JP5623629B2 - 余寿命判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池が電気的に接続された組電池の余寿命を推測する技術に関するものである。

電池が劣化または故障すると、電圧値（Ｖ）の変化特性に変化が生じたり、抵抗値（Ｒ）に変化が生じたりする。この特性を利用して、実際に電池の劣化や故障が発生した場合に、電圧値や抵抗値の変化に基づいて、電池の劣化度合を判定する技術が知られている（たとえば、特許文献１〜６を参照。）。

特開２００５−１８８９６５号公報 特開２００３−１５１６４５号公報 特開２００３−０２８９４０号公報 特開２００１−２３１１７９号公報 特開２００８−１２６７８８号公報 特開２０００−０９２７３２号公報

しかし、特にニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）の場合、実際に劣化がある程度まで進行したり、故障が発生したりするまでは電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の顕著な変化が発生しないため、電池の余寿命を推測しようとする場合、上記従来の判定技術は利用できない。

そこで、本発明の目的は、寿命が近づいても電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の顕著な変化が発生しない電池において、この電池の余寿命を推測する技術を提供することにある。

本発明である余寿命判定方法は、複数の電池から構成され、車両から取り外されてから充放電処理が施されていない組電池を用いて、組電池の充電状態（ＳＯＣ）が、組電池の充放電制御で用いられる所定の通常使用範囲の下限値以下となるまで、組電池を放電させ、組電池の放電時において、複数の電池を複数の電池ブロックに分けたとき電池ブロック毎の放電容量を測定し、複数の電池ブロックにおける放電容量の内の容量差を算出し、算出された容量差に基づいて、電池ブロック又は組電池の余寿命を判定することを特徴とする。

ここで、各電池ブロックは、各電池に対応させたり、複数の電池に対応させたりすることができる。すなわち、組電池を電池毎に分ければ、各電池が各電池ブロックとなる。また、１つの電池ブロックを複数の電池で構成することもでき、この場合には、複数の電池ブロックによって組電池が構成される。複数の電池ブロックにおける放電容量の最大値と最小値との容量差が所定値以上である場合に、組電池又は、放電容量が小さい側の電池ブロックの余寿命が所定期間以下であると判定することができる。

また、通常使用範囲の下限値としては、４０％の充電状態（ＳＯＣ）に設定することができる。ＳＯＣ４０％は、組電池の充放電を行うときに、ＳＯＣの下限値として設定されることが多いため、下限値以下となるまで組電池を放電させることにより、複数の電池ブロックにおける放電容量のバラツキが顕著に現れ、より精度の高い余寿命判定を行うことができる。

さらに、通常使用範囲の下限値としては、０％の充電状態（ＳＯＣ）に設定することができる。これにより、複数の電池ブロックにおける放電容量のばらつきがより顕著にあらわれ、より正確に余寿命判定を行うことができる。

また、組電池の充電状態（ＳＯＣ）が、充放電制御の目標となる基準値から下限値以下となるまで、組電池を放電させることができる。基準値（ＳＯＣ）は、満充電状態に相当するＳＯＣよりも低いため、満充電の状態から組電池を放電させるよりも、短時間で効率的に、複数の電池ブロックにおける放電容量のバラツキを把握することができる。

なお、車両から取り外された組電池を強制的に充電された状態から放電を始めると、車両で実際に利用されたことにより生じた容量バランス（正極および負極の間における容量の対応関係）のズレが緩和されてしまい、放電容量のバラツキを観測しにくくなってしまう。

本発明によれば、寿命が近づいても電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の顕著な変化が発生しない電池において、この電池の余寿命を推測する技術を提供することができる。

組電池（電池）の余寿命を判定する余寿命判定システムの概要を示す図である。 本実施例による電池劣化判定方法における処理の流れを示すフローチャートである。 十分な余寿命のある組電池をＳＯＣ０％まで放電させた場合において、複数の電池における放電容量のバラツキΔＡｈの程度を示す図である。 負極充電量が減少して余寿命が短くなっている組電池をＳＯＣ０％まで放電させた場合において、複数の電池における放電容量のバラツキΔＡｈの程度を示す図である。 正極および負極における容量バランスがずれていない電池において、放電容量および単極電位（正極電位および負極電位）の関係を示す図である。 正極および負極における容量バランスがずれた電池において、放電容量および単極電位（正極電位および負極電位）の関係を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本実施例は、車両などから回収した組電池の余寿命を判定する技術である。余寿命とは、組電池又は、後述する電池を、所定の充放電特性を満たす範囲内において、将来、使用し続けることができる期間である。

