CN101558320A - 二次电池的劣化判定装置及备用电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供二次电池的劣化判定装置及备用电源，包括：过放电检测部，检测作为劣化判定对象的二次电池的过放电；运算部，在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，积算表示上述二次电池的劣化的值；以及判定部，根据由上述运算部积算的积算值判定上述二次电池的劣化状态。

Description

二次电池的劣化判定装置及备用电源

技术领域

本发明涉及二次电池的劣化判定装置及使用该劣化判定装置的备用电源。

背景技术

二次电池，作为移动设备的电源、备用电源正在广泛普及。但是，二次电池会因重复充放电、在高温下的使用、过充电、过放电而劣化。如此，在二次电池已劣化的情况下，出现能够使用的时间缩短、或者不能进行必要的备用等不良现象，所以判定二次电池的劣化很重要。

作为二次电池的劣化判定方法，例如，提出有针对放电时的电流值计测电压的下降量，算出二次电池的内阻来判定劣化状态的方法(例如，参照日本专利公开公报特开2003-243042号(以下称作“专利文献1”))等。

但是，在备用电源等情况下，若如专利文献1，在放电已经开始的时刻判定劣化，则在该时刻已无法得到足够的放电容量，所以不能避免出现备用时间不足等不良现象。因此，需要定期实施进行用于劣化判定的放电的维护等手段。而且，在执行进行用于劣化判定的放电的维护的过程中，由于不能进行电源的备用，所以发生需要停止备用功能等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需仅为了劣化判定而进行放电的二次电池的劣化判定装置及使用该劣化判定装置的备用电源。

本发明所涉及的劣化判定装置及备用电源包括：过放电检测部，检测作为劣化判定对象的二次电池的过放电；运算部，在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，积算表示上述二次电池的劣化的值；以及判定部，根据由上述运算部积算的积算值，判定上述二次电池的劣化状态。

根据该结构，通过过放电检测部，作为劣化判定对象的二次电池的过放电被检测出。而且，在通过过放电检测部上述二次电池的过放电被检测出的期间，由运算部积算表示该二次电池的劣化的值。然后，由判定部，根据由运算部积算的积算值来判定该二次电池的劣化状态，所以无需只为劣化判定而进行放电，就能判定二次电池的劣化。

附图说明

图1是本发明实施方式的***的概略结构图。

图2是表示过放电的多个判定等级和二次电池的电压的状态的图。

图3是表示二次电池的充放电循环数与放电容量之间的关系的坐标图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式，在进行具体说明之前，先说明本发明的二次电池的劣化判定的原理。

一般来说，二次电池的劣化的主要原因在于过充电引起的电解液的因电分解的减少或活性物质的钝化(passivation)，和过放电引起的电解液的因电分解的减少或活性物质的钝化、失活(inactivation)的情况很多。

其中，关于过充电引起的劣化，通常通过优化正极容量和负极容量的平衡设计等，设计成对于一定程度的过充电具有耐受性，所以很少引起急剧的劣化。另一方面，关于过放电引起的劣化，因为过放电时正极与负极的电位关系反转等，引起与通常状态完全不同的电化学反应，所以劣化的程度与过充电相比非常大。

另外，对于用作备用电源的二次电池，近年来随着信息化的发展，呈现大型化、高电压化的趋势。特别是，在消耗功率增大的情况下，若要增加输出电流，则有电路和元件的焦耳热增大的问题。因此，一般是通过将输出电压高电压化，来抑制输出电流的增大，同时增大输出功率。

此时，由于二次电池(secondary battery)的单位电池(unit cell)电压被电化学地决定，所以单位电池串联的数目会增加。但是，若将单位电池串联地连接，由于在串联连接的全部单位电池中流过的电流为一定，所以，因单位电池间的SOC(充电的状态，StateOf Charge)的差，SOC小的单位电池在放电末期就会过放电。

因此，需要通过过放电检测单元来避免过放电，但是若因一单位电池的过放电就停止放电，则即使在其他单位电池中容量有剩余，充分具有备用能力的情况下，容量有剩余的单位电池的放电受到限制，所以存在限制作为电源整体的能力的问题。

