JP6410986B1 - Battery impedance evaluation apparatus and battery impedance evaluation method - Google Patents
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Abstract
【課題】被測定電池の電気化学インピーダンスを高精度に特定できる電池インピーダンス評価装置を提供する。
【解決手段】電池インピーダンス評価装置10は、インピーダンスデータZm(ω)を保持する記憶部13と、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得する入力部11と、時間領域電流データI(t)をフーリエ変換により周波数領域電流データI(ω)に変換する周波数領域変換部12と、周波数領域電流データI(ω)とインピーダンスデータZm(ω)とから周波数領域電圧データVm(ω)を算出する電圧データ算出部15と、周波数領域電圧データVm(ω)を逆フーリエ変換により時間領域電圧データVm(t)に変換する時間領域変換部16と、時間領域電圧データVm(t)と時間領域電圧データV(t)との差分εを算出する差分算出部17と、差分εを小さくするインピーダンスデータを探索する探索部18とを備える。
【選択図】図1A battery impedance evaluation apparatus capable of specifying the electrochemical impedance of a battery to be measured with high accuracy is provided.
A battery impedance evaluation apparatus includes a storage unit that holds impedance data Zm (ω), an input unit that acquires time domain current data I (t) and time domain voltage data V (t), The frequency domain voltage is calculated from the frequency domain converter 12 that converts the time domain current data I (t) into the frequency domain current data I (ω) by Fourier transform, and the frequency domain current data I (ω) and the impedance data Zm (ω). A voltage data calculator 15 for calculating data Vm (ω), a time domain converter 16 for converting frequency domain voltage data Vm (ω) to time domain voltage data Vm (t) by inverse Fourier transform, and time domain voltage data The difference calculation unit 17 that calculates the difference ε between Vm (t) and the time domain voltage data V (t) and the impedance data that decreases the difference ε are searched for. And a search unit 18.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電池インピーダンス評価装置及びその方法に関し、特に、被測定電池の電気化学インピーダンスを高精度に特定する技術に関する。 The present invention relates to a battery impedance evaluation apparatus and method, and more particularly to a technique for specifying the electrochemical impedance of a battery to be measured with high accuracy.
従来、電池の電気化学インピーダンス(以下、単に「インピーダンス」ともいう)を評価(以下、「解析」ともいう)する各種方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, various methods for evaluating (hereinafter, also referred to as “analysis”) the electrochemical impedance (hereinafter also simply referred to as “impedance”) of a battery have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、電池の電流-電圧特性に基づき、等価回路モデルに対する回路定数を同定するように構成された電池特性評価装置において、交流周波数成分を含む任意の電池実測電流波形データを複数の微小時間区間におけるステップ関数に分割して出力する電流波形分割部と、これらステップ関数と電圧実測値と等価回路モデルデータが入力され、最適化された等価回路モデルの回路定数を演算して出力する回路定数最適化部とを含むことを特徴とする技術が開示されている。これにより、電池実測電流波形データを分割した各ステップ関数に対するステップ応答を重ね合わせることで、入力が任意の電流波形であっても、電池の電圧応答を計算することができ、その結果、ワールブルグ(Warburg)インピーダンスを含む等価回路を同定できるというものである。 In Patent Document 1, in a battery characteristic evaluation apparatus configured to identify a circuit constant for an equivalent circuit model based on a current-voltage characteristic of a battery, a plurality of arbitrary battery measured current waveform data including an AC frequency component are stored. The current waveform dividing unit that divides and outputs the step function in a minute time interval, the step function, the measured voltage value, and the equivalent circuit model data are input, and the circuit constant of the optimized equivalent circuit model is calculated and output. A technique characterized by including a circuit constant optimization unit is disclosed. Thus, by superimposing the step responses for each step function obtained by dividing the battery actual measurement current waveform data, the voltage response of the battery can be calculated even if the input is an arbitrary current waveform. The equivalent circuit including the (Warburg) impedance can be identified.
しかしながら、特許文献1の技術では、電池実測電流波形データをステップ関数化し、ラプラス変換を用いることで、任意の電流波形をインピーダンスZ(s)に流したときの過渡応答電圧波形V(t)を得ている。そのために、周波数領域で表現されたワールブルグインピーダンスやCPE(Constant Phase Element)を回路要素として含む等価回路を同定することができないという問題がある。 However, in the technique of Patent Document 1, the transient response voltage waveform V (t) when an arbitrary current waveform is passed through the impedance Z (s) is obtained by converting the battery measured current waveform data into a step function and using Laplace transform. It has gained. Therefore, there is a problem that it is impossible to identify an equivalent circuit including Warburg impedance expressed in the frequency domain and CPE (Constant Phase Element) as circuit elements.
具体的には、特許文献1の技術では、ワールブルグインピーダンスの回路要素については、周波数依存性を示すパラメータPhiが0.5に固定された等価回路しか同定できない(特許文献1の[0042])。また、特許文献1の技術では、容量性素子に関して、純粋なC(容量素子)を含む等価回路しか同定できず、CPEを含む等価回路を同定できない(特許文献1の図4、図5)。つまり、特許文献1の技術では、被測定電池の電気化学インピーダンスを高精度に特定できないという問題がある。 Specifically, with the technique of Patent Document 1, only the equivalent circuit in which the parameter Phi indicating the frequency dependency is fixed to 0.5 can be identified for the circuit element of Warburg impedance ([0042] of Patent Document 1). Further, with the technique of Patent Document 1, only an equivalent circuit including pure C (capacitance element) can be identified with respect to the capacitive element, and an equivalent circuit including CPE cannot be identified (FIGS. 4 and 5 of Patent Document 1). That is, the technique of Patent Document 1 has a problem that the electrochemical impedance of the battery to be measured cannot be specified with high accuracy.
