JP2021048018A - Battery status estimation method and battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、組電池に含まれている複数の電池の充電状態の分布を推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池の充電状態の分布を推定する電池システムに関する。 In the embodiment of the present invention, a battery state estimation method for estimating the distribution of the charging states of a plurality of batteries contained in the assembled battery and the distribution of the charging states of the plurality of batteries contained in the assembled battery are estimated. Regarding the battery system.
携帯機器、電動工具および電気自動車等に二次電池が用いられている。二次電池の中でリチウムイオン電池は、リチウムのイオン化傾向が大きいことから、高電圧、高出力、高エネルギー密度である。リチウムイオン電池は、定置用電源および非常用電源などの大型電源への応用も期待されている。電池は、負荷の仕様の電圧となるように、複数の電池が直列接続された組電池として使用される。 Secondary batteries are used in mobile devices, power tools, electric vehicles, and the like. Among secondary batteries, lithium ion batteries have high voltage, high output, and high energy density because they have a high ionization tendency of lithium. Lithium-ion batteries are also expected to be applied to large power sources such as stationary power sources and emergency power sources. The battery is used as an assembled battery in which a plurality of batteries are connected in series so as to have a voltage specified by the load.
二次電池の特性を測定する方法として、交流インピーダンス測定法が知られている。特開2009−97878号公報には、交流インピーダンス法によって取得した電池のコールコールプロットを、等価回路モデルを用いて解析する測定方法が開示されている。 An AC impedance measurement method is known as a method for measuring the characteristics of a secondary battery. Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-97878 discloses a measuring method for analyzing a call-call plot of a battery obtained by an AC impedance method using an equivalent circuit model.
特開2018−151194号公報には、組電池の充電状態(SOC:State of Charge)に対してインピーダンスが大きく変化しない領域では、電圧からSOCを推定し、SOCに対してインピーダンスが大きく変化する領域では、インピーダンスを用いてSOCを推定する装置が開示されている。 According to JP-A-2018-151194, in the region where the impedance does not change significantly with respect to the charge state (SOC: System of Charge) of the assembled battery, the SOC is estimated from the voltage and the impedance changes significantly with respect to the SOC. Discloses a device that estimates SOC using impedance.
組電池に含まれている複数の電池(セル)は同じ仕様にもとづき製造され、同じ条件で使用される。しかし、製造ばらつき、および、僅かな使用環境の相違によって、SOCが異なる電池が含まれていると、組電池の性能が加速度的に劣化するおそれがある。 A plurality of batteries (cells) included in an assembled battery are manufactured based on the same specifications and used under the same conditions. However, if batteries having different SOCs are included due to manufacturing variations and slight differences in the usage environment, the performance of the assembled battery may deteriorate at an accelerating rate.
1個の電池(セル)のSOCを評価することは比較的容易である。しかし、組電池に含まれる、それぞれの電池のSOCを評価するには、それぞれの電池に評価のための電線を接続する必要がある。また、組電池の仕様によっては、それぞれの電池に電線を接続できない構造のため、組み立て後は、それぞれの電池のSOCを評価できなかった。 It is relatively easy to evaluate the SOC of a single battery (cell). However, in order to evaluate the SOC of each battery included in the assembled battery, it is necessary to connect an electric wire for evaluation to each battery. In addition, depending on the specifications of the assembled batteries, the SOC of each battery could not be evaluated after assembly because the structure could not connect an electric wire to each battery.
このため、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定できる電池システムの開発が望まれていた。 Therefore, development of a battery state estimation method for easily estimating the SOC distribution of a plurality of batteries contained in the assembled battery and a battery system capable of easily estimating the SOC distribution of a plurality of batteries contained in the assembled battery. Was desired.
本発明の実施形態は、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定できる電池システムを提供することを目的とする。 In the embodiment of the present invention, a battery state estimation method for easily estimating the SOC distribution of a plurality of batteries contained in an assembled battery and an SOC distribution of a plurality of batteries contained in the assembled battery can be easily estimated. The purpose is to provide a battery system.
本発明の実施形態の電池状態推定方法は、複数の第1の電池が直列接続されている組電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性が測定される工程と、前記組電池の前記インピーダンス特性と、予め記憶されている前記第1の電池と同じ仕様の第2の電池のデータと、をもとに、前記複数の第1の電池の充電状態の分布が推定される工程と、を具備し、前記第2の電池の前記データは、前記第2の電池の複数の充電状態におけるインピーダンス特性が、前記所定の周波数において測定される第1の工程と、前記第2の電池の前記インピーダンス特性が、増加しはじめる充電状態であるSOC変化点、および、増加しはじめる前のインピーダンス底値、が算出される第2の工程と、前記インピーダンス底値含む前記第2の電池の前記データが記憶される第3の工程と、において取得され記憶されている。 In the battery state estimation method of the embodiment of the present invention, a step of measuring the impedance characteristic at a predetermined frequency of an assembled battery in which a plurality of first batteries are connected in series, the impedance characteristic of the assembled battery, and the prior. A step of estimating the distribution of the charged state of the plurality of first batteries based on the stored data of the second battery having the same specifications as that of the first battery is provided. The data of the second battery shows that the impedance characteristics of the second battery in a plurality of charged states are increased at the first step in which the impedance characteristics of the second battery are measured at a predetermined frequency, and the impedance characteristics of the second battery are increased. A second step of calculating the SOC change point in the charging state and the impedance bottom value before starting to increase, and a third step of storing the data of the second battery including the impedance bottom value. And, it is acquired and stored in.
