DE112012005901B4

DE112012005901B4 - Batteriesystem und Verschlechterungsbestimmungsverfahren

Info

Publication number: DE112012005901B4
Application number: DE112012005901.8T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAISHA Kanada Ryo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2032-02-18
Also published as: DE112012005901T5; WO2013121466A1; CN104115017A; US20150153424A1; CN104115017B; JP5839052B2; JPWO2013121466A1; US9529056B2

Abstract

Batteriesystem, mit
einer Sekundärbatterie (1) mit einer Batteriespannung, wobei ein Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential hat, und
einer Steuereinrichtung (270), die ein Verhältnis (Ac) zwischen einer Widerstandsänderungsrate (dR) und einem Stromwert in der Sekundärbatterie (1) erlangt, wenn ein Ladungszustand (SOC) der Sekundärbatterie (1) in einem Bereich kleiner als 50% ist, und einen Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie (1) basierend auf dem erlangten Verhältnis (Ac) bestimmt,
wobei die Steuereinrichtung (270) den Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie (1) bestimmt unter Verwendung einer ersten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) verringert ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund von Abnutzung der Sekundärbatterie (1) auftritt, und einer zweiten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) erhöht ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung innerhalb der Sekundärbatterie (1) auftritt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriesystem und ein Verschlechterungsbestimmungsverfahren, die in der Lage sind, eine Verschlechterung aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung zu erfassen.
Hintergrund
Patentdokument 1 beschreibt eine Technologie für ein Schätzen des Grades einer Erhöhung eines in einem Bereich hohen Stroms bei einer Sekundärbatterie erzeugten Batteriewiderstands. Insbesondere wird ein Batteriemodell verwendet, um einen Batteriestrom von einer Batteriespannung zu schätzen, wobei der Grad einer Erhöhung eines Batteriewiderstands basierend auf dem geschätzten Batteriestrom und einem gemessenen Batteriestrom geschätzt wird.
Dokument des Standes der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-060406
In der JP 2010– 232 080 A wird eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, ein dieses verwendende Batteriesystem, sowie Batterieinstallationsausrüstung gelehrt. Die Lithiumionen-Sekundärbatterie umfasst ein Energieerzeugungselement, das eine Positivelektrode, eine Negativelektrode und ein dazwischen angeordnetes Trennstück aufweist, einen Elektrolyt, der in das Energieerzeugungselement imprägniert ist und Lithiumionen enthält, und ein Batteriegehäuse, das das Energieerzeugungselement und den Elektrolyt aufnimmt. Der Elektrolyt besteht aus einem Halteelektrolyt, der in dem Energieerzeugungselement imprägniert und gehalten ist, und einen Überschusselektrolyt, der in dem Batteriegehäuse in einem Zustand gespeichert ist, in dem er in der Lage ist, eine wechselseitige Zirkulation mit dem Halteelektrolyt durchzuführen. Das Batteriegehäuse umfasst ein Paar von Lichtdurchgangsfenstern, die mit dem Überschusselektrolyt in Kontakt kommen und derart angeordnet sind, um einen durch den Überschusselektrolyt verlaufenden optischen Pfad darstellen zu können, was eine Salzkonzentrationsbestimmung hinsichtlich des Überschusselektrolyt zulässt.
Ferner zeigt die JP 2010– 66 229 A eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers einer Batterie. Eine Fehlererfassungsvorrichtung für eine Batterie umfasst einen Vollladungskapazitätserfassungsabschnitt zum Erfassen der Vollladungskapazität der Batterie, einen Innenwiderstandserfassungsabschnitt zum Erfassen des Innenwiderstands der Batterie, und einen Verschlechterungsbestimmungsabschnitt zum Bestimmen einer Verschlechterung der Batterie. Die Batterie ist eine Lithium-Ionen-Batterie. Der Verschlechterungsbestimmungsabschnitt für die Batterie bestimmt, dass ein Fehler der Batterie durch Verschlechterung aufgrund von Abrieb verursacht ist, wenn die Vollladungskapazität abnimmt und der Innenwiderstand ansteigt, und bestimmt, dass ein Fehler der Batterie durch Verschlechterung aufgrund von Abscheidung verursacht ist, wenn die Vollladungskapazität abnimmt und der Innenwiderstand nicht ansteigt.
Zudem ist aus der DE 11 2008 003 083 T5 eine Steuerungsvorrichtung und ein Steuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie bekannt. Dabei berechnet eine ECU einen Evaluierungswertabnahmebetrag als Reaktion auf eine Reduzierung einer Ungleichmäßigkeit einer Lithium-Ionen-Konzentration, die durch eine Diffusion von Lithium-Ionen verursacht wird, die sich aus einem Ablauf einer Zykluszeit ergibt, berechnet einen Evaluierungswertzunahmebetrag als Reaktion auf eine Erhöhung der Ungleichmäßigkeit der Lithium-Ionen-Konzentration, die durch eine Entladung während eines Ablaufs einer Zykluszeit verursacht wird, und berechnet einen momentanen Wert eines Batterieverschlechterungsevaluierungswerts aufgrund einer Hochleistungsentladung. Wenn ein Batterieverschlechterungsevaluierungswert einen vorbestimmten Sollwert überschreitet, setzt die ECU einen Entladungsenergiegrenzwert, der ein Grenzwert einer elektrischen Energie ist, die von der Batterie zu entladen ist, auf einen Wert, der niedriger als ein Maximalwert ist.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Da die in Patentdokument 1 beschriebene Technologie das Batteriemodell einsetzt, ist die Verarbeitung eines Schätzens des Grades einer Erhöhung des Batteriewiderstands kompliziert. Eine Verschlechterung der Sekundärbatterie schließt eine Verschlechterung, die aufgrund einer Abnutzung der Sekundärbatterie auftritt, und die in Patentdokument 1 beschriebene Verschlechterung, die in dem Bereich hohen Stroms auftritt, ein. Die Anmelder haben herausgefunden, dass die Verschlechterung aufgrund der Abnutzung und die in dem Bereich hohen Stroms auftretende Verschlechterung verschiedene Änderungen bezüglich eines Innenwiderstands bzw. internen Widerstands der Sekundärbatterie umfassen, wenn sich die Sekundärbatterie in einem bestimmten Zustand befindet.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Verschlechterung einer Sekundärbatterie insbesondere ohne eine komplizierte Verarbeitung eines Schätzens des Grades einer Erhöhung des Batteriewiderstands bereitzustellen.
Mittel zur Lösung der Probleme
Ein Batteriesystem gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Sekundärbatterie mit einer Batteriespannung und eine Steuereinrichtung. Ein Positivelektrodenpotential hat einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential. Die Steuereinrichtung erlangt ein Verhältnis zwischen einer Widerstandsänderungsrate und einem Stromwert in der Sekundärbatterie, wenn ein Ladungszustand der Sekundärbatterie in einem Bereich kleiner 50% ist, und bestimmt den Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie basierend auf dem erlangten Verhältnis.
Die Steuereinrichtung bestimmt den Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie unter Verwendung einer ersten Korrelation und einer zweiten Korrelation. Bei der ersten Korrelation wird die Widerstandsänderungsrate verringert, so wie der Stromwert erhöht wird, wenn nur Verschlechterung aufgrund einer Abnutzung der Sekundärbatterie auftritt. Bei der zweiten Korrelation wird die Widerstandsänderungsrate erhöht, so wie der Stromwert erhöht wird, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung innerhalb der Sekundärbatterie auftritt.
Bei der Sekundärbatterie mit der Batteriespannung, die empfindlicher bezüglich dem Positivelektrodenpotential als dem Negativelektrodenpotential ist (ein Positivelektrodenpotential hat einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential), haben die Verschlechterung aufgrund der Abnutzung und die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung unterschiedliche Verhältnisse (erste Korrelation und zweite Korrelation) zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert. Die Verwendung der ersten Korrelation und der zweiten Korrelation ermöglicht die Bestimmung des Auftretens der Verschlechterung aufgrund der Abnutzung oder der Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung.
