CN113196523A - 电池状态估计装置、电池状态估计方法以及电池*** - Google Patents

电池状态估计装置、电池状态估计方法以及电池*** Download PDF

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Abstract

测量电池单元的电压，并测量在电池单元中流动的电流。基于测量出的电压、测量出的电流和基于电池单元的电化学的等效电路模型，来估计电池单元的OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)。电池单元的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极。等效电路模型是按照正极以及负极所使用的多种材料而具备扩散电阻分量的模型。

Description

电池状态估计装置、电池状态估计方法以及电池***
技术领域
本发明涉及估计锂离子电池等电池单元的状态的电池状态估计装置、电池状态估计方法以及电池***。
背景技术
在锂离子电池等二次电池中，要求高精度地估计SOC(State Of Charge，充电状态)。SOC一般唯一地与OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)关联。特别地，关于搭载于混合动力车(HV)、插电式混合动力车(PHV)、电动汽车(EV)等电动车辆的二次电池，即使为了正确地把握可续航距离，高精度地估计SOC以及用于求出SOC的OCV也较重要。
二次电池是电化学产品，如果在二次电池中流动充电电流，则测量电压呈非线形上升，如果在二次电池中流动放电电流，则测量电压呈非线形下降。将在二次电池中流动有电流时测量出的电压称为CCV(Closed Circuit Voltage，闭路电压)或动作电压。在一般的锂离子电池单元中，充放电结束后，测量电压在30秒左右内收敛至不包括过电压分量的OCV附近。因此，即使将从充放电结束起经过30秒后的测量电压看作OCV，也保持了OCV的精度。
近年来，开发了使用混合有硅(Si)的负极的锂离子电池单元。在该锂离子电池单元中，极化的消除时间比一般的单元花费得较长，充放电结束后，到收敛至OCV为止需要10小时以上。在该情况下，不能在电动车辆使用中测量OCV，SOC的估计精度下降。此外，即使是一般的电池单元，在低温时、产生了劣化的状态下，收敛至OCV的时间也比通常情况长。
公开了将二次电池以OCV、负极、正极、扩散的等效电路进行模型化，并估计极化(扩散)特性，估计OCV的手法(例如，参照专利文献1、2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-102111号公报
专利文献2：日本特开2017-162661号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在以往的等效电路模型中，在使用混合有多种材料的电极的情况下，OCV的估计精度下降。
本发明是鉴于这样的状况而完成的发明，其目的在于，提供使使用了混合有多种材料的电极的二次电池的OCV的估计精度提高的技术。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的某个方式的电池状态估计装置具备：电压测量部，测量电池单元的电压；电流测量部，测量在所述电池单元中流动的电流；和控制部，以由所述电压测量部测量出的电压、由所述电流测量部测量出的电流和基于所述电池单元的电化学的等效电路模型为基础，来估计所述电池单元的OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)。所述电池单元的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，所述等效电路模型是按照使用于所述正极以及所述负极的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
另外，即使是在方法、装置、***、计算机程序等之间对以上的构成要素的任意的组合、本发明的表现进行变换而得到的方式，也作为本发明的方式，是有效的。
发明效果
根据本发明，能够提高使用了混合有多种材料的电极的二次电池的OCV的估计精度。
附图说明
图1是示出一般的电池单元的等效电路模型的一个例子的图。
图2是示出本实施方式涉及的电池单元的等效电路模型的第1例的图。
图3是示出本实施方式涉及的电池单元的等效电路模型的第2例的图。
图4的(a)、(b)是示出石墨(C)负极的Q-OCV曲线和一氧化硅(SiO)负极的Q-OCV曲线的一个例子图。
