DE112015004131B4

DE112015004131B4 - Ladungszustandsschätzverfahren und Ladungszustandsschätzvorrichtung

Info

Publication number: DE112015004131B4
Application number: DE112015004131.1T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Goto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: CN106716159A; WO2016038436A1; JP6256765B2; JP2016058245A; US10677850B2; US20170261560A1; CN106716159B; DE112015004131T5

Abstract

Ein Ladungszustandsschätzverfahren enthält: Messen einer Spannung einer Lithiumionensekundärbatterie, die mit einer vorbestimmten Stromrate geladen wird, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist; Erlangen einer Erhöhungsrate der gemessenen Spannung; und Schätzen eines Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der Erhöhungsrate der gemessenen Spannung und von ersten Bezugsdaten. Die ersten Bezugsdaten sind Daten, die eine Korrelation zwischen einem Ladungszustand einer Bezugslithiumionensekundärbatterie und einer Erhöhungsrate einer Spannung der Bezugslithiumionensekundärbatterie, wenn die Bezugslithiumionensekundärbatterie mit der vorbestimmten Stromrate geladen wird, enthalten.

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Ladungszustandsschätzverfahren und eine Ladungszustandsschätzvorrichtung. In der Beschreibung meint der Ausdruck „Sekundärbatterie“ allgemein eine wiederholt ladbare Batterie. Der Ausdruck „Lithiumionensekundärbatterie“ meint eine Sekundärbatterie, bei der Lithiumionen als Elektrolytionen verwendet werden und ein Laden oder Entladen als Ergebnis einer Migration von elektrischen Ladungen mit Lithiumionen zwischen einer positive Elektrode und einer negativen Elektrode erzielt wird.
Stand der Technik
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-134962 ( JP 2013-134962 A ) beschreibt ein Verfahren zum Erfassen des Ladungszustands (SOC) einer Lithiumionensekundärbatterie. Der SOC kann als Restkapazität der Lithiumionensekundärbatterie betrachtet werden. Die JP 2013-134962 A beschreibt ein Verfahren zum Erfassen des SOC einer Lithiumionensekundärbatterie, die ein positives aktives Elektrodenmaterial enthält, bei dem ein Teil eines NiMn-Spinells durch Ti ersetzt ist. Das positive aktive Elektrodenmaterial wird durch die allgemeine Formel LiNi_0.5Mn_1.5-XTi_XO₄ (0.05 ≤ X ≤ 0.1) ausgedrückt. Die JP 2013-134962 A beschreibt ein Verfahren zum Erfassen des SOC einer Lithiumionensekundärbatterie, die das positive aktive Elektrodenmaterial, das durch die oben angegebene allgemeine Formel ausgedrückt wird, verwendet, mit dem Fokus auf den Punkt, dass ein stufenweises SOC-Kennlinienfeld erhalten wird. Das stufenweise Kennlinienfeld weist mehrere Abschnitte auf, in denen jeweils eine Spannung für einen SOC konstant ist. In der JP 2013-134962 A wird der SOC der Lithiumionensekundärbatterie anhand einer erfassten Spannung durch Bezugnahme auf das SOC-Kennlinienfeld erfasst.
Als weiterer Stand der Technik wird auf die US 2014/0 266 060 A1 und DE 10 2014 206 112 A1 verwiesen.
Wenn der SOC der Lithiumionensekundärbatterie hoch ist, kann die Größe einer Änderung einer Leerlaufspannung (OCV) für die Größe einer Änderung eines SOC eine Verringerungstendenz aufweisen. Die Korrelation zwischen der OCV und dem SOC kann als OCV-SOC-Kennlinie bezeichnet werden. In einer derartigen Lithiumionensekundärbatterie ist es schwierig, den SOC anhand der Leerlaufspannung (OCV) zu schätzen.
Als weiterer Stand der Technik wird auf die US 2014/0 266 060 A1 und DE 10 2014 206 112 A1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft ein Ladungszustandsschätzverfahren und eine Ladungszustandsschätzvorrichtung.
Ein Ladungszustandsschätzverfahren gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält: Messen einer Spannung einer Lithiumionensekundärbatterie, die mit einer vorbestimmten Stromrate geladen wird, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist; Erlangen einer Erhöhungsrate der gemessenen Spannung; und Schätzen eines Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der Erhöhungsrate der gemessenen Spannung und von ersten Bezugsdaten. Die ersten Bezugsdaten sind Daten, die eine Korrelation zwischen einem Ladungszustand einer Bezugslithiumionensekundärbatterie und einer Erhöhungsrate einer Spannung der Bezugslithiumionensekundärbatterie enthalten, wenn die Bezugslithiumionensekundärbatterie mit der vorbestimmten Stromrate geladen wird.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Stromrate eine Stromrate sein, die gleich oder größer als 20 C ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können die ersten Bezugsdaten Bezugsdatenteile enthalten, die jeweils unterschiedlichen Stromraten entsprechen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können die ersten Bezugsdaten Bezugsdatenteile enthalten, die jeweils unterschiedlichen Temperaturen der Bezugslithiumionensekundärbatterie entsprechen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ersten Bezugsdaten und der Erhöhungsrate der Spannung der Lithiumionensekundärbatterie nach einer vorbestimmten Zeit seit einem Start des Ladens der Lithiumionensekundärbatterie geschätzt werden.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Zeit einer Zeit entsprechen, die es dauert, bis die Erhöhungsrate sich auf einen vorbestimmten Wert oder kleiner verringert.
In der obigen Konfiguration kann die vorbestimmte Zeit einer Zeit entsprechen, die es dauert, bis eine Migrationsreaktion elektrischer Ladungen auf einer Oberfläche jedes Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials in der Lithiumionensekundärbatterie beendet ist.
In der obigen Konfiguration kann die vorbestimmte Zeit gleich oder länger als 0,01 Sekunden und gleich oder kürzer als 0,2 Sekunden seit dem Start des Ladens sein.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann ein positives aktives Elektrodenmaterial der Lithiumionensekundärbatterie aus Teilchen eines aktiven Materials ausgebildet sein, die jeweils eine Spinellstruktur oder eine Olivinstruktur aufweisen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Lithiumionensekundärbatterie, deren Ladungszustand geschätzt wird, eine Konfiguration aufweisen, die gleich einer Konfiguration der Bezugslithiumionensekundärbatterie ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann ein zuvor erlangter Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage eines Bezugsladungszustands in den ersten Bezugsdaten korrigiert werden, wobei der Bezugsladungszustand der Erhöhungsrate der gemessenen Spannung entspricht.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Stromrate eine Stromrate sein, bei der sich Li auf einer Oberfläche eines Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials in der Lithiumionensekundärbatterie verringert.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann, wenn eine Leerlaufspannung der Lithiumionensekundärbatterie niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert der Leerlaufspannung ist, der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der Leerlaufspannung auf der Grundlage von zweiten Bezugsdaten geschätzt werden, die eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand der Bezugslithiumionensekundärbatterie angibt. Wenn die Leerlaufspannung der Lithiumionensekundärbatterie gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert der Leerlaufspannung ist, kann der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ersten Bezugsdaten geschätzt werden.
Eine Ladungszustandsschätzvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält: eine Ladungsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Lithiumionensekundärbatterie zu laden; ein Amperemeter, das ausgelegt ist, einen Ladungsstrom der Ladungsvorrichtung zu messen; ein Voltmeter, das ausgelegt ist, eine Spannung der Lithiumionensekundärbatterie zu messen; eine erste Speichereinheit, die ausgelegt ist, eine Änderung der gemessenen Spannung zu speichern; eine zweite Speichereinheit, in der erste Bezugsdaten gespeichert werden; und eine Schätzeinheit, die ausgelegt ist, einen Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie zu schätzen. Die erste Speichereinheit ist ausgelegt, die Änderung der gemessenen Spannung zu speichern, wenn der gemessene Ladungsstrom eine vorbestimmte Stromrate aufweist, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist. Die ersten Bezugsdaten sind Daten, die für jeden Ladungszustand beim Start eines Ladens eine Korrelation zwischen der vorbestimmten Stromrate und einer entsprechenden Spannungsänderung einer Bezugslithiumionensekundärbatterie von dem Start des Ladens an angeben, wenn die Bezugslithiumionensekundärbatterie mit der vorbestimmten Stromrate geladen wird. Die Schätzeinheit ist ausgelegt, den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der ersten Bezugsdaten auf der Grundlage der Änderung der gemessenen Spannung zu schätzen, wobei die Änderung in der ersten Speichereinheit gespeichert ist bzw. wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung können mehrere erste Bezugsdatenteile, die jeweils unterschiedlichen Stromraten entsprechen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind, in der zweiten Speichereinheit gespeichert werden. Die Schätzeinheit kann ausgelegt sein, eines der ersten Bezugsdatenteile, die in der zweiten Speichereinheit gespeichert sind, entsprechend einer Reaktion auf die Stromrate, bei der die erste Speichereinheit die Änderung der gemessenen Spannung speichert, auszuwählen. Die Schätzeinheit kann ausgelegt sein, den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage des ausgewählten ersten Bezugsdatenteils zu schätzen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung können außerdem zweite Bezugsdaten, die eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand der Bezugslithiumionensekundärbatterie angeben, in der zweiten Speichereinheit gespeichert werden. Die Schätzeinheit kann ausgelegt sein, die zweiten Bezugsdaten auszuwählen und den Ladungszustand anhand einer Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter gemessen wird, zu schätzen, wenn die Leerlaufspannung niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert der Leerlaufspannung ist.
