JP6369510B2 - リチウムイオン二次電池の診断装置および診断方法 - Google Patents
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Description
本開示は、リチウムイオン二次電池の診断装置および診断方法に関し、より特定的には、交流インピーダンス測定によりリチウムイオン二次電池の組電池の異常の有無を診断する技術に関する。
ハイブリッド車両等の電動車両には組電池が搭載される。組電池の使用期間が所定期間を超えた場合(あるいは電動車両の総走行距離が所定距離を超えた場合)には、電動車両の整備の一環として、組電池の異常の有無を診断することが望ましい。また、電動車両が廃棄される場合には、組電池の異常の有無を診断し、組電池を再利用可能かどうかを調査することが望ましい。たとえば特開2009−277627号公報(特許文献1)は、組電池を構成する各セルを完全に放電させ、その際に検出されたセルの放電電圧に基づいて、そのセルの異常の有無を診断する技術を開示する。
リチウムイオン二次電池の異常の有無を診断する手法として、交流インピーダンス測定法が公知である。一般に、組電池に含まれる複数のセルの交流インピーダンスを測定する際には、ある1つのセルと交流インピーダンス測定装置とが測定者の手作業によって電気的に接続され、そのセルの交流インピーダンスが測定される。その後、測定者は、交流インピーダンス測定装置の接続先を他のセル(次のセル)に変更し、その他のセルの交流インピーダンスを測定する。
このように、従来、複数のセルの交流インピーダンス測定では、各セルの交流インピーダンスが個別に測定される。そのため、交流インピーダンス測定装置の接続先の変更作業をセル数と同数だけ繰り返すことが必要であった。しかし、たとえば電動車両に搭載される組電池は多くのセル(たとえば数十個〜百数十個のセル)を含むので、そのような変更作業が煩雑であった。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リチウムイオン二次電池の診断装置または診断方法において、交流インピーダンス測定の煩雑さを低減可能な技術を提供することである。
本開示のある局面に従うリチウムイオン二次電池の診断装置は、リチウムイオン二次電池の組電池の異常の有無を診断する。組電池は、正極ノード、負極ノード、および正極ノードと負極ノードとの間に直列に接続された複数のセルを含む。診断装置は、複数のリレーと、電力変換部と、測定部と、複数のリレー、電力変換部および測定部を制御する制御部とを備える。複数のリレーは、複数のセルにそれぞれ並列に接続される。電力変換部は、正極ノードおよび負極ノードに電気的に接続され、組電池を放電するように構成される。測定部は、正極ノードおよび負極ノードに電気的に接続され、組電池の交流インピーダンスを測定するように構成される。
制御部は、組電池が放電されるように電力変換部を制御し、放電中に複数のセルのうちのいずれかのセルの電圧が規定電圧に達する度に第1〜第4の制御を実行する。第1の制御は、組電池の放電を停止するように電力変換部を制御する制御である。第2の制御は、複数のリレーのうち、電圧が規定電圧に達した上記セルに並列に接続されたリレーを閉成することによって、電圧が規定電圧に達した上記セルをバイパスさせる制御である。第3の制御は、電圧が規定電圧に達したすべてのセルにそれぞれ並列に接続されたリレーが閉成された状態で、組電池の交流インピーダンスを測定するように測定部を制御する制御である。第4の制御は、交流インピーダンスの測定後に、電圧が規定電圧よりも高いセルの放電を再開するように電力変換部を制御する制御である。制御部は、電圧が規定電圧に達した上記セルを含む交流インピーダンスを示す第1の交流インピーダンスと、電圧が規定電圧に達した上記セルを除いた交流インピーダンスを示す第2の交流インピーダンスとを比較することによって、電圧が規定電圧に達した上記セルの異常の有無を診断する。
本開示の他の局面に従うリチウムイオン二次電池の診断方法は、リチウムイオン二次電池の組電池の異常の有無を診断する。組電池は、正極ノード、負極ノード、および正極ノードと負極ノードとの間に直列に接続された複数のセルを含む。複数のセルには、複数のリレーがそれぞれ並列に接続される。
診断方法は、組電池の放電中に複数のセルのうちのいずれかのセルの電圧が規定電圧に達する度に実行される第1〜第4のステップを含む。第1のステップは、組電池の放電を停止させるステップである。第2のステップは、複数のセルにそれぞれ並列に接続されたリレーのうち、電圧が規定電圧に達したセルに並列に接続されたリレーを閉成することによって、電圧が規定電圧に達した上記セルをバイパスさせるステップである。第3のステップは、電圧が規定電圧に達したすべてのセルにそれぞれ並列に接続されたリレーが閉成された状態で、組電池の交流インピーダンスを測定するステップである。第4のステップは、第3のステップの後に、電圧が規定電圧よりも高いセルの放電を再開させるステップである。診断方法は、電圧が規定電圧に達した上記セルを含む交流インピーダンス(第1の交流インピーダンス)と、電圧が規定電圧に達した上記セルを除いた交流インピーダンス(第2の交流インピーダンス)とを比較することによって、電圧が規定電圧に達した上記セルの異常の有無を診断するステップをさらに含む。
上記構成または方法によれば、複数のセルが直列に接続された状態で組電池の交流インピーダンスが測定される。そして、電圧が規定電圧に達した上記セルを含む交流インピーダンスの測定結果(第1の交流インピーダンス)と、電圧が規定電圧に達した上記セルを除いた交流インピーダンスの測定結果(第2の交流インピーダンス)とが比較される。このようにすることで電圧が規定電圧に達した上記セルの異常の有無を診断することが可能であるため(詳細は後述)、各セルの交流インピーダンスを個別に測定しなくてよくなる。したがって、交流インピーダンス測定部の接続先の変更作業をセル数と同数だけ繰り返し実施する必要がなくなるので、交流インピーダンス測定の煩雑さを低減することができる。
好ましくは、制御部は、第1および第2の条件がいずれも成立しない場合に電圧が規定電圧に達した上記セルを正常と診断する一方で、第1および第2の条件のうちの少なくとも一方が成立した場合には電圧が規定電圧に達した上記セルを異常と診断する。第1の条件は、交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも低い場合に、第1の交流インピーダンスの抵抗成分と第2の交流インピーダンスの抵抗成分との差が第1の基準値よりも大きいときに成立する。第2の条件は、測定周波数が所定周波数よりも低い場合に、第1の交流インピーダンスの容量成分と第2の交流インピーダンスの容量成分との差が第2の基準値よりも大きい場合に成立する。
上記構成によれば、第1および第2の条件のうちの少なくとも一方が成立した場合には、セルが異常と診断される。すなわち、交流インピーダンスの抵抗成分および容量成分のうちのいずれか一方のみが異常を示す場合であっても、そのセルは異常と診断される。このように、異常の診断基準を厳しく設定することにより、異常診断により正常と診断された組電池(たとえば交換不要と判定された組電池)の品質を高く確保することが可能になる。
好ましくは、制御部は、交流インピーダンスを複素インピーダンスプロットした場合に交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも高い領域に表される半円状の軌跡において、第1の交流インピーダンスを示す半円の直径と、第2の交流インピーダンスを示す半円の直径との差が所定の基準値以下であるときに、電圧が規定電圧に達したセルを正常と診断する一方で、差が基準値よりも大きいときには、電圧が規定電圧に達したセルを異常と診断する。
