JP2021015015A - 蓄電素子管理ユニット - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、診断器は、未使用状態(非充放電状態)の蓄電素子に対して診断が行われるものであるが、BMSを用いて診断を行うことを考慮した場合は、蓄電素子の使用中(充電もしくは放電中)に診断を行う必要がある。
前記蓄電素子の劣化度SOHを測定する蓄電素子管理ユニットであって、
前記蓄電素子の充電時もしくは放電時の電流を計測する電流計測手段と、
所定の演算を実行する演算手段を有する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirと現在の動的内部抵抗Dirとに基づき、前記蓄電素子の劣化度SOHを算出する劣化度算出部と、
前記蓄電素子の充電もしくは放電を行いながら、前記蓄電素子の現在の動的内部抵抗Dirを測定する動的内部抵抗測定部と、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを記憶する新品時内部抵抗記憶部と、を備えるものである。
前記蓄電素子の温度を計測する温度計測手段をさらに備え、
前記制御部は、
前記温度計測手段により前記蓄電素子の温度を取得し、あらかじめ記憶している前記蓄電素子の温度と前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirとの関係から当該蓄電素子の温度に対応した前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを取得する取得部を備え、
前記劣化度算出部は、
前記取得部で取得した前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを用いて、前記蓄電素子の劣化度SOHを算出するものである。
請求項1または請求項2に記載の蓄電素子管理ユニットは、
他の蓄電素子が組み込まれた装置に取り付けて、他の蓄電素子の劣化度SOHを測定するものである。
なお、本実施形態における電池システムとは、複数の電池セルの直列接続によってパック化、モジュール化して組電池を構成したものである。
また、本実施形態では、蓄電素子の一例として単電池または組電池からなる二次電池を挙げて本発明を具体的に説明する。
なお、本実施形態で説明する充電装置1、充電装置1が備えるBMU3、BMU3に接続される二次電池100の各構成は、本実施形態で説明する機能を実現可能な構成であればよく、適宜変更可能であるものとする。
なお、劣化度算出部49、動的内部抵抗測定部50、動的内部抵抗記憶部51及び温度補正値取得部52の詳細については後述する。
次に、BMU3(セル電圧検知回路3c)による二次電池100の各電池セルの電圧検知方法及びデータ処理方法については、本願発明者が出願した特願2017−66404に記載した電圧検知方法及びデータ処理方法を適用することができる。
なお、セル電圧検知回路3cは、蓄電素子である電池セルの端子間の電圧を計測する電圧計測手段の一例である。電圧計測手段としては、例えば、抵抗分割方式の回路などによって電池セルの電圧を計測してもよい。
すなわち、マイコン3aは、各電池セルのそれぞれの電圧に応じて、二次電池100を充電するための充電電源2の充電電圧を制御して、二次電池100全体の充電及び放電の動作を最適化することができる。
なお、パッシブセルバランスとは、高い電圧の電池セルを放電し低い電圧の電池セルに合わすことである。
なお、アクティブセルバランスとは、低い電圧の電池セルを充電し高い電圧の電池セルに合わすことである。本実施形態のBMU3が備えるアクティブセルバランス機能としては、以下の充電方式も実行することができる。
二次電池の正確な蓄電残量の検出のためには、起電力(Electro Motive Force)の増減と蓄電残量の増減の関係を正確に計量化しておき、起電力を計測し蓄電残量を計数化することが一つの手法となる。しかし、元の蓄電残量が正確に分かっていれば、計量しながら元の蓄電残量から使用分を抜き取り、その差し引き勘定から現在の蓄電残量は得られるが、元の蓄電残量を正確に計測することが出来なければ、その後の残量数値は信頼性の乏しいものとなる。特に、充電時の電気量の注入、放電時の電気量の取り出しは電池内部の電気的抵抗(内部抵抗)による熱損失が伴い差し引き勘定に誤差が伴うため正確な蓄電残量の計測は不可能に近い。
なお、「電池方程式」とは、具体的には二次電池に関する電池反応の理論から導かれる方程式であり、酸化/還元反応に伴う過電圧と反応抵抗による回路方程式のことである。
なお、以下では、便宜上リチウムイオン電池の構成に基づいて説明するが、特に電池種を限定するものではない。
この時の平衡電圧は[数3]で示され、長期放置後の平衡過電圧は、[数4]で表される。その差をとると次式となる。
