JP6380417B2 - 二次電池容量測定システム及び二次電池容量測定方法 - Google Patents
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Description
この二次電池は、充放電を繰り返す毎に、電気電導を担う活性物質の失活や副反応により、特性が劣化して最大容量が徐々に低下していく。活性物質とは、正極及び負極の材料であり、例えばLi(リチウム)イオン電池であれば、負極に炭素材料、正極にリチウム遷移金属酸化物が用いられている。
このため、二次電池においては、最大電圧および最小電圧に近い領域での充放電を制限する必要がある。所定のSOC範囲内で運用することで劣化の進行を抑え、過充電や過放電を行う場合に比較して、二次電池の寿命を延ばすことができる。ここで、所定のSOCの範囲内とは、一般的には最大容量の50%±30%、すなわち約20〜約80%程度の範囲である。
そのため、例えば定置用の蓄電システムの場合、一時的に通常の運用モードにおけるSOC範囲から逸脱し、運用モードから最大容量測定を行う評価モードに長時間切り替えることになる。
ここで、この評価モードに係る時間が長いほど、二次電池の運用を止める時間が長くなり、二次電池の運用効率は低下する。
したがって、二次電池の最大容量を求める場合、運用モードにおけるSOC範囲を逸脱することなく、短時間、低コストで劣化電池の最大容量を推定する必要がある。
この特許文献1においては、最大容量の推定に用いる放電領域の範囲が広いほど線形相関性が高くなることから、最大容量を推定する精度が向上するため、10%から90%に相当するSOCの範囲において放電を行っている。
すなわち、二次電池を構成するセルの中に極端に劣化程度が大きなセルが少なくとも一つ混在した場合、その劣化程度の大きなセルは他の劣化程度の小さなセルに対し、最大容量が低くなっている。このため、劣化程度の小さなセルに比較して、充電処理において劣化程度の大きなセルの端子間電圧が時間的に早く上限電圧に達する。この結果、劣化程度の大きなセルとともに、劣化程度が小さなセルを含む全てのセルに対する充電処理が停止する。したがって、劣化程度が小さなセルに対する充電が完全に行われないまま、二次電池に対する充電処理が終了してしまう。
一方、二次電池における全てのセルの最大容量の把握は、BMS(Battery Management System)の効率運用及び安全性の観点から非常に重要である。また、近年は、劣化状態の異なる中古のセルを組み合わせた組電池を二次電池として運用することも行われており、劣化程度の異なるセル各々の最大容量を推定できないことは、BMSの運用上で問題となる。
一般的には、微分特性「dQ/dV vs V」の曲線のピークがリチウムイオン電池で広く用いられているグラファイトなどの活物質の結晶構造(ステージ構造)が変化する際に発生することが知られている。この結晶構造が変化する際に、グラファイトに対してLiイオンが挿入される。ここで、微分特性「dQ/dV vs V」の曲線における特徴点間を積分した際の面積が、グラファイトに挿入された電荷量Qに相当する。
また、グラファイトの結晶構造の変化のいずれの過程においても、同様の割合で最大容量が低下するという前提に基づき、最大容量の低下割合を表す変数を用い、一部区間の実測値とのフィティングにより、最大容量や正極及び負極の活物質量などの電池状態を推定する手法もある(例えば、特許文献3参照)。
また、SOCの一部区間における実測値とのフィッティングによって、最大容量を推定する手法もある。しかしながら、結晶構造の変化過程の全てにおいて充電される電荷量Qが、二次電池の劣化によって同様の割合で低下する前提で最大容量の推定を行った場合、結晶構造の変化毎に充電される電荷量の低下の割合が異なる場合もあり、最大容量の推定誤差要因となる虞がある。
本発明は、電池、例えば二次電池(本実施形態においてはリチウムイオン電池)のSOC及び最大容量を求める際に用いるリファレンスを、二次電池の正極及び負極各々の材料特性によるシミュレーションで求めた、正極及び負極毎の電圧値V及び容量Q各々の微分による分離波形モデルの微分曲線から生成している。
すなわち、電池における正極及び負極各々は、それぞれの電極材料に固有な相転移現象により、正極及び負極毎に分離波形モデルとして固有の分離波形微分曲線(例えば、微分値dQ/dVと電圧値Vの対応を示す微分曲線)を有する。この正極及び負極の各々の分離波形微分曲線は、それぞれ異なる固有のピークを有する。ここで、正極由来及び負極由来の各々の分離波形モデルとしての分離波形微分曲線は、Gaussian関数、Lorentz関数や非対称因子を含む関数などを用いて表すことができる。
f(V)=
P{k1(f(V))Peak1+k2(f(V))Peak2
+k3(f(V))Peak3+k4(f(V))Peak4}…(1)
