JP2012194053A

JP2012194053A - 二次電池の状態判定方法、二次電池システム

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Publication number: JP2012194053A
Application number: JP2011058158A
Authority: JP
Inventors: Junya Ueda; 純也上田; Daisuke Konishi; 大助小西
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP5817157B2

Abstract

【課題】電池の状態の判定精度を向上させる技術を提供する。
【解決手段】状態判定装置１０は、定電流充電から定電圧充電に切り替わって充電される二次電池１２の状態を判定する。状態判定装置１０には、定電流充電時の基準電流値Ｉｋより小さい第１の電流値Ｉｓ、および第１の電流値Ｉｓより小さい第２の電流値Ｉｅが定められており、定電圧充電時に二次電池１２に流れる電流が第１の電流値Ｉｓから第２の電流値Ｉｅに減少する判定時間に基づいて二次電池１２の状態を判定する。計時された判定時間では、電池の状態による違いが顕著となり、電池の状態を精度よく判定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、劣化等の電池の状態を判定する技術に関する。

従来から、繰り返し使用可能な２次電池が用いられている。２次電池は、充電と放電を繰り返すことで何度も使用することができ、充電不能な電池に比べて環境に優しく、電気自動車など現在その使用分野を広げている。

このような電池では、使用回数が増えるに従って劣化により内部抵抗が増加する。内部抵抗が増加すると、最大電圧や最大電力など電池に求められている性能を実現することができない。そのため、電池が要求性能を実現できる状態であるか否かを把握するために、従来から、劣化等の電池の状態を判定する技術が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。この技術は電池の充電時間に基づいて電池の状態を判定するものであり、具体的には、電池を定電流充電した後に定電圧充電をする定電流−定電圧充電の充電方法において、定電圧充電の充電時間に基づいて電池の状態を判定する。この技術によれば、電池を充電させる場合に測定される充電時間を用いて電池の状態を判定することができ、電池の状態を正確に判定することができるという。

特開２００１−２８９９２４号公報特開２００７−７８５０６号公報

本発明者らは、電池の状態の判定精度を向上させるために、定電圧充電の充電期間における電池への充電電圧や充電電流等の種々のふるまいを詳しく精査したところ、充電時間に基づく電池の状態判定には、判定精度の向上の余地が残されていることが解った。

本発明は、電池の状態の判定精度を向上させる技術を提供することにある。

定電圧充電の充電期間における充電電流のふるまいを詳しく精査したところ、定電圧充電の初期では、電池の状態の違いによらず充電電流の時間経過に伴う変化がほぼ一定であるのに対して、定電圧充電の後期にかけて電池の状態の違いに起因する充電電流の時間経過に伴う変化の違いが顕著になるという知見を得た。本発明者らは、この知見に基づき、以下の状態判定方法等を創作するに至った。

本発明は、定電流充電から定電圧充電に切り替わって充電される二次電池の状態判定方法であって、定電流充電時の電流値より小さい第１の電流値、および前記第１の電流値より小さい第２の電流値が定められており、定電圧充電時に前記第１の電流値から前記第２の電流値に減少する時間に基づいて前記二次電池の状態を判定する。

上記の発明において、前記第１の電流値が前記定電流充電時の電流値の半分以下の値であることが好ましい。つまり、定電圧充電時の電流値が定電流充電時の電流値の半分以下になった以後に、二次電池の状態を判定するための時間の計測を開始することが好ましい。

この状態判定方法では、電池の状態を判定するための判定時間を計測する際に、計測開始時間を定電圧充電時の電流値より小さい電流値に達したときに設定することで、定電圧充電の初期における充電時間を計測しない。電池の状態の違いによって充電電流の時間経過に伴う変化が顕著となる領域に、電池の状態を判定するための判定時間を設定することで、電池の状態を精度よく判定することができる。さらに、判定時間の計測開始の電流値を定電流充電時の電流値の半分以下とする。つまり、定電圧充電の電流値が定電流充電時の電流値の半分以下になった以後に判定時間の計測を開始することで、より精度よく電池の状態を判定することができる。

