WO2023171799A1

WO2023171799A1 - 充放電試験装置及び電池寿命評価方法

Info

Publication number: WO2023171799A1
Application number: PCT/JP2023/009356
Authority: WO
Inventors: 裕之佐藤
Original assignee: 株式会社Ｅｖモーターズ・ジャパン
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2023-09-14
Also published as: JPWO2023170878A1; JP7254247B1; TW202346886A; WO2023170878A1

Abstract

充放電試験装置１０は、商用交流電源１２に交流側端子が接続され、共通直流バス１３に直流側端子が接続されるＡＣ／ＤＣコンバータ１４と、共通直流バス１３にそれぞれの一端が接続され、複数の二次電池が直列接続された各試験体１１にそれぞれの他端が接続される複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、同時に試験される複数の試験体１１の総容量と同等以上の容量を有し、共通直流バス１３に接続された蓄電池１６と、開放電圧が蓄電池１６の満充電電圧よりも高く、共通直流バス１３に接続されたソーラーパネル１７と、各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御する制御部１８とを備え、充放電試験時に、各試験体１１と蓄電池１６との間で電力の授受が行われ、蓄電池１６の不足電力は、ソーラーパネル１７で発電された電力で補われる。

Description

充放電試験装置及び電池寿命評価方法

本発明は、少ない消費電力で多数のリチウムイオン電池等の二次電池の充放電試験（寿命試験）をまとめて効率的に行うことができる充放電試験装置及びそれを用いた電池寿命評価方法に関する。

近年、スマートフォン等のＩＴ機器の発達及び電気自動車等の実用化により、二次電池（主にリチウムイオン電池）の需要が急速に増加している。この二次電池の量産過程の最終工程では、生産された二次電池の活性化及び品質検査が行われており、充放電試験により、所定の性能や特性を満たしているか否かが検査されてから出荷されている。しかし、電気自動車等の普及に伴い、二次電池の容量が増加し、充放電試験における電力消費量が増大している。また、電気自動車等では多数の二次電池が使用されるため、より多くの二次電池を並行して効率的に省電力で試験可能な充放電装置が求められる。そこで、例えば、特許文献１には、交流側端子が交流電源に接続され、直流側端子が直流バスに接続される双方向ＡＣ／ＤＣコンバータと、一端が直流バスに接続され、他端が試料（二次電池）に接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによる試料に対する充放電を制御する制御装置と、を備え、直流バスに接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの数は、直流バスに接続される双方向ＡＣ／ＤＣコンバータの数より多く、制御装置は、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにそれぞれ接続される複数の試料の充放電パターンに応じて、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、複数の試料の充放電パターンは、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから双方向ＡＣ／ＤＣコンバータに供給される回生電力が最小化されるようスケジュールされている充放電試験システムが提案されている。

特開２０１２－１５４７９３号公報

特許文献１では、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ間で電流をやりとりするための直流バスを設けることにより、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータから交流バスに戻される回生電力を低減し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータにおける交流変換ロスを低減して、充放電試験システムの電力使用効率を向上させている。しかしながら、新たな二次電池を試験する度に、試験対象となる複数の二次電池に対し、系統電力（商用交流電源）から電力を供給して充電を行う必要があり、電力消費量そのものを削減することは困難で、低コスト化には限界があり、電力確保が困難になる可能性もある。また、制御装置では、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにそれぞれ接続される複数の試料の充放電パターンに応じて、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する際に、複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから双方向ＡＣ／ＤＣコンバータに供給される回生電力が最小化されるようスケジュールしなければならず、複雑な制御を必要とし、コストアップに繋がる可能性がある。なお、特許文献１には、直流バスに蓄電池を追加接続することにより、交流回生電源（双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ）のピーク電力を低下させ、交流回生電源の規模削減、低コスト化に寄与することが記載されているが、蓄電池をどのように使用するのか、具体的に記載されておらず、動作が不明である。
以上説明したように、多大な電力消費を伴う電気自動車等の大容量二次電池の寿命評価は、現状では実現されていない。そのため、中古市場に出回る電気自動車等の二次電池の寿命が把握されず、価値が低下し、適正な取引が行われず、寿命前の二次電池や再利用可能な二次電池が市場に流通することなく廃棄されてしまうという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、初期に与えられるエネルギーを繰返し再利用することにより、消費電力を大幅に削減して、複雑な制御を行うことなく、複数の二次電池の寿命評価を低コストで実現することができる充放電試験装置及びそれを用いて中古の二次電池の寿命を適正に把握することができる電池寿命評価方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る充放電試験装置は、直列接続された複数の二次電池を試験体として、複数の該試験体の充放電試験を同時に行うための充放電試験装置であって、
商用交流電源に交流側端子が接続され、共通直流バスに直流側端子が接続されるＡＣ／ＤＣコンバータと、前記共通直流バスにそれぞれの一端が接続され、前記各試験体にそれぞれの他端が接続される複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、同時に試験される複数の前記試験体の総容量と同等以上の容量を有し、前記共通直流バスに接続された蓄電池と、開放電圧が前記蓄電池の満充電電圧よりも高く、前記共通直流バスに接続されたソーラーパネルと、前記各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部とを備え、
充放電試験時に、前記各試験体と前記蓄電池との間で電力の授受が行われ、前記蓄電池の不足電力は、前記ソーラーパネルで発電された電力で補われる。

