JP7031177B2 - 二次電池の劣化判定装置 - Google Patents

Description

本開示は、二次電池の劣化状態を判定する技術に関する。

特開２０１３－４４５８０号公報（特許文献１）には、二次電池の内部抵抗を用いて二次電池の劣化状態を判定する装置が開示されている。この装置は、二次電池の電流－電圧座標上の実測された二点間の傾きを求める、いわゆるＩ－Ｖプロット法によって内部抵抗を算出し、Ｉ－Ｖプロット法によって算出された内部抵抗を用いて二次電池の劣化状態を判定する。

特開２０１３－４４５８０号公報

一般的に、二次電池は使用条件（環境温度、充放電量）および使用期間などによって劣化する。そして、二次電池の劣化速度は、二次電池の劣化状態によって異なり得る。したがって、二次電池の劣化を抑制するための使用制限を適切に行なうためには、二次電池の劣化状態（劣化モード）を精度よく判定することが望ましい。しかしながら、特許文献１には、二次電池の劣化状態を精度よく判定する手法について何ら具体的に言及されていない。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、二次電池の劣化状態を精度よく判定することである。

本開示による二次電池の劣化判定装置は、二次電池の電流を検出するように構成された電流センサと、二次電池の電圧を検出するように構成された電圧センサと、電圧センサおよび電流センサに接続された制御装置とを備える。制御装置は、二次電池の放電中において電流センサおよび電圧センサによってそれぞれ検出された電流値および電圧値の複数の組合せを用いて、二次電池の放電中における内部抵抗である放電抵抗を算出し、二次電池の充電中において電流センサおよび電圧センサによってそれぞれ検出された電流値および電圧値の複数の組合せを用いて、二次電池の充電中における内部抵抗である充電抵抗を算出し、放電抵抗と充電抵抗との差が閾値を超える場合、差が閾値未満である場合よりも二次電池が劣化速度が速い異常劣化状態であると判定する。

上記構成によれば、放電抵抗と充電抵抗との差から、二次電池の劣化状態を精度よく判定することができる。

車両の全体構成の一例を示す図である。 通常劣化モードにおける二次電池の内部状態を模式的に示す図である。 異常劣化モードにおける二次電池の内部状態を模式的に示す図である。 二次電池を通電した場合における電池電圧Ｖの変化態様の一例を示す図である。 異常劣化モードである二次電池を通電した場合における電池電圧Ｖの変化態様の一例を示す図である。 異常劣化モードである二次電池の充電抵抗および放電抵抗をＩ－Ｖプロット法によって算出する際に用いられるグラフの一例を概念的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャートである。

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返さない。

＜全体構成＞
図１は、本実施の形態による二次電池の劣化判定装置が適用される、車両１の全体構成の一例を示す図である。なお、以下では、本実施の形態による劣化判定装置が車両１に搭載される例について説明するが、本実施の形態による劣化判定装置は、必ずしも車両１に搭載されることに限定されるものではない。

車両１は、二次電池１０と、負荷２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。車両１は、二次電池１０に蓄えられた電力を用いて走行可能な電動車両（ハイブリッド自動車、電気自動車など）である。

二次電池１０は、負荷２０に電気的に接続され、負荷２０の駆動電力を蓄える蓄電装置である。二次電池１０内部には、正極と、負極と、それらをイオン的に結合する電解液とが備えられる。二次電池１０は、代表的には、リチウムイオン二次電池、あるいはニッケル水素二次電池などである。

負荷２０は、二次電池１０からの電力を用いて車両１を駆動させるための駆動力を発生する走行用電動機を含む。また、負荷２０は、走行用電動機の回生電力により、二次電池１０を充電することができる。

