KR102292469B1

KR102292469B1 - 이차전지의 열화 상태 추정 방법 및 이차전지 시스템

Info

Publication number: KR102292469B1
Application number: KR1020190106869A
Authority: KR
Inventors: 다카노리 소에지마; 히로시 하마구치
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-08-25
Also published as: JP6973334B2; EP3617726B1; US20200072909A1; JP2020034426A; CN110873844A; CN110873844B; US11009556B2; KR20200026739A; EP3617726A1

Abstract

차량에 탑재된 배터리의 열화 상태 추정 방법은 제 1∼제 3 단계를 포함한다. 제 1 단계는, 배터리의 전압값 및 전류값을 데이터 취득 기간에 복수 회 취득하여 메모리에 기억하는 단계이다. 제 2 단계는, 메모리에 기억된 데이터 취득 기간에 있어서의 전압값 및 전류값의 푸리에 변환을 행함으로써, 푸리에 변환된 전압값 및 전류값으로부터 주파수 대역마다의 임피던스 성분을 산출하는 단계이다. 제 3 단계는, 중주파 임피던스 ZM과 저주파 임피던스 ZL2와의 비율 E를 기준값 K와 비교함으로써 배터리의 하이 레이트 열화를 추정하는 단계이다. 비율 E가 기준값 K보다 큰 경우, 배터리가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된다.

Description

이차전지의 열화 상태 추정 방법 및 이차전지 시스템{METHOD OF ESTIMATING DETERIORATED STATE OF SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY SYSTEM}

본 개시는 이차전지의 열화 상태 추정 방법, 및, 이를 이용한 이차전지 시스템에 관한 것이다.

최근 보급되고 있는 전동 차량 등에 탑재된 주행용의 이차전지는, 그 사용 방법 또는 사용 환경에 따라, 또는 시간의 경과에 따라 열화될 수 있다. 그 때문에, 이차전지의 열화 상태를 고정밀도로 추정하는 것이 요구되고 있다. 그래서, 이차전지의 임피던스에 기초하여 이차전지의 열화 상태를 추정하는 방법이 제안되어 있다.

예를 들면, 일본 공개특허 특개2005-221487호 공보에 개시된 방법에 의하면, 이차전지에 주기성을 갖지 않는 다양한 파형(波形)의 충방전 전류가 흐르는 상태에서 전류 및 전압이 측정된다. 그리고, 측정된 전류 및 전압의 푸리에 변환을 행함으로써, 푸리에 변환 후의 전류 및 전압으로부터 주파수마다의 임피던스가 산출된다.

이차전지 열화의 요인으로서는, 주로 경시(經時) 열화와 하이 레이트 열화를 생각할 수 있다. 경시 열화는, 이차전지의 사용 및 시간의 경과에 따라서 재료의 특성이 변화되는 것 등에 기인한 열화이다. 하이 레이트 열화는, 대전류에서의 충방전이 계속적으로 행해짐으로써 전극체의 염 농도에 불균일이 생기는 것 등에 기인하는 열화이다.

하이 레이트 열화가 생긴 상태에서 이차전지의 사용이 계속되면, 이차전지의 과충전 내성이 저하되거나, 예를 들면, 리튬 이온 이차전지라면 전극에 있어서의 리튬 금속의 석출이 생기거나 할 가능성이 있다.

그래서, 이차전지의 경시 열화와 하이 레이트 열화를 구분하여, 열화의 요인에 따른 제어를 하는 것이 바람직하지만, 종래에 있어서는, 경시 열화와 하이 레이트 열화를 정밀도 좋게 구분할 방법이 없었다.

본 개시는, 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 이차전지의 하이 레이트 열화를 정밀도 좋게 추정하는 것이다.

본 개시에 관련된 이차전지의 열화 상태 추정 방법은, 차량에 탑재된 제어 장치에 의해 실행된다. 이차전지의 열화 상태 추정 방법은 제 1∼제 5 단계를 포함한다. 제 1 단계는, 이차전지의 전압, 전류 및 온도를 소정 기간에 복수 회 취득하여 메모리에 기억하는 단계이다. 제 2 단계는, 소정 기간에 있어서의, 이차전지의 전류 변화폭, 이차전지의 온도 변화폭 및 이차전지의 SOC 변화폭을 산출하는 단계이다. 제 3 단계는, 소정 기간에 있어서의 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC마다 미리 정해져 메모리에 기억된, 전류 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 전류 변화폭, 온도 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 온도 변화폭, 및, SOC 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 SOC 변화폭을, 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC에 기초하여 메모리로부터 취득하는 단계이다. 제 4 단계는, 전류 변화폭이 허용 전류 변화폭을 하회한다는 전류 조건, 온도 변화폭이 허용 온도 변화폭을 하회한다는 온도 조건, 및, SOC 변화폭이 허용 SOC 변화폭을 하회한다는 SOC 조건의 모두가 성립하는 경우에, 메모리에 기억된 이차전지의 소정 기간에 있어서의 전압 및 전류의 주파수 변환을 행하고, 주파수 변환된 전압 및 전류로부터 이차전지의 주파수 대역마다의 임피던스를 산출하는 단계이다. 제 5 단계는, 소정의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와, 소정의 주파수 대역보다 높은 기타 주파수 대역에 대응하는 임피던스와의 비율과, 기준값을 이용하여, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정하는 단계이다. 소정의 주파수 대역은, 적어도 직류 저항 및 반응 저항이 주로 기여하는 주파수 대역이다.

본 개시의 다른 국면에 관련된 이차전지 시스템은, 차량에 탑재된다. 이차전지 시스템은, 이차전지와, 메모리를 포함하고, 이차전지의 열화 상태를 추정하도록 구성된 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 이차전지의 전압, 전류 및 온도를 소정 기간에 복수 회 취득하여 메모리에 기억한다. 제어 장치는, 소정 기간에 있어서의, 이차전지의 전류 변화폭, 이차전지의 온도 변화폭 및 이차전지의 SOC 변화폭을 산출한다. 제어 장치는, 소정 기간에 있어서의 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC마다 미리 정해져 메모리에 기억된, 전류 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 전류 변화폭, 온도 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 온도 변화폭, 및, SOC 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 SOC 변화폭을, 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC에 기초하여 메모리로부터 취득한다. 제어 장치는, 전류 변화폭이 허용 전류 변화폭을 하회한다는 전류 조건, 온도 변화폭이 허용 온도 변화폭을 하회한다는 온도 조건, 및, SOC 변화폭이 허용 SOC 변화폭을 하회한다는 SOC 조건의 모두가 성립하는 경우에, 메모리에 기억된 이차전지의 소정 기간에 있어서의 전압 및 전류의 주파수 변환을 행하고, 주파수 변환된 전압 및 전류로부터 이차전지의 주파수 대역마다의 임피던스를 산출한다. 제어 장치는, 소정의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와, 소정의 주파수 대역보다 높은 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와의 비율과, 기준값을 이용하여, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정한다. 소정의 주파수 대역은, 적어도 직류 저항 및 반응 저항이 주로 기여하는 주파수 대역이다.

상기 방법 또는 구성에 의하면, 소정의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와 소정의 주파수 대역보다 높은 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와의 비율과, 기준값을 이용하여, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부가 추정된다. 본 발명자들은, 이차전지가 경시 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과, 이차전지가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과의 비율이, 주파수 대역마다 다르다는 특성에 착안하였다. 그래서, 당해 특성을 이용하여, 소정의 주파수 대역(예를 들면, 저주파수 대역)에 대응하는 임피던스와, 기타의 주파수 대역(예를 들면, 중주파수 대역)에 대응하는 임피던스와의 비율을, 미리 정해진 기준값과 비교함으로써, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정할 수 있다. 이에 의해서, 이차전지의 경시 열화와 하이 레이트 열화를 구분할 수 있다.

또, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부의 추정에 이용되는 상기의 각 임피던스는, 소정 기간에 있어서 전류 조건, 온도 조건 및 SOC 조건이 모두 성립된 경우에 있어서 산출된 것이다. 이에 의해, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부의 추정에 이용되는 임피던스에, 임피던스의 전류 의존성, 온도 의존성 및 SOC 의존성의 영향을 적절하게 반영시키는 것이 가능해진다. 이와 같이 하여 산출된 임피던스를 이용함으로써, 상기와 같이 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.

어떤 실시 형태에 있어서는, 소정의 주파수 대역은, 직류 저항, 반응 저항 및 확산 저항이 주로 기여하는 주파수 대역이다. 기타의 주파수 대역은, 직류 저항 및 반응 저항이 주로 기여하고, 또한, 확산 저항이 주로 기여하지 않는 주파수 대역이다.

상기 방법에 의하면, 직류 저항, 반응 저항 및 확산 저항이 주로 기여하는 주파수 대역, 즉, 저주파수 대역의 임피던스와, 직류 저항 및 반응 저항이 주로 기여하고, 또한, 확산 저항이 주로 기여하지 않는 주파수 대역, 즉, 중주파수 대역의 임피던스와의 비율이 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부의 추정에 이용된다. 경시 열화에 의한 저항 증가는 주로 반응 저항에 나타나기 쉽다. 그래서, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부의 추정에, 반응 저항이 주로 기여하는 중주파수 대역의 임피던스와 저주파수 대역의 임피던스와의 비율이 이용됨으로써, 예를 들면, 반응 저항이 주로 기여하지 않는 고주파수 대역의 임피던스와 저주파수 대역의 임피던스와의 비율이 이용되는 것과 같은 경우와 비교하여, 정밀도 좋게 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정할 수 있다.

어떤 실시 형태에 있어서는, 소정의 주파수 대역은, 제 1 주파수 대역과 제 1 주파수 대역에 포함되는 주파수보다 낮은 주파수가 포함되는 제 2 주파수 대역을 포함한다. 제 2 주파수 대역은, 이차전지의 하이 레이트 열화 상태에 있어서의 임피던스가, 이차전지의 초기 상태에 있어서의 임피던스보다 작아지는 특성을 나타낸다. 제 2 주파수 대역에 대응하는 임피던스에 대한, 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스의 비율이 기준값보다 큰 경우에, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정한다.

소정의 주파수 대역은, 제 1 주파수 대역과 제 1 주파수 대역에 포함되는 주파수보다 낮은 주파수가 포함되는 제 2 주파수 대역을 포함한다. 상술한 특성에 의하면, 이차전지가 경시 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과, 이차전지가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과의 비율이, 주파수 대역마다 다르다. 그리고, 상세한 것은 후술하겠지만, 제 2 주파수 대역에 있어서, 이차전지가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율은, 다른 주파수 대역에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율보다 작아진다. 그래서, 초기에 있어서의 제 2 주파수 대역에 대응하는 임피던스, 초기에 있어서의 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스 및 각종 센서의 검출 오차 등을 고려하여 미리 기준값을 설정해 둔다. 이에 의해서, 미리 정해진 산출식(제 2 주파수 대역에 대응하는 임피던스를, 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스로 나눔)으로부터 구해진 값이 기준값보다 큰 경우에, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정할 수 있다.

어떤 실시 형태에 있어서는, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정한 경우에, 이차전지의 입출력을 제한, 또는, 이차전지의 사용을 금지하는 단계를 더 포함한다.

상기 구성에 의하면, 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된 경우에는, 이차전지의 입출력이 제한되거나, 이차전지의 사용이 금지되거나 한다. 이에 의해서, 하이 레이트 열화 상태에서의 이차전지의 사용이 제한되므로, 하이 레이트 열화 상태에서의 이차전지의 사용에 기인한 이차전지의 과충전 내성의 저하 등의 폐해를 억제할 수 있다.

이 발명의 상기 및 기타의 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부 도면과 관련하여 이해되는 이 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 실시 형태에 관련된 이차전지 시스템이 탑재된 차량의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 배터리 및 감시 유닛의 구성을 보다 상세하게 나타내는 도면이다.
도 3은 차량의 주행 중에 있어서의 배터리의 전류, 온도 및 SOC의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 배터리의 임피던스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 배터리의 임피던스 성분의 주파수 의존성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 푸리에 변환에 의한 주파수 대역마다의 임피던스의 산출 수법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 임피던스의 산출 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 데이터 취득 기간에 있어서의 데이터의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 배터리의 열화 특성에 관한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태에 관련된 ECU에 있어서 실행되는 배터리의 열화 상태를 추정하기 위한 처리의 일례를 나타내는 플로우차트이다.
도 11은 맵 MP1의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 제한 제어의 실행에 의한 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하에, 본 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.

< 전체 구성 >

도 1은 본 실시 형태에 관련된 이차전지 시스템(2)이 탑재된 차량(1)의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 차량(1)은, 이차전지 시스템(2)으로부터 공급되는 전력을 이용하여 구동력을 발생시키는 차량이다. 본 실시 형태에 있어서는, 차량(1)은 하이브리드 자동차인 예에 대하여 설명한다. 또한, 차량(1)은, 이차전지 시스템(2)으로부터 공급되는 전력을 이용하여 구동력을 발생시키는 차량이면 되며, 하이브리드 자동차에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 차량(1)은, 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 연료 전지 자동차여도 된다.

차량(1)은 이차전지 시스템(2), 파워 컨트롤 유닛(PCU: Power Control Unit)(30), 모터 제네레이터(41, 42), 엔진(50), 동력 분할 장치(60), 구동축(70), 구동륜(80)을 구비한다. 이차전지 시스템(2)은 배터리(10), 감시 유닛(20), 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)(100)를 구비한다.

엔진(50)은, 공기와 연료의 혼합기를 연소시켰을 때에 생기는 연소 에너지를 피스톤 및 로터 등의 운동자의 운동 에너지로 변환함으로써 동력을 출력하는 내연 기관이다.

동력 분할 장치(60)는, 예를 들면, 선 기어, 캐리어, 링 기어의 3개의 회전축을 갖는 유성 기어 기구(도시 생략)를 포함한다. 동력 분할 장치(60)는, 엔진(50)으로부터 출력되는 동력을, 모터 제네레이터(41)를 구동하는 동력과, 구동륜(80)을 구동하는 동력으로 분할한다.

모터 제네레이터(41, 42)의 각각은, 교류 회전 전기 기기이며, 예를 들면, 로터에 영구자석(도시 생략)이 매설된 삼상(三相) 교류 동기 전동기이다. 모터 제네레이터(41)는, 주로, 동력 분할 장치(60)를 경유하여 엔진(50)에 의해 구동되는 발전기로서 이용된다. 모터 제네레이터(41)가 발전한 전력은, PCU(30)를 거쳐 모터 제네레이터(42) 또는 배터리(10)에 공급된다.

모터 제네레이터(42)는, 주로 전동기로서 동작하고, 구동륜(80)을 구동한다. 모터 제네레이터(42)는, 배터리(10)로부터의 전력 및 모터 제네레이터(41)의 발전 전력의 적어도 일방(一方)을 받아 구동되고, 모터 제네레이터(42)의 구동력은 구동축(70)에 전달된다. 한편, 차량(1)의 제동시나 내리막 경사면에서의 가속도 저감시에는, 모터 제네레이터(42)는, 발전기로서 동작하여 회생 발전을 행한다. 모터 제네레이터(42)가 발전한 전력은, PCU(30)를 거쳐 배터리(10)에 공급된다.

