JP2004241325A

JP2004241325A - 電池状態診断装置および電池状態診断方法

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Publication number: JP2004241325A
Application number: JP2003031572A
Authority: JP
Inventors: Yoshitsugu Kato; 義次加藤; Hiroto Funato; 寛人船渡; Alexandru Forrai; フォーライアレクサンドル
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP4227814B2; US20040158418A1; US7216044B2

Abstract

【課題】電池の寿命や残量等を最適に求めることができる電池の検査方法および検査装置を提供する。
【解決手段】被測定電池１０に負荷部１２により負荷を与えてその入力および出力特性を計測部１３において測定し、その測定結果を診断部１４においてシステム同定手法を用いて電池状態を診断する電池状態診断装置において、上記負荷部１２として電流負荷を用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）、ダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ）、あるいは、二次電池、特にニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池に対して、これらの電池の性能評価、故障診断、不具合診断、劣化予測、出荷検査、良否判定等を行う方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＥＦＣやＤＭＦＣ等の燃料電池については、電池そのものが開発途上品であり、確立された検査、評価、および診断方法が存在するものではない。このため、現状では、燃料・酸化剤ガス供給制御装置を使って、検査を行おうとする電池を実稼動させ、交流インピーダンス、あるいは出力電圧−出力電流特性を測定している。そして、この測定結果が、開発・製品仕様を満足することを確認して電池の出荷を行っている。
【０００３】
特に、燃料電池に対する寿命試験、劣化予測は、電池を劣化加速させる要素が見つかっておらず、製品に規格された寿命時間を実稼動させる以外の検査方法がない。
【０００４】
このため、燃料動作における寿命または劣化を確認するまでには、かなりの時間を要する。例えば、抜き取りによる燃料動作の寿命試験は、仕様書の寿命時間どおり運転する必要がある。
【０００５】
また、燃料動作の寿命を判定するためには、所定の時間間隔でインピーダンス、出力電圧−出力電流特性を測定することが必要となる。これらの静特性の変化は、非常に小さなものと予想されるため、これら特性の測定結果を寿命等の判定に用いるには、かなりの工夫が必要となる。したがって、燃料動作の寿命判定を容易にするためには、動特性での判定によることの検討が期待される。
【０００６】
また、二次電池の検査、評価、および診断方法について、例としてリチウムイオン電池の製造工程図である図１３（ａ）と、製造工程中の充放電工程図である図１３（ｂ）とを参照して説明する。
【０００７】
リチウムイオン電池の製造工程は、図１３（ａ）に示すように、（１）電極混合工程、（２）捲回工程、（３）注液工程、（４）後組立工程、（５）充放電工程、（６）出荷検査工程に大別される。
【０００８】
このうち、（５）の充放電工程では、図１３（ｂ）に示すように、▲１▼インピーダンス測定、▲２▼電圧測定、▲３▼充電、▲４▼放電、▲５▼電気容量ランク分け、▲６▼充電、▲７▼自己放電試験、▲８▼出荷充放電が行われる。
【０００９】
上記充放電工程で時間がかかるのは、図１３（ｂ）における▲３▼、▲４▼、▲６▼、▲７▼の工程である。▲３▼の工程では電池を満充電するのに３時間、▲４▼の工程では放電して空にするのに１時間かけている。現状では、半充電などで、満充電状態を推定することはできていないため、これらの時間を短くすることはできない。
【００１０】
また、図１３（ｂ）には記載が無いが、信頼性の確認のために、１回目の充放電後に１００回の充放電を繰り返した後に特性を測定して出荷する場合もある。このときは、上記充放電工程に最低でも４００時間かかることになる。
【００１１】
このため、システム同定理論を用いて電池の状態診断を行い、電池の検査・診断にかかる時間の短縮を図ろうとする例が、特許文献１や特許文献２等に開示されている。
【００１２】
例えば、上記特許文献１には、解析対象となる電池に交流信号を印加し、交流電圧及び交流電流のサンプリング結果から該電池の伝達関数を推定し、この伝達関数の極を算出することによって、電池の残量を判定する方法が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２３２２７３号公報（公開日１９９８年９月２日）
【００１４】
【特許文献２】
特開平６−３３７２８２号公報（公開日１９９４年１２月６日）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１の方法では、解析対象となる電池の交流電圧及び交流電流を測定する装置において、電池の電圧源雑音（電圧負荷）とインピーダンス素子の直列負荷とを接続した構成となっており、インピーダンス素子の誤差が測定に直接の影響を与えてしまうため電池の特性を抽出するのに最適の方法とはいえない。