そこで、本発明は、被測定電池の電気化学インピーダンスを従来よりも高精度に特定できる電池インピーダンス評価装置及びその方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the battery impedance evaluation apparatus which can specify the electrochemical impedance of a to-be-measured battery with higher precision than before, and its method.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る電池インピーダンス評価装置は、被測定電池の電気化学インピーダンスを評価する電池インピーダンス評価装置であって、少なくとも一つの電池について、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータを保持している記憶部と、前記被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データ及び時間領域電圧データを取得する入力部と、前記入力部で取得された前記時間領域電流データを、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データに変換する周波数領域変換部と、前記周波数領域変換部で変換された前記周波数領域電流データと、前記記憶部に保持された前記インピーダンスデータとを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データを算出する電圧データ算出部と、前記電圧データ算出部で算出された前記周波数領域電圧データを、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データに変換する時間領域変換部と、前記時間領域変換部で変換された前記時間領域電圧データと、前記入力部で取得された前記時間領域電圧データとの差分を算出する差分算出部と、前記差分算出部で算出される前記差分を小さくするインピーダンスデータを探索し、探索した前記インピーダンスデータを出力する探索部とを備える。 In order to achieve the above object, a battery impedance evaluation apparatus according to an aspect of the present invention is a battery impedance evaluation apparatus that evaluates the electrochemical impedance of a battery to be measured, and is expressed in the frequency domain for at least one battery. A storage unit that holds impedance data indicating electrochemical impedance, and time domain current data and time domain voltage data, which are time series data of current and voltage, obtained by applying current to the measured battery. The frequency domain conversion unit that converts the time domain current data acquired by the input unit into frequency domain current data that is current data expressed in the frequency domain by Fourier transform, and the frequency domain conversion. And the frequency domain current data converted by the storage unit and the image stored in the storage unit. A voltage data calculation unit that calculates frequency domain voltage data that is voltage data expressed in the frequency domain by calculating the impedance data, and the frequency domain voltage data calculated by the voltage data calculation unit is inverse Fourier transformed. By the conversion, a time domain conversion unit that converts time domain voltage data that is voltage data expressed in the time domain, the time domain voltage data converted by the time domain conversion unit, and the input unit that is acquired by the input unit A difference calculation unit that calculates a difference from the time domain voltage data, and a search unit that searches for impedance data that reduces the difference calculated by the difference calculation unit and outputs the searched impedance data.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る電池インピーダンス評価方法は、被測定電池の電気化学インピーダンスを評価する電池インピーダンス評価方法であって、前記被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データ及び時間領域電圧データを取得する入力ステップと、前記入力ステップで取得された前記時間領域電流データを、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データに変換する周波数領域変換ステップと、前記周波数領域変換ステップで変換された前記周波数領域電流データと、記憶部に保持された、少なくとも一つの電池について周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータとを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データを算出する電圧データ算出ステップと、前記電圧データ算出ステップで算出された前記周波数領域電圧データを、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データに変換する時間領域変換ステップと、前記時間領域変換ステップで変換された前記時間領域電圧データと、前記入力ステップで取得された前記時間領域電圧データとの差分を算出する差分算出ステップと、前記差分算出ステップで算出された前記差分を最も小さくするインピーダンスデータを探索し、探索した前記インピーダンスデータを出力する探索ステップとを含む。 In order to achieve the above object, a battery impedance evaluation method according to an aspect of the present invention is a battery impedance evaluation method for evaluating the electrochemical impedance of a battery to be measured, which is obtained by applying a current to the battery to be measured. An input step for acquiring time domain current data and time domain voltage data, which are time series data of current and voltage, and the time domain current data acquired in the input step are expressed in the frequency domain by Fourier transform. A frequency domain conversion step for converting to frequency domain current data, which is current data, the frequency domain current data converted in the frequency domain conversion step, and at least one battery held in the storage unit in the frequency domain. The impedance data indicating the measured electrochemical impedance Thus, the voltage data calculation step for calculating the frequency domain voltage data, which is the voltage data expressed in the frequency domain, and the frequency domain voltage data calculated in the voltage data calculation step are converted in the time domain by inverse Fourier transform. A time domain conversion step for converting into time domain voltage data which is expressed voltage data, the time domain voltage data converted in the time domain conversion step, and the time domain voltage data acquired in the input step. A difference calculating step for calculating a difference; and a search step for searching for impedance data that minimizes the difference calculated in the difference calculating step and outputting the searched impedance data.
本発明により、被測定電池の電気化学インピーダンスを従来よりも高精度に特定できる電池インピーダンス評価装置及びその方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a battery impedance evaluation apparatus and method that can specify the electrochemical impedance of a battery to be measured with higher accuracy than before.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、方法のステップ、ステップの順序、印加電流の波形、等価回路モデル等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of the constituent elements, method steps, order of steps, applied current waveforms, equivalent circuit models, etc. shown in the following embodiments are examples, and It is not intended to limit the invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements. Also, the drawings are not necessarily shown strictly. In each figure, substantially the same configuration is denoted by the same reference numeral, and redundant description may be omitted or simplified.
