JP2024076588A - 電池処理システムおよび電池処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電位のムラに起因した劣化を解消する。【解決手段】制御装置は、実行条件が成立し（Ｓ１００にてＹＥＳ）、劣化指標値ΣＤに積算の履歴があって（Ｓ１０２にてＮＯ）、かつ、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１よりも大きいと（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、第１解消処理を実行するステップ（Ｓ１０６）と、セルの特性値を測定するステップ（Ｓ１０８）と、第２解消処理を実行するステップ（Ｓ１１０）と、特性値が許容範囲内であると（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、再利用可能であると判定するステップ（Ｓ１１４）と、許容範囲外であると（Ｓ１１２にてＮＯ）、再利用不可能であると判定するステップ（Ｓ１１６）と、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１以下であると（Ｓ１０４にてＮＯ）、第２解消処理を実行するステップ（Ｓ１１８）とを含む、処理を実行する。【選択図】図４

Description

本開示は、電池処理システムに関する。
電動車両には、走行用の蓄電装置として、たとえば、リチウムイオン電池が搭載されている場合がある。このリチウムイオン電池は、大電流（ハイレート）での充放電に伴って劣化し得ることが知られている。この劣化は「ハイレート劣化」とも呼ばれる。リチウムイオン電池のハイレート劣化を抑制するために様々な技術が提案されている。
たとえば、特開２０２１－１０３６４６号公報（特許文献１）には、ハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値ΣＤを算出し、算出された劣化指標値ΣＤがしきい値を超える場合に劣化緩和処理を行なう技術が開示されている。
特開２０２１－１０３６４６号公報
リチウムイオン電池をハイレートで充放電する場合の劣化としては、電極面における塩濃度(リチウムイオンの濃度）の偏り（塩濃度のムラ）に起因した上述のハイレート劣化の他に電極面における電位の偏り（電位のムラ）に起因した劣化が発生し得る。そのため、上述の特許文献１のようにリチウムイオン電池に対して劣化緩和処理を実行することによってハイレート劣化を緩和できたとしても電位のムラに起因した劣化が残る場合がある。これにより、その後に当該リチウムイオン電池がリユース電池として他の車両に置き換えられる場合などにおいて、劣化程度が実際よりも大きく認識されたり、回復可能な容量が把握されず電池の寿命を短く誤認識されたりする場合がある。
本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電位のムラに起因した劣化を解消する電池処理システムおよび電池処理方法を提供することである。
本開示のある局面に係る電池処理システムは、電極体を有するリチウムイオン電池と、リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、電極体の内部におけるリチウムイオンの濃度分布の偏りに起因するリチウムイオン電池の劣化の進行度合いを示す指標値を取得する。制御装置は、指標値が第１しきい値を上回る場合に、濃度分布の偏りに起因する劣化を解消する第１解消処理を実行する。制御装置は、指標値が、第１しきい値以下であって、かつ、第１しきい値よりも小さい第２しきい値を上回る期間がある場合に、リチウムイオン電池の放電によって電極体の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消する第２解消処理を実行する。
このようにすると、指標値が第２しきい値を上回る期間がある場合に第２解消処理が実行されるため、電極体の電極面において電位が偏ることに起因するリチウムイオン電池の劣化を解消することができる。さらに、指標値が第１しきい値を上回る場合には、第１解消処理が実行されるため、濃度分布の偏りに起因する劣化を解消することができる。
ある実施の形態においては、第２解消処理は、リチウムイオン電池に対して予め定められた電圧に到達させる過放電を行なう処理を含む。
このようにすると、リチウムイオン電池に対して予め定められた電圧に到達させる過放電を行なうことによって電極体の電極面において電位の偏りを早期に解消する変化を生じさせることができる。
さらにある実施の形態においては、制御装置は、指標値が、第１しきい値以下であって、かつ、指標値が初期値から第２しきい値を上回る変化の履歴がある場合に第２解消処理を実行する。
このようにすると、指標値が初期値から第２しきい値を上回る変化の履歴がある場合には、電極体の電極面において電位が偏ることに起因するリチウムイオン電池の劣化が発生している可能性がある。そのため、第２解消処理が実行されることにより、当該劣化を解消することができる。