第１の発明に係る充放電試験装置において、前記試験体は、複数の前記二次電池が直列接続されてモジュール化された電池モジュール又は複数の該電池モジュールが直列接続された組電池であってもよい。

第１の発明に係る充放電試験装置において、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータであることが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る電池寿命評価方法は、第１の発明に係る充放電試験装置を用いた電池寿命評価方法であって、
直列接続された複数の新品の二次電池を前記試験体として繰返し行われる充放電試験の結果を製造時試験結果として保存しておき、前記新品の二次電池と同型で直列接続された複数の中古の二次電池を前記試験体として行われる充放電試験の結果と比較することにより、前記中古の二次電池の寿命予測を行う。

第２の発明に係る電池寿命評価方法において、前記製造時試験結果として、前記充放電試験の繰返し回数を横軸とし、前記各充放電試験で求められた容量を縦軸とするグラフが作成されることが好ましい。

第１の発明に係る充放電試験装置は、試験体（直列接続された複数の二次電池）と、蓄電池との間で充放電を繰返し行うことが可能で、初期に蓄電池が充電された後は、商用交流電源からの電力供給が不要で、消費電力を大幅に削減することができ、極めて少ないエネルギーで複数の試験体（多数の二次電池）の寿命試験を同時に行うことができる。試験体が放電する際の直流回生電力（放電エネルギー）を交流回生電力に変換して商用交流電源に戻す代わりに、直流回生電力をそのまま蓄電池に蓄電し、試験体を充電する際に再利用することにより、回生電力の変換ロスが無くなり、回生電力を高効率で有効利用することができる。試験体の放電エネルギーを蓄電池に蓄えて充電エネルギーとして再利用するので、ピーク電力を抑え、試験中に安定して確実に電力を供給することができ、停電に対する制御を行うことなく、無瞬断にて蓄電池から定電圧で電力を供給し続けることが可能で、動作の安定性に優れる。蓄電池の不足電力は、ソーラーパネルで発電された電力で補われるので、商用交流電源の使用量又は電気代を極力削減し、低コスト化を図ることができる。ソーラーパネルの開放電圧が蓄電池の満充電電圧よりも高く設定されることにより、充放電試験中に共通直流バスの電圧が変動しても、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく、ソーラーパネルから直接、蓄電池に電力を供給することができ、装置の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

第１の発明に係る充放電試験装置において、試験体が、複数の二次電池が直列接続されてモジュール化された電池モジュール又は複数の電池モジュールが直列接続された組電池である場合、各二次電池の充放電試験を兼ねて１又は複数の電池モジュール若しくは組電池の充放電試験を行うことができ、各二次電池の充放電試験と、電池モジュール若しくは組電池の充放電試験を別々に行う必要がなくなり、充放電試験にかかる手間と時間を従来に比べて大幅に削減することができる。

第１の発明に係る充放電試験装置において、ＡＣ／ＤＣコンバータが、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータである場合、充放電試験を行っていない時に、充電済みの蓄電池から、必要に応じて、余剰の直流回生電力を交流回生電力に変換して利用することも可能であり、商用交流電源の電力消費の軽減及びピークカットに役立てることができる。

第２の発明に係る電池寿命評価方法は、二次電池の製造時に繰返し行われる充放電試験の結果（寿命試験結果）を製造時試験結果として保存しておき、中古の二次電池の充放電試験の結果と比較することにより、中古の二次電池の寿命予測を行って、中古の二次電池の市場価値を高めることができる。

