JP2022080182A - Battery module - Google Patents

Battery module Download PDF

Info

Publication number
JP2022080182A
JP2022080182A JP2020191210A JP2020191210A JP2022080182A JP 2022080182 A JP2022080182 A JP 2022080182A JP 2020191210 A JP2020191210 A JP 2020191210A JP 2020191210 A JP2020191210 A JP 2020191210A JP 2022080182 A JP2022080182 A JP 2022080182A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
battery
battery cell
impedance characteristic
assembled
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020191210A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
時彦 横島
Tokihiko Yokoshima
哲彌 逢坂
Tetsuya Aisaka
聰之 門間
Satoyuki Kadoma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waseda University
Original Assignee
Waseda University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waseda University filed Critical Waseda University
Priority to JP2020191210A priority Critical patent/JP2022080182A/en
Publication of JP2022080182A publication Critical patent/JP2022080182A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Tests Of Electric Status Of Batteries (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

To provide a battery module 1 for detecting that the degree of deterioration of a battery cell having a charging depth larger than that of another battery cell 30 is larger than that of the other battery cell in an assembled battery including a plurality of battery cells 30.SOLUTION: The battery module 1 includes an assembled battery system 2 including an assembled battery 3 in which a plurality of battery cells 30 are connected in series, and a balancer for performing equalization processing on charging depths of the plurality of battery cells 30, a measurement circuit 5 for measuring the impedance characteristic before and after the equalization processing of the assembled battery 3, and a processor 6 which uses the impedance characteristic before and after the first equalization processing to detect that a first battery cell having a charging depth larger than that of another battery cell has a higher degree of deterioration than the other battery cell.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、複数の電池セルが直列接続されている組電池を具備する電池モジュールに関する。 An embodiment of the present invention relates to a battery module including an assembled battery in which a plurality of battery cells are connected in series.

携帯機器、電動工具および電気自動車等に、充放電可能な二次電池を含む電池モジュールが用いられている。二次電池として、小型で大容量のリチウムイオン電池等が注目されている。 Battery modules including rechargeable and dischargeable secondary batteries are used in portable devices, electric tools, electric vehicles, and the like. As a secondary battery, a small-sized and large-capacity lithium-ion battery and the like are attracting attention.

電池モジュールは、複数の電池セルを直列に接続した組電池とすることで、所望の出力電圧を得ている。さらに、所定の出力電圧が得られる組電池を並列接続することで、所望の電流容量を得ている。また、所望の電流容量が得られるように複数の電池セルを並列接続した電池セットを、直列に接続し所望の出力電圧を得ている組電池もある。 The battery module is an assembled battery in which a plurality of battery cells are connected in series to obtain a desired output voltage. Further, a desired current capacity is obtained by connecting assembled batteries capable of obtaining a predetermined output voltage in parallel. Further, there is also an assembled battery in which a battery set in which a plurality of battery cells are connected in parallel so as to obtain a desired current capacity is connected in series to obtain a desired output voltage.

組電池を構成する複数の電池セルは、時間経過および充放電の繰り返しにより劣化するが、それぞれの電池セルの劣化度を示す容量維持率(SOH: State Of Health)は、同じではない。組電池の充電時に、劣化度が大きい、すなわち、SOHが小さい電池セルは、他の電池セルよりも早く、充電深度(SOC:Stake Of Charge)が大きくなるために、過充電されるおそれがある。 A plurality of battery cells constituting an assembled battery deteriorate with the passage of time and repeated charging and discharging, but the capacity retention rate (SOH: State Of Health) indicating the degree of deterioration of each battery cell is not the same. When charging an assembled battery, a battery cell with a large degree of deterioration, that is, a battery cell with a small SOH, may be overcharged because the charging depth (SOC: Stake Of Charge) is larger than that of other battery cells. ..

このため、複数の電池セルのそれぞれのSOCを測定し、例えば、SOCの大きな電池セルの電荷を放電することによって、複数の電池セルのSOCを均等化処理するバランサーを含む組電池が用いられている。 Therefore, a combined battery including a balancer that measures the SOC of each of a plurality of battery cells and discharges the charge of the battery cell having a large SOC to equalize the SOC of the plurality of battery cells is used. There is.

ここで、ある電池セルのSOCが他の電池セルよりも大きくなる原因は、劣化度が大きいことだけでなく、他の要因も考えられる。このため、SOCが大きい電池セルのSOH異常を検出することが重要である。 Here, the reason why the SOC of a certain battery cell is larger than that of another battery cell is considered not only to have a large degree of deterioration but also to other factors. Therefore, it is important to detect SOH abnormalities in battery cells with a large SOC.

特開2013-29411号公報には、組電池の複数の電池セルのSOHを評価するために、それぞれの電池セルを、それぞれのインピーダンス演算部と接続した測定装置が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-29411 discloses a measuring device in which each battery cell is connected to each impedance calculation unit in order to evaluate the SOH of a plurality of battery cells of the assembled battery.

しかし、複数の電池セルのそれぞれに対応した複数のインピーダンス演算部を具備する測定装置は、構成が複雑となるために高価である。 However, a measuring device provided with a plurality of impedance calculation units corresponding to each of the plurality of battery cells is expensive due to the complicated configuration.

