JP2019056561A

JP2019056561A - 電池の異常診断方法

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Publication number: JP2019056561A
Application number: JP2017179344A
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Inventors: 泰正小熊; Yasumasa Oguma; 逢坂　哲彌; Tetsuya Aisaka; 哲彌逢坂; 時彦横島; Tokihiko Yokoshima; 大吉向山; Daikichi Mukoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-11
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Abstract

【課題】複数の電池素子を備える電池において、異常が生じている電池素子を特定する。【解決手段】直列に接続された複数の電池素子１０を備える電池１は、互いに共振周波数の異なる複数の共振回路２０を備え、各共振回路は一つの電池素子の両電極間又は複数の電池素子から成る電池素子群の両電極間に接続される。異常診断では、電池に各共振回路の共振周波数の交流信号が入力されたときの前記電池のインピーダンスが検出され、各共振回路の共振周波数におけるインピーダンスに基づいて電池を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子を特定する。【選択図】図１０

Description

本発明は、電池の異常診断方法に関する。

二次電池を構成する電池素子に劣化に伴う異常が発生すると、二次電池のインピーダンスが大きくなることが知られている。そこで、二次電池全体のインピーダンスを推定し、インピーダンス推定値に基づいて二次電池の異常診断を行う異常診断方法が検討されている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載の異常診断方法では、二次電池に流れる電流値と二次電池の端子間電圧とを検出すると共に、二次電池の使用中における電流値と端子間電圧とに基づいて二次電池全体のインピーダンスを推定している。特許文献１によれば、交流電源回路を用いることなく二次電池全体のインピーダンスを推定することができるとされている。

特開２０１１−１３７６８１号公報

一般に、二次電池は、それぞれ正極集電体層、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層をこの順に備えた電池素子を複数備える。このように複数の電池素子を備える二次電池では、複数の電池素子のうち一部の電池素子にのみ異常が生じることがある。

ところが、上述した特許文献１に記載の異常診断方法では、二次電池全体に異常が生じているか否かを判定することはできるが、二次電池を構成する電池素子のうち一部の電池素子のみに異常が生じているときに、その電池素子を特定することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の電池素子を備える電池において、異常が生じている電池素子又は異常が生じている電池素子群（一部の複数の電池素子から構成される電池素子の群）を特定することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）直列に接続された複数の電池素子を備える電池の異常診断を行う異常診断方法であって、前記電池は、互いに共振周波数の異なる複数の共振回路を備え、各共振回路は一つの電池素子の両電極間又は複数の電池素子から成る電池素子群の両電極間に接続され、前記電池に各共振回路の共振周波数の交流信号が入力されたときの前記電池のインピーダンスを検出し、各共振回路の共振周波数におけるインピーダンスに基づいて、前記電池を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子又は電池素子群を特定する、異常診断方法。

本発明によれば、複数の電池素子を備える電池において、異常が生じている電池素子又は異常が生じている電池素子群を特定することができる。

図１は、第一実施形態に係る電池の構成を概略的に示す図である。図２は、各電池素子の概略的な断面図である。図３は、共振回路を概略的に示す図である。図４は、交流周波数と共振回路の両端の間のインピーダンスとの関係を示す図である。図５は、電池素子の両電極間の電流又は電圧の周波数と、電池素子のインピーダンス及び共振回路のインピーダンスとの関係を示す図である。図６は、交流周波数と、第１共振回路、第二共振回路及びコイン電池のインピーダンスとの関係を示す図である。図７は、実験で用いた並列回路を概略的に示す図である。図８は、コイン電池と第１共振回路とを並列に接続した並列回路についてのインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図９は、コイン電池と第２共振回路とを並列に接続した並列回路についてのインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図１０は、インピーダンス検出装置を電池の両端子に接続した状態を概略的に示す図である。図１１は、第一実施形態に係る電池の各電池素子の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１２は、第二実施形態に係る電池の各電池素子の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪電池の構成≫
図１〜図３を参照して、第一実施形態に係る電池１の構成について説明する。図１は、第一実施形態に係る電池１の構成を概略的に示す図である。本実施形態に係る電池１は、充放電可能な二次電池である。図１に示したように、電池１は、複数の電池素子１０と、各電池素子１０の両電極間に接続された共振回路２０と、これら電池素子１０及び共振回路２０を収容するハウジング３０とを備える。

まず、電池素子１０について説明する。図２は、各電池素子１０の概略的な断面図である。図２に示したように、各電池素子１０は、正極集電体層５１、正極活物質層５２、固体電解質層５３、負極活物質層５４及び負極集電体層５５がこの順に積層されて形成される。本実施形態では、正極集電体層５１、正極活物質層５２、固体電解質層５３、負極活物質層５４、及び負極集電体層５５は、それぞれ固体材料で形成される。

正極集電体層５１は、正極集電体を有し、正極活物質層５２からの集電を行う機能を有する。正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、ＳＵＳ、ニッケル、鉄、チタン等を用いることができる。正極集電体層５１は電池素子１０から突出して電池素子１０の正極として機能する正電極５１ａを備える。

正極活物質層５２は正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等の公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、正極活物質層５２は、正極活物質に加えて、更に固体電解質、導電剤、バインダを含有していても良い。

