JP7728965B2 - Estimating the health status of electrochemical devices - Google Patents
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Description
本開示は、電気化学デバイス、特に電池タイプデバイスにおけるエネルギー貯蔵の分野、および、そのようなデバイスのセカンドライフに関する。 This disclosure relates to the field of energy storage in electrochemical devices, particularly battery-type devices, and the second life of such devices.
そのような電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、スマートフォン、ラップトップなどの任意の電気デバイスにおいて、または、電気自動車(EV)もしくは特に電力網の事業者用の電池エネルギー貯蔵システム(BES)などの任意の電気システムにおいて使用することができる。 Such electrochemical energy storage devices can be used in any electrical device, such as a smartphone, laptop, or in any electrical system, such as an electric vehicle (EV) or a battery energy storage system (BES), especially for grid operators.
より一般的には、上述のタイプの電気化学デバイスは、1次電池または充電式(2次)電池を備え得る。 More generally, electrochemical devices of the types described above may comprise primary or rechargeable (secondary) batteries.
充電式電池は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、固体リチウムイオン電池、固体リチウム金属電池、ナトリウムイオン電池、固体ナトリウムイオン電池、固体ナトリウム金属電池、またはナトリウム硫黄電池であってよい。 The rechargeable battery may be a lithium-ion battery, a nickel-metal hydride battery, a nickel-cadmium battery, a lead-acid battery, a solid-state lithium-ion battery, a solid-state lithium metal battery, a sodium-ion battery, a solid-state sodium-ion battery, a solid-state sodium metal battery, or a sodium-sulfur battery.
1次電池は、アルカリ電池、リチウム電池、リチウム空気電池、または亜鉛空気電池であってよい。 The primary battery may be an alkaline battery, a lithium battery, a lithium-air battery, or a zinc-air battery.
したがって、本発明は、上述のタイプの電気化学エネルギー貯蔵デバイスが存在する、あらゆるデバイスおよびシステムに適用することができる。 The present invention can therefore be applied to any device or system in which an electrochemical energy storage device of the type described above is present.
そのような貯蔵デバイスでは、電気化学エネルギー貯蔵デバイスの健全状態(または、SOH)を得る要望がある。知られている技法では、デバイスの充電/放電容量を測定すること、デバイスのインピーダンスを測定すること、またはデバイスの履歴データを見ることを利用し得る。 For such storage devices, there is a desire to obtain the state of health (or SOH) of the electrochemical energy storage device. Known techniques may utilize measuring the charge/discharge capacity of the device, measuring the impedance of the device, or looking at historical data for the device.
SOH推定は、電気化学デバイス(充電式または1次)の性質に従って変えることができる。充電式電池の場合には、電気化学反応のほとんどは通常可逆的であるが、いくつかの非可逆的反応(副反応)が発生する場合がある。電池の再充電容量は、これらの非可逆的反応に起因して減少する。しかし、電池の内側の材料は、デバイスを分解および破壊せずに分析することはできない。電池の内側の材料を分析するために、たとえば高エネルギーX線を使用する専用技法があるが、これらの技法は非常に高価であり、実際には使用されない。 SOH estimation can vary according to the nature of the electrochemical device (rechargeable or primary). In the case of rechargeable batteries, most of the electrochemical reactions are usually reversible, but some irreversible reactions (side reactions) may occur. The recharge capacity of the battery decreases due to these irreversible reactions. However, the materials inside the battery cannot be analyzed without disassembling and destroying the device. There are specialized techniques for analyzing the materials inside the battery, for example, using high-energy X-rays, but these techniques are very expensive and are not used in practice.
ほとんど常に、電池の健全状態(SOH)は、充電/放電容量およびその動作電圧における変動傾向に基づいて推定される。これらの場合には、そのSOHを推定するために、電池についての履歴データが必要である。履歴なしに電池のSOHを知りたいときは、好ましい方法は、そのSOHを推定するために、該当する電池を数回充電/放電することである。このタイプの推定は、たとえば、電気自動車(EV)の電池が、BESタイプのシステムでセカンドライフ電池として再使用されるときに必要である。通常では、充電および放電は、長時間かかる。EVおよびBESなどといった大きい電池システムの場合、大量の電気エネルギーが要求され、プロセスは長時間かかる。 Almost always, a battery's state of health (SOH) is estimated based on the charge/discharge capacity and the variation trend in its operating voltage. In these cases, historical data about the battery is needed to estimate its SOH. When wanting to know a battery's SOH without history, the preferred method is to charge/discharge the battery in question several times to estimate its SOH. This type of estimation is necessary, for example, when an electric vehicle (EV) battery is reused as a second-life battery in a BES type system. Normally, charging and discharging takes a long time. For large battery systems such as EVs and BESs, a large amount of electrical energy is required and the process takes a long time.
非可逆的反応は主に電解質の消費に起因する。この特性に焦点を当てて、電解質の組成の変化が、SOH指標として提案される。しかし、提案された測定は、周囲温度に対して-40℃への冷却を必要とする。加えて、電解質の融点および/またはガラス転移温度を捕捉するために、精密な線形温度制御が必要である。試験される電池は、典型的には、40mm×20mm×3.5mmの寸法を有する、サイズが小さいセルに限定される。提案された手順がEVおよびBESで使用される大きい電池に適用される場合、巨大で費用のかかる測定システムが必要なことになる。セルは、通常では、モジュールへと組み立てられる。したがって、ユーザは、これらの測定を適用する前に、セルを取り出すために、モジュールを分解しなければならないことになる。そのような手順は、実際的ではない。さらに、提案された手順は、融解温度および/またはガラス転移温度を有する電解質を含む電池にのみ適用することができる。最近では、融解温度および/またはガラス転移温度のない固体電解質が新世代電池用に提案されている。この場合には、そのようなSOH推定は、実行可能でない。 Irreversible reactions are primarily due to electrolyte consumption. Focusing on this characteristic, changes in electrolyte composition have been proposed as an SOH indicator. However, the proposed measurement requires cooling to -40°C relative to ambient temperature. In addition, precise linear temperature control is required to capture the electrolyte's melting point and/or glass transition temperature. The batteries tested are typically limited to small cells with dimensions of 40 mm x 20 mm x 3.5 mm. If the proposed procedure were applied to larger batteries used in EVs and BES, a bulky and expensive measurement system would be required. Cells are typically assembled into modules. Therefore, users would have to disassemble the modules to remove the cells before applying these measurements. Such a procedure is impractical. Furthermore, the proposed procedure can only be applied to batteries containing electrolytes with melting and/or glass transition temperatures. Recently, solid electrolytes without melting and/or glass transition temperatures have been proposed for new-generation batteries. In this case, such SOH estimation is not feasible.
