JP3960998B2 - 電池の劣化状態判定方法，劣化判定装置及び電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電池の劣化状態を判定する方法及び装置、並びに電源システムの技術分野に関するものである。

電池の劣化判定方法としては、特に二次電池を対象に種々の技術が開発されているが、中でも内部インピーダンスを測定することにより電池の劣化状態を判定する技術が注目されている（例えば、特許文献１参照）。
電池の内部インピーダンスは、充電又は放電を行っていない状態で電池に流れる電流及び応答電圧をそれぞれ検出し、両者を用いて所定の演算を行うことにより求めることができる。

例えば、特許文献２では、密閉型鉛蓄電池の内部インピーダンスに基づいてその劣化状態を判定する方法が提案されている。そこでは、密閉型鉛蓄電池を予め定めた一定の周期で放電させて一定周波数の放電電流を流し、そのときの放電電流波形及び電圧応答波形をフーリエ変換したのち、内部インピーダンスを算出する方法が述べられている。

また、特許文献３において、電解質に電極を挿入して作られた電気化学素子等では、そのインピーダンスは周波数依存性を持つことが多く、素子の性質を完全に把握するためには、多点の周波数でのインピーダンスを、繰り返し測定する必要があることが述べられている。

内部インピーダンスを求める第一の方法は、電池に正弦波交流電流を付加し、その応答正弦波電圧変動から求めることであるが、この方法は正弦波交流電流を作成／付加する装置が大掛かりとなり、車載，あるいは携帯電話などへの適用を念頭に置いた場合、コスト，装置サイズの面で大きな問題となる。

それを解決する方法として、正弦波交流電流を直接付加するのではなく電池に所定周期のパルス放電を行わせ、その際の電流波形，電圧波形の双方をフーリエ展開し、双方の所定の周期の正弦波成分を抽出し、これからインピーダンスを求める方法が考案されている。これにより正弦波電流を生成させる必要がなくなり、検知装置の小型化／低コスト化が実現可能となった。
特開平１０−５６７４４号 特許第３３６７３２０号 特開昭５３−０７０４７２号

しかしながら、上記従来のいずれの劣化判定方法においても、内部インピーダンスの演算には高度な三角関数演算が必要となり、演算処理に用いるＣＰＵも高性能で高価なものが要求され、さらには演算処理の負荷も大きくなるといった問題があった。

そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、電池に矩形波等のパルス放電をさせたときのサンプリングデータを矩形波展開することで、演算処理の負荷を大幅に軽減できる電池の劣化状態判定方法及び劣化判定装置、並びに電源システムを提供することを目的としている。

この発明の第１の態様は、電池に所定の電流値で所定の周期の略矩形波のパルス放電を行わせ、前記パルス放電時の応答電圧をサンプリングしてこれを直交する矩形波成分に展開し、前記応答電圧の前記矩形波成分の振幅を前記パルス放電の前記電流値で除して擬似的なインピーダンスを求め、前記擬似的なインピーダンスより前記電池の劣化程度を判定することを特徴とする劣化状態判定方法である。

第２の態様は、電池に任意波形のパルス放電を行わせ、前記パルス放電時の電流波形ならびに応答電圧波形をサンプリングしてそれぞれを少なくとも１つ以上の直交する矩形波成分に展開し、前記応答電圧波形の矩形波成分の振幅を前記電流波形の矩形波成分の振幅で除して擬似的なインピーダンスを求め、前記擬似的なインピーダンスより前記電池の劣化程度を判定することを特徴とする劣化状態判定方法である。

第３の態様は、前記擬似的なインピーダンスを所定の補正式で補正した補正インピーダンスを求め、前記補正インピーダンスより前記電池の劣化程度を判定することを特徴とする劣化状態判定方法である。

第４の態様は、電池に所定の電流値で所定周期のパルス放電を行わせる放電回路と、前記パルス放電時の応答電圧をサンプリングして記憶するメモリーと、前記メモリーから前記応答電圧を入力して第１の態様又は第３の態様に記載の電池の劣化状態判定方法に基づいて前記電池の劣化判定処理を行うＣＰＵとを備えたことを特徴とする劣化判定装置である。

