JP2022543322A - バッテリのシミュレーション - Google Patents
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Abstract
Description
(ジュール熱ともいう)は、電解質及びインターカレーション電極(相境界にある電荷移動及びパッシベーション層の拡散抵抗を含む)を通じたリチウムイオンの輸送によって、また活物質及び導体を通じた電子の流れによって生じる。これらの作用によって、それぞれ過電圧につながり、このため電気化学的なセルモデルでは、不可逆液な発熱
は、
と記載することができる。この関係性は、過剰な電圧上昇U(t)-UOCV(t)に寄与する全てのプロセスが同じ電流強度I(t)で生じることを前提としているため、最悪の場合の推定値を表しているに過ぎない。この際に生じる熱は、常に発熱性である。電気モデル化のために等価回路モデルを使用する場合、不可逆的な損失は、等式(1)から、また全ての抵抗要素の損失を合計することによって算出することができる:
は、リチウムイオンをアノード及びカソードのホスト格子へとインターカレーション又はデインターカレーションすることによって、またこれらに関連する化学反応によって引き起こされ、電流の方向及びエントロピー係数に応じて、吸熱性又は発熱性であり得る。Gibbsの式を用いると、可逆的な損失は式(2.3)に従って導かれ、ここで
は、いわゆるエントロピーの係数に相当する:
(過電圧Uоvと電流Iとの積の合計に基づき電気モデルから直接求められる)に加えて、発熱モデルにおけるエントロピー係数
及び温度Tによって、さらに可逆的な熱
が考慮される(ブロック1104):
で調整されるまで緩和する。続いて、順応のためにそれぞれ5時間の待機時間で、5℃、25℃及び45℃への既定の温度ジャンプをそれぞれ行う。順応相の終わりに、開放電圧値を記録し、各SOC段階について線形エントロピー係数
を求めるために使用される。
の温度上昇ΔTが式(6)に従って決定される:
及び
並びに
及び
はそれぞれ順に、測定値の実数部及び虚数部、並びにパラメータベクトルPによるモデルフィットを表す。wiにより、周波数依存の重み付け係数を追加することができる。
及び
は、選択したECMの伝達関数から得られ、2RCの場合には例えば以下の通りである:
ただし、
Claims (18)
- コンピュータにより実行される、バッテリの時間離散シミュレーション方法であって、該方法は、
・前記バッテリの時間離散温度特性を得るために熱モデル(6000)を適用することを含み、ここで前記熱モデルは、前記バッテリの複数のセルのための熱セルモデル(6001)、前記バッテリの前記複数のセルと周辺空気との間の熱交換のための空気モデル(6003)、及び前記バッテリの前記複数のセルと各周囲との間の熱交換のための熱システムモデル(6002)を含むものであり、
時間段階のために前記熱モデルを適用する際に、前記バッテリの前記複数のセルのセル温度は、前記熱セルモデルを用いて、先の時間段階における空気モデルから得られた、前記周辺空気の空気温度に応じて、またさらに前記先の時間段階における前記熱システムモデルから得られた、周囲-熱流に応じて決定され、
前記時間段階のために前記熱モデルを適用する際に、前記空気モデルの前記空気温度、及び前記熱システムモデルの前記周囲-熱流は、前記複数のセルの前記セル温度に応じて決定される、方法。 - 前記熱セルモデルが、前記複数のセルの電気的なセル電圧及びセル電流に応じた不可逆的な割合(1103)と、エントロピー係数、温度及びセル電圧に応じた可逆的な割合(1104)とを有する発熱モデルを備え、前記方法がさらに、
・前記可逆的な割合のエントロピー係数を決定するために電位差測定を行うこと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記電位差測定を行うことが、
・複数の温度において:温度ジャンプをそれぞれ適用すること、及び各セルの開放電圧の変更を測定すること
を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記電位差測定を前記複数のセルの複数の充電状態において、かつ/又は充電方向又は放電方向に応じて行い、前記複数の充電状態についてエントロピー係数を決定する、請求項2又は3に記載の方法。
- 前記熱セルモデルが、前記バッテリの前記複数のセルについて熱散逸モデルを含み、前記方法がさらに、
・前記複数のセルにおける位置的・空間的な温度勾配をシミュレーション的に又は実験的に調査することによって、かつ/又はセルの種類に応じて、かつ/又は前記バッテリの冷却システムに応じて、かつ/又は前記複数のセルについて測定された稼働プロフィールに応じて、かつ/又は熱量測定に応じて、前記熱セルモデルの前記熱散逸モデルの位置的・空間的な次元を決定すること、