PCU(30)는, ECU(100)로부터의 제어 신호에 따라서, 배터리(10)와 모터 제네레이터(41, 42) 사이에서 쌍방향의 전력 변환을 실행한다. PCU(30)는, 모터 제네레이터(41, 42)의 상태를 따로따로 제어 가능하게 구성되어 있고, 예를 들면, 모터 제네레이터(41)를 회생 상태(발전 상태)로 하면서, 모터 제네레이터(42)를 역행 상태로 할 수 있다. PCU(30)는, 예를 들면, 모터 제네레이터(41, 42)에 대응하여 마련되는 2개의 인버터와, 각 인버터에 공급되는 직류 전압을 배터리(10)의 출력 전압 이상으로 승압하는 컨버터(모두 도시 생략)를 포함하여 구성된다.

배터리(10)는 복수의 셀(12)을 포함하여 구성되는 조전지이다. 각 셀(12)은, 예를 들면, 리튬 이온 이차전지 또는 니켈 수소 이차전지 등의 이차전지이다. 본 실시 형태에 있어서는, 셀(12)이 리튬 이온 이차전지인 예에 대하여 설명한다. 배터리(10)는, 모터 제네레이터(41, 42)를 구동하기 위한 전력을 모아, PCU(30)를 통하여 모터 제네레이터(41, 42)에 전력을 공급한다. 또, 배터리(10)는, 모터 제네레이터(41, 42)의 발전시에 PCU(30)를 통하여 발전 전력을 받아 충전된다.

감시 유닛(20)은 전압 센서(21), 전류 센서(22), 온도 센서(23)를 포함한다. 전압 센서(21)는 배터리(10)의 전압 VB를 검출한다. 전류 센서(22)는 배터리(10)에 입출력되는 전류 IB를 검출한다. 온도 센서(23)는 배터리(10)의 온도 TB를 검출한다. 각 센서는, 그 검출 결과를 나타내는 신호를 ECU(100)에 출력한다. 또한, 배터리(10) 및 감시 유닛(20)의 구성에 대해서는 도 2에서, 보다 상세하게 설명한다.

ECU(100)는 CPU(Central Processing Unit)(100a)와, 메모리(ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory))(100b)과, 각종 신호가 입출력되는 입출력 포트(도시 생략)를 포함하여 구성된다. ECU(100)는, 각 센서로부터 받는 신호 및 메모리(100b)에 기억된 프로그램 및 맵에 기초하여, 차량(1)을 원하는 상태로 제어하기 위한 각종 처리를 실행한다.

보다 구체적으로는, ECU(100)는, 엔진(50) 및 PCU(30)를 제어함으로써 배터리(10)의 충방전을 제어한다. 또, ECU(100)는 배터리(10)의 SOC(State Of Charge)를 추정한다. SOC의 추정에는 전류 적산법, OCV-SOC 커브를 이용하는 수법 등 공지의 수법을 이용할 수 있다. 또한, ECU(100)는 배터리(10)의 임피던스(내부 저항)를 산출한다. 배터리(10)의 임피던스는, 전압 VB와 전류 IB의 비(＝VB/IB)로부터 산출할 수 있다. 임피던스의 산출에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.

도 2는 배터리(10) 및 감시 유닛(20)의 구성을 보다 상세하게 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 배터리(10)는, 직렬 접속된 M개의 블록(11)을 포함한다. 각 블록(11)은, 병렬 접속된 N개의 셀(12)을 포함한다. M, N은 2 이상의 자연수이다.

전압 센서(21)는 각 블록(11)의 전압을 검출한다. 전류 센서(22)는 모든 블록(11)을 흐르는 전류 IB를 검출한다. 온도 센서(23)는 배터리(10)의 온도를 검출한다. 단, 전압 센서의 감시 단위는 블록에 한정되지 않고, 셀(12)마다여도 되고, 인접하는 복수(블록 내의 셀 수 미만의 수)의 셀(12)마다여도 된다. 또, 온도 센서(23)의 감시 단위도 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 블록마다(또는 셀마다)의 온도가 검출되어도 된다.

이와 같은 배터리(10)의 내부 구성 및 감시 유닛(20)의 감시 단위는 예시에 불과하며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 따라서, 이하에서는, 복수의 블록(11)을 서로 구별하거나 복수의 셀(12)을 서로 구별하거나 하지 않고, 단지 배터리(10)라고 포괄적으로 기재한다. 또, 감시 유닛(20)은 배터리(10)의 전압 VB, 전류 IB 및 온도 TB를 감시한다고 기재한다.

< 차량 주행 중에 있어서의 전압 및 전류의 변화 >

이상과 같이 구성된 차량(1)의 주행 중에 있어서는, 배터리(10)의 전압 VB, 전류 IB, 온도 TB 및 SOC가 시간 경과와 함께 변화될 수 있다. 또한, 차량(1)의 「주행 중」이란, 차량(1)이 이그니션 온 되어 주행 가능한 상태이면 되고, 차량(1)이 일시 정지한 상태가 포함되어 있어도 된다.

도 3은 차량(1)의 주행 중에 있어서의 배터리(10)의 전류 IB, 온도 TB 및 SOC의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서, 횡축에는 경과 시간이 나타나 있고, 종축에는 위부터 순서대로 전류 IB, 온도 TB 및 SOC가 나타나 있다. 또한, 전압 VB도 전류 IB와 마찬가지로 불규칙하게 변화될 수 있지만, 도면이 번잡해지는 것을 방지하기 위하여, 전압 VB에 대해서는 도시를 생략한다.

도 3을 참조하여, 온도 TB 및 SOC의 변화에는 어느 정도의 시간을 필요로 하고, 온도 TB 및 SOC는 비교적 순조롭게 변화되는 경우가 많다. 이에 비하여, 차량(1)의 주행 중에는, 모터 제네레이터(42)가 발생시키는 구동력이 조정되는 것에 따라 배터리로부터의 방전 전류가 변동되거나, 모터 제네레이터(42)의 회생 발전에 따라 배터리(10)에 충전 전류가 흐르거나 함으로써, 전류 IB가 불규칙하게 변화될 가능성이 있다. 이와 같이 불규칙하게 변화되는 전류 IB에 기초하여 배터리(10)의 임피던스를 산출할 때에, 본 실시 형태에서는 이하에 설명하는 바와 같이, 임피던스의 주파수 의존성이 고려된다.

< 임피던스 산출 >

도 4는 배터리(10)의 임피던스를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는, 배터리(10)(보다 상세하게는 각 셀(12))의 정극, 부극 및 세퍼레이터의 등가 회로도의 일례가 나타나 있다. 일반적으로, 이차전지의 임피던스는, 직류 저항 R_DC, 반응 저항 R_c, 확산 저항 R_d로 대별된다.

직류 저항 R_DC란, 주로 전자 저항에 기인하는 임피던스 성분이다. 또, 전해액 및 각 전극 근방의 이온 탈착에 따른 임피던스 성분을 포함한다. 직류 저항 R_DC는, 이차전지에 고부하가 인가된 경우(고전압이 인가되거나 대전류가 흐르거나 한 경우)의 전극체의 염 농도 분포 등의 불균일에 의하여 증가한다. 직류 저항 R_DC는, 도 4에 나타내는 등가 회로도에 있어서, 정극의 활물질 내의 전자 저항 Ra1, 부극의 활물질 내의 전자 저항 Ra2 및 세퍼레이터의 전해액 저항 R3으로서 나타내어진다.

