JP6156216B2 - Full charge capacity estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、充放電に伴い小さくなる電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置に関する。 The present invention relates to a full charge capacity estimation device that estimates the full charge capacity of a battery that decreases with charge and discharge.
電池は、充放電の繰り返しに伴い劣化し、完全放電した電池を完全に充電するまでに充電できる容量である満充電容量は減少する。そのため、電池の劣化状態を把握するためには、満充電容量を高精度に推定する必要がある。 The battery deteriorates with repeated charging and discharging, and the full charge capacity, which is the capacity that can be charged before the fully discharged battery is fully charged, decreases. Therefore, in order to grasp the deterioration state of the battery, it is necessary to estimate the full charge capacity with high accuracy.
特許文献1では、第1の無負荷電圧(OCV:Open Circuit Voltage)から第1のSOC(State of Charge)を判定するとともに、第2のOCVから第2のSOCを判定している。さらに、第1の無負荷タイミングと第2の無負荷タイミングとの間において、充放電電流の積算値から電池の容量変化値を算出している。そして、特許文献1では、容量変化値を第1のSOCと第2のSOCとの差で除して、満充電容量を算出している。
In
電池の中には、オリビン系電池のように、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域を有する電池がある。このような電池では、満充電又は完全放電近くまで充放電を行わないと、OCVとSOCとの相関から複数のSOCを決定することが困難であり、特許文献1のようにSOCの変化率から満充電容量を算出することは困難である。 Among batteries, there is a battery having a region where the amount of change in OCV with respect to SOC is small, such as an olivine battery. In such a battery, it is difficult to determine a plurality of SOCs from the correlation between OCV and SOC unless charging and discharging are performed to near full charge or complete discharge. It is difficult to calculate the full charge capacity.
本発明は、上記実情に鑑み、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域を有する電池であっても、電池の満充電容量を推定することが可能な満充電容量推定装置を提供することを主たる目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention mainly aims to provide a full charge capacity estimation device capable of estimating the full charge capacity of a battery even in a battery having a region where the amount of change in OCV relative to the SOC is small. And
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、リチウム二次電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置であって、前記電池の充電時に、逐次測定された前記電池の電圧から算出された前記電圧の時間変化率に基づいて、所定時刻における前記電池の残存容量を推定する残存容量推定手段と、前記電池の充電時に、前記所定時刻における前記電池の充電可能容量を推定する可能容量推定手段と、前記残存容量推定手段により推定された前記残存容量と、前記可能容量推定手段により推定された前記充電可能容量とから、前記所定時刻における満充電容量を推定する満充電容量推定手段と、を備え、前記可能容量推定手段は、前記電池の充電時に、逐次測定された前記電池の電圧に基づいて、前記充電可能容量を推定する。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
本発明によれば、電池の充電時に、算出された電池電圧の時間変化率に基づいて、所定時刻における残存容量が推定される。ここで、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域において充電をする場合でも、充電中にリチウム二次電池に電流が流れると、電池電圧は、充電開始時の充電可能容量によって充電中に異なる時間変化をする。よって、充電時に逐次測定された電池電圧に基づいて、充電可能容量を推定することができる。そして、推定された残存容量と充電可能容量とから、所定時刻における満充電容量が推定される。 According to the present invention, when the battery is charged, the remaining capacity at a predetermined time is estimated based on the calculated time change rate of the battery voltage. Here, even when charging is performed in a region where the amount of change in OCV with respect to SOC is small, if a current flows through the lithium secondary battery during charging, the battery voltage varies with time during charging depending on the chargeable capacity at the start of charging. do. Therefore, the chargeable capacity can be estimated based on the battery voltage sequentially measured during charging. Then, the full charge capacity at a predetermined time is estimated from the estimated remaining capacity and chargeable capacity.
したがって、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域を有する電池であっても、充電中に残存容量及び充電可能容量を推定して、電池の満充電容量を高精度に推定することができる。 Therefore, even for a battery having a region where the amount of change in OCV relative to the SOC is small, the remaining capacity and the chargeable capacity can be estimated during charging, and the full charge capacity of the battery can be estimated with high accuracy.
