JP2014010003A - 電池モジュールおよびその状態推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池モジュールは、電池1と、この電池1の残容量、残エネルギー量を推定する状態推定装置とを有する。状態推定装置は、電池1の電池電圧、電池電流および電池温度を検出する、電圧センサ4、電流センサ3および温度センサ2と、予め求められた電池1の正極および負極の開回路電圧特性を記憶し、この記憶したデータと各センサで検出したデータとを参照して、電池1の充電完了状態を記述するパラメータである、正極および負極の活物質量と、正極および負極の容量密度と、抵抗とを抽出し、この抽出したパラメータを用いて電池1の残容量、残エネルギー量を推定する演算装置6とを有する。
【選択図】図4
Description
まず、実施の形態の概要について説明する。本実施の形態の概要では、一例として、括弧内に各実施の形態の対応する構成要素および符号を付して説明する。
実施の形態1の電池モジュールおよびその状態推定方法について、図1〜図12を用いて説明する。
まず、図1〜図3を用いて、本実施の形態1による電池モジュールにおいて、二次電池の放電特性について説明する。図1は、この二次電池の放電特性を説明するための図であり、それぞれ、(c)は電池の低電流極限での放電時の電圧と容量の関係、(a)、(b)は正極と負極の開回路電圧特性との関係を示す説明図である。図1は、二次電池、例えば、リチウムイオン電池の放電特性を模式的に示す。劣化前であり、かつ、放電電流が小さく、抵抗が無視できる低電流極限状態を想定している。
ここで、mp、mnはそれぞれ、正極活物質量、負極活物質量である。放電開始後の電池の放電容量QはΔqp×mp及びΔqn×mnに等しい。従って、劣化前電池の放電電流が小さい場合の放電特性は、放電開始状態、すなわち充電完了状態に対する以上の4つのパラメータqn、qp、mn、mpを指定すれば、正極と負極のOCV特性を用いて予測できる。
続いて、図4を用いて、本実施の形態1による電池モジュールの構成について説明する。図4は、この電池モジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。この電池モジュールは、二次電池の状態推定装置を含み、二次電池を電源とする電源システムである。
続いて、図5を用いて、図4に示した演算装置6の構成について説明する。図5は、この演算装置6の構成の一例を示す機能ブロック図である。
続いて、図6〜図11を用いて、図5に示した演算装置6による充電特性と放電特性の作成について説明する。図6は、この電池1の定電流充電における充電特性の一例を示すグラフである。このグラフは、一定充電電流Icにおける充電特性の例(縦軸は電圧V、横軸は容量Q)である。
同様に、低電流極限の残エネルギー量W0は、次の式(3)を計算することにより得られる。
W(t)=W0−ΔW(t) (7)
現時点から任意の電流で放電した場合の残容量、残エネルギー量を推定するには、現時点の状態からの放電特性を計算する必要があり、そのためには、現在の電池の状態を表すようにパラメータを更新する必要がある。充電完了から現時点までのmn、mp、Rの変化はqn、qpの変化に比べて無視できるので、更新すべきパラメータは、qn、qpの2つである。現在のqn(t)、qp(t)は、充電後に電池使用を開始してからの消費容量ΔQ(t)から次の式(8)、(9)により算出される。
qp(t)=qp(0)+ΔQ(t)/mp (9)
図10は、現時刻の4つのパラメータ値qn(t)、qp(t)、mn、mpを用いて、低電流極限における放電特性を計算した結果の例(縦軸は電圧V、横軸は容量Q)である。すなわち、図10は、現時刻の4つのパラメータを用いて算出した、低電流極限における放電特性予測の一例を示すグラフである。横軸の原点は、現在である。
同様に、任意電流Iに対する残エネルギー量Wres *は、次の式(11)を計算することにより得られる。
続いて、図12を用いて、図5に示した演算装置6による電池1の残容量・残エネルギー量の推定方法について説明する。図12は、この演算装置6による電池1の残容量・残エネルギー量の推定方法における演算の流れの一例を示すフローチャートである。
以上説明した本実施の形態1によれば、電池1と、この電池1の残容量、残エネルギー量を推定する状態推定装置とを有し、状態推定装置として、電圧センサ4、電流センサ3および温度センサ2と、演算装置6とを有し、さらに好ましくは表示部7を有することで、以下のような効果を得ることができる。
実施の形態2の電池モジュールおよびその状態推定方法について、図13を用いて説明する。本実施の形態2においては、前述した実施の形態1と同様の部分については説明を省略し、主に異なる部分について説明する。
ここで、V0は電池の開回路電圧である。Cは想定している出力値であり、今は定数である。時間tは推定を行う時点を0とし、その後一定出力で使用し続ける時間である。容量Qは推定を行う時点の値を0とする。Iは制御可能であるが、V0は放電とともに減少する。従って、一定出力で使う場合、電流値は時間とともに増加していく。
このQ(Δt)によって、時刻Δtにおける開回路電圧V0(Q(Δt))が与えられる。このV0(Q(Δt))を式(12)に代入してI(Δt)が求まる。
2 温度センサ
3 電流センサ
4 電圧センサ
5 負荷
6 演算装置
7 表示部
8 データ記憶部
9 パラメータテーブル格納部
10 状態パラメータ算出部
11 残容量・残エネルギー量算出部
12 状態パラメータ記憶部
13 残容量・残エネルギー量記憶部
Claims (14)
- 二次電池と、前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定する状態推定装置とを有し、
前記状態推定装置は、
前記二次電池の電池電圧、電池電流および電池温度を検出する、電圧センサ、電流センサおよび温度センサと、
予め求められた前記二次電池の正極および負極の開回路電圧特性を記憶し、この記憶したデータと、前記二次電池の一定電流充電中において前記電圧センサ、前記電流センサおよび前記温度センサで検出したデータとを参照して、前記二次電池の充電完了状態を記述するパラメータである、正極および負極の活物質量と、正極および負極の容量密度と、抵抗とを抽出し、この抽出したパラメータを用いて前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定する演算装置とを有することを特徴とする電池モジュール。 - 請求項1記載の電池モジュールにおいて、
前記演算装置は、前記二次電池の使用中に、前記正極および負極の容量密度を更新し、この使用中の状態における前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定することを特徴とする電池モジュール。 - 請求項2記載の電池モジュールにおいて、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、一定電流で使用した場合の残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項2記載の電池モジュールにおいて、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、低電流極限に対する残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項2記載の電池モジュールにおいて、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、一定出力で使用した場合の残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項2記載の電池モジュールにおいて、
