JP7398190B2 - 二次電池の再利用方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
また、工場においても、受領した電池パックや電池モジュールを、電池モジュールやセルに分解し、容量検査を行い、利用可能な電池モジュールやセルを選別するには、労力及びコストがかかる。
車両から取外されて工場に輸送された電池パック、電池モジュール、工場で解体や容量検査を行った電池モジュール又はセルが、極端に劣化していて結局再利用できないという状況を避けることが、コスト抑制のために望まれる。
実施形態に係る二次電池の再利用方法は、互いに電気的に接続された複数の二次電池セルを含む蓄電装置の膨れ量を取得し、前記蓄電装置の内部抵抗を取得し、前記膨れ量及び前記内部抵抗に基づいて、前記複数のセル及び/又は蓄電装置の再利用可能性を評価する。
「蓄電装置の内部抵抗」とは、電池パック、電池モジュール、及びセルのうちのいずれの内部抵抗であってもよい。内部抵抗は、交流内部抵抗及び直流内部抵抗のいずれであってもよい。
本発明者らは、低コストでの再利用可能性の評価という目的に照らし、蓄電装置を解体する前に蓄電装置の膨れ量及び内部抵抗を用いて、再利用の対象から除外するべきセル及び/又は蓄電装置を検出できる上述の方法を考案した。上述の方法により、再利用に適さないセル及び/又は蓄電装置を、コストが高くかかる解体及び工場への輸送の前に、又は工場で解体や容量検査を行う前に、簡便に検出できる。
膨れ量は、セル(電解液)が高温下で使用された場合、及びハイレートで充放電が繰り返された場合のような、ハードユースの指標であるので、ハードユースにさらされたセル及び/又は蓄電装置を再利用の対象から除外するために膨れ量を測定することは有効である。内部抵抗の大小に関わらず、膨れ量が閾値以上であるセル及び/又は蓄電装置はリユースできないと評価することができる。
内部抵抗の増加は、充放電及び放置によって電解液が消費され、負極表面のSEI被膜が成長してセルが劣化したことを示す指標となる。
膨れ量のみで評価すると、マイルドユースに長期間さらされて劣化しているセル及び/又は蓄電装置を再利用の対象から除外することができない。
内部抵抗のみで評価すると、抵抗の上昇は小さいものの高温下で使用されるなどして膨れを有するセル及び/又は蓄電装置を、再利用の対象から除外することができない。
実施形態の二次電池の再利用方法は、簡便に、蓄電装置の膨れ量及び内部抵抗の両方に基づいてセル及び/又は蓄電装置の再利用可能性を評価することができる。
蓄電装置の交流内部抵抗を取得する場合、測定が簡便である。交流内部抵抗は、例えば、ポテンショガルバノスタット及び周波数応答アナライザを含む測定器によって測定できる。再利用可能性の評価という目的に照らし、周波数を固定して(例えば1kHzに固定して)蓄電装置の交流内部抵抗を測定することは、非常に短時間で測定を実施できるため、好ましい。
車両に搭載される蓄電装置(リチウムイオン二次電池)を例に、再利用方法を説明する。
図1は、車両1(本実施形態では、自動車等の四輪車両)及び管理装置13の構成を示すブロック図である。
車両1は、リチウムイオン二次電池セル2と、CMU(Cell Monitoring Unit)5と、BMU(Battery Management Unit)6と、統括ECU(Electronic Control Unit)7と、通信部8と、負荷9と、電流センサ10とを備える。電池パック4は、複数のリチウムイオン二次電池セル2が直列及び/又は並列に接続された電池モジュール3を、複数含む。本実施形態では、複数のリチウムイオン二次電池セル2が直列に接続された電池モジュール3が、複数直列に接続されている。
入力部16は、電流センサ10の検出結果、後述する使用履歴63、及び作業者が測定した膨れデータ及び内部抵抗の入力を受け付ける。インタフェース部17は、例えば、LANインタフェース等により構成され、有線又は無線により、例えばLAN等のネットワーク12及び通信部8を介し、統合ECU7との通信を行う。ネットワーク12はインターネットでもよい。インタフェース部17は、LANインタフェースに限定はされない。
代替的に、管理装置13は、通信部8及び統合ECU7を介さずに、BMU6と通信してもよい。
BMU6は、電池ECUであってもよい。
CMU5には、電圧ばらつきを解消するためのバランサ(回路)と、各セル2の電圧を検出する電圧センサとが設けられている(不図示)。バランサは、各セル2に対して並列に接続された放電回路であり、スイッチ及び抵抗器を有してもよい。スイッチは、CMU5に含まれる制御回路からの制御信号によってオン/オフされる。電圧センサは、検出したセル2の電圧をBMU6へ伝達する。
CMU5は、セル2間に電圧ばらつきがある場合に、電圧の高いセル2と、他のセル2とが同等の電圧になるように、電圧の高いセル2を放電させるバランシングを実施する。
