない。セル110の充電時に電極群114が膨張した場合、上記3つの大きな領域は、スペーサBによって押圧されない。これにより、ケース115の変形が、ある程度許容されるようになる。このように、セル110の主面F1に、スペーサBの突起部が接触していない大きな領域が存在することによって、電極群114の膨張が許容されるようになる。なお、図16の例において、スペーサBの突起部とセル110の主面F1との接触面積(領域R21の合計面積)は、約750cmである。
本願発明者は、スペーサ120の突起部121とセル110との接触面積を小さくすることで、セル110のハイレート劣化量が少なくなることを実験的に見出した。この理由は、ケース115の変形が許容されることで、ケース115内の電極群114(負極板112等)にストレスが加わりにくくなるからであると考えられる。
図15に示したスペーサAを使用した組電池(以下、「組電池A」と称する)と、図16に示したスペーサBを使用した組電池(以下、「組電池B」と称する)との各々について、ハイレート劣化量(Dh)及び材料劣化量(Dm)を測定した結果を、それぞれ図17及び図18に示す。
図17を参照して、横軸は時間を示し、縦軸は抵抗増加率を示している。実線k11は、室温環境下、充電過多のハイレート劣化が起きやすい条件で組電池Aの充放電を繰り返した場合の抵抗増加率の推移を示している。実線k12は、同じ環境下、同じ条件で組電池Bの充放電を繰り返した場合の抵抗増加率の推移を示している。すなわち、図17において、抵抗増加率が大きいことは、ハイレート劣化量が大きいことを意味する。組電池A、Bについてハイレートの充電を繰り返すことで、セルのハイレート劣化が進行して、時間の経過に伴ってセルの内部抵抗が増加していった。実線k11から、組電池Aのハイレート劣化量は大きいことが理解される。また、実線k12から、組電池Bのハイレート劣化量は小さいことが理解される。実線k11及びk12から、組電池Aよりも組電池Bのほうが、セルのハイレート劣化に対して高い耐性を有することが理解される。
図18を参照して、横軸は時間を示し、縦軸は抵抗増加率を示している。実線k21は、ハイレート劣化が起きないような小電流の充放電を繰り返しながら、高温環境下に組電池Aを長期間置いた場合の抵抗増加率の推移を示している。実線k22は、同じ条件で充放電を繰り返しながら、同じ環境下に組電池Bを長期間置いた場合の抵抗増加率の推移を示している。環境温度は、熱の影響でセルの材料が徐々に劣化するような温度に設定した。すなわち、図18において、抵抗増加率が大きいことは、材料劣化量が大きいことを意味する。組電池A、Bを高温環境下に長期間置くことで、熱の影響でセルの材料が劣化していった。そして、時間の経過に伴ってセルの内部抵抗が増加していった。組電池Aの材料劣化量(実線k21)と組電池Bの材料劣化量(実線k22)とを比較すると、組電池Aの材料劣化量よりも組電池Bの材料劣化量のほうが大きい。実線k21及びk22から、組電池Bよりも組電池Aのほうが、セルの材料劣化に対して高い耐性を有することが理解される。
以上説明したように、図14において、スペーサAは、セルのハイレート劣化に対する耐性よりもセルの材料劣化に対する耐性が高い。また、スペーサBは、セルの材料劣化に対する耐性よりもセルのハイレート劣化に対する耐性が高い。このため、スペーサAは材料劣化高耐性スペーサに相当し、スペーサBはハイレート劣化高耐性スペーサに相当する。
再び図10を参照して、ステップS140において、管理サーバ20は、ステップS130で取得した比率Dm/Dhがしきい値Thよりも大きいか否かを判定する。しきい値Thとしては、任意の数値を設定できる。たとえば、しきい値Thを「1」とする。以下、しきい値Thを、単に「Th」と称する場合がある。
DmがDhよりも大きい場合には、比率Dm/DhがTh(=1)よりも大きいと判定される(ステップS140においてYES)。この場合、管理サーバ20は、図13及び図14に示したセルA及びスペーサA(材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ)でリビルドを行なうための組立情報を生成する(ステップS151)。詳しくは、管理サーバ20は、再利用可能なセル(交換用セル)の情報が格納された再利用品DB23を参照して、リビルドに使用するセルを、リビルド品を生成するために必要な数だけ選択する。この際、セルAに該当するセルが優先的に選択される。好ましくは、セルAに該当するセルのみを選択する。ただし、管理サーバ20は、再利用品DB23を参照して、セルAに該当するセル(交換用セル)の在庫が不十分である場合には、所定の基準に基づき他のセルを選択する。また、リビルドに用いるスペーサとしては、スペーサAが選択される。スペーサAとしては、新品を使用してもよいし中古品(再利用品)を使用してもよい。このように、ステップS151では、セルA及びスペーサAが選択されることを示す組立情報(第1の組立情報)が生成される。
