JP2015172557A

JP2015172557A - 電池内部状態推定装置

Info

Publication number: JP2015172557A
Application number: JP2014049323A
Authority: JP
Inventors: 貴克吉村; Takakatsu Yoshimura
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-10-01

Abstract

【課題】二次電池の内部状態量の推定時間を短縮することが可能な電池内部状態推定装置を提供する。【解決手段】二次電池の充放電による出力電圧又は出力電流を実測出力値として検出する出力検出部（電流検出部２２又は電圧検出部２４）と、二次電池の充放電における入力電圧又は入力電流、温度、複数の二次電池内部状態量をパラメータとする計算モデルに基づいて、出力電圧又は出力電流を推定出力値として推定し、前記実測出力値と前記推定出力値との差に基づく評価値が所定値以上となる二次電池内部状態量を選択する内部状態量選択部３２と、前記実測出力値と前記推定出力値との誤差最小化を行うことにより、前記選択された二次電池内部状態量を推定する内部状態量推定部３４と、を備える電池内部状態推定装置２０。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の内部状態量を推定する電池内部状態推定装置の技術に関する。

車両用等に用いられる二次電池は、容量管理や安全管理の必要性から、二次電池の内部状態量を高精度に推定する必要がある。このため、二次電池の内部状態量（例えば、電解液イオン伝導度、電解液拡散係数、交換電流密度、開回路電圧など）を推定する内部状態推定装置が検討されている。

例えば、非特許文献１、２には、ジェネティックアルゴリズム（ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ：遺伝的アルゴリズム）を用いて、二次電池の出力電圧の推定値と実測値との差を最小化することで、二次電池の全内部状態量を推定する二次電池のシミュレーション方法が開示されている。

Ｊ．Ｃ．Ｆｏｒｍａｎ，Ｓ．Ｊ．Ｍｏｕｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｓｔｅｉｎ，ａｎｄＨ．Ｋ．Ｆａｔｈｙ，"ＧｅｎｅｔｉｃｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｉｓｈｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉａｂｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＤｏｙｌｅ−Ｆｕｌｌｅｒ−ＮｅｗｍａｎｍｏｄｅｌｆｒｏｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｙｃｌｉｎｇｏｆａＬｉＦｅＰＯ４Ｃｅｌｌ"，Ｊ．ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２１０，２６３−２７５（２０１２）．Ｌ．Ｚｈａｎｇ，Ｃ．Ｌｙｕ，Ｌ．Ｗａｎｇ，Ｊ．Ｚｈｅｎｇ，Ｗ．Ｌｕｏ，ａｎｄＫ．Ｍａ，"ＰａｒａｌｌｅｌｉｚｅｄｇｅｎｅｔｉｃＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｈｅｒｍａｌ−ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＭｏｄｅｌｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍ−ＩｏｎＢａｔｔｅｒｙ"，ＨｉｎｄａｗｉＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２０１２，ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ７５４６５３．Ｍ．Ｄｏｙｌｅ，Ｊ．Ｎｅｗｍａｎ，Ａ．Ｓ．Ｇｏｚｄｚ，Ｃ．Ｎ．Ｓｃｈｍｕｔｚ，ａｎｄＪ．Ｍ．Ｔａｒａｓｃｏｎ，"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｆｒｏｍｐｌａｓｔｉｃｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎｃｅｌｌ，"Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４３，１８９０（１９９６）．

しかしながら、二次電池の内部状態は極めて複雑な電気化学現象であるため、二次電池の内部状態量を推定するまでに長い時間を要している。

本発明の目的は、二次電池の内部状態量の推定時間を短縮することが可能な電池内部状態推定装置を提供することである。

本発明の電池内部状態推定装置は、二次電池の充放電による出力電圧又は出力電流を実測出力値として検出する出力検出部と、二次電池の充放電における入力電圧又は入力電流、温度、複数の二次電池内部状態量をパラメータとする計算モデルに基づいて、出力電圧又は出力電流を推定出力値として推定し、前記実測出力値と前記推定出力値との差に基づく評価値が所定値以上となる二次電池内部状態量を選択する内部状態量選択部と、前記実測出力値と前記推定出力値との誤差最小化を行うことにより、前記選択された二次電池内部状態量を推定する内部状態量推定部と、を備える。

