JP2023030370A - Device for estimating deterioration of lithium ion secondary battery and method for estimating battery capacity of lithium ion secondary battery - Google Patents
Device for estimating deterioration of lithium ion secondary battery and method for estimating battery capacity of lithium ion secondary battery Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の劣化を推定する技術に関する。 The present invention relates to technology for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery.
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ等の携帯型コードレス製品は益々小型化、ポータブル化が進んでいる。また、大気汚染や二酸化炭素の増加等の環境問題の観点から、ハイブリッド自動車、電気自動車、電動船舶や、ドローンをはじめとする小型飛行体等の電動移動体の開発が進められ、実用化の段階となっている。これら電子機器や電気自動車等の電動移動体には、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の特徴を有する優れた二次電池が求められている。さらに、夜間電力や太陽光等の自然エネルギーで発電した電気を効率的に蓄電する手段としても、二次電池の有効利用に注目が集まっている。このような特性を有する二次電池の開発、研究が盛んに行われ、リチウム電池やリチウムイオン電池等の二次電池が種々実用化されている。 2. Description of the Related Art In recent years, mobile cordless products such as mobile phones, notebook personal computers, and video cameras are becoming more and more compact and portable. In addition, from the viewpoint of environmental problems such as air pollution and increased carbon dioxide, the development of electric vehicles such as hybrid vehicles, electric vehicles, electric ships, and small aircraft such as drones is progressing, and it is at the stage of practical use. It has become. These electronic devices and electric vehicles such as electric vehicles require excellent secondary batteries having characteristics such as high efficiency, high output, high energy density, and light weight. Furthermore, as a means for efficiently storing electricity generated by nighttime power or natural energy such as sunlight, the effective use of secondary batteries is attracting attention. Development and research on secondary batteries having such characteristics have been actively carried out, and various secondary batteries such as lithium batteries and lithium ion batteries have been put to practical use.
上述のリチウムイオン電池は、温度などの保管環境、充電状態や、充放電の回数に応じて、使用できる電気容量が低下する傾向があり、こうした電池の劣化状態(SOH)を正確に推定することが、二次電池を駆動源として用いたシステムの運用上極めて重要である。そのため、従来からリチウムイオン電池の劣化状態を推定する種々の手法が提案されている。
例えば、電池の使用履歴情報を記憶しておき、使用履歴情報に基づいて作成したモデルを用いて劣化状態(SOH)を推定する手法が試みられてきた。
また、二次電池の充放電時の電池容量及び電池電圧をパラメータとした微分曲線が二次電池の劣化状態に応じて形状が異なることを利用して、微分曲線上に現れる特徴点の推移や変化量等に基づき二次電池の劣化指標を推定する手法も提案されている。
The lithium-ion battery described above tends to have a lower usable electrical capacity depending on the storage environment such as temperature, state of charge, and number of charge/discharge cycles. However, it is extremely important for the operation of a system using a secondary battery as a drive source. Therefore, various techniques have been proposed for estimating the state of deterioration of lithium ion batteries.
For example, a method has been attempted in which battery usage history information is stored and the state of deterioration (SOH) is estimated using a model created based on the usage history information.
In addition, by utilizing the fact that the shape of the differential curve with parameters of the battery capacity and battery voltage during charging and discharging of the secondary battery varies depending on the deterioration state of the secondary battery, the transition of characteristic points appearing on the differential curve and the A method of estimating the deterioration index of the secondary battery based on the amount of change has also been proposed.
しかし、使用履歴情報に基づいて作成したモデルを用いてリチウムイオン電池の劣化状態(SOH)を推定する手法では、当該電池自体についての膨大な使用履歴情報を記憶しておくために、電池自体に大規模な記憶装置を搭載する、もしくは、クラウドなどのシステムに記憶させた情報を、都度通信手段を用いて授受しなければならず、装置の大型化や通信手段への負荷増大などを考えると実用的とは言い難い。また、膨大な使用履歴情報を扱うため、計算が複雑化する傾向があり、プロセッサへの負荷が増大したり、推定結果の算出に時間がかかったりするという問題がある。
他方、微分曲線上に現れる特徴点の推移や変化量等に基づき二次電池の劣化指標を推定する手法では、測定値の微分を行う際のΔVの設定が不適切であったり、ノイズ等があったりすることで、自動的に微分曲線の形状の相違を判定することは困難であり、やはり実用的な推定手段とは言い難い。
However, in the method of estimating the state of deterioration (SOH) of a lithium-ion battery using a model created based on usage history information, in order to store a huge amount of usage history information about the battery itself, Information stored in a large-scale storage device or in a system such as the cloud must be sent and received using communication means each time, considering the increase in the size of the device and the increase in the load on the communication means. Hard to say practical. In addition, since a huge amount of usage history information is handled, the calculation tends to be complicated, and there is a problem that the load on the processor increases and the calculation of the estimation result takes time.
On the other hand, in the method of estimating the deterioration index of the secondary battery based on the transition and the amount of change of the characteristic points appearing on the differential curve, the setting of ΔV when differentiating the measured value is inappropriate, and noise etc. Therefore, it is difficult to automatically determine the difference in the shape of the differential curve, and it is hard to say that it is a practical estimation means.
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、二次電池の劣化指標を、簡便な方法でありながらも高い確度で推定することができる二次電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to estimate the deterioration index of a secondary battery with high accuracy using a simple method. It is to provide a system.
本発明の第1の観点は、リチウムイオン二次電池の劣化を推定する劣化推定装置であって、前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、前記装置は、第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値と、を取得する取得部と、前記取得部が取得した前記第一の容量値と前記第二の容量値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部と、前記算出部が算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定する推定部と、を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置である。 A first aspect of the present invention is a deterioration estimating device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector. a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector; A positive electrode having two or more inflection points where, when at least one of them is changed, a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to a change in the charging rate shifts to a range in which the amount of voltage change is relatively small. The device includes at least an active material, a first capacitance value at a first inflection point, a second capacitance value at a second inflection point different in voltage from the first inflection point, , a calculation unit that calculates the current full charge capacity based on the first capacity value and the second capacity value that the acquisition unit acquires, and the current current calculated by the calculation unit an estimating unit that estimates the state of deterioration of the lithium ion secondary battery based on the value of the full charge capacity and the value of the full charge capacity in the initial state of the lithium ion secondary battery. This is a device for estimating the deterioration of the next battery.
本発明の第2の観点は、電池の連続する範囲の充電率もしくは放電率を一定方向に変化させたとき、前記充電率もしくは放電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を含むリチウムイオン二次電池の電池容量推定方法であって、第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値とを取得し、取得した前記第一の容量値と前記第二の容量値に基づいて、現在の満充電容量を算出し、算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定すること、を含むリチウムイオン二次電池の電池容量推定方法である。 A second aspect of the present invention is that when the charge rate or discharge rate in a continuous range of the battery is changed in a certain direction, the range in which the amount of change in voltage is relatively large with respect to the change in the charge rate or discharge rate From, a battery capacity estimation method for a lithium ion secondary battery containing a positive electrode active material having two or more inflection points where the amount of change in voltage shifts to a relatively small range, wherein the first at the first inflection point obtaining a first capacitance value and a second capacitance value at a second inflection point different in voltage from the first inflection point, and obtaining the first capacitance value and the second capacitance value; Based on the current full charge capacity is calculated, and based on the calculated current full charge capacity value and the full charge capacity value in the initial state of the lithium ion secondary battery, the lithium ion secondary battery and estimating the deterioration state of the lithium-ion secondary battery.
