CN110416634B - 电池信息处理系统、电池组、电池模块的特性评价方法以及电池组的制造方法 - Google Patents

电池信息处理系统、电池组、电池模块的特性评价方法以及电池组的制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种电池信息处理系统、电池组、电池模块的特性评价方法以及电池组的制造方法。电池信息处理系统具备存储由多个电路常数表现电池模块的交流阻抗的等效电路模型的存储装置。多个电路常数包括第1电路常数～第8电路常数。第1电路常数是电池模块的接合电感。第2电路常数是电池模块的接合电阻。第3电路常数是电池模块的溶液电阻，第4电路常数是电池模块的电荷移动电阻。第5电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE指数。第6电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE常数。第7电路常数是电池模块的双电层电容的CPE指数。第8电路常数是电池模块的双电层电容的CPE常数。

Description

电池信息处理系统、电池组、电池模块的特性评价方法以及电 池组的制造方法
技术领域
本公开涉及电池信息处理系统、电池组、电池模块的特性评价方法以及电池组的制造方法，尤其涉及用于对包括多个二次电池的电池模块的特性进行评价的信息处理技术。
背景技术
近年来，搭载有电池组的电动车辆(混合动力车、电动汽车)正在不断普及。伴随着这些电动车辆的重新购买等，车载的电池组被回收。所回收的电池组的数量在今后预想会急速地增加。
一般而言，电池组可能随着时间的经过、或者随着反复充放电而发生劣化，但劣化的发展程度会按所回收来的每个电池组而不同。因此，要求对所回收来的电池组的特性进行评价(对劣化的发展程度进行诊断)、并根据该评价结果实施用于再利用电池组的适当处理。
作为评价二次电池的特性的方法，交流阻抗测定法是公知的。例如日本特开2003－317810号公报公开了如下方法：基于通过交流阻抗测定法取得的二次电池的反应电阻值，判定二次电池中有无微小短路。
发明内容
一般而言，车载用的电池组构成为包括多个电池模块，多个电池模块各自构成为包括多个二次电池(电池单元)。在这样的电池组的特性评价中，考虑采取如以下那样的步骤。即，从所回收来的电池组取出多个电池模块，对各电池模块测定交流阻抗。并且，基于交流阻抗测定结果，按每个电池模块判定再利用的方式(也可以是可否再利用)。
在交流阻抗测定法中，频率包含在预定范围内的交流信号被依次施加于电池模块，测定此时的电池模块的响应信号。根据所施加的交流信号(施加信号)和测定到的响应信号，算出电池模块的阻抗的实数分量(实部)以及虚数分量(虚部)，该算出结果被离散地标绘在复数平面上。该复数阻抗图也被称为奈奎斯特图。通过解析奈奎斯特图，能够对电池模块的内部电阻值、满充电容量等各种特性进行评价(推定)。对该解析方法简单地进行说明(详细内容将在后面进行描述)。
首先，准备表示作为解析对象的电池模块的交流阻抗的频率特性的等效电路模型。等效电路模型是指使用多个电路常数(电池模块的电阻成分、电容成分、电感成分等模型参数)来表现电池模块的交流阻抗(合成阻抗)的模型。通过测定电池模块的交流阻抗，并进行拟合处理，以使得相对于其测定结果(离散的实测数据)的误差变小，从而算出等效电路模型的各电路常数的值。对于如此算出的电路常数(或者基于电路常数算出的特征量)与电池模块的特性(满充电容量等)的相关关系(例如函数、关系式)，预先以实验的方式求出。因此，通过参照该相关关系，能够根据电池模块的电路常数(特征量)来评价该电池模块的特性。
在该解析过程中，采用了过度地简单化的等效电路模型，无法高精度地评价电池模块的特性。另一方面，若采用学术上严密的等效电路模型，虽然能够提高电池模块的特性的评价精度，但解析(拟合处理)有可能会需要长时间。因此，在要求评价大量电池模块的情况下(例如如前所述那样，逐个地对从回收来的电池组取出的电池模块劣化的发展程度进行诊断的情况下)，现实上会难以采用严密的等效电路模型。
本公开是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种用于根据电池模块的交流阻抗测定结果来适当地评价该电池模块的特性的解析技术。
(1)本公开的某方式涉及的电池信息处理系统对用于评价包括多个二次电池的电池模块的特性的信息进行处理。电池信息处理系统具备：存储装置，其存储有使用第1电路常数～第8电路常数来表现电池模块的交流阻抗的等效电路模型；和评价装置，其通过对于标绘了电池模块的交流阻抗测定结果的奈奎斯特图的拟合处理来算出第1电路常数～第8电路常数，基于包括所算出的第1电路常数～第8电路常数的等效电路模型，评价电池模块的特性。第1电路常数是电池模块的接合电感。第2电路常数是电池模块的接合电阻。第3电路常数是电池模块的溶液电阻。第4电路常数是电池模块的电荷移动电阻。第5电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE(Constant Phase Element)指数。第6电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE常数。第7电路常数是电池模块的双电层电容的CPE指数。第8电路常数是电池模块的双电层电容的CPE常数。