本発明によれば、二次電池の内部状態量の推定時間を短縮することが可能となる。

本実施形態に係る電池内部状態推定装置を備える二次電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電池内部状態推定装置２０の機能構成を示すブロック図である。ジェネティックアルゴリズムを用いた実測出力値と推定出力値との誤差最小化を説明するためのフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る電池内部状態推定装置を備える二次電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、二次電池システム１は、二次電池１０と、負荷１２と、電流センサ１４、電圧センサ１６、温度センサ１８、電池内部状態推定装置２０と、により構成される。

本実施形態の二次電池１０は、例えば複数の単位電池を直列に接続してなるものである。二次電池１０を構成する単位電池としては、たとえば、リチウムイオン二次電池などの二次電池である。本実施形態の負荷１２は、例えば充放電装置であり、二次電池１０の充放電を行うために、二次電池１０に、入力となる所定の電流（例えば定電流）又は所定の電圧（定電圧）を供給するものである。そして、充放電装置（負荷１２）により二次電池１０に所定の電流を入力した場合には、その際に生じる二次電池１０の電圧が出力となり、二次電池１０に所定の電圧を入力した場合には、その際に生じる二次電池１０の電流が出力となる。負荷１２は、二次電池１０の内部状態量を推定する点で、二次電池１０の充放電を安定して行うことが可能な充放電装置であることが好ましいが、これに制限されるものではなく、例えば、モータ等のように二次電池１０に充放電可能な電力を供給できるものであればよい。

電流センサ１４は、二次電池１０の充放電の際に流れる充放電電流を検出するセンサであり、電流センサ１４により検出された信号は、電池内部状態推定装置２０へ送出される。また、電圧センサ１６は、充放電の際の二次電池１０の端子電圧を検出するセンサであり、電圧センサ１６により検出された信号は、電池内部状態推定装置２０へ送出される。なお、本実施形態では、二次電池１０の近傍に、二次電池１０の充放電の際の外気温度を検出するための温度センサ１８が設けられている。温度センサ１８は、熱電対などを用いたセンサであり、温度センサ１８で検出された信号も、同様に電池内部状態推定装置２０へ送出される。

電池内部状態推定装置２０は、二次電池１０の内部状態量を推定するための装置であり、プログラムを演算するＣＰＵ、プログラムや演算結果を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭから構成されるマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。図２に、本実施形態に係る電池内部状態推定装置２０の機能構成を示すブロック図を示す。

図２に示すように、電池内部状態推定装置２０は、電流検出部２２、電圧検出部２４、温度検出部２６、推定出力算出部２８及び選択部３０から構成される内部状態量選択部３２、内部状態量推定部３４を備える。

電流検出部２２は、電流センサ１４からの信号を所定周期で取得し、電流センサ１４からの信号に基づき、二次電池１０に流れる充放電電流を検出することにより、実測電流値を取得する。例えば、負荷１２により、二次電池１０に定電流が入力されれば、入力された電流値が取得され、二次電池１０に定電圧が入力されれば、その際に二次電池１０に流れる電流値が出力電流値として取得される。そして、入力電流値が所定周期で取得された場合、時系列データ（Ｉ_ｉｎ）として推定出力算出部２８に送出され、出力電流値が所定周期で取得された場合、時系列データ（Ｉ_ｏｕｔ）として、選択部３０に送出される。

電圧検出部２４は、電圧センサ１６からの信号を所定周期で取得し、電圧センサ１６からの信号に基づき、二次電池１０の端子電圧を検出することにより、電圧実測値を取得する。例えば、負荷１２により、二次電池１０に定電流が入力されれば、その際の二次電池１０の端子電圧が出力電圧値として取得され、二次電池１０に定電圧が入力されれば、入力された電圧値が取得される。そして、入力電圧値が所定周期で取得された場合、時系列データ（Ｖ_ｉｎ）として推定出力算出部２８に送出され、出力電圧値が所定周期で取得された場合、時系列データ（Ｖ_ｏｕｔ）として、選択部３０に送出される。

温度検出部２６は、温度センサ１８からの信号を取得し、温度センサ１８からの信号に基づき、二次電池１０の充放電の際の外気温度を検出することにより、温度データを取得する。なお、二次電池１０の内部状態量を高精度に推定する観点から、外気温度を一定に制御できる恒温槽内で二次電池１０の充放電を行うことが好ましいため、外気温度を時系列データとして取得する必要は必ずしもなく、充放電時に一度検出された温度をデータとして取得してもよい。そして、取得した温度（Ｔ）は、推定出力算出部２８に送出される。なお、温度検出部２６及び温度センサ１８を必ずしも設ける必要はなく、操作者が温度を計測し、その温度を推定出力算出部２８に入力してもよい。

