(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで二次電池の性能を推定する。【解決手段】二次電池のセル筐体を打撃するステップと、打撃による前記セル筐体の振動の大きさを計測するステップと、計測された振動を示す波形を解析してセル筐体の共振周波数を算出するステップと、算出された共振周波数に基づいて二次電池の性能を推定するステップとを有する。【選択図】図２
2014122817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池のセル筐体を打撃するステップと、
前記打撃による前記セル筐体の振動の大きさを計測するステップと、
計測された振動を示す波形を解析して前記セル筐体の共振周波数を算出するステップと、
前記算出された共振周波数に基づいて前記二次電池の性能を推定するステップと
を有することを特徴とする二次電池の性能推定方法。
【請求項２】
前記振動の大きさは、前記セル筐体のうち、前記打撃を受けた点と当該セル筐体の重心に対して対称な位置で計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項３】
前記セル筐体は略直方形であって、
前記打撃は、前記セル筐体の一面の中央に与える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項４】
前記セル筐体への打撃を互いに異なる複数方向により行い、
前記算出された共振周波数それぞれに基づいて、前記二次電池の性能を複数導出し、当該複数の性能の平均を当該二次電池の性能と推定する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項５】
前記セル筐体を打撃するハンマーの振動の大きさを計測するステップと、
前記ハンマーの振動の大きさを用いて前記セル筐体の振動の大きさを正規化するステップと、
前記正規化された振動の大きさと前記算出された共振周波数との関係に基づいて前記性能の推定結果が適切であるか否かを判定するステップと
を有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項６】
予め取得しておいた、前記共振周波数と前記正規化された振動の大きさとの関係に基づいて、前記算出された共振周波数に関連付けられた正規化された振動の大きさと、前記正規化された振動の大きさとの差が所定の閾値未満である場合に、前記打撃が適切に与えられたと判定する
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項７】
前記共振周波数に基づいて推定する前記二次電池の性能は、当該二次電池の容量劣化率である
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の二次電池の性能推定方法。
【請求項８】
二次電池の性能を推定する性能推定装置であって、
前記二次電池のセル筐体の打撃によって生じた振動によって求められる前記セル筐体の共振周波数に基づいて、前記二次電池の性能を推定する性能推定部
を備えることを特徴とする性能推定装置。
【請求項９】
コンピュータを、
二次電池のセル筐体の打撃によって生じた振動によって求められる前記セル筐体の共振周波数に基づいて、前記二次電池の性能を推定する手段
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池の性能推定方法、性能推定装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池などの二次電池は、運用と共に年月が経過すると劣化が進行する。二次電池の劣化が進行すると、その満充電容量が低下する。この劣化による満充電容量の変化は、電池劣化によるリスク管理や運用中の二次電池の充電率の推定において重要である。そのため、二次電池の満充電容量の変化を、オンラインまたはオフラインで正確に把握する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、超音波発振子により超音波を二次電池に印加し、二次電池の外側で検出した超音波に基づいて二次電池の劣化を診断する技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、二次電池の外側で検出した超音波のパワースペクトルを一定の周波数域で積分した値に基づいて、二次電池の容量を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９１８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いる場合、劣化の推定のために超音波発振子及び超音波受信子を用い、さらに数１００キロヘルツの高周波数信号の解析能力を有する解析装置を用いる必要があり、コストが高いという問題がある。
