ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ АКТИВНОГО МАТЕРИАЛА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2019 года по МПК H01M10/48 H02J7/04 

Область техники

Данное изобретение относится к вспомогательной аккумуляторной системе и к способу оценки механического напряжения активного материала вспомогательного аккумулятора и, в частности, к технологии для оценки механического напряжения, которое формируется в активном материале вспомогательного аккумулятора по мере того, как носитель заряда включается в активный материал, или носитель заряда удаляется из активного материала.

Уровень техники

Важно оценивать состояние заряда (SOC) вспомогательного аккумулятора, чтобы надлежащим образом защищать вспомогательный аккумулятор и полностью использовать вспомогательный аккумулятор. В качестве типичного способа оценки SOC вспомогательного аккумулятора, широко известен способ оценки SOC из напряжения при разомкнутой схеме (OCV), с использованием кривой SOC-OCV вспомогательного аккумулятора.

В некоторых типах вспомогательных аккумуляторов, кривая разряда в качестве кривой SOC-OCV, полученной, когда вспомогательный аккумулятор разряжается из полностью заряженного состояния, и кривая заряда в качестве кривой SOC-OCV, полученной, когда вспомогательный аккумулятор заряжается из полностью разряженного состояния, значительно отклоняются друг от друга. Отклонение между кривой заряда и кривой разряда также может упоминаться посредством такого утверждения, что "гистерезис" наблюдается в кривой SOC-OCV. Например, технология оценки SOC из OCV с учетом гистерезиса раскрыта в публикации не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии № 2015-166710 (JP 2015-166710 А).

Сущность изобретения

Одна причина, по которой гистерезис, как описано выше, появляется в кривой SOC-OCV, заключается в том, что гистерезис наблюдается в механическом напряжении, сформированном на поверхности и внутренней части активного материала по мере того, как носитель заряда включается или удаляется из активного материала, как подробнее описано ниже. Если механическое напряжение может оцениваться с учетом гистерезиса, состояние (например, SOC) вспомогательного аккумулятора также может оцениваться с высокой точностью.

Это изобретение нацелено на то, чтобы повышать точность оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора.

Вспомогательная аккумуляторная система согласно первому аспекту изобретения включает в себя вспомогательный аккумулятор, имеющий электрод, содержащий активный материал, в и из которого носитель заряда обратимо включается и удаляется, и модуль управления, выполненный с возможностью оценивать механическое напряжение, сформированное в активном материале по мере того, как носитель заряда включается или удаляется из активного материала. Модуль управления вычисляет оцененное значение механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием первой линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением. Модуль управления корректирует оцененное значение до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда абсолютная величина оцененного значения превышает абсолютную величину механического напряжения при переделе текучести активного материала.

Величина носителя заряда, содержащегося в активном материале, может представляться посредством SOC вспомогательного аккумулятора, и опорная величина носителя заряда может представляться посредством опорного SOC в качестве SOC, полученного в то время, когда вспомогательный аккумулятор переключается между зарядом и разрядом в состоянии, в котором механическое напряжение представляет собой механическое напряжение при переделе текучести.

Первая линейная взаимосвязь может выражаться посредством нижеприведенного уравнения (1). В уравнении (1), σ обозначает механическое напряжение, SOC_REF обозначает опорное SOC, σ_REF обозначает механическое напряжение в случае, если SOC вспомогательного аккумулятора представляет собой опорное SOC, и α обозначает положительную пропорциональную константу, указывающую первую линейную взаимосвязь.

σ=-α(SOC-SOC_REF)+σ_REF (1),

При вышеуказанных конфигурациях, механическое напряжение вычисляется, с использованием первой линейной взаимосвязи (например, выражаемой посредством вышеприведенного уравнения) между механическим напряжением и разностью (полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, например, "SOC-опорное SOC"). Затем механическое напряжение сравнивается с механическим напряжением при переделе текучести. Когда механическое напряжение превышает механическое напряжение при переделе текучести, определяется то, что механическое напряжение представляет собой механическое напряжение при переделе текучести (активный материал переходит через предел текучести), и механическое напряжение определяется как равное механическому напряжению при переделе текучести. С другой стороны, когда текучесть механического напряжения не возникает, механическое напряжение (оцененное значение), вычисленное согласно первой линейной взаимосвязи, как указано выше, используется как есть. Таким образом, можно оценивать механическое напряжение с высокой точностью, посредством использования модели, в которой учитываются текучесть механического напряжения и первая линейная взаимосвязь.

Модуль управления может быть выполнен с возможностью вычислять пропорциональную константу, по меньшей мере, из одного из температуры и SOC вспомогательного аккумулятора, с использованием корреляционной взаимосвязи, по меньшей мере, между одним из температуры и SOC вспомогательного аккумулятора и пропорциональной константой.

При этой конфигурации, пропорциональная константа вычисляется с использованием корреляционной взаимосвязи таким образом, что механическое напряжение может оцениваться с еще большей точностью.

Модуль управления может быть выполнен с возможностью вычислять величину изменения OCV из механического напряжения, с использованием второй линейной взаимосвязи между величиной изменения OCV, вызываемого посредством механического напряжения, относительно OCV в случае, если механическое напряжение представляет собой опорное механическое напряжение, и механическим напряжением. Модуль управления может быть выполнен с возможностью оценивать SOC вспомогательного аккумулятора из величины изменения OCV посредством обращения к взаимосвязи соответствия между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора, когда механическое напряжение представляет собой опорное механическое напряжение.

При этой конфигурации, SOC оценивается с учетом механического напряжения, оцененного с высокой точностью, и в силу этого может повышаться точность оценки SOC.

Модуль управления может быть выполнен с возможностью оценивать первое SOC посредством выполнения процесса оценки SOC и оценивать второе SOC посредством выполнения процесса оценки SOC снова, когда величина изменения емкости вспомогательного аккумулятора от времени оценки первого SOC превышает предварительно определенную величину. Модуль управления может вычислять полную зарядную емкость вспомогательного аккумулятора на основе разности SOC между первым SOC и вторым SOC и величины изменения емкости вспомогательного аккумулятора между временем оценки первого SOC и временем оценки второго SOC.

При вышеуказанной конфигурации, точность оценки SOC повышается таким образом, что полная зарядная емкость вспомогательного аккумулятора также может вычисляться с высокой точностью на основе SOC, оцененного с высокой точностью.

Активный материал может включать в себя первый активный материал и второй активный материал. Величина изменения объема второго активного материала во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора может превышать величину изменения объема первого активного материала во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора. Взаимосвязь между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора может включать в себя область первого SOC и область второго SOC, имеющую больший гистерезис OCV вспомогательного аккумулятора во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора, чем гистерезис в области первого SOC. Модуль управления может быть выполнен с возможностью многократно оценивать SOC вспомогательного аккумулятора и выполнять процесс оценки SOC, когда SOC вспомогательного аккумулятора, оцененное в последнем цикле, находится в области второго SOC. Модуль управления может быть выполнен с возможностью оценивать SOC вспомогательного аккумулятора согласно взаимосвязи между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора, отличной от вышеуказанной взаимосвязи соответствия, когда оцененное SOC вспомогательного аккумулятора, оцененное в последнем цикле, находится в области первого SOC.

При вышеуказанной конфигурации, SOC оценивается посредством процесса оценки SOC в области второго SOC, в которой значительный гистерезис наблюдается в OCV, и SOC оценивается посредством способа (более конкретно, способа с использованием нормальной кривой SOC-OCV), отличного от процесса оценки SOC, в области первого SOC, в которой не появляется значительный гистерезис. Поскольку процесс оценки SOC может требовать существенных вычислительных ресурсов, использование нормального способа в области первого SOC позволяет экономить вычислительные ресурсы модуля управления.

Способ оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора согласно второму аспекту изобретения, представляет собой способ оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора по мере того, как носитель заряда включается и удаляется из активного материала. Способ оценки механического напряжения включает в себя вычисление оцененного значения механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием первой линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением, и коррекцию оцененного значения до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда абсолютная величина оцененного значения превышает абсолютную величину механического напряжения при переделе текучести активного материала.

Согласно этому способу, механическое напряжение может оцениваться с высокой точностью, аналогично конфигурации первого аспекта.

Вспомогательная аккумуляторная система согласно третьему аспекту изобретения включает в себя вспомогательный аккумулятор, имеющий электрод, содержащий активный материал, в и из которого носитель заряда обратимо включается и удаляется; и модуль управления, выполненный с возможностью оценивать механическое напряжение, сформированное в активном материале по мере того, как носитель заряда включается или удаляется из активного материала. Модуль управления выполнен с возможностью вычислять оцененное значение механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием первой линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением, и корректировать оцененное значение до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда оцененное значение превышает механическое напряжение при растяжении активного материала во время текучести или меньше механического напряжения при сжатии активного материала во время текучести.

Согласно этому изобретению, может повышаться точность оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора.

