JP7115439B2 - SECONDARY BATTERY SYSTEM AND SECONDARY BATTERY INTERNAL STATE ESTIMATION METHOD - Google Patents
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Description
本開示は、二次電池システムおよび二次電池の内部状態推定方法に関する。 The present disclosure relates to a secondary battery system and a secondary battery internal state estimation method.
近年、二次電池が搭載された電動車両(たとえばハイブリッド車両、電気自動車など)の普及が進んでいる。二次電池のなかには、完全に放電された状態から二次電池を充電する際に得られるSOC(SOC:State Of Charge)-OCV(Open Circuit Voltage)カーブである「充電カーブ」と、満充電された状態から二次電池を放電する際に得られるSOC-OCVカーブである「放電カーブ」とが顕著に乖離する系が存在する。このように充電カーブと放電カーブとが乖離することを二次電池に「ヒステリシス」が存在するとも言う。たとえば特開2015-166710号公報(特許文献1)は、二次電池のヒステリシスを考慮した上でOCVからSOCを推定する技術を開示する。 In recent years, the spread of electric vehicles (for example, hybrid vehicles, electric vehicles, etc.) equipped with secondary batteries is progressing. In a secondary battery, there is a “charge curve” that is an SOC (State Of Charge)-OCV (Open Circuit Voltage) curve obtained when charging the secondary battery from a completely discharged state, and a “charge curve” that is obtained when the secondary battery is fully charged. There is a system in which the "discharge curve", which is the SOC-OCV curve obtained when the secondary battery is discharged from the discharged state, deviates significantly. Such divergence between the charge curve and the discharge curve is also called the existence of "hysteresis" in the secondary battery. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2015-166710 (Patent Literature 1) discloses a technique of estimating SOC from OCV in consideration of hysteresis of a secondary battery.
本開示においては二次電池の内部状態が推定される。二次電池の内部状態の推定とは、二次電池の正極開放電位、正極電位、負極開放電位、負極電位などの様々な電位成分を算出することを含む。たとえば、二次電池の正極開放電位および負極開放電位から二次電池のOCVを算出し、算出されたOCVから二次電池のSOCを推定することができる。また、二次電池の正極電位が所定の下限電位よりも低くなったり所定の上限電位よりも高くなったりした場合には、正極での副反応が起こり、正極が劣化し得る。負極についても同様に、負極電位が所定の電位範囲外になると劣化する可能性がある。よって、二次電池の単極電位(正極電位または負極電位)の算出精度を向上させることで、二次電池の正極および負極の劣化を抑制することも可能になる。 In the present disclosure, the internal state of the secondary battery is estimated. Estimation of the internal state of the secondary battery includes calculating various potential components such as the positive electrode open-circuit potential, the positive electrode potential, the negative electrode open-circuit potential, and the negative electrode potential of the secondary battery. For example, the OCV of the secondary battery can be calculated from the positive electrode open-circuit potential and the negative electrode open-circuit potential of the secondary battery, and the SOC of the secondary battery can be estimated from the calculated OCV. Further, when the positive electrode potential of the secondary battery becomes lower than the predetermined lower limit potential or higher than the predetermined upper limit potential, a side reaction occurs at the positive electrode, which may deteriorate the positive electrode. Similarly, the negative electrode may deteriorate when the negative electrode potential is outside the predetermined potential range. Therefore, by improving the calculation accuracy of the single electrode potential (positive electrode potential or negative electrode potential) of the secondary battery, deterioration of the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery can be suppressed.
二次電池の各種特性を向上させるべく、複数の負極活物質を含む負極(いわゆる複合負極)を採用することが検討されている。たとえば特開2015-167127号公報(特許文献2)に開示されたリチウムイオン二次電池の負極は、炭素系材料(より詳細には、ナノ炭素またはカーボンナノチューブなどの炭素系材料)とシリコン系材料とを含む。 In order to improve various characteristics of a secondary battery, the use of a negative electrode containing multiple negative electrode active materials (so-called composite negative electrode) has been studied. For example, the negative electrode of the lithium ion secondary battery disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-167127 (Patent Document 2) includes a carbon-based material (more specifically, a carbon-based material such as nanocarbon or carbon nanotube) and a silicon-based material. including.
リチウムイオン二次電池では、シリコン系材料を含む負極を採用することで、シリコン系材料を含まない負極を採用する場合と比べて、満充電容量を増加させることができる。その一方で、負極にシリコン系材料が含まれる場合には、負極にシリコン系材料が含まれない場合と比べて、SOC-OCVカーブのヒステリシスが大きくなることが知られている(たとえば特開2014-139521号公報:特許文献3参照)。 In a lithium-ion secondary battery, by using a negative electrode containing a silicon-based material, the full charge capacity can be increased compared to a case where a negative electrode that does not contain a silicon-based material is used. On the other hand, it is known that when the negative electrode contains a silicon-based material, the hysteresis of the SOC-OCV curve increases compared to when the negative electrode does not contain a silicon-based material (for example, JP-A-2014. -139521: See Patent Document 3).
複合負極を有する二次電池の内部状態の推定において、従来の内部状態の推定手法を適用することも考えられる。しかしながら、従来の推定手法では、二次電池のヒステリシスが考慮されていないため、二次電池の内部状態の推定精度が相対的に低くなり得る。そのため、複合負極を有する二次電池においては、ヒステリシスを考慮して二次電池の内部状態を推定することが望ましい。 In estimating the internal state of a secondary battery having a composite negative electrode, it is also conceivable to apply a conventional internal state estimation method. However, since the conventional estimation method does not consider the hysteresis of the secondary battery, the accuracy of estimating the internal state of the secondary battery may be relatively low. Therefore, in a secondary battery having a composite negative electrode, it is desirable to estimate the internal state of the secondary battery in consideration of hysteresis.
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の負極活物質を含む負極を有する二次電池の内部状態の推定精度を向上させるための技術を提供することである。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a technique for improving the accuracy of estimating the internal state of a secondary battery having a negative electrode containing a plurality of negative electrode active materials. is.
(1)本開示のある局面に従う二次電池システムは、二次電池と、二次電池の活物質モデルに基づいて二次電池の内部状態を推定するように構成された制御装置とを備える。二次電池は、正極活物質を含む正極と、第1および第2の負極活物質を含む負極とを有する。第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う第1の負極活物質の体積変化量は、第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う第2の負極活物質の体積変化量よりも大きい。制御装置は、第1の負極活物質と第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下において、第1の活物質モデルに基づいて第1の負極活物質内の電荷担体量を算出する。制御装置は、第1の負極活物質内の電荷担体量に応じて定まる第1の負極活物質の表面応力に基づいて、第1の負極活物質の開放電位変化量を算出する。制御装置は、第1の負極活物質に表面応力が発生していない状態における第1の負極活物質の開放電位と、開放電位変化量とから負極の開放電位を算出する。 (1) A secondary battery system according to an aspect of the present disclosure includes a secondary battery and a control device configured to estimate an internal state of the secondary battery based on an active material model of the secondary battery. A secondary battery has a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing first and second negative electrode active materials. The amount of change in volume of the first negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is the volume change of the second negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material. Greater than the amount of change. The control device calculates the amount of charge carriers in the first negative electrode active material based on the first active material model under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential. calculate. The control device calculates the amount of change in open-circuit potential of the first negative electrode active material based on the surface stress of the first negative electrode active material that is determined according to the amount of charge carriers in the first negative electrode active material. The control device calculates the open-circuit potential of the negative electrode from the open-circuit potential of the first negative-electrode active material in a state in which no surface stress is generated in the first negative-electrode active material and the amount of change in the open-circuit potential.
第1の負極活物質(たとえばシリコン系材料)内の電荷担体量の変化に伴う第1の負極活物質の体積変化量は、第2の負極活物質(たとえば炭素系材料)内の電荷担体量の変化に伴う第2の負極活物質の体積変化量よりも大きいので、第1の負極活物質におけるヒステリシスの影響は、第2の負極活物質におけるヒステリシスの影響よりも大きい。この点に着目し、上記(1)の構成によれば、第1の活物質モデルに基づいて第1の負極活物質内の電荷担体量(たとえばリチウム量)が算出されるとともに、第2の活物質モデルに基づいて第2の負極活物質内の電荷担体量が算出される。つまり、負極活物質毎に電荷担体量が別々に算出されるため、二次電池の内部状態の推定結果にヒステリシスの影響を正確に反映させることが可能になる(詳細は後述)。したがって、二次電池の内部状態の推定精度を向上させることができる。 The amount of change in volume of the first negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material (eg, silicon-based material) is the amount of charge carriers in the second negative electrode active material (eg, carbon-based material). is larger than the amount of change in volume of the second negative electrode active material due to the change in , the effect of hysteresis on the first negative electrode active material is greater than the effect of hysteresis on the second negative electrode active material. Focusing on this point, according to the configuration (1) above, the amount of charge carriers (for example, the amount of lithium) in the first negative electrode active material is calculated based on the first active material model, and the second A charge carrier amount in the second negative electrode active material is calculated based on the active material model. That is, since the amount of charge carriers is calculated separately for each negative electrode active material, it is possible to accurately reflect the influence of hysteresis on the estimation result of the internal state of the secondary battery (details will be described later). Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of the internal state of the secondary battery.
(2)好ましくは、制御装置は、第1の負極活物質と第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下で、所定の収束条件が成立するように、第1の負極活物質を流れる電流と第2の負極活物質を流れる電流とを収束演算処理により別々に算出する。制御装置は、第1および第2の負極活物質を流れる電流に関する境界条件下で拡散方程式を解くことによって第1および第2の負極活物質内における電荷担体の濃度分布を算出し、算出された濃度分布から第1および第2の負極活物質内の電荷担体量を算出する。 (2) Preferably, the control device controls the first negative electrode active material and the second negative electrode active material so that a predetermined convergence condition is established under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential. A current flowing through the material and a current flowing through the second negative electrode active material are separately calculated by convergence arithmetic processing. The controller calculates the concentration distribution of charge carriers in the first and second negative electrode active materials by solving a diffusion equation under boundary conditions for current flowing through the first and second negative electrode active materials, and the calculated The amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is calculated from the concentration distribution.
(3)好ましくは、二次電池システムは、正極と負極との間の電圧を検出する電圧センサをさらに備える。制御装置は、正極活物質を流れる電流に関する境界条件下で拡散方程式を解くことによって正極活物質内における電荷担体の濃度分布を算出し、算出された濃度分布から正極活物質内の電荷担体量を算出する。制御装置は、正極活物質内の電荷担体量に応じて定まる正極活物質の開放電位に基づいて、正極の電位を算出し、負極の開放電位に基づいて負極の電位を算出する。制御装置は、算出された正極と負極との間の電位差と電圧センサにより検出された電圧とが一致するとの条件を収束条件として、第1の負極活物質を流れる電流を算出する。 (3) Preferably, the secondary battery system further includes a voltage sensor that detects voltage between the positive electrode and the negative electrode. The control device calculates the concentration distribution of charge carriers in the positive electrode active material by solving a diffusion equation under boundary conditions regarding the current flowing through the positive electrode active material, and calculates the amount of charge carriers in the positive electrode active material from the calculated concentration distribution. calculate. The control device calculates the potential of the positive electrode based on the open potential of the positive electrode active material, which is determined according to the amount of charge carriers in the positive electrode active material, and calculates the potential of the negative electrode based on the open potential of the negative electrode. The control device calculates the current flowing through the first negative electrode active material using the condition that the calculated potential difference between the positive electrode and the negative electrode matches the voltage detected by the voltage sensor as a convergence condition.
上記(2),(3)の構成によれば、第1の負極活物質を流れる電流と第2の負極活物質を流れる電流とが別々に算出される。これにより、第1の負極活物質を流れる電流に関する境界条件下における拡散方程式に基づく第1の負極活物質内における電荷担体の濃度分布と、第2の負極活物質を流れる電流に関する境界条件下における拡散方程式に基づく第2の負極活物質内における電荷担体の濃度分布とが、より高精度に求まる。電荷担体の濃度分布に基づいて二次電池の内部状態(開放電位や表面応力)が算出されるため(後述)、上記(2),(3)の構成によれば、二次電池の内部状態の推定精度を向上させることができる。 According to the configurations (2) and (3) above, the current flowing through the first negative electrode active material and the current flowing through the second negative electrode active material are calculated separately. As a result, the concentration distribution of the charge carriers in the first negative electrode active material based on the diffusion equation under the boundary conditions regarding the current flowing through the first negative electrode active material and the boundary conditions regarding the current flowing through the second negative electrode active material The concentration distribution of charge carriers in the second negative electrode active material based on the diffusion equation can be obtained with higher accuracy. Since the internal state (open-circuit potential and surface stress) of the secondary battery is calculated based on the concentration distribution of the charge carriers (described later), according to the above configurations (2) and (3), the internal state of the secondary battery can improve the estimation accuracy of
(4)より好ましくは、制御装置は、第1の負極活物質を流れる電流を電荷担体の挿入および脱離に関与する反応電流と、電荷担体の挿入および脱離に関与しないキャパシタ電流とに区別する。制御装置は、バトラー・ボルマーの関係式に反応電流を代入することによって、第1の負極活物質の反応過電圧を算出し、負極の開放電位と、第1の負極活物質の反応過電圧とから、負極の電位を算出する。 (4) More preferably, the control device distinguishes the current flowing through the first negative electrode active material into a reaction current involved in the insertion and desorption of charge carriers and a capacitor current not involved in the insertion and desorption of charge carriers. do. The control device calculates the reaction overvoltage of the first negative electrode active material by substituting the reaction current into the Butler-Volmer relational expression, and from the open circuit potential of the negative electrode and the reaction overvoltage of the first negative electrode active material, Calculate the potential of the negative electrode.
上記(4)の構成によれば、活物質表面に形成される電気二重層の影響を考慮し、電荷担体の挿入および脱離に関与する電流成分である反応電流に基づいて、第1の負極活物質の反応過電圧が算出される。電荷担体の挿入および脱離に関与しないキャパシタ電流を除去することにより、反応過電圧の算出精度が向上するので、負極電位(=負極開放電位+反応過電圧)の算出精度を向上させることができる。 According to the above configuration (4), the effect of the electric double layer formed on the surface of the active material is taken into consideration, and the reaction current, which is the current component involved in the insertion and desorption of the charge carrier, A reaction overvoltage of the active material is calculated. By removing the capacitor current that is not involved in the insertion and desorption of charge carriers, the calculation accuracy of the reaction overvoltage is improved, so the calculation accuracy of the negative electrode potential (=negative electrode opening potential + reaction overvoltage) can be improved.
(5)好ましくは、制御装置は、正極活物質内の電荷担体量と第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量との間に成立する関係を、正極の容量と負極の容量との容量比を用いて規定した関係式に従って、正極活物質内の電荷担体量から、第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量を算出する。制御装置は、上記合計量の時間変化量と、正極活物質を流れる電流との間に成立する電荷量保存則を利用して、第1および第2の負極活物質内の電荷担体量を算出する。 (5) Preferably, the control device establishes a relationship between the amount of charge carriers in the positive electrode active material and the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials. The total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is calculated from the amount of charge carriers in the positive electrode active material according to a relational expression defined using the ratio of capacity to capacity. The control device calculates the amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials by utilizing the law of conservation of charge amount established between the amount of change in the total amount over time and the current flowing through the positive electrode active material. do.
上記(5)の構成によれば、上記関係式を用いることによって、第1および第2の負極活物質内における拡散方程式を解かなくてもよくなる。また、収束演算処理に用いられるパラメータを削減することができる。したがって、上記(2),(3)の構成と比べて、制御装置の演算量(演算負荷およびメモリ量など)を低減することができる(詳細は後述)。 According to the configuration (5) above, the use of the above relational expression eliminates the need to solve the diffusion equations in the first and second negative electrode active materials. Also, the parameters used for the convergence calculation process can be reduced. Therefore, compared to the configurations (2) and (3) above, it is possible to reduce the amount of computation (computation load, memory size, etc.) of the control device (details will be described later).
(6)好ましくは、制御装置は、正極活物質内の電荷担体量と第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量との間に成立する関係を、正極の容量と負極の容量との容量比を用いて規定した関係式に従って、正極活物質内の電荷担体量から、第1および第2の負極活物質内の電荷担体量の合計量を算出する。制御装置は、第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に応じて第1の負極活物質の電位が線形に変化すると近似するとともに、第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に応じて第2の負極活物質の電位が線形に変化すると近似した所定の関係式に従って、上記合計量の時間変化量から第1および第2の負極活物質内の電荷担体量を算出する。 (6) Preferably, the control device establishes a relationship between the amount of charge carriers in the positive electrode active material and the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials. The total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is calculated from the amount of charge carriers in the positive electrode active material according to a relational expression defined using the ratio of capacity to capacity. The control device approximates that the potential of the first negative electrode active material changes linearly according to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material, and the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material. The amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is calculated from the amount of time change of the total amount according to a predetermined relational expression that approximates that the potential of the second negative electrode active material changes linearly according to .
上記(6)の構成によれば、線形近似を用いた上記所定の関係式を用いることによって、上記(5)の構成と比べて、制御装置の演算量を一層低減することができる(詳細は後述)。 According to the above configuration (6), by using the above-mentioned predetermined relational expression using linear approximation, it is possible to further reduce the amount of calculation of the control device compared to the above configuration (5) (details are later).
(7)好ましくは、二次電池は、リチウムイオン二次電池である。制御装置は、負極の開放電位から算出される負極の電位が金属リチウムの電位よりも高い所定電位を下回った場合には、負極の電位が所定電位を上回っている場合と比べて、二次電池への充電電力を抑制する。 (7) Preferably, the secondary battery is a lithium ion secondary battery. When the potential of the negative electrode calculated from the open-circuit potential of the negative electrode is lower than a predetermined potential higher than the potential of metallic lithium, the controller controls the secondary battery as compared with the case where the potential of the negative electrode exceeds the predetermined potential. Suppress the charging power to
上記(7)の構成によれば、高精度に推定された負極電位に基づいて二次電池への充電電力が制御される。これにより、負極の劣化(後述するリチウム析出)から負極を適切に保護することができる。 With configuration (7) above, the charging power to the secondary battery is controlled based on the negative electrode potential estimated with high accuracy. Thereby, the negative electrode can be appropriately protected from deterioration of the negative electrode (deposition of lithium, which will be described later).
