电池系统以及劣化判别方法
【专利摘要】本发明对磨耗劣化以及高速劣化加以区别来判别二次电池的劣化状态。电池系统具有二次电池以及控制器。与负极电位相比，二次电池的电池电压易于受到正极电位的影响。控制器取得使充电状态降低后的二次电池中的电阻变化率与电流值的关系，基于所取得的关系来判别二次电池的劣化状态。这里，控制器使用第一相关关系以及第二相关关系来判别二次电池的劣化状态。在第一相关关系中，当只产生二次电池的磨耗引起的劣化(磨耗劣化)时，伴随着电流值的增加电阻变化率减少。在第二相关关系中，当只发生二次电池的内部中的盐浓度分布引起的劣化(高速劣化)时，伴随着电流值的增加电阻变化率增加。
【专利说明】电池系统以及劣化判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能够检测因盐浓度分布引起的劣化的电池系统以及劣化判别方法。
【背景技术】
[0002] 专利文献1记载了一种在二次电池中，对在大电流区域产生的电池电阻的上升程 度进行推定的技术。具体而言，使用电池模型来根据电池电压推定电池电流，并基于推定出 的电池电流与测定出的电池电流来推定电池电阻的上升程度。
[0003] 专利文献1:日本特开2010 - 060406号公报
[0004] 在专利文献1所记载的技术中，由于使用电池模型，所以导致用于对电池电阻的 上升程度进行推定的处理变得复杂。这里，二次电池的劣化包括因二次电池的磨耗而产生 的劣化、和如专利文献1所记载那样在大电流区域产生的劣化。本申请的发明人发现当二 次电池处于特定的状态时，二次电池的内部电阻的变化在因磨耗引起的劣化与在大电流区 域产生的劣化中存在不同。
【发明内容】
[0005] 本发明的电池系统具有二次电池以及控制器。与负极电位相比，二次电池的电池 电压易于受到正极电位的影响。控制器取得使充电状态降低后的二次电池中的电阻变化率 与电流值的关系，基于所取得的关系来判别二次电池的劣化状态。
[0006] 这里，控制器使用第一相关关系以及第二相关关系来判别二次电池的劣化状态。 在第一相关关系中，当只发生二次电池的磨耗引起的劣化时，伴随着电流值的增加电阻变 化率减少。在第二相关关系中，当只发生二次电池的内部中的盐浓度分布引起的劣化时，伴 随着电流值的增加电阻变化率增加。
[0007] 在与负极电位相比，电池电压易于受到正极电位的影响的二次电池中，电阻变化 率与电流值的关系（第一相关关系以及第二相关关系）在因磨耗引起的劣化和因盐浓度分 布引起的劣化中相互不同。因此，通过使用第一相关关系以及第二相关关系，能够判别因磨 耗引起的劣化、因盐浓度分布引起的劣化的发生状态。
[0008] 在取得电阻变化率与电流值的关系时，可以预先将二次电池的充电状态设为比 50%低的状态。由此，可以使用第一相关关系以及第二相关关系来判别因磨耗引起的劣化、 因盐浓度分布引起的劣化的发生状态。
[0009] 在只发生因磨耗引起的劣化时，所取得的关系成为按照第一相关关系的关系。另 一方面，在除了因磨耗引起的劣化之外还发生因盐浓度分布引起的劣化时，所取得的关系 偏离根据第一相关关系确定的电阻变化率与电流值的关系。因此，通过确认该偏离，能够判 别发生了因盐浓度分布引起的劣化这一情况。
[0010] 在因盐浓度分布引起的劣化发展时，可以进行使盐浓度分布消除的处理。因盐浓 度分布引起的劣化能够通过进行特定的处理来消除。另一方面，因磨耗引起的劣化即使进 行特定的处理也无法消除。这里，在所取得的关系和根据第一相关关系确定的电阻变化率 与电流值的关系偏离了规定量以上时，可判别为因盐浓度分布引起的劣化正在发展。
[0011] 在使充电状态上升后的二次电池中，随着劣化发展，电阻变化率从1开始上升。 因此，在使充电状态上升后的二次电池中，取得电阻变化率，在所取得的电阻变化率大于1 时，可判别为二次电池发生劣化。在判别为二次电池发生劣化时，可如上述那样判别因磨耗 引起的劣化、因盐浓度分布引起的劣化的发生状态。在使二次电池的充电状态上升时，可使 二次电池的充电状态为50%以上的状态。
[0012] 作为二次电池，可使用相对于第一比率，第二比率所占据的比例比第三比率所占 据的比例高的二次电池。第一比率表示相对于容量的规定变化量的电池电压的变化量。第 二比率表示相对于容量的规定变化量的正极电位的变化量。第三比率表示相对于容量的规 定变化量的负极电位的变化量。
[0013] 二次电池可搭载于车辆。由二次电池输出的电力可变换成使车辆行驶的动能。
