JP6252487B2 - 蓄電素子の性能低下検知装置、性能低下検知方法及び蓄電システム - Google Patents
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Description
上記従来の技術においては、蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができないという問題がある。
これによれば、性能低下検知装置は、第一最大変化量として、蓄電素子の初期状態での容量電圧特性における容量変化量の最大値を取得する。このため、性能低下検知装置は、蓄電素子の製造時点、工場出荷時点または充放電開始時点などの初期状態での容量変化量の最大値を事前にメモリに記憶しておくなどにより、第一最大変化量を容易に取得することができる。
これによれば、性能低下検知装置は、第二時点において蓄電素子を充電または放電させることにより、容量電圧特性を取得することで第二最大変化量を容易に取得することができる。
これによれば、性能低下検知装置は、第二時点において蓄電素子が性能低下開始状態であると判定した場合に、蓄電素子の充電上限電圧を制限することで、蓄電素子の急激な性能低下を抑制することができ、寿命延命措置をとることができる。
これによれば、性能低下検知装置は、第二時点において蓄電素子が性能低下開始状態であると判定した場合に、蓄電素子への通電最大電流を制限することで、蓄電素子の急激な性能低下を抑制することができ、寿命延命措置をとることができる。
これによれば、蓄電素子は、正極活物質として層状構造のリチウム遷移金属酸化物を含むリチウムイオン二次電池である。ここで、本願発明者らは、鋭意検討と実験の結果、蓄電素子が当該リチウムイオン二次電池の場合に、上記の方法によって急激な性能低下を事前に精度良く検知できることを見出した。このため、性能低下検知装置は、当該リチウムイオン二次電池の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。
具体的には、性能低下判定部130は、当該変化量比率が当該所定の値を超える場合に、第二時点において、蓄電素子200の充電または放電可能な容量である可逆容量の急激な低下が生じ始める状態、または蓄電素子200の入出力特性で示される入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であると判定することで、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定する。
具体的には、図10Aは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の変化量比率の値と、当該変化量比率の値を上記の所定の値として採用した場合の性能低下開始状態の判定結果を示す表であり、図10Bは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の容量維持率の推移を示すグラフである。
また、図10Cは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗の推移を示すグラフである。詳細には、図10Cの(a)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の出力直流抵抗の初期状態に対する比率(図10Aの出力直流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。また、図10Cの(b)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の入力直流抵抗の初期状態に対する比率(図10Aの入力直流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。また、図10Cの(c)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の交流抵抗の初期状態に対する比率(図10Aの交流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。
これに対して、図10Aの「(サイクル数)1/2」の欄の値とこれをプロットした図10Bの点線のグラフとからわかるように、サイクル数のルートに比例して性能低下が生じるとする従来技術によれば、蓄電素子が性能低下開始状態になる時期を判定できないことがわかる。
また、同様に、図10Cに示すように、充放電サイクル試験(1Cサイクル試験)において500サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=22.4の場合)に、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激に上昇している。このため、300サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=17.3の場合)が、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激な上昇が生じ始める状態である。
ここで、出力直流抵抗、入力直流抵抗または交流抵抗が上昇すると入出力性能が低下する。つまり、当該500サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=22.4の場合)に、蓄電素子200の入出力性能が急激に低下し、劣化状態となっている。このため、300サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=17.3の場合)が、蓄電素子200の入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であり、本発明によれば、性能低下判定部130は、蓄電素子200が性能低下開始状態になる時期を正確に判定することができている。つまり、性能低下判定部130は、第二時点において蓄電素子200の入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であると判定することで、第二時点において蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定する。