(2)在上述等效电路模型中，接合电感与接合电阻彼此并联连接。溶液电阻与接合电感和接合电阻的并联电路串联连接。电荷移动电阻与扩散电阻串联连接。双电层电容与电荷移动电阻和扩散电阻的串联电路并联连接。包括接合电感、接合电阻以及溶液电阻的合成电路与包括电荷移动电阻、扩散电阻以及双电层电容的合成电路串联连接。
(3)评价装置在奈奎斯特图所示的电池模块的电容性半圆能够近似为一个椭圆的情况下，评价电池模块的特性。
(4)电容性半圆在表示电池模块的正极的劣化程度的正极时间常数与表示电池模块的负极的劣化程度的负极时间常数之比小于预定值的情况下能够近似为椭圆。
(5)多个二次电池各自是镍氢电池。电池模块的特性是电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方。
根据上述(1)～(5)的构成，能通过包括第1电路常数～第8电路常数的等效电路模型表现电池模块的交流阻抗。本发明人发现：在采用了这样的等效电路模型的情况下，在第1电路常数～第8电路常数(更详细而言，包括这些8个电路常数的阻抗曲线)与电池模块的满充电容量之间存在相关关系，能够根据第1电路常数～第8电路常数算出电池模块的满充电容量。
该等效电路模型仅使用8个电路常数即可，因此，与严密的等效电路模型相比，比较简单。对按照该等效电路模型算出的满充电容量(也可以是内部电阻)和实际的满充电容量进行比较后，确认了两者很好地一致了，因此，也能够高精度地算出满充电容量。特别是，在电池模块所包含的各二次电池是镍氢电池、且奈奎斯特图所包含的电池模块的电容性半圆能够近似为椭圆的情况下，电池模块的满充电容量的算出精度高。另外，在电池模块的正极时间常数与负极时间常数之比小于预定值的情况下，满充电容量的算出精度高。这样，根据上述(1)～(5)的构成，能够解析电池模块的交流阻抗测定结果来适当地评价该电池模块的特性。
(6)本公开的其他方式涉及的电池组构成为包括多个通过上述(1)～(5)中的任一项所述的电池信息处理系统评价了特性的电池模块。
根据上述(6)的构成，由通过上述(1)～(5)的构成而适当地解析了特性的电池模块构成电池组。由此，例如能够提供电池模块间的特性不匀(满充电容量的偏差等)小的电池组。
(7)本公开的又一其他方式涉及的电池模块的特性评价方法对包括多个二次电池的电池模块的特性进行评价。电池模块的特性评价方法包括：第1步骤～第3步骤。第1步骤是根据电池模块的交流阻抗测定结果取得奈奎斯特图的步骤。第2步骤是通过对于奈奎斯特图的拟合处理算出电池模块的交流阻抗的等效电路模型所包含的第1电路常数～第8电路常数的步骤。第3步骤是基于包括第1电路常数～第8电路常数的等效电路模型评价电池模块的特性的步骤。第1电路常数是电池模块的接合电感。第2电路常数是电池模块的接合电阻。第3电路常数是电池模块的溶液电阻。第4电路常数是电池模块的电荷移动电阻。第5电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE指数。第6电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE常数。第7电路常数是电池模块的双电层电容的CPE指数。第8电路常数是电池模块的双电层电容的CPE常数。
根据上述(7)的方法，与上述(1)的构成同样地，能够解析电池模块的交流阻抗测定结果来适当地评价该电池模块的特性。
(8)本公开的其他方式涉及的电池组的制造方法包括第1步骤～第4步骤。第1步骤是根据包括多个二次电池的电池模块的交流阻抗测定结果取得奈奎斯特图的步骤。第2步骤是通过对于奈奎斯特图的拟合处理算出电池模块的交流阻抗的等效电路模型所包含的第1电路常数～第8电路常数的步骤。第3步骤是基于包括第1电路常数～第8电路常数的等效电路模型来评价电池模块的特性的步骤。第4步骤是使用多个通过评价的步骤评价了特性的电池模块来制造电池组的步骤。第1电路常数是电池模块的接合电感。第2电路常数是电池模块的接合电阻。第3电路常数是电池模块的溶液电阻。第4电路常数是电池模块的电荷移动电阻。第5电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE指数。第6电路常数是电池模块的扩散电阻的CPE常数。第7电路常数是电池模块的双电层电容的CPE指数。第8的电路常数是电池模块的双电层电容的CPE常数。
根据上述(8)的制造方法，与上述(6)的构成同样地，能够使用适当地评价了特性的电池模块制造电池组。
本发明的上述以及其他目的、特征、方式以及优点从与附图关联地理解的关于本发明的如下详细说明来明确。
附图说明
图1是表示本实施方式中的电池组的从回收到制造、销售的物流的一种方式的图。
图2是表示图1所示的电池物流模型中的处理流程的流程图。
图3是表示应用于图1所示的电池物流模型的电池管理系统的构成例的图。
图4是表示电池信息处理系统的构成的图。
图5是表示本实施方式中的模块的再利用方式的判定处理的流程图。
图6是表示模块的交流阻抗测定结果的奈奎斯特图的一例的图。
图7是表示比较例中的模块的等效电路模型的图。
图8是表示本实施方式中的模块的等效电路模型的图。
图9是用于说明图8所示的等效电路模型所包含的电路常数的图。
图10是用于说明通过图6所示的模块的交流阻抗测定结果的拟合处理而得到的阻抗曲线的图。
图11是用于对用于算出正极时间常数以及负极时间常数的模块的等效电路模型进行说明的图。
图12A～图12D是表示用于对正极时间常数以及负极时间常数给与电容性半圆的影响进行说明的模拟结果的一例的图。