鉛蓄電池の場合には、そのSOHを推定するために、電池のインピーダンスの測定が一般的に適用される。というのは、鉛蓄電池は一般的に同じ充電状態(SOC)で使用されるためである。しかし、他の充電式電池は、異なるSOCで使用される。一般的に、電池のインピーダンスの変化はSOCに依存する。この場合、したがって、インピーダンス値を比較してそれらのSOHを推定するために、同じSOCにすべての電池を充電または放電する必要がある。すべての場合で、電池を充電または放電することが要求される。 In the case of lead-acid batteries, measuring the battery's impedance is commonly applied to estimate its SOH, since lead-acid batteries are generally used at the same state of charge (SOC). However, other rechargeable batteries are used at different SOCs. Generally, the change in battery impedance depends on the SOC. In this case, therefore, it is necessary to charge or discharge all batteries to the same SOC in order to compare impedance values and estimate their SOH. In all cases, charging or discharging the batteries is required.
1次電池の場合では、これらの電池の一部は、それらのSOHに比例した電圧低下を呈する。他方で、亜鉛空気電池などの電池は、ほとんどの放電プロセス中で、平坦な電圧プロファイルを呈する。この場合には、その電圧に基づいて、信頼できるSOHを推定するのは困難である。したがって、電池電圧の変動では、1次電池のSOHを推定することは可能でない。 In the case of primary batteries, some of these batteries exhibit a voltage drop proportional to their SOH. On the other hand, batteries such as zinc-air batteries exhibit a flat voltage profile during most of the discharge process. In this case, it is difficult to estimate the SOH reliably based on the voltage. Therefore, it is not possible to estimate the SOH of a primary battery from the fluctuations in battery voltage.
本開示は、この状況を改善する。 This disclosure improves this situation.
電気化学デバイスの健全状態(または、「SoH」)を推定するための方法であって、
- 電気化学デバイスに印可される熱供給に対する電気化学デバイスの熱応答を記録するステップと、
- 熱応答において、電気化学デバイスの熱慣性を表す少なくとも1つのパラメータを測定するステップと、
- 前記パラメータの測定から、電気化学デバイスの健全状態の推定値を推測するステップと
を含む、方法が提案される。
1. A method for estimating the state of health (or "SoH") of an electrochemical device, comprising:
- recording the thermal response of the electrochemical device to a heat supply applied to the electrochemical device;
- measuring, in the thermal response, at least one parameter representative of the thermal inertia of the electrochemical device;
- inferring an estimate of the state of health of the electrochemical device from measurements of said parameters.
電気化学デバイスの熱応答が、デバイスの古さ、特にその健全状態に従って変化することが観察されている。下で提示される例示の実施形態および結果は、デバイスの、特にその熱慣性についての健全状態の効果を明らかに示す。下で提示される例では、デバイスがより劣化するにつれて、その熱慣性がより大きくなる。この観察は、使用期間にデバイスが受ける非可逆的反応(その健全状態の劣化)によって、デバイス中に存在する材料が変わり、次いで、これらの新しいフェーズは異なる熱慣性を有するという事実によって説明することができる。 It has been observed that the thermal response of electrochemical devices changes according to the age of the device, and in particular its state of health. The exemplary embodiments and results presented below clearly show the effect of state of health on the device, in particular its thermal inertia. In the examples presented below, the more deteriorated the device, the greater its thermal inertia. This observation can be explained by the fact that the irreversible reactions that the device undergoes over its lifespan (deterioration of its state of health) change the materials present in the device, and these new phases then have different thermal inertias.
下に提示される結果は、デバイスの熱慣性を特徴づけるパラメータとその健全状態の間の相関を示し、その結果、このパラメータを測定することによって、デバイスの健全状態を推測すること、または、同様の使用条件下でのその残りの寿命を予期することさえ可能にすることができる。 The results presented below show a correlation between a parameter characterizing the thermal inertia of a device and its state of health, so that by measuring this parameter it is possible to infer the state of health of the device or even predict its remaining life under similar conditions of use.
そのためには、デバイスに熱を供給して、熱慣性を特徴づけるこのパラメータを測定することで十分である。供給される熱の量は、「正」(デバイスを加熱する)または「負」(冷却する)であってよく、主な着想は、この熱供給に対するデバイスの熱応答を測定し、これから上述のパラメータの測定値を推測することである。熱供給は、デバイスの外部の源(冷または熱)によって生じてよい。あるいは、熱供給は、単に、たとえば充電フェーズ期間の、デバイスの通常動作からもたらされてよい。というのは、デバイスは、これらのフェーズ期間に自然に発熱するためである。 To do so, it is sufficient to supply heat to the device and measure this parameter that characterizes its thermal inertia. The amount of heat supplied can be "positive" (heating the device) or "negative" (cooling), and the main idea is to measure the thermal response of the device to this heat supply and to infer from this the measurement of the above-mentioned parameter. The heat supply can be generated by a source (cold or hot) external to the device. Alternatively, the heat supply can simply result from the normal operation of the device, for example during charging phases, since the device naturally heats up during these phases.
