JP6114433B2

JP6114433B2 - 充電量検出装置

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Publication number: JP6114433B2
Application number: JP2016080567A
Authority: JP
Inventors: 大輔木庭; 幸大武田; 前川　活徳; 活徳前川; 逢坂　哲彌; 哲彌逢坂
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP6027030B2; WO2013114669A1; EP2811310A1; JP2016166880A; US10429444B2; US20140229130A1; EP2811310A4; EP2811310B1; JPWO2013114669A1

Description

本発明は電池の充電量検出装置に関し、特に、二次電池の充電量を複素インピーダンス解析する技術に関する。

従来から、電池のインピーダンス解析により、電池の劣化状態や余寿命を評価する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、内部インピーダンスを有する電池の放電の状態を測定する方法において、第１周波数において電池の第１内部インピーダンスを測定し、第２周波数において電池の第２内部インピーダンスを測定し、第１内部インピーダンスと第２内部インピーダンス間の差を求め、内部インピーダンス間の差の偏角ないしアーギュメントであって、電池の放電の状態を表現する偏角ないしアーギュメントを求めることが記載されている。また、第１周波数及び第２周波数のうち、より低い方の周波数が０．１と１０Ｈｚの間にあることが記載されている。

また、特許文献２には、二次電池に交流電圧を印加して二次電池のインピーダンスに関連する電気量又は最大出力密度に関連する電気量を検出し、この電気量に基づいて二次電池の性能を判定することが記載されている。また、電気量は、二次電池のインピーダンスのうちで交流電圧の周波数により変動する成分からなる交流インピーダンス成分に関連する交流インピーダンス関連電気量であることが記載されている。また、所定の周波数帯内の多数の周波数値の交流電圧を二次電池に印加して、各周波数値毎に二次電池のインピーダンスの実軸成分値及び虚軸成分値を求め、実軸成分値及び虚軸成分値からインピーダンスに関連する電気量を演算することが記載されている。さらに、実軸成分値及び虚軸成分値をそれぞれ軸とする二次元平面におけるインピーダンスの円弧軌跡の直径に基づいて交流インピーダンス成分を演算することが記載されている。

特開昭６０−１４４６７５号公報特開２０００−２９９１３７号公報

ところで、近年のハイブリッド自動車や電気自動車等の普及とともに、これらの車両に搭載される二次電池の状態を高精度に検出する技術を確立することが急務となっている。この技術により、車両に搭載される二次電池の制御や、二次電池の再利用への応用が期待できる。例えば、二次電池を再利用する際には、車両から取り出した二次電池の電池特性（開放電圧、内部抵抗、残存容量等）から再利用可能か否かを判定する手法が提案されているが、再利用可能かの判定をより高精度に行うため、より高精度に二次電池の状態を検出できる技術が望まれている。また、上記文献には、インピーダンスにより電池の状態を検出することが記載されているが、所謂電荷移動抵抗領域のインピーダンスから電池状態を検出しており、電池状態を必ずしも十分に検知しているとはいえなかった。例えば、ニッケル水素電池では、ＳＯＣが変化しても、電荷移動抵抗領域のインピーダンスに変化がないため、電荷移動抵抗領域のインピーダンスからはＳＯＣを推定することはできなかった。

本発明の目的は、電池の複素インピーダンス解析により、高精度に電池の充電量を検出できる装置を提供することにある。

本発明は、ニッケル水素電池の充電量を検出する装置であって、前記ニッケル水素電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、前記測定手段で測定した前記電池の拡散領域内の周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出する検出手段と、傾き角度と充電量との関係を予め記憶する記憶手段とを備え、前記検出手段は、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％以下と相対的に小さい場合に限り、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いる第１の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出することを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記検出手段は、実軸成分及び虚軸成分を軸とする二次元平面を用いて、周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出する。

本発明の他の実施形態では、前記検出手段は、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％以下と相対的に小さい場合に限り、前記第１の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出し、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％を超える場合に、前記第１の方法と異なる第２の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出する。

本発明によれば、電池の複素インピーダンス解析により、特に充電量が１０％以下と相対的に小さい場合において高精度に検出対象の電池の充電量を検出できる。従って、例えば車両に搭載した電池を精度良く制御する、あるいは電池を再利用する際に本発明を適用することにより再利用効率を向上させることができる。

