JP5625282B2 - 電池劣化判定装置及び電池劣化判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池劣化判定装置及び電池劣化判定方法に関する。

充電電流パルス又は放電電流パルスを二次電池に流し、当該二次電池の分極電圧の変化を測定することにより、二次電池の劣化程度を判定する劣化判定方法が知られている（特許文献１）。

特開平１０−２２１４１８号公報

しかしながら、従来の劣化判定方法では、電極や電解液等の電池部材の劣化程度は判定できるが、二次電池の正極、負極におけるイオンバランスの変化による電池の劣化を判定することが困難であった。

そこで本発明は、イオンバランスの変化による電池の劣化を判定できる電池劣化判定装置を提供する。

本発明は、電池の正極の開放電位及び負極の開放電位と、当該電池に含まれるイオン量との特性に応じて、電池の劣化を判定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、電池の正極の開放電位及び負極の開放電位と、当該電池に含まれるイオン量との特性に応じて、電池の劣化を判定するため、電池の劣化により生じるイオンバランスの変化を把握することができ、その結果、電池の劣化を精度よく判定することができる。

発明の実施形態に係る電池劣化判定装置に含まれるコントローラと組電池のブロック図である。 図１に示す組電池の正極側における、充放電時間に対する開放電位の特性を示すグラフである。 図１に示す劣化前の組電池における、イオン量又はＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対する正・負極別の開放電位の特性を示すグラフである。 図１に示す劣化前の組電池における、イオン量又はＳＯＣに対する正・負極別の開放電位の特性を示すグラフである。 図１に示す劣化後の組電池における、イオン量又はＳＯＣに対する正・負極別の開放電位の特性を示すグラフである。 図１に示すコントローラの制御手順を示すフローチャートである。 図１に示す組電池において、電極の厚みが異なる場合、時間に対する開放電位の特性を示すグラフである。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
本発明の電池劣化判定装置を、例えば車両に搭載される場合を例として説明する。図１は、電池劣化判定装置を含むコントローラと組電池のブロック図を示す。

図１に示す組電池２は、例えばリチウムイオン電池である、複数の単電池２０を直列に接続する。コントローラ１は、組電池２に電流を流し、組電池２の開放電位（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定する測定部１１と、組電池２の劣化程度を判定する判定部１２を有する。

組電池２は、負荷（例えばモータ等）、充電器等に接続され、当該充電器からの充電電力により充電される。また、組電池２を電力源として、当該負荷に対して電力を供給する。また組電池２の正極端子には、正極用検出線１３が接続され、コントローラ１の測定部１１に含まれる、例えばポテンショガルバノスタットの入力端子に接続される。同様に、組電池２の負極端子には、負極用検出線１４が接続され、コントローラ１に含まれる、例えばポテンショガルバノスタットの入力端子に接続される。また、測定部１１に含まれるポテンショガルバノスタットの参照極１３を、組電池２に含まれる単電池２０の任意の端子に接続する。

測定部１１は、組電池２が充電または放電している時に、ポテンショガルバノスタットの電流制御によって、組電池２の正極端子と参照極１５との間、及び、組電池２の負極端子と参照極１５との間に、電流を流す。そして、測定部１１は、電流の導通、電流の遮断を繰り返し、正負極別の開放電位を測定する。また、測定部１１は、電流を流し初めてから開放電位を測定する時点までの組電池の放電電流又は充電電流（クーロン量）から、リチウムイオン量を測定する。

ここで、測定部１１により測定される開放電位とイオン量について説明する。本例の電池劣化判定装置は、より正確な開放電位を測定することが好ましい。その一方で、電流を遮断した後、開放電位は回復するために時間を要するため、開放電位は遮断時から時間共に変化し、長時間経過して安定する。開放電位が安定した後に、電圧を検知すると時間を要するため、本例は、電流を遮断後、時間に対する開放電位の変化電圧が、ｄＶ／ｄｔ＝１ｍＶ／ｓ以下となる時に、開放電位を測定する。また測定部１１は、開放電位を測定した後、電流を流し、再び電流を遮断して、上記と同様の要領で開放電位を測定する。そして、測定部１１は、繰り返して流される組電池の充電電流又は放電電流の電流値（クーロン量）からイオン量を測定する。これにより、測定部１１は開放電位とリチウムイオン量との関係を測定する。