Da bei einem Erlangen des Verhältnisses zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert der Ladungszustand der Sekundärbatterie auf einen Pegel geringer als 50% eingestellt ist, können die erste Korrelation und die zweite Korrelation verwendet werden, um das Auftreten der Verschlechterung aufgrund der Abnutzung oder der Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung zu bestimmen.
Wenn nur die Verschlechterung aufgrund der Abnutzung auftritt, stimmt das erlangte Verhältnis mit der ersten Korrelation überein. Wenn die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung zusätzlich zu der Verschlechterung aufgrund der Abnutzung auftritt, weicht das erlangte Verhältnis von dem Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert wie durch die erste Korrelation festgelegt ab. Folglich kann die Abweichung überprüft werden, um zu bestimmen, dass die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung auftritt.
Wenn die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung auftritt, kann eine Verarbeitung eines Beseitigens der Salzkonzentrationsverteilung durchgeführt werden. Die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung kann durch Durchführen einer bestimmten Verarbeitung beseitigt werden. Die Verschlechterung aufgrund der Abnutzung kann jedoch nicht durch ein Durchführen einer bestimmten Verarbeitung beseitigt werden. Wenn das erlangte Verhältnis um ein vorbestimmtes Ausmaß oder mehr von dem Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert wie von der ersten Korrelation festgelegt abgewichen ist, kann bestimmt werden, dass die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung fortgeschritten ist.
Bei der Sekundärbatterie in einem mehr geladenen Zustand ist die Widerstandsänderungsrate über 1 erhöht, wenn die Verschlechterung fortgeschritten ist. Daher wird die Widerstandsänderungsrate bei der Sekundärbatterie erlangt, wenn ein Ladungszustand der Sekundärbatterie in einem Bereich gleich wie oder größer als 50% ist, und wenn die erlangte Widerstandsänderungsrate größer als 1 ist, kann bestimmt werden, dass die Verschlechterung der Sekundärbatterie auftritt. Wenn bestimmt ist, dass die Verschlechterung der Sekundärbatterie auftritt, kann das Auftreten der Verschlechterung aufgrund der Abnutzung oder der Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung wie vorstehend beschrieben bestimmt werden. Um den mehr geladenen Zustand der Sekundärbatterie zu erzielen kann der Ladungszustand der Sekundärbatterie auf einen Pegel gleich oder größer als 50% eingestellt werden.
Die Sekundärbatterie kann eine Sekundärbatterie sein, bei der ein Verhältnis eines zweiten Anteils zu einem ersten Anteil höher ist, als ein Verhältnis eines dritten Anteils. Der erste Anteil bezieht sich auf ein Änderungsausmaß der Batteriespannung relativ zu einem vorbestimmten Änderungsausmaß einer Kapazität. Der zweite Anteil bezieht sich auf ein Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials relativ zu dem vorbestimmten Änderungsausmaß der Kapazität. Der dritte Anteil bezieht sich auf ein Änderungsausmaß des Negativelektrodenpotentials relativ zu dem vorbestimmten Änderungsausmaß der Kapazität.
Die Sekundärbatterie kann an einem Fahrzeug angebracht sein. Eine Elektroleistungsausgabe (Ausgabe elektrischer Leistung) von der Sekundärbatterie kann in eine kinetische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs umgewandelt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verschlechterungsbestimmungsverfahren eines Bestimmens des Verschlechterungszustands einer Sekundärbatterie mit einer Batteriespannung bereit, wobei ein Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential hat. Als erstes wird ein Verhältnis zwischen einer Widerstandsänderungsrate und einem Stromwert bei der Sekundärbatterie erlangt, wenn ein Ladungszustand der Sekundärbatterie in einem Bereich kleiner als 50% ist. Dann wird der Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie aus dem erlangten Verhältnis bestimmt unter Verwendung der ersten Korrelation und der zweiten Korrelation, die in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind. Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die selben Vorteile wie jene des ersten Aspekts erzielen.
Figurenliste

1: Eine externe Ansicht einer Sekundärbatterie.
2: Ein Diagramm, das die interne Struktur der Sekundärbatterie zeigt.
3: Eine ausgestaltete Ansicht eines Leistungserzeugungselements.
4: Eine externe Ansicht des Leistungserzeugungselements.
5: Ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate der Sekundärbatterie und die (Quadrat-)Wurzel verstrichener Zeit zeigt.
6: Ein Graph, der das Verhältnis zwischen einem Positivelektrodenpotential, einem Negativelektrodenpotential, und einer Batteriespannung zeigt.
7: Ein Graph zur Erklärung eines Verfahrens eines Bestimmens der Einflüsse des Positivelektrodenpotentials und des Negativelektrodenpotentials auf die Batteriespannung.
8: Ein Graph, der das Leerlaufpotential der Negativelektrode bei den Negativelektroden aus verschiedenen Materialien zeigt.
9: Ein Graph zur Erklärung des Verhältnisses zwischen dem Leerlaufpotential der Negativelektrode und einer irreversiblem Kapazität.
10: Ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert zeigt, wenn Abnutzungsverschlechterung in einem Bereich mit niedrigem SOC auftritt.
11: Ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert zeigt, wenn eine starke Verschlechterung (Verschlechterung mit hoher Rate) in dem Bereich mit niedrigem SOC auftritt.
12: Ein Diagramm, das die Konfiguration eines Batteriesystems zeigt.
13: Ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitung eines Bestimmens der starken Verschlechterung (Verschlechterung mit hoher Rate) zeigt.
14: Ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Stromwert bei der Sekundärbatterie zeigt.

Art zur Ausführung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Zuerst wird die Konfiguration einer Sekundärbatterie beschrieben. Beispielsweise kann eine Nickelmetallhydridbatterie oder eine Lithiumionenbatterie als die Sekundärbatterie verwendet werden. Die Sekundärbatterie kann beispielsweise an einem Fahrzeug angebracht sein, und die Ausgabe von der Sekundärbatterie kann verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Eine Vielzahl von Sekundärbatterien (Zellen) kann in Reihe verbunden sein, um eine zusammengesetzte Batterie zu bilden, um die Ausgabeanforderung des Fahrzeugs zu erfüllen.
1 ist eine externe Ansicht der Sekundärbatterie. 2 zeigt die interne Struktur der Sekundärbatterie. In 1 und 2 sind eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse zueinander orthogonale Achsen. Die Beziehung zwischen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse treffen auf die andere Figur (4) zu.
Die Sekundärbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse 10 und ein in dem Batteriegehäuse 10 befindliches Leistungserzeugungselement 14 auf. Das Batteriegehäuse 10 kann beispielsweise aus Metall gebildet sein, und weist einen Gehäusekörper 10a und einen Deckel 10b auf. Der Gehäusekörper 10a weist einen Öffnungsabschnitt zum Einsetzen des Leistungserzeugungselements 14 auf, und der Deckel 10b deckt den Öffnungsabschnitt des Gehäusekörpers 10a ab. Dies versiegelt hermetisch das Batteriegehäuse 10. Der Deckel 10b und der Gehäusekörper 10a können befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen.
Ein Positivelektrodenanschluss 11 und ein Negativelektrodenanschluss 12 sind an dem Deckel 10b befestigt. Der Positivelektrodenanschluss 11 ist mit dem Leistungserzeugungselement 14 mittels eines Positivelektrodensteckers (tab) 15a verbunden, und der Negativelektrodenanschluss 12 ist mit dem Leistungserzeugungselement 14 mittels eines Negativelektrodensteckers (tab) 15b verbunden. Der Deckel 10b ist mit einem Ventil 13 versehen. Das Ventil 13 wird verwendet, um Gas nach außerhalb des Batteriegehäuses 10 zu entlassen, wenn das Gas innerhalb des Batteriegehäuses 10 erzeugt wird. Insbesondere wird, wenn die Erzeugung des Gases verursacht, dass der interne Druck des Batteriegehäuses 10 den Betriebsdruck des Ventils 13 erreicht, das Ventil 13 von einem geschlossenen Zustand zu einem geöffneten Zustand geändert, um das Gas nach außerhalb des Batteriegehäuses 10 zu entlassen.