一方、DmがDhよりも大きくない場合には、比率Dm/DhがTh(=1)よりも大きくないと判定される(ステップS140においてNO)。この場合、管理サーバ20は、図13及び図14に示したセルB及びスペーサB(ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ)でリビルドを行なうための組立情報を生成する(ステップS152)。詳しくは、管理サーバ20は、再利用可能なセル(交換用セル)の情報が格納された再利用品DB23を参照して、リビルドに使用するセルを、リビルド品を生成するために必要な数だけ選択する。この際、セルBに該当するセルが優先的に選択される。好ましくは、セルBに該当するセルのみを選択する。ただし、管理サーバ20は、再利用品DB23を参照して、セルBに該当するセル(交換用セル)の在庫が不十分である場合には、所定の基準に基づき他のセルを選択する。リビルドに用いるスペーサとしては、スペーサBが選択される。スペーサBとしては、新品を使用してもよいし中古品(再利用品)を使用してもよい。このように、ステップS152では、セルB及びスペーサBが選択されることを示す組立情報(第2の組立情報)が生成される。
ステップS151及びS152の各々では、たとえば、再利用品DB23に格納されているセルのトレーサビリティデータ(初期の負極BET比表面積及び負極目付量)を参照して組立情報を生成できる。ただしこれに限られず、使用後のセル情報(使用後に測定された負極BET比表面積及び負極目付量)を参照して組立情報を生成してもよい。
新品のスペーサをリビルドに用いるシステムにおいては、組立情報で選択されるスペーサA又はBが、電池パック製造業者34において準備される。他方、セルだけでなくスペーサについても中古品を使用するシステムにおいては、スペーサの中古品についても、セルの中古品と同様に管理することが好ましい。たとえば、再利用可能なスペーサ(交換用スペーサ)の情報を、各スペーサを特定するID(識別符号)と紐付けて再利用品DB23に蓄積しておくことが好ましい。また、突起部121が本体部122に対して着脱自在に設けられているスペーサでは、突起部121の着脱によって、スペーサ120の突起部121とセル110との接触面積を変更してもよい。
ステップS151及びS152のいずれかにおいて組立情報が生成されると、管理サーバ20は、生成された組立情報に従うリビルド品の生成指令を電池パック製造業者34の端末44へ送信する(ステップS160)。これにより、電池パック製造業者34によって、車両10に搭載される組電池100のリビルド品が製造される。このような組立情報に従うリビルド品は、車両10のユーザに合った特性を有するものとなる。さらに、管理サーバ20は、生成された組立情報を、車両10が引き渡された販売店35の端末45へ送信する(ステップS170)。
セル及びスペーサの交換タイミングは任意であり、たとえば、定期的なメンテナンスのタイミングであってもよい。また、管理サーバ20が、組電池100の使用履歴情報(たとえば、組電池100の充電回数、及び車両10の走行距離)に基づいて適切な交換タイミングを求め、そのタイミングになった時点でユーザに通知してもよい。
以上のように、実施の形態1に従う電池管理システム1では、管理サーバ20(材料劣化量算出部及びハイレート劣化量算出部)が、車両10で使用された組電池100の使用履歴情報を用いて材料劣化量(Dm)及びハイレート劣化量(Dh)を算出する(ステップS130)。そして、管理サーバ20(組立情報生成部)が、材料劣化量(Dm)及びハイレート劣化量(Dh)を用いて、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報(第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方)を生成する。詳しくは、比率Dm/Dhがしきい値Thよりも大きい場合には、ステップS151において、材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ(セルA及びスペーサA)が選択されることを示す組立情報(第1の組立情報)が生成される。比率Dm/Dhがしきい値Thよりも小さい場合には、ステップS152において、ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ(セルB及びスペーサB)が選択されることを示す組立情報(第2の組立情報)が生成される。そして、電池パック製造業者34において、組立情報に従ってリビルド品が製造される。
