JP5323396B2 - 入出力特性評価システム及びそれを組み込んだ充放電試験装置 - Google Patents

入出力特性評価システム及びそれを組み込んだ充放電試験装置 Download PDF

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本発明は、簡便で精度が高く、かつ、短時間で蓄電デバイスの入出力特性を評価可能な入出力特性評価システム及びそれを組み込んだ充放電試験装置に関する。
近年、最先端蓄電デバイスであるリチウムイオン電池、キャパシタのハイブリッド電気自動車に代表される大電流負荷用途蓄電システムに向けた開発が加速している。この開発において蓄電デバイスの入出力特性評価は重要であり、その評価方法は予め定めた充放電深度に充電あるいは放電されたデバイスに対して複数の充電電流・電力(入力)あるいは放電電流・電力(出力)を印加して、得られる充電カーブ(充電容量・時間に対するデバイス電圧)あるいは放電カーブ(放電容量・時間に対するデバイス電圧)を解析するものである。例えば、容量5Ahのリチウムイオン電池の放電深度0%(充電深度100%)における出力特性を評価する場合、評価電池を所定深度まで充電後1C電流(5A)での放電、それに続く所定深度までの充電、5C電流(25A)での放電、それに続く所定深度までの充電、10C電流(50A)での放電を順次繰り返す操作を例えば、1C、5C、10C、20C、50C電流における出力特性を得るためには5回繰り返す必要があった。更に、放電深度0%、放電深度25%、放電深度50%における出力特性を得る場合にはその3倍の充放電回数が必要とされる。また、この場合において100C(500A)での出力特性が要求された場合、再度測定することが通常であり、評価データの汎用性についても問題が残されていた。
一方、ハイブリッド電気自動車、瞬時停電バックアップシステム等の大電流負荷用途蓄電システムが実際要求する電流値は、例えば、100A以上と携帯機器用蓄電デバイスに要求される電流値の1桁から2桁以上高いものである。従って、大電流負荷用途蓄電システムに用いる蓄電デバイスの入出力特性評価には、巨大な電源を備えた充放電試験装置が必要であり、そのコスト、電源からの発熱、大電流を流すに耐えうる電流線及びその結線作業は、蓄電デバイスの入出力特性評価に対して制約を与えるものとなっている。
入出力特性評価は益々重要となりつつあるものの、上記のようにその評価は煩雑かつ手間のかかる作業であり、入出力特性と関係がある蓄電デバイスの内部抵抗を評価することも行われる。その中、非特許文献1には蓄電デバイスの直流内部抵抗評価法として電流休止法が提案され、その評価具体例が記載されている。この電流休止法とは、直流内部抵抗評価を電流休止時の電圧降下(充電時)、電圧上昇(放電時)挙動から求め、その時間依存性を解析する方法であり、この電流休止法から得られる直流内部抵抗(以下休止法抵抗と呼ぶことがある)は入出力特性と密接に関係しているとされている。
矢田静邦、「リチウムイオン電池・キャパシタの実践評価技術」、技術情報協会(2006年9月)
上記のごとく従来のリチウムイオン電池、キャパシタ等の蓄電デバイスの入出力特性評価は煩雑かつ手間のかかる作業であり、測定自体あるいはそのデータ整理に多大な時間を要し、開発への迅速なフィードバックができないという課題があった。更には、このように多大な時間を費やし評価した入出力データの汎用性にも乏しく、かつ、蓄電デバイスの高出力化に伴い、その評価に用いる充放電試験装置も大掛かりなものとなっている。本発明の目的は簡便で精度が高く、かつ、短時間で入出力特性が評価可能な評価システム及びこのシステムを組み込んだコンパクトな充放電試験装置を提供することにある。
本発明者は、上記の様な従来技術の問題点に留意しつつ研究を進めた結果、蓄電デバイスの時間t後の充電あるいは放電深度Q(t)における開路電圧V(t)、印加電流I(ここでIは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)とした時、その時の蓄電デバイスの電圧V(t)を、予め測定された電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtを用いV(t)=V(t)−I×Rtより算出する、蓄電デバイスの電圧予測方法を適用することにより、非特許文献1に記載の休止法抵抗と実際の蓄電デバイスの充放電カーブ(入出力特性)を迅速に結びつけることが可能である入出力評価システム及びそれを組み込んだ充放電試験装置を見出し本発明に至った。
請求項1に記載の入出力特性評価システムは、電デバイスの充電あるいは放電が開始されてから時間t後の充電あるいは放電深度Q(t)における開路電圧をV(t)、印加電流をIとした時、その時の蓄電デバイスの電圧V(t)を、予め測定された電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを用いV(t)=V(t)−I×Rt(ここでIは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)より算出する蓄電デバイスの電圧予測方法を適用し、蓄電デバイスに対し任意の電流を所定時間負荷した場合の充電電圧あるいは放電電圧を評価することが可能であることを特徴とする。
