KR20230171362A - 전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법 - Google Patents

전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법 Download PDF

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Abstract

전지 열화 판정 시스템은, 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치를 구비한다. 상기 전지 열화 판정 장치는 프로세서를 구비하고, 상기 프로세서는, 상기 이차 전지(20)의 충방전 특성값을 계측하고, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하고, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된다.

Description

전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법{BATTERY DETERIORATION DETERMINATION SYSTEM, BATTERY DETERIORATION DETERMINATION DEVICE AND BATTERY DETERIORATION DETERMINATION METHOD}
본 발명은, 이차 전지의 열화 판정을 신속하면서 효율적으로 행할 수 있는 전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법에 관한 것이다.
요즘의 차량의 급격한 전동화에 따라서 차량용 이차 전지의 수요가 증가하고 있으며, 이러한 상황에 수반하여 이차 전지의 재이용 요구도 증가하고 있다. 차량이 폐차가 되면, 이 차량으로부터 이차 전지를 취출하여 리사이클 회사에 보내지고, 리사이클 회사에 있어서 이차 전지의 열화 판정이 행해진다. 그리고, 열화 판정의 결과, 이차 전지가 재이용 가능하다고 판정된 경우에는, 리빌딩되어 중고 시장에서 이용된다.
이를 위해, 이러한 이차 전지의 열화 판정을 행하는 종래 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2022-020404호에는, 전회의 만충전 용량에서 주행 기간 중의 사용 전기량 및 주행 기간 후의 잔존 용량을 감한 값에 기초하여, 주행 기간 중의 이차 전지의 부극 부반응 전류를 측정하고, 부극 부반응 전류에 기초하여 피막량을 추정하고, 이 피막량에 기초하여 이차 전지의 열화 상태를 판정하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2022-020404호
그러나, 상기 일본 특허 공개 제2022-020404호의 것은, 충전기에 있어서 열화 판정하는 것이며, 주행 기간 중의 사용 전기량 및 주행 기간 후의 잔존 용량을 취득할 필요가 있기 때문에, 리사이클 회사에 있어서 이차 전지의 열화 판정을 행하는 경우에 이용할 수 없다. 이 때문에, 리사이클 회사에 있어서 이차 전지를 만충전하고, 그 후 방전시켜 충방전 특성을 취득하고, 충방전 특성에 기초하여 열화 판정을 하지 않을 수 없게 되지만, 이러한 충방전 특성을 취득하기 위해서는 엄청난 시간을 요한다.
본 발명은, 이차 전지의 열화 판정을 신속하면서 효율적으로 행할 수 있는 전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 양태는 전지 열화 판정 시스템에 관한 것이다. 상기 전지 열화 판정 시스템은, 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치를 갖는다. 상기 전지 열화 판정 장치는 프로세서를 구비한다. 상기 프로세서는, 상기 이차 전지의 충방전 특성값을 계측하고, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하고, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성된다.
또한, 상기 양태에 있어서, 상기 전지 열화 판정 장치는, 상기 이차 전지의 출하 전에 있어서의 제2 등가 회로 상수를 기억하는 기억부를 더 구비하고, 상기 프로세서는, 산출된 상기 제1 등가 회로 상수와, 상기 기억부에 기억된 제2 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성되어도 된다.
또한, 상기 양태에 있어서, 상기 등가 회로는, 상기 메인 탱크 회로와, 제2 저항 소자와, 제3 저항 소자 및 제2 용량 소자를 병렬로 접속한 복수의 서브 탱크 회로를 직렬 접속한 회로 구성으로 되어도 된다.
또한, 상기 양태에 있어서, 상기 제1 등가 회로 상수는, 상기 제1 저항 소자의 저항값, 상기 제1 용량 소자의 용량값, 상기 제2 저항 소자의 저항값, 상기 제3 저항 소자의 저항값 및 상기 제2 용량 소자의 용량값을 포함해도 된다.
또한, 상기 양태에 있어서, 상기 프로세서는, 복수의 다른 샘플링 시간에서 복수의 충방전 특성값을 계측하고, 상기 복수의 충방전 특성값에 기초하여 시간에 따라서 변화되는 제1 등가 회로 상수를 산출하도록 구성되어도 된다.
