(57)【要約】【課題】二次電池の劣化度を精度よく算出することができる二次電池の診断装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ１００は、二次電池１０の充電終了時の負極電位と放電終了時の負極電位との差分の絶対値を算出する処理と、差分の絶対値がしきい値以上の場合には、二次電池１０の劣化度が増加するように劣化度を補正する処理と、差分の絶対値がしきい値未満の場合には、劣化度が減少するように劣化度を補正する処理とを実行する。充電終了時の負極電位と、放電終了時の負極電位との差分を考慮して、電池セルの劣化度を補正することによって、精度よく劣化度を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の劣化度合いを示す劣化度を算出する二次電池の診断装置であって、
前記二次電池の状態を監視する監視部と、
前記監視部の出力に基づいて前記劣化度を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記監視部の出力に基づいて前記二次電池の充電終了時の負極電位と放電終了時の負極電位との差分の絶対値を算出し、
前記差分の絶対値がしきい値以上の場合には、前記劣化度が増加するように前記劣化度を補正する一方で、前記差分の絶対値がしきい値未満の場合には、前記劣化度が減少するように前記劣化度を補正する補正処理を実行する、二次電池の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池の診断装置に関し、特に、二次電池の劣化度を診断する診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開２０１０／００５０７９号（特許文献１）には、充放電頻度から得られた劣化係数に基づいて、充電電力の管理上限値を設定することによって、負極表面に金属リチウムが析出することを防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２０１０／００５０７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電池制御技術では、電流値、充電状態（ＳＯＣ）、温度に応じて、充電電力および充電電圧を設定することによって電極上における金属リチウムの析出を抑制している。しかし、これらの制御パラメータはいずれも電池全体の平均的なパラメーターである。このようなパラメータでは、金属リチウムの析出に対する耐性の低下が電池に局所的に発生したことを検出することは難しい。
【０００５】
例えば、高いＳＯＣと低いＳＯＣとの間の充放電の繰り返しによっても、負極表面に局所的に金属リチウムが析出する恐れがあるが、上記文献に記載された技術では、この点に関するパラメーターが考慮されていない。このような金属リチウムの析出に対する耐性の局所的低下も考慮して二次電池の劣化度を算出することが好ましい。
【０００６】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、二次電池の劣化度を精度よく算出することができる二次電池の診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、要約すると、二次電池の劣化度合いを示す劣化度を算出する二次電池の診断装置である。二次電池の診断装置は、二次電池の状態を監視する監視部と、監視部の出力に基づいて劣化度を算出する演算部とを備える。演算部は、監視部の出力に基づいて二次電池の充電終了時の負極電位と放電終了時の負極電位との差分の絶対値を算出し、差分の絶対値がしきい値以上の場合には、劣化度が増加するように劣化度を補正する一方で、差分の絶対値がしきい値未満の場合には、劣化度が減少するように劣化度を補正する補正処理を実行する。
【０００８】
このように、充電終了時の負極電位と、放電終了時の負極電位との差分を考慮して、電池セルの劣化度を補正することによって、精度よく劣化度を得ることができる。
【０００９】
好ましくは、演算部は、劣化度に基づいて、二次電池の放電電流または充電電流の許容値を補正する。
【００１０】
好ましくは、演算部は、劣化度に基づいて、二次電池の上限電圧を補正する。
好ましくは、演算部は、劣化度に基づいて、二次電池の上限ＳＯＣを補正する。
【００１１】
