JP2023139691A - Secondary battery state diagnosing method and state diagnosing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池の状態診断方法および状態診断装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for diagnosing the condition of a secondary battery.
近年、リチウムイオン電池等の二次電池が、車両に搭載される駆動用電源、スマートハウス等の蓄電用電源として利用されている。リチウムイオン電池等は、充放電の繰り返し時や、高温環境下での保管時に、電池特性が劣化することが知られている。駆動用電源や蓄電用電源は、使用時間が長期に及ぶため、劣化を最小限に抑制し、信頼性や安全性を確保することが求められる。 In recent years, secondary batteries such as lithium ion batteries have been used as driving power sources installed in vehicles and as power storage power sources for smart houses and the like. It is known that the battery characteristics of lithium ion batteries etc. deteriorate when repeatedly charged and discharged or when stored in a high temperature environment. Drive power supplies and power storage power supplies are used for long periods of time, so they are required to minimize deterioration and ensure reliability and safety.
リチウムイオン電池に用いられる活物質は、容量、電圧等の性能だけでなく、劣化の抑制や、安全性の向上の観点から選択される場合もある。例えば、正極活物質としては、Li(Ni,Mn,Co)O2(NMC)、LiFePO4(LFP)等が用いられている。負極活物質としては、黒鉛、Li4Ti5O12(LTO)等が用いられている。 Active materials used in lithium ion batteries are selected not only from the viewpoint of performance such as capacity and voltage, but also from the viewpoint of suppressing deterioration and improving safety. For example, Li(Ni, Mn, Co)O 2 (NMC), LiFePO 4 (LFP), etc. are used as the positive electrode active material. As the negative electrode active material, graphite, Li 4 Ti 5 O 12 (LTO), etc. are used.
リチウムイオン電池等の二次電池の劣化は、充電状態が高い高電位領域や充電状態が低い低電位領域で速く進行することが知られている。二次電池の劣化は、正極や、負極や、電極以外の要素、例えば、電解液、集電体等の特性が変化することによって生じる。劣化が進行すると、充放電曲線や作動電圧範囲等が変わるため、安全性に影響が生じる。電極や電極以外の要素の劣化を正確に検出して、劣化状態に応じた最適な制御方法や使用条件を選択することが必要である。 It is known that deterioration of secondary batteries such as lithium ion batteries progresses quickly in high potential regions where the state of charge is high and in low potential regions where the state of charge is low. Deterioration of a secondary battery occurs due to changes in the characteristics of the positive electrode, negative electrode, and elements other than the electrodes, such as the electrolyte and the current collector. As deterioration progresses, the charge/discharge curve, operating voltage range, etc. change, which affects safety. It is necessary to accurately detect deterioration of electrodes and elements other than electrodes, and to select optimal control methods and usage conditions according to the state of deterioration.
特許文献1には、二次電池の内部情報検知方法が記載されている。この方法では、正極単独の充放電カーブと負極単独の充放電カーブとを重ね合わせ計算して、二次電池の充放電カーブを再現している。二次電池の充放電カーブを再現することによって、正極や負極の劣化状態を非破壊で定量的に評価している。 Patent Document 1 describes a method for detecting internal information of a secondary battery. In this method, the charging and discharging curve of the positive electrode alone and the charging and discharging curve of the negative electrode alone are superimposed and calculated to reproduce the charging and discharging curve of the secondary battery. By reproducing the charge/discharge curve of a secondary battery, the state of deterioration of the positive and negative electrodes can be quantitatively evaluated in a non-destructive manner.
特許文献1では、正極単独の充放電カーブと負極単独の充放電カーブとに基づいて、二次電池の充放電カーブを再現している。再現の過程では、正極および負極の有効活物質量や、正極および負極の充放電カーブの位置関係についての指標や、正極および負極の開回路電位を求めている。正極や負極の状況を検知すると、従来の電池電圧の変化を用いる場合等と比較して、電池寿命や安全性の低下を回避できるとされている。 In Patent Document 1, a charging/discharging curve of a secondary battery is reproduced based on a charging/discharging curve of a positive electrode alone and a charging/discharging curve of a negative electrode alone. In the process of reproduction, the effective amounts of active materials in the positive and negative electrodes, indicators regarding the positional relationship between the charge and discharge curves of the positive and negative electrodes, and the open circuit potentials of the positive and negative electrodes are determined. It is said that by detecting the status of the positive and negative electrodes, it is possible to avoid deterioration in battery life and safety, compared to conventional methods that use changes in battery voltage.
しかし、特許文献1の方法は、充電状態の変化に対する開回路電位の変化を診断に利用している。このような方法では、充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい活物質が用いられている場合に、劣化状態を正確に診断できないという問題がある。例えば、リチウムイオン二次電池に用いられるLiFePO4、Li4Ti5O12等は、充放電させたときに開回路電位の変化が小さいことが知られている。 However, the method of Patent Document 1 utilizes changes in open circuit potential in response to changes in charging state for diagnosis. This method has a problem in that the deterioration state cannot be accurately diagnosed when an active material whose potential changes poorly with respect to changes in the state of charge is used. For example, it is known that LiFePO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , etc. used in lithium ion secondary batteries have small changes in open circuit potential when charged and discharged.
特許文献1の方法では、正極および負極のうちの一方に、充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい活物質が用いられている場合に、電位が大きく変化する電極の劣化状態しか診断できないため、診断されない電極の劣化が潜在的に進行するという問題を生じる。劣化が潜在的に進行すると、劣化度が或る閾値を超えた段階で二次電池が急激に劣化するため、二次電池の信頼性や安全性が低くなる。 In the method of Patent Document 1, when one of the positive electrode and the negative electrode uses an active material whose potential changes poorly with changes in the state of charge, it is possible to diagnose only the deterioration state of the electrode where the potential changes significantly. Therefore, a problem arises in that electrode deterioration potentially progresses without being diagnosed. If the deterioration potentially progresses, the secondary battery will rapidly deteriorate when the degree of deterioration exceeds a certain threshold, resulting in lower reliability and safety of the secondary battery.
そこで、本発明は、二次電池の電極に充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい活物質が用いられている場合であっても、二次電池や電極毎の劣化を診断することができる二次電池の状態診断方法および二次電池の状態診断装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention makes it possible to diagnose the deterioration of each secondary battery or each electrode, even when the electrodes of the secondary battery use an active material whose potential changes poorly with changes in the state of charge. It is an object of the present invention to provide a secondary battery condition diagnosing method and a secondary battery condition diagnosing device.
上記の課題を解決するため、本発明に係る二次電池の状態診断方法は、二次電池の劣化状態を診断する状態診断方法であって、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係、および、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を入力情報とし、前記二次電池の劣化状態、前記二次電池に用いられた正極の劣化状態、および、前記二次電池に用いられた負極の劣化状態を出力情報とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a secondary battery condition diagnosis method according to the present invention is a condition diagnosis method for diagnosing the deterioration condition of a secondary battery, and includes the relationship between the charging condition of the secondary battery and the open circuit voltage. , and a relationship group consisting of the relationship between the state of charge and the internal resistance of the secondary battery for each different energization time as input information, and the deterioration state of the secondary battery and the positive electrode used in the secondary battery. The deterioration state and the deterioration state of the negative electrode used in the secondary battery are output information.
また、本発明に係る二次電池の状態診断装置は、二次電池の劣化状態を診断する状態診断装置であって、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示すデータ、および、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を示すデータを入力情報とし、前記二次電池の劣化状態を示すデータ、前記二次電池に用いられた正極の劣化状態を示すデータ、および、前記二次電池に用いられた負極の劣化状態を示すデータを出力情報とする。 Further, the secondary battery condition diagnosis device according to the present invention is a condition diagnosis device for diagnosing the deterioration condition of the secondary battery, and includes data indicating the relationship between the charging condition of the secondary battery and the open circuit voltage, and The input information is data indicating a relationship group consisting of the relationship between the state of charge and the internal resistance of the secondary battery for each different energization time, and data indicating the state of deterioration of the secondary battery, data indicating the state of deterioration of the secondary battery, and the data used for the secondary battery. Data indicating the deterioration state of the positive electrode used in the secondary battery and data indicating the deterioration state of the negative electrode used in the secondary battery are output information.
本発明によると、二次電池の電極に充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい活物質が用いられている場合であっても、二次電池や電極毎の劣化を診断することができる二次電池の状態診断方法および二次電池の状態診断装置を提供することができる。 According to the present invention, even if the electrodes of a secondary battery use an active material whose potential changes poorly with changes in the state of charge, it is possible to diagnose deterioration of each secondary battery or electrode. A method for diagnosing the condition of a secondary battery and a device for diagnosing the condition of a secondary battery can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池の状態診断方法および二次電池の状態診断装置について説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。以下の説明において、正極の状態量には添字p、負極の状態量には添字nを付加する。正極および負極を区別しない場合は、電極と表記し、添字xを付加する。 Hereinafter, a secondary battery condition diagnosing method and a secondary battery condition diagnosing device according to an embodiment of the present invention will be described. Note that common components in the following figures are denoted by the same reference numerals, and redundant explanation will be omitted. In the following description, a subscript p is added to the state quantity of the positive electrode, and a subscript n is added to the state quantity of the negative electrode. When a positive electrode and a negative electrode are not distinguished, they are written as electrodes and a subscript x is added.
本実施形態に係る二次電池の状態診断方法は、二次電池の劣化状態を診断する方法に関する。この状態診断方法では、劣化状態が未知である二次電池を診断対象として、二次電池の劣化状態を非破壊で診断する。この状態診断方法では、診断対象である二次電池の充電状態毎の開回路電圧の測定結果と、通電時間毎、且つ、充電状態毎の内部抵抗の測定結果とを用いて、二次電池の劣化状態や、二次電池が備える電極毎の劣化状態を、個別に診断することができる。 The method for diagnosing the state of a secondary battery according to the present embodiment relates to a method for diagnosing a deterioration state of a secondary battery. In this state diagnosis method, the deterioration state of a secondary battery is diagnosed in a non-destructive manner, using a secondary battery whose deterioration state is unknown as a diagnosis target. This condition diagnosis method uses the measurement results of open circuit voltage for each state of charge of the secondary battery to be diagnosed, and the measurement results of internal resistance for each energization time and state of charge. The deterioration state and the deterioration state of each electrode included in the secondary battery can be individually diagnosed.
本実施形態に係る二次電池の状態診断方法は、開回路電位が満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定である活物質が、正極および負極のうちの一方に用いられている二次電池や、正極および負極の両方に用いられている二次電池に適用することができる。また、開回路電位が一定でない活物質が正極および負極の両方に用いられている二次電池に適用することもできる。開回路電位が満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定である活物質が用いられていても、劣化状態を高精度に診断することができる。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to the present embodiment is a secondary battery in which an active material whose open circuit potential is constant except near a fully charged state and near a fully discharged state is used for one of a positive electrode and a negative electrode. It can be applied to secondary batteries and secondary batteries that are used as both a positive electrode and a negative electrode. Furthermore, the present invention can also be applied to secondary batteries in which active materials with variable open circuit potentials are used for both the positive electrode and the negative electrode. Even if an active material whose open circuit potential is constant except near the fully charged state and near the fully discharged state is used, the deterioration state can be diagnosed with high accuracy.
本明細書において、開回路電位が満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定であるとは、満充電状態付近や全放電状態付近を除いた二次電池の使用電圧範囲内において、充電状態の変化に対する開回路電位の変化幅が50mV以下であることを意味する。充電状態SOC(State Of Charge)[%]を用いると、満充電状態付近は、SOCが80%以上程度の領域、全放電状態付近は、SOCが20%以下程度の領域と定義される。 In this specification, the expression that the open circuit potential is constant except near the fully charged state and fully discharged state means that the open circuit potential is constant except near the fully charged state and fully discharged state within the operating voltage range of the secondary battery, excluding near the fully charged state and fully discharged state. This means that the width of change in open circuit potential with respect to a change in state is 50 mV or less. Using state of charge (SOC) [%], the vicinity of a fully charged state is defined as an area where the SOC is approximately 80% or more, and the vicinity of a fully discharged state is defined as an area where the SOC is approximately 20% or less.
充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい電極としては、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12、Li2TiO3)等を用いた電極が挙げられる。充電状態の変化に対して電位の変化が十分にある電極としては、これら以外の黒鉛、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等を用いた電極が挙げられる。 Examples of electrodes whose potential changes poorly with respect to changes in charging state include electrodes using lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 TiO 3 ), and the like. Examples of electrodes whose potential changes sufficiently with respect to changes in the state of charge include electrodes other than these using graphite, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), and the like.
本実施形態に係る二次電池の状態診断方法では、診断対象である二次電池の充電状態毎の開回路電圧と、診断対象である二次電池の充電状態毎の内部抵抗を測定する。内部抵抗は、測定時の通電時間の長さを2種類以上に変えて、互いに異なる通電時間毎に測定する。開回路電圧や内部抵抗の測定によって、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係と、二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を求める。なお、内部抵抗は、放電過程において、測定時の放電時間の長さを2種類以上に変えて、互いに異なる放電時の通電時間毎に測定してもよい。 In the method for diagnosing the state of a secondary battery according to the present embodiment, the open circuit voltage for each state of charge of the secondary battery to be diagnosed and the internal resistance for each state of charge of the secondary battery to be diagnosed are measured. The internal resistance is measured at different energization times by changing the length of the energization time during measurement into two or more types. By measuring the open circuit voltage and internal resistance, a group of relationships indicating the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage, and the dependence of the charging state of the secondary battery and the internal resistance on the energization time are determined. Note that the internal resistance may be measured during the discharging process by changing the length of the discharging time at the time of measurement into two or more types and for each different energization time during the discharging.
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す情報、および、二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す情報は、劣化状態の診断において、入力情報として用いられる。入力情報に基づいて得られる出力情報は、二次電池の劣化状態を示す情報、二次電池に用いられた正極の劣化状態を示す情報、および、二次電池に用いられた負極の劣化状態を示す情報である。 Information indicating the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage, and information indicating the relationship group indicating the energization time dependence between the charging state of the secondary battery and the internal resistance are input when diagnosing the deterioration state. Used as information. The output information obtained based on the input information includes information indicating the deterioration state of the secondary battery, information indicating the deterioration state of the positive electrode used in the secondary battery, and information indicating the deterioration state of the negative electrode used in the secondary battery. This is the information shown.
二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群は、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される。すなわち、容量-抵抗曲線に相当する充電状態と内部抵抗との関係が、内部抵抗の測定時の通電時間の長さを変えながら通電時間毎に収集される。通電時間毎の複数の関係が集合して、関係群が構成される。 A relationship group indicating the dependence of the state of charge of the secondary battery on the energization time and the internal resistance is composed of the relationship between the state of charge of the secondary battery and the internal resistance for each different energization time. That is, the relationship between the state of charge and the internal resistance, which corresponds to a capacitance-resistance curve, is collected for each energization time while changing the length of the energization time when measuring the internal resistance. A plurality of relationships for each energization time are aggregated to form a relationship group.
劣化状態の診断の処理では、はじめに、電極の充電状態と開回路電位との関係や、通電時間毎の電極の充電状態と内部抵抗との関係を、参照情報として予め用意しておく。これらの関係を、診断対象である二次電池の電極毎の劣化状態を仮定して劣化状態パラメータで補正する。劣化状態パラメータは、正極の劣化状態や、負極の劣化状態や、電極以外の要素の劣化状態を表すパラメータである。 In the process of diagnosing the deterioration state, first, the relationship between the charging state of the electrode and the open circuit potential, and the relationship between the charging state of the electrode and the internal resistance for each energization time are prepared in advance as reference information. These relationships are corrected using deterioration state parameters assuming the deterioration state of each electrode of the secondary battery to be diagnosed. The deterioration state parameter is a parameter representing the deterioration state of the positive electrode, the deterioration state of the negative electrode, and the deterioration state of elements other than the electrode.
そして、劣化状態パラメータで補正された電極の充電状態と開回路電位との関係に基づいて、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を、計算上で再現する。また、劣化状態パラメータで補正された電極の充電状態と内部抵抗との関係に基づいて、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を、計算上で再現する。二次電池の充電状態と内部抵抗との関係については、通電時間毎の関係に基づいて再現される。 Then, based on the relationship between the state of charge of the electrode and the open circuit potential corrected by the state of deterioration parameter, the relationship between the state of charge of the secondary battery assumed to be in a deteriorated state and the open circuit voltage is calculated. . Furthermore, based on the relationship between the state of charge of the electrode and the internal resistance corrected by the state of deterioration parameter, the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery assumed to be in a deteriorated state is calculated. The relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance is reproduced based on the relationship for each energization time.
