JP2010230469A - Device and method for determining state of health of secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池劣化判定装置及び方法の技術分野に属する。 The present invention belongs to the technical field of secondary battery deterioration determination apparatus and method.
従来では、二次電池の電流積算量から過充電電気量を算出し、過充電電気量から二次電池の劣化度を演算している。 Conventionally, the amount of overcharge electricity is calculated from the amount of current accumulated in the secondary battery, and the degree of deterioration of the secondary battery is calculated from the amount of overcharge electricity.
しかしながら、従来では、電流積算に時間をかけないと精度を得られないものであった。 Conventionally, however, accuracy cannot be obtained unless time is required for current integration.
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる二次電池劣化判定装置及び方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a secondary battery deterioration determination device capable of accurately determining the degree of deterioration of the secondary battery with a determination with less time. It is to provide a method.
上記目的を達成するため、本発明では、充放電を行う二次電池の劣化度を判定する二次電池劣化判定装置であって、周波数成分の異なる擬似白色二値信号を生成し、前記二次電池へ入力する擬似白色信号生成手段と、前記擬似白色二値信号が入力された際の前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池に負極の電荷移動抵抗性分をパラメータとして有する電池モデルが設定され、前記電池モデルと検出電圧に基づいて、前記電池モデルのパラメータを推定するパラメータ推定手段と、推定した負極の電荷移動抵抗成分のパラメータから前記二次電池の劣化度を判定する劣化度判定手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a secondary battery deterioration determination device that determines the deterioration degree of a secondary battery that performs charge and discharge, and generates a pseudo-white binary signal having different frequency components. A pseudo white signal generating means for inputting to the battery; a voltage detecting means for detecting a terminal voltage of the secondary battery when the pseudo white binary signal is inputted; and a charge transfer resistance component of a negative electrode in the secondary battery. Is set as a parameter, parameter estimation means for estimating the parameter of the battery model based on the battery model and the detected voltage, and deterioration of the secondary battery from the parameter of the estimated charge transfer resistance component of the negative electrode Deterioration degree determining means for determining the degree.
よって、本発明にあっては、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。 Therefore, in the present invention, it is possible to accurately determine the degree of deterioration of the secondary battery with a determination with less time.
以下、本発明の二次電池劣化判定装置及び方法を実現する実施の形態を、請求項1〜6に係る発明に対応する実施例1に基づいて説明する。
Hereinafter, an embodiment for realizing a secondary battery deterioration determination device and method according to the present invention will be described based on Example 1 corresponding to the invention according to
まず、構成を説明する。
図1は実施例1の二次電池劣化判定装置のブロック構成を示す図である。
実施例1の二次電池劣化判定装置1は、擬似白色信号生成部2、電流センサ3、電圧センサ4、パラメータ推定部5、劣化度判定部6を備え、二次電池7が接続される構成である。なお、二次電池7は、充放電が可能な電池である。例として電気自動車(以下EVと省略する)やハイブリッド車(以下HEVと省略する)などの駆動に用いられるものを挙げる。さらに、具体的な例としてリチウムイオン電池を挙げておく。
擬似白色信号生成部2は、所定電流値のM系列信号を作成し、二次電池7に入力する。詳細は後述する。
First, the configuration will be described.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a secondary battery deterioration determination apparatus according to the first embodiment.
The secondary battery
The pseudo white
電流センサ3は、擬似白色信号生成部2から二次電池7に入力される電流値を検出する。
電圧センサ4は、二次電池7の端子間電圧を検出する。
パラメータ推定部5は、M系列信号の入力に対する出力電圧から二次電池7の電池モデルのパラメータを推定する。
劣化度判定部6は、パラメータ推定部5で推定された電池モデルのパラメータを用いて、劣化度を判定する。
The
The
The
The deterioration
次に同定する電池モデルについて説明する。
図2は実施例1の二次電池劣化判定装置1において同定される電池モデルの説明図である。
電池モデル8は、図2に示すように、開放電圧OCV、電解液における直流成分の抵抗R0、電池における電荷の移動抵抗として設定する抵抗R1,R2、コンデンサC1,C2により構成される。
この電荷移動抵抗は、周波数成分が2〜100kHzの成分として設定する。そして、周波数成分が100〜100kHz(時定数のより速い帯域)の抵抗R1及びコンデンサC1を並列にしたものと、周波数成分が2〜100Hz(時定数のより遅い帯域)の抵抗R2及びコンデンサC2を並列したものを直列にする。抵抗R1及びコンデンサC1を負極の電荷移動抵抗として設定し、抵抗R2及びコンデンサC2を正極の電荷移動抵抗として設定する。尚、今回設定したすべての帯域は電池の種類や温度,SOC(容量),SOH(劣化度合い)などの条件によってそれぞれの周波数帯域は変化するものとする。
Next, the battery model to be identified will be described.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a battery model identified by the secondary battery
As shown in FIG. 2, the
This charge transfer resistance is set as a component having a frequency component of 2 to 100 kHz. A resistor R1 and a capacitor C1 having a frequency component of 100 to 100 kHz (band with a faster time constant) and a resistor R2 and a capacitor C2 having a frequency component of 2 to 100 Hz (band with a slower time constant) are connected. Make parallel things in series. The resistor R1 and the capacitor C1 are set as negative charge transfer resistors, and the resistor R2 and the capacitor C2 are set as positive charge transfer resistors. In addition, all the frequency bands set this time are assumed to change depending on the battery type, temperature, SOC (capacity), SOH (deterioration degree), and other conditions.