特開2013-29411号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-29411

本発明の実施形態は、複数の電池セルを含む組電池において、充電深度が他の電池セルよりも大きい電池セルの劣化度が他の電池セルよりも大きいことを検出する簡単な構成の電池モジュールを提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention is a battery module having a simple configuration for detecting that, in an assembled battery including a plurality of battery cells, the degree of deterioration of the battery cell having a charging depth larger than that of other battery cells is larger than that of other battery cells. The purpose is to provide.

本発明の実施形態の電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続されている組電池と、前記複数の電池セルの充電深度を均等化処理するバランサーと、を含む組電池システムと、均等化処理前の前記組電池の第1のインピーダンス特性および均等化処理後の前記組電池の第2のインピーダンス特性を測定するための測定回路と、前記複数の電池セルのうち充電深度が他の電池セルよりも大きい第1の電池セルが、前記他の電池セルよりも劣化度が大きいことを、前記第1のインピーダンス特性および前記第2のインピーダンス特性を用いて検出するプロセッサと、を具備する。 The battery module of the embodiment of the present invention includes an assembled battery system in which a plurality of battery cells are connected in series, a balancer for equalizing the charging depth of the plurality of battery cells, and an equalizing process. A measurement circuit for measuring the first impedance characteristic of the previous assembled battery and the second impedance characteristic of the assembled battery after the equalization treatment, and a battery cell having a charging depth higher than that of the other battery cell among the plurality of battery cells. The first battery cell, which is also large, comprises a processor that detects that the degree of deterioration of the first battery cell is larger than that of the other battery cells by using the first impedance characteristic and the second impedance characteristic.

本発明の実施形態によれば、複数の電池セルを含む組電池において、充電深度が他の電池セルよりも大きい電池セルの劣化度が他の電池セルよりも大きいことを検出する簡単な構成の電池モジュールを提供できる。 According to the embodiment of the present invention, in an assembled battery including a plurality of battery cells, a battery cell having a charging depth larger than that of other battery cells has a simple configuration for detecting that the degree of deterioration of the battery cell is larger than that of other battery cells. Battery modules can be provided.

実施形態の電池モジュールの構成図である。It is a block diagram of the battery module of an embodiment. 電池のナイキストプロットの一例である。This is an example of the Nyquist plot of a battery. 実施形態の電池モジュールの評価方法のフローチャートである。It is a flowchart of the evaluation method of the battery module of an embodiment. 実施形態の電池モジュールのナイキストプロットの一例である。It is an example of the Nyquist plot of the battery module of the embodiment. 実施形態の電池モジュールのナイキストプロットの一例である。It is an example of the Nyquist plot of the battery module of the embodiment. 実施形態の電池モジュールのインピーダンス特性変化率の一例である。This is an example of the impedance characteristic change rate of the battery module of the embodiment. 実施形態の電池モジュールのインピーダンス特性変化率の一例である。This is an example of the impedance characteristic change rate of the battery module of the embodiment.

<電池モジュールの構成>
図1に示すように、実施形態の電池モジュール1は、組電池システム2と、測定回路5と、PCS(パワーコンディショニングシステム)7と、EMS(エネルギーマネジメントシステム)6と、を具備する。電池モジュール1は、図示しない負荷、例えば、電気自動車の駆動回路と接続され、駆動電力を出力する。
<Battery module configuration>
As shown in FIG. 1, the battery module 1 of the embodiment includes an assembled battery system 2, a measurement circuit 5, a PCS (power conditioning system) 7, and an EMS (energy management system) 6. The battery module 1 is connected to a load (not shown), for example, a drive circuit of an electric vehicle, and outputs drive power.

以下の説明において、各実施形態に基づく図面は、模式的なものであり構成要素の図示を省略することがある。例えば、組電池システム2、および測定回路5の、内部配線の一部は図示していない。 In the following description, the drawings based on the respective embodiments are schematic, and the illustration of the components may be omitted. For example, a part of the internal wiring of the assembled battery system 2 and the measuring circuit 5 is not shown.

PCS7は、組電池システム2に電力を供給する。EMS6は、電池モジュール1を制御するプロセッサである。BMS4は、組電池システム2を制御する。 The PCS 7 supplies electric power to the assembled battery system 2. The EMS 6 is a processor that controls the battery module 1. The BMS 4 controls the assembled battery system 2.

例えば、汎用の組電池システム2の構成を変更することなく、組電池システム2に測定回路5、EMS6、およびPCS7を接続することによって、電池モジュール1は構成されている。 For example, the battery module 1 is configured by connecting the measurement circuits 5, EMS6, and PCS7 to the assembled battery system 2 without changing the configuration of the general-purpose assembled battery system 2.

組電池システム2は、組電池3と、バランサーを含むBMS(バッテリマネジメントシステム)4を有する。組電池3は、4個の電池セル31~34が直列接続されて構成されている。以下、複数の電池セル31~34のそれぞれを電池セル30という。電池セル30は、リチウムイオン電池セルであり、リチウムイオンを吸蔵/放出する正極と、電解質と、セパレータと、リチウムイオンを吸蔵/放出する負極と、を有する。 The assembled battery system 2 has a assembled battery 3 and a BMS (battery management system) 4 including a balancer. The assembled battery 3 is configured by connecting four battery cells 31 to 34 in series. Hereinafter, each of the plurality of battery cells 31 to 34 is referred to as a battery cell 30. The battery cell 30 is a lithium ion battery cell and has a positive electrode for storing / releasing lithium ions, an electrolyte, a separator, and a negative electrode for storing / releasing lithium ions.