図1において、曲線L1_1が分離波形微分曲線(f(V))Peak1を示し、曲線L1_2が(f(V))Peak2を示し、曲線L1_3が(f(V))Peak3を示し、曲線L1_4が(f(V))Peak4を示している。
正極由来及び負極由来の各々の分離波形微分曲線を合成して第1リファレンス微分曲線である微分特性曲線L3を生成した後、測定微分特性曲線L4によりこの微分特性曲線L3をフィッティングする。ここで、微分特性曲線を構成する正極由来及び負極由来の各々の分離波形微分曲線を示す関数におけるパラメータを調整する。そして、正極由来及び負極由来の各々の分離波形微分曲線から合成される第1リファレンス微分曲線である微分特性曲線L3の測定微分特性曲線に対する最適化を実施する。
また、係数k1、k2、k3、k4の各々は、分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4のそれぞれのピークの高さを調整するパラメータである。また、係数Pは、第1リファレンス微分曲線を作成したセルの最大容量値の初期値により、経時変化した最大容量値を除算した最大容量値の変化の割合(変化率)を示し、第1リファレンス微分曲線を分離波形微分曲線全てに均等にかかるピークの高さを調整する係数である。
また、処理を簡易とするために、シミュレーションにより求めた微分特性曲線のみを用いて第1リファレンス微分曲線を求めて使用するようにしても良い。
上述したように、非常に敏感な領域であることから、分離波形モデルの合成による表現も非常に難しい。
すなわち、本実施形態においては、分離波形モデルの合成による表現が難しい領域において、初期の電池の実測データを使って第1リファレンス微分曲線のモデル構築を行うことで、より正確な最大容量Qmaxの推定を可能にしている。
例えば、図3においては、他のセルに対して劣化の激しいセル(以下、劣化セル)の容量値Qと端子間電圧値Vとの関係を示す曲線L100とその他のセルの容量値Qと端子間電圧値Vとの関係を示す曲線L101を比較すると、劣化したセルが他のセルに比較して端子間電圧が上限電圧に達する容量値Q(最大容量値)が小さいことが判る。
したがって、本実施形態においては、劣化セルに対応する第1リファレンス微分曲線により、係数k1、k2、k3及びk4の各々を求め、他のセルに対応する第1リファレンス微分曲線の分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の係数k1、k2、k3及びk4それぞれとして用いる。
f(V)=
P・k1(f(V))Peak1+P・k2(f(V))Peak2
+P・k3(f(V))Peak3+P・k4(f(V))Peak4…(2)
そして、初期値D0と、結果D1からD4の各々とを結ぶ回帰直線LD1、LD2、LD3、LD4それぞれを形成する。これら回帰直線LD1、LD2、LD3、LD4の各々の回帰直線の傾きを求め、この傾きをそれぞれ係数k1、k2、k3、k4とする。
ここで用いられている係数Pは、すでに述べたように、測定時の最大容量値を劣化セルの初期最大容量値で除算した、すなわち初期セルの最大容量値(Qmax)を劣化セルの初期最大容量値(Qini)を除算して得られる劣化の割合を示す係数である。また、係数k1、k2、k3及びk4の各々は、図4で説明した第1リファレンス微分曲線と測定微分特性曲線とのフィッティング処理で得られる各分離波形微分曲線の特性を示す係数である。
そして、本実施形態によれば、分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々を用い、初期セルの最大容量値(Qmax)と劣化セルの初期最大容量値(Qini)との比を示す係数Pと、それぞれの分離波形微分曲線に対する重み付け係数である係数k1、k2、k3及びk4を導入する事により、各分離波形微分曲線のピーク毎に、分離波形微分曲線に対応するステージにおいて充電される容量値(Q1からQ4)を求めることができる。
平均化処理部12は、実測されてデジタルデータに変換された電流値I及び電圧値Vの各々を平均化処理して出力する。例えば、データ点数を削減させるため、サンプリング周期に対して1/10のデータ量となるように、10周期分のサンプリング周期のデジタルデータの平均化処理を行う。この平均化処理は、区間平均あるいは移動平均などが用いられる。また、平均化処理部12は、所定の期間における電流値Iを積分し、この所定の期間における容量の変化量としての容量Qを算出する。
また、データ変換部13は、平均化された電圧値Vと、算出した容量Qとを用いて、微分演算子d/dQにより容量Vを微分した微分値dV/dQと容量Qと電流値Iの対応を示すデータ組を作成し、時系列に入出力部14に対して出力する。
また、入出力部14は、後述する最大容量演算部16が推定した最大容量Qmaxとをバッテリ制御システム4に対して出力する。
