特許第6221728号(P6221728)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6221728
(24)【登録日】2017年10月13日
(45)【発行日】2017年11月1日
(54)【発明の名称】劣化状態検出装置
(51)【国際特許分類】
   G01R 31/36 20060101AFI20171023BHJP
   H01M 10/48 20060101ALI20171023BHJP
   H02J 7/00 20060101ALI20171023BHJP
【FI】
   G01R31/36 AZHV
   H01M10/48 P
   H02J7/00 Y
【請求項の数】3
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2013-261979(P2013-261979)
(22)【出願日】2013年12月19日
(65)【公開番号】特開2015-118021(P2015-118021A)
(43)【公開日】2015年6月25日
【審査請求日】2016年9月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000486
【氏名又は名称】とこしえ特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 治之
(72)【発明者】
【氏名】加藤 行成
(72)【発明者】
【氏名】中野 昇
(72)【発明者】
【氏名】宮崎 泰仁
(72)【発明者】
【氏名】下井田 良雄
(72)【発明者】
【氏名】久保田 智也
【審査官】 永井 皓喜
(56)【参考文献】
【文献】 特開2001−272444(JP,A)
【文献】 国際公開第2013/141100(WO,A1)
【文献】 特開2007−55450(JP,A)
【文献】 特開平7−191109(JP,A)
【文献】 国際公開第2012/050014(WO,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2012/0035873(US,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2013/0320989(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R 31/36
H01M 10/48
H02J 7/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池の充電状態を検出するSOC検出部と、
前記二次電池の休止時間を測定するタイマーと、
前記休止時間が所定時間以上か否かを判定する休止時間判定部と、
前回の前記休止時間の終了時から最新の前記休止時間の開始時までの充放電電流の積算量を検出する充放電電流積算部と、
前回の前記休止時間の終了時における前記二次電池の充電状態と、最新の前記休止時間の開始時における前記二次電池の充電状態と、の差である充電状態差を検出する充電状態差検出部と、
前記積算量と、前記充電状態差と、に基づいて、前記二次電池の劣化状態を検出するSOH検出部と、
前記充放電電流積算部が検出した前記積算量を補正する補正部と、を備え、
前記補正部は、最新の前記休止時間が前記所定時間未満であると前記休止時間判定部が判定した場合に、最新の前記休止時間に基づいて、前記積算量を補正し、
前記SOH検出部は、最新の前記休止時間が前記所定時間未満であると前記休止時間判定部が判定した場合に、前記補正部が補正した前記積算量に基づいて、前記劣化状態を検出することを特徴とする前記二次電池の劣化状態検出装置。
【請求項2】
請求項1に記載の劣化状態検出装置であって、
前記二次電池の充放電サイクル数をカウントするカウンタをさらに備え、
前記補正部は、最新の前記休止時間が前記所定時間未満であると前記休止時間判定部が判定した場合に、最新の前記休止時間に加え、前記充放電サイクル数に基づいて、前記積算量を補正することを特徴とする劣化状態検出装置。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の劣化状態検出装置であって、
