JP2010067502A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの劣化診断を簡易に且つ精度良く行なう。
【解決手段】複数個の積層されたセル２を有するバッテリにバッテリ温度調整手段４を装着し、該温度調整手段４によってバッテリを所定範囲の温度に調整した状態で、所定周波数の交流電流により内部インピーダンスを求め、内部インピーダンス劣化判定マップによって、バッテリの劣化状態を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

蓄電装置（二次電池）は、様々な用途に利用され、例えば、自動車においては、その電装品や車両を駆動するエネルギ源、或いはエンジン点火装置用のエネルギ源として、重要な部品となっている。従って、その劣化や故障を生ずると、自動車に与えるダメージが大きくなる。そのため、蓄電装置にあっては、その劣化度を診断することが要望されるが、バッテリの種類（例えば鉛電池、Ｎｉ−Ｈ電池、Ｌｉイオン電池等）に応じてその構成材料が異なるので、その充放電回数や雰囲気温度、或いは不使用期間、放電の深さ等による劣化の進行度合いが違ってくる。

上記蓄電装置の劣化診断に関し、特許文献１には、バッテリに交流電流を印加し、得られた複素インピーダンスに基づき等価回路を生成し内部抵抗を算出する交流インピーダス法を応用することが記載されている。

具体的には、発電機からバッテリへの充電又はバッテリの放電の動作周期を可変制御する充放電制御手段と、バッテリの電圧及び電流に基づきバッテリの内部インピーダンスを上記動作周期の周波数毎に算出するインピーダンス算出手段とを備え、インピーダンス算出手段により算出された内部インピーダンスの値に基づき、予め定められたバッテリの劣化を検出する劣化検出マップを参照して、バッテリの劣化状態を判定するというものである。

充放電制御手段が制御する周波数範囲はバッテリの電解液の分子状態を検出可能な範囲であればよく、例えば０．１〜１００Ｈｚ程度であり、その周波数範囲をリニアーに等間隔、指数的に等間隔、または、低周波領域は測定に時間がかかるので低周波数では測定点を疎として高周波数で密とするなどのように、周波数を変えてＤｕｔｙ電圧を印加する、とされている。上記劣化検出マップは、内部インピーダンスＺの実数成分を横軸に、虚数成分を縦軸にしたものであり、種々の劣化モードで劣化状態にしたバッテリに対して、周波数を変えてＤｕｔｙ電圧を印加し、劣化によって内部インピーダンスの値が示す傾向を記憶したものである。

劣化診断にあたっては、バッテリに種々の周波数でＤｕｔｙ電圧を印加し、各周波数での内部インピーダンスの値に基づき、上記劣化検出マップを参照し、劣化度を診断することになる。この場合、特許文献２にも記載されているように、各周波数での内部インピーダンスＺはバッテリの温度に応じて異なる値を示すことから、例えば５度毎に劣化検出マップを準備することになる。
特開２００７−８５７７２号公報 特開２００７−１０８０６３号公報

上述の劣化診断法では、内部インピーダンス算出時のバッテリ温度如何が診断結果に大きく影響を与えるという問題がある。すなわち、図９に示すように、内部インピーダンスの値は上記周波数が低くなるほどバッテリ温度の影響を受け易くなる。このため、例えば、高周波数での内部インピーダンスによれば、劣化していないが、低周波数での内部インピーダンスによれば、劣化していると判定されるケースが出てくる。その場合、その低周波数で判定される劣化が電解液の経年変化によるものであるとしても、それがどの程度の劣化に相当するかを正確に判定することは、バッテリ温度の影響があることから難しい。確かに、温度５度刻みで劣化検出マップを準備すれば、劣化診断の精度は高まるものの、バッテリ温度は、その使用状態に応じて例えば１０℃〜５０℃と広い温度範囲で変化することから、多数の劣化検出マップを準備する必要があり、そのためには、膨大なデータ収集が必要になる。

