JP2022108675A - Battery deterioration determination device, and battery deterioration determination method - Google Patents

Battery deterioration determination device, and battery deterioration determination method Download PDF

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俊之 坂本
Toshiyuki Sakamoto
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Abstract

To provide a battery deterioration determination device and battery deterioration determination method that can determine a state of health in progress of a battery.SOLUTION: A battery deterioration determination device 100 comprises: a cooling control unit 22 that controls an environment temperature of a battery to a measurement temperature equal to or lower than 15°C within any temperature range centering around a point where an allocation rate between solution resistance or ion movement resistance of preliminarily set AC impedance and charge movement resistance thereof is comparable; a battery AC impedance measurement device 120 that measures AC impedance data on the battery at the measurement temperature; and a battery deterioration determination unit 160 that determines a deterioration degree of the battery in comparison of measurement data which the battery AC impedance measurement device 120 measures with reference AC impedance data preliminarily measured under the same conditions as those of a reference battery.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 1.IVCST ウェブサイトのアドレス https://ivcst.sut.ac.th/2020/conference-programs ウェブサイトの掲載日 令和2年8月20日 2.IVCST オンライン口頭発表のウェブサイトのアドレス https://ivcst.sut.ac.th/2020/conference-programs 発表日 令和2年8月25日 3.JIME ウェブサイトのアドレス https://ivcst.sut.ac.th/2020/conference-programs ウェブサイトの掲載日 令和2年10月22日 4.JIME 第90回(令和2年)マリンエンジニアリング学術講演論文集 配布日 令和2年10月22日 5.JIME 第90回(令和2年)マリンエンジニアリング学術講演会 オンライン講演 配布日 令和2年10月22日 5.スズキ財団 2020年度年次報告書 発刊日 令和2年12月22日 6.スズキ財団 ウェブサイトのアドレス http://www.suzukifound.jp/03public/annualreport/2020/top.html ウェブサイトの掲載日 令和2年12月25日There is an application for the application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. IVCST website address https://ivcst. sut. ac. th/2020/conference-programs Website publication date August 20, 2020 2. IVCST online oral presentation website address https://ivcst. sut. ac. th/2020/conference-programs Announcement date August 25, 2020 3. JIME website address https://ivcst. sut. ac. th/2020/conference-programs Website publication date October 22, 2020 4. JIME 90th (2020) Marine Engineering Scientific Lecture Proceedings Distribution date October 22, 2020 5. JIME 90th (2nd year of Reiwa) Marine Engineering Academic Lecture Online Lecture Distribution date October 22nd, 2020 5. Suzuki Foundation 2020 Annual Report Publication date December 22, 2020 6. Suzuki Foundation website address http://www. suzuki found. jp/03public/annualreport/2020/top. html Website publication date December 25, 2020

本発明は、全固体を含むリチウムイオン電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置および電池劣化判定方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a battery deterioration determination device and a battery deterioration determination method for determining the deterioration state of a lithium-ion battery including an all-solid state.

陸海空の乗り物(船舶、鉄道、自動車、航空機等)における駆動システム、バックアップ用のUPS(Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置)、電力系統安定化のための大規模蓄電設備など、様々な分野においてニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池が用いられている。
蓄電池システム設計においては、システムのトータルコストを適正化するため、搭載する蓄電池の容量の見積もりが重要である。この場合、電池が、どれだけの能力が経年劣化によっても維持されるかを精度良く推定することが要求される。
また、自動車、鉄道などの車両や建設機械などのハイブリッド化、電動化が進み、蓄電池を利用するアプリケーションはますます増えている。特に、移動体の場合は、二次電池の残量とともに、劣化情報は、電池の交換時期や、保守にとって必要な情報である。
Nickel is used in various fields such as drive systems for land, sea and air vehicles (ships, railways, automobiles, aircraft, etc.), backup UPS (Uninterruptible Power Supply), large-scale power storage equipment for power system stabilization, etc. Secondary batteries such as hydrogen batteries and lithium ion batteries are used.
In designing a storage battery system, it is important to estimate the capacity of the storage battery to be installed in order to optimize the total cost of the system. In this case, it is required to accurately estimate how much capacity the battery maintains even with aging deterioration.
In addition, the hybridization and electrification of vehicles such as automobiles and railways and construction machinery are progressing, and applications using storage batteries are increasing more and more. In particular, in the case of a mobile object, deterioration information as well as the remaining amount of the secondary battery is information necessary for battery replacement timing and maintenance.

バッテリ状態は、SOC(State of Charge:充電率)やSOH(State of Health:劣化状態)で把握される。ハイブリッドカーでは、SOCやSOHを、車両に搭載した状態で必要時にモニタできることが、最適な電池管理、電池寿命の延伸などに貢献する。車両に搭載した状態でSOCやSOHモニタする方法としては、エンジン始動時の電圧低下判断、通常走行時の電流積算や電圧低下判断が挙げられる。 The battery state is grasped by SOC (State of Charge: charging rate) or SOH (State of Health: deterioration state). In hybrid cars, being able to monitor the SOC and SOH in the vehicle when necessary contributes to optimal battery management and extension of battery life. Methods for monitoring the SOC and SOH while mounted on a vehicle include determination of a voltage drop at engine start and current integration and voltage drop determination during normal running.

交流インピーダンス測定方法は、微小な正弦波交流信号を印加し、その入力信号と出力信号の位相差から界面の物性や反応を測定する。等価回路に対して、複数の周波数でインピーダンスを測定し、測定結果から電極/電解質界面での電荷移動抵抗Rctや電解質内の物質移動過程などの電池内部で生じる現象を解析する。
交流インピーダンス測定方法により計測された計測値を複素平面上にプロットしたものは、一般的にコールコールプロット(Cole-Cole Plot)またはナイキストプロット(Nyquist Plot)と呼ばれている。
In the AC impedance measurement method, a minute sinusoidal AC signal is applied, and the physical properties and reaction of the interface are measured from the phase difference between the input signal and the output signal. Impedance is measured at a plurality of frequencies for the equivalent circuit, and phenomena occurring inside the battery such as the charge transfer resistance Rct at the electrode/electrolyte interface and the mass transfer process in the electrolyte are analyzed from the measurement results.
A plot of measured values measured by an AC impedance measurement method on a complex plane is generally called a Cole-Cole plot or a Nyquist plot.

電池の劣化判定では、二次電池を等価回路と見立てて、測定した交流インピーダンスと、この等価回路のナイキストプロットとを比較し、各パラメータ(溶液抵抗Rsol,電荷移動抵抗Rct等)を最小自乗誤差法などでフィッティングさせ求める。そして、この測定結果(Rsol,Rct)をもとに、劣化判定を行う。 In the determination of battery deterioration, the secondary battery is regarded as an equivalent circuit, the measured AC impedance is compared with the Nyquist plot of this equivalent circuit, and each parameter (solution resistance Rsol , charge transfer resistance Rct , etc.) is minimized. It is obtained by fitting using the squared error method. Degradation determination is performed based on the measurement results (R sol , R ct ).

特許文献1には、電池の交流インピーダンス測定データに基づいて電池劣化度を判定する電池状態判定装置が記載されている。特許文献1記載の電池状態判定装置は、交流インピーダンス(交流インピーダンスともいう)測定データを、抵抗RとCPE(Constant Phase Element)とが並列接続された回路ブロックを1つ以上有する等価回路モデルにフィッティングして等価回路モデルの回路定数を求めるフィッティング部を備える。 Patent Literature 1 describes a battery state determination device that determines the degree of battery deterioration based on AC impedance measurement data of the battery. The battery state determination device described in Patent Document 1 fits AC impedance (also referred to as AC impedance) measurement data to an equivalent circuit model having one or more circuit blocks in which a resistance R and a CPE (Constant Phase Element) are connected in parallel. and a fitting unit that obtains the circuit constants of the equivalent circuit model.

特許文献2には、蓄電池の交流インピーダンス測定方法が記載されている。特許文献2記載の交流インピーダンス測定方法は、蓄電池からコンデンサに電流を流す工程と、前記コンデンサに電流を流しているときに、コンデンサの出力電圧の電圧変化を測定する工程と、前記電圧変化から、前記蓄電池の交流インピーダンスを演算する工程と、を備える。 Patent Literature 2 describes a method for measuring AC impedance of a storage battery. The AC impedance measurement method described in Patent Document 2 includes the steps of flowing a current from a storage battery to a capacitor, measuring a voltage change in the output voltage of the capacitor while the current is flowing to the capacitor, and from the voltage change, and calculating an AC impedance of the storage battery.

特許文献3には、二次電池の内部温度である蓄電部の温度を推定する二次電池の温度推定方法が記載されている。特許文献3記載の二次電池の温度推定方法は、交流インピーダンス法を用いて取得した二次電池の内部抵抗と、二次電池の充放電が開始されてからの継続時間と、前記二次電池の満充電状態の電池容量に対する残電池容量の比であるSOCと、蓄電部の温度との関係である内部抵抗マップを予め用意しておく。そして、この温度推定方法は、二次電池の充放電が開始されるとともに、予め前記継続時間を分割して定めた時間毎に、蓄電部の内部抵抗を内部抵抗マップに基づいて求める。さらに、この温度推定方法は、求められた内部抵抗を用いて蓄電部の発熱量を算出し、算出された発熱量を用いて二次電池の充放電が継続されている時刻における蓄電部の推定温度を算出している。 Patent Document 3 describes a secondary battery temperature estimation method for estimating the temperature of a power storage unit, which is the internal temperature of the secondary battery. The secondary battery temperature estimation method described in Patent Document 3 is based on the internal resistance of the secondary battery obtained using the AC impedance method, the duration after the start of charging and discharging of the secondary battery, and the secondary battery An internal resistance map representing the relationship between the SOC, which is the ratio of the remaining battery capacity to the battery capacity in the fully charged state, and the temperature of the power storage unit is prepared in advance. In this temperature estimating method, the internal resistance of the power storage unit is obtained based on the internal resistance map at each predetermined time by dividing the duration time as soon as the charging and discharging of the secondary battery is started. Furthermore, in this temperature estimation method, the amount of heat generated by the power storage unit is calculated using the obtained internal resistance, and the calculated heat value is used to estimate the power storage unit at the time when the secondary battery continues to be charged and discharged. Calculates the temperature.

特許文献4には、鉛蓄電池の充電レベルを取得する充電レベル取得部と、鉛蓄電池の温度を取得する温度取得部と、鉛蓄電池の充電レベル及び温度をそれぞれ予め定められた範囲内に制御して、鉛蓄電池のインピーダンスを測定する測定部とを備える鉛蓄電池装置が記載されている。特許文献4記載の鉛蓄電池装置は、鉛蓄電池の充電レベルと測定温度を所定の温度(10℃以下)に制御し、交流インピーダンスを測定する。これにより、劣化度が進んでいない鉛蓄電池に対しても、精度良く劣化度を特定しようとする。 Patent Document 4 discloses a charge level acquisition unit that acquires the charge level of a lead-acid battery, a temperature acquisition unit that acquires the temperature of the lead-acid battery, and a control unit that controls the charge level and the temperature of the lead-acid battery within predetermined ranges. and a measuring unit for measuring the impedance of the lead-acid battery. The lead-acid battery device described in Patent Document 4 controls the charge level and measurement temperature of the lead-acid battery to a predetermined temperature (10° C. or less) and measures AC impedance. As a result, it is possible to accurately specify the degree of deterioration even for a lead-acid battery whose degree of deterioration has not progressed.

特開2013-26114号公報JP 2013-26114 A 特開2013-54003号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-54003 特開2013-101884号公報JP 2013-101884 A 特開2018-181430号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2018-181430

しかしながら、特許文献1~4の電池の劣化判定技術には、下記課題がある。
(1)電池は、常温域にある場合に電池状態が一番安定している。このため、電池が安定している常温域で劣化診断する場合は、電池が寿命末期(1500回程度以上)に達した状態にならないと劣化判定ができない課題がある。
However, the battery deterioration determination techniques of Patent Documents 1 to 4 have the following problems.
(1) The battery state is most stable when it is in the room temperature range. For this reason, when diagnosing deterioration in the normal temperature range where the battery is stable, there is a problem that the deterioration cannot be judged until the battery reaches the end of its life (approximately 1500 times or more).

(2)電池温度は、常温環境の測定温度を基準に温度制御している。電池の充放電回数が少ない電池の途中劣化状態が分からないので、かなりの温度幅(プラスマイナス10℃)の管理幅を持たせている。このため、不適切な温度・充放電管理を続けざるを得ず、電池の寿命を短くしている課題がある。 (2) The battery temperature is controlled based on the measured temperature in the room temperature environment. Since it is not possible to know the state of deterioration in the middle of a battery with a small number of charge/discharge cycles, a considerable temperature range (plus or minus 10°C) is provided for control. For this reason, inappropriate temperature and charge/discharge management must be continued, and there is a problem of shortening the life of the battery.

(3)電池劣化は、充放電を繰り返すと確実に劣化する。しかし、充放電回数だけでは、バッテリセル毎にばらつきがあり、正確な劣化レベルは分からない。劣化途中のバッテリは、劣化レベルが中程度(充放電回数数百回程度)の時点では劣化挙動が顕著ではなく、劣化検出が難しいので、適正な温度、充放電制御の管理を行うことができず、電池の寿命を延ばすことができない。同様の理由で、劣化レベルが初期となる新品電池と充放電回数が少ない使用済み電池との識別が難しい。 (3) The deterioration of the battery is surely caused by repeated charging and discharging. However, the number of times of charge/discharge varies from battery cell to battery cell, and an accurate deterioration level cannot be determined. For batteries in the middle of deterioration, when the deterioration level is moderate (about several hundred times of charge/discharge), the deterioration behavior is not remarkable, and deterioration detection is difficult, so it is not possible to manage appropriate temperature and charge/discharge control. and the battery life cannot be extended. For the same reason, it is difficult to distinguish between a new battery with an initial deterioration level and a used battery with a small number of charge/discharge cycles.

(4)特許文献4は、鉛蓄電池装置について記載する。鉛蓄電池は、劣化状況に対して交流インピーダンスの内部抵抗がリニアに上昇し、内部抵抗を測定すると容易に劣化状況を把握できる。しかしながら、リチウムイオン電池は、鉛蓄電池とは電槽の構成部材は勿論のこと電気化学的な蓄電原理が異なっており、リチウムイオン電池は、常温以上の測定温度で初期値よりも劣化途中の方が、インピーダンス値が下がるなど、その挙動も異なる。 (4) Patent Literature 4 describes a lead-acid battery device. In a lead-acid battery, the internal resistance of AC impedance rises linearly with respect to the deterioration state, and the deterioration state can be easily grasped by measuring the internal resistance. However, the lithium-ion battery differs from the lead-acid battery not only in the constituent materials of the battery case but also in the electrochemical storage principle. However, the behavior is also different, such as lowering the impedance value.

以上、リチウムイオン電池は、電池劣化を途中で診断することが難しく、電池が寿命末期に達した状態でなければ、劣化判定が難しかった。 As described above, it is difficult to diagnose the deterioration of the lithium ion battery in the middle, and it is difficult to judge the deterioration unless the battery has reached the end of its life.

本発明は、前記した問題に鑑みてなされたものであり、電池の途中劣化状態を精度良く判定可能な電池劣化判定装置および電池劣化判定方法を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a battery deterioration determination device and a battery deterioration determination method capable of accurately determining an intermediate deterioration state of a battery.

前記課題を解決するため、本発明に係る電池劣化判定装置は、電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御する電池温度制御部と、前記測定温度で前記電池の交流インピーダンスデータを測定するインピーダンス測定部と、前記インピーダンス測定部が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して前記電池の劣化度を判定する電池劣化判定部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the battery deterioration determination device according to the present invention sets the environmental temperature of the battery centering on the point where the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive. A battery temperature control unit that controls the measurement temperature to be 15 ° C or less before and after the region, an impedance measurement unit that measures the AC impedance data of the battery at the measurement temperature, and the measurement data and the reference measured by the impedance measurement unit. a battery deterioration determination unit that determines the degree of deterioration of the battery by comparing the battery measurement conditions with standard AC impedance data previously measured under the same conditions.

