JP2021058017A - Estimation device, estimation method, and computer program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電素子の劣化を推定する推定装置、推定方法、及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to an estimation device, an estimation method, and a computer program for estimating deterioration of a power storage element.
電気エネルギーを蓄積し、必要な時に動力源としてエネルギーを供給できる蓄電素子が利用されている。蓄電素子は、携帯機器、電源装置、自動車や鉄道を含む輸送機器、航空・宇宙・建設用を含む産業用機器等に適用されている。
リチウムイオン二次電池等の蓄電素子(以下、電池という)は、充放電が繰り返されることで徐々に劣化する。この劣化の一つに、電池内部でのガスの発生による内圧の上昇、活物質の体積変化、セパレータの形状変化等に基づく、エレメントを収容したケースの厚みの増加がある。
A power storage element that can store electrical energy and supply energy as a power source when needed is used. The power storage element is applied to portable equipment, power supply equipment, transportation equipment including automobiles and railways, industrial equipment including aerospace and construction equipment, and the like.
A power storage element (hereinafter referred to as a battery) such as a lithium ion secondary battery gradually deteriorates due to repeated charging and discharging. One of the deteriorations is an increase in the thickness of the case containing the element due to an increase in the internal pressure due to the generation of gas inside the battery, a change in the volume of the active material, a change in the shape of the separator, and the like.
電池の使用可否、使用方法を決定する上で、電池のSOH(State of Health:容量維持率、抵抗値等)を容易に、かつ正確に推定することは重要な課題である。
電池のSOHを推定する技術は多く開発されている。過去の使用履歴データに基づいて、高精度であるが推定に長時間を要し、高コストである方法、簡易ではあるが推定の精度が低い方法等が用いられており、課題を有する。
Easily and accurately estimating the SOH (State of Health: capacity retention rate, resistance value, etc.) of a battery is an important issue in determining whether or not a battery can be used and how to use it.
Many techniques for estimating the SOH of a battery have been developed. Based on the past usage history data, a method having high accuracy but requiring a long time for estimation, a high cost method, a simple method having low estimation accuracy, and the like are used, which has a problem.
特許文献1の劣化診断方法は、二次電池の充放電時の厚みWを測定し、厚みWと電圧V(又は電荷量Q)との関係として表される厚み特性を取得し、厚みWが増加し始める電圧(又は電荷量)である電圧VW (又はQW)を特徴量として算出する。そして、電圧VW (又はQW )の劣化特性と比較して二次電池の容量劣化を診断する。
In the deterioration diagnosis method of
特許文献1の劣化診断方法では、電池の使用を停止して電池の厚みWを求めており、電池の使用中に常時、劣化を推定できないという問題がある。そして、SOC(State Of Charge)の変動パターンが複雑である場合を含め、劣化の推定の精度の向上が望まれている。
In the deterioration diagnosis method of
本発明の目的は、蓄電素子の劣化を精度良く推定することが可能な推定装置、推定方法、及びコンピュータプログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an estimation device, an estimation method, and a computer program capable of accurately estimating deterioration of a power storage element.
本発明の一態様に係る推定装置は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得する第1取得部と、蓄電素子の形状変化を取得する第2取得部と、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定する特定部と、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。 The estimation device according to one aspect of the present invention includes a first acquisition unit that acquires SOC time-series data in the power storage element, a second acquisition unit that acquires the shape change of the power storage element, and the time-series data in a predetermined period. A specific unit that specifies a representative value of SOC and an amount of SOC fluctuation, and an estimation unit that estimates deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the amount of SOC fluctuation, and the acquired shape change. To be equipped.
本発明の一態様に係る推定方法は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、蓄電素子の形状変化を取得し、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する。 In the estimation method according to one aspect of the present invention, the SOC time series data of the power storage element is acquired, the shape change of the power storage element is acquired, the representative value of the SOC in the predetermined period of the time series data, and the SOC fluctuation amount. Is specified, and the deterioration of the power storage element is estimated based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、蓄電素子の形状変化を取得し、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。 A computer program according to one aspect of the present invention acquires SOC time-series data in a power storage element, acquires a shape change of the power storage element, and includes a representative value of SOC in a predetermined period of the time-series data and an SOC fluctuation amount. Is specified, and the computer is made to execute a process of estimating the deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
本発明においては、蓄電素子の劣化を精度良く推定することができる。 In the present invention, the deterioration of the power storage element can be estimated with high accuracy.
(実施形態の概要)
実施形態に係る推定装置は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得する第1取得部と、蓄電素子の形状変化を取得する第2取得部と、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定する特定部と、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。
(Outline of Embodiment)
The estimation device according to the embodiment includes a first acquisition unit that acquires SOC time-series data in the power storage element, a second acquisition unit that acquires the shape change of the power storage element, and a representative of SOC in a predetermined period of the time-series data. It includes a specific unit that specifies a value and an SOC fluctuation amount, and an estimation unit that estimates deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
ここで、SOCの代表値とは、時系列データの所定期間におけるSOCの平均値、中心値、最頻値、最小値、又は最大値等をいう。
ここで、形状変化とは、電極体若しくはエレメントの膨れ等の変位量、電極体若しくはエレメントを収容するケース(密閉型、開放型のいずれでもよい)の変位量、外側に広がる力(反力)の変化、若しくは蓄電素子の少なくとも一面に印加されている圧力の変化、又はこれらの組み合わせをいう。
収容するケースとは、例えば角型ケースや円筒形ケース、パウチラミネートフィルム等が挙げられる。
蓄電素子が完全に拘束されている状態、フリーな状態、及びその中間の状態のいずれであっても、形状変化を取得して、蓄電素子の劣化を推定することができる。
SOC変動量とは、SOCの変動量の積算値(合計SOC)をいい、サイクル数に対応する。
Here, the representative value of SOC means an average value, a center value, a mode value, a minimum value, a maximum value, or the like of SOC in a predetermined period of time series data.