上記のようにリビルド品を生成することで、ユーザの車両10の使い方に合ったセル及びスペーサを使って組電池100をリビルド(製造)することが可能になる。詳しくは、セルのハイレート劣化が問題となる組電池100の使い方をするユーザには、セルのハイレート劣化に対する耐性が高いリビルド品を提供できる。これにより、セルのハイレート劣化を抑制し、組電池100の長寿命化を図ることが可能になる。他方、ハイレート劣化が問題とはならない車両の使い方をするユーザには、セルの材料の劣化に対する耐性が高いリビルド品を提供できる。これにより、セルの材料劣化を抑制し、組電池100の長寿命化を図ることが可能になる。
図19は、実施例によるリビルド品と比較例によるリビルド品とについて、走行後の抵抗増加率、及び長期使用後の出力を評価した結果を示している。
実施例に従う電池製造システムは、前述の図8の処理及び図10の処理を実行するものであった。図10の処理では、しきい値Thを「1」に設定した。セルA及びB(図13)に関して、負極BET比表面積及び負極目付量の各々の数値範囲は、各セルの工程ばらつきの範囲内で設定した。
比較例に従う電池製造システムは、図10のステップS151及びS152のいずれにおいても、スペーサAが選択され、セルについては指定がない点のみが、実施例に従う電池製造システムとは異なるものであった。
実施例及び比較例の各々におけるリビルド対象は、「Dh>Dm」の組電池であった。リビルド対象の比率Dm/Dhがしきい値Th(=1)よりも小さいため、実施例に従う電池製造システムでは、ステップS152において、セルB及びスペーサB(図13、図14、及び図16参照)でリビルドを行なうための組立情報が生成された。他方、比較例に従う電池製造システムでは、ステップS152において、スペーサA(図14及び図15参照)でリビルドを行なうための組立情報が生成された。この組立情報では、セルが指定されなかった。
実施例及び比較例の各々において生成された組立情報に従うリビルド品をそれぞれ生成した。比較例においては、リビルドに用いるセルがランダムに選択された。各リビルド品について、走行後の抵抗増加率、及び長期使用後の出力を評価した。リビルド品(組電池)の抵抗増加率の評価では、リビルド品が搭載された車両で走行試験を行い、走行試験前のリビルド品のセルの内部抵抗値に対する走行試験後のリビルド品のセルの内部抵抗値の増加率を測定した。リビルド品(組電池)の出力の評価では、リビルド品を車両に搭載した状態で長期間(所定の期間)使用した後、リビルド品の出力を測定した。
図19を参照して、抵抗増加率及び出力のいずれの評価でも、比較例によるリビルド品よりも実施例によるリビルド品のほうが優れていた。詳しくは、比較例によるリビルド品の抵抗増加率(123.5%)よりも実施例によるリビルド品の抵抗増加率(106.4%)のほうが低かった。この結果から、比較例によるリビルド品よりも実施例によるリビルド品のほうが長寿命であることが理解される。また、比較例によるリビルド品の出力(404W)よりも実施例によるリビルド品の出力(469W)のほうが大きかった。この結果から、比較例によるリビルド品よりも実施例によるリビルド品のほうが動力性能維持性に優れていることが理解される。
実施の形態1に従う電池管理システム1では、セルだけでなくスペーサも選択するような組立情報が生成される。このため、ユーザの使い方に合ったセル(組立情報で選択されたセル)の在庫がない場合でも、スペーサだけは、ユーザの使い方に合ったスペーサ(組立情報で選択されたスペーサ)に交換することができる。また、スペーサは、セルと比べると材料劣化が起きにくい。スペーサの性質は安定しており変質しにくい。このため、スペーサの在庫の確保は、比較的容易である。
図10のステップS140において、Thが1である場合、「Dm/Dh>1」は「Dm>Dh」と同じ意味になる。このため、Thが1である場合には、図10のステップS130において、Dm及びDhを算出すれば、比率Dm/Dhを算出する必要はない。したがって、図10のステップS130において、Dm及びDhを算出し、ステップS140で「Dm>Dh」が成立するか否かを判断するようにしてもよい。なお、Thは1に限られず任意である。たとえば、Thを0.5に設定すれば、セルの材料の劣化に対する耐性が高いセル及びスペーサ(材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ)が選ばれやすくなる。また、Thを1.5に設定すれば、セルのハイレート劣化に対する耐性が高いセル及びスペーサ(ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ)が選ばれやすくなる。
