JP6018388B2 - Secondary battery capacity deterioration estimation method and estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、自動車、電機機器、鉄道車両に搭載される二次電池の容量劣化推定方法および推定装置に関する。 The present invention relates to a capacity deterioration estimation method and an estimation device for a secondary battery mounted on, for example, an automobile, an electric device, and a railway vehicle.
リチウム二次電池の劣化状態推定方法は、二次電池を一定電流で充電する工程と、充電後の二次電池の回路を開放する工程と、開放中の二次電池の電圧を計測して経過時間に対応付けて記憶していく工程と、記憶した電池電圧の経過時間に対する変化から劣化指標を算出する工程と、その劣化指標から二次電池の劣化状態を推定する工程を備えている。 The method for estimating the deterioration state of a lithium secondary battery includes a step of charging the secondary battery at a constant current, a step of opening the circuit of the secondary battery after charging, and measuring the voltage of the opened secondary battery. A step of storing in association with time, a step of calculating a deterioration index from the change of the stored battery voltage with respect to the elapsed time, and a step of estimating the deterioration state of the secondary battery from the deterioration index.
しかし、上記技術は、直流内部抵抗(DCR)を基準とした劣化推定方法でなく、温度依存性を考慮したものでない。 However, the above technique is not a deterioration estimation method based on DC internal resistance (DCR), and does not consider temperature dependence.
そこで、本発明の目的は、二次電池の容量劣化を高い精度で推定する二次電池の容量劣化推定方法および推定装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a secondary battery capacity deterioration estimation method and an estimation device that estimate the secondary battery capacity deterioration with high accuracy.
以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。 Hereinafter, the features of the present invention will be described with reference numerals. Note that the reference numerals are for reference, and the present invention is not limited to the embodiments.
本発明の第1の特徴に係わる二次電池(5)の容量劣化推定方法は、対象の二次電池を充電し、充電終了直後の二次電池(5)の開回路電圧を測定して基準開回路電圧を決定し、二次電池(5)を等温で保管し、等温保管下の二次電池(5)の開回路電圧を測定し、基準開回路電圧と等温保管下の開回路電圧との差としての低下電圧を決定し、低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数の係数としての自己放電係数を決定し、予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を用いて、決定した自己放電係数から二次電池(5)の容量減少率を決定し、前記低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数は対数関数であり、前記自己放電係数は、以下の数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を適用して決定し、前記二次電池の容量減少率は以下の数式(4)によって決定されることを特徴とする。
前記等温保管の温度は25℃から45℃の範囲である。 The isothermal storage temperature ranges from 25 ° C to 45 ° C.
本発明の第2の特徴に係わる二次電池の容量劣化推定装置(10)は、基準開回路電圧としての充電終了直後の二次電池(5)の開回路電圧および等温保管下の二次電池(5)の開回路電圧を測定する電圧計と、予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を格納する記憶装置(15)と、基準開回路電圧と等温保管下の開回路電圧の差としての低下電圧を決定し、低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数の係数としての自己放電係数を決定し、予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を用いて、決定した自己放電係数から二次電池の容量減少率を決定する演算装置(14)を有し、前記低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数は対数関数であり、前記自己放電係数は、以下の数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を適用して決定し、前記二次電池の容量減少率は以下の数式(4)によって決定されることを特徴とする。
本発明の特徴によれば、二次電池の容量劣化を高い精度で推定することができる。 According to the characteristics of the present invention, the capacity deterioration of the secondary battery can be estimated with high accuracy.
以下、リチウム二次電池を一例として、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment will be described in detail with reference to the drawings, taking a lithium secondary battery as an example.
図1に示すように、リチウム二次電池(以下、二次電池と称する。)の容量劣化推定装置10は、温度計11と、電流・電圧計12と、タイマー13と、演算装置14と、記憶装置15と、入力装置16と、出力装置17を有する。
温度計11は、二次電池5の周囲の環境温度を測定する。電流・電圧計12は二次電池の容量および開回路電圧(OCV)を測定する。タイマー13は、二次電池5の等温保管の経過時間を計測する。
As shown in FIG. 1, a capacity
The
演算装置14は、処理プログラムに従って測定データを処理するCPU(Central Processing Unit)と、処理プログラムを格納するROM(Read Only Memory)と、CPUの
処理に必要なデータを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)を有する。
演算装置14は、対象の二次電池の等温保管の経過時間および基準開回路電圧からの低下電圧との関係(図4参照)から二次電池の線形自己放電係数を決定する。さらに、演算装置14は、この線形自己放電係数および二次電池の周囲温度を用いて、線形自己放電係数と容量減少率の関係(図5参照)から二次電池の容量減少率を推定する。
記憶装置15は、例えば、ハードディスク、CD、DVD、USBメモリを用いる。記憶装置13は、例えば、温度計11の測定データ、電流・電圧計12の測定データ、タイマーで計測した等温保管の経過時間を格納する。
The
The
The
入力装置16は、例えば、キーボード、マウスである。出力装置17は、例えば、液晶表示装置、有機EL(Electro-Luminescence)表示装置のような画像表示装置、及び、インクジェットプリンタ方式又はレーザプリンタ方式の印刷装置を有する。出力装置17は、二次電池の等温保管の経過時間、周囲温度、開回路電圧、また、二次電池の容量劣化の推定結果としての容量減少率を出力または表示する。
The
次に、二次電池の容量劣化推定方法を説明する。 Next, a method for estimating the capacity deterioration of the secondary battery will be described.
