以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る蓄電素子の寿命推定装置及び当該寿命推定装置を備える蓄電システムについて説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
まず、蓄電システム10の構成について、説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100を備える蓄電システム10の外観図である。
同図に示すように、蓄電システム10は、寿命推定装置100と、複数(同図では6個)の蓄電素子200と、寿命推定装置100及び複数の蓄電素子200を収容する収容ケース300とを備えている。
寿命推定装置100は、複数の蓄電素子200の上方に配置され、複数の蓄電素子200の寿命を推定する回路を搭載した回路基板である。具体的には、寿命推定装置100は、複数の蓄電素子200に接続されており、複数の蓄電素子200から情報を取得して、複数の蓄電素子200の使用可能な累積残存期間である残存寿命を推定する。この寿命推定装置100の詳細な機能構成の説明については、後述する。
なお、ここでは、寿命推定装置100は複数の蓄電素子200の上方に配置されているが、寿命推定装置100はどこに配置されていてもよい。
蓄電素子200は、正極と負極とを有する非水電解質二次電池などの二次電池である。また、同図では6個の矩形状の蓄電素子200が直列に配置されて組電池を構成している。なお、蓄電素子200の個数は6個に限定されず、他の複数個数または1個であってもよい。また蓄電素子200の形状も特に限定されない。
ここで、蓄電素子200は、正極活物質として層状構造のリチウム遷移金属酸化物を含むリチウムイオン二次電池であるのが好ましい。具体的には、正極活物質として、Li1+xM1−yO2(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素、0≦x<1/3、0≦y<1/3)等の層状構造のリチウム遷移金属酸化物等を用いるのが好ましい。なお、当該正極活物質として、LiMn2O4やLiMn1.5Ni0.5O4等のスピネル型マンガン酸リチウムや、LiFePO4等のオリビン型正極活物質等と、上記層状構造のリチウム遷移金属酸化物とを混合して用いてもよい。
また、負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−ケイ素、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、ケイ素酸化物、金属酸化物、リチウム金属酸化物(Li4Ti5O12等)、ポリリン酸化合物、あるいは、一般にコンバージョン負極と呼ばれる、Co3O4やFe2P等の、遷移金属と第14族乃至第16族元素との化合物などが挙げられる。
次に、寿命推定装置100の詳細な機能構成について、説明する。
図2は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100の機能的な構成を示すブロック図である。
寿命推定装置100は、蓄電素子200の使用可能な累積残存期間である残存寿命を推定する装置である。同図に示すように、寿命推定装置100は、関係式取得部110、残存寿命推定部120及び記憶部130を備えている。また、記憶部130には、関係式データ131及び蓄電素子データ132が記憶されている。
関係式取得部110は、蓄電素子200の充放電可能な容量の劣化状態を示す関係式を取得する。具体的には、関係式取得部110は、蓄電素子200の使用期間の累積値である累積使用期間経過時点での蓄電素子200の充放電可能な容量が、当該累積使用期間に正の第一定数を乗じた値を変数とする指数関数を用いた第一項と、当該累積使用期間についての平方根関数を用いた第二項とを含む関数で示される関係式を取得する。
ここで、蓄電素子200の容量とは、電流が0に限りなく近い状態で、満充電状態から放電させた場合での蓄電素子200の可逆容量(いわゆる平衡論的な容量)を示しており、例えば4.1Vの満充電状態から1/20CAで2.5Vまで間欠放電を行って得られるOCV(開回路電圧)カーブから求められる可逆容量を示す。以下についても同様である。なお、上記の蓄電素子200の容量は、0〜0.1CAの定電流に相当する電流値で放電された場合での可逆容量であるのが好ましい。
また、累積使用期間とは、蓄電素子200の使用開始時点から所定の時点までの間に、蓄電素子200が使用された期間を積算した合計期間を示している。例えば、蓄電素子200が断続的に使用されていた場合には、累積使用期間は、蓄電素子200が使用されていなかった不使用期間を差し引いた期間を示す。なお、当該不使用期間の差し引き方は厳密でなくともよく、蓄電素子200の使用開始時点から所定の時点までの当該不使用期間も含めた全期間を累積使用期間としてもよい。また、累積使用期間の単位としては、時間またはサイクル(充放電回数)が好ましいが、月や日など期間を表す単位であればどのようなものでも構わない。
