KR20240078346A - 전지 처리 시스템 및 전지 처리 방법 - Google Patents

전지 처리 시스템 및 전지 처리 방법 Download PDF

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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

제어 장치는, 열화 지표값 ΣD에 적산의 이력이 있으며(S102에서 "예"), 또한, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1보다도 크면(S104에서 "예"), 제1 해소 처리를 실행하는 스텝(S106)과, 셀의 특성값을 측정하는 스텝(S108)과, 제2 해소 처리를 실행하는 스텝(S110)과, 특성값이 허용 범위 내이면(S112에서 "예"), 재이용 가능하다고 판정하는 스텝(S114)과, 허용 범위 외이면(S112에서 "아니오"), 재이용 불 가능하다고 판정하는 스텝(S116)과, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1 이하이면(S104에서 "아니오"), 제2 해소 처리를 실행하는 스텝(S118)을 포함하는 처리를 실행한다.

Description

전지 처리 시스템 및 전지 처리 방법{BATTERY PROCESSING SYSTEM AND BATTERY PROCESSING METHOD}
본 개시는, 전지 처리 시스템에 관한 것이다.
전동 차량에는, 주행용의 축전 장치로서, 예를 들어 리튬 이온 전지가 탑재되어 있는 경우가 있다. 이 리튬 이온 전지는, 대전류(하이 레이트)로의 충방전에 수반하여 열화될 수 있는 것이 알려져 있다. 이 열화는 「하이 레이트 열화」라고도 불린다. 리튬 이온 전지의 하이 레이트 열화를 억제하기 위해 다양한 기술이 제안되어 있다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제2021-103646호 공보에는, 하이 레이트 열화의 진행 정도를 나타내는 열화 지표값 ΣD를 산출하고, 산출된 열화 지표값 ΣD가 역치를 초과하는 경우에 열화 완화 처리를 행하는 기술이 개시되어 있다.
리튬 이온 전지를 하이 레이트로 충방전하는 경우의 열화로서는, 전극면에 있어서의 염 농도(리튬 이온의 농도)의 치우침(염 농도의 불균일)에 기인한 상술한 하이 레이트 열화 외에 전극면에 있어서의 전위의 치우침(전위의 불균일)에 기인한 열화가 발생할 수 있다. 그 때문에, 상술한 바와 같이 리튬 이온 전지에 대하여 열화 완화 처리를 실행함으로써 하이 레이트 열화를 완화할 수 있었다고 해도 전위의 불균일에 기인한 열화가 남는 경우가 있다. 이에 의해, 그 후에 당해 리튬 이온 전지가 재이용 전지로서 다른 차량으로 옮겨지는 경우 등에 있어서, 열화 정도가 실제보다도 크게 인식되거나, 회복 가능한 용량이 파악되지 않아 전지의 수명이 짧게 오인식되거나 하는 경우가 있다.
본 개시의 목적은, 전위의 불균일에 기인한 열화를 해소하는 전지 처리 시스템 및 전지 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 어떤 국면에 관한 전지 처리 시스템은, 전극체를 갖는 리튬 이온 전지와, 리튬 이온 전지의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 전극체의 내부에 있어서의 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화의 진행 정도를 나타내는 지표값을 취득한다. 제어 장치는, 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에, 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소하는 제1 해소 처리를 실행한다. 제어 장치는, 지표값이, 제1 역치 이하이며, 또한, 제1 역치보다도 작은 제2 역치를 상회하는 기간이 있는 경우에, 리튬 이온 전지의 방전에 의해 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소하는 제2 해소 처리를 실행한다.
이와 같이 하면, 지표값이 제2 역치를 상회하는 기간이 있는 경우에 제2 해소 처리가 실행되기 때문에, 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화를 해소할 수 있다. 또한, 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에는, 제1 해소 처리가 실행되기 때문에, 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있다.
어떤 실시 형태에 있어서는, 제2 해소 처리는, 리튬 이온 전지에 대하여 미리 정해진 전압에 도달시키는 과방전을 행하는 처리를 포함한다.
이와 같이 하면, 리튬 이온 전지에 대하여 미리 정해진 전압에 도달시키는 과방전을 행함으로써 전극체의 전극면에 있어서 전위의 치우침을 조기에 해소하는 변화를 발생시킬 수 있다.
또한 어떤 실시 형태에 있어서는, 제어 장치는, 지표값이, 제1 역치 이하이며, 또한, 지표값이 초깃값으로부터 제2 역치를 상회하는 변화의 이력이 있는 경우에 제2 해소 처리를 실행한다.
이와 같이 하면, 지표값이 초깃값으로부터 제2 역치를 상회하는 변화의 이력이 있는 경우에는, 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화가 발생하였을 가능성이 있다. 그 때문에, 제2 해소 처리가 실행됨으로써, 당해 열화를 해소할 수 있다.
또한 어떤 실시 형태에 있어서는, 제어 장치는, 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에, 제1 해소 처리를 실행한 후에 제2 해소 처리를 실행한다.
이와 같이 하면, 제2 해소 처리가 실행됨으로써 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화를 해소할 수 있다. 또한, 제1 해소 처리가 실행됨으로써 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있다.
또한 어떤 실시 형태에 있어서는, 전극체는, 정극과 부극을 포함한다. 정극의 활물질과 부극의 활물질 중 적어도 한쪽이 리튬 이온의 삽입 탈리가 가능한 재료를 포함한다.