因此，本发明，能在需要备用时尽可能地发挥作为电源整体的能力的同时，能够准确地把握由过放电引起的二次电池的劣化，在适当的时期实施必要的电池维护。

图3是表示对边使二次电池过放电边实施耐久试验的情况和不让过放电而实施耐久试验的情况进行比较的试验结果的坐标图。耐久试验所使用的电池是3000mAh的圆筒形镍氢蓄电池。将该电池在20℃环境下，以充电电流为3A，充电至电池电压从峰值降低10mV来实现满充电，然后以10A的放电电流放电到端子电压为0V。

不让过放电的二次电池就此停止放电。对于让过放电的二次电池，之后再以10A，分别实施20秒钟的过放电、和40秒钟的过放电两种实验。关于没让过放电的单位电池，在100循环后仍具有初期的98％以上的容量，几乎劣化未加重。

另一方面，关于在每个放电循环进行了10A、20秒的过放电的单位电池，放电容量在第36循环降低到初期的95％，在第68循环降低到初期的90％。另外，关于每个放电循环进行10A、40秒的过放电的单位电池，放电容量在第20循环降低到初期的95％，在第36循环降低到初期的90％。

从该结果可知，电池的过放电急剧促进容量劣化。另外，相对于10A、20秒钟的过放电的电池，10A、40秒钟的过放电的电池以大致两倍的速度劣化，由此还可知，过放电的量与劣化之间存在非常良好的关联(good correlation)。

如此，由于过放电量与电池的劣化之间存在良好的关联，所以当负载电流大致能估计的情况下，通过检测二次电池的过放电并积算过放电的持续时间，能够准确地把握二次电池的劣化。此外，当负载电流的变动大、难以估计电流值的情况下，通过积算从过放电时的电流和过放电的持续时间即过放电时间求出的放电电量，能够准确地把握二次电池的劣化。

另外，根据电池的种类，还存在过放电的等级阶段性地变化、并且各个阶段中的劣化促进因素不同的情况。在这样的情况下，通过在过放电的检测单元中设置多个判定等级，以不同的系数积算各个判定等级中判定的过放电时间、过放电积算电量，能够进行二次电池的准确的劣化判定。

以下，参照附图，对用于实施本发明的实施例进行说明。

(第一实施例)

图1是本发明的第一实施例的使用劣化判定装置的备用电源***的概略结构图。

图1所示的备用电源***包括电池模块1、电流计测部4和ECU(Electric ControlUnit：电控单元)5。此时，由电流计测部4和ECU5构成劣化判定装置的一个例子。

电池模块1与电流计测部4串联连接，再与负载连接。电池模块1串联连接至少一个以上的二次电池2而构成。二次电池2的电压与设置在ECU5内部的过放电检测部3的输入连接。

电流计测部4与ECU5内部的过放电电量积算运算部(overdischarge electricamount integrating section)7连接。ECU5的内部还包括存储器8和CPU9(判定部)。CPU9在ECU5的内部与存储器8、过放电检测部3、过放电电量积算运算部7、过放电时间积算运算部6连接，进行数据的收发和各部分的控制。

过放电检测部3测量各个二次电池2的电压，并向CPU发送其电压值的数据。CPU9根据被发送来的电压值数据进行过放电等级的判定。电流计测部4测量电池模块1的放电电流或充电电流，并向过放电电量积算运算部7发送充放电电流值的数据。

若从电池模块1向负载放电，则二次电池2的电压下降，最终会低于预先设定的过放电电压值V1。于是，过放电检测部3检测出过放电状态，并通知CPU9。CPU9通过过放电时间积算运算部6积算(integrate)过放电状态的持续时间。即，过放电时间积算运算部6(过放电时间计测部)计测二次电池2的电压低于过放电电压V1的时间，并设该积算时间为T1。进一步，过放电时间积算运算部6将与积算时间T1成比例的值A×T1作为积算值而计算。

然后，CPU9在二次电池的劣化判定中使用由过放电时间积算运算部6计算的、与积算时间T1成比例的值即A×T1。在此，A是表示二次电池2的电压为V1以下时的劣化程度即劣化度的系数。

图3表示电池容量与过放电时间的关系。从该结果可知，电池容量与充放电循环数、即与过放电时间成直线关系，所以若积算值A×T1超过预先设定的值Z1，则能够判定二次电池2已劣化。CPU9将积算值A×T1与存储器8中存储的Z1进行比较，判定电池是否已劣化。