デバイスの熱応答は、熱供給の印可後に(および/または熱供給の印可から始めて)、たとえば、その温度の変動を経時的に記録することによって、得ることができる。あるいは、熱応答は、ペルチエモジュールを備えるデバイスを使用して熱流束を測定することによって得ることができる。 The thermal response of the device can be obtained after (and/or starting from) the application of a heat supply, for example, by recording its temperature fluctuations over time. Alternatively, the thermal response can be obtained by measuring the heat flux using a device comprising a Peltier module.
デバイスの熱応答を(場合によってはヒートシンクを介して)測定するのは、このようにして提案される。この応答は、その温度によって、または、デバイスとシンクの間もしくは単にデバイスと周囲空気の間の熱流束によって表すことができる。この熱応答は、外部熱源(熱もしくは冷)の適用の後、または、デバイスの特定の動作フェーズ(たとえば、充電)の後であってよい。デバイスの健全状態は、この熱応答の分析から推測される。 It is thus proposed to measure the thermal response of the device (possibly via a heat sink). This response can be expressed by its temperature or by the heat flux between the device and the sink or simply between the device and the ambient air. This thermal response can be after the application of an external heat source (hot or cold) or after a specific operating phase of the device (e.g. charging). The state of health of the device is inferred from the analysis of this thermal response.
上で示したように、下で提示される例示的な実施形態では、デバイスの健全状態が低下すると、試験される電気化学デバイスの熱慣性が増加する。しかし、いくつかの異なる電気化学デバイスでは、その傾向が反対となる場合がある。 As noted above, in the exemplary embodiment presented below, the thermal inertia of the electrochemical device being tested increases as the device's health decreases. However, for some different electrochemical devices, the trend may be the opposite.
下で議論される、図2の下のグラフに例示されるように、上述の測定されたパラメータは、熱供給の印可の開始時間に対して、電気化学デバイスの熱応答が始まるまでの遅延(tdelayと示される)を含むことができる。 As illustrated in the bottom graph of FIG. 2, discussed below, the measured parameters mentioned above can include the delay (denoted as t delay ) until the thermal response of the electrochemical device begins relative to the start time of application of the heat supply.
追加または代替として、熱供給の印可の開始時間後に熱供給が連続的に印可され、電気化学デバイスの熱応答が時間の関数として記録され、上述の測定されたパラメータが、時間の関数としての熱応答の変動の傾斜(dP/dt)を含む。 Additionally or alternatively, after a start time of application of the heat supply, the heat supply is applied continuously and the thermal response of the electrochemical device is recorded as a function of time, and the above-mentioned measured parameters include the slope of the variation of the thermal response as a function of time (dP/dt).
追加または代替として、熱供給の印可の開始時間後の選択された持続時間の間に熱供給が連続的に印可され、次いでこの選択された持続時間後に停止され、測定されたパラメータが、電気化学デバイスの熱応答の最大振幅(Pmax)を含む。 Additionally or alternatively, the heat supply is applied continuously for a selected duration after the start time of application of the heat supply, and then terminated after the selected duration, and the measured parameters include the maximum amplitude (Pmax) of the thermal response of the electrochemical device.
追加または代替として、測定されたパラメータは、図2に例示されるような、熱供給の印可を終了した後に、予め規定された閾値(P0)に戻るための、電気化学デバイスの熱応答についての時間の長さ(τ)を含むことができる。 Additionally or alternatively, the measured parameters may include the length of time (τ) for the thermal response of the electrochemical device to return to a predefined threshold (P 0 ) after terminating the application of the heat supply, as illustrated in FIG.
一実施形態では、電気化学デバイスは、熱供給の印可期間に稼働中である。そのような実施形態は、本方法を適用するために必要ではないが、有利である。というのは、上述のパラメータの測定を実行するために、電気化学デバイスを取り外す必要がないためである。 In one embodiment, the electrochemical device is in operation during the application of the heat supply. While such an embodiment is not necessary for the application of the present method, it is advantageous because it is not necessary to remove the electrochemical device in order to perform measurements of the above-mentioned parameters.
一実施形態では、上述のパラメータの測定値は、電気化学デバイスの健全状態の変化を経時的に監視するために、メモリ中に記憶される。たとえば、残りの寿命の予測をこうして評価することができる。 In one embodiment, the measurements of the above parameters are stored in memory to monitor changes in the health of the electrochemical device over time. For example, a prediction of remaining life can be assessed in this manner.
たとえば、本方法は、電気化学デバイスの健全状態が閾値未満に落ちるとき、警告信号を生成することを可能にすることもできる。そのような実施形態は、次いで、たとえば、電気化学デバイスの寿命の終わりを予期することも可能にする。 For example, the method may enable generating a warning signal when the health state of an electrochemical device falls below a threshold. Such an embodiment may then enable, for example, predicting the end of life of an electrochemical device.
本発明は、
電気化学デバイスの健全状態を推定するためのデバイスであって、
- 電気化学デバイスに印可される熱供給に対する電気化学デバイスの熱応答を検出するための少なくとも1つのセンサと、
- 熱応答において、電気化学デバイスの熱慣性を表す少なくとも1つのパラメータを測定し、前記パラメータの測定から、電気化学デバイスの健全状態の推定値を推測するための処理回路と
を備える、デバイスにも関する。
The present invention provides
A device for estimating the state of health of an electrochemical device, comprising:
at least one sensor for detecting the thermal response of the electrochemical device to a heat supply applied to the electrochemical device;
a processing circuit for measuring, in thermal response, at least one parameter representative of the thermal inertia of the electrochemical device and for inferring from the measurement of said parameter an estimate of the state of health of the electrochemical device.
上述のセンサは、たとえば、例として下で記載されるような(たとえば、ゼーベック効果を使用する)ペルチエモジュールであってよく、または、電気化学デバイスの熱応答を測定する任意の他の手段であってよい。 The sensor described above may be, for example, a Peltier module (e.g., using the Seebeck effect) as described below by way of example, or any other means of measuring the thermal response of an electrochemical device.