图5是示出使用石墨(C)和硅(Si)的混合负极的锂离子电池单元的SOC-OCV曲线的一个例子的图。
图6的(a)、(b)是用于说明Xc(t)的推移的图。
图7的(a)、(b)是示出充电侧的SOC-OCV曲线和放电侧的SOC-OCV曲线的一个例子的图。
图8是示出本实施方式涉及的电池单元的等效电路模型的第3例的图。
图9是示出用于说明本发明的实施方式涉及的电池单元的充放电的基本电路图的图。
图10是用于说明搭载有本发明的实施方式涉及的电池***的电动车辆的图。
图11是示出施加在每种材料的扩散电阻分量的电压的合成波形的收敛曲线的一个例子的图。
具体实施方式
图1是示出一般的电池单元10的等效电路模型的一个例子的图。图1所示的电池单元10的等效电路包括源自电池单元10的电极体构造的电感部、源自正极反应的正极部、源自负极反应的负极部、源自正极以及负极的离子的移动的扩散部这4个等效电路。LPE0表示电感分量，R0、Rs、R1、R2、R3表示电阻分量，CPEs、CPE1、CPE2、CPE3表示电容分量，Zw0、Zws、Zw3表示沃伯格阻抗分量。
以下，在本实施方式中，作为电池单元10，设想使用在正极使用了钴酸锂(LiCoO2)，在负极使用了石墨(C)和硅(Si)的混合材料的锂离子电池单元的例子。使用了混合有硅(Si)的负极的锂离子电池单元在充放电停止后，到测量电压(观测电压)收敛至OCV为止的时间较长。由此，基于收敛前的测量电压而估计出的SOC的估计误差也较大。
如图1所示的那样的扩散部作为1个模型，难以表现充放电停止后的电压收敛曲线的波形。充放电停止后的电压收敛曲线能够由与每种材料的扩散电阻分量相应的合成电压波形来表现，但图1所示那样的扩散部作为1个模型，不能导出与每种材料的扩散电阻分量相应的合成电压。
相对于此，在本实施方式中，通过按照每种材料来表现扩散电阻分量，使用能够表现与每种材料的扩散电阻分量相应的电压的合成波形的等效电路模型。
图2是示出本实施方式涉及的电池单元10的等效电路模型的第1例的图。图2所示的等效电路模型是简单地将每种材料的扩散电阻分量串联地排列了的等效电路模型。图2所示的等效电路模型能够由下述(式1)来定义。
OCV＝CCV-I＊Rohm-Vpp-Vpc-Vpsi ···(式1)
CCV是测量出的电池单元10的观测电压。I是测量出的电池单元10的观测电流。Rohm是将锂(Li)的反应电阻、传导电阻、集电体电阻等汇总表现的电阻分量。Zwp表示正极活性物质内的锂(Li)的扩散电阻分量，Zwc表示负极活性物质(石墨(C))内的锂(Li)的扩散电阻分量，Zwsi表示负极活性物质(硅(Si))内的锂(Li)的扩散电阻分量。Vpp表示对Zwp施加的极化电压Vp，Vpc表示对Zwc施加的极化电压Vp，Vpsi表示对Zwsi施加的极化电压Vp。
在以下的等效电路模型的说明中，设R、C、Zw的各参数已根据使用环境调整为考虑到了温度依赖性的值。
已知扩散电阻分量可表现为沃伯格阻抗，并且如下述(式2)那样，能够以RC并联电路的无限级数之和进行近似。
Zw(s)＝∑n＝1～∞(Rn/(sCnRn+1)) ···(式2)
Cn＝Cd/2，Rn＝8Rd/((2n-1)2π2)
时间常数为(2n-1)2，随着变得高阶而变小。在作为秒级的运算处理而使用的情况下，基本上3阶～5阶左右就足够了。
如上述(式2)所示，各扩散电阻分量能够近似为福斯特(Foster)型电路。在图2中，示出了以3阶的福斯特型电路进行近似的例子。在福斯特型电路的各RC并联电路中，下述(式3)所示的关系成立。下述(式3)表示图2的福斯特型电路的初级的RC并联电路。
(dVp1/dt)＝(I/Cp1)-(Vp1/tau1) ···(式3)
iCp1＝Cp1(dVp1/dt)，iRp1＝Vp1/Rp1，I＝iCp1+iRp1，tau1＝Cp1＊Rp1
如果决定了上述(式3)的初级的Rp1、Cp1的参数，则后级的参数(Rp2、Cp2、Rp3、Cp3)也自动地被决定。关于第2级、第3级的各RC并联电路，与初级的RC并联电路的上述(式3)同样的关系式也成立。即，根据上述(式2)，成为Cp1＝Cp2＝Cp3、Rp2＝1/9＊Rp1、Rp3＝1/25＊Rp。
基于上述(式2)、(式3)，能够以观测电流I为输入，计算施加于Zwp的极化电压Vpp、施加于Zwc的极化电压Vpc、施加于Zwsi的极化电压Vpsi。通过将计算出的Vpp、Vpc、Vpsi代入上述(式1)，从而能够估计OCV。在估计充放电停止后的OCV的情况下，将0代入I。
图3是示出本实施方式涉及的电池单元10的等效电路模型的第2例的图。在图3所示的等效电路模型中，按照每种材料而定义等效电路，用各材料的等效电路的并联电路定义混合有多种材料的电极。在本实施方式中，用石墨(C)负极的等效电路与硅(Si)负极的等效电路的并联电路定义负极。