(8)好ましくは、第1の負極活物質は、シリコン系材料である。第2の負極活物質は、炭素系材料である。 (8) Preferably, the first negative electrode active material is a silicon-based material. The second negative electrode active material is a carbonaceous material.
(9)本開示の他の局面に従う二次電池の内部状態推定方法は、正極活物質を含む正極と、第1および第2の負極活物質を含む負極とを有する二次電池の内部状態を活物質モデルに基づいて推定する。第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う第1の負極活物質の体積変化量は、第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う第2の負極活物質の体積変化量よりも大きい。二次電池の内部状態推定方法は、第1~第3のステップを含む。第1のステップは、第1の負極活物質と第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下において、第1の活物質モデルに基づいて第1の負極活物質内の電荷担体量を算出するステップである。第2のステップは、第1の負極活物質内の電荷担体量に応じて定まる第1の負極活物質の表面応力に基づいて、第1の負極活物質の開放電位変化量を算出するステップである。第3のステップは、第1の負極活物質に表面応力が発生していない状態における第1の負極活物質の開放電位と、開放電位変化量とから負極の開放電位を算出するステップである。 (9) A method for estimating the internal state of a secondary battery according to another aspect of the present disclosure estimates the internal state of a secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing first and second negative electrode active materials. Estimated based on the active material model. The amount of change in volume of the first negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is the volume change of the second negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material. Greater than the amount of change. A secondary battery internal state estimation method includes first to third steps. The first step is to generate charge carriers in the first negative electrode active material based on a first active material model under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential. This is the step of calculating the quantity. The second step is a step of calculating the amount of change in open-circuit potential of the first negative electrode active material based on the surface stress of the first negative electrode active material determined according to the amount of charge carriers in the first negative electrode active material. be. The third step is a step of calculating the open circuit potential of the negative electrode from the open circuit potential of the first negative electrode active material in a state where the first negative electrode active material has no surface stress and the amount of change in the open circuit potential.
上記(9)の方法によれば、上記(1)の構成と同様に、二次電池の内部状態の推定精度を向上させることができる。 According to the method (9) above, similarly to the configuration (1) above, it is possible to improve the accuracy of estimating the internal state of the secondary battery.
本開示によれば、複数の負極活物質を含む負極を有する二次電池において、その内部状態の推定精度を向上させることができる。 According to the present disclosure, it is possible to improve the accuracy of estimating the internal state of a secondary battery having a negative electrode containing a plurality of negative electrode active materials.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
以下では、本開示の実施の形態に係る二次電池システムが電動車両に搭載される構成を例に説明する。電動車両とは、ハイブリッド車(プラグインハイブリッド車を含む)であってもよいし、電気自動車であってもよい。また、電動車両は、燃料電池と二次電池とを組み合わせたハイブリッド車であってもよい。ただし、本開示に係る「二次電池システム」の用途は車両用に限定されるものではなく、定置用であってもよい。 A configuration in which a secondary battery system according to an embodiment of the present disclosure is mounted on an electric vehicle will be described below as an example. An electric vehicle may be a hybrid vehicle (including a plug-in hybrid vehicle) or an electric vehicle. Also, the electric vehicle may be a hybrid vehicle in which a fuel cell and a secondary battery are combined. However, the application of the "secondary battery system" according to the present disclosure is not limited to vehicles, and may be stationary.
[実施の形態1]
<二次電池システムの構成>
図1は、実施の形態1に係る二次電池システムが搭載された電動車両の全体構成を概略的に示す図である。図1を参照して、車両9は、ハイブリッド車両であって、モータジェネレータ91,92と、エンジン93と、動力分割装置94と、駆動軸95と、駆動輪96と、二次電池システム10とを備える。二次電池システム10は、バッテリ4と、監視ユニット6と、パワーコントロールユニット(PCU:Power Control Unit)8と、電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)100とを備える。
[Embodiment 1]
<Configuration of secondary battery system>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of an electric vehicle equipped with a secondary battery system according to
モータジェネレータ91,92の各々は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータ91は、主として、動力分割装置94を経由してエンジン93により駆動される発電機として用いられる。モータジェネレータ91が発電した電力は、PCU8を介してモータジェネレータ92またはバッテリ4に供給される。
Each of
モータジェネレータ92は、主として電動機として動作し、駆動輪96を駆動する。モータジェネレータ92は、バッテリ4からの電力およびモータジェネレータ91の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、モータジェネレータ92の駆動力は駆動軸95に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、モータジェネレータ92は、発電機として動作して回生発電を行なう。モータジェネレータ92が発電した電力は、PCU8を介してバッテリ4に供給される。
エンジン93は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換することによって動力を出力する内燃機関である。
The
動力分割装置94は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構(図示せず)を含む。動力分割装置94は、エンジン93から出力される動力を、モータジェネレータ91を駆動する動力と、駆動輪96を駆動する動力とに分割する。
The power split
バッテリ4は、複数のセル(単電池)61を含んで構成された組電池である。本実施の形態における各セル5は、リチウムイオン二次電池である。各セル5の構成については図2にて説明する。
The
バッテリ4は、モータジェネレータ91,92を駆動するための電力を蓄え、PCU8を通じてモータジェネレータ91,92へ電力を供給する。また、バッテリ4は、モータジェネレータ91,92の発電時にPCU8を通じて発電電力を受けて充電される。
監視ユニット6は、電圧センサ71と、温度センサ72とを含む。電圧センサ71は、組電池であるバッテリ4に含まれる各セル5の電圧を検出する。温度センサ72は、セル5毎の温度を検出する。各センサは、その検出結果をECU100に出力する。
なお、電圧センサ71は、たとえば直列接続された複数のセル5を監視単位として電圧VBを検出してもよい。また、温度センサ72は、互いに隣接して配置された複数のセル5を監視単位として温度TBを検出してもよい。このように、本実施の形態では、監視単位は特に限定されない。よって、以下では説明の簡略化のため、単に「バッテリ4の電圧VBを検出する」あるいは「バッテリ4の温度TBを検出する」と記載する。電位、OCV(Open Circuit Voltage)およびSOCについても同様に、バッテリ4を各処理の実行単位として記載する。
Note that the
PCU8は、ECU100からの制御信号に従って、バッテリ4とモータジェネレータ91,92との間で双方向の電力変換を実行する。PCU8は、モータジェネレータ91,92の状態をそれぞれ別々に制御可能に構成されており、たとえば、モータジェネレータ91を回生状態(発電状態)にしつつ、モータジェネレータ92を力行状態にすることができる。PCU8は、たとえば、モータジェネレータ91,92に対応して設けられる2つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧をバッテリ4の出力電圧以上に昇圧するコンバータ(いずれも図示せず)とを含んで構成されている。
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)100Aと、メモリ(より具体的にはROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory))100Bと、各種信号を入出力するための入出力ポート(図示せず)とを含んで構成されている。ECU100は、監視ユニット6の各センサから受ける信号ならびにメモリ100Bに記憶されたプログラムおよびマップに基づいて、バッテリ4の状態を推定する。ECU100により実行される主要な処理として、バッテリ4の正極電位V1および負極電位V2を含む様々な電位成分を算出する「電位算出処理」が挙げられる。ECU100は、「電位算出処理の結果に応じて、バッテリ4のSOCを推定したりバッテリ4の充放電を制御したりする。
The
なお、正極電位V1とは、バッテリ4が通電状態にあるときの正極(図2参照)の電位である。負極電位V2とは、バッテリ4が通電状態にあるときの負極の電位である。一方、バッテリ4が非通電状態(無負荷状態)にあるとき、正極の電位を正極開放電位(OCP:Open Circuit Potential)U1と言い、負極の電位を負極開放電位U2と言う。これらの電位(および後述する他の電位)の基準となる電位は任意に設定可能であるが、本実施の形態では金属リチウムの電位が基準電位に定められる。
The positive electrode potential V1 is the potential of the positive electrode (see FIG. 2) when the battery 4 is in an energized state. The negative electrode potential V2 is the potential of the negative electrode when the battery 4 is in an energized state. On the other hand, when the
図2は、各セル5の構成をより詳細に説明するための図である。図2におけるセル5は、その内部を透視して図示されている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of each
図2を参照して、セル5は、角型(略直方体形状)の電池ケース51を有する。電池ケース51の上面は蓋体52によって封じられている。正極端子53および負極端子54の各々の一方端は、蓋体52から外部に突出している。正極端子53および負極端子54の他方端は、電池ケース51内部において、内部正極端子および内部負極端子(いずれも図示せず)にそれぞれ接続されている。電池ケース51の内部には電極体55が収容されている。電極体55は、正極と負極とがセパレータを介して積層され、その積層体が捲回されることにより形成されている。電解液は、正極、負極およびセパレータ等に保持されている。
Referring to FIG. 2,
正極、セパレータおよび電解液には、リチウムイオン二次電池の正極、セパレータおよび電解液として従来公知の構成および材料をそれぞれ用いることができる。一例として、正極には、コバルト酸リチウムの一部がニッケルおよびマンガンにより置換された三元系の材料を用いることができる。セパレータには、ポリオレフィン(たとえばポリエチレンまたはポリプロピレン)を用いることができる。電解液は、有機溶媒(たとえばDMC(dimethyl carbonate)とEMC(ethyl methyl carbonate)とEC(ethylene carbonate)との混合溶媒)と、リチウム塩(たとえばLiPF6)と、添加剤(たとえばLiBOB(lithium bis(oxalate)borate)またはLi[PF2(C2O4)2])等を含む。 The positive electrode, the separator and the electrolytic solution can use conventionally known structures and materials for the positive electrode, separator and electrolytic solution of lithium ion secondary batteries, respectively. As an example, the positive electrode can use a ternary material in which a portion of lithium cobaltate is replaced with nickel and manganese. A polyolefin (eg, polyethylene or polypropylene) can be used for the separator. The electrolytic solution contains an organic solvent (for example, a mixed solvent of DMC (dimethyl carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), and EC (ethylene carbonate)), a lithium salt (for example, LiPF 6 ), and an additive (for example, LiBOB (lithium bis (oxalate)borate) or Li[PF 2 (C 2 O 4 ) 2 ]) and the like.
なお、セルの構成は特に限定されず、電極体が捲回構造ではなく積層構造を有するものであってもよい。また、角型の電池ケースに限らず、円筒型またはラミネート型の電池ケースも採用可能である。 The structure of the cell is not particularly limited, and the electrode body may have a laminated structure instead of a wound structure. Moreover, not only the rectangular battery case, but also a cylindrical or laminated battery case can be used.
<SOC-OCVカーブのヒステリシス>
従来、リチウムイオン二次電池の典型的な負極活物質は、グラファイト等の炭素系材料であった。これに対し、本実施の形態では、シリコン系材料(SiまたはSiO)とグラファイトとの複合材料が負極活物質として採用されている。シリコン系材料が含まれるとバッテリ4のエネルギー密度が増加し、それによりバッテリ4の満充電容量を増大させることができるためである。その一方で、シリコン系材料を含むと、バッテリ4にヒステリシスが顕著に現れ得る。
<Hysteresis of SOC-OCV curve>
Conventionally, a typical negative electrode active material for lithium ion secondary batteries has been a carbonaceous material such as graphite. In contrast, in the present embodiment, a composite material of a silicon-based material (Si or SiO) and graphite is employed as the negative electrode active material. This is because the inclusion of a silicon-based material increases the energy density of the
図3は、実施の形態1におけるバッテリ4のSOC-OCVカーブの一例を示す図である。図3ならびに後述する図10および図11において、横軸はバッテリ4のSOCを表し、縦軸はバッテリ4のOCVを表す。なお、本明細書において、OCVとは、二次電池の電圧が十分に緩和した状態、すなわち、活物質内の電荷担体の濃度分布(本実施の形態ではリチウム濃度分布)が緩和した状態での電圧を意味する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the SOC-OCV curve of the
図3には、バッテリ4の充電カーブCHGと放電カーブDCHとが示されている。充電カーブCHGは、バッテリ4を完全放電状態にしてから充電と休止(充電停止)とを繰り返すことで取得される。放電カーブDCHは、バッテリ4を満充電状態にしてから放電と休止(放電停止)とを繰り返すことで取得される。
FIG. 3 shows the charging curve CHG and the discharging curve DCH of the
詳細には、充電カーブCHGは、以下のように取得することができる。まず、完全放電状態のバッテリ4を準備し、たとえば5%のSOCに相当する電気量を充電する。その電気量の充電後には充電を停止し、充電により生じた分極が解消されるまでの時間(たとえば30分間)、バッテリ4を放置する。その放置時間の経過後にバッテリ4のOCVを測定する。そして、充電後のSOC(=5%)と、測定されたOCVとの組合せ(SOC,OCV)を図中にプロットする。
Specifically, the charging curve CHG can be obtained as follows. First, the fully discharged
続いて、次の5%のSOCに相当する電気量のバッテリ4の充電(SOC=5%から10%までの充電)を開始する。充電が完了すると、同様に放置時間の経過後にバッテリ4のOCVを測定する。そして、OCVの測定結果から、バッテリ4の状態(SOCとOCVとの組合せ)を再びプロットする。その後、バッテリ4が満充電状態に至るまで同様の手順を繰り返す。このような測定を実施することによって充電カーブCHGを取得することができる。
Subsequently, charging of the
同様に、バッテリ4が満充電状態から完全放電状態に至るまで、今度はバッテリ4の放電と放電停止とを繰り返しながら、5%刻みのSOCにおけるバッテリ4のOCVを測定する。このような測定を実施することによって放電カーブDCHを取得することができる。取得された充電カーブCHGおよび放電カーブDCHは、ECU100のメモリ100Bに格納されている。
Similarly, the OCV of the
充電カーブCHG上のOCVを「充電OCV」とも称し、放電カーブDCH上のOCVを「放電OCV」とも称する。充電OCVは各SOCにおけるOCVの最高値を示し、放電OCVは各SOCにおけるOCVの最低値を示している。バッテリ4の状態は、充電OCV上、放電OCV上、および、充電OCVと放電OCVとにより囲まれた領域(以下、「中間領域A」とも称する)内のいずれかにプロットされることとなる(後述する図10および図11参照)。充電OCVと放電OCVとの乖離(たとえば100mV程度の電圧差が生じること)がバッテリ4におけるヒステリシスの存在を表している。
The OCV on the charging curve CHG is also called "charging OCV", and the OCV on the discharging curve DCH is also called "discharging OCV". The charge OCV indicates the maximum value of OCV at each SOC, and the discharge OCV indicates the minimum value of OCV at each SOC. The state of the
シリコン系材料およびグラファイトの両方を含む複合材料が負極活物質として採用された場合、図3に示すように、バッテリ4のヒステリシスが有意に生じるSOC領域が一部のSOC領域(図3では、Sc未満のSOC領域)に限られる。このScの値は、前述の測定を事前に行なうことで求めることができる。 When a composite material containing both a silicon-based material and graphite is employed as the negative electrode active material, as shown in FIG. SOC region below). This value of Sc can be obtained by performing the above-described measurement in advance.
<負極活物質の表面応力>
バッテリ4にヒステリシスが生じる要因としては、充放電に伴う負極活物質の体積変化が考えられる。負極活物質は、リチウム(電荷担体)の挿入に伴い膨張し、リチウムの脱離に伴い収縮する。このような負極活物質の体積変化に伴い、負極活物質の表面および内部に応力が発生し、負極活物質内のリチウム濃度が緩和した状態においても負極表面に応力が残留する。負極表面に残留する応力とは、負極活物質の内部で発生した応力と、負極活物質の体積変化に伴って負極活物質の周辺部材(バインダ、導電助剤など)から負極活物質に働く反作用力などとを含む様々な力が系全体で釣り合った状態での応力と考えられる。以下、この応力のことを「表面応力σsurf」と記載する。
<Surface stress of negative electrode active material>
A possible cause of the hysteresis in the
リチウムの挿入または脱離に伴うシリコン系材料の体積変化量は、グラファイトの体積変化量よりも大きい。具体的には、リチウムが挿入されていない状態での最小体積を基準とした場合に、リチウムの挿入に伴うグラファイトの体積変化量(膨張率)が1.1倍程度であるのに対して、シリコン系材料の体積変化量は最大で4倍程度である。そのため、負極活物質がシリコン系材料を含む場合には、負極活物質がシリコン系材料を含まない場合(負極活物質がグラファイトである場合)と比べて、表面応力surfが大きくなる。 The amount of change in volume of the silicon-based material due to the insertion or extraction of lithium is greater than the amount of change in volume of graphite. Specifically, when the minimum volume in a state where lithium is not inserted is used as a reference, the volume change (expansion coefficient) of graphite accompanying lithium insertion is about 1.1 times, The volume change amount of the silicon-based material is about four times at maximum. Therefore, when the negative electrode active material contains a silicon-based material, the surface stress surf is greater than when the negative electrode active material does not contain a silicon-based material (when the negative electrode active material is graphite).
なお、表面応力σsurfは、薄膜評価を通じて測定する(見積もる)ことができる。表面応力σsurfの測定手法の一例を簡単に説明する。まず、表面応力σsurfにより変形した薄膜である負極の曲率κの変化が測定される。たとえば市販の曲率半径測定システムを用いることによって曲率κを光学的に測定することができる。そして、測定された曲率κと、負極(負極活物質および周辺部材)の材料および形状に応じて定まる定数(ヤング率、ポアソン比、厚みなど)とをストーニーの式に代入することにより、表面応力σsurfを算出することができる(応力測定の詳細については、たとえば非特許文献1を参照)。 The surface stress σ surf can be measured (estimated) through thin film evaluation. An example of a method for measuring the surface stress σ surf will be briefly described. First, the change in the curvature κ of the negative electrode, which is a thin film deformed by the surface stress σ surf , is measured. Curvature κ can be optically measured, for example, by using a commercially available radius of curvature measurement system. Then, by substituting the measured curvature κ and constants (Young's modulus, Poisson's ratio, thickness, etc.) determined according to the material and shape of the negative electrode (negative electrode active material and peripheral members) into the Stoney equation, the surface stress σ surf can be calculated (for details of stress measurements see, for example, Non-Patent Document 1).