また、種々の周波数で内部インピーダンスを算出することは、電解液における抵抗増大、電極・電解液界面の抵抗増大など、種々の要因による蓄電装置の劣化を診断することができる利点があるものの、蓄電装置の例えば寿命を判定するには、その種々の要因に係る劣化度が寿命に与える影響を総合的に判断する必要があり、種々の周波数で内部インピーダンスを算出する必要があること、そして、上述の如く多数の劣化検出マップを要することもあって、かなり、複雑な劣化診断システムになる。

そこで、本発明は、バッテリの劣化診断を簡易に且つ精度良く行なうことができる蓄電装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するために、バッテリに温度調整手段を装着し、劣化診断にあたって、バッテリ温度を所定範囲内の温度に調整した状態で、所定周波数での内部インピーダンスを算出できるようにした。

請求項１に係る発明は、複数個の積層されたセルを有するバッテリと、
上記バッテリに装着された、該バッテリの温度を調整する温度調整手段と、
上記バッテリを上記温度調整手段によって所定範囲内の温度に調整した状態で、該バッテリが所定周波数の交流電流で充電又は放電されたときの該バッテリの内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
上記インピーダンス算出手段によって算出された内部インピーダンスに基いて上記バッテリの劣化状態を判定する劣化判定手段とを備えていることを特徴とする蓄電装置である。

従って、本発明によれば、バッテリに温度調整手段が装着されているから、バッテリの温度を直接コントロールして、所定範囲内の温度に精度良く調整することができる。そして、バッテリを所定範囲内の温度に調整した状態で内部インピーダンスを求めるから、内部インピーダンスの値がバッテリ温度如何に影響されることが少なくなる。このことは、蓄電装置の広い使用温度範囲を考慮して、劣化判定用の内部インピーダンス参照値を所定温度刻みで多数の準備する必要がないこと、つまり、バッテリ温度に応じた多数の劣化判定用参照値を準備することなく、精度の高い劣化診断を行なうことができることを意味する。しかも、所定周波数での内部インピーダンスに基いて劣化状態を判定するから、すなわち、周波数を変えて内部インピーダンスの算出を繰り返す必要がないから、その判定が簡易になる。

好ましいのは、上記バッテリを常温から４０℃の範囲内の温度に調整すること、特に３０℃以上４０℃以下の範囲内の温度に調整することである。バッテリ温度は一定値に調整するようにしてもよいが、バッテリのエネルギー効率等を考慮して、調整温度を適宜変更するようにしてもよい。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記インピーダンス算出手段は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲内の所定周波数の交流電流を用いて上記内部インピーダンスを算出し、
上記劣化判定手段は、上記内部インピーダンスと、該内部インピーダンスが算出された時のバッテリ電圧及びバッテリ温度とに基いて、予めバッテリ温度及びバッテリ電圧に対応させて設定した内部インピーダンスのマップを参照して、上記劣化状態の判定を行なうことを特徴とする。

すなわち、先に述べたように、内部インピーダンスの値は算出に使用する交流電流の周波数が低くなるほどバッテリ温度の影響を受け易くなり、特に１０Ｈｚ未満の周波数になると、その影響が大となる。そこで、本発明では、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲内において、バッテリの種類に応じた所定周波数の交流電流を用いることにより、温度影響をできるだけ少なくして、劣化診断の精度を高めるようにしている。好ましいのは、１０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲内の周波数を用いること、特に１００Ｈｚ前後（９０Ｈｚ以上１１０Ｈｚ以下）の周波数を用いることである。

また、上記内部インピーダンスの値は、バッテリ温度の影響を受けるだけでなく、バッテリ電圧（ＳＯＣ）に応じて変化する。そこで、本発明では、上述の温度調整手段によって調整するバッテリ温度とバッテリ電圧とに対応させて予め設定した内部インピーダンスのマップを使用して、上記劣化状態の判定行なうようにし、劣化診断の精度を高めるようにした。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２において、
上記温度調整手段は、熱電変換素子回路が基板にプリントされてなることを特徴とする。

