JP7420224B2 - 蓄電装置、電動車両および電力システム - Google Patents
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Description
蓄電部と、
蓄電部の温度を検出する温度測定部と、
蓄電部の充放電電流を測定する電流測定部と、
蓄電部の安全性評価値を算出する安全性評価部と
を有し、
安全性評価部は、温度測定部により検出された温度が複数の温度領域のうちどの温度領域に属するかを判定し、判定の結果である温度領域と蓄電部の充放電時間に関する値の累積値とある範囲で分割された電流帯とに基づいて安全性評価値を算出する
蓄電装置である。
<背景>
<一実施形態>
<変形例>
<応用例>
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
始めに、本発明の理解を容易とするために、本発明の背景について説明する。蓄電モジュールに使用される二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)の状態に対する指標(尺度)としては、「SOC(State Of Charge)」および「SOH(State Of Health)」が挙げられる。SOCは残容量に対応する指標であり、SOHはリチウムイオン二次電池の劣化状態に対応する指標である。これらの指標はリチウムイオン二次電池の劣化の具合がわかるものの、リチウムイオン二次電池およびリチウムイオン二次電池が適用される蓄電モジュールの安全性に対する指標はこれまでなかった。より具体的には、充放電電流が流れた場合に起こるリチウムの析出が安全性に影響を与えるが、従来の指標は係る観点が欠如していた。従って、リチウムイオン二次電池そのものが劣化していたとしても安全性に影響がない場合に、安全性に関する指標がないことから、当該リチウムイオン二次電池の使用を中止せざるを得ない場合があった。また、国際規格において、蓄電モジュールの安全性に関する指標が求められる場合も想定される。本発明は係る点を考慮して、リチウムイオン二次電池が適用される蓄電モジュールの安全性に関する指標を規定することにより、上述した不都合を回避する。なお、以下の説明において、蓄電モジュールの安全性に関する指標を安全性評価値またはSOS(State Of Safety)と適宜、称する。
[蓄電モジュールの構成]
図1は、一実施形態に係る蓄電装置としての蓄電モジュール(蓄電モジュール1)の構成例を示すブロック図である。蓄電モジュール1は、蓄電部11、電池特性測定部12、制御部13、使用履歴記憶部14、安全性評価部15、表示部16、および、通信部17を有している。
蓄電モジュール1は、ある範囲で分割された温度帯と電流帯、電圧帯にどれだけ滞在したか、時間を記録する仕組みを持っている。記録データは、例えば、温度帯、電流帯、電圧帯の3次元のマップで管理されており、それぞれの帯域の累積滞在時間が記録する。例えば、セル表面温度が23℃で充電電流が1C流れ、セル電圧が3.38Vの状態が30分継続した場合、マップ上の0.3C<I≦1Cという電流帯と、20℃≦Temp<30℃という温度帯と、3.35V≦V<3.40Vという電圧帯が重なり合う領域に、30分という時間が過去の時間に累積して記録される。
は、リチウム析出劣化率(%)を示す。リチウム析出劣化率は、SOHの計算にも用いられる。例えば、保存劣化率とリチウム析出劣化率との合計値が100から引かれることによってSOHが算出される。
図2は、Dパラメータの一例を示す図である。図2に示すように、Dパラメータは、横方向に設定される蓄電部11の複数の温度領域毎に設定される重みづけ係数である。また、Dパラメータは、縦方向に設定される蓄電部11の充放電電流(充電、放電のそれぞれの電流レート)によって設定される重みづけ係数でもある。
図3は、Fパラメータの一例を示す。Fパラメータは、電圧測定部12Cにより測定された蓄電部11の電圧によって設定される値である。より具体的には、Fパラメータは、電圧測定部12Cにより測定された蓄電部11の電圧が属する電圧の範囲(滞在電圧帯)によって設定される値である。式(1)からFパラメータが大きいほど、SOSの値が小さくなる。Fパラメータは、蓄電部11の電圧値が大きいほど大きな値に設定される。このように設定される理由は、高電圧ほどリチウムの析出が多くなり容量劣化が生じ易く、蓄電モジュール1の安全性を低下させ易いからである。