次に擬似白色信号生成部2の詳細について説明する。
図3は実施例1の擬似白色信号生成部2の説明図である。図4は実施例1のM系列発生回路21のシフトレジスタの数を説明する表図である。
実施例1の擬似白色信号生成部2は、M系列発生回路21、信号調整部22を備えている。
M系列発生回路21は、Dレジスタ211と加算器212を備えている。
Dレジスタは、複数直列され、前段の出力を後段の入力とし、例えばD−FFによる演算を行い、結果を出力する。
加算器212は、複数直列され、それぞれのDレジスタ211の出力と、そのDレジスタ211の後段の出力の加算結果の加算を行い、後段の加算器212へ出力する。
Next, details of the pseudo white
FIG. 3 is an explanatory diagram of the pseudo white
The pseudo white
The M
A plurality of D registers are connected in series, and the output of the previous stage is used as the input of the subsequent stage, for example, an operation by D-FF is performed and the result is output.
A plurality of
ここで、M系列について説明する。
図5はM系列の例を説明するために示す図である。
M系列とは下式の線形漸化式で発生される1ビットの数列である。
Here, the M series will be described.
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the M series.
The M sequence is a 1-bit sequence generated by the following linear recurrence formula.
一般的に表わすと、M系列の周期Nは、N=2q−1で表わされる。
図5は、数式1において、p=3、q=1の場合を説明するものである。図5において、範囲Aの部分は、3ビットのパターンが全部で7種類あり、同じパターンのものはない。つまりM系列はpビットのパターンを全て1回ずつ発生する。各パターンの要素は、「0」と「1」の2通りずつだから、pビットで2p通りとなる。ただし、すべてのビットが0となるパターンだけは、信号無発生となるので、除く。
Generally speaking, the period N of the M sequence is represented by N = 2q-1.
FIG. 5 illustrates the case where p = 3 and q = 1 in
つまり、実施例1のM系列発生回路21では、図3において、Dレジスタ211の上下流のビット値がX〜Xk-nに対応した値となる。そして、図4から、実施例1では例えば、127通りのパターンを選択し、Dレジスタ211の数を7とする。
That is, in the M-
次に、信号調整部22について説明する。
図6はM系列信号の一部拡大説明図である。図7はM系列信号の説明図である。
信号調整部22では、図6に示すように、M系列発生回路21で発生されるM系列信号の最小単位を、最小時間幅、つまり構成上定められるクロック周期となるようにする。そして、M系列信号が、図7に示すように、例えば+1(A)と−1(A)の間でONとOFFを繰り返す方形波となるように調整し、擬似白色信号生成部2の出力として、二次電池7に出力する。
Next, the
FIG. 6 is a partially enlarged explanatory view of an M-sequence signal. FIG. 7 is an explanatory diagram of an M-sequence signal.
As shown in FIG. 6, the
このM系列信号は、擬似白色性二値信号であり、+(ON)と−(OFF)の合計が同じ信号となる。そして、この信号のON幅は127通りのON幅を持ったものが1組(1周期)となる。 This M-sequence signal is a pseudo whiteness binary signal, and the sum of + (ON) and-(OFF) is the same signal. The ON width of this signal is one set (one cycle) having 127 ON widths.