図１は、組電池の余寿命を判定する余寿命判定システムの概要を示す図である。本実施例では、余寿命の判定対象となる組電池が、車両から回収されたニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）である場合を例に挙げている。なお、ニッケル水素電池の他にも、リチウムイオン電池などの二次電池を用いることができる。

組電池１０は、複数の電池１０ａを電気的に直列に接続して構成される組電池（電池パック）となっている。図１では、電池１０ａ（電池ブロックに相当する）を単電池として示しているが、これに限るものではない。

具体的には、複数（例えば、６個）の単電池を電気的に直列に接続して電池モジュールを構成したとき、この電池モジュールを、図１に示す電池１０ａとすることができる。ここで、電池モジュールは、１つのユニットとして構成される。すなわち、１つのケースに複数の単電池を収容することにより、電池モジュールを構成することができる。この場合には、複数の電池モジュールを電気的に直列に接続することにより、組電池１０を構成することができる。一方、複数の電池モジュールを電気的に直列に接続したものを、図１に示す電池１０ａとすることもできる。

組電池１０のプラス端子は、正極ラインＰＬを介して負荷４ｓと接続され、組電池１０のマイナス端子は、負極ラインＮＬを介して負荷４ｓと接続されている。電流センサ５は、組電池１０が負荷４ｓと接続されているとき、組電池１０の電流値を検出する。また、各電池１０ａには放電回路としての電気抵抗４が電気的に並列に接続されている。電圧センサ３は、各電池１０ａに設けられており、組電池１０を放電しているときの各電池１０ａの電圧を検出し、検出結果を放電容量算出部２に出力する。

組電池１０の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）は、組電池１０を満充電にした状態から、放電した電気量の割合を除いた割合である。言い換えれば、ＳＯＣは、満充電容量に対する、現在の充電容量の割合を示す。ここで、満充電容量は、組電池１０の使用（劣化）によって変化するため、ＳＯＣは、現在の満充電容量を基準として算出される。満充電容量には、組電池１０が初期状態にあるときの満充電容量や、組電池１０の使用後（劣化後）における満充電容量が含まれる。初期状態とは、組電池１０を製造した直後の状態、言い換えれば、組電池１０を初めて使用したときの状態である。組電池１０の使用後における満充電容量は、組電池１０が初期状態にあるときの満充電容量よりも低下する。

組電池１０のＳＯＣは、例えば、電流センサ５により計測される放電電流の積算値から推定したり、電圧センサ３により計測される電圧を用いて算出される組電池１０の起電力から推定したりすることができる。もちろん、組電池１０のＳＯＣは、公知の種々の推定手法により、推定することができる。

各電池１０ａを放電したときの電圧センサ３による検出結果に基づいて、各電池１０ａの放電カーブ（放電容量に対する電圧の変化）を求めることができる。

なお、本実施例では、組電池１０を構成する複数の電池１０ａが電気的に直列に接続されているが、組電池１０には、電気的に並列に接続された複数の電池１０ａが含まれていてもよい。

上述のような組電池１０を搭載した車両では、組電池１０の出力を用いて車両を走行させたり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として組電池１０に蓄えたりすることができる。具体的には、組電池１０をモータ・ジェネレータと電気的に接続することができる。モータ・ジェネレータは、組電池１０から出力された電気エネルギを、車両の走行に用いられる運動エネルギに変換したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを、組電池１０に供給される電気エネルギに変換したりする。

図２は、本実施例による電池劣化判定方法における処理の流れを示すフローチャートである。

まず、電気的に接続された複数の電池１０ａを有する組電池１０を、ＳＯＣが、通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ以下となるまで放電させる（Ｓ１０１，Ｓ１０２）。具体的には、組電池１０を負荷４ｓと接続して組電池１０を放電させることにより、組電池１０のＳＯＣを下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ以下とする。

組電池１０（電池１０ａ）の放電を行うときには、放電レートを１Ｉｔ未満とすることができる。また、組電池１０を放電しているとき、各電圧センサ３によって、対応する電池１０ａの電圧値が検出される。電池１０ａの電圧値は、組電池１０の放電によって低下する。

ここで、通常使用範囲とは、以下の（１）〜（３）の条件を満たすことのできるＳＯＣの範囲を意味している。
（１）車の要求に対して入出力（Ｗ）が十分に確保できる。
（２）要求される寿命を満たす。
（３）充放電容量（エネルギ量（Ｗｈ））を十分に確保できる。

