JP7094345B2 - 二次電池の劣化判定システム及び劣化判定方法 - Google Patents

二次電池の劣化判定システム及び劣化判定方法 Download PDF

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Description

本開示は、二次電池の劣化判定システム及び劣化判定方法に関する。
リチウムイオン電池などの二次電池は、エネルギー密度が高く、コンパクトで軽量であるため、電気自動車やスマートフォンといった蓄電システムへ多く活用されている。
リチウムイオン電池は充放電を繰り返すことで劣化を生じる。そこで、従来より、電池の主面の圧力を測定することにより劣化時の体積膨張を検出して、リチウムイオン電池の劣化判定を行う手法が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２０１８－８１８５４号公報
ところで、特許文献１などに記載される従来の劣化判別手法では、リチウムイオン電池の主面全体の圧力変化を監視しており、電池の劣化発生の有無のみを判定していた。これに対して、電池の安全性の向上などの目的のため、主面の中で体積膨張が最大となる位置を特定して、電池の劣化位置を局所的に特定したいというニーズがある。
本開示は、電池の劣化位置を局所的に特定できる二次電池の劣化判定システム及び劣化判定方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態の一観点に係る二次電池の劣化判定システムは、二次電池の表面の略矩形状の主面に取り付けられ、取付位置の電池表面の圧力を検出する４つのひずみゲージと、前記４つのひずみゲージの測定値に基づいて、前記二次電池の劣化を判定する劣化判定部と、を備え、前記劣化判定部は、前記二次電池の表面のうち、前記４つのひずみゲージにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる体積膨張位置を推定する。
同様に、本発明の実施形態の一観点に係る二次電池の劣化判定方法は、二次電池の表面の略矩形状の主面に取り付けられた４つのひずみゲージにより、取付位置の電池表面の圧力を検出する圧力検出ステップと、前記４つのひずみゲージの測定値に基づいて、前記二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップと、を含み、前記劣化判定ステップでは、前記二次電池の表面のうち、前記４つのひずみゲージにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる体積膨張位置が推定される。
本開示によれば、電池の劣化位置を局所的に特定できる二次電池の劣化判定システム及び劣化判定方法を提供することができる。
実施形態に係る劣化判定システムの概略構成を示すブロック図である。 リチウムイオン電池の局所的な劣化位置の推定手法を説明する模式図である。 リチウムイオン電池の劣化判定処理の手順を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図１は、実施形態に係る劣化判定システム１の概略構成を示すブロック図である。図２は、リチウムイオン電池２の局所的な劣化位置Ｇの推定手法を説明する模式図である。劣化判定システム１は、二次電池の一例としてのリチウムイオン電池２の劣化を判定する。図１に示すように、劣化判定システム１は、充電装置３と、制御装置４と、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄ（圧力検出部）とを備える。
リチウムイオン電池２は、例えば図１に示す構成をとり、一対の主面２４を有する薄型の略直方体形状の筐体２１で被覆されている。図１では、図の奥行き方向に沿って対向するよう筐体２１の一対の主面２４が配置される。主面は略矩形状であり、主面２４と直交する筐体２１の４つの側面のうちの１つ（図１では上方の面）には正極端子２２及び負極端子２３が設けられる。正極端子２２及び負極端子２３のそれぞれの一端は筐体２１から外部に突出しており、充電装置３に接続されている。リチウムイオン電池２は、図１に示す単セルでもよいし、図１に示す単セルを複数個接続する組電池でもよい。