複素インピーダンスプロットにおいて、測定周波数が所定周波数よりも高い領域に表される半円状の軌跡の直径は、電荷移動抵抗を示す(詳細は後述)。したがって、上記構成によれば、電荷移動の異常、すなわち電極の性能低下による異常の有無を診断することができる。
好ましくは、交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも高い場合に、第1の交流インピーダンスの抵抗成分と第2の交流インピーダンスの抵抗成分との差が所定の基準値以下であるときに、電圧が規定電圧に達したセルを正常と診断する一方で、差が基準値よりも大きいときには、電圧が規定電圧に達したセルを異常と診断する。
測定周波数が所定周波数よりも高い場合の交流インピーダンスの抵抗成分は、セルの溶液抵抗を示す(詳細は後述)。したがって、上記構成によれば、溶液抵抗の異常、すなわち電解液の性能低下による異常の有無を診断することができる。
好ましくは、電力変換部は、組電池を充電するようにさらに構成される。制御部は、すべてのセルの電圧が規定電圧に達した後に、組電池をさらに放電するように電力変換部を制御し、複数のセルの各々の電圧が規定電圧よりも低い下限電圧の状態で組電池を所定期間放置し、所定期間の放置後に組電池を充電するように電力変換部を制御する。
上記構成によれば、各セルの電圧が下限電圧の状態で組電池を所定期間放置することによって、組電池の満充電容量を回復させることができる(回復処理)。また、交流インピーダンス測定に続いて回復処理を実行することにより、交流インピーダンス測定前の状態(各セルの電圧が比較的高い状態)から回復処理を実行する場合と比べて、放電に要する時間を短縮することができる。
好ましくは、診断装置は、組電池への脱着が可能に構成された治具をさらに備える。この治具は、複数のセルの各々について、セルの正極端子とセルに並列に接続されたリレーの一方端とを電気的に接続する第1の接続部と、セルの負極端子とリレーの他方端とを電気的に接続する第2の接続部とを含む。
上記構成によれば、すべてのセルとリレーとを一括して電気的に接続することができるので、変更作業の煩雑さを一層低減することができる。
本開示によれば、リチウムイオン二次電池の診断装置または診断方法において、交流インピーダンス測定の煩雑さを低減することができる。
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。
以下では、本実施の形態に係るリチウムイオン二次電池の診断装置が電動車両に搭載される構成を例に説明する。電動車両とは、ハイブリッド車(プラグインハイブリッド車を含む)、電気自動車または燃料電池車を意味する。測定者(たとえばディーラの整備士)は、たとえば電動車両の整備の一環として、本実施の形態に係る診断装置を用いて組電池の異常の有無を診断する。なお、本実施の形態に係る診断装置の用途は車載用組電池に限定されるものではなく、たとえば定置用組電池であってもよい。
[実施の形態1]
<電池システムの構成>
図1は、実施の形態1に係るリチウムイオン二次電池の診断装置を備えた電池システムの構成を概略的に示す図である。電池システム1は、診断装置10と、組電池20とを備える。組電池20の正極ノードP0は、電動車両(図示せず)のシステムメインリレー200に含まれる2つのリレーのうちの一方に電気的に接続される。組電池20の負極ノードN0は、上記2つのリレーのうちの他方に電気的に接続される。診断装置10と組電池20とが接続されている場合、システムメインリレー200は常に開放状態に保たれる。
<電池システムの構成>
図1は、実施の形態1に係るリチウムイオン二次電池の診断装置を備えた電池システムの構成を概略的に示す図である。電池システム1は、診断装置10と、組電池20とを備える。組電池20の正極ノードP0は、電動車両(図示せず)のシステムメインリレー200に含まれる2つのリレーのうちの一方に電気的に接続される。組電池20の負極ノードN0は、上記2つのリレーのうちの他方に電気的に接続される。診断装置10と組電池20とが接続されている場合、システムメインリレー200は常に開放状態に保たれる。
組電池20は、直列に接続された複数のセル21〜29を含む。各セルはリチウムイオン二次電池である。実施の形態1では、説明が煩雑になるのを防ぐため、セル数が9個の場合について説明する。しかし、セル数は複数個であれば特に限定されるものではなく、2個〜8個であってもよいし、10個以上であってもよい。一般に、電動車両に搭載される組電池は、数十個〜百数十個程度のセルを含む。
診断装置10は接続治具11を備える。接続治具11は、たとえば測定者(図示せず)の手作業により、組電池20への脱着が可能に構成される。接続治具11は、複数のクランプ111A,111B〜119A,119Bと、複数のダイオード121〜129と、複数のリレー131〜139と、複数の電圧センサ141〜149と、スイッチ151,159とを含む。診断装置10は、交流インピーダンス測定部16と、電力変換部17と、制御部300と、開始スイッチ310と、停止スイッチ320と、表示部330とをさらに備える。各セル21〜29に対応して設けられる回路構成は共通である。したがって、以下ではセル21に対応する回路構成について代表的に説明する。
クランプ111A,111Bは、たとえばトグルクランプである。クランプ111A(第1の接続部)は、セル21の正極端子側に接続され、クランプ111B(第2の接続部)は、セル21の負極端子側に接続される。
ダイオード121およびリレー131は、クランプ111Aとクランプ111Bとの間に直列に接続される。ダイオード121のカソードは、クランプ111Aに接続される。ダイオード121のアノードは、リレー131の一方端に接続される。リレー131の他方端は、クランプ111Bに接続される。リレー131は、制御部300からの制御信号RL1に応答して、開放または閉成される。セル21の放電を許可するときにはリレー131は開放され、セル21の放電を禁止するときにはリレー131は閉成される。なお、リレー131は、ダイオード121のカソード側に接続されてもよい。
電圧センサ141は、セル21の電圧Vb1を検出し、その検出結果を制御部300に出力する。以下ではセル21の電圧Vb1〜セル29の電圧Vb9を特に区別しない場合には「電圧Vb」とも記載する。なお、制御部300は、組電池20に設けられた電流センサ(図示せず)から組電池20を流れる電流Ibを取得する。また、制御部300は、組電池20に設けられた温度センサ(図示せず)から各セルの温度Tb1〜Tb9を取得する。
スイッチ151は、クランプ111Aと交流インピーダンス測定部16との間に電気的に接続される。スイッチ159は、クランプ119Bと交流インピーダンス測定部16との間に電気的に接続される。スイッチ151,159は、制御部300からの制御信号SWに応答して開放または閉成される。スイッチ151,159は、組電池20の交流インピーダンス測定時には閉成され、組電池20の充放電時には開放される。
交流インピーダンス測定部16は、組電池20の交流インピーダンスを測定するように構成される。交流インピーダンス測定部16の構成については図4にて詳細に説明する。