先ず、二次電池の線形自己放電係数と容量減少率との関係を決定する。
図2に示すように、検量用の二次電池を充電する(ステップS11)。電流・電圧計12を用いて、充電直後の二次電池の開回路電圧(OCV)を計測し、基準開回路電圧とする。
First, the relationship between the linear self-discharge coefficient of the secondary battery and the capacity reduction rate is determined.
As shown in FIG. 2, the calibration secondary battery is charged (step S11). Using the ammeter /
また、電流・電圧計12を用いて二次電池の容量を測定し、容量減少率を決定する(ステップS12)。基準開回路電圧、容量減少率は記憶装置15に格納される。
Moreover, the capacity | capacitance of a secondary battery is measured using the electric current and
二次電池を一定の期間、等温で保管する(ステップ13)。周囲温度としての保管温度は、例えば、25℃〜45℃である。保管の経過時間は、例えば、30日であり、タイマー13によって計測される。等温保管の間、電圧計12と温度計11で二次電池の開回路電圧と周囲温度を逐次計測する。この保管経過時間、開回路電圧および周囲温度は記憶装置15に格納される。
The secondary battery is stored isothermally for a certain period (step 13). The storage temperature as the ambient temperature is, for example, 25 ° C to 45 ° C. The elapsed storage time is, for example, 30 days, and is measured by the
次に、演算装置14は、記憶装置15から保管経過時間、開回路電圧および周囲温度を読み込み、保管温度毎の保管経過時間と基準開回路電圧と開回路電圧との差としての低下電圧との関係を決定する(ステップS14、図4参照)。すなわち、数式(1)に示す一次関数(線形関数)を用いて線形近似を実行し、保管経過時間と低下電圧との関係を決定する。
Next, the
演算装置14は、この線形近似関数から保管経過時間(t)に対する低下電圧(ΔE)の比例係数、すなわち、線形自己放電係数(ali)を決定する(ステップS15)。線形自
己放電係数は記憶装置15に格納される。
The
最後に、演算装置14は、記憶装置15から線形自己放電係数(ali)と等温保管開始
時の二次電池の容量減少率を読み込み、線形自己放電係数と容量減少率との関係を決定する(ステップS16)。線形自己放電係数と容量減少率とは、例えば、数式(2)に示す関係にある。
Finally, the
次に、図1、3を参照にして、対象の二次電池の容量劣化推定方法について説明する。 Next, a method for estimating the capacity deterioration of the target secondary battery will be described with reference to FIGS.
図3に示すように、先ず、対象の二次電池5を充電する(ステップS21)。電圧計12を用いて、充電直後の二次電池5の開回路電圧を測定する。この電圧を開回路基準電圧とし、記憶装置15に格納する(ステップS22)。例えば、30日間、二次電池5を等温で保管する(ステップS23)。等温保管の間、タイマー13で保管経過時間を計測する。また、電流・電圧計12と温度計11で二次電池5の開回路電圧と周囲温度を逐次計測する。開回路電圧と周囲温度は記憶装置15に格納される。
As shown in FIG. 3, first, the target
図2に示すステップS14、S15と同様な方法で、演算装置14は二次電池5の線形自己放電係数を決定する(ステップS24)。線形自己放電係数は記憶装置15に格納される。
The
演算装置14は、記憶装置15から二次電池5の周囲温度と線形自己放電係数を読み込み、例えば、数式(2)に示す関数を用いて二次電池5の周囲温度、線形自己放電係数に対応する容量減少率を決定する(ステップS25)。出力装置16は二次電池5の容量劣化としての容量減少率を表示または出力する。
The
以上の実施によれば、温度依存性を考慮して二次電池5の容量劣化を高い精度で推定することができる。
According to the above implementation, capacity degradation of the
また、急速充電履歴の有無にかかわらず、容量劣化を推定することができる。 Further, it is possible to estimate the capacity deterioration regardless of the presence or absence of the quick charge history.
