CN103329339A - 锂离子电池的劣化速度推定方法以及劣化速度推定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于更为准确地推定锂离子电池的劣化速度。锂离子电池的劣化速度推定方法推定含有阶梯构造根据蓄电量而发生变化的负极的锂离子电池的劣化速度，具有：取得与所述阶梯构造相关的第1信息的第1步骤；取得与锂离子电池的电池温度相关的第2信息的第2步骤；以及根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度的第3步骤。
Description
技术领域
本发明涉及推定锂离子电池的劣化速度的推定方法等。
背景技术
作为电动汽车、混合动力汽车等的驱动用电源或者辅助电源，已知有由锂离子电池构成的蓄电装置。锂离子电池的电池容量会由于反复充放电而降低、从而劣化。锂离子电池的劣化速度遵循阿累尼乌斯定律，因此劣化速度会由于温度变高而加快。
专利文献1公开了一种锂离子电池的劣化判定方法，基于在使锂离子电池以一定的电力值连续地放电以及充电的诊断模式中取得的所述锂离子电池的电压变化所涉及的信息，来判定所述锂离子电池的劣化状态。
专利文献1:日本特开2010－060408号公报
发明内容
然而，仅根据锂离子电池的温度信息无法准确地推定劣化速度。因此，本申请的发明的目的在于更为准确地推定锂离子电池的劣化速度。
为了解决上述课题，本申请的发明所涉及的锂离子电池的劣化速度推定方法：（1）是推定含有阶梯构造根据蓄电量而发生变化的负极的锂离子电池的劣化速度的锂离子电池的劣化速度推定方法，具有：取得与所述阶梯构造有关的第1信息的第1步骤；取得与锂离子电池的电池温度有关的第2信息的第2步骤；以及根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度的第3步骤。
（2）在上述（1）的构成中，预先调查与各个所述阶梯构造对应的锂离子电池的电压区间、所述电池温度以及所述劣化速度的对应关系作为第3信息，所述第1步骤中取得锂离子电池的电池电压作为所述第1信息，在第3步骤中基于所述第3信息，能够根据所述第1信息以及所述第2信息推定劣化速度。根据（2）的构成，能够根据电池电压容易地推定负极的阶梯构造。由此，能够以简易的方法提高劣化速度的推定精度。
（3）在上述（2）的构成中，具有：根据在所述第3步骤中推定出的劣化速度来算出劣化量的第4步骤；直至评价锂离子电池的劣化量的评价参数超过极限值为止，依次累积在所述第4步骤中得到的劣化量的第5步骤；以及基于在所述第5步骤得到的累积劣化量来修正所述第3信息的所述电压区间的第6步骤。电池电压以及负极的阶梯构造之间的关系由于锂离子电池的劣化而变化，因此通过基于累积劣化量来修正第3信息，能够进一步地提高劣化速度的推定精度。
（4）在上述（3）的构成中，能够构成为，所述第3步骤中在预先决定的设定时间内连续地算出所述劣化速度，在所述第4步骤中将对该劣化速度的平均速度乘以所述设定时间而得到的值算出为所述劣化量。
（5）在上述（2）～（4）的构成中，能够利用石墨类的负极。石墨类的负极由于阶梯构造的变化明显，因此能够简单地得到所述第3信息。
为了解决上述课题，本申请的发明所涉及的锂离子电池的劣化速度推定装置：（6）是推定包含阶梯构造根据蓄电量而发生变化的负极的锂离子电池的劣化速度的锂离子电池的劣化速度推定装置，具有：取得与所述阶梯构造有关的第1信息的第1取得部；取得与锂离子电池的电池温度有关的第2信息的第2取得部；以及根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度的控制器。
（7）在上述（6）的构成中，具有存储表示与各所述阶梯构造对应的锂离子电池的电压区间、所述电池温度以及所述劣化速度的对应关系的第3信息的存储部，所述第1取得部取得锂离子电池的电池电压作为所述第1信息，所述控制器基于所述第3信息，能够根据所述第1信息以及所述第2信息推定劣化速度。根据（7）的构成，能够根据电池电压容易地推定负极的阶梯构造。由此，能够以简易的方法提高劣化速度的推定精度。
（8）在上述（7）的构成中，可以构成为，所述存储部存储对根据推定出的劣化速度而算出的劣化量依次累积而得的累积劣化量，所述控制器更新所述存储部所存储的所述累积劣化量直至评价锂离子电池的劣化量的评价参数超过极限值为止，并基于更新后的所述累积劣化量来修正所述第3信息中的所述电池电压的区间。电池电压以及负极的阶梯构造之间的关系由于锂离子电池的劣化而变化，因此通过基于累积劣化量来修正第3信息，能够进一步地提高劣化速度的推定精度。