本発明の第3の観点は、リチウムイオン二次電池の劣化を推定する劣化推定装置であって、前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、前記装置は、第一の変曲点における第一の電圧値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の電圧値と、を取得する取得部と、前記取得部が取得した前記第一の電圧値と前記第二の電圧値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部と、前記算出部が算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定する推定部と、を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置である。 A third aspect of the present invention is a deterioration estimating device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector. a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector; A positive electrode having two or more inflection points where, when at least one of them is changed, a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to a change in the charging rate shifts to a range in which the amount of voltage change is relatively small. a first voltage value at a first inflection point; a second voltage value at a second inflection point different in voltage from the first inflection point; an acquisition unit that acquires the current full charge capacity calculated by the calculation unit based on the first voltage value and the second voltage value acquired by the acquisition unit; an estimating unit that estimates the state of deterioration of the lithium ion secondary battery based on the value of the full charge capacity and the value of the full charge capacity in the initial state of the lithium ion secondary battery. This is a device for estimating the deterioration of the next battery.
本発明の第4の観点は、リチウムイオン二次電池の劣化を推定する劣化推定装置であって、前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、前記装置は、前記リチウムイオン二次電池の使用状態において、第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値と、を取得する第一の取得部と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態での前記第一の変曲点における第三の容量値と、前記第二の変曲点における第四の容量値と、を取得する第二の取得部と、前記第一の容量値及び前記第三の容量値の差、並びに第二の容量値及び前記第四の容量値との差、が大きい場合は、小さい場合よりも前記リチウムイオン二次電池が劣化している状態であると推定する推定部と、を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置である。 A fourth aspect of the present invention is a deterioration estimating device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector. a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector; A positive electrode having two or more inflection points where, when at least one of them is changed, a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to a change in the charging rate shifts to a range in which the amount of voltage change is relatively small. The device includes at least an active material, and the device has a first capacity value at a first inflection point and a second capacity value at a voltage different from the first inflection point when the lithium ion secondary battery is in use. A first acquisition unit that acquires a second capacitance value at an inflection point, a third capacitance value at the first inflection point in the initial state of the lithium ion secondary battery, and the second a fourth capacitance value at the point of inflection, a second acquisition unit that acquires a difference between the first capacitance value and the third capacitance value, and the second capacitance value and the fourth capacitance an estimating unit for estimating that the lithium ion secondary battery is in a more deteriorated state when the difference from the value is large than when the difference is small. .
本発明のある態様によれば、二次電池の劣化指標を、簡便な方法でありながらも高い確度で推定することができる。 According to one aspect of the present invention, the deterioration index of a secondary battery can be estimated with high accuracy using a simple method.
オリビン構造を有するリン酸塩系の正極活物質(リン酸鉄リチウム(LFP)及びリン酸マンガン鉄リチウム(LMFP))を用いた二次電池(以下、適宜単に「電池」という。)では、放電電圧3.3~3.5V付近において、ある一定の容量の変化に対して電圧の変化がほとんどないプラトー領域が出現することが知られている。中でも、正極活物質としてリン酸マンガン鉄リチウムを用いた電池は、放電時に同じようにプラトー領域が出現するリン酸鉄リチウムを用いた電池に比べて容量が大きく、電池の高エネルギー密度化に適している。 In a secondary battery (hereinafter referred to simply as “battery” as appropriate) using a phosphate-based positive electrode active material having an olivine structure (lithium iron phosphate (LFP) and lithium manganese iron phosphate (LMFP)), discharge It is known that a plateau region appears in the vicinity of a voltage of 3.3 to 3.5 V, where there is almost no change in voltage with respect to a certain change in capacitance. Among them, batteries using lithium manganese iron phosphate as a positive electrode active material have a larger capacity than batteries using lithium iron phosphate, which similarly exhibits a plateau region during discharge, and are suitable for increasing the energy density of batteries. ing.
リン酸塩系の正極活物質として、層状金属酸化物と混合して用いたリチウムイオン二次電池においては、充電初期と充電末期、及び、放電初期と放電末期において、セル容量とセル電圧の関係を示す充放電曲線上に上記のプラトー領域に起因した変曲点が生じる。
層状金属酸化物は限定しないが、例えば、層状構造を持つリチウム金属複合酸化物であるニッケルマンガンコバルト酸リチウム(以下、「NMC」という。)が挙げられる。本願発明者は、鋭意研究を行った結果、層状金属酸化物をリン酸塩系の正極活物質に混合したものを正極活物質として使用することで、リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの経過に伴って変曲点が移動するため、この変曲点をモニタすることで電池の劣化状態を推定可能となることを見出した。
In a lithium-ion secondary battery that uses a mixture of a layered metal oxide and a phosphate-based positive electrode active material, the relationship between the cell capacity and the cell voltage in the initial stage of charging and the final stage of charging, and the initial stage of discharging and the final stage of discharging. An inflection point due to the above plateau region occurs on the charge-discharge curve showing .
Although the layered metal oxide is not limited, examples thereof include lithium nickel manganese cobalt oxide (hereinafter referred to as “NMC”), which is a lithium metal composite oxide having a layered structure. As a result of intensive research, the inventors of the present application have found that by using a mixture of a layered metal oxide and a phosphate-based positive electrode active material as a positive electrode active material, the charge-discharge cycle progress of a lithium ion secondary battery can be improved. Since the point of inflection moves along with , it was found that the state of deterioration of the battery can be estimated by monitoring this point of inflection.
なお、NMCをリン酸塩系の正極活物質に混合するのは、以下の点で都合が良い。
リン酸塩系の正極活物質に由来する変曲点は、NMCとリン酸塩系の正極活物質を混合した正極を用いた場合に放電終止状態と設定するセル容量に対応する電圧より僅かに高い3.2~3.5V付近に出現するため、モニタしやすい。また。NMCの比容量と、リン酸マンガンリチウムの比容量との差が小さいため、両者を混合して用いてもエネルギー密度が大きく低下しない。
そのため、NMCをリン酸塩系の正極活物質に混合する場合に、特に本願の効果が発揮される。リン酸塩系の正極活物質の中でも、容量が大きい電池を実現可能である点でリン酸マンガン鉄リチウムを正極活物質として用いることが好ましい。
It should be noted that mixing NMC with a phosphate-based positive electrode active material is convenient in the following respects.
The inflection point derived from the phosphate-based positive electrode active material is slightly lower than the voltage corresponding to the cell capacity set as the end-of-discharge state when using a positive electrode in which NMC and a phosphate-based positive electrode active material are mixed. Since it appears around high 3.2 to 3.5V, it is easy to monitor. again. Since the difference between the specific capacity of NMC and the specific capacity of lithium manganese phosphate is small, even if both are used in combination, the energy density does not decrease significantly.
Therefore, when NMC is mixed with a phosphate-based positive electrode active material, the effect of the present application is particularly exhibited. Among the phosphate-based positive electrode active materials, it is preferable to use lithium manganese iron phosphate as the positive electrode active material because a battery with a large capacity can be realized.
正極活物質に含まれるリン酸マンガン鉄リチウムは、化学式(1)で示されるものであることが好ましい。
[化1]LiwFevMn(1-v)PO4 (0.5<w<1.5、0.20≦v≦0.
55) 化学式(1)
ここで、充電および放電の間にインタカレートおよびデインタカレートされるリチウム量を考慮して、0.5<w<1.5とすることが好ましい。
0.20≦v≦0.55とする理由は、後述するように、vがこの範囲である場合に充放電曲線上で変曲点を検出しやすいためである。
The lithium manganese iron phosphate contained in the positive electrode active material is preferably represented by the chemical formula (1).