반응 저항 R_c란, 전해액과 활물질(정극 활물질 및 부극 활물질의 표면)에 있어서의 전하의 수수(授受)(전하 이동)에 관련된 임피던스 성분이다. 반응 저항 R_c는, 고SOC 상태의 이차전지가 고온 환경 하에 있는 경우에 활물질/전해액 계면에 피막이 성장하는 것 등에 의해 증가한다. 반응 저항 R_c는, 등가 회로도에 있어서, 정극의 저항 성분 Rc1 및 부극의 저항 성분 Rc2로서 나타내어진다.

확산 저항 R_d란, 전극체 중에서의 염 또는 활물질 중의 전하 수송 물질의 확산에 관련된 임피던스 성분이다. 확산 저항 R_d는, 고부하 인가시의 활물질 깨짐이나 전극체에 생긴 염 농도의 불균일 등에 기인하여 증가한다. 확산 저항 R_d는, 정극에 발생하는 평형 전압 Veq1과, 부극에 발생하는 평형 전압 Veq2와, 셀 내에 발생하는 염 농도 과전압 Vov3(세퍼레이터 내에서 활물질의 염 농도 분포가 생기는 것에 기인하는 과전압)으로부터 정해진다.

배터리(10)의 임피던스에는 상기와 같은 여러 가지 임피던스 성분이 포함되는 바, 전류 IB의 변화에 대한 응답 시간이 임피던스 성분마다 다르다. 응답 시간이 상대적으로 짧은 임피던스 성분은, 전압 VB의 고주파수에서의 변화에 추종 가능하다. 한편, 응답 시간이 상대적으로 긴 임피던스 성분은, 고주파수에서의 전압 VB의 변화에는 추종할 수 없다. 따라서, 이하에 설명하는 바와 같이, 저주파수 대역, 중주파수 대역 및 고주파수 대역의 주파수 대역마다, 그 주파수 대역에 있어서 주로 기여하는 배터리(10)의 임피던스 성분이 존재한다.

도 5는 배터리(10)의 임피던스 성분의 주파수 의존성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5 및 후술하는 도 9에 있어서, 횡축은 전류 IB(또는 전압 VB)의 주파수를 나타내고, 종축은 배터리(10)의 임피던스를 나타낸다.

이하에 있어서는, 전류 IB의 주파수가 고주파수 대역에 포함되는 경우에 측정되는 임피던스를 「고주파 임피던스 ZH」라고도 한다. 전류 IB의 주파수가 중주파수 대역에 포함되는 경우에 측정되는 임피던스를 「중주파 임피던스 ZM」이라고도 한다. 전류 IB의 주파수가 저주파수 대역에 포함되는 경우에 측정되는 임피던스를 「저주파 임피던스 ZL」이라고도 한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 고주파수 대역에 있어서는, 주로 배터리(10)의 직류 저항 R_DC가 기여하고 있다. 즉, 고주파 임피던스 ZH에는, 주로 배터리(10)의 직류 저항 R_DC가 반영되어 있다. 중주파수 대역에 있어서는, 주로 배터리(10)의 반응 저항 R_c와 직류 저항 R_DC가 기여하고 있다. 즉, 중주파 임피던스 ZM에는 주로 배터리(10)의 반응 저항 R_c와 직류 저항 R_DC가 반영되어 있다. 저주파수 대역에 있어서는, 주로 배터리(10)의 반응 저항 R_c, 직류 저항 R_DC 및 확산 저항 R_d가 기여하고 있다. 즉, 저주파 임피던스 ZL에는, 주로 배터리(10)의 반응 저항 R_c, 직류 저항 R_DC 및 확산 저항 R_d가 반영되어 있다. 중주파수 대역 및 고주파수 대역에 있어서는, 주로 확산 저항 R_d가 기여하고 있지 않다.

< 푸리에 변환 >

본 실시 형태에 있어서는, 주파수 대역마다의 임피던스(저주파 임피던스 ZL, 중주파 임피던스 ZM, 고주파 임피던스 ZH)의 산출에 푸리에 변환이 이용된다.

도 6은, 푸리에 변환에 의한 주파수 대역마다의 임피던스의 산출 수법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 전류 IB(및 전압 VB)에 푸리에 변환을 실시함으로써, 전류 IB를 저주파수 성분과 중주파수 성분과 고주파수 성분으로 분해할 수 있다. 이와 같이 분해된 전압 VB 및 전류 IB에 기초하여, 주파수 대역마다 임피던스를 산출할 수 있다.

또한, 이하에서는, 전압 VB 및 전류 IB에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 실시함으로써 임피던스를 산출하는 예에 대하여 설명한다. 단, 푸리에 변환의 알고리즘은 FFT에 한정되지 않고, 이산(離散) 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform)이어도 된다.

도 7은 임피던스의 산출 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7에 있어서, 횡축은, 주파수를 대수(對數) 눈금으로 나타낸다. 저주파수 대역은, 예를 들면, 0.001 ㎐ 이상 또한 0.1 ㎐ 미만의 주파수 대역이다. 중주파수 대역은, 예를 들면, 1 ㎐ 이상 또한 10 ㎐ 미만의 주파수 대역이다. 고주파수 대역은, 예를 들면, 100 ㎐ 이상 또한 1 ㎑ 미만의 주파수 대역이다. 도 7의 종축은 임피던스를 나타낸다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 각 주파수 대역에 있어서, 주파수가 다른 다수의 임피던스가 산출된다. 그 때문에, ECU(100)는, 저주파수 대역, 중주파수 대역 및 고주파수 대역의 각각에 대하여, 다수의 임피던스로부터 대표값을 결정한다.

예를 들면, 임피던스의 평균값을 대표값으로 하는 경우에는, ECU(100)는, 저주파수 대역에 있어서의 임피던스의 평균값을 저주파 임피던스 ZL로 결정한다. 또, ECU(100)는, 중주파수 대역에 있어서의 임피던스의 평균값을 중주파 임피던스 ZM로 결정한다. ECU(100)는, 고주파수 대역에 있어서의 임피던스의 평균값을 고주파 임피던스 ZH로 결정한다. 또한, 평균값을 대표값으로 하는 것은 일례이며, 각 주파수 대역 내에 있어서의 임피던스 성분의 최대값을 대표값으로 해도 되고, 중간값을 대표값으로 해도 되고, 최빈(最頻)값을 대표값으로 해도 된다.

< 데이터 취득 기간 >

FFT의 정밀도를 확보하기 위해서는, 샘플링 주기마다 반복하여 취득된 데이터(전압 VB 및 전류 IB)를, 어느 정도의 기간, ECU(100)의 메모리(100b)에 격납한 후에 FFT를 실시하는 것이 요구된다. 이와 같이 데이터를 취득하여 메모리(100b)에 기억하는 기간을 「데이터 취득 기간」이라고도 기재한다. 또한, 데이터 취득 기간은, 본 개시에 관련된 「소정 기간」에 상당한다.

배터리(10)의 임피던스(각 주파수 대역의 임피던스)는, 전류 의존성, 온도 의존성 및 SOC 의존성을 가질 수 있다. 그 때문에, 어떤 데이터 취득 기간 중에 배터리(10)의 전류 IB, 온도 TB 및 SOC 중 어느 것이 과도하게 변화된 경우에는, 그 데이터 취득 기간 중의 어떤 기간(변화 전의 기간)과 다른 기간(변화 후의 기간)에서는 의존성(전류 의존성, 온도 의존성 또는 SOC 의존성)의 영향이 다름에도 불구하고 일괄하여 푸리에 변환(FFT)이 실시되게 되므로, 고정밀도로 임피던스를 산출할 수 없게 될 가능성이 있다.

이와 같은 사정을 감안하여, FFT의 대상으로 하는 데이터에는, 데이터 취득 기간 중에 배터리(10)의 전류 IB, 온도 TB 및 SOC가 모두 크게 변화되어 있지 않다는 조건을 매기는 것으로 한다. 이 조건이 성립되어 있는지 여부는, 전류 변화폭 ΔIB, 온도 변화폭 ΔTB 및 SOC 변화폭 ΔSOC에 기초하여 판정된다.