이와 같이 하면, 정극의 활물질 또는 부극의 활물질이 리튬 이온의 삽입 탈리가 가능한 재료를 포함하기 때문에, 제2 해소 처리의 실행에 의해 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화를 해소할 수 있다.
본 개시의 다른 국면에 관한 전지 처리 방법은, 전극체를 갖는 리튬 이온 전지의 열화를 해소하는 전지 처리 방법이다. 이 전지 처리 방법은, 전극체의 내부에 있어서의 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 리튬 이온 전지의 열화의 진행 정도를 나타내는 지표값을 취득하는 스텝과, 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에, 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소하는 제1 해소 처리를 실행하는 스텝과, 지표값이, 제1 역치 이하이며, 또한, 제1 역치보다도 작은 제2 역치를 상회하는 기간이 있는 경우에, 리튬 이온 전지의 방전에 의해 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소하는 제2 해소 처리를 실행하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부의 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 전지 처리 시스템의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 셀의 구성의 일례를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 하이 레이트 열화 후의 불균일량과 경과 일수의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 제어 장치에서 실행되는 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 SOC와 부극 전위의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포의 변화의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 제2 해소 처리의 실행 후의 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 각종 방전 실시 전후에서의 전위 불균일에 의한 불균일량의 변화의 일례를 도시하는 도면이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 전지 처리 시스템(2)의 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 전지 처리 시스템(2)은, 충방전 장치(10)와, 셀(31)과, 검출 유닛(40)과, 제어 장치(100)를 구비한다.
도 1에는, 차량(50)으로부터 배터리(30)가 떼어내지고, 떼어내어진 배터리(30)를 구성하는 복수의 셀(31) 중 하나가 충방전 장치(10)에 전기적으로 접속되는 경우가 일례로서 도시되어 있다. 복수의 셀(31)은, 조전지의 상태이며, 각각의 각종 단자가 충방전 장치(10)와 접속 가능한 상태여도 되고, 조전지의 상태가 해제되어 셀 단체로 이동 가능한 상태여도 된다.
차량(50)은, 예를 들어 전기 자동차나 하이브리드 차량 등 중 적어도 리튬 이온 전지를 탑재한 차량이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.
충방전 장치(10)는, 예를 들어 셀(31)에 충전 전력을 공급하여 셀(31)을 충전하거나, 혹은, 셀(31)에 축전되는 전력을 방전시키거나 하는 기능을 갖는다. 충방전 장치(10)는, 제어 장치(100)로부터의 제어 신호에 따라서, 셀(31)을 충전하거나, 셀(31)을 방전하거나 한다.
셀(31)은, 만충전 상태일 때 3V 내지 4V 정도의 전압을 갖는 리튬 이온 전지이다.
검출 유닛(40)은, 전압 센서와, 전류 센서와, 온도 센서(모두 도시하지 않음)를 포함한다. 전압 센서는 셀(31)의 전압 V를 검출한다. 전류 센서는 셀(31)에 입출력되는 전류 I를 검출한다. 온도 센서는 셀(31)의 온도 T를 검출한다. 각 센서는, 그 검출 결과를 나타내는 신호를 제어 장치(100)에 출력한다.
제어 장치(100)는, CPU(Central Processing Unit) 등의 프로세서(101)와, ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 등의 메모리(102)와, 각종 신호를 입출력하는 입출력 포트(도시하지 않음)를 포함한다. 제어 장치(100)는, 각 센서로부터의 신호의 입력 그리고 메모리에 기억된 맵 및 프로그램에 기초하여, 충방전 장치(10)를 제어한다. 제어 장치(100)는, 배터리(30)를 탑재하고 있던 차량(50)과 통신 가능하게 구성된다. 배터리(30)가 떼어내어질 때, 차량(50)의 ECU(Electronic Control Unit)와, 제어 장치(100)가 통신 가능하게 접속되어, 차량(50)으로부터 제어 장치(100)에 대하여 미리 정해진 정보가 송신된다. 제어 장치(100)는, 수신한 미리 정해진 정보를 메모리(102)나, 도시하지 않은 대용량 기억 장치에 기억한다. 본 실시 형태에 있어서 제어 장치(100)에 의해 실행되는 주요한 제어로서는, 셀(31)의 하이 레이트 열화를 해소(회복 또는 완화라고도 표현될 수 있음)하기 위한 해소 처리(제1 해소 처리 및 제2 해소 처리)를 들 수 있다. 해소 처리에 대해서는 후에 상세하게 설명한다.
도 2는 셀(31)의 구성의 일례를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 있어서, 셀(31)은, 그 내부를 투시하여 나타내어져 있다.
셀(31)은, 대략 직육면체 형상의 전지 케이스(32)를 갖는다. 전지 케이스(32)의 상면은 덮개체(33)에 의해 봉해져 있다. 정극 단자(34) 및 부극 단자(35)의 각각의 한쪽 단부는, 덮개(33)부터 외부로 돌출되어 있다. 정극 단자(34) 및 부극 단자(35)의 다른 쪽 단부는, 전지 케이스(32)의 내부에 있어서, 내부 정극 단자 및 내부 부극 단자(모두 도시하지 않음)에 각각 접속되어 있다.
전지 케이스(32)의 내부에는 전극체(36)가 수용되어 있다. 전극체(36)는, 정극(37)과 부극(38)이 세퍼레이터(39)를 개재하여 적층되고, 그 적층체가 권회됨으로써 형성되어 있다. 전해액(도시하지 않음)은, 정극(37), 부극(38) 및 세퍼레이터(39)에 유지되어 있다. 또한, 전극체(36)로서 권회체 대신에 적층체를 채용하는 것도 가능하다.