なお、関係式取得部110は、記憶部130に記憶されている関係式データ131から、上記の関係式を読み出すことで、当該関係式を取得する。つまり、関係式データ131は、蓄電素子200の残存寿命を推定するための関係式を保持しているデータである。当該関係式の詳細については、後述する。
残存寿命推定部120は、関係式取得部110が取得した関係式を用いて、蓄電素子200の残存寿命を推定する。ここで、残存寿命推定部120は、容量取得部121、期間取得部122及び残存寿命算出部123を備えている。
容量取得部121は、所定の時点(以下、第一時点という)での蓄電素子200の容量である第一容量を取得する。つまり、容量取得部121は、当該第一時点における蓄電素子200の可逆容量を当該第一容量として取得する。
また、容量取得部121は、蓄電素子200の寿命到達時点(以下、第二時点という)での蓄電素子200の容量である第二容量を取得する。つまり、容量取得部121は、蓄電素子200の寿命到達時点での可逆容量としてユーザが決定した容量を、当該第二容量として取得する。
そして、容量取得部121は、取得した第一容量及び第二容量を記憶部130の蓄電素子データ132に記憶させる。この記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132の詳細については、後述する。
期間取得部122は、第一時点での蓄電素子200の累積使用期間である第一累積使用期間を取得する。具体的には、期間取得部122は、関係式取得部110が取得した関係式を用いて、容量取得部121が取得した第一容量における累積使用期間である当該第一累積使用期間を算出することで、第一累積使用期間を取得する。
なお、期間取得部122は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から、第一容量を読み出して、当該関係式を用いて当該第一累積使用期間を算出することで取得する。そして、期間取得部122は、取得した第一累積使用期間を当該蓄電素子データ132に記憶させる。
残存寿命算出部123は、関係式取得部110が取得した関係式を用いて、容量取得部121が取得した第二容量における累積使用期間である第二累積使用期間を算出する。具体的には、残存寿命算出部123は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から、第二容量を読み出して、当該関係式を用いて当該第二累積使用期間を算出することで取得し、取得した第二累積使用期間を当該蓄電素子データ132に記憶させる。
そして、残存寿命算出部123は、算出した第二累積使用期間から、期間取得部122が取得した第一累積使用期間を差し引くことで、第一時点からの蓄電素子200の残存寿命を算出する。具体的には、残存寿命算出部123は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から、第一累積使用期間及び第二累積使用期間を読み出して、当該残存寿命を算出する。つまり、残存寿命とは、第一時点から第二時点までの蓄電素子200の使用可能な累積使用期間である。
図3は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子データ132の一例を示す図である。
蓄電素子データ132は、ある時点での蓄電素子200の可逆容量と、当該ある時点での蓄電素子200の累積使用期間を示すデータの集まりである。つまり、同図に示すように、蓄電素子データ132は、「容量」と「累積使用期間」とが対応付けられたデータテーブルである。そして、「容量」には、第一時点または第二時点などのある時点での蓄電素子200の可逆容量を示す値が記憶される。また、「累積使用期間」には、当該ある時点での蓄電素子200の累積使用期間を示す値が記憶される。
次に、関係式取得部110が取得する関係式について、詳細に説明する。
図4〜図6は、本発明の実施の形態に係る関係式取得部110が取得する関係式を説明するための図である。具体的には、図4は、正極の劣化を主要因とする容量低下についてのモデル実験の結果を示すグラフである。また、図5は、負極上の被膜成長を主要因とする容量低下についてのモデル実験の結果を示すグラフである。また、図6は、関係式取得部110が取得する関係式を示すグラフである。
上記の関係式は、以下の実験を行うことで、取得することができる。具体的には、蓄電素子200の劣化による容量の低下は、正極の劣化を主要因とする容量低下と、負極上の被膜成長を主要因とする容量低下とに分けることができる。このため、以下のように、正極の劣化を主要因とする容量低下についての実験と、負極上の被膜成長を主要因とする容量低下についての実験を行うことで、当該関係式を取得する。