1.電池インピーダンス評価装置の構成
図1は、実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10の構成を示すブロック図である。電池インピーダンス評価装置10は、被測定電池の電気化学インピーダンスを評価する装置であり、入力部11、周波数領域変換部12、記憶部13、電圧データ算出部15、時間領域変換部16、差分算出部17及び探索部18を備える。
1. Configuration of Battery Impedance Evaluation Device FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a battery
入力部11は、被測定電池に対する電流の印加によって得られた、被測定電池を流れる電流の時系列データである時間領域電流データI(t)、及び、被測定電池の両端に生じる電圧の時系列データである時間領域電圧データV(t)を取得する。
The
なお、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)は、例えば、図2の構成例に示される電気化学測定システム20による測定によって得られる。電気化学測定システム20は、ポテンショ・ガルバノスタット又は充放電制御アンプ等の電気化学測定装置21とデータロガー22とで構成される。電気化学測定装置21は、被測定電池23に対して、所定の波形をもつ電流を印加し、そのときに被測定電池23の両端に生じる電圧を計測する。印加された電流、及び、計測された電圧は、データロガー22でA/D変換され、それぞれ、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)として記録される。データロガー22に記録された時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)は、GPIB等のインタフェースを介して、電池インピーダンス評価装置10の入力部11によって読み出される。
The time domain current data I (t) and the time domain voltage data V (t) are obtained, for example, by measurement by the
なお、入力部11は、図2に示されるような外部の電気化学測定システム20から時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得してもよいし、電池インピーダンス評価装置10が備える記憶部13に時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)が保持されている場合には、記憶部13から時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得してもよい。さらに、入力部11は、電気化学測定システム20の機能を含んでもよい。つまり、入力部11は、被測定電池における電流及び電圧をセンスしてA/D変換することで、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を生成して取得してもよい。 周波数領域変換部12は、入力部11で取得された時間領域電流データI(t)を、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データI(ω)に変換する。
The
記憶部13は、少なくとも一つの電池について、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータZm(ω)を保持しているメモリであり、例えば、ハードディスク装置等である。なお、記憶部13に保持されるインピーダンスデータZm(ω)は、少なくとも一つの回路要素で構成される等価回路モデルであってもよいし、電気化学インピーダンススペクトロスコピー(EIS)法等の実測によって得られた、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスである交流インピーダンスデータであってもよいし、それらの混在であってもよい。
The
等価回路モデルは、電気回路要素の抵抗R、容量Cだけでなく、電気化学インピーダンス等価回路モデル成分であるCPEが含まれていてもよいし、周波数依存性を示す任意のパラメータPhiを含むワールブルグインピーダンスが含まれていてもよい。なお、CPEのインピーダンスZCPEは、ZCPE=1/(T・(jω)p)で表される。TはCPE定数であり、pはCPE指数である。一般的に、CPEは、電気二重層容量が周波数依存を示す場合に用いられる。また、ワールブルグインピーダンスのインピーダンスZWは、ZW=σ・ω−p・(1−j)で表される。σは拡散条件に関する定数であり、pは周波数依存性を示すパラメータPhiである。 The equivalent circuit model may include not only the resistance R and capacitance C of the electric circuit element but also CPE which is an electrochemical impedance equivalent circuit model component, and the Warburg impedance including an arbitrary parameter Phi indicating frequency dependence. May be included. The impedance Z CPE of CPE is represented by Z CPE = 1 / (T · (jω) p ). T is the CPE constant and p is the CPE index. Generally, CPE is used when the electric double layer capacity shows frequency dependence. Further, the impedance Z W of the Warburg impedance is represented by Z W = σ · ω −p · (1−j). σ is a constant related to the diffusion condition, and p is a parameter Phi indicating frequency dependence.
電圧データ算出部15は、周波数領域変換部12で変換された周波数領域電流データI(ω)と、記憶部13に保持されたインピーダンスデータZm(ω)とを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データVm(ω)を算出する。
The voltage
時間領域変換部16は、電圧データ算出部15で算出された周波数領域電圧データVm(ω)を、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データVm(t)に変換する。
The
差分算出部17は、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)との差分εを算出する。より詳しくは、差分算出部17は、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)の所定時間における変化量と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)の所定時間における変化量との比を、差分εとして、算出する。変化量の比を用いるのは、本解析手法(電池インピーダンス評価方法)の制限により、時間領域電圧データVm(t)には適切なDCオフセット成分が含まれていないためである。
The difference calculation unit 17 calculates a difference ε between the time domain voltage data Vm (t) converted by the time
探索部18は、差分算出部17で算出される差分εを小さくするインピーダンスデータZm´(ω)を探索し、探索したインピーダンスデータZm´(ω)を出力する。より詳しくは、記憶部13に保持された複数の種類の電池についての等価回路モデルZm(ω)を対象として探索する場合には、探索部18は、それら複数の等価回路モデルZm(ω)のうち、被測定電池の充電状態(SOC;State of Charge)、充放電サイクル数、電池温度、環境温度及び電池容量の少なくとも一つを含む電池稼働条件について最も近い電池の等価回路モデルZm(ω)を初期値として選択し、選択した等価回路モデルZm(ω)を用いて、電圧データ算出部15に周波数領域電圧データVm(ω)を算出させる。そして、探索部18は、差分算出部17で算出される差分εを小さくするように、差分算出の対象となった等価回路モデルZm(ω)を構成する回路要素の定数を同定あるいは変更し、変更後の等価回路モデルを、探索したインピーダンスデータZm´(ω)として出力する。
The
また、記憶部13に保持された複数の種類の電池についての交流インピーダンスデータZm(ω)を対象として探索する場合には、探索部18は、それらの複数の交流インピーダンスデータZm(ω)のうち、被測定電池の充電状態、充放電サイクル数、電池温度、環境温度及び電池容量の少なくとも一つを含む電池稼働条件について最も近い電池の交流インピーダンスデータZm(ω)を含む少なくとも二つの交流インピーダンスデータZm(ω)を選択し、選択した少なくとも二つの交流インピーダンスデータZm(ω)のそれぞれに対して、電圧データ算出部15、時間領域変換部16、及び、差分算出部17での処理を行わせ、差分算出部17で算出された差分εが最も小さい交流インピーダンスデータZm(ω)を探索結果のインピーダンスデータZm´(ω)として出力する。
Further, when searching for the AC impedance data Zm (ω) for a plurality of types of batteries held in the
なお、電池インピーダンス評価装置10は、例えば、電池インピーダンス評価方法のプログラムを保持するパーソナルコンピュータ(PC)によって実現される。PCは、プログラムを保持するハードディスクやROM等の不揮発性メモリ、RAM等の揮発性メモリ、プログラムを実行するプロセッサ、外部装置と通信する通信インタフェースを含む各種入出力回路、キーボード及びディスプレイ等の周辺装置等を備える。電池インピーダンス評価装置10の入力部11、周波数領域変換部12、電圧データ算出部15、時間領域変換部16、差分算出部17及び探索部18は、PCが備えるプロセッサがプログラムを実行することによって実現され得る。電池インピーダンス評価装置10の記憶部13は、PCが備える不揮発性メモリで実現され得る。
The battery
2.電池インピーダンス評価装置の動作
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10の動作(つまり、電池インピーダンス評価方法)について、参照用のインピーダンスデータとして等価回路モデルを用いる場合と交流インピーダンスデータを用いる場合とについて、説明する。
2. Operation of Battery Impedance Evaluation Device Next, an equivalent circuit model is used as reference impedance data for the operation of the battery
2.1.等価回路モデルを用いる場合
まず、参照用データとして等価回路モデルを用いる場合における、被測定電池のインピーダンスデータの算出方法について、説明する。
2.1. When using an equivalent circuit model First, a method for calculating impedance data of a battery to be measured when an equivalent circuit model is used as reference data will be described.