前記補正部は、最新の前記休止時間と、前記充電状態差と、の間の相関係数を示すマップを有しており、前記マップにおける前記相関係数が所定値以上である場合に、前記積算量を補正することを特徴とする劣化状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二次電池の劣化状態を検出する劣化状態検出装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
二次電池の容量演算周期の間における充電率の変化量から演算した当該二次電池の満充電容量と、当該容量演算周期の間の電流積算値と、に基づいて、二次電池の劣化による満充電容量変化を加味して充電率の推定を行う技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2012−185124号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
二次電池が休止状態となった後、当該二次電池内の電子状態が均一化するには、長い時間(約24時間)を必要とする。このため、上記の技術において、短い休止時間(数分後〜数時間)の後に充電率の推定を行う場合には、二次電池内の電子状態が充分に均一化していないため推定値の誤差が増大し、当該推定値に基づく二次電池の劣化状態の検出精度も悪化する場合があるという問題がある。
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、休止時間の長さによらず二次電池の劣化状態を精度良く検出することができる劣化状態検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、二次電池の休止時間が所定時間未満の場合に、当該休止時間に基づいて二次電池の充放電電流の積算量を補正し、補正した当該積算量に基づいて、当該二次電池の劣化状態を検出することにより上記課題を解決する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、二次電池の休止時間が所定時間未満の場合に、当該休止時間に基づいて二次電池の充放電電流の積算量を補正することにより、休止時間の長さによらず当該二次電池の劣化状態を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1図1は、本発明の実施形態における劣化状態検出装置を備えた車両を示すブロック図である。
図2図2は、本発明の実施形態における劣化状態検出装置が二次電池の劣化状態を検出する際のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0010】
図1は本実施形態における劣化状態検出装置2を備えた車両1を示すブロック図である。
【0011】
本実施形態における劣化状態検出装置2を備えた車両1は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車である。この車両1は、図1に示すように、当該劣化状態検出装置2に加えて、モータ等から構成される電池負荷3と、二次電池4と、報知装置5と、を備えている。本実施形態において、二次電池4はリチウムイオン二次電池等から構成されており、当該二次電池4によって、電池負荷3への放電や、電池負荷3等で発生した回生電力或いは外部電源(不図示)の電力による充電を行うことが可能となっている。
【0012】
劣化状態検出装置2は、休止時間(後述)の終了後に二次電池4の劣化状態(以下、SOHとも称する。)を検出する装置であり、タイマー21と、イベント発生判定部22と、休止時間判定部23と、充放電電流積算部24と、補正部25と、SOC検出部27と、充電状態差検出部28と、SOH検出部29と、記憶部29Bと、を備えている。
【0013】
タイマー21は、二次電池4が休止状態となっている時間(以下、休止時間とも称する。)を測定する装置である。なお、この休止状態とは、例えば、二次電池4が充電も放電も行っていない状態のことである。このタイマー21は、図1に示すように、車両1に発生したイベントの有無や、その種類等を判定するイベント発生判定部22と接続されており、このイベント発生判定部22によるイベントの開始及び終了の判定に基づいて、二次電池4の当該休止時間を計測する。
【0014】
なお、このイベントとは、例えば、運転者が車両1の運転を開始してから当該運転を終了するまでのトリップや、充電ステーション等において二次電池4の充電を開始してから当該充電を終了するまでの充電工程、或いは、車両1のパワースイッチがオンのまま停止している状態等である。