【００１６】
すなわち、上記特許文献１においては、電池の伝達関数を求める際に、直列インピーダンスを含んだ形でインピーダンスが同定される（測定される交流電圧及び交流電流から求められる伝達関数Ｇ（ｓ）が、電池の伝達関数Ｈ_Ｂ（ｓ）とインピーダンス素子の伝達関数Ｈ_Ｉ（ｓ）との和にて表される）。
【００１７】
このため、実際の電池のインピーダンスを求めるには、測定されるインピーダンスから外部インピーダンスを差し引く必要がある。上記特許文献１では、このインピーダンス素子として抵抗と純容量（キャパシタンス）とを用いており、抵抗は温度変化が問題となり、また、キャパシタンスはもともと誤差の大きいものであり、この誤差がそのまま同定の精度に影響する。尚、上記インピーダンス素子を省略し、電池に直接電圧源を接続して測定を行うと、電流値が大きくなりすぎて制御が困難となる。
【００１８】
また、副次的な問題ではあるが、抵抗とキャパシタンスとの切り替えが必要であるといった問題もある。
【００１９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、電池の寿命や残量等を、システム同定を用いて最適に求めることができる電池状態診断装置および電池状態診断方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池状態診断装置は、上記の課題を解決するために、被測定電池に負荷を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、上記被測定電池に負荷を与える負荷手段として、電流負荷を用いることを特徴としている。
【００２１】
システム同定手法を用いて電池状態を診断する電池状態診断装置では、電池の内部インピーダンスを同定するために電池の端子電圧と電流とを測定する必要がある。この測定において、従来のように電圧負荷を用いる構成では、電池が起電力＋直列低インピーダンスという内部等価回路であるため、被測定電池に対して直列にインピーダンス素子が接続される。このため、測定される電流（を表す式）は上記インピーダンス素子による負荷電圧および負荷インピーダンスを含むものとなり、電流を規定の値に調整するには電池の内部起電力の変化に伴って負荷電圧を細かく調整する必要があるといった直流パスの問題が生じる。
【００２２】
これに対し、上記の構成によれば、被測定電池に負荷を与える負荷手段として電流負荷を用いることにより、測定される電流（を表す式）に負荷電圧や負荷インピーダンスが生じないため、上記直流パスの問題が発生せず、電流測定結果から容易に電池の内部インピーダンスを同定することができる。
【００２３】
また、上記電池状態診断装置においては、上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧における被測定電池の起電力成分をバイアスと捉えて除去し、上記起電力成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴としている。
【００２４】
計測においては、計測器のフルスケールを有効利用することが計測精度の向上に繋がる。特に、デジタル計測においては分解能の問題があり、信号をＡ／Ｄ変換器の入力電圧に合わせて処理することがＳ／Ｎ比の向上に繋がる。電池電圧は、（直流起電力）＋（直流起電力に対して相対的に小さな電圧変動）という出力になるため、上記電圧変動を取り出して処理することで精度の高い計測が行える。この直流起電力は、電池の種類や状態によって異なる。
【００２５】
ここで、上記の構成によれば、被測定電池の直流起電力（起電力成分）の概算値を計測し、それをバイアスとして捉え、変動する端子電圧から除去することにより、上記電圧変動分のみをシステム同定による診断に用いることができる。上記電圧変動は、自動利得増幅器等でＡ／Ｄ変換器の入力スケールに合わせて増幅されることにより、測定精度が向上する。
【００２６】
また、本発明の電池状態診断装置においては、上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧を被測定電池の直列抵抗に起因する直達項とＣＲ（容量−抵抗）ダイナミクスを持つ項とに分離し、その直達項成分を上記端子電圧から除去し、直達項成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴としている。
【００２７】
電池の応答波形は、直列抵抗に起因する直達項と、ＣＲダイナミクスを持つ項の部分からなるが、直達項部分にと比較してＣＲダイナミクス部分は相対的に小さいため、これらの項を分離して同定した方が同定精度が向上する。また、このような直達項を含む波形を同定した場合、測定状況によっては直達項部分が直達項として認識されず、非常に時定数が早い過渡応答を持つ部分と認識される恐れがある（波形の立ち上がりがなまってしまった場合など）。
【００２８】