또한, 상기 발명의 양태에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 제1 등가 회로 상수와 상기 제2 등가 회로 상수의 차가 소정의 역치보다 큰지 여부에 의해 상기 이차 전지의 열화 판정을 행해도 된다.
또한, 본 발명의 제2 양태는, 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치에 관한 것이다. 상기 전지 열화 판정 장치는 프로세서를 구비한다. 상기 프로세서는, 상기 이차 전지의 충방전 특성값을 계측하고, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하고, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 제3 양태는, 이차 전지의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치를 갖는 전지 열화 판정 시스템에 있어서의 전지 열화 판정 방법에 관한 것이다. 상기 전지 열화 판정 방법은, 상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 상기 이차 전지의 충방전 특성값을 계측하는 것과, 상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하는 것과, 상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지의 열화 판정을 행하는 것을 포함한다.
본 발명의 상기 양태에 의하면, 이차 전지의 열화 판정을 신속하면서 효율적으로 행할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 전지 열화 판정 시스템의 개요를 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는, 전지 열화 판정 시스템의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은, 도 2에 나타낸 이차 전지의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 2에 나타낸 전지 열화 판정 장치의 구성을 설명하는 기능 블록도이다.
도 5는, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=50ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=400ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=900ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은, 다른 샘플링 시간 ts의 계측값에 기초하는 등가 회로 상수의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는, 시상수의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은, 이차 전지의 방전 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 이차 전지의 초기 충방전 특성과 소정 기간 사용한 이차 전지의 충방전 특성을 비교한 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 2에 나타낸 전지 열화 판정 장치의 처리 수순을 나타내는 흐름도(그의 1)이다.
도 13은, 도 2에 나타낸 전지 열화 판정 장치의 처리 수순을 나타내는 흐름도(그의 2)이다.
이하에, 본 발명에 관한 전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
<전지 열화 판정 시스템의 개요>
먼저, 본 실시 형태에 관한 전지 열화 판정 시스템의 개요에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관한 전지 열화 판정 시스템의 개요를 설명하기 위한 설명도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전지 열화 판정 시스템은, 전지 열화 판정 장치(10)를 사용하여 신품의 이차 전지 충방전 특성을 계측하고, 계측한 이차 전지의 충방전 특성에 기초하여 신품의 이차 전지 초기 등가 회로 상수를 산출하여, 기억한다.
그리고, 전지 열화 판정 장치(10)를 사용하여, 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 충방전 특성을 계측하고, 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 등가 회로 상수를 산출하여, 기억한다. 전지 열화 판정 장치(10)는, 미리 기억되어 있는 초기 등가 회로 상수와, 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 등가 회로 상수를 비교하여, 등가 회로 상수의 변화에 따라서 이차 전지(20)의 열화를 판정한다(즉, 이차 전지(20)가 열화되어 있는지 여부를 판정함).
구체적으로는, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내였을 경우에는, 이차 전지(20)는 열화되어 있지 않다(양품)고 판정하고, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치보다 큰 경우에는, 이차 전지(20)는 열화되어 있다(불량품)고 판정한다.
<전지 열화 판정 시스템의 시스템 구성>
이어서, 전지 열화 판정 시스템의 시스템 구성에 대하여 설명한다. 도 2는, 전지 열화 판정 시스템의 시스템 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전지 열화 판정 시스템은, 전지 열화 판정 장치(10)에 정전류 전원(30), 정전류 부하(31), 스위치(32), 전류 센서(33) 및 전압 센서(34)가 접속되어 있다. 그리고 전지 열화 판정 시스템은, 이차 전지(20)의 충방전 특성을 계측하여, 등가 회로 상수를 계측한 충방전 특성으로부터 산출하고, 산출된 등가 회로 상수의 변화가 초기의 등가 회로 상수와 비교하여, 소정의 역치 이내일 경우에는, 이차 전지(20)는 열화되어 있지 않다고 판정하고, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치보다 큰 경우에는, 이차 전지(20)는 열화되어 있다고 판정한다.
이차 전지(20)는 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지이며, 예를 들어 니켈 수소 전지 등이다. 정전류 전원(30)은 이차 전지(20)를 충전하는 경우에 일정한 전류를 흘리는 전원이다. 정전류 부하(31)는 이차 전지(20)를 방전하는 경우에 일정한 전류를 흘려서 방전하는 부하 장치이다.