なお、電気二重層とは、電極と電解液の界面で正の電荷及び負の電荷が非常に短い間隔を隔てて対向し、配列する層のことである。
長期静止状態から充電電流Iの立ち上げに際し、たとえば負極の還元反応は反応面に存在する酸化材濃度c0(0,t)でt=0に相当し、長期静止状態であるからこの値はc0*に等しい。負極反応によって、この濃度は消費され還元されてcr*に変わり格納される。
前記消費分を補充するためには沖合からの酸化材の補充流入を要し、初期のc0*と補充中のc0(0,t)の比の自然対数に物理定数を掛けたものがΔηeq(t)となる。
このΔηeq(t)は、勇み反応面に到達したイオンが先客イオンに反発されイオン対抗ゾーンが、所謂、電気二重層として形成され、同時に拡散によって安定したタンク回路となる。この形成過程は次式で表現される。
次に、負極の電池反応を反応速度の律速とし過電圧と電流に関し考察する。
電流は、平衡電圧(Δηeq+η*eq)を超えた過電圧δが加算されて、初めて流れる。[数1]でη=δ+Δηeq+η*eq の関係を導入して変形すると次式となる。
η*eqは、安定期の電極界面での酸化材と還元材の濃度比によって決まる電位で、Δηeqは動作反応時、動作電流に応じて必要となる反応界面での濃度の過剰分に相当し平衡電位に変化を与える(図3参照)。
動作中には電解質中のイオンの流れにより、電極界面に上述した電気二重層が形成されて、図3、図4で示すΔηeqの平衡電位の加算が起きる。
図3は、充電時の電圧−電流の特性図である。
図3より、起動時の端子電圧Δvは次式を満たす。
静止状態からの立ち上がり時には電流式は次式となる。電極表面には、電界質中の電気二重層がまだ形成されていないから一般式でΔηeq=0と置いた式となる。
図5より、起動時の端子電圧Δvは次式を満たす。
ここで、図6における横軸は過電圧δである。図6における上段グラフの縦軸はΔvであり、下段グラフの縦軸は後述するI/Koである。
なお、図6のようなグラフデータ(マップデータ)は、後述するマイコン3aに記憶される。
実際には、BMU3の内部に装着しているマイコン3aがすべて演算することになるが、マイコンがどのような演算過程を踏まえ演算結果を提示するのかを以下説明を加えておく。
二次電池の充電時において、
1)電流印加する。
2)Δvを実測し、図6を用いてΔv1の曲線グラフとの交点を求める。この交点に対応するδ値が確定する。
3)δに関する電流関数はSOCよって異なる係数を持ち図6に示すようにSOCに対応した特性曲線となる。何故なら、係数式を変形して次のように表せる。
[数31]の式で、その右辺が確定すれば、左辺の計測電流Iを導入すれば、電池種固有の特性値Koo及び有効電極面積Scが確定する。
以上が上記「電池方程式」に基づいて二次電池の劣化度SOH及び蓄電残量SOCを検出するための原理である。
[電池起電力と動的内部抵抗について]
図4には、充電の概念を示す電気等価回路を示す。
次に、図4に示す電池(本実施形態では二次電池100の電池セル)の等価回路を用いて、電池起電力Vemfと動的内部抵抗Dirについて説明する。
電池を等価回路で表すと単純な電気回路となる。すなわち、電気エネルギーであるチャージ量(蓄電容量)Q(単位はクーロン)を持つ電池素子と、この電池に直結した純抵抗(コンダクタンス)の直列接続で表される。具体的には、以下に示すように、電池端子間(A−B)の電圧をV、電池端子間(A−B)に流れる電流をI、動的内部抵抗をDir、電池起電力をVemfとすると、図4に示すように、電池を等価回路で表すことができる。
V;電池端子間(A−B)の電圧
I;電池端子間(A−B)に流れる電流
Dir;動的内部抵抗(Dynamic Internal Resistance)
Vemf(=ηeq*);電池起電力(静止時の正極・負極間電位差)
蓄電容量Qは、電池の劣化に伴い減少する。当該電池の劣化とは、動的内部抵抗Dirが増加して、リチウムイオンが電池電極に接触せず機能しないことを意味する。動的内部抵抗Dirが増加する原因としては、リチウムイオンの電気泳動における抵抗の増加、反応速度の低下、拡散速度の低下、陽極及び陰極におけるリチウムイオンのサイト数の低下などが考えられる。前記動的内部抵抗Dirは充電及び放電を重ねることにより増加し、その結果電池の劣化が進行する。
本実施形態に係るBMU3は、蓄電素子(電池セル)の劣化度SOHの算出する診断機能を有しており、当該診断機能について以下において説明する。
また、上述したように電池セルの劣化の進行は、電池セルの動的内部抵抗Dirの変化率として表せるため、蓄電素子(電池セル)の劣化率SOHは、
(新品時の蓄電素子のDir)/(現在の蓄電素子のDir)×100(%)
と表すことができる。