Here, the shape change is the amount of displacement such as swelling of the electrode body or element, the amount of displacement of the case (either closed type or open type) accommodating the electrode body or element, and the force spreading outward (reaction force). Or a change in the pressure applied to at least one surface of the power storage element, or a combination thereof.
Examples of the case for accommodating include a square case, a cylindrical case, a pouch laminated film, and the like.
Deterioration of the power storage element can be estimated by acquiring the shape change regardless of whether the power storage element is completely restrained, free, or in the intermediate state.
The SOC fluctuation amount means the integrated value (total SOC) of the SOC fluctuation amount, and corresponds to the number of cycles.
蓄電素子の形状変化は、蓄電素子の容量変化と強い相関関係を有する。本発明者等は、蓄電素子の使用停止時に、代表SOCに応じて、厚み増加量に対するSOHの変化量が異なることを見出した。また、蓄電素子の使用時に、SOCの変動量が同一である場合、代表SOCに応じて、SOHの変化量が異なることを見出した。代表SOCが同一である場合、SOC変動量に応じてSOHの変化量が異なることを見出した。即ち蓄電素子の劣化を推定するに際し、SOCの時系列データの特徴値であるSOCの代表値及びSOC変動量を考慮する必要があることを見出した。 The change in the shape of the power storage element has a strong correlation with the change in the capacity of the power storage element. The present inventors have found that when the use of the power storage element is stopped, the amount of change in SOH with respect to the amount of thickness increase differs depending on the representative SOC. It was also found that when the amount of change in SOC is the same when the power storage element is used, the amount of change in SOH differs depending on the representative SOC. It was found that when the representative SOCs are the same, the amount of change in SOH differs depending on the amount of SOC fluctuation. That is, it has been found that when estimating the deterioration of the power storage element, it is necessary to consider the representative value of SOC and the amount of SOC fluctuation, which are the characteristic values of the SOC time series data.
上記構成によれば、SOCの時系列データの特徴値である前記代表値及び前記SOC変動量、並びに取得した蓄電素子の形状変化に基づいて、蓄電素子の劣化を推定する。SOCの変動パターンが複雑である場合を含め、容易に、精度良く、蓄電素子の使用中に、任意の時点の劣化を推定できる。 According to the above configuration, deterioration of the power storage element is estimated based on the representative value and the SOC fluctuation amount, which are characteristic values of the SOC time series data, and the acquired shape change of the power storage element. Deterioration at any time point can be easily and accurately estimated during use of the power storage element, including when the SOC fluctuation pattern is complicated.
推定に必要な情報は特徴値及び蓄電素子の形状変化であり、充放電装置等の大型の測定装置を用いる必要がなく、手数とコストとを抑制できる。蓄電素子の負荷パターンが予め概ね決まっている場合には、予め想定される中心SOCやSOC変動量、平均温度が分かっているため、運転時の形状変化の情報のみでSOHの推定が可能である。最も使用頻度が高い負荷パターンにおける中心SOCやSOC変動量、平均温度の情報と形状変化の情報とによりSOHの推定が可能である。
蓄電素子の形状変化により劣化を推定できるので、厚み又は内圧等を検出するセンサを設置するのみで、蓄電素子の劣化を常時監視することができ、推定の計算を簡素化でき、BMU(Battery Management Unit)を簡素化できる。
The information required for estimation is the feature value and the shape change of the power storage element, and it is not necessary to use a large measuring device such as a charging / discharging device, and the labor and cost can be suppressed. When the load pattern of the power storage element is roughly determined in advance, the estimated central SOC, SOC fluctuation amount, and average temperature are known in advance, so that the SOH can be estimated only from the information on the shape change during operation. .. The SOH can be estimated from the information on the central SOC, the amount of SOC fluctuation, the average temperature, and the information on the shape change in the most frequently used load pattern.
Since deterioration can be estimated by changing the shape of the power storage element, deterioration of the power storage element can be constantly monitored simply by installing a sensor that detects the thickness or internal pressure, and the calculation of estimation can be simplified. BMU (Battery Management) Unit) can be simplified.
上述の推定装置において、前記推定部は、代表値、SOC変動量、及び係数の関係を参照し、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量に基づいて、係数を特定し、特定した係数と、取得した前記形状変化とに基づいて、前記劣化を推定する。 In the above-mentioned estimation device, the estimation unit refers to the relationship between the representative value, the SOC fluctuation amount, and the coefficient, specifies the coefficient based on the specified representative value, and the SOC fluctuation amount, and sets the specified coefficient. , The deterioration is estimated based on the acquired shape change.
上記構成によれば、代表値、SOC変動量、及び係数の関係を参照し、特定した代表値及び代表値に基づき係数を特定して、劣化を推定するので、推定の精度が良好である。 According to the above configuration, the deterioration is estimated by referring to the relationship between the representative value, the SOC fluctuation amount, and the coefficient, and specifying the coefficient based on the specified representative value and the representative value, so that the estimation accuracy is good.