請求項2に記載の入出力特性評価システムは、蓄電デバイスを予め決定される電圧範囲及び電流Iにて充電あるいは放電を実施し、充電あるいは放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)を測定する第一測定工程、予め決定される電圧範囲、電流IRES及び休止条件にて休止を含む充電あるいは放電を実施し、休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)を測定する第二測定工程、休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除することにより得られる電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程、充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、充電あるいは放電深度Q(0)近辺での充電あるいは放電休止点におけるRtを用い、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rt(ここでI、Iは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)から算出する第二演算工程より算出する蓄電デバイスの電圧予測方法を適用し、蓄電デバイスに対し任意の電流を所定時間負荷した場合の充電電圧あるいは放電電圧を評価することが可能であることを特徴とする。
上記請求項1〜2の構成によれば、蓄電デバイスの入出力特性評価を最低2回の充放電操作で任意の電流印加時の入力あるいは出力特性評価が可能となる。
請求項3に記載の入出力特性評価システムは、前記電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程及び前記放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を算出する第二演算工程を前記第二測定工程実行中に実施することを特徴とする。
請求項4に記載の入出力特性評価システムは、前記第二測定工程における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データVRES(t)、前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データのうち少なくとも1つを前記第二測定工程実行中において表示することを特徴とする。
請求項5に記載の入出力特性評価システムは、前記第二測定工程における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データ、前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データから必要なデータを任意に選択することにより表示することを特徴とする。
請求項6に記載の入出力特性評価システムは、前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データのうち少なくとも1つについて、tを1秒間隔以下で連続的に変化させ算出し、グラフとして表示することを特徴とする。
上記請求項3〜6の構成によれば、測定中においても任意の印加電流に対する入出力特性を得ることが可能となり、必要なデータ、あるいは、充放電カーブ等のグラフ情報を得ることが可能となる。
請求項7に記載の充放電試験装置は、請求項1から6のいずれかに記載の入出力特性評価システムを組み込んだことを特徴とする。
請求項8に記載の充放電試験装置は、前記充放電試験装置において電圧の測定間隔が200msec以下あるいは/又は電圧測定精度が±1mV未満であることを特徴とする。
上記請求項7〜8の構成によれば、入出力特性を評価する上で必要となる電流値を小さく抑えることが可能となることにより充放電試験装置をコンパクトに設計できると伴に、精度の高い評価結果を得ることができる。
本発明の入出力特性評価システムは簡便で精度が高く、かつ、短時間で入出力特性が評価可能となり、このシステムを組み込むことにより充放電試験装置をコンパクトに設計することが可能であるという効果を奏する。
本発明の一実施形態について、説明すれば以下の通りである。
本発明の入出力特性評価システムでは、蓄電デバイスの充電あるいは放電が開始されてから時間t後の充電あるいは放電深度Q(t)における開路電圧をV(t)、印加電流をIとした時、その時の蓄電デバイスの電圧V(t)を、予め測定された電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtを用いV(t)=V(t)−I×Rt(ここでIは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)より算出することを基本原理とする。ここで充電あるいは放電深度は充電あるいは放電容量に対する充電開始からの容量%あるいは放電開始からの容量%、充電開始からの容量自身あるいは放電開始からの容量自身等、電池の充放電状態位置を決定する指標であれば特に限定されない。
入出力特性を評価する場合、所定の充電あるいは放電深度から所定の電流を印加した場合の蓄電デバイスの電圧がわかれば良い。すなわち、印加電流Iを流した場合の時間t後の蓄電デバイスの電圧V(t)が求まれば、tを変化させることにより、例えば、連続した充電あるいは放電カーブを得ることも可能であり、また、所定電圧に到達する時間、あるいは容量等を得ることができる。
一般に、蓄電デバイスに電流を印加した場合の電圧は、開路電圧及び蓄電デバイスの内部抵抗と電流の積(抵抗による電圧上昇あるいは降下分)により算出できる。しかしながら、蓄電デバイスの内部抵抗は電流印加時間、充放電深度とともに変化するため、従来は精度良く算出することが難しく、実測に頼るしか方法がなかった。本発明者らは電流印加時間とともに変化する内部抵抗として、電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtを用いV(t)=V(t)−I×Rtから算出することにより、印加電流Iを流した場合の時間t後の蓄電デバイスの電圧V(t)を得ることが可能であることを見出した。