別の実施形態の電池システムは、複数の第1の電池が直列接続された組電池と、前記第1の電池と同じ仕様の第2の電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性が充電状態の変化に応じて変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値を含む、前記第2の電池のデータが記憶されている記憶手段と、前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、前記組電池の前記インピーダンス特性と、前記メモリが記憶している前記第2の電池の前記データとから、前記組電池に含まれる前記複数の第1の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備する。 In the battery system of another embodiment, the impedance characteristic at a predetermined frequency of the assembled battery in which a plurality of first batteries are connected in series and the second battery having the same specifications as the first battery changes the charging state. A storage means for storing the data of the second battery including the impedance bottom value which is the impedance characteristic before it starts to change accordingly, and a measuring means for measuring the impedance characteristic at the predetermined frequency of the assembled battery. And the distribution of the charged state of the plurality of first batteries included in the assembled battery is estimated from the impedance characteristic of the assembled battery and the data of the second battery stored in the memory. It is provided with a calculation means.
本発明の実施形態によれば、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池のSOC分布を簡単に推定できる電池システムを提供できる。 According to the embodiment of the present invention, a battery state estimation method for easily estimating the SOC distribution of a plurality of batteries contained in an assembled battery, and a simple method for estimating the SOC distribution of a plurality of batteries included in the assembled battery. A battery system that can be estimated can be provided.
<電池システムの構成>
図1に示すように、実施形態の電池システム1は、複数の第1の電池10が直列接続されている組電池20と、CPU30と、電源40と、温度検出手段である温度センサ29Aと、を具備する。組電池20および電源40は図示しない負荷(モーター等)と接続されている。
<Battery system configuration>
As shown in FIG. 1, the
第1の電池10は、例えば、リチウムイオンを吸蔵/放出する正極と、電解質と、セパレータと、リチウムイオンを吸蔵/放出する負極と、からなる単位セルを有するリチウムイオン二次電池である。正極は例えばリチウムコバルト酸化物を含有している。負極は例えば炭素材料を含有している。セパレータは例えばポリオレフィンからなる。電解質は例えばLiPF6を環状および鎖状カーボネートに溶解した電解質である。第1の電池10は、多孔質等からなるセパレータの内部に電解質が充填された構造であってもよい。
The
図1では、4個の第1の電池10が直列接続されている組電池20を例示しているが、後述するように、組電池20が含む第1の電池10の数は特に制限がない。
FIG. 1 illustrates an assembled
電源40は、組電池20に測定信号を印加する。CPU30は、記憶手段であるメモリ31と、コントローラ32と、測定手段である測定回路33と、演算手段である演算回路34と、を含む。メモリ31は、電池システム1の制御データを記憶している。制御データは、後述する第2の電池(不図示)のデータを含んでいる。第2の電池と第1の電池10とは同じ仕様である。
The
制御手段であるコントローラ32は、電池システム1の全体を制御する。測定回路33は所定の温度の組電池20の所定の周波数におけるインピーダンス特性を測定する。演算回路34は組電池20に含まれている第1の電池10の充電状態(SOC)の分布を推定する。
The
なお、メモリ31と、コントローラ32と、測定回路33と、演算回路34と、は独立した回路でもよいし、これらは、プログラムにもとづきCPU30が行う機能でもよい。電池システム1が別体の他のシステムの一部として使用されている場合等において、他のシステムのCPUを、CPU30として用いてもよい。他のシステムは、複数の電池システム1が共通に用いるクラウドシステムでもよい。温度調整装置29、温度制御部32Aおよびセンサ29Aも、複数の組電池20の共通でもよい。例えば、複数の組電池20が所定の温度に調整された恒温槽に配置される。
The
後述するように、電池システム1のメモリ31に記憶されている第2の電池のデータは、測定周波数と温度とを含む測定条件、第2の電池のSOC変化点TSOC、および、コンスタントゾーンにおけるインピーダンス特性であるインピーダンス底値ZB、を含む(図3参照)。第2の電池のデータは、複数の電池システム1の共通データであり、それぞれの電池システム1を製造する前に取得される。第2の電池のデータを用いて、複数の組電池20のSOC分布が推定される。
As will be described later, the data of the second battery stored in the
それぞれの電池システム1は、第2の電池のデータを取得する機能を有している必要は無い。
Each
電池システム1では、測定回路33が測定したインピーダンス特性と、メモリ31が記憶している第2の電池のデータとから、組電池20の充電状態の分布を演算回路34が推定する。
In the
電池システム1は、第2の電池のデータを用いることによって、組電池20のSOC分布を簡単に推定できる、
The
なお、後述するように、メモリ31に記憶される第2の電池のデータには、SOC変化点TSOCが含まれていなくともよい。
As will be described later, the data of the second battery stored in the
<電池システム1の動作>
図2のフローチャートにそって、電池システム1による推定方法について説明する。
<Operation of
The estimation method by the
<ステップS10〜S30>第1の工程(第2の電池の測定工程)
ステップS10では、第1の電池10と同じ仕様の第2の電池(不図示)の所定の測定周波数、所定の温度におけるインピーダンス特性が、複数の充電状態(SOC)において測定される。
<Steps S10 to S30> First step (second battery measurement step)
In step S10, the impedance characteristics of the second battery (not shown) having the same specifications as the
測定周波数は、SOCに対してインピーダンス特性が大きく変化する周波数、例えば、100mHzである。測定周波数は、予め、複数のSOCの第2の電池のインピーダンス特性の周波数依存性にもとづき設定される。 The measurement frequency is a frequency at which the impedance characteristics change significantly with respect to the SOC, for example, 100 MHz. The measurement frequency is set in advance based on the frequency dependence of the impedance characteristics of the second batteries of the plurality of SOCs.