[0014] 本申请的第二发明是对与负极电位相比电池电压易于受到正极电位的影响的二 次电池的劣化状态进行判别的劣化判别方法。首先，取得使充电状态降低后的二次电池中 的电阻变化率与电流值的关系。然后，使用在本申请第一发明中说明的第一相关关系以及 第二相关关系，根据所取得的关系判别二次电池的劣化状态。在本申请第二发明中，能够获 得与本申请第一发明同样的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是二次电池的外观图。
[0016] 图2是表示二次电池的内部构造的图。
[0017] 图3是发电构件的展开图。
[0018] 图4是发电构件的外观图。
[0019] 图5是表示二次电池的电阻变化率与时间的平方根之间的关系的图。
[0020] 图6是表示正极电位、负极电位以及电池电压的关系的图。
[0021] 图7是对判别正极电位以及负极电位针对电池电压的影响的方法进行说明的图。
[0022] 图8是表示材料不同的负极中的负极释放电位的图。
[0023] 图9是对负极释放电位以及不可逆容量的关系进行说明的图。
[0024] 图10是表示在低S0C区域中发生磨耗劣化时的电阻变化率以及电流值的关系的 图。
[0025] 图11是表示在低S0C区域中发生高速劣化时的电阻变化率以及电流值的关系的 图。
[0026] 图12是表示电池系统的构成的图。
[0027] 图13是表示对高速劣化进行判别的处理的流程图。
[0028] 图14是表示二次电池的电阻变化率以及电流值的关系的图。
【具体实施方式】
[0029] 以下，对本发明的实施例进行说明。
[0030] 实施例1
[0031] 首先，对二次电池的构成进行说明。作为二次电池，例如可使用镍氢电池或锂离子 电池。二次电池例如可搭载于车辆，能够使用二次电池的输出来使车辆行驶。这里，为了满 足车辆的要求输出，可以将多个二次电池（单电池）串联连接来构成电池组。
[0032] 图1是二次电池的外观图，图2是表示二次电池的内部构造的图。在图1以及图 2中，X轴、Y轴以及Z轴是相互正交的轴。X轴、Y轴以及Z轴的关系在其他附图（图4)中 也同样。
[0033] 二次电池1具有电池壳体10、和被收容在电池壳体10的发电构件14。电池壳体 10例如可由金属形成，具有壳体主体l〇a以及盖10b。壳体主体10a具有用于装入发电构 件14的开口部，盖10b将壳体主体10a的开口部堵塞。由此，电池壳体10的内部成为密封 状态。盖l〇b以及壳体主体10a例如可通过焊接来进行固定。
[0034] 正极端子11以及负极端子12被固定于盖10b。正极端子11经由正极极耳15a与 发电构件14连接，负极端子12经由负极极耳15b与发电构件14连接。另外，对盖10b设 有阀13。阀13被用于在电池壳体10的内部产生了气体时将气体排出到电池壳体10的外 部。具体而言，如果电池壳体10的内压伴随着气体的产生而达到阀13的工作压，则阀13 通过从关闭状态变化为打开状态，来将气体排出到电池壳体10的外部。
[0035] 在图1以及图2中，表示了所谓的方形二次电池1，但并不限定于此。具体而言，也 可以使用所谓的圆筒型二次电池1。在方形二次电池1中，电池壳体10形成为按照立方体 的形状。在圆筒型二次电池1中，电池壳体10形成为圆筒状。
[0036] 图3是发电构件14的展开图。发电构件14具有正极板141、负极板142、隔膜143。 正极板141具有集电板141a、和在集电板141a的表面形成的正极活物质层141b。正极活 物质层141b含有正极活物质、导电剂、粘合剂等。正极活物质层141b形成在集电板141a 的一部分的区域，集电板141a的其余的区域露出。
[0037] 负极板142具有集电板142a、和在集电板142a的表面形成的负极活物质层142b。 负极活物质层142b含有负极活物质、导电剂、粘合剂等。负极活物质层142b形成在集电板 142a的一部分的区域，集电板142a的其余的区域露出。正极活物质层141b、负极活物质层 142b以及隔膜143中渗有电解液。在本实施例中，使用电解液，但也可以取代电解液而使用 固体电解质。
[0038] 通过以图3所示的顺序层叠正极板141、负极板142以及隔膜143,并将该层叠体 沿着图4的箭头C所示的方向卷绕，由此构成发电构件14。在图4中，在Y方向上的发电构 件14的一端只卷绕有正极板141的集电板141a。如使用图2说明那样，在该集电板141a固 定正极极耳15a。在Y方向上的发电构件14的另一端只卷绕有负极板142的集电板142a， 在该集电板142a固定负极极耳15b。
[0039] 图2以及图4所示的区域（称为反应区域）Ar是正极活物质层141b以及负极活 物质层142b相互重叠的区域，是在进行二次电池1的充放电时，进行化学反应的区域。