도 8은 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 데이터의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 전류 변화폭 ΔIB는, 어떤 데이터 취득 기간(n을 자연수로 하여, 데이터 취득 기간 Pn이라고 기재함)에 있어서의 배터리(10)의 충전 방향 및 방전 방향의 양 방향을 고려한 후에, 전류 IB의 변화폭(충전 방향의 최대 전류와 방전 방향의 최대 전류의 차)으로부터 산출할 수 있다. 온도 변화폭 ΔTB는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 최고 온도(온도 TB의 최고값)와 최저 온도(온도 TB의 최저값)의 차분으로부터 산출할 수 있다. SOC 변화폭 ΔSOC는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 최고 SOC와 최저 SOC의 차분으로부터 산출할 수 있다.

전류 변화폭 ΔIB, 온도 변화폭 ΔTB 및 SOC 변화폭 ΔSOC의 모두가, 각각의 대응하는 허용 변화폭(후술) 미만인 경우에, ECU(100)는, 데이터 취득 기간 Pn에 취득한 데이터에 대하여 FFT를 실시하여, 임피던스를 산출한다.

< 경시 열화 및 하이 레이트 열화 >

여기서, 배터리(10)의 열화의 요인(열화 모드)으로서는, 주로 경시 열화와 하이 레이트 열화를 생각할 수 있다. 경시 열화는, 배터리(10)의 사용 및 시간의 경과에 따라서 재료의 특성이 변화되는 것 등에 기인한 열화이다. 하이 레이트 열화는, 대전류에서의 충방전이 계속적으로 행해짐으로써 전극체의 염 농도에 불균일이 생기는 것 등에 기인하는 열화이다. 예를 들면, 하이 레이트 열화가 생긴 상태에서 배터리(10)의 사용이 계속되면, 배터리(10)의 과충전 내성이 저하되거나, 전극에 있어서의 리튬 금속의 석출이 생기거나 할 가능성이 있다. 그래서, 배터리(10)의 경시 열화와 하이 레이트 열화를 구분하여, 열화의 요인에 따른 제어를 하는 것이 바람직하다.

그래서, 본 발명자들은, 배터리(10)가 경시 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과, 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과의 비율이, 주파수 대역마다 다르다는 특성에 착안하였다. 이하에 있어서는, 당해 특성을 「열화 특성」이라고도 한다.

도 9는 배터리(10)의 열화 특성에 관한 실험 결과를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서는, 배터리(10)의 초기, 배터리(10)가 소정 시간 사용되어 경시 열화되었을 때, 및, 배터리(10)가 소정 시간 사용되어 하이 레이트 열화되었을 때의 각각의 주파수와 임피던스와의 관계가 나타나 있다. 파선 L1은, 배터리(10)의 초기에 있어서의 주파수와 임피던스와의 관계를 나타내고 있다. 일점 쇄선 L2는, 배터리(10)가 경시 열화되었을 때의 주파수와 임피던스와의 관계를 나타내고 있다. 실선 L3은, 배터리(10)가 하이 레이트 열화되었을 때의 주파수와 임피던스와의 관계를 나타내고 있다.

먼저, 배터리(10)의 초기에 있어서의 주파수와 임피던스와의 관계(파선 L1)와 배터리(10)가 경시 열화되었을 때의 주파수와 임피던스와의 관계(일점 쇄선 L2)를 비교한다. 도 9에 나타나는 바와 같이, 배터리(10)가 경시 열화된 경우에 있어서는, 고주파수 대역 A에 있어서의 임피던스는, 초기로부터 거의 증가하고 있지 않고, 초기와 동일 정도로 되어 있다. 중주파수 대역 B 및 저주파수 대역 C에 있어서의 임피던스는, 초기로부터 증가하고 있고, 양 주파수대에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율은 동일 정도로 되어 있다. 이는, 양 주파수 대역에 있어서, 배터리(10)의 경시 열화에 의해서 증가한 반응 저항에 기인한다고 생각된다.

이어서, 배터리(10)의 초기에 있어서의 주파수와 임피던스와의 관계(파선 L1)와 배터리(10)가 하이 레이트 열화되었을 때의 주파수와 임피던스와의 관계(실선 L3)를 비교한다. 도 9에 나타나는 바와 같이, 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서는, 고주파수 대역 A 및 중주파수 대역 B에 있어서의 임피던스는, 초기와 동일 정도로 되어 있다. 이에 비하여, 도 9에 나타나는 바와 같이, 저주파수 대역 C에 있어서의 임피던스는, 주파수에 따라서 초기로부터의 증가율이 다르다.

구체적으로는, 저주파수 대역 C는, 도 9에 나타나는 바와 같이, 저주파수 대역 C1, C2의 2개의 대역으로 나뉘어진다. 저주파수 대역 C1은, 저주파수 대역 C2에 포함되는 주파수보다 높은 주파수를 포함하는 주파수 대역이다. 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서는, 저주파수 대역 C에 있어서의 임피던스는, 저주파수 대역 C1에 있어서는 초기로부터 증가하고 있지만, 저주파수 대역 C2에 있어서는 초기로부터 감소하고 있다. 또한, 상기는 이하의 이유에 의한 것이라고 상정될 수 있다.

상술한 대로, 저주파 임피던스에는, 전극체에 생긴 염 농도 분포의 불균일 등에 기인하는 확산 저항 R_d가 반영된다. 배터리(10)가 하이 레이트 열화되어 전극체에 염 농도 분포가 생기면, 확산 저항 R_d가 반영됨으로써, 저주파수 대역 C1에 있어서의 임피던스가 초기로부터 증가하고 있다고 생각된다. 그리고, 주파수가 더 낮은 대역(저주파수 대역 C2)에 있어서는, 전극체에 생긴 염 농도 분포의 불균일 등에 기인하여, 전극체 중에 있어서의 리튬 이온의 농도가 진해지는 것, 즉, 전극체 중의 전해액의 저항이 낮아짐으로써, 임피던스가 초기보다 낮아져 있다고 상정될 수 있다. 이하에 있어서는, 저주파수 대역 C1에 대응하는 저주파 임피던스를 「저주파 임피던스 ZL1」이라고도 하고, 저주파수 대역 C2에 대응하는 저주파 임피던스를 「저주파 임피던스 ZL2」라고도 한다. 또한, 저주파수 대역 C1은, 본 개시에 관련된 「제 1 주파수 대역」에 상당하고, 저주파수 대역 C2는, 본 개시에 관련된 「제 2 주파수 대역」에 상당한다.

< 경시 열화와 하이 레이트 열화의 구분 >

그래서, 상술의 열화 특성을 감안하여, 본 실시 형태에 있어서는, 저주파 임피던스 ZL2의 초기로부터의 증가율과, 예를 들면, 중주파 임피던스 ZM의 초기로부터의 증가율과의 비율을 산출함으로써, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정한다. 열화 특성에 의하면, 중주파 임피던스 ZM는, 배터리(10)가 경시 열화된 경우에는 초기로부터 증가하고 있지만, 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에는 초기로부터 거의 증가하고 있지 않다. 또, 저주파 임피던스 ZL2는, 배터리(10)가 경시 열화된 경우에는 초기로부터 증가하고 있지만, 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에는 초기로부터 감소하고 있다. 그래서, 배터리(10)가 경시 열화된 경우와 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에서, 임피던스의 초기로부터의 증가율이 다른 주파수 대역의 임피던스를 이용함으로써, 정밀도 좋게 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정할 수 있다.