上述の推定装置において、前記SOC領域における前記蓄電素子の温度を取得する第3取得部を備え、前記特定部は、取得した温度に基づいて温度代表値を特定し、前記推定部は、特定した前記温度代表値に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する。 In the above-mentioned estimation device, a third acquisition unit for acquiring the temperature of the power storage element in the SOC region is provided, the specific unit specifies a temperature representative value based on the acquired temperature, and the estimation unit specifies. Deterioration of the power storage element is estimated based on the temperature representative value.
温度代表値としては、変動幅の区間の平均値、最頻値、中央値等が挙げられる。
代表SOC及びSOC変動量が同一である場合、温度に応じてSOHの変化量が異なる。
上記構成によれば、蓄電素子の平均温度等の温度代表値が一定していない場合等に、取得した温度に基づいて平均温度を特定し、平均温度に基づいて精度良く蓄電素子の劣化を推定できる。
Examples of the temperature representative value include the average value, the mode value, the median value, etc. of the fluctuation range interval.
When the representative SOC and the SOC fluctuation amount are the same, the SOH change amount differs depending on the temperature.
According to the above configuration, when the temperature representative value such as the average temperature of the power storage element is not constant, the average temperature is specified based on the acquired temperature, and the deterioration of the power storage element is estimated accurately based on the average temperature. it can.
実施形態に係る推定方法は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、蓄電素子の形状変化を取得し、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する。 In the estimation method according to the embodiment, the SOC time series data of the power storage element is acquired, the shape change of the power storage element is acquired, and the representative value of the SOC in the predetermined period of the time series data and the SOC fluctuation amount are specified. , The deterioration of the power storage element is estimated based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
上記構成によれば、SOCの時系列データの特徴値である代表値及びSOC変動量、並びに取得した蓄電素子の形状変化に基づいて、蓄電素子の劣化を推定する。SOCの変動パターンが複雑である場合を含め、容易に、精度良く、蓄電素子の使用中に、任意の時点の劣化を推定できる。 According to the above configuration, the deterioration of the power storage element is estimated based on the representative value and the SOC fluctuation amount which are the feature values of the SOC time series data, and the acquired shape change of the power storage element. Deterioration at any time point can be easily and accurately estimated during use of the power storage element, including when the SOC fluctuation pattern is complicated.
実施形態に係るコンピュータプログラムは、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、蓄電素子の形状変化を取得し、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。 The computer program according to the embodiment acquires SOC time-series data in the power storage element, acquires a shape change of the power storage element, and specifies a representative value of SOC in a predetermined period of the time-series data and an SOC fluctuation amount. , The computer is made to execute a process of estimating the deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
上記構成によれば、SOCの時系列データの特徴値である代表値及びSOC変動量、並びに取得した蓄電素子の形状変化に基づいて、蓄電素子の劣化を推定する。SOCの変動パターンが複雑である場合を含め、容易に、精度良く、蓄電素子の使用中に、任意の時点の劣化を推定できる。 According to the above configuration, the deterioration of the power storage element is estimated based on the representative value and the SOC fluctuation amount which are the feature values of the SOC time series data, and the acquired shape change of the power storage element. Deterioration at any time point can be easily and accurately estimated during use of the power storage element, including when the SOC fluctuation pattern is complicated.
以下、具体的に蓄電素子の劣化の推定方法について説明する。
図1は、平均SOC及び電池(電池モジュール)の温度を変えて電池を放置した場合の厚み増加量と容量低下率との関係を示すグラフである。横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。平均SOCが夫々25%、50%、100%である場合につき、電池の温度が25℃、35℃、45℃であるときの、厚み増加量と容量低下率の関係を実測により求めた結果を示す。平均SOCが100%である場合については、温度が5℃、15℃であるときの、厚み増加量と容量低下率の関係も求めた。
Hereinafter, a method for estimating deterioration of the power storage element will be specifically described.
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the amount of increase in thickness and the rate of decrease in capacity when the battery is left unattended with the average SOC and the temperature of the battery (battery module) changed. The horizontal axis is the thickness increase amount (%), and the vertical axis is the capacity decrease rate (%). When the average SOC is 25%, 50%, and 100%, respectively, the results of actual measurement of the relationship between the thickness increase and the capacity decrease rate when the battery temperature is 25 ° C, 35 ° C, and 45 ° C are obtained. Shown. When the average SOC was 100%, the relationship between the thickness increase amount and the capacity decrease rate when the temperatures were 5 ° C. and 15 ° C. was also determined.
図1より、各実測点の近似曲線の傾きは、平均SOCにより異なり、同一の平均SOCにおいても温度により近似曲線の傾きが異なることが分かる。 From FIG. 1, it can be seen that the slope of the approximate curve of each measured point differs depending on the average SOC, and the slope of the approximate curve differs depending on the temperature even in the same average SOC.
図2は、平均SOC及び温度を変えて充放電のサイクル試験を行った場合の厚み増加量と容量低下率との関係を示すグラフである。横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。電池の温度が45℃である状態で、SOCが0−25%、50−75%、75−100%の範囲でサイクル試験を行った結果を示す。即ち単位時間当たりのSOC変動量は同一である。温度が20℃である状態で、SOCが75−100%の範囲でサイクル試験を行った結果も併せて示す FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of increase in thickness and the rate of decrease in capacity when a charge / discharge cycle test is performed at different average SOCs and temperatures. The horizontal axis is the thickness increase amount (%), and the vertical axis is the capacity decrease rate (%). The results of the cycle test in the range of 0-25%, 50-75%, and 75-100% SOC with the battery temperature of 45 ° C. are shown. That is, the amount of SOC fluctuation per unit time is the same. The results of a cycle test with an SOC in the range of 75-100% at a temperature of 20 ° C. are also shown.