Краткое описание чертежей

Ниже описываются признаки, преимущества и техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 является видом, схематично показывающим общую конфигурацию транспортного средства с установленной вспомогательной аккумуляторной системой согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 2 является видом, применимым для более подробного описания конфигурации каждого гальванического элемента;

Фиг. 3 является видом, схематично показывающим один пример изменения механического напряжения во время заряда и разряда единичного гальванического элемента;

Фиг. 4 является видом, показывающим один пример гистерезиса, наблюдаемого в электродвижущем напряжении аккумуляторного узла в варианте осуществления;

Фиг. 5A является концептуальной схемой, применимой для описания состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV;

Фиг. 5B является концептуальной схемой, применимой для описания состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV;

Фиг. 5C является концептуальной схемой, применимой для описания состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV;

Фиг. 5D является концептуальной схемой, применимой для описания состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV;

Фиг. 5E является концептуальной схемой, применимой для описания состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV;

Фиг. 6A является видом, применимым для описания идеального OCV;

Фиг. 6B является видом, применимым для описания идеального OCV;

Фиг. 7A является концептуальной схемой, применимой для описания опорного SOC;

Фиг. 7B является концептуальной схемой, применимой для описания опорного SOC;

Фиг. 7C является концептуальной схемой, применимой для описания опорного SOC;

Фиг. 8 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей процесс оценки SOC согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 9 является видом, применимым для пояснения контента параметров;

Фиг. 10 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей процесс вычисления полной зарядной емкости согласно второму варианту осуществления;

Фиг. 11 является видом, применимым для пояснения гистерезисных характеристик согласно третьему варианту осуществления; и

Фиг. 12 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей процесс оценки SOC согласно третьему варианту осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

В дальнейшем подробно описываются некоторые варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи. На чертежах, идентичными ссылочными позициями обозначены идентичные или соответствующие части, описание которых не повторяется.

В следующем примере, вспомогательная аккумуляторная система согласно каждому из вариантов осуществления устанавливается на гибридном транспортном средстве (более конкретно, на гибридном транспортном средстве со штепсельным соединением для заряда от внешнего источника). Тем не менее, вспомогательная аккумуляторная система согласно каждому варианту осуществления не используется ограниченно в гибридном транспортном средстве, но может использоваться в транспортных средствах в общем (к примеру, в электротранспортном средстве и транспортном средстве на топливных элементах) с установленным аккумуляторным узлом для приведения в движение транспортного средства. Дополнительно, вспомогательная аккумуляторная система согласно каждому варианту осуществления не используется ограниченно для транспортных средств, и может использоваться, например, в качестве стационарной системы.

В первом варианте осуществления, описанном ниже, состояние заряда (SOC) вспомогательного аккумулятора оценивается, с использованием способа оценки механического напряжения активного материала согласно изобретению.

Фиг. 1 схематично показывает общую конфигурацию транспортного средства, на котором устанавливается вспомогательная аккумуляторная система согласно первому варианту осуществления. Ссылаясь на фиг. 1, транспортное средство 1, которое представляет собой гибридное транспортное средство со штепсельным соединением для заряда от внешнего источника, включает в себя вспомогательную аккумуляторную систему 2, электромоторы-генераторы 61, 62, двигатель 63, устройство 64 деления мощности, ведущую ось 65 и ведущие колеса 66. Вспомогательная аккумуляторная система 2 включает в себя аккумуляторный узел 10, модуль 20 мониторинга, модуль 30 управления мощностью (PCU), входное отверстие 40, зарядное устройство 50 и электронный модуль 100 управления (ECU).

Каждый из электромоторов-генераторов 61, 62 представляет собой вращающуюся электрическую машину переменного тока, например, синхронный электромотор трехфазного переменного тока, в котором постоянные магниты встраиваются в ротор. Электромотор-генератор 61 главным образом используется в качестве генератора, который приводится в действие посредством двигателя 63 через устройство 64 деления мощности. Электрическая мощность, вырабатываемая посредством электромотора-генератора 61, подается в электромотор-генератор 62 или аккумуляторный узел 10 через PCU 30.

Электромотор-генератор 62 главным образом работает в качестве электромотора и приводит в движение ведущие колеса 66. Электромотор-генератор 62 приводится в действие, по меньшей мере, с помощью одного из электрической мощности из аккумуляторного узла 10 и электрической мощности, вырабатываемой посредством электромотора-генератора 61, и мощность приведения в действие электромотора-генератора 62 передается на ведущую ось 65. С другой стороны, когда тормоз прикладывается к транспортному средству, или ускорение на уклоне в виде спуска уменьшается, электромотор-генератор 62 работает в качестве генератора, чтобы выполнять выработку рекуперативной мощности. Электрическая мощность, вырабатываемая посредством электромотора-генератора 62, подается в аккумуляторный узел 10 через PCU 30.

Двигатель 63 представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который доставляет мощность посредством преобразования энергии сгорания, сформированной, когда воздушно-топливная смесь сжигается, в кинетическую энергию движущегося тела, такого как поршень или ротор.

Устройство 64 деления мощности включает в себя планетарный зубчатый механизм (не показан), имеющий три вращательных вала солнечной шестерни, водила и коронной шестерни. Устройство 64 деления мощности делит мощность, доставленную из двигателя 63, на мощность для приведения в действие электромотора-генератора 61 и мощность для приведения в движение ведущих колес 66.

Аккумуляторный узел 10 включает в себя множество гальванических элементов 11 (см. фиг. 2). В этом варианте осуществления, каждый гальванический элемент представляет собой литий-ионный вспомогательный аккумулятор. Электролит литий-ионного вспомогательного аккумулятора не ограничен электролитом жидкого типа, и может иметь полимерный тип или полностью твердый тип.

Аккумуляторный узел 10 накапливает электрическую мощность для приведения в действие электромоторов-генераторов 61, 62 и подает электрическую мощность в электромоторы-генераторы 61, 62 через PCU 30. Аккумуляторный узел 10 также заряжается электрической мощностью, вырабатываемой посредством электромоторов-генераторов 61, 62 через PCU 30.

Модуль 20 мониторинга включает в себя датчик 21 напряжения, датчик 22 тока и температурный датчик 23. Датчик 21 напряжения определяет напряжение каждого гальванического элемента 11, включенного в аккумуляторный узел 10. Датчик 22 тока определяет ток IB, который протекает в и из аккумуляторного узла 10. Ток IB во время заряда принимает положительное значение, и ток IB во время разряда принимает отрицательное значение. Температурный датчик 23 определяет температуру каждого гальванического элемента 11. Каждый из датчиков выводит свой результат определения в ECU 100.

Датчик 21 напряжения может определять напряжение VB, например, на двух или более гальванических элементах 11, соединенных последовательно, в качестве модуля мониторинга. Кроме того, температурный датчик 23 может определять температуру TB двух или более смежных гальванических элементов 11 в качестве модуля мониторинга. Таким образом, в этом варианте осуществления, модуль мониторинга не ограничен конкретным образом. Таким образом, для простоты в описании, следует просто указать, что "напряжение VB аккумуляторного узла 10 определяется", или "температура TB аккумуляторного узла 10 определяется". Аналогично, аккумуляторный узел 10 упоминается как модуль оценки, когда оцениваются SOC и напряжение при разомкнутой схеме (OCV).

PCU 30 выполняет двунаправленное преобразование электрической мощности между аккумуляторным узлом 10 и электромоторами-генераторами 61, 62, согласно управляющим сигналам из ECU 100. PCU 30 имеет возможность отдельно управлять соответствующими состояниями электромоторов-генераторов 61, 62. Например, PCU 30 может переводить электромотор-генератор 62 в состояние движения за счет мощности при одновременном переводе электромотора-генератора 61 в рекуперативное состояние (состояние выработки мощности). Например, PCU 30 включает в себя два инвертора (не показаны), соответствующие электромоторам-генераторам 61, 62 и преобразователи (не показаны), которые повышают постоянное напряжение, подаваемое в каждый инвертор, до уровня, равного или выше выходного напряжения аккумуляторного узла 10.

Зарядный кабель может соединяться со входным отверстием 40. Входное отверстие 40 снабжается электрической мощностью из источника 90 мощности, предоставленного за пределами транспортного средства 1, через зарядный кабель. Источник 90 мощности, например, представляет собой источник мощности сети общего пользования.

Зарядное устройство 50 преобразует электрическую мощность, подаваемую из источника 90 мощности через зарядный кабель и входное отверстие 40, в электрическую мощность, подходящую для заряда аккумуляторного узла 10, согласно управляющему сигналу из ECU 100. Зарядное устройство 50 включает в себя инвертор и преобразователь (оба из которых не проиллюстрированы на чертежах).