在图3中，Ro表示引线电阻等直流电阻分量。Rct表示伴随着电极反应的电荷移动电阻分量。Cdl表示相当于双电荷层的充电的电容分量。Re表示电解质中的移动电阻分量(电解液电阻)。Zw(Zwc、Zwsi、Zwp)表示扩散电阻分量，与第1例同样表现为沃伯格阻抗，以3级的福斯特型电路进行近似。
对Rctc与Cdlc的并联电路、和Zwc的串联电路的两侧施加的电压表示石墨(C)负极的极化电压Vpc。同样，对Rctsi与Cdlsi的并联电路、和Zwsi的串联电路的两侧施加的电压表示硅(Si)负极的极化电压Vpsi。同样，施加于Rctp与Cdlp的并联电路、和Zwp的串联电路的两侧的电压表示正极的极化电压Vpp。
使用上述(式2)、(式3)，能够基于观测电流I来计算施加于Zwp的极化电压。能够基于在石墨(C)中流动的电流Ic来计算施加于Zwc的极化电压。能够基于在硅(Si)中流动的电流Isi来计算施加于Zwsi的极化电压。在石墨(C)中流动的电流Ic以及在硅(Si)中流动的电流Isi能够通过将下述(式4)-(式6)所示的式作为联立方程式来求解，从而进行计算。
Rct和Cdl的并联电路也与构成福斯特型电路的RC并联电路同样，只要决定出Rct、Cdl(也可以取代Cdl，为tau)的参数，则能够使用上述(式3)来计算施加于Rct和Cdl的并联电路的两侧的极化电压。具体地，能够基于观测电流I，来计算施加于Rctp和Cdlp的并联电路的两侧的极化电压。能够基于在石墨(C)中流动的电流Ic，来计算施加于Rctc和Cdlc的并联电路的两侧的极化电压。能够基于在硅(Si)中流动的电流Isi，来计算施加于Rctsi和Cdlsi的并联电路的两侧的极化电压。
将施加于Rctc和Cdlc的并联电路的两侧的极化电压和施加于Zwc的极化电压相加，能够计算石墨(C)负极的极化电压Vpc。同样，将施加于Rctsi和Cdlsi的并联电路的两侧的极化电压和施加于Zwsi的极化电压相加，能够计算硅(Si)负极的极化电压Vpsi。同样，将施加于Rctp和Cdlp的并联电路的两侧的极化电压和施加于Zwp的极化电压相加，能够计算正极的极化电压Vpp。
石墨(C)负极的等效电路和硅(Si)负极的等效电路为并联电路，因而下述(式4)、(式5)的关系成立。
OCV_c(t)+Ic(t)＊Roc(t)+Vpc(t-1)＝OCV_si(t)+Isi(t)＊Rosi(t)+Vpsi(t-1)···(式4)
Ic(t)+Isi(t)＝I(t) ···(式5)
为了简化计算，对于石墨(C)负极的极化电压Vpc以及硅(Si)负极的极化电压Vpsi，使用前一次的值。
关于上述(式4)的OCV_c，如下述所示，OCV_si能够通过下述(式6)来导出。
OCV_c＝OCV_C_LUT(Q_c)
OCV_si＝OCV_SI_CHG_LUT(Q_si)＊Xc(t-1)+OCV_SI_DIS_LUT(Q_si)＊(1-Xc(t-1)) ···(式6)
OCV_C_LUT表示描述了石墨(C)负极的Q-OCV曲线的特性数据的查找表。
OCV_SI_CHG_LUT表示了描述硅(Si)负极的充电侧的Q-OCV曲线的特性数据的查找表。
OCV_SI_DIS_LUT表示描述了硅(Si)负极的放电侧的Q-OCV曲线的特性数据的查找表。
图4的(a)、(b)是示出石墨(C)负极的Q-OCV曲线和一氧化硅(SiO)负极的Q-OCV曲线的一个例子的图。图4的(a)示出石墨(C)负极的Q-OCV曲线的一个例子，图4的(b)示出一氧化硅(SiO)负极的Q-OCV曲线的一个例子。在图4的(b)所示的例子中，作为硅(Si)系的材料，举出了使用一氧化硅(SiO)的例子。横轴为容量[mAh]，纵轴为OCV[V]。
石墨(C)负极的充电时和放电时的Q-OCV曲线大致相同，因而通过1根曲线来表现。一氧化硅(SiO)负极的充电时和放电时的Q-OCV曲线不同，因而通过2根曲线来表现。基于如以上那样的Q-OCV曲线，可生成OCV_C_LUT、OCV_SI_CHG_LUT、OCV_SI_DIS_LUT。
Q_c以及Q_si能够根据下述(式7)、(式8)导出。
Q_c＝Q_c_init+∑Ic/FCC_c ···(式7)
Q_si＝Q_si_init+∑Isi/FCC_si ···(式8)
Q_c_init表示石墨(C)负极的初始容量，Q_c表示石墨(C)负极的当前容量，FCC_c表示石墨(C)负极的满充电容量。Q_si_init表示硅(Si)负极的初始容量，Q_si表示硅(Si)负极的当前容量，FCC_si表示硅(Si)负极的满充电容量。
石墨(C)负极的初始容量和硅(Si)负极的初始容量被设定为OCV_c＝OCV_si的关系。