具体的には、異なるSOCの第2の電池のインピーダンス特性の周波数特性を、それぞれ測定し、SOCに対するインピーダンス特性の変化率の周波数依存性を算出し、最も大きい変化率(ΔZ/Δf ; Z:インピーダンス、f:周波数)の周波数を測定周波数とする。 Specifically, the frequency characteristics of the impedance characteristics of the second batteries having different SOCs are measured, the frequency dependence of the rate of change of the impedance characteristics with respect to the SOC is calculated, and the largest rate of change (ΔZ / Δf; Z: The frequency of impedance (f: frequency) is taken as the measurement frequency.
例えば、SOCを0%〜100%に変化させながら、振幅5mV、周波数100mHzの交流正弦波信号を、充電中または放電中の第2の電池に印加する。測定するSOCの数は、1%毎、すなわち0%〜100%を測定する場合には101個であることが好ましいが、5%毎、すなわち21個程度でもよい。推定するSOC範囲に応じて、測定するSOC範囲を限定してもよい。 For example, an AC sine wave signal having an amplitude of 5 mV and a frequency of 100 MHz is applied to a second battery being charged or discharged while changing the SOC from 0% to 100%. The number of SOCs to be measured is preferably 101 every 1%, that is, when measuring 0% to 100%, but may be every 5%, that is, about 21. The SOC range to be measured may be limited according to the estimated SOC range.
なお、第2の電池のSOCと電圧との関係が予め取得されている場合には、SOCに変えて電圧を用いてもよい。例えば、第2の電池を負荷に接続し、放電しながらインピーダンス特性を測定してもよい。もちろん、充電しながら、インピーダンス特性を測定してもよい。例えば、第2の電池の電圧は、SOC100%では、4.20Vであり、SOC0%では、3.00Vである。 If the relationship between the SOC and the voltage of the second battery has been acquired in advance, the voltage may be used instead of the SOC. For example, a second battery may be connected to the load and the impedance characteristics may be measured while discharging. Of course, the impedance characteristics may be measured while charging. For example, the voltage of the second battery is 4.20V at 100% SOC and 3.00V at 0% SOC.
温度は、電池が劣化しない温度範囲、例えば、−20℃以上60℃以下の任意の温度である。後述するように、温度によってSOC分布推定の基準値が変化する。本実施形態では温度は、0℃である。 The temperature is a temperature range in which the battery does not deteriorate, for example, an arbitrary temperature of −20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. As will be described later, the reference value for SOC distribution estimation changes depending on the temperature. In this embodiment, the temperature is 0 ° C.
インピーダンス特性としては、実数成分(レジスタンス)Z`、虚数成分(リアクタンス)−Z``、位相角θ、および絶対値|Z|のうち、少なくともいずれかである。本実施形態では、インピーダンス特性はリアクタンスである。 The impedance characteristic is at least one of a real number component (resistance) Z`, an imaginary number component (reactance) −Z`, a phase angle θ, and an absolute value | Z |. In this embodiment, the impedance characteristic is reactance.
図3に、第2の電池のリアクタンス(−Z``)とSOCとの関係の一例(温度0℃)を示す。SOCが45%以上80%以下の範囲(コンスタントゾーン)では、リアクタンスは、ほぼ一定である。一方、SOCが45%以下の範囲(変化ゾーン)では、リアクタンスは大きく増加している。SOCが80%以上の範囲(変化ゾーン)でも、リアクタンスは増加している。すなわち、リアクタンスとSOCとの関係は、SOC中央値(50%)近傍において、リアクタンスが、一定の最小値であるインピーダンス底値ZBとなる、いわゆるバスタブ型である。
FIG. 3 shows an example (
<ステップS40>第2の工程(TSOC、底値ZB取得)
インピーダンス底値ZBおよびSOC変化点TSOCが取得される。本実施形態では、SOC変化点は、SOCの変化に応じてインピーダンス特性が変化する、低SOC側(SOC≦50%)のSOCである。
<Step S40> Second step (TSOC, bottom price ZB acquisition)
The impedance bottom value ZB and the SOC change point TSOC are acquired. In the present embodiment, the SOC change point is the SOC on the low SOC side (SOC ≦ 50%) in which the impedance characteristic changes according to the change in SOC.
リアクタンスがSOCの変化に応じて変化しはじめる前、すなわちコンスタントゾーンのSOCがインピーダンス底値ZBである。インピーダンス底値ZBは、リアクタンスの最小値でもよいし、例えば、図3において、SOCが45%超80%未満の領域(コンスタントゾーン)の値を近似した直線のy切片から取得されてもよい。 Before the reactance begins to change in response to the change in SOC, that is, the SOC in the constant zone is the impedance bottom value ZB. The impedance bottom value ZB may be the minimum value of reactance, or may be obtained from a straight y-intercept that approximates the value of a region (constant zone) where SOC is more than 45% and less than 80% in FIG. 3, for example.
SOC変化点TSOCは、コンスタントゾーンと変化ゾーンとの境界のSOCである。SOC変化点(TSOC)の取得には、各種の方法を用いることができる。図3に示す例では、TSOCは、リアクタンスがインピーダンス底値ZBの105%となったSOCである37%である。 SOC change point TSOC is the SOC of the boundary between the constant zone and the change zone. Various methods can be used to obtain the SOC change point (TSOC). In the example shown in FIG. 3, the TSOC is 37%, which is the SOC whose reactance is 105% of the impedance bottom value ZB.