例えば、放電の場合、時間t=0における放電深度をQ(0)である場合、印加電流Iを時間t流した場合の放電深度Q(t)は容易に算出でき、予め放電深度に対する開路電圧がわかっていれば、このQ(t)における開路電圧V(t)は容易に求まる。本発明では、印加電流Iを時間t流した場合の内部抵抗として、電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtを適用し、V(t)−I×Rtで印加電流Iを時間t流した場合のV(t)を算出する。この方法によれば、印加電流Iを時間t流して実測した値と整合性の高いV(t)値が得られる。
本発明の入出力特性評価システムは上記基本原理に基づき、具体的には、以下の方法で入出力特性評価を評価する。すなわち、本発明の入出力特性評価システムは、蓄電デバイスを予め決定される電圧範囲及び電流Iにて充電あるいは放電を実施し、充電あるいは放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)を測定する第一測定工程、予め決定される電圧範囲、電流IRES及び休止条件にて休止を含む充電あるいは放電を実施し、休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)を測定する第二測定工程、休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除することにより得られる電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程、充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、充電あるいは放電深度Q(0)近辺での充電あるいは放電休止点におけるRtを用い、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rt(ここでI、Iは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)から算出する第二演算工程を含む。
第一測定工程とは基本充放電データを測定する工程(以下基本充放電データ測定工程と呼ぶことがある)であり、蓄電デバイスを予め決定される電圧範囲及び電流Iにて充電あるいは放電を実施し、充電あるいは放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)を測定する。ここで充電と放電を連続して実施することも可能であり、入力特性のみの評価の場合は充電のみ、出力特性のみの評価の場合は放電のみを実施することも可能である。このとき、予め決定される電圧範囲とは、入出力特性を評価したい蓄電デバイスの電圧範囲であり、蓄電デバイスの用途、特性を考慮して任意に決定することができる。また、ここで電流Iは特に限定するものではないが、この測定データは先に説明した開路電圧V(t)に代わるものであり、比較的小電流で測定することが好ましく、一例としてはリチウムイオン電池であれば0.2C程度の電流、キャパシタなら1C程度の電流であるが、評価において得たい最大印加電流(後に任意に決定するIの最大値)の1/10以下、好ましくは1/50以下、更にこの好ましくは1/100以下であることが内部抵抗による電圧降下(放電時)、電圧上昇(充電時)の影響が少なく望ましい。
第二測定工程とは休止法抵抗を測定する工程(以下休止法抵抗測定工程と呼ぶことがある)であり、予め決定される電圧範囲、電流IRES及び休止条件にて、休止を含む充電あるいは放電を実施し、休止時間t(t≧0)に対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)を測定する。ここで休止を含む充電と休止を含む放電を連続して実施することも可能であり、入力特性のみの評価の場合は休止を含む充電のみ、出力特性のみの評価の場合は休止を含む放電のみを実施することも可能である。このとき、予め決定される電圧範囲とは、入出力特性を評価したい蓄電デバイスの電圧範囲であり、蓄電デバイスの用途、特性を考慮して任意に決定することができる。また、ここで電流IRESは特に限定するものではないが、この電流値が大きすぎるとこのシステムを組み込んだ充放電試験装置の電源が大きくなることから、10C以下の電流値であることが望ましい。ここでの測定データは休止法抵抗を求めるための休止を含む充放電における蓄電デバイスの電圧を得るものであり、IRESは充放電試験装置の電圧測定精度及び蓄電デバイスの内部抵抗を考慮し決定される。IRESは一例としてリチウムイオン電池であれば0.5C程度の電流、キャパシタなら3C程度の電流であるが、後述するΔVRES(t)が充放電試験装置の電圧測定精度の10倍以上であることが望ましい。
また、予め決定される休止条件(休止電圧、休止充電あるいは放電深度、休止回数、休止時間)に関しても入出力特性を評価したい蓄電デバイスの電圧範囲内で任意に決定されるものである。特に、入出力特性を評価したい充電あるいは放電深度近傍で休止を入れることが評価精度を高める上で重要である。複数の充放電深度(充電容量あるいは放電容量)において休止時電圧を測定しておけば、種々の充放電深度(充電容量あるいは放電容量)別の入出力評価が可能となることから、たとえば、予め決定される電圧範囲内で5回から10回程度の休止を含む条件で決定することが好ましい。一方、休止時間については、一例としてリチウムイオン電池であれば1分程度、キャパシタなら10秒程度であるが、入出力特性を評価したい充電時間あるいは放電時間程度に決定することが好ましい。すなわち、ハイブリッド電気自動車、瞬時停電バックアップシステム等の大電流負荷用途蓄電システムが要求する連続充電時間あるいは放電時間は0.1秒から1分程度であり、休止時間はこれを含む0.1秒以上2分以下であることが望ましい。