以下、満充電容量推定装置を具現化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、本実施形態に係る電池制御装置(満充電容量推定装置)の構成を、図1を参照して説明する。本実施形態では、電池制御装置100は組電池400の満充電容量を推定する。
Hereinafter, an embodiment in which a full charge capacity estimation device is embodied will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the battery control device (full charge capacity estimation device) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the
組電池400は、電池セル40が互いに直列に接続されて構成されている。各電池セル40は、リチウム二次電池である。本実施形態では、各電池セル40は、正極の活物質がオリビン構造を有するリチウム金属リン酸塩の少なくとも1つを含む、オリビン系リチウムイオン二次電池である。リチウム金属リン酸塩としては、例えば、LiMnPO4,LiFePO4,LiCoPO4,LiNiPO4が挙げられる。また、負極の活物質は特に限定されないが、例えば、黒鉛、コークス等の炭素系材料、リチウム金属、チタン酸化物等である。
The assembled
電流センサ41は、各電池セル40を流れる電流を逐次測定する。また、電圧センサ42は、各電池セル40の端子間電圧を逐次測定する。電流センサ41及び電圧センサ42により測定された電流値及び電圧値は、電池制御装置100へ送信される。
The
電池制御装置100は、CPU、ROM、RAM及びI/O等を備えるコンピュータである。電池制御装置100は、測定された電流値及び電圧値を用いて、放電できる容量の絶対量である残存容量、充電可能容量、及び満充電容量を推定するとともに、推定した満充電容量を用いて組電池400の充放電を制御する。なお、以下では、放電できる容量の絶対量を残存容量(Ah)といい、満充電容量に対する残存容量の割合をSOC(%)という。
The
電池制御装置100は、CPUがROM等に記憶されているプログラムを実行することにより、残存容量推定手段10、充電可能容量推定手段20、及び満充電容量推定手段30の各手段を実現する。
In the
図2に、電池セル40の正極及び負極の電位に対する電池セル40の容量の特性を示す。電池セル40の容量は、正極活物質及び負極活物質それぞれの平均リチウム濃度に対応する。容量が大きくほど、正極活物質の平均リチウム濃度は低くなり、負極活物質の平均リチウム濃度は高くなる。正極の電位と負極の電位との差は、電池セル40のOCVとなる。ハッチング部分は、電池セル40の充放電に利用できない容量を表す。
FIG. 2 shows the characteristics of the capacity of the
電池セル40は、初回充電時前は、製造時の正極及び負極のリチウム濃度から満充電容量Ca(Ah)が決まる(図2(a)参照)。そして、初めて電池セル40の充電を行うと、負極での不活性領域(Solid Electrolyte Interface)の形成にリチウムが消費され、正極の電位に対する容量の特性が、負極の特性に対して不活性領域の容量X1(Ah)分ずれる。これにより、満充電容量は、不活性領域の容量X1(Ah)分減少して、Ca−X1(Ah)になる(図2(b)参照)。
In the
さらに、充電を繰り返すと、不活性領域の容量は増大してX2(Ah)となり、負極の特性に対する正極の特性のずれ量も増大し、満充電容量はCa−X2(Ah)となる。すなわち、電池セル40は、充放電を繰り返す中で劣化が進み、満充電容量は次第に小さくなる。よって、電池セル40の満充電容量は、電池セル40の劣化状態を表す。
Further, when charging is repeated, the capacity of the inactive region increases to X2 (Ah), the amount of deviation of the positive electrode characteristic from the negative electrode characteristic also increases, and the full charge capacity becomes Ca-X2 (Ah). That is, the
電池制御装置100は、電池セル40の劣化状態に応じて、電池セル40の使用制限等を行うため、電池セル40の劣化状態を把握する必要がある。そこで、電池制御装置100は、残存容量推定手段10、充電可能容量推定手段20、及び満充電容量推定手段30により、電池セル40の満充電容量を推定する。
The
図3に示すように、現在の位置(所定時刻)の満充電容量は、現在の位置で放電できる容量の残存容量(図3の容量A1)と、現在の位置で充電できる充電可能容量(図3の容量A2)とを合わせた容量となる。ここで、残存容量が同じ状態でも、劣化前の電池セル40の充電可能容量に比べて、劣化後の電池セル40の充電可能容量は小さくなっている。充電可能容量は、現在の位置における正極活物質内の平均リチウム濃度に対応する。
As shown in FIG. 3, the full charge capacity at the current position (predetermined time) includes the remaining capacity that can be discharged at the current position (capacity A1 in FIG. 3) and the chargeable capacity that can be charged at the current position (FIG. 3). 3 capacity A2). Here, even when the remaining capacity is the same, the chargeable capacity of the
正極活物質内の平均リチウム濃度は、正極から負極へ移動可能なリチウムの濃度である。残存容量が同じ状態でも、劣化後の電池セル40における正極活物質内の平均リチウム濃度αは、不活性領域の形成でリチウムが消費されているため、劣化前の電池セル40における正極活物質内の平均リチウム濃度βよりも低くなる。それゆえ、残存容量が同じ状態でも、劣化後の電池セル40の充電可能容量は、劣化後の電池セル40の充電可能容量よりも小さくなる。
The average lithium concentration in the positive electrode active material is the concentration of lithium that can move from the positive electrode to the negative electrode. Even if the remaining capacity is the same, the average lithium concentration α in the positive electrode active material in the
残存容量推定手段10は、電池セル40の充電時に、逐次測定された電池電圧から算出された電池電圧の時間変化率に基づいて、所定時刻における電池セル40の残存容量を推定する。残存容量の推定方法の詳細は後で述べる。また、充電可能容量推定手段20は、算出手段21、更新手段22、及び換算手段23を備え、電池セル40の充電時に、逐次測定された電池電圧に基づいて、所定時刻における充電可能容量を推定する。充電可能容量の推定方法の詳細は後で述べる。満充電容量推定手段30は、所定時刻における残存容量と、所定時刻における充電可能容量とを足し合わせて、所定時刻における満充電容量を算出する。
