JP6122432B2 - 精密なエネルギー装置健康状態(SoH)監視のための装置と方法 - Google Patents
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Description
図1は、本方法と装置の新規性と革新性を理解する上での手掛かりとなる本開示の残りの部分を通して使用される位相図である。本開示では、理想キャパシタを参照する際の用語「理想」の使用は、他の多くのタイプの電気化学的エネルギー蓄積および/またはエネルギー変換装置を悩ますイオン動力学的欠陥が無いことを明らかにするために使用される。この図では、理想キャパシタに印可されたときの電圧(V)と電流(I)間の位相関係が描写される。極めて小さな振幅の正弦波電圧がキャパシタの端子の両端に印加され、その結果の電流応答の位相差(Δθ)が測定される。理想キャパシタの場合、このΔθ差異は正確に90°である。Vを最初に印加するとなぜ電流(I)が位相図に最初に現われるかを疑問に思うかもしれない。これは直観的でないので、簡潔に説明する。キャパシタ電極の両端に電位が感知されると、電子は負極上に蓄積し始め、次に、電子を正極から実質的に押し出し、これによりこの電極を正に帯電させたままにする。これが、キャパシタ電極の両端のVが成長し始めるときである。したがって、すべての電子流が停止する(図1では点A)と最大Vがキャパシタの両端子間で測定される。
破壊的かつ高価な試験放電に訴えることなく電池の健康状態を判断する初期の試みは不十分であった。この技術により、小さな正弦波電気的励起電圧が電池の両端子間に印加され、その結果の応答電流の位相差Δθが測定される。この方法の明らかな利点は、クリティカル電池バックアップをオフラインにすることなく本方法を使用することができ、極めて速い試験であることである。SoH判断のこの方法が精密であれば、電池パックを動作停止にする必要性を無くし、上に論じられたその結果の運用制約を無くすだろう。位相差Δθは、電池の内部インピーダンス(ZINT)に相関付けられ、したがってエネルギーの流れに対する電池の抵抗の間接的な測度である。これを電池の健康状態に関係付けることができる。この技術を更に詳しく調べるために、使用される液式鉛酸電池の典型的かつ一般に認められたモデルを図2に描写する。ここで、
Rm=金属性抵抗(ポスト、合金、格子、格子ペースト)
Rel=電気化学的抵抗(ペースト、分離剤、電解質)。
電池が老化すると、利用可能な活性物質(エネルギー容量Ahr)は減少し、硫酸鉛と他の三元性化合物は結晶化して不要な結合を形成する。これにより、非再充電可能集合体(non−rechargeable mass)を電極ペースト上、周囲、およびその内部に形成させ、電荷受容性は低下し、繰り返し効率は低下し、電力密度は低下し、最終的に電池はその目的とする機能を果たすことができない。図2の構成要素のそれぞれは、異なるやり方で電池老化現象により影響を受け、それらの寄与のそれぞれは異なるやり方で電池の複素インピーダンス(ZINT)に影響を与えることになる。これは、特定周波数(ωe)におけるVとI間の測定された位相角(θe)の差で現れることになる。上式1において、Rm、Rel、Cb、ωeはすべて、電気的励起信号に対する複素インピーダンス応答に影響を与えるということは明白である。
通常、Rmのすべての構成要素であるRpost、Ralloy、Rgridは電池老化によりそれほど影響を受けない。しかし下記構成要素は影響を受ける。
鉛酸電池の最初の数サイクル中、格子とペースト間の結合はより強くなる傾向があり、その後結合は崩壊する傾向がある。したがって、その結果の位相角(θe)へのこの構成要素の寄与は寿命初期には位相角(θe)を一方向に向かわせ、次に、電池が老化するにつれて他方向に向かわせ、このタイプの測定技術の変動性をさらに増加させる。
通常、すべてRmの構成要素であるRpost、Ralloy、Rgrid、RgridpastとRelの構成要素であるRsepとは電池のSoCによりそれほど影響を受けない。下記構成要素は影響を受ける。
通常、Relの構成要素であるRSepは温度敏感であり得るが、通常、対象温度範囲を越えないので、最も実際的な状況では、この構成要素はその結果の位相角(θe)に最小限の影響を及ぼすことになる。Cbに対する温度の寄与の効果は、下記効果と比較して最小である。下記構成要素は温度により悪影響を受ける。
通常、電池のすべての構成要素はその設計/製造公差およびプロセスにより悪影響を受ける。しかし、いくつかのものは他のものほど大きくない。