정극(37), 부극(38), 세퍼레이터(39) 및 전해액에는, 종래 공지의 구성 및 재료를 사용할 수 있다. 정극(37)의 활물질 및 부극(38)의 활물질 중 적어도 한쪽은, 예를 들어 리튬 이온의 삽입 탈리가 가능한 재료를 포함한다. 구체적으로는, 정극(37)의 활물질은, 층상 구조를 갖는 리튬 복합 산화물을 포함해도 된다. 층상 구조의 리튬 복합 산화물로서는, 예를 들어 리튬 코발트계 복합 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄계 복합 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간계 복합 산화물 등을 들 수 있다. 부극(38)의 활물질로서는, 흑연 등의 탄소계 부극 활물질을 들 수 있다.
일례로서, 세퍼레이터에는, 폴리올레핀(예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)을 사용할 수 있다. 전해액은, 유기 용매(예를 들어 DMC(dimethyl carbonate)와 EMC(ethyl methyl carbonate)와 EC(ethylene carbonate)의 혼합 용매)와, 리튬염(예를 들어 LiPF6)과, 첨가제(예를 들어 LiBOB(lithium bis(oxalate)borate) 또는 Li[PF2(C2O4)2]) 등을 포함한다.
이상과 같이 구성된 셀(31)에 있어서는, 차량(50)에 탑재되어 있을 때 차량(50)의 사용에 의해 다양한 열화가 발생할 수 있다. 특히 리튬 이온 전지인 셀(31)에 있어서는, 비교적 큰 전류(하이 레이트 전류)로의 셀(31)의 충방전이 계속적으로 행해진 경우, 셀(31)의 내부 저항이 증가하는 열화 현상인 「하이 레이트 열화」가 발생할 수 있다. 하이 레이트 열화는, 전극체(36)의 내부에서의 리튬 이온의 농도 분포(염 농도 분포)의 치우침에 기인하여 발생하는 열화이다.
하이 레이트 열화는 해소 가능한 열화의 1종이다. 즉, 하이 레이트 열화가 원인으로 셀(31)의 내부 저항이 증대된 경우에는, 하이 레이트 열화에 대한 해소 처리를 행함으로써, 셀(31)의 내부 저항을 저하시킬(원래로 되돌릴) 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 다양한 열화 중 회복 가능한 열화인 하이 레이트 열화가 어느 정도 진행되었는지를 정량적으로 평가한다. 그리고, 하이 레이트 열화의 진행 정도가 미리 정해진 정도에 도달하였으면, 하이 레이트 열화를 해소하기 위한 해소 처리를 실행한다. 보다 구체적으로는, 제어 장치(100)는, 하이 레이트 열화의 진행 정도를 나타내는 지표값인 「열화 지표값 ΣD」를 취득한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 배터리(30)를 탑재하고 있던 차량(50)의 ECU(60)로부터 열화 지표값 ΣD를 산출하기 위한 정보를 취득하고, 취득한 정보를 사용하여 차량(50)으로부터 떼어내어진 시점의 열화 지표값 ΣD를 산출해도 된다. 혹은, ECU(60)와 제어 장치(100)가 이하와 같은 동작을 행해도 된다. 즉, ECU(60)는, 소정의 제어 주기에서 열화 지표값 ΣD를 산출하여, ECU(60)의 메모리에 기억한다. 제어 장치(100)는, 배터리(30)가 차량(50)으로부터 떼어내어질 때 ECU(60)와 통신하여 열화 지표값 ΣD의 이력을 수신하고, 수신한 열화 지표값 ΣD의 이력을 메모리(102)에 기억한다. 제어 장치(100)는, 메모리(102)로부터 열화 지표값 ΣD를 취득한다. 또한, 제어 장치(100)와 ECU(60)의 통신은, 무선 통신이어도 되고, 유선 통신이어도 된다.
이하, ECU(60)에 있어서 열화 지표값 ΣD가 산출되는 경우를 상정하여, ECU(60)를 사용한 열화 지표값 ΣD의 산출 방법의 일례에 대하여 간단하게 설명한다.
ECU(60)는, 열화 지표값 ΣD를 산출하기 위한 지표값 D를 소정의 제어 주기 Δt마다 산출한다. N회째(금회)의 제어 주기에서 산출되는 배터리(30)의 지표값을 D(N)으로 나타내고, (N-1)회째(전회)의 제어 주기에서 산출된 지표값을 D(N-1)로 나타낸다. N은 자연수이다. 지표값 D(N)은 배터리(30)의 충방전에 수반되는 염 농도 분포의 치우침의 증대 및 감소의 양쪽을 고려하여, 점화식인 하기 식 (1)에 따라서 산출된다. 또한, 지표값의 초깃값 D(0)은, 예를 들어 0으로 설정된다.
D(N)=D(N-1)-D(-)+D(+) … (1)
상기 식 (1)에 있어서, 지표값의 감소량 D(-)는, 전회의 지표값 산출 시부터 금회의 지표값 산출 시까지의 동안(제어 주기 Δt 동안)에 리튬 이온이 확산되는 것에 의한 염 농도 분포의 치우침의 감소량을 나타낸다. 감소량 D(-)는, 하기 식 (2)와 같이 망각 계수 α를 사용하여 산출할 수 있다. 또한, 0<α×Δt<1이다.