本発明によれば、電池の途中劣化状態を精度良く判定可能な電池劣化判定装置および電池劣化判定方法を提供できる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a battery deterioration determination device and a battery deterioration determination method capable of accurately determining the intermediate deterioration state of a battery.

本発明の原理説明の測定温度25℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery when the measurement temperature is 25° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度10℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。It is a figure which shows the charge-discharge frequency|count and AC impedance characteristic of a battery in the case of the measurement temperature of 10 degreeC of principle explanation of this invention. 本発明の原理説明の電池の測定温度に関するインピーダンス比率を示す図である。It is a figure which shows the impedance ratio regarding the measured temperature of the battery of principle explanation of this invention. 本発明の原理説明の測定温度25℃の場合の新品の2種の電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図である。FIG. 4 is a diagram showing measured frequency impedances of two types of new batteries at a measurement temperature of 25° C. in the principle explanation of the present invention, as viewed from the Mahalanobis distance. 本発明の原理説明の測定温度25℃の場合の充放電サイクルが800回の2種の電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図である。FIG. 2 is a diagram showing the measurement frequency impedance of two types of batteries with 800 charge/discharge cycles at a measurement temperature of 25° C. in the principle explanation of the present invention, viewed from the Mahalanobis distance. 本発明の原理説明の測定温度10℃の場合の新品の2種の電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図である。FIG. 4 is a diagram showing the measured frequency impedance of two types of new batteries at a measurement temperature of 10° C. in the principle explanation of the present invention, viewed from the Mahalanobis distance. 本発明の原理説明の測定温度10℃の場合の充放電サイクルが800回の2種の電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図である。FIG. 2 is a diagram showing the measurement frequency impedance of two types of batteries with 800 charge/discharge cycles at a measurement temperature of 10° C. in the principle explanation of the present invention, viewed from the Mahalanobis distance. 本発明の原理説明の測定温度-10℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery in the case of a measurement temperature of −10° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度-5℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery when the measurement temperature is −5° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度0℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the number of charging/discharging times of a battery and AC impedance characteristics when the measurement temperature is 0° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度5℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the number of charging/discharging times of a battery and AC impedance characteristics when the measurement temperature is 5° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度10℃の場合電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery at a measurement temperature of 10° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の測定温度15℃の場合電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery at a measurement temperature of 15° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の原理説明の電池の測定温度に関するインピーダンス比率を示す図である。It is a figure which shows the impedance ratio regarding the measured temperature of the battery of principle explanation of this invention. 本発明の原理説明の測定温度-5℃の場合の新品電池と途中劣化電池の充放電回数について、0℃を挟んだ交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing AC impedance characteristics with 0° C. in between for the number of charge/discharge cycles of a new battery and a halfway deteriorated battery when the measurement temperature is -5° C. for explaining the principle of the present invention. 本発明の原理説明の測定温度5℃の場合の新品電池と途中劣化電池の充放電回数について、0℃を挟んだ交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing AC impedance characteristics with 0° C. in between for the number of charge/discharge times of a new battery and a halfway deteriorated battery when the measurement temperature is 5° C. for explaining the principle of the present invention. 本発明の原理説明の測定温度0℃の場合の新品電池と途中劣化電池の充放電回数について、0℃を挟んだ交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing AC impedance characteristics with 0° C. in between, with respect to the number of charge/discharge cycles of a new battery and a halfway deteriorated battery when the measurement temperature is 0° C. for explaining the principle of the present invention. 本発明の原理説明の測定温度25℃の場合の新品電池と途中劣化電池の充放電回数について、0℃を挟んだ交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing AC impedance characteristics with 0° C. in between with respect to the number of charge/discharge cycles of a new battery and a halfway deteriorated battery when the measurement temperature is 25° C. for explaining the principle of the present invention; 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of a battery deterioration determination device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブルの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of an AC impedance table for each reference battery deterioration degree of the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の基準新品電池交流インピーダンステーブルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the reference new battery AC impedance table of the battery deterioration determination apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の全体動作を示すフローチャートである。構成を示すブロック図である。It is a flow chart which shows the whole operation of the battery degradation judging device concerning the embodiment of the present invention. It is a block diagram showing a configuration. 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の新品/使用品電池判定処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing new/used battery determination processing of the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の測定環境温度が-5℃の場合の新品電池と途中劣化電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a new battery and a halfway deteriorated battery when the environmental temperature measured by the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention is −5° C.; 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の劣化判定処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing deterioration determination processing of the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の劣化判定処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing deterioration determination processing of the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置の劣化判定処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing deterioration determination processing of the battery deterioration determination device according to the embodiment of the present invention;

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(原理説明)
まず、本発明の前提となる基本的な考え方について説明する。
解決課題で述べたように、常温では電池の劣化判定が難しい。劣化途中で劣化判定が難しいことについて述べる。
リチウムイオン電池は、主に電解液が電極の反応面に析出して局板を覆う現象で劣化する。リチウムイオン電池は、劣化により電極の反応面を覆うSEI(Solid Electrolyte Interphase)層が厚みを増していき、電荷移動抵抗を増加させる。しかも劣化に伴う厚みの増大は、一様ではない。電極面に高エネルギーをかけて観察すると、充放電によりSEI層で溶着と溶出が繰り返されることが分かってきた。このような現象を定量的に測定することが困難であるため、電池の劣化判定は難しい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Explanation of principle)
First, the basic concept underlying the present invention will be described.
As described in the problem to be solved, it is difficult to determine battery deterioration at room temperature. The difficulty in determining deterioration during deterioration will be described.
Lithium-ion batteries deteriorate mainly due to the phenomenon that the electrolyte deposits on the reaction surface of the electrode and covers the electrode plate. In a lithium ion battery, the thickness of the SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer covering the reaction surface of the electrode increases due to deterioration, increasing the charge transfer resistance. Moreover, the increase in thickness accompanying deterioration is not uniform. Observation by applying high energy to the electrode surface has revealed that the SEI layer repeats adhesion and elution due to charging and discharging. Since it is difficult to quantitatively measure such a phenomenon, it is difficult to judge deterioration of the battery.

本発明者は、電池の環境温度を使用限度に広げ、電池の劣化指標となる交流インピーダンスを測定した。すると、常温では、劣化の片鱗も示さない電池が温度限界まで環境温度を広げると、大きく計測値が変わってしまうことが明らかとなった。
高温側では、電池の化学反応により、電池のインピーダンスが小さくなる。インピーダンス自体が小さくなるため、劣化判定は難しくなる。一方、低温側では、逆にインピーダンス自体が大きくなるため、劣化判定はしやすくなるものの、定量的な判断に困るような大きな変化を示してしまう。
The present inventor expanded the environmental temperature of the battery to the use limit and measured the AC impedance, which is a deterioration index of the battery. Then, it became clear that the measured value of the battery, which showed no signs of deterioration at room temperature, changed greatly when the environmental temperature was increased to the temperature limit.
On the high temperature side, the chemical reaction of the battery reduces the impedance of the battery. Since the impedance itself becomes smaller, deterioration determination becomes difficult. On the other hand, on the low temperature side, the impedance itself becomes large, so although it becomes easy to judge the deterioration, it shows a large change that makes it difficult to make a quantitative judgment.

本発明者は、電池の劣化判定を、電池状態が安定した常温域ではなく、所定の温度域で行うことを着想し、その温度域を研究結果から定量化した。本発明者は、常温よりも下げた10℃近くの測定環境温度(以下、環境温度という)で測定した場合、電池の状態は常温より安定しており、かつ、インピーダンスの挙動が常温では示さないような明確な劣化変化を示すことを見出した。 The present inventor conceived of determining battery deterioration in a predetermined temperature range, not in a normal temperature range where the battery state is stable, and quantified the temperature range based on research results. The present inventor found that when measured at a measurement environmental temperature of nearly 10°C lower than normal temperature (hereinafter referred to as environmental temperature), the state of the battery is more stable than normal temperature, and the impedance behavior does not show at normal temperature. It was found that a clear deterioration change was shown.

本発明者が見出した環境温度(温度域)は、溶液抵抗(全固体の場合はイオン移動抵抗)と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域(40%~60%域)である。 The environmental temperature (temperature range) found by the present inventor is a range (40% to 60% region).

電池の劣化判定は、前記温度域に相当する測定温度(例えば10℃以下)に電池温度を制御し、測定交流インピーダンス値を、同条件の標準データと統計処理により比較する。これにより、中程度の使用状態における劣化状態が判定できる。 Deterioration of the battery is determined by controlling the battery temperature to a measured temperature corresponding to the above temperature range (for example, 10° C. or less) and comparing the measured AC impedance value with standard data under the same conditions by statistical processing. This makes it possible to determine the state of deterioration in the medium usage state.

さらに、この温度域で、荷移動抵抗のキャパシタンス成分によるインピーダンスの遅れが最大となるときの印加周波数(5Hz近傍、充放電回数にあまり依存しない)の測定交流インピーダンス値を、同条件の標準データと比較する。これにより、劣化の程度(劣化レベル)の判定が可能となる。 Furthermore, in this temperature range, the measured AC impedance value at the applied frequency (around 5 Hz, not much dependent on the number of charge/discharge cycles) when the delay in impedance due to the capacitance component of the load transfer resistance is maximized is compared with the standard data under the same conditions. compare. This makes it possible to determine the degree of deterioration (deterioration level).

電池の劣化途中の劣化レベルが求まった場合、電池の温度域を初期値から見直し、電池の劣化因子であるSOC、温度、または負荷電流を下げる。このように、適切な電池制御を行うことで、電池の寿命を延ばすことが可能となる。 When the deterioration level of the battery in the middle of deterioration is obtained, the temperature range of the battery is reviewed from the initial value, and the SOC, temperature, or load current, which are deterioration factors of the battery, are lowered. By appropriately controlling the battery in this way, it is possible to extend the life of the battery.

交流インピーダンス測定温度を、0℃未満にする。これにより、電池が新品か使用済みかの判定が可能になる。 The AC impedance measurement temperature should be less than 0°C. This makes it possible to determine whether the battery is new or has been used.

(実施形態)
本実施形態は、全固体を含むリチウムイオン電池(以下の説明において、単に電池という)の劣化を判定する。電池の劣化は、交流インピーダンスで測定することができる。
実験と測定の手順は、充電/測定/放電/測定のサイクルを繰返して求める。測定は、電池の状態が安定するのを待ってから交流インピーダンス特性を求める。また、電池のインピーダンスは、数mΩ~十数mΩという非常に小さく、導線などの通電抵抗の影響を極力除くため、電池に計測線をはんだ付けして直近で測定した。交流インピーダンスは、周波数を4Hz~20Hzまで1Hz刻みで行い、その後10Hz刻み、100Hz刻みで変化させ、複素平面上で、横軸に電気化学インピーダンスの実数成分Z、縦軸に虚数成分Zを測定した。
(embodiment)
This embodiment determines deterioration of a lithium-ion battery (simply referred to as a battery in the following description) including all solids. Battery deterioration can be measured by AC impedance.
The procedure of experiment and measurement is obtained by repeating the charge/measurement/discharge/measurement cycle. After waiting for the state of the battery to stabilize, the measurement obtains the AC impedance characteristics. In addition, the impedance of the battery is very small, ranging from several mΩ to ten and several mΩ, and in order to eliminate the influence of the current resistance of the lead wire and the like as much as possible, the measurement wire was soldered to the battery and measured immediately. Alternating current impedance was measured by varying the frequency from 4 Hz to 20 Hz in steps of 1 Hz, then in steps of 10 Hz and then in steps of 100 Hz . It was measured.

[測定環境温度(測定温度)考察]
<交流インピーダンス測定>
図1Aおよび図1Bは、電池(基準電池)の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図であり、図1Aは、測定温度25℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性を、図1Bは、測定温度10℃の場合の電池の充放電回数と交流インピーダンス特性をそれぞれ示す。図1Aおよび図1B中、横軸はインピーダンス実数成分Z [mΩ]、縦軸はインピーダンス虚数成分Z [mΩ]である。また、虚数成分Z=0のナイキストプロット開始点は、溶液抵抗Rsolのインピーダンスを示し、ナイキストプロット(ナイキストカーブ)が描く円弧(半円)は電荷移動抵抗Rctのインピーダンスを示している。電池が劣化した場合、電解液と電極の界面インピーダンスを含めた電荷移動抵抗Rctが増大する(円弧が大きくなり右にシフトする)。
[Measurement environment temperature (measurement temperature) consideration]
<AC impedance measurement>
1A and 1B are diagrams showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of a battery (reference battery). indicates the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of the battery when the measurement temperature is 10°C. In FIGS. 1A and 1B, the horizontal axis is the impedance real component Z [mΩ], and the vertical axis is the impedance imaginary component Z [mΩ ] . The arc (semicircle) drawn by the Nyquist plot (Nyquist curve) indicates the impedance of the charge transfer resistance Rct . When the battery deteriorates, the charge transfer resistance Rct including the interfacial impedance between the electrolyte and the electrode increases (the arc becomes larger and shifts to the right).

電池の交流インピーダンスは、進み遅れをともなわないインピーダンスを実軸成分に、遅れをともなうインピーダンス(キャパシタンス)を虚軸成分に複素平面上にプロットすると図1Aおよび図1Bに示す半円軌跡を描くことになる。電池の交流インピーダンスは、電池に印加する周波数を変化させて測定するが、押しつぶされた半円となり、電池が電気回路素子のように印加周波数に対してレスポンスよく良く応答しない特性を示している。交流インピーダンスカーブを見ると、サイクルが進むにつれて大きな円弧を描くことが確認でき、電池が劣化進展していることが示される。 When the AC impedance of the battery is plotted on the complex plane, the impedance without lead/lag is plotted on the real axis, and the impedance (capacitance) with lag is plotted on the imaginary axis, the semicircular trajectory shown in FIGS. 1A and 1B can be drawn. Become. The AC impedance of the battery is measured by changing the frequency applied to the battery, but it is a crushed semicircle, indicating that the battery does not respond well to the applied frequency like an electric circuit element. Looking at the AC impedance curve, it can be confirmed that a large arc is drawn as the cycle progresses, indicating that the battery is deteriorating.

<測定温度と室温との関係>
同じ劣化位置の電池であって、測定温度(測定環境温度)を室温から下げると交流インピーダンスは増加し、室温から上げると減少する。測定環境温度の変化による交流インピーダンスの変化は、同じサイクル経過した電池同士を比較しても極めて近い挙動を取ることが確認できる。交流インピーダンスで描かれた半円の軌跡から電池の劣化状態を確認する場合、測定環境温度を室温から低下させる方が判定しやすい。測定環境温度を室温から上昇させると、交流インピーダンが描く半円は、確認が困難になるほど小さくなる。
<Relationship between measured temperature and room temperature>
For batteries at the same deterioration position, the AC impedance increases when the measurement temperature (measuring environment temperature) is lowered from room temperature, and decreases when the measurement temperature is raised from room temperature. It can be confirmed that the change in AC impedance due to the change in the measurement environment temperature behaves very similarly even when the batteries that have passed the same cycle are compared. When confirming the deterioration state of the battery from the locus of the semicircle drawn by the AC impedance, it is easier to determine if the measurement environment temperature is lowered from room temperature. When the measurement environment temperature is raised from room temperature, the semicircle drawn by the AC impedance becomes so small that it becomes difficult to confirm.

以下の各図の説明において、図中のActiveは新品電池を表わし、図中の数値は数値の回数の充放電を繰り返した電池を表わす(例えば、図中「80」は充放電サイクルが80回の電池、「800」は充放電サイクルが800回の電池)を表わす。 In the explanation of each figure below, "Active" in the figure represents a new battery, and the numerical value in the figure represents a battery that has been repeatedly charged and discharged the number of times (for example, "80" in the figure represents a battery that has been charged and discharged 80 times. "800" represents a battery with 800 charge-discharge cycles).