デバイスは、一実施形態において、電気化学デバイスに取り付けられて、電気化学デバイスに上述の熱供給を印可するように構成される熱伝達デバイスをさらに備えることができる。追加または代替として、熱供給は、電気化学デバイス自体の動作からもたらされてよい。 In one embodiment, the device may further comprise a heat transfer device attached to the electrochemical device and configured to apply the heat supply described above to the electrochemical device. Additionally or alternatively, the heat supply may come from the operation of the electrochemical device itself.
たとえば、デバイスが電気絶縁性材料からできたパッドをさらに含むことができ、伝達デバイスは、このパッドによって電気化学デバイスの第1の主面に取り付けられるように構成される。伝達デバイスは、そのような絶縁性の材料でカバーすること、および電気化学デバイスを加熱するマットの形にすることもできる。 For example, the device may further include a pad made of an electrically insulating material, and the transfer device may be configured to be attached to the first main surface of the electrochemical device by means of the pad. The transfer device may also be covered with such an insulating material and in the form of a mat that heats the electrochemical device.
デバイスは、電気化学デバイスに取り付けられるヒートシンクをさらに含むことができる。たとえば、ヒートシンクは、上で述べた第1の主面の反対側の、電気化学デバイスの第2の主面に取り付けることができる。 The device may further include a heat sink attached to the electrochemical device. For example, the heat sink may be attached to a second major surface of the electrochemical device opposite the first major surface described above.
ヒートシンクは、たとえば、熱応答を測定するために使用することができる。それは、必要ではない(が、熱流束が測定されているときに熱流束を集中させるために、小型電気化学デバイスにとって有益である)。 A heat sink can be used, for example, to measure the thermal response. It is not necessary (but is useful for small electrochemical devices to concentrate the heat flux as it is being measured).
一実施形態では、上述の処理回路は、前記パラメータの少なくともいくつかの測定値を記憶し、電気化学デバイスの健全状態の変化を経時的に監視するためのメモリを備えることができる。 In one embodiment, the processing circuitry described above may include memory for storing measurements of at least some of the parameters and for monitoring changes in the health of the electrochemical device over time.
本発明は、命令を含む、コンピュータプログラムであって、命令が処理回路によって実行されると、上述された方法のステップを実装する、コンピュータプログラムにも関する。 The present invention also relates to a computer program comprising instructions that, when executed by a processing circuit, implement the steps of the above-described method.
別の態様によれば、そのようなプログラムが記憶される、非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。 According to another aspect, a non-transitory computer-readable storage medium is provided on which such a program is stored.
以下の詳細な記載を読み、添付の図面を分析すれば、他の特徴、詳細、および利点が明らかになろう。 Other features, details, and advantages will become apparent upon reading the following detailed description and examining the accompanying drawings.
下で提示される例示的な実施形態では、電気化学デバイスは、充電式デバイスが関係するときに、典型的には、1つまたは複数の非可逆的反応の後に容量の低下が生じて、デバイスの劣化が開始するものである。実際、デバイスのSOHが変わると、非可逆的反応がデバイスの内側で発生している。この非可逆的反応は、熱容量および/または熱伝達などの異なる熱特性を有する、デバイスの材料における新しいフェーズを生み出す。たとえば、特にリチウム電池の場合に、アノードにリチウムを含有する堆積物を観察することができる。加えて、この非可逆的反応は、デバイスの容積の変化を引き起こす。特性におけるこれらの変化は、同時または独立して生じる可能性がある。 In the exemplary embodiments presented below, electrochemical devices, when involving rechargeable devices, typically undergo one or more irreversible reactions followed by a loss of capacity and the onset of device degradation. Indeed, as the SOH of the device changes, an irreversible reaction occurs inside the device. This irreversible reaction creates a new phase in the device's material with different thermal properties, such as heat capacity and/or heat transfer. For example, lithium-containing deposits can be observed at the anode, particularly in the case of lithium batteries. Additionally, this irreversible reaction causes a change in the device's volume. These changes in properties can occur simultaneously or independently.
下で提示される電気化学エネルギー貯蔵デバイスについてのSOH推定は、上述の容量低下後のデバイスの熱特性の差異を使用する。 The SOH estimation for electrochemical energy storage devices presented below uses the difference in the thermal properties of the device after capacity degradation described above.
ここで、図1への参照が行われる。図1では、下記である。
- 参照符号「a」は、たとえば電池タイプの電気化学デバイスを表し、
- 参照符号「b」は、加熱要素を表し、
- 参照符号「c」は、温度センサまたは熱流束センサを表し、
- 参照符号「d」は、ヒートシンクを表す。
Reference is now made to Figure 1. In Figure 1:
the reference "a" denotes an electrochemical device, for example of the battery type,
- the reference "b" denotes a heating element,
- the reference "c" denotes a temperature or heat flux sensor,
- The reference "d" denotes a heat sink.
熱エネルギーが電気化学エネルギー貯蔵デバイスに印可され、デバイスのSOHを推定するために、熱応答が得られる。ここで、エネルギーは、図1に示されるように、デバイス上に配置されるたとえば加熱要素によって印可される。しかし、この技法は、特に「加熱する」要素に限定されない。デバイスの熱状態を制御された方式で変えるために、冷却デバイスを使用することもできる。たとえば、冷却デバイスが、ペルチエ効果モジュールを備えることができる。 Thermal energy is applied to an electrochemical energy storage device and a thermal response is obtained to estimate the SOH of the device. Here, the energy is applied by, for example, a heating element located on the device, as shown in FIG. 1. However, this technique is not limited to specifically "heating" elements. A cooling device can also be used to change the thermal state of the device in a controlled manner. For example, the cooling device can include a Peltier effect module.