次にパラメータ推定部5の詳細について説明する。
図8はパラメータ推定部5のブロック構成を示す説明図である。
パラメータ推定部5は、SOC算出部51、開放電圧検出部52、過電圧算出部53、パラメータ算出部54、を備えている。
図9はSOC算出部の算出状態を示す説明図である。
SOC算出部51は、電流センサ2で検出する電流を積算してSOCを求める。なお、SOC(State of charge、以下SOCと省略する)は、バッテリ容量である。具体的には、図9に示すように充放電の繰り返しの時間と電流値で積算を行う。実施例1では、基地局においてこの充放電を意図的に行い、短時間でSOCを算出する。なお、車両の走行中に行われる充放電によりSOCを算出しておくようにしてもよい。
Next, details of the
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a block configuration of the
The
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a calculation state of the SOC calculation unit.
The
図10は実施例1におけるSOCとOCVの関係を示すグラフ図である。
開放電圧検出部52は、SOC(%)と開放電圧OCV(V)の関係を図10のように予め測定してデータとして備えるようにし、SOC算出部51からのSOC(%)によりOCV(V)を算出する。
過電圧算出部53では、M系列信号が入力される際に、電圧センサ4で測定した電池の端子電圧から、開放電圧検出部52で検出した開放電圧を減算(引く)して、過電圧ηを算出する。
パラメータ算出部54は、M系列信号に対する過電圧変化と、電流値から、直流抵抗R0、負極の電荷移動抵抗R1,正極の電荷移動抵抗R2、コンデンサ容量C1,C2のパラメータ推定を行う。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between SOC and OCV in the first embodiment.
The open
The
The
次に、劣化度判定部6について説明する。
図11は劣化度判定部の劣化度と負極の電荷移動抵抗のテーブルデータの説明図である。
劣化度判定部6は、図11に示す劣化度SOH(State of Health:以下SOH)と負極の電荷移動抵抗R1との関係を予めテーブルデータを、パラメータ推定部5から得る負極の電荷移動抵抗R1に基づいて参照し、劣化度SOHを判定する。
Next, the deterioration
FIG. 11 is an explanatory diagram of table data of the deterioration degree of the deterioration degree determination unit and the charge transfer resistance of the negative electrode.
The degradation
作用を説明する。
[パラメータ推定処理]
図12に示すのは、パラメータ算出部54で実行されるパラメータ推定処理の流れを示すフローチャートで、以下各ステップについて説明する。
The operation will be described.
[Parameter estimation process]
FIG. 12 is a flowchart showing the flow of parameter estimation processing executed by the
ステップS1では、パラメータ算出部54が、擬似白色信号生成部2により与えた、クロック周期の異なるM系列信号に対する電池の出力電圧から同定用データを収集する。
In step S <b> 1, the
ステップS2では、収集した同定用データにより、システム同定を行う。
例としてはARXモデルを用いたものを挙げておく。
ここで、ARXモデル(Auto-Regressive eXogeneousモデル)について説明する。
図13は、ARXモデルの説明図である。
まず、下式のように差分方程式を考える。
In step S2, system identification is performed based on the collected identification data.
An example using the ARX model is given.
Here, the ARX model (Auto-Regressive eXogeneous model) will be described.
FIG. 13 is an explanatory diagram of the ARX model.
First, consider the difference equation as shown below.
このように、構造は、3つの整数na,nb,nkによって定義され、引数naは極の数、nb-1は零点の数になる。一方、nkはシステムの純粋な時間遅れ(むだ時間)である。サンプル値制御のシステムに対して、むだ時間がなければ、一般的にはnkは1になる。複数入力システムに対して、nbとnkは、行ベクトルになる。ここでi番目の入力に関した次数/遅れになる。
ここで、パラメータベクトルを、以下のように定義する。
Thus, the structure is defined by three integers na, nb, nk, the argument na is the number of poles, and nb-1 is the number of zeros. On the other hand, nk is the pure time delay (dead time) of the system. Generally, nk is 1 if there is no dead time for a sample value control system. For multiple input systems, nb and nk are row vectors. Here is the order / lag for the i-th input.
Here, the parameter vector is defined as follows.
(数8) (Equation 8)
A(q)y(k)=B(q)u+ω(k) A (q) y (k) = B (q) u + ω (k)
ステップS3では、ステップS2で得た離散時間LTI同定モデルを連続時間LTIモデルに変換する。なお、LTIモデルは、線形時不変(linear time-invariant)のモデルである。これにより、連続した時間軸に対する特性評価を行えるようにする。 In step S3, the discrete time LTI identification model obtained in step S2 is converted into a continuous time LTI model. The LTI model is a linear time-invariant model. Thereby, it is possible to perform characteristic evaluation with respect to a continuous time axis.
