JP7669196B2 - State determination device, secondary battery system, and state determination method - Google Patents
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Description
本開示は、状態判定装置、二次電池システム及び状態判定方法に関する。 This disclosure relates to a state determination device, a secondary battery system, and a state determination method.
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池が、航空機、船舶、車両の搭載用電源、スマートハウスの蓄電用電源、携帯通信端末等に使用され、効率的なエネルギ利用の取り組みが進められている。二次電池は充放電及び保管によって特性劣化を生じる。特に、上記用途では、電源としての利用期間が長期に及ぶことが想定される。このため、二次電池を搭載した製品を安定して使用し続けるには、二次電池の劣化状態を適切に判定することが好ましい。 In recent years, secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have been used as on-board power sources for aircraft, ships, and vehicles, as power sources for storing electricity in smart houses, and in mobile communication terminals, and efforts are being made to use energy efficiently. The characteristics of secondary batteries deteriorate due to charging and discharging and storage. In particular, in the above applications, it is expected that they will be used as a power source for a long period of time. For this reason, in order to continue to use products equipped with secondary batteries stably, it is preferable to appropriately determine the deterioration state of the secondary battery.
スマートフォン等の携帯通信端末では、充電時間の短縮を目的に、大電流で二次電池を充電する急速充電方式が採用される。こうした急速充電は、二次電池の特性を急速に劣化させる。そのため、二次電池の劣化状態を判定するには、急速充電による二次電池の特性劣化を適切に評価することが好ましい。 Mobile communication terminals such as smartphones employ a rapid charging method in which a secondary battery is charged with a large current in order to shorten charging times. Such rapid charging rapidly deteriorates the characteristics of the secondary battery. Therefore, in order to determine the deterioration state of the secondary battery, it is preferable to appropriately evaluate the deterioration of the characteristics of the secondary battery caused by rapid charging.
二次電池の特性劣化は、二次電池の電極中に含まれる活物質の劣化に由来する。活物質は二次電池の電極を構成する材料の一つであり、イオンを貯蔵したり放出したりすることで二次電池の充放電反応を進行させる役割を担う。例えばリチウムイオン二次電池の場合、充電時には正極活物質からリチウムイオンが放出され、放出されたリチウムイオンが負極活物質に貯蔵されることで充電反応が進行する。放電反応はこの逆の過程をたどる。 The deterioration of secondary battery characteristics is due to the deterioration of the active material contained in the electrodes of the secondary battery. The active material is one of the materials that make up the electrodes of secondary batteries, and plays a role in promoting the charge and discharge reactions of secondary batteries by storing and releasing ions. For example, in the case of a lithium-ion secondary battery, lithium ions are released from the positive electrode active material during charging, and the released lithium ions are stored in the negative electrode active material, thereby promoting the charging reaction. The discharge reaction follows this reverse process.
特許文献1の請求項1には、「充電可能なバッテリの状態推定方法であって、前記バッテリの電流からバッテリが充放電状態から充放電停止したことを判定し、前記充放電停止からの時間tにおける電圧低下の経時変化を計測し、計測した電圧の緩和挙動を近似曲線として緩和関数Fv(t)で表し、前記緩和関数Fv(t)から前記バッテリの充電状態量を推定し、前記緩和関数Fv(t)が、それぞれ前記バッテリで生じる異なる事象に係る複数の異なる時定数を有する指数関数の和で表されることを特徴とする充電可能なバッテリの状態推定方法。」が記載されている。 Claim 1 of Patent Document 1 describes a "state estimation method for a rechargeable battery, comprising: determining, from the battery current, that the battery has stopped charging and discharging from a charging and discharging state; measuring the change over time in the voltage drop at time t from the stop of charging and discharging; expressing the measured voltage relaxation behavior as an approximation curve using a relaxation function Fv(t); estimating the state of charge of the battery from the relaxation function Fv(t); and characterizing the relaxation function Fv(t) as a sum of exponential functions having multiple different time constants, each of which is related to a different event occurring in the battery."
電極は、通常は、集電体表面に活物質が担持されることで構成される。充放電に伴い活物質が劣化するが、劣化の程度は、リチウムイオンの吸蔵及び放出の頻度によって変わる。例えば、吸蔵及び放出が高頻度で行われる電極表面側(集電体から遠い側)では劣化が進行し易いが、吸蔵及び放出が低頻度で行われる電極内側(集電体に近い側)では劣化が進行し難い。従って、電極内で劣化ムラが生じる。 An electrode is usually constructed by carrying an active material on the surface of a current collector. The active material deteriorates with charging and discharging, but the degree of deterioration varies depending on the frequency of absorption and release of lithium ions. For example, deterioration is more likely to progress on the electrode surface side (the side farther from the current collector) where absorption and release occur frequently, but deterioration is less likely to progress on the inner side of the electrode (the side closer to the current collector) where absorption and release occur less frequently. This causes uneven deterioration within the electrode.
特許文献1に記載の技術では、電極における劣化ムラについては考慮されていない。このため、二次電池の状態判定精度に課題がある。
本開示が解決しようとする課題は、優れた精度で状態判定可能な状態判定装置、二次電池システム及び状態判定方法の提供である。
The technology described in Patent Document 1 does not take uneven deterioration of the electrodes into consideration, which poses a problem in terms of accuracy in determining the state of the secondary battery.
The problem to be solved by the present disclosure is to provide a state determination device, a secondary battery system, and a state determination method that are capable of determining a state with high accuracy.
本開示の状態判定装置は、二次電池への定電流による充放電開始から終了までの、前記二次電池に対して測定可能な応答関数である電圧の第1計時変化データ、又は、定電流による充放電終了から電圧が定常状態に至るまでの前記応答関数である電圧の第2経時変化データ、の少なくとも何れか一方の経時変化データに基づき、前記応答関数の緩和過程における時定数の分布状態を、前記二次電池の状態を示す第1関数のパラメータとして決定するパラメータ決定部と、前記パラメータ決定部により決定した前記パラメータに基づき、前記二次電池の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように前記二次電池の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である充放電条件を決定する充放電条件決定部と、を備え、前記第1関数は、V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτで表され、V0は前記二次電池の開回路電圧、τは前記時定数、前記第1関数は、V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτで表され、V0は前記二次電池の開回路電圧、τは前記時定数、関数f(τ)は、前記二次電池での活物質の劣化ムラの増大に応じて幅広い形状に変化する、前記時定数に対して作成されたヒストグラムの形状を表す第2関数である。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
The state determination device of the present disclosure includes a parameter determination unit that determines a distribution state of a time constant in a relaxation process of a response function as a parameter of a first function that indicates the state of the secondary battery based on at least one of first time-varying data of voltage, which is a measurable response function of the secondary battery , from the start to the end of charging/discharging with a constant current to the secondary battery, and second time-varying data of voltage, which is the response function from the end of charging/discharging with a constant current until the voltage reaches a steady state; and a parameter determination unit that determines a distribution state of a time constant in a relaxation process of a response function as a parameter of a first function that indicates the state of the secondary battery based on the parameter determined by the parameter determination unit. and a charge/discharge condition determination unit that determines a charge/discharge condition, which is at least one of a charge/discharge current and a charge/discharge time of the secondary battery, so that the charge/discharge condition is included in a range, and the first function is expressed as V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ, where V0 is an open circuit voltage of the secondary battery, τ is the time constant, and the first function is expressed as V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ, where V0 is an open circuit voltage of the secondary battery, τ is the time constant, and the function f(τ) is a second function that represents the shape of a histogram created for the time constant, which changes into a wide shape according to an increase in unevenness in deterioration of an active material in the secondary battery. Other solutions will be described later in the description of the embodiment of the invention.
