JP6381298B2 - 二次電池内部抵抗測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池を組み合わせた多セルのユニット式電池の内部抵抗を測定する二次電池内部抵抗測定装置および測定方法に関する。

ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）に搭載されるリチウム電池等の二次電池は、ＩＥＣ６２６６０−１規格が定める試験方法（性能要件）に従って二次電池の内部抵抗を測定する必要がある。図８に、ＩＥＣ６２６６０−１規格が定める二次電池の内部抵抗測定に関するテストオーダを示す。二次電池内部抵抗測定装置は、測定を行う二次電池に対して、一定の時間間隔で放電と充電を交互に繰り返しながら、充放電量を徐々に大きくしていくよう制御を行う。

図９（ａ）に、従来技術の二次電池内部抵抗測定装置の構成を示し、図９（ｂ）に、その概略図を示す。直流電源２１の正極に定電流制御回路２２の一方の端子が接続されており、直流電源２１の負極と定電流制御回路２２の他方の端子とが切替器２３に接続され、切替器２３を介して二次電池２４に接続されている。切替器２３は、二次電池２４の正極と負極との接続を切り替える２つのスイッチ２３ａ、２３ｂを含む。また、二次電池２４の電圧を測定可能なように電圧計２５が設置されている。

図９（ａ）、（ｂ）は、二次電池が充電状態にあることを示しており、このとき、切替器２３のスイッチ２３ａ、２３ｂの接点ｃは、それぞれ接点ａに接続されている。二次電池２４を放電するためには、切替器２３のスイッチ２３ａ、２３ｂの接点ｃをそれぞれ接点ｂに接続させる。

図１０（ａ）に、従来技術の二次電池内部抵抗測定装置の放電状態を示し、図１０（ｂ）に、その概略図を示す。矢印は、電流の方向を示している。

図９（ｂ）と図１０（ｂ）との比較から分かるように、二次電池への充電電流と二次電池からの放電電流の向きが逆になるため、放電状態のときと充電状態のときとでは、定電流制御回路２２から見た二次電池の方向（極性）が逆になる。図１１に、二次電池から観た放電電流と、充電電流の方向を示す。

現在、ＰＨＶやＥＶの大出力化に伴い、大電力確保のために、一般に数十個・数百個の単セル二次電池を直列・並列に組み合わせた多セルのユニット式電池が利用されている。このような利用形態において、充電と放電がダイナミックに変移する条件下でも、当該電池の現在状態を適宜把握する技術の重要性が高まっており、かかるＥＶ分野における多セルのユニット式電池の大電流での試験が求められている。

図１２に、従来技術での多セルのユニット式電池の内部抵抗測定装置の構成を示す。従来技術の二次電池内部抵抗測定装置は、単セル二次電池の直列接続数に依存し、その数が増えれば増えるほど試験電圧が上昇する。例えば単セルの定格電圧が５０ボルトの二次電池を４個直列接続した場合は以下の数式から、２００ボルトの試験電圧が必要になる。
Ｖｔ＝Ｖｃ×ｎ
（Ｖｔ：試験電圧、Ｖｃ：単セルの定格電圧、ｎ：二次電池直列接続数）

このような大容量の多セルのユニット式電池の高電圧に対応するため、二次電池内部抵抗測定装置の直流電源および定電流制御回路からなる充放電電源装置も大型化する必要がある。

特開２００３−１２１５１６号公報

しかしながら、その結果、従来技術では次のような課題が生じている。
（１）直流電源２１および定電流制御回路２２が大型化して、消費電力および装置全体の重量が増大する。
（２）直流電源２１および定電流制御回路２２が高価になる。
（３）直流電源２１および定電流制御回路２２の重量が増大することによって、その移動が困難になる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の二次電池からなる多セルのユニット式電池の内部抵抗を測定する小型・省電力の二次電池内部抵抗測定装置および測定方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、二次電池内部抵抗測定装置であって、直流電源装置と、前記直流電源装置に直列接続された定電流制御回路と、それぞれ二次電池を接続可能な２以上の切替器であって、前記二次電池を前記直流電源装置および前記定電流制御回路に直列接続し、前記二次電池への接続方向を個別に切り替え可能な２以上の切替器と、前記各切替器に接続された二次電池の電圧をそれぞれ測定する２以上の電圧計と、を備え、前記各二次電池の内部抵抗を測定するとき、前記２以上の切替器により、少なくとも１つの前記切替器に接続された二次電池の接続方向が、他の前記切替器に接続された二次電池の接続方向に対して逆になるよう切り替えて前記複数の二次電池の充放電を行い、前記定電流制御回路の電流値および前記各電圧計の電圧値から前記各二次電池の内部抵抗を測定することを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二次電池内部抵抗測定装置において、前記各切替器は、個別に制御可能な２つの一回路二接点スイッチからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の二次電池内部抵抗測定装置において、前記複数の二次電池は、前記切替器を介して直列接続されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、接続方向を個別に切り替え可能な２以上の切替器を介して直列接続された複数の二次電池を充放電させたときの電流値と電圧値から前記二次電池の内部抵抗を測定する二次電池内部抵抗測定方法であって、前記２以上の切替器により、少なくとも１つの前記二次電池の接続方向が他の前記二次電池の接続方向と逆になるよう接続するステップと、前記複数の二次電池に定電流を供給するステップと、前記定電流の電流値および前記複数の二次電池の電圧値を記録するステップと、前記２以上の切替器により、前記複数の二次電池の電流方向を逆方向に切り替えるステップと、前記定電流を供給するステップ、前記記録するステップおよび前記電流方向を逆方向に切り替えるステップを繰り返し、記録された前記電流値および前記電圧値からから前記各二次電池の内部抵抗を測定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明は、複数の二次電池かなる多セルのユニット式電池の内部抵抗を測定する二次電池内部抵抗測定装置を小型化して装置の移動を容易にし、且つ省電力化する効果を奏する。

