JP2022054018A - Estimating device, estimating method, and computer program - Google Patents

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Abstract

To provide an estimating device, an estimating method, and a computer program.SOLUTION: An estimating device comprises: an acquisition section for acquiring measured data including a voltage of an electricity storage element, a current flowing through the electricity storage element, and a temperature relating to the electricity storage element; and an estimating section that estimates a state of the electricity storage element by inputting the acquired measured data into a state estimator constructed so as to simulate electrochemical phenomena and thermal phenomena of the electricity storage element.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、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.

近年、リチウムイオン電池などの蓄電素子は、ノート型パーソナルコンピュータ、スマートフォンなどの携帯端末の電源、再生可能エネルギ蓄電システム、IoTデバイス電源など、幅広い分野において使用されている。 In recent years, power storage elements such as lithium-ion batteries have been used in a wide range of fields such as power sources for mobile terminals such as notebook personal computers and smartphones, renewable energy storage systems, and power supplies for IoT devices.

こうした二次電池を有効活用するために、任意時点における二次電池の挙動を推定することが行われている。二次電池の挙動を推定する手法の1つとして、二次電池を電気回路によって表した等価回路モデルに対し、カルマンフィルタを適用し、SOC(State Of Charge)などの二次電池の挙動を推定する手法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 In order to make effective use of such a secondary battery, the behavior of the secondary battery at an arbitrary time point is estimated. As one of the methods for estimating the behavior of a secondary battery, a Kalman filter is applied to an equivalent circuit model in which the secondary battery is represented by an electric circuit, and the behavior of the secondary battery such as SOC (State Of Charge) is estimated. A method is known (see, for example, Patent Document 1).

特開2016-065828号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-605828

しかしながら、特許文献1に開示された手法では、蓄電素子の端子電圧のみに着目して挙動を推定する構成としており、蓄電素子の熱現象については考慮されていない。蓄電素子の特性は温度に強く依存することが知られており、従来手法では予測精度が低かった。また、特許文献1では、等価回路が用いられており、電池の内部において生じる固液電流、物質拡散、電気化学反応などの電気化学現象が考慮されていない。従来では、蓄電素子における電気化学現象と熱現象とを連成させるという発想はなく、実機において有効な推定精度を得ることは困難である。 However, in the method disclosed in Patent Document 1, the behavior is estimated by focusing only on the terminal voltage of the power storage element, and the thermal phenomenon of the power storage element is not considered. It is known that the characteristics of the power storage element strongly depend on the temperature, and the prediction accuracy is low in the conventional method. Further, in Patent Document 1, an equivalent circuit is used, and electrochemical phenomena such as solid-liquid current, substance diffusion, and electrochemical reaction generated inside the battery are not taken into consideration. Conventionally, there is no idea of coupling an electrochemical phenomenon and a thermal phenomenon in a power storage element, and it is difficult to obtain effective estimation accuracy in an actual machine.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、蓄電素子の電気化学現象及び熱現象の双方を考慮し、実機において有効な推定精度を発揮できる推定装置、推定方法、及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an estimation device, an estimation method, and a computer program capable of exhibiting effective estimation accuracy in an actual machine in consideration of both the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element are provided. The purpose is to provide.

推定装置は、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得する取得部と、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構築された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する推定部とを備える。 The estimation device acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature related to the power storage element, and the acquired measurement data is used to obtain the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element. It is provided with an estimation unit that inputs to a state estimator constructed to simulate and estimates the state of the power storage element.

推定方法は、コンピュータを用いて、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する。 The estimation method uses a computer to acquire measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element, and the acquired measurement data is used as the electrochemical phenomenon and heat of the power storage element. It is input to a state estimator configured to simulate a phenomenon, and the state of the power storage element is estimated.

コンピュータプログラムは、コンピュータに、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する処理を実行させる。 The computer program acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element in the computer, and uses the acquired measurement data to obtain the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element. It is input to a state estimator configured to simulate, and a process of estimating the state of the power storage element is executed.

上記構成によれば、蓄電素子の電気化学現象及び熱現象の双方を考慮し、実機において有効な推定精度を発揮できる。 According to the above configuration, effective estimation accuracy can be exhibited in an actual machine in consideration of both the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element.

実施の形態に係る蓄電システムの外観図である。It is an external view of the power storage system which concerns on embodiment. 蓄電素子の構成例を示す分解斜視図である。It is an exploded perspective view which shows the structural example of a power storage element. 巻回電極体の構成例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of a wound electrode body. 推定装置の内部構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the internal structure of an estimation device. 単粒子モデルを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the single particle model. Fick拡散式における座標系を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the coordinate system in the Fick diffusion type. 正極の平衡電位を示すグラフである。It is a graph which shows the equilibrium potential of a positive electrode. 負極の平衡電位を示すグラフである。It is a graph which shows the equilibrium potential of a negative electrode. 実施の形態1における状態推定手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the state estimation procedure in Embodiment 1. FIG. 実施の形態2における状態推定手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the state estimation procedure in Embodiment 2. 実施の形態3における状態推定手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the state estimation procedure in Embodiment 3. FIG. 実施の形態4における状態推定手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the state estimation procedure in Embodiment 4. 等価回路モデルの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the equivalent circuit model. 電解液中のリチウムイオン濃度とイオン導電率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the lithium ion concentration in an electrolytic solution, and an ion conductivity. 温度状態の表示例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the display example of a temperature state.

推定装置は、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得する取得部と、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構築された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する推定部とを備える。
この構成によれば、状態推定器から得られる状態変数を通じて、直接的に計測することができない蓄電素子の状態を推定できる。また、相互に強い関連性を有する電気化学現象及び熱現象の双方を考慮して蓄電素子の状態を推定するので、実機において有効な推定精度を発揮できる。
The estimation device acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature related to the power storage element, and the acquired measurement data is used to obtain the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element. It is provided with an estimation unit that inputs to a state estimator constructed to simulate and estimates the state of the power storage element.
According to this configuration, the state of the power storage element that cannot be directly measured can be estimated through the state variables obtained from the state estimator. Further, since the state of the power storage element is estimated in consideration of both the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon, which are strongly related to each other, effective estimation accuracy can be exhibited in the actual machine.

推定装置において、前記電気化学現象を記述するパラメータは、前記蓄電素子の温度の関数として表される前記蓄電素子の活性化過電圧を含み、前記熱現象を記述するパラメータは、前記蓄電素子の活性化過電圧の関数として表される前記蓄電素子の発熱量を含んでもよい。温度の関数として表される活性化過電圧と、活性化過電圧の関数として表される発熱量とをパラメータに用いることによって、蓄電素子の電気化学現象と熱現象とを連成させた状態推定が可能となる。 In the estimation device, the parameter describing the electrochemical phenomenon includes the activation overvoltage of the power storage element expressed as a function of the temperature of the power storage element, and the parameter describing the thermal phenomenon is the activation of the power storage element. It may include the calorific value of the power storage element expressed as a function of overvoltage. By using the activation overvoltage expressed as a function of temperature and the calorific value expressed as a function of activation overvoltage as parameters, it is possible to estimate the state in which the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element are coupled. It becomes.

推定装置において、前記状態推定器は、前記計測データが入力された場合、前記蓄電素子に関する状態量を出力するよう構成された非線形フィルタであってもよい。この構成によれば、非線形フィルタを用いるので、システムやセンサにノイズが含まれる場合であっても、より真値に近い値を算出できる。 In the estimation device, the state estimator may be a non-linear filter configured to output a state quantity related to the power storage element when the measurement data is input. According to this configuration, since a non-linear filter is used, a value closer to the true value can be calculated even when noise is included in the system or the sensor.

推定装置において、前記非線形フィルタは、粒子フィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、又は無香料カルマンフィルタを含んでもよい。非線形の推定アルゴリズムを用いることによって、外乱がある環境であっても、電気化学現象及び熱現象の物理的なメカニズムに基づいた状態推定が行える。 In the estimation device, the nonlinear filter may include a particle filter, an ensemble Kalman filter, an extended Kalman filter, or an unscented Kalman filter. By using a non-linear estimation algorithm, it is possible to estimate the state based on the physical mechanism of electrochemical and thermal phenomena even in an environment with disturbance.

推定装置において、前記状態推定器は、活物質粒子内の吸蔵イオンの濃度及び前記蓄電素子に関する温度を含む状態変数の時間遷移を表す状態方程式を用いて、各状態変数の時間遷移を求め、前記状態変数と前記計測データが示す観測量との関係を表す観測方程式を用いて、前記状態推定の尤度を求め、求めた状態推定の尤度に応じて、状態変数の推定値を更新してもよい。この構成によれば、逐次更新される状態変数を通じて、直接的に観測することができない蓄電素子の状態を時系列的に推定できる。本実施の形態では、活物質粒子中に吸蔵されたイオン(すなわち固相中のイオン)を吸蔵イオンと称する。 In the estimation device, the state estimator obtains the time transition of each state variable by using a state equation representing the time transition of the state variable including the concentration of the stored ion in the active material particle and the temperature of the power storage element. The likelihood of the state estimation is obtained using the observation equation representing the relationship between the state variable and the observed amount indicated by the measurement data, and the estimated value of the state variable is updated according to the obtained state estimation likelihood. May be good. According to this configuration, the state of the power storage element that cannot be directly observed can be estimated in time series through the state variables that are updated sequentially. In the present embodiment, the ions stored in the active material particles (that is, the ions in the solid phase) are referred to as occluded ions.

推定装置は、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得する取得部と、取得した計測データを、前記蓄電素子の等価電気回路及び熱現象を模擬するように構築された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する推定部とを備える。
この構成によれば、状態推定器から得られる状態変数を通じて、直接的に計測することができない蓄電素子の状態を推定できる。また、相互に強い関連性を有する等価電気回路及び熱現象を考慮して蓄電素子の状態を推定するので、実機において有効な推定精度を発揮できる。
The estimation device uses an acquisition unit for acquiring measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature related to the power storage element, and the acquired measurement data for the equivalent electric circuit and thermal phenomenon of the power storage element. It is provided with an estimation unit that inputs to a state estimator constructed to simulate and estimates the state of the power storage element.
According to this configuration, the state of the power storage element that cannot be directly measured can be estimated through the state variables obtained from the state estimator. Further, since the state of the power storage element is estimated in consideration of the equivalent electric circuit having a strong mutual relationship and the thermal phenomenon, effective estimation accuracy can be exhibited in the actual machine.

推定装置において、前記状態推定器は、前記蓄電素子の特性を表す状態量が経時又は通電によって時間遷移する式を1つ以上含み、前記蓄電素子の状態を記述する状態変数と前記計測データが示す観測量との関係を表す観測方程式を用いて、前記蓄電素子の劣化を予測してもよい。この構成によれば、経時又は通電による蓄電素子の劣化を推定できる。 In the estimation device, the state estimator includes one or more equations in which the state quantity representing the characteristics of the power storage element changes over time or with energization, and the state variables describing the state of the power storage element and the measurement data indicate. Deterioration of the power storage element may be predicted by using an observation equation expressing the relationship with the observed amount. According to this configuration, deterioration of the power storage element due to aging or energization can be estimated.

推定方法は、コンピュータを用いて、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する。 The estimation method uses a computer to acquire measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element, and the acquired measurement data is used as the electrochemical phenomenon and heat of the power storage element. It is input to a state estimator configured to simulate a phenomenon, and the state of the power storage element is estimated.

コンピュータプログラムは、コンピュータに、蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する処理を実行させる。 The computer program acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element in the computer, and uses the acquired measurement data to obtain the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element. It is input to a state estimator configured to simulate, and a process of estimating the state of the power storage element is executed.

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態に係る蓄電システム10の外観図である。実施の形態に係る蓄電システム10は、推定装置100と、蓄電素子200A~200Eと、推定装置100及び蓄電素子200A~200Eを収容する収容ケース300とを備える。本実施の形態では、蓄電素子200A~200Eにより蓄電デバイス20を構成する。以下の説明において、蓄電素子200A~200Eを区別して説明する必要がない場合には、単に蓄電素子200とも記載する。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing the embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external view of the power storage system 10 according to the embodiment. The power storage system 10 according to the embodiment includes an estimation device 100, a power storage element 200A to 200E, and a storage case 300 accommodating the estimation device 100 and the power storage element 200A to 200E. In the present embodiment, the power storage device 20 is configured by the power storage elements 200A to 200E. In the following description, when it is not necessary to distinguish the power storage elements 200A to 200E, the power storage element 200 is also simply described.

推定装置100は、例えば複数の蓄電素子200の上面に配置され、所定時点での各蓄電素子200の状態を推定する平板状の回路である。具体的には、推定装置100は、蓄電素子200の電圧、蓄電素子200に流れる電流、蓄電素子200に関する温度を含む計測データを取得し、取得した計測データに基づき、シミュレーションモデルを用いて蓄電素子200の状態を推定する。 The estimation device 100 is, for example, a flat plate-shaped circuit arranged on the upper surface of a plurality of power storage elements 200 and estimating the state of each power storage element 200 at a predetermined time point. Specifically, the estimation device 100 acquires measurement data including the voltage of the power storage element 200, the current flowing through the power storage element 200, and the temperature of the power storage element 200, and based on the acquired measurement data, the power storage element uses a simulation model. Estimate 200 states.

図1の例では、推定装置100の配置場所を蓄電素子200の上面とした。代替的に、配置場所は、蓄電素子200の側面であってもよく、蓄電素子200の下面であってもよい。推定装置100の形状も平板状に限定されない。さらに、推定装置100は、蓄電素子200から離れた場所にあるサーバ装置であって、上述した計測データを通信により取得し、取得した計測データに基づき、シミュレーションモデルを用いて蓄電素子200の状態を推定する構成としてもよい。 In the example of FIG. 1, the location of the estimation device 100 is the upper surface of the power storage element 200. Alternatively, the arrangement location may be the side surface of the power storage element 200 or the lower surface of the power storage element 200. The shape of the estimation device 100 is also not limited to the flat plate shape. Further, the estimation device 100 is a server device located at a location away from the power storage element 200, and the above-mentioned measurement data is acquired by communication, and the state of the power storage element 200 is measured by using a simulation model based on the acquired measurement data. It may be a configuration to be estimated.

蓄電素子200は、リチウムイオン二次電池などの二次電池である。蓄電素子200は、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、またはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の自動車用電源や、電子機器用電源、電力貯蔵用電源などに適用される。 The power storage element 200 is a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. The power storage element 200 is applied to a power source for an automobile such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), or a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a power source for an electronic device, a power source for power storage, and the like.

図1では、直方体状の5個の蓄電素子200が直列に配置された組電池を示している。実施の形態1では、蓄電素子200の個数を5個として説明する。代替的に、蓄電素子200の個数は1個であってもよく、2個以上であってもよい。更に、いくつかの蓄電素子200は並列に接続されてもよい。蓄電素子200は、リチウムイオン二次電池以外の二次電池であってもよい。 FIG. 1 shows an assembled battery in which five rectangular parallelepiped power storage elements 200 are arranged in series. In the first embodiment, the number of the power storage elements 200 will be described as five. Alternatively, the number of power storage elements 200 may be one or two or more. Further, some power storage elements 200 may be connected in parallel. The power storage element 200 may be a secondary battery other than the lithium ion secondary battery.

以下、蓄電素子200の構成について説明する。
図2は蓄電素子200の構成例を示す分解斜視図である。蓄電素子200は、扁平形状の巻回電極体210と、図に示していない電解質とが中空直方体状の電池ケース220に収容されることにより構成される。電池ケース220の蓋部221には、外部接続用の正極端子222A及び負極端子223Aが設けられる。正極端子222A及び負極端子223Aは、それぞれ正極集電体222B及び負極集電体223Bに電気的に接続されている。電池ケース220の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量かつ熱伝導性が高い金属材料が用いられる。
Hereinafter, the configuration of the power storage element 200 will be described.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a configuration example of the power storage element 200. The power storage element 200 is configured by accommodating a flat wound electrode body 210 and an electrolyte (not shown in the figure) in a hollow rectangular parallelepiped battery case 220. The lid portion 221 of the battery case 220 is provided with a positive electrode terminal 222A and a negative electrode terminal 223A for external connection. The positive electrode terminal 222A and the negative electrode terminal 223A are electrically connected to the positive electrode current collector 222B and the negative electrode current collector 223B, respectively. As the material of the battery case 220, for example, a lightweight metal material having high thermal conductivity such as aluminum is used.

