JP2020139913A

JP2020139913A - 二次電池の異常判定方法

Info

Publication number: JP2020139913A
Application number: JP2019037754A
Authority: JP
Inventors: 啓太小宮山; Keita Komiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: JP7089677B2

Abstract

【課題】異常検出精度の向上【解決手段】ここで提案される二次電池の異常判定方法は、対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を用意する工程Ａと、対象二次電池について抵抗値Ｒ１を測定する工程Ｂと、対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１を得る工程Ｃと、工程Ａで取得された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係と、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に基づいて、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを特定し、抵抗値Ｒｘと、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に当該対象二次電池が「異常」であると判定する工程Ｄとを含んでいる。【選択図】図１

Description

ここでの開示は、二次電池の異常判定方法に関する。

特開２０１２−０３７３３７号公報では、蓄電池に入出力する電流値と、蓄電池にかかる電圧値とを取得し、電流値が一定値以上変動した場合の当該電流値の変動動幅と、そのときの電圧値の変動幅とを用いて蓄電池の現在の内部抵抗値が算出されている。さらに、現在の内部抵抗値を、蓄電池の現在の温度に対応する内部抵抗初期値により除して、蓄電池の現在の温度における当該蓄電池の劣化率が算出されている。

特開２０１７−９５４０号公報や特開２０１８−１２０７８５号公報には、温度頻度分布に基づいて抵抗変化量ΔＲを算出し、内部抵抗Ｒを推定する方法が開示されている。

特開２０１２−０３７３３７号公報特開２０１７−９５４０号公報特開２０１８−１２０７８５号公報

ところで、特許文献１に記載された方法では、電流値が一定値以上変動した場合の当該電流値の変動動幅と、そのときの電圧値の変動幅とを用いて蓄電池の現在の内部抵抗値が算出される。しかし、車両に搭載される二次電池には、走行状況において、入出力が頻繁に切り替えられ、かつ、電流値も大きく変動する。このため、常に一定の電流値が流れない。電流値がばらつくような場合には、内部抵抗値の算出精度が悪くなる。電流値と電圧値とから抵抗値を推定する方法は、推定精度が悪く、異常状態を早期に検知できない場合がある。

ここで提案される二次電池の異常判定方法には、対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を用意する工程Ａと、対象二次電池について抵抗値Ｒ１を測定する工程Ｂと、対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１を得る工程Ｃと、工程Ａで取得された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係と、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に基づいて、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを特定し、抵抗値Ｒｘと、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に当該対象二次電池が異常であると判定する工程Ｄとが含まれている。

かかる二次電池の異常判定方法によれば、対象二次電池の抵抗値の異常をより精度良くかつ、早期に検知できる。

図１は、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を示す想定相関カーブＳ１を示すグラフである。図２は、ここで提案される二次電池の異常判定方法の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、ここで開示される二次電池の異常判定方法の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。

ここで提案される二次電池は、特に直流抵抗が増加するような異常を判定するのに適している。直流抵抗が増加するような異常は、例えば、電池内部の集電経路の異常や、内部端子と外部端子との接続異常など、電流経路の異常に起因しうる。

〈二次電池の異常判定方法〉
ここで提案される二次電池の異常判定方法には、以下の工程Ａ〜Ｄ含まれている。
工程Ａは、対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を用意する工程である。
工程Ｂは、対象二次電池について抵抗値Ｒ１を測定する工程である。
工程Ｃは、対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１を得る工程である。
工程Ｄは、工程Ａで取得された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係と、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に基づいて、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを特定し、当該抵抗値Ｒｘと、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に、当該対象二次電池が異常であると判定する工程である。

〈工程Ａ〉
工程Ａは、対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を用意する工程である。容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係は、例えば、対象二次電池の温度頻度分布に基づいて、推定される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係でありうる。

〈温度頻度分布〉
ここで、「温度頻度分布」は、例えば、対象二次電池の温度情報を予め定められた時間毎に取得し、予め定められた温度域毎に対象二次電池が滞在した時間を積算したものである。温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を取得する方法は、種々提案がある。