ECU 100 включает в себя центральный процессор 100A (CPU), запоминающее устройство 100B (более конкретно, постоянное запоминающее устройство (ROM) и оперативное запоминающее устройство (RAM)) и порт ввода/вывода (не показан) для ввода и вывода различных сигналов. ECU 100 выполняет "процесс оценки SOC" для оценки SOC аккумуляторного узла 10 на основе сигнала, принимаемого из каждого датчика модуля 20 мониторинга, и программы и карты, сохраненных в запоминающем устройстве 100B. Затем ECU 100 управляет зарядом/разрядом аккумуляторного узла 10, согласно результату процесса оценки SOC. Далее подробно описывается процесс оценки SOC. ECU 100 соответствует "модулю управления" согласно изобретению.

Ссылаясь на фиг. 2, в дальнейшем подробно описывается конфигурация каждого гальванического элемента 11. На фиг. 2, гальванический элемент 11 проиллюстрирован с видимой внутренней частью.

Как показано на фиг. 2, гальванический элемент 11 имеет, в общем, прямоугольный кожух 111 аккумулятора. Верхняя сторона кожуха 111 аккумулятора герметизируется с помощью корпуса 112 крышки. Один конец каждого из положительного контактного вывода 113 и отрицательного контактного вывода 114 выступает наружу из корпуса 112 крышки. Другие концы положительного контактного вывода 113 и отрицательного контактного вывода 114, соответственно, соединяются с внутренним положительным контактным выводом и внутренним отрицательным контактным выводом (оба из которых не показаны), внутри кожуха 111 аккумулятора. Корпус 115 электрода размещается в кожухе 111 аккумулятора. Корпус 115 электрода формируется посредством наслаивания положительного электрода 116 и отрицательного электрода 117 с разделителем 118, размещенным между ними, и намотки результирующей многослойной конструкции. Раствор электролита удерживается посредством положительного электрода 116, отрицательного электрода 117, разделителя 118 и т.д.

В качестве положительного электрода 116, разделителя 118 и раствора электролита, могут использоваться известные конструкции и материалы положительного электрода, разделителя и раствора электролита литий-ионного вспомогательного аккумулятора. В одном примере, трехкомпонентный материал, полученный посредством замены части оксида лития и кобальта на никель и марганец, может использоваться для положительного электрода 116. Для разделителя может использоваться полиолефин (например, полиэтилен или полипропилен). Раствор электролита включает в себя органический растворитель (например, смешанный растворитель из диметилкарбоната (DMC), этилметилкарбоната (EMC) и этиленкарбоната (EC)), литиевую соль (например, LiPF₆), добавку (например, бис(оксалат)борат лития (LiBOB) или Li(PF₂(C₂O₄)₂)) и т.д. Вместо использования раствора электролита, может использоваться полимерный электролит, либо может использоваться неорганический твердый электролит, такой как оксидный электролит или сульфидный электролит.

Конструкция гальванического элемента не ограничена конкретным образом, и корпус электрода может иметь многослойную конструкцию, а не конструкцию с обмотками. Кроме того, кожух аккумулятора не ограничен прямоугольным кожухом аккумулятора, но может представлять собой цилиндрический или многослойный кожух аккумулятора.

Далее описывается гистерезис электродвижущего напряжения. Типичный активный материал отрицательного электрода литий-ионного вспомогательного аккумулятора представляет собой углеродный материал (например, графит). Тем не менее, в этом варианте осуществления, кремниевое соединение (Si или SiO) используется в качестве активного материала отрицательного электрода 117. Использование кремниевого соединения позволяет увеличивать плотность энергии и т.д. аккумуляторного узла 10. С другой стороны, в системе, в которой используется кремниевое соединение, гистерезис может появляться заметно в характеристиках SOC-OCV (кривых SOC-OCV). В качестве фактора этого явления, может учитываться изменение объема активного материала отрицательного электрода во время заряда и разряда, как описано ниже.

Активный материал отрицательного электрода расширяется по мере того, как литий в качестве носителя заряда включается в активный материал, и сжимается по мере того, как литий удаляется из активного материала. По мере того, как объем активного материала отрицательного электрода изменяется, механическое напряжение формируется на поверхности и внутренней части активного материала отрицательного электрода. Величина изменения объема кремниевого соединения, вызываемого без сопровождения объединения или удаления лития, превышает величину изменения объема графита. Более конкретно, если минимальный объем активного материала в состоянии, в котором литий не включен, рассматривается в качестве опорного объема, величина изменения объема (скорость расширения) графита вследствие включения лития составляет приблизительно 1,1 раза, тогда как величина изменения объема (скорость расширения) кремниевого соединения составляет максимум приблизительно 4 раза. Таким образом, когда кремниевое соединение используется в качестве активного материала отрицательного электрода, механическое напряжение, сформированное на поверхности и внутренней части активного материала отрицательного электрода, увеличивается, по сравнению со случаем, в котором используется графит. В нижеприведенном описании, механическое напряжение на поверхности активного материала упоминается как "поверхностное механическое напряжение σ". Это обусловлено тем, что потенциал определяется согласно состоянию поверхности активного материала.

Обычно, одноэлектродный потенциал (положительный электродный потенциал или отрицательный электродный потенциал) определяется посредством состояния поверхности активного материала, более конкретно, количества лития на поверхности активного материала и поверхностного механического напряжения σ. Например, известно, что потенциал отрицательного электрода уменьшается с увеличением количества лития на поверхности активного материала отрицательного электрода. Если используется такой материал, как кремниевое соединение, который подвергается большим изменениям объема, величина изменения поверхностного механического напряжения σ с увеличением или уменьшением количества лития также увеличивается.

В этой связи, наблюдается гистерезис в поверхностном механическом напряжении σ. Таким образом, отрицательный электродный потенциал может задаваться с высокой точностью с учетом влияний поверхностного механического напряжения σ и его гистерезиса. После этого, когда SOC оценивается из OCV, с использованием взаимосвязи между SOC и OCV, отрицательный электродный потенциал, заданный с учетом поверхностного механического напряжения σ, используется в качестве предварительного условия таким образом, что SOC может оцениваться с высокой точностью.

Фиг. 3 схематично показывает один пример изменения поверхностного механического напряжения σ во время заряда/разряда единичного гальванического элемента (гальванического элемента 11). На фиг. 3, горизонтальная ось указывает SOC единичного гальванического элемента, и вертикальная ось указывает поверхностное механическое напряжение σ. Относительно поверхностного механического напряжения σ на фиг. 3, механическое напряжение σ_ten при растяжении, сформированное во время сжатия активного материала 71 отрицательного электрода (во время разряда единичного гальванического элемента), выражается как механическое напряжение в положительном направлении, и механическое напряжение σ_com при сжатии, сформированное во время расширения активного материала 71 отрицательного электрода (во время заряда единичного гальванического элемента), выражается как механическое напряжение в отрицательном направлении.

Фиг. 3 схематично показывает один пример изменения поверхностного механического напряжения σ, когда единичный гальванический элемент заряжается с фиксированной скоростью заряда из полностью разряженного состояния (в котором SOC=0%) в полностью заряженное состояние (в котором SOC=100%), и затем единичный гальванический элемент разряжается с фиксированной скоростью разряда из полностью заряженного состояния в полностью разряженное состояние.

Поверхностное механическое напряжение σ может измеряться (или оцениваться) через тонкопленочную оценку. В дальнейшем кратко описывается один пример способа измерения поверхностного механического напряжения σ. Первоначально, измеряется изменение кривизны κ отрицательного электрода 117 в форме тонкой пленки, деформированной при поверхностном механическом напряжении σ. Например, кривизна κ может оптически измеряться посредством использования предлагаемой на рынке системы для измерения радиуса кривизны. Затем поверхностное механическое напряжение σ может вычисляться посредством подстановки измеренной кривизны κ и констант (таких как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и толщина), определенных согласно материалу и форме отрицательного электрода 117 (активному материалу отрицательного электрода и периферийному элементу), в уравнение Стонея. Для получения дополнительной информации измерений механического напряжения, например, см. работу "In Situ Measurements of Stress-Potential Coupling in Lithiated Silicon", авторов V. A. Sethuraman и др., Journal of The Electrochemical Society, 157 (11) A1253-A1261 (2010).

Поверхностное механическое напряжение σ (его абсолютное значение) увеличивается линейно, сразу после начала заряда из полностью разряженного состояния. В этой области SOC (в области от SOC=0% до SOC=Sa) во время заряда, считается, что упругая деформация возникает на поверхности активного материала 71 отрицательного электрода. Тем не менее, в области (в области от SOC=Sa до% SOC=100) после вышеуказанной области, считается, что поверхность активного материала 71 отрицательного электрода выходит за рамки упругой деформации и достигает пластической деформации. С другой стороны, во время разряда единичного гальванического элемента, считается, что упругая деформация возникает на поверхности активного материала 71 отрицательного электрода в области (в области от SOC=100% до SOC=Sb) сразу после начала разряда из полностью заряженного состояния, и считается, что пластическая деформация возникает на поверхности активного материала 71 отрицательного электрода в области (в области от SOC=Sb до% SOC=0) после вышеуказанной области. Хотя все изменения поверхностного механического напряжения σ указываются посредством прямых линий на фиг. 3, эти линии просто схематично указывают изменения поверхностного механического напряжения σ; фактически, поверхностное механическое напряжение σ претерпевает нелинейные изменения в областях пластической деформации (в областях SOC, в которых пластическая деформация возникает) после текучести (см., например, фиг. 2 работы "In Situ Measurements of Stress-Potential Coupling in Lithiated Silicon", авторов V. A. Sethuraman и др., Journal of The Electrochemical Society, 157 (11) A1253-A1261 (2010)).