図3は巻回電極体210の構成例を示す概略図である。巻回電極体210は、正極活物質層211Aが形成されたシート状の正極211と、負極活物質層212Aが形成されたシート状の負極212とを、2枚のシート状のセパレータ213を介して重ね合わせ、これらを巻回することにより構成されている。正極211及び負極212は、互いにシートの幅方向にずらした状態で配置される。正極211の幅方向の一端には、正極活物質層211Aが形成されていない領域が設けられており、この領域には正極集電体222Bが接合される。正極集電体222Bには、例えばアルミニウム箔が用いられる。同様に、負極212の幅方向の他端には、負極活物質層212Aが形成されていない領域が設けられており、この領域には負極集電体223Bが接合される。負極集電体223Bには、例えば銅箔が用いられる。 FIG. 3 is a schematic view showing a configuration example of the wound electrode body 210. The wound electrode body 210 has a sheet-shaped positive electrode 211 on which the positive electrode active material layer 211A is formed and a sheet-shaped negative electrode 212 on which the negative electrode active material layer 212A is formed, via two sheet-shaped separators 213. It is composed of overlapping and winding these. The positive electrode 211 and the negative electrode 212 are arranged so as to be offset from each other in the width direction of the sheet. A region in which the positive electrode active material layer 211A is not formed is provided at one end in the width direction of the positive electrode 211, and the positive electrode current collector 222B is bonded to this region. For the positive electrode current collector 222B, for example, an aluminum foil is used. Similarly, a region in which the negative electrode active material layer 212A is not formed is provided at the other end of the negative electrode 212 in the width direction, and the negative electrode current collector 223B is bonded to this region. For the negative electrode current collector 223B, for example, a copper foil is used.

正極活物質層211Aは正極活物質を含む。正極活物質は、一次粒子の凝集体からなる二次粒子を活物質粒子として含む。一次粒子には、リチウム金属複合酸化物の粒子が用いられる。リチウム金属複合酸化物は、リチウム、酸素、及びそれ以外の元素(例えば、Mn、Ni、Co、Fe、Nb、W、P、Siなど)を含む。リチウム及び酸素以外の元素は1種類であってもよく、複数種類であってもよい。正極活物質層211Aは、導電助剤、バインダ等を更に含んでもよい。導電助剤として、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の炭素材料が好適に用いられる。バインダとして、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が用いられる。 The positive electrode active material layer 211A contains a positive electrode active material. The positive electrode active material contains secondary particles composed of aggregates of primary particles as active material particles. As the primary particles, particles of a lithium metal composite oxide are used. The lithium metal composite oxide contains lithium, oxygen, and other elements (eg, Mn, Ni, Co, Fe, Nb, W, P, Si, etc.). The elements other than lithium and oxygen may be one kind or a plurality of kinds. The positive electrode active material layer 211A may further contain a conductive auxiliary agent, a binder and the like. As the conductive auxiliary agent, for example, carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (such as graphite) are preferably used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like is used.

負極活物質層212Aは負極活物質を含む。負極活物質として、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料が用いられる。負極活物質層212Aは、バインダ、増粘剤等を更に含んでもよい。バインダとして、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等が用いられる。増粘剤として、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等が用いられる。 The negative electrode active material layer 212A contains a negative electrode active material. As the negative electrode active material, for example, a carbon material such as graphite, hard carbon, or soft carbon is used. The negative electrode active material layer 212A may further contain a binder, a thickener and the like. As the binder, for example, styrene butadiene rubber (SBR) or the like is used. As the thickener, for example, carboxymethyl cellulose (CMC) or the like is used.

セパレータ213は、多孔性の樹脂フィルムにより形成される。多孔性の樹脂フィルムとして、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂からなる多孔性樹脂フィルムを使用できる。セパレータは、単層構造の樹脂フィルムから形成されてもよく、二層以上の複層構造を有する樹脂フィルムから形成されてもよい。セパレータ213は、耐熱層を備えてもよい。 The separator 213 is formed of a porous resin film. As the porous resin film, a porous resin film made of a resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) can be used. The separator may be formed of a resin film having a single-layer structure, or may be formed of a resin film having a multi-layer structure of two or more layers. The separator 213 may include a heat resistant layer.

巻回電極体210と共に電池ケース220に収容される電解質には、従来のリチウムイオン電池と同様のものを使用できる。例えば、電解質として、有機溶媒中に支持塩を含有させた電解質を使用できる。有機溶媒として、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒が用いられる。支持塩として、例えば、LiPF6 、LiBF4 、LiClO4 等のリチウム塩が好適に用いられる。電解質は、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含んでもよい。 As the electrolyte housed in the battery case 220 together with the wound electrode body 210, the same electrolyte as that of a conventional lithium ion battery can be used. For example, as the electrolyte, an electrolyte in which a supporting salt is contained in an organic solvent can be used. As the organic solvent, for example, an aprotic solvent such as carbonates, esters, ethers and the like is used. As the supporting salt, for example, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 are preferably used. The electrolyte may contain, for example, various additives such as a gas generating agent, a film forming agent, a dispersant, and a thickener.

蓄電素子200の一例として、図2及び図3では巻回電極体210を備える角型のリチウムイオン電池について説明した。代替的に、蓄電素子200は、積層型電極体を備えるリチウムイオン電池であってもよく、円筒型リチウムイオン電池、ラミネート型リチウムイオン電池等であってもよい。更に、蓄電素子200は、電解質に固体を用いた全固体リチウムイオン電池であってもよい。 As an example of the power storage element 200, a square lithium ion battery provided with a wound electrode body 210 has been described with reference to FIGS. 2 and 3. Alternatively, the power storage element 200 may be a lithium ion battery provided with a laminated electrode body, a cylindrical lithium ion battery, a laminated lithium ion battery, or the like. Further, the power storage element 200 may be an all-solid-state lithium-ion battery using a solid electrolyte.

実施の形態では、以下で説明する推定装置100において、蓄電素子200の電圧、電流、温度を含む計測データを取得し、取得した計測データに基づき、電気化学現象及び熱現象を模擬するシミュレーションモデルを用いて蓄電素子200の状態を推定する。 In the embodiment, in the estimation device 100 described below, measurement data including the voltage, current, and temperature of the power storage element 200 is acquired, and a simulation model for simulating an electrochemical phenomenon and a thermal phenomenon is performed based on the acquired measurement data. It is used to estimate the state of the power storage element 200.

図4は推定装置100の内部構成を説明するブロック図である。推定装置100は、演算部101、記憶部102、入力部103、出力部104などを備える専用又は汎用のコンピュータである。図1の例では、推定装置100は蓄電デバイス20の上面に設けられている。推定装置100は、蓄電デバイス20の蓄電素子監視装置(BMU : Battery Management Unit)に内蔵される装置であってもよく、遠隔地に設置されるサーバなどの計算機であってもよい。推定装置100が遠隔地に設置される場合、取得した蓄電デバイス20の計測データは通信によって推定装置100に送信される。 FIG. 4 is a block diagram illustrating an internal configuration of the estimation device 100. The estimation device 100 is a dedicated or general-purpose computer including a calculation unit 101, a storage unit 102, an input unit 103, an output unit 104, and the like. In the example of FIG. 1, the estimation device 100 is provided on the upper surface of the power storage device 20. The estimation device 100 may be a device built in the power storage element monitoring device (BMU: Battery Management Unit) of the power storage device 20, or may be a computer such as a server installed in a remote location. When the estimation device 100 is installed in a remote location, the acquired measurement data of the power storage device 20 is transmitted to the estimation device 100 by communication.

演算部101は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などを備える演算回路である。実施の形態において、演算部101は状態推定器として機能する。演算部101が備えるCPUは、ROMや記憶部102に格納された各種コンピュータプログラムを実行し、上述したハードウェア各部の動作を制御することによって、装置全体を本願の推定装置として機能させる。具体的には、演算部101は、蓄電素子200の電圧、電流、温度を含む計測データを取得し、取得した計測データに基づき、電気化学現象及び熱現象を模擬する状態推定器を用いて蓄電素子200の状態を推定する。 The arithmetic unit 101 is an arithmetic circuit including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. In the embodiment, the arithmetic unit 101 functions as a state estimator. The CPU included in the arithmetic unit 101 executes various computer programs stored in the ROM and the storage unit 102, and controls the operation of each of the above-mentioned hardware units to make the entire device function as the estimation device of the present application. Specifically, the arithmetic unit 101 acquires measurement data including the voltage, current, and temperature of the storage element 200, and stores electricity using a state estimator that simulates an electrochemical phenomenon and a thermal phenomenon based on the acquired measurement data. The state of the element 200 is estimated.

演算部101は、上記の構成に限定されるものではなく、複数のCPU、マルチコアCPU、GPU(Graphics Processing Unit)、マイコン、揮発性または不揮発性のメモリ等を備える任意の処理回路または演算回路であってもよい。また、演算部101は、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計測するタイマ、数をカウントするカウンタ、日時情報を出力するクロック等の機能を備えていてもよい。 The arithmetic unit 101 is not limited to the above configuration, and may be any processing circuit or arithmetic circuit including a plurality of CPUs, a multi-core CPU, a GPU (Graphics Processing Unit), a microcomputer, a volatile or non-volatile memory, and the like. There may be. Further, the calculation unit 101 may have functions such as a timer for measuring the elapsed time from giving the measurement start instruction to the measurement end instruction, a counter for counting the number, and a clock for outputting the date and time information.

記憶部102は、フラッシュメモリなどの記憶装置である。記憶部102には各種のコンピュータプログラム及びデータが記憶される。記憶部102に記憶されるコンピュータプログラムには、例えば、シミュレーションモデルを用いた演算を演算部101に実行させるための状態推定プログラムPGが含まれる。記憶部102に記憶されるデータには、状態推定プログラムPGにおいて用いられるパラメータ、演算部101による演算によって一時的に生成されるデータなどが含まれる。記憶部102に記憶されるパラメータは、各蓄電素子200の体積、表面積、比熱、密度、隣り合う蓄電素子200との間の熱コンダクタンスの値、外部への熱伝達率等のパラメータが含まれる。状態推定プログラムPGは、例えば、コンピュータプログラムを読み取り可能に記録した非一時的な記録媒体Mにより提供される。記録媒体Mは、CD-ROM、USBメモリ、SD(Secure Digital)カードなどの可搬型メモリである。演算部101は、図に示していない読取装置を用いて、記録媒体Mから所望のコンピュータプログラムを読み取り、読み取ったコンピュータプログラムを記憶部102に記憶させる。代替的に、上記コンピュータプログラムは通信により提供されてもよい。 The storage unit 102 is a storage device such as a flash memory. Various computer programs and data are stored in the storage unit 102. The computer program stored in the storage unit 102 includes, for example, a state estimation program PG for causing the calculation unit 101 to execute an operation using a simulation model. The data stored in the storage unit 102 includes parameters used in the state estimation program PG, data temporarily generated by the calculation by the calculation unit 101, and the like. The parameters stored in the storage unit 102 include parameters such as the volume, surface area, specific heat, density of each power storage element 200, the value of heat conductance between adjacent power storage elements 200, and the heat transfer coefficient to the outside. The state estimation program PG is provided, for example, by a non-temporary recording medium M in which a computer program is readablely recorded. The recording medium M is a portable memory such as a CD-ROM, a USB memory, or an SD (Secure Digital) card. The arithmetic unit 101 reads a desired computer program from the recording medium M using a reading device (not shown in the figure), and stores the read computer program in the storage unit 102. Alternatively, the computer program may be provided by communication.

温度推定の演算に用いられる熱コンダクタンスの値は、蓄電素子200が膨張することによって変化する可能性がある。このため、記憶部102には、後述する歪みセンサ103Eによって計測される歪みの値と、熱コンダクタンスの値との関係を示すテーブルが格納されていてもよい。 The value of thermal conductance used in the calculation of temperature estimation may change as the power storage element 200 expands. Therefore, the storage unit 102 may store a table showing the relationship between the strain value measured by the strain sensor 103E, which will be described later, and the thermal conductance value.

温度推定の演算に用いられる熱伝達率の値は、蓄電デバイス20の周囲における空気の流れによって変化する可能性がある。このため、記憶部102には、後述する流速計103Fによって計測される流速の値と、熱伝達率の値との関係を示すテーブルが格納されていてもよい。または、ヌセルト数、プラントル数及びレイノルズ数の間で成り立つ関係式から熱伝達率を算出する演算を行ってもよい。 The value of the heat transfer coefficient used in the calculation of the temperature estimation may change depending on the air flow around the power storage device 20. Therefore, the storage unit 102 may store a table showing the relationship between the value of the flow velocity measured by the current meter 103F described later and the value of the heat transfer coefficient. Alternatively, the calculation of the heat transfer coefficient may be performed from the relational expressions that hold between the Nusselt number, the Prandtl number, and the Reynolds number.

入力部103は、各種センサを接続するためのインタフェースを備える。入力部103に接続されるセンサには、蓄電素子200の電圧を計測する電圧センサ103A、蓄電素子200に流れる電流を計測する電流センサ103B、蓄電素子200の温度(素子温度)を計測する温度センサ103C、蓄電素子200の周囲の温度(環境温度)を計測する温度センサ103Dが含まれる。 The input unit 103 includes an interface for connecting various sensors. The sensors connected to the input unit 103 include a voltage sensor 103A that measures the voltage of the power storage element 200, a current sensor 103B that measures the current flowing through the power storage element 200, and a temperature sensor that measures the temperature (element temperature) of the power storage element 200. The 103C includes a temperature sensor 103D that measures the ambient temperature (environmental temperature) of the power storage element 200.

電圧センサ103Aは、既存の電圧センサであり、蓄電素子200の端子間電圧を時系列的に計測する。推定装置100の演算部101は、入力部103を通じて、電圧センサ103Aにより計測される電圧のデータを随時取得する。 The voltage sensor 103A is an existing voltage sensor, and measures the voltage between terminals of the power storage element 200 in time series. The calculation unit 101 of the estimation device 100 acquires voltage data measured by the voltage sensor 103A at any time through the input unit 103.

電流センサ103Bは、変流器、ホール効果型電流センサなどの既存のセンサであり、蓄電素子200に流れる電流を時系列的に計測する。推定装置100の演算部101は、入力部103を通じて、電流センサ103Bにより計測される電流のデータを随時取得する。 The current sensor 103B is an existing sensor such as a current transformer and a Hall effect type current sensor, and measures the current flowing through the power storage element 200 in time series. The calculation unit 101 of the estimation device 100 acquires current data measured by the current sensor 103B at any time through the input unit 103.

温度センサ103Cは、熱電対、サーミスタなどの既存のセンサであり、蓄電素子200の温度(素子温度)を時系列的に計測する。推定装置100の演算部101は、入力部103を通じて、温度センサ103Cにより計測される温度のデータを随時取得する。本実施の形態において、計測対象の蓄電素子200は、蓄電デバイス20が備える5個の蓄電素子200A~200Eのうちの一部(例えば蓄電素子200E)である。計測対象の蓄電素子200は、1個であってもよく、2~4個であってもよい。すなわち、蓄電素子200がN個(Nは2以上の整数)である場合、計測対象の蓄電素子200は、1個~(N-1)個の範囲にて適宜設置される。温度センサ103Cは、例えば蓄電素子200の上面に配置される。代替的に、温度センサ103Cは、蓄電素子200の側面又は下面に配置される。 The temperature sensor 103C is an existing sensor such as a thermocouple or a thermistor, and measures the temperature (element temperature) of the power storage element 200 in time series. The calculation unit 101 of the estimation device 100 acquires temperature data measured by the temperature sensor 103C at any time through the input unit 103. In the present embodiment, the power storage element 200 to be measured is a part of the five power storage elements 200A to 200E included in the power storage device 20 (for example, the power storage element 200E). The number of power storage elements 200 to be measured may be one, or may be two to four. That is, when the number of power storage elements 200 is N (N is an integer of 2 or more), the power storage elements 200 to be measured are appropriately installed in the range of 1 to (N-1). The temperature sensor 103C is arranged, for example, on the upper surface of the power storage element 200. Alternatively, the temperature sensor 103C is arranged on the side surface or the lower surface of the power storage element 200.

温度センサ103Dは、熱電対、サーミスタなどの既存のセンサであり、蓄電素子200の周囲の温度(環境温度)を時系列的に計測する。推定装置100の演算部101は、入力部103を通じて、温度センサ103Dにより計測される温度のデータを随時取得する。 The temperature sensor 103D is an existing sensor such as a thermocouple or a thermistor, and measures the ambient temperature (environmental temperature) of the power storage element 200 in time series. The calculation unit 101 of the estimation device 100 acquires temperature data measured by the temperature sensor 103D at any time through the input unit 103.

