松下携手大学开发支援残余价值评估的电池管理技术

通过锂离子电池的再利用或循环利用为实现可持续发展社会做贡献

文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:57 发布时间:2019-11-15
松下电器产业株式会社机电解决方案公司与立命馆大学理工学部井研究室共同开发出了全新的电池管理技术,该项电池管理技术在安装于设备的锂离子电池残余价值评估中执行有效的交流阻抗测量。
松下携手大学开发支援残余价值评估的电池管理技术

【要  点】 松下电器产业株式会社机电解决方案公司(下称“松下电器”)与立命馆大学 理工学部 福井研究室(教授:福井 正博)共同开发出了全新的电池管理技术,该项电池管理技术在安装于设备的锂离子电池残余价值评估中执行有效的交流阻抗[1]测量。本技术可望被应用到使用将多个电池串联叠加而成的锂离子电池模块的各种设备和未来车辆上。松下电器担任新电池管理IC(下称“BMIC”)的测试芯片和测量算法及软件开发,立命馆大学则担任使用实际电池的性能评估等。

【效  果】 近来人们对锂离子电池的需求以工业设备和移动体等为中心在逐渐增大,再利用或循环利用的重要性也日益突出。
本次开发的电池管理技术,可在将多个电池串联连接的锂离子电池模块安装于设备的状态下,借助交流叠加法[2]进行交流阻抗测量。进而,通过测量数据的积累和分析来实现劣化诊断和故障推断等残余价值评估,由此为实现未来锂离子电池得以再利用或循环利用的可持续发展社会做出贡献。

【特  征】 1. 执行多个电池单体串联而成的电池的交流阻抗测量的BMIC芯片化技术
     2. 实现与专用测量仪同等精度的交流阻抗测量
     3. 对应运转中设备的温度变化的温度补偿技术

【过去示例】 交流阻抗法作为锂离子电池的非破坏评估方法被广泛使用。该测量法必须具备将专用的测量仪和电池的温度保持恒定的大恒温槽,还必须在实验室内逐个测量电池。

【用  途】 安装有多个电池单体串联而成的锂离子电池的设备。电动自行车、LSV(Low-Speed Vehicle)、建筑和物流设备、未来的电动汽车、大容量蓄电池等

【特  征】

执行多个电池单体串联而成的电池的交流阻抗测量的BMIC芯片化技术

目前使用多个电池单体串联而成的锂离子电池的电池管理系统(下称“BMS”),使用对6~14个串联连接的电池的个别电压进行测量的IC,并以收集被串联连接的数个~200个电池电压以便能够安全使用电池模块的方式进行监视。此外,BMS通过计算充电状态(SOC[3])和运行状态(SOH[4]),计算出剩余的续航距离和可使用的时间。

新开发的BMIC测试芯片除了这些常备功能外,还安装有在使电池运行的状态下借助交流叠加法测量交流阻抗的功能。可通过内置于BMIC的15个完全并联的模拟/数字转换器和藉由在0.1Hz~5KHz范围内进行脉冲调制的交流叠加电路、复数电压和复数电流转换电路,来进行交流阻抗测量。此BMIC芯片可进行运行中电池的交流阻抗测量而无需大幅度变更电池上所安装的现行BMS的构成。

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〔图1〕 BMS和BMIC的概略图

实现与专用测量仪同等精度的交流阻抗测量

在借助交流阻抗法的状态推断中,测量用来复数表达阻抗而在平面上描绘的Cole-Cole图[5]。立命馆大学使用松下电器开发的BMIC和测量用软件测量了圆柱形锂离子电池。结果,确认了在1Hz~5KHz的频率范围内可在与行业通常使用的测量仪同等精度下测量Cole-Cole图。

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〔图2〕 利用专用测量仪和新BMIC进行的Cole-Cole图测量的比较结果

对应运转中设备的温度变化的温度补偿技术

锂离子电池的交流阻抗对于温度变化非常敏感。因此,在实验室内进行的借助专用测量仪的测量,要放入到将温度保持恒定的恒温槽内来进行。运行中的电池的环境温度会发生变化,因而未能稳定地测量交流阻抗。

本次,我们测量在测量交流阻抗时的锂离子电池温度,将阻抗的温度变化补偿为标准温度并开发了在Cole-Cole图上进行描绘的温度补偿技术。由此,即使在因季节和时段等原因而造成的环境温度不同的情况下也可将归一化为标准温度的Cole-Cole图作为数据库积累起来。

【发  布】

11月14日,由共同研究合作方的立命馆大学在国立京都国际会馆(京都市左京区宝池)举行的由公益社团法人 电气化学会 电池技术委员会主办的第60次 电池讨论会(2019年11月13日~15日)上发布了研究成果。

【术语说明】

[1] 交流阻抗
    交流电压除以交流电流而得的交流电阻。单位为欧姆,与直流电阻相同。

[2] 交流叠加法
    系与网络分析仪一样,在使得频率渐渐变化的同时(频率扫描)施加交流电流,测量交流阻抗频率特性的一种方法。

[3] SOC(State of Charge)
    充电状态。系用百分比来表示相对于满充电容量的剩余容量。

[4] SOH(State of Health)
    运行状态。系用百分比来表示初期充电量与经时劣化的充电量之比。充电量基于BMS,通过电流积分法(库仑计数)等方法进行测量。目前时点的SOH,可通过存储开始使用时的充电量,与现在的充电量进行比较来计算。但是,SOH与金属锂的析离(树枝状晶)引起的电极劣化和电解液的劣化等各种锂离子电池的劣化现象无直接的相关性。因此,SOH测量系获知目前时点的充电量而无法进行未来SOH的推断,这一点与劣化诊断不同。

[5] Cole-Cole图
    系复数表达交流阻抗,在复平面上描绘频率变化引起的轨迹图。也称作奈奎斯特图。常常被在分析电池内部阻抗变化的电化学阻抗分析(EIS:Electrochemical Impedance Spectroscopy)中使用。是根据提议人KENNETH S. COLE和ROBERT H. COLE的名字而被命名的。