続いて、再現に基づく二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算結果や、再現に基づく二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算結果を、実測に基づく診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定結果や、実測に基づく診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定結果と比較する。二次電池の充電状態と内部抵抗との関係については、関係群を構成する各関係を用いて通電時間毎に比較する。 Next, calculation results showing the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage based on the reproduction, and calculation results showing the relationship between the state of charge of the secondary battery and the internal resistance based on the reproduction, are used for diagnosis based on actual measurements. Comparison is made with measurement results showing the relationship between the state of charge of the target secondary battery and open circuit voltage, and measurement results showing the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery that is the target of diagnosis based on actual measurements. The relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery is compared for each energization time using each relationship forming the relationship group.
測定結果と計算結果とを比較し、測定結果と計算結果とが一致するようにフィッティングを行うと、仮定的に設定された劣化状態パラメータが、真値に向けて近似される。そのため、測定結果と計算結果との一致性に基づいて、劣化状態パラメータの解を求めることができる。劣化状態パラメータの解に基づいて、二次電池の劣化状態や二次電池の電極毎の劣化状態を定量的に診断することができる。 When the measurement results and calculation results are compared and fitting is performed so that the measurement results and calculation results match, the hypothetically set deterioration state parameters are approximated to the true values. Therefore, a solution to the deterioration state parameter can be obtained based on the consistency between the measurement result and the calculation result. Based on the solution of the deterioration state parameters, the deterioration state of the secondary battery and the deterioration state of each electrode of the secondary battery can be quantitatively diagnosed.
二次電池の内部抵抗は、充電状態に依存する正極の内部抵抗と、充電状態に依存する負極の内部抵抗と、充電状態に依存しない電極以外の要素の抵抗との合成として計算できる。しかし、電極や電極以外の要素は、劣化の進行の程度が互いに異なる。そのため、正極および負極の電極や、電極以外の要素毎に、互いに独立した劣化状態パラメータを設定する必要がある。各別に劣化状態パラメータを設定すると、多変数になるため、電池情報が少ない場合、劣化状態パラメータの単独解が得られないという課題がある。 The internal resistance of a secondary battery can be calculated as a combination of the internal resistance of the positive electrode that depends on the state of charge, the internal resistance of the negative electrode that depends on the state of charge, and the resistance of elements other than the electrode that does not depend on the state of charge. However, electrodes and elements other than electrodes have different degrees of deterioration. Therefore, it is necessary to set mutually independent deterioration state parameters for the positive and negative electrodes and for each element other than the electrodes. If the deterioration state parameters are set separately, there will be a large number of variables, so if there is little battery information, there is a problem that a single solution for the deterioration state parameters cannot be obtained.
これに対し、本実施形態に係る二次電池の状態診断方法では、劣化状態の診断において、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を用いる。内部抵抗の測定時の通電時間の長さを変えながら通電時間毎に収集された複数の関係を用いるため、電極や電極以外の要素毎に設定した劣化状態パラメータの単独解を得ることができる。 On the other hand, in the method for diagnosing the state of a secondary battery according to the present embodiment, in diagnosing the state of deterioration, the state of charge of the secondary battery is determined based on the relationship between the state of charge and the internal resistance of the secondary battery for each different energization time. A relational group showing the dependence of the charging state and the internal resistance on the energization time is used. By using a plurality of relationships collected for each energization time while changing the length of energization time when measuring internal resistance, it is possible to obtain an independent solution for the deterioration state parameter set for each electrode and each element other than the electrode.
具体的には、本実施形態に係る二次電池の状態診断方法では、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係同士の比較によって、充電状態に依存する二次電池の反応抵抗成分、および、充電状態に依存する拡散抵抗成分を除いた、充電状態に依存しない抵抗成分の大きさを決定することができる。そのため、二次電池の劣化状態や二次電池の電極毎の劣化状態を高精度に診断することができる。 Specifically, in the method for diagnosing the condition of a secondary battery according to the present embodiment, the relationship between the state of charge and the internal resistance of the secondary battery for each different energization time is compared to determine whether the state of charge of the secondary battery depends on the state of charge. It is possible to determine the magnitude of the resistance component that does not depend on the state of charge, excluding the reaction resistance component and the diffusion resistance component that depends on the state of charge. Therefore, the deterioration state of the secondary battery and the deterioration state of each electrode of the secondary battery can be diagnosed with high accuracy.
本明細書において、充電状態とは、満充電状態から放電可能な電気量に対する放電可能な電気量の割合によって定まる電気化学的な状態を意味する。充電状態は、充電状態SOC[%]や、満充電状態からの放電量[Ah]や、全放電状態からの充電量[Ah]や、活物質に含まれる電荷キャリア元素の組成比等、相互に換算可能な適宜の状態量で表すことができる。 In this specification, the state of charge means an electrochemical state determined by the ratio of the amount of electricity that can be discharged to the amount of electricity that can be discharged from a fully charged state. The state of charge is determined by mutual factors such as the state of charge SOC [%], the amount of discharge from a fully charged state [Ah], the amount of charge from a fully discharged state [Ah], and the composition ratio of charge carrier elements contained in the active material. It can be expressed as an appropriate state quantity that can be converted into .
図1は、本実施形態に係る二次電池の状態診断装置の構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係る二次電池の状態診断装置100は、演算部10と、記憶部20と、入力部30と、出力部40と、通信部50と、を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a secondary battery condition diagnosis device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, a secondary battery
状態診断装置100は、二次電池の劣化状態を診断する装置であり、コンピュータ等のハードウェアによって構成することができる。状態診断装置100は、二次電池の劣化状態を診断する処理を、所定のプログラムにしたがって実行する。状態診断装置100は、少なくとも演算部10を備える限り、記憶部20、入力部30、出力部40、通信部50等を適宜の構成とすることができる。
The
演算部10は、各種のデータやプログラムの読み取り、プログラムの実行、状態の計算等を行う。演算部10は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の演算装置によって構成される。演算部10は、二次電池の劣化状態を診断する処理に加え、劣化状態の診断結果に基づいて、二次電池の作動条件を演算する処理や、二次電池の作動条件を実行するための制御信号を生成する処理を行ってもよい。
The
記憶部20は、各種のデータやプログラムを記憶する。記憶部20は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等の記憶装置によって構成される。各種のデータやプログラムは、書き込み可能且つ読み取り可能なハードディスク、フラッシュメモリ、磁気ディスク、光学ディスク等に記憶されてもよい。
The
入力部30は、操作者による入力を受け付ける装置である。入力部30は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等によって構成される。入力部30は、不図示の入力インターフェイスを介して接続することができる。
The
出力部40は、状態診断装置100の操作情報、各種のデータの内容、診断状況、診断結果等を出力する装置である。出力部40は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、ブラウン管等によって構成される。出力部40は、不図示の出力インターフェイスを介して接続することができる。
The
通信部50は、外部の測定機器等との間で、各種のデータや制御信号の送信および受信を行う。通信部50は、不図示の通信インターフェイス、入出力インターフェイス等を介して、外部の測定機器等と接続することができる。測定機器としては、所定の条件で充放電を行う機能を備えた二次電池の電圧や電流を測定可能な充放電試験機等を接続することができる。
The
状態診断装置100は、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データ、および、二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データを、入力情報として入力される。これら入力情報は、通信部50を介して外部の測定機器等から入力してもよいし、書き込み可能且つ読み取り可能な記憶媒体や外部記憶装置から入力してもよい。また、入力後に記憶部20に保存してもよい。
The
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データは、診断対象である二次電池の充電状態毎の開回路電圧を、充電状態毎に間欠的に測定することによって収集される。二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データは、実測によって収集された後、状態診断装置100に入力される。二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データは、関係式で表されてもよいし、データテーブルで表されてもよい。
Measurement data showing the relationship between the state of charge and open circuit voltage of the secondary battery is collected by intermittently measuring the open circuit voltage for each state of charge of the secondary battery being diagnosed. . Measurement data indicating the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage is collected through actual measurement and then input to the state
二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データは、診断対象である二次電池の充電状態毎の内部抵抗を、通電時間毎、且つ、充電状態毎に間欠的に測定することによって収集される。二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データは、実測によって収集された後、状態診断装置100に入力される。二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データは、関係式で表されてもよいし、データテーブルで表されてもよい。
The measurement data showing the relational group showing the dependence of the charging state and internal resistance of the secondary battery on the current supply time is the measurement data that shows the internal resistance for each state of charge of the secondary battery to be diagnosed, for each current supply time and for each state of charge. Collected by intermittent measurements. Measurement data indicating a relational group indicating the dependence of the charging state of the secondary battery on the energization time and the internal resistance is input to the
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データは、充電状態を示すデータと、所定の充電状態に対する二次電池の開回路電圧を示すデータと、を含む。二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データは、通電時間を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた充電状態を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた所定の充電状態に対する二次電池の内部抵抗を示すデータと、を含む。 The measurement data indicating the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage includes data indicating the state of charge and data indicating the open circuit voltage of the secondary battery for a predetermined state of charge. The measurement data showing the relationship group showing the dependence of the charging state and the internal resistance of the secondary battery on the energizing time are data showing the energizing time, data showing the charging state associated with the data showing the energizing time, and data showing the energizing time. and data indicating the internal resistance of the secondary battery for a predetermined state of charge associated with the data indicating.
また、状態診断装置100は、正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データ、負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データ、正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データ、および、負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データを、入力情報として入力される。これらの入力情報は、劣化状態を診断する処理の事前に入力されて記憶部20に保存される。
The condition
参照データは、劣化状態が仮定された計算データを生成するための基礎データとして用いられる。参照データは、ハーフセル等を用いて電極の充電状態毎の開回路電位や内部抵抗を測定することによって収集される。参照データは、状態診断装置100の記憶部20に記憶される。参照データは、関係式で表されてもよいし、データテーブルで表されてもよい。
The reference data is used as basic data for generating calculation data assuming a degraded state. The reference data is collected by measuring the open circuit potential and internal resistance of the electrodes for each state of charge using a half cell or the like. The reference data is stored in the
正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データは、充電状態を示すデータと、所定の充電状態に対する正極の開回路電位を示すデータと、を含む。負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データは、充電状態を示すデータと、所定の充電状態に対する負極の開回路電位を示すデータと、を含む。 The reference data indicating the relationship between the state of charge of the positive electrode and the open circuit potential specific to the positive electrode material includes data indicating the state of charge and data indicating the open circuit potential of the positive electrode for a predetermined state of charge. The reference data indicating the relationship between the state of charge of the negative electrode and the open circuit potential specific to the negative electrode material includes data indicating the state of charge and data indicating the open circuit potential of the negative electrode for a predetermined state of charge.
正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データは、互いに異なる通電時間毎の正極の充電状態と内部抵抗との関係で構成される。通電時間毎の正極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データは、正極の内部抵抗を、通電時間毎、且つ、充電状態毎に間欠的に測定することによって収集される。通電時間毎の複数の参照データが集合して、関係群を示す参照データが構成される。 The reference data indicating a relational group indicating the current-carrying time dependence between the positive electrode state of charge and internal resistance specific to the positive electrode material is composed of the relationship between the positive electrode state of charge and internal resistance for each different current-carrying time. Reference data indicating the relationship between the charging state of the positive electrode and the internal resistance for each energizing time is collected by intermittently measuring the internal resistance of the positive electrode for each energizing time and charging state. A plurality of reference data for each energization time is collected to constitute reference data indicating a relation group.
正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データは、通電時間を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた充電状態を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた所定の充電状態に対する正極の内部抵抗を示すデータと、を含む。 The reference data showing the relationship group showing the current-carrying time dependence between the charging state of the positive electrode and the internal resistance specific to the positive electrode material includes data showing the current-carrying time, data showing the charging state associated with the data showing the current-carrying time, and , and data indicating the internal resistance of the positive electrode for a predetermined state of charge associated with the data indicating the energization time.
負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データは、互いに異なる通電時間毎の負極の充電状態と内部抵抗との関係で構成される。通電時間毎の負極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データは、負極の内部抵抗を、通電時間毎、且つ、充電状態毎に間欠的に測定することによって収集される。通電時間毎の複数の参照データが集合して、関係群を示す参照データが構成される。 The reference data indicating a relationship group indicating the current-carrying time dependence between the negative electrode state of charge and internal resistance specific to the negative electrode material is constituted by the relationship between the negative electrode state of charge and internal resistance for different current-carrying times. Reference data indicating the relationship between the state of charge of the negative electrode and the internal resistance for each energizing time is collected by intermittently measuring the internal resistance of the negative electrode for each energizing time and each charging state. A plurality of reference data for each energization time is collected to constitute reference data indicating a relation group.
負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データは、通電時間を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた充電状態を示すデータと、通電時間を示すデータに関連付けられた所定の充電状態に対する負極の内部抵抗を示すデータと、を含む。 The reference data showing the relationship group showing the current-carrying time dependence between the charging state of the negative electrode and the internal resistance specific to the negative electrode material includes data showing the current-carrying time, data showing the charging state associated with the data showing the current-carrying time, and , and data indicating the internal resistance of the negative electrode for a predetermined state of charge associated with the data indicating the energization time.
参照データとしては、例えば、劣化が実質的に進行していない初期状態の電極のデータを用いることができる。例えば、作製した電極を用いてハーフセルを作製した後、1~5回目程度の充電過程や放電過程において、初期状態の電極のデータを、実測に基づいて収集することができる。1回目の充電過程や放電過程においては、電極上で不可逆的な反応を生じる場合があるため、2~5回目程度の充放電過程で収集することが好ましい。 As the reference data, for example, data of an electrode in an initial state in which deterioration has not substantially progressed can be used. For example, after a half cell is manufactured using the manufactured electrode, data on the electrode in the initial state can be collected based on actual measurements during the first to fifth charging or discharging processes. Since an irreversible reaction may occur on the electrode during the first charging or discharging process, it is preferable to collect it during the second to fifth charging and discharging processes.
参照データとしては、電極に用いられる活物質の種類毎に、複数のデータを用意することが好ましい。参照データとしては、診断対象である二次電池に用いられている活物質の種類や、用いられていることが想定される活物質の種類に応じて、種々の電極のデータを用意しておくことが好ましい。診断対象の二次電池に用いられている活物質の種類が不明であっても、参照データを入れ替えながらフィッティングを行うことによって、劣化状態を高精度に診断することができる。 As the reference data, it is preferable to prepare a plurality of data for each type of active material used in the electrode. As reference data, prepare data for various electrodes depending on the type of active material used in the secondary battery being diagnosed and the type of active material expected to be used. It is preferable. Even if the type of active material used in the secondary battery to be diagnosed is unknown, the deterioration state can be diagnosed with high accuracy by performing fitting while replacing reference data.
二次電池の測定データや、電極の参照データは、充電過程において取得されてもよいし、放電過程において取得されてもよい。但し、一般的に、充電過程における挙動と放電過程における挙動との間には、ヒステリシスがある。そのため、二次電池の測定データや、電極の参照データは、互いに同じ充放電過程において取得することが好ましい。 The measurement data of the secondary battery and the reference data of the electrodes may be acquired during the charging process or during the discharging process. However, in general, there is hysteresis between the behavior during the charging process and the behavior during the discharging process. Therefore, it is preferable that the measurement data of the secondary battery and the reference data of the electrodes be acquired in the same charging/discharging process.
二次電池の測定データや、電極の参照データは、任意の充電状態における開回路電圧の測定や、任意の充電状態における内部抵抗の測定を、充電状態を変えながら繰り返すことによって収集することができる。開回路電圧や内部抵抗の測定は、二次電池の使用電圧範囲内における複数の充電状態について行うことが好ましい。 Measurement data of secondary batteries and reference data of electrodes can be collected by repeatedly measuring the open circuit voltage at any charging state or measuring the internal resistance at any charging state while changing the charging state. . It is preferable to measure the open circuit voltage and internal resistance for a plurality of states of charge within the working voltage range of the secondary battery.
二次電池の測定データや、電極の参照データは、間欠的な充放電の過程で収集することができる。例えば、二次電池やハーフセルを所定の充電状態まで充電または放電した後、微小な一定電流で一定時間だけ充電または放電し、所定の時間だけ休止する操作を、別の所定の充電状態に到達するまで繰り返しながら、各充電状態において開回路電圧や電流を測定して収集することができる。 Measurement data of the secondary battery and reference data of the electrodes can be collected during the intermittent charging and discharging process. For example, after a secondary battery or half cell is charged or discharged to a predetermined state of charge, it is charged or discharged for a certain period of time with a small constant current, and then paused for a predetermined period of time to reach another predetermined state of charge. The open circuit voltage and current can be measured and collected at each charging state while repeating up to 30 seconds.
間欠的な充放電の過程において、充電および放電を休止する時間は、10分以上とすることが好ましく、30分以上とすることがより好ましい。充電および放電を休止する時間が十分に確保されていると、活物質の電気化学的な状態や、電荷キャリアの移動が、より平衡に近い状態となるため、より正確な開回路電圧や内部抵抗を測定することができる。 In the process of intermittent charging and discharging, the charging and discharging pause time is preferably 10 minutes or more, more preferably 30 minutes or more. If sufficient time is allowed for charging and discharging pauses, the electrochemical state of the active material and the movement of charge carriers will be closer to equilibrium, resulting in more accurate open circuit voltage and internal resistance. can be measured.