好ましくは、演算部は、劣化度に基づいて、二次電池の交換時期を判定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、二次電池の劣化度の算出精度が向上するので、劣化度を用いた二次電池の保護制御や、二次電池の交換時期の判定などを正しく行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態による二次電池の診断装置が適用される電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】高ＳＯＣまで二次電池を充電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。
【図３】充放電せずに図２の状態から所定時間が経過した後の負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。
【図４】図３の状態から低ＳＯＣまで二次電池を放電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。
【図５】充放電せずに図４の状態から所定時間が経過した後の負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。
【図６】図５の状態から再び高ＳＯＣまで二次電池を充電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。
【図７】電池のＳＯＣに対して負極電位がどのように変化するかを示した図である。
【図８】電池に対するダメージの蓄積が小さい場合の負極電位の変化を示した図である。
【図９】電池に対するダメージの蓄積が大きい場合の負極電位の変化を示した図である。
【図１０】充放電耐久試験１の内容を説明するための図である。
【図１１】放置時間とダメージ量との関係を示した図である。
【図１２】充放電耐久試験２の内容を説明するための図である。
【図１３】ダメージ量と充電許容電流値低下率との関係を示した図である。
【図１４】本実施の形態においてＥＣＵ１００が行なうダメージ量の算出処理とそれを用いた充電許容電流値の算出について説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態による二次電池の診断装置が適用される電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１を参照して、二次電池１０は、負荷５０の駆動電力を供給する。負荷５０は、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される走行用電動機で構成される。さらに、負荷５０は、電動機の回生電力により二次電池１０を充電する。二次電池１０は、代表的にはリチウムイオン電池により構成される。
【００１７】
二次電池１０には、二次電池１０の状態を監視する監視部８０が設けられる。監視部８０は、電池電流を測定するための電流センサ２０と、電池電圧を測定するための電圧センサ３０と、電池温度を測定するための温度センサ４０とを含む。以下では、電流センサ２０による測定値を電池電流Ｉｂと表記し、電圧センサ３０による測定値を電池電圧Ｖｂと表記し、温度センサ４０による測定値を電池温度Ｔｂと表記する。
【００１８】
センサ２０〜４０によって測定された電池電流Ｉｂ、電池電圧Ｖｂおよび電池温度Ｔｂは電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００へ送出される。なお、電池電流Ｉｂについては、二次電池１０の放電時には正値（Ｉｂ＞０）で示され、充電時には負値（Ｉｂ＜０）で示されるものと定義する。
【００１９】
ＥＣＵ１００は、図示しない、マイクロプロセッサ、メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を含む。ＥＣＵ１００は、メモリに予め格納した所定プログラムの実行によって、センサ等からの入力信号・データを用いた所定の演算処理を実行して、演算処理結果に基づく出力信号・データを生成するように構成される。本実施の形態では、ＥＣＵ１００は、電流センサ２０、電圧センサ３０および温度センサ４０によって検出された電池データ（Ｉｂ，Ｖｂ，Ｔｂを総括的に表記するもの）に基づき、充電率（ＳＯＣ）に代表される電池情報を生成する。
【００２０】
ＥＣＵ１００によって求められた電池情報は、負荷制御装置６０に送出される。負荷制御装置６０は、電池情報に基づいて負荷５０の駆動状態を制御するための制御指令を発生する。たとえば、二次電池１０のＳＯＣが低下した場合には、負荷５０の使用電力を制限するような制御指令が生成される。逆に、二次電池１０のＳＯＣが高い場合には、負荷５０による回生電力の発生を抑制するような制御指令が発生される。
【００２１】