〈温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃｘ〉
温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃｘを得る方法には、例えば、以下の方法がある。例えば、対象二次電池の初期容量Ｃ０を得る。また、予め定められた温度域Ｔ（ｍ）毎に、対象二次電池が当該温度域Ｔ（ｍ）に滞在したときに単位時間当たり容量が劣化する量に応じた容量劣化係数Ａｃ（ｍ）を設定しておく。容量劣化係数Ａｃ（ｍ）は、例えば、予め行なった試験などを基に設定されてもよい。かかる容量劣化係数Ａｃ（ｍ）は、例えば、アレニウス則により設定されうる。また、容量劣化係数Ａｃ（ｍ）は、温度域Ｔ（ｍ）に加えて対象二次電池のＳＯＣ（State of Charge）との関係で対象二次電池のＳＯＣ毎に設定されていてもよい。そして、温度域Ｔ（ｍ）（さらにはＳＯＣ）毎の積算滞在時間、容量劣化係数Ａｃ（ｍ）に基づいて、温度域Ｔ（ｍ）毎に容量劣化量Ｃｄ（ｍ）を算出する。さらに、温度域Ｔ（ｍ）毎に容量劣化量Ｃｄ（ｍ）を積算して、容量劣化量Ｃｄｘを得る。そして、初期容量Ｃ０から容量劣化量Ｃｄｘを引いて、対象二次電池の推定される抵抗値Ｃｘを得る（Ｃｘ＝Ｃ０−Ｃｄｘ）。

〈温度頻度分布に基づいて推定される抵抗値Ｒｘ〉
温度頻度分布に基づいて推定される抵抗値Ｒｘは、例えば、対象二次電池について、温度頻度分布に基づいて容量値Ｃｘを推定される種々の方法が採用されうる。
例えば、対象二次電池の初期抵抗Ｒ０を得る。また、予め定められた温度域Ｔ（ｍ）毎に、対象二次電池が当該温度域Ｔ（ｍ）に滞在したときに単位時間当たり抵抗が増加する量に応じた抵抗増加係数Ａｒ（ｍ）を設定しておく。抵抗増加係数Ａｒ（ｍ）は、例えば、予め行なった試験などを基に設定されてもよい。かかる抵抗増加係数Ａｃ（ｍ）は、例えば、アレニウス則により設定されうる。また、抵抗増加係数Ａｒ（ｍ）は、温度域Ｔ（ｍ）に加えて対象二次電池のＳＯＣとの関係で対象二次電池のＳＯＣ毎に設定されていてもよい。そして、温度域Ｔ（ｍ）（さらにはＳＯＣ）毎の積算滞在時間、抵抗増加係数Ａｒ（ｍ）に基づいて、温度域Ｔ（ｍ）毎に抵抗増加量Ｒｄ（ｍ）を算出する。さらに、温度域Ｔ（ｍ）毎に抵抗増加量Ｒｄ（ｍ）を積算して、抵抗増加量Ｒｄｘを得る。そして、初期抵抗Ｒ０から抵抗増加量Ｒｄｘを足して、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを得る（Ｒｘ＝Ｒ０＋Ｒｄｘ）。

温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃｘおよび抵抗値Ｒｘは、温度履歴が更新される毎に得られる。図１は、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を示す想定相関カーブＳ１を示すグラフである。当該対象二次電池について得られた容量値Ｃｘおよび抵抗値Ｒｘをプロットすることによって、例えば、図１に示されているように、想定相関カーブＳ１が得られる。このような想定相関カーブは、対象二次電池と同型の二次電池について予め取得されているとよい。ここで、工程Ａで取得される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係は、このような想定相関カーブＳ１として得られうる。ここで、想定相関カーブＳ１は、工程Ａで取得される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとのプロット（Ｃｘ，Ｒｘ）の回帰曲線でありうる。

なお、上述した実施形態では、工程Ａで用意される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係として、対象二次電池の温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係が例示されている。工程Ａで用意される容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係は、これに限定されない。かかる相関関係は、例えば、対象二次電池と同型の二次電池について、適当に条件が設定されたシミュレーションで得られるものでもよい。また、対象二次電池と同型の二次電池について、実際に使用されたデータを収集して、抵抗値の異常がない正常品の平均値で取得される、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係でもよい。

〈工程Ｂ〉
工程Ｂは、対象二次電池について抵抗値Ｒ１を測定する工程である。
ここで、対象二次電池についての抵抗値Ｒ１は、例えば、対象二次電池の放電時に得られるＩＶ抵抗でありうる。例えば、対象二次電池を予め定められた電流値Ａ１で放電させて、この放電開始からＴａ秒後の電池電圧ＶａとＴｂ秒後の電池電圧Ｖｂとをそれぞれ測定し、Ｒ１＝（Ｖａ−Ｖｂ）／Ａ１により、抵抗値Ｒ１を算出する方法が挙げられる。図１に示された例では、例えば、放電開始から０．１ｓ後の抵抗値を対象二次電池についての抵抗値Ｒ１としている。放電開始から０．１ｓ後の抵抗値は、例えば、対象二次電池を予め定められた電流値Ａ１で放電させて、この放電開始から０．１秒後までの電圧降下量ｄＶｃを測定し、Ｒ１＝ｄＶｃ／Ａ１として得られる。なお、抵抗値Ｒ１を測定する工程では、予め定められた常温以上（例えば、２５℃以上）で測定されるとよい。また、対象二次電池の予め定められたＳＯＣの使用域において、その中心ＳＯＣにおいて測定される抵抗値Ｒ１が採用されるとよい。