BMS4のバランサーは、複数の電池セル30のそれぞれの充電深度を測定するとともに、複数の電池セル30の充電深度SOCを均等化処理する。バランサーは、それぞれの電池セル30の電圧を測定する電圧計41と、それぞれの電池セル30の電荷を放電するための抵抗42と、放電スイッチ43と、を有する。抵抗42には、一般的な抵抗や電子負荷装置を用いる。図示しないBMS4のプロセッサは、均等化処理の制御を行う。 The balancer of the BMS 4 measures the charging depth of each of the plurality of battery cells 30, and equalizes the charging depth SOC of the plurality of battery cells 30. The balancer has a voltmeter 41 for measuring the voltage of each battery cell 30, a resistance 42 for discharging the charge of each battery cell 30, and a discharge switch 43. For the resistor 42, a general resistor or an electronic load device is used. The BMS4 processor (not shown) controls the equalization process.

組電池3のインピーダンス特性を測定するための測定回路5は、交流電圧信号を出力する高周波電源59と、組電池3に印加される電圧を測定する電圧計51と、電流を測定する電流計52と、を含む。インピーダンス特性を測定するための電圧計51は、SOCを取得するための電圧を測定する電圧計41よりも高精度である。PCS7がインピーダンス特性の測定に使用可能な高周波電流を出力可能な場合には、高周波電源59は不要である。また、BMS4がEMS6の行う制御の一部をおこなってもよい。逆に、EMS6がBMSの行う制御の少なくとも一部をおこなってもよい。 The measuring circuit 5 for measuring the impedance characteristics of the assembled battery 3 includes a high frequency power supply 59 that outputs an AC voltage signal, a voltmeter 51 that measures the voltage applied to the assembled battery 3, and a current meter 52 that measures the current. And, including. The voltmeter 51 for measuring impedance characteristics is more accurate than the voltmeter 41 for measuring voltage for acquiring SOC. If the PCS 7 can output a high frequency current that can be used to measure the impedance characteristics, the high frequency power supply 59 is unnecessary. Further, the BMS 4 may perform a part of the control performed by the EMS 6. On the contrary, the EMS 6 may perform at least a part of the control performed by the BMS.

<インピーダンス測定>
インピーダンス特性は、例えば、交流インピーダンス法により測定される。交流インピーダンス法では、組電池3に対し直流電圧に微小な交流電圧信号(測定信号)を重畳させた信号を印加し、応答信号からインピーダンス特性を測定する。交流インピーダンス測定法は、印加する信号電圧が小さいので、測定対象の組電池3の状態を変化させることなくインピーダンス特性を測定できる。
<Impedance measurement>
Impedance characteristics are measured, for example, by the AC impedance method. In the AC impedance method, a signal obtained by superimposing a minute AC voltage signal (measurement signal) on a DC voltage is applied to the assembled battery 3, and the impedance characteristics are measured from the response signal. In the AC impedance measurement method, since the applied signal voltage is small, the impedance characteristics can be measured without changing the state of the assembled battery 3 to be measured.

直流電圧成分は、測定する電池セル30の電圧程度に設定される。また、重畳する交流電圧成分は、電池セル30の特性に影響を与えない程度の電圧に設定される。なお重畳する交流電圧成分は、電池セル30の特性に影響を与えない程度の電圧に設定される交流電流を用いてもよい。 The DC voltage component is set to about the voltage of the battery cell 30 to be measured. Further, the superimposed AC voltage component is set to a voltage that does not affect the characteristics of the battery cell 30. As the superimposed AC voltage component, an AC current set to a voltage that does not affect the characteristics of the battery cell 30 may be used.

周波数掃引法では、測定信号の周波数を高い周波数から低い周波数へ掃引し、所定の周波数間隔で、各周波数における組電池3のインピーダンス特性を測定する。 In the frequency sweep method, the frequency of the measurement signal is swept from a high frequency to a low frequency, and the impedance characteristics of the assembled battery 3 at each frequency are measured at predetermined frequency intervals.

例えば、インピーダンス特性の測定は以下の条件にて行われる。なお、バイアス電圧は組電池3の電圧である。すなわち、電池モジュール1は組電池システム2の使用時にも交流インピーダンス測定が可能である。 For example, the impedance characteristic is measured under the following conditions. The bias voltage is the voltage of the assembled battery 3. That is, the battery module 1 can measure the AC impedance even when the assembled battery system 2 is used.

周波数測定範囲:0.01Hz~100kHz
電圧振幅:5mV
バイアス電圧:12V
温度:25℃
Frequency measurement range: 0.01Hz-100kHz
Voltage amplitude: 5 mV
Bias voltage: 12V
Temperature: 25 ° C

図2に電池の周波数掃引法によるインピーダンス特性の周波数特性の例を示す。測定されたインピーダンス特性の周波数特性は、実数軸(Z’)をインダクタンス(抵抗成分)、虚数軸(Z’’)をリアクタンス(通常は容量性)とする複素平面図に表示したナイキストプロット(コールコールプロット)で示される。図2に示すように、測定周波数を高周波から低周波に変化させていくと、時計回りに半円を含むインピーダンス(Z’、Z’’)の軌跡であるコールコールプロットが得られる。 FIG. 2 shows an example of the frequency characteristics of the impedance characteristics by the frequency sweep method of the battery. The frequency characteristics of the measured impedance characteristics are the Nyquist plot (call) displayed in a complex plan view with the real axis (Z') as the inductance (resistance component) and the imaginary axis (Z'') as the reactance (usually capacitive). Call plot). As shown in FIG. 2, when the measurement frequency is changed from high frequency to low frequency, a call call plot which is a locus of impedance (Z ′, Z ″) including a semicircle is obtained in a clockwise direction.

