JP2011085445A - 電池特性模擬装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確な等価回路が導出できる電池特性模擬装置を提供すること。
【解決手段】電池の負荷電流をパルス状に制御することにより得られる電圧波形に基づき前記電池のインピーダンスを求めるように構成された電池特性模擬装置において、
前記電池の開放電圧値の変化を求める手段と、この開放電圧値の変化を補正する手段を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池特性模擬装置に関し、詳しくは、非線形特性の高精度の模擬に関するものである。

電池の特性を測定する方法の一つとして、電池の電圧―電流特性に基づいてインピーダンスを測定することが行われている。具体的な手法には、以下の３種類がある。

１）電池１の電圧あるいは電流が小振幅の正弦波で変動するように負荷２を制御し、電圧―電流からインピーダンスを計算する方法であり、複数の周波数で測定を行い、等価回路を算出する。

２）１）と同様であるが、測定したい複数の周波数を持った信号を合成し、そこから得られた結果をフーリエ変換することで各周波数におけるインピーダンスを計算する。
３）電池１の負荷電流をパルス状に制御し、その結果により得られる電圧波形からインピーダンスを計算する。

１）および２）の手法では複数の周波数の正弦波を発生する必要があり、測定系が複雑になる。それに対して３）の手法ではパルス状に電流を制御するのみで結果が得られるため、測定系を簡易に構成できる。

図４は、従来から用いられている電池特性評価回路の一例を示すブロック図である。図４において、電池１と直列に負荷２と電流計３が接続され、電池１および負荷２と並列に電圧計４が接続されている。負荷２は、演算制御部５により制御される。電流計３および電圧計４の測定結果は演算制御部５に入力され、所定の演算処理が行われる。

このような構成において、演算制御部５は電池１の電流がパルス状になるように負荷２を制御しながら電流計３と電圧計４の測定結果を取り込んで電池１の電圧―電流特性を測定し、測定した電圧―電流特性から電池１のインピーダンスを算出する。

図５は、電池１の等価回路例図である。図５において、直流電源Ｅと抵抗Ｒ１が直列接続され、さらに抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２よりなる第１のＲＣ並列回路と抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３よりなる第２のＲＣ並列回路とが直列接続された電気回路として表現されている。なお、速い周波数まで測定する場合はインダクタ分も考慮する必要があるが図５では省略している。

図５の出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｃ＋Ｖｒ１＋Ｖｒ２＋Ｖｒ３
で表すことができる。ここで、Ｖｏｃは電池１の開放電圧、Ｖｒ１は抵抗Ｒ１の端子間電圧、Ｖｒ２は第１のＲＣ並列回路の端子間電圧、Ｖｒ３は第２のＲＣ並列回路の端子間電圧である。

そして、出力電流Ｉｏｕｔは、
Ｉｏｕｔ＝Ｖｒ１／Ｒ１
＝Ｖｒ２／Ｒ２＋ｄ（Ｃ２・Ｖｒ２）／ｄｔ
＝Ｖｒ３／Ｒ３＋ｄ（Ｃ３・Ｖｒ３）／ｄｔ
で表すことができる。

図６は、測定された電圧―電流特性例図である。演算制御部５は、この測定結果を図５の等価回路に同定させて、それぞれのＲＣ定数を算出する。

特許文献１には、１次電池や２次電池やコンデンサなどの蓄電装置の特性を示す非線形等価回路モデルを用いて蓄電装置の特性因子を実験的に数値化する方法および装置の構成が記載されている。

特開２０００−１５６２４８号公報

ところで、電池１の内部状態は充電量（満充電に対して残りの流せる電流量）に応じて変化し、電流を流すことでＶｏｃやＲ，Ｃは変化してしまう。計算を簡易的に行うためには、流す電流が電池の容量に対して少ないものとし、各定数は一定としたい。

しかし、電流を流すと図６に示すようにＶｏｃが変化することから、Ｖｏｃを一定と仮定してフィッティングを行うとＲＣの時定数が実際よりも長くなってしまう。図６の例では、電圧がＶ１からＶ３に少し低下しているため、電圧をＶ１のままで演算した時定数は実際よりも長いという結果になり、正確な等価回路が導出できないことになる。

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、より正確な等価回路が導出できる電池特性模擬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、
電池の負荷電流をパルス状に制御することにより得られる電圧波形に基づき前記電池のインピーダンスを求めるように構成された電池特性模擬装置において、
前記電池の開放電圧値の変化を求める手段と、この開放電圧値の変化を補正する手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電池特性模擬装置において、
前記電圧波形は、放電特性波形であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の電池特性模擬装置において、
前記電圧波形は、充電特性波形であることを特徴とする。

