JP2020079764A

JP2020079764A - 二次電池の状態判定方法

Info

Publication number: JP2020079764A
Application number: JP2018213632A
Authority: JP
Inventors: 暁美中武; Akemi Nakatake
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-28
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: JP7174327B2

Abstract

【課題】経時劣化の影響も考慮したうえで、より正確に二次電池の異常を判定することが可能な二次電池の状態判定方法を提供する。【解決手段】二次電池の状態判定方法は、第１判定ステップ、基準対応情報取得ステップ、および第２判定ステップを含む。第１判定ステップ（Ｓ３）では、対象電池の容量および内部抵抗の少なくともいずれかに基づいて、対象電池の状態の良否が判定される。基準対応情報取得ステップ（Ｓ６）では、第１判定ステップにおいて対象電池の状態が良好と判定された場合に、経時劣化状態が対象電池の経時劣化状態に一致する正常な二次電池の、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す情報が、基準対応情報として取得される。第２判定ステップ（Ｓ８）では、対象電池におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係を、基準対応情報が示す対応関係と比較することで、対象電池に異常があるか否かが判定される。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の状態判定方法に関する。

リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池の状態は、二次電池における異常の有無等に応じて変化するので、二次電池の状態を適切に判定できることが望ましい。例えば、特許文献１には、リチウムイオン二次電池を管理する電池管理装置が開示されている。特許文献１に記載されている電池管理装置は、リチウムイオン二次電池のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を推定する。また、電池管理装置は、推定されたＳＯＣに対する電池電圧の微分係数と、リチウム析出を判定するための基準となるＳＯＣに対する電池電圧の微分係数とを比較する。電池管理装置は、これらの微分係数に差が認められる場合に、リチウムイオン二次電池にリチウム析出の異常が発生したと判定する。

再公表特許ＷＯ２０１６／１４７５７２

特許文献１に記載の電池管理装置では、初期状態の二次電池について測定されたＳＯＣおよび電池電圧が、推定されたＳＯＣおよび電池電圧を比較する基準となる。この場合、二次電池に生じる異常（例えばリチウムの析出等）の有無だけでなく、異常の有無に関わらず発生する二次電池の経時劣化の影響も、基準値と推定値の差が生じる原因となり得る。従って、経時劣化の影響も考慮したうえで、二次電池の異常を正確に判定することは、従来の方法では困難であった。

本発明の典型的な目的は、経時劣化の影響も考慮したうえで、より正確に二次電池の異常を判定することが可能な二次電池の状態判定方法を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の二次電池の状態判定方法は、判定対象となる二次電池である対象電池の容量および内部抵抗の少なくともいずれかに基づいて、上記対象電池の状態の良否を判定する第１判定ステップと、該第１判定ステップにおいて上記対象電池の状態が良好と判定された場合に、経時劣化状態が上記対象電池の経時劣化状態に一致する正常な二次電池の、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す情報を、基準対応情報として取得する基準対応情報取得ステップと、上記対象電池におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係を、上記基準対応情報が示す対応関係と比較することで、上記対象電池に異常があるか否かを判定する第２判定ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる方法によると、まず、第１判定ステップにおいて、主に対象電池の経時劣化状態の良否が判定される。第１判定ステップにおいて対象電池の状態が良好と判定された場合には、第２判定ステップが実行される。第２判定ステップでは、対象電池における充電時のＳＯＣと電池電圧の対応関係が、基準対応情報が示す対応関係と比較されることで、対象電池に異常があるか否かが判定される。基準対応情報は、経時劣化状態が対象電池の経時劣化状態に一致する正常な（つまり、経時劣化以外に異常が無い）二次電池の、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す。従って、第２判定ステップでは、経時劣化の影響が除外された状態で判定が行われるので、対象電池に異常があるか否かが精度良く判定される。よって、上記方法によると、経時劣化の影響も考慮されたうえで、より正確に二次電池の異常が判定される。