電池の複素インピーダンス図（ナイキストプロット）である。実施形態の装置構成図である。第１実施形態の処理フローチャートである。第１実施形態の模式的説明図（ナイキストプロット）である。充電量と傾き角度との関係を示すグラフ図である。第２実施形態の処理フローチャートである。第２実施形態の模式的説明図（ナイキストプロット）である。充電量と距離との関係を示すグラフ図である。充電量と傾き角度との関係を示すグラフ図である。ワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスを示す図（ナイキストプロット）である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本原理＞
まず、本実施形態における基本原理について説明する。本実施形態における二次電池の充電量検出装置では、二次電池の複素インピーダンスの挙動のうち、特定の周波数領域における挙動に着目して二次電池の充電量を検出するものである。なお、以下の説明では二次電池としてニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）を例にとり説明するが、これに限定されるものではなく、例えば他のアルカリ電池やリチウム電池等の非水系電池にも利用可能である。

図１に、放電状態の電池に周波数を変えて交流電圧を印加した場合における等価回路のそれぞれの複素インピーダンスを結んだ複素インピーダンス曲線を示す。等価回路や複素インピーダンスは公知であり、例えば上記の特許文献２にも記載されている通りであるが、簡単に説明すると、電池のインピーダンスは直流インピーダンス成分と交流インピーダンス成分とを直列接続した等価回路で表現され、交流インピーダンス成分は抵抗とコンデンサの並列回路で等価される。交流インピーダンス成分は、電池の両端の電圧から直流電圧成分を除去し、電池の両端に印加される交流電圧成分Ｖａｃと交流電流Ｉａｃとを検出し、
Ｚ＝Ｖａｃ／Ｉａｃ＝Ｚｒｅａｌ＋ｊＺｉｍｇ
として得られる。Ｚｒｅａｌ（Ｚｒ）は複素インピーダンスの実軸成分、Ｚｉｍｇ（Ｚｉ）は複素インピーダンスの虚軸成分である。図１は、電池の複素インピーダンスの実軸成分及び虚軸成分を求め、実軸成分と虚軸成分のペアデータを、横軸を実軸成分Ｚｒ、縦軸を虚軸成分Ｚｉとする二次元平面にプロットしたものである（ナイキストプロット：横軸では右側をプラス側、左側をマイナス側とし、縦軸では上側をマイナス側、下側をプラス側としている：他のナイキストプロットも同じ）。放電状態の電池に対して、（正極容量（Ａｈ），負極容量（Ａｈ））＝（５．５４，８．５）、（４．５４，７．５）、（３．５４，６．５）、（２．５４，５．５）、（１．５４，４．５）、（０．５４，３．５）、（０，２．９６）のそれぞれの容量において周波数を変化させたときの複素インピーダンスの実軸成分、虚軸成分である。図において、０．１Ｈｚ、１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚの点を明示的に示している。具体的には、丸印が０．１Ｈｚ、菱形印が１Ｈｚ、三角印が１０Ｈｚ、四角印が１００Ｈｚを示す。周波数が低い領域は、物質拡散の関与した複素インピーダンスで構成された領域であり、本実施形態においては、拡散領域における複素インピーダンスで構成された領域と称する。具体的には、図１で示す複素インピーダンス曲線は、高周波数側の円弧を示す曲線部分（電荷移動抵抗領域）と、略直線状の部分から構成されているが、その変曲点より低周波数の部分（略直線状の部分）が拡散領域における複素インピーダンスで構成される領域である。

発明者らは、鋭意研究の結果、上記した拡散領域の複素インピーダンスと、電池の充電量（ＳＯＣ）に関連があることを見出し、本発明を得るに至った。すなわち、本発明は、上記した拡散領域の複素インピーダンスを用いて電池の充電量（ＳＯＣ）を検出するものである。以下、より具体的に本実施形態の構成及び処理内容について説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態では、拡散領域における周波数の異なる２つの複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度（以下、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度という）を用いて電池１０の充電量（ＳＯＣ）を検出する。すなわち、図１に示されるように、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度は、正極及び負極の容量に応じて変化する、つまりＳＯＣと傾き角度との間には相関関係があるため、この事実を利用して、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度から電池１０のＳＯＣを評価することが可能である。本実施形態では、このようなＳＯＣの検出について説明する。