図2より、SOC変動量が同一である場合、平均SOCによって近似曲線の傾きが異なることが分かる。平均SOC及びSOC変動量が同一である場合、環境温度が45℃のときより20℃の時の方が、近似曲線の傾きが大きい。 From FIG. 2, it can be seen that when the SOC fluctuation amount is the same, the slope of the approximate curve differs depending on the average SOC. When the average SOC and the amount of SOC fluctuation are the same, the slope of the approximate curve is larger when the environmental temperature is 20 ° C than when the environmental temperature is 45 ° C.
図3は、SOC変動量を変えて充放電のサイクル試験を行った場合の厚み増加量と容量低下率との関係を示すグラフである。横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。電池の温度が45℃である状態で、SOCが55−65%、20−100%の範囲でサイクル試験を行った結果を示す。
図3より、平均SOCが同一である場合、SOC変動量によって近似曲線の傾きが異なることが分かる。図3の場合、SOC変動量が小さい方が、近似曲線の傾きが大きい。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness increase amount and the capacity decrease rate when the charge / discharge cycle test is performed by changing the SOC fluctuation amount. The horizontal axis is the thickness increase amount (%), and the vertical axis is the capacity decrease rate (%). The result of the cycle test in the range of SOC of 55-65% and 20-100% with the battery temperature of 45 ° C. is shown.
From FIG. 3, it can be seen that when the average SOC is the same, the slope of the approximate curve differs depending on the amount of SOC fluctuation. In the case of FIG. 3, the smaller the SOC fluctuation amount, the larger the slope of the approximate curve.
以上のように、厚み増加量に対し容量変化をプロットした場合、平均SOC等の代表SOC、SOC変動量、温度によって傾きが変わる。本発明者等は代表SOC、SOC変動量、温度を取得して傾きを特定し、蓄電素子の形状変化を取得することにより、容易に、形状変化の関数により、良好にSOHを推定できることを見出し、本発明を完成した。 As described above, when the capacitance change is plotted against the thickness increase amount, the slope changes depending on the representative SOC such as the average SOC, the SOC fluctuation amount, and the temperature. The present inventors have found that by acquiring the representative SOC, SOC fluctuation amount, and temperature, specifying the inclination, and acquiring the shape change of the power storage element, the SOH can be easily estimated satisfactorily by the function of the shape change. , The present invention has been completed.
本実施形態に係る推定方法は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、蓄電素子の形状変化を取得する。時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、単位時間当たりのSOC変動量とを特定し、特定した代表値及びSOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、記蓄電素子の劣化を推定する。 The estimation method according to the present embodiment acquires SOC time-series data in the power storage element and acquires a shape change of the power storage element. The representative value of SOC in a predetermined period of time series data and the amount of SOC fluctuation per unit time are specified, and the deterioration of the power storage element is determined based on the specified representative value and the amount of SOC fluctuation and the acquired shape change. presume.
(実施形態1)
以下、蓄電素子がリチウムイオン二次電池である場合を説明する。
図4は、実施形態1に係る充放電システム1及びサーバ9の構成を示すブロック図である。
充放電システム1は、電池モジュール3と、BMU4と、電圧センサ5と、電流センサ6と、制御装置7と、温度センサ8と、厚みセンサ11と、圧力センサ15とを備える。充放電システム1は、厚みセンサ11及び圧力センサ15のいずれか一方を備えてもよい。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a case where the power storage element is a lithium ion secondary battery will be described.
FIG. 4 is a block diagram showing the configurations of the charge /
The charge /
電池モジュール3は、複数の蓄電素子としてのリチウムイオン二次電池(以下、セルという)2が直列に接続されている。制御装置7は、充放電システム1全体を制御する。
サーバ9は、制御部91、及び通信部92を備える。
制御装置7は、制御部71、表示部72、及び通信部73を備える。
制御装置7の制御部71は、通信部73、ネットワーク10、及び通信部92を介し、制御部91と接続されている。
負荷14は、端子12,13を介し電池モジュール3に接続されている。充電する場合は電池モジュール3に充電器が接続される。
In the
The server 9 includes a
The control device 7 includes a
The
The load 14 is connected to the
制御部71、91は、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等により構成され、制御装置7、及びサーバ9の動作を夫々制御する。
通信部73、92は、ネットワーク10を介して他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
