(57)【要約】【課題】フル充放電を行わなくても電池の劣化状況を把握することができる、リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法を提供する。【解決手段】電流遮断後の緩和過程を解析して電池の抵抗を把握し、得られた抵抗値を加味して、断片的な充放電曲線から充放電曲線の全体像を推定する。具体的には、部分充電または部分放電により、充放電曲線の一部分である部分充放電曲線を取得し、正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を算出する部分充放電曲線算出工程と、充電中の充電電流または放電中の放電電流を遮断した後の端子電圧の緩和過程から、リチウムイオン二次電池の抵抗値を把握する抵抗把握工程と、得られた抵抗値を加味して、部分充放電曲線から全体像を算出した算出充放電曲線を得る充放電曲線算出工程と、を含むリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法とする。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法であって、
正極充放電曲線および負極充放電曲線を取得する充放電曲線取得工程と、
部分充電または部分放電により、充放電曲線の一部分である部分充放電曲線を取得し、正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を算出する部分充放電曲線算出工程と、
充電中の充電電流または放電中の放電電流を遮断した後の端子電圧の緩和過程から、前記リチウムイオン二次電池の抵抗値を把握する抵抗把握工程と、
前記抵抗値を加味して、前記正極部分充放電曲線から全体像を算出した正極算出充放電曲線と、前記負極部分充放電曲線から全体像を算出した負極算出充放電曲線とを得る充放電曲線算出工程と、
前記正極算出充放電曲線と前記負極算出充放電曲線から、前記リチウムイオン二次電池の容量を算出し、前記リチウムイオン二次電池の状態を判断または予測する電池状態把握工程と、
を含むリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法。
【請求項２】
前記電池状態把握工程にて判断された劣化の状況に基づいて、将来の劣化を抑制する制御手段を適用する劣化制御工程を含む、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法に関する。さらに詳しくは、電池のフル充電を実施しなくても、電池の劣化状況を把握することができる、リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。ここで、リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことで劣化が生じ、容量が低下することでその性能が低下していく。
【０００３】
そこで、リチウムイオン二次電池の劣化状態を把握することで、電池の性能の低下を抑制したり、さらなる劣化を抑制することが検討されている。特に、電気自動車では、走行可能距離の算出や、電力の入出力制御等に際し、リチウムイオン二次電池の劣化状態の把握は重要である。
【０００４】
従来、リチウムイオン二次電池の劣化状態の把握する方法としては、あらかじめ劣化条件のマップを作成し、電池使用履歴を記録してマップに当てはめる方法（特許文献１参照）や、電池の容量・抵抗・インピーダンスなどを実測して、状態を推定する方法（特許文献２参照）が、提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１５５７０６号公報
【特許文献２】特開２０１７−１１１８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたマップを作成する方法では、マップ作成のために膨大な数の電池を必要とする上、その労力と時間（例えば２年）も必要となっていた。
【０００７】
また、特許文献２に記載された実測値を用いる方法によれば、フル充放電の実測値から電池の状況は得られるものの、フル充放電の機会のない電池については、正確なデータを得ることができない状況であった。例えば、ＨＥＶ用電池は、原則ＳＯＣ＝５０％付近で使用され、また、ＥＶ用電池は、ＳＯＣ＝０％の完全放電は行われない状況であるため、使用環境においてはフル充放電の機会はない。
【０００８】
したがって、特許文献１や特許文献２に記載された方法によれば、見かけ上の性能は把握できるものの、実際の使用状態における電池の劣化については把握できない状況であった。また、実際の使用環境における劣化が把握できないことから、将来にわたる劣化の予測も困難な状況であった。
【０００９】
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、フル充放電を行わなくても電池の劣化状況を把握することができる、リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、断片的な充放電曲線から、充放電曲線の全体像を推定する方法について鋭意検討を行った。そして、断片的な充放電曲線から全体像を推定するためには、抵抗を考える必要があることに着目し、抵抗を把握する手法として、電流遮断後の緩和過程を解析し、得られた抵抗値を加味して充放電曲線の全体像を推定すれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