ナイキストプロットは、インダクタンス領域(領域A)と、2つの半円形が重畳した電荷移動反応領域(領域B)と、イオン拡散領域(領域C)とに区分される。インダクタンス領域(領域A)は例えば100kHz以上の高周波領域である。 The Nyquist plot is divided into an inductance region (region A), a charge transfer reaction region (region B) on which two semicircles are superimposed, and an ion diffusion region (region C). The inductance region (region A) is, for example, a high frequency region of 100 kHz or higher.

なお、インピーダンス特性の測定方法は、周波数掃引法に限られるものではない。例えば、測定信号として基本周波数f1の矩形波を用いて、高調波成分(2f1、3f1、、)が含まれている応答信号をフーリエ変換することで、複数の周波数(f1、2f1,3f1、、、)のインピーダンス特性を測定してもよい。または、複数の周波数の信号が重畳された測定信号を用いてインピーダンス特性を測定してもよい。もちろん、周波数の異なる複数の測定信号を用いてインピーダンス特性を測定してもよい。 The method for measuring the impedance characteristic is not limited to the frequency sweep method. For example, by using a square wave having a fundamental frequency f1 as a measurement signal and Fourier transforming a response signal containing harmonic components (2f1, 3f1, ...), a plurality of frequencies (f1, 2f1, 3f1, ...) ,) May be measured. Alternatively, the impedance characteristics may be measured using a measurement signal on which signals of a plurality of frequencies are superimposed. Of course, the impedance characteristics may be measured using a plurality of measurement signals having different frequencies.

<電池モジュールの評価方法>
次に、図3に示すフローチャートに沿って、電池モジュール1の評価方法について詳細に説明する。他の電池セルよりもSOCが大きく、均等化処理において放電対象となる電池セルを第1の電池セルという。また、全ての電池セルのSOHが100%の組電池Aと、いずれかの電池セルのSOHが80%の組電池Bとを用いて説明する。
<Evaluation method of battery module>
Next, the evaluation method of the battery module 1 will be described in detail with reference to the flowchart shown in FIG. A battery cell that has a larger SOC than other battery cells and is a target of discharge in the equalization process is called a first battery cell. Further, the description will be made using an assembled battery A in which the SOH of all the battery cells is 100% and an assembled battery B in which the SOH of any of the battery cells is 80%.

<ステップS10>SOC測定ステップ
EMS6の制御によって、PCS7から電力が出力されることによって、組電池3が充電される。充電中、または充電終了後に、BMS4は、複数の電池セル30のSOCを測定する。電池セル30のSOCは、電圧計41を用いて測定される。
<Step S10> SOC measurement step The assembled battery 3 is charged by outputting electric power from the PCS 7 under the control of the EMS 6. During or after charging, the BMS 4 measures the SOCs of the plurality of battery cells 30. The SOC of the battery cell 30 is measured using a voltmeter 41.

<ステップS20>SOCばらつき判定ステップ
BMS4は、複数の電池セル30のSOCのばらつきが、予め定められている所定範囲を超えているか判定する。例えば、電池セル32のSOCが100%であり、電池セル31、33、34のSOCが80%であり、所定範囲が15%だった場合には、BMS4は、「ばらつきあり(YES)」と判定
する。そして、電池セル32が第1の電池セルとなる。
<Step S20> SOC variation determination step The BMS 4 determines whether the SOC variation of the plurality of battery cells 30 exceeds a predetermined range. For example, if the SOC of the battery cell 32 is 100%, the SOC of the battery cells 31, 33, 34 is 80%, and the predetermined range is 15%, the BMS 4 is "variable (YES)". judge. Then, the battery cell 32 becomes the first battery cell.

ばらつきが所定範囲内の場合(NO)には、組電池3は、通常の放電処理に移行する。 When the variation is within a predetermined range (NO), the assembled battery 3 shifts to the normal discharge process.

<ステップS30>第1のインピーダンス測定ステップ
測定回路5の高周波電源59が、組電池3に所定の周波数、例えば、100kHz~0.01Hzの正弦波の測定信号を印加し、インピーダンス特性(第1のインピーダンス特性)を取得する。インピーダンス特性は、測定回路5の電圧計51、電流計52を用いて行われる。第1のインピーダンス特性は、均等化処理前の組電池のインピーダンス特性である。
<Step S30> First Impedance Measurement Step The high frequency power supply 59 of the measurement circuit 5 applies a measurement signal of a sine wave having a predetermined frequency, for example, 100 kHz to 0.01 Hz, to the assembled battery 3, and impedance characteristics (first). Impedance characteristics) is acquired. The impedance characteristic is performed by using the voltmeter 51 and the ammeter 52 of the measurement circuit 5. The first impedance characteristic is the impedance characteristic of the assembled battery before the equalization process.