間欠的な充放電の過程において、所定の充電状態に調整するために通電する充放電電流は、少なくとも10C以下であることが好ましく、1C以下であることがより好ましい。充放電レートが低いほど、より正確な開回路電圧や内部抵抗を測定することができる。所定の充電状態に調整するために通電する充放電電流は、測定時間を短縮する観点からは、0.1C以上であることが好ましい。 In the process of intermittent charging and discharging, the charging/discharging current applied to adjust to a predetermined state of charge is preferably at least 10C or less, more preferably 1C or less. The lower the charge/discharge rate, the more accurate the open circuit voltage and internal resistance can be measured. The charging/discharging current applied to adjust the charging state to a predetermined state of charge is preferably 0.1 C or more from the viewpoint of shortening measurement time.
開回路電圧の測定は、互いに充電状態が異なる複数の充電状態について行うことが好ましい。開回路電圧を測定する測定点は、正確な診断を行う観点から、10点以上とすることが好ましい。開回路電圧を測定する測定点は、測定数を削減する観点からは、50点以下とすることが好ましい。 It is preferable to measure the open circuit voltage for a plurality of charging states that are different from each other. From the viewpoint of accurate diagnosis, the number of measurement points for measuring open circuit voltage is preferably 10 or more. The number of measurement points for measuring open circuit voltage is preferably 50 or less from the viewpoint of reducing the number of measurements.
二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データは、互いに異なる通電時間毎の二次電池の内部抵抗の実測に基づいて求めることができる。診断対象である二次電池に対して充放電電流の通電を開始し、所定の時間が経過したときの電圧Vや電流Iを測定することによって、充電状態毎の内部抵抗R=ΔV/ΔIを求めることができる。 Measurement data indicating a relational group indicating the dependence of the charging state of the secondary battery on the energization time and the internal resistance can be obtained based on actual measurements of the internal resistance of the secondary battery for different energization times. By starting to supply a charging/discharging current to the secondary battery to be diagnosed and measuring the voltage V and current I after a predetermined period of time, the internal resistance R = ΔV/ΔI for each charging state can be calculated. You can ask for it.
二次電池の内部抵抗は、二次電池の開回路電圧と、二次電池の閉回路電圧に基づいて求められることが好ましい。開回路電圧と閉回路電圧に基づくと、間欠的な充放電の過程において、充電状態毎の測定データを一括的に収集することができる。 The internal resistance of the secondary battery is preferably determined based on the open circuit voltage of the secondary battery and the closed circuit voltage of the secondary battery. Based on the open-circuit voltage and the closed-circuit voltage, measurement data for each state of charge can be collected all at once during the intermittent charging and discharging process.
充電状態Qにおける二次電池の内部抵抗Rc(Q)[Ω]は、充電状態Qにおける二次電池の開回路電圧をOCVc(Q)[V]、充電状態Qにおける二次電池の閉回路電圧をCCVc(Q)[V]、充電状態Qまでの通電量をΔI[A]としたとき、次の式(1)によって計算することができる。
Rc(Q)={OCVc(Q)-CCVc(Q)}/ΔI・・・(1)
The internal resistance Rc (Q) [Ω] of the secondary battery in the state of charge Q is the open circuit voltage of the secondary battery in the state of charge Q, OCVc (Q) [V], and the closed circuit voltage of the secondary battery in the state of charge Q. When CCVc (Q) [V] is CCVc (Q) and ΔI [A] is the amount of current up to charging state Q, calculation can be performed using the following equation (1).
Rc(Q)={OCVc(Q)-CCVc(Q)}/ΔI...(1)
内部抵抗の測定時の通電時間tは、通電量ΔIが異なるデータを取得するために、少なくとも2種類以上とする必要がある。通電時間tの種類数は、データ数を削減する観点からは、10以下が好ましく、5以下がより好ましい。通電時間tの種類同士は、測定された内部抵抗値同士が有意に異なる値となるように、5秒以上離れていることが好ましく、10秒以上離れていることがより好ましい。 The energization time t when measuring the internal resistance needs to be set to at least two types in order to obtain data with different energization amounts ΔI. From the viewpoint of reducing the number of data, the number of types of energization time t is preferably 10 or less, more preferably 5 or less. The types of energization time t are preferably separated by 5 seconds or more, and more preferably 10 seconds or more, so that the measured internal resistance values are significantly different.
内部抵抗の測定時の通電時間tは、5秒以上が好ましく、30秒以上がより好ましい。通電時間tが短すぎると、通電開始直後の内部抵抗を測定することになる。通電開始直後の内部抵抗は、電極以外の要素に起因するIR損の影響が大きく、正確に測定できないため、データとして採用しないことが好ましい。 The current application time t when measuring the internal resistance is preferably 5 seconds or more, more preferably 30 seconds or more. If the energization time t is too short, the internal resistance will be measured immediately after the start of energization. The internal resistance immediately after the start of energization is largely influenced by IR loss caused by elements other than the electrodes and cannot be measured accurately, so it is preferable not to use it as data.
内部抵抗の測定は、満充電状態に向けた連続した充電過程、または、完全放電状態に向けた連続した放電過程において、一つの充放電過程内で行われることが好ましい。内部抵抗の測定時期、すなわち、通電量ΔI毎のデータを取得するための通電時間tの周期は、全データの収集を完了する総通電時間Tに対して、T/2以降が好ましく、2T/3以降がより好ましい。時間が経過しているほど、正確な測定に適した絶対値が大きい内部抵抗を生じるためである。 It is preferable that the internal resistance is measured during one charging/discharging process, either in a continuous charging process towards a fully charged state or in a continuous discharging process towards a fully discharged state. The measurement timing of the internal resistance, that is, the cycle of the energization time t for acquiring data for each energization amount ΔI is preferably T/2 or later, and 2T/ 3 or later is more preferable. This is because as time elapses, an internal resistance with a larger absolute value suitable for accurate measurement occurs.
二次電池の測定データや、電極の参照データは、充電状態と開回路電位の数値との関係を示すデータや、充電状態と内部抵抗の数値との関係を示すデータであってもよいし、充電状態と開回路電位の微分値との関係を示すデータや、充電状態と内部抵抗の微分値との関係を示すデータであってもよい。開回路電位の微分値を用いると、有効活物質量に反比例する関係が得られるため、有効活物質量の正しさを確保できる。内部抵抗の微分値を用いると、電極以外の要素に起因する電圧降下の寄与を小さくすることができる。 The measurement data of the secondary battery and the reference data of the electrodes may be data indicating the relationship between the state of charge and the numerical value of the open circuit potential, or data indicating the relationship between the state of charge and the numerical value of the internal resistance. The data may be data indicating the relationship between the state of charge and the differential value of the open circuit potential, or data indicating the relationship between the state of charge and the differential value of the internal resistance. When the differential value of the open circuit potential is used, a relationship that is inversely proportional to the amount of effective active material is obtained, so the correctness of the amount of effective active material can be ensured. By using the differential value of the internal resistance, it is possible to reduce the contribution of voltage drops caused by elements other than the electrodes.
状態診断装置100は、劣化状態を診断する処理の後、二次電池の劣化状態を示す診断結果データ、二次電池に用いられた正極の劣化状態を示す診断結果データ、および、二次電池に用いられた負極の劣化状態を示す診断結果データを、出力情報として出力する。状態診断装置100は、これらの出力情報を出力する機能を備える限り、いずれか一種のデータを出力してもよいし、複数種のデータを出力してもよい。出力情報は、出力部40に画像として表示してもよいし、記憶部20にデータベースとして保存してもよい。
After the process of diagnosing the deterioration state, the
図2は、二次電池の劣化状態を診断する処理を示すフローチャートである。
図2に示すように、開回路電圧に基づく評価を行う第1工程(ステップS1~S6)と、内部抵抗に基づく評価を行う第2工程(ステップS7~S18)とを、この順に行う。
FIG. 2 is a flowchart showing a process for diagnosing the deterioration state of a secondary battery.
As shown in FIG. 2, a first step (steps S1 to S6) in which evaluation is performed based on open circuit voltage and a second step (steps S7 to S18) in which evaluation is performed based on internal resistance are performed in this order.
第1工程(ステップS1~S6)では、正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データに基づいて、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を評価する。 In the first step (steps S1 to S6), reference data indicating the relationship between the positive electrode charging state and open circuit potential specific to the positive electrode material and the relationship between the negative electrode charging state and open circuit potential specific to the negative electrode material are obtained. Based on the reference data shown, the relationship between the charging state of the secondary battery assumed to be in a deteriorated state and the open circuit voltage is evaluated.
第2工程(ステップS7~S18)では、関係群を構成する参照データのうち、通電時間毎の正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データと、通電時間毎の負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データに基づいて、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を評価する。 In the second step (steps S7 to S18), among the reference data constituting the relation group, reference data indicating the relationship between the state of charge of the positive electrode and the internal resistance specific to the positive electrode material for each energization time, and reference data for each energization time are selected. The relationship between the state of charge and internal resistance of a secondary battery assumed to be in a deteriorated state is evaluated based on reference data indicating the relationship between the state of charge and internal resistance of the negative electrode specific to the negative electrode material.
第1工程(ステップS1~S6)および第2工程(ステップS7~S18)では、参照データを劣化状態パラメータで補正して劣化状態を仮定し、補正された参照データに基づいて、劣化状態が仮定された二次電池の計算データを生成する。そして、実測に基づく測定データと、劣化状態が仮定された再現に基づく計算データとを比較して、データ同士の一致性を評価する。データ同士が一致するようにフィッティングを行うことによって、劣化状態パラメータの解が求められる。 In the first step (steps S1 to S6) and the second step (steps S7 to S18), the reference data is corrected with the deterioration state parameter to assume the deterioration state, and the deterioration state is assumed based on the corrected reference data. generate calculation data for the secondary battery. Then, the measured data based on the actual measurement is compared with the calculated data based on the reproduction assuming a deteriorated state, and the consistency between the data is evaluated. By performing fitting so that the data match each other, a solution to the deterioration state parameters is obtained.
<第1工程:開回路電圧に基づく評価>
図2に示すように、はじめに、状態診断装置100は、診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データを読み込む。測定データは、記憶部20や、通信部50に接続された外部の測定機器等や、記憶媒体や外部記憶装置から読み込むことができる。
<First step: Evaluation based on open circuit voltage>
As shown in FIG. 2, the
続いて、状態診断装置100は、正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データとを読み込む(ステップS2)。参照データは、記憶部20や、記憶媒体や外部記憶装置から読み込むことができる。
Subsequently, the
充電状態と開回路電位との関係を示す参照データとしては、任意の活物質を用いた電極の参照データを読み込むことができる。この段階で電極の種類や活物質の種類が不明であっても、参照データを入れ替えながらフィッティングを行うことによって、劣化状態を適正に評価することができる。但し、活物質の種類が判明している場合や、種類が予測できる場合は、対応する電極の参照データを読み込むことが好ましい。 As the reference data indicating the relationship between the state of charge and the open circuit potential, reference data of an electrode using any active material can be read. Even if the type of electrode or active material is unknown at this stage, the state of deterioration can be appropriately evaluated by performing fitting while replacing reference data. However, if the type of active material is known or can be predicted, it is preferable to read the reference data of the corresponding electrode.
図3は、電極の充電状態と開回路電位との関係の一例を示す図である。
図3は、活物質にLiFePO4(LFP)を用いた正極の参照データに対応している。横軸は、電極の充電状態の一例として、正極活物質の単位質量当たりの満充電状態からの放電量qp[Ah/g]を示す。縦軸は、基準電極に対する正極の開回路電位Vp[V]を示す。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the charged state of the electrode and the open circuit potential.
FIG. 3 corresponds to reference data for a positive electrode using LiFePO 4 (LFP) as an active material. The horizontal axis indicates the discharge amount qp [Ah/g] from a fully charged state per unit mass of the positive electrode active material, as an example of the charged state of the electrode. The vertical axis indicates the open circuit potential Vp [V] of the positive electrode with respect to the reference electrode.
図4は、電極の充電状態と開回路電位との関係の一例を示す図である。
図4は、活物質に黒鉛を用いた負極の参照データに対応している。横軸は、電極の充電状態の一例として、負極活物質の単位質量当たりの満充電状態からの放電量qn[Ah/g]を示す。縦軸は、基準電極に対する負極の開回路電位Vn[V]を示す。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the charged state of the electrode and the open circuit potential.
FIG. 4 corresponds to reference data of a negative electrode using graphite as an active material. The horizontal axis indicates the discharge amount qn [Ah/g] from a fully charged state per unit mass of the negative electrode active material, as an example of the charged state of the electrode. The vertical axis indicates the open circuit potential Vn [V] of the negative electrode with respect to the reference electrode.
図3および図4に示すように、電極の充電状態と開回路電位との関係は、電極材料として用いた活物質に固有の関係となる。このような関係を示す参照データを、正極および負極の電極毎、且つ、電極に用いられる活物質毎に、関係式またはデータテーブルとして用意することが好ましい。 As shown in FIGS. 3 and 4, the relationship between the charged state of the electrode and the open circuit potential is unique to the active material used as the electrode material. It is preferable to prepare reference data indicating such a relationship as a relational expression or a data table for each of the positive and negative electrodes and for each active material used in the electrode.
図3に示すように、LFP等を用いた電極では、充電状態の変化に対して開回路電位が実質的に変動せず平坦である。このような活物質を用いた電極の劣化状態は、電極の充電状態と開回路電位との関係に基づいて評価することが困難である。一方、図4に示すように、黒鉛等を用いた電極では、充電状態の変化に対して開回路電位が大きく変動する。このような活物質を用いた電極の劣化状態は、電極の充電状態と開回路電位との関係に基づいて評価できる。 As shown in FIG. 3, in an electrode using LFP or the like, the open circuit potential does not substantially fluctuate and remains flat even when the state of charge changes. It is difficult to evaluate the deterioration state of an electrode using such an active material based on the relationship between the charging state of the electrode and the open circuit potential. On the other hand, as shown in FIG. 4, in an electrode using graphite or the like, the open circuit potential fluctuates greatly in response to changes in the state of charge. The state of deterioration of an electrode using such an active material can be evaluated based on the relationship between the state of charge of the electrode and the open circuit potential.
したがって、正極および負極のうちの少なくとも一方の電極に、開回路電位が満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定である活物質が用いられていても、開回路電圧に基づく評価を行う第1工程(ステップS1~S6)と、内部抵抗に基づく評価を行う第2工程(ステップS7~S18)との組み合わせによって、効率的にフィッティングを行うことができる。 Therefore, even if an active material whose open circuit potential is constant except near the fully charged state and near the fully discharged state is used for at least one of the positive and negative electrodes, evaluation is performed based on the open circuit voltage. By combining the first step (steps S1 to S6) and the second step (steps S7 to S18) in which evaluation is performed based on internal resistance, fitting can be performed efficiently.
続いて、状態診断装置100は、正極の劣化状態パラメータを設定する(ステップS3)。ステップS3では、正極の充電状態と開回路電位との関係を補正するための容量に関する劣化状態パラメータを設定する。
Subsequently, the
続いて、状態診断装置100は、負極の劣化状態パラメータを設定する(ステップS4)。ステップS4では、負極の充電状態と開回路電位との関係を補正するための容量に関する劣化状態パラメータを設定する。なお、ステップS3とステップS4は、いずれを先に実行してもよい。
Subsequently, the condition
容量に関する劣化状態パラメータとしては、充電状態と開回路電位や内部抵抗との関係を示す関数において、充電状態を表す状態量の係数や定数を設定することができる。例えば、正極や負極の活物質利用率mrx、正極や負極の範囲外容量δx[Ah]等を設定することができる。 As the deterioration state parameter related to capacity, a coefficient or a constant of a state quantity representing the state of charge can be set in a function indicating the relationship between the state of charge and the open circuit potential or internal resistance. For example, the active material utilization rate mrx of the positive electrode and the negative electrode, the out-of-range capacity δx [Ah] of the positive electrode and the negative electrode, etc. can be set.
活物質利用率mrxは、電極に含まれる活物質のうち、充放電反応に寄与する活物質の割合を表す。活物質利用率mrxは、電極に含まれる活物質量をmx0[g]、充放電反応に寄与する活物質利用量をmx[g]としたとき、mrx=mx/mx0で表される。 The active material utilization rate mrx represents the proportion of the active material that contributes to charge/discharge reactions among the active materials contained in the electrode. The active material utilization rate mrx is expressed as mrx=mx/mx0, where mx0 [g] is the amount of active material contained in the electrode and mx [g] is the amount of active material used that contributes to the charge/discharge reaction.
