JP5633227B2 - 電池パックおよび電池パックの劣化度検出方法 - Google Patents
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Description
二次電池に対する充電電流をON/OFFする充電制御スイッチと、
二次電池に対する放電電流をON/OFFする放電制御スイッチと、
充電電流および放電電流を検出するための電流検出素子と、
二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
充電制御スイッチおよび放電制御スイッチを制御する制御部と、
二次電池の初期の内部抵抗を記憶する記憶部と
を備え、
制御部は、
充電時における閉回路電圧および充電電流と、閉回路電圧測定直後に充電制御スイッチをOFFした後、第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定し、
閉回路電圧と第1の開回路電圧との電圧差と、充電電流とを基に直流抵抗成分を算出し、
第1の開回路電圧と第2の開回路電圧との電圧差と、充電電流とを基に分極抵抗成分を算出し、
直流抵抗成分と、分極抵抗成分との和から、初期の内部抵抗を減算して劣化度を算出する
電池パックである。
制御部は、充電時における閉回路電圧および充電電流と、閉回路電圧測定直後に充電制御スイッチをOFFした後、充電電流を遮断してから第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定し、
閉回路電圧と第1の開回路電圧との電圧差と、充電電流とを基に直流抵抗成分を算出し、
第1の開回路電圧と第2の開回路電圧との電圧差と、充電電流とを基に分極抵抗成分を算出し、
直流抵抗成分と、分極抵抗成分との和から、初期の内部抵抗を減算して劣化度を算出する電池の劣化度の算出方法。
以下、電池の充放電サイクルが進むにつれて生じる劣化をサイクル劣化、電池を長期間放置することによって生じる劣化を放置劣化と適宜称する。以下、サイクル劣化した電池と放置劣化した電池との特性の違いについて説明する。
充放電を300サイクル行った電池と直流抵抗成分による電圧降下がほぼ同等の放置劣化した電池の充電波形を点線で示す。
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を96重量%と、導電剤としてケッチェンブラックを1重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)3重量%とを混合して正極合剤を調整した。次に、N−メチル−2−ピロリドン中に正極合剤を分散させて正極合剤スラリーとした。そして、この正極合剤スラリーをアルミニウム(Al)箔からなる正極集電体上に均一に塗布して乾燥させ、ローラープレスにより一定圧力で圧縮成型することにより、帯状の正極を作製した。
負極活物質としてグラファイトを94重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)6重量%とを混合して負極合剤を調整した。次に、N−メチル−2−ピロリドン中に負極合剤を分散させて負極合剤スラリーとした。そして、この負極合剤スラリーを銅(Cu)箔からなる負極集電体上に均一に塗布して乾燥させ、一定圧力で圧縮成型することにより、帯状の負極を作製した。
上述のようにして作製した帯状の正極と帯状の負極とを、厚さ20μmを有する微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを介して積層して巻回し、渦巻型の巻回電極体を作製した。次に、この巻回電極体の上下両面に絶縁板を配設し、ニッケルメッキを施した鉄製の電池缶に収納した。そして、アルミニウム製の正極リードを正極集電体から導出して電池蓋に溶接し、ニッケル製の負極リードを負極集電体から導出して電池缶に溶接した。
これらの電池に対してそれぞれ充電を行った。その際、電池電圧>4.0V、充電電流>1.0Aの条件が成立した時点で充電電流の停止を行い、電池電圧の波形を測定した。
(2−1)電池パックの回路構成
図2は、この発明の実施の一形態による電池パックの回路構成例を示すブロック図である。電池パックは、組電池1、充電制御FET(Field Effect Transistor)2aと、放電制御FET3aを備えるスイッチ部4、保護回路5、ヒューズ6、電流検出抵抗7、温度検出素子8a,8b、識別抵抗9、制御部としてのCPU(Central Processing Unit)10を備えている。
この発明における劣化度の検出方法について説明する。なお、劣化度の演算は、CPU10の演算部15で行われる。なお、以下、図3のフローチャートを用いて説明する。図3のフローチャートは、充電時に充電制御FET2aをONからOFFに切り替えて劣化状態を求めるものである。
ΔV1=CCV−OCV1 ・・・ 式(1)
ΔV2=CCV−OCV2 ・・・ 式(2)
劣化度=(ΔV1/I+α(ΔV2−ΔV1)/I−Rini)/Rini ・・・ 式(3)
例えば、劣化した電池パックの閉回路電圧CCVと開回路電圧OCV1、開回路電圧OCV2を測定した結果、CCV=4.00V、OCV1=3.80V、OCV2=3.72V、I=2.0A、予め測定したパラメータが、α=0.5、Rini=0.07であったとすると、劣化度は下記となる。劣化度=(0.20/2.0+0.5×0.08/2.0−0.07)/0.07
≒0.71
ここでの劣化度は、初期の劣化状態を0とした、セルが劣化すると共に増大する指数である。
補正係数α=(サイクル劣化品満充電容量−放置劣化品満充電容量)/サイクル劣化品満充電容量
