JP2019212392A - Battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、充放電時に相転移が発生し得る材料(たとえばスピネル系化合物)が正極活物質として用いられるリチウムイオン電池を備える電池システムに関する。 The present disclosure relates to a battery system including a lithium ion battery in which a material (for example, a spinel compound) capable of generating a phase transition during charge / discharge is used as a positive electrode active material.
特開2013−72659号公報(特許文献1)には、リチウムイオン電池を備える電池システムが開示されている。この電池システムは、正極活物質内のリチウム(Li)濃度の拡散方程式を電池モデルとして利用することによって正極活物質の表面のLi濃度を算出し、正極活物質の表面のLi濃度から正極電位を算出する。 Japanese Patent Laying-Open No. 2013-72659 (Patent Document 1) discloses a battery system including a lithium ion battery. This battery system calculates the Li concentration on the surface of the positive electrode active material by using the diffusion equation of the lithium (Li) concentration in the positive electrode active material as a battery model, and calculates the positive electrode potential from the Li concentration on the surface of the positive electrode active material. calculate.
リチウムイオン電池においては、負極の電位が所定の析出限界ラインを下回ると、負極の表面にリチウムが析出して劣化し得ることが知られている。このリチウム析出を抑制するためには、たとえば特許文献1に示される電池モデルを用いて正極電位を算出し、その正極電位を用いて算出される負極電位が析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の入力(充電)を制限することが望ましい。 In a lithium ion battery, it is known that when the potential of the negative electrode falls below a predetermined deposition limit line, lithium may be deposited and deteriorated on the surface of the negative electrode. In order to suppress this lithium deposition, for example, the positive electrode potential is calculated using the battery model shown in Patent Document 1, and the lithium ion is calculated so that the negative electrode potential calculated using the positive electrode potential does not fall below the deposition limit line. It is desirable to limit battery input (charging).
しかしながら、充放電時に相転移が発生し得る材料(たとえばスピネル系化合物)が正極活物質として用いられる場合には、正極活物質の相転移の影響によって、正極電位の挙動が充放電履歴に応じて変化し得る。そのため、正極電位の算出に用いられる電池モデルとして、正極活物質の相転移を考慮していない特許文献1の電池モデルを用いると、正極電位を精度よく算出することができない。その結果、負極電位が析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができず、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができなくなることが懸念される。 However, when a material (for example, a spinel compound) that can generate a phase transition during charge / discharge is used as the positive electrode active material, the behavior of the positive electrode potential depends on the charge / discharge history due to the effect of the phase transition of the positive electrode active material. Can change. Therefore, if the battery model of Patent Document 1 that does not consider the phase transition of the positive electrode active material is used as the battery model used for calculating the positive electrode potential, the positive electrode potential cannot be accurately calculated. As a result, it cannot be accurately determined whether or not the negative electrode potential has reached the deposition limit line, and there is a concern that input limitation (Li deposition suppression) of the lithium ion battery cannot be performed appropriately.
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池において、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことである。 The present disclosure has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present disclosure is to limit the input of a lithium ion battery (Li precipitation) in a lithium ion battery having a positive electrode active material capable of causing a phase transition during charge and discharge. (Suppression) is performed appropriately.
本開示による電池システムは、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池と、リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、正極活物質の各相の相比率を考慮した正極活物質内のリチウムの拡散方程式を用いてリチウムイオン電池の正極電位を算出し、リチウムイオン電池の端子間電圧と正極電位とを用いてリチウムイオン電池の負極電位を算出し、負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の充電を制限する。 A battery system according to the present disclosure includes a lithium ion battery having a positive electrode active material capable of causing phase transition during charging and discharging, and a control device that controls charging and discharging of the lithium ion battery. The control device calculates the positive electrode potential of the lithium ion battery using the diffusion equation of lithium in the positive electrode active material considering the phase ratio of each phase of the positive electrode active material, and calculates the inter-terminal voltage and the positive electrode potential of the lithium ion battery. Use to calculate the negative electrode potential of the lithium ion battery, and limit the charging of the lithium ion battery so that the negative electrode potential does not fall below the lithium deposition limit line.