負極電位V2は、負極活物質の表面状態により決定される。より詳細には、負極電位V2は、負極活物質表面におけるリチウム量(以下に説明するθ2)と、表面応力σsurfとにより決定される(後述する式(20)参照)。シリコン系材料のように充放電に伴い大きな体積変化が生じ得る材料を採用した場合、以下に説明するように、負極活物質内のリチウム量の増減に伴い表面応力σsurfが変化することで、負極開放電位U2が上昇または低下し得る。 The negative electrode potential V2 is determined by the surface state of the negative electrode active material. More specifically, the negative electrode potential V 2 is determined by the amount of lithium (θ 2 described below) on the surface of the negative electrode active material and the surface stress σ surf (see formula (20) described later). When using a material such as a silicon-based material that can cause a large volume change with charging and discharging, as described below, the surface stress σ surf changes as the amount of lithium in the negative electrode active material changes. The negative opening potential U2 can rise or fall.
図4は、シリコン単体が負極として利用される場合の充放電に伴う負極開放電位の変化を説明するための図である。図4において、横軸はシリコン単体の負極活物質の表面におけるリチウム量θSiを表し、縦軸は負極開放電位USiを表す。後述する図10および図11においても同様である。 FIG. 4 is a diagram for explaining changes in the negative electrode open-circuit potential due to charging and discharging when simple silicon is used as the negative electrode. In FIG. 4, the horizontal axis represents the amount of lithium θSi on the surface of the negative electrode active material made of simple silicon , and the vertical axis represents the negative electrode opening potential USi . The same applies to FIGS. 10 and 11 to be described later.
図4には、まず、シリコン単体を負極に用いた電池のSOC=0%に相当するリチウム量θSi_SOC0の状態からSOC=100%に相当するリチウム量θSi_SOC100の状態まで、SOC数%毎に充電と充電停止とを繰り返し、その後、リチウム量θSi_SOC100の状態からリチウム量θSi_SOC0の状態まで、SOC数%毎に放電と放電停止とを繰り返した場合の負極開放電位USiの変化の一例が模式的に示されている。 First, in FIG. 4, the state of lithium amount θSi_SOC0 corresponding to SOC=0% of the battery using silicon simple substance for the negative electrode to the state of lithium amount θSi_SOC100 corresponding to SOC=100% is shown for each several percent of SOC. An example of a change in the negative electrode open-circuit potential USi when charging and stopping charging are repeated, and then discharging and stopping discharging are repeated every several percent of SOC from the state of the lithium amount θSi_SOC100 to the state of the lithium amount θSi_SOC0 is as follows. Schematically shown.
なお、図4に示す結果は、正極とシリコン単体の負極とを含むセルに参照極を入れた評価により取得することができる。あるいは、図4に示す結果は、シリコン負極と対極リチウム金属とを含むハーフセルの評価により取得することができる。 The results shown in FIG. 4 can be obtained by evaluating a cell containing a positive electrode and a negative electrode made of simple silicon with a reference electrode inserted therein. Alternatively, the results shown in FIG. 4 can be obtained by evaluating a half-cell comprising a silicon negative electrode and a lithium metal counter electrode.
充電継続時には、主に、シリコン負極活物質表面に圧縮降伏応力σcomが発生し(表面応力σsurfが圧縮降伏応力になり)、表面応力σsurfが発生していない理想的(仮想的)な状態と比べて、シリコン負極開放電位USiが低下する。以下では表面応力σsurfが発生していない理想的な状態を「理想状態」とも称する。一方、放電継続時には、主に、シリコン負極活物質表面に引っ張り降伏応力σtenが発生し(表面応力σsurfが引っ張り降伏応力となり)、理想状態と比べて、シリコン負極開放電位USiが上昇する。 During continuous charging, a compressive yield stress σ com mainly occurs on the surface of the silicon negative electrode active material (the surface stress σ surf becomes a compressive yield stress), and an ideal (virtual) surface stress σ surf does not occur. The silicon negative electrode open potential U Si is lowered compared to the state. An ideal state in which no surface stress σ surf is generated is hereinafter also referred to as an “ideal state”. On the other hand, during continuous discharge, mainly the tensile yield stress σ ten occurs on the surface of the silicon negative electrode active material (the surface stress σ surf becomes the tensile yield stress), and the silicon negative electrode open potential U Si rises compared to the ideal state. .
理想状態と比較して、負極開放電位USiが低下すると、正極開放電位U1と負極開放電位USiとの差(=U1-USi)であるOCVが上昇する一方で、負極開放電位USiが上昇すると、OCVが低下する。このように、負極活物質がシリコン系材料である場合には、表面応力σsurfに起因する負極開放電位USiの変化により充電OCVと放電OCVとが乖離する。そのため、表面応力σsurfの影響を考慮して負極開放電位USiを算出することで、OCVを高精度に算出することができ、それにより負極にシリコン系材料を用いた電池でもSOCの推定精度を向上させることが可能になる。 When the negative open-circuit potential U Si decreases compared to the ideal state, OCV, which is the difference (=U 1 −U Si ) between the positive open-circuit potential U 1 and the negative open-circuit potential U Si , increases, while the negative open-circuit potential As U Si increases, OCV decreases. As described above, when the negative electrode active material is a silicon-based material, the charge OCV and the discharge OCV diverge due to changes in the negative electrode open-circuit potential U Si caused by the surface stress σ surf . Therefore, by calculating the negative electrode open-circuit potential USi in consideration of the influence of the surface stress σ surf , it is possible to calculate the OCV with high accuracy. can be improved.
<電池モデル>
次に、実施の形態1においてバッテリ4の内部状態の推定に用いられる電池モデル(活物質モデル)について詳細に説明する。実施の形態1では、正極を1つの活物質(1粒子)で代表して表すとともに、負極を負極活物質の材料別に2粒子で代表して表す「3粒子モデル」が採用される。
<Battery model>
Next, the battery model (active material model) used for estimating the internal state of the
図5は、3粒子モデルを説明するための図である。図5を参照して、実施の形態1における3粒子モデルでは、バッテリ4の正極が正極活物質(たとえば三元系材料)からなる1粒子として表される。この粒子を簡単のため「正極粒子1」と記載する。一方、負極は、2粒子として表される。一方の粒子(第1の活物質モデル)は負極活物質内のシリコン系材料からなり、他方の粒子(第2の活物質モデル)は負極活物質内のグラファイトからなる。簡単のため、前者の粒子を「シリコン粒子21」と称し、後者の粒子を「グラファイト粒子22」と称する。シリコン粒子21の電位を「シリコン電位VSi」と記載し、グラファイト粒子22の電位を「グラファイト電位Vgra」と記載する。
FIG. 5 is a diagram for explaining the three-particle model. Referring to FIG. 5, in the three-particle model according to the first embodiment, the positive electrode of
図5にはバッテリ4の放電時の様子が示されている。バッテリ4の放電時には、シリコン粒子21と電解液との界面、および、グラファイト粒子22と電解液との界面でリチウムイオン(Li+で示す)が放出される。リチウムイオンの放出に伴いシリコン粒子21を流れる電流を「シリコン電流ISi」と称し、リチウムイオンの放出に伴いグラファイト粒子22を流れる電流を「グラファイト電流Igra」と称する。また、バッテリ4を流れる総電流をITで表す。図5から理解されるように、本実施の形態における3粒子モデルでは、総電流ITがシリコン電流ISiとグラファイト電流Igraとに分配されている。
FIG. 5 shows how the
バッテリ4の充電時には、電流の向きが図5に示した向きとは逆になるが(図示せず)、総電流ITがシリコン電流ISiとグラファイト電流Igraとに分配される関係は同等である。なお、本明細書では、充電時の電流は負とし、放電時の電流を正としている。
When the
以下に説明するように、実施の形態1における3粒子モデルでは、正極粒子1、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22の各粒子内部におけるリチウム濃度分布が算出される。
As described below, in the three-particle model according to
図6は、正極粒子1、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22の内部におけるリチウム濃度分布の算出手法を説明するための図である。図6を参照して、3粒子モデルでは、球状の正極粒子1の内部において、極座標の周方向のリチウム濃度分布は一様と仮定され、極座標の径方向のリチウム濃度分布のみが考慮される。言い換えると、正極粒子1の内部モデルは、リチウムの移動方向を径方向に限定した1次元モデルである。
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of calculating the lithium concentration distribution inside the
正極粒子1は、その径方向にN個(N:2以上の自然数)の領域に仮想的に分割される。各領域は、添字k(k=1~N)により互いに区別される。領域kにおけるリチウム濃度c1kは、正極粒子1の径方向における領域kの位置r1kと、時間tとの関数として表される(下記式(1)参照)。
The
詳細な算出手法については後述するが、本実施の形態では、各領域kのリチウム濃度cs1kが算出され(すなわちリチウム濃度分布が算出され)、さらに、算出されたリチウム濃度c1kが規格化される。具体的には、式(2)に示すように、リチウム濃度の最大値(以下、「限界リチウム濃度」と称する)c1,maxに対するリチウム濃度c1kの算出値の比率が領域k毎に算出される。限界リチウム濃度c1,maxは、正極活物質の種類に応じて定まる濃度であり、文献により既知である。 A detailed calculation method will be described later, but in the present embodiment, the lithium concentration c s1k in each region k is calculated (that is, the lithium concentration distribution is calculated), and the calculated lithium concentration c s1k is normalized. be. Specifically, as shown in formula (2), the ratio of the calculated value of the lithium concentration c 1k to the maximum value of the lithium concentration (hereinafter referred to as the “limit lithium concentration”) c 1,max is calculated for each region k. be done. The critical lithium concentration c 1,max is a concentration determined according to the type of positive electrode active material, and is known from literature.
以下では、規格化後の値であるθ1kを領域kの「局所リチウム量」と称する。局所リチウム量θ1kは、正極粒子1の領域kに含まれるリチウム量に応じて0~1の範囲内の値を取る。また、k=Nである最外周領域N(すなわち正極粒子1の表面)における局所リチウム量θ1Nを「表面リチウム量θ1_surf」と称する。さらに、下記式(3)に示すように、領域k(k=1~N)の体積ν1kと局所リチウム量θ1kとの積の合計を求め、その合計を正極粒子1の体積(正極活物質の体積)で割った値を「平均リチウム量」と称し、θ1_aveで表す。
The normalized value θ 1k is hereinafter referred to as the “local lithium amount” of region k. The local lithium amount θ 1k takes a value within the range of 0 to 1 depending on the lithium amount contained in the region k of the
図6では正極活物質を表す粒子(正極粒子1)を例に説明したが、負極活物質を表す粒子(シリコン粒子21およびグラファイト粒子22)の内部におけるリチウム濃度分布および局所リチウム量(の分布)の算出手法も同等である。なお、正極粒子1とシリコン粒子21とグラファイト粒子22との間で領域の分割数が互いに異なってもよいが、本実施の形態では、説明の簡易化のため、分割数がいずれもNであるとしている。
In FIG. 6, the particles representing the positive electrode active material (positive electrode particles 1) were described as an example, but the lithium concentration distribution and the local lithium amount (distribution) inside the particles representing the negative electrode active material (
図7は、電池モデルに使用されるパラメータ(変数および定数)を説明するための図である。図8は、電池モデルに使用される添字(下付き添字)を説明するための図である。図7および図8に示すように、添字iは、3粒子を互いに区別するためのものであり、i=1,Si,graのいずれかに定められる。i=1の場合には正極粒子1における値であることを意味し、i=Siの場合にはシリコン粒子21における値であることを意味し、i=graの場合にはグラファイト粒子22における値であることを意味する。また、電池モデルに使用されるパラメータのうち、添字eが付されたものは電解液中の値であることを意味し、添字sが付されたものは活物質中の値であることを意味する。
FIG. 7 is a diagram for explaining parameters (variables and constants) used in the battery model. FIG. 8 is a diagram for explaining subscripts (subscripts) used in battery models. As shown in FIGS. 7 and 8, the subscript i is for distinguishing the three particles from each other, and is set to i=1, Si, or gra. When i=1, it means the value for the
<機能ブロック>
電位算出処理により算出される各種電位成分は様々な処理や制御に使用され得るが、実施の形態1では、電位算出処理の結果に基づいてバッテリ4のSOCを推定する「SOC推定処理」を実行する構成について説明する。本実施の形態においては、バッテリ4のSOCの推定に先立ち、総電流ITがシリコン粒子21を流れる電流(シリコン電流ISi)とグラファイト粒子22を流れる電流(グラファイト電流Igra)とにどのように分配されるかを決定するための一連の処理(反復法による演算処理)が繰り返し実行される。
<Functional block>
Various potential components calculated by the potential calculation process can be used for various processes and controls. In the first embodiment, however, an "SOC estimation process" for estimating the SOC of the
図9は、実施の形態1における電位算出処理およびSOC推定処理に関するECU100の機能ブロック図である。図9を参照して、ECU100は、パラメータ設定部110と、交換電流密度算出部121と、反応過電圧算出部122と、濃度分布算出部131と、リチウム量算出部132と、表面応力算出部133と、開放電位変化量算出部134と、開放電位算出部135と、塩濃度差算出部141と、塩濃度過電圧算出部142と、収束条件判定部151と、電流分配部152と、SOC推定部160とを含む。
FIG. 9 is a functional block diagram of
パラメータ設定部110は、他の機能ブロックによる演算に用いられるパラメータを出力する。具体的には、パラメータ設定部110は、電圧センサ71からバッテリ4の電圧VBを受けるとともに、温度センサ72から電池モジュール(図示せず)の温度TBを受ける。パラメータ設定部110は、電圧VBをバッテリ4の測定電圧Vmeasとして設定するとともに、温度TBを絶対温度T(単位:ケルビン)に換算する。測定電圧Vmeasおよび絶対温度T(または温度TB)は、他の機能ブロックに出力される。なお、絶対温度Tは多くの機能ブロックにより出力されるので、図面が煩雑になるのを防ぐため、絶対温度Tの伝達を示す矢印の図示は省略されている。
The
それに加えて、パラメータ設定部110は、拡散係数Ds1,Ds_Si,Ds_graを濃度分布算出部131に出力する。拡散係数Ds1,Ds_Si,Ds_graとしては、それぞれ、局所リチウム量θ1,θSi,θgraに応じて異なる値(平均リチウム量であってもよいし表面リチウム量であってもよい)を設定することが好ましい。
In addition,
詳細は後述するが、収束条件判定部151および電流分配部152により実行される反復法による演算処理では、可変に設定されるパラメータとして、シリコン電流ISi、グラファイト電流Igraおよび総電流ITが用いられる。パラメータ設定部110は、前回演算時に電流分配部152により設定された各電流(ISi,Igra,IT)を受け、これらの電流を今回演算時に使用するパラメータとして他の機能ブロックに出力する。
Although the details will be described later, in the arithmetic processing by the iterative method executed by the convergence
交換電流密度算出部121は、パラメータ設定部110から絶対温度Tを受けるとともに、リチウム量算出部132から、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surf、シリコン粒子21の表面リチウム量θSi_surfおよびグラファイト粒子22の表面リチウム量θgra_surfを受ける。交換電流密度算出部121は、他の機能ブロックから受けたパラメータに基づいて、正極粒子1の交換電流密度i0_1、シリコン粒子21の交換電流密度i0_Siおよびグラファイト粒子22の交換電流密度i0_graを算出する。
The exchange current
より詳細には、交換電流密度i0_1とは、正極粒子1における酸化反応に対応するアノード電流密度と、正極粒子1における還元反応に対応するカソード電流密度とが等しくなるときの電流密度である。交換電流密度i0_1は、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfおよび絶対温度Tに依存する特性を有する。したがって、交換電流密度i0_1と表面リチウム量θ1_surfと絶対温度Tとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を予め準備しておくことにより、リチウム量算出部132により算出される表面リチウム量θ1_surf(後述)と、絶対温度Tとから、交換電流密度i0_1を算出することができる。シリコン粒子21の交換電流密度i0_Siおよびグラファイト粒子22の交換電流密度i0_graについても同様であるため、説明は繰り返さない。
More specifically, the exchange current density i 0_1 is the current density when the anode current density corresponding to the oxidation reaction in the
反応過電圧算出部122は、パラメータ設定部110から絶対温度Tを受けるとともに、パラメータ設定部110からシリコン電流ISi、グラファイト電流Igraおよび総電流ITを受ける。また、交換電流密度算出部121から交換電流密度i0_1,i0_Si,i0_graを受ける。そして、反応過電圧算出部122は、バトラー・ボルマー(Butler-Volmer)の関係式から導かれる下記式(4)~式(6)に従って、正極粒子1の反応過電圧(正極過電圧)η1、シリコン粒子21の反応過電圧(シリコン過電圧)ηSiおよびグラファイト粒子22の反応過電圧(グラファイト過電圧)ηgraをそれぞれ算出する。なお、反応過電圧とは、活性化過電圧とも呼ばれ、電荷移動反応(リチウムの挿入/脱離反応)に関連する過電圧である。算出された各反応過電圧η1,ηSi,ηgraは、電流分配部152に出力される。
Reaction
濃度分布算出部131は、パラメータ設定部110から正極粒子1におけるリチウムの拡散係数Ds1を受ける。濃度分布算出部131は、正極活物質(正極粒子1)を球として扱った極座標系の拡散方程式である下記式(7)を時間発展的に解くことによって、正極粒子1の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。正極粒子1の表面(位置r1=R1)におけるリチウム濃度の変化量は総電流ITに比例することから、拡散方程式(7)の境界条件は、式(8)のように設定される。
グラファイト粒子22についても同様に、濃度分布算出部131は、下記式(10)に示す境界条件下で式(9)を時間発展的に解くことによって、グラファイト粒子22の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。
Similarly for the
一方、シリコン粒子21についての極座標系の拡散方程式は、式(11)のように表される。式(11)は、表面応力σsurfにより生じるシリコン粒子21内でのリチウムの拡散を考慮するための拡散項を右辺第2項に含む点において、他の2粒子(正極粒子1およびグラファイト粒子22)についての拡散方程式(式(7)および式(9))と異なる。
On the other hand, the diffusion equation of the polar coordinate system for the
より詳細には、表面応力σsurfに由来する拡散項は、電解液中でのシリコン粒子21の静水圧応力σh(r)を用いて式(12)のように表される。式(12)では、負極活物質(当該電池モデルではシリコン粒子21)が塑性変形しないと仮定し、弾性限界内でのシリコン粒子21のヤング率およびポアソン比をEおよびνでそれぞれ表している。また、シリコン粒子21が周辺部材から受ける合計応力がFexにより表されている。
More specifically, the diffusion term derived from the surface stress σ surf is expressed by Equation (12) using the hydrostatic stress σ h (r) of the
静水圧応力σh(r)を表す式(12)を拡散方程式である式(11)に代入すると、式(11)は以下のように変形される(下記式(13)参照)。 Substituting Equation (12) representing the hydrostatic stress σ h (r) into Equation (11), which is a diffusion equation, Equation (11) is transformed as follows (see Equation (13) below).
