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CN116547831A - 异常探测方法、异常探测装置、蓄电装置以及计算机程序 - Google Patents

异常探测方法、异常探测装置、蓄电装置以及计算机程序 Download PDF

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CN116547831A
CN116547831A CN202180079481.8A CN202180079481A CN116547831A CN 116547831 A CN116547831 A CN 116547831A CN 202180079481 A CN202180079481 A CN 202180079481A CN 116547831 A CN116547831 A CN 116547831A
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奥山良一
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GS Yuasa International Ltd
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Abstract

异常探测方法通过异常探测装置对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测。所述多个蓄电元件分别含有磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物作为正极活性物质,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上。所述异常探测装置获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压,并使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。

Description

异常探测方法、异常探测装置、蓄电装置以及计算机程序
技术领域
本技术涉及对电池组的异常进行探测的异常探测方法、异常探测装置、蓄电装置以及计算机程序。
背景技术
近年来,锂离子二次电池等蓄电元件在笔记本型个人计算机、智能手机等便携式终端的电源、可再生能源蓄电系统、IoT设备电源等广泛的领域中被使用。此外,作为电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)、或者插电式混合动力电动汽车(PHEV)等下一代清洁能源汽车用的电源,开发也正在盛行。
对于锂离子二次电池的正极活性物质,可使用钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等锂过渡金属复合氧化物。
作为正极活性物质,还可使用代替钴等而包含资源丰富且廉价的铁作为构成元素的磷酸铁锂(例如,参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-12613号公报
发明内容
发明要解决的问题
在由使用磷酸铁锂作为正极活性物质的蓄电元件(由所谓的LFP电池)来构成电池组的情况下,在充放电时,电压的变化小,难以基于电压的变化来推断电池组的状态。
本公开的目的在于,提供一种能够适当地探测电池组的异常的异常探测方法等。
用于解决问题的技术方案
本公开的一个方式涉及的异常探测方法通过异常探测装置对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测。所述多个蓄电元件分别包含磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物作为正极活性物质,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上。所述异常探测装置获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压,并使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
发明效果
根据本公开,能够适当地探测电池组的异常。
附图说明
图1是示出第1实施方式涉及的蓄电装置的一例的图。
图2是示出蓄电装置的其他例的立体图。
图3是图2的蓄电装置的分解立体图。
图4是异常探测装置等的框图。
图5是关于磷酸铁锂和非铁系锂化合物的混合正极活性物质而示出SOC和电压的关系的充放电曲线。
图6是示出异常探测处理过程的一例的流程图。
图7是示出第2实施方式中的异常探测处理过程的一例的流程图。
图8是示出第3实施方式中的异常探测处理过程的一例的流程图。
具体实施方式