ステップS4では、ステップS3で得た連続時間LTIモデルの周波数特性を評価する。実施例1では、ボード線図による評価と、ナイキスト線図による評価を行う。 In step S4, the frequency characteristic of the continuous time LTI model obtained in step S3 is evaluated. In the first embodiment, evaluation using a Bode diagram and evaluation using a Nyquist diagram are performed.
ステップS5では、ステップS4の結果より得た2つの周波数特性線図を、信頼できる周波数帯域で合成する。 In step S5, the two frequency characteristic diagrams obtained from the result of step S4 are synthesized in a reliable frequency band.
ステップS6では、合成した周波数特性からカーブフィッティングにてパラメータ推定を行う。この処理の内容は、特開2007-178215で、インピーダンスの実軸成分と虚軸成分のプロット波形から交流回路定数としての反応抵抗R1〜R3、及びコンデンサ容量C1〜C3を得るのと同様の処理である。 In step S6, parameter estimation is performed by curve fitting from the synthesized frequency characteristics. The content of this process is the same as that of obtaining the reaction resistances R1 to R3 and the capacitor capacities C1 to C3 as AC circuit constants from the plotted waveforms of the real and imaginary axis components of impedance in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-178215. It is.
[劣化度判定作用]
実施例1では、二次電池7を基地局等で保管する際や、基地局等で充電する際に二次電池7の劣化度を、二次電池劣化判定装置1により判定する。
走行中では、充放電や負荷により、電池状態は逐次変化している。そのため、精度よく劣化度を測定することが難しいが、実施例1では、基地局等で保管や充電等の際に測定することにより、一定した条件において測定している。
二次電池劣化判定装置1と二次電池7を電気的に接続すると、擬似白色信号生成部2で作成したM系列信号を二次電池7に入力し、これに対する出力電圧及により、パラメータ推定部5がステップS1〜S6の処理を行い、パラメータを推定する。
擬似白色信号生成部2で作成され、二次電池7に入力されるM系列信号は、電流値が実際の値とほぼ同じ値のプラスマイナスを同じにした矩形信号である。例えば、図7に示す+1(A)と−1(A)の矩形波である。これにより実際の電池の状態を変化させず(1周期において)に推定できることになる。
[Deterioration judgment function]
In the first embodiment, when the
During traveling, the battery state changes sequentially due to charge / discharge and load. For this reason, it is difficult to accurately measure the degree of deterioration, but in Example 1, measurement is performed under constant conditions by measuring at the base station or the like during storage or charging.
When the secondary battery
The M series signal generated by the pseudo white
さらに、実施例1のM系列信号は、例えば127通りのON幅、つまり周波数で測定することになり、この周波数の値は、M系列発生回路21の各部の値を得ることにより把握が容易である。そのため、処理が容易になり、測定したい一通りの測定を容易に行うことができる。
これにより、ボード線図やナイキスト線図を容易に得ることになる。
また、必要によっては、周波数の種類を、図4を参照して増減させてもよい。
Further, the M-sequence signal of the first embodiment is measured with, for example, 127 ON widths, that is, frequencies, and the value of this frequency can be easily grasped by obtaining the value of each part of the M-
Thereby, a Bode diagram and a Nyquist diagram can be easily obtained.
If necessary, the type of frequency may be increased or decreased with reference to FIG.
