JP5790219B2

JP5790219B2 - 組電池の状態検出装置

Info

Publication number: JP5790219B2
Application number: JP2011153504A
Authority: JP
Inventors: 三井　正彦; 正彦三井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013020826A

Description

本発明は、組電池の状態検出装置に関する。

例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等の、電動機により車両を駆動力を得る自動車には、二次電池が搭載されている。また、上述の車両に搭載される二次電池は、例えば、複数の電池電槽（以下「セル」ともいう）が集合配置された組電池からなり、近年、組電池の電池電槽として、リチウムイオン二次電池が用いられるようになってきている。

そして、上述した組電池として、例えば、特許文献１には、積層された複数の電池電槽が拘束プレートで加圧され、かつ、電池電槽間に圧力センサを含むスペーサが配置された組電池が例示されている。さらに、このスペーサによって、電池電槽の一部または全部の圧力の上昇に伴う電池電槽の膨れが検出され、必要に応じて、電池電圧の圧力が異常である場合、組電池を充電装置から分離することが提案されている。

一方、特許文献２には、組電池で使用可能なリチウムイオン二次電池の劣化を、リチウムイオン二次電池から検出される電流値に基づいて、リチウムイオン二次電池の内部に析出しているデンドライトの析出量（すなわち、リチウム析出量）を推定することによって、診断することが記載されている。

また、特許文献３には、組電池で使用可能なリチウムイオン二次電池の開回路電圧（「ＯＣＶ」ともいう）を算出して、リチウムイオン二次電池の析出劣化の発生を判定する装置が記載されている。

特許文献４には、複数のリチウムイオン二次電池を有する組電池において、他のリチウムイオン二次電池に比べ、ハイレート電流の充放電によって生じる第１種電池劣化が早く進む特性を有する劣化速度大電池を１つ以上含み、劣化速度大電池の電解液のリチウムイオン濃度と相関関係を有する濃度相関物理量（例えば、リチウムイオン二次電池の電極間の起電力など）を測定することで、劣化速度大電池の第１種電池劣化を検出して、組電池全体の電池劣化を推定するシステムが記載されている。

特開２００６−２４４４５号公報特開２０１０−８６９０１号公報特開２０１０−６６２３２号公報特開２０１０−１７０８７４号公報

圧力センサを用い、組電池を構成する電池電槽（いわゆる、セル）の膨れを検出しても、その膨れが、何に起因したものであるかが特定されていない場合、その組電池を充電装置から分離した後、今後の組電池の充放電条件の改善に繋げにくい。また、従来、組電池として用いられるリチウムイオン二次電池の劣化は、リチウム析出であるか、または、ハイレート電流の充放電によるセル劣化のいずれか一方しか特定されておらず、組電池の劣化の全般に亘り十分な劣化情報が把握されていなかった。また、従来のハイレート劣化やリチウム析出の検出方法は、リチウムイオン二次電池の電圧、電流、温度から判断する方法が一般的であり、これらの方法では、間接的にしかセルの劣化が検知されず、誤検知または検知漏れが生じるおそれがある。

また、従来のハイレート電流の充放電によるセル劣化やリチウム析出によるセル劣化の検出方法では、組電池を構成する複数のセル間に挟み込まれた樹脂枠の寿命に伴う組電池の拘束力の低下（以下「摩耗劣化」ともいう）との区別が難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、組電池を構成する複数のセルにおける面圧分布に応じて、セル毎にセルの劣化の要因が特定される組電池の状態検出装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の組電池の状態検出装置は以下の特徴を有する。

（１）組電池を構成するセル間に配置され前記セルの面圧分布を検出する圧力検出器と、前記圧力検出器の面圧分布の出力に応じて組電池の状態を推定する推定手段と、を有する組電池の状態検出装置である。

組電池を構成する複数のセル間に配置された圧力検出器により検出されるセルの面圧分布に応じて、セル毎の、セルの劣化の要因、例えば、セル内部の不具合に基づく劣化またはセルにおけるハイレート電流の充放電による劣化が直接的に観測され特定される。これにより、特定された劣化要因を基に、組電池の今後の充放電条件を調整することができる。