また、フィッティング演算部15は、係数k1、k2、k3及びk4の同定に用いたセル、本実施形態における劣化セルの初期最大容量値により、係数を変更する時点における劣化セルの最大容量値を除算し、除算結果を係数Pとして求める。そして、フィッティング演算部15は、求めた係数P、k1、k2、k3及びk4の各々を、測定データ記憶部19−2に対して書き込んで記憶させる。また、フィッティング演算部15は、係数k1、k2、k3及びk4の同定に用いたセル、本実施形態における劣化セルの初期最大容量値を、測定データ記憶部19−2に対して書き込んで記憶させる。
図7(a)は、縦軸が微分値dQ/dVを示し、横軸が電圧値Vを示している。また、図7(a)は、第1リファレンス微分曲線を構成する正極由来及び負極由来の各々の分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4と、それぞれの分離波形微分曲線の関数内におけるパラメータとを調整し、合成される第1リファレンス微分曲線におけるピークの幅、ピークの高さ及びピークの位置を変更し、実測データの第1微分特性曲線の形状に近似させることを示している。第1リファレンス微分曲線実測された第1微分特性曲線と、この第1微分特性曲線の端子間電圧値Vの範囲における第1リファレンス微分曲線とにおける微分値dQ/dVの差分を評価値Aとして取得することを示している。そして、図7(a)に示すように第1微分特性曲線の形状に対して、評価値Aが最小となるように、すなわち第1リファレンス微分曲線の形状を近似させる最適化が行われる。
フィッティング演算部15は、分離波形モデルによる正極由来及び負極由来の各々の分離波形微分曲線を表す関数のパラメータを変更して、分離波形微分曲線の合成されたリファレンス微分曲線(第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス微分曲線)の再フィッティング処理を、新たに測定された第1微分特性曲線及び第2微分特性曲線を用いて行う。
(A)第1再フィッティング処理
フィッティング演算部15は、測定された劣化セルの第1微分特性曲線を用いて、劣化セルのその時点における最大容量Qmaxを求める。そして、フィッティング演算部15は、最大容量Qmaxを、特性データ記憶部19−1から読み出した初期最大容量Qiniにより除算し、除算結果として係数Pを求める。
そして、フィッティング演算部15は、実測部分である第2微分特性曲線と第2リファレンス微分曲線とにおける同一の容量Qにおける微分値dV/dQの差分の二乗和である評価値Bを取得する。
そして、フィッティング演算部15は、第2微分特性曲線とこの第2微分特性曲線の容量Qの範囲における第2リファレンス微分曲線とにおける評価値Bと、第1微分特性曲線とこの第1微分特性曲線の容量Qの範囲における第1リファレンス微分曲線とにおける評価値Aとが最小値となると、第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス曲線に対する再構築の処理を終了する。
また、他の再構築のアルゴリズムとして、以下に示す第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス曲線に対する再フィッティング処理を行っても良い。
フィッティング演算部15は、上述した評価値Bが小さくなる方向に、第2微分特性曲線を横軸に対して予め設定されている容量Qの変化値ΔQだけ平行移動させる。この結果、第2微分特性曲線の区間の各微分値に対応する容量Qの値が変更される。
そして、フィッティング演算部15は、平行移動させた第2微分特性曲線と、この平行移動させた第2微分特性曲線の容量Qの区間に対応する区間における第2リファレンス微分曲線とにおいて、再度、同一の容量Qにおける微分値dV/dQの差分の二乗和である評価値Bを算出する。
フィッティング演算部15は、第1リファレンス曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4と、それぞれの分離波形微分曲線の関数内におけるパラメータとを変更して、これら分離波形微分曲線の合成されたリファレンス微分曲線(第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス微分曲線)の再構築を行う。
また、他の再構築のアルゴリズムとして、以下に示す第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス曲線に対する再構築の処理を行っても良い。
フィッティング演算部15は、第1微分特性曲線と、この第1微分特性曲線の電圧値Vに対応する範囲の第1リファレンス微分曲線とにおける微分値dQ/dVの差分の二乗和である評価値Aの最小値が得られるまで、分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4と、それぞれの分離波形微分曲線の関数内におけるパラメータとを変更する。そして、フィッティング演算部15は、分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々のピークの位置、ピークの幅及びピークの高さ(微分値dQ/dV)を調整し、新たな第1リファレンス微分曲線を生成する処理を繰り返して行う。