図1Aに示すように、測定温度25℃の場合、新品電池と各充放電サイクルの電池の実数成分Z [mΩ]には差異があるものの、虚数成分Z [mΩ]には顕著な差異は見られない。すなわち、新品電池と各充放電サイクルの電池のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(傾きが0になるところ)を比較すると、虚数成分Z における差異は小さい。 As shown in FIG. 1A, when the measurement temperature is 25° C., there is a difference in the real component Z [mΩ] between the new battery and the battery in each charge/discharge cycle, but there is a significant difference in the imaginary component Z [mΩ]. In other words, when comparing the apex (where the slope becomes 0) of the arcs drawn by the Nyquist plots of the new battery and the battery of each charge/discharge cycle, the difference in the imaginary component Z is small.

これに対して、図1Bに示すように、測定温度10℃の場合、新品電池と各充放電サイクルの電池の実数成分Z [mΩ]の差異に加えて、虚数成分Z [mΩ]に顕著な差異があることが分かる。すなわち、新品電池と各充放電サイクルの電池のナイキストプロットが描く円弧の頂上部を比較すると、虚数成分Z における差異は非常に大きいことが分かる。 On the other hand, as shown in FIG. 1B, when the measurement temperature is 10° C., in addition to the difference between the real number component Z [mΩ] of the new battery and the battery of each charge/discharge cycle, the imaginary number component Z [mΩ] It can be seen that there is a notable difference: when comparing the peaks of the arcs of the Nyquist plots of the new battery and the battery of each charge/discharge cycle, the difference in the imaginary component Z '' is very large.

常温(測定温度25℃)よりも下げた10℃近くの測定環境温度(測定温度)で測定した場合、常温では示さない明確な劣化変化を示すことが明らかとなった。ただし、目視では見過ごしてしまう程度の差異である。このため、本実施形態では、上記円弧の形状を、統計的手法の一つであるマハラノビス距離解析(後記)を用いて判定する。
また、図1Bに示す10℃近くの温度域は、電池のインピーダンスを構成する電荷移動抵抗Rctと溶液抵抗Rsolの比率(インピーダンス比率)がそれぞれ半分程度になっている状況であることも判明した。
常温では劣化が進んだ状態でないと分からない。しかし、測定温度を15℃以下(例えば10℃)にすると、少ない充放電サイクルでも、虚数成分の差が明確になる。
When measured at a measurement environment temperature (measurement temperature) of nearly 10°C, which is lower than normal temperature (measurement temperature of 25°C), it became clear that a clear deterioration change that is not shown at normal temperature is shown. However, the difference is such that it can be overlooked by visual inspection. Therefore, in the present embodiment, the shape of the arc is determined using Mahalanobis distance analysis (described later), which is one of statistical methods.
It was also found that in the temperature range near 10°C shown in Fig. 1B, the ratio (impedance ratio) between the charge transfer resistance Rct and the solution resistance Rsol , which constitute the impedance of the battery, is about half. did.
At room temperature, it cannot be detected unless the deterioration has progressed. However, when the measurement temperature is set to 15° C. or lower (for example, 10° C.), the imaginary component difference becomes clear even with a small number of charge/discharge cycles.

<電池劣化を判定するための測定温度域>
図2は、電池の測定温度に関するインピーダンス比率を示す図である。図2中、横軸は測定温度[℃]、縦軸は電荷移動抵抗Rctのインピーダンス比率Z_Rct[%]である。インピーダンス比率Z_Rct[%]は、電荷移動抵抗Rct/(溶液抵抗Rsol+電荷移動抵抗Rct)である。
<Measurement temperature range for determining battery deterioration>
FIG. 2 is a diagram showing the impedance ratio with respect to the measured temperature of the battery. In FIG. 2, the horizontal axis is the measured temperature [° C.], and the vertical axis is the impedance ratio Z′_Rct [ %] of the charge transfer resistance Rct . The impedance ratio Z'_Rct [%] is charge transfer resistance Rct /(solution resistance Rsol + charge transfer resistance Rct ) .

図2の破線囲みaに示すように、12-13℃以下で0℃付近を除く領域であれば、判定可能なことが分かる。 As shown in the dashed box a in FIG. 2, it can be seen that determination is possible in the range of 12 to 13° C. or less and excluding the vicinity of 0° C.

<測定温度と充放電サイクルとの関係>
図3Aおよび図3Bは、測定温度25℃の場合の電池(基準電池)の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図であり、図3Aは、測定温度25℃の場合の新品の2種(Li99,Li100)の電池(Active)の測定周波数インピーダンスを、図3Bは、測定温度25℃の場合の充放電サイクルが800回の2種(Li56,Li57)の電池(800)の測定周波数インピーダンスをそれぞれ示す。図3Aおよび図3B中、横軸は測定周波数インピーダンス[Hz]、縦軸はマハラノビス距離である。
図3Aおよび図3Bに示すように、測定温度25℃における電池(Active)と充放電サイクルが800回の電池(800)を比較すると、測定温度25℃の場合、電池の測定周波数インピーダンスにあまり差がないことが分かった。
<Relationship between measured temperature and charge/discharge cycle>
3A and 3B are diagrams showing the measurement frequency impedance of the battery (reference battery) when the measurement temperature is 25 ° C. as viewed by the Mahalanobis distance. Li100) shows the measured frequency impedance of the battery (Active), and FIG. 3B shows the measured frequency impedance of the two types of batteries (Li56, Li57) with 800 charge-discharge cycles (800) at a measurement temperature of 25 ° C. . 3A and 3B, the horizontal axis is the measured frequency impedance [Hz], and the vertical axis is the Mahalanobis distance.
As shown in FIGS. 3A and 3B, comparing the battery (Active) at the measurement temperature of 25° C. and the battery (800) with 800 charge/discharge cycles, there is little difference in the measured frequency impedance of the battery at the measurement temperature of 25° C. It turns out that there is no

<マハラノビス距離解析>
測定温度25℃で測定した交流インピーダンスが描く半円は小さく、交流インピーダンスにより電池の劣化状態を確認することは困難である。そこで、本実施形態では、統計解析手法であるマハラノビス距離解析を用いて電池の劣化を詳細に判定する。
測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離解析する手法は、本発明者が初めて開示するものである。
<Mahalanobis distance analysis>
The semicircle drawn by the AC impedance measured at the measurement temperature of 25° C. is small, and it is difficult to confirm the deterioration state of the battery by the AC impedance. Therefore, in the present embodiment, deterioration of the battery is determined in detail using Mahalanobis distance analysis, which is a statistical analysis method.
The method of Mahalanobis distance analysis of the measured frequency impedance is disclosed by the present inventor for the first time.

ただし、測定温度25℃では、マハラノビス距離を用いた統計的手法により解析した場合であっても、電池の劣化と交流インピーダンスとの相関確認は困難である。本発明者は、測定温度が低温(例えば10℃)の場合、常温や高温環境に比べて電池の劣化度合いを確認し易いことを見出した。なお、劣化到達電池では、測定温度によらず正確に劣化診断できる。 However, at the measurement temperature of 25° C., it is difficult to confirm the correlation between battery deterioration and AC impedance even when the statistical method using the Mahalanobis distance is used for analysis. The inventors have found that when the measurement temperature is low (for example, 10° C.), it is easier to check the degree of deterioration of the battery than when the temperature is normal or high. It should be noted that the degradation of a battery reaching deterioration can be accurately diagnosed regardless of the measured temperature.

また、測定温度を、0℃未満にすることで、マハラノビス距離解析を行わなくても、インピーダンスカーブの形状から、電池が新品か使用済みかの判定が可能になる(後記図13参照)。 Further, by setting the measurement temperature to less than 0° C., it becomes possible to determine whether the battery is new or used from the shape of the impedance curve without performing Mahalanobis distance analysis (see FIG. 13 below).

図4Aおよび図4Bは、測定温度10℃の場合の電池(基準電池)の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離でみた図であり、図4Aは、測定温度10℃の場合の新品の2種(Li99,Li100)の電池(Active)の測定周波数インピーダンスを、図4Bは、測定温度10℃の場合の充放電サイクルが800回の1種(Li57)の電池(800)の測定周波数インピーダンスをそれぞれ示す。図4Aおよび図4B中、横軸は測定周波数インピーダンス[Hz]、縦軸はマハラノビス距離である。 4A and 4B are diagrams showing the measurement frequency impedance of the battery (reference battery) when the measurement temperature is 10 ° C. as viewed by the Mahalanobis distance. Li100) shows the measured frequency impedance of the battery (Active), and FIG. 4B shows the measured frequency impedance of one type (Li57) of the battery (800) with 800 charge-discharge cycles at a measurement temperature of 10°C. 4A and 4B, the horizontal axis is the measured frequency impedance [Hz], and the vertical axis is the Mahalanobis distance.

図4Aおよび図4Bに示すように、測定温度10℃における電池(Active)と充放電サイクルが800回の電池(800)を比較すると、測定温度10℃の場合、8Hz部分(図4Bの符号b参照)で電池の測定周波数インピーダンスが明確になることが分かった。すなわち、電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離で解析した場合、充放電サイクルが800回の電池(800)では、8Hz部分(図4Bの符号b参照)で測定周波数インピーダンスの挙動変化がみられることで、電池の劣化状態を確認することができた。 As shown in FIGS. 4A and 4B, when comparing the battery (Active) at a measurement temperature of 10° C. and the battery (800) with 800 charge-discharge cycles, when the measurement temperature is 10° C., the 8 Hz part (symbol b in FIG. 4B) ), it was found that the measured frequency impedance of the battery was clarified. That is, when the measured frequency impedance of the battery is analyzed by the Mahalanobis distance, the behavior of the measured frequency impedance changes at the 8 Hz portion (see symbol b in FIG. 4B) for the battery with 800 charge-discharge cycles (800). , the state of deterioration of the battery could be confirmed.

図4Bに示すように、測定温度を10℃にすると、少ない充放電サイクルでも劣化途中の電池同士を比較した場合、虚数成分の差が明確になる。 As shown in FIG. 4B, when the measurement temperature is set to 10° C., the difference in the imaginary number component becomes clear when comparing the batteries in the middle of deterioration even with a small number of charge-discharge cycles.

<測定温度の上下限>
図5A-5Fは、電池(基準電池)の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図であり、図5Aは、測定温度(電池温度)-10℃の場合を、図5Bは、測定温度-5℃の場合を、図5Cは、測定温度0℃の場合を、図5Dは、測定温度5℃の場合を、図5Eは、測定温度10℃の場合を、図5Fは、測定温度15℃の場合をそれぞれ示す。図5A-5F中、横軸はインピーダンス実数成分Z [mΩ]、縦軸はインピーダンス虚数成分Z [mΩ]である。
<Upper and lower limit of measurement temperature>
5A-5F are diagrams showing the number of charge/discharge cycles and AC impedance characteristics of the battery (reference battery), FIG. 5C is for a measurement temperature of 0°C, FIG. 5D is for a measurement temperature of 5°C, FIG. 5E is for a measurement temperature of 10°C, and FIG. 5F is for a measurement temperature of 15°C. Each case is shown. 5A-5F, the horizontal axis is the impedance real component Z ' [mΩ], and the vertical axis is the impedance imaginary component Z ' ' [mΩ].

図5Fに示す測定温度15℃の場合は、明確な劣化変化はないのに対し、図5A-5Eに示す測定温度10℃以下の場合は、明確な劣化変化がある。このため、測定温度は、10℃以下であればよいことが分かる。しかしながら、図5Cに示す測定温度0℃の場合は、新品電池(Active)の測定周波数インピーダンスに対する、充放電サイクルが800回と80回の電池の測定周波数インピーダンスが、図5A,5B,5D,5Eの充放電サイクルが800回と80回の電池の測定周波数インピーダンスと異なっている。すなわち、図5Cに示す測定温度0℃の場合は、充放電サイクルが80回の電池の方が、充放電サイクルが800回の電池より劣化している(充放電サイクルが800回の電池の方が、新品電池(Active)のように劣化していない)。測定温度0℃では、電池に含まれる水分が凝固する等の理由(後記)により、測定周波数インピーダンスの挙動に影響を与えることが考えられる。
電池が劣化した場合、電解液の界面インピーダンスを含めた電荷移動抵抗Rctが増大する(円弧が大きくなり右にシフトする)。
以上のことから、測定温度は、0℃を除く10℃以下であればよい。
In the case of the measured temperature of 15° C. shown in FIG. 5F, there is no clear deterioration change, whereas in the case of the measured temperature of 10° C. or less shown in FIGS. 5A-5E, there is a clear deterioration change. Therefore, it can be seen that the measurement temperature should be 10° C. or lower. However, when the measured temperature is 0° C. shown in FIG. 5C, the measured frequency impedance of the battery with 800 charge-discharge cycles and 80 cycles with respect to the measured frequency impedance of the new battery (Active) is shown in FIGS. are different from the measured frequency impedance of the batteries with 800 and 80 charge-discharge cycles. That is, when the measurement temperature is 0 ° C. shown in FIG. 5C, the battery with 80 charge-discharge cycles is more deteriorated than the battery with 800 charge-discharge cycles (the battery with 800 charge-discharge cycles is more deteriorated than the battery with 800 charge-discharge cycles). However, it has not deteriorated like a new battery (Active)). At the measurement temperature of 0° C., it is conceivable that the behavior of the measurement frequency impedance is affected for reasons such as coagulation of water contained in the battery (described later).
When the battery deteriorates, the charge transfer resistance Rct including the interfacial impedance of the electrolyte increases (the arc becomes larger and shifts to the right).
From the above, the measurement temperature should be 10°C or less except 0°C.

<測定温度から0℃を除外>
図6は、電池の測定温度に関するインピーダンス比率を示す図である。図6中、横軸は測定温度[℃]、縦軸はZ_Rsol[mΩ]である。
図6の破線囲みcに示すように、測定温度が0℃付近では、新品電池(Active)の交流インピーダンスの電荷移動抵抗Rctが大きく変化する。これは製造時、電槽内の構成部材に僅かに含まれていた水分が氷点で凝固してしまい、交流インピーダンスの電荷移動抵抗Rctの変化となったと考えられる。
<Excluding 0°C from the measurement temperature>
FIG. 6 is a diagram showing the impedance ratio with respect to the measured temperature of the battery. In FIG. 6, the horizontal axis is the measured temperature [°C], and the vertical axis is Z'_Rsol [ ].
As shown in the dashed box c in FIG. 6, when the measured temperature is around 0° C., the charge transfer resistance Rct of the AC impedance of the new battery (Active) changes greatly. This is thought to be due to the change in the charge transfer resistance Rct of the AC impedance due to the slight amount of moisture contained in the constituent members in the container during manufacture, which solidified at the freezing point.

更に温度を低下させると、新品電池(Active)は、少しでも使用した電池(80)と比較して、交流インピーダンスの電荷移動抵抗Rctが描く軌跡(ナイキストプロット)の様相が明らかに異なることが判明した(図6の破線囲みd参照)。
図2の破線囲みaに示すように、12-13℃以下で0℃付近を除く領域であれば、判定可能なことが分かる。
When the temperature is further lowered, the locus (Nyquist plot) drawn by the charge transfer resistance Rct of the AC impedance of the new battery (Active) is clearly different from that of the battery (80), which has been used even slightly. It turned out (see dashed box d in FIG. 6).
As shown in the dashed box a in FIG. 2, it can be seen that determination is possible in the range of 12 to 13° C. or less and excluding the vicinity of 0° C.

<新品電池判定>
図7A-7Dは、新品電池(Active)と途中劣化電池の充放電回数について、氷点(0℃)を挟んだ交流インピーダンス特性を示す図であり、図7Aは、測定温度-5℃の場合を、図7Bは、測定温度5℃の場合を、図7Cは、測定温度0℃の場合を、図7Dは、測定温度25℃の場合をそれぞれ示す。図7A-7D中、横軸はインピーダンス実数成分Z [mΩ]、縦軸はインピーダンス虚数成分Z [mΩ]である。
<New battery judgment>
7A-7D are diagrams showing AC impedance characteristics with the freezing point (0 ° C.) in between for the number of charge and discharge cycles of a new battery (Active) and a partially deteriorated battery. 7B shows the case of the measured temperature of 5° C., FIG. 7C shows the case of the measured temperature of 0° C., and FIG. 7D shows the case of the measured temperature of 25° C., respectively. 7A-7D, the horizontal axis is the impedance real component Z ' [mΩ], and the vertical axis is the impedance imaginary component Z ' ' [mΩ].