すなわち本発明は、リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法であって、正極充放電曲線および負極充放電曲線を取得する充放電曲線取得工程と、部分充電または部分放電により、充放電曲線の一部分である部分充放電曲線を取得し、正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を算出する部分充放電曲線算出工程と、充電中の充電電流または放電中の放電電流を遮断した後の端子電圧の緩和過程から、前記リチウムイオン二次電池の抵抗値を把握する抵抗把握工程と、前記抵抗値を加味して、前記正極部分充放電曲線から全体像を算出した正極算出充放電曲線と、前記負極部分充放電曲線から全体像を算出した負極算出充放電曲線とを得る充放電曲線算出工程と、前記正極算出充放電曲線と前記負極算出充放電曲線から、前記リチウムイオン二次電池の容量を算出し、前記リチウムイオン二次電池の状態を判断または予測する電池状態把握工程と、を含むリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法である。
【００１２】
さらに、上記のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法は、前記電池状態把握工程にて判断された劣化の状況に基づいて、将来の劣化を抑制する制御手段を適用する劣化制御工程を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法によれば、フル充放電を行わなくても電池の劣化状況を把握することができるため、多大な労力や時間を必要とすることなく、簡易に電池の状態を把握することが可能となる。
【００１４】
また、電池の状態判断に基づいて将来の劣化を予測することができ、さらには将来の劣化を抑制するための制御を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電流遮断後の緩和挙動を示すグラフである。
【図２Ａ】図１の緩和挙動における第１の分解緩和成分の挙動を示すグラフである。
【図２Ｂ】図１の緩和挙動における第２の分解緩和成分の挙動を示すグラフである。
【図２Ｃ】図１の緩和挙動における第３の分解緩和成分の挙動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
＜リチウムイオン二次電池の電池状態判定方法＞
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法は、充放電曲線取得工程と、部分充放電曲線算出工程と、抵抗把握工程と、充放電曲線算出工程と、電池状態把握工程と、を含む。本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法は、これらの工程を必須の工程として含んでいればよく、任意に、その他の工程を含んでいてもよい。
【００１８】
［充放電曲線取得工程］
充放電曲線取得工程においては、正極充放電曲線および負極充放電曲線を取得する。
【００１９】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法においては、あらかじめ、正極および負極それぞれの充放電曲線を取得する。正極充放電曲線および負極充放電曲線を取得する方法は、特に限定されるものではなく、通常実施される方法を適用することができる。
【００２０】
充放電曲線取得工程において取得した正極充放電曲線および負極充放電曲線は、リチウムイオン二次電池の劣化の状態の判断、および将来の劣化予測を実施するための基準となる。本発明においては、Ｊ．Ｎｅｗｍａｎのモデルに基づく線形曲線フィッティングを用いることで、判断および予測を実施する。
【００２１】
［部分充放電曲線算出工程］
部分充放電曲線算出工程においては、フルセルの部分充電または部分放電により、充放電曲線の一部分である部分充放電曲線を取得し、正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を算出する。
【００２２】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法においては、判定したい電池のフル充放電を行う必要がなく、部分的な充電または放電を実施するのみでよいことを特徴とする。正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を取得する方法は、特に限定されるものではなく、充放電曲線を取得するために通常実施される方法を適用することができる。
【００２３】
部分充放電曲線算出工程において算出する正極および負極の部分充放曲線の長さは、特に限定されるものではないが、全容量の１／１０以上２／３以下の長さであることが好ましい。全容量の１／１０以上の長さであれば、Ｊ．Ｎｅｗｍａｎのモデルに基づく線形曲線フィッティングで十分な精度が出せる。一方で、全容量の２／３を超える長さとした場合には、フィッティング精度は確保できるが、時間短縮の効果が薄れる。
【００２４】
［抵抗把握工程］
抵抗把握工程においては、充電中の充電電流または放電中の放電電流を遮断した後の端子電圧の緩和過程から、リチウムイオン二次電池の抵抗値を把握する。
【００２５】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法においては、断片的な充放電曲線である正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線から、正極充放電曲線の全体像および負極充放電曲線の全体像を推定するにあたり、抵抗把握工程で得られた抵抗値を加味することを特徴とする。これにより、使用による内部抵抗の上昇を加味した、使用履歴に応じた劣化状態について精度高く把握することができる。
【００２６】
また、本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法においては、電流を遮断した後の緩和過程からリチウムイオン二次電池の抵抗値を把握するため、電池の容量、抵抗、インピーダンス等を実測する必要がない。
