JP6918433B1 - 劣化度診断装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、バッテリの開放電圧曲線を測定し、走行履歴から正極、負極容量維持率と正負極組成対応ずれ容量を示す劣化パラメータを算出し、開放電圧曲線(実測値)と一致するように繰り返し計算し開放電圧曲線(推定値)を特定するバッテリ制御装置が開示されている(例えば、特許文献2)。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で計測した電池容量電圧データを記憶し、記憶した電池容量電圧データ、および記憶した電池容量電圧データと異なる区間の記憶した電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部にて統合した電池容量電圧曲線は微分曲線において、負極に関する2つのピークが存在しない場合、あるいは正極に関する1つのピークが存在しない場合は、複数データ統合部は統合するデータを追加するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部にて統合した電池容量電圧曲線は微分曲線において、負極に関する2つのピークが存在しない場合、あるいは正極に関する1つのピークが存在しない場合は、複数データ統合部は統合するデータを追加するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部は、複数の電池容量電圧曲線の微分曲線を統合するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、電池情報計測部はさらに電池の温度を計測し、複数データ統合部は、電池情報計測部で計測した温度が少なくとも2つの異なる電池容量電圧データを温度抵抗値相関に基づいて温度による差異を補正する温度データ変換部を備え、温度データ変換部は温度の異なる少なくとも2つの電池容量電圧データに関して、電池電極内部の反応分布を補正する反応分布補正部を備えたものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部は電池の充電、放電時の開回路電圧の異なるヒステリシスを有する電池容量電圧データに対して、微分曲線の解析に基づいて、ヒステリシスの影響がないデータを選択するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部は電池の充電、放電時の開回路電圧の異なるヒステリシスを有する電池容量電圧データに対して、ヒステリシスモデルに基づきヒステリシスによる差異を補正するヒステリシス補正部を備えるものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部は、少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データの劣化度の差異が閾値内である電池容量電圧データを選択し、統合するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部は、劣化補正部を備え、劣化補正部は、少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データの劣化度が異なる場合、少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データに対して温度、時間、および保存劣化度の相関に基づいた保存劣化度の計算と、温度、充放電積算量、およびサイクル回数と、サイクル劣化度の相関に基づいたサイクル劣化度の計算のいずれか一方、または両方を行い、保存劣化、サイクル劣化によるデータ間差異を補正するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部にて統合した電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも1つの正極に関するピークを有するものである。
本願に開示される劣化度診断装置は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で計測した電池容量電圧データを記憶し、記憶した電池容量電圧データ、および記憶した電池容量電圧データと異なる区間の記憶した電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、複数データ統合部にて統合した電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも1つの正極に関するピークを有するものである。