入力部103には、蓄電素子200の歪みの大きさを検知する歪みセンサ103Eが接続されてもよい。歪みセンサ103Eは、歪みゲージ式のロードセル等を用いた既存のセンサである。歪みセンサ103Eは、蓄電素子200のそれぞれに対して設けられる。 A strain sensor 103E that detects the magnitude of strain of the power storage element 200 may be connected to the input unit 103. The strain sensor 103E is an existing sensor using a strain gauge type load cell or the like. The strain sensor 103E is provided for each of the power storage elements 200.

入力部103には、蓄電デバイス20の周囲の空気の流れを計測する流速計103Fが接続されてもよい。流速計103Fは、フローメータなどの既存の計測機器である。流速計103Fは、蓄電デバイス20の周囲の適宜箇所に設置される。 A current meter 103F that measures the flow of air around the power storage device 20 may be connected to the input unit 103. The current meter 103F is an existing measuring device such as a flow meter. The current meter 103F is installed at an appropriate place around the power storage device 20.

出力部104は、外部装置を接続するインタフェースを備える。外部装置の一例は液晶ディスプレイなどの表示装置(不図示)である。代替的に、外部装置は、ユーザが使用するコンピュータやスマートフォンなどの端末装置(不図示)であってもよい。演算部101は、蓄電デバイス20の状態の推定結果を出力部104より外部装置へ出力する。推定装置100は、蓄電デバイス20の状態の推定結果をユーザに報知するために、LEDランプやブザー等の報知部を備えてもよい。 The output unit 104 includes an interface for connecting an external device. An example of an external device is a display device (not shown) such as a liquid crystal display. Alternatively, the external device may be a terminal device (not shown) such as a computer or smartphone used by the user. The calculation unit 101 outputs the estimation result of the state of the power storage device 20 from the output unit 104 to the external device. The estimation device 100 may include a notification unit such as an LED lamp or a buzzer in order to notify the user of the estimation result of the state of the power storage device 20.

以下、推定装置100が実行する演算処理の内容について説明する。
実施の形態において、蓄電素子200の電気化学現象は単粒子モデルによって記述され、熱現象は伝熱方程式によって記述される。単粒子モデル及び伝熱方程式は、それぞれ状態空間モデルに書き換えられた後、両者を連成させた拡大系の方程式に書き換えられる。推定装置100は、拡大系の方程式を状態推定器を用いて解くことにより、蓄電素子200の状態を推定する。以下では、(A)単粒子モデルを用いた状態空間モデル、(B)伝熱方程式を用いた状態空間モデル、(C)拡大系の方程式、(D)拡大系の方程式を用いた状態推定のそれぞれについて順に説明する。
Hereinafter, the content of the arithmetic processing executed by the estimation device 100 will be described.
In the embodiment, the electrochemical phenomenon of the power storage element 200 is described by a single particle model, and the heat phenomenon is described by a heat transfer equation. The single particle model and the heat transfer equation are each rewritten into a state space model, and then rewritten into an expansion system equation in which both are coupled. The estimation device 100 estimates the state of the power storage element 200 by solving the equation of the expansion system using the state estimator. In the following, (A) a state space model using a single particle model, (B) a state space model using a heat transfer equation, (C) an expansion system equation, and (D) a state estimation using an expansion system equation. Each will be described in turn.

(A)単粒子モデルを用いた状態空間モデル
図5は単粒子モデルを説明する説明図である。リチウムイオン電池の充放電挙動を示す物理モデルとして、Newmanモデルが知られている。Newmanモデルは、電池を負極多孔体、セパレータ、正極多孔体の3つの空間領域からなるものと捉え、(1)固相電位分布、(2)液相電位分布、(3)液相濃度(リチウムイオン濃度)分布、(4)正極及び負極の固相吸蔵リチウムイオン濃度を、固液界面での電荷移動反応抵抗や平衡電位も考慮しながら解くものである。
(A) State-space model using a single particle model FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a single particle model. The Newman model is known as a physical model showing the charge / discharge behavior of a lithium ion battery. The Newman model regards a battery as consisting of three spatial regions: a negative electrode porous body, a separator, and a positive electrode porous body, and (1) solid phase potential distribution, (2) liquid phase potential distribution, and (3) liquid phase concentration (lithium). The ion concentration) distribution and (4) the solid-phase occluded lithium ion concentrations of the positive electrode and the negative electrode are solved while considering the charge transfer reaction resistance and the equilibrium potential at the solid-liquid interface.

Newmanモデルにおいて解かれる主な式は、Nernst-Plank式、Fick拡散式、電荷保存式、Nernst式やSOC-OCP関係式、Butler-Volmer式の5つの方程式である。ここで、Nernst-Plank式は、電解液中のリチウムイオンの拡散・泳動を表す。Fick拡散式は、活物質粒子の固相内での吸蔵リチウムイオンの分子拡散を表す。電荷保存式は、活物質粒子での電子伝導を表す。Nernst式やSOC-OCP関係式は、固液界面での平衡電位を表す。SOC(State Of Charge)は、満充電を1、完全放電を0とした充電状態を表す指標である。OCP(Open Circuit Potential)は酸化還元反応がある場合の液相と固相との平衡電位差であり、通常、基準となる参照電極に対する相対値として表現されている。 The five main equations solved in the Newman model are the Nernst-Plank equation, the Fick diffusion equation, the charge conservation equation, the Nernst equation, the SOC-OCP relational equation, and the Butler-Volmer equation. Here, the Nernst-Plank equation represents the diffusion / migration of lithium ions in the electrolytic solution. The Fick diffusion formula represents the molecular diffusion of occluded lithium ions in the solid phase of the active material particles. The charge-saving formula represents electron conduction in active material particles. The Nernst equation and the SOC-OCP relational equation represent the equilibrium potential at the solid-liquid interface. SOC (State Of Charge) is an index showing a state of charge in which a full charge is 1 and a complete discharge is 0. OCP (Open Circuit Potential) is an equilibrium potential difference between a liquid phase and a solid phase when there is a redox reaction, and is usually expressed as a relative value with respect to a reference electrode as a reference.

Newmanモデルは、物理的な精緻さと使用実績の多さとから、最も成功したリチウムイオン電池の物理モデルである。しかしながら、計算対象の電池を通電方向に計算要素を細かく分割していることから、計算負荷は高く、オンライン処理には不向きである。そこで、実施の形態では、Newmanモデルを簡略化した単粒子モデル(Single-Particle Model)を用いる。単粒子モデルは、正極及び負極の活物質粒子が全て同一状態にあると仮定することで、Newmanモデルの計算負荷を大幅に低減できる。 The Newman model is the most successful physical model of lithium-ion batteries due to its physical precision and extensive usage record. However, since the calculation element is finely divided in the energization direction of the battery to be calculated, the calculation load is high and it is not suitable for online processing. Therefore, in the embodiment, a single particle model (Single-Particle Model) which is a simplification of the Newman model is used. In the single particle model, the calculation load of the Newman model can be significantly reduced by assuming that the active material particles of the positive electrode and the negative electrode are all in the same state.

単粒子モデルは、空間微分と時間微分とを含む偏微分方程式群であるNewmanモデルから、適当な仮定の下で空間微分を除去した常微分方程式群となるため、後述の状態空間モデルに持ち込みやすい。単粒子モデルの詳細は、例えば「Single-Particle Model for a Lithium-Ion Cell : Thermal Behavior, Meng Guo, Godfrey Sikha, and Ralph E. White, Journal of The Electrochemical Society ,158 (2) 122-132 (2011)」などに記載されている。 Since the single particle model is a group of ordinary differential equations obtained by removing the space differential from the Newman model, which is a group of partial differential equations including the space derivative and the time derivative, it is easy to bring it into the state space model described later. .. For details on the single particle model, see, for example, "Single-Particle Model for a Lithium-Ion Cell: Thermal Behavior, Meng Guo, Godfrey Sikha, and Ralph E. White, Journal of The Electrochemical Society, 158 (2) 122-132 (2011). ) ”And so on.

図6はFick拡散式における座標系を説明する説明図である。単粒子モデルにおいて、正極活物質粒子は、1つの粒子として表される。正極活物質粒子の半径をRp (m)とする。典型的には、0.1μm<Rp <10μmである。吸蔵リチウムイオンの拡散は、球座標における半径方向のFick拡散式によって解かれる。座標軸として、球の中心を原点としたrp 軸を考える。正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの濃度をcp とする。cp の次元は、mol/m3 であり、位置rと時刻tとの関数である。rp =0は正極活物質粒子の中心を表す。rp =Rp は正極活物質粒子の最外周の位置であり、固液界面(すなわち電荷移動反応が起こる場所)を表す。 FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a coordinate system in the Fick diffusion equation. In the single particle model, the positive electrode active material particles are represented as one particle. Let the radius of the positive electrode active material particles be R p (m). Typically, 0.1 μm <R p <10 μm. The diffusion of occluded lithium ions is solved by the radial Fick diffusion equation in spherical coordinates. As a coordinate axis, consider the r p axis with the center of the sphere as the origin. Let c p be the concentration of occluded lithium ions in the positive electrode active material particles. The dimension of c p is mol / m 3 , which is a function of the position r and the time t. r p = 0 represents the center of the positive electrode active material particles. r p = R p is the position of the outermost periphery of the positive electrode active material particles, and represents the solid-liquid interface (that is, the place where the charge transfer reaction occurs).

球座標での半径方向のFick拡散式は数1に示す通りである。Dp は正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数m2 /sである。Dp は、rp やcp の関数としてもよく、温度Tの関数としてもよいが、立式においては簡略化のために定数として表記する。 The radial Diffusion equation in spherical coordinates is as shown in Equation 1. D p is the diffusion coefficient m 2 / s of the occluded lithium ion in the positive electrode active material particles. D p may be a function of r p or c p , or may be a function of temperature T, but is expressed as a constant in the formula for simplification.

Figure 2022054018000002
Figure 2022054018000002

吸蔵リチウムイオンの拡散を計算するために、球を半径方向に均等に分割した場合の差分方程式を数2に示す。一例として分割数は5とする。図6では、5分割した点を、球の表面から順にr1 ,r2 ,…,r5 として示している。r1 は球の最表面(すなわち固液界面)、r5 は球の中心を表す。隣接する計算要素間の距離をΔrp とする。図6では、球を半径方向に均等に5分割した例を示したが、分割数は5以外であってもよく、不均等に分割してもよい。 Equation 2 shows the difference equation when the sphere is evenly divided in the radial direction in order to calculate the diffusion of occluded lithium ions. As an example, the number of divisions is 5. In FIG. 6, the points divided into five are shown as r 1 , r 2 , ..., R 5 in order from the surface of the sphere. r 1 represents the outermost surface of the sphere (ie, the solid-liquid interface), and r 5 represents the center of the sphere. Let Δr p be the distance between adjacent computational elements. In FIG. 6, an example in which the sphere is evenly divided into five in the radial direction is shown, but the number of divisions may be other than 5, and may be unevenly divided.

Figure 2022054018000003
Figure 2022054018000003

ここで、cp,i は分割要素iにおける吸蔵リチウムイオンの濃度、Δcp,i は分割要素iにおける吸蔵リチウムイオンの濃度変化、Δtは計算の時間刻みを表す。数2では差分方法として中心差分を用いた。代替的に、前進差分、後退差分などの他の差分方法を用いてもよい。 Here, c p and i represent the concentration of the stored lithium ion in the split element i, Δc p and i represent the change in the concentration of the stored lithium ion in the split element i, and Δt represents the time step of the calculation. In Equation 2, the central difference was used as the difference method. Alternatively, other difference methods such as forward difference and backward difference may be used.

i=5では、対称性から、数2は次のようになる。 At i = 5, the number 2 is as follows due to the symmetry.

Figure 2022054018000004
Figure 2022054018000004

正極活物質粒子の最表面(i=1)では、電荷移動反応に伴う吸蔵リチウムイオンの流出入がある。正極の体積をVp (m3 )、活物質粒子体積比率をεs,p 、正極中の活物質粒子の個数をnp 個とすると、 On the outermost surface (i = 1) of the positive electrode active material particles, there is an inflow and outflow of occluded lithium ions due to a charge transfer reaction. Assuming that the volume of the positive electrode is V p (m 3 ), the volume ratio of the active material particles is ε s, p , and the number of active material particles in the positive electrode is n p .

Figure 2022054018000005
Figure 2022054018000005

であるから、総活物質粒子表面積Sp (m2 )は数5によって表される。 Therefore, the total active material particle surface area Sp (m 2 ) is represented by the equation 5.

Figure 2022054018000006
Figure 2022054018000006

このとき、活物質粒子表面での反応電流密度Ireac(A/m2 )は数6によって表される。ここで、I(A)は電池を流れる電流であり、放電のとき0<Iとする。 At this time, the reaction current density I reac (A / m 2 ) on the surface of the active material particles is represented by the equation 6. Here, I (A) is the current flowing through the battery, and 0 <I when discharging.

Figure 2022054018000007
Figure 2022054018000007

反応の価数をz、ファラデー定数をF(C/mol)とすると、吸蔵リチウムイオンの流出入量Jp (mol/m2 s)は、 Assuming that the valence of the reaction is z and the Faraday constant is F (C / mol), the amount of inflow and outflow of stored lithium ions J p (mol / m 2 s) is

Figure 2022054018000008
Figure 2022054018000008

となることから、i=1での吸蔵リチウムイオンの差分式は、数8によって表される。 Therefore, the difference equation of the occluded lithium ion at i = 1 is represented by the equation 8.

Figure 2022054018000009
Figure 2022054018000009

これと同様に、i=2~5での吸蔵リチウムイオンの差分式をまとめると、数9の通りである。 Similarly, the difference equation of the occluded lithium ion at i = 2 to 5 can be summarized as the number 9.

Figure 2022054018000010
Figure 2022054018000010

前進オイラー法を用いて時間差分を行うことによって、次の数10が得られる。ここで、添え字のkやk+1は時間ステップを表す自然数である。 By performing the time difference using the forward Euler method, the following equation tens is obtained. Here, the subscripts k and k + 1 are natural numbers representing time steps.

Figure 2022054018000011
Figure 2022054018000011

ここまで、正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散について記述したが、負極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散においても同様の式が成立する。ただし、負極活物質粒子中の拡散については、添え字のpをnに変更し、活物質粒子表面の吸蔵リチウムイオンの流出入量を逆転させるだけでよい。 Up to this point, the diffusion of stored lithium ions in the positive electrode active material particles has been described, but the same equation holds for the diffusion of stored lithium ions in the negative electrode active material particles. However, for diffusion in the negative electrode active material particles, it is only necessary to change the subscript p to n and reverse the amount of occluded lithium ions on the surface of the active material particles.

正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの総量(mol)と、負極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの総量(mol)との和は、副反応を考えない限り一定である。製造初期に充電される吸蔵リチウムイオンの総量をNtot (mol)とすると、Ntot は以下の数11によって表される。 The sum of the total amount of stored lithium ions (mol) in the positive electrode active material particles and the total amount of stored lithium ions (mol) in the negative electrode active material particles is constant unless a side reaction is considered. Assuming that the total amount of stored lithium ions charged in the initial stage of production is N tot (mol), N tot is represented by the following number 11.

Figure 2022054018000012
Figure 2022054018000012

totは定数であるから、cp,5 ~cp,1 及びcn,1 ~cn,5 の中から1文字を消去できる。例えば、数11をcn,5 について解くと、数12が得られる。 Since N tot is a constant, one character can be erased from c p, 5 to c p, 1 and c n, 1 to c n, 5 . For example, solving the number 11 for c n, 5 gives the number 12.

Figure 2022054018000013
Figure 2022054018000013

数12において、cp,1 ~cp,5 及びcn,1 ~cn,4 は状態変数である。記載を簡略化するために、各状態変数の係数をan5,p1 ~an5,p5 及びan5,n1 ~an5,n4 と表し、定数項をfn,5 と表すと、以下の数13が得られる。 In the equation 12, c p, 1 to c p, 5 and c n, 1 to c n, 4 are state variables. To simplify the description, the coefficients of each state variable are expressed as an5, p1 to an5, p5 and an5, n1 to an5, n4 , and the constant term is expressed as f n, 5 . 13 is obtained.

Figure 2022054018000014
Figure 2022054018000014

正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの濃度を表す数10、負極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの濃度を表す数10と同様の式、及びcn,5 について解いた数13を1つにまとめて行列形式で記載すると、以下の数14が得られる。ここで、u=1である。 The same equation as the number 10 representing the concentration of occluded lithium ions in the positive electrode active material particles, the number 10 representing the concentration of occluded lithium ions in the negative electrode active material particles, and the number 13 solved for c n, 5 are combined into one. When collectively described in a matrix format, the following number 14 is obtained. Here, u = 1.