これに対し、上記の構成によれば、直達項部分とＣＲダイナミクス部分とを分離し、直達項部分を除去したＣＲダイナミクス部分のみでシステム同定を行うことにより、同定精度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本発明の電池状態診断装置においては、上記直達項成分を上記端子電圧から除去するために、測定される上記端子電圧の電圧波形において、被測定電池の起電力成分を示す電圧パルスの立ち上がり時点における電圧値を算出し、上記端子電圧の電圧波形から算出された上記電圧値を差し引く演算を行うことを特徴としている。
【００３０】
上記の構成により、同定する端子電圧の電圧波形から除去すべきバイアス（直達項成分）等を自動計算で分離する手法を提供することができる。
【００３１】
また、本発明の電池状態診断装置は、上記の課題を解決するために、被測定電池に測定用電流を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、上記被測定電池に電流を流す手段として、電圧源を用いることを特徴としている。
【００３２】
上記の構成によれば、上記電池状態診断装置におけるシステム同定手法をＰＥＦＣ、ＤＭＦＣ等の燃料電池に応用する場合は、燃料電池を動作させない状態でシステム同定を行うことで電解質の劣化を診断することができる。すなわち、燃料電池においては、燃料を供給する状態と供給しない状態とでその挙動が異なる可能性があるが、燃料を供給しない状態でも起電力が生じないのみで電解質および電極のインピーダンスは測定可能であるため、上記と同様の手法で電池の劣化を測定することができる。
【００３３】
このように、燃料を供給しない燃料電池について診断を行う場合には、電流供給手段として電圧源を用いても、被測定電池となる燃料電池自体に起電力が発生しないため、直流パスの問題が発生しない。したがって、燃料を供給しない燃料電池については、より実現が容易な電圧源にて診断を行うことが好適となる。
【００３４】
また、本発明の電池状態診断装置は、上記の課題を解決するために、被測定電池に負荷を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電流負荷と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、上記回路部に接続された被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えていることを特徴としている。
【００３５】
上記の構成によれば、上記回路部において被測定電池に電流負荷を接続した状態で被測定電池の端子電圧および電流が、測定手段により測定される。これにより、測定される電流（を表す式）に負荷電圧や負荷インピーダンスが生じないため、直流パスの問題が発生せず、診断手段においては電流測定結果から容易に電池の内部インピーダンスを同定することができる。
【００３６】
また、本発明の電池状態診断装置は、上記の課題を解決するために、被測定電池に電流を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電圧源と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、上記回路部に接続され、被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えていることを特徴としている。
【００３７】
上記の構成によれば、上記回路部において被測定電池に電圧源を接続した状態で被測定電池の端子電圧および電流が、測定手段により測定される。この時、上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いることで、被測定電池に電流を供給する手段として電圧源を用いても、被測定電池となる燃料電池自体に起電力が発生しないため、直流パスの問題が発生しない。したがって、燃料を供給しない燃料電池については、より実現が容易な電圧源にて診断を行うことが好適となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３９】
本発明は、システム同定手法を用いて、電池・二次電池、燃料電池・固体高分子型燃料電池・ダイレクトメタノール型燃料電池の劣化予測、性能評価、良否判定、出荷検査を短時間に行える方法および装置を提案するものである。
【００４０】
先ず、本実施の形態に係る電池状態診断装置の概略について、図１を参照して説明する。上記電池状態診断装置は、図１に示すように、入力信号発生部１１、負荷部１２、計測部１３、および診断部１４からなる。また、上記電池状態診断装置は、被検査電池１０に対し負荷を与えた状態で、該被検査電池１０に生じる電圧および電流を計測し、その計測結果から被検査電池１０の状態を診断するものである。
【００４１】
入力信号発生部１１および負荷部１２は、被検査電池１０に対し負荷を与えるための手段であり、負荷部１２は電流負荷である。負荷部１２に電流負荷を用いることで、被検査電池１０の組み込まれる閉回路１５において、被検査電池１０の内部起電力による直流電流の電流値を零にすることができ、その影響を避けることができる。このため、上記電池状態診断装置では、特許文献１にあるような直流パスの問題が発生しない。
【００４２】
計測部１３は、電流負荷を与えられた状態の被検査電池１０に生じる電圧および電流を計測する手段であり、診断部１４はその計測結果からシステム同定手法を用いて被検査電池１０の状態を診断するものである。
【００４３】