正極活物質層５２に用いることができる固体電解質としては、後述する固体電解質層５３に用いる材料と同様の材料や、酸化物系非晶質固体電解質、結晶質酸化物等を用いることができる。

正極活物質層に用いることができる導電剤としては、例えば、ＶＧＣＦ、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材、又は金属材等が挙げられる。正極活物質層に用いることができるバインダとしては、例えば、ポリテトラフロオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、アミン変性ブチルゴム（ＡＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。

固体電解質層５３は、イオン導電性を示す固体物質である固体電解質を含む。固体電解質としては、例えばＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５やＬｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１等の硫化物系固体電解質や、ＬｉＩやＬｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５等の酸化物系固体電解質等の公知の固体電解質を適宜用いることができる。

負極活物質層５４は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えばグラファイトなどの公知の負極活物質を適宜用いることができる。負極活物質層５４も、負極活物質に加えて、上述したような固体電解質、導電剤、バインダを含有していても良い。

負極集電体層５５は、負極集電体を有し、負極活物質層５４からの集電を行う機能を有する。負極集電体の材料としては、正極集電体の材料に加え、銅を用いることができる。負極集電体層５５は電池素子１０から突出して電池素子１０の負極として機能する負電極５５ａを備える。

なお、本実施形態では、電池素子１０は固体電解質層５３を有するように構成されている。しかしながら、電池素子１０は電解質層として固体電解質層ではなく、液体の電解質層を備えても良い。

次に、共振回路２０について説明する。図３は、本実施形態における共振回路２０を概略的に示す。図３に示したように、共振回路２０は、直列に接続されたコイル６１とコンデンサ６２とを備える。このように構成された共振回路２０では、共振周波数の交流信号が入力される（すなわち、共振周波数の交流電流が流されるか又は共振周波数の交流電圧が印加される）と、共振回路２０のインピーダンスが小さくなる。以下では、特定の共振周波数において共振回路２０のインピーダンスが小さくなる理由について簡単に説明する。

図４は、共振回路２０に入力された交流信号の周波数と、共振回路２０の両端の間のインピーダンスとの関係を示す図である。図４は、両対数グラフで表されている。図中の実線は、共振回路２０全体のインピーダンスの推移を示している。一方、図中の破線はコイル６１のリアクタンスを示しており、図中の一点鎖線はコンデンサ６２のリアクタンスを示している。

図４からわかるようにコイル６１のリアクタンス（誘導性リアクタンス）は周波数が大きくなるにつれて徐々に低下する。一方、コンデンサ６２のリアクタンス（容量性リアクタンス）は周波数が高くなるにつれて徐々に増大する。そして、図４においてコイル６１のリアクタンスとコンデンサ６２のリアクタンスとが交わる点では、コイル６１のリアクタンスとコンデンサ６２のリアクタンスが同じ大きさになることからこれらリアクタンスは相殺されることになる。

この結果、コイル６１のリアクタンスとコンデンサ６２のリアクタンスとが交わる点でのインピーダンスは非常に小さい値となる（実質的にコイルの導線抵抗程度の値となる）。このようにリアクタンスが相殺されてインピーダンスが非常に小さい値となる現象は共振と呼ばれ、このときの周波数は共振周波数と呼ばれる。共振周波数ｆｒは、コイル６１のインダクタンスをＬ（Ｈ）とし、コンデンサ６２のキャパシタンスをＣ（Ｆ）とすると、下記式（１）によって表される。

このように、共振回路２０は、共振回路２０に共振周波数の交流信号が入力されると、共振周波数近傍以外の交流信号が入力されたときと比べて、共振回路２０のインピーダンスが小さくなるように構成される。なお、共振回路２０は、このような性質を有していれば、必ずしもコイル６１とコンデンサ６２とを直列に接続した回路でなくてもよい。

次に、ハウジング３０について説明する。図１に示したように、ハウジング３０は全ての電池素子１０及び全ての共振回路２０を収容するように構成される。ハウジング３０は例えば樹脂によって形成される。ハウジング３０は、電池１全体の正極として機能する正極端子３１と、電池１全体の負極として機能する負極端子３２とを備える。

次に、上述した電池素子１０と共振回路２０とハウジング３０とのお互いの接続形態について説明する。図１に示した例では、電池１は第１電池素子１１から第４電池素子１４まで、四つの電池素子１０を備えている。これら電池素子１１〜１４は互いに直列に接続されている。したがって、例えば、第１電池素子１１の負電極５５ａと第２電池素子１２の正電極５１ａとが接続され、第２電池素子の負電極５５ａと第３電池素子の正電極５１ａとが接続されている。なお、電池１が備える電池素子１０の数は必ずしも４つである必要はなく、複数の電池素子１０を備えていれば４つよりも多くても少なくてもよい。

また、直列に接続された複数の電池素子１１〜１４のうち一方の端に接続された第１電池素子の正電極５１ａがハウジング３０の正極端子３１に接続される。加えて、これら電池素子１１〜１４のうち他方の端に接続された第４電池素子の負電極５５ａがハウジング３０の負極端子３２に接続される。