Figure 2022054018000015
Figure 2022054018000015

数14に示す行列の各成分の値は、数15及び数16によって与えられる。数15及び数16によって値が与えられていない成分の値はゼロである。 The value of each component of the matrix shown in Eq. 14 is given by Eq. 15 and Eq. 16. The value of the component not given a value by the equations 15 and 16 is zero.

Figure 2022054018000016
Figure 2022054018000016

Figure 2022054018000017
Figure 2022054018000017

次に、観測方程式について説明する。
数14などにおいて示される活物質粒子中での吸蔵リチウムイオン濃度は、直接的に計測することができない。測定できる値は、例えば正負極の端子間の電圧である。電圧Vは、次式によって定まる。
Next, the observation equation will be described.
The occluded lithium ion concentration in the active material particles shown in the number 14 and the like cannot be directly measured. The value that can be measured is, for example, the voltage between the terminals of the positive and negative electrodes. The voltage V is determined by the following equation.

Figure 2022054018000018
Figure 2022054018000018

ここで、OCPp (cp,1 )は正極の平衡電位であり、正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 の関数である。OCPn (cn,1 )は既に述べたように負極の平衡電位であり、負極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cn,1 の関数である。Rohm は電子伝導部及びイオン伝導部でのオーム抵抗による電圧降下(オーム過電圧)である。Rohm は温度Tの関数であってもよい。ηact,p (cp,1 ,I)は正極活物質粒子の固液界面での活性化過電圧であり、正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 、電流I、及び温度Tの非線形関数である。ηact,n (cn,1 ,I)は負極活物質粒子の固液界面での活性化過電圧であり、負極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cn,1 、電流I、及び温度Tの非線形関数である。すなわち、観測値の電圧Vは、正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 、負極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cn,1 、電流I、温度Tの複雑な非線形関数となる。 Here, OCP p (c p, 1 ) is the equilibrium potential of the positive electrode and is a function of the occluded lithium ion concentration c p, 1 at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles. OCP n (c n, 1 ) is the equilibrium potential of the negative electrode as described above, and is a function of the occluded lithium ion concentration c n, 1 at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles. R ohm is a voltage drop (ohm overvoltage) due to ohmic resistance in the electron conduction section and the ion conduction section. R ohm may be a function of temperature T. η act, p (cp , 1 , I) is the activation overvoltage at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles, and the occluded lithium ion concentration c p, 1 , current I at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles. , And a non-linear function of temperature T. η act, n (c n, 1 , I) is the activation overvoltage at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles, and the occluded lithium ion concentration c n, 1 and the current I at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles. , And a non-linear function of temperature T. That is, the observed voltage V is the occluded lithium ion concentration c p, 1 at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles, the occluded lithium ion concentration c n, 1 at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles, and the current I. It is a complex non-linear function of temperature T.

以下、数17の右辺の各項について説明する。
図7は正極の平衡電位を示すグラフであり、図8は負極の平衡電位を示すグラフである。図7の横軸は正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 を表し、縦軸は正極の平衡電位OCPp (cp,1 )を表す。図8の横軸は負極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cn,1 を表し、縦軸は負極の平衡電位OCPn (cn,1 )を表す。図7及び図8のグラフは、正極及び負極の平衡電位が固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度の非線形関数となることを示している。平衡電位は、理論的には温度の関数でもあるが、実用上は温度の影響は無視してよい。
Hereinafter, each item on the right side of the equation 17 will be described.
FIG. 7 is a graph showing the equilibrium potential of the positive electrode, and FIG. 8 is a graph showing the equilibrium potential of the negative electrode. The horizontal axis of FIG. 7 represents the occluded lithium ion concentration c p, 1 at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles, and the vertical axis represents the equilibrium potential OCP p (c p, 1 ) of the positive electrode. The horizontal axis of FIG. 8 represents the occluded lithium ion concentration c n, 1 at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles, and the vertical axis represents the equilibrium potential OCP n (c n, 1 ) of the negative electrode. The graphs of FIGS. 7 and 8 show that the equilibrium potentials of the positive and negative electrodes are a non-linear function of the occluded lithium ion concentration at the solid-liquid interface. The equilibrium potential is theoretically a function of temperature, but in practice the effect of temperature can be ignored.

電池全体のオーム抵抗Rohm (Ω)は数18によって表される。 The ohm resistance R ohm (Ω) of the entire battery is represented by the equation 18.

Figure 2022054018000019
Figure 2022054018000019

ここで、Rs,pos は正極の固相の電子抵抗(Ω)、Rs,neg は負極の固相の電子抵抗(Ω)、RI は電解液のイオン抵抗(Ω)を表す。各々の抵抗は、形状寸法、固相体積分率、屈曲度、材料物性によって決められてよい。オーム抵抗は、多くの場合、温度の影響を殆ど受けないと考えてよいが、温度の関数としてもよい。 Here, R s and pos represent the electron resistance (Ω) of the solid phase of the positive electrode, R s and neg represent the electronic resistance (Ω) of the solid phase of the negative electrode, and RI represents the ion resistance (Ω) of the electrolytic solution. Each resistance may be determined by the shape dimension, the solid phase volume fraction, the tortuosity, and the physical properties of the material. Ohmic resistance is often considered to be largely unaffected by temperature, but may be a function of temperature.

正極の活性化過電圧ηact,p は、数19のButler-Volmer式によって表される。 The activation overvoltage η act, p of the positive electrode is expressed by the Butler-Volmer equation of the number 19.

Figure 2022054018000020
Figure 2022054018000020

ここで、Iは電流(A)、Sp は総活物質粒子表面積(m2 )、ip0は交換電流密度(A/m2 )、αは移行係数、nは関与電子数、Fはファラデー定数(C/mol)、ηact,p は正極の活性化過電圧(V)、Rは気体定数(J/(K・mol))、Tは温度(K)である。交換電流密度ip0は、正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 の関数となることが知られている。数19に示す通り、正極の活性化過電圧ηact,p は、正極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cp,1 、電流I、温度Tの複雑な非線形関数となる。具体的な式を明示していないが、負極の活性化過電圧ηact,n についても正極の活性化過電圧ηact,p と同様である。 Here, I is the current (A), Sp is the total active material particle surface area (m 2 ), ip 0 is the exchange current density (A / m 2 ), α is the transition coefficient, n is the number of involved electrons, and F is Faraday. The constant (C / mol), η act, p is the activation overvoltage (V) of the positive electrode, R is the gas constant (J / (K · mol)), and T is the temperature (K). It is known that the exchange current density ip 0 is a function of the occluded lithium ion concentration c p , 1 at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles. As shown in Equation 19, the activation overvoltage η act, p of the positive electrode is a complicated nonlinear function of the occluded lithium ion concentration c p, 1 , the current I, and the temperature T at the solid-liquid interface of the positive electrode active material particles. Although the specific formula is not specified, the activation overvoltage η act, n of the negative electrode is the same as the activation overvoltage η act, p of the positive electrode.

ここまで、(A)では単粒子モデルの例を記載したが、これは一例として記載したに過ぎない。電池の特性を適切に表すものであれば、他のモデルを用いてもよい。計算負荷が問題にならないのであれば、Newmanモデルを用いてもよい。 So far, (A) has described an example of a single particle model, but this is only described as an example. Other models may be used as long as they adequately represent the characteristics of the battery. If the computational load is not a problem, the Newman model may be used.

(B)伝熱方程式を用いた状態空間モデル
図1に示す蓄電デバイス20の伝熱方程式は数20によって表される。
(B) State space model using the heat transfer equation The heat transfer equation of the power storage device 20 shown in FIG. 1 is represented by the equation 20.

Figure 2022054018000021
Figure 2022054018000021

ここで、T1 ~T5 、S1 ~S5 、Q1 ~Q5 、h1 ~h5 は、それぞれ蓄電素子200A~200Eの温度(K)、表面積(m2 )、発熱量(W)、外部への熱伝達率(W/m2 /K)を表す。kijは、i番目の蓄電素子200(例えば蓄電素子200A)とj番目の蓄電素子200(例えば蓄電素子200B)との間の熱コンダクタンス(W/K)を表す。ρ、Cp 、Vは、蓄電素子200の密度(kg/m3 )、比熱(J/kg/K)、体積(m3 )を表す。実施の形態では、各蓄電素子200の密度、比熱、体積を共通としているが、各蓄電素子200の密度、比熱、体積を個別に設定してもよい。T0 は、環境温度(K)を表す。 Here, T 1 to T 5 , S 1 to S 5 , Q 1 to Q 5 , and h 1 to h 5 are the temperature (K), surface area (m 2 ), and calorific value (W) of the power storage elements 200A to 200E, respectively. ), Heat transfer coefficient to the outside (W / m 2 / K). k ij represents the thermal conductance (W / K) between the i-th power storage element 200 (for example, the power storage element 200A) and the j-th power storage element 200 (for example, the power storage element 200B). ρ, C p , and V represent the density (kg / m 3 ), specific heat (J / kg / K), and volume (m 3 ) of the power storage element 200. In the embodiment, the density, specific heat, and volume of each power storage element 200 are common, but the density, specific heat, and volume of each power storage element 200 may be set individually. T 0 represents the environmental temperature (K).

数20における左辺は、蓄電素子200の温度上昇に用いられた熱量を表す。右辺の熱コンダクタンスkijを含む項は、隣り合う蓄電素子200の温度差に基づく熱伝導を表す。右辺の熱伝達率h1 ~h5 を含む項は、蓄電素子200から外部への放熱を表しており、放熱が発生している場合にはマイナスの値となる。Q1 ~Q5 を含む項は、蓄電デバイス20の発熱を表す。発熱の要因には、通電によるジュール熱や反応熱などがある。 The left side of the number 20 represents the amount of heat used to raise the temperature of the power storage element 200. The term including the thermal conductance k ij on the right side represents the thermal conduction based on the temperature difference between the adjacent power storage elements 200. The term including the heat transfer coefficients h 1 to h 5 on the right side represents heat dissipation from the power storage element 200 to the outside, and is a negative value when heat dissipation is generated. The term including Q1 to Q5 represents the heat generation of the power storage device 20. Factors of heat generation include Joule heat and reaction heat due to energization.

以下では、T1 ~T5 以外のパラメータは一定値(時不変)として説明する。代替的にT1 ~T5 以外のパラメータの時間変化を考慮してもよい。T1 ~T5 以外のパラメータの時間変化を考慮したとしても、同様の計算手法が成立する。 In the following, parameters other than T 1 to T 5 will be described as constant values (time-invariant). Alternatively, the time variation of parameters other than T 1 to T 5 may be considered. Even if the time change of parameters other than T 1 to T 5 is taken into consideration, the same calculation method is established.

数20における時間微分を時間差分によって書き換え、整理すると以下の数21が得られる。 When the time derivative in the number 20 is rewritten by the time difference and arranged, the following number 21 is obtained.

Figure 2022054018000022
Figure 2022054018000022

ここで、kは時間ステップを表し、自然数である。αは(ρCp V/Δt)-1である。 Here, k represents a time step and is a natural number. α is (ρC p V / Δt) -1 .

次に、数21を行列表現するために、状態ベクトルxT (k)、ベクトルbT 、行列AT を、以下の数22によって定義する。 Next, in order to represent the number 21 as a matrix, the state vector x T (k), the vector b T , and the matrix AT are defined by the following number 22.

Figure 2022054018000023
Figure 2022054018000023

ここで、aT11 =1-α(S11 +k12)、aT22 =1-α(k12+k23+S22 )、aT33 =1-α(k23+k34+S33 )、aT44 =1-α(k34+k45+S44 )、aT55 =1-α(k45+S55 )である。また、aT12 =aT21 =αk12、aT23 =aT32 =αk23、aT34 =aT43 =αk34、aT45 =aT54 =αk45であり、その他は0である。 Here, a T11 = 1-α (S 1 h 1 + k 12 ), a T22 = 1-α (k 12 + k 23 + S 2 h 2 ), a T33 = 1-α (k 23 + k 34 + S 3 h 3 ) ), A T44 = 1-α (k 34 + k 45 + S 4 h 4 ), a T55 = 1-α (k 45 + S 5 h 5 ). Further, a T12 = a T21 = αk 12 , a T23 = a T32 = αk 23 , a T34 = a T43 = αk 34 , a T45 = a T54 = αk 45 , and the others are 0.

離散空間状態方程式の表現を用いた場合、数式22は、以下のように記載できる。ただし、制御信号uT k==1であるとする。 Using the representation of the discrete space equation of state, Equation 22 can be described as follows: However, it is assumed that the control signal u T k == 1.

Figure 2022054018000024
Figure 2022054018000024

観測方程式は、数24のように表される。右上付のtは転置を表す。より一般的には、直達項が右辺に加わるが、伝熱の場合は演算時間に比べて代表時間が大きいため、無視してよい場合が多い。 The observation equation is expressed as the equation 24. The t in the upper right represents transposition. More generally, the direct term is added to the right side, but in the case of heat transfer, the representative time is larger than the calculation time, so it can be ignored in many cases.

Figure 2022054018000025
Figure 2022054018000025

数24の観測方程式では、スカラ観測値yT kを用いた。代替的に、観測値は複数であってもよい。CT は、計測される素子温度を要素とする観測ベクトル(又は観測行列)である。例えば、5番目の蓄電素子200の温度のみを計測する場合、観測ベクトルは数25にように表される。 In the observation equation of Eq. 24, the scalar observation value y T k was used. Alternatively, there may be multiple observations. CT is an observation vector (or observation matrix) whose element is the measured element temperature . For example, when measuring only the temperature of the fifth power storage element 200, the observation vector is represented by the equation 25.

Figure 2022054018000026
Figure 2022054018000026

(C)拡大系の方程式
以下では、電気化学の単粒子モデルを用いて導出した状態空間モデルと、伝熱方程式を用いて導出した状態空間モデルとを連成させることによって、拡大系の方程式を導出する。
(C) Expansion system equations In the following, the expansion system equations are obtained by coupling the state space model derived using the electrochemical single particle model and the state space model derived using the heat transfer equation. Derived.

数14に示される吸蔵リチウムイオン濃度に外乱項を加えることによって、数26が得られる。外乱が正規分布を持つ場合(すなわちガウスノイズである場合)、無香料カルマンフィルタやアンサンブルカルマンフィルタを使用できる。外乱が正規分布でない場合、粒子フィルタを使用できる。外乱は乱数によって表現すればよい。 The number 26 is obtained by adding a disturbance term to the stored lithium ion concentration shown in the number 14. If the disturbance has a normal distribution (ie, Gaussian noise), an unscented Kalman filter or an ensemble Kalman filter can be used. If the disturbance is not normally distributed, a particle filter can be used. The disturbance may be expressed by a random number.

Figure 2022054018000027
Figure 2022054018000027

以下では、数26を数27のように簡略化して表記する場合もある。 In the following, the number 26 may be abbreviated as the number 27.

Figure 2022054018000028
Figure 2022054018000028

電池モジュールが5つの単電池からなる場合、5つの単電池それぞれに吸蔵リチウムイオン濃度が定義されるので、単粒子モデルの状態方程式は数28のように5つの式から構成される。これら全ての方程式を記載すると冗長となるので、実施の形態では、1つの電池の単粒子モデルのみを記載する。 When the battery module consists of five cells, the occluded lithium ion concentration is defined for each of the five cells, so the equation of state of the single particle model is composed of five equations as shown in Equation 28. Since it would be redundant to describe all these equations, in the embodiment, only a single particle model of one battery will be described.

Figure 2022054018000029
Figure 2022054018000029

数23に示される温度に外乱項を加えることによって、数29が得られる。外乱が正規分布を持つ場合(すなわちガウスノイズである場合)、無香料カルマンフィルタやアンサンブルカルマンフィルタを使用できる。外乱が正規分布でない場合、粒子フィルタを使用できる。外乱は乱数によって表現すればよい。 By adding a disturbance term to the temperature shown in Equation 23, Equation 29 is obtained. If the disturbance has a normal distribution (ie, Gaussian noise), an unscented Kalman filter or an ensemble Kalman filter can be used. If the disturbance is not normally distributed, a particle filter can be used. The disturbance may be expressed by a random number.

Figure 2022054018000030
Figure 2022054018000030

以下では、数29を数30のように簡略化して表記する場合もある。 In the following, the number 29 may be abbreviated as the number 30.