上記システムにおいては、正極活物質の各相の相比率を考慮した拡散方程式を用いて、リチウムイオン電池の正極電位が算出される。これにより、正極活物質の相転移を考慮して正極電位を精度よく算出することができる。このように精度よく算出された正極電位から負極電位が算出され、その負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の充電が制限される。その結果、リイウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 In the above system, the positive electrode potential of the lithium ion battery is calculated using a diffusion equation that considers the phase ratio of each phase of the positive electrode active material. Thereby, the positive electrode potential can be accurately calculated in consideration of the phase transition of the positive electrode active material. Thus, the negative electrode potential is calculated from the positive electrode potential calculated with high accuracy, and charging of the lithium ion battery is limited so that the negative electrode potential does not fall below the lithium deposition limit line. As a result, it is possible to appropriately limit the input of the lithium ion battery (suppression of Li precipitation).
本開示によれば、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池において、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 According to the present disclosure, in a lithium ion battery having a positive electrode active material that can undergo phase transition during charge and discharge, input restriction (Li precipitation suppression) of the lithium ion battery can be appropriately performed.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
以下では、本開示の実施の形態による電池システムが車両に搭載された構成を例に説明する。しかし、電池システムの用途は車両用に限定されるものではなく、たとえば定置用であってもよい。 Hereinafter, a configuration in which a battery system according to an embodiment of the present disclosure is mounted on a vehicle will be described as an example. However, the use of the battery system is not limited to a vehicle, and may be a stationary one, for example.
<電池システムの構成>
図1は、本実施の形態による電池システムが搭載された車両100の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両100は、電力を用いて走行可能な車両(ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池車)であって、モータジェネレータ(MG:Motor Generator)1と、動力伝達ギア2と、駆動輪3と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)4と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)5と、電池システム200とを備える。
<Battery system configuration>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of a
電池システム200は、組電池10と、電圧センサ21と、電流センサ22と、温度センサ23と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)30とを備える。
The
MG1は、たとえば三相交流回転電機である。MG1の出力トルクは、動力伝達ギア2を介して駆動輪3に伝達される。MG1は、車両100の回生制動時には、駆動輪3の回転力によって発電することも可能である。なお、図1ではMGが1つだけ設けられる構成が示されるが、MGの数は1つに限定されず2つ以上であってもよい。
MG1 is, for example, a three-phase AC rotating electric machine. The output torque of the MG 1 is transmitted to the drive wheel 3 via the
PCU4は、いずれも図示しないが、インバータとコンバータとを含む。組電池10の放電時には、コンバータは、組電池10から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換してMG1を駆動する。一方、組電池10の充電時には、インバータは、MG1によって発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータに供給する。コンバータは、インバータから供給された電圧を降圧して組電池10に供給する。
Although not shown, the PCU 4 includes an inverter and a converter. When the
SMR5は、組電池10とPCU4とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。SMR5がECU30からの制御信号に応じて閉成されている場合、組電池10とPCU4との間で電力の授受が行なわれ得る。
The
組電池10は、複数(たとえば数個)の電池ブロック(図示せず)を含んで構成され、各電池ブロックは、複数(たとえば数個〜数十個)の単電池11を含んで構成される。複数の単電池11の各々は、リチウムイオン電池である。
The assembled
電圧センサ21は、各単電池11の端子間電圧(電池電圧Vb)を検出する。電流センサ22は、組電池10に入出力される電流(電池電流Ib)を検出する。温度センサ23は、各単電池11の温度(電池温度Tb)を検出する。各センサは、その検出結果をECU30に出力する。なお、電圧センサ21は、電池ブロックの電圧を検出してもよい。電圧ブロックの電圧を単電池数で割ることにより、単電池11の電圧Vbを算出することができる。また、温度センサ23は、電池ブロックの温度を検出してもよい。
The
ECU30は、CPU(Central Processing Unit)31と、メモリ32と、入出力バッファ(図示せず)とを含んで構成される。ECU30は、各センサから受ける信号ならびにメモリ32に記憶されたマップおよびプログラムに基づいてPCU4およびSMR5を制御する。