（２）上記（１）に記載の組電池の状態検出装置において、前記セルは、リチウムイオン二次電池であり、前記圧力検出器は、前記セルにかかる面圧を検出する複数の圧力センサ群からなり、前記推定手段は、前記圧力検出器が面圧の局所的な上昇を検出した場合、セルにおけるハイレート電流の充放電によるセルの劣化であると推定し、前記圧力検出器が面圧の大域的な上昇を検出した場合、リチウム析出と推定する組電池の状態検出装置である。

特に、組電池を構成するセルがリチウムイオン二次電池である場合に、セルにかかる面圧分布に応じて、セル毎の、リチウム析出によるセル劣化、または、ハイレート電流の充放電によるセル劣化のいずれであるかが特定される。これにより、特定された劣化要因を基に、特に、複数のリチウムイオン二次電池からなる組電池の今後の充放電条件が調整可能になる。

（３）上記（１）に記載の組電池の状態検出装置において、さらに、組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出器と、組電池の満充電容量を検出する充電容量検出器と、を有し、前記推定手段は、前記圧力検出器が面圧の局所的な上昇を検出し且つ前記内部抵抗検出器が内部抵抗の上昇を検出した場合、ハイレート電流の充放電によるセルの劣化であると推定し、前記圧力検出器が面圧の大域的な上昇を検出し且つ前記充電容量検出器が組電池の満充電容量の減少を検出した場合、セルにおけるリチウム析出と推定する組電池の状態検出装置である。

組電池の内部抵抗および満充電容量を、セルの面圧分布と組み合わせることによって、セル劣化の要因の特性精度が向上する。例えば、セルの面圧の変化が所定値より少ない場合の、摩擦劣化の要因も区別することができるため、今後の組電池の充放電条件の調整精度がより高くなる。

本発明によれば、組電池を構成する複数のセルにおける面圧分布に応じて、セル毎にセルの劣化の要因が直接的に特定される。

本発明の実施の形態における面圧分布を検出する圧力検出器の一例の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態における組電池の状態検出装置の構成の一例を説明する図である。本発明の実施の形態のリチウムイオン二次電池からなるセルにおける、リチウム析出劣化時のセル面圧分布の一例を説明する図である。本発明の実施の形態のセルにおける、ハイレート電流の充放電によるセル劣化時のセル面圧分布の一例を説明する図である。本発明の実施の形態における、組電池の状態検出装置の状態検出フローの一例を説明するフロー図である。本発明の実施の形態における、組電池の状態検出装置の状態検出フローの他の例を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態における面圧分布を検出する圧力検出器１０は、複数の圧力センサ素子１２からなる圧力センサ群と、各圧力センサ素子１２からの出力を伝える複数の出力線１４と、各出力線１４からの出力を後述する制御部に出力するインターフェイス部１６とを有する。ここで、圧力センサ群は、例えば、約１８００個からなる圧力センサ素子１２からなっていることがより好ましい。

本実施の形態における組電池の状態検出装置の構成について、図２を用いて説明する。図２に示すように、組電池の状態検出装置は、組電池３０に直列に接続されているセル２０間に配置され且つセル２０の面圧分布を検出する圧力検出器１０と、圧力検出器１０の面圧分布の出力に応じて組電池３０の状態を推定する推定手段とを有する。また、本実施の形態において、前記推定手段は、各圧力検出器１０と電気的に接続された制御部４０である。ここで、制御部４０として、例えば、車両に設けられたバッテリコンピュータ又はＥＣＵを用いてもよい。

さらに、図２に示すように、制御部４０は、組電池３０に直列に接続されている各セル２０からの充電容量を検出する充電容量検出器４２と電気的に接続され、また、組電池３０に流れる電流を測定する電流計４４と組電池３０に印加される電圧を測定する電圧計４６と電気的に接続されている。従って、制御部４０は、各セル２０の充電容量を取得し、また、電流計４４と電圧計４６からの出力から組電池３０の内部抵抗も取得している。

また、組電池３０は、システムメインリレー５２，５４を介して、充電のために充電装置５０に接続されている。また、システムメインリレー５２，５４は、制御部４０に電気的に接続され、ハイレート電流の充放電時におけるセル２０の内圧上昇が検出されると、オフするように制御される。

次に、本実施の形態における組電池の状態検出装置の動作について、図２から図６を用いて、２つの動作例を以下に説明する。また、組電池を構成する各セルとして、リチウムイオン二次電池を例に取って以下に説明する。

