電池系統(tǒng)以及劣化判別方法
【專利摘要】本發(fā)明對磨耗劣化以及高速劣化加以區(qū)別來判別二次電池的劣化狀態(tài)。電池系統(tǒng)具有二次電池以及控制器。與負極電位相比，二次電池的電池電壓易于受到正極電位的影響?？刂破魅〉檬钩潆姞顟B(tài)降低后的二次電池中的電阻變化率與電流值的關系，基于所取得的關系來判別二次電池的劣化狀態(tài)。這里，控制器使用第一相關關系以及第二相關關系來判別二次電池的劣化狀態(tài)。在第一相關關系中，當只產(chǎn)生二次電池的磨耗引起的劣化(磨耗劣化)時，伴隨著電流值的增加電阻變化率減少。在第二相關關系中，當只發(fā)生二次電池的內(nèi)部中的鹽濃度分布引起的劣化(高速劣化)時，伴隨著電流值的增加電阻變化率增加。
【專利說明】電池系統(tǒng)以及劣化判別方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及能夠檢測因鹽濃度分布引起的劣化的電池系統(tǒng)以及劣化判別方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 專利文獻1記載了一種在二次電池中，對在大電流區(qū)域產(chǎn)生的電池電阻的上升程 度進行推定的技術(shù)。具體而言，使用電池模型來根據(jù)電池電壓推定電池電流，并基于推定出 的電池電流與測定出的電池電流來推定電池電阻的上升程度。
[0003] 專利文獻1:日本特開2010 - 060406號公報
[0004] 在專利文獻1所記載的技術(shù)中，由于使用電池模型，所以導致用于對電池電阻的 上升程度進行推定的處理變得復雜。這里，二次電池的劣化包括因二次電池的磨耗而產(chǎn)生 的劣化、和如專利文獻1所記載那樣在大電流區(qū)域產(chǎn)生的劣化。本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當二 次電池處于特定的狀態(tài)時，二次電池的內(nèi)部電阻的變化在因磨耗引起的劣化與在大電流區(qū) 域產(chǎn)生的劣化中存在不同。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的電池系統(tǒng)具有二次電池以及控制器。與負極電位相比，二次電池的電池 電壓易于受到正極電位的影響?？刂破魅〉檬钩潆姞顟B(tài)降低后的二次電池中的電阻變化率 與電流值的關系，基于所取得的關系來判別二次電池的劣化狀態(tài)。
[0006] 這里，控制器使用第一相關關系以及第二相關關系來判別二次電池的劣化狀態(tài)。 在第一相關關系中，當只發(fā)生二次電池的磨耗引起的劣化時，伴隨著電流值的增加電阻變 化率減少。在第二相關關系中，當只發(fā)生二次電池的內(nèi)部中的鹽濃度分布引起的劣化時，伴 隨著電流值的增加電阻變化率增加。
[0007] 在與負極電位相比，電池電壓易于受到正極電位的影響的二次電池中，電阻變化 率與電流值的關系（第一相關關系以及第二相關關系）在因磨耗引起的劣化和因鹽濃度分 布引起的劣化中相互不同。因此，通過使用第一相關關系以及第二相關關系，能夠判別因磨 耗引起的劣化、因鹽濃度分布引起的劣化的發(fā)生狀態(tài)。
[0008] 在取得電阻變化率與電流值的關系時，可以預先將二次電池的充電狀態(tài)設為比 50%低的狀態(tài)。由此，可以使用第一相關關系以及第二相關關系來判別因磨耗引起的劣化、 因鹽濃度分布引起的劣化的發(fā)生狀態(tài)。
[0009] 在只發(fā)生因磨耗引起的劣化時，所取得的關系成為按照第一相關關系的關系。另 一方面，在除了因磨耗引起的劣化之外還發(fā)生因鹽濃度分布引起的劣化時，所取得的關系 偏離根據(jù)第一相關關系確定的電阻變化率與電流值的關系。因此，通過確認該偏離，能夠判 別發(fā)生了因鹽濃度分布引起的劣化這一情況。
