JP2003197274A - インピダンススペクトルのパターンマッチング技法を用いた単位電池分類方法 - Google Patents

インピダンススペクトルのパターンマッチング技法を用いた単位電池分類方法

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JP2003197274A JP2002272640A JP2002272640A JP2003197274A JP 2003197274 A JP2003197274 A JP 2003197274A JP 2002272640 A JP2002272640 A JP 2002272640A JP 2002272640 A JP2002272640 A JP 2002272640A JP 2003197274 A JP2003197274 A JP 2003197274A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 １次電池或いは２次電池の直列、並列、又は
その組合わせにより作られる電池パックの性能を最適化
するためインピダンススペクトルのパターンマッチング
技法を用いてインピダンススペクトルが類似した単位電
池に分類する方法を提供するにある。 【解決手段】 最適の電池パックを構成するため各電池
のインピダンススペクトルをパターンマッチング技法を
用いて分析した後類似したインピダンススペクトルをも
つ単位電池を分類する方法において、同一な温度及び同
一な充電状態で各電池の特定周波数領域のインピダンス
スペクトルを測定する段階と、前記測定したインピダン
ススペクトルの相互間の差をパターンマッチング技法を
用いて相対的な値に計数化する段階と、前記計数化した
インピダンススペクトル間の差が一番小さい二つ或いは
幾つかの電池を選別する段階と、からなることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、性能の優れた電
池パックを構成するための単位電池分類方法に係るもの
で、詳しくは１次電池或いは２次電池の直列、並列、又
はその組合わせにより作られる電池パックの性能を最適
化するためインピダンススペクトルのパターンマッチン
グ技法を用いてインピダンススペクトルが類似した単位
電池に分類する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、複数の電池の直列、並列、或い
はその組合わせでなる電池パックを製造するにおいて、
類似した特性をもつ単位電池を選択するのが電池パック
の性能に有利との事実はよく知られている。しかし、初
期容量に基づいた一般の電池評価方法は電池パックでの
各電池の類似性を確保する方法としては充分でない。そ
の理由は同じ容量の電池でも互いに異なった老化速度及
び内部特性のインピダンススペクトルを示すことができ
るからである。
【０００３】そこで、複数の電池を直列、並列、或いは
その組み合わせで連結して電池パックを製造するにおい
て、電池の内部特性を示すインピダンススペクトルが互
いに一番類似した電池を用いて製造されるならば電池パ
ックの性能を向上させることができる。相互間のインピ
ダンススペクトルが相違した電池を用いて電池パックを
製造すれば、各電池の内部特性の差により全体電池パッ
クの容量低下、又は電池パックの早い老化現象を招来す
ることになる。
【０００４】今までインピダンスの測定は不良な電池を
除去する目的で用いられてきた。例えば、特許文献１に
開示された、１秒よりも短い間に固定された周波数での
インピダンス測定は、平均的な値よりも容量の少ない電
池を検出し除去するに用いられた。しかし、固定高周波
数でのインピダンス測定が電池の容量を恒常正確に予測
できるのではない。なぜならば、低周波数領域でのイン
ピダンスの増加傾向が電池別に違うからであり、これは
１ｋＨｚで高いインピダンス値をもつ電池が低周波数領
域では低いインピダンス値を示すことができるのを意味
する。
【０００５】開放回路電圧の測定などのような電池選別
方法もやはり電池パックの構成のための電池の選択にお
いて間違った結果を示すことがある。なぜならば、開放
回路電圧だけで電池の内部特性が正確に表現されず、電
池の放電状態に従い鈍感に変化する性質のためである。