さらにある実施の形態においては、制御装置は、指標値が第１しきい値を上回る場合に、第２解消処理を実行した後に第１解消処理を実行する。
このようにすると、第２解消処理が実行されることにより電極体の電極面において電位が偏ることに起因するリチウムイオン電池の劣化を解消することができる。さらに、第１解消処理が実行されることにより濃度分布の偏りに起因する劣化を解消することができる。
さらにある実施の形態においては、電極体は、正極と負極と含む。正極の活物質と負極の活物質とのうちの少なくとも一方がリチウムイオンの挿入脱離が可能な材料を含む。
このようにすると、正極の活物質または負極の活物質がリチウムイオンの挿入脱離が可能な材料を含むため、第２解消処理の実行により電極体の電極面において電位が偏ることに起因するリチウムイオン電池の劣化を解消することができる。
本開示の他の局面に係る電池制御方法は、電極体を有するリチウムイオン電池の劣化を解消する電池処理方法である。この電池処理方法は、電極体の内部におけるリチウムイオンの濃度分布の偏りに起因するリチウムイオン電池の劣化の進行度合いを示す指標値を取得するステップと、指標値が第１しきい値を上回る場合に、濃度分布の偏りに起因する劣化を解消する第１解消処理を実行するステップと、指標値が、第１しきい値以下であって、かつ、第１しきい値よりも小さい第２しきい値を上回る期間がある場合に、リチウムイオン電池の放電によって電極体の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消する第２解消処理を実行するステップとを含む。
本開示によると、電位のムラに起因した劣化を解消する電池処理システムおよび電池処理方法を提供することができる。
本実施の形態に係る電池処理システムの構成の一例を示す図である。 セルの構成の一例をより詳細に説明するための図である。 ハイレート劣化後のムラ量と経過日数との関係の一例を示す図である。 制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャートである。 ＳＯＣと負極電位との関係の一例を示す図である。 電極面の位置に対する負極電位の分布の変化の一例を示す図である。 第２解消処理の実行後の電極面の位置に対する負極電位の分布の一例を示す図である。 各種放電実施前後での電位ムラによるムラ量の変化の一例を示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図１は、本実施の形態に係る電池処理システム２の構成の一例を示す図である。図１に示すように、電池処理システム２は、充放電装置１０と、セル３１と、検出ユニット４０と、制御装置１００とを備える。
図１には、車両５０からバッテリ３０が取り外され、取り外されたバッテリ３０を構成する複数のセル３１のうちの一つが充放電装置１０に電気的に接続される場合を一例として示されている。複数のセル３１は、組電池の状態であって、各々の各種端子が充放電装置１０と接続可能な状態であってもよし、組電池の状態が解除されてセル単体で移動可能な状態であってもよい。
車両５０は、たとえば、電気自動車やハイブリッド車両などの少なくともリチウムイオン電池を搭載した車両であればよく、特に限定されるものではない。
充放電装置１０は、たとえば、セル３１に充電電力を供給してセル３１を充電したり、あるいは、セル３１に蓄電される電力を放電させたりする機能を有する。充放電装置１０は、制御装置１００からの制御信号に応じて、セル３１を充電したり、セル３１を放電したりする。
セル３１は、満充電状態であるときに３Ｖ～４Ｖ程度の電圧を有するリチウムイオン電池である。
検出ユニット４０は、電圧センサと、電流センサと、温度センサ（いずれも図示せず）とを含む。電圧センサはセル３１の電圧Ｖを検出する。電流センサはセル３１に入出力される電流Ｉを検出する。温度センサはセル３１の温度Ｔを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号を制御装置１００に出力する。
制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ１０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ１０２と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）とを含む。制御装置１００は、各センサからの信号の入力ならびにメモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、充放電装置１０を制御する。制御装置１００は、バッテリ３０を搭載していた車両５０と通信可能に構成される。バッテリ３０が取り外される際に、車両５０のＥＣＵ（Electronic Control Unit）と、制御装置１００とが通信可能に接続され、車両５０から制御装置１００に対して予め定められた情報が送信される。制御装置１００は、受信した予め定められた情報をメモリ１０２や、図示しない大容量記憶装置に記憶する。本実施の形態において制御装置１００により実行される主要な制御としては、セル３１のハイレート劣化を解消（回復または緩和とも表現され得る）するための解消処理（第１解消処理および第２解消処理）が挙げられる。解消処理については後に詳細に説明する。