[0010] 在因鹽濃度分布引起的劣化發(fā)展時，可以進行使鹽濃度分布消除的處理。因鹽濃 度分布引起的劣化能夠通過進行特定的處理來消除。另一方面，因磨耗引起的劣化即使進 行特定的處理也無法消除。這里，在所取得的關系和根據(jù)第一相關關系確定的電阻變化率 與電流值的關系偏離了規(guī)定量以上時，可判別為因鹽濃度分布引起的劣化正在發(fā)展。
[0011] 在使充電狀態(tài)上升后的二次電池中，隨著劣化發(fā)展，電阻變化率從1開始上升。 因此，在使充電狀態(tài)上升后的二次電池中，取得電阻變化率，在所取得的電阻變化率大于1 時，可判別為二次電池發(fā)生劣化。在判別為二次電池發(fā)生劣化時，可如上述那樣判別因磨耗 引起的劣化、因鹽濃度分布引起的劣化的發(fā)生狀態(tài)。在使二次電池的充電狀態(tài)上升時，可使 二次電池的充電狀態(tài)為50%以上的狀態(tài)。
[0012] 作為二次電池，可使用相對于第一比率，第二比率所占據(jù)的比例比第三比率所占 據(jù)的比例高的二次電池。第一比率表示相對于容量的規(guī)定變化量的電池電壓的變化量。第 二比率表示相對于容量的規(guī)定變化量的正極電位的變化量。第三比率表示相對于容量的規(guī) 定變化量的負極電位的變化量。
[0013] 二次電池可搭載于車輛。由二次電池輸出的電力可變換成使車輛行駛的動能。
[0014] 本申請的第二發(fā)明是對與負極電位相比電池電壓易于受到正極電位的影響的二 次電池的劣化狀態(tài)進行判別的劣化判別方法。首先，取得使充電狀態(tài)降低后的二次電池中 的電阻變化率與電流值的關系。然后，使用在本申請第一發(fā)明中說明的第一相關關系以及 第二相關關系，根據(jù)所取得的關系判別二次電池的劣化狀態(tài)。在本申請第二發(fā)明中，能夠獲 得與本申請第一發(fā)明同樣的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是二次電池的外觀圖。
[0016] 圖2是表示二次電池的內(nèi)部構(gòu)造的圖。
[0017] 圖3是發(fā)電構(gòu)件的展開圖。
[0018] 圖4是發(fā)電構(gòu)件的外觀圖。
[0019] 圖5是表示二次電池的電阻變化率與時間的平方根之間的關系的圖。
[0020] 圖6是表示正極電位、負極電位以及電池電壓的關系的圖。
[0021] 圖7是對判別正極電位以及負極電位針對電池電壓的影響的方法進行說明的圖。
[0022] 圖8是表示材料不同的負極中的負極釋放電位的圖。
[0023] 圖9是對負極釋放電位以及不可逆容量的關系進行說明的圖。
[0024] 圖10是表示在低S0C區(qū)域中發(fā)生磨耗劣化時的電阻變化率以及電流值的關系的 圖。
[0025] 圖11是表示在低S0C區(qū)域中發(fā)生高速劣化時的電阻變化率以及電流值的關系的 圖。
[0026] 圖12是表示電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖。
[0027] 圖13是表示對高速劣化進行判別的處理的流程圖。
[0028] 圖14是表示二次電池的電阻變化率以及電流值的關系的圖。

【具體實施方式】
[0029] 以下，對本發(fā)明的實施例進行說明。
[0030] 實施例1
[0031] 首先，對二次電池的構(gòu)成進行說明。作為二次電池，例如可使用鎳氫電池或鋰離子 電池。二次電池例如可搭載于車輛，能夠使用二次電池的輸出來使車輛行駛。這里，為了滿 足車輛的要求輸出，可以將多個二次電池（單電池）串聯(lián)連接來構(gòu)成電池組。
[0032] 圖1是二次電池的外觀圖，圖2是表示二次電池的內(nèi)部構(gòu)造的圖。在圖1以及圖 2中，X軸、Y軸以及Z軸是相互正交的軸。X軸、Y軸以及Z軸的關系在其他附圖（圖4)中 也同樣。
[0033] 二次電池1具有電池殼體10、和被收容在電池殼體10的發(fā)電構(gòu)件14。電池殼體 10例如可由金屬形成，具有殼體主體l〇a以及蓋10b。殼體主體10a具有用于裝入發(fā)電構(gòu) 件14的開口部，蓋10b將殼體主體10a的開口部堵塞。由此，電池殼體10的內(nèi)部成為密封 狀態(tài)。蓋l〇b以及殼體主體10a例如可通過焊接來進行固定。