なお、以下では、当該関係式の一例を示す。つまり、以下では、蓄電素子200の一例として定格容量600mAhのリチウムイオン二次電池を用いて、モデル実験を行った。モデル実験に用いたリチウムイオン二次電池は、正極、負極及び非水電解質を備えている。上記正極は、正極集電体であるアルミニウム箔上に正極合剤が形成されてなる。上記正極合剤は、正極活物質と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、導電材としてのアセチレンブラックを含む。上記正極活物質は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2で表される層状構造のリチウム遷移金属酸化物とスピネル型リチウムマンガン酸化物との混合物である。上記負極は、負極集電体である銅箔上に負極合剤が形成されてなる。上記負極合剤は、負極活物質である黒鉛質炭素材料と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを含む。
まず、正極の劣化を主要因とする容量低下について説明する。
温度45℃の環境下にて、以下の条件で充放電サイクル試験を行った。充電は、電流1CmA(=600mA)、電圧4.1V、充電時間3時間の定電流定電圧充電とし、放電は、電流1CmA(=600mA)、終止電圧2.75Vの定電流放電とした。なお、充電と放電の間、及び、放電と充電の間にはそれぞれ10分間の休止時間を設けた。休止時間は電池を開回路状態とした。即ち、充電、休止、放電、休止の4工程を1サイクルとする。従って、1サイクルに係る時間は約4時間20分(=13/3時間)である。そして、試験前、102サイクル後、194サイクル後、388サイクル後、600サイクル後及び785サイクル後の各電池を用いて、容量確認試験を実施した。容量確認試験の条件については、充電は、電流1/20CmA(30mA)、電圧4.1V、充電時間30時間の定電流定電圧充電とし、放電は、電流1/20CmA(=30mA)、終止電圧2.75Vの定電流放電とした。
そして、上記の容量確認試験に供した電池をそれぞれ放電状態で解体し、以下のように正極の単極試験を実施して、その活物質重量あたりの可逆容量低下量qp(mAh/g)を調べた。
つまり、正極の単極試験として、1.5×2cm2の電極を切り出し、以下の条件で3端子式の半電池を構築して、充放電試験を実施した。当該条件としては、電解液として、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=3:7(体積比)の混合溶媒に、LiPF6を調製後に1mol/Lとなるように溶解した。また、対極及び参照極に金属リチウムを用い、充電時は、CC−CV、0.5mA/cm2にて、4.2Vまで、8時間の充電を行い、放電時は、CC、0.5mA/cm2にて、2.75Vまで放電を行った。
そして、上記の活物質重量あたりの可逆容量低下量qpに、電池に仕込んだ活物質量(mp=6.173g)と電池での設計上の利用率(up=0.91)とを乗算することで、正極に起因する容量低下量である正極劣化容量Qp(=qp×mp×up)を導出した。なお、サイクル数の変化に伴う電池容量の推移を、図4の(a)に示す。
そして、試験前の状態からの正極に起因する正極劣化容量Qpを、以下の式1によって表現することとする。
Qp=A{exp(BN)−1} (式1)
ここで、A及びBは正の定数である。また、Nはサイクル数であり、1サイクルに要する時間は13/3時間であるので、累積使用期間tを用いてN=3t/13と表すことができる。また、Nは十分に大きな数であるとき、BNも十分に大きな数(BN>>1)となるため、上記の式1は、以下の式2に近似することができる。
Qp=Aexp(BN) (式2)
そして、上記の式2を、以下の式3のように変形した。
lnQp=lnA+BN (式3)
そして、N=194、388、600及び785サイクル後のデータを用いて、lnQpとNとの関係を示すグラフを作成した。この結果を、図4の(b)に示す。なお、誤差が大きくなるため、N=102サイクル後のデータは除外している。なお、当該グラフ上には少なくとも2点のデータがプロットされればよいが、より多くのデータがプロットされるのが好ましい。
そして、図4の(b)に示す当該グラフについて直線近似を行った結果、近似式がlnQp=0.002791N+0.91904となり、lnA=0.91904、及びB=0.002791を得た。これにより、A=2.5069となるので、上記の式1にA及びBの値を代入して、以下の式4が得られた。
Qp=2.5069×{exp(0.002791N)−1} (式4)
そして、1サイクルに要する時間は13/3時間(4.333時間)であるので、上記の式4にN=3t/13を代入して、以下の式4が得られた。
Qp=2.5069×{exp(0.0006440t)−1} (式5)