また、図１に示した例では、電池１は第１共振回路２１から第４共振回路２４まで、四つの共振回路を備えている。各共振回路２０は、各電池素子１０の正電極５１ａと負電極５５ａとの間に接続される。したがって、第１電池素子１１の電極間には第１共振回路２１が接続され、第２電池素子１２の電極間には第２共振回路２２が接続され、第３電池素子１３の電極間には第３共振回路２３が接続され、第４電池素子１４の電極間には第４共振回路２４が接続される。すなわち、各共振回路２０は各電池素子１０に並列に接続される。

各共振回路２１〜２４は、その共振周波数が他の共振回路２１〜２４の共振周波数とは互いに異なるように構成されている。したがって、各共振回路２１〜２４を構成するコイル６１及びコンデンサ６２は、そのインダクタンス及びキャパシタンスの少なくとも何れか一方が他の共振回路２１〜２４を構成するコイル６１及びコンデンサ６２のインダクタンス及びキャパシタンスとは異なる値となるように形成される。本実施形態では、各共振回路２１〜２４は、第１共振回路２１、第２共振回路２２、第３共振回路２３、第４共振回路２４の順に共振周波数が高くなるように形成される。

なお、上記実施形態では、各共振回路２０はそれぞれ他の共振回路２０と接続されていない一つの電池素子１０に並列に接続されている。しかしながら、各共振回路２０は、電池１の一部の複数の電池素子から構成される群（以下、「電池素子群」という）であって他の共振回路２０と接続されていない電池素子群に並列に接続されてもよい。したがって、例えば、第１共振回路は、第１電池素子１１の正極と第２電池素子１２の負極とに接続されてもよい。また、複数の共振回路２０のうち一部の共振回路は電池素子１０に並列に接続され、他の共振回路は電池素子群に並列に接続されてもよい。

また、各電池素子１０は複数の共振回路に接続されてもよい。したがって、例えば、第１共振回路が第１電池素子１１のみと並列に接続されると共に、第２共振回路が第１電池素子１１及び第２電池素子１２から構成される電池素子軍と並列に接続されてもよい。

加えて、上記実施形態の電池１では、隣接する電池素子１０同士はこれらの電極を接続することによって行われている。しかしながら、電池１は、隣接する電池素子同士が集電体層を共有するように構成されてもよい。すなわち、電池１は、隣接する電池素子が正極集電体層及び負極集電体層の両方として機能する集電体層を共有するバイポーラ型の構成であってもよい。具体的には、電池１は、例えば、隣接する二つの電池素子が、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極兼正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層の積層順で、積層されるような構成であってもよい。すなわち、電池１は、負極兼正極集電体層として機能する集電体層を共有する隣接する二つの電池素子を有するように構成されてもよい。

以上より、本実施形態では、直列に接続された複数の電池素子１０を備える電池は、互いに共振周波数の異なる複数の共振回路２０を備え、各共振回路２０は一つの電池素子の両電極間又は複数の電池素子から成る電池素子群の両電極間に接続されるように構成される。

≪各電池素子のインピーダンス検出原理≫
ところで、各電池素子１０に共振回路２０を並列に接続することにより、各電池素子１０の両電極間に外部から入力される交流信号の周波数に応じて、電池素子１０と共振回路２０とのインピーダンスの大小関係を変化させることができる。

図５は、電池素子１０の両電極間に入力される交流信号の周波数と、電池素子１０のインピーダンス及び共振回路２０のインピーダンスとの関係を示す図である。共振回路２０のインピーダンスは、図４の実線と同一となっている。一方、電池素子１０のインピーダンスは、周波数が高くなるにつれて徐々に低下する。

図５からわかるように、共振回路２０のコイル６１のインダクタンス及びコンデンサ６２のキャパシタンスを適切に設定すると、共振回路２０の共振周波数近傍では共振回路２０のインピーダンスを対応する電池素子１０のインピーダンス以下にすると共に、共振回路２０の共振周波数近傍以外では共振回路２０のインピーダンスを対応する電池素子１０のインピーダンスよりも大きくすることができる。

特に、図５に示した例では、共振周波数において共振回路２０のインピーダンスは電池素子１０のインピーダンスよりもかなり小さい（電池素子１０のインピーダンスの１／１０未満）。加えて、共振周波数近傍以外では、共振回路２０のインピーダンスは電池素子１０のインピーダンスよりもかなり大きい（電池素子１０のインピーダンスの１０倍以上）。

したがって、各電池素子１０の両電極間に外部から入力される交流信号の周波数が共振周波数であるときには、電流は並列に接続された電池素子１０と共振回路２０のうち主に共振回路２０を通って流れることになる。特に、共振周波数における共振回路２０のインピーダンスが非常に小さくなるように共振回路２０を構成すると、実質的にこの電池素子１０を短絡するのと同様な効果が得られる。

その一方で、各電池素子１０の両電極間に外部から入力される交流信号の周波数が共振周波数近傍以外であるときには、電流は並列に接続された電池素子１０と共振回路２０のうち主に電池素子１０を通って流れる。特に、共振周波数近傍以外における共振回路２０のインピーダンスが電池素子１０のインピーダンスに比べて非常に大きくなるように共振回路２０を構成すると、実質的に電流は共振回路２０には流れずに、電池素子１０のみを通って流れる。したがって、このとき電池素子１０の両電極間のインピーダンスを測定すると、測定されたインピーダンスは電池素子１０のインピーダンスを表すことになる。

