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JP7028072B2 - Battery system - Google Patents
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Description

本開示は、充放電時に相転移が発生し得る材料(たとえばスピネル系化合物)が正極活物質として用いられるリチウムイオン電池を備える電池システムに関する。 The present disclosure relates to a battery system comprising a lithium ion battery in which a material (for example, a spinel compound) in which a phase transition can occur during charging / discharging is used as a positive electrode active material.

特開2013-72659号公報(特許文献1)には、リチウムイオン電池を備える電池システムが開示されている。この電池システムは、正極活物質内のリチウム(Li)濃度の拡散方程式を電池モデルとして利用することによって正極活物質の表面のLi濃度を算出し、正極活物質の表面のLi濃度から正極電位を算出する。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-72659 (Patent Document 1) discloses a battery system including a lithium ion battery. This battery system calculates the Li concentration on the surface of the positive electrode active material by using the diffusion equation of the lithium (Li) concentration in the positive electrode active material as a battery model, and calculates the positive electrode potential from the Li concentration on the surface of the positive electrode active material. calculate.

特開2013-72659号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-72659 特開2016-91802号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-91802

リチウムイオン電池においては、負極の電位が所定の析出限界ラインを下回ると、負極の表面にリチウムが析出して劣化し得ることが知られている。このリチウム析出を抑制するためには、たとえば特許文献1に示される電池モデルを用いて正極電位を算出し、その正極電位を用いて算出される負極電位が析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の入力(充電)を制限することが望ましい。 In a lithium ion battery, it is known that when the potential of the negative electrode falls below a predetermined precipitation limit line, lithium may precipitate on the surface of the negative electrode and deteriorate. In order to suppress this lithium precipitation, for example, the positive electrode potential is calculated using the battery model shown in Patent Document 1, and the lithium ion so that the negative electrode potential calculated using the positive electrode potential does not fall below the precipitation limit line. It is desirable to limit the input (charging) of the battery.

しかしながら、充放電時に相転移が発生し得る材料(たとえばスピネル系化合物)が正極活物質として用いられる場合には、正極活物質の相転移の影響によって、正極電位の挙動が充放電履歴に応じて変化し得る。そのため、正極電位の算出に用いられる電池モデルとして、正極活物質の相転移を考慮していない特許文献1の電池モデルを用いると、正極電位を精度よく算出することができない。その結果、負極電位が析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができず、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができなくなることが懸念される。 However, when a material that can undergo a phase transition during charging / discharging (for example, a spinel compound) is used as the positive electrode active material, the behavior of the positive electrode potential changes according to the charging / discharging history due to the influence of the phase transition of the positive electrode active material. Can change. Therefore, if the battery model of Patent Document 1 that does not consider the phase transition of the positive electrode active material is used as the battery model used for calculating the positive electrode potential, the positive electrode potential cannot be calculated accurately. As a result, it is not possible to accurately determine whether or not the negative electrode potential has reached the precipitation limit line, and there is a concern that the input restriction (Li precipitation suppression) of the lithium ion battery cannot be appropriately performed.

本開示は、上述の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、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池において、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことである。 The present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to limit the input of a lithium ion battery (Li precipitation) in a lithium ion battery having a positive electrode active material in which a phase transition can occur during charging / discharging. Suppression) is to be performed appropriately.

本開示による電池システムは、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池と、リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、正極活物質の各相の相比率を考慮した正極活物質内のリチウムの拡散方程式を用いてリチウムイオン電池の正極電位を算出し、リチウムイオン電池の端子間電圧と正極電位とを用いてリチウムイオン電池の負極電位を算出し、負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の充電を制限する。 The battery system according to the present disclosure includes a lithium ion battery having a positive electrode active material in which a phase transition can occur during charging / discharging, and a control device for controlling charging / discharging of the lithium ion battery. The control device calculates the positive electrode potential of the lithium ion battery using the diffusion equation of lithium in the positive electrode active material considering the phase ratio of each phase of the positive electrode active material, and determines the voltage between terminals of the lithium ion battery and the positive electrode potential. It is used to calculate the negative electrode potential of the lithium ion battery and limit the charging of the lithium ion battery so that the negative electrode potential does not fall below the lithium precipitation limit line.

上記システムにおいては、正極活物質の各相の相比率を考慮した拡散方程式を用いて、リチウムイオン電池の正極電位が算出される。これにより、正極活物質の相転移を考慮して正極電位を精度よく算出することができる。このように精度よく算出された正極電位から負極電位が算出され、その負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないようにリチウムイオン電池の充電が制限される。その結果、リイウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 In the above system, the positive electrode potential of the lithium ion battery is calculated using a diffusion equation considering the phase ratio of each phase of the positive electrode active material. This makes it possible to accurately calculate the positive electrode potential in consideration of the phase transition of the positive electrode active material. The negative electrode potential is calculated from the positive electrode potential calculated accurately in this way, and the charging of the lithium ion battery is restricted so that the negative electrode potential does not fall below the lithium precipitation limit line. As a result, it is possible to appropriately limit the input of the lithium ion battery (suppress Li precipitation).

本開示によれば、充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池において、リチウムイオン電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 According to the present disclosure, in a lithium ion battery having a positive electrode active material in which a phase transition can occur during charging / discharging, input restriction (li precipitation suppression) of the lithium ion battery can be appropriately performed.

電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole composition of the vehicle which carried out the battery system. 単電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a cell. ECUが単電池の入力制限を行なう場合に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure which is executed when the ECU limits the input of a cell. 電池モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of a battery model. Li濃度分布の算出手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of Li concentration distribution. 正極活物質内で発生する相移転の様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows the state of the phase transition which occurs in a positive electrode active material schematically. ECUが正極電位を算出する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure which is executed when the ECU calculates a positive electrode potential. 正極活物質粒子の表面Li濃度と正極開回路電位との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the surface Li concentration of the positive electrode active material particle, and the positive electrode open circuit potential. ECUが正極電位を算出する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure which is executed when the ECU calculates a positive electrode potential.

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 designated 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よる電池システムが車両に搭載された構成を例に説明する。しかし、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、たとえば定置用であってもよい。 Hereinafter, a configuration in which the battery system according to the embodiment of the present disclosure is mounted on a vehicle will be described as an example. However, the use of the battery system is not limited to the vehicle, and may be, for example, stationary.