範囲外容量δxは、電極の総容量のうち、二次電池の上限電圧や下限電圧の外側でしか得られない容量を表す。電極の総容量Qx[Ah]は、充放電反応に寄与する活物質利用量をmx[g]、電極の単位質量当たりの容量をqx[Ah/g]としたとき、Qx=mx×qxで表される。 The out-of-range capacity δx represents a capacity that can only be obtained outside the upper limit voltage and lower limit voltage of the secondary battery, out of the total capacity of the electrode. The total capacitance of the electrode, Qx [Ah], is calculated as expressed.
電極の総容量Qx[Ah]は、範囲外容量δxを生じる劣化を仮定した場合、次の式(2)で表すことができる。
Qx=qx×mx-δx・・・(2)
The total capacitance Qx [Ah] of the electrode can be expressed by the following equation (2), assuming deterioration that causes out-of-range capacitance δx.
Qx=qx×mx−δx...(2)
容量に関する劣化状態パラメータは、電極の劣化が無い状態や電極が完全に劣化した状態を表す上限値と下限値との間で、所定の間隔の任意の数値が定義される。容量に関する劣化状態パラメータは、充電状態を表す状態量の係数や定数や、電極の劣化状態を表す劣化度に対して、データ上で紐付けられてもよい。このような劣化状態パラメータは、パラメータテーブルとして、記憶部20に格納しておくことができる。
The deterioration state parameter related to capacity is defined as an arbitrary numerical value at a predetermined interval between an upper limit value and a lower limit value representing a state in which there is no deterioration of the electrode or a state in which the electrode has completely deteriorated. The deterioration state parameter related to the capacity may be linked in data to a coefficient or constant of a state quantity representing the state of charge or a degree of deterioration representing the deterioration state of the electrode. Such deterioration state parameters can be stored in the
ステップS3およびステップS4において、容量に関する劣化状態パラメータとしては、任意の値を仮設定することができる。電極の劣化状態は、この段階では不明であるため、任意の値を仮設定して以降の計算を行う。劣化状態パラメータを入れ替えながらフィッティングを行うと、劣化状態パラメータを真値に向けて近似できる。 In step S3 and step S4, any value can be provisionally set as the deterioration state parameter related to capacity. Since the deterioration state of the electrode is unknown at this stage, an arbitrary value is temporarily set and subsequent calculations are performed. By performing fitting while exchanging the deterioration state parameters, the deterioration state parameters can be approximated toward their true values.
続いて、状態診断装置100は、正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、設定した劣化状態パラメータとに基づいて、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データを生成する(ステップS5)。
Next, the
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係は、正極の充電状態と開回路電位との関係と、負極の充電状態と開回路電位との関係とを用いて、充電状態に対する開回路電位の関数同士の合成によって計算することができる。電極毎の充電状態と開回路電位との関係は、劣化状態パラメータで補正して用いる。劣化状態パラメータで補正した関係を用いると、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態毎の開回路電圧の挙動を示す計算データが生成される。 The relationship between the state of charge and the open circuit voltage of the secondary battery can be determined by using the relationship between the state of charge of the positive electrode and the open circuit potential, and the relationship between the state of charge of the negative electrode and the open circuit potential. It can be calculated by combining the functions of . The relationship between the state of charge and open circuit potential for each electrode is corrected using the deterioration state parameter. By using the relationship corrected by the deterioration state parameter, calculation data indicating the behavior of the open circuit voltage for each state of charge of the secondary battery in which the deterioration state is assumed is generated.
充電状態Qにおける二次電池の開回路電位Vc(Q)[V]は、充電状態Qにおける正極の開回路電位をVp(Q)[V]、充電状態Qにおける負極の開回路電位をVn(Q)[V]、二次電池の満充電状態からの放電量をQc[Ah]、正極の満充電状態からの放電量をQp[Ah]、負極の満充電状態からの放電量をQn[Ah]としたとき、Qc=Qp+δp=Qn+δnの下で、次の式(3)によって計算することができる。
Vc(Qc)=Vp(Qp)-Vn(Qn)・・・(3)
The open circuit potential Vc (Q) [V] of the secondary battery in the state of charge Q is the open circuit potential of the positive electrode in the state of charge Q, Vp (Q) [V], and the open circuit potential of the negative electrode in the state of charge Q, Vn ( Q) [V], the amount of discharge from the fully charged state of the secondary battery is Qc[Ah], the amount of discharge from the fully charged state of the positive electrode is Qp[Ah], the amount of discharge from the fully charged state of the negative electrode is Qn[ Ah], it can be calculated by the following equation (3) under Qc=Qp+δp=Qn+δn.
Vc (Qc) = Vp (Qp) - Vn (Qn) (3)
図5は、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係の一例を示す図である。
図5は、正極活物質としてLFP、負極活物質として黒鉛を用いた二次電池の測定データに対応している。横軸は、二次電池の充電状態の一例として、二次電池の満充電状態からの放電量Qc[Ah/g]を示す。縦軸は、開回路電圧Vc[V]を示す。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage.
FIG. 5 corresponds to measurement data of a secondary battery using LFP as a positive electrode active material and graphite as a negative electrode active material. The horizontal axis indicates the discharge amount Qc [Ah/g] of the secondary battery from a fully charged state, as an example of the charging state of the secondary battery. The vertical axis indicates the open circuit voltage Vc [V].
図5に示すように、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係は、正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係と、負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係とに基づいて定まる。劣化状態パラメータで補正した関係を用いると、容量-開回路電圧の曲線は、過電圧による上下のシフトや、平坦な電圧領域の縮小を生じる。このような関係を示す測定データや、測定データと比較するために再現した計算データを、関係式またはデータテーブルとして保存することが好ましい。 As shown in Figure 5, the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage is determined by the relationship between the state of charge of the positive electrode and the open circuit potential, which is specific to the positive electrode material, and the state of charge of the negative electrode, which is specific to the negative electrode material. It is determined based on the relationship with the open circuit potential. Using the relationship corrected with the degradation state parameter, the capacitance-open circuit voltage curve will shift up and down due to overvoltage and the flat voltage region will shrink. It is preferable to save measured data showing such a relationship and calculated data reproduced for comparison with the measured data as a relational expression or a data table.
続いて、状態診断装置100は、劣化状態を仮定して計算した二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データと、診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データとを比較して、劣化状態を仮定した計算データと、実測に基づく測定データとが、互いに一致しているか否かを判定する(ステップS6)。
Next, the
データ同士が互いに一致しているか否かの判定は、任意の判定方法で実施することができる。例えば、データ間の残差二乗和に基づいて行うことができる。計算データと測定データとの差分の二乗和を計算し、差分の二乗和と、任意に設定した閾値とを比較して、データ同士の一致性を判定することができる。 Determination as to whether the data match each other can be performed using any determination method. For example, it can be performed based on the sum of squared residuals between data. By calculating the sum of squares of the differences between the calculated data and the measured data, and comparing the sum of squares of the differences with an arbitrarily set threshold, it is possible to determine the consistency between the data.
差分の二乗和としては、計算データ中の開回路電圧の計算値をVcc_1~Vcc_N、測定データ中の開回路電圧の測定値をVce_1~Vce_Nとしたとき、Σ(Vcc_i-Vce_i)2を、i=1~Nに対して計算することができる。 As the sum of squares of the difference, Σ(Vcc_i-Vce_i) 2 is expressed as =1 to N.
計算された差分の二乗和は、予め設定された一致性に関する閾値と比較することができる。開回路電位についての一致性に関する閾値としては、診断に要求される精度や、計算の繰り返し数等に応じて、データ同士の類似度が高くなるような任意値を設定できる。差分の二乗和を計算する際に、測定データに対応する放電状態の計算データがない場合は、内挿によって測定データに対応する計算データを補間してもよい。 The calculated sum of squared differences can be compared with a preset threshold for consistency. As the threshold regarding the consistency of the open circuit potential, an arbitrary value that increases the degree of similarity between the data can be set depending on the accuracy required for diagnosis, the number of repetitions of calculation, and the like. When calculating the sum of squares of differences, if there is no calculated data of the discharge state corresponding to the measured data, the calculated data corresponding to the measured data may be interpolated by interpolation.
比較の結果、計算データと測定データとの差分の二乗和が、予め設定された閾値を超えているとき、劣化状態を仮定して計算した二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データと、診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データとが、互いに一致していないと判定することができる。この場合(ステップS6;NO)、別の劣化状態パラメータを再設定して、計算データの再生成および再比較を行う。 As a result of the comparison, if the sum of squares of the difference between the calculated data and the measured data exceeds a preset threshold, the relationship between the state of charge of the secondary battery calculated assuming a deteriorated state and the open circuit voltage is calculated. It can be determined that the calculated data shown and the measured data showing the relationship between the state of charge of the secondary battery to be diagnosed and the open circuit voltage do not match each other. In this case (step S6; NO), another deterioration state parameter is reset, and the calculation data is regenerated and recompared.
一方、比較の結果、計算データと測定データとの差分の二乗和が、予め設定された閾値以下であるとき、劣化状態を仮定して計算した二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データと、診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データとが、互いに一致していると判定することができる。この場合(ステップS6;YES)、設定した劣化状態パラメータを採用して、内部抵抗に基づく評価を行う第2工程(ステップS7~S18)に移行する。 On the other hand, as a result of the comparison, if the sum of squares of the difference between the calculated data and the measured data is less than or equal to a preset threshold, the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage calculated assuming a deteriorated state It can be determined that the calculated data indicating the relationship between the charging state of the secondary battery to be diagnosed and the open circuit voltage match each other. In this case (step S6; YES), the set deterioration state parameter is adopted and the process moves to a second step (steps S7 to S18) in which evaluation is performed based on internal resistance.
採用された劣化状態パラメータは、診断対象の二次電池を識別する識別子や、電極を識別する識別子と紐付けられて、記憶部20に登録される。第1工程(ステップS1~S6)においては、劣化状態を仮定した劣化状態パラメータが設定されている。そのため、登録された劣化状態パラメータは、第2工程(ステップS7~S18)の結果に応じて更新することができる。
The adopted deterioration state parameter is registered in the
なお、第1工程(S1~S6)において、劣化状態パラメータの再設定や、再設定した劣化状態パラメータに基づく計算データの再生成および再比較は、計算データと測定データとが互いに一致していると判定されるまで、任意の回数を繰り返すことができる。劣化状態パラメータとしては、以前の計算で未設定の値を、順に設定することができる。 In addition, in the first step (S1 to S6), resetting the deterioration state parameters and regenerating and recomparing the calculated data based on the reset deterioration state parameters is performed so that the calculated data and the measured data match each other. This can be repeated any number of times until it is determined that As the deterioration state parameters, values that have not been set in previous calculations can be set in order.
計算データと測定データとが互いに一致しているか否かの判定は、計算データと測定データとの差分の二乗和と所定の閾値との比較に代えて、計算データと測定データとの差分の二乗和の計算毎の減少幅と所定の閾値との比較によって判定することもできる。計算データの再生成および再比較の繰り返しに対して、前回の差分の二乗和に対する今回の差分の二乗和の減少幅が所定値以下になったとき、データ同士が互いに一致していると判定することができる。 To determine whether calculated data and measured data match each other, instead of comparing the sum of squares of the difference between calculated data and measured data with a predetermined threshold, The determination can also be made by comparing the amount of decrease for each calculation of the sum with a predetermined threshold. For repeated regeneration and re-comparison of calculation data, when the decrease in the sum of squares of the current difference from the sum of squares of the previous difference becomes less than a predetermined value, it is determined that the data match each other. be able to.
開回路電圧に基づく診断において、計算データと測定データとが、所定の計算回数や、所定の計算時間において、互いに一致しない場合には、診断の処理を中止することができる。或いは、別の活物質を用いた電極の参照データと入れ替えて、劣化状態パラメータの再設定や、再設定した劣化状態パラメータに基づく計算データの再生成および再比較を、やり直すことができる。 In diagnosis based on open circuit voltage, if calculated data and measured data do not match each other for a predetermined number of calculations or for a predetermined calculation time, the diagnostic process can be stopped. Alternatively, by replacing the reference data with the reference data of an electrode using a different active material, it is possible to reset the deterioration state parameters, and to regenerate and recompare the calculated data based on the reset deterioration state parameters.
開回路電位についての参照データは、正極および負極を識別する識別子、および、電極に用いられる活物質の種類を識別する識別子と紐付けられて、データベースとして記憶部20に格納されていることが好ましい。このようなデータベースを用意しておくと、診断対象である二次電池に用いられている活物質の種類が不明であっても、参照データを入れ替えた計算データの再生成および再比較によって、適切な評価を行うことができる。
The reference data regarding the open circuit potential is preferably stored in the
<第2工程:内部抵抗に基づく評価>
図2に示すように、開回路電圧に基づく評価の後に、状態診断装置100は、診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データを読み込む(ステップS7)。測定データは、記憶部20や、通信部50に接続された外部の測定機器等や、記憶媒体や外部記憶装置から読み込むことができる。
<Second step: Evaluation based on internal resistance>
As shown in FIG. 2, after the evaluation based on the open circuit voltage, the state
続いて、状態診断装置100は、正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データと、負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データとを読み込む(ステップS8)。参照データは、記憶部20や、記憶媒体や外部記憶装置から読み込むことができる。
Subsequently, the
電極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データとしては、任意の活物質を用いた電極の参照データを読み込むことができる。この段階で電極の種類や活物質の種類が不明であっても、参照データを入れ替えながらフィッティングを行うことによって、劣化状態を適正に評価することができる。但し、活物質の種類が判明している場合や、種類が予測できる場合は、対応する電極の参照データを読み込むことが好ましい。 Reference data of an electrode using any active material can be read as the reference data indicating a relational group indicating the dependence of the charging state of the electrode and the internal resistance on the current application time. Even if the type of electrode or active material is unknown at this stage, the state of deterioration can be appropriately evaluated by performing fitting while replacing reference data. However, if the type of active material is known or can be predicted, it is preferable to read the reference data of the corresponding electrode.
電極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データとしては、電極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を構成する通電時間毎の電極の充電状態と内部抵抗との関係のうち、一部に対応するデータを読み込んでもよいし、全部に対応するデータを読み込んでもよい。測定データの通電時間に対応する通電時間の参照データが読み込まれていれば、内部抵抗の通電時間依存性に基づいて適切な評価を行うことができる。 As reference data showing the relational group showing the current-carrying time dependence between the charging state of the electrode and the internal resistance, the data of the electrode for each current-carrying time constituting the relational group showing the current-carrying time dependence between the charging state of the electrode and the internal resistance is used. Data corresponding to part or all of the relationship between the state of charge and the internal resistance may be read. If the reference data of the energization time corresponding to the energization time of the measurement data is read, appropriate evaluation can be performed based on the energization time dependence of the internal resistance.
続いて、状態診断装置100は、充電状態と内部抵抗との通電時間依存性に基づく解析を開始する(ステップS9)。状態診断装置100は、いずれの通電時間のデータを解析するか、解析対象の通電時間を特定する。
Subsequently, the state
解析対象の通電時間としては、測定データが取得された通電時間のうち、任意の通電時間を特定することができる。解析対象の通電時間は、例えば、測定データ中から昇順または降順に特定することができる。関係群を示す参照データのうち、特定された解析対象の通電時間の測定データおよび参照データを抽出して、充電状態と内部抵抗との通電時間依存性に基づく解析を行う。 As the energization time to be analyzed, any energization time among the energization times for which measurement data was acquired can be specified. The energization times to be analyzed can be specified, for example, in ascending order or descending order from the measurement data. Among the reference data indicating the relationship group, measurement data and reference data of the energization time of the identified analysis target are extracted, and analysis is performed based on the energization time dependence of the state of charge and internal resistance.
図6は、通電時間毎の電極の充電状態と内部抵抗との関係の一例を示す図である。
図6は、活物質にLiFePO4(LFP)を用いた正極の参照データに対応している。横軸は、電極の充電状態の一例として、正極活物質の単位質量当たりの満充電状態からの放電量qp[Ah/g]を示す。縦軸は、正極の内部抵抗Rp[mΩ・g]を示す。〇のプロットは、通電時間t=40秒の結果、●のプロットは、通電時間t=50秒の結果、△のプロットは、通電時間t=60秒の結果、▲のプロットは、通電時間t=72秒の結果である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relationship between the charging state of the electrode and the internal resistance for each energization time.
FIG. 6 corresponds to reference data of a positive electrode using LiFePO 4 (LFP) as an active material. The horizontal axis indicates the discharge amount qp [Ah/g] from a fully charged state per unit mass of the positive electrode active material, as an example of the charged state of the electrode. The vertical axis indicates the internal resistance Rp [mΩ·g] of the positive electrode. The 〇 plot is the result of energization time t = 40 seconds, the ● plot is the result of energization time t = 50 seconds, the △ plot is the result of energization time t = 60 seconds, and the ▲ plot is the result of energization time t =72 seconds.