電池モジュール3は、複数のセル2を保持する保持部材31(例えば、直方体状のモジュールケース、セル2を圧迫した状態で拘束する拘束部材)と、複数のセル2と、CMU5とを備える。保持部材31は、セル2若しくは電池モジュール3の厚み、又はセル間の隙間Dを測定できるように構成されている。
電極体24は、長尺帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して積層し扁平状に巻回して得られる巻回タイプであってもよいし、長方形板状の正極板と負極板とをセパレータを介して積層したスタックタイプであってもよい。
正極活物質としては、例えば、LiMPO4 、LiMSiO4 、LiMBO3 (MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種以上の遷移金属元素)等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、LiMO2 (MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種以上の遷移金属元素)等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
電池モジュール3の両端のセル2の、互いに極性が異なる端子23,23には、隣接する電池モジュール3に電気的に接続するためのリード(外部接続部材)33,33が設けられている。
図4は、電池モジュール3又はセル2の再利用の過程を示すフローチャートである。
管理装置13により、統合ECU7から取得した車両の走行距離、BMU6から取得した各電池モジュール3の使用履歴63等に基づいて、一次選別を行う(S1)。管理装置13は例えば電池モジュール3の使用履歴63に基づいて、セル2のSOHを推定し、SOHが閾値以上である電池モジュール3を再利用可能性の評価を行う電池モジュール3として選別する。ステップS1は、管理装置13以外の装置により行われてもよい。
また、セル2のエンドプレートの圧迫力(コンプレッションフォース)を測定し、圧迫力を膨れ量に代用して用いることができる。圧迫力の測定は、エンドプレートを押し込んで反発力を測定したり、固定ボルトを取り外して反発力を測定する方法が挙げられる。
ここで、電池モジュール3がリユース可能であるセル2を含むと評価された場合、電池モジュール3を輸送してもよいし、リユース可能であるセル2のみを輸送してもよい。電池パック4がリユース可能である電池モジュール3を含むと評価された場合、電池パック4を輸送してもよいし、リユース可能である電池モジュール3のみを輸送してもよい。
又は、リユース可能であると評価された電池モジュール3を、リビルト電池パックに用いることが可能であるか否かが判定される。電池モジュール3に対し回復操作が実施され、所定の試験が行われる。この電池モジュール3を用いることができないと評価された場合、一部のセル2のリユース又は材料のリサイクルが行われる。
変形例では、カーディーラー等のユーザ対応窓口において、電池モジュール3又はセル2の膨れ量及び内部抵抗を測定せず、電池モジュール3が工場(例えばリビルドのための工場)へ受け入れられた後、前記膨れ量及び内部抵抗を測定する。
上記と同様にして一次選別を行う(S41)。再利用可能性の評価を行うと選別された電池パック4又は電池モジュール3は工場へ輸送される(S42)。
管理装置13により、再利用可能性の評価を行う(S43)。管理装置13は、電池モジュール3若しくはセル2の膨れ量、及び内部抵抗に基づいて、電池モジュール3がリユース可能であるか否か、又は、電池モジュール3に含まれるセル2がリユース可能であるか否かを評価する。
リユース可能であると評価されたセル2を用いて、例えば初期の用途とは異なる用途の電池モジュールがリビルドされる。又はリユース可能であると評価された電池モジュール3を用いて、例えば初期の用途とは異なる用途の電池パックがリビルドされる(S45)。
制御部14は、作業者が入力した電池モジュール3の膨れデータを入力部16により取得する(S11)。
膨れデータは、電池モジュール3の代表として選択したセル2の厚みでもよいし、電池モジュール3の全体の厚みでもよい。代表のセル2としては、上述したように、図3に示す、セル2が並ぶ方向の最外端部のセル2が挙げられる。作業者は、代表として選択したセル2の厚みを、例えばノギスを用いて測定する。厚みの測定は、ノギスを用いて行う場合に限定されず、例えばセンサを用いてもよい。センサを用いる場合、センサの検出結果を制御部14が取得する。代表のセル2は、前記端部のセル2に限定はされない。電池モジュール3の配置に基づき、加温され易いセル2を選択してもよい。
膨れデータは、図3に示す、セル2,2間の隙間Dのうちの選択した隙間Dでもよく、全ての隙間Dの合計量でもよい。
制御部14は膨れ量が閾値a1 以下でないと判定した場合(S12:NO)、電池モジュール3の中でリユースが可能であるセル2があるか否かを評価し、全てのセル2のリユースが可能でない場合、材料をリサイクルすると評価し(S15)、処理を終了する。セル2のリユース可能性の評価は、セル2の厚み及び内部抵抗に基づいて行う。