<電池システムの構成>
図1は、本実施の形態による電池システムが搭載された車両100の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両100は、電力を用いて走行可能な車両(ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池車)であって、モータジェネレータ(MG:Motor Generator)1と、動力伝達ギア2と、駆動輪3と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)4と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)5と、電池システム200とを備える。
<Battery system configuration>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of a vehicle 100 equipped with a battery system according to the present embodiment. The vehicle 100 is a vehicle (hybrid vehicle, electric vehicle, or fuel cell vehicle) that can travel using electric power, and includes a motor generator (MG) 1, a power transmission gear 2, a drive wheel 3, and electric power. It includes a control unit (PCU: Power Control Unit) 4, a system main relay (SMR: System Main Relay) 5, and a battery system 200.

電池システム200は、組電池10と、電圧センサ21と、電流センサ22と、温度センサ23と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)30とを備える。 The battery system 200 includes an assembled battery 10, a voltage sensor 21, a current sensor 22, a temperature sensor 23, and an electronic control unit (ECU) 30.

MG1は、たとえば三相交流回転電機である。MG1の出力トルクは、動力伝達ギア2を介して駆動輪3に伝達される。MG1は、車両100の回生制動時には、駆動輪3の回転力によって発電することも可能である。なお、図1ではMGが1つだけ設けられる構成が示されるが、MGの数は1つに限定されず2つ以上であってもよい。 MG1 is, for example, a three-phase AC rotary electric machine. The output torque of MG 1 is transmitted to the drive wheels 3 via the power transmission gear 2. The MG 1 can also generate electricity by the rotational force of the drive wheels 3 during the regenerative braking of the vehicle 100. Although FIG. 1 shows a configuration in which only one MG is provided, the number of MGs is not limited to one and may be two or more.

PCU4は、いずれも図示しないが、インバータとコンバータとを含む。組電池10の放電時には、コンバータは、組電池10から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換してMG1を駆動する。一方、組電池10の充電時には、インバータは、MG1によって発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータに供給する。コンバータは、インバータから供給された電圧を降圧して組電池10に供給する。 PCU4 includes an inverter and a converter (not shown). When the assembled battery 10 is discharged, the converter boosts the voltage supplied from the assembled battery 10 and supplies it to the inverter. The inverter converts the DC power supplied from the converter into AC power to drive the MG1. On the other hand, when charging the assembled battery 10, the inverter converts the AC power generated by the MG 1 into DC power and supplies it to the converter. The converter steps down the voltage supplied from the inverter and supplies it to the assembled battery 10.

SMR5は、組電池10とPCU4とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。SMR5がECU30からの制御信号に応じて閉成されている場合、組電池10とPCU4との間で電力の授受が行なわれ得る。 The SMR 5 is electrically connected to a power line connecting the assembled battery 10 and the PCU 4. When the SMR 5 is closed in response to a control signal from the ECU 30, electric power can be exchanged between the assembled battery 10 and the PCU 4.

組電池10は、複数(たとえば数個)の電池ブロック(図示せず)を含んで構成され、各電池ブロックは、複数(たとえば数個~数十個)の単電池11を含んで構成される。複数の単電池11の各々は、リチウムイオン電池である。 The assembled battery 10 is configured to include a plurality of (for example, several) battery blocks (not shown), and each battery block is configured to include a plurality of (for example, several to several tens) single batteries 11. .. Each of the plurality of cell cells 11 is a lithium ion battery.

電圧センサ21は、各単電池11の端子間電圧(電池電圧Vb)を検出する。電流センサ22は、組電池10に入出力される電流(電池電流Ib)を検出する。温度センサ23は、各単電池11の温度(電池温度Tb)を検出する。各センサは、その検出結果をECU30に出力する。なお、電圧センサ21は、電池ブロックの電圧を検出してもよい。電圧ブロックの電圧を単電池数で割ることにより、単電池11の電圧Vbを算出することができる。また、温度センサ23は、電池ブロックの温度を検出してもよい。 The voltage sensor 21 detects the voltage between terminals (battery voltage Vb) of each cell 11. The current sensor 22 detects the current (battery current Ib) input / output to / from the assembled battery 10. The temperature sensor 23 detects the temperature of each cell 11 (battery temperature Tb). Each sensor outputs the detection result to the ECU 30. The voltage sensor 21 may detect the voltage of the battery block. The voltage Vb of the cell 11 can be calculated by dividing the voltage of the voltage block by the number of cells. Further, the temperature sensor 23 may detect the temperature of the battery block.

ECU30は、CPU(Central Processing Unit)31と、メモリ32と、入出力バッファ(図示せず)とを含んで構成される。ECU30は、各センサから受ける信号ならびにメモリ32に記憶されたマップおよびプログラムに基づいてPCU4およびSMR5を制御する。 The ECU 30 includes a CPU (Central Processing Unit) 31, a memory 32, and an input / output buffer (not shown). The ECU 30 controls the PCU 4 and the SMR 5 based on the signal received from each sensor and the map and the program stored in the memory 32.

図2は、単電池11の構成を示す図である。各単電池11の構成は共通であるため、図2では1つの単電池11のみを代表的に示す。単電池11は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース12と、ケース12に設けられた安全弁13と、ケース12内に収容された電極体14および電解液(図示せず)とを含む。なお、図2ではケース12の一部を透視して電極体14を示している。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the cell 11. Since the configuration of each cell 11 is common, only one cell 11 is typically shown in FIG. The cell 11 is, for example, a square sealed cell, and includes a case 12, a safety valve 13 provided in the case 12, an electrode body 14 housed in the case 12, and an electrolytic solution (not shown). In FIG. 2, a part of the case 12 is seen through to show the electrode body 14.

ケース12は、いずれも金属からなるケース本体121および蓋体122を含み、ケース本体121に設けられた開口上で蓋体122が全周溶接されることにより密閉されている。安全弁13は、ケース12内部の圧力が所定値を超えると、ケース12内部のガス(水素ガス等)の一部を外部に排出する。電極体14は、正極141と、負極142と、セパレータ143とを含む。正極141は袋状のセパレータ143内に挿入されており、セパレータ143内に挿入された正極141と、負極142とが交互に積層されている。正極141および負極142は、図示しない正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続されている。 The case 12 includes a case body 121 and a lid 122, both of which are made of metal, and is sealed by welding the lid 122 all around the opening provided in the case body 121. When the pressure inside the case 12 exceeds a predetermined value, the safety valve 13 discharges a part of the gas (hydrogen gas or the like) inside the case 12 to the outside. The electrode body 14 includes a positive electrode 141, a negative electrode 142, and a separator 143. The positive electrode 141 is inserted in the bag-shaped separator 143, and the positive electrode 141 inserted in the separator 143 and the negative electrode 142 are alternately laminated. The positive electrode 141 and the negative electrode 142 are electrically connected to a positive electrode terminal and a negative electrode terminal (not shown), respectively.