上記電池状態診断装置の具体的な回路構成は、図２に示すような構成となる。入力信号発生部１１、計測部１３、および診断部１４は、汎用信号処理コンピュータ２０から構成される。このため、上記電池状態診断装置は、量産化によって容易に製造コストを下げることが可能である。
【００４４】
負荷部１２によって被検査電池１０に与えられる負荷電流は白色雑音が望ましいが実現困難なので、システム同定を行う上で十分なスペクトラムを有するＭ系列信号を用いる。Ｍ系列信号は汎用信号処理コンピュータ２０における入力信号発生部１１の機能により、以下の発生式に基づいて発生させられる。尚、以下の発生式においては、周期Ｎ＝２^ｎ−１−１である。また、条件によっては、有するスペクトルが狭い方形波電流を負荷電流としても診断が可能である。
【００４５】
【数１】

【００４６】
このＭ系列信号は、Ｄ／Ａ変換器２１を介して負荷部１２に入力され、該負荷部１２を駆動し、図３（ａ）に示すような矩形波状の電流ｉ_Ｌを発生させる。言い換えれば、上記負荷部１２は、被検査電池１０が取り付けられた閉回路１５内を流れる電流の値がｉ_Ｌとなるように制御するものである。
【００４７】
このように、閉回路１５内を流れる電流ｉ_Ｌが、図３（ａ）に示すような矩形波状となることにより、被検査電池１０の内部抵抗に起因した電圧降下および起電力の低下が発生し、図３（ｂ）に示すように、被検査電池１０の端子電圧ｖ_ｔが変動する。計測部１３では、この端子電圧ｖ_ｔを計測する。すなわち、システム同定手法を用いる本電池状態診断装置では、負荷電流ｉ_Ｌを入力、電池端子電圧ｖ_ｔを出力とする。計測部１３において測定される入力電流信号および出力電圧信号の波形例を図１１（ａ）、１１（ｂ）に示す。
【００４８】
被検査電池１０において、入力である負荷電流ｉ_Ｌに対する出力である電池端子電圧ｖ_ｔの応答は、通常時定数数百ｍｓ程度のものである。このため、負荷部１２は、図４に示すような比較的簡単な負荷回路で構成することができる。
【００４９】
この負荷回路は、ホール素子電流センサーＣＳにより検出した電流をオペアンプＯＰ１および抵抗Ｒ１〜Ｒ４で構成された誤差増幅器にフィードバックして、閉回路１５内を流れる電流ｉ_Ｌ（端子Ｔ２から入力される）を信号処理コンピュータ２０からの電流指令ｉ_Ｌ’（端子Ｔ１から入力される）と一致するように制御する。
【００５０】
尚、上記負荷回路において、ホール素子電流センサーＣＳでの検出電流には誤差増幅器の増幅度に起因した定常誤差が発生するが、この定常誤差は予め算出することが可能であるため、電流指令ｉ_Ｌ’の値は上記定常誤差を考慮に入れた値として発生させられる。このような負荷回路は、専用測定装置内に設置することもできるし、電池が接続される機器の回路の一部を利用しても簡単に構成することができる。
【００５１】
電池の等価回路表現はいくつかの手法があるが、本実施の形態では図５に示すような回路で近似する。ここで、Ｃｐ、Ｒｐは正極の等価回路、Ｒｓは電解質の等価回路、Ｃｎ、Ｒｎは負極の等価回路である。また、Ｖ_ｄｃは、電池の内部起電力である。システム同定を用いている限りでは電池内部の電気化学的状態を考慮する必要は無い。
【００５２】
被検査電池１０において、上記のような等価回路を仮定すると、図３（ａ）に示す矩形波の電流負荷ｉ_Ｌに対する電圧ｖ_ｔの応答は、図３（ｂ）に示すようなものとなる。ここで、上記等価回路のインピーダンスＺは次式で表すことができる。
【００５３】
【数２】

【００５４】
ここで、上記電池状態診断装置において測定される電圧ｖ_ｔは、電池の起電力Ｖ_ｄｃを中心に高々数百ｍＶ程度の変動である。したがって、この電圧ｖ_ｔを直接Ａ／Ｄ変換器２２に入力し、当該Ａ／Ｄ変換器２２を介して計測部１３である汎用信号処理コンピュータ２０に入力する構成とすると、計測部１３における分解能が低くなる（図１、２参照）。これを改善するため、電圧レベルシフト手段２３を用いる。電圧レベルシフト手段２３には、図６に示すような電圧信号処理回路を用いる。
【００５５】
上記電圧信号処理回路は、ｖ_ｓＬ〜ｖ_ｓＨの間の入力電圧（すなわちｖ_ｔ）をＡ／Ｄ変換器２２の定格入力電圧（シフト電圧）ｖ_ｓｆｔ（例えば−１０Ｖ〜＋１０Ｖ）に変換する。上記電圧信号処理回路において、ｖ_ｓＬ〜ｖ_ｓＨの範囲は、シフト電圧ｖ_ｓｆｔおよび増幅度の設定による変更が可能である。シフト電圧ｖ_ｓｆｔおよび増幅度は信号処理コンピュータ２０から設定できるようにする。
【００５６】
本実施の形態に係る電池状態診断装置はシステム同定手法を用いるものであるが、ここでシステム同定とは、測定データに基づいて動的システムの数学モデルを作ることである。この数学モデルは、当然、数式を持って表される。この数学モデル、及び該数学モデルを表す数式の作成手順を以下に説明する。尚、以下の説明は、足立修一著「ＭＡＴＬＡＢによる制御のためのシステム同定」（東京電機大学出版局発行）のｐ．５５〜５８に記載の方法を参考にしたものである。
【００５７】
この数学モデル・数式を、代表的な性能を持った製品群（集団Ａ）より作成する。数学モデルの入力をｕ（ｋ）、出力をｙ（ｋ）とすると、数式モデルを表す数式として以下の（１）式が成立する。尚、（１）式は、入力ｕ（ｋ）および出力ｙ（ｋ）を時系列データ（離散時間データ）として捉え、その入出力関係（関数）を求めるのに、ある有限個数のみを考えて立てた式である。また、（１）式は、上記製品群（Ａ）の平均的な挙動を示す平均モデルに関する式であり、ｋは時系列データの過去にさかのぼる個数を意味する。