電力変換部17は、組電池20の正極ノードP0に接続されるクランプ111Aと、組電池20の負極ノードN0に接続されるクランプ119Bとの間に電気的に接続される。さらに、電力変換部17は、外部電源210(たとえば系統電源)および外部負荷220(電力を消費する機器)に電気的に接続される。電力変換部17は、制御部300からの制御指令に応じて組電池20を充放電させる。たとえば、電力変換部17は、インバータ(図示せず)を含み、外部電源210から供給された交流電力を直流電力に変換することにより、組電池20を充電する。また、電力変換部17は、コンバータ(図示せず)を含み、組電池20に蓄えられた電力の電圧を変換して外部負荷220に供給することにより、組電池20を放電する。なお、組電池20の充放電が可能であれば、外部電源210および外部負荷220の構成は特に限定されるものではない。たとえば外部電源210および外部負荷220は、他の組電池であってもよい。
制御部300は、CPU(Central Processing Unit)301と、メモリ(ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory))302と、入出力バッファ(図示せず)とを含んで構成される。制御部300は、各センサから受ける信号、ならびにメモリ302に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、電池システム1が所望の状態となるように各構成要素(具体的にはリレー131〜139、スイッチ151,159、交流インピーダンス測定部16および電力変換部17)を制御する。制御部300により実行される主要な処理として、組電池20(各セル21〜29)の異常診断が挙げられるが、この処理については図7〜図10にて詳細に説明する。
開始スイッチ310は、測定者による操作により、組電池20の異常診断の開始指令を制御部300に出力する。停止スイッチ320は、測定者による操作により、組電池20の異常診断または組電池20の充放電の緊急停止指令を制御部300に出力する。制御部300は、緊急停止信号を受けると、組電池20の異常診断または充放電を速やかに停止させる。
表示部330は、たとえば液晶ディスプレイであって、制御部300による組電池20の異常診断結果を表示する。測定者は、表示部330を確認することによって、各セルが正常であるか異常であるかを知ることができる。
<接続治具の構成>
図2は、接続治具11の構成を説明するための図である。図2には、接続治具11および組電池20の分解斜視図(接続治具11が組電池20から取り外された状態の図)が示されている。複数のセル21〜29の各々は角形セルであるため、組電池20は直方体形状を有する。接続治具11は、組電池20の上面(図中z方向の面)に装着可能なように、組電池20に対応した形状(底面が開放された略直方体形状)を有する。接続治具11の一方の側面にはクランプ111A,112B〜118B,119Aが配列されており、他方の側面にはクランプ111B,112A〜118A,119Bが配列されている。
図2は、接続治具11の構成を説明するための図である。図2には、接続治具11および組電池20の分解斜視図(接続治具11が組電池20から取り外された状態の図)が示されている。複数のセル21〜29の各々は角形セルであるため、組電池20は直方体形状を有する。接続治具11は、組電池20の上面(図中z方向の面)に装着可能なように、組電池20に対応した形状(底面が開放された略直方体形状)を有する。接続治具11の一方の側面にはクランプ111A,112B〜118B,119Aが配列されており、他方の側面にはクランプ111B,112A〜118A,119Bが配列されている。
接続治具11は、電力ケーブル18により電力変換部17に電気的に接続されている。また、接続治具11には交流インピーダンス測定部16が設けられている。交流インピーダンス測定部16は、信号ケーブル19を介して制御部300との間で各種信号の授受を行なう。さらに、接続治具11には、ダイオード121〜129、リレー131〜139、電圧センサ141〜149およびスイッチ151,159が実装された基板(図示せず)が設けられている。なお、交流インピーダンス測定部16および上記基板は、接続治具11の外部に設けられてもよい。
図3は、接続治具11が組電池20に装着された状態での接続治具11の側面図である。図3に示すように、接続治具11が組電池20の上面に装着された状態であっても、クランプ111A,111Bが起きた状態では、セル21と診断装置10とは電気的には非接続の状態である。測定者がクランプ111A,111Bを倒すことによって(矢印AR参照)、セル21と診断装置10とが電気的に接続される。他のクランプ(図3には図示せず)についても同様である。
一般に、複数のセルの交流インピーダンスを測定する際には、各セルの交流インピーダンスが個別に測定される。すなわち、あるセルと交流インピーダンス測定装置とが、測定者の手作業によって、たとえばクリップ形リードを用いて電気的に接続され、交流インピーダンスが測定される。その後、測定者は、上記セルからクリップ形リードを取り外し、クリップ形リードの接続先を他のセル(次のセル)に変更し、交流インピーダンスを再び測定する。このような作業手順がすべてのセルの交流インピーダンス測定が完了するまで繰り返される。したがって、クリップ形リードの取外し作業および取付け作業がセル数と同数だけ必要となる。しかし、特に、電動車両に搭載される組電池には多くのセルが含まれるので、そのような変更作業が煩雑であった。
これに対し、実施の形態1によれば、クリップ形リードに代えて接続治具11を使用することによって、すべてのセル21〜29を一括して交流インピーダンス測定部16に電気的に接続可能である。これにより、変更作業の煩雑さを低減することができる。また、クリップ形リードの取外し作業および取付け作業の際に接続先を誤る可能性があるところ、接続治具11を使用することで、そのような作業中の誤りを防止することができる。
なお、接続治具11の構成は、図2および図3に示した構成に限定されるものではない。たとえば、一方の側面のクランプ111A,112B〜118B,119Aを互いに連結することで、測定者がクランプ111A,112B〜118B,119Aの開放/閉成を1回の作業で切り替えることが可能になる。他方の側面のクランプ111B,112A〜118A,119Bについても同様である。また、各クランプの開放/閉成を測定者の手動操作により行なうことは必須ではなく、制御部300による電気的制御により各クランプの開放/閉成を切替可能としてもよい。
<交流インピーダンス測定>
図4は、交流インピーダンス測定部16の構成をより詳細に示す図である。交流インピーダンス測定部16は、発振器161と、ポテンショスタット162と、ロックインアンプ163とを含む。
図4は、交流インピーダンス測定部16の構成をより詳細に示す図である。交流インピーダンス測定部16は、発振器161と、ポテンショスタット162と、ロックインアンプ163とを含む。
発振器161は、ポテンショスタット162およびロックインアンプ163に同位相の正弦波を出力する。ポテンショスタット162は、発振器161からの正弦波と同位相の交流電圧(たとえば振幅が10mV程度の電圧)を所定の直流電圧に重ね合わせて組電池20に印加する。そして、ポテンショスタット162は、組電池20を流れる電流の交流成分を検出し、その検出結果をロックインアンプ163に出力する。また、ポテンショスタット162は、上述の交流電圧と電流の交流成分とを測定結果Mとして制御部300に出力する。ロックインアンプ163は、発振器161から受けた正弦波の位相と、ポテンショスタット162により検出された電流の交流成分の位相とを比較し、正弦波と交流成分との位相差を測定結果Mとして制御部300に出力する。