Die Ladungszustandsschätzvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann außerdem ein Thermometer enthalten, das ausgelegt ist, eine Temperatur der Lithiumionensekundärbatterie zu messen. Außerdem können mehrere dritte Bezugsdatenteile, die jeweils unterschiedlichen Temperaturen der Bezugslithiumionensekundärbatterie entsprechen, in der zweiten Speichereinheit gespeichert werden. Die Schätzeinheit kann ausgelegt sein, eines der dritten Bezugsdatenteile entsprechend der gemessenen Temperatur auszuwählen und den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ausgewählten dritten Bezugsdaten zu schätzen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:

1 eine Graphik, die die OCV-SOC-Kennlinie einer Lithiumionensekundärbatterie zeigt;
2 eine Graphik einer Überspannung, die zu dem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die Lithiumionensekundärbatterie geladen wird;
3 eine Graphik, die die Korrelation zwischen einem SOC und einer Steigung einer Spannungserhöhung zeigt;
4A zeigt einen Zustand eines NiMn-Spinells, bevor der NiMn-Spinell geladen wird;
4B zeigt einen Zustand des NiMn-Spinells unmittelbar nach dem Starten des Ladens des NiMn-Spinells;
4C zeigt einen Zustand des NiMn-Spinells, bei dem sich die Menge an Li auf der Oberfläche des Teilchens aufgrund einer Diffusion von Li nach dem Start des Ladens des NiMn-Spinells verringert hat;
5 zeigt ein Beispiel von Bezugsdatenteilen bei unterschiedlichen Stromraten während des Ladens;
6 zeigt die Korrelation zwischen einer Batteriekapazität (SOC) und einem positiven Elektrodenpotential, einem negativen Elektrodenpotential oder einer Batteriespannung (OCV) in der Lithiumionensekundärbatterie;
7 zeigt die Korrelation zwischen einer Batteriekapazität (SOC) und einem positiven Elektrodenpotential, einem negativen Elektrodenpotential oder einer Batteriespannung (OCV) in dem Fall, in dem die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie, die in 6 gezeigt ist, sich um 20% verschlechtert hat;
8 ist eine schematische Ansicht, die eine Ladungszustandsschätzvorrichtung für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
9 ist ein Flussdiagramm, das den Verarbeitungsfluss zeigt, bei dem ein Ladungszustand mittels der Ladungszustandsschätzvorrichtung geschätzt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Ausführungsform der Erfindung beschränkt die vorliegende Erfindung nicht besonders. Jede der Zeichnungen ist schematisch gezeichnet, und die Abmessungen (Länge, Breite, Dicke und Ähnliches) in jeder Zeichnung geben keine tatsächlichen Abmessungen wider. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen Elemente oder Abschnitte, die dieselben Funktionen aufweisen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt oder wird vereinfacht, wo es angemessen erscheint.
1 ist eine Graphik, die die OCV-SOC-Kennlinie einer Lithiumionensekundärbatterie zeigt. 1 zeigt ein typisches Beispiel der OCV-SOC-Kennlinie einer Lithiumionensekundärbatterie, die LiNi_0.5Mn_1.5O₄ für ein positives aktives Elektrodenmaterial verwendet. Ein NiMn-Spinell enthält ein positives aktives Elektrodenmaterial, das ein anderes Übergangsmetall enthält, während die Basisstruktur des NiMn-Spinells durch beispielsweise Ersetzen eines Teils von LiNi_0.5Mm_1.5O₄ durch ein anderes Übergangsmetall gehalten wird. Wie es in 1 gezeigt ist, gibt es in der Lithiumionensekundärbatterie, die ein positives aktives Elektrodenmaterial verwendet, beispielsweise LiNi_0.5Mn_1.5O₄, einen Bereich, der eine Tendenz aufweist, dass die Größe der Änderung der OCV für die Größe der Änderung des SOC klein ist, insbesondere in dem Ladungszustand, bei dem der SOC gleich oder größer als 50% ist. Wie es in 1 gezeigt ist, kann die OCV in diesem Bereich als im Wesentlichen konstant betrachtet werden. Die OCV (Spannung) der Lithiumionensekundärbatterie, die LiNi_0.5Mn_1.5O₄ verwendet, ist ab dem Ladungszustand, bei dem der SOC gleich oder größer als 50% ist, bis zu dem Zustand (der SOC beträgt beispielsweise etwa 90%) nahe bei einem Vollladungszustand (der SOC ist 100%) im Wesentlichen konstant. In einer Batterie, die eine derartige Tendenz zeigt, ist es schwierig, den SOC (Ladungszustand oder Restbatteriekapazität) anhand der OCV (Spannung) zu schätzen.
Im Folgenden wird ein Mechanismus, gemäß dem sich die Lithiumionensekundärbatterie bei einem hohen Potential verschlechtert, beschrieben. Die OCV (Spannung) der Lithiumionensekundärbatterie, die LiNi_0.5Mn_1.5O₄ verwendet, ist ab dem Ladungszustand, bei dem der SOC gleich oder größer als 50% ist, bis zu dem Zustand (der SOC beträgt beispielsweise etwa 90%) nahe bei dem Vollladungszustand (der SOC ist 100%) im Wesentlichen konstant. Wenn die Lithiumionensekundärbatterie von dem Zustand, bei dem der SOC etwa 90% beträgt, weiter geladen wird, erhöht sich die Spannung steil. In einem Überladungszustand, kann ein Übergangsmetall (beispielsweise Mn), das in LiNi_0.5Mn_1.5O₄ enthalten ist, an einer positiven Elektrode eluieren und kann an einer negativen Elektrode ausfällen. Mn, das sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode niedergeschlagen hat, fängt Li ein und fixiert Li auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Da das Li, das auf der Oberfläche der negativen Elektrode fixiert wird, nicht zu der Batteriereaktion der Lithiumionensekundärbatterie beiträgt, verschlechtert sich die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie oder es erhöht sich der Innenwiderstand der Lithiumionensekundärbatterie. Als Ergebnis verschlechtert sich die Batteriekennlinie bzw. -eigenschaft der Lithiumionensekundärbatterie.
Um die Verschlechterung der Lithiumionensekundärbatterie zu vermeiden, ist es wünschenswert, den SOC in einem Zustand eines hohen SOC genau zu schätzen, ein Laden zu stoppen, bevor sich die Spannung steil erhöht, und einen Überladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie zu verhindern. Eine Verhinderung des Überladungszustands ist insbesondere für eine stabile Steuerung der Lithiumionensekundärbatterie wirksam. Die Lithiumionensekundärbatterie weist jedoch im Wesentlichen eine konstante Leerlaufspannung (OCV) ab dem Ladungszustand, bei dem der SOC gleich oder größer als 50% ist, bis etwa zu dem Zustand (der SOC beträgt beispielsweise 90%) nahe bei dem Vollladungszustand (der SOC beträgt 100%) auf. Daher ist es in dem Bereich, in dem die Leerlaufspannung (OCV) im Wesentlichen konstant ist, schwierig, den SOC anhand der Leerlaufspannung (OCV) zu schätzen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Rate der Erhöhung der Spannung entsprechend einem SOC variiert, wenn die Lithiumionensekundärbatterie, die einen NiMn-Spinell verwendet (beispielsweise LiNi_0.5Mn_1.5O₄), für das positive aktive Elektrodenmaterial mit einer relativ hohen Stromrate geladen wird.
Im Folgenden wird die Erhöhungsrate der Spannung der Lithiumionensekundärbatterie mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 ist eine Graphik der Änderung einer Spannung von einer OCV (Überspannung) zu dem Zeitpunkt, zu dem die Lithiumionensekundärbatterie geladen wird. Genauer gesagt zeigt 2 eine Graphik einer Änderung einer Spannung, die in Intervallen von 0,1 Sekunden durch Laden der Lithiumionensekundärbatterie mit einem Eingangspulsstrom mit einer Rate von 30 C gemessen wird. Die Abszisse repräsentiert eine seit dem Start des Ladens verstrichene Zeit, die Ordinate repräsentiert eine Spannungsänderung (ΔV), und die jeweiligen numerischen Werte, die den Graphen hinzugefügt sind, geben den SOC der Lithiumionensekundärbatterie beim Start des Ladens an. 2 zeigt die Korrelation zwischen einer seit dem Start des Ladens verstrichenen Zeit (Ladungszeit) und einer Spannungsänderung (ΔV), wenn jeweils der SOC 94%, 89%, 85%, 80%, 75%, 71%, 66%, 61%, 56% oder 52% beträgt.