本発明の目的は、低コストで二次電池の性能を推定する性能推定方法、性能推定装置及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、二次電池のセル筐体を打撃するステップと、前記打撃による前記セル筐体の振動の大きさを計測するステップと、計測された振動を示す波形を解析して前記セル筐体の共振周波数を算出するステップと、前記算出された共振周波数に基づいて前記二次電池の性能を推定するステップとを有することを特徴とする二次電池の性能推定方法である。
【０００７】
また、本発明において前記振動の大きさは、前記セル筐体のうち、前記打撃を受けた点と当該セル筐体の重心に対して対称な位置で計測することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記セル筐体は略直方形であって、前記打撃は、前記セル筐体の一面の中央に与えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記セル筐体への打撃を互いに異なる複数方向により行い、前記算出された共振周波数それぞれに基づいて、前記二次電池の性能を複数導出し、当該複数の性能の平均を当該二次電池の性能と推定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記セル筐体を打撃するハンマーの振動の大きさを計測するステップと、前記ハンマーの振動の大きさを用いて前記セル筐体の振動の大きさを正規化するステップと、前記正規化された振動の大きさと前記算出された共振周波数との関係に基づいて前記性能の推定結果が適切であるか否かを判定するステップとを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、予め取得しておいた、前記共振周波数と前記正規化された振動の大きさとの関係に基づいて、前記算出された共振周波数に関連付けられた正規化された振動の大きさと、前記正規化された振動の大きさとの差が所定の閾値未満である場合に、前記打撃が適切に与えられたと判定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明において前記共振周波数に基づいて推定する前記二次電池の性能は、当該二次電池の容量劣化率であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、二次電池の性能を推定する性能推定装置であって、前記二次電池のセル筐体の打撃によって生じた振動によって求められる前記セル筐体の共振周波数に基づいて、前記二次電池の性能を推定する性能推定部を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、コンピュータを、二次電池のセル筐体の打撃によって生じた振動によって求められる前記セル筐体の共振周波数に基づいて、前記二次電池の性能を推定する手段として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、二次電池のセル筐体の打撃による振動の共振周波数に基づいて、二次電池の性能を推定する。したがって、本発明によれば二次電池の性能推定に超音波発振子及び超音波受信子は不要である。また、打撃による振動の共振周波数は、数１０００ヘルツであるため高性能な解析装置がなくとも当該共振周波数を検出することができる。つまり、本発明によれば低コストで二次電池の性能を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る性能推定装置を用いて二次電池の性能の推定を行う場合の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る性能推定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図３】関係記憶部が記憶する情報の例を示す図である。
【図４】セル筐体に打撃を複数回与えたときの相対強度のばらつきの大きさを示す図である。
【図５】二次電池の性能推定方法を示すフローチャートである。
【図６】セル筐体に打撃を与えたときの波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る性能推定装置３０を用いて二次電池１０の性能の推定を行う場合の一例を示す模式図である。
本実施形態に係る二次電池１０の性能推定方法は、二次電池１０のセル筐体１１をハンマー２０で打撃し、性能推定装置３０が当該打撃によりセル筐体１１に生じる振動を解析して二次電池１０の性能を推定するものである。
【００１８】
なお、セル筐体１１は略直方体であって、互いに対向する３対の面を有している。ここで、「略直方体」には、角部や稜線部の少なくとも一部が面取り状またはＲ面取り状であるもの、対向する面同士が厳密に平行でないもの、各面が厳密に平面ではないものも含まれるものとする。また、直方体には、立方体が含まれるものとする。