充電装置３は、リチウムイオン電池２の正極端子２２及び負極端子２３と接続して、正極端子２２及び負極端子２３を介してリチウムイオン電池２の充電を行う。充電装置３は、例えば電池の劣化度合いに応じた充電許容上限値（安全率）の設定値をもっており、電池の残量をみて上限値まで充電することができる。また、充電装置３は、満充電までの所要時間などのデータを制御装置４に出力する。
制御装置４は、充電装置３の充電を制御する。また、制御装置４は、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄから入力される情報に基づいて、リチウムイオン電池２の局所的な劣化位置Ｇ（図２参照）を推定する。制御装置４は、これらに関する機能として、充電制御部４１と、劣化判定部４２とを有する。
充電制御部４１は、充電装置３によるリチウムイオン電池２の充電処理を制御する。充電制御部４１は、充電時間や電圧値の制御を行う。また、充電制御部４１は、劣化判定部４２により推定された劣化位置Ｇの情報に基づいて、電池がより安定的な動作となるようにリチウムイオン電池２の充電に関するパラメータを適宜調整して充電装置３に出力してもよい。
劣化判定部４２は、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、リチウムイオン電池２の局所的な劣化位置Ｇを推定する。局所的な劣化位置Ｇとは、リチウムイオン電池２の主面２４上において、最も劣化が進行している局所的な部分である。劣化判定部４２は、リチウムイオン電池２の主面２４のうち、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる膨張最大位置Ｇを推定し、この膨張最大位置Ｇを局所的な劣化位置Ｇとして出力する。劣化位置Ｇの具体的な推定手法については後述する。
制御装置４は、任意のハードウェア、ソフトウェア、或いはそれらの組み合わせにより実現されてよい。制御装置４は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、補助記憶装置、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ－Ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を含むマイクロコンピュータを中心に構成されてよく、ＲＯＭや補助記憶装置等に格納される各種プログラムをＣＰＵ上で実行することにより上記の各種機能が実現される。
ひずみゲージ５Ａ～５Ｄは、リチウムイオン電池２の表面に設置され、図２に示すように設置部分のひずみに応じた電気信号Ｓ１～Ｓ４を出力する。ひずみゲージ５Ａ～５Ｄとしては、例えば金属ひずみゲージや半導体ひずみゲージなど任意の種類のものを適用してよい。
ひずみゲージ５Ａ～５Ｄは、例えば図２に示すように直方体形状のリチウムイオン電池２の主面２４（表面）の四隅の領域２４Ａ～２４Ｄ（以下では「角部２４Ａ～２４Ｄ」とも表記する）にそれぞれ設置される。本実施形態では、主面２４の中央より負極端子２３側、かつ、負極端子２３に近い側の角部２４Ａにひずみゲージ５Ａが設置される。主面２４の中央より負極端子２３側、かつ、負極端子２３から遠い側の角部２４Ｂにひずみゲージ５Ｂが設置される。主面２４の中央より正極端子２２側、かつ、正極端子２２から遠い側の角部２４Ｃにひずみゲージ５Ｃが設置される。主面２４の中央より正極端子２２側、かつ、正極端子２２に近い側の角部２４Ｄにひずみゲージ５Ｄが設置される。
ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより検出されるひずみＳ１～Ｓ４（以下では「ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４」とも表記する）は、設置部分に加えられた力（荷重）に応じて発生する機械的な微小変化である。リチウムイオン電池２の体積が膨張したときに、リチウムイオン電池２の筐体２１には内側から外側へ荷重がかかり、筐体２１の表面の圧力が増加する。リチウムイオン電池２の表面圧力が増加すれば、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより検出されるひずみＳ１～Ｓ４も増加する。また、電池の各所の劣化度合いの違いに応じて体積の膨張度合いも各所で異なり、例えば図２に点線で示すような体積膨張の分布が主面２４上に生じる。電池内で最も劣化が進んでいる局所的な劣化位置Ｇにおいて、電池の体積の膨張度合いも最大となる。このような体積膨張が最大となる膨張最大位置Ｇ（すなわち局所的な劣化位置）が主面２４のどの位置にあるかによって、主面２４の四隅に配置される各ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４の出方が異なるものとなる。
