JPWO2016136788A1 - 電池劣化診断方法および電池劣化診断装置 - Google Patents
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Abstract
Description
過渡特性を有する二次電池の電池劣化を診断する電池劣化診断方法であって、
前記二次電池に対して充電を行う充電ステップと、
前記充電の終了後、前記二次電池の電池端子間電圧が前記二次電池の電池内部電圧に収束する過程において、前記電池端子間電圧から前記電池内部電圧を差し引いた電位差を積分し、前記電位差の積分値を算出する演算ステップと、
前記積分値に基づいて前記二次電池の電池劣化を診断する診断ステップと、を含む
ことを特徴とする。
前記演算ステップでは、前記二次電池の周囲温度の上昇に伴い指数関数的に大きくなる補正関数により、前記積分値の補正を行い、
前記診断ステップでは、補正後の前記積分値に基づいて前記二次電池の電池劣化を診断することが好ましい。
過渡特性を有する二次電池の電池劣化を診断する電池劣化診断装置であって、
前記二次電池の充電の終了後、前記二次電池の電池端子間電圧が前記二次電池の電池内部電圧に収束する過程において、前記電池端子間電圧から前記電池内部電圧を差し引いた電位差を積分し、前記電位差の積分値を算出する演算部と、
前記積分値の電池劣化特性に関する第1データが格納された記憶部と、
前記演算部で算出された前記積分値と、前記記憶部に格納された前記第1データとに基づいて、前記二次電池の電池劣化を診断する診断部と、を含む
ことを特徴とする。
前記記憶部には、前記二次電池の周囲温度の上昇に伴い指数関数的に大きくなる補正関数と、前記補正関数により補正された前記積分値の電池劣化特性に関する第2データとが格納されており、
前記演算部は、前記補正関数により前記積分値の補正を行い、
前記診断部は、補正後の前記積分値と前記第2データとに基づいて前記二次電池の電池劣化を診断することが好ましい。
本発明の一実施形態に係る電池劣化診断方法は、(1)リチウムイオン二次電池に対して充電を行う「充電ステップ」と、(2)充電の終了後、リチウムイオン二次電池の電池端子間電圧が電池内部電圧に収束する過程において、電池端子間電圧から電池内部電圧を差し引いた電位差を積分し、電位差の積分値を算出する「演算ステップ」と、(3)算出した積分値に基づいてリチウムイオン二次電池の電池劣化を診断する「診断ステップ」とを含む。
本実施形態では、リチウムイオン二次電池として、Panasonic社製円筒型リチウムイオン二次電池CGR18650CHを使用した。この電池の仕様を表1に示す。
以下、本実施形態に係る電池劣化診断方法について、詳しく説明する。本実施形態に係る電池劣化診断方法は、充電終了後、電池端子間電圧VBが充電率(SOC)で定まる電池内部電圧V0に収束する過程において、電池端子間電圧VBから電池内部電圧V0を差し引いた電位差を積分した面積(積分値)Sを用いて、リチウムイオン二次電池の電池劣化を診断する。この電池劣化診断方法は、数値積分を主とする簡単な四則演算のみを用いて電池劣化を診断することができるため、比較的安価で実用性が高い。
まず、理論波形による検証について説明する。電池端子間電圧VBの理論波形を計算するにあたり、直列抵抗RB0とCR並列回路を直列に接続したCR並列1段の等価回路を用いる。充電終了後の電池端子間電圧VBが電池内部電圧V0に収束する過程において、電池内部電圧V0は、一定であるため考慮しない。このため、電池端子間電圧VBの理論波形は、電池端子間電圧VBから電池内部電圧V0を除いた波形により表現できる。等価回路における各回路定数は、直列抵抗RB0を30[mΩ]とし、CR並列回路のキャパシタCB1を1[F]とし、CR並列回路の抵抗RB1を8[mΩ]から16[mΩ]まで2[mΩ]毎に変化させることとした。また、充電電流を1[C](2.25[A])のパルス電流とし、充電中における電池端子間電圧VBが定常状態となるよう、充電時間を10秒間とした。このような条件の下、充電終了後の過渡応答電圧波形(電池端子間電圧波形)VBの観測を行い、充電終了後に電池端子間電圧VBが電池内部電圧V0に収束する過程において、電池端子間電圧VBから電池内部電圧V0を差し引いて積分した面積Sの比較を行う。サンプリング周波数を2[kHz]とし、面積Sを(7)式により求める。ここで、△tを時間刻みとする。