二次電池１０には、二次電池１０の端子間電圧を検出するための電圧センサ１１と、二次電池１０を流れる電流を検出するための電流センサ１２とが設けられている。以下では、電圧センサ１１による検出値を「電池電圧Ｖ」とも記載し、電流センサ１２による検出値を「電池電流Ｉ」とも記載する。以下、電池電流Ｉについては、二次電池１０の放電時には正値（Ｉ＞０）で示され、充電時には負値（Ｉ＜０）で示されるものと定義する。電圧センサ１１および電流センサ１２によってそれぞれ検出された電池電圧Ｖおよび電池電流Ｉは、ＥＣＵ１００へ送出される。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵する。ＥＣＵ１００は、電圧センサ１１および電流センサ１２からの情報およびメモリに記憶された情報に基づいて所定の演算処理を実行し、演算結果に基づいて車両１の各機器（負荷２０など）を制御する。

ＥＣＵ１００は、いわゆるＩ－Ｖプロット法によって、二次電池１０の内部抵抗を算出可能に構成される。具体的には、ＥＣＵ１００は、電流センサ１２によってそれぞれ検出された複数の電池電流Ｉと、電圧センサ１１によってそれぞれ検出された複数の電池電圧Ｖとをそれぞれ二次元座標の横軸および縦軸にプロットして得られる複数の点を近似する直線の傾きを最小２乗法などによって算出し、算出された直線の傾きを二次電池１０の内部抵抗とすることができる。

＜電池劣化モード＞
一般的に、二次電池は使用条件（環境温度、充放電量）および使用期間などによって劣化する。そして、二次電池の劣化速度は、二次電池の劣化状態によって異なり得る。本実施の形態では、二次電池１０の劣化状態を示すモード（以下「電池劣化モード」あるいは単に「劣化モード」ともいう）として、「通常劣化モード」と「異常劣化モード」とが存在することを想定している。

図２は、通常劣化モードにおける二次電池１０の内部状態を模式的に示す図である。「通常劣化モード」は、電解液分解に伴なって正極表面に形成される正極皮膜あるいは負極表面に形成される負極被膜の影響によって、二次電池１０の内部抵抗が増加している状態である。通常劣化モードでは、電解液が正常な状態であり、劣化速度は比較的遅い。

図３は、異常劣化モードにおける二次電池１０の内部状態を模式的に示す図である。「異常劣化モード」は、通常劣化モードで生じる正極皮膜あるいは負極被膜に代えてあるいは加えて、電解液の異常分解によるイオン濃度（リチウムイオン二次電池である場合にはリチウム塩濃度）の低下の影響、あるいは、電解液の揮発による液量の低下の影響によって、二次電池１０の内部抵抗が増加している状態である。異常劣化モードでは、電解液が異常な状態（電解液のイオン濃度あるいは液量が通常時よりも低下している状態）であり、局所的な抵抗増加が生じたり、通常では発生しない反応が生じたりする。そのため、異常劣化モードでの劣化速度は、通常劣化モードでの劣化速度よりも大きい。

＜電池劣化モードの判定＞
上述のように、異常劣化モードでの劣化速度は、通常劣化モードでの劣化速度よりも大きい。したがって、二次電池１０の劣化を抑制するための使用制限を適切に行なうためには、電池劣化モードが通常劣化モードであるのか異常劣化モードであるのかを精度よく判定することが望ましい。

本願の発明者等は、電池劣化モードを精度よく判定するために、通常劣化モードと異常劣化モードとの間の特性の違いについて実験等を重ねて探究した。その結果、本願の発明者等は、通常劣化モードと異常劣化モードとの間で二次電池１０の特性に違いがあることを見出した。具体的には、通常劣化モードにおいては、充電によって電池電圧Ｖが上昇する量（以下「充電による電圧上昇量ΔＶｃ」ともいう）と、放電によって電池電圧Ｖが低下する量（以下「放電による電圧低下量ΔＶｄ」ともいう）との間に大きな差はないのに対し、異常劣化モードにおいては、充電による電圧上昇量ΔＶｃと放電による電圧低下量ΔＶｄとの間に大きな差が生じることを、本願の発明者等は突き止めた。

図４は、二次電池１０を通電（充電あるいは放電）した場合における電池電圧Ｖの変化態様の一例を示す図である。図４において、横軸は通電継続時間（充電継続時間あるいは放電継続時間）を示し、縦軸は電池電圧Ｖを示す。