これに対して、図10Aの「(サイクル数)1/2」の欄の値とこれをプロットした図10Cの点線のグラフとからわかるように、サイクル数のルートに比例して性能低下が生じるとする従来技術によれば、蓄電素子が性能低下開始状態になる時期を判定できないことがわかる。
ここで、蓄電素子(電池)の出力直流抵抗、入力直流抵抗または交流抵抗が上昇すると、蓄電素子の入出力特性で示される入出力性能が低下することについて、以下に詳細に説明する。
まず、当該入出力性能を求めるために、電池をある規定のSOC(State Of Charge)(例えば50%)になるまで充放電により調整する。そして、ある規定の電流レート(例えば0.2、0.5、1Cなど異なる電流レートで少なくとも3回以上)で、ある規定の通電時間(例えば10秒間や60秒間)の放電パルス(出力特性の場合)及び充電パルス(入力出力特性の場合)の通電を実施する。このとき、放電パルス後は補充電を、充電パルス後は補放電をそれぞれ実施する。
そして、縦軸には放電パルス後の降下した電圧値(あるいは充電パルス後の上昇した電圧値)[V]を、横軸には電流値[I]をプロットして、V=I×R+V0の直線性が成立するかを確認する。ここでR及びV0は、それぞれ抵抗(放電パルスの場合は負の値、充電パルスの場合は正の値)及びOCV(開回路電圧)である。
次に、上記の確認後に、放電及び充電パルス時の抵抗(R)とOCV(V0)とを算出する。そして、算出したい入出力特性の電圧をVxとして、入出力性能(W)を(Vx−V0)/R×Vxにより算出する。
この式から分かるように、出力直流抵抗、入力直流抵抗または交流抵抗などの抵抗(R)が上昇すると、入出力性能(W)が低下する。なお、当該入出力性能が低下すると、以下の問題が生じる。
例えば、HEV(ハイブリッド電気自動車)やPHEV(プラグインハイブリッド電気自動車)などに使用されているリチウムイオン二次電池は、蓄積電力が電動機の駆動用電力(始動・加速時のアシスト)として用いられる。また、この電動機が回生発電したときの発電電力やエンジンの回転に伴って発電する発電機の発電電力等によって、この二次電池が充電される。
そして、当該二次電池の入出力性能が低下する(抵抗が大きくなる)と、当該電動機の駆動用電力が低下して、アシストとしての出力特性が低下したり、当該電動機が回生発電したときの回生エネルギーとして蓄電することができる入力特性(充電受入性)が低下するといった問題が生じてしまう。
なお、図10Cの(a)〜(c)に示された出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗は、以下のように測定して得られたものである。つまり、出力直流抵抗については、まず、電池をSOCが50%になるように充電または放電により調整し、0.2、0.5、1Cの放電レートで、通電時間が60秒間の通電を実施する(温度は25℃)ことで、上記の抵抗(R)として出力直流抵抗を算出する。また、同様に、入力直流抵抗については、まず、電池をSOCが50%になるように充電または放電により調整し、0.2、0.5、1Cの充電レートで、通電時間が60秒間の通電を実施する(温度は25℃)ことで、上記の抵抗(R)として入力直流抵抗を算出する。また、交流抵抗については、電池をSOCが0%になるまで放電し、1kHzの周波数(温度は25℃)での交流抵抗を測定し、上記の抵抗(R)として算出する。
以上のように、図10A〜図10Cに示したように、急激な可逆容量低下の時期と急激な抵抗増加の時期とは概ね一致する。これは、以下の理由による。つまり、規定条件(例えば1C放電)で放電させたときの電池容量推移において、二次電池の寿命末期には、レート性能が低下するため通電電流によって得られる容量が大きく低下して、急激な容量低下が生じてしまう。この二次電池のレート性能が低下する理由は、主に寿命試験の経過に応じて電池の直流及び交流抵抗が増加することに起因する。従って、二次電池の出力直流抵抗、入力直流抵抗または交流抵抗などの抵抗の推移は、二次電池の可逆容量の推移に対応する挙動を示す。
具体的には、図11及び図13は、蓄電素子200の容量電圧特性を示すグラフであり、図12A及び図14Aは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の変化量比率の値と、当該変化量比率の値を上記の所定の値として採用した場合の性能低下開始状態の判定結果を示す表であり、図12B及び図14Bは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の容量維持率の推移を示すグラフである。
また、図12C及び図14Cは、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗の推移を示すグラフである。詳細には、図12Cの(a)及び図14Cの(a)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の出力直流抵抗の初期状態に対する比率(図12A及び図14Aの出力直流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。また、図12Cの(b)及び図14Cの(b)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の入力直流抵抗の初期状態に対する比率(図12A及び図14Aの入力直流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。また、図12Cの(c)及び図14Cの(c)は、使用の程度(サイクル数)を変化させた場合の蓄電素子200の交流抵抗の初期状態に対する比率(図12A及び図14Aの交流抵抗増加率)の推移を示すグラフである。