【0015】
休止時間判定部23は、タイマー21が測定した二次電池4の休止時間が、24時間以上であるか否かを判定する。当該判定の結果は補正部25に送出される。
【0016】
充放電電流積算部24は、二次電池4の端子間に流れる充放電電流を測定する機能を有しており、二次電池4における前回の休止時間の終了時taから、最新の休止時間の開始時tbまでの間に、二次電池4の端子間に流れた充放電電流の積算量(∫Idt(ただし、左記積分は時間taからtbまでの定積分))を測定する。
【0017】
補正部25は、休止時間判定部23によって二次電池4の最新の休止時間が24時間未満であると判定された場合に、充放電電流積算部24が測定した充放電電流の積算量(∫Idt)を補正する。また、補正部25は、充電状態差検出部28が検出したΔSOC(後述)と、タイマー21が測定した二次電池4の休止時間と、の間における相関の強弱を判断する機能を有しており、当該相関が強い場合に上記の補正を行う。なお、補正を行う具体的な方法については後に述べる。
【0018】
カウンタ26は、充放電電流積算部24が測定した充放電電流の積算量に基づいて、二次電池4が充放電サイクルを繰り返した回数(以下、充放電サイクル数とも称する。)をカウントする。具体的には、カウンタ26は、充放電電流積算部24が積算する充放電電流に基づいて二次電池4の最初の使用開始時からの放電容量を積算し、当該放電容量の積算量を当該二次電池4の初期の電池容量で除算することによって二次電池4の充放電サイクル数を算出する。そして、カウンタ26は、当該充放電サイクル数を補正部25に送出する。
【0019】
SOC検出部27は、二次電池4の開放電圧を測定する機能を有していると共に、二次電池4の開放電圧と、当該二次電池4の充電状態(以下、SOCとも称する。)と、の関係を表すマップを予め備えている。そして、測定した二次電池4の開放電圧及び当該マップに基づいて、二次電池4における休止時間の開始時及び終了時に当該二次電池4のSOCを検出する。検出した二次電池4のSOCは充電状態差検出部28に送出される。
【0020】
充電状態差検出部28は、前回の休止時間の終了時にSOC検出部27から送出された二次電池4のSOCを記憶しており、前回の休止時間の終了時における当該SOCと、最新の休止状態の開始時にSOC検出部27から送出されたSOCと、の差(以下、ΔSOCとも称する。)を検出する。そして、検出した当該ΔSOCを補正部25、及びSOH検出部29に送出する。
【0021】
SOH検出部29は、充電状態差検出部28が検出したΔSOCと、充放電電流積算部24が測定した充放電電流の積算量と、記憶部29Bに記憶された二次電池4の使用初期における満充電量Qmax,iと、に基づいて、二次電池4のSOHを検出すると共に、当該SOHの加重平均値SOHn,aveを算出する。次いで、SOHの当該加重平均値SOHn,aveを、報知装置5に送出する。
【0022】
記憶部29Bは、二次電池4の使用初期における満充電量Qmax,iを記憶すると共に、SOH検出部29が算出したSOHの加重平均値SOHn,aveを記憶する。
【0023】
報知装置5は、SOH検出部29が検出したSOHの加重平均値SOHn,aveの大きさに基づき、音声や映像等により車両1の運転者に対して二次電池4のSOHに関する情報を報知する。
【0024】
次に、劣化状態検出装置2により二次電池4のSOHを検出する際の処理について、図2を参考にしながら説明する。図2は、本実施形態における劣化状態検出装置2が二次電池4のSOHを検出する際のフローチャートである。
【0025】
まず、ステップS11として、イベント発生判定部22がイベントの開始又は終了を判定すると、タイマー21は、当該判定に基づいて二次電池4の最新の休止時間の測定を行う。次いで、測定した最新の休止時間を休止時間判定部23に送出する。
【0026】
次に、ステップS12では、休止時間判定部23において、二次電池4の最新の休止時間が24時間以上であるか否かを判定する。当該休止時間は24時間以上であると休止時間判定部23が判定した場合には、ステップS13へと進む。
【0027】
ステップS13では、最新の休止時間の開始時においてSOC検出部27が検出した二次電池4のSOCと、前回の休止時間の終了時にSOC検出部27が検出した二次電池4のSOCと、の差ΔSOCを充電状態差検出部28が検出し、当該ΔSOCをSOH検出部29に送出する。