また、セル筐体１１の面のうち１つの面には電極（プラス、マイナス）が設けられている。以下、セル筐体１１の面のうち電極が設けられた面を含む対向する１対の面を、第１の端面及び第２の端面という。また、セル筐体１１の面のうち電極が設けられていない面であって面積が広いほうの対向する１対の面を、第１の主面及び第２の主面という。また、セル筐体１１のうち、第１の主面及び第２の主面並びに第１の端面及び第２の端面でない対向する１対の面を、第１の側面及び第２の側面という。
【００１９】
性能推定装置３０は、二次電池１０のある面に固設された加速度センサ１２及びハンマー２０に固設または内蔵された加速度センサ２１と接続されており、加速度センサ１２及び加速度センサ２１から入力を受け付けた信号を解析して二次電池１０の性能を推定する。なお、ハンマー２０による打撃は、セル筐体１１の第１の主面、第１の側面、第１の端面に対してそれぞれ行い、性能推定装置３０は、各打撃に基づいて二次電池１０の性能を推定する。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態に係る性能推定装置３０の構成を示す概略ブロック図である。
性能推定装置３０は、筐体振動計測部３１、ハンマー振動計測部３２、関係記憶部３３、共振周波数算出部３４、振動強度正規化部３５、エラー判定部３６、性能導出部３７、性能記憶部３８、性能推定部３９を備える。
【００２１】
筐体振動計測部３１は、加速度センサ１２からセンサ信号の入力を受け付け、当該センサ信号からセル筐体１１の振動の大きさを計測する。
ハンマー振動計測部３２は、加速度センサ２１からセンサ信号の入力を受け付け、当該センサ信号からハンマー２０の振動の大きさを計測する。
【００２２】
関係記憶部３３は、セル筐体１１の打撃位置ごとに、セル筐体１１の共振周波数と、ハンマー２０による打撃強度に基づいて正規化されたセル筐体１１の相対強度と、二次電池１０の容量劣化率（性能）との関係を記憶する。以下、正規化された振動強度を相対強度という。なお、関係記憶部３３が記憶する情報は、予め、同レシピ、同ロットの新品の二次電池１０と複数の劣化段階の二次電池１０とを用いて求められたものである。
【００２３】
図３は、関係記憶部３３が記憶する情報の例を示す図である。
関係記憶部３３は、図３（Ａ）に示すように、セル筐体１１の第１の主面に打撃を与えたときに、セル筐体１１の第２の主面において検出した振動の共振周波数と相対強度と二次電池１０の容量劣化率との関係を記憶する。また、関係記憶部３３は、図３（Ｂ）に示すように、セル筐体１１の第１の側面に打撃を与えたときに、セル筐体１１の第２の側面において検出した振動の共振周波数と相対強度と二次電池１０の容量劣化率との関係を記憶する。また、関係記憶部３３は、図３（Ｃ）に示すように、セル筐体１１の第１の端面に打撃を与えたときに、セル筐体１１の第２の端面において検出した振動の共振周波数と相対強度と二次電池１０の容量劣化率との関係を記憶する。
【００２４】
図３に示すように、何れの面に打撃を与えた場合も、セル筐体１１の共振周波数は、劣化度に対して単調増加の関係にある。また、図３に示すように、何れの面に打撃を与えた場合も、セル筐体１１の振動の相対強度は、劣化度に対して単調減少の関係にある。当該共振周波数及び相対強度の変化は、二次電池１０の劣化によりセル筐体１１が膨張し、そのヤング率が変化するために生じる。セル筐体１１の膨張の原因としては、二次電池１０の充放電によりセル筐体１１に収容される積層体が膨張することや、二次電池１０の使用により内部温度が上昇し電解液が気化して内圧が上昇することが挙げられる。
【００２５】
図２に戻り、共振周波数算出部３４は、筐体振動計測部３１が計測したセル筐体１１の振動を示す波形からセル筐体１１の共振周波数を算出する。共振周波数の算出は、例えばＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）や自己相関関数に基づいて算出することができる。なお、自己相関関数に基づいて共振周波数を算出する場合、ＦＦＴに基づいて共振周波数を算出する方法より簡便に共振周波数を算出することができる。
【００２６】
振動強度正規化部３５は、セル筐体１１の共振周波数における振動の強度を、ハンマー振動計測部３２が計測した振動の強度で除算することで、セル筐体１１の振動強度を正規化する。
【００２７】
エラー判定部３６は、共振周波数算出部３４が算出した共振周波数と振動強度正規化部３５が算出した相対強度と関係記憶部３３が記憶する情報とに基づいて、打撃が適切に与えられたか否かを判定する。具体的には、エラー判定部３６は、共振周波数算出部３４が算出した共振周波数に関連付けられた相対強度を関係記憶部３３から読み出し、当該相対強度と振動強度正規化部３５が算出した相対強度との差が所定の閾値未満である場合に、打撃が適切に与えられたと判定する。なお、関係記憶部３３から読み出した相対強度と振動強度正規化部３５が算出した相対強度との間に誤差がある場合、打撃を与える際にチャタリングなどが発生している可能性がある。