异常探测方法通过异常探测装置对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测。所述多个蓄电元件分别包含磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物作为正极活性物质,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上。所述异常探测装置获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压,并使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
在本说明书中,所谓“电池组的异常”,包含:在构成电池组的多个蓄电元件之中的一部分发生了内部短路的情况、一部分的蓄电元件的容量劣化比其他的蓄电元件的容量劣化超过容许范围地进展的情况、一部分的蓄电元件的充电状态(SOC:State of Charge)比其他的蓄电元件的充电状态超过容许范围地背离的情况等。所谓“电池组的异常”,包含仅在构成电池组的多个蓄电元件之中的一部分发生了异常的情况。
所谓“电压”,意味着将包含正极活性物质的正极和包含负极活性物质的负极组合起来构成蓄电元件时的正极电位与负极电位的电位差。
所谓“电位”,意味着正极单体以及负极单体各自的、相对于Li基准电极(标准电极)的电位差(V vs Li+/Li)。
所谓“充电电量”,意味着通过蓄电元件中的正极活性物质的质量(g)和其理论容量(Ah/g)的相乘而计算的值。
根据上述结构,电池组具备作为正极活性物质而混合了磷酸铁锂、和能够在比磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物的蓄电元件。该蓄电元件在正极活性物质中包含磷酸铁锂,因此在充放电特性上较宽的范围内具有电压几乎不变化的平坦区域。根据混合磷酸铁锂和锂过渡金属氧化物的结构,在充电终止点附近,基于锂过渡金属氧化物中的锂离子的插入脱离反应而形成具有电压变化(能够进行状态推断的斜率)的区域。在该区域中,能够检测充放电时的电压变化并推断蓄电元件的状态。通过获取该区域中的多个蓄电元件各自的电压,从而能够精度良好地推断各蓄电元件的状态,并基于各蓄电元件的状态差来适当地探测电池组的异常。
异常探测方法也可以在所述充电终止点附近的所述锂过渡金属氧化物中的锂离子处于插入反应中(放电中)的所述多个蓄电元件间的电压差为第1阈值以上的情况下,探测到在所述多个蓄电元件的至少任一个发生了内部短路。
充放电特性在充电终止点附近具有斜率,因此能够使用在充电终止点附近处于放电中的多个蓄电元件间的电压差,对于与其他的蓄电元件的电压差较大的蓄电元件,探测发生了内部短路的可能性。
在异常探测方法中,所述第1阈值也可以是比平衡器的工作阈值大的值,该平衡器对充电中的所述多个蓄电元件间的电压差进行降低。
通过使探测内部短路的第1阈值大于平衡器的工作阈值,从而能够降低对实际上未发生内部短路的蓄电元件误判断为发生了内部短路的可能性。
异常探测方法也可以获取所述多个蓄电元件中的、与所述充电终止点附近的所述锂过渡金属氧化物中的锂离子的插入反应或者脱离反应相伴的电流的累计值,并基于获取到的所述电流的累计值来推断所述多个蓄电元件各自的第1劣化度。
充放电特性在充电终止点附近具有能够进行状态推断的斜率,因此能够基于该区域中的电流累计值来推断多个蓄电元件各自的第1劣化度。例如,能够在获取(监控)各蓄电元件的电压的同时,基于使蓄电元件从相当于大致充满电的状态的电压放电至到达(下降到)平坦区域的电压时的行为来推断蓄电元件各自的第1劣化度。劣化进展了的蓄电元件3在图5中成为充电终止点沿着横轴方向向左偏移这样的状态,比其他的蓄电元件3早到达平坦区域的电压。通过充电终止点附近的充放电,能够高效地探测电池组的异常。
异常探测方法也可以基于所述电池组中的一个蓄电元件的第1劣化度和其他的蓄电元件的第1劣化度的比较来探测所述电池组的异常。
例如,能够基于蓄电元件间的第1劣化度的差分来适当地探测电池组的异常。
异常探测方法也可以基于所述多个蓄电元件的使用历史记录来推断所述多个蓄电元件的第2劣化度,并比较所述多个蓄电元件各自中的所述第1劣化度和第2劣化度。
通过比较并核对由不同的方法而获得的第1劣化度和第2劣化度,从而能够推断第1劣化度和第2劣化度的准确性(probability)。例如,对照基于充电终止点附近的充放电而推断出的第1劣化度,判断为基于使用历史记录而推断出的第2劣化度的准确性低的情况下,能够进行基于第1劣化度的、第2劣化度的修正、更新等应对。
在异常探测方法中,也可以在3.2V以上的充放电范围内,获取所述多个蓄电元件各自的电压。
以往的LFP电池的平坦区域的电压大概为3.2V,在该区域中发生了锂离子的插入脱离反应。以往的LFP电池的充满电电压被设定为约3.4V。从3.2V到3.4V之间的电压变化不依赖于锂离子的插入脱离反应,因此非常陡峭。另一方面,在正极活性物质含有能够在比磷酸铁锂高的电压范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物的情况下,3.2V以上的充放电也变得依赖于锂离子的插入脱离反应。通过在该充放电范围内获取多个蓄电元件各自的电压,从而能够精度良好地推断各蓄电元件的状态。