Когда единичный гальванический элемент продолжает заряжаться, механическое напряжение σ_com при сжатии формируется главным образом на поверхности активного материала отрицательного электрода (поверхностное механическое напряжение σ становится механическим напряжением при сжатии), и потенциал отрицательного электрода понижается по сравнению с потенциалом отрицательного электрода в идеальном состоянии, в котором механическое напряжение σ_com при сжатии не формируется. Как результат, OCV единичного гальванического элемента увеличивается. С другой стороны, когда единичный гальванический элемент продолжает разряжаться, механическое напряжение σ_ten при растяжении формируется главным образом на поверхности активного материала отрицательного электрода (поверхностное механическое напряжение σ становится механическим напряжением при растяжении), и потенциал отрицательного электрода повышается по сравнению с потенциалом отрицательного электрода в идеальном состоянии. Как результат, OCV единичного гальванического элемента уменьшается.

Согласно вышеуказанному механизму, гистерезис появляется в кривых SOC-OCV аккумуляторного узла 10, во время заряда и разряда. Этот гистерезис также называется "гистерезисом электродвижущего напряжения". Электродвижущее напряжение означает напряжение (так называемое OCV), измеряемое в состоянии, в котором напряжение аккумуляторного узла 10 в достаточной степени устанавливается, и концентрация лития в активном материале устанавливается. Механическое напряжение, которое остается на поверхности отрицательного электрода в этом установленном состоянии, может считаться механическим напряжением в то время, когда различные силы, включающие в себя механическое напряжение, возникающее во внутренней части активного материала отрицательного электрода и противодействующее силе, которая действует на активный материал отрицательного электрода из периферийного материала вследствие изменения объема активного материала отрицательного электрода, балансируются в системе в целом. Периферийный материал представляет собой связующее, проводящее вспомогательное вещество и т.п.

Фиг. 4 показывает один пример гистерезиса, наблюдаемого в электродвижущем напряжении аккумуляторного узла 10 согласно этому варианту осуществления. На фиг. 4, горизонтальная ось указывает SOC аккумуляторного узла 10, и вертикальная ось указывает OCV аккумуляторного узла 10. Это также применяется к фиг. 5A-7B, которые описываются ниже.

Фиг. 4 показывает кривую (помеченную "CHG"), полученную через заряд аккумуляторного узла 10, и кривую (помеченную "DCH"), полученную через разряд аккумуляторного узла 10. В нижеприведенном описании, OCV на кривой CHG называется "зарядным OCV", и OCV на кривой DCH называется "разрядным OCV". Отклонение или промежуток (например, приблизительно 150 мВ в случае кремниевого соединения) между зарядным OCV и разрядным OCV при идентичном SOC представляет гистерезис электродвижущего напряжения.

Зарядное OCV указывает наибольшее значение, которое может рассматриваться посредством OCV при каждом SOC, и разрядное OCV указывает наименьшее значение, которое может рассматриваться посредством OCV при каждом SOC. Таким образом, на диаграмме характеристик SOC-OCV, состояние (а именно, комбинация SOC и OCV) аккумуляторного узла 10 предположительно должно наноситься на график на зарядном OCV или на разрядном OCV, или в пределах промежуточной области D, окруженной посредством зарядного OCV и разрядного OCV. Зарядное OCV и разрядное OCV (внешняя периферия промежуточной области D) соответствуют внешней периферии поверхностного механического напряжения σ (внешней периферии параллелограмма), схематично показанной на фиг. 3.

Зарядное OCV может получаться следующим образом. Первоначально, подготавливается единичный гальванический элемент в полностью разряженном состоянии, и единичный гальванический элемент заряжается, например, с величиной электричества, соответствующей 5% SOC. Заряд прекращается после того, как единичный гальванический элемент заряжается с вышеуказанной величиной электричества, и единичный гальванический элемент остается без перемен, в течение определенного периода времени (например, 30 мин) до тех пор, пока поляризация, вызываемая посредством заряда, не будет исключена. После истечения времени без перемен, OCV единичного гальванического элемента измеряется. Затем комбинация (SOC, OCV) SOC (=5%) после заряда и измеренного OCV наносится на график по фиг. 4.

Затем, заряд (заряд с SOC от 5% до 10%) с величиной электричества, соответствующей следующим 5% SOC, начинается. Когда заряд вплоть до SOC 10% завершается, OCV единичного гальванического элемента измеряется таким же образом после истечения времени без перемен. После этого, из результата измерений OCV, комбинация SOC и OCV снова наносится на график. Затем идентичная процедура повторяется до тех пор, пока единичный гальванический элемент не достигнет полностью заряженного состояния. За счет такого выполнения этих измерений, может получаться зарядное OCV.

Затем OCV единичного гальванического элемента, соответствующее SOC с интервалом в 5%, измеряется в то время, когда разряд единичного гальванического элемента и прекращение разряда повторяются до тех пор, пока единичный гальванический элемент не достигнет полностью разряженного состояния из полностью заряженного состояния. За счет такого выполнения измерений, может получаться разрядное OCV. Полученное зарядное OCV и разрядное OCV сохраняются в запоминающем устройстве 100B ECU 100.

Далее описываются идеальное OCV и опорное SOC. Когда гистерезис наблюдается в электродвижущем напряжении, как описано выше, опорное OCV и опорное SOC необходимы для оценки SOC. В нижеприведенном описании, предполагается, что оценка SOC периодически повторяется.

Фиг. 5A-5E являются концептуальными схемами, применимыми для пояснения состояния аккумуляторного узла 10 на диаграмме характеристик SOC-OCV. На этих чертежах, состояние (комбинация OCV и SOC) аккумуляторного узла 10 в m-ом (где m является натуральным числом) цикле вычисления обозначается как P(m). Фиг. 5A показывает пример, в котором аккумуляторный узел 10 заряжается (например, внешне заряжается через входное отверстие 40), и состояние P(m) аккумуляторного узла 10 наносится на график на зарядном OCV.

Когда аккумуляторный узел 10 продолжает заряжаться из состояния P(m), состояние P(m+1) в (m+1)-ом цикле вычисления продолжает находиться на зарядном OCV, как показано на фиг. 5B. Таким образом, когда состояние P аккумуляторного узла 10 наносится на график на зарядном OCV, SOC может оцениваться из OCV посредством обращения к зарядному OCV.

С другой стороны, когда аккумуляторный узел 10 разряжается из состояния P(m), показанного на фиг. 5A, состояние P(m+1) в (m+1)-ом цикле вычисления отклоняется от зарядного OCV и наносится на график в промежуточной области D между зарядным OCV и разрядным OCV, как показано на фиг. 5C.

Если аккумуляторный узел 10 продолжает разряжаться, состояние P(m+2), например, достигает разрядного OCV в (m+2)-ом цикле вычисления (см. фиг. 5D). Когда аккумуляторный узел 10 по-прежнему продолжает разряжаться, состояние P(m+3) аккумуляторного узла 10 продолжает находиться на разрядном OCV (см. фиг. 5E). Таким образом, когда состояние P аккумуляторного узла 10 наносится на график на разрядном OCV, SOC может оцениваться из OCV посредством обращения к разрядному OCV.

Здесь, в частности, то, как оценивать SOC, представляет собой проблему, когда состояние P аккумуляторного узла 10 наносится на график в промежуточной области D между зарядным OCV и разрядным OCV. В этом варианте осуществления, поверхностное механическое напряжение σ вычисляется до оценки SOC. При вычислении поверхностного механического напряжения σ, величина ΔOCV изменения OCV из OCV (идеального OCV) в качестве опорного OCV и опорного SOC вычисляется, как описано ниже.

В этом варианте осуществления, чтобы вычислять величину ΔOCV изменения OCV, виртуальное состояние (или так называемое идеальное состояние), в котором механическое напряжение не остается на поверхности активного материала 71 отрицательного электрода, предполагается, и OCV на кривой заряда/разряда, полученной в этом идеальном состоянии, используется в качестве опорного OCV. В нижеприведенном описании, OCV на этой кривой также упоминается как "идеальное OCV".

Ссылаясь на фиг. 6A и фиг. 6B, поясняется идеальное OCV. Ссылаясь на фиг. 6A, поверхностное механическое напряжение σ на зарядном OCV является почти постоянным при механическом напряжении σ_com при сжатии во время текучести, и поверхностное механическое напряжение σ на разрядном OCV является почти постоянным при механическом напряжении σ_ten при растяжении во время текучести. Следовательно, поверхностное механическое напряжение σ рассматривается как практически равное нулю на кривой, на которой отношение расстояния D_com между идеальным OCV и зарядным OCV к расстоянию D_ten между идеальным OCV и разрядным OCV равно отношению механического напряжения σ_com при сжатии к механическому напряжению σ_ten при растяжении (D_com:D_ten=σ_com:σ_ten). Идеальное OCV может задаваться посредством вычисления кривой, как описано выше. Затем величина ΔOCV изменения OCV может задаваться на основе OCV на кривой идеального OCV.