D(-)=α×Δt×D(N-1) … (2)
망각 계수 α는, 전해액 내의 리튬 이온의 확산 속도에 대응하는 계수이며, 배터리(30)의 온도 T 및 SOC(State Of Charge)에 의존한다. 그 때문에, 망각 계수 α와, 온도 T 및 SOC의 상관 관계가 사전 평가(실험 또는 시뮬레이션)에 의해 미리 취득되고, 맵 또는 변환식으로서 ECU(60)의 메모리에 저장되어 있다. ECU(60)는, 당해 맵 또는 변환식을 참조함으로써, 온도 T 및 SOC로부터 망각 계수 α를 산출할 수 있다. 전류 계수 β 및 한계 역치 C에 대해서도 마찬가지로, 사전의 평가 결과로부터 맵 또는 변환식을 작성할 수 있다.
식 (1)로 되돌아가, 지표값의 증가량 D(+)는, 전회의 지표값 산출 시부터 금회의 지표값 산출 시까지의 동안(제어 주기 Δt 동안)에 있어서의 충방전에 의한 염 농도 분포의 치우침의 증대량을 나타낸다. 증가량 D(+)는, 하기 식 (3)에 나타내는 바와 같이, 전류 계수 β, 한계 역치 C 및 전류 I를 사용하여 산출할 수 있다.
D(+)=(β/C)×I×Δt … (3)
ECU(60)는, 하기 식 (4)에 나타내는 바와 같이, 초깃값(0)부터 금회값(N)까지의 모든 N에 대하여 지표값 D(N)을 적산함으로써 열화 지표값 ΣD(N)을 산출한다.
ΣD(N)=γ×ΣD(N-1)+η×D(N) … (4)
상기 식 (4)에 있어서, γ는 감쇠 계수이다. 시간 경과에 수반되는 리튬 이온의 확산에 의해 염 농도의 치우침이 완화되므로, 금회의 지표값 ΣD(N)을 산출할 때는, 전회의 지표값 ΣD(N-1)이 감소되어 있는 것을 고려하는 것이 바람직하다. 따라서, 전회의 지표값 ΣD(N-1)의 계수인 감쇠 계수 γ는, 1보다도 작은 값으로 설정된다. η는 보정 계수이며, 적절히 설정된다. 감쇠 계수 γ 및 보정 계수 η로서는, 미리 정해져 메모리(102)에 기억된 값이 사용된다.
이와 같이, 염 농도의 치우침의 발생 및 완화를 각각 상기 증가량 D(+) 및 감소량 D(-)에 의해 나타내어 현재의 열화 지표값 ΣD(N)을 산출함으로써, 하이 레이트 열화의 변화(증감)를 적절하게 파악할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 열화 지표값 ΣD(N)에는, 염 농도의 치우침이 어느 정도 증대되어 있어, 하이 레이트 열화의 한층 더한 진행을 방지하는 것이 바람직하다는 취지를 나타내는 값(제1 역치 TH1)이 미리 정해져 있다. 열화 지표값 ΣD(N)이 제1 역치 TH1을 초과하는 경우에, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 하이 레이트 열화를 해소하기 위한 제1 해소 처리를 실행한다. 제1 해소 처리의 실행에 의해 염 농도의 치우침에 기인하는 열화가 해소되어, 셀(31)의 충전 용량을 제1 해소 처리의 실행 전보다도 증가시킬 수 있다.
그러나, 하이 레이트로 충방전하는 경우의 배터리(30)의 열화로서는, 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화 외에 전극면에 있어서의 전위의 치우침(이하, 전위의 불균일이라고도 기재함)에 기인한 열화(이하, 「전위 불균일에 의한 열화」로 기재함)가 발생할 수 있다. 전위의 불균일은, 농도 분포의 치우침 등에 의해 발생하는 전극면에 있어서의 저항의 불균일에 기인하여 발생한다. 그 때문에, 리튬 이온 전지를 제1 해소 처리에 의해 염 농도의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있었다고 해도 전위의 치우침에 기인하는 열화가 남는 경우가 있다.
도 3은 하이 레이트 열화 후의 불균일량과 경과 일수의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 3의 종축은, 하이 레이트 열화 후의 불균일량을 나타낸다. 도 3의 횡축은, 경과 일수를 나타낸다. 또한, 「불균일량」은, 전위 불균일에 의해 충전할 수 없는 전력량(혹은, SOC의 크기)에 상당한다. 도 3의 LN1은, 하이 레이트 열화가 발생한 후에 셀(31)을 방치한 경우의 전위의 치우침에 기인하는 불균일량의 변화를 나타낸다. 도 3의 LN2는, 하이 레이트 열화가 발생한 후에 셀(31)을 방치한 경우의 염 농도의 치우침에 기인하는 불균일량의 변화를 나타낸다. 도 3의 LN2로 나타내는 바와 같이 염 농도의 치우침에 기인하는 불균일량은, 제1 해소 처리를 하지 않아도 경과한 일수가 클수록 저하(열화가 해소)되어 간다. 한편, 도 3의 LN1에 나타내는 바와 같이 전위 불균일에 기인하는 불균일량은, 경과 일수가 클수록 저하(열화가 해소)되어 가지만, 그 저하 속도의 크기는, 염 농도의 치우침에 기인하는 불균일량의 저하 속도의 크기보다도 작아, 열화가 해소되기 어려운 상태로 된다.
그 때문에, 셀(31)을 포함하는 배터리(30)가 재이용 전지로서 다른 차량으로 옮겨지는 경우 등에 있어서, 열화 정도가 실제보다도 크게 인식되거나, 혹은, 회복 가능한 용량이 파악되지 않아 배터리(30)의 수명이 짧게 오인식되거나 하는 경우가 있다.