第５の態様は、電池に任意波形のパルス放電を行わせる放電回路と、前記パルス放電時の電流波形ならびに応答電圧波形をサンプリングして記憶するメモリーと、前記メモリーから前記電流波形ならびに前記応答電圧波形を入力して第２の態様又は第３の態様に記載の電池の劣化状態判定方法に基づいて前記電池の劣化判定処理を行うＣＰＵとを備えたことを特徴とする劣化判定装置である。

第６の態様は、前記電池は二次電池であって、前記電池に所定の電流値で所定の周期の略矩形波のパルス放電又はパルス充電を行わせることを特徴とする劣化状態判定方法である。

第７の態様は、前記電池は二次電池であって、前記電池に任意波形のパルス放電又はパルス充電を行わせることを特徴とする劣化状態判定方法である。

第８の態様は、前記電池は二次電池であって、前記電池に所定の電流値で所定周期のパルス充電を行わせる充電回路を追加し、前記メモリーは前記パルス放電時又は前記パルス充電時の応答電圧をサンプリングして記憶することを特徴とする劣化判定装置である。

第９の態様は、前記電池は二次電池であって、前記電池に任意波形のパルス充電を行わせる充電回路を追加し、前記メモリーは前記パルス放電時又は前記パルス充電時の応答電圧をサンプリングして記憶することを特徴とする劣化判定装置である。

第１０の態様は、電池に第４の態様又は第５の態様又は第８の態様又は第９の態様に記載の劣化判定装置を備えたことを特徴とする電源システムである。

本発明によれば、サンプリングデータを矩形波展開することで、演算処理の負荷を大幅に軽減できる電池の劣化状態判定方法を提供することができる。また、前記矩形波展開で容易に得られる擬似インピーダンスを用いることにより、インピーダンスを用いるのとほぼ同等の精度で劣化判定を行うことが可能となる。

さらに、本発明の劣化状態判定方法により演算負荷を大幅に低減できることから、比較的性能の低いＣＰＵでも使用でき、低コストの劣化判定装置及び電源システムを提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の電池の劣化判定方法の第一の実施形態を示すブロック図である。放電手段２は、電池１に所定の電流値７で所定の周期の略矩形波のパルス放電を行わせるものである。これは、スイッチを前記所定の周期で開閉することで容易に実現できるものである。

矩形波展開手段３は、放電手段２で電池１をパルス放電させたときの応答電圧６をサンプリングしてこれを直交する矩形波成分に展開するものである。直交する矩形波は、一般に以下のように表すことができる。

Ｔ：基本波(最も低い周波数の波)の周期＝パルス放電の周期
ｎ：自然数-矩形波の次数
（ｆ(ｎｔ)，ｇ(ｎｔ)は基本波の周期Ｔの1/nの周期の矩形波を示す。）
ｍ：任意の自然数

応答電圧６をＶ（ｔ）で表したとき、（式１）及び（式２）で表される直交する矩形波を用いて、

また、（式３）における係数は次式で求めることができる。

この積分演算は正弦波における離散フーリエ展開と同様、Ｖ(ｔ)を所定のサンプリング間隔Δｔで一周期分(＝Ｔ)サンプリングすることによって区分求積演算によって算出可能である。矩形波展開手段３では、上式に基づいて例えば基本周波数における係数ａ１を算出している。

擬似インピーダンス算出手段４は、矩形波展開手段３で算出した係数ａ１を入力する一方、電池１をパルス放電させたときの電流値７を放電手段２から入力する。そして、係数ａ１を電流値７で除すことで三角関数演算を行うことなく擬似インピーダンス８を算出する。なお、電流値７として電池１をパルス放電させたときの電流をサンプリングして用いることも可能である。

劣化判定手段５は、擬似インピーダンス算出手段４で算出した擬似インピーダンス８を入力し、所定の判定方法、例えば擬似インピーダンス８が所定の限界値を超えているか否かを判定する方法により、電池１が劣化しているか否かを判定する。

