JP5349616B2 - 電気蓄積ユニットの特性状態パラメータを求める方法、電気回路装置及び電気蓄積ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電気回路装置によって蓄積ユニットの特性状態パラメータを求める方法に関する。

背景技術
この種の方法では、蓄積ユニットの経年劣化状態が特性状態パラメータとして電気回路装置によって求められる。この場合、電気蓄積ユニットは、個々の電気蓄積セル、又は、互いに電気的に接続された複数の蓄積セル、特に電気蓄積器である。このような電気蓄積器は、例えば再充電可能なバッテリである。

例えば風力発電所や、例えばハイブリッド車又は電気自動車等の車両において定置用バッテリを用いる場合の問題は、個々の蓄積セル（バッテリセル）の経年劣化状態を求めることである。経年劣化状態は、蓄積セルの特性状態パラメータであり、これは適切な方法で個々の蓄積ユニット、特に蓄積セルの内部抵抗を求めることによって、例えば種々の周波数の電流を印加することによって十分な精度で評価される。この方法は、検証及び試験環境においてコストのかかる実験設備で実行される。このために、経年劣化状態が求められるべき蓄積ユニットが高出力電流源により励起され、個々の蓄積ユニットについて検出された電圧変化によって内部抵抗が求められる。

発明の開示
本発明に係る方法は、蓄積ユニットとともに共振回路を成す、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つの容量性素子とが設けられた回路装置によって実施され、当該方法は、容量性素子への一時的な電荷の印加によって共振回路を励起し、蓄積ユニットによって給電される励起装置によって当該励起が行われるステップと、当該励起の終了後に、容量性素子の時間に依存する電圧変化を検出するステップと、当該電圧変化の時間依存性から特性状態パラメータを求めるステップとを有する。この方法によれば、蓄積ユニットの励起がエネルギー効率良く低コストで行われる。さらにこの方法は、種々の周波数に対して使用することができる。励起装置が電気蓄積ユニット自体によって給電され、即ち、電気エネルギーが供給されるので、付加的エネルギー供給の必要がなくなる。共振回路は、容量性素子への一時的な電荷の印加によって励起されるのであって、周期的に励起して振動させて励起されるのではないので、この励起は、種々の固有周波数の共振回路に適用することができる。

電気蓄積ユニットは、最小ユニットとして電気蓄積器の個々の電気蓄積セルを含み、かつ、電気蓄積器自体の可能な最大のユニットとして電気蓄積器の一つのユニットである。電気蓄積器は、例えば個々のバッテリセルから構成される再充電可能なバッテリである。容量性素子は例えばコンデンサ又はコンデンサ回路装置であり、誘導性素子は例えばコイル又はコイル回路装置である。誘導性素子は、公知のインダクタンスＬを有し、容量性素子は、公知のキャパシタンスＣを有する。

例えば特性状態パラメータは、蓄積ユニットの充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、及び／又は、経年劣化状態、及び／又は、正常性状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）である。経年劣化状態は、電気蓄積ユニットの内部抵抗との明確な依存性を有するので、特性状態パラメータは、蓄積ユニットの経年劣化状態であることが好ましい。

本発明の有利な実施の形態によると、回路装置に少なくとも一つの別の容量性素子が接続され、ついで、時間に依存する変化した電圧変化からパラメータを求めるために共振回路が新たに励起される。別の容量性素子を接続することにより、共振回路の固有周波数が変化し、ひいては時間に依存する電圧変化の「キャリア周波数」が変化する。

好ましくは、共振回路は、時間に依存する電圧変化の検出後に、蓄積ユニットの内部抵抗よりも高い抵抗値を有する少なくとも一つの電気抵抗器を接続することにより減衰される。この付加的な減衰により共振回路における電流が急速に低下する。

さらに有利には、励起装置が短絡電流によって磁界を生成する別の誘導性素子を有し、磁界は、短絡電流の遮断後に、容量性素子に一時的に電荷を印加する電流の流れを発生させる。短絡電流の遮断後に低減される磁界は、電流を発生させる電圧を誘導する。この電流は、容量性素子への電荷の移動を生じさせる。これに続く電荷の流出を阻止するために、別の誘導性素子と容量性素子との間にダイオードが挿入接続される。