組電池20のインピーダンスには、溶液抵抗による成分、電極/電解質界面での電荷移動抵抗(リチウムイオンが活物質に出入りする際の抵抗)による成分、電極表面に形成される電気二重層の容量による成分など、緩和時間(系が変化し電流が流れるのに要する時間)が異なる様々なインピーダンス成分が含まれる。たとえば、高周波の交流電圧を組電池20に印可した場合、緩和時間が小さい成分は交流電圧の変化に追従可能である一方で、緩和時間が大きい成分は、電流が流れる前に正負が逆の電圧が印加されることになるため、交流電圧の変化に追従することができない。したがって、発振器161から出力される正弦波の周波数f(あるいは角周波数ω)を徐々に変化させながら(掃引しながら)、組電池20に印加される交流電圧と組電池20を流れる交流電流とを測定することによって、角周波数ωにおいて支配的な組電池20のインピーダンス成分を切り分けることができる。
制御部300は、掃引される角周波数ωの各々について、インピーダンス(交流電圧と電流との振幅比)を算出する。そして、制御部300は、インピーダンスの算出結果と、ロックインアンプ163により検出された位相差とを複素平面上にプロットする(図6にて後述)。なお、交流インピーダンス測定部16の構成は図4に示した限定されるものではなく、たとえばロックインアンプ163に代えて周波数応答解析器を含んでもよい。
図5は、リチウムイオン二次電池の電極界面の等価回路の一例を示す図である。以下では、電解液の溶液抵抗をRsolで示し、電荷移動抵抗Rctで示し、電極表面の電気二重層の容量をCdで示す。また、電極反応の拡散速度に関連したインピーダンス成分(ワールブルグ・インピーダンスとも称される)をZwで示す。
図6は、交流インピーダンスの測定結果の複素インピーダンスプロット(ナイキストプロットとも称される)である。図6ならびに後述する図9、図11および図12において、横軸は複素インピーダンスの実数成分ZRe(抵抗成分)を示し、縦軸は複素インピーダンスの虚数成分−ZIm(容量成分)を示す。角周波数ωは、たとえば10mHz〜100kHzの範囲で掃引される。
角周波数ωの高周波領域では半円状の軌跡が現れる。この軌跡は、下記式(1)のように表される。すなわち、この軌跡から溶液抵抗Rsolおよび電荷移動抵抗Rctを求めることができる。
一方、リチウムイオン二次電池の電極反応における拡散速度は比較的遅いので、角周波数ωの低周波領域では直線上の軌跡が現れる。この直線は下記式(2)のように表される。なお、式(2)において、σ(電流および温度に応じて定まる定数)とワールブルグ・インピーダンスZwとの間には下記式(3)が成立する。
式(2)および式(3)より、角周波数ωが十分に低い測定点Z(測定周波数が所定周波数よりも低い点)では、複素インピーダンスの実数成分ZReが(Rsol+Rct+σω−1/2)と近似可能であり、虚数成分−ZImが(2σ2Cd+σω−1/2)と近似可能であることが分かる。
一般に、リチウムイオン二次電池では、大電流での充電または放電を繰り返すことにより、いわゆる「ハイレート劣化」が生じることが知られている。ハイレート劣化は、電解液中のリチウムイオンの分布(塩濃度分布)に偏りが生じることに起因するものであって、イオンの拡散に関連するものであるため、角周波数ωが十分に低い測定点(たとえば図6に示すZ)に反映されやすい。したがって、実施の形態1では、測定点Zに着目して組電池20の異常診断を実施する。
<組電池の異常診断>
図7は、実施の形態1におけるリチウムイオン二次電池の診断方法を示すフローチャートである。図7および後述する図13に示すフローチャートの処理は、測定者が開始スイッチ310を操作することにより実行される。なお、図7ならびに後述する図10および図13に示すフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的には制御部300によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御部300内に作製されたハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
図7は、実施の形態1におけるリチウムイオン二次電池の診断方法を示すフローチャートである。図7および後述する図13に示すフローチャートの処理は、測定者が開始スイッチ310を操作することにより実行される。なお、図7ならびに後述する図10および図13に示すフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的には制御部300によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御部300内に作製されたハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
S10において、制御部300は、電圧センサ141〜149を用いて各セル21〜29の電圧Vb1〜Vb9を取得するとともに、各セル21〜29の温度Tb1〜Tb9を取得する。
S20において、制御部300は、組電池20の異常診断を実施可能な条件が満たされているか否かを判定する。より具体的には、各セルの電圧Vb1〜Vb9が規定電圧Vsよりも高く、かつ、各セルの温度Tb1〜Tb9のバラつき(たとえば最高温度と最低温度との差)が所定値以下である場合に、制御部300は、組電池20の異常診断を実施可能であると判定する。組電池20の異常診断を実施可能な条件が満たされていない場合(S20においてNO)、制御部300は、組電池20の異常診断を実施できない理由を示すメッセージ(たとえば温度バラつきが大きい旨のメッセージ)を表示部330に表示させ(S50)、処理を終了する。
一方、組電池20の異常診断を実施可能な条件が満たされている場合(S20においてYES)、制御部300は、処理をS30に進め、組電池20の異常診断を実施する。さらに、制御部300は、各セル21〜29の異常の有無の診断結果を表示部330に表示させる(S40)。
図8は、実施の形態1におけるリチウムイオン二次電池の診断方法を模式的に説明するための図である。図8において、縦軸は各セルの電圧Vbを示す。図8には、セル21の電圧Vb1〜セル29の電圧Vb9が示されている。組電池20には各セルの電圧Vbを均等化するための均等化回路(図示せず)が設けられているものの、電圧Vb1〜Vb9の間にはわずかなバラつき(たとえば数mV〜数十mV程度のバラつき)が存在し得る。以下では、放電開始前には、電圧Vb1〜Vb9がいずれも所定の規定電圧Vsよりも高く、かつ電圧Vb2,Vb5,Vb8の順に低く規定電圧Vsに近い場合について説明する。
放電開始前には、リレー131〜139はいずれも開放されており、すべてのセル21〜29が直列に接続された状態である。この状態で交流インピーダンス測定が行なわれ、その測定結果M(0)がメモリ302に記憶される。なお、角周波数ωの範囲をたとえば10mHz〜10kHzとし、各オーダーにつき1回の測定を行なう場合(すなわち10mHz、0.1Hz、1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHzでの測定を行なう場合)、交流インピーダンス測定に要する時間は数分程度である。
次に、組電池20の放電が開始される。各セルの電圧Vb1〜Vb9は時間の経過とともに低下し、まず、セル22の電圧Vb2が規定電圧Vsに達する。そうすると、組電池20の放電が停止されるとともに、セル22に並列に接続されたリレー132が閉成される。これにより、セル22がバイパスされ、セル22以外のセル(セル21,23〜29)が直列に接続された状態となる。この状態で交流インピーダンス測定(放電後1回目の測定)が実施され、その測定結果M(1)がメモリ302に記憶される(図4参照)。