推定出力算出部２８は、二次電池１０の充放電における入力電流値（Ａ_ｉｎ）又は入力電圧値（Ｖ_ｉｎ）と、温度（Ｔ）と、複数の二次電池内部状態量（二次電池内部状態量セット（ｘ））とをパラメータとする計算モデルに基づいて、二次電池１０の出力電圧又は出力電流を推定出力値ｇ（ｘ）として推定する。

本実施形態で用いる計算モデルは、二次電池の電気化学反応モデルを定義したものであり、上記非特許文献３に記載されているモデルを用いることが望ましい。当該モデルは、以下の基礎方程式１〜５により表される。式１は、液相でのイオン輸送方程式であり、式２は固体相でのイオン拡散方程式であり、式３は液相での電荷保存式であり、式４は固体相での電荷保存式であり、式５は、反応電流計算式である。なお、上記非特許文献３では、負極にＬｉ_ｘＣ_６、正極にＬｉＭｎ_２Ｏ_４、電解液にエチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＥＣ）、混合体積比ＥＣ：ＤＭＣ＝１：２）のリチウムイオン二次電池を想定しているが、これに制限されるものではない。

通常、例えば、二次電池に定電流（例えば、０．１Ｃ、０．５Ｃ、１．０Ｃ、２．０Ｃの定電流の時系列データ）で、二次電池を放電（例えばＳＯＣを１００％から０％まで放電）、及び充電（例えばＳＯＣを０％から１００％まで充電）した時の推定電圧を求める場合には、入力電流（Ｉｉｎ：０．１Ｃ、０．５Ｃ、１．０Ｃ、２．０Ｃの時系列データ）、温度（Ｔ）、及び二次電池内部状態量セット（ｘ）を使って、上式１〜５より、推定出力電圧（ｇ（ｘ））が求められる。なお、二次電池に定電圧で充放電した時の推定電流を算出する場合も同様に、入力電圧（Ｖ_ｉｎ）、温度（Ｔ）、及び二次電池内部状態量セット（ｘ）を使って、上式１〜５により求められる。

二次電池内部状態量セット（ｘ）は、電解液イオン伝導度、電解液拡散係数等の複数の内部状態量からなるものであり、ｘ＝（Ｕ_１，Ｕ_２，…，ｋ_１，ｋ_２，…，σ_{ａｎｏｄｅ}，σ_{ｃａｔｈｏｄｅ}，Ｄ_ｅ１，Ｄ_ｅ２，…，ｉ０_１，ｉ０_２，…，Ｄ_ｓ１，Ｄ_ｓ２，…，ｒ_{ａｎｏｄｅ}，ｒ_{ｃａｔｈｏｄｅ}）で表される。
Ｕ_１，Ｕ_２，…：正極／負極開回路電圧曲線Ｕ_ｏｐｃの係数
（例えば、ｎ次曲線の係数：Ｕ_ｏｃｐ＝Ｕ_１＋Ｕ_２θ＋・・・Ｕ_ｎθ^ｎ
θ：式１〜５を計算することで求められる局所ＳＯＣ）
ｋ_１，ｋ_２，…：電解液イオン伝導度曲線Ｋの係数
（例えば、ｎ次曲線の係数：ｋ＝ｋ_１＋ｋ_２Ｃ＋・・・＋ｋ_ｎＣ^ｎ
Ｃ：式１〜５を計算することで求められるＬｉイオン濃度）
σ_{ａｎｏｄｅ}，σ_{ｃａｔｈｏｄｅ}：正極／負極電子電導度
Ｄｅ_１，Ｄｅ_２，…：電解液拡散係数曲線Ｄ_ｅの係数
（例えば、ｎ次曲線の係数：Ｄ_ｅ＝Ｄ_ｅ１＋Ｄ_ｅ１Ｃ＋・・・＋Ｄ_ｅ１Ｃ^ｎ
Ｃ：式１〜５を計算することで求められるＬｉイオン濃度）
ｉ０_１，ｉ０_２，…：正極／負極活物質交換電流密度曲線ｉ_０の係数
（例えば、ｎ次曲線の係数：ｉ_０＝ｉ０_１＋ｉ０_２θ＋・・・＋ｉ０_ｎθ^ｎ
θ：式１〜５を計算することで求められる局所ＳＯＣ）
Ｄ_ｓ１，Ｄ_ｓ２，…：正極／負極活物質拡散係数曲線Ｄ_ｓの係数
（例えば、ｎ次曲線の係数：Ｄ_ｓ＝Ｄ_ｓ１＋Ｄ_ｓ２θ＋・・・＋Ｄ_ｓｎθ^ｎ
θ：式１〜５を計算することで求められる局所ＳＯＣ
ｒ_{ａｎｏｄｅ}，ｒ_{ｃａｔｈｏｄｅ}：正極／負極皮膜抵抗値
また、各内部状態量の初期値は、非特許文献３で示されているように、予め定められて規定値として与えられる。

