JP5746516B2 - 電池の電気インピーダンスを求める非介入的な方法 - Google Patents
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Description
−ナイキスト線図(横軸に実部を示して縦軸に虚部を示すダイアグラム)
−ボード線図(一般にZの絶対値(|Z|)および位相の両方を周波数の関数として表す片対数スケールのダイアグラム)
インピーダンススペクトルは、フーリエ級数変換やラプラス変換などの時間信号から周波数信号へと切り替えることができる「信号処理」ツールに基づく方法を利用しても得られる。その主な方法は、重ね合わされている複数の正弦信号の適用と、雑音(特に白色雑音)の分析とに基づいている。
本発明の1つの目的は、電力貯蔵のための電気化学システムの電気インピーダンスを求める方法に関する。本方法は、
・電気化学システムの端子位置での電圧および電流を評価する時間信号を取得して当該時間信号を周波数信号に変換するステップと、
・周波数信号を複数のセグメントにするセグメント化を実行するステップと、
・複数のセグメントの各々についての電流信号のパワースペクトル密度ΨI(f)と、電圧信号と前記電流信号とのクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)と、を求めるステップであって、各々のセグメントに対してスペクトル密度が周波数fに依存しているステップと、
・複数のパワースペクトル密度ΨI(f)の平均値と複数のクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)の平均値との比を計算することによって、電気化学システムの周波数fに依存する電気インピーダンスを求めるステップと、
を有している。
・電気化学システムの端子位置での電圧を時間tの関数として測定する手段と、
・電気化学システムの端子位置での電流を時間tの関数として測定する手段と、
・これらの計測値を周波数信号に変換するソフトウェアと、
・周波数信号を複数のセグメントにする少なくとも1回のセグメント化を実行する手段と、
・各々のセグメントにおいて、電流信号の周波数fに依存するパワースペクトル密度ΨI(f)と、電圧信号と電流信号との周波数fに依存するクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)とを計算するソフトウェアと、
・複数のパワースペクトル密度ΨI(f)の平均値と複数のクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)の平均値との比を計算するようにされた、電気化学システムの周波数fに依存する電気インピーダンスを計算するソフトウェアと、
有している。
・電力貯蔵のために電気化学システムの複素電気インピータンスを求める本発明の装置と、
・電気化学システムの内部状態に関連する属性と電気化学システムの複素電気インピーダンスとの間の関係を保存できるメモリと、
・上記の関係によって電気化学システムの内部状態に関連する属性を計算する手段と、
を有する装置に関する。
電流Iは、動作中の電気化された乗り物において、時間tの関数として連続的に測定される。この信号をI(t)で表す。これらの測定は、電池の複数の端子位置または電池を構成する構成要素の複数の端子位置で実施される。実際には、電流は、構成要素が直列になっている場合には、電池の端子位置と構成要素の端子位置とで同じである。他方、構成要素が並列に接続されている場合、これらの電流は同じにならない。本発明の方法は、両方の構成に適用される。また、本発明の方法は、どのような電流レベルにも適用されるということがわかる。電圧Uも、時間tの関数として連続的に測定される。この信号をU(t)で表す。これらの測定は、電池の複数の端子位置または電池を構成する構成要素の複数の端子位置で実行される。
時間信号U(t)およびI(t)から周波数信号U(f)およびI(f)へ変換するため、信号はフーリエ級数変換によって処理される。したがって、周波数fに依存するベクトルが得られる。
電気化学システムの、Z(f)で表される複素電気インピーダンスは、関係式U=ZI、つまりZ=U/Iによって与えられる。
−信号を、少なくとも1回、N個のセグメントにセグメント化するステップ
−各セグメントでパワースペクトル密度ΨIとクロスパワースペクトル密度ΨIVとを計算するステップ
−複数のクロスパワースペクトル密度の平均値と複数のパワースペクトル密度の平均値との比を計算することによって電気インピーダンスを計算するステップ
パワースペクトル密度フィルタシステムは、最大のパワースペクトル密度を有する周波数のみを選択するように構成することもできる。
この例において、ハイブリッド乗り物用の電池は、従来の道路の態様にしたがって、動力ベンチ上で繰り返して使用される。したがって、電池に対して加速(電池の放電)と回生制動を伴う減速(電池の再充電)とが行われる。
動力ベンチ上で、この電池は各要素での電圧を計測しながら、全体的に再充電される。したがって、利用可能な計測値は、1個の電流強度の計測値と28個の各要素の電圧の計測値である。
信号は、時間信号から周波数信号へ変換するため、フーリエ級数変換によって処理される。
周波数領域の大部分にわたって良好な精度を有するインピーダンスを求めるため、同じ信号が何回か処理されるが、セグメント化の数はだんだん減少する。
本発明の方法によって得られたインピーダンスを図3に示している。測定値は点在しているが、測定値は、(正弦信号を重ね合わせることによる)従来に方法によって得られたインピーダンスと整合している。
したがって、電力貯蔵のための電気化学システムの複素電気インピーダンスは、複素数の量として計算される。これは、ナイキスト線図の形態「−Im(Z)=F(Re(Z))」で表すことが可能で、各点は周波数に対応している。
