JP2022007515A - 電池診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で診断速度の高速化を図ることができる電池診断システムを提供する。
【解決手段】本実施形態の電池診断システム１は、重畳電流印加部１０、電流値取得部２０、電圧値取得部３０、インピーダンス算出部４０及び診断部５０を備える。重畳電流印加部１０は、複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池２に印加する。電流値取得部２０は、電池２に印加された重畳電流の電流値を取得する。電圧値取得部３０は、重畳電流が印加された上記電池の電池電圧を取得する。インピーダンス算出部４０は、重畳電流と電池電圧とから離散フーリエ変換を用いて、複数の周波数成分ごとのインピーダンスを算出する。診断部５０は、インピーダンスに基づいて電池２を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池診断システムに関する。

近年、電池が広く利用されるようになっているが、電池は使用に伴って状態が変化して劣化するため、電池の劣化状態を診断することが必要となる。電池の診断システムとして、例えば、特許文献１には、二次電池のインピーダンスの周波数特性を取得して劣化状態を診断する構成が開示されている。かかる構成では、電気負荷を駆動するための駆動回路と駆動回路に電力を付与する二次電池との間にスイッチング素子を設けてある。そして、スイッチング素子を所望の周波数でオン／オフすることにより、二次電池と駆動回路との間の直流電圧を所望のスイッチング周波数で変換したときに検出される二次電池の電流値と電圧値から二次電池のインピーダンスの周波数特性を取得し、二次電池の内部抵抗を算出する。これにより、二次電池に交流信号を与えるための発振器を用いることなく、二次電池のインピーダンスの周波数特性を取得することを可能としている。

特開２００８－１７５５５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、周波数ごとに少なくとも一周期分の測定が必要となるとともに、複数周波数の測定は同時に行うことができない。そのため、測定する周波数が多くなるほど、その測定には各周波数の一周期分の時間を合算した時間を少なくとも要し、診断速度は低いものとなっている。そのため、電池の充放電中、例えば、車両に搭載された電池における車両走行中などの電池の使用中に診断結果に基づいたフィードバック制御を行いたい場合などには特許文献１の構成では診断速度が追い付かない場合がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、簡易な構成で診断速度の高速化を図ることができる電池診断システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池（２、２ａ、２ｂ）に印加する重畳電流印加部（１０）と、
上記電池に印加された上記重畳電流の電流値を取得する電流値取得部（２０）と、
上記重畳電流が印加された上記電池の電池電圧を取得する電圧値取得部（３０）と、
上記重畳電流と上記電池電圧とから離散フーリエ変換を用いて、複数の周波数成分ごとのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（４０）と、
上記インピーダンスに基づいて、上記電池を診断する診断部（５０）と、
を備える、電池診断システム（１）にある。

上記電池診断システムにおいては、複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池に印加して、検出された電池電圧と重畳電流とからフーリエ変換によって周波数ごとのインピーダンスを算出して電池状態を診断する。これにより、複数の周波数の電流を印加したときの電池電圧をまとめて取得することができるため、複数の周波数の電流を順次印加して電池電圧を取得する場合に比べて、診断速度の高速化を図ることができる。また、重畳電流を電池に印加するに際して発振器等を用いる必要がないため、構成の簡素化を図ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、簡易な構成で診断速度の高速化を図ることができる電池診断システムを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電池診断システムの構成を示すブロック図。 実施形態１における、重畳電流の例を示す概念図。 実施形態１における、電池診断システムの回路構成を示す概念図。 実施形態１における、多重正弦波の電流を示す概念図。 実施形態１における、電池診断システムにおける診断工程を表すフロー図。 実施形態１における、電池診断システムにおける（ａ）重畳電流と、（ｂ）ＦＦＴ変換結果とを示す概念図。 実施形態１における、電池診断システムにおけるインピーダンス算出結果を示す概念図。 実施形態１における、電池診断システムにおける測定精度を表す概念図。 実施形態１における、重畳電流の例を示す概念図。 変形形態１における、電池診断システムの回路構成を示す概念図。 実施形態２における、電池診断システムの回路構成を示す概念図。 実施形態３における、電池診断システムの回路構成を示す概念図。 変形形態２における、電池診断システムの回路構成を示す概念図。