図４において、線ＬＣは、通常劣化モードでの充電による電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＤは、通常劣化モードでの放電による電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＣＡは、異常劣化モードでの充電による電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＤＡは、異常劣化モードでの放電による電池電圧Ｖの変化を示す。

図４から理解できるように、通常劣化モード（一点鎖線）である二次電池１０においては、充電による電圧上昇量ΔＶｃ（初期電圧Ｖ０と線ＬＣとの差）と、放電による電圧低下量ΔＶｄ（初期電圧Ｖ０と線ＬＤとの差）とに大きな差は生じない。

これに対し、異常劣化モード（実線）である二次電池１０においては、放電時間が長くなると、充電による電圧上昇量ΔＶｃ（初期電圧Ｖ０と線ＬＣＡとの差）と、放電による電圧低下量ΔＶｄ（初期電圧Ｖ０と線ＬＤＡとの差）との間に大きな差が生じる。すなわち、短い放電時間ｔ１における電圧上昇量ΔＶｃ１と電圧低下量ΔＶｄ１との間には大きな差はなく、また、短い放電時間ｔ２における電圧上昇量ΔＶｃ２と電圧低下量ΔＶｄ２との間にも大きな差はないが、長い放電時間ｔ３における電圧上昇量ΔＶｃ３と電圧低下量ΔＶｄ３との間には大きな差が生じている。

このように、本願の発明者等は、異常劣化モードである二次電池１０においては、通電継続時間が長い条件下では、充電による電圧上昇量ΔＶｃと放電による電圧低下量ΔＶｄとの差が大きくなるという、異常劣化モード特有の特性を見出した。

さらに、本願の発明者等は、異常劣化モード特有の特性は、電流値が大きいほど顕著に現れる傾向にあることも見出した。

図５は、異常劣化モードである二次電池１０を通電（充電あるいは放電）した場合における電池電圧Ｖの変化態様の一例を示す図である。図５において、横軸は通電継続時間（充電継続時間あるいは放電継続時間）を示し、縦軸は電池電圧Ｖを示す。

図５において、線ＬＣＡ１は、電流値Ｉ１で充電した場合の電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＣＡ２は、電流値Ｉ１よりも絶対値の大きい電流値Ｉ２で充電した場合の電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＤＡ１は、電流値Ｉ１で放電した場合の電池電圧Ｖの変化を示す。線ＬＤＡ２は、電流値Ｉ２で放電した場合の電池電圧Ｖの変化を示す。

図５から理解できるように、異常劣化モードである二次電池１０において、通電継続時間が同じであっても、電池電流Ｉが大きい方が、充電による電圧上昇量ΔＶｃと放電による電圧低下量ΔＶｄとの差は大きくなる傾向にある。たとえば、図５に示すように、通電継続時間が同じ時間ｔ４であっても、電流値Ｉ１である場合の電圧上昇量ΔＶｃｉ１と電圧低下量ΔＶｄｉ１との差よりも、電流値Ｉ２（｜Ｉ２｜＞｜Ｉ１｜）である場合の電圧上昇量ΔＶｃｉ２と電圧低下量ΔＶｄｉ２との差の方が大きくなっている。

このように、異常劣化モードである二次電池１０においては電圧上昇量ΔＶｃと電圧低下量ΔＶｄとの差が大きくなるという異常劣化モード特有の特性を有すること、および、この異常劣化モード特有の特性は通電継続時間が長い場合あるいは電池電流Ｉが大きい場合により顕著に現れる。

さらに、本願の発明者等は、異常劣化モードである二次電池１０においては、上記の異常劣化モード特有の特性の影響によって、二次電池１０の充電中における内部抵抗（以下「充電抵抗」ともいう）と、放電中における内部抵抗（以下「放電抵抗」ともいう）とに大きな差が生じることに着目した。

図６は、異常劣化モードである二次電池１０の充電抵抗および放電抵抗をＩ－Ｖプロット法によって算出する際に用いられるグラフの一例を概念的に示す図である。図６において、横軸は電池電流Ｉを示し、縦軸は電池電圧Ｖを示す。電池電流Ｉが正値（Ｉ＞０）である場合には放電であることを示し、負値（Ｉ＜０）である場合には充電であることを示す。