스위치(32)는 이차 전지(20)를 충전하는 경우에는, 이차 전지(20)에 정전류 전원(30)을 접속하고, 이차 전지(20)를 방전하는 경우에는, 이차 전지(20)에 정전류 부하(31)를 접속하도록 전환하는 스위치이다. 전류 센서(33)는 정전류 전원(30)으로부터 이차 전지(20)에 유입되는 전류 및 이차 전지(20)로부터 정전류 부하(31)로 흘러나오는 전류를 계측하는 센서이다. 전압 센서(34)는 이차 전지(20)의 단자 전압을 계측하는 전압 센서이다.
구체적으로는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전지 열화 판정 장치(10)는 정전류 전원(30) 및 정전류 부하(31)의 전원을 투입하여 설정을 초기화한다. 그리고, 전지 열화 판정 장치(10)는 스위치(32)를 제어하여, 정전류 전원(30)을 이차 전지(20)에 접속하고, 이차 전지(20)를 충전한다. 전지 열화 판정 장치(10)는 전류 센서(33)로부터 이차 전지(20)의 충전 시에 이차 전지(20)에 유입되는 전류를 계측하여 기억함과 함께, 전압 센서(34)로부터 이차 전지(20)의 충전 시의 단자 전압의 데이터를 취득하여, 기억한다.
그리고, 전지 열화 판정 장치(10)는 스위치(32)를 제어하여, 이차 전지(20)를 정전류 부하(31)에 접속하고, 이차 전지(20)를 방전한다. 전지 열화 판정 장치(10)는 전류 센서(33)로부터 이차 전지(20)의 방전 시에 이차 전지(20)로부터 흐르는 전류를 계측하여 기억함과 함께, 전압 센서(34)로부터 이차 전지(20)의 방전 시의 단자 전압의 데이터를 취득하여, 기억한다.
그 후, 전지 열화 판정 장치(10)는 이차 전지(20)의 충방전 시의 시간에 대한 단자 전압의 데이터로부터 등가 회로 상수를 산출한다. 그리고, 전지 열화 판정 장치(10)는, 산출한 등가 회로 상수와, 미리 기억되어 있는 이차 전지(20)의 초기 등가 회로 상수를 비교하여, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내일 경우에는, 이차 전지(20)는 양품이라고 판정하고, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치보다 큰 경우에는, 이차 전지(20)는 불량품이라고 판정한다.
<이차 전지(20)의 등가 회로>
이어서, 이차 전지(20)의 등가 회로에 대하여 설명한다. 도 3은, 도 2에 나타낸 이차 전지(20)의 등가 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 등가 회로는, 저항 소자 R0과, 용량 소자 C0을 병렬로 접속한 메인 탱크 회로와, 저항 소자 D와, 저항 소자 R1과, 용량 소자 C1을 병렬로 접속한 제1 서브 탱크 회로와, 저항 소자 R2와 용량 소자 C2를 병렬로 접속한 제2 서브 탱크 회로와, 저항 소자 R3과, 용량 소자 C3을 병렬로 접속한 제3 서브 탱크 회로가 직렬 접속되어 있다.
<전지 열화 판정 장치(10)의 구성>
이어서, 전지 열화 판정 장치(10)의 구성에 대하여 설명한다. 도 4는, 도 2에 나타낸 전지 열화 판정 장치(10)의 구성을 설명하는 기능 블록도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 전지 열화 판정 장치(10)는 표시부(11), 입력부(12), 기억부(13) 및 제어부(14)를 갖는다. 또한, 전지 열화 판정 장치(10)는 정전류 전원(30), 정전류 부하(31), 스위치(32), 전류 센서(33) 및 전압 센서(34)가 접속되어 있다.
표시부(11)는 액정 패널 또는 디스플레이 장치 등의 표시 디바이스이며, 입력부(12)는 텐 키나 마우스 등의 입력 디바이스이다.