図3は、実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10の動作例(参照用データとして等価回路モデルを用いる場合)を示すフローチャートである。このケースでは、記憶部13に、インピーダンスデータZm(ω)として、複数の種類の電池についての等価回路モデルZm(ω)が保持され、等価回路モデルZm(ω)を用いて被測定電池のインピーダンスデータが探索される。
FIG. 3 is a flowchart showing an operation example (when an equivalent circuit model is used as reference data) of the battery
まず、入力部11は、被測定電池に対する電流の印加によって得られた時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得する(S10)。ここで、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)は、同時(同一のサンプリングクロック)かつ一定時間間隔Δt(sec)(=1/Fs;Fsはサンプリング周波数(Hz))にてサンプリングされた時系列データである。時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)は、高いレベル分解能にてA/D変換されていることが好ましい。特に、時間領域電圧データV(t)については、そのレベル分解能が電池インピーダンス評価における精度への影響が大きい。また、時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)は、解析範囲時間T(sec)において、始点及び終点が0又は略同値(差分<<終点レベル)となることが好ましい。また、解析範囲サンプル数N(=T/Δt)は、2のべき乗になることが好ましい。なお、解析範囲の詳細については、「3.時系列データの解析範囲の詳細」にて後述する。
First, the
次に、周波数領域変換部12は、下記式1に従って、入力部11で取得された時間領域電流データI(t)を、フーリエ変換により、周波数領域電流データI(ω)に変換する(S11)。
Next, the frequency
I(ω)=FFT{I(t)} 式1 I (ω) = FFT {I (t)} Equation 1
ここで、FFT{}は、DFT(離散フーリエ変換)の高速フーリエ変換アルゴリズム処理を示す。本電池インピーダンス評価方法では、時間領域電流データI(t)を含めて処理することが特徴の一つである。実際の測定環境では、充放電制御開始時の出力アンプの過渡特性であるスルーレート(ΔI/Δt)が有限となる。特に、大容量電池用の充放電器では、このスルーレートが制限されることがある。本電池インピーダンス評価方法では、電流の理想波形ではなく、実際の測定で得られた時間領域電流データI(t)を用いることにより、出力アンプ特性等が加味された結果が求まる。 Here, FFT {} indicates fast Fourier transform algorithm processing of DFT (Discrete Fourier Transform). One feature of this battery impedance evaluation method is that it includes time domain current data I (t). In an actual measurement environment, the slew rate (ΔI / Δt), which is a transient characteristic of the output amplifier at the start of charge / discharge control, is finite. In particular, in a charger / discharger for a large capacity battery, this slew rate may be limited. In this battery impedance evaluation method, the result including the output amplifier characteristics and the like is obtained by using time domain current data I (t) obtained by actual measurement instead of the ideal waveform of current.
そして、探索部18は、記憶部13に保持された複数の種類の電池についての等価回路モデルZm(ω)のうち、被測定電池の充電状態、充放電サイクル数、電池温度、環境温度及び電池容量の少なくとも一つを含む電池稼働条件について最も近い電池の等価回路モデルZm(ω)を初期値として選択する(S12)。ここで、等価回路モデルZm(ω)の周波数分解能Δfは、Δf=1/(Δt・N)とし、一定値とする。等価回路モデルZm(ω)としては、電気回路要素の抵抗R、容量Cだけでなく、電気化学インピーダンス等価回路モデル成分CPE、周波数依存性を示す任意のパラメータPhiを含むワールブルグインピーダンス等にも対応する。なお、計算上、便宜的にf=0を含める。
And the
また、記憶部13に保持された等価回路モデルZm(ω)の数が多い場合には、探索部18は、予め、記憶部13に保持された全ての等価回路モデルZm(ω)を10段階以下の程度にランク分けし、最近似ランクの典型値を初期値としてもよい。ランク分けには、深層学習を用いてもよい。この場合の深層学習における入力、中間層レイヤ数、出力は、例えば、次のようにする。
When the number of equivalent circuit models Zm (ω) held in the
入力:時間値及びレベル値を正規化した電圧時系列波形情報(例えば、横32×縦32=1024ピクセルの白黒画像)
中間層レイヤ数:1〜2
出力:10段階以下のランク
Input: Voltage time-series waveform information obtained by normalizing time value and level value (for example, black and white image of horizontal 32 × vertical 32 = 1024 pixels)
Number of intermediate layer layers: 1-2
Output: Rank below 10 levels
なお、選択される等価回路モデルZm(ω)の周波数範囲とサンプリング時系列データ(I(t)及びV(t))との関係は、例えば、以下の通りである。 The relationship between the frequency range of the selected equivalent circuit model Zm (ω) and the sampling time series data (I (t) and V (t)) is, for example, as follows.