Wie es in 2 gezeigt ist, erhöht sich die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie steil um etwa 0,3 V unmittelbar nach dem Start des Ladens, wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer hohen Stromrate, beispielsweise 30 C, geladen wird. Nachdem sich die Spannung steil erhöht hat, verringert sich die Erhöhungsrate der Spannung. Die Erhöhungsrate der Spannung ist die Rate einer Erhöhung der Spannung in Bezug auf eine Ladezeit. Die Rate der Erhöhung der Spannung entspricht der Steigung einer Erhöhung der Spannung in der Graphik, die in 2 gezeigt ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Rate der Erhöhung der Spannung entsprechend dem SOC der Lithiumionensekundärbatterie variiert. 3 ist eine Graphik, die die Korrelation zwischen einem SOC und einer Steigung einer Spannungserhöhung zeigt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass der SOC der Lithiumionensekundärbatterie anhand der Erhöhungsrate der Spannung, die in dem Fall erhalten wird, in dem die Lithiumionensekundärbatterie mit einer relativ hohen Stromrate, beispielsweise 30 C, geladen wird, geschätzt wird.
4A bis 4C zeigen schematisch einen Änderungszustand eines Primärteilchens eines NiMn-Spinells 300 (beispielsweise LiNi_0.5Mn_1.5O₄), das für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet wird. 4A zeigt einen Zustand des NiMn-Spinells 300, bevor der NiMn-Spinell 300 geladen wird. 4B zeigt einen Zustand des NiMn-Spinells 300 unmittelbar nach dem Start des Ladens des NiMn-Spinells 300. 4C zeigt einen Zustand des NiMn-Spinells 300, bei dem sich die Menge an Li auf der Oberfläche des Teilchens aufgrund einer Diffusion von Li nach dem Start des Ladens des NiMn-Spinells 300 verringert hat.
Wie es in 4A gezeigt ist, enthält der NiMn-Spinell 300 vor dem Laden eine große Menge an Li in der Nähe der Oberfläche des Teilchens oder innerhalb des Teilchens. Da das NiMn-Spinell 300 eine starke Kristallstruktur aufweist, ist es möglich, ein Laden durchzuführen, bis nahezu sämtliches Li in dem Teilchen emittiert ist. Wie es in 4B gezeigt ist, wird, wenn der NiMn-Spinell 300 mit einer relativ hohen Stromrate, beispielsweise 30 C, geladen wird, anfänglich Li in der Nähe der Oberfläche des NiMn-Spinells 300 emittiert. Wie es in 4C gezeigt ist, migriert außerdem Li innerhalb des NiMn-Spinells 300 zu der Oberfläche des NiMn-Spinells 300 und wird von der Oberfläche des Teilchens gegebenenfalls emittiert. Es ist bekannt, dass der NiMn-Spinell insbesondere eine Zweiphasen-Koexistenzreaktion in einem Bereich eines hohen SOC bereitstellt. Daher kann das Phänomen, dass sich die Spannung in dem Fall erhöht, in dem der NiMn-Spinell 300 mit einer relativ hohen Stromrate geladen wird, beispielsweise 30 C, strenggenommen als ein Phänomen betrachtet werden, das nicht von einer Diffusion von Li, sondern von einer Phasenänderung eines jeweiligen Kristalliten herrührt.
Wenn die Zustände der 4A bis 4C mit der Graphik, die in 2 gezeigt ist, verglichen werden, erhöht sich die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie steil um etwa 0,3 V unmittelbar nach dem Start des Ladens, wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer hohen Stromrate, beispielsweise 30 C, geladen wird. Dieses kann als von einer Gleichstromwiderstandskomponente oder einer elektrischen Ladungsmigrationswiderstandskomponente auf der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens abhängig und nahezu von dem SOC in dem Fall des NiMn-Spinells unabhängig betrachtet werden. Danach erhöht sich bei einem Laden mit hoher Rate eine Überspannung im Verlaufe der Zeit weiter, da beispielsweise der Grund dafür, warum die Li-Diffusionsrate innerhalb eines jeweiligen Teilchens gesteuert wird, und als Ergebnis wird die Konzentration von Li auf der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens nicht länger gehalten. Schließlich wird es in dem Zustand, in dem nahezu kein Li auf der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens vorhanden ist, wie es in 4C gezeigt ist, schwierig, Strom fließen zu lassen, sodass sich eine Spannungsänderung auf eine nahezu vertikale Steigung erhöht.
Wenn der SOC beim Start des Ladens höher wird, wird die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens verbleibt, kleiner. Wenn der SOC beim Start des Ladens höher wird, verringert sich die Konzentration an Li an der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens früher, sodass die Erhöhungsrate der Spannung zu einer Erhöhung neigt. Wenn im Gegensatz dazu der SOC beim Start des Ladens niedriger wird, wird die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens verbleibt, größer. Wenn der SOC beim Start des Ladens niedriger wird, wird die Konzentration von Li an der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens hoch gehalten, sodass die Erhöhungsrate der Spannung auf eine niedrigere Rate verringert wird. Wenn beispielsweise eine große Menge an Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens wie in dem Fall verbleibt, in dem der SOC 50% beträgt, ist die Rate der Erhöhung der Spannung sanft. Im Gegensatz dazu verringert sich die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens verbleibt, wenn sich der SOC erhöht, sodass sich die Spannung noch einfacher erhöht, und es erhöht sich die Erhöhungsrate der Spannung.
Das obige Phänomen tritt auf, wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer derart hohen Stromrate geladen wird, dass Li von der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens des NiMn-Spinells mit einer Rate emittiert wird, die höher als die Rate ist, mit der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert (die Diffusionsrate von Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials). Gemäß einem derartigen Phänomen ist es möglich, den Zustand jedes Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials (die Menge an Li, die innerhalb jedes Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt) anhand der Erhöhungsrate der Spannung zu schätzen und außerdem den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie zu schätzen. Das heißt, wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer derart hohen Stromrate geladen wird, dass die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird, ist es möglich, den SOC anhand der Erhöhungsrate der Spannung zu schätzen.
Das obige Phänomen tritt ebenfalls in dem Fall auf, in dem das positive aktive Elektrodenmaterial einen Aufbau derart aufweist, dass es möglich ist, nahezu sämtliches Li in jedem Teilchen zu dem Zeitpunkt des Ladens wie in dem Fall zu emittieren, in dem der NiMn-Spinell für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet wird. Wenn im Gegensatz dazu Teilchen des aktiven Materials, die jeweils eine Schichtteilchenstruktur aufweisen, beispielsweise Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Verbundoxid, für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet werden, ist es nicht möglich, die Lithiumionensekundärbatterie zu laden, bis nahezu sämtliches Li in jedem Teilchen hinsichtlich der Struktur eines jeweiligen Teilchens emittiert ist. Wenn Teilchen des aktiven Materials, die jeweils eine Schichtstruktur aufweisen, für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet werden, verbleibt unabhängig von dem SOC eine große Menge an Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens. Sogar wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer hohen Stromrate, beispielsweise 30 C, geladen wird, ändert sich die Erhöhungsrate der Spannung daher nicht so stark mit bzw. in Abhängigkeit von dem SOC. Daher ist die Lithiumionensekundärbatterie, die Teilchen des aktiven Materials verwendet, die jeweils eine Schichtstruktur für das positive aktive Elektrodenmaterial aufweisen, zur Verwendung für das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung nicht geeignet verwendbar.
Wie es oben beschrieben wurde, ist das Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß der Ausführungsform der Erfindung insbesondere für eine Lithiumionensekundärbatterie geeignet, die für das positive aktive Elektrodenmaterial derartige Teilchen des aktiven Materials verwendet, dass, wenn die Lithiumionensekundärbatterie mit einer hohen Stromrate geladen wird, die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird. Das Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist für eine Lithiumionensekundärbatterie verwendbar, bei der Teilchen des aktiven Materials, die jeweils eine Spinellstruktur oder eine Olivinstruktur oder andere Teilchen eines polyanionischen aktiven Materials aufweisen, als das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet werden.
Beispiele für das positive aktive Elektrodenmaterial beinhalten Teilchen eines aktiven Mn-Spinellmaterials, Teilchen eines aktiven NiMn-Spinellmaterials, Teilchen eines aktiven Olivin-Materials und andere Teilchen eines polyanionischen aktiven Materials. Insbesondere enthält das positive aktive Elektrodenmaterial LiMn₂O₄, LiNi_0.5Mn_1.5O₄, Verbindungen dieser mit Elementsubstitution, und Teilchen eines polyanionischen positiven aktiven Elektrodenmaterials wie beispielsweise LiFePO₄, LiMnPO₄, LiCoPO₄, LiNiPO₄, Li₃Fe₂(PO₄)₃, LiFeSiO₄, LiFeBO₃, LiVOPO₄ und Li₃V₂(PO₄)₃.
Die Teilchen des aktiven Materials, die hier genannt sind, können teilweise nach Bedarf zu einem oder mehreren Übergangsmetallen, beispielsweise Mg, Al, Co, Zr, Mo, Nb, Fe, Ti und W, bis zu einem Ausmaß, in dem die Kristallstruktur aufrechterhalten wird, hinzugefügt oder durch diese ersetzt werden. Wenn derartige Teilchen des aktiven Materials, bei denen die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird, in dem Fall, in dem die Lithiumionensekundärbatterie mit einer hohen Stromrate geladen wird, für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet werden, kann das Material, das für die Teilchen des positiven aktiven Elektrodenmaterials verwendet wird, aus einem Material bestehen oder kann durch Mischen von zwei oder mehr Materialien, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, hergestellt werden.