[Chemical Formula 1] LiwFevMn (1-v) PO4 (0.5<w<1.5 , 0.20≤v≤0.
55) Chemical formula (1)
Here, it is preferable that 0.5<w<1.5, considering the amount of lithium intercalated and deintercalated during charge and discharge.
The reason for setting 0.20≦v≦0.55 is that when v is within this range, it is easy to detect an inflection point on the charge/discharge curve, as will be described later.
図1に、正極活物質としてリン酸マンガン鉄リチウム(LiwFevMn(1-v)PO4)を用いて活物質層を形成した正極を用いた電池セルについて、所定の条件下での充放電曲線の測定結果を示す。なお、ここで用いたリン酸マンガン鉄リチウムでは、LiwFevMn(1-v)PO4において、v=0.3とした。 FIG. 1 shows a battery cell using a positive electrode in which an active material layer is formed using lithium manganese iron phosphate (Li w Fe v Mn (1-v) PO 4 ) as a positive electrode active material under predetermined conditions. The measurement result of a charge-discharge curve is shown. In the lithium iron manganese phosphate used here, v=0.3 in Li w Fe v Mn (1-v) PO 4 .
図1には、充放電サイクルにおいて、100回目、400回目、800回目、1600回目の各々の充電サイクル及び放電サイクルにおける特性が示されている。図1から、充電曲線において充電初期と充電末期にそれぞれ、低電圧側の「1段目の変曲点(充電)」と高電圧側の「2段目の変曲点(充電)」が発生し、放電曲線において放電初期と放電末期にそれぞれ、高電圧側の「1段目の変曲点(放電)」と低電圧側の「2段目の変曲点(放電)」が発生することがわかる。しかも、これらの変曲点は、充放電サイクルの経過とともに移動することがわかる。具体的には、いずれの変曲点もサイクルの経過に伴って図1の左側にシフトする。 FIG. 1 shows the characteristics in each of the 100th, 400th, 800th, and 1600th charge and discharge cycles in the charge/discharge cycle. From Fig. 1, in the charging curve, the "first inflection point (charging)" on the low voltage side and the "second inflection point (charging)" on the high voltage side occur at the beginning of charging and the end of charging, respectively. However, in the discharge curve, the “first inflection point (discharge)” on the high voltage side and the “second inflection point (discharge)” on the low voltage side occur at the beginning of the discharge and the end of the discharge, respectively. I understand. Moreover, it can be seen that these inflection points move as the charge/discharge cycle progresses. Specifically, both inflection points shift to the left in FIG. 1 as the cycle progresses.
そこで、充電曲線における低電圧側変曲点(「1段目の変曲点(充電)」)と高電圧側変曲点(「2段目の変曲点(充電)」)の変化をモニタすることで、電池セルの劣化度合いを推定することができる。例えば、初期状態(例えば1回目の充電サイクル)での低電圧側変曲点における容量値(Qc1INT)と高電圧側変曲点における容量値(Qc2INT)とを記憶しておき、現在の充電時の低電圧側変曲点における容量値(Qc1CUR)と高電圧側変曲点における容量値(Qc2CUR)とを特定し、両者を比較する。つまり、Qc1INTとQc1CURの差分、並びにQc2INTとQc2CURの差分が大きい場合には、その差分が小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると判断することができる。
なお、以下の説明では、変曲点における容量値を適宜「変曲点容量値」という。
Therefore, we monitor changes in the low-voltage side inflection point (“first stage inflection point (charging)”) and high-voltage side inflection point (“second stage inflection point (charging)”) on the charging curve. By doing so, the degree of deterioration of the battery cell can be estimated. For example, the capacitance value (Qc1 INT ) at the low voltage side inflection point and the capacitance value (Qc2 INT ) at the high voltage side inflection point in the initial state (for example, the first charging cycle) are stored, and the current The capacitance value (Qc1 CUR ) at the low voltage side inflection point during charging and the capacitance value (Qc2 CUR ) at the high voltage side inflection point are specified and compared. That is, when the difference between Qc1 INT and Qc1 CUR and the difference between Qc2 INT and Qc2 CUR are large, it can be determined that the battery cell is in a more deteriorated state than when the difference is small.
In the following description, the capacitance value at the point of inflection will be referred to as "inflection point capacitance value" as appropriate.
同様にして、放電曲線における高電圧側変曲点(「1段目の変曲点(放電)」)と低電圧側変曲点(「2段目の変曲点(放電)」)の変化をモニタすることで、電池セルの劣化度合いを推定することができる。
変曲点における容量をモニタするのは、電池セルの充電時の方が好ましい。電池セルの放電時には、負荷の状態や温度等の環境によって測定される変曲点容量値が変動しやすいのに対して、充電時には安定した変曲点容量値が得られるためである。
Similarly, the change in the high voltage side inflection point (“first stage inflection point (discharge)”) and the low voltage side inflection point (“second stage inflection point (discharge)”) in the discharge curve By monitoring , the degree of deterioration of the battery cell can be estimated.
It is preferable to monitor the capacity at the inflection point when the battery cells are being charged. This is because the measured inflection point capacity value tends to fluctuate depending on the environment such as the state of the load and the temperature when the battery cell is discharged, but a stable inflection point capacity value can be obtained during charging.
また、別の観点では、初期状態からの変曲点の変化をモニタすることで、電池セルの現在のサイクル数を推定することができる。例えば、サイクル数(N)と、N回目の充電サイクル数における低電圧側の変曲点容量値Qc1N及び高電圧側の変曲点容量値Qc2Nの関係、並びに、サイクル数(N)と、N回目の放電サイクル数における高電圧側の変曲点容量値Qd1N及び低電圧側の変曲点容量値Qd2Nとの関係をマップデータとして記憶しておく。そして、充電時における現在の低電圧側の変曲点容量値Qc1CURと高電圧側の変曲点容量値Qc2CUR、及び/又は、放電時における現在の高電圧側の変曲点容量値Qd1CURと低電圧側の変曲点容量値Qd2CURを取得して、マップデータを参照することで、電池セルの現在のサイクル数を特定できる。
このような処理は、現在の充放電曲線に基づいて行われるため、使用履歴の詳細がわからない電池であってもサイクル数を特定できる。
From another point of view, the current cycle number of the battery cell can be estimated by monitoring the change in the inflection point from the initial state. For example, the number of cycles (N), the relationship between the low-voltage side inflection point capacitance value Qc1 N and the high-voltage side inflection point capacitance value Qc2 N in the number of N-th charging cycles, and the number of cycles (N) and , the relationship between the inflection point capacitance value Qd1N on the high voltage side and the inflection point capacitance value Qd2N on the low voltage side at the N-th discharge cycle number is stored as map data. Then, the current low voltage side inflection point capacitance value Qc1 CUR and the high voltage side inflection point capacitance value Qc2 CUR during charging, and/or the current high voltage side inflection point capacitance value Qd1 during discharging By acquiring CUR and the inflection point capacity value Qd2 CUR on the low voltage side and referring to the map data, the current cycle number of the battery cell can be identified.
Since such processing is performed based on the current charge/discharge curve, the number of cycles can be specified even for a battery whose detailed usage history is unknown.
電池セルの現在の満充電容量は、特定したサイクル数を公知の方法に適用することで得ることができる。また、初期状態の満充電容量を例えばメモリに記憶させておくことで、初期状態の満充電容量と、現在の満充電容量とに基づいて、電池セルのSOHを推定することができる。
このような電池セルのSOHの推定方法は、充放電曲線における変曲点を検出することで精度良く行うことができ、複雑な計算が必要ない。
The current full charge capacity of the battery cell can be obtained by applying the specified number of cycles to known methods. By storing the initial full charge capacity in a memory, for example, the SOH of the battery cell can be estimated based on the initial full charge capacity and the current full charge capacity.