以上より、各電池素子１０の両電極間に外部から入力される交流信号の周波数が、対応する共振回路２０の共振周波数であるときには、実質的にこの電池素子１０が短絡されることになる。したがって、電池１の両端子間に或る共振回路２０の共振周波数の交流信号を入力してこのとき電池１の両端子３１、３２間のインピーダンスを検出すると、検出されたインピーダンスはこの共振回路２０に接続された電池素子１０以外の電池素子１０のインピーダンスの合計となる。例えば、第１電池素子１０に接続された第１共振回路２１の共振周波数の交流信号を電池１に入力すると、電池１の両端子３１、３２間のインピーダンスは第２電池素子１２、第３電池素子１３及び第４電池素子１４のインピーダンスの合計となる。このようにして、入力された周波数が共振周波数である共振回路２０に接続された一つの電池素子１０を除く残りの電池素子１０のインピーダンス合成値を求めることができる。

≪実験の結果≫
電池素子に共振回路を並列に接続した場合に、電池素子の両電極間に外部から交流電流又は交流電圧を加えたときに、上述したように共振周波数と共振周波数近傍以外とでインピーダンスが大きく変化することを確認すべく実験を行った。実験においては、電池素子としてコイン電池を用い、二つの共振回路Ｘ、Ｙを用意した。

共振回路Ｘはコイルのインダクタンスが１０．９ｍＨであり、コンデンサのキャパシタンスが２７５ｎＦであり、よって共振周波数は２８８８Ｈｚであった。また、共振周波数におけるインピーダンス（すなわち、コイル等の導線抵抗）は１９３ｍΩであった。このように構成された共振回路Ｘの両端に外部から交流信号を入力すると共に、この交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行った。このときの周波数とインピーダンスとの関係は、図６に一点鎖線で示したとおりである。

一方、共振回路Ｙはコイルのインダクタンスが７４５ｍＨであり、コンデンサのキャパシタンスが３２．８ｎＦであり、よって共振周波数は１０１０Ｈｚであった。また、共振周波数におけるインピーダンス（すなわち、コイル等の導線抵抗）は２９．３Ωであった。このように構成された共振回路Ｙの両端に外部から交流信号を入力すると共に、この交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行った。このときの周波数とインピーダンスとの関係は、図６に二点鎖線で示したとおりである。

また、コイン電池についても両電極間に外部から交流信号を入力すると共に、この交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行った。このときの周波数とインピーダンスとの関係は、図６に実線で示したとおりである。

なお、図６中の破線は、コイン電池のインピーダンスの１００倍のインピーダンス（図中のＺ１００）と、コイン電池のインピーダンスの１／１００のインピーダンス（図中のＺ１／１００）を示す。共振回路のインピーダンスがコイン電池のインピーダンスの１００倍以上になれば、コイン電池と共振回路とを図７に示したように並列に接続して外部の交流電源から電流を流しても、共振回路にはほとんど電流は流れない。したがって、共振回路のインピーダンスがコイン電池のインピーダンスの１００倍を示すラインＺ１００以上であれば、コイン電池のインピーダンスを簡単且つ比較的に正確に計測することができる。したがって、共振周波数近傍以外の領域では、共振回路のインピーダンスはラインＺ１００以上であることが好ましい。図６に示した本実験の例では、共振回路Ｙは、共振周波数近傍のごく僅かな領域（６９１Ｈｚ〜１４４２Ｈｚ）以外の領域ではそのインピーダンスがラインＺ１００を超えている。したがって、共振回路Ｙのインピーダンスは、共振周波数近傍のごく僅かな領域を除くほとんどの周波数領域でコイン電池のインピーダンスの１００倍以上となっており、斯かる点でコイン電池のインピーダンスを簡単且つ正確に計測することができるようにする。

また、共振回路のインピーダンスがコイン電池のインピーダンスの１／１００以下であれば、コイン電池と共振回路とを図７に示したように並列に接続して外部から交流信号を入力すると、共振回路にほとんどの電流が流れ、コイン電池にはほとんど電流が流れない。したがって、共振回路のインピーダンスがコイン電池のインピーダンスの１／００を示すラインＺ１／１００以下であれば、コイン電池を実質的に短絡することができる。したがって、共振周波数においては、共振回路のインピーダンスはラインＺ１／１００以下であることが好ましい。図６に示した本実験の例では、共振回路Ｘは、共振周波数においてそのインピーダンスがラインＺ１／１００以下になっており、斯かる点でコイン電池を実質的に短絡することができる。

このような性質を持つ共振回路Ｘ、共振回路Ｙ及びコイン電池を用いて、実験を行った。実験を行うにあたっては、図７に示したようにコイン電池に並列に各共振回路を接続した。そして、図７に示した並列回路の両端に外部の交流電源を接続すると共に、この交流電源によって入力される交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行い、その結果に基づいてインピーダンスの実数部（Ｚ’）及びインピーダンスの虚数部（Ｚ’’）を算出した。