そのため、劣化度算出部49において電池セルの劣化率SOHを算出する場合、BMU3では、新品時の電池セルのDirを下記で説明する方法で算出して予め所定の動的内部抵抗記憶部51に記憶しておき、その動的内部抵抗記憶部51に記憶された新品時の電池セルのDirと、動的内部抵抗測定部50において測定される、現在診断を実行中(充電もしくは放電中)の電池セルのDirとを比較することで電池セルの劣化状態を判断し、SOHや満充電容量を取得することができる。
なお、現在の電池セルのDirは、動的内部抵抗測定部50により上述した原理に基づいて測定される。
起電力Vemfは、電池セルの充放電を停止し、しばらく放置して電圧を測定すれば求められるが、BMSは充放電中にも診断を行う必要があるため、その測定方法を以下で説明する。
図8は、蓄電素子(電池セル)に流れる充放電電流と、充放電による端子電圧の変化を示したものである。この図8に示すグラフでは、Vemfが異なる4条件で測定を行った。
充放電電流がプラス側である充電中の傾きにややばらつきがあるが、Vemfの値によらず同一の傾きであると仮定し、下記近似直線の式により充放電中の端子電圧によりVemfを求めることができる。
図8のグラフから、V0を端子電圧、Iを充放電電流(+側:充電、−側:放電)とすると、下記が近似式として導かれる。
放電中:Vemf=V0−0.08I(I<0)
充電中:Vemf=V0−0.15I(0<I)
このように近似式を導出することで、電池セルの端子電圧と電流センサー60によって電流(充放電電流)を測定することにより起電力Vemfを求めることができる。
なお、二次電池100の各電池セルに対応して充電もしくは放電の際に流れる電流を測定するための電流センサー60(図11、図12参照)が設けられている。
上記にて算出された充放電中の電圧(起電力Vemf)と、当該電圧に対する測定されたDirをプロットしたグラフを図9に示す。
初期Dir(新品時の電池セルのDir)は、プロットした値を近似する所定の近似式(図9に示すグラフでは、例えば、図中で示す近似式)に起電力Vemfを式中のVに代入することで求めることができる。図9では、電池セルのDirは、実際には一定の値を取らず、充電が進んでいくと下がっていくことがわかる。
このようにして、本実施形態のBMU3では、Dir初期特性を正確に導き出せるため、従来よりもSOHの精度がより向上する。
本実施形態に係るBMU3は、Dirを電池セルの温度に対応して補正する機能を有しており、当該機能について以下において説明する。
なお、二次電池100の各電池セルに対応して電池の表面温度を測定するための温度計測手段である温度センサー70(図11、図12参照)が設けられている。
図11は、放電による診断が可能な回路300を示した回路図である。
図11に示すように、回路300は、直列に接続された複数の蓄電素子である電池セルB1、B2、・・、BNと、前記各電池セルB1、B2、・・、BNの(+)、(−)端子にそれぞれ接続されたスイッチング素子であるSW1、SW2、・・、SWNと、電流センサー60と、各電池セルB1、B2、・・、BN毎の温度を測定可能な温度センサー70と、負荷200と、二次電池100の両端部となる(+)、(−)端子に接続される充電器210と、を主に有している。また、回路300は、電池セルB1、B2、・・、BN毎の端子電圧を測定するための電圧計を備えている。
なお、回路300は、上述したようにマイコン3aにより動作制御される。
このように回路を構成したことにより、電池の診断として、上述したように放電しながら幅広い温度環境に対応して各電池セルB1、B2、・・、BNにおけるSOHを精度良く算出することができる。
図12は、充電による診断が可能な回路400を示した回路図である。
図12に示すように、回路400は、直列に接続された複数の蓄電素子である電池セルB1、B2、・・、BNと、前記各電池セルの(+)、(−)端子にそれぞれ接続されたスイッチング素子であるSW1、SW2、・・、SWNと、電流センサー60と、各電池セルB1、B2、・・、BN毎の温度を測定可能な温度センサー70と、負荷200と、二次電池100の両端部となる(+)、(−)端子に接続される充電器210と、を主に有している。また、回路400は、各電池セルB1、B2、・・、BN毎に充電するための充電器と、電池セルB1、B2、・・、BN毎の端子電圧を測定するための電圧計とを備えている。
なお、回路400は、上述したようにマイコン3aにより動作制御される。
このように回路を構成したことにより、電池の診断として、上述したように充電しながら幅広い温度環境に対応して各電池セルB1、B2、・・、BNにおけるSOHを精度良く算出することができる。