実施の形態1は、電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の電池容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、電池情報計測部で計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、電池容量電圧曲線に基づいて電池の劣化度を推定する劣化度診断部とを備え、劣化度診断部は、電池容量電圧曲線の微分曲線を解析して、正極、負極、およびLiイオン消費に基づく劣化要因を特定し、電池の劣化度を推定する劣化度診断装置に関するものである。
劣化度診断装置システム全体は、劣化度診断装置100と診断対象である電池20とから構成される。電池20は、劣化度診断装置100の一部ではないが、密接に関連するため、電池20を区別することなく説明する。
なお説明において、電池容量電圧データは電池容量−電圧データ、すなわち電池容量に対する電圧のデータである。
さらに電池の形状は、図1で示した例である円筒型に限定されず、積層型、巻型、ボタン型など様々な形状の電池に対して、本実施の形態1で説明する技術を適用することができる。
また電池20は単電池に限らず複数個直列、もしくは並列に接続したモジュールおよびパックであってもよい。
電池情報計測部12で計測する容量とは、充電時の電流を時間積算し算出する容量AhまたはWhである。
また、電池20の基準容量および未劣化時の容量を100%とした場合の容量維持率および規格化した充電率SOC(State Of Charge)で示してもよい。
また電池情報計測部12は、電池20の温度を計測するようにしてもよい。
例えば、電気自動車等充電動作がユーザ任意で実施される場合は充電範囲が0%〜100%までの電池容量電圧データが得られる保証はない。このため、充電範囲がSOC0〜20%、20〜40%、40〜60%、60〜80%、および80〜100%といった異なる区間のデータに対して、電池容量電圧データを統合し電池容量電圧曲線を作成する必要がある。
リチウムイオン電池などの二次電池の劣化は、複数の劣化モードの複合現象である。電池20の劣化は、出力の低下および容量の低下等の現象が生じる。
更に出力の低下、容量の低下現象は、電池内部の劣化要因として内部抵抗の増大、正極容量の低下、負極容量の低下、およびLiイオンの消費(負極表面に生じる被膜成長に基づくLiイオン消費および電極表面への析出)の複合によって生じる。
これらの劣化要因を特定する手法として、電池20の充電もしくは放電時の容量と電圧の推移を解析する手法が採用されている。
図2は、電池20の電圧(開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage))と、電池20内で一般的に使用されている正極Li(Ni−Mn−Co)O2の電位と、負極グラファイトの電位との相関図である。
なお、図2において、横軸は電池20の容量(Q)である。左側の縦軸は電池20の電圧、右側の縦軸は電池20の正極、負極の電位である。図3〜図5においても同様である。
また、図2において、電池20の電圧曲線は実線で表し、正極の電位曲線は点線で表し、負極の電位曲線は一点鎖線で表している。図3〜図6、図9においても同様である。
電池20の電圧Uは、正極の電位(OCP(Open Circuit Potential))Upと、負極の電位(OCP)Unと式(1)の関係を有する。
図3は劣化していない新品の未劣化電池のOCV曲線に対し、正極劣化が生じた場合の電池20のOCV曲線と正極OCP曲線、負極OCP曲線を示している。
新品時の電池電圧モデルを式(1)で定義した場合、劣化した電池電圧モデルを式(2)で表現することで正極劣化に起因したパラメータθpを求めることができる。ここで、sは電池20の容量である。
正極劣化が生じた場合は正極OCP曲線が左方向に縮小し、その影響で電池OCV曲線はSOCが中間よりも高い領域で電圧が高くなる。
負極OCP曲線はほぼ平坦であることから、電池20の満充電状態(SOC=100%)の位置はほぼ正極OCP曲線によって決まる。このため、正極劣化は電池20の容量すなわち劣化度に大きな影響を与える。
負極劣化のみ生じた場合には、負極OCP曲線が左方向に縮小して相変化位置がずれ、その影響で電池20のOCV曲線も形状変化している。しかし、その影響は限定的である。 正極劣化のみ生じた場合と異なり、SOCが中間よりも高い領域で電池OCV曲線の形状にはほとんど影響を与えていない。
これは、負極グラファイトのOCP曲線の形状が非常に平坦であることに由来している。劣化した電池電圧モデルを式(3)で表現することで負極劣化に起因したパラメータθnを求めることができる。