具体而言，CPU9，若积算值A×T1为Z1以上，则判定该二次电池2已劣化，若积算值A×T1小于Z1，则判定该二次电池未劣化。

如此，图1所示的备用电源，由于从二次电池2的过放电时间的积算量判定各个二次电池2的劣化状态，所以能在不用停止备用功能进行用于进行劣化判定的放电的维护的情况下，判定二次电池的劣化。因此，能够事先避免在定期进行维护的间歇期间实际上想要进行备用时，二次电池已经劣化而不能获得足够的备用时间的情况。

此外，若二次电池2被充电电压超过V1，而脱离过放电状态，CPU9就停止过放电时间积算运算部6的积算，让由过放电时间积算运算部6积算的积算时间T1存储到存储器8。过放电时间积算运算部6再次开始积算过放电时间时，从存储器8所存储的积算时间T1开始积算。

(第二实施例)

在二次电池2的过放电的等级(程度)中，根据二次电池2的电池电压存在多个等级。图2是表示过放电的多个判定等级与二次电池2的电池电压的状态的说明图。在图2中，示出了两个过放电等级。当二次电池2放电时，首先电池的正极成为过放电。图2所示的X的区域表示该状态。

若从该状态进一步放电，二次电池2的电池电压下降，就正负极均进入过放电的区域(图2的Y)。设在用X表示的区域，电池电压为V1以下且V2以上，在用Y表示的区域的状态下，电池电压小于V2。在各个状态下，对电池劣化的影响的程度不同。因此，较为理想的是，具有多个决定劣化度的系数，并且计测各个过放电状态的持续时间。

即，若设电池电压为V1以下且V2以上的时间的积算时间为T1，电池电压小于V2的时间的积算时间为T2，则若各个过放电等级的积算值之和即A×T1+B×T2超过预先设定的值Z2，就能够判定为电池已劣化。在此，A、B分别是表示电池电压为V1以下且V2以上时的劣化度(劣化的程度)、电池电压小于V2时的劣化度(劣化的程度)的系数，且A＜B。

此时，由于能够根据过放电的程度，考虑对电池劣化的影响的程度进行二次电池2的劣化判定，所以能够提高劣化判定的精度。

另外，虽然在此对过放电的等级为两个的情况进行了说明，但等级设定数并不限于此，也可以设定为3以上的等级并进行积算。

(第三实施例)

二次电池的过放电劣化，还取决于过放电状态下的放电电流。若二次电池2的电压下降到预先设定的规定值V1以下，过放电检测部3检测出二次电池2的过放电，则向CPU通知上述情况，过放电电量运算部7按照CPU9的指示，利用从电流计测部4发送来的电池模块放电电流I的数据，开始放电电量的积算运算。

如果放电电流I为恒定，与过放电时间T1和电流I的积算值成比例的C×I×T1成为过放电电量的积算值，并成为表示电池的劣化度的值。当这样得到的过放电电量的积算值大于预先设定的Z3时，判定为电池已劣化。在此，C是表示二次电池的电压为V1以下时的劣化度(劣化的程度)的系数。

另外，由于放电电流未必恒定，所以电流计测部4在预先设定的每个周期测量电流。设测量周期为Δt、过放电持续中测量电流的次数为N、第k次的电流的测量值为I(k)，设检测本次的过放电之前的劣化度为Z0，则由过放电电量运算部7计算新的积算值为Z0+C×(I(1)+I(2)+……+I(N-1)+I(N))×Δt。

CPU9在这样获得的新的积算值大于预先设定的Z3时判定为电池已劣化。

(第四实施例)

电池的劣化受能够根据电池电压判定的过放电状态、过放电状态时的放电电流、过放电状态的持续时间的影响。另外，根据***的运行状况，存在即使构成电池***(备用电源)的一部分电池成为过放电状态，如果其他电池尚未达到过放电，则不停止***的运行而持续运行为宜的情况。

现在，设二次电池的电压在降低到V1之后进一步从V1下降到V2的时间为T1、低于V的时间为T2、放电电流为I，则此时的二次电池的劣化可由过放电电量运算部7作为C×I×T1+D×I×T2而算出。

然后，CPU9，如果在过放电电量运算部7算出的C×I×T1+D×I×T2大于预先设定的值Z3，就判定为电池已劣化。在此，C、D分别表示二次电池的电压从V1下降到V2的劣化度(劣化的程度)、二次电池的电压低于V2时的劣化度(劣化的程度)的系数，且C＜D。