【0028】
次いで、ステップS14では、SOH検出部29において、下記(1)式に基づいて、二次電池4の満充電容量Qmaxを求める。なお、この満充電容量Qmaxは、SOC=100%のときの二次電池4の容量を意味する。
【0029】
max=(∫Idt)/ΔSOC×100・・・(1)
なお、上記(1)式において、∫Idtは、二次電池4が前回の休止状態の終了時taから、最新の休止時間の開始時tbまでの間の定積分であり、充放電電流積算部24によって測定された値である。
【0030】
次いで、ステップS15では、SOH検出部29が下記(2)式に基づいて、二次電池4の最新の休止時間後(n回目の休止時間後)におけるSOH(SOH)を求める。
SOH=Qmax/Qmax,i・・・(2)
なお、Qmax,iは、記憶部29Bに記憶された二次電池4の使用初期における満充電量である。
【0031】
次いで、ステップS16では、SOH検出部29が、下記(3)式に基づいて、SOHの加重平均値SOHn,aveを算出する。そして、記憶部29Bは、当該加重平均値SOHn,aveを記憶する。
【0032】
SOHn,ave=((n−1)×SOHn−1,ave+SOH)/n・・・(3)
なお、SOHn−1,aveは、前回の休止時間(n−1回目の休止時間)終了後において、SOH検出部29が算出し、記憶部29Bが記憶した値である。
【0033】
このようにして算出した加重平均値SOHn,aveは、報知装置5に送出され(ステップS17)、劣化状態検出装置2における処理を終了する。その後、報知装置5は、加重平均値SOHn,aveに応じて、必要な場合には運転者に対して報知を行う。
【0034】
次に、ステップS12において、二次電池4の最新の休止時間が24時間未満であった場合(ステップS12において「No」)について説明する。二次電池4の最新の休止時間が24時間未満である場合には、ステップS18へと進む。
【0035】
ステップS18では、最新の休止時間の開始時においてSOC検出部27が検出した二次電池4のSOCと、前回の休止時間の終了時にSOC検出部27が検出した二次電池4のSOCと、の差ΔSOCを充電状態差検出部28が検出し、当該ΔSOCを補正部25に送出する。
【0036】
次いで、ステップS19では、ステップS18で検出したΔSOCと、二次電池4の最新の休止時間と、の間の相関の強弱を補正部25が判断する。具体的には、二次電池4の最新の休止時間と、ΔSOCと、の間の相関係数(R)を示すマップ(下記の表1)を補正部25が予め有しており、当該マップを参照することによって当該判断を行う。
【0037】
このマップ(表1)を作成するに際しては、まず、所定容量の二次電池を搭載した車両について、ランダムにイベントの実行及び休止時間の取得を行うと共に、取得したそれぞれの休止時間の間におけるΔSOC、及び、各休止時間t(ΔSOCに対応するイベント後に開始される休止時間)の測定を行う。次いで、取得された複数のデータ(ΔSOC、t)を、ΔSOCの値及び休止時間tの値の違いに応じて計70個のグループ(ΔSOCが10段階、休止時間tが7段階)に分け、各グループごとのデータについて相関係数を求めることにより当該マップを作成する。なお、データ(ΔSOC、t)の取得は、各グループに少なくとも10個の当該データが含まれるまで行った。
【0038】
【表1】
【0039】
本実施形態において、補正部25は、上記の表1における相関係数が0.1以上である場合には(表1において「〇」部分)、ΔSOCと休止時間tとの間の相関が強いものとして判断する。一方、相関係数が0.1未満である場合には(表1において「×」部分)、ΔSOCと休止時間tとの間の相関が弱いものとして補正部25は判断する。なお、ΔSOCと休止時間tとの間における相関の強弱を判断する基準となる相関係数の値は特に限定されない。本実施形態における上記のマップ(表1)が、本発明の「最新の前記休止時間と、前記充電状態差と、の間の相関係数を示すマップ」の一例に相当する。
【0040】
本実施形態において、相関係数が0.1以上である場合(表1において「〇」の場合)には、ステップS20へと進む。
【0041】
ステップS20では、補正部25が、充放電サイクル数及び最新の休止時間に基づいて補正係数Aを求める。この補正係数Aは、補正部25が予め有するマップ(下記の表2)を参照して求める。例えば、劣化状態検出装置2による検出時において、カウンタ26が計測した充放電サイクル数が50回であり、最新の休止時間が10時間であった場合には、下記表2における「1.0018」を補正係数Aとして採用する。