The
図2は、単電池11の構成を示す図である。各単電池11の構成は共通であるため、図2では1つの単電池11のみを代表的に示す。単電池11は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース12と、ケース12に設けられた安全弁13と、ケース12内に収容された電極体14および電解液(図示せず)とを含む。なお、図2ではケース12の一部を透視して電極体14を示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the
ケース12は、いずれも金属からなるケース本体121および蓋体122を含み、ケース本体121に設けられた開口上で蓋体122が全周溶接されることにより密閉されている。安全弁13は、ケース12内部の圧力が所定値を超えると、ケース12内部のガス(水素ガス等)の一部を外部に排出する。電極体14は、正極141と、負極142と、セパレータ143とを含む。正極141は袋状のセパレータ143内に挿入されており、セパレータ143内に挿入された正極141と、負極142とが交互に積層されている。正極141および負極142は、図示しない正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続されている。
The
本実施の形態においては、正極141の活物質の材料として、スピネル系化合物が用いられる。リチウムイオン電池の正極活物質の材料として使用されるスピネル系化合物には、たとえば、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)がある。以下では、主に、正極141の活物質の材料として、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)が用いられる例について説明する。負極142、セパレータ143、および電解液には、従来公知の各種材料を用いることができる。
In this embodiment, a spinel compound is used as a material for the active material of the positive electrode 141. Examples of spinel compounds used as a positive electrode active material for lithium ion batteries include lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium nickel manganate (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ). . Hereinafter, an example in which lithium nickel manganate (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) is mainly used as the material of the active material of the positive electrode 141 will be described. Various conventionally known materials can be used for the negative electrode 142, the
<電池の入力制限(Li析出抑制)>
リチウムイオン電池においては、負極142の電位が析出限界ラインを下回ると、負極142の表面にリチウム(Li)が析出して劣化し得ることが知られている。析出限界ラインは、負極142の表面にリチウムが析出し始める負極142の電位である。
<Battery input restriction (suppression of Li deposition)>
In a lithium ion battery, it is known that lithium (Li) may be deposited and deteriorated on the surface of the negative electrode 142 when the potential of the negative electrode 142 falls below the deposition limit line. The deposition limit line is the potential of the negative electrode 142 where lithium begins to precipitate on the surface of the negative electrode 142.
このリチウム析出を抑制するために、本実施の形態によるECU30は、電圧センサ21、電流センサ22および温度センサ23の検出結果(電池電圧Vb、電池電流Ibおよび電池温度Tb)と後述する電池モデルとを用いて正極電位Vpを算出し、電池電圧Vbと正極電位Vpとから負極電位Vnを算出し、負極電位Vnが析出限界ラインを下回らないように単電池11の入力(充電)を制限する処理を行なう。「正極電位Vp」とは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の正極141の電位である。「負極電位Vn」とは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の負極142の電位である。
In order to suppress this lithium deposition,
本実施の形態による単電池11においては、上述のように、正極活物質の材料として、スピネル系化合物が用いられる。スピネル系化合物が正極活物質の材料として用いられる場合、単電池11の充放電時に正極活物質内で相転移が発生し得ることが知られている。たとえば、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)を用いる場合には、Li1相(LiNi0.5Mn1.5O4)とLi1/2相(Li0.5Ni0.5Mn1.5O4)との間での双方向の相転移、さらにはLi1/2相とLi0相(Ni0.5Mn1.5O4)との間での双方向の相転移が発生し得る。正極活物質の材料としてスピネル系化合物が用いられる単電池11においては、正極活物質の相転移の影響によって、正極電位Vpの挙動が充放電履歴に応じて変化し得る。
In
そのため、正極電位Vpの算出に用いられる電池モデルとして、正極活物質の相転移を考慮していない従来の電池モデルを用いると、正極電位Vpを精度よく算出することができない。その結果、負極電位Vnが析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができず、電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができなくなることが懸念される。 Therefore, as a battery model used to calculate the positive electrode potential V p, the use of conventional battery model without considering the phase transition of the positive electrode active material can not be calculated with the positive potential V p accuracy. As a result, the anode potential V n can not be determined with high accuracy whether or not reached precipitation limit line, there is concern that can not be performed input limit of the battery a (Li deposition suppression) properly.