作業者は、例えば交流抵抗測定器を用い、リード33,33間の内部抵抗を測定する。作業者は、交流抵抗測定器を用い、セル2の代表として選択した、例えばセル2が並ぶ方向の端部のセル2の内部抵抗を測定してもよい。内部抵抗は、交流インピーダンス法により測定してもよい。交流抵抗測定器として、4端子型交流抵抗器(4端子:+電流・電圧、-電流・電圧の端子)が挙げられ、測定時の周波数として例えば1kHzが挙げられる。
制御部14は、内部抵抗がb1 以下であると判定した場合(S14:YES)、電池モジュール3がリユース可能であると評価し(S16)、処理を終了する。
本実施形態によれば、電池モジュール3を解体せずに、電池モジュール3の膨れ量及び交流内部抵抗を取得することで、再利用の対照から除外するべき電池モジュール3を簡便に除外できる。セル2を電池パック4や電池モジュール3から取り外し、個別のセル2について評価を行う場合、労力及びコストの負担が大きい。本実施形態によれば、再利用に適さないセル2を含む電池モジュール3を、コストが高くかかる解体及び工場への輸送や充放電などを行うリビルト可能性の評価の前に、簡便に選別できる。
全ての電池モジュール3をリユースできる場合、電池パック4をリユースしてもよい。
R=(V-OCV)/I…(1)
内部抵抗の算出方法は、これに限定はされず、他の公知の手法を採用してもよい。
図7は、管理装置13の制御部14による、電池モジュール3及びセル2の再利用可能性の評価処理の手順を示すフローチャートである。
制御部14は、作業者が入力した電池モジュール3の各セル2の膨れデータを取得する(S21)。膨れデータは、各セル2の厚みでもよく、隙間Dでもよい。
制御部14は、各セル2の内部抵抗を例えば交流抵抗測定器を用いて測定する(S22)。
制御部14は内部抵抗がb1 以下でないと判定した場合(S30:NO)、各セル2をリユース可能と評価する(S27)。
管理装置も、車載用に限定はされない。管理装置は、ユーザ対応窓口(エンドユーザが蓄電装置を持ち込むサイト)に設置されるか持ち込まれて、そこで二次電池の再利用可能性の評価を行うことが好ましい。管理装置は、ユーザ対応窓口に設置された情報端末であってもよい。
管理装置は、可搬型の情報端末であってもよい。管理装置は、車両に接続するためのプローブ又はケーブルを有してもよい。管理装置は、可搬型の情報端末であって、車両と無線通信(例えば近距離無線通信)を行い、二次電池の再利用可能性を評価することが好ましい。
二次電池はリチウムイオン二次電池に限定はされず、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(コンデンサ)型の蓄電素子等の他の二次電池であってもよい。
2 セル
3 電池モジュール(蓄電装置)
4 電池パック(蓄電装置)
5 CMU
6 BMU
14 制御部
61 制御部
15、62 記憶部
151 評価プログラム
63 使用履歴
64 膨れデータ
16、65 入力部
17、66 インタフェース部
7 統合ECU
8 通信部
10 電流センサ
13 管理装置
18 記録媒体
Claims (4)
- コンピュータが、
互いに電気的に接続された複数の二次電池セルを含む蓄電装置について、前記複数の二次電池セルのそれぞれ又は代表の膨れ量の測定結果の入力を受け付けることによって膨れ量を取得し、
前記蓄電装置の内部抵抗の測定結果の入力を受け付けることによって内部抵抗を取得し、
前記膨れ量及び前記内部抵抗に基づいて、前記複数の二次電池セルを含む蓄電装置全体が再利用可能かを評価する、二次電池の再利用方法。 - コンピュータが、
互いに電気的に接続された複数の二次電池セルを含む蓄電装置について、前記複数の二次電池セルの膨れ量を、前記複数の二次電池セルの隙間の変化の測定結果の入力を受け付けることによって取得し、
前記蓄電装置の内部抵抗の測定結果の入力を受け付けることによって内部抵抗を取得し、
前記膨れ量及び前記内部抵抗に基づいて、前記複数の二次電池セルを含む蓄電装置全体が再利用可能かを評価する、二次電池の再利用方法。 - 前記コンピュータは、
前記蓄電装置の代表の二次電池セルの膨れ量が閾値以下であって、且つ、全体の内部抵抗の抵抗値が閾値以下である場合、前記蓄電装置全体を再利用可能であると評価する
請求項1又は2に記載の二次電池の再利用方法。 - 互いに電気的に接続された複数の二次電池セルの再利用可能性を評価するコンピュータに、
前記複数の二次電池セルを含む蓄電装置について、前記複数の二次電池セルのそれぞれ又は代表の膨れ量の測定結果の入力を受け付けることによって膨れ量を取得し、
前記蓄電装置の内部抵抗の測定結果の入力を受け付けることによって内部抵抗を取得し、
前記膨れ量及び前記内部抵抗に基づいて、前記複数の二次電池セルを含む蓄電装置全体が再利用可能かを評価する
処理を実行させる、コンピュータプログラム。
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