本実施の形態においては、正極141の活物質の材料として、スピネル系化合物が用いられる。リチウムイオン電池の正極活物質の材料として使用されるスピネル系化合物には、たとえば、マンガン酸リチウム(LiMn)、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5)がある。以下では、主に、正極141の活物質の材料として、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5)が用いられる例について説明する。負極142、セパレータ143、および電解液には、従来公知の各種材料を用いることができる。 In the present embodiment, a spinel-based compound is used as a material for the active material of the positive electrode 141. Spinnel compounds used as materials for the positive electrode active material of lithium-ion batteries include, for example, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium manganate silicate (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ). .. Hereinafter, an example in which lithium manganate manganate (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) is mainly used as the material of the active material of the positive electrode 141 will be described. Various conventionally known materials can be used for the negative electrode 142, the separator 143, and the electrolytic solution.

<電池の入力制限(Li析出抑制)>
リチウムイオン電池においては、負極142の電位が析出限界ラインを下回ると、負極142の表面にリチウム(Li)が析出して劣化し得ることが知られている。析出限界ラインは、負極142の表面にリチウムが析出し始める負極142の電位である。
<Battery input restriction (Li precipitation suppression)>
It is known that in a lithium ion battery, when the potential of the negative electrode 142 falls below the precipitation limit line, lithium (Li) may precipitate on the surface of the negative electrode 142 and deteriorate. The precipitation limit line is the potential of the negative electrode 142 at which lithium begins to precipitate on the surface of the negative electrode 142.

このリチウム析出を抑制するために、本実施の形態によるECU30は、電圧センサ21、電流センサ22および温度センサ23の検出結果(電池電圧Vb、電池電流Ibおよび電池温度Tb)と後述する電池モデルとを用いて正極電位Vを算出し、電池電圧Vbと正極電位Vとから負極電位Vを算出し、負極電位Vが析出限界ラインを下回らないように単電池11の入力(充電)を制限する処理を行なう。「正極電位V」とは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の正極141の電位である。「負極電位V」とは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の負極142の電位である。 In order to suppress this lithium precipitation, the ECU 30 according to the present embodiment includes the detection results (battery voltage Vb, battery current Ib and battery temperature Tb) of the voltage sensor 21, the current sensor 22 and the temperature sensor 23, and a battery model described later. The positive potential potential V p is calculated using Performs processing to limit. The “positive electrode potential V p ” is the potential of the positive electrode 141 of the cell 11 when the cell 11 is energized. The “negative electrode potential V n ” is the potential of the negative electrode 142 of the cell 11 when the cell 11 is energized.

本実施の形態による単電池11においては、上述のように、正極活物質の材料として、スピネル系化合物が用いられる。スピネル系化合物が正極活物質の材料として用いられる場合、単電池11の充放電時に正極活物質内で相転移が発生し得ることが知られている。たとえば、ニッケル酸マンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5)を用いる場合には、Li1相(LiNi0.5Mn1.5)とLi1/2相(Li0.5Ni0.5Mn1.5)との間での双方向の相転移、さらにはLi1/2相とLi0相(Ni0.5Mn1.5)との間での双方向の相転移が発生し得る。正極活物質の材料としてスピネル系化合物が用いられる単電池11においては、正極活物質の相転移の影響によって、正極電位Vの挙動が充放電履歴に応じて変化し得る。 In the cell 11 according to the present embodiment, as described above, a spinel-based compound is used as a material for the positive electrode active material. When a spinel-based compound is used as a material for a positive electrode active material, it is known that a phase transition can occur in the positive electrode active material during charging and discharging of the cell 11. For example, when lithium manganate manganate (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) is used, the Li1 phase (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and the Li1 / 2 phase (Li 0.5 Ni) are used. Bidirectional phase transition between 0.5 Mn 1.5 O 4 ) and bidirectional between Li 1/2 phase and Li 0 phase (Ni 0.5 Mn 1.5 O 4 ). Phase transitions can occur. In the cell 11 in which the spinel compound is used as the material of the positive electrode active material, the behavior of the positive electrode potential Vp may change according to the charge / discharge history due to the influence of the phase transition of the positive electrode active material.

そのため、正極電位Vの算出に用いられる電池モデルとして、正極活物質の相転移を考慮していない従来の電池モデルを用いると、正極電位Vを精度よく算出することができない。その結果、負極電位Vが析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができず、電池の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができなくなることが懸念される。 Therefore, if a conventional battery model that does not consider the phase transition of the positive electrode active material is used as the battery model used for calculating the positive electrode potential V p , the positive electrode potential V p cannot be calculated accurately. As a result, it is not possible to accurately determine whether or not the negative electrode potential V n has reached the precipitation limit line, and there is a concern that the battery input restriction (Li precipitation suppression) cannot be appropriately performed.

そこで、本実施の形態によるECU30は、正極活物質の各相の相比率を考慮した電池モデル式(後述)を用いて正極電位Vを算出する。これにより、正極電位Vを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vが析出限界ラインに達しているか否かを精度よく判定することができるため、単電池11の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 Therefore, the ECU 30 according to the present embodiment calculates the positive electrode potential Vp using a battery model formula (described later) in consideration of the phase ratio of each phase of the positive electrode active material. As a result, the positive electrode potential V p can be calculated accurately, and as a result, it can be accurately determined whether or not the negative electrode potential V n has reached the precipitation limit line. Li precipitation suppression) can be appropriately performed.

図3は、ECU30が単電池11の入力制限を行なう場合に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定の条件が成立する度または所定の演算周期毎に繰り返し実行される。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of a processing procedure executed when the ECU 30 limits the input of the cell 11. This flowchart is repeatedly executed every time a predetermined condition is satisfied or at a predetermined calculation cycle.

ECU30は、電圧センサ21、電流センサ22および温度センサ23の検出結果(電池電圧Vb、電池電流Ibおよび電池温度Tb)を取得する(ステップS10)。 The ECU 30 acquires the detection results (battery voltage Vb, battery current Ib, and battery temperature Tb) of the voltage sensor 21, the current sensor 22, and the temperature sensor 23 (step S10).