インピーダンス特性は温度の影響が大きいため、測定回路5は、組電池3に配設されている温度センサ(不図示)により測定温度も取得することが好ましい。そして、測定回路5のデータを処理するプロセッサであるEMS6は、温度によってインピーダンス特性を補正することが好ましい。 Since the impedance characteristic is greatly affected by the temperature, it is preferable that the measuring circuit 5 also acquires the measured temperature by the temperature sensor (not shown) provided in the assembled battery 3. The EMS6, which is a processor that processes the data of the measurement circuit 5, preferably corrects the impedance characteristics according to the temperature.

<ステップS40>均等化処理ステップ
BMS4は、第1の電池セルである電池セル32(SOC100%)の電荷を放電することによって、複数の電池セル31~34のSOCを均等化処理する
<Step S40> Equalization processing step BMS4 equalizes the SOCs of a plurality of battery cells 31 to 34 by discharging the electric charge of the battery cell 32 (SOC 100%) which is the first battery cell.

BMS4は、電池セル32に接続されているスイッチ43をON(導通)とし、電池セル32から抵抗42に電流を流す。電池セル32の電荷は、抵抗42の熱エネルギーに変換される。電池セル32のSOCが、他の電池セル31、33、34のSOCと同じ(80%)になるまで、電池セル32の電荷が放電される。 The BMS 4 turns on (conducts) the switch 43 connected to the battery cell 32, and causes a current to flow from the battery cell 32 to the resistance 42. The charge of the battery cell 32 is converted into the thermal energy of the resistor 42. The charge of the battery cell 32 is discharged until the SOC of the battery cell 32 becomes the same (80%) as the SOC of the other battery cells 31, 33, 34.

<ステップS50>第2のインピーダンス測定ステップ
測定回路5の高周波電源59が、組電池3に測定信号を印加し、インピーダンス特性(第2のインピーダンス特性)を取得する。第2のインピーダンス特性は、均等化処理後の組電池のインピーダンス特性である。
<ステップS60>インピーダンス特性の変化検出ステップ
<Step S50> Second Impedance Measurement Step The high-frequency power supply 59 of the measurement circuit 5 applies a measurement signal to the assembled battery 3 to acquire impedance characteristics (second impedance characteristics). The second impedance characteristic is the impedance characteristic of the assembled battery after the equalization process.
<Step S60> Change detection step of impedance characteristics

図4に、電池セル31~34のSOHが、いずれも100%だった場合(組電池A)の、ナイキストプロットを示す。均等化処理によって、周波数0.1Hz以下のイオン拡散領域において、インピーダンス曲線が変化している。 FIG. 4 shows a Nyquist plot when the SOH of the battery cells 31 to 34 is 100% (assembled battery A). Due to the equalization process, the impedance curve is changed in the ion diffusion region having a frequency of 0.1 Hz or less.

これに対して、図5に、複数の電池セル30のうち、第1の電池セルである電池セル32のSOHが80%、他の電池セル31、32、34のSOHが100%だった場合(組電池B)のナイキストプロットを示す。均等化処理によって、周波数1Hz以上10Hz以下の電荷移動領域において、インピーダンス曲線が変化している。 On the other hand, in FIG. 5, among the plurality of battery cells 30, the SOH of the first battery cell 32 is 80%, and the SOH of the other battery cells 31, 32, 34 is 100%. The Nyquist plot of (assembled battery B) is shown. Due to the equalization process, the impedance curve is changed in the charge transfer region having a frequency of 1 Hz or more and 10 Hz or less.

図4および図5から明らかなように、均等化処理前後のナイキストプロットを比較することによって、SOCが他の電池セルよりも大きかった第1の電池セル(電池セル32)が、他の電池セル31、33、34よりもSOHも小さいか(劣化度が大きいか)否かが検出できる。 As is clear from FIGS. 4 and 5, by comparing the Nyquist plots before and after the equalization process, the first battery cell (battery cell 32) having a higher SOC than the other battery cells became the other battery cell. Whether or not the SOH is smaller than 31, 33, and 34 (whether the degree of deterioration is large) can be detected.

例えば、EMS6は、均等化処理前後のナイキストプロットにおける、周波数0.1Hz以下のイオン拡散領域の変化と周波数1Hz以上10Hz以下の電荷移動領域の変化とを比較する。 For example, EMS 6 compares the change in the ion diffusion region having a frequency of 0.1 Hz or less with the change in the charge transfer region having a frequency of 1 Hz or more and 10 Hz or less in the Nyquist plot before and after the equalization process.

EMS6は、均等化処理前後のインピーダンス特性、および、SOHデータを、それぞれが含む複数の組電池の過去履歴データを用いて、AIにマシーンラーニングを行い、AI判定を行ってもよい。 The EMS 6 may perform machine learning on AI using the impedance characteristics before and after the equalization process and the past history data of a plurality of assembled batteries including SOH data, and perform AI determination.

例えば、EMS6は、均等化処理前後のインピーダンス特性、および、SOHデータを、それぞれが含む複数の組電池のビッグデータを用いて、AIに、ニューラルネットワークよるディープラーニングを行い、AI判定を行ってもよい。 For example, the EMS 6 may perform deep learning by a neural network on AI using big data of a plurality of assembled batteries including impedance characteristics before and after equalization processing and SOH data, and perform AI determination. good.