（9）在上述（8）的构成中，能够构成为，所述控制器在预先决定的设定时间内连续地算出所述劣化速度，算出对该劣化速度的平均速度乘以所述设定时间后的值作为所述劣化量。
（10）在上述（7）～（9）的构成中，能够利用石墨类的负极。石墨类的负极的阶梯构造的变化明显，因此能够简单地得到所述第3信息。
根据本发明，能够更为准确地推定锂离子电池的劣化速度。
附图说明
图1是劣化速度推定装置的框图。
图2是表示负极的阶梯构造与电池电压之间的关系的图表。
图3是劣化速度推定信息的数据表。
图4是与表示电池劣化前后的状态的图2对应的图表。
图5是推定劣化速度的推定方法的流程图。
图6是与表示电池劣化前后的状态的图2对应的图表（变形例）。
具体实施方式
图1是本实施方式所涉及的推定锂离子电池的劣化速度的劣化速度推定装置的框图。劣化速度推定装置1包含电池组10、电压传感器（第1取得部）40A～40N、控制器50、温度传感器（第2取得部）60、存储部71以及定时器72。电池组10包含多个电池块12，这些电池块（block）12彼此电串联连接。各电池块12A～12N包含多个锂离子电池11，这些锂离子电池11彼此电串联连接。
电池组10的总正端子以及总负端子借助布线与逆变器（inverter）20电连接。逆变器20与电机30电连接，利用电池组10的输出来驱动电机30。
在此，本实施方式所涉及的电池组10被搭载在车辆（未图示）中，通过驱动电机30能够使车辆行驶。另外，车辆制动时，能够将利用作为发电机的电动发电机（未图示）产生的电力向电池组10充电。
作为上述车辆，可举出混合动力汽车或电动汽车。混合动力汽车是指除了电池组10之外还具备用于使车辆行驶的内燃机或燃料电池之类的其他动力源的车辆。另外，电动汽车是指仅利用电池组10的输出来行驶的车辆。
控制器50可以是CPU（Central Processing Unit）、MPU（MicroProcessing Unit）。另外，控制器50也可以包含以电路的方式执行通过使这些CPU、MPU执行而加以实现的处理的至少一部分的ASIC电路。
温度传感器60与控制器50连接。控制器50基于从温度传感器60输出的温度信息，一直监视电池组10的温度。
另外，电池组10的布线与电流传感器61连接。电流传感器61与控制器50连接。各电池块12A～12N分别与电压传感器40A～40N连接。各电压传感器40A～40N检测对应的电池块12A～12N的电压（以下，称为“块电压”），将该检测结果向控制器50输出。控制器50与点火开关51电连接。
存储部71存储推定锂离子电池的劣化速度的推定程序、修正推定出的劣化速度的修正程序以及执行这些程序时所需的信息（例如，电压传感器40以及温度传感器60的输出值）。存储部71所存储的信息的详细内容后述。
控制器50将存储部71存储的程序读出到未图示的存储器中，并进行编译。存储部71也可以是RAM（Random Access Memory）、ROM（Read Only Memory）、DRAM（Dynamic Random Access Memory）以及SRAM（Static Random Access Memory）。
本发明人发现锂离子电池11的负极的阶梯构造与劣化速度之间存在着相关关系。即发现，即使电池电压不同，在负极的阶梯构造以及电池温度相同的情况下，劣化速度的偏差也非常小。
一边参照图2一边详细地说明上述见解。图2表示负极的阶梯构造与电池电压之间的关系，以未使用并且未劣化的锂离子电池11为对象。该图中，横轴表示锂离子电池11的电池容量，纵轴表示电位。纵轴右侧的刻度与负极的电位对应，左侧刻度与正极的电位以及锂离子电池11的电池电压对应。锂离子电池11通过下述方法制造而成。
将正极活物质的镍钴锰酸锂和导电材料的乙炔黑与聚偏氟乙烯（PVDF）一起在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合，调整出膏状的正极用组成物。该组成物所含的各材料（除了NMP）的质量比为正极活物质为87质量％，乙炔黑为10质量％，PVDF为3质量％。通过将该正极活用组成物涂布到正极集电体的铝箔的双面上，来得到在正极集电体的双面具备正极活物质含有层的片状正极（正极片）。