The remaining capacity estimating means 10 estimates the remaining capacity of the
<残存容量推定>
次に、残存容量推定手段10による残存容量の推定方法について説明する。図4に示すように、電池セル40が劣化すると、電池電圧に対する残存容量の充電特性において、電池電圧が急激に上昇する急峻領域が、残存容量が小さくなる側に平行に移動する。そして、図4において四角で囲まれた領域、すなわち電池電圧が急激に上昇する急峻領域よりも残存容量が小さい側では、電池電圧に対する残存容量の充電特性は変化しない。
<Residual capacity estimation>
Next, a method for estimating the remaining capacity by the remaining capacity estimating means 10 will be described. As shown in FIG. 4, when the
これは、図3で示したように、電池セル40が劣化している場合は、劣化する前よりも、正極電位に対する容量の特性が、負極電位に対する容量の特定に対して、容量が小さくなる側にずれるためである。
As shown in FIG. 3, when the
電池セル40は、充電特性の電池電圧の変化量が所定量よりも小さい平坦な領域において充電される際に、電池電圧の時間変化率ΔVが変動する特性を有する。上記平坦な領域には、この電池電圧の時間変化率ΔVが第2閾値を超える範囲が少なくとも1つ存在する。この範囲は、電池セル40の劣化によっても変動しない電池セル40固有の範囲である。図5に示すように、充電開始時の残存容量によって、電池電圧の時間変化率ΔVが第2閾値よりも大きくなるまでの時間は異なる。本実施形態では、予め第2閾値に規定の残存容量を対応付けておく。
When the
残存容量推定手段10は、電池セル40の充電時に、逐次測定された電池電圧から算出された電圧の時間変化率ΔVに基づいて、所定時刻における電池セル40の残存容量を推定する。なお、逐次測定される電圧は、閉回路電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)である。
The remaining capacity estimating means 10 estimates the remaining capacity of the
詳しくは、残存容量推定手段10は、測定されたCCVの時間変化率ΔVが、第2閾値よりも大きくなった時点で、第2閾値と対応する残存容量を、所定時刻における残存容量と推定する(特開2012−173048号公報参照)。 Specifically, the remaining capacity estimation means 10 estimates the remaining capacity corresponding to the second threshold as the remaining capacity at a predetermined time when the time change rate ΔV of the measured CCV becomes larger than the second threshold. (See JP2012-173048).
<充電可能容量推定>
次に、充電可能容量推定手段20による充電可能容量の推定方法について説明する。図6(a)に示すように、電池セル40に電流が流れていない充電前は、正極活物質のリチウム濃度は均一に分布している。そのため、正極活物質内の平均リチウム濃度と正極活物質の表面における表面リチウム濃度は等しい。
<Estimated chargeable capacity>
Next, a method for estimating the chargeable capacity by the chargeable capacity estimation means 20 will be described. As shown in FIG. 6A, the lithium concentration of the positive electrode active material is uniformly distributed before charging when no current flows through the
一方、図6(b)に示すように、充電時に電池セル40へ電流を流すと、正極活物質から負極活物質へリチウムイオンが移動する。電池反応は正極活物質の表面から起こるため、充電中に正極活物質の表面リチウム濃度は急激に減少する。これに対して、充電直後の正極活物質内の平均リチウム濃度は緩やかに変化する。すなわち、充電時に、充電可能容量がほとんど減少しなくても、表面リチウム濃度は大きく変化する。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, when a current is passed through the
電池セル40の正極活物質の表面リチウム濃度と正極の表面電位との関係は、図3に示す、正極活物質の平均リチウム濃度と正極の電位との関係と同様になる。また、電池セル40の負極活物質の表面リチウム濃度と負極の表面電位との関係も、図3に示す、負極活物質の平均リチウム濃度と負極の電位との関係と同様になる。正極の表面電位と負極の表面電位との差は、充電時の電池セル40のCCVとなる。
The relationship between the surface lithium concentration of the positive electrode active material of the
電池セル40が劣化している場合は、劣化する前よりも、正極電位に対する容量の特性が、容量が小さくなる側にずれる。そのため、正極側では、充電中に、劣化している電池セル40は、劣化していない電池セル40よりも、正極電位が急激に大きくなる急峻な領域に早く移行する。一方、負極側では、充電中に、劣化している電池セル40も劣化していない電池セル40も、負極電位に対する容量の特性が平坦な領域を移行する。
When the
そのため、充電時の正極活物質の表面リチウム濃度の変化は、充電時の電池セル40のCCVの変化として表れる。したがって、電池セル40に電流を流すことにより、充電状態をほとんど変化させることなく、電池セル40のCCVを変化させることができる。そして、現在の位置における正極活物質の平均リチウム濃度によって、充電時における電池セル40のCCVは異なる時間変化をする。そのため、充電時における電池セル40のCCVの時間変化に基づいて、現在の位置における正極活物質の平均リチウム濃度を推定できる。
Therefore, a change in the surface lithium concentration of the positive electrode active material during charging appears as a change in the CCV of the