対象電池１の電池情報を取得するための回路構成の一例を示す概略図である。制御部２が実行する状態判定処理のフローチャートである。種類と経時劣化状態が同一の二次電池における、異常が無い場合のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、異常が有る場合のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の一例を示す図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池の状態判定方法を例示して、本開示に係る状態判定方法について詳細に説明する。ただし、本開示に係る二次電池の状態判定方法を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。例えば、リチウムイオン二次電池以外の二次電池（例えば、ニッケル水素電池等）の状態を判定する際に、本開示で例示した技術の少なくとも一部を適用することも可能である。

図１を参照して、状態を判定する対象となる二次電池（以下、「対象電池」という）の電池情報を取得するための回路構成の一例について、概略的に説明する。前述したように、本実施形態の対象電池１はリチウムイオン二次電池である。本実施形態では、複数の二次電池が接続された組電池の全体が、対象電池１とされている。しかし、１つの電池が対象電池とされてもよい。また、複数の電池が用いられている場合、複数の電池の各々が対象電池とされてもよい。

対象電池１の正極端子と負極端子には、入力装置（例えば、発電機）３と、出力装置４（例えば、出力先の外部装置）とが、それぞれ並列に接続されている。入力装置３と対象電池１を接続する配線には、スイッチ６が設けられている。スイッチ６がオンとされることで、入力装置３から出力される電力が対象電池１に充電される。また、出力装置４と対象電池１を接続する配線には、スイッチ７が設けられている。スイッチ７がオンとされることで、対象電池１から出力装置４に電力が供給される。

対象電池１には、電圧計９が並列に接続されている。電圧計９は、対象電池１の正負極間の電圧を測定する。また、対象電池１には、電流計１０が直列に接続されている。電流計１０は、対象電池１に流れた電流を測定する。また、対象電池１には温度センサ１１が設けられている。温度センサ１１は、対象電池１の温度を検出する。

入力装置３、出力装置４、スイッチ６、スイッチ７、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１は、制御部２に接続されている。制御部２は、対象電池１の状態を判定するコントローラ、および記憶装置を備える。制御部２には各種デバイス（例えば、車両に搭載される電子制御システム（ＥＣＵ）等）を使用できる。制御部２は、スイッチ６およびスイッチ７のオン・オフの駆動を制御する。また、制御部は、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１から入力される情報に基づいて、対象電池１の状態を判定する。

図２を参照して、本実施形態に係る二次電池の状態判定方法について説明する。制御部２は、対象電池１の状態判定の開始指示を入力すると、記憶装置に記憶されたプログラムに従って、図２に例示する状態判定処理を実行する。

まず、制御部２は、対象電池１の電圧および電流を取得する（Ｓ１）。詳細には、本実施形態のＳ１では、対象電池１の容量維持率、内部抵抗増加率、および、ＳＯＣ−ＯＣＶの対応関係（例えば、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線等）を算出するために必要な電圧および電流が、電圧計９および電流計１０を介して取得される。制御部２は、対象電池１の充電中に、電圧計９によって測定された電圧値と、電流計１０によって測定された電流値のセットを、複数セット取得する。なお、ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する残存充電量の比率を意味する。また、ＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）は、通電していないときの二次電池の電圧を意味し、開回路電圧とも言われる。

制御部２は、対象電池１の容量および内部抵抗を取得する（Ｓ２）。詳細には、本実施形態のＳ２では、対象電池１の容量維持率、および内部抵抗増加率が取得される。制御部２は、Ｓ２で取得した容量維持率および内部抵抗増加率に基づいて、対象電池１の状態が良好であるか否かを判定する（Ｓ３）。

容量維持率について説明する。容量維持率とは、初期状態における対象電池１の電池容量に対する、判定時における対象電池１の電池容量の割合である。二次電池の電池容量は、使用によって減少する。従って、Ｓ３では、容量維持率を用いることで、主に対象電池１の経時劣化状態が適切に判定される。

