JP2010181365A

JP2010181365A - 電池特性表示装置

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Publication number: JP2010181365A
Application number: JP2009027184A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Fujita; 佳弘藤田; Masahiro Kazumi; 昌弘数見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】電池の等価回路モデル内に含まれる回路定数についても、充電状態ＳｏＣや温度Ｔの関数であることを可視化表示できる電池特性表示装置を提供すること。
【解決手段】電池の内部インピーダンスの測定結果に基づき等価回路の回路定数を同定し、等価回路の数式情報と前記同定データに基づき前記電池特性のシミュレーションを行いシミュレーション結果を表示するように構成された電池特性表示装置において、前記等価回路の数式情報として、物理モデル情報と統計モデル情報を入力することを特徴とするもの。
【選択図】図２

Description

本発明は電池特性表示装置に関し、詳しくは、二次電池をはじめ太陽電池などの各種電池の開発や研究調査などで行われる等価回路の構築や電池特性のシミュレーション表示などに用いられる電池特性表示装置の改善に関するものである。

図４は、一般的な電池の等価回路例図である。図４の例では、直流電源Ｖと抵抗Ｒ１が直列接続され、さらに抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２のＲＣ並列回路が直列接続された電気回路として表現されている。図４の等価回路例におけるＲＣ並列回路は１段のみであるが、複数段のＲＣ並列回路を接続するようにして表す場合もある。

ここで、抵抗Ｒ１は電解質に起因する損失を表すもので、溶液抵抗の抵抗値を表している。ＲＣ並列回路は電極に起因する損失を表すもので、抵抗Ｒ２は反応抵抗を表し、コンデンサＣ２は電極二重層の容量を表している。このような等価回路図は、たとえば特許文献１や非特許文献１にも記載されている。

図４の等価回路の任意の周波数における内部インピーダンスＺ（Ｚ＝Ｚ’−ｊ＊Ｚ”）はたとえば非特許文献１にも記載されているように交流法で測定することができ、以下の式に示すようにＲとＣの関数となる。なお、Ｚ’は実数部、Ｚ”は虚数部を表している。

内部インピーダンスＺを測定することにより、上式の関係と最適化手法に基づいて内部定数Ｒ，Ｃを求めることができる。これにより、電池の内部損失を内部インピーダンスＺに置き換えて評価でき、損失の要因がどこに存在するのかを定量的に把握して効率よく対策・改善が行える。すなわち、図４に示す等価回路表現は、電池の内部インピーダンスＺを数式によりモデル化して表現するのに適しているといえる。

図５は、従来の電池特性表示装置の一例を示すブロック図である。インピーダンス測定部１は、図４に示す電池の等価回路について、任意周波数における内部インピーダンスＺを測定し、測定結果をモデル同定部２に入力する。

モデル同定部２には、等価回路数式情報部３の電気回路表現部３１から、上記の任意周波数における内部インピーダンスＺを表現する数式情報も入力されている。モデル同定部２は、これら内部インピーダンスＺの測定結果および内部インピーダンスＺを表現する数式情報に基づき、等価回路の回路定数についてモデル同定を行い、回路定数の同定データをシミュレーション部４に入力する。

シミュレーション部４には、等価回路数式情報部３から数式情報も入力されている。シミュレーション部４は、得られた数式情報や回路定数を元に、電流−電圧特性やコール・コールプロットなどの電池特性についてのシミュレーションを行い、シミュレーション結果を図示しない表示部に表示する。

図６は、図５の装置の動作の流れを説明するフローチャートである。インピーダンス測定部１は、電池の等価回路の任意周波数における内部インピーダンスＺを測定して測定結果をモデル同定部２に入力する（ＳＰ１）。

等価回路数式情報部３は、内部インピーダンスＺを表現する数式情報を、モデル同定部２およびシミュレーション部４に入力する（ＳＰ２）。

モデル同定部２は、インピーダンス測定部１における内部インピーダンスＺの測定結果と等価回路数式情報部３の内部インピーダンスＺを表現する数式情報に基づき、等価回路の回路定数についてモデルを同定し、回路定数の同定データをシミュレーション部４に入力する（ＳＰ３）。