図7に、現在の位置における正極活物質の平均リチウム濃度をα及びβ(α<β)とし、現在の位置から充電を行った場合のCCVの計算値の時間変化を、それぞれ破線と一点鎖線で示す。また、現在の位置から充電を行った場合のCCVの実測値の時間変化を実線で示す。 In FIG. 7, the average lithium concentration of the positive electrode active material at the current position is α and β (α <β), and the time variation of the calculated value of CCV when charging is performed from the current position is shown by a broken line and a one-dot chain line, respectively. It shows with. Moreover, the time change of the measured value of CCV at the time of charging from the present position is shown by a solid line.
充電を開始してから約2秒の間は、平均リチウム濃度α及びβのどちらのCCVも、表面リチウム濃度に対する正極電位の特性の平坦な領域に存在するため、CCVの差はほとんどない。充電を開始してから約2秒以降では、平均リチウム濃度αのCCVが、表面リチウム濃度に対する正極電位の特性の急峻な領域に移行するため、2つのCCVの差は広がる。この場合、CCVの実測値は、平均リチウム濃度をαとしたCCVの計算値の時間変化と一致するので、現在の位置における正極活物質の平均リチウム濃度はαと推定できる。 For about 2 seconds after the start of charging, both CCVs having the average lithium concentrations α and β are present in a flat region of the characteristics of the positive electrode potential with respect to the surface lithium concentration, so there is almost no difference in CCV. After about 2 seconds from the start of charging, the CCV with an average lithium concentration α shifts to a region where the characteristics of the positive electrode potential with respect to the surface lithium concentration are steep, so the difference between the two CCVs widens. In this case, since the measured value of CCV coincides with the time change of the calculated value of CCV where the average lithium concentration is α, the average lithium concentration of the positive electrode active material at the current position can be estimated as α.
本実施形態では、充電可能容量推定手段20は、現在の位置における平均リチウム濃度の初期値を設定し、充電時に逐次測定した電池セル40のCCV及び電池セル40を流れる電流と、電池反応モデルとを用いて、初期値を真の平均リチウム濃度に補正する。
In the present embodiment, the chargeable capacity estimation means 20 sets an initial value of the average lithium concentration at the current position, the CCV of the
詳しくは、算出手段21は、初期値として正極活物質内の平均リチウム濃度を設定し、平均リチウム濃度、逐次測定された電流、及び電池反応モデルから、正極活物質表面の表面リチウム濃度を逐次算出する。さらに、算出手段21は、逐次算出した表面リチウム濃度から、逐次CCVを算出する。 Specifically, the calculation means 21 sets the average lithium concentration in the positive electrode active material as an initial value, and sequentially calculates the surface lithium concentration on the surface of the positive electrode active material from the average lithium concentration, the sequentially measured current, and the battery reaction model. To do. Furthermore, the calculation means 21 calculates CCV sequentially from the surface lithium concentration calculated sequentially.
更新手段22は、算出手段21により逐次算出されたCCVと、その時点で測定されたCCVとの差分が小さくなるように、平均リチウム濃度を逐次更新し、推定されたCCVと測定されたCCVとの差分を第1閾値よりも小さくする。
The updating
換算手段23は、CCVの差分が第1閾値よりも小さくなった時点で、更新手段22により更新された平均リチウム濃度(mol/m3)を、充電可能容量(Ah)に換算する。充電中に平均リチウム濃度は急激に変化しないが多少は変化する。そこで、換算手段23は、CCVの差分が第1閾値よりも小さくなった時点で、更新手段22により更新された平均リチウム濃度を、現在の位置における平均リチウム濃度に補正した後、充電可能容量に換算するとよい。 The conversion means 23 converts the average lithium concentration (mol / m 3) updated by the update means 22 into a chargeable capacity (Ah) when the CCV difference becomes smaller than the first threshold. During charging, the average lithium concentration does not change rapidly but changes somewhat. Therefore, the conversion means 23 corrects the average lithium concentration updated by the update means 22 to the average lithium concentration at the current position when the CCV difference becomes smaller than the first threshold value, and then converts the average lithium concentration to the chargeable capacity. It is good to convert.
