JP2011053215A - 電気化学システムの計測不能な特性を推定する改良された方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本方法は、複数の電極と、セパレータと、電解質と、を有する再充電可能な電気化学システムであって、電気化学システムの物理量を表す少なくとも1つのパラメータの少なくとも1つの入力信号を取得可能であり、電気化学システムの電気化学モデルが与えられている電気化学システムの内部状態を推定する。電気化学モデルは、複数の電極内及びセパレータ内で均一である複数の集中パラメータを備えており、電気化学システムの内部状態は、電気化学モデルに入力信号を適用して少なくとも1つの出力信号を生成することによって推定される。
【選択図】図1
Description
−例えば、所定の用途への適用、較正、最適化、または電池のエネルギーと熱の管理戦略の検証のために電池の寸法を設定する場合の、電池の電気的及び熱的挙動のシミュレータ
−電池の充電器/放電器
本発明は、電池の作動中に電池のエネルギー及び熱を管理するためのスマートシステムにも関する。
・電気化学電池の物理量を表す少なくとも1つのパラメータの入力値を受信することを目的としている電気化学電池上の計測手段に接続されている入力手段と、
・本発明の0D電気化学モデルを使用した方法によって計算される少なくとも1つの特性の少なくとも1つの出力信号を生成する処理手段と、
・電池の物理量の情報を出力する及び/または充電/放電を制御する及び/または処理手段及び/または比較手段の出力信号に応答して電池を冷却する情報/制御手段と、
を有する電気化学電池のスマート管理の装置(特に電池管理システムBMSと呼ばれる)にも関する。
・電池の物理量を表す少なくとも1つのパラメータの入力値を受信することを目的としている入力手段と、
・本発明の方法によって計算された少なくとも1つの出力特性を生成する処理手段と、
を有する電池シミュレータにも関する。
図1から11は、本発明の非限定的な実施形態を示している。
(1):Iappはセルに入力される電流
(2):Jzは化学反応zの電流密度
(3):Jz+kは化学反応z+kの電流密度
(4):Jz+k+1は化学反応z+k+1の電流密度
(5):Jnは化学反応nの電流密度
BCh:電荷収支であり、電荷収支の方程式を表す
(6):Φposは正電極物質の界面での過電圧
(7):Φnegは負電極物質の界面での過電圧
BMa:物質収支であり、物質収支と質量保存の方程式を表す
(8):[X]O posは正電極での種Xの表面濃度
(9):[X]O negは負電極での種Xの表面濃度
(10):[X]O z,pos,maxは正電極内の種Xの最大濃度
(11):[X]O z,neg,maxは負電極内の種Xの最大濃度
(12):Vは電気化学セルの両端子での電位
(13):SoCは電池の充電状態
Ech:充電状態であり、系の充電状態を与える全ての方程式を表す
Esante:健全状態であり、系の健全状態を与える全ての方程式を表す
BEn:エネルギー収支であり、電池の作動中に発生する熱流束Phiの関数としての温度の変化を与える全ての方程式表す
(14):Tはシステムの温度
(15):SoHは電池の健全状態
セルの両端子での電流は、モデルの入力と見なされるのに対して、電圧は出力の1つである。複数の入力信号である電流及び温度は、電池で測定された物理量を表す。バトラー・ボルマー式、電荷収支、物質収支及びエネルギー収支に基づく処理手段は、複数の入力信号に基づいて電池の状態を計算し、電位、充電状態、健全状態、及び温度などの計算から導き出される複数の出力信号を生成する。
前述のように、いわゆる集中パラメータ0D電気化学モデルは、種の濃度及び他の変数が、電気化学システム(例えば電池セル)の各領域(両電極、セパレータ、及び気体種の収集を目的とするコンパートメントに通常対応している)で均一であるという仮定に基づいている。これは、ゼロ次元(0D)均一近似と呼ばれる。
反応z中に発生する電気化学エネルギーの電気エネルギー貯蔵は、前述の一般的な電気化学反応速度論の方程式と、電荷移動電流濃度と電極物質粒子内の電気化学種Xの体積密度との間の式(5)に従った微分方程式の形態を取る物質収支と、によってモデル化される。
−0D電気化学モデル内の各電極での、電気2重層内における電荷の蓄積の数学的表現
各電極での電荷の蓄積を考慮することによって、本発明の方法は、0D電気化学モデルの有効領域が、例えば「2重層効果」などの固体−液体界面での容量効果が顕著な非静的な場合にも拡張される。式(7)は、電荷収支における2重層容量の説明を書き換えている。
各電極の深さ方向への電荷再分配現象は、一般的な0D電気化学モデルでは式(8)〜(10)によって考慮される。
一般的な0D電気化学モデルは、微分方程式(11)の形態を取る大局的な電気収支濃度過電圧項ηciについて積分を行うことによって、電気化学システムの様々なコンパートメントにおける小孔中の電解質の電荷の拡散現象を書き換える。
貯蔵装置の経年変化は、内部抵抗の増加と過電圧(電力損失)を伴う容量損失(エネルギー損失)によって特徴付けられる。これらは1以上の寄生的な経年変化反応によって引き起こされることが多い。経年変化反応の反応速度論は、式(2)に類似した式(12)で与えられる数学的表現によって記述することができる。