本開示によれば、優れた精度で状態判定可能な状態判定装置、二次電池システム及び状態判定方法を提供できる。 The present disclosure provides a state determination device, a secondary battery system, and a state determination method that can determine the state with high accuracy.
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態(実施形態と称する)を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。 Below, a form for implementing the present disclosure (referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings. In the following description of one embodiment, other embodiments that can be applied to the one embodiment will also be described as appropriate. The present disclosure is not limited to the one embodiment below, and different embodiments can be combined with each other, or modified as desired without significantly impairing the effects of the present disclosure. In addition, the same symbols will be used for the same components, and duplicate descriptions will be omitted. Furthermore, components having the same functions will be given the same names. The contents shown are merely schematic, and for the sake of illustration, changes may be made from the actual configuration without significantly impairing the effects of the present disclosure, and some components may be omitted or modified between drawings.
図1は、本開示の状態判定装置100を含む二次電池システム400のブロック図である。二次電池システム400は、状態判定装置100と、二次電池200と、充放電制御装置300とを備える。これらのうち、二次電池200は、例えばリチウムイオン二次電池等の単数又は複数の二次電池セルにより構成されるが、これに限定されない。また、二次電池200は、未劣化のもの(図2)、又は劣化したもの(図3)のいずれでもよい。
Figure 1 is a block diagram of a
状態判定装置100は、二次電池200の状態を判定する装置である。ここでいう状態は、例えば、二次電池200の電極201に担持された活物質の劣化ムラを考慮した、二次電池200の劣化の程度を含む。劣化ムラについて、図2及び図3を参照して説明する。
The
図2は、未劣化の二次電池200の電極201(正極又は負極)の模式図である。二次電池200の電極201は、例えば、集電箔11上に活物質12(正鵠活物質又は負極活物質)、導電助剤13等が担持される。そのため、電極201の内部には活物質12が充填される。
Figure 2 is a schematic diagram of an electrode 201 (positive or negative electrode) of an undegraded
図3は、劣化した二次電池200の電極の模式図である。二次電池200に対し急速充電のように大きな電流が充放電されると、活物質12の膨張収縮、ジュール発熱等によって、電極201で活物質12に劣化ムラが生じる。例えば、劣化が進行した活物質121に加え、劣化の進行が緩やかな活物質122位等、劣化状態の異なる活物質12が形成される。つまり、急速充電等の使用方法に応じて二次電池200(図1)の電極201は不均一に劣化する。
Figure 3 is a schematic diagram of the electrode of a deteriorated
活物質12の劣化により、二次電池200の抵抗の増大、二次電池200の電池容量(貯蔵放出可能な電気量)の低下等、特性劣化が生じる。そのため、二次電池200の特性劣化を正確に把握するには、電極201内に形成された劣化状態の不均一性、即ち劣化ムラを高精度に評価することが好ましい。
Deterioration of the
図1に戻って、状態判定装置100は、計測部110、判定部120、記憶部130、パラメータ決定部140、出力部150、充放電条件決定部160及び余寿命予測部170を備える。
Returning to FIG. 1, the
計測部110は、二次電池200での充放電開始の時刻t1から充放電終了の時刻t2まで、二次電池200の電圧、電流及び温度の経時変化(後記の第1経時変化データに対応)を計測して記憶部130に保存するものである。加えて、計測部110は、時刻t2から緩和時間である充放電再開の時刻t3まで、二次電池200の電圧、電流及び温度の経時変化(後記の第2経時変化データに対応)を計測して記憶部130に保存するものである。t1~t2の計測時間及びt2~t3の計測時間は特に制限されないが、それぞれ独立して例えば1分以上が好ましく、10分以上がより好ましい。
The
判定部120は、計測部110で取得した、充放電時(時刻t1から時刻t2まで。通電時と同義)の電圧及び温度の測定結果を、パラメータ決定部140での処理に使用するか否かを判定するものである。判定部120は、まず、充放電時に測定された電流値の経時変化データを用いて、充放電時の電流値の平均値μI及び分散値σIを計算する。続いて、判定部120は、充放電前後における二次電池200の充電率の変化を、ΔSOC=μI×(t2-t1)と近似する。そして、判定部120は、σI及びΔSOCのそれぞれを、事前に設定した所定値と比較する。所定値よりも大きい場合、判定部120は、パラメータ決定部140の処理には、非充放電時(時刻t2~t3)の計測結果のみを使用すると、判定する。逆に、所定値よりも小さい場合、判定部120は、パラメータ決定部140の処理には、充放電時又は非充放電時のうちの少なくとも一方の計測結果を使用すると、判定する。
The
記憶部130は、計測部110で取得された電圧、電流及び温度の計時変化データ等の測定データを保存するものである。また、記憶部130には、下記第1関数、及び、測定データから電極201(図1)の劣化ムラの情報を取得するための第2関数が少なくとも1種保存される。第2関数は後記する。
The
パラメータ決定部140は、記憶部130に保存された経時変化データに基づき、電圧の緩和過程における時定数(緩和時定数τ)の分布状態を、二次電池200の状態を示す第1関数のパラメータとして決定するものである。経時変化データは、二次電池200への定電流による充放電開始から終了までの電圧の第1計時変化データ、又は、定電流による充放電終了から電圧が定常状態に至るまでの電圧の第2経時変化データ、の少なくとも何れか一方である。電圧は、二次電池に対して測定可能な応答関数の一例である。緩和過程とは、充放電開始後、又は充放電終了後において、電圧挙動がオームの法則に寄らない状態になっている状態である。詳細は後記するが、決定したパラメータを使用した第1関数に基づき、例えば充放電状況、余寿命等を決定できる。
The
第1関数は、緩和時定数τ(緩和過程における時定数)の分布状態を示す第2関数であるf(τ)を含む所定の式である。これにより、記憶部130に保存された第2関数を用いて、電圧の緩和過程における時定数の分布状態を決定できる。パラメータ決定部140による具体的な決定方法について、特許文献1に記載の技術との差異とともに説明する。
The first function is a predetermined formula including f(τ), which is a second function that indicates the distribution state of the relaxation time constant τ (time constant in the relaxation process). In this way, the distribution state of the time constant in the voltage relaxation process can be determined using the second function stored in the
上記のように、二次電池200の充放電時、電極201(図2)内の活物質12(図2)でイオンの吸蔵放出反応が行われる。吸蔵放出反応は瞬時に起きるわけではなく、吸蔵放出反応が進行するには一定の時間がかかる。この時間は緩和時間又は緩和時定数といわれ、緩和時定数τを用いると、二次電池200において充放電開始後又は充放電終了後から時間tが経過したときの二次電池200の電圧V(t)は、下記式(1)で表される。
V(t)=A+B×exp(-t/τ) …式(1)
ここで、A及びBは定数である。
As described above, when the
V(t)=A+B×exp(-t/τ)...Formula (1)
Here, A and B are constants.
