JP7392363B2 - 推定装置、推定方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
リチウムイオン二次電池等の蓄電素子(以下、電池という)は、充放電が繰り返されることで徐々に劣化する。この劣化の一つに、電池内部でのガスの発生による内圧の上昇、活物質の体積変化、セパレータの形状変化等に基づく、エレメントを収容したケースの厚みの増加がある。
電池のSOHを推定する技術は多く開発されている。過去の使用履歴データに基づいて、高精度であるが推定に長時間を要し、高コストである方法、簡易ではあるが推定の精度が低い方法等が用いられており、課題を有する。
実施形態に係る推定装置は、蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得する第1取得部と、蓄電素子の形状変化を取得する第2取得部と、前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定する特定部と、特定した前記代表値、及び前記SOC変動量、並びに取得した前記形状変化に基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。
ここで、形状変化とは、電極体若しくはエレメントの膨れ等の変位量、電極体若しくはエレメントを収容するケース(密閉型、開放型のいずれでもよい)の変位量、外側に広がる力(反力)の変化、若しくは蓄電素子の少なくとも一面に印加されている圧力の変化、又はこれらの組み合わせをいう。
収容するケースとは、例えば角型ケースや円筒形ケース、パウチラミネートフィルム等が挙げられる。
蓄電素子が完全に拘束されている状態、フリーな状態、及びその中間の状態のいずれであっても、形状変化を取得して、蓄電素子の劣化を推定することができる。
SOC変動量とは、SOCの変動量の積算値(合計SOC)をいい、サイクル数に対応する。
蓄電素子の形状変化により劣化を推定できるので、厚み又は内圧等を検出するセンサを設置するのみで、蓄電素子の劣化を常時監視することができ、推定の計算を簡素化でき、BMU(Battery Management Unit)を簡素化できる。
代表SOC及びSOC変動量が同一である場合、温度に応じてSOHの変化量が異なる。
上記構成によれば、蓄電素子の平均温度等の温度代表値が一定していない場合等に、取得した温度に基づいて平均温度を特定し、平均温度に基づいて精度良く蓄電素子の劣化を推定できる。
図1は、平均SOC及び電池(電池モジュール)の温度を変えて電池を放置した場合の厚み増加量と容量低下率との関係を示すグラフである。横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。平均SOCが夫々25%、50%、100%である場合につき、電池の温度が25℃、35℃、45℃であるときの、厚み増加量と容量低下率の関係を実測により求めた結果を示す。平均SOCが100%である場合については、温度が5℃、15℃であるときの、厚み増加量と容量低下率の関係も求めた。
図3より、平均SOCが同一である場合、SOC変動量によって近似曲線の傾きが異なることが分かる。図3の場合、SOC変動量が小さい方が、近似曲線の傾きが大きい。
以下、蓄電素子がリチウムイオン二次電池である場合を説明する。
図4は、実施形態1に係る充放電システム1及びサーバ9の構成を示すブロック図である。
充放電システム1は、電池モジュール3と、BMU4と、電圧センサ5と、電流センサ6と、制御装置7と、温度センサ8と、厚みセンサ11と、圧力センサ15とを備える。充放電システム1は、厚みセンサ11及び圧力センサ15のいずれか一方を備えてもよい。
サーバ9は、制御部91、及び通信部92を備える。
制御装置7は、制御部71、表示部72、及び通信部73を備える。
制御装置7の制御部71は、通信部73、ネットワーク10、及び通信部92を介し、制御部91と接続されている。
負荷14は、端子12,13を介し電池モジュール3に接続されている。充電する場合は電池モジュール3に充電器が接続される。
通信部73、92は、ネットワーク10を介して他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
制御装置7の表示部72は、液晶パネル又は有機EL(Electro Luminescence)表示パネル等で構成することができる。制御部71は、表示部72に所要の情報を表示するための制御を行う。
図4においては、電池モジュール3を一組備える場合を示しているが、電池モジュール3は、複数組、直列に接続してもよい。