【００５８】
【数３】

【００５９】
上記（１）式において、ベクトルａ＝（ａ_ｌ、ａ_２、…、ａ_ｎ）、ベクトルｂ＝（ｂ_ｌ、ｂ_２、…、ｂ_ｍ）とする、このベクトルａ，ｂは、最小二乗法を用いて回帰ベクトルを求める一般的な手法によって求められる。さらに測定電圧データから起電力Ｖ_ａｖ、起電力時間変化率Ｖ_ｄｔ、直列直流抵抗Ｒ_ｓを求めてベクトルｃ＝（ｖ_ａｖ、ｖ_ｄｔ、Ｒ_ｓ）を得る。ベクトルｃにおけるｖ_ａｖ、ｖ_ｄｔ、Ｒ_ｓの求め方については後述する。
【００６０】
さらに、上記、製品群（Ａ）以外の製品（Ｂ）に、上記、製品群（Ａ）に与えた入力信号と同じ信号を与えて、その出力を測定することで、製品（Ｂ）に固有の数式を得る。この場合、製品（Ｂ）に固有の数式とは、以下の（２）式のようになる。
【００６１】
【数４】

【００６２】
上記（２）式において、ベクトルａ_Ｂ＝（ａ_ｌＢ、ａ_２Ｂ、…、ａ_ｎＢ）、ベクトルｂ_Ｂ＝（ｂ_ｌＢ、ｂ_２Ｂ、…、ｂ_ｍＢ）とする。さらに、ベクトルｃと同様の方法で、ベクトルｃ_Ｂ＝（ｖ_ａｖ、ｖ_ｄｔ、Ｒ_ｓ）を得る。
【００６３】
こうして求まったベクトルａ、ｂ、ｃおよびベクトルａ_Ｂ、ｂ_Ｂ、ｃ_Ｂは、対応する項同士を比較することで、それぞれのベクトルを個別に比較することができる。その相違から、電池の劣化傾向、残存寿命、良・否判定、検査結果の判定を行うことができる。
【００６４】
例えば、二次電池の満充電時の状態を示すベクトルａ、ｂ、ｃと１／１０充電時の状態を示すベクトルａｎ、ｂｎ、ｃｎに相関性があれば、母集団以外の製品についてその状態を示すベクトルａｍ、ｂｍ、ｃｍを得ることで、この製品の満充電時の性能を推定できる。
【００６５】
また、ベクトルａ、ｂ、ｃとベクトルａ_Ｂ、ｂ_Ｂ、ｃ_Ｂとの全体的な傾向（係数の大小等）を比較することにより、この製品が、将来至るであろう状態を、また、持つであろう性能（劣化後の性能）を推定できる。
【００６６】
出荷検査の例でいえば、製品ｍの持つ固有の数式の係数列ａｍ、ｂｍ、ｃｍが、以下の（３）式の条件を満足するものを良品とするならば、システム同定時に使った入力信号で、試料の出力を測定するだけで、当節のＤＳＰなど、汎用信号処理コンピュータを使えば、簡単に検査結果を得られる。
【００６７】
【数５】

【００６８】
尚、上記（３）式におけるσは標準偏差を示しており、上記（３）式は、標準偏差の３倍程度に収まっている製品を良品と見なす場合を単に例示するものである。したがって、この判定基準については、電池の状態等により変わることがある。
【００６９】
さらに、上記電池状態診断装置による被検査電池の診断手順の具体例を、図７を参照して以下に説明する。
【００７０】
まず、被検査電池１０の状態が不明のため、図２の電圧レベルシフト手段２３において、ｖ_ｓＬ〜ｖ_ｓＨの範囲を１Ｖ〜１．５Ｖ程度の初期値に設定する（Ｓ１）。次に、負荷部１２を駆動して図３（ａ）に示すような矩形波である電流負荷を被検査電池１０に与える（Ｓ２）。これにより、図３（ｂ）のような応答を得る。ここから、この応答結果に基づいて最適となるｖ_ｓＬ〜ｖ_ｓＨを測定し（Ｓ３）、ｖ_ｓＬ〜ｖ_ｓＨを最適な範囲に再設定する（Ｓ４）。
【００７１】
次に、Ｍ系列信号で電流負荷を駆動し（Ｓ５）、過渡応答を含む図８のような波形を得る。図８におけるｖ_ＡＤＨおよびｖ_ＡＤＬは、最適に設定されたｖ_ｓＬおよびｖ_ｓＨの値である。この図８の波形より、起電力ｖ_ａｖ、および起電力時間変化率ｖ_ｄｔを算出する。すなわち、起電力ｖ_ａｖは、図８における端子電圧の平均値として算出される。起電力時間変化率ｖ_ｄｔは、図８における直達項の立ち上がり時の電圧を結ぶ直線の傾きとして算出される。
【００７２】
さらに、上記図８の波形より、求まった起電力成分（ｖ_ａｖ，ｖ_ｄｔ）を除去した電圧波形を得る。
【００７３】
すなわち、図９は、図８における電圧応答を拡大して起電力の時間変化を取り除いたものである。図中Ａの部分が直列抵抗Ｒ_ｓに起因する過渡応答を持たない電圧応答部分（直達項）である。図中Ｂの部分がＣｐ，Ｒｐ，Ｃｎ，Ｒｎの過渡応答に起因する電圧応答部分（ＣＲダイナミクス項）を表す。また、図９より、電圧パルスの立ち上がり時点における電圧（図９におけるＡ）をその時に入力電流ｉ_Ｌの値で割ることにより、Ｒ_ｓを算出できる。この時点でベクトルｃを得る（Ｓ６）。
【００７４】
こうして得た図９の波形からＲ_ｓに起因するＡの成分を除去するため、Ｒ_ｓ／ｉ_Ｌ相当の電圧を差し引きＢ部分のみを抽出する（Ｓ７）。抽出後の波形は、図１０に示すようなものとなる。すなわち、上記図１０に示す波形が、実際の応答電圧波形から起電力成分（ｖ_ａｖ，ｖ_ｄｔ）を除去した電圧波形となる。
【００７５】
システム同定により過渡応答のみの項の伝達関数を求め、各次数の係数を導出する（Ｓ８）。これにより、ベクトルａ、ｂが得られる（Ｓ９）。係数ベクトルから電池の状態診断を行う（Ｓ１０）。
【００７６】
例えば、図１２に示すように、Ｒｓと放電時間との間に相関関係が明らかに存在している場合、診断を行おうとする電池についてＲｓを測定すれば、その測定結果を図１２に当てはめることによって電池の放電時間（すなわち、残存容量）の診断を行うことが可能となる。これ以外にも、ＲｓおよびＣｐ，Ｃｎ，Ｒｐ，Ｒｎの比などから、電池の劣化診断が行えると予測される。
【００７７】
