JP2003508759A - 電気化学電池やバッテリの内部温度を電子工学的に評定する方法およびその装置 - Google Patents

電気化学電池やバッテリの内部温度を電子工学的に評定する方法およびその装置

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Abstract

(57)【要約】 電気化学電池やバッテリの内部温度を電子工学的に評定する方法およびその装置を提供する。 【解決手段】時間変動する電気励起を電池、または、バッテリ（２０）に付与し、その結果の時間変動する電気応答を感知するテスト装置である。装置内の計算回路（５０）は、入力された励起と応答信号から得た電圧と電流信号を使用して、電池、または、バッテリ（２０）の等価回路の素子の値を算定する。電池、または、バッテリ（２０）の内部温度は、等価回路の特定の並列Ｇ−Ｃサブ回路の時定数の値から算定できる。さらに、電池（２０）の内部温度は、ユーザに表示されるか、他の計算値に対する適当な温度補正のために用いられ、および／あるいはバッテリ（２０）の充電器といった外部装置の制御に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 背景技術 本発明は、蓄電式バッテリの検査方法に関する。特に、本発明は電気化学電池
やバッテリの温度の測定に関する。
【０００２】 電池やバッテリの性能を、テスト、つまり、評価する場合、その測定結果に対
し適当な温度補正を行うために、バッテリの温度を正確に知ることが望ましい。
その方法の例として、チャンプリン（Champlin）による米国特許第３，９０９，
７０８号では、測定した動的コンダクタンスを、室内温度のバッテリのコンダク
タンスに合わせることができるよう、バッテリの温度にテスタのダイアルを設定
する方法が開示されている。しかしながら、バッテリの温度情報をどのように正
確に得るかは、明らかにされてはいない。また、その他の方法では、周囲温度が
「０℃以下」などであるとき、ユーザにボタンを押すことを指示するといった、
かなり大雑把な補正法が採用されている。マリノ（Marino）らによる米国特許第
４，４２３，３７８号には、負荷テストの結果を補正するために、その出力がマ
イクロプロセッサに入力されるような、バッテリの温度「測定子」について言及
されている。同様の温度測定子は、アルバー（Alber）らによる米国特許第４，
７０７，７９５号にも提示されている。また、これ以外にも、バッテリ端子と熱
接続されたテストクリップにサーミスタを付ける方法、あるいは、バッテリのケ
ースと熱接続させてサーミスタを設置するといった方法がある。さらに、赤外技
術を使用してバッテリのケース温度を特定する方法もある。
【０００３】 これら全ての従来技術では、バッテリの周囲温度か、バッテリの外部ケースの
温度かのいずれかを測定している。しかしながら、あいにく、その測定値は、本
当に測定したい量である、バッテリの実際の内部温度とかけ離れている可能性が
ある。このような温度差は、バッテリ内を流れる電流によって生じる局部的な内
部加熱や、バッテリの大きな熱量、バッテリとその環境との熱結合が弱いことな
どが原因で起る。例えば、自動車のエンジン部分が、エンジンの駆動により急激
に加熱される。しかしながら、バッテリが冷えた状態にあれば、その内部温度は
長時間にわたって低温を保つことになる。
【０００４】 発明の要旨 本発明によるテスト装置は、時間変動する電気励起を電池、または、バッテリ
に与え、その結果の時間変動する電気応答を感知する。装置内の計算回路は、入
力された励起と応答信号から導出された電圧と電流信号を使用し、電池、または
、バッテリの等価回路の素子の値を算定する。電池またはバッテリの内部温度は
、等価回路における特定の並列Ｇ−Ｃサブ回路の時定数の値から算出される。多
様な局面において、バッテリの内部温度は、ユーザに表示され、別の数値を算出
するための適正な温度補正を適用するために使用され、熱暴走の検知、および／
または、バッテリ充電などの外部プロセスの制御のために使用される。
【０００５】 図面の簡単な説明 図１は、本発明による電気化学電池やバッテリの内部温度を測定するための装
置のブロック図である。 図２は、特定の自動車用充電式バッテリの、６素子小信号等回路図を示す。 図３は、図２に示した３つのサブ回路の時定数の変動を、バッテリからの放電
量の関数で表したグラフである。 図４は、図２に示した時定数τ3の測定値と理論値を、バッテリの内部温度の
関数で表したグラフである。 図５は、図４に示された関係を逆にしたグラフである。 図６は、アドミタンスＹ３の並列Ｇ３−Ｃ３サブ回路を表す回路図である。
【０００６】 好適実施例の詳細な説明 電池／バッテリの実際の内部温度を電子的に決定するための方法と装置があれ
ば、大変有益であることは明らかである。本発明はこの要望に応えるものである
。本発明は、係属中の出願に開示された理論を基にしている。
