JP5058959B2

JP5058959B2 - 二次電池の劣化状態診断装置

Info

Publication number: JP5058959B2
Application number: JP2008317078A
Authority: JP
Inventors: 和寿北川
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: JP2010139423A

Description

本発明は、自動車に設置された二次電池の劣化状態を診断するための二次電池の劣化状態診断装置に関する。

これに関連する従来の二次電池の劣化状態診断装置が特許文献１に記載されている。
前記二次電池の劣化状態診断装置は、二次電池に対して１Ｈｚから数ｋＨｚの範囲内の交流電圧を印加してその二次電池を充放電させ、そのときに二次電池に流れる交流電流の大きさから二次電池の各周波数毎の内部インピーダンスを演算する。そして、各々の周波数毎に求められた内部インピーダンスから二次電池の抵抗成分を算出し、その抵抗値が上限値を超えたときに二次電池の異常と診断する。ここで、二次電池の劣化状態診断装置の電源としては、一般的に商用電源が使用される。

特開２００１−３５１６９６号

上記したように、前記二次電池の劣化状態診断装置の電源には商用電源が使用されるため、例えば、電気自動車等に搭載された二次電池の劣化状態を診断する場合には、安定した商用電源が確保できる位置まで電気自動車等を移動させる必要がある。即ち、どのような場所でも簡単に電気自動車等の二次電池の劣化状態を診断することはできない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、電気自動車等に使用されている二次電池の劣化状態を簡単、かつ精度良く診断できるようにすることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、自動車に設置された二次電池の劣化状態を診断するための二次電池の劣化状態診断装置であって、前記自動車に設置されており、その自動車の運転中に電荷が溜められるように構成されたキャパシタと、前記自動車の停止中に前記キャパシタを電源にして電圧を所定の周波数で変化させ、その電圧を前記二次電池に加えることで、その二次電池を所定の周波数で充放電させる電圧印加手段と、前記周波数を変化させる周波数変化手段と、各々の周波数毎に前記二次電池の応答電流と応答電圧とを検出する電流・電圧検出手段と、前記応答電圧と応答電流とから各々の周波数における二次電池の内部インピーダンスを演算し、前記内部インピーダンスに基づいて前記二次電池の反応抵抗を算出する演算手段と、前記演算手段により求められた前記反応抵抗を基準となる反応抵抗値と比較する比較手段とを有することを特徴とする。

本発明によると、電圧印加手段、周波数変化手段、電流・電圧検出手段、及び演算手段を利用して求められた二次電池の反応抵抗を比較手段によって基準となる反応抵抗値と比較することで、二次電池の劣化状態を診断することができる。ここで、前記キャパシタは自動車の運転中に電荷が溜められるように構成されており、前記電圧印加手段は自動車の停止中にキャパシタを電源にして動作するように構成されている。このため、従来、二次電池の劣化状態診断に必要であった商用電源等が不要になり、どのような場所でも簡単に自動車の二次電池の劣化状態を診断できるようになる。
また、キャパシタは劣化し難く、さらに内部抵抗による電圧降下がほぼ零であるため、精度良く二次電池の内部インピーダンスを測定できる。

請求項２の発明によると、周波数変化手段は、周波数を０．１Ｈｚから１ＭＨｚまでの間で変化させられるように構成されていることを特徴とする。このため、演算手段により二次電池の反応抵抗等を精度良く求めることができる。
請求項３の発明によると、演算手段は、各々の周波数における二次電池の内部インピーダンスからコール・コール・プロット図を利用して二次電池の反応抵抗を求める構成であることを特徴とする。

本発明によると、自動車に設置された二次電池の劣化状態の診断が簡単、かつ高精度で行なえるようになる。

（実施形態１）
以下、図１から図５に基づいて本発明の実施形態１に係る二次電池の劣化状態診断装置の説明を行なう。本実施形態に係る二次電池の劣化状態診断装置は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等に搭載されたリチウムイオン電池の劣化状態を診断する装置であり、前記リチウムイオン電池と共に自動車に搭載されている。ここで、図１は本実施形態に係る二次電池の劣化状態診断装置を備えるハイブリッド車の動作原理を表す模式図であり、図２は二次電池の劣化状態診断装置の電気回路を表す模式図である。また、図３から図５は二次電池の劣化状態を診断する方法を表すグラフ及びフローチャートである。

＜ハイブリッド車１０の概要について＞
本実施形態に係るリチウムイオン電池の劣化状態診断装置２０について説明する前にハイブリッド車１０の概要について説明する。
ハイブリッド車１０は、図１に示すように、エンジン１２とモータ１５とを組み合わせて走行する自動車であり、走行状態に応じて前記エンジン１２とモータ１５とを切替えられるように構成されている。前記モータ１５は電源コントローラ２１から供給される電力により駆動される構成であり、その電源コントローラ２１にリチウムイオン電池２２とキャパシタ２５とが電気的に接続されている。

