JP2011232075A - 電池特性評価装置および電池特性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路モデルを構成する単位回路に対して周波数範囲を割り当ててフィッティングを行うことで、回路モデルから得られるナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形とたまたま合致してしまうことを防止する。
【解決手段】インピーダンス測定手段と、インピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成するプロット手段と、ナイキストプロットに基づいて、電池の回路モデルを作成する回路モデル作成手段と、複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当てる周波数割り当て手段と、割り当てられた周波数範囲に基づいて、単位回路を構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティング手段と、フィッティングにより求めた単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、回路モデルのナイキストプロットを作成し、プロット手段で作成したナイキストプロットとを比較して、回路モデルの妥当性を判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の電気的特性を評価する電池特性評価装置および電池特性評価方法に関する。

従来の電池特性評価装置の構成を、図面を用いて説明する。図５は従来の電池特性評価装置の例を示した構成図である。

図５において、電池特性評価装置１００は、電池１の正極１１と負極１２と接続され、電子負荷／直流電源手段２と、制御手段３と、インピーダンス測定手段４と、データ取得手段５と、演算部６とを有している。
電子負荷／直流電源手段２は、電池１の正極１１と負極１２に接続され、直流成分に交流成分が重畳する電流を電池１に負荷する。
インピーダンス測定手段４は、電池１の正極１１と負極１２に接続され、正極１１と負極１２間の電圧を測定する。また、インピーダンス測定手段４は、電子負荷／直流電源手段２と負極１２間に接続され、正極１１と負極１２間に流れる電流を測定する。インピーダンス測定手段４は、測定した電流と電圧によって電池１のインピーダンスを算出する。
制御手段３は、電子負荷／直流電源手段２およびインピーダンス測定手段４と接続され、それぞれを制御する。
データ取得手段５は、インピーダンス測定手段４と接続され、インピーダンス測定手段４のインピーダンス測定結果を取得して格納する。

演算部６は、プロット手段６１と、回路モデル作成手段６２と、フィッティング手段６３とを備え、データ取得手段５と接続されている。
プロット手段６１は、データ取得手段５のインピーダンス測定結果に基づいて、ナイキストプロットを作成する。ナイキストプロットとは、周波数を変えて電池１の電極間のインピーダンスを測定し、実数成分と虚数成分を複素平面にプロットしたグラフで、コールコールプロットも呼ばれ、電極界面の反応を表現できることが知られている。
回路モデル作成手段６２は、電池１の種類に応じて回路モデルを作成する。回路モデルは、コンデンサ、抵抗等から構成される単位回路が、複数個直列に接続された構成をとる。
フィッティング手段６３は、プロット手段６１と回路モデル作成手段６２とに接続され、回路モデルを構成するコンデンサや抵抗等の素子の電気的特性（パラメータ）を、ナイキストプロットのグラフの形に基づいて特定（フィッティング）する。

このような従来の電池特性評価装置１００の動作例を図面を用いて詳細に説明する。
制御手段３は、電池１に負荷する交流成分の周波数が、定められた範囲（例えば１０ｍＨｚ〜１０ｋＨｚ）となるように電子負荷／直流電源手段２を制御し、また、この周波数範囲で電池１の正極１１と負極１２間の電流と電圧を測定するようインピーダンス測定手段４を制御する。
インピーダンス測定手段４は、測定した正極１１と負極１２間の電圧値と電流値から、電池１のインピーダンスを算出して出力する。
データ取得手段５は、インピーダンス測定手段４が出力するインピーダンス測定結果を取得して格納する。

プロット手段６１は、インピーダンスの実数成分を横軸に虚数成分を縦軸にプロットしたナイキストプロットを作成する。
図６（ａ）は、プロット手段６１が作成するナイキストプロットの例である。

回路モデル作成手段６２は、電池１の種類に応じて回路モデルを作成する。
回路モデルを構成する単位回路は、
（１）直列に接続された抵抗とワールブルグインピーダンス（拡散インピーダンス）と、コンデンサと、が並列に接続される回路、
（２）抵抗とコンデンサとが並列に接続される回路、
（３）抵抗のみにより構成される回路、
のいずれかが考えられる。