従って、ペルチェ効果により、バッテリを直接加熱・冷却することができ、バッテリ温度の調整精度が高まる。また、基板に熱電変換素子回路をプリントすることにより、温度調整手段を薄型化することができ、バッテリの大型化が避けられる。この場合、バッテリに温度センサを装着し、該温度センサの検出値が所定範囲になるように熱電変換素子回路への通電を制御するようにしても、或いはバッテリの抵抗値（内部インピーダンス）が所定範囲の値になるように熱電変換素子回路への通電を制御することにより、バッテリ温度を調整してもよい。後者の場合、バッテリに温度センサを設ける必要がない。

請求項４に係る発明は、請求項３において、
上記熱電変換素子回路が基板にプリントされてなるプリント基板は、間隙を有して二重になるようにコ字状に折り返されて、上記積層されたセル間に配置されていることを特徴とする。

従って、温度調整手段を挟んで相対する２つのセルを加熱・冷却することができ、しかも、コ字状に折り返すことによって生じた間隙からの吸熱・放熱が図れ、バッテリ温度を効率良く調整する上で有利になる。

以上のように、本発明によれば、複数個の積層されたセルを有するバッテリにバッテリ温度を調整する温度調整手段が装着され、該温度調整手段によってバッテリを所定範囲の温度に調整した状態で、所定周波数の交流電流により内部インピーダンスを求めて、バッテリの劣化状態を判定するようにしたから、バッテリの劣化診断を簡易に且つ精度良く行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜蓄電装置のバッテリについて＞
−実施例１−
図１は自動車用バッテリを構成する１つのモジュール１を示す。この自動車用のバッテリは、複数のモジュール１を直列に繋いで構成されている。モジュール１は、積層されて直列に繋がれた複数の角型板状セル２を備え、積層方向の両端には外装板３が設けられている。両端の外装板３，３が互いに連結してセル２の積層状態を保持するようになっている。両端のセル２の各々と外装板３との間には、バッテリ温度を調整する温度調整手段４が配置されている。このバッテリ温度調整手段４は、セル２にプリントされた熱電変換素子回路によって構成されている。

すなわち、図２に示すように、バッテリ温度調整手段４は、同一平面上で、間隔をあけて交互に並ぶように配列された多数のＰ型及びＮ型の半導体５，６を備えてなる。図２の例では、Ｐ型半導体５とＮ型半導体６とが、幾重にも折り返してジグザグに並ぶように配置されている。隣り合うＰ型及びＮ型の半導体５，６の、互いの片側の面同士又はその反対側の面同士が電極７によって接続されて、上記多数のＰ型及びＮ型の半導体５，６が直列に繋がった熱電変換素子回路が形成されている。温度調整手段４の片側の面及びその反対側の面には絶縁皮膜８が設けられており、この絶縁被膜によって、セル２及び外装板６の各々と電極７とが絶縁されている。なお、図２において、符号９は各セル２に設けられた正負の電極タブである。

この場合、熱電変換素子回路に一方向の電流を流すと、セル２から外装板３に熱が移動してバッテリが冷却され、反対方向に電流を流すと、外装板３からセル２に熱が移動してバッテリが加熱される。従って、熱電変換素子回路の通電制御により、バッテリ温度を精度良く調整することができる。

Ｐ型及びＮ型の半導体５，６は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＣｏＳｂ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、Ｂａ_８Ｇａ_１６Ｓｎ_３０、ＳｍＳ_３、ＧｅＴｅ等の公知材料を利用して形成することができる。熱電変換素子回路の形成には、スパッタリング法、蒸着法（ＰＶＤ法，ＣＶＤ法）、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法、溶射法、スクリーン印刷法、転写法等を採用することができる。絶縁被膜８としては、アルミナ、合成樹脂等を採用することができる。以上の点は、実施例２，３も同じである。