기억부(13)는 하드 디스크 장치나 불휘발성 메모리 등의 기억 디바이스이며, 초기 설정 데이터(13a)와, 초기 등가 회로 상수(13b)와, 전류·전압 데이터(13c)와, 등가 회로 상수(13d)를 기억한다. 초기 설정 데이터(13a)는 정전류 전원(30), 정전류 부하(31) 등의 초기 설정값(예를 들어, 전류값을 1A로 설정함) 등의 데이터이다. 초기 등가 회로 상수(13b)는 후술하는 수순으로 산출한 이차 전지(20)의 초기 등가 회로 상수이다. 전류·전압 데이터(13c)는 전류 센서(33) 및 전압 센서(34)로 계측한 이차 전지(20)의 전류 및 전압의 데이터이다. 등가 회로 상수(13d)는 후술하는 수순으로 산출한 이차 전지(20)의 등가 회로 상수이다.
제어부(14)는 전지 열화 판정 장치(10)의 전체를 제어하는 제어부이며, 초기 설정부(14a)와, 스위치 제어부(14b)와, 전류·전압 계측부(14c)와, 등가 회로 상수 산출부(14d)와, 열화 판정부(14e)를 갖는다. 실제로는, 이들 프로그램을 Central Processing Unit(CPU)에 로딩하여 실행함으로써, 초기 설정부(14a)와, 스위치 제어부(14b)와, 전류·전압 계측부(14c)와, 등가 회로 상수 산출부(14d)와, 열화 판정부(14e)에 각각 대응하는 프로세스를 실행시키게 된다. 환언하면, 제어부(14)는 프로세서를 구비한다. 즉, 전지 열화 판정 장치(10)는 프로세서를 구비한다.
초기 설정부(14a)는 정전류 전원(30) 및 정전류 부하(31) 등에 초기의 파라미터를 설정하는 처리를 행한다. 예를 들어, 전류값을 1A로 설정을 행하는 등이다.
스위치 제어부(14b)는, 이차 전지(20)에 정전류 전원(30)을 접속하는 처리 및 이차 전지(20)에 정전류 부하(31)를 접속하는 처리를 행한다. 스위치의 제어는, 미리 정해진 충전 시간 및 방전 시간에 맞추어 스위치를 제어하여, 정전류 전원(30) 혹은 정전류 부하(31)의 접속을 전환한다.
전류·전압 계측부(14c)는, 전류 센서(33)로부터 이차 전지(20)를 충전하는 경우에는, 이차 전지(20)에 유입되는 전류값을 취득하고, 이차 전지(20)를 방전하는 경우에는, 이차 전지(20)로부터 흐르는 전류값을 취득한다. 또한, 전류·전압 계측부(14c)는, 이차 전지(20)의 단자의 전압값을 전압 센서(34)로부터 취득하고, 취득한 전압값을 전류·전압 데이터(13c)로서 기억부(13)에 기억하는 처리를 행한다.
등가 회로 상수 산출부(14d)는, 후술하는 수순에 따라서 도 3에 나타낸 등가 회로의 저항 소자 및 용량 소자의 소자값 등의 등가 회로 상수를 산출하는 처리를 행한다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 등가 회로 상수는, 등가 회로에 있어서의 저항 소자의 저항값 및 용량 소자의 용량값을 포함한다.
열화 판정부(14e)는, 이차 전지(20)의 초기 등가 회로 상수와, 계측한 이차 전지(20)의 등가 회로 상수를 비교하여, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내일 경우에는, 이차 전지(20)는 양품이라고 판정하고, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치보다 큰 경우에는, 이차 전지(20)는 불량품이라고 판정을 행한다.
정전류 전원(30)은 초기 설정부(14a)에서 설정된 일정한 전류를 이차 전지(20)에 흘리는 전원이다. 정전류 부하(31)는 초기 설정부(14a)에서 설정된 일정한 전류를 이차 전지(20)로부터 흘리는 부하이다. 스위치(32)는 미리 결정된 시간에서 이차 전지(20)에 정전류 전원(30)을 접속할지, 정전류 부하(31)를 접속할지를 전환한다.
전류 센서(33)는 스위치(32)와 이차 전지(20)에 직렬로 접속되고, 이차 전지(20)를 충전하는 경우에는, 이차 전지(20)에 유입되는 전류값을, 이차 전지(20)를 방전하는 경우에는, 이차 전지(20)로부터 흐르는 전류값을 계측한다. 전압 센서(34)는 이차 전지(20)의 단자 전압의 전압값을 계측한다.