以下では、主として劣化ムラの生じた二次電池200が対象である。急速充電等によって電極201(図3)に劣化ムラが生じると、緩和時定数τの値は電極201の劣化状態に応じて異なった値をとるようになる。例えば、電極201中で劣化の進行した部位に存在する活物質121(図3)は、その表面に電解液(不図示)の分解物が厚く堆積している。通常は、堆積した分解物はイオンの運動を阻害するため、劣化が進行した活物質121では吸蔵放出反応に長い時間を要するようになる。このことは、電極201内の劣化が進行した部位では、緩和時定数τが増大することを意味する。反対に、電極201中で劣化の進行していない活物質122では緩和時定数τの値は変化し難い。
In the following, the
このように、電極201の内部で劣化度がそれぞれ異なるn(2≦n)個の部位が形成された場合、各部位における緩和時定数はτ1、・・・、τnのように異なった値をとる。そのため、例えば、何らかの方法でこれらの緩和時定数τ1、・・・、τnを測定し、緩和時定数の分布状態を求めれば、二次電池200の劣化ムラを定量的に評価できる
In this way, when n (2≦n) parts with different degrees of deterioration are formed inside the
図4は、劣化した二次電池200における緩和時定数τの分布状態をヒストグラム化して示したものである。比較として、図5は、未劣化の二次電池200における緩和時定数τの分布状態をヒストグラム化して示したものである。緩和時定数τの分布状態とは、測定した緩和時定数τ1、・・・、τnの値を横軸にしてヒストグラム化したものを指す。ヒストグラムの作成方法としては、例えば、緩和時定数τを所定の区間τa≦τ<τb、τb≦τ<τc、・・・に分割し、各区間に測定した緩和時定数τ1、・・・、τnがそれぞれ何個含まれるかを頻度として計算すればよい。
Figure 4 shows a histogram of the distribution of the relaxation time constants τ in a deteriorated
ヒストグラムの形状と劣化ムラとを対応付けるには、例えば、図4及び図5において実線矢印で示す「ヒストグラムの広がり」に着目すればよい。この理由は、劣化ムラが増大すると複数の緩和時定数τが測定されるようになるためである。これに伴って緩和時定数τの分布状態(又は対応するヒストグラムの形状)は幅広い分布形状へと変化するためである。具体的には、劣化状態の二次電池200を示す図4のヒストグラムの形状は、未劣化の二次電池200を示す図5のヒストグラムの形状よりも幅広になっている。従って、緩和時定数τの広がりは、劣化ムラの程度に対応するといえる。
To associate the shape of the histogram with the unevenness of deterioration, for example, attention should be paid to the "histogram spread" indicated by the solid arrow in Figures 4 and 5. The reason for this is that as the unevenness of deterioration increases, multiple relaxation time constants τ are measured. This is because the distribution state of the relaxation time constants τ (or the shape of the corresponding histogram) changes accordingly to a wider distribution shape. Specifically, the shape of the histogram in Figure 4, which shows the
このような違いは、以下の理由による。例えば、仮に活物質12(図2)が均一に劣化すれば、抵抗が全体的に大きくなることで、図5のグラフ形状が維持されたまま、グラフ全体がそのまま右方向に移動する。しかし、劣化ムラが存在することで、抵抗に分布が生じ、この結果、緩和時定数τにも分布が生じる。これにより、図5に示すように、緩和時定数τのグラフに広がりが生じる。 Such differences occur for the following reason. For example, if the active material 12 (Figure 2) were to deteriorate uniformly, the resistance would increase overall, and the graph shape of Figure 5 would be maintained, with the entire graph moving to the right. However, the presence of deterioration unevenness creates a distribution in the resistance, and as a result, a distribution also occurs in the relaxation time constant τ. This causes the graph of the relaxation time constant τ to spread out, as shown in Figure 5.
抵抗と緩和時定数τとは、リチウムイオン二次電池(LIB)の等価回路モデルにより対応付けることができる。即ち、抵抗Rを緩和時定数τ(緩和時間)=RCにより変換することで、抵抗Rを緩和時定数τに読み替えることができる。そして、緩和時定数τに読み替えることで、詳細は後記するが、電圧Vと緩和時定数τとの関係を、時間tの関数とする式(4)を導出できる。 The resistance and the relaxation time constant τ can be associated with each other using an equivalent circuit model of a lithium ion secondary battery (LIB). That is, by converting the resistance R using the relaxation time constant τ (relaxation time) = RC, the resistance R can be converted into the relaxation time constant τ. Then, by converting into the relaxation time constant τ, it is possible to derive equation (4), which expresses the relationship between the voltage V and the relaxation time constant τ as a function of time t, as will be described in detail later.
次に、二次電池200の特性量から緩和時定数τ1、・・・、τnを取得する方法を示す。そのために、充放電開始後又は充放電終了後から時間tが経過したときの、電圧V(t)の経時変化を考える。劣化ムラの生じた二次電池200の電圧V(t)は、劣化度の異なるn個の部位の電圧V1(t)、・・・、Vn(t)を足し上げることで算出でき、具体的には下記式(2)が成立する。
Next, a method for obtaining the relaxation time constants τ1, ..., τn from the characteristic quantities of the
V(t)=V1(t)+V2(t)+・・・+Vn(t) ・・・式(2)
=ΣmVm(t)
=ΣmAm+ΣmBm×exp(-t/τm)
ここで、数学記号ΣmはV1~Vnまでの和をとることを意味しており、V(t)をn個の多項式で近似することを意味する。なお、2行目から3行目への式変形では、上記式(1)に基づき、Vm(t)が定数Am、Bmを用いて下記式(3)で与えられることを用いた。
V(t)=V1(t)+V2(t)+...+Vn(t)...Formula (2)
= ΣmVm(t)
=ΣmAm+ΣmBm×exp(-t/τm)
Here, the mathematical symbol Σm means to sum up V1 to Vn, and to approximate V(t) with n polynomials. Note that in the transformation from the second line to the third line, based on the above formula (1), Vm(t) is given by the following formula (3) using constants Am and Bm.