なお、図12Cの(a)〜(c)及び図14Cの(a)〜(c)に示された出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗の測定方法は、図10Cの(a)〜(c)に示された出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗の測定方法と同様であるため、説明は省略する。
また、図12Cに示すように、充放電サイクル試験(1Cサイクル試験)において500サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=22.4の場合)に、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激に上昇している。このため、300サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=17.3の場合)が、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激な上昇が生じ始める状態である。
このように、図12Aに示す変化量比率PX/P0=P300/P0=0.80の場合に、蓄電素子200が性能低下開始状態になっている。つまり、性能低下判定部130は、変化量比率が0.80の場合に、蓄電素子200の可逆容量の急激な低下が生じ始める状態、または入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であると判定することで、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定する。
また、図14Cに示すように、充放電サイクル試験(1Cサイクル試験)において500サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=22.4の場合)に、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激に上昇している。このため、300サイクルの蓄電素子200の充放電を行った場合((サイクル数)1/2=17.3の場合)が、蓄電素子200の出力直流抵抗、入力直流抵抗及び交流抵抗ともに急激な上昇が生じ始める状態である。
このように、図14Aに示す変化量比率PX/P0=P300/P0=0.71の場合に、蓄電素子200が性能低下開始状態になっている。つまり、性能低下判定部130は、変化量比率が0.71の場合に、蓄電素子200の可逆容量の急激な低下が生じ始める状態、または入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であると判定することで、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定する。
次に、蓄電素子200を充電して得られる容量電圧特性を用いた場合について、説明する。つまり、上記では、性能低下検知装置100は、蓄電素子200を放電した場合の放電カーブの微分特性として図11に示されたような容量電圧特性を取得することにした。しかし、以下では、性能低下検知装置100は、蓄電素子200を充電した場合の充電カーブの微分特性としての容量電圧特性を取得する。
図15は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200の充電カーブの微分特性として得られる容量電圧特性を示す図である。また、図16は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200の充電カーブの微分特性として得られる容量電圧特性を取得した場合の性能低下開始状態の判定結果を示す図である。なお、これらの図では、上記の電池Bを用いて行った結果を示している。
これらの図に示すように、蓄電素子200を充電して得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、蓄電素子200を放電して得られる容量電圧特性を用いた場合と同様に、性能低下判定部130は、変化量比率が0.7以上0.8以下の範囲内の所定の値を超える場合に、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定することができている。このため、蓄電素子200を充電して得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、性能低下検知装置100は、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。
次に、蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行って得られる容量電圧特性を用いた場合について、説明する。つまり、上記では、性能低下検知装置100は、蓄電素子200について1C放電容量確認試験を行った場合の放電カーブの微分特性として図11に示されたような容量電圧特性を取得することにした。しかし、以下では、性能低下検知装置100は、蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行った場合の放電カーブの微分特性としての容量電圧特性を取得する。
図17は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行った場合に得られる容量電圧特性を示す図である。また、図18は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行って得られる容量電圧特性を取得した場合の性能低下開始状態の判定結果を示す図である。なお、これらの図では、上記の電池Bを用いて行った結果を示している。