本発明の電池特性模擬装置によれば、効率よくより正確な等価回路が導出できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 開放電圧の変化例図である。 本発明により測定された電圧―電流特性例図である。 従来から用いられている電池特性評価回路の一例を示すブロック図である。 電池１の等価回路例図である。 測定された電圧―電流特性例図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明の全体構成は図４と共通しているので省略する。図１は本発明で用いる演算制御部５の内部の一実施例を示すブロック図、図２は開放電圧の変化例図、図３は本発明により測定された電圧―電流特性例図である。

図１において、電圧電流測定値格納部５１は、電流計３および電圧計４による測定値を時刻データとともに逐次格納する。

開放電圧値変化演算部５２は、電圧電流測定値格納部５１に格納されている電圧測定値に基づき、時刻ｔ１からｔ２の間にパルス状の電流Ｉｏｕｔが流れて電池１の充電量が変化したことに伴う図２に示すようなＶ１からＶ３への開放電圧Ｖｏｃの変化分（Ｖ１−Ｖ３）を演算する。ここでは、初期値をＶ１とし、電流Ｉｏｕｔが流れている間におけるＶｏｃの変化量は小さいため直線的に変化してパルス状の電流Ｉｏｕｔがなくなった後は最終電圧Ｖ３になるものとする。

開放電圧値変化補正部５３は、開放電圧値変化演算部５２で演算された開放電圧Ｖｏｃの変化分（Ｖ１−Ｖ３）に基づき開放電圧Ｖｏｃを初期値Ｖ１に固定化するための補正値（Ｖ１−Ｖ３）を生成し、電圧−電流特性処理部５４に入力する。

電圧−電流特性処理部５４は、電圧電流測定値格納部５１に格納されている電流計３および電圧計４による測定値と、開放電圧値変化補正部５３から入力される開放電圧Ｖｏｃを初期値Ｖ１に固定化するための補正値（Ｖ１−Ｖ３）に基づき、図３に示すように時刻ｔ１からｔ２の間にパルス状の電流Ｉｏｕｔが流れたにもかかわらず開放電圧Ｖｏｃが初期値Ｖ１に固定化された電圧−電流特性図を生成する。

等価回路同定処理部５５は、電圧−電流特性処理部５４で生成された開放電圧Ｖｏｃが初期値Ｖ１に固定化された電圧−電流特性に基づいて図５に示した等価回路を同定し、Ｒ１〜Ｒ３とＣ２，Ｃ３のそれぞれの値を算出する。

このように構成された演算制御部を用いることにより、開放電圧Ｖｏｃの変化分を補正できることから電流Ｉｏｕｔを流した後の電圧Ｖ３を電流Ｉｏｕｔを流す前の電圧Ｖ１と同じにすることができ、等価回路におけるＲＣ時定数の誤差を小さくできる。

そして、開放電圧Ｖｏｃの変化を出力電圧Ｖｏｕｔから求めることができるため、あらかじめ電池の充電量とＶｏｃの関係を取得する必要はなく、効率よく高精度に電池特性を模擬することができる。

なお、場合によっては、あらかじめ測定しておいた出力電圧Ｖｏｕｔと開放電圧Ｖｏｃとの関係から、開放電圧Ｖｏｃの変化を求めるようにしてもよい。具体的には、電圧電流測定値格納部５１に測定結果を格納しておき、開放電圧値変化演算部５２により出力電圧ＶｏｕｔがＶ１からＶ２に変化する部分を取り出して電流が流れていた時間ｔ１−ｔ２に変換し、前述のような図２を作成すればよい。

また、上記実施例では、電池の放電特性を測定する例について説明したが、充電特性についても同様に測定することができる。充電特性の場合には、開放電圧Ｖｏｃは増える方向になるので、補正するためにはＶｏｃの変化分を差し引けばよい。

以上説明したように、本発明によれば、効率よくより正確な等価回路が導出できる電池特性模擬装置が実現でき、各種電池の開発や解析などに好適である。

１ 電池
２ 負荷
３ 電流計
４ 電圧計
５ 演算制御部
５１ 電圧電流測定値格納部
５２ 開放電圧値変化演算部
５３ 開放電圧値変化補正部
５４ 電圧−電流特性処理部
５５ 等価回路同定処理部

Claims (3)

1. 電池の負荷電流をパルス状に制御することにより得られる電圧波形に基づき前記電池のインピーダンスを求めるように構成された電池特性模擬装置において、
   前記電池の開放電圧値の変化を求める手段と、この開放電圧値の変化を補正する手段を設けたことを特徴とする電池特性模擬装置。
2. 前記電圧波形は、放電特性波形であることを特徴とする請求項１記載の電池特性模擬装置。
3. 前記電圧波形は、充電特性波形であることを特徴とする請求項１記載の電池特性模擬装置。

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