例えば、図7において、平均リチウム濃度の初期値をβとした場合、充電開始から数秒(2秒以上)経過した第1時点において、初期値β、第1時点で測定された電流、及び電池反応モデルから、その時点の表面リチウム濃度及びCCVを推定する。推定したCCVとその時点において測定されたCCVとを比較する。初期値βと真の平均リチウム濃度とが等しい場合は、第1時点において推定したCCVと測定したCCVとは等しくなる。しかしながら、真の平均リチウム濃度がαの場合、第1時点において推定したCCVは測定したCCVよりも小さい。 For example, in FIG. 7, when the initial value of the average lithium concentration is β, the initial value β, the current measured at the first time, and the battery reaction at the first time after several seconds (2 seconds or more) have elapsed from the start of charging. From the model, the current surface lithium concentration and CCV are estimated. The estimated CCV is compared with the CCV measured at that time. When the initial value β is equal to the true average lithium concentration, the CCV estimated at the first time point is equal to the measured CCV. However, when the true average lithium concentration is α, the CCV estimated at the first time point is smaller than the measured CCV.
この場合、推定したCCVを測定したCCVに近づけるように、すなわち推定したCCVが大きくなるように、初期値βを減少させた値に更新する。そして、更新後の平均リチウム濃度、第1時点以降の第2時点において測定された電流、及び電池反応モデルから、第2時点の表面リチウム濃度及びCCVを推定し、推定したCCVと測定したCCVとを再度比較する。これを繰り返して、推定したCCVと測定したCCVとの差が第1閾値よりも小さくなるようにする。さらに、CCVの差が第1閾値よりも小さくなった時点で、更新された平均リチウム濃度を、現在の位置の平均リチウム濃度に補正した後、充電可能容量に換算する。このように、充電時のCCVの挙動に基づいて、現在の位置の充電可能容量を推定できる。 In this case, the initial value β is updated to a value that decreases so that the estimated CCV approaches the measured CCV, that is, the estimated CCV increases. Then, from the updated average lithium concentration, the current measured at the second time after the first time, and the battery reaction model, the surface lithium concentration and CCV at the second time are estimated, and the estimated CCV and the measured CCV Compare again. This is repeated so that the difference between the estimated CCV and the measured CCV is smaller than the first threshold value. Furthermore, when the CCV difference becomes smaller than the first threshold, the updated average lithium concentration is corrected to the average lithium concentration at the current position, and then converted into a chargeable capacity. Thus, the chargeable capacity at the current position can be estimated based on the behavior of CCV during charging.
次に、図8を参照して、電池反応モデルの一例について簡単に説明する。図8(a)に、電池セル40の内部構成の概略を示す。電池セル40は、正極と、セパレータと、負極とを含む。セパレータは、正極と負極との間に設けられた樹脂に電解液を浸透させて構成される。正極及び負極のそれぞれは、球状の活物質の集合体で構成される。正極活物質の界面上では、放電時にはリチウムイオン及び電子を吸収する化学反応が行われ、充電時にはリチウムイオン及び電子を放出する化学反応が行われる。一方、負極活物質の界面上では、放電時にはリチウムイオン及び電子を放出する化学反応が行われ、充電時にはリチウムイオン及び電子を吸収する化学反応が行われる。セパレータを介したリチウムイオンの授受によって、充電電流又は放電電流が生じる。
Next, an example of a battery reaction model will be briefly described with reference to FIG. FIG. 8A shows an outline of the internal configuration of the
図8(b)に、実際に電池セル40内部の挙動を計算するために用いる電池反応モデルを示す。この電池反応モデルでは、演算負荷軽減のため、正極及び負極を、それぞれ活物質の集合体を平均した特性を有する単一の球状活物質で表現している。図8(c)に、液相、固相、固相と液相間におけるそれぞれの支配方程式、及び電池セル40の電圧と電流との関係式を示す。図8(d)に、図8(c)の各方程式で用いられる変数及び定数の一覧を示す。
FIG. 8B shows a battery reaction model used for actually calculating the behavior inside the
式(1)は液相部分を流れる電流を規定する式であり、式(2)は液相部分におけるリチウムイオンの収支を規定する式である。式(3)は固相部分を流れる電流を規定する式であり、式(4)は固相部分におけるリチウムの濃度分布を規定する拡散方程式である。式(5)は固相と液相間におけるファラデー電流を規定する式であり、式(6)は固相と液相間における電流収支を規定する式である。式(7)は電池セル40の電圧と電池セル40を流れる電流との関係式である。式(1)〜(6)に放電開始時の初期値を与え、所定時間ごとに式(1)〜(6)を一括で解き進め、表面リチウム濃度を算出する。