このように、正極の劣化を主要因とする正極劣化容量Qpは、累積使用期間tに正の第一定数を乗じた値を変数とする指数関数で表すことができる。具体的には、正極劣化容量Qpは、累積使用期間tに当該第一定数(0.0006440)を乗じた値を変数とする指数関数から1を減じて、第二定数(2.5069)を乗じることで得られる関数として表すことができる。
次に、負極上の被膜成長を主要因とする容量低下について説明する。
まず、負極上の被膜成長を主要因とする負極劣化容量QSEIを、電池の全劣化容量Qdを用いて、以下の式6により見積もった。
QSEI=Qd−Qp (式6)
なお、負極劣化容量QSEIは、以下の方法でも取得することができる。つまり、解体した負極にて3端子式半電池を構成し、十分に(例えば、1/20CmAで3.0Vまで)放電する。そして当該放電後に、負極をジメチルカーボネート(DMC)で良く洗浄し、水没させて被膜中のリチウムを抽出する。そして、その抽出液をICP(誘導結合プラズマ)発光分析にて測定することによって、負極の被膜量中のリチウムを定量し、これに相当する電気量を負極劣化容量QSEIと見なす。
ここで、負極劣化容量QSEIは、負極に生成する被膜成長により生じるものであり、以下の式7に示すような補正ルート則によって表現することができる。
QSEI=ks(N−No)1/2 (式7)
ここで、ks及びNoは、定数である。そして、上記の式7の両辺を二乗して変形すると、以下の式8が得られる。
QSEI 2=ks 2N−ks 2No (式8)
そして、QSEI 2とNとの関係を示すグラフを作成した。この結果を、図5に示す。なお、QSEIの絶対値が大きくなると、測定誤差の影響が大きくなるため、N=102、194及び388サイクル後のデータを用いた。なお、当該グラフ上には少なくとも2点のデータがプロットされればよいが、より多くのデータがプロットされるのが好ましい。
そして、図5に示す当該グラフについて直線近似を行った結果、近似式がQSEI 2=23.35567N−2067.1となり、ks 2=23.35567、及びks 2No=2067.1を得た。これにより、ks=4.8321、No=88.506となるので、上記の式7にks及びNoの値を代入して、以下の式9が得られた。
QSEI=4.8321×(N−88.506)1/2 (式9)
そして、1サイクルに要する時間は13/3時間(4.333時間)であるので、上記の式4にN=3t/13を代入して、以下の式10が得られた。
QSEI=2.3213×(t−383.52)1/2 (式10)
このように、負極上の被膜成長を主要因とする負極劣化容量QSEIは、累積使用期間tについての平方根関数で表すことができる。
以上により、関係式取得部110が取得する関係式として、以下の式11に示すように、電池の容量Qが、電池の初期容量Q0から、定数項を含み正極の劣化を主要因とする正極劣化容量Qpと、負極上の被膜成長を主要因とする負極劣化容量QSEIとを差し引いた関数で示される関係式を得ることができる。なお、当該第一項は定数項を含まない、つまり、当該第一項に含まれる定数項はゼロであることにしてもよい。
ここで、初期容量Q0とは、電池の初期状態での可逆容量であり、電池の初期状態とは、例えば電池の製造時または出荷時の状態である。なお、当該初期容量は上記の場合に限定されず、電池の使用が開始された後のある時点での電池の可逆容量を初期容量としてもよい。この場合、累積使用期間は、当該ある時点からの使用期間の累積値となる。
Q=Q0−Qd=Q0−(Qp+QSEI)
=Q0−[A{exp(Ct)−1}+D(t−E)1/2] (式11)
なお、A、C、D及びEは、上記の式5及び式10を満たす定数である。つまり、当該関係式は、累積使用期間t経過時点での容量Qが、累積使用期間tに正の第一定数Cを乗じた値を変数とする指数関数を用いた第一項Qpと、累積使用期間tについての平方根関数を用いた第二項QSEIとを含む関数で示される関係式である。また、第一項Qpは、累積使用期間tに第一定数Cを乗じた値を変数とする指数関数から1を減じて、第二定数Aを乗じることで得られる関数である。
ここで、上記の関係式を図6に示す。同図において、グラフAは正極劣化容量Qpを示すグラフであり、グラフBは負極劣化容量QSEIを示すグラフであり、グラフCは容量Qを示すグラフである。なお、グラフA及びBは、初期容量Q0を基準として初期容量Q0からの変化量を正極劣化容量Qp及び負極劣化容量QSEIとして示すグラフである。
つまり、電池の寿命末期において、グラフAは、累積使用期間tの経過に伴って急激に容量が低下する正極の容量低下を示すグラフであり、グラフBは、累積使用期間tの経過に伴って緩やかに容量が低下する負極の容量低下を示すグラフである。このため、上記の関係式を示すグラフCは、電池の寿命末期に至るまでは緩やかに容量が低下し、電池の寿命末期において加速度的に容量が低下する電池の劣化状態を正確に表現することができている。なお、電池の寿命末期とは、例えば、電池容量が初期容量の70%以下になった場合を指す。