一般的に、車両発進時には、モータ１５の回転力で車輪１６が回転させられる。そして、車両速度が所定速度を超えた段階でエンジン１２とモータ１５の回転力が共に車輪１６に伝達可能になる。さらに、車両減速時には、車輪１６の回転力がモータ１５に伝達され、そのモータ１５が発電機として動作するとともに、前記モータ１５が車輪１６に対して制動力を付与する。そして、前記モータ１５が発電することにより得られた電力がリチウムイオン電池２２及びキャパシタ２５に蓄えられる。

＜リチウムイオン電池２２の劣化状態診断装置２０について＞
リチウムイオン電池２２の劣化状態診断装置２０（以下、劣化状態診断装置２０という）は、ハイブリッド車１０の運転完了時（駐車時）にリチウムイオン電池２２の劣化状態を診断する装置である。ここで、リチウムイオン電池２２（以下、Ｌｉ電池２２という）は、図２に示す等価回路によって表される。等価回路中のＲｅは、Ｌｉ電池２２の液抵抗、即ち、リチウムイオンがＬｉ電池２２の電解液中を移動する際の抵抗である。Ｒｓは、Ｌｉ電池２２の正極、あるいは負極の端子導体の抵抗、即ち、リチウムイオンが前記端子導体を移動する際の抵抗である。Ｒｃｔは、Ｌｉ電池２２の反応抵抗、即ち、リチウムイオンが電解液から正極、あるいは負極に入り込む際の抵抗であり、並列に設けられた抵抗成分と容量成分とから表される。Ｚｗは、Ｌｉ電池２２の拡散抵抗、即ち、リチウムイオンが正極、あるいは負極中を移動する際の抵抗である。
Ｌｉ電池２２が劣化すると特に反応抵抗Ｒｃｔ、及び拡散抵抗Zｗが増加する。このため、前記反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Zｗを予め測定された基準Ｌｉ電池の基準反応抵抗値Ｒｃｔｓ、基準拡散抵抗値Zｗｓと比較することで、Ｌｉ電池２２の劣化状態を診断することができる。

劣化状態診断装置２０は、Ｌｉ電池２２の反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Zｗを求め、これを基準Ｌｉ電池の基準反応抵抗値Ｒｃｔｓ、基準拡散抵抗値Zｗｓと比較することでＬｉ電池２２の劣化状態を診断する装置である。劣化状態診断装置２０は、図２に示すように、キャパシタ２５と、電源コントローラ２１と、電圧計２１ｖ及び電流計２１ａとから構成されている。
キャパシタ２５は、劣化状態診断装置２０の電源となる部分であり、ハイブリッド車１０の運転中に電源コントローラ２１からの制御信号に基づいて電荷を蓄えられるように構成されている。
電源コントローラ２１は、劣化状態診断装置２０の主要部であり、図３に示すように、Ｌｉ電池２２の電圧（例えば、Ｅ＝3.5ｖ）に対して、例えば、＋10ｍｖ、あるいは−10ｍｖの電圧を周期的に加えられるように構成されている。さらに、印加電圧の周波数を０．１Ｈｚから１ＭＨｚまで連続的に変化させられるように構成されている。これにより、Ｌｉ電池２２は所定周波数で充電／放電を繰り返すようになり、このときのＬｉ電池２２の電流（反応電流）と電圧（反応電圧）とがそれぞれ電流計２１ａ及び電圧計２１ｖによって測定される。

電源コントローラ２１は、各々の周波数に対応する電流計２１ａの測定値、電圧計２１ｖの測定値からＬｉ電池２２の内部インピーダンスを演算する。そして、各々の周波数に対応するＬｉ電池２２の内部インピーダンスから、図４に示すように、コール・コール・プロット図を作成し、コール・コール・プロット図を利用して反応抵抗Ｒｃｔと拡散抵抗Zｗとを求める。

例えば、高周波数領域で電圧を変化させた場合には（図４のＡ点参照）、電解液中と端子導体を移動するリチウムイオンのみが前記電圧の変化に応答可能である。このため、前記Ｌｉ電池２２の液抵抗等Ｒｅ＋Ｒｓのみが測定可能となる。また、中周波数領域で電圧を変化させた場合には（図４のＡ点〜Ｂ点間参照）、電解液から正極、あるいは負極に入り込むリチウムイオンが前記電圧の変化に応答可能となり、Ｌｉ電池２２の液抵抗等Ｒｅ＋Ｒｓと反応抵抗Ｒｃｔが測定可能になる。さらに、低周波数領域で電圧を変化させた場合には（図４のＢ点からＣ点間参照）、正極、あるいは負極内を移動するリチウムイオンも前記電圧の変化に応答可能となり、Ｌｉ電池２２の液抵抗等Ｒｅ＋Ｒｓ、反応抵抗Ｒｃｔ及び拡散抵抗Ｚｗが測定可能になる。