Vm(t)=Am+Bm×exp(-t/τm) …式(3)
以上の式(2)及び式(3)が、劣化ムラの生じた二次電池200における電圧の経時変化を表す式である。電圧に関する類似の式は、特許文献2でも提示されている。
Vm(t)=Am+Bm×exp(-t/τm)...Formula (3)
The above formulas (2) and (3) express the change over time in voltage in the
電極201の内部に形成されたn個の劣化部位の緩和時定数τ1・・・τnの値を求めるには、電圧の計算値V(t)と計測部110(図1)で測定された電圧の経時変化データとを比較し、両者が一致するように式(2)及び式(3)に含まれるパラメータA1、・・・、An、B1、・・・、Bn、τ1、・・・、τnの値を最適化すればよい。しかし、この方法を実行するには事前に劣化部位の個数nを測定しなくてはならない。そのためには二次電池200を解体して電極201を分析すればよい。しかし、解体した二次電池200は再度利用できないため、仮に劣化部位の個数nが求まったとしても、それを基にした二次電池200の状態判定は意味をなさない。
To obtain the values of the relaxation time constants τ1...τn of the n deteriorated parts formed inside the
また、二次電池200の劣化の進行状況に応じて劣化部位の個数nも刻々と変化するため、nの値を事前に定めることも困難である。以上の説明では、二次電池200の電圧V(t)を例に示したが、同様の困難性は、二次電池200に対して測定可能な応答関数(例えば電圧、電流等)をn個の多項式として表現する方法及び装置に対して当てはまる。
In addition, the number n of degraded parts changes from moment to moment depending on the progress of degradation of the
そこで、本開示では、別方法による劣化ムラの評価方法を提案する。そもそも、劣化ムラを評価するには、各劣化部位における緩和時定数τ1・・・τnの値自体が必要ではなく、図4及び図5に示す緩和時定数τの分布状態(即ち、緩和時定数τに対して作成されたヒストグラムの形状)に関する情報が求まればよい。そこで、本開示では、二次電池200の状態を示す第1関数として、電圧V(t)の式としての上記式(2)に代えて、下記式(4)が使用される。
Therefore, in this disclosure, a different method for evaluating uneven deterioration is proposed. To begin with, to evaluate uneven deterioration, the values of the relaxation time constants τ1...τn at each deteriorated portion are not necessary, but information on the distribution state of the relaxation time constants τ shown in Figures 4 and 5 (i.e., the shape of the histogram created for the relaxation time constants τ) can be obtained. Therefore, in this disclosure, instead of the above formula (2) as the formula for voltage V(t), the following formula (4) is used as the first function indicating the state of the
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ …式(4)
ここで、V0は開回路電圧(OCV)であり、数学記号∫dτ・・・はτについて積分することを示す。また、関数f(τ)は、上記のように緩和時定数τの分布状態を示す第2関数であり、以下では分布関数ということがある。第2関数は緩和時定数τに対して作成されたヒストグラムの形状を表す。
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ...Formula (4)
Here, V0 is the open circuit voltage (OCV), and the mathematical symbol ∫dτ... indicates integration with respect to τ. The function f(τ) is the second function that indicates the distribution state of the relaxation time constant τ as described above, and may be referred to as the distribution function below. The second function represents the shape of the histogram created for the relaxation time constant τ.
本開示では、第2関数(分布関数)f(τ)において、緩和時定数τの分布状態に対応するパラメータが1つ以上存在する。このため、第1関数と経時変化データとを一致(所定の誤差内を含む)させるような緩和時定数τが存在し、パラメータを決定できる。このような第2関数は、微分可能な連続関数であることが好ましい。これにより、詳細は後記するが、積分によって第2関数の面積を算出し易くできる。 In the present disclosure, the second function (distribution function) f(τ) has one or more parameters that correspond to the distribution state of the relaxation time constant τ. Therefore, there exists a relaxation time constant τ that matches the first function with the time-dependent change data (within a predetermined error range), and the parameter can be determined. It is preferable that such a second function is a differentiable continuous function. This makes it easier to calculate the area of the second function by integration, as described in detail below.
以下、この条件を満たす関数をいくつか例示するが、本開示には下記で例示する関数に限定されない。また、第2関数は複数の関数の組み合わせによって構成されていてもよく、この場合、第2関数を構成する関数の少なくとも1つに緩和時定数τの分布状態に対応するパラメータが含まれていればよい。 Below, we will provide examples of some functions that satisfy this condition, but the present disclosure is not limited to the functions exemplified below. In addition, the second function may be composed of a combination of multiple functions, in which case it is sufficient that at least one of the functions that constitute the second function includes a parameter that corresponds to the distribution state of the relaxation time constant τ.
図6は、第2関数の一例としてのガウス関数の形状とパラメータとの関係を示すグラフである。第2関数は、例えばガウス関数である。上記のように、電極201(図3)の緩和時定数τをヒストグラム化して示した場合、劣化ムラの増大に応じてヒストグラムの形状も幅広い構造へと変化していく。このような挙動を近似的に表す関数の一つとして、下記式(5)で定義されるガウス関数が挙げられる。 Figure 6 is a graph showing the relationship between the shape of a Gaussian function as an example of the second function and the parameters. The second function is, for example, a Gaussian function. As described above, when the relaxation time constant τ of the electrode 201 (Figure 3) is shown as a histogram, the shape of the histogram changes to a wider structure as the unevenness of deterioration increases. One function that approximately represents such behavior is the Gaussian function defined by the following formula (5).
f(τ)=αexp{-(τ-γ)2/β} …式(5)
α、β、γは定数である。この内、βはヒストグラムの広がりを表すものであり、電圧の緩和過程における時定数の分布状態を表すパラメータ(二次電池の状態を示す第1関数のパラメータ)に相当する。図6に示すように、βが大きいほど第2関数のグラフは広がりを持ち、二次電池200が劣化していることを表す。
f(τ)=αexp{-(τ-γ) 2 /β}...Formula (5)
α, β, and γ are constants. Among these, β represents the spread of the histogram, and corresponds to a parameter (a parameter of the first function indicating the state of the secondary battery) representing the distribution state of the time constant in the voltage relaxation process. As shown in Fig. 6, the larger β is, the wider the graph of the second function is, which indicates that the
第2関数の別の例として、下記式(6)で示されるガンマ分布を示す関数(ガンマ関数)が挙げられる。
f(τ)={αβ/Γ(β)}τα-1exp(-β×τ) …式(6)
ここで、Γ(β)はガンマ関数である。式(6)では、ヒストグラムの広がりはα/β2によって表される。このため、α及びβが電圧の緩和過程における時定数の分布状態を表すパラメータ(二次電池の状態を示す第1関数のパラメータ)に相当する。
Another example of the second function is a function indicating a gamma distribution (gamma function) shown in the following formula (6).
f(τ)={α β /Γ(β)}τ α−1 exp(−β×τ) …Equation (6)
Here, Γ(β) is a gamma function. In formula (6), the spread of the histogram is expressed by α/ β2 . Therefore, α and β correspond to parameters representing the distribution state of the time constant in the voltage relaxation process (parameters of the first function indicating the state of the secondary battery).
図7は、第2関数としてのLevyの安定分布を示す関数の形状とパラメータとの関係を示すグラフである。第2関数の別の例として、下記式(7)で示されるLevyの安定分布を示す関数が挙げられる。
f(1/τ)=(1/τ)Σn{(-1)n×τ-βn}/{n!×Γ(-βn)} …式(7)
式(7)ではヒストグラムの広がりはβによって表される。このため、βが、電圧の緩和過程における時定数の分布状態を表すパラメータ(二次電池の状態を示す第1関数のパラメータ)に相当する。図7に示すように、βが小さいほど第2関数のグラフは広がりを持ち、二次電池200が劣化していることを表す。
7 is a graph showing the relationship between the shape of the function indicating the Levy stable distribution as the second function and the parameters. Another example of the second function is the function indicating the Levy stable distribution shown in the following formula (7).