特に、後述するように、ＥＣＵ１００は、監視部８０の出力に基づいて劣化度を算出する演算部として機能する。算出した劣化度は、二次電池１０の放電電流または充電電流の許容値を補正したり、二次電池１０の上限電圧を補正したり、二次電池１０の交換時期を判断したりする等に用いることができる。
【００２２】
ＥＣＵ１００は、二次電池１０の充電終了時の負極電位Ｖ１と放電終了時の負極電位Ｖ２との差分の絶対値｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出するための処理と、差分の絶対値｜Ｖ１−Ｖ２｜がしきい値以上の場合には、二次電池１０の劣化度が増加するように劣化度を補正する処理と、差分の絶対値がしきい値未満の場合には、二次電池１０の劣化度が減少するように劣化度を補正する処理とを行なう。
【００２３】
このように、充電終了時の負極電位と、放電終了時の負極電位との差分を考慮して、電池セルの劣化度を補正することによって、精度よく劣化度を得ることができる。
【００２４】
本願発明者は、負極電位の変化に基づいて上記劣化度としてダメージ量Ｄ（ｘ、ｔ）を補正し、二次電池の診断精度を向上できることを見出した。
【００２５】
以下、二次電池１０において、高いＳＯＣと低いＳＯＣとの間で充放電が繰り返されることによって負極表面に金属リチウムが析出する現象について、図２〜図６を用いて説明する。
【００２６】
図２は、高ＳＯＣまで二次電池を充電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。図中上段が負極におけるＬｉ量の分布を示し、下段が負極電位を示す。上段には、位置の目安として正極も記載されている。負極は、正極に対向する部分（以下、対向部という）と対向しない部分（以下、非対向部という）とを有する。その境界は下段では破線で示される。
【００２７】
図２を参照して、充電終了直後では、対向部には、Ｌｉ量が多くなる一方で、非対向部では、Ｌｉ量は増加せずに境界部には段差が生じている。負極電位は、対向部は卑の電位であり、非対向部は対向部と比べて貴の電位となり、充電直後は対向部の電位と非対向部の電位の電位差は大きくなっている。そして、この電位差が大きいと、拡散によりＬｉの負極中の移動速度も大きくなる。
【００２８】
図３は、充放電せずに図２の状態から所定時間が経過した後の負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。図２、図３を参照して、Ｌｉが対向部から非対向部に移動した結果、非対向部にもＬｉ分布が発生する。これに伴い、非対向部の負極電位は、対向部の電位に近づき、これらの電位差が小さくなる。電位差が小さくなると負極中のＬｉの移動速度も遅くなる。
【００２９】
図４は、図３の状態から低ＳＯＣまで二次電池を放電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。図２から図４に至る充放電サイクルは、充放電の深さが深いサイクルである。
【００３０】
放電終了直後では、対向部では、Ｌｉ量が減少する一方で、非対向部では、Ｌｉ量は減少しないので、境界部にはＬｉ量に段差が生じている。負極電位は、対向部は非対向部と比べて貴の電位となり、放電直後は対向部の電位と非対向部の電位の電位差は大きくなっている。そして、この電位差が大きいと、拡散によりＬｉの負極上の移動速度も大きくなる。ただし、図２の場合とは電位の卑、貴の関係が逆転しているので、移動方向も図２の場合とは逆になっている。
【００３１】
図５は、充放電せずに図４の状態から所定時間が経過した後の負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。図４、図５を参照して、Ｌｉが非対向部から対向部に移動した結果、対向部の端部をピークとするＬｉ量分布が発生する。これに伴い、非対向部の負極電位は、対向部の電位に近づき、電位差が小さくなる。電位差が小さくなると負極中のＬｉの移動速度も遅くなる。
【００３２】
図６は、図５の状態から再び高ＳＯＣまで二次電池を充電終了した時点での負極におけるＬｉ量分布と負極電位とを示した模式図である。充電終了直後では、対向部には、Ｌｉ量が多くなる一方で、非対向部では、Ｌｉ量は増加せずに境界部には段差が生じている。ただし、図２の場合と異なり、対向部の端部（境界部分）および非対向部にはあらかじめＬｉ分布が存在しているので、対向部の境界部分のＬｉ量が最も高い値を示す。このＬｉ量が所定量を超えると、負極上に金属Ｌｉが析出してしまう。
【００３３】
図６の下段を見ると、対向部負極電位と非対向部負極電位との差は、図２の場合よりも小さくなっており、負極上をＬｉを拡散する速度も小さいので、境界部のＬｉ量分布のピークは解消しにくくなっている。
【００３４】