Das Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß der Ausführungsform der Erfindung enthält einen Schritt zum Laden der Lithiumionensekundärbatterie und einen Schritt zum Schätzen des Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie. Im Folgenden wird der Fall, bei dem das Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß der Ausführungsform der Erfindung außerdem einen Schritt zum Erstellen von Bezugsdaten enthält, beschrieben.
Die Bezugsdaten enthalten die Korrelation zwischen dem Ladungszustand und der Erhöhungsrate der Spannung in dem Fall, in dem eine Lithiumionensekundärbatterie, die dieselbe Art von Lithiumionensekundärbatterie ist, deren Ladungszustand geschätzt wird, mit einer Stromrate geladen wird, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist.
In dem Schritt des Erstellens von Bezugsdaten kann die Lithiumionensekundärbatterie, die von demselben Typ wie die Lithiumionensekundärbatterie ist, deren Ladungszustand geschätzt wird, vorbereitet werden. Nachdem die Lithiumionensekundärbatterie desselben Typs einem vorbestimmten Aktivierungsschritt unterzogen wurde, wird der Ladungszustand (SOC) eingestellt bzw. angepasst. Nach dem Einstellen des Ladungszustands (SOC) kann die Lithiumionensekundärbatterie desselben Typs mit der Stromrate geladen werden, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, und dann kann die Erhöhungsrate der Spannung erhalten werden.
In dem Schritt des Erstellens der Bezugsdaten wird beim Einstellen des Ladungszustands die Nennkapazität der Lithiumionensekundärbatterie desselben Typs gemessen. Der SOC kann durch Entladen einer vorbestimmten Elektrizitätsmenge in Bezug auf die Nennkapazität von dem Zustand aus, in dem der SOC 100% beträgt, eingestellt werden. Die Nennkapazität variiert in Abhängigkeit von den Spezifikationen der Lithiumionensekundärbatterie. Eine Einstellung des Zustands, bei dem der SOC gleich 100% ist, oder des Zustands, bei dem der SOC gleich 0% ist, kann beliebig bestimmt werden.
In dem Schritt des Erstellens der Bezugsdaten kann für die Lithiumionensekundärbatterie, bei der LiNi_0.5Mn_1.5O₄ für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet wird und Graphit für das negative aktive Elektrodenmaterial verwendet wird, der Zustand, bei dem die Lithiumionensekundärbatterie bis auf 4,8 V mittels eines Ladens mit konstanter Spannung und konstantem Strom (CCCV-Laden) geladen ist, als der Zustand bestimmt werden, bei dem der SOC gleich 100% ist. Der Zustand, bei dem die Lithiumionensekundärbatterie bis auf 3,5 V mittels Entladen mit konstanter Spannung und konstantem Strom (CCCV-Entladen) entladen ist, kann als der Zustand bestimmt werden, bei dem der SOC gleich 0% ist. Die Lithiumionensekundärbatterie wird von dem Zustand, bei dem die Lithiumionensekundärbatterie mittels Laden mit konstanter Spannung und konstantem Strom (CCCV-Laden) bis auf 4,8 V geladen wurde (der Zustand, bei dem der SOC gleich 100% ist), bis zu dem Zustand, bei dem die Lithiumionensekundärbatterie bis auf 3,5 V mittels Entladen mit konstanter Spannung und konstantem Strom (CCCV-Entladen) entladen wurde (der Zustand, bei dem der SOC gleich 0% ist), entladen. Die Elektrizitätsmenge, die zu diesem Zeitpunkt entladen wird, wird als Nennkapazität bestimmt. Der SOC wird durch Entladen einer benötigten Elektrizitätsmenge von dem Zustand aus, bei dem der SOC gleich 100% ist, eingestellt. Der SOC kann durch Entladen der Elektrizitätsmenge, die 20% der Nennkapazität entspricht, von dem Zustand aus, bei dem der SOC gleich 100% ist in den Zustand eingestellt werden, bei dem der SOC gleich 80% ist. Auf ähnliche Weise kann der SOC durch Entladen der Elektrizitätsmenge, die 40% der Nennkapazität entspricht, von dem Zustand aus, bei dem der SOC gleich 100% ist, auf den Zustand eingestellt werden, bei dem der SOC gleich 60% ist.
Anschließend wird, nachdem der Ladungszustand (SOC) eingestellt wurde, die Lithiumionensekundärbatterie mit der Stromrate geladen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, und es wird die Erhöhungsrate der Spannung erhalten. Die Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, muss nur auf eine Stromrate derart eingestellt werden, dass die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird. Die Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, ist vorzugsweise eine Stromrate, die gleich oder größer als 20 C ist. Mehrere Bezugsdatenteile können jeweils für Stromraten eingestellt werden, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind. Die Stromraten, die hier bereitgestellt werden, können beliebig festgelegt werden und können beispielsweise auf eine Stromrate von 25 C und eine Stromrate von 30 C eingestellt werden.
Es können mehrere Bezugsdatenteile außerdem jeweils für Temperaturen erstellt werden. Auf diese Weise können mehrere Bezugsdatenteile jeweils in Entsprechung zu Stromraten oder Temperaturen während des Ladens erstellt werden.
5 zeigt ein Beispiel für mehrere Bezugsdatenteile, die jeweils unterschiedlichen Stromraten während eines Ladens entsprechen. In dem Beispiel, das in 5 gezeigt ist, ist der Fall gezeigt, bei dem die Ladungsstromrate 10 C, 20 C oder 30 C beträgt. Wenn in diesem Beispiel die Ladungsstromrate 10 C beträgt, ist die Änderung der Erhöhungsrate der Spannung klein. Wenn sich wie in dem Fall, in dem die Ladungsstromrate 20 C oder 30 C beträgt, die Ladungsrate erhöht, wird die Änderung der Erhöhungsrate der Spannung größer, mit dem Ergebnis, dass der SOC noch genauer geschätzt wird.
Die Rate der Erhöhung der Spannung ist die Erhöhungsrate der Spannung ab einem Startpunkt, der als ein Zeitpunkt eingestellt ist, bei dem eine vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens verstrichen ist. Die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens kann speziell auf eine Zeit eingestellt werden, die es ab dem Start des Ladens mit einer hohen Ladungsrate bis zu dem Start einer Erhöhung der Spannung aufgrund des Einflusses einer Diffusion von Li braucht. Die Zeit, die es ab dem Start des Ladens mit einer hohen Stromrate bis zum Start einer Erhöhung der Spannung aufgrund des Einflusses einer Diffusion von Li braucht, entspricht einer Zeit, die es braucht, bis eine Migrationsreaktion von elektrischen Ladungen an der Oberfläche eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials beendet ist. Das heißt, die vorbestimmte Zeit kann auf eine Zeit eingestellt werden, die es dauert, bis die Erhöhungsrate der Spannung, die sich seit dem Start des Ladens erhöht hat, sanft wird. Alternativ kann die vorbestimmte Zeit als eine Zeit betrachtet werden, die es dauert, bis die Erhöhungsrate sich auf einen vorbestimmten Wert oder weniger verringert. Die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens kann etwa 0,1 Sekunden seit dem Start des Ladens betragen. Die Zeit, die es dauert, bis die Erhöhungsrate der Spannung, die sich seit dem Start des Ladens steil erhöht hat, sanft wird, wird beispielsweise auf etwa in dem Bereich von 0,01 Sekunden bis 0,2 Sekunden entsprechend den Spezifikationen oder der Temperatur der Batterie eingestellt.
In dem Schritt des Ladens wird die Lithiumionensekundärbatterie mit der Stromrate geladen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, und die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie wird gemessen. Das heißt, in dem Schritt des Ladens wird die Lithiumionensekundärbatterie, deren Ladungszustand geschätzt wird, mit der Stromrate geladen, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist. Die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie wird gemessen. In diesem Fall können, wie es in 2 gezeigt ist, Änderungen der Spannungsänderung (ΔV) seit dem Start des Ladens erhalten werden. Auch wenn es nicht immer notwendig ist, eine Form der Graphik, wie sie in 2 gezeigt ist, zu erhalten, kann die Spannungsänderung (ΔV) intermittierend ab dem Start des Ladens aufgezeichnet werden. Änderungen der Spannungsänderung (ΔV) können beispielsweise alle 0,1 Sekunden ab dem Start des Ladens als Daten aufgezeichnet werden. Eine Spannung kann als Daten ab dem Start des Ladens aufgezeichnet werden, und dann kann eine Spannungsänderung (ΔV) aus einer Differenz der Spannung gegenüber der Spannung (OCV) beim Start des Ladens (oder vor dem Start des Ladens) erhalten werden. In dem Schritt des Ladens kann eine Temperatur aufgezeichnet werden. In diesem Fall kann eine Temperatur, die an einem vorbestimmten Ort in Bezug auf die Lithiumionensekundärbatterie gemessen wird, aufgezeichnet werden.
