特許 7566310 電池モジュール

(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】

(24)【登録日】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(54)【発明の名称】電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20241007BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20241007BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20241007BHJP

   G01R 31/392 20190101ALI20241007BHJP

   G01R 31/389 20190101ALI20241007BHJP

   G01R 31/388 20190101ALI20241007BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 A

H02J7/02 H

H02J7/00 Q

G01R31/392

G01R31/389

G01R31/388

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020191210

(22)【出願日】2020-11-17

(65)【公開番号】P2022080182

(43)【公開日】2022-05-27

【審査請求日】2023-11-14

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／車載用蓄電池の内部状態解析に基づく診断技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】横島 時彦

(72)【発明者】

【氏名】逢坂 哲彌

(72)【発明者】

【氏名】門間 聰之

【審査官】新田 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１０６８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５２１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３５８４６２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／０２

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｇ０１Ｒ ３１／３９２

Ｇ０１Ｒ ３１／３８９

Ｇ０１Ｒ ３１／３８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルが直列接続されている組電池と、前記複数の電池セルの充電深度を均等化処理するバランサーと、を含む組電池システムと、
均等化処理前の前記組電池の第１のインピーダンス特性および均等化処理後の前記組電池の第２のインピーダンス特性を測定するための測定回路と、
前記複数の電池セルのうち充電深度が他の電池セルよりも大きい第１の電池セルの劣化度が、前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを、前記第１のインピーダンス特性および前記第２のインピーダンス特性を用いて検出するプロセッサと、を具備することを特徴とする電池モジュール。

【請求項2】

前記プロセッサは、ナイキストプロットの電荷移動領域およびイオン拡散領域における前記第１のインピーダンス特性および前記第２のインピーダンス特性の変化に基づき、前記第１の電池セルの劣化度が前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを検出することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記プロセッサは、電荷移動領域における、前記第１のインピーダンス特性に対する前記第２のインピーダンス特性の変化に基づき、前記第１の電池セルの劣化度が前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを検出することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記第１のインピーダンス特性および前記第２のインピーダンス特性は、それぞれ、レジスタンス、リアクタンス、インピーダンス絶対値および位相角の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、複数の電池セルが直列接続されている組電池を具備する電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

携帯機器、電動工具および電気自動車等に、充放電可能な二次電池を含む電池モジュールが用いられている。二次電池として、小型で大容量のリチウムイオン電池等が注目されている。

【0003】

電池モジュールは、複数の電池セルを直列に接続した組電池とすることで、所望の出力電圧を得ている。さらに、所定の出力電圧が得られる組電池を並列接続することで、所望の電流容量を得ている。また、所望の電流容量が得られるように複数の電池セルを並列接続した電池セットを、直列に接続し所望の出力電圧を得ている組電池もある。

【0004】

組電池を構成する複数の電池セルは、時間経過および充放電の繰り返しにより劣化するが、それぞれの電池セルの劣化度を示す容量維持率（ＳＯＨ: State Of Health）は、同じではない。組電池の充電時に、劣化度が大きい、すなわち、ＳＯＨが小さい電池セルは、他の電池セルよりも早く、充電深度（ＳＯＣ：Stake Of Charge)が大きくなるために、過充電されるおそれがある。

【0005】

このため、複数の電池セルのそれぞれのＳＯＣを測定し、例えば、ＳＯＣの大きな電池セルの電荷を放電することによって、複数の電池セルのＳＯＣを均等化処理するバランサーを含む組電池が用いられている。

【0006】

ここで、ある電池セルのＳＯＣが他の電池セルよりも大きくなる原因は、劣化度が大きいことだけでなく、他の要因も考えられる。このため、ＳＯＣが大きい電池セルのＳＯＨ異常を検出することが重要である。

【0007】

特開２０１３－２９４１１号公報には、組電池の複数の電池セルのＳＯＨを評価するために、それぞれの電池セルを、それぞれのインピーダンス演算部と接続した測定装置が開示されている。

【0008】

しかし、複数の電池セルのそれぞれに対応した複数のインピーダンス演算部を具備する測定装置は、構成が複雑となるために高価である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１３－２９４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の実施形態は、複数の電池セルを含む組電池において、充電深度が他の電池セルよりも大きい電池セルの劣化度が他の電池セルよりも大きいことを検出する簡単な構成の電池モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の実施形態の電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続されている組電池と、前記複数の電池セルの充電深度を均等化処理するバランサーと、を含む組電池システムと、均等化処理前の前記組電池の第１のインピーダンス特性および均等化処理後の前記組電池の第２のインピーダンス特性を測定するための測定回路と、前記複数の電池セルのうち充電深度が他の電池セルよりも大きい第１の電池セルが、前記他の電池セルよりも劣化度が大きいことを、前記第１のインピーダンス特性および前記第２のインピーダンス特性を用いて検出するプロセッサと、を具備する。