そして、M系列信号は、擬似白色性二値信号であり、プラスの値とマイナスの値の合計が同じであるので、この信号を入力された二次電池7では、充電される電流と放電する電流が同じとなりSOCの値は、例えば127通りのON幅の1周期で、変化しない状態となる。
二次電池7の内部抵抗値は二次電池7のSOCの値によって変化するが、実施例1ではSOCの値は変化しない状態で測定する。これにより、良好な電池モデル8の同定を行う。
The M-sequence signal is a pseudo-whiteness binary signal, and since the sum of the positive value and the negative value is the same, the
Although the internal resistance value of the
また、実施例1では、図2に示すように、電池モデル8として、直流成分抵抗R0と負極の電荷移動抵抗R1、正極の電荷移動抵抗R2を設定し、開放電圧OCVと過電圧分を分けてパラメータである抵抗とコンデンサ容量の推定を行う。
過電圧ηは、次の関係から求められる。つまり、開放電圧OCV=端子電圧V+過電圧ηである。二次電池7は様々な素過程反応を含む化学反応を有しており、これを分離できるため、周波数特性を細分化して、詳細な等価回路モデルを構築する。
In Example 1, as shown in FIG. 2, as the
The overvoltage η is obtained from the following relationship. That is, open circuit voltage OCV = terminal voltage V + overvoltage η. Since the
電池モデル8(等価回路)のパラメータは、次のように求められる。M系列信号に対する二次電池7の電圧の応答として、収集されるデータ(ステップS1)から、ARXモデルによりシステム同定を行う(ステップS2)。このステップS2によるシステム同定で得られるのは、離散系であるため、ボード線図、ナイキスト線図を得るために連続系へ変換し(ステップS3)、周波数特性の評価としてボード線図、ナイキスト線図を生成する(ステップS4)。そして、好ましくは、2つの線図から信頼できる周波数帯域を把握し、この部分で周波数特性を合成し(ステップS5)、合成した周波数特性から、電池モデル8(等価回路)のパラメータR1,R2,C1,C2を推定する。直流抵抗成分R0は、周波数特性結果の直達項(複素平面の虚部=0の時の実部の値)から容易に求まる。
The parameters of the battery model 8 (equivalent circuit) are obtained as follows. As a response of the voltage of the
このように実施例1では、電解液における直流抵抗成分と、抵抗とコンデンサの並列回路で構成される負極の電荷移動抵抗及び正極の電荷移動抵抗が電池モデル8として設定され、パラメータ推定される。
電池の劣化には、大きく分けてサイクル劣化と保存劣化がある。サイクル劣化すると、正極の電荷移動抵抗において、主に変化が表れる。また、保存劣化すると、負極の電荷移動抵抗において、主に変化が表れる。
実施例1では、正極、負極を有した等価回路モデルを構築し、パラメータ推定される電池モデル8としている。
また、電池の劣化は主に負極の劣化に支配されている。電池の負極の劣化が進行することにより負極と電解液の界面の電解移動抵抗、つまり等価回路モデル上の抵抗R1は増大する。実施例1では、得られた負極のパラメータである抵抗R1により劣化度を判定することによって、精度よく電池の劣化を判断する。
As described above, in Example 1, the DC resistance component in the electrolytic solution, the negative charge transfer resistance composed of the parallel circuit of the resistor and the capacitor, and the positive charge transfer resistance are set as the
Battery degradation can be broadly divided into cycle degradation and storage degradation. When the cycle deteriorates, a change mainly appears in the charge transfer resistance of the positive electrode. Further, when storage deteriorates, a change mainly appears in the charge transfer resistance of the negative electrode.
In Example 1, an equivalent circuit model having a positive electrode and a negative electrode is constructed and used as a
Further, the deterioration of the battery is mainly governed by the deterioration of the negative electrode. As the negative electrode of the battery progresses, the electrolytic movement resistance at the interface between the negative electrode and the electrolyte, that is, the resistance R1 on the equivalent circuit model increases. In Example 1, the deterioration of the battery is accurately determined by determining the degree of deterioration based on the resistance R1 that is the parameter of the obtained negative electrode.
実施例1の作用を明確にするために、以下に説明を加える。
二次電池の劣化度を判定するには、電流積算によって満充電容量を求めて、その比率にて劣化度合いを判定することが考えられる。
しかし、電流積算にて満充電容量を求めるには時間が必要である。また、これと別に直流抵抗を用いて劣化度合いを判定することも考えられる。しかしながら、直流抵抗は電池の電解液のバルク抵抗や電荷移動抵抗、拡散抵抗の和であるため、精度よく劣化度合いを求めることが難しい。
実施例1では、電池が劣化することによって、正極、負極の電荷移動抵抗に主に変化が表れることを用いて、劣化判定を、正極、負極の電荷移動抵抗を設定して構築した劣化判定用の等価回路モデルにより行う。
In order to clarify the operation of the first embodiment, the following description is added.
In order to determine the degree of deterioration of the secondary battery, it is conceivable to obtain the full charge capacity by current integration and determine the degree of deterioration based on the ratio.
However, it takes time to obtain the full charge capacity by current integration. In addition, it is conceivable to determine the degree of deterioration using a DC resistance. However, since the DC resistance is the sum of the bulk resistance, charge transfer resistance, and diffusion resistance of the battery electrolyte, it is difficult to accurately determine the degree of deterioration.
In the first embodiment, the deterioration determination is performed by setting the charge transfer resistances of the positive electrode and the negative electrode by using the fact that changes in the charge transfer resistances of the positive electrode and the negative electrode are mainly caused by the deterioration of the battery. The equivalent circuit model is used.