実電池はSOCや温度等の運用状況により特性が変化することから、各特性試験を行うことにより、本実施形態に係る電池劣化診断方法の有用性を検討する。併せて、本実施形態に係る電池劣化診断方法に必要な電流パルス幅、サンプリング周波数、最大観測時間等を検討する。各特性試験において数値積分は、充電終了後Tmax秒間(例えば、30秒間)実施するものとし、充電終了後Tmax秒経過時の電池端子間電圧VBを電池内部電圧VTmaxと定義し、(7)式を用いて計算する。すなわち、Tmaxは、必ずしも電池端子間電圧VBが電池内部電圧V0に収束したときの時間である必要はなく、電池端子間電圧VBが電池内部電圧V0に収束する途中の時間であってもよい。したがって、本実施形態に係る電池劣化診断方法は、電池端子間電圧VBが電池内部電圧VTmaxに収束する過程において、電池端子間電圧VBから電池内部電圧VTmaxを差し引いた電位差を積分した積分値(面積S)により、電池劣化を診断することができる。
電池劣化依存性に関する試験条件は、周囲温度を25[℃]、新品電池および各劣化電池における充電終了時のSOCを50%、充電電流を振幅1[C](2.25[A])のパルス電流とする。まず、電池劣化診断が可能な時間刻みを検討するため、サンプリング周波数を1[Hz]および2[kHz]とし、特性試験を行う。このときの充電時間は100秒間とする。
SOC依存性に関する特性試験条件は、周囲温度を25[℃]、新品電池および各劣化電池における充電終了時のSOCを20%〜80%、充電電流を振幅1[C](2.25[A])のパルス電流、サンプリング周波数を1[Hz]とする。
温度依存性に関する試験条件は、周囲温度を−10[℃]〜+40[℃]まで10[℃]毎に変化させ、新品電池および各劣化電池における充電終了時のSOCを50%とし、充電電流を振幅1[C](2.25[A])のパルス電流とする。また、サンプリング周波数を1[Hz]とし、充電時間を15秒間および100秒間とする。
次に、充電時間を100秒間として温度補正の検討を行う。図17に示すように、温度の上昇に伴い面積Sが指数関数的に小となるため、図17(b)に示す実測データから、最小二乗法により近似曲線を求める。面積Sは、周囲温度Tを用いて(8)式に示す指数関数で表現することができる。
図1に示す電池劣化診断装置1は、本実施形態に係る電池劣化診断方法を行うための装置であり、演算部11と、記憶部12と、診断部13とを含む。なお、図1では、リチウムイオン二次電池の充電を行う充電回路2と電池劣化診断装置1とを別々に設けているが、電池劣化診断装置1を充電回路2もしくは充電回路2の保護装置(図示略)に内蔵してもよい。電池劣化診断装置1には、電圧測定手段3により測定されたリチウムイオン二次電池の電池端子間電圧VBに関する信号と、周囲温度測定手段4により測定されたリチウムイオン二次電池の周囲温度(外気温度)に関する信号が入力される。なお、図1では、電圧測定手段3および周囲温度測定手段4を電池劣化診断装置1に含めていないが、これらの測定手段3、4を電池劣化診断装置1に含めてもよい。
2 充電回路
3 電圧検出手段
4 周囲温度測定手段
11 演算部
12 記憶部
13 診断部
Claims (4)
- 過渡特性を有する二次電池の電池劣化を診断する電池劣化診断方法であって、
前記二次電池に対して充電を行う充電ステップと、
前記充電の終了後、前記二次電池の電池端子間電圧が前記二次電池の電池内部電圧に収束する過程において、前記電池端子間電圧から前記電池内部電圧を差し引いた電位差を積分し、前記電位差の積分値を算出する演算ステップと、
前記積分値に基づいて前記二次電池の電池劣化を診断する診断ステップと、を含む
ことを特徴とする電池劣化診断方法。 - 前記演算ステップでは、前記二次電池の周囲温度の上昇に伴い指数関数的に大きくなる補正関数により、前記積分値の補正を行い、
前記診断ステップでは、補正後の前記積分値に基づいて前記二次電池の電池劣化を診断する
ことを特徴とする請求項1に記載の電池劣化診断方法。 - 過渡特性を有する二次電池の電池劣化を診断する電池劣化診断装置であって、
前記二次電池の充電の終了後、前記二次電池の電池端子間電圧が前記二次電池の電池内部電圧に収束する過程において、前記電池端子間電圧から前記電池内部電圧を差し引いた電位差を積分し、前記電位差の積分値を算出する演算部と、
前記積分値の電池劣化特性に関する第1データが格納された記憶部と、
前記演算部で算出された前記積分値と、前記記憶部に格納された前記第1データとに基づいて、前記二次電池の電池劣化を診断する診断部と、を含む
ことを特徴とする電池劣化診断装置。 - 前記記憶部には、前記二次電池の周囲温度の上昇に伴い指数関数的に大きくなる補正関数と、前記補正関数により補正された前記積分値の電池劣化特性に関する第2データとが格納されており、
前記演算部は、前記補正関数により前記積分値の補正を行い、
前記診断部は、補正後の前記積分値と前記第2データとに基づいて前記二次電池の電池劣化を診断する
ことを特徴とする請求項3に記載の電池劣化診断装置。
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