DE112022001905T5

DE112022001905T5 - Schätzvorrichtung, Schätzverfahren und Computerprogramm

Info

Publication number: DE112022001905T5
Application number: DE112022001905.0T
Authority: DE
Inventors: Yosuke Okabe; Motonobu Murakami; Shota YAMAUCHI; Shigeki Yamate
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2024-01-18
Also published as: WO2022210325A1

Abstract

Es werden eine Schätzvorrichtung, ein Schätzverfahren und ein Computerprogramm vorgesehen. Die Schätzvorrichtung umfasst; eine Erhaltungseinheit, die konfiguriert ist zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung; und eine Schätzeinheit, die konfiguriert ist zum Schätzen einer internen Spannung in der Energiespeichereinrichtung basierend auf den durch die Erhaltungseinheit erhaltenen Daten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung ausdrückt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schätzvorrichtung, ein Schätzverfahren und ein Computerprogramm.
STAND DER TECHNIK
Energiespeichereinrichtungen wie etwa Lithiumionenbatterien werden zunehmend für viele verschiedene Anwendungsbereiche wie zum Beispiel als Stromversorgungen für tragbare Endgeräte wie etwa Notebook-Computer und Smartphones, als Speichersysteme für erneuerbare Energie und als Stromversorgungen für IdD (Internet der Dinge)-Einrichtungen verwendet.
Die Entwicklung von Lithiumionenbatterien schreitet mit dem Ziel des Erreichens einer hohen Kapazität und einer hohen Energiedichte voran, wobei insbesondere nach neuartigen Elektrodenmaterialien gesucht wird.
DOKUMENTE AUS DEM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP-A-2016-207318
Patentdokument 2: JP-A-2019-091615

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEMSTELLUNG
Es sind viele Fälle bekannt, in denen ein Elektrodenmaterial, das eine hohe Kapazität und eine hohe Energiedichte erzielen kann, sein Volumen ausdehnt, wenn eine Batterie geladen oder entladen wird oder wenn sich der Zustand der Batterie verschlechtert (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1 und das Patentdokument 2). Gewöhnlich sind die Elektroden in einem Gehäuse angeordnet und werden durch eine mechanische Kraft gehalten. Dementsprechend wird eine interne mechanische Spannung in der Batterie aufgrund der Volumenausdehnung der Batterie erzeugt.
Es ist bekannt, dass eine interne mechanische Spannung in einer Batterie die Eigenschaften der Batterie wie etwa den Innenwiderstand der Batterie oder eine Ausfällung eines Reaktionsprodukts beeinflussen. Es wurde jedoch bisher kein Vorschlag für ein Verfahren zum Durchführen einer Performanzbewertung der Batterie oder zum Überwachen des Zustands der Batterie durch das Assoziieren einer internen mechanischen Spannung in der Batterie mit den Eigenschaften der Batterie gemacht.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Umstände Bezug, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Schätzvorrichtung, ein Schätzverfahren und ein Computerprogramm für das Schätzen einer in einer Batterie erzeugten internen mechanischen Spannung als einer der Verhaltensweisen in der Batterie vorzusehen.
PROBLEMLÖSUNG
Eine Schätzvorrichtung umfasst: eine Erhaltungseinheit, die konfiguriert ist zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung; und eine Schätzeinheit, die konfiguriert ist zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung basierend auf den durch die Erhaltungseinheit erhaltenen Daten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung wiedergibt.
Ein Schätzverfahren veranlasst einen Computer zum Durchführen einer Verarbeitung zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung und zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung basierend auf Daten, die die Erhaltungseinheit unter Verwendung eines Simulationsmodels, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung ausdrückt, erhält.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Mit der oben genannten Konfiguration kann eine in der Batterie erzeugte interne mechanische Spannung als eines der Verhaltensweisen in der Batterie geschätzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die gesamte Konfiguration eines Schätzsystems gemäß einer Ausführungsform 1 zeigt.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration einer Energiespeichereinrichtung erläutert.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die die interne Konfiguration einer festen Elektrolytschicht erläutert.
4 ist ein Blockdiagramm, das die interne Konfiguration einer Schätzvorrichtung zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Ausführungsform 1 erläutert.
6 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einer internen mechanischen Spannung und einem Ohmschen Widerstand der Energiespeichereinrichtung zeigt.
7 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel eines äquivalenten Schaltungsmodells zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das die interne Konfiguration der Schätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 zeigt.
9 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines effektiven Diffusionskoeffizienten zeigt.
10 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines effektiven Diffusionskoeffizienten in einer Festkörperbatterie zeigt.
11A ist eine Ansicht, die ein Berechnungsergebnis eines effektiven Diffusionskoeffizienten in einer Festkörperbatterie zeigt.
11B ist eine Ansicht, die ein Berechnungsergebnis eines effektiven Diffusionskoeffizienten in der Festkörperbatterie zeigt.
11C ist eine Ansicht, die ein Berechnungsergebnis eines effektiven Diffusionskoeffizienten in der Festkörperbatterie zeigt.
12 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einem Kontaktflächenverhältnis und einem effektiven Diffusionskoeffizienten zeigt.
13 ist ein Flussdiagramn, das Schritte zum Durchführen einer arithmetischen Verarbeitung durch die Schätzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 5 zeigt.
14 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zum Durchführen einer arithmetischen Verarbeitung durch die Schätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 6 zeigt.
15 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration einer Energiespeichereinrichtung zeigt.
16 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einer inhärenten Dehnung zeigt.
17 ist ein Kurvendiagramm, das ein anderes Beispiel für eine Beziehung zwischen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einer inhärenten Dehnung zeigt.
18 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zum Berechnen der Verteilung der mechanischen Spannung/Dehnung zeigt.
19 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel für ein äquivalentes Schaltungsmodell zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Schätzvorrichtung umfasst: eine Erhaltungseinheit, die konfiguriert ist zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung; und eine Schätzeinheit, die konfiguriert ist zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung basierend auf den durch die Erhaltungseinheit erhaltenen Daten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung wiedergibt.
Die Daten in Bezug auf eine Dehnung können durch einen Dehnungssensor erhaltene Messdaten sein.
Bei einer derartigen Konfiguration kann basierend auf Daten zu einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten Dehnung direkt eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung geschätzt werden, die nicht direkt durch eine Simulation beobachtet werden kann.
Die Schätzvorrichtung kann derart konfiguriert sein, dass das Simulationsmodell als Parameter eine inhärente Dehnung in der Energiespeichereinrichtung und eine auf die Energiespeichereinrichtung ausgeübte Bindungskraft enthält, wobei die Schätzvorrichtung Daten in Bezug auf die interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung in Antwort auf das Eingeben von Daten zu der Dehnung ausgeben kann. Bei einer derartigen Konfiguration kann zum Beispiel eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung unter Berücksichtigung eines Kräftegleichgewichts basierend auf einer auf die Energiespeichereinrichtung ausgeübten Bindungskraft, einer inhärenten Dehnung der Energiespeichereinrichtung und einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung geschätzt werden.
In der Schätzvorrichtung kann die inhärente Dehnung eine Dehnung der Energiespeichereinrichtung sein, die auf eine Isolation von Aktivmaterialpartikeln, ein Wachstum von Ausfällungen und/oder eine Wärmeausdehnung der Energiespeichereinrichtung zurückzuführen ist. Bei einer derartigen Konfiguration kann eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung unter Berücksichtigung einer auf die Isolation von Aktivmaterialpartikeln, das Wachstum von Ausfällungen und/oder die Wärmeausdehnung der Energiespeichereinrichtung zurückzuführenden inhärenten Dehnung geschätzt werden.
In der Schätzvorrichtung kann die Schätzeinheit einen Zustandsschätzer, der ein nicht-lineares Filter verwendet, enthalten. Bei einer derartigen Konfiguration wird ein nicht-lineares Filter wie etwa ein Ensemble-Kalmanfilter, ein Partikelfilter, ein erweitertes Kalmanfilter oder ein Unscented-Kalmanfilter verwendet. Also auch wenn keine Linearität zwischen einer inhärenten Dehnung und einer internen mechanischen Spannung angenommen wird, kann eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung vorteilhaft geschätzt werden.
In der Schätzvorrichtung kann die Schätzeinheit einen Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung als eine Funktion der internen mechanischen Spannung schätzen. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung basierend auf einem Wert der internen mechanischen Spannung geschätzt werden, sodass ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung, das die interne mechanische Spannung reflektiert, geschätzt werden kann.
In der Schätzvorrichtung kann die Energiespeichereinrichtung eine Festkörperbatterie, in der ein Elektrolyt ein Festkörper ist, sein. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein Wert einer internen mechanischen Spannung, der die Performanz einer Festkörperbatterie entscheidend beeinflusst, geschätzt werden.
In der Schätzvorrichtung kann die Energiespeichereinrichtung eine Batterie sein, die eine negative Elektrode aus Lithiummetall enthält. Bei einer derartigen Konfiguration kann in Bezug auf die Batterie, die für eine Erzeugung von Ausfällungen anfällig ist, eine auf das Wachstum der Ausfällungen zurückzuführende interne mechanische Spannung geschätzt werden.
In der oben beschriebenen Energiespeichereinrichtung werden keine Beschränkungen hinsichtlich des Typs des positiven Elektrodenmaterials und des Typs des Elektrolyten vorgegeben. Die Energiespeichereinrichtung kann eine Festkörperbatterie sein, die ein negatives Elektrodenmaterial aus Lithiummetall verwendet. Alternativ dazu kann die Energiespeichereinrichtung eine Lithiumschwefelbatterie (LiS-Batterie) sein, die eine aus Schwefel ausgebildete positive Elektrode enthält. Auch wenn die Batterie weder eine Festkörperbatterie noch eine Batterie mit einer negative Elektrode aus Lithiummetall ist, wird im Wesentlichen die gleiche Logik in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung, in der sich ein Volumen der Elektrode während des Ladens und Entladens oder einer Verschlechterung der Batterie ausdehnt, hergestellt.
Eine Schätzvorrichtung umfasst eine arithmetische Operationseinheit, die ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie mit dem darin enthaltenen festen Elektrolyten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und dem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält, simuliert.
Bei einer derartigen Konfiguration kann ein elektrochemisches Phänomen der Festkörperbatterie basierend auf der Kontaktfläche, die eine der charakteristischen Parameter der Festkörperbatterie ist, simuliert werden.
Eine Schätzvorrichtung umfasst eine arithmetische Operationseinheit, die in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung, in der Ausfällungen in Entsprechung zu einem Laden und Entladen erzeugt werden, eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus der Ausfällungen berechnet und die Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung berechnet. Bei einer derartigen Konfiguration kann die inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung berechnet werden und kann die Verteilung der mechanischen Spannung oder der Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung berechnet werden.
Ein Schätzverfahren veranlasst einen Computer zum Durchführen einer Verarbeitung zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung und zum Schätzen einer internen Spannung der Energiespeichereinrichtung basierend auf Daten, die die Erhaltungseinheit unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung ausdrückt, erhält.
Bei einer derartigen Konfiguration kann eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung, die nicht direkt beobachtet werden kann, basierend auf Daten zu einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten Dehnung geschätzt werden.
Das Schätzverfahren führt unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält, eine Verarbeitung für das Simulieren eines elektrochemischen Phänomens einer Festkörperbatterie, die den festen Elektrolyten enthält, unter Verwendung eines Computers durch.
Bei einer derartigen Konfiguration kann ein elektrochemisches Phänomen der Festkörperbatterie basierend auf der Kontaktfläche, die einer der charakteristischen Parameter der Festkörperbatterie ist, simuliert werden.
Das Schätzverfahren berechnet in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung, in der Ausfällungen in Entsprechung zu einem Laden und Entladen erzeugt werden, eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus der Ausfällungen und führt eine Verarbeitung zum Berechnen der Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung unter Verwendung eines Computers durch. Bei einer derartigen Konfiguration kann die inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung berechnet werden und kann die Verteilung der mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung berechnet werden.
Ein Computerprogramm veranlasst einen Computer zum Durchführen einer Verarbeitung für das Simulieren eines elektrochemischen Phänomens einer Festkörperbatterie, die den festen Elektrolyten enthält, unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen einem Aktivmaterialpartikel und einem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält.
Im Gegensatz zu einer auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie weist eine Festkörperbatterie einen großen Kontaktwiderstand auf, außer wenn eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten positiv vergrößert ist. Die Festkörperbatterie weist also die Eigenschaft auf, dass der Stromfluss erhöht wird, wenn ein Druck auf die Festkörperbatterie von außen ausgeübt wird und dadurch die Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten vergrößert wird.
Gemäß der oben genannten Konfiguration kann eine elektrochemische Reaktion einer Festkörperbatterie basierend auf einer Kontaktfläche, die einer der charakteristischen Parameter einer Festkörperbatterie ist, simuliert werden.
In dem Computerprogramm kann das Simulationsmodell die Beziehung zwischen der Kontaktfläche und einem effektiven Diffusionskoeffizienten der Aktivmaterialpartikel definieren. Das Computerprogramm kann den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen des effektiven Diffusionskoeffizienten der Aktivmaterialpartikel basierend auf einem Wert der Kontaktfläche. Bei einer derartigen Konfiguration kann durch das Assoziieren des Werts der Kontaktfläche mit dem effektiven Diffusionskoeffizienten von Aktivmaterialpartikeln ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie basierend auf dem Wert der Kontaktfläche simuliert werden.
In dem Computerprogram kann das Simulationsmodell die Beziehung zwischen der Kontaktfläche und einer effektiven lonenleitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel definieren. Das Computerprogramm kann den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen der effektiven lonenleitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel basierend auf einem Wert der Kontaktfläche.
Bei einer derartigen Konfiguration kann durch das Assoziieren des Werts der Kontaktfläche mit der effektiven Ionenleitfähigkeit von Aktivmaterialpartikeln ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie basierend auf dem Wert der Kontaktfläche simuliert werden.
In dem Computerprogramm kann die Kontaktfläche eine Funktion einer internen mechanischen Spannung einer Festkörperbatterie sein und kann das Computerprogramm den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines elektrochemischen Phänomens der Festkörperbatterie basierend auf einem Wert der internen mechanischen Spannung. Bei einer derartigen Konfiguration kann durch das Assoziieren des Werts der Kontaktfläche mit einem Wert einer internen mechanischen Spannung ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie basierend auf dem Wert der internen mechanischen Spannung simuliert werden.
In dem Computerprogram können unter Verwendung eines Dehnungssensors, der eine in der Festkörperbatterie erzeugte Dehnung misst, Messdaten in Bezug auf die Dehnung erhalten werden, und kann das Computerprogramm den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung der Festkörperbatterie basierend auf den erhaltenen Messdaten unter Verwendung eines Modells, das einen dynamischen Zustand in der Festkörperbatterie ausdrückt. Bei einer derartigen Konfiguration kann die interne mechanische Spannung basierend auf den Daten in Bezug auf die durch den Sensor gemessene Dehnung geschätzt werden und kann ein elektrochemisches Phänomen der Festkörperbatterie basierend auf einem Wert der geschätzten internen mechanischen Spannung simuliert werden.
In dem Computerprogramm kann ein Innenwiderstand der Festkörperbatterie eine Funktion der internen mechanischen Spannung sein und kann das Computerprogramm den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen eines Werts des Innenwiderstands basierend auf dem Wert der internen mechanischen Spannung. Bei einer derartigen Konfiguration kann durch das Assoziieren des Werts der internen mechanischen Spannung mit dem Wert des Innenwiderstands der Innenwiderstand der Festkörperbatterie geschätzt werden.
Ein Computerprogramm für die Energiespeichereinrichtung, die Ausfällungen in Entsprechung zu dem Laden und Entladen erzeugt, veranlasst den Computer zum Berechnen einer inhärenten Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus der Ausfällungen und zum Durchführen der Verarbeitung zum Berechnen der Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung.
Wenn das Laden und Entladen der Energiespeichereinrichtung wiederholt wird, werden Ausfällungen in der Energiespeichereinrichtung ausgefällt. Zum Beispiel ist bei einer Lithiummetallbatterie, in der eine Erhöhung der Energiedichte zu erwarten ist, die Lithiummetallbatterie eine Batterie, die Lithiummetall für das Durchführen einer negativen Elektrode verwendet und somit aufgrund der Wiederholung des Ladens und Entladens Ausfällungen (Dendrit oder ähnliches) spärlich auf eine Fläche der negativen Elektrode ausfällt. Es ist bekannt, dass neben einer Lithiummetallbatterie Ausfällungen wie etwa Metall in verschiedenen Modi in Bezug auf verschiedene Batterien wie etwa eine Lithiumionenbatterie, eine Festkörperbatterie usw. ausgefällt werden. Insbesondere wenn Unregelmäßigkeiten in einer internen mechanischen Spannung oder Dehnung in Bezug auf Batterien auftreten, neigt das Wachstum von Ausfällungen zu einer lokalen Beschleunigung. Das Wachstum der Ausfällungen kann ein Faktor sein, der eine Änderung von Batterieeigenschaften, eine Ausdehnung der Batterie usw. verursacht.
Um das Wachstum von Ausfällungen zu unterdrücken, ist es effektiv, eine Bindungskraft von außerhalb einer Batterie auszuüben, um die Erzeugung einer gleichförmigen mechanischen Spannung in der Batterie zu ermöglichen. Es wurde jedoch bisher kein Verfahren zum Schätzen der Verteilung einer mechanischen Spannung oder Dehnung in der Batterie vorgeschlagen.
Mit der oben genannten Konfiguration wird eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung berechnet und kann die Verteilung der mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung berechnet werden.
In dem Computerprogramm kann die Erzeugungsrate der Ausfällungen als eine Funktion einer in einem Erzeugungsreaktionsfeld erzeugten mechanischen Spannung beschrieben werden. Das Computerprogramm kann den Computer zum Durchführen der Verarbeitung zum Berechnen der Erzeugungsmenge basierend auf der durch die Funktion berechneten Erzeugungsrate der Ausfällungen veranlassen. Bei einer derartigen Konfiguration kann die Erzeugungsmenge basierend auf der Erzeugungsrate der Ausfällungen berechnet werden und kann eine inhärente Dehnung basierend auf der Erzeugungsmenge der berechneten Ausfällungen berechnet werden.
Das Computerprogramm kann den Computer zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines elektrochemischen Phänomens der Energiespeichereinrichtung basierend auf der Erzeugungsmenge und einem mechanischen Spannungsfeld veranlassen. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein elektrochemisches Phänomen, das eine Änderung des Innenwiderstands der Energiespeichereinrichtung usw. umfasst, basierend auf einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen und einem mechanischen Spannungsfeld der Energiespeichereinrichtung simuliert werden.
Das Computerprogramm kann den Computer zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines thermischen Phänomens der Energiespeichereinrichtung basierend auf der Erzeugungsmenge und dem Ausfällungsmodus veranlassen. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein thermisches Phänomen, das ein Temperaturverhalten der Energiespeichereinrichtung umfasst, basierend auf einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen und einem Ausfällungsmodus simuliert werden.