図２〜図６に示すような高ＳＯＣと低ＳＯＣとの間の充放電を繰り返すことにより、負極の対向部と非対向部との境界部付近のみ局所的にＬｉ量が多くなってしまう。これにより金属リチウム析出に対する電池の耐性が悪化する。
【００３５】
以下に、局所的なリチウム析出耐性低下に関連すると考えられる負極上のＬｉ量の偏在度合いをダメージまたはダメージ量と表現する。このダメージ量の増減を定量的に表すことができれば望ましい。
【００３６】
次に、本願発明者が見出したダメージ量評価するパラメータであるＤ（ｘ、ｔ）について説明する。このＤ（ｘ、ｔ）は、充電終了後の負極電位Ｖ１と放電終了後の負極電位Ｖ２とを使用するので、まず、負極電位Ｖ１，Ｖ２について説明する。
【００３７】
図７は、電池のＳＯＣに対して負極電位がどのように変化するかを示した図である。図７には、黒鉛系の負極材料を使用した場合の負極電位の変化が実線で示されている。矢印Ａ１に示すように、二次電池を充電すると、終電終了後には、電位Ｖ１まで負極電位が低下する。その後、二次電池を放電すると、放電終了後には電位Ｖ２まで負極電位が上昇する。
【００３８】
図８は、電池に対するダメージの蓄積が小さい場合の負極電位の変化を示した図である。図９は、電池に対するダメージの蓄積が大きい場合の負極電位の変化を示した図である。
【００３９】
図８では、充電終了後のＳＯＣがＳＯＣ１Ａであり負極電位が電位Ｖ１Ａであった場合に、ＳＯＣがＳＯＣ２Ａになるまで放電を行ない、放電終了後の負極電位がＶ２Ａとなったことが示されている。また、図９では、充電終了後のＳＯＣがＳＯＣ１Ａであり負極電位が電位Ｖ１Ａであった場合（図８と同条件まで充電）に、ＳＯＣがＳＯＣ２Ｂになるまで放電を行ない、放電終了後の負極電位がＶ２Ｂとなったことが示されている。図９に示した場合のほうが図８に示した場合よりもΔＶ（＝｜Ｖ２−Ｖ１｜）が大きい。
【００４０】
このΔＶがしきい値を超えた場合には、電池はダメージが蓄積する方向に状態が変化する。このΔＶがしきい値を超えなければ、電池はダメージが緩和する方向に状態が変化する。
【００４１】
この電池の状態の変化を定量的に示すため、次式（１）を用いることができる。
【００４２】
【数１】
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【００４３】
ここで、Ｄ（ｘ，ｔ）は、二次電池の電極端部のリチウム析出耐性低下を示すダメージ量を示す。また、ｘは充電から放電への切り替え回数を示し、ｔはダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）がゼロとなった時点から経過した時間（緩和時間）を示す。さらに、Ａは、ダメージ蓄積係数を示し、Ｂは温度Ｔにおけるダメージ緩和係数を示す。
【００４４】
次に、式（１）に従ってダメージ量を算出するためにあらかじめ必要なデータを収集する方法について説明する。このために、充放電耐久試験１、２をあらかじめ実行しておく。
【００４５】
図１０は、充放電耐久試験１の内容を説明するための図である。図１０に示すような電流パターン（０アンペア１０分保持、２０アンペア１５分放電、０アンペア１０分保持、２０アンペア１５分充電）で充放電電流を流し、複数の電池サンプルを作成する。試験条件は、たとえば温度を２５℃とし、ＳＯＣがゼロと１００％との間で充放電する。充放電するサイクル数を０〜１００００サイクルの間で変えて、ダメージ量の異なるサンプル電池を複数作成する。
【００４６】
図１０のパターンで充放電させた複数のサンプル電池に対して、充放電耐久試験２を実施して、ダメージ量と充電許容電流値との関係を把握する。
【００４７】
図１１は、放置時間とダメージ量との関係を示した図である。図１０に示した充放電耐久試験１で作成した電池サンプルを異なる温度で放置した場合のダメージ量の変化を評価する。ダメージ量は、負極の端部と平面部との電位差によって評価することが可能である。放置時間は緩和時間ｔに相当する時間であり、温度Ｔを変えながら図１１のような特性を計測し、式（１）におけるダメージ緩和係数Ｂが各温度Ｔにおいてどのような値となるかを求めることができる。
【００４８】
図１２は、充放電耐久試験２の内容を説明するための図である。充放電耐久試験１で作成したダメージ量（充放電サイクル数）の異なるサンプルに対し、図１２に示すような電流パターン（０アンペア１０分保持、試験電流で２０秒放電、０アンペア１０分保持、試験電流で２０秒１５分充電）で１０００サイクルの充放電電流を流す。たとえば、９０アンペア、１００アンペア、１１０アンペアといったように試験電流を変更して充放電耐久試験２を実行し、金属リチウムが負極上に析出しない限界電流値を充電許容電流値とする。このとき充放電時間（図１２では２０秒）と試験温度とを振って許容電流値に対して充放電時間と試験温度の２次元マップを作成しておけばよい。