そして、上記の式11に示された関係式は、蓄電素子200の種類ごとに、事前に上記のような実験によって導出され、記憶部130の関係式データ131に事前に記憶される。なお、上記の式11における定数A、C、D及びEは、蓄電素子200の種類ごとに算出される。
次に、寿命推定装置100が蓄電素子200の残存寿命を推定する処理について、説明する。
図7及び図8は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100が蓄電素子200の残存寿命を推定する処理の一例を示すフローチャートである。また、図9及び図10は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100が蓄電素子200の残存寿命を推定する処理を説明するための図である。
まず、図7に示すように、関係式取得部110は、残存寿命を推定する蓄電素子200の種類に応じた、上記の式11に示す関係式を取得する(S102)。具体的には、関係式取得部110は、記憶部130に記憶されている関係式データ131を参照して、当該蓄電素子200の種類に応じた関係式を取得する。なお、関係式取得部110は、蓄電素子200の低レート放電特性などを用いて、容量劣化の推移を解析することで、当該関係式を算出して取得することにしてもよい。
そして、残存寿命推定部120は、関係式取得部110が取得した関係式を用いて、蓄電素子200の残存寿命を推定する(S104)。以下に、残存寿命推定部120が当該残存寿命を推定する処理を詳細に説明する。図8は、本発明の実施の形態に係る残存寿命推定部120が残存寿命を推定する処理(図7のS104)の一例を示すフローチャートである。
図8に示すように、まず、容量取得部121は、第一時点での蓄電素子200の第一容量を取得する(S202)。具体的には、図9に示すように、容量取得部121は、第一時点における蓄電素子200の第一容量Q1を計測することで、第一容量Q1を取得する。なお、容量取得部121は、ユーザによる入力など外部から、第一容量Q1を取得することにしてもよい。そして、容量取得部121は、取得した第一容量Q1を記憶部130の蓄電素子データ132に記憶させる。
そして、図8に戻り、期間取得部122は、第一時点での蓄電素子200の第一累積使用期間を取得する(S204)。具体的には、図9に示すように、期間取得部122は、関係式取得部110が取得した関係式(グラフC)に、容量取得部121が取得した第一容量Q1を代入することで、第一累積使用期間t1を算出する。
なお、期間取得部122は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から第一容量Q1を読み出して、当該関係式を用いて第一累積使用期間t1を算出し、第一累積使用期間t1を蓄電素子データ132に記憶させる。
そして、図8に戻り、容量取得部121は、蓄電素子200の第二時点(寿命到達時点)での蓄電素子200の第二容量を取得する(S206)。具体的には、図10に示すように、容量取得部121は、ユーザからの入力などによって、蓄電素子200の寿命到達時点での容量としてユーザが決定した第二容量Q2を取得する。なお、蓄電素子200の寿命到達時点とは、例えば、第二容量Q2が初期容量Q0の50%になる場合を指す。そして、容量取得部121は、取得した第二容量Q2を記憶部130の蓄電素子データ132に記憶させる。
なお、第二容量Q2は、予め定められ記憶部130に記憶されていることとして、容量取得部121は、記憶部130から第二容量Q2を取得することにしてもよい。また、容量取得部121は、所定の規則に従って第二容量Q2を算出することで、第二容量Q2を取得することにしてもよい。
そして、図8に戻り、残存寿命算出部123は、関係式取得部110が取得した関係式を用いて、容量取得部121が取得した第二容量における第二累積使用期間を算出する(S208)。具体的には、図10に示すように、残存寿命算出部123は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から第二容量Q2を読み出して、上記の関係式(グラフC)に、第二容量Q2を代入することで、第二累積使用期間t2を算出する。そして、残存寿命算出部123は、第二累積使用期間t2を蓄電素子データ132に記憶させる。
そして、図8に戻り、残存寿命算出部123は、第二累積使用期間から第一累積使用期間を差し引くことで、第一時点からの蓄電素子200の残存寿命を算出する(S210)。具体的には、図10に示すように、残存寿命算出部123は、記憶部130に記憶されている蓄電素子データ132から、第一累積使用期間t1及び第二累積使用期間t2を読み出して、残存寿命T(=t2−t1)を算出する。
以上により、寿命推定装置100が蓄電素子200の残存寿命を推定する処理は、終了する。