Das Computerprogramm kann den Computer veranlassen zum Durchführen einer Verarbeitung zum Berechnen einer Gaserzeugungsmenge in der Energiespeichereinrichtung und zum Berechnen der Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten Gaserzeugungsmenge. Bei einer derartigen Konfiguration kann die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung in der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten Gasmenge berechnet werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, beschrieben.
(Ausführungsform 1)
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die gesamte Konfiguration eines Schätzsystems gemäß einer Ausführungsform 1 zeigt. Das Schätzsystem gemäß der Ausführungsform 1 umfasst eine Schätzvorrichtung 1 und eine Energiespeichereinrichtung 2. Die Schätzvorrichtung 1 ist zum Beispiel eine Vorrichtung wie etwa eine Batterieverwaltungseinheit (Battery Management Unit bzw. BMU) oder ähnliches. Die Schätzvorrichtung 1 schätzt eine interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 mittels eines weiter unten beschriebenen Verfahrens und gibt Informationen in Bezug auf die geschätzte interne Spannung aus. In dem Beispiel von 1 werden die Schätzvorrichtung 1 und die Energiespeichereinrichtung 2 der Einfachheit halber als separate Körper beschrieben. Die Schätzvorrichtung 1 und die Energiespeichereinrichtung 2 können aber auch als eine integrierte Einheit ausgebildet sein. Weiterhin kann die Schätzvorrichtung 1 eine Informationsverarbeitungseinrichtung wie etwa ein Computer oder ein Servergerät sein, der bzw. das kommunikativ mit einem Batteriesystem, das die Energiespeichereinrichtung 2 enthält, verbunden ist. Es ist nicht nötig, dass die Schätzvorrichtung 1 nahe an der Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet ist. Die Schätzvorrichtung 1 kann auch in einem Serverraum in einem anderen Gebäude oder an einem fernen Ort im gleichen Land oder auch im Ausland installiert sein. Weiterhin kann die Energiespeichereinrichtung 2 in der Atmosphäre oder im Weltraum vorgesehen sein. Alternativ dazu kann die Schätzvorrichtung 1 auf der Erde vorgesehen sein oder können die Energiespeichereinrichtung 2 und die Schätzvorrichtung 1 in der Atmosphäre oder im Weltraum angeordnet sein.
Die Energiespeichereinrichtung 2 gemäß der Ausführungsform 1 ist zum Beispiel eine Festkörperbatterie. Während des Entladens ist die Energiespeichereinrichtung 2 mit einer Last 7 verbunden. Die Energiespeichereinrichtung 2 führt Gleichstrom (DC) zu der mit der Energiespeichereinrichtung 2 verbundenen Last 7 zu. Während des Ladens ist die Energiespeichereinrichtung 2 mit einer Ladeeinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Die Energiespeichereinrichtung 2 speichert Strom, der von der mit der Energiespeichereinrichtung verbundenen Ladeeinrichtung zugeführt wird. Die Energiespeichereinrichtung 2 ist nicht auf eine Festkörperbatterie beschränkt und kann eine beliebige Batterie, die eine Ausdehnung erfährt, sein.
Das Schätzsystem umfasst verschiedene Sensoren für das Messen eines Zustands der Energiespeichereinrichtung 2. Ein Beispiel für den in dem Schätzsystem enthaltenen Sensor ist ein Dehnungssensor S1. Der Dehnungssensor S1 misst eine in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugte Dehnung in einer Zeitreihe und gibt Daten, die ein Messergebnis angeben, an die Schätzvorrichtung 1 aus.
Das Schätzsystem kann einen Temperatursensor S2 umfassen, der die Temperatur der Energiespeichereinrichtung 2 misst. Der Temperatursensor S2 misst eine Temperatur der Energiespeichereinrichtung 2 in einer Zeitreihe und gibt Daten, die das Messergebnis angeben, an die Schätzvorrichtung 1 aus. Weiterhin kann das Schätzsystem einen Temperatursensor S3 umfassen, der eine Umgebungstemperatur um die Energiespeichereinrichtung 2 herum misst. Der Temperatursensor S3 misst die Temperatur einer Umgebung, in der die Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet ist, und gibt Daten, die ein Messergebnis angeben, an die Schätzvorrichtung 1 aus.
Das Schätzsystem kann einen Strommesser S4, der einen Stromfluss in der Energiespeichereinrichtung 2 misst, enthalten. Der Strommesser S4 misst einen Stromfluss in der Energiespeichereinrichtung 2 in einer Zeitreihe und gibt Daten, die ein Messergebnis angeben, an die Schätzvorrichtung 1 aus. Das Schätzsystem kann weiterhin einen Spannungsmesser S5 umfassen, der eine Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 misst. Der Spannungsmesser S5 misst eine Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 in einer Zeitreihe und gibt Daten, die ein Messergebnis angeben, an die Schätzvorrichtung 1 aus.
Die Schätzvorrichtung 1 erhält Messdaten, die durch verschiedene Sensoren gemessen werden, und schätzt eine interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf den erhaltenen Messdaten.
Im Folgenden wird die Konfiguration der Energiespeichereinrichtung 2 im Detail beschrieben.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration der Energiespeichereinrichtung 2 beschreibt. Die Energiespeichereinrichtung 2 ist zum Beispiel eine Festkörperbatterie, die einen gestapelten Körper enthält, der aus einer Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21, einer positiven Aktivmaterialschicht 22, einer festen Elektrolytschicht 23, einer negativen Aktivmaterialschicht 24 und einer Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 besteht.
Die Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 ist in der Form einer Metallfolie, eines Metallnetzes usw. ausgebildet. Das für das Ausbilden der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 verwendete Metall ist ein Metall mit einer guten Leitfähigkeit wie etwa Aluminium, Nickel, Titan oder Edelstahl. Eine Beschichtungsschicht für das Anpassen eines Kontaktwiderstands kann an einer Oberfläche der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 ausgebildet sein. Ein Beispiel für die Beschichtungsschicht ist eine Kohlenstoffbeschichtung. Hinsichtlich der Dicke der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei sie zum Beispiel 0,1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger beträgt.
Die positive Aktivmaterialschicht 22 ist eine Schicht, die wenigstens ein positives Aktivmaterial enthält. Die positive Aktivmaterialschicht 22 kann einen festen Elektrolyten, eine Leitfähigkeitshilfe, ein Bindemittel usw. neben dem positiven Aktivmaterial enthalten. Die positive Aktivmaterialschicht 22 weist eine Dicke von zum Beispiel 0,1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger auf.
Als das positive Aktivmaterial wird ein entsprechendes, für eine Festkörperbatterie geeignetes positives Aktivmaterial verwendet. Zum Beispiel werden verschiedene Lithium enthaltende Verbundoxide wie etwa Lithiumkobaltat, Lithtiumnickelat, Lithiummanganat und eine Spinelllithiumverbindung als das positive Aktivmaterial verwendet. Das positive Aktivmaterial weist zum Beispiel die Form von Partikeln mit einer durchschnittlichen Partikelgröße (D50) von 0,5 µm oder mehr und 20 µm oder weniger auf. Die das positive Aktivmaterial bildenden Partikel können primäre Partikel oder sekundäre Partikel sein. Das positive Aktivmaterial ist nicht auf Partikel beschränkt und kann auch in der Form eines dünnen Films ausgebildet sein. Als der feste Elektrolyt, der in der positiven Aktivmaterialschicht 22 enthalten ist, wird ein anorganischer fester Elektrolyt mit einer relativ hohen Ionenleitfähigkeit und einer hervorragenden Wärmebeständigkeit verwendet. Als ein derartiger anorganischer fester Elektrolyt kann ein Festoxid-Elektrolyt wie etwa Lithiumlanthanzirkonat oder ein Festschwefel-Elektrolyt wie etwa Li₂S-P₂S₅ verwendet werden. Als die Leitfähigkeitshilfe wird ein Kohlenstoffmaterial wie etwa Acetylenblack oder Ketjenblack oder ein Metallmaterial wie etwa Nickel, Aluminium oder Edelstahl verwendet. Als das Bindemittel wird ein Material wie etwa Butadienkautschuk (BR), Acrylatbutadienkautschuk (ABR) oder Polyvinylidenfluorid (PVdF) verwendet.
Die feste Elektrolytschicht 23 ist eine Schicht, die wenigstens einen festen Elektrolyten enthält. Die feste Elektrolytschicht 23 kann ein Bindemittel oder ähnliches neben einem festen Elektrolyten enthalten. Die feste Elektrolytschicht 23 weist eine Dicke von zum Beispiel 0,1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger auf. Als der in der festen Elektrolytschicht 23 enthaltene feste Elektrolyt wird ein anorganischer fester Elektrolyt wie etwa der oben beschriebene Festoxid-Elektrolyt oder Festschwefel-Elektrolyt verwendet. Als das Bindemittel wird ein Bindemittel verwendet, das gleich dem für das Ausbilden der positiven Aktivmaterialschicht 22 verwendeten Bindemittel ist.
Die negative Aktivmaterialschicht 24 ist eine Schicht, die wenigstens ein negatives Aktivmaterial enthält. Die negative Aktivmaterialschicht 24 kann einen festen Elektrolyten, eine Leitfähigkeitshilfe, ein Bindemittel oder ähnliches neben dem negativen Aktivmaterial enthalten. Die negative Aktivmaterialschicht 24 weist eine Dicke von zum Beispiel 0,1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger auf.
Als das negative Aktivmaterial wird ein entsprechendes negatives Aktivmaterial, das für eine Festkörperbatterie verwendet werden kann, verwendet. Zum Beispiel werden ein Metall-Aktivmaterial und ein Kohlenstoff-Aktivmaterial als das negative Aktivmaterial verwendet. Beispiele für das Metall-Aktivmaterial sind Li, In, Al, Si, Sn oder ähnliches. Das Metall-Aktivmaterial ist nicht auf ein einzelnes Metall beschränkt und kann auch ein Metall-Verbundoxid sein. Als das Kohlenstoff-Aktivmaterial können Mesocarbonmikroperlen (MCMB), Graphit mit einer hohen Ausrichtungseigenschaft (HPOG), harter Kohlenstoff oder weicher Kohlenstoff verwendet werden. Das negative Aktivmaterial besteht zum Beispiel aus Partikeln, die eine durchschnittliche Partikelgröße (D50) von 0,5 µm oder mehr und 20 µm oder weniger aufweisen. Die Partikel des negativen Aktivmaterials können primäre Partikel oder sekundäre Partikel sein. Das negative Aktivmaterial ist nicht auf Partikel beschränkt und kann auch in der Form eines dünnen Films ausgebildet sein. Als der solide Elektrolyt, die Leitfähigkeitshilfe und das Bindemittel für die negative Aktivmaterialschicht 24 werden entsprechende Materialien, die im Wesentlichen gleich dem festen Elektrolyten, der Leitfähigkeitshilfe und dem Bindemittel für die positive Aktivmaterialschicht 22 sind, verwendet.
Die Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 ist in der Form einer Metallfolie, eines Metallnetzes usw. ausgebildet. Das für das Ausbilden der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 verwendete Metall ist ein Metall mit einer guten Leitfähigkeit wie etwa Kupfer, Nickel, Titan oder Edelstahl. Eine Beschichtungsschicht für das Anpassen eines Kontaktwiderstands kann an einer Oberfläche der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 ausgebildet sein. Ein Beispiel für die Beschichtungsschicht ist eine Kohlenstoffbeschichtung. Hinsichtlich der Dicke der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei sie zum Beispiel 0,1 µm oder mehr und 1 mm oder weniger beträgt.
Die Energiespeichereinrichtung 2 wird durch ein Bindungsglied 3 gebunden. Das Bindungsglied 3 umfasst zum Beispiel ein Gehäuse 31, in dem die Energiespeichereinrichtung 2 aufgenommen ist, und elastische Glieder 32, die in einem komprimierten Zustand in dem Gehäuse 31 angeordnet sind. Das Gehäuse 31 ist zum Beispiel ein rechteckiger, parallelepipedförmiger Behälter und umfasst einen Gehäusekörper 310, der durch einen unteren Flächenteil 311 und seitliche Flächenteile 312 gebildet wird, und einen Deckelkörper 313, der eine Öffnung des Gehäusekörpers 310 schließt. Der Gehäusekörper 310 (der untere Flächenteil 311 und die seitlichen Flächenteile 312) und der Deckelkörper 313 sind aus einem schweißbaren Metall wie etwa Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Alternativ dazu können der Gehäusekörper 310 (der untere Flächenteil 311 und der seitliche Flächenteil 312) und der Deckelkörper 313 aus einem Kunstharz ausgebildet sein. Die Energiespeichereinrichtungen 2 werden in dem Gehäusekörper 310 aufgenommen, und danach wird der Gehäusekörper 310 durch den Deckelkörper 313 geschlossen.
Das elastische Glied 32 ist in einem komprimierten Zustand zwischen der untersten Schicht (der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 in dem Beispiel von 2) und dem unteren Flächenteil 311 der Energiespeichereinrichtung 2 und zwischen der obersten Schicht (der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 25 in dem Beispiel von 2) und dem Deckelkörper 313 der Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet. Das elastische Glied 32 ist zum Beispiel eine kautschukartige Schicht. Die elastischen Glieder 32 üben eine Bindungskraft in der Stapelrichtung (von oben und unten in der vertikalen Richtung der Zeichnung) auf die Energiespeichereinrichtung 2 durch eine elastische Kraft der elastischen Glieder 32 aus.
In dem Beispiel von 2 wird eine Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtung 2 durch das Anordnen der elastischen Glieder 32 in dem Gehäuse 31 ausgeübt. Alternativ dazu kann eine Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtung 2 durch das Füllen des Gehäuses 31 mit einem unter hohem Druck stehenden Fluid ausgeübt werden. In diesem Fall ist das Fluid vorzugsweise ein Fluid, das keine ungewünschte Reaktion mit dem Batteriematerial verursacht. Zum Beispiel kann ein Edelgas wie etwa Stickstoff, trockene Luft oder ähnliches als ein derartiges Fluid verwendet werden. Alternativ dazu können die Energiespeichereinrichtungen 2 durch Plattenglieder von beiden Seiten in der Stapelrichtung eingeschlossen sein und können die Plattenglieder miteinander in einem Zustand, in dem die Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtungen 2 ausgeübt wird, verbunden sein und damit die Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtungen 2 ausüben.
Der Dehnungssensor S1 für das Messen einer Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2 ist an einer Position montiert, an der eine in Entsprechung zu einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugte Dehnung gemessen werden kann. In dem in 2 gezeigten Beispiel tritt eine Dehnung in Entsprechung zu einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 an den Seitenflächenteil 312 des Gehäuses 31 auf. Dementsprechend ist der Dehnungssensor S1 für das Messen einer Dehnung vorzugsweise an einem entsprechenden Teil des seitlichen Flächenteils 312 montiert. Alternativ dazu kann der Dehnungssensor S1 an dem unteren Flächenteil 311 des Gehäuses 31 oder an dem Deckelkörper 313 montiert sein. Weiterhin kann der Dehnungssensor S1 an der Energiespeichereinrichtung 2 montiert sein.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die die interne Konfiguration der festen Elektrolytschicht 23 erläutert. In dem Beispiel von 3 werden die Aktivmaterialpartikel durch schraffierte Flächen angegeben und wird der feste Elektrolyt durch nicht-schraffierte Flächen angegeben. Der Einfachheit halber sind die Leitfähigkeitshilfe und das Bindemittel in 3 nicht gezeigt. In einer herkömmlichen auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie ist die Umgebung der Aktivmaterialpartikel mit einer Elektrolytlösung gefüllt und befindet sich das Aktivmaterial in einem Zustand, in dem die gesamte Oberfläche des aktiven Materials in Kontakt mit der Elektrolytlösung ist. Dagegen werden in einer Festkörperbatterie mit einem festen Elektrolyten wie durch die schwarzen Punkte in der Zeichnung angegeben ein fester Elektrolyt und Aktivmaterialpartikel an kleinen Kontaktflächen (Punkten) in Kontakt miteinander gebracht. Die Kontaktfläche zwischen dem festen Elektrolyten und den Aktivmaterialpartikeln ändert sich in Abhängigkeit von einer die Energiespeichereinrichtung bindenden Bindungskraft oder einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung.
In einer Festkörperbatterie ändert sich die Kontaktfläche zwischen dem festen Elektrolyten und den Aktivmaterialpartikeln in Entsprechung zu einer Bindungskraft oder einer internen mechanischen Spannung und ändern sich die Batterieeigenschaften stark in Entsprechung zu der Änderung der Kontaktfläche. Um die Batterieeigenschaften (wie etwa die Lade- und Entladeeigenschaften) der Festkörperbatterie genau zu schätzen, muss unbedingt eine interne mechanische Spannung geschätzt werden. In einer Batterie, die Lithiummetall für das Ausbilden der negativen Elektrode verwendet, ändert sich die Erzeugungsrate von Ausfällungen aufgrund einer internen mechanischen Spannung. Dementsprechend ist eine Schätzung der internen Spannung unerlässlich.
Im Folgenden wird die Konfiguration der Schätzvorrichtung 1 beschrieben.
4 ist ein Blockdiagramm, das die interne Konfiguration der Schätzvorrichtung 1 zeigt. Die Schätzvorrichtung 1 umfasst zum Beispiel eine arithmetische Operationseinheit (Schätzeinheit) 11, eine Speichereinheit 12, eine Eingabeeinheit 13 und eine Ausgabeeinheit 14.
Die arithmetische Operationseinheit 11 ist eine arithmetische Operationsschaltung, die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Direktzugriffspeicher (RAM) und ähnliches enthält. Die in der arithmetischen Operationseinheit 11 enthaltene CPU führt verschiedene in dem ROM oder der Speichereinheit 12 gespeicherte Computerprogramme aus und steuert die Operationen der oben genannten entsprechenden Hardwareeinheiten. Dementsprechend sorgt die arithmetische Operationseinheit 11 dafür, dass die gesamte Vorrichtung als ein Zustandsschätzer (auch als Beobachter bezeichnet) für das Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 funktioniert. Insbesondere führt die arithmetische Operationseinheit 11 eine arithmetische Operation für das Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf den über die Eingabeeinheit 13 eingegebenen Messdaten zu einer Dehnung unter Verwendung eines Simulationsmodells MD1, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung 2 simuliert, durch. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 eine arithmetische Operation für das Schätzen einer internen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung von manuell durch einen Benutzer vorbereiteten virtuellen Daten zu einer Dehnung durchführen. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 eine arithmetische Operation für das Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung von durch die Schätzvorrichtung 1 oder einen externen Computer erzeugten virtuellen Daten zu einer Dehnung durchführen.
Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 eine gewünschte Verarbeitungsschaltung oder eine gewünschte arithmetische Operationsschaltung sein, die eine Vielzahl von CPUs, eine Mehrkern-CPU, eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), einen Mikrocomputer, einen flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speicher und ähnliches enthält. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann Funktionen wie etwa eine Timerfunktion zum Messen der abgelaufenen Zeit ab dem Zeitpunkt, zu dem ein Messstartbefehl ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Messbeendigungsbefehl ausgegeben wird, eine Zählerfunktion zum Zählen der Anzahl und eine Taktfunktion zum Ausgeben von Informationen zu dem Datum und der Uhrzeit aufweisen.