本発明は、定電流充電から定電圧充電に切り替わって充電される二次電池を備えた二次電池システムであって、定電流充電時の電流値より小さい第１の電流値、および前記第１の電流値より小さい第２の電流値が定められており、定電圧充電時に前記第１の電流値から前記第２の電流値に減少する時間に基づいて前記二次電池の状態を判定する機能を有する二次電池システムにも具現化される。

本発明によれば、電池の状態の判定精度を向上させることができる。

本実施形態の状態判定装置のブロック図本実施形態の状態判定処理を示すフローチャート本実施形態の状態判定処理を示すフローチャート状態判定処理における二次電池に流れる電流の変化を示すグラフ容量保持率と判定時間Ｔの関係を示すグラフ

＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態について、図１ないし図５を用いて説明する。
１．状態判定装置の構成
図１は、本実施形態における電池システム１０の構成を示す図である。電池システム１０は、二次電池１２と接続されることで、当該二次電池１２を充電するとともに、当該二次電池１２の劣化等の状態を判定する機能を備えている。本実施形態では、二次電池１２として、リン酸リチウムを正極に使用した鉄系のリチウムイオンバッテリを用いた例を示す。

図１に示すように、電池システム１０は、電池管理装置（以下「ＢＭＳ」という）２０、充電部２６、充電用配線２８を備えており、ＢＭＳ２０には電流計２２、電圧計２４が含まれる。
充電部２６は、外部電源１４に接続されており、外部電源１４から供給される電力を、充電用配線２８及び接続端子１６を介して二次電池１２に供給する。本実施形態では、充電部２６が電池システム１０内に備えられている形態であるが、充電部２６を充電器として電池システム１０の外部に備えてもよい。電流計２２は、充電用配線２８を介して二次電池１２を流れる電流を所定期間毎に測定する。電圧計２４は、充電用配線２８に接続されており、充電部２６から二次電池１２に印加される電圧を所定期間毎に測定する。

ＢＭＳ２０は、中央処理装置（以下「ＣＰＵ」という）３０、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ３２、アナログ−デジタル変換機（以下「ＡＤＣ」という）３４、及びこれらをお互いに接続するバス３６を備えている。

メモリ３２には、電池システム１０の動作を制御するための各種のプログラムが記憶されており、ＣＰＵ３０は、メモリ３２から読み出したプログラムに従って、計時部４０、制御部４２、判定部４４等として機能し、各部の制御を行う。

ＡＤＣ３４は、電流計２２及び電圧計２４に接続されており、電流計２２及び電圧計２４から送信されるアナログデータである電流値Ｉ及び電圧値Ｖを、デジタルデータに変換し、変換した電流値Ｉ及び電圧値Ｖを、バス３６を介してメモリ３２に一時的に記憶する。制御部４２及び判定部４４として機能するＣＰＵ３０は、メモリ３２に記憶された当該電流値及び電圧値を用いて、充電部２６等を制御する。

２．状態判定処理
図２から図５を用いて、状態判定装置１０における二次電池１２の劣化等の状態判定処理を説明する。図２、３は、ＣＰＵ３０で実行される状態判定処理のフローチャートを示す。容量欠損状態の異なる二次電池１２を充電した際の電流値の変化を図４に示す。図４において電流値が一定である領域が定電流充電の領域であり、電流値が時間とともに減衰する領域が定電圧充電の領域である。定電流−定電圧充電の充電方法は、初めは定電流充電によって充電し、二次電池の電池電圧が所定値に達すると定電圧充電に切り替わり、以後は電池電圧が所定値に保持されるように定電圧充電で充電する充電方法である。