【００２７】
充電中の充電電流または放電中の放電電流を遮断した後の緩和過程からリチウムイオン二次電池の抵抗値を把握する方法としては、例えば、電流を遮断した後の緩和過程を解析する方法が挙げられる。解析する方法としては、例えば、電流を遮断した後の緩和過程を、時定数を用いて複数の成分に分解する方法が挙げられる。分解の方法としては、例えば、緩和成分を分けて、拡散方程式にしたがってフィッティングするする方法が挙げられる。
【００２８】
抵抗把握工程においては、得られた分解緩和成分を用いて、各成分の時定数と電圧変化を考慮することで、リチウムイオン二次電池の抵抗値を把握することができる。
【００２９】
以下、図面を用いて、本発明の一実施態様に係る抵抗把握工程ついて説明する。図１は、充電電流遮断後の端子電圧の緩和挙動を示すグラフである。縦軸ΔＥ／Ｖは、端子電圧の変化量を示し、横軸ｔ０．５／ｓ０．５は、経過時間の平方根を示す。
【００３０】
図１に示されるグラフにおいては、充電中に電流を遮断すると、電池の端子電圧は、瞬時におよそ−０．２５Ｖ低下する。その後、緩やかな緩和が生じていることが示されている。
【００３１】
本発明の一実施態様に係る抵抗把握工程においては、図１に示される緩和挙動を、３つの時定数による緩和成分に分解する。図２Ａは、図１の緩和挙動を、１つ目の時定数で分解した第１の分解緩和成分の挙動を示すグラフである。図２Ｂは、２つ目の時定数で分解した第２の分解緩和成分の挙動であり、図２Ｃは、３つ目の時定数で分解した第３の分解緩和成分の挙動を示すグラフである。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、×印で記載された曲線は、実際の実測値である図１に示される曲線と同一であり、実線は、時定数により分解したそれぞれの分解緩和成分である。
【００３２】
本発明の一実施態様に係る抵抗把握工程は、図２Ａ〜図２Ｃに示されるように、３つの時定数による緩和成分に分解した例であるが、本発明の抵抗把握工程において、緩和挙動を分解する成分の数は限定されるものではなく、任意に設定することができる。また、時定数による分解に限定されるものではなく、例えば、緩和時間により分解することも可能である。
【００３３】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法においては、抵抗把握工程で得られるそれぞれの分解緩和成分に基づいて、Ｊ．Ｎｅｗｍａｎのモデルに基づく線形曲線フィッティングを用いて、上記した部分充放電曲線算出工程で取得したフルセルの部分充放電曲線から、正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線を算出し、それぞれが、充放電曲線取得工程で取得した正極充放電曲線および負極充放電曲線のどの部分にあたるかを判断する。
【００３４】
［充放電曲線算出工程］
充放電曲線算出工程においては、上記の抵抗把握工程で得られた抵抗値を加味して、上記の部分充放電曲線算出工程で算出された正極部分充放電曲線から、充放電曲線の全体像を算出した正極算出充放電曲線と、上記の部分充放電曲線算出工程で算出された負極部分充放電曲線から、充放電曲線の全体像を算出した負極算出充放電曲線とを得る。
【００３５】
具体的には、上記の通り、Ｊ．Ｎｅｗｍａｎのモデルに基づく線形曲線フィッティングを用いて、部分充放電曲線算出工程で算出した正極部分充放電曲線および負極部分充放電曲線が、充放電曲線取得工程で取得した正極充放電曲線および負極充放電曲線のどの部分にあたるかを判断し、当該判断を用いて、充放電曲線の全体像を算出し、正極算出充放電曲線と負極算出充放電曲線とを得る。
【００３６】
充放電曲線の全体像の算出は、例えば、最小二乗法を用いたフィッティングにより実施することができる。
【００３７】
［電池状態把握工程］
電池状態把握工程は、上記の充放電曲線算出工程で得られた正極算出充放電曲線と負極算出充放電曲線から、リチウムイオン二次電池の容量を算出し、リチウムイオン二次電池の状態を判断または予測する工程である。
【００３８】
リチウムイオン二次電池の容量を算出する方法は、特に限定されるものではなく、通常の方法で算出することができる。
【００３９】
以上の通り、本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法によれば、フル充放電を行わなくても電池の劣化状況を把握することができ、簡易に電池の状態を把握することができる。
【００４０】
［その他の工程］
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法は、上記した必須の工程である、充放電曲線取得工程、部分充放電曲線算出工程、抵抗把握工程、充放電曲線算出工程、および電池状態把握工程以外に、任意の工程を含んでいてもよい。
【００４１】
（劣化制御工程）
任意の工程としては、例えば、劣化制御工程が挙げられる。劣化制御工程においては、電池状態把握工程にて判断された劣化の状況に基づいて、将来の劣化を抑制する制御手段を適用する。
【００４２】
本発明のリチウムイオン二次電池の電池状態判定方法は、電池の状態判断に基づいて将来の劣化を予測することができるため、将来の劣化を抑制するための制御を実施することができる。
【００４３】
劣化制御工程において実施する制御方法は、特に限定されるものではないが、例えば、充放電速度あるいは充放電終止電圧を変化させる方法が挙げられる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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