式(13)は、式(14)により定義される実効拡散係数Ds_Si
effを用いて下記式(15)のように変形される。実効拡散係数Ds_Si
effは正の値であることから、式(15)により、表面応力σsurfがシリコン粒子21内でのリチウム拡散を速める方向に作用することが分かる。また、表面応力σsurfの影響がシリコン粒子21内の各点(拡散方程式が演算される各格子点)におけるリチウム濃度cs_Siに応じて定まることも分かる。
Equation (13) is transformed into Equation (15) below using the effective diffusion coefficient D s_Si eff defined by Equation (14). Since the effective diffusion coefficient D s_Si eff is a positive value, it can be seen from equation (15) that the surface stress σ surf acts to accelerate lithium diffusion within the
なお、拡散方程式(式(14))の境界条件も、他の2粒子(正極粒子1およびグラファイト粒子22)についての境界条件と比べて(式(8)および式(10)参照)、下記式(16)のように静水圧応力σh(r)に依存する項をさらに含んで表される。
Note that the boundary conditions of the diffusion equation (equation (14)) are also compared with the boundary conditions for the other two particles (
このように、濃度分布算出部131は、3粒子(正極粒子1、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22)の各々の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。算出された各リチウム濃度分布は、リチウム量算出部132に出力される。
Thus, the
リチウム量算出部132は、濃度分布算出部131から3粒子の各々の内部におけるリチウム濃度分布(cs1,cs_Si,cs_gra)を受け、各種リチウム量を算出して他の機能ブロックに出力する。
The lithium
具体的には、リチウム量算出部132は、正極粒子1のリチウム濃度分布cs1に基づいて正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfを算出する(式(2)参照)。同様に、リチウム量算出部132は、シリコン粒子21のリチウム濃度分布cs_Siに基づいてシリコン粒子21の表面リチウム量θSi_surfを算出するとともに、グラファイト粒子22のリチウム濃度分布cs_graに基づいてグラファイト粒子22の表面リチウム量θgra_surfを算出する。算出された表面リチウム量θ1_surf,θSi_surf,θgra_surfは、開放電位算出部135に出力される。
Specifically, the
また、リチウム量算出部132は、式(3)に従って、正極粒子1のリチウム濃度分布cs1に基づいて平均リチウム量θ1_aveを算出する。同様に、リチウム量算出部132は、シリコン粒子21のリチウム濃度分布cs_Siに基づいてシリコン粒子21の平均リチウム量θSi_aveを算出するとともに、グラファイト粒子22のリチウム濃度分布cs_graに基づいてグラファイト粒子22の平均リチウム量θgra_aveを算出する。算出された平均リチウム量θSi_aveは、表面応力算出部133に出力される。
In addition, the
表面応力算出部133は、リチウム量算出部132からの平均リチウム量θSi_aveに基づいて、表面応力σsurfを算出する。表面応力σsurfの算出手法については後に詳細に説明する。算出された表面応力σsurfは、開放電位変化量算出部134に出力される。算出された外力Fexは、濃度分布算出部131に出力される。
The
開放電位変化量算出部134は、表面応力算出部133からの表面応力σsurfに基づいて開放電位変化量ΔVstressを算出する。開放電位変化量ΔVstressとは、表面応力σsurfによるシリコン粒子21の開放電位の変化量である。表面応力σsurfが発生していない状態を「理想状態」と呼び、理想状態でのシリコン粒子21の開放電位を「理想開放電位USi_sta」と呼ぶことにすると、開放電位変化量ΔVstressとは、理想開放電位USi_staを基準とした、表面応力σsurfによるシリコン粒子21の開放電位のずれ量であるとも言い換えられる。開放電位変化量ΔVstressは、リチウム1モル当たりのシリコン系化合物の体積変化量Ωと、ファラデー定数Fとを用いて、式(17)に従って表面応力σsurfから算出される。算出された開放電位変化量ΔVstressは、開放電位算出部135に出力される。
The open-circuit potential
開放電位算出部135は、リチウム量算出部132からの正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfに基づいて正極粒子1の開放電位U1を算出する。より具体的には、正極粒子1は、その径方向にN個の領域に仮想的に分割されているが、正極粒子1の開放電位U1は、最外周領域Nである正極粒子1の表面における局所リチウム量θ1N(表面リチウム量θ1_surf)に応じて定まる(下記式(18)参照)。そのため、開放電位U1と表面リチウム量θ1_surfとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を事前実験により作成することによって、表面リチウム量θ1_surfから開放電位U1を算出することができる。開放電位算出部135は、グラファイト粒子22についても同様に、所定のマップ(図示せず)を参照することによって、グラファイト粒子22の表面リチウム量θgra_surfから開放電位Ugraを算出する(下記式(19)参照)。
The open-circuit
一方、シリコン粒子21の開放電位USiを算出する際には、表面応力σsurfの影響が考慮される。開放電位USiは、下記式(20)に示すように、表面応力σsurfが発生していない状態でのシリコン粒子21の開放電位USi_staに開放電位変化量ΔVstressを加算することにより算出される。式(18)~式(20)に従って算出された開放電位U1,USi,Ugraは、電流分配部152に出力される。
On the other hand, when calculating the open-circuit potential U Si of the
バッテリ4の充放電に伴い電解液中のリチウム塩の濃度ceが変化し、電解液中にリチウム塩の濃度勾配が生じ得る。そうすると、正極活物質(正極粒子1)と負極活物質(シリコン粒子21およびグラファイト粒子22)との間にリチウム塩の濃度勾配に起因する塩濃度過電圧ΔVeが生じ、正極電位V1および負極電位V2に影響を与える可能性がある。
As the
塩濃度差算出部141は、正極活物質と負極活物質との間のリチウム塩の濃度差ΔCeを算出する。リチウム塩の濃度差Δceは、電解液の拡散係数De、電解液の体積分率εe、リチウムイオンの輸率t+
0および電流(総電流IT)に依存するため、たとえば以下の式(21)~式(23)に従って算出することができる。漸化式である式(21)が所定の演算周期毎に繰り返し解かれるところ、式(21)~式(23)では、その演算周期をΔτで表している。なお、肩(右上)にtが付されたパラメータは今回の演算時のものであることを示し、肩に(t-Δτ)が付されたパラメータは前回の演算時のものであることを示す。算出された濃度差Δceは、塩濃度過電圧算出部142に出力される。
The salt
塩濃度過電圧算出部142は、式(24)に従い、塩濃度差算出部141により算出されたリチウム塩の濃度差Δceから塩濃度過電圧ΔVeを算出する。算出された塩濃度過電圧ΔVeは、電流分配部152に出力される。
The salt
収束条件判定部151および電流分配部152は、バッテリ4の各種電位成分を算出するための反復法の演算処理を実行する。本実施の形態では、代表的な反復法の1つであるニュートン法が用いられる。ただし、反復法の種類は、これに限定されるものではなく、2分法または割線法などの他の非線形方程式の解法を用いてもよい。
The convergence
前述した各機能ブロックによる演算では、前回演算時に電流分配部152により設定された、3粒子を流れる電流(IT,ISi,Igra)が用いられている。収束条件判定部151は、前回演算時に設定された電流に基づく算出結果を他の機能ブロックから受ける。より詳細には、収束条件判定部151は、反応過電圧算出部122から反応過電圧η1,ηSi,ηgraを受け(式(4)~式(6)参照)、開放電位算出部135から開放電位U1,USi,Ugraを受け(式(18)~式(20)参照)、パラメータ設定部110から測定電圧Vmeas(バッテリ4の電圧の測定値)を受け、塩濃度過電圧算出部142から塩濃度過電圧ΔVeを受ける(式(24)参照)。また、図示しないが、収束条件判定部151は、パラメータ設定部110から直流抵抗Rdを受ける(詳細は後述)。
The calculations by the functional blocks described above use the currents (I T , I Si , I gra ) flowing through the three particles set by the current distributor 152 at the time of the previous calculation. The convergence
収束条件判定部151は、電圧と電流との間に成立する下記関係式(25)に従って、正極電位V1と、負極電位V2と、直流抵抗Rdによる電圧降下量(=ITRd)と、塩濃度過電圧ΔVeとから、バッテリ4の電圧を算出する。算出された電圧を測定電圧Vmeas(電圧センサ71による測定値)と区別して「演算電圧Vcalc」と記載する。
The convergence
式(25)における正極電位V1は、式(26)により算出される。負極電位V2は、式(27)に示すシリコン電位VSiと、式(28)に示すグラファイト電位Vgraとに等しいとして算出される(V2=VSi=Vgra)。 The positive electrode potential V1 in equation (25) is calculated by equation (26). The negative electrode potential V 2 is calculated as being equal to the silicon potential V Si shown in Equation (27) and the graphite potential V gra shown in Equation (28) (V 2 =V Si =V gra ).
そして、収束条件判定部151は、演算電圧Vcalcと測定電圧Vmeasとを比較するとともに、シリコン電位VSiとグラファイト電位Vgraとを比較することによって、反復法の収束条件が満たされているかどうかを判定する。具体的には、収束条件判定部151は、演算電圧Vcalcと測定電圧Vmeasとがほぼ一致しており(これら電圧間の誤差が第1の所定値PD1未満であり)、かつ、シリコン電位VSiとグラファイト電位Vgraとがほぼ一致しているか(これら電圧間の誤差が第2の所定値PD2未満であるか)どうかを判定する。演算電圧Vcalcと測定電圧Vmeasとの間の誤差(=|Vcalc-Vmeas|)が第1の所定値PD1以上である場合、または、シリコン電位VSiとグラファイト電位Vgraとの間の誤差(=|VSi-Vgra|)が第2の所定値PD2以上である場合には、収束条件判定部151は、反復法の収束条件が満たされていないとする判定結果を電流分配部152に出力する。
Then, the convergence
電流分配部152は、収束条件が満たされていない旨の判定結果を収束条件判定部151から受けると、3粒子を流れる電流(IT,ISi,Igra)を次回演算時に使用するための値に更新する。より詳細には、電流分配部152は、ニュートン法(2分法、割線法などであってもよい)のアルゴリズムを用いて、前回演算時および今回演算時に使用されたシリコン電流ISiおよび総電流ITから、次回演算時に使用されるシリコン電流ISiおよび総電流ITを設定する。残るグラファイト電流Igraは、式(29)に示す電流間の関係により、シリコン電流ISiおよび総電流ITから算出される。算出された各電流は、パラメータ設定部110に出力される。そうすると、更新後の各電流値が次回演算時に用いられることとなる。
When the current distribution unit 152 receives the determination result indicating that the convergence condition is not satisfied from the convergence
このようにして、収束条件判定部151および電流分配部152は、演算電圧Vcalcと測定電圧Vmeasとの間の誤差が第1の所定値PD1未満になり、かつ、シリコン電位VSiとグラファイト電位Vgraとの間の誤差が第2の所定値PD2未満になるまで反復的に演算処理を行なう。上記2つの誤差が、いずれも対応する所定値(PD1,PD2)未満になると、反復演算処理が収束したとして、収束条件判定部151は、SOC推定に必要なパラメータ(正極開放電位U1、表面リチウム量θi_surfおよび開放電位変化量ΔVstress)をSOC推定部160に出力する。
In this manner, convergence
SOC推定部160は、正極粒子1の各種リチウム量(θ1_ave,θ1_SOC0,θ1_SOC100)に基づいてバッテリ4のSOCを推定する。このSOC推定手法については後述する。
The
<表面応力の算出>
続いて、シリコン活物質の表面応力σsurfの算出手法について詳細に説明する。以下では、シリコン材料のリチウム量θSi(たとえば平均リチウム量θSi_ave)とシリコン開放電位USiとの組合せ(θSi,USi)としてシリコン材料のリチウム量-シリコン開放電位特性図上に表される状態を「状態P」と記載する。特に、m(mは自然数)回目の演算時における状態Pを「P(m)」と表す。本実施の形態では、状態Pの遷移に着目することによって表面応力σsurfが算出される。
<Calculation of surface stress>
Next, a method for calculating the surface stress σ surf of the silicon active material will be described in detail. In the following, the combination of the lithium content θ Si (for example, the average lithium content θ Si_ave ) of the silicon material and the silicon open-circuit potential U Si (θ Si , U Si ) is represented on the lithium content-silicon open-circuit potential characteristic diagram of the silicon material. The state in which the In particular, the state P at the time of the m (m is a natural number) computation is expressed as "P(m)". In this embodiment, the surface stress σ surf is calculated by focusing on the transition of the state P.
図10は、シリコン負極表面リチウム量-シリコン負極開放電位特性図上における状態Pの遷移を説明するための概念図である。図10Aでは、状態P(m)が充電曲線(破線で示す)上にプロットされる例が示されている。 FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the transition of the state P on the silicon negative electrode surface lithium amount-silicon negative electrode open potential characteristic diagram. In FIG. 10A, an example is shown where state P(m) is plotted on the charge curve (indicated by the dashed line).
状態P(m)から充電が継続された場合、(m+1)回目の演算周期における状態P(m+1)は、図10Bに示すように充電曲線上に維持される。 When charging is continued from state P(m), state P(m+1) in the (m+1)th calculation cycle is maintained on the charging curve as shown in FIG. 10B.
一方、図10Aに示す状態P(m)から放電された場合には、図10Cに示すように、(m+1)回目の演算周期における状態P(m+1)は、充電曲線から外れ、充電曲線と放電曲線(1点鎖線で示す)との間の領域内にプロットされる。放電が継続されると、たとえば(m+2)回目の演算周期において、状態P(m+2)が放電曲線に到達する(図10D参照)。その後も放電が継続された場合、状態P(m+3)は、放電曲線上に維持される(図10E参照)。 On the other hand, when the state P(m) shown in FIG. 10A is discharged, as shown in FIG. plotted in the area between the curves (indicated by the dashed-dotted line). As the discharge continues, the state P(m+2) reaches the discharge curve, for example, in the (m+2)th calculation cycle (see FIG. 10D). If the discharge continues after that, the state P(m+3) is maintained on the discharge curve (see FIG. 10E).
図11は、シリコン活物質の表面応力σsurfの算出手法を説明するための図である。図11には、状態P(1)~P(8)の順に充放電が行なわれた例が示されている。 FIG. 11 is a diagram for explaining a method of calculating the surface stress σ surf of the silicon active material. FIG. 11 shows an example in which charging and discharging are performed in order of states P(1) to P(8).
より詳細には、まず、放電曲線上の状態P(1)から放電が開始され、その放電が状態P(3)まで継続される。この間の状態P(2),P(3)は、放電曲線上に維持される。そして、状態P(3)において、放電から充電への切り替えが行なわれる。充電が開始されてからの状態P(4),P(5)は、充電曲線と放電曲線との間の領域内を遷移する。その後、状態P(6)が充電曲線上にプロットされる。充電がさらに継続されている間、状態Pは、充電曲線上に維持される(状態P(7),P(8)参照)。 More specifically, discharge starts from state P(1) on the discharge curve and continues to state P(3). States P(2) and P(3) during this period are maintained on the discharge curve. Then, in state P(3), switching from discharging to charging is performed. States P(4) and P(5) after the start of charging transit within the region between the charge curve and the discharge curve. Then state P(6) is plotted on the charge curve. State P remains on the charge curve while charging continues (see states P(7) and P(8)).
放電曲線上にプロットされる状態P(1)~P(3)において、表面応力σsurfは、降伏しており、下記式(30)に示すように引っ張り降伏応力σtenと等しい。 In states P(1) to P(3) plotted on the discharge curve, the surface stress σ surf yields and is equal to the tensile yield stress σ ten as shown in equation (30) below.
一方、充電曲線上の状態P(6)~P(8)における表面応力σsurfは、圧縮降伏応力σcomにて降伏している(下記式(31)参照)。 On the other hand, the surface stress σ surf in states P(6) to P(8) on the charging curve yields at the compressive yield stress σ com (see formula (31) below).