In dem Schritt des Schätzens des Ladungszustands wird die Erhöhungsrate der Spannung aus den Spannungen, die in dem Schritt des Ladens gemessen wurden, erhalten. Der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie wird auf der Grundlage der Erhöhungsrate der Spannung und der Bezugsdaten geschätzt. In dem Schritt des Schätzens des Ladungszustands ist, wie es oben beschrieben wurde, die Erhöhungsrate der Spannung die Erhöhungsrate der Spannung ab einem Startpunkt, der auf einen Zeitpunkt eingestellt ist, bei dem die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens verstrichen ist. Die Erhöhungsrate der Spannung wird beispielsweise auf der Grundlage einer vorbestimmten Größe einer Änderung der Spannung ab einem Startpunkt und einer Zeit, die es dauert, bis sich die Spannung erhöht, definiert. Der Startpunkt wird auf einen Zeitpunkt eingestellt, bei dem die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens verstrichen ist. Die Erhöhungsrate der Spannung wird beispielsweise auf der Grundlage einer Zeit definiert, die es dauert, bis sich die Spannung um 0,2 V ab einem Startpunkt erhöht, der auf einen Zeitpunkt eingestellt ist, bei dem 0,1 Sekunden seit dem Start des Ladens verstrichen sind. In diesem Fall wird die Erhöhungsrate der Spannung (V/s) als 0,2 V/(Zeit, die es dauert, bis sich die Spannung um 0,2 V ab dem Startpunkt erhöht) definiert.
Die Erhöhungsrate der Spannung (V/s) wird beispielsweise auf der Grundlage der Größe einer Erhöhung der Spannung für die vorbestimmte Zeit ab einem Startpunkt, der auf einen Zeitpunkt eingestellt ist, bei dem die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Ladens verstrichen ist, definiert. Die Erhöhungsrate der Spannung wird beispielsweise auf der Grundlage der Größe einer Erhöhung einer Spannung (ΔV1) definiert, die sich während 0,2 Sekunden ab einem Startpunkt erhöht, der auf einen Zeitpunkt eingestellt ist, bei dem 0,1 Sekunden seit dem Start des Ladens verstrichen sind. In diesem Fall wird die Erhöhungsrate der Spannung (V/s) als die Größe der Erhöhung der Spannung (ΔV1)/0,2 Sekunden definiert.
In dem Schritt des Schätzens des Ladungszustands wird der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der oben beschriebenen Erhöhungsrate der Spannung und der Bezugsdaten geschätzt. In dem Schritt des Schätzens des Ladungszustands können geeignete Bezugsdaten aus mehreren Bezugsdatenteilen ausgewählt werden, die jeweils in Entsprechung zu Stromraten oder Temperaturen während eines Ladens erstellt werden. Mit dem Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie ist es möglich, den SOC der Lithiumionensekundärbatterie zu schätzen. Das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere für eine Batterie geeignet, die geladen werden kann, bis nahezu sämtliches Li in jedem Teilchen des positiven aktiven Elektrodenmaterials emittiert wurde.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Korrigieren einer Auswertung bzw. Evaluierung des SOC in dem Fall beschrieben, in dem die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie sich als Ergebnis der Verwendung der Lithiumionensekundärbatterie verschlechtert hat.
Wie es oben beschrieben wurde, haben die Erfinder herausgefunden, dass, wenn sich die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt, kleiner wird, die Rate der Erhöhung der Spannung höher ist; wohingegen, wenn sich die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt, erhöht, die Rate der Erhöhung der Spannung sich verringert. Auf diese Weise weist die Erhöhungsrate der Spannung eine direkte Korrelation zu dem Zustand jedes Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials auf (die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt). Der SOC der Lithiumionensekundärbatterie wird auf der Grundlage des Zustands eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials (der Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt) geschätzt.
6 zeigt die Korrelation zwischen einer Batteriekapazität (SOC) und einem positive Elektrodenpotential, einem negativen Elektrodenpotential oder einer Batteriespannung (OCV) in der Lithiumionensekundärbatterie. Genauer gesagt zeigt 6 die obige Korrelation für die Lithiumionensekundärbatterie, die LiNi_0.5Mn_1.5O₄ für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet. In 6 zeigt der Graph A die Korrelation zwischen einem positiven Elektrodenpotential und einer Batteriekapazität (SOC). Der Graph B zeigt die Korrelation zwischen einem negativen Elektrodenpotential und einer Batteriekapazität (SOC). Der Graph C zeigt die Korrelation zwischen einer Batteriespannung (OCV) und einer Batteriekapazität (SOC). In 6 werden das positive Elektrodenpotential und das negative Elektrodenpotential jeweils durch Einstellen des Gleichgewichtspotentials der Lithiummetallelektrode für einen Bezug von 0 V definiert (im Vergleich zu Li⁺/Li). Die Batteriespannung (OCV) entspricht der Differenz zwischen dem positiven Elektrodenpotential und dem negativen Elektrodenpotential.
In dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, wird in dem Anfangszustand, bei dem keine Kapazitätsverschlechterung aufgetreten ist, der Zustand, bei dem das positive Elektrodenpotential gleich 3,5 V ist, als der Zustand definiert, bei dem der SOC gleich 0% ist, und der Zustand, bei dem das positive Elektrodenpotential gleich 4,8 V ist, wird als Zustand definiert, bei dem der SOC gleich 100% ist. In dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, wird die Elektrizitätsmenge, die während der Zeit geladen wird, während der die Lithiumionensekundärbatterie von dem Zustand, bei dem SOC gleich 0% ist, bis zu dem Zustand, bei dem der SOC gleich 100% ist, geladen wird, als die Nennkapazität bestimmt. In dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, ist die Linie L1 an der Position des Zustands, bei dem der SOC gleich 75% ist, vorhanden. Das heißt, die Linie L1 gibt die Position an, bei der die Lithiumionensekundärbatterie bis auf 75% der Nennkapazität geladen wurde.
7 zeigt die Korrelation zwischen einer Batteriekapazität (SOC) und einem positiven Elektrodenpotential, einem negativen Elektrodenpotential oder einer Batteriespannung (OCV) in dem Fall, in dem die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie, die in 6 gezeigt ist, sich um 20% verschlechtert hat. Wie es in 7 gezeigt ist, weist die Erhöhungsrate der Spannung sogar dann, wenn sich die Kapazität verschlechtert hat, eine direkte Korrelation zu dem Zustand eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials (der Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt) auf. Daher wird mit dem Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung sogar dann, wenn Li auf der Oberfläche der negativen Elektrode fixiert wird und sich als Ergebnis dessen die Kapazität verschlechtert, der Zustand eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials (die Menge an Li, die innerhalb eines jeweiligen Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt) auf ähnliche Weise ausgewertet. Das heißt, die Lithiumionensekundärbatterie, die LiNi_0.5Mn_1.5O₄ für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet, ist ladbar, bis nahezu sämtliches Li in jedem Teilchen des positiven aktiven Elektrodenmaterials emittiert ist. Sogar wenn sich die Kapazität verschlechtert hat, verbleibt daher das positive Elektrodenpotential in dem Zustand, in dem der SOC gleich 100% ist, unverändert, sodass die Erhöhungsrate der Spannung auf ähnliche Weise ausgewertet wird.
Wenn sich jedoch die Kapazität verschlechtert, wird Li auf der Oberfläche der negativen Elektrode fixiert, sodass Li, das zu der Batteriereaktion beiträgt, an der negativen Elektrode verloren geht. Daher verschlechtert sich die Batteriekapazität der Lithiumionensekundärbatterie. 7 zeigt den Fall, bei dem sich die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie, die in 6 gezeigt ist, um 20% verschlechtert hat. In 7 wird der Zustand, bei dem sich die Batteriekapazität um 20% verschlechtert hat, durch Verschieben des Potentials der negativen Elektrode (B) in der Richtung des Pfeiles X in Bezug auf das Potential der positiven Elektrode (A) ausgedrückt. Auch wenn sich das Potential der positiven Elektrode in dem Zustand, in dem SOC gleich 100% ist, nicht ändert, ist in diesem Fall die Position der positiven Elektrode in dem Zustand, in dem der SOC gleich 0% ist, geändert. Die Linie L1 in 7 gibt die Position an, bei der die Batteriekapazität (SOC) auf 75% in Bezug auf das Potential der positiven Elektrode in dem Anfangszustand, bei dem keine Kapazitätsverschlechterung aufgetreten ist, eingestellt ist. Bei dieser Position ist es nicht angemessen, die Batteriekapazität (SOC) als 75% in dem Zustand auszuwerten, in dem sich die Batteriekapazität der Lithiumionensekundärbatterie um 20% verringert hat. In diesem Fall kann in dem Zustand, in dem sich die Batteriekapazität der Lithiumionensekundärbatterie um 20% verringert hat, die Position der Linie L1 durch Korrigieren der Batteriekapazität (SOC) als (75-20)/(100-20) = 68,75% ausgewertet werden. Auf diese Weise kann eine Auswertung des SOC in Bezug auf das Potential der positiven Elektrode entsprechend dem Grad der Verschlechterung der Batteriekapazität der Lithiumionensekundärbatterie auf einen niedrigeren Wert korrigiert werden.