【０００７】 ここで提示する方法の重要な応用は、「熱暴走」、つまり、充電中のバッテリ
の内部温度が異常に上昇する現象の検知である（マクシェ−ン（McShane）らに
よる米国特許第５，５７４，３５５号を参照）。以下に示す技術を使えば、急激
な内部温度の上昇により、暴走状態を素早く検知することが可能であり、続いて
、その急激な温度上昇を利用して、充電の停止や、その充電圧を低下させること
ができる。
【０００８】 図１は、本発明によるバッテリの内部温度を評定するための装置を示すブロッ
ク図である。この種の装置は、１９９８年９月１１日に提出され、現在係属中の
「電池およびバッテリの複素インピーダンスを測定する方法と装置」（METHOD A
ND APPARATUS FOR MEASURING COMPLEX IMPEDANCE OF CELLS AND BATTERIES）と
いう名称の米国特許出願番号０９／１５２，２１９と、１９９８年９月１１日に
提出され、現在係属中の「複素インピーダンスのアドミタンスからバッテリの特
性を特定する方法と装置」（METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING BATTERY P
ROPERTIES FROM COMPLEX IMPEDANCE ADMITTANCE）という名称の米国特許出願番
号０９／１５１，３２４に公開されている。測定回路１０は、電流搬送用接点Ａ
とＢ、および、電圧検知用接点ＣとＤにより、電池／バッテリ２０に電気的に接
続している。測定回路１０は、接点ＡとＢを経由して周期的に時間変動する電流
ｉ（ｔ）を通過させ、結合ＣとＤとの間の周期的に時間変動する電圧ｖ（ｔ）を
検知する。ｉ（ｔ）とｖ（ｔ）を適当に処理し、合成することで、測定回路１０
は、測定周波数ｆkにおけるインピーダンスＺまたはアドミタンスＹのいずれか
、複素パラータの実数部および虚数部を決定する。ここでｆkは、ｉ（ｔ）とｖ
（ｔ）両方の周期波形に含まれる離散周波数である。
【０００９】 制御回路３０は、コマンド経路４０を経由して測定回路１０に接続しており、
ｎ個（ｎは整数）の各離散測定周波数の各々において電池／バッテリ２０の複素
パラメータを決定するよう測定回路１０に指示する。この動作の結果、３ｎ個の
実験値、つまりｎ個の測定周波数の値、ｎ個の測定周波数における複素パラメー
タのｎ個の虚数部の値とｎ個の実数部の値が決定される。
【００１０】 計算回路５０は、データ経路６０と７０を経由して、測定回路１０と制御回路
３０とにそれぞれ接続しており、測定回路１０から２ｎ個の実験値を入力し、制
御回路３０からｎ個の測定周波数値を入力する。制御回路３０からの指示経路８
０を経由した「計算開始」命令により、計算回路５０は、米国特許出願番号０９
／１５１，３２４に開示してあるようなアルゴリズムを用いて３ｎ個の値を数字
上で結合して、電池／バッテリの等価回路の２ｎ個の要素を評定する。計算回路
５０は、つぎにこの回路の特定の要素の値から電池／バッテリの内部温度を算定
する。最後に、計算回路５０は、計算結果をディスプレイ９０に出力してユーザ
に表示し、および／または、その結果を利用して警報１００を発するかまたはバ
ッテリ充電器などのプロセス１１０を制御する。
【００１１】 実際上は、適当なソフトウェアプログラムを作動させるマイクロプロセッサか
マイクロコントローラが、制御回路３０と計算回路５０の両方の機能を実行する
。
【００１２】 図２は、典型的な自動車用蓄電式バッテリを示す６素子等価回路図である。こ
の回路図は、米国特許出願番号０９／１５１，３２４に開示されたアルゴリズム
を採用して、ｎ＝３として図１に示した種類の装置を使用して評定されたもので
ある。その３つの測定周波数は、５Ｈｚ、７０Ｈｚ、１０００Ｈｚであった。な
お、ｎ＝３の等価回路は下記の３つのサブ回路から成る。 ・直列Ｇ１−Ｌ１サブ回路 ・並列Ｇ２−Ｃ２サブ回路 ・並列Ｇ３−Ｃ３サブ回路
【００１３】 さらに、前記３つのサブ回路は、それぞれ全く異なる時定数を持つ。最短の時
定数は、直列Ｇ１−Ｌ１サブ回路のτ1＝Ｌ１・Ｇ１＝９３．５μＳである。２
番目に長い時定数は、並列Ｇ２−Ｃ２サブ回路のτ2＝Ｃ２／Ｇ２＝２．２２ｍ
Ｓで、最長の時定数は、並列Ｇ３−Ｃ３サブ回路のτ3＝Ｃ３／Ｇ３＝４１．６
ｍＳである。したがって、前記の３つのサブ回路は、完全に異なる物理プロセス
を表し、それらの時定数により互いに区別できる。
【００１４】 図３は、バッテリからの放電量（アンペア時）の関数としての、前記３つの時
定数を示す対数グラフである。これら３つの時定数は、放電後も異なったままで
あり、その内の最長時定数τ3は、充電状態にほとんど依存しないことがわかる
。この結果は、本発明にとって重要である。
【００１５】 図４は、内部バッテリ温度による、時定数τ3＝Ｃ３／Ｇ３の変動を示す。τ3 は温度の上昇と逆に変動していることがわかる。この変動は、陰極板で起こる非
線形の電気化学反応を表現する線形化された小信号Ｇ３−Ｃ３サブ回路に関する