f(1/τ)=(1/τ)Σn{(-1) n ×τ −βn }/{n! ×Γ(−βn)} …Formula (7)
In formula (7), the spread of the histogram is represented by β. Therefore, β corresponds to a parameter (a parameter of the first function indicating the state of the secondary battery) that represents the distribution state of the time constant in the voltage relaxation process. As shown in Fig. 7, the smaller β is, the wider the graph of the second function is, which indicates that the
図1に戻って、パラメータ決定部140の説明を続ける。ここでは二次電池200の電圧の時間変化V(t)に対するパラメータ決定部140の動作を説明するが、以下の手順は、電圧の代わりに電流の時間変化I(t)を用いた場合でも当てはまる。
Returning to FIG. 1, we will continue to explain the
パラメータ決定部140は、記憶部130から、上記の第1経時変化データ又は第2経時変化データの少なくとも何れか一方の経時変化データを読み込む。ただし、パラメータ決定部140は、少なくとも第2経時変化データを使用して、パラメータを決定することが好ましい。これにより、外部要因を低減してパラメータの精度を向上できる。以下では、一例として、第1経時変化データ及び第2経時変化データの双方が使用される。
The
パラメータ決定部140は、記憶部130から、第2関数を読み込む。第2関数は、上記のように予め記憶部130に保存される。第2関数が2種以上保存されている場合、それぞれの第2関数を使用して以降の計算を行い、最も精度の高い結果を使用してもよく、任意の1つの第2関数を使用して以降の計算を行ってもよい。また、記憶部130に保存された電圧、電流、温度等の情報を使用した第2関数が保存されている場合には、記憶部130に記憶された情報に対応する第2関数を使用してもよい。
The
パラメータ決定部140は、横軸を時間t、縦軸を電圧V(t)(上記応答関数の一例)とするグラフの面積に基づき、パラメータを決定する。これにより、緩和時定数τの分布状態に関する情報を算出できる。
The
具体的には、パラメータ決定部140は、読み込んだ第2関数及び上記式(4)に基づき、二次電池200の状態を示す第1関数として、電圧の経時変化V(t)calcを計算する。このとき、第2関数及び式(4)に含まれるパラメータの値は任意に設定してよい。例えば、初回の計算時には、便宜的に未劣化の二次電池200におけるパラメータの値を使用すればよい。また、2回目以降の計算時には、例えば、前回の計算で得られたパラメータの値を使用すればよい。更に、パラメータの値は第1経時変化データの使用時と第2経時変化データの使用時とで同じでもよく異なってもよい。
Specifically, the
パラメータ決定部140は、読み込んだ経時変化データと、計算で得られた第1関数であるV(t)calcとの比較により、パラメータを決定する。即ち、実測値と計算値との比較により、パラメータを決定できる。具体的には、パラメータ決定部140は、パラメータとして予め定められた所定値を代入したV(t)calc(第1関数)と経時変化データとを比較する。そして、パラメータ決定部140は、V(t)calcと経時変化データとの差分が所定以下又は最小になる所定値をパラメータとして決定する。
The
即ち、パラメータ決定部140は、例えばVcalc(t)のグラフが経時変化データのグラフに近づくようにパラメータを最適化する。具体的には、パラメータ決定部140は、Vcalc(t)と経時変化データV(t)が所定の誤差(例えば1%以内)の範囲で一致するまで、計算を続ける。一致しない場合には、パラメータの値を変更してV(t)calcを再計算し、V(t)calcと経時変化データとが所定の誤差の範囲で一致するまで、又は、誤差の値が最小となるパラメータの組が見つかるまで、パラメータ値の変更を続ける。
That is, the
パラメータ決定部140は、決定したパラメータを出力部150に送信する。パラメータ決定部140は、他にも、決定したパラメータから得られる電圧の経時変化V(t)等の値も出力部150に送信する。送信されるパラメータには、少なくとも、緩和時定数τの分布状態に関するパラメータが含まれていればよい。また必要に応じて、パラメータ決定部140は、決定したパラメータの値を用いて、所定の負荷に対する二次電池200の応答特性を計算してもよい。
The
出力部150は、パラメータ決定部140から受信した情報を、情報を使用する機器、装置等に送信する。ここでいう情報は、例えば、パラメータ決定部140により決定されたパラメータ、これらに基づいて計算した二次電池200の応答特性、例えばある任意の電流値を流した場合の二次電池200の電圧の経時変化等を含む。機器、装置等は、例えば、外部メモリ、外部モニタ(いずれも不図示)を含む。
The
充放電条件決定部160は、パラメータ決定部140により決定したパラメータに基づき、二次電池200の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように二次電池200の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である充放電条件を決定する。これにより、二次電池200の寿命が過度に短くなることを抑制できる。充放電条件決定部160は、上記応答関数が電圧である場合に備えられる。充放電条件決定部160は、決定した充放電条件を充放電制御装置300(後記)に送信する。
The charge/discharge
充放電条件決定部160は、パラメータの経時変化に関する第3関数に基づき、二次電池200の電圧の経時変化に関する第4関数を作成する。これとともに、充放電条件決定部160は、第4関数に基づき算出された電圧が適正電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように充放電条件を決定する。このようにすることで、二次電池200を適正電圧範囲で使用可能な充放電条件を決定できる。第4関数は、例えば、決定したパラメータを、上記の式(4)に代入することで作成できる。本実施形態では、充放電条件決定部160は、二次電池200の電圧が所定範囲の上下限値に達するときの充放電電流の上限値、充放電時間の上限のいずれかを決定する。
The charge/discharge
余寿命予測部170は、パラメータ決定部140により決定したパラメータに基づき、二次電池200の余寿命を予測する。これにより、状態判定装置100に接続された二次電池200の余寿命を予測でき、所定の使用条件で予測した余寿命に応じて二次電池200を使用できる。余寿命予測部170は、上記応答関数が電圧である場合に備えられる。
The remaining
余寿命予測部170は、パラメータの経時変化に関する第3関数に基づき、二次電池200の電圧の経時変化に関する第4関数を作成する。第4関数は、上記のように、例えば、決定したパラメータを、上記の式(4)に代入することで作成できる。これとともに、余寿命予測部170は、所定の使用条件で二次電池200を使用した場合に、第4関数に基づき算出された電圧が二次電池200の適正電圧範囲を表す所定範囲から外れる時期を余寿命として決定する。以下、一例として、所定の第1期間に使用された二次電池200の余寿命を予測する方法を示す。
The remaining
この方法の前提として、第1期間において少なくとも2回、二次電池200の状態量が測定される。状態量とは、二次電池200の容量、抵抗等、対象とする二次電池から測定可能な量を指し、少なくとも緩和時定数τの分布状態に関するパラメータが含まれる。測定した状態量は、記憶部130に記憶される。これらの状態量が、第1期間内の時間t1、t2、・・・tn(n≧2)において測定されていた場合を考え、状態量に加えて各時間における二次電池の使用状況が計測されている場合を考える。ここで、二次電池の使用状況とは、例えば、使用期間、充放電サイクル数、累積充放電電気量、温度、電池電圧、電流、電極電位等が挙げられる。
As a premise of this method, the state quantities of the
二次電池の余寿命を予測する手順としては、まず、各時刻t1、t2、・・・tnにおいて測定された、緩和時定数τの分布状態に関するパラメータの時間変化を再現できるように、余寿命予測部170は第3関数を構築する。第3関数は、記憶部130に記憶される。第3関数の変数には、二次電池の使用状況が含まれていることが好ましい。第3関数は、直線、二次関数、指数関数、対数関数等の事前に用意した関数であってもよいし、各時刻t1、t2、・・・tnにおける計測値を用いて構築された回帰モデルであってもよい。
As a procedure for predicting the remaining life of a secondary battery, first, the remaining
次に、余寿命予測部170は、構築した第3関数を用いて、第1期間よりも未来の時点におけるパラメータの値を計算する。さらに、余寿命予測部170は、計算したパラメータを基に、充放電時における二次電池200の電圧の経時変化に関する第4関数を予測する。そして、余寿命予測部170は、予測した第4関数と、事前に設定した適正電圧範囲の上下限値との大小関係を判定する。余寿命予測部170は、ある時点において電圧が所定上限値を上回る、又は所定下限値を下回る場合には、この時点を二次電池200の寿命と判定する。これにより、決定したパラメータに基づき、二次電池200の余寿命を予測できる。予測した余寿命により、二次電池200の使われ方を考慮した、二次電池200の適切な交換時期を把握できる。
Next, the remaining
余寿命予測部170は、出力部150に、電圧が所定上限値を上回る時、所定下限値を下回る時、又は現在時刻からこれらの時までの時間の少なくともいずれか1つを出力する。余寿命予測部170は、現在時刻からこれらの時までの時間が所定の最短時間よりも短い場合には、出力部150に警告を出力する。
The remaining
状態判定装置100は、何れも図示はしないが、例えばCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等を備えて構成される。状態判定装置100は、ROMに格納されている所定の制御プログラムがRAMに展開され、CPUによって実行されることにより具現化される。
The