【発明の効果】

【0012】

本発明の実施形態によれば、複数の電池セルを含む組電池において、充電深度が他の電池セルよりも大きい電池セルの劣化度が他の電池セルよりも大きいことを検出する簡単な構成の電池モジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態の電池モジュールの構成図である。

【図2】電池のナイキストプロットの一例である。

【図3】実施形態の電池モジュールの評価方法のフローチャートである。

【図4】実施形態の電池モジュールのナイキストプロットの一例である。

【図5】実施形態の電池モジュールのナイキストプロットの一例である。

【図6】実施形態の電池モジュールのインピーダンス特性変化率の一例である。

【図7】実施形態の電池モジュールのインピーダンス特性変化率の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜電池モジュールの構成＞
図１に示すように、実施形態の電池モジュール１は、組電池システム２と、測定回路５と、ＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム）７と、ＥＭＳ（エネルギーマネジメントシステム）６と、を具備する。電池モジュール１は、図示しない負荷、例えば、電気自動車の駆動回路と接続され、駆動電力を出力する。

【0015】

以下の説明において、各実施形態に基づく図面は、模式的なものであり構成要素の図示を省略することがある。例えば、組電池システム２、および測定回路５の、内部配線の一部は図示していない。

【0016】

ＰＣＳ７は、組電池システム２に電力を供給する。ＥＭＳ６は、電池モジュール１を制御するプロセッサである。ＢＭＳ４は、組電池システム２を制御する。

【0017】

例えば、汎用の組電池システム２の構成を変更することなく、組電池システム２に測定回路５、ＥＭＳ６、およびＰＣＳ７を接続することによって、電池モジュール１は構成されている。

【0018】

組電池システム２は、組電池３と、バランサーを含むＢＭＳ（バッテリマネジメントシステム）４を有する。組電池３は、４個の電池セル３１～３４が直列接続されて構成されている。以下、複数の電池セル３１～３４のそれぞれを電池セル３０という。電池セル３０は、リチウムイオン電池セルであり、リチウムイオンを吸蔵／放出する正極と、電解質と、セパレータと、リチウムイオンを吸蔵／放出する負極と、を有する。

【0019】

ＢＭＳ４のバランサーは、複数の電池セル３０のそれぞれの充電深度を測定するとともに、複数の電池セル３０の充電深度ＳＯＣを均等化処理する。バランサーは、それぞれの電池セル３０の電圧を測定する電圧計４１と、それぞれの電池セル３０の電荷を放電するための抵抗４２と、放電スイッチ４３と、を有する。抵抗４２には、一般的な抵抗や電子負荷装置を用いる。図示しないＢＭＳ４のプロセッサは、均等化処理の制御を行う。

【0020】

組電池３のインピーダンス特性を測定するための測定回路５は、交流電圧信号を出力する高周波電源５９と、組電池３に印加される電圧を測定する電圧計５１と、電流を測定する電流計５２と、を含む。インピーダンス特性を測定するための電圧計５１は、ＳＯＣを取得するための電圧を測定する電圧計４１よりも高精度である。PＣＳ７がインピーダンス特性の測定に使用可能な高周波電流を出力可能な場合には、高周波電源５９は不要である。また、ＢＭＳ４がＥＭＳ６の行う制御の一部をおこなってもよい。逆に、ＥＭＳ６がＢＭＳの行う制御の少なくとも一部をおこなってもよい。

【0021】

＜インピーダンス測定＞
インピーダンス特性は、例えば、交流インピーダンス法により測定される。交流インピーダンス法では、組電池３に対し直流電圧に微小な交流電圧信号（測定信号）を重畳させた信号を印加し、応答信号からインピーダンス特性を測定する。交流インピーダンス測定法は、印加する信号電圧が小さいので、測定対象の組電池３の状態を変化させることなくインピーダンス特性を測定できる。

【0022】

直流電圧成分は、測定する電池セル３０の電圧程度に設定される。また、重畳する交流電圧成分は、電池セル３０の特性に影響を与えない程度の電圧に設定される。なお重畳する交流電圧成分は、電池セル３０の特性に影響を与えない程度の電圧に設定される交流電流を用いてもよい。