图13A以及图13B是用于说明本实施方式中的模块的满充电容量的算出精度的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行详细的说明。此外，对图中相同或者相当的部分标记相同的标号，不反复进行其说明。
在本公开中，电池组构成为包括多个电池模块(以下简称为“模块”)。多个模块既可以串联连接，也可以彼此并联连接。多个模块各自包括串联连接的多个二次电池(以下将二次电池记载为“电池单元”)。
在本公开中，电池组的“制造”意味着将构成电池组的多个模块中的至少一部分更换为其他模块(更换用模块)来制造电池组。基本上，更换用模块是从回收来的电池组取出的可再利用的模块，但也可以是新品的模块。
一般而言，电池组的“再利用”大致分为再使用(reuse)、重构(rebuild)以及再循环(recycle)。在再使用的情况下，回收来的电池组经过必要的出货检查后直接作为再使用品来出货。在重构的情况下，回收来的电池组例如暂时分解为模块(也可以是电池单元)。并且，分解后的模块中的性能恢复后能够利用的模块(也可以是直接能够利用的模块)被组合起来，制造新的电池组。新制造出的电池组经过出货检查后作为重构品来出货。与此相对，在再循环(资源再循环)中，从各模块(各电池单元)取出能够再生的材料，回收来的电池组不会作为其他电池组来使用。
在以下说明的实施方式中，从车辆回收来的电池组在暂时分解为模块后，以模块为单位进行性能检查。由性能检查的结果是判定为可再利用的模块制造电池组。因此，在以下中，能够再利用的模块意味着能够重构的模块。然而，根据电池组的构成，也可能不将电池组分解为模块而直接以电池组进行性能检查。那样的情况下的“再利用”可以包括再使用以及重构这两方。
另外，在本实施方式中，各电池单元是镍氢电池。更具体而言，正极是对氢氧化镍(Ni(OH)2)加入了钴氧化物的添加剂的正极。负极是储氢合金(作为镍系合金的MnNi5系)。电解液是氢氧化钾(KOH)。但是，这不过是具体的电池单元构成的例示，本公开能够应用的电池单元构成并不是限定于此。
[实施方式]
图1是表示本实施方式中的电池组的从回收到制造、销售的物流的一种方式的图。以下，将图1所示的物流的方式称为“电池物流模型”。图2是表示图1所示的电池物流模型中的处理流程的流程图。
参照图1以及图2，在该电池物流模型中，从搭载有电池组的多个车辆回收已使用过的电池组，使用回收来的电池组所包含的可再利用的模块来制造电池组并销售。并且，可更换搭载于某用户的车辆90的电池组。
回收业者10从车辆91～93回收已使用过的电池组。车辆91～93分别搭载有电池组910～930。此外，在图1中，为了便于纸面表现，仅示出3台车辆，但实际上可从更多的车辆回收电池组。回收业者10将回收来的电池组分解，从电池组取出多个模块(步骤S1，以下将步骤简称为“S”)。
在该电池物流模型中，对每个模块赋予了用于确定该模块的识别信息(ID)，各模块的信息由管理服务器80管理着。因此，回收业者10使用终端71(参照图3)向管理服务器80发送从电池组取出的各模块的ID。
检查业者20进行由回收业者10回收来的各模块的性能检查(S2)。具体而言，检查业者20检测回收来的模块的特性。例如，检查业者20检测满充电容量、电阻值、OCV(OpenCircuit Voltage，开路电压)、SOC(State Of Charge，充电状态)等的电气特性。并且，检查业者20基于检查结果辨别可再利用的模块和不可再利用的模块，对于可再利用的模块，交付给性能恢复业者30，对于不可再利用的模块，交付给再循环业者60。此外，对于各模块的检查结果，使用检查业者20的终端72(参照图3)发送给管理服务器80。
性能恢复业者30进行用于使被检查业者20认为可再利用的模块的性能恢复的处理(S3)。作为一个例子，性能恢复业者30通过将模块充电到过充电状态，使模块的满充电容量恢复。但是，对于在检查业者20的检查中判断为性能降低小的模块，也可以省略性能恢复业者30的性能恢复处理。对于各模块的性能恢复结果，使用性能恢复业者30的终端73(参照图3)发送给管理服务器80。
制造业者40使用由性能恢复业者30恢复了性能的模块来制造电池组(S4)。在本实施方式中，在管理服务器80中生成用于制造电池组的信息(组装信息)，该信息被发送给制造业者40的终端74(参照图3)。制造业者40按照该组装信息，更新车辆90的电池组所包含的模块，制造(重构)车辆90的电池组。
销售店50将由制造业者40制造出的电池组作为车辆用电池来销售，或者作为能够在住宅等利用的固定放置用电池来销售(S5)。在本实施方式中，车辆90被送到销售店50，在销售店50中，车辆90的电池组被更换为由制造业者40制造出的再使用品或者重构品。
再循环业者60将被检查业者20认为不可再利用的模块解体，进行用于作为新的电池单元和/或其他制品的原料来利用的再资源化。
此外，在图1中，回收业者10、检查业者20、性能恢复业者30、制造业者40以及销售店50为彼此不同的业者，但业者的区分并不限定于此。例如，检查业者20和性能恢复业者30也可以是一个业者。或者，回收业者10也可以分为回收电池组的业者、和将回收来的电池组解体的业者。另外，各业者以及销售店的网点并不特别限定。各业者以及销售店的网点既可以是分开的，也可以多个业者或者销售店为同一网点。
图3是表示图1所示的电池物流模型中应用的电池管理系统的构成例的图。参照图3，电池管理系统100具备终端71～75、管理服务器80、通信网络81、基站82。
终端71是回收业者10的终端。终端72是检查业者20的终端。终端73是性能恢复业者30的终端。终端74是制造业者40的终端。终端75是销售店50的终端。