Figure 2022054018000031
Figure 2022054018000031

上述した数26及び数27では吸蔵リチウムイオン濃度を扱い、数29及び数30は蓄電素子200の温度を扱っている。両者を独立した変数として計算することも可能であるが、実際には両者は相互に関連し合っている。 The above-mentioned number 26 and number 27 deal with the stored lithium ion concentration, and the number 29 and the number 30 deal with the temperature of the power storage element 200. It is possible to calculate both as independent variables, but in reality they are related to each other.

例えば、温度が関連する電気化学のパラメータとしては、吸蔵リチウムイオンの拡散係数Dp ,Dn や正極及び負極の活性化過電圧ηact,p ,ηact,n が挙げられる。数1などに表れる正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数Dp は温度の関数であり、実験データや第一原理計算などの結果に基づいて設定される。負極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数Dn についても同様である。数17などに表れる正極及び負極の活性化過電圧ηact,p ,ηact,n も温度の関数であり、Butler-Volmer式などの温度に対するアレニウス型の関数が用いられる。 For example, temperature-related electrochemical parameters include diffusion coefficients D p and D n of occluded lithium ions and activation overvoltages of positive and negative electrodes η act, p , η act, n . The mass diffusivity D p of the occluded lithium ion in the positive electrode active material particles appearing in the number 1 or the like is a function of temperature, and is set based on the results of experimental data and first-principles calculation. The same applies to the diffusion coefficient D n of the occluded lithium ions in the negative electrode active material particles. The activation overvoltages η act, p , η act, n of the positive electrode and the negative electrode appearing in the number 17 and the like are also functions of temperature, and an Arenius type function with respect to temperature such as the Butler-Volmer equation is used.

電気化学から温度への関連として発熱量が挙げられる。電池の発熱量は、(電流)×(過電圧)であるから、数31のように表される。 The calorific value is mentioned as a relation from electrochemical to temperature. Since the calorific value of the battery is (current) × (overvoltage), it is expressed as the number 31.

Figure 2022054018000032
Figure 2022054018000032

電気化学及び伝熱を連成させた最終的な状態方程式は、数32のように表される。 The final equation of state in which electrochemistry and heat transfer are coupled is expressed as in equation 32.

Figure 2022054018000033
Figure 2022054018000033

全ての項を記述した場合には数式が煩雑となるため、慣例に倣い、数32では非線形変換の関数fを用いて表記する。数32において、右下添え字なしのベクトルは、電気化学の変数と温度変数とを全て含むベクトルを表す。 Since the mathematical formula becomes complicated when all the terms are described, the number 32 is expressed by using the function f of the nonlinear transformation according to the convention. In the number 32, the vector without the lower right subscript represents a vector containing all the electrochemical variables and the temperature variables.

観測量は温度及び端子間電圧であるから、観測方程式は数33のように表される。 Since the observed amount is the temperature and the voltage between terminals, the observation equation is expressed as the number 33.

Figure 2022054018000034
Figure 2022054018000034

観測においても、外乱が正規分布を持つ場合(すなわちガウスノイズである場合)、無香料カルマンフィルタやアンサンブルカルマンフィルタを使用できる。外乱が正規分布でない場合、粒子フィルタを使用できる。外乱は乱数によって表現すればよい。 In observation, if the disturbance has a normal distribution (that is, Gaussian noise), an unscented Kalman filter or an ensemble Kalman filter can be used. If the disturbance is not normally distributed, a particle filter can be used. The disturbance may be expressed by a random number.

(D)拡大系の方程式を用いた状態推定
実施の形態1に係る推定装置100は、粒子フィルタを利用して、数32の状態方程式及び数33の観測方程式によって表される時系列モデルの時間更新を逐次計算し、蓄電素子200の状態を推定する。
(D) State estimation using the equation of the expansion system The estimation device 100 according to the first embodiment uses a particle filter and is a time series model represented by the state equation of the number 32 and the observation equation of the number 33. The update is sequentially calculated and the state of the power storage element 200 is estimated.

以下、推定装置100が実行する処理の手順について説明する。
図9は実施の形態1における状態推定手順を説明するフローチャートである。推定装置100の演算部101は、k=1の初期値を与える(ステップS101)。演算部101は、蓄電素子200の電圧及び電流の初期値として予め設定した仮の値を与え、温度の初期値として環境温度を与えればよい。
Hereinafter, the procedure of the process executed by the estimation device 100 will be described.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a state estimation procedure according to the first embodiment. The arithmetic unit 101 of the estimation device 100 gives an initial value of k = 1 (step S101). The calculation unit 101 may give a temporary value preset as the initial value of the voltage and the current of the power storage element 200, and give the environmental temperature as the initial value of the temperature.

次いで、演算部101は、各状態変数について、N個の粒子を発生させる(ステップS102)。ここで、Nは、102 ~106 程度の数が通常用いられる。 Next, the arithmetic unit 101 generates N particles for each state variable (step S102). Here, a number of about 102 to 106 is usually used for N.

次いで、演算部101は、i=1,2,…,Nについて、vk に相当する乱数を発生させる(ステップS103)。 Next, the arithmetic unit 101 generates a random number corresponding to v k for i = 1, 2, ..., N (step S103).

演算部101は、全てのN個の粒子について、数34に基づく演算を実行することによって、粒子の状態を次の時間ステップにおける粒子の状態に更新する(ステップS104)。 The calculation unit 101 updates the state of the particles to the state of the particles in the next time step by executing the calculation based on the number 34 for all N particles (step S104).

Figure 2022054018000035
Figure 2022054018000035

演算部101は、入力部103を通じて、電圧センサ103A、電流センサ103B、温度センサ103C,103Dのセンサ出力を取得し(ステップS105)、全てのN個の粒子について、観測方程式に基づき粒子の重みPk (i)を算出する(ステップS106)。粒子の重みは、粒子iの状態ベクトルxk を得たときに、観測値yk が観測される確率(尤度)であり、次式によって記述される。 The calculation unit 101 acquires the sensor outputs of the voltage sensor 103A, the current sensor 103B, and the temperature sensors 103C and 103D through the input unit 103 (step S105), and for all N particles, the particle weight P is based on the observation equation. Calculate k (i) (step S106). The particle weight is the probability (likelihood) that the observed value y k is observed when the state vector x k of the particle i is obtained, and is described by the following equation.

Figure 2022054018000036
Figure 2022054018000036

演算部101は、ステップS106において算出した粒子の重みPk (i)を、次式に基づいて規格化する(ステップS107)。 The calculation unit 101 normalizes the particle weight P k (i) calculated in step S106 based on the following equation (step S107).

Figure 2022054018000037
Figure 2022054018000037

演算部101は、粒子の重みと状態ベクトルとの加重平均をとったベクトルを、粒子フィルタによる推定値として算出する(ステップS108)。演算式は、数37に示す通りである。この演算により、各蓄電素子200における吸蔵リチウムイオン濃度及び温度の推定値が得られる。 The calculation unit 101 calculates a vector obtained by taking a weighted average of the weight of the particles and the state vector as an estimated value by the particle filter (step S108). The arithmetic expression is as shown in Equation 37. By this calculation, an estimated value of the stored lithium ion concentration and the temperature in each storage element 200 can be obtained.

Figure 2022054018000038
Figure 2022054018000038

演算部101は、次の時間ステップを計算するか否かを判断する(ステップS109)。演算部101は、予め設定した時間ステップに到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断すればよい。代替的に、演算部101は、蓄電素子200の状態が予め設定した状態に到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断してもよい。次の時間ステップを計算しない場合(S109:NO)、演算部101は、本フローチャートによる処理を終了する。 The calculation unit 101 determines whether or not to calculate the next time step (step S109). The calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the preset time step has been reached. Alternatively, the calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the state of the power storage element 200 has reached a preset state. When the next time step is not calculated (S109: NO), the calculation unit 101 ends the process according to this flowchart.

次の時間ステップを計算する場合(S109:YES)、演算部101は、次の時間ステップの推定のために粒子をリサンプリング(層化サンプリング)する(ステップS110)。演算部101は、時間ステップkの状態ベクトルxk (i)はpk (i)に比例して復元抽出されるとし、時間ステップk+1での状態ベクトルを定めればよい。演算部101は、粒子をリサンプリングした後、処理をステップS104へ戻し、次の時間ステップk+1における計算を継続する。 When calculating the next time step (S109: YES), the arithmetic unit 101 resamples (stratified sampling) the particles for estimation of the next time step (step S110). The arithmetic unit 101 may determine the state vector in the time step k + 1 by assuming that the state vector x k (i) in the time step k is restored and extracted in proportion to p k (i) . After resampling the particles, the calculation unit 101 returns the process to step S104 and continues the calculation in the next time step k + 1.

以上のように、推定装置100の演算部101は、各時間ステップにおいて、各蓄電素子200の吸蔵リチウムイオン濃度及び温度を推定できる。演算部101は、推定した吸蔵リチウムイオン濃度及び温度に基づき、SOC、OCP、活性化過電圧など蓄電素子200における様々な物理量を推定してもよい。 As described above, the arithmetic unit 101 of the estimation device 100 can estimate the occluded lithium ion concentration and temperature of each storage element 200 at each time step. The calculation unit 101 may estimate various physical quantities in the power storage element 200 such as SOC, OCP, and activation overvoltage based on the estimated storage lithium ion concentration and temperature.

実施の形態1では、粒子フィルタを利用して状態変数を推定する構成について説明した。粒子フィルタは、非線形性や非ガウス性を有する状態空間モデルを対象としたフィルタ手法であり、線形性やガウス性を仮定せずに、より一般的な状態空間モデルを対象とすることができる。また、粒子フィルタは、アルゴリズムが比較的単純であり、推定装置100に容易に実装できる。 In the first embodiment, a configuration for estimating a state variable using a particle filter has been described. The particle filter is a filter method for a state-space model having non-linearity and non-Gaussian property, and can target a more general state-space model without assuming linearity or Gaussian property. Further, the particle filter has a relatively simple algorithm and can be easily implemented in the estimation device 100.

(実施の形態2)
実施の形態2では、アンサンブルカルマンフィルタを用いた状態推定アルゴリズムについて説明する。すなわち、実施の形態2における推定装置100は、アンサンブルカルマンフィルタを用いて、数32の状態方程式及び数33の観測方程式によって表される時系列モデルの時間更新を逐次計算し、蓄電素子200の状態を推定する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a state estimation algorithm using an ensemble Kalman filter will be described. That is, the estimation device 100 in the second embodiment sequentially calculates the time update of the time series model represented by the state equation of the number 32 and the observation equation of the number 33 by using the ensemble Kalman filter, and determines the state of the power storage element 200. presume.

図10は実施の形態2における状態推定手順を説明するフローチャートである。推定装置100の演算部101は、k=1の初期値を与える(ステップS121)。演算部101は、蓄電素子200の電圧及び電流の初期値として予め設定した仮の値を与え、温度の初期値として環境温度を与えればよい。状態方程式における外乱項vk 及び観測方程式における外乱項wk の分散をそれぞれQk 及びRk とする。 FIG. 10 is a flowchart illustrating a state estimation procedure according to the second embodiment. The arithmetic unit 101 of the estimation device 100 gives an initial value of k = 1 (step S121). The calculation unit 101 may give a temporary value preset as the initial value of the voltage and the current of the power storage element 200, and give the environmental temperature as the initial value of the temperature. Let the variances of the disturbance term v k in the equation of state and the disturbance term w k in the observation equation be Q k and R k , respectively.

次いで、演算部101は、各状態変数について、N個の粒子を発生させる(ステップS122)。ここで、Nは、102 ~106 程度の数が通常用いられる。 Next, the arithmetic unit 101 generates N particles for each state variable (step S122). Here, a number of about 102 to 106 is usually used for N.

次いで、演算部101は、i=1,2,…,Nについて、vk に相当する乱数を発生させる(ステップS123)。vk は正規分布に従うものとし、分散は既知とする。 Next, the arithmetic unit 101 generates a random number corresponding to v k for i = 1, 2, ..., N (step S123). It is assumed that v k follows a normal distribution and the variance is known.

演算部101は、全てのN個の粒子について、数38に基づく演算を実行することによって、粒子の状態を次の時間ステップにおける粒子の状態に更新する(ステップS124)。 The calculation unit 101 updates the state of the particles to the state of the particles in the next time step by executing the calculation based on the number 38 for all N particles (step S124).

Figure 2022054018000039
Figure 2022054018000039

演算部101は、i=1,2,…,Nの各粒子の状態ベクトルと、全粒子の状態ベクトルの平均値との差を算出し(ステップS125)、全ての粒子に関する状態量予測値の共分散行列Pk を算出する(ステップS126)。共分散行列Pk は、数39によって表される。 The calculation unit 101 calculates the difference between the state vector of each particle of i = 1, 2, ..., N and the average value of the state vector of all particles (step S125), and calculates the state quantity predicted value for all the particles. The covariance matrix P k is calculated (step S126). The covariance matrix P k is represented by the number 39.

Figure 2022054018000040
Figure 2022054018000040

演算部101は、入力部103を通じて、電圧センサ103A、電流センサ103B、温度センサ103C,103Dのセンサ出力を取得する(ステップS127)。取得したセンサ出力は、時間ステップkにおける各粒子の観測値yk iを与える。 The calculation unit 101 acquires the sensor outputs of the voltage sensor 103A, the current sensor 103B, and the temperature sensors 103C, 103D through the input unit 103 (step S127). The acquired sensor output gives the observed value y k i of each particle in the time step k.

演算部101は、i番目の粒子の時間ステップkにおける観測誤差rk iを算出する(ステップS128)。ここで、wk は観測外乱である。観測誤差rk iは、数40によって表される。 The calculation unit 101 calculates the observation error r k i in the time step k of the i-th particle (step S128). Here, w k is an observation disturbance. The observation error r k i is represented by the number 40.

Figure 2022054018000041
Figure 2022054018000041

演算部101は、時間ステップkにおけるカルマンゲインKk を算出する(ステップS129)。カルマンゲインKk は、数41によって表される。 The calculation unit 101 calculates the Kalman gain K k in the time step k (step S129). The Kalman gain K k is represented by the number 41.

Figure 2022054018000042
Figure 2022054018000042

演算部101は、i番目の粒子の推定値xk (i)_hatを算出する(ステップS130)。推定値xk (i)_hatは、数42によって表される。すなわち、演算部101は、数38の最初の予測値を、数40の観測誤差rk iと数41のカルマンゲインKk とを用いて修正する。 The calculation unit 101 calculates the estimated value x k (i) _hat of the i-th particle (step S130). The estimated value x k (i) _hat is represented by the number 42. That is, the arithmetic unit 101 corrects the first predicted value of the number 38 by using the observation error r k i of the number 40 and the Kalman gain K k of the number 41.

Figure 2022054018000043
Figure 2022054018000043

演算部101は、各粒子の平均値xk _hatを算出する(ステップS131)。各粒子の平均値xk _hatは、アンサンブルカルマンフィルタによって得られる状態ベクトル推定値を表し、次式によって算出される。 The calculation unit 101 calculates the average value x k _hat of each particle (step S131). The average value x k _hat of each particle represents the state vector estimated value obtained by the ensemble Kalman filter, and is calculated by the following equation.

Figure 2022054018000044
Figure 2022054018000044

数43によって得られる推定値(各粒子の平均値xk _hat)には、各蓄電素子200の吸蔵リチウムイオン濃度及び温度の推定値が含まれる。演算部101は、次の時間ステップを計算するか否かを判断する(ステップS132)。演算部101は、予め設定した時間ステップに到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断すればよい。代替的に、演算部101は、蓄電素子200の状態が予め設定した状態に到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断してもよい。 The estimated value (mean value x k _hat of each particle) obtained by the number 43 includes an estimated value of the occluded lithium ion concentration and the temperature of each power storage element 200. The calculation unit 101 determines whether or not to calculate the next time step (step S132). The calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the preset time step has been reached. Alternatively, the calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the state of the power storage element 200 has reached a preset state.

次の時間ステップを計算する場合(S132:YES)、演算部101は、処理をステップS124へ戻し、次の時間ステップk+1における演算を実行する。次の時間ステップを計算しない場合(S132:NO)、演算部101は、本フローチャートによる処理を終了する。 When calculating the next time step (S132: YES), the calculation unit 101 returns the process to step S124 and executes the calculation in the next time step k + 1. When the next time step is not calculated (S132: NO), the calculation unit 101 ends the process according to this flowchart.

