JP2015210092A

JP2015210092A - 電池状態検出装置

Info

Publication number: JP2015210092A
Application number: JP2014089692A
Authority: JP
Inventors: 山下　哲生; Tetsuo Yamashita; 哲生山下
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-11-24

Abstract

【課題】二次電池の状態検出を簡素な構成で実現させ得る電池状態検出装置を提供する。
【解決手段】電池状態検出装置１００は、信号生成回路１００ａ，ＲＬＣ回路１００ｂ，データ作成回路１００ｃ，及び，状態検出処理部１１３から構成される。状態検出処理部１１３は、二次電池の状態を量子化データに基づき状態解析する機能部であり、実際にはＲＬＣ回路１００ｂからの信号に基づき間接的に二次電池の状態を解析する。これによると、電池状態検出装置１００は、位相演算を伴うことなく二次電池の状態を検出できるので、ハードウェア及びソフトウェアの双方の簡素化が図られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池状態検出装置に関し、特に、二次電池の劣化事象を検出する際に用いて好適のものである。

例えば、特開昭５２−０５０５３８号公報（特許文献１）は、二次電池の内部抵抗を算出する技術が紹介されている。かかる技術は、二次電池に交流信号を与えることで二次電池の内部抵抗を算出し、更に、この内部抵抗に基づいて蓄電池容量を間接的に測定している。

特開昭５２−０５０５３８号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、位相演算が必要となるところ、ソフトウェアで処理する場合には演算プログラムが複雑化し、ハードウェアで測定信号を生成する場合でも回路構成が複雑化してしまう。

本発明は上記課題に鑑み、二次電池の状態検出を簡素な構成で実現させ得る電池状態検出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような電池状態検出装置の構成とする。即ち、第１の周期信号を出力させる信号生成回路と、抵抗要素及びリアクタンス要素及びキャパシタンス要素から成る回路であって前記第１の周期信号が入力されると前記キャパシタンス要素の状態に応じて前記第１の周波数信号より高周波数へ変化させた第２の周期信号を出力するＲＬＣ回路と、前記第２の周期信号に基づき量子化データを作成するデータ作成回路と、前記キャパシタンス要素を構成する二次電池の状態を前記量子化データに基づき状態解析する状態検出処理部とを備えることとする。

好ましくは、前記二次電池には、前記第１の周期信号が入力される検査用入力端子と、充電用のポジティブラインに導通される充電用正極端子とが配備されていることとする。より好ましくは、前記二次電池には、前記第２の周期信号を出力させる検査用出力端子と、充電用のネガティブラインに導通される充電用負極端子とが配備されていることとする。

好ましくは、前記状態検出処理部は、前記量子化データと前記二次電池の状態に関する状態特定データとを関連付けるマップ情報が用いられ、前記マップ情報は、前記二次電池の劣化事象が生じる前の試験情報が含まれていることとする。

また、前記二次電池の外周には、前記リアクタンス要素が巻回されているのが良い。また、前記ＲＬＣ回路は、無線通信手段を用いて前記データ作成手段へ信号通信を行うと尚良い。

本発明に係る電池状態検出装置によると、位相演算を伴うことなく二次電池の状態を検出できるので、ハードウェア及びソフトウェアの双方の簡素化が図られる。

実施の形態に係る充電システムの構成を示す図。実施の形態に係る電池状態検出装置の構成を示す図。ＲＬＣ回路から出力される信号の周波数と電圧値の関係を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係る充電システムの構成が示されている。図示の如く、充電システム１は、電力変換回路１０と、これに接続される二次電池２０と、当該二次電池２０の一部を含んで構成される電池状態検出装置１００とから構成される。尚、本実施の形態では、充電システム１は車載器として用いられるものとする。

電力変換回路１０は、入力された電力をチャージ電力（直流）として出力させるコンバータと、このコンバータを制御する制御回路１１とを備える。コンバータは、パワートランジスタ及びトランス等が配備され、パワートランジスタが駆動されることでチャージ電力を制御させる。当該コンバータは、ＡＣ／ＤＣコンバータであっても良く、ＤＣ／ＤＣコンバータであっても良い。

制御回路１１は、マイコンを主構成要素とするもので、出力電圧を検出してＰＷＭ信号を生成し、上記のパワートランジスタを駆動させる。当該制御回路１１は、パワートランジスタの構成に応じて信号の出力ポートが準備されており、各々のパワートランジスタへ適宜のＰＷＭ信号を与える。このＰＷＭ信号は、出力電圧（例えば、１２Ｖ〜１４Ｖ程度）を略一定値に制御させるよう其の電圧波形が適宜に設定されている。

