電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及推定二次電池的劣化狀態(tài)、充電狀態(tài)的電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在專利文獻1中，根據(jù)電解液中的鋰離子濃度的偏向的變化算出評價值，基于評 價值控制二次電池的輸出。在此，評價值是評價二次電池的劣化的值。
[0003] 如果將二次電池放電，則電解液中的鋰離子會從負極向正極移動，由此在電解液 中發(fā)生鋰離子濃度的偏向。認為該鋰離子濃度的偏向是二次電池劣化的主要原因，在專利 文獻1中，與電極間的鋰離子濃度的偏向相應地算出評價值。
[0004] 在先技術(shù)文獻
[0005] 專利文獻1 :日本特開2009-123435號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在將二次電池進行了充放電時，不僅發(fā)生電極間的鋰離子濃度的偏向。具體而言， 在正極與負極彼此相對的平面內(nèi)，會發(fā)生鋰離子濃度的偏向、存在于正極與負極之間的鋰 離子濃度發(fā)生變化。電極的平面內(nèi)的鋰離子濃度的偏向、電極間的鋰離子濃度的變化也會 對二次電池的劣化帶來影響。
[0007] 本發(fā)明的電池系統(tǒng)具有進行充放電的二次電池、和推定二次電池的劣化狀態(tài)或充 電狀態(tài)的控制器。在此，控制器推定劣化狀態(tài)或充電狀態(tài)時，利用正極與負極之間的平均離 子濃度。該平均離子濃度根據(jù)二次電池中流通的電流而變化。
[0008] 根據(jù)二次電池中流通的電流，正極與負極之間的平均離子濃度、換言之為存在于 正極與負極之間的離子量發(fā)生變化。例如，根據(jù)二次電池的放電狀態(tài)，電解液從正極與負極 之間泄漏，其結(jié)果使電極間的平均離子濃度降低。
[0009] 像這樣，如果電極間的平均離子濃度發(fā)生變化，則會對二次電池的劣化狀態(tài)、充電 狀態(tài)帶來影響。因此，本發(fā)明中，在推定二次電池的劣化狀態(tài)、充電狀態(tài)時，考慮了電極間的 平均離子濃度。由此，能夠在反映了平均離子濃度的狀態(tài)下掌握劣化狀態(tài)、充電狀態(tài)。
[0010] 電極間的平均離子濃度，可以利用包含二次電池的面壓力作為變量的運算式算 出。電極間的平均離子濃度依賴于二次電池的面壓力，因此只要能夠掌握二次電池的面壓 力，就能夠算出電極間的平均離子濃度。
[0011] 例如，由于面壓力的參差不均，電解液會從正極與負極之間泄漏，使平均離子濃度 降低。因此，只要掌握二次電池的面壓力，就能夠算出電極間的平均離子濃度。二次電池的 面壓力可以利用壓力傳感器檢測。另外，由于二次電池的面壓力依賴于二次電池中流通的 電流，因此也能夠由二次電池的電流推定面壓力。二次電池的電流可以利用電流傳感器檢 測。
[0012] 二次電池的劣化狀態(tài)或充電狀態(tài)不僅依賴于平均離子濃度，也依賴于正極與負極 之間的離子濃度偏向。因此，通過不僅掌握電極間的平均離子濃度，也掌握電極間的離子濃 度偏向，能夠提高劣化狀態(tài)、充電狀態(tài)的推定精度。
[0013] 在此，電極間的離子濃度偏向根據(jù)二次電池中流通的電流而變化。因此，只要利用 電流傳感器檢測二次電池中流通的電流，就能夠算出電極間的離子濃度偏向。具體而言，通 過將電流傳感器的檢測值代入包含電流值作為變量的運算式，能夠算出電極間的離子濃度 偏向。
[0014] 二次電池的劣化狀態(tài)不僅依賴于平均離子濃度，也依賴于正極與負極相對的平面 內(nèi)（電極面內(nèi)）的離子濃度偏向。因此，通過不僅掌握電極間的平均離子濃度，也掌握電極 面內(nèi)的離子濃度偏向，能夠提高劣化狀態(tài)的推定精度。