次に、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100が奏する効果について説明する。具体的には、寿命推定装置100が蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができることについて、説明する。図11は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100が奏する効果を説明するための図である。
まず、寿命推定装置100が推定する残存寿命について、説明する。当該残存寿命を推定する蓄電素子200として、45℃サイクル寿命試験において785サイクル経過後のセルを入手した。そして、当該セルの容量を調べた結果、490.6mAhであった。また、初期容量は653.1mAhであった。
このため、上記の式11に、第一時点でのQ=第一容量Q1=490.6及びQ0=653.1を代入することで、第一累積使用期間をt1=3809時間と算出した。
また、第一時点からの残存寿命T経過後の第二累積使用期間t2は、t2=t1+T=3809+Tであるため、第二容量Q2は、上記の式11により、以下の式12で予測できる。
Q2=Q0−[A{exp(Ct2)−1}+D(t2−E)1/2]
=653.1−2.5069×{exp(0.0006440t2)−1}
−2.3213×(t2−383.52)1/2
=653.1
−2.5069×{exp(0.0006440(T+3809))−1}
−2.3213×(T+3809−383.52)1/2
=653.1
−2.5069×{exp(0.0006440(T+3809))−1}
−2.3213×(T+3425.48)1/2 (式12)
そして、上記セルの寿命到達時点での第二容量Q2をQ2=340.0mAhとし、上記の式12に当該第二容量Q2を代入することで、残存寿命をT=2416時間と算出した。
また、当該残存寿命の妥当性を検証するために、上記セルの寿命試験を実施した結果、実測値として、566サイクルを得た。この566サイクルは、2452時間(=566×4.333時間)に相当し、図11に示すように、上記の残存寿命T=2416時間とよく一致した。
ここでは上記指数関数から1を減じたが、第一項および第二項以外の試験開始直後に見られる一過性の劣化要因を表現するために、1以外の値を用いることもできる。また、計算回数を減らすために、定数項を0と近似することもできる。
次に、比較例として、従来用いられてきた方法での寿命予測を実施した。具体的には、モデル実験として785サイクルまでの45℃サイクル寿命試験の結果をもとに、電池容量とサイクル数との関係が、(1)非特許文献3の方法である補正ルート則、(2)非特許文献2の方法であるルート則、(3)非特許文献1の方法である直線則のそれぞれであると推定し、予測式を求めた。それぞれの予測式は、以下の通りである。
(1)補正ルート則
Q=653.1−2.5402×(t−386.9)1/2
(2)ルート則
Q=712.0−3.7408t1/2
(3)直線則
Q=648.8−0.04786t
そして、785サイクル後(第一時点)での電池容量は、Q=490.6mAhであったため、それぞれの予測式にQ=490.6mAhを代入して、第一時点での累積使用期間tsを算出した。当該tsの算出結果は、(1)補正ルート則、(2)ルート則、(3)直線則について、それぞれ(1)4479時間(2)3503時間(3)3305時間であった。
そして、寿命到達時点での累積使用期間t=残存寿命T+tsより、上記の式を以下のように残存寿命Tの式に変形した。
(1)補正ルート則
Q=653.1−2.5402×(T+4092)1/2
(2)ルート則
Q=712.0−3.7408×(T+3503)1/2
(3)直線則
Q=648.8−0.04786×(T+3305)
そして、上記の式によって、容量Q=340.0mAhまでの残存寿命Tを算出した。当該残存寿命Tの算出結果は、(1)補正ルート則、(2)ルート則、(3)直線則について、それぞれ(1)11100時間、(2)6386時間、(3)3147時間であった。
これにより、図11に示すように、これらの残存寿命Tと、セルの寿命試験による実測値である2452時間との差が(1)補正ルート則、(2)ルート則、(3)直線則について、それぞれ(1)8648時間、(2)3934時間、(3)695時間となった。このように、上記実施の形態に係る寿命推定装置100は、従来用いられてきた方法と比べて、非常に高い精度で残存寿命を推定することができた。