−実施例２−
図３は、交互に並ぶ多数のＰ型及びＮ型の半導体５，６及び多数の接続電極７よりなるバッテリ温度調整手段（熱電変換素子回路）４と、バッテリ温度を検出する熱電対による温度センサ１１とをセル２にプリントした例を示す。温度センサ１１を構成する２本の金属線の測温接点１１ａがセル２の中央付近に配置され、両金属線が熱電変換素子回路に干渉しないように、セル２の周辺部に延設されている。本例のバッテリ温度調整手段４及び温度センサ１１もセル２と外装板３との間に配置することができる。

−実施例３−
図４及び図５はバッテリ温度調整手段４の別の例を示す。図４に示すように、この温度調整手段４は、基板１２，１３に熱電変換素子回路がプリントされたプリント基板を備えてなる。すなわち、熱電変換素子回路は、実施例１，２と同じく、交互に並ぶ多数のＰ型及びＮ型の半導体５，６及び多数の接続電極７よりなり、第１基板１２上に絶縁被膜８を介して形成されている。そして、この第１基板１２上にプリントされた熱電変換素子回路の上に絶縁被膜８を介して第２基板１３が重ねられて、温度調整手段４が形成されている。そうして、この温度調整手段４は、間隙１４を有して二重になるようにコ字状に折り返され、図５に示すように、モジュール１の積層されたセル２の各セル間に配置されている。基板１２，１３には熱伝導性が良い放熱板を利用することが好ましい。合成樹脂によって基板１２，１３を形成するようにしてもよい。なお、図５においては外装板の図示を省略している。

従って、温度調整手段４を挟んで相対する２つのセル２を加熱・冷却することができ、しかも、間隙１４からの吸熱・放熱が図れ、バッテリ温度を効率良く調整することができる。

＜バッテリの温度制御・劣化診断＞
図６に示すように、蓄電装置２０は、上述の複数のモジュール１を接続してなるバッテリ２１と、このバッテリ２１に装着された上記温度調整手段４と、バッテリ２１及び温度調整手段４に接続されたバッテリＥＣＵ（電子制御ユニット）２２とを備えて構成され、バッテリ２１が電気負荷２３に接続されている。バッテリＥＣＵ２２は、発電機（発電電力）やモータ（回生電力）からバッテリ２１への充電、並びにバッテリ２１から電気負荷２３への放電を制御する充放電制御手段、上記温度調整手段４によるバッテリ温度制御手段、バッテリ劣化状態判定のためのインピーダンス算出手段、インピーダンス算出結果に基いて行なうバッテリ劣化判定手段、並びにバッテリ劣化状態に応じて行なう警告・延命手段として機能する。

バッテリ温度制御手段は、温度調整手段４を構成する熱電変換素子回路への通電制御により、バッテリ温度を所定範囲の温度に制御する。バッテリ温度は、上記実施例２のように温度センサ１１を備えているケースでは、該温度センサ１１により検出する。上記実施例１のように温度センサを備えていないケースでは、予めバッテリ２１の温度と抵抗値（内部インピーダンス）との関係を求めて作成したマップ（図９参照）によりバッテリ温度を検出することができる。すなわち、バッテリ２１に所定周波数の交流電流を印加したときのバッテリ２１の内部インピーダンスに基いて、上記マップを参照してバッテリ温度を検出する。

そうして、バッテリ２１の劣化状態を判定する場合は、バッテリ温度が常温以上４０℃以下（特に３０℃以上４０℃以下）の範囲内の温度となるように、熱電変換素子回路への通電を制御する。上記内部インピーダンスに基いてバッテリ温度を検出するケースでは、上記インピーダンス算出手段により得られる内部インピーダンスの実数部が上記所定範囲の温度に対応する値になるように、熱電変換素子回路への通電を制御することになる。