Während die Sekundärbatterie 1 eines sogenannten Quadrattyps (square type) in 1 und 2 gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann die Sekundärbatterie 1 eines sogenannten zylindrischen Typs verwendet werden. Bei der Sekundärbatterie des Quadrattyps ist das Batteriegehäuse 10 gemäß einem Rechteck gebildet. Bei der Sekundärbatterie 1 des zylindrischen Typs ist das Batteriegehäuse 10 in einer zylindrischen Form gebildet.
3 ist eine ausgestaltete Ansicht des Leistungserzeugungselements 14. Das Leistungserzeugungselement 14 weist eine Positivelektrodenplatte 141, eine Negativelektrodenplatte 142, und ein Trennelement 143 auf. Die Positivelektrodenplatte 141 weist eine Kollektorplatte 141a und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 141b auf, die an einer Oberfläche der Kollektorplatte 141a gebildet ist. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 141b enthält ein Positivelektrodenaktivmaterial, ein Leitmittel, ein Bindemittel, und dergleichen. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 141b ist bei einem Teil der Kollektorplatte 141a gebildet, und die restliche Fläche der Kollektorplatte 141a ist freiliegend.
Die Negativelektrodenplatte 142 weist eine Kollektorplatte 142a und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b auf, die an einer Oberfläche der Kollektorplatte 142a gebildet ist. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b enthält Negativelektrodenaktivmaterial, ein Leitmittel, ein Bindemittel, und dergleichen. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b ist bei einem Teil der Kollektorplatte 142a gebildet, und die restliche Fläche der Kollektorplatte 142a ist freiliegend. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 141b, die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b, und das Trennelement 143 sind mit einer Elektrolytlösung imprägniert. Während die Elektrolytlösung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, kann ein festes Elektrolyt anstelle der Elektrolytlösung verwendet werden.
Die Positivelektrodenplatte 141, die Negativelektrodenplatte 142, und das Trennelement 143 sind in der in 3 gezeigten Reihenfolge gestapelt, und der Stapel ist in einer durch einen Pfeil C in 4 angedeuteten Richtung gewickelt, wodurch das Leistungserzeugungselement 14 gebildet wird. In 4 ist nur die Kollektorplatte 141a der Positivelektrodenplatte 141 an in der Y-Richtung einem Ende des Leistungserzeugungselements 14 gewickelt. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, ist der Positivelektrodenstecker (tab) 15a an dieser Kollektorplatte 141a befestigt. Nur die Kollektorplatte 142a der Negativelektrodenplatte 142 ist an dem 14 in der Y-Richtung anderen Ende des Leistungserzeugungselements gewickelt. Der Negativelektrodenstecker 15b ist an dieser Kollektorplatte 142a befestigt.
Eine in 2 und 4 gezeigte Fläche Ar (bezeichnet als Reaktionsfläche) entspricht der Fläche, in der die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 141b und die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b einander überlappen, und dient als die Fläche, bei der eine chemische Reaktion auftritt, wenn ein Laden und Entladen der Sekundärbatterie 1 durchgeführt wird.
Beispielsweise tritt bei einem Entladen der als die Sekundärbatterie 1 dienenden Lithiumionenbatterie eine chemische Reaktion, die ein Freigeben von Lithiumionen und Elektronen beinhaltet, bei einer Schnittstelle des Negativelektrodenaktivmaterials auf, und tritt eine chemische Reaktion, die eine Absorption der Lithiumionen und der Elektronen beinhaltet, bei einer Schnittstelle des Positivelektrodenaktivmaterials auf. Bei einem Laden der Lithiumionenbatterie tritt eine Reaktion umgekehrt zu jener bei dem Laden auf. Die Positivelektrodenplatte 141 und die Negativelektrodenplatte 142 leiten die Lithiumionen zwischen diesen durch das Trennelement 143, um das Laden und Entladen der Lithiumionenbatterie durchzuführen.
Es ist bekannt, dass die Sekundärbatterie 1 verschlechtert ist, und die Verschlechterung enthält eine Verschlechterungskomponente aufgrund einer Abnutzung und eine Verschlechterungskomponente aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung. Die Verschlechterungskomponente aufgrund einer Abnutzung wird durch eine Abnutzung des die Sekundärbatterie 1 bildenden Materials erzeugt. Das die Sekundärbatterie 1 bildende Material ist beispielsweise mit der Temperatur der Sekundärbatterie 1, dem SOC (State of Charge, Ladungszustand), und einer verstrichenen Zeit verschlissen. Der SOC bezieht sich auf ein Verhältnis der gegenwärtigen Ladungskapazität auf die Vollladekapazität der Sekundärbatterie 1. In der vorliegenden Spezifikation wird die Verschlechterung aufgrund der Abnutzung als Abnutzungsverschlechterung bezeichnet.
Die Verschlechterungskomponente aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung ist eine Komponente, die den Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 erhöht, wenn die Salzkonzentration (beispielsweise eine Lithiumsalzkonzentration in der Lithiumionenbatterie) innerhalb der Sekundärbatterie 1 nicht ausgeglichen ist. Die unausgeglichene Salzkonzentration tritt wahrscheinlicher auf, wenn die Rate eines Ladens und Entladens der Sekundärbatterie 1 höher ist. In der vorliegenden Spezifikation wird die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung als starke Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) bezeichnet.
Wenn die Verschlechterung der Sekundärbatterie 1 fortgeschritten ist, ist der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 typischerweise erhöht. Die Verschlechterung der Sekundärbatterie 1 kann bewertet werden durch Verwenden einer Widerstandsänderungsrate dR. Die Widerstandsänderungsrate dR bezieht sich auf einen Wert, der durch Dividieren eines Innenwiderstands Rc der Sekundärbatterie 1 in dem verschlechterten Zustand durch einem Innenwiderstand Rini der Sekundärbatterie 1 in einem Anfangszustand berechnet wird, und wird durch folgenden Ausdruck wiedergegeben (1). $d R = \frac{R c}{R i n i}$
Der Anfangszustand bezieht sich auf einen Zustand, der als die Referenz bei einem Bewerten der Verschlechterung der Sekundärbatterie 1 verwendet wird, und kann beispielsweise auf einen Zustand unmittelbar nach der Herstellung der Sekundärbatterie 1 eingestellt werden. Die Verschlechterung der Sekundärbatterie 1 ist in dem Zustand unmittelbar nach der Herstellung der Sekundärbatterie 1 nicht vorhanden. Wenn der Innenwiderstand Rc höher ist, als der Innenwiderstand Rini, ist die Widerstandsänderungsrate dR größer als 1.
In einigen Fällen kann die Widerstandsänderungsrate dR kleiner als 1 in einem Bereich mit niedrigen SOC in der Sekundärbatterie 1 sein. Der Bereich mit niedrigen SOC (low-SOC region) bezieht sich auf einen Bereich, in dem der SOC von 0% bis 50% reicht. Andererseits ist in einem Bereich mit hohem SOC unterschiedlich von dem Bereich mit niedrigem SOC die Widerstandsänderungsrate dR größer als 1. Der Bereich mit hohem SOC (high-SOC region) bezieht sich auf einen Bereich, in dem der SOC von 50% bis 100% reicht.