そして、フィッティング演算部15は、求めた新たな第1リファレンス微分曲線を第2リファレンス微分曲線に変換し、新たな第2リファレンス微分曲線を得る。
図8(c)は、縦軸が微分値dV/dQを示し、横軸が容量値Qを示し、微分値dV/dQと容量値Qとの対応を示す第2リファレンス微分曲線を示している。この図8(c)も同様に、図8(c)は、非選択セルの充電処理は、劣化セルの端子間電圧が上限電圧となった時点で終了するため、非選択セルの容量値は十分に充電されない状態となる。したがって、図8(c)の第2部分微分特性曲線は、容量値範囲QRの限定された部分の第2測定微分特性曲線となっている。
このため、最大容量演算部16は、(1)式に対して、特性データ記憶部19−1から読み出した係数k1、k2、k3及びk4の各々を、図8(c)に示す様に代入する。例えば、図8(a)においては、k1=1.25、k2=1.10、k3=0.8、k=0.75となっており、(1)式は以下の(3)式のようになる。
f(V)=
P{1.25・(f(V))Peak1+1.10(f(V))Peak2
+0.80・(f(V))Peak3+0.75・(f(V))Peak4}…(3)
そして、最大容量演算部16は、(3)式が第2部分測定微分特性曲線とのフィッティングの処理が終了した際の係数Pを、特性データ記憶部19−1から読み出した初期最大容量Qiniに対して乗算し、乗算結果をこの推定対象の非選択セルの最大容量Qmaxとする。最大容量演算部16は、求めた最大容量値を非選択セルに対応させ、推定値記憶部19−3に書き込んで記憶させる。
このため、本実施形態の二次電池容量測定システムによれば、劣化セルにより途中で充電処理が終了して実測により測定不能な非選択セルの最大容量Qmaxを、劣化セルの実測値から求めた最大容量値の初期値Qiniと、劣化セルに対応する第1リファレンス微分曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4により、容易に推定することができる。
ステップS11:
バッテリ制御システム4は、二次電池である電池モジュール2に対する充電処理を、二次電池容量測定システム1から供給される電流センサ21及び電圧センサ3の測定する電流値及び端子間電圧値Vによりモニターしつつ行う。
バッテリ制御システム4は、二次電池容量測定システム1から供給される、各セルの端子間電圧値Vの電圧値が上限電圧を超えているか否かの判定を行う。このとき、バッテリ制御システム4は、いずれかのセル22の端子間電圧値Vが上限電圧を超えている場合、電池モジュール2に対する充電処理を停止する。
そして、フィッティング演算部15は、電池モジュール2におけるいずれのセル22の端子間電圧値Vが上限電圧を超えたかの検出を行う。ここで、フィッティング演算部15は、上限電圧を超えたセル22を、電池モジュール2において最も最大容量値が低いセル22、すなわち劣化セルと判定する。
フィッティング演算部15は、この最初の充電における劣化セルの最大容量Qmaxを、初期最大容量Qiniとし、特性データ記憶部9−1に対して書き込んで記憶させる。また、フィッティング演算部15は、劣化セルの特性を示す第1リファレンス微分曲線の(1)式における係数Pを「1」とし、この第1リファレンス微分曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4をそれぞれ「1」とし、特性データ記憶部9−1に対して書き込んで記憶させる。
A/D変換部11は、電流センサ21から出力される電流値I(電池モジュール2にかがれる充電電流値)と、電圧センサ3から出力されるセル22の端子間電圧値Vとをサンプリングし、それぞれをアナログデータからデジタルデータに変換する。
ここで、A/D変換部11は、電池モジュール2におけるセル22の全ての電流値I及び端子間電圧値Vの組のアナログデータをデジタルデータに変換する。
平均化処理部12は、電池モジュール2におけるセル22の各々のデータ毎に、所定の時間範囲における電流値Iと端子間電圧値Vとの各々を平均化し、データ数の削減を行う。
また、平均化処理部12は、電池モジュール2におけるセル22の各々のデータ毎に、時間データから電流値Iを積分して、上記所定の時間範囲内に変化する容量Qの算出を行う。
データ変換部13は、微分演算子d/dVにより容量Qを微分した微分値dQ/dVと、微分演算子d/dQにより電圧値Vを微分した微分値dV/dQとの各々を算出する。
そして、データ変換部13は、電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、入出力部14に対して時系列に出力する。