容量維持率の具体的な取得方法は、適宜選択できる。以下、容量維持率の取得方法の一例について説明する。本実施形態の制御部２は、対象電池１を充電する前に電圧計９によって測定された充電前電圧（開回路電圧）Ｖ０と、充電後に電圧計９によって測定された充電後電圧Ｖ１（開回路電圧）を取得する。また、制御部２は、充電の開始から終了までの間に電流計１０によって検出された電流値を積算することで、充電量Ｐを算出する。制御部２は、充電前電圧Ｖ０に基づいて、充電前の対象電池１のＳＯＣを算出する。制御部２は、充電後電圧Ｖ１に基づいて、充電後の対象電池１のＳＯＣを算出する。制御部２は、充電後のＳＯＣから充電前のＳＯＣを引くことで、充電によって増加したΔＳＯＣを算出する。電流値の積算によって算出された充電量Ｐは、ΔＳＯＣに相当するので、充電量ＰとΔＳＯＣの値から、現在の対象電池１におけるＳＯＣ１００％に相当する電池容量Ｗが算出される。制御部２は、初期状態における対象電池１の電池容量に対する、現在の電池容量Ｗの割合を算出することで、容量維持率を算出する。なお、本実施形態では、初期状態における対象電池１の電池容量は、制御部２内の記憶装置に予め記憶されている。初期状態の電池容量は、初期状態の対象電池１そのものについて算出された電池容量であってもよいし、対象電池１と同じ種類の二次電池についての初期状態の電池容量であってもよい。

内部抵抗増加率について説明する。内部抵抗増加率とは、初期状態における対象電池１の内部抵抗に対する、判定時における対象電池１の内部抵抗の割合（増加率）である。二次電池の内部抵抗は、使用によって増加する。従って、Ｓ３では、内部抵抗増加率を用いることで、主に対象電池１の経時劣化状態が適切に判定される。

内部抵抗増加率の具体的な取得方法も、適宜選択できる。一例として、本実施形態の制御部は、充電中に電圧計９によって測定された電圧値と、該電圧値の測定タイミングに電流計１０によって測定された電流値に基づいて、現在の対象電池１の内部抵抗をオームの法則に従って算出する。なお、温度センサ１１によって検出された温度が内部抵抗の算出に考慮されてもよい。また、電圧値および電流値の変動量に基づいて内部抵抗が算出されてもよい。制御部２は、初期状態における対象電池１の内部抵抗に対する、現在の対象電池１の内部抵抗の割合を算出することで、内部抵抗増加率を算出する。なお、本実施形態では、初期状態における対象電池１の内部抵抗は、制御部２内の記憶装置に予め記憶されている。初期状態の内部抵抗は、初期状態の対象電池１そのものについて算出された内部抵抗であってもよいし、対象電池１と同じ種類の二次電池についての初期状態の内部抵抗であってもよい。

一例として、本実施形態のＳ３では、対象電池１の容量維持率が閾値よりも大きく、且つ、抵抗増加率が閾値未満である場合に、対象電池１の状態が良好であると判定される（Ｓ３：ＹＥＳ）。一方で、容量維持率が閾値以下となる条件、および、抵抗増加率が閾値以上となる条件の少なくとも一方が満たされている場合に、対象電池１の状態が良好でない（つまり、経時劣化が進んでいる）と判定される（Ｓ３：ＮＯ）。状態が良好でないと判定されると（Ｓ３：ＮＯ）、対象電池１が使用不可とされて（Ｓ１０）、処理は終了する。

ただし、Ｓ３における具体的な判定方法を変更することも可能である。例えば、制御部２は、容量維持率および抵抗増加率の一方に基づいて、Ｓ３における判定を行ってもよい。また、制御部２は、容量維持率および抵抗増加率を取得せずに、現在の対象電池１の電池容量および内部抵抗の値そのものに基づいて、Ｓ２における判定を行ってもよい。