第２の発明に係る電池寿命評価方法において、製造時試験結果として、充放電試験の繰返し回数を横軸とし、各充放電試験で求められた容量を縦軸とするグラフが作成される場合、中古の二次電池の充放電試験の結果から、簡単かつ確実に中古の二次電池の寿命を予測することができる。

本発明の一実施例に係る充放電試験装置の構成を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示す本発明の一実施例に係る充放電試験装置１０は、直列接続された複数の二次電池を試験体１１として、複数の試験体１１の充放電試験を同時に行うためのものである。この充放電試験装置１０は、生産された二次電池（例えばリチウムイオン電池）の活性化及び品質検査でも用いられるが、特に、寿命試験（電池寿命予測）に好適に用いられる。
以下、充放電試験装置１０の詳細について説明する。
図１に示すように、充放電試験装置１０は、商用交流電源１２に交流側端子が接続され、共通直流バス１３に直流側端子が接続される双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータの一例）１４と、共通直流バス１３にそれぞれの一端が接続され、複数の二次電池が直列接続された試験体１１にそれぞれの他端が接続される複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を備えている。また、充放電試験装置１０は、同時に試験される複数の試験体１１の総容量と同等以上の容量を有し、共通直流バス１３に接続された蓄電池１６と、開放電圧が蓄電池１６の満充電電圧よりも高く、共通直流バス１３に接続されたソーラーパネル１７と、各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御する制御部１８を備えている。
この充放電試験装置１０は、制御部１８で各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御することによって、各試験体１１（各二次電池）に対する充放電を制御する。充放電試験時には、各試験体１１と蓄電池１６との間で電力の授受が行われ、蓄電池１６の電力が不足する時は、ソーラーパネル１７で発電された電力で補われる。

ここで、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、蓄電池１６及びソーラーパネル１７は、電源ユニット２０を構成する。なお、通常、ソーラーパネルで発電される電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧又は降圧された後、ＡＣ／ＤＣコンバータで交流に変換されて使用されており、直流のまま使用される場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータによる昇圧又は降圧が必要とされる。しかし、この充放電試験装置１０では、ソーラーパネル１７の開放電圧が蓄電池１６の満充電電圧よりも高く設定されることにより、充放電試験中に共通直流バス１３の電圧が変動しても、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく、ソーラーパネル１７から直接、蓄電池１６に電力を供給することができる。このように、蓄電池１６及びソーラーパネル１７が共通直流バス１３に直接、接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータが省略されることにより、充放電試験装置１０の構成が簡素化され、低コスト化が図られる。なお、蓄電池１６からソーラーパネル１７に電流が流れないように、ソーラーパネル１７と共通直流バス１３の間に逆流防止ダイオードが接続されることが好ましい。

充放電試験装置１０では、従来の交流バスが共通直流バス１３に変更されたことにより、各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に対して双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを接続する必要がなくなり、構成が簡素化されている。なお、商用交流電源１２から共通直流バス１３に電力を供給するために少なくとも１つのＡＣ／ＤＣコンバータが必要であるが、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１４が用いられることにより、充放電試験が行われていない時に、充電済みの蓄電池１６から、必要に応じて、余剰の直流回生電力（放電エネルギー）を交流回生電力に変換して利用することも可能であり、商用交流電源１２の電力消費の軽減及びピークカットに役立てることができる。また、充放電試験装置１０では、試験体１１と蓄電池１６が、それぞれ共通直流バス１３に接続されているので、試験体１１が放電する際の直流回生電力（放電エネルギー）を交流回生電力に変換することなく、蓄電池１６に蓄電して試験体１１の充電時に再利用することができる。したがって、充放電試験装置１０では、直流回生電力から交流回生電力への変換ロスを無くして、直流回生電力を高効率で利用できると共に、停電の影響を受けることなく、確実かつ連続的に試験体１１の充放電試験（寿命試験）を行うことができる。

また、充放電試験装置１０は、蓄電池１６の電力が不足する場合には、ソーラーパネル１７で発電された電力で補うことができるので、商用交流電源１２の使用量又は電気代を削減し、低コスト化を図ることができる。このとき、ソーラーパネル１７以外に、１又は複数種類の補助発電手段が組み合わされて使用されてもよい。なお、蓄電池１６は、ソーラーパネル１７の代わりに、深夜電力によって蓄電されてもよいし、ソーラーパネル１７と深夜電力が組合されて、天候や時間帯に応じて両者が使い分けられてもよい。但し、必要に応じて、蓄電池１６は商用交流電源１２で蓄電されることもある。
ソーラーパネル以外の補助発電手段として、風力発電その他の再生可能エネルギーを利用するものが用いられてもよい。