制御部17は、入出力部14に供給される電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、電池モジュール2のセル22の各々に対応させて、時系列に測定データ記憶部19−2に対して書き込んで記憶させる(データの蓄積)。
制御部17は、測定データ記憶部19−2を参照して、劣化セルの特性を示す第1リファレンス微分曲線の変更が可能な数の電圧値V及び電流値Iの組が測定されたか否か、すなわち劣化セルの最大容量Qmaxが求められたか否か(実測部分に特異点が含まれているか否か)の判定を行う。
このとき、制御部17は、劣化セルの最大容量Qmaxが求められた場合、フィッティング処理が可能なことを示す制御信号をフィッティング演算部15に対して通知し、処理をステップS18へ進める。
一方、制御部17は、劣化セルの最大容量Qmaxが求められていない場合、処理をステップS14へ進める。
フィッティング演算部15は、すでに説明したように、測定データ記憶部19−2を参照し、第1測定微分特性曲線と第2測定微分特性曲線との各々を生成し、第1リファレンス微分曲線、第2リファレンス微分曲線それぞれのフィッティング処理を行う。
このとき、フィッティング演算部15は、この時点における最大容量Qmaxを、特性データ記憶部19−1から読み出した初期最大容量Qiniで除算し、除算結果を係数Pの値とする。また、フィッティング演算部15は、この求めた係数Pに対応させて、フィッティングした分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4の各々を、図4に示すグラフにプロットし、係数k1、k2、k3、k4それぞれを回帰直線の傾きとして求め、特性データ記憶部10−1の係数k1、k2、k3、k4に上書きし、係数の更新を行う。
ステップS21:
A/D変換部11は、電池モジュール2における劣化セル以外の非選択セルの測定データ、すなわち電流センサ21から出力される電流値I(電池モジュール2にかがれる充電電流値)と、電圧センサ3から出力されるセル22の端子間電圧値Vとをサンプリングし、それぞれをアナログデータからデジタルデータに変換する。
ここで、A/D変換部11は、電池モジュール2における劣化セル以外の非選択セルの全ての電流値I及び端子間電圧値Vの組のアナログデータをデジタルデータに変換する。
平均化処理部12は、電池モジュール2における劣化セル以外の非選択セルの全てのデータにおいて、所定の時間範囲における電流値Iと端子間電圧値Vとの各々を平均化し、データ数の削減を行う。
また、平均化処理部12は、電池モジュール2における劣化セル以外の非選択セルの全てのデータにおいて、時間データから電流値Iを積分して、上記所定の時間範囲内に変化する容量Qの算出を行う。
データ変換部13は、微分演算子d/dVにより容量Qを微分した微分値dQ/dVと、微分演算子d/dQにより電圧値Vを微分した微分値dV/dQとの各々を算出する。
そして、データ変換部13は、電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、入出力部14に対して時系列に出力する。
制御部17は、入出力部14に供給される電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、電池モジュール2の非選択セル毎に、時系列に測定データ記憶部19−2に対して書き込んで記憶させる(データの蓄積)。
制御部17は、測定データ記憶部19−2を参照して、フィッティング演算部15が係数k1、k2、k3、k4の更新を行うための、第1リファレンス微分曲線のフィッティング処理を実行したか否かの判定を行う。このとき、制御部17は、測定データ記憶部19−2に記憶されている係数k1、k2、k3、k4が更新されているか否かにより、第1リファレンス微分曲線のフィッティング処理を実行したか否かの判定を行う。
そして、制御部17は、第1リファレンス微分曲線のフィッティング処理が実行されている場合、最大容量の推定が可能なことを示す制御信号を最大容量演算部16に対して通知し、処理をステップS25へ進める。
一方、制御部17は、第1リファレンス微分曲線のフィッティング処理が実行されていない場合、処理をステップS21へ進める。
最大容量演算部16は、すでに説明したように、特性データ記憶部19−1から係数k1、k2、k3、k4を読み出す。
そして、最大容量演算部16は、測定データ記憶部19−2から各非劣化セルの測定データを順次読み出し、第1部分微分特性曲線と第2部分微分特性曲線との各々を生成し、各非劣化セルに対応する第1リファレンス微分曲線及び第2リファレンス微分曲線の各々のフィッティング処理を行い、係数Pを求める。これにより、最大容量演算部16は、各非劣化セルの係数Pを、特性データ記憶部19−1から読み出した最大容量Qiniに乗算することにより、各非劣化セルの最大容量Qmaxを求める。