【０００６】不良電池を検出するため電池の品質管理の
目的としてインピダンススペクトルの分析方法が提案さ
れてきた。このような分析方法としては固定された周波
数での動的抵抗値を測定する方法が特許文献１に開示さ
れ、放電時の電圧値と容量との変化を測定する方法が特
許文献２に開示され、充電信号を印加したときに電池か
ら戻り返される応答信号の媒介変数を測定する方法が特
許文献３に開示され、電池に印加された交流電流と測定
された交流電圧との位相差を試験測定する方法が特許文
献４に開始され、リチウムーヨード電池の内部抵抗によ
り試験測定する方法が特許文献５に開示され、２個の別
の周波数で測定されたインピダンスの差による偏角を試
験測定する方法が特許文献６に開示され、幾つかの周波
数でインピダンスを測定しこれらのＮｙｑｕｉｓｔ図面
において直線連結及び分析を通じた方法が特許文献７に
開示され、電力源等価モデルに全体インピダンススペク
トルの近似を通じた媒介変数分析方法が特許文献８に開
示される。
【０００７】このような既存の方法は共通の欠陥があ
り、測定で求めた電池の内部特性に関する情報が実際の
電池選別過程で極に一部だけ用いられて“優良”或いは
“不良”などの結果として単に簡単な電池選別ばかりが
可能なのである。例えば、特許文献９に示すように、１
秒間のパルス電流印加に対する応答電圧は本質的に１Ｈ
ｚ〜１ｋＨｚの間の周波数領域に対するインピダンス情
報を含んでいるが、単に１Ｈｚでのインピダンス値だけ
が電池評価に用いられている。
【０００８】そして、上述したように既存の物理的に適
切な等価回路モデルにインピダンススペクトルを近似す
るか又は得たインピダンス測定値を蓄電成分と抵抗成分
に分離して単位電池の内部特性を分析する方法は複雑な
過程を経ることになる。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第３８７３９１１号明細書
【特許文献２】欧州特許第０１１９５４７号明細書
【特許文献３】米国特許第３８０８４８７号明細書
【特許文献４】米国特許第３９８４７６２号明細書
【特許文献５】米国特許第４２５９６３９号明細書
【特許文献６】米国特許第４７４３８５５号明細書
【特許文献７】米国特許第５２４１２７５号明細書
【特許文献８】米国特許第６２０８１４７号明細書
【特許文献９】米国特許第６１１８２７５号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、インピダンススペクトルを分析するにおいて、物理
的に適切な等価回路モデルにインピダンススペクトルを
近似するか又は得たインピダンス測定値を蓄電成分と抵
抗成分に分離する複雑な過程を経ずに、単にパターンマ
ッチング（ｐａｔｔｅｒｎ ｍａｔｃｈｉｎｇ）技法を
用いて類似したインピダンススペクトルをもつ電池同士
を組合わせるように分類する方法を提供するにある。
【００１１】本発明の他の目的は、単位電池の直列、並
列、或いはその組み合わせにより作られる電池パックの
性能を最適化するため、インピダンススペクトルのパタ
ーンマッチング技法を用いて類似したインピダンススペ
クトルをもつ電池同士を組合わせるように分類する方法
を提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明による最適の電池パックを構成するために
類似したインピダンススペクトルをもつ単位電池同士が
組合わせられるように分類する方法は、同一な温度及び
同一な充電状態で各電池の特定周波数領域のインピダン
ススペクトルを測定する段階と、前記測定したインピダ
ンススペクトルの相互間の差をパターンマッチング技法
を用いて相対的な値に計数化する段階と、前記計数化し
たインピダンススペクトル間の差が一番小さい二つ或い
は幾つかの電池を選別する段階と、からなることを特徴
とする。
【００１３】本発明は、測定されたインピダンススペク
トルの総ての周波数領域を分析して電池パックを構成す
る電池を選別及び組合わせるようにして最適の電池パッ
クを構成するのである。
【００１４】又、本発明は、インピダンススペクトルを
分析するにおいて、物理的に適切な等価回路モデルにイ
ンピダンススペクトルを近似するか又は得たインピダン
ス測定値を蓄電成分と抵抗成分に分離する複雑な過程を
経ずに、単にパターンマッチング方法を用いて内部特性