さらに本発明は、電気蓄積ユニットの内部抵抗に依存する電気蓄積ユニットの特性状態パラメータを求めるための、例えば上述の方法を実施するための、電気回路装置に関する。この場合、回路装置には、直列接続された誘導性素子と容量性素子とを有する電流経路が設けられており、この電流経路は、二つの接続線によって蓄積ユニットと電気的に接続されて共振回路を成しており、さらに回路装置には、蓄積ユニットによって給電される励起装置が設けられており、この励起装置は、容量性素子への一時的な電荷の印加によって共振回路を励起するために容量性素子と接続されている。電気蓄積ユニットは、電気蓄積器の、例えば再充電可能なバッテリにおける一つのユニットである。最も小さい蓄積ユニットは個々の蓄積セルであり、最も大きい蓄積ユニットは電気蓄積器自体である。誘導性素子は公知のインダクタンスを有し、容量性素子は公知のキャパシタンスを有する。励起装置は好ましくは、電気蓄積器の部分電圧によって給電される。この部分電圧を取り出すために、蓄積ユニットは、少なくとも一つの中間タップを有し、励起装置は、蓄積ユニットのこの中間タップと、少なくとも一つの別のタップとを介して給電される。

本発明の好ましい一つの実施の形態によれば、励起装置は、励起線を介して容量性素子と並列に接続されスイッチを備えた短絡電流経路を有し、かつ、給電線を介して蓄積ユニットと接続されており、励起線の一つがダイオードを有し、励起線と接続された給電線がさらに別の誘導性素子を有する。短絡電流経路に設けられたスイッチを閉成することによって、別の誘導性素子において磁界を生成する短絡電流が生じる。次に短絡電流経路のスイッチが開放されると、短絡電流が遮断され、低減される磁界が、蓄積ユニットの電圧よりもはるかに高い電圧ピークを誘導する。この電圧ピークは、ダイオードを有する励起線によって、回路装置の容量性素子に一時的に電荷を印加する電流を発生させる。これに続いて、別の誘導素子の方向で阻止するダイオードによって、電荷がその方向に戻って流れることが阻止される。

本発明のさらに別の有利な一つの実施形態によれば、回路装置は、直列接続されたさらに別の容量性素子とさらに別のスイッチとを有し容量性素子と並列に接続された少なくとも一つのさらに別の電流経路を備える。この別の電流経路により、接続可能な別の容量性素子が実現される。このようにして形成される容量性素子と、付加的に接続される容量性素子との並列回路が、容量性素子のキャパシタンスと別の容量性素子のキャパシタンスとの和に相当する全キャパシタンスを有する。このように変更された全キャパシタンスによって、別の固有周波数を有する共振回路が形成される。

さらに有利には、回路装置は、直列接続された、内部抵抗よりも高い抵抗値を有する抵抗素子とスイッチとを備え、誘導性素子と並列に接続された少なくとも一つの減衰電流経路を備える。共振回路を流れる電流は、減衰電流経路に設けられたスイッチを閉成することによって高速にゼロまで低減することができる。

さらに有利には、回路装置は、容量性素子において時間に依存する電圧変化を検出するためにこの容量性素子と接続された測定装置を有する。この測定装置は好ましくは、特性状態パラメータを求めるための評価装置と接続されている。

さらに本発明は、少なくとも一つの電気蓄積ユニットと少なくとも一つの上述の回路装置とを備えた、電気蓄積器、例えば自動車の電気駆動装置の、及び／又は、ハイブリッド駆動装置の電気蓄積器に関する。

以下、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。

電気蓄積ユニットと、この蓄積ユニットと接続されてこの蓄積ユニットとともに共振回路を成す、誘導性素子及び容量性素子を有する電流経路を備えた電気回路装置を示す図である。 それぞれの励起後の図１の容量性素子における時間に依存する電圧変化を時間軸上で示したグラフである。

図１は、図示されない自動車の電気駆動装置の電気的な機械に給電するための再充電可能なバッテリ１として形成された電気蓄積器２を示す。電気蓄積器２は、電気蓄積セル４、５を有する電気蓄積ユニット３から成る。この場合、再充電可能なバッテリ１の蓄積セル４、５は、二つのバッテリセルである。