この情報は、電池全体の中のパックの故障している要素を特定し、そのため必要な保守作業を実行するために使用することができる。電気的な接触の劣化や喪失によって特徴付けられる要素の欠陥は容易に見つけることができるが、それは、その要素のインピーダンススペクトルがパック内のそれ以外の要素のスペクトルとは異なるためである。
この情報は、パックの複数の要素同士の間のバランスを取るシステムを駆動するためにも用いることができる。
本発明は、電力貯蔵のための電気化学システムの電気インピーダンスを求めるための本発明の方法を実行する装置にも関する。この装置は、
−この装置の動作中に装置の端子位置での電圧U(t)を時間tの関数として測定する手段と、
−この装置の動作中に装置の端子位置での電流I(t)を時間tの関数として測定する手段と、
−測定値を周波数信号U(f)およびI(f)に変換するフーリエ変換ソフトウェア
−周波数信号を複数のセグメントにする少なくとも1回のセグメント化を実行する手段と、
−各々のセグメントにおいて、電流信号のパワースペクトル密度ΨIと、電圧信号と電流信号とのクロスパワースペクトル密度ΨIVとを計算するソフトウェアと、
−複数のパワースペクトル密度ΨIの平均値と複数のクロスパワースペクトル密度ΨIVの平均値との比を計算するのに適している電気化学システムの電気インピーダンスを計算するソフトウェアと、
を有する。
−電気化学システムの内部状態に関連する属性と電気化学システムの複素電気インピーダンスとの間の関係を保存できるメモリと、
−上記の関係によって電気化学システムの内部状態に関連する属性を計算する手段と、
を有する。
Claims (13)
- 電力貯蔵のための電気化学システムの電気インピータンスを求める非介入的な方法であって、
前記電気化学システムの端子位置での電圧および電流を評価する時間信号を、前記電気化学システム内で追加の信号を重畳させることなく取得して、該時間信号を周波数信号に変換するステップと、
前記周波数信号を複数のセグメントにするセグメント化を実行するステップと、
各々の前記セグメントに対して、複数の前記セグメントの各々についての電流信号の周波数fに依存するパワースペクトル密度ΨI(f)と、電圧信号と前記電流信号との周波数fに依存するクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)と、を求めるステップと、
複数の前記パワースペクトル密度ΨI(f)の平均値と複数の前記クロスパワースペクトル密度ΨIV(f)の平均値との比を計算することによって、前記電気化学システムの周波数fに依存する電気インピーダンスを求めるステップと、を有することを特徴とする方法。 - 前記周波数信号を少なくとも2回処理するように、第1のセグメント化とは異なる、前記周波数信号の少なくとも第2のセグメント化を実行する、請求項1に記載の方法。
- 前記電気化学システムの前記電気インピーダンスは、前記パワースペクトル密度ΨI(f)およびΨIV(f)にフィルタを適用することによって、設定された閾値を超えるパワースペクトル密度を有する周波数に対してのみ決定される、請求項1または2に記載の方法。
- 前記電気インピーダンスから、電池またはその要素の1つの内部状態を評価するための指標を求める、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 電力貯蔵のための前記電気化学システムは電池パックの要素である、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項5に記載の方法によって前記パックの各々の要素の電気インピーダンスを求め、前記各々の要素の前記電気インピーダンスを互いに比較する、電池を構成する前記パックの欠陥のある部分を特定する方法。
- 請求項5に記載の方法によって前記パックの各々の要素の複素電気インピーダンスを求める、電池を構成する前記パックの前記要素間のバランスを取るシステムを駆動する方法。
- 電力貯蔵のための前記電気化学システムが動作中である、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
- 電力貯蔵のための電気化学システムの複素電気インピータンスを非介入的に求める装置であって、
前記電気化学システムの端子位置での電圧を、前記電気化学システム内で追加の信号を重畳させることなく時間tの関数として測定する手段と、
前記電気化学システムの端子位置での電流を、前記電気化学システム内で追加の信号を重畳させることなく時間tの関数として測定する手段と、
前記測定値を周波数信号に変換するソフトウェアと、
前記周波数信号を複数のセグメントにする少なくとも1回のセグメント化を実行する手段と、
各々の前記セグメントにおいて、電流信号の周波数fに依存するパワースペクトル密度ΨI(f)と、電圧信号と電流信号との周波数fに依存するクロスパワースペクトル密度ΨIV(f)とを計算するソフトウェアと、
複数の前記パワースペクトル密度ΨI(f)の平均値と複数の前記クロスパワースペクトル密度ΨIV(f)の平均値との比を計算するのに適している前記電気化学システムの、前記周波数fに依存する前記電気インピーダンスを計算するソフトウェアと、
を有する装置。 - 電力貯蔵のための電気化学システムの内部状態を評価するシステムであって、
電力貯蔵のために電気化学システムの複素電気インピータンスを求める請求項9に記載の装置と、
前記電気化学システムの前記内部状態に関連する属性と前記電気化学システムの前記複素電気インピーダンスとの間の関係を保存できるメモリと、
前記関係によって前記電気化学システムの前記内部状態に関連する属性を計算する手段と、を有するシステム。 - 請求項10に記載の電池の内部状態を評価するシステムを有する、スマート電池管理システム。
- 電池と請求項11に記載のスマート電池管理システムとを有する乗り物。
- 請求項10に記載の内部状態を評価するシステムを有する、電力貯蔵のための光起電力システム。
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