第二測定工程では休止時間t(t≧0)に対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)を測定するが、
電圧VRES(t)の測定間隔は入出力特性を評価したい最短時間以下に設定することが好ましく、大電流負荷用途蓄電システム用蓄電デバイスの場合、通常200msec以下が好ましく、更に好ましくは100msec以下、特に好ましくは50msec以下である。この測定間隔が長い場合には、必要とする入出力時間での評価データが得られないだけでなく、評価精度も低下する。
本発明の入出力評価システムは上記のように少なくとも第一測定工程(基本充放電データ測定工程)と第二測定工程(休止法抵抗測定工程)の2つの測定工程を少なくとも含み、最小2回の測定で入出力特性評価データを得ることができることから、従来多くの回数の充放電の繰り返しを必要としていた入出力特性評価に比べ、著しくその評価時間を短縮することができる。
本発明の入出力評価システムは上記第一測定工程(基本充放電データ測定工程)で測定された充電あるいは放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)と第二測定工程(休止法抵抗測定工程)で測定された休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)から入出力特性を演算する工程を含む。すなわち、本発明の入出力評価システムは休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除することにより得られる電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程、充電あるいは放電深度Q(0)から電流I(ここでIは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)を時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、充電あるいは放電深度Q(0)近辺での充電あるいは放電休止点におけるRtを用い、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rtから算出する第二演算工程を少なくとも含んでいる。
第一演算工程(以下休止法抵抗演算工程と呼ぶことがある)では、休止法抵抗測定工程で電流を休止させた各々の点(各休止点)における休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除す演算を評価に必要な間隔、好ましくはすべての測定点で実施する。これにより電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtが得られる。また、同時に休止法抵抗測定工程開始時の充電あるいは放電深度と充放電容量(IRESと充放電時間から算出)から各休止点の充電あるいは放電深度を算出しておくことも、第二演算工程での放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を算出する時、使用する休止法抵抗を選択する上での参考となる。この第一演算工程は第二測定工程実行中において、必要とする休止点あるいはすべての休止点に対し、各休止点の測定が完了すると直ちに実施することが好ましい。この実施により第一測定工程データと第一演算工程での演算結果から第二演算工程を実施でき、任意に決定される電流Iにおける入出力特性を最短で評価することが可能となる。
休止法抵抗演算工程で得られるRtデータは、例えば、第二測定工程での測定データV(t)、休止点の充電あるいは放電深度等の情報とともに、休止点毎に休止時間tに対するRtデータとして表示することもできる。
第二演算工程(以下入出力特性評価工程とよぶことがある)では、充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、充電あるいは放電深度Q(0)近辺での充電あるいは放電休止点におけるRtを用い、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rtから算出する。ここでI、Iは、放電時(出力評価)には正の値、充電時(入力評価)には負の値とし、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rtの代入し演算する。Q(t)は入出力特性評価開始充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加したときの充電あるいは放電深度(Q(0)とI×tから算出)であり、VI0(Q(t))は充電あるいは放電深度Q(t)における、基本充放電データ測定工程で測定した電流Iにて測定した放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)と対応するものである。ここで、第一測定工程で得られるVI0(Q)データとVI0(Q(t))の対応については、いずれも測定データ間隔、あるいは演算データ間隔に差がある場合がある。この場合、演算においては充電あるいは放電深度Q(t)に対し、例えば、Q(t)を挟み込む充電あるいは放電深度における2点の基本充放電データ測定工程で測定されたVI0(Q)データを直線近似させる等の手法によりVI0(Q(t))を近似する演算を実施する。したがって、評価精度を上げるためには、基本充放電データ測定工程のVI0(Q)の測定間隔も好ましくは1sec以下、あるいは、更に好ましくは500msec以下、特に好ましくは200msec以下である。