理論モデルに合致する。このようなモデルでは、ＲＣ積数のτ3＝Ｃ３／Ｇ３は
、プロセスの反応時間を示すので、温度とは逆に変動する。τ3とＴの関係を実
験的に立証することで、τ3の測定値を利用してバッテリの内部温度Ｔを決定す
ることが可能となる。
【００１６】 図４には、理論関係τ3（Ｔc）と比較するために、実験による測定点が示され
ている。最も正確に温度判定が可能な急勾配が、−２０℃から＋２０℃という興
味深い範囲において観察できる。図４に示した理論曲線は、以下の等式に従って
描かれている。 ここで、τ3はミリセカンド単位で測定した時定数、Ｔcはセ氏単位の内部温度で
ある。物理パラメータは、以下の等式により導き出される。 ｋ＝１．３８ｘ10-23ジュール／0Ｋ（ボルツマン定数） ｑ＝１．６ｘ10-19クーロン（電荷） Ｖ0＝0.85eV（活性化エネルギ） ３つの定数、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3は、実験結果から以下のように決定された。 Ｋ1＝２．０ｘ10-14 Ｋ2＝６７．０ｍＳ Ｋ3＝３７．０ｍＳ
【００１７】 理論値と実験値とが、よく合致していることが読み取れるだろう。また、測定
値から、τ3は実質的にバッテリのサイズや充電状態に依存しないことがわかる
（図３参照）。このように、図４に描かれた実験によるτ3（Ｔc）の関係は、普
遍的なものと考えられる。
【００１８】 時定数の測定により内部温度を決定するために、前記τ3（Ｔc）の関係を数学
的に反転させて、Ｔc（τ3）を導き出す。その結果を以下に示す。 ここでのパラメータと定数ｑ、Ｖ0、ｋ、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3は、τ3（Ｔc）の関係で
示したものと同じである。
【００１９】 反転した理論Ｔc（τ3）の曲線を、図５に示す。この関係を使えば、τ3の測
定により、バッテリの正確な内部温度を容易に決定することができる。この有益
な温度情報は、ＣＣＡ、充電状態、アンペア時容量といった、他の測定値を正確
に温度補正するために使用可能である。また、熱暴走状態の検知や、バッテリ充
電器などの外部プロセスの制御にも使用できる。
【００２０】 以上で本発明についての説明は終わりであるが、最後に、図６に本発明の本質
をより大局的に示す。図６は、前記Ｇ３−Ｃ３サブ回路図を示し、この並列回路
の複素アドミタンスが、Ｙ３＝Ｇ３＋jωＣ３であることを示す。表示のとおり
、バッテリの内部温度の決定に必要な、Ｇ３とＣ３の２つの量値を含んでいる。
このように上記の説明は、Ｙ３の実数部および虚数部と、バッテリの内部温度と
の間の関係を実際に開示する。複素数Ｚと複素数Ｙは互いに逆数であるが、イン
ピーダンスＺ３の実数部および虚数部と、時定数τ3との間は、単純な関係では
ない。したがって、ここで開示した有益な関係を観測するために、全ての交流測
定結果は、複素インピーダンス形式ではく、複素アドミタンス形式で表示される
必要がある。なお、この複素アドミタンスの算出方法については、さほど重要で
はない。
【００２１】 本発明は、米国特許出願番号０９／１５２，２１９と０９／１５１，３２４に
以前に開示された特定装置とアルゴリズムを使って説明されたが、これ以外の方
法の使用も可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、ブリッ
ジやその他の種類の装置を使って、複素アドミタンス（またはその逆数である複
素インピーダンス）を測定することも可能である。また、正確性が厳格に要求さ
れないならば、種々の時定数が互いに大きく異なっている特性を利用して、サブ
回路は結合していないと簡単に仮定することが有利である。この近似値内では、
Ｃ２とＣ３は、ｆ01＝１／２πτ1に近い周波数において短絡とみなされ、Ｌ１
とＣ３は、ｆ02＝１／２πτ2とｆ03＝１／２πτ3に近い周波数において短絡と
みなされ、Ｌ１は短絡、Ｃ２は開路とみなされる。このように、いくつかのバッ
テリでは、２つか３つの周波数における測定値の簡単な分析からでも、十分な結
果を得ることが可能となる。ある特定のバッテリでは、さらに、的確に選択され
た単一周波数において得られた複素ＹやＺ＝１／Ｙの測定から、Ｙ３の有用な近
似値を得ることもできる。なお、本発明は、その本質と範囲を逸脱することなく
、形態や細部において、前記とそれ以外の変形が可能であることは、当業者にと
っては明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電気化学電池やバッテリの内部温度を測定するための装置のブロ
ック図である。
【図３】 図２に示した３つのサブ回路の時定数の変動を、バッテリからの放電量の関数
で表したグラフである。
【図４】 図２に示した時定数τ3の測定値と理論値を、バッテリの内部温度の関数で表
したグラフである。
【図５】 図４に示された関係を逆にしたグラフである。