二次電池２０は、リチウムイオン電池，鉛電池等、正極２１ｂ及び負極２２ｂの間に電解質を介在させたものであって、充放電に応じて電解質中のイオンが電極との間を移動する。かかる電解質は、収容体２５の内部へ配置され、蓋部２６によって密閉される。図示の如く、二次電池２０は、電極（極板）に対応して電極端子が設けられ、このうち、正極端子２１ａは電源ラインＬｐ（充電用のポジティブライン）を介して電力変換回路１０から充電電力を受け、負極端子２２ａは電源ラインＬｎ（充電用のネガティブライン）を介して電力変換回路１０の基準電位に対し同電位とされる。

かかる二次電池２０は、電力変換回路１０から電力供給されると、電極に堆積するイオン原子が増加することで電池内の電気的エネルギーが蓄積される。このイオン原子は、負荷に流れる電流として消費される際、電解質に溶解し充電前の状態に戻ることとなる。このように、二次電池は、電解質のイオン濃度が変化することで、電気的エネルギーとしての貯蓄量が変化する。

二次電池２０には、上述した電極端子２１ａ〜２２ａのほか、検査用入力端子２３ａと検査用出力端子２４ａとが設けられる。検査用入力端子２３ａには正極板２３ｂが設けられ、検査用出力端子２４ａには負極板２４ｂが設けられる。これらの極板２３ｂ〜２４ｂは、上述した実質的に充電を行う極板と同等の構造であるが、必要とされる電力は僅かで足りるので、其の極板２１ｂ〜２２ｂよりも表面積が十分に小さいもので足りる。

本実施の形態に係る電池状態検出装置１００は、図２に示す如く、信号生成回路１００ａ，ＲＬＣ回路１００ｂ，データ作成回路１００ｃ，及び，状態検出処理部１１３から構成される。このうち、信号生成回路１００ａ，データ作成回路１００ｃ，及び，状態検出処理部１１３は、其の構成の一部または全部がマイコン１１０によって構成される。

マイコン１１０は、ＣＰＵ，メモリ回路，ＡＤ変換回路，クロック回路，入出力ポート等を配備させた装置であって、各プログラムに応じて様々な機能を構築させる。メモリ回路には、第１の周期信号の生成出力に関するプログラム、二次電池の状態解析を行うプログラム、この他、様々なパラメータが記録されており適宜に其の情報が用いられる。

信号生成回路１００ａは、矩形波生成部１１１と、正弦波変換部１２０とから成る。矩形波生成部１１１は、マイコンに機能構築される機能部であって、適宜の周波数（約１０ｋＨｚ）で信号Ｓａの波形をＨＩＧＨ状態／ＬＯＷ状態に切換え、これを出力ポートＰ２から出力させる。その後、正弦波変換部１２０では、信号Ｓａに基づいて同周期の正弦波を生成出力する。以下、正弦波変換部１２０から出力される信号を、第１の周期信号Ｓｂと呼ぶこととする。尚、第１の周期信号Ｓｂは、充電電力と比較して極めて低い電力の信号である。

ＲＬＣ回路１００ｂは、抵抗要素１３０，リアクタンス要素１４０，キャパシタンス要素から成る回路である。このうち、抵抗要素１３０及びリアクタンス要素１４０については、回路内の寄生成分であっても良く、適宜の素子を設けたものであっても良い。また、キャパシタンス要素は、先に説明した二次電池２０の一部構成に相当するものであって、検査用入力端子２３ａ及び検査用出力端子２４ａが配備されている部位を指す。尚、ＲＬＣ回路１００ｂで必要となる二次電池の要素については、検査用電極及び電解質の一部で足りるところ、これをキャパシタンス要素２０ｘと表記することとする。

本実施の形態に係る二次電池２０は、検査用入力電極と充電用陽極とが個別に与えられるので、後述する入力信号を与える際に好都合となる。また、検査用出力電極と充電用陰極とが個別に与えられるので、信号の取り出しが容易になる他、この信号の波形が解析に資する品質の高いものとなる。また、キャパシタンス要素は、二次電池自身の一部構成によって形成されるので、回路装置の簡素化が図られる。

本実施の形態に係るＲＬＣ回路１００ｂは、各々の要素が直列に接続されたものであり、各要素の電気的特性に応じて共振周波数が定まる。本実施の形態では、抵抗要素１３０とリアクタンス要素１４０とが固定値と考えられるので、キャパシタンス要素２０ｘの変化に応じて共振周波数が変動する。特に、ＲＬＣ回路の共振周波数ｆは、「ｆ＝１／｛２π（Ｌ・Ｃ）＾０．５｝とされるので、キャパシタンス要素が低下すると当該共振周波数を上昇させる傾向を示す。