このように、「通常使用範囲」とは、組電池１０が車両に搭載された場合に、組電池１０として要求される入出力性能を十分に発揮しつつ、その使用範囲で使用することで組電池１０の大幅な劣化を抑制することのできる使用範囲を意味している。また、通常使用範囲は、組電池１０（電池１０ａ）の固有の入出力特性によって決定されてもよく、また、車両側の要求により決定されてもよい。

ここで、組電池１０のＳＯＣが、通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎに到達するとき、一般的には、組電池１０の放電を制限する制御が行われ、組電池１０のＳＯＣが下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎよりも低くならないようにしている。一方、組電池１０のＳＯＣが、通常使用範囲の上限値ＳＯＣ＿ｍａｘに到達するとき、一般的には、組電池１０の充電を制限する制御が行われ、組電池１０のＳＯＣが上限値ＳＯＣ＿ｍａｘよりも高くならないようにしている。

また、上記放電処理を完了させる「終止電圧（放電終止電圧）」は、電池１０ａの終止電圧となる。例えば、電池１０ａが単電池で構成されているときには、単電池の終止電圧が、放電処理を完了させる終止電圧となる。また、電池１０ａが電池モジュールとして構成されているときには、電圧センサ３による検出電圧としての６．０Ｖ〜７．２Ｖ程度を、放電処理を完了させる終止電圧とすることができる。

すなわち、６個のニッケル水素電池（単電池）から電池モジュールが構成されているとき、ニッケル水素電池（単電池）の終止電圧が１．０〜１．２Ｖであるため、電池モジュールの検出電圧が６．０Ｖ〜７．２Ｖ程度になると、通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ付近まで、電池モジュールが放電されたと推定できる。一方、電池１０ａが複数の電池モジュールによって構成されているときには、電池モジュールの終止電圧に、電池モジュールの数を乗算した値が、放電処理を完了させる終止電圧となる。

次に、放電させた各電池１０ａの放電容量を測定する（Ｓ１０３）。各電池１０ａを終止電圧まで放電させている間の時間と、放電電流値とに基づいて、放電容量を測定することができる。放電容量の算出は、放電容量算出部２（図１参照）にて行われる。放電容量算出部２は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）による演算処理や、ＭＥＭＯＲＹに格納されたプログラムをＣＰＵやＭＰＵ等のプロセッサにより実行して行われる処理等により実現される。

Ｓ１０３の処理によって、複数の電池１０ａにおける放電容量をそれぞれ取得することができる。複数の電池１０ａにおいて、放電容量にバラツキが発生しているときには、放電容量の最大値および最小値を特定することができる。この場合には、放電容量（最大値）および放電容量（最小値）の差（容量差）ΔＡｈを算出する（Ｓ１０４）。

次に、容量差ΔＡｈが所定値ΔＡｈ＿ｔｈ以上であるか否かを判別する（Ｓ１０５）。所定値ΔＡｈ＿ｔｈは、電池１０ａの余寿命を考慮して、予め設定することができる。組電池１０において、特定の電池１０ａの余寿命が他の電池１０ａの余寿命よりも短くなるほど、容量差ΔＡｈは広がる。したがって、容量差ΔＡｈを所定値ΔＡｈ＿ｔｈと比較することにより、余寿命が短い側の電池１０ａを特定することができる。

そこで、容量差ΔＡｈが所定値ΔＡｈ＿ｔｈ以上である場合に、組電池１０（特に、放電容量Ａｈが低い側の電池１０ａ）の余寿命が所定期間以下であると判定する（Ｓ１０６）。ここで、所定期間は、電池１０ａを再利用する観点に基づいて、適宜設定することができる。すなわち、余寿命が所定期間以下ではないと判定された電池１０ａについては、再利用が可能であると判断することができる。

具体的には、上述の容量差ΔＡｈが、組電池１０の満充電容量に占める所定割合（例えば、１０％）を超える場合に、組電池１０（特に、放電容量Ａｈが低い側の電池１０ａ）の余寿命が所定期間以下であると判定する。組電池１０は、複数の電池１０ａをユニット化しているため、余寿命が所定期間以下である電池１０ａが組電池１０に含まれていれば、組電池１０の余寿命も所定期間以下であると判定される。ここで、組電池１０を構成する複数の電池１０ａを分解すれば、余寿命が所定期間以下である電池１０ａを特定することができる。