异常探测装置对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测。所述多个蓄电元件分别包含磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物作为正极活性物质,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上。异常探测装置具备:获取部,获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压;和探测部,使用所述获取部获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
蓄电装置具备具有多个蓄电元件的电池组、和上述记载的异常探测装置。
计算机程序使计算机探测具有多个蓄电元件的电池组的异常。所述多个蓄电元件分别含有磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物作为正极活性物质,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上。计算机程序使所述计算机执行如下处理:获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压,并使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
以下,对于本发明,参照表示其实施方式的附图来具体地进行说明。
(第1实施方式)
图1是示出第1实施方式涉及的蓄电装置1的一例的图。蓄电装置1具备异常探测装置2、包含多个蓄电元件3的电池组30、和容纳或者保持它们的保持器4。通过连接多个蓄电元件3,从而构成1个电池组30。在图1的例子中,示出了串联连接6个蓄电元件3而构成的1个电池组30。也可以几个蓄电元件3并联连接。
异常探测装置2配置在多个蓄电元件3的上表面,是在给定定时对各蓄电元件3的状态进行推断并对电池组30的异常进行探测的平板状的电路基板。具体地,异常探测装置2获取包含蓄电元件3的电压以及流过蓄电元件3的电流的测量数据,并基于获取到的测量数据来推断各蓄电元件3的状态。异常探测装置2基于各蓄电元件3的状态来探测蓄电元件3以及电池组30的异常。
在图1中,在蓄电元件3的上表面附近配置了异常探测装置2。代替地,配置场所也可以是蓄电元件3的侧面附近,还可以是蓄电元件3的下表面附近。异常探测装置2的形状不限定于平板状。异常探测装置也可以包含单体监控单元(CMU:Cell Monitoring Unit)、和能够与CMU进行通信的电池管理单元(BMU:Battery Management Unit)。也可以是,仅CMU如图1所示那样配置在多个蓄电元件3的附近,而BMU配置在远离蓄电元件3的场所。异常探测装置2也可以除了CMU以及/或者BMU之外还包含处于远离蓄电元件3的场所且与CMU或者BMU通信连接的服务器装置、电子控制装置(ECU:Electronic Control Unit)。进行电池组的异常探测的场所没有限定,例如,既可以在BMU中进行,也可以在服务器装置、ECU中进行。
蓄电元件3是锂离子二次电池等电池单体。蓄电元件3在多个被电连接的电池组的状态下,适用于电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)或者插电式混合动力电动汽车(PHEV)等汽车用电源、电子设备用电源、电力储存用电源等。
图1作为蓄电装置1而示出单个蓄电模块。代替地,蓄电装置1也可以是包含多个蓄电模块的蓄电包、蓄电设备这样的所谓的高压电源。
图2以及图3示出蓄电装置1的其他例,图2是蓄电装置1的立体图,图3是蓄电装置1的分解立体图。蓄电装置1是适当地搭载于发动机车辆、EV、HEV、PHEV的、12V电源、48V电源这样的所谓的低压电源。
蓄电装置1具有对异常探测装置2、包含多个蓄电元件3的电池组30进行容纳的长方体状的容纳壳体4a。异常探测装置2为BMU。蓄电元件3为锂离子二次电池。在容纳壳体4a还容纳多个汇流条5以及电流传感器7(参照图4)等。在图2以及图3中,蓄电装置1为12V电源,将4个蓄电元件3串联连接而构成的1个电池组30容纳于容纳壳体4a。
容纳壳体4a是合成树脂制的。容纳壳体4a具备壳体主体41、将壳体主体41的开口部闭塞的盖部42、设置在盖部42的外表面的容纳部43、覆盖容纳部43的覆盖件44、中盖45、和隔离板46。也可以不设置中盖45、隔离板46。在壳体主体41的各隔离板46之间插入有蓄电元件3。
在中盖45载置有多个金属制的汇流条5。在蓄电元件3的设置有端子32的端子面附近配置了中盖45,相邻的蓄电元件3的相邻的端子32通过汇流条5而连接,蓄电元件3被串联连接。
容纳部43呈箱状,在俯视下的一个长侧面的中央部具有向外侧突出的突出部43a。在盖部42中的突出部43a的两侧,设置有铅合金等金属制的极性不同的一对外部端子6、6。在容纳部43容纳有异常探测装置2。异常探测装置2经由未图示的导电体而与蓄电元件3连接。异常探测装置2对多个蓄电元件3的状态进行管理,并对蓄电装置1的各部分进行控制。
蓄电元件3具备中空长方体状的壳体31、和设置在壳体31的一个侧面(端子面)的极性不同的一对端子32、32。在壳体31容纳有层叠正极33a、分隔件33b以及负极33c而成的电极体33、和未图示的电解质(电解液)。