図８は、コイン電池と共振回路Ｘとを並列に接続した並列回路についてのインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図８は、各測定点をプロットすると共に、これらプロットした測定点を曲線でつなげたものを示している。図中の実線は、コイン電池と共振回路Ｘとを並列に接続した並列回路についての結果を示しており、図中の破線は共振回路Ｘを接続していないコイン電池のみの結果を示している。

図８に破線で示したように、コイン電池単体では、周波数が高くなるほどインピーダンスの実数部が小さくなる。加えて、コイン電池単体では、周波数が高いとき（例えば、１００ＫＨｚ以上）及び低いとき（例えば、１００Ｈｚ以下）には、インピーダンスの虚数部が小さい。一方、周波数が中程度のとき（例えば、１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚ）には、インピーダンスの虚数部が大きい。コイン電池がこのような性質を示す理由は、特に、コイン電池内に形成される電気二重層がキャパシタと同様に作用することによるものである。

一方、図８に実線で示したように、コイン電池と共振回路Ｘとを並列に接続した並列回路のインピーダンスは、周波数が共振周波数に対して十分に高いとき（特に、１０ＫＨｚ以上）及び共振周波数に対して十分に低いとき（特に、１００Ｈｚ以下）にはコイン電池単体と同様に変化する。これに対して、周波数が共振周波数に或る程度近い領域（１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚ）内にあるとき、並列回路のインピーダンスはコイン電池単体のインピーダンスとは異なって変化する。特に、図８に示したように、並列回路のインピーダンスは、周波数が共振周波数（２８９０Ｈｚ）であるときには、実数部（Ｚ’）及び虚数部（Ｚ’’）共にほぼゼロとなる。このように、共振回路Ｘでは、共振周波数におけるインピーダンスがコイン電池のインピーダンスに対して十分に小さいことから、ナイキストプロットがほぼ原点を通過していると考えられる。

図９は、コイン電池と共振回路Ｙとを並列に接続した並列回路についてのインピーダンスの計測結果を示す、図８と同様なナイキストプロット図である。図９においても、図中の実線は、コイン電池と共振回路Ｙとを並列に接続した並列回路についての結果を示しており、図中の破線は共振回路Ｙを接続していないコイン電池のみの結果を示している。

図９に実線で示したように、コイン電池と共振回路Ｙとを並列に接続した並列回路のインピーダンスも、周波数が共振周波数に対して或る程度高いとき（特に、１４４２Ｈｚ以上）及び共振周波数に対して或る程度低いとき（特に、６９１Ｈｚ以下）にはコイン電池単体と同様に変化する。これに対して、周波数が共振周波数近傍の領域（６９１Ｈｚ〜１４４２Ｈｚ）内にあるときには、並列回路のインピーダンスはコイン電池単体のインピーダンスとは異なって変化する。すなわち、コイン電池と共振回路Ｙとを並列に接続した並列回路では、周波数が６９１Ｈｚ〜１４４２Ｈｚの小さな領域内にあるときにのみ、並列回路のインピーダンスはコイン電池単体のインピーダンスとは異なって変化する。したがって、共振回路Ｙを接続した並列回路では、ほとんどの周波数領域において共振回路Ｙの影響を受けないことがわかる。

すなわち、図７〜図９に示した実験結果からは、共振回路におけるコイルのインダクタンス及びコンデンサのキャパシタンスを適切に設定することにより、共振周波数におけるインピーダンスを電池のインピーダンスに対して十分に小さくすることができ且つ共振周波数近傍以外の周波数において並列回路のインピーダンスに対する共振回路の影響を十分に小さくすることができることがわかる。

≪異常診断制御≫
そこで、本実施形態では、上述したような性質を利用して、複数の電池素子１０を備える電池１において、異常が生じている電池素子１０又は電池素子群を特定する異常診断が行われる。特に、本実施形態では、電池１に各共振回路の共振周波数の交流信号が入力されたときの電池１のインピーダンスを検出し、各共振回路の共振周波数におけるインピーダンスに基づいて、電池１を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子１０又は電池素子群を特定するようにしている。以下では、具体的な異常診断制御における診断方法について説明する。

異常診断制御を行うにあたっては、図１０に示したように、電池１のインピーダンスの検出を行うインピーダンス検出装置７０が電池１の両端子３１、３２に接続される。インピーダンス検出装置７０は、電池１に様々な周波数の交流信号を入力したとき（すなわち、電池１に交流電流を流したときや、電池１に交流電圧を印加したとき）の電池１のインピーダンスを検出することができる。具体的には、インピーダンス検出装置７０は、電池１に所定の周波数の交流電流を流すと共にこのときの両端子３１、３２間の電圧を測定し、測定された電圧に基づいてその周波数における電池１のインピーダンス等を算出する。或いは、インピーダンス検出装置７０は、電池１の両端子３１、３２間に交流電圧を印加すると共にこのときに電池１に流れる電流を測定し、測定された電流に基づいてその周波数における電池１のインピーダンス等を算出する。なお、インピーダンス検出装置７０は、電池１に様々な周波数の交流信号を入力したときの電池１のインピーダンスを検出することができれば、周波数応答アナライザ（ＦＲＡ：Frequency Response Analyzer）等、公知の装置を用いることができる。

