Аккумуляторная система и способ восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора

Изобретение относится к области электротехники, а именно к аккумуляторной системе и способу восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора. Вторичный литий-ионный аккумулятор содержит положительный электрод и отрицательный электрод, расположенные напротив друг друга, и разделитель, расположенный между ними, при этом ширина слоя активного материала отрицательного электрода превышает ширину слоя активного материала положительного электрода, и на конце слоя активного материала отрицательного электрода имеется неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода, где в период зарядки аккумуляторной системы накапливаются ионы лития, тем самым снижая емкость аккумулятора. Блок управления емкостью (960) подает на блок контроля (920) команды для выполнения управления восстановлением емкости аккумулятора (10) в сборке, при этом устройство управления восстановлением емкости включает в себя режим разрядки и режим восстановления емкости. В режиме разрядки электронный блок управления (960) разряжает аккумулятор (10) в сборе до заданной области переразряда, в режиме восстановления емкости электронный блок управления (960) циклически выполняет в области переразряда увеличение напряжения для увеличения напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе, достигаемое прекращением разрядки, и импульсную разрядку вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока. Повышение эффективности восстановления емкости аккумулятора за короткий промежуток времени является техническим результатом изобретения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Настоящая заявка основана на патентной заявке Японии №2017-239400, поданной 14 декабря 2017 года в патентное ведомство Японии, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Уровень техники

Область техники

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной системе и способу восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора, в частности, к технологии восстановления пониженной емкости вторичного литий-ионного аккумулятора.

Раскрытие уровня техники

Вторичные литий-ионные аккумуляторы, обладающие высокой плотностью энергии на единицу массы, представляют интерес для установки в качестве вторичных аккумуляторов в транспортных средствах с электрическим приводом, в частности, электрических и гибридных транспортных средствах. Вторичный литий-ионный аккумулятор содержит положительный электрод и отрицательный электрод, расположенные друг напротив друга, и разделитель, расположенный между положительным электродом и отрицательным электродом. Положительный электрод содержит слой активного материала положительного электрода, а отрицательный электрод содержит слой активного материала отрицательного электрода. В общем случае, ширина слоя активного материала отрицательного электрода превышает ширину слоя активного материала положительного электрода, и на конце слоя активного материала отрицательного электрода имеется неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода.

Ионы лития, аккумулированные в неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, труднее высвобождаются из слоя активного материала отрицательного электрода во время реакции разряда, в ходе которой ионы лития мигрируют из слоя активного материала отрицательного электрода в слой активного материала положительного электрода. Следовательно, когда ионы лития накапливаются на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, емкость вторичного литий-ионного аккумулятора уменьшается.

В патентной заявке Японии №2015-187938 раскрыт способ восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора, когда она снизилась, в соответствии с вышеприведенным описанием. Этот способ восстановления емкости разряжает вторичный литий-ионный аккумулятор до заданного состояния заряда (СЗ), не превышающего СЗ в 10%, а затем продолжает разряжать аккумулятор посредством разрядки с постоянным напряжением. Это позволяет возвращать ионы лития, накопившиеся на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, в слой активного материала положительного электрода, восстанавливая емкость вторичного литий-ионного аккумулятора.

Хотя способ восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора, раскрытый в патентной заявке Японии №2015-187938, полезен тем, что ионы лития, накопленные на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, могут быть возвращены в слой активного материала положительного электрода, высвобождение ионов лития, накопленных на неориентированном участке, из слоя активного материала отрицательного электрода может занять некоторое время, которое можно было бы сократить с целью выполнения контролируемого восстановления емкости.

Сущность изобретения

Настоящее изобретения создано для решения вышеуказанной проблемы, и реализовано в виде объектов, представляющих собой аккумуляторную систему и способа восстановления емкости, которые позволяют эффективно восстанавливать емкость вторичного литий-ионного аккумулятора за короткий промежуток времени.

Аккумуляторная система согласно настоящему изобретению содержит вторичный литий-ионный аккумулятор, содержащий слой активного материала положительного электрода и слой активного материала отрицательного электрода с расположенным между ними разделителем, зарядное и разрядное устройство, выполненное с возможностью зарядки и разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора, и контроллер. Контроллер выполнен с возможностью управления зарядным и разрядным устройством с целью выполнения управления восстановлением емкости вторичного литий-ионного аккумулятора. Слой активного материала отрицательного электрода, содержит ориентированный участок, обращенный к слою активного материала положительного электрода, и неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода. Управление восстановлением емкости включает в себя первое управление и второе управление. Первое управление является управлением по разрядке вторичного литий-ионного аккумулятора до заданной области переразряда. Второе управление является управлением по циклическому выполнению в заданной области переразряда: увеличения напряжения для увеличения напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе вследствие прекращения разрядки, и импульсной разрядки для импульсной разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока.

Способ восстановления емкости согласно настоящему изобретению представляет собой способ восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора. Вторичный литий-ионный аккумулятор содержит слой активного материала положительного электрода и слой активного материала отрицательного электрода с расположенным между ними разделителем. Слой активного материала отрицательного электрода содержит ориентированный участок, обращенный к слою активного материала положительного электрода, и неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода. Способ восстановления емкости включает в себя разрядку вторичного литий-ионного аккумулятора до заданной области переразряда и циклическое выполнение в заданной области переразряда: увеличения напряжения для увеличения напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе вследствие прекращения разрядки, и импульсной разрядки для импульсной разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока.