SOC変化点TSOCは、リアクタンスがインピーダンス底値ZBよりも、ΔZだけ大きいSOCであり、ΔZは例えばインピーダンス底値ZBの1%以上100%以下である。ΔZはリアクタンスの値で設定されてもよい。さらに、SOC変化点TSOCは、変化ゾーンを近似した直線と、コンスタントゾーンを近似した直線との交点から取得してもよい。 The SOC change point TSOC is an SOC whose reactance is larger than the impedance bottom value ZB by ΔZ, and ΔZ is, for example, 1% or more and 100% or less of the impedance bottom value ZB. ΔZ may be set by a reactance value. Further, the SOC change point TSOC may be obtained from the intersection of a straight line that approximates the change zone and a straight line that approximates the constant zone.
<ステップS50>第3の工程(記憶工程)
測定条件、および、SOC変化点TSOC、および、インピーダンス底値ZB、を含む第2の電池のデータが、電池システム1のメモリ31に記憶される。
<Step S50> Third step (memory step)
The data of the second battery including the measurement conditions, the SOC change point TSOC, and the impedance bottom value ZB are stored in the
複数の第2の電池に対してステップS10〜S40の処理が行われ、複数の第2の電池のデータが平均化されて、平均化されたデータが、それぞれの電池システム1において用いられても良い。
Even if the processes of steps S10 to S40 are performed on the plurality of second batteries, the data of the plurality of second batteries are averaged, and the averaged data is used in each
<ステップS60>組電池測定工程
組電池20に含まれる複数の第1の電池10のSOC分布を推定するために、コントローラ32の制御によって、電源40がメモリ31に記憶されている条件の測定信号を所定温度の組電池20に印加し、組電池20のリアクタンスが測定回路33によって測定される。電源40は、第2の電池のデータが測定されたときと同じ周波数の測定信号を、第2の電池のデータが測定されたときと略同じ温度の組電池20に印加する。
<Step S60> Battery Assembly Measurement Step A measurement signal under the condition that the
なお、第2の電池の測定値との整合のため、組電池20に印可される測定信号の振幅は、組電池20に含まれる第1の電池10の数に応じて設定される。例えば、組電池20が20個の第1の電池10を含む場合には、組電池20の測定信号の振幅は、第2の電池の測定信号の20倍とする。
The amplitude of the measurement signal applied to the assembled
電池のインピーダンス特性は温度の影響をうける。このため、電池システム1は、温度検出手段である温度センサ29Aが測定した温度が、例えば、第2の電池の温度±5℃、である場合に、充電状態の分布を推定する。なお、温度センサ29Aは、他のシステムとの共用センサであってもよい。
The impedance characteristics of a battery are affected by temperature. Therefore, the
<ステップS70>組電池20のSOC分布の推定工程
組電池20のリアクタンスと、メモリ31に記憶されている第2の電池のデータ(TSOC、ZB)と、から組電池20のSOC分布が演算回路34によって推定される。
<Step S70> Step of estimating the SOC distribution of the assembled
ここで、組電池20のリアクタンスは、直列接続されているk個(kは整数)の第1の電池10のリアクタンスの加算値となる。このため、図3に示した第2の電池のインピーダンス底値ZBに対して、図4に示す、k個の第1の電池10を含む組電池20のインピーダンス底値は、kZBとなる。
Here, the reactance of the assembled
そして、図4のA領域のように、組電池20のリアクタンスが、インピーダンス底値ZBの、ほぼk倍(kZB)であれば、組電池20には、SOCが推定基準値(TSOC)である37%以下の第1の電池10が含まれていないと推定される。これに対して、B領域のように、組電池20のリアクタンスが、インピーダンス底値ZBのk倍超であれば、組電池20には、SOCが推定基準値である37%以下の第1の電池10が含まれていると推定される。
Then, as shown in the region A of FIG. 4, if the reactance of the assembled
なお、組電池20に、ある推定基準値をもとにした場合に、他の第1の電池10とは、異なる第1の電池10が含まれていないことを推定するためには、メモリ31にはSOC変化点(TSOC)は記憶されていなくともよい。ただし、TSOCも記憶されているメモリ31を含む電池システム1では、推定基準値のSOCがTSOCであることが明確である。
In addition, in order to estimate that the assembled
組電池20が含む第1の電池10の数は、特に制限はないが、10個以上であれば所望の電圧が得られ、100個以下であればSOC分布の推定が容易である。
The number of the
以上の説明では、SOCが50%以下の場合、すなわち、SOC変化点の範囲が、60%以下の場合の推定方法であった。しかし、同じようにSOCが50%超のSOCを推定することもできる。高SOC範囲を推定するには、図5等に示したバスタブ型曲線の右側(高SOC範囲)のコンスタントゾーンと変化ゾーンとの境界をSOC変化点として用いる。低SOC範囲における第2の電池のデータと、高SOC範囲における第2の電池のデータとが、メモリ31に記憶されていてもよい。
In the above description, it is an estimation method when the SOC is 50% or less, that is, when the range of the SOC change point is 60% or less. However, it is also possible to estimate an SOC with an SOC of more than 50%. To estimate the high SOC range, the boundary between the constant zone and the change zone on the right side (high SOC range) of the bathtub-shaped curve shown in FIG. 5 and the like is used as the SOC change point. The data of the second battery in the low SOC range and the data of the second battery in the high SOC range may be stored in the
すでに説明したように、ステップS10〜ステップS50は、電池システム1の製造工程で行われる複数の電池システム1の共通工程である。さらに、ステップS60、S70が組電池20の工場等で行われる検査工程の場合には、CPU30および電源40等も、複数の組電池20の共通構成であり、検査後に良品と推定された組電池20が出荷される。
As described above, steps S10 to S50 are common steps of the plurality of
なお、第1の電池10は、リチウムイオン電池に限られるものではなく、例えばリチウムポリマー電池、または、リチウム硫黄電池でもよい。また、第1の電池10は、電解質が固体電解質である全固体電池でもよい。また、第1の電池10は、隣り合う電池(セル)が、正極と負極とが共通の集電体を有するバイポーラ電池でもよい。また、第1の電池10は、電解質が固体電解質であるバイポーラ全固体電池でもよい。
The
また、本実施形態では、インピーダンス特性は、リアクタンスであり、測定周波数は100mHzであった。しかし、インピーダンス特性の種類、測定周波数、および印加電圧等の測定条件は、電池の仕様によって適宜、選択可能である。 Further, in the present embodiment, the impedance characteristic is reactance, and the measurement frequency is 100 MHz. However, the measurement conditions such as the type of impedance characteristic, the measurement frequency, and the applied voltage can be appropriately selected depending on the specifications of the battery.