を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記熱セルモデルの前記熱散逸モデルは、0次元の位置的・空間的な次元について分析的に規定されており、かつ一次元又は二次元又は三次元の位置的・空間的な次元について有限要素により数値的に規定されている、請求項5に記載の方法。
- 前記熱システムモデルが、以下の一又は複数の尺度:
(1110)前記複数のセル同士の所定の幾何学形状配置に応じた、前記バッテリの前記複数のセル同士の間の熱交換、
(1109)固体冷却要素に対する前記複数のセルの所定の幾何学形状配置に応じた、前記バッテリの前記複数のセルと前記固体冷却要素との熱交換、及び/又は
(1111)流体冷却要素に対する前記複数のセルの所定の配置に応じた、前記複数のセルと前記流体冷却要素との熱交換
をモデル化する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 - ・前記バッテリの前記複数のセル同士の接触抵抗及び/又は熱交換の熱容量、前記バッテリの前記複数のセルと前記固体冷却要素との熱交換、及び前記複数のセルと前記流体冷却要素との熱交換についてのパラメータ化を、所定の基準値に基づき初期化すること、並びに
・初期化後にパラメータ化を適合させるため、前記バッテリの前記複数のセルの基準マトリックス配置について空気を流して加熱測定を行うこと
をさらに含む、請求項7に記載の方法。 - ・前記複数のセルの前記熱セルモデルの熱容量を決定するために、熱量測定を行うこと
をさらに含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。 - ・前記複数のセルの前記熱セルモデルの異方性熱伝導率を決定するために、熱インピーダンス分光分析法を行うこと
をさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。 - ・前記バッテリの前記複数のセルについてセル電圧及びセル電流の時間離散的依存性を得るために、電気モデル(900)を適用することをさらに含み、ここで前記電気モデルは、前記バッテリの複数のセルについての電気セルモデル、前記バッテリの一連のセル及び/又は複数のセルにわたる電流及び電圧についての電気システムモデルを含むものであり、
前記電気セルモデルは、インダクタ、抵抗、及び2つ又はそれより多いRC回路を直列に接続した電気等価回路を備え、
前記電気セルモデルはさらに、充電状態に応じた開回路電圧のための理想電圧源を備え、
前記セル電圧及び前記セル電流は、前記熱セルモデルの発熱モデルのための入力として用いられる、
請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。 - 前記電気セルモデルの2つ又はそれより多いRC回路の数を決定するために、電気化学インピーダンス分光分析測定を行うこと、
をさらに含む、請求項11に記載の方法。 - ・前記電気セルモデルの前記等価回路のパラメータ化を決定するために、電気化学インピーダンス分光分析測定、及び/又は電流パルス特性測定、及び/又はダイナミックストレス試験の測定を行うこと、
をさらに含む、請求項11又は12に記載の方法。 - 前記バッテリの稼働プロフィールに表されている周波数領域において電気化学インピーダンス分光分析測定を行う、請求項12又は13に記載の方法。
- ・前記理想電圧源のパラメータ化を決定するために、緩和電流測定及び/又は定電流測定を行うこと
をさらに含む、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。 - 前記理想電圧源が、前記電流の方向と関連するヒステリシスによって開回路電圧を決定する、請求項11から15のいずれか一項に記載の方法。
- 以下の工程:
・バッテリの時間離散温度特性を得るために熱モデル(6000)を適用すること、ここで前記熱モデルは、前記バッテリの複数のセルのための熱セルモデル(6001)、前記バッテリの前記複数のセルと周辺空気との間の熱交換のための空気モデル(6003)、及び前記バッテリの前記複数のセルと各周囲との間の熱交換のための熱システムモデル(6002)を含むものであり、
時間段階のために前記熱モデルを適用する際に、前記バッテリの前記複数のセルのセル温度は、前記熱セルモデルを用いて、先の時間段階における空気モデルから得られた、前記周辺空気の空気温度に応じて、またさらに前記先の時間段階における前記熱システムモデルから得られた、周囲-熱流に応じて決定され、
前記時間段階のために前記熱モデルを適用する際に、前記空気モデルの前記空気温度、及び前記熱システムモデルの前記周囲-熱流は、前記複数のセルの前記セル温度に応じて決定される
により、バッテリの時間離散シミュレーションを行うように構成されたプロセッサを備える、機器。 - 前記プロセッサが、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されている、請求項17に記載の機器。
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