本評価システムは印加電流Iとした時、その時の蓄電デバイスの電圧V(t)を、電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを用い、V(t)=V(t)−I×Rtより算出することを基本原理としているが、開路電圧V(t)は測定に多くの時間が必要なことから、比較的小電流で測定するVI0(Q(t))を実用的観点から用いている。VI0(Q(t))は小電流といえども内部抵抗による開路電圧からの電圧降下、あるいは上昇を含むことから〔I−I〕項で補正することにより、評価精度を向上することができる。
評価に使用する電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtは、評価を開始する充電あるいは放電深度Q(0)の近傍での休止点から算出されるRtを用いることにより評価精度を向上することができる。どの程度近傍の値が必要とされるかについては蓄電デバイスの種類、評価する電流値により異なることから適宜決定する必要があるが、例えば、電気二重層キャパシタでは放電深度50%の電圧までは、放電深度10%での電流休止時の電圧変化値から算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを用いて評価可能である。また、入力特性評価には、充電時の電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを、出力特性評価には、放電時の電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを用いることが好ましく、例えば、非特許文献1に記載されているように、電気二重層キャパシタにおいては電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtが充電、放電の履歴に依存する場合、特に、この点に特に注意する必要がある。
上記の様にVI0(Q(t))−〔I−I〕×Rtを演算することにより、充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時のV(t)が求まり、時間tとV(t)、Q(t)とV(t)等の関係としてデータを得ることができる。Iは任意に決定する値であり、Q(t)はIを決めれば計算できる値であり、Iは基本充放電データ測定工程ですでに決定されている値であることから、第二測定工程(休止法抵抗測定工程)でRtが求まりしだい、任意の電流Iにおける時間tとV(t)、Q(t)とV(t)の関係から入出力特性カーブを得られることになる。
本発明の入出力評価システムは短時間で入出力特性が評価可能な評価システムを提供することを目的とし、前記の如く第二測定工程(休止法抵抗測定工程)でRtが求まりしだい、入出力評価が可能となる。したがって、電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程(休止法抵抗演算工程)及び放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を算出する第二演算工程を前記第二測定工程(休止法抵抗測定工程)実行中に実施することにより、得たい入出力特性に応じた個々の電流を印加し評価していた従来評価に対し、極めて短時間で任意の電流Iに対する入出力特性を評価可能となる。
更には、第二測定工程(休止法抵抗測定工程)における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データ、第一演算工程(休止法抵抗演算工程)で算出される休止時間tに対するRtデータ、第二演算工程(入出力特性評価工程)で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データのうち少なくとも1つが前記第二測定工程実行中において表示させることにより、測定中においても入出力特性詳細データを可視的に得ることができ、利便性の高いシステムとなる。
また、上記表示に関しては、第二測定工程における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データ、第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データから、必要なデータを任意に選択することにより表示させるように設計することが好ましい。例えば、入出力特性を1秒率で評価する場合、t=1secでのV(1sec)値のみを表示させる、必要とする電流Iに対するt=1secでのV(1sec)値を選択的に表示させる等により、更に利便性の高いシステムとなる。
また、第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、第二演算工程で算出されるV(t)のうち少なくとも1つがtを連続的に変化させ算出し、グラフとして表示することにより測定中においても、従来の評価法と同様の入出力特性カーブを可視的に得ることができる。tを連続的に変化させる場合、1秒(sec)間隔以下で変化させることにより精度の高いグラフを得ることができる。