測定温度-5℃の場合、図7Aの符号eに示す新品電池(Active)と、図7Aの符号fに示す途中劣化電池(80)(800)のインピーダンス虚数成分Z、すなわち交流インピーダンスの電荷移動抵抗Rctが描くナイキストプロットが顕著に異なる。このため、測定温度-5℃の場合、新品電池と途中劣化電池の識別が可能である。 In the case of a measurement temperature of -5°C, the impedance imaginary component Z of the new battery (Active) indicated by symbol e in FIG. 7A and the halfway deteriorated battery (80) (800) indicated by symbol f in FIG. 7A, that is, the charge of the AC impedance The Nyquist plots drawn by the transfer resistance R ct are significantly different, so that when the measured temperature is -5° C., it is possible to distinguish between a new battery and a halfway deteriorated battery.

測定温度5℃の場合、図7Bの符号gに示すように、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)のインピーダンス虚数成分Zの差異は近接している。測定温度15℃~0℃の場合、新品電池と途中劣化電池を確実に識別することは難しい。
なお、確実に識別できる場合は、マハラノビス距離を使わなくてもできる一方、確実に識別できない場合は、マハラノビス距離を使うと間違う場合が出てくることに留意する。
When the measurement temperature is 5°C, the difference in impedance imaginary component Z between the new battery (Active) and the partially deteriorated battery (80) (800) is close to each other, as indicated by symbol g in Fig. 7B. The measurement temperature is 15°C. At ~0°C, it is difficult to reliably distinguish between new batteries and halfway deteriorated batteries.
It should be noted that if identification is possible without using the Mahalanobis distance, it is possible to avoid using the Mahalanobis distance, but if identification is not possible using the Mahalanobis distance may result in an error.

測定温度25℃の場合、図7Dに示すように、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)のインピーダンス虚数成分Zの差異はより近接している。測定温度25℃の場合、新品電池と途中劣化電池の識別はより困難である。 When the measurement temperature is 25°C, as shown in Fig. 7D, the difference in impedance imaginary component Z between the new battery (Active) and the halfway deteriorated batteries (80, 800) is closer. When the measurement temperature is 25°C. , it is more difficult to distinguish between a new battery and a partially deteriorated battery.

測定温度0℃の場合、図7Cに示すように、新品電池(Active)とより劣化が進んでいる途中劣化電池(800)の電荷移動抵抗Rctが描くナイキストプロットとが近似している一方、劣化の程度が低い途中劣化電池(80)の電荷移動抵抗Rctが描くナイキストプロットの差異は増大している。すなわち、測定温度0℃の場合、新品電池と途中劣化電池の識別は信頼性がない(<測定温度から0℃を除外>参照)。 In the case of the measurement temperature of 0° C., as shown in FIG. The difference in the Nyquist plot drawn by the charge transfer resistance Rct of the partially deteriorated battery (80) with a low degree of deterioration is increasing. That is, when the measured temperature is 0° C., the identification of a new battery and a partially deteriorated battery is unreliable (see <Exclude 0° C. from the measured temperature>).

このように、測定温度25℃、5℃、0℃の場合には、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)の電荷移動抵抗Rctが描くナイキストプロットの差異は大きくないが、測定温度-5℃では、そのインピーダンス虚数成分Zが大きく違うことから、新品電池(Active)の判定、および電池の劣化判定が容易である。 Thus, when the measured temperatures were 25°C, 5°C, and 0°C, the difference between the Nyquist plots drawn by the charge transfer resistance Rct of the new battery (Active) and the partially deteriorated battery (80) was not large, but the measured temperature At −5° C., the impedance imaginary component Z is significantly different, and therefore it is easy to determine whether the battery is new (Active) or whether the battery has deteriorated.

<電池劣化と測定周波数との関係>
実験結果によると、劣化が進むと測定周波数が下がっていく方向で差異がでてくる。本実施形態では、後記図14Cの判定ルーチンで、測定周波数を下げる方向で判定を行う。
<Relationship between battery deterioration and measurement frequency>
According to the experimental results, as the deterioration progresses, a difference appears in the direction in which the measurement frequency decreases. In this embodiment, in the determination routine of FIG. 14C described later, determination is made in the direction of lowering the measurement frequency.

[電池劣化判定装置]
図8は、上記基本的な考え方に基づく本発明の一実施形態に係る電池劣化判定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、リチウムイオン電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置に適用した例である。
図8に示すように、電池劣化判定装置100は、測定対象の電池10(対象電池)の電池状態を設定する電池状態設定部110(電池温度制御手段)と、測定対象の電池10の交流インピーダンスを測定する電池交流インピーダンス測定装置120(インピーダンス測定手段)と、電池10の交流インピーダンスの溶液抵抗を演算する溶液抵抗演算部130(溶液抵抗演算手段)と、電池10の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算する電荷移動抵抗演算部140(電荷移動抵抗演算手段)と、統計的手法のマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離演算部150(距離演算手段)と、電池10の劣化度を判定する電池劣化判定部160(電池劣化判定手段)と、を備える。
[Battery deterioration determination device]
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a battery deterioration determination device according to one embodiment of the present invention based on the above basic idea. This embodiment is an example applied to a battery deterioration determination device that determines the deterioration state of a lithium ion battery.
As shown in FIG. 8, the battery deterioration determination device 100 includes a battery condition setting unit 110 (battery temperature control means) that sets the battery condition of the battery 10 to be measured (battery to be measured), and an AC impedance of the battery 10 to be measured. A battery AC impedance measuring device 120 (impedance measuring means) for measuring, a solution resistance calculating unit 130 (solution resistance calculating means) for calculating the solution resistance of the AC impedance of the battery 10, and the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery 10 A charge transfer resistance calculation unit 140 (charge transfer resistance calculation means) for calculation, a Mahalanobis distance calculation unit 150 (distance calculation means) for calculating the Mahalanobis distance by a statistical method, and a battery deterioration determination unit for determining the degree of deterioration of the battery 10 160 (battery deterioration determination means).

電荷移動抵抗演算部140は、今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算する電荷移動抵抗演算部140Aと、前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算する電荷移動抵抗演算部140Bと、を備える。 The charge transfer resistance calculation unit 140 includes a charge transfer resistance calculation unit 140A that calculates the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured this time, and a charge transfer resistance calculation unit 140B that calculates the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured last time. And prepare.

マハラノビス距離演算部150は、基準空間151と、今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗のマハラノビス距離(Mahalanobis distance)を演算するマハラノビス距離演算部150Aと、前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗のマハラノビス距離を演算するマハラノビス距離演算部150Bと、を備える。 The Mahalanobis distance calculation unit 150 includes a reference space 151, a Mahalanobis distance calculation unit 150A for calculating the Mahalanobis distance of the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured this time, and the charge transfer of the AC impedance of the battery measured last time. and a Mahalanobis distance calculation unit 150B that calculates the Mahalanobis distance of resistance.

電池劣化判定部160は、基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161と、基準新品電池交流インピーダンステーブル162と、を備える。 The battery deterioration determination unit 160 includes a reference battery deterioration level AC impedance table 161 and a reference new battery AC impedance table 162 .

[電池劣化判定装置100に接続される装置]
電池劣化判定装置100には、電池10(対象電池)、電池制御部20および計測部30が接続される。
<電池10>
電池10は、リチウムイオン電池または全固体リチウムイオン電池である。
[Devices Connected to Battery Degradation Determining Device 100]
A battery 10 (target battery), a battery control unit 20 and a measurement unit 30 are connected to the battery deterioration determination device 100 .
<Battery 10>
Battery 10 is a lithium ion battery or an all solid state lithium ion battery.

<電池制御部20>
電池制御部20は、電池10を充放電する充放電制御部21と、電池10を冷却する冷却制御部22(電池温度制御手段)と、を備える。
充放電制御部21は、接続された電池10(対象電池)を充電または放電させるものである。この充放電制御部21は、図示しない、ダミー抵抗と、このダミー抵抗に電流を流して発熱により放電する放電部および外部電源等を供給して電池10を充電する充電部と、を備える。なお、ハイブリッド電気自動車(HEVs)に使用される駆動用電池の場合、ダミー抵抗は、動力モータであり、充電部は車載の充電器になる。
<Battery control unit 20>
The battery control unit 20 includes a charge/discharge control unit 21 that charges and discharges the battery 10 and a cooling control unit 22 (battery temperature control means) that cools the battery 10 .
The charge/discharge control unit 21 charges or discharges the connected battery 10 (target battery). The charging/discharging control unit 21 includes a dummy resistor (not shown), a discharging unit that discharges the dummy resistor by heat generated by passing a current through the dummy resistor, and a charging unit that charges the battery 10 by supplying an external power source or the like. In the case of a drive battery used in hybrid electric vehicles (HEVs), the dummy resistor is the power motor and the charging unit is the onboard charger.

冷却制御部22は、図示しない加熱/冷却手段によって電池10の温度を適正温度(測定時設定温度)に制御する。 The cooling control unit 22 controls the temperature of the battery 10 to an appropriate temperature (preset temperature during measurement) by heating/cooling means (not shown).

冷却制御部22は、電池10の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗(全固体リチウムイオン電池の場合は、イオン移動抵抗)と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域(40%~60%域)となる15℃以下(好ましくは10℃)の測定温度に制御する。
冷却制御部22は、電池10の環境温度を、0℃を除く15℃以下の測定温度に制御する。
The cooling control unit 22 controls the environmental temperature of the battery 10 so that the distribution ratio of the solution resistance or the ion transfer resistance (in the case of an all-solid-state lithium-ion battery, the ion transfer resistance) and the charge transfer resistance of a preset AC impedance are antagonistic. The measurement temperature is controlled to 15° C. or less (preferably 10° C.) in the front and rear regions (40% to 60% region) centering on the point where the temperature rises.
The cooling control unit 22 controls the environmental temperature of the battery 10 to a measurement temperature of 15°C or less, excluding 0°C.

<計測部30>
計測部30は、測定対象の電池10の電池電圧・電池電流を検出する電池電圧・電池電流検出部31と、測定対象の電池10の電池温度を検出する電池温度検出部32(電池温度制御手段)と、測定対象の電池10周囲の外気温度を検出する外気温度検出部33(電池温度制御手段)と、を備える。
<Measurement unit 30>
The measurement unit 30 includes a battery voltage/battery current detection unit 31 for detecting the battery voltage/battery current of the battery 10 to be measured, and a battery temperature detection unit 32 (battery temperature control means) for detecting the battery temperature of the battery 10 to be measured. ) and an outside air temperature detection unit 33 (battery temperature control means) that detects the outside air temperature around the battery 10 to be measured.

<電池状態設定部110>
電池状態設定部110は、電池電力、電池充電電力量、電池放電電力量、SOC、および温度条件を設定する。電池状態設定部110は、測定時設定温度を冷却制御部22に出力する。
<Battery state setting unit 110>
Battery state setting unit 110 sets battery power, battery charge power amount, battery discharge power amount, SOC, and temperature conditions. The battery state setting unit 110 outputs the set temperature for measurement to the cooling control unit 22 .

<電池交流インピーダンス測定装置120>
電池交流インピーダンス測定装置120は、電池10に周波数ω(i)の微小交流信号を印加して測定温度で電池10の交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))を測定する。
電池交流インピーダンス測定装置120は、測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))を、電荷移動抵抗演算部140および電荷移動抵抗演算部140に出力する。
<Battery AC impedance measuring device 120>
The battery AC impedance measuring device 120 applies a minute AC signal with a frequency ω(i) to the battery 10 and measures the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i)), imaginary axis impedance Z ) of the battery 10 at the measurement temperature. (ω(i))) is measured.
Battery AC impedance measuring device 120 outputs the measured AC impedance (real axis impedance Z (ω(i)), imaginary axis impedance Z (ω(i))) to charge transfer resistance calculator 140 and charge transfer resistance calculator 140. Output to unit 140 .

電池交流インピーダンス測定装置120は、図示しない、電池10(対象電池)の電圧を計測する電圧計と、電池10の電流を計測する電流計と、正弦波交流信号を発生し、発生した正弦波交流信号を電池10に印加する交流源と、複素インピーダンス計測部と、を備える。この複素インピーダンス計測部は、例えばインピーダンスアナライザから構成される。
複素インピーダンス計測部(図示省略)は、各測定周波数毎に、電圧計により計測された電圧値Vと電流計により計測された電流値Iとを入力し、電流値Iおよび電圧値Vから各測定周波数の複素インピーダンスを計算で求める。
The battery AC impedance measuring device 120 includes a voltmeter (not shown) for measuring the voltage of the battery 10 (target battery), an ammeter for measuring the current of the battery 10, and a sine wave AC signal to generate a sine wave AC signal. It comprises an alternating current source for applying a signal to the battery 10 and a complex impedance measuring section. This complex impedance measurement unit is configured by, for example, an impedance analyzer.
A complex impedance measurement unit (not shown) inputs the voltage value V measured by the voltmeter and the current value I measured by the ammeter for each measurement frequency, and calculates each measurement from the current value I and the voltage value V. Calculate the complex impedance at frequency.

なお、交流インピーダンスの測定方法は、上述の例に限られず種々の手法を用いることができる。例えば、複数の周波数信号が重畳された電圧波形あるいは電流波形を印加して、電流波形あるいは電圧波形を測定し、電圧波形、電流波形をそれぞれ離散フーリエ変換(DFT)して、周波数成分ごとの比を求めるようにしてもよい。 Incidentally, the method of measuring the AC impedance is not limited to the above example, and various methods can be used. For example, a voltage waveform or current waveform in which multiple frequency signals are superimposed is applied, the current waveform or voltage waveform is measured, the voltage waveform and current waveform are respectively subjected to a discrete Fourier transform (DFT), and the ratio of each frequency component is calculated. may be requested.

<溶液抵抗演算部130>
溶液抵抗演算部130は、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、溶液抵抗(Z) 」Z)=0)を演算して電池劣化判定部160に出力する。Z)は、溶液抵抗の実軸インピーダンス、Z) 溶液抵抗の虚軸インピーダンスである。
<Solution resistance calculator 130>
The solution resistance calculator 130 calculates the solution resistance ( Z ' ( ωm )''Z'' ( ωm )=0) is calculated and output to the battery deterioration determination unit 160. Z ' ( ωm ) is the real axis impedance of the solution resistance, Z'' ( ωm ) is the imaginary axis impedance of the solution resistance.

溶液抵抗演算部130は、インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンスに基づいて、測定周波数を下げていく場合に、交流インピーダンスの実軸インピーダンスと虚軸インピーダンスがゼロクロスするポイント(実軸インピーダンスZ(ω(i)>0、虚軸インピーダンスZ(ω(i))=0)で表わされる溶液抵抗を演算する。 Based on the AC impedance measured by the impedance measuring device 120, the solution resistance calculator 130 calculates the point (real axis impedance Z ' ( ω(i)>0, calculate the solution resistance represented by the imaginary axis impedance Z (ω(i)=0).

<電荷移動抵抗演算部140>
電荷移動抵抗演算部140は、電池状態設定部110の設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算する。
<Charge transfer resistance calculator 140>
The charge transfer resistance calculation unit 140 uses the setting information of the battery state setting unit 110 and the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i)) and imaginary axis impedance Z (ω( Based on i))), the charge transfer resistance of the measured AC impedance of the battery is calculated.

具体的には、電荷移動抵抗演算部140Aは、電池状態設定部110の今回測定した電池における設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算してマハラノビス距離演算部150Aに出力する。
また、電荷移動抵抗演算部140Bは、電池状態設定部110の前回測定した電池における設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算してマハラノビス距離演算部150Bに出力する。
Specifically, the charge transfer resistance calculation unit 140A combines the setting information of the battery measured this time by the battery state setting unit 110 and the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i) ) and the imaginary axis impedance Z (ω(i))), the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured this time is calculated and output to the Mahalanobis distance calculator 150A.
In addition, the charge transfer resistance calculation unit 140B combines the setting information of the battery measured last time by the battery state setting unit 110 and the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i)) measured by the battery AC impedance measurement device 120, imaginary Based on the axial impedance Z (ω(i))), the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured last time is calculated and output to the Mahalanobis distance calculator 150B.