これに対し、状態Pが充電曲線上にも放電曲線上にもプロットされていない場合、すなわち、状態Pが充電曲線と放電曲線との間の領域内にプロットされる場合(状態P(4),P(5)参照)の表面応力σsurfをどのように算出するかが問題となる。本実施の形態においては、このような領域内の表面応力σsurfの算出に、充放電方向が切り替えられたときのシリコン粒子21内の平均リチウム濃度cSi_aveと、そのときの表面応力σsurfとが用いられる。以下では、充放電方向が切り替えられたときの状態Pにおける平均リチウム濃度cSi_aveを「基準リチウム濃度cREF」と記載し、当該状態Pにおける表面応力σsurfを「基準表面応力σREF」と記載する。
On the other hand, if state P is plotted neither on the charge curve nor on the discharge curve, i.e. if state P is plotted in the region between the charge and discharge curves (state P(4) , P(5)) is how to calculate the surface stress σ surf . In the present embodiment, to calculate the surface stress σ surf in such a region, the average lithium concentration c Si_ave in the
図11に示す例では、充放電方向が切り替えられたときの状態Pとは、放電から充電への切り替え時の状態P(3)である。状態P(4),P(5)を算出する際には、状態P(3)の時点での平均リチウム濃度cSi_aveが上記式(8)~式(10)により既に算出されている。したがって、状態P(3)における算出済みの平均リチウム濃度cSi_aveが基準リチウム濃度cREFとされる。また、状態P(3)における基準表面応力σREFは、引っ張り降伏応力σtenである(上記式(30)参照)。 In the example shown in FIG. 11, the state P when the charging/discharging direction is switched is the state P(3) when switching from discharging to charging. When calculating the states P(4) and P(5), the average lithium concentration c Si_ave at the time of the state P(3) has already been calculated by the above formulas (8) to (10). Therefore, the calculated average lithium concentration c Si_ave in the state P(3) is taken as the reference lithium concentration c REF . Also, the reference surface stress σ REF in the state P(3) is the tensile yield stress σ ten (see the above formula (30)).
充電曲線と放電曲線との間の領域内の状態Pでは、平均リチウム濃度cSi_aveから基準リチウム濃度cREFを差し引いたリチウム濃度差(cSi_ave-cREF)と表面応力σsurfとの間に、下記式(32)のように表される線形関係が存在する。 In the state P in the region between the charge curve and the discharge curve, between the lithium concentration difference (c Si_ave −c REF ), which is the average lithium concentration c Si_ave minus the reference lithium concentration c REF , and the surface stress σ surf , There is a linear relationship represented by the following equation (32).
この線形関係は、充放電方向が切り替えられたときの状態Pを基準とした場合に、表面応力σsurfの変化量がシリコン粒子21内のリチウム含有量の変化量(シリコン粒子21へのリチウム挿入量またはシリコン粒子21からのリチウム脱離量)に比例することを表すと理解される。
This linear relationship indicates that the amount of change in the surface stress σ surf is the amount of change in the lithium content in the silicon particles 21 (lithium insertion into the
比例定数αcは、負極活物質の1つであるシリコン系化合物および周辺部材の機械的特性に応じて定まるパラメータであり、実験により求めることができる。より詳細には、比例定数αcは、負極活物質の温度(≒バッテリ4の温度TB)と、シリコン活物質内のリチウム含有量(平均リチウム濃度cSi_ave)とに応じて変化し得る。そのため、温度TBおよび平均リチウム濃度cSi_aveの様々な組合せ毎に比例定数αcが求められ、温度TBと平均リチウム濃度cSi_aveと比例定数αcとの相関関係を示すマップ(または関係式)が準備される。温度TBおよび平均リチウム濃度cSi_aveのうちのいずれか一方と比例定数αcとの相関関係を示すマップを準備してもよい。 The constant of proportionality α c is a parameter that is determined according to the mechanical properties of the silicon-based compound, which is one of the negative electrode active materials, and the peripheral members, and can be obtained through experiments. More specifically, the constant of proportionality α c can change according to the temperature of the negative electrode active material (≈temperature TB of battery 4) and the lithium content in the silicon active material (average lithium concentration c Si_ave ). Therefore, the proportionality constant αc is obtained for each of various combinations of the temperature TB and the average lithium concentration cSi_ave , and a map (or a relational expression ) showing the correlation between the temperature TB, the average lithium concentration cSi_ave , and the proportionality constant αc is obtained. be prepared. A map showing the correlation between either one of the temperature TB and the average lithium concentration c Si_ave and the constant of proportionality α c may be prepared.
なお、リチウム濃度とリチウム量とは上記式(2)のように置き換え可能であるため、シリコン粒子21の平均リチウム量θSi_aveを用いて上記式(32)を下記式(33)のように変形してもよい。
Since the lithium concentration and the lithium amount can be replaced as in the above formula (2), the above formula (32) is transformed into the following formula (33) using the average lithium amount θ Si_ave of the
温度TBおよび平均リチウム量θSi_aveと比例定数αc(または比例定数αθ)との相関関係を示すマップが準備され、ECU100のメモリ100Bに予め格納されている。そのため、当該マップを参照することにより、温度TB(温度センサ72による測定値)と平均リチウム量θSi_ave(前回演算時における推定値)とから比例定数αcを算出することができる。そして、比例定数αc、平均リチウム量θSi_ave、基準リチウム量θREFおよび基準表面応力σREFを上記式(33)に代入することによって、上記領域内での表面応力σsurfを算出することができる。なお、表面応力σsurfの算出フローについては図14において詳細に説明する。
A map showing the correlation between temperature TB and average lithium amount θ Si_ave and proportionality constant α c (or proportionality constant α θ ) is prepared and stored in
<SOC推定フロー>
図12は、実施の形態1においてバッテリ4のSOCを推定するための一連の処理を示すフローチャートである。図12ならびに後述する図17および図16に示すフローチャートは、たとえば所定周期が経過する度にメインルーチン(図示せず)から呼び出され、ECU100により繰り返し実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的にはECU100によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU100内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
<SOC estimation flow>
FIG. 12 is a flow chart showing a series of processes for estimating the SOC of
図12を参照して、以下に説明するS101~S107の処理が実施の形態1に係る単極電位算出処理に相当する。まず、S101において、ECU100は、電圧センサ71からバッテリ4の電圧VBを取得するとともに、温度センサ72からバッテリ4の温度TBを取得する。この電圧VBが測定電圧Vmeasとして用いられるとともに、温度TBが絶対温度Tに換算される。なお、絶対温度Tは、現時刻(今回演算時)の温度TBから算出されてもよいし、予め定められた直近の所定期間内(たとえば30分間)の温度TBの加重平均から算出されてもよい。
Referring to FIG. 12, the processing of S101 to S107 described below corresponds to the single electrode potential calculation processing according to the first embodiment. First, in S<b>101 , the
S102において、ECU100は、正極粒子1の交換電流密度i0_1を算出する。図9にて説明したように、交換電流密度i0_1は、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfと絶対温度Tとに依存する。したがって、ECU100は、交換電流密度i0_1と表面リチウム量θ1_surfと絶対温度Tとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することにより、前回演算時に算出された表面リチウム量θ1_surf(図13のS203参照)と、絶対温度Tとから、交換電流密度i0_1を算出する。ECU100は、シリコン粒子21の交換電流密度i0_Siおよびグラファイト粒子22の交換電流密度i0_graについても同様に、対応するマップ(図示せず)を参照することにより算出する。
In S<b>102 , the
S103において、ECU100は、バッテリ4の直流抵抗Rdを算出する。直流抵抗Rdとは、リチウムイオンおよび電子が正極活物質と負極活物質との間を移動するときの抵抗成分や金属部の抵抗成分である。直流抵抗Rdは、絶対温度Tおよびリチウム量θ1に依存して変化する特性を有する。したがって、温度毎の直流抵抗Rdの測定結果に基づき、直流抵抗Rdと絶対温度Tとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を予め準備しておくことにより、絶対温度Tから直流抵抗Rdを算出することができる。
In S< b >103 , the
S104において、ECU100は、電解液中における正極活物質と負極活物質との間のリチウムイオンの濃度差ΔCeを算出する(上記式(21)~式(23)参照)。さらに、ECU100は、上記式(24)に従い、リチウムイオンの濃度差ΔCeから塩濃度過電圧ΔVeを算出する(S105)。これらの処理については図9にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。
In S104, the
S106において、ECU100は、3粒子モデルおいて負極活物質を流れる電流(総電流IT)をシリコン粒子21を流れる電流(シリコン電流ISi)とグラファイト粒子22を流れる電流(グラファイト電流Igra)とに分配するための収束演算処理を実行する。
In S106, the
S200において、ECU100は、電位算出処理の結果に基づいて、バッテリ4のSOCを推定する(SOC推定処理)。このSOC推定処理については後述する。
In S200, the
図13は、実施の形態1における収束演算処理(図12のS106の処理)を示すフローチャートである。図13を参照して、S301において、ECU100は、上記式(4)に従って、正極粒子1の交換電流密度i0_1および絶対温度Tから正極粒子1の反応過電圧η1を算出する。また、ECU100は、上記式(5)に従って、シリコン粒子21の交換電流密度i0_Siおよび絶対温度Tからシリコン粒子21の反応過電圧ηSiを算出するとともに、上記式(6)に従って、グラファイト粒子22の交換電流密度i0_graおよび絶対温度Tからグラファイト粒子22の反応過電圧ηgraを算出する。
FIG. 13 is a flow chart showing the convergence calculation process (the process of S106 in FIG. 12) according to the first embodiment. Referring to FIG. 13, in S301,
S302において、ECU100は、正極粒子1について、拡散方程式である上記式(7)に正極粒子1におけるリチウムの拡散係数Ds1を代入し、総電流ITに応じて定まる境界条件(上記式(8)参照)下で解くことによって、正極粒子1の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。なお、拡散係数Ds1は、正極粒子1のリチウム量θ1および絶対温度Tに依存する。よって、予め準備されたマップ(図示せず)を用いて、前回演算時のリチウム量θ1および絶対温度Tから拡散係数Ds1を算出することができる。
In S302, for the
ECU100は、グラファイト粒子22についても同様に、境界条件下(上記式(10)参照)で拡散方程式(9)を解くことによって、グラファイト粒子22の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。さらに、ECU100は、実効拡散係数Ds_Si
eff(式(14)参照)が代入された拡散方程式(15)を境界条件(式(16)参照)下で解くことによって、シリコン粒子21の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。
For
S303において、ECU100は、S302にて算出された正極粒子1の内部におけるリチウム濃度分布に基づいて、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfを算出する(上記式(2)参照)。同様に、ECU100は、シリコン粒子21の表面リチウム量θSi_surfを算出するとともに、グラファイト粒子22の表面リチウム量θgra_surfを算出する。
In S303, the
S304において、ECU100は、正極粒子1の開放電位U1とリチウム量θ1との対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、S303にて算出された表面リチウム量θ1_surfから開放電位U1を算出する(式(18)参照)。同様に、ECU100は、グラファイト粒子22の開放電位Ugraとリチウム量θgraとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照して、表面リチウム量θgra_surfから開放電位Ugraを算出する(式(19)参照)。
In S304, the ECU 100 refers to a map (not shown) that defines the correspondence relationship between the open-circuit potential U1 of the positive electrode particles 1 and the lithium amount θ1, so that the surface lithium amount θ1_surf calculated in S303 is The open circuit potential U1 is calculated (see formula (18)). Similarly, the
S305において、ECU100は、表面応力σsurf=0である理想状態におけるシリコン粒子21の開放電位USiとリチウム量θSiとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、表面リチウム量θSi_surfから開放電位USi_staを算出する。
In S305, the
S306において、ECU100は、表面応力σsurfを算出するためのシリコン粒子21の「表面応力算出処理」を実行する。
In S306, the
図14は、シリコン粒子21の表面応力算出処理(図13のS306の処理)を示すフローチャートである。図14を参照して、S401において、ECU100は、シリコン粒子21における平均リチウム量θSi_aveを算出する。平均リチウム量θSi_aveは、正極粒子1に関する上記式(3)と同様に算出することができる。
FIG. 14 is a flow chart showing the surface stress calculation process of the silicon particles 21 (the process of S306 in FIG. 13). Referring to FIG. 14, in S401,
S402において、ECU100は、前回演算時までにメモリ100Bに格納された基準リチウム量θREFおよび基準表面応力σREFを読み出す(後述するS413の処理を参照)。
In S402, the
S403において、ECU100は、マップ(図示せず)を参照することによって、バッテリ4の温度TBおよび平均リチウム濃度cSi_ave(前回演算時のcSi_ave)から比例定数αθを算出する。なお、負極活物質および周辺部材の物性値(ヤング率など)から比例定数αθを算出(シミュレーション予測)することも可能である。ただし、比例定数αθを可変とすることは必須ではなく、予め定められた固定値を比例定数αθとして用いてもよい。
In S403,
S404において、ECU100は、上記式(33)に従って、比例定数αθおよび平均リチウム量θSi_aveから表面応力σsurfを算出する(S105)。この表面応力σsurfは、シリコン活物質の降伏を考慮せずに仮に算出されたものであり、以降の処理により、シリコン活物質の降伏を考慮した表面応力σsurfが決定(本算出)される。
In S404, the
S405において、ECU100は、S404にて仮算出された表面応力σsurfと、圧縮降伏応力σcomとを比較する。図4に示したような表面応力σsurfの符号を考慮した上での表面応力σsurfが圧縮降伏応力σcom以下である場合、すなわち、表面応力σsurfの大きさが圧縮降伏応力σcomの大きさ以上である場合(S444においてYES)、ECU100は、負極活物質が降伏しているとして、表面応力σsurfが圧縮降伏応力σcomに等しい(σsurf=σcom)と判定する(S406)。つまり、S404にて仮算出された表面応力σsurfは採用されず、それに代えて圧縮降伏応力σcomが採用される。そして、ECU100は、圧縮降伏応力σcomを新たな基準表面応力σREFとして設定することにより、基準表面応力σREFを更新する。さらに、ECU100は、S401にて算出された平均リチウム量θSi_aveを基準リチウム量θREFとして設定することにより、基準リチウム量θREFを更新する(S407)。
At S405, the
一方、符号を考慮した上での表面応力σsurfが圧縮降伏応力σcomよりも大きい場合(表面応力σsurfの大きさが圧縮降伏応力σcomの大きさ未満である場合)(S405においてNO)には、ECU100は、処理をS408に進め、表面応力σsurfと引っ張り降伏応力σtenとを比較する。
On the other hand, if the surface stress σ surf after considering the sign is greater than the compressive yield stress σ com (when the magnitude of the surface stress σ surf is less than the magnitude of the compressive yield stress σ com ) (NO in S405) Then, the
表面応力σsurfが引っ張り降伏応力σten以上である場合(S408においてYES)、ECU100は、負極活物質が降伏しており、表面応力σsurfが引っ張り降伏応力σtenに等しくなっていると判定する(S409)。そして、ECU100は、基準表面応力σREFを引っ張り降伏応力σtenにより更新するとともに、基準リチウム量θREFをS401にて算出された平均リチウム量θSi_aveにより更新する(S410)。
When surface stress σ surf is equal to or greater than tensile yield stress σ ten (YES in S408),
S408にて表面応力σsurfが引っ張り降伏応力σten未満である場合(S408においてNO)には、表面応力σsurfは、圧縮降伏応力σcomと引っ張り降伏応力σtenとの間の中間領域A内にあり(σcom<σsurf<σten)、負極活物質は降伏していない。よって、S404にて仮算出された表面応力σsurfが採用される(S411)。この場合には、基準表面応力σREFは更新されず、前回演算時(あるいは、それよりも前の演算時)に設定された基準表面応力σREFが維持される。また、基準リチウム量θREFの更新も行なわれない(S412)。 If the surface stress σ surf is less than the tensile yield stress σ ten in S408 (NO in S408), the surface stress σ surf is within the intermediate region A between the compressive yield stress σ com and the tensile yield stress σ ten (σ com <σ surf <σ ten ), and the negative electrode active material has not yielded. Therefore, the surface stress σ surf tentatively calculated in S404 is adopted (S411). In this case, the reference surface stress σ REF is not updated, and the reference surface stress σ REF set at the previous calculation (or at the previous calculation) is maintained. Also, the reference lithium amount θ REF is not updated (S412).
S407,S410,S412の処理のうちのいずれかの処理が実行されると、基準リチウム量θREFおよび基準表面応力σREFがメモリ100Bに格納される(S413)。その後、収束演算処理のS307(図13参照)に処理が戻される。
When one of the processes of S407, S410 and S412 is executed, the reference lithium amount θ REF and the reference surface stress σ REF are stored in
図13を再び参照して、S307において、ECU100は、シリコン粒子21の開放電位USiにおける表面応力σsurfの影響を考慮に入れるべく、上記式(17)に従って表面応力σsurfから開放電位変化量ΔVstressを算出する。
Referring to FIG. 13 again, in S307, the
S308において、ECU100は、上記式(26)に従い、正極粒子1の反応過電圧η1と正極開放電位U1との和を正極電位V1として算出する。また、ECU100は、開放電位変化量ΔVstressをシリコン粒子21の理想開放電位USi_staに加算することによってシリコン開放電位USiを算出し(上記式(20)参照)、さらに、シリコン粒子21の反応過電圧ηSiとシリコン開放電位USiとの和をシリコン電位VSiとして算出する(上記式(27)参照)。さらに、ECU100は、グラファイト粒子22の反応過電圧ηgraとグラファイト開放電位Ugraとの和をグラファイト電位Vgraとして算出する(上記式(28)参照)。
In S308, the ECU 100 calculates the sum of the reaction overvoltage η1 of the positive electrode particles 1 and the positive electrode open potential U1 as the positive electrode potential V1 according to the above equation (26). Further, the
S309において、ECU100は、上記式(25)に従い、正極電位V1と、負極電位V2(シリコン電位VSiまたはグラファイト電位Vgra)と、直流抵抗Rdによる電圧降下量(=ITRd)と、塩濃度過電圧ΔVeとから演算電圧Vcalcを算出する。 In S309, the ECU 100 determines the positive electrode potential V1, the negative electrode potential V2 ( silicon potential VSi or graphite potential Vgra ), and the amount of voltage drop due to the DC resistance Rd (= IT Rd ) according to the above equation (25). ) and the salt concentration overvoltage ΔV e , the calculated voltage V calc is calculated.