図10のステップS140においては、比率Dm/DhとThとが同じ場合にNOと判断されて、ステップS152に進む。しかしこれに限られず、比率Dm/DhとThとが同じ場合にYESと判断されてステップS151に進むように、ステップS140を変更してもよい。
上記実施の形態においては、セルの負極の目付量と、セルの負極のBET比表面積とを、そのセルを組電池に組み込んだ場合にセルのハイレート劣化とセルの材料劣化とのいずれが相対的に起きやすくなるかを示す指標とした(図13)。詳しくは、負極の目付量が所定値よりも少なく、かつ、負極のBET比表面積が所定値よりも小さいセルが、ハイレート劣化に対する耐性よりも材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるようにした。しかしこれに限られず、負極BET比表面積及び負極目付量のいずれか一方のみを指標としてもよい。
たとえば、図20に示すような、セルの負極の目付量のみによって分類される交換用セル(セルA及びB)をリビルドに使用してもよい。図20において、セルAは材料劣化高耐性セルに相当し、セルBはハイレート劣化高耐性セルに相当する。
上記実施の形態では、組電池100の使用履歴情報が管理サーバ20に収集され、管理サーバ20において、比率Dm/Dhが算出され、算出された比率Dm/Dhに基づいて組立情報が生成されるものとしたが、車両10において比率Dm/Dhを算出し、管理サーバ20は、比率Dm/Dhを車両10から取得して組立情報を生成してもよい。或いは、車両10において比率Dm/Dhがしきい値Thよりも大きいか否かの判断(たとえば、図10のステップS140)までを行ない、管理サーバ20は、その判断結果を車両10から取得してもよい。
上記実施の形態では、車両10の組電池100の使用履歴情報が管理サーバ20に収集され、管理サーバ20において、組電池100の製造を行なうための組立情報が生成されるようにした。しかし、管理サーバ20を用いることなく、たとえば、組電池100の使用履歴情報を車両10に蓄積し、組立情報の生成を電池パック製造業者34の端末44や販売店35の端末45において行なうようにしてもよい。
また、組電池100の使用履歴情報を車両10に蓄積し、車両10が販売店35に持ち込まれた際に、販売店35の端末45に車両10を接続して、車両10に蓄積された組電池100の使用履歴情報を端末45から管理サーバ20へ送信するようにしてもよい。
上記実施の形態では、車両10が使用履歴情報(Dh関連情報及びDm関連情報等)を管理サーバ20へ送信し、管理サーバ20が、使用履歴情報に基づいて比率Dm/Dhを求めるようにした。しかしこれに限られず、車両10において、比率Dm/Dhを算出し、算出された比率Dm/Dhが管理サーバ20へ送信されるようにしてもよい。
[実施の形態2]
実施の形態1では、対象車両(車両10)に搭載される組電池の情報が収集され、その収集された情報に基づいて対象車両(車両10)の組電池のリビルドが行なわれるものとした。
この実施の形態2では、組電池を搭載する複数の車両から組電池の情報が管理サーバに収集され、その収集された情報(ビッグデータ)に基づいて、新たに組電池が製造される。
図21は、実施の形態2に従う電池管理システム1Aの全体構成を概略的に示す図である。実施の形態2に従う電池管理システム1Aの構成に関しては、実施の形態1に従う電池管理システム1の構成と共通する部分が多いため、主に電池管理システム1との相違点について説明し、共通する部分についての説明は割愛する。
図21を参照して、電池管理システム1Aは、複数の車両10−1,10−2,10−3,・・・と、管理サーバ20Aと、端末30と、通信ネットワーク50とを備える。車両10−1,10−2,10−3,・・・の各々は、組電池を搭載する。管理サーバ20Aは、情報処理装置21Aと、通信装置22と、電池情報DB24Aとを含む。
電池管理システム1Aは、新たに組電池を製造するものであり、中古品(再利用品)を使用しない。よって、管理サーバ20Aは、再利用品DBを含まない。
電池管理システム1Aの動作に関して、詳細は後述するが、概略的には、たとえば新車の購入(車両10の買い替え)を検討しているユーザが、現在使用している車両10(対象車両)を販売店35(図1)へ引き渡すと、販売店35の端末45から管理サーバ20Aへ車両10を特定するための情報が送信される。管理サーバ20Aは、車両10の組電池の使用履歴情報(車両10から受信した情報)を電池情報DB24Aから読み出す。使用履歴情報は、車両10に搭載されている組電池の使用環境、車両10の走行条件、車両10の走行時間、及び車両10の走行頻度の少なくとも1つを含む。そして、管理サーバ20Aは、車両10の組電池の使用履歴情報が所定の条件を満たすか否かに基づいて、組電池を製造するための組立情報を生成する。所定の条件としては、セルのハイレート劣化が起きにくくなる条件、及び/又は、セルの材料の劣化が起きやすくなる条件が設定される。