5 zeigt das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate dR und der (Quadrat-)Wurzel verstrichener Zeit. Die Widerstandsänderungsrate dR und die Wurzel verstrichener Zeit weisen oft ein proportionales Verhältnis auf. In 5 stellt die vertikale Achse die Widerstandsänderungsrate dR dar, die in Richtung der Oberseite in 5 größer wird. In 5 stellt die horizontale Achse die Wurzel der verstrichenen Zeit dar, die den Ablauf einer längeren Zeit in Richtung der rechten Seite in 5 andeutet. In dem Bereich mit niedrigem SOC wird die Widerstandsänderungsrate dR mit verstreichender Zeit weiter verringert auf unter 1. Andererseits wird in dem Bereich mit hohem SOC die Widerstandsänderungsrate dR mit verstreichender Zeit weiter erhöht auf über 1.
Das Phänomen wird beschrieben, bei dem die Widerstandsänderungsrate dR mit verstreichender Zeit verringert wird in dem Bereich mit niedrigem SOC.
Die Spannung der Sekundärbatterie 1 (Batteriespannung) wird durch einen Unterschied zwischen einem Positivelektrodenpotential und einem Negativelektrodenpotential wiedergegeben. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der Batteriespannung, dem Positivelektrodenpotential, und dem Negativelektrodenpotential. In 6 steht die horizontale Achse für die Kapazität der Sekundärbatterie 1, und die vertikale Achse steht für das Potential. Wie in 6 gezeigt, werden das Positivelektrodenpotential und die Batteriespannung erhöht, wenn die Kapazität der Sekundärbatterie 1 erhöht wird. Andererseits wird das Negativelektrodenpotential erhöht, wenn die Kapazität der Sekundärbatterie 1 verringert wird.
Wenn die Abnutzungsverschlechterung in der Sekundärbatterie 1 auftritt, wird der Zusammenhang zwischen dem Positivelektrodenpotential und dem Negativelektrodenpotential geändert. Insbesondere werden das Positivelektrodenpotential und das Negativelektrodenpotential relativ in einer Links-Rechts-Richtung in 6 verschoben.
In dem in 6 gezeigten Beispiel ist das Negativelektrodenpotential relativ zu dem Positivelektrodenpotential verschoben. Insbesondere ist das Negativelektrodenpotential in Richtung einer höheren Kapazität (in Richtung nach rechts in 6) aufgrund der Abnutzungsverschlechterung verschoben. Wenn das Negativelektrodenpotential fest ist, wird das Positivelektrodenpotential in Richtung einer niedrigeren Kapazität (in Richtung nach links in 6) aufgrund der Abnutzungsverschlechterung verschoben.
Das Negativelektrodenpotential vor dem Auftreten der Abnutzungsverschlechterung ist durch eine durchgehende Linie in 6 gezeigt, und das Negativelektrodenpotential nach dem Auftreten der Abnutzungsverschlechterung ist durch eine gestrichelte Linie in 6 gezeigt. In 6 stellt dQs die Verschiebung der Kapazität bei dem Negativelektrodenpotential dar. Wenn keine Abnutzungsverschlechterung auftritt und der SOC der Sekundärbatterie 1 einen bestimmten Wert aufweist, wird die Spannung der Sekundärbatterie 1 durch eine Differenz zwischen einem Positivelektrodenpotential E1(+) und einem Negativelektrodenpotential E1(-) wiedergegeben.
Wenn das Negativelektrodenpotential um dQs relativ zu dem Positivelektrodenpotential aufgrund des Auftretens der Abnutzungsverschlechterung verschoben ist, wird die Spannung der Sekundärbatterie 1 bei dem bestimmten Wert des SOC durch eine Differenz zwischen einem Positivelektrodenpotential E2(+) und einem Negativelektrodenpotential E2(-) wiedergegeben. Da das Positivelektrodenpotential mit größerer Kapazität größer ist, ist das Positivelektrodenpotential E2(+) größer als das Positivelektrodenpotential E1(+).
Da der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 verringert ist, wenn das Positivelektrodenpotential höher ist, ist der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 verringert, selbst wenn der SOC der Sekundärbatterie 1 bei dem bestimmten Wert bleibt. Die Verringerung des Innenwiderstands der Sekundärbatterie 1 verursacht, dass die Widerstandsänderungsrate dR kleiner als 1 ist.
Wenn das Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss als jener des Negativelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 in dem Bereich mit niedrigem SOC hat, ist die Widerstandsänderungsrate dR kleiner als 1. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 7 ein Verfahren (mithilfe eines Beispiels) eines Bestimmens beschrieben, welches aus dem Negativelektrodenpotential und dem Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 hat.
Als erstes wird eine Spannung Vb_ref der Sekundärbatterie 1 bei einem SOC von 0% festgelegt. Danach werden die folgenden Ausdrücke (2) bis (4) definiert, wenn die Spannung der Sekundärbatterie 1 von der Spannung Vb_ref zu einer Spannung Vb_a geändert ist. Die Spannung Vb_a ist größer als die Spannung Vb_ref, und kann beispielsweise auf einen Wert eingestellt werden, der durch Multiplizieren der Spannung Vb_ref mit 1,1 berechnet wird. ${(\frac{d V b}{d Q})}_{V b_r e f \to V b_a}$
${(\frac{d V +}{d Q})}_{Q 0 \to Q 1}$
${(\frac{d V -}{d Q})}_{Q 0 \to Q 1}$
Bei den vorstehenden Ausdrücken (3) und (4) gibt Q0 die Kapazität wieder, wenn die Spannung der Sekundärbatterie 1 Vb_ref ist, und Q1 gibt die Kapazität wieder, wenn die Spannung der Sekundärbatterie 1 Vb_a ist. Die Differenz zwischen den Kapazitäten Q0 und Q1 ist dQ. In dem vorstehenden Ausdruck (2) gibt dVb das Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 wieder, wenn die Kapazität von Q0 zu Q1 geändert ist, und entspricht der Differenz zwischen der Spannung Vb_ref und der Spannung Vb_a. Bei dem vorstehenden Ausdruck (3) steht dV+ für das Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials, wenn die Kapazität von Q0 auf Q1 geändert ist. Bei dem vorstehenden Ausdruck (4) steht dV- für das Änderungsausmaß des Negativelektrodenpotentials, wenn die Kapazität von Q0 auf Q1 geändert ist.
Der vorstehende Ausdruck (2) entspricht einem ersten Anteil bei der vorliegenden Erfindung, der vorstehende Ausdruck (3) entspricht einem zweiten Anteil bei der vorliegenden Erfindung, und der vorstehende Ausdruck (4) entspricht einem dritten Anteil bei der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das Änderungsausmaß des Negativelektrodenpotentials relativ zu dem Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 basierend auf dem folgenden Ausdruck (5) berechnet. Der Zähler der rechten Seite des nachstehenden Ausdrucks (5) entspricht dem obigen Ausdruck (4), und der Nenner der rechten Seite des nachstehenden Ausdrucks (5) entspricht dem obigen Ausdruck (2). $B = | \frac{{(\frac{d V -}{d Q})}_{Q 0 \to Q 1}}{{(\frac{d V b}{d Q})}_{V b_r e f \to V b_a}} |$
Wenn ein in dem obigen Ausdruck (5) gezeigter Anteil B größer als 0,5 ist, dann ist der Einfluss des Negativelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 größer als jener des Positivelektrodenpotentials. Andererseits, wenn der in dem obigen Ausdruck (5) gezeigte Anteil B kleiner als 0,5 ist, dann ist der Einfluss des Positivelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 größer als jener des Negativelektrodenpotentials.
Während der vorstehende Ausdruck (5) das Änderungsausmaß des Negativelektrodenpotentials relativ zu dem Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 wiedergibt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Insbesondere ist es möglich, einen Ausdruck zu verwenden, der das Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials relativ zu dem Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 wiedergibt. In diesem Fall kann das Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials, das in dem vorstehenden Ausdruck (3) gezeigt ist, als der Nenner der rechten Seite des vorstehenden Ausdrucks (5) anstelle des Änderungsausmaßes des Negativelektrodenpotentials verwendet werden, das in dem vorstehenden Ausdruck (4) gezeigt ist.