つまり、等価回路モデルZm(ω)の最大周波数Fmaxは、Fs/2とする。この最大周波数Fmaxは、以下の式2のように、等価直列抵抗値(インピーダンスの虚数値が0となるインピーダンスの実数値)の周波数Fesrより大きい必要がある。 That is, the maximum frequency Fmax of the equivalent circuit model Zm (ω) is set to Fs / 2. This maximum frequency Fmax needs to be larger than the frequency Fesr of the equivalent series resistance value (the real value of the impedance where the imaginary value of the impedance is 0) as shown in the following Expression 2.
Fmax=Fs/2>=Fesr 式2 Fmax = Fs / 2> = Fesr Equation 2
また、等価回路モデルZm(ω)の最小周波数Fminは、以下の条件を満たす必要がある。つまり、ワールブルグインピーダンスが含まれないR−CPE並列回路成分の場合、最小周波数Fminは、R−CPE並列回路の緩和時間τの逆数より十分に小さい必要がある。また、ワールブルグインピーダンスが含まれるR−CPE並列回路成分の場合、最小周波数Fminは、拡散成分の周波数領域が十分に含まれることを満たす必要がある。 Further, the minimum frequency Fmin of the equivalent circuit model Zm (ω) needs to satisfy the following conditions. That is, in the case of an R-CPE parallel circuit component that does not include Warburg impedance, the minimum frequency Fmin needs to be sufficiently smaller than the reciprocal of the relaxation time τ of the R-CPE parallel circuit. Further, in the case of the R-CPE parallel circuit component including the Warburg impedance, the minimum frequency Fmin needs to satisfy that the frequency region of the diffusion component is sufficiently included.
次に、電圧データ算出部15は、探索部18によって選択された等価回路モデルZm(ω)を記憶部13から読み出し、以下の式3に従って、読み出した等価回路モデルZm(ω)と、周波数領域変換部12で変換された周波数領域電流データI(ω)とを演算(具体的には、乗算)することで、周波数領域電圧データVm(ω)を算出する(S13)。
Next, the voltage
Vm(ω)=Zm(ω)・I(ω) 式3 Vm (ω) = Zm (ω) · I (ω) Equation 3
そして、時間領域変換部16は、以下の式4に従って、電圧データ算出部15で算出された周波数領域電圧データVm(ω)を、逆フーリエ変換により、時間領域電圧データVm(t)に変換する(S14)。
Then, the time
Vm(t)=IFFT{Vm(ω)} 式4 Vm (t) = IFFT {Vm (ω)} Equation 4
ここで、IFFT{}は、逆フーリエ変換処理を示す。 Here, IFFT {} indicates an inverse Fourier transform process.
次に、差分算出部17は、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)との差分εを算出する(S15)。より詳しくは、差分算出部17は、以下の式5に従って、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)の所定時間における変化量(Vm(k+1)−Vm(k))と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)の所定時間における変化量(V(k+1)−V(k))との比を、差分εとして、算出する。
Next, the difference calculation unit 17 calculates a difference ε between the time domain voltage data Vm (t) converted by the time
ε=Σabs{(Vm(k+1)−Vm(k))/(V(k+1)−V(k))} 式5 ε = Σabs {(Vm (k + 1) −Vm (k) ) / (V (k + 1) −V (k) )} Equation 5
ここで、abs{}は、絶対値を示す。 Here, abs {} indicates an absolute value.
差分εの逆数が、電池データ(V(t))とモデル特性(Vm(t))との近似度を示す。なお、上記式5の計算に適用するV(t)には、過渡応答領域(つまり、制御電流変化付近)以外では、適したスムージング又は移動平均等のフィルタリング処理を行う。フィルタリング処理を施す目的は、ノイズ除去であり、電池特性が削減されないように注意する必要がある。 The reciprocal of the difference ε indicates the degree of approximation between the battery data (V (t)) and the model characteristics (Vm (t)). Note that V (t) applied to the calculation of Equation 5 is subjected to filtering processing such as suitable smoothing or moving average except in the transient response region (that is, near the control current change). The purpose of applying the filtering process is noise removal, and care must be taken so that the battery characteristics are not reduced.
そして、差分算出部17は、算出した差分εが所定値以下であるか否かを判定する(S16)。所定値は、この電池インピーダンス評価方法に求められる精度及び許容される探索時間等を考慮のうえ、任意に設定される。 And the difference calculation part 17 determines whether the calculated difference (epsilon) is below a predetermined value (S16). The predetermined value is arbitrarily set in consideration of the accuracy required for the battery impedance evaluation method and the allowable search time.
その結果、算出された差分εが所定値以下でないと判定された場合には(S16でNo)、探索部18は、差分算出部17で算出される差分εを小さくするように、差分算出の対象となった等価回路モデルZm(ω)を構成する回路要素の定数の変更、つまり、等価回路モデルZm(ω)の同定(以下、この同定を「フィッティング」ともいう)を行う(S17)。そして、再び、ステップS13〜S16の処理を繰り返す。ステップS13〜S17は、ステップS16において差分εが所定値以下であると判定されるまで、繰り返される。なお、フィッティングの詳細については、「4.フィッティングの詳細」にて、後述する。
As a result, when it is determined that the calculated difference ε is not less than or equal to the predetermined value (No in S16), the
一方、ステップS16で算出された差分εが所定値以下であると判定された場合には(S16でYes)、探索部18は、最後の差分算出の対象となった等価回路モデルZm(ω)、つまり、近似度が最も高い等価回路モデルZm(ω)を、探索したインピーダンスデータZm´(ω)として出力する(S18)。
On the other hand, when it is determined that the difference ε calculated in step S16 is equal to or smaller than the predetermined value (Yes in S16), the
このようにして、参照用データとして等価回路モデルを用いる場合における、被測定電池のインピーダンスデータの算出が終了する。 In this way, calculation of the impedance data of the battery to be measured when the equivalent circuit model is used as the reference data is completed.
2.2.交流インピーダンスデータを用いる場合
次に、参照用データとして交流インピーダンスデータを用いる場合における、被測定電池のインピーダンスデータの算出方法について、説明する。
2.2. When Using AC Impedance Data Next, a method for calculating impedance data of a battery to be measured when using AC impedance data as reference data will be described.