図２は、セル３１の構成の一例をより詳細に説明するための図である。図２において、セル３１は、その内部を透視して示されている。
セル３１は、略直方体形状の電池ケース３２を有する。電池ケース３２の上面は蓋体３３によって封じられている。正極端子３４および負極端子３５の各々の一方端は、蓋体３３から外部に突出している。正極端子３４および負極端子３５の他方端は、電池ケース３２の内部において、内部正極端子および内部負極端子（いずれも図示せず）にそれぞれ接続されている。
電池ケース３２の内部には電極体３６が収容されている。電極体３６は、正極３７と負極３８とがセパレータ３９を介して積層され、その積層体が捲回されることにより形成されている。電解液（図示せず）は、正極３７、負極３８およびセパレータ３９に保持されている。なお、電極体３６として捲回体に代えて積層体を採用することも可能である。
正極３７、負極３８、セパレータ３９および電解液には、従来公知の構成および材料を用いることができる。正極３７の活物質および負極３８の活物質の少なくとも一方は、たとえば、リチウムイオンの挿入脱離が可能な材料を含む。具体的には、正極３７の活物質は、層状構造を有するリチウム複合酸化物を含んでもよい。層状構造のリチウム複合酸化物としては、たとえば、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物等が挙げられる。負極３８の活物質としては、黒鉛等の炭素系負極活物質が挙げられる。
一例として、セパレータには、ポリオレフィン（たとえばポリエチレンまたはポリプロピレン）を用いることができる。電解液は、有機溶媒（たとえばＤＭＣ（dimethyl carbonate)とＥＭＣ（ethyl methyl carbonate)とＥＣ（ethylene carbonate)との混合溶媒）と、リチウム塩（たとえばＬｉＰＦ６）と、添加剤（たとえばＬｉＢＯＢ（lithium bis(oxalate)borate）またはＬｉ［ＰＦ２（Ｃ２Ｏ４）２］）と等を含む。
以上のように構成されたセル３１においては、車両５０に搭載されているときに車両５０の使用によって様々な劣化が生じ得る。特にリチウムイオン電池であるセル３１においては、比較的大きな電流（ハイレート電流）でのセル３１の充放電が継続的に行われた場合、セル３１の内部抵抗が増加する劣化現象である「ハイレート劣化」が生じ得る。ハイレート劣化は、電極体３６の内部でのリチウムイオンの濃度分布（塩濃度分布）の偏りに起因して生じる劣化である。
ハイレート劣化は解消可能な劣化の一種である。つまり、ハイレート劣化が原因でセル３１の内部抵抗が増大した場合には、ハイレート劣化に対する解消処理を行うことで、セル３１の内部抵抗を低下させる（元に戻す）ことができる。
本実施の形態においては、様々な劣化のうち回復可能な劣化であるハイレート劣化がどの程度進行したかを定量的に評価する。そして、ハイレート劣化の進行度合いが予め定められた度合いに達していると、ハイレート劣化を解消するための解消処理を実行する。より具体的には、制御装置１００は、ハイレート劣化の進行度合いを示す指標値である「劣化指標値ΣＤ」を取得する。制御装置１００は、たとえば、バッテリ３０を搭載していた車両５０のＥＣＵ６０から劣化指標値ΣＤを算出するための情報を取得し、取得した情報を用いて車両５０から取り外された時点の劣化指標値ΣＤを算出してもよい。あるいは、ＥＣＵ６０と制御装置１００が以下のような動作を行なってもよい。すなわち、ＥＣＵ６０は、所定の制御周期で劣化指標値ΣＤを算出し、ＥＣＵ６０のメモリに記憶する。制御装置１００は、バッテリ３０が車両５０から取り外されるときにＥＣＵ６０と通信して劣化指標値ΣＤの履歴を受信し、受信した劣化指標値ΣＤの履歴をメモリ１０２に記憶する。制御装置１００は、メモリ１０２から劣化指標値ΣＤを取得する。なお、制御装置１００とＥＣＵ６０との通信は、無線通信であってもよいし、有線通信であってもよい。
以下、ＥＣＵ６０において劣化指標値ΣＤが算出される場合を想定し、ＥＣＵ６０を用いた劣化指標値ΣＤの算出手法の一例について簡単に説明する。
ＥＣＵ６０は、劣化指標値ΣＤを算出するための指標値Ｄを所定の制御周期Δｔ毎に算出する。Ｎ回目（今回）の制御周期で算出されるバッテリ３０の指標値をＤ（Ｎ）と表し、（Ｎ－１）回目（前回）の制御周期で算出された指標値をＤ（Ｎ－１）と表す。Ｎは自然数である。指標値Ｄ（Ｎ）は、バッテリ３０の充放電に伴う塩濃度分布の偏りの増大および減少の両方を考慮し、漸化式である下記式（１）に従って算出される。なお、指標値の初期値Ｄ（０）は、たとえば０に設定される。
Ｄ（Ｎ）＝Ｄ（Ｎ－１）－Ｄ（－）＋Ｄ（＋） ・・・（１）