Equation (1) is an equation that defines the current flowing through the liquid phase portion, and Equation (2) is an equation that defines the balance of lithium ions in the liquid phase portion. Equation (3) is an equation that defines the current flowing through the solid phase portion, and Equation (4) is a diffusion equation that defines the concentration distribution of lithium in the solid phase portion. Equation (5) is an equation that defines the Faraday current between the solid phase and the liquid phase, and Equation (6) is an equation that defines the current balance between the solid phase and the liquid phase. Expression (7) is a relational expression between the voltage of the
次に、電池セル40の充電可能容量を算出する処理手順について、図9のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、充電可能容量推定手段20が所定間隔で実行する。充電可能容量推定手段20は、残存容量推定手段10により残存容量が推定された時点で、本処理手順の実行を開始する。
Next, a processing procedure for calculating the chargeable capacity of the
まず、平均リチウム濃度の初期値と、この時点で測定された電流、図示しない温度センサによりこの時点で測定された電池セル40の温度、及び電池反応モデルから、この時点の表面リチウム濃度を算出する(S10)。平均リチウム濃度の初期値は、前回本処理を実行して決定した平均リチウム濃度としてもよいし、適当な値に設定してもよい。また、電池セル40の温度は、逐次測定された測定値ではなく所定値としてもよい。
First, the surface lithium concentration at this time is calculated from the initial value of the average lithium concentration, the current measured at this time, the temperature of the
続いて、S10で算出した表面リチウム濃度と、測定された電流、測定された温度、及び電池反応モデルから、この時点の推定CCVを算出する(S11)。続いて、この時点で測定されたCCVと、S11で推定した推定CCVとから、電圧誤差ΔVn(nは本フローチャートのループ回数)=測定CCV−推定CCVを算出する(S12)。 Subsequently, an estimated CCV at this time is calculated from the surface lithium concentration calculated in S10, the measured current, the measured temperature, and the battery reaction model (S11). Subsequently, a voltage error ΔVn (n is the number of loops in this flowchart) = measured CCV−estimated CCV is calculated from the CCV measured at this time and the estimated CCV estimated in S11 (S12).
続いて、平均リチウム濃度の補正を実施するか否か判定する(S13)。詳しくは、S12で算出した電圧誤差ΔVnの絶対値が判定値(第1閾値)以上か否か判定する。電圧誤差ΔVnの絶対値が判定値よりも大きい場合は(S13:YES)、推定CCVの算出に用いた平均リチウム濃度と、真のリチウム濃度との差分が大きいので、平均リチウム濃度を補正する(S14)。具体的には、平均リチウム濃度を、αn=2%×n分増加又は減少させる。電圧誤差ΔVnが正の場合は、平均リチウム濃度が真の平均リチウム濃度よりも高いので、平均リチウム濃度をαn分減少させるように補正する。また、電圧誤差ΔVnが負の場合は、平均リチウム濃度が真の平均リチウム濃度よりも低いので、平均リチウム濃度をαn分増加させるように補正する。続いて、nを1つ増加させて(S15)、S10〜S13の処理を繰り返し実行する。 Subsequently, it is determined whether or not to correct the average lithium concentration (S13). Specifically, it is determined whether or not the absolute value of the voltage error ΔVn calculated in S12 is greater than or equal to a determination value (first threshold). When the absolute value of the voltage error ΔVn is larger than the determination value (S13: YES), the difference between the average lithium concentration used for calculating the estimated CCV and the true lithium concentration is large, so the average lithium concentration is corrected ( S14). Specifically, the average lithium concentration is increased or decreased by αn = 2% × n. When the voltage error ΔVn is positive, the average lithium concentration is higher than the true average lithium concentration, so that the average lithium concentration is corrected so as to decrease by αn. When the voltage error ΔVn is negative, the average lithium concentration is lower than the true average lithium concentration, so that the average lithium concentration is corrected to increase by αn. Subsequently, n is incremented by 1 (S15), and the processes of S10 to S13 are repeatedly executed.
一方、電圧誤差ΔVnの絶対値が判定値以下の場合は(S13:NO)、推定CCVの算出に用いた平均リチウム濃度と、真のリチウム濃度との差分が小さいので、推定CCVの算出に用いた平均リチウム濃度を、真のリチウム濃度と決定する(S16)。以上で本処理を終了する。 On the other hand, when the absolute value of the voltage error ΔVn is equal to or smaller than the determination value (S13: NO), the difference between the average lithium concentration used for calculating the estimated CCV and the true lithium concentration is small. The average lithium concentration is determined as the true lithium concentration (S16). This process is complete | finished above.