<등가 회로 상수의 산출에 대해서>
이어서, 도 3에 나타낸 등가 회로의 등가 회로 상수의 산출에 대하여 설명한다. 등가 회로 상수는, 샘플링 시간 ts가 다른 복수의 충전 특성 및 복수의 방전 특성을 취득하고, 각각의 등가 회로 상수를 산출함과 함께, 최종적인 등가 회로 상수로 하여, 그 복수의 등가 회로 상수의 조합을 사용하여 이차 전지(20)의 충방전 특성을 계산한다. 여기에서는, 샘플링 시간 ts(ms)를 50ms, 400ms, 900ms의 3종류를 사용한 경우에 대하여 설명한다.
먼저, 충전 전압 Vc(t)를 구한다. 등가 회로는 도 3에 나타내는 등가 회로를 사용한다고 하면, 충전 전압 Vc(t)는 이 등가 회로에 정전류 I를 흘릴 때에는 (1)식으로 표시된다.
여기서, 시간 t=0에 있어서의 용량 소자 Ci의 양단의 초기 전압을 V0i(i=0, 1, 2, 3)로 하고, 시상수 τi=RiCi (i=0, 1, 2, 3)로 정의하였다.
또한, 이차 전지(20)의 방전 전압 Vd(t)는 방전 개시의 시간 t를 변경하여 t=0으로 하면 (2)식으로 표시된다.
여기서 VTi는, 시간 t=0에 있어서의 각 탱크 회로의 초기 전압이다. 여기서, ai=VTi(i=0, 1, 2, 3), xi=e-t/τi(i=0, 1, 2, 3)로 두면, 방전 전압 Vd(t)는 (3)식으로 표시된다.
여기서 Vd(t)는 a0, a1, a2, a3, x0, x1, x2, x3의 8개의 미지수로부터 구해지므로, 그들을 미지수로 하는 연립 방정식으로부터, 미지수를 대수의 계산 혹은 수치 계산을 사용함으로써 산출하는 것이 가능해진다. 또한, a0, a1, a2, a3, x0, x1, x2, x3이 구해지면 도 3에 나타내는 등가 회로의 저항 소자 D, Ri 및 용량 소자 Ci를 산출할 수 있다.
이어서, 등가 회로를 산출하기 위한 전압 특성의 취득에 대하여 설명한다. 도 5는, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=50ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 충전 개시 시간 t1로부터 t2까지 샘플링 시간 50ms에서 전압을 계측한다. 또한, 여기에서는, 충전 시간을 8000ms, 방전 시간을 8000ms로 한 경우에 대하여 설명한다. 샘플링 시간 ts=50ms의 경우에는, t1=0ms로 하면 t2=350ms, t3=8000ms, t4=8350ms가 된다.
이 계측에서는, 충방전 특성 초기에 급속하게 전압이 상승된 후, 전압의 변화가 완만해지는 부분의 등가 회로 상수를 산출할 수 있다.
다음에, 충방전 특성을 샘플링 시간 ts=400ms에서 계측하였을 때의 계측점에 대하여 설명한다. 도 6은, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=400ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 충전 개시 시간 t1로부터 t5까지 샘플링 시간 ts=400ms에서 전압을 계측한다. 샘플링 시간 ts=400ms의 경우에는, t5=2800ms가 되고, t6=10800ms가 된다.
이 계측에서는, 충방전 특성의 초기부터 중기에 관한 전압의 변화 부분의 등가 회로 상수를 산출할 수 있다.
다음에, 충방전 특성을 샘플링 시간 ts=900ms에서 계측하였을 때의 계측점에 대하여 설명한다. 도 7은, 충방전 특성과 샘플링 시간 ts=900ms로 한 경우의 계측점의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 충전 개시 시간 t1로부터 t7까지 샘플링 시간 ts=900ms에서 전압을 계측한다. 샘플링 시간 ts=900ms의 경우에는, t7=6300ms가 되고, t8=14300ms가 된다.
이 계측에서는, 충방전 특성이 완만하게 변화되는 전압의 부분의 등가 회로 상수를 산출할 수 있다.