ここで、図２に示すように主面２４の中心位置を原点Ｏとし、正極端子２２及び負極端子２３が設けられる一辺の延在方向をｘ軸方向とし、これと直交する方向をｙ軸方向とする二次元座標系を考える。この二次元座標系では、ひずみゲージ５Ａは第１象限に配置され、ひずみゲージ５Ｄは第２象限に配置され、ひずみゲージ５Ｃは第３象限に配置され、ひずみゲージ５Ｂは第４象限に配置される。
このような二次元座標系において、例えば、膨張最大位置Ｇが原点Ｏにある場合には、各ひずみゲージ５Ａ～５Ｄはこの原点Ｏからそれぞれ略等距離にあるので、各ゲージ５Ａ～５Ｄはほぼ同じ値の測定値Ｓ１～Ｓ４を出力する傾向がある。なお、電池の劣化が大きく進行した後は、膨張最大位置Ｇは主面２４の略中央に集中する傾向がある。一方、膨張最大位置Ｇが原点Ｏよりｘ正方向側にある場合には、膨張最大位置Ｇに近い角部２４Ａ、２４Ｂのひずみゲージ５Ａ，５Ｂの測定値Ｓ１、Ｓ２のほうが、他のひずみゲージ５Ｃ、５Ｄの測定値Ｓ３、Ｓ４より大きくなる傾向がある。また、膨張最大位置Ｇが原点Ｏよりｘ負方向側にある場合には、膨張最大位置Ｇに近い角部２４Ｃ、２４Ｄのひずみゲージ５Ｃ，５Ｄの測定値Ｓ３、Ｓ４のほうが、他のひずみゲージ５Ａ、５Ｂの測定値Ｓ１、Ｓ２より大きくなる傾向がある。これらの傾向はｙ軸方向でも同様である。そこで本実施形態では、このようなひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４の性質を利用して、リチウムイオン電池２の膨張最大位置Ｇ、すなわち局所的な劣化位置Ｇを推定している。
より詳細には、制御装置４の劣化判定部４２は、以下の（１）式、（２）式を用いて測定値Ｓ１～Ｓ４から膨張最大位置Ｇのｘ軸方向のＸ座標と、ｙ軸方向のＹ座標とを算出する。
Figure 0007094345000001
Figure 0007094345000002
ここで、Ｌ１は、主面２４のｘ軸方向の辺の長さであり、Ｌ２は、主面２４のｙ軸方向の辺の長さである。
上記（１）式では、二次元座標系のｘ軸の正側に配置される２つのひずみゲージ５Ａ、５Ｂの測定値の和Ｓ１＋Ｓ２と、ｘ軸の負側に配置される２つのひずみゲージ５Ｃ、５Ｄの測定値の和Ｓ３＋Ｓ４との差分を計算し、この差分に応じて主面２４の中央位置Ｏからのｘ軸方向のズレ量を算出する。この算出したｘ軸方向のズレ量を、膨張最大位置ＧのＸ座標として算出する。
また、（１）式は、算出した差分を測定値Ｓ１～Ｓ４の総和で除算して０近傍の数値に正規化した後に、主面２４のｘ軸方向の辺の長さＬ１を乗算することで、算出されるＸ座標が、ひずみゲージ５Ａ、５Ｂのｘ軸位置と、ひずみゲージ５Ｃ、５Ｄのｘ軸位置との間の範囲内に収まるように定式化されている。
同様に、上記（２）式では、二次元座標系のｙ軸の正側に配置される２つのひずみゲージ５Ａ、５Ｄの測定値の和Ｓ１＋Ｓ４と、ｙ軸の負側に配置される２つのひずみゲージ５Ｂ、５Ｃの測定値の和Ｓ２＋Ｓ３との差分を計算し、この差分に応じて主面２４の中央位置Ｏからのｙ軸方向のズレ量を算出する。この算出したｙ軸方向のズレ量を、膨張最大位置ＧのＹ座標として算出する。
また、（２）式も（１）式と同様に、算出した差分を測定値Ｓ１～Ｓ４の総和で除算して０近傍の数値に正規化した後に、主面２４のｙ軸方向の辺の長さＬ２を乗算することで、算出されるＹ座標が、ひずみゲージ５Ａ、５Ｄのｙ軸位置と、ひずみゲージ５Ｂ、５Ｃのｙ軸位置との間の範囲内に収まるように定式化されている。
上記（１）、（２）式より算出される膨張最大位置Ｇは、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより区画される領域の中で体積膨張が最大となる位置である。したがって、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄは少なくとも４つ設置する必要があるが、４つより多くのひずみゲージを設置して、劣化位置Ｇの推定精度を向上させる構成としてもよい。例えば、四隅に設置する４つのひずみゲージ５Ａ～５Ｄのそれぞれの中間位置（主面２４の四辺の中点あたり）に新たな４つのひずみゲージを配置すれば、４つのみの場合と同程度の大きさの区画において、センサ数を倍増するため、より高精度な劣化位置推定ができる。