したがって、図４のＣ点（周波数Ｃ（例えば、0.1Ｈｚ））における内部インピーダンスの抵抗成分からＢ点（周波数Ｂ（例えば、数Ｈｚ））における内部インピーダンスの抵抗成分を減ずることで、拡散抵抗Ｚｗを求めることができる。また、Ｂ点（周波数Ｂ（例えば、数Ｈｚ））における内部インピーダンスの抵抗成分からＡ点（周波数Ａ（例えば、1ｋＨｚ））における内部インピーダンスの抵抗成分を減ずることで、反応抵抗Ｒｃｔを求めることができる。
電源コントローラ２１は、Ｌｉ電池２２の反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Ｚｗを、予め記憶されている基準Ｌｉ電池の基準反応抵抗値Ｒｃｔｓ、基準拡散抵抗値Ｚｗｓと比較することで、Ｌｉ電池２２の劣化状態を診断する。
即ち、電源コントローラ２１が本発明の電圧印加手段、周波数変化手段、演算手段、及び比較手段に相当する。また、電流計２１ａ及び電圧計２１ｖが本発明の電流・電圧検出手段に相当する。

＜劣化状態診断装置２０の動作について＞
次に、図５のフローチャートに基づいて本実施形態に係る劣化状態診断装置２０の動作について説明する。
Ｌｉ電池２２の劣化状態診断開始スイッチがオンすると（スタート）、ハイブリッド車１０が運転停止（運転完了）か、否かが判定される（ステップ１０１）。そして、運転完了状態と判定されると（ステップ１０１ＹＥＳ）、Ｌｉ電池２２とモータ１５との接続が電気的に解除される（ステップ１０２）。なお、キャパシタ２５にはハイブリッド車１０の運転中に電荷が蓄えられている。
次に、電源コントローラ２１がキャパシタ２５の電圧を受けて、Ｌｉ電池２２に対し、そのＬｉ電池２２の電圧（例えば、3.5ｖ）よりも＋10ｍｖ高い電圧、あるいは−10ｍｖ低い電圧を周期的に加える（図３参照）。さらに、電源コントローラ２１は、Ｌｉ電池２２に印加する電圧の周波数を０．１Ｈｚから１ＭＨｚまで連続的に変化させる（ステップ１０３、１０４）。これにより、Ｌｉ電池２２は電圧の周波数に対応して充電／放電を繰り返す。そして、このときの各々の周波数に対応するＬｉ電池２２の電流（反応電流）と電圧（反応電圧）とがそれぞれ電流計２１ａ及び電圧計２１ｖによって測定される。次に、電源コントローラ２１は、各々の周波数に対応するＬｉ電池２２の反応電流と反応電圧とから各々の周波数に対応するＬｉ電池２２の内部インピーダンスを演算する。そして、各々の周波数に対応するＬｉ電池２２の内部インピーダンスから、図４に示すように、コール・コール・プロット図を作成し、コール・コール・プロット図を利用して反応抵抗Ｒｃｔと拡散抵抗Zｗとが算出される（ステップ１０５）。
なお、図４におけるＡ点、Ｂ点及びＣ点の周波数が予め把握できていれば、それらの周波数に対応するＬｉ電池２２の内部インピーダンスを求め、前記内部インピーダンスから反応抵抗Ｒｃｔと拡散抵抗Zｗとを算出することも可能である。

次に、基準反応抵抗値Ｒｃｔｓに対する反応抵抗Ｒｃｔの抵抗増加分を劣化係数としてメモリに記憶する。また、前記拡散抵抗Ｚｗを大電流放電時の内部抵抗としてメモリに記憶する（ステップ１０６）。
次に、Ｌｉ電池２２の劣化補正分を前記劣化係数に基づいて補正する（ステップ１０７）。劣化補正分は、Ｌｉ電池２２が初期の状態からどれだけ劣化したかを表す係数であり、Ｌｉ電池２２の劣化状態診断毎に更新される。そして、Ｌｉ電池２２の劣化補正分が更新された段階でＬｉ電池２２の劣化状態診断が完了する。
ハイブリッド車１０の運転中には（ステップ１０１ＮＯ）、車両の走行状態に応じてＬｉ電池２２の充放電が行われる（ステップ１０８）。そして、Ｌｉ電池２２の劣化補正分に基づいてＬｉ電池２２の充電状態が判定される（ステップ１０９）。