【００２８】
図４は、セル筐体１１に打撃を複数回与えたときの相対強度のばらつきの大きさを示す図である。
図４（Ａ）〜（Ｃ）示すように、セル筐体１１に複数回打撃を与えた場合であっても、セル筐体１１の共振周波数に変動誤差がないことが分かる。他方、セル筐体１１の振動の相対強度には、ばらつきが生じている。そこで、当該相対強度のばらつきの範囲を、エラー判定部３６による判定の閾値として用いることで、エラー判定部３６は、微小の誤差を許容しつつ、チャタリングなどのエラーの有無を判定することができる。
【００２９】
性能導出部３７は、エラー判定部３６によって、打撃が適切に与えられたと判定された場合に、共振周波数算出部３４が算出した共振周波数と関係記憶部３３が記憶する情報とに基づいて、二次電池１０の容量劣化率を導出し、当該容量劣化率を性能記憶部３８に記録する。
性能記憶部３８は、セル筐体１１の打撃位置ごとに、容量劣化率を記憶する。
性能推定部３９は、性能記憶部３８が記憶する容量劣化率の平均を、二次電池１０の容量劣化率と推定する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る二次電池１０の性能推定方法について説明する。
図５は、二次電池１０の性能推定方法を示すフローチャートである。
二次電池１０の性能の推定を開始すると、二次電池１０の検査者は、二次電池１０のセル筐体１１の主面、側面、端面のそれぞれについて、以下に示すステップＳ１〜ステップＳ１１の手順を実行する。
【００３１】
まず、検査者は、二次電池１０のセル筐体１１の第２の主面、側面または端面の中央に、加速度センサ１２を固設する（ステップＳ１）。次に、セル筐体１１をラバーなどの弾性体の上に載置し、またはセル筐体１１を吊り下げて、セル筐体１１の第２の主面、側面または端面の中央を、ハンマー２０で打撃する（ステップＳ２）。なお、ハンマー２０には加速度センサ２１が固設または内蔵されている。
【００３２】
図６は、セル筐体１１に打撃を与えたときの波形の一例を示す図である。
次に、性能推定装置３０の筐体振動計測部３１は、加速度センサ１２からセンサ信号の入力を受け付け、当該センサ信号からセル筐体１１の振動の大きさを計測する。により、筐体振動計測部３１は、図６（Ａ）に示すような波形を観測することができる。また、ハンマー振動計測部３２は、加速度センサ２１からセンサ信号の入力を受け付け、当該センサ信号からハンマー２０の振動の大きさを計測する（ステップＳ３）。これにより、ハンマー振動計測部３２は、図６（Ｂ）に示すような波形を観測することができる。
【００３３】
次に、共振周波数算出部３４は、筐体振動計測部３１が計測したセル筐体１１の振動の大きさからセル筐体１１の共振周波数を算出する（ステップＳ４）。共振周波数算出部３４は、例えばセル筐体１１の振動の波形をフーリエ変換し、得られたスペクトルの大きさが最大となる周波数を共振周波数として特定する。この場合、共振周波数算出部３４は、図６（Ｃ）に示すようなスペクトルを得ることができ、最もレベルが高い周波数を、共振周波数として特定する。
または、共振周波数算出部３４は、例えばセル筐体１１の振動の波形を、複数のずれ時間について自己相関関数にかけ、重ね合わせの強度が最も強くなるずれ時間の逆数をとることで共振周波数を特定する。
【００３４】
次に、振動強度正規化部３５は、筐体振動計測部３１が計測した筐体の振動から、共振周波数における振動の強度を特定する（ステップＳ５）。次に、振動強度正規化部３５は、図６（Ｄ）に示すように、特定した振動の強度（図６（Ｃ））を、ハンマー振動計測部３２が計測した振動の強度（図６（Ｂ））で除算することで、セル筐体１１の振動の相対強度を算出する（ステップＳ６）。
【００３５】
次に、エラー判定部３６は、共振周波数算出部３４が算出した共振周波数に関連付けられた相対強度を、関係記憶部３３から読み出す（ステップＳ７）。次に、エラー判定部３６は、関係記憶部３３から読み出した相対強度と振動強度正規化部３５が算出した相対強度との差を算出する（ステップＳ８）。次に、エラー判定部３６は、当該差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。エラー判定部３６は、当該差が所定の閾値以上であると判定した場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、打撃により得られたデータにエラーがあると判定する。このとき、エラー判定部３６は、エラーがある旨をディスプレイに表示することなどにより検査者に通知することが好ましい。そして、ステップＳ２に戻り、検査者は、セル筐体１１の同一の面に対して再度ハンマー２０による打撃を行う。
【００３６】