【0023】

周波数掃引法では、測定信号の周波数を高い周波数から低い周波数へ掃引し、所定の周波数間隔で、各周波数における組電池３のインピーダンス特性を測定する。

【0024】

例えば、インピーダンス特性の測定は以下の条件にて行われる。なお、バイアス電圧は組電池３の電圧である。すなわち、電池モジュール１は組電池システム２の使用時にも交流インピーダンス測定が可能である。

【0025】

周波数測定範囲：０．０１Ｈｚ～１００ｋＨｚ
電圧振幅：５ｍＶ
バイアス電圧：１２Ｖ
温度：２５℃

【0026】

図２に電池の周波数掃引法によるインピーダンス特性の周波数特性の例を示す。測定されたインピーダンス特性の周波数特性は、実数軸（Ｚ’）をインダクタンス（抵抗成分）、虚数軸（Ｚ’’）をリアクタンス（通常は容量性）とする複素平面図に表示したナイキストプロット（コールコールプロット）で示される。図２に示すように、測定周波数を高周波から低周波に変化させていくと、時計回りに半円を含むインピーダンス（Ｚ’、Ｚ’’）の軌跡であるコールコールプロットが得られる。

【0027】

ナイキストプロットは、インダクタンス領域（領域Ａ）と、２つの半円形が重畳した電荷移動反応領域（領域Ｂ）と、イオン拡散領域（領域Ｃ）とに区分される。インダクタンス領域（領域Ａ）は例えば１００ｋＨｚ以上の高周波領域である。

【0028】

なお、インピーダンス特性の測定方法は、周波数掃引法に限られるものではない。例えば、測定信号として基本周波数ｆ１の矩形波を用いて、高調波成分（２ｆ１、３ｆ１、、）が含まれている応答信号をフーリエ変換することで、複数の周波数（ｆ１、２ｆ１，３ｆ１、、、）のインピーダンス特性を測定してもよい。または、複数の周波数の信号が重畳された測定信号を用いてインピーダンス特性を測定してもよい。もちろん、周波数の異なる複数の測定信号を用いてインピーダンス特性を測定してもよい。

【0029】

＜電池モジュールの評価方法＞
次に、図３に示すフローチャートに沿って、電池モジュール１の評価方法について詳細に説明する。他の電池セルよりもＳＯＣが大きく、均等化処理において放電対象となる電池セルを第１の電池セルという。また、全ての電池セルのＳＯＨが１００％の組電池Ａと、いずれかの電池セルのＳＯＨが８０％の組電池Ｂとを用いて説明する。

【0030】

＜ステップＳ１０＞ＳＯＣ測定ステップ
ＥＭＳ６の制御によって、ＰＣＳ７から電力が出力されることによって、組電池３が充電される。充電中、または充電終了後に、ＢＭＳ４は、複数の電池セル３０のＳＯＣを測定する。電池セル３０のＳＯＣは、電圧計４１を用いて測定される。

【0031】

＜ステップＳ２０＞ＳＯＣばらつき判定ステップ
ＢＭＳ４は、複数の電池セル３０のＳＯＣのばらつきが、予め定められている所定範囲を超えているか判定する。例えば、電池セル３２のＳＯＣが１００％であり、電池セル３１、３３、３４のＳＯＣが８０％であり、所定範囲が１５％だった場合には、ＢＭＳ４は、「ばらつきあり（ＹＥＳ）」と判定
する。そして、電池セル３２が第１の電池セルとなる。

【0032】

ばらつきが所定範囲内の場合（ＮＯ）には、組電池３は、通常の放電処理に移行する。

【0033】

＜ステップＳ３０＞第１のインピーダンス測定ステップ
測定回路５の高周波電源５９が、組電池３に所定の周波数、例えば、１００ｋＨｚ～０．０１Ｈｚの正弦波の測定信号を印加し、インピーダンス特性（第１のインピーダンス特性）を取得する。インピーダンス特性は、測定回路５の電圧計５１、電流計５２を用いて行われる。第１のインピーダンス特性は、均等化処理前の組電池のインピーダンス特性である。

【0034】

インピーダンス特性は温度の影響が大きいため、測定回路５は、組電池３に配設されている温度センサ（不図示）により測定温度も取得することが好ましい。そして、測定回路５のデータを処理するプロセッサであるＥＭＳ６は、温度によってインピーダンス特性を補正することが好ましい。