（実施形態１）
上記電池診断システムの実施形態について、図１～図９を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の電池診断システム１は、重畳電流印加部１０、電流値取得部２０、電圧値取得部３０、インピーダンス算出部４０及び診断部５０を備える。
重畳電流印加部１０は、複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池２に印加する。
電流値取得部２０は、電池２に印加された重畳電流の電流値を取得する。
電圧値取得部３０は、重畳電流が印加された上記電池の電池電圧を取得する。
インピーダンス算出部４０は、重畳電流と電池電圧とから離散フーリエ変換を用いて、複数の周波数成分ごとのインピーダンスを算出する。
診断部５０は、インピーダンスに基づいて電池２を診断する。

以下、本実施形態の電池診断システム１について、詳述する。
図１に示す重畳電流印加部１０は、電池２に重畳電流を印加する。重畳電流には、複数の周波数成分が重畳されている。重畳電流としては、例えば、図２（ａ）に示すように複数の制限波を重畳してなる多重正弦波としたり、図２（ｂ）に示すように矩形波としたり、図２（ｃ）に示すように鋸波としたり、図２（ｄ）に示すように三角波としたりすることができる。中でも、重畳電流として多重正弦波を採用することが好ましい。矩形波、鋸波及び三角波では、重畳周波数としての基本周波数に対する高調波は、次数が高まるごとに電流値が大幅に低減するが、多重正弦波では重畳された周波数の各電流値はそれぞれ低減しないため、高い測定精度を維持できるからである。多重正弦波において、重畳する周波数は特に限定されず、適宜設定することができる。重畳電流印加部１０は、電池に接続されたＢＭＵ（バッテリマネージメントユニット）や、電池が車両に搭載される場合には、車両ＥＰＵ（エンジンコントロールユニット）により構成することができる。また、重畳電流印加部１０は、サービスステーションに設けられた所定の診断装置に構成したり、図示しないデータ送受信装置を用いてクラウド上に保存されたプログラムにより実現したりすることができる。

図１に示す電池２の種類は特に限定されない。本実施形態１では、電池２は二次電池であって、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載された電源を構成している。そして、図３に示すように、電池２として、第１の電池２ａと第２の電池２ｂとが直列に接続されている。なお、電池２ａ、２ｂはいずれも、複数のセルを有する電池モジュールを構成しているが、これに限定されず、単一のセルを有する単電池であってもよい。

図１に示す電流値取得部２０は、電池２に印加される重畳電流の電流値を検出する。本実施形態１では、図３に示すように、電池２に接続された電力線に設けられた電流センサにより電流値を検出するように構成されている。例えば、電流値取得部２０により、図４に示すように重畳電流を検出することができる。図１に示す電圧値取得部３０は、電池２に重畳電流が印加されたときの電池電圧を検出する。本実施形態１では、図３に示すように、電圧値取得部３０は、電池２ａ、２ｂの電池電圧をそれぞれ検出可能な電圧センサにより電池電圧を検出するように構成されている。本実施形態１では、電流値取得部２０及び電圧値取得部３０として、Ｋｅｙｅｎｃｅ社製ロガー、型番ＮＲ６００を用いた。

図１に示すインピーダンス算出部４０は、電流値取得部２０により検出された重畳電流と電圧値取得部３０により検出された電池電圧とから離散フーリエ変換を用いて、複数の周波数成分ごとのインピーダンスを算出する。離散フーリエ変換としては、高速離散フーリエ変換（ＦＦＴ）を採用することができる。図１に示す診断部５０は、インピーダンス算出部４０により取得された周波数成分ごとのインピーダンスに基づいて電池２を診断する。インピーダンス算出部４０及び診断部５０は、ＢＭＵや電池が車両に搭載される場合には車両ＥＰＵにより構成することができる。また、インピーダンス算出部４０及び診断部５０は、サービスステーションに設けられた所定の診断装置に構成したり、図示しないデータ送受信装置を用いてクラウド上に保存されたプログラムにより実現したりすることができる。本実施形態１では、インピーダンス算出部４０としてＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を用いた。