その後、リレー132が閉成状態に維持されたまま、組電池20の放電が再開される。セル22の電圧Vb2に続いて、セル25の電圧Vb5が規定電圧Vsに達する。そうすると、組電池20の放電が停止されるとともに、セル25に並列に接続されたリレー135が閉成される。これにより、セル22,25がバイパスされ、セル22,25以外のセル(セル21,23,24,26〜29)が直列に接続された状態となる。この状態で交流インピーダンス測定が実施され、その測定結果M(2)がメモリ302に記憶される。
さらに、リレー132,135が閉成状態に維持されたまま、組電池20の放電が再開される。セル28の電圧Vb8が規定電圧Vsに達すると、上述の処理と同様に、組電池20の放電が停止されるとともに、セル28に並列に接続されたリレー138が閉成される。そして、セル22,25,28以外のセル(セル21,23,24,26,27,29)が直列に接続された状態で交流インピーダンス測定が実施され、その測定結果M(3)がメモリ302に記憶される。
すべてのセル21〜29の電圧Vb1〜Vb9が規定電圧Vsに達するまで、同様の処理が繰り返される。つまり、電圧が規定電圧Vsに達したセル以外のすべてのセルが直列に接続された状態で交流インピーダンスが測定される。そして、以下に説明するように、連続する2回の交流インピーダンスの測定結果を比較することによって、各セルの異常の有無が診断される。
図9は、実施の形態1における交流インピーダンスの測定結果を説明するための複素インピーダンスプロットである。曲線L0は、組電池20の放電開始前の測定結果M(0)(すなわち、すべてのセル21〜29が直列に接続された状態での測定結果)を示す。曲線L1は、セル22以外のセルが直列に接続された状態での測定結果M(1)を示す。曲線L2は、セル22,25以外のセルが直列に接続された状態での測定結果M(2)を示す。曲線L3は、セル22,25,28以外のセルが直列に接続された状態での測定結果M(3)を示す。
まず、セル22が正常であるか異常であるかの診断手法について説明する。セル22の診断では、セル22を含む交流インピーダンスの測定結果(曲線L0)と、セル22を除いた(セル22を含まない)交流インピーダンスの測定結果(曲線L1)とが比較される。セル22が正常の場合、セル22のインピーダンスは十分に低い。したがって、セル22を含む測定結果(曲線L0)と、セル22を除いた測定結果(曲線L1)とは、ほぼ等しくなる。これに対し、セル22が異常の場合、セル22のインピーダンスは、他の正常なセルのインピーダンスよりも高くなる。したがって、セル22を含む測定結果(曲線L0)と、セル22を除いた測定結果(曲線L1)との間に、ある程度の差異が現れることになる。
より具体的には、実施の形態1においては、測定周波数ωが所定周波数よりも低い測定結果(たとえば角周波数ω=10mHzでの測定結果)が用いられる。そして、曲線L0上の測定点Z0(R0,X0)と曲線L1上の測定点Z1(R1,X1)とを比較するために、インピーダンスの抵抗成分の差分ΔR1(=R0−R1)と、インピーダンスの容量成分の差分ΔX1(=X0−X1)とが算出される。
抵抗成分の差分ΔR1が所定の基準値Rc(第1の基準値)よりも大きいとの第1の条件、および、容量成分の差分ΔX1が所定の基準値Xc(第2の基準値)よりも大きいとの第2の条件のうちの少なくとも一方が成立した場合には、セル22に異常があると診断される。一方、第1および第2の条件がいずれも成立しない場合、すなわち抵抗成分の差分ΔR1が基準値Rc以下であり、かつ、容量成分の差分ΔX1が基準値Xc以下である場合には、セル22は正常であると診断される。図9に示す例では、差分ΔR1が基準値Rcよりも大きく、かつ差分ΔX1が基準値Xcよりも大きいため、セル22は異常であると診断される。
次に、セル25が正常か異常かを診断するために、曲線L1と曲線L2とが比較される。図9に示す例では、セル25を除いたインピーダンスの抵抗成分R2は、セル25を含むインピーダンスの抵抗成分R1とほぼ等しい(R2≒R1)。また、セル25を除いたインピーダンスの容量成分X2は、セル25を含むインピーダンスの容量成分X1とほぼ等しい(X2≒X1)。すなわち、抵抗成分の差分ΔR2(=R2−R1)が基準値Rc以下であり、かつ、容量成分の差分ΔX2(=X2−X1)が基準値Xc以下であるため、セル25は正常であると診断される。
同様に、曲線L2と曲線L3とを比較すると、抵抗成分の差分ΔR3が基準値Rcよりも大きく、かつ容量成分の差分ΔX3が基準値Xcよりも大きいため、セル28は異常であると診断される。
<異常診断処理フロー>
図10は、図7に示した異常診断処理(S30の処理)をより詳細に説明するためのフローチャートである。なお、図示しないが、サイクルの途中に停止スイッチ320がユーザにより押された場合には、途中であっても一連の処理が終了される。
図10は、図7に示した異常診断処理(S30の処理)をより詳細に説明するためのフローチャートである。なお、図示しないが、サイクルの途中に停止スイッチ320がユーザにより押された場合には、途中であっても一連の処理が終了される。
S301において、制御部300は、すべてのセル21〜29が直列に接続された状態で組電池20の交流インピーダンスを測定し、その測定結果M(0)をメモリ302に記憶させる。さらに、S302において、制御部300は、組電池20の放電を開始するように電力変換部17を制御する。
以下のS303〜S313の処理は、すべてのセルの診断が完了するまでセルの個数と同じ回数だけ繰り返し実行される。ここでは、N回目(Nは自然数)のサイクルの処理が実行される場合について説明する。
S303において、制御部300は、電圧センサ141〜149の検出値に基づいて、電圧Vbが規定電圧Vsに達したセルが存在するかどうかを判定する。電圧Vbが規定電圧Vsに達したセルが存在しない場合(S303においてNO)には、いずれかのセルの電圧Vbが規定電圧Vsに達するまで組電池20の放電が継続される。
電圧Vbが規定電圧Vsに達し、診断対象となるセル(以下「対象セル」とも称する)が存在する場合(S303においてYES)、制御部300は、組電池20の放電を停止するように電力変換部17を制御する(S304)(「第1の制御」および「第1のステップ」に相当)。さらに、制御部300は、対象セルに並列に接続されたリレーを閉成する(S305)(「第2の制御」および「第2のステップ」に相当)。これにより、組電池20では、電圧Vbが規定電圧Vsよりも高い1または複数のセルのみが直列に接続された状態となる。
S306において、制御部300は、組電池20の交流インピーダンスを測定し、その測定結果M(N)をメモリ302に記憶させる(「第3の制御」および「第3のステップ」に相当)。この測定手法については図4にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。
S307において、制御部300は、前回((N−1)回目)のサイクルでの交流インピーダンスの測定結果M(N−1)をメモリ302から読み出す。なお、1回目のサイクルでは、S301の処理での測定結果M(0)がメモリ302から読み出される。
S308において、制御部300は、N回目のサイクルでの測定結果M(N)(「第1の交流インピーダンス」に相当)と、(N−1)回目のサイクルでの測定結果M(N−1)(「第2の交流インピーダンス」に相当)とを比較する。より詳細には、制御部300は、インピーダンスの抵抗成分の差分ΔRを算出し、差分ΔRと基準値Rcとの大小関係を判定する。また、制御部300は、インピーダンスの容量成分の差分ΔXを算出し、差分ΔXと基準値Xcとの大小関係を判定する。