С другой стороны, OCV аккумуляторного узла 10 может оцениваться на основе значений измерения, полученных посредством соответствующих датчиков (датчика 21 напряжения, датчика 22 тока и температурного датчика 23) в модуле 20 мониторинга. OCV, оцененное таким способом, называется "оцененным OCV" и также обозначается в качестве "OCV_ES". Оцененное OCV отклоняется от идеального OCV под влиянием поверхностного механического напряжения σ. Когда идеальное OCV задается таким образом, как описано выше, величина ΔOCV изменения OCV указывает отклонение (величину отклонения) OCV вследствие поверхностного механического напряжения σ.

Следовательно, OCV, из которого удаляется влияние поверхностного механического напряжения σ, получается посредством коррекции оцененного OCV, с использованием величины ΔOCV изменения OCV, так что SOC может оцениваться из OCV. Более конкретно, как показано на фиг. 6B, SOC, соответствующее (OCV_ES+ΔOCV) в качестве результата суммирования величины ΔOCV изменения OCV с оцененным OCV, получается на кривой идеального OCV, и такое полученное SOC задается в качестве SOC аккумуляторного узла 10, так что может получаться SOC, которое учитывает влияние поверхностного механического напряжения σ. Тем не менее, следует понимать, что способ задания величины ΔOCV изменения OCV, как описано выше, представляет собой просто один пример, и способ задания величины ΔOCV изменения OCV не ограничен этим способом.

Ссылаясь на фиг. 7A-7C, поясняется опорное SOC (SOC_REF). Фиг. 7A-7C показывают примеры, в которых заряд и разряд аккумуляторного узла 10 выполняется в порядке от P(1) до P(8), представляющих соответствующие состояния (см. стрелки на фиг. 7A-7C). Более конкретно, аккумуляторный узел 10 в состоянии P(1) разряжается, и разряд продолжается до тех пор, пока аккумуляторный узел 10 не достигнет состояния (P3). Затем аккумуляторный узел 10 переключается с разряда на заряд в состоянии P(3). После этого, аккумуляторный узел 10 продолжает заряжаться до тех пор, пока он не достигнет состояния P(8). На фиг. 7A, только опорные символы P(1), P(3), P(6), P(8) назначаются соответствующим точкам, с тем чтобы предотвращать усложнение чертежей.

Автор изобретения этого изобретения выявил поведение аккумуляторного узла 10 посредством эксперимента следующим образом. Первоначально, автор изобретения измерил величину электричества (которая также упоминается как "величина ΔAh1 заряда"), с которой аккумуляторный узел 10 заряжен от времени переключения с разряда на заряд (см. состояние P(3)). Как результат, обнаружено, что состояние P аккумуляторного узла 10 не может достигать зарядного OCV, когда величина ΔAh1 заряда меньше предварительно определенной величины, тогда как состояние P может рассматриваться как достижение зарядного OCV, когда величина ΔAh1 заряда равна или выше предварительно определенной величины, даже если заряд начат с точки на кривой разрядного OCV. Здесь, вышеприведенное выражение "может рассматриваться как достижение" может включать в себя случай, в котором разность между OCV состояния P и зарядным OCV становится меньше определенной величины, и состояние P приблизительно "достигло" зарядного OCV, а также случай, в котором состояние P полностью достигло зарядного OCV. Вышеуказанная предварительно определенная величина (которая называется "опорной величиной X1 заряда") может задаваться таким способом, как описано ниже, на основе результата эксперимента.

Например, когда SOC аккумуляторного узла 10 находится в области низкого SOC (в области, в которой SOC составляет приблизительно 20%), как показано на фиг. 7A, получается величина ΔAh1 заряда (вышеуказанная предварительно определенная величина), требуемая для состояния P аккумуляторного узла 10, чтобы достигать зарядного OCV. Аналогично, когда SOC аккумуляторного узла 10 находится в области среднего SOC (в области, в которой SOC составляет приблизительно 50%) (см. фиг. 7B), получается величина ΔAh1 заряда, требуемая для состояния P, чтобы достигать зарядного OCV, посредством эксперимента. Это аналогично применяется к случаю, в котором SOC аккумуляторного узла 10 находится в области высокого SOC (в области, в которой SOC составляет приблизительно 80%), как показано на фиг. 7C.

Посредством измерения величины ΔAh1 заряда, требуемой для состояния P, чтобы достигать зарядного OCV в различных областях SOC посредством эксперимента, обнаружено, что величина ΔAh1 заряда, например, составляет величину электричества, соответствующую нескольким % SOC аккумуляторного узла 10, и является почти постоянной, независимо от области SOC. Соответственно, такая полученная величина ΔAh1 заряда может задаваться в качестве опорной величины X1 заряда. Таким образом, можно использовать общее значение в качестве опорной величины X1 заряда, независимо от SOC.

Тем не менее, величина ΔAh1 заряда отличается немного, в зависимости от области SOC; в силу этого предпочтительно задавать максимальное значение величин ΔAh1 заряда во всех областях SOC в качестве опорной величины X1 заряда. Альтернативно, взаимосвязь между SOC во время переключения между зарядом и разрядом и опорной величиной X1 заряда может сохраняться в форме карты в запоминающем устройстве 100B ECU 100.

Таким образом, опорная величина X1 заряда задается на основе экспериментального результата, и величина электричества (величины ΔAh1 заряда), с которой аккумуляторный узел 10 заряжен от времени переключения с разряда на заряд, сравнивается с опорной величиной X1 заряда. Таким образом, можно определять то, состояние P аккумуляторного узла 10 достигло зарядного OCV или состояние P еще не достигло зарядного OCV.

Для вычисления величины ΔAh1 заряда, используется интегрированное значение тока от времени переключения с разряда на заряд аккумуляторного узла 10. SOC (во время переключения с разряда на заряд), которое предоставляет основу для интегрирования тока, представляет собой опорное SOC (SOC_REF). Кроме того, опорное механическое напряжение σ, которое описывается ниже, представляет собой поверхностное механическое напряжение σ, соответствующее опорному SOC (поверхностное механическое напряжение σ в случае, если SOC равно опорному SOC).

В примерах по фиг. 7A-7C, определяется то, достигло или нет состояние P аккумуляторного узла 10 зарядного OCV, посредством сравнения величины ΔAh1 заряда от времени переключения с разряда на заряд с опорной величиной X1 заряда. Хотя подробное описание не повторяется, опорная величина X2 разряда может задаваться посредством проведения аналогичных измерений во время переключения с заряда на разряд. Затем величина электричества (величина ΔAh2 разряда), разряженная из аккумуляторного узла 10 от времени переключения с заряда на разряд, сравнивается с опорной величиной X2 разряда. Таким образом, можно определять то, состояние P аккумуляторного узла 10 достигло разрядного OCV, или состояние P не достигло разрядного OCV.

Блок-схема последовательности операций способа по фиг. 8 иллюстрирует процесс оценки SOC согласно первому варианту осуществления. Фиг. 9 является применимым для пояснения контента параметров. Блок-схема последовательности операций способа, показанная на фиг. 8, вызывается из основной процедуры (не показана) в данных циклах вычисления, например, и выполняется посредством ECU 100. В запоминающем устройстве 100B ECU 100, сохраняются опорное SOC_REF и опорное механическое напряжение σ_REF, полученные в последнем цикле вычисления (последнем цикле). Каждый этап (который сокращается как "S"), включенный на фиг. 8 и на блок-схемах последовательности операций способа, которые описываются ниже, по существу реализуется посредством программной обработки посредством ECU 100, но может реализовываться посредством специализированных аппаратных средств (электрической схемы), изготовленных в ECU 100.

Как показано на фиг. 8 и 9, на этапе S101, ECU 100 получает напряжение VB, ток IB и температуру TB аккумуляторного узла 10 из соответствующих датчиков (датчика 21 напряжения, датчика 22 тока и температурного датчика 23) в модуле 20 мониторинга.

На этапе S102, ECU 100 оценивает OCV аккумуляторного узла 10 (вычисляет OCV_ES в качестве оцененного OCV). OCV_ES может вычисляться согласно нижеприведенному уравнению (1). В уравнении (1), "R" обозначает внутреннее сопротивление аккумуляторного узла 10. Кроме того, ∑ΔV_i (где "i" является натуральным числом) обозначает корректировочный член для коррекции OCV с учетом влияния поляризации, возникающей в аккумуляторном узле 10. С помощью корректировочного члена ∑ΔV_i, OCV корректируется с точки зрения поляризации, которая извлекается из диффузии лития в активном материале положительного электрода и активном материале отрицательного электрода и диффузии литиевой соли в растворе электролита. Когда диффузия лития в активном материале отрицательного электрода учитывается, желательно учитывать влияния как разности концентрации лития в активном материале отрицательного электрода, так и внутреннего механического напряжения. Корректировочный член ∑ΔV_i получается заранее посредством предварительного эксперимента и сохраняется в запоминающем устройстве 100B. Корректировочный член ∑ΔV_i предполагает положительное значение, когда аккумуляторный узел 10 заряжается.