上記バッテリ温度制御手段は、バッテリ２１の劣化判定時のバッテリ温度制御に利用する他、バッテリ２１の充放電効率の適正化やバッテリ２１の延命のためのバッテリ温度制御に利用することができる。また、温度調整手段４の熱電変換素子回路は、バッテリ２１の劣化判定を行わないときは、バッテリ２１と外部との温度差を利用して熱を電力に変換する手段として利用することができる。

上記インピーダンス算出手段は、バッテリ劣化状態の判定のために、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲内（好ましくは１０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲内）の所定周波数（例えば１００Ｈｚ）の交流電流を用い、該交流電流で充電又は放電がなされたときの電流測定値及び電圧測定値に基いて、バッテリ２１の内部インピーダンスＺを算出する。この内部インピーダンスＺは複素数となるので（Ｚ＝Ｚ'(実部)＋Ｚ"(虚部)）、バッテリ２１の劣化状態の判定には、Ｚ又はＺ'を用いる。

上記バッテリ劣化判定手段は、上記インピーダンス算出手段により得られた内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）と、上記内部インピーダンス算出のための充電又は放電を行なったときのバッテリ電圧及びバッテリ温度とに基いて、劣化判定マップを参照して、バッテリ２１の劣化判定を行なう。

劣化判定マップは、図７にその一例を概略的に示すように、予めバッテリ温度及びバッテリ電圧に対応させて、内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）の標準値（図７の実線Ｔ１，Ｔ２）及び劣化判定閾値（図７の破線Ｔ１，Ｔ２）を設定したものである。標準値Ｔ１及びＴ２は、バッテリ１が新品であるときに、バッテリ温度をＴ１及びＴ２にそれぞれ調整して算出した内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）であり、Ｔ１閾値及びＴ２閾値は、バッテリ温度Ｔ１及びＴ２の各々において、バッテリ２１にその交換が必要な程度の劣化を生じたとき（例えばバッテリ容量が２０％劣化したとき）の内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）である。劣化判定閾値は、例えば、バッテリ容量が１０％劣化したときと、２０％劣化したときとの２段階にすることができ、或いは２段階以上の複数段階に設定することができる。

バッテリ劣化判定手段は、算出した内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）がＴ１閾値又はＴ２閾値以上であるときに、バッテリ２１を交換すべきと判定する。劣化判定閾値を２段階に設定したときは、第１段劣化（バッテリ容量１０％劣化）時に、バッテリ使用条件変更要の判定を行ない、第２段劣化（バッテリ容量２０％劣化）時に、バッテリ交換要の判定をする。

バッテリ劣化状態に応じた警告・延命手段は、上記劣化判定手段により、バッテリ交換要の判定がなされたときは、自動車のインストルメントパネルにおけるランプ点灯等により、バッテリ交換要の警告を出す。また、バッテリ使用条件変更要の判定がなされたときは、バッテリ２１の使用温度を所定値以下に制限し、バッテリ温度が所定値を越えるときは、上記温度調整手段４によりバッテリ２１を冷却することにより、バッテリ２１の延命を図る。

図８は上記バッテリ２１の劣化診断のフローを示す。劣化診断開始後のステップＳ１において、温度センサ１１により、或いはバッテリ２１の内部インピーダンスに基いて、バッテリ温度を検出する。続くステップＳ２において、バッテリ温度が所定範囲内の温度か否かを判定し、所定範囲内の温度でなければ、ステップＳ３に進んで温度調整手段４による温度制御を実行する。すなわち、熱電変換素子回路への通電制御によりバッテリ２１を加熱又は冷却して所定範囲内のバッテリ温度にする。バッテリ温度が所定範囲内の温度であるときは、ステップＳ４に進んで、そのときのバッテリ電圧（ＳＯＣ）をバッテリＥＣＵ２２内に入力する。