・・・ 式(4)
補正係数αは、直流抵抗成分の上昇率に対する放電容量の減少率と、分極抵抗成分の上昇率に対する放電容量の減少率が異なる為に必要な補正係数である。この補正係数は、セルの構成によって異なるので、使用するセルの特性に合せて設定すると良い。
(i)充電制御FET2aをOFFした直後の電圧降下分に対応する直流抵抗成分
と、
(ii)充電制御FET2aをOFFしてから所定時間経過した時点での、充電制御FET2aOFF直後からの電圧降下分に対応する分極抵抗成分に所定の補正係数αを乗じたもの
との合計から、
(iii)工場出荷時点での内部抵抗
を引き、工場出荷時点での内部抵抗を基に劣化度として算出したものである。
このような電池パックは、例えば下記のような構成とされる。
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
正極41は、例えば、正極集電体41Aと、正極集電体41Aの両面に設けられた正極活物質層41Bとを有している。なお、正極集電体41Aの片面のみに正極活物質層41Bが存在する領域を有するようにしてもよい。正極集電体41Aは、例えば、アルミニウム(Al)箔などの金属箔により構成されている。
正極活物質は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能であり、その反応電位が対リチウムで例えば3〜4.5Vにある正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでいる。このような正極材料としては、例えば、リチウムを含む複合酸化物が挙げられる。具体的には、リチウムと遷移金属との複合酸化物として、層状構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)あるいはこれらを含む固溶体(LiNixCoyMnzO2;式中、x、yおよびzの値はそれぞれ0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1である。)を用いることができる。
負極42は、例えば、負極集電体42Aと、負極集電体42Aの両面に設けられた負極活物質層42Bとを有している。なお、負極集電体42Aの片面のみに負極活物質層42Bが存在する領域を有するようにしてもよい。負極集電体42Aは、例えば銅(Cu)箔などの金属箔により構成されている。
リチウムを吸蔵・放出可能な負極材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはLiN3などのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、MnO 2 、V 2 O 5 、V 6 O 13 などが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵および放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはNiS、MoSなどが挙げられる。
セパレータ43としては、例えば、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム、合成樹脂製不織布などを用いることができる。セパレータ43には、液状の電解質である非水電解液が含浸されている。
非水電解液は、液状の溶媒、例えば有機溶媒などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含むものである。
この二次電池は、例えば以下に説明するようにして製造することができる。
例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体41Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層41Bを形成し、正極41を作製する。
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体42Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層42Bを形成し、負極42を作製する。
次いで、正極集電体41aに正極リード45を溶接などにより取り付けるとともに、負極集電体42Aに負極リード46を溶接などにより取り付ける。そののち、正極41と負極42とをセパレータ43を介して巻回し、正極リード45の先端部を安全弁機構35に溶接すると共に、負極リード46の先端部を電池缶31に溶接して、巻回した正極41および負極42を一対の絶縁板32、33で挟み電池缶31の内部に収納する。
図6に示すように、上述のようにして作製した二次電池1aを例えば2並列3直列(2P3S)に接続し、回路基板27と接続する。回路基板27上には、充電制御FET2a、放電制御FET3a、保護回路5、ヒューズ6、電流検出抵抗7、温度検出素子8b、識別抵抗9、CPU10がマウントされている。また、正極端子21、負極端子22、通信端子23および通信端子24、接続端子25等が回路基板27に設けられている。
1a・・・二次電池
2a・・・充電制御FET
2b・・・寄生ダイオード
3a・・・放電制御FET
3b・・・寄生ダイオード
4・・・スイッチ部
5・・・保護回路
6・・・ヒューズ
7・・・電流検出抵抗
8a,8b・・・温度検出素子
9・・・識別抵抗
10・・・CPU
11・・・電圧測定部
12・・・マルチプレクサ
13・・・電流測定部
14・・・FET制御部
15・・・演算部
16・・・タイマ
17・・・メモリ
18・・・温度測定部
20・・・電池パック
21・・・正極端子
