专利名称：计算方法、计算系统、计算装置的制作方法
计算方法、计算系统、计算装置
本申请基于且主张2011年5月31日申请的在先日本专利申请第2011-122965号的优先权，此申请案的全部内容以引用的方式并入本文。技术领域
本发明的实施方式涉及一种计算电池的劣化状态的计算方法、计算系统、计算装置。
背景技术：
计算电池的劣化状态的计算方法、计算系统、计算装置的研究正在进展中。例如， 如日本公开公报P2011-75461所记载，利用电池单元的容量值进行电池单元的评价。
但是，在仅用容量的评价中，无法把握是正极或负极中的哪个发生劣化等更正确的状况。发明内容
根据上述情况，提供一种实施方式，参照测量值数据库和函数信息数据库，实现以保存于所述函数信息数据库的函数的活性材料的量为变量(変数)对存储于所述测量值数据库的电池电压进行回归计算的运算功能，该测量值数据库使电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储，该函数信息数据库存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数。
根据该实施方式，更正确地计算电池的劣化状态。
例的图。
图1是第一实施方式所涉及的计算系统的方框图。图2是第一实施方式所涉及的电池装置的方框图。图3是表示与利用了活性材料A及活性材料B的正极的充电量相对的电动势的一图4是表不与正极的充电量相对的电位的一例的图。图5是表示由电流值的增大引起的与充电量相对的负极电位的变化的一例的图。 图6是表不与充电时间相对的充电电压的测量值的一例的图。图7是表示第一实施方式所涉及的计算装置的动作的流程图。图8是表示第一实施方式所涉及的回归计算的一例的流程图。图9是表示第一实施方式所涉及的充电量分配计算的一例的流程图。图10是表示第一实施方式所涉及的计算装置的变形例的图。图11是表示第一实施方式所涉及的计算装置的动作的方框图。图12是表示第一实施方式所涉及的计算装置的动作的方框图。图13是表示第一实施方式所涉及的计算装置的动作的方框图。
图14是表示第一实施方式所涉及的计算装置的动作的方框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图I是本实施方式的计算系统的构成图。
图I所示的计算系统是进行电池装置20的剩余容量的计算的计算机系统。在本实施方式中，作为计算系统的构成要素之一的计算装置10可以由根据处理功能通过LAN、 因特网等通信网络将装置组合起来的计算装置群构成。
计算装置10 是包括 CPU100,RAM (RffM) 110、通信 IF120、输入 IF131、显示 IF141、 R0M150、存储部160及计时器170的结构。此外，也可以具备装载USB存储器等外部存储装置的IF (接口)。计算装置10是执行程序并进行运算的计算机。
计算装置10通过通信IF120从二次电池装置20收集电流值、电压值等数据，并利用收集到的数据进行各种运算处理。
CPU100是将预先写入到R0M150的各程序读出到RAMl 10，并进行计算处理的运算处理部(微处理器)。CPU100可以使功能合并而由多个CPU群(微型计算机、微型控制器)构成。另外，CPU内可以具备带有RAM功能的内置存储器。
RAM (RWM)IlO是CPU100执行程序时使用的存储区域，是用作工作区域的存储器。 使处理所需的数据暂时存储是优选的。
通信IF120是与二次电池装置进行数据授受的通信装置、通信单元。例如，有路由器。在本实施方式中，通信IF20与二次电池装置20的连接如有线通信般记载，但可以替换为各种无线通信网。另外，通信IF20与二次电池装置20的连接也可以是通过能够单方向或双方向通信的台数的网络来进行的方式。
输入IF130是连接输入部131和计算装置10的接口。可以具有将从输入部131 发送来的输入信号转换并转换为CPUlOO能够识别的信号的输入控制功能。本IF作为端子等不是必须的构成要素，也可以直接与计算装置内的布线连接。
输入部131是计算机装置通常具备的各种键盘、按钮等进行输入控制的输入装置、输入单元。此外，也可以具有通过识别人发出的声音而作为输入信号识别或检测的功能。在本实施方式中，设置在计算装置10的外部，但也可以是组装到计算装置中的方式。
显示IF140是连接显示部141和计算装置10的接口。可以从CPU100经由显示 IF141进行显示部130的显示控制,也可以通过绘图板(graphic board)等进行描绘处理的 LSI (GPU)进行显示控制。作为显示控制功能，例如有将图像数据解密的译码功能。也可以是不使用IF而直接连接至计算装置10内部的方式。
显示部141是液晶显示器、有机EL显示器、等离子显示器等输出装置、输出单元。 此外，也可以具有发出声音的功能。在本实施方式中，设置在计算装置10的外部，但也可以组装到计算装置10的内部。