管理服务器80和各终端71～75构成为能够经由作为互联网或者电话线路等的通信网络81彼此进行通信。通信网络81的基站82构成为能够通过无线通信与车辆90进行信息的交换。
在检查业者20设置有用于测定各模块的交流阻抗、并基于该测定结果判定该模块的再利用方式(重构、再循环)的电池信息处理系统200。由电池信息处理系统200判定后的模块的再利用方式例如经由终端72被发送给管理服务器80。
以下，对由电池信息处理系统200判定从车辆91取出的电池组910所包含的多个模块中的某模块(以下记载为“模块M”)的再利用方式的状况进行说明。作为模块M的代表的特性，对评价模块M的满充电容量的例子进行说明，但也可以评价满充电容量以外的模块的特性(例如内部电阻)。另外，也可以评价模块的满充电容量以及内部电阻这两方。
＜电池信息处理系统的构成＞
图4是表示电池信息处理系统200的构成的图。电池信息处理系统200具备测定装置210、曲线存储装置220、相关关系存储装置230、解析装置240、显示装置250。这些各装置既可以构成为彼此独立的装置，也可以构成为1台装置。
测定装置210测定模块M的交流阻抗，向解析装置240输出表示该测定结果的奈奎斯特图。更具体而言，测定装置210包括振荡器211、恒电位仪212、锁相放大器213、标绘部214。
振荡器211向恒电位仪212和锁相放大器213输出同相位的正弦波。
恒电位仪212通过使预定的直流电压叠加于与来自振荡器211的正弦波相同相位的交流电压(例如振幅为10mV左右的电压)来生成施加信号，将所生成的施加信号施加于模块M。并且，恒电位仪212检测在模块M中流动的电流，将该检测结果作为来自模块M的响应信号输出给锁相放大器213。另外，恒电位仪212向标绘部214输出施加信号和响应信号。
锁相放大器213对从振荡器211接收的正弦波的相位与由恒电位仪212检测到的响应信号的相位进行比较，向标绘部214输出其比较结果(正弦波和响应信号的相位差)。
标绘部214基于来自恒电位仪212的信号(表示施加信号与响应信号的振幅比的信号、和来自锁相放大器213的信号(表示施加信号和响应信号的相位差的信号)，在复数平面上标绘模块M的交流阻抗测定结果。更具体而言，在预定的频率范围内扫描从振荡器211输出的正弦波的频率，反复执行恒电位仪212以及锁相放大器213的前述的处理。由此，对于正弦波的各频率，模块M的交流阻抗测定结果被标绘在复数平面上。该标绘被称为“奈奎斯特图”(有时也称为Cole-Cole图)。模块M的奈奎斯特图被输出至解析装置240。
此外，测定装置210的构成并不限定于图4所示的构成。例如说明为将交流电压施加于模块M、检测此时在模块M中流动的电流，但恒电位仪212也可以检测对模块M施加了交流电流时的电压响应。另外，测定装置210也可以代替锁相放大器213而包括频率响应解析器(未图示)。
进一步，作为交流阻抗测定方法，也可以采用以下的方法。即，生成包含预定的频率范围内的各种频率成分的施加信号(电压信号以及电流信号中的一方)，检测施加该施加信号时的响应信号(电压信号以及电流信号中的另一方)。通过对施加信号以及响应信号分别实施高速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)并进行频率分解，按各频率算出交流阻抗。通过这样的方法，也能够制作奈奎斯特图。
关于详细内容，以下参照图5～图11来进行说明，但在本实施方式中，通过构建表示模块M的交流阻抗的频率特性的等效电路模型，算出模块M的满充电容量Q(M)。更具体而言，首先通过使用了等效电路模型所包含的多个电路常数(模型参数)的预定的式子(以下说明的阻抗曲线Z(M))，表现模块M的合成阻抗。并且，进行阻抗曲线Z(M)的拟合处理，以使得对于在奈奎斯特图上所示的离散的实测数据的误差充分变小。由此，算出决定模块M的合成阻抗的各电路常数的值。
进一步，按照预先确定的运算式，从用于表现模块M的合成阻抗的多个电路常数(后述)提取特征量F(M)。根据本发明人的事前实验，求出了在特征量F与模块的特性(在该例子中为满充电容量Q)之间存在的相关关系。由此，通过从与模块M对应的多个电路常数提取特征量F(M)，并参照特征量F与满充电容量Q之间的相关关系，能够根据模块M的特征量F(M)算出模块M的满充电容量Q(M)。
曲线存储装置220存储有阻抗曲线Z。作为阻抗曲线Z所包含的各电路常数(参照图9)的值，设定了预先确定的初始值。曲线存储装置220根据来自解析装置240的要求，向解析装置240输出对电路常数设定了初始值的阻抗曲线Z。
相关关系存储装置230存储有模块的特征量F与满充电容量Q之间的相关关系(参照图11)。相关关系存储装置230被解析装置240所参照。
虽然均未图示，但解析装置240例如是构成为包括CPU(Central ProcessingUnit)、存储器、输入输出端口的微型计算机，对由测定装置210取得的模块M的奈奎斯特图进行解析。更具体而言，解析装置240包括拟合处理部241、特征量提取部242、满充电容量算出部243、再利用判定部244。
此外，曲线存储装置220相当于本公开中的“存储装置”。另外，解析装置240相当于本公开中的“评价装置”。因此，曲线存储装置220以及解析装置240相当于本公开涉及的“电池信息处理系统”。
拟合处理部241读出曲线存储装置220中存储的阻抗曲线Z，进行阻抗曲线Z的拟合处理(曲线回归)，以使得最好地拟合于由标绘部214获得的奈奎斯特图。由此，算出阻抗曲线Z所包含的多个电路常数的值，确定模块M的阻抗曲线Z(M)。所算出的多个电路常数被输出给特征量提取部242。