図4は、実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10の動作例(参照用データとして交流インピーダンスデータを用いる場合)を示すフローチャートである。このケースでは、記憶部13に、インピーダンスデータZm(ω)として、複数の交流インピーダンスデータ(つまり、実測によって得られた、周波数領域で表現された電気化学インピーダンス)Zm(ω)が保持され、それらの交流インピーダンスデータZm(ω)を用いて被測定電池のインピーダンスデータが探索される。なお、本図において、図3と同じステップについては、図3と同じ符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 4 is a flowchart illustrating an operation example (when AC impedance data is used as reference data) of the battery
入力部11によって被測定電池の時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)が取得され(S10)、周波数領域変換部12によって時間領域電流データI(t)が周波数領域電流データI(ω)に変換されると(S11)、探索部18は、記憶部13に保持された複数の交流インピーダンスデータZm(ω)のうち、被測定電池の充電状態、充放電サイクル数、電池温度、環境温度及び電池容量の少なくとも一つを含む電池稼働条件について最も近い電池の交流インピーダンスデータZm(ω)を含む少なくとも二つの交流インピーダンスデータZm(ω)を選択し、選択した少なくとも二つの交流インピーダンスデータZm(ω)のそれぞれに対して、電圧データ算出部15による処理(S13)、時間領域変換部16による処理(S14)、及び、差分算出部17による処理(S15)を行わせる(ループA;S20〜S21)。
The time domain current data I (t) and time domain voltage data V (t) of the measured battery are acquired by the input unit 11 (S10), and the time domain current data I (t) is converted by the frequency
そして、探索部18は、差分算出部17で算出された少なくとも二つの差分εのうち、最も小さい差分εの算出に用いられた交流インピーダンスデータZm(ω)を探索結果のインピーダンスデータZm´(ω)として出力する(S22)。
Then, the
このようにして、参照用データとして交流インピーダンスデータを用いる場合における、被測定電池のインピーダンスデータの算出が終了する。 In this way, calculation of impedance data of the battery to be measured in the case where AC impedance data is used as reference data is completed.
3.時系列データの解析範囲の詳細
次に、時系列データ(I(t)及びV(t))の解析範囲の詳細について説明する。
3. Details of Analysis Range of Time Series Data Next, details of the analysis range of the time series data (I (t) and V (t)) will be described.
入力部11は、時系列データ(I(t)及びV(t))を取得すると、取得した時系列データ(I(t)及びV(t))から、解析適用可能な領域を抽出し、解析する。
When acquiring the time series data (I (t) and V (t)), the
なお、入力部11は、被測定電池に対して、(1)電流印加を休止している状態、(2)定電流を印加している状態、及び、(3)電流印加を休止している状態に、この順で電流印加パターンを変化させた場合に得られる電流の時系列データを、時間領域電流データI(t)として取得する。つまり、I(t)を取得するための被測定電池への電流印加パターン(つまり、電流制御パターン)としては、(1)休止(電流値:OCV)、(2)定電流(充電時の定電流値:+CC、放電時の定電流値:−CC)、(3)休止(電流値:OCV)の順に状態が変化するパターンとする。「(2)定電流」での解析範囲は、休止状態から定電流制御移行後であり、「(3)休止」での解析範囲は、定電流制御状態から休止状態へ移行後である。本電池インピーダンス評価方法から得られる時間領域電圧データVm(t)は、「(2)定電流」、「(3)休止」のように、被測定電池の内部の挙動が異なる各状態において、同一のモデル特性(つまり、インピーダンスデータ)から得られた電圧応答波形となる。
The
このとき、留意事項として、以下の(a)〜(c)が挙げられる。 At this time, the following (a) to (c) are mentioned as points to be noted.
(a)解析前に解析時間以上の休止状態とすることが好ましい。解析時間において比較的安定した電池状態つまりは急激な特性変化のない状態の方がより高精度な結果を得ることが期待できる。 (A) It is preferable to set a resting state longer than the analysis time before analysis. It can be expected that a more accurate result is obtained in a battery state that is relatively stable in analysis time, that is, in a state where there is no sudden characteristic change.
(b)被測定電池への定電流出力レベルは、電池にとって大きな負荷とならず、急激な特性変化を与えない範囲(つまり、IV線形性が保たれる範囲内)にすることが好ましい。 (B) It is preferable that the constant current output level to the battery to be measured does not become a heavy load on the battery and does not give a sudden characteristic change (that is, within a range in which IV linearity is maintained).
(c)定電流出力時間は、被測定電池の劣化を促進してしまうような極端な短時間にしないことが好ましい。また、解析範囲内において、充電及び放電によりモデル特性(つまり、インピーダンスデータ)が大きく変化する場合は、本電池インピーダンス評価方法の適用外とする。よって、充電及び放電の時間長については、被測定電池の種類毎に事前に十分検討するのが好ましい。 (C) The constant current output time is preferably not set to an extremely short time that promotes the deterioration of the battery under measurement. In addition, when the model characteristics (that is, impedance data) greatly change due to charging and discharging within the analysis range, this battery impedance evaluation method is not applicable. Therefore, it is preferable that the time length of charging and discharging is sufficiently examined in advance for each type of battery to be measured.
ところで、実際の電池では上記各状態を保持することにより特性の時間変化が発生することが想定される。定電流制御(充電又は放電)により、電池のSOC等が変化するためである。 By the way, in an actual battery, it is assumed that the time change of a characteristic generate | occur | produces by hold | maintaining each said state. This is because the SOC of the battery changes due to constant current control (charging or discharging).