上記式（１）において、指標値の減少量Ｄ（－）は、前回の指標値算出時から今回の指標値算出時までの間（制御周期Δｔの間）にリチウムイオンが拡散することによる塩濃度分布の偏りの減少量を表す。減少量Ｄ（－）は、下記式（２）のように忘却係数αを用いて算出できる。なお、０＜α×Δｔ＜１である。
Ｄ（－）＝α×Δｔ×Ｄ（Ｎ－１） ・・・（２）
忘却係数αは、電解液中のリチウムイオンの拡散速度に対応する係数であり、バッテリ３０の温度ＴおよびＳＯＣ（State Of Charge）に依存する。そのため、忘却係数αと、温度ＴおよびＳＯＣとの相関関係が事前評価（実験またはシミュレーション）により予め取得され、マップまたは変換式としてＥＣＵ１００のメモリ１０２に格納されている。ＥＣＵ１００は、当該マップまたは変換式を参照することにより、温度ＴおよびＳＯＣから忘却係数αを算出できる。電流係数βおよび限界閾値Ｃについても同様に、事前の評価結果からマップまたは変換式を作成できる。
式（１）に戻り、指標値の増加量Ｄ（＋）は、前回の指標値算出時から今回の指標値算出時までの間（制御周期Δｔの間）における充放電による塩濃度分布の偏りの増大量を表す。増加量Ｄ（＋）は、下記式（３）に示すように、電流係数β、限界閾値Ｃおよび電流Ｉを用いて算出できる。
Ｄ（＋）＝（β／Ｃ）×Ｉ×Δｔ ・・・（３）
ＥＣＵ１００は、下記式（４）に示すように、初期値（０）から今回値（Ｎ）までのすべてのＮについて指標値Ｄ（Ｎ）を積算することにより劣化指標値ΣＤ（Ｎ）を算出する。
ΣＤ（Ｎ）＝γ×ΣＤ（Ｎ－１）＋η×Ｄ（Ｎ） ・・・（４）
上記式（４）において、γは減衰係数である。時間経過に伴うリチウムイオンの拡散によって塩濃度の偏りが緩和されるので、今回の指標値ΣＤ（Ｎ）を算出するときには、前回の指標値ΣＤ（Ｎ－１）が減少していることを考慮することが望ましい。したがって、前回の指標値ΣＤ（Ｎ－１）の係数である減衰係数γは、１よりも小さな値に設定される。ηは補正係数であり、適宜設定される。減衰係数γおよび補正係数ηとしては、予め定められてメモリ１０２に記憶された値が用いられる。
このように、塩濃度の偏りの発生および緩和をそれぞれ上記の増加量Ｄ（＋）および減少量Ｄ（－）により表して現在の劣化指標値ΣＤ（Ｎ）を算出することにより、ハイレート劣化の変化（増減）を適切に把握できる。
本実施の形態において、劣化指標値ΣＤ（Ｎ）には、塩濃度の偏りがある程度増大しており、ハイレート劣化のさらなる進行を防止することが望ましい旨を表す値（第１しきい値ＴＨ１）が予め定められている。劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が第１しきい値ＴＨ１を超えている場合に、制御装置１００は、セル３１のハイレート劣化を解消するための第１解消処理を実行する。第１解消処理の実行により塩濃度の偏りに起因する劣化が解消され、セル３１の充電容量を第１解消処理の実行前よりも増加させることができる。
しかしながら、ハイレートで充放電する場合のバッテリ３０の劣化としては、リチウムイオンの濃度分布の偏りに起因する劣化の他に電極面における電位の偏り（以下、電位のムラとも記載する）に起因した劣化（以下、「電位ムラによる劣化」と記載する）が発生し得る。電位のムラは、濃度分布の偏り等により生じる電極面における抵抗のムラに起因して発生する。そのため、リチウムイオン電池を第１解消処理によって塩濃度の偏りに起因する劣化を解消できたとしても電位の偏りに起因する劣化が残る場合がある。
図３は、ハイレート劣化後のムラ量と経過日数との関係の一例を示す図である。図３の縦軸は、ハイレート劣化後のムラ量を示す。図３の横軸は、経過日数を示す。なお、「ムラ量」は、電位ムラにより充電できない電力量（あるいは、ＳＯＣの大きさ）に相当する。図３のＬＮ１は、ハイレート劣化が発生した後にセル３１を放置した場合の電位の偏りに起因するムラ量の変化を示す。図３のＬＮ２は、ハイレート劣化が発生した後にセル３１を放置した場合の塩濃度の偏りに起因するムラ量の変化を示す。図３のＬＮ２に示すように塩濃度の偏りに起因するムラ量は、第１解消処理をしなくても経過した日数が大きいほど低下（劣化が解消）していく。一方、図３のＬＮ１に示すように電位ムラに起因するムラ量は、経過日数が大きいほど低下（劣化が解消）していくが、その低下速度の大きさは、塩濃度の偏りに起因するムラ量の低下速度の大きさよりも小さく、劣化が解消しにくい状態になる。
そのため、セル３１を含むバッテリ３０がリユース電池として他の車両に置き換えられる場合などにおいて、劣化程度が実際よりも大きく認識されたり、あるいは、回復可能な容量が把握されずバッテリ３０の寿命が短く誤認識されたりする場合がある。
そこで、本実施の形態においては、制御装置１００は、セル３１の劣化指標値ΣＤ（Ｎ）を取得し、取得した劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が、第１しきい値ＴＨ１以下であって、かつ、第１しきい値ＴＨ１よりも小さい第２しきい値ＴＨ２を上回る期間がある場合に、電位ムラによる劣化を解消する第２解消処理を実行するものとする。