図３を参照して、実施形態に係る劣化判定システム１の劣化判定方法を説明する。図３は、実施形態に係る劣化判定システム１により実施されるリチウムイオン電池２の劣化判定処理の手順を示すフローチャートである。図３のフローチャートの処理は制御装置４により実施される。
ステップＳ０１（圧力検出ステップ）では、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより、リチウムイオン電池２の主面２４の四隅２４Ａ～２４ＤにおけるひずみＳ１～Ｓ４が計測される。計測されたひずみＳ１～Ｓ４は劣化判定部４２に出力される。
ステップＳ０２（劣化判定ステップ）では、劣化判定部４２により、ステップＳ０１にて測定されたひずみ測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、主面２４上において体積膨張が最大となる膨張最大位置ＧのＸ，Ｙ座標が、上記（１）式、（２）式を用いて算出される。劣化判定部４２は、この膨張最大位置Ｇを電池の劣化が最も進行している局所的な劣化位置Ｇとして出力する。ステップＳ０２の処理が完了すると本制御フローは終了する。
なお、ステップＳ０２にて局所的な劣化位置Ｇが算出された後に、充電制御部４１によりリチウムイオン電池２の安全性を向上し得るような充電に関する制御（たとえば劣化位置の情報をＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）の制御情報として活用するなど）を実施してもよい。
このように、本実施形態の劣化判定システム１は、リチウムイオン電池２の主面２４に取り付けられ、取付位置の電池表面の圧力を検出する少なくとも４つのひずみゲージ５Ａ～５Ｄと、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、リチウムイオン電池２の劣化を判定する劣化判定部４２と、を備える。劣化判定部４２は、リチウムイオン電池２の表面のうち、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる膨張最大位置Ｇを推定する。
この構成により、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、リチウムイオン電池２の主面２４における膨張最大位置Ｇ、すなわち電池の劣化が最も進行している劣化位置Ｇを局所的に特定することができる。リチウムイオン電池２の劣化位置Ｇを局所的に特定できると、例えばリチウムイオン電池２の劣化発生メカニズムの分析などに用いるビックデータとして活用できる。また、特定した劣化位置Ｇの情報を利用して、リチウムイオン電池２の劣化状態に応じた充電抑制制御などの処理をより的確に行うことが可能となるので、リチウムイオン電池２の安全性を向上でき、リチウムイオン電池２の長寿命化に繋がる。
また、本実施形態では、電池の主面２４上の各位置でひずみを直接計測して最大歪の位置を特定するのではなく、主面２４の四隅に設置された４つのひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、局所的な劣化位置Ｇの座標を算出する。これにより、少なくとも４つのひずみゲージ５Ａ～５Ｄを設置すれば劣化位置を特定できるので、必要なセンサ数を少なくできる。
また、本実施形態の劣化判定システム１では、上記の（１）式、（２）式を用いて膨張最大位置の座標Ｇ（ｘ、ｙ）を算出するので、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４の情報に基づいて、リチウムイオン電池２の局所的な劣化位置Ｇをより高精度に推定できる。
また、本実施形態の劣化判定システム１では、リチウムイオン電池２の表面に設置されるひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、電池表面の局所的な劣化位置Ｇを推定するので、比較的安価なひずみゲージ５Ａ～５Ｄを用いて低コスト化を図れる。
また、本実施形態の劣化判定システム１では、ひずみゲージ５Ａ～５Ｄは、リチウムイオン電池２の略矩形状の主面２４の四隅の領域２４Ａ～２４Ｄにそれぞれ設置される。これにより、局所的な劣化位置Ｇを推定できる区画を最大化できる。