如第三实施例中所述，放电电流未必恒定。设电流计测部4的电流测量周期为Δt、在二次电池的电压为V1到V2之间的过放电状态下测量电流的次数为N次、在二次电池的电压低于V2的过放电状态下测量电流的次数为M次、第k次的电流测量值为I(k)，设检测本次的过放电之前的劣化度为Z0，则过放电电量运算部7计算新的积算值为Z0+C×(I(1)+I(2)+……+I(N-1)+I(N))×Δt+D×(I(1)+I(2)+……+I(M-1)+I(M))×Δt。

然后，CPU9当由过放电电量运算部7算出的新的积算值大于预先设定的Z3时判定为二次电池已劣化。

另外权利要求中记载的运算部，在各个实施例中，相当于过放电时间积算运算部6、过放电电量积算运算部7、或者将过放电时间积算运算部6和过放电电量积算运算部7的组合的结构。

本发明所涉及的劣化判定装置包括：过放电检测部，检测作为劣化判定对象的二次电池的过放电；运算部，在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，积算表示上述二次电池的劣化的值；以及判定部，根据由上述运算部积算的积算值判定上述二次电池的劣化状态。

根据此结构，通过过放电检测部，作为劣化判定对象的二次电池的过放电被检测出。另外，由运算部在通过过放电检测部二次电池的过放电被检测出的期间，积算表示该二次电池的劣化的值。然后，由判定部，根据由运算部积算的积算值来判定该二次电池的劣化状态，所以无需仅为了劣化判定而进行放电，就能判定二次电池的劣化。

另外，较为理想的是，还包括，过放电时间计测部，将通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间作为过放电时间而计测，其中，上述运算部将通过上述过放电时间计测部计测的过放电时间作为表示上述二次电池的劣化的值而积算。

根据此结构，通过过放电时间计测部，将通过过放电检测部过放电被检测出的期间作为过放电时间而计测。然后，由运算部将通过过放电时间计测部计测的过放电时间作为表示二次电池的劣化的值而积算。由于过放电时间与二次电池的劣化有关联，所以过放电时间的积算值适合作为表示二次电池的劣化的值。

另外，较为理想的是，用于判定上述过放电的程度的判定等级被预先设定，上述过放电检测部根据上述判定等级，检测上述过放电的程度，上述运算部将由上述过放电检测部检测到的表示过放电的程度的系数乘以由上述过放电时间计测部计测的过放电时间作为表示上述二次电池的劣化的值而积算，上述系数被设定为其值随着上述过放电的程度的增大而变大。

根据此结构，通过过放电检测部，根据用于判定过放电的程度的判定等级，过放电的程度被检测出。另外，通过运算部，将被设定为其值随着过放电检测部检测出的过放电的程度的增大而变大的系数与过放电时间相乘的值作为表示二次电池的劣化的值而积算。在这种情况下，由于考虑过放电的程度，将过放电时间作为表示二次电池的劣化的值而积算，所以二次电池的劣化的判定精度提高。

另外，较为理想的是，还包括计测流过上述二次电池的电流值的电流计测部，其中，上述运算部，在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，将由上述电流计测部计测的电流值作为表示上述二次电池的劣化的值而积算。

根据此结构，通过电流计测部，流过二次电池的电流值被计测出。而且，通过运算部，在通过过放电检测部过放电被检测出的期间，将由电流计测部计测的电流值作为表示二次电池的劣化的值而积算。由于过放电状态下的电流值与二次电池的劣化有关联，所以，这种电流值的积算值适合作为表示二次电池的劣化的值。

另外，较为理想的是，用于判定上述过放电的程度的判定等级被预先设定，上述过放电检测部，根据上述判定等级检测上述过放电的程度，上述运算部在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，将由上述过放电检测部检测到的表示过放电的程度的系数乘以由上述电流计测部计测的电流值作为表示上述二次电池的劣化的值而积算，上述系数被设定为其值随着上述过放电的程度的增大而变大。

根据此结构，通过过放电检测部，根据用于判定过放电的程度的判定等级，检测过放电的程度。而且，通过运算部，在通过过放电检测部过放电被检测出的期间，将被设定为其值随着二次电池的过放电程度的增大而变大的系数乘以由电流计测部计测的电流值作为表示二次电池的劣化的值而积算。在这种情况下，由于考虑过放电的程度，将流过二次电池的电流值作为表示二次电池的劣化的值而积算，所以二次电池的劣化的判定精度提高。