そこで、本実施の形態によるECU30は、正極活物質の各相の相比率を考慮した電池モデル式(後述)を用いて正極電位Vpを算出する。これにより、正極電位Vpを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vnが析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができるため、単電池11の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。
Therefore,
図3は、ECU30が単電池11の入力制限を行なう場合に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定の条件が成立する度または所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure executed when the
ECU30は、電圧センサ21、電流センサ22および温度センサ23の検出結果(電池電圧Vb、電池電流Ibおよび電池温度Tb)を取得する(ステップS10)。
The
次いで、ECU30は、ステップS10で取得された情報と、正極活物質の各相の相比率を考慮した電池モデル式とを用いて、正極電位Vpを算出する(ステップS20)。この処理については後に詳述する。
Next, the
次いで、ECU30は、ステップS20で算出された正極電位VpからステップS10で取得された電池電圧Vbを減算した値(=Vp−Vb)を負極電位Vnとして算出する(ステップS30)。なお、正極電位Vpから電池電圧Vbを減算した値に塩濃度過電圧を加えた値(=V1−Vb+塩濃度過電圧)を負極電位Vnとして算出するようにしてもよい。塩濃度過電圧は、正負極間で電解液に濃度差が生じたときに発生する電圧である。塩濃度過電圧は、既存の電池モデルを利用した公知の算出方法で算出することができる。
Next, the
次いで、ECU30は、負極電位Vnが制限開始電位を下回っているか否かを判定する(ステップS40)。制限開始電位は、単電池11の入力制限を開始する負極電位である。負極電位Vnが析出限界ラインを下回ってから単電池11の入力制限を開始すると、Li析出を抑制しきれない可能性があるため、制限開始電位を析出限界ラインよりも所定の制御マージン分(たとえば数mV程度)だけ高い値とすることが望ましい。
Then,
負極電位Vnが制限開始電位を下回っている場合(ステップS40においてYES)、ECU30は、単電池11の入力制限を行なう(ステップS50)。具体的には、ECU30は、単電池11の充電電流を低減する。これにより、負極142の表面におけるLi析出が抑制される。
When the negative electrode potential V n is below a limit starting potential (YES in step S40),
一方、負極電位Vnが制限開始電位を下回っていない場合(ステップS40においてNO)、ECU30は、単電池11の入力制限を行なわない(ステップS60)。具体的には、ECU30は、単電池11の充電電流を低減しない。これにより、単電池11の充電が過剰に制限されることが抑制される。
On the other hand, when the negative electrode potential V n is not below the limit onset potential (NO in step S40),
<電池モデル>
次に、正極電位Vpの算出(図3のステップS20)に用いられる電池モデルについて詳細に説明する。
<Battery model>
Next, the battery model used to calculate the positive electrode potential V p (step S20 in FIG. 3) will be described in detail.
図4は、本実施の形態における電池モデルの概念図である。この電池モデルでは、リチウムイオン電池(単電池11)の正極141は、球状の正極活物質151の集合体を含み、負極142は、球状の負極活物質152の集合体を含むものとしてモデリングされている。リチウムイオン電池の放電時には、負極活物質152と電解液との界面ではリチウムイオン(Li+で示す)および電子(e−で示す)が放出される一方で、正極活物質151と電解液との界面ではリチウムイオンおよび電子が吸収される。リチウムイオン電池の充電時には、リチウムイオンおよび電子の放出/吸収に関し、上記反応とは逆の反応が起こる。
FIG. 4 is a conceptual diagram of the battery model in the present embodiment. In this battery model, the positive electrode 141 of the lithium ion battery (unit cell 11) includes an assembly of spherical positive electrode
一般に、車載用のECUの演算能力は、研究開発用の演算装置の演算能力と比べると低いので、車載用である電池システム200においては、ECU30の演算負荷を低減することが求められる。したがって、本実施の形態においては、以下のように電池モデルが単純化される。すなわち、正極141には多数の正極活物質が含まれるところ、本実施の形態における電池モデルでは、多数の正極活物質を単一の正極活物質(正極活物質モデル)151で代表させる。同様に、負極142には多数の負極活物質が含まれるところ、本実施の形態における電池モデルでは、多数の負極活物質を単一の負極活物質(負極活物質モデル)152で代表させる。このように単純化された活物質モデルを用いて、正極活物質151の内部におけるLi濃度分布が算出される。なお、同様に負極活物質152の内部におけるLi濃度分布を算出することもできる。
In general, the computing capacity of an in-vehicle ECU is lower than the computing capacity of a research and development computing device. Therefore, in the in-
図5は、正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度分布の算出手法を説明するための図である。本電池モデルにおいては、球状の正極活物質モデル151の内部にて、極座標の周方向のLi濃度分布は一様と仮定され、径方向のLi濃度分布のみが考慮される。言い換えると、正極活物質モデル151は、リチウムの移動方向を径方向に限定した1次元モデルである。なお、以下の説明において、添字「s」が付されたものは正極活物質中の値であることを意味する。
FIG. 5 is a diagram for explaining a method for calculating the Li concentration distribution inside the positive electrode
正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度cs(r)は、正極活物質モデル151の半径方向の座標r(r:各点の中心からの距離、r0:正極活物質モデル151の半径)上での関数として表すことができる。なお、座標rが正極活物質モデル151の半径r0であるときのLi濃度cs(r0)が、正極活物質粒子の表面Li濃度である。
The Li concentration c s (r) inside the positive electrode
図5に示す正極活物質モデル151では、径方向にN分割(N:2以上の自然数)された各領域について、Li濃度cs(r)が、後述する拡散方程式に従って算出される。これにより、図5の実線に示すような径方向のLi濃度分布が算出される。
In the positive electrode
<正極活物質の相転移を考慮した正極電位Vpの算出>