AI判定よりも簡単に定量的に検出するためには、インピーダンス特性変化率、例えば、第1のインピーダンス特性に対する第2のインピーダンス特性の変化率を取得することが好ましい。もちろん、第2のインピーダンス特性に対する第1のインピーダンス特性の変化率を取得してもよい。 In order to detect the impedance characteristic more easily and quantitatively than the AI determination, it is preferable to acquire the impedance characteristic change rate, for example, the change rate of the second impedance characteristic with respect to the first impedance characteristic. Of course, the rate of change of the first impedance characteristic with respect to the second impedance characteristic may be acquired.

例えば、インピーダンス特性としてリアクタンスZ’’を用いる場合には、以下の式を用いて、リアクタンス変化率を取得する。均等化処理前のリアクタンスが、第1のリアクタンスであり、均等化処理後のリアクタンスが、第2のリアクタンスである。ABSは絶対値を示す。 For example, when reactance Z ″ is used as the impedance characteristic, the reactance change rate is obtained by using the following equation. The reactance before the equalization treatment is the first reactance, and the reactance after the equalization treatment is the second reactance. ABS indicates an absolute value.

リアクタンス変化率(%) = ABS((第1のリアクタンス-第2のリアクタンス)/第1のリアクタンス)×100 Reactance change rate (%) = ABS ((first reactance-second reactance) / first reactance) × 100

図6に均等化処理前後の組電池Aおよび組電池Bのリアクタンス変化率を示す。 FIG. 6 shows the reactance change rates of the assembled battery A and the assembled battery B before and after the equalization treatment.

組電池Bは組電池Aと比べて、周波数1Hz以上10Hz以下の電荷移動領域において、リアクタンス変化率が大きなピークを有している。 Compared with the assembled battery A, the assembled battery B has a large peak in the reactance change rate in the charge transfer region having a frequency of 1 Hz or more and 10 Hz or less.

<ステップS70、S80>SOH判定ステップ、警告ステップ
EMS6は、インピーダンス特性の変化が所定範囲以上であるかを判定する。組電池Bは、第1の電池セル(電池セル32)のSOHが80%であったため、周波数1Hz以上10Hz以下の電荷移動領域におけるリアクタンス変化率のピーク強度Pが、周波数0.01Hz以上0.1Hz以下のイオン拡散領域におけるリアクタンス変化率の平均値Aの150%以上であった。
<Steps S70 and S80> The SOH determination step and the warning step EMS6 determine whether or not the change in impedance characteristics is within a predetermined range. Since the SOH of the first battery cell (battery cell 32) of the assembled battery B was 80%, the peak intensity P of the reactance change rate in the charge transfer region having a frequency of 1 Hz or more and 10 Hz or less had a frequency of 0.01 Hz or more and 0. It was 150% or more of the average value A of the reactance change rate in the ion diffusion region of 1 Hz or less.

例えば、EMS6は、ピーク強度Pが、平均値Aの125%以上の場合に、第1の電池セル(電池セル32)のSOHが、他の電池セル31、33、24のSOHよりも大きいことを、警告する。警告は、音、表示、または、ランプの点灯等によって行われる。 For example, in EMS6, when the peak intensity P is 125% or more of the average value A, the SOH of the first battery cell (battery cell 32) is larger than the SOH of the other battery cells 31, 33, 24. To warn you. The warning is given by sound, display, lighting of a lamp, or the like.

ランプの点灯によって警告する場合、ピーク強度Pと平均値Aとの比に基づいて、ランプの色を変えてもよい。例えば、第1の電池セル(電池セル32)のSOHが使用上、問題の無いレベルの場合には、緑色のランプを点灯し、第1の電池セルの少しの劣化が確認された場合には黄色のランプを点灯し、第1の電池セルの交換が必要なレベルの場合には、赤色のランプを点灯する。 When warning by lighting the lamp, the color of the lamp may be changed based on the ratio of the peak intensity P to the average value A. For example, when the SOH of the first battery cell (battery cell 32) is at a level that does not cause any problem in use, the green lamp is turned on, and when a slight deterioration of the first battery cell is confirmed. Turn on the yellow lamp and turn on the red lamp if the first battery cell needs to be replaced.

たとえばEMS6が、BMS4に警告信号を送って、組電池システム2に警告が表示されてもよい。 For example, the EMS 6 may send a warning signal to the BMS 4 to display a warning on the assembled battery system 2.

なお、インピーダンス特性としては、実数成分(レジスタンス)Z’、虚数成分(リアクタンス)Z’’、位相角θ、および絶対値|Z|の少なくともいずれかである。 The impedance characteristic is at least one of a real number component (resistance) Z ′, an imaginary number component (reactance) Z ″, a phase angle θ, and an absolute value | Z |.

インピーダンス特性として位相角(偏角)θを用いる場合には、例えば、以下の式を用いて、位相角変化率を取得する。均等化処理前の位相角が、第1の位相角であり、均等化処理後の位相角が、第2の位相角である。ABSは絶対値を示す。 When the phase angle (argument angle) θ is used as the impedance characteristic, for example, the phase angle change rate is acquired by using the following equation. The phase angle before the equalization process is the first phase angle, and the phase angle after the equalization process is the second phase angle. ABS indicates an absolute value.