最大容量演算部16は、求めた各非劣化セルの最大容量Qmaxを、非劣化セルそれぞれに対応させて推定値記憶部19−3に書き込んで記憶させる。
第1の実施形態においては、劣化セルのみから第1リファレンス微分曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4のそれぞれを求めていた。しかしながら、本発明の第2の実施形態においては、劣化セルを含む複数の選択されたセル(以下、選択セル)から第1リファレンス微分曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4のそれぞれを求める。
図12(a)は、劣化セルの最大容量が他の選択セルより小さいため、他の選択セルの特異点が実測した範囲に含まれないことを示す図である。
図12(b)は、劣化セルに対して充電を開始する時間をずらし、劣化セルの最大容量の充電が終了するタイミングをずらしたことを示す図である。
上述したように、劣化セルの微分特性である微分値dV/dQと容量Qとの対応関係の取得を2回行う際、いずれかの1回において劣化セルの充電を開始する容量Qの位置をずらすことにより、選択セルの各々の1回目の充電により実測できなかった容量Qの範囲を2回目の充電により補完し、選択セルそれぞれの特異点を含む微分特性及び最大容量Qmaxを取得することができる。
そして、フィッティング演算部15は、すでに第1の実施形態説明した劣化セルにおける分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4の各々を求める処理と同様の処理により、劣化セル以外の選択セルに対しても、係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4の各々を求める。
そして、フィッティング演算部15は、その測定時における各選択セルの最大容量Qmaxを劣化セルの初期最大容量Qiniにより除算し、係数Pを求める。
そして、フィッティング演算部15は、劣化セルを含む複数の選択セルの係数Pと、係数P×k1、P×k2、P×k3、P×k4の各々の組(D1、D2、D3、D4)により、回帰直線LD1、LD2、LD3、LD4それぞれの傾きを求める。
フィッティング演算部15は、回帰直線LD1、LD2、LD3、LD4の各々の傾きを、それぞれ係数k1、k2、k3、k4とし、特性データ記憶部19−1に対して書き込んで更新処理を行う。
図13のフローチャートにおいて、ステップS11からステップS18の各々は、図9におけるフローチャートにおけるステップS11からステップS18それぞれと同様である。以下、第1の実施形態と異なるステップS31からステップS37の各々の処理について説明する。
フィッティング演算部15は、上記(1)式における係数k1、k2、k3、k4の各々を求める演算を、入出力部14を介して供給される統計データを用いた手法(複数の選択セルを用いて係数k1、k2、k3、k4を求める方法)を用いるか否かを示す演算制御信号を入力する。
そして、フィッティング演算部15は、上記演算制御信号が統計データを用いた手法を用いて係数k1、k2、k3、k4の各々を求めることを示す場合、処理をステップS32へ進める。一方、フィッティング演算部15は、上記演算制御信号が統計データを用いた手法を用いて係数k1、k2、k3、k4の各々を求めることを示さない場合、すなわち第1の実施形態と同様に劣化セルのみを用いて係数k1、k2、k3、k4の各々を求めることを示す場合、処理をステップS32へ進める。
A/D変換部11は、電流センサ21から出力される電流値I(電池モジュール2にかがれる充電電流値)と、電圧センサ3から出力されるセル22の端子間電圧値Vとをサンプリングし、それぞれをアナログデータからデジタルデータに変換する。
ここで、A/D変換部11は、電池モジュール2におけるセル22の全ての電流値I及び端子間電圧値Vの組のアナログデータをデジタルデータに変換する。
平均化処理部12は、電池モジュール2における各セル22のデータにおいて、所定の時間範囲における電流値Iと端子間電圧値Vとの各々を平均化し、データ数の削減を行う。
また、平均化処理部12は、電池モジュール2における各セル22のデータにおいて、時間データから電流値Iを積分して、上記所定の時間範囲内に変化する容量Qの算出を行う。
データ変換部13は、微分演算子d/dVにより容量Qを微分した微分値dQ/dVと、微分演算子d/dQにより電圧値Vを微分した微分値dV/dQとの各々を算出する。
そして、データ変換部13は、電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、入出力部14に対して時系列に出力する。
制御部17は、入出力部14に供給される電圧値V、電流値I、容量Q、微分値dQ/dV及び微分値dV/dQのデータ組を、電池モジュール2の各セル22の各々に対応させて、時系列に測定データ記憶部19−2に対して書き込んで記憶させる(データの蓄積)。