이어서, 다른 샘플링 시간 ts에서 계측한 충방전 특성의 계측값에 기초하여 산출된 등가 회로 상수에 대하여 설명한다. 도 8은, 다른 샘플링 시간 ts의 계측값에 기초하는 등가 회로 상수의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 샘플링 시간 ts=0.05s의 경우의 등가 회로 상수(시상수)는 τ0=3866.9s, τ1=0.063632s, τ2=0.0061280s이다. 샘플링 시간 ts=0.4s의 경우의 등가 회로 상수(시상수)는 τ0=36536s, τ1=0.93965s, τ2=0.12048s이다. 또한, 샘플링 시간 ts=0.9s의 경우의 등가 회로 상수는, τ0=71567s, τ1=1.692s, τ2=0.24380s이다. 이렇게 등가 회로 상수(시상수)는 시간에 따라서 변화되고 있다.
이차 전지(20)의 등가 회로 모델은, 시간에 의해 등가 회로 상수(시상수)가 변화되기 때문에, 탱크 회로의 양단의 전압값의 연속성을 고려한 등가 회로 모델을 생각한다. 여기서, 미소 구간을 Δt라 하면, (1)식 및 (2)식은, 이 미소 구간에 있어서 시상수 τi(t)가 일정해진다.
먼저, 방전 부분에 있어서, 이차 전지(20)를 충전한 후, 방전을 개시한 시간을 t=0으로 하고, 시간 t에 있어서의 각 탱크 회로간의 전압을 Vi(t)(i=0, 1, 2, 3), 시상수를 τi(t)(i=0, 1, 2, 3)로 한다. 시간 t1과 t2가 충분히 가까운 시간일 경우에는, t2에 있어서의 각 탱크 회로간의 전압 Vi(t2)는, 시간 t1에 있어서의 각 탱크 회로간의 전압 Vi(t1)를 사용하여 (4)식과 같이 표시된다.
(4)식에 있어서, 양의 정수 n=0, 1, 2, …에 대하여 t1=nΔt, t2=(n+1)Δt로 함으로써, 시간 (n+1)Δt에 있어서의 이차 전지(20)의 전압 Vd((n+1)Δt)는, 시간 nΔt의 각 탱크 회로간의 전압 Vi(nΔt)를 사용하여 (5)식과 같이 표시된다. 또한, 여기에서 서브 탱크 회로의 시상수는 일정하게 한다.
(5)식으로부터 τ0(nΔt)을 도출하면 (6)식이 얻어진다.
서브 탱크 회로의 시상수 τi와, 시간 t=0의 각 탱크 회로간의 전압 Vi(0)를 구함으로써, (6)식으로부터 시상수 τ0(nΔt)을 구할 수 있다.
도 9에, (6)식으로부터 이차 전지(20)의 실측한 충방전 특성의 충방전 곡선에 기초하여 수치 계산을 행한 시상수 τ0의 일례를 나타낸다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 메인 탱크 회로의 시상수 τ0은, 시간의 1차 함수인 것을 알 수 있다. 또한, 방전 특성의 방전 개시로부터 소정의 시간(예를 들어, 8초)까지의 구간은, 시상수 τ0(t)을 시간의 1차 함수로 나타낼 수 없기 때문에, 예를 들어 대수 곡선으로 축차 근사하여 구한다.
이어서, 시간으로 변화되는 시상수 τ0에 기초하여 산출한 방전 특성을 나타낸다. 도 10은, 이차 전지의 방전 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 시간으로 변화되는 시상수 τ0에 기초하여 구한 방전 특성은, 실측값과 거의 마찬가지의 특성을 나타낸다.
또한, 충전 부분의 시상수는, 방전 부분과 마찬가지로 소정의 시간 이후에서는, 시간의 1차 함수로 표시되지만, 충전 개시로부터 소정의 시간(예를 들어, 20초)까지는, 대수 곡선 등으로 피팅을 행하여 구한다. 그리고, 구해진 충전 부분 및 방전 부분의 시상수를 사용하여, 충전 전압 및 방전 전압을 구하는 전압식을 구하여 등가 회로 모델로 한다.
<이차 전지(20)의 열화 판정>
이어서, 이차 전지(20)의 열화 판정에 대하여 설명한다. 도 11은, 이차 전지(20)의 초기 충방전 특성과 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 충방전 특성을 비교한 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 충방전 특성은, 이차 전지(20)의 초기 특성에 비교하여 전압의 상승이 빨라지고, 방전의 경우도 전압 강하가 초기의 이차 전지(20)의 특성보다도 빨라진다.