特征量提取部242通过对多个电路常数实施预定的运算，从多个电路常数提取特征量F(M)。所提取的特征量F(M)被输出至满充电容量算出部243。
满充电容量算出部243通过参照相关关系存储装置230中保存的特征量F与满充电容量之间的相关关系，从而算出与模块M的特征量F(M)对应的满充电容量。所算出的满充电容量Q(M)被输出至再利用判定部244。
再利用判定部244根据模块M的满充电容量Q(M)，判定模块M的再利用方式(重构或者资源再循环)。再利用判定部244也可以判定模块M可否再利用。再利用判定部244的判定结果被输出至显示装置250。
显示装置250例如由液晶显示器等实现，显示再利用判定部244的判定结果。由此，检查业者20能够知道对模块M应实施怎样的处理。
＜再利用方式的判定流程＞
接着，对用于判定模块M的再利用方式的处理流程进行详细说明。
图5是表示本实施方式中的模块M的再利用方式的判定处理的流程图。该流程图例如在检查业者20对电池信息处理系统200设置了模块M之后，在操作了未图示的操作部(开始按钮等)的情况下由电池信息处理系统200执行。
此外，以下，为了说明的简化，不特别地区分作为各处理的执行主体的电池信息处理系统200的构成要素(测定装置210的标绘部214、解析装置240的拟合处理部241等)，总括地记载为“处理装置200”。各步骤基本上由处理装置200所执行的软件处理实现，但其一部分或者全部也可以由在处理装置200内制作的硬件(电子电路)来实现。
在S11中，处理装置200测定模块M的交流阻抗，根据该测定结果取得奈奎斯特图。关于交流阻抗的测定方法，在用图4说明测定装置210的构成时详细进行了说明，因此，在此不反复进行说明。
图6是表示模块M的交流阻抗测定结果的奈奎斯特图的一例的图。在图6以及后述的图10和图11中，横轴表示模块M的复数阻抗的实数分量ZRe，纵轴表示模块M的复数阻抗的虚数分量－ZIm。
图6示出在100mHz～1kHz范围中对施加信号的频率进行了扫描的情况下的交流阻抗测定结果的一个例子。如图6所示，在奈奎斯特图中，与施加信号的频率相应的模块M的交流阻抗测定结果作为离散的值被标绘在复数平面上。
再次参照图5，在S12中，处理装置200例如通过非线性最小二乘法进行模块M的阻抗曲线Z(M)的拟合处理，以使得对于模块M的交流阻抗(S11中的测定值)的误差成为最小。具体而言，处理装置200按施加信号的各频率，算出在该频率下标绘(测定)的坐标、和与该频率对应的阻抗曲线Z(M)上的坐标。处理装置200针对施加信号的全部频率，算出这些坐标间的距离(误差)的平方，对所算出的值进行合计。也即是，处理装置200算出误差的平方和，调整等效电路模型所包含的多个电路常数的值，以使得该误差的平方和成为最小。在调整这样的电路常数的结果是多个电路常数满足预定的条件而收敛时，阻抗曲线Z(M)得以确定。
在该解析过程中，如果采用了过度简单化的等效电路模型，则阻抗曲线Z(M)的拟合误差会变大，无法导出准确的阻抗曲线Z(M)。于是，也无法高精度地评价模块M的特性(在该例子中为满充电容量)。另一方面，采用如以下的比较例所示那样的严密的等效电路模型也是不现实的。
图7是表示比较例中的模块M的等效电路模型的图。如该比较例所示，在重视了等效电路模型的严密度的情况下，可采用模块M所包含的电池单元数n(典型地，n＝数个～数十个)的RC并联电路串联连接而构成的等效电路模型。由此，阻抗曲线Z的拟合处理中的拟合误差变小，能够使拟合精度提高。
然而，在采用了这样的等效电路模型的情况下，电池单元数n越多，则电路常数的数量越多。因此，作为一个例子，在电池单元数n＝6的情况下，成为存在13个电路常数(7个电阻成分R0～R6以及6个电容成分C1～C6)，拟合处理有可能会需要长时间。
另一方面，在用图1以及图2说明过的电池物流模型中，从大量的车辆回收电池组，因此，要求以尽量短的时间高效率地评价大量模块的特性(劣化的发展程度)。由此，在现实上难以采用在学术上严密的等效电路模型。
本发明人发现：通过采用包括适当的电路常数的等效电路模型，最终算出的满充电容量Q与实际的满充电容量(另行高精度地测定的满充电容量)的一致性变好。该等效电路模型具有比较简单的构成，因此，拟合处理需要的时间也相对短，对于大量的电池组的评价也是优选的。以下，对在本实施方式中采用的等效电路模型进行详细的说明。
图8是表示本实施方式中的模块的等效电路模型的图。图9是用于说明图8所示的等效电路模型包含的电路常数的图。参照图8以及图9，在本实施方式中，表示模块的交流阻抗的频率特性的等效电路模型包括接合电感L、接合电阻R、溶液电阻Rsol、电荷移动电阻Rct、扩散电阻(由CPE1表示)、双电层电容(由CPE2表示)作为电路常数。
接合电感L是指模块所包含的电池单元间的接合部(正极与负极的接合部)处的电感成分。接合电阻R是指上述接合部处的电阻成分。溶液电阻Rsol是指在正极与负极之间存在的电解液的电阻成分。电荷移动电阻Rct是指与电极/电解质界面(正极活性物质以及负极活性物质的表面)处的电荷移动(电荷的授受)关联的电阻成分。扩散电阻是指与电解液中的盐或者活性物质中的电荷输送物质的扩散关联的电阻成分。双电层电容是指在电极/电解液界面形成的双电层的电容成分。此外，这些电路常数各自是合成关于模块内的全部电池单元的对应成分而得到的常数。