第2の実施形態
本実施形態は、第1の実施形態の線形関数の代わりに対数関数を用いて対数自己放電係数を決定し、二次電池5の容量減少率を推定する。
演算装置14は、数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を適用し、対象の二次電池5の対数自己放電係数を決定する。
Second Embodiment In the present embodiment, a logarithmic self-discharge coefficient is determined using a logarithmic function instead of the linear function of the first embodiment, and the capacity reduction rate of the
The
さらに、演算装置14は、対数自己放電係数と検量用の二次電池の容量減少率との関係を決定する。対数自己放電係数と容量減少率とは、例えば、数式(4)に示す関係にある。
Furthermore, the
演算装置14は、記憶装置15から対数自己放電係数を読み込み、数式(4)を用いて対象の二次電池5の容量減少率を推定する。
The
本実施形態によれば、対数の特性から数時間〜1日程度、二次電池5を等温保管すれば対数自己放電係数algを得られるので、容量劣化の推定にかかる時間を大幅に短縮するこ
とができる。
According to the present embodiment, the logarithmic self-discharge coefficient a lg can be obtained by isothermally storing the
また、保管温度に影響されることなく、二次電池5の容量劣化を推定することができる。
Further, the capacity deterioration of the
なお、本発明は本実施形態に限定されず、また、各実施形態は発明の趣旨を変更しない範囲で変更、修正可能である。例えば、本発明は、リチウム二次電池に限らず、各種の二次電池に適用してもよい。また、自己放電係数は三次元近似関数を用いて決定してもよい。 In addition, this invention is not limited to this embodiment, Moreover, each embodiment can be changed and corrected in the range which does not change the meaning of invention. For example, the present invention is not limited to a lithium secondary battery, and may be applied to various secondary batteries. The self-discharge coefficient may be determined using a three-dimensional approximation function.
線形自己放電係数と容量減少率との関係を求めるために実験を行った。 An experiment was conducted to determine the relationship between the linear self-discharge coefficient and the capacity reduction rate.
実験方法
検量用の2つの二次電池モジュール(NO1、NO2)に対してSOC(state of Charge:充電状態)80%を目標に定電流、例えば、3C(90A)で充電する。定電圧充電に移行し5Aで遮断する。充電直後の二次電池の開回路電圧を測定する。この電圧を基準開回路電圧とする。また、同時に、二次電池の容量を測定し、容量減少率を決定した。
Experimental Method Two secondary battery modules (NO1, NO2) for calibration are charged with a constant current, for example, 3C (90A), with a target of 80% SOC (state of charge). Transition to constant voltage charging and shut off at 5A. Measure the open circuit voltage of the secondary battery immediately after charging. This voltage is the reference open circuit voltage. At the same time, the capacity of the secondary battery was measured to determine the capacity reduction rate.
充電した二次電池を35℃、40℃、45℃のそれぞれの温度で30日の間等温保管する。30日の間に各保管温度において、二次電池の開回路電圧を逐次測定した。 The charged secondary battery is stored isothermally at temperatures of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C. for 30 days. The open circuit voltage of the secondary battery was sequentially measured at each storage temperature during 30 days.
実験結果
図4(A)は、35℃の保管温度の実験結果、同図(B)は40℃の保管温度の実験結果、同図(C)は45℃の保管温度の実験結果を示す。
Experimental Results FIG. 4A shows the experimental results at a storage temperature of 35 ° C., FIG. 4B shows the experimental results at a storage temperature of 40 ° C., and FIG. 4C shows the experimental results at a storage temperature of 45 ° C.
35℃、40℃、45℃の各保管温度において、保管日数と低下電圧とは線形関係を良く満たした。ここで、低下電圧とは基準回路電圧と等温保管経過下の開回路電圧との差を示す。 At each storage temperature of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., the storage days and the drop voltage satisfied the linear relationship well. Here, the reduced voltage indicates a difference between the reference circuit voltage and the open circuit voltage under the isothermal storage process.
35℃、40℃、45℃の各保管温度において、保管日数と低下電圧とに対して数式(1)に示す一次関数を用いて線形近似を実行し、比例係数としての線形自己放電係数を求めた。 At each storage temperature of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., linear approximation is performed using the linear function shown in Equation (1) for the storage days and the reduced voltage to obtain a linear self-discharge coefficient as a proportional coefficient. It was.