ここでは、例として、図６（ｂ）のような回路モデルが作成される場合を示す。

フィッティング手段６３は、この回路モデルの、抵抗、ワールブルグインピーダンス、コンデンサ等の素子の、それぞれ抵抗値、拡散インピーダンス値、静電容量等のパラメータを求めるフィッティング処理を行う。
フィッティング処理では、回路モデルから求められるナイキストプロットの形が、プロット手段が作成した、実測されたナイキストプロットの形に近づくように、抵抗、ワールブルグインピーダンス、コンデンサ等のパラメータを調整し、回路モデルのパラメータを決定する。

特許文献１には、電池のインピーダンスを測定して、回路モデルを作成し、回路モデルを構成する素子の抵抗値、拡散抵抗値、静電容量等の電気的特性（パラメータ）を求めるフィッティングを行う装置の構成が記載されている。

特開２００７−０６６５８９号公報

しかしながらこのような従来の電池特性評価装置におけるフィッティングは、単に回路モデルから得られるナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形に近づくように、回路モデルの各素子のパラメータを調整する処理であり、その際に各単位回路が担当する周波数範囲は考慮されない。
そのため、実際の電池内部の現象からは乖離したパラメータを有する回路モデルのナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形とたまたま合致し、それらのパラメータが正しいと判断されてしまうこともあり、この場合実際の電池内部の現象を反映していないパラメータを有する回路モデルが作成されてしまうことがあるという課題があった。

そこで本発明の目的は、回路モデルを構成する単位回路に対して周波数範囲を割り当ててフィッティングを行うことで、実際の電池内部の現象からは乖離したパラメータを有する回路モデルのナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形とたまたま合致してしまうことを防止し、実際の電池内部の現象を反映したパラメータを有する回路モデルを得ることのできる電池特性評価装置および電池特性評価方法を実現することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定対象電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成するプロット手段と、
前記ナイキストプロットに基づいて、複数の単位回路が直列に接続された、前記電池の回路モデルを作成する回路モデル作成手段と、
前記複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当てる周波数割り当て手段と、
割り当てられた周波数範囲に基づいて、単位回路を構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行うフィッティング手段と、
前記フィッティングにより求めた前記単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、前記回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットと前記プロット手段で作成したナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断する判断手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記単位回路は、直列に接続された抵抗とワールブルグインピーダンスと、コンデンサと、が並列に接続される回路、
抵抗とコンデンサとが並列に接続される回路、
または、抵抗のみにより構成される回路、
のいずれかであることを特徴する。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明であって、
前記電池は、燃料電池または二次電池であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
被測定対象電池のインピーダンスを測定するステップと、
測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成するステップと、
前記ナイキストプロットに基づいて、複数の単位回路が直列に接続された、前記電池の回路モデルを作成するステップと、
前記複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当てる周波数割り当て手段と、
割り当てられた周波数範囲に基づいて、単位回路を構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行うステップと、
前記フィッティングにより求めた前記単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、前記回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットと前記プロットして作成したナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断するステップと、
を備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の発明であって、
前記単位回路は、直列に接続された抵抗とワールブルグインピーダンスと、コンデンサと、が並列に接続される回路、
抵抗とコンデンサとが並列に接続される回路、
または、抵抗のみにより構成される回路、
のいずれかであることを特徴する。

請求項６記載の発明は、請求項４または５に記載の発明であって、
前記電池は、燃料電池または二次電池であることを特徴とする。

本発明によれば、インピーダンス測定手段が被測定対象である電池のインピーダンスを測定し、プロット手段が、測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成し、回路モデル作成手段が、ナイキストプロットに基づいて複数の単位回路が直列に接続された回路モデルを作成し、周波数割り当て手段が、複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当て、フィッティング手段が、単位回路に割り当てられた周波数範囲に基づいて、回路モデルを構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行い、判断手段が、フィッティングにより求めた単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、回路モデルのナイキストプロットを作成しこのナイキストプロットと前記プロット手段で作成したナイキストプロットとを比較して回路モデルの妥当性を判断するので、実際の電池内部の現象からは乖離したパラメータを有する回路モデルのナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形とたまたま合致してしまうことを防止し、実際の電池内部の現象を反映したパラメータを有する回路モデルを得ることのできる電池特性評価装置および電池特性評価方法を実現することができる。