SoHは様々な意味を有し、しばしば誤解される。真のSoH測定は、電池が要請されると使用可能電気的エネルギー(Ahr)への変換のために利用可能な化学ポテンシャルエネルギー(ジュール)のより良い理解をユーザに与えるはずである。利用される測定技術が、SoC、温度および電池設計、製造公差および/またはプロセスなどの要因により影響を受けると(単一周波数励起技術がそうであるように)、ユーザは電池パックを交換すべきか否かの判断をなすための正しい情報を提示されないだろう。この不確実性は控えめに言っても高くつく。これが、なぜユーティリティ会社が今日まで、高価で、制約的で、かつ時間がかかる定期的試験放電に依然として依存するかの理由である。
の試み
単一周波数測定法の欠点に対する自然の反応として、2つの電気的励起周波数
をそれぞれ使用する試みがなされた。ここでの目標は、2つの異なる電気的励起周波数により電池を励起する(時間的に近接して)ことにより、非関連要因により導入される変動のいくつかを解消することにより、追加の電気化学的健康情報を抽出することであった。しかし、この方法も不十分であった。以下の関係がこの概念を説明する。
がある。電池は異なる電気的励起周波数により励起され、それぞれに対するその結果の複素内部インピーダンス応答が異なるので、電池は異なるやり方で応答する。電池の複素内部インピーダンス(ZINT)を構成する構成要素のいくつかは、励起される様々な周波数に対し異なる抵抗を提示する。Rm(金属性抵抗、電子)を構成する構成要素は、対象周波数において余り周波数敏感ではない。しかしRel(電気化学的抵抗、イオン)を構成する構成要素はすべての周波数において敏感である。加えて、図1の容量性構成要素と、電池の複素インピーダンス応答へのその寄与もまた周波数敏感である。したがって、式4のZINTの2つの式
は異なる励起周波数ω1とω2に対して異なる応答をそれぞれ有するということが明らかである。しかし、単一周波数方法に伴う主問題は複素インピーダンス応答、およびその結果の位相角が年令、SoC、温度と様々な設計、製造公差および/またはプロセスに非常に依存するということであったことを想起されたい。従って、この手法が有効となりこの電子電池SoH測定技術に信頼を与えるためには、測定結果がセルの年令を真に示すようにこれらの依存性のすべてを無くす必要があるであろう。
と
の差を取り、電池の内部に対するさらなる洞察を提供し、電池の真のSoHを判断することを支援する。この二周波数手法は単一周波数手法よりはるかに優れていると考えるかもしれないが、そうでないことを示すことが本開示の意図である。時間的に近接した2つの電気的励起周波数を単に使用することだけでは、この測定方法を業界において受け入れ可能にするには十分ではない。この概念の他の様々な変形、例えば、広範囲の周波数を走査しいくつかのその結果の応答を測定する(電気的励起タイプのすべてについて)ことが探求された。これらの試みは長所を有するが、また制限され、これらの試みもまた、応答において、これらの測定もまた信頼できないものにするいくつかの変動を有する。走査を加えることは必要な電子機器を著しく複雑にし、その費用を著しく増す。ユーティリティまたはエンドユーザは電池自体より電池監視システムに多く金を支払わないということに留意しなければならない。これはあまりビジネス的に意味をなさないであろう。電池が疑わしい場合はなぜ電池を単に交換しないのか。したがって、目標は、必要な電子機器を複雑化すること無くかつ費用を増加すること無く変動を無くすことである。
と
両方の値が位相差Δθeに影響を与えることは明らかである。このことは、2つの同一電池が試験され、他のすべてのパラメータが等しいままであり、2つの異なるやり方で供給されるEIS装置を使用すれば、2つの異なるΔθeを得ることを意味する。これは、装置製造業者がかれらのシステムにより見られる位相差応答に基づき何が実際のSoHであるかの自身の結論を導き出すので、エンドユーザには見えない。本当の目標は、電気化学的電池の真の健康状態を得るためにSoHの測定の変動性を低減することだったが、今や我々は変動のレベルをさらに増長した(2つの電気的励起周波数のEIS機器供給者の選択)。したがって、我々は単一励起技術の変動性の一部を削除したが、強化された測定技術に基づきある変動性を追加した。したがって、これは、あるべきより姿より大きな図4の緑の陰影領域を維持する傾向がある。その結果、あるEISベンダーは彼らのシステムが周波数選択に基づき優れていると言うかもしれないが、我々が開示したように、この電気測定法を使用するすべてのEIS装置がRelによりもたらされる変動を受けるということに驚かない。にもかかわらず、変動は周波数選択によっては小さくなるかもしれないがが、この差はせいぜいわずかである。市場に出回っている「真の」性能識別器は言語道断である!