ユーザが新車を希望する場合には、電池パック製造業者34(図1)は、組立情報に基づくセル及びスペーサを用いて、新車に搭載するための組電池を製造する。他方、ユーザが車両10(対象車両)の組電池の交換を希望する場合には、電池パック製造業者34は、組立情報に基づくセル及びスペーサを用いて、車両10に搭載するための組電池を製造する。
図22は、車両10のECUにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。下記ステップS210〜S230において、車両10の組電池、ECU、記憶部、及び通信装置はそれぞれ、図4に示した組電池100、ECU15、記憶部16、及び通信装置17に準ずるものであり、基本的な機能については、実施の形態1においてすでに説明したため、その説明を割愛する。
図22を参照して、ECUは、車両10の組電池の使用履歴情報を取得する(ステップS210)。使用履歴情報は、車両10に搭載されている組電池の使用環境、車両10の走行条件、車両10の走行時間、及び車両10の走行頻度を含む。
組電池の使用環境は、組電池の使用時の環境を示すパラメータであり、たとえば使用温度及び使用湿度を含む。組電池の使用環境は、組電池の使用地域によって大きく変わる傾向がある。車両10の走行条件は、どのような条件で車両10が走行されたかを示すパラメータであり、たとえば走行負荷(電池負荷)及び走行時のSOCを含む。車両10の走行時間は、車両10の所定条件下での走行中の時間が長くなるほど大きくなるパラメータである。条件は任意に設定できる。条件を「無し」にして全ての走行を対象にして走行時間を算出してもよいし、特定条件下での走行のみを対象にして走行時間を算出してもよい。車両10の走行頻度は、所定期間における走行回数が多くなるほど大きくなるパラメータである。期間は任意に設定できる。期間を「全期間」にして全ての期間を対象にして走行回数を算出してもよいし、直近の期間(現時点から予め決められた時間遡った時点までの期間)における走行のみを対象にして走行回数を算出してもよい。
組電池の使用履歴情報は、センサ等で検出された複数のデータの代表値(平均値、最頻値、又は中央値等)であってもよいし、対象データの積算値であってもよい。たとえば、組電池の使用環境は、直近の期間における使用温度の平均値であってもよい。車両10の走行条件は、走行負荷(電池負荷)の平均値(たとえば、1走行あたりの平均値、単位走行時間あたりの平均値、又は単位走行距離あたりの平均値)であってもよいし、走行負荷(電池負荷)の最大値であってもよい。また、車両10の走行時間は、走行時間の単位期間(たとえば、1日)あたりの平均値であってもよいし、走行時間の1走行あたりの平均値であってもよい。また、車両10の走行時間は、低SOC(たとえば、所定値以下のSOC)での走行時間の積算値であってもよい。車両10の走行頻度は、走行頻度(走行回数)の単位期間(たとえば、1日)あたりの平均値であってもよい。
ECUは、上記のような組電池の使用履歴情報を記憶部に蓄積する(ステップS220)。そして、ECUは、記憶部に蓄積された組電池の使用履歴情報を記憶部から読み出し、通信装置によって管理サーバ20Aへ送信する(ステップS230)。
図23は、管理サーバ20Aにより実行される処理の手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、組電池の交換を行なう車両10(対象車両)を特定するための情報を販売店35の端末45から受信すると実行される。たとえば、新車の購入を検討しているユーザが、現在使用している車両10(対象車両)を販売店35へ引き渡すと、販売店35の端末45から管理サーバ20Aへ車両10を特定するための情報が送信される。
図23を参照して、管理サーバ20A(情報処理装置21A)は、対象車両(車両10)の上記情報を販売店35の端末45から受信する(ステップS310)。次いで、管理サーバ20Aは、対象車両(車両10)の組電池の使用履歴情報を電池情報DB24Aから取得する(ステップS320)。すなわち、管理サーバ20Aは、販売店35の端末45から受信する情報によって特定される対象車両(車両10)の組電池の使用履歴情報を電池情報DB24Aから取得する。この組電池の使用履歴情報は、たとえば、車両10に搭載されている組電池の使用環境、車両10の走行条件、車両10の走行時間、及び車両10の走行頻度を含む。詳しくは、ステップS320では、次のステップS330で条件の成否を判断するために必要な組電池の使用履歴情報を電池情報DB24Aから取得する。