ＣＰＵ３０は、ユーザによって二次電池１２が接続され、操作部等を介して充電指示が入力されると、メモリ３２に記憶されたプログラムに従って処理を実行する。ＣＰＵ３０は、処理を開始すると、まず、二次電池１２に対して定電流充電を開始する（Ｓ２）。メモリ３２には、予め基準電流値Ｉｋが記憶されており、ＣＰＵ３０は、定電流充電において二次電池１２に流れる電流が基準電流値Ｉｋとなるように、充電部２６を制御する。ここで、二次電池１２の充電深度１００％から充電深度０％までの電池容量を１時間で放電する電流値をＩｃとした場合、基準電流値Ｉｋは０．７Ｉｃ≦Ｉｋ≦１．５Ｉｃで設定されることが好ましい。

ＣＰＵ３０は、定電流充電において二次電池１２に印加される電圧を監視する（Ｓ４：ＮＯ）。メモリ３２には、予め基準電圧値Ｖｋが記憶されており、ＣＰＵ３０は、定電流充電において二次電池１２に印加される電圧が基準電圧値Ｖｋに達すると（Ｓ４：ＹＥＳ）、制御部４２として機能し、定電流充電を終了し（Ｓ６）、二次電池１２に対する定電圧充電を開始する（Ｓ８）。

ＣＰＵ３０は、定電圧充電において二次電池１２に印加される電圧が基準電圧値Ｖｋとなるように、充電部２６を制御する。これによって、定電圧充電開始直後は基準電流値Ｉｋであった二次電池１２に流れる電流は、図４に示すように充電が進むにつれて減少する。

また、ＣＰＵ３０は、定電圧充電において二次電池１２に流れる電流を監視する（Ｓ１０：ＮＯ）。メモリ３２には、予めユーザ等によって第１の電流値Ｉｓ及び第２の電流値Ｉｅが設定されている。第１の電流値Ｉｓは、基準電流値Ｉｋよりも小さく設定されており、第２の電流値Ｉｅは、第１の電流値Ｉｓよりも小さく、かつ「０」Ａよりも大きい電流に設定されている。ＣＰＵ３０は、定電圧充電において二次電池１２に流れる電流が第１の電流値Ｉｓとなった場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、制御部４２として機能し、判定時間Ｔの計測を開始する（Ｓ１２）。このとき、ＣＰＵ３０はまた、計時部４０として機能する。

ＣＰＵ３０は、判定時間Ｔの計測を開始後、再び二次電池１２に流れる電流を監視し（Ｓ１４：ＮＯ）、二次電池１２に流れる電流が第２の電流値Ｉｅとなった場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、制御部４２として機能し、判定時間Ｔの計測を終了する（Ｓ１６）。

ＣＰＵ３０は、判定時間Ｔの計測の終了後、再び二次電池１２に流れる電流を監視する（Ｓ１８：ＮＯ）。メモリ３２には、予め終端電流値Ｉｚが記憶されている。定電流充電の時間と定電圧充電の時間との合計時間が一定時間に達した場合、または、二次電池１２に流れる電流が終端電流値Ｉｚとなった場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、充電を終了する（Ｓ２０）。

次に、ＣＰＵ３０は、計測された判定時間Ｔに基づいて二次電池１２の状態を判定する。この際、ＣＰＵ３０は、判定部４４として機能する。メモリ３２には、予め照合時間Ｔｈが記憶されており、ＣＰＵ３０は、計測された判定時間Ｔを照合時間Ｔｈと比較する（Ｓ２２）。ＣＰＵ３０は、判定時間Ｔが照合時間Ｔｈよりも短い場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、二次電池１２の劣化は小さいと判定し（Ｓ２４）、処理を終了する。一方、判定時間Ｔが照合時間Ｔｈ以上である場合（Ｓ２２：ＮＯ）、二次電池１２の劣化は大きいと判定し（Ｓ２６）、表示部等を介してユーザに報知し（Ｓ２８）、処理を終了する。