図１に示す重畳電流生成部６０により、重畳電流が生成される。重畳電流生成部の構成は限定されず、例えば、電力変換装置又は昇圧コンバータと、スイッチと、平滑コンデンサ又は電池を含むキャパシタとを有する構成を採用できる。これにより、例えば、最大２００Ａ程度の大電流の重畳電流を生成することができる。本実施形態１では、図３に示すように、重畳電流生成部６０は、電気自動車におけるインバータを構成する電力変換装置６３、スイッチ６２、平滑コンデンサ６４とからなる。そして、電力変換装置６３に接続された負荷としてのＭＧの中性点と電池２の中性点とがスイッチ６２を介して結線されている。これにより、電力変換装置６３及び負荷６１を昇降圧チョッパとして動作させることができ、コンデンサを介さずに電池２ａと電池２ｂとの間でリプル電流（無効電力）をやり取りとりすることができる。そして、重畳電流印加部１０により、スイッチ６２のオンオフを制御することにより重畳電流が生成され、電池２ａ、２ｂに印加されることとなる。すなわち、電池２ａと電池２ｂとの間でリプル電流をやり取りとりするため、２つの電池２ａ、２ｂのうち、一方は他方に対して、キャパシタとして機能することとなる。当該構成によれば、コンデンサを介さずに電池２に重畳電流としてリプル電流を注入可能であるため、コンデンサの小型化を図ることができる。また、リプル周波数を低周波化することができ、昇温中の騒音が低減することができる。

次に、本実施形態１の電池診断システム１の制御フローについて、図５を用いて説明する。
まず、図５に示すステップＳ１において、重畳電流印加部１０により、重畳電流生成部６０において生成した重畳電流を電池２ａ、２ｂに印加する。本実施形態１では、電池２ａ、２ｂはそれぞれ４つのセルを有し、合計容量は２５Ａｈである。本実施形態１では、当該電池２ａ、２ｂへの重畳電流の印加は、５０～３００Ｈｚの間において５０Ｈｚ間隔で１０Ａ指令の電流とする。

その後、図５に示すステップＳ２において、電流値取得部２０により図６（ａ）に示す電池２ａ、２ｂに印加された重畳電流の電流値を取得する。また、これとともに、電圧値取得部３０により電池２ａ、２ｂの電池電圧を取得する。なお、取得した電流値及び電圧値は、平均化したりやローパスフィルタを用いて適宜ＡＤ変換を行う。

次いで、図５に示すステップＳ３において、インピーダンス算出部４０により、電流値をＦＦＴ変換する。本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、重畳電流の電流値を周波数成分で分離する。図示しないが、電圧値も同様に周波数成分で分離する。そして、それぞれを複素ベクトルＩ（ω）、Ｖ（ω）として取得し、下記の式１、式２に基づいて、図７に示すように、複素インピーダンス平面プロット（Cole‐Coleプロット）を作成する。
（式１）Ｚ＝｜Ｉ（ω）｜／｜Ｖ（ω）｜、及びｃｏｓθ＝Ｉ・Ｖ／｜Ｉ｜｜Ｖ｜
（式２）Ｒｅ＝Ｚｃｏｓθ、及びＩｍ＝Ｚｓｉｎθ

その後、図５に示すステップＳ４おいて、インピーダンス算出部４０により、Cole‐Coleプロットからインピーダンスを算出する。そして、診断部５０により、インピーダンスの算出結果に基づいて、電池２ａ、２ｂを診断し、この制御フローを終了する。

次に、本実施形態１の電池診断システム１のインピーダンス算出結果の検証について説明する。測定試験１として、周波数応答アナライザーを用いて、電池２のインピーダンスを測定し、その測定結果を図７にプロットした。この検証によれば、図７に示すように、本実施形態１によるインピーダンス算出結果は、測定試験１の測定結果とほぼ同等の測定精度であることが示された。