[0034] 正極端子11以及負極端子12被固定于蓋10b。正極端子11經(jīng)由正極極耳15a與 發(fā)電構(gòu)件14連接，負極端子12經(jīng)由負極極耳15b與發(fā)電構(gòu)件14連接。另外，對蓋10b設 有閥13。閥13被用于在電池殼體10的內(nèi)部產(chǎn)生了氣體時將氣體排出到電池殼體10的外 部。具體而言，如果電池殼體10的內(nèi)壓伴隨著氣體的產(chǎn)生而達到閥13的工作壓，則閥13 通過從關閉狀態(tài)變化為打開狀態(tài)，來將氣體排出到電池殼體10的外部。
[0035] 在圖1以及圖2中，表示了所謂的方形二次電池1，但并不限定于此。具體而言，也 可以使用所謂的圓筒型二次電池1。在方形二次電池1中，電池殼體10形成為按照立方體 的形狀。在圓筒型二次電池1中，電池殼體10形成為圓筒狀。
[0036] 圖3是發(fā)電構(gòu)件14的展開圖。發(fā)電構(gòu)件14具有正極板141、負極板142、隔膜143。 正極板141具有集電板141a、和在集電板141a的表面形成的正極活物質(zhì)層141b。正極活 物質(zhì)層141b含有正極活物質(zhì)、導電劑、粘合劑等。正極活物質(zhì)層141b形成在集電板141a 的一部分的區(qū)域，集電板141a的其余的區(qū)域露出。
[0037] 負極板142具有集電板142a、和在集電板142a的表面形成的負極活物質(zhì)層142b。 負極活物質(zhì)層142b含有負極活物質(zhì)、導電劑、粘合劑等。負極活物質(zhì)層142b形成在集電板 142a的一部分的區(qū)域，集電板142a的其余的區(qū)域露出。正極活物質(zhì)層141b、負極活物質(zhì)層 142b以及隔膜143中滲有電解液。在本實施例中，使用電解液，但也可以取代電解液而使用 固體電解質(zhì)。
[0038] 通過以圖3所示的順序?qū)盈B正極板141、負極板142以及隔膜143,并將該層疊體 沿著圖4的箭頭C所示的方向卷繞，由此構(gòu)成發(fā)電構(gòu)件14。在圖4中，在Y方向上的發(fā)電構(gòu) 件14的一端只卷繞有正極板141的集電板141a。如使用圖2說明那樣，在該集電板141a固 定正極極耳15a。在Y方向上的發(fā)電構(gòu)件14的另一端只卷繞有負極板142的集電板142a， 在該集電板142a固定負極極耳15b。
[0039] 圖2以及圖4所示的區(qū)域（稱為反應區(qū)域）Ar是正極活物質(zhì)層141b以及負極活 物質(zhì)層142b相互重疊的區(qū)域，是在進行二次電池1的充放電時，進行化學反應的區(qū)域。
[0040] 例如，當對作為二次電池1的鋰離子電池進行放電時，在負極活物質(zhì)的界面進行 釋放鋰離子以及電子的化學反應，在正極活物質(zhì)的界面進行吸收鋰離子以及電子的化學反 應。當對鋰離子電池進行充電時，進行與放電時相反的反應。通過正極板141以及負極板 142經(jīng)由隔膜143收授鋰離子，來進行鋰離子電池的充放電。
[0041] 公知二次電池1會發(fā)生劣化，該劣化包括因磨耗引起的劣化成分、和因鹽濃度分 布引起的劣化成分。因磨耗引起的劣化成分是指由于構(gòu)成二次電池1的材料磨耗而產(chǎn)生的 劣化成分。構(gòu)成二次電池1的材料例如會根據(jù)二次電池1的溫度、SOC(State of Charge)、 經(jīng)過時間而磨耗。SOC是二次電池1的當前的充電容量相對于滿充電容量的比例。在本說 明書中，將因磨耗引起的劣化稱為磨耗劣化。
[0042] 因鹽濃度分布引起的劣化成分是指在二次電池1的內(nèi)部發(fā)生了鹽濃度（例如在鋰 離子電池中，發(fā)生了鋰鹽濃度）的偏頗時，使二次電池1的內(nèi)部電阻上升的成分。這里，對 二次電池1進行充放電時的速率越高，則越容易發(fā)生鹽濃度的偏頗。在本說明書中，將因鹽 濃度分布引起的劣化稱為高速劣化。