电极体33通过将形成有正极活性物质层的片状的正极33a和形成有负极活性物质层的片状的负极33c隔着2片的片状的分隔件33b相互重叠,并将它们卷绕(纵向卷绕或者横向卷绕)而构成。分隔件33b由多孔性的树脂薄膜形成。作为多孔性的树脂薄膜,能够使用包含聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等树脂的多孔性树脂薄膜。
正极活性物质层包含正极活性物质。正极活性物质层也可以还包含导电助剂、粘合剂等。作为正极活性物质,使用包含作为主成分的第1正极活性物质和第2正极活性物质的混合正极活性物质。第1正极活性物质以及第2正极活性物质均能够进行锂离子的插入以及脱离,引起锂离子的插入反应以及脱离反应的电位范围不同。第2正极活性物质能够在比第1正极活性物质高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应。另外,关于与锂离子的插入脱离反应相伴的电位范围,将在后面叙述。
第1正极活性物质是包含锂和铁作为构成元素的磷酸铁锂(LiFePO4)。
第2正极活性物质包含锂和过渡金属元素作为构成金属元素,并且,包含活性物质粒子,该活性物质粒子包含锂离子的插入脱离反应的电位比第1正极活性物质高的锂过渡金属氧化物(以下,也称为非铁系锂化合物)。作为第2正极活性物质,例如,可列举锰系锂复合氧化物、钴系锂复合氧化物、镍系锂复合氧化物等。典型地,这些氧化物由通式:LiMnO2、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni,Mn,Co)O2表示。本实施方式涉及的第2正极活性物质在不损害本发明的效果的范围内,不排除含有少量的其他元素。第2正极活性物质也可以形成固溶体。
负极活性物质层包含负极活性物质。作为负极活性物质,例如,可列举石墨、硬碳、软碳等碳材料。负极活性物质层也可以还包含粘合剂、增粘剂等。
对于与电极体33一起容纳于容纳壳体4a的电解质,能够使用与以往的锂离子二次电池同样的电解质。例如,作为电解质,能够使用使有机溶剂中含有支撑盐的电解质。作为有机溶剂,例如,可使用碳酸盐类、酯类、醚类等非质子性溶剂。作为支撑盐,例如,可适当地使用LiPF6、LiBF4、LiClO4等锂盐。电解质例如也可以包含气体产生剂、被膜形成剂、分散剂、增粘剂等各种添加剂。
在图2以及图3中,作为蓄电元件3的一例,对具备卷绕型电极体33的方型锂离子电池进行了说明。代替地,蓄电元件3也可以是圆筒型锂离子电池。蓄电元件3也可以是具备层叠型电极体的锂离子电池,还可以是层压型(袋型)锂离子电池等。进而,蓄电元件3也可以是使用了固体电解质的全固体锂离子电池。
图4是异常探测装置2等的框图。具备异常探测装置2的蓄电装置1与车辆ECU8、发动机起动用的起动电动机以及电气部件等负载9连接。异常探测装置2具备运算部21、存储部22、电压测量部23、输入部24、输出部25等。
运算部21是具备CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)、ROM(Read OnlyMemory,只读存储器)、RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)等的运算电路。运算部21所具备的CPU通过执行ROM、存储部22中保存的各种计算机程序,并控制上述的硬件各部分的动作,由此使装置整体作为本公开的异常探测装置发挥功能。运算部21也可以具备测量从赋予测量开始指示起到赋予测量结束指示为止的经过时间的定时器、对数量进行计数的计数器、输出日期时间信息的时钟等的功能。
存储部22是闪存等存储装置。在存储部22存储各种计算机程序以及数据。在存储于存储部22的计算机程序中,例如,包含用于使运算部21执行与蓄电装置1的异常探测有关的运算的异常探测程序221。
异常探测程序221例如由以能够读取的方式记录了计算机程序的非易失性记录介质M来提供。记录介质M是CD-ROM、USB存储器、SD(Secure Digital,安全数字)卡等可携带型存储器。运算部21使用未图示的读取装置,从记录介质M读取所希望的计算机程序,并使读取出的计算机程序存储于存储部22。代替地,上述计算机程序也可以通过通信来提供。
也可以在存储部22中保存后述的表示电压和蓄电元件3的SOC的关系的表格。
电压测量部23经由电压探测线而与蓄电元件3的两端分别连接。电压测量部23以给定时间间隔测量各蓄电元件3的电压值,由此获取各蓄电元件3的电压、电池组的总电压。运算部21通过电压测量部23来获取电压值。
输入部24具备用于连接电流传感器7的接口。输入部24受理与电流传感器7以给定时间间隔测量出的电流有关的信号。运算部21通过输入部24来获取电流值。
也可以在输入部24还连接热电偶、热敏电阻等温度传感器。运算部21通过输入部24来获取由温度传感器测量出的蓄电元件3或蓄电装置1的温度数据。
输出部25既可以是通信部,也可以具备用于连接外部装置的接口。外部装置的一例是液晶显示器等显示装置(未图示)。代替地,外部装置也可以是用户使用的计算机、智能手机等终端装置(未图示)。运算部21将电池组30的异常探测结果从输出部25向外部装置输出。