ここで、前回測定した電池の交流インピーダンスとは、電池の劣化状態が更新され、これを記録したデータのことである。電池の劣化状態は初期から進展するが、あきらかに劣化したとシステムが判断した時に、電池の劣化状態を更新する(あきらかに劣化したことを特定するため、例えば所定条件で3回以上劣化判定されたとき、最終回の劣化判定データを用いる)であり、既知のデータである。今回測定した電池の交流インピーダンスとは、上記と同様の劣化判定処理により、あきらかに劣化したとシステムが判断した時に、電池の劣化状態を更新した今回測定の電池の交流インピーダンスデータである。 Here, the AC impedance of the battery that was measured last time is data in which the state of deterioration of the battery is updated and recorded. The deterioration state of the battery progresses from the initial stage, but when the system determines that it has clearly deteriorated, the deterioration state of the battery is updated. The last deterioration judgment data is used), which is known data. The AC impedance of the battery measured this time is the AC impedance data of the battery measured this time when the deterioration state of the battery is updated when the system determines that the battery has clearly deteriorated by the same deterioration determination process as described above.

<マハラノビス距離演算部150>
マハラノビス距離演算部150は、電荷移動抵抗演算部140が演算した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗のマハラノビス距離を演算する。本実施形態では、統計的手法として、マハラノビス距離を含む距離計算を用いる。電池の交流インピーダンスは、非線形判別分析手法の一つであるマハラノビス距離を求め定量評価を行うことで解析する。マハラノビス距離解析は、基準空間151へ多変量である事象を変換し評価する。
<Mahalanobis Distance Calculator 150>
The Mahalanobis distance calculator 150 calculates the Mahalanobis distance of the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery calculated by the charge transfer resistance calculator 140 . In this embodiment, distance calculation including Mahalanobis distance is used as a statistical method. The AC impedance of the battery is analyzed by obtaining the Mahalanobis distance, which is one of the nonlinear discriminant analysis methods, and performing quantitative evaluation. Mahalanobis distance analysis transforms and evaluates events that are multivariate into the reference space 151 .

マハラノビス距離演算部150は、測定交流インピーダンスの分布から、分布の平均値と分散を求めて基準空間151を作る。測定した各周波数のポイントが、基準空間151からどれだけ離れているのかを計算して、周波数同士の差を計算し、この差を基準値「1」と比較して基準値「1」から、例えば「2」以上離れている場合に劣化と判定する。例えば、図4Bの符号bに示すように、電池の測定周波数インピーダンスをマハラノビス距離で解析し、充放電サイクルが800回の電池(800)では、8Hz部分で測定周波数インピーダンスの挙動変化がみられることで、電池の劣化状態を確認する。 The Mahalanobis distance calculator 150 creates a reference space 151 by finding the average value and variance of the distribution from the measured AC impedance distribution. Calculate how far each measured frequency point is from the reference space 151, calculate the difference between the frequencies, compare this difference with the reference value "1", and from the reference value "1", For example, when the distance is "2" or more, it is determined as deterioration. For example, as shown by the symbol b in FIG. 4B, the measured frequency impedance of the battery is analyzed by the Mahalanobis distance, and in the battery (800) with 800 charge-discharge cycles, the behavior change of the measured frequency impedance is observed at the 8 Hz part. Check the state of deterioration of the battery.

マハラノビス距離演算部150Aは、電荷移動抵抗演算部140Aが演算した今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を、マハラノビス距離演算により基準空間151へ多変量である事象に変換して評価対象とし、今回測定した電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離を電池劣化判定部160に出力する。 The Mahalanobis distance calculation unit 150A converts the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured this time calculated by the charge transfer resistance calculation unit 140A into a multivariate event in the reference space 151 by Mahalanobis distance calculation and uses it as an evaluation target, The Mahalanobis distance of the AC impedance of the battery measured this time is output to the battery deterioration determination unit 160 .

また、マハラノビス距離演算部150Bは、電荷移動抵抗演算部140Bが演算した前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を、マハラノビス距離演算により基準空間151へ多変量である事象に変換して評価対象とし、前回測定した電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離を電池劣化判定部160に出力する。 In addition, the Mahalanobis distance calculation unit 150B converts the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured last time calculated by the charge transfer resistance calculation unit 140B into a multivariate event in the reference space 151 by Mahalanobis distance calculation, and evaluates it. , and the previously measured Mahalanobis distance of the AC impedance of the battery is output to the battery deterioration determination unit 160 .

<電池劣化判定部160>
電池劣化判定部160は、電池10の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御された場合において、電池交流インピーダンス測定装置120により測定された電池10の交流インピーダンス測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度または新品電池を判定する。
<Battery deterioration determination unit 160>
The battery deterioration determination unit 160 sets the environmental temperature of the battery 10 to 15° C. or less, which is a region before and after a point at which the distribution ratio of the solution resistance or the ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive. When the measurement temperature is controlled to , the AC impedance measurement data of the battery 10 measured by the battery AC impedance measuring device 120 and the standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery are compared. Determining the degree of deterioration of the battery or whether the battery is new.

電池劣化判定部160は、電池10の環境温度が、0℃を除く測定温度に制御された場合において、電池交流インピーダンス測定装置120により測定された電池10の交流インピーダンス測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度または新品電池を判定する。 The battery deterioration determination unit 160 compares the AC impedance measurement data of the battery 10 measured by the battery AC impedance measuring device 120 and the measurement conditions of the reference battery when the environmental temperature of the battery 10 is controlled to a measurement temperature other than 0°C. The degree of deterioration of the battery or whether the battery is new is determined by comparing with standard AC impedance data previously measured under the same conditions.

電池劣化判定部160は、電池10の環境温度が、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる0℃未満の測定温度に制御された場合において、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池が新品電池か使用済み電池かを判定する。 The battery deterioration determination unit 160 determines that the ambient temperature of the battery 10 is less than 0° C., which is a region before and after a point at which the distribution ratio of the solution resistance or the ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive. When the measurement temperature is controlled to , the measurement data measured by the battery AC impedance measuring device 120 is compared with the standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery to determine whether the battery is a new battery or not. Determine whether the battery is dead or not.

電池劣化判定部160は、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度を判定するとともに、劣化と判定された劣化電池に対して、電池の劣化因子である充電レベル、温度、または負荷電流を下げる電池寿命制御情報を出力する。 The battery deterioration determination unit 160 compares the measurement data measured by the battery AC impedance measuring device 120 with the standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery to determine the degree of deterioration of the battery. For a deteriorated battery determined to be deteriorated, battery life control information for reducing the charge level, temperature, or load current, which are deterioration factors of the battery, is output.

電池劣化判定部160は、溶液抵抗演算部130が演算した溶液抵抗と電荷移動抵抗のキャパシタンス成分によるインピーダンスの遅れが最大となる時の印加周波数の交流インピーダンスデータを比較データとして用いる。 The battery deterioration determination unit 160 uses the AC impedance data of the applied frequency when the impedance delay due to the capacitance components of the solution resistance and the charge transfer resistance calculated by the solution resistance calculation unit 130 is maximum as comparison data.

電池劣化判定部160は、電池交流インピーダンス測定装置120により測定された電池10の交流インピーダンス測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを統計的手法を用いて比較して電池の劣化度または新品電池を判定する。 The battery deterioration determination unit 160 uses a statistical method to compare the AC impedance measurement data of the battery 10 measured by the battery AC impedance measuring device 120 and the standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery. The degree of deterioration of the battery or a new battery is determined by comparison.

本実施形態では、電池劣化判定部160は、溶液抵抗演算部130が演算した溶液抵抗(Z) 」Z)=0)、マハラノビス距離演算部150Aが演算した今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗のマハラノビス距離(Mahalanobis distance)、マハラノビス距離演算部150Bが演算した前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗のマハラノビス距離に基づいて、基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161または基準新品電池交流インピーダンステーブル162を参照して、電池の劣化度または新品電池を判定する。劣化度は、充放電回数で表現することができる。 In this embodiment, the battery deterioration determination unit 160 calculates the solution resistance (Z m ) ”Z m )=0) calculated by the solution resistance calculation unit 130, the current measurement calculated by the Mahalanobis distance calculation unit 150A Based on the Mahalanobis distance of the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery obtained and the previously measured Mahalanobis distance of the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery calculated by the Mahalanobis distance calculation unit 150B, the AC impedance for each reference battery deterioration degree is calculated. The degree of deterioration of the battery or the new battery is determined by referring to the table 161 or the reference new battery AC impedance table 162. The degree of deterioration can be expressed by the number of charge/discharge cycles.

このように、電池劣化度毎交流インピーダンスの解析は、非線形判別分析手法のマハラノビス距離を求め定量評価を行う。マハラノビス距離解析は、基準空間へ多変量である事象を変換し評価する。 In this way, the analysis of the AC impedance for each degree of battery deterioration is performed by obtaining the Mahalanobis distance of the nonlinear discriminant analysis method and performing quantitative evaluation. Mahalanobis distance analysis transforms and evaluates events that are multivariate into the reference space.

また、本実施形態では、溶液抵抗演算部130は、溶液抵抗(Z) 」Z)=0)を演算して電池劣化判定部160に出力する。電池劣化判定部160は、電荷移動抵抗のキャパシタンス成分によるインピーダンスの遅れが最大となる時の印加周波数の交流インピーダンスデータを比較データとして用いることができる。電池劣化判定部160は、ナイキストプロットが描く円弧の頂点またはその傾きが0となる曲線を統計的手法を用いて選び、当該選んだ基準ナイキストプロットを基に電池の劣化度を判定する。 Further, in the present embodiment, the solution resistance calculator 130 calculates the solution resistance (Z m )″Z m )=0) and outputs it to the battery deterioration determiner 160. Battery deterioration determiner. 160 can use the AC impedance data of the applied frequency when the impedance delay due to the capacitance component of the charge transfer resistance is maximum as comparison data. A curve with a slope of 0 is selected using a statistical method, and the degree of deterioration of the battery is determined based on the selected reference Nyquist plot.

電池劣化判定部160は、専用端末装置のほか、コンピュータプログラムに従って動作を行う。PC(personal computer)等の情報処理装置により構成することができる。電池劣化判定部160は、計測結果および解析結果をSSD(Solid State Drive)等の記録媒体に記録し、またモニタ装置等の出力手段に出力することが可能である。 The battery deterioration determination unit 160 operates according to a computer program as well as a dedicated terminal device. It can be configured by an information processing device such as a PC (personal computer). The battery deterioration determination unit 160 can record the measurement results and analysis results in a recording medium such as an SSD (Solid State Drive) and output them to output means such as a monitor device.

<基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161>
基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161は、基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータを、標準電池の劣化度毎に、標準電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離として記憶する。
<AC impedance table 161 for each reference battery deterioration degree>
The standard battery deterioration level AC impedance table 161 stores standard AC impedance data previously measured under the same conditions as those of the standard battery as the Mahalanobis distance of the standard battery AC impedance for each standard battery deterioration level.

基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161は、電池の温度を適正に制御した基準電池の充放電回数毎の交流インピーダンスデータを記憶し、電池劣化判定部160により参照される。なお、基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161は、充放電回数毎のマッチング用テーブルである。 The AC impedance table for each reference battery deterioration degree 161 stores AC impedance data for each charge/discharge frequency of a reference battery whose temperature is appropriately controlled, and is referred to by the battery deterioration determination unit 160 . The AC impedance table 161 for each reference battery deterioration degree is a matching table for each charge/discharge cycle.

図9は、基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161の一例を示す図である。
基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161は、劣化度n(充放電回数に相当)毎の、各測定周波数(0.1Hz,0.2Hz,…,5Hz,…,xHz,…,1000Hz)における標準電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離(Mahalanobis distance)MD(n,x)を記憶する。
なお、上記充放電回数や測定周波数などの設定条件は、一例であって限定されない。また、図9に示す基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161が、電池温度間隔毎に、データベースとして蓄積される。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the AC impedance table 161 for each reference battery deterioration level.
The AC impedance table 161 for each reference battery deterioration degree is a standard at each measurement frequency (0.1 Hz, 0.2 Hz, . Store the Mahalanobis distance MD(n,x) of the AC impedance of the battery.
Note that the setting conditions such as the number of charge/discharge times and the measurement frequency are only examples and are not limited. In addition, an AC impedance table 161 for each reference battery deterioration level shown in FIG. 9 is stored as a database for each battery temperature interval.

<基準新品電池交流インピーダンステーブル162>
基準新品電池交流インピーダンステーブル162は、基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータを、標準電池の劣化度毎に、標準電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離として記憶する。
<Reference New Battery AC Impedance Table 162>
The reference new battery AC impedance table 162 stores standard AC impedance data previously measured under the same conditions as those of the reference battery as Mahalanobis distances of AC impedance of the standard battery for each degree of deterioration of the standard battery.

基準新品電池交流インピーダンステーブル162は、電池の温度を適正に制御した基準電池の充放電回数毎の交流インピーダンスデータを記憶し、電池劣化判定部160により参照される。 The reference new battery AC impedance table 162 stores AC impedance data for each charge/discharge frequency of a reference battery whose temperature is appropriately controlled, and is referred to by the battery deterioration determination unit 160 .

図10は、基準新品電池交流インピーダンステーブル162の一例を示す図である。
基準新品電池交流インピーダンステーブル162は、各測定周波数(0.2Hz,…,1Hz,…,xHz,…,1000Hz)毎の新品電池の交流インピーダンスのマハラノビス距離MD(n,x)と、新品電池判定のための閾値Thとを記憶する。
FIG. 10 is a diagram showing an example of the reference new battery AC impedance table 162. As shown in FIG.
The reference new battery AC impedance table 162 shows the Mahalanobis distance MD (n, x) of the AC impedance of the new battery for each measurement frequency (0.2 Hz, . . . , 1 Hz, . . . , x Hz, . and store the threshold Th for .

以下、上述のように構成された電池劣化判定装置100の動作について説明する。
まず、電池劣化判定装置100(図8参照)の全体動作について説明する。
図11は、電池劣化判定装置100の全体動作を示すフローチャートである。
ステップS1で電池劣化判定装置100の電池劣化判定部160は、システムリセットされたか否かを判別し、システムリセットされた場合は、ステップS2の新品/劣化電池判定処理ルーチンに進み、システムリセットされていない場合は、通常劣化処理であるステップS3の劣化判定処理ルーチンに進む。
The operation of the battery deterioration determination device 100 configured as described above will be described below.
First, the overall operation of the battery deterioration determination device 100 (see FIG. 8) will be described.
FIG. 11 is a flow chart showing the overall operation of the battery deterioration determination device 100. As shown in FIG.
In step S1, the battery deterioration determination unit 160 of the battery deterioration determination device 100 determines whether or not the system has been reset. If the system has been reset, the process proceeds to a new/deteriorated battery determination processing routine in step S2, and the system has been reset. If not, the process proceeds to the deterioration determination processing routine of step S3, which is normal deterioration processing.

ステップS2では、電池劣化判定部160は、新品/使用品電池判定処理ルーチン(図12参照)を実行し、新品/使用品電池判定処理ルーチン実行後ステップS3に進む。 In step S2, the battery deterioration determination unit 160 executes a new/used battery determination processing routine (see FIG. 12), and after executing the new/used battery determination processing routine, proceeds to step S3.

ステップS3では、電池劣化判定部160は、劣化判定処理ルーチン(図14A-C参照)を実行し、劣化判定処理ルーチン実行後本フローの処理を終了する。 In step S3, the battery deterioration determination unit 160 executes a deterioration determination processing routine (see FIGS. 14A to 14C), and after executing the deterioration determination processing routine, ends the processing of this flow.