上述(式6)的Xc是表示充电OCV和放电OCV的比例的参数。以下，对Xc的导出方法进行说明。在使用了石墨(C)和硅(Si)的混合负极的锂离子电池单元中，充电侧的SOC-OCV曲线和放电侧的SOC-OCV曲线不同。特别地，在SOC为20％以下的区域中，两者大幅背离，在从放电向充电或从充电向放电切换时产生滞后。另外，在石墨(C)负极单体的情况下，放电侧和充电侧的SOC-OCV曲线大致相同，因而在充放电的切换时不产生滞后。
图5是示出使用石墨(C)和硅(Si)的混合负极的锂离子电池单元的SOC-OCV曲线的一个例子的图。横轴为SOC[％]，纵轴为OCV[V]。实线示出了充电侧的SOC-OCV曲线，虚线示出了放电侧的SOC-OCV曲线。
在SOC为20％以下的区域中，在充电侧的SOC-OCV曲线和放电侧的SOC-OCV曲线中产生背离。在该区域中，实际的OCV收敛至由充电侧的SOC-OCV曲线和放电侧的SOC-OCV曲线包围的范围的任一地点。对于SOC为20％以下的区域，是硅(Si)比石墨(C)容易反应的区域，硅(Si)的过渡特性的影响较大。
Xc＝0表示OCV位于放电OCV曲线上的情况，Xc＝1表示OCV位于充电OCV曲线上的情况。0＜Xc＜1表示OCV位于放电OCV曲线和充电OCV曲线之间的情况。对于高精度地估计SOC，需要适当地求出表示充电OCV和放电OCV的中间比例的Xc。
Xc的线形变化能够根据下述(式9)导出。
Xc_line(t)＝Xc(t-1)+a＊dQ ···(式9)
从放电向充电切换时的Xc的指数变化能够根据下述(式10)导出。
Xc_exp_CHG(t)：(Xc(t)-Xc(t-1))/dQ＝P＊(1-Xc(t-1)+Xc(T)) ···(式10)
从充电向放电切换时的Xc的指数变化能够根据下述(式11)导出。
Xc_exp_DIS(t)：(Xc(t)-Xc(t-1))/dQ＝P＊(Xc(t-1)+1-Xc(T)) ···(式11)
上述(式9)的a和上述(式10)、(式11)的P为系数，可设定预先通过实验、仿真而导出的值。dQ表示Δt期间的容量变化。在通过微型计算机等而周期性(离散性)地运算的情况下，dQ实质上与电流等效。在本实施方式中，将流向硅(Si)的电流Isi作为dQ的代替来使用。
T是表示Xc为0～1的中间值(0.2、0.5等)且充放电切换时的时间的参数。Xc(T)保持充放电被切换了时的Xc(t)的值，值仅在充放电切换时被更新。
图6的(a)、(b)是用于说明Xc(t)的推移的图。图6的(a)示出了从充电向放电切换且收敛至放电OCV的轨迹、即在(式11)中Xc(T)＝1时的Xc(t)的推移，以及从放电向充电切换且收敛至充电OCV的轨迹、即在(式10)中Xc(T)＝0时的Xc(t)的推移。图6的(b)示出了在从放电向充电切换且收敛至充电OCV之前，再次从充电向放电切换的情况下的轨迹、即在(式11)中0＜Xc(T)＜1时的Xc(t)的推移。
Xc(t)在充电时或放电时，能够分别根据下述(式12)或(式13)导出。
Xc(t)＝(X_line(t)+Xc_exp_CHG(t))/2 ···(式12)
Xc(t)＝(X_line(t)+Xc_exp_DIS(t))/2 ···(式13)
图3所示的电池单元10整体的OCV能够根据下述(式14)来估计。
OCV＝CCV-I＊Re-I＊Rop-Vpp-Isi＊Rosi-Vpsi ···(式14)
石墨(C)负极的等效电路和硅(Si)负极的等效电路为并联电路，因而基本上施加于两者的电压相同。另外，OCV也因极化而逐渐变化，因而自动地选择石墨(C)负极的极化电压Vpc和硅(Si)负极的极化电压Vpsi之中大的一方的电压来使用。因此，有时上述(式14)的右边的5项以及6项也会成为-Ic＊Roc-Vpc。
图3所示的电池单元10的SOC能够根据下述(式15)来估计。
SOC＝OCV_SOC_CHG_LUT(OCV)＊Xc(t)+OCV_SOC_DIS_LUT(OCV)＊(1-Xc(t))···(式15)
OCV_SOC_CHG_LUT表示描述了图3所示的电池单元10的充电侧的SOC-OCV曲线的特性数据的查找表。
OCV_SOC_DIS_LUT表示描述了图3所示的电池单元10的放电侧的SOC-OCV曲线的特性数据的查找表。
图7的(a)、(b)是示出充电侧的SOC-OCV曲线和放电侧的SOC-OCV曲线的一个例子的图。图7的(a)示出充电侧的SOC-OCV曲线的一个例子，图7的(b)示出放电侧的SOC-OCV曲线的一个例子。横轴为SOC[％]，纵轴为OCV[V]。
图8是示出本实施方式涉及的电池单元10的等效电路模型的第3例的图。图3所示的第2例是适合Zw的时间常数比基于Cdl的时间常数充分地大的情况的等效电路模型，图8所示的第3例是适合Zw的时间常数相对于Cdl不充分大的情况的等效电路模型。