Such a method of estimating the SOH of a battery cell can be performed with high accuracy by detecting an inflection point in a charge/discharge curve, and does not require complicated calculations.
なお、図1に示した例では、低電圧側変曲点(「1段目の変曲点(充電)」と「2段目の変曲点(放電)」)では、サイクルが進むにつれてモニタし難くなっている。しかし、電池の劣化状態を推定するに際しては、図1に例示する充電曲線における低電圧側変曲点、高電圧側変曲点、及び、放電曲線における高電圧側変曲点、低電圧側変曲点の4つの変曲点の少なくとも一部をモニタできればよい。そのため、4つの変曲点のうち一部の変曲点がモニタし難くなったとしても電池の劣化状態を推定する上で障害とはならない。 In the example shown in FIG. 1, at the inflection points on the low voltage side (“1st stage inflection point (charge)” and “2nd stage inflection point (discharge)”), the monitor voltage increases as the cycle progresses. It's getting harder. However, when estimating the state of deterioration of the battery, the low voltage side inflection point and the high voltage side inflection point in the charge curve illustrated in FIG. It is sufficient if at least part of the four inflection points of the curve point can be monitored. Therefore, even if some of the four inflection points become difficult to monitor, this does not impede the estimation of the state of deterioration of the battery.
図2は、図1と同じリン酸マンガン鉄リチウムを正極活物質として用いて活物質層を形成した正極を用いた電池セルについて、図1と同じ条件下での充放電曲線の測定結果であるが、温度条件(電池の温度が図1では25℃、図2では45℃)が図1とは異なる。なお、図2では、充放電サイクルにおいて、100回目及び800回目の各々の充電サイクル及び放電サイクルにおける特性が示されている。
図2に示すように、温度が図1よりも高温の環境下においても、充電曲線において低電圧側変曲点及び高電圧側変曲点が発生し、放電曲線において高電圧側変曲点及び低電圧側変曲点が発生し、充放電サイクルの経過に伴って変曲点が図2の左側にシフトすることがわかる。
FIG. 2 shows measurement results of charge-discharge curves under the same conditions as in FIG. 1 for a battery cell using a positive electrode in which an active material layer is formed using the same lithium manganese iron phosphate as the positive electrode active material as in FIG. However, the temperature conditions (battery temperature is 25° C. in FIG. 1 and 45° C. in FIG. 2) are different from FIG. In addition, FIG. 2 shows the characteristics in each of the 100th and 800th charge and discharge cycles in the charge/discharge cycle.
As shown in FIG. 2, even in an environment with a temperature higher than that in FIG. 1, a low voltage side inflection point and a high voltage side inflection point occur in the charging curve, It can be seen that an inflection point occurs on the low voltage side, and the inflection point shifts to the left in FIG. 2 as the charge/discharge cycle progresses.
図1と図2を比較すると、高温(45℃)の環境下では比較的低温(25℃)の場合よりもサイクル劣化が大きいことがわかる。したがって、充放電曲線から電池セルのSOH等の劣化指標を算出する際には、電池セルの温度を考慮することが好ましい。 Comparing FIG. 1 and FIG. 2, it can be seen that cycle deterioration is greater in a high temperature (45° C.) environment than in a relatively low temperature (25° C.) environment. Therefore, when calculating the deterioration index such as SOH of the battery cell from the charge/discharge curve, it is preferable to consider the temperature of the battery cell.
図3に、異なる正極活物質を用いて活物質層を形成した正極を用いた電池セルの充放電曲線の測定結果を示す。
図3では、比較例に係る電池セルとして、正極活物質としてNMC532(LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2)のみを用いて活物質層を形成した正極を用いた電池セルの放電曲線と充電曲線(NMC532のみ)を実線で示す。図3では、一実施形態に係る電池セルとして、正極活物質の総重量を100重量部としたとき、NMC532を80重量部、リン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)を20重量部混合して活物質層を形成した正極を用いた電池セルの放電曲線と充電曲線(NMC532:LMFP=80:20)を破線で示す。図3では、一実施形態に係る電池セルとして、正極活物質の総重量を100重量部としたとき、NMC532を60重量部、リン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)を40重量部混合して活物質層を形成した正極を用いた電池セルの放電曲線と充電曲線(NMC532:LMFP=60:40)を点線で示す。
FIG. 3 shows measurement results of charge/discharge curves of battery cells using positive electrodes in which active material layers are formed using different positive electrode active materials.
In FIG. 3, as a battery cell according to the comparative example, a battery cell using a positive electrode in which an active material layer is formed using only NMC532 (LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 ) as a positive electrode active material is shown. Discharge curves and charge curves (NMC532 only) are shown as solid lines. In FIG. 3, as a battery cell according to one embodiment, when the total weight of the positive electrode active material is 100 parts by weight, 80 parts by weight of NMC532 and 20 parts by weight of lithium manganese iron phosphate (LMFP) are mixed to form an active material. Discharge and charge curves (NMC532:LMFP=80:20) of a battery cell with a layered positive electrode are shown by dashed lines. In FIG. 3, when the total weight of the positive electrode active material is 100 parts by weight, 60 parts by weight of NMC532 and 40 parts by weight of lithium manganese iron phosphate (LMFP) are mixed as an active material in a battery cell according to an embodiment. Discharge and charge curves (NMC532:LMFP=60:40) of a battery cell using a layered positive electrode are indicated by dashed lines.
図3に示すように、正極活物質としてリン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)が含まれない活物質層を形成した正極を用いた電池セルでは、4つの変曲点がいずれも発生しないため、充放電曲線を基に電池の劣化状態を推定するのが困難となる。
それに対して、正極活物質としてリン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)が含まれる活物質層を形成した正極を用いた電池セルでは、充電曲線における低電圧側変曲点、高電圧側変曲点、及び、放電曲線における高電圧側変曲点、低電圧側変曲点の4つの変曲点が発生する。そのため、充放電サイクルの経過に伴う変曲点の変化をモニタすることで電池の劣化状態を推定することが可能となる。図3に示すように、活物質層に含まれるリン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)の比率に応じて変曲点容量値は異なる。
As shown in FIG. 3, in a battery cell using a positive electrode in which an active material layer that does not contain lithium manganese iron phosphate (LMFP) is used as a positive electrode active material, none of the four inflection points occurs. It becomes difficult to estimate the state of deterioration of the battery based on the discharge curve.
On the other hand, in a battery cell using a positive electrode in which an active material layer containing lithium manganese iron phosphate (LMFP) is formed as a positive electrode active material, the low voltage side inflection point, the high voltage side inflection point, Also, four inflection points, a high-voltage side inflection point and a low-voltage side inflection point, occur in the discharge curve. Therefore, it is possible to estimate the state of deterioration of the battery by monitoring the change in the inflection point with the lapse of charge/discharge cycles. As shown in FIG. 3, the inflection point capacity value varies depending on the ratio of lithium manganese iron phosphate (LMFP) contained in the active material layer.