Auf diese Weise kann in dem Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung eine Auswertung des SOC entsprechend dem Anteil der Kapazitätsverschlechterung separat mit einem Verfahren zum Auswerten der Kapazitätsverschlechterung der Lithiumionensekundärbatterie korrigiert werden, wenn ausgewertet wurde, dass sich die Kapazität verschlechtert hat.
Außerdem kann in einer derartigen Batterie beispielsweise ein Phänomen, dass sich die Kapazität als Ergebnis der Verwendung der Batterie bis nahe an den Zustand, bei dem der SOC gleich 100% ist (Nutzung in einem Überladungszustand), verschlechtert, durch Steuern innerhalb des Nutzungsbereiches verhindert werden, der auf etwa den Bereich zwischen dem Zustand, bei dem der SOC 30% beträgt, bis zu dem Zustand, bei dem der SOC in dem Anfangszustand 70% beträgt, eingestellt wird. In dem Fall, in dem sich die Kapazität verschlechtert hat, ändert sich, wenn eine Auswertung des SOC auf einen niedrigeren Wert in Bezug auf das Potential der positiven Elektrode entsprechend dem Grad der Verschlechterung der Batteriekapazität wie oben beschrieben korrigiert wird, eine Auswertung des SOC in Bezug auf die positive Elektrode. Wie es oben beschrieben wurde, wird in dem Zustand, in dem sich die Batteriekapazität der Lithiumionensekundärbatterie um 20% verringert hat, der Zustand, in dem der SOC gleich 30% nach der Korrektur ist, zu dem Zustand, in dem der SOC gleich 54% vor der Korrektur ist, bei dem das Potential der positiven Elektrode als Bezug festgelegt ist. Der Zustand, bei dem der SOC gleich 70% nach Korrektur ist, wird zu dem Zustand, bei dem der SOC etwa 76% vor der Korrektur ist. Wo das Potential der positiven Elektrode als Bezug eingestellt ist, wird bei der Position, die der Position L2 des Zustands entspricht, bei dem der SOC gleich 30% vor der Korrektur ist, wie es in 6 gezeigt ist, der SOC nach der Korrektur, der in 7 gezeigt ist, zu 12,5%. Das heißt, sogar wenn der SOC nach der Korrektur gleich 12,5% ist, weist der Zustand der positiven Elektrode ein Potential auf, das dem Zustand entspricht, bei dem der SOC in dem Anfangszustand gleich 30% ist. Der Zustand, bei dem der SOC gleich 30% nach der Korrektur ist, weist eine Erlaubnis für den Zustand der positiven Elektrode auf.
Eine Kapazitätsverschlechterung tritt hauptsächlich aufgrund eines Überladungszustands der positiven Elektrode auf, wie es oben beschrieben wurde. Unter Berücksichtigung dieses Punktes muss, wie es in 7 gezeigt ist, wenn das Potential der negativen Elektrode (B) in Bezug auf das Potential der positiven Elektrode (A) verschoben wird und der SOC durch Korrigieren des SOC mit Bezug auf das Potential der positiven Elektrode (A) ausgewertet wird, der Nutzungsbereich nicht innerhalb des Bereiches des Zustands, bei dem der SOC gleich 30% ist, bis zu dem Zustand, bei dem der SOC gleich 70% nach der Korrektur ist, gehalten werden. In diesem Fall kann entsprechend der Korrektur des SOC eine untere Grenze des Nutzungsbereiches auf einen Bereich eines niedrigen SOC geändert werden. Das heißt, wenn, wie es in 7 gezeigt ist, eine Auswertung des SOC entsprechend der Verschlechterung von 20% korrigiert wird, ist der Zustand der positiven Elektrode der Zustand, bei dem der SOC 30% vor der Korrektur ist, sogar dann, wenn der SOC gleich 12,5% ist, sodass die untere Grenze des Nutzungsbereiches auf etwa den Zustand geändert werden kann, bei dem der SOC gleich 12,5% ist. Auf diese Weise kann die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie durch Ändern der unteren Grenze des Nutzungsbereiches auf den Bereich eines niedrigen SOC entsprechend einer Korrektur des SOC gewährleistet werden.
Das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung basiert auf der Menge an Li, die in einem jeweiligen Teilchen des positiven aktiven Elektrodenmaterials verbleibt, und dem Diffusionsvermögen von Li in einem jeweiligen Teilchen des positiven aktiven Elektrodenmaterials. Daher ist das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung durch eine Elektrolytlösung oder die negative Elektrode schwer zu beeinflussen. Das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise durch eine Oberflächenbeschichtung schwer zu beeinflussen. Daher ist es möglich, den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie während einer längeren Zeitdauer entsprechend einer Altersänderung der Lithiumionensekundärbatterie genau zu schätzen.
Im Folgenden wird eine Ladungszustandsschätzvorrichtung für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Ladungszustandsschätzvorrichtung für eine Lithiumionensekundärbatterie gemäß der Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt. Die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100, die hier beschrieben wird, ist eine Vorrichtung, die ausgelegt ist, das oben beschriebene Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie auszuführen.
Wie es in 8 gezeigt ist, enthält die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 eine Ladungsvorrichtung 101, ein Amperemeter 102, ein Voltmeter 103, eine erste Speichereinheit 104, eine zweite Speichereinheit 105 und eine Schätzeinheit 106. Die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 enthält eine Arithmetikverarbeitungseinheit 110, die aus einem Computer ausgebildet ist, der eine elektrische Arithmetikverarbeitungsvorrichtung mit einer Speichervorrichtung kombiniert. Die erste Speichereinheit 104, die zweite Speichereinheit 105 und die Schätzeinheit 106 werden mittels einer Arithmetikverarbeitung zusammen mit vorbestimmten Programmen in der Arithmetikverarbeitungseinheit 110 der Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 implementiert.
Die Ladungsvorrichtung 101 ist eine Vorrichtung, die die Lithiumionensekundärbatterie 200 lädt, und ist mit einem positiven Elektrodenanschluss 201 und einem negativen Elektrodenanschluss 202 der Batterie 200 elektrisch verbunden. Die Ladungsvorrichtung 101 enthält einen Schaltmechanismus 101a. Das Amperemeter 102 ist eine Vorrichtung, die den Ladungsstrom der Ladungsvorrichtung 101 misst, und ist in Serie zu der Ladungsvorrichtung 101 geschaltet. Das Voltmeter 103 ist eine Vorrichtung, die die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie 200 misst, und ist parallel zu der Ladungsvorrichtung 101 geschaltet.
Die erste Speichereinheit 104 speichert Spannungsänderungen, die von dem Voltmeter 103 gemessen werden. Die zweite Speichereinheit 105 speichert Bezugsdaten. Die Schätzeinheit 106 schätzt den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie 200. Die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 verwendet die Messergebnisse des Amperemeters 102 und des Voltmeters 103 als Eingangsdaten und schätzt den Ladungszustand (SOC) der Lithiumionensekundärbatterie 200 mittels einer vorbestimmten Arithmetikverarbeitung in der Schätzeinheit 106.
Die erste Speichereinheit 104 kann Spannungsänderungen, die von dem Voltmeter 103 gemessen werden, zumindest speichern, wenn der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist. Die Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, kann auf eine derart hohe Stromrate eingestellt werden, dass die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb eines jeweiligen Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird. In diesem Fall kann die Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, auf eine Stromrate eingestellt werden, die gleich oder größer als 20 C ist, weiter bevorzugt auf eine Stromrate, die gleich oder größer als 25 C ist, und noch weiter bevorzugt auf eine Stromrate, die gleich oder größer als 30 C ist.
Die Bezugsdaten, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert werden, können Daten derart sein, dass die Korrelation zwischen einer Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, in dem Fall, in dem eine Lithiumionensekundärbatterie, die von demselben Typ wie die Lithiumionensekundärbatterie 200 ist, deren Ladungszustand geschätzt wird, mit der Stromrate geladen wird, und Änderungen der Spannung ab dem Start des Ladens für jeden Ladungszustand beim Start des Ladens aufgezeichnet sind.
Die Schätzeinheit 106 kann den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der Bezugsdaten, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, auf der Grundlage der Spannungsänderungen, die in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert sind, schätzen.
Die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 wird beispielsweise als eine Einrichtung zum Schätzen des Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie verwendet, die als eine Antriebsquelle in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Hybridfahrzeug und einem Elektrofahrzeug, dient, das die Elektrizität, die in der Batterie gespeichert ist, verwenden kann. In diesem Fall wird beispielsweise zu dem Zeitpunkt eines Ladens von regenerativer Energie, die zu dem Zeitpunkt des Stoppens des Fahrzeugs erzeugt wird, ein hoher Ladungsstrom erzeugt. Wenn in diesem Fall der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als die vorbestimmt Ladungsrate ist, werden Spannungsänderungen, die von dem Voltmeter 103 gemessen werden, in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert. Die Schätzeinheit 106 schätzt den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der Bezugsdaten, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, auf der Grundlage der Spannungsänderungen, die in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert sind.