制御装置7の表示部72は、液晶パネル又は有機EL(Electro Luminescence)表示パネル等で構成することができる。制御部71は、表示部72に所要の情報を表示するための制御を行う。
The
The
The
本実施形態においては、BMU4、制御装置7、及びサーバ9のいずれかが、本発明の推定装置として機能する。なお、サーバ9が推定装置として機能しない場合、充放電システム1がサーバ9に接続されていなくてもよい。
図4においては、電池モジュール3を一組備える場合を示しているが、電池モジュール3は、複数組、直列に接続してもよい。
BMU4は、電池ECUであってもよい。
In the present embodiment, any one of the
Although FIG. 4 shows a case where one set of
The
電圧センサ5は、電池モジュール3に並列に接続されており、電池モジュール3の全体の電圧に応じた検出結果を出力する。電圧センサ5は、各セル2の後述する正極の端子23,負極の端子26に接続されており、各セル2の端子23,26間の電圧V1 を測定し、各セル2のV1 の合計値である電池モジュール3の後述する負極のリード33,正極のリード34間の電圧Vを検出する。
電流センサ6は、電池モジュール3に直列に接続されており、電池モジュール3の電流に応じた検出結果を出力する。
温度センサ8は、電池モジュール3の付近に設けられており、電池モジュール3の温度に応じた検出結果を出力する。
The
The
The
厚みセンサ11は、X線CT装置、レーザ変位センサ、又は歪みセンサ(歪みゲージ)サ等からなる。厚みセンサ11は電池モジュール3のセル2の並設方向の厚みを測定する。
圧力センサ15は、電池モジュール3を並設方向に圧迫する状態で挟み込む一対のエンドプレート(不図示)の圧迫力を測定する。セル2の内圧が劣化により増大した場合、エンドプレート間の圧迫力が増大する。圧力センサ15は、電池モジュール3の外側に広がる力(反力)、又は電池モジュール3の少なくとも一面に印加されている圧力を測定してもよい。
The thickness sensor 11 includes an X-ray CT device, a laser displacement sensor, a strain sensor (strain gauge), and the like. The thickness sensor 11 measures the thickness of the
The pressure sensor 15 measures the pressing force of a pair of end plates (not shown) sandwiching the
図5は、電池モジュール3の斜視図である。
電池モジュール3は、直方体状のケース31と、ケース31に収容された複数の前記セル2とを備える。
FIG. 5 is a perspective view of the
The
セル2は、直方体状のケース本体21と、蓋板22と、蓋板22に設けられた、端子23,26と、破裂弁24と、電極体25とを備える。電極体25は正極板、セパレータ、及び負極板を積層してなり、ケース本体21に収容されている。
電極体25は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られるものであってもよい。
The
The
正極板は、アルミニウムやアルミニウム合金等からなる板状(シート状)又は長尺帯状の金属箔である正極基材箔上に活物質層が形成されたものである。負極板は、銅及び銅合金等からなる板状(シート状)又は長尺帯状の金属箔である負極基材箔上に活物質層が形成されたものである。セパレータは、合成樹脂からなる微多孔性のシートである。 The positive electrode plate is a plate-shaped (sheet-shaped) or long strip-shaped metal foil made of aluminum, an aluminum alloy, or the like, in which an active material layer is formed on a positive electrode base material foil. The negative electrode plate is a plate-like (sheet-like) or long strip-shaped metal foil made of copper, a copper alloy, or the like, in which an active material layer is formed on a negative electrode base material foil. The separator is a microporous sheet made of synthetic resin.
正極の活物質層に用いられる正極活物質は、例えばLix (NiaMnbCoc Md )O2 (MはLi,Ni,Mn,Co以外の金属元素、0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c+d=1、0<x≦1.1、a,cは同時に0でない)で表される層状酸化物である。正極活物質は層状岩塩型の結晶構造を有する。前記aは0.5≦a≦1を満たすものであってもよい。この場合、遷移金属サイトにNiを多く含有する。
正極活物質は、d=0であり、Lix (Nia CocMnb)O2 (a+b+c=1)で表されるNCMであるのが好ましい。NCMとしては、NCM111(a:b:c=1:1:1)でもよく、Ni含有量が高いNCM523(a:b:c=5:2:3)等でもよい。
正極活物質は、MがAl、b=0であり、Lix (Nia CocAld )O2 で表されるNCAであってもよい(a+c+d=1)。
なお、NCM又はNCAにおいて、Li、Ni以外の金属が夫々2種類の金属からなる場合に限定されず、3種類以上の金属からなるものでもよい。例えば、少量のTi、Nb、B、W、Zr、Ti、Mgなどが含まれてもよい。
Positive electrode active material used in the active material layer of the positive electrode, for example, Li x (Ni a Mn b Co c M d) O 2 (M is Li, Ni, Mn, metal elements other than Co, 0 ≦ a <1,0 It is a layered oxide represented by ≦ b <1, 0 ≦ c <1, a + b + c + d = 1, 0 <x ≦ 1.1, and a and c are not 0 at the same time). The positive electrode active material has a layered rock salt type crystal structure. The a may satisfy 0.5 ≦ a ≦ 1. In this case, the transition metal site contains a large amount of Ni.
The positive electrode active material, a d = 0, is preferably a NCM represented by Li x (Ni a Co c Mn b) O 2 (a + b + c = 1). The NCM may be NCM111 (a: b: c = 1: 1: 1), NCM523 (a: b: c = 5: 2: 3) having a high Ni content, or the like.
The positive electrode active material, M is Al, a b = 0, may be the NCA represented by Li x (Ni a Co c Al d) O 2 (a + c + d = 1).
In NCM or NCA, the metal other than Li and Ni is not limited to the case where each metal is composed of two kinds of metals, and the metal may be composed of three or more kinds of metals. For example, a small amount of Ti, Nb, B, W, Zr, Ti, Mg and the like may be contained.