따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 열화 지표값 ΣD(N)을 취득하고, 취득한 열화 지표값 ΣD(N)이 제1 역치 TH1 이하이며, 또한, 제1 역치 TH1보다도 작은 제2 역치 TH2를 상회하는 기간이 있는 경우에, 전위 불균일에 의한 열화를 해소하는 제2 해소 처리를 실행하는 것으로 한다.
보다 구체적으로는, 제어 장치(100)는, 열화 지표값 ΣD(N)이 제1 역치 TH1 이하이며, 또한, 열화 지표값 ΣD(N)이 초깃값(제로)으로부터 제2 역치 TH2를 상회하는 변화의 이력이 있는 경우에는, 제2 해소 처리를 실행하는 것으로 한다. 한편, 제어 장치(100)는, 열화 지표값 ΣD(N)이 제1 역치 TH1을 초과하는 경우에는, 제1 해소 처리를 실행한 후에, 제2 해소 처리를 실행하는 것으로 한다.
이와 같이 하면, 열화 지표값 ΣD(N)이 제2 역치 TH2를 상회하는 기간이 있는 경우에, 전위 불균일에 의한 열화가 발생하였을 가능성이 있기 때문에, 제2 해소 처리가 실행됨으로써, 전위 불균일에 의한 열화를 해소할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 제2 역치 TH2는, 예를 들어 열화 지표값 ΣD의 초깃값(즉, 제로)과 동일한 값인 것으로 한다.
이하, 도 4를 참조하여, 제어 장치(100)에서 실행되는 처리의 일례에 대하여 설명한다. 도 4는 제어 장치(100)에서 실행되는 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
스텝(이하, 스텝을 S로 기재함) 100에서, 제어 장치(100)는, 해소 처리의 실행 조건이 성립하였는지 여부를 판정한다. 실행 조건은, 예를 들어 해소 처리를 실행하는 요구를 접수하였다고 하는 조건을 포함한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 작업자에 의해 충방전 장치(10)와 셀(31)이 접속되어, 제어 장치(100)에 대하여 해소 처리를 실행하는 조작을 접수하였을 때 해소 처리를 실행하는 요구를 접수하였다고 판정한다. 실행 조건이 성립하였다고 판정되는 경우(S100에서 "예"), 처리는 S102로 이행된다.
S102에서, 제어 장치(100)는, 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있는지 여부를 판정한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 열화 지표값 ΣD의 값이 초깃값 이외의 값으로 되는 이력이 있는 경우에, 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있다고 판정한다. 제어 장치(100)는, ECU(60)로부터 수신한 열화 지표값 ΣD의 이력을 사용하여 적산의 이력이 있는지 여부를 판정한다. 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있다고 판정되는 경우(S102에서 "예"), 처리는 S104로 이행된다.
S104에서, 제어 장치(100)는, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1보다도 큰지 여부를 판정한다. 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1보다도 크다고 판정되는 경우(S104에서 "예"), 처리는 S106으로 이행된다.
S106에서, 제어 장치(100)는, 제1 해소 처리를 실행한다. 제1 해소 처리는, 예를 들어 셀(31)의 정극(37) 및 부극(38)의 각각에 체적 변화를 발생시키는 처리를 포함한다.
제어 장치(100)는, 예를 들어 셀(31)의 전압 V를 피크 전압 Vc의 전후에서 증감시키거나 피크 전압 Vc 부근으로 유지하거나 함으로써, 피크 전압 Vc를 포함하는 소정의 전압 범위 내가 되도록 하는 충방전 장치(10)의 제어를 제1 해소 처리로서 실행한다.
피크 전압 Vc는, 셀(31)의 dQ/dV 전압 특성선의 메인 피크의 위치를 나타내는 전압값이다. dQ/dV 전압 특성선이란, 셀(31)의 전압 V의 변화량 dV에 대한 셀(31)의 축전량 Q의 변화량 dQ의 비율 dQ/dV와, 셀(31)의 전압 V 사이의 관계를 나타내는 선이다. 제어 장치(100)의 메모리(102)에는, 이 dQ/dV 전압 특성선과 피크 전압 Vc가 기억된다. 제어 장치(100)는, ECU(60)로부터 dQ/dV 전압 특성선과 피크 전압 Vc를 수신해도 된다. 또한, 제1 해소 처리로서는, 염 농도의 치우침에 기인하는 열화를 해소하기 위한 공지의 기술이 사용되면 되고, 상술한 바와 같은 처리에 한정되는 것은 아니다. 제1 해소 처리가 실행되면, 정극(37)이 일시적으로 수축되는 체적 변화가 발생한다. 정극(37)과 부극(38)은 서로 접하고 있으므로, 정극(37)의 수축에 수반하여 부극(38)이 팽창하는 체적 변화가 발생한다. 부극(38)이 팽창할 때, 전지 케이스(32) 내의 잉여 전해액 중 적어도 일부가 전극체(36)의 내부로 유입된다. 이에 의해, 전해액의 농도 불균일이 완화되어, 염 농도의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있다. 그 후 처리는 S108로 이행된다.
S108에서, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 특성값(저항)을 측정한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 검출 유닛(40)을 사용하여 얻어지는 검출 결과를 사용하여 셀(31)의 저항값을 측정한다. 셀(31)의 저항의 측정 방법에 대해서는, 공지의 기술을 사용하면 되고 그 상세한 설명은 행하지 않는다. 그 후 처리는 S110으로 이행된다.