22・・・負極端子
23,24・・・通信端子
25,26・・・接続端子
27・・・回路基板
28・・・外装ケース
28a・・・下ケース
28b・・・上ケース
29・・・開口部
31・・・電池缶
32,33・・・絶縁板
34・・・電池蓋
35・・・安全弁機構
35A・・・ディスク板
36・・・熱感抵抗素子
37・・・ガスケット
40・・・巻回電極体
41・・・正極
41A・・・正極活物質層
41B・・・正極集電体
42・・・負極
42A・・・負極活物質層
42B・・・負極集電体
43・・・セパレータ
44・・・センターピン
45・・・正極リード
46・・・負極リード
Claims (13)
- 1または複数の二次電池と、
上記二次電池に対する充電電流をON/OFFする充電制御スイッチと、
上記二次電池に対する放電電流をON/OFFする放電制御スイッチと、
充電電流および放電電流を検出するための電流検出素子と、
上記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
上記充電制御スイッチおよび上記放電制御スイッチを制御する制御部と、
上記二次電池の初期の内部抵抗を記憶する記憶部と
を備え、
上記制御部は、
充電時における閉回路電圧および充電電流と、閉回路電圧測定直後に上記充電制御スイッチをOFFした後、第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定し、
上記閉回路電圧と上記第1の開回路電圧との電圧差と、上記充電電流とを基に直流抵抗成分を算出し、
上記第1の開回路電圧と上記第2の開回路電圧との電圧差と、上記充電電流とを基に分極抵抗成分を算出し、
上記直流抵抗成分と、上記分極抵抗成分との和から、上記初期の内部抵抗を減算して劣化度を算出する
電池パック。 - 上記制御部が、
上記充電時における閉回路電圧が上記二次電池の定格電圧以上となった場合に、上記充電制御スイッチをOFFし、第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定する
請求項1に記載の電池パック。 - 上記第1の待機時間が2秒以内である
請求項2に記載の電池パック。 - 上記第2の待機時間が5秒以上である
請求項3に記載の電池パック。 - 上記制御部が、上記劣化度を{(上記直流抵抗成分+上記分極抵抗成分−上記初期の内部抵抗)/上記初期の内部抵抗}から算出する
請求項4に記載の電池パック。 - 上記制御部が、上記劣化度を{(上記直流抵抗成分+補正係数×上記分極抵抗成分−上記初期の内部抵抗)/上記初期の内部抵抗}から算出し、
上記補正係数が、サイクルにより劣化した二次電池の第1の満充電容量と、該サイクルにより劣化した二次電池と同等の直流抵抗である、放置により劣化した二次電池の第2の満充電容量とを基に、{(第1の満充電容量−第2の満充電容量)/第1の満充電容量}から算出されたものである
請求項5に記載の電池パック。 - 上記劣化度を用いて満充電容量を算出し、上記記憶部に記憶する
請求項6に記載の電池パック。 - 1または複数の二次電池と、
上記二次電池に対する充電電流をON/OFFする充電制御スイッチと、
上記二次電池に対する放電電流をON/OFFする放電制御スイッチと、
充電電流および放電電流を検出するための電流検出素子と、
上記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
上記充電制御スイッチおよび上記放電制御スイッチを制御する制御部と、
上記二次電池の初期の内部抵抗を記憶する記憶部と
を備えた電池パックの劣化度の算出方法であって、
上記制御部は、
充電時における閉回路電圧および充電電流と、閉回路電圧測定直後に上記充電制御スイッチをOFFした後、充電電流を遮断してから第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定し、
上記閉回路電圧と上記第1の開回路電圧との電圧差と、上記充電電流とを基に直流抵抗成分を算出し、
上記第1の開回路電圧と上記第2の開回路電圧との電圧差と、上記充電電流とを基に分極抵抗成分を算出し、
上記直流抵抗成分と、上記分極抵抗成分との和から、上記初期の内部抵抗を減算して劣化度を算出する
電池パックの劣化度の算出方法。 - 上記制御部が、
上記充電時における閉回路電圧が上記二次電池の定格電圧以上となった場合に、上記充電制御スイッチをOFFし、第1の待機時間が経過した時点での第1の開回路電圧と、第1の待機時間よりも長い第2の待機時間が経過した時点での第2の開回路電圧とを測定する
請求項8に記載の電池パックの劣化度の算出方法。 - 上記第1の待機時間が2秒以内である
請求項9に記載の電池パックの劣化度の算出方法。 - 上記第2の待機時間が5秒以上である
請求項10に記載の電池パックの劣化度の算出方法。 - 上記制御部が上記劣化度を{(上記直流抵抗成分+上記分極抵抗成分−上記初期の内部抵抗)/上記初期の内部抵抗}から算出する
請求項11に記載の電池パックの劣化度の算出方法。 - 上記制御部が上記劣化度を{(上記直流抵抗成分+補正係数×上記分極抵抗成分−上記初期の内部抵抗)/上記初期の内部抵抗}から算出し、
上記補正係数が、サイクルにより劣化した二次電池の第1の満充電容量と、該サイクルにより劣化した二次電池と同等の直流抵抗である、放置により劣化した二次電池の第2の満充電容量とを基に、{(第1の満充電容量−第2の満充電容量)/第1の満充電容量}から算出されたものである
請求項12に記載の電池パックの劣化度の算出方法。
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