すでに説明したように、インピーダンス特性として、リアクタンスに替えて、SOCとの関係がバスタブ型である、レジスタンスZ`(図5)、インピーダンスの絶対値|Z|(図6)、または、位相角θ(不図示)を用いることもできる。ただし、インピーダンス特性に対するSOCの変化が最も顕著であるために、インピーダンス特性として、リアクタンスを使うことが好ましい。 As described above, as the impedance characteristic, instead of the reactance, the relationship with the SOC is a bathtub type, the resistance Z` (Fig. 5), the absolute value of the impedance | Z | (Fig. 6), or the phase angle θ. (Not shown) can also be used. However, since the change in SOC with respect to the impedance characteristic is the most remarkable, it is preferable to use reactance as the impedance characteristic.
なお、複数の周波数を用いることによって、単一周波数を用いた測定よりも、精度の高い測定が可能である。例えば、周波数50mHz、100mHz、150mHzにおいて、それぞれの工程を行い、それらの測定結果を組み合わせることで測定精度が向上する。 By using a plurality of frequencies, it is possible to measure with higher accuracy than the measurement using a single frequency. For example, the measurement accuracy is improved by performing each step at frequencies of 50 MHz, 100 MHz, and 150 MHz and combining the measurement results.
<実施形態の変形例>
実施形態の変形例の電池システム1A、1Bおよび変形例の電池状態推定方法は、実施形態の電池システム1および実施形態の電池状態推定方法と類似し同じ効果を有しているため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<Modified example of the embodiment>
The
<変形例1>
すでに説明したように、最適の測定周波数を決定するには、SOCが異なる複数の第2の電池のインピーダンス特性の周波数依存性を、それぞれ測定する必要があった。
<Modification example 1>
As described above, in order to determine the optimum measurement frequency, it is necessary to measure the frequency dependence of the impedance characteristics of the plurality of second batteries having different SOCs.
しかし、変形例1の電池システム1Aでは、1つの第2の電池のインピーダンス特性の周波数依存性を測定するだけ、最適の測定周波数を決定することもできる。
However, in the
本変形例の電池状態推定方法では、以下に説明するようにコールコールプロットの解析工程によって、測定周波数を決定する In the battery state estimation method of this modification, the measurement frequency is determined by the analysis step of the call call plot as described below.
<複素インピーダンス測定工程>
本変形例の推定方法では、測定周波数を決定するために、第1のSOCの第2の電池の複素インピーダンス(レジスタンスZ`およびリアクタンス−Z``)の周波数特性が測定される。
<Complex impedance measurement process>
In the estimation method of this modification, the frequency characteristics of the complex impedance (resistance Z` and reactance-Z`) of the second battery of the first SOC are measured in order to determine the measurement frequency.
ここで、第1のSOCは、SOC推定の基準としたい2つのSOCのうちの、リアクタンスが小さいSOCである。例えば、低SOC範囲の変化ゾーンのSOC推定を行う場合には、SOC20%が第1のSOCであり、SOC10%が第2のSOCである。 Here, the first SOC is the SOC having a small reactance out of the two SOCs that are desired to be used as the reference for SOC estimation. For example, when estimating the SOC of a change zone in a low SOC range, 20% of the SOC is the first SOC and 10% of the SOC is the second SOC.
第1のSOCと第2のSOCとの差は、5%以上20%以下であることが好ましい。前記範囲内であれば、推定精度が高い。 The difference between the first SOC and the second SOC is preferably 5% or more and 20% or less. If it is within the above range, the estimation accuracy is high.
複素インピーダンスの周波数特性の測定では、例えば、振幅5mVの交流正弦波信号が、周波数を高周波(1kHz)から低周波(10mHz)に変化しながら、第2の電池に印加される。 In the measurement of the frequency characteristic of the complex impedance, for example, an AC sinusoidal signal having an amplitude of 5 mV is applied to the second battery while changing the frequency from a high frequency (1 kHz) to a low frequency (10 MHz).