[0040] 例如，当对作为二次电池1的锂离子电池进行放电时，在负极活物质的界面进行 释放锂离子以及电子的化学反应，在正极活物质的界面进行吸收锂离子以及电子的化学反 应。当对锂离子电池进行充电时，进行与放电时相反的反应。通过正极板141以及负极板 142经由隔膜143收授锂离子，来进行锂离子电池的充放电。
[0041] 公知二次电池1会发生劣化，该劣化包括因磨耗引起的劣化成分、和因盐浓度分 布引起的劣化成分。因磨耗引起的劣化成分是指由于构成二次电池1的材料磨耗而产生的 劣化成分。构成二次电池1的材料例如会根据二次电池1的温度、SOC(State of Charge)、 经过时间而磨耗。SOC是二次电池1的当前的充电容量相对于满充电容量的比例。在本说 明书中，将因磨耗引起的劣化称为磨耗劣化。
[0042] 因盐浓度分布引起的劣化成分是指在二次电池1的内部发生了盐浓度（例如在锂 离子电池中，发生了锂盐浓度）的偏颇时，使二次电池1的内部电阻上升的成分。这里，对 二次电池1进行充放电时的速率越高，则越容易发生盐浓度的偏颇。在本说明书中，将因盐 浓度分布引起的劣化称为高速劣化。
[0043] 若二次电池1的劣化发展，则二次电池1的内部电阻一般会上升。可以使用电阻 变化率dR来评价二次电池1的劣化。电阻变化率dR是将处于劣化状态的二次电池1的内 部电阻Rc除以处于初始状态的二次电池1的内部电阻Rini而得到的值，由下述式（1)表 /_J、1 〇
[0044] [数 1]
[0045]
【权利要求】
1. 一种电池系统，其特征在于，具有： 二次电池，与负极电位相比，其电池电压易于受到正极电位的影响；和 控制器，其取得使充电状态降低后的所述二次电池中的电阻变化率与电流值的关系， 基于所取得的所述关系来判别所述二次电池的劣化状态， 在只发生所述二次电池的磨耗引起的劣化时，所述控制器使用所述电阻变化率随着所 述电流值的增加而减少的第一相关关系来判别所述二次电池的劣化状态，在只发生所述二 次电池的内部的盐浓度分布引起的劣化时，所述控制器使用所述电阻变化率随着所述电流 值的增加而增加的第二相关关系来判别所述二次电池的劣化状态。
2. 根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于， 在所述二次电池的充电状态处于比50 %低的范围内时，所述控制器取得所述电阻变化 率与所述电流值的关系。
3. 根据权利要求1或2所述的电池系统，其特征在于， 在所取得的所述关系偏离根据所述第一相关关系确定的所述电阻变化率与所述电流 值的关系时，所述控制器判别为发生了所述盐浓度分布引起的劣化。
4. 根据权利要求3所述的电池系统，其特征在于， 在所取得的所述关系和根据所述第一相关关系确定的所述电阻变化率与所述电流值 的关系偏离规定量以上时，所述控制器进行使所述盐浓度分布消除的处理。
5. 根据权利要求3或4所述的电池系统，其特征在于， 所述控制器取得使充电状态上升后的所述二次电池的电阻变化率，在所取得的电阻变 化率大于1时，将所取得的所述关系、和根据所述第一相关关系确定的所述电阻变化率与 所述电流值的关系进行比较。
6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的电池系统，其特征在于， 所述二次电池是针对表示电池电压的变化量相对于容量的规定变化量的第一比率，表 示正极电位的变化量相对于容量的所述规定变化量的第二比率所占的比例比表示负极电 位的变化量相对于容量的所述规定变化量的第三比率所占的比例高的二次电池。
7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的电池系统，其特征在于， 所述二次电池被搭载于车辆，输出将被变换成使所述车辆行驶的动能的电力。
8. -种劣化判别方法，判别与负极电位相比电池电压易于受到正极电位的影响的二次 电池的劣化状态，其特征在于， 取得使充电状态降低后的所述二次电池中的电阻变化率与电流值的关系， 在只发生所述二次电池的磨耗引起的劣化时，使用所述电阻变化率随着所述电流值的 增加而减少的第一相关关系，根据所取得的该关系来判别所述二次电池的劣化状态，在只 发生所述二次电池的内部的盐浓度分布引起的劣化时，使用所述电阻变化率随着所述电流 值的增加而增加的第二相关关系，根据所取得的该关系来判别所述二次电池的劣化状态。
【文档编号】G01R31/36GK104115017SQ201280069665
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年2月17日 优先权日:2012年2月17日
【发明者】金田亮 申请人:丰田自动车株式会社