Wenn ein Anteil, der das Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials relativ zu dem Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 wiedergibt, größer als 0,5 ist, dann ist der Einfluss des Positivelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 größer als jener des Negativelektrodenpotentials. Wenn der Anteil, der das Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials relativ zu dem Änderungsausmaß der Spannung der Sekundärbatterie 1 wiedergibt, kleiner als 0,5 ist, dann ist der Einfluss des Negativelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 größer als jener des Positivelektrodenpotentials.
Das in 7 gezeigte Verhältnis zwischen dem Negativelektrodenpotential und der Kapazität hängt von dem Material, das die Negativelektrodenplatte 142 (insbesondere die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b) bildet, und einer irreversiblen Kapazität der Sekundärbatterie 1 ab. Daher hängen die Einflüsse des Positivelektrodenpotentials und des Negativelektrodenpotentials auf die Spannung der Sekundärbatterie 1 von dem Material der Negativelektrodenplatte 142 und der irreversiblen Kapazität ab.
Die irreversible Kapazität bezieht sich auf die Differenz zwischen einer Kapazität, wenn die Sekundärbatterie 1 zum ersten Mal geladen wird, und einer Kapazität, wenn die Sekundärbatterie 1 später entladen wird. Bei dem ersten Laden der Sekundärbatterie 1 kann eine vorteilhafte SEI (Solid Electrolyte Interface, Festelektrolytschnittstelle) auf der Oberfläche der Elektrode gebildet werden, oder ein Teil des Reaktionsmaterials (Lithium bei der Lithiumionenbatterie) kann in eine Fläche eingefügt werden, die nicht zu der Lade- und Entladereaktion beitragen kann. Da diese Phänomene irreversible Reaktionen sind, ist die Kapazität, wenn die Sekundärbatterie 1 zum ersten Mal geladen wird, unterschiedlich von der Kapazität, wenn die Sekundärbatterie 1 später entladen wird. Unter der Annahme, dass die irreversible Reaktion nicht auftritt, sind die Ladekapazität und die Entladekapazität einander gleich.
8 zeigt das Verhältnis (mittels Beispiel) zwischen dem Leerlaufpotential (open circuit potential) der Negativelektrode und der Kapazität, wenn irgendeins aus amorphem Kohlenstoff und Graphit als das Material der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b (Negativelektrodenaktivmaterial) verwendet wird. Wie in 8 gezeigt, wurden unterschiedliche Zusammenhänge zwischen dem Leerlaufpotential der Negativelektrode und der Kapazität bei amorphem Kohlenstoff und Graphit herausgefunden.
9 zeigt das Verhältnis zwischen dem Leerlaufpotential der Negativelektrode und der Kapazität für verschiedene irreversible Kapazitäten. In 9 ist Graphit als die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 142b (Negativelektrodenaktivmaterial) verwendet. Wie in 9 gezeigt ist das Leerlaufpotential der Negativelektrode in Richtung einer höheren Kapazität (in Richtung der rechten Seite in 9) verschoben, wenn die irreversible Kapazität größer ist.
Wie in 10 gezeigt, ändert sich in der Sekundärbatterie 1, bei der die Widerstandsänderungsrate dR verringert ist, das Verringerungsausmaß der Widerstandsänderungsrate dR mit dem Stromwert der Sekundärbatterie 1. Wenn der Stromwert höher ist, ist das Verringerungsausmaß der Widerstandsänderungsrate dR größer. 10 zeigt das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderungsrate dR und dem Stromwert, wenn die Abnutzungsverschlechterung in dem Bereich mit niedrigem SOC auftritt. Wie in 10 gezeigt, haben, da die Widerstandsänderungsrate dR kleiner ist, wenn der Stromwert größer ist, der Stromwert und die Widerstandsänderungsrate dR eine negative Korrelation (entsprechend einer ersten Korrelation). Während 10 das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR mittels einer linearen Funktion zeigt, kann es auch mittels einer quadratischen Funktion oder dergleichen dargestellt sein.
Da die Abnutzungsverschlechterung fortgeschritten ist, ist die gerade Linie, die das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR darstellt, in eine durch einen Pfeil D1 in 10 angedeutete Richtung verschoben. Eine in 10 gezeigte gestrichelte Linie stellt das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR dar, wenn die Abnutzungsverschlechterung das obere Limit des Bereichs erreicht, in dem die Verschlechterung erlaubt ist. Wenn die Abnutzungsverschlechterung weiter fortgeschritten ist, ist die gerade Linie, die das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR wiedergibt, nur in die Richtung verschoben, in der die Widerstandsänderungsrate dR erhöht ist. Die Neigung der geraden Linie, die das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR wiedergibt, bleibt die gleiche unabhängig von dem Grad des Fortschreitens der Abnutzungsverschlechterung.
Wenn die starke Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) in dem Bereich mit niedrigem SOC auftritt, ist die Widerstandsänderungsrate dR höher, wenn der Stromwert größer ist, wie in 11 gezeigt. In 11 steht die horizontale Achse für den Stromwert, die in Richtung der rechten Seite in 11 größer ist. In 11 steht die vertikale Achse für die Widerstandsänderungsrate dR, die in Richtung der Oberseite in 11 größer wird. Wie in 11 erkennbar ist, haben, wenn die starke Verschlechterung auftritt, der Stromwert und die Widerstandsänderungsrate dR eine positive Korrelation (entsprechend einer zweiten Korrelation). Während 11 das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR mittels einer linearen Funktion zeigt, kann es auch mittels einer quadratischen Funktion oder dergleichen dargestellt sein.
Da die starke Verschlechterung leicht fortschreitet, wenn der Stromwert höher ist, ist die Neigung der geraden Linie, die das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR wiedergibt, erhöht, wie durch einen Pfeil D2 in 11 gezeigt, wenn die starke Verschlechterung fortgeschritten ist. Die starke Verschlechterung, die durch eine gestrichelte Linie in 11 angedeutet ist, ist fortgeschrittener als die starke Verschlechterung, die in 11 durch eine durchgezogene Line angedeutet ist. Die in 11 gezeigte gestrichelte Linie steht für das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR, wenn die starke Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) das obere Limit des Bereichs erreicht, in dem die starke Verschlechterung erlaubt ist.
Wie vorstehend beschrieben haben der Stromwert und die Widerstandsänderungsrate dR die negative Korrelation, wenn die Abnutzungsverschlechterung in dem Bereich mit niedrigem SOC auftritt, und haben der Stromwert und die Widerstandsänderungsrate dR die positive Korrelation, wenn die starke Verschlechterung auftritt. Diese Korrelationen können überwacht werden, um zu bestimmen, ob die starke Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) auftritt oder nicht.
Da die starke Verschlechterung aufgrund einer unausgeglichenen Salzkonzentration auftritt, kann die stakte Verschlechterung leicht beseitigt werden durch Entfernen der unausgeglichenen Salzkonzentration. Ein Beispiel einer Verarbeitung für ein Unterdrücken der starken Verschlechterung (Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung) wird nachstehend beschrieben. Die Unterdrückung der starken Verschlechterung kann die Eingangs-/Ausgangscharakteristiken der Sekundärbatterie 1 aufrechterhalten oder kann die Lebensdauer der Sekundärbatterie 1 verlängern. Es sollte bemerkt werden, dass die Abnutzungsverschlechterung die Abnutzung des Materials einbezieht, das die Sekundärbatterie 1 bildet, so dass die Abnutzungsverschlechterung nicht beseitigt werden kann.
Bei einer ersten Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung kann, wenn die unausgeglichene Salzkonzentration aufgrund einer Entladung der Sekundärbatterie 1 auftritt, die unausgeglichene Salzkonzentration durch Laden der Sekundärbatterie 1 beseitigt werden. Andererseits kann, wenn die unausgeglichene Salzkonzentration aufgrund eines Ladens der Sekundärbatterie 1 auftritt, die unausgeglichene Salzkonzentration durch Entladen der Sekundärbatterie 1 beseitigt werden.