リチウムイオンの消費による正負極間SOCシフトが生じた場合には、正極OCP曲線が全SOC領域で左方向にシフトしており、電池OCV曲線は全体的に電圧が高くなる。
正極劣化のみ生じた場合との違いは、SOCの中間よりも低い領域においても電池OCV曲線が高くなる点である。リチウム消費により劣化した電池電圧モデルは式(4)で表現することでリチウムイオン消費に起因した劣化パラメータθtを求めることができる。
そこで電池20のOCV曲線を容量で微分した微分曲線であるdV/dQ曲線を基に正極OCP曲線、負極OCP曲線の変化を解析し、劣化要因を特定することができる。
図6は例として、正極にLi(Ni−Mn−Co)O2、負極にグラファイトを使用した電池20のOCV曲線、正極OCP曲線、負極OCP曲線を容量で微分したdV/dQ曲線を示している。
なお、図6において、横軸は電池の容量(Q)であり、縦軸はdV/dQである。
一般的に使用される負極グラファイトのdV/dQ曲線は充電状態に応じて相変化に伴うピークが現れる。また正極Li(Ni−Mn−Co)O2のdV/dQ曲線は充電状態に応じて相変化に伴うピークが現れる。
正極のdV/dQ曲線は、中間SOCからSOCが高くなるにつれてピークが現れる形状を有する。負極のdV/dQ曲線は数個のピークを持つ形状を示す。
正極のdV/dQ曲線と負極のdV/dQ曲線をピーク関数にて近似計算することで、各劣化要因に関係したパラメータを推定することができる。例えば、正極のピーク関数は定数項とシグモイド型関数の加算で表現することができる。負極のピーク関数は一般的にCauchy分布の累積関数、およびロジスティック関数の和にて表現することができる。
例としてロジスティック分布関数を式(5)に示す。
ここで、xは電池20の容量、μは中央値、dは分散値、kはピーク高さを示す。
図7は複数データ統合部13の構成図である。
複数データ統合部13は、データ記憶部31、データ統合部32を備える。複数データ統合部13は、電池情報計測部12で得られた様々な電池容量電圧データをデータ記憶部31に記憶し、データ統合部32でそれら複数の電池容量電圧データを統合する。
複数データ統合部13の処理としては、電池情報計測部12で得られた様々な容量−電圧データに対して、微分電圧曲線として解析し、記憶するか否か、また統合するか否かを判断するような構成としてもよい。
ステップ1(S01)では、データ記憶部31から電池情報計測部12が計測した電池容量電圧データを取得する。
ステップ2(S02)では、電池容量電圧データ(曲線)に対して、容量(Q)で微分を行い、dV/dQ曲線解析を行う。
ステップ3(S03)では、電池20内の正極、負極に基づくピークを検出する。
ステップ4(S04)では、劣化度診断部14で行う電池20の劣化診断を行うための十分なデータが得られたか判断する。具体的には、図9、図10で説明する負極に関するピークA、Bおよび正極に関するピークCが検出されているかどうかを判断する。
ステップ5(S05)では、ステップ4(S04)の判断はデータ量が不十分であるため、さらにデータ記憶部31から電池容量電圧データを取得する。
ステップ6(S06)では、すでに取得されている電池容量電圧データに今回新たに取得した電池容量電圧データを統合する。そして、電池容量電圧データ統合後、ステップ2(S02)に戻る。
ステップ7(S07)では、ステップ4(S04)の判断はデータ量が十分であるため、電池容量電圧データ(曲線)を劣化度診断部14に送信する。
なお、図9、図10A、図10Bにおいて、横軸は電池の容量(Q)であり、縦軸はdV/dQである。図9において、Dは後で説明するように、「未劣化電池、劣化電池の負極ピークA、Bおよび正極ピークCを検知できるデータ範囲」である。
図10Aでは、負極に関するdV/dQ曲線を未劣化は実線、負極劣化は点線、Li消費による負極シフトは一点鎖線で表している。
図10Bでは、正極に関するdV/dQ曲線を未劣化は実線、負極劣化は点線、Li消費による負極シフトは一点鎖線で表している。
劣化度診断部14は複数データ統合部13で作成した電池容量電圧曲線を微分したdV/dQ曲線を解析し、正極劣化、負極劣化、Liイオン消費に関する劣化パラメータを推定する。
劣化パラメータ推定に際しては、dV/dQ曲線の容量は未劣化電池、または基準とする電池容量を基に算出した規格化容量、または充電率SOCを利用することで、未劣化電池から劣化後の電池20の劣化パラメータを推定することができる。
図10Aは負極のdV/dQ曲線に現れるピーク関数の変化例を示した図である。未劣化電池の負極のdV/dQ曲線に現れるピーク関数は、負極劣化が生じた場合、全体的に縮むため、ピークAとピークB間の距離が縮まっている。
また図9において、未劣化電池、劣化電池の正極のdV/dQ曲線に現われるピークCを検知することが可能であり、ピークCの高さを観測すれば、正極に起因した劣化パラメータθpを推定することができる。