【0042】
【表2】
【0043】
このマップ(表2)を作成するに際しては、まず、所定容量の二次電池について、SOC0%の状態から1Cの充電レートで充電してSOC100%とし、10分休止した後に1Cの放電レートで放電してSOC0%とする。これを1サイクルとして、各サイクルの間に10分の休止時間を挟みながら当該サイクルを所定回数(繰り返し数Nとする。)繰り返す。次いで、所定の休止時間(休止時間Tとする。)を挟み、0.2Cの充放電レートで充放電を行った際における放電容量Pを求め、休止時間Tを24時間として同様に求めた放電容量Qに対する比として補正係数Aを設定する(A=P/Q)。
【0044】
例えば、表1において、休止時間が「1時間以上 9時間未満」、充放電サイクル数が「101回〜200回」における値「1.0047」を求める際は、まず、上記の繰り返し数Nを100回とし、休止時間Tを1時間として上記の放電容量Pを求める。そして、繰り返し数Nを同様に100回とし、休止時間Tを24時間として求めた放電容量Qに対する比(P/Q)を計算して求めた値である。この様にして、充放電サイクル数及び休止時間Tの条件ごとに補正係数Aを算出する。
【0045】
次いで、ステップS21では、充放電電流積算部24が計測した充放電電流の積算量(∫Idt)に対し、ステップS20で求めた補正係数Aを乗じることにより、補正積算量(A×∫Idt)を算出する。そして、下記(4)式に基づいて、二次電池4の補正満充電容量Qmax,rを求める。
【0046】
max,r=(A×∫Idt)/ΔSOC×100・・・(4)
なお、上記(4)式において、∫Idtは、前回の休止時間の終了時taから、最新の休止時間の開始時tbまでの間の定積分であり、ΔSOCは充電状態差検出部28が検出した二次電池4の充電状態差である。
【0047】
次いで、ステップS22では、下記(5)式に基づいて、二次電池4の補正後のSOH(SOHn,r)を求める。
SOHn,r=Qmax,r/Qmax,i・・・(5)
【0048】
次いで、SOH検出部29は、当該SOHn,rを用いて加重平均値を算出し(ステップS16)、記憶部29Bは当該加重平均値を記憶する。また、当該加重平均値は、報知装置5に送出され(ステップS17)、劣化状態検出装置2における処理を終了する。
【0049】
ステップS19において、相関係数が0.1未満である場合(表1において「×」の場合)、ステップS23へと進む。
【0050】
ステップS23では、既に説明したステップS14と同様に、上記(1)式に基づいて、二次電池4の満充電容量Qmaxの算出を行う。次いで、ステップS24では、ステップS15と同様に、上記(2)式を用いて二次電池4のSOHを求める。
【0051】
次いで、SOH検出部29は、当該SOHを用いて加重平均値を算出し(ステップS16)、記憶部29Bは当該加重平均値を記憶する。そして、当該加重平均値は、報知装置5に送出され(ステップS17)、劣化状態検出装置2における処理を終了する。
【0052】
なお、本例においては、二次電池4としてリチウムイオン二次電池を用いているが、このようなリチウムイオン二次電池は、例えば以下の方法により作製することができる。
【0053】
まず、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸アルミニウムとを溶解した水溶液に、水酸化ナトリウムとアンモニアを供給し、共沈法によりニッケルとコバルトとアルミニウムのモル比が80:15:5で固溶してなる金属複合水酸化物を作成する。次いで、この金属複合水酸化物と市販の水酸化リチウム一水和物(FMC社製)とを、Li以外の金属(Ni、Co、Al)の合計のモル数とLiのモル数の比が1:1となるように秤量して十分混合した後、昇温速度3℃/minで昇温して本焼成(900℃ 10時間)し、その後室温まで冷却し、これを正極活物質とする。
【0054】
また、電極の作製は、上記の正極活物質を90質量%、導電助剤としてTIMCAL社製SuperPとTIMCAL社製KS6を1:1で混合したものを5質量%、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量%、及びスラリー粘度調整溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量混合して正極活物質スラリーを作製し、得られた正極活物質スラリーを集電体であるアルミニウム箔の一方の面側に塗布し乾燥させる。その後、プレス処理を行い、正極活物質層を片面に有する正極を作製する。