充放電サイクル値の具体的な例については後述する。充放電サイクル値を算出する上で必要となる充放電時間の累積値が使用履歴記憶部14に記憶される。図4は、充放電時間の累積値の一例を示す。
最大安全劣化率は、電池の特性に応じて実験的に求められる。例えば、最大安全劣化率は、事前に低温サイクル試験を実施し、低温サイクル後の容量維持率と安全性試験結果の安全度の関係から求められた値であり、サイクル劣化が進行しても安全性に問題のない低温サイクル後の容量維持率の範囲の最大値である。
(1)-20℃での低温サイクル充放電を行ってセルを劣化させ、下記の表1の各容量維持率になるサンプルを作成する。各サンプルに対して加熱試験を実施し、安全な場合はOK、安全でない場合はNGとする。(発火破裂等がないことを確認する)。なお、加熱試験は、JIS C8714携帯電子機器用リチウムイオン蓄電池の単電池及び組電池の安全性試験の加熱試験にしたがって行う。
(2)加熱試験の結果、OKとなった容量維持率の範囲を調べ、劣化率が最大となる値を最大安全劣化率とする。(表1に示す例の場合、安全性試験結果、容量維持率が100~40%まではOKとなっている。即ち、リチウム析出劣化率が0%~60%までは安全であることから最大安全劣化率は60%となる。)
なお、最大安全劣化率の決定方法では、リチウム析出しやすい条件である-20℃での充放電を行っている。したがって、ここでの容量維持率はリチウム析出による劣化が支配的であるとして試験を行った。
次に、安全性評価部15によるSOSの計算例について説明する。安全性評価部15は、例えば、周期的且つリアルタイムにSOSを算出する。以下の計算例では、下記の条件を用いて説明する。
蓄電モジュール1の定格容量:1000Ah
Fパラメータ;:1.5(滞在電圧帯3.45V以上)
最大安全劣化率:60%
SOS=100-3.15/60×100=94.75(%)となる。
図7は、リチウム析出劣化率とSOSとの関係を示す図である(但し、最大安全劣化率は60%とした。)。リチウム析出劣化率が例えば30%まで進行してしまった場合であってもSOSは50%であることから、蓄電モジュール1は通常動作範囲である。リチウム析出劣化率が例えば50%まで進行してしまった場合であってもSOSは16.7%であることから、蓄電モジュール1は通常動作範囲である。リチウム析出劣化率が例えば60%まで進行してしまった場合にはSOSが0%となり、蓄電モジュール1が故障と判断される。本発明では、SOSを用いることにより、従来、容量維持率やSOHだけでは判断することができなかった蓄電モジュール1の安全性を判断することが可能となり、適切なタイミングまでの蓄電モジュール1の使用が可能となる。
図8は、SOSの表示例を示す図である。図8に示すように、SOSは、例えば百分率で表される。具体的には、向かって左側を100%、右側を0%とするバー31が表示され、算出されたSOSの率の分、バー31内が発光する。SOSが0%、若しくは、0%に近くなった場合に、バー31内が点滅等するようにしてもよいし、警告メッセージが併せて表示されてもよい。また、SOSは、バー31を用いた表示に限らず、数値等で表示されてもよい。また、所定の操作入力に応じて、SOSが音声によって報知されてもよい。SOSが0%になった場合には、ユーザにより蓄電モジュール1が交換される。
以上、説明した本実施形態によれば、例えば、以下の効果を得ることができる。
充放電電流が流れた場合のリチウム析出による劣化を考慮することで、蓄電モジュールの安全性を適切に評価することが可能となる。従来の容量維持率やSOH等は保存による劣化や常温・低レートの充放電などリチウム析出に寄与しない劣化も含め評価されていたため、安全性に関連するリチウム析出劣化を適切に評価できていなかった。例えば、容量維持率が50%である場合でも保存劣化等のリチウム析出劣化に寄与しない部分も含めて評価されていたため、安全性の評価の点で不十分であった。本実施形態によれば、リチウム析出劣化を適切に評価できるため正確に安全性を評価しユーザに通知することが可能となる。