図２に、本実施形態の充電量検出装置の構成図を示す。充電量検出装置は、検出対象である電池１０に交流電圧を印加して電池１０の複素インピーダンスを測定する測定手段であるインピーダンス測定器（あるいはインピーダンスアナライザ）１２と、インピーダンスアナライザ１２で測定された電池１０の拡散領域内の周波数の異なる２つの複素インピーダンスのデータが供給され、これら複素インピーダンスのデータを結んだ直線の傾き角度を算出する検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵを有する。コンピュータ１４は、さらに、傾き角度と充電量との関係を予め記憶した記憶手段であるメモリを有している。そして、コンピュータ１４のＣＰＵは、算出された傾き角度とメモリに記憶した関係を用いて電池１０の充電量を検出する。また、図３に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、電池１０に測定用電極を接続し、交流電圧を印加してインピーダンス測定器１２で電池１０の複素インピーダンスを測定する（Ｓ２０１）。電池１０に印加すべき交流電圧の周波数は、拡散領域内の少なくとも２つの周波数であり、例えば０．１Ｈｚと０．５Ｈｚであるが、これに限定されるものではない。

次に、コンピュータ１４は、インピーダンス測定器１２で得られた２つの周波数における複素インピーダンスデータを用いて、拡散領域の傾き、つまり図４等におけるグラフ（ナイキストプロット）の傾き角度を演算する（Ｓ２０２）。傾き角度は、数学的あるいは図形的（幾何学的）のいずれの方法でもよい。２つの周波数のうち、相対的に高い周波数での複素インピーダンスを第１の複素インピーダンス、相対的に低い周波数での複素インピーダンスを第２の複素インピーダンスとすると、第１及び第２の複素インピーダンスを結ぶ直線の傾き角度を演算する。

次に、コンピュータ１４は、メモリに予め格納されているＳＯＣと傾き角度との関係と、演算して得られた傾き角度とを比較し（Ｓ２０３）、比較結果に応じて電池１０のＳＯＣを判定する（Ｓ２０４）。ここで、ＳＯＣと傾き角度との関係は、予め複数の電池についてそのＳＯＣと傾き角度とを測定し、両者の関係を関数あるいはテーブルとして規定してメモリに格納しておく。

図４に、種々のＳＯＣの電池の拡散領域における複素インピーダンスを示す。図において、符号３００はＳＯＣ１０％のニッケル水素電池の複素インピーダンス、符号４００はＳＯＣ２０％のニッケル水素電池の複素インピーダンス、符号５００はＳＯＣ６０％のニッケル水素電池の複素インピーダンスを示す。それぞれのＳＯＣでの拡散領域の傾き角度は同一ではなく、ＳＯＣが増大するほど傾き角度が減少する傾向にある。すなわち、ＳＯＣ１０％、２０％、６０％の傾き角度をそれぞれβ１、β２、β３とすると、β１＞β２＞β３の関係にある。

図５に、ニッケル水素電池のＳＯＣと傾き角度との関係を示す。横軸は充電量（ＳＯＣ）（％）、縦軸は拡散領域の傾き角度（ｄｅｇ）である。上記したように、ＳＯＣと傾き角度の間には一定の関係にあり、ＳＯＣが増大するほど傾き角度は減少する傾向にある。特に、ＳＯＣが小さい（０％〜１０％程度）場合に、ＳＯＣの変化に対する傾き角度の変化が大きい。本実施形態では、図５に示すＳＯＣと傾き角度との関係を関数あるいはテーブルとして規定してメモリに格納しておき、演算して得られた電池１０の傾き角度から一義的にＳＯＣを検出する。図５から分かるように、ＳＯＣが小さい場合にはＳＯＣが大きい場合に比べて相対的に傾き角度に対するＳＯＣの誤差が小さく、従って特にＳＯＣが小さい場合に傾き角度からＳＯＣを高精度に検出することが可能である。電池１０のＳＯＣが比較的大きい（例えば５０％以上）ことが既知であれば、他の方法により電池１０のＳＯＣを検出し、電池１０のＳＯＣが比較的小さい（例えば１０％以下）ことが既知であれば、本実施形態の方法により電池１０のＳＯＣを高精度に検出する等の使い分けも可能であろう。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、電池１０を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスと、基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度（以下、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度という）および、基準複素インピーダンスと、基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスの距離を用いて電池１０のＳＯＣを検出する。なお、第１実施形態の測定手段の代わりに、測定手段であるインピーダンス測定器（あるいはインピーダンスアナライザ）１２は基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する。また、第１実施形態の検出手段の代わりに、検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵは、基準複素インピーダンスと測定手段で測定した複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度を算出する。さらに、第１実施形態の記憶手段の代わりに、記憶手段であるメモリは、距離と充電量との関係と、傾き角度と充電量との関係を予め記憶する。そして、第１実施形態の検出手段の代わりに、検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵは、算出された距離と記憶手段に記憶された距離と充電量との関係と、算出された傾き角度と記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて、電池１０の充電量を検出する。