저주파 임피던스 ZL2의 초기로부터의 증가율 IRL은, 저주파수 대역 C2에 대응하는 초기의 저주파 임피던스 ZL20을 이용하여, 이하의 식 (1)로 나타내어진다.

중주파 임피던스 ZM의 초기로부터의 증가율 IRM은, 초기의 중주파 임피던스 ZM0을 이용하여, 이하의 식 (2)로 나타내어진다.

배터리(10)에 경시 열화가 생기고 있는 경우에는, 상술한 바와 같이, 중주파수 대역 B 및 저주파수 대역 C에 있어서의 임피던스는, 초기로부터 동일 정도의 증가율이 되기 때문에, 증가율 IRM과 증가율 IRL의 비율은 「1」 정도로 되는 것이 상정된다. 한편, 배터리(10)에 하이 레이트 열화가 생기고 있는 경우에는, 열화 특성에 의하면, 예를 들면, 분자를 증가율 IRM으로 하고, 분모를 증가율 IRL로 하였을 때의, 증가율 IRM과 증가율 IRL과의 비율 E1은 「1」보다 커지는 것이 상정된다. 구체적으로는, 식 (3)이 만족시켜지는 경우, 즉, 비율 E1(IRM/IRL)이 1보다 큰 경우에는, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된다. 한편, 비율 E1이 1보다 크지 않은 경우에는, 배터리(10)가 경시 열화되어 있다고 추정된다.

여기서, 식 (3)에 식 (1) 및 식 (2)를 대입하고, 변형하면, 식 (4)를 얻을 수 있다.

식 (4)에 있어서의 우변(ZM0/ZL20)은, 배터리(10)의 사양이나 초기에 있어서의 측정 등으로부터 미리 정해 둘 수 있다. 그래서, (ZM0/ZL20)을 미리 기준값 K로서 설정해 둔다. 이에 의해서, 식 (5)가 얻어진다. 또한, 기준값 K는, 각종 센서의 검출 오차 등을 고려하여 설정되어도 된다.

중주파 임피던스 ZM과 저주파 임피던스 ZL2의 비율 E(＝ZM/ZL2)를 기준값 K와 비교함으로써, 식 (3)을 이용한 추정과 마찬가지로, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정할 수 있다. 구체적으로는, 식 (5)가 만족시켜진 경우에는 배터리(10)가 하이 레이트 열화되어 있다고 추정할 수 있고, 식 (5)가 만족시켜지지 않은 경우에는 배터리(10)가 경사 열화되어 있다고 추정할 수 있다. 이와 같이, 기준값 K를 설정함으로써, 산출된 중주파 임피던스 ZM과 저주파 임피던스 ZL2를 이용하여, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지, 경시 열화 상태에 있는지를 추정할 수 있다.

< ECU에 있어서 실행되는 처리 >

도 10은 본 실시 형태에 관련된 ECU(100)에 있어서 실행되는 배터리(10)의 열화 상태를 추정하기 위한 처리의 일례를 나타내는 플로우차트이다. 이 플로우차트는, ECU(100)에 있어서 소정의 연산 주기마다 메인 루틴으로부터 호출되어 실행된다. 도 10에 나타내는 플로우 차트의 각 단계는, ECU(100)에 의한 소프트웨어 처리에 의해서 실현되는 경우에 대하여 설명하지만, 그 일부 또는 전부가 ECU(100) 내에 제작된 하드웨어(전기 회로)에 의해서 실현되어도 된다.

단계 1(이하에서 단계를 「S」라고 생략하여 기재함)에 있어서, ECU(100)는, 어떤 데이터 취득 기간 Pn에 있어서, 배터리(10)의 감시 유닛(20) 내의 각 센서로부터 미리 정해진 샘플링 주기로 전압 VB, 전류 IB 및 온도 TB를 취득한다. 데이터 취득 기간 Pn의 길이는, 예를 들면, 수 초∼수십 초 정도로 설정할 수 있다. 샘플링 주기는, 예를 들면, 밀리 초 오더∼수백 밀리 초 오더로 설정할 수 있다. 또, ECU(100)는 소정의 주기로 배터리(10)의 SOC를 추정한다. ECU(100)는, 모든 데이터(전압 VB, 전류 IB, 온도 TB의 취득 결과 및 SOC의 산출 결과)를, 메모리(100b)에 일시적으로 기억한다.

S3에 있어서, ECU(100)는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 전류 IB의 변화폭을 나타내는 전류 변화폭 ΔIB를 산출한다. 또, ECU(100)는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 온도 TB의 변화폭을 나타내는 온도 변화폭 ΔTB를 산출한다. 또한, ECU(100)는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 배터리(10)의 SOC의 변화폭을 나타내는 SOC 변화폭 ΔSOC를 산출한다.

도 8에 있어서 설명한 바와 같이, 전류 변화폭 ΔIB는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 배터리(10)의 충전 방향 및 방전 방향의 양 방향을 고려한 후에, 전류 IB의 변화폭으로부터 산출할 수 있다. 온도 변화폭 ΔTB는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 최고 온도와 최저 온도의 차분으로부터 산출할 수 있다. SOC 변화폭 ΔSOC는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 최고 SOC와 최저 SOC의 차분으로부터 산출할 수 있다.

도 10으로 되돌아가서, S5에 있어서, ECU(100)는, 메모리(100b)에 미리 불휘발적으로 기억된 맵 MP1을 참조함으로써 허용 전류 변화폭 ΔIB_max를 취득한다. 허용 전류 변화폭 ΔIB_max란, S1에서 메모리(100b)에 기억된 데이터를 임피던스 산출에 사용할지 여부의 판정 기준이 되는 파라미터이며, 전류 변화폭 ΔIB의 허용 상한을 나타내는 것이다. 또한, ECU(100)는, 온도 변화폭 ΔTB의 허용 상한을 나타내는 허용 온도 변화폭 ΔTB_max, 및, SOC 변화폭 ΔSOC의 허용 상한을 나타내는 허용 SOC 변화폭 ΔSOC_max에 대해서도 마찬가지로 맵 MP1을 참조함으로써 취득한다.

도 11은 맵 MP1의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 맵 MP1에 있어서는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 배터리(10)의 평균 온도 TB_ave의 범위마다, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서의 허용 전류 변화폭 ΔIB_max, 허용 온도 변화폭 ΔTB_max 및 허용 SOC 변화폭 ΔSOC_max가 정해져 있다. 도 11에 나타낸 구체적인 수치는, 맵 MP1의 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 불과하다는 것에 유의해야 한다.

또한, 맵 MP1 대신에, 예를 들면, 함수 또는 변환식이 이용되어도 된다. 또, 평균 온도 TB_ave 대신에, 예를 들면, 최고 온도 또는 최저 온도를 이용해도 되고, 온도 TB의 최빈값을 이용해도 된다. 또한, 상세한 설명은 반복하지 않지만, 온도 TB(평균 온도 TB_ave, 최고 온도, 최저 온도 또는 최빈 온도) 대신에, 전류 IB(예를 들면, 평균 전류, 최고 전류, 최저 전류) 또는 SOC(예를 들면, 평균 SOC, 최고 SOC, 최저 SOC)를 이용해도 된다. 또, 맵 MP1에서는, 온도 TB, 전류 IB 및 SOC 중 2개 또는 3개를 조합하여 이용해도 된다.

도 10으로 되돌아가서, S7에 있어서, ECU(100)는, 전류 변화폭 ΔIB가 허용 전류 변화폭 ΔIB_max 미만인지 여부를 판정한다. 또한, ECU(100)는, 온도 변화폭 ΔTB가 허용 온도 변화폭 ΔTB_max 미만인지 여부를 판정한다. 또한, ECU(100)는, SOC 변화폭 ΔSOC가 허용 SOC 변화폭 ΔSOC_max 미만인지 여부를 판정한다.