図7は、通電時間毎の電極の充電状態と内部抵抗との関係の一例を示す図である。
図7は、活物質に黒鉛を用いた負極の参照データに対応している。横軸は、電極の充電状態の一例として、負極活物質の単位質量当たりの満充電状態からの放電量qn[Ah/g]を示す。縦軸は、負極の内部抵抗Rn[mΩ・g]を示す。〇のプロットは、通電時間t=40秒の結果、●のプロットは、通電時間t=50秒の結果、△のプロットは、通電時間t=60秒の結果、▲のプロットは、通電時間t=72秒の結果である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the relationship between the charging state of the electrode and the internal resistance for each energization time.
FIG. 7 corresponds to reference data of a negative electrode using graphite as an active material. The horizontal axis indicates the discharge amount qn [Ah/g] from a fully charged state per unit mass of the negative electrode active material, as an example of the charged state of the electrode. The vertical axis indicates the internal resistance Rn [mΩ·g] of the negative electrode. The 〇 plot is the result of energization time t = 40 seconds, the ● plot is the result of energization time t = 50 seconds, the △ plot is the result of energization time t = 60 seconds, and the ▲ plot is the result of energization time t =72 seconds.
図6および図7に示すように、電極の充電状態と内部抵抗との関係は、電極材料として用いた活物質に固有の関係となる。このような関係を示す参照データを、正極および負極の電極毎、且つ、電極に用いられる活物質毎、且つ、内部抵抗の測定時の通電時間毎に、関係式またはデータテーブルとして用意することが好ましい。 As shown in FIGS. 6 and 7, the relationship between the charged state of the electrode and the internal resistance is unique to the active material used as the electrode material. Reference data showing such relationships can be prepared as a relational formula or data table for each positive and negative electrode, each active material used in the electrode, and each energization time when measuring internal resistance. preferable.
図6に示すように、充電状態の変化に対して開回路電位が実質的に変動しない活物質であっても、電極の充電状態の変化に対して内部抵抗が変動するのが一般的である。このような活物質を用いた電極の劣化状態は、電極の充電状態と内部抵抗との関係を参照することによって評価できる。但し、曲線上に特徴点がない場合には、特徴点を基準とした曲線同士の比較が困難である。曲線同士の直接的なフィッティングを特徴点がある区間で行えないため、より多くの電池情報が必要になる。 As shown in Figure 6, even for active materials whose open circuit potential does not substantially change with changes in the state of charge, the internal resistance generally changes with changes in the state of charge of the electrode. . The state of deterioration of an electrode using such an active material can be evaluated by referring to the relationship between the state of charge and internal resistance of the electrode. However, if there are no feature points on the curves, it is difficult to compare the curves using the feature points as a reference. Since direct fitting between curves cannot be performed in sections where there are feature points, more battery information is required.
診断対象の二次電池の電池情報が不足している場合、フィッティングを行っても、劣化状態パラメータを単一解に収束させることができない場合がある。そこで、以降の解析では、通電時間毎の診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データに対して、通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データをフィッティングさせる。 If battery information about the secondary battery to be diagnosed is insufficient, even if fitting is performed, it may not be possible to converge the deterioration state parameters to a single solution. Therefore, in the analysis that follows, we will use measurement data that shows the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery to be diagnosed for each energization time, and the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each energization time. Fit the calculated data that shows the relationship.
状態診断装置100は、電極材料に固有の電極の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す参照データのうち、特定された解析対象の通電時間に対応した電極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データを、基礎データとして抽出する。また、診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示す測定データのうち、特定された解析対象の通電時間に対応した二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データを、解析対象として抽出する。特定された解析対象の通電時間に対応する参照データがない場合は、内挿によって参照データを補間してもよい。
The
続いて、状態診断装置100は、正極の劣化状態パラメータを設定する(ステップS10)。ステップS10では、正極の充電状態と内部抵抗との関係を補正するための抵抗に関する劣化状態パラメータを設定する。
Subsequently, the
続いて、状態診断装置100は、負極の劣化状態パラメータを設定する(ステップS11)。ステップS11では、負極の充電状態と内部抵抗との関係を補正するための抵抗に関する劣化状態パラメータを設定する。なお、ステップS10とステップS11は、いずれを先に実行してもよい。電極以外の要素に対する劣化状態パラメータは、いずれの段階で設定してもよい。
Subsequently, the condition
抵抗に関する劣化状態パラメータとしては、充電状態と内部抵抗との関係を示す関数において、充電状態に依存する電極毎の抵抗項の係数や、電極以外の要素の抵抗に対応する定数を設定することができる。例えば、電極以外の要素の抵抗R0、正極や負極の内部抵抗の抵抗係数ax等を設定することができる。 As deterioration state parameters related to resistance, it is possible to set a coefficient of the resistance term for each electrode that depends on the state of charge in a function that shows the relationship between the state of charge and internal resistance, and a constant corresponding to the resistance of elements other than the electrodes. can. For example, the resistance R0 of elements other than the electrode, the resistance coefficient ax of the internal resistance of the positive electrode and the negative electrode, etc. can be set.
充電状態Qにおける電極の内部抵抗Rx(Q)[Ω]は、抵抗係数axで表される劣化を仮定すると、充放電反応に寄与する活物質利用量をmx[g]、充電状態Qにおける活物質内部抵抗をrx(Q)[Ω・g]、電極の総容量Qx[Ah]、電極の単位質量当たりの容量をqx[Ah/g]としたとき、次の式(4)で表すことができる。
Rx(Qx)=ax/mx×rx(qx)・・・(4)
The internal resistance Rx(Q) [Ω] of the electrode in the state of charge Q is calculated by assuming the deterioration represented by the resistance coefficient ax, the amount of active material used that contributes to the charge/discharge reaction, mx [g], and the amount of active material used in the state of charge Q. When the internal resistance of the material is rx (Q) [Ω・g], the total capacitance of the electrode is Qx [Ah], and the capacitance per unit mass of the electrode is qx [Ah/g], it can be expressed by the following equation (4). I can do it.
Rx(Qx)=ax/mx×rx(qx)...(4)
抵抗に関する劣化状態パラメータは、電極の劣化が無い状態や電極が完全に劣化した状態を表す上限値と下限値との間で、所定の間隔の任意の数値が定義される。抵抗に関する劣化状態パラメータは、充電状態を表す状態量の係数や定数や、電極の劣化状態を表す劣化度に対して、データ上で紐付けられてもよい。このような劣化状態パラメータは、パラメータテーブルとして、記憶部20に格納しておくことができる。
The deterioration state parameter regarding resistance is defined as an arbitrary numerical value at a predetermined interval between an upper limit value and a lower limit value representing a state in which the electrode is not deteriorated or a state in which the electrode is completely deteriorated. The deterioration state parameter related to resistance may be linked in data to a coefficient or constant of a state quantity representing the state of charge or a degree of deterioration representing the deterioration state of the electrode. Such deterioration state parameters can be stored in the
ステップS10およびステップS11において、抵抗に関する劣化状態パラメータとしては、任意の値を仮設定することができる。電極の劣化状態は、この段階では不明であるため、任意の値を仮設定して以降の計算を行う。劣化状態パラメータを入れ替えながらフィッティングを行うと、劣化状態パラメータを真値に向けて近似できる。 In step S10 and step S11, any value can be provisionally set as the deterioration state parameter regarding the resistance. Since the deterioration state of the electrode is unknown at this stage, an arbitrary value is temporarily set and subsequent calculations are performed. By performing fitting while exchanging the deterioration state parameters, the deterioration state parameters can be approximated toward their true values.
続いて、状態診断装置100は、所定の通電時間毎の正極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データと、所定の通電時間毎の負極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データと、設定した劣化状態パラメータとに基づいて、所定の通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データを生成する(ステップS12)。
Subsequently, the
二次電池の充電状態と内部抵抗との関係は、正極の充電状態と内部抵抗との関係と、負極の充電状態と内部抵抗との関係とを用いて、充電状態に対する内部抵抗の関数同士の合成によって計算することができる。電極毎の充電状態と内部抵抗との関係は、劣化状態パラメータで補正して用いる。劣化状態パラメータで補正した関係を用いると、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態毎の内部抵抗の挙動を示す計算データが生成される。 The relationship between the state of charge and internal resistance of a secondary battery is determined by using the relationship between the state of charge and internal resistance of the positive electrode and the state of charge and internal resistance of the negative electrode. It can be calculated by composition. The relationship between the state of charge and internal resistance for each electrode is corrected using the deterioration state parameter. By using the relationship corrected with the deterioration state parameter, calculation data indicating the behavior of the internal resistance for each state of charge of the secondary battery in which the deterioration state is assumed is generated.
通電時間tで生じる充電状態Qにおける二次電池の内部抵抗Rc(t,Q)[Ω]は、通電時間tで生じる充電状態Qにおける正極の内部抵抗をrp(t,Q)[Ω・g]、通電時間tで生じる充電状態Qにおける負極の内部抵抗をrn(t,Q)[Ω・g]、電極以外の要素の抵抗をR0[mΩ]、正極の内部抵抗の抵抗係数をap、負極の内部抵抗の抵抗係数をanとしたとき、次の式(5)によって計算することができる。
Rc(t,Qc)=ap/mp×rp(t,qp)
+an/mn×rn(t,qn)+R0・・・(5)
The internal resistance Rc (t, Q) [Ω] of the secondary battery in the state of charge Q that occurs during the energization time t is the internal resistance of the positive electrode in the state of charge Q that occurs during the energization time t as rp (t, Q) [Ω・g ], the internal resistance of the negative electrode in the state of charge Q that occurs at the energization time t is rn (t, Q) [Ω・g], the resistance of elements other than the electrode is R0 [mΩ], the resistance coefficient of the internal resistance of the positive electrode is ap, When the resistance coefficient of the internal resistance of the negative electrode is an, it can be calculated using the following equation (5).
Rc (t, Qc) = ap/mp x rp (t, qp)
+an/mn×rn(t, qn)+R0...(5)
図8は、通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係の一例を示す図である。
図8は、正極活物質としてLFP、負極活物質として黒鉛を用いた二次電池の測定データに対応している。横軸は、二次電池の充電状態の一例として、二次電池の満充電状態からの放電量Qc[Ah]を示す。縦軸は、二次電池の内部抵抗Rc[mΩ]を示す。〇のプロットは、通電時間t=40秒の結果、●のプロットは、通電時間t=50秒の結果、△のプロットは、通電時間t=60秒の結果、▲のプロットは、通電時間t=72秒の結果である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance for each energization time.
FIG. 8 corresponds to measurement data of a secondary battery using LFP as a positive electrode active material and graphite as a negative electrode active material. The horizontal axis indicates the discharge amount Qc [Ah] from a fully charged state of the secondary battery, as an example of the charging state of the secondary battery. The vertical axis indicates the internal resistance Rc [mΩ] of the secondary battery. The 〇 plot is the result of energization time t = 40 seconds, the ● plot is the result of energization time t = 50 seconds, the △ plot is the result of energization time t = 60 seconds, and the ▲ plot is the result of energization time t =72 seconds.
図8に示すように、二次電池の充電状態と内部抵抗との関係は、正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との関係と、負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との関係とに基づいて定まる。劣化状態パラメータで補正した関係を用いると、容量-抵抗の曲線は、仮定した劣化状態に応じた上下のシフトを生じる。また、通電時間に応じた上下のシフトを生じる。このような関係を示す測定データや、測定データと比較するために再現した計算データを、関係式またはデータテーブルとして保存することが好ましい。 As shown in Figure 8, the relationship between the state of charge and internal resistance of a secondary battery is the relationship between the state of charge of the positive electrode and internal resistance specific to the positive electrode material, and the state of charge of the negative electrode and internal resistance specific to the negative electrode material. It is determined based on the relationship between Using the relationship corrected by the state of deterioration parameter, the capacitance-resistance curve shifts up and down depending on the assumed state of deterioration. Further, a vertical shift occurs depending on the energization time. It is preferable to save measured data showing such a relationship and calculated data reproduced for comparison with the measured data as a relational expression or a data table.
ステップS12において、通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データは、推定される劣化速度に応じた重み関数ρ(t)で換算された通電時間に対して計算されることが好ましい。すなわち、通電時間tを重み関数ρ(t)に置換した参照データに基づいて計算されることが好ましい。 In step S12, calculation data indicating the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each energization time is calculated for the energization time converted by a weighting function ρ(t) according to the estimated deterioration rate. It is preferable that That is, it is preferable to calculate based on reference data in which the energization time t is replaced with a weighting function ρ(t).
重み関数ρ(t)としては、ρ(t)=exp(-kAt)、ρ(t)=kB(t)-1/2、ρ(t)=exp(-kAt)+kB(t)-1/2等を用いることができる。ここで、kA,kBは定数である。定数kA,kBは、内部抵抗の実測による予備試験等によって求めることができる。 The weighting function ρ(t) is ρ(t)=exp(-k A t), ρ(t)=k B (t) -1/2 , ρ(t)=exp(-k A t)+k B (t) -1/2 etc. can be used. Here, k A and k B are constants. The constants k A and k B can be determined by a preliminary test based on actual measurement of internal resistance.
参照データは、内部抵抗値の通電時間tへの依存性が変化しないデータである。一方、計算データと比較される測定データは、容量劣化などにより内部抵抗値の通電時間tへの依存性が変化するデータである。推定される劣化速度に応じた重み関数ρ(t)で換算して計算データを生成すると、通電時間tに依存した内部抵抗の変化を計算データに反映させることができるため、通電時間毎に用意する参照データの数を抑制しつつ、正確な診断を行うことができる。 The reference data is data in which the dependence of the internal resistance value on the energization time t does not change. On the other hand, the measured data to be compared with the calculated data is data in which the dependence of the internal resistance value on the energization time t changes due to capacity deterioration or the like. If calculation data is generated by converting with a weighting function ρ(t) according to the estimated deterioration rate, changes in internal resistance depending on the energization time t can be reflected in the calculation data, so it is necessary to prepare the calculation data for each energization time. Accurate diagnosis can be made while suppressing the number of reference data.
続いて、状態診断装置100は、劣化状態を仮定して計算した所定の通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データと、所定の通電時間毎の診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データとを比較して、劣化状態を仮定した計算データと、実測に基づく測定データとが、互いに一致しているか否かを判定する(ステップS13)。
Subsequently, the
データ同士が互いに一致しているか否かの判定は、任意の判定方法で実施することができる。例えば、データ間の残差二乗和に基づいて行うことができる。計算データと測定データとの差分の二乗和を計算し、差分の二乗和と、任意に設定した閾値とを比較して、データ同士の一致性を判定することができる。 Determination as to whether the data match each other can be performed using any determination method. For example, it can be performed based on the sum of squared residuals between data. By calculating the sum of squares of the differences between the calculated data and the measured data, and comparing the sum of squares of the differences with an arbitrarily set threshold, it is possible to determine the consistency between the data.
差分の二乗和としては、計算データ中の内部抵抗の計算値をRcc_1~Rcc_N、測定データ中の内部抵抗の測定値をRce_1~Rce_Nとしたとき、Σ(Rcc_i-Rce_i)2を、i=1~Nに対して計算することができる。 As the sum of squares of the difference, when the calculated values of internal resistance in the calculation data are Rcc_1 to Rcc_N and the measured values of internal resistance in the measured data are Rce_1 to Rce_N, Σ(Rcc_i-Rce_i) 2 is defined as i=1 ~N can be calculated.
計算された差分の二乗和は、予め設定された一致性に関する閾値と比較することができる。内部抵抗についての一致性に関する閾値としては、診断に要求される精度や、計算の繰り返し数等に応じて、データ同士の類似度が高くなるような任意値を設定できる。差分の二乗和を計算する際に、測定データに対応する放電状態の計算データがない場合は、内挿によって測定データに対応する計算データを補間してもよい。 The calculated sum of squared differences can be compared with a preset threshold for consistency. As the threshold value regarding the consistency of internal resistance, an arbitrary value that increases the degree of similarity between data can be set depending on the accuracy required for diagnosis, the number of repetitions of calculation, etc. When calculating the sum of squares of differences, if there is no calculated data of the discharge state corresponding to the measured data, the calculated data corresponding to the measured data may be interpolated by interpolation.
比較の結果、計算データと測定データとの差分の二乗和が、予め設定された閾値を超えているとき、劣化状態を仮定して計算した二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データと、診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データとが、互いに一致していないと判定することができる。この場合(ステップS13;NO)、別の劣化状態パラメータを再設定して、計算データの再生成および再比較を行う。 As a result of the comparison, when the sum of squares of the difference between the calculated data and the measured data exceeds a preset threshold, the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery calculated assuming a deteriorated state is shown. It can be determined that the calculated data and the measured data indicating the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery to be diagnosed do not match each other. In this case (step S13; NO), another deterioration state parameter is reset, and the calculation data is regenerated and recompared.