【００４９】
図１３は、ダメージ量と充電許容電流値低下率との関係を示した図である。図１０に示した充放電耐久試験１で作成した電池サンプルに対して、図１２に示した充放電耐久試験２を実行して充電許容電流値を求める。そしてこの充電許容電流値がダメージ量ゼロのサンプル電池と比較してどれだけ低下したか低下率を算出すると、図１３に示すようにダメージ量（充放電耐久試験１において行なった充放電サイクル数）と充電許容電流値低下率との関係が得られる。
【００５０】
ダメージ量が増加するに伴い充電許容電流値が低下する。これは、言い換えると、ダメージ量の増加に伴い電流低下率が増加するということである。
【００５１】
図１４は、本実施の形態においてＥＣＵ１００が行なうダメージ量の算出処理とそれを用いた充電許容電流値の算出について説明するためのフローチャートである。図１４を参照して、まず、ステップＳ１において、充電終了後の負極電位Ｖ１の検出が行なわれる。負極電位の検出方法は、参照極による方法を使用しても良く、電池電圧等から推定する公知の方法を用いても良い。なお、充電終了は、電池電流を計測しておいて、電池電流の符号が負（充電）から正（放電）に変化したことによって検出することができる。
【００５２】
続いて、ステップＳ２において、放電終了後の負極電位Ｖ２の検出が行なわれる。なお、放電終了は、電池電流を計測しておいて、電池電流の符号が正（放電）から負（充電）に変化したことによって検出することができる。
【００５３】
Ｖ１，Ｖ２が検出されると、ステップＳ３において｜Ｖ２−Ｖ１｜が所定のしきい値以上であるか否かが判断される。ステップＳ３において｜Ｖ２−Ｖ１｜がしきい値以上である場合にはステップＳ４に処理が進められ、そうでなければステップＳ５に処理が進められる。
【００５４】
ステップＳ４では、ダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）が蓄積され、ステップＳ５においては、ダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）が緩和される。具体的には、ステップＳ４では、式（１）の第１項（制限項）が計算されて、ステップＳ６においてダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）に加算され、ステップＳ５では、式（１）の第２項（緩和項）が計算されて、ステップＳ６においてダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）から減算される。
【００５５】
続いて、ステップＳ７において、ダメージ量Ｄ（ｘ，ｔ）が一旦ゼロに戻っていた場合には、式（１）の第２項に代入する緩和時間ｔをゼロに初期化する。
【００５６】
そして、ステップＳ８において、充電許容電流値低下率の算出が行なわれた後、ステップＳ９において、充電許容電流値Ｉlim［ｔ］が算出される。
【００５７】
ステップＳ１〜Ｓ９の一連の処理が終了すると、ステップＳ１０において制御はメインルーチンに戻される。このように充電と放電の一組のサイクルごとに、ダメージ量Ｄ（ｘ、ｔ）が更新され、これに基づいて充電許容電流値も更新される。
【００５８】
なお、ダメージ量Ｄ（ｘ、ｔ）は、充電許容電流値の更新以外にも、二次電池１０の上限電圧または上限ＳＯＣの補正をするためにＥＣＵ１００が使用しても良いし、二次電池１０の交換時期を判断するためにＥＣＵ１００が使用しても良い。交換時期に到達したと判断された場合には、ＥＣＵ１００は表示部７０を用いてユーザに二次電池１０の交換時期が来たことを報知することができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、二次電池の劣化度を示すダメージ量Ｄ（ｘ、ｔ）の算出精度が向上するので、劣化度を用いた二次電池の保護制御や、二次電池の交換時期の判定などを正しく行なうことができる。
【００６０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６１】
１０  二次電池、２０  電流センサ、３０  電圧センサ、４０  温度センサ、５０  負荷、６０  負荷制御装置、７０  表示部、１００  電子制御装置（ＥＣＵ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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