そして、電荷移動抵抗に対応した帯域の信号成分を持つ擬似白色性信号を用いて、電池に入力して得られた出力からシステム同定を行い、パラメータ推定を行うことによって、劣化に影響力の強いパラメータを算出し、そのパラメータと劣化度合いとの関係(図11参照)から電池劣化判定を精度よく、時間をかけることなく行う。 And, using a pseudo-whiteness signal having a signal component in the band corresponding to the charge transfer resistance, system identification is performed from the output obtained by inputting to the battery, and parameter estimation is performed, so that it has a strong influence on deterioration. The parameter is calculated, and the battery deterioration determination is performed accurately and without taking time from the relationship between the parameter and the deterioration degree (see FIG. 11).
電池は様々な素過程反応を含む科学反応によってその性能を示す。電池の化学反応はそれぞれ特有の応答時間が混在している。交流インピーダンス測定法によって、それぞれの素過程反応を含む化学反応を分離することができ、その結果、電池は、図2で示した等価回路モデルで表わすことが可能である。それぞれの素子は、電解液のバルク抵抗や電気二重層、電荷移動抵抗などの化学要因で表わすことが可能である。
電池が劣化することによって、電荷移動過程において変化が見られる原因としては次のことが挙げられる。充放電を繰り返すことによりSEI膜(固体電解質膜)の破壊・形成による容量の減少や、保存することによるSEI膜の形成による容量の減少、また正極にて不活性物質の形成などが上げられる。
The battery exhibits its performance through scientific reactions including various elementary processes. Each battery chemical reaction has a unique response time. By the AC impedance measurement method, chemical reactions including respective elementary process reactions can be separated, and as a result, the battery can be represented by the equivalent circuit model shown in FIG. Each element can be expressed by chemical factors such as the bulk resistance of the electrolytic solution, the electric double layer, and the charge transfer resistance.
The following can be cited as the cause of the change in the charge transfer process due to the deterioration of the battery. By repeating charge and discharge, the capacity decreases due to the destruction and formation of the SEI film (solid electrolyte film), the capacity decreases due to the formation of the SEI film due to storage, and the formation of an inert substance at the positive electrode is increased.
効果を説明する。実施例1の二次電池劣化判定装置にあっては、下記に列記する効果を有する。
(1)充放電を行う二次電池7の劣化度を判定する二次電池劣化判定装置1であって、周波数成分の異なる擬似白色二値信号を生成し、二次電池7へ入力する擬似白色信号生成部2と、擬似白色二値信号が入力された際の二次電池7の端子電圧を検出する電圧センサ4と、二次電池7に負極の電荷移動抵抗性分をパラメータR1及びC1として有する電池モデル8(図2)が設定され、電池モデル8と検出電圧に基づいて、電池モデル8のパラメータを推定するパラメータ推定部5と、推定した負極の電荷移動抵抗成分のパラメータR1から二次電池の劣化度を判定する劣化度判定部6を備えるため、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。
Explain the effect. The secondary battery deterioration determination device of Example 1 has the effects listed below.
(1) A secondary battery
(2)上記(1)において、電池モデル8(図2)には、負極の電荷移動成分のパラメータR1及びC1、正極の電荷移動成分のパラメータR2及びC2が設定されているため、電池の劣化において、サイクル劣化により主に変化が現れる正極の電荷移動抵抗と、保存劣化により主に変化が現れる負極の電荷移動抵抗を電池モデル8のパラメータとして算出し、電池の劣化に支配的な負極の電荷移動抵抗から劣化度を判定するので、より精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。
(2) In the above (1), the battery model 8 (FIG. 2) is set with the negative charge transfer component parameters R1 and C1 and the positive charge transfer component parameters R2 and C2. , The charge transfer resistance of the positive electrode that changes mainly due to cycle deterioration and the charge transfer resistance of the negative electrode that changes mainly due to storage deterioration are calculated as parameters of the