蓄電モジュールが製造されてから現在までの使用履歴に基づいてSOSを算出することができる。また、SOSをリアルタイムに算出することができるので、非破壊検査や、安全性確認のため蓄電モジュールを停止した定期検査等を行う必要がなくなる。
蓄電モジュールの再利用を考慮した場合に、SOSが示されることにより蓄電モジュールの安全性を証明することができる。また、蓄電モジュールの安全的な価値を示す指標としてSOSを用いることができる。バー表示を用いた百分率でSOSを表示することにより、ユーザが直感的に安全性を認識することができる。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
本発明に係る蓄電モジュール1は、電動工具、電動車両、各種の電子機器等に搭載又は電力を供給するために使用することができる。
11・・・蓄電部
12・・・電池特性測定部
12A・・・温度測定部
12B・・・電流測定部
12C・・・電圧測定部
12D・・・カウンタ
13・・・制御部
14・・・使用履歴記憶部
15・・・安全性評価部
16・・・表示部
17・・・通信部
Claims (15)
- 蓄電部と、
前記蓄電部の温度を検出する温度測定部と、
前記蓄電部の充放電電流を測定する電流測定部と、
前記蓄電部の安全性評価値を算出する安全性評価部と
を有し、
前記安全性評価部は、前記温度測定部により検出された温度が複数の温度領域のうちどの温度領域に属するかを判定し、前記判定の結果である温度領域と前記蓄電部の充放電時間に関する値の累積値とある範囲で分割された電流帯とに基づいて前記安全性評価値を算出する
蓄電装置。 - 前記安全性評価部は、前記温度領域毎に設定される重みづけ係数を、前記充放電時間に関する値にかけ合わせた値を累積することにより前記安全性評価値を算出する
請求項1に記載の蓄電装置。 - 前記重みづけ係数は、基準温度領域よりも離れた温度領域ほど大きな値に設定される
請求項2に記載の蓄電装置。 - 前記重みづけ係数は、充電時において前記温度領域が基準温度領域よりも低くなるほど大きな値に設定される
請求項3に記載の蓄電装置。 - 前記重みづけ係数は、前記充放電電流によっても設定され、
前記充放電電流が大きいほど、前記重みづけ係数が大きく設定される
請求項2から4までの何れかに記載の蓄電装置。 - 前記蓄電部は複数の電池を有し、
前記複数の電池の電圧を測定する電圧測定部を有し、
前記安全性評価部は、前記充放電時間に関する値に対して前記電圧測定部が測定した電圧によって設定される電圧係数を掛け合わせた値を累積することにより、前記安全性評価値を算出する
請求項1から5までの何れかに記載の蓄電装置。 - 前記電圧係数は、前記電圧測定部が測定した電圧が大きいほど大きな値に設定される
請求項6に記載の蓄電装置。 - 前記安全性評価値は、百分率で表される
請求項1から7までの何れかに記載の蓄電装置。 - 前記充放電時間に関する値は、充放電サイクル値として計算され、
前記充放電サイクル値は、前記充放電時間の累積値に対して、前記電流測定部により測定された電流値を掛け合わせ、その結果を前記蓄電部の定格容量で除することにより計算される
請求項1から8までの何れかに記載の蓄電装置。 - 前記充放電時間に関する値は、積算容量値として計算され、
前記積算容量値は、前記充放電時間の累積値に対して、前記電流測定部により測定された電流値を掛け合わせることにより計算される
請求項1から8までの何れかに記載の蓄電装置。 - 制御部と、
表示部と
を有し、
前記安全性評価値が前記制御部に出力され、前記制御部によって前記表示部に表示される
請求項1から12までの何れかに記載の蓄電装置。 - 請求項1から13までの何れかに記載の蓄電装置を有する電動車両。
- 請求項1から13までの何れかに記載の蓄電装置から、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から前記蓄電装置に電力を供給する電力システム。
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