熱源または冷源を、電気化学デバイスの外側または内側に配置することができる。 The heat or cold source can be located outside or inside the electrochemical device.
(したがって正または負の)熱エネルギーの「供給」は、図2に示されるようにデバイスの熱状態を変更するために、たとえば、知られている値のエネルギーを印可することからなる。 "Delivering" thermal energy (hence positive or negative) consists, for example, of applying a known value of energy to change the thermal state of the device as shown in Figure 2.
これを行うための1つの方法は、熱応答における最大の増加に対応する熱エネルギーを印可することからなってよい。一般的に、熱エネルギーがデバイスに印可されると、デバイスの温度が上昇または低下し始める。次いで、デバイスにエネルギーを長時間供給した後、その温度が平衡状態に達し、追加で印可されるエネルギーは、ここで、デバイスと周囲雰囲気の間の熱伝達によって、環境へと解放される。したがって、図2に例示されるように、エネルギー供給の開始点とデバイスの平衡状態の間で温度がピークに達する。この点は、デバイスの熱特性の差異を比較するために最も重要である。 One way to do this may consist of applying thermal energy corresponding to the largest increase in thermal response. Generally, when thermal energy is applied to a device, the device's temperature begins to increase or decrease. Then, after a long period of energy application to the device, its temperature reaches an equilibrium state, where any additional applied energy is released to the environment by heat transfer between the device and the ambient atmosphere. Thus, as illustrated in Figure 2, the temperature peaks between the start of energy application and the device's equilibrium state. This point is of primary importance for comparing differences in the thermal properties of devices.
しかし、上で提案された手順は、単なる1つの非限定の例である。たとえば、電気化学デバイスの熱挙動の変化を評価するために、デバイスの温度の変化の開始点(図2にtdelayと示される)を比較することも可能である。 However, the procedure proposed above is just one non-limiting example. For example, to assess the change in the thermal behavior of an electrochemical device, it is also possible to compare the onset of the change in the temperature of the device (denoted as t delay in FIG. 2).
別の方法は、熱エネルギーの供給後の、緩和の速度を比較することであってよい。一般的に、材料の熱的緩和の速度は、「ニュートンの冷却の法則」によって表される。ここで、熱的緩和は時間と指数関数関係を有し、指数項が熱伝達係数τを含み、これは、そのような電気化学デバイスでは、デバイスの熱容量Cと比例関係を有し、熱伝達係数αと反比例関係を有するように見える。デバイスの容積の変化は、熱容量および/または熱伝達の変化も引き起こす。したがって、SOHは、熱エネルギーの供給後のデバイスの緩和速度を測定することによって推定することができる。 Another method may be to compare the rate of relaxation after the application of thermal energy. Generally, the rate of thermal relaxation of a material is described by "Newton's law of cooling," where thermal relaxation has an exponential relationship with time, and the exponential term includes a heat transfer coefficient τ, which, in such electrochemical devices, appears to be proportional to the device's heat capacity C and inversely proportional to the heat transfer coefficient α. Changes in the device's volume also cause changes in heat capacity and/or heat transfer. Therefore, the SOH can be estimated by measuring the device's relaxation rate after the application of thermal energy.
電気化学デバイスの熱慣性を特徴づける別のパラメータは、熱応答における時間変動の傾斜である(たとえば、図2の立上り傾斜)。 Another parameter that characterizes the thermal inertia of an electrochemical device is the slope of the time variation in the thermal response (e.g., the rising slope in Figure 2).
検出手順
印可された熱エネルギーを検出するための方法は、いくつかの選択肢から選択することができる。
Detection Procedures There are several options for detecting the applied thermal energy.
デバイスの検出可能な温度変化を熱エネルギーの印可後に測定することができる場合、熱電対、サーミスタ、抵抗温度検出器(RTD)、または赤外線温度計などの様々な温度センサを使用することができる。ペルチエ効果モジュールを熱流束センサとして使用することもできる。そのようなセンサは、ゼーベック効果を介して電気信号を(たとえばmVで)送達することによって熱流束を測定し、こうして、電気化学デバイスの熱応答を測定すること(例として下で提示される実験手順で、mVで与えられる測定)を可能にする。 Various temperature sensors, such as thermocouples, thermistors, resistance temperature detectors (RTDs), or infrared thermometers, can be used where a detectable temperature change in the device can be measured after the application of thermal energy. Peltier effect modules can also be used as heat flux sensors. Such sensors measure heat flux by delivering an electrical signal (e.g., in mV) via the Seebeck effect, thus enabling the thermal response of an electrochemical device to be measured (measurements given in mV in the experimental procedures presented below as examples).
デバイスによって生成された熱流束が小さすぎてその測定温度を変更することができない場合、そのような熱流束センサは、デバイスと外部雰囲気の間または電気化学デバイスと図で「d」と示されるヒートシンクとの間に使用することができる。そのような実施形態によって、測定の信号対雑音比を向上させることが可能になる。 If the heat flux generated by the device is too small to alter its measured temperature, such a heat flux sensor can be used between the device and the external atmosphere or between the electrochemical device and the heat sink, indicated as "d" in the figure. Such an embodiment makes it possible to improve the signal-to-noise ratio of the measurement.
実験手順
その結果が図3に例示される試験用に、リチウムイオン電池がサンプルとして下で使用される。電池の公称容量は、4000mAhである。そのサイズは、50mm(幅)×90mm(長さ)×5mm(厚さ)である。電池は、4.4Vと3.0Vの間で、200mAで充放電された。可逆容量についての開始点が100%SOHについて規定された。次に、電池は、連続的に充放電された。最初の数サイクル後に、実験手順の開始で規定されたものと同じ条件下で、容量の保全が検証された。
Experimental Procedure: A lithium-ion battery is used below as a sample for the test, the results of which are illustrated in Figure 3. The nominal capacity of the battery is 4000 mAh. Its size is 50 mm (width) x 90 mm (length) x 5 mm (thickness). The battery was charged and discharged at 200 mA between 4.4 V and 3.0 V. The starting point for reversible capacity was defined for 100% SOH. The battery was then continuously charged and discharged. After the first few cycles, the capacity conservation was verified under the same conditions as defined at the beginning of the experimental procedure.