次いで、ECU30は、ステップS10で取得された情報と、正極活物質の各相の相比率を考慮した電池モデル式とを用いて、正極電位Vを算出する(ステップS20)。この処理については後に詳述する。 Next, the ECU 30 calculates the positive electrode potential Vp using the information acquired in step S10 and the battery model formula in consideration of the phase ratio of each phase of the positive electrode active material (step S20). This process will be described in detail later.

次いで、ECU30は、ステップS20で算出された正極電位VからステップS10で取得された電池電圧Vbを減算した値(=V-Vb)を負極電位Vとして算出する(ステップS30)。なお、正極電位Vから電池電圧Vbを減算した値に塩濃度過電圧を加えた値(=V1-Vb+塩濃度過電圧)を負極電位Vとして算出するようにしてもよい。塩濃度過電圧は、正負極間で電解液に濃度差が生じたときに発生する電圧である。塩濃度過電圧は、既存の電池モデルを利用した公知の算出方法で算出することができる。 Next, the ECU 30 calculates a value (= V p −Vb) obtained by subtracting the battery voltage Vb acquired in step S10 from the positive electrode potential V p calculated in step S20 as the negative electrode potential V n (step S30). The value obtained by adding the salt concentration overvoltage to the value obtained by subtracting the battery voltage Vb from the positive electrode potential V p (= V1-Vb + salt concentration overvoltage) may be calculated as the negative electrode potential V n . The salt concentration overvoltage is a voltage generated when a concentration difference occurs in the electrolytic solution between the positive and negative electrodes. The salt concentration overvoltage can be calculated by a known calculation method using an existing battery model.

次いで、ECU30は、負極電位Vが制限開始電位を下回っているか否かを判定する(ステップS40)。制限開始電位は、単電池11の入力制限を開始する負極電位である。負極電位Vが析出限界ラインを下回ってから単電池11の入力制限を開始すると、Li析出を抑制しきれない可能性があるため、制限開始電位を析出限界ラインよりも所定の制御マージン分(たとえば数mV程度)だけ高い値とすることが望ましい。 Next, the ECU 30 determines whether or not the negative electrode potential V n is below the limiting start potential (step S40). The limiting start potential is the negative electrode potential at which the input limitation of the cell 11 is started. If the input limitation of the cell 11 is started after the negative electrode potential V n falls below the precipitation limit line, Li precipitation may not be completely suppressed. Therefore, the limitation start potential is set to a predetermined control margin from the precipitation limit line ( For example, it is desirable to set the value as high as several mV).

負極電位Vが制限開始電位を下回っている場合(ステップS40においてYES)、ECU30は、単電池11の入力制限を行なう(ステップS50)。具体的には、ECU30は、単電池11の充電電流を低減する。これにより、負極142の表面におけるLi析出が抑制される。 When the negative electrode potential V n is lower than the limit start potential (YES in step S40), the ECU 30 limits the input of the cell 11 (step S50). Specifically, the ECU 30 reduces the charging current of the cell 11. As a result, Li precipitation on the surface of the negative electrode 142 is suppressed.

一方、負極電位Vが制限開始電位を下回っていない場合(ステップS40においてNO)、ECU30は、単電池11の入力制限を行なわない(ステップS60)。具体的には、ECU30は、単電池11の充電電流を低減しない。これにより、単電池11の充電が過剰に制限されることが抑制される。 On the other hand, when the negative electrode potential V n is not lower than the limit start potential (NO in step S40), the ECU 30 does not limit the input of the cell 11 (step S60). Specifically, the ECU 30 does not reduce the charging current of the cell 11. As a result, it is possible to prevent the charging of the cell 11 from being excessively restricted.

<電池モデル>
次に、正極電位Vの算出(図3のステップS20)に用いられる電池モデルについて詳細に説明する。
<Battery model>
Next, the battery model used for calculating the positive electrode potential Vp (step S20 in FIG. 3) will be described in detail.

図4は、本実施の形態における電池モデルの概念図である。この電池モデルでは、リチウムイオン電池(単電池11)の正極141は、球状の正極活物質151の集合体を含み、負極142は、球状の負極活物質152の集合体を含むものとしてモデリングされている。リチウムイオン電池の放電時には、負極活物質152と電解液との界面ではリチウムイオン(Liで示す)および電子(eで示す)が放出される一方で、正極活物質151と電解液との界面ではリチウムイオンおよび電子が吸収される。リチウムイオン電池の充電時には、リチウムイオンおよび電子の放出/吸収に関し、上記反応とは逆の反応が起こる。 FIG. 4 is a conceptual diagram of the battery model in the present embodiment. In this battery model, the positive electrode 141 of the lithium-ion battery (cell 11) is modeled as containing an aggregate of spherical positive electrode active materials 151, and the negative electrode 142 is modeled as containing an aggregate of spherical negative electrode active materials 152. There is. When the lithium ion battery is discharged, lithium ions (indicated by Li + ) and electrons (indicated by e- ) are released at the interface between the negative electrode active material 152 and the electrolytic solution, while the positive electrode active material 151 and the electrolytic solution are released. Lithium ions and electrons are absorbed at the interface. When the lithium ion battery is charged, a reaction opposite to the above reaction occurs with respect to the emission / absorption of lithium ions and electrons.

一般に、車載用のECUの演算能力は、研究開発用の演算装置の演算能力と比べると低いので、車載用である電池システム200においては、ECU30の演算負荷を低減することが求められる。したがって、本実施の形態においては、以下のように電池モデルが単純化される。すなわち、正極141には多数の正極活物質が含まれるところ、本実施の形態における電池モデルでは、多数の正極活物質を単一の正極活物質(正極活物質モデル)151で代表させる。同様に、負極142には多数の負極活物質が含まれるところ、本実施の形態における電池モデルでは、多数の負極活物質を単一の負極活物質(負極活物質モデル)152で代表させる。このように単純化された活物質モデルを用いて、正極活物質151の内部におけるLi濃度分布が算出される。なお、同様に負極活物質152の内部におけるLi濃度分布を算出することもできる。 In general, the computing power of the vehicle-mounted ECU is lower than the computing power of the research and development computing device. Therefore, in the vehicle-mounted battery system 200, it is required to reduce the computing load of the ECU 30. Therefore, in this embodiment, the battery model is simplified as follows. That is, where the positive electrode 141 contains a large number of positive electrode active materials, in the battery model of the present embodiment, a large number of positive electrode active materials are represented by a single positive electrode active material (positive electrode active material model) 151. Similarly, since the negative electrode 142 contains a large number of negative electrode active materials, in the battery model of the present embodiment, a large number of negative electrode active materials are represented by a single negative electrode active material (negative electrode active material model) 152. Using the active material model simplified in this way, the Li concentration distribution inside the positive electrode active material 151 is calculated. Similarly, the Li concentration distribution inside the negative electrode active material 152 can be calculated.