これによれば、共振周波数ｆ（本実施の形態では「ｆ＝１０ｋＨｚ」）は、電解液が減少してしまっている場合、電解質の電解物質濃度が低下している場合、即ち、二次電池の劣化事象が認められる場合、その周波数ｆが高い値を示すことになる。従って、二次電池の劣化事象が認められる場合、ＲＬＣ回路１００ｂは、入力される第１の周期信号Ｓｂの周波数ｆ１が一定であれば、この回路から出力される信号Ｓｃの周波数を高い方向へシフトさせる。このように、第２の周期信号Ｓｃは、第１の周期信号Ｓｂが入力されるとキャパシタンス要素２０ｘの状態に応じて変化する信号である。

図３には、ＲＬＣ回路１００ｂへの入力信号と出力電圧との関係が示されている。図示の如く、劣化事象が全く認められないとき第２の周期信号Ｓｃ１の周波数は最小となり、その劣化事象が進むにつれ、第２の周波数信号Ｓｃ２，Ｓｃ３の周波数は上昇側へシフトする（ｆ２，ｆ３）。本実施の形態では、共振周波数ｆが「ｆ＝ｆ１」となるよう、劣化事象が全く認められないときのキャパシタンス要素が設定されている。即ち、共振周波数ｆ１が、信号Ｓｃの周波数が取り得る最小値の周波数となる。

図２に戻り説明を続ける。データ作成回路１００ｃは、第２の周期信号に基づき量子化データを作成する回路である。本実施の形態に係るデータ作成回路１００ｃは、キャプチャリング回路１５０とＡ／Ｄ変換回路１１２によって構成される。キャプチャリング回路１５０は、第２の周期信号Ｓｃのピーク電圧を保持する回路であり、主としてキャプチャリングコンデンサと放電回路から構成される。キャプチャリング回路１５０は、信号Ｓｃのピーク電圧に関する値を一定期間保持させ、このピーク値に相当する電圧値を電圧信号Ｓｄとして出力する。また、次回のキャプチャリングタイミング到来までには、放電回路が作動され、キャプチャリングコンデンサの電荷量がリセットされる。即ち、キャプチャリング回路は、Ｆ／Ｖ変換回路（Frequency/Voltage Converter）の一形態である。

Ａ／Ｄ変換回路１１２は、サンプリングタイミング毎に信号Ｓｄの電圧値を量子化させる回路である。これによってサンプルされた量子化データは、適宜のタイミングでＣＰＵのデータレジスタへ供され、状態検出処理部１１３で利用されることとなる。

上記の構成を具備するデータ作成回路１００ｃは、第２の周期信号Ｓｃが入力されると、これを電圧信号Ｓｄへ変換して、当該信号Ｓｄの電圧値を量子化させる。ここで、第２の周期信号Ｓｃは、キャパシタンス要素２０ｘの劣化事象に応じて周波数が上昇するところ、電圧信号Ｓｄは、その劣化事象の度合いに応じて電圧値が変化していく。図３に示す如く、入力信号Ｓｂの周波数がｆ１のとき、キャパシタンス要素２０ｘの劣化事象が殆どなければ信号Ｓｃ１のピーク近傍がキャプチャリングされるので、電圧信号ＳｄはＶ１を示す。また、入力信号Ｓｂが同条件で劣化事象が若干進むと（第２の周期信号がＳｃ２であると仮定）、その時の電圧信号ＳｄはＶ２を示す。また、入力信号Ｓｂが同条件で劣化事象が更に進むと（第２の周期信号がＳｃ３であると仮定）、その時の電圧信号ＳｄはＶ３を示す。従って、データ作成回路１００ｃで取得された量子化データは、最大値をＶ１とし、キャパシタンス要素の劣化に応じて徐々に低下する傾向を示す。

状態検出処理部１１３は、二次電池の状態を量子化データに基づき解析する機能部であり、実際にはＲＬＣ回路１００ｂからの信号に基づき間接的に二次電池の状態を解析する。ここで、二次電池の状態とは、電解液の量又は電解質物質の濃度等を指す。そして、二次電池の状態を解析するとは、このような状態がキャパシタンス要素に関係しているところ、キャパシタンス要素を現す量子化データから適宜のパラメータを作成することを言う。従って、状態解析された結果値（パラメータ／状態特定データ）というものは、現存するキャパシタンスを現すものであっても良く、理想状態から低下したキャパシタンスを現すものでも良く、この他のディメンションで表現されたものでも良く、そのデータの形態を問うものではない。