容量を検証した後、電池の熱特性が以下のように測定された。試験される電池が、25℃に設定された温度制御したチャンバ中に配置された。次いで、電池は、ゴムパッドによって電池から分離した(またはカバーされた)ままとなり(ゴムは、熱伝導するが電気的に絶縁する)、電池に取り付けられた加熱マットなどの加熱要素を使用して加熱された。印可された熱は、180秒間に0.74Wであった。電池の熱応答は、加熱要素の反対側に取り付けられたペルチエモジュールを使用して測定された。ペルチエモジュールは、次いで、電池と(ヒートシンクとして働く)アルミニウム板の間に挿入された。熱応答の最高値と基本値P0の間の差異がPmaxと規定された。次いで、冷却速度が次式を使用して規定された。
さらに、電池の全容積がアルキメデス法を使用して測定された。 In addition, the total volume of the battery was measured using the Archimedes method.
初期条件では、電池のSOHが99.5%であったとき、Pmax値が23.0mVであり、τが149.5秒であり、電池の容積が19.59cm3であった。 In the initial condition, when the SOH of the battery was 99.5%, the Pmax value was 23.0 mV, τ was 149.5 seconds, and the volume of the battery was 19.59 cm 3 .
次いで、第1の実験条件では、電池のSOHが91.5%であったとき、Pmax値が22.0mVであり、τが160.7秒であった。 Next, under the first experimental condition, when the battery's SOH was 91.5%, the Pmax value was 22.0 mV and τ was 160.7 seconds.
次いで、第2の実験条件では、電池のSOHが87.4%であったとき、Pmaxが21.6mVであり、τが165.8秒であり、電池の容積が21.07cm3であった。 Then, in the second experimental condition, when the SOH of the battery was 87.4%, Pmax was 21.6 mV, τ was 165.8 seconds, and the battery volume was 21.07 cm 3 .
これらの値は、下の表で参照される。 These values are referenced in the table below.
これらの結果は、図3から得ることができる。 These results can be seen in Figure 3.
上に示されたように、SOHが減少すると、Pmaxの値が減少し、速度τが増加する。電池容積は、SOHが減少すると増加する。したがって、提案される手順を使用する熱応答を、電池のSOHを推定するための指標とすることができる。電池の容積は、電池のSOHを推定するための指標でもあり、熱測定を介したSOH推定を裏付けることができる。 As shown above, as the SOH decreases, the value of Pmax decreases and the rate τ increases. The battery volume increases as the SOH decreases. Therefore, the thermal response using the proposed procedure can be used as an indicator for estimating the battery's SOH. The battery volume is also an indicator for estimating the battery's SOH and can support SOH estimation via thermal measurements.
したがって、熱応答中のその変化を使用することによるデバイスのSOHを推定するための提案される手順は、熱容量および/またはその内側の材料の熱伝達に依存する。熱応答を使用するこの手順は、他の検出方法を使用する他のデバイスに適用することができる。 Therefore, the proposed procedure for estimating the SOH of a device by using its change in thermal response relies on the heat capacity and/or heat transfer of its inner material. This procedure using thermal response can be applied to other devices using other detection methods.
たとえば、デバイス内のある材料が使用後に腐食反応を有する場合、腐食の程度を判定するために同様の技法を適用することができる。というのは、熱応答は、腐食性要素の形成によって影響を受けるためである。 For example, if a material in a device exhibits a corrosive reaction after use, similar techniques can be applied to determine the extent of corrosion, since the thermal response is affected by the formation of corrosive elements.
たとえば、デバイス内のある材料が使用後に湿気を吸収する場合、水の吸収の程度を判定するために同様の技法を適用することができる。というのは、熱応答は、水の吸収に関連づけられる要素の形成によって影響を受けるためである。 For example, if a material in a device absorbs moisture after use, similar techniques can be applied to determine the extent of water absorption, as the thermal response will be affected by the formation of elements associated with water absorption.
したがって、そのような方法は、電気自動車およびBESシステムなどといった、電気化学デバイスがその一部である、システムの実際の動作期間に、電気化学デバイスのSOHを推定するために提案することができる。これらのシステムでは、多数のデバイスが使用される。一般的に、全システムのSOHは、充放電期間などといったシステム動作期間に推定することができる。しかし、各デバイスのSOHを推定する場合に、各デバイスのSOHを測定するために、システムの分解が必要である。ここで、提案される方法は、分解操作をなんら必要とせずにデバイスのSOHを推定することを可能にすることができる。というのは、各デバイスは、容易にサーマルソースおよび熱センサを装備することができるためである。 Therefore, such a method can be proposed to estimate the SOH of an electrochemical device during the actual operation of a system of which the electrochemical device is a part, such as an electric vehicle or a BES system. In these systems, a large number of devices are used. Generally, the SOH of the entire system can be estimated during the system operation period, such as during charging and discharging. However, when estimating the SOH of each device, disassembly of the system is required to measure the SOH of each device. Here, the proposed method can make it possible to estimate the SOH of a device without any disassembly operation, since each device can easily be equipped with a thermal source and a thermal sensor.
そのような実施形態によって、全システムを交換する代わりに、貯蔵システム中の障害のあるデバイスを識別して交換することが可能になり、電気化学貯蔵システムの事業者にとって有益となることができる。 Such embodiments can be beneficial to operators of electrochemical storage systems by enabling them to identify and replace faulty devices in the storage system instead of replacing the entire system.