より具体的には、制御装置１００は、劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が、第１しきい値ＴＨ１以下であって、かつ、劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が初期値（ゼロ）から第２しきい値ＴＨ２を上回る変化の履歴がある場合には、第２解消処理を実行するものとする。一方、制御装置１００は、劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が第１しきい値ＴＨ１を超えている場合には、第２解消処理を実行した後に、第１解消処理を実行するものとする。
このようにすると、劣化指標値ΣＤ（Ｎ）が第２しきい値ＴＨ２を上回る期間がある場合に、電位ムラによる劣化が発生している可能性があるため、第２解消処理が実行されることにより、電位ムラによる劣化を解消することができる。本実施の形態においては、第２しきい値ＴＨ２は、たとえば、劣化指標値ΣＤの初期値（すなわち、ゼロ）と同じ値であるものとする。
以下、図４を参照して、制御装置１００で実行される処理の一例について説明する。図４は、制御装置１００で実行される処理の一例を示すフローチャートである。
ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置１００は、解消処理の実行条件が成立したか否かを判定する。実行条件は、たとえば、解消処理を実行する要求を受け付けたという条件を含む。制御装置１００は、たとえば、作業者によって充放電装置１０とセル３１とが接続され、制御装置１００に対して解消処理を実行する操作を受け付けたときに解消処理を実行する要求を受け付けたと判定する。実行条件が成立したと判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０４に移される。
Ｓ１０２にて、制御装置１００は、劣化指標値ΣＤの積算の履歴があるか否かを判定する。制御装置１００は、たとえば、劣化指標値ΣＤの値が初期値以外の値になる履歴がある場合に、劣化指標値ΣＤの積算の履歴があると判定する。制御装置１００は、ＥＣＵ６０から受信した劣化指標値ΣＤの履歴を用いて積算の履歴があるか否かを判定する。劣化指標値ΣＤの積算の履歴があると判定される場合（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、処理はＳ１０４に移される。
Ｓ１０４にて、制御装置１００は、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１よりも大きいか否かを判定する。劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１よりも大きいと判定される場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、処理はＳ１０６に移される。
Ｓ１０６にて、制御装置１００は、第１解消処理を実行する。第１解消処理は、たとえば、セル３１の正極３７および負極３８の各々に体積変化を発生させる処理を含む。
制御装置１００は、たとえば、セル３１の電圧Ｖをピーク電圧Ｖｃの前後で増減させたりピーク電圧Ｖｃ付近に維持したりすることで、ピーク電圧Ｖｃを含む所定の電圧範囲内となるようにする充放電装置１０の制御を第１解消処理として実行する。
ピーク電圧Ｖｃは、セル３１のｄＱ／ｄＶ電圧特性線のメインピークの位置を示す電圧値である。ｄＱ／ｄＶ電圧特性線とは、セル３１の電圧Ｖの変化量ｄＶに対するセル３１の蓄電量Ｑの変化量ｄＱの比率ｄＱ／ｄＶと、セル３１の電圧Ｖとの間の関係を表す線である。制御装置１００のメモリ１０２には、このｄＱ／ｄＶ電圧特性線とピーク電圧Ｖｃとが記憶される。制御装置１００は、ＥＣＵ６０からｄＱ／ｄＶ電圧特性線とピーク電圧Ｖｃとを受信してもよい。なお、第１解消処理としては、塩濃度の偏りに起因する劣化を解消するための公知の技術が用いられればよく、上述のような処理に限定されるものではない。第１解消処理が実行されると、正極３７が一時的に収縮するような体積変化が生じる。正極３７と負極３８とは互いに接しているので、正極３７の収縮に伴い負極３８が膨張する体積変化が生じる。負極３８が膨張するとき、電池ケース３２内の余剰電解液のうちの少なくとも一部が電極体３６の内部へと流入する。これにより、電解液の濃度ムラが緩和し、塩濃度の偏りに起因する劣化を解消することができる。その後処理はＳ１０８に移される。
Ｓ１０８にて、制御装置１００は、セル３１の特性値（抵抗）を測定する。制御装置１００は、たとえば、検出ユニット４０を用いて得られる検出結果を用いてセル３１の抵抗値を測定する。セル３１の抵抗の測定方法については、公知の技術を用いればよくその詳細な説明は行なわない。その後処理はＳ１１０に移される。