In diesem Fall können mehrere Bezugsdatenteile jeweils in der zweiten Speichereinheit 105 in Entsprechung zu Stromraten, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind, gespeichert werden. Die Schätzeinheit 106 kann die Bezugsdaten, auf die Bezug zu nehmen ist, aus den Bezugsdatenteilen, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, entsprechend einer Stromrate zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannungsänderungen, die von dem Voltmeter 103 gemessen werden, in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert werden, auswählen. Somit wird der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie 200 entsprechend der Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, genau geschätzt.
Sogar die Lithiumionensekundärbatterie, die Teilchen eines aktiven Materials, beispielsweise den NiMn-Spinell, für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet, weist auch eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung (OCV) und einem Ladungszustand (SOC) auf, beispielsweise in einem Zustand eines niedrigen SOC, bei dem der SOC kleiner oder gleich 50% ist. In diesem Fall ist es möglich, den Ladungszustand anhand der Leerlaufspannung zu schätzen. Daher kann die zweite Speichereinheit 105 außerdem Bezugsdaten speichern, bei denen die Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie, die von demselben Typ wie die Lithiumionensekundärbatterie 200 ist, deren Ladungszustand geschätzt wird, aufgezeichnet ist. Wenn ein Schwellenwert für die Leerlaufspannung im Voraus bereitgestellt wird und die Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert der Leerlaufspannung ist, kann die Schätzeinheit 106 Bezugsdaten, bei denen die Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand aufgezeichnet ist, aus den Bezugsdatenteilen, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, auswählen und den SOC anhand der Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, schätzen. Wenn die Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, niedrig ist, kann auf diese Weise der SOC, wo es geeignet erscheint, aus der Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, geschätzt werden. Somit ist es möglich nach Bedarf, ein einfaches Verfahren auszuwählen.
Mehrere Bezugsdatenteile können jeweils in Entsprechung zu Temperaturen als Bezugsdaten erstellt werden, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert werden. In diesem Fall kann, wie es in 8 gezeigt ist, die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 ein Thermometer 107 enthalten. In diesem Fall kann die Schätzeinheit 106 Bezugsdaten, auf die Bezug zu nehmen ist, aus den Bezugsdatenteilen, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, entsprechend der Temperatur, die von dem Thermometer 107 gemessen wird, auswählen. In diesem Fall wird der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie 200 entsprechend der Temperatur genau geschätzt.
9 ist ein Flussdiagramm, das den Verarbeitungsfluss zeigt, bei dem der Ladungszustand mittels der Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 geschätzt wird. Der Verarbeitungsfluss, der hier dargestellt ist, enthält die folgenden Schritte S1 bis S7. Der Verarbeitungsfluss, der hier dargestellt ist, beinhaltet nur eine Ausführungsform und begrenzt die Ladungszustandsschätzvorrichtung 100 oder das Ladungszustandsschätzverfahren nicht, wenn es nicht anders angegeben ist.
Zu Beginn wird die Tatsache erfasst, dass der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist. In dem Verarbeitungsfluss, der in 9 gezeigt ist, wird der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, erfasst (S1). Anschließend wird bestimmt, ob der Ladungsstrom, der in Schritt S1 erfasst wurde, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist (S2). Das heißt, es wird ein Bestimmungsprozess ausgeführt, bei dem bestimmt wird, ob ein Ladungsstrom C1, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate C0 ist. Wenn in dem Bestimmungsprozess (S2) C1 gleich oder größer als C0 ist (Ja), speichert der Prozess Spannungsänderungen, die von dem Voltmeter 103 gemessen werden, in der ersten Speichereinheit 104 (S3). Wenn in dem Bestimmungsprozess (S2) C1 nicht gleich oder größer als C0 ist (Nein), kann der Prozess zu Schritt S1 zurückkehren, bei dem der Ladungsstrom von dem Amperemeter 102 gemessen wird.
Anschließend kann bestimmt werden, ob der Ladungsstrom C1, der in Schritt S1 erfasst wurde, eine Stromrate aufweist, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate C0 ist, und eine vorbestimmte Zeit oder länger angedauert hat (S4). Somit kann in dem Ladungszustandsschätzverfahren, das hier angewendet wird, eine Situation, bei der die Stromrate, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, nicht die vorbestimmte Zeit oder länger angedauert hat und nicht geeignet ist, um die Erhöhungsrate der Spannung zu erhalten (Nein), ausgeschlossen werden. Anschließend kann bestimmt werden, ob eine Spannungserhöhung gleich oder größer als eine vorbestimmte Spannung ist (S5). Somit kann in dem Ladungszustandsschätzverfahren, das hier angewendet wird, eine Situation ausgeschlossen werden, bei der eine Spannungserhöhung nicht gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung ist und nicht geeignet ist, um die Erhöhungsrate der Spannung zu erhalten (Nein).
In Schritt S4 kann beispielsweise, wenn die Stromrate von 20 C als vorbestimmte Ladungsrate C0 eingestellt ist, bestimmt werden, ob die Stromrate 0,1 Sekunden oder länger angedauert hat. In Schritt S5 kann bestimmt werden, ob die Größe der Erhöhung der Spannung ΔV, die aus dem Laden herrührt, größer als 0,1 V ist. Wenn in irgendeiner dieser Bestimmungsprozesse (S4, S5) bestimmt wird, dass die Situation nicht geeignet ist (Nein), kann der Prozess zu S1 zurückkehren, bei dem der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, erfasst wird. Wenn in irgendeinem dieser Bestimmungsprozesse (S4, S5) bestimmt wird, dass die Situation geeignet ist, die Erhöhungsrate der Spannung zu erhalten (Ja), kann der Prozess zum Prozess zum Schätzen des SOC fortschreiten.
Anschließend kann die Schätzeinheit 106 den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie 200 anhand der Bezugsdaten, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, auf der Grundlage der Spannungsänderungen, die in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert sind, schätzen (S6). Das heißt, die Erhöhungsrate der Spannung wird auf der Grundlage der Spannungsänderungen, die in der ersten Speichereinheit 104 gespeichert sind, erhalten. Der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie 200 kann anhand der Erhöhungsrate der Spannung und der Bezugsdaten, die in der zweiten Speichereinheit 105 gespeichert sind, geschätzt werden. Nach der Ausführung des Prozesses zum Schätzen des Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie 200 kann der Prozess zum Schritt S1 zurückkehren, bei dem der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, erfasst wird. In dem Prozess zum Zurückkehren zum Prozess in Schritt S1, bei dem der Ladungsstrom, der von dem Amperemeter 102 gemessen wird, erfasst wird, kann beispielsweise eine Auswertung des SOC nach Bedarf korrigiert werden, beispielsweise, wenn sich die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie 200 verschlechtert hat (S7). Ob sich die Kapazität der Lithiumionensekundärbatterie 200 verschlechtert hat, kann durch Bezugnahme auf das Ergebnis eines anderen Bestimmungsprozesses bestimmt werden, bei dem die Kapazitätsverschlechterung der Lithiumionensekundärbatterie 200 aufgezeichnet wurde.
Wie es oben beschrieben wurde, weist sogar die Lithiumionensekundärbatterie, die Teilchen eines aktiven Materials , beispielsweise den NiMn-Spinell, für das positive aktive Elektrodenmaterial verwendet, auch eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand beispielsweise in einem Zustand niedriger Ladung auf, bei dem der SOC niedriger oder gleich 50% ist. Das heißt, in dem niedrigen Ladungszustand, bei dem der SOC niedriger oder gleich 50% ist, ist es möglich, den Ladungszustand anhand der Leerlaufspannung zu schätzen. Daher kann in dem oben beschriebenen Verarbeitungsfluss ein Schwellenwert im Voraus für die Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, bereitgestellt werden. Wenn die Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, niedriger als der im Voraus bereitgestellte Schwellenwert ist, kann der Ladungszustand anhand der Leerlaufspannung geschätzt werden. Wenn die Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, größer als der im Voraus eingestellte Schwellenwert ist, kann der Ladungszustand mittels des Ladungszustandsschätzverfahrens gemäß der Ausführungsform der Erfindung geschätzt werden.
Auf diese Weise kann eine Bestimmungsverarbeitungseinheit, die auf der Grundlage der Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter 103 gemessen wird, bestimmt, ob der Ladungszustand anhand der Leerlaufspannung geschätzt wird oder ob der Ladungszustand mittels des Ladungszustandsschätzverfahrens gemäß der Ausführungsform der Erfindung geschätzt wird, zu dem oben beschriebenen Verarbeitungsfluss hinzugefügt werden. Die Bestimmungsverarbeitungseinheit kann beispielsweise vor dem Schritt S1 des Verarbeitungsflusses der 9 eingefügt werden. Das heißt, in dem niedrigen Ladungszustand, bei dem der SOC niedriger oder gleich 50% ist, ist es möglich, ein einfacheres Verfahren zum Schätzen des Ladungszustands anhand der Leerlaufspannung zu verwenden. Auf diese Weise kann der Ladungszustand nach Bedarf unter Verwendung eines geeigneten Ladungszustandsschätzverfahrens geschätzt werden.