次いで、管理サーバ20Aは、電池情報DB24Aから取得した車両10の組電池の使用履歴情報が所定の条件を満たすか否かを判断する(ステップS330)。所定の条件としては、セルのハイレート劣化が起きにくくなる条件、及び/又は、セルの材料の劣化が起きやすくなる条件が設定される。たとえば、下記条件A〜Fのいずれかを採用できる。なお、下記条件A〜Fにおける各所定値は、各々独立して、任意の値を設定できる。
(条件A)直近の期間における平均使用温度が所定値よりも高い。
(条件B)1走行あたりの平均走行負荷が所定値よりも低い。
(条件C)1日あたりの平均走行時間が所定値よりも短い。
(条件D)1日あたりの平均走行頻度(平均走行回数)が所定値よりも低い。
(条件E)低SOCでの走行時間の積算値が所定値よりも低い。
(条件F)直近の期間における平均使用温度が所定値よりも高く、かつ、その期間における走行負荷の最大値が所定値よりも低い。
ステップS330において組電池の使用履歴情報が上記条件を満たすと判断された場合(ステップS330においてYES)には、管理サーバ20Aが、セルA及びスペーサA(図13及び図14)でリビルドを行なうための組立情報(第1の組立情報)を生成する(ステップS341)。たとえば、上記条件が条件Aである場合、直近の期間における平均使用温度が所定値よりも高ければ、ステップS330において上記条件を満たすと判断される。
一方、ステップS330において組電池の使用履歴情報が上記条件を満たさないと判断された場合(ステップS330においてNO)には、管理サーバ20Aが、セルB及びスペーサB(図13及び図14)でリビルドを行なうための組立情報(第2の組立情報)を生成する(ステップS342)。たとえば、上記条件が条件Aである場合、直近の期間における平均使用温度が所定値よりも高くなければ、ステップS330において上記条件を満たさないと判断される。
管理サーバ20Aは、図10のステップS151及びS152に準ずるステップS341及びステップS342のいずれかを実行して組立情報を生成した後、生成された組立情報を、車両10が引き渡された販売店35の端末45へ送信する(ステップS350)。
販売店35は、上記組立情報を参照して、車両10(対象車両)の組電池の交換、又は車両10全体の交換(新車の提供)を、ユーザに提案することができる。そして、販売店35が電池パック製造業者34に組電池の製造を依頼することにより、電池パック製造業者34によって組電池が製造される。ユーザが新車を希望する場合には、電池パック製造業者34が、組立情報に基づくセル及びスペーサを用いて、新車に搭載するための組電池を製造する。他方、ユーザが車両10の組電池の交換を希望する場合には、電池パック製造業者34が、組立情報に基づくセル及びスペーサを用いて、車両10に搭載するための組電池を製造する。
組電池を製造するタイミングは、ユーザが新車の購入を検討しているタイミングに限られず任意であり、たとえば、ユーザが車両10(対象車両)の修理を検討しているタイミングであってもよい。
以上のように、実施の形態2に従う電池管理システム1Aでは、管理サーバ20A(組立情報生成部)が、組電池の使用履歴情報が所定の条件を満たすか否かを判断し(ステップS330)、組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報(第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方)を生成する。詳しくは、条件を満たす場合には、ステップS341において、材料劣化高耐性セル及び材料劣化高耐性スペーサ(セルA及びスペーサA)が選択されることを示す組立情報(第1の組立情報)が生成される。条件を満たさない場合には、ステップS342において、ハイレート劣化高耐性セル及びハイレート劣化高耐性スペーサ(セルB及びスペーサB)が選択されることを示す組立情報(第2の組立情報)が生成される。そして、電池パック製造業者34において、組立情報に従って新たに組電池が製造される。
上記のように組電池を製造することで、ユーザの車両10の使い方に合ったセル及びスペーサを使って組電池を新たに製造することが可能になる。
実施の形態2に従う電池管理システム1Aでは、上記条件の成否が、組電池の使用環境、車両の走行条件、車両の走行時間、及び車両の走行頻度の少なくとも1つによって判断される(上記条件A〜F参照)。組電池の使用環境、車両の走行条件、車両の走行時間、又は車両の走行頻度により、対象車両の使い方に関して、材料の劣化とハイレート劣化とのどちらの劣化モードが優勢かを判断できる。たとえば、組電池の使用温度が高い場合、車両の走行負荷が低い場合、1日あたりの走行時間が短い場合、又は走行頻度が低い場合には、ハイレート劣化よりも材料の劣化のほうが進行しやすくなる。また、低SOCでの走行時間が長い場合には、材料の劣化よりもハイレート劣化のほうが進行しやすくなる。優勢な劣化モードに対して高い耐性を有するセル及び/又はスペーサを用いて組電池を製造することで、ユーザの使い方に合った組電池が得られる。