蓄电装置1也可以具备用于降低蓄电元件3间的电压差的平衡器。平衡器是包含与各蓄电元件并联连接的放电用负载以及开关,用于使电流流向放电用负载来消耗蓄电元件的电量的电路。在任一个蓄电元件3的电压值为给定值(工作阈值)以上的情况下,运算部21使该蓄电元件3的平衡器工作。在平衡器工作且开关成为接通状态的情况下,为了充电而从蓄电元件3的外部供给的电流的一部分流向平衡器,电量被消耗。
运算部21基于获取到的电流值、电压值、温度等来推断蓄电元件3的状态,对蓄电装置1的异常进行探测。
在此,对本实施方式的使用了混合正极活性物质的蓄电元件的充放电特性详细地进行说明。
首先,对单独地使用了磷酸铁锂以及非铁系锂化合物的情况下的充放电特性进行说明。以下,作为充放电特性,对表示蓄电元件的SOC和电压的关系的充放电曲线进行说明。充放电曲线是在横轴示出SOC(%)并在纵轴示出电压(V)的曲线图。
例如,在正极活性物质中包含LiFePO4且负极活性物质中包含石墨的LFP电池的情况下,可获得如下的SOC-OCV(Open Circuit Voltage:开路电压)曲线,即:在SOC低的充电初始,电压上升之后,在SOC为5%~95%的较宽的范围内存在电压上升极其平缓的平坦区域,在充电末期,电压急剧地上升。电压在约3.4V以下的范围内变化,在3.2V附近具有平坦区域。该平坦电压是在LiFePO4中引起锂离子的插入反应或者脱离反应的电压。在平坦终止点,锂离子的插入反应或者脱离反应大致结束,随后的电压上升不依赖于锂离子的插入脱离反应,因此非常陡峭。像这样,在单独地使用了磷酸铁锂的情况下,在SOC的较宽的范围内电压几乎不变化,能够探测电压的变化的SOC的范围非常窄。
另一方面,例如,在正极活性物质中包含LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NCM111)且负极活性物质中包含石墨的三元系电池的情况下,可获得如下的SOC-OCV曲线,即:在充电初始,电压上升之后,电压不断增大地上升至SOC100%。电压在约3.4V~4.1V的范围内变化。像这样,在单独地使用了非铁系锂化合物的情况下,在SOC的较宽的范围内充放电曲线具有斜率,因此易于探测电压的变化。
本发明人着眼于根据正极活性物质的种类而能够进行锂离子的插入脱离反应的电位范围、电位变化程度不同。本发明人获得了如下的见解:在以磷酸铁锂为主成分的正极活性物质中混合能够进行锂离子的插入脱离反应的电位高的非铁系锂化合物,使两种以上的正极活性物质所引起的电位的变化反映到充放电曲线的电压变化中,并使用该电压的变化来推断蓄电元件3的状态,能够对电池组30的异常进行探测。
图5是关于磷酸铁锂和非铁系锂化合物的混合正极活性物质而示出SOC和电压的关系的充放电曲线。横轴为SOC(%),纵轴为电压(V)。图5中的实线表示充电曲线,虚线表示放电曲线。虽然未图示,但表示OCV的曲线位于充电曲线和放电曲线的大致中间。对于正极活性物质,使用了LiFePO4和NCM111。对于负极活性物质,使用了石墨。基于LiFePO4的总量的充电电量和基于NCM111的总量的充电电量的比率例如为90∶10。
如图5所示,在使用了混合正极活性物质的情况下,在充放电曲线中,形成有电压上升的上升区域R1、电压几乎不变化的平坦区域R2、以及电压具有斜率地上升(变化)的变化区域R3。在图5的例子中,在SOC为0%~不足约5%的范围内形成有上升区域R1,在SOC为约5%~不足90%的范围内形成有平坦区域R2,在SOC为90%~100%的范围内形成有变化区域R3。上升区域R1以及平坦区域R2是在LiFePO4中发生锂离子的插入脱离的范围(SOC为0%~不足90%)。变化区域R3是在NCM111中发生锂离子的插入脱离的范围(SOC为90%~100%)。在图5的例子中,变化区域R3相当于充电终止点附近。
上升区域R1以及平坦区域R2中的电压的变化域相当于LFP电池的工作电压(3.4V以下)的范围。变化区域R3中的电压的变化域相当于三元系电池的工作电压(3.4V~4.2V)的范围。平坦区域R2形成在电压3.2V附近。
变化区域R3即充电终止点附近也可以为3.2V以上的充放电范围。
在本实施方式中,通过将LiFePO4和NCM111进行混合,从而与单独地使用了LiFePO4的情况相比,使平坦区域的平坦终止点向SOC低的方向移动(偏移)。由此,能够扩大形成在充电终止点附近的变化区域R3的范围,使变化区域R3中的电压的上升变得平缓。变化区域R3的范围以及电压的斜率可根据LiFePO4和NCM111的混合比率而适当地设定。通过使用该充电终止点附近的变化区域R3的电压变化,从而能够基于电压来精度良好地推断蓄电元件3的状态,适当地探测电池组30的异常。
本实施方式中的非铁系锂化合物(第2正极活性物质)的含有比例优选以基于正极活性物质的总量的充电电量为基准,将基于非铁系锂化合物的总量的充电电量设为5%以上。非铁系锂化合物的含有比例越高,越能够在较宽的SOC范围内探测电压的变化。因此,非铁系锂化合物的含有比例更优选为10%以上。此外,若非铁系锂化合物的含有比例适量,则能够使充放电曲线的斜率变得适当,并且能够确保蓄电元件3的给定的安全性。因此,非铁系锂化合物的含有比例能够设为不足30%,更优选为不足20%。
