JP7087799B2 - 劣化状態推定装置及びこれを含む電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、劣化状態推定装置及びこれを含む電源装置に関する。

従来、二次電池の劣化状態を推定する装置が種々検討されており、例えば、特許文献１には、二次電池の使用中に、二次電池の充電状態（ＳＯＣ、State of charge）と電池温度との組合せに従った学習領域ごとに学習された直流抵抗及び拡散係数のパラメータ変化率に基づいて、二次電池の劣化状態を精度よく評価する構成が開示されている。

特開２０１３－４４５９８号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、二次電池の劣化状態を評価するにあたって、直流抵抗及び拡散係数の両方のパラメータ変化率を算出する必要がある。そのため、演算負荷が高くなるとともに、評価結果が得られるのに時間がかかるおそれがある。そのため、精度よく劣化状態を評価する構成として改善の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、二次電池の劣化状態の推定に要する演算負荷を低減できるとともに推定に要する時間を短縮できる、推定精度に優れた劣化状態推定装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、二次電池（１０１）の劣化状態を推定する劣化状態推定装置（１）であって、
互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号（１２）からなるパルス電流（１１）を上記二次電池に印加するパルス電流印加部（１０）と、
上記パルス電流の印加により上記二次電池に生じる充電時電圧（Ａ）と放電時電圧（Ｂ）とを取得する電圧値取得部（２０）と、
上記電圧値取得部により取得された上記充電時電圧と上記放電時電圧との関係値を算出する関係値算出部（３０）と、
上記充電時電圧と上記放電時電圧との関係値と上記二次電池の劣化状態との対応関係が予め記憶された対応関係記憶部（４０）と、
上記関係値算出部により算出された上記関係値に基づいて、上記対応関係記憶部から上記二次電池の劣化状態を導出する劣化状態推定部（５０）と、
を備え、
上記パルス電流印加部は、上記二次電池が通電されていない状態で上記パルス電流の印加を行うように構成されている、劣化状態推定装置にある。

上記劣化状態推定装置においては、二次電池の劣化状態の推定にあたって、まず、互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号からなるパルス電流を二次電池に印加する。そして、二次電池に生じる充電時電圧と放電時電圧とを取得し、充電時電圧と放電時電圧との関係値を算出する。その後、算出した関係値に基づいて、対応関係記憶部に予め記憶された関係値と二次電池の劣化状態との対応関係から、二次電池の劣化状態を導出する。当該関係値は、上記少なくとも一対のパルス信号からなるパルス電流を印加して生じる充電時電圧と放電時電圧とに基づくものであるため、演算負荷を軽減することができるとともに、推定結果の取得に要する時間を短縮することができる。そして、二次電池の劣化には二次電池の正極の劣化が大きく影響するが、本願発明者らは、当該正極の劣化が充電時電圧と放電時電圧との関係値の変化に現れることを見いだした。そのため、上記劣化状態推定装置は、充電時電圧と放電時電圧との関係値の変化に基づいて二次電池の劣化状態を精度よく推定することができる。

以上のごとく、本発明によれば、二次電池の劣化状態の推定に要する演算負荷を低減できるとともに推定に要する時間を短縮できる、推定精度に優れた劣化状態推定装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、劣化状態推定装置及び電源装置の構成を示す概念図。 実施形態１における、（ａ）パルス電流の波形、（ｂ）電池電圧の変化を示す概念図。 （ａ）及び（ｂ）ともに、実施形態１における対応関係記憶部に記憶された対応関係を示す概念図。 実施形態１における、劣化状態推定装置の制御態様を示すフロー図。 実施形態２における、劣化状態推定装置及び電源装置の構成を示す概念図。

（実施形態１）
劣化状態推定装置の実施形態について、図１～図４を用いて説明する。
本実施形態の劣化状態推定装置１は、二次電池１０１の劣化状態を推定する。
図１に示すように、劣化状態推定装置１は、パルス電流印加部１０、電圧値取得部２０、関係値算出部３０、対応関係記憶部４０、劣化状態推定部５０を含む。
パルス電流印加部１０は、図２（ａ）に示すように互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号からなるパルス電流１１を図１に示す二次電池１０１に印加する。
電圧値取得部２０は、パルス電流１１の印加により二次電池１０１に生じる、図２（ｂ）に示す充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとを取得する。
関係値算出部３０は、電圧値取得部２０により取得された充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａを算出する。
対応関係記憶部４０は、充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値と二次電池１０１の劣化状態との対応関係が予め記憶されている。
劣化状態推定部５０は、関係値算出部３０により算出された関係値Ｂ／Ａに基づいて、対応関係記憶部４０から二次電池１０１の劣化状態を導出する。