が一番類似した電池を選別するのである。
【００１５】又、その他の電池選別方法は、電池を選別
するために統計的に意味のある数字の電池に対する分析
を先に行い、その分析結果をもとに電池を選別するが、
本発明ではインピダンススペクトル自体を比較する方法
であるため前記分析作業を必要とせず、よって、どんな
種類の電池でも事前分析作業なしに真っ直ぐに利用する
ことができる。
【００１６】本発明は、インピダンス測定のような電気
化学的電力源の内部特性把握のために間接的で非破壊的
な試験を通じて得た電力源のインピダンススペクトルを
パターンマッチング方法により分析して一番類似したイ
ンピダンススペクトルを示す、即ち、一番類似した内部
特性を示す電力源間に電池パックを構成するためのもの
で、実時間放電法などのような測定時間が長く且つ破壊
的な検査法に比べ効率的であり、媒介変数を用いた相関
関係法に比べ信頼性が優れた電池分類及び電池パックの
性能を確保するためのものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例を
添付図を用いて詳しく説明する。そして、本発明の説明
において関連の公知機能或いは構成に対する具体的な説
明が本発明の要旨を不必要に不明確にすると判断される
場合にその詳しい説明を省略する。
【００１８】（実施例１）図１はＮ個の電池で構成され
た電池パックを作るためにＮ個の電池をパターンマッチ
ング技法を用いて選択するプログラムの原理を示すフロ
ーチャートである。
【００１９】図２は５０個の角形リチウムイオン電池の
初期放電容量を比較したグラフである。
【００２０】図３は同じ温度、同じ充電状態で測定した
角形リチウムイオン電池の１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの周
波数領域でのインピダンススペクトルを比較したグラフ
である。
【００２１】図４及び図５は５０個の角形リチウムイオ
ン電池の各インピダンススペクトルの相対的な差をユー
クリッド距離（Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ Ｄｉｓｔａｎｃ
ｅ）で計算して行列に示し、インピダンススペクトルが
一番よく一致し、かつ重複選択されないように２個ずつ
の組合わせをなし得る電池を表示した実例である。
【００２２】図６は５０個の角形リチウムイオン電池の
各インピダンススペクトルの差を最小２乗法で計算して
各枝の長さがインピダンススペクトル間の相対的な差を
示すようにクラスタリング（Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）方
法を用いてデンドログラム（Ｄｅｎｄｒｏｇｒａｍ）で
表示した実例である。
【００２３】図７は各インピダンススペクトル間の相対
的な差別組合わせにより並列に連結された電池パックの
充放電回数に従う放電容量減少を比較したグラフであ
る。
【００２４】図８は各インピダンススペクトル間の相対
的な差別組合わせにより直列に連結された電池パックの
充放電回数による放電容量減少を比較したグラフであ
る。
【００２５】（ａ） １０１段階で同一な生産工程を経
たが、互いに異なった性能特性をもつ５０個の角形リチ
ウムイオン電池に対し１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚ間の周波
数範囲で６０個の周波数に対する複素インピダンススペ
クトルをそれぞれ試験測定する。前記インピダンススペ
クトル測定結果を図３に示した。前記インピダンス試験
測定には錦湖石油化学（株）で製造された電池診断シス
テム（Ｐｏｗｅｒｇｒａｐｈｙ、モデル名：ＢＰＳ１０
００ＦＬ）を用いた。試験に用いた５０個の角形リチウ
ムイオン電池は１Ｃ放電でそれぞれ互いに異なった放電
容量を示し、図２に比較して示した。インピダンス試験
測定は米国特許出願番号第０９／７４６，４５２号に示
した方法をそのまま適用して実施した。前記インピダン
ス試験測定は、例えば、多重正弦波（ｍｕｌｔｉ−ｓｉ
ｎｅ ｗａｖｅ）フーリエ変換インピダンススペクトル
試験測定法及び過度応答（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓ
ｐｏｎｓｅ）のラプラス変換インピダンススペクトル試