S310において、ECU100は、収束演算処理における反復演算が収束する条件(収束条件)が成立したか否かを判定する。具体的には、収束条件は、第1および第2の条件を含む。第1の条件とは、S309にて算出された演算電圧Vcalcと、S101にて電圧センサ71から取得された測定電圧Vmeasとの差の絶対値(=|Vcalc-Vmeas|)が第1の所定値PD1未満であるか否かとの条件である(|Vcalc-Vmeas|<PD1)。第2の条件とは、S308にて算出されたシリコン電位VSiとグラファイト電位Vgraとの差の絶対値(=|VSi-Vgra|)が第2の所定値PD2未満であるか否かとの条件である(|VSi-Vgra|<PD2)。
In S310, the
ECU100は、第1および第2の条件の両方が成立した場合に収束条件が成立したと判定し、第1および第2の条件のうちの一方でも不成立の場合には収束条件は成立していないと判定する。収束条件が成立していない場合(S310においてNO)、ECU100は、ニュートン法のアルゴリズムに従って電流IT,ISi,Igraを更新し(S311)、S301に処理を戻す。一方、収束条件が成立すると(S310においてYES)、ECU100は、図12のS200に処理を戻す。
The
図12を再び参照して、S200において、ECU100は、電位成分算出処理の結果に基づいてバッテリ4のSOCを推定するSOC推定処理を実行する。SOC推定処理は、たとえばS201,S202の処理を含む。
Referring to FIG. 12 again, at S200,
S201において、ECU100は、正極粒子1の平均リチウム量θ1_ave(収束所条件が成立したS302の処理にて算出された値)を取得するとともに、メモリ100Bに格納された既知のリチウム量θ1_SOC0,θ1_SOC100を読み出す。なお、リチウム量θ1_SOC0とは、SOC=0%に相当する正極粒子1のリチウム量であり、リチウム量θ1_SOC100とは、SOC=100%に相当する正極粒子1のリチウム量である。
In S201, the
そして、S202において、ECU100は、上記3つのリチウム量に基づいてバッテリ4のSOCを推定する。具体的には、下記式(34)を用いることによって、バッテリ4のSOCを算出することができる。
Then, in S202, the
以上のように、実施の形態1においては「3粒子モデル」が採用される。3粒子モデルでは、正極が正極粒子1に代表して表されるとともに、負極がシリコン粒子21およびグラファイト粒子22の2粒子に代表して表される。そして、シリコン粒子21を流れる電流(シリコン電流ISi)とグラファイト粒子22を流れる電流(グラファイト電流Igra)とを区別し、負極活物質を流れる総電流ITがシリコン電流ISiとグラファイト電流Igraとに分配される。
As described above, the "three-particle model" is adopted in the first embodiment. In the three-particle model, the positive electrode is represented by
このように、実施の形態1では、シリコン粒子21とグラファイト粒子22との間の電流分配を考慮することで、電流分配を考慮しない場合と比べて、電流に依存する各パラメータの算出精度が向上する。具体的には、本実施の形態では、シリコン電流ISiに応じて定まるシリコン過電圧ηSi(式(5)参照)と、グラファイト電流Igraに応じて定まるグラファイト過電圧ηgra(式(6)参照)とが別々に算出される。これにより、両者を区別しない場合と比べて、電荷移動反応(リチウムの挿入/脱離反応)に応じて発生する過電圧を正確に算出することができる。
As described above, in
また、式(7)~式(16)に示した拡散方程式を解くことで算出される、各粒子内のリチウム濃度分布の算出精度が向上する。そのため、シリコン粒子21内の平均リチウム濃度cs_Si_ave(あるいは平均リチウム量θSi_ave)の算出精度が向上する。したがって、平均リチウム濃度cs_Si_ave(あるいは平均リチウム量θSi_ave)に依存する表面応力σsurfの算出精度も向上することとなる(上記式(32)または式(33)参照)。これにより、表面応力σsurfによるシリコン粒子21の開放電位(シリコン開放電位USi)のずれ量を示す開放電位変化量ΔVstressを高精度に算出することができる(式(17)参照)。その結果、表面応力σsurfの影響を負極開放電位U2に正確に反映させることができるため(上記式(20)参照)、負極電位V2も高精度に算出することが可能になる。さらに、バッテリ4のSOCも高精度に推定することが可能になる(SOC推定処理)。以上のように、実施の形態1によれば、バッテリ4の内部状態を高精度に推定することができる。
In addition, the calculation accuracy of the lithium concentration distribution in each particle, which is calculated by solving the diffusion equations shown in Equations (7) to (16), is improved. Therefore, the calculation accuracy of the average lithium concentration c s_Si_ave (or the average lithium amount θ Si_ave ) in the
[実施の形態1の変形例1]
実施の形態1の変形例1では、活物質表面に形成される電気二重層の影響を考慮して収束演算処理を実行する構成について説明する。この変形例では、総電流ITがリチウム生成(リチウムイオンの挿入および脱離)に関与する電流成分と、リチウム生成に関与しない電流成分とにさらに分配される。具体的には、正極粒子1について、総電流ITのうちリチウム生成に関与する電流を「反応電流I1
EC」と記載し、リチウム生成に関与しない電流を「キャパシタ電流I1
C」と記載すると、下記式(35)が成立する。
[
In
また、正極粒子1に形成される電気二重層の静電容量をC1と記載する。静電容量C1は、事前の評価により既知である。キャパシタ電流I1 Cは、下記式(36)のように表される。 Also, the capacitance of the electric double layer formed on the positive electrode particles 1 is denoted as C1. The capacitance C1 is known by prior evaluation. Capacitor current I 1 C is represented by the following equation (36).
正極電位V1と正極開放電位U1と反応過電圧η1との間には上記式(26)と同様の関係が成立する(下記式(37)参照)。ただし、正極過電圧η1では、下記式(38)に示すように、総電流ITに代えて反応電流I1 ECが用いられる。 A relationship similar to the above formula (26) is established among the positive electrode potential V1, the positive electrode open potential U1 , and the reaction overvoltage η1 (see the following formula (37)). However, in the positive electrode overvoltage η 1 , a reaction current I 1 EC is used instead of the total current I T as shown in the following equation (38).
負極側については、シリコン粒子21を流れる電流(シリコン電流ISi)を反応電流ISi
ECとキャパシタ電流ISi
Cとに区別する。また、グラファイト粒子22を流れる電流(グラファイト電流Igra)を反応電流Igra
ECとキャパシタ電流Igra
Cとに区別する。そうすると、これらの電流間には下記式(39)が成立する。
On the negative electrode side, the current (silicon current I Si ) flowing through the
キャパシタ電流ISi
Cは、シリコン粒子21に形成される静電容量CSiと負極電位V2とにより下記式(40)のように表される。キャパシタ電流Igra
Cは、グラファイト粒子22に形成される静電容量Cgraと負極電位V2とにより下記式(41)のように表される。
Capacitor current I Si C is expressed by the following equation (40) using electrostatic capacitance C Si formed in
また、上記式(27)および式(28)と同様の下記式(42)が成立する。ここでも、シリコン過電圧ηSiにおいてシリコン電流ISiがキャパシタ電流ISi ECに置き換えられ、グラファイト過電圧ηgraにおいてグラファイト電流Igraがキャパシタ電流Igra ECに置き換えられる(下記式(43)および式(44)参照)。 Also, the following equation (42) similar to the above equations (27) and (28) holds. Here too, the silicon current I Si is replaced by the capacitor current I Si EC in the silicon overvoltage η Si , and the graphite current I gra is replaced by the capacitor current I gra EC in the graphite overvoltage η gra (equation (43) and equation (44) below. )reference).
以上のように、実施の形態1の変形例1においては、正極活物質の表面に形成される電気二重層の影響を考慮して、正極粒子1を流れる電流(総電流IT)がキャパシタ電流I1
Cと反応電流I1
ECとに区別される。負極側についても同様に負極活物質の表面に形成される電気二重層の影響を考慮して、シリコン電流ISiがキャパシタ電流ISi
Cと反応電流ISi
ECとに区別されるとともに、グラファイト電流Igraがキャパシタ電流Igra
Cと反応電流Igra
ECとに区別される。そして、各反応過電圧(η1,ηSi,ηgra)の算出には、対応する反応電流(IT
EC,ISi
EC,Igra
EC)が用いられる。つまり、リチウムの挿入/脱離反応に応じて発生する電圧である反応過電圧の算出において、電気二重層を充放電するだけでリチウムの挿入/脱離には寄与しない電流成分(キャパシタ電流)の影響が除外される。これにより、実施の形態1と比べて、ECU100の演算負荷が増加し得るものの、各反応過電圧の算出精度を一層向上させることができる。
As described above, in
[実施の形態1の変形例2]
<負極電位の変化>
一般に、リチウムイオン二次電池では、金属リチウムが負極に析出する「リチウム析出」に起因して、二次電池の充放電性能が低下したり熱的耐性が低下したりするおそれがあることが知られている。実施の形態1の変形例2においては、電池入力(バッテリ4への充電電力)に一定の制限を設けることによって、リチウム析出からバッテリ4を保護するための「リチウム析出抑制制御」が実行される。
[
<Change in negative electrode potential>
It is generally known that in lithium-ion secondary batteries, there is a possibility that the charging/discharging performance of the secondary battery may deteriorate and the thermal resistance may deteriorate due to "lithium deposition" in which metallic lithium deposits on the negative electrode. It is In
図15は、リチウム析出の発生時における負極電位V2の変化を説明するための概念図である。図15においては、横軸は経過時間を表し、縦軸は金属リチウムを基準とした負極電位V2を表す。 FIG . 15 is a conceptual diagram for explaining changes in the negative electrode potential V2 when lithium deposition occurs. In FIG. 15, the horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the negative electrode potential V2 based on metallic lithium.
図15に示すように、バッテリ4の充電時には負極電位V2が低下する。バッテリ4への充電電力が大きいほど負極電位V2の低下量は大きくなる。負極電位V2がリチウム析出電位(金属リチウム基準で0V)を下回ると、リチウム析出が起こり得る。したがって、実施の形態1の変形例2においては、負極電位V2が0V以下にならないように、負極電位V2がリチウム析出電位よりも高い所定の電位に達した時点からバッテリ4への充電電力を抑制する。
As shown in FIG. 15, the negative electrode potential V2 decreases when the battery 4 is charged. The amount of decrease in the negative electrode potential V2 increases as the charging power to the
以上のように、実施の形態1の変形例2においては、負極電位V2を高精度に算出できるため、ヒステリシスの影響があるような電池系においても負極表面への金属リチウムの析出を確実に抑制し、バッテリ4を適切に保護することができる。
As described above, in
[実施の形態2]
実施の形態1では、バッテリ4の各種電位成分を高精度に算出するための3粒子モデルについて説明した(図5および図6参照)。実施の形態2においては、ECU100の演算負荷およびメモリ量を低減するために、3粒子モデルをより簡易化した電池モデルを用いる構成について説明する。この電池モデルでは、以下に説明するように、反応過電圧(η1,ηSi,ηgra)の算出式が簡易化されるとともに拡散方程式が簡易化される。なお、実施の形態2に係る二次電池システムの全体構成は、実施の形態1に係る二次電池システム10の全体構成(図1参照)と同等である。
[Embodiment 2]
In
<3粒子モデルの簡易化>
正極粒子1について下記式(45)に示す拡散方程式(上記式(7)と同様の式)を境界条件(式(8)参照)下で解くことにより、正極粒子1におけるリチウム濃度分布が算出される。そして、正極粒子1の内部のリチウム濃度分布から、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfが算出される(上記式(2)参照)。
<Simplification of the three-particle model>
The lithium concentration distribution in the
一方、実施の形態2では、シリコン粒子21の内部におけるリチウムの拡散を簡易化する。グラファイト粒子22についても同様である(シリコン粒子21についての拡散方程式およびグラファイト粒子22についての拡散方程式(上記式(9)~式(16)参照)は省略)。言い換えると、シリコン粒子21のリチウム濃度分布は一様と仮定されるとともに、グラファイト粒子22のリチウム濃度分布も一様と仮定される。
On the other hand, in the second embodiment, the diffusion of lithium inside the
前述のように、シリコン粒子21の開放電位(シリコン開放電位USi)は、シリコン粒子21の表面リチウム量θSi_surfに応じて定まる(上記式(18)参照)。シリコン粒子21のリチウム濃度分布を一様と仮定して拡散方程式の立式を省略する場合、どのようにシリコン開放電位USiを算出するかが課題となる。
As described above, the open-circuit potential of the silicon particles 21 (silicon open-circuit potential U Si ) is determined according to the surface lithium amount θ Si_surf of the silicon particles 21 (see formula (18) above). If the lithium concentration distribution of the
一般に、正極活物質におけるリチウム濃度と負極活物質におけるリチウム濃度との間には、一方が上昇すると他方が低下するとの関係が存在する。実施の形態2における電池モデルでは、この関係を用いることで、正極活物質におけるリチウム濃度(正極粒子1のリチウム量θ1)から負極活物質におけるリチウム濃度を算出する。
In general, there is a relationship between the lithium concentration in the positive electrode active material and the lithium concentration in the negative electrode active material such that one increases and the other decreases. In the battery model according to
詳細には、実施の形態2における電池モデルでは、シリコン粒子21とグラファイト粒子22とを1つの混合負極粒子2と見なす。混合負極粒子2は、正極粒子1と異なり、複数の領域に仮想的に分割されておらず、その内部におけるリチウム濃度分布は考慮されない。そのため、混合負極粒子2の表面と、それ以外(混合負極粒子2の内部)とを区別せず、混合負極粒子2内のリチウム濃度を規格化した値をリチウム量θ2と記載する。
Specifically, in the battery model according to
正極粒子1の容量と混合負極粒子2の容量との比(容量比)をθrateと記載すると、この容量比θrateは、固定値であるが、正極粒子1のリチウム量θ1と混合負極粒子2のリチウム量θ2とを用いて下記式(46)のように表すこともできる。なお、今回演算時における値には、右上(右肩)にtを付し、前回演算時における値には、右上に(t-Δt)を付すことによって、両者を区別している。
If the ratio (capacity ratio) between the capacity of the
次に、混合負極粒子2のリチウム量θ2
tが算出される。混合負極粒子2のリチウム量θ2
tは、下記式(47)に従い、正極粒子1のリチウム量θ1
tと容量比θrateとを用いて算出することができる。なお、式(45)において、θ1_fixとは、リチウム量θ1の基準値であり、θ2_fixとは、θ1の基準値(θ1_fix)に対応するリチウム量θ2の値である。これらの値は、いずれも実験により求められる。
Next, the lithium amount θ 2 t of the mixed
このように、正極粒子1のリチウム量θ1から混合負極粒子2のリチウム量θ2を算出する一方で、以下に説明する別の手法によってもリチウム量θ2を算出する。そして、2つの手法によるリチウム量θ2の算出結果が一致すれば、各パラメータの演算結果が妥当と判定するものとする。以下、リチウム量θ2の別の算出手法について説明する。 In this way, while the lithium amount θ2 of the mixed negative electrode particles 2 is calculated from the lithium amount θ1 of the positive electrode particles 1 , the lithium amount θ2 is also calculated by another method described below. Then, if the calculation results of the lithium amount θ2 by the two methods match, it is determined that the calculation result of each parameter is appropriate. Another method for calculating the amount of lithium θ 2 will be described below.
シリコン粒子21とグラファイト粒子22とは等電位(VSi=Vgra)であるため、下記式(48)が成立する(式(27)および式(28)参照)。
Since the
実施の形態2では簡易化のため、シリコン過電圧ηSiとグラファイト過電圧ηgraとは、互いに等しいと仮定する(下記式(49)参照)。 In the second embodiment, for simplification, it is assumed that the silicon overvoltage η Si and the graphite overvoltage η gra are equal to each other (see equation (49) below).
そうすると、上記式(48)が下記式(50)のように単純化される。 Then, the above equation (48) is simplified to the following equation (50).
式(50)の左辺のシリコン開放電位USiは、表面応力σsurf=0である場合の開放電位であるUSi_staと、表面応力σsurfによる開放電位変化量ΔVstressとの和により表される(式(17)および式(20)参照)。つまり、式(50)は、下記式(51)のようにさらに変形される。 The silicon open-circuit potential U Si on the left side of equation (50) is represented by the sum of the open-circuit potential U Si_sta when the surface stress σ surf =0 and the open-circuit potential variation ΔV stress due to the surface stress σ surf . (See equations (17) and (20)). That is, equation (50) is further transformed into equation (51) below.
式(51)の左辺第2項は表面応力σsurfを含むが、この表面応力σsurfは、実施の形態1と同様に下記式(52)に従って算出される。 The second term on the left side of equation (51) includes surface stress σ surf , and this surface stress σ surf is calculated according to equation (52) below, as in the first embodiment.
なお、式(30)および式(31)にて説明したため詳細な説明は繰り返さないが、表面応力σsurfが降伏している場合には、式(52)に代えて、σsurf=σcomまたはσsurf=σtenにより表面応力σsurfが算出される。 Although detailed description will not be repeated because it has been described with equations (30) and (31), when the surface stress σ surf yields , instead of equation (52), σ surf =σ com or The surface stress σ surf is calculated by σ surf =σ ten .
