JP2016145795A - 電池の劣化状態推定装置及び、その劣化状態推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1の実施形態に係る電池の劣化状態推定装置を搭載する蓄電装置の構成を示している。図2は、複数の蓄電装置がネットワーク通信を行う蓄電システムの構成例を示す図である。図3は、電池の劣化状態推定装置の構成例を示す図である。
演算制御部14は、コンピュータの演算処理部等と同等の機能を有し、バッテリー管理部4への電池モジュール3に対する充電及び放電の指示や、パワーコンディショナ2への電池モジュール3の充電及び放電への指示を行う。また、電池モジュール3毎に充電上限電圧値や放電下限電圧値が予め設定されており、エネルギー管理部5から送信されたモニタ情報に基づき、充電停止や放電停止の指示を行う。
本実施形態では、エネルギー管理部5内にインターフェース部17及びサーバー16が含まれる構成を例としているが、別途、インターフェース部及びサーバー16をエネルギー管理部5外に配置する構成でもよい。複数の蓄電装置1は、ネットワーク通信網18を介在させることで、集中管理システムの設置位置から離れた遠隔地にそれぞれに設置される構成も考えられる。
この劣化状態推定装置6は、充電用電源部22と、放電部23と、放電用負荷部24と、電圧測定部25と、時間計測部26と、推定演算処理部27とで構成される。
劣化状態推定装置6は、電池モジュール3内の二次電池11における電池残存容量を推定する。推定された各二次電池11の残存容量は、サーバー16に格納される。
まず、蓄電装置1に搭載されている電池モジュール3の二次電池11における充電状態を電圧測定部25が測定した電圧が予め設定された満充電状態である充電上限電圧Vcharge−max(以下、Vcとする)か否かを判断する(ステップS1)。この判断で、満充電状態ではない場合には(NO)、充電用電源部22により、二次電池11が充電上限電圧Vcに到達するまで充電を行う(ステップS2)。
放電開始後、後述する電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間により定められた規定時間の範囲内に入ったか否かを判断する(ステップS5)。この判断で、規定時間内に達したならば(YES)、電圧測定部25で二次電池11の放電電圧Vdischarge(以下、Vdとする)を測定する(ステップS6)。
放電部23により、電池モジュール3を放電用負荷部24へ電気的に接続することで放電が開始される。本実施形態では、放電開始直後から放電電圧Vdの測定を開始するのではなく、電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間に至るまで待機する。ここでいう電荷移動は、電子が電池(リチウムイオン電池)11内部の正負極活物質および集電体を通って、リチウムイオンに出入りする現象であり、これによって特定の時定数を持った電荷移動抵抗と呼ばれる成分が発現し、過渡応答となって現れる。リチウムイオン電池の電荷移動抵抗は、交流インピーダンス測定によって計測され、その応答は、一般的に1Hz以上の周波数領域に出現すると考えられている。従って、電荷移動に伴う過渡応答は、1秒程度の放電時間において消失すると考えられる。
まず、予め設定された充電上限電圧Vcと規定時間内で測定された放電電圧Vdとの差を差電圧Vdifference(以下、Veとする)とする。推定残存容量Crは、差電圧Veと放電容量Cdischarge(以下、Cdとする)とから求められる。
Ve =Vc - Vd
Cd = A× Ve + B (A及びBは定数)
の定数A1及びB1を求めた。また、推定残存容量Crと、実際に計測された放電容量Cdとの相関係数が推定残存容量Crの精度の指標として求められる。
前述したように、算出された推定残存容量Crのデータは、サーバー16に格納しておくことで、計測により取得された充電上限電圧Vc及び放電電圧Vdに基づき選択された推定残存容量Crが適宜読み出されて、表示部15やネットワーク通信網18を経て集中管理システム18に送信される。その表示方法としては、現在の値のみの場合もあり、また過去のトレンドグラフとすることも可能である。
本実施形態では、高価な装置または複雑なアルゴリズムを追加付与する必要が無いため、蓄電システムが複雑化または演算負荷増大またはコスト増大することなく、推定された残存容量から電池の劣化状態を推定できるため有用である。
図7は、第2の実施形態に係る蓄電装置における差電圧と充放電効率の関係を示す図である。前述した第1の実施形態では、電池の推定残存容量を利用して劣化状態を推定したが、本実施形態は、推定充放電効率を利用して劣化状態を推定する。本実施形態の電池の推定充放電効率は、第1の実施形態における劣化状態推定装置を利用でき、推定演算処理部27による演算処理を以下に説明する演算式に変えることにより、同じ装置構成を利用することが可能である。
Ve =Vc - Vd
Er = A1×Ve + B1 (A1及びB1は定数)
の定数A1及びB1が直線的な下降に変わる変曲点となる充放電サイクルを起点とした予め設定した充放電サイクルまでの充放電結果から最小二乗法で線形近似求められる。また、推定充放電効率Erと、計測により取得された充放電効率Edとの相関係数が推定充放電効率Erの精度の指標として求められる。以降、実測された放電電圧Vdから差電圧Veを算出する。この差電圧Veから算出された充放電効率Edに表4に示す相関係数を持たせた推定充放電効率Erを推定し、この推定充放電効率Erの変化量に基づき、電池の劣化状態を推定する。
図8は、プラトー領域を含む電池の放電曲線を示す図である。前述した第1の実施形態では、充放電効率を利用して劣化状態を推定したが、本実施形態は、プラトー領域を利用して劣化状態を推定する。本実施形態の電池の劣化状態推定装置を搭載する蓄電装置の構成は、前述した第1の実施形態と同等であり、その詳細な説明は省略する。