<新品/使用品電池判定処理ルーチン>
図12は、電池劣化判定装置100の新品/使用品電池判定処理を示すフローチャートであり、図11のステップS2のサブルーチンコールで呼び出され実行される。
図12に示すように、ステップS101で計測部30(図8参照)の外気気温検出部33は、環境温度を冷却制御部22に入力する。
ステップS102で冷却制御部22は、0℃を下回るか否かを判別する。
環境温度が0℃を下回る場合(ステップS102:Yes)、ステップS104に進む。
<New/Used Battery Judgment Processing Routine>
FIG. 12 is a flowchart showing the new/used battery determination process of the battery deterioration determination apparatus 100, which is called and executed by the subroutine call of step S2 in FIG.
As shown in FIG. 12, the outside air temperature detection unit 33 of the measurement unit 30 (see FIG. 8) inputs the environmental temperature to the cooling control unit 22 in step S101.
In step S102, the cooling control unit 22 determines whether or not the temperature is below 0°C.
If the environmental temperature is below 0° C. (step S102: Yes), the process proceeds to step S104.

ステップS103で計測部30の電池温検出部32は、電池温度を冷却制御部22に入力する。
電池温度が0℃を下回る場合(ステップS104:Yes)、ステップS109に進む。
In step S<b>103 , the battery temperature detection unit 32 of the measurement unit 30 inputs the battery temperature to the cooling control unit 22 .
If the battery temperature is below 0°C (step S104: Yes), the process proceeds to step S109.

一方、ステップS105で電池交流インピーダンス測定装置120(図8参照)は、交流インピーダンスプロットを測定し、測定した電池10のインピーダンス測定データ(Z(ω),Z(ω))を溶液抵抗演算部130および電荷移動抵抗演算部140(図8参照)に出力する。
ステップS107で電荷移動抵抗演算部140(図8参照)は、電池状態設定部110の設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、インピーダンスの実数成分Zと虚数成分Zとで表される複素平面上にプロットしてナイキストプロットを求め(Zpeak_measure f_Zpeak_measure)、マハラノビス距離演算部150(図8参照)に出力する。
On the other hand, in step S105, the battery AC impedance measuring device 120 (see FIG. 8) measures the AC impedance plot, and uses the measured impedance measurement data (Z (ω), Z (ω)) of the battery 10 to calculate the solution resistance. It outputs to the section 130 and the charge transfer resistance calculation section 140 (see FIG. 8).
In step S107, the charge transfer resistance calculation unit 140 (see FIG. 8) sets the setting information of the battery state setting unit 110 and the AC impedance measured by the battery AC impedance measuring device 120 (real axis impedance Z (ω(i)), Based on the imaginary axis impedance Z (ω(i))), a Nyquist plot is obtained by plotting on the complex plane represented by the impedance real number component Z and the imaginary number component Z (Z peak_measure f_Z peak_measure ) and output to the Mahalanobis distance calculator 150 (see FIG. 8).

具体的には、電荷移動抵抗演算部140Aは、電池状態設定部110の今回測定した電池における設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、今回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算してマハラノビス距離演算部150Aに出力する。
また、電荷移動抵抗演算部140Bは、電池状態設定部110の前回測定した電池における設定情報と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))に基づいて、前回測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算してマハラノビス距離演算部150Bに出力する。
Specifically, the charge transfer resistance calculation unit 140A combines the setting information of the battery measured this time by the battery state setting unit 110 and the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i) ) and the imaginary axis impedance Z (ω(i))), the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured this time is calculated and output to the Mahalanobis distance calculator 150A.
In addition, the charge transfer resistance calculation unit 140B combines the setting information of the battery measured last time by the battery state setting unit 110 and the AC impedance (real axis impedance Z (ω(i)) measured by the battery AC impedance measurement device 120, imaginary Based on the axial impedance Z (ω(i))), the charge transfer resistance of the AC impedance of the battery measured last time is calculated and output to the Mahalanobis distance calculator 150B.

ステップS108で電荷移動抵抗演算部140は、インピーダンスの実数成分Zと虚数成分Zとで表される複素平面上にプロットした電池のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(傾きが0になるところ)を求め(Zpeak_model f_Zpeak_model)、さらにこのインピーダンスカーブを、図12の破線枠囲みhに示す補正係数(K_Zpeak K_ f_Zpeak)で補正する。上記ナイキストプロットが描く円弧の頂上部の算出(Zpeak_model f_Zpeak_model)について図13を参照して説明する。 In step S108, the charge transfer resistance calculator 140 calculates the top of the arc drawn by the Nyquist plot of the battery plotted on the complex plane represented by the real component Z ' and the imaginary component Z ' ' of the impedance (where the slope becomes 0). ) is obtained (Z peak_model f_Z peak_model), and this impedance curve is corrected by the correction coefficient (K_Z peak K_f_Z peak) shown in the dashed box h in FIG. Calculation of part (Z peak_model f_Z peak_model) will be described with reference to FIG.

図13は、測定環境温度が-5℃の場合、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)の充放電回数と交流インピーダンス特性を示す図である。横軸はインピーダンス実数成分Z [mΩ]、縦軸はインピーダンス虚数成分Z [mΩ]である。
図13の符号eは、新品電池(Active)の交流インピーダンスプロットを表わし、図13の符号fは、途中劣化電池(80)(800)の交流インピーダンスプロットを表わす。図13の矢印iは、新品電池(Active)のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(Zpeak_model)までのインピーダンス虚数成分Z [mΩ]の大きさを示し、図14の符号jは、その(Zpeak_model)のときの交流インピーダンスカーブの測定周波数(f_ Zpeak_model)を示す。
FIG. 13 is a diagram showing the number of charging/discharging times and AC impedance characteristics of a new battery (Active) and partially deteriorated batteries (80, 800) when the measured environmental temperature is -5°C. The horizontal axis is the impedance real component Z ' [mΩ], and the vertical axis is the impedance imaginary component Z [mΩ].
Symbol e in FIG. 13 represents an AC impedance plot of a new battery (Active), and symbol f in FIG. 13 represents AC impedance plots of halfway deteriorated batteries (80) and (800). The arrow i in FIG. 13 indicates the magnitude of the impedance imaginary component Z [mΩ] up to the top (Z peak_model) of the arc drawn by the Nyquist plot of the new battery (Active), and the symbol j in FIG. Fig. 3 shows the measurement frequency (f_Z " peak_model) of the AC impedance curve when (Z" peak_model ).

図13に示すように、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(Zpeak_model)の比較により、測定環境温度を0℃よりさらに下げた状態(ここでは測定環境温度が-5℃の場合)では、今までわからなかった新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)の識別が可能となる。ただし、本実施形態では、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)の識別において、後記するように交流インピーダンスの電荷移動抵抗を求めた上、さらにマハラノビス距離演算部150によるマハラノビス距離解析を行う。これにより、判定精度を向上させる。 As shown in Fig. 13, by comparing the peaks (Z peak_model) of the arcs drawn by the Nyquist plots of the new battery (Active) and the halfway deteriorated batteries (80 and 800), the measurement environment temperature was further lowered below 0°C. In the state (here, when the measured environmental temperature is −5° C.), it becomes possible to distinguish between a new battery (Active) and a halfway deteriorated battery (80) (800), which has not been known until now.However, in this embodiment, In identifying the new battery (Active) and the halfway deteriorated battery (80) (800), the charge transfer resistance of the AC impedance is obtained as described later, and the Mahalanobis distance analysis is performed by the Mahalanobis distance calculation unit 150. As a result, Improve judgment accuracy.

図12のフローに戻って、ステップS109で電池劣化判定部160は、周波数と虚軸インピーダンス条件は満足しているか否かを判定する。すなわち、電池劣化判定部160は、式(1)を満足するか否かを判定する。
peak_measure<Zpeak_model+K_Zpeak
f_Zpeak_measure>f_ Zpeak_model+K_f_Zpeak …(1)
Returning to the flow of FIG. 12, in step S109, the battery deterioration determination unit 160 determines whether or not the frequency and imaginary axis impedance conditions are satisfied. That is, battery deterioration determination unit 160 determines whether or not expression (1) is satisfied.
Z peak_measure<Z peak_model+K_Z peak
f_Z peak_measure>f_Z peak_model+K_f_Z peak … (1)

ここで、本実施形態では、上記式(1)のインピーダンス条件をもとに、さらにマハラノビス距離演算部150によるマハラノビス距離解析により電池劣化判定部160が電池新品を判定する。すなわち、電池劣化判定部160は、複素インピーダンス処理部132で処理された交流インピーダンス測定データと、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(Zpeak_model)とを、マハラノビス距離で比較する。 Here, in the present embodiment, the battery deterioration determination unit 160 determines whether the battery is new based on the impedance condition of the above equation (1) and further by the Mahalanobis distance analysis by the Mahalanobis distance calculation unit 150 . That is, the battery deterioration determination unit 160 combines the AC impedance measurement data processed by the complex impedance processing unit 132 with the apex (Z peak_model) using the Mahalanobis distance.

具体的には、図10に示す基準新品電池交流インピーダンステーブル162の基準新品電池交流インピーダンスのマハラノビス距離MD(n,x)を、新品電池判定のための閾値Thと比較する。電池劣化判定部160は、マハラノビス距離MD(n,x)が閾値Th以下の場合、ステップS110で新品電池であると判定し、マハラノビス距離MD(n,x)が閾値Thより大きい場合、ステップS111で使用品と判定して本フローの処理を終える。 Specifically, the Mahalanobis distance MD(n, x) of the reference new battery AC impedance in the reference new battery AC impedance table 162 shown in FIG. 10 is compared with the threshold value Th for new battery determination. If the Mahalanobis distance MD(n,x) is less than or equal to the threshold Th, the battery deterioration determination unit 160 determines that the battery is new in step S110, and if the Mahalanobis distance MD(n,x) is greater than the threshold Th, step S111. is determined to be a used product, and the processing of this flow ends.

なお、測定環境温度を0℃より下げた場合、図13に示すように、新品電池(Active)と途中劣化電池(80)(800)のナイキストプロットが描く円弧の頂上部(Zpeak_model)の交流インピーダンスカーブの測定周波数(f_ Zpeak_model)の差異は顕著であることが判明した。このため、電池新品判定の場合は、マハラノビス距離解析を用いることなく、上記式(1)の条件を満たすか否かにより、電池新品判定を行ってもよい。 When the measurement environment temperature is lowered below 0°C, as shown in FIG . It was found that the difference in the measurement frequency (f_Z peak_model) of the AC impedance curve is remarkable. Therefore, in the case of new battery determination, the new battery determination may be performed based on whether or not the condition of the above formula (1) is satisfied without using Mahalanobis distance analysis.

このように、常温では、交流インピーダンスは殆ど変わらないが、電池の環境温度を0℃より下げると、電池の交流インピーダンスは大きくなる。特に、充放電サイクルを少しでも重ねた電池(80)と、新品の電池(Active)とでは計測周波数を4Hz以下に下げると挙動が大きく変わることが分かった。図13に示すように、0℃を下回る環境温度域では、新品電池(Active)(図13の符号e参照)と僅かな使用電池(80)(図13の符号f参照)とで区別ができる。電池新品判定装置100Aは、今まで見分けがつかなかった新品と使用品の区別ができ、例えば故意に新品と偽っても真偽を判定できる。 Thus, at room temperature, the AC impedance hardly changes, but when the environmental temperature of the battery is lowered below 0° C., the AC impedance of the battery increases. In particular, it was found that the behavior of the battery (80), which had been subjected to even a few charge-discharge cycles, and the new battery (Active) changed greatly when the measurement frequency was lowered to 4 Hz or less. As shown in FIG. 13, in the environmental temperature range below 0° C., it is possible to distinguish between a new battery (Active) (see symbol e in FIG. 13) and a slightly used battery (80) (see symbol f in FIG. 13). . The new battery determination device 100A can distinguish between new and used batteries, which have been indistinguishable until now, and can determine the authenticity even if the battery is intentionally faked as new, for example.

<劣化判定処理ルーチン>
図14A-Cは、電池劣化判定装置100の劣化判定処理を示すフローチャートであり、図11のステップS3のサブルーチンコールで呼び出され実行される。
図14Aに示すように、ステップS201で経過時間をカウントする。
ステップS202で電池交流インピーダンス測定装置120は、サンプリング電圧を入力する。
ステップS203で電池交流インピーダンス測定装置120は、サンプリング電流を入力する。
ステップS204で電池制御部20の充放電制御部21は、電力量を計算する。
ステップS205で充放電制御部21は、充電電力量を積算する。
ステップS206で充放電制御部21は、放電電力量を積算する。
<Degradation determination processing routine>
FIGS. 14A to 14C are flowcharts showing deterioration determination processing of the battery deterioration determination device 100, which are called and executed by the subroutine call of step S3 in FIG.
As shown in FIG. 14A, elapsed time is counted in step S201.
In step S202, battery AC impedance measuring device 120 inputs a sampling voltage.
In step S203, battery AC impedance measuring device 120 inputs the sampling current.
In step S204, the charge/discharge control unit 21 of the battery control unit 20 calculates the amount of power.
In step S205, the charge/discharge control unit 21 integrates the charge power amount.
In step S206, the charge/discharge control unit 21 integrates the amount of discharged power.

交流インピーダンスを計測する時の条件は、同じ劣化状態でもインピーダンス特性は変わった形で計測される場合がある。このため、比較対象の電池の電池状態を揃えておく必要がある。電池状態設定部110は、電池電力、電池充電電力量、電池放電電力量、SOC、および温度条件について、電池の電池状態を設定する。 When measuring the AC impedance, the impedance characteristics may be measured differently even if the deterioration state is the same. Therefore, it is necessary to match the battery states of the batteries to be compared. Battery state setting unit 110 sets the battery state of the battery with respect to battery power, battery charge power amount, battery discharge power amount, SOC, and temperature conditions.

ステップS207で電池状態設定部110は、所定時間を経過したか否かを判別し、所定時間が経過した場合、ステップS208で充電電力量が所定値を超えたか否かを判別する。
ステップS209で電池状態設定部110は、放電電力量が所定値を超えたか否かを判別し、放電電力量が所定値を超えた場合、ステップS210で電力の入出力が所定時間以上ないか否かを判別する。
ステップS211で電池状態設定部110は、電池のSOCが所定値内か否かを判別し、電池のSOCが所定値を超えた場合、ステップS212で外気温度が所定範囲内か否かを判別する。
ステップS213で電池状態設定部110は、電池温度が所定範囲内か否かを判別し、電池温度が所定範囲を超えた場合、ステップS214(図14B参照)に進む。
In step S207, battery state setting unit 110 determines whether or not a predetermined period of time has elapsed, and if the predetermined period of time has elapsed, determines in step S208 whether or not the charged power amount has exceeded a predetermined value.
In step S209, battery state setting unit 110 determines whether or not the amount of discharged power exceeds a predetermined value.If the amount of discharged power exceeds the predetermined value, in step S210 it determines whether power input/output has not occurred for a predetermined time or longer. determine whether
In step S211, the battery state setting unit 110 determines whether or not the battery SOC is within a predetermined value, and if the battery SOC exceeds the predetermined value, determines in step S212 whether or not the outside temperature is within a predetermined range. .
In step S213, battery state setting unit 110 determines whether the battery temperature is within a predetermined range. If the battery temperature exceeds the predetermined range, the process proceeds to step S214 (see FIG. 14B).

上記ステップS207で所定時間を経過していない場合、上記ステップS208で充電電力量が所定値を超えていない場合、上記ステップS209で放電電力量が所定値を超えていない場合、上記ステップS210で電力の入出力が所定時間未満の場合、上記ステップS211で電池のSOCが所定値外の場合、上記ステップS212で外気温度が所定範囲でない場合、または、上記ステップS213で電池温度が所定範囲でない場合、上記ステップS201に戻る。 If the predetermined time has not elapsed in step S207, if the charged power amount does not exceed the predetermined value in step S208, and if the discharged power amount does not exceed the predetermined value in step S209, the power is discharged in step S210. input/output is less than a predetermined time, if the SOC of the battery is outside the predetermined value in step S211, if the outside air temperature is out of the predetermined range in step S212, or if the battery temperature is out of the predetermined range in step S213, Return to step S201.

ここで、容量劣化が進んだ電池であってもEND処理へ飛んで終了することはない。所定時間が経過した場合や、所定充電電力量が充電された場合などに、ステップS214(図14B参照)以降のルーチンへ進む。通常は、再度、上記ステップS201へ戻り、ステップS214以降のルーチンへ進まないので、マハラノビス距離計算も行われない。 Here, even if the battery has deteriorated in capacity, the process does not jump to the END process and end. When a predetermined time has passed, or when a predetermined charging power amount has been charged, the process proceeds to the routine after step S214 (see FIG. 14B). Normally, the process returns to step S201 again and does not proceed to the routine after step S214, so Mahalanobis distance calculation is not performed either.