下面，使得到的正极片和在导电箔上涂布石墨而成的负极片夹着多孔质树脂膜而对置，来得到电极体。利用得到的电极体以及非水系电解液来制造出锂离子二次电池。电解液利用了在由碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC）以及碳酸二甲酯（DMC）组成的混合溶剂中含有支持盐的电解液。混合溶剂的混合比在体积比率下为碳酸乙烯酯（EC）：碳酸甲乙酯（EMC）：碳酸二甲酯（DMC）＝3：4：3。支持盐使用LIPF6，其按照以约1mol/升的浓度来含有的方式进行了浓度调整。
在此，在利用了石墨类的负极的情况下，锂被吸留在层状构造的石墨的层间。锂吸留石墨采用按某特定的层规则性地吸留锂而成的阶梯构造。例如，阶梯n是指在吸留了锂的总彼此之间未吸留锂的层存在（n-1）层的状态。因此，n的值依赖于锂的吸留量而发生变化。此外，使用了石墨类以外的负极的锂离子电池也能够确定阶梯构造。
参照图2，从表示负极电位的曲线延伸的箭头表示负极的阶梯构造发生变化的边界，当表示负极电位的曲线弯曲变化时，负极的阶梯构造发生变化。因此，通过使锂离子电池11充放电来调查负极电位的变化，能够确定负极的阶梯构造。在本实施方式所涉及的锂离子电池11的负极中，阶梯构造从蓄电量高的一侧开始按照阶梯1、阶梯2以及阶梯3的顺序发生变化。
在温度相同并且负极的阶梯构造相同的情况下，锂离子电池11的劣化速度相同（包括误差），负极的阶梯构造发生变化，因此锂离子电池11的劣化速度发生变化。因此，通过调查与各阶梯1～3对应的负极电位的电位区间，能够推定锂离子电池11的劣化速度。
然而，在上述的电池组10中，是测定块电压的构成，因此无法直接测定负极电位。该情况下，预先通过实验或者模拟来调查负极电位与电池电压之间的关系，由此就能够根据测定出的电池电压来确定负极的阶梯构造。并且，预先通过实验或者模拟来调查电池电压、电池温度以及劣化速度的对应关系，并且把这些信息（以下，称为“劣化速度推定信息（第3信息）”）存储在存储部71中，能够准确地推定劣化速度。
即，如图2所示，通过预先调查与负极的各阶梯构造对应的电池电压的电压区间，按这些各个电池电压区间来把将电池温度以及劣化速度建立了对应关系的所述劣化速度推定信息作为数据进行保持，能够准确地推定劣化速度。本实施方式的电池电压区间由电池电压区间1～3构成。
在此，劣化速度推定信息的数据形式也可以是数据表。图3是存储部71中存储的数据表的一例。本实施方式中，以5℃间隔来规定各电池电压区间1～3的劣化速度。但是，温度间隔不限于5℃，例如也可以以1℃间隔来规定劣化速度。
另外，劣化速度推定信息的数据形式也可以是用于算出劣化速度的函数程序。该情况下，针对各电池电压区间1～3分别设定将电池电压以及电池温度作为变量的函数程序，并且将这些函数程序存储在存储部71中。控制器50通过对函数程序进行编译来算出劣化速度。在此，劣化速度以及电池温度的关系根据阿累尼乌斯定理来进行规定，因此所述函数程序也可以按照阿累尼乌斯定理来编程。
在此，图2所示的负极电位由于电池容量降低（电池劣化）而向右侧偏移（shift）。图4是与图2对应的图表，表示负极电位由于电池降低而向右侧偏移的状态。
图4中，称为“基准（base）负极电位”的曲线表示未使用的锂离子电池11的负极电位，称为“修正后负极电位”的曲线表示劣化后的锂离子电池11的负极电位。另外，称为“电池电压（劣化前）”的曲线表示未使用的锂离子电池11的电池电压，称为“电池电压（劣化后）”的曲线表示劣化后的锂离子电池11的电池电压。
如果对比“基准负极电位”以及“修正后负极电位”的曲线可知，在锂离子电池11劣化了的情况下，表示负极电位的曲线不会改变形状，而是向右侧偏移。另外，如果对比“电池电压（劣化前）”以及“电池电压（劣化后）”的曲线可知，在锂离子电池11劣化了的情况下，表示电池电压的曲线也会发生变化。因此，在锂离子电池11劣化了的情况下，通过对与负极的各片构造对应的电池电压区间1～3进行修正，能够进一步地提高劣化速度的推定精度。
下面，一边参照图5的流程图，一边说明对电池电压区间1～3进行修正的修正方法。本流程图中，累积劣化量是劣化量的累积值，是指直至超过极限值为止累计的劣化量的总和。总劣化量是指累积劣化量的总和。为了说明的方便，从步骤S102开始说明。
步骤S102中，控制器50将由温度传感器60取得的电池温度以及由电压传感器40A～40N取得的电池电压以规定周期存储在存储部71中，并且使定时器72启动（start）。