位相角変化率(%) = ABS((第1の位相角-第2の位相角)/第1の位相角)×100 Phase angle change rate (%) = ABS ((first phase angle-second phase angle) / first phase angle) x 100

図7に示すように、組電池Bは組電池Aと比べて、周波数1Hz以上10Hz以下の電荷移動領域において、位相角変化率が大きなピークを有している。 As shown in FIG. 7, the assembled battery B has a peak in the phase angle change rate in the charge transfer region having a frequency of 1 Hz or more and 10 Hz or less as compared with the assembled battery A.

以上の説明のように、ナイキストプロットによる評価方法では、インピーダンス特性は、レジスタンスZ’およびリアクタンスZ’’である。リアクタンス変化率による評価方法では、インピーダンス特性は、測定周波数に対応したリアクタンスである。3つ以上のインピーダンス特性を組み合わせてもよい。もちろん、2つ以上の評価方法を組み合わせてもよい。インピーダンスの逆数であるアドミッタンスを用いて評価してもよい。 As described above, in the evaluation method by Nyquist plot, the impedance characteristics are resistance Z ′ and reactance Z ″. In the evaluation method based on the reactance rate of change, the impedance characteristic is the reactance corresponding to the measured frequency. Three or more impedance characteristics may be combined. Of course, two or more evaluation methods may be combined. It may be evaluated using admittance, which is the reciprocal of impedance.

電池モジュール1は、4個の電池セル31~34が直列接続されている組電池システム2を具備していた。しかし、組電池が含む電池セル30の数は、2以上であるが、上限は例えば50である。 The battery module 1 includes an assembled battery system 2 in which four battery cells 31 to 34 are connected in series. However, the number of battery cells 30 included in the assembled battery is 2 or more, but the upper limit is, for example, 50.

なお、実施形態の電池モジュールでは、複数の電池セルが、他の電池セルよりもSOCが大きく、均等化処理において複数の電池セルの電荷が放電された場合であっても、少なくともいずれかの電池セルのSOHが他の電池セルのSOHよりも小さい(劣化度が大きい)ことを検出できる。 In the battery module of the embodiment, even if the plurality of battery cells have a larger SOC than the other battery cells and the charges of the plurality of battery cells are discharged in the equalization process, at least one of the batteries is used. It can be detected that the SOH of a cell is smaller than the SOH of another battery cell (the degree of deterioration is large).

バランサーの動作は、SOCが大きい電池セル30の電荷を抵抗42によって放電するパッシブ方式だけでなく、SOCが大きい電池セル30の電荷をSOCが小さい電池セルに回生するアクティブ方式でもよい。 The operation of the balancer may be not only a passive method in which the charge of the battery cell 30 having a large SOC is discharged by the resistance 42, but also an active method in which the charge of the battery cell 30 having a large SOC is regenerated to the battery cell having a small SOC.

複数の組電池が並列接続されている電池モジュールの場合には、それぞれの組電池のインピーダンス特性を測定するための、回路切替スイッチを有していることが好ましい。 In the case of a battery module in which a plurality of assembled batteries are connected in parallel, it is preferable to have a circuit changeover switch for measuring the impedance characteristics of each assembled battery.

実施形態の電池モジュールの電池セルは、その原理からリチウムイオン電池セルに限られるものではなく、他の二次電池セル、例えば、リチウムポリマー電池セル、または、リチウム硫黄電池セルでもよいし、固体電解質を有する全固体型電池セルでもよい。また、組電池は、隣り合う電池セルが、正極と負極とが共通の集電体を有するバイポーラ電池でもよいし、バイポーラ全固体電池でもよい。 The battery cell of the battery module of the embodiment is not limited to the lithium ion battery cell from the principle thereof, and may be another secondary battery cell, for example, a lithium polymer battery cell, a lithium sulfur battery cell, or a solid electrolyte. It may be an all-solid-state battery cell having. Further, the assembled battery may be a bipolar battery in which adjacent battery cells have a common current collector for the positive electrode and the negative electrode, or may be a bipolar all-solid-state battery.

また、組電池の構造は、積層型、巻回型、コイン型、および、ラミネート型のいずれでもよい。 Further, the structure of the assembled battery may be any of a laminated type, a wound type, a coin type, and a laminated type.

それぞれの電池セル30が、複数の電池セルが並列に接続されて構成されていてもよい。この構成では、インピーダンス特性等は、並列接続された電池セルの平均値として測定される。また、それぞれの電池セル30が、複数の電池セルが直列に接続されて構成されていてもよい。この場合ではインピーダンス特性等は、直列接続された電池セルの和として測定される。 Each battery cell 30 may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel. In this configuration, the impedance characteristics and the like are measured as the average value of the battery cells connected in parallel. Further, each battery cell 30 may be configured by connecting a plurality of battery cells in series. In this case, the impedance characteristics and the like are measured as the sum of the battery cells connected in series.

電圧計41が、すべての電池セルに接続されていなくてもよい。その場合には、電圧計ごとの電圧のみ測定が可能である。 The voltmeter 41 may not be connected to all battery cells. In that case, only the voltage of each voltmeter can be measured.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and modifications, for example, combinations of components of the embodiment are possible without changing the gist of the present invention.