전지 열화 판정 장치(10)는 이 소정 기간 사용 후의 이차 전지(20)의 충방전 특성에 기초하여, 등가 회로 상수를 산출하고, 산출된 등가 회로 상수를 초기의 등가 회로 상수와 비교하여, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내인지 여부로 이차 전지(20)의 열화를 판정한다.
구체적으로는, 소정 기간 사용 후의 이차 전지(20)의 등가 회로 상수와, 초기의 이차 전지(20)의 등가 회로 상수를 비교하여, 소정의 역치 이하의 변화의 경우에는, 이차 전지(20)는 양품이라고 판정하고, 소정의 역치보다 큰 변화가 있을 경우에는, 이차 전지(20)는 불량품이라고 판정한다.
<전지 열화 판정 장치(10)의 처리 수순>
다음에 전지 열화 판정 장치(10)의 처리 수순에 대하여 설명한다. 도 12 및 도 13은, 도 2에 나타낸 전지 열화 판정 장치(10)의 처리 수순을 나타내는 흐름도이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 전지 열화 판정 장치(10)는 먼저, 정전류 전원(30) 및 정전류 부하(31)의 전류값 등의 초기 설정을 행한다(스텝 S101).
그리고, 전지 열화 판정 장치(10)는 스위치(32)를 제어하여 정전류 전원(30)을 이차 전지(20)에 접속하고, 소정의 일정 전류로 이차 전지(20)를 충전한다(스텝 S102). 전지 열화 판정 장치(10)는, 전류 센서(33) 및 전압 센서(34)로부터 전류값 및 전압값을 취득하고, 그 계측값을 전류·전압 데이터(13c)로서 기억부(13)에 기억한다(스텝 S103).
전지 열화 판정 장치(10)는, 소정의 시간을 경과하였는지 여부를 판정하고(스텝 S104), 소정의 시간을 경과하지 않은 경우에는(스텝 S104; "아니오"), 스텝 S103으로 이행하여, 계측을 속행한다. 여기서, 소정의 시간이란, 예를 들어 샘플링 시간 ts=50ms의 경우에는, 350ms, 샘플링 시간 ts=400ms의 경우에는, 2800ms, 샘플링 시간 ts=900ms의 경우에는, 6300ms이다.
이에 비해, 소정의 시간을 경과하였을 경우에는(스텝 S104; "예"), 스위치(32)를 제어하여, 정전류 부하(31)에 이차 전지(20)를 접속하고, 소정의 전류에서 이차 전지(20)를 방전한다(스텝 S105). 전지 열화 판정 장치(10)는 전류 센서(33) 및 전압 센서(34)로부터 전류값 및 전압값을 취득하고, 그 계측값을 전류·전압 데이터(13c)로서 기억부(13)에 기억한다(스텝 S106).
전지 열화 판정 장치(10)는 소정의 시간을 경과하였는지 여부를 판정하고(스텝 S107), 소정의 시간을 경과하지 않은 경우에는(스텝 S107; "아니오"), 스텝 S106으로 이행하여, 계측을 속행한다.
이에 비해, 소정의 시간을 경과하였을 경우에는(스텝 S107; "예"), 다른 샘플링 시간에서 계측이 완료되었는지 여부를 판정한다(스텝 S108). 계측이 종료되지 않은 경우에는(스텝 S108; "아니오"), 스텝 S102로 이행하여, 다른 샘플링 시간에서 충방전 특성의 계측을 행한다.
전지 열화 판정 장치(10)는 다른 샘플링 시간에서의 계측이 완료된 경우에는(스텝 S108; "예"), 기억한 전압의 계측값에 기초하여 이차 전지(20)의 등가 회로 상수를 산출한다(스텝 S109). 그리고, 전지 열화 판정 장치(10)는 초기 등가 회로 상수(13b)와 산출한 등가 회로 상수를 비교하여, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내인지 여부를 판정한다(스텝 S110).
등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내였을 경우에는(스텝 S110; "예"), 이차 전지(20)를 양품이라고 판정하고(스텝 S111), 일련의 처리를 종료한다. 이에 비해, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치보다 큰 경우에는(스텝 S110; "아니오"), 이차 전지(20)를 불량품이라고 판정하고(스텝 S112), 일련의 처리를 종료한다.