ここで、上述した所定割合は、組電池１０の入出力特性などを考慮して適宜設定することができる。一例として、判定基準を「１０％」としているのは、放電容量のばらつき幅が１０％程度以内であることが、電池１０ａが正常に使用できることの判定基準の一例であるためである（たとえば、特開２００２−１５７８１号公報を参照）。

上述したように、放電容量のばらつき（容量差ΔＡｈ）が１０％を超えた場合でも、組電池１０を構成するすべての電池１０ａの余寿命が短いとは限らない。つまり、特定の電池１０ａの余寿命だけが短いことがある。ここで、すべての電池１０ａにおける放電容量の平均値を算出し、この平均値（放電容量）よりも所定値（例えば、満充電容量の１０％）以上低い放電容量を示す電池１０ａについて、余寿命が短いと判定することができる。

余寿命が短いと判定された電池１０ａ以外の電池１０ａについては、新たな組電池１０を製造する際に再利用することができる。なお、使用後の組電池１０から再利用できる電池１０ａを選択（抽出）する方法は、各電池１０ａの放電容量を放電容量の平均値と比較する方法に限られず、各電池１０ａの放電容量を他の基準と比較してもよい。

なお、Ｓ１０１において、組電池１０における電池１０ａのそれぞれを、組電池１０のＳＯＣが４０％以下」となるまで放電させることが望ましい。ＳＯＣ４０％は、通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎとして設定されることがあり、組電池１０のＳＯＣが通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎよりも低下すると、放電容量のバラツキ（容量差ΔＡｈ）が顕著に現れ始めるからである。

また、Ｓ１０１において、組電池１０における電池１０ａのそれぞれを、組電池１０のＳＯＣが「０％」となるまで放電させることがより好ましい。これにより、複数の電池１０ａにおいて、放電容量のバラツキ（ΔＡｈ）を、最も大きい状態で観測することができるため、より正確な余寿命判定ができる。すなわち、組電池１０のＳＯＣを低下させるほど、容量差ΔＡｈを広げることができ、余寿命の判定に用いられる容量差ΔＡｈを把握しやすくなる。

また、Ｓ１０１での組電池１０における電池１０ａそれぞれの放電は、組電池１０のＳＯＣが「ＳＯＣ中心」の状態から始めることが望ましい。ここで、「ＳＯＣ中心」とは、組電池１０を充放電させる際に目標となる基準値（ＳＯＣ）である。すなわち、組電池１０のＳＯＣがＳＯＣ中心に沿って変化するように、組電池１０の充放電が制御される。

具体的には、組電池１０のＳＯＣが「ＳＯＣ中心」よりも低下すると、運転者が要求する動力を出力できる範囲内において、組電池１０が充電される。これを充放電運転モードという。また、組電池１０のＳＯＣが「ＳＯＣ中心」よりも上昇すると、充放電運転モードが解除され、組電池１０の放電が積極的に行われる。

ＳＯＣ中心を基準とした組電池１０の充放電制御は、組電池１０が搭載された車両（特に、ハイブリッド車）において行われることが多い。ハイブリッド車とは、車両を走行させる動力源として、組電池１０の他に、エンジン又は燃料電池を備えた車両である。このように、組電池１０が搭載された車両に特徴的な「ＳＯＣ中心」を、図２に示す放電処理を行うときの基準とすることにより、満充電状態（ＳＯＣ中心よりもＳＯＣが高い状態）から放電処理を行うときよりも、短時間で効率的に、複数の電池１０ａにおける放電容量のバラツキ（容量差ΔＡｈ）を把握することができる。

さらに、Ｓ１０１にて示す放電は、車両から取り外された組電池１０に対して行うことができるが、この組電池１０は、車両から取り外された後に、強制的な充放電処理（特に、充電処理）が施されていないことが好ましい。これは、強制的に充電された状態から放電を始めると、車両で実際に利用（充放電）されたことにより生じた容量バランスのズレ（製造時の品質のバラツキや車両搭載時にさらされた環境の温度などに起因して発生する容量のバラツキ）が緩和されてしまい、容量差ΔＡｈを観測しにくくなってしまうからである。

図３は、十分な余寿命のある組電池１０をＳＯＣ０％まで放電させた場合において、複数の電池１０ａにおける放電容量のバラツキΔＡｈの程度を示す図である。図４は、負極充電量が減少して余寿命が短くなっている電池１０ａを含む組電池１０をＳＯＣ０％まで放電させた場合において、複数の電池１０ａにおける放電容量のバラツキΔＡｈの程度を示す図である。図３および図４では、６個の電池１０ａに関して、放電カーブ（放電容量Ａｈ１〜Ａｈ６）を取得している。