【0035】

＜ステップＳ４０＞均等化処理ステップ
ＢＭＳ４は、第１の電池セルである電池セル３２（ＳＯＣ１００％）の電荷を放電することによって、複数の電池セル３１～３４のＳＯＣを均等化処理する

【0036】

ＢＭＳ４は、電池セル３２に接続されているスイッチ４３をＯＮ（導通）とし、電池セル３２から抵抗４２に電流を流す。電池セル３２の電荷は、抵抗４２の熱エネルギーに変換される。電池セル３２のＳＯＣが、他の電池セル３１、３３、３４のＳＯＣと同じ（８０％）になるまで、電池セル３２の電荷が放電される。

【0037】

＜ステップＳ５０＞第２のインピーダンス測定ステップ
測定回路５の高周波電源５９が、組電池３に測定信号を印加し、インピーダンス特性（第２のインピーダンス特性）を取得する。第２のインピーダンス特性は、均等化処理後の組電池のインピーダンス特性である。
＜ステップＳ６０＞インピーダンス特性の変化検出ステップ

【0038】

図４に、電池セル３１～３４のＳＯＨが、いずれも１００％だった場合（組電池Ａ）の、ナイキストプロットを示す。均等化処理によって、周波数０．１Ｈｚ以下のイオン拡散領域において、インピーダンス曲線が変化している。

【0039】

これに対して、図５に、複数の電池セル３０のうち、第１の電池セルである電池セル３２のＳＯＨが８０％、他の電池セル３１、３２、３４のＳＯＨが１００％だった場合（組電池Ｂ）のナイキストプロットを示す。均等化処理によって、周波数１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の電荷移動領域において、インピーダンス曲線が変化している。

【0040】

図４および図５から明らかなように、均等化処理前後のナイキストプロットを比較することによって、ＳＯＣが他の電池セルよりも大きかった第１の電池セル（電池セル３２）が、他の電池セル３１、３３、３４よりもＳＯＨも小さいか（劣化度が大きいか）否かが検出できる。

【0041】

例えば、ＥＭＳ６は、均等化処理前後のナイキストプロットにおける、周波数０．１Ｈｚ以下のイオン拡散領域の変化と周波数１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の電荷移動領域の変化とを比較する。

【0042】

ＥＭＳ６は、均等化処理前後のインピーダンス特性、および、ＳＯＨデータを、それぞれが含む複数の組電池の過去履歴データを用いて、ＡＩにマシーンラーニングを行い、ＡＩ判定を行ってもよい。

【0043】

例えば、ＥＭＳ６は、均等化処理前後のインピーダンス特性、および、ＳＯＨデータを、それぞれが含む複数の組電池のビッグデータを用いて、ＡＩに、ニューラルネットワークよるディープラーニングを行い、ＡＩ判定を行ってもよい。

【0044】

ＡＩ判定よりも簡単に定量的に検出するためには、インピーダンス特性変化率、例えば、第１のインピーダンス特性に対する第２のインピーダンス特性の変化率を取得することが好ましい。もちろん、第２のインピーダンス特性に対する第１のインピーダンス特性の変化率を取得してもよい。

【0045】

例えば、インピーダンス特性としてリアクタンスＺ’’を用いる場合には、以下の式を用いて、リアクタンス変化率を取得する。均等化処理前のリアクタンスが、第１のリアクタンスであり、均等化処理後のリアクタンスが、第２のリアクタンスである。ＡＢＳは絶対値を示す。

【0046】

リアクタンス変化率（％） ＝ ＡＢＳ（（第１のリアクタンス－第２のリアクタンス）／第１のリアクタンス）×１００

【0047】

図６に均等化処理前後の組電池Ａおよび組電池Ｂのリアクタンス変化率を示す。

【0048】

組電池Ｂは組電池Ａと比べて、周波数１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の電荷移動領域において、リアクタンス変化率が大きなピークを有している。

【0049】

＜ステップＳ７０、Ｓ８０＞ＳＯＨ判定ステップ、警告ステップ
ＥＭＳ６は、インピーダンス特性の変化が所定範囲以上であるかを判定する。組電池Ｂは、第１の電池セル（電池セル３２）のＳＯＨが８０％であったため、周波数１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の電荷移動領域におけるリアクタンス変化率のピーク強度Ｐが、周波数０．０１Ｈｚ以上０．１Ｈｚ以下のイオン拡散領域におけるリアクタンス変化率の平均値Ａの１５０％以上であった。

【0050】

例えば、ＥＭＳ６は、ピーク強度Ｐが、平均値Ａの１２５％以上の場合に、第１の電池セル（電池セル３２）のＳＯＨが、他の電池セル３１、３３、２４のＳＯＨよりも大きいことを、警告する。警告は、音、表示、または、ランプの点灯等によって行われる。