制御部17は、測定データ記憶部19−2を参照して、電池モジュール2における劣化セルを含む選択セル各々の特性を示す第1リファレンス微分曲線の変更が可能な数の電圧値V及び電流値Iの組が測定されたか否か、すなわち劣化セルの最大容量Qmaxが求められたか否か(実測範囲に特異点が全て含まれているか否か)の判定を行う。
このとき、制御部17は、劣化セルを含む全ての選択セルの各々の最大容量Qmaxが求められた場合、フィッティング処理が可能なことを示す制御信号をフィッティング演算部15に対して通知し、処理をステップS36進める。
また、制御部17は、劣化セルの最大容量が求められていない場合、あるいはバランス回路23がずらされ、かつ選択セルの最大容量Qmaxが求められていない場合、処理をステップS32へ進める。
フィッティング演算部15は、すでに説明したように、測定データ記憶部19−2を参照し、劣化セルを含む選択セルの各々の第1測定微分特性曲線と第2測定微分特性曲線との各々を生成し、第1リファレンス微分曲線、第2リファレンス微分曲線それぞれのフィッティング処理を行う。
このとき、フィッティング演算部15は、この時点における劣化セルを含む選択セルの各々の最大容量Qmaxを、特性データ記憶部19−1から読み出した最大容量Qiniでそれぞれ除算する。
制御部17は、入出力部14を介して、劣化セルに対応するバランス回路23を制御し、図12で説明したように、劣化セルの充電を開始する容量Qの位置をずらす処理を行う。これにより、図12(a)で示す1回目で実測できない領域を、バランス回路23が劣化セルの充電の開始の容量Qの位置をずらすことにより、図12(b)で示す2回目で実測し、劣化セルより最大容量が大きい選択セルの特異点を含む微分特性及び最大容量Qmaxを取得することができる。
このため、本実施形態の二次電池容量測定システムによれば、第1の実施形態に比較して、複数の選択セルにより途中で充電処理が終了して実測により測定不能な非選択セルの最大容量Qmaxを、選択セルの実測値から求めた最大容量値の初期値Qiniと、選択セルの各々に対応する第1リファレンス微分曲線を構成する分離波形微分曲線(f(V))Peak1、(f(V))Peak2、(f(V))Peak3、(f(V))Peak4の各々の係数k1、k2、k3、k4により、容易に推定することができる。
一般に電池の容量Qと電圧値Vとの対応関係を示す曲線の微分特性は、温度によって変化することが知られている。これは、電池の正極及び負極における活物質へのイオンの挿入反応や脱離反応のし易さが、温度によって変化することや、電池内部の電解液の粘度が温度によって変化するためイオンの電極間の移動のし易さが変化することなどが原因である。また、電池で用いられているグラファイトなど複数の相転移現象を有する材料においても、温度に対する相転移現象に対する電池の特性の感度が大きい部分と小さい部分とが存在する。
すなわち、フィッティング演算部15は、図示しない温度センサにより、電池モジュール2(あるいは電池モジュール2A)の周囲温度を測定し、フィッティングに用いた測定データの取得した温度毎に、温度対応係数テーブルに対して係数k1、k2、k3、k4を書き込んで記憶させる構成としても良い。
これにより、第1の実施形態及び第2の実施形態において、電池モジュールの周囲の温度環境に合わせて、非選択セルの各々の最大容量を高い精度で推定することができる。
また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
2,2A…電池モジュール
3…電圧センサ
4…バッテリ制御システム
11…A/D変換部
12…平均化処理部
13…データ変換部
14…入出力部
15…フィッティング演算部
16…最大容量演算部
17…制御部
19−1…特性データ記憶部
19−2…最大容量演算部
19−3…推定値記憶部
21…電流センサ
22…電池(セル)
23…バランス回路
Claims (9)
- 複数のセルから構成される二次電池の最大容量を測定する二次電池容量測定システムであり、
電池の電圧値V及び電流値Iを時系列に取得した測定値の履歴データから、所定の範囲の電池の容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示す微分特性曲線を前記セル毎に求めるデータ変換部と、
各々第1係数が乗算された複数の分離波形微分曲線から構成され、当該分離波形微分曲線の各々に初期測定した最大容量Qiniからの劣化の比率を示す第2係数が乗算された、前記セルの容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示すリファレンス微分曲線と、前記セルから選択した前記リファレンス微分曲線における前記分離波形微分曲線の全てのピークを有する選択セルの実測した容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示す微分特性曲線とを比較し、前記分離波形微分曲線の各々の第1係数を演算するフィッティング演算部と、