通常、上記のように推定出力値（ｇ（ｘ）：推定出力電圧、推定出力電流）が求められるが、本実施形態では実測出力値と推定出力値との誤差に影響を与える二次電池内部状態量を選択するために、推定出力算出部２８において、以下の式６に示すように、各二次電池内部状態量のうちの少なくとも１つに所定の係数を乗じた内部状態量を含む二次電池内部状態量セット（ｘ）を複数用意し、各二次電池内部状態量セット（ｘ）を用いて、複数の推定出力値（ｇ（ｘ））を算出する。所定の係数は特に制限されるものでなく、例えば１．１〜１．２の範囲で設定されることが好ましい。式６中のσ_１はσ_{ａｎｏｄｅ}であり、σ_２はσ_{ｃａｔｈｏｄｅ}である（以下の全ての式において同じ）。

推定出力算出部２８で推定された複数の推定出力値（ｇ（ｘ））は、選択部３０に送出される。

選択部３０では、二次電池１０の実測出力値ｙ_ｔ（Ｖ_ｏｕｔ又はＩ_ｏｕｔ）と推定出力値ｇ（ｘ）との差に基づく評価値（ｓｃｏｒｅ）を以下の式７により求める。

本実施形態では、前述したように、所定の係数を乗じた電池内部状態量を含む電池内部状態量セットを複数用意して、複数の推定出力値が求められている。したがって、例えば、０．１Ｃの定電流（Ｉ_ｉｎ）、温度２５℃での実測出力値（ｙ_１ｔ：出力電圧）と、所定の係数を乗じた二次電池内部状態量を含む二次電池内部状態量セットから推定された推定出力値（ｇ（ｘ）：推定出力電圧）との差に基づく評価値（ｓｃｏｒｅ）は、以下の式８のように求められる。

また、その他の入力条件で実測出力値を計測している場合、例えば、０．５Ｃの定電流（Ｉ_ｉｎ）、温度２５℃での実測出力値（ｙ_２ｔ：出力電圧）と、所定の係数を乗じた二次電池内部状態量を含む二次電池内部状態量セットから推定された推定出力値（ｇ（ｘ）：推定出力電圧）との差に基づく評価値（ｓｃｏｒｅ）は、以下の式９のように求められる。

選択部３０では、実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値が、所定値以上となる二次電池内部状態量が選択される。所定値は、適宜設定されるものであるが、例えば、所定値は１以上に設定されることが望ましい。例えば、所定値を１と設定した場合、上式４では（例えば０．１Ｃの定電流（Ｉ_ｉｎ）、温度２５℃で充放電した場合）、実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値が１以上となるのは、正／負極開回路電圧（Ｕ_１、Ｕ_２）に所定の係数を乗じた場合であるので、正／負極開回路電圧が選択される（実質的には、所定の係数を乗じた開回路電圧を含む二次電池内部状態量セットが選択される）。また、上式５では（例えば０．５Ｃの定電流（Ｉ_ｉｎ）、温度２５℃で充放電した場合）、実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値が１以上となるのは、電解液イオン伝導度（κ_１、κ_２）に所定の係数を乗じた場合であるので、電解液イオン伝導度が選択される（実質的には、所定の係数を乗じた電解液イオン伝導度を含む二次電池内部状態量セットが選択される）。なお、実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値が１以上となる二次電池内部状態量（実質的には二次電池内部状態量セット）が、実測出力値と推定出力値との誤差に影響を及ぼしていると言える。

内部状態量推定部３４では、実測出力値と推定出力値との誤差最小化を行うことにより、内部状態量選択部３２により選択された二次電池内部状態量を推定する。実測出力値と推定出力値との誤差最小化は、例えば、ジェネティックアルゴリズム（遺伝的アルゴリズム）を用いて、以下のように行われる。実測出力値と推定出力値との誤差最小化は、ジェネティックアルゴリズムに制限されるものではなく、例えば、ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ、ａｎｔｃｏｌｏｎｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ等が挙げられる。