在正极的等效电路中，除OCV_p、Rop之外的Rctp、Zwp、Cdlp的合成阻抗(Zp)成为参与极化的电阻分量。在石墨(C)负极的等效电路中，除OCV_c、Roc之外的Rctc、Zwc、Cdlc的合成阻抗(Zc)成为参与极化的电阻分量。在硅(Si)负极的等效电路中，除OCV_si、Rosi之外的Rctsi、Zwsi、Cdlsi的合成阻抗(Zsi)成为参与极化的电阻分量。石墨(C)负极的等效电路和硅(Si)负极的等效电路构成了并联电路，因而石墨(C)负极的等效电路的CCV和硅(Si)负极的等效电路的CCV基本上相同。
图8所示的电池单元10整体的CCV能够定义为下述(式16)。
CCV＝OCV_p-OCV_si+Isi＊Zsi+Isi＊Rosi+I＊Zp+I＊Rop+I＊Re ···(式16)
通过OCV_p-OCV_si，可导出电池单元10整体的OCV。通过Isi＊Zsi，可导出硅(Si)负极的极化电压Vpsi。石墨(C)负极的等效电路和硅(Si)负极的等效电路为并联电路，因而下述(式17)、(式18)的关系成立。
I＝Ic+Isi ···(式17)
OCV_c+Ic＊Zc+Ic＊Roc＝OCV_si+Isi＊Zsi+Isi＊Rosi …(式18)
在为了简化计算而将前一次的值使用于Rct、Zw、Cd1的部分(极化电压Vp)的情况下，上述(式18)可改写为下述(式19)。
OCV_c+Vpc+Ic＊Roc＝OCV_si+Vpsi+Isi＊Rosi …(式19)
OCV_c能够根据石墨(C)负极的Q-OCV曲线的查找表导出，OCV_si能够根据硅(Si)负极的Q-OCV曲线的查找表导出。石墨(C)负极的容量Q_c以及硅(Si)负极的容量Q_si能够根据上述(式7)、(式8)导出。石墨(C)负极的初始容量和硅(Si)负极的初始容量被设定为OCV_c＝OCV_si的关系。
图9示出用于说明本发明的实施方式涉及的电池单元10的充放电的基本电路图。电池单元10经由电力变换装置20与负载/电源30连接。电力变换装置20例如是双向逆变器或双向DC/DC变换器。负载/电源30例如为交流负载、直流负载、交流电源或直流电源。
例如，作为电力变换装置20的双向逆变器将从电池单元10放电的直流电变换为交流电，并将变换得到的交流电供给至交流负载。此外，该双向逆变器将从交流电源(例如，商用电力***、交流发电机)供给的交流电变换为直流电，并将变换得到的直流电蓄积在电池单元10。
例如作为电力变换装置20的双向DC/DC变换器将从电池单元10放电的直流电变换为另外的电压的直流电，并将变换得到的直流电供给至直流负载(包括其他蓄电池、电容器)。此外，该双向DC/DC变换器将从直流电源(例如，其他蓄电池、电容器、太阳电池、直流发电机)供给的直流电变换为另外的电压的直流电，并将变换得到的直流电蓄积在电池单元10。
管理部40是管理电池单元10的状态以及充放电的装置。管理部40包括电压测量部41、控制部42以及电流测量部43。电压测量部41测量电池单元10的两端电压并向控制部42输出。电流测量部43基于***于电池单元10的电流路径的分路电阻Rsu的两端电压来测量在电池单元10中流动的电流，并向控制部42输出。另外，也可以取代分路电阻Rsu而使用霍尔元件。
控制部42控制电池单元10的充放电。具体地，控制部42通过在电力变换装置20设定电流指令值或电压指令值，来执行电池单元10的恒定电流充电(CC充电)、恒定电压充电(CV充电)、恒定电流放电(CC放电)或恒定电压放电(CV放电)。
电力变换装置20包括开关元件，通过基于从控制部42设定的电流指令值或电压指令值而控制该开关元件的占空比，来控制充电电流、充电电压、放电电流或放电电压。
图10是用于说明搭载有本发明的实施方式涉及的电池***2的电动车辆1的图。关于电动车辆1，设想能够从设置在外部的充电器20b充电的EV/PHV。
电池***2经由第1继电器RY1以及逆变器20a与电动机30a连接。在逆变器20a动力运行时，将从电池***2供给的直流电变换为交流电，并供给至电动机30a。在进行再生时，将从电动机30a供给的交流电变换为直流电，并供给至电池***2。电动机30a是三相交流电动机，在动力运行时，根据从逆变器20a供给的交流电而旋转。在进行再生时，将因减速而产生的旋转能量变换为交流电，并供给至逆变器20a。
第1继电器RY1***于将电池模块3和逆变器20a相连的布线之间。电池***2的管理部40在行驶时，将第1继电器RY1控制为接通状态(关闭状态)，将电池***2和电动车辆1的动力***电连接。管理部40在非行驶时，原则上将第1继电器RY1控制为关断状态(打开状态)，将电池***2和电动车辆1的动力***电切断。另外，也可以取代继电器而使用半导体开关等其他种类的开关。