Область переразряда представляет собой область, в которой вторичный литий-ионный аккумулятор избыточно разряжен. Например, для состояния заряда вторичного литий-ионного аккумулятора принимается, что емкость при максимальном напряжении и емкость при минимальном напряжении в нормальном диапазоне работы вторичного литий-ионного аккумулятора равна состоянию заряда 100% и 0%, и соответственно, заданная область переразряда имеет состояние заряда, не превышающее заранее заданное значение, указывающее на избыточную разрядку вторичного литий-ионного аккумулятора.

Описанная конфигурация способна в области переразряда эффективно генерировать колебания ионов лития, накопленных на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, не обращенном к слою активного материала положительного электрода. Это позволяет в области переразряда эффективно выделять ионы лития, накопленные на неориентированном участке, из слоя активного материала отрицательного электрода, что облегчает миграцию ионов лития, находящихся на неориентированном участке, в слой активного материала положительного электрода. Таким образом, аккумуляторная система и способ восстановления емкости позволяют эффективно восстанавливать емкость вторичного литий-ионного аккумулятора в течение короткого промежутка времени.

Второе управление предпочтительно выполняется в диапазоне, в котором напряжение на вторичном литий-ионном аккумуляторе не опускается ниже заданного нижнего предельного напряжения.

Это позволяет снизить риск элюирования коллектора при снижении напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе.

Частота колебаний разрядного тока в импульсной разрядке составляет предпочтительно от 3 до 20 кГц.

Установка частоты колебаний разрядного тока в импульсной разрядке на 3 кГц и выше может способствовать миграции ионов лития, находящихся на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, который не обращен к слою активного материала положительного электрода, в слой активного материала положительного электрода. В то же время установка чрезмерно высокой частоты колебаний способна вызвать повреждение аккумулятора, например, может быть увеличена выработка тепла вследствие диэлектрических потерь, при этом уменьшение частоты колебаний до 20 кГц и ниже может предотвратить повреждение аккумулятора.

Управление восстановлением емкости предпочтительно выполняют при условии, что температура вторичного литий-ионного аккумулятора составляет от 40 до 80°С.

Установка температуры вторичного литий-ионного аккумулятора на уровне 40°С и выше может способствовать миграции ионов лития, находящихся на неориентированном участке слоя активного материала отрицательного электрода, который не обращен к активному материалу положительного электрода, в слой активного материала положительного электрода. В то же время чрезмерно высокая температура способна увеличить внутреннее давление вследствие генерации газа внутри аккумулятора, и увеличение внутреннего давления батареи можно предотвратить, поддерживая температуру на уровне 80°С и ниже.

Областью переразряда предпочтительно является областью, в которой состояние заряда вторичного литий-ионного аккумулятора равно 0% и меньше.

Выполнение управления восстановлением емкости в области переразряда, в которой состояние заряда составляет 0% и меньше, позволяет эффективно восстанавливать емкость вторичного литий-ионного аккумулятора за короткий промежуток времени.

Вышеизложенные и прочие цели, отличительные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего подробного раскрытия настоящего изобретения при его рассмотрении с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 схематично изображена конфигурация транспортного средства с электрическим приводом, в котором установлена аккумуляторная система согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фигуре 2 изображен вид в разрезе, схематично показывающий структуру вторичного литий-ионного аккумулятора, относящуюся к аккумулятору в сборе.

На фигуре 3 концептуально показана миграция иона лития между положительным электродом и отрицательным электродом при зарядке и разрядке.

На фигуре 4 концептуально показано накопление ионов лития в отрицательном электроде во время зарядки вторичного литий-ионного аккумулятора.

На фигуре 5 концептуально показана миграция ионов лития из отрицательного электрода в положительный электрод во время разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора.

На фигуре 6 приведена схема, иллюстрирующая способ восстановления емкости аккумуляторной системы в соответствии с данным вариантом осуществления.

На фигуре 7 изображена примерная форма волны тока при импульсной разрядке, выполняемой в режиме восстановления емкости.

На фигуре 8 изображена блок-схема, иллюстрирующая протекание процесса по управлению восстановлением емкости, выполняемого электронным блоком управления.

На фигуре 9 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости.

На фигуре 10 показана эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 9.

На фигуре 11 показана разность потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода.

На фигуре 12 показаны примерные условия испытания функции управления восстановлением емкости.

На фигуре 13 показана эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 12.

На фигуре 14 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости.

На фигуре 15 показана эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 14.

На фигуре 16 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости.

На фигуре 17 показана эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 16.

На фигуре 18 изображена блок-схема, иллюстрирующая протекание процесса по управлению восстановлением емкости, выполняемого в измененном варианте осуществления.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Ниже дается подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фигуры. Следует обратить внимание на то, что одним и тем же или соответствующим частям присвоены одинаковые условные обозначения, и повторно они не описываются.

На фигуре 1 схематично изображена конфигурация транспортного средства 1 с электрическим приводом, в котором установлена аккумуляторная система согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Хотя в нижеприведенном описании транспортное средство 1 с электрическим приводом представляет собой электрическое транспортное средство (ЭТС), аккумуляторная система согласно настоящему изобретению не ограничивается системой, установленной в ЭТС, а может быть установлена в гибридном транспортном средстве (ГТС), подключаемом ГТС или в любом ином транспортном средстве, при этом она может применяться в целях, отличающихся от целей транспортных средств.

Как показано на фигуре 1, транспортное средство 1 с электрическим приводом содержит аккумулятор 10 в сборе, блок 910 контроля, блок 920 управления мощностью (в дальнейшем называемый «БУМ»), мотор-генератор 930 (в дальнейшем называемый «МГ»), приводной вал 940, ведущие колеса 950 и электронный блок 960 управления (в дальнейшем называемый «ЭБУ»).