さらに、図１は、自動車において蓄積ユニット３と図示されない電気駆動装置の車載電源との間に介在接続された電気的な回路装置６を示す。電気回路装置６は、コイルとして形成された誘導性素子８と、コンデンサとして形成された容量性素子９とが直列接続して設けられた電流経路７を有する。電流経路７は、第１の接続線１０によって電気蓄積ユニット３の正のコンタクト素子１１に接続され、第２の接続線１２を介して電気蓄積ユニット３の負のコンタクト素子１３に接続されている。さらに、これらの接続線１０及び１２は蓄積ユニット３を、端子Ａ１、Ａ２と接続可能な図示されない車載電源と接続する。

さらに、電気回路装置６は、誘導性素子８と容量性素子９と電気蓄積ユニット３の内部抵抗とから形成された電気共振回路を励振させるための励起装置１４を有する。励起装置は、第２の電気蓄積セル５の容量性素子９と並列に接続された短絡電流経路１５を有する。短絡電流経路１５は、スイッチ１６を有し、かつ、接地線として形成された第２の接続線１２を介して、電気蓄積ユニット３の負のコンタクト素子１３及び容量性素子９と接続されている。その一方で、短絡電流経路１５は、別の誘導性素子１８が設けられた給電線１７を介して中間タップ１９と接続されており、かつ、短絡電流経路１５及び別の誘導性素子１８の方向の電流を阻止するダイオード２１を有する励起線２０を介してノード２２で電流経路７と接続されている。容量性素子９と並列に二つの別の電流経路２３、２４が接続されており、これらの電流経路２３、２４は、それぞれ一つの別の容量性素子２５、２６と、対応する容量性素子２５、２６と接続された別のスイッチ２７、２８とのそれぞれ一つの直列回路とを有している。

さらに、この回路装置６は、誘導性素子８と並列に接続された減衰電流経路２９を有しており、この減衰電流経路は、電気蓄積ユニット３の内部抵抗Ｒよりも高い抵抗値を有する抵抗素子３０と、この抵抗素子３０を接続するためのスイッチ３１とを有する。

この回路の動作は以下の通りである。共振回路の励起は、別の誘導性素子１８と、短絡電流経路１５のスイッチ１６とダイオード２１とを介して行われる。この別の誘導性素子１８は、電気蓄積ユニット３の全電圧よりも低い電位で接続され、図１では例示的に電気蓄積ユニット３の全電圧の半分である。

蓄積ユニット３の内部抵抗に依存する特性状態パラメータ、ここでは経年劣化状態を求める方法の開始時に、誘導性素子８を通る電流Ｉはゼロ（Ｉ＝０Ａ）であり、容量性素子９の電圧は、電気蓄積ユニット３の全電圧と等しい。短絡電流経路のスイッチ１６は、一時的に閉成される。この動作モードにおいて、別の誘導性素子１８を通る電流は、磁界を生成する。短絡電流経路１５のスイッチ１６が再び開放されると、別の誘導性素子１８のインダクタンスＬ２によって生じる電流がダイオード２１を通って容量性素子９に流れ、この容量性素子を充電して電気蓄積ユニット３の全電圧よりも大きい電圧にする。こうして誘導性素子８と容量性素子９と電気蓄積ユニット３の内部抵抗とから成る共振回路にエネルギーが供給される。供給されるエネルギーの量は、短絡電流経路１５のスイッチ１６が閉成される時間間隔によって決定される。

これをもって共振回路の誘導性素子８を通る電流も流れ始め、その固有周波数は、誘導性素子８のインダクタンスＬと、容量性素子９のキャパシタンスＣとによって決定される。容量性素子９において、図示されない測定装置によって時間に依存する電圧変化が測定により求められる。

このことから、同様に図示されない評価装置が電気蓄積ユニット３の経年劣化状態の特性状態パラメータを求める。この状態パラメータは、内部抵抗を決定するパラメータである。従って、この状態パラメータと蓄積ユニットの内部抵抗とは互いに依存するパラメータである。