図5は、正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度分布の算出手法を説明するための図である。本電池モデルにおいては、球状の正極活物質モデル151の内部にて、極座標の周方向のLi濃度分布は一様と仮定され、径方向のLi濃度分布のみが考慮される。言い換えると、正極活物質モデル151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。なお、以下の説明において、添字「」が付されたものは正極活物質中の値であることを意味する。 FIG. 5 is a diagram for explaining a method for calculating the Li concentration distribution inside the positive electrode active material model 151. In this battery model, it is assumed that the Li concentration distribution in the circumferential direction of the polar coordinates is uniform inside the spherical positive electrode active material model 151, and only the Li concentration distribution in the radial direction is considered. In other words, the positive electrode active material model 151 is a one-dimensional model in which the moving direction of lithium is limited to the radial direction. In the following description, those with the subscript " s " mean the values in the positive electrode active material.

正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度c(r)は、正極活物質モデル151の半径方向の座標r(r:各点の中心からの距離、r:正極活物質モデル151の半径)上での関数として表すことができる。なお、座標rが正極活物質モデル151の半径rであるときのLi濃度c(r)が、正極活物質粒子の表面Li濃度である。 The Li concentration c s (r) inside the positive electrode active material model 151 is the radial coordinate r of the positive electrode active material model 151 (r: the distance from the center of each point, r 0 : the radius of the positive electrode active material model 151). It can be expressed as a function above. The Li concentration c s (r 0 ) when the coordinate r is the radius r 0 of the positive electrode active material model 151 is the surface Li concentration of the positive electrode active material particles.

図5に示す正極活物質モデル151では、径方向にN分割(N:2以上の自然数)された各領域について、Li濃度c(r)が、後述する拡散方程式に従って算出される。これにより、図5の実線に示すような径方向のLi濃度分布が算出される。 In the positive electrode active material model 151 shown in FIG. 5, the Li concentration cs ( r ) is calculated according to the diffusion equation described later for each region N-divided (N: 2 or more natural numbers) in the radial direction. As a result, the Li concentration distribution in the radial direction as shown by the solid line in FIG. 5 is calculated.

<正極活物質の相転移を考慮した正極電位Vの算出>
正極電位Vは、正極開回路電位Uと、正極活物質表面でのLi授受時(充放電時)の抵抗成分による過電圧ηとによって決まることが知られている。正極開回路電位Uは、単電池11が非通電状態(無負荷状態)にあるときの単電池11の正極141の電位である。
<Calculation of positive electrode potential Vp considering the phase transition of the positive electrode active material>
It is known that the positive electrode potential V p is determined by the positive electrode open circuit potential Up and the overvoltage η p due to the resistance component at the time of Li transfer (during charging / discharging) on the surface of the positive electrode active material. The positive electrode open circuit potential Up is the potential of the positive electrode 141 of the cell 11 when the cell 11 is in the non-energized state (no load state).

正極開回路電位Uは、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)に依存して変化する特性を有する。したがって、正極開回路電位Uを精度よく算出するためには、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)を精度よく算出することが望まれる。 The positive electrode open circuit potential Up has a characteristic that changes depending on the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles. Therefore, in order to accurately calculate the positive electrode open circuit potential Up, it is desirable to accurately calculate the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles.

従来においては、特開2013-72659号公報において式(M2a)で示されたLi拡散方程式を電池モデル式として用いて、正極活物質内のLi濃度分布を計算していた。 Conventionally, the Li concentration distribution in the positive electrode active material has been calculated by using the Li diffusion equation represented by the formula (M2a) in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-72659 as a battery model formula.

しかしながら、従来の電池モデル式は、正極活物質の相転移を考慮したものではない。そのため、本実施の形態のように、充放電時に正極活物質で相移転が発生し得るニッケル酸マンガン酸リチウム(スピネル系化合物)を正極活物質の材料として用いる単電池11においては、従来の電池モデル式を用いると、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)を精度よく算出することができず、その結果、正極開回路電位Uを精度よく算出することができなくなることが懸念される。 However, the conventional battery model formula does not consider the phase transition of the positive electrode active material. Therefore, as in the present embodiment, in the cell 11 using lithium manganate manganate (spinel-based compound), which can cause phase transfer in the positive electrode active material during charging and discharging, as the material of the positive electrode active material, a conventional battery is used. If the model formula is used, the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles cannot be calculated accurately, and as a result, the positive electrode open circuit potential Up cannot be calculated accurately. I am concerned.

図6は、単電池11の放電によって正極活物質151で発生する相移転の様子を模式的に示す図である。 FIG. 6 is a diagram schematically showing a state of phase transition generated in the positive electrode active material 151 by the discharge of the cell 11.

単電池11の放電時には、正極活物質151内にリチウムイオンが挿入(吸収)される。正極活物質151内に挿入されたリチウムイオンは、正極活物質151内で拡散する。この際、Li濃度cの偏りが生じ、Li濃度cが高い部分から優先的に構造変化(相転移)が発生する。その結果、正極活物質151内には、Li1相、Li1/2相、Li0相が混在し得る。Li拡散速度は、各相(Li1相、Li1/2相、Li0相)で異なるため、各相の相比率は、正極活物質151内のリチウムイオンの移動に影響を与える。 When the cell 11 is discharged, lithium ions are inserted (absorbed) into the positive electrode active material 151. Lithium ions inserted in the positive electrode active material 151 diffuse in the positive electrode active material 151. At this time, a bias in the Li concentration c s occurs, and a structural change (phase transition) occurs preferentially from the portion where the Li concentration c s is high. As a result, Li1 phase, Li1 / 2 phase, and Li0 phase may coexist in the positive electrode active material 151. Since the Li diffusion rate is different for each phase (Li1 phase, Li1 / 2 phase, Li0 phase), the phase ratio of each phase affects the movement of lithium ions in the positive electrode active material 151.