以下、本実施形態の劣化状態推定装置１について、詳述する。
図１に示すパルス電流印加部１０は、図２（ａ）に示すパルス電流１１を出力可能な電流発生器からなり、当該パルス電流１１を二次電池１０１に印加する。パルス電流１１は、図２（ａ）に示すように互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号１２を含む。一対のパルス信号１２は、正のパルス信号１２１と負のパルス信号１２２とからなり、いずれも矩形波となっている。各正のパルス信号１２１及び負のパルス信号１２２のパルス幅ｔ１は限定されないが、パルス幅ｔ１は０．１～５．０ｓｅｃとすることができ、本実施形態では、１．０ｓｅｃとしている。各正のパルス信号１２１及び負のパルス信号１２２のパルス振幅ｈ１も限定されないが、パルス振幅ｈ１は±０．３～３．０Ｃとすることができ、本実施形態では、±１Ｃとしている。パルス電流１１において極性の異なるパルス信号が交互に出力されることが好ましい。これにより、劣化状態を推定する際に二次電池１０１に充電又は放電の偏りが生じることを防ぐことができる。また、図２（ａ）に示すパルス電流１１の印加時間ｔ０は特に限定されないが、０．１～９．９ｓｅｃとすることができ、０．３～５．０ｓｅｃであることが好ましく、本実施形態では、印加時間ｔ０は３．０ｓｅｃとしている。

パルス電流１１には、一対のパルス信号１２が一つだけ含まれていてもよいし、一対のパルス信号１２が複数含まれていてもよい。パルス電流１１に一対のパルス信号１２が一つだけ含まれる場合には、二次電池１０１への通電時間を短縮できるため、劣化状態の推定に要する時間を短縮できるとともに、消費電力の低減と二次電池１０１の劣化の抑制が図られる。一方、パルス電流１１に一対のパルス信号１２が複数含まれる場合は測定誤差の影響の低減を図ることができる。なお、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、パルス電流１１は一対のパルス信号１２を一つだけ含んでいる。

図２（ａ）に示すように、一対のパルス信号１２は、正のパルス信号１２１と負のパルス信号１２２とからなる。正のパルス信号１２１の電流の印加により二次電池１０１に充電反応が生じ、負のパルス信号１２２の電流の印加により二次電池１０１に放電反応が生じる。正のパルス信号１２１と負のパルス信号１２２の大きさは限定されないが、互いに絶対値及びパルス幅が同じであることが好ましい。パルス電流１１の印加により二次電池１０１において生じる充電量と放電量が同じとなるため、投入電力の無駄や余剰をなくせる。

図２（ａ）に示すように、パルス電流１１において、正のパルス信号１２１の印加の後に負のパルス信号１２２を二次電池１０１に印加するように構成されていることが好ましい。この場合には、二次電池１０１の正極において充電反応は放電反応よりも安定しているため、先に充電反応を行うことにより安定した状態で放電反応が行うことができ、劣化状態の推定精度の向上が図られる。

本実施形態では、パルス電流印加部１０は、二次電池１０１が通電されていない状態で上記パルス電流の印加を行うように構成されている。なお、二次電池１０１が通電されていない状態とは、例えば、当該二次電池１０１を電源として搭載した装置が駆動していない状態や、当該装置が駆動している状態であっても劣化状態の推定対象となる二次電池１０１に対して電力の供給や出力が行われておらず、実質的に当該二次電池１０１が通電されていない状態を含む。

図１に示すパルス電流印加部１０によって二次電池１０１に図２（ａ）に示すパルス電流１１が印加されると、図２（ｂ）に示すように、正のパルス信号１２１により二次電池１０１に充電反応が生じて符号Ｃで示すように電池電圧が上昇し、負のパルス信号１２２により二次電池１０１に放電反応が生じて符号Ｄで示すように電池電圧が低下する。

充電反応及び放電反応における電池電圧は、図１に示す電圧値取得部２０により取得される。電圧値取得部２０は公知の電圧計からなる。電圧値取得部２０はパルス電流１１の印加により二次電池１０１に生じる充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとを取得する。本実施形態では、図２（ｂ）に示すように充電時電圧Ａとして充電時の最大電圧を取得し、放電時電圧Ｂとして放電時の最小電圧を取得する。電圧値取得部２０に取得された充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂは、図１に示す書き換え可能な不揮発性メモリからなる格納部６０に個別に格納される。