図２は、減衰電流経路２９のスイッチ３１が閉成された場合における、時間ｔに依存する容量性素子９の電圧の電圧経過特性３２を示し、ここでは、１５秒ごとに、短絡電流経路１５のスイッチ１６を閉成し、続いて開放することによって共振回路が励起される。各励起後の電圧経過特性３２は、共振回路の固有周波数をキャリア周波数として有する周期的振動と、指数関数的に下降する「包絡線」３３とによって決定される。共振回路の固有周波数は、誘導性素子のインダクタンスＬと容量性素子のキャパシタンスＣとによって決定されるが、包絡線を決定する減衰は、共振回路のオーム抵抗値とキャパシタンスＣとによって決定される。減衰電流経路２９の抵抗素子３０が接続されていない場合、このオーム抵抗値は、蓄積ユニット３の内部抵抗Ｒによって決定される。

Claims (12)

1. 蓄積ユニットとともに共振回路を成す、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つの容量性素子とが設けられた電気回路装置によって、蓄積ユニットの特性状態パラメータを求める方法において、
   容量性素子への一時的な電荷の印加によって前記共振回路を励起し、当該励起が前記蓄積ユニットによって給電される励起装置によって行われるステップと、
   前記励起の終了後に、前記容量性素子の時間に依存する電圧変化を求めるステップと、
   前記電圧変化の時間依存性から前記特性状態パラメータを求めるステップと、
   を有することを特徴とする、
   蓄積ユニットの特性状態パラメータを求める方法。
2. 前記特性状態パラメータは、前記蓄積ユニットの充電状態（ＳＯＣ）、及び／又は、経年劣化状態である、請求項１に記載の方法。
3. 前記回路装置に少なくとも一つの別の容量性素子が接続され、次いで、前記時間に依存する変化した電圧変化からパラメータを求めるために前記共振回路が新たに励起される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記共振回路は、前記時間に依存する電圧変化の検出後に、前記蓄積ユニットの内部抵抗よりも高い抵抗値を有する少なくとも一つの電気抵抗を接続することにより減衰される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記励起装置は、短絡電流によって磁界を生成する別の誘導性素子を有し、前記磁界は、前記短絡電流の遮断後に、前記容量性素子に一時的に電荷を印加するための電流を発生させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 電気蓄積ユニット（３）の内部抵抗に依存する前記電気蓄積ユニット（３）の特性状態パラメータを求めるための、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法を実行するための電気回路装置（６）において、
   直列接続された誘導性素子（８）と容量性素子（９）とを有する電流経路（７）であって、二つの接続線（１０、１２）によって前記電気蓄積ユニット（３）と電気的に接続されて共振回路を成す電流経路（７）と、
   前記電気蓄積ユニット（３）によって給電される励起装置（１４）であって、前記容量性素子（９）への一時的な電荷の印加によって前記共振回路を励起するために前記容量性素子（９）と接続されている励起装置（１４）と、
   を備えていることを特徴とする、
   電気回路装置。
7. 前記励起装置（１４）は、励起線（２０）を介して前記容量性素子（９）と並列に接続されたスイッチ（１６）を備えた短絡電流経路（１５）を有し、かつ、給電線（１７）を介して前記蓄積ユニット（３）と接続されており、前記励起線（２０）の一つがダイオード（２１）を有し、前記励起線（２０）と接続された給電線（１７）がさらに別の誘導性素子（１８）を有する、請求項６に記載の回路装置。
8. 前記容量性素子（９）と並列に接続された少なくとも一つのさらに別の電流経路（２３、２４）が設けられており、当該別の電流経路（２３、２４）は、直列接続されたさらに別の容量性素子（２５、２６）とさらに別のスイッチ（２７、２８）とを有する、請求項６又は７に記載の回路装置。
9. 前記誘導性素子（８）と並列に接続された少なくとも一つの減衰電流経路（２９）が備えられており、当該減衰電流経路（２９）は、直列接続された、内部抵抗よりも高い抵抗値の抵抗素子（３０）とスイッチ（３１）とを有する、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の回路装置。
10. 前記容量性素子（９）の時間に依存する電圧変化を検出するために、該容量性素子（９）と接続された測定装置が備えられている、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の回路装置。
11. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の少なくとも一つの電気蓄積ユニット（３）と少なくとも一つの電気回路装置（６）とを備えた電気蓄積器（２）。
12. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の少なくとも一つの電気蓄積ユニット（３）と少なくとも一つの電気回路装置（６）とを備えた、自動車の電気駆動装置又はハイブリッド駆動装置の電気蓄積器（２）。

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