本願発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置の構成を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本願発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置の動作状況を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）、（ｂ）を概略的に示す図である。 （ａ）は、二次電池４−１から二次電池４−２への電荷移動を示す図であり、（ｂ）は、二次電池４−２から二次電池４−１への電荷移動を示す図である。 蓄積電荷量が等しい２つの二次電池が並列接続されている場合を示す図である。 別置した直流電源１にて放電側の電池（直流電源）の電圧上昇を補償する様子を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置において従来技術と同一の測定方法で二次電池の内部抵抗を測定する場合の切替器の接続状態を示す図である。 ＩＥＣ６２６６０−１規格が定める二次電池の内部抵抗測定に関するテストオーダを示す図である。 （ａ）は、従来技術の二次電池内部抵抗測定装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、その概略図である。 （ａ）は、従来技術の二次電池内部抵抗測定装置の放電状態を示す図であり、（ｂ）は、その概略図である。 二次電池から観た放電電流と、充電電流の方向を示す図である。 従来技術での多セルのユニット式電池の内部抵抗測定装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１に、本願発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置の構成を示す。直流電源１の正極に定電流制御回路２の一方の端子が接続されており、定電流制御回路２の他方の端子が切替器３−１のスイッチ３−１ａの接点ｃに接続され、直流電源１の負極が切替器３−２のスイッチ３−２ｂの接点ｃに接続されている。切替器３−１のスイッチ３−１ｂの接点ｃと切替器３−２のスイッチ３−２ａの接点ｃが接続され、切替器３−１、３−２は直列接続されている。

切替器３−１のスイッチ３−１ａ、３−１ｂの接点ａ、ｂには二次電池４−１が接続でき、接点ｃはスイッチ３−１ａ、３−１ｂを切り替えることにより、二次電池４−１の正極と負極との接続の切り替えが可能とされている。同様に、切替器３−２にも二次電池４−２が接続できる。また、二次電池４−１、４−２の電圧を測定可能なように電圧計５−１、５−２が設置されている。

尚、図１には、切替器および電圧計がそれぞれ２つの場合を示しているが、電圧計は測定する二次電池単位毎に１つ設置される。また、切替器を２以上の任意の数備えていても良い。

図２（ａ）、（ｂ）に、本願発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置の低電圧での内部抵抗測定時における動作状況を示す。

図２（ａ）は、二次電池４−１が放電状態、二次電池４−２が充電状態となっていることを示している。このように、切替器３−１のスイッチ３−１ａ、３−１ｂの接点ｃを接点ｂに接続し、且つ切替器３−２のスイッチ３−２ａ、３−２ｂの接点ｃを接点ａに接続すると、二次電池４−１が放電状態となり、且つ二次電池４−２が充電状態になる。

図２（ｂ）は、二次電池４−２が放電状態、二次電池４−１が充電状態となっていることを示している。このように、切替器３−１、３−２を切り替えて、切替器３−１のスイッチ３−１ａ、３−１ｂの接点ｃを接点ａに接続し、且つ切替器３−２のスイッチ３−２ａ、３−２ｂの接点ｃを接点ｂに接続すると、二次電池４−２が放電状態、二次電池４−１が充電状態になる。

このように、本発明の一実施形態では、低電圧で二次電池の内部抵抗の測定を行うとき、各切替器は、接続された二次電池の接続方向が２つの切替器で常に逆になるよう制御される。すなわち、本発明では、２以上の切替器を備え、それら２以上の切替器を制御することにより、少なくとも１つの二次電池の接続方向を、他の二次電池の接続方向に対して逆にする。