异常探测装置2通过对上述的变化区域R3中的蓄电元件3的电压值进行测量,从而探测蓄电元件3的异常。在本实施方式中,对蓄电元件3的内部短路涉及的异常进行探测。异常探测装置2分别获取由电压测量部23测量出的各蓄电元件3的电压值。通过判定获取到的电压值的各蓄电元件3间的差分是否为第1阈值以上,从而探测各蓄电元件3的内部短路的产生。产生了内部短路的蓄电元件3的电压值变得比正常的蓄电元件3的电压值低。因此,能够基于与其他的蓄电元件3的电压差来探测内部短路的产生。在变化区域R3中获取电压值,因此能够精度良好地检测电压值的偏差。从能够准确且可靠地探测内部短路这样的观点出发,第1阈值优选为300mV以下,更优选为50mV以下且20mV以上。
在蓄电装置1具备平衡器的情况下,用于内部短路的探测的第1阈值优选大于用于是否使平衡器工作的判定的第2阈值。例如,异常探测装置2在电池组30的充电中判定为电压值的各蓄电元件3间的差分为第2阈值以上的情况下,向平衡器输出工作指示。通过使电压值比其他的蓄电元件3高的蓄电元件3的平衡器工作,从而调整相对于电压值高的蓄电元件3的电量,各蓄电元件3间的充电状态被均等化。通过使第1阈值大于该平衡器的工作用的第2阈值,从而能够将未被平衡器的工作消除的电压差的产生探测为内部短路。第2阈值例如能够设为10mV。
图6是示出异常探测处理过程的一例的流程图。异常探测装置2的运算部21按照异常探测程序221在给定的定时执行以下的处理。
运算部21在各蓄电元件3的放电中(锂离子向正极活性物质的插入反应中),通过电压测量部23来获取各蓄电元件3的端子间的电压值(步骤S11)。在异常探测装置2设置于远程地的情况下,运算部21通过经由输出部25(通信部)的通信来接收蓄电元件3的测量数据。
运算部21判断获取到的电压值和预先设定的阈值的大小关系,并判定获取到的电压值是否在变化区域R3内(充电终止点附近)(步骤S12)。在判定为电压值不在变化区域R3内的情况下(步骤S12:否),运算部21结束处理。另一方面,在判定为电压值在变化区域R3内的情况下(步骤S12:是),运算部21推进处理,执行异常探测。运算部21也可以在获取到的多个电压值之中1个以上在变化区域R3内的情况下,执行异常探测。
运算部21基于获取到的各蓄电元件3的电压值来计算表示最小电压值与最大电压值之差的电压差(步骤S13)。运算部21从获取到的多个蓄电元件3的电压值之中确定最小电压值和最大电压值,通过计算最大电压值和最小电压值的差分,从而计算电压差。
运算部21基于计算出的电压差来判定是否产生了内部短路(步骤S14)。具体地,运算部21判断计算出的电压差和预先设定的第1阈值的大小关系,通过判断计算出的电压差是否为第1阈值以上,从而判定有无内部短路的产生。
在根据计算出的电压差不足第1阈值从而判定为未产生内部短路的情况下(步骤S14:否),运算部21结束处理。运算部21也可以通过输出部25来输出表示电池组30正常的意思的信息。
在根据计算出的电压差为第1阈值以上从而判定为产生了内部短路的情况下(步骤S14:是),运算部21通过输出部25来输出表示探测到电池组30异常的意思的异常信息(步骤S15),并结束一系列的处理。
在上述的处理中,运算部21也可以与有无电池组30的异常一起判定表示异常的程度的异常级别。异常级别例如被分类为高、中、低的多个等级。运算部21基于计算出的电压差和预先设定的多个阈值来判定异常级别。运算部21输出与异常级别相应的异常信息。在异常级别为中或者低的情况下,输出通知异常级别的警告消息、促使经过给定期间后的修理或者更换等的消息。在异常级别为高的情况下,也可以与搭载电池组30的设备协作,例如使车辆的显示装置等强制性地显示紧急性高的警告消息,也可以输出用于使设备的运转安全地停止的控制信号。
根据本实施方式,在包含多个蓄电元件3的电池组30中,通过使用将作为主成分的磷酸铁锂和非铁系锂化合物进行了混合的正极活性物质,从而能够将容易检测电压差的变化区域R3形成在充电终止点附近。根据在该变化区域R3中检测到的电压差能够精度良好地探测内部短路。
在以往搭载于车辆的面向12V的铅蓄电池用的充电器中,进行14.8V的恒压充电。在将该充电器用于具备串联连接了4个蓄电元件3的电池组30的蓄电装置1的情况下,在将LiFePO4单独地用于正极活性物质的蓄电元件3中有可能变得过充电。通过将LiFePO4和NCM111进行混合,从而成为充满电的电压变高,因此能够适当地使用面向12V的铅蓄电池用的充电器。
在本实施方式中,在图6的流程图中说明的处理中,对异常探测装置2的运算部21执行各处理的例子进行了说明。代替地,异常探测装置2的运算部21也可以通过输出部25(通信部)与外部装置(未图示)进行通信,由此协作地执行处理。进行异常探测的处理主体并不限定于异常探测装置2。
(第2实施方式)
在第2实施方式中,对与蓄电元件3的劣化度有关的异常进行探测。以下,主要对与第1实施方式的不同点进行说明,关于与第1实施方式共同的结构标注相同的符号并省略其详细的说明。
劣化度既可以是蓄电元件3的充满电容量也可以是容量维持率。容量维持率也被称为SOH(State of health,健康状态),是劣化时的充满电容量相对于蓄电元件3的初始的充满电容量的比率。异常探测装置2通过执行变化区域R3(充电终止点附近)中的充放电,从而推断各蓄电元件3的劣化度,并基于一部分的蓄电元件3的劣化度是否比其他的蓄电元件3的劣化度超过容许范围地进展来探测电池组30的异常。