従来は真のインピーダンスを求めて電池の劣化判定に用いているが、本発明では真のインピーダンスに代えて上記で説明した擬似インピーダンスを電池１の劣化判定に用いている。これは、本発明で矩形波展開して求めた擬似インピーダンスと従来の正弦波展開（フーリエ展開）して求めたインピーダンスとの間には線形的な相関があるという新たな知見に基づいている。

矩形波展開して求めた擬似インピーダンスと正弦波展開して求めたインピーダンスとの相関を図２に示す。矩形波展開して求めた擬似インピーダンスをｘ、従来の正弦波展開して求めたインピーダンスをｙとしたとき、ｙ＝ｃ・ｘ＋ｄで表せる線形関係がほぼ成り立つことが図２からわかる。ここで、係数ｃ、ｄは図２から決定することができる。

上記の通り、本発明の第一の実施形態によれば、真のインピーダンスを用いるのとほぼ同等の精度で電池の劣化状態を判定することが可能となる。また、（式１）〜（式５）によって応答電圧６を矩形波展開する場合には、（式１）又は（式２）の値が一定となる区間毎に演算することで処理が簡単になり、さらには演算負荷の大きい三角関数演算を行う必要がないことから、ＣＰＵの負荷を大幅に低減することが可能となる。

第一の実施形態では、電池１の劣化判定に擬似インピーダンス８をそのまま用いたが、図２に示す矩形波展開擬似インピーダンスと正弦波展開インピーダンスとの相関式に基づき、擬似インピーダンス８を補正して用いることも可能である。すなわち、図２から前記ｙ＝ｃ・ｘ＋ｄの相関式を求め、当該相関式で擬似インピーダンス８を補正したものを電池１の劣化判定に用いることにより、劣化判定の精度をより一層高めることが可能である。

本発明の電池の劣化判定方法の第二の実施形態を図３を用いて説明する。本実施形態では、電池の劣化判定に矩形波のパルス放電を用いる代わりに、任意波形のパルス放電を用いている。

放電手段１１は、電池１に所定の波形のパルス放電を行わせるものである。前記所定の波形は、任意に作成して用いることが可能であり、任意に作成した前記波形を放電手段１１に事前に設定しておくようにすることができる。前記任意波形として、矩形波を用いることももちろん可能である。

第一の矩形波展開手段１２は、放電手段１１で電池１をパルス放電させたときの応答電圧１６をサンプリングしてこれを直交する矩形波成分に展開するものである。ここでも、第一の実施形態と同様に、例えば基本周波数における係数（第一の実施形態のａ１と区別してａ１’とする）を算出する。

第二の矩形波展開手段１３は、放電手段１１で電池１をパルス放電させたときの電流１７をサンプリングしてこれを直交する矩形波成分に展開するものである。（式３）は応答電圧を矩形波成分に展開したものであるが、電流１７についても（式３）と同様に矩形波成分に展開できる。電流１７に対しても、上記と同様に例えば基本周波数における係数（ａ１及びａ１’と区別してａ１’’とする）を算出する。

擬似インピーダンス算出手段１４は、第一の矩形波展開手段１２で算出した係数ａ１’と、第二の矩形波展開手段１３で算出した係数ａ１’’とを入力し、係数ａ１’を係数ａ１’’で除すことで擬似インピーダンス１８を算出する。

劣化判定手段１５は、擬似インピーダンス算出手段１４で算出した擬似インピーダンス１８を入力し、第一の実施形態と同様の判定方法により電池１が劣化しているか否かを判定する。また、第一の実施形態と同様、前記ｙ＝ｃ・ｘ＋ｄの相関式で擬似インピーダンス１８を補正したものを電池１の劣化判定に用いることにより、劣化判定の精度をより一層高めることも可能である。

上記では、電池１の劣化判定のために電池１をパルス放電させる実施形態について説明したが、電池１が二次電池の場合には、電池１をパルス充電させて劣化判定を行うことも可能である。そのためには、第一の実施形態の放電手段２又は第二の放電手段１１に代えて電池１にパルス充電を行わせる充電手段を設けるか、あるいはパルス放電とパルス充電を選択して行えるようにする。