上記条件A〜Eの各々は、使用温度(使用環境)が所定値よりも高いことと、走行負荷(走行条件)が所定値よりも低いことと、1日あたりの走行時間が所定値よりも短いことと、走行頻度が所定値よりも低いこととの少なくとも1つを必要条件(より詳しくは、必要十分条件)とする。たとえば、条件Aは、使用温度(使用環境)が所定値よりも高いことを必要十分条件とする。また、条件Fは、使用温度(使用環境)が所定値よりも高いことと、走行負荷(走行条件)が所定値よりも低いこととを、必要条件とする。
ステップS330で判断される条件は、上記条件A〜Fに限られず、セルのハイレート劣化が起きにくくなる条件、及び/又は、セルの材料の劣化が起きやすくなる条件であれば、任意に設定できる。また、複数の条件を選択可能に準備し、車両10(対象車両)の車種等に応じて、複数の条件の中から1つの条件を選択するようにしてもよい。
なお、上記の実施の形態1,2では、管理サーバ20,20Aにおいて、組電池の製造を行なうための組立情報が生成されるものとしたが、管理サーバ20,20Aとは異なる端末(以下、「他の端末」と称する)において、組立情報が生成されてもよい。たとえば、管理サーバ20,20Aで算出された比率Dm/Dhを他の端末が管理サーバ20,20Aから取得して組立情報を生成してもよい。他の端末は、図3に示した端末41〜45のいずれかであってもよいし、別途設けられる端末であってもよい。
今回開示された実施の形態は、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、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,1A 電池管理システム、10,10−1,10−2,10−3,60−1,60−2 車両、11 電池監視ユニット、12 PCU、13 MG、14 駆動輪、15 ECU、16 記憶部、17,22 通信装置、18 通信線、20 管理サーバ、21,21A 情報処理装置、23 再利用品DB、24,24A 電池情報DB、31 回収業者、32 検査業者、33 性能回復業者、34 電池パック製造業者、35 販売店、36 リサイクル業者、41〜45 端末、50 通信ネットワーク、51 基地局、62−1,62−2 電池パック、71 通信装置、72 制御部、73 表示部、100 組電池、110 セル、111 正極板、112 負極板、113 セパレータ、114 電極群、115 ケース、120 スペーサ、121 突起部、122 本体部、131 正極端子、132 負極端子、130 ガス放出弁、140 接続部材、141,142 拘束板、151 拘束バンド、152 ビス。

Claims (10)

  1. 複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池を製造するための情報を処理する電池情報処理装置であって、
    車両で使用された前記組電池の使用履歴情報を取得する電池情報取得部と、
    前記組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を生成する組立情報生成部とを備え、
    前記組立情報生成部は、前記使用履歴情報を用いて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成し、
    前記第1の組立情報は、所定の指標により、前記セルのハイレート劣化に対する耐性よりも前記セルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示し、
    前記第2の組立情報は、前記指標により、前記セルの材料の劣化に対する耐性よりも前記セルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す、電池情報処理装置。
  2. 前記使用履歴情報を用いて材料劣化量を算出する材料劣化量算出部と、
    前記使用履歴情報を用いてハイレート劣化量を算出するハイレート劣化量算出部とをさらに備え、
    前記材料劣化量は、熱の影響により前記セルの材料が劣化したことに起因する前記セルの抵抗増加量であり、
    前記ハイレート劣化量は、前記セルのハイレート劣化に起因する前記セルの抵抗増加量であり、
    前記組立情報生成部は、前記ハイレート劣化量に対する前記材料劣化量の比率がしきい値よりも大きい場合には前記第1の組立情報を生成し、前記比率が前記しきい値よりも小さい場合には前記第2の組立情報を生成する、請求項1に記載の電池情報処理装置。