セルの温度は、エネルギー収支の出力として計算することができる。電気化学的セル活動によって発生した内部熱流束ψgenは、以下の式で与えられる。
一般的な0D電気化学モデルは、セルの電位の大局的な収支によって補完される。
本発明の方法におけるセルの充電状態q(t)は、複数の反応種Xのうちの1つの濃度によって、関係(19)に従って与えられる。
1)Ni−MH電池の場合
図2に模式的に示すNi−MH電池の場合、活性種はオキシ水酸化ニッケルNiOOH、ニッケル水酸化物Ni(OH)2、金属水酸化物MH、及び気相との平衡状態で電解質に部分的に溶解している酸素O2である。
Li−イオン電池の場合、活性種は正電極については金属酸化物、負電極については炭素化合物、金属、または金属酸化物である。Li−イオンセルを図3に模式的に示している。
−パナソニックが市販する容量6.5Ahのプリズム状Ni−MH電池要素
−A123システムズ(Systems)が市販する化学LFP(リン酸鉄リチウム)/黒鉛の、容量2.3Ahの円柱状Li−イオン電池要素
本方法は、図4に模式的に示すように、取得可能な計測値から動的なシステムの状態を推定するために、再帰フィルタを使用することが好ましい。この推定問題の顕著な特徴は、計測値が雑音に影響されることと、本発明によってモデル化された系の非線形度が非常に高いことである。本発明で好ましく使用される再帰フィルタは、当業者には公知の拡張カルマンフィルタである。
本方法はさらに、変動fのベクトル(図5のF)と式(34)に従って計算された出力y(図5のYe)とをモデルが出力するステップ(図5のM)を実現する。これら2つの変数は次に、F、Ye及び計測値Yから状態Xeを再構築する第2ステップ(図5のEst)において処理される。そして、推定アルゴリズムは第3ステップ(図5のFNL)の出力を使用する。第3ステップでは、再構築された状態、(本発明のモデルによる)電気化学システムの特性、及び計測値に影響する雑音の特性の関数として、変数Lが出力される。ステップFNLは、拡張カルマンフィルタなどの当業者に公知の方法によって実行することができる。
本発明の縮約モデルは、システムの物理的パラメータに基づいており、従来技術で公知のRCモデルなどの等価的な大局的パラメータには基づいていない。この性質によって経年変化の推定が容易となり、従って電池の健全状態の推定が容易となる。
本発明の方法による0D電気化学モデルは、電池内部の全ての電気化学的変数、特に充電状態の時間の経過に伴う変動を計算することができる。モデルの入力は、電池の両端子での電流であるため、模擬されるケースは、この変数の選択に依存している。たとえば、制御された充電または放電は、一定の電流、固定されたプロフィールに依存して変化する電流、または電圧に依存して変化する電流の各条件下で表現することができる。この第3の場合は、乗り物における電池の電流消費状態を表しており、電池に印加される電流は組み合わされた電気部品(電力用電子部品、1以上の電気モータ等)の特性に従って、電圧に依存している。本発明のモデルを使用した電池シミュレータによって得られた電気的挙動の推定結果の典型例を、例1のNi−MH電池場合について図6に、例2のLi−イオン電池の場合について図7に示している。両方の場合において、本発明の方法による0Dモデルの結果を実験結果と比較したところ、得られた動的挙動の表現の正確さが明確に示された。図6では、従来技術の縮約モデルによって得られた結果に対して、本発明の0Dモデルの使用によって得られる利点が強調されている。
乗り物装置シミュレータ
本発明の0Dモデルは、ハイブリッド乗り物の駆動ラインの寸法設定支援ツールとしても有用である。電池モデルを組み込んでいるハイブリッド乗り物装置シミュレータの例を図10に示している。これらの用途は、等価電気回路型のモデルと比べより効率的かつ高い信頼性で駆動電池の動的挙動を模擬可能な集中パラメータ電池挙動モデルを必要とする典型例である。
本発明の方法の0Dモデルは、これらの計測値と電池内部の充電状態との間の関係を推定するために実験的なインピーダンススペクトロスコピー試験を再現することもできる。そして、複数のセルと両端子との間の接続による誘導効果を考慮するように、電位方程式が修正される。
電池の電気的及び熱的挙動のシミュレータに基づく電池製造方法では、電池特性の推定にかかる計算時間が最小化され、推定の信頼性及び精度が高いために、本発明の方法の0Dモデルが有用であろう。従って、本発明の方法に従い電池の寸法を設定することによって、電池製造方法を実行することができる。
Bch 電荷収支
BEn エネルギー収支
BMa 物質収支
Col 集電体
CS 制御戦略
CU 制御ユニット
D ディスプレイ
DP 運転プロフィール
EBV バトラー・ボルマー式
Ech 充電状態
Esante 健全状態
Est 推定器
F モデルによる内部状態の変動
FC 燃料消費
FNL 非線形フィルタ
G 発電器
GB ギヤボックス
IC 噴射装置
L 非線形フィルタの出力での利得
LiMO2 金属酸化物ベースの多孔質正電極
M モデル、モータ駆動
MH−el 金属水素化物ベースの多孔質負電極
Neg 炭素化合物ベースの多孔質負電極
Ni−el ニッケルベースの多孔質正電極
ReG 気体保持コンパートメント
Sep セパレータ
Sph 物理系
U 計測された入力
V 乗り物
Y 計測された出力
Ye モデルによって計算された出力
Xe 推定器によって計算された内部状態
x 優勢な方向
Claims (19)