Аккумулятор 10 в сборе содержит множество вторичных литий-ионных аккумуляторов (в дальнейшем также называемых «ячейками»). В частности, модуль содержит набор ячеек, и несколько модулей электрически соединены с образованием аккумулятора 10 в сборе. Аккумулятор 10 в сборе сохраняет электроэнергию для привода МГ 930 и может подавать электроэнергию в МГ 930 через БУМ 920. Кроме того, аккумулятор 10 в сборе заряжается через БУМ 920 электроэнергией, генерируемой МГ 930.

Блок 910 контроля содержит датчик 911 напряжения, датчик 912 тока и датчик 913 температуры. Датчик 911 напряжения измеряет напряжение VBi для каждой из ячеек (которая может содержать несколько параллельно соединенных ячеек). Датчик 912 тока измеряет зарядный и разрядный ток IB аккумулятора 10 в сборе, а датчик 913 температуры измеряет температуру ТВ аккумулятора 10 в сборе. В данном варианте осуществления датчик 912 тока измеряет зарядный ток в виде положительного значения и разрядный ток в виде отрицательного значения.

БУМ 920 выполняет двустороннее преобразование мощности между аккумулятором 10 в сборе и МГ 930 в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым ЭБУ 960. БУМ 920 содержит, например, инвертор, приводящий в действие МГ 930, и преобразователь, увеличивающий напряжение постоянного тока, подаваемое на инвертор, до выходного напряжения аккумулятора 10 в сборе или более высокой величины.

Кроме того, БУМ 920 выступает в качестве зарядного и разрядного устройства, заряжающего и разряжающего аккумулятор 10 в сборе без приведения в действие МГ 930 в соответствии с управляющим сигналом, переданным ЭБУ 960, при осуществлении управления восстановлением емкости (см. ниже) в целях восстановления сниженной емкости аккумулятора 10 в сборе.

Например, когда аккумулятор 10 в сборе разряжается при управлении восстановлением емкости, БУМ 920 обеспечивает протекание тока из аккумулятора 10 в сборе в буфер мощности (не показанный на фигуре), подключенный к БУМ 920. Когда аккумулятор 10 в сборе заряжается при управлении восстановлением емкости, БУМ 920 обеспечивает протекание тока из буфера мощности в аккумулятор 10 в сборе.

В альтернативном варианте, когда транспортное средство 1 с электрическим приводом представляет собой ГТС, в котором установлен двигатель, БУМ 920 может действовать так, что когда аккумулятор 10 в сборе заряжается при управлении восстановлением емкости, в аккумулятор 10 в сборе обеспечивается подача электроэнергии, генерируемой при активации двигателя. Когда аккумулятор 10 в сборе разряжается при управлении восстановлением емкости, БУМ 920 может действовать так, чтобы только ток оси d, не участвующий в генерации крутящего момента, протекал в МГ 930.

МГ 930 представляет собой электрическую вращающуюся машину переменного тока, например, трехфазный синхронный двигатель переменного тока с постоянным магнитом, установленным в роторе. МГ 930 приводится от БУМ 920 с целью создания вращательной движущей силы, и движущая сила, генерируемая МГ 930, поступает через приводной вал 940 на ведущие колеса 950. Когда транспортное средство 1 с электрическим приводом затормаживается, или когда его ускорение уменьшается на склоне, МГ 930 работает в режиме генератора и выполняет рекуперативную генерацию энергии. Электроэнергия, генерируемая МГ 930, поступает через БУМ 920 в аккумулятор 10 в сборе.

ЭБУ 960 содержит центральный процессор (ЦП), память (постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)) и порт ввода / вывода для ввода / вывода различных сигналов (не все из которых показаны на фигурах). ЭБУ 960 управляет БУМ 920 на основе сигнала, принимаемого от каждого датчика, программы и карты, хранящихся в памяти, с целью управления приводом МГ 930 и зарядки / разрядки аккумулятора 10 в сборе. Кроме того, ЭБУ 960 рассчитывает СЗ аккумулятора 10 в сборе на основании зарядного и разрядного тока аккумулятора 10 в сборе и/или измеренного значения напряжения. Например, СЗ рассчитывают таким образом, чтобы емкость при максимальном напряжении и емкость при минимальном напряжении в нормальном диапазоне работы аккумулятора 10 в сборе была равна, соответственно, СЗ 100% и 0%.

<Конфигурация вторичного литий-ионного аккумулятора>

На фигуре 2 изображен вид в разрезе, схематично показывающий структуру вторичного литий-ионного аккумулятора, входящего в аккумулятор 10 в сборе. Как показано на фигуре 2, вторичный литий-ионный аккумулятор состоит из положительных электродов 20 и отрицательных электродов 30, попеременно штабелированных через разделители 40, при этом штабель покрыт электролитом (не показанным на фигуре).

Положительный электрод 20 содержит прямоугольный коллектор 21 и слои 22 активного материала положительного электрода, образованные на противоположных поверхностях коллектора 21. Коллектор 21 выполнен, например, из алюминиевой фольги. Слой 22 активного материала положительного электрода образован, например, двойным оксидом лития, в частности, кобальтитом лития. Отрицательный электрод 30 содержит прямоугольный коллектор 31 и слои 32 активного материала отрицательного электрода, образованные на противоположных поверхностях коллектора 31.

Коллектор 31 выполнен, например, из медной фольги. Слой 32 активного материала отрицательного электрода выполнен, например, из углеродного материала, в частности, графита.

Разделитель 40 выполнен, например, из микропористой мембраны, такой как полиолефин. Электролит (не показанный на фигуре) представляет собой, например, жидкий электролит, полученный растворением соли лития в карбонатном органическом растворителе.