たとえば、EVに使用された後、電気化学貯蔵デバイスは、BESシステム中でセカンドライフデバイスとして使用することができる。ライフサイクルデバイスの二酸化炭素排出量を減らすため、EVの再販価格を上げるため、および、BESの設置費用を減らすために、このタイプの二次使用が推奨される。 For example, after being used in an EV, an electrochemical storage device can be used as a second-life device in a BES system. This type of second-life use is encouraged to reduce the carbon footprint of the lifecycle device, increase the resale value of the EV, and reduce the installation costs of the BES.
この二次使用期間に、各デバイスのSOHを推定することが必要である。いくつかの場合で、EVの一次使用について、信頼できる履歴データはない。そのような場合には、上で述べた実装を使用してSOHを個別に推定することが有用である。 During this secondary use period, it is necessary to estimate the SOH for each device. In some cases, there is no reliable historical data for the primary use of an EV. In such cases, it is useful to estimate the SOH individually using the implementation described above.
さらに、この手順は、そのSOHを推定するために、なんらデバイスの充電または放電を必要としない。これも、動作時間およびエネルギーの節約が理由で、重要な長所である。そのような応用は、自動車販売店、セカンドライフ電池の再販店/ユーザ、およびエネルギー企業に有益となり得る。 Furthermore, this procedure does not require any charging or discharging of the device to estimate its SOH, which is also a significant advantage due to the savings in operating time and energy. Such applications could be beneficial to car dealerships, resellers/users of second-life batteries, and energy companies.
図4は、別の電気化学デバイスの異なる健全状態について、デバイスの熱応答を例示する。
- 時間の関数としての熱応答における時間変動の傾斜(dP/dt)(図5)
- 閾値P0に戻るための熱応答に必要な時間の長さ(τ)(図6)
- 熱応答のピーク高(Pmax)(図7)
- 熱供給の印可後の熱応答の遅延(tdelay)(図8)
などの熱慣性パラメータが、デバイスの健全状態と強い相関を示す。
FIG. 4 illustrates the thermal response of another electrochemical device for different states of health of the device.
- the slope of the temporal variation in the thermal response as a function of time (dP/dt) (Fig. 5)
- the length of time (τ) required for the thermal response to return to the threshold P0 (Figure 6)
- Peak height of the thermal response (Pmax) (Figure 7)
- the delay of the thermal response after application of the heat supply (t delay ) (FIG. 8)
Thermal inertia parameters such as these are strongly correlated with the health state of the device.
少なくとも、ピーク高(Pmax)は、相関が顕著なパラメータであると判明している。加えて、その測定誤差は小さい。 At the very least, peak height (Pmax) has been found to be a parameter with a significant correlation. In addition, its measurement error is small.
図9は、処理回路CTによって制御することができる熱供給ACに対する熱応答を測定するために、センサcに接続される処理回路CTを例示する(図1の参照符号a、b、およびcは図9中の同じ要素を表す)。処理回路CTは、典型的には、それから読み出すための記憶メモリMEMと協働するプロセッサPROCを備え、上述されるタイプのコンピュータプログラムの命令(ならびに熱応答測定値、および異なるタイムスタンプでの熱慣性パラメータ値、推定される健全状態値、など)を実行することができる。プロセッサPROCは、熱供給ならびにセンサcによる測定値の集合MESを制御することもできる。典型的には、図10を参照して、処理回路CTは、
- 電気化学デバイスへの熱供給の印可をトリガすること(図10のステップS1)、
- 熱供給に対する電気化学デバイスの熱応答を記録するためセンサを制御すること(ステップS2)、
- 熱応答において、電気化学デバイスの熱慣性を表す少なくとも1つのパラメータを評価すること(S3)、
- このパラメータの値から、電気化学デバイスの健全状態SOHの推定値を推測すること(S4)
のためにこうして構成することができる。
9 illustrates a processing circuit CT connected to a sensor c for measuring a thermal response to a heat supply AC that can be controlled by the processing circuit CT (references a, b, and c of FIG. 1 represent the same elements in FIG. 9). The processing circuit CT typically comprises a processor PROC cooperating with a storage memory MEM for reading therefrom and is capable of executing the instructions of a computer program of the type described above (as well as thermal response measurements, and thermal inertia parameter values at different time stamps, estimated state of health values, etc.). The processor PROC can also control the heat supply as well as the collection MES of measurements by the sensor c. Typically, with reference to FIG. 10, the processing circuit CT:
- triggering the application of a heat supply to the electrochemical device (step S1 of FIG. 10),
- controlling the sensor to record the thermal response of the electrochemical device to the heat supply (step S2);
- evaluating (S3) in the thermal response at least one parameter representative of the thermal inertia of the electrochemical device;
- From the value of this parameter, an estimate of the state of health SOH of the electrochemical device is deduced (S4).
