JP2014106038A - 電池インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価できる電池インピーダンス測定装置を実現すること。
【解決手段】被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
前記摂動に伴うＳＯＣ変化によって電圧波形に生じるＯＣＶ変化を打ち消すＯＣＶ変動補償部を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池インピーダンス測定装置に関し、詳しくは、被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置における電池のインピーダンス測定に対する摂動の影響の軽減に関する。

繰り返し充電が行える二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの走行モータ駆動電源として用いられるとともに、化石燃料に頼らない太陽発電や風力発電などの環境負荷が比較的少ないエネルギーを蓄えることができるという視点からも、産業界や公共機関や一般家庭などでも広く用いられつつある。

一般に、これらの二次電池は、所定数の電池セルを直列に接続することで所望の出力電圧が得られる電池モジュールとして構成され、所望の出力電圧が得られる所定数の電池モジュールを並列に接続することで所望の電流容量（ＡＨ）が得られる電池パックとして構成されている。

たとえば自動車に走行モータ駆動電源として搭載される二次電池は、充電時間、航続距離などの利便性から、当面はリチウムイオン電池が主流になると考えられている。

ところで、電池の性能を的確に把握するために、電池の内部インピーダンスを測定することが一般的に行われている。図６は、たとえば特許文献１にも記載されている一般的な二次電池のインピーダンス測定装置の構成例を示すブロック図である。図６において、摂動発生器１から電流もしくは電圧の摂動を被測定電池２に印加する。電流センサ３はその摂動により被測定電池２に流れる電流波形を検出してインピーダンス演算部５に入力し、電圧センサ４はその摂動によって被測定電池２に発生する電圧波形を検出してインピーダンス演算部５に入力する。なお、図６では、電池２を簡易的に起電力部Ｅと内部インピーダンス部Ｚに分けた単純モデルとしている。

インピーダンス演算部５は、これら電流センサ３から入力される電流波形および電圧センサ４から入力される電圧波形に対してＦＦＴ（もしくはＤＦＴ）演算を行い、周波数領域の振幅、位相の情報に変換した後に除算を行って、各周波数におけるインピーダンスの実数部と虚数部を算出する。

図６の動作を詳しく説明する。摂動発生器１から電流もしくは電圧の摂動が被測定電池２に印加されると、被測定電池２は図７に示すように充放電される。ここで、摂動による充電率（State Of Charge、以降ＳＯＣという）の変化が大きくなると、それに伴う開放電圧（Open Cell Voltage、以降ＯＣＶという）の変化が無視できなくなる。たとえば摂動として正弦波電流を加えた場合の半周期におけるＳＯＣ変化量は、式（１）で表わすことができる。

ただし、Ｉ：摂動電流振幅
Ｔ：摂動周期/ｈ
Ｑ：電池の最大充電容量／Ａｈ

たとえば電池のインピーダンスとしては比較的高い周波数である１Ｈｚ以上の周波数領域では、その摂動周期が短いため摂動による電流積算周期も短くなり、ΔＳＯＣも小さくなる。一方、摂動電流振幅を変えずに摂動周期を１０倍長くすると、ΔＳＯＣも１０倍大きくなる。

すなわち、図６に示す従来のインピーダンス測定装置では、摂動によるＯＣＶ変化も含めた端子電圧変化を内部インピーダンスで発生した電位差として演算していた。

ところが、実際は、たとえば図８に示すように、被測定電池２を簡易的に起電力部Ｅと内部インピーダンス部Ｚに分けた単純モデルで考えると、電池端子電圧は、インピーダンスＺで発生する分圧１とＯＣＶ変化に伴う分圧２の成分に分離されている。

著者 板垣昌幸、「電気化学インピーダンス法 原理・測定・解析」、丸善株式会社、２００８年８月、ｐ３７ 図４．１、ｐ４９ 図４．７

この結果、たとえばＯＣＶ変化の影響を排除した内部インピーダンスのみの特性を把握したいという測定要求に対し、従来のインピーダンス測定装置では答えることは困難である。現に、ＯＣＶ変化の影響を排除した場合には、摂動による分圧２の成分に起因する電圧振幅が小さくなるため、内部インピーダンスとして従来に比較して小さい結果が得られることになる。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価できる電池インピーダンス測定装置を実現することにある。

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、
被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
前記摂動に伴うＳＯＣ変化によって電圧波形に生じるＯＣＶ変化を打ち消すＯＣＶ変動補償部を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化の検出手段として、電流計測値を積算する電流積算手段と、この電流積算結果を最大充電容量で除算する除算手段を含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換する手段として、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルと、このＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照する手段を含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換する手段として、ＯＣＶをＳＯＣの関数で表現したモデルで変換する手段を含むことを特徴とする。