【0051】

ランプの点灯によって警告する場合、ピーク強度Ｐと平均値Ａとの比に基づいて、ランプの色を変えてもよい。例えば、第１の電池セル（電池セル３２）のＳＯＨが使用上、問題の無いレベルの場合には、緑色のランプを点灯し、第１の電池セルの少しの劣化が確認された場合には黄色のランプを点灯し、第１の電池セルの交換が必要なレベルの場合には、赤色のランプを点灯する。

【0052】

たとえばＥＭＳ６が、ＢＭＳ４に警告信号を送って、組電池システム２に警告が表示されてもよい。

【0053】

なお、インピーダンス特性としては、実数成分（レジスタンス）Ｚ’、虚数成分（リアクタンス）Ｚ’’、位相角θ、および絶対値｜Ｚ｜の少なくともいずれかである。

【0054】

インピーダンス特性として位相角（偏角）θを用いる場合には、例えば、以下の式を用いて、位相角変化率を取得する。均等化処理前の位相角が、第１の位相角であり、均等化処理後の位相角が、第２の位相角である。ＡＢＳは絶対値を示す。

【0055】

位相角変化率（％） ＝ ＡＢＳ（（第１の位相角－第２の位相角）／第１の位相角）×１００

【0056】

図７に示すように、組電池Ｂは組電池Ａと比べて、周波数１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の電荷移動領域において、位相角変化率が大きなピークを有している。

【0057】

以上の説明のように、ナイキストプロットによる評価方法では、インピーダンス特性は、レジスタンスＺ’およびリアクタンスＺ’’である。リアクタンス変化率による評価方法では、インピーダンス特性は、測定周波数に対応したリアクタンスである。３つ以上のインピーダンス特性を組み合わせてもよい。もちろん、２つ以上の評価方法を組み合わせてもよい。インピーダンスの逆数であるアドミッタンスを用いて評価してもよい。

【0058】

電池モジュール１は、４個の電池セル３１～３４が直列接続されている組電池システム２を具備していた。しかし、組電池が含む電池セル３０の数は、２以上であるが、上限は例えば５０である。

【0059】

なお、実施形態の電池モジュールでは、複数の電池セルが、他の電池セルよりもＳＯＣが大きく、均等化処理において複数の電池セルの電荷が放電された場合であっても、少なくともいずれかの電池セルのＳＯＨが他の電池セルのＳＯＨよりも小さい（劣化度が大きい）ことを検出できる。

【0060】

バランサーの動作は、ＳＯＣが大きい電池セル３０の電荷を抵抗４２によって放電するパッシブ方式だけでなく、ＳＯＣが大きい電池セル３０の電荷をＳＯＣが小さい電池セルに回生するアクティブ方式でもよい。

【0061】

複数の組電池が並列接続されている電池モジュールの場合には、それぞれの組電池のインピーダンス特性を測定するための、回路切替スイッチを有していることが好ましい。

【0062】

実施形態の電池モジュールの電池セルは、その原理からリチウムイオン電池セルに限られるものではなく、他の二次電池セル、例えば、リチウムポリマー電池セル、または、リチウム硫黄電池セルでもよいし、固体電解質を有する全固体型電池セルでもよい。また、組電池は、隣り合う電池セルが、正極と負極とが共通の集電体を有するバイポーラ電池でもよいし、バイポーラ全固体電池でもよい。

【0063】

また、組電池の構造は、積層型、巻回型、コイン型、および、ラミネート型のいずれでもよい。

【0064】

それぞれの電池セル３０が、複数の電池セルが並列に接続されて構成されていてもよい。この構成では、インピーダンス特性等は、並列接続された電池セルの平均値として測定される。また、それぞれの電池セル３０が、複数の電池セルが直列に接続されて構成されていてもよい。この場合ではインピーダンス特性等は、直列接続された電池セルの和として測定される。

【0065】

電圧計４１が、すべての電池セルに接続されていなくてもよい。その場合には、電圧計ごとの電圧のみ測定が可能である。

【0066】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせが可能である。

【符号の説明】

【0067】

１…電池モジュール
２…組電池システム
３…組電池
５…測定回路
６…プロセッサ（ＥＭＳ）
３０（３１～３４）…電池セル
４０…ＢＭＳ
４１…電圧計
４２…抵抗
４３…スイッチ
５１…電圧計
５２…電流計
５９…高周波電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】