Die Speichereinheit 12 enthält eine Speichereinrichtung wie etwa einen Flash-Speicher oder eine Festplatte. Die Speichereinheit 12 speichert verschiedene Computerprogramme und Daten. Das in der Speichereinheit 12 gespeicherte Computerprogramm umfasst ein Schätzprogramm PG1 zum Veranlassen eines Computers zum Ausführen einer Verarbeitung zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung des Simulationsmodells MD1. Es reicht aus, dass das Simulationsmodell MD1 in dem Schätzprogram PG1 beschrieben wird. Die in der Speichereinheit 12 gespeicherten Daten umfassen Parameter, die in dem Simulationsmodell MD1 verwendet werden, Parameter, die in dem Schätzprogramm PG1 verwendet werden, Daten, die durch die arithmetische Operationseinheit 11 verwendet werden, und ähnliches.
Das Schätzprogramm PG1 kann durch eine auf dem Markt erhältliche numerische Analysesoftware oder eine auf dem Markt erhältliche Programmiersprache wie etwa MATLAB (eingetragene Marke), Amesim (eingetragene Marke), Twin Builder (eingetragene Marke), MATLAB & Simulink (eingetragene Marke), Simplorer (eingetragene Marke), ANSYS (eingetragene Marke), Abaqus (eingetragene Marke), Modelica (eingetragene Marke), VHDL-AMS (eingetragene Marke), C, C++ oder Java (eingetragene Marke) beschrieben werden. Die numerische Analysesoftware kann ein Schaltungssimulator für 1D-CAE oder ein Simulator wie etwa eine in einer 3D-Form ausgeführte Finite-Elemente-Methode oder Finites-Volumen-Methode sein. Alternativ dazu kann auch ein Modell einer reduzierten Ordnung (ROM) basierend auf den vorstehend genannten Möglichkeiten verwendet werden.
Das Computerprogramm mit dem darin enthaltenen Schätzprogramm PG1 wird durch ein nichttransitorisches Aufzeichnungsmedium M, in dem das Computerprogramm in lesbarer Weise aufgezeichnet ist, vorgesehen. Das Aufzeichnungsmedium M ist ein tragbarer Speicher wie etwa eine CD-ROM, ein USB-Speicher oder eine SD (Secure Digital)-Karte. Die arithmetische Operationseinheit 11 liest ein gewünschtes Computerprogram von dem Aufzeichnungsmedium M unter Verwendung einer Leseeinrichtung (nicht gezeigt) und speichert das gelesene Computerprogramm in der Speichereinheit 12. Alternativ dazu kann das Computerprogramm über eine Kommunikation vorgesehen werden.
Die Eingabeeinheit 13 umfasst eine Schnittstelle für das Verbinden der Schätzvorrichtung 1 mit verschiedenen Sensoren. Ein Dehnungssensor S1 für das Messen einer in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugten Dehnung ist mit der Eingabeeinheit 13 verbunden. Die arithmetische Operationseinheit 11 erhält Messdaten zu der durch den Dehnungssensor S1 gemessenen Dehnung über die Eingabeeinheit 13.
Ein Temperatursensor S2, der die Temperatur der Energiespeichereinrichtung 2 misst, ein Temperatursensor S3, der eine Umgebungstemperatur der Energiespeichereinrichtung 2 misst, und ähnliches können mit der Eingabeeinheit 13 verbunden sein. Der Temperatursensor S2 ist an einem entsprechenden Teil der Energiespeichereinrichtung 2 oder dem Gehäuse 31, in dem die Energiespeichereinrichtung 2 aufgenommen ist, montiert und misst die Temperatur der Energiespeichereinrichtung 2. Der Temperatursensor S3 ist um die Energiespeichereinrichtung 2 herum vorgesehen und misst die Temperatur um die Energiespeichereinrichtung 2 herum (Umgebungstemperatur). Als die Temperatursensoren S2 und S3 werden bestehende Sensoren wie etwa ein Thermoelement und ein Thermistor verwendet. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann Daten zu der Umgebungstemperatur von einem externen Server wie etwa einem Wetterserver erhalten.
Ein Strommesser S4 zum Messen eines durch die Energiespeichereinrichtung 2 fließenden Stroms und ein Spannungsmesser S5 zum Messen einer Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 können mit der Eingabeeinheit 13 verbunden sein.
Die Ausgabeeinheit 14 umfasst eine Verbindungsschnittstelle für das Verbinden der Schätzvorrichtung 1 mit einer externen Einrichtung. Die mit der Ausgabeeinheit 14 verbundene externe Einrichtung ist eine Anzeigeeinrichtung 140, die ein Flüssigkristalldisplay oder ähnliches umfasst. In diesem Fall gibt die arithmetische Operationseinheit 11 Informationen zu einer geschätzten internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 von der Ausgabeeinheit 14 aus und lässt die Ausgabeeinheit 14 die Informationen an einer Anzeigeeinrichtung 140 anzeigen. Alternativ dazu kann auch die Schätzvorrichtung 1 die Anzeigeeinrichtung 140 umfassen.
Weiterhin kann die Ausgabeeinheit 14 eine Kommunikationsschnittstelle für das Kommunizieren mit einer externen Einrichtung umfassen. Die externe Einheit, die kommunikativ mit der Ausgabeeinheit 14 verbunden ist, ist ein Überwachungsserver, der einen Zustand der Energiespeichereinrichtung 2 überwacht. Alternativ dazu kann die externe Einrichtung, die kommunikativ mit der Ausgabeeinheit 14 verbunden ist, ein mobiles Endgerät oder eine Steuereinrichtung eines Elektrofahrzeugs, das mit dem von der Energiespeichereinrichtung 2 zugeführten Strom betrieben wird, sein.
Im Folgenden wird der Inhalt der durch die Schätzvorrichtung 1 durchgeführten arithmetischen Operation beschrieben.
Die Schätzvorrichtung 1 schätzt eine interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf den über die Eingabeeinheit 13 eingegebenen Messdaten des Dehnungssensors S1 unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung 2 ausdrückt.
Das Simulationsmodell, das einen dynamischen Zustand im Inneren der Energiespeichereinrichtung 2 ausdrückt, wird durch eine Kräftegleichgewichtsgleichung ausgedrückt. Zum Beispiel wird die folgende Formel 1 als die Kräftegleichgewichtsgleichung verwendet. $F_{e x t} = S E {ε - (ε_{i s o, e} + ε_{p r e, e})}$
In der Formel 1 ist F_ext eine Bindungskraft, die auf die Energiespeichereinrichtung 2 durch das Bindungsglied 3 ausgeübt wird. S ist eine Querschnittfläche senkrecht zu der auf die Energiespeichereinrichtung 2 ausgeübten Bindungskraft. E ist ein Elastizitätsmodul der Energiespeichereinrichtung 2. ε ist eine elastische Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2. ε_iso,e ist eine durch die Isolation von Aktivmaterialpartikeln verursachte inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2, und ε_pre,e ist eine durch das Wachstum von Ausfällungen verursachte inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2.
In der Ausführungsform 1 werden (1) eine Isolation von Aktivmaterialpartikeln und (2) das Wachstum von Ausfällungen als Faktoren, die eine Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 verursachen, betrachtet.
(1) Durch eine Isolation verursachte inhärente Dehnung
Die Isolation drückt ein Phänomen aus, in dem Ladungsträger (zum Beispiel Lithiumatome) in die Aktivmaterialpartikel während des Ladens und Entladens eingeführt oder aus diesem freigegeben werden, sodass eine Ausdehnung und ein Schrumpfen der Aktivmaterialpartikel wiederholt werden, wodurch die Aktivmaterialpartikel durch eine mechanische Spannung gebrochen werden. Eine Isolation wird auch als Pulverisierung oder Risswachstum bezeichnet. Wenn die Aktivmaterialpartikel gebrochen werden, wird ein Zwischenraum in den Aktivmaterialpartikeln erzeugt. Daraus resultiert, dass das scheinbare Volumen der Aktivmaterialpartikel vergrößert wird und somit eine inhärente Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugt wird.
Die Fortschrittsgeschwindigkeit der inhärenten Dehnung aufgrund der Isolation wird zum Beispiel durch die folgende Formel 2 ausgedrückt: $ε_{i s o, e}^{k + 1} = ε_{i s o, e}^{k} + k_{i s o,0} + k_{i s o,1} {| I |}^{α_{i s o .1}} + ν_{i s o, e}$
In der Formel 2 gibt ε_iso,e eine durch eine Isolation verursachte inhärente Dehnung an. Das tiefgestellte „iso“ gibt eine Isolation an, und das tiefgestellte „e“ gibt eine inhärente Dehnung an. Die tiefgestellten „k“ und „k+1“ geben Zeitschritte an. k_iso,0 und k_iso,1 sind Ratenkoeffizienten und geben jeweils einen Vergrößerungsgrad einer inhärenten Dehnung aufgrund einer Isolation im Zeitverlauf und einen Vergrößerungsgrad einer inhärenten Dehnung aufgrund des durch die Stromzufuhr verursachten Fortschritts der Isolation an. Die Isolation schreitet nur mit einer Änderung im Zeitverlauf kaum fort, sodass in vielen Fällen auch dann, wenn k_iso,0 als k_iso,0 = 0,0 gesetzt ist, kein Problem auftritt. I gibt einen durch die Energiespeichereinrichtung 2 fließenden Strom an. α_iso,1 gibt eine proportionale Stromkonstante eines Stroms an. v_iso,e gibt einen Störungsterm des Isolationsfortschritts an.
(2) Durch ein Wachstum von Ausfällungen verursachte inhärente Dehnung
Wenn zum Beispiel Lithiummetall als ein Material für das Ausbilden der negativen Elektrode der Energiespeichereinrichtung 2 verwendet wird, können Ausfällungen an einer Oberfläche der negativen Elektrode durch ein wiederholtes Laden und Entladen über eine lange Zeitdauer hinweg ausgefällt werden. Aufgrund des Wachstums der Ausfällungen wird eine inhärente Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugt.
Die Fortschrittsgeschwindigkeit der durch das Wachstum der Ausfällungen erzeugten inhärenten Dehnung wird zum Beispiel durch die folgende Formel 3 ausgedrückt. $ε_{p r e, e}^{k + 1} = ε_{p r e, e}^{k} + k_{p r e,0} (σ_{i n}^{k}) + k_{p r e,1} (σ_{i n}^{k}) {| I |}^{α_{p r e .1}} + ν_{p r e, e}$
In der Formel 3 gibt ε_pre,e eine inhärente Dehnung aufgrund des Wachstums von Ausfällungen an. Das tiefgestellte „pre“ gibt Ausfällungen an, und das tiefgestellte „e“ gibt eine inhärente Dehnung an. Die tiefgestellten „k“ und „k+1“ geben Zeitschritte an. k_pre,0 und k_pre,1 sind Ratenkoeffizienten. k_pre,0 gibt einen durch eine Isolation verursachten Vergrößerungsgrad einer inhärenten Dehnung im Zeitverlauf an, und k_pre,1 gibt einen durch das Wachstum von Ausfällungen aufgrund der Stromzufuhr verursachten Vergrößerungsgrad einer inhärenten Dehnung an. σ_in gibt eine interne mechanische Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 an. Die Ratenkoeffizienten k_pre,0 und k_pre,1 geben beide eine Funktion der internen mechanischen Spannung σ_in an. σ_in kann eine Funktion einer Position in der Energiespeichereinrichtung sein. I gibt einen durch die Energiespeichereinrichtung 2 fließenden Strom an. α_pre,1 gibt eine proportionale Leistungskonstante eines Stroms an. v_pre,e gibt einen durch das Wachstum von Ausfällungen verursachten Störungsterm einer inhärenten Dehnung an.
Die Ausfällungen können spärliches Lithiummetall, ein passiver Film (SEI-Film) oder ähnliches sein. Auch wenn Ausfällungen in der Energiespeichereinrichtung 2 ausgefällt werden, wird die mit dem Wachstum der Ausfällungen assoziierte Fortschrittsgeschwindigkeit der inhärenten Dehnung durch die gleiche Formel wie die Formel 3 ausgedrückt.
Eine Bindungskraft F_ext, die auf die Energiespeichereinrichtung 2 ausgeübt wird, stimmt mit der in dem seitlichen Flächenteil 312 des Bindungsglieds 3 erzeugten Zugkraft überein. Dementsprechend wird die Bindungskraft F_ext durch die folgende Formel 4 ausgedrückt. $F_{e x t} = S_{r e f} E_{r e f} ε_{r e f}$
In der Formel 4 ist E_ref das Elastizitätsmodul des seitlichen Flächenteils 312, ist ε_ref eine in dem seitlichen Flächenteil 312 erzeugte Dehnung, die durch den Dehnungssensor S1 gemessen wird, und ist S_ref eine Querschnittfläche des seitlichen Flächenteils 312.
Die Beziehung von σ_in = εE wird zwischen einer internen mechanischen Spannung σ_in und einer elastischen Dehnung ε der Energiespeichereinrichtung 2 hergestellt. Dementsprechend wird die interne mechanische Spannung σ_in wie folgt unter Verwendung einer durch das Kombinieren der Formel 1 mit der Formel 4 gebildeten Beziehungsformel ausgedrückt. $σ_{i n}^{k} = \frac{S_{r e f} E_{r e f} ε_{r e f}^{k}}{S} + E (ε_{i s o, e}^{k} + ε_{p r e, e}^{k}) + ν_{i n}$
In der Formel 5 gibt das hochgestellte k einen Zeitschritt an. v_in gibt einen Störungsterm der internen mechanischen Spannung an. In der Formel 5 werden eine durch eine Isolation verursachte inhärente Dehnung und eine durch das Wachstum von Ausfällungen verursachte inhärente Dehnung als Faktoren für eine Dehnung betrachtet. Und wenn weitere Faktoren gegeben sind, kann eine im Wesentlichen gleiche Verarbeitung durch das Addieren von derartigen anderen Faktoren zu dem Term der Summe von inhärenten Dehnungen angewendet werden.
Wenn Formeln von zwei inhärenten Dehnungen, nämlich eine Formel von durch den Dehnungssensor S1 erhaltenen Messwerten und eine Formel einer internen mechanischen Spannung als eine Zustandsgleichung ausgedrückt werden, wird die folgende Formel 6 erhalten. $\begin{array}{l} ε_{i s o, e}^{k + 1} = ε_{i s o, e}^{k} + k_{i s o,0} + k_{i s o,1} {| I |}^{α_{i s o .1}} + ν_{i s o, e} \\ ε_{p r e, e}^{k + 1} = ε_{p r e, e}^{k} + k_{p r e,0} (σ_{i n}^{k}) + k_{p r e,1} (σ_{i n}^{k}) {| I |}^{α_{p r e .1}} + ν_{p r e, e} \\ ε_{r e f}^{k + 1} = ε_{r e f}^{k} + ν_{r e f} \\ σ_{i n}^{k} = \frac{S_{r e f} E_{r e f} ε_{r e f}^{k}}{S} + E (ε_{i s o, e}^{k} + ε_{p r e, e}^{k}) + ν_{i n} \end{array}$
Die Formel 6 enthält eine Formel einer an dem seitlichen Flächenteil 312 erzeugten Dehnung zusätzlich zu der Formel (Formel 2), die eine durch eine Isolation verursachte Fortschrittsgeschwindigkeit einer inhärenten Dehnung ausdrückt, der Formel (Formel 3), die eine durch das Wachstum der Ausfällungen verursachte Fortschrittsgeschwindigkeit der inhärenten Dehnung ausdrückt, und der Formel (Formel 5), die auf eine interne mechanische Spannung bezogen ist. In der Formel 6 gibt ε_ref eine Beobachtungsgröße an. In Bezug auf einen Strom I kann auch ein durch den Strommesser S4 gemessener Wert gemessen werden. In der Formel 6 wird eine inhärente Dehnung als eine Zustandsgröße verwendet. Es kann jedoch auch eine mechanische Spannung, die durch das Multiplizieren einer inhärenten Dehnung mit dem Youngmodul erhalten wird, als eine Zustandsgröße verwendet werden.
Die durch die Formel 6 ausgedrückte Zustandsgleichung kann in einen Ausdruck umgewandelt werden, der Vektoren wie durch die Formel 7 ausgedrückt verwendet. $x^{k + 1} = ƒ (x^{k}) + ν^{k} x^{k} = (\begin{matrix} ε_{i s o, e}^{k} \\ ε_{p r e, e}^{k} \\ ε_{r e f}^{k} \\ σ_{i n}^{k} \end{matrix}) ν^{k} = (\begin{matrix} ν_{i s o, e}^{k} \\ ν_{p r e, e}^{k} \\ ν_{r e f}^{k} \\ ν_{i n}^{k} \end{matrix})$
In der Formel 7 ist x^k ein Vektor (Zustandsvektor) mit einer Zustandsgröße als einem Element und ist v^k ein Vektor (Störungsvektor) mit einer Störungsgröße als einem Element. f gibt eine nicht-lineare Transformation der in der Formel 6 angegebenen Zustandsgleichung an. Der Störungsterm kann durch das Setzen einiger oder aller Elemente des Störungsterms zu 0 berechnet werden.
In der Ausführungsform 1 wird eine Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 durch den Dehnungssensor S1 gemessen, wobei ε_ref eine Beobachtungsgröße ist. Eine Beobachtungsgleichung wird durch die folgende Formel ausgedrückt. $y^{k} = C_{T} x^{k}$
In dieser Formel 8 ist y^k ein Beobachtungswert und ist C^T ein Beobachtungsvektor. Es kann auch ein Störungsvektor zu der Beobachtungsgleichung addiert werden. Wenn ε_ref der dritten Komponente als eine Beobachtungsgröße herausgenommen wird, wird der Beobachtungsvektor C^T wie in der Formel 9 ausgedrückt. $C_{T} = (\begin{matrix} 0 & 0 & 1 & 0 \end{matrix})$
Die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 1 berechnet sequentiell eine Aktualisierung der Zeit des Simulationsmodells, das durch die Zustandsgleichung der Formel 7 und die Beobachtungsgleichung der Formel 8 ausgedrückt wird, unter Verwendung eines nicht-linearen Filters und leitet den zeitlichen Übergang einer internen mechanischen Spannung σ_in ab.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum sequentiellen Berechnen der Aktualisierung der Zeit unter Verwendung eines Ensemble-Kalmanfilters als eines Beispiels für das nicht-lineare Filter beschrieben.
5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Ausführungsform 1 beschreibt. Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 gibt einen anfänglichen Wert k = 1 vor (Schritt S101). Es reicht aus, wenn die arithmetische Operationseinheit 11 einen zuvor unter Verwendung des Dehnungssensors S1 gemessenen Wert als einen anfänglichen Wert von ε_ref ^k vorsieht und zuvor gesetzte temporäre Werte als einen anfänglichen Wert einer durch eine Isolation verursachten inhärenten Dehnung ε_iso,e ^k, als eine durch das Wachstum von Ausfällungen verursachte inhärente Dehnung ε_pre,e ^k und als eine interne mechanische Spannung σ_in ^k vorsieht.