図4は、リン酸マンガン鉄リチウム(LFMP)においてMnの含有比率が異なる場合の充放電曲線を示している。なお、図4では、横軸を比容量、縦軸をセル電圧で表している。また、図4では、LiwFevMn(1-v)PO4において、Mnの含有比率が70%の場合を実線で示し、Mnの含有比率が45%の場合を点線で示している。
図4に示すように、Mnの含有比率のいずれの場合においても、放電曲線において少なくとも高電圧側変曲点が発生し、充電曲線において低電圧側変曲点及び高電圧側変曲点が発生する。図示していないが、Mnの含有比率が少なくとも45~80%の範囲で、充放電曲線に変曲点が存在することが確認されている。
FIG. 4 shows charge-discharge curves for lithium manganese iron phosphate (LFMP) with different Mn content ratios. In FIG. 4, the horizontal axis represents the specific capacity, and the vertical axis represents the cell voltage. In FIG. 4, in Li w Fe v Mn (1-v) PO 4 , the case where the Mn content ratio is 70% is indicated by a solid line, and the case where the Mn content ratio is 45% is indicated by a dotted line.
As shown in FIG. 4, at any content ratio of Mn, at least a high voltage side inflection point occurs in the discharge curve, and a low voltage side inflection point and a high voltage side inflection point occur in the charge curve. do. Although not shown, it has been confirmed that there is an inflection point in the charge/discharge curve when the Mn content ratio is in the range of at least 45 to 80%.
次に、図5を参照して、一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池劣化推定装置1(以下、単に「電池劣化推定装置1」という。)について説明する。電池劣化推定装置1は、電池モジュール2に接続され、電池モジュール2の劣化指標の一例であるSOHを推定するように構成されている。
電池モジュール2は、例えば、複数の電池セルを直列及び/又は並列に接続してモジュール化したものである。各電池セルは、NMC532にリン酸マンガン鉄リチウムを混合した正極活物質を用いたものであり、上述した変曲点を有する。なお、電池モジュール2に含まれる各電池セルの充放電曲線は概ね同じであり、各電池セルの劣化特性も同じであるとみなしてよいため、適宜、単一の電池セルに対する制御について言及する。
Next, a battery
The
図5に示すように、電池劣化推定装置1は、プロセッサ11、記憶装置12、セル監視部13、及び、通信部14を備える。
プロセッサ11は、所定のプログラムを実行することで、電池劣化推定装置1の動作を制御する。
記憶装置12(記憶部の一例)は、不揮発性メモリであり、マップデータと電池セルの満充電容量の値を格納する。満充電容量の値は、例えば、電池モジュール2が製造された時点で記憶装置12に記録される。
As shown in FIG. 5 , the battery
The
The storage device 12 (an example of a storage unit) is a non-volatile memory and stores map data and values of full charge capacity of battery cells. The value of the full charge capacity is recorded in the
マップデータは、サイクル数(N)と、N回目の充電サイクル数における低電圧側の変曲点容量値Qc1N及び高電圧側の変曲点容量値Qc2N、及び、N回目の放電サイクル数における高電圧側の変曲点容量値Qd1N及び低電圧側の変曲点容量値Qd2Nが記述されたものである。マップデータに記述される容量値は、例えば、予め電池セルに対して測定された代表的な値である。
一実施形態では、マップデータは、図6に示すように、N=1のときの初期状態の各変曲点容量値(上述したQc1INT,Qc2INT,Qd1INT,Qd2INTと同じ)からサイクル数が進んだときの各変曲点容量値の変動量(低下量)のデータを含む。
The map data includes the number of cycles (N), the low voltage side inflection point capacitance value Qc1 N and the high voltage side inflection point capacitance value Qc2 N in the Nth charge cycle number, and the Nth discharge cycle number. , the inflection point capacitance value Qd1 N on the high voltage side and the inflection point capacitance value Qd2 N on the low voltage side are described. The capacity values described in the map data are, for example, representative values measured in advance for battery cells.
In one embodiment, the map data is cycled from each inflection point capacitance value (same as Qc1 INT , Qc2 INT , Qd1 INT , Qd2 INT described above) in the initial state when N=1, as shown in FIG. Includes data on the amount of change (decrease) of each inflection point capacitance value when the number advances.
記憶装置12は、電池セルの初期状態における満充電容量の値(FCCINT)を記憶する。この満充電容量の値は、例えば電池セルの製造時に取得して記憶装置12に記録しておく。
The
セル監視部13は、電池モジュール2の各電池セルの状態を監視する部分であり、電圧センサ131及び電流センサ132を含む。
電圧センサ131は、電池セルの充電電圧(閉回路電圧)を検出するように構成される。電流センサ132は、電池セルを流れる電流を検出するように構成される。
電圧センサ131及び電流センサ132の検出信号は、逐次プロセッサ11に送信される。
The
The
Detection signals from the
通信部14は、電池モジュール2の充電時において図示しない充電機器と予め定められた充電仕様に準拠した通信プロトコルで通信を行うとともに、電池モジュール2の放電時において図示しない負荷装置と予め定められた通信プロトコルで通信を行う通信インタフェースとして機能する。
The
プロセッサ11がプログラムを実行することで、以下の(i)~(iii)の各部として機能する。
(i)現在の低電圧側及び高電圧側の変曲点容量値を取得する取得部
(ii)取得部が取得した現在の低電圧側及び高電圧側の変曲点容量値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部
(iii)算出部が算出した現在の満充電容量の値(FCCCUR)と、記憶装置12に記憶されている電池セルの初期状態における満充電容量の値(FCCINT)とに基づいて、電池セルの劣化状態としてSOH(=FCCCUR/FCCINT)を推定する推定部
The
(i) an acquisition unit for acquiring the current low voltage side and high voltage side inflection point capacitance values (ii) based on the current low voltage side and high voltage side inflection point capacitance values acquired by the acquisition unit, Calculation unit for calculating the current full charge capacity (iii) The current full charge capacity value (FCC CUR ) calculated by the calculation unit and the value of the full charge capacity in the initial state of the battery cell stored in the
(i)において、プロセッサ11は、電圧センサ131及び電流センサ132からの検出信号を受信し、各検出信号をデジタル信号に変換するA/D変換器を有する。プロセッサ11は、各検出信号のデジタル信号に基づいて低電圧側及び高電圧側の変曲点容量値を算出する。
例えば電池モジュール2の充電を行う間に変曲点を特定する場合、充電開始からの経過時間(t)と電池セルの電圧(V)と電池セルを流れる電流(I)とをモニタする。図1に例示したような充電曲線では、横軸のセル容量がI・tと等価である。したがって、経過時間(t)と電池セルの電圧(V)と電流(I)とをモニタすることで、プロセッサ11による処理を行う上で充電曲線を離散的に再現することが可能である。
ここで、変曲点は、充電曲線又は放電曲線の2階微分の符号が変化する場合に生ずるため、当該符号が変化するタイミングで変曲点を検出することができる。言い換えれば、充電曲線又は放電曲線での傾きV/(I・t)の変化率の符号が変化するタイミングにおいて変曲点を検出することができる。変曲点が発生したときのI・tの値が変曲点容量値となる。
In (i), the
For example, when specifying an inflection point while charging the
Here, since the inflection point occurs when the sign of the second order differential of the charge curve or the discharge curve changes, the inflection point can be detected at the timing when the sign changes. In other words, the point of inflection can be detected at the timing when the sign of the rate of change of the slope V/(I·t) in the charge curve or the discharge curve changes. The value of I·t when the inflection point occurs is the inflection point capacitance value.