抵抗成分の差分ΔRが基準値Rc以下であり、かつ、容量成分の差分ΔXが基準値Xc以下である場合(S309においてNO)、制御部300は、対象セルは正常であると診断し、その診断結果をメモリ302に記憶させる(S310)。これに対し、抵抗成分の差分ΔRが基準値Rcよりも大きいとの判定結果、および、容量成分の差分ΔXが基準値Xcよりも大きいとの判定結果のうちの少なくとも一方が得られた場合(S309においてYES)、制御部300は、対象セルに異常があると診断し、その診断結果をメモリ302に記憶させる(S311)。
その後、S312において、制御部300は、すべてのセル21〜29の異常診断が完了したか否かを判定する。異常診断を未実施のセルが存在する場合(S312においてNO)には、制御部300は、組電池20の放電を再開させる(S313)(「第4の制御」および「第4のステップ」に相当)。これにより、すべてのセル21〜29の異常診断が完了するまでS303〜S313の一連の処理が繰り返される。すべてのセル21〜29の診断が完了すると(S312においてYES)、制御部300は、処理を図7のフローチャートへと戻す。その結果、すべてのセル21〜29の診断結果が表示部330に表示される(S40)。
診断結果を確認した測定者(たとえばディーラ)は、電池システム1が搭載される電動車両のユーザに診断結果を報告することができる。たとえば、異常と診断されたセル数が所定数を超える場合(あるいは、異常と診断されたセルの割合が所定割合を超える場合)、測定者は、組電池20の交換をユーザに提案することができる。また、組電池20の交換の際に、正常なセルを取り出して再利用することも可能である。
なお、図10のフローチャートでは、各サイクル内で異常診断(S308〜S311の処理)を実施する例について説明した。しかし、異常診断を実施するタイミングはこれに限定されず、たとえば、すべてのセル21〜29の交流インピーダンスの測定後に異常診断を実施してもよい。また、すべてのセル21〜29の異常診断の完了後に診断結果を表示部330に表示させると説明したが、各セルの異常診断が完了する度に、そのセルの診断結果を表示部330に表示させてもよい。
以上のように、実施の形態1によれば、接続治具11が用いられ、セル単位に代えて組電池単位(複数のセルが直列に接続された状態)で交流インピーダンスを測定可能な回路構成が実現される。そして、組電池20を放電させ、いずれかのセルの電圧が規定電圧Vsに達する度に、そのセル(対象セル)を除いた交流インピーダンスが測定される。言い換えると、直列に接続された状態のセル数を1つずつ減らしながら、交流インピーダンス測定が繰り返し実施される。この手法によれば、対象セルを含む測定結果と、対象セルを除いた測定結果とを比較することによって、対象セルが正常であるか異常であるかを診断することができる。これにより、セル毎に交流インピーダンス測定器を接続し直す手間(および時間)を省略することができるので、リチウムイオン二次電池の異常診断の煩雑さを低減することができるとともに、診断時間を短縮することができる。
また、異常が生じたセルの電圧は正常なセルの電圧よりも低い場合が多いところ、実施の形態1によれば、電圧が規定電圧Vsに達したセルから順に異常の有無が診断される。すなわち、実施の形態1では、異常が生じた可能性が高いセルから優先的に異常の有無が診断されることになる。したがって、すべてのセルの異常診断が完了する前であっても、たとえば異常と診断されたセル数が所定数を超えた場合には、その時点で組電池20全体の交換が必要であると早期に判定することができる。また、組電池20の交換が必要であって、かつ正常なセルについても再利用せずに廃棄する場合には、残りのセルの交流インピーダンス測定を省略することができる。
なお、抵抗成分の差分が基準値Rcよりも大きいとの第1の条件、および、容量成分の差分が基準値Xcよりも大きいとの第2の条件のうちの少なくとも一方が成立した場合には、そのセルを異常と診断する例について説明した。しかし、第1および第2の条件のうちのいずれか一方しか成立しない場合には、そのセルを正常と診断し、第1および第2の条件の両方が成立した場合に、そのセルを異常と診断してもよい。
[変形例]
実施の形態1では、複素インピーダンスプロットのうち角周波数ωが低い領域(特に測定点Z)に着目して組電池20の異常診断を実施する例について説明したが、組電池20の劣化の種類(劣化状況)に応じて、複素インピーダンスプロットの他の領域の変化に着目してもよい。たとえば、半円状の軌跡が現れる角周波数ωの高い領域に着目し、半円の形状変化に基づいて異常か否かを診断することも可能である。
実施の形態1では、複素インピーダンスプロットのうち角周波数ωが低い領域(特に測定点Z)に着目して組電池20の異常診断を実施する例について説明したが、組電池20の劣化の種類(劣化状況)に応じて、複素インピーダンスプロットの他の領域の変化に着目してもよい。たとえば、半円状の軌跡が現れる角周波数ωの高い領域に着目し、半円の形状変化に基づいて異常か否かを診断することも可能である。
図11は、複素インピーダンスプロットの半円形状に基づく異常診断を説明するための図である。図12は、複素インピーダンスプロットの半円形状に基づく他の異常診断を説明するための図である。図11および図12では、曲線L(N)は、直列に接続された複数のセルからN個のセルを除いた状態での測定結果を示し、曲線L(N+1)は、(N+1)個のセルを除いた状態での測定結果を示す。
図11に示すように半円状の軌跡の直径(あるいは半径)が大きくなった場合には、曲線L(N)と曲線L(N+1)との差分に対応する対象セルの電荷移動抵抗Rctが、正常なセルと比べて大きいことを示す(図6参照)。このことは、対象セルの電極性能が低下したことを意味する。一方、図12に示すように半円状の軌跡が図中右方向にシフトした場合には、対象セルの溶液抵抗Rsolが、正常なセルと比べて大きいことを示す(図6参照)。このことは、対象セルの電解液性能(電解質性能)が低下したことを意味する。
図11および図12にて説明した異常診断のうちの一方または両方を、実施の形態1にて説明した角周波数ωが低い領域での異常診断(図8参照)に代えて、あるいは加えて実施することができる。この場合に実行されるフローチャートは、図10に示したフローチャートと基本的に同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
電荷移動抵抗Rctを比較する場合には、たとえば、曲線L(N)の半円状の軌跡の直径と、曲線L(N+1)の半円状の軌跡の直径との差分を算出し、その差分と基準値との大小関係を比較することができる。同様に、溶液抵抗Rsolを比較する場合には、たとえば、曲線L(N)の軌跡上の特定点(たとえば図12のZ(N))の実数成分と、曲線L(N+1)の半円状の軌跡上の特定点(たとえばZ(N+1))の実数成分との差分を算出し、その差分と基準値との大小関係を比較することができる。
そして、たとえば上記3種類の異常診断をすべて実施する場合、制御部300は、すべての差分が対応する基準値以下であるときに、対象セルは正常であると診断し、少なくとも1つの差分が対応する基準値よりも大きいときには、対象セルに異常があると診断することができる。
[実施の形態2]
