JP4648925B2 - 電池特性検出方法 - Google Patents

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Description

本発明は電池特性検出方法に関する。
電力源としての電池にメモリー効果や劣化等の特性変化が発生すると、電池の能力が制限されるので、電池の特性変化を検出することは重要である。従来、電池の内部抵抗を検出し、内部抵抗に基づいて電池にメモリ効果又は劣化が生じているか否かを検出する方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この方法において、内部抵抗は、電池の充電時・放電時の電流−電圧特性を直線回帰しその直線の傾きから求められる。
特開2002−42895号公報
しかしながら、電池の通常の使用状態においては、充電時・放電時とも大きな電流が流れる機会は少ない。このため、上記方法によれば、短時間のデータ収集では充電・放電ともに電流が大きな領域のデータは少なく、得られるデータが原点(0V、0Aの点)付近に偏りやすい。原点付近に偏ったデータで直線回帰を行うと精度の高い内部抵抗値が得られず、メモリー効果を正確に検出することは困難であった。
そこで、本発明は上記問題点を解決し、電池の特性変化を正確に検出することができる方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の電池特性検出方法は、電池を所定の電流で定電流放電させ、当該定電流放電中の電圧を測定する第1ステップと、第1ステップで測定した電圧に基づいて電池の内部物質移動支配の抵抗を算出する第2ステップと、第2ステップで算出した内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には、電池に特性変化が発生していると判定する第3ステップと、を備えたことを特徴とする。
本発明において「内部物質移動支配の抵抗」とは、電池の内部抵抗全体のうち、電池の内部物質の移動速度に由来する抵抗をいう。本発明者らは、例えばメモリー効果や長期間休眠させたことによる電圧降下等の電池の特性変化が発生した場合には内部物質の移動速度が低下し、特性変化が解消した場合には再び移動速度が元に戻るという、内部物質移動速度と特性変化との間の相関関係を見出した。電池の内部物質移動速度が低下すれば、内部物質移動速度に由来する抵抗が高くなる。よって、上記知見によれば、電池の内部物質支配の抵抗を検出することによって電池の特性変化を検出することができる。本発明の電池特性検出方法では、上記知見に基づき、電池の抵抗のなかでも特性変化との相関関係が特に高い内部物質移動支配の抵抗を特性変化の判定基準としているので、特性変化を正確に検出することが可能である。なお、本発明において「定電流放電」とは、完全に一定の電流で放電することだけでなく、上下幅±5%以内のほぼ一定の電流で放電することを含むものとする。
また、本発明の電池特性検出方法は、第1ステップにおいて、電池の定電流放電の開始直後の第1電圧(E)及び第1電流(I)と、定電流放電の開始から所定の時間経過後の第2電圧(E)及び第2電流(I)とを測定し、第2ステップにおいて、第1ステップで測定した第1及び第2電圧と第1及び第2電流とから式(2)
R=E/I−E/I …(2)
に示す関係に基づき内部物質移動支配の抵抗(R)を算出することとしてもよい。
内部物質移動支配の抵抗を求める方法としてはさまざまな方法が知られているが、それらの方法によれば長時間の測定を必要とする。本発明者らは、上記の式(2)に基づき簡略的に算出した内部物質移動支配の抵抗Rの値が十分に電池の特性変化発生の有無を判定するための基準となり得ることを見出した。さらに本発明者らは、上記の式(2)によれば、「所定の時間経過後」を短く設定しても、Rの値の精度は、特性変化の判定基準としては十分であることを見出した。よって、上記電池特性検出方法によれば、必要なデータの測定時間を短く設定することができ、電池の特性変化を短時間で検出することが可能である。
また、本発明の電池特性検出方法は、第3ステップにおいて、第2ステップで算出した内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には電池の特性変化としてメモリー効果が発生していると判定することとしてもよい。
本発明者らは、電池の特性変化の中でもメモリー効果は内部物質移動速度との相関関係が特に高いことを見出した。よって、内部物質移動支配の抵抗を基準としてメモリー効果を検出することができる。
また、本発明の電池特性検出方法は、第1ステップにおいて、電池に所定の負荷抵抗を接続することにより定電流放電させることとしてもよい。この電池特性検出方法では、電池に所定の負荷抵抗を接続することにより、単純な回路で電池に定電流放電をさせることができる。