その後、S16で決定した平均リチウム濃度を、充電を開始してからS16で平均リチウム濃度を決定するまでに流れた電流に基づいて、現在の位置における平均リチウム濃度に補正した後、充電可能容量に換算する。 Thereafter, the average lithium concentration determined in S16 is corrected to the average lithium concentration at the current position based on the current that flows from the start of charging until the average lithium concentration is determined in S16, and then the chargeable capacity is obtained. Convert.
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。 According to this embodiment described above, the following effects are obtained.
・本発明によれば、電池セル40の充電時に、算出されたCCVの時間変化率に基づいて、現在の位置における残存容量が推定される。ここで、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域において充電をする場合でも、電池セル40に電流が流れると、CCVは、充電開始時の充電可能容量によって充電中に異なる時間変化をする。よって、充電時に逐次測定された電池電圧に基づいて、充電可能容量を推定することができる。そして、推定された残存容量と充電可能容量とから、所定時刻における満充電容量が推定される。したがって、SOCに対するOCVの変化量が小さい領域を有する電池セル40であっても、充電中に残存容量及び充電可能容量を推定して、電池セル40の満充電容量を高精度に推定することができる。
According to the present invention, when the
・初期値として正極活物質内の平均リチウム濃度が設定され、平均リチウム濃度に基づいて、充電時におけるCCVが逐次算出される。そして、算出された充電時のCCVと、測定された充電時のCCVとの電圧誤差が、第1閾値よりも小さくなるように、すなわち、初期値として設定された平均リチウム濃度が、真の平均リチウム濃度に近付くように更新される。さらに、正極活物質内の平均リチウム濃度は、充電可能容量に対応するので、更新された平均リチウム濃度を換算することにより、充電可能容量を推定できる。 The average lithium concentration in the positive electrode active material is set as an initial value, and the CCV during charging is sequentially calculated based on the average lithium concentration. Then, the average lithium concentration set as the initial value is a true average so that the voltage error between the calculated CCV during charging and the measured CCV during charging is smaller than the first threshold value. Updated to approach lithium concentration. Furthermore, since the average lithium concentration in the positive electrode active material corresponds to the chargeable capacity, the chargeable capacity can be estimated by converting the updated average lithium concentration.
・ある時点の平均リチウム濃度、測定された電流、及び電池反応モデルから、ある時点の表面リチウム濃度、及びCCVが算出される。そして、ある時点の算出されたCCVと、ある時点の測定されたCCVとの電圧誤差が小さくなるように、次の時点の平均リチウム濃度が更新される。このようにして、逐次平均リチウム濃度が更新される。そして、算出されたCCVと測定されたCCVとの電圧誤差が、第1閾値よりも小さくなった時点で、更新された平均リチウム濃度が、充電可能容量に換算される。これにより、現在の位置における真のリチウム濃度に近付いた平均リチウム濃度から、充電可能容量が推定できる。 From the average lithium concentration at a certain point in time, the measured current, and the battery reaction model, the surface lithium concentration at a certain point in time and the CCV are calculated. Then, the average lithium concentration at the next time is updated so that the voltage error between the calculated CCV at the certain time and the measured CCV at the certain time becomes small. In this way, the average lithium concentration is updated sequentially. Then, when the voltage error between the calculated CCV and the measured CCV becomes smaller than the first threshold, the updated average lithium concentration is converted into the chargeable capacity. Thereby, the chargeable capacity can be estimated from the average lithium concentration approaching the true lithium concentration at the current position.
・充電中における平均リチウム濃度は急激に変化しないが多少は変化する。そこで、算出されたCCVと測定されたCCVとの差分が、第1閾値よりも小さくなった時点で、更新された平均リチウム濃度が、現在の位置における平均リチウム濃度に補正される。これにより、より高精度に現在の位置における平均リチウム濃度を推定して、満充電容量を推定できる。 ・ The average lithium concentration during charging does not change rapidly, but changes somewhat. Therefore, when the difference between the calculated CCV and the measured CCV becomes smaller than the first threshold value, the updated average lithium concentration is corrected to the average lithium concentration at the current position. Thereby, the full charge capacity can be estimated by estimating the average lithium concentration at the current position with higher accuracy.