また未劣化電池、劣化電池の負極dV/dQ曲線からピークAとピークB、および正極dV/dQ曲線よりピークCのシフト量を観測することで、Li消費による劣化パラメータθtを特定することができる。
Li消費に基づく劣化が生じた場合、図10Aの負極ピークおよび図10Bの正極ピークCのシフトが生じる。正極ピークCが負極のピークAとピークBを観測したデータ範囲であれば、このピークCの高さとピークC位置のシフトから各々の劣化パラメータを推定できる。
なお、図10A、図10Bにおいて、縦軸の左側に記載している線は実際には観測されない部分である。それぞれの劣化要因による負極シフト、正極シフトの全体がわかりやすいように記載している。
図11は劣化電池(容量維持率84%)の電圧曲線と部分的な充電データを示している。
なお、図11において、横軸は電池の容量(%)であり、縦軸は電池20の電圧である。
また、図11において、実測部分充電データは太い実線で表し、推定電池容量電圧曲線は太い点線で表している。図11において、推定電池容量電圧曲線を推定電圧曲線と記載している。
図12は図11の電圧曲線の微分電圧dV/dQ曲線を示している。
なお、図12において、横軸は電池の容量(%)であり、縦軸はdV/dQである。
また、図12において、実測部分充電データの微分曲線は太い実線で表し、推定電池容量電圧曲線の微分曲線は太い点線で表している。正極dV/dQ曲線は細い点線で表し、負極dV/dQ曲線は細い一点鎖線で表している。図12において、推定電池容量電圧曲線を推定電圧曲線と記載している。
部分充電データから負極ピークA、Bと正極ピークCを検出し、図10にて説明した通り、未劣化電池との比較を行い負極ピークAとピークB間距離の変化に伴う負極劣化パラメータθn、負極ピークAとピークBのシフト量に伴うLi消費劣化パラメータθtを推定することができる。また、正極ピークCの位置(高さ)変化に伴う正極劣化パラメータθp、正極ピークCのシフトに伴うLi消費による劣化パラメータθtを推定することができる。
図11、図12に示すように電池20の使用範囲全体の電池容量電圧曲線を推定した結果、図11において、推定した電池容量電圧曲線と上限電圧との交点に対応する容量位置が劣化度84%を示している。
このような構成によれば、複数データ統合部13を備えることでランダムに集まってきたデータから全体の電池容量電圧曲線を推定するために必要なデータを作成することができる。したがって、ユーザの任意の動作で充電、放電されるような機器においても正確に電池20の劣化度を推定することができる。
また図10Aにて示した通り、負極劣化によって負極のdV/dQ曲線が縮んだ場合、下限容量付近で観測されるdV/dQ上昇に伴うピークの位置は変わらず、負極ピークAとピークBとのピーク間の距離が縮む場合がある。この場合、負極劣化によって電池下限電圧が変わることはなく、さらに先に説明した通り電池上限電圧は正極劣化のみの影響を受けるため、電池全体電圧曲線の変化および劣化度(容量)には負極劣化の影響はない。
したがって、劣化電池は正極ピークCのみを検知することで、電池全体の電圧曲線を推定することができ、劣化度を診断することができる。
但し、正極の劣化度があらかじめ既知の状態であれば、負極のdV/dQ曲線のピークA、B以外のピークを基に負極劣化パラメータを推定し、電池使用範囲の電池容量電圧曲線を推定して、これに基づいて劣化度を診断してもよい。
このような場合は、複数データ統合部13は初期に実施する電圧曲線解析時に電池20全体の電池容量電圧曲線を推定した際に使用したデータ範囲を規定し、様々な複数の電池容量電圧データから規定したデータ範囲を満たすように電池容量電圧データを作成してもよい。
さらに複数データ統合部13は、様々な電池容量電圧データに対して微分電圧曲線を算出しデータ統合を行ってもよい。
しかし、1階微分曲線ではピークが複雑で解析困難な場合、または正極、負極のピークが重なった状態で区別できず解析できない可能性がある。このような場合には、さらに容量で2階微分を行って2階微分電圧曲線を解析してもよい。ピーク解析を容易にするために更に微分回数を増加させてもよい。
したがって、実施の形態1の劣化度診断装置は、電気自動車のような充電動作がユーザ任意の動作である場合であっても、電池の劣化度を正確に推定することができる。
実施の形態2の劣化度診断装置は、実施の形態1の劣化度診断装置の複数データ統合部に温度データ変換部を追加したものである。
実施の形態2の構成図において、実施の形態1と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