験測定法を用いる。
【００２６】（ｂ） そして、１０２段階で電池パック
構成のために電池の個数（Ｎ）を入力させる。その後、
１０３段階で５０個の角形リチウムイオン電池に対し測
定されたインピダンススペクトルに対しパターンマッチ
ング技法を通じてインピダンススペクトルの類似性を求
める。よく知られたパターンマッチング技法中の一つは
距離測定法で、ユークリッド距離、ユークリッド距離の
２乗、マンハッタン距離（Ｍａｎｈａｔｔａｎ Ｄｉｓ
ｔａｎｃｅ）などの曲線間の距離を計算する方法などが
知られている。このような方法を通じてインピダンスス
ペクトルの類似性が求められ、ユークリッド距離測定法
の実例が数学式１のように示される。ここで、Δは二つ
のインピダンススペクトルの相対的な差を示し、Ｚ１と
Ｚ２はそれぞれ互いに異なった２個のインピダンススペ
クトルを意味し、Ｒｅ（Ｚ１）はＺ１インピダンススペ
クトルの実数部値を示し、Ｉｍ（Ｚ２）はＺ２インピダ
ンススペクトルの虚数部値を意味し、ｉはインピダンス
スペクトルの測定に用いられた全体周波数の数を意味
し、ｆｉはインピダンススペクトルの測定に用いられた
周波数を示す。
【００２７】
【数１】
【００２８】このようにユークリッド距離を計算した
後、１０４段階でユークリッド距離が一番小さい（Ｎ−
１）個のインピダンススペクトルを選択する。そして、
１０５段階でできるだけ総ての電池の組合わせに対しそ
の組合わせに包含された電池の標準偏差を計算する。
【００２９】（ｃ） （ｂ）段階で得た５０個の各イン
ピダンススペクトル間の相対的な差を行列に示して、イ
ンピダンススペクトルが一番よく一致し、かつ重複選択
されないように２個ずつ組合わせをなし得る電池を表示
した実例を図４及び図５に示した。図４及び図５に示し
た行列は５０個の各インピダンススペクトル間のユーク
リッド距離を数１に示す式のように表現される式で計算
してその値を行列の各要素に記録したものである。この
行列はその値が総て０である対角成分を基準に対称をな
すので、一方のみにその値を表示し、行と列の番号は５
０個の電池を区分して表記したものである。又、前記行
列はできるだけ総て２電池組合わせを現すことができ
て、２個以上の電池で電池パックをつくるのに相当に有
用である。
【００３０】そして、図６には（ｂ）段階で得た５０個
の各インピダンススペクトルの相対的な差をパターンマ
ッチング技法中の一つであるクラスタリング方法を用い
て、各枝の長さが相対的なインピダンス間の差を示すよ
うにデンドログラムを用いて図式的に表示した実例を示
した。この樹状構造の図６は各インピダンススペクトル
の差を肉眼で易しく確認できるだけでなく、樹状構造が
もつ階層構造を用いて上位枝から下位枝に分岐する地点
を２個のグループに束ねることができるため、いろんな
グループに選別するのも又可能になる。
【００３１】（ｄ） １０６段階で得た５０個の各イン
ピダンススペクトルの標準偏差が一番小さい組合わせを
電池パックで決定する。即ち、各インピダンススペクト
ルの相対的な差に対し電池パックを構成する電池の最適
の組合わせ条件として一つの電池パックはインピダンス
スペクトルの類似した電池で構成されることにより最も
効率的になり、エネルギー及び容量の損失を少なくする
ためインピダンススペクトルの標準偏差が一番小さい２
個の電池、インピダンススペクトルの標準偏差が一番大
きい２個の電池、そして、ある程度インピダンススペク
トルの標準偏差を示す２個の電池で構成された並列及び
直列電池パックをそれぞれ構成した。このようにして１
０７段階で残った電池数が１０２段階で入力した電池パ
ック構成電池数（Ｎ）よりも小さいかどうかを確認し
て、残った電池数が入力した電池パック構成電池数
（Ｎ）よりも小さくないならば、前記１０４段階へ戻っ
て継続して電池パックを構成するためにインピダンスス
ペクトルを選択する。しかし、残った電池数が入力した
電池パック構成電池数（Ｎ）よりも小さいならば、電池
パック構成を終了する。このようにして各電池パックの
名称はＭｉｎｉｍｕｍ、Ｍａｘｉｍｕｍ、Ｍｉｄｄｌｅ
に表記する。このような三つの互いに異なった組合わせ
でなる並列及び直列電池パックに対する充放電結果をそ
れぞれ図７及び図８に示した。図７及び図８によると、
Ｍｉｎｉｍｕｍ組合わせの電池パックがＭａｘｉｍｕｍ
組合わせ及びＭｉｄｄｌｅ組合わせの電池パックに比べ