以上の表示は、使用頻度の高いデータ、グラフを記載しているが、本入出力特性システムを使用する目的により、更に、Rtデータ、放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ等を、種々のデータ、グラフに加工して表示させることも可能である。
ここまで記載した充放電測定制御、データ取り込み、演算、データ加工、グラフ化、表示等については本発明の入出力評価システムの概念を公知充放電システムに組み込むことにより設計可能である。
本発明では上記入出力特性評価システムを組み込んだことを特徴とする充放電試験装置も提供する。従来のハイブリッド電気自動車、瞬時停電バックアップシステム等の大電流負荷用途蓄電システムが実際要求する電流値は、例えば、100A以上と携帯機器用蓄電デバイスに要求される電流値の1桁から2桁以上高いものであり、大電流負荷用途蓄電システムに用いる蓄電デバイスの入出力特性評価には、巨大な電源を備えた充放電試験装置が必要であった。しかし、上記入出力特性評価システムを組み込んだことにより、上記のとおり、休止法抵抗測定電流IRESはリチウムイオン電池であれば0.5C程度の電流、キャパシタなら3C程度の電流であり、この電流により測定された休止法抵抗から、例えば数10C〜1000Cという大電流負荷時の、入出力特性を評価することができる。従って、本発明のシステムを組み込んだ場合、電源容量を小さく押さえることが可能であり、コンパクトな充放電試験装置を提供することが可能となる。
一方、本発明では上記入出力特性評価システムを組み込んだことを特徴とする充放電試験装置には高精度な電圧検出機を備えることが好ましい。従来の一般的な充放電試験装置はこの電圧検出精度は1mV以上である。しかし、入出力特性評価システムでは比較的小電流で測定する休止法抵抗の測定精度が評価精度に直接影響することから、電圧測定精度が±1mV未満、好ましくは±0.5mV以下が望ましい。また、電圧測定間隔についても通常200msec以下が好ましく、更に好ましくは100msec以下、特に好ましくは50msec以下である。この測定間隔が長い場合には、必要とする入出力時間での評価データが得られないだけでなく、評価精度も低下する。本発明の充放電試験装置の電源、システムとの通信等は公知充放電試験装置で対応可能であるが、電圧検出については、分解能12bIt以上の精度であることが望ましい。
本発明の入出力特性評価システム法は、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、新型リチウム系蓄電デバイス、NI水素電池等の蓄電デバイスに適用可能であるが、特に、ハイブリッド用蓄電デバイス等の高出力時の入出力特性評価にその効果が大きい。
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確化するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
活性炭電極を正極及び負極とし、電解液としてプロピレンカーボネートに1.5mol/lの濃度に4フッ化トリエチルメチルアンモニウム(TEMA・BF)を溶解したキャパシタ(定格容量:0.66mAh)を使用し、本発明の入出力評価システムにて入出力特性を評価した。充放電試験装置としては市販の北斗電工株式会社製HJ-SM8を用い、電圧検出には分解能14bIt(5Vレンジで0.6mV)の計測ユニットを用いた。また、計測した時間、電流、電圧データをパソコンに取り込み、充電あるいは放電深度(容量)、休止法抵抗Rt、V(t)等の演算、演算データの保存、グラフ作成を実施し、これらデータ、グラフ等をパソコン画面上に必要に応じ表示した。
第一測定工程(基本充放電データ測定工程)を実施した。予め決定した電圧範囲(2.5V〜0V)にて電流Iを0.66mA(1CA)とし、定電流で2.5Vまで充電した後、定電流で0Vまで放電した。データ測定間隔は1秒とした。第一測定工程の測定データ(時間、電圧、電流)を取り込み、電流を時間で積分することにより充電容量、放電容量を算出し、充電容量、放電容量Q(ここでは、充電開始からの容量自身あるいは放電開始からの容量自身を充電あるいは放電深度を表す指標とした)とそれに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)を得た。測定結果の表示例(充電容量に対する蓄電デバイスの電圧、放電容量に対する蓄電デバイスの電圧)を図1に示す。充電容量は0−2.5Vの電圧範囲で、0−0.64mAhであり、これは充電深度を%で表示した場合0−100%(0.64mAh充電で充電深度100%)に相当し、充電あるいは放電深度を%で表示したい場合、このような関係から換算すれば良い。
続いて第二測定工程(休止法抵抗測定工程)を実施した。予め決定した電圧範囲(2.5V〜0V)にて電流IRESを1.98mA(3CA)とし、1.98mAの電流を1分50秒印加し、10秒休止する操作によりキャパシタの電圧が2.5Vになるまで充電後、同様の操作でキャパシタの電圧が0Vになるまで放電するプログラムを作成し電流休止法による測定を開始した。図2は電流休止法放電過程の第3休止点を少し過ぎたところまでの測定結果表示例である。第二測定工程は完了していないが、この時に、例えば、放電深度0mAhからの出力特性を放電過程の第1休止点のRtを用いて評価することができる。
以下、放電深度0mAhからの出力特性を放電過程の第1休止点のRtを用いて評価する場合を説明するが、入力特性評価、他の放電深度における出力特性評価においても、第二測定工程において演算工程に使用する休止点におけるVRES(t)測定が完了しだい、休止法抵抗演算、任意の印加電流Iに対する蓄電デバイスの電圧V(t)の演算、データあるいはグラフの表示が同様に可能である。