Dann erzeugt die arithmetische Operationseinheit 11 N Partikel für jede Zustandsvariable (Schritt S102). In diesem Schritt beträgt N ungefähr 10² bis 10⁶.
Dann erzeugt die arithmetische Operationseinheit 11 eine zufällige Zahl in Entsprechung zu v_k in Bezug auf i, wobei i = 1, 2 ... N (Schritt S103). Es soll angenommen werden, dass v_k der normalen Verteilung folgt und die Varianz bekannt ist.
Die arithmetische Operationseinheit 11 führt eine arithmetische Operation basierend auf der Formel 10 in Bezug auf alle N Partikel durch und aktualisiert den Zustand der Partikel zu dem Zustand der Partikel im nächsten Zeitschritt (Schritt S104). $x_{k}^{(i)} = ƒ (x_{k - 1}^{(i)}) + ν_{k}^{(i)}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet eine Differenz x_k ⁽ⁱ⁾_bar zwischen den Zustandsvektoren der entsprechenden Partikel (i = 1, 2 ... N) und einem durchschnittlichen Wert der Zustandsvektoren aller Partikel (Schritt S105). x_k ⁽ⁱ⁾_bar wird durch die Formel 11 ausgedrückt. $\bar{x_{k}^{(i)}} = x_{k}^{(i)} = \frac{1}{N} \sum_{i = 1}^{N} x_{k}^{(i)}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet eine Kovarianzmatrix P_k von Zustandsgrößen-Prädiktionswerten in Bezug auf alle Partikel (Schritt S106). Die Kovarianzmatrix P_k wird durch die Formel 12 wiedergegeben. $P_{k} = \frac{1}{N - 1} \sum_{i = 1}^{N} \bar{x_{k}^{(i)}} \cdot {\bar{x_{k}^{(i)}}}^{T}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 erhält eine Sensorausgabe des Dehnungssensors S1 über die Eingabeeinheit 13 (Schritt S107). Die erhaltene Sensorausgabe des Dehnungssensors S1 sieht einen Beobachtungswert y_k ⁱ jedes Partikels in dem Zeitschritt k vor.
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet einen Beobachtungsfehler r_k ⁱ in dem Zeitschritt k des i-ten Partikels (Schritt S108). In dieser Verarbeitung ist w_k eine Beobachtungsstörung. Der Beobachtungsfehler r_i ⁱ wird durch die Formel 13 ausgedrückt. $r_{k}^{i} = y_{k}^{i} - C^{T} x_{k}^{(i)} + w_{k}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet eine Kalmanverstärkung K_k in dem Zeitschritt k (Schritt S109). Die Kalmanverstärkung K_k wird durch die Formel 14 ausgedrückt. $K_{k} = P_{k} C {(C^{T} P_{k} C + Q_{k})}^{- 1}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet einen geschätzten Wert x_k ⁽ⁱ⁾_hat des i-ten Partikels (Schritt S110). Der geschätzte Wert x_k ⁽ⁱ⁾_hat wird durch die Formel 15 ausgedrückt. Das heißt, dass die arithmetische Operationseinheit 11 den ersten Prädiktionswert der Formel 10 unter Verwendung des Beobachtungswerts r_k ⁱ der Formel 13 und der Kalmanverstärkung K_k der Formel 14 korrigiert. $\hat{x_{k}} = \frac{1}{N} \sum_{i = 1}^{N} \hat{x_{k}^{(l)}}$
Die arithmetische Operationseinheit 11 berechnet einen durchschnittlichen Wert x_k_hat jedes Partikels (Schritt S111). Der durchschnittliche Wert x_k_hat jedes Partikels drückt einen durch das Ensemble-Kalmanfilter erhaltenen geschätzten Zustandsvektorwert aus und wird durch die folgende Formel berechnet. $\hat{x_{k}} = \frac{1}{N} \sum_{i = 1}^{N} \hat{x_{k}^{(l)}}$
Der durch die Formel 16 erhaltene geschätzte Wert (durchschnittliche Wert x_k_hat jedes Partikels) enthält einen geschätzten Wert einer internen mechanischen Spannung σ_in.
Dann bestimmt die arithmetische Operationseinheit 11, ob die arithmetische Operation beendet werden soll oder nicht (Schritt S112). Wenn zum Beispiel ein Endbefehl von einem Benutzer gegeben wird, bestimmt die arithmetische Operationseinheit 11, die arithmetische Operation zu beenden. Wenn die arithmetische Operationseinheit 11 bestimmt, die arithmetische Operation nicht zu beenden (S112: NEIN), führt die arithmetische Operationseinheit 11 die Verarbeitung zu dem Schritt S102 zurück und führt die arithmetische Operation in dem nächsten Zeitschritt durch.
Wenn die arithmetische Operationseinheit 11 bestimmt, die arithmetische Operation abzuschließen (S112: JA), gibt die arithmetische Operationseinheit 11 Informationen in Bezug auf die geschätzte interne mechanische Spannung σ_in von der Ausgabeeinheit 14 aus (Schritt S113) und beendet die Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm. Die Informationen zu der internen mechanischen Spannung σ_in, die die arithmetische Operationseinheit 11 ausgibt, können ein Wert der internen mechanischen Spannung selbst oder eine basierend auf der internen mechanischen Spannung abgeleitete physikalische Größe (zum Beispiel ein Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung 2) sein. Weiterhin können die Informationen in Bezug auf die interne mechanische Spannung σ_in, die die arithmetische Operationseinheit 11 ausgibt, eine Kurve, die den zeitlichen Übergang der internen mechanischen Spannung σ_in angibt, eine zweidimensionale Kurve oder eine dreidimensionale Kurve oder eine Konturmap, die die mechanische Spannungsverteilung angibt, sein.
Wie weiter oben beschrieben schätzt die Schätzvorrichtung 1 die interne mechanische Spannung σ_in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung eines Ensemble-Kalmanfilters. Der Ensemble-Kalmanfilter ist eine Filtermethode, die für die Verwendung für ein Zustandsraummodell mit einer nicht-Linearität oder einer nicht-Gaussivität gedacht ist und auch für ein allgemeineres Zustandsraummodell verwendet werden kann. Das Ensemble-Kalmanfilter weist einen relativ einfachen Algorithmus auf und kann einfach in der Schätzvorrichtung 1 implementiert werden.
Das in 5 gezeigte Flussdiagramm beschreibt eine arithmetische Operationsmethode, die das Ensemble-Kalmanfilter verwendet. Alternativ dazu kann die Schätzvorrichtung 1 die interne mechanische Spannung σ_in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung eines nicht-linearen Filters wie etwa eines Partikelfilters, eines erweiterten Kalmanfilters oder eines Unscented-Kalmanfilters schätzen.
In der Ausführungsform 1 wird bei der Ableitung der Formel 5 die Linearität zwischen einer inhärenten Dehnung und einer internen mechanischen Spannung berücksichtigt. Die Beziehung zwischen der inhärenten Dehnung und der internen mechanischen Spannung kann jedoch auch nicht-linear sein. Auch wenn die Beziehung zwischen der inhärenten Dehnung und der internen mechanischen Spannung nicht-linear ist, kann die Schätzvorrichtung 1 die interne mechanische Spannung σ_in der Energiespeichereinrichtung 2 durch das Durchführen einer arithmetischen Operation unter Verwendung eines nicht-linearen Filters schätzen.
(Ausführungsform 2)
Für die Ausführungsform 2 wird ein Verfahren zum Schätzen der internen mechanischen Spannung durch das Berücksichtigen einer auf die Temperatur zurückzuführenden internen Dehnung beschrieben.
Die Konfiguration einer Schätzvorrichtung 1 und die Konfiguration einer Energiespeichereinrichtung 2 sind im Wesentlichen gleich den entsprechenden Konfigurationen der Ausführungsform 1. Dementsprechend kann auf eine Beschreibung dieser Konfigurationen verzichtet werden.
In der Ausführungsform 2 werden als Faktoren, die eine Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 verursachen (1) die Isolation von Aktivmaterialpartikeln, (2) das Wachstum von Ausfällungen und (3) die Wärmeausdehnung berücksichtigt. Die durch die Isolation von Aktivmaterialpartikeln verursachte inhärente Dehnung und eine durch das Wachstum von Ausfällungen verursachte inhärente Dehnung sind im Wesentlichen gleich den entsprechenden inhärenten Dehnungen in der Ausführungsform 1. Dementsprechend wird auf eine Beschreibung dieser inhärenten Dehnungen verzichtet.
(3) Durch eine Wärmeausdehnung verursachte inhärente Dehnung
Die Wärmeausdehnung ist ein Phänomen, in dem sich das Volumen der Energiespeichereinrichtung 2 vergrößert, wenn sich die Temperatur erhöht. Die Wärmeausdehnung spielt keine Rolle für die Verschlechterung der Energiespeichereinrichtung 2 und wird nur basierend auf einer Temperatur zu einem bestimmten Moment bestimmt. In der Ausführungsform 2 wird ein Modell beschrieben, in dem angenommen wird, dass die Wärmeausdehnung proportional zu der Temperatur ist und eine inhärente Dehnung in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz von der Referenztemperatur erzeugt wird.
Eine inhärente Dehnung aufgrund einer Temperatur wird zum Beispiel durch die folgende Formel 17 ausgedrückt. $ε_{t h,0}^{k} = α_{t h}^{k} (T^{k} - T_{r e f}) + ν_{t h, e}$
In der Formel 17 gibt ε_th,0 eine durch eine Wärmeausdehnung verursachte inhärente Dehnung an. α_th gibt einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten an. T gibt eine Temperatur eines bestimmten Zeitpunkts an, und T_ref gibt eine Referenztemperatur an. v_th,e gibt einen externen Störungsterm einer Wärmeausdehnung an. In der Formel 17 gibt das hochgestellte keinen Zeitschritt an. Das tiefgestellte th gibt eine Temperatur an. Messdaten eines Temperatursensors S2 werden als die Temperatur T verwendet, und Messdaten eines Temperatursensors S3 werden als die Referenztemperatur T_ref verwendet.
Die Zustandsgleichung einschließlich einer Temperatur wird durch die folgende Formel 18 ausgedrückt. $\begin{array}{l} ε_{i s o, e}^{k + 1} = ε_{i s o, e}^{k} + k_{i s o,0} (T^{k}) + k_{i s o,1} {| I |}^{α_{i s o .1}} + ν_{i s o, e} \\ ε_{p r e, e}^{k + 1} = ε_{p r e, e}^{k} + k_{p r e,0} (T^{k}, σ_{i n}^{k}) + k_{p r e,1} (T^{k}, σ_{i n}^{k}) {| I |}^{α_{p r e .1}} + ν_{p r e, e} \\ ε_{t h, e}^{k} = α_{t h}^{k} (T^{k} - T_{r e f}) + ν_{t h, e} \\ ε_{r e f}^{k + 1} = ε_{r e f}^{k} + ν_{r e f} \\ σ_{i n}^{k} = \frac{S_{r e f} E_{r e f} ε_{r e f}^{k}}{S} + E (ε_{i s o, e}^{k} + ε_{t h, e}^{k} + ε_{p r e, e}^{k}) + ν_{i n} \end{array}$
In der Ausführungsform 2 werden Ratenkoeffizienten k_iso,0, k_iso,1, die eine Fortschrittsgeschwindigkeit einer durch eine Isolation verursachten inhärenten Dehnung angeben, als Funktionen der Temperatur T verwendet. Als die funktionale Form wird eine sich monoton vergrößernde Funktion der Temperatur T verwendet. Als die sich monoton vergrößernde Funktion wird zum Beispiel eine Funktion des Arrhenius-Typs, die eine sich vergrößernde Fortschrittsgeschwindigkeit der Isolation bei einer Temperaturerhöhung angibt, verwendet. In der Ausführungsform 2 sind die Ratenkoeffizienten k_pre,0, k_pre,1, die die Fortschrittsgeschwindigkeiten einer durch das Wachstum der Ausfällungen verursachten inhärenten Dehnung angeben, Funktionen der Temperatur T und der internen mechanischen Spannung σ_in. Als die funktionale Form wird eine sich monoton verkleinernde Funktion der Temperatur T verwendet. Als die sich monoton verkleinernde Funktion wird zum Beispiel eine Funktion, die eine sich vergrößernde Fortschrittsgeschwindigkeit von Ausfällungen bei einer Temperaturerhöhung angibt, verwendet. Zu einer fünften Gleichung der Formel 18 wird ein Term mit Bezug auf eine durch eine Wärmeausdehnung verursachte inhärente Dehnung ε_th,e ^k addiert.
Die durch die Formel 18 ausgedrückte Zustandsgleichung kann zu einem Ausdruck, der Vektoren wie in der Formel 19 verwendet, gewandelt werden. $x^{k + 1} = ƒ (x^{k}) + ν^{k} x^{k} = (\begin{matrix} ε_{i s o, e}^{k} \\ ε_{p r e, e}^{k} \\ ε_{t h, e}^{k} \\ ε_{r e f}^{k} \\ σ_{i n}^{k} \end{matrix}) ν^{k} = (\begin{matrix} ν_{i s o, e}^{k} \\ ν_{p r e, e}^{k} \\ ν_{t h, e}^{k} \\ ν_{r e f}^{k} \\ σ_{i n}^{k} \end{matrix})$
In der Ausführungsform 2 ist die Beobachtungsgleichung im Wesentlichen gleich der in der Ausführungsform 1 beschriebenen Formel 8. Weil jedoch in der Ausführungsform 2 eine Dehnung und eine Temperatur der Energiespeichereinrichtung 2 als Beobachtungsgrößen extrahiert werden, wird der Beobachtungsvektor C^T als die Formel 20 ausgedrückt. $C_{T} = (\begin{matrix} 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \end{matrix})$
Die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 2 berechnet sequentiell eine Zeitaktualisierung des Simulationsmodells (Zeitreihenmodell), das durch die in der Formel 19 ausgedrückte Zustandsgleichung und die in der Formel 8 ausgedrückte Beobachtungsgleichung ausgedrückt wird, unter Verwendung eines nicht-linearen Filters und leitet den zeitlichen Übergang einer internen mechanischen Spannung σ_in, der eine Temperatur berücksichtigt, ab. Die in der Ausführungsform 2 verwendete arithmetische Operationsmethode ist im Wesentlichen gleich der in der Ausführungsform 1 verwendeten arithmetischen Operationsmethode. Die Schätzvorrichtung 1 schätzt eine interne mechanische Spannung σ_in in der Energiespeichereinrichtung 2 durch das Durchführen einer arithmetischen Operation gemäß den Schritten in dem Flussdiagramm von 5.
Die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 1 und die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 2 sind konfiguriert für das Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 durch das Durchführen des Schätzprogramms PG1. Alternativ dazu kann durch das kooperative Verwenden eines Schätzprogramms für das Schätzen der Verschlechterung der Energiespeichereinrichtung 2 zusammen mit dem Schätzprogramm die Schätzvorrichtung 1 gleichzeitig einen Modus, in dem sich die elektrochemische Spezifikation im Verlauf der Nutzung der Energiespeichereinrichtung 2 verschlechtert, und einen Modus, in dem sich die Energiespeichereinrichtung 2 ausdehnt, simulieren. Als ein Schätzprogramm für das Schätzen der Verschlechterung der Energiespeichereinrichtung 2 wird zum Beispiel eine in JP-A-2020-48369 beschriebene Methode verwendet.
In der Ausführungsform 2 wird eine durch eine Wärmeausdehnung verursachte inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2 berücksichtigt. Alternativ dazu kann eine durch eine Ausdehnung und Schrumpfung bei einem Einführen und Extrahieren der Aktivmaterialpartikel verursachte inhärente Dehnung berücksichtigt werden. Eine derartige Ausdehnung und Schrumpfung treten auf, wenn Aktivmaterialpartikel in eine positive Elektrode und eine negative Elektrode während des normalen Ladens und Entladens unabhängig von der Verschlechterung der Energiespeichereinrichtung 2 eingeführt oder aus diesen extrahiert werden. Die durch das Einführen und Extrahieren der Aktivmaterialpartikel verursachte inhärente Dehnung ist reversibel und wird zum Beispiel als eine Funktion des Ladezustands (State of Charge bzw. SOC) ausgedrückt.
In der Ausführungsform 2 wird ein Modell, das den Einfluss der Temperatur über eine thermische Belastung berücksichtigt, beschrieben. Alternativ dazu kann nur die Temperaturabhängigkeit des Ratenkoeffizienten der Isolation oder des Wachstums von Ausfällungen berücksichtigt werden, ohne eine inhärente Dehnung aufgrund einer Wärmeausdehnung zu berücksichtigen. In diesem Fall kann auf die dritte Gleichung in der Formel 18 und der Formel 19 verzichtet werden.
(Ausführungsform 3)
Für die Ausführungsform 3 wird eine Konfiguration beschrieben, in der ein durch die Schätzvorrichtung 1 geschätzter Wert einer internen mechanischen Spannung σ_in beim Schätzen eines elektrochemischen Phänomens der Energiespeichereinrichtung 2 verwendet wird.
Die Konfiguration einer Schätzvorrichtung 1 und die Konfiguration einer Energiespeichereinrichtung 2 sind im Wesentlichen gleich den entsprechenden Konfigurationen der Ausführungsform 1. Dementsprechend wird hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Konfigurationen verzichtet.
Das elektrochemische Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 wird durch ein physikalisches Modell wie etwa ein Newman-Modell oder ein Randle-Modell beschrieben. Die Beobachtungsgleichung wird zum Beispiel durch die Formel 21 ausgedrückt. $V = O C P_{p} (c_{p,1}) - O C P_{n} (c_{n,1}) - R_{o h m} (σ_{i n}) I - η_{a c t, p} (c_{p .1}, I, T) - η_{a c t, p} (c_{p .1}, I, T)$
In der Formel 21 gibt V eine Anschlussspannung der Energiespeichereinrichtung 2 wieder und ist ein durch einen Spannungsmesser S5 beobachteter Beobachtungswert. OCP_p (c_p,1) ist ein Gleichgewichtspotential einer positiven Elektrode und ist eine Funktion der eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_p,1 an einer Schnittstelle von positiven Aktivmaterialpartikeln. OCP_n (c_n,1) ist ein Gleichgewichtspotential einer negativen Elektrode und ist eine Funktion der eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_n,1 an einer Schnittfläche der negativen Aktivmaterialpartikel. R_ohm (σ_in) gibt einen Ohmschen Widerstand (einen Innenwiderstand) der Energiespeichereinrichtung 2 an. R_ohm (σ_in) gibt an, dass der Ohmsche Widerstand eine Funktion der internen mechanischen Spannung σ_in ist. Als der Wert der internen Spannung σ_in wird ein durch die Schätzvorrichtung 1 geschätzter Wert verwendet. R_ohm (σ_in) kann eine Funktion einer Temperatur T sein. I gibt einen durch die Energiespeichereinrichtung 2 fließenden Strom an. Das heißt, dass der Term von R_ohm (σ_in) I einen Spannungsabfall aufgrund eines Ohmschen Widerstands angibt. η_act,p (c_p,1 I) ist eine Aktivierungsüberspannung an der Schnittfläche der positiven Aktivmaterialpartikel und ist eine nicht-lineare Funktion einer eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_p,1 eines Stroms I und einer Temperatur T an der Schnittfläche der positiven Aktivmaterialpartikel. η_act,n (c_n,1 I) ist eine Aktivierungsüberspannung an der Schnittfläche der negativen Aktivmaterialpartikel und ist eine nicht-lineare Funktion einer eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_n,1, eines Stroms I und einer Temperatur T an der Schnittfläche der negativen Aktivmaterialpartikel. Das heißt, dass eine Spannung V eines Beobachtungswerts eine komplizierte nicht-lineare Funktion einer eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_p,1 an der Schnittfläche der positiven Aktivmaterialpartikel, einer eingeschlossenen Lithiumionenkonzentration c_n,1 an der Schnittfläche der negativen Aktivmaterialpartikel, eines Stroms I und einer Temperatur T ist.