Ob die Salzkonzentrationsverteilung aufgrund des Entladens der Sekundärbatterie 1 oder des Ladens der Sekundärbatterie 1 auftritt kann aus dem Verlauf (history) von Stromwerten bestimmt werden, die erlangt werden, wenn die Sekundärbatterie 1 geladen und entladen wird. Beispielsweise kann, wenn der kumulierte Wert von Entladeströmen größer als der kumulierte Wert von Ladeströmen ist, bestimmt werden, dass die Salzkonzentrationsverteilung aufgrund des Entladens auftritt. Andererseits kann, wenn der kumulierte Wert der Ladeströme größer als der kumulierte Wert der Entladeströme ist, bestimmt werden, dass die Salzkonzentrationsverteilung aufgrund des Ladens auftritt.
Bei einer zweiten Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung können die Eingabe/Ausgabe (Laden/Entladen) der Sekundärbatterie 1 begrenzt werden, um das Fortschreiten der Unausgeglichenheit der Salzkonzentration zu unterdrücken. Zur Steuerung des Entladens der Sekundärbatterie 1 wird die mit dem Entladen verbundene Obergrenzelektroleistung (obere Grenze elektrischer Leistung) eingestellt, um das Entladen der Sekundärbatterie 1 derart zu steuern, dass die elektrische Entladeleistung der Sekundärbatterie 1 die Obergrenzelektroleistung nicht überschreitet. Zur Steuerung des Ladens der Sekundärbatterie 1 wird die mit dem Laden verbundene Obergrenzelektroleistung eingestellt, um das Laden der Sekundärbatterie 1 derart zu steuern, dass die elektrische Ladeleistung der Sekundärbatterie 1 die Obergrenzelektroleistung nicht überschreitet.
Zum Begrenzen der Ausgabe (Entladen) der Sekundärbatterie 1 kann die mit dem Entladen verbundene Obergrenzelektroleistung verringert werden. Zum Begrenzen der Eingabe (Laden) der Sekundärbatterie 1 kann die mit dem Laden verbundene Obergrenzelektroleistung verringert werden. Die verringerte Obergrenzelektroleistung kann den Wert des Stroms begrenzen, der durch die Sekundärbatterie 1 hindurch geht, um das Fortschreiten der starken Verschlechterung zu unterdrücken.
Bei einer dritten Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung kann die Entladezeit oder die Ladezeit der Sekundärbatterie 1 verkürzt werden, um das Fortschreiten der Unausgeglichenheit der Salzkonzentration zu unterdrücken. Wenn die Sekundärbatterie 1 kontinuierlich entladen oder kontinuierlich geladen wird, schreitet die Unausgeglichenheit der Salzkonzentration fort. Daher können die Entladezeit und die Ladezeit verkürzt werden, um das Fortschreiten der Unausgeglichenheit der Salzkonzentration zu unterdrücken.
Bei einer vierten Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung kann die Sekundärbatterie 1 geheizt werden, um die starke Verschlechterung zu unterdrücken. Da der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 höher ist, wenn die Temperatur niedriger ist, kann die Sekundärbatterie 1 geheizt werden, um eine Erhöhung eines Innenwiderstands der Sekundärbatterie 1 zu unterdrücken. Es kann auf diese Weise verhindert werden, dass der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 einfach erhöht wird, um die starke Verschlechterung zu unterdrücken.
Als nächstes wird ein Verfahren eines Bestimmens der starken Verschlechterung beschrieben. Zuerst wird die Konfiguration eines Systems zur Bestimmung der starken Verschlechterung unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Ein in 12 gezeigtes Batteriesystem kann bei bzw. in einem Fahrzeug verwendet werden.
Eine zusammengesetzte Batterie 200 umfasst eine Vielzahl von Sekundärbatterien (Zellen) 1, die in Reihe verbunden sind. Die zusammengesetzte Batterie 200 ist mit einem Hochsetzschaltkreis 220 mittels Systemhauptrelais 211 und 212 verbunden. Der Hochsetzschaltkreis 220 (stepup circuit) erhöht eine Ausgangsspannung der zusammengesetzten Batterie 200. Der Hochsetzschaltkreis 220 ist mit einem Umrichter bzw. Wechselrichter 230 verbunden, der eine DC-Leistung (Gleichstromleistung bzw. Gleichspannung) von dem Hochsetzschaltkreis 220 in eine AC-Leistung (Wechselstromleistung bzw. Wechselspannung) umwandelt. Während der Hochsetzschaltkreis 220 bei dem Batteriesystem der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann der Hochsetzschaltkreis 220 auch weggelassen sein.
Ein Motorgenerator 240 empfängt die AC-Leistung von dem Wechselrichter 230, um kinetische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs zu erzeugen. Die durch den Motorgenerator 240 erzeugte kinetische Energie wird auf Räder übertragen. Ein Dreiphasen-AC-Motor (Dreiphasenwechselstrommotor) kann als der Motorgenerator 240 verwendet werden.
Für ein Verzögern oder Anhalten des Fahrzeugs wandelt der Motorgenerator 240 kinetische Energie, die bei einem Bremsen des Fahrzeugs erzeugt wird, in eine elektrische Energie (AC-Leistung) um. Die durch den Motorgenerator 240 erzeugte AC-Leistung wird durch den Wechselrichter bzw. Umrichter 230 in eine DC-Leistung umgewandelt. Der Hochsetzschaltkreis 220 verringert die Ausgangsspannung des Wechselrichters 230 und führt die elektrische Leistung nach einer Verringerung der Spannung der zusammengesetzten Batterie 200 zu. Daher kann die regenerative Leistung in der zusammengesetzten Batterie 200 gespeichert werden.
Ein Stromsensor 250 erfasst einen Strom, der durch die zusammengesetzte Batterie 200 hindurch fließt, und gibt das Erfassungsergebnis an eine Steuereinrichtung 270 aus. Für den durch den Stromsensor 250 erfassten Stromwert kann ein positiver Wert für einen Entladestrom verwendet werden und ein negativer Wert für einen Ladestrom verwendet werden. Eine Überwachungseinheit 260 erfasst die Spannung der Sekundärbatterie 1 und gibt das Erfassungsergebnis an die Steuereinrichtung 270 aus.
Die Überwachungseinheit 260 kann verwendet werden, um die Spannung der zusammengesetzten Batterie 200 zu erfassen. Wenn die Vielzahl von Sekundärbatterien 1, die die zusammengesetzte Batterie 200 bilden, in eine Vielzahl von Blöcken unterteilt wird, kann die Spannung von jedem der Blöcke unter Verwendung der Überwachungseinheit 260 erfasst werden. Jeder Block enthält zumindest zwei Sekundärbatterien 1.
Die Steuereinrichtung 270 steuert die Betriebe der Systemhauptrelais 211 und 212, des Hochsetzschaltkreises 220, und des Wechselrichters 230. Die Steuereinrichtung weist einen Speicher 271 auf. Der Speicher 271 hat darin ein Programm für einen Betrieb der Steuereinrichtung 270 und verschiedene Arten von Informationen gespeichert. Während in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuereinrichtung 270 den Speicher 271 aufweist, kann der Speicher 271 auch außerhalb der Steuereinrichtung 270 vorgesehen sein.
Wenn ein Zündschalter des Fahrzeugs von AUS nach EIN geschaltet wird, schaltet die Steuereinrichtung 270 die Systemhauptrelais 211 und 212 von AUS nach EIN und betreibt (bzw. steuert) den Hochsetzschaltkreis 220 und den Wechselrichter 230. Wenn der Zündschalter von EIN nach AUS geschaltet wird, schaltet die Steuereinrichtung 270 die Systemhauptrelais 211 und 212 von EIN nach AUS und hält die Betriebe des Hochsetzschaltkreises 220 und des Wechselrichters 230 an.
Als nächstes wird die Verarbeitung eines Bestimmens der starken Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) unter Bezugnahme auf ein in 13 gezeigtes Flussdiagramm beschrieben. Die in 13 gezeigte Verarbeitung wird durch die Steuereinrichtung 270 durchgeführt.