【図６】 アドミタンスＹ３の並列Ｇ３−Ｃ３サブ回路を表す回路図である。
【符号の説明】
１０……測定回路、２０……電池／バッテリ、３０……制御回路、４０……コ
マンド経路、５０……計算回路、６０、７０……データ経路、８０……指示経路
、９０……ディスプレイ、１００……警報、１１０……プロセス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気化学式電池やバッテリの内部温度を決定する装置であって
    、前記電池やバッテリに時間変動する電気励起を付与するための電気励起回路と
    、 前記時間変動する電気励起の結果として発生した前記電池やバッテリの時間変
    動する電気応答を検出するための応答検出回路と、 前記時間変動する励起および前記時間変動する応答に対応して、前記電池やバ
    ッテリを表現する電気回路の一部を構成する特定の並列Ｇ−Ｃサブ回路の時間定
    数であって、内部温度と逆に変化する時定数を計算し、さらに、前記時定数の計
    算値から前記内部温度を決定するための計算回路とから成る電気化学式電池やバ
    ッテリの内部温度を決定する装置。
  2. 【請求項２】 前記計算回路に結合された表示装置を備え、前記計算回路は、
    前記表示装置上に温度出力を与える請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記計算回路は、外部処理装置と接続しており、その外部処理
    装置は、前記内部温度の計算値に従って前記計算回路により制御されることを特
    徴とする請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 前記表現する電気回路は、異なる時定数をもつ少なくとも３個
    のサブ回路から成り、前記特定の並列サブ回路の時定数が少なくとも他の２個の
    サブ回路の時定数よりも長いことを特徴とする請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記表現する電気回路が、異なる時定数をもつ少なくとも２個
    のサブ回路から成り、前記特定の並列サブ回路の時定数が少なくとも他方のサブ
    回路の時定数よりも長いことを特徴とする請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】 バッテリを充電している間の内部温度の急速な上昇による熱暴
    走状態の検出を示す出力を含む請求項１の装置。
  7. 【請求項７】 前記熱暴走状態に応答する警報出力を提供する前記計算回路に
    結合された警報機を含む請求項６の装置。
  8. 【請求項８】 前記外部処理装置が充電器である請求項３の装置。
  9. 【請求項９】 電池やバッテリに時間変動する電気励起を付与すること、 前記電気励起に対する時間変動する電気応答を感知すること、 前記時間変動する励起および前記時間変動する応答に対応して、前記電池やバ
    ッテリの特定の並列Ｇ−Ｃサブ回路内の時定数を評定すること、および 前記時定数の値から前記内部温度を評定することから成る、電気化学式電池や
    バッテリの内部温度を電子工学的に評定する方法。
  10. 【請求項１０】 前記内部温度をユーザに表示することを含む請求項９の方法
    。
  11. 【請求項１１】 前記内部温度にしたがって、外部処理装置を制御する請求項
    ９の方法。
JP2001520118A 1999-09-01 2000-09-01 電気化学電池やバッテリの内部温度を電子工学的に評定する方法およびその装置 Pending JP2003508759A (ja)

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US09/388,276 1999-09-01
US09/388,276 US6137269A (en) 1999-09-01 1999-09-01 Method and apparatus for electronically evaluating the internal temperature of an electrochemical cell or battery
PCT/US2000/024266 WO2001016614A1 (en) 1999-09-01 2000-09-01 Method and apparatus for electronically evaluating the internal temperature of an electrochemical cell or battery

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WO (1) WO2001016614A1 (ja)

Cited By (6)

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