6 ist ein Kurvendiagramm, das eine Beziehung zwischen einer internen mechanischen Spannung σ_in und einem Ohmschen Widerstand R_ohm der Energiespeichereinrichtung 2 zeigt. Die interne mechanische Spannung σ_in der Energiespeichereinrichtung 2 ist auf der Abszissenachse aufgetragen, und der Ohmsche Widerstand R_ohm der Energiespeichereinrichtung 2 ist auf der Ordinatenachse aufgetragen. Wie in dem Kurvendiagramm von 6 gezeigt, wird unter Berücksichtigung der experimentellen Tatsache, dass je höher eine Kompressionsspannung ist, desto niedriger der Ohmsche Widerstand wird, die funktionale Form von R_ohm derart bestimmt, dass die Beziehung ∂ R_ohm/∂σ_in ≥ 0 erfüllt wird. Die Speichereinheit 12 der Schätzvorrichtung 1 kann eine Funktion zum Wandeln der internen mechanischen Spannung σ_in zu dem Ohmschen Widerstand R_ohm speichern oder kann eine Wandlungstabelle für das Wandeln der internen mechanischen Spannung σ_in zu dem Ohmschen Widerstand R_ohm speichern.
Die Schätzvorrichtung 1 wandelt einen unter Verwendung der oben beschriebenen Methode geschützten Wert der internen mechanischen Spannung σ_in zu einem Wert des Ohmschen Widerstands R_ohm gemäß einer vorbestimmten Funktion (oder Tabelle). Die Schätzvorrichtung 1 schätzt physikalische Größen einschließlich der Gleichgewichtspotentiale der positiven Elektrode und der negativen Elektrode und eine Aktivierungsüberspannung durch das Durchführen der Zustandsschätzung basierend auf der Formel 21 unter Verwendung eines nach der Wandlung erhaltenen Werts des Ohmschen Widerstands R_ohm. Als Schätzmethode wird zum Beispiel die in JP-A-2020 - 160971 beschriebene Methode verwendet.
In der Festkörperbatterie ändert sich die Kontaktfläche zwischen dem festen Elektrolyten und den Aktivmaterialpartikeln in Entsprechung zu einer Bindungskraft oder einer internen Spannung und ändern sich Batterieeigenschaften stark in Entsprechung zu der Änderung der Kontaktfläche. In der Ausführungsform 3 wird ein elektrochemisches Phänomen unter Verwendung eines Schätzergebnisses einer internen Spannung σ_in geschätzt. Dementsprechend kann ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie genau geschätzt werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass sich Batterieeigenschaften in Entsprechung zu einer internen mechanischen Spannung stark ändern.
Es ist bekannt, dass sich in einer Batterie mit einer negativen Elektrode, die unter Verwendung von Lithiummetall ausgebildet ist, der Innenwiderstand wie etwa der Ohmsche Widerstand und die Wachstumsrate von Ausfällungen in Entsprechung zu der internen mechanischen Spannung ändern.
(Ausführungsform 4)
Für die Ausführungsform 4 wird eine Konfiguration beschrieben, in der ein elektrochemisches Phänomen unter Verwendung eines Äquivalente-Schaltung-Modells einer Energiespeichereinrichtung 2 geschätzt wird.
Die Konfiguration einer Schätzvorrichtung 1 und die Konfiguration einer Energiespeichereinrichtung 2 sind im Wesentlichen gleich den entsprechenden Konfigurationen der Ausführungsform 1. Dementsprechend kann auf eine Beschreibung dieser Konfigurationen verzichtet werden.
7 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel eines Äquivalente-Schaltung-Modells zeigt. In vielen Fällen wird das Äquivalente-Schaltung-Modell der Energiespeichereinrichtung 2 zum Beispiel als eine Kombination aus einem Widerstand, einer Kapazitätskomponente und einer Spannungsquelle wie in 7 gezeigt ausgedrückt.
In 7 gibt Ro eine Ohmsche Widerstandskomponente an, gibt R₁ eine Widerstandskomponente einer positive Elektrode an, gibt C₁ eine Kapazitätskomponente einer positiven Elektrode an, gibt R₂ eine Reaktionswiderstandskomponente einer negativen Elektrode an, gibt C₂ eine Kapazitätskomponente einer negativen Elektrode an und gibt E_eq eine Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage bzw. OCV) an. Das Äquivalente-Schaltung-Modell von 7 ist als ein Beispiel vorgesehen, wobei keine Beschränkung hinsichtlich des Typs der Kombination, d.h. einer seriellen oder parallelen Kombination oder der Anzahl und des Typs der elektrischen Schaltungselemente vorgegeben wird.
Es ist bekannt, dass die Lade- und Entladeeigenschaften der Energiespeichereinrichtung 2 durch die Temperatur und den Ladezustand (SOC) beeinflusst werden. Es wird hier angenommen, dass die Leerlaufspannung (OCV) eine Funktion eines SOC ist und R₀ bis R₂ und C₁ bis C₂ Funktionen einer Temperatur sind. Unter diesen Bedingungen wird eine Gleichung einer Beobachtung durch die Formel 22 ausgedrückt. $y_{U}^{k} = V = O C V (S O C) + C_{T} x_{U}^{k} + R_{0} (σ_{i n}) u^{k}$
Dabei ist y_U ein Beobachtungswert. In der Ausführungsform 4 gibt y_U eine Anschlussspannung V der Energiespeichereinrichtung 2 an. Das hochgestellte k gibt einen Zeitschritt an. OCV (SOC) gibt eine Leerlaufspannung an und wird als eine nicht-lineare Funktion des SOC ausgedrückt. C^T gibt einen Beobachtungsvektor an, und xu gibt einen Zustandsvektor an. R₀ (σ_in) gibt einen Ohmschen Widerstand an und wird als eine Funktion der internen mechanischen Spannung σ_in ausgedrückt. Die funktionale Form von R₀ wird derart bestimmt, dass die Beziehung ∂R₀/∂σ_in ≥ 0 erfüllt wird. Eine Speichereinheit 12 der Schätzvorrichtung 1 kann eine Funktion zum Wandeln der internen mechanischen Spannung σ_in zu dem Ohmschen Widerstand R₀ speichern oder kann eine Wandlungstabelle für das Wandeln der internen mechanischen Spannung σ_in zu dem Ohmschen Widerstand R₀ speichern. u gibt einen durch die Energiespeichereinrichtung 2 fließenden Strom an.
Die Schätzvorrichtung 1 wandelt einen unter Verwendung der oben beschriebenen Methode geschätzten Wert der internen Spannung σ_in zu einem Wert des Ohmschen Widerstands R₀ gemäß einer vorbestimmten Funktion (oder Tabelle). Die Schätzvorrichtung 1 schätzt physikalische Grö-ßen einschließlich einer Leerlaufspannung (OCV) durch das Durchführen der Zustandsschätzung basierend auf der Formel 22 unter Verwendung eines nach der Wandlung erhaltenen Werts des Ohmschen Widerstands R₀. Als die Schätzmethode wird zum Beispiel die in JP-A-2020-160971 beschriebene Methode verwendet.
In der Festkörperbatterie ändert sich die Kontaktfläche zwischen dem festen Elektrolyten und den Aktivmaterialpartikeln in Entsprechung zu einer Bindungskraft oder einer internen mechanischen Spannung und ändern sich Batterieeigenschaften stark in Entsprechung zu der Änderung der Kontaktfläche. In der Ausführungsform 4 wird ein elektrochemisches Phänomen unter Verwendung eines Schätzergebnisses einer internen Spannung σ_in geschätzt. Dementsprechend kann ein elektrochemisches Phänomen einer Festkörperbatterie genau geschätzt werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass sich Batterieeigenschaften in Entsprechung zu einer internen mechanischen Spannung stark ändern.
(Ausführungsform 5)
8 ist ein Blockdiagramm, das die interne Konfiguration einer Schätzvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform 5 zeigt. Die Schätzvorrichtung 1 umfasst eine Betätigungseinheit 15 neben der arithmetischen Operationseinheit (Schätzeinheit) 11, der Speichereinheit 12 und der Ausgabeeinheit 14, die weiter oben beschrieben wurden. Die Operationseinheit 15 umfasst eine Schnittstelle für das Verbinden der Schätzvorrichtung 1 mit verschiedenen Betätigungseinrichtungen. Eine Betätigungseinrichtung ist eine Einrichtung zum Empfangen einer Benutzerbetätigung wie etwa einer Betätigung einer Tastatur, einer Betätigung einer Maus oder einer Betätigung eines Touchpanels. Die Betätigungseinheit 15 gibt über die Betätigungseinrichtung empfangene Betätigungsinformationen zu der arithmetischen Operationseinheit 11 aus. Die arithmetische Operationseinheit 11, die Speichereinheit 12 und die Ausgabeeinheit 14 weisen im Wesentlichen die gleichen Konfigurationen wie die entsprechenden Einheiten der Ausführungsform 1 auf, sodass hier auf eine Beschreibung dieser Einheiten verzichtet wird.
Die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 5 schätzt ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf zuvor gesetzten Informationen oder über die Betätigungseinheit 15 eingegebenen Informationen. Die Energiespeichereinrichtung 2, die ein Simulationsziel gemäß der Ausführungsform 5 ist, ist eine Festkörperbatterie.
In einer herkömmlichen auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie ist eine Umgebung jedes der Aktivmaterialpartikel mit einer Elektrolytlösung gefüllt, wobei die Aktivmaterialpartikel in einem Zustand sind, in dem die gesamte Fläche der Aktivmaterialpartikel in Kontakt mit der Elektrolytlösung ist. In diesem Fall stimmen ein scheinbarer Diffusionskoeffizient (ein effektiver Diffusionskoeffizient) und eine Ionenleitfähigkeit (eine effektive Ionenleitfähigkeit) mit einem echten Diffusionskoeffizienten und einer echten Ionenleitfähigkeit überein.
Dagegen werden in einer Festkörperbatterie Ionen nur über einen winzigen Bereich, in dem Aktivmaterialpartikel und ein fester Elektrolyt in Kontakt miteinander gebracht werden, ausgetauscht. Dementsprechend kann vorausgesagt werden, dass der scheinbare Diffusionskoeffizient (der effektive Diffusionskoeffizient) und die Ionenleitfähigkeit (die effektive Ionenleitfähigkeit) kleiner als der echte Diffusionskoeffizient und die echte Ionenleitfähigkeit sind. Jedoch gibt es derzeit kein Verifikationsbeispiel in Bezug auf die Beziehung zwischen einer Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten und einem effektiven Diffusionskoeffizienten oder einer effektiven lonenleitfähigkeit.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Beziehung zwischen der Kontaktfläche zwischen der Aktivmaterialpartikel und dem festen Elektrolyten einerseits und dem effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit andererseits durch eine arithmetische Operation eines numerischen Werts (Simulation) herausgefunden. In der Ausführungsform 5 wird eine Simulationsmethode vorgeschlagen, die ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung dieser Beziehungen schätzt. Das elektrochemische Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 wird basierend auf einer Kontaktfläche zwischen den Aktivmaterialpartikeln und dem festen Elektrolyten (oder einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung 2) geschätzt.
Im Folgenden wird als ein Referenzbeispiel in Bezug auf eine auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie eine arithmetische Operationsmethode für das Erhalten eines effektiven Diffusionskoeffizienten einer Elektrolytlösung beschrieben.
9 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Methode für das Berechnen eines effektiven Diffusionskoeffizienten beschreibt. 9 zeigt einen Modus, in dem eine positive Elektrode einer auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie vereinfacht wird. 9 zeigt einen Zustand, in dem eine Vielzahl von Aktivmaterialpartikeln in einer positiven Elektrode vorhanden sind und das Innere und die Peripherie der Aktivmaterialpartikel mit einer Elektrolytlösung gefüllt sind. Wenn die Dicke der positiven Elektrode als L (m) und die Länge eines durch eine Strichlinie in der Zeichnung angegebenen Leitungspfads als I (m) angenommen wird, wird der Biegungsgrad τ aufgrund der Zwischenräume und der Aktivmaterialpartikel als τ = I/L beschrieben. In diesem Fall wird die Beziehung zwischen einem effektiven Diffusionskoeffizienten D_I,eff (m²s^-1) und einem echten Diffusionskoeffizienten D_I (m²s^-1) durch die folgende Formel ausgedrückt. ε gibt eine Volumenbelegung der Elektrolytlösung an. $D_{1,eff} = \frac{ε}{τ} D_{1}$
In gleicher Weise wird die Beziehung zwischen der effektiven lonenleitfähigkeit σ_l,eff (Sm^-1) und einer echten lonenleitfähigkeit σ_I (Sm^-1) der Elektrolytlösung durch die folgende Formel ausgedrückt. $σ_{1,eff} = \frac{ε}{τ} σ_{1}$
Wenn in Bezug auf das in 9 gezeigte Modell eine obere Seite des Modells als ein Einlass der Elektrolytlösung und eine untere Seite des Modells als ein Auslass (ein Beobachtungspunkt) angenommen wird und eine entsprechende Grenzbedingung für das Modell gegeben wird, kann die Flussrate der Elektrolytlösung an dem Beobachtungspunkt berechnet werden. Als die Grenzbedingung werden zum Beispiel die Konzentration der Elektrolytlösung an dem Einlass (zum Beispiel 1000 mol m^-3) und die Konzentration der Elektrolytlösung an dem Auslass (zum Beispiel 0 mol^-3) gegeben.
Wenn die Flussrate der Elektrolytlösung an dem Beobachtungspunkt als J_I und die Konzentration der Elektrolytlösung an dem Beobachtungspunkt als cl angenommen werden, wird die Beziehung zwischen der Flussrate J_I und der Konzentration c_I durch die folgende Formel ausgedrückt. D_I,eff gibt einen effektiven Diffusionskoeffizienten an. Der effektive Diffusionskoeffizient D_I,eff der Elektrolytlösung wird basierend auf der Formel 25 berechnet. $J_{1} = - D_{1,eff} \nabla c_{1}$
In der Festkörperbatterie werden einige der Aktivmaterialpartikel in einen Kontakt mit dem festen Elektrolyten gebracht und sind das Innere und die Peripherie der Aktivmaterialpartikel nicht mit dem Elektrolyten gefüllt. Deshalb kann die Berechnungsmethode eines effektiven Diffusionskoeffizienten in der auf einer Elektrolytlösung basierenden Lithiumionenbatterie nicht direkt auf die Festkörperbatterie angewendet werden. Angesichts der oben geschilderten Umstände schlagen die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren zum Einführen des Konzepts einer Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten und zum Berechnen eines effektiven Diffusionskoeffizienten, der sich in Entsprechung zu der Kontaktfläche ändert, mittels einer Simulation vor.
10 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zum Berechnen eines effektiven Diffusionskoeffizienten in einer Festkörperbatterie zeigt. In der Ausführungsform 5 wird angenommen, dass die Aktivmaterialpartikel in der Festkörperbatterie sphärische Körper sind. Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 setzt eine Oberfläche des sphärischen Körpers als einen Einlass und setzt eine Oberfläche einer konzentrischen Sphäre innerhalb des sphärischen Körpers als einen Beobachtungspunkt und berechnet eine Flussrate J_AM (mol m^-2s^-1) an dem Beobachtungspunkt, wenn ein Grenzzustand gegeben wird. Der Beobachtungspunkt wird zum Beispiel als die Oberfläche der konzentrischen Sphäre mit einem Radius, der der Hälfte des Radius des sphärischen Körpers entspricht, gesetzt. Als die Grenzbedingung werden eine Konzentration von zum Beispiel 1000 mol m^-3 um den sphärischen Körper herum und eine Konzentration von zum Beispiel 0 mol m^-3 innerhalb des sphärischen Körpers gegeben. Die Beziehung zwischen der Flussrate J_AM und einem effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff wird durch die Formel 26 ausgedrückt. In der Formel 26 ist C_AM die Konzentration des Aktivmaterials. Die arithmetische Operationseinheit 11 setzt die berechnete Flussrate J_AM in die Formel 26 ein, um den effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff des Aktivmaterials zu berechnen. $J_{AM} = - D_{AM,eff} \nabla c_{AM}$
11A bis 11C sind Ansichten, die die Berechnungsergebnisse der effektiven Diffusionskoeffizienten in der Festkörperbatterie zeigen. 11A zeigt einen sphärischen Körper, der durch das Drehen eines Aktivmaterials um eine Drehachse gebildet wird, um ein Aktivmaterial einer Festkörperbatterie, das als ein sphärischer Körper angenommen wird, auszudrücken. 11A zeigt ein Berechnungsergebnis in einem Fall, in dem die gesamte Oberfläche des sphärischen Körpers in einen Kontakt mit einem Elektrolyten gebracht wird. Wenn die gesamte Oberfläche des sphärischen Körpers in einen Kontakt mit dem Elektrolyten gebracht wird, wird ein gleichförmiger Einfluss an dem Beobachtungspunkt erzeugt. Dementsprechend wird geschätzt, dass ein Diffusionskoeffizient des Aktivmaterials und ein effektiver Diffusionskoeffizient des Aktivmaterials gleich werden. Als Ergebnis einer tatsächlichen Berechnung betrug der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff 1,0 × 10^-13 (m² s^-1). Dementsprechend hatte der effektive Diffusionskoeffizient D_AM den gleichen Wert wie der Diffusionskoeffizient D_AM,eff des Aktivmaterials. Dadurch wurde die Validität der Berechnungsmethode belegt.
11B zeigt ein Berechnungsergebnis für einen Fall, in dem in einer sphärischen Krone, die aus einem Kegel geschnitten ist, der durch das Drehen eines Aktivmaterials mit einem halben Scheitelwinkel von 10 Grad in Bezug auf eine durch die Mitte einer Sphäre verlaufende Symmetrieachse gebildet wird, eine in einer sphärischen Oberfläche der sphärischen Krone enthaltene Oberfläche in Kontakt mit einem Elektrolyten ist. Wenn der halbe Scheitelwinkel gleich 10 Grad ist, betrug der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff 3,8 × 10^-15 (m²s^-1). Dementsprechend wurde der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff ein Wert, der um ungefähr zwei Stellen kleiner als der Diffusionskoeffizient D_AM des Aktivmaterials ist.