Между слоем 22 активного материала положительного электрода и слоем 32 активного материала отрицательного электрода расположен разделитель 40. Как показано на фигуре 2, размер отрицательного электрода 30 превышает размер положительного электрода 20. В частности, ширина слоя 32 активного материала отрицательного электрода превышает ширину слоя 22 активного материала положительного электрода. По существу, слой 32 активного материала отрицательного электрода содержит участок, обращенный к слою 22 активного материала положительного электрода, и участок (конец слоя 32 активного материала отрицательного электрода), не обращенный к слою 22 активного материала положительного электрода. Слой 32 активного материала отрицательного электрода выполнен таким образом, чтобы его ширина превышала ширину слоя 22 активного материала положительного электрода, например, в целях подавления осаждения лития на боковой поверхности отрицательного электрода 30.

<Раскрытие механизма восстановления емкости>

На фигуре 3 концептуально показана миграция иона лития между положительным электродом 20 и отрицательным электродом 30 при зарядке и разрядке. Как показано на фигуре 3, во время зарядки вторичного литий-ионного аккумулятора электрон поступает на отрицательный электрод 30, при этом ион лития мигрирует из положительного электрода 20 (слой 22 активного материала положительного электрода) в отрицательный электрод 30 (слой 32 активного материала отрицательного электрода). И наоборот, во время разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора электрон поступает на положительный электрод 20, при этом ион лития мигрирует из отрицательного электрода 30 (слой 32 активного материала отрицательного электрода) в положительный электрод 20 (слой 22 активного материала положительного электрода).

На фигуре 4 концептуально показано накопление ионов лития в отрицательном электроде 30 во время зарядки вторичного литий-ионного аккумулятора. На фигурах 4 и 5, которые будут описаны ниже, верхняя половина фигуры 3 показана в увеличенном виде. На фигурах 4 и 5 штрихпунктирная линия С обозначает вертикальный центр положительного электрода 20 и отрицательного электрода 30, показанных на фигуре 3. Аналогичный процесс происходит в нижней половине фигуры 3, симметричной верхней половине фигуры 3.

Как показано на фигуре 4, во время зарядки вторичного литий-ионного аккумулятора ионы лития соединяются с электронами, поступающими на отрицательный электрод 30, и накапливаются в отрицательном электроде 30 (слой 32 активного материала отрицательного электрода). Область А представляет собой участок отрицательного электрода 30, на котором отрицательный электрод 30 (слой 32 активного материала отрицательного электрода) не обращен к положительному электроду 20 (слою 22 активного материала положительного электрода). Эта область А может называться, например, «неориентированным участком» отрицательного электрода 30, который не обращен к положительному электроду 20, или «концевым участком» отрицательного электрода 30. И наоборот, участок отрицательного электрода 30, обращенный к положительному электроду 20, может называться, например, «ориентированным участком» отрицательного электрода 30, который обращен к положительному электроду 20, или «центральным участком» отрицательного электрода 30.

Ионы лития накапливаются в отрицательном электроде 30 во время зарядки вторичного литий-ионного аккумулятора, причем ионы лития накапливаются не только на ориентированном участке отрицательного электрода 30, обращенном к положительному электроду 20, но также и на неориентированном участке отрицательного электрода 30, не обращенном к положительному электроду 20.

На фигуре 5 концептуально показана миграция ионов лития из отрицательного электрода 30 в положительный электрод 20 во время разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора. Как показано на фигуре 5, во время разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора ионы лития, накопившиеся в отрицательном электроде 30, выделяются из отрицательного электрода 30 и мигрируют в положительный электрод 20.

В этом случае на ориентированном и неориентированном участках отрицательного электрода 30 ионы лития, накопившиеся на ориентированном участке, начнут мигрировать в положительный электрод 20 раньше, а ионы лития, накопившиеся на неориентированном участке, будут мигрировать не так легко по сравнению с ионами лития, накопившимися на ориентированном участке. Ионы лития, оставшиеся на неориентированном участке даже после операции разрядки, не участвуют в зарядке и разрядке вторичного литий-ионного аккумулятора и, соответственно, уменьшают емкость вторичного литий-ионного аккумулятора.

По существу, вторичный литий-ионный аккумулятор разряжается до переразряда в соответствии с патентной заявкой Японии №2015-187938 так, чтобы ионы лития, накопившиеся на неориентированном участке отрицательного электрода 30, мигрировали в положительный электрод 20.

Тем не менее, способ, раскрытый в патентной заявке Японии №2015-187938, может потребовать времени для высвобождения ионов лития, накопленных на неориентированном участке отрицательного электрода 30, из отрицательного электрода 30, причем данное время желательно сократить для осуществления управления восстановлением емкости вторичного литий-ионного аккумулятора. Хотя и предполагается, что в этом случае ионы лития на неориентированном участке могут высвобождаться по мере увеличения переразряда аккумулятора (дальнейшего снижения напряжения), избыточный переразряд (уменьшение напряжения) может повысить риск десорбции коллектора.

Таким образом, аккумуляторная система согласно настоящему варианту осуществления управляет разрядом вторичного литий-ионного аккумулятора до заданной области переразряда, эффективно генерируя колебания ионов лития, накопившихся на неориентированном участке отрицательного электрода 30, в области переразряда. В частности, в области переразряда увеличение напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе вследствие прекращения разрядки и импульсная разрядка вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока повторяются многократно.

Следовательно, в области переразряда ионы лития, накопившиеся на неориентированном участке отрицательного электрода 30, могут быть эффективно выделены из слоя 32 активного материала отрицательного электрода, что облегчает миграцию ионов лития, находящихся на неориентированном участке, в положительный электрод 20. Таким образом, эта аккумуляторная система способна эффективно восстанавливать емкость аккумулятора 10 в сборе за короткий промежуток времени. Управление восстановлением емкости, осуществляемое в этой аккумуляторной системе, будет описано ниже.