(3)上記(1)又は(2)において、擬似白色信号生成部2は、複数の周波数成分を含み、プラス値とマイナス値の二値で構成されるとともに、その1組の合計の電流値変化が0となるM系列信号を擬似白色二値信号として生成するため、電池の状態を変化させることなく、周波数の異なる信号入力を行い、精度よく電池モデル8のパラメータ推定を行うことができ、これにより、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。
(3) In the above (1) or (2), the pseudo white
(4)上記(1)〜(3)において、パラメータ推定部5は、擬似白色二値信号が入力された際の二次電池の過電圧変化を算出する過電圧算出部53と、過電圧変化からパラメータを算出するパラメータ算出部54を備えたため、二次電池へ入力した擬似白色二値信号に対する出力を周波数応答性のよい過電圧変化により精度よく捉えることにより、複数周波数の特性から精度よく電池モデル8のパラメータ推定を行うことができる。
(4) In the above (1) to (3), the
(5)上記(4)において、パラメータ算出部54は、過電圧変化からシステム同定を行い、離散時間モデルを算出するシステム同定処理(ステップS1)と、システム同定結果から得た離散時間モデルを連続時間モデルに変換するモデル変換処理(ステップS3)と、連続時間モデルの周波数特性を算出する周波数特性評価処理(ステップS4)と、周波数特性に合わせるようにしてパラメータを決定するパラメータ決定処理(ステップS6)を備えるため、処理負荷を抑制しつつ、制度よく、過電圧変化からパラメータを算出することができ、これにより、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。
(5) In the above (4), the
(6)充放電を行う二次電池7の劣化度を判定する二次電池劣化判定方法であって、二次電池7に負極の電荷移動抵抗成分をパラメータR1及びC1として有する電池モデル8(図2)を設定し、周波数成分の異なる擬似白色二値信号を擬似白色信号生成部2で生成して二次電池7に入力し、擬似白色二値信号が入力された際の二次電池7の端子電圧を電圧センサ4で検出し、電池モデル8と検出した端子電圧に基づいて、電池モデル8のパラメータR1及びC1をパラメータ推定部5で推定し、パラメータR1から二次電池7の劣化度を劣化度判定部6で判定するため、時間の少ない判定で、精度よく二次電池の劣化度合いを判定することができる。
(6) A secondary battery deterioration determination method for determining the deterioration degree of the
以上、本発明の電池モデル同定方法を実施例1に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
例えば、実施例1では、ボード線図とナイキスト線図による評価の両方を行い、合成したが、どちらか一方であってもよい。
また例えば、実施例1では、モデルとしてARXモデルを用いたが、他のモデルを用いてもよい。
As described above, the battery model identification method of the present invention has been described based on the first embodiment. However, the specific configuration is not limited to these embodiments, and the invention according to each claim of the claims is described. Design changes and additions are allowed without departing from the gist.
For example, in Example 1, both the Bode diagram and the Nyquist diagram were evaluated and combined, but either one may be used.
For example, although the ARX model is used as the model in the first embodiment, other models may be used.
また例えば、実施例1の電池モデルの同定方法は、図14に示す構成に用いられるものであってもよい。
図14は二次電池システムの構成を示す説明図である。
For example, the battery model identification method of Example 1 may be used in the configuration shown in FIG.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the configuration of the secondary battery system.
図14に示す二次電池システムは、コントローラ91、電圧センサ92、電流センサ93、温度センサ94、二次電池95、負荷96を備え、コントローラ91により、各センサで検出される値により、二次電池95の充放電が制御される。コントローラ91では二次電池容量の劣化度等を演算し、この劣化度あるいは、劣化度と関係するSOCを用いた値等に基づいて制御を行うことになる。しかしながら各センサ値から演算されるこれらの値を直接測定することは難しい。例えば、HEVのように、車両の状態により充放電が繰り返される場合には、特に二次電池の状態を精度高く測定することは難しい。その際に、実施例1のように、基地局等やそこでの充電等の際に精度の高い測定を行っておくことは、車両が使用される場合に、より効率よく二次電池を運転できることになる。
The secondary battery system shown in FIG. 14 includes a
本発明は、EVやHEVの二次電池に加え、他の移動体に用いられる二次電池に利用することができる。 The present invention can be used for secondary batteries used for other mobile bodies in addition to EV and HEV secondary batteries.