図7は、第2の電池の複素インピーダンスの周波数特性を示すコールコールプロットである。コールコールプロットは、横軸がインピーダンスの実数成分(レジスタンスZ`)であり縦軸がインピーダンスの虚数成分(リアクタンス−Z``)である。正極と負極とを有する二次電池のコールコールプロットは、負極反応に相当する高周波領域の半円と、正極反応に相当する低周波領域の半円と、拡散抵抗成分に相当する傾き45度の直線と、に分解できる。 FIG. 7 is a call call plot showing the frequency characteristics of the complex impedance of the second battery. In the call-call plot, the horizontal axis is the real component of impedance (resistance Z`) and the vertical axis is the imaginary component of impedance (reactance-Z`). The call-call plot of a secondary battery having a positive electrode and a negative electrode has a semicircle in the high frequency region corresponding to the negative electrode reaction, a semicircle in the low frequency region corresponding to the positive electrode reaction, and an inclination of 45 degrees corresponding to the diffusion resistance component. It can be decomposed into a straight line.
<第1の周波数の取得>
図8は、図7の部分拡大図である。図8に示すように、コールコールプロットにおいて拡散抵抗成分に相当する傾き45度の直線とリアクタンスがゼロの直線との交点、すなわち、拡散抵抗成分がゼロとなる点Oが算出される。そして、点OのレジスタンスZ`と同じレジスタンスZ`となるコールコールプロットの測定点Aの周波数が、第1の周波数f1として取得される。なお、測定点Aは拡散抵抗成分がゼロとなる最も低い周波数である。
<Acquisition of first frequency>
FIG. 8 is a partially enlarged view of FIG. 7. As shown in FIG. 8, in the call call plot, the intersection of a straight line having a slope of 45 degrees corresponding to the diffusion resistance component and a straight line having a reactance of zero, that is, a point O at which the diffusion resistance component becomes zero is calculated. Then, the frequency of the measurement point A of the call call plot having the same resistance Z ` as the resistance Z ` of the point O is acquired as the first frequency f1. The measurement point A is the lowest frequency at which the diffusion resistance component becomes zero.
図8に示す例では、点Oのインピーダンス実数成分Z`は、45mΩであり、同じレジスタンスZ`となる点Aの第1の周波数f1は、610mHzである。 In the example shown in FIG. 8, the impedance real component Z ` of the point O is 45 mΩ, and the first frequency f1 of the point A having the same resistance Z ` is 610 mHz.
<第2の周波数の取得>
コールコールプロットにおいて、拡散抵抗成分を含む領域において、リアクタンスが、第1の周波数f1と同じである周波数が、第2の周波数f2として取得される。拡散抵抗成分を含む領域は、言い替えれば、第1の周波数f1よりも低周波の領域である。
<Acquisition of second frequency>
In the Cole Cole plot, in the region including the diffusion resistance component, the frequency whose reactance is the same as the first frequency f1 is acquired as the second frequency f2. In other words, the region containing the diffusion resistance component is a region having a frequency lower than that of the first frequency f1.
図8に示す例では、点Aのリアクタンスは、6.8mΩであり、同じリアクタンスとなる点Bの第2の周波数f2は、40mHzである。 In the example shown in FIG. 8, the reactance of the point A is 6.8 mΩ, and the second frequency f2 of the point B having the same reactance is 40 mHz.
<測定周波数決定>
第1の周波数f1以下第2の周波数f2以上の範囲の周波数Fが決定される。例えば、コールコールプロットの第1の周波数f1の点と第2の周波数f2の点とを結ぶ直線の中点Cのリアクタンスとなる周波数が測定周波数Fとして決定される。図8に示したコールコールプロットでは、100mHzが測定周波数Fとして決定される。
<Measurement frequency determination>
The frequency F in the range of the first frequency f1 or less and the second frequency f2 or more is determined. For example, the frequency that is the reactance of the midpoint C of the straight line connecting the point of the first frequency f1 and the point of the second frequency f2 of the call call plot is determined as the measurement frequency F. In the call-call plot shown in FIG. 8, 100 MHz is determined as the measurement frequency F.
なお、図7から明らかなように、測定周波数Fの範囲f1−f2は、正極反応に相当する低周波領域の半円の範囲である。すなわち、本変形例では、二次電池の正極反応におけるリアクタンスの変化をもとにSOCが推定される。 As is clear from FIG. 7, the range f1-f2 of the measurement frequency F is a semicircular range of the low frequency region corresponding to the positive electrode reaction. That is, in this modification, the SOC is estimated based on the change in reactance in the positive electrode reaction of the secondary battery.
測定周波数Fが前記範囲であれば、リアクタンスの変化率が大きい。例えば、リアクタンスの変化率((Z10−Z20)/Z20)は、第1の周波数f1においては620%であり、第2の周波数f2においては、680%であり、100mHzにおいては1100%であった。 When the measurement frequency F is in the above range, the rate of change in reactance is large. For example, the rate of change of reactance ((Z10-Z20) / Z20) was 620% at the first frequency f1, 680% at the second frequency f2, and 1100% at 100 MHz. ..
なお、従来の方法では、SOC10%の電池およびSOC20%の電池のリアクタンスの周波数特性を、それぞれ測定し、さらに、SOCに対するリアクタンスの変化率の周波数依存性を取得し、変化率が最大値となる周波数が算出される。従来の方法では、周波数125mHzにおいて、変化率は最大値1150%となった。 In the conventional method, the frequency characteristics of the reactance of the battery with 10% SOC and the battery with 20% SOC are measured respectively, and the frequency dependence of the reactance change rate with respect to the SOC is acquired, and the change rate becomes the maximum value. The frequency is calculated. In the conventional method, the rate of change was a maximum value of 1150% at a frequency of 125 MHz.
本変形例では、SOCが20%の電池のリアクタンスの周波数特性を測定するだけで、従来の方法に匹敵するインピーダンス変化率が得られている。 In this modification, an impedance change rate comparable to that of the conventional method can be obtained only by measuring the frequency characteristic of the reactance of the battery having an SOC of 20%.