図１に示す関係値算出部３０は、図示しない所定のプログラムが実行可能な演算装置からなり、当該所定のプログラムの実行によって電圧値取得部２０により取得された充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとに関係する関係値を算出する。本実施形態では、関係値算出部３０は、格納部６０に個別に格納された充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂを参照してＡに対するＢの比率であるＢ／Ａを関係値として算出する。関係値はこれに限らず、互いの関係を規定するものを適宜採用することができる。なお、二次電池１０１の劣化が進行すると充放電の反応抵抗が増加し、充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂはいずれも増大する。しかしながら、二次電池１０１の正極における放電反応の反応抵抗の増加率は充電反応に比べて高いため、劣化により放電時電圧Ｂは充電時電圧Ａよりも有意に増加する。その結果、Ｂ／Ａは劣化により増加する傾向がある。なお、関係値算出部３０に算出された関係値は、格納部６０に格納される。

図１に示す対応関係記憶部４０は、書き換え可能な不揮発性メモリからなり、充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａと二次電池１０１の劣化状態との対応関係が予め記憶されている。本実施形態では、対応関係記憶部４０には関係値Ｂ／Ａと二次電池１０１の劣化状態としての二次電池の抵抗値との対応関係が予め記憶されている。関係値Ｂ／Ａと抵抗値との対応関係は、マップ、テーブル、数式、理論モデルなどの形式とすることができる。本実施形態では、当該対応関係は、モデル電池を用いた加速試験を行うことにより得たデータを基に導き出した図３（ａ）に示す二次電池１０１の電池温度と充電状態（ＳＯＣ、State of charge）とに基づく複数のテーブルＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５…Ｒｎと、図３（ｂ）に示す関係値Ｂ／ＡとテーブルＲｎとの対応関係とからなる。

本実施形態では、図１に示すように、劣化状態推定装置１は、電池温度取得部２１、ＳＯＣ取得部２２を備える。電池温度取得部２１は、温度センサからなり、二次電池１０１の温度を取得する。ＳＯＣ取得部２２は、電流値、電圧値等に基づいて充電状態（ＳＯＣ）を算出する演算装置からなり、二次電池１０１の充電状態（ＳＯＣ）を取得する。なお、ＳＯＣの取得は公知の方法により行うことができる。電池温度取得部２１及びＳＯＣ取得部２２により取得された値は、格納部６０に個別に格納される。

図１に示す劣化状態推定部５０は、図示しない所定のプログラムが実行可能な演算装置からなり、当該所定のプログラムの実行によって格納部６０に格納された関係値Ｂ／Ａに基づいて、二次電池１０１の劣化状態を推定する。本実施形態では、格納部６０に格納された関係値Ｂ／Ａを参照して、対応関係記憶部４０から当該関係値Ｂ／Ａに対応するテーブルＲｎを導出し、図３（ａ）に示す、導出されたテーブルＲｎを読み出して、格納部６０に格納された電池温度及びＳＯＣに基づいて、二次電池１０１の抵抗値を導出する。これにより、現在の電池温度及びＳＯＣに対応するテーブルＲｎの抵抗値に更新されることとなり、更新前の状態から二次電池１０１の劣化状態が推定される。

本実施形態では、推定の対象となる二次電池１０１は、リチウムイオン電池である。二次電池１０１における電極の構成は特に限定されず、公知の構成の電極を採用することができ、例えば、正極材料をマンガン酸リチウムLiMn₂O₄、ニッケル－マンガン－コバルト酸リチウムLiNiMnCoO₂とすることができ、負極材料を黒鉛、チタン酸リチウムLi₄Ti₅O₁₂とすることができる。

次に、本実施形態の劣化状態推定装置１における使用態様について、図４に示すフローに沿って説明する。
図４に示すように、まず、第１ステップＳ１において、二次電池１０１の温度及びＳＯＣを取得する。二次電池１０１の温度の取得は図１に示す電池温度取得部２１により行う。また、二次電池１０１のＳＯＣの取得はＳＯＣ取得部２２により行う。そして、取得値を格納部６０に個別に格納する。

次に、図４に示す第２ステップＳ２において、二次電池１０１にパルス電流１１を印加する。パルス電流１１の印加は図１に示すパルス電流印加部１０により行う。本実施形態では、パルス電流１１の印加は二次電池１０１の非通電状態で行う。

そして、図４に示す第３ステップＳ３において、パルス電流１１の印加により二次電池１０１に生じた充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂを取得する。充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂの取得は図１に示す電圧値取得部２０により行う。そして、取得した充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂを格納部６０に個別に格納する。本実施形態では、充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂとして最大充電時電圧及び最小放電時電圧を取得する。