図６に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、検出対象の電池１０に測定用電極を接続し、交流電圧を印加してインピーダンス測定器１２で電池１０の複素インピーダンスを測定する（Ｓ４０１）。電池１０に印加すべき交流電圧の周波数は、拡散領域内の１つの周波数であり、例えば０．１Ｈｚであるが、これに限定されるものではない。

次に、コンピュータ１４は、電池１０を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスのうち、測定した周波数と同一周波数の基準複素インピーダンスをメモリから読み出す。ここで、ベース電池とは、例えば初期状態の電池１０や、電池１０と異なるが正常であることが既知である電池をいう。そして、Ｓ４０１で得られた複素インピーダンスとメモリから読み出した基準複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度とそれらの間の距離を演算する（Ｓ４０２）。傾き角度及び距離は、数学的あるいは図形的（幾何学的）のいずれの方法でもよい。ベースの電池の複素インピーダンスは、ＳＯＣが既知、例えば２０％の複素インピーダンスである。

次に、コンピュータ１４は、メモリに予め格納されている距離と傾き角度の傾向と、演算して得られた傾き角度及び距離とを比較し（Ｓ４０３）、比較結果に応じて電池１０のＳＯＣを判定する（Ｓ４０４）。

図７に、本実施形態の処理を模式的に示す。図において、点４０はベース電池の拡散領域内のある周波数、例えば０．１Ｈｚでの複素インピーダンスであり、点６０は電池１０のＳＯＣ３０％における同一周波数での複素インピーダンスであり、点６１は電池１０のＳＯＣ６０％における同一周波数での複素インピーダンスである。電池１０のＳＯＣがベース電池のＳＯＣから変化するに従い、これに応じて点６０、点６１が点４０から変化し、距離及び傾き角度が変化していく。検出対象である電池１０の容量バランスが正常である場合、傾き角度は凡そ０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇ、あるいは１８０ｄｅｇ〜２７０ｄｅｇの範囲内にある。他方、ＳＯＣが変化するに従い、距離が変化する。従って、距離と傾き角度、特に電池１０が正常であることが既知であれば、その距離を用いてＳＯＣを検出することができる。

図８に、電池のＳＯＣと距離との関係の一例を示す。ＳＯＣと距離との間には相関関係があり、ＳＯＣが０％〜６０％まではＳＯＣが増大するに従って距離も増大し、ＳＯＣが６０％〜１００％まではＳＯＣが増大するに従って距離は減少する傾向を示す。なお、図８において、ＳＯＣ＝２０％における点は、ベース電池のＳＯＣ（距離＝０）を示す。また、図９に、電池のＳＯＣと傾き角度との関係の一例を示す。正常な電池の場合、ベース電池に対してＳＯＣが増大していれば傾き角度は凡そ３０ｄｅｇ〜４５ｄｅｇの範囲内にあり、傾き角度が変化してもＳＯＣはあまり変化しない。なお、図９において、ＳＯＣ＝２０％における点は、ベース電池のＳＯＣ（傾き角度＝０）を示す。

従って、コンピュータ１４は、例えば電池１０のＳＯＣが６０％以下であることは既知であるものの、正確なＳＯＣが不明の場合、図８に示すＳＯＣと距離の関係及び図９に示すＳＯＣと傾き角度を用いて、電池１０のＳＯＣを検出することができる。なお、本実施形態では、正常な電池の場合、傾き角度が凡そ３０ｄｅｇ〜４５ｄｅｇの範囲内にあるが、ＳＯＣの値により傾き角度が多少変動するので、傾き角度によりＳＯＣを推定することも可能である。

因みに、図５におけるＳＯＣと傾き角度の関係は、図８におけるＳＯＣと傾き角度の関係と異なっているが、これは前者の傾き角度が拡散領域内における異なる２つの周波数での複素インピーダンス間の傾き角度であり、後者の傾き角度が拡散領域内における同一周波数での複素インピーダンス間の傾き角度を表すことに基づく点に留意されたい。この意味で、第１実施形態における「傾き角度」は「異なる２つの周波数間の傾き角度」であり、第２実施形態における「傾き角度は」は「同一周波数間の傾き角度」である。