In Schritt S101 berechnet die Steuereinrichtung 270 den Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1. Bei der Berechnung des Innenwiderstands der Sekundärbatterie 1 wird der SOC der Sekundärbatterie 1 auf den von dem Bereich mit hohem SOC umfassten SOC eingestellt. Der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 kann aus dem Spannungswert und dem Stromwert der Sekundärbatterie 1 berechnet werden. Die Steuereinrichtung 270 kann den Spannungswert der Sekundärbatterie 1 basierend auf der Ausgabe der Überwachungseinheit 260 erlangen. Die Steuereinrichtung 270 kann den Stromwert der Sekundärbatterie 1 basierend auf der Ausgabe des Stromsensors 250 erlangen.
In Schritt S102 berechnet die Steuereinrichtung 270 die Widerstandsänderungsrate dRc aus dem in Schritt S101 berechneten Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1. Der Innenwiderstand Rini der Sekundärbatterie 1 in dem Anfangszustand kann vorab durch Experimentieren oder dergleichen bestimmt und in den Speicher 271 gespeichert werden. Die Steuereinrichtung 270 kann den aus dem Speicher 271 gelesenen Innenwiderstand Rini und den in Schritt S101 berechneten Innenwiderstand Rc in den obigen Ausdruck (1) einsetzen, um die Widerstandsänderungsrate dRc zu berechnen.
Der Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 kann sich mit der Temperatur der Sekundärbatterie 1 ändern. Wenn Information, die den Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand Rini und der Temperatur andeutet, vorab bestimmt ist, kann die Temperatur der Sekundärbatterie 1 erlangt werden, um den mit dieser Temperatur verbundenen Innenwiderstand Rini festzulegen. Die Temperatur der Sekundärbatterie 1 kann mittels eines Temperatursensors erlangt werden. Die Information, die den Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand Rini und der Temperatur andeutet, kann in dem Speicher 271 gespeichert werden. Die Information, die den Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand Rini und der Temperatur andeutet, kann als ein Kennfeld oder eine Funktion wiedergegeben sein.
In Schritt S103 bestimmt die Steuereinrichtung 270, ob die in Schritt S102 berechnete Widerstandsänderungsrate dRc größer als 1 ist oder nicht. Die in Schritt S102 berechnete Widerstandsänderungsrate dRc ist die Widerstandsänderungsrate dRc, die erlangt wird, wenn der SOC der Sekundärbatterie 1 von dem Bereich mit hohem SOC umfasst ist. Daher ist die Widerstandsänderungsrate dRc größer als 1, wenn die Sekundärbatterie 1 verschlechtert ist. Aus diesem Grund kann bestimmt werden, ob die Sekundärbatterie 1 verschlechtert ist oder nicht durch Bestimmen, ob die Widerstandsänderungsrate dRc größer als 1 ist oder nicht.
Wenn die Widerstandsänderungsrate dRc größer als 1 ist, bestimmt die Steuereinrichtung 270, dass die Sekundärbatterie 1 verschlechtert ist, und führt eine Verarbeitung in Schritt S104 durch. Andererseits bestimmt, wenn die Widerstandsänderungsrate dRc gleich oder kleiner als 1 ist, die Steuereinrichtung 270, dass die Sekundärbatterie 1 nicht verschlechtert ist und beendet die in 13 gezeigte Verarbeitung. Wenn die Widerstandsänderungsrate dRc sich dem Obergrenzwert nähert, kann die Eingabe/Ausgabe der Sekundärbatterie 1 begrenzt werden, um die Erhöhung der Widerstandsänderungsrate dRc zu unterdrücken. Der Obergrenzwert kann vorab basierend auf der Eingabe-/Ausgabeleistungsfähigkeit der Sekundärbatterie 1 oder dergleichen festgelegt werden.
In Schritt S104 legt die Steuereinrichtung 270 ein Verhältnis Ac zwischen der Widerstandsänderungsrate dR der Sekundärbatterie 1 und dem Stromwert in dem Zustand, in dem der SOC der Sekundärbatterie 1 von dem Bereich mit niedrigem SOC umfasst ist, fest.
Insbesondere entlädt die Steuereinrichtung 270 zuerst die Sekundärbatterie 1 derart, dass der SOC der Sekundärbatterie 1 von dem Bereich mit niedrigem SOC umfasst ist. Das Entladen der Sekundärbatterie 1 kann den SOC der Sekundärbatterie 1 verringern, so dass der SOC der Sekundärbatterie 1 von dem Bereich mit niedrigem SOC umfasst ist. Wenn der SOC der Sekundärbatterie 1 bereits von dem Bereich mit niedrigem SOC umfasst ist, wird das Entladen der Sekundärbatterie 1 nicht benötigt.
Als nächstes ändert sie Steuereinrichtung 270 den Stromwert der Sekundärbatterie 1 und berechnet die Widerstandsänderungsrate dR für jeden Stromwert. Insbesondere berechnet die Steuereinrichtung 270den Innenwiderstand der Sekundärbatterie 1 für jeden Stromwert und berechnet die Widerstandsänderungsrate dR basierend auf dem berechneten Innenwiderstand und dem Innenwiderstand Rini in dem Anfangszustand. Der erlangte Stromwert und die erlangte Widerstandsänderungsrate dR können in einem in 14 gezeigten Koordinatensystem eingezeichnet werden, um das Verhältnis (gerade Linie) Ac zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR bereitzustellen.
14 Zeigt den Zustand, bei dem die Abnutzungsverschlechterung und die starke Verschlechterung in der Sekundärbatterie 1 auftreten, und das Verhältnis Ac zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR eine positive Korrelation aufweisen. Wenn die starke Verschlechterung nicht auftritt, weist das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR eine negative Korrelation auf.
In Schritt S105 bestimmt die Steuereinrichtung 270, ob die Bedingung in dem folgenden Ausdruck (6) erfüllt ist oder nicht. $A r g (A c, A m) \geq A r g_lim$
In vorstehendem Ausdruck (6) steht Am für die gerade Linie, die das Verhältnis zwischen dem Stromwert und der Widerstandsänderungsrate dR andeutet, wenn lediglich die Abnutzungsverschlechterung auftritt. Am kann vorab durch Experimentieren oder dergleichen bestimmt werden. Beispielsweise kann, da die Abnutzungsverschlechterung mit Verstreichen von Zeit fortgeschritten ist, der Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und Am vorab bestimmt werden, so dass das Festlegen der verstrichenen Zeit Am festlegen kann. Zudem können die Temperatur und der SOC der Sekundärbatterie 1 vorab berücksichtigt werden, um Am festzulegen. Informationen, die den Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und Am andeuten, können vorab in dem Speicher 271 gespeichert werden. Der Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und Am kann als ein Kennfeld oder eine Funktion wiedergegeben werden.
Bei vorstehendem Ausdruck (6) steht Arg(Ac,Am) für ein Argument von Ac bezüglich Am. Arg_lim steht für einen Wert, der mit Arg(Ac,Am) verbunden ist, und ist der Obergrenzwert des Bereichs, in dem Arg(Ac,Am) erlaubt ist. Arg(Ac,Am) ist der Wert, der die starke Verschlechterung festlegt. Wie vorstehend beschrieben, erhöht, da der Stromwert und die Widerstandsänderungsrate dR die positive Korrelation aufweisen, wenn die starke Verschlechterung auftritt, das Auftreten der starken Verschlechterung das Argument Arg(Ac,Am) auf größer als 0.
Das Argument Arg(Ac,Am) größer als 0 kann verwendet werden, um zu bestimmen, dass die starke Verschlechterung auftritt. Mit anderen Worten kann das Auftreten der starken Verschlechterung bestimmt werden durch Überprüfen, dass Ac von Am abgewichen ist.