BMU4は、電池ECUであってもよい。
電流センサ6は、電池モジュール3に直列に接続されており、電池モジュール3の電流に応じた検出結果を出力する。
温度センサ8は、電池モジュール3の付近に設けられており、電池モジュール3の温度に応じた検出結果を出力する。
圧力センサ15は、電池モジュール3を並設方向に圧迫する状態で挟み込む一対のエンドプレート(不図示)の圧迫力を測定する。セル2の内圧が劣化により増大した場合、エンドプレート間の圧迫力が増大する。圧力センサ15は、電池モジュール3の外側に広がる力(反力)、又は電池モジュール3の少なくとも一面に印加されている圧力を測定してもよい。
電池モジュール3は、直方体状のケース31と、ケース31に収容された複数の前記セル2とを備える。
電極体25は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られるものであってもよい。
正極活物質は、d=0であり、Lix (Nia CocMnb)O2 (a+b+c=1)で表されるNCMであるのが好ましい。NCMとしては、NCM111(a:b:c=1:1:1)でもよく、Ni含有量が高いNCM523(a:b:c=5:2:3)等でもよい。
正極活物質は、MがAl、b=0であり、Lix (Nia CocAld )O2 で表されるNCAであってもよい(a+c+d=1)。
なお、NCM又はNCAにおいて、Li、Ni以外の金属が夫々2種類の金属からなる場合に限定されず、3種類以上の金属からなるものでもよい。例えば、少量のTi、Nb、B、W、Zr、Ti、Mgなどが含まれてもよい。
正極活物質は上述の場合に限定されない。
電池モジュール3の両端のセル2の、端子23,26には、電力を取り出すためのリード34,33が設けられている。
制御部41は、後述するSOH推定プログラム43を読み出して実行することにより、SOH算出の処理を実行する処理部として機能する。
計時部47は経過時間をカウントする。
入力部48は、電圧センサ5、電流センサ6、温度センサ8、及び厚みセンサ11からの検出結果の入力を受け付ける。
通信部49は、ネットワーク10を介して他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
温度データ45は、電池モジュール3の温度の推移を記憶している。
予め、複数の代表SOC及び電池モジュール3の平均温度毎に、図7に示すように、厚み増加量とSOHとの第1関係を実験により求めておく。ここで、代表SOCはSOCの平均値(平均SOC)、SOHは容量低下率であるとする。図7の横軸は厚み増加量(%)、縦軸は容量低下率(%)である。制御部41は、第1関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。
係数テーブル46は、係数kを、平均SOC、SOC変動量、及び平均温度の関数として記憶してもよい。
係数kは、内挿計算により補間することができる。
代表SOCがSOCの中心値、又はSOCの最頻値である場合、制御部41は、温度毎に、SOCの中心値又は最頻値別に、SOC変動量と係数kとの第2関係を係数テーブル46に記憶する。
又は、複数の平均SOC及び温度毎に、圧迫力増加量と容量低下率との第3関係を実験により求めておく。制御部41は、第3関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。温度毎に、平均SOC別に、SOC変動量と係数kとの第4関係を実験により求め、制御部41は第4関係を係数テーブル46に記憶する。
温度毎に係数テーブル46に係数kを記憶する代わりに、温度を所定温度に固定して係数kを求め、係数テーブル46に記憶しておき、平均SOC及びSOC変動量に基づいて係数kを特定した後、アレニウスプロットにより温度補正した係数k(T)を求めてもよい。
制御部41は、SOCの時系列データ、及び温度を取得する(S1)。制御部41は、図10に示すように、所定期間の時間とSOCとの関係、及び時間と温度との関係を取得する。図10において、横軸は時間、左側の縦軸はSOC(%)、右側の縦軸は温度(℃)である。
制御部41は、時系列データから充電開始点と放電開始点とを取得し、充電開始点及び放電開始点間の中間のSOCをSOCの中心値として特定してもよい。
制御部41は、図11に示すSOCの頻度マップを生成し、SOCの最頻値を代表SOCとして特定してもよい。図11において、横軸はSOC(%)、縦軸は頻度である。
制御部41は、厚みセンサ11により検出した厚みに基づいて、厚み増加量を取得する(S4)。
圧力センサにより電池モジュール3の圧迫力を検出する場合、上記と同様にして容量低下率を算出する。