ここで、二次電池に異常（例えば、リチウムイオン二次電池におけるリチウムの析出、または、異物による短絡等）が無い場合には、二次電池の容量維持率および抵抗増加率と、二次電池の使用頻度との関係は、ある程度定まった関係となる。つまり、二次電池に異常が無い場合、二次電池の容量維持率および抵抗増加率は、使用頻度に基づいてある程度推定することが可能である。使用頻度に基づいて推定される値と、実際に取得された値の差が大きい場合には、二次電池に異常がある可能性がある。従って、制御部２は、Ｓ３の判定において、対象電池１の使用頻度を示す情報（例えば、使用を開始してからの経過日数、および、充放電の回数等の少なくともいずれか）を考慮することで、対象電池１の異常の有無をある程度判定できる可能性もある。しかし、この判定方法のみでは、二次電池の異常の程度が小さい場合（例えば、リチウムの析出量が少ない場合等）に、異常の有無が正確に判定されない可能性がある。また、異常の種類によっては、二次電池の異常が容量および内部抵抗に大きく影響しない場合もあり得る。また、異常が存在する二次電池の容量は、自己放電によって、時間の経過と共に低下する場合があるので、放置後の対象電池１の容量に基づいて異常の有無を判定できる可能性もある。しかし、対象電池１を放置する方法には時間を要する。従って、本実施形態の状態判定方法では、以下説明するＳ５〜Ｓ８のステップで、対象電池１の異常の有無がさらに判定される。

Ｓ３の判定において対象電池１の状態が良好と判定されると（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部２は、対象電池１の経時劣化状態を取得する（Ｓ５）。経時劣化状態の取得方法は、適宜選択できる。二次電池の経時劣化は、使用頻度（例えば、使用を開始してからの経過日数および、充放電の回数等の少なくともいずれか）に応じて進行する。また、二次電池の経時劣化が進行すると、二次電池の温度および電流値が変化する。従って、本実施形態では、制御部２は、対象電池１の使用頻度を示す情報、温度センサ１１によって検出された対象電池１の温度、および、電流計１０によって測定された電流の少なくともいずれかに基づいて、対象電池１の経時劣化状態を取得する。一例として、本実施形態では使用頻度情報、温度、および電流の少なくともいずれかに基づいて経時劣化状態を決定するためのテーブルまたは計算式が予め設けられている。制御部２は、使用頻度情報、温度、および電流の少なくともいずれかを、テーブルまたは計算式に当てはめることで、経時劣化状態を取得する。また、前述したように、二次電池の経時劣化が進行すると、二次電池の容量の低下、および内部抵抗の増加が進行する。従って、制御部２は、前述した容量維持率および抵抗増加率の少なくともいずれかに基づいて、対象電池１の経時劣化状態を取得してもよい。

次いで、制御部２は、Ｓ５で取得した経時劣化状態に応じた基準対応情報を取得する（Ｓ６）。基準対応情報とは、経時劣化状態が対象電池１の経時劣化状態に一致し、且つ正常な（つまり、異常が無い）二次電池における、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す情報である。本実施形態では、対象電池１と同じ種類であり、且つ経時劣化状態が互いに異なる複数の正常な二次電池の各々についての、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す対応情報が、制御部２の記憶装置に予め記憶されている。Ｓ６では、記憶装置に記憶されている複数の対応情報のうち、Ｓ５で取得された経時劣化状態に対応する対応情報が、基準対応情報として取得される。

一例として、本実施形態では、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す対応情報として、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す対応情報が、複数の経時劣化状態毎に記憶されている。しかし、対応情報は、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す情報に限定されない。例えば、経時劣化状態が互いに異なる複数の二次電池の各々について、ＳＯＣと電池電圧の値が対応付けられたテーブルデータ等が、対応情報として記憶装置に記憶されていてもよい。