そこで、本実施の形態においては、正極活物質151内のLi濃度cに応じて相転移する条件式を追加し、Li拡散方程式に用いられるLi拡散係数Dを正極活物質の各相の相比率に応じて変化させることで、正極開回路電位Uを精度よく算出する。 Therefore, in the present embodiment, a conditional expression for phase transition is added according to the Li concentration cs in the positive electrode active material 151, and the Li diffusion coefficient D s used in the Li diffusion equation is set for each phase of the positive electrode active material. By changing according to the phase ratio, the positive electrode open circuit potential Up is calculated accurately.

具体的には、正極活物質モデル151の内部におけるLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を、下記の式(1)に示すLi拡散方程式を用いて算出する。 Specifically, the distribution of the Li concentration c s (r) inside the positive electrode active material model 151 (including the surface Li concentration c s (r 0 )) is measured using the Li diffusion equation shown in the following equation (1). To calculate.

Figure 0007028072000001
Figure 0007028072000001

ただし、式(1)におけるLi拡散係数Dは、下記の式(2)に示すように、正極活物質151の各相の相比率εs,jに応じて変化させる。 However, the Li diffusion coefficient D s in the formula (1) is changed according to the phase ratio ε s, j of each phase of the positive electrode active material 151 as shown in the following formula (2).

Figure 0007028072000002
Figure 0007028072000002

式(2)において、「εs,j」は、正極活物質151のj相(j=1,2,3)の相比率である。すなわち、εs,1は第1相(たとえばLi1相)の相比率、εs,2は第2相(たとえばLi1/2相)の相比率、εs,3は第3相(たとえばLi0相)の相比率である。相比率εs,1、相比率εs,2および相比率εs,3の合計は「1」である。 In the formula (2), “ε s, j ” is the phase ratio of the j phase (j = 1, 2, 3) of the positive electrode active material 151. That is, ε s, 1 is the phase ratio of the first phase (for example, Li1 phase), ε s, 2 is the phase ratio of the second phase (for example, Li1 / 2 phase), and ε s, 3 is the third phase (for example, Li0 phase). ) Phase ratio. The sum of the phase ratio ε s, 1 , the phase ratio ε s, 2 and the phase ratio ε s, 3 is “1”.

また、「Ds,j」は、j相内のLi拡散係数であって、j相内のLi拡散速度に相当する値である。j相内のLi拡散係数Ds,jは、たとえば電池温度Tbをパラメータとして決定することができる。 Further, "D s, j" is a Li diffusion coefficient in the j phase, and is a value corresponding to the Li diffusion rate in the j phase. The Li diffusion coefficient D s, j in the j phase can be determined, for example, with the battery temperature Tb as a parameter.

相比率εs,jは、下記の式(3)に示すように、Abrami型の相転移式で計算するものとする。 The phase ratio ε s, j shall be calculated by the Abrami type phase transition formula as shown in the following formula (3).

Figure 0007028072000003
Figure 0007028072000003

式(3)において、「Rjk」は、j相からk相への相転移速度である。「kjk」は、j相からk相への相転移速度係数である。「cs,j」は、j相内のLi濃度である。「cs,jk,threshold」は、j相からk相に相転移するときのLi濃度である。 In the formula (3), "R jk " is the phase transition rate from the j phase to the k phase. "K jk " is a phase transition rate coefficient from the j phase to the k phase. “ Cs, j ” is the Li concentration in the j phase. “ Cs, jk, threshold ” is the Li concentration at the time of the phase transition from the j phase to the k phase.

また、相転移が発生しても物質量(Li量)は保存されるため、下記の式(4)の関係式が成り立つ。 Further, since the amount of substance (Li amount) is preserved even if a phase transition occurs, the relational expression of the following equation (4) holds.

Figure 0007028072000004
Figure 0007028072000004

これらの式(1)~(4)が、本実施の形態における、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した正極活物質内のLi拡散方程式である。これらの式(1)~(4)を用いることによって、正極活物質内のLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出することができる。 These equations (1) to (4) are Li diffusion equations in the positive electrode active material in consideration of the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material in the present embodiment. By using these formulas (1) to (4), the distribution of the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material (including the surface Li concentration c s (r 0 )) is changed to the phase transition of the positive electrode active material. Can be calculated accurately in consideration of.

図7は、ECU30が正極電位Vを算出する処理(図3のステップS20)において実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing an example of a processing procedure executed by the ECU 30 in the processing for calculating the positive electrode potential Vp (step S20 in FIG. 3).

ECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した上述の電池モデル式(1)~(4)を用いて、正極活物質内におけるLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を算出する(ステップS21)。この際、ECU30は、半径rをr、r-Δr、r-2Δr、…、0に順次変化させながら、各半径rにおけるLi濃度c(r)(r=rのときの表面Li濃度c(r)を含む)を上述の電池モデル式(1)~(4)を用いて算出する。これにより、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)が、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出される。 The ECU 30 uses the battery model equations (1) to (4) described above in consideration of the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material, and distributes the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material. The surface Li concentration c s (r 0 ) is included) is calculated (step S21). At this time, the ECU 30 sequentially changes the radius r to r 0 , r 0 − Δr, r 0 − 2Δr, ..., 0, while the Li concentration c s (r) (r = r 0 ) at each radius r. The surface Li concentration c s (r 0 ) is included) is calculated using the above-mentioned battery model equations (1) to (4). As a result, the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles is accurately calculated in consideration of the phase transition of the positive electrode active material.

次いで、ECU30は、ステップS21で算出された正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)から、正極開回路電位Uを算出する(ステップS23)。正極開回路電位Uは、単電池11が非通電状態(無負荷状態)にあるときの単電池11の正極141の電位である。 Next, the ECU 30 calculates the positive electrode open circuit potential Up from the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles calculated in step S21 (step S23). The positive electrode open circuit potential Up is the potential of the positive electrode 141 of the cell 11 when the cell 11 is in the non-energized state (no load state).

図8は、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)と正極開回路電位Uとの関係の一例を示す図である。図8に示すように、正極開回路電位Uは、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)に依存して変化する特性を有する。ECU30のメモリ32には、図8に示すような、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)と正極開回路電位Uとの対応関係が予め実験等によって求められて記憶されている。ECU30は、メモリ32に記憶された対応関係を参照して、ステップS21で算出された表面Li濃度c(r)に対応する正極開回路電位Uを算出する。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles and the positive electrode open circuit potential Up . As shown in FIG. 8, the positive electrode open circuit potential Up has a characteristic that changes depending on the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles. In the memory 32 of the ECU 30, as shown in FIG. 8, the correspondence relationship between the surface Li concentration cs ( r 0 ) of the positive electrode active material particles and the positive electrode open circuit potential Up is obtained and stored in advance by an experiment or the like. There is. The ECU 30 calculates the positive electrode open circuit potential Up corresponding to the surface Li concentration c s (r 0 ) calculated in step S21 with reference to the correspondence stored in the memory 32.