本発明の一実施例の構成図である。 図１に示す装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示す装置の動作説明図である。 図１に示す装置において、回路モデル妥当性判断となる許容範囲のナイキストプロットを示した図である。 従来の電池特性評価装置の例を示した構成図である。 図５に示す装置の動作説明図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図５と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。

図１において、電池特性評価装置２００は、電池１の正極１１と負極１２と接続され、電子負荷／直流電源手段２と、制御手段３と、インピーダンス測定手段４と、データ取得手段５と、演算部７とを有する。

演算部７は、プロット手段６１と、回路モデル作成手段７１と、周波数割り当て手段７２と、フィッティング手段７３と、判断手段７４と、を備え、データ取得手段５と接続されている。
プロット手段６１は、データ取得手段５に格納されている、インピーダンス測定結果に基づいて、ナイキストプロットを作成する。
回路モデル作成手段７１は、電池１の種類に応じて、単位回路が複数個直列に接続された、回路モデルを作成する。
周波数割り当て手段７２は、プロット手段が出力するナイキストプロットに対応する周波数範囲に基づいて、回路モデル作成手段７１が作成した回路モデルを構成するそれぞれの単位回路に対して周波数範囲を割り当てる。
フィッティング手段７３は、単位回路に割り当てられた周波数範囲と、回路モデルに基づいて、回路モデルを構成するコンデンサや抵抗等のパラメータをフィッティングする。
判断手段７４は、フィッティング手段７３がフィッティングしたパラメータに基づいて回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットとプロット手段６１で作成した実測のナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断する。

このような電池特性評価装置２００の特に演算部７における動作を、図２を用いて詳細に説明する。図２は、図１に示す装置の動作を示すフローチャートである。フローチャートのステップ順に従って説明する。
（Ｓ１）
プロット手段６１は、インピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成する。
図３（ａ）は、作成されたナイキストプロットの例であり、対応する周波数「ｆａ〜ｆｃ」とともに示す。（ｆａ＞ｆｃ）
（Ｓ２）
回路モデル作成手段７１は、電池の種類に応じて、単位回路が複数個直列に接続された、回路モデルを作成する。
ここでは、例として図３（ｂ）の回路モデルが作成されたとする。
（Ｓ３）
周波数割り当て手段７２が、回路モデルを構成する単位回路に対して周波数範囲を割り当てる。
周波数範囲の割り当ては、例えば以下のように行う。
図３の（ａ）、（ｂ）において、ナイキストプロットの直流成分「ＤＣ」が「ＣＩＲ１」に起因し、円弧部分「ＡＲＣ１」が単位回路「ＣＩＲ２」に起因すると考え、「ＣＩＲ２」の周波数範囲は「ｆａ〜ｆｂ」と限定する。そして「ＣＩＲ３」の周波数範囲の下限をｆｃとし、「ＣＩＲ３」の周波数範囲を「ｆｂ〜ｆｃ」、「ＣＩＲ４」の周波数範囲を「ｆｃ」以下と限定する。
（このような周波数範囲の割り当てを行っても、回路モデルが妥当でないと判断手段７４が判断した場合には、周波数範囲の再割り当てを行う。例えば、「ＡＲＣ１」が「ＣＩＲ２」、「ＣＩＲ３」に基づくとし、「ＣＩＲ２」、「ＣＩＲ３」の周波数範囲を「ｆａ〜ｆｂ」と限定し、「ＣＩＲ４」は「ｆｂ」以下と限定する。）
（Ｓ４）
フィッティング手段７３は、単位回路に割り当てられた周波数範囲と、回路モデルに基づいて、回路モデルを構成するコンデンサや抵抗等のパラメータを求めるフィッティングを行う。
（Ｓ５）
判断手段７４は、フィッティング手段７３がフィッティングしたパラメータに基づいて回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットとプロット手段６１で作成した実測のナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断する。
妥当性の判断は、例えば、図４に示すように実線で示す実測のナイキストプロットに対し、その上限および下限となる点線で示す許容範囲を定め、この範囲にあるか否かで判断する。
妥当であると判断された場合は、回路モデルのパラメータが確定され、処理が終了する。
（Ｌ１）
判断手段７４が、回路モデルが妥当でないと判断した場合、再度（Ｓ３）に移行し、周波数範囲の再度の割り当てを行う。
（Ｌ２）
考えられる周波数範囲の割り当てを全て行なった後においても、回路モデルが妥当でないと判断された場合には、（Ｓ２）に移行して回路モデル作成手段７１が、再度回路モデルを作成し（例えば、回路モデルを「ＣＩＲ１」と「ＣＩＲ２」と「ＣＩＲ４」からなる構成として）、（Ｓ３）以降を繰り返す。