実施の形態2における推定装置100は、アンサンブルカルマンフィルタを利用して状態変数を推定する。アンサンブルカルマンフィルタは、非線形性や非ガウス性を有する状態空間モデルを対象としたフィルタ手法であり、より一般的な状態空間モデルを対象とすることができる。アンサンブルカルマンフィルタは、アルゴリズムが比較的単純であり、推定装置100に容易に実装できる。 The estimation device 100 in the second embodiment estimates a state variable using an ensemble Kalman filter. The ensemble Kalman filter is a filter method for a state-space model having non-linearity and non-Gaussian property, and can target a more general state-space model. The ensemble Kalman filter has a relatively simple algorithm and can be easily implemented in the estimation device 100.

(実施の形態3)
実施の形態3では、拡張カルマンフィルタを用いた状態推定アルゴリズムについて説明する。すなわち、実施の形態3における推定装置100は、拡張カルマンフィルタを用いて、数32の状態方程式及び数33の観測方程式によって表される時系列モデルの時間更新を逐次計算し、蓄電素子200の状態を推定する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a state estimation algorithm using an extended Kalman filter will be described. That is, the estimation device 100 in the third embodiment sequentially calculates the time update of the time series model represented by the state equation of the number 32 and the observation equation of the number 33 by using the extended Kalman filter, and determines the state of the power storage element 200. presume.

図11は実施の形態3における状態推定手順を説明するフローチャートである。推定装置100の演算部101は、k=1の初期値を与える(ステップS141)。演算部101は、蓄電素子200の電圧及び電流の初期値として予め設定した仮の値を与え、温度の初期値として環境温度を与えればよい。状態方程式における外乱項vk 及び観測方程式における外乱項wk の分散をそれぞれQk 及びRk とする。初期の分散共分散行列Pを仮定する。 FIG. 11 is a flowchart illustrating a state estimation procedure according to the third embodiment. The arithmetic unit 101 of the estimation device 100 gives an initial value of k = 1 (step S141). The calculation unit 101 may give a temporary value preset as the initial value of the voltage and the current of the power storage element 200, and give the environmental temperature as the initial value of the temperature. Let the variances of the disturbance term v k in the equation of state and the disturbance term w k in the observation equation be Q k and R k , respectively. Assume an initial variance-covariance matrix P.

演算部101は、事前状態推定値x- k+1 _hatを次式により算出する(ステップS142)。 The calculation unit 101 calculates the pre-state estimated value x k + 1 _ hat by the following equation (step S142).

Figure 2022054018000045
Figure 2022054018000045

演算部101は、非線形変換fのヤコビアン行列を以下の手順によって導出する(ステップS143)。例えば、数45によって表される3成分ベクトルに対し、非線形変換fを数46のように表した場合、ヤコビアンは数47によって算出される。演算部101は、ヤコビアンを事前に導出し、記憶部102に記憶させておいてもよい。 The arithmetic unit 101 derives the Jacobian determinant of the nonlinear transformation f by the following procedure (step S143). For example, when the nonlinear transformation f is expressed as the number 46 for the three-component vector represented by the number 45, the Jacobian is calculated by the number 47. The arithmetic unit 101 may derive the Jacobian in advance and store it in the storage unit 102.

Figure 2022054018000046
Figure 2022054018000046

Figure 2022054018000047
Figure 2022054018000047

Figure 2022054018000048
Figure 2022054018000048

演算部101は、事前誤差共分散行列P- k+1を次式により算出する(ステップS144)。ここで、状態遷移行列Ak は数49により表される。 The arithmetic unit 101 calculates the prior error covariance matrix P k + 1 by the following equation (step S144). Here, the state transition matrix Ak is represented by the equation 49.

Figure 2022054018000049
Figure 2022054018000049

Figure 2022054018000050
Figure 2022054018000050

演算部101は、カルマンゲインgk を算出する(ステップS145)。カルマンゲインgk は、数50によって表される。ここで、ck Tは数51により表される。 The calculation unit 101 calculates the Kalman gain g k (step S145). The Kalman gain g k is represented by the number 50. Here, c k T is represented by the number 51.

Figure 2022054018000051
Figure 2022054018000051

Figure 2022054018000052
Figure 2022054018000052

演算部101は、入力部103を通じて、電圧センサ103A、電流センサ103B、温度センサ103C,103Dのセンサ出力を取得する(ステップS146)。取得したセンサ出力は、時間ステップkの観測値yk を与える。 The calculation unit 101 acquires the sensor outputs of the voltage sensor 103A, the current sensor 103B, and the temperature sensors 103C, 103D through the input unit 103 (step S146). The acquired sensor output gives the observed value y k in the time step k.

演算部101は、事後状態推定値xk+1 _hat、及び事後誤差共分散行列Pk を次式により算出する(ステップS147)。 The calculation unit 101 calculates the post-state estimated value x k + 1 _hat and the post-error covariance matrix P k by the following equations (step S147).

Figure 2022054018000053
Figure 2022054018000053

数52によって得られる推定値(事後状態推定値xk+1 _hat)には、各蓄電素子200の吸蔵リチウムイオン濃度及び温度の推定値が含まれる。演算部101は、次の時間ステップを計算するか否かを判断する(ステップS148)。演算部101は、予め設定した時間ステップに到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断すればよい。代替的に、演算部101は、蓄電素子200の状態が予め設定した状態に到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断してもよい。 The estimated value (posterior state estimated value x k + 1 _hat) obtained by the number 52 includes an estimated value of the occluded lithium ion concentration and the temperature of each power storage element 200. The calculation unit 101 determines whether or not to calculate the next time step (step S148). The calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the preset time step has been reached. Alternatively, the calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the state of the power storage element 200 has reached a preset state.

次の時間ステップを計算する場合(S148:YES)、演算部101は、処理をステップS142へ戻し、次の時間ステップk+1における演算を実行する。次の時間ステップを計算しない場合(S148:NO)、演算部101は、本フローチャートによる処理を終了する。 When calculating the next time step (S148: YES), the calculation unit 101 returns the process to step S142 and executes the calculation in the next time step k + 1. When the next time step is not calculated (S148: NO), the calculation unit 101 ends the process according to this flowchart.

実施の形態3における推定装置100は、拡張カルマンフィルタを利用して状態変数を推定する。拡張カルマンフィルタは、非線形モデルを平均値等の代表値付近で線形近似することにより、カルマンフィルタの適用を可能にする手法である。拡張カルマンフィルタは、計算負荷が小さく、安価な装置にて実現可能である。 The estimation device 100 in the third embodiment estimates a state variable using an extended Kalman filter. The extended Kalman filter is a method that enables the application of a Kalman filter by linearly approximating a nonlinear model near a representative value such as an average value. The extended Kalman filter has a small calculation load and can be realized by an inexpensive device.

(実施の形態4)
実施の形態4では、無香料カルマンフィルタを用いた状態推定アルゴリズムについて説明する。すなわち、実施の形態4における推定装置100は、無香料カルマンフィルタを用いて、数32の状態方程式及び数33の観測方程式によって表される時系列モデルの時間更新を逐次計算し、蓄電素子200の状態を推定する。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, a state estimation algorithm using an unscented Kalman filter will be described. That is, the estimation device 100 in the fourth embodiment uses the unscented Kalman filter to sequentially calculate the time update of the time series model represented by the equation of state of equation 32 and the observation equation of equation 33, and the state of the power storage element 200. To estimate.

図12は実施の形態4における状態推定手順を説明するフローチャートである。推定装置100の演算部101は、k=1の初期値を与える(ステップS161)。演算部101は、蓄電素子200の電圧及び電流の初期値として予め設定した仮の値を与え、温度の初期値として環境温度を与えればよい。状態方程式における外乱項vk 及び観測方程式における外乱項wk の分散をそれぞれQk 及びRk とする。初期の分散共分散行列Pを仮定する。 FIG. 12 is a flowchart illustrating a state estimation procedure according to the fourth embodiment. The arithmetic unit 101 of the estimation device 100 gives an initial value of k = 1 (step S161). The calculation unit 101 may give a temporary value preset as the initial value of the voltage and the current of the power storage element 200, and give the environmental temperature as the initial value of the temperature. Let the variances of the disturbance term v k in the equation of state and the disturbance term w k in the observation equation be Q k and R k , respectively. Assume an initial variance-covariance matrix P.

演算部101は、ある計算ステップにて得られた推定値x- kと分散共分散行列Pk を用いて、シグマポイントと呼ばれる計算点を生成する(ステップS162)。生成される(2n+1)個のシグマポイントを数53のように付番すると、j(jは-n≦j≦nを満たす整数)番目のシグマポイントは、数54のように表される。 The calculation unit 101 generates a calculation point called a sigma point by using the estimated value x k obtained in a certain calculation step and the variance-covariance matrix P k (step S162). When the generated (2n + 1) sigma points are numbered like the number 53, the j (j is an integer satisfying −n ≦ j ≦ n) th sigma point is expressed as the number 54.

Figure 2022054018000054
Figure 2022054018000054

Figure 2022054018000055
Figure 2022054018000055

ただし、sig(j)は、j<0のとき-1、j=0のとき0、0<jのとき+1を与える関数である。κは正の調整パラメータである。 However, sig (j) is a function that gives -1 when j <0, 0 when j = 0, and +1 when 0 <j. κ is a positive adjustment parameter.

各々のシグマポイントの重みwj を、j≠0のときwj =κ/2(n+κ)、j=0のときw0 =κ/(n+κ)とする。 The weight w j of each sigma point is w j = κ / 2 (n + κ) when j ≠ 0, and w 0 = κ / (n + κ) when j = 0.

演算部101は、次式のように、全てのシグマポイントの状態、事前状態推定値、事前誤差共分散行列を更新する(ステップS163)。 The arithmetic unit 101 updates the states of all sigma points, the pre-state estimated values, and the pre-error covariance matrix as in the following equation (step S163).

Figure 2022054018000056
Figure 2022054018000056

演算部101は、事前状態推定値と事前誤差共分散行列とを更新したので、次式によりシグマポイントを再計算する(ステップS164)。 Since the calculation unit 101 has updated the pre-state estimated value and the pre-error covariance matrix, the sigma point is recalculated by the following equation (step S164).

Figure 2022054018000057
Figure 2022054018000057

演算部101は、観測のシグマポイントを次式に従って更新する(ステップS165)。 The calculation unit 101 updates the observation sigma point according to the following equation (step S165).

Figure 2022054018000058
Figure 2022054018000058

演算部101は、事前観測推定値y- k+1_hatを次式により算出する(ステップS166)。 The calculation unit 101 calculates the pre-observed estimated value y k + 1 _ hat by the following equation (step S166).

Figure 2022054018000059
Figure 2022054018000059

演算部101は、事前観測誤差の共分散行列P- yy,k+1 を次式により算出する(ステップS167)。 The arithmetic unit 101 calculates the covariance matrix P - yy, k + 1 of the prior observation error by the following equation (step S167).

Figure 2022054018000060
Figure 2022054018000060

演算部101は、事前状態・観測誤差の共分散行列P- xy,k+1 を次式により算出する(ステップS168)。 The arithmetic unit 101 calculates the covariance matrix P - xy, k + 1 of the prior state / observation error by the following equation (step S168).

Figure 2022054018000061
Figure 2022054018000061

演算部101は、カルマンゲインgk を次式により算出する(ステップS169)。 The calculation unit 101 calculates the Kalman gain g k by the following equation (step S169).

Figure 2022054018000062
Figure 2022054018000062

演算部101は、入力部103を通じて、電圧センサ103A、電流センサ103B、温度センサ103C,103Dのセンサ出力を取得する(ステップS170)。取得したセンサ出力は、時間ステップk+1における観測値yk+1 を与える。 The calculation unit 101 acquires the sensor outputs of the voltage sensor 103A, the current sensor 103B, and the temperature sensors 103C, 103D through the input unit 103 (step S170). The acquired sensor output gives the observed value y k + 1 in the time step k + 1.

演算部101は、カルマンゲインgk を観測値yk+1と事前観測推定値y- k+1_hatとの差に乗じ、時間ステップk+1における状態推定を行う(ステップS171)。 The arithmetic unit 101 multiplies the Kalman gain g k by the difference between the observed value y k + 1 and the pre-observed estimated value y k + 1 _ hat to estimate the state in the time step k + 1 (step S171).

Figure 2022054018000063
Figure 2022054018000063

演算部101は、事後観測誤差の共分散行列Pk+1 を次式により算出する(ステップS172)。 The arithmetic unit 101 calculates the covariance matrix P k + 1 of the post-observation error by the following equation (step S172).

Figure 2022054018000064
Figure 2022054018000064

数62によって得られる事後観測推定値(xk+1 _hat)には、各蓄電素子200の吸蔵リチウムイオン濃度及び温度の推定値が含まれる。演算部101は、次の時間ステップを計算するか否かを判断する(ステップS173)。演算部101は、予め設定した時間ステップに到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断すればよい。代替的に、演算部101は、蓄電素子200の状態が予め設定した状態に到達したか否かを判断することによって、次の時間ステップを計算するか否かを判断してもよい。 The post-observation estimated value (x k + 1 _hat) obtained by the number 62 includes an estimated value of the occluded lithium ion concentration and the temperature of each storage element 200. The calculation unit 101 determines whether or not to calculate the next time step (step S173). The calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the preset time step has been reached. Alternatively, the calculation unit 101 may determine whether or not to calculate the next time step by determining whether or not the state of the power storage element 200 has reached a preset state.

次の時間ステップを計算する場合(S173:YES)、演算部101は、処理をステップS162へ戻し、次の時間ステップk+1における演算を実行する。次の時間ステップを計算しない場合(S173:NO)、演算部101は、本フローチャートによる処理を終了する。 When calculating the next time step (S173: YES), the calculation unit 101 returns the process to step S162 and executes the calculation in the next time step k + 1. When the next time step is not calculated (S173: NO), the calculation unit 101 ends the process according to this flowchart.

実施の形態4における推定装置100は、無香料カルマンフィルタを利用して短絡抵抗を推定する。無香料カルマンフィルタは、平均値周りにシグマポイントと呼ばれる複数のサンプル点を設け、これらの統計的性質に基づいて共分散行列を推定する。無香料カルマンフィルタは、非線形性が強い問題においては、拡張カルマンフィルタよりも良好な性能を示す。 The estimation device 100 in the fourth embodiment estimates the short-circuit resistance by using an unscented Kalman filter. The unscented Kalman filter provides a plurality of sample points called sigma points around the mean value, and estimates the covariance matrix based on these statistical properties. Fragrance-free Kalman filters perform better than extended Kalman filters in the problem of strong non-linearity.

(実施の形態5)
実施の形態5では、蓄電素子200の電気化学現象を等価回路モデルで表した構成について説明する。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, a configuration in which the electrochemical phenomenon of the power storage element 200 is represented by an equivalent circuit model will be described.

図13は等価回路モデルの一例を示す回路図である。蓄電素子200の等価回路モデルは、例えば図13に示すような抵抗器、容量成分、電圧源の組み合わせによって表現されることが多い。 FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of an equivalent circuit model. The equivalent circuit model of the power storage element 200 is often represented by a combination of a resistor, a capacitance component, and a voltage source as shown in FIG. 13, for example.

図13中のR0 はオーム抵抗成分、R1 は正極の反応抵抗成分、C1 は正極の容量成分、R2 は負極の反応抵抗成分、C2 は負極の容量成分、Eeqは開回路電圧(OCV : Open Circuit Voltage)である。ただし、図13は例示であって、直列、並列の組み合わせや電気回路素子の個数や種類に制限はない。 In FIG. 13, R 0 is an ohm resistance component, R 1 is a positive electrode reaction resistance component, C 1 is a positive electrode capacitance component, R 2 is a negative electrode reaction resistance component, C 2 is a negative electrode capacitance component, and E eq is an open circuit. Voltage (OCV: Open Circuit Voltage). However, FIG. 13 is an example, and there is no limitation on the combination of series and parallel, and the number and types of electric circuit elements.

リチウムイオン電池に代表される蓄電素子200の充放電特性は、温度やSOCの影響を強く受けることが知られている。SOCとはState Of Chargeの略称であり、満充電状態を100%、完全放電状態を0%として表す。以下では、開回路電圧(OCV)は、SOCの関数であるとし、R0 ~R2 、C1 ~C2は温度の関数であるとする。このとき、状態方程式は数64によって表され、観測方程式は数65によって表される。 It is known that the charge / discharge characteristics of the power storage element 200 represented by a lithium ion battery are strongly affected by temperature and SOC. SOC is an abbreviation for State Of Charge, and represents a fully charged state as 100% and a fully discharged state as 0%. In the following, it is assumed that the open circuit voltage (OCV) is a function of SOC, and R 0 to R 2 and C 1 to C 2 are functions of temperature. At this time, the equation of state is represented by the number 64, and the observation equation is represented by the number 65.