続くステップＳ５において、所定周波数の交流電流を用いて充電又は放電されたときの、電流測定値及び電圧測定値に基いて、バッテリ２１の内部インピーダンスを算出する。続くステップＳ６において、内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）とバッテリ電圧（ＳＯＣ）及びバッテリ温度とに基いて、劣化判定マップ（図７）を参照して、バッテリ２１の劣化判定を行なう。内部インピーダンス（Ｚ又はＺ'）が劣化判定閾値以上の値になっているときは、ステップＳ７に進んで、バッテリ交換要の警告をし、或いはバッテリ延命のために、バッテリ使用条件の変更設定を行なう。

従って、上記実施形態に係る蓄電装置によれば、バッテリ２１に温度調整手段４が装着されているから、バッテリ２１の温度を直接コントロールして、精度良く調整することができる。そして、バッテリ２１を所定範囲の温度に調整した状態で内部インピーダンスを求めるから、内部インピーダンスの値がバッテリ温度如何に影響されることが少なくなる。このため、バッテリ温度に応じて異なる多数の劣化判定マップを準備することなく、精度の高い劣化診断を行なうことができる。

しかも、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲内の所定周波数の交流電流によって内部インピーダンスを算出するから、内部インピーダンス算出値がバッテリ温度の影響を受け難くなって、劣化診断精度が高くなるとともに、種々の周波数で内部インピーダンスの算出を繰り返す必要がないから、バッテリ２１の劣化診断が簡易になる。

なお、バッテリ温度の調整は、上記温度調整手段４のみで行なうのではなく、電動ファンを併用して行なってもよい。

実施例１に係るバッテリのモジュールを示す断面図である。 同例のセルにプリントされた熱電変換素子回路を示す平面図である。 実施例２に係るセルにプリントされた熱電変換素子回路及び温度センサを示す平面図である。 実施例３に係る温度調整手段の断面図である。 同例の温度調整手段を装置したモジュールの断面図である。 本発明に係る蓄電装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係るバッテリ劣化判定マップの一例を示すグラフ図である。 本発明に係るバッテリの劣化診断のフロー図である。 バッテリの内部インピーダンスと温度との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ バッテリモジュール
２ セル
３ 外装板
４ 温度調整手段
５ Ｐ型半導体
６ Ｎ型半導体
７ 電極
８ 絶縁皮膜
９ 電極タブ
１１ 温度センサ
１２，１３ 基板
１４ 間隙
２０ 蓄電装置
２１ バッテリ
２２ バッテリＥＣＵ
２３ 電気負荷

Claims (4)

1. 複数個の積層されたセルを有するバッテリと、
   上記バッテリに装着された、該バッテリの温度を調整する温度調整手段と、
   上記バッテリを上記温度調整手段によって所定範囲内の温度に調整した状態で、該バッテリが所定周波数の交流電流で充電又は放電されたときの該バッテリの内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
   上記インピーダンス算出手段によって算出された内部インピーダンスに基いて上記バッテリの劣化状態を判定する劣化判定手段とを備えていることを特徴とする蓄電装置。
2. 請求項１において、
   上記インピーダンス算出手段は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲内の所定周波数の交流電流を用いて上記内部インピーダンスを算出し、
   上記劣化判定手段は、上記内部インピーダンスと、該内部インピーダンスが算出された時のバッテリ電圧及びバッテリ温度とに基いて、予めバッテリ温度及びバッテリ電圧に対応させて設定した内部インピーダンスのマップを参照して、上記劣化状態の判定を行なうことを特徴とする蓄電装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   上記温度調整手段は、熱電変換素子回路が基板にプリントされてなることを特徴とする蓄電装置。
4. 請求項３において、
   上記熱電変換素子回路が基板にプリントされてなるプリント基板は、間隙を有して二重になるようにコ字状に折り返されて、上記積層されたセル間に配置されていることを特徴とする蓄電装置。

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