OCV_ES=VB-IB*R-∑ΔV_i (1)

На этапе S103, ECU 100 считывает SOC(n-1), вычисленное в последнем цикле, из запоминающего устройства 100B. Дополнительно, ECU 100 считывает опорное SOC (SOC_REF) и опорное механическое напряжение σ_REF, сохраненные в запоминающем устройстве 100B.

Согласно результатам экспериментов, проведенных автором изобретения, линейная взаимосвязь, как выражается посредством нижеприведенного уравнения (2), устанавливается между разностью SOC (SOC-SOC_REF), полученной посредством вычитания опорного SOC (SOC_REF) из текущего SOC, и поверхностным механическим напряжением σ. Эта разность SOC соответствует разности, полученной посредством вычитания количества лития, содержащегося в активном материале отрицательного электрода при опорном SOC (которое соответствует "опорной величине носителя заряда" в этом изобретении), из текущего количества лития, содержащегося в активном материале 71 отрицательного электрода, и линейная взаимосвязь предоставляет модель такого принципа, что поверхностное механическое напряжение σ является пропорциональным включенному количеству лития или удаленному количеству лития.

σ=-α(SOC-SOC_REF)+σ_REF (2)

В уравнении (2), α обозначает положительную пропорциональную константу (уклон прямой линии) линейной взаимосвязи между поверхностным механическим напряжением σ и разностью SOC. Пропорциональная константа α представляет собой параметр, определенный согласно механическим характеристикам активного материала 71 отрицательного электрода (и периферийного элемента 72), и получается посредством эксперимента. Более конкретно, пропорциональная константа α может изменяться согласно температуре активного материала 71 отрицательного электрода (≈ температуре TB аккумуляторного узла 10) и содержанию лития в активном материале 71 отрицательного электрода (другими словами, SOC аккумуляторного узла 10). Таким образом, пропорциональная константа α получается для каждой из различных комбинаций температуры TB и SOC аккумуляторного узла 10 и подготавливается в форме карты MP (не показана). Тем не менее, может использоваться корреляционная взаимосвязь между любым одним из температуры TB и SOC и пропорциональной константой α.

На этапе S104, ECU 100 вычисляет пропорциональную константу α из температуры TB и SOC (SOC в последнем цикле) аккумуляторного узла 10 посредством обращения к карте MP. В качестве температуры TB аккумуляторного узла 10, температура TB (значение, полученное на этапе S101), измеряемая в данный момент времени, может использоваться как есть, либо может использоваться временное среднее значение температур, полученных в предварительно определенном периоде (например, 30 мин) непосредственно перед текущим временем. Затем ECU 100 вычисляет поверхностное механическое напряжение σ согласно вышеприведенному уравнению (2) (S105). Это поверхностное механическое напряжение σ предварительно вычисляется до того, как текучесть на поверхности активного материала учитывается, и поверхностное механическое напряжение σ определяется (основное вычисление) посредством обработки S106-S113.

На этапе S106, ECU 100 сравнивает поверхностное механическое напряжение σ, вычисленное на этапе S105, с механическим напряжением σ_com при сжатии. Когда поверхностное механическое напряжение σ равно или меньше механического напряжения σ_com при сжатии, если знак поверхностного механического напряжения σ учитывается, а именно, когда абсолютная величина поверхностного механического напряжения σ равна или выше абсолютной величины механического напряжения σ_com при сжатии (когда абсолютные значения механических напряжений сравниваются) ("Да" на этапе S106), ECU 100 предполагает, что активный материал 71 отрицательного электрода переходит через предел текучести таким образом, что поверхностное механическое напряжение σ становится равным механическому напряжению σ_com при сжатии, и определяет то, что σ=σ_com (S107). Затем ECU 100 обновляет опорное механическое напряжение σ_REF, посредством задания поверхностного механического напряжения σ (=σ_com), вычисленного на этапе S105 текущего цикла вычисления (текущего цикла), равным опорному механическому напряжению σ_REF (S108).

Как описано выше, зарядное OCV и разрядное OCV соответствуют внешней периферии зависимости SOC от поверхностного механического напряжения σ, показанного на фиг. 3. Когда поверхностное механическое напряжение σ равно механическому напряжению σ_com при сжатии, состояние аккумуляторного узла 10 наносится на кривую зарядного OCV. С другой стороны, когда поверхностное механическое напряжение σ равно механическому напряжению σ_ten при растяжении, состояние аккумуляторного узла 10 наносится на кривую разрядного OCV.

Когда поверхностное механическое напряжение σ превышает механическое напряжение σ_com при сжатии на этапе S106, если знак поверхностного механического напряжения σ учитывается, а именно, когда абсолютная величина поверхностного механического напряжения σ меньше абсолютной величины механического напряжения σ_com при сжатии ("Нет" на этапе S106), ECU 100 переходит к этапу S109 и сравнивает поверхностное механическое напряжение σ с механическим напряжением σ_ten при растяжении.

Когда поверхностное механическое напряжение σ равно или выше механического напряжения σ_ten при растяжении, если знак поверхностного механического напряжения σ учитывается, а именно, когда абсолютная величина поверхностного механического напряжения σ равна или выше абсолютной величины механического напряжения σ_ten при растяжении (когда абсолютные значения механических напряжений сравниваются) ("Да" на этапе S109), ECU 100 предполагает, что активный материал 71 отрицательного электрода переходит через предел текучести таким образом, что поверхностное механическое напряжение σ становится равным механическому напряжению σ_ten при растяжении, и определяет то, что σ=σ_ten (S110). Затем ECU 100 обновляет опорное механическое напряжение σ_REF с поверхностным механическим напряжением σ (=σ_ten), вычисленным на этапе S106 текущего цикла (S111).

Хотя фиг. 3 схематично показывает пример, в котором механическое напряжение σ_com при сжатии и механическое напряжение σ_ten при растяжении являются почти постоянными, независимо от SOC, механическое напряжение σ_com при сжатии и механическое напряжение σ_ten при растяжении могут изменяться нелинейно с изменением SOC. Таким образом, значения, соответствующие SOC последнего цикла, например, могут задаваться в качестве механического напряжения σ_com при сжатии и механического напряжения σ_ten при растяжении с учетом нелинейного изменения.

Когда поверхностное механическое напряжение σ меньше механического напряжения σ_ten при растяжении на этапе S109 ("Нет" на этапе S109), поверхностное механическое напряжение σ находится между механическим напряжением σ_com при сжатии и механическим напряжением σ_ten при растяжении (σ_com<σ<σ_ten), и активный материал 71 отрицательного электрода не переходит через предел текучести. Таким образом, поверхностное механическое напряжение σ, предварительно вычисленное на этапе S105, используется (S112). В этом случае, опорное механическое напряжение σ_REF не обновляется, но опорное механическое напряжение σ_REF, заданное в последнем цикле (или цикле до последнего цикла), поддерживается (S113).

После того, как поверхностное механическое напряжение σ определяется посредством обработки S106-S113, ECU 100 вычисляет величину ΔOCV изменения OCV из поверхностного механического напряжения σ (S114). Более конкретно, линейная взаимосвязь, как выражается посредством нижеприведенного уравнения (3), устанавливается между величиной ΔOCV изменения OCV и поверхностным механическим напряжением σ.

ΔOCV=k*Ω*σ/F (3)

В уравнении (3), Ω (единицы: м³/моль) обозначает величину увеличения объема активного материала 71 отрицательного электрода, когда 1 моль лития включена в активный материал, и F (единицы: C/моль) обозначает постоянную Фарадея. В уравнении (3), k является константой (включающей в себя и знак), которая получается эмпирически. Посредством подстановки значения поверхностного механического напряжения σ, наряду с другими константами (k, Ω, F), в вышеуказанное уравнение (3), может вычисляться величина ΔOCV изменения OCV относительно идеального OCV в качестве опорного напряжения.

На этапе S115, ECU 100 корректирует оцененное OCV (OCV_ES), вычисленное на этапе S102, с величиной ΔOCV изменения OCV (более конкретно, вычисляет OCV_ES+ΔOCV), и вычисляет SOC, соответствующее (OCV_ES+ΔOCV), в качестве OCV, которое скорректировано посредством обращения к идеальному OCV (см. фиг. 6B). SOC, вычисленное таким образом, представляет собой SOC текущего цикла. SOC текущего цикла сохраняется в запоминающем устройстве 100B.

