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松下電器攜手大學開發支援殘余價值評估的電池管理技術

2019-11-15

松下電器產業株式會社 機電解決方案公司(以下簡稱“松下電器”)與立命館大學 理工學部 福井研究室(教授:福井 正博)共同開發出了全新的電池管理技術,該項電池管理技術在安裝于設備的鋰離子電池殘余價值評估中執行有效的交流阻抗[1]測量。本技術可望被應用到使用將多個電池串聯疊加而成的鋰離子電池模塊的各種設備和未來車輛上。松下電器擔任新電池管理IC(以下簡稱“BMIC”)的測試芯片和測量算法及軟件開發,立命館大學則擔任使用實際電池的性能評估等。

近來人們對鋰離子電池的需求以工業設備和移動體等為中心在逐漸增大,再利用或循環利用的重要性也日益突出。本次開發的電池管理技術,可在將多個電池串聯連接的鋰離子電池模塊安裝于設備的狀態下,借助交流疊加法[2]進行交流阻抗測量。進而,通過測量數據的積累和分析來實現劣化診斷和故障推斷等殘余價值評估,由此為實現未來鋰離子電池得以再利用或循環利用的可持續發展社會做出貢獻。

【特征】

1. 執行多個電池單體串聯而成的電池的交流阻抗測量的BMIC芯片化技術。
2. 實現與專用測量儀同等精度的交流阻抗測量。
3. 對應運轉中設備的溫度變化的溫度補償技術。

【過去示例】

交流阻抗法作為鋰離子電池的非破壞評估方法被廣泛使用。該測量法必須具備將專用的測量儀和電池的溫度保持恒定的大恒溫槽,還必須在實驗室內逐個測量電池。

【用途】

安裝有多個電池單體串聯而成的鋰離子電池的設備。電動自行車、LSV(Low-Speed Vehicle)、建筑和物流設備、未來的電動汽車、大容量蓄電池等。

【特征描述】

1、執行多個電池單體串聯而成的電池的交流阻抗測量的BMIC芯片化技術

目前使用多個電池單體串聯而成的鋰離子電池的電池管理系統(以下簡稱“BMS”),使用對6~14個串聯連接的電池的個別電壓進行測量的IC,并以收集被串聯連接的數個~200個電池電壓以便能夠安全使用電池模塊的方式進行監視。此外,BMS通過計算充電狀態(SOC[3])和運行狀態(SOH[4]),計算出剩余的續航距離和可使用的時間。

新開發的BMIC測試芯片除了這些常備功能外,還安裝有在使電池運行的狀態下借助交流疊加法測量交流阻抗的功能。可通過內置于BMIC的15個完全并聯的模擬/數字轉換器和藉由在0.1Hz~5KHz范圍內進行脈沖調制的交流疊加電路、復數電壓和復數電流轉換電路,來進行交流阻抗測量。此BMIC芯片可進行運行中電池的交流阻抗測量而無需大幅度變更電池上所安裝的現行BMS的構成。

配圖1_副本_副本

BMS和BMIC的概略圖

2、實現與專用測量儀同等精度的交流阻抗測量

在借助交流阻抗法的狀態推斷中,測量用來復數表達阻抗而在平面上描繪的Cole-Cole圖[5]。立命館大學使用松下電器開發的BMIC和測量用軟件測量了圓柱形鋰離子電池。結果,確認了在1Hz~5KHz的頻率范圍內可在與行業通常使用的測量儀同等精度下測量Cole-Cole圖。

 

配圖2_副本_副本_副本

利用專用測量儀和新BMIC進行的Cole-Cole圖測量的比較結果

3、對應運轉中設備的溫度變化的溫度補償技術

鋰離子電池的交流阻抗對于溫度變化非常敏感。因此,在實驗室內進行的借助專用測量儀的測量,要放入到將溫度保持恒定的恒溫槽內來進行。運行中的電池的環境溫度會發生變化,因而未能穩定地測量交流阻抗。

本次,我們測量在測量交流阻抗時的鋰離子電池溫度,將阻抗的溫度變化補償為標準溫度并開發了在Cole-Cole圖上進行描繪的溫度補償技術。由此,即使在因季節和時段等原因而造成的環境溫度不同的情況下也可將歸一化為標準溫度的Cole-Cole圖作為數據庫積累起來。

【發 布】

11月14日,由共同研究合作方的立命館大學在國立京都國際會館(京都市左京區寶池)舉行的由公益社團法人 電氣化學會 電池技術委員會主辦的第60次 電池討論會(2019年11月13日~15日)上發布了研究成果?

【術語說明】

[1] 交流阻抗
交流電壓除以交流電流而得的交流電阻。單位為歐姆,與直流電阻相同。

[2] 交流疊加法
系與網絡分析儀一樣,在使得頻率漸漸變化的同時(頻率掃描)施加交流電流,測量交流阻抗頻率特性的一種方法。

[3] SOC(State of Charge)
充電狀態。系用百分比來表示相對于滿充電容量的剩余容量。

[4] SOH(State of Health)
運行狀態。系用百分比來表示初期充電量與經時劣化的充電量之比。充電量基于BMS,通過電流積分法(庫侖計數)等方法進行測量。目前時點的SOH,可通過存儲開始使用時的充電量,與現在的充電量進行比較來計算。但是,SOH與金屬鋰的析離(樹枝狀晶)引起的電極劣化和電解液的劣化等各種鋰離子電池的劣化現象無直接的相關性。因此,SOH測量系獲知目前時點的充電量而無法進行未來SOH的推斷,這一點與劣化診斷不同。

[5] Cole-Cole圖
系復數表達交流阻抗,在復平面上描繪頻率變化引起的軌跡圖。也稱作奈奎斯特圖。常常被在分析電池內部阻抗變化的電化學阻抗分析(EIS:Electrochemical Impedance Spectroscopy)中使用。是根據提議人KENNETH S. COLE和ROBERT H. COLE的名字而被命名的。

 

【開發品的咨詢處】

松下半導體解決方案株式會社

https://www.panasonic.com/jp/company/pscs/en/contact.html?ad=press20191114

 

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松下集團在中國東北亞地區擁有85家法人公司,6萬名員工。2019年4月,松下集團首次成立了將事業和地域統括職能合二為一的地區事業公司 — 中國東北亞公司,總部設置在北京,這是松下集團首次在日本以外成立事業公司。中國·東北亞公司將從中國當地需求出發,為融合了有傳統優勢的家電和住宅設備的“生活空間”領域,以及以冷鏈核心的“生鮮食品供應鏈”領域做出貢獻。如欲了解更多信息,請訪問集團網站:http://www.panasonic.com/global,中國區官方網站:http://www.xksry.com.cn,官方微博網址:http://e.weibo.com/aboutpanasonic,官方微信:Panasonic松下中國

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