11C zeigt ein Berechnungsergebnis für einen Fall, in dem der oben genannte halbe Scheitelwinkel gleich 5 Grad ist. Wenn der halbe Scheitelwinkel gleich 5 Grad ist, betrug der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff 1,9 × 10^-15 (m²s^-1). Dementsprechend wurde in diesem Fall der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff ein Wert, der noch kleiner als der effektive Diffusionskoeffizient D_AM,eff im Fall eines halben Scheitelwinkels von 10 Grad ist.
12 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einem Kontaktflächenverhältnis und einem effektiven Diffusionskoeffizienten zeigt. Die Abszissenachse und die Ordinatenachse in dem Kurvendiagramm von 12 sind logarithmische Achsen. Die Kontaktfläche ist auf der Abszissenachse aufgetragen, und der effektive Diffusionskoeffizient (m²/s) ist auf der Ordinatenachse aufgetragen. Das Kontaktflächenverhältnis ist ein Verhältnis zwischen einer Fläche einer sphärischen Krone innerhalb einer Oberfläche einer Sphäre und einer Oberfläche der Sphäre. Das Kontaktflächenverhältnis ist ein Parameter, der den Kontaktgrad zwischen einem Aktivmaterial und einem festen Elektrolyten angibt. Die Kontaktfläche wird durch das Multiplizieren des auf der Abszissenachse aufgetragenen Kontaktflächenverhältnisses mit der Oberfläche der durch das Aktivmaterial eingenommenen Sphäre erhalten. Aus den logarithmischen Achsenkurven in 12 wird deutlich, dass die Beziehung zwischen der Kontaktfläche und dem effektiven Diffusionskoeffizienten durch die Formel 27 formuliert wird. Die Kontaktfläche kann durch das Analysieren eines Röntgenstrahl-CT-Bilds oder von ähnlichem in der tatsächlichen Praxis geschätzt werden, und es können auch Parameter, die die Kontaktfläche beeinflussen, verwendet werden. Zum Beispiel kann im Fall einer durch ein Pressformen erhaltenen Elektrode ein Wert wie etwa die Restporosität der Elektrodenmischung verwendet werden. $D_{AM,eff} = - α exp (- b x) + c$
In der Formel 27 gibt D_AM,eff einen effektiven Diffusionskoeffzienten an und gibt x eine Kontaktfläche an. a, b und c sind Koeffizienten. Die Koeffizienten a, b und c werden durch das Erhalten einer Annäherungskurve (einer geraden Linie in den logarithmischen Kurven von 12), die durch entsprechende Punkte an dem Kurvendiagramm geht, erhalten. Die Annäherungskurve wird unter Verwendung einer bekannten Methode wie etwa einer Methode der kleinsten Quadrate erhalten.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die effektive lonenleitfähigkeit σ_AM,eff basierend auf dem Wert des berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff berechnen. Gemäß der Einstein-Beziehung wird die Beziehung zwischen der lonenleitfähigkeit σ und dem Diffusionskoeffizienten D durch die Formel 28 ausgedrückt. $σ = \frac{| z | F^{2} D c}{R T}$
In der Formel 28 gibt σ eine lonenleitfähigkeit (S m^-1) an, gibt z eine lonenladung (dimensionslos) an, gibt F eine Faraday-Konstante (C mol^-1) an, gibt D einen Diffusionskoeffizienten (m²s^-1) an, gibt c eine Lithiumkonzentration (mol m^-3) an, gibt R eine Gaskonstante (m² kg s^-1 K^-1 mol^-1) an und gibt T eine Temperatur (K) an.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die effektive lonenleitfähigkeit σ_AM,eff durch das Einsetzen des aus der Kontaktfläche berechneten Werts des effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff in den Diffusionskoeffizienten D der Formel 28 berechnen. Die effektive lonenleitfähigkeit σ_AM,eff ist eine physikalische Größe, die den elektrischen Widerstand der Energiespeichereinrichtung 2 beeinflusst. Das heißt, dass die Schätzvorrichtung 1 ein elektrochemisches Phänomen in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf einer Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten in einer Festkörperbatterie schätzen kann.
Im Folgenden werden Schritte zum Durchführen einer arithmetischen Operation durch die Schätzvorrichtung 1 beschrieben.
13 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zum Durchführen einer arithmetischen Verarbeitung der Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 5 zeigt. Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 setzt als ein Modell der Festkörperbatterie ein Modell, in dem sphärische Aktivmaterialpartikel und ein fester Elektrolyt in einen Kontakt miteinander gebracht werden, und gibt eine Grenzbedingung (Schritt S501). Das Modell und die Grenzbedingung der Festkörperbatterie können zuvor gesetzt werden und können in der Speichereinheit 12 gespeichert werden. In diesem Fall kann die arithmetische Operationseinheit 11 ein Modell und eine Grenzbedingung, die zuvor gesetzt wurden, aus der Speichereinheit 12 lesen. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 das Setzen eines Modells und einer Grenzbedingung über die Betätigungseinheit 15 empfangen.
Dann empfängt die arithmetische Operationseinheit 11 das Setzen einer Kontaktfläche (eines halben Scheitelwinkels) (Schritt S502). Die Kontaktfläche kann gesetzt werden, indem eine interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 geschätzt wird. Es kann ein tatsächlicher Wert, der durch das Analysieren eines Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bilds der Energiespeichereinrichtung 2 erhalten wird, gegeben werden. Ein für die Simulation verwendeter Wert der Kontaktfläche kann zuvor in der Speichereinheit 12 gespeichert werden oder kann über die Betätigungseinheit 15 während der Durchführung der Berechnung gegeben werden.
Dann berechnet die arithmetische Operationseinheit 11 einen effektiven Diffusionskoeffizienten durch das Berechnen einer Flussrate, mit der ein Elektrolyt in den Beobachtungspunkt von dem Oberflächenteil des sphärischen Körpers mit der in Schritt S502 gesetzten Kontaktfläche fließt (Schritt S503). Die Beziehung zwischen der Flussrate und dem effektiven Diffusionskoeffizienten wird durch die Formel 26 ausgedrückt, und der effektive Diffusionskoeffizient wird als ein Koeffizient eines Konzentrationsgradienten berechnet.
Dann berechnet die arithmetische Operationseinheit 11 eine effektive Ionenleitfähigkeit unter Verwendung des in Schritt S503 berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten (Schritt S504). Die Beziehung zwischen dem effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit wird durch die Formel 28 ausgedrückt.
In dem Flussdiagramm von 13 ist die arithmetische Operationseinheit 11 konfiguriert für das Berechnen des effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann aber auch für das Berechnen nur des effektiven Diffusionskoeffizienten oder der effektiven lonenleitfähigkeit konfiguriert sein.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann andere physikalische Größen in Bezug auf ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf dem berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten oder der berechneten effektiven Ionenleitfähigkeit schätzen. Zum Beispiel besteht allgemein eine Beziehung von R_ohm = L/(σ × A) zwischen der Leitfähigkeit σ (S m^-1) und dem Innenwiderstand R_ohm (Ω), wobei L eine Länge (m1) angibt und A eine Querschnittfläche (m²) angibt. Dementsprechend kann die arithmetische Operationseinheit 11 einen Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung dieser Beziehungsformel schätzen.
Dann gibt die arithmetische Operationseinheit 11 Informationen in Bezug auf den berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten und die berechnete effektive lonenleitfähigkeit von der Ausgabeeinheit 14 aus (Schritt S505). Die arithmetische Operationseinheit 11 kann Werte des berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit ausgeben und kann numerische Wertbereiche dieser Werte ausgeben. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 ein Kurvendiagram ausgeben, in dem die effektiven Diffusionskoeffizienten und die effektiven lonenleitfähigkeiten in Bezug auf die Kontaktfläche aufgetragen sind.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 5 physikalische Größen in Bezug auf die Elektrochemie der Energiespeichereinrichtung 2 wie etwa den effektiven Diffusionskoeffizienten und die effektive lonenleitfähigkeit unter Berücksichtigung der Kontaktfläche zwischen den Aktivmaterialpartikeln und dem soliden Elektrolyten schätzen.
(Ausführungsform 6)
Für die Ausführungsform 6 werden ein effektiver Diffusionskoeffizient und eine effektive lonenleitfähigkeit basierend auf einer internen mechanischen Spannung in einer Energiespeichereinrichtung 2 beschrieben.
In der Ausführungsform 5 wurde die Beziehung zwischen der Kontaktfläche zwischen den Aktivmaterialpartikeln und dem festen Elektrolyten einerseits und dem effektiven Diffusionskoeffizienten oder der effektiven lonenleitfähigkeit andererseits beschrieben. Zum Beispiel drückt die Formel 26 die Beziehung zwischen der Kontaktfläche x und dem effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff aus. Jedoch kann in der Formel 26 auch eine Kompressionsspannung anstelle der Kontaktfläche verwendet werden. Die mechanische Spannung ist eine in einem Glied gegen eine Last erzeugte Widerstandskraft und ist eine Kraft pro Einheitsfläche, die durch das Dividieren der Last durch die Fläche des Glieds erhalten wird. In Bezug auf eine auf einen Teil, in dem sphärische elastische Körper in Kontakt miteinander gebracht werden, ausgeübte mechanische Spannung wird die Hertz-Theorie angewendet. Gemäß der Hertz-Theorie wird eine an dem Kontaktteil erzeugte Kompressionskraft durch die Formel 29 ausgedrückt. $s_{p} = \frac{3 F}{2 π r^{2}}$
In der Formel gibt S_p eine Kompressionsspannung (Pa) an, gibt F eine Last (N) an und gibt r einen Radius (m) einer Kontaktfläche an. Durch das Umschreiben der Formel 27 unter Verwendung der Formel 29 wird die Beziehung zwischen den effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff und einer Kompressionsspannung S_p erhalten. Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 kann den effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff der Aktivmaterialpartikel durch das Geben der Kompressionsspannung S_p anstelle der Kontaktfläche x berechnen.
Weiterhin kann die arithmetische Operationseinheit 11 die effektive lonenleitfähigkeit σ_AM,eff durch das Einsetzen des berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten D_AM,eff in die Formel 28 berechnen.
14 ist ein Flussdiagramm, das Schritte der arithmetischen Operationsverarbeitung der Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 6 zeigt. In der arithmetischen Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 wird als ein Modell einer Festkörperbatterie ein Modell, in dem Aktivmaterialpartikel, die jeweils aus einem sphärischen Körper bestehen, und ein fester Elektrolyt in Kontakt miteinander gebracht werden, gesetzt und wird eine Grenzbedingung gegeben (Schritt S601). Das Modell und die Grenzbedingung der Festkörperbatterie können zuvor gesetzt werden und können in der Speichereinheit 12 gespeichert werden. in diesem Fall kann die arithmetische Operationseinheit 11 ein Modell und eine Grenzbedingung, die zuvor gesetzt wurden, aus der Speichereinheit 12 lesen. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 das Setzen eines Modells und einer Grenzbedingung über die Betätigungseinheit 15 empfangen.
Dann empfängt die arithmetische Operationseinheit 11 das Setzen einer internen mechanischen Spannung (Schritt S602). Ein bei der Simulation verwendeter Wert einer internen mechanischen Spannung kann zuvor in der Speichereinheit 12 gespeichert werden oder kann über die Betätigungseinheit 15 während der Durchführung der Berechnung gegeben werden.
Dann berechnet die arithmetische Operationseinheit 11 einen effektiven Diffusionskoeffizienten durch das Berechnen einer Flussrate, mit der ein Elektrolyt in den Beobachtungspunkt von einem Kontaktteil zwischen den Aktivmaterialpartikeln und dem soliden Elektrolyten fließt (Schritt S603). Die Beziehung zwischen der Flussrate und dem effektiven Diffusionskoeffizienten wird durch die Formel 26 ausgedrückt. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann den effektiven Diffusionskoeffizienten als einen Koeffizienten eines Konzentrationsgradienten basierend auf der Formel 26 berechnen.
Dann berechnet die arithmetische Operationseinheit 11 eine effektive Ionenleitfähigkeit unter Verwendung des in S603 berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten (Schritt S604). Die Beziehung zwischen dem effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit wird durch die Formel 28 ausgedrückt. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die effektive Ionenleitfähigkeit basierend auf der Formel 28 berechnen.
Dann gibt die arithmetische Operationseinheit 11 Informationen in Bezug auf den berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten und die berechnete effektive lonenleitfähigkeit aus der Ausgabeeinheit 14 aus (Schritt S605). Die arithmetische Operationseinheit 11 kann Werte des berechneten effektiven Diffusionskoeffizienten und der effektiven lonenleitfähigkeit ausgeben und kann numerische Wertbereiche dieser Werte ausgeben. Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 ein Kurvendiagramm ausgeben, in dem die effektiven Diffusionskoeffizienten und die effektiven lonenleitfähigkeiten in Bezug auf die Kontaktfläche aufgetragen sind.
In dem Flussdiagramm von 14 verwendet die arithmetische Operationseinheit 11 eine Konfiguration, in der die arithmetische Operationseinheit 11 den effektiven Diffusionskoeffizienten und die effektive lonenleitfähigkeit berechnet. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann aber auch eine Konfiguration verwenden, in der die arithmetische Operationseinheit 11 nur den effektiven Diffusionskoeffizienten oder die effektive lonenleitfähigkeit berechnet.
Alternativ dazu kann die arithmetische Operationseinheit 11 einen Innenwiderstand basierend auf einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung einer Methode, die im Wesentlichen gleich der entsprechenden Methode der Ausführungsform 3 ist, schätzen.
Wie weiter oben beschrieben, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 6 physikalische Größen in Bezug auf die Elektrochemie der Energiespeichereinrichtung 2 wie etwa den effektiven Diffusionskoeffizienten und die effektive lonenleitfähigkeit unter Berücksichtigung einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung 2 schätzen.
(Ausführungsform 7)
Im Folgenden wird eine Energiespeichereinrichtung 2 als ein Simulationsziel der Ausführungsform 7 beschrieben.
15 ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration der Energiespeichereinrichtung 2 beschreibt. Die Energiespeichereinrichtung 2 ist zum Beispiel eine Lithiummetallbatterie. Die Energiespeichereinrichtung 2 umfasst einen gestapelten Körper, der durch eine Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21, eine positive Aktivmaterialschicht 22, eine Elektrolytschicht 23 und eine Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 gebildet wird.
Die Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 ist in der Form einer Metallfolie, eines Metallnetzes usw. ausgebildet. Das für das Ausbilden der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 verwendete Metall ist ein Metall mit einer guten Leitfähigkeit wie etwa Aluminium, Nickel, Titan oder Edelstahl. Eine Beschichtungsschicht für das Anpassen eines Kontaktwiderstands kann auf einer Oberfläche der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 ausgebildet sein. Ein Beispiel für die Beschichtungsschicht ist eine Kohlenstoffbeschichtung.
Die positive Aktivmaterialschicht 22 ist aus einer Lithium enthaltenden Verbindung, die Lithiumionen einschließen und freisetzen kann, ausgebildet. Als die Lithium enthaltende Verbindung wird zum Beispiel Li_xCoO₂, Li_xNiO₂, Li_xMn₂O₄, Li_xFePO₄ oder ähnliches verwendet. Die positive Aktivmaterialschicht 22 kann einen festen Elektrolyten, eine Leitfähigkeitshilfe und ein Bindemittel neben dem positiven Aktivmaterial enthalten.
Die Elektrolytschicht 23 ist ein Trennglied, in das eine Elektrolytlösung imprägniert ist. Die Elektrolytlösung enthält zum Beispiel ein nicht-wässriges Lösungsmittel und ein in dem nicht-wässrigen Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz. Beispiele für ein nicht-wässriges Lösungsmittel sind ein zyklisches Carbonesterlösungsmittel, ein zyklisches Etherlösungsmittel, ein Kettenetherlösungsmittel, ein zyklisches Esterlösungsmittel, ein Kettenesterlösungsmittel und ähnliches. Beispiele für Lithiumsalz sind LiPF₆, LiBF₄, LiN (SO_sCF₃)₂ und LiN (SO₂C₂F₅)₂.
Die Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 ist als eine Metallfolie, ein Metallnetz oder ähnliches ausgebildet. Das für das Ausbilden der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 verwendete Metall ist ein Metall mit einer vorteilhaften Leitfähigkeit wie etwa Kupfer, Nickel, Titan oder Edelstahl. An einer Oberfläche der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 ist zum Beispiel Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung gelöst oder ausgefällt. Dabei ist hier „gelöst“ nicht auf einen Fall, in dem Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung vollständig gelöst ist, beschränkt und umfasst auch einen Fall, in dem Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung teilweise gelöst ist.
Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung kann also an der Oberfläche der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 in einem Entladungszustand der Energiespeichereinrichtung 2 bleiben.
Die Energiespeichereinrichtung 2 kann durch das Bindungsglied 3 gebunden sein. Das Bindungsglied 3 umfasst zum Beispiel ein Gehäuse 31, in dem die Energiespeichereinrichtung 2 und elastische Glieder 32, die in dem Gehäuse 31 in einem komprimierten Zustand angeordnet sind, aufgenommen sind. Das Gehäuse 31 ist zum Beispiel ein rechteckiger, parallelepipedförmiger Behälter, der umfasst: einen Gehäusekörper 310, der durch einen unteren Flächenteil 311 und seitliche Flächenteilen 312 gebildet wird; und einen Deckelkörper 313, der eine Öffnung des Gehäusekörpers 310 schließt. Der Gehäusekörper 310 (der untere Flächenteil 311 und die seitlichen Flächenteile 312) und der Deckelkörper 313 sind aus einem schweißbaren Metall wie etwa Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Alternativ dazu können der Gehäusekörper 310 (der untere Flächenteil 311 und die seitlichen Flächenteile 312) und der Deckelkörper 313 auch aus einem Kunstharz ausgebildet sein. Die Energiespeichereinrichtungen 2 werden in dem Gehäusekörper 310 aufgenommen, und danach wird der Gehäusekörper 310 durch den Deckelkörper 313 geschlossen.
Das elastische Glied 32 ist in einem komprimierten Zustand zwischen der untersten Schicht (der Positivelektroden-Stromkollektorschicht 21 in dem Beispiel von 15) und dem unteren Flächenteil 311 der Energiespeichereinrichtung 2 und zwischen der obersten Schicht (der Negativelektroden-Stromkollektorschicht 24 in dem Beispiel von 15) und dem Deckelkörper 313 der Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet. Das elastische Glied 32 ist zum Beispiel eine kautschukartige Schicht. Die elastischen Glieder 32 üben eine Bindungskraft in der Stapelrichtung (von oben und unten in der vertikalen Richtung der Zeichnung) auf die Energiespeichereinrichtung 2 aufgrund der elastischen Kraft der elastischen Glieder 32 aus.
In dem Beispiel von 15 wird eine Konfiguration verwendet, in der eine Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtung 2 durch das Anordnen der elastischen Glieder 32 in dem Gehäuse 31 ausgeübt wird. Alternativ dazu kann eine Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtung 2 auch durch das Füllen des Gehäuses 31 mit einem Hochdruckfluid ausgeübt werden. In diesem Fall ist das Fluid vorzugsweise ein Fluid, das keine unerwünschte Reaktion mit einem Batteriematerial verursacht. Zum Beispiel wird ein Edelgas wie etwa Stickstoff, trockene Luft oder ähnliches als ein derartiges Fluid verwendet. Alternativ dazu kann eine Konfiguration verwendet werden, in der die Energiespeichereinrichtungen 2 durch die Plattenglieder von beiden Seiten in der Stapelrichtung eingeschlossen werden, wobei die Plattenglieder miteinander in einem Zustand, in dem eine Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtungen 2 ausgeübt wird, verbunden sein können und damit die Bindungskraft auf die Energiespeichereinrichtungen 2 ausüben.