この実施形態では、工程Ｂで測定される抵抗値Ｒ１は、放電開始から０．１ｓ後の抵抗値に基づいて得られている。放電開始直後に得られるＩＶ抵抗は、放電開始から０．１ｓ後の抵抗値に基づいて得られるものに限定されない。工程Ｂで測定される抵抗値Ｒ１は、例えば、放電開始から０．５秒以内の予め定められた時間経過後に得られるＩＶ抵抗としてもよい。これにより、放電開始直後に得られるＩＶ抵抗が得られる。放電開始直後に得られるＩＶ抵抗は、対象二次電池の電流の導通経路における構造に起因する抵抗に相関しているとされる。このため、放電開始直後に得られるＩＶ抵抗に基づいて、二次電池の異常判定方法を適用することによって、構造に起因する抵抗上昇などの異常が検知されるようになる。

〈工程Ｃ〉
工程Ｃは、対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１を得る工程である。温度頻度分布に基づいて推定される容量値を得る方法には、例えば、上述のように種々の方法がある。その一例が既に説明されているので、重複する説明を省略する。この実施形態では、対象二次電池について温度を実測し、温度頻度分布を得て、温度頻度分布に基づいて推定される容量値を得る方法に当てはめることによって、対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１が得られている。

〈工程Ｄ〉
工程Ｄは、工程Ａで取得された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係と、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に基づいて、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを特定し、当該抵抗値Ｒｘと、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に、当該対象二次電池が異常であると判定する工程である。かかる工程Ｄでは、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１が工程Ａで得られた相関関係に当てはめられる。そして、工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に応じた容量値Ｃｘから、対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘが導出される。導出された抵抗値Ｒｘと、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが対比される。そして、抵抗値Ｒｘと抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に、当該対象二次電池が「異常」であると判定される。なお、連続して測定された抵抗値Ｒ１が、推定される抵抗値Ｒｘと対比した場合に、予め定められた複数回（例えば、３回）続けて予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に、当該対象二次電池が「異常」であると判定されるように構成されていてもよい。このように、連続して測定された抵抗値Ｒ１が、推定される抵抗値Ｒｘと対比し、複数回続けて予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に、当該対象二次電池が「異常」であると判定されるように構成されていることによって、誤判定が防止される。

図１では、横軸に容量値、縦軸に抵抗値が取られて、工程Ａで用意された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係に応じて、想定相関カーブＳ１が描かれている。また、想定相関カーブＳ１に対して、想定相関カーブＳ１よりも閾値ｔ１だけ高い抵抗値に沿ったラインＬ１と、想定相関カーブＳ１よりも閾値ｔ１だけ低い抵抗値に沿ったラインＬ２とが設定されている。

工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１は、工程Ｃで得られた推定される容量値Ｃ１に横軸の位置が取られて想定相関カーブＳ１のグラフにプロットされる。このとき、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１が、想定相関カーブＳ１よりも閾値ｔ１だけ高い抵抗値のラインＬ１を超えた場合に、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１が「異常」とされる。また、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１が、想定相関カーブＳ１よりも閾値ｔ１だけ低い抵抗値のラインＬ２より低い場合にも、抵抗値Ｒ１が「異常」とされる。例えば、図１にＰ１〜Ｐ５のプロットで示されているように、想定相関カーブＳ１に対して設定された抵抗値の上限のラインＬ１と、下限のラインＬ２との間に、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１のプロットがある場合には、対象二次電池は「正常」とされる。これに対して、Ｐ６のプロットで示されているように、抵抗値の上限のラインＬ１と下限のラインＬ２とから外側に、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１のプロットがある場合には、対象二次電池は「異常」とされる。

ここで、閾値ｔ１の設定は、例えば、対象二次電池の温度を測定するサーミスタの誤差や、対象二次電池の温度を測定するタイマーの誤差およびそれが推定される容量値Ｃｘや抵抗値Ｒｘに与える影響などを考慮して定めるとよい。この場合、例えば、各誤差の二乗和に基づいて閾値ｔ１が設定されているとよい。また、誤差は、使用されるサーミスタやＥＣＵ（electronic control unit）によって異なる。

なお、図１で示された例では、想定相関カーブＳ１に対して抵抗値の上限のラインＬ１を設定するための閾値と、下限のラインＬ２を設定するための閾値とが同じである。抵抗値の上限のラインＬ１を設定するための閾値と、下限のラインＬ２を設定するための閾値とは、それぞれ異なる閾値を設定してもよい。また、抵抗値は高いほど、対象二次電池の性能が劣化したと判断される。抵抗値が低く維持されていることは、特段、対象二次電池の性能が劣化したと判断される必要がない場合もある。このため、工程Ｄにおいては、抵抗値の上限のラインＬ１のみが設定されており、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１のプロットが抵抗値の上限のラインＬ１を超えた場合に、対象二次電池が「異常」とされるように構成されていてもよい。