初期容量及び連続された充放電に従う性能特性がもっと
優れていることがわかる。そして、Ｍａｘｉｍｕｍ組合
わせとＭｉｄｄｌｅ組合わせの場合に内部特性の差が互
いに異なっているといっても、その電池パックの性能が
容量と老化の面で類似した結果を示しており、電池パッ
クの性能は構成電池の相互間の内部特性の差により大き
く左右されることがわかる。従って、商業的に使用する
電池パックの構成のときに、インピダンススペクトルの
相対的な差が一番小さくて相互間に類似した内部特性を
もつ電池で電池パックを構成するようにして、電池パッ
クの性能低下を防止するのが一番好ましいことである。
【００３２】
【発明の効果】以上、説明したように本発明は、インピ
ダンス測定のような、電気化学的電力源の内部特性把握
のために間接的で非破壊的な試験を通じて得た電力源の
インピダンススペクトルのパターンマッチング方法によ
り分析して、一番類似したインピダンススペクトルを示
す、即ち、一番類似した内部特性を示す電力源間に電池
パックを構成する方法であり、実時間放電方法などのよ
うな測定時間が長く且つ破壊的な検査法に比べ効率的
で、媒介変数を用いた相関関係法に比べ信頼性の優れた
電池分類及び電池パック性能確保方法に関するもので、
電力源に対する内部特性予測の正確性及び信頼性を向上
させることができるという効果がある。
【００３３】又、電力源の試験測定及び分析に所要され
る評価時間を画期的に短縮すると共に電力源を用いて高
効率の電池パックを構成することができるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎ個の電池で構成された電池パックを作るため
Ｎ個の電池をパターンマッチング技法を用いて選択する
プログラムの原理を示すフローチャートである。
【図２】５０個の角形リチウムイオン電池の初期放電容
量を比較したグラフである。
【図３】同じ温度、同じ充電状態で測定した角形リチウ
ムイオン電池の１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの周波数領域で
のインピダンススペクトルを比較したグラフである。
【図４】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダ
ンススペクトルの相対的な差をユークリッド距離で計算
して行列に示して、インピダンススペクトルが一番よく
一致し重複されないように２個ずつ組合わせをなし得る
電池を表示した実例である。
【図５】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダ
ンススペクトルの相対的な差をユークリッド距離で計算
して行列に示して、インピダンススペクトルが一番よく
一致し重複されないように２個ずつ組合わせをなし得る
電池を表示した実例である。
【図６】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダ
ンススペクトルの差を最小２乗法により計算して各枝の
長さがインピダンススペクトル間の相対的な差を示すよ
うにクラスタリング方法を用いてデンドログラムで表示
した実例である。
【図７】各インピダンススペクトル間の相対的な差別組
み合わせにより並列に連結された電池パックの充放電回
数による放電容量減少を比較したグラフである。
【図８】各インピダンススペクトル間の相対的な差別組
み合わせにより直列に連結された電池パックの充放電回
数による放電容量減少を比較したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スン ヒュン−キュン 大韓民国 タエジョン−シ ユスン−グ シンスン−ドン ダエリムデューレアパー ト 101−207 (72)発明者 リュウ サン−ヒョ 大韓民国 タエジョン−シ ユスン−グ シンスン−ドン ダエリムデューレアパー ト 102−402 Ｆターム(参考） 2G016 CB01 CC01 CC04 5H030 AA03 AA04 FF41

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 最適の電池パックを構成するため各電池
    のインピダンススペクトルをパターンマッチング技法を
    用いて分析した後類似したインピダンススペクトルをも