図３（ａ）、（ｂ）に、図２（ａ）、（ｂ）を概略的に示す。図３（ａ）では、二次電池４−１が二次電池４−２を充電するための直流電源として作用し、二次電池４−１からの放電電流ｉ１は、二次電池４−２への充電電流ｉ１として利用される。図３（ｂ）では、図３（ａ）に対し電池４−１、４−２が逆向きに接続され、二次電池４−２が二次電池４−１を充電するための直流電源として作用し、二次電池４−２からの放電電流ｉ１が二次電池４−１への充電電流ｉ１として利用される。

本発明は、ＥＶ車に搭載された状態の高電圧な多セルのユニット式二次電池の内部抵抗測定装置の小型化・省電力化を主な目的とするものであるが、ＥＶ車から取り外した二次電池の内部抵抗測定も可能とするものである。

本発明では、二次電池を２つ１組にして図３（ａ）の向き、および図３（ｂ）の向きになるように構成すれば、二次電池の内部抵抗を測定しても、理想的には二次電池４−１および４−２の間を電荷が移動するだけで済む、すなわち、二次電池４−１および４−２以外の直流電源装置を必要としないことになる。したがって、このような二次電池の特性を利用すれば、直流電源装置１の電力容量を従来技術よりも小さくして、低電圧でのＩＥＣ６２６６０−１が定めるテストオーダの実行が可能になり、ＥＶ車に搭載された状態での二次電池内部の抵抗測定も可能な二次電池内部抵抗測定装置の小型化・省電力化が可能になる。以下により詳細に説明する。

図４（ａ）は、二次電池４−１から二次電池４−２への電荷移動を示す図である。本図から分かるように、電流ｉ１は二次電池４−１（直流電源）からの放電電流であり、二次電池４−２への充電電流でもある。

電荷Ｑは、次の数式で表すことができるため、電流ｉ１の量は、二次電池４−１（直流電源）から二次電池４−２への移動電荷量に相当し、また、二次電池４−１（直流電源）から放出される電荷量は、二次電池４−２へ移動する電荷量と等しい。

図４（ｂ）は、二次電池４−２から二次電池４−１への電荷移動を示す図である。
電流ｉ２は二次電池４−２（直流電源）からの放電電流であり、二次電池４−１への充電電流でもある。従って、電流ｉ１と電流ｉ２が等しい場合、二次電池４−２（直流電源）から放出される電荷量と、二次電池４−１へ移動する電荷量は等しくなる。

この一連の動作を同時に行うと、放電状態にある側の二次電池が直流電源として作用し、二次電池４−１および４−２相互間のみで電荷が移動するため、原理的には別途の直流電源装置は不要となる。ＩＥＣ６２６６０−１が定めるテストオーダでは、最初に１／３Ｉｔの電流値で１０秒間放電させた後、一定時間休止させた後、再び１／３Ｉｔの電流値で１０秒間充電することを要求している。本発明の構成では、二次電池４−１または二次電池４−２のいずれか一方を放電状態にすると同時に他方を充電状態にするため、かかる１／３Ｉｔの電流値での充電／放電動作が同時に実行される。

たとえば二次電池４−１が放電状態、二次電池４−２が充電状態の場合、かかる１／３Ｉｔの電流値にて二次電池４−１から二次電池４−２へ当該電流値に相当する電荷が移動し、一定時間経過後、今度は二次電池４−２が放電状態、二次電池４−１が充電状態となるように切替器３−１および３−２が制御される。そして再び１／３Ｉｔの電流値に相当する電荷が二次電池４−２から二次電池４−１へ移動する。

以上説明したように、本案では、原理的には別途直流電源を設ける必要がないのだが、一連の充放電動作によって二次電池４−１および二次電池４−２の内部に蓄えられた電荷量が等しくなると、ＩＥＣ６２６６０−１が定めるテストオーダを実行中であっても瞬時に充放電動作が停止するおそれがある。

図５に、蓄積電荷量が等しい２つの二次電池が並列接続されている場合を示す。電荷Ｑは、以下の数式で表わされる。そのため、キヤパシタＣが等しいとすると、双方の蓄積電荷量が等しくなったときの各々の電圧値は、ほぼ等しくなる。
Ｑ＝Ｃ×Ｖ

ただし、二次電池の充電時の電圧上昇カーブと放電時の電圧下降カーブは、ともに非直線的であるため、必ずしも双方の蓄積電荷量が等しくなったときの電圧は同一とは限らない。かかる問題を解決するため、本発明では満充電時の電圧値すなわちその二次電池の定格電圧を上限とする直流電源装置１を別途設けることとしている。