It can be configured in this way for
熱応答の測定は、
- (温度を測定する)熱電対、
- (温度を測定する)抵抗温度検出器、
- (熱流束を測定する)たとえばゼーベック効果を用いたペルチエタイプの熱電モジュール(上の表中の測定値はそのような手段によって得られた)、
- (温度を測定する)サーミスタ、
- 温度計(たとえば、赤外線)
などといった、様々な手段を介してセンサcによって行うことができる。
The thermal response measurement
- thermocouples (to measure temperature),
- resistance temperature detectors (for measuring temperature),
- thermoelectric modules (measuring the heat flux), for example of the Peltier type using the Seebeck effect (the measurements in the above table were obtained by such means),
- thermistors (to measure temperature),
- Thermometers (e.g. infrared)
This can be done by the sensor c through various means, such as
熱供給は、たとえば、
- 抵抗器、加熱マットまたはパッド(Kapton(登録商標)タイプまたは他のタイプ)
- (温度制御された)熱伝達流体を含む回路、
- 化学反応、
- 可視範囲もしくは赤外範囲または他のレーザ光線、
- (たとえば、充電時の)電気化学デバイス自体、
- 電気化学デバイスの実際の環境
であってよい、熱源または冷却源の適用によって実行することができる。たとえばこの応用では、電気化学デバイスが所与の温度(たとえば、25℃)で格納された倉庫から(異なる温度の)別の環境に動かすために電気化学デバイスを取り扱うとき、この温度変動へのその熱応答を測定することができ、それから電気化学デバイスの健全状態を推定することができる。したがって、この場合、異なる温度を有する環境中への電気化学デバイスの単なる移動が、その健全状態を測定するのに好適となることができる。したがって、この単なる移動期間に、たとえば、明確にリサイクルするべきものから、セカンドライフで再使用することが可能な電気化学デバイスを分離することが可能である。
Heat supply is, for example,
- Resistors, heating mats or pads (Kapton® type or other types)
- a circuit containing a (temperature-controlled) heat transfer fluid,
- chemical reactions,
- visible or infrared range or other laser light,
- the electrochemical device itself (e.g. when charging),
- This can be done by applying a heat or cold source, which may be the real environment of the electrochemical device. For example, in this application, when an electrochemical device is handled to move it from a warehouse where it is stored at a given temperature (e.g., 25°C) to another environment (with a different temperature), its thermal response to this temperature variation can be measured, from which the state of health of the electrochemical device can be deduced. Thus, in this case, the mere movement of the electrochemical device into an environment with a different temperature can be suitable for measuring its state of health. During this mere movement, it is therefore possible to separate, for example, electrochemical devices that can be reused in a second life from those that should definitely be recycled.
上述された一般的な実装によって、自動車製造業者は、この場合に、EVユーザにSOHのより精密な推定値を提供することができる。加えて、自動車製造業者が、電池の第2のユーザに正確な再販価値を示すことができる。 The general implementation described above allows the automaker to provide the EV user with a more accurate estimate of the SOH in this case. In addition, the automaker can provide the second user of the battery with an accurate resale value.
エネルギー企業の場合では、BESの動作の正確な年数を、この実装によって推定することができる。BESの住居利用では、エネルギー企業は、住居のユーザにSOHの信頼できる推定値を提供し、BESについての保守期間または交換期間を彼らに知らせることができる。 In the case of energy companies, this implementation allows the exact number of years of operation of the BES to be estimated. In residential applications of the BES, energy companies can provide residential users with a reliable estimate of SOH and inform them of maintenance or replacement periods for the BES.
異なるタイプ(異なるサイズ、形式、および化学的性質)のセルに、いくつかの試験が実行された。この実装は電池のSOHを推定するのに効果的であり、産業目的で直ちに発展させることができることを結果が示している。 Several tests were performed on cells of different types (different sizes, formats, and chemistries). The results show that this implementation is effective for estimating battery SOH and can be readily deployed for industrial purposes.
a 電気化学デバイス
b 加熱要素
c 温度センサ、熱流束センサ
d ヒートシンク
a Electrochemical device b Heating element c Temperature sensor, heat flux sensor d Heat sink
Claims (14)
前記電気化学デバイスに印可される熱供給に対する前記電気化学デバイスの熱応答を記録するステップと、
前記熱応答において、前記電気化学デバイスの熱慣性を表す少なくとも1つのパラメータを測定するステップであって、前記熱慣性は、前記電気化学デバイスが熱の供給に応じて温度変化するのに要する時間として定義され、前記電気化学デバイスの前記健全状態(SoH)が低下すると、前記電気化学デバイスの前記熱慣性が増加し、かつ、前記パラメータは、前記熱応答の遅延、前記熱応答の傾斜、前記熱応答の最大振幅、または、前記熱応答の緩和時間から選択される、ステップと、
前記パラメータの前記測定から、前記電気化学デバイスの前記健全状態の推定値を推測するステップと
を含む、方法。 1. A method for estimating state of health (SoH) of an electrochemical device, comprising:
recording a thermal response of the electrochemical device to a heat supply applied to the electrochemical device;
measuring at least one parameter indicative of a thermal inertia of the electrochemical device in the thermal response, the thermal inertia being defined as the time it takes for the electrochemical device to change temperature in response to the supply of heat, the thermal inertia of the electrochemical device increasing as the State of Health (SoH) of the electrochemical device decreases, and the parameter is selected from a delay of the thermal response, a slope of the thermal response, a maximum amplitude of the thermal response, or a relaxation time of the thermal response;
and inferring an estimate of the state of health of the electrochemical device from the measurements of the parameters.
前記電気化学デバイスに印可される熱供給に対する前記電気化学デバイスの熱応答を検出するための少なくとも1つのセンサと、
前記熱応答において、前記電気化学デバイスの熱慣性を表す少なくとも1つのパラメータを測定するための処理回路であって、前記熱慣性は、前記電気化学デバイスが熱の供給に応じて温度変化するのに要する時間として定義され、前記電気化学デバイスの前記健全状態(SоH)が低下すると、前記電気化学デバイスの前記熱慣性が増加し、かつ、前記パラメータは、前記熱応答の遅延、前記熱応答の傾斜、前記熱応答の最大振幅、または、前記熱応答の緩和時間から選択され、かつ、前記パラメータの前記測定から、前記電気化学デバイスの前記健全状態の推定値を推測するための処理回路と
を備える、デバイス。 1. A device for estimating the state of health (SoH) of an electrochemical device, comprising:
at least one sensor for detecting a thermal response of the electrochemical device to a heat supply applied to the electrochemical device;
a processing circuit for measuring at least one parameter indicative of a thermal inertia of the electrochemical device in the thermal response, the thermal inertia being defined as the time it takes for the electrochemical device to change temperature in response to the supply of heat, the thermal inertia of the electrochemical device increasing as the State of Health (SOH) of the electrochemical device decreases, and the parameter being selected from a delay of the thermal response, a slope of the thermal response, a maximum amplitude of the thermal response, or a relaxation time of the thermal response; and for inferring an estimate of the State of Health of the electrochemical device from the measurement of the parameter.
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