1…電池モジュール
2…組電池システム
3…組電池
5…測定回路
6…プロセッサ(EMS)
30(31~34)…電池セル
40…BMS
41…電圧計
42…抵抗
43…スイッチ
51…電圧計
52…電流計
59…高周波電源
1 ... Battery module 2 ... Assembled battery system 3 ... Assembled battery 5 ... Measurement circuit 6 ... Processor (EMS)
30 (31-34) ... Battery cell 40 ... BMS
41 ... Voltmeter 42 ... Resistance 43 ... Switch 51 ... Voltmeter 52 ... Ammeter 59 ... High frequency power supply

Claims (4)

複数の電池セルが直列接続されている組電池と、前記複数の電池セルの充電深度を均等化処理するバランサーと、を含む組電池システムと、
均等化処理前の前記組電池の第1のインピーダンス特性および均等化処理後の前記組電池の第2のインピーダンス特性を測定するための測定回路と、
前記複数の電池セルのうち充電深度が他の電池セルよりも大きい第1の電池セルの劣化度が、前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを、前記第1のインピーダンス特性および前記第2のインピーダンス特性を用いて検出するプロセッサと、を具備することを特徴とする電池モジュール。
An assembled battery system including an assembled battery in which a plurality of battery cells are connected in series and a balancer for equalizing the charging depth of the plurality of battery cells.
A measurement circuit for measuring the first impedance characteristic of the assembled battery before the equalization treatment and the second impedance characteristic of the assembled battery after the equalization treatment.
The first impedance characteristic and the first item indicate that the degree of deterioration of the first battery cell having a charging depth larger than that of the other battery cells among the plurality of battery cells is larger than the degree of deterioration of the other battery cells. A battery module comprising: a processor that detects using the impedance characteristic of 2.
前記プロセッサは、ナイキストプロットの電荷移動領域およびイオン拡散領域における前記第1のインピーダンス特性および前記第2のインピーダンス特性の変化に基づき、前記第1の電池セルの劣化度が前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを検出することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。 In the processor, the degree of deterioration of the first battery cell is the deterioration of the other battery cell based on the change of the first impedance characteristic and the second impedance characteristic in the charge transfer region and the ion diffusion region of the Nyquist plot. The battery module according to claim 1, wherein the battery module is detected to be larger than the degree. 前記プロセッサは、電荷移動領域における、前記第1のインピーダンス特性に対する前記第2のインピーダンス特性の変化に基づき、前記第1の電池セルの劣化度が前記他の電池セルの劣化度よりも大きいことを検出することを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。 The processor determines that the degree of deterioration of the first battery cell is greater than the degree of deterioration of the other battery cells based on the change in the second impedance characteristic with respect to the first impedance characteristic in the charge transfer region. The battery module according to claim 1, wherein the battery module is detected. 前記第1のインピーダンス特性および前記第2のインピーダンス特性は、それぞれ、レジスタンス、リアクタンス、インピーダンス絶対値および位相角の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池モジュール。 One of claims 1 to 3, wherein the first impedance characteristic and the second impedance characteristic are at least one of resistance, reactance, absolute impedance value, and phase angle, respectively. Battery module described in.
JP2020191210A 2020-11-17 2020-11-17 Battery module Pending JP2022080182A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020191210A JP2022080182A (en) 2020-11-17 2020-11-17 Battery module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020191210A JP2022080182A (en) 2020-11-17 2020-11-17 Battery module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022080182A true JP2022080182A (en) 2022-05-27

Family

ID=81731672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020191210A Pending JP2022080182A (en) 2020-11-17 2020-11-17 Battery module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022080182A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024101639A1 (en) * 2022-11-07 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 Apparatus and method for diagnosing battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024101639A1 (en) * 2022-11-07 2024-05-16 주식회사 엘지에너지솔루션 Apparatus and method for diagnosing battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3455917B1 (en) Method and apparatus of a modular management system for energy storage cells
JP5349810B2 (en) Storage device abnormality detection device, method, and program
US7755331B2 (en) Storage battery managing apparatus and vehicle controlling apparatus providing the same
US9354278B2 (en) Device for detecting normal, abnormal or deteriorated battery state
US11215673B2 (en) Group battery, battery module, and method for evaluating battery module
US20150369873A1 (en) Battery controller
US11067635B2 (en) Battery cell evaluation system
US10236695B2 (en) Connectivity check between cells and wiring control electronics with only one switch
JP2016166880A (en) Charging amount detection device
CN111487553A (en) Method and device for evaluating consistency of battery monomer
JP7392248B2 (en) Battery management device and method
JP2022080182A (en) Battery module
US10830822B2 (en) Power storage system
JP2023543747A (en) Battery diagnostic device and method
Kaypmaz et al. An advanced cell model for diagnosing faults in operation of Li-ion Polymer batteries
Kulkarni et al. Li-ion battery digital twin based on online impedance estimation
US20200350641A1 (en) Apparatus, method and battery pack for detecting fault of electrical conductor
JP6018169B2 (en) Storage device failure determination method
JP2022080183A (en) Battery module
KR20210108889A (en) Method and detection unit for detecting inhomogeneous cell performance of battery system
CN111478391A (en) Battery pack
FI129670B (en) Battery measurement
KR20240066006A (en) Apparatus and method for diagnosing battery module
KR20230164461A (en) Apparatus for managing battery and operating method of the same
EP4289039A1 (en) Methods of real-time active measurement for electrochemical systems

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231114

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20231114

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20231114

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20231213

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20231213