[0015] 電極面內(nèi)的離子濃度偏向依賴于二次電池的面壓力。具體而言，由于面壓力的參 差不均，在電極面內(nèi)容易產(chǎn)生離子濃度的偏向。因此，只要掌握二次電池的面壓力，就能夠 算出電極面內(nèi)的離子濃度偏向。具體而言，通過利用包含面壓力作為變量的運算式，能夠算 出離子濃度的偏向。
[0016] 另一方面，只要掌握電極間的平均離子濃度、電極間的離子濃度偏向、以及電極面 內(nèi)的離子濃度偏向，就能夠進一步提高劣化狀態(tài)的推定精度。在推定出二次電池的劣化狀 態(tài)、且規(guī)定推定出的劣化狀態(tài)的參數(shù)大于閾值時，能夠限制二次電池的輸出或輸入。
[0017]由此，能夠抑制規(guī)定劣化狀態(tài)的參數(shù)的上升，能夠提高二次電池的壽命。另外，如 上所述，只要能夠提高劣化狀態(tài)的推定精度，就能夠抑制過度限制二次電池的輸入輸出，能 夠提高二次電池的輸入輸出性能。另外，也能夠抑制過度緩和二次電池的輸入輸出，能夠抑 制二次電池的劣化過度進行。其結(jié)果，能夠提高二次電池的壽命。
[0018] 只要算出活性物質(zhì)內(nèi)的平均離子濃度，就能夠推定二次電池的充電狀態(tài)。即，只 要求出活性物質(zhì)內(nèi)的平均離子濃度與充電狀態(tài)的對應關(guān)系，算出活性物質(zhì)內(nèi)的平均離子濃 度，由此能夠確定二次電池的充電狀態(tài)?；钚晕镔|(zhì)內(nèi)的平均離子濃度可以由活性物質(zhì)內(nèi)的 離子濃度分布算出。
[0019] 活性物質(zhì)內(nèi)的離子濃度分布可以在設定了活性物質(zhì)的界面的邊界條件后，利用擴 散方程式算出。在此，由于邊界條件依賴于電流密度，因此如果算出電流密度，則能夠確定 邊界條件。電流密度可以利用電池模型公式由二次電池的電壓、和濃度過電壓算出。
[0020] 二次電池的電壓可以利用電壓傳感器檢測。濃度過電壓依賴于電極間的平均離子 濃度、和電極間的離子濃度偏向。因此，如上述那樣，只要算出電極間的平均離子濃度和離 子濃度偏向，就能夠掌握濃度過電壓。
【附圖說明】
[0021] 圖1是表示電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
[0022] 圖2是表示二次電池的結(jié)構(gòu)的概略圖。
[0023] 圖3是對電極間的離子濃度偏向進行說明的圖。
[0024] 圖4是對電極面內(nèi)的離子濃度偏向進行說明的圖。
[0025] 圖5是對電極間的平均離子濃度進行說明的圖。
[0026] 圖6是表示算出電極間的離子濃度偏向的處理的流程圖。
[0027] 圖7是表示算出電極面內(nèi)的離子濃度偏向的處理的流程圖。
[0028] 圖8是表示算出電極間的平均離子濃度的處理的流程圖。
[0029]圖9是表示算出劣化值的處理的流程圖。
[0030] 圖10是表示控制二次電池的輸出的處理的流程圖。
[0031]圖11是表示在控制二次電池的輸出時的劣化值和輸出功率的變化的圖。
[0032] 圖12是表示控制二次電池的輸入的處理的流程圖。
[0033] 圖13是表示在控制二次電池的輸入時的劣化值和輸入功率的變化的圖。
[0034] 圖14是表示在電池模型公式中所使用的變量等的一覽的圖。
[0035] 圖15是對電池模型進行說明的概念圖。
[0036] 圖16是表示由極坐標所示的活性物質(zhì)模型的概念圖。
[0037] 圖17是表示二次電池的端子電壓與各種平均電位的關(guān)系的圖。
[0038] 圖18是對擴散系數(shù)的溫度依賴性進行說明的圖。
[0039] 圖19A是表示開路電壓（正極）與局部SOC的關(guān)系的圖。
[0040] 圖19B是表示開路電壓（負極）與局部SOC的關(guān)系的圖。
[0041] 圖20是表示設置于控制器內(nèi)部的電池狀態(tài)推定部的結(jié)構(gòu)的概略圖。
[0042] 圖21是表示SOC與鋰平均濃度的關(guān)系的圖。
[0043] 圖22是表示推定SOC的處理的流程圖。
【具體實施方式】
[0044] 以下，對本發(fā)明的實施例進行說明。
[0045] 實施例1