Figure 2022054018000065
Figure 2022054018000065

ここで、Δtは時間ステップ、Capは蓄電素子200の満充電容量(C)、uk =I(電流)である。 Here, Δt is a time step, Cap is the full charge capacity (C) of the power storage element 200, and uk = I (current).

Figure 2022054018000066
Figure 2022054018000066

ここで、OCV(SOC)は、SOCの非線形関数である。 Here, OCV (SOC) is a non-linear function of SOC.

等価回路の電圧を表す状態方程式に外乱を加えた式は、数66によって表される。 The equation of state, which represents the voltage of the equivalent circuit, plus the disturbance is expressed by the equation 66.

Figure 2022054018000067
Figure 2022054018000067

伝熱の状態方程式に外乱を加えた式は、数67によって表される。 The equation of state of heat transfer plus disturbance is expressed by the equation 67.

Figure 2022054018000068
Figure 2022054018000068

ここで、数67のベクトルbT に含まれるQは発熱量であり、以下のように表される。 Here, Q included in the vector b T of the number 67 is a calorific value, and is expressed as follows.

Figure 2022054018000069
Figure 2022054018000069

これらの状態方程式と観測方程式とから、数32及び数33と同様の拡大系の状態方程式及び観測方程式が得られる。以降の計算手順は実施の形態1~実施の形態4と同様であり、推定装置100の演算部101は、粒子フィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、拡張カルマンファイル他、無香料カルマンフィルタを用いて、蓄電素子200の電圧及び温度などを推定できる。 From these equations of state and observation equations, equations of state and observations of the expansion system similar to those of equations 32 and 33 can be obtained. Subsequent calculation procedures are the same as those of the first to fourth embodiments, and the calculation unit 101 of the estimation device 100 uses a particle filter, an ensemble Kalman filter, an extended Kalman file, and an unscented Kalman filter to form the power storage element 200. The voltage and temperature can be estimated.

実施の形態5では、開回路電圧(OCV)をSOCの関数であるとし、R0 ~R2 、C1 ~C2 を温度の関数であるとした。代替的に、開回路電圧をSOC及び温度の関数とし、R0 ~R2 、C1 ~C2 を温度及びSOCの関数としてもよい。 In the fifth embodiment, the open circuit voltage (OCV) is a function of SOC, and R 0 to R 2 and C 1 to C 2 are functions of temperature. Alternatively, the open circuit voltage may be a function of SOC and temperature, and R 0 to R 2 and C 1 to C 2 may be a function of temperature and SOC.

(実施の形態6)
実施の形態6では単粒子モデルにおいて更に電池の劣化を考慮した実施例を説明する。推定装置100を用いることによって、限られた温度情報に基づいた場合であっても、より精緻な劣化予測シミュレーションが可能となる。具体的には、既知の劣化予測の式中に含まれる温度に、推定装置100にて推定された温度を用いることによって、より精緻な劣化予測が可能となる。特に、複数の単電池を直列に接続してなる組電池が用いられる蓄電池システムにおいては、劣化の大きい単電池の性能が蓄電池システム全体の性能に及ぼす影響が非常に大きいため、推定装置100から得られる温度推定値を用いて、より精緻な劣化予測を行うことは非常に有用である。
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment, an embodiment in which the deterioration of the battery is further considered in the single particle model will be described. By using the estimation device 100, more precise deterioration prediction simulation can be performed even when based on limited temperature information. Specifically, by using the temperature estimated by the estimation device 100 as the temperature included in the known deterioration prediction formula, more precise deterioration prediction becomes possible. In particular, in a storage battery system in which an assembled battery in which a plurality of cells are connected in series is used, the performance of the cell with large deterioration has a great influence on the performance of the entire storage battery system. It is very useful to make a more precise prediction of deterioration using the estimated temperature.

電池の劣化挙動は、温度の影響を強く受けることが知られている。温度を正確に考慮することによって、より正確なシミュレーションができるが、現実的には可観測量が限られており、センサ測定量のみに基づくシミュレーションでは正確性が劣るという問題があった。本方法による温度補正を行い、温度情報をより正確にすることによって、劣化予測の正確さを向上させることができる。 It is known that the deterioration behavior of a battery is strongly affected by temperature. A more accurate simulation can be performed by accurately considering the temperature, but in reality, the observable quantity is limited, and there is a problem that the simulation based only on the sensor measured quantity is inferior in accuracy. By performing temperature correction by this method and making the temperature information more accurate, the accuracy of deterioration prediction can be improved.

電池の劣化予測シミュレーションに関して、電気化学現象を考慮したモデルはごく少ない。例えば「国際公開第2017/016966号:電池の現在の開路電圧曲線を推定するための方法」には、電荷担体の減少による劣化(いわゆる容量バランスずれによる劣化)を数値演算によって導出する方法が開示されている。この特許文献に開示された方法は、通電中に使用することができず、電池を停止させる必要があるという欠点を有している。また、電池が劣化するメカニズムは電荷担体の減少(容量バランスずれ)に依るものだけではないことが知られており、広範な電池の劣化を網羅するには不十分である。 There are very few models that take electrochemical phenomena into consideration when simulating battery deterioration prediction. For example, "International Publication No. 2017/016966: A method for estimating the current open circuit voltage curve of a battery" discloses a method of deriving deterioration due to a decrease in charge carriers (deterioration due to so-called capacitance imbalance) by numerical calculation. Has been done. The method disclosed in this patent document has the disadvantage that it cannot be used while energized and the battery must be stopped. Further, it is known that the mechanism of battery deterioration is not limited to the decrease of charge carriers (capacity imbalance), which is insufficient to cover a wide range of battery deterioration.

この他に、機械学習を用いた方法として、例えば「特開2019-168453号公報:劣化推定装置、コンピュータプログラム及び劣化推定方法」が存在する。この方法では、計算処理を機械学習によって行っており、物理的な考察は得づらく、製品設計への反映は困難である。 In addition to this, as a method using machine learning, for example, "Japanese Patent Laid-Open No. 2019-168453: Deterioration Estimator, Computer Program, and Deterioration Estimating Method" exists. In this method, the calculation process is performed by machine learning, it is difficult to obtain physical consideration, and it is difficult to reflect it in the product design.

実施の形態6では、特許文献「特願2019-064218号:開発支援装置、開発支援方法、及びコンピュータプログラム」の考え方を土台にして、本明細書において述べた単粒子モデルを用いて劣化予測シミュレーションを実行する方法を述べる。 In the sixth embodiment, deterioration prediction simulation is performed using the single particle model described in the present specification based on the concept of the patent document “Japanese Patent Application No. 2019-064218: development support device, development support method, and computer program”. Describes how to execute.

リチウムイオン電池に代表される電池の劣化メカニズムには、少なくとも(1)活物質粒子の孤立化、(2)電荷担体の減少、(3)電気抵抗の増大、(4)電解液における導電性の低下の4種類があることが知られている。これらの劣化メカニズムが複合的に寄与して、電池の充放電特性が変化し、容量低下を引き起こす。 Battery deterioration mechanisms represented by lithium-ion batteries include at least (1) isolation of active material particles, (2) decrease in charge carriers, (3) increase in electrical resistance, and (4) conductivity in electrolytic solutions. It is known that there are four types of decline. These deterioration mechanisms contribute in combination to change the charge / discharge characteristics of the battery, causing a decrease in capacity.

温度はこれらの劣化の進行速度を決める因子の中で特に重要なものである。そのため、温度を精緻に把握することは、劣化予測の観点からも重要である。推定装置100は、例えばアレニウス型の反応速度式に基づいた温度の依存性を有するとして、劣化の進行速度を決定できる。代替的に、推定装置100は、その他の任意の温度の関数に基づき、劣化の進行速度を決定してもよい。劣化には、経時によって劣化する経時劣化(カレンダー劣化と呼ばれることもある)と、通電によって劣化する通電劣化とがあることが知られており、何れも温度の関数となることが実験などによって確認されている。 Temperature is one of the most important factors that determine the rate of progress of these deteriorations. Therefore, it is important to grasp the temperature precisely from the viewpoint of deterioration prediction. The estimation device 100 can determine the rate of progress of deterioration, assuming that it has a temperature dependence based on, for example, an Arrhenius-type reaction rate equation. Alternatively, the estimation device 100 may determine the rate of progression of deterioration based on any other function of temperature. It is known that deterioration includes aging deterioration (sometimes called calendar deterioration) that deteriorates over time and energization deterioration that deteriorates due to energization, and it has been confirmed by experiments that both are functions of temperature. Has been done.

第1の劣化メカニズムは活物質粒子の孤立化である。活物質粒子の孤立化は主に放電中の正極において進行するが、電流休止時や放電中に起こる場合もあり、負極において起こる場合もある。実施の形態6では、簡略化のために放電中の正極においてのみ活物質粒子の孤立化が起こると仮定するが、その他の場合にも同様の式展開によって容易に拡張可能である。 The first deterioration mechanism is the isolation of active material particles. Isolation of the active material particles proceeds mainly at the positive electrode during discharge, but it may occur at the time of current suspension or during discharge, and it may occur at the negative electrode. In the sixth embodiment, it is assumed that the isolation of the active material particles occurs only in the positive electrode during discharge for simplification, but other cases can be easily expanded by the same equation expansion.

推定装置100の演算部101は、数69の時間差分式に基いて正極活物質粒子の孤立化が進行する速度を計算する。 The calculation unit 101 of the estimation device 100 calculates the speed at which the isolation of the positive electrode active material particles progresses based on the time difference equation of the number 69.

Figure 2022054018000070
Figure 2022054018000070

数69中のεs,p は数4~6、8、10、15に含まれる正極活物質粒子体積比率である。正極活物質粒子の孤立化は正極活物質粒子体積比率の減少として表される。k0,iso は経時による正極活物質粒子の孤立化の進行速度の定数であり、温度の関数が用いられる。関数は例えばアレニウス型の指数関数であってもよく、その他任意の関数であってもよい。k1,iso は通電による正極活物質粒子の孤立化の進行速度の定数であり、温度や電流の関数が用いられる。αiso は任意の定数である。多くの場合、k0,iso は0としてよいが、k1,isoは正の値であり、温度により単調増加する。言い換えると、通電がない場合には正極活物質の孤立化は進行せず、通電がある場合には高温ほど正極活物質の孤立化は進行しやすい。この他にも、右辺がεs,p 自身を含む式である、その他の状態変数の関数であるなど、さまざまな変形例が考えられる。非線形フィルタを用いるため、どのような式を用いてもよい。 Ε s, p in the number 69 is the volume ratio of the positive electrode active material particles contained in the numbers 4 to 6, 8, 10 and 15. Isolation of the positive electrode active material particles is expressed as a decrease in the volume ratio of the positive electrode active material particles. k 0 and iso are constants of the progress rate of isolation of positive electrode active material particles with time, and a function of temperature is used. The function may be, for example, an Arrhenius-type exponential function, or any other function. k 1 and iso are constants of the progress rate of isolation of positive electrode active material particles by energization, and functions of temperature and current are used. α iso is an arbitrary constant. In many cases, k 0, iso may be 0, but k 1, iso is a positive value and increases monotonically with temperature. In other words, the isolation of the positive electrode active material does not proceed when there is no energization, and the isolation of the positive electrode active material tends to proceed at higher temperatures when there is energization. In addition to this, various variants can be considered, such as an expression whose right side contains ε s, p itself, and a function of other state variables. Since a non-linear filter is used, any equation may be used.

第2の劣化メカニズムは電荷担体の減少である。電荷担体の減少は容量バランスのずれとも呼ばれる。本現象は、充放電時に正極と負極との間を行き交う電荷担体が電極表面での副反応などにより減少するものである。 The second degradation mechanism is the reduction of charge carriers. The decrease in charge carriers is also called the capacity imbalance. In this phenomenon, the charge carriers that pass between the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging decrease due to side reactions on the electrode surface.

推定装置100の演算部101は、数70に記載の2つの式に基いて電荷担体の減少を計算する。 The arithmetic unit 101 of the estimation device 100 calculates the decrease in charge carriers based on the two equations described in Equation 70.

Figure 2022054018000071
Figure 2022054018000071

数70のbn1は数16中の係数と同じものであり、数16中の電流Iを(I+δ)に置き換えたものである。δは電荷担体の減少速度である。この式は、負極活物質粒子の固液界面での吸蔵リチウムイオン濃度cn,1 が、電池の充放電に伴う吸蔵リチウムイオン濃度の変化以外の要因によって減少することを表している。電池を流れる電流Iが正負どちらの値も取るのに対して、δは正の値であることに注意する。数70のNtot は正負極の吸蔵リチウムイオンの総量であり、数11及び数12に記載したものと同じである。 The b n1 of the number 70 is the same as the coefficient in the number 16, and the current I in the number 16 is replaced with (I + δ). δ is the rate of decrease of the charge carrier. This equation shows that the occluded lithium ion concentration c n, 1 at the solid-liquid interface of the negative electrode active material particles decreases due to factors other than the change in the occluded lithium ion concentration due to the charging and discharging of the battery. Note that the current I flowing through the battery takes both positive and negative values, whereas δ is a positive value. N tot of the number 70 is the total amount of occluded lithium ions of the positive and negative electrodes, and is the same as that described in the numbers 11 and 12.

Figure 2022054018000072
Figure 2022054018000072

数71のk0,imb は経時による吸蔵リチウムイオン濃度の減少速度であり、温度の関数が用いられる。関数は例えばアレニウス型の指数関数を用いてもよいし、その他任意の関数であってもよい。k1,imb は通電による吸蔵リチウムイオン濃度の進行速度の定数であり、温度や電流の関数が用いられる。αimb は任意の定数である。多くの場合、k0,imb 及びk1,imb は正の値であり、温度と共に単調増加する。この他にも、右辺がその他の状態変数の関数であるなど、さまざまな変形例が考えられる。非線形フィルタを用いるため、どのような式を用いてもよい。 K 0, imb of the number 71 is the rate of decrease of the stored lithium ion concentration with time, and a function of temperature is used. The function may be, for example, an Arrhenius-type exponential function, or any other function. k 1 and imb are constants of the progress rate of the occluded lithium ion concentration by energization, and the function of temperature and current is used. α imb is an arbitrary constant. In most cases, k 0, imb and k 1, imb are positive values and increase monotonically with temperature. In addition to this, various variants can be considered, such as the right-hand side being a function of other state variables. Since a non-linear filter is used, any equation may be used.

第3の劣化メカニズムは電気抵抗の増大である。電気抵抗の増大の原因をより細かく分類すると、集電箔と電極と間の剥離、導電助剤の伝導経路切れ、抵抗体被膜形成などが挙げられる。これらは特許文献「特願2019-064218号:開発支援装置、開発支援方法、及びコンピュータプログラム」に記載している。第4の劣化メカニズムである電解液における導電性の低下も、電気抵抗の増大に類似しており、合わせて取り扱うこととする。 The third deterioration mechanism is an increase in electrical resistance. The causes of the increase in electrical resistance can be further classified into peeling between the current collector foil and the electrode, breakage of the conduction path of the conductive auxiliary agent, formation of a resistor film, and the like. These are described in the patent document "Japanese Patent Application No. 2019-064218: Development Support Device, Development Support Method, and Computer Program". The decrease in conductivity in the electrolytic solution, which is the fourth deterioration mechanism, is similar to the increase in electrical resistance, and will be dealt with together.

推定装置100の演算部101は、数72の時間差分式に基いて電池の電気抵抗が増大する速度を計算する。 The calculation unit 101 of the estimation device 100 calculates the speed at which the electric resistance of the battery increases based on the time difference equation of the number 72.