<Раскрытие управления восстановлением емкости>

На фигуре 6 приведена схема, иллюстрирующая способ восстановления емкости аккумуляторной системы в соответствии с данным вариантом осуществления. На фигуре 6 показан временной сдвиг напряжения VBi в ячейке во время осуществления способа восстановления емкости.

Как показано на фигуре 6, способ восстановления емкости включает в себя режимы управления, в том числе «режим разрядки» и «режим восстановления емкости». В режиме разрядки БУМ 920 (фиг. 1) разряжает аккумулятор 10 в сборе до области переразряда. Область переразряда представляет собой, например, область, в которой СЗ равно 0% или меньше, при этом в области переразряда напряжение VBi в ячейке равно или ниже, чем предварительно заданное напряжение Vth.

В момент t1 времени, если напряжение VBi достигает предельного нижнего напряжения VL, допустимого в качестве нижнего предела, который может быть достигнут напряжением VBi, то режим управления переключается из режима разрядки в режим восстановления емкости. В режиме восстановления емкости многократно выполняются: (i) увеличение напряжения вследствие прекращения разрядки и (ii) импульсная разрядка в ходе выполнении разрядки при колебаниях тока от БУМ 920 (фиг. 1).

Поскольку чрезмерное уменьшение напряжения VBi повышает риск элюирования коллектора, то нижнее предельное напряжение VL устанавливается на том уровне напряжения, который не приводит к элюированию коллектора. Что касается увеличения напряжения вследствие прекращения разрядки, то напряжение восстанавливается (увеличивается), когда разрядка прекращается в области переразряда, т.е. напряжение VBi восстанавливается (увеличивается) до тех пор, пока напряжение VBi не достигнет заданного напряжения Vr, установленного на напряжение Vth или более низкое значение.

На фигуре 7 изображена примерная форма волны тока при импульсной разрядке, выполняемой в режиме восстановления емкости. Как показано на фигуре 7, в данном примере импульсный разрядный ток представляет собой импульсный ток, характеризующийся пиковым значением -40 А (разряд), заданной частотой (например, от 3 до 20 кГц) и коэффициентом заполнения 50%. Поскольку коэффициент заполнения равен 50%, то средний ток составляет -20 А. ЭБУ 960 управляет БУМ 920 таким образом, чтобы такой импульсный разрядный ток протекал через аккумулятор 10 в сборе.

Разрядный ток, протекающий при импульсной разрядке, не ограничивается током с данной формой волны. Хотя на фигуре нет явных указаний на это, импульсный разрядный ток может, например, быть разрядным током с синусоидальной формой, которая колеблется с заданной частотой, без инвертирования направления тока в направлении зарядки.

Возвращаясь к фигуре 6, в режиме восстановления емкости увеличение напряжения вследствие прекращения разрядки и выполнение импульсной разрядки, показанной на фигуре 7 (на фигуре 6 не показаны короткие быстрые колебания напряжения в ходе импульсной разрядки), многократно выполняются в диапазоне между нижним предельным напряжением VL и напряжением Vr, установленное на напряжение Vth или ниже. Это позволяет эффективно генерировать колебания ионов лития, накопившихся на неориентированном участке отрицательного электрода 30, с целью их выделения из отрицательного электрода 30, что облегчает миграцию ионов лития, находящихся на неориентированном участке, в положительный электрод 20.

Хотя эффект высвобождения ионов лития, накопившихся на неориентированном участке отрицательного электрода 30, не является существенным для восстановления емкости, импульсная разрядка, аналогичная разрядке в режиме восстановления емкости, может осуществляться в том числе и в режиме разрядки.

На фигуре 8 изображена блок-схема, иллюстрирующая протекание процесса управления восстановлением емкости, выполняемого ЭБУ 960. Как показано на фигуре 8, когда поступает команда на запуск управления восстановлением емкости, ЭБУ 960 переводит режим управления в режим разрядки и управляет БУМ 920 таким образом, чтобы начать разрядку аккумулятора 10 в сборе (этап S10).

После начала разрядки ЭБУ 960 определяет, вошел ли аккумулятор 10 в сборе в область переразряда (этап S20). В частности, ЭБУ 960 рассчитывает СЗ для определения факта достижения СЗ 0% или более низкого значения. Принимается, что аккумулятор 10 в сборе находится в области переразряда, если напряжение VBi равно напряжению Vth (см. фигуру 6) или более низкому значению.

Если определено, что аккумулятор 10 в сборе вошел в область переразряда (ДА на этапе S20), а напряжение VBi достигло нижнего предельного напряжения VL (ДА на этапе S30), то ЭБУ 960 переводит режим управления в режим восстановления емкости и присваивает значение «1» счетчику N (этап S40). Этот счетчик N используется для подсчета количества циклов по увеличению напряжения вследствие прекращения разрядки и импульсной разрядки в режиме восстановления емкости.

После этого ЭБУ 960 останавливает БУМ 920, чтобы прекратить разрядку аккумулятора 10 в сборе (этап S50). Это увеличивает напряжение VBi. Если будет обнаружено, что напряжение VBi достигло напряжения Vr, установленного на напряжение Vth или более низкое значение (ДА на этапе S60), то ЭБУ 960 подает на БУМ 920 команду для выполнения импульсной разрядки при колебаниях тока (см. фиг. 7) для разрядки аккумулятора 10 в сборе (этап S70).

После выполнения импульсной разрядки напряжение VBi снова снижается. Когда впоследствии будет обнаружено, что напряжение VBi снова достигло нижнего предельного напряжения VL (ДА на этапе S80), ЭБУ 960 останавливает БУМ 920, чтобы прекратить разрядку аккумулятора 10 в сборе (этап S90). После прекращения разрядки напряжение VBi повышается.