电池***2能够通过利用在电动车辆1之外而设置的充电器20b和充电线缆6来连接，从而从商用电力***30b充电。充电器20b设置在家庭、汽车销售店、服务区、商业设施、公共设施等。充电器20b与商用电力***30b连接，经由充电线缆6对电动车辆1内的电池***2进行充电。在车辆内，第2继电器RY2***于将电池***2和充电器20b相连的布线之间。另外，也可以取代继电器而使用半导体开关等其他种类的开关。电池***2的管理部40在充电开始前将第2继电器RY2控制为接通状态(关闭状态)，在充电结束后控制为关断状态(打开状态)。
一般地，在普通充电的情况下以交流充电，在快速充电的情况下以直流充电。在以交流充电的情况下，通过***于第2继电器RY2与电池***2之间的AC/DC变换器(未图示)，将交流电变换为直流电。
电池模块3包括多个电池单元10。以下，作为电池单元10，设想使用锂离子电池单元(公称电压：3.6-3.7V)的例子。电池单元10的串联数量根据电动机30a的驱动电压决定。
分路电阻Rsu与多个电池单元10串联连接。分路电阻Rsu作为电流检测元件而发挥功能。另外，也可以取代分路电阻Rsu而使用霍尔元件。此外，可设置用于检测多个电池单元10的温度的温度传感器T1。对于温度传感器T1，例如能够使用热敏电阻。
管理部40具备电压测量部41、控制部42、温度测量部44以及电流测量部43。电压测量部41与串联连接的多个电池单元10的各节点之间由多个电压线连接。电压测量部41通过分别测量相邻的2根电压线间的电压，来测量各电池单元10的电压。电压测量部41将测量出的各电池单元10的电压发送到控制部42。
电压测量部41相对于控制部42为高压，因而电压测量部41与控制部42间在被绝缘了的状态下通过通信线而连接。电压测量部41能够由通用的模拟前端IC或ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)构成。电压测量部41包括多工器以及A/D变换器。多工器将相邻的2根电压线间的电压从上起顺次输出到A/D变换器。A/D变换器将从多工器输入的模拟电压变换为数字值。
温度测量部44包括分压电阻以及A/D变换器。A/D变换器将温度传感器T1和被分压电阻分压了的电压变换为数字值，并输出到控制部42。控制部42基于该数字值，来估计多个电池单元10的温度。
电流测量部43包括差动放大器以及A/D变换器。差动放大器将分路电阻Rsu的两端电压放大，并输出到A/D变换器。A/D变换器将从差动放大器输入的电压变换为数字值，并输出到控制部42。控制部42基于该数字值来估计在多个电池单元10中流动的电流。
另外，在控制部42内搭载有A/D变换器，且在控制部42设置有模拟输入端口的情况下，温度测量部44以及电流测量部43也可以将模拟电压输出到控制部42，并通过控制部42内的A/D变换器变换为数字值。
控制部42基于由电压测量部41、温度测量部44以及电流测量部43测量出的多个电池单元10的电压、温度以及电流，来管理电池模块3。控制部42能够由微型计算机以及非易失性存储器(例如，EEPROM、闪速存储器)构成。在非易失性存储器内保持有Q-OCV表格42a以及SOC-OCV表格42b。
Q-OCV表格42a按照使用于正极和负极的每种材料而设置。在本实施方式中，设置正极的Q-OCV表格、石墨(C)负极的Q-OCV表格、硅(Si)负极的充电侧的Q-OCV表格、硅(Si)负极的放电侧的Q-OCV表格。此外，在本实施方式中，关于SOC-OCV表格42b，单独地设置电池单元10的充电侧的SOC-OCV表格和放电侧的SOC-OCV表格。
控制部42基于由电压测量部41测量出的电压、由电流测量部43测量出的电流和电池单元10的等效电路模型来估计电池单元10的OCV。作为电池单元10的等效电路模型，能够使用图2、图3、图8所示的等效电路模型。由等效电路模型使用的R、C、Zw的各参数通过实验、仿真而预先导出。此时，各参数的温度依赖性也被导出。控制部42基于由温度测量部44测量出的温度，来调整各参数的值。
如上所述，如图1所示那样的扩散部作为1个模型，难以表现充放电停止后的电压收敛曲线的波形。相对于此，在本实施方式中，能够计算与每种材料的扩散电阻分量相应的合成电压。例如，上述(式1)在I＝0时如下述(式20)所示。
OCV＝CCV-Vpp-Vpc-Vpsi ···(式20)
控制部42基于由电压测量部41测量出的电池单元10的CCV，来计算电池单元10的OCV。由于按照每种材料来求出极化电压，因而电池单元10整体的极化电压的估计精度提高，即使在极化电压未收敛的状态下，也能够根据测量出的CCV来高精度地估计OCV。