R0M150是保存回归计算程序151和劣化度计算程序152的程序存储器。利用不能进行数据写入的非一次性存储介质是优选的，但也可以是能够随时进行数据的读出、写入的半导体存储器等存储介质。此外，也可以保存将图像数据在显示部141上显示为人能够识别的文字或图案的显示程序、通过通信IF120向终端30配送电池的劣化信息等内容的程序、每隔预先确定的时间将所取得的数据存储到存储部160的信息登记程序等。
回归计算程序151是使CPU100实现计算构成电池装置20的各电池单元中的每个单元或每个电池组的正极的容量值、负极的容量值、内部电阻值的功能的单元。例如，计算 (解析)以下的七个值，(I)构成正极的活性材料A的容量，(2)构成正极的活性材料B的容量，(3)负极的容量，(4)构成正极的活性材料A的充电量，(5)构成正极的活性材料B的充电量，(6)负极的充电量，(7)内部电阻值。[O·]Qa、qfs qf、被、见算式 υ
利用这些值，计算充电电压相对于时间的变化特性、正极的电位相对于充电量及或负极的电位相对于充电量特性。具体的动作在后阐述。
回归计算程序151由与以下的各算式相对应的程序群构成。另外，关于各程序的顺序，能够进行各种变更。
充电电压Vc用电池的起电压(起電圧)Ve、内部电阻的电压％根据下面的算式2求出。
Vc = Ve+VE(算式 2)
电池的起电压V6用正极的电位E。及负极的电位Ea根据下面的算式3求出。
Ve = Ec-Ea(算式 3)
正极和负极的电位用充电量(q)、初始状态下的正极的容量Qie及初始状态下的负极的容量Qia根据算式4、算式5求出。
Ec = fc(q/Qic)(算式 4)
Ea = fa(q/Qia)(算式 5)
这里，对以多种活性材料构成正极或负极的情况进行说明。在此情况下，如图3所示，各种活性材料的电动势示出了不同的特性。计算混合了活性材料A (例如，锰酸锂)和活性材料B (例如，钴酸锂)的复合正极的起电压相对于充电量的特性。计算出的特性图示后如图4。
活性材料A的正极的电位B的正极的电位EeB用初始状态的活性材料A的容量Qic;A、初始状态的活性材料B的容量Qic;B、活性材料A的充电量qA及活性材料B的充电量qB并存在算式6、算式7、8、9的关系(图3)。
Eca = fcA(qA/QicA)(算式 6)
Ecb = fcB (qB /QicB)(算式 7)
f cA (Qa/Qca) = f cB (Qb/Qcb)(算式 8)
q = qA+qB(算式 9)
因此，混合正极的电位E。用活性材料A的正极的充电开始时的容量qA、活性材料A 的正极的充电量Qd或活性材料B的正极的充电开始时的容量qB及活性材料B的正极的充电量^根据算式10求出。
Ec = fc (q/Qic) = f cA (Qa/Qca) = f cB (Qb/Qcb)
(算式10)
另外，活性材料A的正极的电位EeA和活性材料B的充电量qB是各活性材料表面的电位。因此，活性材料内的锂离子的分布根据活性材料内的锂离子的扩散电阻而变化，所以认为充电量与起电压的关系根据充电电流而变化。但是，在本实施方式中，在使用于正极的活性材料及使用于负极的碳类活性材料中，活性材料内的扩散电阻小，因此作为即使充电电流变化，充电电流与起电压的关系也不会大幅变化的活性材料对待。
另一方面，当在负极中将利用了如钛酸锂的扩散电阻较大的材料作为活性材料利用于负极时，如图5所示，充电量与起电压的关系根据电流值大幅变化，因此不进行与正极同样的近似。
因此，负极电位Ea以算式11表示。
Ea = fa(q/Qia, I/Qia)(算式 11)
另外，内部电阻的电压Vk用充电电流I和内部电阻R (q)根据算式12、13求出。
Ve = R(q) XI(算式 12)
q = / Idt(算式 13)
也就是说，算式2表示为，
Vc = fc (q/Qic) -fa (q/Qia, I/Qia) +R(q) XI
(算式2A)
这样，充电电压与活性材料的起电压特性及内部电阻之间存在非线性的相关关系。接下来，以活性材料的容量及内部电阻为变量，关于充电电压相对于充电量的特性曲线进行回归计算，计算并决定活性材料的容量及内部电阻。
劣化度计算程序152是使CPU100实现根据通过执行回归计算程序151求出的活性材料的容量和内部电阻的值来计算电池装置20的劣化度的功能的单元。
以各活性材料的容量和内部电阻为变量，将求出劣化度的函数事先存储于函数信息DB163，从函数信息DB163读出函数并对通过本程序得出的各活性材料的容量和内部电阻进行比较，来计算劣化度。
例如，在事先存储容量和内部电阻的基准值，并且通过本程序得到的容量或内部电阻的值比基准值小时，判断为劣化到无法使用的程度，或者也可以根据使用用途，事先存储根据容量和内部电阻值来运算的劣化指标的运算方法(函数)，将利用通过本程序得到的容量和内部电阻运算出的劣化指标作为劣化度提示。