本実施形態では、電池１にこのようなインピーダンス検出装置７０を接続した後に、インピーダンス検出装置７０によって電池１の各共振回路２０の共振周波数における交流信号が電池１に入力されると共に、インピーダンス検出装置７０によってこのときの電池１のインピーダンスが検出される。

ここで、上述したように、或る共振回路２０の共振周波数の交流信号が電池１に入力されると、その共振回路２０に並列に接続された電池素子１０は実質的に短絡されることになる。したがって、例えば、第１共振回路２１の共振周波数（以下、「第１共振周波数」という）の交流信号を電池１に入力すると、このときインピーダンス検出装置７０によって検出された電池１のインピーダンスは、第１電池素子１１を除く残りの電池素子１２〜１４のインピーダンス合成値を表す。

したがって、第１共振周波数の交流信号を電池１に入力したときに検出された電池１のインピーダンスと、電池素子１２〜１４に異常が生じていないときのこれら電池素子１２〜１４のインピーダンス合成値（以下、「正常時インピーダンス合成値」という）とを比較することにより、第１電池素子１１以外の電池素子１２〜１４に異常が生じているか否かを判定することができる。具体的には、例えば、検出された電池１のインピーダンスと正常時インピーダンス合成値との差が所定の正常基準値以下であれば、電池素子１２〜１４のいずれにも異常は生じていないと判定される。逆に、検出された電池１のインピーダンスと正常時インピーダンス合成値との差が所定の正常基準値よりも大きければ、電池素子１２〜１４のいずれかには異常が生じていると判定される。

同様に、第２共振回路２２の共振周波数の交流信号を入力したとき、第３共振回路２３の共振周波数の交流信号を入力したとき、及び第４共振回路２４の共振周波数の交流信号を入力したときの、電池１のインピーダンスが検出される。これら検出値は、それぞれ、第２電池素子１２以外の電池素子のインピーダンス合成値、第３電池素子１３以外の電池素子のインピーダンス合成値、第４電池素子１４以外の電池素子のインピーダンス合成値を表す。したがって、これらインピーダンス合成値とこれに対応する正常時インピーダンス合成値とを比較することにより、第２電池素子１２以外の電池素子、第３電池素子１３以外の電池素子及び第４電池素子１４以外の電池素子における異常の有無を判定することができる。

そして、このようにして判定された各電池素子以外の電池素子における異常の有無に基づいて、特定の電池素子の異常の有無を判定することができる。例えば、第１電池素子１１以外の電池素子には異常が無いと判定されると共に、第２電池素子１２以外の電池素子のいずれか、第３電池素子以外の電池素子のいずれか及び第４電池素子以外の電池素子のいずれかには異常が有ると判定された場合には、第１電池素子１１に異常があると判定することができる。

≪フローチャートの説明≫
図１１は、第一実施形態に係る電池１の各電池素子１０の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。このような異常診断制御は、インピーダンス検出装置７０によって自動的に行われる。しかしながら、このような異常診断制御は、同様な手順によりインピーダンス検出装置７０を手動で操作することによって行われてもよい。

異常診断制御が開始されると、まず、ステップＳ１１では、測定回数ｉが１に初期化される。次いで、ステップＳ１２では、測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多いか否かが判定される。共振回路総数Ｎｃは、電池１に設けられた共振回路２０の数を示す。したがって、図１及び図１０に示した例では、共振回路総数Ｎｃは４とされる。

異常診断制御の開始直後は測定回数ｉは１であるため、ステップＳ１２では測定回数ｉは共振回路総数Ｎｃ以下であると判定され、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、インピーダンス検出装置７０によって周波数ｆｉの交流信号が電池１に入力される。ここで、周波数ｆｉは、第ｉ共振回路の共振周波数を意味する。したがって、例えば測定回数ｉが１のときには、第１共振回路の共振周波数の交流信号が電池１に入力されることになる。

次いで、ステップＳ１４では、ステップＳ１３において周波数ｆｉの交流信号を電池１に入力したときのインピーダンスＺｆｉがインピーダンス検出装置７０によって検出される。このインピーダンスＺｆｉは、第ｉ共振回路に接続された電池素子１０又は電池素子群以外の電池素子１０のインピーダンス合成値を表している。

次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で検出されたインピーダンスＺｆｉと、第ｉ共振回路に接続された電池素子１０又は電池素子群以外の電池素子１０の正常時インピーダンス合成値Ｚｆｉｒｅｆとの差が、正常基準値Ａ以下であるか否かが判定される。正常時インピーダンス合成値Ｚｆｉｒｅｆは、実験的に又は計算によって予め求められた値であってもよい。或いは、正常時インピーダンス合成値Ｚｆｉｒｅｆは、電池１の出荷時又は電池１を搭載した装置の出荷時において周波数ｆｉの交流信号を電池１に入力したときにインピーダンス検出装置７０によって検出されたインピーダンスであってもよい。