前記残容量または/および前記残エネルギー量を推定する際に、
現時刻における抵抗値[R(T(t))]は、充電中の抵抗値を抵抗の温度依存性を表すテーブル、あるいは、抵抗の活性化エネルギーを用いて温度[T(t)]における値に換算して算出し、
前記現時刻の電流[I]のまま放電させたときの放電特性は、低電流極限の放電特性を電圧降下分[I×R(T(t))]だけ下にシフトさせて得ることを特徴とする電池モジュール。 - 請求項2記載の電池モジュールにおいて、
前記状態推定装置は、さらに表示部を有し、
前記演算装置は、
前記電圧センサ、前記電流センサおよび前記温度センサで検出した、前記電池温度、前記電池電圧および前記電池電流のデータを記憶するデータ記憶部と、
予め求められた前記二次電池の正極および負極の開回路電圧特性とそれらの温度依存性及び抵抗の温度依存性を記憶するパラメータテーブル格納部と、
前記パラメータテーブル格納部に記憶したデータと前記データ記憶部に記憶したデータとを参照して前記二次電池の充電特性から前記二次電池の充電完了状態を記述するパラメータを算出するとともに、前記二次電池の使用中に前記正極および負極の容量密度を更新する状態パラメータ算出部と、
前記状態パラメータ算出部で算出したパラメータを記憶する状態パラメータ記憶部と、
前記状態パラメータ算出部で算出したパラメータと前記データ記憶部に記憶したデータとから前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を算出するとともに、前記二次電池の使用中の状態における前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を算出する、残容量または/および残エネルギー量算出部と、
前記残容量または/および残エネルギー量算出部で算出した残容量または/および残エネルギー量を記憶する、残容量または/および残エネルギー量記憶部とを有し、
前記表示部は、前記残容量または/および残エネルギー量算出部で算出された残容量または/および残エネルギー量を表示することを特徴とする電池モジュール。 - 二次電池と、前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定する状態推定装置とを有する電池モジュールの状態推定方法であって、
前記状態推定装置の演算装置により、
予め求められて記憶した前記二次電池の正極および負極の開回路電圧特性のデータと、電圧センサ、電流センサおよび温度センサで検出した、前記二次電池の電池電圧、電池電流および電池温度のデータとを参照して、前記二次電池の充電完了状態を記述するパラメータである、正極および負極の活物質量と、正極および負極の容量密度と、抵抗とを抽出し、この抽出したパラメータを用いて前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定することを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項8記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記演算装置により、前記二次電池の使用中に、前記正極および負極の容量密度を更新し、この使用中の状態における前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を推定することを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項9記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、一定電流で使用した場合の残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項9記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、低電流極限に対する残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項9記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記残容量または/および前記残エネルギー量は、一定出力で使用した場合の残容量または/および残エネルギー量であることを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項9記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記残容量または/および前記残エネルギー量を推定する際に、
現時刻における抵抗値[R(T(t))]は、充電中の抵抗値を抵抗の温度依存性を表すテーブル、あるいは、抵抗の活性化エネルギーを用いて温度[T(t)]における値に換算して算出し、
前記現時刻の電流[I]のまま放電させたときの放電特性は、低電流極限の放電特性を電圧降下分[I×R(T(t))]だけ下にシフトさせて得ることを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。 - 請求項9記載の電池モジュールの状態推定方法において、
前記演算装置の状態パラメータ算出部により、予め求められた前記二次電池の正極および負極の開回路電圧特性とそれらの温度依存性及び抵抗の温度依存性を記憶するパラメータテーブル格納部に記憶したデータと、前記電圧センサ、前記電流センサおよび前記温度センサで検出した、前記電池温度、前記電池電圧および前記電池電流のデータを記憶するデータ記憶部に記憶したデータとを参照して、前記二次電池の充電特性から前記二次電池の充電完了状態を記述するパラメータを算出し、
前記演算装置の残容量または/および残エネルギー量算出部により、前記状態パラメータ算出部で算出したパラメータと、前記データ記憶部に記憶したデータとから、前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を算出し、
前記演算装置の状態パラメータ算出部により、前記二次電池の使用中に、前記正極および負極の容量密度を更新し、
前記演算装置の残容量または/および残エネルギー量算出部により、前記二次電池の使用中の状態における前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量を算出し、
前記残容量または/および残エネルギー量算出部で算出された前記二次電池の残容量または/および残エネルギー量は、表示部に表示されることを特徴とする電池モジュールの状態推定方法。
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