图7是示出第2实施方式中的异常探测处理过程的一例的流程图。在各蓄电元件3的充放电中,异常探测装置2的运算部21按照异常探测程序221来执行以下的处理。以下,对作为劣化度而推断容量维持率的处理进行说明。
在各蓄电元件3中,进行变化区域R3中的充放电。运算部21在充放电时以给定间隔通过输入部24来获取电池组30的电流值(步骤S21)。此外,运算部21通过电压测量部23来获取各蓄电元件3的端子间的电压值(步骤S22)。
运算部21基于获取到的电流值以及电压值来获取变化区域R3(充电终止点附近)中的各蓄电元件3的充电电量或者放电电量(步骤S23)。
运算部21对各蓄电元件3中的第1劣化度(SOH)进行推断(步骤S24)。例如,基于从相当于充满电的状态的电压放电至到达(下降到)平坦区域的电压时的行为,能够推断蓄电元件3各自的第1劣化度。劣化进展了的蓄电元件3在图5中成为充电终止点沿着横轴方向向左偏移这样的状态,比其他的蓄电元件3早到达平坦区域的电压。
运算部21对推断出的各蓄电元件3的第1劣化度进行比较(步骤S25),判定电池组30是否异常(步骤S26)。具体地,运算部21从获取到的多个蓄电元件3的第1劣化度SOH之中确定最大值和最小值,并计算最大值和最小值的差分。运算部21通过判断计算出的最大值和最小值的差分是否为阈值以上,从而判定有无异常。在最大值和最小值的差分为阈值以上的情况下,判定为异常。在最大值和最小值的差分不足阈值的情况下,判定为不是异常。
在判定为电池组30不是异常的情况下(步骤S26:否),运算部21结束处理。运算部21也可以通过输出部25来输出表示电池组30是正常的意思的信息。
在判定为电池组30异常的情况下(步骤S26:是),运算部21通过输出部25来输出表示探测到电池组30的异常的意思的异常信息(步骤S27),并结束一系列的处理。
在上述中,根据最大值和最小值的差分对异常进行了判定。代替地,运算部21也可以从获取到的各蓄电元件3的第1劣化度之中确定基准第1劣化度(例如,最大值或者最小值),分别计算确定出的基准第1劣化度和其他的蓄电元件3的第1劣化度的差分,进行阈值判断。异常探测只要探测各蓄电元件3间的状态差即可。
在上述中,作为蓄电元件3的状态而对容量维持率(劣化程度)进行了推断。代替地,运算部21作为蓄电元件3的状态也可以推断充电状态(SOC)。例如,SOC使用以下的式(1)来计算。
SOCi=SOCi-1+Ii×Δti/Q×100...(1)
SOCi为本次的SOC,SOCi-1为上次的SOC,Ii为电流值,Δti为时间间隔,Q为充满电容量。
也可以在一部分的蓄电元件3的SOC比其他的蓄电元件3的SOC超过容许范围地背离的情况下,探测电池组30的异常。
根据本实施方式,通过在变化区域R3中获取电流的累计值,从而能够适当地推断第1劣化度,对电池组30的异常进行探测。在单独地使用了磷酸铁锂的情况下,电压变化少的平坦区域较宽,只有通过实质上进行完全充放电(进行所谓的容量确认)才能推断蓄电元件3的劣化度。根据本实施方式,通过使用变化区域R3的电压变化从而容易判断变化区域R3的开始以及结束,因此通过部分充放电能够高效地推断蓄电元件3的劣化度。
(第3实施方式)
在第3实施方式中,对通过不同的方法而推断的劣化度进行比较。以下,主要对与第2实施方式的不同点进行说明,关于与第1实施方式共同的结构标注相同的符号并省略其详细的说明。
运算部21通过对根据变化区域R3中的电流的累计值而推断出的第1劣化度、和根据与第1劣化度的推断方法不同的方法而获得的第2劣化度进行比较,从而推断第2劣化度的准确性。
图8是示出第3实施方式中的异常探测处理过程的一例的流程图。异常探测装置2的运算部21按照异常探测程序221在给定的定时执行以下的处理。以下,对作为第1劣化度以及第2劣化度而推断SOH的例子进行说明。
运算部21对第2劣化度进行推断(步骤S31)。第2劣化度的推断方法没有特别限定。第2劣化度例如也可以使用蓄电元件3的使用历史记录的实测数据,通过数理模型逐次计算并存储。在使用历史记录数据中包含电流值、电压值、温度、使用时间等。运算部21严格区分通电劣化和非通电劣化,基于路径规则来计算各自的劣化度,通过累计这些劣化度从而计算第2劣化度。针对第1正极活性物质以及第2正极活性物质分别计算第2劣化度。
运算部21对第1劣化度和与第2正极活性物质有关的第2劣化度进行比较(步骤S32),推断与第2正极活性物质有关的第2劣化度的准确性(步骤S33)。准确性也可以基于第1劣化度和第2劣化度的误差来推断。运算部21例如在误差不足给定值的情况下判定为准确性高,在误差为给定值以上的情况下判定为准确性低。代替地,准确性也可以被分类为3个等级以上,也可以由数值来表示。
运算部21基于推断出的准确性来判定第2劣化度的推断结果是否异常(步骤S34)。在判定为第2劣化度的推断结果不是异常的情况下(步骤S34:否),运算部21结束处理。另一方面,在判定为第2劣化度的推断结果异常的情况下(步骤S34:是),输出表示第2劣化度的推断结果异常(准确性低)的意思的异常信息(步骤S35),并结束一系列的处理。
在上述的处理中,判定为第2劣化度的准确性低、推断结果异常的情况下,运算部21也可以基于第1劣化度来更新或者重置与第2正极活性物质有关的第2劣化度。运算部21也可以在第2劣化度更新或者重置后,将被更新的第2劣化度作为新的基准值,重新开始第2劣化度的推断。