これらにより、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価を行うことができ、実質的に摂動の影響を受けない高精度の特性評価結果が得られる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１におけるＯＣＶ変動補償部６の具体例を示すブロック図である。 図１および図２の動作の流れを説明するフローチャートである。 市販されている１８６５０型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図である。 図４と同型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図である。 一般的な二次電池のインピーダンス測定装置の構成例を示すブロック図である。 図６の構成における被測定電池２の充放電特性例図である。 図６の構成における被測定電池２の単純モデル図である。

以下、本発明の実施の形態について、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すブロック図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図６の相違点は、図１では摂動に伴うＳＯＣ変化によって電圧波形に生じるＯＣＶ変化を打ち消すＯＣＶ変動補償部６を設けていることである。

図２は、ＯＣＶ変動補償部６の具体例を示すブロック図である。図２において、電流センサ３から出力される電流波形は、電流波形記憶部６ａに記憶される。電流波形記憶部６ａに記憶された電流波形は、読み出されてそのままインピーダンス演算部５に入力されるとともに、ΔＳＯＣ演算部６ｂにも入力される。

ΔＳＯＣ演算部６ｂは、電流波形記憶部６ａから読み出された電流波形に対して所定の演算処理を行い、その演算結果をΔＯＣＶ演算部６ｂに入力する。ΔＯＣＶ演算部６ｃには、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブル記憶部６ｄも接続されている。

ΔＯＣＶ演算部６ｃは、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブル記憶部６ｄに記憶されているテーブルを参照しながらΔＳＯＣ演算部６ｂの演算出力に対して所定の演算処理を行い、その演算結果をＯＣＶ変動補償演算部６ｅに出力する。

電圧センサ４から出力される電圧波形は、電圧波形記憶部６ｆを介してＯＣＶ変動補償演算部６ｅに入力される。

ＯＣＶ変動補償演算部６ｅは、ΔＯＣＶ演算部６ｃから入力される電流波形に関連した演算結果と電圧波形記憶部６ｆを介して入力される電圧波形に基づいてＯＣＶの変動分を補償するための所定の演算処理を行い、その演算結果をインピーダンス演算部５に出力する。なお、電圧波形記憶部６ｆの電圧波形はΔＯＣＶ演算部６ｃにも入力されている。

図３は図１および図２の動作の流れを説明するフローチャートであり、（Ａ）はデータキャプチャの流れを示し、（Ｂ）は（Ａ）でキャプチャされたデータに対する演算処理の流れを示している。

図３（Ａ）において、はじめに初期電圧が計測され（ステップＳ１）、その測定値は初期ＯＣＶ値として定義される（ステップＳ２）。

初期電圧の計測が終わると、摂動信号発生部１から被測定電池２に摂動信号が印加されて、摂動が開始される（ステップＳ３）。そして、摂動信号が印加されている状態で、電流波形のキャプチャ（ステップＳ４）と、電圧波形のキャプチャ（ステップＳ５）を並行して行う。これらデータのキャプチャが終了すると、図３（Ｂ）に示す演算処理を行う。

図３（Ｂ）において、はじめに、ΔＳＯＣ演算部６ｂは、電流波形記憶部６ａに記憶されている電流波形に対して、式（１）に相当する式（２）に基づく離散的データによる電流積算を行う（ステップＳ６、Ｓ７）。

ここで、Δｔはサンプリング間隔である。
次に、ΔＯＣＶ演算部６ｃは、上記ＳＯＣ変化であるΔＳＯＣ（ｔ）によるＯＣＶの変化量ΔＯＣＶを求める（ステップＳ８）。

具体的には、図３（Ａ）のステップＳ１に示すように摂動開始前における被測定電池２のセル電圧を計測し、その電圧を初期ＯＣＶ（０）とする（ステップＳ２）。そして、ＳＯＣ-ＯＣＶテーブル記憶部６ｄに記憶されているＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照して、初期ＳＯＣであるＳＯＣ（０）を求める。ここで、摂動中のＳＯＣ（ｔ）は、式（３）で表すことができる。

次に、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照することにより、式（３）で得られたＳＯＣ（ｔ）に対応した式（４）で表されるようなＯＣＶ（ｔ）を求める。

この式（４）で表される電圧変化が、図８に示した分圧２である。
一方、計測された電圧データをＶｍｅａｓ（ｔ）とすると、図８で示された分圧１すなわち電池内部インピーダンスで発生する摂動による電圧変化であるＯＣＶ変化補償済の電圧は、式（５）で表わされる。