これらの図に示すように、蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行った場合に得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、1C放電容量確認試験を行った場合に得られる容量電圧特性を用いた場合と同様に、性能低下判定部130は、変化量比率が0.7以上0.8以下の範囲内の所定の値を超える場合に、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定することができている。このため、蓄電素子200について0.2C放電容量確認試験を行った場合に得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、性能低下検知装置100は、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。
以上のように、性能低下検知装置100は、放電容量確認試験時の電流レートが1Cである場合には限定されず、1C以外の電流レートであっても、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。なお、当該電流レートは、1C以上であっても1C以下であってもかまわないが、より精度良く検知するためには、当該電流レートは平均として1C以下であるのが好ましい。
次に、容量電圧特性を得るための電圧の変化量を変更した場合について、説明する。例えば図11では、容量電圧特性における縦軸の容量変化量(dQ/dV)においての電圧の変化量(dV)の間隔を0.02Vとして容量電圧特性を図示している。つまり、性能低下検知装置100は、dVの間引き間隔を0.02Vとして容量変化量(dQ/dV)と電圧(V)との関係をプロットすることで、容量電圧特性を取得している。これに対し、以下では、性能低下検知装置100は、当該dVの間引き間隔を0.04Vとして容量変化量(dQ/dV)と電圧(V)との関係をプロットすることで、容量電圧特性を取得する。
図19は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200について電圧の変化量の間隔を変更した場合に得られる容量電圧特性を示す図である。また、図20は、本発明の実施の形態に係る蓄電素子200について電圧の変化量の間隔を変更して得られる容量電圧特性を取得した場合の性能低下開始状態の判定結果を示す図である。なお、これらの図では、上記の電池Bを用いて行った結果を示している。
これらの図に示すように、蓄電素子200について電圧の変化量の間隔を0.04Vに変更した場合に得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、当該電圧の変化量の間隔が0.02Vの場合に得られる容量電圧特性を用いた場合と同様に、性能低下判定部130は、変化量比率が0.7以上0.8以下の範囲内の所定の値を超える場合に、蓄電素子200が性能低下開始状態であると判定することができている。このため、蓄電素子200について電圧の変化量の間隔を0.04Vに変更した場合に得られる容量電圧特性を用いた場合であっても、性能低下検知装置100は、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。
以上のように、性能低下検知装置100は、電圧の変化量の間隔が一定であれば、0.02Vである場合には限定されず、0.02V以外の間隔であっても、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。なお、当該電圧の変化量の間隔は、どのような値であってもかまわないが、より精度良く検知するためには、当該電圧の変化量の間隔は0.01V〜0.05Vの間の値であるのが好ましい。
また、本願発明者らは、鋭意検討と実験の結果、変化量比率が所定の値を超える場合に、第二時点において、蓄電素子200の可逆容量または入出力性能が急激に低下し始めることを見出した。そして、蓄電素子200の可逆容量または入出力性能が急激に低下し始めるということは、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始めるということを示している。このため、性能低下検知装置100によれば、蓄電素子200の可逆容量または入出力性能が急激に低下し始めることを検出することで、蓄電素子200の急激な性能低下が生じ始める状態を精度良く検知することができる。
また、上記実施の形態では、性能低下検知装置100は、容量電圧特性において容量変化量が最大となるピーク位置での容量変化量(縦軸)の値の変動から算出される変化量比率を用いて、性能低下開始状態を検知することとした。しかし、性能低下検知装置100は、容量電圧特性において容量変化量が最大となるピーク位置での電池電圧(横軸)の値の変動を用いて、性能低下開始状態を検知することにしてもよい。つまり、性能低下検知装置100は、容量電圧特性における容量変化量のピーク位置の横方向への位置変化を考慮して、性能低下開始状態を検知することにしてもよい。
100 性能低下検知装置
110 第一取得部
120 第二取得部
130 性能低下判定部
150 記憶部
151 判定用データ
160 集積回路
200 蓄電素子
300 収容ケース
Claims (12)
- 蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を性能低下開始状態として検知する性能低下検知装置であって、
第一時点での、前記蓄電素子を充電または放電した場合の前記蓄電素子の電圧の変化に対する通電容量の変化の大きさである容量変化量と前記電圧との関係を示す容量電圧特性において、前記容量変化量の最大値である第一最大変化量を取得する第一取得部と、