判定部１２は、測定部１１により測定される開放電位とリチウムイオン量から、組電池２の劣化を判定する。判定部１２は、初期の組電池２（劣化する前の状態の電池）における、開放電位に対するリチウムイオン量の特性を格納し、当該特性と、現在の組電池２における特性とを比較することで、組電池２の劣化を判定する。開放電位に対するリチウムイオン量の初期特性は、例えば組電池２が本システムに搭載されて、最初の充放電の際、測定部１１により、特性を抽出すればよい。また、コントローラ１は、設計時に、搭載される組電池２の初期特性を、格納してもよい。

ここで、これまでの研究により、開放電位は活物質中のリチウムイオン量に依存することが分かった。本例では、この依存性を利用することで、リチウムイオン電池の劣化の原因となっている、リチウムイオンバランスの変化を測定し、組電池２の劣化を判定する。

初期の組電池２の満充電の状態から組電池２を放電しつつ、コントローラ１から組電池２へ流れる電流の通電、遮断を繰り返し、放電時間に対する正極側の開放電位の特性をとると、図２に示すような特性となる。そして、満充電の時点から開放電位を測定する時点までの、クーロン量を、電流の通電、遮断の繰り返しのタイミングで測定し、リチウムイオン量に対する開放電位の特性をとると、図３に示すような特性となる。図２は、正極側における、充放電時間に対する開放電位の特性を示し、図３は、正・負極別の開放電位における、イオン量又はＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対する開放電位の特性を示す。図３及び後述する図４において、Ｘは、イオン量を表す。

図４ａに示すように、初期の組電池２は、正極側の特性と負極側の特性とのバランスが取れている。そのため、当該初期の組電池２が放電すると、負極に含まれる、多くのイオン量が正極に移動し、組電池２は、劣化前の放電容量を出力することができる。一方、組電池２の劣化が進むと、図４ｂに示すように、正極側の特性と負極側の特性とのバランスがずれてしまうため、組電池２の放電により、負極側から引き出されるイオン量が減り、電気容量が減少する。

これにより、本例は、組電池２のイオン量に対する開放電位特性を測定し、初期特性と比較することにより、電池の劣化を判定する。以下、図５を参照し、本例の電池劣化判定装置の制御手順を説明する。図５は、本例の電池劣化判定装置の制御手順を示すフローチャートである。

イグニッションキーのオン動作により、組電池２の放電が開始し、またコントローラ１による充電制御により、組電池２への充電が開始する（ステップＳ１）。ステップ２にて、コントローラ１は、組電池２からモータ等の負荷へ放電電流を流す、または充電器から組電池２へ充電電流を流す。ステップＳ３にて、コントローラ１の測定部１１は、組電池２の正極と参照極１５の間と、組電池２の負極と参照極１５との間に、それぞれ電流を流し、正極の開放電位と負極の開放電位をそれぞれ測定する。当該電流は、組電池２への充電中又は放電中に、通電、遮断を繰り返すことで流れる。ステップＳ４にて、測定部１１は、組電池２に流れたクーロン量から、リチウムイオン量を測定する。

次に、コントローラ１の判定部１２は、組電池２が劣化する前である、初期状態のイオン量に対する開放電位の初期特性と、ステップＳ３及びＳ４にて測定されるイオン量に対する開放電位の特性とを比較し、組電池２の劣化状態を判定する（ステップＳ５）。

組電池２の劣化は、初期特性におけるイオン量に対して、１０％以上イオン量が変化した場合、組電池２が劣化したと判定する。図４ａを参照し、組電池２が初期状態から満充電の状態において、イオン量の正極と負極との割合は正極０に対して、負極１．０となる。一方、組電池２が劣化する場合、図４ｂに示すようにイオンバランスがずれるため、劣化後の組電池２が満充電の状態において、イオン量の正極と負極との割合は正極０に対して、負極１．０以下となる。そのため、劣化後の組電池２が満充電の状態において、正極に対する負極側のイオン量が、０．９以下になった場合、判定部１２は、組電池２が劣化したと判定する。なお、判定部１２は、負極に対する正極のイオン量により、組電池２の劣化を判定してもよい。