図１のＯＣＶ変動補償演算部６ｅの演算出力は、上式（５）となる（ステップＳ９）。
インピーダンス演算部５は、このようにしてＯＣＶの変動成分が補償された電圧波形と電流波形を使って、従来手法と同様の演算処理をすることにより、被測定電池２のインピーダンスを演算する（ステップＳ１０）。

図４は市販されている１８６５０型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図であって、縦軸に虚数部インピーダンスをとって横軸に実数部インピーダンスをとり、摂動信号の周波数を所定範囲で掃引しながら測定したものである。特性ＡはＯＣＶ変動補償を行わない従来手法の計測結果を示し、特性Ｂは本発明に基づくＯＣＶ変動補償を実施した計測結果を示している。

両者を比較すると、ＯＣＶ変動補償を行った特性Ｂの計測結果のインピーダンスが小さくなっている。この被測定電池２では、１ｍＨｚ以下の極低周波で、明らかなインピーダンス差が現れている。

図５も図４と同型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図であって、縦軸に虚数部インピーダンスをとって横軸に実数部インピーダンスをとり、オフセット放電電流を流しながら摂動信号を重畳して測定した放電特性の測定例を示している。

特性Ａは定電流で放電させながらＳＯＣが８７％から７４％に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性Ｂは定電流で放電させながらＳＯＣが７１％から５８％に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性Ｃは定電流で放電させながらＳＯＣが５５％から４２％に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性ＤはＳＯＣ６０％のオフセット電流なし（固定ＳＯＣ）で摂動信号の周波数を所定範囲で掃引させて通常の交流抵抗成分ＡＣＲとして測定した測定結果である。

特性Ｄと特性Ａ，Ｂ，Ｃを比較すると、オフセット電流なしでかつ従来手法では見られなかった低周波の円弧特性が１０ｍＨｚ以下で観測されていて、明らかな特性差異が見られる。

なお、上記実施例では被測定電池２に印加する電流波形については言及せず、一般的に表現したが、以下のような電流波形が使える。
ａ）オフセット電流（充電もしくは放電電流）が無い状態での正弦波摂動
ｂ）オフセット電流（充電もしくは放電電流）に重畳してインピーダンス計測用に行う単一正弦波摂動もしくは複数の周波数成分を含んだ摂動（たとえば複数正弦波摂動）
この場合、測定中にＳＯＣがダイナミックに変化していくが、そのＳＯＣ変化と摂動信号によるＯＣＶ変化を全てまとめて補償処理を行う。

また、正弦波は代表例として示したものであり、たとえば余弦波などの任意の初期位相を持たせて摂動信号として使ってもよい。

また、上記実施例では、摂動信号として電圧信号（電圧源）を用いる例について説明したが、電流信号（電流源）を用いてもよい。

また、上記実施例では、一時的に電圧および電流のデータを記憶装置に記憶して演算する例を示したが、電流積算量演算、ＳＯＣ変換、ＯＣＶ変換、ＯＣＶ変動補償演算、インピーダンス演算は、データ計測中に随時計算させてもよい。

さらに、上記実施例では、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照してＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換しているが、ＯＣＶをＳＯＣの関数として表現し、その関数を使ってＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換してもよい。関数は、多項式などを使うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価を行うことができ、実質的に摂動の影響を受けることなく高精度の特性評価結果を得ることができる。

１ 摂動発生器
２ 被測定電池
３ 電流センサ
４ 電圧センサ
５ インピーダンス演算部
６ ＯＣＶ変動補償部
６ａ 電流波形記憶部
６ｂ ΔＳＯＣ演算部
６ｃ ΔＯＣＶ演算部
６ｄ ＳＯＣ−ＯＣＶテーブル記憶部
６ｅ ＯＣＶ変動補償演算部
６ｆ 電圧波形記憶部

Claims (4)

1. 被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
   前記摂動に伴うＳＯＣ変化によって電圧波形に生じるＯＣＶ変化を打ち消すＯＣＶ変動補償部を設けたことを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
2. 前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化の検出手段として、電流計測値を積算する電流積算手段と、この電流積算結果を最大充電容量で除算する除算手段を含むことを特徴とする請求項１記載の電池インピーダンス測定装置。
3. 前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換する手段として、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルと、このＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照する手段を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電池インピーダンス測定装置。
4. 前記ＯＣＶ変動補償部は、前記ＳＯＣ変化をＯＣＶ変化に変換する手段として、ＯＣＶをＳＯＣの関数で表現したモデルで変換する手段を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置。