Затем ЭБУ 960 добавляет единицу к значению счетчика N (этап S100) и определяет, превысил ли счетчик N пороговое значение (этап S110). Это пороговое значение является значением, которое определяет количество циклов увеличения напряжения вследствие прекращения разрядки и импульсной разрядки, многократно выполняемых в режиме восстановления емкости.

Если счетчик N не превысил пороговое значение (НЕТ на этапе S110), то процесс возвращается к этапу S60, и процессы этапа S60 и последующих этапов выполняются повторно. Если процессы этапов S60 - S90 (увеличение напряжения вследствие прекращения разрядки и импульсная разрядка) циклическим образом выполнены в количестве циклов, соответствующем пороговому значению, а ЭБУ 960 обнаруживает, что счетчик N превысил пороговое значение (ДА на этапе S110), то ЭБУ 960 переводит процесс на этап КОНЕЦ.

На фигурах 9-11 изображены схемы, иллюстрирующие эффективность способа восстановления емкости в соответствии с настоящим вариантом осуществления. На фигуре 9 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости, а на фигуре 10 показана эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 9.

Как показано на фигуре 9, в данном примере частота импульсной разрядки составляла 4 кГц, а величина (средний ток) и коэффициент заполнения импульсного тока составляли -20 А и 50%, соответственно. Минимальное значение для напряжения VBi в области переразряда было проверено в двух случаях, а именно, при нижнем предельном напряжении VL и напряжении V1 (VL<V1<Vth), превышающем нижнее предельное напряжение VL, при этом время поддержания области переразряда составляло четыре минуты.

Как показано на фигуре 10, горизонтальная ось отражает минимальное значение напряжения VBi в области переразряда, а вертикальная ось -восстанавливаемую емкость (%) аккумулятора 10 в сборе (или ячейки). «Δ» обозначает результаты испытания способа восстановления емкости согласно настоящему варианту осуществления (настоящей технологии). В этом примере показаны результаты, полученные при выполнении импульсной разрядки в режиме разрядки.

и обозначают результаты испытаний в сравнительных примерах. В частности, обозначает результаты испытаний, при которых импульсная разрядка выполнялась до минимального напряжения в области переразряда, а разрядка с постоянным напряжением (разрядка ПН) выполнялась при минимальном напряжении в области переразряда. Таким образом, результаты испытаний, обозначенные символом , являются результатами, когда увеличение напряжения вследствие прекращения разрядки и импульсная разрядка не выполнялись циклическим образом в режиме восстановления емкости согласно настоящей технологии. Символом обозначены результаты испытаний, когда зарядка постоянным током (зарядка ПТ) была выполнена дополнительно к минимальному напряжению в области переразряда.

Как показано на фигуре 10, эффекты по восстановлению емкости по настоящей технологии более выражены по сравнению с эффектами по восстановлению емкости в сравнительном примере. Понятно, что эффекты по восстановлению емкости по настоящей технологии более выражены вследствие более низкого минимального напряжения VBi. Таким образом, способ восстановления емкости согласно настоящему варианту осуществления позволяет получить существенные эффекты по восстановлению емкости за счет выполнения разрядки до тех пор, пока напряжение VBi не достигнет нижнего предельного напряжения VL в режиме разрядки, и за счет последующего циклического увеличения напряжения вследствие прекращения разрядки и импульсной разрядки в режиме восстановления емкости.

На фигуре 11 показана разность потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода. Потенциал отрицательного электрода можно измерить для каждого участка электрода (например, центрального или концевого участка), соответственно, можно измерить разность потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода. Так как участок отрицательного электрода с более высоким накоплением ионов лития обладает более высоким потенциалом, количество накопления (оставшееся количество) ионов лития на концевом участке отрицательного электрода можно оценить по разности потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода после осуществления управления восстановлением емкости. То есть установлено, что по мере уменьшения разности потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода после разрядки, количество накопления (оставшееся количество) ионов лития на концевом участке отрицательного электрода будет снижаться, а эффективность восстановления емкости - повышаться.

Как показано на фигуре 11, «настоящая технология» определяет разность потенциалов в отрицательном электроде (разность потенциалов между концевым участком и центральным участком отрицательного электрода 30) после осуществления управления восстановлением емкости в соответствии с данным вариантом осуществления. «Отсутствие переразряда» и «только переразряд» указывают на разности потенциалов в отрицательном электроде в сравнительных примерах. В частности, «отсутствие переразряда» указывает на разность потенциалов в отрицательном электроде после разрядки, если разрядка не выполняется до области переразряда. «Только переразряд» указывает на разность потенциалов в отрицательном электроде, если разрядка с постоянным напряжением была выполнена после разрядки до области переразряда.

Как показано на фигуре 11, разность потенциалов в отрицательном электроде после осуществления управления восстановлением емкости по настоящей технологии намного меньше разности потенциалов в отрицательном электроде после выполнения разрядки в сравнительном примере. Это показывает, что управление восстановлением емкости согласно настоящему варианту осуществления позволяет уменьшить количество накопления (оставшееся количество) ионов лития на концевом участке отрицательного электрода 30 до исключительно низкого уровня, обеспечивая значительный эффект по восстановлению емкости.

На фигурах 12 и 13 показана зависимость между частотой импульсной разрядки и восстановлением емкости при управлении восстановлением емкости согласно настоящему варианту осуществления. На фигуре 12 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости, а на фигуре 13 - эффективность восстановления емкости в том случае, когда управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 12.

Как показано на фигуре 12, в данном примере испытания проводились для трех случаев с частотой импульсной разрядки 50 Гц, 4 кГц и 20 кГц. Величина (средний ток) и коэффициент заполнения импульсного тока составляли -20 А и 50% соответственно. Минимальное значение напряжения VBi в области переразряда было равно нижнему предельному напряжению VL, а время поддержания области переразряда составило десять минут.