また、本発明の電池特性検出方法では、所定の電流は、電池における電流密度が、特性変化が発生していない電池における正極の分極と電流密度の対数とが線形関係を有しなくなる電流密度の5〜90%となる電流であることとしてもよい。
この範囲よりも電流を低くすると精度のよい電圧値が得られない。また、この範囲よりも電流を高くすると、長期間使用した電池(古くなることにより特性が変化した電池)の場合に精度のよい電圧値が得られない。定電流放電の際の電流を上記の範囲に設定することにより再現性のよい内部物質移動支配の抵抗の検出が可能となり、かつ、長期間にわたり正確に電池の特性変化を検出することができる。
本発明によれば、電池の特性変化を正確に検出することができる方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
図1は本実施形態に係る電池特性検出方法を実施するための電池特性検出装置1を含む回路の一例である回路3を示したものである。本実施形態において、電池特性検出装置1は例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等、エネルギー源となる電池を有する自動車に搭載される装置であって、当該電池に発生するメモリー効果を検出する装置である。電池特性検出装置1は、電池5、電池5に負荷する負荷抵抗7、電池5の電圧を測定する電圧検出部9、電池5の電流を測定する電流検出部11、切り替えスイッチ13、切り替えスイッチ15、及び測定された電流・電圧に基づき演算を行う演算部17を有している。
電池5は二次電池であり、放電及び充電が可能である。電池5としては例えば正極に水酸化ニッケルを用いたニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等が用いられる。自動車の通常の使用時(自動車が走行している状態)においては、切り替えスイッチ15が閉じられ、切り替えスイッチ13が開かれている。自動車が加速するときは、電池5はモータ19への電力供給源となり、電池5から電力が供給されたモータ19によってシャフト・タイヤ等の駆動部21が駆動される。逆に自動車が減速するときは、モータ19は発電機の役割を果たす。このとき、駆動部21によってモータ19が駆動され、モータ19で電力が発生し、発生した電力が電池5へ蓄えられるようになっている。電池の電圧及び電流はそれぞれ電圧検出部9、電流検出部11によって常時測定されている。測定された電圧及び電流は電圧検出部9及び電流検出部11で電気信号へ変換され、演算部17へ送信される。
電池5の特性検出を行うときには、切り替えスイッチ15が開かれ、切り替えスイッチ13が閉じられる。このとき、電池5から負荷抵抗7へほぼ一定値の電流で放電(定電流放電)される。この場合においても、通常の使用時と同様に電池の電圧及び電流がそれぞれ電圧検出部9、電流検出部11によって測定される。測定された電圧及び電流は電圧検出部9及び電流検出部11で電気信号へ変換され、演算部17へ送信される。電池5の特性検出を行う時期は、モータ19へ電力を供給する必要がないときであれば何れの時期でもよい。例えば自動車の始動時に特性検出を行うようにしてもよい。また例えば、ハイブリッド自動車が内燃機関のみで駆動している時期に特性検出を行うようにしてもよい。
演算部17では、受信した電気信号を電圧値、電流値へ変換し、各時点における電流・電圧を記憶し、電流・電圧の経時変化を認識する。演算部17では上記経時変化に基づいて電池5の内部物質移動支配の分極が算出され、算出された内部物質移動支配の分極と予め記憶されたしきい値との大小関係によって電池5のメモリー効果が発生したか否かが判定される。
負荷抵抗7の抵抗値は、上記定電流放電の際の電流が、再現性のよい内部物質移動支配の分極の検出が可能となるような電流密度になるように、以下のように設定される。
まず、電池5と同種の電池について、メモリー効果が発生していない場合の正極の還元方向の分極曲線を作成する。ここで分極曲線とは、分極をη、電流密度をiとしたとき、分極ηと電流密度の対数logiとの関係を表す曲線である。分極曲線の作成は周知の方法で行えばよい。例えば、メモリー効果が発生していない電池(基準電池)の正極を用いて三極式電池を作製する。そして、ポテンショスタット、ファンクションジェネレータ、レコーダ等を用い、しかるべき自然電位からある値η分だけ分極させ、その際の応答電流を計測するといった方法で分極ηと電流密度iとの関係を求めることができる。ここで作成される分極曲線の例を図2に示す。図2のグラフは横軸に分極ηを示し、縦軸に電流密度の対数logiを示している。分極ηの単位は例えばmVで表され、電流密度iの単位は例えばmA/cmで表される。
