JPH11204149A - リチウム電池の残存容量測定方法 - Google Patents

リチウム電池の残存容量測定方法

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JPH11204149A
JPH11204149A JP10004885A JP488598A JPH11204149A JP H11204149 A JPH11204149 A JP H11204149A JP 10004885 A JP10004885 A JP 10004885A JP 488598 A JP488598 A JP 488598A JP H11204149 A JPH11204149 A JP H11204149A
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lithium
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Atsushi Imai
敦志 今井
Hiroshi Tamura
博志 田村
Hidekazu Okuno
英一 奥野
Tokuichi Hosokawa
▲徳▼一 細川
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Denso Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 リチウム電池の電極内でのリチウム拡散モデ
ルを用いて残存容量を高精度にて測定するリチウム電池
の残存容量測定方法を提供する。 【解決手段】 リチウムイオン電池における一定時間内
の各複数個の電流I及び端子電圧Eについて、端子電圧
Eとリチウムイオン拡散濃度勾配電圧Vdとの電圧和
(E+Vd)に電流Iに対する回帰直線(E=Eo+α
I)を求め、この回帰直線に基づき電流I=0のときの
電圧和(E+Vd)を開回路電圧Eoとしてを算出す
る)。これにより、拡散濃度勾配電圧Vdによってリチ
ウムイオン電池の起電力の電流依存性を補正するように
して、開回路電圧Eoを算出することとなる。その結
果、電流Iが大きくても、開回路電圧Eoの算出誤差を
最小限に抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン電
池等のリチウム電池の残存容量測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、例えば、電気自動車やハイブリッ
ド自動車及びパーソナルコンピュータや携帯電話等の電
源として採用されるリチウムイオン電池においては、そ
の状態を管理して充放電制御を行うために、当該リチウ
ムイオン電池の残存容量を高精度で測定したいという要
請がある。
【0003】この測定方法としては、リチウムイオン電
池の開回路電圧Eo(二次電池の無負荷電圧)と残存容
量との間の関係式に基づき残存容量を求める方法があ
る。ここで、開回路電圧Eoは、二次電池の端子電圧E
と電流Iを測定して、次の数5の回帰式に基づき求めら
れる。
【0004】
【数5】E=Eo+α・I ここで、符号αは定数である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、実際の端子電
圧Eと電流Iとの間の関係は、電流Iの値が大きい範囲
では、非線形になってしまい、所謂オームの法則が成立
しない。このため、直線式である数5の回帰式により求
めた開回路電圧Eoの誤差が大きい。従って、このよう
な開回路電圧Eoを用いても、リチウムイオン電池の残
存容量の測定精度が低いという不具合がある。
【0006】これに対し、本発明者等は、リチウムイオ
ン電池の残存容量と起電力との関係につき検討したとこ
ろ、残存容量が同一状態でも、電流の値によって、電極
内でのリチウムイオン拡散濃度の影響のため、起電力が
異なることが分かった。具体的には、正極表面のリチウ
ムイオン濃度が高い程、また、負極表面のリチウムイオ
ン濃度が低い程、起電力が低下することが分かった。
【0007】そこで、本発明は、このようなことに着目
して、リチウム電池の電極内でのリチウム拡散モデルを
用いて残存容量を高精度にて測定するリチウム電池の残
存容量測定方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあた
り、請求項1に記載の発明によれば、リチウム電池の端
子電圧及び電流の各サンプリングデータに基づき、リチ
ウム電池の電極内のリチウム拡散濃度勾配に応じてリチ
ウム電池の起電力の電流依存性を補正し、この補正結果
によりリチウム電池の開回路電圧を求め、この開回路電
圧に基づきリチウム電池の残存容量を測定するようにし
たリチウム電池の残存容量測定方法が提供される。
【0009】これにより、リチウム電池の電流が大きく
ても、リチウム電池の開回路電圧が高精度にて得られる
から、リチウム電池の残存容量も高精度にて測定でき
る。また、請求項2及び3に記載の発明によれば、リチ