Ｉ－Ｖプロット法では、既に述べたように、電池電流Ｉと電池電圧Ｖとを二次元座標にプロットして得られる複数の点を近似する直線の傾きが最小２乗法などによって算出され、算出された直線の傾きが内部抵抗とされる。

図６において、「△」（白三角印）は、上述の異常劣化モード特有の特性が顕著に現れる「有効条件」下で検出された電池電流Ｉおよび電池電圧Ｖをプロットした点（以下「有効プロット点」ともいう）を示す。「●」（黒丸印）は、有効条件を満たさない無効条件下で検出された電池電流Ｉおよび電池電圧Ｖをプロットした点（以下「無効プロット点」ともいう）を示す。

本実施の形態において、「有効条件」は、通電継続時間（充電継続時間あるいは放電継続時間）に関する時間条件と、電池電流Ｉに関する電流条件とのうち、少なくとも一方が満たされている、という条件に設定される。

時間条件は、通電継続時間が下限時間ＴＡよりも大きく上限時間ＴＢよりも小さい有効範囲内に含まれるという条件である。通電継続時間が短すぎると上述の異常劣化モード特有の特性が顕著には現れず、逆に通電継続時間が長すぎるとＩ－Ｖプロット法による内部抵抗の算出精度が低下するためである。

電流条件は、電池電流Ｉが下限電流ＩＡよりも大きく上限電流ＩＢよりも小さい範囲内に含まれるという条件である。電池電流Ｉが小さすぎると上述の異常劣化モード特有の特性が顕著には現れず、逆に電池電流Ｉが大きすぎるとＩ－Ｖプロット法による内部抵抗の算出精度が低下するためである。

図６から理解できるように、複数の有効プロット点（△：白三角印）を近似する直線の傾き（実線）は、充電側と放電側とで大きな差が生じている。これは、上述の異常劣化モード特有の特性によって、充電抵抗と放電抵抗との間に大きな差が生じることが影響していると考えられる。

一方、複数の無効プロット点（●：黒丸印）を近似する直線の傾き（破線）は、充電側と放電側とでほぼ同じである。これは、異常劣化モードである二次電池１０においても、無効条件下では、上述の異常劣化モード特有の特性が顕著には現れず、充電抵抗と放電抵抗との間に大きな差が生じないことを示している。

以上の点を踏まえ、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、上述の有効条件下での充電中に検出されたプロット点（以下「有効充電プロット点」ともいう）を近似する直線の傾きを「有効充電抵抗Ｒｃ」として算出するとともに、上述の有効条件下での放電中に検出されたプロット点（以下「有効放電プロット点」ともいう）を近似する直線の傾きを「有効放電抵抗Ｒｄ」として算出する。そして、ＥＣＵ１００は、有効放電抵抗Ｒｄと有効充電抵抗Ｒｃとの差（＝Ｒｄ－Ｒｃ）が閾値よりも大きい場合に、電池劣化モードが異常劣化モードであると判定する。

＜＜電池劣化モードの判定フロー＞＞
図７は、ＥＣＵ１００が電池劣化モードの判定を行なう際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

まず、ＥＣＵ１００は、電池電流Ｉに基づいて、二次電池１０が通電状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。通電状態でない場合（ステップＳ１０においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、以降の処理をスキップしてリターンへと処理を移す。

通電状態である場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、通電継続時間を算出する（ステップＳ１２）とともに、電池電流Ｉおよび電池電圧Ｖを取得する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において取得された電池電流Ｉおよび電池電圧Ｖは、ステップＳ１２において算出された通電継続時間に対応付けられてメモリに記憶される。

次いで、ＥＣＵ１００は、メモリに記憶されている履歴データから複数の有効充電プロット点を抽出し、抽出された複数の有効充電プロット点を近似する直線の傾きを「有効充電抵抗Ｒｃ」として算出する（ステップＳ１６）。