劣化度診断装置200は、電池20を充電する機能を有する充放電制御部11、電池20の電流、電圧、温度を計測する電池情報計測部12、電池情報計測部12で得られた電池容量電圧データを統合する複数データ統合部13、および電池20の劣化パラメータ、劣化度を推定する劣化度診断部14を備える。複数データ統合部13は、電池情報計測部12で得られたデータを所定の温度条件に補正する温度データ変換部41を備える。
なお、図14において、横軸は電池20の温度Tの逆数(1/T)であり、縦軸は電池20の内部抵抗Rである。
リチウムイオン電池は環境温度によって内部抵抗が変化し、温度が低いほど抵抗は高く、温度が高いほど抵抗が低くなる特性を有する。
図14は、リチウムイオン電池である電池20の内部抵抗と温度の相関例を示している。例えば低温では抵抗値が大きくなるため、過電圧IRが大きくなる。低温時、高温時と同じ電流値、または同じ電力で充電しても、低温時の電池容量電圧データと高温時の電池容量電圧データを統合すると過電圧による差異が大きく、所定条件の電池容量電圧曲線を得ることは困難である。
このような構成によれば、様々な温度での観測データが得られた場合でも、所定のデータ範囲に相当する電池容量電圧曲線を作成することが可能となり、正確な電池20の劣化度を推定することができる。
図15は劣化度診断装置200の温度データ変換部41の中に反応分布補正部42を設けた構成図である。
図16は反応分布を説明する多粒子の回路モデル例を示している。
図16において、R1、R2、R3はリチウムイオン電池20内の電解液中のLiイオンの移動に寄与する電解液抵抗(溶液抵抗、電解液の粘性抵抗)である。
R4、R5、R6は電極粒子とLiイオンの拡散抵抗(反応抵抗、電荷移動抵抗、粒子間拡散、粒子内拡散に基づく抵抗)を表し、C4、C5、C6は電気二重層容量に基づくキャパシタンスである。また、OCV1、OCV2、OCV3は、各モデル電池開回路電圧である。なお、集電泊は電極を構成する主要構成要素である。
この状態で計測した電池容量電圧曲線を容量で微分したとしても、各抵抗に流れる電流には差異が生じているため、定数項として影響を除くことはできない。また、観測している電池20の開回路電圧(OCV)は正確な値ではない。
この状態では、複数データ統合部13が常温、高温、低温環境で測定したデータ同士を統合する場合、正確な電池容量電圧曲線を作成することができないため、劣化度診断において誤差が生じる可能性がある。
また本回路モデルは、例として反応抵抗、拡散抵抗を統一したRとCの並列回路としているが、直列に配置するCR並列回路の数は各抵抗成分に分けてもよい。また粒子数を更に増やして並列に配置するCR並列回路の数を増やすように構成してもよい。
更に電池容量電圧実測データに対して最も誤差が少なくなるように計算し、各回路の設置数を決定してもよい。
したがって、反応分布補正部42は、充放電制御部11で電池20を充電する際の電流値に基づいて図16の回路モデルおよび数式モデルを基に電圧を補正するような構成としてもよい。
したがって、実施の形態2の劣化度診断装置は、電気自動車のような充電動作がユーザ任意の動作である場合であっても、電池の劣化度を正確に推定することができ、さらに電池の温度に影響を除いて正確に電池の劣化度を推定することができる。
実施の形態3の劣化度診断装置は、実施の形態1の劣化度診断装置の複数データ統合部にヒステリシス補正部を追加したものである。
実施の形態3の構成図において、実施の形態1と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
劣化度診断装置300は、電池20を充電する機能を有する充放電制御部11、電池20の電流、電圧、温度を計測する電池情報計測部12、電池情報計測部12で得られた電池容量電圧データを統合する複数データ統合部13、および電池20の劣化パラメータ、劣化度を推定する劣化度診断部14を備える。複数データ統合部13は、電池20の充電、放電時のヒステリシスを補正するヒステリシス補正部51を備える。
図18は充電時と放電時のSOC−OCV特性のヒステリシスを示す。
なお、図18において、横軸は電池20の充電率(SOC)であり、縦軸は電池20の開回路電圧(OCV)である。また、図18において、ヒステリシスの充電カーブを実線で表し、放電カーブを点線で表している。
例えば下限SOCまで放電された後に充放電制御部11によって充電される場合、充電SOC−OCV曲線に従い電池20の開回路電圧(OCV)は推移する。しかし、中間範囲の充電率(SOC)から充電される場合は、放電SOC−OCV曲線に従い、電池20の開回路電圧(OCV)が推移する現象が一般的に知られている。
またヒステリシス補正部51によって電池20の開回路電圧(OCV)のヒステリシスを補正することは、実施の形態2で説明した温度によって生じる内部抵抗の差による電池電圧の変化および電池内部の反応分布を補正する場合においても有効である。