16 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einer inhärenten Dehnung zeigt. In dem Kurvendiagramm von 16 ist eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen auf einer Abszissenachse aufgetragen und ist eine inhärente Dehnung auf einer Ordinatenachse aufgetragen. Bei einer Wiederholung des Ladens und Entladens über eine lange Zeit hinweg können Ausfällungen in der Energiespeichereinrichtung 2 ausgefällt werden. Wenn zum Beispiel Lithiummetall für das Ausbilden der negativen Elektrode der Energiespeichereinrichtung 2 verwendet wird, entsteht die Möglichkeit, dass Lithiummetall spärlich auf der Oberfläche der negativen Elektrode bei einem wiederholten Laden und Entladen über eine lange Zeit hinweg ausgefällt wird. Unter Umständen kann der Ausfällungsmodus auch dicht sein.
Wie in dem Kurvendiagram gezeigt, ist eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2 proportional zu einer Ausfällungsmenge von Ausfällungen. Die Größe A der inhärenten Dehnung unterscheidet sich jedoch stark in Abhängigkeit von einem Ausfällungsmodus. Auch bei der gleichen Ausfällungsmenge ist die Größe der inhärenten Dehnung relativ klein, wenn dichtes Metall ausgefällt wird, und ist die Größe der inhärenten Dehnung relativ groß, wenn Metall spärlich ausgefällt wird. Wenn moosige Ausfällungen ausgefällt werden, weist eine inhärente Dehnung eine mittlere Größe zwischen den beiden oben genannten Größen auf.
17 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einer inhärenten Dehnung zeigt. In dem Kurvendiagramm von 17 ist eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen auf einer Abszissenachse aufgetragen und ist eine inhärente Dehnung auf der Ordinatenachse aufgetragen. Das Kurvendiagram zeigt einen Modus, in dem dichte Ausfällungen in einer anfänglichen Phase der Ausfällung ausgefällt werden und dann spärliche Ausfällungen ausgefällt werden. Die inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2 wird als ein Wert gegeben, der proportional zu einer Erzeugungsmenge in einer Phase, in der dichte Ausfällungen ausgefällt werden, und in einer Phase, in der spärliches Lithium ausgefällt wird, ist.
Die Speichereinheit 12 der Schätzvorrichtung 1 speichert eine Funktion oder Tabelle für das Wandeln einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen zu einer inhärenten Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2. Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 schlägt in einer in der Speichereinheit 12 gespeicherten Funktion oder Tabelle nach und berechnet eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung 2, wenn die Erzeugungsmenge der Ausfällungen gegeben wird.
Die arithmetische Operationseinheit 11 schätzt die Verteilung einer mechanischen Spannung oder Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf einer berechneten inhärenten Dehnung.
Zum Beispiel wird ein Beziehungsausdruck zwischen einer mechanischen Spannung und einer Dehnung in einem linearen elastischen Körper ohne eine Deformationsanisotropie durch die Formel 30 ausgedrückt. Alternativ dazu können Ausdrücke, die Eigenschaften eines elastoplastischen Körpers, eines spröden Materials oder von ähnlichem ausdrücken, in Abhängigkeit von dem Material eines Objekts verwendet werden. $\begin{array}{l} (\begin{matrix} σ_{x x} \\ σ_{y y} \\ σ_{z z} \\ σ_{x y} \\ σ_{y z} \\ σ_{z x} \end{matrix}) - (\begin{matrix} λ + 2 μ & λ & λ & 0 & 0 & 0 \\ λ & λ + 2 μ & λ & 0 & 0 & 0 \\ λ & λ & λ + 2 μ & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & μ & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & μ & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & μ \end{matrix}) (ε + ε^{0}) \\ ε= (\begin{matrix} ε_{x x} \\ ε_{y y} \\ ε_{z z} \\ ε_{x y} \\ ε_{y z} \\ ε_{z x} \end{matrix}) ε^{0} = (\begin{matrix} ε_{x x}^{0} \\ ε_{y y}^{0} \\ ε_{z z}^{0} \\ ε_{x y}^{0} \\ ε_{y z}^{0} \\ ε_{z x}^{0} \end{matrix}) \end{array}$
In der Formel 30 wird ein Tensor, der σ_ii und σ_ij als Elemente enthält, als ein Spannungstensor ausgedrückt. σ_ii gibt eine normale mechanische Spannung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in der i-Richtung ausgerichtet ist. Und σ_ij gibt eine Scherspannung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in derj-Richtung ausgerichtet ist. Der Tensor wird durch Lame-Konstanten λ beschrieben, und µ gibt einen elastischen Tensor an. Die Lame-Konstanten λ, µ werden durch ein Youngmodul und eine Poissonzahl ausgedrückt. Die Lame-Konstanten λ, µ können als Funktionen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen gegeben werden. ε ist ein Spannungstensor und umfasst ε_ii und ε_ij als Elemente. ε_ii gibt eine normale mechanische Spannung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in der i-Richtung ausgerichtet ist. Und ε_ij gibt eine Scherspannung in der j-Richtung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in der i-Richtung ausgerichtet ist. ε⁰ ist ein Inhärente-Spannung-Tensor und umfasst ε_ii ⁰ und ε_ij ⁰ als Elemente. ε_ii ⁰ gibt eine normale inhärente Spannung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in der i-Richtung ausgerichtet ist, und ε_ij ⁰ gibt eine Scherspannung in der j-Richtung an, die auf eine Oberfläche dort wirkt, wo eine normale Linie in der i-Richtung ausgerichtet ist. In der Ausführungsform 7 werden ε_ii ⁰ und ε_ij ⁰ als eine Funktion einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen gegeben.
Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 gibt eine inhärente Dehnung auf das Glied, an dem Ausfällungen ausfällen, an und berechnet die Verteilung einer mechanischen Spannung durch das Auflösen einer in der Formel 30 ausgedrückten Spannung-Dehnung-Beziehungsgleichung und einer in der Formel 31 ausgedrückten Gleichgewichtsgleichung zwischen einer Kraft und einem Moment unter einer beliebigen Bindungsbedingung. ${\begin{matrix} \frac{\partial σ_{x x}}{\partial_{x}} + \frac{\partial σ_{y x}}{\partial_{y}} + \frac{\partial σ_{z x}}{\partial_{z}} = 0 \\ \frac{\partial σ_{x y}}{\partial_{x}} + \frac{\partial σ_{y y}}{\partial_{y}} + \frac{\partial σ_{z y}}{\partial_{z}} = 0 \\ \frac{\partial σ_{x z}}{\partial_{x}} + \frac{\partial σ_{y z}}{\partial_{y}} + \frac{\partial σ_{z z}}{\partial_{z}} = 0 \end{matrix} {\begin{matrix} σ_{x y} = σ_{y x} \\ σ_{y z} = σ_{z y} \\ σ_{x z} = σ_{z x} \end{matrix}$
Im Folgenden werden die Verarbeitungsschritte der Schätzvorrichtung 1 beschrieben.
18 ist ein Flussdiagram, das die Schritte zum Berechnen der Spannung-Dehnung-Verteilung zeigt. Die arithmetische Operationseinheit 11 gibt eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen zu der Energiespeichereinrichtung 2, die ein zu simulierendes Ziel ist (Schritt S701), und berechnet eine inhärente Dehnung eines Glieds, an dem die Ausfällungen ausgefällt werden (Schritt S702). In einem derartigen Zustand kann die arithmetische Operationseinheit 11 eine Funktion oder Tabelle für das Wandeln einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen zu einer inhärenten Dehnung aus der Speichereinheit 12 lesen und die Erzeugungsmenge zu der inhärenten Dehnung gemäß der gelesenen Funktion oder Tabelle wandeln.
Dann gibt die arithmetische Operationseinheit 11 eine Bindungsbedingung zu der Energiespeichereinrichtung 2 (Schritt S703) und berechnet die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung basierend auf einem Spannung-Dehnung-Beziehungsausdruck und einem Kraft-Moment-Gleichgewichtsausdruck basierend auf der Formel 30 und der Formel 31 (Schritt S704).
Wie weiter oben beschrieben, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 7 die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung einer Erzeugungsmenge von in der Energiespeichereinrichtung 2 ausgefällten Ausfällungen berechnen.
(Ausführungsform 8)
Für die Ausführungsform 8 wird eine Konfiguration beschrieben, in der eine Erzeugungsrate von Ausfällungen basierend auf einer internen mechanischen Spannung in einer Energiespeichereinrichtung 2 berechnet wird und eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen basierend auf der berechneten Erzeugungsrate berechnet wird.
Die Erzeugung von Ausfällungen in der Energiespeichereinrichtung 2 wird durch eine mechanische Spannung beeinflusst, die in einem eine Ausfällung erzeugenden Reaktionsfeld (zum Beispiel einer Oberfläche der negativen Elektrode) erzeugt wird. Die Erzeugungsrate der Ausfällungen wird wie folgt als eine Funktion einer mechanischen Spannung, die in dem eine Ausfällung erzeugenden Reaktionsfeld erzeugt wird, ausgedrückt. $R_{p} = ƒ (σ)$
In der Formel 32 gibt R_p eine Erzeugungsrate von Ausfällungen (kg/(s m²)) an und ist σ ein Spannungstensor (N/m²).
Die Erzeugung von Ausfällungen wird nicht nur durch eine mechanische Spannung, sondern auch durch eine über die Zeit auftretende Änderung der Stromdichte und Überspannung während des Ladens und Entladens beeinflusst. Die Erzeugungsrate von Ausfällungen kann in der Formel 33 ausgedrückt werden. $R_{p} = ƒ (i_{r e a c t}, η, σ, t)$
In der Formel 33 ist i_react eine Reaktionsstromdichte (A/m²) und ist η eine Überspannung (V).
Wenn die Erzeugungsrate von Ausfällungen durch die Formel 32 (oder die Formel 33) gegeben wird, kann die arithmetische Operationseinheit 11 eine Größe von Ausfällungen gemäß einer in der Formel 34 ausgedrückten arithmetischen Operation berechnen. $\int (\int \int R_{p} d S) d t$
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann eine inhärente Dehnung basierend auf der berechneten Erzeugungsmenge der Ausfällungen berechnen. Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung schätzen.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die Verteilung der Ausfällungen durch die Formel 35 unter Verwendung einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen als eine Flächendichte berechnen und kann auch eine inhärente Dehnung als die Verteilung berechnen. $\int R_{p} d t$
Im Folgenden wird ein Beispiel eines Ausdrucks, der eine Erzeugungsrate R_p ausdrückt, beschrieben.
In einem Fall, in dem eine Erzeugungsreaktion von Ausfällungen als eine Elektrodenreaktion betrachtet wird, wird die Reaktionsstromdichte wie folgt unter Verwendung einer Butler-Vomer-Gleichung ausgedrückt. $\begin{array}{l} i_{r e a c t_p} - i_{0_p} [e x p (\frac{α_{a} n F η}{R T}) - e x p (- \frac{α_{c} n F η}{R T})] η = ϕ_{s} - ϕ_{l} - E_{e q} \\ i_{0_p} = ƒ (i_{r e a c t}, η, σ, t) \end{array}$
In der Formel gibt i_{react_p} eine Reaktionsstromdichte (A/m²) in der Erzeugungsreaktion von Ausfällungen an und ist i_{0_p} eine Austauschstromdichte (A/m²). α_a und α_c geben jeweils einen Ladungsübertragungskoeffizienten einer Oxidationsreaktion und einen Ladungsübertragungskoeffizienten einer Reduktionsreaktion an, n gibt die Anzahl der zu der Reaktion beitragenden Elektronen an, F gibt eine Farday-Konstante (C/mol) an, η gibt eine Überspannung (V) an, R gibt eine Gaskonstante (J/(mol K)) an und T gibt eine Temperatur (K) an. φ_s gibt ein Festphasenpotential (V) an, φ_I gibt ein Flüssigphasenpotential (V) an und E_eq gib ein Gleichgewichtspotential (V) an.
Wenn die Reaktionsstromdichte i_{react_p} durch die Formel 36 gegeben wird, wird die Erzeugungsrate R_p von Ausfällungen als die Formel 37 ausgedrückt. $R_{p} = \frac{M_{L i} i_{r e a c t_p}}{F}$
In der Formel 37 gibt M_Li eine Molmasse (kg/mol) von Ausfällungen (zum Beispiel Lithiummetall) an. In einem derartigen Zustand wird eine Schwellgröße ΔI (m) der Elektrode durch die Formel 38 berechnet. ρ_p gibt die Dichte von Ausfällungen (kg/m³) an. $Δ l = \int_{0}^{t} (\frac{R_{p}}{ρ_{p}}) d t$
Wenn die Größe einer Elektrode in Bezug auf eine Richtung senkrecht zu einer Ausfällungsfläche als I (m) angenommen wird, die Ausfällungsmenge von Ausfällungen gleich null ist und Ausfällungen von ΔI an der Elektrode erzeugt werden, wird ε_I durch die folgende Formel 39 definiert. Die Formel 39 drückt eine Kompressionsspannung in einer Ausfällungsrichtung an, die in einem Fall erzeugt wird, in dem ein Elektrodenteil, an dem Ausfällungen erzeugt werden, auch dann überhaupt nicht verformt wird, wenn die Ausfällungen ausgefällt werden. $ε_{l} = \frac{- Δ l}{l + Δ l}$
Wenn ein Einheitsvektor in der Mischungsschwellrichtung (der Richtung senkrecht zu einer Ausfällungsfläche) aufgrund der Erzeugung der Ausfällungen als n = (n_x, n_y, n_z) angenommen wird, wird ein inhärenter Dehnungstensor ε⁰ als die Formel 40 ausgedrückt. $ε^{0} = (\begin{matrix} ε_{l} n_{x} \\ ε_{l} n_{y} \\ ε_{l} n_{z} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix})$
Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 leitet den Inhärente-Dehnung-Tensor ε⁰ basierend auf zum Beispiel den Formeln 36 bis 40 ab und berechnet die Verteilung einer mechanischen Spannung oder Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Verwendung der Formeln 30 und 31 der Ausführungsform 7.
Wie weiter oben beschrieben, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 8 eine Berechnung durch das Verknüpfen einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen mit der Spannungs-/Dehnungsverteilung durchführen.
(Ausführungsform 9)
Für die Ausführungsform 9 wird eine Konfiguration beschrieben, in der ein elektrochemisches Phänomen einer Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und eines mechanischen Spannungsfelds simuliert wird.
Eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen und eine in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugte mechanische Spannung beeinflussen Batterieeigenschaften der Energiespeichereinrichtung 2. Die inhärente Leitfähigkeit, die Flüssigphasenleitfähigkeit und die Austauschstromdichte der Energiespeichereinrichtung 2 werden wie folgt als Funktionen der Erzeugungsmenge von Ausfällungen, einer mechanischen Spannung und einer Zeit ausgedrückt. $\begin{array}{l} i_{0} = ƒ (m_{p}, σ, t) \\ σ_{l} = g (m_{p}, σ, t) \\ σ_{s} = h (m_{p}, σ, t) \end{array}$
In der Formel 41 gibt i₀ eine Austauschstromdichte (A/m²) an, gibt σ_l eine Flüssigphasenleitfähigkeit (S/m) an, gibt σ_s eine Festphasenleitfähigkeit (S/m) an, gibt m_p eine Erzeugungsmenge (kg) von Ausfällungen oder eine Oberflächendichte (kg/m²) von Ausfällungen an, gibt σ einen Spannungstensor an und gibt t eine Zeit an.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung des Einflusses einer Erzeugungsmenge der Ausfällungen und einer mechanischen Spannung durch das Auflösen eines elektrochemischen Modells wie etwa des Newman-Modells unter Verwendung der Formel 41 simulieren.
Das Newman-Modell wird durch die Nernst-Planck-Gleichung, die Ladungserhaltungsgleichung, die Diffusionsgleichung, die Butler-Volmer-Gleichung und die Nernst-Gleichung, die nachfolgend erläutert werden, beschrieben.
Die Nernst-Planck-Gleichung ist eine Gleichung zum Auflösen einer lonendiffusion in einem Elektrolyten oder in einer Elektrode und wird durch die folgende Formel ausgedrückt. $\nabla \cdot [- σ_{l} \nabla ϕ_{l} + \frac{2 σ_{l} R T}{F} (1 + \frac{\partial ln ƒ}{\partial ln c_{l}}) (1 - t_{+}) \nabla \partial ln c_{l}] = i_{t o t}^{l}$
In der Formel 42 gibt σ_l eine Phasenleitfähigkeit (S/m) an, gibt φ_l ein Flüssigphasenpotential (V) an, gibt R eine Gaskonstante (J/(K·mol)) an, gibt T eine Temperatur (K) an, gibt F eine Faraday-Konstante (C/mol) an, gibt f einen Aktivitätskoeffizienten an, gibt c_l eine lonenkonzentration des Elektrolyten (mol/m³) an und ist t₊ eine Kationentransportzahl. $i^{l}_{tot}$
in der Formel 42 gibt den Schwall (A/m³) eines Flüssigphasenstroms an.
Eine Ladungsspeicherformel ist eine Formel, die eine Elektronenleitung in einem Aktivmaterial und einer Stromsammlungsfolie angibt, und wird durch die folgende Formel ausgedrückt. $\nabla \cdot (σ_{s} \nabla ϕ_{s}) = - i_{t o t}^{s}$
In der Formel 43 gibt i_s eine Festphasenstromdichte (A/m²) an, gibt φ_s ein Festphasenpotential (V) an und gibt σ_s eine Festphasenleitfähigkeit (S/m) an. $i^{s}_{tot}$
in der Formel 43 gibt den Schwall (A/m³) des Festphasenstroms an.
Die Diffusionsgleichung ist eine Gleichung, die die Diffusion eines Aktivmaterials in Aktivpartikeln ausdrückt und durch die folgende Formel ausgedrückt wird. $\frac{\partial c_{s}}{\partial t} = \nabla \cdot (D_{s} \nabla c_{s})$
In der Formel 44 gibt c_s die Aktivmaterialkonzentration in einer Festphase (mol/m³) an, ist t die Zeit (s) und gibt D₂ den Diffusionskoeffizienten in einer Festphase (m²/s) an.