次いで、制御部２は、対象電池１におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係（つまり、電圧挙動）を取得する（Ｓ７）。対象電池１におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係（例えば、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す情報）の取得方法として、種々の方法が知られているが、いずれの方法が採用されてもよい。例えば、制御部２は、対象電池１に対する充放電電流を測定し、測定した電流値に所定の充電効率を乗算して、乗算値をある時間間隔に亘って積算する。制御部２は、積算によって得られた積算容量に基づいてＳＯＣを取得（推定）してもよい。制御部２は、取得したＳＯＣを電池電圧（ＯＣＶ）と対応付けることで、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を取得してもよい。

制御部２は、対象電池１におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係を、Ｓ６で取得された基準対応情報が示す対応関係と比較することで、対象電池１に異常があるか否かを判定する（Ｓ８）。図３は、種類と経時劣化状態が同一の二次電池における、異常が無い場合のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、異常が有る場合のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の一例を示す図である。図３に示すように、種類と経時劣化状態が同一であっても、異常が無い場合のＳＯＣと電池電圧の対応関係と、異常が有る場合のＳＯＣと電池電圧の対応関係には、差が生じる。従って、対象電池１におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係を、基準対応情報が示す対応関係と比較することで、経時劣化の影響が除外された状態で、対象電池１に異常があるか否かが精度良く判定される。Ｓ８で異常が無いと判定されると（Ｓ８：ＮＯ）、対象電池１が使用可能とされて（Ｓ９）、処理は終了する。また、Ｓ８で異常があると判定されると（Ｓ８：ＹＥＳ）、対象電池１が使用不可とされて（Ｓ１０）、処理は終了する。

なお、Ｓ８における具体的な判定方法は、適宜選択できる。例えば、制御部２は、ＳＯＣに対する電池電圧の微分係数を、各々の対応関係の間で比較することで、異常の有無の判定を行ってもよい。この場合、制御部２は、微分係数の差が閾値以上である場合に、対象電池１に異常があると判定してもよい。また、制御部２は、電池電圧を比較するＳＯＣの値を少なくとも１つ特定し、ＳＯＣが特定した値となっている際の、対象電池１の電池電圧と基準対応情報における電池電圧を比較してもよい。この場合、制御部２は、電池電圧の差が閾値以上である場合に、対象電池１に異常があると判定してもよい。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、上記実施形態では、まずＳ３において、主に対象電池１の経時劣化状態が判定される（Ｓ３）。つまり、Ｓ３の処理は、対象電池の容量および内部抵抗の少なくともいずれかに基づいて対象電池の状態の良否を判定する第１判定ステップの一例である。Ｓ３の判定において状態が良好と判定されると、Ｓ８において、対象電池１の異常の有無が判定される。つまり、Ｓ８の処理は、対象電池１に異常があるか否かを判定する第２判定ステップの一例である。しかし、第１判定ステップを省略して第２判定ステップのみを実行することも可能である。この場合でも、経時劣化の影響が除外された状態で、対象電池１に異常があるか否かが精度良く判定される。

１対象電池
２制御部
９電圧計
１０電流計
１１温度センサ

Claims

判定対象となる二次電池である対象電池の容量および内部抵抗の少なくともいずれかに基づいて、前記対象電池の状態の良否を判定する第１判定ステップと、
前記第１判定ステップにおいて前記対象電池の状態が良好と判定された場合に、経時劣化状態が前記対象電池の経時劣化状態に一致する正常な二次電池の、ＳＯＣと電池電圧の対応関係を示す情報を、基準対応情報として取得する基準対応情報取得ステップと、
前記対象電池におけるＳＯＣと電池電圧の対応関係を、前記基準対応情報が示す対応関係と比較することで、前記対象電池に異常があるか否かを判定する第２判定ステップと、
を含むことを特徴とする、二次電池の状態判定方法。