したがって、実施の形態2の劣化度診断装置の構成に、実施の形態3のヒステリシス補正部51を追加して、電池20のヒステリシスによる差異を補正することでより正確に電池20の劣化度診断が可能となる。
図19Aにおいて、Fは後で説明するように、「ヒステリシスの充電カーブと放電カーブとの差異が大きい領域」である。
なお、図19Aにおいて、横軸は電池20の充電率(SOC)であり、縦軸は電池20の開回路電圧(OCV)である。また、図19Aにおいて、ヒステリシスの充電カーブを実線で表し、放電カーブを点線で表している。
図19Bにおいて、横軸は電池20の容量であり、縦軸はdV/dQである。また、図19Bにおいて、電池電圧のdV/dQは実線で表し、正極電位のdV/dQは点線で表し、負極電位のdV/dQは一点鎖線で表している。
図19A、図19Bからわかるように、ヒステリシス現象は充電SOC−OCV曲線と放電SOC−OCV曲線との差異が大きい領域Fの位置、またはdV/dQ曲線の負極のピークE1またはE2が現れる位置から充電を開始した場合に生じる現象である。
さらに電池容量電圧データ選定の基準となるdV/dQ曲線の負極ピークの位置は、複数の電池容量電圧データを観測し、ピークE1またはE2を検知した位置に設定してもよい。また、あらかじめ充電時にヒステリシス現象の生じる位置を記憶させておき、判断するようにしてもよい。
また充放電制御部11による充電開始前の電池の休止時間(無負荷状態の時間)が十分長い場合はヒステリシスの緩和が生じるため、休止時間の長さを閾値として、複数データ統合部13は統合する電池容量電圧データを選択してもよい。
またヒステリシスモデルは温度によって変化することも一般的に知られているため、温度ごとにマップおよび関数を備えておいてもよい。
したがって、実施の形態3の劣化度診断装置は、電気自動車のような充電動作がユーザ任意の動作である場合であっても、電池の劣化度を正確に推定することができ、さらに充電、放電のヒステリシスの影響を除き、正確に電池の劣化度を推定することができる。
実施の形態4は、実施の形態1の劣化度診断装置の複数データ統合部に劣化補正部を追加したものである。
実施の形態4の構成図において、実施の形態1と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
劣化度診断装置400は、電池20を充電する機能を有する充放電制御部11、電池20の電流、電圧、温度を計測する電池情報計測部12、電池情報計測部12で得られた電池容量電圧データを統合する複数データ統合部13、および電池20の劣化パラメータ、劣化度を推定する劣化度診断部14を備える。複数データ統合部13は、電池20の保存劣化およびサイクル劣化を補正する劣化補正部61を備える。
統合するデータ同士の劣化度が大きく異なる場合は、電池容量電圧曲線を解析する際の正極、負極のピーク位置が統合する電池容量電圧データ同士で変わるため、このような電池容量電圧データを統合し、劣化度診断を行っても、未劣化電池、基準電池、または前回の劣化度診断時に推定した電池20の劣化度からの変化を正確に診断することはできない。
したがって、複数データ統合部13内の劣化補正部61は、様々な電池容量電圧データの劣化度を補正、すなわちデータ間の差異を補正する。複数データ統合部13は、この補正後の複数の電池容量電圧データを統合し電池容量電圧曲線を作成する。
具体的には複数の電池容量電圧データの劣化度を補正するために、例えば電池20の温度、保存日数、充放電サイクル回数、および充放電SOC範囲と劣化度との推移を表す劣化モデルをあらかじめ保有していてもよい。あるいは何点か劣化度を推定した後に使用履歴と電池の劣化度の相関を推定するようにしてもよい。
但し、劣化補正部61で劣化モデルを基に推定する劣化度は劣化度診断部14で実際に推定する劣化度と異なる可能性はあるが、この場合は相互に補完し合う構成としてもよい。
このような構成によれば、複数データ統合部13で統合する電池容量電圧データの間で劣化度が異なっている場合でも、劣化補正部61が統合するデータ同士の劣化度の差を小さくすることができる。このため、複数データ統合部13が統合して作成した電池電圧曲線を解析し、劣化度診断することでより正確な劣化度を推定することができる。
図21は保存劣化の温度をパラメータとした時間(日数)と容量維持率との相関例を示している。なお、図21において、横軸は電池20の保存時間の0.5乗であり、縦軸は電池20の容量維持率である。
図22はサイクル劣化の温度をパラメータとしたサイクル回数と容量維持率の相関例を示している。なお、図22において、横軸は電池20のサイクル回数であり、縦軸は電池20の容量維持率である。ここで、電池20のサイクル回数は充放電積算容量であってもよい。