正極活物質としては、例えばLiMeO2-Li2MnO3固溶体、Li2O−LiMeO2固溶体、Li3NbO4 −LiMeO2固溶体、Li4 WO5 −LiMeO2固溶体、Li4 TeO5 −LiMeO2固溶体、Li3SbO4 −LiFeO2固溶体、Li2RuO3 −LiMeO2固溶体、Li2RuO3 −Li2 MeO3 固溶体等のLi過剰型活物質であってもよい。
正極活物質は上述の場合に限定されない。
As the positive electrode active material, for example LiMeO 2 -Li 2 MnO 3 solid solution, Li 2 O-LiMeO 2 solid solution, Li 3 NbO 4 -LiMeO 2 solid solution, Li 4 WO 5 -LiMeO 2 solid solution, Li 4 TeO 5 -LiMeO 2 solid solution , Li 3 SbO 4- LiFeO 2 solid solution, Li 2 RuO 3- LiMeO 2 solid solution, Li 2 RuO 3- Li 2 MeO 3 solid solution and the like.
The positive electrode active material is not limited to the above cases.
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、ハードカーボン、Si、Sn、Cd、Zn、Al、Bi、Pb、Ge、Ag等の金属若しくは合金、又はこれらを含むカルコゲン化物等が挙げられる。カルコゲン化物の一例として、SiOが挙げられる。 Examples of the negative electrode active material used for the negative electrode active material layer include metals or alloys such as hard carbon, Si, Sn, Cd, Zn, Al, Bi, Pb, Ge, and Ag, chalcogenides containing these, and the like. As an example of chalcogenide, SiO can be mentioned.
電池モジュール3の隣り合うセル2の隣り合う端子23,26がバスバー32により電気的に接続されることで、複数のセル2が直列に接続されている。
電池モジュール3の両端のセル2の、端子23,26には、電力を取り出すためのリード34,33が設けられている。
A plurality of
The
図6は、BMU4の構成を示すブロック図である。BMU4は、制御部41と、記憶部42と、計時部47と、入力部48と、通信部49とを備える。これらの各部は、バスを介して互いに通信可能に接続されている。
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of BMU4. The
制御部41は制御部71と同様の構成を有する。
制御部41は、後述するSOH推定プログラム43を読み出して実行することにより、SOH算出の処理を実行する処理部として機能する。
計時部47は経過時間をカウントする。
入力部48は、電圧センサ5、電流センサ6、温度センサ8、及び厚みセンサ11からの検出結果の入力を受け付ける。
通信部49は、ネットワーク10を介して他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
The
The
The
The
The
記憶部42は、例えばハードディスクドライブ(HDD)等により構成され、各種のプログラム及びデータを記憶する。記憶部42には、SOH推定プログラム43が格納されている。SOH推定プログラム43は、例えばCD−ROMやDVD−ROM、USBメモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体50に格納された状態で提供され、BMU4にインストールすることにより記憶部42に格納される。また、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータからSOH推定プログラム43を取得し、記憶部42に記憶させることにしてもよい。
The
記憶部42には充放電の履歴データ44及び温度データ45も記憶されている。充放電の履歴とは、電池モジュール3の運転履歴であり、電池モジュール3が充電又は放電を行った期間(使用期間)を示す情報、使用期間において電池モジュール3が行った充電又は放電に関する情報等を含む情報である。電池モジュール3の使用期間を示す情報とは、充電又は放電の開始及び終了の時点を示す情報、電池モジュール3が使用された累積使用期間等を含む情報である。電池モジュール3が行った充電又は放電に関する情報とは、電池モジュール3が行った充電時又は放電時の電圧、レート等を示す情報である。
温度データ45は、電池モジュール3の温度の推移を記憶している。
The
The
記憶部42には係数テーブル46も記憶されている。
予め、複数の代表SOC及び電池モジュール3の平均温度毎に、図7に示すように、厚み増加量とSOHとの第1関係を実験により求めておく。ここで、代表SOCはSOCの平均値(平均SOC)、SOHは容量低下率であるとする。図7の横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。制御部41は、第1関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。
The coefficient table 46 is also stored in the
As shown in FIG. 7, the first relationship between the thickness increase amount and the SOH is experimentally obtained in advance for each of the average temperatures of the plurality of representative SOCs and the
図8に示すように、温度毎に、平均SOC別に、SOC変動量と係数kとの第2関係を実験により求め、制御部41は第2関係を係数テーブル46に記憶する。図8の横軸はSOC(%/日)、縦軸はkである。図8は、平均温度が45℃である場合を示す。制御部41は、平均SOC、SOC変動量、及び平均温度を特定し、係数テーブル46に記憶した第2関係を参照して、係数kを特定する。
係数テーブル46は、係数kを、平均SOC、SOC変動量、及び平均温度の関数として記憶してもよい。
係数kは、内挿計算により補間することができる。
代表SOCがSOCの中心値、又はSOCの最頻値である場合、制御部41は、温度毎に、SOCの中心値又は最頻値別に、SOC変動量と係数kとの第2関係を係数テーブル46に記憶する。
As shown in FIG. 8, the second relationship between the SOC fluctuation amount and the coefficient k is experimentally obtained for each average SOC for each temperature, and the
The coefficient table 46 may store the coefficient k as a function of average SOC, SOC variation, and average temperature.
The coefficient k can be interpolated by interpolation calculation.
When the representative SOC is the center value of the SOC or the mode of the SOC, the
なお、温度毎に係数テーブル46に係数kを記憶する代わりに、温度を所定温度に固定して係数kを求め、係数テーブル46に記憶しておき、平均SOC及びSOC変動量に基づいて係数kを特定した後、アレニウスプロットにより温度補正した係数k(T)を求めてもよい。 Instead of storing the coefficient k in the coefficient table 46 for each temperature, the temperature is fixed at a predetermined temperature to obtain the coefficient k, which is stored in the coefficient table 46 and stored in the coefficient table 46, and the coefficient k is based on the average SOC and the amount of SOC fluctuation. After specifying, the temperature-corrected coefficient k (T) may be obtained by the Arenius plot.