図2によれば、logiの値がlogi以下の領域(ηがη以上の領域)においては、分極ηと電流密度の対数logiはほぼ線形関係にあるが、logiがlogiよりも大きい領域(ηがηよりも小さい領域)においては、線形関係から外れている。すなわち、基準電池の正極の分極ηと電流密度の対数logiとの関係が線形関係を有しなくなる電流密度はiであることが図2より読み取れる。ここで求められたiに基づき、上記定電流放電をさせる際の電流密度iをiの5〜90%とするような抵抗値、更に好ましくは50〜70%とするような抵抗値を負荷抵抗7の抵抗値rとして設定する。抵抗値rの単位は例えばmΩで表される。
図1、図3を参照し、電池5のメモリー効果を検出する電池特性検出方法について説明する。図3は電池特性検出方法の処理を示すフロー図である。
まず、切り替えスイッチ15が開かれる(S102)。その約1秒後に切り替えスイッチ13が閉じられ、電池5と負荷抵抗7との間に閉回路が形成される(S104)。このとき、負荷抵抗7の抵抗値rは上記のように設定されているので、電池5は電流密度がiとなるような電流で定電流放電が開始され、閉回路に電流が流れることとなる。閉回路に流れる電流は電流検出部11で検出され電気信号として演算部17へ随時送信される。また、電池5の電圧は電圧検出部9で検出され電気信号として演算部17へ随時送信される。
演算部17は各時点の電圧・電流に対応する電気信号を受信する。ここで得られる電圧・電流の経時変化の例を図4に示す。図4は放電開始時、すなわち切り替えスイッチ13が閉じられた時点(t=0)からの各時点における電流・電圧の変化を示すグラフである。グラフの横軸には経過時間t(単位は秒)、右の縦軸には各時点の電流、左の縦軸には各時点の電圧を示している。図中、細い曲線は電圧の変化を示し、太い曲線は電流の変化を示している。なお、グラフの縮尺は説明のため適当に変更している。図4のグラフに示されるとおり、切り替えスイッチ15が開かれてから切り替えスイッチ13が閉じられるまで電池5の電圧は電池5の開放電圧Eを示す。その後、切り替えスイッチ13を閉じた瞬間、負荷抵抗7を接続したことによるIR降下等が生じる。その後は、時間と共に電圧が降下する。一方、電流は切り替えスイッチ13を閉じた後は、時間が経過してもほぼ一定でIを保っており、電池5は定電流放電している。
演算部17は、放電開始直後(切り替えスイッチ13が閉じられてからt秒後)の電圧Eを読み込む(S106)。次に、放電開始からt秒後の電圧Eを読み込み(S108)、式(1)、
E=E−E …(1)
によって内部物質移動支配の分極Eを算出する(S110)。本実施形態においてtは0.1秒に設定され、tは23秒に設定されている。
演算部17は算出した内部物質移動支配の分極Eを、しきい値Eと大小比較し(S112)、EがEよりも大きい場合には電池5にメモリー効果が発生しているものと判定する(S114)。EがEよりも大きくない場合には電池5にメモリー効果は発生していないものと判定する(S116)。しきい値Eは予め設定され、演算部17に記憶されている。以上で電池特性検出方法の処理を終了する。
電池の電圧降下の要因はIR損による抵抗、反応抵抗、内部物質移動による抵抗の3つに分類できる。IR損による抵抗及び反応抵抗を要因とする電圧降下は、電池に抵抗を負荷した後0.1秒程度でほとんど終了するものと考えられる。よって、放電開始後0.1秒後以降の電池反応は内部物質移動支配で進行しており、放電開始後0.1秒後以降の電圧降下は内部物質移動による抵抗を要因とするものであると考えることができる。よって、放電開始後0.1秒後以降の電圧降下を検出することにより内部物質移動支配の分極を求めることが可能である。IR損による抵抗及び反応抵抗を要因とする電圧降下がほとんど終了した後の電圧を電圧Eとして読み込むべく、本実施形態では時間tは0.1秒に設定している。すなわち、放電開始直後の電圧・電流とは、時間t秒後(本実施形態においては0.1秒後)の電圧・電流を意味する。
時間tは判定の精度を向上する観点からは長いほどよいが、時間tは判定を短時間で行う観点からは短いほどよい。電池5のメモリー効果の判定が可能な程度の精度を確保しつつ短時間での判定を行うために、特に好ましい時間tの設定は10〜90秒であり、更に好ましくは20〜40秒である。本実施形態では時間tは23秒に設定されている。
上記の電池特性検出方法では、電池5の内部物質移動支配の分極Eを求めしきい値と比較することとしている。電池5の内部物質移動支配の分極Eが所定のしきい値よりも大きくなることは、電池5の内部物質移動速度が所定値よりも低下したことを意味する。また、電池5の内部物質移動速度の低下は、電池5にメモリー効果が発生していることと高い相関関係があることが本発明者らの研究によりわかっている。よって、上記の電池特性検出方法によれば、電池の分極のなかでもメモリー効果との相関関係が特に高い電池5の内部物質移動支配の分極Eを求め、メモリー効果の有無を判定することとしているので、正確にメモリー効果を検出することが可能である。