正極電位Vpは、正極開回路電位Upと、正極活物質表面でのLi授受時(充放電時)の抵抗成分による過電圧ηpとによって決まることが知られている。正極開回路電位Upは、単電池11が非通電状態(無負荷状態)にあるときの単電池11の正極141の電位である。
<Calculation of the positive electrode potential V p considering the phase transition of the positive electrode active material>
It is known that the positive electrode potential V p is determined by the positive electrode open circuit potential U p and the overvoltage η p due to the resistance component at the time of Li transfer (charge / discharge) on the surface of the positive electrode active material. SeikyokuHiraki circuit potential U p is the potential of the positive electrode 141 of the
正極開回路電位Upは、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)に依存して変化する特性を有する。したがって、正極開回路電位Upを精度よく算出するためには、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)を精度よく算出することが望まれる。 SeikyokuHiraki circuit potential U p has a characteristic that changes depending on the surface Li concentration c s of the positive electrode active material particle (r 0). Therefore, in order to accurately calculate the SeikyokuHiraki circuit potential U p, it is desirable to calculate the surface Li concentration c s of the positive electrode active material particles (r 0) accurately.
従来においては、特開2013−72659号公報において式(M2a)で示されたLi拡散方程式を電池モデル式として用いて、正極活物質内のLi濃度分布を計算していた。 Conventionally, the Li concentration distribution in the positive electrode active material has been calculated using the Li diffusion equation represented by the formula (M2a) in JP2013-72659A as the battery model formula.
しかしながら、従来の電池モデル式は、正極活物質の相転移を考慮したものではない。そのため、本実施の形態のように、充放電時に正極活物質で相移転が発生し得るニッケル酸マンガン酸リチウム(スピネル系化合物)を正極活物質の材料として用いる単電池11においては、従来の電池モデル式を用いると、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)を精度よく算出することができず、その結果、正極開回路電位Upを精度よく算出することができなくなることが懸念される。
However, the conventional battery model formula does not consider the phase transition of the positive electrode active material. Therefore, as in the present embodiment, the
図6は、単電池11の放電によって正極活物質151で発生する相移転の様子を模式的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the state of phase transfer generated in the positive electrode
単電池11の放電時には、正極活物質151内にリチウムイオンが挿入(吸収)される。正極活物質151内に挿入されたリチウムイオンは、正極活物質151内で拡散する。この際、Li濃度csの偏りが生じ、Li濃度csが高い部分から優先的に構造変化(相転移)が発生する。その結果、正極活物質151内には、Li1相、Li1/2相、Li0相が混在し得る。Li拡散速度は、各相(Li1相、Li1/2相、Li0相)で異なるため、各相の相比率は、正極活物質151内のリチウムイオンの移動に影響を与える。
When the
そこで、本実施の形態においては、正極活物質151内のLi濃度csに応じて相転移する条件式を追加し、Li拡散方程式に用いられるLi拡散係数Dsを正極活物質の各相の相比率に応じて変化させることで、正極開回路電位Upを精度よく算出する。
Therefore, in the present embodiment, a conditional expression for phase transition is added according to the Li concentration c s in the positive electrode
具体的には、正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を、下記の式(1)に示すLi拡散方程式を用いて算出する。
Specifically, the distribution of Li concentration c s (r) (including the surface Li concentration c s (r 0 )) inside the positive electrode
ただし、式(1)におけるLi拡散係数Dsは、下記の式(2)に示すように、正極活物質151の各相の相比率εs,jに応じて変化させる。
However, the Li diffusion coefficient D s in the equation (1) is changed according to the phase ratio ε s, j of each phase of the positive electrode
式(2)において、「εs,j」は、正極活物質151のj相(j=1,2,3)の相比率である。すなわち、εs,1は第1相(たとえばLi1相)の相比率、εs,2は第2相(たとえばLi1/2相)の相比率、εs,3は第3相(たとえばLi0相)の相比率である。相比率εs,1、相比率εs,2および相比率εs,3の合計は「1」である。
In Expression (2), “ε s, j ” is the phase ratio of the j phase (j = 1, 2, 3) of the positive electrode
また、「Ds,j」は、j相内のLi拡散係数であって、j相内のLi拡散速度に相当する値である。j相内のLi拡散係数Ds,jは、たとえば電池温度Tbをパラメータとして決定することができる。 “D s, j” is a Li diffusion coefficient in the j phase, and is a value corresponding to the Li diffusion rate in the j phase. The Li diffusion coefficient D s, j in the j phase can be determined using, for example, the battery temperature Tb as a parameter.