[0043] 若二次電池1的劣化發(fā)展，則二次電池1的內(nèi)部電阻一般會上升?？梢允褂秒娮?變化率dR來評價二次電池1的劣化。電阻變化率dR是將處于劣化狀態(tài)的二次電池1的內(nèi) 部電阻Rc除以處于初始狀態(tài)的二次電池1的內(nèi)部電阻Rini而得到的值，由下述式（1)表 /_J、1 〇
[0044] [數(shù) 1]
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種電池系統(tǒng)，其特征在于，具有： 二次電池，與負極電位相比，其電池電壓易于受到正極電位的影響；和 控制器，其取得使充電狀態(tài)降低后的所述二次電池中的電阻變化率與電流值的關系， 基于所取得的所述關系來判別所述二次電池的劣化狀態(tài)， 在只發(fā)生所述二次電池的磨耗引起的劣化時，所述控制器使用所述電阻變化率隨著所 述電流值的增加而減少的第一相關關系來判別所述二次電池的劣化狀態(tài)，在只發(fā)生所述二 次電池的內(nèi)部的鹽濃度分布引起的劣化時，所述控制器使用所述電阻變化率隨著所述電流 值的增加而增加的第二相關關系來判別所述二次電池的劣化狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 在所述二次電池的充電狀態(tài)處于比50 %低的范圍內(nèi)時，所述控制器取得所述電阻變化 率與所述電流值的關系。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 在所取得的所述關系偏離根據(jù)所述第一相關關系確定的所述電阻變化率與所述電流 值的關系時，所述控制器判別為發(fā)生了所述鹽濃度分布引起的劣化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 在所取得的所述關系和根據(jù)所述第一相關關系確定的所述電阻變化率與所述電流值 的關系偏離規(guī)定量以上時，所述控制器進行使所述鹽濃度分布消除的處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制器取得使充電狀態(tài)上升后的所述二次電池的電阻變化率，在所取得的電阻變 化率大于1時，將所取得的所述關系、和根據(jù)所述第一相關關系確定的所述電阻變化率與 所述電流值的關系進行比較。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述二次電池是針對表示電池電壓的變化量相對于容量的規(guī)定變化量的第一比率，表 示正極電位的變化量相對于容量的所述規(guī)定變化量的第二比率所占的比例比表示負極電 位的變化量相對于容量的所述規(guī)定變化量的第三比率所占的比例高的二次電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述二次電池被搭載于車輛，輸出將被變換成使所述車輛行駛的動能的電力。
8. -種劣化判別方法，判別與負極電位相比電池電壓易于受到正極電位的影響的二次 電池的劣化狀態(tài)，其特征在于， 取得使充電狀態(tài)降低后的所述二次電池中的電阻變化率與電流值的關系， 在只發(fā)生所述二次電池的磨耗引起的劣化時，使用所述電阻變化率隨著所述電流值的 增加而減少的第一相關關系，根據(jù)所取得的該關系來判別所述二次電池的劣化狀態(tài)，在只 發(fā)生所述二次電池的內(nèi)部的鹽濃度分布引起的劣化時，使用所述電阻變化率隨著所述電流 值的增加而增加的第二相關關系，根據(jù)所取得的該關系來判別所述二次電池的劣化狀態(tài)。
【文檔編號】G01R31/36GK104115017SQ201280069665
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月17日
【發(fā)明者】金田亮 申請人:豐田自動車株式會社