一般に、充放電が繰り返されたり使用期間が経過したりするに従ってリチウムイオン電池の劣化が進行し、リチウムイオン電池の満充電容量が低下する。そのため、たとえばディーラにおいて異常診断を実施するとともに、低下した満充電容量を一定程度元に戻す(回復させる)ことが望ましい。実施の形態2においては、満充電容量を回復させるための処理(以下「回復処理」とも称する)について説明する。
一般に、充放電が繰り返されたり使用期間が経過したりするに従ってリチウムイオン電池の劣化が進行し、リチウムイオン電池の満充電容量が低下する。そのため、たとえばディーラにおいて異常診断を実施するとともに、低下した満充電容量を一定程度元に戻す(回復させる)ことが望ましい。実施の形態2においては、満充電容量を回復させるための処理(以下「回復処理」とも称する)について説明する。
実施の形態2における回復処理により、たとえば以下の3種類の劣化に起因して低下した満充電容量を回復することができる。第1の劣化とは、上述のハイレート劣化である。第2の劣化とは、いわゆるメモリ効果に伴う劣化である。ニッケル水素電池等ほど顕著ではないものの、リチウムイオン二次電池においてもメモリ効果が発生し得る。すなわち、セルに蓄えられた電力が完全に消費されていない状態での充電(いわゆる継ぎ足し充電)が繰り返された場合に、セルの放電電圧が正常時と比べて低くなり得る。第3の劣化とは、リチウムイオンが正極活物質層と負極活物質層との間の往復を繰り返すことにより、リチウムイオンの一部が正極活物質層と負極活物質層とが対向していない部分に拡散し、蓄積されることによる劣化である(特許文献2参照)。
図13は、実施の形態2における回復処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、組電池20の異常診断処理S30(図10参照)の実行後に実行される。回復処理の開始時には、リレー131〜139はいずれも開放状態である。
S601において、制御部300は、すべてのセル21〜29の電圧Vb1〜Vb9が下限電圧V1に達するまで組電池20を放電するように電力変換部17を制御する。下限電圧V1は、セル21〜29が過放電となる電圧であり(V1<規定電圧Vs)、実験により適宜定められる。一般にリチウムイオン二次電池の電圧(OCV:Open Circuit Voltage)とSOCとの間には相関関係が存在するところ、下限電圧V1は、セル21〜29のSOCが10%以下となる電圧であることが好ましく、セル21〜29のSOCが0%程度となる電圧であることがより好ましい。
制御部300は、組電池20の放電中の電圧Vbおよび電流Ibを取得する(S602)。そして、制御部300は、放電時の電圧Vbおよび電流Ibに基づいて、回復前の組電池20の満充電容量C1を算出する(S603)。より具体的には、制御部300は、各セルについて、放電開始時のSOCであるSOC0と、放電終了時のSOC(たとえば0%)であるSOC1とを電圧Vbから算出するとともに、放電中の電流Ibの積算値ΣIbを算出する。そして、制御部300は、下記式(4)を用いて各セルの満充電容量を算出する。全セルの満充電容量を加算することにより、回復前の組電池20の満充電容量C1を算出することができる。
満充電容量={ΣIb/(SOC1−SOC0)}×100 ・・・(4)
S604において、制御部300は、各セルの電圧Vbが下限電圧V1に維持された状態で組電池20を所定期間Tだけ放置する。所定期間Tは、たとえば5分以上であることが好ましく、1時間以上であることがより好ましい。所定期間Tが長いほど回復処理の効果(満充電容量の回復量)が大きくなるものの、所定期間Tがある程度長くなると、それ以上所定期間Tが長くなっても回復処理の効果はほとんど増加しなくなる。したがって、所定期間Tは、回復処理の効果、電動車両をユーザから預かることが可能な期間、および放置に要するコスト等の兼ね合いから定めることができる。
S604において、制御部300は、各セルの電圧Vbが下限電圧V1に維持された状態で組電池20を所定期間Tだけ放置する。所定期間Tは、たとえば5分以上であることが好ましく、1時間以上であることがより好ましい。所定期間Tが長いほど回復処理の効果(満充電容量の回復量)が大きくなるものの、所定期間Tがある程度長くなると、それ以上所定期間Tが長くなっても回復処理の効果はほとんど増加しなくなる。したがって、所定期間Tは、回復処理の効果、電動車両をユーザから預かることが可能な期間、および放置に要するコスト等の兼ね合いから定めることができる。
所定期間Tが経過すると、制御部300は、すべてのセル21〜29の電圧Vb1〜Vb9が充電終了電圧V2に達するまで組電池20が充電されるように電力変換部17を制御する(S605)。充電終了電圧V2とは、電動車両をユーザに返却する際に、電動車両の走行に適したSOC範囲(たとえばSOC=40%〜60%)から定められる電圧である。制御部300は、組電池20の充電中の電圧Vbおよび電流Ibを取得する(S606)。
制御部300は、組電池20の充電中にあるセルの電圧Vbが所定の充電終了電圧V2に達すると(S607においてYES)、そのセルに並列に接続されたリレーを閉成することで、そのセルへの充電を終了させる(S608)。
制御部300は、すべてのセルの電圧Vbが充電終了電圧V2に達するまで組電池20の充電を継続する(S609においてNO)。すべてのセルの電圧Vbが充電終了電圧V2に達すると(S609においてYES)、制御部300は、すべてのセルの充電が完了したとして処理をS610に進める。S610において、制御部300は、充電中の電圧Vbおよび電流Ibに基づいて、回復後の組電池20の満充電容量C2を算出する。この算出手法は、S603における回復前の満充電容量C1の算出手法と基本的に同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
S611において、制御部300は、組電池20の満充電容量の回復量ΔCを算出する。より具体的には、制御部300は、S610にて算出した回復後の満充電容量C2と、S603にて算出した回復前の満充電容量C1との差を容量回復量ΔC(=C2−C1)として算出する。その後、制御部300は、容量回復量ΔCを表示部330に表示させる(S612)。
以上のように、実施の形態2によれば、各セルの異常診断の実施後に回復処理が実施される。このように、接続治具11が組電池20に装着された状態で異常診断と回復処理とを連続して実施することができるので、たとえば、測定者(ディーラ)が満充電容量の回復を異常診断に付随するサービスとして提供することができる。また、異常診断の実施後には各セルの電圧が規定電圧Vsまで低下しているので、異常診断を実施しない場合と比べて、電圧を下限電圧V1まで速やかに低下させることができる。よって、回復処理に要する時間を短縮することができる。
なお、満充電容量の回復のみを目的とするのであれば、満充電容量C1,C2の算出(S602,S603,S606,S608〜S610の処理)は必須ではない。しかし、実施の形態2によれば、組電池20の回復前の満充電容量C1と回復後の満充電容量C2とから容量回復量ΔCを求めることによって、測定者が回復処理の効果をユーザに定量的に説明することが可能になる。
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、上記した実施の形態の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。