本変形例は、適切な測定周波数を含む第2の電池のデータを用いることによって、第1の電池10のSOCを精度良く容易に推定できる。
In this modification, the SOC of the
<変形例2>
実施形態の変形例2の電池システム1Bの構成を図9に示す。電池システム1Bおよび電池システム1Bによる電池状態推定方法は、電池システム1および電池システム1による電池状態推定方法と類似し同じ効果を有しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<
FIG. 9 shows the configuration of the battery system 1B of the second modification of the embodiment. Since the battery state estimation method by the battery system 1B and the battery system 1B has the same effect as the battery state estimation method by the
電池システム1Bは、温度制御手段である温度制御部32Aを含んでいる。温度制御部32Aは、温度センサ29Aを含む温度調整手段である温度調整装置29を用いて、組電池20の温度を制御する、センサ29Aは温度調整装置29と別体でもよい。
The battery system 1B includes a
電池のインピーダンス特性は温度の影響を受けるために、SOC変化点(TSOC)も、温度によって変化する。 Since the impedance characteristics of a battery are affected by temperature, the SOC change point (TSOC) also changes with temperature.
電池システム1Bは、組電池20に含まれる複数の第1の電池のSOC分布を、所望のSOCを推定基準値として推定できる。
The battery system 1B can estimate the SOC distribution of the plurality of first batteries included in the assembled
<電池システム1Bの動作>
図10のフローチャートにそって、電池システム1Bによる電池状態推定方法について説明する。
<Operation of battery system 1B>
A method of estimating the battery state by the battery system 1B will be described with reference to the flowchart of FIG.
<ステップS110〜S130>第1の工程(第2の電池の測定)
ステップS110では、第1の電池10と同じ仕様の第2の電池(不図示)の複数の第1の温度におけるインピーダンス特性が、複数の充電状態(SOC)において、それぞれ測定される。
<Steps S110 to S130> First step (measurement of the second battery)
In step S110, the impedance characteristics of the second battery (not shown) having the same specifications as the
例えば、第2の電池のインピーダンス特性が、SOCを所定範囲、例えば、0%〜100%に変化させながら、複数の第1の温度のひとつである45℃において測定される。所定温度に第2の電池を維持するためには、例えば、恒温槽を用いる。 For example, the impedance characteristics of the second battery are measured at 45 ° C., which is one of a plurality of first temperatures, changing the SOC to a predetermined range, for example, 0% to 100%. In order to maintain the second battery at a predetermined temperature, for example, a constant temperature bath is used.
ステップS120では、予め設定されている複数の第1の温度における測定が全て終了している場合(Yes)には、ステップS130に移行する。測定が終了していない場合(No)には、ステップS30において、第1の温度が、例えば25℃に変更される。 In step S120, when all the measurements at the plurality of preset first temperatures have been completed (Yes), the process proceeds to step S130. If the measurement is not completed (No), the first temperature is changed to, for example, 25 ° C. in step S30.
第1の温度の数は、最低2つであるが、より広いSOC範囲をカバーするためには、3つ以上が好ましく、4つ以上が特に好ましい。 The number of first temperatures is at least two, but to cover a wider SOC range, three or more are preferred, and four or more are particularly preferred.
<ステップS140>第2の工程(TSOC、ZB取得)
図11、図12に示す、インピーダンス底値ZBおよびSOC変化点(TSOC)と、温度(第1の温度)との関係が取得される。
<Step S140> Second step (TSOC, ZB acquisition)
The relationship between the impedance bottom value ZB and the SOC change point (TSOC) shown in FIGS. 11 and 12 and the temperature (first temperature) is acquired.
<ステップS150>第3の工程(第2の電池のデータ記憶)
ZBおよびTSOCと温度との関係を含む第2の電池のデータが、メモリ31に記憶される。これらの関係、図11、12のグラフをもとにした、近似式として記憶されてもよいし、表として記憶されてもよい。
<Step S150> Third step (data storage of the second battery)
The data of the second battery including the relationship between ZB and TSOC and the temperature is stored in the
<ステップS160>温度設定
本実施形態では、SOC分布を推定する基準となる推定基準値に応じて温度が設定される。例えば、SOC10%未満の第1の電池10が含まれているかどうかを推定する場合には、図12に示したTSOCと温度との関係を用いて、温度は、42℃に設定される。同様にSOC30%を基準SOCとする場合には、温度は10℃に設定される。
<Step S160> Temperature setting In the present embodiment, the temperature is set according to the estimation reference value that is the reference for estimating the SOC distribution. For example, when estimating whether or not the
そして、温度制御部32Aが、センサ29Aが検出する組電池20の温度が、所定の温度となるように温度調整装置29を制御する。言い替えれば、組電池20の温度が、温度調整装置29が温度制御部32Aによって制御される。温度調整装置29は、例えば、ヒーターおよびペルチェ素子を有する。なお、複数の組電池20のSOC推定を行う場合には、複数の組電池20を所定温度の1つの恒温槽または恒温室に配置してもよい。
Then, the
<ステップS170>組電池の測定
組電池20に含まれる複数の第1の電池10のSOC分布を推定するために、組電池20のリアクタンスが測定される。
<Step S170> Measurement of the assembled battery The reactance of the assembled
<ステップS180>組電池20のSOC分布の推定
すでに説明したように、例えば、温度が42℃の組電池20のリアクタンスが、図11に示したZBと温度との関係を用いて取得される。インピーダンス底値ZBのk倍以下であれば、組電池20には、SOCがTSOCである10%以下の第1の電池10が含まれていないと推定される。これに対して、組電池20のリアクタンスが、インピーダンス底値ZBのk倍超であれば、組電池20には、SOCが10%以下の第1の電池10が含まれていると推定される。
<Step S180> Estimating the SOC Distribution of the Assembled
変形例2の電池システム1Bおよび電池状態推定方法によれば、所望のSOCを基準とする充電状態の分布を推定できる。 According to the battery system 1B and the battery state estimation method of the second modification, the distribution of the charging state based on the desired SOC can be estimated.