ステップS214で電池交流インピーダンス測定装置120は、電池10に周波数ω(i)(i=1,2,…,n)の微小交流信号を印加して測定温度で電池10の交流インピーダンス(実軸インピーダンスZ(ω(i))、虚軸インピーダンスZ(ω(i)))カーブを測定する。 In step S214, the battery AC impedance measuring device 120 applies a minute AC signal with a frequency ω(i) (i=1, 2, . . . , n) to the battery 10 to Z ' (ω(i)), imaginary axis impedance Z (ω(i))) curves are measured.

ステップS215で溶液抵抗演算部130は、虚軸インピーダンスZ)=0の時のωから、実軸のインピーダンスZ)を求める補間計算を行う。ここで、ω≠ω(i)の場合は、ω(i)<ω<ω(i+1)から実軸のインピーダンスZ)を補間計算する。 In step S215, the solution resistance calculator 130 performs an interpolation calculation to obtain the real axis impedance Z m ) from ω m when the imaginary axis impedance Z m )=0. If ≠ω(i), the real axis impedance Z ' ( ωm ) is calculated by interpolation from ω(i)< ωm <ω(i+1).

ステップS216で溶液抵抗演算部130は、補間計算により求めた実軸のインピーダンスZ)を、電池の溶液抵抗として図示しない記録手段に一時記録する。 In step S216, the solution resistance calculator 130 temporarily records the real axis impedance Z 'm ) obtained by the interpolation calculation in a recording means (not shown) as the solution resistance of the battery.

ステップS217でマハラノビス距離演算部150は、マハラノビス距離を求める前に基準空間151を設定する。マハラノビス距離演算部150は、測定交流インピーダンスの分布から、分布の平均値と分散を求めて基準空間151を設定する。 In step S217, the Mahalanobis distance calculator 150 sets the reference space 151 before obtaining the Mahalanobis distance. The Mahalanobis distance calculator 150 obtains the average value and variance of the distribution from the distribution of the measured AC impedance to set the reference space 151 .

ステップS218でマハラノビス距離演算部150Aは、今回測定した電池の交流インピーダンスカーブ(ここでは交流インピーダンスの電荷移動抵抗)のマハラノビス距離を計算する。すなわち、マハラノビス距離演算部150Aは、今回測定した電池の交流インピーダンスカーブと設定した基準空間151とのマハラノビス距離を計算する。 In step S218, the Mahalanobis distance calculation unit 150A calculates the Mahalanobis distance of the AC impedance curve (here, charge transfer resistance of AC impedance) of the battery measured this time. That is, the Mahalanobis distance calculator 150A calculates the Mahalanobis distance between the AC impedance curve of the battery measured this time and the set reference space 151 .

ステップS219でマハラノビス距離演算部150Bは、前回測定した電池の交流インピーダンスカーブの計算結果を読み出す。すなわち、マハラノビス距離演算部150Bは、前回測定した電池の交流インピーダンスカーブと設定した基準空間151とのマハラノビス距離の計算結果を読み出す。 In step S219, the Mahalanobis distance calculation unit 150B reads out the calculation result of the AC impedance curve of the battery measured last time. That is, the Mahalanobis distance calculator 150B reads out the calculation result of the Mahalanobis distance between the previously measured AC impedance curve of the battery and the set reference space 151 .

ステップS220で電池劣化判定部160は、電池10に印加する同じ周波数ω(i)(i=1,2,…,n)の微小交流信号に対して、マハラノビス距離演算部150Aが今回測定した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離と、マハラノビス距離演算部150Bが前回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離とを測定周波数ごとに比較し、比較結果が所定値を超えているか否かを判別する。 In step S220, the battery deterioration determination unit 160 detects the minute AC signal of the same frequency ω(i) (i=1, 2, . . . , n) applied to the battery 10, and the AC The Mahalanobis distance of the impedance curve and the Mahalanobis distance of the AC impedance curve previously measured and recorded by the Mahalanobis distance calculator 150B are compared for each measurement frequency, and it is determined whether the comparison result exceeds a predetermined value.

比較結果が所定値を超えている場合(ステップS220:Yes)、ステップS221に進む。比較結果が所定値を超えていない場合(ステップS220:No)、本フローの処理を終了する。 If the comparison result exceeds the predetermined value (step S220: Yes), the process proceeds to step S221. If the comparison result does not exceed the predetermined value (step S220: No), the process of this flow ends.

ステップS221(図14C参照)で電池劣化判定部160は、比較結果がω<ωの関係にあるか否かを判別する。ここで、ωは、前回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離と、前々回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離の比較結果で、所定値を超えていた周波数である。また、ωは、今回測定した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離と、前回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離の比較結果で、所定値を超えていた周波数である。 In step S221 (see FIG. 14C), the battery deterioration determination unit 160 determines whether the comparison result satisfies the relationship ω 10 . Here, ω 0 is the frequency exceeding a predetermined value in the comparison result between the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured and recorded last time and the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured and recorded the time before last. Also, ω1 is the frequency exceeding a predetermined value in the comparison result between the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured this time and the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured and recorded last time.

上述したように、劣化が進むと測定周波数が下がっていく方向で差異がでてくることが実験結果により分かっているので、測定周波数を下げる方向で判定を行う。 As described above, since it is known from the experimental results that the measurement frequency decreases as the deterioration progresses, the determination is made in the direction of decreasing the measurement frequency.

比較結果がω<ωの関係にある場合(ステップS221:Yes)、ステップS222に進み、比較結果がω≧ωの関係にある場合(ステップS222:Yes)、本フローの処理を終了する。 If the comparison result satisfies the relationship ω 10 (step S221 : Yes), the process proceeds to step S222; finish.

ステップS222で電池劣化判定部160は、基準電池の交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離を読み出す。具体的には、電池劣化判定部160は、基準電池の交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離を、基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル161(図9参照)テーブルから読み出す。 In step S222, battery deterioration determination unit 160 reads the Mahalanobis distance of the AC impedance curve of the reference battery. Specifically, the battery deterioration determining unit 160 reads the Mahalanobis distance of the AC impedance curve of the reference battery from the AC impedance table for each reference battery deterioration degree 161 (see FIG. 9).

ステップS223で電池劣化判定部160は、基準電池の交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離に対して、今回測定した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離がどの劣化度にあるのかを補間計算する。 In step S223, the battery deterioration determination unit 160 interpolates to calculate the degree of deterioration of the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured this time with respect to the Mahalanobis distance of the AC impedance curve of the reference battery.

ステップS224は、<劣化度の更新ステップ>である。ステップS224で電池劣化判定部160は、電池劣化位置の更新を行う。すなわち、電池の劣化度を更新し、この結果を記録する。 Step S224 is a <deterioration level updating step>. In step S224, the battery deterioration determination unit 160 updates the battery deterioration position. That is, the degree of deterioration of the battery is updated and this result is recorded.

このように、今回測定した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離と、前回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離とを測定周波数ごとに比較し、比較結果が所定値を超え(ステップS220)、かつ、ω<ωの関係にある場合(ステップS221)、電池劣化位置の更新が行われ、以下の処理で交流インピーダンスカーブの更新が行われる。 In this way, the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured this time and the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured and recorded last time are compared for each measurement frequency, and the comparison result exceeds a predetermined value (step S220) and ω 1 If there is a relationship of <ω 0 (step S221), the battery deterioration position is updated, and the AC impedance curve is updated by the following processing.

ステップS225は、<溶液抵抗の更新ステップ>である。ステップS225で電池劣化判定部160は、実軸のインピーダンスZ)を、電池の溶液抵抗として更新する。 Step S225 is <step of updating solution resistance>. In step S225, the battery deterioration determination unit 160 updates the real axis impedance Z ' ( ωm ) as the solution resistance of the battery.

溶液抵抗の更新について述べる。
交流インピーダンスカーブが実軸からの立ち上がりナイキスト線図を描く時、虚軸インピーダンスZ)=0の時のωから、実軸のインピーダンスZ)が電池の溶液抵抗である。電池の溶液抵抗を新たな電池劣化位置へ更新し、これを記録する。この溶液抵抗の更新は、ステップS216(図14B参照)で記録手段に一時記録されたデータを、条件を満たした時の溶液抵抗として更新することである。
The update of solution resistance is described.
When the AC impedance curve draws a rising Nyquist diagram from the real axis, from ω m when the imaginary axis impedance Z m )=0, the real axis impedance Z m ) is the solution resistance of the battery. The solution resistance of the battery is updated to the new battery deterioration position, and this is recorded.This update of the solution resistance is performed by replacing the data temporarily recorded in the recording means in step S216 (see FIG. 14B) with the data that satisfies the conditions. It is to update as the solution resistance of time.

ステップS226およびステップS227は、<電荷移動抵抗の更新ステップ>である。まず、ステップS226で電池劣化判定部160は、電池の交流インピーダンスカーブの更新を行う。具体的には、電池劣化判定部160は、今回測定した交流インピーダンスカーブを、前回測定記録した交流インピーダンスカーブに代えて記録更新する。 Steps S226 and S227 are <steps for updating the charge transfer resistance>. First, in step S226, the battery deterioration determination unit 160 updates the AC impedance curve of the battery. Specifically, the battery deterioration determination unit 160 replaces the AC impedance curve measured this time with the AC impedance curve measured and recorded last time and updates the record.

ステップS227で電池劣化判定部160は、交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離の更新を行って本フローの処理を終える。具体的には、電池劣化判定部160は、今回測定した測定した交流インピーダンスカーブと設定した基準空間とのマハラノビス距離を、前回測定記録した交流インピーダンスカーブのマハラノビス距離に代えて記録更新する。 In step S227, battery deterioration determination unit 160 updates the Mahalanobis distance of the AC impedance curve, and ends the processing of this flow. Specifically, the battery deterioration determination unit 160 updates the Mahalanobis distance between the AC impedance curve measured this time and the set reference space instead of the Mahalanobis distance of the AC impedance curve measured and recorded last time.

[効果]
以上説明したように、本実施形態に係る電池劣化判定装置100は、電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御する冷却制御部22と、測定温度で電池の交流インピーダンスデータを測定する電池交流インピーダンス測定装置120と、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度を判定する電池劣化判定部160と、を備える。
[effect]
As described above, the battery deterioration determination device 100 according to the present embodiment determines the point at which the distribution ratio of the solution resistance or the ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive with the environmental temperature of the battery. A cooling control unit 22 that controls the measurement temperature to be 15 ° C. or less, which is the front and back region of the center, a battery AC impedance measurement device 120 that measures the battery AC impedance data at the measurement temperature, and the battery AC impedance measurement device 120 measured. A battery deterioration determination unit 160 that determines the degree of deterioration of the battery by comparing the measurement data with standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery.

そして、本実施形態に係る電池劣化判定方法は、電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下で、かつ、0℃を除く測定温度に制御するステップと、測定温度で電池の交流インピーダンスデータを測定するステップと、測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度を判定するステップと、を有する。 Then, in the method for determining battery deterioration according to the present embodiment, the environmental temperature of the battery is set in a range before and after a point at which the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance of the preset AC impedance and the charge transfer resistance is competitive. A step of controlling the measurement temperature to 15 ° C. or less and excluding 0 ° C., a step of measuring the AC impedance data of the battery at the measurement temperature, and the measured measurement data and the measurement conditions of the reference battery in advance under the same conditions and determining the degree of deterioration of the battery by comparing it with the measured standard AC impedance data.

ここで、電池劣化判定装置および電池劣化判定方法の計算、演算処理はコンピュータのプログラムで実行することができる。 Here, the calculation and arithmetic processing of the battery deterioration determination device and the battery deterioration determination method can be executed by a computer program.

解決課題で述べたように、特許文献4に記載の鉛蓄電池のように、劣化状況に対して交流インピーダンスの内部抵抗がリニアに上昇し、内部抵抗を測定すると容易に劣化状況を把握できるのに比べ、リチウムイオン電池は、構成要素(蓄電原理)自体も違い、常温以上の測定温度で初期値よりも劣化途中の方がインピーダンス値が下がるなど、その挙動も異なる。
全固体を含むリチウムイオン電池は、電池劣化を途中で診断することが難しく、電池が寿命末期に達した状態でなければ、劣化判定が難しかった。
As described in the problem to be solved, like the lead-acid battery described in Patent Document 4, the internal resistance of the AC impedance rises linearly with respect to the deterioration state, and the deterioration state can be easily grasped by measuring the internal resistance. Lithium-ion batteries, on the other hand, differ in their constituent elements (storage principle) themselves, and their behavior is also different, such as the impedance value being lower than the initial value when measured at room temperature or higher.
It is difficult to diagnose deterioration of a lithium-ion battery including all-solid-state batteries, and it is difficult to judge deterioration unless the battery has reached the end of its life.

電池の劣化判断は、電池状態が安定した常温域で行うのが従来の手法であるが、電池状態は安定しているので完全劣化近くにならないと劣化判定が困難であった。 The conventional method for judging the deterioration of a battery is to perform it in the normal temperature range where the battery state is stable.

本実施形態では、常温よりも下げた、例えば10℃近くの環境温度で測定する。10℃近くの温度域は、電池状態は比較的安定しており、劣化挙動も確認しやすい温度域である。この10℃近くの温度域は、電池のインピーダンスを構成する電荷移動抵抗と溶液抵抗の比率が半分程度になっている。
環境温度を下げることで、大掛かりな装置も必要なく、劣化途中の診断が可能となり、中程度の劣化程度でも判定可能な電池劣化判定装置を実現することができる。
In this embodiment, the measurement is performed at an ambient temperature of, for example, nearly 10° C., which is lower than room temperature. A temperature range near 10° C. is a temperature range in which the battery state is relatively stable and deterioration behavior is easily confirmed. In the temperature range near 10° C., the ratio of charge transfer resistance and solution resistance, which constitute the impedance of the battery, is about half.
By lowering the environmental temperature, it is possible to diagnose the battery in the middle of deterioration without requiring a large-scale device, and it is possible to realize a battery deterioration determination device that can determine even a moderate degree of deterioration.

本実施形態では、冷却制御部22は、電池の環境温度を、0℃を除く測定温度に制御する。 In this embodiment, the cooling control unit 22 controls the environmental temperature of the battery to a measured temperature other than 0°C.

リチウムイオン電池や全固体リチウムイオン電池空気を遮断した不活性環境で製造しているが、氷点に至ると構成材料に混入していた僅かな水分が凝結を起こす場合がある。この状態で交流インピーダンスを測定すると、場合により計測値が変動し、誤判定につながるおそれがある。このため、劣化度判定や寿命劣化制御に不適切な温度域である0℃を挟む領域を温度域から除外する。これにより、劣化度判定や寿命劣化制御の精度を確保することができる。 Lithium-ion batteries and all-solid-state lithium-ion batteries are manufactured in an inert environment with no air, but when the temperature reaches freezing, a small amount of moisture mixed in the constituent materials may cause condensation. If the AC impedance is measured in this state, the measured value may fluctuate, leading to an erroneous determination. For this reason, the region sandwiching 0° C., which is a temperature region inappropriate for deterioration degree determination and life deterioration control, is excluded from the temperature region. This makes it possible to ensure the accuracy of deterioration degree determination and life deterioration control.

本実施形態では、電池劣化判定部160は、電荷移動抵抗のキャパシタンス成分によるインピーダンスの遅れが最大となる時の印加周波数の交流インピーダンスデータを比較データとして用いる。 In this embodiment, the battery deterioration determining unit 160 uses, as comparison data, AC impedance data at the applied frequency when the delay in impedance due to the capacitance component of the charge transfer resistance is maximized.

このように構成することで、測定温度域で、荷移動抵抗のキャパシタンス成分によるインピーダンスの遅れが最大となるときの印加周波数(5Hz近傍、充放電回数にあまり依存しない)の測定交流インピーダンス値を、同条件の標準データと比較する。これにより、劣化の程度(劣化レベル)の判定が可能となる。 With this configuration, the measured AC impedance value at the applied frequency (around 5 Hz, not much dependent on the number of charge/discharge cycles) when the delay in impedance due to the capacitance component of the load transfer resistance is maximized in the measurement temperature range is Compare with standard data under the same conditions. This makes it possible to determine the degree of deterioration (degradation level).