图11是示出施加于每种材料的扩散电阻分量的电压的合成波形的收敛曲线的一个例子的图。最上方的细虚线表示施加于硅(Si)负极的扩散成分的电压的变化，第2根细虚线表示施加于石墨(C)负极的扩散成分的电压的变化，最下方的1根细虚线表示施加于正极的扩散成分的电压的变化。粗实线表示3个电压的合成电压的实测值，粗虚线表示3个电压的合成电压的估计值。
如以上说明的那样，根据本实施方式，通过使用按照每种材料来表现了扩散电阻分量的等效电路模型，能够准确地表现混合电极的扩散电阻分量。因此，能够提高OCV的估计精度。例如，也能够高精度地估计搭载于停止时间仅为短时间的电动车辆1的电池单元10的OCV。由于能够高精度地估计OCV，因而也能够高精度地估计SOC。另外，根据本实施方式，不仅提高充放电停止后的OCV的估计精度，还提高充放电中的OCV的估计精度。因此，行驶中的SOC的估计精度也提高。如果SOC的估计精度提高，则可行驶距离的估计精度也提高，有助于电费的改善。
上述专利文献1所公开的手法将等效电路模型表现为正极·负极·扩散·OCV，使用交流阻抗解析(Cole-Cole图表)来估计各种参数。利用该手法，不能再现由多种材料引起的多个扩散重叠的电压波形。相对于此，在本实施方式中，按照每种材料分离地表现扩散，因而即使多个扩散重叠，也能够高精度地再现扩散的电压波形，能够提高OCV的估计精度。
上述专利文献2所公开的手法将电阻分量分割为极化电阻和直流电阻这2个来表现，分别通过基于电流变化的经验值库的贡献度对其进行加重平均。利用该手法，也不能表现极化电阻内的多个扩散分量。相对于此，在本实施方式中，通过基于电化学的等效电路模型来表现极化电阻，因而经验值库的参数较少，并能够提高OCV的估计精度。
以上，基于实施方式对本发明进行了说明。实施方式是例示，能够对它们的各构成要素、各处理过程的组合进行各种变形例，此外这样的变形例也在本发明的范围内，这对本领域技术人员来说是可理解的。
在上述的实施方式中，在等效电路模型中，未示出由于电池单元的电极体构造而需要的电感分量，但在需要示出电感分量的情况下，例如只要设为将电感L和电阻R的并联电路与正极或负极串联连接的结构即可。
在上述的实施方式中，以使用了石墨(C)和硅(Si)的混合负极的锂离子电池单元为例进行了说明。被混合的负极材料不限于石墨(C)和硅(Si)。例如，能够使用硫( S)、铋(Bi)、钛酸锂(Li2TiO3)等。此外，混合的材料不限于2种，也可以是3种以上。
此外，混合电极不限于负极。正极也可以是混合有2种以上的材料的混合正极。例如，作为正极材料，能够使用将钻酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、三元系(Li(Ni-Mn-Co)O2)的钴酸锂的一部分置换为Ni、Mn的材料等。
在上述的实施方式中，说明了将本发明应用于车载用途的电池***2的例子，但在固定型蓄电用途的电池***中也能够应用本发明。此外，在笔记本型PC、智能手机等电子设备用途的电池***中也能够应用本发明。
另外，实施方式也可以通过以下的项目来确定。
[项目1]
一种电池状态估计装置(40)，具备：
电压测量部(41)，测量电池单元(10)的电压；
电流测量部(43)，测量在所述电池单元(10)中流动的电流；和
控制部(42)，基于由所述电压测量部(41)测量出的电压、由所述电流测量部(43)测量出的电流和基于所述电池单元(10)的电化学的等效电路模型，来估计所述电池单元(10)的OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)，
所述电池单元(10)的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
由此，能够提高使用了混合电极的电池单元(10)的OCV的估计精度。
[项目2]
项目1所述的电池状态估计装置(40)，
所述负极是包含多种材料的混合负极，
所述等效电路模型的负极表现为按照所述多种材料中的每种材料而形成的等效电路的并联电路，
各等效电路包括OCV和扩散电阻分量。
由此，能够根据每种材料的OCV曲线之差来准确地表现多个负极材料的反应。
[项目3]
项目1所述的电池状态估计装置(40)，
所述负极是包含石墨和硅的混合负极，
所述等效电路模型的负极表现为所述石墨的等效电路和所述硅的等效电路的并联电路，
所述石墨的等效电路和所述硅的等效电路分别包括OCV和扩散电阻分量。
由此，根据两者的OCV曲线之差来准确地表现石墨和硅的反应。
[项目4]
项目1至3中任一项所述的电池状态估计装置(40)，