Как показано на фигуре 13, горизонтальная ось отражает частоту импульсной разрядки, а вертикальная ось - восстановление емкости (%) аккумулятора 10 в сборе (или ячейки). Как показано на фигуре 13, эффективность восстановления емкости тем выше, чем выше частота импульсной разрядки. Поскольку достаточно существенный эффект восстановления емкости был достигнут при частоте 4 кГц, то считается, что существенная эффективность восстановления емкости может быть достигнута даже при частоте импульсного разрядки примерно 3 кГц, поэтому частота предпочтительно является равной 3 кГц и больше.

Установка чрезмерно высокой частоты импульсной разрядки приводит к серьезному повреждению аккумулятора, например, к увеличению выделяемого тепла, обусловленного диэлектрическими потерями. При частоте импульсной разрядки выше 20 кГц увеличение эффекта восстановления емкости оказалось незначительным. Таким образом, частота импульсной разрядки предпочтительно устанавливается на 20 кГц и меньше.

На фигурах 14 и 15 показана зависимость между величиной тока и восстановлением емкости при импульсной разрядке при управлении восстановлением емкости согласно настоящему варианту осуществления. На фигуре 14 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости, а на фигуре 15 - эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 14.

Как показано на фигуре 14, в этом примере частота импульсной разрядки составляла 4 кГц. Испытания проводились для трех случаев с величиной (средним током) импульсного тока -20 А, -100 А и -150 А и коэффициентом заполнения 50%. Минимальное значение напряжения VBi в области переразряда было равно нижнему предельному напряжению VL, а время поддержания области переразряда составило десять минут.

Как показано на фигуре 15, горизонтальная ось отражает величину (средний ток) импульсного тока, а вертикальная ось - восстановление емкости (%) аккумулятора 10 в сборе (или ячейки). Как показано на фигуре 15, даже при увеличении импульсного тока эффективность восстановления емкости не возрастала, а корреляция между величиной импульсного тока и восстановлением емкости не была обнаружена.

На фигурах 16 и 17 показана зависимость между температурой аккумулятора 10 в сборе и восстановлением емкости во время управления восстановлением емкости согласно настоящему варианту осуществления. На фигуре 16 показаны примерные условия испытания управления восстановлением емкости, а на фигуре 17 - эффективность восстановления емкости в том случае, если управление восстановлением емкости выполняется в условиях, показанных на фигуре 16.

Как показано на фигуре 16, частота импульсной разрядки составляла 20 кГц, а величина (средний ток) и коэффициент заполнения импульсного тока составляли -20 А и 50%, соответственно. Минимальное напряжение VBi в области переразряда было равно нижнему предельному напряжению VL, а время поддержания области переразряда составило десять минут. Испытания выполнялись для трех случаев с температурой аккумулятора 10 в сборе 20°С, 60°С и 65°С.

Как показано на фигуре 17, горизонтальная ось отражает температуру аккумулятора 10 в сборе, а вертикальная ось - восстановление емкости (%) аккумулятора 10 в сборе (или ячейки). Как показано на фигуре 17, эффективность восстановления емкости тем выше, чем выше температура. Отсюда следует, что эффективность восстановления емкости достигается тогда, когда температура аккумулятора 10 в сборе составляет примерно 40°С, а управление восстановлением емкости предпочтительно осуществляется при температуре аккумулятора 10 в сборе 40°С и выше.

При более высоких температурах аккумулятора 10 в сборе температура при управлении восстановлением емкости дополнительно возрастает, и возникает риск увеличения внутреннего давления вследствие, например, выработки газа в аккумуляторе. Обнаружилось, что при температуре аккумулятора 10 в сборе 80°С и ниже можно предотвратить рост внутреннего давления в аккумуляторе, и управление восстановлением емкости, предпочтительно, выполняют в условиях, когда температура аккумулятора 10 в сборе 80°С и ниже.

Как было описано выше, в настоящем варианте осуществления в области переразряда можно эффективно генерировать колебания ионов лития, накопленных на неориентированном участке отрицательного электрода 30 (слоя 32 активного материала отрицательного электрода), не обращенном к положительному электроду 20 (слою 22 активного материала положительного электрода). В результате в области переразряда ионы лития, накопившиеся на неориентированном участке, могут быть эффективно выделены из слоя 32 активного материала отрицательного электрода, что облегчает миграцию ионов лития, находящихся на неориентированном участке, в слой 22 активного материала положительного электрода. Таким образом, настоящее изобретение позволяет эффективно восстанавливать емкость аккумулятора 10 в сборе за короткий промежуток времени.

В настоящем варианте осуществления управление восстановлением емкости осуществляется в диапазоне, в котором напряжение VBi на ячейке не опускается ниже нижнего предельного напряжения VL, снижая тем самым риск элюирования коллектора при уменьшении напряжения VBi.

Кроме того, установка частоты колебаний разрядного тока при импульсной разрядке на уровень 3 кГц и выше позволяет облегчить миграцию ионов лития, находящихся в неориентированном участке отрицательного электрода 30, в положительный электрод 20. С другой стороны, установка частоты колебаний 20 кГц и ниже может предотвратить повреждение аккумулятора.

Выполнение управления восстановлением емкости в состоянии, когда температура аккумулятора 10 в сборе составляет 40°С и выше, способствует миграции ионов лития, находящихся в неориентированном участке отрицательного электрода 30, в положительный электрод 20. С другой стороны, выполнение управления восстановлением емкости в состоянии, когда температура аккумулятора 10 в сборе составляет 80°С и ниже, позволяет предотвратить рост внутреннего давления аккумулятора.