上記放電過程の第1休止点において、休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除す演算を実施し、電流休止法に基づく直流内部抵抗(休止法抵抗)Rtを求めた(第一演算工程:休止法抵抗演算工程)。図3は結果データの表示した例であり、休止時間tに対するΔVRES(t)、Rtデータを画面上で見ることができる。図4には演算結果であるR10secを電流休止法抵抗、R1secを電流休止法抵抗のオーム成分、(R10sec−R1sec)を電流休止法抵抗の平衡成分として(オーム成分、平衡成分については非特許文献1に記載)、第二測定工程経過時間に対する蓄電デバイスの電圧の関係をグラフ化・拡大したものに、その値を併せ表示した例である。また、図5は休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)の関係をグラフ化・拡大したものに、任意に選択した休止時間tにおけるRtの演算値を同時に表示した例である。このように即座にデバイスの入出力と関係づけられる電流休止法抵抗の時間変化、代表値を可視的にも確認できることは、本システムの特徴の1つであり、迅速な入出力特性評価を可能とする。
上記第一演算工程終了後、任意に選択した電流I=100C(66mA)、及び300C(198mA)対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、放電深度0mAhからの出力特性を放電過程の第1休止点のRtを用いて、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rtから算出した(第二演算工程:入出力評価工程)。図6は放電深度(放電開始:2.5Vを0mAhとしたmAh表記)とVI0(Q)の関係の表示例である。図7はI=100C(66mA)として計算したV(t)の代表値、及び、この代表点を図6のグラフに併せ示した表示例である。なお、本実施例の演算において、放電深度Q(t)に対するVI0(Q(t))は、Q(t)を挟み込む充電あるいは放電深度における2点の基本充放電データ測定工程で測定されたVI0(Q)データを直線近似することによりVI0(Q(t))を演算した。図8にはI=100C(66mA)としたときの出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例を示す。
図9はI=300C(198mA)として同様に計算したV(t)の代表値、及び、この代表値を図6のグラフに併せ示した表示例である。図10にはI=300C(198mA)としたときの出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例を示す。また、図11にはI=100C(66mA)、及び300C(198mA)に対する出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例である。本システムは休止法抵抗の時間変化を入出力特性と関係づけることにより入出力特性を評価するものであるが、従来の入出力特性カーブ(図12)と同様の形でデータをグラフ化することが可能であり、図12(従来の実測法)と図11(本システム)は同等のカーブを示し、特に、計算に用いた第一休止点近傍(1.0V以上)で精度良く一致する。更に、図13はI=300C(198mA)での出力カーブの拡大図及び代表値を表示したものであるが、このように、例えば、100msec以下の出力特性も、上記測定データから容易に表示・解析することができる。また、ここではI=100C(66mA)、及び300C(198mA)での結果を示したが、2回の充放電(第一測定工程、第二測定工程)で得られるデータにより、50C、357C、830C等任意のIについて即座に計算、表示することができることから、本システムは簡便で精度が高く、かつ、短時間で入出力特性を評価可能である。
本発明の入出力特性システムは、例えば、携帯機器用電源、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、燃料電池電気自動車などに用いられる蓄電デバイスの入出力特性評価において、従来、多大な時間を費やし測定・解析していた入出力特性評価を、短時間にかつ簡便で精度良く実施でき、かつ、必要なデータ、グラフ等を、即座に表示し、解析を可能とする。また、蓄電デバイスの高出力化に伴い、従来法では大型電源を搭載した充放電試験装置が必要とされる入出力特性評価においても、本発明の入出力特性システムを組み込むことにより、そのサイズを最小限に抑えることが可能となる。
本発明の実施例における第一測定工程で得られた充電容量(充電深度)に対する蓄電デバイスの電圧及び放電容量(放電深度)に対する蓄電デバイスの電圧の表示例である。 本発明の実施例における第二測定工程で得られた電流休止法放電過程の第3休止点近辺までの測定結果表示例である。 本発明の実施例における第一演算工程で得られた休止時間tに対するΔVRES(t)、Rtデータの表示例である。 本発明の実施例における第二測定工程経過時間に対する蓄電デバイスの電圧の関係をグラフ化・拡大したものに、代表的なRtの値を併せ表示した例である。 