Fehler von Ac und Am können in Betracht gezogen werden, um die Bedingung für ein Bestimmen einzustellen, dass die starke Verschlechterung auftritt. Insbesondere kann das Auftreten der starken Verschlechterung bestimmt werden, wenn das Argument Arg(Ac,Am) gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist. Der vorbestimmte Wert ist ein Wert größer als 0 und kann vorab mit Blick auf die Fehler von Ac und Am eingestellt werden.
Arg_lim ist der Obergrenzwert, bis zu dem die starke Verschlechterung erlaubt ist, und kann geeignet eingestellt werden durch Berücksichtigen der Eigenschaften der Sekundärbatterie 1 und dergleichen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Bereich, in dem die starke Verschlechterung erlaubt ist, eingestellt, und Arg_lim ist ein Wert größer als 0. Informationen bezüglich Arg_lim können in dem Speicher 271 gespeichert werden. Zur Verhinderung, dass die starke Verschlechterung auftritt, kann Arg_lim auf 0 oder einen Wert, der durch Berücksichtigen der Fehler von Ac und Am bestimmt wird, eingestellt werden.
Wenn Arg(Ac,Am) gleich oder größer als Arg_lim ist, bestimmt die Steuereinrichtung 270, dass die starke Verschlechterung unterdrückt werden muss, und führt eine Verarbeitung in Schritt S106 durch. 14 zeigt den Zustand, bei dem Arg(Ac,Am) größer als Arg_lim ist. Andererseits bestimmt die Steuereinrichtung 270, wenn Arg(Ac,Am) kleiner als Arg_lim ist, dass die Unterdrückung der starken Verschlechterung nicht benötigt wird, und beendet die in 13 gezeigte Verarbeitung.
In Schritt S106 führt die Steuereinrichtung 270 die Verarbeitung des Unterdrückens der starken Verschlechterung durch. Beispielsweise kann die vorstehend beschriebene Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung als die Verarbeitung eines Unterdrückens der starken Verschlechterung durchgeführt werden. Wenn die Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung die starke Verschlechterung in Richtung deren Beseitigung ändert, wird Arg(Ac,Am) verringert.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben, wird die Neigung der Widerstandsänderungsrate dR relativ zu dem Stromwert erhöht, wenn die starke Verschlechterung weiter fortgeschritten ist. Daher kann der Fortschrittzustand der starken Verschlechterung aus der Neigung der Widerstandsänderungsrate dR relativ zu dem Stromwert festgelegt werden. Bei einem Durchführen der Verarbeitung eines Unterdrückens der starken Verschlechterung kann der Betrieb der Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung mit Blick auf den Fortschrittzustand der starken Verschlechterung geändert werden. Beispielsweise kann bei einem Ändern der bei einer Lade- und Entladesteuerung der Sekundärbatterie 1 verwendeten Obergrenzelektroleistung die Obergrenzleistung verringert werden, wenn die starke Verschlechterung (Verschlechterung hoher Rate) weiter fortgeschritten ist.
Die Verarbeitung eines Unterdrückens der starken Verschlechterung kann begonnen werden, wenn sich Arg(Ac,Am) Arg_lim nähert. Insbesondere kann, wenn sich Arg(Ac,Am) Arg_lim nähert, der Betrieb der Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung schrittweise geändert werden. Beispielsweise kann bei einem Ändern der bei einer Lade- und Entladesteuerung der Sekundärbatterie 1 verwendeten Obergrenzelektroleistung die Obergrenzelektroleistung verringert werden, wenn Arg(Ac,Am) näher bei Arg_lim ist.
Die Bedingung, bei der die Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung begonnen wird, kann geeignet eingestellt werden. Beispielsweise kann die Verschlechterungsunterdrückungsverarbeitung begonnen werden, wenn Arg(Ac,Am) Arg_s erreicht. Arg_s ist ein Wert kleiner als Arg_lim, und kann ein Wert sein, der in dem Bereich von dem durch Multiplizieren von Arg_lim mit 0,5 berechneten Wert bis Arg_lim eingeschlossen ist.

Claims

Batteriesystem, mit einer Sekundärbatterie (1) mit einer Batteriespannung, wobei ein Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential hat, und einer Steuereinrichtung (270), die ein Verhältnis (Ac) zwischen einer Widerstandsänderungsrate (dR) und einem Stromwert in der Sekundärbatterie (1) erlangt, wenn ein Ladungszustand (SOC) der Sekundärbatterie (1) in einem Bereich kleiner als 50% ist, und einen Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie (1) basierend auf dem erlangten Verhältnis (Ac) bestimmt, wobei die Steuereinrichtung (270) den Verschlechterungszustand der Sekundärbatterie (1) bestimmt unter Verwendung einer ersten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) verringert ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund von Abnutzung der Sekundärbatterie (1) auftritt, und einer zweiten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) erhöht ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung innerhalb der Sekundärbatterie (1) auftritt.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (270) bestimmt, dass die Verschlechterung aufgrund der Salzkonzentrationsverteilung auftritt, wenn das erlangte Verhältnis (Ac) von einem aus der ersten Korrelation festgelegten Verhältnis (Am) zwischen der Widerstandsänderungsrate (dR) und dem Stromwert abweicht.
Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (270) eine Verarbeitung einer Beseitigung der Salzkonzentrationsverteilung durchführt, wenn das erlangte Verhältnis (Ac) um ein vorbestimmtes Ausmaß oder mehr von dem aus der ersten Korrelation festgelegten Verhältnis (Am) zwischen der Widerstandsänderungsrate (dR) und dem Stromwert abweicht.
Batteriesystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung (270) eine Widerstandsänderungsrate (dR) der Sekundärbatterie (1) erlangt, wenn ein Ladungszustand (SOC) der Sekundärbatterie (1) in einem Bereich gleich wie oder größer als 50% ist, und das erlangte Verhältnis (Ac) mit dem aus der ersten Korrelation festgelegten Verhältnis (Am) zwischen der Widerstandsänderungsrate (dR) und dem Stromwert vergleicht, wenn die erlangte Widerstandsänderungsrate (dR) größer als 1 ist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sekundärbatterie (1) eine Sekundärbatterie (1) ist, bei der ein Verhältnis eines zweiten Anteils, der ein Änderungsausmaß des Positivelektrodenpotentials relativ zu einem vorbestimmten Änderungsausmaß einer Kapazität andeutet, zu einem ersten Anteil, der ein Änderungsausmaß der Batteriespannung relativ zu dem vorbestimmten Änderungsausmaß der Kapazität andeutet, größer ist als ein Verhältnis eines dritten Anteils, der ein Änderungsausmaß des Negativelektrodenpotentials relativ zu dem vorbestimmten Änderungsausmaß der Kapazität andeutet.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sekundärbatterie (1) an einem Fahrzeug angebracht ist und eine elektrische Leistung ausgibt, wobei die elektrische Leistung bereitgestellt ist, um in eine kinetische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs umgewandelt zu werden.
Verschlechterungsbestimmungsverfahren eines Bestimmens eines Verschlechterungszustands einer Sekundärbatterie (1) mit einer Batteriespannung, wobei ein Positivelektrodenpotential einen größeren Einfluss auf die Batteriespannung als ein Negativelektrodenpotential hat, mit einem Erlangen eines Verhältnisses (Ac) zwischen einer Widerstandsänderungsrate (dR) und einem Stromwert in der Sekundärbatterie (1), wenn ein Ladungszustand (SOC) der Sekundärbatterie (1) in einem Bereich kleiner als 50% ist, und einem Bestimmen eines Verschlechterungszustands der Sekundärbatterie (1) aus dem erlangten Verhältnis (Ac) unter Verwendung einer ersten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) verringert ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund einer Abnutzung der Sekundärbatterie (1) auftritt, und einer zweiten Korrelation, bei der die Widerstandsänderungsrate (dR) erhöht ist, so wie der Stromwert erhöht ist, wenn nur eine Verschlechterung aufgrund einer Salzkonzentrationsverteilung innerhalb der Sekundärbatterie (1) auftritt.