一方、比較の結果、計算データと測定データとの差分の二乗和が、予め設定された閾値以下であるとき、劣化状態を仮定して計算した二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データと、診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データとが、互いに一致していると判定することができる。この場合(ステップS13;YES)、設定した劣化状態パラメータを採用して、ステップS14に移行する。 On the other hand, as a result of the comparison, if the sum of squares of the difference between the calculated data and the measured data is less than or equal to a preset threshold, the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery calculated assuming a deteriorated state is It can be determined that the calculated data shown and the measured data showing the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery to be diagnosed are in agreement with each other. In this case (step S13; YES), the set deterioration state parameter is adopted and the process moves to step S14.
続いて、状態診断装置100は、比較の結果に基づいて、劣化状態パラメータの真値に相当する単一解を決定できるか否かを判定する(ステップS14)。ステップS14では、劣化状態パラメータのうち、放電状態に依存しない電極以外の要素の抵抗R0について単一解が得られたか評価する。
Next, the
単一解を決定できるか否かの判定は、通電時間を特定した解析によって採用された過去の劣化状態パラメータと、通電時間を変更した解析によって採用された最新の劣化状態パラメータとを比較することによって行う。過去の劣化状態パラメータと最新の劣化状態パラメータとの類似度に基づいて、劣化状態パラメータの解が一つに収束しているか否かを評価できる。 To determine whether a single solution can be determined, compare the past deterioration state parameters adopted in the analysis that specified the energization time with the latest deterioration state parameters adopted in the analysis that changed the energization time. done by. Based on the degree of similarity between the past deterioration state parameters and the latest deterioration state parameters, it can be evaluated whether the solutions of the deterioration state parameters have converged to one.
二次電池の内部抵抗は、通電時間に依存して異なる値をとる。同様に、充電状態に依存する正極の内部抵抗や、充電状態に依存する負極の内部抵抗は、通電時間に依存して異なる値をとる。一方、充電状態に依存しない電極以外の要素の抵抗R0は、通電の開始直後を除いて、実質的に通電時間に依存しない。したがって、通電時間を変更しながら過去の劣化状態パラメータと最新の劣化状態パラメータとを比較すると、通電時間に依存しない共通解が単一解として得られる。 The internal resistance of a secondary battery takes different values depending on the energization time. Similarly, the internal resistance of the positive electrode, which depends on the state of charge, and the internal resistance of the negative electrode, which depends on the state of charge, take different values depending on the current application time. On the other hand, the resistance R0 of the elements other than the electrodes, which does not depend on the state of charge, does not substantially depend on the energization time except immediately after the start of energization. Therefore, by comparing the past deterioration state parameters and the latest deterioration state parameters while changing the energization time, a common solution that does not depend on the energization time can be obtained as a single solution.
劣化状態パラメータの真値に相当する単一解を決定できるか否かの判定は、過去の劣化状態パラメータと最新の劣化状態パラメータとの差分を、予め設定された閾値と比較することによって行うことができる。差分が予め設定された閾値を超えるとき、真値に相当する単一解を決定できないと判定することができる。一方、差分が予め設定された閾値未満であるとき、真値に相当する単一解を決定できると判定することができる。 The determination of whether a single solution corresponding to the true value of the deterioration state parameter can be determined is made by comparing the difference between the past deterioration state parameter and the latest deterioration state parameter with a preset threshold. I can do it. When the difference exceeds a preset threshold, it can be determined that a single solution corresponding to the true value cannot be determined. On the other hand, when the difference is less than a preset threshold, it can be determined that a single solution corresponding to the true value can be determined.
閾値としては、過去の劣化状態パラメータと最新の劣化状態パラメータとの差分が、過去の劣化状態パラメータに対して、10%未満となる数値を用いることが好ましく、5%未満となる数値を用いることがより好ましい。電極以外の要素の抵抗R0は、通常、10mΩ以上である。このような数値を用いると、1mΩ未満の誤差で判定することができる。 As the threshold value, it is preferable to use a value such that the difference between the past deterioration state parameter and the latest deterioration state parameter is less than 10% of the past deterioration state parameter, and preferably less than 5%. is more preferable. The resistance R0 of elements other than electrodes is usually 10 mΩ or more. When such numerical values are used, determination can be made with an error of less than 1 mΩ.
また、劣化状態パラメータの真値に相当する単一解を決定できるか否かの判定は、クラスタ分析によって行うことができる。例えば、通電時間を特定した解析を繰り返すことによって、劣化状態パラメータの計算結果を収集し、通電時間を変数の一つとして計算結果をクラスタリングできる。最新の劣化状態パラメータが所定の距離内に所定のサンプル数でクラスタリングされたとき、真値に相当する単一解を決定できると判定することができる。一方、最新の劣化状態パラメータが所定の距離内に所定のサンプル数でクラスタリングされないとき、真値に相当する単一解を決定できないと判定することができる。 Further, it is possible to determine whether a single solution corresponding to the true value of the deterioration state parameter can be determined by cluster analysis. For example, by repeating an analysis that specifies the energization time, calculation results of deterioration state parameters can be collected, and the calculation results can be clustered using the energization time as one of the variables. When the latest degraded state parameters are clustered within a predetermined distance and with a predetermined number of samples, it can be determined that a single solution corresponding to the true value can be determined. On the other hand, when the latest degraded state parameters are not clustered within a predetermined distance with a predetermined number of samples, it can be determined that a single solution corresponding to the true value cannot be determined.
クラスタ分析による場合、劣化状態パラメータの真値に相当する単一解としては、サンプルが所定の条件で帰属されたクラスタの代表値を採用することもできる。代表値としては、平均値、中央値、モード値等が挙げられる。また、サンプルが帰属された複数のクラスタが形成された場合、通電時間が最大のサンプルが帰属されたクラスタの代表値を採用することができる。通電時間が長いほど、内部抵抗の絶対値が大きくなり、高精度になるためである。 In the case of cluster analysis, a representative value of a cluster to which a sample is assigned under predetermined conditions may be employed as a single solution corresponding to the true value of the deterioration state parameter. Representative values include average values, median values, mode values, and the like. Further, when a plurality of clusters to which samples are assigned are formed, the representative value of the cluster to which the sample with the longest energization time is assigned can be employed. This is because the longer the current application time, the larger the absolute value of the internal resistance, and the higher the accuracy.
分析の結果、劣化状態パラメータの真値に相当する単一解を決定できないと判定された場合(ステップS14;NO)、通電時間毎の解析が不足しているため、ステップS15に移行する。 As a result of the analysis, if it is determined that a single solution corresponding to the true value of the deterioration state parameter cannot be determined (step S14; NO), the process moves to step S15 because analysis for each energization time is insufficient.
一方、分析の結果、劣化状態パラメータの真値に相当する単一解を決定できると判定された場合(ステップS14;YES)、通電時間毎の解析が十分であるため、ステップS17に移行する。 On the other hand, if it is determined as a result of the analysis that a single solution corresponding to the true value of the deterioration state parameter can be determined (step S14; YES), the analysis for each energization time is sufficient, so the process moves to step S17.
単一解を決定できないと判定された場合、状態診断装置100は、全ての通電時間に対応するデータが解析対象として解析されたか否かを判定する(ステップS15)。ステップS15では、通電時間毎に収集された二次電池の測定データのうち、全ての通電時間に対応する測定データに基づいて解析が行われたかどうかを判定する。
If it is determined that a single solution cannot be determined, the state
判定の結果、全ての通電時間に対応するデータが解析されていないと判定された場合(ステップS15;NO)、ステップS16に移行する。次いで、状態診断装置100は、解析対象の通電時間を変更する(ステップS16)。そして、変更された解析対象の通電時間の測定データおよび参照データを抽出して、充電状態と内部抵抗との通電時間依存性に基づく解析を再開する。解析対象の通電時間は、例えば、測定データ中から昇順または降順に変更することができる。
As a result of the determination, if it is determined that the data corresponding to all the energization times have not been analyzed (step S15; NO), the process moves to step S16. Next, the
一方、判定の結果、全ての通電時間に対応するデータが解析対象として解析されていると判定された場合(ステップS15;YES)、通電時間毎の解析が十分であるため、ステップS17に移行する。 On the other hand, as a result of the determination, if it is determined that the data corresponding to all the energization times have been analyzed as analysis targets (step S15; YES), the analysis for each energization time is sufficient, so the process moves to step S17. .
単一解を決定できると判定された場合や、全ての通電時間に対応するデータが解析対象として解析されていると判定された場合、充電状態と内部抵抗との通電時間依存性に基づく解析を終了する(ステップS17)。次いで、状態診断装置100は、劣化状態パラメータ(R0)の真値に相当する単一解に基づいて、残りの劣化状態パラメータを決定する(ステップS18)。その後、劣化状態の診断の処理を終了する。
If it is determined that a single solution can be determined, or if it is determined that data corresponding to all energization times are analyzed, an analysis based on the energization time dependence of the state of charge and internal resistance is performed. The process ends (step S17). Next, the
正極や負極の内部抵抗の抵抗係数ax等の残りの劣化状態パラメータは、電極以外の要素の抵抗R0が真値に相当する単一解に収束した場合、真値に相当するR0と式(4)等に基づいて再計算することができる。また、正極や負極の活物質利用率mrx、正極や負極の範囲外容量δxを再計算することができる。 The remaining deterioration state parameters, such as the resistance coefficient ax of the internal resistance of the positive electrode and negative electrode, are calculated by combining R0 corresponding to the true value and the formula (4 ) etc. can be recalculated based on Further, the active material utilization rate mrx of the positive electrode and the negative electrode and the out-of-range capacity δx of the positive electrode and the negative electrode can be recalculated.
或いは、正極や負極の内部抵抗の抵抗係数ax等の残りの劣化状態パラメータは、採用された劣化状態パラメータが保存されているデータベースから、真値に相当する劣化状態パラメータ(R0)に対応するデータとして抽出することもできる。データベースから抽出する場合、真値に相当する劣化状態パラメータ(R0)に対応する抵抗係数ax等のデータが複数存在する場合がある。この場合、最大の通電時間が特定されたデータを採用することができる。通電時間が長いほど、内部抵抗の絶対値が大きくなり、フィッティングの精度が高くなるためである。 Alternatively, for the remaining deterioration state parameters such as the resistance coefficient ax of the internal resistance of the positive electrode and the negative electrode, data corresponding to the deterioration state parameter (R0) corresponding to the true value can be obtained from the database in which the adopted deterioration state parameters are stored. It can also be extracted as When extracting from the database, there may be a plurality of data such as the resistance coefficient ax corresponding to the deterioration state parameter (R0) corresponding to the true value. In this case, data specifying the maximum energization time can be employed. This is because the longer the energization time is, the larger the absolute value of the internal resistance becomes, and the higher the accuracy of fitting becomes.
真値に相当する劣化状態パラメータ(R0)や、残りの劣化状態パラメータ(ax、mrx、δx等)は、診断対象の二次電池を識別する識別子や、電極を識別する識別子と紐付けられて、記憶部20に登録される。容量に関する劣化状態パラメータや、内部抵抗に関する劣化状態パラメータは、互いに紐付けられて登録される。
The deterioration state parameter (R0) corresponding to the true value and the remaining deterioration state parameters (ax, mrx, δx, etc.) are linked with an identifier that identifies the secondary battery to be diagnosed and an identifier that identifies the electrode. , are registered in the
なお、第2工程(S7~S18)において、劣化状態パラメータの再設定や、再設定した劣化状態パラメータに基づく計算データの再生成および再比較は、計算データと測定データとが互いに一致していると判定されるまで、任意の回数を繰り返すことができる。劣化状態パラメータとしては、以前の計算で未設定の値を、順に設定することができる。 Note that in the second step (S7 to S18), the resetting of the deterioration state parameters and the regeneration and recomparison of the calculated data based on the reset deterioration state parameters are performed so that the calculated data and the measured data match each other. This can be repeated any number of times until it is determined that As the deterioration state parameters, values that have not been set in previous calculations can be set in order.
計算データと測定データとが互いに一致しているか否かの判定は、計算データと測定データとの差分の二乗和と所定の閾値との比較に代えて、計算データと測定データとの差分の二乗和の計算毎の減少幅と所定の閾値との比較によって判定することもできる。計算データの再生成および再比較の繰り返しに対して、前回の差分の二乗和に対する今回の差分の二乗和の減少幅が所定値以下になったとき、データ同士が互いに一致していると判定することができる。 To determine whether calculated data and measured data match each other, instead of comparing the sum of squares of the difference between calculated data and measured data with a predetermined threshold, The determination can also be made by comparing the amount of decrease for each calculation of the sum with a predetermined threshold. For repeated regeneration and re-comparison of calculation data, when the decrease in the sum of squares of the current difference from the sum of squares of the previous difference becomes less than a predetermined value, it is determined that the data match each other. be able to.
また、計算データと測定データとが互いに一致しているか否かの判定は、計算データと測定データとの差分の二乗和の最小値と所定の閾値との比較によって判定することもできる。所定の計算回数や、所定の計算時間において、差分の二乗和の計算結果のうち、最小値が所定値以下になったとき、データ同士が、互いに一致していると判定することもできる。 Further, whether or not the calculated data and the measured data match each other can also be determined by comparing the minimum value of the sum of squares of the difference between the calculated data and the measured data with a predetermined threshold value. It is also possible to determine that the data match each other when the minimum value of the calculation results of the sum of squares of differences becomes equal to or less than a predetermined value after a predetermined number of calculations or a predetermined calculation time.
内部抵抗に基づく診断において、計算データと測定データとが、所定の計算回数や、所定の計算時間において、互いに一致しない場合には、診断の処理を中止することができる。或いは、別の活物質を用いた電極の参照データと入れ替えて、劣化状態パラメータの再設定や、再設定した劣化状態パラメータに基づく計算データの再生成および再比較を、やり直すことができる。内部抵抗に基づく診断で設定した劣化状態パラメータを用いて、開回路電圧に基づく診断をやり直してもよい。 In the diagnosis based on internal resistance, if the calculated data and the measured data do not match each other after a predetermined number of calculations or a predetermined calculation time, the diagnostic processing can be stopped. Alternatively, by replacing the reference data with the reference data of an electrode using a different active material, it is possible to reset the deterioration state parameters, and to regenerate and recompare the calculated data based on the reset deterioration state parameters. The diagnosis based on the open circuit voltage may be redone using the deterioration state parameters set in the diagnosis based on the internal resistance.
内部抵抗についての参照データは、正極および負極を識別する識別子、および、電極に用いられる活物質の種類を識別する識別子と紐付けられて、データベースとして記憶部20に格納されていることが好ましい。このようなデータベースを用意しておくと、診断対象である二次電池に用いられている活物質の種類が不明であっても、参照データを入れ替えた計算データの再生成および再比較によって、適切な評価を行うことができる。
The reference data regarding the internal resistance is preferably stored in the
図9は、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と開回路電圧との関係の一例を示す図である。
図9は、正極活物質としてLFP、負極活物質として黒鉛を用いた二次電池の計算データを、劣化状態パラメータで補正した参照データに基づいて生成し、測定データに対してフィッティングさせた結果である。横軸は、二次電池の充電状態の一例として、二次電池の満充電状態からの放電量Qc[Ah]を示す。縦軸は、開回路電圧Vc[V]を示す。
破線は、劣化状態パラメータで補正した正極の参照データ、点線は、劣化状態パラメータで補正した負極の参照データ、実線は、二次電池の計算データ、〇のプロットは、二次電池の測定データに対応する。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship between the charging state of a secondary battery assumed to be in a deteriorated state and the open circuit voltage.
Figure 9 shows the results of calculation data for a secondary battery using LFP as the positive electrode active material and graphite as the negative electrode active material, generated based on reference data corrected with deterioration state parameters, and fitted to the measured data. be. The horizontal axis indicates the discharge amount Qc [Ah] from a fully charged state of the secondary battery, as an example of the charging state of the secondary battery. The vertical axis indicates the open circuit voltage Vc [V].
The broken line is the reference data of the positive electrode corrected with the deterioration state parameter, the dotted line is the reference data of the negative electrode corrected with the deterioration state parameter, the solid line is the calculated data of the secondary battery, and the plot of ○ is the measured data of the secondary battery. handle.
図10は、劣化状態が仮定された二次電池の充電状態と内部抵抗との関係の一例を示す図である。
図10は、正極活物質としてLFP、負極活物質として黒鉛を用いた二次電池の計算データを、劣化状態パラメータで補正した参照データに基づいて生成し、測定データに対してフィッティングさせた結果である。横軸は、二次電池の充電状態の一例として、二次電池の満充電状態からの放電量Qc[Ah]を示す。縦軸は、二次電池の内部抵抗Rc[mΩ]を示す。破線は、劣化状態パラメータで補正した正極の参照データ、点線は、劣化状態パラメータで補正した負極の参照データ、実線は、二次電池の計算データ、〇のプロットは、二次電池の測定データに対応する。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the relationship between the state of charge and internal resistance of a secondary battery assumed to be in a deteriorated state.