図３は、ジェネティックアルゴリズムを用いた実測出力値と推定出力値との誤差最小化を説明するためのフロー図である。

ステップＳ１において、二次電池内部状態量セットｘ（Ｕ_１，Ｕ_２，…，ｋ_１，ｋ_２，…，σ_１，σ_２，…，Ｄｅ_１，Ｄｅ_２，…，ｉ０_１，ｉ０_２，…，Ｄｓ_１，Ｄｓ_２，…，Ｒ_１，Ｒ_２，…）の初期値を設定する。各内部状態量の初期値は、例えば上記非特許文献３で示されているように、予め決められた規定値であり、作業者により当該初期値が入力される。なお、当該初期値が予め内部状態量推定部３４に記憶されている場合には、ステップＳ１は省略される。

次に、ステップＳ２において、各内部状態量の初期値に以下の式１０で表されるノイズを加え、予め設定した数（例えば１０００個）の仮説を作成する。

次に、ステップＳ３において、実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値を、以下の式１１により算出する。

作成した全ての仮説について実測出力値と推定出力値との差に基づく評価値が計算される。ここで、ｙ_ｔは、二次電池の充放電における入力（例えば、０．１、０．５Ｃ、１Ｃ、２Ｃの定電流（Ｉ_ｉｎ））及び温度（例えば２５℃）により出力された実測出力値（例えば、出力電圧値（Ｖ_ｏｕｔ））の時系列データ、ｇ（ｘ）は、ｙ_ｔに対応する推定出力値（例えば推定出力電圧値）であり、内部状態量選択部３２により選択された内部状態量セットの値を変更し、式１〜５を解くことにより推定された出力値（例えば電圧値）の時系列データである。

次に、ステップＳ４において、各評価値に対して交叉、複製、突然変異を実行する。具体的には、以下の通りである。（１）交叉の確率を例えば０．７、複製の確率を例えば０．２、突然変異の確率を例えば０．１として動作を選択する。そして、（２）各仮説を以下の式１２の確率で選択するかどうかを決定する（ルーレット選択）。そして、（３）上記（１）で選択した動作を、（２）で選択した評価値に対して実行する。なお、交叉の場合、入力データに対応する内部状態量のみを更新する。（４）仮説数が１０００になるまで、（２）及び（３）を繰り返す。

次に、ステップＳ５において、世代数（繰り返し返し回数）が１００００、若しくは前世代、現世代の仮説の平均ベクトルの２乗誤差が０．００００００１以下になれば、誤差最小化計算を終了する。なお、平均ベクトルは、全仮説（１０００個）の内部状態量ｘの平均ベクトルを表している。すなわち平均ベクトルは全仮説の代表ベクトルである。そして、前世代（一つ前）と現世代（現在）の代表ベクトルに差が無ければ、事前に設定した繰り返し回数（１００００回）に達していないくても、十分答えに到達できているとみなして処理を終了する。また、終了しない場合は、ステップＳ３に戻り、入力条件を変えて（例えば、０．１Ｃの定電流充電、温度２５℃の場合に誤差最小化計算が終了しない場合には、０．５Ｃの定電流充電以外の場合について）誤差最小化計算を行う。

以上のように、実測出力値と推定出力値との誤差に影響を与える二次電池内部状態量を選択し、選択した二次電池内部状態量を利用して、実測出力値と推定出力値との誤差最小化を行うことにより、選択した二次電池内部状態量を推定することができる。従来、実測出力値と推定出力値との誤差最小化を行う際には、全ての二次電池内部状態量が考慮さるため、探索空間が大きくなり、推定時間が長くなるが、本実施形態では、実測出力値と推定出力値との誤差最小化は、選択した二次電池内部状態量に限定して実行されるため、従来より探索空間が限定され、推定時間が短縮される。

１二次電池システム、１０二次電池、１２負荷、１４電流センサ、１６電圧センサ、１８温度センサ、２０電池内部状態推定装置、２２電流検出部、２４電圧検出部、２６温度検出部、２８推定出力算出部、３０選択部、３２内部状態量選択部、３４内部状態量推定部。

Claims

二次電池の充放電による出力電圧又は出力電流を実測出力値として検出する出力検出部と、
二次電池の充放電における入力電圧又は入力電流、温度、複数の二次電池内部状態量をパラメータとする計算モデルに基づいて、出力電圧又は出力電流を推定出力値として推定し、前記実測出力値と前記推定出力値との差に基づく評価値が所定値以上となる二次電池内部状態量を選択する内部状態量選択部と、
前記実測出力値と前記推定出力値との誤差最小化を行うことにより、前記選択された二次電池内部状態量を推定する内部状態量推定部と、を備えることを特徴とする電池内部状態推定装置。