    つ単位電池を分類する方法において、 （ａ）同一な温度及び同一な充電状態で各電池の特定周
    波数領域のインピダンススペクトルを測定する段階と、 （ｂ）前記測定したインピダンススペクトルの相互間の
    差をパターンマッチング技法を用いて相対的な値に計数
    化する段階と、 （ｃ）前記計数化したインピダンススペクトルの間の差
    が一番小さい二つ或いは幾つかの電池を選別する段階
    と、からなることを特徴とする単位電池分類方法。
  2. 【請求項２】 前記（ｂ）段階でパターンマッチング技
    法はインピダンススペクトル間の距離測定法を用いて前
    記インピダンススペクトルの類似性係数を得ることを特
    徴とする請求項１に記載の単位電池分類方法。
  3. 【請求項３】 前記（ｂ）段階で前記インピダンススペ
    クトル間の距離測定法はユークリッド距離、ユークリッ
    ド距離の２乗、マンハッタン距離などの計算法を含むこ
    とを特徴とする請求項２に記載の単位電池分類方法。
  4. 【請求項４】 同一な生産工程を経たが、互いに異なっ
    た内部特性をもつ電気化学的電力源に対し同一温度及び
    同一充電状態の条件で予め設定された周波数範囲で多数
    の周波数に対する複素インピダンス値をそれぞれ試験測
    定する第１段階と、 前記第１段階でそれぞれの電力源に対し測定されたイン
    ピダンススペクトル曲線の類似性をパターンマッチング
    技法を用いて計算する第２段階と、 前記第２段階で計算したインピダンススペクトル曲線間
    の類似性のある二つ或いは幾つかの電気化学的電力源を
    組合わせることができるように分類して優れた電池パッ
    クを構成する第３段階と、から構成することを特徴とす
    る単位電池分類方法。
  5. 【請求項５】 前記電気化学的電力源は一次電池、燃料
    電池、二次電池、即ち、リチウムイオン、リチウムイオ
    ンポリマー、リチウムポリマー、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、
    及び鉛蓄電池であることを特徴とする請求項４に記載の
    単位電池分類方法。
  6. 【請求項６】 前記第１段階の試験測定は多重正弦波フ
    ーリエ変換インピダンススペクトル試験測定法を用いる
    ことを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
  7. 【請求項７】 前記第１段階の試験測定は過渡応答のラ
    プラス変換インピダンススペクトル試験測定法であるこ
    とを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
  8. 【請求項８】 前記インピダンススペクトルの類似性の
    ある電気化学的電力源に対しクラスタリングパターンマ
    ッチング技法を用いて樹状構造に表示する第４段階をさ
    らに含むことを特徴とする請求項４に記載の単位電池分
    類方法。
  9. 【請求項９】 前記表示した樹状構造でインピダンスス
    ペクトルの相対的な差が類似した下位枝の電力源を一つ
    の電池パックグループに分類することを特徴とする請求
    項８に記載の単位電池分類方法。
  10. 【請求項１０】 前記第２段階で前記パターンマッチン
    グ技法はインピダンススペクトル間の距離測定法を用い
    て前記インピダンススペクトルの類似性係数を得ること
    を特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
  11. 【請求項１１】 前記電力源に対し測定されたインピダ
    ンススペクトルの類似性を得るため類似性係数を行列に
    示して比較することを特徴とする請求項４に記載の単位
    電池分類方法。
  12. 【請求項１２】 前記インピダンススペクトル間の距離
    測定法はユークリッド距離、ユークリッド距離の２乗、
    マンハッタン距離などの計算方法を含むことを特徴とす
    る請求項１０に記載の方法。
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