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
上記実施形態では、電池表面に設置されたひずみゲージ５Ａ～５Ｄの測定値Ｓ１～Ｓ４に基づいて、電池の局所的な劣化位置Ｇを推定する構成を例示したが、電池の表面圧力の変動を計測できればよく、例えばひずみゲージ以外の圧力センサなど、他の圧力検出部を用いてもよい。
また、上記実施形態では、リチウムイオン電池２の主面２４の四隅の領域にひずみゲージ５Ａ～５Ｄを設置する構成を例示したが、少なくとも４つのひずみゲージがあればよく、各ひずみゲージ５Ａ～５Ｄの設置位置は主面２４の四隅以外でもよい。また、リチウムイオン電池２の表面のうち主面２４以外の一面（側面や上面など）にひずみゲージ５Ａ～５Ｄを配置してもよい。
上記実施形態では、劣化判定の対象としてリチウムイオン電池２を例示したが、ニッケル水素電池や鉛電池など他の二次電池にも適用可能である。
１ 劣化判定システム
２ リチウムイオン電池（二次電池）
３ 充電装置
４ 制御装置
５Ａ～５Ｄ ひずみゲージ（圧力検出部）
２１ 筐体
２２ 正極端子
２３ 負極端子
２４ 主面
２４Ａ～２４Ｄ 角部
４１ 充電制御部
４２ 劣化判定部
ステップＳ０１ 圧力検出ステップ
ステップＳ０２ 劣化判定ステップ
Ｓ１～Ｓ４ 測定値
Ｇ 膨張最大位置
Ｌ１ ｘ軸方向の辺の長さ
Ｌ２ ｙ軸方向の辺の長さ

Claims (6)

  1. 二次電池の表面の略矩形状の主面に取り付けられ、取付位置の電池表面の圧力を検出する４つのひずみゲージと、
    前記４つのひずみゲージの測定値に基づいて、前記二次電池の劣化を判定する劣化判定部と、
    を備え、
    前記劣化判定部は、前記二次電池の表面のうち、前記４つのひずみゲージにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる膨張最大位置を推定する、
    二次電池の劣化判定システム。
  2. 前記二次電池の前記表面のうちの一面に４つの前記ひずみゲージが配置され、
    前記劣化判定部は、
    前記一面の中央位置を原点とし、前記４つのひずみゲージのそれぞれが各象限に配置されるように二次元座標系を設定し、
    前記ひずみゲージのうち、前記二次元座標系のｘ軸の正側に配置される２つの前記ひずみゲージの測定値の和と、前記二次元座標系のｘ軸の負側に配置される２つの前記ひずみゲージの測定値の和との差分を計算し、該差分に応じて前記中央位置からのｘ軸方向のズレ量を算出し、
    前記ひずみゲージのうち、前記二次元座標系のｙ軸の正側に配置される２つの前記ひずみゲージの測定値の和と、前記二次元座標系のｙ軸の負側に配置される２つの前記ひずみゲージの測定値の和との差分を計算し、該差分に応じて前記中央位置からのｙ軸方向のズレ量を算出し、
    前記ｘ軸方向のズレ量、及び、前記ｙ軸方向のズレ量に基づいて、前記膨張最大位置の座標を算出する、
    請求項１に記載の二次電池の劣化判定システム。
  3. 前記二次電池はリチウムイオン電池である、
    請求項１または２に記載の二次電池の劣化判定システム。
  4. 前記４つのひずみゲージのそれぞれの中間位置にさらにひずみゲージを備える、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の二次電池の劣化判定システム。
  5. 前記二次電池の充電を制御する充電制御部をさらに備え、
    前記充電制御部は、前記劣化判定部により推定された前記膨張最大位置に基づいて充電制御を行う、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の二次電池の劣化判定システム。
  6. 二次電池の表面の略矩形状の主面に取り付けられた４つのひずみゲージにより、取付位置の電池表面の圧力を検出する圧力検出ステップと、
    前記４つのひずみゲージの測定値に基づいて、前記二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップと、を含み、
    前記劣化判定ステップでは、前記二次電池の表面のうち、前記４つのひずみゲージにより区画される領域の中で、体積膨張が最大となる膨張最大位置が推定される、
    二次電池の劣化判定方法。
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