充放電制御装置300は、充放電条件決定部160により決定した充放電条件で二次電池200の充放電を行う。これにより、二次電池200の寿命が過度に短くなることを抑制でき、二次電池200を適正に使用できる。
The charge/
以上のように、状態判定装置100は、二次電池200の電圧等に基づき緩和時定数τの分布状態に関するパラメータを決定する。一例として、状態判定装置100は、所定の定電流値を用いて測定した電圧の時間変化(第1経時変化データ及び第2経時変化データ)を読み込む。そして、状態判定装置100は、緩和時定数τの分布状態に関するパラメータ(複数のパラメータを含むパラメータ群でもよい)を仮に設定し、仮のパラメータに基づく電圧の時間変化である第1関数を計算する。次いで、状態判定装置100は、仮のパラメータに基づき計算された第1関数と、測定した電圧の時間変化(第1経時変化データ及び第2経時変化データ)との比較に基づき、パラメータを決定する。これにより、二次電池200における緩和時定数τの分布状態に関するパラメータを非破壊で精度良く把握できる。
As described above, the
図8は、本開示の状態判定方法を示すフローチャートである。本開示の状態判定方法は、状態判定装置100(図1)により実行できる。そこで、図8の説明は、適宜図1を参照して行う。 Figure 8 is a flowchart showing the state determination method of the present disclosure. The state determination method of the present disclosure can be executed by the state determination device 100 (Figure 1). Therefore, the explanation of Figure 8 will be made with reference to Figure 1 as appropriate.
本開示の状態判定方法は、計測ステップS1と、判定ステップS2と、パラメータ決定ステップS3と、充放電条件決定ステップS4と、余寿命予測ステップS5とを含む。 The state determination method disclosed herein includes a measurement step S1, a determination step S2, a parameter determination step S3, a charge/discharge condition determination step S4, and a remaining life prediction step S5.
計測ステップS1は、二次電池200(図1)での充放電開始の時刻t1から充放電終了の時刻t2まで、二次電池200の電圧、電流及び温度の経時変化(第1経時変化データに対応)を計測して記憶部130(図1)に保存するステップである。計測ステップS1は計測部110(図1)によって実行され、計測ステップS1においても、上記の計測部110において説明した内容を適用できる。
The measurement step S1 is a step of measuring the changes over time (corresponding to the first change over time data) of the voltage, current, and temperature of the secondary battery 200 (Figure 1) from time t1 when charging/discharging of the secondary battery 200 (Figure 1) starts to time t2 when charging/discharging ends, and storing the data in the memory unit 130 (Figure 1). The measurement step S1 is executed by the measurement unit 110 (Figure 1), and the contents described above for the
判定ステップS2は、計測部110で取得した、充放電時(時刻t1から時刻t2まで)の電圧及び温度の測定結果を、パラメータ決定部140(図1)での処理に使用するか否かを判定するステップである。判定ステップS2は判定部120(図1)によって実行され、判定ステップS2においても、上記の判定部120において説明した内容を適用できる。
The determination step S2 is a step for determining whether or not the measurement results of the voltage and temperature during charging and discharging (from time t1 to time t2) acquired by the
パラメータ決定ステップS3は、記憶部130(図1)に保存された経時変化データに基づき、電圧の緩和過程における時定数(緩和時定数τ)の分布状態を、二次電池200の状態を示す第1関数のパラメータとして決定するステップである。経時変化データは、上記の第1計時変化データ又は第2経時変化データの少なくとも何れか一方である。パラメータ決定ステップS3はパラメータ決定部140(図1)によって実行され、パラメータ決定ステップS3においても、上記のパラメータ決定部140において説明した内容を適用できる。
The parameter determination step S3 is a step of determining the distribution state of the time constant (relaxation time constant τ) in the voltage relaxation process as a parameter of a first function indicating the state of the
充放電条件決定ステップS4は、パラメータ決定ステップS3で決定したパラメータに基づき、二次電池200の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように充放電条件を決定するステップである。充放電条件は、二次電池200の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である。充放電条件決定ステップS4は充放電条件決定部160(図1)によって実行され、充放電条件決定ステップS4においても、上記の充放電条件決定部160において説明した内容を適用できる。
The charge/discharge condition determination step S4 is a step of determining the charge/discharge conditions based on the parameters determined in the parameter determination step S3 so that the charge/discharge conditions are within a predetermined range indicating the appropriate operating voltage range of the
余寿命予測ステップS5は、パラメータ決定ステップS3で決定したパラメータに基づき、二次電池200の余寿命を予測するステップである。余寿命予測ステップS5は余寿命予測部170(図1)によって実行され、余寿命予測ステップS5においても、上記の余寿命予測部170において説明した内容を適用できる。
The remaining life prediction step S5 is a step of predicting the remaining life of the
本開示の状態判定方法によれば、状態判定装置100(図1)と同様に、二次電池200における緩和時定数τの分布状態に関するパラメータを精度良く把握できる。
The state determination method disclosed herein can accurately grasp parameters related to the distribution state of the relaxation time constant τ in the
以上の説明では、劣化した二次電池200を対象としたが、状態判定装置100及び状態判定方法は未劣化の二次電池200に対しても適用できる。以下にその理由を示す。特許文献1でも述べられているように、二次電池200の反応においては、活物質でのイオンの吸蔵放出反応のような早い反応の他に、活物質内部のイオン拡散の様な遅い反応など、複数の緩和時定数τの反応が寄与する。ゆえに、未劣化の二次電池200においても緩和時定数τには一定の分布状態が存在するため、上記のような緩和時定数τの分布状態を介した状態判定装置100及び状態判定方法を適用できる。
In the above explanation, the degraded
また、上記のように、二次電池200は複数の電池セルにより構成できる。この場合、本開示を、電池セル間の劣化状態の差異を検知することにも使用できる。
Furthermore, as described above, the
さらに、上記の例では、二次電池200に対して測定可能な応答関数の一例として、二次電池200に電圧(V(t))を使用した。しかし、本開示は、電圧の時間変化V(t)に対してのみ成り立つものではなく、二次電池200の例えば電流(I(t))二も適用できる。例えば、オームの法則V=IRなどを用いることで、上記式(4)の電圧V(t)を電流I(t)に置き換え、電流値I(t)に対しても本開示を適用できる。
Furthermore, in the above example, the voltage (V(t)) of the
図9は、実施例1の結果を示すグラフである。劣化したリチウムイオン二次電池を用い、以下の方法に沿って、電圧の経時変化データと、計算した第1関数のグラフとを同じグラフに図示した。 Figure 9 is a graph showing the results of Example 1. Using a degraded lithium ion secondary battery, data on the change in voltage over time and a graph of the calculated first function were plotted on the same graph in accordance with the following method.