その後、図４に示す第４ステップＳ４において、格納部６０に格納された充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂを参照してＡとＢとの関係値を算出する。当該関係値の算出は、図１に示す関係値算出部３０により行う。本実施形態では、関係値としてＢ／Ａを算出する。算出した関係値Ｂ／Ａを格納部６０に格納する。

そして、図４に示す第５ステップにおいて、関係値算出部３０により算出された関係値Ｂ／Ａに基づいて、二次電池１０１の劣化状態を推定する。劣化状態の推定は、図１に示す劣化状態推定部５０により行う。本実施形態では、図３（ｂ）に示す対応関係記憶部４０に記憶された関係値Ｂ／ＡとテーブルＲｎとの対応関係から、算出された関係値Ｂ／Ａに対応するテーブルＲｎを導出し、導出したテーブルＲｎから第１ステップＳ１で取得した電池温度とＳＯＣとに対応する抵抗値を導出して、二次電池１０１の劣化状態を推定する。

次に、本実施形態の劣化状態推定装置１における作用効果について、詳述する。
本実施形態の劣化状態推定装置１においては、二次電池１０１の劣化状態の推定にあたって、まず、互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号１２からなるパルス電流１１を二次電池１０１に印加する。そして、二次電池１０１に生じる充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとを取得し、充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａを算出する。その後、算出した関係値Ｂ／Ａに基づいて、対応関係記憶部４０に予め記憶された充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａと二次電池１０１の劣化状態との対応関係から、二次電池１０１の劣化状態を導出する。当該関係値Ｂ／Ａは、少なくとも一対のパルス信号１２からなるパルス電流１１を印加して生じる充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとに基づくものであるため、推定のための演算負荷を軽減することができるとともに、推定結果の取得に要する時間を短縮化することができる。そして、二次電池１０１の劣化には二次電池１０１の正極の劣化が大きく影響するが、本願発明者らは、当該正極の劣化が充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａの変化に現れることを見いだした。そのため、劣化状態推定装置１は、充電時電圧Ａと放電時電圧Ｂとの関係値Ｂ／Ａの変化に基づいて二次電池１０１の劣化状態を精度よく推定することができる。

また、本実施形態では、関係値算出部３０は、関係値Ｂ／Ａとして、電圧値取得部２０により取得された充電時電圧Ａのうち最大である最大電圧と、放電時電圧Ｂのうち最小である最小電圧との関係値Ｂ／Ａを算出する。これにより、取得する電圧値が比較的大きくなるため、Ｓ／Ｎ比を高くでき、劣化状態の推定精度が向上する。

また、本実施形態では、パルス電流印加部１０は、二次電池１０１が通電されていない状態で上記パルス電流の印加を行うように構成されている。これにより、推定直前の二次電池１０１の状態を安定したとすることができ、二次電池１０１の劣化状態を精度よく推定することができる。さらに、パルス電流１１の印加時間が短くて済むため、消費電力を低減できる。また、演算量も少なくて済むため、演算負荷が軽減される。

また、本実施形態では、パルス電流印加部１０により二次電池１０１に印加されるパルス電流１１の電流値は極性毎に一定である。これにより、電圧値取得部２０により取得される充電時電圧Ａ及び放電時電圧Ｂのバラツキが低減されるため、劣化状態の推定精度を一層向上することができる。

また、本実施形態では、パルス電流印加部１０により二次電池１０１に印加されるパルス電流１１の印加時間は０．１～９．９ｓｅｃの範囲内である。これにより、短時間で劣化状態を高精度で推定することができるため、利便性が高まる。

また、本実施形態では、パルス電流印加部１０により二次電池１０１に印加されるパルス電流１１において、パルス幅ｔ１は０．１～５．０ｓｅｃの範囲内であり、パルス振幅ｈ１は±０．３～３．０Ｃの範囲内である。パルス電流１１の印加時間を比較的短くできるとともに、印加する電力量を比較的多くして取得される電圧変化量を比較的大きくできるため、短時間で精度よく劣化状態の推定を行うことができる。

また、本実施形態では、対応関係記憶部４０に記憶された対応関係は、関係値Ｂ／Ａと二次電池１０１の劣化状態としての二次電池の抵抗値との対応関係である。これにより、二次電池１０１の抵抗値の変化から、二次電池１０１の劣化状態を推定することができる。

また、本実施形態では、劣化状態推定装置１と、リチウムイオン電池からなる二次電池１０１とを含んだ電源装置１００を使用している。これにより、当該電源装置１００は、上述のごとく二次電池１０１の劣化状態を精度良く推定できるため、信頼性に優れる。