他方、エラー判定部３６が、当該差が所定の閾値未満であると判定した場合（ステップＳ９：ＮＯ）、性能導出部３７は、共振周波数算出部３４が算出した共振周波数に関連付けて関係記憶部３３に記録されている容量劣化率を、二次電池１０の容量劣化率として導出する（ステップＳ１０）。そして、性能導出部３７は、当該容量劣化率を、打撃を与えたセル筐体１１の位置に関連付けて性能記憶部３８に記録する（ステップＳ１１）。
【００３７】
二次電池１０のセル筐体１１の主面、側面、端面のそれぞれについて、ステップＳ１〜ステップＳ１１の手順を実行すると、性能推定部３９は、性能記憶部３８が記憶する容量劣化率の平均値を、二次電池１０の容量劣化率として推定する（ステップＳ１２）。つまり、性能推定部３９は、セル筐体１１の各位置の打撃に基づいて導出された容量劣化率の平均値を、二次電池１０の容量劣化率として推定する。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、打撃によるセル筐体１１の振動から算出したセル筐体１１の共振周波数に基づいて二次電池１０の性能を推定する。これにより、ハンマー２０と数１０００ヘルツの周波数信号の解析能力を有する解析装置とを用いることで、二次電池１０の性能を推定することができる。これにより、二次電池１０の性能推定のコストを低減することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、セル筐体１１のうち打撃を受けた点とセル筐体１１の重心に対して対称な位置で振動の大きさを計測し、セル筐体１１の一面の中央に打撃を与える。打撃による振動の流れは、セル筐体１１の構造に対して対称的に伝播するため、セル筐体１１の一面の中央に打撃を与え、さらに打撃を受けた点とセル筐体１１の重心に対して対称な位置で振動の大きさを計測することで、適切に振動の計測を行うことができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、セル筐体１１への打撃を互いに異なる複数方向により行い、それぞれの打撃に基づいて導出された性能の平均を、二次電池１０の性能と推定する。これにより、二次電池１０の性能の推定精度を向上することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、ハンマー２０の振動の大きさを用いてセル筐体１１の振動の相対強度を算出し、相対強度と共振周波数との関係に基づいて、性能の推定結果が適切であるか否かを判定する。これにより、打撃時に発生するチャタリングなどのエラーによる性能の推定ミスを防ぐことができる。
【００４２】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、二次電池１０の性能として容量劣化率を算出する場合について説明したが、これに限られず、例えば性能として、二次電池１０の満充電容量や充電サイクル数、セル筐体１１のヤング率を算出しても良い。
【００４３】
また、本実施形態では、性能推定装置３０が筐体振動計測部３１、ハンマー振動計測部３２、関係記憶部３３、共振周波数算出部３４、振動強度正規化部３５、エラー判定部３６、性能導出部３７、性能記憶部３８、性能推定部３９を備える場合について説明したが、これに限られない。例えば、筐体振動計測部３１、ハンマー振動計測部３２、共振周波数算出部３４、及び振動強度正規化部３５については一般に用いられるＦＦＴ解析装置を用い、性能推定装置３０は、その他の処理部を備えるものであって良い。
【００４４】
また、本実施形態では、性能推定装置３０の性能導出部３７及び性能推定部３９が二次電池１０の容量劣化率を推定する場合について説明したが、これに限られず、例えば共振周波数算出部３４が算出した共振周波数に基づいて、検査者が手計算によって容量劣化率を推定しても良い。
【００４５】
また、本実施形態では、セル筐体１１の主面、側面、端面の３面に打撃を与える場合について説明したが、これに限られず、打撃を与える面は何れか１面であっても良いし、２面であっても良い。
【００４６】
なお、上述の性能推定装置３０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００４７】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１０…二次電池  １１…セル筐体  １２…加速度センサＡ  ２０…ハンマー  ２１…加速度センサＢ  ３０…性能推定装置  ３１…筐体振動計測部  ３２…ハンマー振動計測部  ３３…関係記憶部  ３４…共振周波数算出部  ３５…振動強度正規化部  ３６…エラー判定部  ３７…性能導出部  ３８…性能記憶部  ３９…性能推定部
【図１】
2014122817.tif 000003
【図２】
2014122817.tif 000004
【図３】
2014122817.tif 000005
【図４】
2014122817.tif 000006
【図５】
2014122817.tif 000007
【図６】
2014122817.tif 000008