相比率εs,jは、下記の式(3)に示すように、Abrami型の相転移式で計算するものとする。 The phase ratio ε s, j is calculated by an Abrami type phase transition equation as shown in the following equation (3).
式(3)において、「Rjk」は、j相からk相への相転移速度である。「kjk」は、j相からk相への相転移速度係数である。「cs,j」は、j相内のLi濃度である。「cs,jk,threshold」は、j相からk相に相転移するときのLi濃度である。 In Expression (3), “R jk ” is a phase transition speed from the j phase to the k phase. “K jk ” is a phase transition rate coefficient from the j phase to the k phase. “ Cs, j ” is the Li concentration in the j phase. “ Cs, jk, threshold ” is the Li concentration at the time of phase transition from the j phase to the k phase.
また、相転移が発生しても物質量(Li量)は保存されるため、下記の式(4)の関係式が成り立つ。 Moreover, since the substance amount (Li amount) is preserved even when the phase transition occurs, the following relational expression (4) holds.
これらの式(1)〜(4)が、本実施の形態における、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した正極活物質内のLi拡散方程式である。これらの式(1)〜(4)を用いることによって、正極活物質内のLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出することができる。 These equations (1) to (4) are Li diffusion equations in the positive electrode active material in consideration of the phase ratio ε s, j of each phase of the positive electrode active material in the present embodiment. By using these formulas (1) to (4), the distribution of the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material (surface Li concentration c s (including r 0)), the phase transition of the positive electrode active material Can be calculated with high accuracy.
図7は、ECU30が正極電位Vpを算出する処理(図3のステップS20)において実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 Figure 7 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure executed in the processing of ECU30 calculates the positive electrode potential V p (step S20 in FIG. 3).
ECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した上述の電池モデル式(1)〜(4)を用いて、正極活物質内におけるLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を算出する(ステップS21)。この際、ECU30は、半径rをr0、r0−Δr、r0−2Δr、…、0に順次変化させながら、各半径rにおけるLi濃度cs(r)(r=r0のときの表面Li濃度cs(r0)を含む)を上述の電池モデル式(1)〜(4)を用いて算出する。これにより、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)が、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出される。
The
次いで、ECU30は、ステップS21で算出された正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)から、正極開回路電位Upを算出する(ステップS23)。正極開回路電位Upは、単電池11が非通電状態(無負荷状態)にあるときの単電池11の正極141の電位である。
Then,
図8は、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)と正極開回路電位Upとの関係の一例を示す図である。図8に示すように、正極開回路電位Upは、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)に依存して変化する特性を有する。ECU30のメモリ32には、図8に示すような、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)と正極開回路電位Upとの対応関係が予め実験等によって求められて記憶されている。ECU30は、メモリ32に記憶された対応関係を参照して、ステップS21で算出された表面Li濃度cs(r0)に対応する正極開回路電位Upを算出する。
Figure 8 is a diagram showing an example of the relationship between the surface Li concentration c s of the positive electrode active material particle and (r 0) and SeikyokuHiraki circuit potential U p. As shown in FIG. 8, SeikyokuHiraki circuit potential U p has a characteristic that changes depending on the surface Li concentration c s of the positive electrode active material particle (r 0). The
図7に戻って、ECU30は、ステップS23で算出された正極開回路電位Upを下記の式(5)に代入することによって、正極電位Vpを算出する(ステップS25)。
Returning to FIG. 7, the
正極電位Vp=正極開回路電位Up+過電圧ηp ・・・(5)
式(5)において、過電圧ηpは、既に述べたように、正極活物質表面でのLi授受時の抵抗成分によって、充放電時に発生する過電圧である。過電圧ηpは、バトラー・ボルマー(Butler-Volmer)の関係式から導かれる公知の算出方法で算出することができる。
Positive electrode potential V p = positive electrode open circuit potential U p + overvoltage η p (5)
In the formula (5), the overvoltage η p is an overvoltage generated at the time of charging / discharging due to the resistance component at the time of giving / receiving Li on the surface of the positive electrode active material, as already described. The overvoltage η p can be calculated by a known calculation method derived from a Butler-Volmer relational expression.