劣化補正部61で保有する劣化モデルは、例えば図21の保存劣化については保存日数と温度との相関関係を利用し、容量維持率を補正する。
また図22のサイクル劣化についてはサイクル回数あるいは充放電積算容量と温度との相関関係を利用し、容量維持率を補正する。
複数データ統合部13は、劣化補正部61で劣化度を補正し、所定の容量維持率に合わせて、様々な電池容量電圧データを統合することで所定の電池容量電圧曲線を作成し、劣化度診断部14で劣化度を推定するようにしてもよい。
したがって、実施の形態4の劣化度診断装置は、電気自動車のような充電動作がユーザ任意の動作である場合であっても、電池の劣化度を正確に推定することができ、さらに保存劣化およびサイクル劣化の影響を除き、正確に電池の劣化度を推定することができる。
実施の形態5の劣化度診断装置は、実施の形態1の劣化度診断装置に電池の劣化を抑制する劣化抑制部を追加したものである。
実施の形態5の構成図において、実施の形態1と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
劣化度診断装置500は、電池20を充電する機能を有する充放電制御部11、電池20の電流、電圧、温度を計測する電池情報計測部12、電池情報計測部12で得られた電池容量電圧データを統合する複数データ統合部13、および電池20の劣化パラメータ、劣化度を推定する劣化度診断部14を備える。劣化度診断装置500は、さらに電池20の劣化を抑制する劣化抑制部70を備える。
劣化抑制部70は、電池20の使用履歴を取得する電池使用履歴取得部71、使用履歴と劣化要因の情報との相関を取得する電池使用履歴−劣化度相関取得部72、および電池20の劣化を抑制するため電池20の充電、放電制御を管理する充放電管理部73を備える。
なお、図23において、電池使用履歴取得部は履歴取得部と、電池使用履歴−劣化度相関取得部は履歴−劣化度相関取得部と記載している。
充放電管理部73は、電池使用履歴−劣化度相関取得部72が取得した情報に基づいて、電池20の劣化を抑制するように充放電制御部11を介して電池20の充電、放電を管理する。
また充放電管理部73は現在の電池20の温度、劣化度、劣化状態に基づいて休止させる管理を行ってもよい。
したがって、実施の形態5の劣化度診断装置は、電気自動車のような充電動作がユーザ任意の動作である場合であっても、電池の劣化度を正確に推定することができ、さらに電地の劣化を抑制するための充放電管理を行うことができる。
図24の処理回路80は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものである。
図25に示すように、制御回路90は、プロセッサ91と、メモリ92とを備える。
プロセッサ91は、CPU(Central Processing Unit)であり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、およびマイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)などと呼ばれる。
メモリ92は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、およびDVD(Digital Versatile Disk)などである。
処理回路が汎用ハードウェアである制御回路90により実現される場合、プロセッサ91がメモリ92に記憶された各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ92は、プロセッサ91が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組合せる場合が含まれるものとする。
Claims (14)
- 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも1つの正極に関するピークを有する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で計測した電池容量電圧データを記憶し、記憶した前記電池容量電圧データ、および前記記憶した前記電池容量電圧データと異なる区間の記憶した前記電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、負極に関する2つのピークが存在しない場合、あるいは正極に関する1つのピークが存在しない場合は、前記複数データ統合部は統合するデータを追加する劣化度診断装置。 - 前記劣化度診断部は、前記電池容量電圧曲線の微分曲線を解析して、前記電池の正極と負極、および前記電池がリチウムイオン電池の場合のLiイオン消費に基づく劣化要因を特定する請求項2に記載の劣化度診断装置。