存储部160是硬盘驱动器(HDD)等非易失性的存储装置、存储单元。此外，不限于非易失性的存储单元，可以利用闪存器等半导体存储器，也可以是组合了这些半导体存储器和HDD的方式的存储介质。在本实施方式中，以R0M150和存储部160作为不同的存储介质的方式记载，也可以将ROM和存储部合并而作为一个存储部、存储单元。
存储部160保存计测值DB161、计算结果DB162及函数信息DB163。此外，还存储 CPU100的计算处理所需要的数据。
测量结果DB161对计测出的电池装置20的电流值、电压值等测量数据每隔预先确定的测量间隔存储数据。例如，将所保存的数据以表形式保存。若进行图示，则绘出如图6 所示的图。与所保存的测量结果有关的数据在执行回归计算程序151时利用。
计算结果DB162保存通过执行回归计算程序151的CPU100计算出的值。保存后的值可以由CPUlOO读出并通过显示IF140显示在显示部141上。也可以是代替本存储单元，存储在云计算系统内的计算装置10外部的存储介质中的方式。
另外，函数信息DB163存储如图4所示那样表示正极电位和充电量的关系的函数、表示图5所示的负极电位与充电量的关系的函数及值。这些表示图5所示的负极电位与充电量的关系是，随着电流值的增大，负极电位相对于充电量变得恒定的区域变少。本函数信息在评价正极、负极的劣化度时利用。
另外，也保存有求出正极、负极相对于充电量的电位时的数据。在正极或负极由多种材料构成的情况下，保存有与各材料中的每种材料相对应的函数。
计时器170是用于计测时间的时钟。CPU100利用计测出的时刻进行电流值、电压值的计测及保存。计算装置10可以是代替计时器170通过网络取得时间的方式，也可以是根据计时器170的计测和从网络获得的时刻来计算时刻的方式。
电池装置20是具备电池和计测电池的电流值、电压值等的控制电路的装置。电池中能够利用各种二次电池。例如,通过VTM21进行电压检测，通过电压检测电路602检测电压。
终端30是装载了上述电池装置20的车辆或定置形电池装置。是包括CPU300、RAM (RWM) 310、通信IF320、输入IF331、显示IF341、R0M350、存储部360、计时器370及蓄电池 380的结构。另外，也可以具备对蓄电池进行充电的充电器381、在从蓄电池对马达383送电时进行直流-交流转换的变流器382。另外，也可以代替对终端30内进行控制的CPU100 而使用可编程控制器385。
各构成要素的功能与计算装置的各构成要素是同样的，所以省略。另外，也可以通过CPU100和CPU300分割着执行各程序的执行。蓄电池380是电池装置20。
接着，主要参照图7、图8对具体的动作的一例进行说明。
为了简单，充电电流值结合定电流充电的情况进行记载。充电电流值无需是一定值，但出于测量误差及计算误差较少的观点，定电流充电下的测量是优选的。
另外，内部电阻值作为相对于充电量q不变化的电阻值对待。
另外，在本实施方式中，记载对各单元中的每个单元测量了电压的情况。在对如电池组般具有多个单元的电池模块使用本计算方法的情况下，因为各单元中的每个单元的劣化的进展状况都不同，所以对每个单元测量充电电压的时间变化是优选的。(步骤S101)。
这样，将测量到的充电电压保存在测量结果DB161中。在从充电开始到到达充电终止电压为止的充电时间t。期间得到N个测量值。刚刚充电之后是过渡期，充电电压尚未稳定，因此在该过渡期ts期间得到的ns个数据未用在用于计算活性材料的容量及内部电阻的回归计算中。
计算装置10取得各单元的充电电压的测量值。将所取得的值暂时保存在RAMllO 或存储在存储部160中。
CPU100根据R0M150执行回归计算程序151，并通过回归计算对非线性微分方程式的解进行解析(步骤S102)。
因为是进行定电流充电，所以从充电开始起的充电量q。根据算式13求出
qc = I · t
这样,得到与充电量q对应的测量电压、测量值(V1, qcl), (V2, qc2), ···, (VN, qcN)。
CPUlOO将得到的值暂时保存在RAMllO中或存储在存储部160中。
用上述测量值进行回归计算。在进行回归计算时使用的残差平方和以下式表示。
权利要求
1.一种计算方法，使计算电池电压的计算装置实现运算功能，包括 参照测量值数据库和函数信息数据库，以保存于所述函数信息数据库的函数的活性材料的量为变量，对存储于所述测量值数据库的电池电压进行回归计算，所述测量值数据库将电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储，所述函数信息数据库存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数。
2.根据权利要求I所述的计算方法，还以所述电池的内部电阻值和根据充电电流值求出的从所述电池的充电开始起的到测量时为止的充电量为变量，计算所述电池的充电电压的时间特性。
3.根据权利要求I所述的计算方法，还以活性材料的充电量的变化量为变量，计算所述电池的充电电压的时间特性。