その後、ECU30は、処理を図2のステップS30へ進める。すなわち、ECU30は、ステップS25Aで算出された正極電位Vpから電池電圧Vbを減じた値を負極電位Vnとして算出する。これにより、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮して負極電位Vnを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vnが制限開始電位を下回っているか否かの判定(図3のステップS40の判定)を精度よく行なうことができる。
Thereafter, the
以上のように、本実施の形態によるECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮したLi拡散方程式を用いて正極電位Vpを算出する。これにより、正極活物質の相転移を考慮して正極電位Vpを精度よく算出することができるため、負極電位Vnが析出限界ラインに達しているか否かの判定(図3のステップ40の判定)を精度よく行なうことができる。その結果、充放電時に正極活物質内で相移転が発生し得るニッケル酸マンガン酸リチウム(スピネル系化合物)を正極材料として用いる単電池(リチウムイオン電池)11においても、単電池11の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。
As described above, the
<変形例>
上述の実施の形態においては、Li拡散方程式に用いられるLi拡散係数Dsを正極活物質の各相の相比率εs,jに応じて変化させることによって、正極開回路電位Upを精度よく算出した。
<Modification>
In the above embodiment, by changing in accordance with Li diffusion coefficient D s to a phase ratio epsilon s, j of each phase of the positive electrode active material used in Li diffusion equation, accurately SeikyokuHiraki circuit potential U p Calculated.
これに対し、本変形例においては、各相毎にLi拡散方程式を解く(各相のLi濃度差に応じて各相内でLiが拡散すると考える)ことによって、正極開回路電位Upを精度よく算出する。 In contrast, in this modification, (think Li is diffused within each phase in response to each phase of Li density difference) of Li solving the diffusion equation for each phase by, accuracy SeikyokuHiraki circuit potential U p Calculate well.
具体的には、本変形例においては、正極活物質内におけるLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を上述の実施の形態と同じ様にLi拡散方程式を用いて算出するが、下記の式(1a)〜(1c)に示すように、各相毎にLi拡散方程式が存在するものとして扱う。 Specifically, in this modification, the Li concentration c s (r) distribution (including the surface Li concentration c s (r 0 )) in the positive electrode active material is diffused in the same manner as in the above-described embodiment. Although it calculates using an equation, as shown in the following formulas (1a) to (1c), it is treated that a Li diffusion equation exists for each phase.
式(1a)〜(1c)において、「cs,j(r)」は、正極活物質151内のj相(j=1,2,3)の半径rにおけるLi濃度である。すなわち、式(1a)の「cs,1(r)」は、第1相(たとえばLi1相)の半径rにおけるLi濃度である。式(1b)の「cs,2(r)」は、第2相(たとえばLi1/2相)の半径rにおけるLi濃度である。式(1c)の「cs,3(r)」は、第3相(たとえばLi0相)の半径rにおけるLi濃度である。
In the formulas (1a) to (1c), “c s, j (r)” is the Li concentration at the radius r of the j phase (j = 1, 2, 3) in the positive electrode
また、本変形例においても、上述の実施の形態と同様、各相の相比率εs,jを上述の式(3)に示すAbrami型の相転移式で計算するものとする。 Also in this modification, the phase ratio ε s, j of each phase is calculated by the Abrami type phase transition equation shown in the above equation (3), as in the above embodiment.
また、本変形例においても、上述の実施の形態と同様、相転移が発生しても物質量(Li量)は保存されるため、上述の式(4)の関係式が成り立つ。 Also in this modified example, the amount of substance (Li amount) is preserved even when a phase transition occurs, as in the above-described embodiment, and thus the relational expression of the above-described expression (4) holds.