前記第一時点以降の第二時点での前記容量電圧特性において、前記容量変化量の最大値である第二最大変化量を取得する第二取得部と、
前記第一最大変化量に対する前記第二最大変化量の比率である変化量比率が所定の値を下回る場合に、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する性能低下判定部と
を備える性能低下検知装置。 - 前記性能低下判定部は、前記変化量比率が前記所定の値を下回る場合に、前記第二時点において、前記蓄電素子の充電または放電可能な容量の急激な低下が生じ始める状態、または前記蓄電素子の入出力特性で示される入出力性能の急激な低下が生じ始める状態であると判定することで、前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する
請求項1に記載の性能低下検知装置。 - 前記性能低下判定部は、前記変化量比率が0.7以上0.8以下の範囲内で設定された前記所定の値を下回る場合に、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する
請求項1または2に記載の性能低下検知装置。 - 前記第一取得部は、前記蓄電素子の初期状態での前記容量電圧特性における前記第一最大変化量を取得する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の性能低下検知装置。 - 前記第二取得部は、前記第二時点において前記蓄電素子を充電または放電させることにより、前記蓄電素子の電圧と通電容量との関係を取得し、取得した当該関係から前記通電容量を前記電圧で微分して前記容量変化量を算出し、算出した前記容量変化量と前記電圧との関係を示す容量電圧特性を取得することで前記第二最大変化量を取得する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の性能低下検知装置。 - 前記性能低下判定部は、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定した場合に、前記蓄電素子の充電上限電圧を制限する
請求項1〜5のいずれか1項に記載の性能低下検知装置。 - 前記性能低下判定部は、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定した場合に、前記蓄電素子への通電最大電流を制限する
請求項1〜6のいずれか1項に記載の性能低下検知装置。 - 前記蓄電素子は、正極活物質として層状構造のリチウム遷移金属酸化物を含むリチウムイオン二次電池であり、
前記第一取得部は、前記リチウムイオン二次電池についての前記第一最大変化量を取得し、
前記第二取得部は、前記リチウムイオン二次電池についての前記第二最大変化量を取得する
請求項1〜7のいずれか1項に記載の性能低下検知装置。 - 蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を性能低下開始状態として検知する性能低下検知装置であって、
第一時点での、前記蓄電素子を充電または放電した場合の前記蓄電素子の電圧の変化に対する通電容量の変化の大きさである容量変化量と前記電圧との関係を示す容量電圧特性において、前記容量変化量が最大値となる電圧である第一電圧を取得する第一取得部と、
前記第一時点以降の第二時点での前記容量電圧特性において、前記容量変化量が最大値となる電圧である第二電圧を取得する第二取得部と、
前記第一電圧に対する前記第二電圧の変化から、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する性能低下判定部と
を備える性能低下検知装置。 - 蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を性能低下開始状態として検知する性能低下検知装置であって、
第一時点での、前記蓄電素子を充電または放電した場合の前記蓄電素子の電圧の変化に対する通電容量の変化の大きさである容量変化量と前記電圧との関係を示す容量電圧特性において、前記容量変化量が最大値となる電圧以上の所定電圧範囲における容量変化量である第一容量変化量を取得する第一取得部と、
前記第一時点以降の第二時点での前記容量電圧特性において、前記容量変化量が最大値となる電圧以上の前記所定電圧範囲における容量変化量である第二容量変化量を取得する第二取得部と、
前記第一容量変化量に対する前記第二容量変化量の変化から、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する性能低下判定部と
を備える性能低下検知装置。 - 蓄電素子と、
前記蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を性能低下開始状態として検知する請求項1〜10のいずれか1項に記載の性能低下検知装置と
を備える蓄電システム。 - 蓄電素子の急激な性能低下が生じ始める状態を性能低下開始状態として検知する性能低下検知方法であって、
第一時点での、前記蓄電素子を充電または放電した場合の前記蓄電素子の電圧の変化に対する通電容量の変化の大きさである容量変化量と前記電圧との関係を示す容量電圧特性において、前記容量変化量の最大値である第一最大変化量を取得する第一取得ステップと、
前記第一時点以降の第二時点での前記容量電圧特性において、前記容量変化量の最大値である第二最大変化量を取得する第二取得ステップと、
前記第一最大変化量に対する前記第二最大変化量の比率である変化量比率が所定の値を下回る場合に、前記第二時点において前記蓄電素子が前記性能低下開始状態であると判定する性能低下判定ステップと
を含む性能低下検知方法。
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