  3. 前記使用履歴情報は、前記組電池の使用環境、前記車両の走行条件、前記車両の走行時間、及び前記車両の走行頻度の少なくとも1つを含み、
    前記組立情報生成部は、前記使用履歴情報が所定の条件を満たす場合に前記第1の組立情報を生成し、前記使用履歴情報が前記条件を満たさない場合に前記第2の組立情報を生成する、請求項1に記載の電池情報処理装置。
  4. 前記条件は、前記使用環境により示される使用温度が所定値よりも高いことと、前記走行条件により示される走行負荷が所定値よりも低いことと、前記走行時間により示される1日あたりの走行時間が所定値よりも短いことと、前記走行頻度により示される頻度が所定値よりも低いこととの少なくとも1つを必要条件とする、請求項3に記載の電池情報処理装置。
  5. 前記指標は、前記セルの負極の目付量と、前記セルの負極のBET比表面積とを含み、
    前記負極の目付量が所定値よりも少なく、かつ、前記負極のBET比表面積が所定値よりも小さいセルが、前記ハイレート劣化に対する耐性よりも前記材料の劣化に対する耐性が高いと判定される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池情報処理装置。
  6. 前記組電池の製造に用いるスペーサは、板状の本体部と、前記本体部から前記セル側に突出する突起部とを有し、
    前記指標は、前記突起部と前記セルとの接触面積を含み、
    前記接触面積が所定値よりも大きいスペーサが、前記ハイレート劣化に対する耐性よりも前記材料の劣化に対する耐性が高いと判定される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電池情報処理装置。
  7. 組電池を構成するセル及びスペーサを交換して前記組電池を製造するための電池製造支援装置であって、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池情報処理装置によって生成された組立情報を取得する取得部と、
    前記取得部によって取得された組立情報に従って、前記組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択する選択部と、
    を備える、電池製造支援装置。
  8. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池情報処理装置によって生成された組立情報に従って製造された組電池。
  9. 複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池を製造するための情報を処理する電池情報処理方法であって、
    車両で使用された前記組電池の使用履歴情報を取得するステップと、
    前記組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を生成するステップとを含み、
    前記組立情報を生成するステップでは、前記使用履歴情報を用いて第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方を生成し、
    前記第1の組立情報は、所定の指標により、前記セルのハイレート劣化に対する耐性よりも前記セルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示し、
    前記第2の組立情報は、前記指標により、前記セルの材料の劣化に対する耐性よりも前記セルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す、電池情報処理方法。
  10. 複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池の製造方法であって、
    前記組電池の製造に用いるセル及びスペーサを選択するための組立情報を取得する工程と、
    取得された前記組立情報に従って選択されたセル及びスペーサを用いて前記組電池を製造する工程とを含み、
    前記組立情報は、車両で使用された前記組電池の使用履歴情報を用いて生成された第1の組立情報及び第2の組立情報のいずれか一方であり、
    前記第1の組立情報は、所定の指標により、前記セルのハイレート劣化に対する耐性よりも前記セルの材料の劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示し、
    前記第2の組立情報は、前記指標により、前記セルの材料の劣化に対する耐性よりも前記セルのハイレート劣化に対する耐性が高いと判定されるセル及びスペーサが選択されることを示す、組電池の製造方法。
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