シミュレーション部４は、入力される数式情報や回路定数に基づき、電池特性のシミュレーションを行う（ＳＰ４）。

特開２００３−３１７８１０号公報特開２００４−１３８５８６号公報

横河電機株式会社、計測豆知識・技術レポート「燃料電池／二次電池の評価方法」、［online］、［平成２１年２月９日検索］、インターネット＜URL:http://www.yokogawa.co.jp/tm/TI/keimame/impedance.pdf＞

特許文献１には、電池の等価回路とコール・コールプロットの関係が記載されている。
特許文献２には、ハイブリッド自動車でもと要られる二次電池の等価回路が記載されている。

非特許文献１には、交流法による電池の内部インピーダンスの測定原理、電池の等価回路とコール・コールプロット図の関係などが記載されている。

ところで、電池の等価回路は、従来から一般的に図４のような電気回路モデルとして表現することが行われているが、これらのモデル内に含まれる回路定数Ｒ、Ｃなどは充電状態ＳｏＣ(State Of Charge)や温度Ｔによって変化することも知られている。

充電状態ＳｏＣや温度Ｔが変化した場合に、それらの変化が等価回路モデル内に含まれる回路定数Ｒ、Ｃに対してどのように影響するのかが可視化できると、実際の使用状態により近い状態での電池特性が明確になり、それらの影響を軽減したり改善するための対応策も検討しやすくなるが、これらの可視化は困難なものとして無視されてきた。

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、電池の等価回路モデル内に含まれる回路定数についても、充電状態ＳｏＣや温度Ｔの関数であることを可視化表示できる電池特性表示装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
電池の内部インピーダンスの測定結果に基づき等価回路の回路定数を同定し、等価回路の数式情報と前記同定データに基づき前記電池特性のシミュレーションを行いシミュレーション結果を表示するように構成された電池特性表示装置において、
前記等価回路の数式情報として、物理モデル情報と統計モデル情報を入力することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電池特性表示装置において、
前記物理モデル情報と統計モデル情報を同一画面に表示することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電池特性表示装置において、
前記物理モデル情報はコール・コールプロット図であることを特徴とする。

本発明によれば、電池の等価回路モデル内に含まれる回路定数についても、充電状態ＳｏＣや温度Ｔの関数であることを可視化表示できる。

本発明の概念説明図である。本発明に基づく電池特性表示装置の一実施例を示すブロック図である。図２の装置における表示例を示す説明図である。一般的な電池の等価回路例図である。従来の電池特性表示装置の一例を示すブロック図である。図５の装置の動作の流れを説明するフローチャートである。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の概念説明図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。

図１では、抵抗Ｒ１は充電状態ＳｏＣによって変化する関数と定義し、コンデンサＣ２は温度Ｔによって変化する関数と定義している。

図２は、本発明に基づく電池特性表示装置の一実施例を示すブロック図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図２と図５の相違点は、図２の等価回路数式情報部３には、電気回路表現部３１の他に、相関関係表現部３２を付加していることである。この相関関係表現部３２は、相関関係を統計モデルとして表現するための数式情報をモデル同定部２およびシミュレーション部４に入力する。

図２の等価回路数式情報部３において、電気回路表現部３１から、
Ｚ’＝ｇ₁（Ｒ，Ｃ）
Ｚ” ＝ｇ₂（Ｒ，Ｃ）
で表される数式情報をモデル同定部２およびシミュレーション部４に入力する。

そして、相関関係表現部３２から、
Ｒ＝ｆ_１（ａ，ｂ）
Ｃ＝ｆ_２（ｃ，ｄ）
で表されるパラメトリックな統計モデル式を同時にモデル同定部２およびシミュレーション部４に入力する。ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄは、等価回路数式情報部３に含まれるパラメータを示している。