また、容量比θrateを用いずに下記の手法により混合負極粒子2のリチウム量θ2
tを算出することもできる。前回演算時と今回演算時との間(Δtが経過する間)に混合負極粒子2に総電流ITが入出力されることにより、混合負極粒子2の電気量がIT×Δtだけ変化するとともに、混合負極粒子2のリチウム量がθ2
t-Δtからθ2
tへと変化する。混合負極粒子2の電気量の変化量(IT×Δt)とリチウム量の変化量(θ2
t-θ2
t-Δt)との間には、下記式(53)に示すように、両者が整合しているとの条件(拘束条件)が存在する。式(53)の左辺では、混合負極粒子2の体積Vol2と、シリコン粒子21の限界リチウム量cSi,maxと、グラファイト粒子22の限界リチウム量cgra,maxとが用いられている。
Alternatively, the lithium amount θ 2 t of the mixed
ここで、混合負極粒子2のリチウム量θ2は、シリコン粒子21のリチウム量θSiおよび限界リチウム濃度cSi,maxと、グラファイト粒子22のリチウム量θgraおよび限界リチウム濃度cgra,maxとを用いて下記式(54)のように表される。式(54)を式(52)に代入することで式(55)が導かれる。
Here, the lithium amount θ 2 of the mixed
上記の式を連立させることにより、リチウム量θSi,θgraおよび表面応力σsurfの3つのパラメータを算出することができる。そして、シリコン粒子21のリチウム量θSiおよびグラファイト粒子22のリチウム量θgraから式(54)に従って算出される混合負極粒子2のリチウム量θ2と、リチウム量θ1から式(47)に従って算出される混合負極粒子2のリチウム量θ2とを比較する。これら2つの手法により算出されたリチウム量θ2がよく一致した場合(差が所定値未満である場合)に、リチウム量θSi,θgraおよび表面応力σsurfの算出結果を採用するものとする(詳細については後述のフローチャートを参照)。
By combining the above equations, the three parameters of the lithium amount θ Si , θ gra and the surface stress σ surf can be calculated. Then, the lithium amount θ 2 of the mixed
<SOC推定フロー>
図16は、実施の形態2においてバッテリ4のSOCを推定するための一連の処理を示すフローチャートである。図16を参照して、S601において、ECU100は、電圧センサ71からバッテリ4の電圧VBを取得する。また、ECU100は、温度センサ72からバッテリ4の温度TBを取得し、温度TBから絶対温度Tを算出する。
<SOC estimation flow>
FIG. 16 is a flow chart showing a series of processes for estimating the SOC of
S602において、ECU100は、正極粒子1の交換電流密度i0_1を算出する。交換電流密度i0_1の算出手法は、実施の形態1にて説明した手法と同様である。すなわち、ECU100は、正極粒子1の交換電流密度i0_1と表面リチウム量θ1_surfと絶対温度Tとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することにより、前回演算時に算出された表面リチウム量θ1_surf(図17のS703参照)と、S601にて算出された絶対温度Tとから、交換電流密度i0_1を算出する。
In S<b>602 , the
なお、実施の形態2では、反応過電圧ηSi,ηgraが算出されないため、シリコン粒子21の交換電流密度i0_Siおよびグラファイト粒子22の交換電流密度i0_graの算出も省略される。
In the second embodiment, since the reaction overvoltages η Si and η gra are not calculated, the calculation of the exchange current density i 0_Si of the
S603~S605の処理は、実施の形態1におけるS103~S105の処理(図12参照)と同等である。一方、S606における収束演算処理は、実施の形態1における収束演算処理S106(図12および図13参照)と異なる。 The processing of S603-S605 is equivalent to the processing of S103-S105 (see FIG. 12) in the first embodiment. On the other hand, the convergence calculation process in S606 differs from the convergence calculation process S106 (see FIGS. 12 and 13) in the first embodiment.
図17は、実施の形態2における収束演算処理(図16のS606の処理)を示すフローチャートである。図17を参照して、実施の形態2では、以下のS701~S703の処理が正極粒子1に対してしか実行されず、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22に対しては実行されない点において、実施の形態1における収束演算処理(図13のS301~S303の処理参照)と異なる。
FIG. 17 is a flowchart showing convergence calculation processing (processing of S606 in FIG. 16) according to the second embodiment. Referring to FIG. 17, in the second embodiment, the following processing of S701 to S703 is performed only on
S701において、ECU100は、上記式(4)に従って、正極粒子1の交換電流密度i0_1および絶対温度Tから正極粒子1の反応過電圧η1を算出する。さらに、S702において、ECU100は、拡散方程式(上記式(7))を所定の境界条件(式(8)参照)下で解くことによって、正極粒子1の内部におけるリチウム濃度分布を算出する。そして、ECU100は、正極粒子1の内部におけるリチウム濃度分布に基づいて、正極粒子1の表面リチウム量θ1_surfを算出する(S703、上記式(2)参照)。
In S701, the
S704において、ECU100は、上記式(47)に従って、正極粒子1のリチウム量θ1
t(S25の算出結果)と容量比Qθ(既知の値)とから、今回の演算周期における混合負極粒子2のリチウム量θ2
tを算出する。
In S704 , the ECU 100 calculates the mixed
S705において、ECU100は、正極開放電位U1と表面リチウム量θ1_surfとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、S703にて算出された表面リチウム量θ1_surfから正極開放電位U1を算出する。
In S705, the
さらに、ECU100は、負極開放電位U2と表面リチウム量θ2との対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、S704にて算出されたリチウム量θ2から負極開放電位U2を算出する。
Further, the
S706において、ECU100は、下記式(56)に従って、上記式(25)に従い、正極電位V1(=正極開放電位U1+正極過電圧η1)と、負極開放電位U2と、直流抵抗Rdによる電圧降下量(=ITRd)と、塩濃度過電圧ΔVeとから演算電圧Vcalcを算出する。式(56)では、前述のようにシリコン過電圧ηSiとグラファイト過電圧ηgraとが等しいとしている(上記式(49)参照)。このことは、実施の形態1では3つの反応過電圧η1,ηSi,ηgraを別々に算出しているのに代えて、実施の形態2においてはバッテリ4として1つの反応過電圧のみを考えている(言い換えると、負極における反応過電圧ηSi,ηgraの寄与を正極における反応過電圧η1に含めている)ためとも理解される。
In S706, the
なお、式(56)は、正極活物質と負極活物質とを簡易的に統合した1粒子モデルにおいて成立する式と同様の式である。つまり、実施の形態1における3粒子モデルと対比して、実施の形態2では1粒子モデルが採用されているとも言える。 Note that the formula (56) is similar to the formula that holds in a one-particle model in which the positive electrode active material and the negative electrode active material are simply integrated. In other words, it can be said that the second embodiment adopts the one-particle model in contrast to the three-particle model in the first embodiment.
S707において、ECU100は、総電流ITが収束する条件(収束条件)が成立したか否かを判定する。具体的には、ECU100は、S706にて算出された演算電圧Vcalcと、電圧センサ71により検出された測定電圧Vmeasとの差(絶対値)が所定値PD未満であるかを判定する(|Vcacl-Vmeas|<PD)。演算電圧Vcalcと測定電圧Vmeasとの差の絶対値が所定値PD未満である場合(S707においてYES)、ECU100は、処理をS709に進める。一方、上記差の絶対値が所定値PD以上である場合(S707においてNO)、ECU100は、総電流ITをニュートン法により更新し(S708)、処理をS701に戻す。
In S707 ,
S709において、ECU100は、シリコン粒子21内のリチウム量θSiを算出するための「リチウム量算出処理」を実行する。
In S<b>709 , the
図18は、実施の形態2におけるリチウム量算出処理(図17のS709の処理)を示すフローチャートである。図18を参照して、S801において、ECU100は、混合負極粒子2のリチウム変化量Δθ2を算出する。より具体的には、上記式(47)に従って正極粒子1のリチウム量θ1と容量比θrateとから算出される混合負極粒子2のリチウム量θ2を前回演算時と今回演算時とで2回算出し、両者の差分を取ることでリチウム変化量Δθ2を算出することができる。
FIG. 18 is a flow chart showing the lithium amount calculation process (the process of S709 in FIG. 17) in the second embodiment. Referring to FIG. 18 , in S801,
S802において、ECU100は、前回演算時におけるシリコン粒子21のリチウム量θSi
t-Δtに、ニュートン法により更新されたリチウム変化量ΔθSi(S810参照)を加算することにより、今回演算時におけるシリコン粒子21のリチウム量θSi
tを設定する(下記式(57)参照)。
In S802, the
S803において、ECU100は、所定のマップ(図示せず)を参照することによって、表面応力σsurf=0である場合のシリコン粒子21の開放電位であるUSi_staをリチウム量θSi
tから算出する。
In S803, the
S804において、ECU100は、表面応力算出処理を実行することによって表面応力σsurfを算出する。
In S804,
図19は、実施の形態2における表面応力算出処理を示すフローチャートである。図19を参照して、このフローチャートは、シリコン粒子21の平均リチウム量θSi_aveの算出処理(S401)を含まない点において、実施の形態1における表面応力算出処理(図14参照)と異なる。他の処理は、実施の形態1における表面応力算出処理の対応する処理と同等であるため、説明は繰り返さない。一連の処理の終了後に図18のリチウム量算出処理に処理が戻される。
FIG. 19 is a flowchart showing surface stress calculation processing according to the second embodiment. Referring to FIG. 19, this flowchart differs from the surface stress calculation process (see FIG. 14) in
図18を再び参照して、S805において、ECU100は、下記式(58)(式(17)と同じ式)に従って表面応力σsurfから開放電位変化量ΔVstressを算出する。
Referring to FIG. 18 again, in S805,
S806において、ECU100は、表面応力σsurfによる開放電位変化量ΔVstressを表面応力σsurf=0のときのシリコン粒子21の開放電位であるUSi_staに加算することによって、シリコン開放電位USiを算出する(下記式(59)参照)。
In S806, the
S807において、ECU100は、シリコン開放電位USiとグラファイト開放電位Ugraとが等しいとの条件(下記式(60)参照)が成立するように、グラファイト粒子22のリチウム量θgraを算出する。具体的には、式(60)の左辺の値は、S805,S806の処理により既知であることから、式(60)の右辺に規定されたグラファイト開放電位Ugraの値が算出済みであると言える。したがって、グラファイト開放電位Ugraとリチウム量θgraとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、グラファイト開放電位Ugraからリチウム量θgraを算出することができる。
In S807, the
S808において、ECU100は、シリコン粒子21のリチウム量θSiと、グラファイト粒子22のリチウム量θgraと、混合負極粒子2のリチウム量θ2との間に成立する下記式(61)に従って、リチウム量θSi,θgraからリチウム量θ2
tを算出する。
In S808, the
S809において、ECU100は、今回演算時における混合負極粒子2のリチウム量θ2
tと、前回演算時における混合負極粒子2のリチウム量θ2
t-Δtとの差(θ2
t-θ2
t-Δt)を算出する。なお、前回演算時におけるリチウム量θ2
t-Δtは、今回の演算で使用するためにメモリ100Bに一時的に格納されていたものである。そして、ECU100は、上記のように算出された差(θ2
t-θ2
t-Δt)と、S801にて算出されたリチウム変化量Δθ2とを比較する。
In S809, the
両者の間の誤差が閾値TH以上である場合(S809においてNO)には、ECU100は、処理をS810に進め、ニュートン法による次回演算時にリチウム量θSiの算出に用いられるリチウム変化量ΔθSi(S802参照)を更新する。一方、両者の間の誤差が閾値TH未満である場合(S809においてYES)、ECU100は、リチウム量算出処理により算出されたシリコン粒子21のリチウム量θSiを後段の処理(SOC推定処理)に使用可能な値として採用する(S811)。これにより、リチウム量算出処理(S709)が終了する。これに伴い、収束演算処理(S606)が終了し、さらに電位算出処理(S600)が終了する。
If the error between the two is equal to or greater than the threshold TH (NO in S809), the
図16に戻り、ECU100は、電位算出処理(S600)の実行終了後にはSOC推定処理(S200)を実行する。このSOC推定処理は、実施の形態1におけるSOC推定処理(図12参照)と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
Returning to FIG. 16, the
以上のように、実施の形態2においても実施の形態1と同様に、表面応力算出処理(S804)により表面応力σsurfが算出され、表面応力σsurfに基づいてシリコン粒子21の開放電位変化量ΔVstressが算出される(S805)。このように、表面応力σsurfに起因するヒステリシスの影響を考慮して負極開放電位U2を算出することで、負極開放電位U2を高精度に算出することが可能になる。その結果、バッテリ4のSOCの推定精度も向上させることができる。
As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, the surface stress σ surf is calculated by the surface stress calculation process (S804), and the open-circuit potential change amount of the
一方、実施の形態2では、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22の内部におけるリチウム拡散は簡易化されており、それゆえ、シリコン粒子21についての拡散方程式およびグラファイト粒子22についての拡散方程式(上記式(9)~式(16)参照)が省略される。また、シリコン粒子21とグラファイト粒子22とを一体的に混合負極粒子2と見なされ、その表面と内部とが区別されず、混合負極粒子2内のリチウム濃度が規格化されたパラメータであるリチウム量θ2が用いられる。そして、実施の形態2では、正極粒子1におけるリチウム濃度と混合負極粒子2におけるリチウム濃度との間に相関関係が存在する点に着目し、正極粒子1の容量と混合負極粒子2の容量との容量比θrateを用いて、正極粒子1のリチウム量θ1から混合負極粒子2のリチウム量θ2が算出される(上記式(46)参照)。
On the other hand, in the second embodiment, the diffusion of lithium inside the
また、実施の形態2においては、シリコン粒子21およびグラファイト粒子22の内部におけるリチウム拡散を敢えて考慮の対象としないことで、ECU100の演算量(演算負荷、メモリ量および演算時間)を低減することができる。
In addition, in the second embodiment, the diffusion of lithium inside the
[実施の形態3]
実施の形態2におけるリチウム算出処理(図18参照)では、前回演算時と今回演算時との間のリチウム量θ2の差(θ2
t-θ2
t-Δt)が、別の手法により算出されたリチウム変化量Δθ2に収束するまで、ΔθSiを更新する演算(収束演算)が実行される旨を説明した(S809,S810の処理参照)。実施の形態3においては、ECU100の演算量を一層低減すべく、シリコン粒子21のリチウム変化量ΔθSiを算出するために線形近似を行なうことで、収束演算を不要とする構成について説明する。
[Embodiment 3]
In the lithium calculation process (see FIG. 18) in the second embodiment, the difference (θ 2 t - θ 2 t - Δt ) in lithium amount θ2 between the previous calculation and the current calculation is calculated by another method. It has been explained that the calculation for updating Δθ Si (convergence calculation) is executed until the lithium change amount Δθ 2 converges (see the processing of S809 and S810). In the third embodiment, in order to further reduce the amount of calculation of
実施の形態3は、図18に示したリチウム算出処理に代えて、別のリチウム量算出処理が実行される点において、実施の形態2と異なる。それ以外の処理、すなわち、電位算出処理、SOC推定処理(図16参照)、収束演算処理(図17参照)および表面応力算出処理(図19参照)は、実施の形態2における対応する処理と同等であるため、説明は繰り返さない。なお、実施の形態3に係る二次電池システムの全体構成も、実施の形態1に係る二次電池システム10の全体構成(図1参照)と同等である。
<リチウム分配の線形近似>
前回演算時から今回演算時までの間隔は、たとえば数十ミリ秒~数百ミリ秒オーダーであり、十分に短い。言い換えると、前回演算時から今回演算時までの間のリチウム変化量Δθ(より詳細には、シリコン粒子のリチウム変化量ΔθSi)は、十分に小さいと考えられる。したがって、あるリチウム量θSi’の周りでシリコン電位VSiをテイラー展開すると、下記式(62)が導かれる。
<Linear approximation of lithium distribution>
The interval from the previous calculation to the current calculation is, for example, on the order of several tens of milliseconds to several hundred milliseconds, which is sufficiently short. In other words, the amount of change in lithium Δθ (more specifically, the amount of change in lithium of silicon particles Δθ Si ) from the previous calculation to the current calculation is considered to be sufficiently small. Therefore, Taylor expansion of the silicon potential V Si around a certain amount of lithium θ Si ′ leads to the following equation (62).
式(62)において(θSi-θSi’)が微小である場合、(θSi-θSi’)の2次以上の項は無視することができる。したがって、式(62)は、下記式(63)のように変形される。 If (θ Si - θ Si ') in equation (62) is very small, the second or higher terms of (θ Si - θ Si ') can be ignored. Therefore, equation (62) is transformed into equation (63) below.
式(63)において、VSi(θSi)-VSi(θSi’)=ΔVSiと記載し、かつ、θSi-θSi’=ΔθSiと記載すると、下記式(64)が得られる。 In formula (63), if V Si (θ Si )−V Si (θ Si ′)=ΔV Si and θ Si −θ Si ′=Δθ Si , the following formula (64) is obtained. .
さらに、シリコン粒子21の開放電位(シリコン開放電位)USiは下記式(65)により与えられるので、式(64)は下記式(66)のように表すことができる。
Furthermore, since the open-circuit potential (silicon open-circuit potential) U Si of the
一方のグラファイト粒子22については表面応力σsurfを含む項(上記式(65)の右辺第2項)が存在しないものの、同様の演算により、グラファイト粒子22の電位変化量ΔVgraを下記式(67)のように表すことができる。
On the other hand,
シリコン粒子21とグラファイト粒子22とは常に等電位(VSi=Vgra)であるため、シリコン電位の変化量ΔVSiとグラファイト電位の変化量ΔVgraとの間には、両者が等しい(ΔVsi=ΔVgra)との関係が成立する。この関係は、上記式(66)および式(67)を用いると、下記式(68)のように表される。
Since the
適切な式変形を行なうことで、上記式(68)から下記式(69)を導くことができる。 By appropriately transforming the formula, the following formula (69) can be derived from the above formula (68).
