動作状態におけるバッテリーモジュールまたはパック内のセルの状態監視と予測

編集者注: この記事の基になっている論文は、もともと、2021 年 11 月または 12 月に台湾の台北で開催された 2021 IEEE International Symposium on Product Compliance Engineering – Asia (ISPCE-ASIA) で発表されたものです。 IEEE の許可。 著作権 2021、IEEE。

電気自動車 (EV) およびエネルギー貯蔵システム (ESS) の長年の稼働後の火災事故の増加を受けて、EV および ESS の健全性監視システムは依然として懸念事項となっています。 静的状態でのセルの健康状態を測定することは比較的簡単ですが、システムに詰め込まれた動作状態でのセルの健康状態の測定は、静的測定方法ではかなり困難または時間がかかります。

しかし、直列ブロック内の 1 つのセルが劣化するとブロック全体の性能が低下し、劣化によって寿命の低下や走行距離のコストなどの経済的懸念が生じるため、中断のない状態監視システムを開発することが非常に重要です。実際の動作とバッテリーパックをモジュールとセルに分解する方法を説明します。

EV アプリケーションにおけるヘビーデューティーおよび長寿命要求におけるセル状態の重要性を考慮して、IEC/ISO はセルについては性能規格 IEC 62660-1:2018 を、パックについては ISO 12405-4:2018 を発行しました。 どちらの規格も、バッテリー電気自動車 (BEV) だけでなくハイブリッド電気自動車 (HEV) においても、動的充放電動作におけるセルの性能を重視しています。

これらの動的プロファイルでは、次のような条件が考慮されています。

図 1 および図 2 に示すように、IEC および ISO 規格に基づいて、実際の動作をシミュレートするテスト プロファイルが作成されます。

図 1: IEC 62660-1 [1] の BEV サイクル試験の動的放電プロファイル A

図 2: IEC 62660-1 [2] の BEV サイクル試験の動的放電プロファイル B

ほとんどの研究研究が参照しているように、EIS は、図 3 に示すようなバッテリー構造の包括的な説明であると考えられていました。典型的な EIS は、電気化学セルに AC 電位を印加し、その後、さまざまな周波数でセルを流れる電流を測定する測定によって実行されました。 1mHz の低い周波数から 1MHz の高い周波数まで。

図 3: EIS の概念とセルの電気化学構造との関係 [3]

電極間には多くの材料層があり、外部電位は異なる振動周波数で設定された音叉に似ているため、応答周波数はセルの電気化学構造の説明として考えることができます。 各層の材料は異なる固有の固有振動数を持ち、電圧周波数が同じ場合に共振します。 特性周波数ピークの振幅は、材料の厚さまたは質量に類似する可能性があります。 素材が厚いほどレスポンスは強くなります。

ただし、セルの一度に単一のスペクトルは何の意味も持ちませんが、異なる動作条件下で層の厚さが変化したときにセル全体のスペクトルを比較すると、応答は極端な条件、たとえばSOC 0%からSOC 100%の間で変化します。測定時の状態を元の未使用状態まで推定するのに役立ちます。

単一のリチウムイオン電池またはセルの電圧はわずか 3 ボルトであるため、DC/DC 電圧変換技術なしで 5 KW を超える大電力に対して 12 ボルト、48 ボルト、96 ボルト、またはそれ以上の出力を生成するには、セルを組み合わせる必要があります。シリーズブロックに分割します。 ただし、電気化学セルには内部抵抗の差があり、ブロックの端では電圧の差が大きくなります。 ブロック内のセルの過電圧を回避するには、IEC 62133、UL 2594、または UL 2580 などのモジュール安全規格要件に基づいて、図 4 に示すように、同じシリーズ内の各セルに過電圧防止メカニズムまたは監視システムを統合する必要があります。