상술해 온 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 복수의 샘플링 시간이 다른 충방전 특성의 전압값을 계측하고, 그 계측값에 기초하여 도 3에 나타낸 등가 회로의 등가 회로 상수를 산출한다. 그리고, 시간에 따라서 변화되는 메인 탱크 회로의 시상수를 산출하고, 그 시상수에 기초한 등가 회로 모델을 제작하여, 이차 전지(20)의 신품 시의 초기 등가 회로 상수(13b)와, 소정 기간 사용한 이차 전지(20)의 등가 회로 상수(13d)를 비교하여, 등가 회로 상수의 변화가 소정의 역치 이내인지 여부에 의해 이차 전지(20)의 열화를 판정하도록 하였으므로, 등가 회로로부터 산출되는 충방전 특성의 정밀도를 향상시켜, 이차 전지(20)의 열화를 효율적으로 판정할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 충방전에 흘리는 일정 전류는 고정되어 있는 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니며, 충방전에 흘리는 일정 전류의 전류값을 변화시키고, 예를 들어 전류값을 1A, 2A, 3A로 변화시켜, 이 전류값을 파라미터로 하여 등가 회로 상수를 산출해도 된다.
상기 각 실시 형태에서 도시한 각 구성은 기능 개략적인 것이며, 반드시 물리적으로 도시한 구성을 이루고 있을 것을 요하지 않는다. 즉, 각 장치의 분산·통합의 형태는 도시한 것에 한정되지 않고, 그 전부 또는 일부를 각종 부하나 사용 상황 등에 따라서 임의의 단위로 기능적 또는 물리적으로 분산·통합하여 구성할 수 있다.
본 발명에 관한 전지 열화 판정 시스템, 전지 열화 판정 장치 및 전지 열화 판정 방법은, 이차 전지의 열화 판정을 신속하면서 효율적으로 행하는 경우에 적합하다.

Claims (8)

  1. 전지 열화 판정 시스템이며,
    이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치
    를 포함하고,
    상기 전지 열화 판정 장치는 프로세서를 구비하고,
    상기 프로세서는, 상기 이차 전지(20)의 충방전 특성값을 계측하고, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하고, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성되는,
    전지 열화 판정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 열화 판정 장치는, 상기 이차 전지(20)의 출하 전에 있어서의 제2 등가 회로 상수를 기억하는 기억부를 더 구비하고,
    상기 프로세서는, 산출된 상기 제1 등가 회로 상수와, 상기 기억부에 기억된 제2 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성되는,
    전지 열화 판정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 등가 회로는, 상기 메인 탱크 회로와, 제2 저항 소자와, 제3 저항 소자 및 제2 용량 소자를 병렬로 접속한 복수의 서브 탱크 회로를 직렬 접속한 회로 구성으로 되는,
    전지 열화 판정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 등가 회로 상수는, 상기 제1 저항 소자의 저항값, 상기 제1 용량 소자의 용량값, 상기 제2 저항 소자의 저항값, 상기 제3 저항 소자의 저항값 및 상기 제2 용량 소자의 용량값을 포함하는,
    전지 열화 판정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 복수의 다른 샘플링 시간에서 복수의 충방전 특성값을 계측하고, 상기 복수의 충방전 특성값에 기초하여 시간에 따라서 변화되는 제1 등가 회로 상수를 산출하도록 구성되는,
    전지 열화 판정 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 제1 등가 회로 상수와 상기 제2 등가 회로 상수의 차가 소정의 역치보다 큰지 여부에 의해 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성되는,
    전지 열화 판정 시스템.
  7. 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치이며,
    상기 이차 전지(20)의 충방전 특성값을 계측하고, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하고, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는, 전지 열화 판정 장치.
  8. 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하도록 구성된 전지 열화 판정 장치를 갖는 전지 열화 판정 시스템에 있어서의 전지 열화 판정 방법이며,
    상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 상기 이차 전지(20)의 충방전 특성값을 계측하는 것;
    상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 계측된 상기 충방전 특성값에 기초하여, 전원을 제1 저항 소자 및 제1 용량 소자를 병렬 접속한 메인 탱크 회로로 한 등가 회로에 있어서의 제1 등가 회로 상수를 산출하는 것; 및
    상기 전지 열화 판정 장치에 의해, 적어도 산정된 제1 등가 회로 상수에 기초하여, 상기 이차 전지(20)의 열화 판정을 행하는 것
    을 포함하는, 전지 열화 판정 방법.
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