また判定部１２は、ＳＯＣが１００パーセントから０パーセントになるまでのイオン量により劣化を判定してもよい。図４ａ及び図４ｂに示すように、ＳＯＣが１００パーセントに対する正極と負極との開放電位差（４．２Ｖ）は、劣化前後で、ほぼ同電位差であり、またＳＯＣが０パーセントに対する正極と負極との開放電位差（２．５Ｖ）も、ほぼ同電位差である。そのため、コントローラ１は、正極と負極との開放電位差より、ＳＯＣの状態を把握し、ＳＯＣが１００パーセントから０パーセントになるまでのイオン量の変化により、組電池２の劣化状態を判定する。図４ａに示すように、劣化前の組電池２において、ＳＯＣが０〜１００パーセントの間で、正極及び負極のイオン量は、０．０〜１．０の割合をとる。一方、図４ｂに示すように、劣化後の組電池２において、ＳＯＣが０〜１００パーセントの間で、正極及び負極のイオン量は、０．７〜１．０の割合をとる。このように、組電池２が劣化することにより、ＳＯＣに対するイオン量が変化するため、判定部は、当該イオン量の変化に基づいて、組電池２の劣化を判定しても良い。

判定部１２により、組電池２が劣化した、と判断されると、ステップＳ６にて、コントローラ１は、例えば警告ランプを点灯させて、操作者に対して、組電池２が劣化したことを報知する。

そして、コントローラ１は、組電池２の劣化判定を終了する。

上記のように、本例の電池劣化判定装置は、組電池２の正極の開放電位と負極の開放電位、及び、組電池２に含まれる活性物質中のイオン量に応じて、組電池２の劣化を判定する。これにより、組電池２の劣化により生じるイオンバランスの変化を把握することができ、組電池２の劣化を精度よく判定することができる。

また本発明は、劣化前の初期の組電池２において、充電又は放電により移動する初期のイオン量に対して、測定部１２により測定されるイオン量が９０パーセント以下に変化した状態になった場合、組電池２は劣化したと判定する。組電池２の電極表面の劣化を考慮して、当該９０パーセントを閾値に設定し、劣化を判断することにより、精度のよく劣化を判定することができる。

また本例は、電流を遮断した後、時間に対する開放電位の変化電圧が、ｄＶ／ｄｔ＝１ｍＶ／ｓ以下となる時に、開放電位を測定する。これにより、組電池１の電極の厚み等のサンプル形状によらず、安定して開放電位を測定することができ、イオン量を測定することができる。ここで、図６は、電極の厚みが異なる場合、時間に対する開放電位の特性を示すグラフである。図６に示すように、組電池２に含まれる電極の厚みの違いによって、開放電位が安定するまでの時間が異なるが、本例は時間に対する開放電位の変化電圧により、開放電位の測定ポイントを設定するため、電極厚みの違いによらず、安定した開放電位を測定することができる。

なお、本例の測定部１１は、本発明の「測定手段」に相当し、判定部１２は「劣化判定手段」に相当する。

１…コントローラ
１１…測定部
１２…判定部
１３…正極用検出線
１４…負極用検出線
１５…参照極
２…組電池
２０…単電池

Claims (6)

1. 組電池を接続し、前記組電池の劣化を判定する電池劣化判定装置において、
   前記組電池の正極と参照極との間、及び、前記組電池の負極と前記参照極との間に、それぞれ電流を流し、前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と、前記組電池に含まれるイオン量の変化量とを測定する測定手段と、
   前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と前記イオン量との特性に応じて、前記劣化を判定する劣化判定手段とを有する
   ことを特徴とする電池劣化判定装置。
2. 前記劣化判定手段は、
   初期の組電池における、前記開放電位と前記イオン量との関係を示す初期特性を測定し、
   前記初期特性と前記特性とを比較することにより、前記劣化を判定することを特徴とする
   請求項１記載の電池劣化判定装置。
3. 前記測定手段は、前記組電池の正極と前記参照極との間、及び、前記組電池の負極と前記参照極との間で、それぞれ前記電流の導通及び遮断を繰り返すことにより、前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と、前記イオン量の変化量を測定することを特徴とする
   請求項１または２記載の電池劣化判定装置。
4. 前記測定手段は、前記組電池の充電中又は放電中に、前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と、前記組電池に含まれるイオン量の変化量とを測定することを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池劣化判定装置。
5. 前記劣化判定手段は、
   前記イオン量が、初期の組電池が充電又は放電することにより移動するイオンの量である初期イオン量に対して９０％以下に変化した時点で、前記組電池が劣化したと判定することを特徴とする
   請求項１〜４のいずれか一項に記載する電池劣化判定装置。
6. 組電池の正極と参照極との間、及び、前記組電池の負極と前記参照極との間に、それぞれ電流を流し、前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と、前記組電池に含まれるイオン量とを測定するステップと、
   前記正極の開放電位及び前記負極の開放電位と前記イオン量の変化量との特性に応じて、前記組電池の劣化を判定するステップとを有する
   電池劣化判定方法。

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