電池劣化判定部160は、統計的手法として、マハラノビス距離を含む距離計算を用いる。 Battery deterioration determination unit 160 uses distance calculation including Mahalanobis distance as a statistical method.

このように構成することで、マハラノビス距離解析を用いることで、電池の劣化を表わす交流インピーダンスの変化を特定することができる。 With such a configuration, it is possible to identify changes in AC impedance that indicate deterioration of the battery by using Mahalanobis distance analysis.

本実施形態では、電池交流インピーダンス測定装置120は、複数の周波数で測定された電池のインピーダンス測定データを入力し、インピーダンスの実数成分Zと虚数成分Zとで表される複素平面上にプロットしてナイキストプロットを求める複素インピーダンス処理部であり、電池劣化判定部160は、ナイキストプロットが描く円弧の頂点またはその傾きが0となる曲線を統計的手法を用いて選び、当該選んだ基準ナイキストプロットを基に電池の劣化度を判定する。 In this embodiment, the battery AC impedance measuring device 120 inputs battery impedance measurement data measured at a plurality of frequencies, and plots them on a complex plane represented by impedance real component Z and imaginary component Z . is a complex impedance processing unit that obtains a Nyquist plot, and the battery deterioration determination unit 160 selects the apex of the arc drawn by the Nyquist plot or the curve whose slope is 0 using a statistical method, and the selected reference Nyquist plot The degree of deterioration of the battery is determined based on

このように構成することで、電池の劣化度を簡易的な方法で、かつ定量的に診断を行うことができる。電池の劣化度を適切に判定することができるので、電池の余寿命を推定することができ、適切な電池システムを実現し、また保守することができる。 With this configuration, the degree of deterioration of the battery can be quantitatively diagnosed by a simple method. Since the degree of deterioration of the battery can be appropriately determined, the remaining life of the battery can be estimated, and an appropriate battery system can be realized and maintained.

<新品電池判定>
本実施形態に係る新品電池判定装置100は、冷却制御部22が電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる0℃未満の測定温度に制御し、電池劣化判定部160は、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池が新品電池か使用済み電池かを判定する。
<New battery judgment>
In the new battery determination apparatus 100 according to the present embodiment, the cooling control unit 22 determines the environmental temperature of the battery centering on the point at which the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive. The battery deterioration determination unit 160 controls the measurement temperature to be less than 0 ° C., which is the region before and after , and the battery deterioration determination unit 160 measures the measurement data measured by the battery AC impedance measurement device 120 and the standard AC measured in advance under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery It is determined whether the battery is a new battery or a used battery by comparing with the impedance data.

0℃を下回る環境温度域では、新品電池と僅かな使用電池との判定が可能となる。すなわち、電池の環境温度を0℃より下げると、電池の交流インピーダンスは大きくなる。充放電サイクルを少しでも重ねた電池と、新品の電池とでは計測周波数を4Hz以下に下げると挙動が大きく変わる。常温では、交流インピーダンスは全く変わらない。このように、交流インピーダンス測定温度を0℃未満にすることで、電池が新品か試用済みかの判定が可能になる。今まで見分けがつかなかった新品と使用品の区別ができる特有の効果がある。 In the environmental temperature range below 0° C., it is possible to determine whether the battery is new or slightly used. That is, when the environmental temperature of the battery is lowered below 0° C., the AC impedance of the battery increases. If the measurement frequency is lowered to 4 Hz or less, the behavior of a battery that has undergone even a few charge-discharge cycles and that of a new battery will change significantly. At room temperature, the AC impedance does not change at all. Thus, by setting the AC impedance measurement temperature to less than 0° C., it becomes possible to determine whether the battery is new or has been used. It has a unique effect of being able to distinguish between new and used products, which was previously indistinguishable.

<電池寿命制御>
本実施形態に係る新品電池判定装置100は、冷却制御部22が電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御し、電池劣化判定部160は、電池交流インピーダンス測定装置120が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して電池の劣化度を判定するとともに、劣化と判定された劣化電池に対して、電池の劣化因子である充電レベル、温度、または負荷電流を下げる電池寿命制御情報を出力する。
<Battery life control>
In the new battery determination apparatus 100 according to the present embodiment, the cooling control unit 22 determines the environmental temperature of the battery centering on the point at which the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance and the charge transfer resistance of the preset AC impedance is competitive. The measurement temperature is controlled to 15 ° C. or less, which is the region before and after , and the battery deterioration determination unit 160 determines the measurement data measured by the battery AC impedance measurement device 120 and the standard AC measured in advance under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery. It judges the degree of deterioration of the battery by comparing it with the impedance data, and outputs battery life control information for reducing the charge level, temperature, or load current, which are deterioration factors of the battery, for the deteriorated battery judged to be deteriorated. .

このように構成することで、電池の環境温度制御域を電池の劣化状況により見直して電池の寿命を延ばすことができる。従来は、電池の劣化の現在値が分からないので、電池の管理温度域を初期値から見直すことはしていない。新品時は、大まかな管理温度域で運用しても電池が劣化していないので問題とならなかったものの、充放電サイクルが重なるにつれて初期の管理温度域のままでは電池の劣化を促進する問題を排除することができる。 By configuring in this way, it is possible to extend the life of the battery by reviewing the environmental temperature control range of the battery according to the state of deterioration of the battery. Conventionally, since the current value of deterioration of the battery is unknown, the temperature control range of the battery is not reviewed from the initial value. When the battery was new, there was no problem because the battery did not deteriorate even if it was operated in the general temperature control range. can be eliminated.

電池の劣化途中の劣化レベルが求まった場合、電池の管理温度域を初期値から見直し、電池の劣化因子であるSOC、温度、または負荷電流を下げる。このように、適切な電池制御を行うことで、電池の寿命を延ばすことが可能となる。
また、適切な温度域(例えば、10℃)で劣化診断した場合、電池寿命を全領域にわたり適切に制御することが可能である。
When the deterioration level of the battery in the middle of deterioration is obtained, the battery management temperature range is reviewed from the initial value, and the SOC, temperature, or load current, which are deterioration factors of the battery, are lowered. By appropriately controlling the battery in this way, it is possible to extend the life of the battery.
Also, when the deterioration diagnosis is performed in an appropriate temperature range (for example, 10° C.), it is possible to appropriately control the battery life over the entire range.

本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、劣化判定対象の電池は、全固体リチウムイオン電池等の二次電池に幅広く適用できる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes other modifications and applications without departing from the gist of the present invention described in the claims.
For example, batteries to be subjected to deterioration determination can be widely applied to secondary batteries such as all solid state lithium ion batteries.

また、電池劣化判定方法、電池劣化判定装置、新品電池判定装置、電池寿命制御装置は、計算機能を独立したハードでもよいし、電池システムにおけるソフトウェアでもよい。また、電池劣化判定方法、電池劣化判定装置およびプログラムの計算、演算処理はコンピュータのプログラムでなくとも、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等を用いてもよい。 The battery deterioration determination method, the battery deterioration determination device, the new battery determination device, and the battery life control device may be hardware with independent calculation functions, or may be software in the battery system. Calculations and arithmetic processing of the battery deterioration determination method, the battery deterioration determination device, and the program may be performed using an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or the like instead of a computer program.

また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Moreover, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, or to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. . Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図6に示すように、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、IC(Integrated Circuit)カード、SD(Secure Digital)カード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理(例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理)をも含むものである。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Further, each of the above configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware, for example, by designing them in an integrated circuit. Further, as shown in FIG. 6, each of the above configurations, functions, etc. may be realized by software for a processor to interpret and execute a program for realizing each function. Information such as programs, tables, files, etc. that realize each function can be stored in recording devices such as memory, hard disks, SSD (Solid State Drives), IC (Integrated Circuit) cards, SD (Secure Digital) cards, optical discs, etc. It can be held on a recording medium. In addition, in this specification, processing steps describing time-series processing refer to processing performed in time-series according to the described order, as well as processing performed in parallel or individually, even if processing is not necessarily performed in time-series. It also includes processing (eg, parallel processing or processing by objects) that is executed in parallel.
In addition, the control lines and information lines indicate those considered necessary for explanation, and not all control lines and information lines are necessarily indicated on the product. In practice, it may be considered that almost all configurations are interconnected.

10 電池(対象電池)
20 電池制御部
21 充放電制御部
22 冷却制御部(電池温度制御手段)
30 計測部
31 電池電圧・電池電流検出部
32 電池温度検出部(電池温度制御手段)
33 外気温度検出部(電池温度制御手段)
100 電池劣化判定装置
110 電池状態設定部(電池温度制御手段)
120 電池交流インピーダンス測定装置(インピーダンス測定手段)
130 溶液抵抗演算部(溶液抵抗演算手段)
140,140A,140B 電荷移動抵抗演算部(電荷移動抵抗演算手段)
150,150A,150B マハラノビス距離演算部(距離演算手段)
151 基準空間
160 電池劣化判定部(電池劣化判定手段)
161 基準電池劣化度毎交流インピーダンステーブル
162 基準新品電池交流インピーダンステーブル
10 battery (target battery)
20 battery control unit 21 charge/discharge control unit 22 cooling control unit (battery temperature control means)
30 measurement unit 31 battery voltage/battery current detection unit 32 battery temperature detection unit (battery temperature control means)
33 outside air temperature detector (battery temperature control means)
100 battery deterioration determination device 110 battery state setting unit (battery temperature control means)
120 battery AC impedance measuring device (impedance measuring means)
130 solution resistance calculation unit (solution resistance calculation means)
140, 140A, 140B charge transfer resistance calculator (charge transfer resistance calculator)
150, 150A, 150B Mahalanobis distance calculation unit (distance calculation means)
151 reference space 160 battery deterioration determination unit (battery deterioration determination means)
161 AC impedance table for each reference battery deterioration degree 162 AC impedance table for reference new battery

Claims (10)

電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御する電池温度制御手段と、
前記測定温度で前記電池の交流インピーダンスデータを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して前記電池の劣化度を判定する電池劣化判定手段と、を備える
ことを特徴とする電池劣化判定装置。
The environmental temperature of the battery is controlled to a measurement temperature of 15 ° C. or less, which is a region before and after the point where the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance and charge transfer resistance of the preset AC impedance is antagonistic. Battery temperature a control means;
impedance measuring means for measuring AC impedance data of the battery at the measurement temperature;
battery deterioration determination means for determining the degree of deterioration of the battery by comparing the measurement data measured by the impedance measurement means with standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of a reference battery. A battery deterioration determination device characterized by:
前記電池温度制御手段は、
電池の環境温度を、0℃を除く前記測定温度に制御する
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
The battery temperature control means is
The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein the environmental temperature of the battery is controlled to the measured temperature except 0°C.
前記電池温度制御手段は、
電池の環境温度を、0℃未満の測定温度に制御し、
前記電池劣化判定手段は、
前記インピーダンス測定手段が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して前記電池が新品電池か使用済み電池かを判定する
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
The battery temperature control means is
Control the environmental temperature of the battery to a measured temperature of less than 0 ° C,
The battery deterioration determination means includes:
It is characterized in that whether the battery is a new battery or a used battery is determined by comparing the measurement data measured by the impedance measuring means with standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of a reference battery. The battery deterioration determination device according to claim 1.
前記電池温度制御手段は、
電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下の測定温度に制御し、
前記電池劣化判定手段は、
前記インピーダンス測定手段が測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して前記電池の劣化度を判定するとともに、
劣化と判定された劣化電池に対して、電池の劣化因子である充電レベル、温度、または負荷電流を下げる電池寿命制御情報を出力する
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
The battery temperature control means is
The environmental temperature of the battery is controlled to a measurement temperature of 15 ° C. or less, which is a region before and after the point where the distribution ratio of the solution resistance or ion transfer resistance of the preset AC impedance and the charge transfer resistance is antagonistic,
The battery deterioration determination means includes:
Determining the degree of deterioration of the battery by comparing the measurement data measured by the impedance measuring means with the standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of the reference battery,
2. The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein, for a deteriorated battery determined to be deteriorated, battery life control information for reducing a charge level, temperature, or load current, which are deterioration factors of the battery, is output.
前記インピーダンス測定手段が測定した交流インピーダンスに基づいて、測定周波数を下げていく場合に、交流インピーダンスの実軸インピーダンスと虚軸インピーダンスがゼロクロスするポイントで表わされる溶液抵抗を演算する溶液抵抗演算手段を備える
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
A solution resistance calculation means for calculating a solution resistance represented by a point where the real axis impedance and the imaginary axis impedance of the AC impedance cross zero when the measurement frequency is lowered based on the AC impedance measured by the impedance measurement means. The battery deterioration determination device according to claim 1, characterized in that:
前記インピーダンス測定手段が測定した交流インピーダンスに基づいて、測定した電池の交流インピーダンスの電荷移動抵抗を演算する電荷移動抵抗演算手段と、
前記電荷移動抵抗演算手段が演算した前記電荷移動抵抗について、統計的手法を用いた距離計算を行う距離演算手段と、を備え、
前記電池劣化判定手段は、
前記距離演算手段が計算した距離計算結果に基づいて、前記電池の劣化度を判定する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電池劣化判定装置。
charge transfer resistance calculation means for calculating the charge transfer resistance of the measured AC impedance of the battery based on the AC impedance measured by the impedance measurement means;
a distance calculation means for calculating a distance using a statistical method for the charge transfer resistance calculated by the charge transfer resistance calculation means,
The battery deterioration determination means includes:
The battery deterioration determination device according to any one of claims 1 to 4, wherein the deterioration degree of the battery is determined based on the distance calculation result calculated by the distance calculation means.
前記距離演算手段は、統計的手法として、マハラノビス距離を含む距離計算を用いる
ことを特徴とする請求項6に記載の電池劣化判定装置。
The battery deterioration determination device according to claim 6, wherein the distance calculation means uses distance calculation including Mahalanobis distance as a statistical method.
前記インピーダンス測定手段は、
複数の周波数で測定された電池のインピーダンス測定データを入力し、インピーダンスの実数成分Zと虚数成分Zとで表される複素平面上にプロットしてナイキストプロットを求める複素インピーダンス処理部であり、
前記電池劣化判定手段は、
前記ナイキストプロットが描く円弧の頂点またはその傾きが0となる曲線を統計的手法を用いて選び、当該選んだ基準ナイキストプロットを基に電池の劣化度を判定する
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
The impedance measuring means is
A complex impedance processing unit that obtains a Nyquist plot by inputting battery impedance measurement data measured at a plurality of frequencies and plotting it on a complex plane represented by impedance real number component Z ' and imaginary number component Z ' ',
The battery deterioration determination means includes:
2. The apex of the arc drawn by the Nyquist plot or a curve whose slope is 0 is selected using a statistical method, and the degree of deterioration of the battery is determined based on the selected reference Nyquist plot. battery deterioration determination device.
前記電池は、全固体リチウムイオン電池またはリチウムイオン電池である
ことを特徴とする請求項1記載の電池劣化判定装置。
The battery deterioration determination device according to claim 1, wherein the battery is an all-solid lithium ion battery or a lithium ion battery.
電池の環境温度を、予め設定された交流インピーダンスの溶液抵抗またはイオン移動抵抗と電荷移動抵抗との配分比率が拮抗するポイントを中心とする前後領域となる15℃以下で、かつ、0℃を除く測定温度に制御するステップと、
前記測定温度で前記電池の交流インピーダンスデータを測定するステップと、
測定した測定データと基準電池の測定条件と同条件で予め測定された標準交流インピーダンスデータとを比較して前記電池の劣化度を判定するステップと、を有する
ことを特徴とする電池劣化判定方法。
The environmental temperature of the battery is 15 ° C. or less, and excluding 0 ° C. controlling to the measured temperature;
measuring AC impedance data of the battery at the measured temperature;
and determining the degree of deterioration of the battery by comparing the measured data with standard AC impedance data previously measured under the same conditions as the measurement conditions of a reference battery.
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