変曲点容量値を取得する際には、変曲点が生じたときのセル電圧Vに基づいて当該変曲点が低電圧側変曲点であるか高電圧側変曲点であるかを判別できる。例えば、変曲点が生じたときのセル電圧Vが4.0V~4.2Vの範囲である場合に当該変曲点が高電圧側変曲点であると判断し、変曲点が生じたときのセル電圧Vが3.3V~3.5Vの範囲である場合に当該変曲点が低電圧側変曲点であると判断する。
なお、低電圧側変曲点、高電圧側変曲点の各々について、充電曲線又は放電曲線によっては演算上2以上の変曲点が検出される場合があり得るが、その場合、最初に検出される変曲点を低電圧側変曲点又は高電圧側変曲点として特定すればよい。
When acquiring the inflection point capacitance value, whether the inflection point is the low voltage side inflection point or the high voltage side inflection point is determined based on the cell voltage V when the inflection point occurs. can be discriminated. For example, when the cell voltage V when the inflection point occurs is in the range of 4.0 V to 4.2 V, the inflection point is determined to be the high voltage side inflection point, and the inflection point occurs When the cell voltage V at that time is in the range of 3.3V to 3.5V, it is determined that the inflection point is the low voltage side inflection point.
In addition, for each of the low-voltage side inflection point and the high-voltage side inflection point, depending on the charge curve or the discharge curve, there may be cases where two or more inflection points are detected. The point of inflection to be determined may be specified as the point of inflection on the low voltage side or the point of inflection on the high voltage side.
次に、一実施形態の電池劣化推定装置1において電池モジュール2のSOHを推定する処理について、図7のフローチャートを参照して説明する。
図7のフローチャートは、一例として電池モジュール2の充電を行う場合に電池劣化推定装置1のプロセッサ11によって実行される。
Next, the process of estimating the SOH of the
The flowchart of FIG. 7 is executed by the
図7を参照すると、プロセッサ11は、電池モジュール2の充電中に電圧センサ131及び電流センサ132からそれぞれ、電池セルの閉回路電圧(V)及び電流(I)の値を取得し、充放電曲線の傾きであるV/(I・t)の変化率の符号が変化するタイミングにおいて変曲点が検出されたと判断する。
電池モジュール2を充電する場合には、先ず低電圧側変曲点が検出され(ステップS2:YES)、低電圧側変曲点に対する変曲点容量値(Qc1CUR)を取得してメモリに記録する(ステップS4)。上述したように、より確実に低電圧側変曲点を検出する際には、セル電圧が所定の範囲内であることを検出の条件とすることが好ましい。
次いで、充電が進行してセル電圧が高くなると、プロセッサ11は、高電圧側変曲点を検出し(ステップS6:YES)、高電圧側変曲点に対応する変曲点容量値(Qc2CUR)を取得してメモリに記録する(ステップS8)。上述したように、より確実に高電圧側変曲点を検出する際には、セル電圧が所定の範囲内であることを検出の条件とすることが好ましい。
Referring to FIG. 7, the
When charging the
Next, when charging progresses and the cell voltage increases, the
低電圧側の変曲点容量値Qc1CURと高電圧側の変曲点容量値Qc2CURとを取得すると、プロセッサ11は、以下のようにして電池モジュール2の電池セルのSOHを算出する。
先ず、プロセッサ11は、マップデータ(図6)を参照して、取得した低電圧側の変曲点容量値(Qc1CUR)と高電圧側の変曲点容量値(Qc2CUR)とに対応するサイクル数(現在のサイクル数)を推定する(ステップS10)。すなわち、記憶装置12に記憶されているマップデータ(図6)には、N=1のときの初期状態の各変曲点容量値からサイクル数が進んだときの各変曲点容量値の低下量のデータが含まれる。そこで、プロセッサ11は、初期状態の変曲点容量値と、ステップS4,S8において取得した変曲点容量値との差分((Qc1INT-Qc1CUR)と(Qc2INT-Qc2CUR))に基づいてマップデータ(図6)を参照することで、対応するサイクル数を特定する。
After acquiring the low voltage side inflection point capacitance value Qc1 CUR and the high voltage side inflection point capacitance value Qc2 CUR , the
First, the
次いでプロセッサ11は、ステップS10で推定した現在のサイクル数を基に、現在の満充電容量の値(FCCCUR)を算出する(ステップS12)。サイクル数から満充電容量を算出する方法については公知の方法を採用することができる。例えば、サイクル数と満充電容量の関係を示すルックアップテーブルを参照してサイクル数を算出してもよいし、サイクル数の1/2乗と満充電容量の低下量(劣化量)とが線形の関係にあるという前提のモデル式からサイクル数を算出してもよい。
Next, the
プロセッサ11は、記憶装置12から電池セルの初期状態における満充電容量の値(FCCINT)を読み出すことによって取得し(ステップS14)、電池セルのSOH(=FCCCUR/FCCINT)を算出する(ステップS16)。
The
図7を参照して、電池モジュール2の充電を行う場合の処理について説明したが、電池モジュール2が放電する場合についても同様の処理を行うことができる。すなわち、電池モジュール2が放電する場合には、プロセッサ11は、高電圧側変曲点と低電圧側変曲点をこの順に検出することで、高電圧側の変曲点容量値(Qd1CUR)と低電圧側の変曲点容量値(Qd2CUR)とを取得する。プロセッサ11は、取得した変曲点容量値の初期状態の値との差分((Qd1INT-Qd1CUR)と(Qd2INT-Qd2CUR))に基づいてマップデータ(図6)を参照することで、対応するサイクル数を特定する。
Although the process when the
以上説明したように、一実施形態の電池劣化推定装置によれば、電池セルの充電時又は放電時に充電曲線又は放電曲線に生ずる2つの変曲点を検出し、その2つの変曲点に対応する変曲点容量値を取得する。取得した変曲点容量値に基づいて電池セルの現在の満充電容量を算出し、この現在の満充電容量と、初期状態の満充電容量とに基づいて、SOH等の電池セルの劣化状態を推定する。
すなわち、一実施形態の電池劣化推定装置では、充電曲線又は放電曲線に現れる変曲点を用いて電池セルのSOHを推定でき、電池セルのSOHを推定するに際して電池セルの使用履歴に関する情報は必要ない。そのため、電池セルの使用履歴がわからない場合であっても電池セルのSOHを推定することができる。
上記変曲点容量値を算出する演算負荷は低いため、電池劣化推定装置に性能の高いプロセッサは不要であり、高速でSOHを推定することができる。
また、変曲点を特定する際には測定ノイズの影響を受け難いため、結果として精度の高いSOHを算出することができる。
As described above, according to the battery deterioration estimating device of one embodiment, two inflection points occurring in the charge curve or the discharge curve during charging or discharging of the battery cell are detected, and corresponding to the two inflection points Get the inflection point capacitance value. The current full charge capacity of the battery cell is calculated based on the acquired inflection point capacity value, and the deterioration state of the battery cell such as SOH is determined based on this current full charge capacity and the initial state full charge capacity. presume.
That is, the battery degradation estimation device of one embodiment can estimate the SOH of a battery cell using an inflection point appearing in a charge curve or a discharge curve, and information on the usage history of the battery cell is necessary when estimating the SOH of the battery cell. do not have. Therefore, the SOH of the battery cell can be estimated even if the usage history of the battery cell is unknown.
Since the calculation load for calculating the inflection point capacity value is low, the battery deterioration estimation apparatus does not require a high-performance processor, and can estimate the SOH at high speed.
In addition, since the inflection point is not easily affected by measurement noise, it is possible to calculate the SOH with high accuracy as a result.