1 二次電池劣化判定装置
2 擬似白色信号生成部
21 M系列発生回路
211 レジスタ
212 加算器
22 信号調整部
3 電流センサ
4 電圧センサ
5 パラメータ推定部
51 SOC算出部
52 開放電圧検出部
53 過電圧算出部
54 パラメータ算出部
6 劣化度判定部
7 二次電池
8 電池モデル
91 コントローラ
92 電圧センサ
93 電流センサ
94 温度センサ
95 二次電池
96 負荷
OCV 開放電圧
R0 直流抵抗成分
R1 (負極の)電荷移動抵抗成分
R2 (正極の)電荷移動抵抗成分
C1 (負極の電荷移動抵抗の)コンデンサ成分
C2 (正極の電荷移動抵抗の)コンデンサ成分
DESCRIPTION OF
Claims (6)
周波数成分の異なる擬似白色二値信号を生成し、前記二次電池へ入力する擬似白色信号生成手段と、
前記擬似白色二値信号が入力された際の前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記二次電池に負極の電荷移動抵抗性分をパラメータとして有する電池モデルが設定され、前記電池モデルと検出電圧に基づいて、前記電池モデルのパラメータを推定するパラメータ推定手段と、
推定した負極の電荷移動抵抗成分のパラメータから前記二次電池の劣化度を判定する劣化度判定手段と、
を備えることを特徴とする二次電池劣化判定装置。 A secondary battery deterioration determination device that determines the deterioration degree of a secondary battery that performs charge and discharge,
Pseudo white signal generating means for generating pseudo white binary signals having different frequency components and inputting the signals to the secondary battery;
Voltage detection means for detecting a terminal voltage of the secondary battery when the pseudo white binary signal is input;
A battery model having a charge transfer resistance component of a negative electrode as a parameter is set in the secondary battery, and based on the battery model and a detection voltage, parameter estimation means for estimating a parameter of the battery model;
Deterioration degree determining means for determining the deterioration degree of the secondary battery from the estimated parameter of the charge transfer resistance component of the negative electrode,
A secondary battery deterioration determination device comprising:
前記電池モデルには、負極の電荷移動成分、正極の電荷移動成分がパラメータとして設定されている、
ことを特徴とする二次電池劣化判定装置。 The secondary battery deterioration determination device according to claim 1,
In the battery model, the charge transfer component of the negative electrode and the charge transfer component of the positive electrode are set as parameters.
A secondary battery deterioration determining device.
前記擬似白色信号生成手段は、複数の周波数成分を含み、プラス値とマイナス値の二値で構成されるとともに、その1組の合計の電流値変化が0となるM系列信号を擬似白色二値信号として生成する、
ことを特徴とする二次電池劣化判定装置。 In the secondary battery deterioration determination device according to claim 1 or 2,
The pseudo white signal generation means includes a plurality of frequency components, is configured with binary values of a positive value and a negative value, and outputs an M-sequence signal in which the total current value change of one set is 0 as a pseudo white binary value. As a signal,
A secondary battery deterioration determining device.
前記パラメータ推定手段は、
前記擬似白色二値信号が入力された際の前記二次電池の過電圧変化を算出する過電圧算出手段と、
前記過電圧変化からパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
を備えたことを特徴とする二次電池劣化判定装置。 In the secondary battery deterioration determination apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The parameter estimation means includes
Overvoltage calculating means for calculating an overvoltage change of the secondary battery when the pseudo white binary signal is input;
Parameter calculating means for calculating a parameter from the overvoltage change;
A secondary battery deterioration determination device comprising:
前記パラメータ算出手段は、
前記過電圧変化からシステム同定を行い、離散時間モデルを算出するシステム同定手段と、
システム同定結果から得た離散時間モデルを連続時間モデルに変換するモデル変換手段と、
連続時間モデルの周波数特性を算出する周波数特性評価手段と、
周波数特性に合わせるようにしてパラメータを決定するパラメータ決定手段と、
を備えることを特徴とする二次電池劣化判定装置。 In the secondary battery degradation determination device according to claim 4,
The parameter calculation means includes
System identification means for performing system identification from the overvoltage change and calculating a discrete time model;
Model conversion means for converting a discrete time model obtained from the system identification result to a continuous time model,
A frequency characteristic evaluation means for calculating the frequency characteristic of the continuous time model;
Parameter determining means for determining parameters so as to match the frequency characteristics;
A secondary battery deterioration determination device comprising:
前記二次電池に負極の電荷移動抵抗成分をパラメータとして有する電池モデルを設定し、
周波数成分の異なる擬似白色二値信号を前記二次電池に入力し、
前記擬似白色二値信号が入力された際の前記二次電池の端子電圧を検出し、
前記電池モデルと検出した端子電圧に基づいて、前記電池モデルのパラメータを推定し、
前記パラメータから前記二次電池の劣化度を判定する、
ことを特徴とする二次電池劣化判定方法。 A secondary battery deterioration determination method for determining a deterioration degree of a secondary battery that performs charge and discharge,
A battery model having the charge transfer resistance component of the negative electrode as a parameter for the secondary battery is set,
A pseudo white binary signal having different frequency components is input to the secondary battery,
Detecting the terminal voltage of the secondary battery when the pseudo white binary signal is input,
Based on the battery model and the detected terminal voltage, estimate the parameters of the battery model,
Determining the degree of deterioration of the secondary battery from the parameters,
A method for determining deterioration of a secondary battery.
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