次に本発明の電池の劣化判定装置について、図面を用いて説明する。
図４は本発明の電池の劣化判定方法の第一の実施形態を実現するための劣化判定装置を示すブロック図である。劣化判定装置２１はＣＰＵ２２、メモリー２３及び放電回路２４から構成されている。放電回路２４は、放電手段２に対応する機能である。電池１が二次電池の場合には、劣化判定装置２１にさらに充電回路を追加して劣化判定に用いることができる。

ＣＰＵ２２には、本発明の第一の実施形態の劣化状態判定方法を実現する劣化状態判定用プログラム、及び電圧計２５で測定された電圧をサンプリングしてメモリー２３に保存する電圧サンプリング用プログラムが装荷されており、外部からの要求等により前記各プログラムの処理が実行される。

前記劣化状態判定用プログラムの処理が開始されると、まず放電回路２４に対し略矩形波のパルス放電を要求する。放電回路２４で前記パルス放電が実行されると、そのときの応答電圧を電圧計２５で測定し、測定された前記応答電圧を前記電圧サンプリング用プログラムでサンプリングしてメモリー２３に保存する。

前記電圧サンプリング用プログラムで所定の期間前記応答電圧のサンプリングを行うと、次にＣＰＵ２２において前記劣化状態判定用プログラムの矩形波展開手段３により前記応答電圧の矩形波展開が行われる。以下、擬似インピーダンス算出手段４及び劣化判定手段５が実行されて、電池１の劣化状態が判定される。

次に、本発明の電池の劣化判定方法の第二の実施形態を実現するための別の劣化判定装置を、図５に示すブロック図を用いて説明する。劣化判定装置３１の構成は図４に示した劣化判定装置２１と同じであるが、電流計３２から電流を入力している点が異なる。また、電池１が二次電池の場合には、劣化判定装置３１にさらに充電回路を追加することができるのも劣化判定装置２１の場合と同じである。

劣化判定装置３１のＣＰＵ２２には、本発明の第二の実施形態の劣化状態判定方法を実現する別の劣化状態判定用プログラムと前記電圧サンプリング用プログラムに加えて、電流計３２で測定された電流をサンプリングしてメモリー２３に保存する電流サンプリング用プログラムが装荷されており、外部からの要求等により前記各プログラムの処理が実行される。

前記別の劣化状態判定用プログラムの処理が開始されると、まず放電回路２４に対し任意波形のパルス放電を要求する。放電回路２４で前記パルス放電が実行されると、そのときの電流及び応答電圧をそれぞれ電流計３２と電圧計２５で測定し、測定された前記電流及び前記応答電圧を前記電流サンプリング用プログラム及び前記電圧サンプリング用プログラムでサンプリングしてメモリー２３に保存する。

前記電流サンプリング用プログラム及び前記電圧サンプリング用プログラムで所定の期間前記電流及び前記応答電圧のサンプリングを行うと、以下は劣化判定装置２１の場合と同様に、前記別の劣化状態判定用プログラムの処理が行われて電池１の劣化状態が判定される。

上記で説明した本発明の劣化判定装置３１を備えた電源システムの一実施例を図６に示す。図６に示す電源システム４１は、電池１が二次電池であって、劣化判定装置３１が放電回路２４に加えて充電回路４２を備えている実施例である。図６に示す実施例と同様に、劣化判定装置２１を備えた電源システムも可能である。

上記で説明した本発明の劣化判定装置２１又は３１では、性能が比較的低いＣＰＵをＣＰＵ２２に適用することが可能である。すなわち、従来は応答電圧等を演算負荷の大きい三角関数を用いてフーリエ変換していたが、これに代えて本発明では前記応答電圧等を矩形波展開する演算を行っており、ＣＰＵの負荷を大幅に低減することが可能となる。そのため、従来に比べて劣化判定装置２１又は３１に実装するＣＰＵの性能を低下させることができ、ＣＰＵのコストを大幅に低減することが可能となる。