次に、充放電試験装置１０の動作について説明する。
まず、各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に対し、試験体１１として複数の二次電池が直列接続される。初期の試験体１１（各二次電池）は未充電状態で、蓄電池１６は予め商用交流電源１２（又はソーラーパネル１７で発電された電力）によって充電されており、制御部１８により各試験体１１への充電が指示されると、蓄電池１６から各試験体１１に電力が供給されて各試験体１１（各二次電池）への充電が行われる。そして、充電工程の終了後に制御部１８により各試験体１１からの放電が指示されると、各試験体１１から蓄電池１６に電力が供給されて各試験体１１（各二次電池）からの放電が行われる。このように、各試験体１１と蓄電池１６との間で電力の授受が行われることにより、各試験体１１の充放電が繰り返されるが、各試験体１１は、特性（性能）の違い（例えば内部抵抗又は容量等のばらつき等）によって充電時間及び放電時間がそれぞれ異なる。従って、各試験体１１は、非同期状態で、それぞれが個別に蓄電池１６との間で充電と放電を繰り返す。

所定回数の充電と放電を繰返して充放電試験が完了した試験体１１は、制御部１８からの指令により次工程に送られ、随時、新たに搬送されて来る試験体１１の試験が行われる。蓄電池１６の不足電力は、ソーラーパネル１７で発電された電力で補われる（実際には、蓄電池１６の電力不足が発生しないように、ソーラーパネル１７で発電された電力が蓄電池１６に供給される）ため、充放電試験は安定して継続的に続けられる。蓄電池１６としては、リチウムイオンバッテリーが好適に用いられ、その容量は、同時に試験される試験体１１の総容量に応じて、適宜、選択される。つまり、蓄電池１６の容量が、同時に試験される試験体１１の総容量と同等以上となるように、試験体１１の数又は各試験体１１を構成する二次電池の数が選択され、容量や種類の異なる二次電池が同時に試験されることもある。
なお、試験体は、複数の二次電池が直列接続されたものであればよく、複数の二次電池が直列接続されてモジュール化された電池モジュールでもよいし、複数の電池モジュールが直列接続された組電池でもよい。

ここで、充放電試験装置１０は、充放電試験中に、各試験体１１に接続され、制御部１８で制御されて、各試験体１１を構成するそれぞれの二次電池の充放電電圧を、予め設定された許容ばらつき範囲内に収まるように調整する電圧調整手段２１を備えることができる。
電圧調整手段２１としては、例えば、各試験体１１を構成するそれぞれの二次電池と並列に電気接続される電圧センサで各二次電池の充放電電圧を測定する電圧測定回路と、各二次電池に並列接続されるオンオフスイッチ付きのバイパス回路とを有するものが挙げられる。各電圧センサ及び各バイパス回路（オンオフスイッチ）が制御部１８で制御されることにより、充放電試験中に、予め設定された測定時間間隔で、各二次電池の充放電電圧が測定され、測定された充放電電圧が基準電圧値より高い二次電池に並列接続されたバイパス回路が一定時間オンとなって、該当する二次電池の充放電電流の一部がバイパス回路に分流される。その結果、充放電電圧が基準電圧値より高かった二次電池に流れる充放電電流が減少して充放電が抑制されることになり、全体としての充放電電圧のばらつきが減少する。このとき、バイパス回路に分流された電流はオンオフスイッチと直列に接続された抵抗で放電され、熱エネルギーとなって消費される。