Ｓ１１０にて、制御装置１００は、第２解消処理を実行する。第２解消処理は、電位のムラを解消させる変化力が増加する予め定められた電圧になるまでセル３１の電圧を放電させる処理を含む。制御装置１００は、たとえば、セル３１の電圧を予め定められた電圧に到達するまで過放電させる充放電装置１０の制御を第２解消処理として実行する。制御装置１００は、たとえば、一定の電流で放電させるように充放電装置１０を制御して、検出ユニット４０を用いて検出されるセル３１の電圧が予め定められた電圧（たとえば、１．５Ｖ程度）に到達するまで過放電させる。予め定められた電圧は、たとえば、後述する車両でのＳＯＣの使用範囲よりも低いＳＯＣに相当する電圧であって、セル３１において不可逆の変化が生じない電圧に実験等により適合されて設定される。その後処理はＳ１１２に移される。
Ｓ１１２にて、制御装置１００は、セル３１の特性値が許容範囲内であるか否かを判定する。特性値は、たとえば、セル３１の抵抗値を含む。許容範囲は、予め設定された範囲であって、実験等によって適合される。制御装置１００は、セル３１の特性値が許容範囲内であると判定される場合（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移される。
Ｓ１１４にて、制御装置１００は、セル３１の再利用が可能であると判定する。その後処理は終了される。一方、セル３１の特性値が許容範囲外であると判定される場合（Ｓ１１２にてＮＯ）、処理はＳ１１６に移される。
Ｓ１１６にて、制御装置１００は、セル３１の再利用が不可能であると判定する。その後処理は終了される。なお、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１以下であると判定される場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、処理はＳ１１８に移される。
Ｓ１１８にて、制御装置１００は、第２解消処理を実行する。第２解消処理は、Ｓ１１０の処理において説明した第２解消処理と同様である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。その後処理は終了される。また、実行条件が成立していないと判定される場合や（Ｓ１００にてＮＯ）、劣化指標値ΣＤに変化履歴がないと判定される場合には（Ｓ１０２にてＮＯ）、その後処理は終了される。
以上のような構造およびフローチャートに基づく制御装置１００の動作について図５、図６、図７および図８を参照しつつ説明する。
たとえば、車両５０からバッテリ３０が取り外され、バッテリ３０を構成する複数のセル３１のうちの一つが充放電装置１０に電気的に接続され、制御装置１００に対して解消処理の実行が要求される場合に実行条件が成立すると判定される（Ｓ１００にてＹＥＳ）。この場合、劣化指標値ΣＤの積算の履歴があるか否かが判定される（Ｓ１０２）。制御装置１００は、ＥＣＵ６０から受信した劣化指標値ΣＤの履歴から劣化指標値ΣＤの積算の履歴があると判定される場合（Ｓ１０２にてＹＥＳ）、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１よりも大きいか否かを判定する。
劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１以下であると判定される場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、第２解消処理が実行される（Ｓ１１８）。第２解消処理が実行されると、充放電装置１０の制御によってセル３１の電圧が予め定められた電圧（１．５Ｖ程度）に到達するまで一定電流での放電制御が実施される。
１．５Ｖ程度まで放電（以下、深放電とも記載する）が実施されると、セル３１のＳＯＣと負極３８の電位（以下、負極電位と記載する）との関係は、ＳＯＣの変化に対して負極電位が大きく変動する関係となる。
図５は、ＳＯＣと負極電位との関係の一例を示す図である。図５の縦軸は、負極電位を示す。図５の横軸は、ＳＯＣを示す。図５のＬＮ３は、ＳＯＣの変化に対する負極電位の変化を示す。
図５のＬＮ３に示すように、リチウムイオン電池におけるＳＯＣと負極電位との関係は、ＳＯＣが低くなるほど負極電位は増加する関係を有する。特に、セル３１がバッテリ３０として車両５０に搭載された状態での使用範囲においては、たとえば、セル３１のＳＯＣの変化量ΔＳＯＣに対する負極電位の変化量ΔＶ１は、当該使用範囲よりも低い範囲におけるＳＯＣの変化量ΔＳＯＣに対する負極電位の変化量ΔＶ２よりも小さい。このようなＳＯＣの変化に対する負極電位の変化量は、電極面において生じる電位ムラを解消する変化力に影響を及ぼす。
図６は、電極面の位置に対する負極電位の分布の変化の一例を示す図である。図６の（Ａ）には、初期状態における電極面の位置に対する負極電位の分布（ＬＮ４）の一例を示す。また、図６の（Ｂ）には、ハイレート劣化後における電極面の位置に対する負極電位の分布（ＬＮ５）の一例を示す。