[0046] 圖1是表示本實施例的電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。圖1所示的電池系統(tǒng)能夠搭載于車 輛。作為車輛，有HV(HybridVehicle，混合動力汽車）、PHV(Plug-inHybridVehicle，插 入式混合動力汽車）和EV(ElectricVehicle，電動車）。再者，只要是將二次電池充放電 的系統(tǒng)，就能夠應用本發(fā)明。
[0047] HV中，作為用于使車輛行駛的動力源，除了后述的電池組以外，還具備內(nèi)燃機或燃 料電池之類的其它動力源。PHV中，能夠在HV的基礎上利用來自外部電源的電力將電池組 充電。EV中，作為車輛的動力源，僅具備電池組，能夠接受來自外部電源的電力供給，將電池 組充電。外部電源是在車輛的外部，與車輛分開設置的電源（例如商用電源）。
[0048] 電池組100具有串聯(lián)電連接的多個二次電池1。作為單電池的二次電池1，有鎳氫 電池、鋰離子電池等。二次電池1的數(shù)量可以基于電池組100的需求輸出等適當設定。
[0049] 本實施例的電池組100中，所有的二次電池1都是串聯(lián)電連接，但并不限于此。即 電池組100也可以包含并聯(lián)電連接的多個二次電池1。監(jiān)控單元201檢測電池組100的端 子間電壓、檢測各二次電池1的電壓Vb，將檢測結(jié)果輸出到控制器300。
[0050] 構(gòu)成電池組100的多個二次電池1被分為多個電池模塊時，監(jiān)控單元201也能夠 檢測各電池模塊的電壓。電池模塊由串聯(lián)電連接的多個二次電池1構(gòu)成，通過多個電池模 塊串聯(lián)電連接，構(gòu)成電池組100。
[0051] 電流傳感器202檢測電池組100中流通的電流Ib，將檢測結(jié)果輸出到控制器300。 本實施例中，將放電電流lb設為正值（lb>0)，將充電電流lb設為負值（lb<0)。本實 施例中，將電流傳感器202設置于與電池組100的正極端子連接的正極線PL，但并不限于 此。即，電流傳感器202只要能夠檢測電流lb即可。例如，可以將電流傳感器202設置于 與電池組100的負極端子連接的負極線NL。另外，也可以設置多個電流傳感器202。
[0052] 溫度傳感器203檢測電池組100 (二次電池1)的溫度Tb，將檢測結(jié)果輸出到控制 器300。溫度傳感器203的數(shù)量可以適當設定。在此，只要使用多個溫度傳感器203,就能 夠檢測配置于相互不同的位置的多個二次電池1的溫度Tb。
[0053] 控制器300具有存儲器（memory) 300a，存儲器300a存儲用于使控制器300進行規(guī) 定處理（例如本實施例中說明的處理）的各種信息。本實施例中，存儲器300a內(nèi)置于控制 器300中，但也可以將存儲器300a設置于控制器300的外部。
[0054] 系統(tǒng)主繼電器SMR-B設置于正極線PL。系統(tǒng)主繼電器SMR-B通過接受來自控制器 300的控制信號，在開（on)和關(guān)（off)之間切換。系統(tǒng)主繼電器SMR-G設置于負極線NL。 系統(tǒng)主繼電器SMR-G通過接受來自控制器300的控制信號，在開和關(guān)之間切換。
[0055] 系統(tǒng)主繼電器SMR-P和限流電阻器204,與系統(tǒng)主繼電器SMR-G并聯(lián)電連接。系 統(tǒng)主繼電器SMR-P與限流電阻器204串聯(lián)電連接。系統(tǒng)主繼電器SMR-P通過接受來自控制 器300的控制信號，在開和關(guān)之間切換。限流電阻器204用于在將電池組100與負載（具 體為變頻器（inverter) 205)連接時，抑制沖擊電流流動。
[0056] 將電池組100與變頻器205連接時，控制器300首先將系統(tǒng)主繼電器SMR-B從關(guān) 切換為開，并且將系統(tǒng)主繼電器SMR-P從關(guān)切換為開。由此，對限流電阻器204流通電流。