接合电感L与接合电阻R彼此并联连接。溶液电阻Rsol与接合电感L和接合电阻R的并联电路串联连接。另外，电荷移动电阻Rct与扩散电阻串联连接。该电荷移动电阻Rct和扩散电阻的串联电路与双电层电容彼此并联连接。进一步，包括接合电感L、接合电阻R以及溶液电阻Rsol的合成电路与包括电荷移动电阻Rct、扩散电阻以及双电层电容的合成电路串联连接。
在本实施方式中，为了在后面适当地表现图10所示的模块M的电容性行为，模块的扩散电阻以及双电层电容分别由被称为CPE(Constant Phase Element，恒相位元件)的非线性元件来表示。更具体而言，对于与扩散电阻对应的阻抗ZCPE1，使用CPE指数p1和CPE常数T1来如下述式(1)那样表示。此外，在式(1)中，用ω表示施加于模块的交流信号(施加信号)的角频率(ω＝2πf)。
ZCPE1＝1/{(jω)p1×T1}…(1)
同样地，对于与双电层电容对应的阻抗ZCPE2，也可以使用CPE指数p2和CPE常数T2来如下述式(2)那样表示。
ZCPE2＝1/{(jω)p2×T2}…(2)
在本实施方式中，采用包括图8以及图9所示的8个电路常数的等效电路模型。并且，通过将这些8个电路常数作为拟合参数的拟合处理，算出8个电路常数的值，确定与模块M对应的阻抗曲线Z(M)(参照图5的S12)。
图10是表示通过图6所示的模块M的交流阻抗测定结果的拟合处理得到的阻抗曲线Z(M)的图。在图10中，表示由拟合处理确定的阻抗曲线Z(M)的曲线由粗线表示。
处理装置200将图9所示的8个电路常数各自的初始值(预先确定的值)代入阻抗曲线Z，例如反复进行基于非线性最小二乘法的拟合处理，直到预定的收敛条件成立(例如直到卡方值等表示拟合处理的适合度的值低于判定值)。当拟合处理的收敛条件成立时，由收敛的8个电路常数确定模块M的阻抗曲线Z(M)。此外，拟合算法并不限定于最小二乘法，也可以采用其他算法(例如最大似然度估计法)。
接着，处理装置200使处理进入图5所示的S13，从收敛条件成立时的8个电路常数提取特征量F(M)。
通过实验预先确认了，提取什么样的特征量会在该特征量与模块的满充电容量Q之间存在相关关系。更详细而言，对于大量(例如数百个～数千个)模块，实验性地求出特征量F与满充电容量Q(通过实际使模块充放电而测定出的满充电容量)之间的关系。作为一个例子，在特征量F与满充电容量Q之间存在由如下述式(3)那样的一次函数表示的相关关系(a为0以外的数)。
Q＝a×F+b…(3)
在S13中，从阻抗曲线Z(M)提取确认了与满充电容量Q(M)之间存在相关关系的特定的特征量F(M)。这样的特征量F(M)例如能够通过重回归分析等统计性方法从8个电路常数提取。在该重回归分析中，例如能够考虑阻抗曲线Z(M)上的实数值及虚数值以及各频率下的切线的倾斜度等的各成分的峰度、偏度、多重共线性后，针对8个电路常数中的几个电路常数，通过与其余电路常数相比而将加重了权重的加权系数乘以各电路常数，从而提取特征量。
当从8个电路常数提取到特征量F(M)后，处理装置200基于所提取的特征量F(M)，算出模块M的满充电容量Q(M)(S14)。
然后，处理装置200根据模块M的满充电容量Q(M)判定模块M的再利用方式。例如，处理装置200算出作为模块M的当前的满充电容量Q(M)与初始满充电容量Q0(根据模块M的规格而已知的值)之比(＝Q(M)/Q0)的容量维持率，将容量维持率与预定的基准值进行比较。处理装置200在模块M的容量维持率为基准值以上的情况下判定为能够将模块M用于电池组的重构，在模块M的容量维持率小于基准值的情况下判定为模块M不能用于重构(应将资源再循环)。
＜应用条件＞
接着，对图4～图10所示的电池模块的特性评价方法(交流阻抗测定结果的解析方法)的应用所优选的条件进行说明。
在图10所示的例子中，在频率f比较高的1Hz～1kHz的频率范围内，阻抗曲线Z(M)成为圆弧状。该圆弧状的矢量轨迹也被称为“电容性半圆”(或者简称为“电容圆”)。一般而言，电容性半圆的形状是合成二次电池的源自负极的椭圆和源自正极的椭圆而得到的。
在图10所示的例子中，仅示出只有一个椭圆的电容性半圆。但是，由于正极以及负极的劣化的发展等，有时电容性半圆也分离为两个。本发明人发现：在源自负极的椭圆与源自正极的椭圆重合、电容性半圆能够近似为一个椭圆的情况下，能够应用以图4～图10说明过的特性评价方法。对于电容性半圆是表现为两个椭圆重合了的一个椭圆、还是分离为两个椭圆，如以下所示，能够基于正极时间常数τc和负极时间常数τa来判定，所述正极时间常数τc是表示源自正极的椭圆形状的特征的参数，所述负极时间常数τa是表示源自负极的椭圆形状的特征的参数。
图11是用于对用于算出正极时间常数τc以及负极时间常数τa的模块的等效电路模型进行说明的图。图12A～图12D是表示用于对正极时间常数τc以及负极时间常数τa给与电容性半圆的影响进行说明的模拟结果的一个例子的图。
在图11中作为一个例子表示的等效电路模型中，由Rc表示正极的电荷移动电阻，由Cc表示正极的双电层电容。另外，由Ra表示负极的电荷移动电阻，由Ca表示负极的双电层电容。
此外，电荷移动电阻Rc是指模块内的全部电池单元的正极的电荷移动电阻的合成电阻。关于负极的电荷移动电阻Ra也是同样的。正极的双电层电容Cc是指模块内的全部电池单元的正极的双电层的合成电容。关于负极的双电层电容Ca也是同样的。
正极的电荷移动电阻Rc和双电层电容Cc构成RC并联电路。当将该RC并联电路的时间常数记载为“正极时间常数τc”时，τc＝Rc×Cc这一关系成立。正极时间常数τc反映了模块内的各电池单元的正极的劣化程度。同样地，负极的电荷移动电阻Ra和双电层电容Ca构成RC并联电路。当将该RC并联电路的时间常数记载为“负极时间常数τa”时，τa＝Ra×Ca这一关系成立。负极时间常数τa反映了模块内的各电池单元的负极的劣化程度。