このように、本実施の形態に係る電池状態検出装置１００によると、位相演算を伴うことなく二次電池の状態を検出できるので、ハードウェア及びソフトウェアの双方の簡素化が図られる。

また、本実施の形態では、入力信号Ｓｂの周波数とＲＬＣ回路の出力信号Ｓｃの周波数とが一致するよう、キャパシタンス要素２０ｘが設定されている。このため、検出される電圧信号Ｓｄは、単調変化を示すので、キャパシタンス要素２０ｘとの対応関係が一対一となった状態で表現される。

また、本実施の形態に係る状態検出処理部１１３は、量子化データと状態特定データとを関連付けるマップ情報が用いられる。このマップ情報の一例としては、二次電池の劣化事象が生じる前に作成された相関情報、劣化の進行度合いに応じて作成された複数の相関情報が準備されると良い。これにより、状態検出処理部１１３は、二次電池の劣化事象発生前の理想的な状態と現状の状態とを比較させることが可能となり、劣化事象の進行具合を容易に把握することが可能となる。

尚、上述したリアクタンス要素は、二次電池の外周に巻回されているのが好ましい。これにより、リアクタンス要素の配置スペースを別途に設けることなく、また、共振周波数を小さく設定する場合に有利となる。これによれば、電圧信号Ｓｄに対する検出感度を高くして、量子化誤差を低減させることにも寄与する。

また、本実施の形態では、実質的な信号ラインによって、ＲＬＣ回路１００ｂからの信号を受けている。しかし、これに限らず、ＲＬＣ回路１００ｂに送信機、マイコン１１０側に受信機を設けて、第２の周期信号Ｓｃを無線通信させても良い。かかる無線通信手段が用いられると、マイコン１１０と二次電池２０とが比較的遠距離であっても、信号通信用の配線等を簡素化できる。

また、マイコン１１０は、信号生成回路１００ａ，データ作成回路１００ｃ，又は，状態検出処理部１１３等の少なくとも一部構成を具備したものである。かかるマイコン１１０は、先に説明した制御回路１１，コンバータ用のＥＣＵ，又は，バッテリー管理用のＥＣＵ等へ内蔵させても良い。これにより、電池状態検出装置１００についてのハード面での簡素化が図られる。

尚、本実施の形態では、ＲＬＣ回路の各要素が直列接続されているとして説明されているが、特許請求の範囲に記載の発明はこれに限定されるものでない。例えば、リアクタンス要素とキャパシタンス要素とを並列接続させ、このＲＬＣ回路における出力信号の変化を解析するようにしても良い。

１充電システム，１０電力変換回路，１００電池状態検出装置，１００ａ信号生成回路，１００ｂＲＬＣ回路，１００ｃデータ作成回路，１１３状態検出処理部，２０二次電池，２０ｘキャパシタンス要素，１３０抵抗要素，１４０リアクタンス要素，Ｓｂ第１の周期信号，Ｓｃ第２の周期信号。

Claims

第１の周期信号を出力させる信号生成回路と、抵抗要素及びリアクタンス要素及びキャパシタンス要素から成る回路であって前記第１の周期信号が入力されると前記キャパシタンス要素の状態に応じて前記第１の周波数信号より高周波数へ変化させた第２の周期信号を出力するＲＬＣ回路と、前記第２の周期信号に基づき量子化データを作成するデータ作成回路と、前記キャパシタンス要素を構成する二次電池の状態を前記量子化データに基づき状態解析する状態検出処理部と、を備えることを特徴とする電池状態検出装置。
前記二次電池には、前記第１の周期信号が入力される検査用入力端子と、充電用のポジティブラインに導通される充電用正極端子と、が配備されている請求項１に記載の電池状態検出装置。
前記二次電池には、前記第２の周期信号を出力させる検査用出力端子と、充電用のネガティブラインに導通される充電用負極端子と、が配備されている請求項２に記載の電池状態検出装置。
前記状態検出処理部は、前記量子化データと前記二次電池の状態に関する状態特定データとを関連付けるマップ情報が用いられ、前記マップ情報は、前記二次電池の劣化事象が生じる前の試験情報が含まれている請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の電池状態検出装置。
前記二次電池の外周には、前記リアクタンス要素が巻回されている請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の電池状態検出装置。
前記ＲＬＣ回路は、無線通信手段を用いて前記データ作成手段へ信号通信を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の電池状態検出装置。