＜本実施形態に係る劣化状態診断装置２０の長所について＞
本実施形態に係る劣化状態診断装置２０によると、キャパシタ２５はハイブリッド車１０の運転中に電荷が溜められるように構成されており、電源コントローラ２１はハイブリッド車１０の停止中にキャパシタ２５を電源にして動作するように構成されている。このため、従来、Ｌｉ電池２２の劣化状態診断時に必要であった商用電源等が不要になり、どのような場所でも簡単にハイブリッド車１０のＬｉ電池２２の劣化状態を診断できるようになる。
また、キャパシタ２５は劣化し難く、さらに内部抵抗による電圧降下がほぼ零であるため、精度良くＬｉ電池２２の内部インピーダンスを求められるようになる。
また、電源コントローラ２１は、電圧の周波数を０．１Ｈｚから１ＭＨｚまでの間で変化させられるように構成されているため、Ｌｉ電池２２の反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Ｚｗを精度良く求めることができる。

＜変更例＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、Ｌｉ電池２２の電圧（例えば、Ｅ＝3.5ｖ）に対して、例えば、＋10ｍｖ、あるいは−10ｍｖの電圧を周期的に加える例を示したが、電圧の増減分（10ｍｖ）は適宜変更可能である。
また、本実施形態では、Ｌｉ電池２２の反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Zｗを求め、これを基準Ｌｉ電池の基準反応抵抗値Ｒｃｔｓ、基準拡散抵抗値Zｗｓと比較することでＬｉ電池２２の劣化状態を診断する例を示した。しかし、Ｌｉ電池２２の反応抵抗Ｒｃｔのみを基準Ｌｉ電池の基準反応抵抗値Ｒｃｔｓと比較してＬｉ電池２２の劣化状態を診断する方法でも良い。
また、本実施形態ではハイブリッド車１０におけるＬｉ電池２２の劣化状態診断装置について例示したが、本発明を例えば電気自動車等おけるＬｉ電池２２の劣化状態診断装置に適用することも可能である。さらに、Ｌｉ電池以外の二次電池に本発明を適用することも可能である。

本発明の実施形態１に係るＬｉ電池の劣化状態診断装置を備えるハイブリッド車の動作原理を表す模式図である。Ｌｉ電池の劣化状態診断装置の電気回路を表す模式図である。Ｌｉ電池の劣化状態を診断する方法を表すグラフである。Ｌｉ電池の劣化状態を診断する方法を表すグラフである。Ｌｉ電池の劣化状態を診断する方法を表すフローチャートである。

符号の説明

１０・・・・ハイブリッド車（自動車）
２０・・・・劣化状態診断装置
２１ｖ・・・電圧計（電圧検出手段）
２１ａ・・・電流計（電流検出手段）
２１・・・・電源コントローラ（電圧印加手段、周波数変化手段、演算手段、及び比較手段）
２２・・・・Ｌｉ電池（リチウムイオン電池（二次電池））
２５・・・・キャパシタ
Ｒｃｔ・・・反応抵抗
Ｚｗ・・・・拡散抵抗

Claims

自動車に設置された二次電池の劣化状態を診断するための二次電池の劣化状態診断装置であって、
前記自動車に設置されており、その自動車の運転中に電荷が溜められるように構成されたキャパシタと、
前記自動車の停止中に前記キャパシタを電源にして電圧を所定の周波数で変化させ、その電圧を前記二次電池に加えることで、その二次電池を所定の周波数で充放電させる電圧印加手段と、
前記周波数を変化させる周波数変化手段と、
各々の周波数毎に前記二次電池の応答電流と応答電圧とを検出する電流・電圧検出手段と、
前記応答電圧と応答電流とから各々の周波数における二次電池の内部インピーダンスを演算し、前記内部インピーダンスに基づいて前記二次電池の反応抵抗を算出する演算手段と、
前記演算手段により求められた前記反応抵抗を基準となる反応抵抗値と比較する比較手段と、
を有することを特徴とする二次電池の劣化状態診断装置。
請求項１に記載された二次電池の劣化状態診断装置であって、
前記周波数変化手段は、前記周波数を０．１Ｈｚから１ＭＨｚまでの間で変化させられるように構成されていることを特徴とする二次電池の劣化状態診断装置。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載された二次電池の劣化状態診断装置であって、
前記演算手段は、各々の周波数における二次電池の内部インピーダンスからコール・コール・プロット図を利用して前記二次電池の反応抵抗を求める構成であることを特徴とする二次電池の劣化状態診断装置。