전류 변화폭 ΔIB, 온도 변화폭 ΔTB 및 SOC 변화폭 ΔSOC가 모두 대응하는 허용 변화폭 미만인 경우, 즉, ΔIB＜ΔIB_max라는 전류 조건이 성립하고, 또한, ΔTB＜ΔTB_max라는 온도 조건이 성립하고, 또한 ΔSOC＜ΔSOC_max라는 SOC 조건이 성립하는 경우(S7에 있어서 YES), ECU(100)는, S1에 있어서 메모리(100b)에 기억한 데이터(전압 VB 및 전류 IB)에 대하여 FFT를 실시한다(S9).

또한, ECU(100)는 주파수마다 임피던스를 산출한다(S11). 각 주파수마다의 임피던스는, 그 주파수의 전압 VB와 전류 IB의 비 VB/IB에 의해 산출할 수 있다(임피던스의 상세한 산출식에 대해서는, 예를 들면, 일본 공개특허 특개2005-221487호 공보를 참조). ECU(100)는, 저주파수 대역 C1, C2, 중주파수 대역 B, 및 고주파수 대역 A의 각각에 대하여, 다수의 임피던스로부터 대표값을 결정하고, 저주파 임피던스 ZL1, ZL2, 중주파 임피던스 ZM 및 고주파 임피던스 ZH를 산출한다.

ECU(100)는, 각 주파수 대역에 있어서의 임피던스의 산출 후에는, 메모리(100b)에 기억된 데이터를 파기(소거)한다(S15).

S7에 있어서, 전류 변화폭 ΔIB, 온도 변화폭 ΔTB 및 SOC 변화폭 ΔSOC 중 적어도 어느 하나가 대응하는 허용 변화폭 이상인 경우, 즉, ΔIB≥ΔIBmax, ΔTB≥ΔTBmax 및 ΔSOC≥ΔSOCmax 중 적어도 하나의 관계식이 성립하는 경우(S7에 있어서 NO)에는, ECU(100)는, S9, S11의 처리를 스킵하여 처리를 S15로 진행시키고, 메모리(100b)에 기억된 데이터를 파기한다.

ECU(100)는, S11에서 산출된 각 주파수 대역의 임피던스를 이용하여, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정하기 위한 처리를 실행한다(S20). 이하에 있어서는, 당해 처리를 「하이 레이트 열화 추정 처리」라고도 한다.

구체적으로는, ECU(100)는, 중주파 임피던스 ZM과 저주파 임피던스 ZL2의 비율 E(＝ZM/ZL2)가 기준값 K보다 큰 지 여부를 판정한다(S21). ECU(100)는, 비율 E가 기준값 K보다 큰 경우(S21에 있어서 YES), 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정하고(S23), 제한 제어를 실행한다(S25).

제한 제어란, 배터리(10)의 입출력을 제한하거나, 배터리(10)의 사용을 금지하거나 하는 제어이다. 제한 제어가 실행됨으로써, 하이 레이트 열화 상태에서의 배터리(10)의 사용이 제한되므로, 하이 레이트 열화 상태에서의 배터리(10)의 사용에 기인한 배터리(10)의 과충전 내성의 저하를 억제하거나, 전극에 있어서의 리튬 금속의 석출을 억제하거나 할 수 있다.

한편, ECU(100)는, 비율 E가 기준값 K 이하인 경우(S21에 있어서 NO), 배터리(10)의 열화가 경시 열화에 의한 것이라고 추정한다(S27). ECU(100)는, 경시 열화의 경우에는, 제한 제어를 실행하지 않고, 처리를 종료한다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 배터리(10)가 경시 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과, 배터리(10)가 하이 레이트 열화된 경우에 있어서의 임피던스의 초기로부터의 증가율과의 비율이, 주파수 대역마다 다르다는 특성(열화 특성)에 착안한다. 그리고, 열화 특성을 이용하여 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부가 추정된다. 구체적으로는, 열화 특성을 이용하여, 저주파수 대역 C2에 대응한 저주파 임피던스 ZL2와 중주파수 대역 B에 대응한 중주파 임피던스 ZM과의 비율 E를, 미리 정해진 기준값 K와 비교함으로써, 배터리(10)의 경시 열화와 하이 레이트 열화를 구분할 수 있다.

또, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부에 이용되는 각 임피던스는, 데이터 취득 기간 Pn에 있어서 전류 조건, 온도 조건 및 SOC 조건이 모두 성립한 경우에 있어서 산출된 것이다. 이에 의해, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부의 추정에 이용되는 임피던스에, 임피던스의 전류 의존성, 온도 의존성 및 SOC 의존성의 영향을 적절하게 반영시키는 것이 가능해진다. 이와 같이 하여 산출된 임피던스를 이용함으로써, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.

또, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된 경우에는, 제한 제어가 실행된다. 이에 의해서, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태인 경우의 배터리(10)의 사용이 제한된다. 따라서, 하이 레이트 열화 상태에서의 배터리(10)의 사용에 기인한 배터리(10)의 과충전 내성의 저하를 억제하거나, 전극에 있어서의 리튬 금속의 석출을 억제하거나 할 수 있다.

< 제한 제어의 실행에 의한 효과 >

도 12는 제한 제어의 실행에 의한 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 12에는, 상온(예를 들면, 25도)에 있어서, 배터리(10)의 SOC를 어떤 SOC로 한 상태에서, 어떤 일정 전류를 어떤 시간 흐르게 하였을 때의 전압 변동으로부터 배터리(10)의 내부저항을 산출한 실험 결과가 나타나 있다. 내부 저항은, 직류 저항 R_DC, 반응 저항 R_c 및 확산 저항 R_d를 포함하고, 배터리(10)의 온도 등에 의해서, 어느 저항(직류 저항 R_DC, 반응 저항 R_c, 확산 저항 R_d)이 주로 기여하는지가 변화될 수 있다. 도 12의 횡축에는, 도 10에서 나타낸 플로우차트의 처리가 실행된 횟수가 나타내어지고, 종축에는 내부 저항의 증가율이 나타내어져 있다. 도 12에 있어서의 실선 L4는 제한 제어가 실행되는 경우(실시 형태)의 내부 저항의 증가율을 나타내고, 파선 L5는 제한 제어가 실행되지 않는 경우(비교예)의 내부 저항의 증가율을 나타내고 있다.

내부 저항의 증가율이란, 배터리(10)의 내부 저항의 초기로부터의 증가율을 가리킨다. 도 12에 나타내어지는 상한값은, 내부 저항의 증가율의 허용 상한을 나타내는 값이며, 예를 들면, 10Y%(＞100%)로 설정된다.

도 12를 참조하여, 제한 제어가 실행되지 않는 경우(비교예)에는, 배터리(10)의 사용 및 시간 경과에 따라서, 내부 저항의 증가율이 상승하고, 상한값을 초과해 버리고 있다. 이에 비하여, 제한 제어가 실행되는 경우(실시 형태)에는, 내부 저항의 증가율이 상승하고, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된 시점(횟수 X1의 시점)에서 제한 제어가 실행된다. 이에 의해서, 배터리(10)의 사용이 제한된다. 그렇게 하면, 시간의 경과에 따라서 하이 레이트 열화가 완화되기 때문에, 내부 저항의 증가율이 감소하고, 횟수 X2의 시점에서 내부 저항의 증가율이 100%로 되돌아가고 있다. 이와 같이, 제한 제어가 실행됨으로써, 내부 저항의 증가율을 상한값 이하로 할 수 있다.