図5は、35℃、40℃、45℃の保管温度(周囲温度)における線形自己放電係数と保管開始時の容量減少率との関係を示す。Lf,Tb, aliの実測値から最小自乗法によって
数式(2)のp, qを求めると、線形自己放電係数と容量減少率とは数式(5)に示す関係にある。
FIG. 5 shows the relationship between the linear self-discharge coefficient at the storage temperature (ambient temperature) of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C. and the capacity reduction rate at the start of storage. When p and q in Equation (2) are obtained from the measured values of L f , T b , and li by the method of least squares, the linear self-discharge coefficient and the capacity reduction rate are in the relationship shown in Equation (5).
周囲温度は、等温保管温度であり、25℃〜45℃を適用範囲とする。 The ambient temperature is an isothermal storage temperature, and the applicable range is 25 ° C to 45 ° C.
対象の二次電池の線形自己放電係数、周囲温度を測定し、数式(5)を用いると、二次電池の容量減少率が推定される。 When the linear self-discharge coefficient and the ambient temperature of the target secondary battery are measured and Equation (5) is used, the capacity reduction rate of the secondary battery is estimated.
対数自己放電係数と容量減少率との関係を求めるために実験を行った。 An experiment was conducted to determine the relationship between the logarithmic self-discharge coefficient and the capacity reduction rate.
実験方法
検量用の2つの二次電池モジュールに対して、充電直後の二次電池の開回路電圧を測定した。この電圧を基準開回路電圧とする。また、二次電池の容量を測定し、容量減少率を
決定した。
Experimental Method For the two secondary battery modules for calibration, the open circuit voltage of the secondary battery immediately after charging was measured. This voltage is the reference open circuit voltage. Moreover, the capacity | capacitance of the secondary battery was measured and the capacity | capacitance reduction rate was determined.
充電した二次電池を35℃、40℃、45℃のそれぞれの温度で30日の間等温保管する。30日の間に各保管温度において、二次電池の開回路電圧を逐次測定した。 The charged secondary battery is stored isothermally at temperatures of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C. for 30 days. The open circuit voltage of the secondary battery was sequentially measured at each storage temperature during 30 days.
実験結果
図6(A)は35℃の保管温度の実験結果、同図(B)は40℃の保管温度の実験結果、同図(C)は45℃の保管温度の実験結果を示す。
Experimental Results FIG. 6A shows the experimental results for the storage temperature of 35 ° C., FIG. 6B shows the experimental results for the storage temperature of 40 ° C., and FIG. 6C shows the experimental results for the storage temperature of 45 ° C.
35℃、40℃、45℃の各保管温度において、保管日数と低下電圧とは対数関係を良く満たした。35℃、40℃、45℃の各保管温度において、保管日数と低下電圧とに対して数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を実行し、比例係数としての対数自己放電係数を求めた。 At each storage temperature of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., the number of storage days and the drop voltage satisfied a logarithmic relationship. At each storage temperature of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., logarithmic approximation is performed using the logarithmic function shown in Equation (3) for the storage days and the reduced voltage to obtain the logarithmic self-discharge coefficient as a proportional coefficient It was.
図7は、35℃、40℃、45℃の保管温度における対数自己放電係数と保管開始時の容量減少率との関係を示す。35℃、40℃、45℃の保管温度(周囲温度)において、Lf,aliの実測値から最小自乗法によって数式(2)r, sを求めると、対数自己放電係数
と容量減少率とは数式(6)に示す関係にある。
FIG. 7 shows the relationship between the logarithmic self-discharge coefficient at the storage temperatures of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C. and the capacity reduction rate at the start of storage. When the equations (2) r and s are obtained from the measured values of L f and ali by the least square method at storage temperatures (ambient temperatures) of 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., the logarithmic self-discharge coefficient and the capacity reduction rate Is in the relationship shown in Equation (6).
数式(6)の適用される周囲温度は25℃〜45℃の範囲である。 The ambient temperature to which Equation (6) is applied is in the range of 25 ° C to 45 ° C.
対象の二次電池の対数線形自己放電係数を測定し、数式(6)を用いると、二次電池の容量減少率が得られる。また、電池寿命を容量減少率30%と定めれば、対数自己放電係数alg =0.612〜0.672が得られれば二次電池の「寿命」と判定できる。 When the logarithmic linear self-discharge coefficient of the target secondary battery is measured and Equation (6) is used, the capacity reduction rate of the secondary battery can be obtained. Further, if the battery life is defined as a capacity reduction rate of 30%, it can be determined that the “life” of the secondary battery if the logarithmic self-discharge coefficient a lg = 0.612 to 0.672 is obtained.