运算部21也可以将与第2正极活性物质有关的第2劣化度的准确性用于与第1正极活性物质有关的第2劣化度的准确性的推断。运算部21也可以根据第2劣化度的准确性来更新或者重置与第1正极活性物质有关的第2劣化度。作为第1劣化度求出的源自第2正极活性物质的SOH和源自第1正极活性物质的SOH不严格地一致。但是,在单个蓄电元件3中,能够认为这些SOH大致相同来推进处理。由此,不对第1正极活性物质的第1劣化度和第2劣化度进行比较,就能够获得与第1正极活性物质有关的第2劣化度的准确性。
根据本实施方式,取基于两种不同方法的劣化度的差分,在两个值有背离的情况下能够判断为异常。第2劣化度是基于使用历史记录而获得的推断值,因此担心该推断误差随着时间变化而变大。通过利用与使用方式相符的第1劣化度进行比较/核对,从而能够适当地更新(修正)第2劣化度。
本次公开的实施方式在所有的方面均为例示,并非限制性的。本发明的范围由权利要求书示出,包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有的变更。
符号说明
1蓄电装置;
2异常探测装置;
21运算部;
22存储部;
23电压测量部;
24输入部;
25输出部;
221异常探测程序;
M记录介质;
3蓄电元件;
30电池组;
33a正极。

Claims (10)

1.一种异常探测方法,通过异常探测装置对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测,其中,
所述多个蓄电元件分别含有磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物,作为正极活性物质,
所述多个蓄电元件各自中,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上,
所述异常探测装置获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压,
所述异常探测装置使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
2.根据权利要求1所述的异常探测方法,其中,
在所述充电终止点附近的所述锂过渡金属氧化物中的锂离子处于插入反应中的所述多个蓄电元件间的电压差为第1阈值以上的情况下,探测到在所述多个蓄电元件的至少任一个发生了内部短路。
3.根据权利要求2所述的异常探测方法,其中,
所述第1阈值是比平衡器的工作阈值大的值,所述平衡器对充电中的所述多个蓄电元件间的电压差进行降低。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的异常探测方法,其中,
获取所述多个蓄电元件中的、与所述充电终止点附近的所述锂过渡金属氧化物中的锂离子的插入反应或者脱离反应相伴的电流的累计值,
基于获取到的所述电流的累计值来推断所述多个蓄电元件各自的第1劣化度。
5.根据权利要求4所述的异常探测方法,其中,
基于所述电池组中的一个蓄电元件的第1劣化度和其他的蓄电元件的第1劣化度的比较来探测所述电池组的异常。
6.根据权利要求4或5所述的异常探测方法,其中,
基于所述多个蓄电元件的使用历史记录来推断所述多个蓄电元件的第2劣化度,
比较所述多个蓄电元件各自中的所述第1劣化度和第2劣化度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的异常探测方法,其中,
在3.2V以上的充放电范围内,获取所述多个蓄电元件各自的电压。
8.一种异常探测装置,对具有多个蓄电元件的电池组的异常进行探测,其中,
所述多个蓄电元件分别含有磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物,作为正极活性物质,
所述多个蓄电元件各自中,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上,
所述异常探测装置具备:
获取部,获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压;和
探测部,使用所述获取部获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
9.一种蓄电装置,具备:
电池组,具有多个蓄电元件;和
权利要求8所述的异常探测装置。
10.一种计算机程序,使计算机探测具有多个蓄电元件的电池组的异常,其中,
所述多个蓄电元件分别含有磷酸铁锂、和能够在比所述磷酸铁锂高的电位范围内进行锂离子的插入脱离反应的锂过渡金属氧化物,作为正极活性物质,
所述多个蓄电元件各自中,使用所述蓄电元件的充放电范围内的基于所述锂过渡金属氧化物的总量的充电电量相对于基于所述正极活性物质的总量的充电电量的比例为5%以上,
所述计算机程序用于使所述计算机执行如下处理:
获取使用所述蓄电元件的充放电范围的充电终止点附近的所述多个蓄电元件各自的电压;和
使用获取到的所述多个蓄电元件的电压来探测所述电池组的异常。
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