Figure 10 shows the results of calculation data for a secondary battery using LFP as the positive electrode active material and graphite as the negative electrode active material, generated based on reference data corrected with deterioration state parameters, and fitted to the measured data. be. The horizontal axis indicates the discharge amount Qc [Ah] from a fully charged state of the secondary battery, as an example of the charging state of the secondary battery. The vertical axis indicates the internal resistance Rc [mΩ] of the secondary battery. The broken line is the reference data of the positive electrode corrected with the deterioration state parameter, the dotted line is the reference data of the negative electrode corrected with the deterioration state parameter, the solid line is the calculated data of the secondary battery, and the plot of ○ is the measured data of the secondary battery. handle.
図9および図10に示すように、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データや、二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データは、測定データと一致するようにフィッティングされる。フィッティングされた計算データや、フィッティングに採用された劣化状態パラメータを、診断結果を示す関係式またはデータテーブルとして保存することができる。 As shown in Figures 9 and 10, the calculated data showing the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage, and the calculated data showing the relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance, are different from the measured data. Fitted to match. The fitted calculation data and the deterioration state parameters employed in the fitting can be saved as a relational expression or data table indicating the diagnosis result.
<出力情報>
第1工程(ステップS1~S6)と第2工程(ステップS7~S18)が終了すると、出力部40は、採用された劣化状態パラメータや、電極毎の劣化状態の診断結果や、二次電池の劣化状態の診断結果を出力することができる。電極毎の劣化状態の診断結果や、二次電池の劣化状態の診断結果は、グラフ、テーブル等として表示することができる。
<Output information>
When the first process (steps S1 to S6) and the second process (steps S7 to S18) are completed, the
電極毎の劣化状態の診断結果としては、採用された劣化状態パラメータで補正された電極の充電状態と開回路電位との関係を示す計算データや、採用された劣化状態パラメータで補正された電極の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データが挙げられる。電極の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データは、通電時間毎のデータとして独立に表示してもよいし、通電時間毎のデータを一括して表示してもよい。これらのデータは、正極および負極の電極毎に表示することができる。 Diagnosis results of the deterioration state of each electrode include calculation data showing the relationship between the electrode state of charge and open circuit potential corrected by the adopted deterioration state parameters, and calculation data showing the relationship between the electrode state of charge and open circuit potential corrected by the adopted deterioration state parameters. Calculated data showing the relationship between the state of charge and internal resistance can be cited. The calculated data indicating the relationship between the charging state of the electrode and the internal resistance may be displayed independently as data for each energization time, or the data for each energization time may be displayed all at once. These data can be displayed for each positive electrode and negative electrode.
二次電池の劣化状態の診断結果としては、二次電池の劣化状態(State of Health:SOH)のデータや、電極毎の計算データによって合成された二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データや、電極毎の計算データによって合成された二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データが挙げられる。二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データは、通電時間毎のデータとして独立に表示してもよいし、通電時間毎のデータを一括して表示してもよい。 Diagnosis results of the deterioration state of the secondary battery include data on the state of health (SOH) of the secondary battery and the state of charge of the secondary battery synthesized from calculation data for each electrode and the open circuit voltage. Examples include calculated data showing the relationship, and calculated data showing the relationship between the state of charge of the secondary battery and the internal resistance synthesized from calculated data for each electrode. The calculated data indicating the relationship between the state of charge of the secondary battery and the internal resistance may be displayed independently as data for each energization time, or the data for each energization time may be displayed all at once.
劣化状態(SOH)は、容量維持率SOHQや、抵抗上昇率SOHR等として出力することができる。劣化状態(SOH)は、所定の基準状態に対する容量比や、所定の基準状態に対する劣化状態パラメータの変化率等で表される。 The state of deterioration (SOH) can be output as a capacity retention rate SOHQ, a resistance increase rate SOHR, etc. The state of deterioration (SOH) is expressed by a capacity ratio with respect to a predetermined reference state, a rate of change of a deterioration state parameter with respect to a predetermined reference state, and the like.
容量維持率SOHQ[%]は、初期状態の二次電池の満充電状態における容量をQmax0[Ah]、劣化状態の二次電池の満充電状態における容量をQmax1[Ah]、劣化状態の二次電池の積分区間の上下限の充電状態をSOC1[%],SOC2[%]としたとき、次の式(6)~(7)によって計算することができる。
SOHQ=Qmax1/Qmax0×100[%]・・・(6)
Qmax1=∫Idt/((SOC1-SOC2)/100)・・・(7)
The capacity maintenance rate SOHQ [%] is the capacity of the secondary battery in the initial state in the fully charged state, Qmax0 [Ah], the capacity of the secondary battery in the deteriorated state in the fully charged state as Qmax1 [Ah], and the capacity of the secondary battery in the deteriorated state in the fully charged state as Qmax0 [Ah]. When the charging states of the upper and lower limits of the integration interval of the battery are SOC1 [%] and SOC2 [%], calculation can be performed using the following equations (6) to (7).
SOHQ=Qmax1/Qmax0×100[%]...(6)
Qmax1=∫Idt/((SOC1-SOC2)/100)...(7)
二次電池の抵抗上昇率SOHRc[%]、正極の抵抗上昇率SOHRp[%]、および、負極の抵抗上昇率SOHRn[%]は、初期状態の二次電池の内部抵抗をRc0[Ω]、劣化状態の二次電池の内部抵抗をRc1[Ω]、初期状態の正極の内部抵抗をRp0[Ω]、劣化状態の二次電池の内部抵抗をRp1[Ω]、初期状態の負極の内部抵抗をRn0[Ω]、劣化状態の負極の内部抵抗をRn1[Ω]としたとき、次の式(8)~(10)によって計算することができる。
SOHRc=Rc1/Rc0×100[%]・・・(8)
SOHRp=Rp1/Rp0×100[%]・・・(9)
SOHRn=Rn1/Rn0×100[%]・・・(10)
The resistance increase rate SOHRc [%] of the secondary battery, the resistance increase rate SOHRp [%] of the positive electrode, and the resistance increase rate SOHRn [%] of the negative electrode are the internal resistance of the secondary battery in the initial state, Rc0 [Ω], The internal resistance of the secondary battery in the deteriorated state is Rc1 [Ω], the internal resistance of the positive electrode in the initial state is Rp0 [Ω], the internal resistance of the secondary battery in the deteriorated state is Rp1 [Ω], the internal resistance of the negative electrode in the initial state When Rn0 [Ω] is the internal resistance of the negative electrode in the degraded state, and Rn1 [Ω] is the internal resistance of the negative electrode in the deteriorated state, calculation can be performed using the following equations (8) to (10).
SOHRc=Rc1/Rc0×100[%]...(8)
SOHRp=Rp1/Rp0×100[%]...(9)
SOHRn=Rn1/Rn0×100[%]...(10)
二次電池の劣化状態の診断結果は、二次電池の作動条件範囲の変更に用いることができる。二次電池の劣化状態の診断結果に応じて、二次電池の充電状態の上限および下限、二次電池への充電電流の上限および下限、二次電池からの放電電流の上限および下限等を変更することができる。 The diagnosis result of the deterioration state of the secondary battery can be used to change the operating condition range of the secondary battery. Depending on the diagnosis result of the deterioration state of the secondary battery, change the upper and lower limits of the state of charge of the secondary battery, the upper and lower limits of the charging current to the secondary battery, the upper and lower limits of the discharge current from the secondary battery, etc. can do.
例えば、正極材料を適正に使用できる電位範囲や、負極材料を適正に使用できる電位範囲を予め定めておく。そして、正極および負極のいずれか一方の劣化による開回路電位の変動が起こった場合に、適正に使用できる電位範囲で容量が確保されるように、上限電圧値や下限電圧値を変更することができる。 For example, a potential range in which the positive electrode material can be appropriately used and a potential range in which the negative electrode material can be appropriately used are determined in advance. If the open circuit potential changes due to deterioration of either the positive or negative electrode, the upper and lower voltage limits can be changed to ensure capacity within the potential range that can be used properly. can.
また、二次電池の劣化状態の診断結果は、診断要求毎に、データベースとして保存することができる。診断結果データは、互いに異なる二次電池毎に収集してもよいし、同一の二次電池について、異なる時期に診断を実施して収集してもよい。これらの診断結果は、診断要求毎、且つ、時系列の診断結果データとして、状態診断装置100に保存できる。
Further, the diagnosis result of the deterioration state of the secondary battery can be saved as a database for each diagnosis request. Diagnosis result data may be collected for each different secondary battery, or may be collected by performing diagnosis on the same secondary battery at different times. These diagnostic results can be stored in the condition
二次電池の劣化状態の診断結果を示す診断結果データは、診断要求を識別する識別子や、診断の日時を示すデータや、二次電池の使用履歴を示すデータと紐付けることができる。二次電池の使用履歴としては、二次電池の使用時間、二次電池への累積通電量、二次電池の充放電サイクル数、電圧、電流、温度等の履歴が挙げられる。二次電池の使用履歴を示すデータは、入力部30を介して入力できる。これらの紐付けられたデータは、出力情報として診断結果と共に出力できる。
Diagnosis result data indicating the diagnosis result of the deterioration state of the secondary battery can be linked with an identifier for identifying the diagnosis request, data indicating the date and time of diagnosis, and data indicating the usage history of the secondary battery. The usage history of the secondary battery includes history of usage time of the secondary battery, cumulative amount of current applied to the secondary battery, number of charge/discharge cycles of the secondary battery, voltage, current, temperature, and the like. Data indicating the usage history of the secondary battery can be input via the
データベースとして蓄積された二次電池の劣化状態の診断結果は、二次電池の作動条件を変更する処理に用いることができる。二次電池の作動条件としては、二次電池の充電状態の上限および下限、二次電池への充電電流の上限および下限、二次電池からの放電電流の上限および下限が挙げられる。これらの作動条件のうちの一以上を、蓄積された診断結果データに基づいて変更できる。 The diagnostic results of the deterioration state of the secondary battery stored as a database can be used for processing to change the operating conditions of the secondary battery. The operating conditions for the secondary battery include the upper and lower limits of the state of charge of the secondary battery, the upper and lower limits of the charging current to the secondary battery, and the upper and lower limits of the discharge current from the secondary battery. One or more of these operating conditions can be changed based on accumulated diagnostic result data.
二次電池の作動条件は、(1)電極毎の劣化状態、(2)電極毎の劣化状態の変化速度、または、(3)二次電池の残寿命を指標として変更することができる。これらの指標を所定の閾値と比較し、電極毎の劣化や二次電池の劣化が進行する可能性が高いと判定されたとき、二次電池の作動条件範囲を安全性が確保される条件に変更することができる。 The operating conditions of the secondary battery can be changed using (1) the deterioration state of each electrode, (2) the rate of change of the deterioration state of each electrode, or (3) the remaining life of the secondary battery as an index. These indicators are compared with predetermined threshold values, and when it is determined that there is a high possibility that deterioration of each electrode or deterioration of the secondary battery will progress, the operating condition range of the secondary battery is changed to a condition that ensures safety. Can be changed.
(1)電極毎の劣化状態としては、出力情報として得られる最新の劣化状態パラメータを指標として用いることができる。劣化状態パラメータによって表される正極の劣化状態、または、劣化状態パラメータによって表される負極の劣化状態が、予め設定された閾値以上であるとき、二次電池の作動条件範囲を安全性が確保される条件に変更することができる。 (1) As for the deterioration state of each electrode, the latest deterioration state parameter obtained as output information can be used as an index. When the deterioration state of the positive electrode represented by the deterioration state parameter or the deterioration state of the negative electrode represented by the deterioration state parameter is greater than or equal to a preset threshold, safety is ensured within the operating condition range of the secondary battery. The conditions can be changed.
(2)電極毎の劣化状態の変化速度としては、正極の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)、または、負極の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)を指標として用いることができる。劣化状態パラメータによって表される正極の劣化状態、または、劣化状態パラメータによって表される負極の劣化状態が、所定の累積負荷量の印加に対して、予め設定された閾値以上であるとき、二次電池の作動条件範囲を安全性が確保される条件に変更することができる。 (2) The rate of change of the deterioration state of each electrode is determined by the rate of change (rate of change) of the deterioration state of the positive electrode with respect to the cumulative load, or the rate of change (rate of change) of the deterioration state of the negative electrode with respect to the cumulative load. Can be used. When the deterioration state of the positive electrode represented by the deterioration state parameter or the deterioration state of the negative electrode represented by the deterioration state parameter is greater than or equal to a preset threshold for application of a predetermined cumulative load amount, secondary The operating condition range of the battery can be changed to conditions that ensure safety.
累積負荷量は、二次電池の使用時間、二次電池における通電量、または、使用時間、通電量、温度および電流のうちの2種以上の組み合わせから計算することができる。これらのうちの2種以上を変数として、累積負荷量と電極の劣化状態との関係を示すモデル関数を立式する。そして、種々の累積負荷量に対する電極の劣化状態を実測し、実測に基づくフィッティングによってモデル関数の係数や定数を求めることができる。 The cumulative load amount can be calculated from the usage time of the secondary battery, the amount of current applied to the secondary battery, or a combination of two or more of the usage time, the amount of current applied, the temperature, and the current. A model function representing the relationship between the cumulative load amount and the deterioration state of the electrode is formulated using two or more of these as variables. Then, the deterioration state of the electrode with respect to various accumulated loads is actually measured, and the coefficients and constants of the model function can be determined by fitting based on the actual measurements.
(3)二次電池の残寿命としては、二次電池の放電容量が劣化の進行によって所定の放電容量に低下するまでの二次電池の使用時間を指標として用いることができる。二次電池の残寿命が、想定される所定の使用時間に対して、予め設定された閾値以下であるとき、二次電池の作動条件範囲を安全性が確保される条件に変更することができる。 (3) As the remaining life of the secondary battery, the usage time of the secondary battery until the discharge capacity of the secondary battery decreases to a predetermined discharge capacity due to progress of deterioration can be used as an index. When the remaining life of the secondary battery is less than or equal to a preset threshold for a given expected usage time, the operating condition range of the secondary battery can be changed to conditions that ensure safety. .
所定の使用時間が経過したときの二次電池の放電容量は、二次電池の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)と、現在の二次電池の放電容量と、使用時間の情報に基づいて推定することができる。二次電池の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)は、正極の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)と、負極の劣化状態の累積負荷量に対する変化速度(変化率)とに基づいて計算できる。 The discharge capacity of a secondary battery after a predetermined usage time has elapsed is determined by the rate of change (rate of change) of the deterioration state of the secondary battery with respect to the cumulative load, the current discharge capacity of the secondary battery, and information on the usage time. It can be estimated based on The rate of change (rate of change) of the deterioration state of the secondary battery with respect to the cumulative load is the rate of change (rate of change) of the deterioration state of the positive electrode with respect to the cumulative load, and the rate of change (rate of change) of the deterioration state of the negative electrode with respect to the cumulative load. ) and can be calculated based on
二次電池の作動条件を安全性が確保される条件を変更する操作としては、例えば、二次電池の充電状態の上限を下げる変更、二次電池の充電状態の下限を上げる変更、二次電池への充電電流の上限または下限を下げる変更、二次電池からの放電電流の上限または下限を下げる変更が挙げられる。演算部10は、これらのうちの1種以上を実行するための制御信号を生成する処理を行ってもよい。
Operations that change the operating conditions of the secondary battery to ensure safety include, for example, lowering the upper limit of the charging state of the secondary battery, increasing the lower limit of the charging state of the secondary battery, and changing the operating conditions of the secondary battery to ensure safety. Changes that lower the upper or lower limit of the charging current to the secondary battery, and changes that lower the upper or lower limit of the discharge current from the secondary battery. The
このような診断後の二次電池の作動条件範囲の変更を行うと、二次電池の劣化の進行を抑制することができるため、二次電池を長寿命化することができる。二次電池の作動条件範囲の変更に用いる診断結果の履歴は、以上の二次電池の状態診断方法や二次電池の状態診断装置によって、電極毎の劣化状態を示すデータとして得られるため、正極および負極のいずれかの劣化を早期に検知して、二次電池の安全性を確保することができる。 If the operating condition range of the secondary battery is changed after such diagnosis, it is possible to suppress the progress of deterioration of the secondary battery, and thus the life of the secondary battery can be extended. The history of diagnostic results used to change the operating condition range of a secondary battery is obtained as data indicating the deterioration state of each electrode by the above-mentioned secondary battery condition diagnosis method and secondary battery condition diagnosis device, so the positive electrode The safety of the secondary battery can be ensured by detecting deterioration of either of the negative electrode and the negative electrode at an early stage.