示したように、単一および二電気的励起周波数手法はそれらの利点と欠点の両方を有する。EIS技術/技術群の進化は、複雑さと費用の点で増大したが、性能(すなわちSoHを精密に測定するその能力)はそれに比例して成長してはいない。電池の実際のSoHを判断するためのさらに精密な方法があることがここに開示される。本方法の背後にある原理は、米国特許第7,592,094号明細書に開示されるように機械的励起周波数ωmを導入することである。この従来技術は、エネルギー蓄積装置への機械的励起周波数ωmの導入が装置をさらに効率的に動作させ蓄積装置の劣化をほぼ最小化する、ということを実証している。本開示は、機械的励起が電池の真のSoH(その年齢)を精密に判断する能力を追加的に有することができるという利点に焦点を当てる。これは、エネルギー蓄積市場における機械的励起の利用の価値を高める。機械的励起が提供する性能とサイクル寿命の改善をユーティリティが活用すればこの新規でかつ巧みなSoH判断方法を活用することは商業的に意味をなすということを意味する。性能および寿命改善のための機械的励起と良好かつ精密なSoH測定技術の両方の組み合わせは、今日のエネルギー蓄積の様相を一変させることになる。
1.RPaste、RSep、Relectrolyte、Cbは老化に対して敏感であり、したがってその結果のΔθeに変動性を加える。
2.RpasteとRelectrolyteは温度に対して敏感で、したがってその結果であるΔθeに変動性を加える。
a.先に論述されたように、RSepは、温度に対して敏感である可能性があるが、通常、最も実際的な状況では、対象温度範囲内ではない。
3.Reletrolyte、RPaste、CbはSoCに対して敏感で、したがってその結果のΔθeに変動性を加える。
4.RPaste、RSep、Relectrolyte、Cbは電池材料と製造公差および/またはプロセスに対して敏感であり、したがってその結果のΔθeに変動性を加える。
式6は、式7に示されるものと同様な制約条件を使用することにより操作し変形することができる。EIS機器供給者により数十年の使用にわたって学習され適用されてきた電気的励起周波数選択に関する他の制約条件が存在し、これらもまたこの開示された測定技術の実施中に考慮されるべきであるということに留意すべきである。機械的励起周波数選択は、本開示の後で説明される電気化学的制約条件(すなわち化学反応と電池化学)に依存する。式6のZINT式は電池の複素内部インピーダンスを表し、電気的および機械的励起周波数へのその依存性を示す。下記式8と9は、電池の内部インピーダンス(ZINT)の極形式を表し、例示的目的のために使用される。下記式8と9は、「その結果のZINTの大きさとVとI間のその結果の位相シフトθeは、単一電気的周波数測定を行いながら機械的励起ωmが印加される場合には異なる」ことを示す。位相シフトθe(式8)は電気的励起の結果であり、機械的励起ωm(式9)に依存する。機械的励起有りと無しの位相シフトθeの差異は上式6内のRelとCbの寄与による。
単一電気的周波数技術の変動性は機械的励起周波数を印加することにより削除されたので、電池の真のSoHの簡単かつ単刀直入な測定が今や可能である。しかし、本開示に基づき様々なアルゴリズムおよび予測モデルを採用できるということを理解すべきである。これらの他のモデリングアルゴリズムおよび予測方法を配備可能にする大前提は、機械的励起エネルギーの印加が電気化学的エネルギー蓄積および/またはエネルギー変換装置の真の電気化学的健康状態に関する追加情報を提供しているということである。この測度は、電池の真の電気化学的健康状態を示し、電池ユーザに電池の健康状態、その年齢に関する信頼できる確実な情報を与えることになる。電池が適切な機械的励起エネルギーの影響下にある間に戻される位相角Δθeの唯一の変化は、老化現象に敏感な電池構成要素によることになる。電池が老化するにつれ、これらの電池構成要素は、印加された機械的エネルギーの影響に対してますます敏感でなくなり、この機械的励起に基づく電気的位相変化はますます顕著でなくなる(すなわち、Δθe(ωe)−Δθe(ωm)→0)。本質的に、図5の緑の陰影領域(水平軸の上の)は、電池が老化現象に晒さらされるにつれてますます大きくなる(Δθe(ωm)→Δθe(ωe))。機械的励起(ωm)が印加されたときのこの位相角変化Δθe(ωm)の大きさは電池構成要素、RPaste、RSep、Relectrolyte、Cbの寄与にだけ依存する。これらの構成要素が老化するにつれ、機械的エネルギー(ωm)はこの電気的位相変化Δθe(ωm)に対するそれらの寄与にそれほど明白な影響を与えなく、これは電気化学的電池の健康状態が低下しつつあるという指標になる。機械的励起(ωm)が印加されている間のΔθe(ωm)の測定結果は、将来の測定がすべて比較される基準となる。電池の寿命内のある将来時刻において、機械的励起(ωm)が印加されている間に測定されたΔθe(ωm)が以前の測定結果未満であれば、この差異は電池老化だけによる。最終的に、電池がひどく老化したまたは寿命末期近くの場合、機械的励起エネルギーは電気的位相角θeを変化させなく(すなわち、これらの2つの位相差間の差Δθe(ωe)−Δθe(ωm)→0)、したがって電池パックおよび/またはセルを交換すべきである。
Claims (16)
- 電気化学的エネルギー装置の健康状態を試験する方法において、
所定の電気的励起周波数ωeにおいて前記エネルギー装置に電気的励起を印加するステップと、
所定の機械的励起周波数ωmにおいて前記エネルギー装置に機械的励起を印加するステップと、
前記電気的励起を印加することにより前記エネルギー装置内の電圧(V)と電流(I)との間の電気的に誘起された位相差Δθe(ωe)を測定するステップと、
前記機械的励起を印加することにより前記エネルギー装置内の電圧(V)と電流(I)との間の機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)を測定するステップと、