前記第1係数が用いられた前記リファレンス微分曲線を、前記選択セル以外の非選択セルの実測された範囲の部分微分特性曲線によりフィッティングし、前記第2係数を求め、当該第2係数を前記最大容量Qiniに乗算し、乗算結果を前記非選択セルの最大容量Qmaxの推定結果とする最大容量演算部と
を備え、
前記分離波形微分曲線が正極の材料特性に基づく微分特性曲線と負極の材料特性に基づく微分特性曲線との各々を示す
ことを特徴とする二次電池容量測定システム。 - 前記フィッティング演算部が、前記フィッティング結果により得られた前記分離波形微分曲線の各々の第3係数と、前記選択セルの前記第2係数との対応をグラフにマッピングし、前記分離波形微分曲線の各々の第3係数と前記第2係数とにより形成される回帰直線の傾きを、前記第1係数とする
ことを特徴とする請求項1に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記微分特性曲線、前記部分微分特性曲線及び前記リファレンス微分曲線が、
電池における電圧値Vと電圧変化d/dVを微分演算子として容量Qを微分した数値dQ/dVとの第1対応関係を示す微分曲線、
または、電池における容量Qと容量変化d/dQを微分演算子として電圧値Vを微分した数値dV/dQとの第2対応関係を示す微分曲線、
である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記微分特性曲線が、前記分離波形微分曲線の各々の第1係数を求めるフィッティングが行える前記分離波形微分曲線由来の特徴点を含む範囲の実測値から生成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記フィッティング演算部が、前記二次電池の周囲温度に対応して前記第1係数を求め、温度と前記第1係数との対応を示すテーブルに書き込んで記憶させ、
前記最大容量演算部が、前記非選択セルの最大容量を推定する際、前記テーブルから前記二次電池の周囲温度に対応して前記第1係数を読み出し、前記非選択セルの最大容量の推定の演算を行う
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記選択セルとして、前記二次電池を構成する前記セルのなかで最も最大容量が小さい劣化セルを選択して用いる
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記選択セルとして、前記二次電池を構成する前記セルのなかで最も最大容量が小さい劣化セルを含む複数のセルを選択して用いる
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の二次電池容量測定システム。 - 前記劣化セルと同様に、前記選択セルの前記容量Q及び前記電圧値Vが前記特徴点を含む範囲で測定できるように、当該劣化セルの充電の開始の容量位置をずらすバランス回路をさらに有する
ことを特徴とする請求項7に記載の二次電池容量測定システム。 - 複数のセルから構成される二次電池の最大容量を測定する二次電池容量測定方法であり、
データ変換部が、電池の電圧値V及び電流値Iを時系列に取得した測定値の履歴データから、所定の範囲の電池の容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示す微分特性曲線を前記セル毎に求めるデータ変換過程と、
フィッティング演算部が、各々第1係数が乗算された複数の分離波形微分曲線から構成され、当該分離波形微分曲線の各々に初期測定した最大容量Qiniからの劣化の比率を示す第2係数が乗算された、前記セルの容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示すリファレンス微分曲線と、前記セルから選択した前記リファレンス微分曲線における前記分離波形微分曲線の全てのピークを有する選択セルの実測した容量Q及び電圧値Vをパラメータとする微分特性を示す微分特性曲線とを比較し、前記分離波形微分曲線の各々の第1係数を演算するフィッティング演算過程と、
最大容量演算部が、前記第1係数が用いられた前記リファレンス微分曲線を、前記選択セル以外の非選択セルの実測された範囲の部分微分特性曲線によりフィッティングし、前記第2係数を求め、当該第2係数を前記最大容量Qiniに乗算し、乗算結果を前記非選択セルの最大容量Qmaxの推定結果とする最大容量演算過程と
を備え、
前記分離波形微分曲線が正極の材料特性に基づく微分特性曲線と負極の材料特性に基づく微分特性曲線との各々を示す
ことを特徴とする二次電池容量測定方法。
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