図8に示す放電曲線A,Bにおいて、二次電池の充電上限電圧の充電状態から放電した際に、過渡応答が消失する時間の経過後で、セル電圧が緩やかに下降変化している平坦な領域をプラトー領域と称している。ここでは、二次電池は、リチウムイオン電池を一例として用いて、放電曲線Aが151回程度の充放電を繰り返し行った後の放電曲線を示し、放電曲線Bが400回程度の充放電を繰り返し行った後の放電曲線を示している。これらの放電曲線A,Bにおいては、使用した放電容量が90%程度を超えた付近から、セル電圧の急峻な降下が発生する。放電時におけるプラトー領域の終点、即ち、プラトー終点は、このセル電圧の急峻な降下が開始する変位点であり、この時の放電容量をプラトー終点容量としている。蓄電装置の安定的運用のために、放電終始点をプラトー終点とする場合があり、従って、プラトー終点容量は、電池の残存容量と同意である。
Ve =Vc - Vd
Pd = A2×Ve + B2 (A2及びB2は定数)
の定数A2及びB2が直線的な下降に変わる変曲点となる充放電サイクルを起点とした予め設定した充放電サイクルまでの充放電結果から最小二乗法で線形近似求められる。
。勿論、同等の設計による二次電池11に対しても同じ相関係数を有していることから、推定プラトー終点容量Prを求めることができる。以降、放電電圧Vdの計測情報を取得するだけで、他の同一設計の電池に対しても推定プラトー終点容量Prを求めることができる。
(1)二次電池と、
外部の電力系統から供給される電力と前記二次電池の電力を必要な電力形態に変換して駆動機器に電力供給するパワーコンディショナと、
前記二次電池における出力電圧、電流及び温度を継続的に取得するバッテリー管理部と、
前記二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる 放電部と、放電の開始後で前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で放電電圧の計測を開始する電圧測定部と、前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、予め求められた差電圧と前記二次電池の放電容量との特性から、前記二次電池の残存容量を推定する推定演算処理部とで構成される残存容量推定部と、
前記残存容量推定部から送信された前記二次電池の残存容量と、前記バッテリー管理部から送信された出力電圧、電流及び温度を随時、取得して、前記パワーコンディショナを駆動制御し、前記電力供給を制御するエネルギー管理部と、
を具備することを特徴とする蓄電装置。
外部のネットワーク通信網に通信可能なインターフェース部を有することを特徴とする前記(1)に記載の蓄電装置。
(3)ネットワーク通信網に前記インターフェース部を通じてアクセス可能に接続する複数の前記蓄電装置と、
前記ネットワーク通信網を通じて、前記サーバーに格納される前記二次電池から取得した前記残存容量、前記出力電圧、前記電流及び前記温度を前記蓄電装置毎に収集する集中管理システムと、
で構成されることを特徴とする前記(2)に記載の蓄電システム。
外部の電力系統から供給される電力と前記二次電池の電力を必要な電力形態に変換して駆動機器に電力供給するパワーコンディショナと、
前記二次電池における出力電圧、電流及び温度を継続的に取得するバッテリー管理部と、
前記二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる 放電部と、放電の開始後で前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で放電電圧の計測を開始する電圧測定部と、前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、充放電効率を算出し、該充放電効率に相関係数を持たせた推定充放電効率を推定し、該推定充放電効率の変化量に基づき、電池の劣化状態を推定する推定演算処理部とで構成される劣化状態推定部と、
前記劣化状態推定部から送信された前記二次電池の推定充放電効率と、前記バッテリー管理部から送信された出力電圧、電流及び温度を随時、取得して、前記パワーコンディショナを駆動制御し、前記電力供給を制御するエネルギー管理部と、
を具備することを特徴とする蓄電装置。
外部の電力系統から供給される電力と前記二次電池の電力を必要な電力形態に変換して駆動機器に電力供給するパワーコンディショナと、
前記二次電池における出力電圧、電流及び温度を継続的に取得するバッテリー管理部と、
前記二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる 放電部と、放電の開始後で前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で放電電圧の計測を開始する電圧測定部と、前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、該差電圧からプラトー終点容量を算出し、該プラトー終点容量に相関係数を持たせた推定プラトー終点容量を推定し、該推定プラトー終点容量の変化量に基づき、電池の劣化状態を推定する劣化状態推定部と、
前記劣化状態推定部から送信された前記二次電池の推定充放電効率と、前記バッテリー管理部から送信された出力電圧、電流及び温度を随時、取得して、前記パワーコンディショナを駆動制御し、前記電力供給を制御するエネルギー管理部と、
を具備することを特徴とする蓄電装置。
Claims (9)
- 二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、 満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる放電部と、
放電が開始されてから、前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で計測を開始して、放電電圧を測定する電圧測定部と、
測定値から求められた前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、残存容量、充放電効率、プラトー終点容量のうちの少なくともいずれか1つの推定値を推定する推定演算処理部と、を具備することを特徴とする電池の劣化状態推定装置。 - 電池の劣化状態推定装置により二次電池の劣化状態を推定する方法であって、