混合負極粒子2全体でのリチウム濃度変化量Δc2が分かれば、式(69)を用いて、シリコン粒子21のリチウム濃度変化量ΔcSiと、グラファイト粒子22のリチウム濃度変化量Δcgraとを算出することができる。混合負極粒子2のリチウム濃度変化量Δc2は、下記式(70)により与えられる。
Once the amount of change in lithium concentration Δc 2 for the entire mixed
式(69)および式(70)より、シリコン粒子21のリチウム変化量ΔθSiを下記式(71)のように表すことができる。
From the equations (69) and (70), the lithium change amount Δθ Si of the
実施の形態2におけるリチウム算出処理(図18参照)では、連続する2回の演算間の混合負極粒子2のリチウム量θ2の差(θ2
t-θ2
t-Δt)が、正極粒子1のリチウム量θ1と容量比θrateとから算出されるリチウム変化量Δθ2に収束するまで、シリコン粒子21のリチウム変化量ΔθSiが繰り返し更新される。このため、リチウム変化量ΔθSiの最終的な決定にECU100に大きな演算量が要求される可能性がある。これに対し、実施の形態3では、式(71)から理解されるように、混合負極粒子2のリチウム変化量Δθ2(正極粒子1のリチウム量θ1と容量比θrateとから算出されるリチウム変化量Δθ2)からシリコン粒子21のリチウム変化量ΔθSiが1回の演算で算出される。したがって、リチウム変化量ΔθSiを決定するために演算量を大幅に低減することができる。
In the lithium calculation process (see FIG. 18) in
<リチウム量算出処理フロー>
図20は、実施の形態3におけるリチウム量算出処理を示すフローチャートである。このフローチャートでは、シリコン粒子21のリチウム量θSiの初期値と、グラファイト粒子のリチウム量θgraの初期値とが与えられており、一連の処理が繰り返し実行される毎に各リチウム量θSi,θgraが更新される。
<Lithium amount calculation processing flow>
FIG. 20 is a flowchart showing lithium amount calculation processing according to the third embodiment. In this flowchart, the initial value of the lithium content θ Si of the
図20を参照して、S1002~S1006の処理はシリコン粒子21について実行される処理であり、S1007~S1009の処理はグラファイト粒子22について実行される処理である。ECU100は、これらの処理の順序を入れ替え、グラファイト粒子22についてのS1007~S1009の処理を先に実行し、その後にシリコン粒子21についてのS1002~S1006の処理を実行してもよい。
With reference to FIG. 20, the processes of S1002 to S1006 are performed on
S1001において、ECU100は、実施の形態2におけるリチウム量算出処理のS801(図18参照)と同様にして、混合負極粒子2のリチウム変化量Δθ2を算出する。つまり、上記式(47)に従って正極粒子1のリチウム量θ1と容量比θrateとから算出される混合負極粒子2のリチウム量θ2を前回演算時と今回演算時とで2回算出し、両者の差分を取ることでリチウム変化量Δθ2が算出される。
In S1001, the
S1002において、前回演算時のシリコン粒子21のリチウム量θSi(=θSi
t-Δt)を微小量だけ変化させたリチウム量θSi’(=θSi
t)を算出する。微小量は、リチウム量θSi’の周りでシリコン電位VSiをテイラー展開可能であるように十分に小さな値に設定される(上記式(62)参照)。
In S1002, the lithium amount θ Si ′ (=θ Si t ) is calculated by slightly changing the lithium amount θ Si (=θ Si t−Δt ) of the
S1003において、ECU100は、表面応力σsurf=0のときのシリコン粒子21の開放電位であるシリコン開放電位USi_staを算出する。より詳細には、ECU100は、シリコン粒子21のリチウム量θSiとシリコン開放電位USi_staとの対応関係を規定したマップ(図示せず)を参照することによって、S1001にて算出されたリチウム量θSi’に対応するシリコン開放電位USi_staを算出する。
In S1003, the
S1004において、ECU100は、表面応力算出処理を実行することによってシリコン粒子21の表面応力σsurfを算出する。この表面応力算出処理は、前述のように、実施の形態2における表面応力算出処理(図19参照)と共通である。
In S1004, the
S1005において、ECU100は、表面応力算出処理の算出結果(シリコン粒子21の表面応力σsurf)に基づいて開放電位変化量ΔVstress(=σsurfΩ/F)を算出する(上記式(58)参照)。
In S1005, the
S1006において、ECU100は、シリコン開放電位USi_sta(S1003の処理での算出結果)に開放電位変化量ΔVstressを加算することによって、シリコン開放電位USiを算出する(上記式(59)参照)。
In S1006, the
S1007において、ECU100は、シリコン量θSi=θSi’におけるシリコン開放電位USiの偏微分∂USi/∂θSiを算出する。算出された偏微分の値は、式(75)の分母の第2項に用いられる。
In S1007, the
S1008において、ECU100は、S1001の処理と同様に、前回演算時のグラファイト粒子22のリチウム量θgraを微小量だけ変化させたシリコン量θgra’を算出する。
In S1008, the
S1009において、ECU100は、S1007にて算出されたグラファイト粒子22のリチウム量θgraに基づいてグラファイト開放電位Ugraを算出する。この算出にも予め準備されたマップ(図示せず)が用いられる。
At S1009, the
S1010において、ECU100は、S1006の処理と同様に、シリコン量θgra=θgra’におけるグラファイト開放電位Ugraの偏微分∂Ugra/∂θgraを算出する。算出された偏微分の値は、式(75)の分子と分母の第1項とに用いられる。
In S1010, the
S1011において、ECU100は、上記式(75)に基づき、リチウム変化量ΔθSiを算出する。具体的には、S1001にて算出された混合負極粒子のリチウム変化量Δθ2と、S1007にて算出されたシリコン開放電位USiの偏微分∂USi/∂θSiと、S1010にて算出されたグラファイト開放電位Ugraの偏微分∂Ugra/∂θgraとを式(75)に代入することにより、リチウム変化量ΔθSiが算出される。
In S1011, the
以上のように、実施の形態3によれば、実施の形態1,2と同様に、表面応力算出処理(S1004)により表面応力σsurfが算出され、表面応力σsurfに基づいてシリコン粒子21の開放電位変化量ΔVstressが算出される(S1005)。このように表面応力σsurfに起因するヒステリシスの影響を考慮してシリコン開放電位USiを算出することで、シリコン開放電位USiの算出精度が向上し、その結果として、バッテリ4のSOCの推定精度も向上させることができる。
As described above, according to
さらに、実施の形態3では、テイラー展開後に2次以上の項を無視する近似(すなわち線形近似)を行なったシリコン電位VSi(上記式(63)参照)と、同様の近似を行なったグラファイト電位Vgraとが等しいとの条件下(上位式(68)参照)において、限界リチウム濃度の積(cSi,max×cgra,max)を用いた式変形により式(75)が導かれる。式(75)の各項に値を代入することにより、収束演算が不要になり、単純な乗算および除算によりリチウム変化量ΔθSiを算出することができる。したがって、実施の形態3によれば、実施の形態2におけるリチウム量算出処理と比べて、ECU100の演算負荷およびメモリ量を一層低減することができる。
Furthermore, in the third embodiment, the silicon potential V Si (see the above equation (63)) obtained by approximation (ie, linear approximation) ignoring terms of second order or higher after Taylor expansion, and the graphite potential obtained by similar approximation Equation (75) is derived by transforming the equation using the product of critical lithium concentrations (c Si,max ×c gra,max ) under the condition that V gra is equal to V gra (see higher-order equation (68)). By substituting values for each term in equation (75), the convergence operation becomes unnecessary, and the lithium change amount Δθ Si can be calculated by simple multiplication and division. Therefore, according to the third embodiment, the calculation load and memory capacity of
なお、実施の形態1の変形例2にて説明したリチウム析出抑制制御は、実施の形態2における電位算出処理と組み合わせてもよいし、実施の形態3における電位算出処理と組み合わせてもよい。つまり、実施の形態1における3粒子モデルをより簡易化した手法により負極電位V2を算出し、算出された負極電位V2に応じて、図19に示すフローチャートに従って許容充電電力Iwinを算出してもよい。
The lithium deposition suppression control described in
また、実施の形態1~3(および実施の形態1の変形例1,2)では、充放電に伴う体積変化量が大きな負極活物質として、シリコン系材料が用いられる例について説明した。しかし、充放電に伴う体積変化量が大きな負極活物質はこれに限定されるものではない。本明細書において、「体積変化量が大きな負極活物質」とは、充放電に伴うグラファイトの体積変化量(約10%)と比較して体積変化量が大きな材料を意味する。そのようなリチウムイオン二次電池の負極材料としては、スズ系化合物(SnまたはSnOなど)、ゲルマニウム(Ge)系化合物または鉛(Pb)系化合物が挙げられる。なお、リチウムイオン二次電池は、液系に限らず、ポリマー系であってもよいし全固体系であってもよい。
Further, in
さらに、前述の電位算出処理を適用可能な二次電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、他の二次電池(たとえばニッケル水素電池)であってもよい。 Further, the secondary battery to which the potential calculation process described above can be applied is not limited to the lithium ion secondary battery, and may be another secondary battery (for example, a nickel metal hydride battery).
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered as examples and not restrictive in all respects. The scope of the present disclosure is indicated by the scope of claims rather than the description of the above-described embodiments, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
1 正極粒子、2 混合負極粒子、21 シリコン粒子、22 グラファイト粒子、4
バッテリ、5 セル、51 電池ケース、52 蓋体、53 正極端子、54 負極端子、55 電極体、56 正極、57 負極、58 セパレータ、6 監視ユニット、71 電圧センサ、72 温度センサ、8 PCU、9 車両、91,92 モータジェネレータ、93 エンジン、94 動力分割装置、95 駆動軸、96 駆動輪、10 二次電池システム、100 ECU、100A CPU、100B メモリ、110 パラメータ設定部、121 交換電流密度算出部、122 反応過電圧算出部、131 濃度分布算出部、132 リチウム量算出部、133 表面応力算出部、134 開放電位変化量算出部、135 開放電位算出部、141 塩濃度差算出部、142 塩濃度過電圧算出部、151 収束条件判定部、152 電流分配部、160 SOC推定部。
1 cathode particles, 2 mixed anode particles, 21 silicon particles, 22 graphite particles, 4
Claims (9)
前記二次電池の活物質モデルに基づいて前記二次電池の内部状態を推定するように構成された制御装置とを備え、
前記第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う前記第1の負極活物質の体積変化量は、前記第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う前記第2の負極活物質の体積変化量よりも大きく、
前記制御装置は、
前記第1の負極活物質と前記第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下において、第1の活物質モデルに基づいて前記第1の負極活物質内の電荷担体量を算出し、
前記第1の負極活物質内の電荷担体量に応じて定まる前記第1の負極活物質の表面応力に基づいて、前記第1の負極活物質の開放電位変化量を算出し、
前記第1の負極活物質に表面応力が発生していない状態における前記第1の負極活物質の開放電位と、前記開放電位変化量とから前記負極の開放電位を算出する、二次電池システム。 a secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing first and second negative electrode active materials;
a control device configured to estimate an internal state of the secondary battery based on the active material model of the secondary battery;
The amount of change in volume of the first negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is the amount of change in the volume of the second negative electrode due to the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material. larger than the volume change of the active material,
The control device is
Under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential, the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is calculated based on the first active material model. death,
calculating the open-circuit potential change amount of the first negative electrode active material based on the surface stress of the first negative electrode active material determined according to the amount of charge carriers in the first negative electrode active material;
A secondary battery system, wherein the open circuit potential of the negative electrode is calculated from the open circuit potential of the first negative electrode active material in a state in which surface stress is not generated in the first negative electrode active material and the amount of change in the open circuit potential.
前記第1の負極活物質と前記第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下で、所定の収束条件が成立するように、前記第1の負極活物質を流れる電流と前記第2の負極活物質を流れる電流とを収束演算処理により別々に算出し、
前記第1および第2の負極活物質を流れる電流に関する境界条件下で拡散方程式を解くことによって前記第1および第2の負極活物質内における電荷担体の濃度分布を算出し、算出された濃度分布から前記第1および第2の負極活物質内の電荷担体量を算出する、請求項1に記載の二次電池システム。 The control device is
Under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential, the current flowing through the first negative electrode active material and the first The current flowing through the negative electrode active material of 2 is separately calculated by convergence arithmetic processing,
calculating the concentration distribution of charge carriers in the first and second negative electrode active materials by solving a diffusion equation under boundary conditions for the current flowing through the first and second negative electrode active materials; 2. The secondary battery system according to claim 1, wherein the amount of charge carriers in said first and second negative electrode active materials is calculated from .
前記制御装置は、
前記正極活物質を流れる電流に関する境界条件下で拡散方程式を解くことによって前記正極活物質内における前記電荷担体の濃度分布を算出し、算出された濃度分布から前記正極活物質内の電荷担体量を算出し、
前記正極活物質内の電荷担体量に応じて定まる前記正極活物質の開放電位に基づいて、前記正極の電位を算出し、
前記負極の開放電位に基づいて前記負極の電位を算出し、
算出された前記正極と前記負極との間の電位差と前記電圧センサにより検出された電圧とが一致するとの条件を前記収束条件として、前記第1の負極活物質を流れる電流を算出する、請求項2に記載の二次電池システム。 Further comprising a voltage sensor that detects a voltage between the positive electrode and the negative electrode,
The control device is
The concentration distribution of the charge carriers in the positive electrode active material is calculated by solving a diffusion equation under boundary conditions regarding the current flowing through the positive electrode active material, and the amount of charge carriers in the positive electrode active material is calculated from the calculated concentration distribution. calculate,
calculating the potential of the positive electrode based on the open potential of the positive electrode active material determined according to the amount of charge carriers in the positive electrode active material;
calculating the potential of the negative electrode based on the open potential of the negative electrode;
3. The current flowing through the first negative electrode active material is calculated using a condition that the calculated potential difference between the positive electrode and the negative electrode matches the voltage detected by the voltage sensor as the convergence condition. 2. The secondary battery system according to 2.
前記第1の負極活物質を流れる電流を前記電荷担体の挿入および脱離に関与する反応電流と、前記電荷担体の挿入および脱離に関与しないキャパシタ電流とに区別し、
バトラー・ボルマーの関係式に前記反応電流を代入することによって、前記第1の負極活物質の反応過電圧を算出し、
前記負極の開放電位と、前記第1の負極活物質の反応過電圧とから、前記負極の電位を算出する、請求項2または3に記載の二次電池システム。 The control device is
distinguishing the current flowing through the first negative electrode active material into a reaction current involved in the insertion and desorption of the charge carriers and a capacitor current not involved in the insertion and desorption of the charge carriers;
Calculate the reaction overvoltage of the first negative electrode active material by substituting the reaction current into the Butler-Volmer relational expression,
4. The secondary battery system according to claim 2, wherein the potential of said negative electrode is calculated from the open circuit potential of said negative electrode and the reaction overvoltage of said first negative electrode active material.
前記正極活物質内の電荷担体量と前記第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量との間に成立する関係を、前記正極の容量と前記負極の容量との容量比を用いて規定した関係式に従って、前記正極活物質内の電荷担体量から、前記第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量を算出し、
前記合計量の時間変化量と前記正極活物質を流れる電流との間に成立する電荷量保存則を利用して、前記第1の負極活物質内の電荷担体量を算出する、請求項1に記載の二次電池システム。 The control device is
The relationship between the amount of charge carriers in the positive electrode active material and the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is defined as the capacity ratio between the capacity of the positive electrode and the capacity of the negative electrode. calculating the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials from the amount of charge carriers in the positive electrode active material according to the relational expression defined using
2. The method according to claim 1, wherein the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is calculated using a law of conservation of charge amount that is established between the amount of change in the total amount over time and the current flowing through the positive electrode active material. A secondary battery system as described.
前記正極活物質内の電荷担体量と前記第1および第2の負極活物質内の電荷担体の合計量との間に成立する関係を、前記正極の容量と前記負極の容量との容量比を用いて規定した関係式に従って、前記正極活物質内の電荷担体量から、前記第1および第2の負極活物質内の電荷担体量の合計量を算出し、
前記第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に応じて前記第1の負極活物質の電位が線形に変化すると近似するとともに、前記第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に応じて前記第2の負極活物質の電位が線形に変化すると近似した所定の関係式に従って、前記合計量の時間変化量から前記第1の負極活物質内の電荷担体量を算出する、請求項1に記載の二次電池システム。 The control device is
The relationship between the amount of charge carriers in the positive electrode active material and the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials is defined as the capacity ratio between the capacity of the positive electrode and the capacity of the negative electrode. Calculating the total amount of charge carriers in the first and second negative electrode active materials from the amount of charge carriers in the positive electrode active material according to the relational expression defined using
It is approximated that the potential of the first negative electrode active material changes linearly according to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material, and the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material The amount of charge carriers in the first negative electrode active material is calculated from the amount of time change of the total amount according to a predetermined relational expression approximating that the potential of the second negative electrode active material linearly changes according to the 2. The secondary battery system according to 1.
前記制御装置は、前記負極の開放電位から算出される前記負極の電位が金属リチウムの電位よりも高い所定電位を下回った場合には、前記負極の電位が前記所定電位を上回っている場合と比べて、前記二次電池への充電電力を抑制する、請求項1~6のいずれか1項に記載の二次電池システム。 The secondary battery is a lithium ion secondary battery,
When the potential of the negative electrode calculated from the open-circuit potential of the negative electrode is below a predetermined potential higher than the potential of metallic lithium, the control device compares the potential of the negative electrode with the potential above the predetermined potential. 7. The secondary battery system according to any one of claims 1 to 6, wherein the secondary battery system suppresses charging power to the secondary battery.
前記第2の負極活物質は、炭素系材料である、請求項1~7のいずれか1項に記載の二次電池システム。 The first negative electrode active material is a silicon-based material,
The secondary battery system according to any one of claims 1 to 7, wherein the second negative electrode active material is a carbon-based material.
前記第1の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う前記第1の負極活物質の体積変化量は、前記第2の負極活物質内の電荷担体量の変化に伴う前記第2の負極活物質の体積変化量よりも大きく、
前記二次電池の内部状態推定方法は、
前記第1の負極活物質と前記第2の負極活物質とが等電位であるとの条件下において、第1の活物質モデルに基づいて前記第1の負極活物質内の電荷担体量を算出するステップと、
前記第1の負極活物質内の電荷担体量に応じて定まる前記第1の負極活物質の表面応力に基づいて、前記第1の負極活物質の開放電位変化量を算出するステップと、
前記第1の負極活物質に表面応力が発生していない状態における前記第1の負極活物質の開放電位と、前記開放電位変化量とから前記負極の開放電位を算出するステップとを含む、二次電池の内部状態推定方法。 A secondary battery internal state estimation method for estimating the internal state of a secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing first and second negative electrode active materials based on an active material model, comprising: ,
The amount of change in volume of the first negative electrode active material due to the change in the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is the amount of change in the volume of the second negative electrode due to the change in the amount of charge carriers in the second negative electrode active material. larger than the volume change of the active material,
The method for estimating the internal state of the secondary battery includes:
Under the condition that the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are equipotential, the amount of charge carriers in the first negative electrode active material is calculated based on the first active material model. and
calculating the amount of change in open-circuit potential of the first negative electrode active material based on the surface stress of the first negative electrode active material determined according to the amount of charge carriers in the first negative electrode active material;
calculating the open circuit potential of the negative electrode from the open circuit potential of the first negative electrode active material in a state where the first negative electrode active material has no surface stress and the amount of change in open circuit potential; A method for estimating the internal state of a next battery.
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