以上のように、本実施形態のBMU3によれば、制御部の一例であるマイコン3aは、二次電池100の充電開始時の立ち上がり電圧および電流の計測値をもとに[数25]に記載の電池方程式及び[数28]に記載の式を使って、二次電池100の動作時の過電圧δと、Dirを演算により求めることができる。さらに、このDirと、新品の二次電池のDirとの対比によって前記劣化度SOHを検出することができる。これにより、二次電池100のSOHが精度良くかつ瞬時に検出することができる。したがって、二次電池100の電池状態(例えば充電状態)の認識がいつでも可能となる。
また、本実施形態のBMU3によれば、マイコン3aは、二次電池100の充電を遮断した時の立下がり電圧の計測値と[数9]〜[数11]とから求められるΔηeq及びηeq*と「電池方程式」を用いて静止時の正確な起電力の変化を求め、その起電力があらかじめ計測された対比テーブルとの照合により蓄電残量SOCを確定する。これにより、二次電池100が長期間使用により容量低下となっても、その時点の蓄電残量が比率としても、絶対値としても取得され、ユーザのエネルギー枯渇による不安感が払拭される。
(1)放電開始時の立下り電圧の時間経過
(2)充電開始時の立ち上がり電圧の時間経過
(3)放電遮断時の立ち上がり電圧の計測値
(4)充電遮断時の立下り電圧の計測値
(5)充電電流を増加させた時または放電電流を減少させた時の立ち上がり電圧の計測値
(6)充電電流を減少させた時または放電電流を増加させた時の立下り電圧の時間経過
(7)充電から放電へ移行させた時の立下り電圧の時間経過
(8)放電から充電へ移行させた時の立ち上がり電圧の計測値
BMU3は、これらの各条件に基づいて、[数25]に記載の電池方程式及び[数28]に記載の式を使って、二次電池100の動作時の過電圧δと、Dirを演算により求めることができる。よって、本発明と同様の効果を奏する。
ここで、蓄電素子とは、蓄電機能を有する素子全般を指し、例えば、一対の電極と、電解質を少なくとも有し、蓄電することができる機能を有する素子のことである。なお、蓄電素子を蓄電装置としてもよい。
3a マイコン(制御部)
49 劣化度算出部
50 動的内部抵抗測定部
51 動的内部抵抗記憶部(記憶部)
52 温度補正値取得部(取得部)
100 二次電池(蓄電素子)
60 電流センサー(電流計測手段)
70 温度センサー(温度計測手段)
負荷に接続された蓄電素子の劣化度SOHを測定する蓄電素子管理ユニットであって、
前記蓄電素子の充電時もしくは放電時の電流を計測する電流計測手段と、
所定の演算を実行する演算手段を有する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirと現在の動的内部抵抗Dirとに基づき、前記蓄電素子の劣化度SOHを算出する劣化度算出部と、
前記蓄電素子の充電もしくは放電を行いながら、前記蓄電素子の現在の動的内部抵抗Dirを測定する動的内部抵抗測定部と、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを記憶する記憶部と、を備えるものである。
Claims (3)
- 前記蓄電素子の劣化度SOHを測定する蓄電素子管理ユニットであって、
前記蓄電素子の充電時もしくは放電時の電流を計測する電流計測手段と、
所定の演算を実行する演算手段を有する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirと現在の動的内部抵抗Dirとに基づき、前記蓄電素子の劣化度SOHを算出する劣化度算出部と、
前記蓄電素子の充電もしくは放電を行いながら、前記蓄電素子の現在の動的内部抵抗Dirを測定する動的内部抵抗測定部と、
前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを記憶する記憶部と、を備えることを特徴とする蓄電素子管理ユニット。 - 前記蓄電素子の温度を計測する温度計測手段をさらに備え、
前記制御部は、
前記温度計測手段により前記蓄電素子の温度を取得し、あらかじめ記憶している前記蓄電素子の温度と前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirとの関係から当該蓄電素子の温度に対応した前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを取得する取得部を備え、
前記劣化度算出部は、
前記取得部で取得した前記蓄電素子の新品時の動的内部抵抗Dirを用いて、前記蓄電素子の劣化度SOHを算出することを特徴とする請求項1に記載の蓄電素子管理ユニット。 - 他の蓄電素子が組み込まれた装置に取り付けて、他の蓄電素子の劣化度SOHを測定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の蓄電素子管理ユニット。
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