二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧Vcまで満充電させる充電処理と、
満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続した状態で前記二次電池から電力を放電させる放電処理と、
放電が開始されてから、前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で計測を開始して、放電電圧を測定する電圧測定処理と、
測定値から求められた前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、残存容量、充放電効率、プラトー終点容量のうちの少なくともいずれか1つの推定値を推定する推定演算処理と、を具備することを特徴とする電池の劣化状態推定方法。 - 二次電池の前記残存容量を用いて劣化状態を推定する方法において、
前記推定演算処理は、前記二次電池の残存容量Crを計算し推定する残存容量推定処理を含み、
前記残存容量推定処理は、
前記放電処理の処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Vdと前記充電上限電圧Vcとの差電圧Veが計算され、予め求められた前記差電圧Veと放電容量Cdの関係式、
Ve = Vc - Vd、
Cd = A×Ve + B (A及びBは定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出された放電容量Cdから、予め放電容量Cdに関連づけられた残存容量Crを推定することにより、電池の劣化状態を推定することを特徴とする蓄電システムに搭載された請求項2に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 前記差電圧Veと放電容量Cdの関係式、
Ve = Vc - Vd
Cd = A × Ve + B (A及びBは定数)
における定数AおよびBが、二次電池の充放電サイクル試験で差電圧Veと放電容量Cdの特性線上に発生する変曲点となる充放電サイクル以降の複数の充放電サイクルから得られた充放電結果に基づき、最小2乗法による線形近似によって求められることを特徴とする請求項3に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 前記差電圧Veと放電容量Cdの関係式、
Ve = Vc - Vd
Cd= A × Ve + B (A及びBは定数)
における定数AおよびBが、充放電サイクル初期の負極表面皮膜形成とそれに伴うイオン脱挿入の安定化によって起こる電池容量増加効果が発現しなくなったサイクル以降の複数サイクルの充放電結果に基づき、最小2乗法による線形近似によって求められることを特徴とする請求項3に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 二次電池の前記充放電効率を用いて劣化状態を推定する方法において、
前記推定演算処理は、前記二次電池の充放電効率Ecを計算し推定する充放電効率推定処理を含み、
前記充放電効率推定処理は、
前記放電処理の処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Vdと前記充電上限電圧Vcとの差電圧Veが計算され、予め求められた前記差電圧Veと充放電効率Edの関係式、
Ve = Vc - Vd、
Ed = A1×Ve + B1 (A1及びB1は定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出された充放電効率Edに相関係数を持たせた推定充放電効率Erを推定し、該推定充放電効率Erの変化量に基づき、電池の劣化状態を推定することを特徴とする蓄電システムに搭載された請求項2に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 前記差電圧Veと充放電効率Ecの関係式、
Ve =Vc - Vd
Ec = A1×Ve + B1 (A1及びB1は定数)
の定数A1及びB1が直線的な下降に変わる変曲点となる充放電サイクルを起点とした予め設定した充放電サイクルまでの充放電結果から最小二乗法で線形近似求められることを特徴とする請求項6に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 二次電池の前記プラトー終点容量を用いて劣化状態を推定する方法において、
前記推定演算処理は、前記二次電池のプラトー終点容量Pdを計算し推定するプラトー終点容量推定処理を含み、
前記プラトー終点容量推定処理は、
前記放電処理の処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Vdと前記充電上限電圧Vcとの差電圧Veが計算され、前記差電圧Veとプラトー終点容量Pdの関係式、
Ve = Vc - Vd、
Pd = A2×Ve + B2 (A2及びB2は定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出されたプラトー終点容量Pdに相関係数を持たせた推定プラトー終点容量Prを推定し、該推定プラトー終点容量Prの変化に基づき、電池の劣化状態を推定することを特徴とする蓄電システムに搭載された請求項2に記載の電池の劣化状態推定方法。 - 前記差電圧Veと前記プラトー終点容量Pdの関係式、
Ve =Vc - Vd
Pd = A2×Ve + B2 (A2及びB2は定数)
の定数A2及びB2が直線的な下降に変わる変曲点となる充放電サイクルを起点とした予め設定した充放電サイクルまでの充放電結果から最小二乗法で線形近似求められることを特徴とする請求項8に記載の電池の劣化状態推定方法。
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