ステップＳ１５において、検出されたインピーダンスＺｆｉと正常時インピーダンス合成値Ｚｆｉｒｅｆとの差が正常基準値Ａ以下であると判定された場合にはステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、第ｉ共振回路に接続された電池素子１０又は電池素子群以外の電池素子１０には異常がないと判定され、ステップＳ１８へと進む。一方、ステップＳ１５において、検出されたインピーダンスＺｆｉと正常時インピーダンス合成値Ｚｆｉｒｅｆとの差が正常基準値Ａ以下であると判定された場合にはステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、第ｉ共振回路に接続された電池素子１０又は電池素子群以外の電池素子１０のいずれかに異常があると判定され、ステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、測定回数ｉに１を加算したものが新たな測定回数ｉとされ、ステップＳ１２へと戻される。

ステップＳ１３〜Ｓ１８が繰り返し実行されると、遂にはステップＳ１８によって算出される測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多くなる。このように測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多くなると、ステップＳ１２からステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、測定回数ｉが１から共振回路総数Ｎｃに達するまでの間にステップＳ１６又はＳ１７において行われた判定に基づいて、異常が生じている電池素子１０又は電池素子群が特定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態＞
≪異常診断制御≫
次に、図１２を参照して、第二実施形態に係る電池素子１０又は電池素子群の異常診断制御について説明する。第二実施形態においても第一実施形態における電池１と同様な電池が用いられる。以下では、第一実施形態における異常診断制御とは異なる部分を中心に説明する。

異常診断制御を行うにあたっては、本実施形態においても、電池１にインピーダンス検出装置７０を接続した後に、インピーダンス検出装置７０によって電池１の各共振回路２０の共振周波数における交流信号が電池１に入力される。加えて、本実施形態では、インピーダンス検出装置７０によって電池１の各共振回路２０の共振周波数とは異なる一つ又は複数の周波数の交流信号が電池１に入力される。そして斯かる交流信号が電池１に入力されたときのインピーダンスが、インピーダンス検出装置７０によって検出される。

ここで、各共振回路２０の共振周波数とは異なる周波数の交流信号が電池１に入力されると、インピーダンス検出装置７０によって検出されるインピーダンスは、いずれの電池素子１０も短絡されていないときのその周波数におけるインピーダンス、すなわち全ての電池素子１０のその周波数におけるインピーダンスの合成値を表している。

また、共振周波数以外の或る周波数における全ての電池素子１０のインピーダンス合成値を把握することができれば、この周波数とインピーダンス合成値とに基づいて、他の周波数における全ての電池素子１０のインピーダンス合成値を算出することができる。したがって、共振周波数における全ての電池素子１０のインピーダンス合成値（いずれの電池素子１０も短絡されていないときのインピーダンスの合成値）を算出することができる。したがって、例えば、電池１に共振回路２０が接続されていないと仮定したときの、第１共振回路２１の共振周波数、第２共振回路２２の共振周波数、第３共振回路２３の共振周波数及び第４共振回路２４の共振周波数における全ての電池素子１０のインピーダンス合成値（以下、「共振回路非接続時のインピーダンス合成値」という）を算出することができる。

一方、上述したように、或る共振回路２０の共振周波数の交流信号を電池１に入力すると、このときインピーダンス検出装置７０によって検出された電池１のインピーダンスは、その共振回路２０に並列に接続された電池素子１０以外の電池素子１０のインピーダンス合成値を表す。したがって、このようにして検出された電池１のインピーダンスを、上述したように算出されたその共振周波数における共振回路非接続時のインピーダンス合成値から減算することで、或る共振回路２０に並列に接続された電池素子１０のインピーダンスを算出することができる。

例えば、第１共振周波数の交流信号を電池１に入力したときにインピーダンス検出装置７０によって電池１のインピーダンスを検出する。また、共振周波数以外の或る周波数の交流信号を電池１に入力したときのインピーダンス合成値に基づいて、第１共振周波数における共振回路非接続時のインピーダンス合成値を算出する。そして、このようにして算出された共振回路非接続時の電池素子１０のインピーダンス合成値から、上記検出された電池１のインピーダンスを減算することによって、第１共振周波数の交流信号を入力したときの第１共振回路２１に接続された第１電池素子１１のインピーダンスを算出することができる。

このようにして算出された各電池素子１０のインピーダンスに基づいて各電池素子１０の異常診断を行うことができる。具体的には、例えば、第１電池素子１１に異常が生じていないときの第１電池素子１１の第１共振周波数におけるインピーダンスを正常時インピーダンスとして予め求めておく。そして、上述したようにして算出された第１共振周波数における第１電池素子１１のインピーダンスと、第１共振周波数における第１電池素子１１の正常時インピーダンスとを比較することにより、第１電池素子１１に異常が生じているか否かを判定する。より具体的には、上述したようにして算出された第１電池素子１１のインピーダンスと正常時インピーダンスとの差が所定の正常基準値以下であれば、第１電池素子１１には異常が生じていないと判定する。逆に、上述したようにして算出された第１電池素子１１のインピーダンスと正常時インピーダンスとの差が所定の正常基準値よりも大きければ、第１電池素子１１には異常が生じていると判定する。

同様に、第２共振回路２２の第２共振周波数の交流信号を入力したとき、第３共振回路２３の共振周波数の交流信号を入力したとき、及び第４共振回路２４の共振周波数の交流信号を入力したときの、電池１のインピーダンスが検出される。そしてこれら検出されたインピーダンスと、対応する正常時インピーダンスとに基づいて、第２電池素子１２、第３電池素子１３、第４電池素子１４における異常の有無を判定することができる。