Затем ECU 100 определяет то, возникает или нет текучесть в активном материале 71 отрицательного электрода (этап S116), посредством обработки этапов S106-S111. Когда абсолютная величина поверхностного механического напряжения σ равна или выше абсолютной величины его значения текучести, и определяется то, что текучесть возникает в активном материале 71 отрицательного электрода ("Да" на этапе S116), другими словами, когда определяется то, что поверхностное механическое напряжение σ равно или меньше механического напряжения σ_com при сжатии (S107), или определяется то, что поверхностное механическое напряжение σ равно или выше механического напряжения σ_ten при растяжении (S110), ECU 100 обновляет опорное SOC (SOC_REF) с SOC, вычисленным на этапе S115 (S117). Это опорное SOC используется на этапе S105 (см. уравнение (2)) следующего цикла вычисления (следующего цикла). С другой стороны, когда определяется то, что текучесть не возникает в активном материале 71 отрицательного электрода ("Нет" на этапе S116), опорное SOC не обновляется, и опорное SOC, заданное в последнем цикле (или цикле до последнего цикла), поддерживается.

Как описано выше, в первом варианте осуществления, поверхностное механическое напряжение σ вычисляется, с использованием линейной взаимосвязи (см. уравнение (2)) между поверхностным механическим напряжением σ и разностью SOC (SOC-SOC_REF) (S105). Затем поверхностное механическое напряжение σ сравнивается с механическим напряжением σ_com при сжатии (S106), и поверхностное механическое напряжение σ сравнивается с механическим напряжением σ_ten при растяжении (S109). Когда поверхностное механическое напряжение σ превышает механическое напряжение σ_com при сжатии (когда σ≤σ_com), предполагается, что поверхностное механическое напряжение σ переходит через предел текучести при механическом напряжении σ_com при сжатии, и поверхностное механическое напряжение σ определяется как равное σ_com (σ=σ_com) (S107). Когда поверхностное механическое напряжение σ превышает механическое напряжение σ_ten при растяжении (когда σ≥σ_ten), предполагается, что текучесть активного материала 71 отрицательного электрода возникает, и поверхностное механическое напряжение σ определяется как равное σ_ten (σ=σ_ten) (S110). С другой стороны, когда текучесть активного материала 71 отрицательного электрода не возникает (когда σ_com<σ<σ_ten), поверхностное механическое напряжение σ, вычисленное согласно вышеуказанной линейной взаимосвязи, используется как есть (S112). Таким образом, поверхностное механическое напряжение σ может оцениваться с высокой точностью, посредством использования модели, в которой учитывается текучесть активного материала 71 отрицательного электрода и вышеуказанная линейная взаимосвязь.

Дополнительно, в первом варианте осуществления, величина ΔOCV изменения OCV относительно идеального OCV вычисляется из поверхностного механического напряжения σ, оцененного таким способом с высокой точностью, согласно уравнению (3) (S115). Затем со ссылкой на идеальное OCV, SOC может оцениваться с высокой точностью, с использованием величины ΔOCV изменения OCV. Первый вариант осуществления является особенно эффективным, когда величина изменения объема во время заряда и разряда является большой, и активный материал (кремниевое соединение), в котором заметно появляется влияние гистерезиса, используется в качестве отрицательного электрода 117. Тем не менее, первый вариант осуществления также может применяться к случаю, в котором используется общий активный материал отрицательного электрода (к примеру, графит).

Далее описывается второй вариант осуществления. В первом варианте осуществления, описывается процесс оценки SOC аккумуляторного узла 10 из поверхностного механического напряжения σ. Во втором варианте осуществления, описывается процесс определения степени ухудшения характеристик или состояния работоспособности (SOH) аккумуляторного узла 10, более конкретно, процесс вычисления полной зарядной емкости аккумуляторного узла 10 (процесс вычисления полной зарядной емкости).

Блок-схема последовательности операций способа по фиг. 10 иллюстрирует процесс вычисления полной зарядной емкости согласно второму варианту осуществления. Ссылаясь на фиг. 10, на этапе S201, ECU 100 начинает интегрирование электрического тока, с использованием датчика 22 тока.

На этапе S202, ECU 100 выполняет процесс оценки первого SOC (см. фиг. 8), аналогичный процессу оценки первого варианта осуществления. SOC, оцененное посредством процесса оценки первого SOC, обозначается как "S1".

Чтобы оценивать полную зарядную емкость C с высокой точностью, желательно, чтобы абсолютное значение величины ΔAh изменения емкости аккумуляторного узла 10 (= величина ΔSOC изменения для SOC) между процессом оценки первого SOC и процессом оценки второго SOC было относительно большим. Таким образом, когда абсолютное значение |ΔAh| величины изменения емкости аккумуляторного узла 10 (или |ΔSOC|) становится равным или превышающим предварительно определенную величину ("Да" на этапе S203), ECU 100 определяет то, что условие для выполнения процесса оценки второго SOC удовлетворяется, прекращает интегрирование тока (S204) и выполняет процесс оценки второго SOC (S205). SOC, оцененное посредством процесса оценки второго SOC, обозначается как "S2".

На этапе S206, ECU 100 вычисляет полную зарядную емкость C аккумуляторного узла 10, с использованием S1, S2 в качестве результатов оценки в вышеуказанных двух процессах оценки SOC и величины ΔAh изменения емкости. Более конкретно, полная зарядная емкость C может вычисляться согласно нижеприведенному уравнению (4).

C=ΔAh/(S1-S2) *100 (4)

Как описано выше, согласно второму варианту осуществления, SOC оценивается с использованием процесса оценки SOC согласно первому варианту осуществления, и полная зарядная емкость C вычисляется с использованием результатов оценки. Таким образом, поскольку полная зарядная емкость C вычисляется с использованием SOC, оцененного с высокой точностью с учетом гистерезиса, вызываемого посредством поверхностного механического напряжения σ, полная зарядная емкость C также может вычисляться с высокой точностью.

Далее описывается третий вариант осуществления. Например, композиционный материал или композиционный корпус, включающий в себя кремниевое соединение и графит, может рассматриваться для использования в качестве активного материала отрицательного электрода. Кривая SOC-OCV в случае, если используется композиционный материал, показывает гистерезисную характеристику, отличающуюся от гистерезисной характеристики в случае, если используется только кремниевое соединение. В третьем варианте осуществления, описывается процесс оценки SOC для использования гистерезисной характеристики композиционного материала.

Ссылаясь на фиг. 11, в дальнейшем описывается гистерезисная характеристика в третьем варианте осуществления. Как показано на фиг. 11, когда используется композиционный материал, включающий в себя кремниевое соединение и графит, область SOC, в которой значительный гистерезис наблюдается в OCV, ограничена областью низкого SOC (на фиг. 11, областью SOC, меньшего TH). Пороговое значение TH может получаться посредством предварительного эксперимента.

Блок-схема последовательности операций способа по фиг. 12 иллюстрирует процесс оценки SOC согласно третьему варианту осуществления. Ссылаясь на фиг. 12, на этапе S301, ECU 100 извлекает SOC, оцененное в последнем цикле вычисления (последнем цикле), из запоминающего устройства 100B.

На этапе S302, ECU 100 определяет то, меньше или нет SOC последнего цикла порогового значения TH. Когда SOC последнего цикла меньше порогового значения TH ("Да" на этапе S302), ECU 100 выполняет процесс оценки SOC, аналогичный процессу оценки первого варианта осуществления (см. фиг. 8) (S303).

С другой стороны, когда SOC последнего цикла равно или выше порогового значения TH ("Нет" на этапе S302), ECU 100 оценивает SOC посредством общего способа. Более конкретно, первоначально ECU 100 оценивает OCV аккумуляторного узла 10 (S304). Затем ECU 100 оценивает SOC текущего цикла, из OCV, оцененного на этапе S304, с использованием нормальной кривой SOC-OCV, которая не учитывает гистерезис, вызываемый посредством поверхностного механического напряжения σ (S305). Оцененное SOC сохраняется в запоминающем устройстве 100B (S306) и используется на этапе S301 следующего цикла.

Согласно третьему варианту осуществления, когда композиционный материал используется в качестве активного материала отрицательного электрода, SOC оценивается с учетом гистерезиса, вызываемого посредством поверхностного механического напряжения σ в области низкого SOC (в области второго SOC), в которой значительный гистерезис наблюдается в OCV. С другой стороны, SOC оценивается посредством общего способа в области высокого SOC (в области первого SOC), в которой не наблюдается значительный гистерезис. Оценка SOC с учетом гистерезиса, вызываемого посредством поверхностного механического напряжения σ, требует больших вычислительных ресурсов, чем оценка SOC согласно общему способу. Следовательно, вычислительные ресурсы ECU 100 могут экономиться посредством использования общего способа в области высокого SOC.

Хотя композиционный материал, включающий в себя кремниевый материал и графит, используется в качестве активного материала отрицательного электрода в варианте осуществления по фиг. 11 и фиг. 12, активный материал отрицательного электрода может включать в себя другой материал или материалы при условии, что материал демонстрирует значительный гистерезис только в части области SOC. В качестве примера такого материала, может быть приведен композиционный материал, включающий в себя кремниевый материал и титанат лития. Этот композиционный материал известен как обуславливающий значительный гистерезис в области высокого SOC. В этом случае, в управляющей процедуре, показанной на фиг. 12, требуется только изменять на противоположное знак неравенства на этапе S302.