厚みセンサ11が電池モジュール3の圧迫力(電池モジュール3の内圧)を検出する場合、制御部41は、圧迫力増加量を厚み増加量に換算し、係数テーブル46に記憶した第2関係に基づいて、係数kを特定する。
又は、複数の平均SOC及び温度毎に、圧迫力増加量と容量低下率との第3関係を実験により求めておく。制御部41は、第3関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。温度毎に、平均SOC別に、SOC変動量と係数kとの第4関係を実験により求め、制御部41は第4関係を係数テーブル46に記憶する。
温度毎に係数テーブル46に係数kを記憶する代わりに、温度を所定温度に固定して係数kを求め、係数テーブル46に記憶しておき、平均SOC及びSOC変動量に基づいて係数kを特定した後、アレニウスプロットにより温度補正した係数k(T)を求めてもよい。
When the thickness sensor 11 detects the compression force of the battery module 3 (internal pressure of the battery module 3), the
Alternatively, the third relationship between the amount of increase in compression force and the rate of decrease in capacity is experimentally obtained for each of a plurality of average SOCs and temperatures. The
Instead of storing the coefficient k in the coefficient table 46 for each temperature, the temperature is fixed at a predetermined temperature to obtain the coefficient k, which is stored in the coefficient table 46, and the coefficient k is specified based on the average SOC and the amount of SOC fluctuation. After that, the temperature-corrected coefficient k (T) may be obtained by the Arenius plot.
図9は、制御部41による容量低下率の算出処理の手順を示すフローチャートである。
制御部41は、SOCの時系列データ、及び温度を取得する(S1)。制御部41は、図10に示すように、所定期間の時間とSOCとの関係、及び時間と温度との関係を取得する。図10において、横軸は時間、左側の縦軸はSOC(%)、右側の縦軸は温度(℃)である。
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for calculating the capacity reduction rate by the
The
制御部41は、代表SOCとしての平均SOC(%)、及びSOC変動量(%/日)を特定する(S2)。制御部41は、時系列データに基づいて、SOCの標準偏差及び平均値を算出し、算出した平均値を代表SOCとして特定してもよい。平均値はSOCの中心値に略等しい。
制御部41は、時系列データから充電開始点と放電開始点とを取得し、充電開始点及び放電開始点間の中間のSOCをSOCの中心値として特定してもよい。
制御部41は、図11に示すSOCの頻度マップを生成し、SOCの最頻値を代表SOCとして特定してもよい。図11において、横軸はSOC(%)、縦軸は頻度である。
The
The
The
制御部41は、時系列データに基づいて、平均温度を特定する(S3)。
制御部41は、厚みセンサ11により検出した厚みに基づいて、厚み増加量を取得する(S4)。
The
The
制御部41は、係数テーブル46を読み出し、特定した代表SOC及びSOC変動量に基づいて、係数kを特定する(S5)。制御部41は、平均温度45℃、平均SOCが25%、SOC変動量が500(%/日)であると特定した場合、例えば図8の平均SOCが25%のグラフにおいて、SOC変動量が500(%/日)であるときの係数kを読み取る。
The
制御部41は、容量低下率を算出し(S6)、処理を終了する。図7に示すように、容量低下率は、係数kを因子とする、厚み増加量の関数で表される。制御部41は、推定時点に取得した厚み増加量を前記関数の変数に代入し、容量低下率を算出する。
圧力センサにより電池モジュール3の圧迫力を検出する場合、上記と同様にして容量低下率を算出する。
The
When the pressing force of the
図12は、厚み増加量を取得する推定時点を経過時間で表し、経過時間と、経過時間に対応して取得した厚み増加量に基づき算出した容量低下率との関係を示すグラフである。横軸は時間(日)、縦軸は容量低下率(%)である。図12においては、複数の経過時間における容量低下率の実測値も示している。
図12より、本実施形態の推定方法による容量低下率の推定の精度が良好であることが分かる。
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the elapsed time and the capacity decrease rate calculated based on the thickness increase amount acquired corresponding to the elapsed time, representing the estimated time point for acquiring the thickness increase amount by the elapsed time. The horizontal axis is time (day), and the vertical axis is the capacity reduction rate (%). In FIG. 12, the actually measured values of the capacity reduction rates at a plurality of elapsed times are also shown.
From FIG. 12, it can be seen that the accuracy of estimating the capacity reduction rate by the estimation method of the present embodiment is good.