Согласно настоящему изобретению, выполнение управления восстановлением емкости в области переразряда, в которой СЗ составляет 0% и меньше, позволяет эффективно восстанавливать емкость аккумулятора 10 в сборе за короткий промежуток времени.

[Модификации]

Как было описано выше, управление восстановлением емкости выполняется предпочтительно при условии, что температура аккумулятора 10 в сборе составляет от 40 до 80°С. Таким образом, когда температура аккумулятора 10 в сборе составляет 40°С и ниже, управление восстановлением емкости, описанное в настоящем варианте осуществления, может быть осуществлено после выполнения управления повышением температуры по повышению температуры аккумулятора 10 в сборе.

На фигуре 18 изображена блок-схема, иллюстрирующая протекание процесса управления восстановлением емкости в измененном варианте осуществления. Как показано на фигуре 18, при поступлении команды на запуск управления восстановлением емкости ЭБУ 960 получает температуру ТВ аккумулятора 10 в сборе от датчика 913 температуры и определяет, превышает ли температура ТВ значение TU (этап S2). TU представляет собой верхнее предельное значение температуры, при котором осуществляется управление восстановлением емкости, и равно 80°С.

Если температура ТВ превышает TU (ДА на этапе S2), необходимо дождаться уменьшения температуры ТВ до TU или ниже, и процесс переходит на этап КОНЕЦ без выполнения ряда перечисленных ниже процессов.

Если на этапе S2 обнаружится, что температура ТВ равна TU или ниже нее (НЕТ на этапе S2), то ЭБУ 960 определяет, опустилась ли температура ТВ ниже значения TL (этап S4). Температура TL представляет собой нижнее предельное значение температуры, при котором осуществляется управление восстановлением емкости, и равна 40°С.

Если обнаружится, что температура ТВ ниже TL (ДА на этапе S4), ЭБУ 960 выполняет управление повышением температуры по повышению температуры аккумулятора 10 в сборе (этап S6). Например, температуру аккумулятора 10 в сборе можно увеличить при помощи такого управления БУМ 920, когда электроэнергия передается между аккумулятором 10 в сборе и буферным устройством мощности (не показанным на фигуре), подключенным к БУМ 920. При выполнении управления повышением температуры процесс возвращается к этапу S4.

Если на этапе S4 обнаружится, что температура ТВ равна TL или выше нее (НЕТ на этапе S4), то ЭБУ 960 переводит процесс на этап S10, устанавливает режим управления в режим разрядки и управляет БУМ 920 таким образом, чтобы начать разрядку аккумулятора 10 в сборе. Процесс этапа S10 и следующие за ним процессы описаны со ссылкой на фигуру 8 и не будут раскрыты повторно.

Эта модификация предусматривает выполнение управления повышением температуры и с последующим выполнением управления восстановлением емкости, когда температура аккумулятора 10 в сборе является низкой и, соответственно, позволяет надежно обеспечить эффективность восстановления емкости, достигаемую посредством управления восстановлением емкости. Таким образом, аккумулятор 10 в сборе может быть эффективно восстановлен за короткий промежуток времени.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно описано и проиллюстрировано, следует четко понимать, что приведенные описание и иллюстрации предназначены исключительно в целях описания и иллюстрирования, и они не должны рассматриваться в качестве ограничения, при этом объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

1. Аккумуляторная система, содержащая:

вторичный литий-ионный аккумулятор, содержащий слой (22) активного материала положительного электрода и слой (32) активного материала отрицательного электрода с расположенным между ними разделителем (40),

зарядное и разрядное устройство (920), выполненное с возможностью зарядки и разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора, и

контроллер (960), выполненный с возможностью управления зарядным и разрядным устройством с целью выполнения управления восстановлением емкости вторичного литий-ионного аккумулятора, при этом

слой активного материала отрицательного электрода содержит

ориентированный участок, обращенный к слою активного материала положительного электрода, и

неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода, а

управление восстановлением емкости включает в себя

первое управление по разрядке вторичного литий-ионного аккумулятора до заданной области переразряда и

второе управление по циклическому выполнению в заданной области переразряда:

увеличения напряжения для увеличения напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе вследствие прекращения разрядки и

импульсной разрядки для импульсной разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока.

2. Аккумуляторная система по п. 1, в которой второе управление выполняется в диапазоне, в котором напряжение на вторичном литий-ионном аккумуляторе не опускается ниже заданного нижнего предельного напряжения.

3. Аккумуляторная система по любому из пп. 1 или 2, в которой частота колебаний разрядного тока при импульсной разрядке составляет от 3 до 20 кГц.

4. Аккумуляторная система по любому из пп. 1-3, в которой управление восстановлением емкости выполняют при условии, что температура вторичного литий-ионного аккумулятора составляет от 40 до 80°С.

5. Аккумуляторная система по любому из пп. 1-4, в которой заданная область переразряда представляет собой область, в которой состояние заряда вторичного литий-ионного аккумулятора составляет 0% и меньше.

6. Способ восстановления емкости вторичного литий-ионного аккумулятора, причем

вторичный литий-ионный аккумулятор содержит слой (22) активного материала положительного электрода и слой (32) активного материала отрицательного электрода с расположенным между ними разделителем (40), и

слой активного материала отрицательного электрода содержит

ориентированный участок, обращенный к слою активного материала положительного электрода, и

неориентированный участок, не обращенный к слою активного материала положительного электрода, при этом

способ восстановления емкости включает в себя

разрядку вторичного литий-ионного аккумулятора до заданной области переразряда и

циклическое выполнение в заданной области переразряда:

увеличения напряжения для увеличения напряжения на вторичном литий-ионном аккумуляторе вследствие прекращения разрядки, и

импульсной разрядки для импульсной разрядки вторичного литий-ионного аккумулятора при колебании разрядного тока.