[0057] 接著，控制器300將系統(tǒng)主繼電器SMR-G從關(guān)切換為開，并且將系統(tǒng)主繼電器 SMR-P從開切換為關(guān)。由此，完成電池組100與變頻器205的連接，圖1所示的電池系統(tǒng)成 為啟動狀態(tài)（Ready-On)。關(guān)于車輛的點火開關(guān)的信息被輸入控制器300,控制器300根據(jù) 點火開關(guān)從關(guān)切換為開，啟動圖1所示的電池系統(tǒng)。
[0058] 另一方面，點火開關(guān)從開切換為關(guān)時，控制器300將系統(tǒng)主繼電器SMR-B、SMR-G從 開切換為關(guān)。由此切斷電池組100與變頻器205的連接，圖1所示的電池系統(tǒng)成為停止狀 態(tài)（Ready-Off)。
[0059] 變頻器205將來自電池組100的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，將交流電輸出到電動發(fā)電 機（MotorGenerator)206。作為電動發(fā)電機206,可以使用例如三相交流電動機。電動發(fā) 電機206接受來自變頻器205的交流電，生成用于使車輛行駛的動能。由電動發(fā)電機206 生成的動能，能夠傳遞到車輪，使車輛行駛。
[0060] 使車輛減速或停止時，電動發(fā)電機206將在車輛的制動時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換為電能 (交流電）。變頻器205將電動發(fā)電機206生成的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將直流電輸出到電 池組100。由此，電池組100能夠儲存再生電力。
[0061] 在本實施例中，將電池組100與變頻器205連接，但并不限于此。具體而言，可以在 將電池組100與變頻器205連接的電流路徑中設置升壓電路。升壓電路可以將電池組100 的輸出電壓升壓，將升壓后的電力輸出到變頻器205。另外，升壓電路能夠?qū)⒆冾l器205的 輸出電壓降壓，將降壓后的電力輸出到電池組100。
[0062] 接著，利用圖2對二次電池1的構(gòu)成進行說明。圖2中，作為二次電池1的一例， 使用了鋰離子二次電池。圖2所示的坐標軸x表示電極的厚度方向上的位置。
[0063] 二次電池1具有正極141、負極142和隔板143。隔板143位于正極141與負極 142之間，且包含電解液。再者，也可以代替電解液使用固體電解質(zhì)。即，可以在正極141與 負極142之間設置固體電解質(zhì)的層。
[0064] 正極141具有由鋁等形成的集電板141a，集電板141a與二次電池1的正極端子 11電連接。負極142具有由銅等形成的集電板142a，集電板142a與二次電池1的負極端 子12電連接。
[0065] 負極142與正極141各自具有球狀的活性物質(zhì)142b、141b的集合體。如圖2所 示，將二次電池1放電時，在負極142的活性物質(zhì)142b的界面上，進行將鋰離子Li+和電子 e+放出的化學反應。另外，在正極141的活性物質(zhì)141b的界面上，進行將鋰離子Li+和電 子f吸收的化學反應。
[0066] 另一方面，將二次電池1充電時，在負極142的活性物質(zhì)142b的界面上，進行將鋰 離子Li+和電子e1收的化學反應。另外，在正極141的活性物質(zhì)141b的界面上，進行將 鋰離子Li+和電子f放出的化學反應。像這樣，通過在負極142與正極141之間的鋰離子 Li+的授受，進行二次電池1的充放電，產(chǎn)生充電電流lb(lb<0)或放電電流lb(lb> 0)。
[0067] 關(guān)于電解液中的鋰離子濃度，產(chǎn)生3個狀態(tài)。以下說明的3個狀態(tài)，對二次電池1 的性能（換言之為劣化狀態(tài)）帶來影響。因此，為了掌握二次電池1的性能，優(yōu)選考慮以下 說明的3個狀態(tài)。