以上のように、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100によれば、累積使用期間経過時点での蓄電素子200の充放電可能な容量が、累積使用期間に正の第一定数を乗じた値を変数とする指数関数を用いた第一項と、累積使用期間についての平方根関数を用いた第二項とを含む関数で示される関係式を用いて、蓄電素子200の残存寿命を推定する。ここで、累積使用期間に正の第一定数を乗じた値を変数とする指数関数においては、累積使用期間の経過とともに値が加速度的に低下する。また、累積使用期間についての平方根関数においては、累積使用期間の経過とともに値が緩やかに低下する。このため、寿命推定装置100は、第一項にて、蓄電素子200の寿命末期における加速度的な容量低下を表現し、第二項にて、蓄電素子200が寿命末期に至るまでの容量低下を表現することができる。これにより、寿命推定装置100は、蓄電素子200の寿命末期における加速度的な容量低下も正確に予測することができるため、蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができる。
また、寿命推定装置100は、容量が、蓄電素子200の初期容量から、正極の劣化を主要因とする第一項と、負極上の被膜成長を主要因とする第二項とを差し引いた関数で示される上記関係式を取得する。つまり、蓄電素子200の加速度的な容量低下は、正極の劣化を主要因として起こるものであり、蓄電素子200の緩やかな容量低下は、負極上の被膜成長を主要因として起こるものである、そして、寿命推定装置100は、これらの容量低下を蓄電素子200の初期容量から差し引くことで、蓄電素子200の容量を正確に予測することができるため、蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができる。なお、第一項が定数項を含むことで、正極の劣化を主要因とする容量低下を正確に推定することができる。
また、寿命推定装置100が取得する関係式に含まれる第一項は、累積使用期間に第一定数を乗じた値を変数とする指数関数から1を減じて、第二定数を乗じることで得られる関数である。ここで、本願発明者らは、鋭意検討と実験の結果、上記の第一項が正極の劣化を主要因として起こる蓄電素子200の加速度的な容量低下を精度良く表現していることを見出した。このため、寿命推定装置100は、蓄電素子200の加速度的な容量低下を正確に予測することができるため、蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができる。
また、寿命推定装置100は、上記の関係式を用いて蓄電素子200の寿命到達時点での第一累積使用期間を算出し、第一累積使用期間から、所定の時点での第二累積使用期間を差し引くことで、所定の時点からの蓄電素子200の残存寿命を算出する。このようにして、寿命推定装置100は、蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができる。
また、寿命推定装置100は、所定の時点での第一容量を取得し、上記の関係式を用いて第一容量における第一累積使用期間を算出することで、第一累積使用期間を取得する。このようにして、寿命推定装置100は、第一累積使用期間を取得することで、蓄電素子200の残存寿命を正確に推定することができる。
また、蓄電素子200は、正極活物質として層状構造のリチウム遷移金属酸化物を含むリチウムイオン二次電池であるのが好ましい。ここで、本願発明者らは、鋭意検討と実験の結果、蓄電素子200が当該リチウムイオン二次電池の場合に、上記の関係式によって劣化状態を精度良く表現できることを見出した。このため、寿命推定装置100は、当該リチウムイオン二次電池の残存寿命を正確に推定することができる。
以上、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置100及び蓄電システム10について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態は全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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記実施の形態では、期間取得部122は、関係式取得部110が取得した関係式(図9に示されたグラフC)に第一容量Q1を代入することで、第一累積使用期間t1を算出することとした。しかし、期間取得部122は、図9に示されたグラフAまたはBに正極劣化容量Qp1または負極劣化容量QS1を代入することで、第一累積使用期間t1を算出することにしてもよい。つまり、期間取得部122は、残存寿命を推定する蓄電素子と使用履歴が同等の蓄電素子を解体するなどして得られた正極劣化容量Qp1または負極劣化容量QS1を用いて、第一累積使用期間t1を算出することができる。または、期間取得部122は、蓄電素子の低レート放電特性を取得して正極劣化容量Qp1または負極劣化容量QS1を算出することで、第一累積使用期間t1を算出することにしてもよい。