この実施形態では、図１に示されているように、抵抗値に対して、予め定められた閾値ｔ２が設定されている。そして、プロットＰ７で示されているように、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１が、予め定められた閾値ｔ２を超えた場合も、対象二次電池は「異常」とされる。例えば、推定される容量値Ｃｘが低くなると、想定相関カーブＳ１の抵抗値も高くなる。このような場合には、上述した抵抗値の上限のラインＬ１も高くなる。抵抗値に対して、予め定められた閾値ｔ２が設定されていることによって、工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１が、予め定められた閾値ｔ２を超えた時に、対象二次電池を「異常」と判定できる。つまり、このような場合には、対象二次電池の抵抗値は、要求される所要の抵抗よりも高くなり、交換などが必要になるためである。対象二次電池の抵抗値が要求される所要の抵抗よりも高くなったことを判定できるように、予め定められた閾値ｔ２は、抵抗値に対して設定されているとよい。

図２は、ここで提案される二次電池の異常判定方法の手順の一例を示すフローチャートである。

二次電池の異常判定方法は、例えば、図２に示されているように、対象二次電池について温度情報を取得する（Ｓ１２）。温度頻度分布を得る（Ｓ１４）。温度頻度分布に基づいて対象二次電池について推定される容量値Ｃ１を取得する（Ｓ１６）。対象二次電池を放電して抵抗値Ｒ１を取得する（Ｓ１８）。

対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を示す想定相関カーブＳ１と、推定される容量値Ｃ１とに基づいて、抵抗値Ｒ１と推定されるＲｘとを対比し、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離しているか否かを判定する（Ｓ２０）。かかる判定（Ｓ２０）では、例えば、（Ｒｘ−Ｒ１）の絶対値｜Ｒｘ−Ｒ１｜が、閾値ｔ１よりも大きいか否か｛｜Ｒｘ−Ｒ１｜＞ｔ１｝を判定するとよい。かかる判定（Ｓ２０）において、乖離していない場合（Ｎｏ）には、当該対象二次電池は、「正常」と判定される（Ｓ２２）。この場合は、温度情報を取得する処理（Ｓ１２）に戻されるとよい（Ｓ２４）。かかる判定（Ｓ２０）において、乖離していない場合（Ｙｅｓ）には、当該対象二次電池は、「異常」と判定される（Ｓ２６）。この場合、インジケータなどに警告が発せられ、対象二次電池の交換が図られるように構成されているとよい（Ｓ２８）。

ここで提案される二次電池の異常判定方法によれば、例えば、温度頻度分布に基づいて対象二次電池について推定される容量値Ｃ１と、放電時に取得される抵抗値Ｒ１とによって、対象二次電池の抵抗値の異常が判定できる。この場合、例えば、放電時において、対象二次電池の抵抗値Ｒ１が取得される度に、対象二次電池の抵抗値の異常を判定できる。このため、対象二次電池の抵抗値の異常を判定する頻度が高められ、早期に異常を検知できる。また、温度と、放電時に得られる抵抗値Ｒ１に基づいているので、対象二次電池の抵抗値の異常をより精度良く検知できる。

以上、ここで開示される二次電池の異常判定方法について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた二次電池の異常判定方法の実施形態などは、本発明を限定しない。また、ここで開示される二次電池の異常判定方法は、種々変更でき、特段の問題が生じない限りにおいて、各構成要素やここで言及された各処理は適宜に省略され、または、適宜に組み合わされうる。

Ｌ１抵抗値の上限のライン
Ｌ２抵抗値の下限のライン
Ｓ１想定相関カーブ

Claims

対象二次電池に関して、容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係を用意する工程Ａと、
前記対象二次電池について抵抗値Ｒ１を測定する工程Ｂと、
前記対象二次電池について温度頻度分布に基づいて推定される容量値Ｃ１を得る工程Ｃと、
前記工程Ａで取得された容量値Ｃｘと抵抗値Ｒｘとの相関関係と、前記工程Ｃで得られた容量値Ｃ１に基づいて、前記対象二次電池の推定される抵抗値Ｒｘを特定し、当該抵抗値Ｒｘと、前記工程Ｂで得られた抵抗値Ｒ１とが、予め定められた閾値ｔ１よりも乖離している場合に当該対象二次電池が異常であると判定する工程Ｄと
を含む、二次電池の異常判定方法。