本実施形態においては、SOCの時系列データの特徴値である代表SOC及びSOC変動量、並びに平均温度を特定し、特定した代表SOC、SOC変動量、及び平均温度、並びに取得した電池モジュール3の厚み増加量に基づいて、電池モジュール3の劣化を推定する。SOCの変動パターンが複雑である場合を含め、電池モジュール3の使用中に、容易に、精度良く、任意の時点の劣化を推定できる。
推定したSOHに基づいて、電池モジュール3の今後の使用方法を決定することができる。
In the present embodiment, the representative SOC and the SOC fluctuation amount, which are the feature values of the SOC time series data, and the average temperature are specified, and the specified representative SOC, the SOC fluctuation amount, and the average temperature, and the acquired
Based on the estimated SOH, the future usage of the
推定に必要な情報は特徴値及び電池モジュール3の形状変化であり、充放電装置等の大型の測定装置を用いる必要がなく、手数とコストとを抑制できる。
電池モジュール3の形状変化のみにより劣化を推定できるので、厚み又は内圧等を検出するセンサを設置するのみで、電池モジュール3の劣化を常時監視することができる。推定の計算を簡素化でき、BMU4を簡素化できる。
The information required for the estimation is the feature value and the shape change of the
Since deterioration can be estimated only by changing the shape of the
前記実施形態は、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の意味及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。
電池モジュール3の形状変化に基づいて容量低下率を推定する場合に限定されず、セル2の形状変化に基づいて容量低下率を推定してもよい。
電池モジュール3が完全に拘束されている状態において、圧迫力の変化を形状変化として推定する場合に限定されない。セル2はフリーな状態であってもよく、その中間の状態であってもよい。セル2の外側に広がる力(反力)の変化、セル2の少なくとも一面に印加されている圧力の変化を形状変化としてもよい。
SOC代表値は中心SOCに限定されず、温度代表値は平均温度に限定されない。
SOHとして容量低下率を推定する場合に限定されず、容量維持率、抵抗値等を推定してもよい。この場合、厚み増加量と容量維持率又は抵抗値との関係を実験により求め、該関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。
The embodiment is not restrictive. The scope of the present invention is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
The capacity reduction rate is not limited to the case of estimating the capacity reduction rate based on the shape change of the
It is not limited to the case where the change in the pressing force is estimated as the shape change in the state where the
The SOC representative value is not limited to the central SOC, and the temperature representative value is not limited to the average temperature.
The SOH is not limited to the case of estimating the capacity reduction rate, and the capacity retention rate, resistance value, etc. may be estimated. In this case, the relationship between the thickness increase amount and the capacity retention rate or the resistance value is obtained experimentally, and the coefficient of the approximate curve of the relationship is calculated as the coefficient k.
本発明に係る推定方法は、移動体、モバイル機器、発電設備、電力需要設備、鉄道用回生電力貯蔵装置等の充放電システムにも適用できる。
蓄電素子はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子は、他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
The estimation method according to the present invention can also be applied to a charge / discharge system such as a mobile body, a mobile device, a power generation facility, a power demand facility, and a regenerative power storage device for railways.
The power storage element is not limited to the lithium ion secondary battery. The power storage element may be another secondary battery, a primary battery, or an electrochemical cell such as a capacitor.
1 充放電システム
2 電池(蓄電素子)
3 電池モジュール(蓄電素子)
4 BMU
41 制御部(第1取得部、第2取得部、第3取得部、特定部、推定部)
42 記憶部
43 SOH推定プログラム
44 履歴データ
45 温度データ
46 係数テーブル
47 計時部
48 入力部
49、92 通信部
5 電圧センサ
6 電流センサ
7 制御装置
8 温度センサ
9 サーバ
91 制御部
10 ネットワーク
11 厚みセンサ
15 圧力センサ
1 Charging / discharging
3 Battery module (power storage element)
4 BMU
41 Control unit (1st acquisition unit, 2nd acquisition unit, 3rd acquisition unit, specific unit, estimation unit)
42
Claims (5)
蓄電素子の形状変化を取得する第2取得部と、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定する特定部と、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する推定部と
を備える、推定装置。 The first acquisition unit that acquires SOC time series data in the power storage element,
The second acquisition unit that acquires the shape change of the power storage element,
A specific part that specifies the representative value of SOC in a predetermined period of the time series data and the amount of SOC fluctuation, and
An estimation device including an estimation unit that estimates deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
代表値、SOC変動量、及び係数の関係を参照し、特定した前記代表値及び前記SOC変動量に基づいて、係数を特定し、
特定した係数と、取得した前記形状変化とに基づいて、前記劣化を推定する、請求項1に記載の推定装置。 The estimation unit
With reference to the relationship between the representative value, the SOC fluctuation amount, and the coefficient, the coefficient is specified based on the specified representative value and the SOC fluctuation amount.
The estimation device according to claim 1, wherein the deterioration is estimated based on the specified coefficient and the acquired shape change.
前記特定部は、取得した温度に基づいて温度代表値を特定し、
前記推定部は、特定した前記温度代表値に基づいて、前記劣化を推定する、請求項1又は2に記載の推定装置。 A third acquisition unit for acquiring the temperature of the power storage element during the period for acquiring the time series data is provided.
The specific part specifies a temperature representative value based on the acquired temperature, and determines the temperature representative value.
The estimation device according to claim 1 or 2, wherein the estimation unit estimates the deterioration based on the specified temperature representative value.
蓄電素子の形状変化を取得し、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する、推定方法。 Acquires the SOC time series data of the power storage element and obtains it.
Acquires the shape change of the power storage element,
The representative value of SOC in the predetermined period of the time series data and the amount of SOC fluctuation are specified.
An estimation method for estimating deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
蓄電素子の形状変化を取得し、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する
処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。 Acquires the SOC time series data of the power storage element and obtains it.
Acquires the shape change of the power storage element,
The representative value of SOC in the predetermined period of the time series data and the amount of SOC fluctuation are specified.
A computer program that causes a computer to execute a process of estimating deterioration of the power storage element based on the specified representative value, the SOC fluctuation amount, and the acquired shape change.
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