- 前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも2つの負極に関するピークを有する請求項1に記載の劣化度診断装置。
- 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、負極に関する2つのピークが存在しない場合、あるいは正極に関する1つのピークが存在しない場合は、
前記複数データ統合部は統合するデータを追加する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部は、複数の前記電池容量電圧曲線の微分曲線を統合する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記電池情報計測部はさらに前記電池の温度を計測し、
前記複数データ統合部は、前記電池情報計測部で計測した前記温度が少なくとも2つの異なる前記電池容量電圧データを温度抵抗値相関に基づいて前記温度による差異を補正する温度データ変換部を備え、
前記温度データ変換部は温度の異なる少なくとも2つの前記電池容量電圧データに関して、電池電極内部の反応分布を補正する反応分布補正部を備えた劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部は電池の充電、放電時の開回路電圧の異なるヒステリシスを有する前記電池容量電圧データに対して、微分曲線の解析に基づいて、前記ヒステリシスの影響がないデータを選択する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部は前記電池の充電、放電時の開回路電圧の異なるヒステリシスを有する前記電池容量電圧データに対して、ヒステリシスモデルに基づき前記ヒステリシスによる差異を補正するヒステリシス補正部を備える劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部は、少なくとも2つの異なる区間の前記電池容量電圧データの劣化度の差異が閾値内である前記電池容量電圧データを選択し、統合する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で異なる充電または放電サイクルにおいて計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、
を備え、
前記複数データ統合部は、劣化補正部を備え、
前記劣化補正部は、少なくとも2つの異なる区間の前記電池容量電圧データの劣化度が異なる場合、
少なくとも2つの異なる区間の前記電池容量電圧データに対して温度、時間、および保存劣化度の相関に基づいた保存劣化度の計算と、
温度、充放電積算量、およびサイクル回数と、サイクル劣化度の相関に基づいたサイクル劣化度の計算のいずれか一方、または両方を行い、
保存劣化、サイクル劣化によるデータ間差異を補正する劣化度診断装置。 - さらに、前記電池の劣化を抑制するため充放電制御を行う劣化抑制制御部を備え、
前記劣化抑制制御部は、前記電池の使用履歴を取得する電池使用履歴取得部と、
前記劣化度診断部にて取得した劣化度と、前記電池使用履歴取得部にて取得した電池使用履歴の相関を取得する電池使用履歴−劣化度相関取得部と、
前記電池使用履歴−劣化度相関取得部にて取得した相関に基づいて前記電池の充放電を管理する充放電管理部と、を備える請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で計測した少なくとも2つの異なる区間の電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、
前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも1つの正極に関するピークを有する劣化度診断装置。 - 電池の充電または放電を制御する充放電制御部と、
前記電池の電圧、電流を計測し充電または放電時の容量と電圧推移を計測する電池情報計測部と、前記電池情報計測部で計測した電池容量電圧データを記憶し、記憶した前記電池容量電圧データ、および前記記憶した前記電池容量電圧データと異なる区間の記憶した前記電池容量電圧データを統合し、電池容量電圧曲線を作成する複数データ統合部と、
前記電池容量電圧曲線に基づいて前記電池の劣化度を推定する劣化度診断部と、を備え、
前記複数データ統合部にて統合した前記電池容量電圧曲線は微分曲線において、少なくとも1つの正極に関するピークを有する劣化度診断装置。
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