Das Ladungszustandsschätzverfahren und die Ladungszustandsschätzvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wurden auf verschiedene Weise beschrieben. In dem Ladungszustandsschätzverfahren und der Ladungszustandsschätzvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung, die oben beschrieben wurden, wird eine Lithiumionensekundärbatterie mit einer Stromrate geladen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist, und es wird die Spannung der Lithiumionensekundärbatterie gemessen. Die Erhöhungsrate der Spannung wird anhand der Spannungen, die in dem Schritt des Ladens gemessen werden, erhalten. Außerdem wird der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der Erhöhungsrate der Spannung und der Bezugsdaten geschätzt. Die Bezugsdaten enthalten die Korrelation zwischen dem Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie, die von demselben Typ wie die Lithiumionensekundärbatterie ist, deren Ladungszustand geschätzt wird, und der Erhöhungsrate der Spannung in dem Fall, in dem die Lithiumionensekundärbatterie desselben Typs mit einer Stromrate geladen wird, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate ist. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen der Erfindung beschränkt, wenn es nicht anders spezifiziert ist.
Das Ladungszustandsschätzverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung kann den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie genau schätzen. Daher ist beispielsweise das Ladungszustandsschätzverfahren für eine Lithiumionensekundärbatterie für eine Leistungsquelle (Antriebsleistungsquelle) für einen Elektromotor, der in einem Fahrzeug montiert ist, geeignet verwendbar. Auch wenn der Typ des Fahrzeugs nicht speziell beschränkt ist, enthält in diesem Fall das Fahrzeug beispielsweise ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHV), ein Hybridfahrzeug (HV), ein Elektrofahrzeug (EV), einen elektrischen Lastkraftwagen, ein Motorrad, ein elektrisch unterstütztes Fahrrad, einen Elektrorollstuhl und einen elektrischen Zug. Das Ladungszustandsschätzverfahren kann für den Modus einer Batteriepackung verwendet werden, bei der mehrere Lithiumionensekundärbatterien in Serie oder parallel geschaltet sind. Das Ladungszustandsschätzverfahren kann auch verwendet werden, um den Ladungszustand jeder einzelnen Lithiumionensekundärbatterie aus der Batteriepackung zu schätzen.

Claims

Ladungszustandsschätzverfahren, das aufweist: Messen einer Spannung einer Lithiumionensekundärbatterie (200), die mit einer vorbestimmten Stromrate geladen wird, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist, wobei die vorbestimmte Ladungsrate eine Stromrate ist, wobei die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb jedes Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird, Erlangen einer Erhöhungsrate der gemessenen Spannung; und Schätzen eines Ladungszustands der Lithiumionensekundärbatterie (200) auf der Grundlage der Erhöhungsrate der gemessenen Spannung und von ersten Bezugsdaten, wobei die ersten Bezugsdaten Daten sind, die eine Korrelation zwischen einem Ladungszustand einer Bezugslithiumionensekundärbatterie und einer Erhöhungsrate einer Spannung der Bezugslithiumionensekundärbatterie, wenn die Bezugslithiumionensekundärbatterie mit der vorbestimmten Stromrate geladen wird, enthalten.
Ladungszustandsschätzverfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Stromrate eine Stromrate ist, die gleich oder größer als 20 C ist.
Ladungszustandsschätzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Bezugsdaten Bezugsdatenteile enthalten, die jeweils unterschiedlichen Stromraten entsprechen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Bezugsdaten Bezugsdatenteile enthalten, die jeweils unterschiedlichen Temperaturen der Bezugslithiumionensekundärbatterie entsprechen.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ersten Bezugsdaten und der Erhöhungsrate der Spannung der Lithiumionensekundärbatterie nach einer vorbestimmten Zeit seit einem Start eines Ladens der Lithiumionensekundärbatterie geschätzt wird.
Ladungszustandsschätzverfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeit einer Zeit entspricht, die es dauert, bis die Erhöhungsrate sich auf einen vorbestimmten Wert oder weniger verringert.
Ladungszustandsschätzverfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeit einer Zeit entspricht, die es dauert, bis eine Migrationsreaktion von elektrischen Ladungen auf einer Oberfläche jedes Teilchens eines positiven aktiven Elektrodenmaterials in der Lithiumionensekundärbatterie beendet ist.
Ladungszustandsschätzverfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeit gleich oder länger als 0,01 Sekunden und gleich oder kürzer als 0,2 Sekunden ab dem Start des Ladens ist.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein positives aktives Elektrodenmaterial der Lithiumionensekundärbatterie aus Teilchen eines aktiven Materials ausgebildet ist, die jeweils eine Spinellstruktur oder eine Olivinstruktur aufweisen.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lithiumionensekundärbatterie, deren Ladungszustand geschätzt wird, dieselbe Konfiguration wie die Bezugslithiumionensekundärbatterie aufweist.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein zuvor erlangter Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage eines Bezugsladungszustands in den ersten Bezugsdaten korrigiert wird, wobei der Bezugsladungszustand der Erhöhungsrate der gemessenen Spannung entspricht.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die vorbestimmte Stromrate eine Stromrate ist, bei der sich Li auf einer Oberfläche eines Teilchens des positiven aktiven Elektrodenmaterials in der Lithiumionensekundärbatterie verringert.
Ladungszustandsschätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei wenn eine Leerlaufspannung der Lithiumionensekundärbatterie niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert der Leerlaufspannung ist, der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der Leerlaufspannung auf der Grundlage von zweiten Bezugsdaten geschätzt wird, die eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand der Bezugslithiumionensekundärbatterie angeben, und wenn die Leerlaufspannung der Lithiumionensekundärbatterie gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert der Leerlaufspannung ist, der Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ersten Bezugsdaten geschätzt wird.
Ladungszustandsschätzvorrichtung, die aufweist: eine Ladungsvorrichtung, die ausgelegt ist, eine Lithiumionensekundärbatterie zu laden; ein Amperemeter, das ausgelegt ist, einen Ladungsstrom der Ladungsvorrichtung zu messen; ein Voltmeter, das ausgelegt ist, eine Spannung der Lithiumionensekundärbatterie zu messen; eine erste Speichereinheit, die ausgelegt ist, eine Änderung der gemessenen Spannung zu speichern; eine zweite Speichereinheit, in der erste Bezugsdaten gespeichert sind; und eine Schätzeinheit, die ausgelegt ist, einen Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie zu schätzen, wobei die erste Speichereinheit ausgelegt ist, die Änderung der gemessenen Spannung zu speichern, wenn der gemessene Ladungsstrom eine vorbestimmte Stromrate aufweist, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Ladungsrate ist, wobei die vorbestimmte Ladungsrate eine Stromrate ist, die Erhöhungsrate der Spannung auf die Rate gesteuert wird, bei der Li innerhalb jedes Teilchens an die Oberfläche des Teilchens migriert und gegebenenfalls emittiert wird, die ersten Bezugsdaten Daten sind, die für jeden Ladungszustand beim Start des Ladens eine Korrelation zwischen der vorbestimmten Stromrate und einer entsprechenden Spannungsänderung einer Bezugslithiumionensekundärbatterie ab einem Start eines Ladens angeben, wenn die Bezugslithiumionensekundärbatterie mit der vorbestimmten Stromrate geladen wird, und die Schätzeinheit ausgelegt ist, den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie anhand der ersten Bezugsdaten auf der Grundlage der Änderung der gemessenen Spannung, deren Änderung in der ersten Speichereinheit gespeichert ist, zu schätzen.
Ladungszustandsschätzvorrichtung nach Anspruch 14, wobei mehrere erste Bezugsdatenteile, die jeweils unterschiedlichen Stromraten entsprechen, die gleich oder größer als die vorbestimmte Ladungsrate sind, in der zweiten Speichereinheit gespeichert werden, und die Schätzeinheit ausgelegt ist, eines der ersten Bezugsdatenteile, die in der zweiten Speichereinheit gespeichert sind, entsprechend einer Antwort auf die Stromrate, bei der die erste Speichereinheit die Änderung der gemessenen Spannung speichert, auszuwählen, und die Schätzeinheit ausgelegt ist, den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage des ausgewählten ersten Bezugsdatenteils zu schätzen.
Ladungszustandsschätzvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei zweite Bezugsdaten, die eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einem Ladungszustand der Bezugslithiumionensekundärbatterie angeben, außerdem in der zweiten Speichereinheit gespeichert werden, und die Schätzeinheit ausgelegt ist, die zweiten Bezugsdaten auszuwählen und den Ladungszustand anhand einer Leerlaufspannung, die von dem Voltmeter gemessen wird, zu schätzen, wenn die Leerlaufspannung niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert der Leerlaufspannung ist.
Ladungszustandsschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, die außerdem aufweist: ein Thermometer, das ausgelegt ist, eine Temperatur der Lithiumionensekundärbatterie zu messen, wobei mehrere dritte Bezugsdatenteile, die jeweils unterschiedlichen Temperaturen der Bezugslithiumionensekundärbatterie entsprechen, in der zweiten Speichereinheit gespeichert sind, und die Schätzeinheit ausgelegt ist, eines der dritten Bezugsdatenteile entsprechend der gemessenen Temperatur auszuwählen und den Ladungszustand der Lithiumionensekundärbatterie auf der Grundlage der ausgewählten dritten Bezugsdaten zu schätzen.