≪フローチャートの説明≫
図１２は、第二実施形態に係る電池１の各電池素子の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。このような異常診断制御は、インピーダンス検出装置７０によって自動的に行われる。しかしながら、このような異常診断制御は、同様な手順によりインピーダンス検出装置７０を手動で操作することによって行われてもよい。

異常診断制御が開始されると、まず、ステップＳ３１では、測定回数ｉが０に初期化される。次いで、ステップＳ３２では、インピーダンス検出装置７０によって周波数ｆｉの交流信号が電池１に入力される。ここで、周波数ｆｉは、第ｉ共振周波数を意味する。したがって、例えば測定回数ｉが１のときには、第１共振周波数の交流信号が電池１に入力されることになる。また、測定回数ｉが０のときにはいずれの共振回路の共振周波数とも異なる周波数の交流信号が電池１に入力される。

次いで、ステップＳ３３では、ステップＳ３２において周波数ｆｉの交流信号を電池１に入力したときのインピーダンスＺｆｉがインピーダンス検出装置７０によって検出される。このインピーダンスＺｆｉ（ｉ＝１〜４）は、第ｉ共振回路に接続された電池素子又は電池素子群以外の電池素子のインピーダンス合成値を表している。一方、インピーダンスＺｆ０は、いずれの共振周波数でもない周波数における全ての電池素子のインピーダンス合成値を表している。

次いで、ステップＳ３４では、測定回数ｉが０で有るか否かが判定される。測定回数ｉが０である場合には、ステップＳ３５へと進む。ステップＳ３５では、ステップＳ３３において検出されたＺｆ０に基づいて、いずれの電池素子１０も短絡されていないと仮定したときの各共振周波数における電池１のインピーダンス、すなわち回路非接続時の全電池素子１０のインピーダンス合成値Ｚｎｒｆｉ（ｉ＝１〜４）が算出される。

その後、ステップＳ３６に進み、測定回数ｉに１を加算したものが新たな測定回数ｉとされ、ステップＳ３７へと進む。ステップＳ３７では、測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多いか否かが判定される。このときの測定回数ｉは１であるため、ステップＳ３７では測定回数ｉは共振回路総数Ｎｃ以下であると判定され、ステップＳ３２へ戻される。

制御ルーチンがステップＳ３７からＳ３２に戻された後には、測定回数ｉは０以外の値となっているため、ステップＳ３４において測定回数ｉが０ではないとして、ステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、ステップＳ３５において算出された第ｉ共振周波数における共振回路非接続時の全電池素子１０のインピーダンス合成値ＺｎｒｆｉからステップＳ３３で検出されたインピーダンスＺｆｉを減算した値が、第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０のインピーダンスＺｉとして算出される。

次いで、ステップＳ３９では、ステップＳ３８で算出された第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０のインピーダンスＺｉと、第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０の正常時インピーダンスＺｉｒｅｆとの差が、正常基準値Ｂ以下であるか否かが判定される。第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０の正常時インピーダンスＺｉｒｅｆは、例えば、実験的又は計算によって予め求められた値であってもよい。或いは、電池１の出荷時又は電池１を搭載した装置の出荷時等において、上記と同様な手法で算出した第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０のインピーダンスＺｉを第ｉ共振周波数における第ｉ電池素子１０の正常時インピーダンスＺｉｒｅｆとしてもよい。

ステップＳ３９において、算出されたインピーダンスＺｉと正常時インピーダンスＺｉｒｅｆとの差が正常基準値Ｂ以下であると判定された場合にはステップＳ４０へと進む。ステップＳ４０では、第ｉ電池素子１０には異常が無いと判定され、ステップＳ３６へと進む。一方、ステップＳ３９において、算出されたインピーダンスＺｉと正常時インピーダンスＺｉｒｅｆとの差が正常基準値Ｂよりも大きいと判定された場合にはステップＳ４１へと進む。ステップＳ４１では、第ｉ電池素子１０には異常があると判定され、ステップＳ３６へと進む。

その後、ステップＳ３２からＳ３７が繰り返し実行されると、遂にはステップＳ３６によって算出される測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多くなる。このように測定回数ｉが共振回路総数Ｎｃよりも多くなると、制御ルーチンが終了せしめられる。

１電池
１０電池素子
１１第１電池素子
１２第２電池素子
１３第３電池素子
１４第４電池素子
２０共振回路
２１第１共振回路
２２第２共振回路
２３第３共振回路
２４第４共振回路
３０ハウジング
３１正極端子
３２負極端子

Claims

直列に接続された複数の電池素子を備える電池の異常診断を行う異常診断方法であって、
前記電池は、互いに共振周波数の異なる複数の共振回路を備え、各共振回路は一つの電池素子の両電極間又は複数の電池素子から成る電池素子群の両電極間に接続され、
前記電池に各共振回路の共振周波数の交流信号が入力されたときの前記電池のインピーダンスを検出し、
各共振回路の共振周波数におけるインピーダンスに基づいて、前記電池を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子又は電池素子群を特定する、異常診断方法。