以上の二次電池の状態診断方法および二次電池の状態診断装置によると、二次電池の充電状態と開回路電位との関係と、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群とを、劣化状態の診断の入力情報として用いるため、開回路電位に基づく診断と、内部抵抗に基づく診断によって、二次電池の劣化状態や、二次電池が備える正極および負極の電極毎の劣化状態を、個別に診断することができる。互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を用いるため、内部抵抗に基づく計算において、多変数で構成される内部抵抗を真値に向けて近似できる。そのため、正極および負極のうちの一方の電極として、充電状態の変化に対して電位の変化が乏しい活物質を用いた電極を備える場合であっても、二次電池の劣化状態や電極毎の劣化状態を高精度に診断することができる。電極毎の劣化状態の診断には、診断対象である二次電池の開回路電圧の測定結果と、診断対象である二次電池の内部抵抗の測定結果とを用いるため、二次電池や電極毎の劣化状態を非破壊で診断することができる。 According to the above secondary battery state diagnosis method and secondary battery state diagnosis device, the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit potential, and the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each different energization time are determined. Since the relationship group consisting of the relationship between the The deterioration state of each positive electrode and negative electrode can be individually diagnosed. Since we use a relation group consisting of the relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance for each different energization time, in calculations based on internal resistance, the internal resistance consisting of multiple variables can be approximated toward the true value. can. Therefore, even if one of the positive and negative electrodes is equipped with an electrode that uses an active material whose potential changes poorly with changes in the state of charge, the deterioration state of the secondary battery and the deterioration of each electrode The condition can be diagnosed with high accuracy. Diagnosis of the deterioration state of each electrode uses the measurement results of the open circuit voltage of the secondary battery to be diagnosed and the measurement results of the internal resistance of the secondary battery to be diagnosed. It is possible to non-destructively diagnose the deterioration state of
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention is not necessarily limited to having all the configurations of the embodiments described above. Replacing part of the configuration of one embodiment with another configuration, adding part of the configuration of one embodiment to another form, or omitting part of the configuration of one embodiment I can do it.
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.
<入力情報の取得>
LFP-Li金属のハーフセル、黒鉛-Li金属のハーフセル、および、LFP-黒鉛の二次電池について、充電状態と開回路電位(電圧)との関係、および、充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を、放電過程における実測に基づいて求めた。
<Acquisition of input information>
For LFP-Li metal half cells, graphite-Li metal half cells, and LFP-graphite secondary batteries, the relationship between the state of charge and open circuit potential (voltage), and the dependence of the state of charge and internal resistance on energization time The relationship groups indicating the characteristics were determined based on actual measurements during the discharge process.
開回路電位(電圧)や内部抵抗の測定は、定電流間欠滴定法(Galvanostatic Intermittent Titration Technique:GITT)で実施した。放電電流は、1CAとした。放電過程では、72秒間の放電と30分間の休止とを、放電終了電位(電圧)まで間欠的に繰り返した。 The open circuit potential (voltage) and internal resistance were measured by galvanostatic intermittent titration technique (GITT). The discharge current was 1 CA. In the discharge process, 72 seconds of discharge and 30 minutes of rest were intermittently repeated until the discharge end potential (voltage) was reached.
充電状態と開回路電位(電圧)との関係を示すデータは、間欠的な充放電サイクルにおいて、所定の放電容量に対する30分間の休止後の開回路電位(電圧)を測定して収集した。図3が、LFP-Li金属のハーフセルで収集した参照データに対応する。図4が、黒鉛-Li金属のハーフセルで収集した参照データに対応する。図5が、LFP-黒鉛の二次電池で収集した測定データに対応する。 Data showing the relationship between state of charge and open circuit potential (voltage) was collected by measuring the open circuit potential (voltage) after a 30 minute pause for a given discharge capacity during intermittent charge/discharge cycles. FIG. 3 corresponds to reference data collected on an LFP-Li metal half cell. FIG. 4 corresponds to reference data collected on a graphite-Li metal half cell. FIG. 5 corresponds to measurement data collected from an LFP-graphite secondary battery.
充電状態と内部抵抗との通電時間依存性を示す関係群を示すデータは、間欠的な充放電サイクルにおいて、所定の放電時間が経過したときの内部抵抗を計算して収集した。通電時間毎のデータは、放電時間毎の放電時間依存性のデータとして収集した。内部抵抗は、放電開始前の開回路電位(電圧)と、所定の放電時間が経過したときの開回路電位(電圧)との差分を、放電電流で除算して計算した。放電時間tは、t=40、50、60、72秒とした。図6が、LFP-Li金属のハーフセルで収集した参照データに対応する。図7が、黒鉛-Li金属のハーフセルで収集した参照データに対応する。図8が、LFP-黒鉛の二次電池で収集した測定データに対応する。 Data showing a relationship group showing the dependence of charging state and internal resistance on current application time was collected by calculating the internal resistance when a predetermined discharging time elapsed in intermittent charge/discharge cycles. Data for each energization time was collected as discharge time-dependent data for each discharge time. The internal resistance was calculated by dividing the difference between the open circuit potential (voltage) before the start of discharge and the open circuit potential (voltage) after a predetermined discharge time by the discharge current. The discharge time t was set to t=40, 50, 60, and 72 seconds. FIG. 6 corresponds to reference data collected on an LFP-Li metal half cell. FIG. 7 corresponds to reference data collected on a graphite-Li metal half cell. FIG. 8 corresponds to measurement data collected with an LFP-graphite secondary battery.
<工程1:開回路電圧に基づく評価>
劣化状態が既知である正極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、劣化状態が既知である負極の充電状態と開回路電位との関係を示す参照データと、劣化状態パラメータに基づいて、二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す計算データを生成した。そして、診断対象である二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示す測定データに対して、劣化状態を仮定して計算した計算データをフィッティングした。
<Step 1: Evaluation based on open circuit voltage>
Reference data showing the relationship between the state of charge of the positive electrode and the open circuit potential whose state of deterioration is known, reference data showing the relationship between the state of charge of the negative electrode whose state of deterioration is known and the open circuit potential, and the state of deterioration parameter. Based on this, calculation data showing the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage was generated. Calculated data calculated assuming a degraded state was then fitted to measured data showing the relationship between the state of charge and open circuit voltage of the secondary battery to be diagnosed.
開回路電圧のデータのフィッティングは、Excel(Microsoft社製)に搭載されているソルバー機能を使用して行った。測定データと計算データとの二乗平均平方根誤差(Root Mean Squared Error:RMSE)を計算した。そして、二乗平均平方根誤差を平均値で除算した相対誤差が最小となるようにフィッティングさせた。計算の結果、劣化状態パラメータとして、mrn=0.864、δn=0.499[Ah]が得られた。図9が、LFP-黒鉛の二次電池で得られた開回路電位の計算データに対応する。 Fitting of the open circuit voltage data was performed using a solver function installed in Excel (manufactured by Microsoft). The root mean squared error (RMSE) between the measured data and the calculated data was calculated. Then, fitting was performed so that the relative error obtained by dividing the root mean square error by the average value was minimized. As a result of calculation, mrn=0.864 and δn=0.499 [Ah] were obtained as deterioration state parameters. FIG. 9 corresponds to calculated data of open circuit potential obtained from an LFP-graphite secondary battery.
<工程2:内部抵抗に基づく評価>
劣化状態が既知である正極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データと、劣化状態が既知である負極の充電状態と内部抵抗との関係を示す参照データと、劣化状態パラメータに基づいて、二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す計算データを生成した。充電状態と内部抵抗との関係については、内部抵抗の測定時の通電時間を変えて、通電時間毎の複数のデータを用意して計算に用いた。そして、通電時間毎の診断対象である二次電池の充電状態と内部抵抗との関係を示す測定データに対して、劣化状態を仮定して計算した計算データをフィッティングした。
<Step 2: Evaluation based on internal resistance>
Based on the reference data showing the relationship between the charging state of the positive electrode whose deterioration state is known and the internal resistance, the reference data showing the relationship between the charging state of the negative electrode and the internal resistance whose deterioration state is known, and the deterioration state parameter. , we generated calculation data showing the relationship between the state of charge and internal resistance of a secondary battery. Regarding the relationship between the state of charge and internal resistance, the energization time when measuring the internal resistance was varied, and a plurality of data for each energization time was prepared and used in calculations. Then, calculation data calculated assuming a deteriorated state was fitted to measurement data showing the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery to be diagnosed for each energization time.
内部抵抗のデータのフィッティングは、Excel(Microsoft社製)に搭載されているソルバー機能を使用して行った。測定データと計算データとの二乗平均平方根誤差(Root Mean Squared Error:RMSE)を計算した。そして、二乗平均平方根誤差を平均値で除算した相対誤差が最小となるようにフィッティングさせた。なお、実施例においては、測定データと参照データとで、同等の劣化状態が想定されるため、重み関数ρ(t)による補正は実施しなかった。 Fitting of the internal resistance data was performed using a solver function installed in Excel (manufactured by Microsoft). The root mean squared error (RMSE) between the measured data and the calculated data was calculated. Then, fitting was performed so that the relative error obtained by dividing the root mean square error by the average value was minimized. Note that in the example, since the measurement data and the reference data are assumed to be in the same state of deterioration, correction using the weighting function ρ(t) was not performed.
mrpおよびapの初期値をそれぞれ3通り設定した。そして、それぞれの初期値において、各放電経過時間におけるフィッティングを行った。フィッティングに際し、R0の制約条件として、0<R0[mΩ]<20を設けた。上限である20mΩは、通電時間t=1secにおけるR0の計算結果の最小値である。 Three initial values of mrp and ap were each set. Then, fitting was performed for each discharge elapsed time using each initial value. During fitting, 0<R0 [mΩ]<20 was set as a constraint condition for R0. The upper limit of 20 mΩ is the minimum value of the calculation result of R0 at the current application time t=1 sec.
ここで、R0=20[mΩ]は、制約条件の範囲内で計算が収束していないことを意味するため、通電時間t=50,60,72「sec」における共通解である10mΩをR0の真値とした。 Here, R0 = 20 [mΩ] means that the calculation has not converged within the range of the constraint conditions, so 10 mΩ, which is a common solution for the energization time t = 50, 60, and 72 "sec", is It was taken as the true value.
続いて、R0=10[mΩ]の下で、通電時間t=72secにおいて、残りの劣化状態パラメータを計算した結果、劣化状態パラメータとして、mrp=0.820、δp=0.00035[Ah]、ap=0.0128、an=0.00270が得られた。図10が、LFP-黒鉛の二次電池で得られたフィッティング後の内部抵抗の計算データに対応する。 Next, as a result of calculating the remaining deterioration state parameters under R0 = 10 [mΩ] and energization time t = 72 seconds, the deterioration state parameters were mrp = 0.820, δp = 0.00035 [Ah], Ap=0.0128 and an=0.00270 were obtained. FIG. 10 corresponds to calculated data of internal resistance after fitting obtained for an LFP-graphite secondary battery.
100 状態診断装置(二次電池の状態診断装置)
10 演算部
20 記憶部
30 入力部
40 出力部
50 通信部
100 Condition diagnosis device (secondary battery condition diagnosis device)
10
Claims (10)
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係、および、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を入力情報とし、前記二次電池の劣化状態、前記二次電池に用いられた正極の劣化状態、および、前記二次電池に用いられた負極の劣化状態を出力情報とする二次電池の状態診断方法。 A condition diagnosis method for diagnosing a deterioration condition of a secondary battery,
A relationship group consisting of the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage, and the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each different energization time is used as input information, A method for diagnosing the condition of a secondary battery, in which output information is a deterioration state, a deterioration state of a positive electrode used in the secondary battery, and a deterioration state of a negative electrode used in the secondary battery.
正極材料に固有の正極の充電状態と開回路電位との関係と、負極材料に固有の負極の充電状態と開回路電位との関係に基づいて、前記二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を評価する第1工程と、
互いに異なる通電時間毎の正極材料に固有の正極の充電状態と内部抵抗との関係と、互いに異なる通電時間毎の負極材料に固有の負極の充電状態と内部抵抗との関係に基づいて、前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を評価する第2工程と、を有する二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
The state of charge and open circuit voltage of the secondary battery are determined based on the relationship between the state of charge of the positive electrode and the open circuit potential specific to the positive electrode material, and the relationship between the state of charge of the negative electrode and the open circuit potential specific to the negative electrode material. A first step of evaluating the relationship between
Based on the relationship between the charging state of the positive electrode and the internal resistance specific to the positive electrode material for each different energizing time, and the relationship between the charging state of the negative electrode and the internal resistance specific to the negative electrode material for each different energizing time, A method for diagnosing the condition of a secondary battery, comprising: a second step of evaluating a relationship group consisting of a relationship between the state of charge and internal resistance of the battery.
互いに異なる通電時間毎の前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群は、内部抵抗の測定時の通電時間の長さを2種類以上に変えて収集される二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
The relationship group consisting of the relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance for each different energizing time is a relationship group consisting of the relationship between the charging state of the secondary battery and the internal resistance for each different energizing time. How to diagnose battery condition.
互いに異なる通電時間毎の前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係同士の比較によって、二次電池の反応抵抗成分および拡散抵抗成分を除いた抵抗成分の大きさを決定する二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
The magnitude of the resistance component of the secondary battery excluding the reaction resistance component and the diffusion resistance component is determined by comparing the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each different energization time. How to diagnose the condition.
互いに異なる通電時間毎の前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係は、重み関数で換算された通電時間に対して計算される二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
A method for diagnosing the condition of a secondary battery, in which the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each different energization time is calculated for the energization time converted by a weighting function.
前記二次電池の内部抵抗は、前記二次電池の開回路電圧と、前記二次電池の閉回路電圧に基づいて求められる二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
The internal resistance of the secondary battery is determined based on the open circuit voltage of the secondary battery and the closed circuit voltage of the secondary battery.
前記正極および前記負極のうちの一方の電極の開回路電位が、満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定であり、
前記正極および前記負極の充電状態と内部抵抗との関係と、互いに異なる通電時間毎の前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群に基づいて、開回路電位が満充電状態付近および全放電状態付近を除いて一定である前記電極の劣化状態を診断する二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
the open circuit potential of one of the positive electrode and the negative electrode is constant except near a fully charged state and near a fully discharged state;
The open circuit potential is determined to be full based on a relationship group consisting of the relationship between the state of charge and internal resistance of the positive electrode and the negative electrode, and the relationship between the state of charge and internal resistance of the secondary battery for each different energization time. A secondary battery condition diagnosing method for diagnosing a deterioration condition of the electrode, which is constant except near a charged state and near a fully discharged state.
前記出力情報に基づいて、前記二次電池の充放電時の上限電圧および下限電圧、並びに、前記二次電池の充放電時の上限電流および下限電流のうち、いずれか一以上を変更する二次電池の状態診断方法。 The method for diagnosing the condition of a secondary battery according to claim 1,
A secondary battery that changes one or more of the upper limit voltage and lower limit voltage during charging and discharging of the secondary battery, and the upper limit current and lower limit current during charging and discharging of the secondary battery, based on the output information. How to diagnose battery condition.
二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示すデータ、および、互いに異なる通電時間毎の二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を示すデータを入力情報とし、前記二次電池の劣化状態を示すデータ、前記二次電池に用いられた正極の劣化状態を示すデータ、および、前記二次電池に用いられた負極の劣化状態を示すデータを出力情報とする二次電池の状態診断装置。 A condition diagnostic device for diagnosing a deterioration condition of a secondary battery,
The input information includes data showing the relationship between the charging state of the secondary battery and the open circuit voltage, and data showing a relationship group consisting of the relationship between the charging state of the secondary battery and internal resistance for each different energization time. , data representing a deterioration state of the secondary battery, data representing a deterioration state of a positive electrode used in the secondary battery, and data representing a deterioration state of a negative electrode used in the secondary battery are output information. Secondary battery condition diagnosis device.
前記二次電池の充電状態と開回路電圧との関係を示すデータ、および、前記二次電池の充電状態と内部抵抗との関係で構成される関係群を示すデータを読み込み、前記二次電池の劣化状態を示すデータ、前記二次電池に用いられた正極の劣化状態を示すデータ、および、前記二次電池に用いられた負極の劣化状態を示すデータを演算する演算部を備える二次電池の状態診断装置。 The secondary battery condition diagnostic device according to claim 9,
Loading data indicating the relationship between the state of charge of the secondary battery and the open circuit voltage, and data indicating a relationship group consisting of the relationship between the state of charge of the secondary battery and the internal resistance, A secondary battery comprising a calculation unit that calculates data indicating a state of deterioration, data showing a state of deterioration of a positive electrode used in the secondary battery, and data showing a state of deterioration of a negative electrode used in the secondary battery. Condition diagnosis device.
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