以上のごとく、本実施形態によれば、二次電池１０１の劣化状態の推定に要する演算負荷を低減しつつ推定に要する時間を短縮するとともに、二次電池１０１の劣化状態を精度よく推定できる劣化状態推定装置１を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１の二次電池１０１に替えて、図５に示すように、第１の二次電池１０１ａ及び第２の二次電池１０１ｂを含む複数の二次電池１０１から構成された組電池１０２を備える。組電池１０２において、二次電池１０１は並列接続されている。そして、複数の二次電池１０１においてパルス電流１１が互いに伝達可能に構成されており、本実施形態では、第１の二次電池１０１ａと第２の二次電池１０１ｂとの間でパルス電流１１が互いに伝達可能となっている。その他の構成は実施形態１の場合と同等であって、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、組電池１０２に含まれる二次電池１０１の劣化状態を実施形態１の場合と同様に推定することにより、組電池１０２の劣化状態を推定することができる。なお、組電池１０２において、推定対象となる二次電池１０１は、組電池１０２に含まれる複数の二次電池１０１からいずれか一つ又は複数を選択することができる。

また、本実施形態では、組電池１０２は、複数の二次電池１０１において、第１の二次電池１０１ａと第２の二次電池１０１ｂとの間でパルス電流１１が互いに伝達可能となっていることにより、組電池１０２内でパルス電流１１の印加を行って劣化状態の推定が可能となる。なお、本実施形態においても、実施形態１の場合と同等の作用効果を奏する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 劣化状態推定装置
１０ パルス電流印加部
１１ パルス電流
１２ パルス信号
２０ 電圧値取得部
２１ 電池温度取得部
３０ 関係値算出部
４０ 対応関係記憶部
５０ 劣化状態推定部
１００ 電源装置
１０１ 二次電池
１０２ 組電池

Claims (9)

1. 二次電池（１０１）の劣化状態を推定する劣化状態推定装置（１）であって、
   互いに極性の異なる少なくとも一対のパルス信号（１２）からなるパルス電流（１１）を上記二次電池に印加するパルス電流印加部（１０）と、
   上記パルス電流の印加により上記二次電池に生じる充電時電圧（Ａ）と放電時電圧（Ｂ）とを取得する電圧値取得部（２０）と、
   上記電圧値取得部により取得された上記充電時電圧と上記放電時電圧との関係値を算出する関係値算出部（３０）と、
   上記充電時電圧と上記放電時電圧との関係値と上記二次電池の劣化状態との対応関係が予め記憶された対応関係記憶部（４０）と、
   上記関係値算出部により算出された上記関係値に基づいて、上記対応関係記憶部から上記二次電池の劣化状態を導出する劣化状態推定部（５０）と、
   を備え、
   上記パルス電流印加部は、上記二次電池が通電されていない状態で上記パルス電流の印加を行うように構成されている、劣化状態推定装置。
2. 上記関係値算出部は、上記関係値として、上記電圧値取得部により取得された上記充電時電圧のうち最大である最大充電時電圧と、上記放電時電圧のうち最小である最小放電時電圧との関係値を算出する、請求項１に記載の劣化状態推定装置。
3. 上記パルス電流印加部により上記二次電池に印加される上記パルス電流の電流値は極性毎に一定である、請求項１又は２に記載の劣化状態推定装置。
4. 上記パルス電流印加部により上記二次電池に印加される上記パルス電流の印加時間（ｔ０）は０．１～９．９ｓｅｃの範囲内である、請求項１～３のいずれか一項に記載の劣化状態推定装置。
5. 上記パルス電流印加部により上記二次電池に印加される上記パルス電流において、パルス幅（ｔ１）は０．１～５．０ｓｅｃの範囲内であり、パルス振幅（ｈ１）は±０．３～３．０Ｃの範囲内である、請求項１～４のいずれか一項に記載の劣化状態推定装置。
6. 上記対応関係記憶部に記憶された上記対応関係は、上記関係値と上記二次電池の劣化状態としての上記二次電池の抵抗値との対応関係である、請求項１～５のいずれか一項に記載の劣化状態推定装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の上記劣化状態推定装置と、リチウムイオン電池からなる二次電池とを含む、電源装置。
8. 上記二次電池は複数備えられて組電池（１０２）を構成している、請求項７に記載の電源装置。
9. 上記組電池は、上記パルス電流が互いに伝達可能に構成された複数の上記二次電池を含む、請求項８に記載の電源装置。

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