ウム電池の端子電圧及び電流の各サンプリングデータに
基づき、リチウム電池の電極内のリチウム拡散濃度勾配
に起因する電圧と端子電圧との電圧和の上記電流に対す
る回帰直線を求め、この回帰直線に基づき上記電流=0
のときの電圧を開回路電圧として求め、予め定めたリチ
ウム電池の残存容量と開回路電圧との関係に基づき、開
回路電圧に応じて、リチウム電池の残存容量を測定する
ようにしたリチウム電池の残存容量測定方法が提供され
る。
【0010】これにより、請求項1の場合と同様に、リ
チウム電池の開回路電圧が高精度にて得られるから、リ
チウム電池の残存容量も高精度にて測定できる。ここ
で、請求項3に記載の発明によれば、端子電圧をEとリ
チウム拡散濃度勾配に起因する電圧をVdとすれば、上
記電圧和(E+Vd)は、次の数6乃至数9の式
【0011】
【数6】
【0012】
【数7】
【0013】
【数8】
【0014】
【数9】Vd=E(t+Δt)−E(t) に基づき算出され、ここで、P及びNは、それぞれ、リ
チウム電池の正側電極及び負側電極内のリチウム濃度を
表し、Dp及びDnは、それぞれ、前記正側電極内及び
前記負側電極内のリチウム拡散係数を表し、y及びx
は、それぞれ、前記正側電極内及び前記負側電極内のリ
チウム拡散距離を表し、K1乃至K6は定数を表す。
【0015】これにより、請求項2に記載の発明の作用
効果をより一層向上できる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るリチウムイオ
ン電池の残存容量測定方法の一実施形態につき図1乃至
図3に基づいて説明する。本実施形態では、図1にて示
すリチウム電池の電極内でのリチウム拡散モデルを用い
る。
【0017】このリチウム拡散モデルにおいて、符号1
0は、リチウムイオン電池のリチウム酸化物からなる正
側電極を示し、符号20は、リチウムイオン電池の炭素
からなる負側電極を示す。また、両電極10、20の間
には、電解液30が存在している。但し、図1におい
て、y及びxは、それぞれ、正側電極10内及び負側電
極20内のリチウム拡散距離を表わす。なお、図1はリ
チウムイオン電池の放電時のリチウム拡散モデルを例示
している。
【0018】このようなリチウム拡散モデルにおいて
は、両電極10、20の間に充電電圧を印加すると、リ
チウムイオンL+ が電解液30の作用のもと正側電極1
0から負側電極20に向けて移動する。これにより、充
電電流が正側電極10から負側電極20に向けて流れ
る。一方、この充電後、両電極10、20の間に負荷を
接続すると、リチウムイオンL+ が電解液30の作用の
もと負側電極20から正側電極10に向けて移動する。
これにより、放電電流がリチウムイオン電池の電流とし
て負側電極20から正側電極10を介し負荷に流れる。
【0019】ここで、図1にて符号Aは、正側電極10
におけるリチウムイオンL+ の負側電極20への移動量
がある量に達したときの正側電極10内におけるリチウ
ムイオン濃度Pのyを変数とする曲線を表す。また、図
1にて符号Bは、正側電極10におけるリチウムイオン
+ の負側電極20への移動量がある量に達したときの
負側電極20内におけるリチウムイオン濃度Nのxを変
数とする曲線を表す。そして、リチウムイオン濃度Pの
yについての積分量と、リチウムイオン濃度Nのxにつ
いての積分量との和は、常に一定である。
【0020】しかして、このようなリチウム拡散モデル
のもと、図2のステップS1では、両電極10、20間
の電圧、即ち、リチウムイオン電池の端子電圧Eを電圧
計により一定時間毎にサンプリング測定するとともに、
このリチウムイオン電池に流れる電流Iを電流計により
一定時間毎にサンプリング測定する。ついで、ステップ
S2において、次の数10及び数11の式に基づき、上
記リチウム拡散モデルに起因する拡散濃度勾配電圧Vd
を算出する。
【0021】
【数10】
【0022】
【数11】Vd=E(t+Δt)−E(t) ここで、拡散濃度勾配電圧Vdは、リチウムイオンL+
の拡散濃度勾配に起因して生ずる電圧である。また、K
1乃至K6はそれぞれ定数を表し、実験的に求められ
る。なお、tは時間を示す。
【0023】また、数10の式におけるリチウムイオン
濃度P及びリチウムイオン濃度Nは、一定温度のもと、
次の数12及び数13の各拡散方程式を用いて得られ
る。
【0024】
【数12】
【0025】
【数13】 ここで、Dp及びDnは、正側電極10及び負側電極2
0内でのリチウムイオンL+ の拡散係数をそれぞれ表
し、これらDp及びDnは、各電極10、20の構成材
料やその配合比等に依存するため、実験的に求める。
【0026】また、数12及び数13の各拡散方程式に
おける境界条件は次のとおりである。正側電極10で
は、その表面(負側電極20に対向する面)の有限量の
リチウムイオンL+ が堆積層Mとして存在する(図1参
照)。また、リチウムイオンL + はy方向の半無限遠ま
で拡散するものとする。一方、負側電極20では、電流