在此，存储部71中存储的电池电压可以是用从电压传感器40A～40N输出的电压值的总和，即电池组10的电压值除以锂离子电池11的个数而得到的单元电压值。以下说明中，将该单元电压值称为“电池电压”。另外，该规定周期可以短于后述设计时间，例如是1sec。其中，存储部71中存储累积劣化量和总劣化量。
步骤S103中，控制器50参照存储部71中存储的数据表，基于在步骤S102中检测出的电池电压以及电池温度来检索劣化速度。检索出的劣化速度被依次存储在存储部71中。
步骤S104中，控制器50判定定时器72的计时时间是否达到了预先决定的设定时间。在此，设定时间也可以是1hour。步骤S104中，在计时时间达到了设定时间的情况下进入步骤S105，在计时时间未达到设定时间的情况下返回步骤S102，在设定时间经过之前反复进行步骤S102、步骤S103的处理。
步骤S105中，控制器50通过将对存储部71中蓄积的劣化速度进行平均后的平均劣化速度乘以设定时间来算出劣化量。步骤S106中，控制器50对存储部71中存储的累积劣化量加上在步骤S105中算出的劣化量，来算出最新的累积劣化量。其中，在将未使用的电池作为对象的情况下，最近的累积劣化量是0。
步骤S107中，控制器50判别在步骤S106中更新的累积劣化量是否大于极限值。在此，极限值能够从提高电池劣化量的推定精度的观点出发适当地设定。即，在极限值大的情况下，劣化速度的推定精度降低。相反地，在极限值小的情况下，劣化速度的推定精度提高。极限值例如也可以是1％。
步骤S107中，在更新后的累积劣化量小于极限值的情况下进入步骤S101，控制器50重置劣化量（不是累积劣化量）。在步骤S107中，更新后的累积劣化量大于极限值的情况下进入步骤S108。
步骤S108中，控制器50对存储部71中存储的总劣化量加上步骤S106中更新后的累积劣化量来对总劣化量进行更新。步骤S109中，控制器50使表示“基准负极电位”的曲线向右侧偏移与更新后的总劣化量相当的容量，得到表示“修正后负极电位”的曲线。
而且，控制器50基于表示该“修正后负极电位”的曲线和表示劣化后的“电池电压（劣化后）”的曲线，来对电池电压区间1～3进行修正。即，求出表示“修正后负极电位”的曲线中的阶梯构造的边界线和表示“电池电压（劣化后）”的曲线的交点，来对电池电压区间1～3进行修正，并改写存储部71中存储的数据表。
步骤S110中，控制器50重置存储部71中存储的累积劣化量，返回步骤S101。
根据上述方法，通过取得与负极的阶梯构造的变化相关的信息，能够提高劣化速度的推定精度。由此，能够更为准确地推定电池的劣化状态。
（变形例1）
图5的流程图中，当步骤S107中累积劣化量（评价参数）高于极限值时，对电池电压区间进行修正，但是本发明不限于此，也能够利用可以间接地推定劣化量的程度的其他评价参数。
该其他评价参数也可以是车辆的行驶距离。该情况下，对车辆的行驶距离进行计测，当行驶距离达到了规定距离时对电池电压区间进行修正。如果该规定距离短，则劣化速度的推定精度提高，如果该规定距离长则劣化速度的推定精度降低。因此，预先决定所要求的劣化速度的推定精度，基于该推定精度来设定该规定距离即可。该情况下，步骤S107中比较作为极限值的所述规定距离和车辆的行驶距离。
（变形例2）
变形例1的该其他评价参数也可以是车辆的点火线圈被接通（on）的次数。该情况下，检测车辆的点火线圈被接通的次数，当该检测次数达到规定次数时对电池电压区间进行修正。如果该规定次数少则劣化速度的推定精度提高，如果该规定次数多则劣化速度的推定精度降低。因此，预先决定所要求的劣化速度的推定精度，基于该推定精度来设定该规定次数即可。该情况下，步骤S107中比较点火线圈被接通的次数和作为极限值的所述规定次数。如变形例1以及2所示，评价参数可以在各种观点下规定，不限于与劣化量相同的参数。
（变形例3）
上述实施方式中，图5的步骤S108中对总劣化量进行了更新，本发明不限于此，也可以是其他方法。图6是与图4对应的图表，表示负极电位由于电池容量降低而向右侧偏移的状态。上述实施方式中，以未使用的锂离子电池11，即初始负极电位为基准，使负极电位的曲线偏移总劣化量所对应的量，但是在本变形例中，是以劣化后的锂离子电池的负极电位为基准，使负极电位的曲线偏移累积劣化量所对应的量的构成。
具体地，如果电池电压区间被修正，则修正后的电池电压区间作为基准数据（基准负极电位）被存储在存储部71中。在下次对电池电压区间进行修正的情况下，使基准负极电位的曲线偏移与累积劣化量相当的量，来修正电池电压区间。上述实施方式以及本变形例在将算出的累积劣化量用作电池电压区间的修正信息的方面是共通的，成为修正时的基准的负极电位的曲线不同。