S110에서, 제어 장치(100)는, 제2 해소 처리를 실행한다. 제2 해소 처리는, 전위의 불균일을 해소시키는 변화력이 증가하는 미리 정해진 전압으로 될 때까지 셀(31)의 전압을 방전시키는 처리를 포함한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 셀(31)의 전압을 미리 정해진 전압에 도달할 때까지 과방전시키는 충방전 장치(10)의 제어를 제2 해소 처리로서 실행한다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 일정한 전류으로 방전시키도록 충방전 장치(10)를 제어하여, 검출 유닛(40)을 사용하여 검출되는 셀(31)의 전압이 미리 정해진 전압(예를 들어, 1.5V 정도)에 도달할 때까지 과방전시킨다. 미리 정해진 전압은, 예를 들어 후술하는 차량에서의 SOC의 사용 범위보다도 낮은 SOC에 상당하는 전압이며, 셀(31)에 있어서 불가역의 변화가 발생하지 않는 전압으로 실험 등에 의해 적합하게 되어 설정된다. 그 후 처리는 S112로 이행된다.
S112에서, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 특성값이 허용 범위 내인지 여부를 판정한다. 특성값은, 예를 들어 셀(31)의 저항값을 포함한다. 허용 범위는, 미리 설정된 범위이며, 실험 등에 의해 적합하게 된다. 제어 장치(100)는, 셀(31)의 특성값이 허용 범위 내라고 판정되는 경우(S112에서 "예"), 처리는 S114로 이행된다.
S114에서, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 재이용이 가능하다고 판정한다. 그 후 처리는 종료된다. 한편, 셀(31)의 특성값이 허용 범위 외라고 판정되는 경우(S112에서 "아니오"), 처리는 S116으로 이행된다.
S116에서, 제어 장치(100)는, 셀(31)의 재이용이 불가능하다고 판정한다. 그 후 처리는 종료된다. 또한, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1 이하라고 판정되는 경우(S104에서 "아니오"), 처리는 S118로 이행된다.
S118에서, 제어 장치(100)는, 제2 해소 처리를 실행한다. 제2 해소 처리는, S110의 처리에 있어서 설명한 제2 해소 처리와 마찬가지이다. 그 때문에, 그 상세한 설명은 반복하지 않는다. 그 후 처리는 종료된다. 또한, 실행 조건이 성립하고 있지 않다고 판정되는 경우나(S100에서 "아니오"), 열화 지표값 ΣD에 변화 이력이 없다고 판정되는 경우에는(S102에서 "아니오"), 그 후 처리는 종료된다.
이상과 같은 구조 및 흐름도에 기초하는 제어 장치(100)의 동작에 대하여 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8을 참조하면서 설명한다.
예를 들어, 차량(50)으로부터 배터리(30)가 떼어내어지고, 배터리(30)를 구성하는 복수의 셀(31) 중 1개가 충방전 장치(10)에 전기적으로 접속되어, 제어 장치(100)에 대하여 해소 처리의 실행이 요구되는 경우에 실행 조건이 성립한다고 판정된다(S100에서 "예"). 이 경우, 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있는지 여부가 판정된다(S102). 제어 장치(100)는, ECU(60)로부터 수신한 열화 지표값 ΣD의 이력으로부터 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있다고 판정되는 경우(S102에서 "예"), 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1보다도 큰지 여부를 판정한다.
열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1 이하라고 판정되는 경우(S104에서 "아니오"), 제2 해소 처리가 실행된다(S118). 제2 해소 처리가 실행되면, 충방전 장치(10)의 제어에 의해 셀(31)의 전압이 미리 정해진 전압(1.5V 정도)에 도달할 때까지 일정 전류로의 방전 제어가 실시된다.
1.5V 정도까지 방전(이하, 심방전이라고도 기재함)이 실시되면, 셀(31)의 SOC와 부극(38)의 전위(이하, 부극 전위로 기재함)의 관계는, SOC의 변화에 대하여 부극 전위가 크게 변동되는 관계가 된다.
도 5는 SOC와 부극 전위의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 5의 종축은, 부극 전위를 나타낸다. 도 5의 횡축은, SOC를 나타낸다. 도 5의 LN3은, SOC의 변화에 대한 부극 전위의 변화를 나타낸다.
도 5의 LN3으로 나타내는 바와 같이, 리튬 이온 전지에 있어서의 SOC와 부극 전위의 관계는, SOC가 낮아질수록 부극 전위는 증가하는 관계를 갖는다. 특히, 셀(31)이 배터리(30)로서 차량(50)에 탑재된 상태에서의 사용 범위에 있어서는, 예를 들어 셀(31)의 SOC의 변화량 ΔSOC에 대한 부극 전위의 변화량 ΔV1은, 당해 사용 범위보다도 낮은 범위에 있어서의 SOC의 변화량 ΔSOC에 대한 부극 전위의 변화량 ΔV2보다도 작다. 이와 같은 SOC의 변화에 대한 부극 전위의 변화량은, 전극면에 있어서 발생하는 전위 불균일을 해소하는 변화력에 영향을 미친다.
도 6은 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포의 변화의 일례를 도시하는 도면이다. 도 6의 (A)에는, 초기 상태에 있어서의 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포(LN4)의 일례를 도시한다. 또한, 도 6의 (B)에는, 하이 레이트 열화 후에 있어서의 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포(LN5)의 일례를 도시한다.