前記電気的に誘起された位相差Δθe(ωe)と前記機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)とを比較することにより前記エネルギー装置の前記健康状態を推定するステップとを含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記電気的に誘起された位相差Δθe (ω e )と前記機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)との差Δθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)を取るステップと、
前記差を前記健康状態を推定するための基準として利用するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、
寿命末期をΔθ=0°とした場合に、Δθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)の大きさを判断することにより前記エネルギー装置の前記健康状態を推定するステップをさらに含み、
より良好な健康状態は前記大きさがより大きいことから推定され、より悪い健康状態はは前記大きさがより小さいことから推定される、ことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、前記エネルギー装置は、Δθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)→0°であることを判断することによりその寿命末期に近づいていることを推定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、
基準時間において、前記エネルギー装置の電流と電圧との間の基準時間位相差Δθe(ωe)とΔθe(ωm)を判断するステップと、
その後、前記エネルギー装置の電流と電圧との間のその後の位相差Δθe(ωe)とΔθe(ωm)を判断するステップと、
前記その後のΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )と前記基準時間でのΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )とを比較することにより前記健康状態を推定するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法において、前記その後のΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )が前記基準時間でのΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )からどれだけ減少したかを判断することにより、前記健康状態を推定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項6に記載の方法において、前記減少にほぼ比例して前記健康状態の低下の大きさを推定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 電気化学的エネルギー装置の健康状態を試験するための装置であって、
所定の電気的励起周波数ωeにおいて前記エネルギー装置に電気的励起を印加するための電気的励起源と、
所定の機械的励起周波数ωmにおいて前記エネルギー装置に機械的励起を印加するための機械的励起源と、
前記電気的励起を印加することにより、前記エネルギー装置における電圧(V)と電流(I)との間の電気的に誘起された位相差Δθe(ωe)を測定するための測定装置と、
前記機械的励起を印加することにより前記エネルギー装置における電圧(V)と電流(I)との間の機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)をさらに測定するための前記測定装置、を含むことを特徴とする試験装置において、
前記エネルギー装置の前記健康状態は、前記電気的に誘起された位相差Δθe(ωe)と前記機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)とを比較することにより推定されることを特徴とする装置。 - 請求項9に記載の装置において、前記エネルギー装置の前記健康状態は、前記電気的に誘起された位相差Δθe (ω e )と前記機械的に誘起された位相差Δθe(ωm)との差Δθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)を取ることにより推定されることを特徴とする装置。
- 請求項10に記載の装置において、
前記エネルギー装置の前記健康状態は寿命末期をΔθ=0°とした場合にΔθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)の大きさを判断することにより推定され、
より良好な健康状態は前記大きさがより大きいことから推定され、より悪い健康状態はは前記大きさがより小さいことから推定されることを特徴とする装置。 - 請求項10に記載の装置において、前記エネルギー装置がその寿命末期に近づいていることは、Δθ=Δθe(ωe)−Δθe(ωm)→0°であることを判断することにより推定されることを特徴とする装置。
- 請求項9に記載の装置において、
前記エネルギー装置の電流と電圧との間の基準時間位相差Δθe(ωe)とΔθe(ωm)は基準時間において判断され、
前記エネルギー装置の電流と電圧との間のその後の位相差Δθe(ωe)とΔθe(ωm)はその後判断され、
前記基準時間でのΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )は前記健康状態を推定するために前記その後のΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )と比較されることを特徴とする装置。 - 請求項13に記載の装置において、前記健康状態は、前記その後のΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )が前記基準時間でのΔθ e (ω e )−Δθ e (ω m )からどれだけ減少したかを判断することにより推定されることを特徴とする装置。
- 請求項14に記載の装置において、前記健康状態の低下の大きさは前記減少にほぼ比例して推定されることを特徴とする装置。
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