図7に戻って、ECU30は、ステップS23で算出された正極開回路電位Uを下記の式(5)に代入することによって、正極電位Vを算出する(ステップS25)。 Returning to FIG. 7, the ECU 30 calculates the positive electrode potential V p by substituting the positive electrode open circuit potential Up calculated in step S23 into the following equation (5) (step S25).

正極電位V=正極開回路電位U+過電圧η ・・・(5)
式(5)において、過電圧ηは、既に述べたように、正極活物質表面でのLi授受時の抵抗成分によって、充放電時に発生する過電圧である。過電圧ηは、バトラー・ボルマー(Butler-Volmer)の関係式から導かれる公知の算出方法で算出することができる。
Positive electrode potential V p = Positive electrode open circuit potential Up + Overvoltage η p ... (5)
In the formula (5), the overvoltage η p is an overvoltage generated during charging / discharging due to the resistance component at the time of Li transfer on the surface of the positive electrode active material, as described above. The overvoltage η p can be calculated by a known calculation method derived from the Butler-Volmer relational expression.

その後、ECU30は、処理を図2のステップS30へ進める。すなわち、ECU30は、ステップS25Aで算出された正極電位Vから電池電圧Vbを減じた値を負極電位Vとして算出する。これにより、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮して負極電位Vを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vが制限開始電位を下回っているか否かの判定(図3のステップS40の判定)を精度よく行なうことができる。 After that, the ECU 30 proceeds to the process in step S30 of FIG. That is, the ECU 30 calculates the value obtained by subtracting the battery voltage Vb from the positive electrode potential Vp calculated in step S25A as the negative electrode potential Vn . As a result, the negative electrode potential V n can be calculated accurately in consideration of the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material, and as a result, whether or not the negative electrode potential V n is lower than the limiting start potential. (Determination of step S40 in FIG. 3) can be accurately performed.

以上のように、本実施の形態によるECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮したLi拡散方程式を用いて正極電位Vを算出する。これにより、正極活物質の相転移を考慮して正極電位Vを精度よく算出することができるため、負極電位Vが析出限界ラインに達しているか否かの判定(図3のステップ40の判定)を精度よく行なうことができる。その結果、充放電時に正極活物質内で相移転が発生し得るニッケル酸マンガン酸リチウム(スピネル系化合物)を正極材料として用いる単電池(リチウムイオン電池)11においても、単電池11の入力制限(Li析出抑制)を適切に行なうことができる。 As described above, the ECU 30 according to the present embodiment calculates the positive electrode potential V p using the Li diffusion equation in consideration of the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material. As a result, the positive electrode potential V p can be calculated accurately in consideration of the phase transition of the positive electrode active material, so that it is determined whether or not the negative electrode potential V n has reached the precipitation limit line (step 40 of FIG. 3). Judgment) can be performed accurately. As a result, even in the cell (lithium ion battery) 11 using lithium manganate manganate (spinel-based compound), which may cause phase transfer in the positive electrode active material during charging and discharging, as the positive electrode material, the input restriction of the cell 11 ( Li precipitation suppression) can be appropriately performed.

<変形例>
上述の実施の形態においては、Li拡散方程式に用いられるLi拡散係数Dを正極活物質の各相の相比率εs,jに応じて変化させることによって、正極開回路電位Uを精度よく算出した。
<Modification example>
In the above-described embodiment, the Li diffusion coefficient D s used in the Li diffusion equation is changed according to the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material, whereby the positive electrode open circuit potential Up is accurately set. Calculated.

これに対し、本変形例においては、各相毎にLi拡散方程式を解く(各相のLi濃度差に応じて各相内でLiが拡散すると考える)ことによって、正極開回路電位Uを精度よく算出する。 On the other hand, in this modification, the positive electrode open circuit potential Up is accurate by solving the Li diffusion equation for each phase (it is considered that Li diffuses in each phase according to the difference in Li concentration of each phase). Calculate well.

具体的には、本変形例においては、正極活物質内におけるLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を上述の実施の形態と同じ様にLi拡散方程式を用いて算出するが、下記の式(1a)~(1c)に示すように、各相毎にLi拡散方程式が存在するものとして扱う。 Specifically, in this modification, the distribution of the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material (including the surface Li concentration c s (r 0 )) is diffused in the same manner as in the above-described embodiment. Although it is calculated using an equation, it is treated as if a Li diffusion equation exists for each phase as shown in the following equations (1a) to (1c).

Figure 0007028072000005
Figure 0007028072000005

式(1a)~(1c)において、「cs,j(r)」は、正極活物質151内のj相(j=1,2,3)の半径rにおけるLi濃度である。すなわち、式(1a)の「cs,1(r)」は、第1相(たとえばLi1相)の半径rにおけるLi濃度である。式(1b)の「cs,2(r)」は、第2相(たとえばLi1/2相)の半径rにおけるLi濃度である。式(1c)の「cs,3(r)」は、第3相(たとえばLi0相)の半径rにおけるLi濃度である。 In the formulas (1a) to (1c), " cs, j (r)" is the Li concentration in the radius r of the j phase (j = 1, 2, 3) in the positive electrode active material 151. That is, " cs, 1 (r)" in the formula (1a) is the Li concentration in the radius r of the first phase (for example, Li1 phase). “ Cs, 2 (r)” in the formula (1b) is the Li concentration in the radius r of the second phase (for example, Li1 / 2 phase). “Cs , 3 (r)” in the formula (1c) is the Li concentration in the radius r of the third phase (for example, Li0 phase).

また、本変形例においても、上述の実施の形態と同様、各相の相比率εs,jを上述の式(3)に示すAbrami型の相転移式で計算するものとする。 Further, also in this modification, the phase ratio ε s, j of each phase is calculated by the Abrami type phase transition formula shown in the above formula (3), as in the above-described embodiment.

また、本変形例においても、上述の実施の形態と同様、相転移が発生しても物質量(Li量)は保存されるため、上述の式(4)の関係式が成り立つ。 Further, in this modification as well, as in the above-described embodiment, the amount of substance (Li amount) is preserved even if the phase transition occurs, so that the relational expression of the above-mentioned equation (4) holds.