・SOCに対するOCVの変化量が小さい領域を有する電池セル40であっても、CCVの時間変化率が第2閾値よりも大きくなる箇所がある。そのため、CCVの時間変化率が第2閾値よりも大きくなった場合に、高精度に残存容量を推定できる。
-Even if it is the
(他の実施形態)
・現在の位置における平均リチウム濃度、充電時の電流に応じた、充電時のCCVの時間変化のマップを用意しておき、充電時に逐次測定された電圧とマップとを比較して、現在の位置における平均リチウム濃度を推定してもよい。さらに、現在の位置における平均リチウム濃度、充電時の電流、電池セル40の温度に応じた、充電時のCCVの時間変化のマップを用いてもよい。
(Other embodiments)
-Prepare a map of CCV time change during charging according to the average lithium concentration at the current position and the current during charging, and compare the voltage measured sequentially during charging with the map to determine the current position. The average lithium concentration at may be estimated. Furthermore, you may use the map of the time change of CCV at the time of charge according to the average lithium density | concentration in the present position, the electric current at the time of charge, and the temperature of the
・電池セル40は、オリビン系に限らずリチウム二次電池であればよい。リチウム二次電池であれは、電池制御装置100を適用できる。
-
10…残存容量推定手段、20…充電可能容量推定手段、21…算出手段、22…更新手段、23…換算手段、30…満充電容量推定手段、40…電池セル、100…電池制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電池の充電時に、逐次測定された前記電池の電圧から算出された前記電圧の時間変化率に基づいて、所定時刻における前記電池の残存容量を推定する残存容量推定手段(10)と、
前記電池の充電時に、前記所定時刻における前記電池の充電可能容量を推定する可能容量推定手段(20)と、
前記残存容量推定手段により推定された前記残存容量と、前記可能容量推定手段により推定された前記充電可能容量とから、前記所定時刻における満充電容量を推定する満充電容量推定手段(30)と、を備え、
前記可能容量推定手段は、前記電池の充電時に、逐次測定された前記電池の電圧に基づいて、前記充電可能容量を推定し、
前記可能容量推定手段は、
初期値として前記電池の正極活物質内の平均リチウム濃度を設定し、前記平均リチウム濃度に基づいて、前記電池の充電時における前記電圧を逐次算出する算出手段(21)と、
前記算出手段により算出された前記電圧と測定された前記電圧との差分が第1閾値よりも小さくなるように、前記平均リチウム濃度を更新する更新手段(22)と、
前記更新手段により更新された前記平均リチウム濃度を前記充電可能容量に換算する換算手段(23)と、を含む、ことを特徴とする満充電容量推定装置。 A full charge capacity estimation device (100) for estimating a full charge capacity of a lithium secondary battery (40), comprising:
A remaining capacity estimating means (10) for estimating a remaining capacity of the battery at a predetermined time based on a time change rate of the voltage calculated from the voltage of the battery measured sequentially when the battery is charged;
A possible capacity estimating means (20) for estimating a chargeable capacity of the battery at the predetermined time when charging the battery;
A full charge capacity estimation means (30) for estimating a full charge capacity at the predetermined time from the remaining capacity estimated by the remaining capacity estimation means and the chargeable capacity estimated by the possible capacity estimation means; With
The possible capacity estimating means estimates the chargeable capacity based on the battery voltage sequentially measured when the battery is charged ,
The possible capacity estimation means includes
Calculating means (21) for setting an average lithium concentration in the positive electrode active material of the battery as an initial value, and sequentially calculating the voltage at the time of charging the battery based on the average lithium concentration;
Updating means (22) for updating the average lithium concentration so that a difference between the voltage calculated by the calculating means and the measured voltage is smaller than a first threshold;
A full charge capacity estimation device comprising: conversion means (23) for converting the average lithium concentration updated by the update means into the chargeable capacity.
前記更新手段は、前記算出手段により逐次算出された前記電圧と、その時点に測定された前記電圧との差分が小さくなるように、前記平均リチウム濃度を逐次更新し、
前記換算手段は、前記差分が前記第1閾値よりも小さくなった時点で、前記更新手段により更新された前記平均リチウム濃度を前記充電可能容量に換算する請求項1に記載の満充電容量推定装置。 The calculating means sequentially calculates the surface lithium concentration on the surface of the positive electrode active material of the battery from the average lithium concentration, the measured current flowing through the battery, and a battery reaction model, and calculates the voltage from the calculated surface lithium concentration. Calculate sequentially,
The updating means sequentially updates the average lithium concentration so that a difference between the voltage sequentially calculated by the calculating means and the voltage measured at that time becomes small,
The full charge capacity estimation device according to claim 1 , wherein the conversion means converts the average lithium concentration updated by the update means into the chargeable capacity when the difference becomes smaller than the first threshold value. .
前記残存容量推定手段は、測定された前記電圧の時間変化率が、第2閾値よりも大きくなった時点で、前記第2閾値と対応する前記残存容量を、前記所定時刻における前記残存容量とする請求項1〜3のいずれかに記載の満充電容量推定装置。 The battery has a characteristic that a time change rate of the voltage fluctuates when charging in a region where a change amount of the battery voltage with respect to a remaining capacity is smaller than a predetermined amount,
The remaining capacity estimating means sets the remaining capacity corresponding to the second threshold as the remaining capacity at the predetermined time when the time change rate of the measured voltage becomes larger than a second threshold. full charge capacity estimating apparatus according to any one of claims 1-3.
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