３．本実施形態の効果
電池容量が１０Ａｈである二次電池を用いた４５℃サイクル試験において、第１の電流値Ｉｓおよび第２の電流値Ｉｅが異なる場合の電池状態判定の精度について検証した。４５℃サイクル試験のサイクル試験前（サイクル数０）、５０サイクル、１５０サイクル、３００サイクル、５００サイクル、７５０サイクルおよび１０００サイクル経過した時点で、二次電池の温度を２５℃に冷却した後に充電をおこなった。充電は、２５℃で１０Ａ（上記の基準電流値Ｉｋに該当）の電流値で３．４５Ｖ（上記の基準電圧値Ｖｋに該当）まで定電流充電をおこなった後、３．４５Ｖで定電圧充電をおこない、定電流充電および定電圧充電の合計時間が３時間に達した時点で充電を終了した。上記の充電が終了した後に２５℃で１０Ａの電流値にて２．０Ｖまで放電をおこない放電容量を求めた。サイクル試験前の放電容量に対する各サイクル経過の放電容量の割合を容量保持率とした場合、５０サイクル、１５０サイクル、３００サイクル、５００サイクル、７５０サイクルおよび１０００サイクル経過した時点の容量保持率はそれぞれ、９６．１、９３．７、９２．０、８９．９、８７．９および８５．７であった。

本検証で設定した各条件の第１の電流値Ｉｓ、第２の電流値ＩｅおよびＲ２乗値を表１に示す。また、前記第１の電流値Ｉｓおよび第２の電流値Ｉｅから計測された判定時間Ｔと各サイクル経過後の容量保持率との関係を図５に示す。図５では、各サイクル経過後に同一の第１の電流値Ｉｓおよび第２の電流値Ｉｅで計測された判定時間Ｔが近似直線で結ばれている。表１のＲ２乗値は上記の近似直線の近似式と判定時間Ｔとのズレ量を示すパラメータであって、Ｒ２乗値が１に近いほどズレ量が小さいことを示す。

表１の第３条件、第４条件および第５条件のＲ２乗値は０．９５以上であり、計測された判定時間Ｔと近似直線との一致性が良好であった。判定時間Ｔと近似直線との一致性が良好であることによって、精度の高い照合時間Ｔｈを予め設定することでき、かつ、判定時間Ｔを照合時間Ｔｈと照合する際の精度、つまり、判定時間Ｔが照合時間Ｔｈより短いか長いかの照合の精度が向上する。一方、第１条件および第２条件では判定時間Ｔと近似直線とのズレ量が大きく、ズレ量が大きいことに起因して判定時間Ｔを照合時間Ｔｈと照合した結果が誤った判定である可能性が高くなる。

以上のように、定電流充電の初期を含まない領域を判定時間Ｔの対象とすることで、電池の状態の違いによる判定時間Ｔの違いが顕著となり、電池の状態をより精度よく判定することができる。さらに、第１の電流値Ｉｓを、基準電流値Ｉｋの半分以下の電流値に設定する、つまり、定電圧充電の電流値が０．５Ｉｋに達した以後に判定時間Ｔの計測を開始することで、電池状態の判定精度をより向上させることができる。

１０：状態判定装置、１２：二次電池、２０：ＢＭＳ、２２：電流計、２４：電圧計、２６：充電部、３０：ＣＰＵ、３２：メモリ、３４：ＡＤＳ、４０：計時部、４２：制御部、４４：判定部、Ｉｋ：基準電流値、Ｖｋ：基準電圧値

Claims

定電流充電から定電圧充電に切り替わって充電される二次電池の状態判定方法であって、
定電流充電時の電流値より小さい第１の電流値、および前記第１の電流値より小さい第２の電流値が定められており、定電圧充電時に前記第１の電流値から前記第２の電流値に減少する時間に基づいて前記二次電池の状態を判定する二次電池の状態判定方法。
請求項１に記載の二次電池の状態判定方法であって、
前記第１の電流値が前記定電流充電時の電流値の半分の値よりも小さいことを特徴とする二次電池の状態判定方法。
定電流充電から定電圧充電に切り替わって充電される二次電池を備えた二次電池システムであって、
定電流充電時の電流値より小さい第１の電流値、および前記第１の電流値より小さい第２の電流値が定められており、定電圧充電時に前記第１の電流値から前記第２の電流値に減少する時間に基づいて前記二次電池の状態を判定する機能を有する二次電池システム。