図６のＬＮ４に示すように、初期状態においては、セル３１の負極電位は、電極面の位置にかかわらず一定の値となる。ハイレート劣化後においては、セル３１の負極電位は、電位ムラが発生し、図６のＬＮ５に示すように、電極面の中央付近における負極電位が初期状態における負極電位よりも低下し、端部付近における負極電位が初期状態における負極電位よりも増加する。このとき、図６の（Ｂ）の矢印に示すように、電極面の中央付近においては、負極電位が増加する方向に変化力が発生し、電極面の端部付近においては、負極電位が低下する方向に変化力が発生する。しかしながら、この変化力は、後述する第２解消処理実行後に生じる変化力よりも小さいため、図３を用いて説明したように電位ムラの解消に長い時間を要する。
図７は、第２解消処理実行後における電極面の位置に対する負極電位の分布の一例を示す。図７のＬＮ６には、第２解消処理実行後における電極面の位置の変化に対する負極電位の変化を示す。
図７のＬＮ６に示すように、第２解消処理実行後においては、電極面の中央付近における負極電位は、上述の図６のＬＮ５と比較して大きく低下し、電極面の端部付近における負極電位は、上述の図６のＬＮ５と比較して大きく増加する。このとき、図７の矢印に示すように、電極面の中央付近においては、負極電位が増加する方向の変化力が上述の図６のＬＮ５と比較して大きく作用し、電極面の端部付近においては、負極電位が低下する方向の変化力が上述の図６のＬＮ５と比較して大きく作用する。第２解消処理の実行により生じた変化力が、電位ムラを解消するまで作用することにより、第２解消処理の実行前よりも電位ムラが短時間で解消することとなる。
図８は、各種放電実施前後での電位ムラによるムラ量の変化の一例を示す図である。なお、「ムラ量」は、上述したとおり、電位ムラにより充電できない電力量（あるいは、ＳＯＣの大きさ）に相当する。以下の説明においては、「ムラ量」を「電位ムラ量」とも記載する。図８の（Ａ）には、ハイレート劣化した後であって、第２解消処理実行前の電位ムラ量の一例が示される。図８の（Ｂ）には、３．０Ｖまで放電制御を実施した後の電位ムラ量の一例が示される。さらに、図８の（Ｃ）には、第２解消処理の実行後（すなわち、１．５Ｖまで放電制御を実施した後の電位ムラ量の一例が示される。図８のＬＮ７は、セル３１の初期状態における電位ムラ量の一例を示す。
図８の（Ｃ）に示すように、第２解消処理の実行後においては、図８の（Ａ）に示す放電制御の実施前の電位ムラ量と比較して電位ムラ量が低下した状態になる。この場合の電位ムラ量の低下量は、図８の（Ｂ）に示す３．０Ｖまで放電制御を実施した後の電位ムラ量の低下量よりも小さく、図８のＬＮ７に示す初期状態における電位ムラ量とほぼ同じ電位ムラ量まで低下する値となる。このように、第２解消処理の実行により、初期状態の電位ムラ量相当まで電位ムラに起因する劣化を解消することができる。
一方、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１を上回ると判定される場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、第１解消処理が実行される（Ｓ１０６）。第１解消処理の実行により、たとえば、上述のｄＱ／ｄＶ電圧特性線におけるピーク電圧Ｖｃ前後の電圧で放電が実施されることにより、正極および負極での体積変化を生じさせて電解液を流入させることにより塩濃度のムラに起因する劣化が解消される。その後にセル３１の抵抗値が測定され（Ｓ１０８）、第２解消処理が実行され（Ｓ１１０）、電位ムラに起因する劣化が解消される。第２解消処理の実行後にセル３１の抵抗値が許容範囲内である場合には、セル３１の再利用が可能であると判定される（Ｓ１１４）。なお、セル３１の抵抗値が許容範囲外である場合には、セル３１の再利用が不可能であると判定される（Ｓ１１６）。
上述のような処理が、たとえば、バッテリ３０を構成する全てのセル３１に対して実施されることによりバッテリ３０のうちの再利用が可能なセルと、再利用が不可能なセルとを判別することができる。
以上のようにして、本実施の形態に係る電池処理システム２によると、劣化指標値ΣＤが初期値から変化している履歴がある場合に、電極体３６の電極面において電位が偏ることに起因する劣化が発生している可能性があるため、第２解消処理が実行されることより、当該劣化を解消することができる。さらに、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１よりも大きい場合には、第１解消処理が実行されるため、リチウムイオンの濃度分布の偏りに起因する劣化を解消することができる。したがって、電位のムラに起因した劣化を解消する電池処理システムおよび電池処理方法を提供することができる。
さらに、第２解消処理は、セル３１に対して予め定められた電圧に到達させる過放電を行なう処理を含むため、電極体３６の電極面において電位の偏りを早期に解消する変化を生じさせることができる。