【0055】
また、グラファイト90質量%、アセチレンブラック5質量%、PVdF10質量%、およびNMP適量を混合して、負極活物質スラリーを作製し、得られた負極活物質スラリーを集電体である銅箔の一方の面側に塗布し乾燥させる。次いで、プレス処理を行い、負極活物質層を片面に有する負極を作製する。
【0056】
次に、得られた電極を15cm×15cmの正方形にカットする。また、正極と負極の間に入れるセパレータ(材質:ポリプロピレン、厚さ:25um)を18cm×18cmの正方形にカットする。そして、当該電極の未塗工部に超音波溶接でタブ(正極:Alタブ、負極:Niタブ)を取り付け、正極電極−セパレータ(材質:ポリプロピレン、厚さ:25um)−負極電極の順に積層し、真空ラミネートすることにより、リチウムイオン二次電池を作製することができる。なお、当該リチウムイオン二次電池の電解液としては、エチレンカーボネート(EC)およびジエチレンカーボネート(DEC)を体積比2:3で混合した溶媒に、リチウム塩LiPFを1Mの濃度で溶解させたものを用いることができる。
【0057】
次に、本実施形態における作用について説明する。
【0058】
本実施形態では、二次電池4の最新の休止時間が24時間未満である場合(二次電池4内の電子状態が均一化していない場合)、当該休止時間後に当該二次電池4のSOHを検出する際に、休止時間に応じて充放電電流の積算量(∫Idt)を補正し、補正後の積算量(A×∫Idt)を用いてSOHの検出を行う。このため、休止時間の長さによらず、当該二次電池4のSOHを精度良く検出することができる。
【0059】
また、本実施形態における劣化状態検出装置2は、二次電池4の充放電サイクル数に応じて充放電電流の積算量(∫Idt)を補正する。このため、二次電池4の充放電サイクル数を加味してより精度の良いSOHの検出を行うことができる。
【0060】
また、本実施形態では、二次電池4の最新の休止時間が24時間未満の場合において、当該最新の休止時間と、ΔSOC(前回の休止時間の終了時における二次電池4のSOCと最新の休止状態の開始時における二次電池4のSOCとの差)と、に基づく相関係数が、所定値(本例では0.1)以上の場合において上記の積算量(∫Idt)の補正を行う。このため、より確実に当該補正による検出精度向上の効果を奏することができる。
【0061】
また、本実施形態では、SOH検出部29が上記(3)式に基づいて、SOHの加重平均値SOHn,aveを算出する。これにより、SOHの測定時におけるバラツキを平滑化することができる。また、加重平均値SOHn,aveを算出する際に、二次電池4の休止時間とΔSOCとの相関係数が0.1未満である場合の値(即ち、ステップS24で求めたSOH)を除外することとしてもよい。この場合には、二次電池4の最新の休止時間及びΔSOCの相関が弱いデータが加重平均値SOHn,aveの算出に用いられることによる当該算出値の精度低下を抑制することができる。
【0062】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【0063】
例えば、ステップS19において、二次電池4の最新の休止時間及びΔSOCの相関係数が0.1未満である場合には、前回(n−1回)の休止時間の終了後にSOH検出部29で検出し、記憶部29Bで記憶したSOHn−1を報知装置5に送出することとしてもよい。
【0064】
また、例えば、上記の場合において、当該相関係数が0.1未満である状態が所定回数連続した際に、その後の処理において強制的にステップS14へ進むこととしてもよい。この場合には、劣化状態検出装置2による検出値が連続して更新されないことによる当該検出値の鮮度劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【0065】
1・・・車両
2・・・劣化状態検出装置
21・・・タイマー
23・・・休止時間判定部
24・・・充放電電流積算部
25・・・補正部
26・・・カウンタ
27・・・SOC検出部
28・・・充電状態差検出部
29・・・SOH検出部
4・・・二次電池
図1
図2