Die Butler-Volmer-Gleichung ist eine Gleichung, die die Beziehung zwischen einem Reaktionsstrom, der durch eine an einer Schnittfläche zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase erzeugte Ladungsübertragungsreaktion erzeugt wird, und einer Aktivierungsüberspannung ausdrückt. Die Nernst-Gleichung ist eine Gleichung, die ein Gleichgewichtspotential ausdrückt, das ein Faktor für das Bestimmen einer Aktivierungsüberspannung ist. $\begin{array}{l} i_{r e a c t} - i_{0} [e x p (\frac{α_{a} n F η}{R T}) - e x p (- \frac{α_{c} n F η}{R T})] \\ η = ϕ_{s} - ϕ_{l} - E_{e q} \\ E_{e q} = E^{0} + \frac{R T}{n F} l n (\frac{α_{O x}}{α_{R e d}}) \end{array}$
In der Formel 45 gibt i_react eine Reaktionsstromdichte (A/m²) an, gibt i₀ eine Austauschstromdichte (A/m²) an, geben α_a und a_c jeweils Übergangskoeffizienten einer Oxidationsreaktion und einer Reduktionsreaktion an, gibt η eine Aktivierungsüberspannung (V) an, gibt φ_s ein Festphasenpotential (V) an, gibt φ₁ ein Flüssigphasenpotential (V) an, gibt E_eq ein Gleichgewichtspotential (V) an, ist Eo ein Standardelektrodenpotential (V), gibt n die Anzahl der zu einer Oxidationsreduktionsreaktion beitragenden Elektroden an und geben a_Ox und a_Red aktive Mengen einer chemischen Spezies vor und nach der Reaktion an. Als die Butler-Volmer-Gleichung kann alternativ auch eine durch das Modifizieren der Butler-Volmer-Formel basierend auf experimentellen Werten erhaltene Formel verwendet werden. Zum Beispiel kann die Butler-Volmer-Formel auf Wunsch derart modifiziert werden, dass eine Austauschstromdichte zu einer Funktion einer Aktivmaterialkonzentration oder lonenkonzentration gewandelt wird. Oder es werden tatsächlich gemessene Daten eines Ladezustands (SOC) oder eines Leerlaufpotentials als ein Leerlaufpotential anstelle des Berechnens eines Gleichgewichtspotentials E_eq unter Verwendung der Nernst-Formel verwendet. Die entsprechenden in den oben erläuterten Formeln 42 bis 45 verwendeten Parameter können auch als Funktionen anderer physikalischer Größen beschrieben werden.
In der Ausführungsform 9 wird das Newman-Modell als ein Beispiel für das physikalische Modell der Energiespeichereinrichtung 2 beschrieben. Für das Beschreiben der Lade- und Entladeeigenschaften kann alternativ dazu auch ein anderes Modell als ein physikalisches Modell wie etwa ein äquivalentes Schaltungsmodell oder ein polynomes Modell verwendet werden.
19 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel für ein Äquivalente-Schaltung-Modell zeigt. Das Äquivalente-Schaltung-Modell der Energiespeichereinrichtung 2 wird durch eine Kombination aus einem Widerstand und einer Kapazitätskomponente ausgedrückt. In dem Äquivalente-Schaltung-Modell von 19 gibt R₀ eine Ohmsche Widerstandskomponente an, gibt R_pos eine Reaktionswiderstandskomponente einer positiven Elektrode an, gibt C_pos eine Kapazitätskomponente der positiven Elektrode an, gibt R_neg eine Reaktionswiderstandskomponente einer negativen Elektrode an und gibt C_neg eine Kapazitätskomponente der negativen Elektrode an. Das in 19 gezeigte Äquivalente-Schaltung-Modell wird hier beispielhaft erläutert. Es werden keine Beschränkungen hinsichtlich des Typs der Kombination von elektrischen Schaltungskomponenten wie etwa einer seriellen oder parallelen Kombination der elektrischen Schaltungselemente, der Anzahl oder des Typs der elektrischen Schaltungselemente vorgegeben.
Wenn ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 durch 1D unter Verwendung eines Äquivalente-Schaltung-Modells bewertet wird, kann die Schätzvorrichtung 1 jeden Widerstand und jede elektrische Kapazität basierend auf der folgenden Formel 46 schätzen. $\begin{matrix} R_{p o s} = ƒ_{R} (m_{p}, σ, t) & C_{p o s} = ƒ_{C} (m_{p}, σ, t) \\ R_{n e g} = g_{R} (m_{p}, σ, t) & C_{n e g} = g_{C} (m_{p}, σ, t) \\ R_{0} = h_{R} (m_{p}, σ, t) \end{matrix}$
In der Formel 46 gibt m_p eine Erzeugungsmenge (kg) von Ausfällungen oder eine Flächendichte (kg/m²) der Ausfällungen an, gibt σ eine mechanische Spannung an und gibt t eine Zeit an.
Wie weiter oben erläutert, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 9 ein elektrochemisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einem mechanischen Spannungsfeld simulieren.
(Ausführungsform 10)
Für die Ausführungsform 10 wird eine Konfiguration beschrieben, in der ein thermisches Phänomen einer Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einem Ausfällungsmodus simuliert wird.
Eine Erzeugungsmenge von Ausfällungen und ein Ausfällungsmodus in der Energiespeichereinrichtung 2 beeinflussen ein thermisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2. Die Wärmerzeugungsrate, die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Dichte der Energiespeichereinrichtung 2 werden wie folgt als Funktionen einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und eines Ausfällungsmodus ausgedrückt. $\begin{matrix} Q_{T R} = ƒ (m_{p}, α) & C_{p} = h (m_{p}, α) \\ k = g (m_{p}, α) & ρ = q (m_{p}, α) \end{matrix}$
In der Formel 47 gibt Q_TR eine erzeugte Wärme (W/m³) an, gibt C_p eine spezifische Wärme (J/(kg K)) an, gibt k eine Wärmeleitfähigkeit (W/(m K)) an und gibt ρ eine Dichte (kg/m³) an. m_p gibt eine Erzeugungsmenge (kg) von Ausfällungen an, und α gibt einen gemäß einem Ausfällungsmodus gesetzten Koeffizienten an. Der Koeffizient α wird zum Beispiel als ein Wert gegeben, der proportional zu einer spezifischen Oberfläche der Ausfällungen ist. Alternativ dazu kann der Koeffizient α auch als ein Wert gegeben werden der proportional zu (absoluter Wert der inhärenten Dehnung/Erzeugungsmenge von Ausfällungen) ist.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann ein thermisches Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und eines Ausfällungsmodus durch das Auflösen einer Wärmeleitungsgleichung unter Verwendung der Formel 47 simulieren. Die Wärmeleitungsgleichung wird durch die Formel 48 ausgedrückt. $ρ C_{p} = \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla (k \nabla T) + Q$
In der Formel 48 gibt Q eine erzeugte Wärme (W/m³) an und entspricht Q_TR in der Formel 47.
Die arithmetische Operationseinheit 11 kann die Joulesche Wärmeerzeugung basierend auf der folgenden Formel durch das Kombinieren der Formel 48 mit dem in der Ausführungsform 9 beschriebenen elektrochemischen Modell berechnen. $Q_{1} = i_{l} \nabla ϕ_{l} Q_{2} = i_{s} \nabla ϕ_{s} Q_{3} = i_{r e a c t} η$
In der Formel 49 gibt i_l eine Flüssigphasenstromdichte (A/m²) an, gibt φ_l eine Flüssigphasenleitfähigkeit (A/m²) an, gibt i_s eine Festphasenstromdichte (A/m²) an und gibt φ_s eine Festphasenleitfähigkeit (A/m²) an.
Wie weiter oben beschrieben, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 10 das thermische Phänomen der Energiespeichereinrichtung 2 basierend auf einer Erzeugungsmenge von Ausfällungen und einem Ausfällungsmodus der Ausfällungen simulieren.
(Ausführungsform 11)
Für die Ausführungsform 11 wird eine Konfiguration beschrieben, in der die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung einer Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung der in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugten Gasmenge berechnet wird.
Es kann ein Fall auftreten, in dem Gas in der Energiespeichereinrichtung 2 durch ein wiederholtes Laden und Entladen erzeugt wird. Wenn ein Gas in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugt wird, dehnt sich die Energiespeichereinrichtung 2 aus und wird eine Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 durch die Ausdehnung erzeugt. In der Ausführungsform 11 wird ein Verfahren zum Berechnen der Verteilung einer mechanischen Spannung oder Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung einer Gaserzeugungsmenge beschrieben.
Die Gaserzeugungsmenge in der Energiespeichereinrichtung 2 wird durch verschiedene Gleichungen gegeben. Wenn zum Beispiel Unregelmäßigkeiten in der Reaktion auftreten, sodass eine Vergrößerung der Gaserzeugung wahrscheinlich ist, wenn ein Strom konzentriert wird, wird die Gaserzeugungsmenge η_gas (mol) basierend auf der weiter oben erläuterten Reaktionsstromdichte i_react berechnet. $\begin{array}{l} n_{g a s} = \int [\frac{1}{F} \int {J (i_{r e a c t} - a ν e_i_{r e a c t})} d S] d t \\ J = {\begin{matrix} 1 \dots 0 < (i_{r e a c t} - a ν e_i_{r e a c t}) \\ 0 \dots (i_{r e a c t} - a ν e_i_{r e a c t}) < 0 \end{matrix} \end{array}$
In der Formel 50 ist J eine Variable, die 1 wird, wenn die lokale Reaktionsstromdichte höher als eine durchschnittliche Reaktionsstromdichte ist (wenn ein Strom konzentriert wird), und 0 wird, wenn die lokale Reaktionsstromdichte nicht höher als die durchschnittliche Reaktionsstromdichte ist. ave_i_react ist eine durchschnittliche Reaktionsstromdichte (A/m²).
In einem derartigen Zustand wird ein Innendruck p (N/m²) in der Energiespeichereinrichtung 2 aufgrund der Gaserzeugung durch die folgende Formel 51 berechnet. $p = \frac{(n_{g a s} + n_{0}) R T}{ν}$
In der Formel ist no eine anfängliche Gasmenge (mol) und ist v das Volumen (m³) eines Zwischenraums in der Energiespeichereinrichtung. Genau genommen wird die Berechnung des Innendrucks in der Energiespeichereinrichtung 2 gemäß der Beziehung von Gibbs = Duem (Gibbs = Duem-Gleichung) durchgeführt. Es kann jedoch die Formel 51 verwendet werden, um die Berechnung zu vereinfachen. Die Formel 51 kann unter der Annahme, dass das Gas ein ideales Gas ist, verwendet werden. Es kann jedoch eine Zustandsgleichung eines Gases unter Berücksichtigung einer intermolekularen Kraft verwendet werden.
In diesem Fall wird ein Spannungstensor σ durch die folgende Formel unter Verwendung des Innendrucks p in der Energiespeichereinrichtung 2 ausgedrückt. $σ = (\begin{matrix} σ_{x x} & σ_{y x} & σ_{z x} \\ σ_{x y} & σ_{y y} & σ_{z y} \\ σ_{x z} & σ_{y z} & σ_{z z} \end{matrix}) = (\begin{matrix} p & 0 & 0 \\ 0 & p & 0 \\ 0 & 0 & p \end{matrix})$
Die arithmetische Operationseinheit 11 der Schätzvorrichtung 1 berechnet die Verteilung einer mechanischen Spannung oder einer Dehnung unter Berücksichtigung der durch die Formel 52 ausgedrückten mechanischen Spannung und durch das Auflösen einer durch die Formel 30 ausgedrückten Spannung-Dehnung-Beziehungsgleichung und einer in der Formel 31 ausgedrückten Gleichgewichtsformel zwischen einer Kraft und einem Moment.
Wie weiter oben beschrieben, kann die Schätzvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 11 die Verteilung einer mechanischen Spannung oder Dehnung in der Energiespeichereinrichtung 2 unter Berücksichtigung einer in der Energiespeichereinrichtung 2 erzeugten Gasmenge berechnen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind in jeder Hinsicht beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen. Der Erfindungsumfang wird nicht durch die vorstehende Beschreibung, sondern durch die Ansprüche definiert und umfasst Äquivalente zu den Ansprüchen und alle Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche.
Zum Beispiel kann die Energiespeichereinrichtung 2 auch ein Modul, in dem eine Vielzahl von Zellen in Reihe verbunden sind, eine Bank, in der eine Vielzahl von Modulen in Reihe verbunden sind, eine Domäne, in der eine Vielzahl von Bänken parallel verbunden sind, oder Ähnliches sein.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1: Schätzvorrichtung
2: Energiespeichereinrichtung
3: Bindungsglied
11: arithmetische Operationseinheit
12: Speichereinheit
13: Eingabeeinheit
14: Ausgabeeinheit
21: Positivelektroden-Stromkollektorschicht
22: positive Aktivmaterialschicht
23: feste Elektrolytschicht
24: negative Aktivmaterialschicht
25: Negativelektroden-Stromkollektorschicht
31: Gehäuse
32: elastisches Glied
310: Gehäusekörper
311: unterer Flächenteil
312: seitlicher Flächenteil
313: Deckelkörper
MD1: Simulationsmodell
PG1: Schätzprogramm
S1: Dehnungssensor
S2, S3: Temperatursensor
S4: Strommesser
S5: Spannungsmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016207318 A [0003]
JP 2019091615 A [0003]
JP 2020048369 A [0131]
JP 2020 A [0139]
JP 160971 [0139]
JP 2020160971 A [0148]

Claims

Schätzvorrichtung, umfassend: eine Erhaltungseinheit, die konfiguriert ist zum Erhalten von Daten zu einer in einer Energiespeichereinrichtung erzeugten Dehnung, und eine Schätzeinheit, die konfiguriert ist zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung in der Energiespeichereinrichtung basierend auf den durch die Erhaltungseinheit erhaltenen Daten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung ausdrückt.
Schätzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das Simulationsmodell, als Parameter, eine inhärente Dehnung in der Energiespeichereinrichtung und eine auf die Energiespeichereinrichtung ausgeübte Bindungskraft enthält, und die Schätzvorrichtung konfiguriert ist zum Ausgeben von Daten in Bezug auf die interne mechanische Spannung in der Energiespeichereinrichtung in Antwort auf das Eingeben von Daten zu der Dehnung.
Schätzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die inhärente Dehnung eine in der Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung ist die auf eine Isolation von Aktivmaterialpartikeln, ein Wachstum von Ausfällungen und/oder eine Wärmeausdehnung der Energiespeichereinrichtung zurückzuführen ist.
Schätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schätzeinheit eine Zustandsschätzeinheit mit einem nicht-linearen Filter enthält.
Schätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schätzeinheit einen Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung als eine Funktion der internen mechanischen Spannung schätzt.
Schätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiespeichereinrichtung eine Festkörperbatterie mit einem Elektrolyten in der Form eines festen Materials ist,
Schätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Energiespeichereinrichtung eine Batterie mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall ist.
Schätzvorrichtung, die eine arithmetische Operationseinheit umfasst, die konfiguriert ist zum Simulieren, unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält, eines elektrochemischen Phänomens einer Festkörperbatterie mit dem darin enthaltenen festen Elektrolyten.
Schätzvorrichtung, die eine arithmetische Operationseinheit umfasst, die in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung, in der Ausfällungen in Entsprechung zu einem Laden und Entladen erzeugt werden, eine inhärente Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus der Ausfällungen berechnet und die Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung berechnet.
Schätzverfahren, das einen Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Erhalten von Daten in Bezug auf eine in einer Energiespeichereinrichtung erzeugte Dehnung und zum Schätzen einer internen mechanischen Spannung der Energiespeichereinrichtung basierend auf erhaltenen Daten unter Verwendung eines Simulationsmodells, das einen dynamischen Zustand in der Energiespeichereinrichtung ausdrückt.
Schätzverfahren, das einen Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren, unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält, eines elektrochemischen Phänomens einer Festkörperbatterie mit dem darin enthaltenen festen Elektrolyten.
Schätzverfahren, das in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung verwendet wird, in der Ausfällungen in Entsprechung zu einem Laden und Entladen erzeugt werden, wobei das Schätzverfahren einen Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Berechnen einer inhärenten Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus von Ausfällungen und zum Berechnen einer Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung.
Computerprogramm, das einen Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren, unter Verwendung eines Simulationsmodells, das eine Kontaktfläche zwischen Aktivmaterialpartikeln und einem festen Elektrolyten als einen Parameter enthält, eines elektrochemischen Phänomens einer Festkörperbatterie mit dem darin enthaltenen festen Elektrolyten.
Computerprogramm nach Anspruch 13, wobei das Simulationsmodell eine Beziehung zwischen der Kontaktfläche und einem effektiven Diffusionskoeffizienten der Aktivmaterialpartikel definiert und wobei das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen des effektiven Diffusionskoeffizienten der Aktivmaterialpartikel basierend auf einem Wert der Kontaktfläche.
Computerprogramm nach Anspruch 13, wobei das Simulationsmodell eine Beziehung zwischen der Kontaktfläche und einer effektiven Ionenleitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel definiert und das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen der effektiven lonenleitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel basierend auf einem Wert der Kontaktfläche.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei: die Kontaktfläche eine Funktion einer internen mechanischen Spannung der Festkörperbatterie ist, und das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines elektrochemischen Phänomens der Festkörperbatterie basierend auf einem Wert der internen mechanischen Spannung.
Computerprogramm nach Anspruch 16, das den Computer veranlasst zum: Durchführen einer Verarbeitung zum Erhalten von Messdaten in Bezug auf eine in der Festkörperbatterie erzeugten Dehnung von einem Dehnungssensor, der die Dehnung misst, und Schätzen einer internen mechanischen Spannung der Festkörperbatterie basierend auf den erhaltenen Messdaten unter Verwendung eines Modells, das einen dynamischen Zustand in der Festkörperbatterie ausdrückt.
Computerprogramm nach Anspruch 16 oder 17, wobei: der Innenwiderstand der Festkörperbatterie eine Funktion der internen mechanischen Spannung ist, und das Computerprogram den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Schätzen eines Werts des Innenwiderstands basierend auf einem Wert der internen mechanischen Spannung.
Computerprogramm, das in Bezug auf eine Energiespeichereinrichtung, in der Ausfällungen in Entsprechung zu einem Laden und Entladen erzeugt werden, verwendet wird, wobei das Computerprogram einen Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Berechnen einer inhärenten Dehnung der Energiespeichereinrichtung basierend auf einer Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus von Ausfällungen und zum Berechnen einer Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten inhärenten Dehnung.
Computerproramm nach Anspruch 19, wobei: eine Erzeugungsrate der Ausfällungen in dem Computerprogramm als eine Funktion einer in einem Erzeugungsreaktionsfeld erzeugten mechanischen Spannung beschrieben wird, und das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Berechnen der Erzeugungsmenge der Ausfällungen basierend auf der durch die Funktion berechneten Erzeugungsrate der Ausfällungen.
Computerprogramm nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines elektrochemischen Phänomens der Energiespeichereinrichtung basierend auf der Erzeugungsmenge und einem mechanischen Spannungsfeld.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Computerprogramm den Computer veranlasst zum Durchführen einer Verarbeitung zum Simulieren eines thermischen Phänomens der Energiespeichereinrichtung basierend auf der Erzeugungsmenge und einem Ausfällungsmodus.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Computerprogramm den Computer veranlasst zum: Durchführen einer Verarbeitung zum Berechnen einer Gaserzeugungsmenge in der Energiespeichereinrichtung, und Berechnen einer Verteilung einer in der Energiespeichereinrichtung erzeugten mechanischen Spannung oder Dehnung basierend auf der berechneten Gaserzeugungsmenge.