在图11中，由Re表示电解液电阻。该电解液电阻Re可以在正极与负极之间的电解液的电阻成分的基础上还包括正极以及负极的接触电阻和/或配线电阻。正极的电荷移动电阻Rc和双电层电容Cc的并联电路、负极的电荷移动电阻Ra和双电层电容Ca的并联电路、以及电解液电阻Re串联连接。
在本实施方式中，算出图11所示的等效电路模型所包含的5个电路常数。具体而言，对于如图6所示的交流阻抗测定结果，进行与图11所示的等效电路模型对应的函数(与图10所示的阻抗曲线Z不同的函数)的拟合处理。由此，算出图11所示的各电路常数的值，因此，能够算出正极时间常数τc以及负极时间常数τa。
以下，将正极时间常数τc与负极时间常数τa之比称为“时间常数比”R。在正极时间常数τc与负极时间常数τa之间存在τc≧τa这一关系的情况下，设定为R＝τc/τa，在存在τc＜τa这一关系的情况下，设定为R＝τa/τc。由此，时间常数比R为1以上(R≧1)。
图12A示出正极时间常数τc与负极时间常数τa相等的情况下(即时间常数比R＝1的情况下)的电容性半圆。图12B示出时间常数比R＝5的情况下的电容性半圆。图12C示出时间常数比R＝7的情况下的电容性半圆。图12D示出时间常数比R＝10的情况下的电容性半圆。
根据图12A以及图12B所示的例子可知：在时间常数比R为5以下的情况下，源自正极的半圆与源自负极的半圆重合，电容性半圆表现为一个。另一方面，根据图12C以及图12D所示的例子可知：在时间常数比R为7以上的情况下，电容性半圆分离为两个。也即是，在时间常数比R为5以上且7以下的范围内存在边界值(相当于本公开涉及的“预定值”)，时间常数比R比边界值小的情况下，电容性半圆表现为一个，当时间常数比R成为边界值以上时，电容性半圆分离为两个。
更详细而言，当求取对电容性半圆进行了微分时的切线的倾斜度时，在时间常数比R比边界值小的情况下，随着阻抗的实数分量的增加，切线的倾斜度以正－0－负的方式单调地减少。将该情况称为电容性半圆能够近似为一个椭圆。另一方面，在时间常数比R为边界值以上的情况下，随着阻抗的实数分量的增加，切线的倾斜度以正－0－负－0－正－0－负的方式变化。在该情况下，称为电容性半圆分离为两个椭圆。
基于该见解，在本实施方式中，作为在时间常数比R比边界值小的情况下电容性半圆成为一个，能够应用图4～图10所示的电池模块的特性评价方法。本发明人从各种条件下使用了的车辆回收大量电池组，对于回收来的电池组所包含的模块算出了时间常数比R后，确认到在任何模块均为时间常数比R是边界值。因此，本实施方式中的电池模块的特性评价方法可以说至少能够应用于从车载的电池组取出的模块。
＜满充电容量的算出精度＞
最后，对基于本实施方式中的模块的再利用方式的判定方法的满充电容量的算出精度进行说明。
图13A以及图13B是用于说明本实施方式中的模块的满充电容量的算出精度的图。图13A以及图13B的横轴表示模块的实际满充电容量(通过实际使模块充放电而测定出的满充电容量，记载为“实测值”)。图13A的纵轴表示使用与本实施方式不同的等效电路模型而算出的模块的满充电容量(记载为“预测值”)。图13B的纵轴表示使用本实施方式中的等效电路模型(参照图8)而算出的模块的满充电容量(同样地记载为“预测值”)。
在使用了与本实施方式不同的等效电路模型的情况下，满充电容量的实测值与预测值之间的相关系数R2为0.8285(参照图13A)。与此相对，通过使用本实施方式中的等效电路模型，如图13B所示，相关系数R2上升到了0.9056。也即是，满充电容量的实测值与预测值之间的相关关系增强。根据该情况确认到：根据本实施方式，提高了模块的满充电容量的算出精度。
如上所述，在本实施方式中，采用包括图8以及图9所示的8个电路常数来作为拟合参数的等效电路模型。通过采用该等效电路模型，如图13A以及图13B示出的实际验证结果那样，能够高精度地算出模块M的满充电容量Q(M)。另外，在8个参数的拟合处理中，与更多的参数(例如在图7所示的比较例的等效电路模型中，模块内的电池单元数为6个的情况下的13个参数)的拟合处理相比，通过简单的运算即可完成拟合处理，因此，能够缩短解析时间。因此，在如图1以及图2中说明过的那样要求评价大量电池模块的情况下，也能够优选地进行采用。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但应该认为本次公开的实施方式在全部方面是例示的、而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书表示，意在包含与权利要求书等同的含义以及范围内的所有变更。

Claims (6)

1.一种电池信息处理系统，对用于算出包括多个二次电池的电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方的信息进行处理，具备：
存储装置，其存储有等效电路模型，所述等效电路模型使用第1电路常数～第8电路常数来表现所述电池模块的交流阻抗；和
解析装置，在表示所述电池模块的正极的劣化程度的正极时间常数与表示所述电池模块的负极的劣化程度的负极时间常数之比小于预定值的情况下，所述解析装置通过对于标绘了所述电池模块的交流阻抗测定结果的奈奎斯特图的拟合处理来算出所述第1电路常数～所述第8电路常数，基于包括所算出的所述第1电路常数～所述第8电路常数的所述等效电路模型来算出所述电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方，