次に、本実施形態１の電池診断システム１のインピーダンス算出結果の算出速度の比較試験について説明する。
比較形態は、図２に示す本実施形態１の電池診断システム１における電力変換装置６３に接続された大電流が流れるパワーラインとは異なる経路で、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を用いて電池に電流を印加する回路を有し、ＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）によってフーリエ変換により電流値と電圧値を複素ベクトル変換してインピーダンスを演算する構成を備える従来構成とした。比較形態における印加電流は０．１Ａとした。一方、本実施形態１では、上述の制御フローの通り、５０～３００Ｈｚにおいて５０Ｈｚ間隔で１０Ａ指令の電流を重畳した。そして、電流の印加開始からインピーダンスの算出までに要した時間を比較した。試験結果は、比較形態における測定時間を１００としたとき、本実施形態１における測定時間は４１であった。これにより、本実施形態１における電池診断システム１が比較形態に対して、インピーダンスの算出速度が十分に高速であることが示された。

次に、本実施形態１の電池診断システム１の測定精度の検証について説明する。
上述の比較形態の構成に０．１Ａの電流を印加したときの測定バラツキσＡと、本実施形態１の電池診断システム１において、印加電流を０～０．５Ｃレートの範囲で変更したときの測定バラツキσＢとの比σＡ／σＢを測定精度比として算出し、印加電流との対応関係を図８に示した。

図８に示すように、印加電流Ｃレートが０．１以上で測定精度比が１以上であり、０．２以上で測定精度比が４以上となっていた。したがって、検証結果から、重畳電流は、診断対象の電池の容量をＣとしたとき、０．１Ｃ以上のＣレートの周波数成分を含んでいれば、従来と同等以上の測定精度が確保できる。さらに、０．２Ｃ以上のＣレートの周波数成分を含んでいれば、従来よりも十分に高い測定精度が得られることが示された。

次に、本実施形態１の電池診断システム１における作用効果について、詳述する。
本実施形態１の電池診断システム１においては、複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池２ａ、２ｂに印加して、検出された電池電圧と重畳電流とからフーリエ変換によって周波数ごとのインピーダンスを算出して電池状態を診断する。これにより、複数の周波数の電流を印加したときの電池電圧をまとめて取得することができるため、複数の周波数の電流を順次印加して電池電圧を取得する場合に比べて、診断速度の高速化を図ることができる。また、重畳電流を電池に印加するに際して発振器等を用いる必要がないため、構成の簡素化を図ることができる。

上記重畳電流の波形は、三角波、矩形波、鋸波、及び多重正弦波の少なくとも一つである。これにより、複数の周波数を有する電流が重畳された重畳電流を容易に生成することができる。そして、本実施形態１では多重正弦波である。これにより、各重畳成分も電流値を維持することができ、測定精度の低下を防止することができる。

また、本実施形態１では、上記重畳電流は、診断対象の電池２ａ、２ｂの容量をＣとしたとき、０．１Ｃ以上のＣレートを有する周波数成分を含む。これにより、電池２ａ、２ｂに大電流が印加されることとなり、測定精度を向上することができる。よって、診断速度の向上と測定精度の向上の両立を図ることができる。

また、本実施形態１では、電力変換装置６３と、スイッチ６２と、キャパシタとしての電池２ａ、２ｂを有して、上記重畳電流を生成するように構成された重畳電流生成部６０を備える。これにより、電池２ａ、２ｂが電気自動車等の電源として搭載されている場合に、電気自動車等の電力変換装置６３とこれに接続されたパワーラインとを利用してオンボードで重畳電流生成部６０を構成することができ、車載用の電池の診断に適した構成とすることができる。