以上のように、本実施の形態に係る電池状態診断装置では、例えば、二次電池の診断では、いちいち充放電の時間をかけて検査する必要は無くなる。
【００７８】
また、劣化予測の例では、ＦＣ自動車の燃料電池も当然寿命がくる。定期点検ごとに、前期、出力測定をして、ａ_１ｔ０→ａ_１ｔｍ、…、ａ_ｎｔ０→ａ_ｎｔｍ、ｂ_１ｔ０→ｂ_１ｔｍ、…、ｂ_ｍｔ０→ｂ_ｍｔｍ、ｖ_ｒｓ０→ｖ_ｒｓｍ、ｖ_ｄｔ０→ｖ_ｄｔｍ、Ｒ_ｓ０→Ｒ_ｓｍ及び、全体の係数の変化傾向を見て、劣化状態を断定して、寿命後何年とか何万ｋｍとの推定ができる。
【００７９】
また、初期係数ベクトルａ_ｔ０、ｂ_ｔ０、ｃ_ｔ０は、車の車検データとして、出荷時に添付されて出荷されるものとすることができる。各車の燃料電池には、個別の管理番号を付けて、その履歴を管理・フォローすることも可能である。それは、ユーザヘのサービスの向上にもつながる。
【００８０】
以上のように、本実施の形態に係る電池状態診断装置では、閉回路１５において被測定電池１０と直列に接続される負荷部１２に負荷電流を用いている。このため、特許文献１に示すような負荷電圧を用いた構成における直流パスの問題を解決することができる。
【００８１】
すなわち、電池の内部インピーダンスを同定するには電池の端子電圧と電流とを測定する必要がある。この時、上記特許文献１のように、電圧負荷＋インピーダンス素子を電池の負荷として用いる方法では、負荷電圧をＶｘ、負荷インピーダンスをＺｘ、電池の内部起電力をＶｂ、内部インピーダンスをＺｂとすると回路の電流ｉは次式のようになる。
【００８２】
【数６】

【００８３】
したがって、電流を規定の値に調整するには内部起電力Ｖｂの変化に伴ってＶｘを細かく調整する必要があるといった直流パスの問題が生じる。これに対し、本実施の形態に係る電池状態診断装置のように、電流負荷を用いると負荷電圧や負荷インピーダンスが生じないため、上記直流パスの問題が発生せず、測定結果から容易に電池の内部インピーダンスを同定することができる。
【００８４】
また、上記電池状態診断装置においては、上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧における被測定電池の起電力成分をバイアスと捉えて除去し、上記起電力成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いる。
【００８５】
計測においては、計測器のフルスケールを有効利用することが計測精度の向上に繋がる。特に、デジタル計測においては分解能の問題があり、信号をＡ／Ｄ変換器の入力電圧に合わせて処理することがＳ／Ｎ比の向上に繋がる。電池電圧は、（直流起電力）＋（直流起電力に対して相対的に小さな電圧変動）という出力になるため、上記電圧変動を取り出して処理することで精度の高い計測が行える。この直流起電力は、電池の種類や状態によって異なるが、被測定電池の直流起電力（起電力成分）の概算値を計測し、それをバイアスとして捉え、変動する端子電圧から除去することにより、上記電圧変動分のみをシステム同定による診断に用いることができる。上記電圧変動は、自動利得増幅器等でＡ／Ｄ変換器の入力スケールに合わせて増幅されることにより、測定精度が向上する。
【００８６】
尚、本電池状態診断装置におけるシステム同定手法をＰＥＦＣ、ＤＭＦＣ等の燃料電池に応用する場合は、燃料電池を動作させない状態でシステム同定を行うことで電解質の劣化を診断することができる。すなわち、燃料電池においては、燃料を供給する状態と供給しない状態とでその挙動が異なる可能性があるが、燃料を供給しない状態でも起電力が生じないのみで電解質および電極のインピーダンスは測定可能であるため、上記と同様の手法で電池の劣化を測定することができる。尚、この場合は電流負荷と直列に１．２Ｖ程度の電圧源を付加して測定を行うとよい。
【００８７】
また、上記説明においては、被測定電池１０として二次電池（すなわち、起電力の発生する電池）の診断を行う場合を想定しており、この想定のもと負荷部１２として電流負荷を用いるものとしている。
【００８８】
しかしながら、本発明の電池状態診断において、燃料を供給しない燃料電池（すなわち、起電力の発生しない電池）について診断を行う場合には、負荷部１２として電圧源を用いることも可能である。この場合、被測定電池１０となる燃料電池自体に起電力が発生しないため、電圧源にて駆動しても二次電池の診断時のような直流パスの問題が発生しない。したがって、燃料を供給しない燃料電池については、より実現が容易な電圧源にて診断を行うことも可能である。但し、燃料を供給している燃料電池については、電池自体の起電力が発生するため、二次電池の診断と同様、負荷部１２に電流負荷を用いた電池状態診断装置を用いて診断を行うことが好ましい。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の電池状態診断装置は、以上のように、上記被測定電池に負荷を与える負荷手段として、電流負荷を用いる構成である。
【００９０】
それゆえ、被測定電池に負荷を与える負荷手段として電流負荷を用いることにより、測定される電流（を表す式）に負荷電圧や負荷インピーダンスが生じないため、上記直流パスの問題が発生せず、電流測定結果から容易に電池の内部インピーダンスを同定することができるといった効果を奏する。
【００９１】