所述控制部(42)在所述电池单元(10)充放电结束后，基于由所述电压测量部(41)测量出的电压、和对在所述正极以及所述负极使用的多种材料中每种材料的扩散电阻分量施加的多个极化电压，来估计所述电池单元(10)的OCV。
由此，即使在极化电压未收敛的状态下也能够高精度估计电池单元(10)的充放电结束后的OCV。
[项目5]
一种电池状态估计方法，具有：
测量电池单元(10)的电压的步骤；
测量在所述电池单元(10)中流动的电流的步骤；和
基于测量出的电压、测量出的电流和基于所述电池单元(10)的电化学的等效电路模型，来估计所述电池单元(10)的OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)的步骤，
所述电池单元(10)的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
由此，能够提高使用了混合电极的电池单元(10)的OCV的估计精度。
[项目6]
一种电池***(2)，具备：
电池单元(10)；
电压测量部(41)，测量所述电池单元(10)的电压；
电流测量部(43)，测量在所述电池单元(10)中流动的电流；和
控制部(42)，由所述电压测量部(41)测量出的电压、由所述电流测量部(43)测量出的电流和基于所述电池单元(10)的电化学的等效电路模型，来估计所述电池单元(10)的OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)，
所述电池单元(10)的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
由此，能够实现使用了混合电极的电池单元(10)的OCV的估计精度得以提高的电池***(2)。
符号说明
10：电池单元；20：电力变换装置；30：负载/电源；1：电动车辆；2：电池***；3：电池模块；6：充电线缆；40：管理部；41：电压测量部；42：控制部；42a：Q-OCV表；42b：SOC-OCV表；43：电流测量部；44：温度测量部；20a：逆变器；30a：电动机；20b：充电器；30b：商用电力***；RY1：第1继电器；RY2：第2继电器；Rsu：分路电阻。

Claims (6)

1.一种电池状态估计装置，具备：
电压测量部，测量电池单元的电压；
电流测量部，测量在所述电池单元中流动的电流；和
控制部，以由所述电压测量部测量出的电压、由所述电流测量部测量出的电流和基于所述电池单元的电化学的等效电路模型为基础，来估计所述电池单元的OCV，所述OCV是开路电压，
所述电池单元的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
2.根据权利要求1所述的电池状态估计装置，其中，
所述负极是包含多种材料的混合负极，
所述等效电路模型的负极表现为按照所述多种材料中的每种材料而形成的等效电路的并联电路，
各等效电路包括OCV和扩散电阻分量。
3.根据权利要求1所述的电池状态估计装置，其中，
所述负极是包含石墨和硅的混合负极，
所述等效电路模型的负极表现为所述石墨的等效电路和所述硅的等效电路的并联电路，
所述石墨的等效电路和所述硅的等效电路分别包括OCV和扩散电阻分量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池状态估计装置，其中，
所述控制部在所述电池单元的充放电结束后，基于由所述电压测量部测量出的电压、对所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料的扩散电阻分量施加的多个极化电压，来估计所述电池单元的OCV。
5.一种电池状态估计方法，具有：
测量电池单元的电压的步骤；
测量在所述电池单元中流动的电流的步骤；和
以测量出的电压、测量出的电流和基于所述电池单元的电化学的等效电路模型为基础，来估计所述电池单元的OCV的步骤，所述OCV是开路电压，
所述电池单元的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
6.一种电池***，具备：
电池单元；
电压测量部，测量所述电池单元的电压；
电流测量部，测量在所述电池单元中流动的电流；和
控制部，以由所述电压测量部测量出的电压、由所述电流测量部测量出的电流和基于所述电池单元的电化学的等效电路模型为基础，来估计所述电池单元的OCV，所述OCV是开路电压，
所述电池单元的正极以及负极的至少一者是包含多种材料的混合电极，
所述等效电路模型是按照所述正极以及所述负极所使用的多种材料中的每种材料而具备扩散电阻分量的模型。
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