Figure 2022054018000073
Figure 2022054018000073

数72中のRohm は数17に含まれる電池全体のオーム抵抗Rohm のことであり、Iは数6、8、10、17に含まれる電池を流れる電流Iのことである。k0,ohmは経時によるオーム抵抗増大の進行速度の定数であり、温度の関数が用いられる。関数は例えばアレニウス型の指数関数を用いてもよいし、その他任意の関数であってもよい。k1,ohm は通電によるオーム抵抗増大の進行速度の定数であり、温度や電流の関数が用いられる。αは任意の定数である。多くの場合、k0,ohm 及びk1,ohm は正の値であり、温度と共に単調増加する。この他にも、右辺がRohm 自身を含む式である、その他の状態変数の関数であるなど、さまざまな変形例が考えられる。非線形フィルタを用いるため、どのような式を用いてもよい。 Rohm in the number 72 is the ohmic resistance Rohm of the entire battery included in the number 17, and I is the current I flowing through the battery included in the numbers 6, 8, 10 and 17. k 0, ohm is a constant of the progress rate of the increase of ohm resistance with time, and a function of temperature is used. The function may be, for example, an Arrhenius-type exponential function, or any other function. k 1, ohm is a constant of the progress rate of the increase of ohm resistance due to energization, and a function of temperature or current is used. α is an arbitrary constant. In most cases, k 0, ohm and k 1, ohm are positive values and increase monotonically with temperature. In addition to this, various variants can be considered, such as an expression whose right side contains R ohm itself, and a function of other state variables. Since a non-linear filter is used, any equation may be used.

以上の式に外乱項を加えた式が数73~75である。 The equations obtained by adding the disturbance term to the above equations are numbers 73 to 75.

Figure 2022054018000074
Figure 2022054018000074

Figure 2022054018000075
Figure 2022054018000075

Figure 2022054018000076
Figure 2022054018000076

ここで、vεs,pは正極活物質粒子体積比率の外乱、vδ は吸蔵リチウムイオン濃度の減少速度の外乱項、vohm はオーム抵抗増大速度の外乱項である。これら外乱項を考慮した数73~数75を数32に加えることによって、換言すればεs,p 、Ntot 、Rohm を新たに数32の状態変数ベクトルxk に加えることによって、電池の劣化メカニズムを考慮した状態推定が可能になる。 Here, v εs and p are disturbances of the positive electrode active material particle volume ratio, v δ is a disturbance term of the decrease rate of the stored lithium ion concentration, and v ohm is a disturbance term of the ohm resistance increase rate. By adding the numbers 73 to 75 considering these disturbance terms to the number 32, in other words, by adding ε s, p , N tot , and R ohm to the state variable vector x k of the number 32, the battery It is possible to estimate the state in consideration of the deterioration mechanism.

(実施の形態7)
実施の形態7では、正極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数Ds,p や負極活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数Ds,n を推定する方法を説明する。これらの値は測定が難しく、劣化の進行によって時々刻々変化することが知られており、容易には取得できない。そこで、これらの拡散係数を状態変数に含めて推定してもよい。
(Embodiment 7)
In the seventh embodiment, a method of estimating the mass diffusivity D s, p of the stored lithium ions in the positive electrode active material particles and the diffusivity D s, n of the stored lithium ions in the negative electrode active material particles will be described. It is known that these values are difficult to measure and change from moment to moment as the deterioration progresses, and cannot be easily obtained. Therefore, these diffusion coefficients may be included in the state variables for estimation.

活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数が時間変化しないとして、数76のような時間発展方程式を立式する。 Assuming that the diffusion coefficient of the occluded lithium ion in the active material particles does not change with time, a time evolution equation such as Eq. 76 is established.

Figure 2022054018000077
Figure 2022054018000077

Ds,p及びvDs,nは外乱項である。これらの式を新たに数32の状態変数ベクトルxk に加えることによって、活物質粒子中の吸蔵リチウムイオンの拡散係数を推定できる。 v Ds, p and v Ds, n are disturbance terms. By newly adding these equations to the state variable vector xk of the number 32, the diffusion coefficient of the occluded lithium ion in the active material particles can be estimated.

(実施の形態8)
実施の形態8では等価回路モデルにおいて更に電池の劣化を考慮した実施形態を説明する。実施の形態6では単粒子モデルに基づいて劣化予測を行う方法について記載したが、実施の形態8では実施の形態5で記載した等価回路モデルに基づいた劣化予測方法について述べる。
(Embodiment 8)
In the eighth embodiment, an embodiment in which the deterioration of the battery is further considered in the equivalent circuit model will be described. In the sixth embodiment, the method of predicting deterioration based on the single particle model has been described, but in the eighth embodiment, the deterioration prediction method based on the equivalent circuit model described in the fifth embodiment will be described.

推定装置100の演算部101は、数77の時間差分式に基いて等価回路素子の劣化が進行する速度を計算する。 The calculation unit 101 of the estimation device 100 calculates the speed at which the deterioration of the equivalent circuit element progresses based on the time difference equation of the number 77.

Figure 2022054018000078
Figure 2022054018000078

数77中のR0 などは数64、数65及び図13に記載された回路定数である。k0,R0は経時によるR0 の劣化の進行速度の定数であり、温度の関数が用いられる。関数は例えばアレニウス型の指数関数を用いてもよいし、その他任意の関数であってもよい。k1,R0は通電によるR0 の劣化の進行速度の定数であり、温度や電流の関数が用いられる。αR0は任意の定数である。この他にも、右辺がR0 自身を含む式である、その他の状態変数の関数であるなど、さまざまな変形例が考えられる。非線形フィルタを用いるため、どのような式を用いてもよい。R0 以外の定数、R1 ~C2 についても同様である。代替的に、より複雑な等価回路を規定し、R3 、R4 ・・・・やC3 、C4 ・・・を別に定めてもよい。 R 0 and the like in the number 77 are the circuit constants shown in the numbers 64, 65 and 13. k 0 and R 0 are constants of the rate of deterioration of R 0 over time, and a function of temperature is used. The function may be, for example, an Arrhenius-type exponential function, or any other function. k 1 and R 0 are constants of the rate of deterioration of R 0 due to energization, and functions of temperature and current are used. α R0 is an arbitrary constant. In addition to this, various variants can be considered, such as an expression whose right side contains R 0 itself, and a function of other state variables. Since a non-linear filter is used, any equation may be used. The same applies to constants other than R 0 , R 1 to C 2 . Alternatively, a more complicated equivalent circuit may be defined, and R 3 , R 4 ..., C 3 , C 4 ... may be defined separately.

実施の形態6に記載した単粒子モデルに基づいた劣化予測モデルと、実施の形態8に記載した等価回路モデルに基づいた劣化予測モデルは併用されてもよい。例えば、等価回路モデルにおける平衡電位Eeqの劣化に実施の形態6の吸蔵リチウムイオンの減少(容量バランスずれ)のモデルを用い、内部抵抗については等価回路を用いるなど、使い勝手に応じて自由に組み合わせてよい。 The deterioration prediction model based on the single particle model described in the sixth embodiment and the deterioration prediction model based on the equivalent circuit model described in the eighth embodiment may be used in combination. For example, the model of the decrease in the stored lithium ions (capacitive balance deviation) of the sixth embodiment is used for the deterioration of the equilibrium potential E eq in the equivalent circuit model, and the equivalent circuit is used for the internal resistance. It's okay.

数77に外乱項を加えた式が数78である。 The equation obtained by adding the disturbance term to the number 77 is the number 78.

Figure 2022054018000079
Figure 2022054018000079

R0はR0 の外乱項であり、その他は同様である。これら外乱項を考慮した数78を数32に加えることによって、換言すればR0 、R1 、R2 、C1 、C2 を新たに数32の状態変数ベクトルxk に加えることによって、電池の等価回路素子の劣化を考慮した状態推定が可能になる。 v R0 is a disturbance term of R0 , and the others are the same. By adding the number 78 considering these disturbance terms to the number 32, in other words, by adding R 0 , R 1 , R 2 , C 1 , and C 2 to the state variable vector x k of the number 32, the battery It is possible to estimate the state in consideration of the deterioration of the equivalent circuit element.

以下、応用例について記載する。 Hereinafter, application examples will be described.

(応用例1)
推定装置100を用いて蓄電デバイス20のデジタルツインを構築してもよい。デジタルツインとは、現実に存在する製品の状態(温度、電流、電圧など)、周辺環境、使用状況などをリアルタイムに収集して、コンピュータ上に現実と同じ状態のシミュレーションモデルを構築する技術を指す。デジタルツインでは、センサ類によって計測された値を基に、常時シミュレーションモデルが更新され、ほぼリアルタイムに現実の製品と同一の状態をコンピュータ上に再現できる。この仕組みを利用すれば、現実製品に異常が生じた際、即時にシミュレーションモデルに反映され、そのシミュレーションモデルを分析すれば、異常の原因を特定できる可能性がある。更に、センサ値からは直接的に計測できない潜在変数の挙動を知ることができるため、故障を未然に予知又は防止できる。
(Application example 1)
The digital twin of the power storage device 20 may be constructed by using the estimation device 100. Digital twin refers to a technology that collects the state of a product that actually exists (temperature, current, voltage, etc.), the surrounding environment, the usage status, etc. in real time, and builds a simulation model of the same state as the reality on a computer. .. In the digital twin, the simulation model is constantly updated based on the values measured by the sensors, and the same state as the actual product can be reproduced on the computer in almost real time. If this mechanism is used, when an abnormality occurs in a real product, it is immediately reflected in the simulation model, and if the simulation model is analyzed, the cause of the abnormality may be identified. Further, since the behavior of the latent variable that cannot be directly measured can be known from the sensor value, it is possible to predict or prevent the failure.

また、推定装置100は、推定結果を基に、部品交換などの予防保全、製品開発へのフィードバック、取り替え時期予測、タイムリーな保守、より効率的な運用方法の提案などの情報を生成し、生成した情報を出力部104より出力してもよい。 Further, the estimation device 100 generates information such as preventive maintenance such as parts replacement, feedback to product development, replacement timing prediction, timely maintenance, and proposal of a more efficient operation method based on the estimation result. The generated information may be output from the output unit 104.

更に、従来は専門の従業員が行っていた故障原因の分析及び解析を、シミュレーションモデルが担うことができるので、コストダウン効果も期待できる。 Furthermore, since the simulation model can take charge of the analysis and analysis of the cause of failure, which was conventionally performed by specialized employees, a cost reduction effect can be expected.

(応用例2)
推定装置100は、推定した蓄電素子200の状態をリアルタイムにグラフィックス表示してもよい。図15は温度状態の表示例を示す模式図である。図15の例では、蓄電デバイス20の外表面の温度を3次元的にグラフィックス表示した例を示している。推定装置100は、各蓄電素子200の温度状態を推定する都度、温度分布を示す分布図を生成し、生成した分布図を表示装置150へ出力する。このようにして、推定装置100は、蓄電デバイス20の外表面の温度をリアルタイムに表示装置150にグラフィカルに表示させることができる。表示装置150は、例えば、推定装置100の出力部104に接続される。代替的に、推定装置100が表示装置150を備える構成であってもよい。
(Application example 2)
The estimation device 100 may graphically display the estimated state of the power storage element 200 in real time. FIG. 15 is a schematic diagram showing a display example of a temperature state. In the example of FIG. 15, an example in which the temperature of the outer surface of the power storage device 20 is three-dimensionally displayed graphically is shown. Each time the estimation device 100 estimates the temperature state of each power storage element 200, the estimation device 100 generates a distribution map showing the temperature distribution, and outputs the generated distribution map to the display device 150. In this way, the estimation device 100 can graphically display the temperature of the outer surface of the power storage device 20 on the display device 150 in real time. The display device 150 is connected to, for example, the output unit 104 of the estimation device 100. Alternatively, the estimation device 100 may be configured to include the display device 150.

グラフィックス表示は、ユーザからの要求に応じて実施されてもよく、メンテナンス要員の要求に応じて実施されてもよい。グラフィカルに表示することによって、直感的に蓄電デバイス20の温度状態を把握でき、早期に異常を検出できる。代替的に、推定装置100は、推定した蓄電デバイス20の電気化学状態をグラフィックス表示してもよい。 The graphics display may be performed at the request of the user or may be performed at the request of the maintenance personnel. By displaying it graphically, the temperature state of the power storage device 20 can be intuitively grasped, and an abnormality can be detected at an early stage. Alternatively, the estimation device 100 may graphically display the estimated electrochemical state of the power storage device 20.

今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, not the above-mentioned meaning, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

10 蓄電システム
20 蓄電デバイス
100 推定装置
101 演算部
102 記憶部
103 入力部
103A 電圧センサ
103B 電流センサ
103C 温度センサ
103D 温度センサ
104 出力部
200 蓄電素子
M 記録媒体
PG 状態推定プログラム
10 Power storage system 20 Power storage device 100 Estimator 101 Calculation unit 102 Storage unit 103 Input unit 103A Voltage sensor 103B Current sensor 103C Temperature sensor 103D Temperature sensor 104 Output unit 200 Power storage element M Recording medium PG State estimation program

Claims (9)

蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得する取得部と、
取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構築された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する推定部と
を備える推定装置。
An acquisition unit that acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element.
An estimation device including an estimation unit that inputs the acquired measurement data to a state estimator constructed to simulate the electrochemical phenomenon and thermal phenomenon of the power storage element and estimates the state of the power storage element.
前記電気化学現象を記述するパラメータは、前記蓄電素子の温度の関数として表される前記蓄電素子の活性化過電圧を含み、
前記熱現象を記述するパラメータは、前記蓄電素子の活性化過電圧の関数として表される前記蓄電素子の発熱量を含む
請求項1に記載の推定装置。
The parameter describing the electrochemical phenomenon includes the activation overvoltage of the power storage element expressed as a function of the temperature of the power storage element.
The estimation device according to claim 1, wherein the parameter describing the thermal phenomenon includes the calorific value of the energy storage element represented as a function of the activation overvoltage of the energy storage element.
前記状態推定器は、前記計測データが入力された場合、前記蓄電素子に関する状態量を出力するよう構成された非線形フィルタである
請求項1又は請求項2に記載の推定装置。
The estimator according to claim 1 or 2, wherein the state estimator is a nonlinear filter configured to output a state quantity related to the power storage element when the measurement data is input.
前記非線形フィルタは、粒子フィルタ、アンサンブルカルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、又は無香料カルマンフィルタを含む
請求項3に記載の推定装置。
The estimation device according to claim 3, wherein the non-linear filter includes a particle filter, an ensemble Kalman filter, an extended Kalman filter, or an unscented Kalman filter.
前記状態推定器は、
活物質粒子内の吸蔵イオンの濃度及び前記蓄電素子に関する温度を含む状態変数の時間遷移を表す状態方程式を用いて、各状態変数の時間遷移を求め、
前記状態変数と前記計測データが示す観測量との関係を表す観測方程式を用いて、状態推定の尤度を求め、
求めた状態推定の尤度に応じて、状態変数の推定値を更新する
請求項1から請求項4の何れか1つに記載の推定装置。
The state estimator is
The time transition of each state variable is obtained by using the equation of state representing the time transition of the state variable including the concentration of the occluded ion in the active material particle and the temperature related to the power storage element.
The likelihood of state estimation is obtained using the observation equation that expresses the relationship between the state variable and the observed amount indicated by the measured data.
The estimation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the estimated value of the state variable is updated according to the likelihood of the obtained state estimation.
蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得する取得部と、
取得した計測データを、前記蓄電素子の等価電気回路及び熱現象を模擬するように構築された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する推定部と
を備える推定装置。
An acquisition unit that acquires measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element.
An estimation device including an estimation unit that inputs the acquired measurement data to an equivalent electric circuit of the power storage element and a state estimator constructed to simulate a thermal phenomenon, and estimates the state of the power storage element.
前記状態推定器は、
前記蓄電素子の特性を表す状態量が経時又は通電によって時間遷移する式を1つ以上含み、
前記蓄電素子の状態を記述する状態変数と前記計測データが示す観測量との関係を表す観測方程式を用いて、前記蓄電素子の劣化を予測する
請求項1から請求項6の何れか1つに記載の推定装置。
The state estimator is
It includes one or more equations in which the state quantity representing the characteristics of the power storage element changes with time or with energization.
1. The estimation device described.
コンピュータを用いて、
蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、
取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する
推定方法。
Using a computer,
Acquisition of measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element,
An estimation method in which the acquired measurement data is input to a state estimator configured to simulate the electrochemical phenomenon and the thermal phenomenon of the power storage element, and the state of the power storage element is estimated.
コンピュータに、
蓄電素子の電圧、前記蓄電素子に流れる電流、及び前記蓄電素子に関する温度を含む計測データを取得し、
取得した計測データを、前記蓄電素子の電気化学現象及び熱現象を模擬するように構成された状態推定器へ入力し、前記蓄電素子の状態を推定する
処理を実行させるためのコンピュータプログラム。
On the computer
Acquisition of measurement data including the voltage of the power storage element, the current flowing through the power storage element, and the temperature of the power storage element,
A computer program for inputting acquired measurement data to a state estimator configured to simulate an electrochemical phenomenon and a thermal phenomenon of the power storage element, and executing a process of estimating the state of the power storage element.
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