そこで、本電池インピーダンス評価方法におけるフィッティング処理では、「(2)定電流」の状態のみのVm(t)をフィッティング範囲とすることにより、充電又は放電状態に移行した際のモデル特性(つまり、インピーダンスデータ)を得ることができる。同様にして「(3)休止」の状態のみのVm(t)をフィッティング範囲とすることにより、充電又は放電から休止状態に移行した際のモデル特性(つまり、インピーダンスデータ)を得ることができる。更には、「(2)定電流」の時間が長ければ、その間でも電池特性が変化することが想定される。「(2)定電流」の時間中の解析範囲を更に限定する(充電開始直後、充電開始後指定時間後など)ことにより、時間変化する各特性を得ることができる。 Therefore, in the fitting process in this battery impedance evaluation method, Vm (t) only in the “(2) constant current” state is set as the fitting range, so that the model characteristics (that is, impedance) at the time of transition to the charge or discharge state are obtained. Data). Similarly, by setting Vm (t) in only the “(3) pause” state as the fitting range, it is possible to obtain model characteristics (that is, impedance data) when shifting from charge or discharge to the pause state. Furthermore, if the time of “(2) constant current” is long, it is assumed that the battery characteristics change during that time. By further limiting the analysis range during the time of “(2) constant current” (immediately after the start of charging, after a specified time after the start of charging, etc.), each characteristic that changes with time can be obtained.
なお、モデル要素がR−CPE並列回路要素のみ(ワールブルグインピーダンスが含まれない場合)であれば、充電及び放電に関わらず、「(2)定電流」及び「(3)休止」におけるVm(t)の立ち上がり波形及び立ち下がり波形は対称となる。 If the model element is only the R-CPE parallel circuit element (when the Warburg impedance is not included), Vm (t in “(2) constant current” and “(3) pause” regardless of charging and discharging. ) Rise waveform and fall waveform are symmetrical.
3.1.電流制御波形とフィッティング範囲のパターン
次に、本電池インピーダンス評価方法の解析範囲における電流制御波形とフィッティング範囲の例を示す。
3.1. Current Control Waveform and Fitting Range Pattern Next, an example of the current control waveform and the fitting range in the analysis range of the present battery impedance evaluation method is shown.
3.1.1.充電状態(ただし、数秒程度の充電状態)におけるフィッティング
図5Aは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による数秒程度の充電状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.1. FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a fitting range in a charged state of about several seconds by the battery
このケースでは、R−CPEの時定数領域以下では、R−CPEの寄与が高い。それ以降の時間では、拡散成分の寄与度が高くなる。また、例えば拡散挙動が律速となる領域が0.5Hz以下の場合、4秒(その周波数0.5Hzの逆数(s)の2倍)程度以上の充電時間内で、Vm(t)には拡散成分による影響が含まれる。 In this case, the contribution of R-CPE is high below the time constant region of R-CPE. In the subsequent time, the contribution of the diffusion component is high. Further, for example, when the region where the diffusion behavior is rate-limiting is 0.5 Hz or less, diffusion occurs in Vm (t) within a charging time of about 4 seconds (twice the reciprocal (s) of the frequency 0.5 Hz) or more. Includes the effects of ingredients.
3.1.2.充電後の休止状態(ただし、数十秒程度以上の休止状態)におけるフィッティング
図5Bは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による充電状態から数十秒程度以上の休止状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.2. FIG. 5B shows a fitting range in a dormant state of about several tens of seconds or more from the charged state by the battery
このケースでは、拡散領域のフィッティングを行えるので、ワールブルグインピーダンスを比較的高確度で導出できる。ただし、交流インピーダンス法で取得した等価回路モデルではワールブルグインピーダンスの寄与が大きい場合においても、以下のようなV(t)となることもあると考えられる。 In this case, since the diffusion region can be fitted, the Warburg impedance can be derived with relatively high accuracy. However, in the equivalent circuit model acquired by the AC impedance method, even when the contribution of the Warburg impedance is large, it is considered that the following V (t) may be obtained.
・休止状態が続くことにより、解析範囲内にて電圧応答波形が一定状態に漸近する。 -As the resting state continues, the voltage response waveform gradually approaches a constant state within the analysis range.
・解析前の電池状態及び「(2)定電流」の状態の影響により、特に拡散領域の挙動が残存する(電圧変化方向(上昇/下降)が計算結果と逆方向となる)。 -Due to the influence of the battery state before analysis and the state of "(2) constant current", in particular, the behavior of the diffusion region remains (the voltage change direction (up / down) is opposite to the calculation result).
よって、このフィッティング範囲を適用する場合は、V(t)の解析範囲の後半の一定状態での範囲の時間値も重要な情報である。 Therefore, when this fitting range is applied, the time value of the range in the second half of the analysis range of V (t) is also important information.
3.1.3.充電状態(ただし、数十秒程度以上の充電状態)におけるフィッティング
図5Cは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による数十秒程度以上の充電状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.3. FIG. 5C is a diagram illustrating an example of a fitting range in a charged state of about several tens of seconds or more by the battery
このケースでは、充電中の範囲を分割して各特性を得ることができる。 In this case, each characteristic can be obtained by dividing the charging range.
3.1.4.放電状態(ただし、数秒程度の放電状態)におけるフィッティング
図5Dは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による数秒程度の放電状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.4. FIG. 5D is a diagram showing an example of a fitting range in a discharge state of about several seconds by the battery
このケースでは、上記3.1.1.と同様のことがいえる。 In this case, the above 3.1.1. The same can be said.
3.1.5.放電後の休止状態(ただし、数十秒程度以上の休止状態)におけるフィッティング
図5Eは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による放電状態から数十秒程度以上の休止状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.5. FIG. 5E shows a fitting range in a rest state of about several tens of seconds or more from the discharge state by the battery
このケースでは、上記3.1.2.と同様のことがいえる。 In this case, the above 3.1.2. The same can be said.