另外，较为理想的是，上述过放电检测部，当上述二次电池的端子电压低于预先设定的过放电电压值时，检测上述二次电池的过放电。

二次电池的端子电压随着放电的推进而下降，因此通过根据二次电池的端子电压是否低于预先设定的过放电电压值来检测二次电池的过放电，便于简化过放电检测部的结构。

另外，较为理想的是，上述判定等级是被设定为随着上述过放电的程度的增大而降低的电压值，上述过放电检测部，根据上述二次电池的端子电压与上述判定等级的比较结果，检测上述过放电的程度。

由于二次电池的端子电压随着过放电程度的增大而降低，所以通过将判定等级设为随着过放电的程度的增大而降低的电压值，过放电检测部根据二次电池的端子电压和判定等级的比较结果，能够很容易地检测出过放电的程度。

另外，本发明所涉及的备用电源包括：二次电池；过放电检测部，检测上述二次电池的过放电；运算部，在通过上述过放电检测部上述过放电被检测出的期间，积算表示上述二次电池的劣化的值；以及判定部，根据由上述运算部积算的积算值，判定上述二次电池的劣化状态。

根据此结构，通过过放电检测部二次电池的过放电被检测出。而且，通过运算部，在通过过放电检测部二次电池的过放电被检测出的期间，积算表示该二次电池的劣化的值。然后，由判定部，根据由运算部积算的积算值来判定该二次电池的劣化状态，所以无需仅为了劣化判定而进行放电，就能判定二次电池的劣化。

产业上的可利用性

本发明对二次电池的劣化判定有用，特别是用于备用电源中时其效果较大。

Claims (8)

1.一种二次电池的劣化判定装置，其特征在于包括：

过放电检测部，检测作为劣化判定对象的二次电池的过放电；

运算部，在通过所述过放电检测部所述过放电被检测出的期间，积算表示所述二次电池的劣化的值；以及

判定部，根据由所述运算部积算的积算值判定所述二次电池的劣化状态。

2.根据权利要求1所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于还包括：

过放电时间计测部，将通过所述过放电检测部所述过放电被检测出的期间作为过放电时间而计测，其中，

所述运算部，将通过所述过放电时间计测部计测的过放电时间作为表示所述二次电池的劣化的值而积算。

3.根据权利要求2所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于：

用于判定所述过放电的程度的判定等级被预先设定；

所述过放电检测部，根据所述判定等级检测所述过放电的程度；

所述运算部，将由所述过放电检测部检测到的表示过放电的程度的系数乘以由所述过放电时间计测部计测的过放电时间作为表示所述二次电池的劣化的值而积算；

所述系数被设定为其值随着所述过放电的程度的增大而变大。

4.根据权利要求1所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于还包括：

电流计测部，计测流过所述二次电池的电流值，其中，

所述运算部，在通过所述过放电检测部所述过放电被检测出的期间，将由所述电流计测部计测的电流值作为表示所述二次电池的劣化的值而积算。

5.根据权利要求4所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于：

用于判定所述过放电的程度的判定等级被预先设定；

所述过放电检测部，根据所述判定等级检测所述过放电的程度；

所述运算部，在通过所述过放电检测部所述过放电被检测出的期间，将由所述过放电检测部检测到的表示过放电的程度的系数乘以由所述电流计测部计测的电流值作为表示所述二次电池的劣化的值而积算；

所述系数被设定为其值随着所述过放电的程度的增大而变大。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于：

所述过放电检测部，当所述二次电池的端子电压低于预先设定的过放电电压值时，检测所述二次电池的过放电。

7.根据权利要求3或5所述的二次电池的劣化判定装置，其特征在于：

所述判定等级是被设定为随着所述过放电的程度的增大而降低的电压值；

所述过放电检测部，根据所述二次电池的端子电压和所述判定等级的比较结果，检测所述过放电的程度。

8.一种备用电源，其特征在于包括：

二次电池；

过放电检测部，检测所述二次电池的过放电；

运算部，在通过所述过放电检测部所述过放电被检测出的期间，积算表示所述二次电池的劣化的值；以及

判定部，根据由所述运算部积算的积算值，判定二次电池的劣化状态。

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