図１は、本発明の電池の劣化判定方法の第一の実施形態を示すブロック図である。 図２は、矩形波展開して求めた擬似インピーダンスと正弦波展開して求めたインピーダンスとの相関を示すグラフである。 図３は、本発明の電池の劣化判定方法の第二の実施形態を示すブロック図である。 図４は、本発明の電池の劣化判定方法の第一の実施形態を実現するための劣化判定装置を示すブロック図である。 図５は、本発明の電池の劣化判定方法の第二の実施形態を実現するための別の劣化判定装置を示すブロック図である。 図６は、本発明の劣化判定装置を備えた電源システムを示すブロック図である。

符号の説明

１・・・電池
２、１１・・・放電手段
３・・・矩形波展開手段
４、１４・・・擬似インピーダンス算出手段
５、１５・・・劣化判定手段
６、１６・・・応答電圧
７、１７・・・電流
８、１８・・・擬似インピーダンス
１２・・・第一の矩形波展開手段
１３・・・第二の矩形波展開手段
２１、３１・・・劣化判定装置
２２・・・ＣＰＵ
２３・・・メモリー
２４・・・放電回路
２５・・・電圧計
３２・・・電流計
４１・・・電源システム
４２・・・充電回路

Claims (10)

1. 電池に所定の電流値で所定の周期の略矩形波のパルス放電を行わせ、
   前記パルス放電時の応答電圧をサンプリングしてこれを直交する矩形波成分に展開し、
   前記応答電圧の前記矩形波成分の振幅を前記パルス放電の前記電流値で除して擬似的なインピーダンスを求め、
   前記擬似的なインピーダンスより前記電池の劣化程度を判定する
   ことを特徴とする劣化状態判定方法。
2. 電池に任意波形のパルス放電を行わせ、
   前記パルス放電時の電流波形ならびに応答電圧波形をサンプリングしてそれぞれを少なくとも１つ以上の直交する矩形波成分に展開し、
   前記応答電圧波形の矩形波成分の振幅を前記電流波形の矩形波成分の振幅で除して擬似的なインピーダンスを求め、
   前記擬似的なインピーダンスより前記電池の劣化程度を判定する
   ことを特徴とする劣化状態判定方法。
3. 前記擬似的なインピーダンスを所定の補正式で補正した補正インピーダンスを求め、
   前記補正インピーダンスより前記電池の劣化程度を判定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の劣化状態判定方法。
4. 電池に所定の電流値で所定周期のパルス放電を行わせる放電回路と、
   前記パルス放電時の応答電圧をサンプリングして記憶するメモリーと、
   前記メモリーから前記応答電圧を入力して請求項１又は請求項３に記載の電池の劣化状態判定方法に基づいて前記電池の劣化判定処理を行うＣＰＵと、
   を備えたことを特徴とする劣化判定装置。
5. 電池に任意波形のパルス放電を行わせる放電回路と、
   前記パルス放電時の電流波形ならびに応答電圧波形をサンプリングして記憶するメモリーと、
   前記メモリーから前記電流波形ならびに前記応答電圧波形を入力して請求項２又は請求項３に記載の電池の劣化状態判定方法に基づいて前記電池の劣化判定処理を行うＣＰＵと、
   を備えたことを特徴とする劣化判定装置。
6. 前記電池は二次電池であって、
   前記電池に所定の電流値で所定の周期の略矩形波のパルス放電又はパルス充電を行わせる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の劣化状態判定方法。
7. 前記電池は二次電池であって、
   前記電池に任意波形のパルス放電又はパルス充電を行わせる、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の劣化状態判定方法。
8. 前記電池は二次電池であって、
   前記電池に所定の電流値で所定周期のパルス充電を行わせる充電回路を追加し、
   前記メモリーは前記パルス放電時又は前記パルス充電時の応答電圧をサンプリングして記憶する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の劣化判定装置。
9. 前記電池は二次電池であって、
   前記電池に任意波形のパルス充電を行わせる充電回路を追加し、
   前記メモリーは前記パルス放電時又は前記パルス充電時の応答電圧をサンプリングして記憶する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の劣化判定装置。
10. 電池に、
    請求項４又は請求項５又は請求項８又は請求項９に記載の劣化判定装置を備えた
    ことを特徴とする電源システム。

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