В первом-третьем вариантах осуществления, кремниевое соединение используется в качестве активного материала отрицательного электрода, имеющего большую величину изменения объема во время заряда или разряда. Тем не менее, активный материал отрицательного электрода, имеющий большую величину изменения объема во время заряда или разряда, не ограничен кремниевым соединением. В этом подробном описании, "активный материал отрицательного электрода, имеющий большую величину изменения объема", означает материал, имеющий большую величину изменения объема по сравнению с величиной изменения объема (приблизительно 10%) графита во время заряда или разряда. Примеры такого материала отрицательного электрода литий-ионного вспомогательного аккумулятора включают в себя оловянное соединение (например, Sn или SnO), германиевое (Ge) соединение и свинцовое (Pb) соединение. Электролит литий-ионного вспомогательного аккумулятора не ограничен электролитом жидкого типа, и может иметь полимерный тип или полностью твердый тип. Кроме того, когда величина изменения объема активного материала положительного электрода является большой, гистерезис, извлекаемый из положительного электрода, может учитываться.

Дополнительно, вспомогательный аккумулятор, к которому могут применяться процессы оценки SOC, описанные выше в первом и третьем вариантах осуществления, и процесс вычисления полной зарядной емкости, описанный выше во втором варианте осуществления, не ограничен литий-ионным вспомогательным аккумулятором, и может представлять собой другой тип вспомогательного аккумулятора (например, никель-гидридный аккумулятор). Кроме того, поверхностное механическое напряжение σ также может формироваться на стороне положительного электрода вспомогательного аккумулятора. Таким образом, вышеописанные процессы оценки SOC и процесс вычисления полной зарядной емкости могут использоваться таким образом, чтобы учитывать поверхностное механическое напряжение σ на стороне положительного электрода вспомогательного аккумулятора.

Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, должны рассматриваться не как ограничительные или ограничивающие, а как иллюстративные во всех аспектах. Объем этого изобретения не указывается в описании вариантов осуществления, а указывается в прилагаемой формуле изобретения и имеет намерение включать в себя все изменения в пределах диапазона прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к оценке механического напряжения активного материала аккумулятора, и может быть использовано для оценки состояния заряда вспомогательного аккумулятора. Вспомогательная аккумуляторная система включает в себя электронный модуль управления (ECU), который оценивает поверхностное механическое напряжение, сформированное в активном композиционном материале отрицательного электрода при включении или удалении лития в отрицательном электроде аккумуляторного узла, при этом ECU вычисляет оцененное значение поверхностного механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорного количества лития из количества лития, содержащегося в активном материале отрицательного электрода, с использованием линейной взаимосвязи между разностью состояния заряда (SOC) вспомогательного аккумулятора и поверхностным механическим напряжением. ECU задает поверхностное механическое напряжение равным механическому напряжению при переделе текучести, когда абсолютная величина оцененного значения превышает абсолютную величину механического напряжения при переделе текучести (механического напряжения при сжатии или механического напряжения при растяжении) активного материала, и использует оцененное значение в качестве поверхностного механического напряжения, когда абсолютная величина оцененного значения меньше абсолютной величины механического напряжения при переделе текучести. Предложенный способ позволяет производить оценку состояния заряда и полной зарядной емкости аккумуляторной батареи учитывая поверхностное механическое напряжение композиционного материала, который может включать в себя и другие материалы при условии, что материал демонстрирует значительный гистерезис только в части области SOC. Повышение точности оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора, является техническим результатом изобретения. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Вспомогательная аккумуляторная система, содержащая:

вспомогательный аккумулятор, имеющий электрод, содержащий активный материал, в и из которого обратимо включается и удаляется носитель заряда; и

модуль управления, выполненный с возможностью оценивания механического напряжения, сформированного в активном материале по мере того, как носитель заряда включается или удаляется из активного материала,

при этом модуль управления выполнен с возможностью вычисления оцененного значения механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием первой линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением и корректирования оцененного значения до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда абсолютная величина оцененного значения превышает абсолютную величину механического напряжения при переделе текучести активного материала.

2. Вспомогательная аккумуляторная система по п. 1, в которой:

величина носителя заряда, содержащегося в активном материале, представляется посредством SOC вспомогательного аккумулятора; и

опорная величина носителя заряда представляется посредством опорного SOC в качестве SOC, полученного в то время, когда вспомогательный аккумулятор переключается между зарядом и разрядом в состоянии, в котором механическое напряжение представляет собой механическое напряжение при переделе текучести.

3. Вспомогательная аккумуляторная система по п. 2, в которой первая линейная взаимосвязь выражается посредством уравнения (1):

σ=-α(SOC-SOC_REF)+σ_REF (1),

где σ обозначает механическое напряжение, SOC_REF обозначает опорное SOC, σ_REF обозначает механическое напряжение в случае, если SOC вспомогательного аккумулятора представляет собой опорное SOC, и α обозначает пропорциональную константу, указывающую первую линейную взаимосвязь.

4. Вспомогательная аккумуляторная система по п. 3, в которой модуль управления выполнен с возможностью вычисления пропорциональной константы из по меньшей мере одного из температуры и SOC вспомогательного аккумулятора с использованием корреляционной взаимосвязи между по меньшей мере одним из температуры и SOC вспомогательного аккумулятора и пропорциональной константой.

5. Вспомогательная аккумуляторная система по любому из пп. 1-4, в которой:

модуль управления выполнен с возможностью осуществления процесса оценки SOC для оценки SOC вспомогательного аккумулятора и вычисляет величину изменения OCV из механического напряжения, с использованием второй линейной взаимосвязи между величиной изменения OCV, вызываемого посредством механического напряжения, относительно OCV в случае, если механическое напряжение представляет собой опорное механическое напряжение, и механическим напряжением в процессе оценки SOC; и

модуль управления выполнен с возможностью оценивания SOC вспомогательного аккумулятора из величины изменения OCV посредством обращения к первой взаимосвязи соответствия между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора, когда механическое напряжение представляет собой опорное механическое напряжение.

6. Вспомогательная аккумуляторная система по п. 5, в которой модуль управления выполнен с возможностью оценивания первого SOC посредством выполнения процесса оценки SOC, оценивания второго SOC посредством выполнения процесса оценки SOC снова, когда величина изменения емкости вспомогательного аккумулятора от времени оценки первого SOC превышает предварительно определенную величину, и вычисления полной зарядной емкости вспомогательного аккумулятора на основе разности SOC между первым SOC и вторым SOC и величины изменения емкости вспомогательного аккумулятора между временем оценки первого SOC и временем оценки второго SOC.

7. Вспомогательная аккумуляторная система по п. 5, в которой:

активный материал содержит первый активный материал и второй активный материал;

величина изменения объема второго активного материала во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора превышает величину изменения объема первого активного материала во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора;

взаимосвязь между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора включает в себя область первого SOC и область второго SOC, имеющую больший гистерезис OCV вспомогательного аккумулятора во время заряда или разряда вспомогательного аккумулятора, чем гистерезис области первого SOC; и

модуль управления выполнен с возможностью многократного оценивания SOC вспомогательного аккумулятора и выполнения процесса оценки SOC, когда SOC вспомогательного аккумулятора, оцененное в последнем цикле, находится в области второго SOC, причем модуль управления выполнен с возможностью оценивания SOC вспомогательного аккумулятора согласно второй взаимосвязи соответствия между OCV и SOC вспомогательного аккумулятора, отличной от первой взаимосвязи соответствия, когда SOC вспомогательного аккумулятора, оцененное в последнем цикле, находится в области первого SOC.

8. Способ оценки механического напряжения, сформированного в активном материале вспомогательного аккумулятора по мере того, как носитель заряда включается и удаляется из активного материала, при котором:

вычисляют оцененное значение механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением; и

корректируют оцененное значение до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда абсолютная величина оцененного значения превышает абсолютную величину механического напряжения при переделе текучести активного материала.

9. Вспомогательная аккумуляторная система, содержащая:

вспомогательный аккумулятор, имеющий электрод, содержащий активный материал, в и из которого обратимо включается и удаляется носитель заряда; и

модуль управления, выполненный с возможностью оценивания механического напряжения, сформированного в активном материале по мере того, как носитель заряда включается или удаляется из активного материала,

при этом модуль управления выполнен с возможностью вычисления оцененного значения механического напряжения из разности, полученной посредством вычитания опорной величины носителя заряда из величины носителя заряда, содержащегося в активном материале, с использованием первой линейной взаимосвязи между разностью и механическим напряжением,и корректирования оцененного значения до механического напряжения при переделе текучести активного материала, когда оцененное значение превышает механическое напряжение при растяжении активного материала во время текучести или меньше механического напряжения при сжатии активного материала во время текучести.