図12より、本実施形態の推定方法による容量低下率の推定の精度が良好であることが分かる。
推定したSOHに基づいて、電池モジュール3の今後の使用方法を決定することができる。
電池モジュール3の形状変化のみにより劣化を推定できるので、厚み又は内圧等を検出するセンサを設置するのみで、電池モジュール3の劣化を常時監視することができる。推定の計算を簡素化でき、BMU4を簡素化できる。
電池モジュール3の形状変化に基づいて容量低下率を推定する場合に限定されず、セル2の形状変化に基づいて容量低下率を推定してもよい。
電池モジュール3が完全に拘束されている状態において、圧迫力の変化を形状変化として推定する場合に限定されない。セル2はフリーな状態であってもよく、その中間の状態であってもよい。セル2の外側に広がる力(反力)の変化、セル2の少なくとも一面に印加されている圧力の変化を形状変化としてもよい。
SOC代表値は中心SOCに限定されず、温度代表値は平均温度に限定されない。
SOHとして容量低下率を推定する場合に限定されず、容量維持率、抵抗値等を推定してもよい。この場合、厚み増加量と容量維持率又は抵抗値との関係を実験により求め、該関係の近似曲線の係数を係数kとして算出する。
蓄電素子はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子は、他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
2 電池(蓄電素子)
3 電池モジュール(蓄電素子)
4 BMU
41 制御部(第1取得部、第2取得部、第3取得部、特定部、推定部)
42 記憶部
43 SOH推定プログラム
44 履歴データ
45 温度データ
46 係数テーブル
47 計時部
48 入力部
49、92 通信部
5 電圧センサ
6 電流センサ
7 制御装置
8 温度センサ
9 サーバ
91 制御部
10 ネットワーク
11 厚みセンサ
15 圧力センサ
Claims (5)
- 蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得する第1取得部と、
蓄電素子の形状変化を取得する第2取得部と、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定する特定部と、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量と、前記代表値及びSOC変動量によって異なる前記蓄電素子の形状変化に対する劣化度の変化の関係と、前記第2取得部により取得した形状変化とに基づいて、前記蓄電素子の性能の劣化を推定する推定部と
を備える、推定装置。 - 前記推定部は、
代表値、SOC変動量、及び前記蓄電素子の形状変化に対する性能の劣化度の変化率を示す係数の関係を参照し、特定した前記代表値及び前記SOC変動量に基づいて、係数を特定し、
特定した係数と、取得した前記形状変化とに基づいて、前記劣化を推定する、請求項1に記載の推定装置。 - 前記時系列データを取得した期間の前記蓄電素子の温度を取得する第3取得部を備え、
前記特定部は、取得した温度に基づいて温度代表値を特定し、
前記推定部は、特定した前記温度代表値と、前記温度代表値によって異なる前記蓄電素子の形状変化に対する性能の劣化度の変化の関係とに基づいて、前記劣化を推定する、請求項1又は2に記載の推定装置。 - コンピュータが、
蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、
蓄電素子の形状変化を取得し、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量と、前記代表値及びSOC変動量によって異なる前記蓄電素子の形状変化に対する劣化度の変化の関係と、取得した形状変化とに基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する、推定方法。 - 蓄電素子におけるSOCの時系列データを取得し、
蓄電素子の形状変化を取得し、
前記時系列データの所定期間におけるSOCの代表値と、SOC変動量とを特定し、
特定した前記代表値、及び前記SOC変動量と、前記代表値及びSOC変動量によって異なる前記蓄電素子の形状変化に対する劣化度の変化の関係と、取得した形状変化とに基づいて、前記蓄電素子の劣化を推定する
処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
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