以上の各実施形態で説明したように、本実施形態では、拡散領域内における異なる２つの周波数における複素インピーダンスの傾き角度を用いて電池１０の充電量を検出することができる。また、拡散領域内における同一の周波数における複素インピーダンスの傾き角度及び距離を用いて電池１０の充電量を検出することができる。

各実施形態の検出条件及び検出状態を要約すると以下の通りである。

第１実施形態
周波数条件：拡散領域内の異なる２つの周波数
基準複素インピーダンス（第１複素インピーダンス）：２つの周波数のうちのいずれか（例えば高い方の周波数）での複素インピーダンス（インピーダンス測定器１２で測定してもよく、予めメモリに記憶してもよい）
検出項目：傾き角度
検出状態：充電量

第２実施形態
周波数条件：拡散領域内の一つの周波数
基準複素インピーダンス(第１複素インピーダンス)：電池の初期状態、あるいは正常である他の電池の複素インピーダンス（予めメモリに記憶）
検出項目：傾き角度及び距離
検出状態：充電量

なお、第１実施形態における基準複素インピーダンスは、２つの周波数のいずれか（例えば高い方）での複素インピーダンスであるから、インピーダンス測定器１２で測定される。もちろん、予め拡散領域内のある周波数における複素インピーダンスが既知であれば、これを基準複素インピーダンスとして予めメモリに格納しておき、インピーダンス測定器１２では他の周波数での複素インピーダンスを測定する処理としてもよい。すなわち、第１実施形態において、インピーダンス測定器１２は必ずしも異なる２つの周波数での複素インピーダンスを測定する必要はない。第２実施形態では、基準複素インピーダンスは、電池１０の測定に先立ってメモリに予め格納しておくので、インピーダンス測定器１２で測定する必要はない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、第１実施形態では、電池１０の拡散領域内の周波数の異なる２つの複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度を演算しているが、電池１０の拡散領域内の周波数の異なる３つあるいはそれ以上の複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を演算してもよい。

電池の拡散領域内の複素インピーダンスとしてはワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスがある。上記の実施形態では、ワールブルグインピーダンスを用いて充電量を検出しているが、伝送モデルのインピーダンスを用いて充電量の検出をしてもよい。ワールブルグインピーダンスは、水素拡散の関係した公知のインピーダンスであり、例えば、
Kuriyama, N., et al. : J Alloy & Compd., 202 (1993), 183
Zhang, W., et al. : Electrochem. Soc. the 185^th Meet., (1994), abstr. No.593
等に開示されている。

図１０に、ワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスをそれぞれ示す。図において、領域Ａはワールブルグインピーダンスであり、領域Ｂは伝送モデルのインピーダンスである。第１実施形態に即して説明すると、周波数の異なる２つの伝送モデルのインピーダンスを結んだ直線の傾き角度を算出し、得られた傾き角度と、傾き角度と充電量との関係を用いて電池の充電量を検出する。

また、本実施形態では複素インピーダンスをナイキストプロットして傾き角度を演算しているが、Ｂｏｄｅ線図を用いてもよい。また、本実施形態では、複素インピーダンスの測定に交流電圧を印加しているが、交流信号であればよく、例えば交流電流を印加してもよい。

１０電池、１２インピーダンス測定器、１４コンピュータ。

Claims

ニッケル水素電池の充電量を検出する装置であって、
前記ニッケル水素電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段で測定した前記電池の拡散領域内の周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出する検出手段と、
傾き角度と充電量との関係を予め記憶する記憶手段と、
を備え、前記検出手段は、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％以下と相対的に小さい場合に限り、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いる第１の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出することを特徴とする充電量検出装置。
請求項１記載の充電量検出装置であって、
前記検出手段は、実軸成分及び虚軸成分を軸とする二次元平面を用いて、周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出することを特徴とする充電量検出装置。
請求項１，２のいずれかに記載の充電量検出装置において、
前記検出手段は、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％以下と相対的に小さい場合に限り、前記第１の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出し、前記ニッケル水素電池の充電量が１０％を超える場合に、前記第１の方法と異なる第２の方法により前記ニッケル水素電池の充電量を検出することを特徴とする充電量検出装置。