これらの式(1a)〜(1c)、(3)、(4)が、本変形例における、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した正極活物質内のLi拡散方程式である。これらの式(1a)〜(1c)、(3)、(4)を用いることによっても、正極活物質内のLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出することができる。 These equations (1a) to (1c), (3), and (4) are Li diffusion equations in the positive electrode active material in consideration of the phase ratio ε s, j of each phase of the positive electrode active material in this modification. is there. Also by using these formulas (1a) to (1c), (3), (4), the distribution of the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material (including the surface Li concentration c s (r 0 )) is included. ) Can be accurately calculated in consideration of the phase transition of the positive electrode active material.
図9は、本変形例によるECU30が正極電位Vpを算出する処理(図3のステップS20)において実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 Figure 9 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure executed in the process of ECU30 according to the present modification calculates the positive electrode potential V p (step S20 in FIG. 3).
ECU30は、正極活物質の相転移を考慮した上述の電池モデル式(1a)〜(1c)、(3)、(4)を用いて、正極活物質内におけるLi濃度cs(r)の分布(表面Li濃度cs(r0)を含む)を算出する(ステップS21A)。
The
具体的には、ECU30は、正極活物質の各相のLi濃度cs,j(r)毎に、半径rをr0、r0−Δr、r0−2Δr、…、0に順次変化させながら、各半径rにおける各相のLi濃度cs,j(r)(r=r0のときの各相の表面Li濃度cs,j(r0)を含む)を順次算出する。また、ECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを算出する。そして、ECU30は、算出された各相の表面Li濃度cs,j(r0)と各相の相比率εs,jとから、電池モデル式(4)を用いて正極活物質内の表面Li濃度cs(r0)を算出する。これにより、正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)が、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出される。
Specifically, the
次いで、ECU30は、ステップS21Aで算出された正極活物質粒子の表面Li濃度cs(r0)に対応する正極開回路電位Upを、上述のメモリ32に記憶された図8に示す対応関係を参照して算出する(ステップS23A)。
Next, the
次いで、ECU30は、ステップS23Aで算出された正極開回路電位Upを上述の式(5)に代入することによって、正極電位Vpを算出する(ステップS25A)。
Then,
その後、ECU30は、処理を図2のステップS30へ進める。すなわち、ECU30は、ステップS25Aで算出された正極電位Vpから電池電圧Vbを減じた値を負極電位Vnとして算出する。これにより、正極活物質の相転移を考慮して負極電位Vnを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vnが制限開始電位を下回っているか否かの判定(図3のステップS40の判定)を精度よく行なうことができる。
Thereafter, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present disclosure is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2 動力伝達ギア、3 駆動輪、10 組電池、11 単電池、12 ケース、13 安全弁、14 電極体、21 電圧センサ、22 電流センサ、23 温度センサ、30 ECU、32 メモリ、100 車両、121 ケース本体、122 蓋体、141 正極、142 負極、143 セパレータ、151 正極活物質、152 負極活物質、200 電池システム。 2 power transmission gear, 3 driving wheel, 10 assembled battery, 11 cell, 12 case, 13 safety valve, 14 electrode body, 21 voltage sensor, 22 current sensor, 23 temperature sensor, 30 ECU, 32 memory, 100 vehicle, 121 case Main body, 122 Lid body, 141 positive electrode, 142 negative electrode, 143 separator, 151 positive electrode active material, 152 negative electrode active material, 200 battery system.
Claims (1)
前記リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記正極活物質の各相の相比率を考慮した前記正極活物質内のリチウムの拡散方程式を用いて前記リチウムイオン電池の正極電位を算出し、
前記リチウムイオン電池の端子間電圧と前記正極電位とを用いて前記リチウムイオン電池の負極電位を算出し、
前記負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないように前記リチウムイオン電池の充電を制限する、電池システム。 A lithium ion battery having a positive electrode active material capable of causing phase transition during charge and discharge;
A controller for controlling charging and discharging of the lithium ion battery,
The control device includes:
Calculate the positive electrode potential of the lithium ion battery using the diffusion equation of lithium in the positive electrode active material considering the phase ratio of each phase of the positive electrode active material,
Calculate the negative electrode potential of the lithium ion battery using the voltage between the terminals of the lithium ion battery and the positive electrode potential,
A battery system that limits charging of the lithium ion battery so that the negative electrode potential does not fall below a lithium deposition limit line.
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