また、上記の電池特性検出方法では、第1ステップにおいて、電池5に負荷抵抗7を接続することとしているので、単純な回路で電池5を定電流放電させることができる。
上記の電池特性検出方法では、電池5の内部物質移動支配の分極Eを式(1)の関係に基づいて算出することとしている。式(1)に必要なデータE、Eは定電流放電開始から短時間(本実施形態では23秒)のうちに得られる測定値である。よって、上記電池特性検出方法によれば、電池5のメモリー効果の有無を短時間で判定することが可能である。
上記の電池特性検出方法では、電池5を定電流放電させるときの電流密度を上記の範囲に設定することにより、再現性のよい内部物質移動支配の分極の検出が可能となり、長期間にわたり正確に電池の特性変化を検出することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態では式(1)の関係に基づいて内部物質移動支配の分極を求めたが、電圧検出装置9から得られた電圧と電流検出装置11から得られた電流との関係から電池5の内部物質移動支配の抵抗を算出するようにしてもよい。この場合、第2ステップで演算部17は、放電開始からt秒後の電流I・電圧E、t秒後の電流I・電圧Eを読み込む。そして、第3ステップにおいて内部物質移動支配の抵抗Rを以下の式(2)
R=E/I−E/I …(2)
の関係に基づいて算出する。演算部17は算出した内部物質移動支配の抵抗Rを、しきい値Rと大小比較し、RがRよりも大きい場合には電池5にメモリー効果が発生しているものと判定する。RがRよりも大きくない場合には電池5にメモリー効果は発生していないものと判定する。しきい値Rは予め設定され、演算部17に記憶されている。このようにすれば、電池を長期間使用し、電流−電圧特性が変化した場合にも再現性のよい特性変化の検出が可能となる。
また、上記した実施形態では電池5に負荷抵抗7を接続することによって定電流で放電させることとしたが、定電流回路等を接続することによって定電流放電させてもよい。
また、上記した実施形態では電池5のメモリー効果を検出することとしたが、本発明は電池5の内部物質移動速度と相関関係のある他の特性変化を検出する場合にも適用が可能である。適用が可能な他の特性変化としては電池を長期間休眠させたことによる電圧降下等が挙げられる。
電池特性検出方法を実施するための電池特性検出装置を含む回路を示す回路図である。 基準電池の分極曲線を示すグラフである。 電池特性検出方法の処理を示すフロー図である。 電池の放電開始からの電流・電圧の変化を示すグラフである。
符号の説明
1…電池特性検出装置、3…回路、5…電池、7…負荷抵抗、9…電圧検出部、11…電流検出部、13…切り替えスイッチ、15…切り替えスイッチ、17…演算部。

Claims (5)

  1. 電池を所定の電流で定電流放電させ、当該定電流放電中の電圧を測定する第1ステップと、
    前記第1ステップで測定した電圧に基づいて前記電池の内部物質移動支配の抵抗を算出する第2ステップと、
    前記第2ステップで算出した前記内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には、前記電池に特性変化が発生していると判定する第3ステップと、
    を備えたことを特徴とする電池特性検出方法。
  2. 前記第1ステップにおいて、
    前記電池の定電流放電の開始直後の第1電圧(E)及び第1電流(I)と、定電流放電の開始から所定の時間経過後の第2電圧(E)及び第2電流(I)とを測定し、
    前記第2ステップにおいて、
    前記第1ステップで測定した第1及び第2電圧と第1及び第2電流とから式(2)
    R=E/I−E/I …(2)
    に示す関係に基づき前記内部物質移動支配の抵抗(R)を算出することを特徴とする請求項1に記載の電池特性検出方法。
  3. 前記第3ステップにおいて、
    前記第2ステップで算出した前記内部物質移動支配の抵抗が前記所定のしきい値よりも大きい場合には前記電池の特性変化としてメモリー効果が発生していると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の電池特性検出方法。
  4. 前記第1ステップにおいて、
    前記電池に所定の負荷抵抗を接続することにより定電流放電させることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電池特性検出方法。
  5. 前記所定の電流は、
    前記電池における電流密度が、前記特性変化が発生していない電池における正極の分極と電流密度の対数とが線形関係を有しなくなる電流密度の5〜90%となる電流であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の電池特性検出方法。
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