도 6의 LN4로 나타내는 바와 같이, 초기 상태에 있어서는, 셀(31)의 부극 전위는, 전극면의 위치에 관계없이 일정한 값이 된다. 하이 레이트 열화 후에 있어서는, 셀(31)의 부극 전위는, 전위 불균일이 발생하여, 도 6의 LN5로 나타내는 바와 같이, 전극면의 중앙 부근에 있어서의 부극 전위가 초기 상태에 있어서의 부극 전위보다도 저하되고, 단부 부근에 있어서의 부극 전위가 초기 상태에 있어서의 부극 전위보다도 증가된다. 이때, 도 6의 (B)의 화살표로 나타내는 바와 같이, 전극면의 중앙 부근에 있어서는, 부극 전위가 증가하는 방향으로 변화력이 발생하고, 전극면의 단부 부근에 있어서는, 부극 전위가 저하되는 방향으로 변화력이 발생한다. 그러나, 이 변화력은, 후술하는 제2 해소 처리 실행 후에 발생하는 변화력보다도 작기 때문에, 도 3을 사용하여 설명한 바와 같이 전위 불균일의 해소에 긴 시간을 요한다.
도 7은 제2 해소 처리 실행 후에 있어서의 전극면의 위치에 대한 부극 전위의 분포의 일례를 도시한다. 도 7의 LN6에는, 제2 해소 처리 실행 후에 있어서의 전극면의 위치의 변화에 대한 부극 전위의 변화를 나타낸다.
도 7의 LN6으로 나타내는 바와 같이, 제2 해소 처리 실행 후에 있어서는, 전극면의 중앙 부근에 있어서의 부극 전위는, 상술한 도 6의 LN5와 비교하여 크게 저하되고, 전극면의 단부 부근에 있어서의 부극 전위는, 상술한 도 6의 LN5와 비교하여 크게 증가된다. 이때, 도 7의 화살표로 나타내는 바와 같이, 전극면의 중앙 부근에 있어서는, 부극 전위가 증가하는 방향의 변화력이 상술한 도 6의 LN5와 비교하여 크게 작용하고, 전극면의 단부 부근에 있어서는, 부극 전위가 저하되는 방향의 변화력이 상술한 도 6의 LN5와 비교하여 크게 작용한다. 제2 해소 처리의 실행에 의해 발생한 변화력이, 전위 불균일을 해소할 때까지 작용함으로써, 제2 해소 처리의 실행 전보다도 전위 불균일이 단시간에 해소되게 된다.
도 8은 각종 방전 실시 전후에서의 전위 불균일에 의한 불균일량의 변화의 일례를 도시하는 도면이다. 또한, 「불균일량」은, 상술한 대로, 전위 불균일에 의해 충전할 수 없는 전력량(혹은, SOC의 크기)에 상당한다. 이하의 설명에 있어서는, 「불균일량」을 「전위 불균일량」이라고도 기재한다. 도 8의 (A)에는, 하이 레이트 열화한 후이며, 제2 해소 처리 실행 전의 전위 불균일량의 일례가 도시된다. 도 8의 (B)에는, 3.0V까지 방전 제어를 실시한 후의 전위 불균일량의 일례가 도시된다. 또한, 도 8의 (C)에는, 제2 해소 처리의 실행 후(즉, 1.5V까지 방전 제어를 실시한 후)의 전위 불균일량의 일례가 도시된다. 도 8의 LN7은, 셀(31)의 초기 상태에 있어서의 전위 불균일량의 일례를 나타낸다.
도 8의 (C)에 도시한 바와 같이, 제2 해소 처리의 실행 후에 있어서는, 도 8의 (A)에 도시한 방전 제어의 실시 전의 전위 불균일량과 비교하여 전위 불균일량이 저하된 상태로 된다. 이 경우의 전위 불균일량의 저하량은, 도 8의 (B)에 도시한 3.0V까지 방전 제어를 실시한 후의 전위 불균일량의 저하량보다도 작고, 도 8의 LN7로 나타내는 초기 상태에 있어서의 전위 불균일량과 거의 동일한 전위 불균일량까지 저하되는 값이 된다. 이와 같이, 제2 해소 처리의 실행에 의해, 초기 상태의 전위 불균일량 상당까지 전위 불균일에 기인하는 열화를 해소할 수 있다.
한편, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1을 상회한다고 판정되는 경우(S104에서 "예"), 제1 해소 처리가 실행된다(S106). 제1 해소 처리의 실행에 의해, 예를 들어 상술한 dQ/dV 전압 특성선에 있어서의 피크 전압 Vc 전후의 전압에서 방전이 실시됨으로써, 정극 및 부극에서의 체적 변화를 발생시켜 전해액을 유입시킴으로써 염 농도의 불균일에 기인하는 열화가 해소된다. 그 후에 셀(31)의 저항값이 측정되고(S108), 제2 해소 처리가 실행되어(S110), 전위 불균일에 기인하는 열화가 해소된다. 제2 해소 처리의 실행 후에 셀(31)의 저항값이 허용 범위 내인 경우에는, 셀(31)의 재이용이 가능하다고 판정된다(S114). 또한, 셀(31)의 저항값이 허용 범위 외인 경우에는, 셀(31)의 재이용이 불가능하다고 판정된다(S116).
상술한 바와 같은 처리가, 예를 들어 배터리(30)를 구성하는 모든 셀(31)에 대하여 실시됨으로써 배터리(30) 중 재이용이 가능한 셀과, 재이용이 불가능한 셀을 판별할 수 있다.