二次電池200(図1)の負極には黒鉛、正極にはLiNiCoMnO2(モル比でNi:Co:Mn=1:1:1)を用い、セパレータにはポリプロピレン性のセパレータを使用した。まず、この二次電池200に対して充放電を繰り返し、二次電池200の容量が未劣化の状態から20%程度するまで劣化させた。次に、劣化させた二次電池200を10℃の恒温槽内に設置して、二次電池200の電圧が3.6Vになるように充電率を調整した。続いて、この二次電池200に対して9CAの電流値で8秒間放電し、30分間休止させて(CA:電流値の単位。1CAが1時間で電池を満受電できる電流量)、二次電池200の電圧に関する第2経時変化データV(t)exp(実測値)を測定した。
The negative electrode of the secondary battery 200 (FIG. 1) was graphite, the positive electrode was LiNiCoMnO 2 (molar ratio Ni:Co:Mn=1:1:1), and the separator was polypropylene. First, the
続いて、実施例1のグラフを以下のようにして決定した。測定したV(t)expに対に基づき、上記方法により上記式(4)に含まれるパラメータを決定した。第2関数には上記式(7)に示した関数を使用した。最後に、決定したパラメータを用いて式(4)から電圧の経時変化を求め、実施例1のグラフを得た。実施例1のグラフと測定値V(t)expとの誤差を評価した。 Next, the graph of Example 1 was determined as follows. Based on the measured V(t)exp, the parameters included in the above formula (4) were determined by the above method. The function shown in the above formula (7) was used as the second function. Finally, the determined parameters were used to find the change in voltage over time from formula (4), and the graph of Example 1 was obtained. The error between the graph of Example 1 and the measured value V(t)exp was evaluated.
比較例1としては、上記式(2)(特許文献1に記載の数式に類似)を用いて第2経時変化データV(t)expから式(2)中のパラメータを決定した。さらに、決定したパラメータを用いて電圧の経時変化を求め、比較例1のグラフとした。比較例1のグラフと測定値V(t)expとの誤差を評価した。なお、式(2)の計算においてはn=2及びn=3とした場合を検討したが、検討結果がほぼ一致したため、図9には、n=2の結果のみを示した。 For Comparative Example 1, the parameters in Equation (2) (similar to the formula described in Patent Document 1) were determined from the second time-dependent change data V(t)exp using the above formula (2). The determined parameters were then used to determine the time-dependent change in voltage, which was then used to create the graph of Comparative Example 1. The error between the graph of Comparative Example 1 and the measured value V(t)exp was evaluated. Note that in the calculation of Equation (2), cases where n=2 and n=3 were considered, but the results were nearly identical, so only the results for n=2 are shown in Figure 9.
図9に示すように、実施例1と実測値とはほぼ同様の傾向を示し、誤差が殆どない。しかし、比較例1と実測値とはずれが大きく誤差が大きい。このことは、比較例1の方法では、二次電池200の内部の状態を適切にパラメータ化して抽出できていないことを示している。つまり、比較例1の方法で抽出したパラメータを用いても、電圧、開回路電圧(OCV)等を精度よく予測できない。一方で、実施例1の方法では、電極の劣化ムラを考慮して、電圧の経時変化を高精度に予測できる。
As shown in FIG. 9, Example 1 and the actual measured values show almost the same tendency, with almost no error. However, there is a large deviation between Comparative Example 1 and the actual measured values, with a large error. This indicates that the method of Comparative Example 1 is unable to properly parameterize and extract the internal state of the
図10は、実施例2の結果を示すグラフである。未劣化のリチウムイオン二次電池を用い、以下の方法に沿って、電圧の経時変化データと、計算した第1関数V(t)のグラフと同じグラフに図示した。 Figure 10 is a graph showing the results of Example 2. Using an undegraded lithium ion secondary battery, data on the change in voltage over time was plotted on the same graph as the calculated first function V(t) in accordance with the following method.
二次電池200の電極には黒鉛電極及び金属リチウム電極を用い、セパレータにはポリエチレンを使用した。この二次電池200を25℃の恒温槽内に設置して、二次電池200の開回路電圧が0.095Vになるように充電状態を調整した。この二次電池200に対して1CAの電流値で72秒間充電し、30分間休止させ、その間の電圧の時間変化V(t)を測定した。測定方法は上記実施例1と同様に行い、次いで、実施例1と同様にして、実施例2のグラフの作成及び誤差の評価を行った。
Graphite electrodes and metallic lithium electrodes were used for the electrodes of the
また、上記比較例1と同様にして、比較例2のグラフの作成及び誤差の評価を行った。ただし、検討結果がほぼ一致したため、図10には、n=2の結果のみを示した。 In addition, a graph was created and the error was evaluated for Comparative Example 2 in the same manner as for Comparative Example 1 above. However, since the results were almost identical, only the results for n=2 are shown in Figure 10.
図10に示すように、実施例2と実測値とはほぼ同様の傾向を示し、誤差が殆どない。しかし、比較例2と実測値とはずれが大きく誤差が大きい。従って、上記図9を参照して説明した場合と同様に、未劣化の二次電池200についても、電極の劣化ムラを考慮して、電圧の経時変化を高精度に予測できる。従って、本開示は、二次電池200の劣化状態に寄らず、未劣化も含む二次電池200に対して広く適用できる。
As shown in FIG. 10, Example 2 and the actual measured values show almost the same tendency, with almost no error. However, there is a large deviation between Comparative Example 2 and the actual measured values, with a large error. Therefore, as in the case described with reference to FIG. 9 above, it is possible to predict the change in voltage over time with high accuracy even for an undegraded
100 状態判定装置
11 集電箔
110 計測部
12 活物質
120 判定部
121 活物質
13 導電助剤
130 記憶部
140 パラメータ決定部
150 出力部
160 充放電条件決定部
170 余寿命予測部
200 二次電池
201 電極
300 充放電制御装置
400 二次電池システム
S1 計測ステップ
S2 判定ステップ
S3 パラメータ決定ステップ
S4 充放電条件決定ステップ
S5 余寿命予測ステップ
REFERENCE SIGNS
Claims (13)
前記パラメータ決定部により決定した前記パラメータに基づき、前記二次電池の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように前記二次電池の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である充放電条件を決定する充放電条件決定部と、を備え、
前記第1関数は、
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
で表され、V0は前記二次電池の開回路電圧、τは前記時定数、関数f(τ)は、前記二次電池での活物質の劣化ムラの増大に応じて幅広い形状に変化する、前記時定数に対して作成されたヒストグラムの形状を表す第2関数である
ことを特徴とする状態判定装置。 a parameter determination unit that determines a distribution state of a time constant in a relaxation process of a response function as a parameter of a first function indicating a state of the secondary battery, based on at least one of first time-varying data of a voltage that is a measurable response function of the secondary battery from the start to the end of charging/discharging with a constant current to the secondary battery, and second time-varying data of the voltage that is the response function from the end of charging/discharging with a constant current to the voltage reaching a steady state;
a charge/discharge condition determination unit that determines a charge/discharge condition, which is at least one of a charge/discharge current and a charge/discharge time of the secondary battery, based on the parameters determined by the parameter determination unit so that the charge/discharge condition is within a predetermined range indicating an appropriate operating voltage range of the secondary battery;
The first function is
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
where V0 is an open circuit voltage of the secondary battery, τ is the time constant, and function f(τ) is a second function that represents the shape of a histogram created with respect to the time constant, the shape of the histogram changing over a wide range in response to an increase in unevenness in deterioration of an active material in the secondary battery.