なお、図6では、マップデータは、N=1のときの初期状態の各変曲点容量値からサイクル数が進んだときの各変曲点容量値の変動量(低下量)のデータを含むように構成したが、その限りではない。同じ型の電池セルを使用する場合、各サイクルに対応する変曲点容量値はほとんどばらつきがないと考えられるため、各サイクル数(N)に対応する各変曲点容量値自体のデータを含むようにしてもよい。そのようにマップデータを構成した場合には、マップデータを参照して、検出された変曲点容量値と概ね一致する変曲点容量値に対応するサイクル数が特定される。 In FIG. 6, the map data includes data on the variation (decrease amount) of each inflection point capacitance value when the cycle number advances from each inflection point capacitance value in the initial state when N=1. However, it is not limited to that. If the same type of battery cells are used, the inflection point capacity values corresponding to each cycle are considered to have almost no variation. You can also try to When the map data is configured in such a manner, the map data is referenced to identify the cycle number corresponding to the inflection point capacitance value that approximately matches the detected inflection point capacitance value.
一実施形態では、セル監視部13は、温度センサを備えてもよい。
図1及び図2に示したように、温度が高いほど電池セルの劣化が進みやすい。つまり、温度が高いほど、同じサイクル数であっても初期状態からの変曲点容量値の変化量が大きいため、温度センサによって検出される電池セルの温度に基づいて、マップデータ(図6)を補正してもよい。例えば、温度違いの複数のマップデータを記憶装置12に記憶させておき、温度センサから得られる温度を基に電池セルの代表的な使用環境における温度に対応するマップデータを参照して、サイクル数を特定する。それによって、電池セルの温度環境を考慮してサイクル数が特定されるため、電池劣化推定装置1において算出されるSOHの精度がさらに向上する。
In one embodiment, cell monitor 13 may comprise a temperature sensor.
As shown in FIGS. 1 and 2, the higher the temperature, the more likely the battery cells are to deteriorate. In other words, the higher the temperature, the greater the amount of change in the inflection point capacitance value from the initial state even if the number of cycles is the same. may be corrected. For example, a plurality of map data of temperature differences are stored in the
一実施形態の電池劣化推定装置では、変曲点容量値に代えて変曲点電圧値を取得し、取得した変曲点容量値に基づいて電池セルの劣化状態を推定してもよい。図1~図4に示すように、サイクル数が進むにつれて、充放電曲線における変曲点に対応するセル電圧も変化するため、変曲点電圧値を取得することでも電池セルの劣化状態を推定できる。
その場合、電池劣化推定装置のプロセッサがプログラムを実行することで、以下の(iv)~(vi)の各部として機能するように構成してもよい。
(iv)現在の低電圧側及び高電圧側の変曲点電圧値を取得する取得部
(v)取得部が取得した現在の低電圧側及び高電圧側の変曲点電圧値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部
(vi)算出部が算出した現在の満充電容量の値(FCCCUR)と、記憶装置に記憶されている電池セルの初期状態における満充電容量の値(FCCINT)とに基づいて、電池セルの劣化状態としてSOH(=FCCCUR/FCCINT)を推定する推定部
In the battery deterioration estimating device of one embodiment, the inflection point voltage value may be obtained instead of the inflection point capacity value, and the deterioration state of the battery cell may be estimated based on the obtained inflection point capacity value. As shown in Figures 1 to 4, as the number of cycles progresses, the cell voltage corresponding to the inflection point in the charge/discharge curve also changes, so obtaining the inflection point voltage value can also estimate the state of deterioration of the battery cell. can.
In that case, the processor of the battery deterioration estimation device may be configured to function as the following units (iv) to (vi) by executing the program.
(iv) an acquisition unit for acquiring the current low-voltage side and high-voltage side inflection point voltage values; (v) based on the current low-voltage side and high-voltage side inflection point voltage values acquired by the acquisition unit, Calculation unit for calculating the current full charge capacity (vi) The current full charge capacity value (FCC CUR ) calculated by the calculation unit and the full charge capacity value in the initial state of the battery cell stored in the storage device ( FCC INT ) and an estimating unit that estimates SOH (=FCC CUR /FCC INT ) as the deterioration state of the battery cell
前述したように、充電サイクルにおいて、初期状態での低電圧側の変曲点容量値(Qc1INT;第三の容量値の一例)と現在の低電圧側の変曲点容量値(Qc1CUR;第一の容量値の一例)の差分が大きい場合には、その差分が小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると判断することができる。充電サイクルにおいて、初期状態の高電圧側の変曲点容量値(Qc2INT;第四の容量値の一例)と現在の高電圧側の変曲点容量値(Qc2CUR;第二の容量値の一例)の差分が大きい場合には、その差分が小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると判断することができる。
同様に、放電サイクルにおいて、初期状態での高電圧側の変曲点容量値(Qd1INT;第四の容量値の一例)と現在の高電圧側の変曲点容量値(Qd1CUR;第二の容量値の一例)の差分が大きい場合には、その差分が小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると判断することができる。放電サイクルにおいて、初期状態の低電圧側の変曲点容量値(Qd2INT;第三の容量値の一例)と現在の低電圧側の変曲点容量値(Qd2CUR;第一の容量値の一例)の差分が大きい場合には、その差分が小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると判断することができる。
すなわち、電池セルの初期状態の変曲点容量値と、電池セルの現在の使用状態における変曲点容量値との差分をモニタすることで、相対的な劣化度合いを判断することができる。
As described above, in the charging cycle, the low voltage side inflection point capacitance value (Qc1 INT ; an example of the third capacitance value) in the initial state and the current low voltage side inflection point capacitance value (Qc1 CUR ; An example of the first capacitance value) is large, it can be determined that the battery cell is more deteriorated than when the difference is small. In the charging cycle, the initial high-voltage side inflection point capacitance value (Qc2 INT ; an example of a fourth capacitance value) and the current high-voltage side inflection point capacitance value (Qc2 CUR ; second capacitance value For example), if the difference is large, it can be determined that the battery cell is more deteriorated than if the difference is small.
Similarly, in the discharge cycle, the high voltage side inflection point capacitance value in the initial state (Qd1 INT ; an example of the fourth capacitance value) and the current high voltage side inflection point capacitance value (Qd1 CUR ; second (an example of the capacitance value of ) is large, it can be determined that the battery cell is in a state of deterioration more than when the difference is small. In the discharge cycle, the initial low-voltage side inflection point capacitance value (Qd2 INT ; an example of a third capacitance value) and the current low-voltage side inflection point capacitance value (Qd2 CUR ; first capacitance value For example), if the difference is large, it can be determined that the battery cell is more deteriorated than if the difference is small.
That is, by monitoring the difference between the inflection point capacity value in the initial state of the battery cell and the inflection point capacity value in the current use state of the battery cell, the relative degree of deterioration can be determined.
そこで、一実施形態の電池劣化推定装置では、プロセッサがプログラムを実行することで、以下の(vii)~(ix)の各部として機能するように構成してもよい。
(vii)電池セルの使用状態において、低電圧側の変曲点容量値(第一の容量値)と、高電圧側の変曲点容量値(第二の容量値)と、を取得する第一の取得部
(viii)電池セルの初期状態での低電圧側の変曲点容量値(第三の容量値)と、電池セルの初期状態での高電圧側の変曲点容量値(第四の容量値)と、を取得する第二の取得部
(ix)第一の容量値及び第三の容量値の差、並びに第二の容量値及び第四の容量値との差、が大きい場合は、小さい場合よりも電池セルが劣化している状態であると推定する推定部
Therefore, in the battery degradation estimation device of one embodiment, the processor may be configured to function as the following units (vii) to (ix) by executing a program.