図３に示すように、負極充電量が十分にあり余寿命が長い組電池１０の場合、ＳＯＣ０％まで放電させたときの複数の電池１０ａにおける放電容量Ａｈ１〜Ａｈ６のバラツキ（最大容量差）は、ΔＡｈ１となる。一方、図４に示すように、負極充電量が減少して余寿命が短くなっている電池１０ａを含む組電池１０の場合、ＳＯＣ０％まで放電させたときの複数の電池１０ａにおける放電容量Ａｈ１〜Ａｈ６のバラツキ（最大容量差）は、ΔＡｈ２となり、図３に示す容量差ΔＡｈ１に比べて大幅に増加している。

図５および図６は、放電容量と、単極電位（正極電位および負極電位）との関係を示す図である。図５および図６において、縦軸は単極電位であり、横軸は放電容量である。

ここで、正極電位および負極電位のそれぞれは、正極および負極の間に参照極を配置することによって取得することができる。正極電位は、正極および参照極の間の電位となり、負極電位は、負極および参照極の間の電位となる。図５は、正極および負極における容量バランスがずれていない状態を示し、図６は、正極および負極における容量バランスがずれている状態を示す。

従来の余寿命判定方法では、電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の変化に基づいて、電池の劣化を予測していた。しかし、ニッケル水素電池における負極充電量の減少のように、まだ実際には電池１０ａの劣化が進んでいない状態では、電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の顕著な変化は、寿命に到達する直前まで観測できない。すなわち、負極充電量が減少すると、正極および負極における容量バランスがずれ、図５に示す状態から図６に示す状態に変化するだけであるため、電圧値（Ｖ）や抵抗値（Ｒ）の顕著な変化を観測できない。したがって、余寿命の推測が正確に行えなかった。

一方、本実施例のように、組電池１０のＳＯＣが通常使用範囲の下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎよりも低下するまで、組電池１０を放電させ、そのときに生ずる放電容量のバラツキ（ΔＡｈ）を観測することで、組電池１０を構成する各電池１０ａにおける負極充電量の減少を把握することができ、組電池１０（電池１０ａ）の余寿命を推測することができる。

本実施例に記載の余寿命判定方法を用いることにより、走行後の車両から回収された組電池１０における電池１０ａの余寿命を判定することができる。余寿命の判定の結果、比較的、放電容量のバラツキの少ない電池１０ａ（いわゆる、良品の電池１０ａ）のみを取り出すことにより、これら良品の電池１０ａを組み合わせて再度、組電池１０としてパッケージ化することができる。これにより、まだ十分な余寿命を有する電池１０ａを有効に再利用することができる。

放電容量の測定は、複数（例えば、６個）の単電池が電気的に直列に接続された電池モジュール（電池１０ａに相当する）毎に行ってもよいし、単電池をｎ個（ｎ＞１：自然数）毎にブロック化し、ブロック毎に行ってもよい。この場合、ブロック毎に余寿命を判定することができる。

１０：組電池、１０ａ：電池、ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、２：放電容量算出部、４：電気抵抗、３：電圧センサ、５：電流センサ、Ａｈ１〜Ａｈ６：各電池の放電容量

Claims (5)

1. 複数の電池から構成され、車両から取り外されてから充放電処理が施されていない組電池を用いて、前記組電池の充電状態（ＳＯＣ）が、前記組電池の充放電制御で用いられる所定の通常使用範囲の下限値以下となるまで前記組電池を放電させ、
   前記組電池の放電時において、前記複数の電池を複数の電池ブロックに分けたときの前記電池ブロック毎の放電容量を測定し、
   前記複数の電池ブロックにおける前記放電容量の内の容量差を算出し、
   算出された前記容量差に基づいて、前記電池ブロック又は前記組電池の余寿命を判定することを特徴とする余寿命判定方法。
2. 前記複数の電池ブロックにおける放電容量の最大値と最小値との容量差が所定値以上である場合に、前記組電池又は、放電容量が小さい側の前記電池ブロックの余寿命が所定期間以下であると判定することを特徴とする請求項１に記載の余寿命判定方法。
3. 前記下限値が４０％の充電状態（ＳＯＣ）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の余寿命判定方法。
4. 前記下限値が０％の充電状態（ＳＯＣ）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の余寿命判定方法。
5. 前記組電池の充電状態（ＳＯＣ）が、充放電制御の目標となる基準値から前記下限値以下となるまで、前記組電池を放電させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の余寿命判定方法。

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