これらの式(1a)~(1c)、(3)、(4)が、本変形例における、正極活物質の各相の相比率εs,jを考慮した正極活物質内のLi拡散方程式である。これらの式(1a)~(1c)、(3)、(4)を用いることによっても、正極活物質内のLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出することができる。 These equations (1a) to (1c), (3), and (4) are the Li diffusion equations in the positive electrode active material in consideration of the phase ratios ε s and j of each phase of the positive electrode active material in this modification. be. By using these formulas (1a) to (1c), (3), and (4), the distribution of the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material (surface Li concentration c s (r 0 )) is also included. ) Can be calculated accurately in consideration of the phase transition of the positive electrode active material.

図9は、本変形例によるECU30が正極電位Vを算出する処理(図3のステップS20)において実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing an example of a processing procedure executed by the ECU 30 in the process of calculating the positive electrode potential Vp (step S20 in FIG. 3) according to this modification.

ECU30は、正極活物質の相転移を考慮した上述の電池モデル式(1a)~(1c)、(3)、(4)を用いて、正極活物質内におけるLi濃度c(r)の分布(表面Li濃度c(r)を含む)を算出する(ステップS21A)。 The ECU 30 uses the battery model equations (1a) to (1c), (3), and (4) described above in consideration of the phase transition of the positive electrode active material, and distributes the Li concentration c s (r) in the positive electrode active material. (Including the surface Li concentration c s (r 0 )) is calculated (step S21A).

具体的には、ECU30は、正極活物質の各相のLi濃度cs,j(r)毎に、半径rをr、r-Δr、r-2Δr、…、0に順次変化させながら、各半径rにおける各相のLi濃度cs,j(r)(r=rのときの各相の表面Li濃度cs,j(r)を含む)を順次算出する。また、ECU30は、正極活物質の各相の相比率εs,jを算出する。そして、ECU30は、算出された各相の表面Li濃度cs,j(r)と各相の相比率εs,jとから、電池モデル式(4)を用いて正極活物質内の表面Li濃度c(r)を算出する。これにより、正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)が、正極活物質の相転移を考慮して精度よく算出される。 Specifically, the ECU 30 sequentially changes the radius r to r 0 , r 0 − Δr, r 0 − 2Δr, ..., 0 for each Li concentration c s, j (r) of each phase of the positive electrode active material. However, the Li concentration c s, j (r) of each phase at each radius r (including the surface Li concentration c s, j (r 0 ) of each phase when r = r 0 ) is sequentially calculated. Further, the ECU 30 calculates the phase ratio ε s, j of each phase of the positive electrode active material. Then, the ECU 30 uses the battery model formula (4) to determine the surface inside the positive electrode active material from the calculated surface Li concentration c s, j (r 0 ) of each phase and the phase ratio ε s, j of each phase. The Li concentration c s (r 0 ) is calculated. As a result, the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles is accurately calculated in consideration of the phase transition of the positive electrode active material.

次いで、ECU30は、ステップS21Aで算出された正極活物質粒子の表面Li濃度c(r)に対応する正極開回路電位Uを、上述のメモリ32に記憶された図8に示す対応関係を参照して算出する(ステップS23A)。 Next, the ECU 30 stores the positive electrode open circuit potential Up corresponding to the surface Li concentration c s (r 0 ) of the positive electrode active material particles calculated in step S21A in the above-mentioned memory 32 in the correspondence relationship shown in FIG. (Step S23A).

次いで、ECU30は、ステップS23Aで算出された正極開回路電位Uを上述の式(5)に代入することによって、正極電位Vを算出する(ステップS25A)。 Next, the ECU 30 calculates the positive electrode potential V p by substituting the positive electrode open circuit potential Up calculated in step S23A into the above equation (5) (step S25A).

その後、ECU30は、処理を図2のステップS30へ進める。すなわち、ECU30は、ステップS25Aで算出された正極電位Vから電池電圧Vbを減じた値を負極電位Vとして算出する。これにより、正極活物質の相転移を考慮して負極電位Vを精度よく算出することができ、その結果、負極電位Vが制限開始電位を下回っているか否かの判定(図3のステップS40の判定)を精度よく行なうことができる。 After that, the ECU 30 proceeds to the process in step S30 of FIG. That is, the ECU 30 calculates the value obtained by subtracting the battery voltage Vb from the positive electrode potential Vp calculated in step S25A as the negative electrode potential Vn . As a result, the negative electrode potential V n can be calculated accurately in consideration of the phase transition of the positive electrode active material, and as a result, it is determined whether or not the negative electrode potential V n is below the limiting start potential (step in FIG. 3). The determination of S40) can be performed accurately.

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。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

2 動力伝達ギア、3 駆動輪、10 組電池、11 単電池、12 ケース、13 安全弁、14 電極体、21 電圧センサ、22 電流センサ、23 温度センサ、30 ECU、32 メモリ、100 車両、121 ケース本体、122 蓋体、141 正極、142 負極、143 セパレータ、151 正極活物質、152 負極活物質、200 電池システム。 2 power transmission gear, 3 drive wheels, 10 sets of batteries, 11 single batteries, 12 cases, 13 safety valves, 14 electrodes, 21 voltage sensors, 22 current sensors, 23 temperature sensors, 30 ECUs, 32 memories, 100 vehicles, 121 cases. Body, 122 lid, 141 positive electrode, 142 negative electrode, 143 separator, 151 positive electrode active material, 152 negative electrode active material, 200 battery system.

Claims (1)

充放電時に相転移が生じ得る正極活物質を有するリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の充放電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記正極活物質の各相の相比率を考慮した前記正極活物質内のリチウムの拡散方程式を用いて前記リチウムイオン電池の正極電位を算出し、
前記リチウムイオン電池の端子間電圧と前記正極電位とを用いて前記リチウムイオン電池の負極電位を算出し、
前記負極電位がリチウム析出限界ラインを下回らないように前記リチウムイオン電池の充電を制限する、電池システム。
A lithium-ion battery having a positive electrode active material that can undergo a phase transition during charging and discharging,
A control device for controlling the charge and discharge of the lithium ion battery is provided.
The control device is
The positive electrode potential of the lithium ion battery was calculated using the diffusion equation of lithium in the positive electrode active material in consideration of the phase ratio of each phase of the positive electrode active material.
The negative electrode potential of the lithium ion battery is calculated using the voltage between the terminals of the lithium ion battery and the positive electrode potential.
A battery system that limits the charging of the lithium ion battery so that the negative electrode potential does not fall below the lithium precipitation limit line.
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