以上のように構成された充放電試験装置１０により、商用交流電源１２からの電力供給を最小限に抑えながら、充放電試験を繰返し行うことができ、従来、実現が困難であった大容量の試験体（二次電池）についても寿命試験を行うことが可能となる。そして、この充放電試験装置１０を用いて中古の二次電池の電池寿命評価（寿命予測）を行うことができる。
以下、この充放電試験装置１０を用いた電池寿命評価方法について説明する。
まず、先に説明したように、電気自動車等で使用される新品の二次電池（直列接続された複数の新品の二次電池）を試験体として充放電試験装置１０で繰返し充放電試験が行われ、その結果（寿命試験結果）が製造時試験結果として保存される。その後、先に寿命試験が行われた二次電池と同型の中古の二次電池について寿命予測が必要となった際に、その同型の中古の二次電池（直列接続された複数の中古の二次電池）を試験体として充放電試験が行われ、その結果が製造時試験結果と比較されることにより、中古の二次電池の寿命が予測される。
例えば、製造時試験結果として、新品の二次電池について、充放電試験の繰返し回数を横軸とし、各充放電試験で求められた容量（新品の二次電池１個当りの平均値）を縦軸とするグラフが作成されていれば、充放電試験が行われた中古の二次電池の容量（中古の二次電池１個当りの平均値）との比較（中古の二次電池の容量が先に作成されたグラフ上のどこに位置するか）により、簡単に中古の二次電池の寿命が予測される。
これにより、充放電試験装置１０の利用者は、中古の二次電池の販売（使用）の可否を判断することや売買の適正価格を決定することができる。そして、寿命前の二次電池や再利用可能な二次電池の廃棄が防止され、二次電池（電気自動車）の中古市場の拡大及び適正化が促進される。なお、製造時試験（寿命試験）の対象となった新品の二次電池の直列接続数と、寿命予測の対象となった中古の二次電池の直列接続数が異なっている場合でも、製造時試験結果として作成され、充放電試験の繰返し回数と各充放電試験で求められた容量との関係を示すグラフにつき、容量の値が、二次電池１個当りの容量に換算されることにより、中古の二次電池の寿命予測が可能となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は何ら上記した実施例に記載の構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
試験体となる二次電池として、リチウムイオン電池の他に、ニッケル水素電池、ニッケルカドニウム電池、鉛蓄電池等が挙げられる。
上記実施例では、商用交流電源と共通直流バスとの間に双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを接続したが、必ずしも双方向ＡＣ／ＤＣコンバータでなくてもよい。また、共通直流バスに接続される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの数は、適宜、選択される。

本発明の充放電試験装置によれば、初期に与えられるエネルギーを繰り返し再利用して複数の二次電池の充放電を行うことにより、消費電力を大幅に削減して、複雑な制御を行うことなく、低コストで二次電池の寿命評価を行うことができる。そして、この充放電試験装置を用いた電池寿命評価方法により、中古の二次電池の寿命を適正に把握することが可能となり、特に電気自動車（大容量二次電池）の中古市場の拡大及び適正化に貢献することができる。

１０：充放電試験装置、１１：試験体、１２：商用交流電源、１３：共通直流バス、１４：双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、１５：双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６：蓄電池、１７：ソーラーパネル、１８：制御部、２０：電源ユニット、２１：電圧調整手段

Claims

直列接続された複数の二次電池を試験体として、複数の該試験体の充放電試験を同時に行うための充放電試験装置であって、
商用交流電源に交流側端子が接続され、共通直流バスに直流側端子が接続されるＡＣ／ＤＣコンバータと、前記共通直流バスにそれぞれの一端が接続され、前記各試験体にそれぞれの他端が接続される複数の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、同時に試験される複数の前記試験体の総容量と同等以上の容量を有し、前記共通直流バスに接続された蓄電池と、開放電圧が前記蓄電池の満充電電圧よりも高く、前記共通直流バスに接続されたソーラーパネルと、前記各双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部とを備え、
充放電試験時に、前記各試験体と前記蓄電池との間で電力の授受が行われ、前記蓄電池の不足電力は、前記ソーラーパネルで発電された電力で補われることを特徴とする充放電試験装置。
請求項１記載の充放電試験装置において、前記試験体は、複数の前記二次電池が直列接続されてモジュール化された電池モジュール又は複数の該電池モジュールが直列接続された組電池であることを特徴とする充放電試験装置。
請求項１又は２記載の充放電試験装置において、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする充放電試験装置。
請求項１記載の充放電試験装置を用いた電池寿命評価方法であって、
直列接続された複数の新品の二次電池を前記試験体として繰返し行われる充放電試験の結果を製造時試験結果として保存しておき、前記新品の二次電池と同型で直列接続された複数の中古の二次電池を前記試験体として行われる充放電試験の結果と比較することにより、前記中古の二次電池の寿命予測を行うことを特徴とする電池寿命評価方法。
請求項４記載の電池寿命評価方法において、前記製造時試験結果として、前記充放電試験の繰返し回数を横軸とし、前記各充放電試験で求められた容量を縦軸とするグラフが作成されることを特徴とする電池寿命評価方法。