이상과 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 전지 처리 시스템(2)에 의하면, 열화 지표값 ΣD가 초깃값으로부터 변화된 이력이 있는 경우에, 전극체(36)의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화가 발생하였을 가능성이 있기 때문에, 제2 해소 처리가 실행됨으로써, 당해 열화를 해소할 수 있다. 또한, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1보다도 큰 경우에는, 제1 해소 처리가 실행되기 때문에, 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있다. 따라서, 전위의 불균일에 기인한 열화를 해소하는 전지 처리 시스템 및 전지 처리 방법을 제공할 수 있다.
또한, 제2 해소 처리는, 셀(31)에 대하여 미리 정해진 전압에 도달시키는 과방전을 행하는 처리를 포함하기 때문에, 전극체(36)의 전극면에 있어서 전위의 치우침을 조기에 해소하는 변화를 발생시킬 수 있다.
또한, 열화 지표값 ΣD가 제1 역치 TH1을 상회하는 경우에, 제1 해소 처리를 실행한 후에 제2 해소 처리가 실행된다. 그 때문에, 제2 해소 처리가 실행됨으로써 전극체(36)의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소할 수 있음과 함께, 제1 해소 처리가 실행됨으로써 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소할 수 있다.
또한, 정극의 활물질과 부극의 활물질 중 적어도 한쪽에는, 리튬 이온의 삽입 탈리가 가능한 재료가 포함되기 때문에, 제2 해소 처리의 실행에 의해 전극체(36)의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소할 수 있다.
이하, 변형예에 대하여 기재한다.
상술한 실시 형태에서는, 제어 장치(100)가 ECU(60)로부터 배터리(30)를 구성하는 셀(31)의 열화 지표값 ΣD를 취득하고, 취득된 열화 지표값 ΣD에 기초하여 충방전 장치(10)를 사용하여 제1 해소 처리 또는 제2 해소 처리를 실행하는 것으로서 설명하였지만, 제어 장치(100) 대신에, ECU(60)가 열화 지표값 ΣD에 기초하여 차량(50)에 탑재되는 전력 변환 장치(도시하지 않음)를 사용하여 제1 해소 처리 또는 제2 해소 처리를 실행해도 된다. 이 경우, 차량(50)에는, 배터리(30)를 구성하는 복수의 셀(31) 중 어느 것을 개별로 충전 또는 방전하거나, 충방전 대상으로부터 분리하거나 하는 회로를 갖고 있어도 된다.
또한 상술한 실시 형태에서는, 열화 지표값 ΣD의 적산의 이력이 있는 경우에, 적어도 제2 해소 처리가 실행되는 것으로서 설명하였지만, 열화 지표값 ΣD가 제2 역치 TH2를 상회하는 기간이 있는 경우에, 제2 해소 처리가 실행되면 되고, 열화 지표값 ΣD가 제2 역치 TH2를 상회하는 상태인 경우에, 적어도 제2 해소 처리가 실행되도록 해도 된다.
또한 상술한 실시 형태에서는, 제2 역치 TH2는, 제로인 것으로서 설명하였지만, 제로에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기한 변형예는, 그 전부 또는 일부를 적절히 조합하여 실시해도 된다.
본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (6)

  1. 전극체를 갖는 리튬 이온 전지와,
    상기 리튬 이온 전지의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 전극체의 내부에 있어서의 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 상기 리튬 이온 전지의 열화의 진행 정도를 나타내는 지표값을 취득하고,
    상기 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에, 상기 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소하는 제1 해소 처리를 실행하고,
    상기 지표값이, 상기 제1 역치 이하이며, 또한, 상기 제1 역치보다도 작은 제2 역치를 상회하는 기간이 있는 경우에, 상기 리튬 이온 전지의 방전에 의해 상기 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소하는 제2 해소 처리를 실행하는, 전지 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 해소 처리는, 상기 리튬 이온 전지에 대하여 미리 정해진 전압에 도달시키는 과방전을 행하는 처리를 포함하는, 전지 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 지표값이, 상기 제1 역치 이하이며, 또한, 상기 지표값이 초깃값으로부터 상기 제2 역치를 상회하는 변화의 이력이 있는 경우에 상기 제2 해소 처리를 실행하는, 전지 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 지표값이 상기 제1 역치를 상회하는 경우에, 상기 제1 해소 처리를 실행한 후에 상기 제2 해소 처리를 실행하는, 전지 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극체는, 정극과 부극을 포함하고,
    상기 정극의 활물질과 상기 부극의 활물질 중 적어도 한쪽이 상기 리튬 이온의 삽입 탈리가 가능한 재료를 포함하는, 전지 처리 시스템.
  6. 전극체를 갖는 리튬 이온 전지의 열화를 해소하는 전지 처리 방법이며,
    상기 전극체의 내부에 있어서의 리튬 이온의 농도 분포의 치우침에 기인하는 상기 리튬 이온 전지의 열화의 진행 정도를 나타내는 지표값을 취득하는 스텝과,
    상기 지표값이 제1 역치를 상회하는 경우에, 상기 농도 분포의 치우침에 기인하는 열화를 해소하는 제1 해소 처리를 실행하는 스텝과,
    상기 지표값이, 상기 제1 역치 이하이며, 또한, 상기 제1 역치보다도 작은 제2 역치를 상회하는 기간이 있는 경우에, 상기 리튬 이온 전지의 방전에 의해 상기 전극체의 전극면에 있어서 전위가 치우치는 것에 기인하는 열화를 해소하는 제2 해소 처리를 실행하는 스텝을 포함하는, 전지 처리 방법.
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