まず、本実施の形態の組電池の状態検出装置における第１の状態検出動作について、図２乃至図５を用いて説明する。図２に示すように、組電池３０は、セルナンバー１〜３３からなる複数のセル２０が直列に接続されている。一方、圧力検出器ナンバー１〜１６の各圧力検出器１０が、セル２０のセルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２のそれぞれに圧力センサ群が当接するように配置されている。そして、圧力検出器ナンバー１〜１６の各圧力検出器１０のインターフェイス部１６（図１）を介して、セルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２のそれぞれのセルの面圧分布の情報が制御部４０に出力され、制御部４０では、セルナンバーと圧力検出器ナンバーとは関連づけて予め格納されている。また、図２では、圧力検出器１０が、セル２０に対して１つおきに配置されているが、これに限るものではなく、セル２０毎に、セル２０間に圧力検出器１０を設けてもよい。図２の構成であれば、セル２０の面圧分布の算出取得時間が短縮し、組電池の状態の把握時間が短縮する。一方、セル２０毎にセル２０間に圧力検出器１０を設けることにより、組電池３０を構成する各セル２０毎の状態が把握される。

本実施の形態の組電池の状態検出装置における第１の状態検出動作では、図５に示すように、制御部４０において、セル２０のセルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２各セル２０の面圧情報を取得し、前記セル２０毎の面圧分布を算出して取得する（Ｓ１００）。次いで、制御部４０において、前記セル２０毎の面圧値と、予め制御部４０に格納されている基準面圧値（例えば、組電池の初期拘束圧力（例えば、１５００ｋｇｆ（１４７１０Ｎ）））とを比較する（Ｓ１０２）。ここで、あるセル２０の面圧値が基準面圧値より大きい場合、次に、そのセル２０の面圧分布が、局所的な上昇か、または、大域的な上昇であるかを判定する（Ｓ１０４）。ここで、面圧分布の局所的な上昇とは、例えば、図４に示すように、圧力検出器の圧力センサ群の周辺部の端付近に位置する隣接した複数の圧力センサ素子１２が、圧力上昇を検出し、圧力センサ群の周辺部に偏って連続的に圧力上昇部分６０が発生する現象をいう。一方、面圧分布の大域的な上昇とは、例えば、図３に示すように、圧力検出器の圧力センサ群の隣接する少数の圧力センサ素子１２が複数箇所で圧力上昇を検出し、圧力センサ群内に点在した部分的な圧力上昇部分７０が発生する現象をいう。

面圧分布に基づいて、図４に示すような局所的な面圧上昇の場合、ハイレート電流の充放電によるセルの劣化と判定する（Ｓ１０６）。ここで、ハイレート電流の充放電によりセルが劣化すると、電解液に起因するセル周辺部の膨張が生じる。一方、面圧分布に基づいて、図３に示すような大域的な面圧上昇の場合、リチウムイオン二次電池のセル内のリチウム析出であると判定する（Ｓ１０８）。

これにより、本実施の形態の第１の状態検出動作では、セルの面圧分布に応じて、各セルの劣化の原因が直接的に観測され特性されるため、組電池におけるどのセルナンバーのセルを交換すべきかを把握することができる。また、図２に示すように、今後の組電池３０に対する充電装置５０の充電条件を、例えば、図２に示すシステムメインリレー５２，５４のオン・オフ条件を制御部４０において調整することができる。

次に、本実施の形態の組電池の状態検出装置における第２の状態検出動作について、図２乃至図４，図６を用いて説明する。なお、第１の状態検出動作の説明と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の組電池の状態検出装置における第２の状態検出動作では、図６に示すように、まず、制御部４０は、充電容量検出器４２から、組電池３０を構成するセル２０のうち、セルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２各セル２０の充電容量情報を取得する（Ｓ２００）。次いで、制御部４０では、予め格納されているセル２０の満充電容量値と、取得した各セルの充電容量値とを比較する（Ｓ２０２）。ここで、満充電容量値に比べ、取得充電容量が低い場合には、制御部４０において、セル２０のセルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２各セル２０の面圧情報を取得し、前記セル２０毎の面圧分布を算出して取得する（Ｓ１００）。次いで、制御部４０において、前記セル２０毎の面圧値と基準面圧値（例えば、組電池の初期拘束圧力）を比較する（Ｓ１０２）。ここで、あるセル２０の面圧値が基準面圧値より大きい場合、次に、そのセル２０の面圧分布が、局所的な上昇か、または、大域的な上昇であるかを判定し（Ｓ１０４）、図４に示すような局所的な面圧上昇である場合には、ハイレート電流の充放電によるセルの劣化と判定する（Ｓ１０６）。一方、セルの面圧値と基準面圧値との関係が、上記以外の関係の場合、組電池を構成する複数のセル間に挟み込まれた樹脂枠の寿命に伴う組電池の拘束力の低下（以下「摩耗劣化」ともいう）であると判定する（Ｓ２１０）。