以使得由包括所述第1电路常数～所述第8电路常数的等效电路模型表现的电池模块的交流阻抗相对于在所述奈奎斯特图上所示的离散的实测数据的误差变小的方式，进行所述拟合处理，
所述第1电路常数是所述电池模块的接合电感，
所述第2电路常数是所述电池模块的接合电阻，
所述第3电路常数是所述电池模块的溶液电阻，
所述第4电路常数是所述电池模块的电荷移动电阻，
所述第5电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE指数即恒相位元件指数，
所述第6电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE常数，
所述第7电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE指数，
所述第8电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE常数。
2.根据权利要求1所述的电池信息处理系统，
在所述等效电路模型中，
所述接合电感与所述接合电阻彼此并联连接，
所述溶液电阻与所述接合电感和所述接合电阻的并联电路串联连接，
所述电荷移动电阻与所述扩散电阻串联连接，
所述双电层电容与所述电荷移动电阻和所述扩散电阻的串联电路并联连接，
包括所述接合电感、所述接合电阻以及所述溶液电阻的合成电路与包括所述电荷移动电阻、所述扩散电阻以及所述双电层电容的合成电路串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池信息处理系统，
所述多个二次电池各自是镍氢电池。
4.一种电池组，构成为包括多个通过权利要求1～3中任一项所述的电池信息处理系统算出了满充电容量以及内部电阻中的至少一方的所述电池模块。
5.一种电池模块的特性评价方法，算出包括多个二次电池的电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方，所述特性评价方法包括：
根据所述电池模块的交流阻抗测定结果取得奈奎斯特图的步骤；
在表示所述电池模块的正极的劣化程度的正极时间常数与表示所述电池模块的负极的劣化程度的负极时间常数之比小于预定值的情况下，通过对于所述奈奎斯特图的拟合处理，算出所述电池模块的交流阻抗的等效电路模型所包括的第1电路常数～第8电路常数的步骤；
基于包括所述第1电路常数～所述第8电路常数的所述等效电路模型来算出所述电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方的步骤，
以使得由包括所述第1电路常数～所述第8电路常数的等效电路模型表现的电池模块的交流阻抗相对于在所述奈奎斯特图上所示的离散的实测数据的误差变小的方式，进行所述拟合处理，
所述第1电路常数是所述电池模块的接合电感，
所述第2电路常数是所述电池模块的接合电阻，
所述第3电路常数是所述电池模块的溶液电阻，
所述第4电路常数是所述电池模块的电荷移动电阻，
所述第5电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE指数，
所述第6电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE常数，
所述第7电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE指数，
所述第8电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE常数。
6.一种电池组的制造方法，包括：
根据包括多个二次电池的电池模块的交流阻抗测定结果取得奈奎斯特图的步骤；
在表示所述电池模块的正极的劣化程度的正极时间常数与表示所述电池模块的负极的劣化程度的负极时间常数之比小于预定值的情况下，通过对于所述奈奎斯特图的拟合处理，算出所述电池模块的交流阻抗的等效电路模型所包括的第1电路常数～第8电路常数的步骤；
基于包括所述第1电路常数～所述第8电路常数的所述等效电路模型来算出所述电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方的步骤；
使用多个通过所述算出所述电池模块的满充电容量以及内部电阻中的至少一方的步骤算出了满充电容量以及内部电阻中的至少一方的电池模块制造电池组的步骤，
以使得由包括所述第1电路常数～所述第8电路常数的等效电路模型表现的电池模块的交流阻抗相对于在所述奈奎斯特图上所示的离散的实测数据的误差变小的方式，进行所述拟合处理，
所述第1电路常数是所述电池模块的接合电感，
所述第2电路常数是所述电池模块的接合电阻，
所述第3电路常数是所述电池模块的溶液电阻，
所述第4电路常数是所述电池模块的电荷移动电阻，
所述第5电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE指数，
所述第6电路常数是所述电池模块的扩散电阻的CPE常数，
所述第7电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE指数，
所述第8电路常数是所述电池模块的双电层电容的CPE常数。
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