I=e・Dn・(∂N/∂x)=一定とする。但し、こ
の電流Iにおいて、eは電子の電荷量である。また、リ
チウムイオン濃度N(x=∞)=No(所定値)とす
る。
【0027】以上の境界条件のもと、上記数12及び数
13の各拡散方程式を解くことで、次の数14及び数1
5の各式で示す解析解が得られる。
【0028】
【数14】P=M/{(π・Dp・t)1/2 exp(−
2 /4・Dp・t)}
【0029】
【数15】N=No−I/〔e・Dn{2(Dn・t/
π)1/2・exp(−x2 /4・Dp・t)}−xer
fc{(x/2)(Dn)1/2 }〕 ついで、ステップS3において、一定時間内の各複数個
の測定データ(電流I及び端子電圧E)について、端子
電圧Eと拡散濃度勾配電圧Vdとの電圧和(E+Vd)
に電流Iに対する回帰直線(E=Eo+αI)を求め、
この回帰直線に基づき電流I=0のときの電圧和(E+
Vd)を開回路電圧Eoとして算出する(図3参照)。
【0030】これにより、拡散濃度勾配電圧Vdによっ
てリチウムイオン電池の起電力の電流依存性を補正する
ようにして、開回路電圧Eoを算出することとなる。そ
の結果、電流Iが大きくても、開回路電圧Eoの算出誤
差を最小限に抑制できる。このようにして、開回路電圧
Eoを算出した後は、ステップS4において、予め求め
ておいてリチウムイオン電池の残存容量と開回路電圧E
oとの間の関数を用いて、当該残存容量を算出する。
【0031】この場合、開回路電圧Eoが上述のごとく
高精度にて算出されているので、リチウムイオン電池の
残存容量も高精度にて得ることができる。なお、本発明
の実施にあたり、上記実施形態では、数12及び数13
の各拡散方程式の解を、リチウムイオン電池の温度一定
のもとに求めるようにしたが、これに代えて、当該各拡
散方程式の解を、リチウムイオン電池の温度変化をも考
慮して求め、上記開回路電圧Eoを求め、かつ、リチウ
ムイオン電池の残存容量を求めるようにしてもよい。こ
の場合、ステップS4において、予め求めておいてリチ
ウムイオン電池の残存容量と開回路電圧Eoとの間の関
数は、リチウムイオン電池の温度をも加味したものを用
いる。
【0032】また、本発明の実施にあたり、リチウムイ
オン電池に限ることなく、一般に、リチウム電池の残存
容量の測定に際し本発明を適用しても、上記実施形態に
て述べたリチウム拡散モデルを用い当該実施形態と同様
の作用効果を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にて用いるリチウムイオン
電池のリチウムイオン拡散モデルを示す模式図である。
【図2】リチウムイオン電池の残存容量の測定工程を示
す図である。
【図3】リチウムイオン電池の端子電圧と電流との関係
を示すグラフである。
【符号の説明】
10…リチウムイオン電池の正側電極、20…リチウム
イオン電池の負側電極、30…電解液。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細川 ▲徳▼一 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウム電池の端子電圧及び電流の各サ
    ンプリングデータに基づき、リチウム電池の電極内のリ
    チウム拡散濃度勾配に応じてリチウム電池の起電力の電
    流依存性を補正し、この補正結果によりリチウム電池の
    開回路電圧を求め、この開回路電圧に基づきリチウム電
    池の残存容量を測定するようにしたリチウム電池の残存
    容量測定方法。
  2. 【請求項2】 リチウム電池の端子電圧及び電流の各サ
    ンプリングデータに基づき、リチウム電池の電極内のリ
    チウム拡散濃度勾配に起因する電圧と前記端子電圧との
    電圧和の前記電流に対する回帰直線を求め、 この回帰直線に基づき前記電流=0のときの電圧を開回
    路電圧として求め、 予め定めたリチウム電池の残存容量と開回路電圧との関
    係に基づき、前記開回路電圧に応じて、リチウム電池の
    残存容量を測定するようにしたリチウム電池の残存容量
    測定方法。
  3. 【請求項3】 前記端子電圧をEと前記リチウム拡散濃
    度勾配に起因する電圧をVdとすれば、前記電圧和(E
    +Vd)は、次の数1乃至数4の式 【数1】 【数2】 【数3】 【数4】Vd=E(t+Δt)−E(t) に基づき算出され、ここで、P及びNは、それぞれ、リ
    チウム電池の正側電極及び負側電極内のリチウム濃度を
    表し、Dp及びDnは、それぞれ、前記正側電極内及び
    前記負側電極内のリチウム拡散係数を表し、y及びx
    は、それぞれ、前記正側電極内及び前記負側電極内のリ
    チウム拡散距離を表し、K1乃至K6は定数を表すこと
    を特徴とする請求項2に記載のリチウム電池の残存容量
    測定方法。
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