このように、インピーダンス測定手段４が被測定対象である電池１のインピーダンスを測定し、プロット手段６１が、測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成し、回路モデル作成手段７１が、ナイキストプロットに基づいて複数の単位回路が直列に接続された回路モデルを作成し、周波数割り当て手段７２が、複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当て、フィッティング手段７３が、単位回路に割り当てられた周波数範囲に基づいて、回路モデルを構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行い、判断手段７４が、フィッティングにより求めた単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、回路モデルのナイキストプロットを作成しこのナイキストプロットと前記プロット手段６１で作成したナイキストプロットとを比較して回路モデルの妥当性を判断するので、実際の電池内部の現象からは乖離したパラメータを有する回路モデルのナイキストプロットの形が、実測されたナイキストプロットの形とたまたま合致してしまうことを防止し、実際の電池内部の現象を反映したパラメータを有する回路モデルを得ることのできる電池特性評価装置２００および電池特性評価方法を実現することができる。

１ 電池
４ インピーダンス測定手段
６１ プロット手段
７１ 回路モデル作成手段
７２ 周波数割り当て手段
７３ フィッティング手段
７４ 判断手段

Claims (6)

1. 被測定対象電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成するプロット手段と、
   前記ナイキストプロットに基づいて、複数の単位回路が直列に接続された、前記電池の回路モデルを作成する回路モデル作成手段と、
   前記複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当てる周波数割り当て手段と、
   割り当てられた周波数範囲に基づいて、単位回路を構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行うフィッティング手段と、
   前記フィッティングにより求めた前記単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、前記回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットと前記プロット手段で作成したナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断する判断手段と、
   を備えたことを特徴とする電池特性評価装置。
2. 前記単位回路は、直列に接続された抵抗とワールブルグインピーダンスと、コンデンサと、が並列に接続される回路、
   抵抗とコンデンサとが並列に接続される回路、
   または、抵抗のみにより構成される回路、
   のいずれかであることを特徴する請求項１に記載の電池特性評価装置。
3. 前記電池は、燃料電池または二次電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池特性評価装置。
4. 被測定対象電池のインピーダンスを測定するステップと、
   測定したインピーダンスの実数成分と虚数成分とをプロットしたナイキストプロットを作成するステップと、
   前記ナイキストプロットに基づいて、複数の単位回路が直列に接続された、前記電池の回路モデルを作成するステップと、
   前記複数の単位回路に対して、それぞれ周波数範囲を割り当てる周波数割り当て手段と、
   割り当てられた周波数範囲に基づいて、単位回路を構成する素子の電気的特性値を求めるフィッティングを行うステップと、
   前記フィッティングにより求めた前記単位回路を構成する素子の電気的特性値に基づき、前記回路モデルのナイキストプロットを作成し、このナイキストプロットと前記プロットして作成したナイキストプロットとを比較して、前記回路モデルの妥当性を判断するステップと、
   を備えたことを特徴とする電池特性評価方法。
5. 前記単位回路は、直列に接続された抵抗とワールブルグインピーダンスと、コンデンサと、が並列に接続される回路、
   抵抗とコンデンサとが並列に接続される回路、
   または、抵抗のみにより構成される回路、
   のいずれかであることを特徴する請求項４に記載の電池特性評価方法。
6. 前記電池は、燃料電池または二次電池であることを特徴とする請求項４または５に記載の電池特性評価方法。

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