1 電池システム、10 診断装置、11 接続治具、111A,111B〜119A,119B クランプ、121〜129 ダイオード、131〜139 リレー、141〜149 電圧センサ、15 スイッチ部、151A〜159B スイッチ、16 交流インピーダンス測定部、161 発振器、162 ポテンショスタット、163 ロックインアンプ、17 電力変換部、20 組電池、21〜29 セル、200 システムメインリレー、210 外部電源、220 外部負荷、300 制御部、301 CPU、302 メモリ、310 開始スイッチ、320 停止スイッチ、330 表示部。
Claims (7)
- リチウムイオン二次電池の組電池の異常の有無を診断する、リチウムイオン二次電池の診断装置であって、
前記組電池は、正極ノード、負極ノード、および前記正極ノードと前記負極ノードとの間に直列に接続された複数のセルを含み、
前記診断装置は、
前記複数のセルにそれぞれ並列に接続される複数のリレーと、
前記正極ノードおよび前記負極ノードに電気的に接続され、前記組電池を放電するように構成された電力変換部と、
前記正極ノードおよび前記負極ノードに電気的に接続され、前記組電池の交流インピーダンスを測定するように構成された測定部と、
前記複数のリレー、前記電力変換部および前記測定部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記組電池を放電するように前記電力変換部を制御し、放電中に前記複数のセルのうちのいずれかのセルの電圧が規定電圧に達する度に第1〜第4の制御を実行し、
前記第1の制御は、前記組電池の放電を停止するように前記電力変換部を制御する制御であり、
前記第2の制御は、前記複数のリレーのうち、電圧が前記規定電圧に達したセルに並列に接続されたリレーを閉成することによって、電圧が前記規定電圧に達した前記セルをバイパスさせる制御であり、
前記第3の制御は、電圧が前記規定電圧に達したすべてのセルにそれぞれ並列に接続されたリレーが閉成された状態で、前記組電池の交流インピーダンスを測定するように前記測定部を制御する制御であり、
前記第4の制御は、交流インピーダンスの測定後に、電圧が前記規定電圧よりも高いセルの放電を再開するように前記電力変換部を制御する制御であり、
前記制御部は、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを含む場合の交流インピーダンスを示す第1の交流インピーダンスと、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを除いた場合の交流インピーダンスを示す第2の交流インピーダンスとを比較することによって、電圧が前記規定電圧に達した前記セルの異常の有無を診断する、リチウムイオン二次電池の診断装置。 - 前記制御部は、第1および第2の条件がいずれも成立しない場合に前記電圧が前記規定電圧に達した前記セルを正常と診断する一方で、前記第1および第2の条件のうちの少なくとも一方が成立した場合には電圧が前記規定電圧に達した前記セルを異常と診断し、
前記第1の条件は、交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも低い場合に、前記第1の交流インピーダンスの抵抗成分と前記第2の交流インピーダンスの抵抗成分との差が第1の基準値よりも大きいときに成立し、
前記第2の条件は、前記測定周波数が前記所定周波数よりも低い場合に、前記第1の交流インピーダンスの容量成分と前記第2の交流インピーダンスの容量成分との差が第2の基準値よりも大きい場合に成立する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の診断装置。 - 前記制御部は、交流インピーダンスを複素インピーダンスプロットした場合に交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも高い領域に表される半円状の軌跡において、前記第1の交流インピーダンスを示す半円の直径と、前記第2の交流インピーダンスを示す半円の直径との差が所定の基準値以下であるときに、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを正常と診断する一方で、前記差が前記基準値よりも大きいときには、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを異常と診断する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の診断装置。
- 前記制御部は、交流インピーダンスの測定周波数が所定周波数よりも高い場合に、前記第1の交流インピーダンスの抵抗成分と前記第2の交流インピーダンスの抵抗成分との差が所定の基準値以下であるときに、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを正常と診断する一方で、前記差が前記基準値よりも大きいときには、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを異常と診断する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の診断装置。
- 前記電力変換部は、前記組電池を充電するようにさらに構成され、
前記制御部は、すべてのセルの電圧が前記規定電圧に達した後に、前記組電池をさらに放電するように前記電力変換部を制御し、前記複数のセルの各々の電圧が前記規定電圧よりも低い下限電圧の状態で前記組電池を所定期間放置し、前記所定期間の放置後に前記組電池を充電するように前記電力変換部を制御する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の診断装置。 - 前記組電池への脱着が可能に構成された治具をさらに備え、
前記治具は、前記複数のセルの各々について、セルの正極端子と前記セルに並列に接続されたリレーの一方端とを電気的に接続する第1の接続部と、前記セルの負極端子と前記リレーの他方端とを電気的に接続する第2の接続部とを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の診断装置。 - リチウムイオン二次電池の組電池の異常の有無を診断する、リチウムイオン二次電池の診断方法であって、
前記組電池は、正極ノード、負極ノード、および前記正極ノードと前記負極ノードとの間に直列に接続された複数のセルを含み、
前記複数のセルには、複数のリレーがそれぞれ並列に接続され、
前記診断方法は、前記組電池の放電中に前記複数のセルのうちのいずれかのセルの電圧が規定電圧に達する度に実行される第1〜第4のステップを含み、
前記第1のステップは、前記組電池の放電を停止させるステップであり、
前記第2のステップは、前記複数のリレーのうち、電圧が前記規定電圧に達したセルに並列に接続されたリレーを閉成することによって、電圧が前記規定電圧に達した前記セルをバイパスさせるステップであり、
前記第3のステップは、電圧が前記規定電圧に達したすべてのセルにそれぞれ並列に接続されたリレーが閉成された状態で、前記組電池の交流インピーダンスを測定するステップであり、
前記第4のステップは、前記第3のステップの後に、電圧が前記規定電圧よりも高いセルの放電を再開させるステップであり、
前記診断方法は、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを含む交流インピーダンスと、電圧が前記規定電圧に達した前記セルを除いた交流インピーダンスとを比較することによって、電圧が前記規定電圧に達した前記セルの異常の有無を診断するステップをさらに含む、リチウムイオン二次電池の診断方法。
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