図６に、別置した直流電源１にて放電側の電池（直流電源）の電圧上昇を補償する様子を示す。従来技術の直流電源装置の電圧値（試験電圧値）は、単セル二次電池の直列・並列接続数に依存し、その数が増えれば増えるほど試験電圧が上昇する。そのため、例えば単セルの定格電圧が５０ボルトの二次電池を４個直列接続した場合は２００ボルトの試験電圧が必要になるうえ、試験電流も単セルの定格電流に依存するため、単セル数が増えれば増えるほど大電力が必要になる。

一方、本発明の場合、二次電池を２つ１組にして放電側の一方の二次電池が充電用の他方の二次電池に対して直流電源として作用し、組み合わされた２つの二次電池の間で放電と充電を交互に行うようにしてＩＥＣ６２６６０−１が定めるテストオーダを実施するため、内部抵抗測定による電荷の移動は二次電池４−１および４−２の間でのみ行われ、従来技術よりも格段に小容量の直流電源装置を別置すれば良い。

また、当該直流電源装置の試験電圧値も例えば単セルの定格電圧が５０ボルトの場合は、最大でも５０ボルトで済む。すなわち本発明の直流電源１は、従来技術の直流電源２１とは異なり、放電側の二次電池の補助電源として働いている。

以上説明したように、本発明によれば、ＥＶ車に搭載された状態の高電圧な多セルのユニット式二次電池の内部抵抗測定も可能な、消費電力が小さく、軽量小型で可搬性に優れた二次電池内部抵抗測定装置が実現できる。

尚、本発明の二次電池内部抵抗測定装置では、二次電池の内部抵抗を測定していないときは、二次電池の接続方向を統一するよう切替器を制御することにより高電圧で充放電が可能であり、従来技術と同一の測定方法で二次電池の内部抵抗を測定することも可能である。

図７に、本発明の一実施形態に係る二次電池内部抵抗測定装置において従来技術と同一の測定方法で二次電池の内部抵抗を測定する場合の切替器の接続状態を示す。この場合、切替器３−１、３−２の接点ｃを共に接点ｂに接続することにより、二次電池４−１および４−２を共に放電状態にすることができる。また、切替器３−１、３−２の接点ｃを共に接点ａに接続することにより、二次電池４−１および４−２を共に充電状態にすることができる。

このように、本案では、切替器３−１および切替器３−２の切替動作を制御することによって、簡単に従来技術での二次電池の内部抵抗測定へ切替ることができる。

１、２１ 直流電源装置
２、２２ 定電流制御回路
３−１、３−２、２３ 切替器
３−１ａ、３−１ｂ、３−２ａ、３−２ｂ、２３ａ、２３ｂ、 スイッチ
４−１、４−２、２４、２４ａ、２４ｂ 二次電池
５−１、５−２、２５、２５ａ、２５ｂ 電圧計

Claims (4)

1. 直流電源装置と、
   前記直流電源装置に直列接続された定電流制御回路と、
   それぞれ二次電池を接続可能な２以上の切替器であって、前記二次電池を前記直流電源装置および前記定電流制御回路に直列接続し、前記二次電池への接続方向を個別に切り替え可能な２以上の切替器と、
   前記各切替器に接続された複数の二次電池の電圧をそれぞれ測定する２以上の電圧計と、
   を備え、前記各二次電池の内部抵抗を測定するとき、前記２以上の切替器により、少なくとも１つの前記切替器に接続された二次電池の接続方向が、他の前記切替器に接続された二次電池の接続方向に対して逆になるよう切り替えて前記複数の二次電池の充放電を行い、前記定電流制御回路の電流値および前記各電圧計の電圧値から前記各二次電池の内部抵抗を測定することを特徴する二次電池内部抵抗測定装置。
2. 前記各切替器は、個別に制御可能な２つの一回路二接点スイッチからなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池内部抵抗測定装置。
3. 前記複数の二次電池は、前記切替器を介して直列接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池内部抵抗測定装置。
4. 接続方向を個別に切り替え可能な２以上の切替器を介して直列接続された複数の二次電池を充放電させたときの電流値と電圧値から前記二次電池の内部抵抗を測定する二次電池内部抵抗測定方法であって、
   前記２以上の切替器により、少なくとも１つの前記二次電池の接続方向が他の前記二次電池の接続方向と逆になるよう接続するステップと、
   前記複数の二次電池に定電流を供給するステップと、
   前記定電流の電流値および前記複数の二次電池の電圧値を記録するステップと、
   前記２以上の切替器により、前記複数の二次電池の電流方向を逆方向に切り替えるステップと、
   前記定電流を供給するステップ、前記記録するステップおよび前記電流方向を逆方向に切り替えるステップを繰り返し、記録された前記電流値および前記電圧値からから前記各二次電池の内部抵抗を測定するステップと、
   を有することを特徴とする二次電池内部抵抗測定方法。

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