ことを特徴とする請求項1に記載の状態判定装置。 The state determination device according to claim 1 , wherein the parameter determination unit determines the parameter based on an area of a graph in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the response function.
ことを特徴とする請求項1に記載の状態判定装置。 The state determination device according to claim 1 , wherein the second function is a differentiable continuous function.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の状態判定装置。 3. The state determination device according to claim 1, wherein the second function is a Gaussian function, a function indicating a gamma distribution, or a function indicating a Levy stable distribution.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の状態判定装置。 The state determination device according to claim 1 or 2, wherein the parameter determination unit determines the parameter by comparing the time-varying data with the first function.
ことを特徴とする請求項5に記載の状態判定装置。 6. The state determination device according to claim 5, wherein the parameter determination unit compares the first function, into which a predetermined value is substituted as the parameter, with the time-varying data, and determines, as the parameter, the predetermined value at which a difference between the first function and the time-varying data is equal to or smaller than a predetermined value or is minimized.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の状態判定装置。 The state determination device according to claim 1 or 2, wherein the parameter determination unit determines the parameter by using at least the second time-varying data.
前記パラメータの経時変化に関する第3関数に基づき、前記二次電池の電圧の経時変化に関する第4関数を作成するとともに、
前記第4関数に基づき算出された電圧が前記所定範囲に含まれるように前記充放電条件を決定する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の状態判定装置。 The charge/discharge condition determination unit is
A fourth function relating to a change in voltage of the secondary battery over time is created based on a third function relating to the change in the parameter over time;
3 . The state determination device according to claim 1 , further comprising: determining the charge/discharge condition so that the voltage calculated based on the fourth function falls within the predetermined range. 4 .
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の状態判定装置。 The state determination device according to claim 1 or 2, further comprising a remaining life prediction unit that predicts a remaining life of the secondary battery based on the parameters determined by the parameter determination unit.
前記パラメータの経時変化に関する第3関数に基づき、前記二次電池の電圧の経時変化に関する第4関数を作成するとともに、
所定の使用条件で前記二次電池を使用した場合に、前記第4関数に基づき算出された電圧が前記二次電池の適正電圧範囲を表す所定範囲から外れる時期を余寿命として決定する
ことを特徴とする請求項9に記載の状態判定装置。 The remaining life prediction unit is
A fourth function relating to a change in voltage of the secondary battery over time is created based on a third function relating to the change in the parameter over time;
The state determination device according to claim 9, characterized in that the remaining life is determined as the time when, when the secondary battery is used under specified operating conditions, the voltage calculated based on the fourth function falls outside a specified range representing an appropriate voltage range for the secondary battery.
前記二次電池への定電流による充放電開始から終了までの、前記二次電池に対して測定可能な応答関数である電圧の第1計時変化データ、又は、定電流による充放電終了から電圧が定常状態に至るまでの前記応答関数である電圧の第2経時変化データ、の少なくとも何れか一方の経時変化データに基づき、前記応答関数の緩和過程における時定数の分布状態を、前記二次電池の状態を示す第1関数のパラメータとして決定するパラメータ決定部を備える状態判定装置と、を備え、
前記状態判定装置は、更に、前記パラメータ決定部により決定した前記パラメータに基づき、前記二次電池の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように前記二次電池の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である充放電条件を決定する充放電条件決定部を備え、
前記第1関数は、
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
で表され、V0は前記二次電池の開回路電圧、τは前記時定数、関数f(τ)は、前記二次電池での活物質の劣化ムラの増大に応じて幅広い形状に変化する、前記時定数に対して作成されたヒストグラムの形状を表す第2関数である
ことを特徴とする二次電池システム。 A secondary battery;
a state determination device including a parameter determination unit that determines a distribution state of a time constant in a relaxation process of a response function as a parameter of a first function indicating a state of the secondary battery, based on at least one of first time-varying data of voltage, which is a measurable response function of the secondary battery, from the start to the end of charging/discharging with a constant current to the secondary battery, and second time-varying data of voltage, which is the response function, from the end of charging/discharging with a constant current to when the voltage reaches a steady state;
the state determination device further includes a charge/discharge condition determination unit that determines a charge/discharge condition, which is at least one of a charge/discharge current and a charge/discharge time of the secondary battery, based on the parameter determined by the parameter determination unit so as to be included in a predetermined range indicating an appropriate operating voltage range of the secondary battery;
The first function is
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
where V0 is an open circuit voltage of the secondary battery, τ is the time constant, and a function f(τ) is a second function that represents the shape of a histogram created with respect to the time constant, the shape of the histogram changing over a wide range in response to an increase in unevenness in deterioration of an active material in the secondary battery.
ことを特徴とする請求項11に記載の二次電池システム。 The secondary battery system according to claim 11 , further comprising a charge/discharge control device that charges and discharges the secondary battery under the charge/discharge conditions determined by the charge/discharge condition determination unit.
前記パラメータ決定ステップで決定した前記パラメータに基づき、前記二次電池の適正使用電圧範囲を示す所定範囲に含まれるように前記二次電池の充放電電流又は充放電時間の少なくとも一方である充放電条件を決定する充放電条件決定ステップと、を含み、
前記第1関数は、
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
で表され、V0は前記二次電池の開回路電圧、τは前記時定数、関数f(τ)は、前記二次電池での活物質の劣化ムラの増大に応じて幅広い形状に変化する、前記時定数に対して作成されたヒストグラムの形状を表す第2関数である
ことを特徴とする状態判定方法。 a parameter determination step of determining, based on at least one of first time-varying data of voltage, which is a measurable response function of the secondary battery, from the start to the end of charging/discharging with a constant current to the secondary battery, and second time-varying data of voltage, which is the response function, from the end of charging/discharging with a constant current to the secondary battery until the voltage reaches a steady state, a distribution state of a time constant in a relaxation process of the response function as a parameter of a first function indicating the state of the secondary battery;
a charge/discharge condition determination step of determining, based on the parameters determined in the parameter determination step, a charge/discharge condition, which is at least one of a charge/discharge current and a charge/discharge time of the secondary battery, so that the charge/discharge condition is included in a predetermined range indicating an appropriate operating voltage range of the secondary battery;
The first function is
V(t)=V0+∫f(τ)exp(-t/τ)dτ
where V0 is an open circuit voltage of the secondary battery, τ is the time constant, and function f(τ) is a second function that represents the shape of a histogram created with respect to the time constant, the shape of which changes over a wide range in response to an increase in unevenness in deterioration of an active material in the secondary battery.
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