さらに、劣化指標値ΣＤが第１しきい値ＴＨ１を上回る場合に、第２解消処理を実行した後に第１解消処理が実行される。そのため、第２解消処理が実行されることにより電極体３６の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消することができるとともに、第１解消処理が実行されることにより濃度分布の偏りに起因する劣化を解消することができる。
さらに、正極の活物質と負極の活物質とのうちの少なくとも一方には、リチウムイオンの挿入脱離が可能な材料が含まれるため、第２解消処理の実行により電極体３６の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消することができる。
以下、変形例について記載する。
上述の実施の形態では、制御装置１００がＥＣＵ６０からバッテリ３０を構成するセル３１の劣化指標値ΣＤを取得し、取得された劣化指標値ΣＤに基づいて充放電装置１０を用いて第１解消処理または第２解消処理を実行するものとして説明したが、制御装置１００に代えて、ＥＣＵ６０が劣化指標値ΣＤに基づいて車両５０に搭載される電力変換装置（図示せず）を用いて第１解消処理または第２解消処理を実行してもよい。この場合、車両５０には、バッテリ３０を構成する複数のセル３１のいずれかを個別に充電または放電したり、充放電対象から切り離したりする回路を有していてもよい。
さらに上述の実施の形態では、劣化指標値ΣＤの積算の履歴がある場合に、少なくとも第２解消処理が実行されるものとして説明したが、劣化指標値ΣＤが第２しきい値ＴＨ２を上回る期間がある場合に、第２解消処理が実行されればよく、劣化指標値ΣＤが第２しきいＴＨを上回る状態である場合に、少なくとも第２解消処理が実行されるようにしてもよい。
さらに上述の実施の形態では、第２しきい値ＴＨ２は、ゼロであるものとして説明したが、ゼロに限定されるものではない。
なお、上記した変形例は、その全部または一部を適宜組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
２ 電池処理システム、１０ 充放電装置、３０ バッテリ、３１ セル、３２ 電池ケース、３３ 蓋体、３４ 正極端子、３５ 負極端子、３６ 電極体、３７ 正極、３８ 負極、３９ セパレータ、４０ 検出ユニット、５０ 車両、６０ ＥＣＵ、１００ 制御装置、１０１ プロセッサ、１０２ メモリ。

Claims (6)

  1. 電極体を有するリチウムイオン電池と、
    前記リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    前記電極体の内部におけるリチウムイオンの濃度分布の偏りに起因する前記リチウムイオン電池の劣化の進行度合いを示す指標値を取得し、
    前記指標値が第１しきい値を上回る場合に、前記濃度分布の偏りに起因する劣化を解消する第１解消処理を実行し、
    前記指標値が、前記第１しきい値以下であって、かつ、前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値を上回る期間がある場合に、前記リチウムイオン電池の放電によって前記電極体の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消する第２解消処理を実行する、電池処理システム。
  2. 前記第２解消処理は、前記リチウムイオン電池に対して予め定められた電圧に到達させる過放電を行なう処理を含む、請求項１に記載の電池処理システム。
  3. 前記制御装置は、前記指標値が、前記第１しきい値以下であって、かつ、前記指標値が初期値から前記第２しきい値を上回る変化の履歴がある場合に前記第２解消処理を実行する、請求項１に記載の電池処理システム。
  4. 前記制御装置は、前記指標値が前記第１しきい値を上回る場合に、前記第２解消処理を実行した後に前記第１解消処理を実行する、請求項１に記載の電池処理システム。
  5. 前記電極体は、正極と負極と含み、
    前記正極の活物質と前記負極の活物質とのうちの少なくとも一方が前記リチウムイオンの挿入脱離が可能な材料を含む、請求項１に記載の電池処理システム。
  6. 電極体を有するリチウムイオン電池の劣化を解消する電池処理方法であって、
    前記電極体の内部におけるリチウムイオンの濃度分布の偏りに起因する前記リチウムイオン電池の劣化の進行度合いを示す指標値を取得するステップと、
    前記指標値が第１しきい値を上回る場合に、前記濃度分布の偏りに起因する劣化を解消する第１解消処理を実行するステップと、
    前記指標値が、前記第１しきい値以下であって、かつ、前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値を上回る期間がある場合に、前記リチウムイオン電池の放電によって前記電極体の電極面において電位が偏ることに起因する劣化を解消する第２解消処理を実行するステップとを含む、電池処理方法。
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