モデル同定部２は、同定データとして内部定数Ｒ，Ｃに統計モデルのパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄも加えたものを算出し、シミュレーション部４に入力する。

これにより、シミュレーション部４は、従来の電気回路表現部３１だけでは表現できなかった部分、具体的には等価回路モデル内に含まれる回路定数Ｒ、Ｃが充電状態ＳｏＣや温度Ｔによって変化する部分を表現することができ、各種電池の研究開発に欠かすことのできない内部インピーダンスの把握に基づく電池の内部損失の解析を、実際の使用状態により近い状態で行うことができる。

図３はシミュレーション部４のシミュレーション結果に基づく表示例であり、等価回路モデル内に含まれる回路定数について充電状態ＳｏＣや温度Ｔの関数であることを可視化表示している。

（Ａ）は物理モデルを表すコール・コールプロット図であり、横軸に内部インピーダンスの実数部をとって縦軸に内部インピーダンスの虚数部をとり、測定周波数を変化させながらプロットしたものである。（Ｂ）は統計モデルを表す起電力特性例図であり、横軸に充電状態ＳｏＣをとり、縦軸に抵抗Ｒ１をとっている。これら物理モデルを表す（Ａ）のコール・コールプロット図と（Ｂ）の統計モデルは同一画面に表示される。

（Ｂ）の統計モデルにおいて、破線で示している応答曲面を横軸方向に沿って移動させて充電状態ＳｏＣを変化させることにより充電状態ＳｏＣの変化に応じた抵抗Ｒ１の変化を算出できる。そして、この抵抗Ｒ１の変化に起因して発生する内部インピーダンスの変化を（Ａ）の物理モデルの変化に基づいて把握できる。

（Ａ）の物理モデルにおいて、抵抗Ｒ１（溶液抵抗）が増加すると半円パターンは右方向にシフトし、電解質の性能が悪化していることを把握できる。抵抗Ｒ２（反応抵抗）が増加すると半円の直径が大きくなり、電極性能の劣化を把握できる。

なお、上記実施例では、計測可能な温度データＴや測定値から計算可能なデータＳｏＣと回路定数Ｒ，Ｃとの相関を統計モデル化することを示したが、電池のハード的な要因(膜厚など)から回路定数Ｒ，Ｃへの相関をモデルとして定義することもでき、その要因を変更した際の特性シミュレーションなど実施することもできる。

また、回路定数Ｒ，Ｃと要因の関連をモデル化して調査することは、その要因が定数に関連しているかどうかを把握する上でも有効である。

また、電池のハード的な要因が定数に及ぼすモデルの逆モデルを作成することが可能な統計モデルであれば、電池の回路定数の同定を行うことで、電池のハード的な要因の変化を知ることができ、電池内部の劣化診断に応用できるものである。

さらに、等価回路を考えてその対象物のシミュレーションや評価を行うことは、電池のみに限るものではなく、たとえばモータに関しても同様に使用できる可能性がある。

以上説明したように、本発明によれば、等価回路モデル内に含まれる回路定数についても、充電状態ＳｏＣや温度Ｔの関数であることを可視化表示できる電池特性表示装置が実現でき、電池の効率的な内部損失解析などに好適である。

１インピーダンス測定部
２モデル同定部
３等価回路数式情報部
３１電気回路表現部
３２相関関係表現部
４シミュレーション部

Claims

電池の内部インピーダンスの測定結果に基づき等価回路の回路定数を同定し、等価回路の数式情報と前記同定データに基づき前記電池特性のシミュレーションを行いシミュレーション結果を表示するように構成された電池特性表示装置において、
前記等価回路の数式情報として、物理モデル情報と統計モデル情報を入力することを特徴とする電池特性表示装置。
前記物理モデル情報と統計モデル情報を同一画面に表示することを特徴とする請求項１記載の電池特性表示装置。
前記物理モデル情報はコール・コールプロット図であることを特徴とする請求項１または２記載の電池特性表示装置。