次いで、ＥＣＵ１００は、メモリに記憶されている履歴データから複数の有効放電プロット点を抽出し、抽出された複数の有効放電プロット点を近似する直線の傾きを「有効放電抵抗Ｒｄ」として算出する（ステップＳ１８）。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１８において算出された有効放電抵抗ＲｄとステップＳ１６において算出された有効充電抵抗Ｒｃとの差（＝Ｒｄ－Ｒｃ）が閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０）。

有効放電抵抗Ｒｄと有効充電抵抗Ｒｃとの差が閾値よりも小さい場合（ステップＳ２０においてＮＯ）、異常劣化モード特有の特性が現れていないと想定されるため、ＥＣＵ１００は、電池劣化モードを「通常劣化モード」と判定する（ステップＳ２６）。

一方、有効放電抵抗Ｒｄと有効充電抵抗Ｒｃとの差が閾値よりも大きい場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、異常劣化モード特有の特性が現れていると想定されるため、ＥＣＵ１００は、電池劣化モードを「異常劣化モード」と判定する（ステップＳ２２）。

電池劣化モードが異常劣化モードと判定された後、ＥＣＵ１００は、二次電池１０の使用方法を変更する（ステップＳ２４）。具体的には、異常劣化モードでの劣化速度が通常劣化モードでの劣化速度よりも大きいことを考慮し、ＥＣＵ１００は、二次電池１０の使用を通常劣化モード時よりも強く制限する。これにより、二次電池１０の早期劣化が抑制される。

なお、電池劣化モードが通常劣化モードと判定された後は、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２４の処理は行わない。これにより、通常劣化モードであるにも関わらず、異常劣化モードと同様の過度の使用制限が行なわれることが回避される。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００（劣化判定装置）は、有効条件下では充電による電圧上昇量ΔＶｃと放電による電圧低下量ΔＶｄとの差が大きくなるという異常劣化モード特有の特性が現れることに鑑み、有効条件下での充電中に検出された有効充電プロット点から「有効充電抵抗Ｒｃ」を算出するとともに、有効条件下での放電中に検出された有効放電プロット点から「有効放電抵抗Ｒｄ」を算出し、有効放電抵抗Ｒｄと有効充電抵抗Ｒｃとの差が閾値よりも大きい場合に電池劣化モードが異常劣化モードであると判定する。これにより、電池劣化モードが異常劣化モードであるか否かを精度よく判定することができる。

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。本開示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 車両、１０ 二次電池、１１ 電圧センサ、１２ 電流センサ、２０ 負荷、１００ ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 二次電池の電流を検出するように構成された電流センサと、
   前記二次電池の電圧を検出するように構成された電圧センサと、
   前記電圧センサおよび前記電流センサに接続された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記二次電池の放電中において前記電流センサおよび前記電圧センサによってそれぞれ検出された電流値および電圧値の複数の組合せを用いて、通電継続時間が下限時間よりも大きく上限時間よりも小さい有効範囲内に含まれるという時間条件と、電池電流が下限電流よりも大きく上限電流よりも小さい範囲内に含まれるという電流条件とのうち、少なくとも一方が満たされているときの前記二次電池の放電中における内部抵抗である有効放電抵抗を算出し、
   前記二次電池の充電中において前記電流センサおよび前記電圧センサによってそれぞれ検出された電流値および電圧値の複数の組合せを用いて、前記時間条件と前記電流条件とのうち、少なくとも一方が満たされているときの前記二次電池の充電中における内部抵抗である有効充電抵抗を算出し、
   前記有効放電抵抗と前記有効充電抵抗との差が閾値よりも小さい場合、前記二次電池の劣化モードが、前記二次電池の電解液が正常な状態であり劣化速度が遅い正常劣化モードであると判定し、
   前記有効放電抵抗と前記有効充電抵抗との差が前記閾値よりも大きい場合、前記二次電池の劣化モードが、前記二次電池の電解液が異常な状態であり劣化速度が速い異常劣化モードであると判定する、二次電池の劣化判定装置。

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