本発明の実施例における第一演算工程で得られた休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)の関係をグラフ化・拡大したものに、任意に選択した休止時間tにおけるRtの演算値を併せ表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程で使用する放電深度とVI0(Q)の関係につき、グラフ化し表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=100C(66mA)として計算したV(t)の代表値、及び、この代表値を図6のグラフに併せ表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=100C(66mA)としたときの出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=300C(198mA)として計算したV(t)の代表値、及び、この代表値を図6のグラフに併せ表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=300C(198mA)としたときの出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=100C(66mA)、及び300C(198mA)に対する出力カーブを基本充放電カーブ(1C)と併せ表示した例である。 従来の方法で1C(0.66mA)、100C(66mA)、及び300C(198mA)に対する出力カーブを測定した結果である。 本発明の実施例における第二演算工程においてI=300C(198mA)対する出力カーブ(図10)を拡大した表示例である。

Claims (8)

  1. 蓄電デバイスの充電あるいは放電が開始されてから時間t後の充電あるいは放電深度Q(t)における開路電圧をV(t)、印加電流をIとした時、その時の蓄電デバイスの電圧V(t)を、予め測定された電流休止から時間t後の電圧変化ΔVtより算出される電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを用いV(t)=V(t)−I×Rt(ここでIは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)より算出する蓄電デバイスの電圧予測方法を適用し、蓄電デバイスに対し任意の電流を所定時間負荷した場合の充電電圧あるいは放電電圧を評価することが可能であることを特徴とする入出力特性評価システム。
  2. 蓄電デバイスを予め決定される電圧範囲及び電流Iにて充電あるいは放電を実施し、充電あるいは放電深度Qに対する蓄電デバイスの電圧VI0(Q)を測定する第一測定工程、予め決定される電圧範囲、電流IRES及び休止条件にて休止を含む充電あるいは放電を実施し、休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧VRES(t)を測定する第二測定工程、休止時間t=0での蓄電デバイスの電圧VRES(0)と休止時間tでの蓄電デバイスの電圧VRES(t)との差分ΔVRES(t)をIRESで除することにより得られる電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程、充電あるいは放電深度Q(0)から電流Iを時間t印加した時の充電あるいは放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を、充電あるいは放電深度Q(0)近辺での充電あるいは放電休止点におけるRtを用い、V(t)=VI0(Q(t))−〔I−I〕×Rt(ここでI、Iは、放電時には正の値、充電時には負の値をとる)から算出する第二演算工程より算出する蓄電デバイスの電圧予測方法を適用し、蓄電デバイスに対し任意の電流を所定時間負荷した場合の充電電圧あるいは放電電圧を評価することが可能であることを特徴とする入出力特性評価システム。
  3. 前記電流休止法に基づく直流内部抵抗Rtを算出する第一演算工程及び前記放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)を算出する第二演算工程を前記第二測定工程実行中に実施することを特徴とする請求項2に記載の入出力特性評価システム。
  4. 前記第二測定工程における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データVRES(t)、前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データのうち少なくとも1つを前記第二測定工程実行中において表示することを特徴とする請求項3に記載の入出力特性評価システム。
  5. 前記第二測定工程における休止点の休止時間tに対する蓄電デバイスの電圧データ、前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データから必要なデータを任意に選択することにより表示することを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の入出力特性評価システム。
  6. 前記第一演算工程で算出される休止時間tに対するRtデータ、前記第二演算工程で算出される放電深度Q(t)に対する蓄電デバイスの電圧V(t)データ、前記第二演算工程で算出される時間tに対する蓄電デバイスの電圧V(t)データのうち少なくとも1つについて、tを1秒間隔以下で連続的に変化させ算出し、グラフとして表示することを特徴とする請求項2あるいは3に記載の入出力特性評価システム。
  7. 前記請求項1から6のいずれかに記載の入出力特性評価システムを組み込んだことを特徴とする充放電試験装置。
  8. 電圧の測定間隔が200msec以下あるいは/又は電圧測定精度が±1mV未満であることを特徴とする請求項7に記載の充放電試験装置。
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