(변형례 1)

실시 형태에 있어서는, 분자를 중주파 임피던스 ZM(또는 고주파 임피던스 ZH)로 하고, 분모를 저주파 임피던스 ZL2로 하였을 때의 비율 E(＝ZM/ZL2)를 기준값 K와 비교함으로써, 배터리(10)의 하이 레이트 열화를 추정하였다. 그러나, 비율 E는, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 분자를 저주파 임피던스 ZL2로 하고, 분모를 중주파 임피던스 ZM으로 해도 된다.

상기의 경우에는, 예를 들면, 식 (6)으로 나타내어지는 바와 같이, 저주파 임피던스 ZL2와 중주파 임피던스 ZM과의 비율 E2(＝ZL2/ZM)를 기준값 K1과 비교함으로써, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부가 추정된다. 기준값 K1은, 기준값 K와 마찬가지로, 초기의 저주파 임피던스 ZL20과 초기의 중주파 임피던스 ZM0과의 비 ZL20/ZM0에 각종 센서의 검출 오차 등을 고려하여 적절하게 설정된다.

비율 E2가 기준값 K1보다 작은 경우에는, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정된다. 비율 E2가 기준값 K1 이상인 경우에는, 배터리(10)가 경시 열화되어 있다고 추정된다.

변형례에 있어서도, 실시 형태와 마찬가지로, 배터리(10)의 경시 열화와 하이 레이트 열화를 구분할 수 있다. 따라서, 배터리(10)가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.

(변형례 2)

실시 형태 및 변형례 1에 있어서는, 열화 특성을 감안하여, 저주파수 대역 C2에 대응한 저주파 임피던스 ZL2와 중주파수 대역 B에 대응한 중주파 임피던스 ZM과의 비율 E(또는 비율 E2)를, 미리 정해진 기준값 K(또는 기준값 K1)와 비교함으로써, 배터리(10)의 하이 레이트 열화 상태를 추정하는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 배터리(10)의 하이 레이트 열화 상태의 추정은, 상기 2개의 임피던스에 비율을 이용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 배터리(10)의 하이 레이트 열화 상태의 추정에 이용되는 비율에는, 열화 특성에 있어서 배터리(10)의 경시 열화와 배터리(10)의 하이 레이트 열화에서 초기로부터의 임피던스의 증가율이 다른 주파수 대역에 대응한 임피던스가 적어도 하나 포함되면 된다.

예를 들면, 구체적으로 예시하면, 배터리(10)의 하이 레이트 열화 상태의 추정에는, 저주파수 대역 C2에 대응한 저주파 임피던스 ZL2와, 저주파수 대역 C1에 대응한 저주파 임피던스 ZL1과의 비율이 이용되어도 되고, 저주파 임피던스 ZL2와, 고주파수 대역 A에 대응한 고주파 임피던스 ZH와의 비율이 이용되어도 되고, 저주파 임피던스 ZL1과 고주파 임피던스 ZH와의 비율이 이용되어도 된다. 또, 배터리(10)의 하이 레이트 열화 상태의 추정에는, 중주파수 대역 B에 대응한 중주파 임피던스 ZM과, 고주파 임피던스 ZH와의 비율이 이용되어도 된다.

상기의 예에 있어서도, 실시 형태와 마찬가지로, 배터리(10)의 사양이나 초기에 있어서의 측정 등으로부터, 미리 기준값을 설정할 수 있다. 또, 기준값은, 각종 센서의 검출 오차 등을 고려하여 설정되어도 된다.

본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해서 나타내어지며, 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

차량에 탑재된 제어 장치에 의해 실행되는, 이차전지의 열화 상태 추정 방법으로서,
상기 이차전지의 전압, 전류 및 온도를 소정 기간에 복수 회 취득하여 메모리에 기억하는 단계와,
상기 소정 기간에 있어서의, 상기 이차전지의 전류 변화폭, 상기 이차전지의 온도 변화폭 및 상기 이차전지의 SOC 변화폭을 산출하는 단계와,
상기 소정 기간에 있어서의 상기 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC마다 미리 정해져 상기 메모리에 기억된, 상기 전류 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 전류 변화폭, 상기 온도 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 온도 변화폭, 및, 상기 SOC 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 SOC 변화폭을, 상기 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC에 기초하여 상기 메모리로부터 취득하는 단계와,
상기 전류 변화폭이 상기 허용 전류 변화폭을 하회한다는 전류 조건, 상기 온도 변화폭이 상기 허용 온도 변화폭을 하회한다는 온도 조건, 및, 상기 SOC 변화폭이 상기 허용 SOC 변화폭을 하회한다는 SOC 조건의 모두가 성립하는 경우에, 상기 메모리에 기억된 상기 이차전지의 상기 소정 기간에 있어서의 전압 및 전류의 주파수 변환을 행하고, 주파수 변환된 전압 및 전류로부터 상기 이차전지의 주파수 대역마다의 임피던스를 산출하는 단계와,
소정의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와, 상기 소정의 주파수 대역보다 높은 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와의 비율과, 기준값을 이용하여, 상기 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정하는 단계를 포함하는, 이차전지의 열화 상태 추정 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 소정의 주파수 대역은, 제 1 주파수 대역과, 상기 제 1 주파수 대역보다 낮은 제 2 주파수 대역을 포함하며,
상기 제 2 주파수 대역은, 상기 이차전지의 상기 하이 레이트 열화 상태에 있어서의 임피던스가, 상기 이차전지의 초기 상태에 있어서의 임피던스보다 작아지는 특성을 나타내고,
상기 제 2 주파수 대역에 대응하는 임피던스에 대한, 상기 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스의 비율이 상기 기준값보다 큰 경우에, 상기 이차전지가 상기 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정하는, 이차전지의 열화 상태 추정 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 이차전지가 상기 하이 레이트 열화 상태에 있다고 추정한 경우에, 상기 이차전지의 입출력을 제한, 또는, 상기 이차전지의 사용을 금지하는 단계를 더 포함하는, 이차전지의 열화 상태 추정 방법.
차량에 탑재되는 이차전지 시스템으로서,
이차전지와,
메모리를 포함하고, 상기 이차전지의 열화 상태를 추정하도록 구성된 제어 장치를 구비하며,
상기 제어 장치는,
상기 이차전지의 전압, 전류 및 온도를 소정 기간에 복수 회 취득하여 상기 메모리에 기억하고,
상기 소정 기간에 있어서의, 상기 이차전지의 전류 변화폭, 상기 이차전지의 온도 변화폭 및 상기 이차전지의 SOC 변화폭을 산출하고,
상기 소정 기간에 있어서의 상기 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC마다 미리 정해져 상기 메모리에 기억된, 상기 전류 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 전류 변화폭, 상기 온도 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 온도 변화폭, 및, 상기 SOC 변화폭의 허용 상한을 나타내는 허용 SOC 변화폭을, 상기 이차전지의 온도, 전류 또는 SOC에 기초하여 상기 메모리로부터 취득하고,
상기 전류 변화폭이 상기 허용 전류 변화폭을 하회한다는 전류 조건, 상기 온도 변화폭이 상기 허용 온도 변화폭을 하회한다는 온도 조건, 및, 상기 SOC 변화폭이 상기 허용 SOC 변화폭을 하회한다는 SOC 조건의 모두가 성립하는 경우에, 상기 메모리에 기억된 상기 이차전지의 상기 소정 기간에 있어서의 전압 및 전류의 주파수 변환을 행하고, 주파수 변환된 전압 및 전류로부터 상기 이차전지의 주파수 대역마다의 임피던스를 산출하고,
소정의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와, 상기 소정의 주파수 대역보다 높은 기타의 주파수 대역에 대응하는 임피던스와의 비율과, 기준값을 이용하여, 상기 이차전지가 하이 레이트 열화 상태에 있는지 여부를 추정하는, 이차전지 시스템.