対数自己放電係数と保管日数との関係を調べるために実験した。 An experiment was conducted to investigate the relationship between logarithmic self-discharge coefficient and storage days.
対象の二次電池について30日の保管日数を設定し、容量減少率、すなわち、低下電圧を測定した。 A 30-day storage day was set for the target secondary battery, and the capacity reduction rate, that is, the voltage drop was measured.
図8は、保管日数と低下電圧との関係を示すグラフであり、保管日数は対数で表示されている。実験結果より、等温保管により得られた対数自己放電係数algの値は、1日の保
管期間でも30日の保管期間でもほぼ同等であった。すなわち、対数自己放電係数algは
短時間の保管期間で得られる利点が確認された。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the storage days and the drop voltage, and the storage days are displayed in logarithm. From the experimental results, the value of the logarithmic self-discharge coefficient a lg obtained by isothermal storage was almost the same in both the 1-day storage period and the 30-day storage period. That is, it was confirmed that the logarithmic self-discharge coefficient a lg can be obtained in a short storage period.
5 二次電池
10 二次電池の容量劣化推定装置
11 温度計
12 電流・電圧計
13 タイマー
14 演算装置
15 記憶装置
16 入力装置
17 出力装置
5
Claims (3)
充電終了直後の二次電池の開回路電圧を測定して基準開回路電圧を決定し、
二次電池を等温で保管し、
等温保管下の二次電池の開回路電圧を測定し、
基準開回路電圧と等温保管下の開回路電圧との差としての低下電圧を決定し、
低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数の係数としての自己放電係数を決定し、
予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を用いて、決定した自己放電係数から二次電池の容量減少率を決定し、
前記低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数は対数関数であり、
前記自己放電係数は、以下の数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を適用して決定し、前記二次電池の容量減少率は以下の数式(4)によって決定されることを特徴とする二次電池の容量劣化推定方法。
Measure the open circuit voltage of the secondary battery immediately after charging to determine the reference open circuit voltage,
Store secondary batteries isothermally,
Measure the open circuit voltage of the secondary battery under isothermal storage,
Determine the drop voltage as the difference between the reference open circuit voltage and the open circuit voltage under isothermal storage,
Determine the self-discharge coefficient as a coefficient of function for the elapsed time of isothermal storage of the voltage drop,
Using the function of the self-discharge coefficient and capacity reduction rate prepared in advance, the capacity reduction rate of the secondary battery is determined from the determined self-discharge coefficient,
Function with respect to the elapsed time of the isothermal storage of the reduced voltage Ri logarithmic der,
The self-discharge factor is determined by applying the logarithmic approximation using a logarithmic function shown in the following equation (3), characterized Rukoto determined the by the capacity decrease rate of the secondary battery following equation (4) A method for estimating the capacity deterioration of the secondary battery.
請求項1に記載の二次電池の容量劣化推定方法。 The isothermal storage temperature is in the range of 25 ° C to 45 ° C.
The capacity deterioration estimation method of the secondary battery according to claim 1.
予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を格納する記憶装置と、
基準開回路電圧と等温保管下の開回路電圧の差としての低下電圧を決定し、
低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数の係数としての自己放電係数を決定し、
予め用意した自己放電係数と容量減少率との関数を用いて、決定した自己放電係数から二次電池の容量減少率を決定する演算装置を有し、
前記低下電圧の等温保管の経過時間に対する関数は対数関数であり、
前記自己放電係数は、以下の数式(3)に示す対数関数を用いて対数近似を適用して決定し、前記二次電池の容量減少率は以下の数式(4)によって決定されることを特徴とする二次電池の容量劣化推定装置。
A storage device for storing a function of a self-discharge coefficient and a capacity reduction rate prepared in advance;
Determine the drop voltage as the difference between the reference open circuit voltage and the open circuit voltage under isothermal storage,
Determine the self-discharge coefficient as a coefficient of function for the elapsed time of isothermal storage of the voltage drop,
Using a function of the self-discharge coefficient and the capacity reduction rate prepared in advance, and having a computing device that determines the capacity reduction rate of the secondary battery from the determined self-discharge coefficient,
The function for the elapsed time of the isothermal storage of the reduced voltage is a logarithmic function ,
The self-discharge factor is determined by applying the logarithmic approximation using a logarithmic function shown in the following equation (3), characterized Rukoto determined the by the capacity decrease rate of the secondary battery following equation (4) Secondary battery capacity degradation estimation device.
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