- 複数の電極と、セパレータと、電解質と、を有する再充電可能な電気化学システムであって、該電気化学システムの物理量を表す少なくとも1つのパラメータの少なくとも1つの入力信号を取得可能であり、該電気化学システムの電気化学モデルが与えられている電気化学システムの内部状態を推定する方法であって、
前記各電極と前記電解質との界面で発生する電気化学反応の反応速度論を、界面濃度を考慮して数学的に表現することと、
前記各電極の2重層の容量内にある電荷の空間的蓄積を数学的に表現することと、
前記各電極での電荷の再分配を数学的に表現することと、
前記電極と前記セパレータとを通した前記電解質でのイオン電荷の拡散を数学的に表現することと、
前記電気化学システムの全ての段階における物質収支を求めることと、
前記電気化学システムの温度を計算するために前記電気化学システムのエネルギー収支を求めることと、を少なくとも有し、
前記電気化学モデルは、前記複数の電極内及び前記セパレータ内で均一である複数の集中パラメータを備えており、
前記電気化学システムの内部状態は、前記電気化学モデルに前記入力信号を適用して少なくとも1つの出力信号を生成することによって推定されることを特徴とする、方法。 - 前記電気化学モデルは、前記電極内に保持されている種の最大濃度の減少と、前記電気化学システムの内部抵抗の増加とを求めることによって、前記電気化学システムの経年変化を考慮する、請求項1に記載の方法。
- 前記再充電可能な電気化学システムは気体種を集めるためのコンパートメントをさらに有し、前記複数の集中パラメータは前記コンパートメント内で均一である、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 界面濃度と平均濃度C=f(t)とは、前記電気化学システムの各領域内で、各活性種について互いに区別される、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記各電極の熱力学的平衡電位は、ネルンスト式、マルグレス式、ファン・ラール式若しくはレドリッヒ−キスター式で表される熱力学的数学的関係、または多項式若しくは指数関数で表される解析的関係によって記述される、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記再充電可能な電気化学システムの前記物理量を表す少なくとも1つのパラメータの前記入力信号は、強度I、電位V、温度T、必要な電力のうちの少なくとも1つである、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電気化学システムの電位、充電状態、健全状態、温度のうちの少なくとも1つが前記出力信号として記録される、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電気化学システムの端子電圧と前記電気化学システムの温度とが前記出力信号として記録される、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電気化学システムの充電状態と、健全状態と、温度とが前記出力信号として記録される、請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
- 電気化学電池の計測手段に接続され、前記電気化学電池の物理量を表す少なくとも1つのパラメータの入力値を受け取る入力手段と、
請求項1から11のいずれか1項に記載の方法によって計算される少なくとも1つの特性の少なくとも1つの出力信号を生成する処理手段と、
前記電池の前記物理量に関する情報を供給することと、充電と放電の少なくともいずれかを制御することと、前記処理手段と比較手段の少なくともいずれかの出力信号に応答して前記電池を冷却することのうち、少なくとも1つを実行する情報・制御手段と、
を有する、電気化学電池のスマート管理のための管理装置。 - 前記処理手段は再帰フィルタを有する、請求項12に記載の管理装置。
- 請求項12または13に記載の管理装置を、ハイブリッド乗り物、電気乗り物、太陽光エネルギープラントまたは風力エネルギープラントの、エネルギー制御及び再充電可能な電気化学システムの管理に使用すること。
- 請求項12または13に記載の管理装置を充電器と放電器の少なくともいずれかの管理に使用すること。
- 電池の物理量を表す少なくとも1つのパラメータの入力値を受け取るための入力手段と、
請求項1から11のいずれか1項に記載の方法によって計算された少なくとも1つの出力特性を生成する処理手段と、
を有する、電池の熱的状態と電気的状態の少なくともいずれかを模擬するシミュレータ。 - 請求項1から11のいずれか1項に記載の方法をインピーダンススペクトロスコピーシミュレータに使用すること。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の方法をハイブリッド乗り物または電気乗り物の駆動電池の熱的及び電気的挙動、太陽光エネルギープラントの熱的及び電気的挙動、または風力エネルギープラントの熱的及び電気的挙動の模擬に使用すること。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の方法を電池の寸法設定に使用すること。
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