また、上記電池状態診断装置においては、上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧における被測定電池の起電力成分をバイアスと捉えて除去し、上記起電力成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いる構成とすることができる。
【００９２】
それゆえ、被測定電池の直流起電力（起電力成分）の概算値を計測し、それをバイアスとして捉え、変動する端子電圧から除去することにより、上記電圧変動分のみをシステム同定による診断に用いることができる。上記電圧変動は、自動利得増幅器等でＡ／Ｄ変換器の入力スケールに合わせて増幅されることにより、測定精度が向上するといった効果を奏する。
【００９３】
また、上記電池状態診断装置においては、上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧を被測定電池の直列抵抗に起因する直達項とＣＲ（容量−抵抗）ダイナミクスを持つ項とに分離し、その直達項成分を上記端子電圧から除去し、直達項成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いる構成とすることができる。
【００９４】
それゆえ、直達項部分とＣＲダイナミクス部分とを分離し、直達項部分を除去したＣＲダイナミクス部分のみでシステム同定を行うことにより、同定精度の向上を図ることができるといった効果を奏する。
【００９５】
また、上記電池状態診断装置においては、上記直達項成分を上記端子電圧から除去するために、測定される上記端子電圧の電圧波形において、被測定電池の起電力成分を示す電圧パルスの立ち上がり時点における電圧値を算出し、上記端子電圧の電圧波形から算出された上記電圧値を差し引く演算を行う構成とすることができる。
【００９６】
それゆえ、同定する端子電圧の電圧波形から除去すべきバイアス（直達項成分）等を自動計算で分離する手法を提供することができる。
【００９７】
また、本発明の電池状態診断装置は、以上のように、上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、上記被測定電池に電流を与える手段として、電圧源を用いる構成である。
【００９８】
それゆえ、燃料を供給しない燃料電池について診断を行う場合には、電流供給手段として電圧源を用いても、被測定電池となる燃料電池自体に起電力が発生しないため、直流パスの問題が発生せず、燃料を供給しない燃料電池については、より実現が容易な電圧源にて診断を行うことができるといった効果を奏する。
【００９９】
また、本発明の電池状態診断装置は、以上のように、上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電流負荷と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、上記回路部に接続された被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えている構成である。
【０１００】
それゆえ、測定される電流（を表す式）に負荷電圧や負荷インピーダンスが生じないため、直流パスの問題が発生せず、診断手段においては電流測定結果から容易に電池の内部インピーダンスを同定することができるといった効果を奏する。
【０１０１】
また、本発明の電池状態診断装置は、以上のように、上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電圧源と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、上記回路部に接続され、被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えている構成である。
【０１０２】
それゆえ、被測定電池に電流を供給する手段として電圧源を用いても、被測定電池となる燃料電池自体に起電力が発生しないため、直流パスの問題が発生しない。したがって、燃料を供給しない燃料電池については、より実現が容易な電圧源にて診断を行うことができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、電池状態診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】上記電池状態診断装置のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は、上記電池状態診断装置によって診断される被測定電池の入出力応答を示す波形図である。
【図４】上記電池状態診断装置における電流負荷の構成を示す回路図である。
【図５】上記被測定電池の等価回路を示す回路図である。
【図６】上記電池状態診断装置における電圧レベルシフト手段の構成を示す回路図である。
【図７】上記電池状態診断装置における診断手順を示すフローチャートである。
【図８】Ｍ系列信号で電流負荷を駆動した場合の、上記被測定電池の過渡応答を含む出力波形図である。
【図９】上記図８の波形より、求まった起電力成分（ｖ_ａｖ，ｖ_ｄｔ）を除去した後の電圧波形図である。
【図１０】上記図９の波形より、Ｒ_ｓに起因するＡの成分を除去し、Ｂ部分のみを抽出した後の電圧波形図である。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、診断実施時の波形例を示す波形図である。