また、上記実施の形態では、残存寿命推定部120は、関係式取得部110が取得した関係式を変更することなく用いて蓄電素子200の残存寿命を推定することとした。しかし、残存寿命推定部は、当該関係式を補正して、当該残存寿命を推定することにしてもよい。
図12は、本発明の実施の形態の変形例に係る寿命推定装置100aの構成を示すブロック図である。同図に示すように、寿命推定装置100aの残存寿命推定部120aは、関係式取得部110が取得した関係式を補正する関係式補正部124を備えており、関係式補正部124が補正した補正後の関係式を用いて、残存寿命を推定する。ここで、当該関係式を補正する場合は、例えば、次に示す方法を用いることができる。
式5及び式10を導き出すために必要となるデータ対、即ち、累積試験期間と正極劣化容量Qp、及び、累積試験期間と負極劣化容量QSEIを予め記憶部130に蓄積しておく。さらに、自動車等での実使用中において、非特許文献3に示される方法を用いて、電池を解体することなく、図9に示されたQp1及びQS1を個別に見積もることができる。すなわち、予め、正極及び負極の単極放電特性及びdE/dQ特性などを記憶部130に記憶させておき、実使用中に電池の放電特性(V−Q特性)を取得し、これをQで微分したdV/dQ特性を得て、これらを記憶部130に記憶させ、正負極のdE/dQ特性と電池のdV/dQ特性とを非特許文献3に示される方法を用いて解析してQp1及びQS1を得ることができる。
このようにして得たQp1及びQS1とこの時点に至るまでの別途計測された累積試用期間とのデータ対と、記憶部130に蓄積した上記データ対の少なくとも一部とを用いて、関係式補正部124で図4(b)及び図5に相当する回帰を行うことによって、関係式を補正することができる。
なお、補正のタイミングは任意に設定することができる。また、これと異なる関係式の補正方法として、非特許文献3の方法によってQp1及びQS1を個別に見積もることによって、正極劣化容量Qp1に関する累積使用期間と負極劣化容量QS1に関する累積使用期間とが異なる値をとることとして、累積使用時間を補正することもできる。
これにより、寿命推定装置100aは、上記の関係式を補正して当該関係式の精度を向上させていくことで、残存寿命を正確に推定することができる。
また、上記実施の形態では、寿命推定装置100は、関係式取得部110、残存寿命推定部120及び記憶部130を備えており、残存寿命推定部120は、容量取得部121、期間取得部122及び残存寿命算出部123を備えていることとした。しかし、図13に示すように、寿命推定装置は、少なくとも、関係式取得部及び残存寿命推定部を備えていればよい。
図13は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置の最小の構成を示すブロック図である。同図に示すように、寿命推定装置100bは、上記実施の形態と同様の機能を有する関係式取得部110及び残存寿命推定部120bを備えており、外部の記憶部130と情報をやり取りすることで、残存寿命を推定する。なお、残存寿命推定部120bは、関係式取得部110が取得した関係式を用いて残存寿命を推定することができればよく、上記実施の形態のように容量取得部121、期間取得部122及び残存寿命算出部123を備えていることには限定されない。
ここで、本発明に係る寿命推定装置100が備える処理部は、典型的には、集積回路であるLSI(Large Scale Integration)として実現される。つまり、図14に示すように、本発明は、関係式取得部110と残存寿命推定部120とを備える集積回路101として実現される。図14は、本発明の実施の形態に係る寿命推定装置を集積回路で実現する構成を示すブロック図である。
なお、集積回路101が備える各処理部は、個別に1チップ化されても良いし、一部または全てを含むように1チップ化されても良い。
ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用しても良い。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてあり得る。
また、本発明は、このような寿命推定装置100として実現することができるだけでなく、寿命推定装置100が行う特徴的な処理をステップとする寿命推定方法としても実現することができる。
また、本発明は、寿命推定方法に含まれる特徴的な処理をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、当該プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能なCD−ROMなどの記録媒体として実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、CD−ROM等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。