また、重畳電流印加部１０は、電池２ａ、２ｂの充電中又は放電中に、重畳電流を電池２ａ、２ｂに印加するようにしてもよい。充電中に印加する重畳電流としては、例えば、図９（ａ）に示す波形の電流を採用することができる。なお、車両に搭載された電池２においては、回生中や走行中給電におけるインピーダンス算出のために図９（ａ）に示す重畳電流を電池２に印加することとしてもよい。また、放電中に印加する重畳電流としては、例えば、図９（ｂ）に示す波形の電流を採用することができる。なお、車両に搭載された電池２においては、走行中やバッテリシステムとしての給電時にインピーダンス算出のために図９（ｂ）に示す重畳電流を電池２に印加することとしてもよい。当該構成によれば、上述のように診断速度の高速化が図られているため、充電中又は放電中に診断結果を取得することができ、フィードバック制御の実施に寄与する。

なお、図１０に示す変形形態１のように重畳電流生成部６０が２つ備えられていてもよい。本実施形態２においても、電池２ａ、２ｂ間でリプル電流をやり取りする構成となり、実施形態１の場合と同等の作用効果を奏する。

以上のごとく、上記態様によれば、簡易な構成で診断速度の高速化を図ることができる電池診断システム１を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態２の電池診断システム１では、図１１に示すように、重畳電流生成部６０において、電池２とキャパシタとしての平滑コンデンサ６４との間でリプル電流をやり取りするように構成されている。その他の構成は実施形態１と同等であって、実施形態１お場合と同一の符号を付してその説明を省略する。そして、本実施形態２においても、実施形態１の場合と同等の作用効果を奏する。

（実施形態３）
本実施形態３の電池診断システム１は、ハイブリッド自動車に搭載された電池２の診断に用いられる電池診断システムであって、図１２に示すように、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を備え、当該ＰＣＵにおいて重畳電流生成部６０としての電力変換装置６３、昇圧コンバータ６５を備える。その他の構成は実施形態１と同等であって、実施形態１お場合と同一の符号を付してその説明を省略する。そして、本実施形態３においても、実施形態１の場合と同等の作用効果を奏する。

なお、図１３に示す変形形態２のように、重畳電流生成部６０として、電力変換装置６３としても機能する外部充電器６６を用いてもよい。この場合も、本実施形態３と同等の作用効果を奏する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 電池診断システム
２、２ａ、２ｂ 電池
１０ 重畳電流印加部
２０ 電流値取得部
３０ 電圧値取得部
４０ インピーダンス算出部
５０ 診断部
６０ 重畳電流生成部
６２ スイッチ
６３ 電力変換装置
６３ 電力変換装置
６４ 平滑コンデンサ
６５ 昇圧コンバータ

Claims (6)

1. 複数の周波数成分が重畳されてなる重畳電流を電池（２、２ａ、２ｂ）に印加する重畳電流印加部（１０）と、
   上記電池に印加された上記重畳電流の電流値を取得する電流値取得部（２０）と、
   上記重畳電流が印加された上記電池の電池電圧を取得する電圧値取得部（３０）と、
   上記重畳電流と上記電池電圧とから離散フーリエ変換を用いて、複数の周波数成分ごとのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（４０）と、
   上記インピーダンスに基づいて、上記電池を診断する診断部（５０）と、
   を備える、電池診断システム（１）。
2. 上記重畳電流の波形は、三角波、矩形波、鋸波、及び多重正弦波の少なくとも一つである、請求項１に記載の電池診断システム。
3. 上記重畳電流の波形は、多重正弦波である、請求項１に記載の電池診断システム。
4. 上記重畳電流は、診断対象の上記電池の容量をＣとしたとき、０．１Ｃ以上のＣレートを有する周波数成分を含む、請求項１又は２に記載の電池診断システム。
5. 電力変換装置（６３）又は昇圧コンバータ（６５）と、スイッチ（６２）と、平滑コンデンサ（６４）又は電池（２）を含むキャパシタとを有するとともに、上記重畳電流を生成するように構成された重畳電流生成部（６０）を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池診断システム。
6. 上記重畳電流印加部は、上記電池の充電中又は放電中に、上記重畳電流を上記電池に印加する、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池診断システム。

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