なお、温度制御機能を有していない電池システムであっても、第2の電池のデータが、複数の温度におけるデータを含んでいてもよい。組電池20のSOC分布を推定するときに、温度センサ29Aが検出した温度に最も近い温度において測定された第2の電池のデータを、組電池20の推定に用いることができる。
Even in a battery system that does not have a temperature control function, the data of the second battery may include data at a plurality of temperatures. When estimating the SOC distribution of the assembled
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and the like. The present invention allows various modifications and modifications, for example, combinations of components of the embodiments, without changing the gist of the present invention.
1、1A、1B…電池システム
10…第1の電池
20…組電池
31…メモリ
32…コントローラ
33…測定回路
34…演算回路
40…電源
1, 1A, 1B ...
Claims (14)
前記組電池の前記インピーダンス特性と、予め記憶されている前記第1の電池と同じ仕様の第2の電池のデータと、をもとに、前記複数の第1の電池の充電状態の分布が推定される工程と、を具備し、
前記第2の電池の前記データは、
前記第2の電池の複数の充電状態における前記インピーダンス特性が、前記所定の周波数において測定される第1の工程と、
前記第2の電池の前記インピーダンス特性が、増加しはじめる充電状態であるSOC変化点、および、増加しはじめる前のインピーダンス底値、が算出される第2の工程と、
前記インピーダンス底値含む前記第2の電池の前記データが記憶される第3の工程と、において取得され記憶されていることを特徴とする電池状態推定方法。 The process of measuring the impedance characteristics at a predetermined frequency of an assembled battery in which a plurality of first batteries are connected in series, and
The distribution of the charged state of the plurality of first batteries is estimated based on the impedance characteristics of the assembled battery and the data of the second battery having the same specifications as the first battery stored in advance. With the process to be done,
The data of the second battery is
In the first step, in which the impedance characteristics of the second battery in a plurality of charged states are measured at the predetermined frequency,
A second step in which the SOC change point, which is a charged state in which the impedance characteristic of the second battery begins to increase, and the impedance bottom value before the impedance characteristic begins to increase are calculated.
A battery state estimation method, characterized in that the data of the second battery including the impedance bottom value is acquired and stored in the third step of storing the data.
前記第1の周波数は、所定の充電状態の前記第2の電池の複素インピーダンスの周波数特性であるコールコールプロットにおいて拡散抵抗成分がゼロの領域における最も低い周波数であり、
前記第2の周波数は、前記コールコールプロットにおいて前記拡散抵抗成分を含む領域における、リアクタンスが前記第1の周波数と同じ周波数であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池状態推定方法。 The predetermined frequency is equal to or lower than the first frequency and higher than or lower than the second frequency.
The first frequency is the lowest frequency in the region where the diffusion resistance component is zero in the call call plot, which is the frequency characteristic of the complex impedance of the second battery in a predetermined charged state.
The second frequency is any one of claims 1 to 3, wherein the reactance is the same frequency as the first frequency in the region including the diffusion resistance component in the call call plot. The battery state estimation method described in 1.
前記第1の電池と同じ仕様の第2の電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性が充電状態の変化に応じて変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値を含む、前記第2の電池のデータが記憶されている記憶手段と、
前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、
前記組電池の前記インピーダンス特性と、前記記憶手段が記憶している前記第2の電池の前記データとから、前記組電池に含まれる前記複数の第1の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備することを特徴とする電池システム。 An assembled battery in which a plurality of first batteries are connected in series,
Data of the second battery including the impedance bottom value which is the impedance characteristic before the impedance characteristic at a predetermined frequency of the second battery having the same specifications as the first battery begins to change in response to a change in the charging state. And the storage means in which
A measuring means for measuring the impedance characteristic of the assembled battery at the predetermined frequency, and
An calculation for estimating the distribution of the charged state of the plurality of first batteries included in the assembled battery from the impedance characteristics of the assembled battery and the data of the second battery stored by the storage means. A battery system comprising: means.
前記第1の周波数は、所定の充電状態の前記第2の電池の複素インピーダンスの周波数特性であるコールコールプロットにおいて拡散抵抗成分がゼロの領域における最も低い周波数であり、
前記第2の周波数は、前記コールコールプロットにおいて前記拡散抵抗成分を含む領域における、リアクタンスが前記第1の周波数と同じ周波数であることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の電池システム。 The predetermined frequency is equal to or lower than the first frequency and higher than or lower than the second frequency.
The first frequency is the lowest frequency in the region where the diffusion resistance component is zero in the call call plot, which is the frequency characteristic of the complex impedance of the second battery in a predetermined charged state.
The second frequency is any one of claims 8 to 10, wherein the reactance is the same frequency as the first frequency in the region including the diffusion resistance component in the call call plot. The battery system described in.
前記温度調整手段を制御する温度制御手段と、を更に具備することを特徴とする請求項13に記載の電池システム。 A temperature adjusting means for adjusting the temperature of the assembled battery and
The battery system according to claim 13, further comprising a temperature control means for controlling the temperature adjusting means.
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