(vii) Acquiring the low voltage side inflection point capacity value (first capacity value) and the high voltage side inflection point capacity value (second capacity value) in the usage state of the battery cell First acquisition unit (viii) Low-voltage side inflection point capacity value (third capacity value) in the initial state of the battery cell and High-voltage side inflection point capacity value (third capacity value) in the initial state of the battery cell (ix) the difference between the first capacitance value and the third capacitance value and the difference between the second capacitance value and the fourth capacitance value are large , the estimation unit estimates that the battery cell is in a state of deterioration compared to when
以上、本発明のリチウムイオン二次電池の劣化推定装置、及び、リチウムイオン二次電池の電池容量推定方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。また、上記の実施形態は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更が可能である。例えば、上述した各実施形態及び各変形例に記載した個々の技術的特徴は、技術的矛盾がない限り、適宜組み合わせることが可能である。 Although the embodiments of the lithium ion secondary battery degradation estimation device and the lithium ion secondary battery battery capacity estimation method of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. Also, the above embodiments can be modified and modified in various ways without departing from the gist of the present invention. For example, individual technical features described in each of the embodiments and modifications described above can be appropriately combined as long as there is no technical contradiction.
1…電池劣化推定装置
2…電池モジュール
11…プロセッサ
12…記憶装置
13…セル監視部
131…電圧センサ
132…電流センサ
14…通信部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、
前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、
前記装置は、
第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値と、を取得する取得部と、
前記取得部が取得した前記第一の容量値と前記第二の容量値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部と、
前記算出部が算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定する推定部と、
を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 A deterioration estimation device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery,
The lithium ion secondary battery includes at least a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector, and an electrolytic solution,
The positive electrode has a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to the change in the charging rate when the charging rate is changed in at least one of the charging direction and the discharging direction between charging rates in a continuous range. From, at least a positive electrode active material having two or more inflection points where the amount of change in voltage shifts to a relatively small range,
The device comprises:
an acquisition unit that acquires a first capacitance value at a first inflection point and a second capacitance value at a second inflection point having a different voltage from the first inflection point;
a calculation unit that calculates a current full charge capacity based on the first capacitance value and the second capacitance value obtained by the obtaining unit;
an estimating unit for estimating the deterioration state of the lithium ion secondary battery based on the current full charge capacity value calculated by the calculation unit and the full charge capacity value in the initial state of the lithium ion secondary battery; ,
A device for estimating deterioration of a lithium-ion secondary battery, comprising:
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 The positive electrode active material is manganese iron lithium phosphate,
The deterioration estimating device for a lithium ion secondary battery according to claim 1 .
請求項2に記載のリチウムイオン二次電池の劣化推定装置。
[化1]LiwFevMn(1-v)PO4 (0.5<w<1.5、0.20≦v≦0.
55) 化学式(1) The lithium manganese iron phosphate is represented by the chemical formula (1),
3. The apparatus for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery according to claim 2.
[Chemical Formula 1] LiwFevMn (1-v) PO4 (0.5<w<1.5 , 0.20≤v≤0.
55) Chemical formula (1)
請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 further comprising at least one or more positive electrode active materials different from the positive electrode active material;
The device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 The acquisition unit acquires the first capacitance value and the second capacitance value during charging of the lithium ion secondary battery.
The deterioration estimating device for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4.
第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値とを取得し、
取得した前記第一の容量値と前記第二の容量値に基づいて、現在の満充電容量を算出し、
算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定すること、
を含むリチウムイオン二次電池の電池容量推定方法。 When the charge rate or discharge rate in a continuous range of the battery is changed in a certain direction, the amount of change in voltage is relatively large from the range in which the amount of change in voltage is relatively large with respect to the change in the charge rate or discharge rate. A battery capacity estimation method for a lithium ion secondary battery containing a positive electrode active material having two or more inflection points that shift to a small range,
Obtaining a first capacitance value at a first inflection point and a second capacitance value at a second inflection point having a different voltage from the first inflection point,
calculating a current full charge capacity based on the acquired first capacity value and the second capacity value;
estimating the deterioration state of the lithium ion secondary battery based on the calculated current full charge capacity value and the initial full charge capacity value of the lithium ion secondary battery;
A method for estimating a battery capacity of a lithium-ion secondary battery, comprising:
請求項6に記載のリチウムイオン二次電池の電池容量推定方法。 obtaining the first capacitance value and the second capacitance value is performed when the lithium ion secondary battery is charged;
The method for estimating battery capacity of a lithium ion secondary battery according to claim 6.
前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、
前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、
前記装置は、
第一の変曲点における第一の電圧値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の電圧値と、を取得する取得部と、
前記取得部が取得した前記第一の電圧値と前記第二の電圧値に基づいて、現在の満充電容量を算出する算出部と、
前記算出部が算出した現在の満充電容量の値と、前記リチウムイオン二次電池の初期状態における満充電容量の値とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定する推定部と、
を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 A deterioration estimation device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery,
The lithium ion secondary battery includes at least a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector, and an electrolytic solution,
The positive electrode has a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to the change in the charging rate when the charging rate is changed in at least one of the charging direction and the discharging direction between charging rates in a continuous range. From, at least a positive electrode active material having two or more inflection points where the amount of change in voltage shifts to a relatively small range,
The device comprises:
an acquisition unit that acquires a first voltage value at a first inflection point and a second voltage value at a second inflection point that is different in voltage from the first inflection point;
a calculation unit that calculates a current full charge capacity based on the first voltage value and the second voltage value obtained by the obtaining unit;
an estimating unit for estimating the deterioration state of the lithium ion secondary battery based on the current full charge capacity value calculated by the calculation unit and the full charge capacity value in the initial state of the lithium ion secondary battery; ,
A device for estimating deterioration of a lithium-ion secondary battery, comprising:
前記リチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層の形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層の形成された負極と、電解液と、を少なくとも含み、
前記正極は、連続する範囲の充電率の間で充電率を充電する方向と放電する方向のうち少なくとも一方に変化させたとき、充電率の変化に対して電圧の変化量が相対的に大きい範囲から、電圧の変化量が相対的に小さい範囲に移行する変曲点を2つ以上有する正極活物質を少なくとも含み、
前記装置は、
前記リチウムイオン二次電池の使用状態において、第一の変曲点における第一の容量値と、前記第一の変曲点とは電圧の異なる第二の変曲点における第二の容量値と、を取得する第一の取得部と、
前記リチウムイオン二次電池の初期状態での前記第一の変曲点における第三の容量値と、前記第二の変曲点における第四の容量値と、を取得する第二の取得部と、
前記第一の容量値及び前記第三の容量値の差、並びに第二の容量値及び前記第四の容量値との差、が大きい場合は、小さい場合よりも前記リチウムイオン二次電池が劣化している状態であると推定する推定部と、
を備えた、リチウムイオン二次電池の劣化推定装置。 A deterioration estimation device for estimating deterioration of a lithium ion secondary battery,
The lithium ion secondary battery includes at least a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on a negative electrode current collector, and an electrolytic solution,
The positive electrode has a range in which the amount of voltage change is relatively large with respect to the change in the charging rate when the charging rate is changed in at least one of the charging direction and the discharging direction between charging rates in a continuous range. From, at least a positive electrode active material having two or more inflection points where the amount of change in voltage shifts to a relatively small range,
The device comprises:
A first capacity value at a first inflection point and a second capacity value at a second inflection point different in voltage from the first inflection point in the usage state of the lithium ion secondary battery a first acquiring unit that acquires ,
a second acquiring unit that acquires a third capacity value at the first inflection point and a fourth capacity value at the second inflection point in the initial state of the lithium ion secondary battery; ,
When the difference between the first capacity value and the third capacity value and the difference between the second capacity value and the fourth capacity value are large, the lithium ion secondary battery deteriorates more than when the difference is small. an estimating unit for estimating that the
A device for estimating deterioration of a lithium-ion secondary battery, comprising:
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