4.根据权利要求I所述的计算方法，其特征在于， 所述充电电流值是定电流充电时的电流值。
5.根据权利要求I所述的计算方法，其特征在于， 所述电池包括含有多种活性材料的正极及或含有多种活性材料的负极， 参照保存所述活性材料的电位-充电量特性的函数信息数据库，计算含有所述多种活性材料的正极的正极电压及或含有所述多种活性材料的负极的负极电压。
6.根据权利要求I所述的计算方法，其特征在于， 还计算构成电池的各电池单元中每个电池单元或每个电池组的正极的容量值、负极的容量值、内部电阻值。
7.根据权利要求I所述的计算方法，其特征在于， 计算出构成正极的第一活性材料的容量、构成正极的第二活性材料的容量、负极的容量、构成正极的第一活性材料的充电量、构成正极的第二活性材料的充电量及负极的充电量中的任一个值，并利用该值计算充电电压相对于时间的变化特性、正极相对于充电量的电位及或负极相对于充电量的电位特性。
8.根据权利要求I所述的计算方法，其特征在于， 在负极中用钛酸锂作为活性材料。
9.一种计算系统，包括 测量值数据库，将电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储； 函数信息数据库，存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数；以及 运算单元，参照所述测量值数据库和所述函数信息数据库，以保存于所述函数信息数据库的函数的活性材料的量为变量，对存储于所述测量值数据库的电池电压进行回归计笪ο
10.一种计算装置，包括 测量值数据库，将电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储； 函数信息数据库，存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数；以及 运算单元，参照所述测量值数据库和所述函数信息数据库，以保存于所述函数信息数据库的函数的活性材料的量为变量，对存储于所述测量值数据库的电池电压进行回归计算。
11.根据权利要求9所述的计算装置，其特征在于， 所述电池包括含有多种活性材料的正极及或含有多种活性材料的负极， 所述运算单元还参照保存所述活性材料的电位-充电量特性的函数信息数据库，计算含有所述多种活性材料的正极的正极电压及或含有所述多种活性材料的负极的负极电压。
12.根据权利要求9所述的计算装置，其特征在于， 在负极中用钛酸锂作为活性材料。
13.根据权利要求9所述的计算装置，其特征在于， 所述运算单元计算构成正极的第一活性材料的容量、构成正极的第二活性材料的容量、负极的容量、构成正极的第一活性材料的充电量、构成正极的第二活性材料的充电量及负极的充电量中的任一个值，并用该值计算充电电压相对于时间的变化特性、正极相对于充电量的电位及或负极相对于充电量的电位特性。
14.一种电池状态评价用的计算装置，其特征在于，具备 测量值存储单元，将电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储； 函数存储单元，存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数；以及 运算单元，以存储于所述函数存储单元的函数的活性材料的量为变量，对存储于所述测量值存储单元的电池电压进行回归计算。
15.根据权利要求14所述的电池状态评价用的计算装置，其特征在于， 所述测量值存储单元包括根据电池的通电电流求出所述电池的充电量的单元，所述运算单元将电池的内部电阻作为未知数处理。
16.根据权利要求14所述的电池状态评价用的计算装置，其特征在于， 存储于所述函数存储单元的函数除了活性材料的充电量以外，还以活性材料的充电量的变化量为变量。
17.根据权利要求15所述的电池状态评价用的计算装置，其特征在于， 所述测量值存储单元存储对电池进行定电流充电时的电池电压。
18.根据权利要求14所述的电池状态评价用的计算装置，其特征在于， 所述函数存储单元关于在正极或负极任一个中含有多种活性材料的电池，按其每种活性材料存储函数。
全文摘要
本发明涉及计算电池的劣化状态的计算方法、计算系统及计算装置。本实施方式的计算方法的目的在于更正确地计算电池的劣化状态。本实施方式的计算方法实现参照测量值数据库和函数信息数据库，以保存于所述函数信息数据库的函数的活性材料的量为变量，对存储于所述测量值数据库的电池电压进行回归计算的运算功能，所述测量值数据库将电池的充电量和此时产生的电池电压对应着存储，所述函数信息数据库存储表示包含于电池内的多种活性材料的充电量与电压的关系的函数。
文档编号H01M10/48GK102983371SQ20121017655
公开日2013年3月20日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者星野昌幸, 森田朋和 申请人:株式会社东芝