【図１２】診断結果例を示すグラフである。
【図１３】図１３（ａ），（ｂ）は、リチウムイオン電池の製造工程例を示す図である。
【符号の説明】
１０被測定電池
１１入力信号発生部
１２負荷部（負荷手段、負荷電流）
１３計測部（計測手段）
１４診断部（診断手段）
１５閉回路（回路部）

Claims

被測定電池に負荷を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、
上記被測定電池に負荷を与える負荷手段として、電流負荷を用いることを特徴とする電池状態診断装置。
上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧における被測定電池の起電力成分をバイアスと捉えて除去し、上記起電力成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴とする請求項１記載の電池状態診断装置。
上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧を被測定電池の直列抵抗に起因する直達項とＣＲダイナミクスを持つ項とに分離し、その直達項成分を上記端子電圧から除去し、直達項成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴とする請求項１記載の電池状態診断装置。
上記直達項成分を上記端子電圧から除去するために、測定される上記端子電圧の電圧波形において、被測定電池の起電力成分を示す電圧パルスの立ち上がり時点における電圧値を算出し、上記端子電圧の電圧波形から算出された上記電圧値を差し引く演算を行うことを特徴とする請求項３記載の電池状態診断装置。
被測定電池に電流を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、
上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、
上記被測定電池に電流を流す手段として、電圧源を用いることを特徴とする電池状態診断装置。
被測定電池に負荷を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、
上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電流負荷と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、
上記回路部に接続され、被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、
上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えていることを特徴とする電池状態診断装置。
被測定電池に電流を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断装置において、
上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、
上記被測定電池の診断時には、該被測定電池を電圧源と直列に接続して閉回路を構成する回路部と、
上記回路部に接続され、被測定電池の端子電圧および上記回路部を流れる電流を計測する計測手段と、
上記計測手段によって計測される結果から、被検査電池の状態をシステム同定手法を用いて診断する診断手段とを備えていることを特徴とする電池状態診断装置。
被測定電池に負荷を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断方法において、
上記被測定電池における入力および出力特性の測定時に、該被測定電池に電流負荷を直列に接続した状態で測定を行うことを特徴とする電池状態診断方法。
上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧における被測定電池の起電力成分をバイアスと捉えて除去し、上記起電力成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴とする請求項８記載の電池状態診断方法。
上記測定における出力は被測定電池の端子電圧であり、システム同定による診断時には、変動する端子電圧を被測定電池の直列抵抗に起因する直達項とＣＲダイナミクスを持つ項とに分離し、その直達項成分を上記端子電圧から除去し、直達項成分を除去した後の微小な電圧変動を増幅してシステム同定による診断に用いることを特徴とする請求項８記載の電池状態診断方法。
上記直達項成分を上記端子電圧から除去するために、測定される上記端子電圧の電圧波形において、被測定電池の起電力成分を示す電圧パルスの立ち上がり時点における電圧値を算出し、上記端子電圧の電圧波形から算出された上記電圧値を差し引く演算を行うことを特徴とする請求項１０記載の電池状態診断方法。
被測定電池に電流を与えてその入力および出力特性を測定し、その測定結果をシステム同定手法を用いて求められる数学式に当てはめて電池状態を診断する電池状態診断方法において、
上記被測定電池として燃料の供給されていない燃料電池を用いるものであり、
上記被測定電池における入力および出力特性の測定時に、該被測定電池に電圧源を直列に接続した状態で測定を行うことを特徴とする電池状態診断方法。