（变形例4）
图5的流程图中当到达了设定时间时算出劣化量（步骤S104），但是本发明不限于此，也可以构成为当电池电压的变化超过了规定值时，乘以劣化速度和定时器的计时时间来算出劣化量。
附图标记说明：
1…劣化速度判定装置；10…电池组；11…锂离子电池；12…电池块；20…逆变器；30…电机；40…电压传感器；50…控制器；51…点火开关；60…温度传感器；61…电流传感器；71…存储部；72…定时器。
Claims (10)
1.一种锂离子电池的劣化速度推定方法，推定包含阶梯构造根据蓄电量而发生变化的负极的锂离子电池的劣化速度，其中，具有：
取得与所述阶梯构造相关的第1信息的第1步骤；
取得与锂离子电池的电池温度相关的第2信息的第2步骤；以及
根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度的第3步骤。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的劣化速度推定方法，其特征在于，
预先调查与各个所述阶梯构造对应的锂离子电池的电压区间、所述电池温度以及所述劣化速度的对应关系作为第3信息，
在所述第1步骤中，取得锂离子电池的电池电压作为所述第1信息，
在第3步骤中，基于所述第3信息，根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池的劣化速度推定方法，其特征在于，具有：
根据在所述第3步骤中推定出的劣化速度来算出劣化量的第4步骤；
直至评价锂离子电池的劣化量的评价参数超过极限值为止，依次累积在所述第4步骤中得到的劣化量的第5步骤；以及
基于在所述第5步骤中得到的累积劣化量来修正所述第3信息中的所述电压区间的第6步骤。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池的劣化速度推定方法，其特征在于，
在所述第3步骤中，在预先决定的设定时间内连续地算出所述劣化速度，
在所述第4步骤中，算出对所述连续地算出的劣化速度的平均速度乘以所述设定时间而得到的值作为所述劣化量。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的锂离子电池的劣化速度推定方法，其特征在于，
所述负极是石墨类。
6.一种锂离子电池的劣化速度推定装置，推定含有阶梯构造根据蓄电量而发生变化的负极的锂离子电池的劣化速度，其中，具有：
取得与所述阶梯构造相关的第1信息的第1取得部；
取得与锂离子电池的电池温度相关的第2信息的第2取得部；以及
根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度的控制器。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的劣化速度推定装置，其特征在于，
具有存储部，所述存储部存储表示与各所述阶梯构造对应的锂离子电池的电压区间、所述电池温度以及所述劣化速度的对应关系的第3信息，
所述第1取得部取得锂离子电池的电池电压作为所述第1信息，
所述控制器基于所述第3信息，根据所述第1信息以及所述第2信息来推定劣化速度。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池的劣化速度推定装置，其特征在于，
所述存储部中存储有累积劣化量，所述累积劣化量是对根据推定出的劣化速度而算出的劣化量依次累积而得到的，
所述控制器更新所述存储部中存储的所述累积劣化量直至评价锂离子电池的劣化量的评价参数超过极限值为止，并基于更新后的所述累积劣化量来修正所述第3信息中的所述电池电压的区间。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池的劣化速度推定装置，其特征在于，
所述控制器在预先决定的设定时间内连续地算出所述劣化速度，并且算出对所述连续地算出的劣化速度的平均速度乘以所述设定时间而得到的值作为所述劣化量。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的锂离子电池的劣化速度推定装置，其特征在于，
所述负极是石墨类。
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