また、制御部４０において、セル２０の満充電容量値と取得した充電容量値がほぼ同等で変化がない場合（Ｓ２０２）、制御部４０は、図２に示す電流計４４と電圧計４６からの電流値および電圧値を取得し（Ｓ２０４）、組電池３０の内部抵抗を算出する（Ｓ２０６）。次いで、算出された内部抵抗値と、予め制御部４０に格納されている組電池の基準内部抵抗値とを比較し（Ｓ２０８）、算出された内部抵抗値が基準内部抵抗値より高い場合には、制御部４０において、セル２０のセルナンバー２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２各セル２０の面圧情報を取得し、前記セル２０毎の面圧分布を算出して取得する（Ｓ１００）。次いで、制御部４０において、前記セル２０毎の面圧値と基準面圧値（例えば、組電池の初期拘束圧力）を比較し（Ｓ１０２）、あるセル２０の面圧値が基準面圧値より大きい場合、次に、そのセル２０の面圧分布が、局所的な上昇か、または、大域的な上昇であるかを判定して（Ｓ１０４）、図３に示すような大域的な面圧上昇の場合、リチウムイオン二次電池のセル内のリチウム析出であると判定する（Ｓ１０８）。

これにより、本実施の形態の第２の状態検出動作では、上述の第１の状態検出動作において直接的に検出されるリチウム析出によるセル劣化およびハイレート電流の充放電によるセル劣化に加え、セル間に挟み込まれた樹脂枠の摩耗劣化まで、直接的に状態検出することができる。従って、組電池におけるどのセルナンバーのセルを交換すべきか、または、図２に示す組電池３０に対する充電装置５０の今後の充電条件をどのように調整すべきか、または、組電池の拘束力を再調整すべきかが、より精度良く把握できる。

本発明の組電池の状態検出装置は、組電池を用いる用途であれば、如何なる用途にも有効であるが、特に車両に搭載される組電池からなる二次電池に供することができる。

１０圧力検出器、１２圧力センサ素子、１４出力線、１６インターフェイス部、２０セル、３０組電池、４０制御部、４２充電容量検出器、４４電流計、４６電圧計、５０充電装置、５２，５４システムメインリレー、６０，７０圧力上昇部分。

Claims

組電池を構成するセル間に配置され前記セルの面圧分布を検出する圧力検出器と、
前記圧力検出器の面圧分布の出力に応じて組電池の状態を推定する推定手段と、
を有し、
前記セルは、リチウムイオン二次電池であり、
前記圧力検出器は、前記セルにかかる面圧を検出する複数の圧力センサ群からなり、
前記推定手段は、前記圧力検出器が面圧の局所的な上昇を検出した場合、ハイレート電流の充放電によるセルの劣化であると推定し、前記圧力検出器が面圧の大域的な上昇を検出した場合、セルにおけるリチウム析出と推定することを特徴とする組電池の状態検出装置。
請求項１に記載の組電池の状態検出装置において、
さらに、組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出器と、
組電池の満充電容量を検出する充電容量検出器と、
を有し、
前記推定手段は、前記圧力検出器が面圧の局所的な上昇を検出し且つ前記内部抵抗検出器が内部抵抗の上昇を検出した場合、ハイレート電流の充放電によるセルの劣化であると推定し、前記圧力検出器が面圧の大域的な上昇を検出し且つ前記充電容量検出器が組電池の満充電容量の減少を検出した場合、セルにおけるリチウム析出と推定することを特徴とする組電池の状態検出装置。