3.1.6.放電状態(ただし、数十秒程度以上の放電状態)におけるフィッティング
図5Fは、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10による数十秒程度以上の放電状態におけるフィッティング範囲の例を示す図である。
3.1.6. FIG. 5F is a diagram showing an example of a fitting range in a discharge state of about several tens of seconds or more by the battery
このケースでは、放電中の範囲を分割して各特性を得ることができる。 In this case, each characteristic can be obtained by dividing the range during discharge.
4.フィッティングの詳細
図6は、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10によるフィッティングの詳細を説明するための等価回路モデルの例を示す図である。本図に示される等価回路モデルは、回路要素として、抵抗Rs、R1−CPE1並列回路、及び、ワールブルグインピーダンスWs1を含むR2−CPE2並列回路がこの順で直列に接続された回路である。
4). Details of Fitting FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit model for explaining details of fitting by the battery
本図に示される等価回路モデルを用いたフィッティングは、以下の方針で行われる。つまり、抵抗Rsから始め、より高周波領域となるR−CPE並列回路から順に求める。続くR−CPE並列回路の導出時には、既に導出した成分値を固定又は変更範囲を狭小化する。R−CPE並列回路の緩和時間τが予め求められていれば、その時間範囲にて回路要素を導出する。 Fitting using the equivalent circuit model shown in this figure is performed according to the following policy. That is, starting from the resistor Rs, the R-CPE parallel circuit that is a higher frequency region is obtained in order. At the time of deriving the subsequent R-CPE parallel circuit, the already derived component value is fixed or the change range is narrowed. If the relaxation time τ of the R-CPE parallel circuit is obtained in advance, circuit elements are derived within that time range.
より詳しくは、各条件(SOC、温度、サイクル数等)によるおよその緩和時間が既知の場合、その緩和時間範囲に対してフィッティングを適用することもできる。 More specifically, when the approximate relaxation time according to each condition (SOC, temperature, number of cycles, etc.) is known, fitting can be applied to the relaxation time range.
具体的には、以下の手順でフィッティングを行う。
(1)I(t)の立ち上がり又は立ち下がりによる変化分をΔIとし、そのΔIに対応するV(t)の変化分をΔVとすると、Rs=ΔV/ΔIより、抵抗Rsを求める。
(2)上記(1)で求めた抵抗Rsを固定値とし、R1−CPE1並列回路の緩和時間τ1までの電圧変化量を用いて、Vm(t)のV(t)へのフィッティング処理を行うことで、R1及びCPE1を同定する。
(3)上記(1)及び(2)で求めたRs、R1、CPE1を固定値とし、R2−CPE2並列回路の緩和時間τ2までの電圧変化量を用いて、Vm(t)のV(t)へのフィッティング処理を行うことで、R2及びCPE2を同定する。
(4)上記(1)〜(3)で求めたRs、R1、CPE1、R2、CPE2を固定値とし、解析範囲全体の電圧変化量を用いて、Vm(t)のV(t)へのフィッティング処理を行うことで、ワールブルグインピーダンスWs1を同定する。
Specifically, fitting is performed according to the following procedure.
(1) The resistance Rs is obtained from Rs = ΔV / ΔI, where ΔI is the change due to the rise or fall of I (t) and ΔV is the change in V (t) corresponding to ΔI.
(2) The resistance Rs obtained in the above (1) is set as a fixed value, and the fitting process of Vm (t) to V (t) is performed using the voltage change amount up to the relaxation time τ1 of the R1-CPE1 parallel circuit. Thus, R1 and CPE1 are identified.
(3) Using Rs, R1, and CPE1 obtained in (1) and (2) above as fixed values and using the voltage change amount up to the relaxation time τ2 of the R2-CPE2 parallel circuit, V (t) of Vm (t) ) To identify R2 and CPE2.
(4) Rs, R1, CPE1, R2, and CPE2 obtained in the above (1) to (3) are fixed values, and the voltage change amount of the entire analysis range is used to change Vm (t) to V (t). The Warburg impedance Ws1 is identified by performing the fitting process.
以上のように、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10は、被測定電池の電気化学インピーダンスを評価する装置であって、少なくとも一つの電池について、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータZm(ω)を保持している記憶部13と、被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得する入力部11と、入力部11で取得された時間領域電流データI(t)を、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データI(ω)に変換する周波数領域変換部12と、周波数領域変換部12で変換された周波数領域電流データI(ω)と、記憶部13に保持されたインピーダンスデータZm(ω)とを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データVm(ω)を算出する電圧データ算出部15と、電圧データ算出部15で算出された周波数領域電圧データVm(ω)を、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データVm(t)に変換する時間領域変換部16と、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)との差分εを算出する差分算出部17と、差分算出部17で算出される差分εを小さくするインピーダンスデータを探索し、探索したインピーダンスデータを出力する探索部18とを備える。
As described above, the battery
ここで、記憶部13に保持されたインピーダンスデータZm(ω)が、回路要素で構成される等価回路モデルである場合には、探索部18は、差分εを小さくするように等価回路モデルを構成する回路要素の定数を変更し、変更後の等価回路モデルを、探索したインピーダンスデータZm´(ω)として出力する。等価回路モデルは、CPEを回路要素として含んでもよい。また、等価回路モデルは、任意のパラメータPhi(φ)を含むワールブルグインピーダンスを回路要素として含んでもよい。
Here, when the impedance data Zm (ω) held in the
このように、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10によれば、被測定電池に対する電流の印加時に得られた時間領域電流データI(t)がフーリエ変換により周波数領域電流データI(ω)に変換され、記憶部13に保持されたインピーダンスデータZm(ω)と演算されることで周波数領域電圧データVm(ω)が算出され、算出された周波数領域電圧データVm(ω)が逆フーリエ変換されて時間領域電圧データVm(t)に変換され、変換された時間領域電圧データVm(t)と入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)との差分εを小さくするインピーダンスデータが探索される。つまり、周波数領域におけるインピーダンスデータZm(ω)との演算が用いられ、時間領域における電圧データの差分を最小化するように被測定電池のインピーダンスデータが探索される。
Thus, according to the battery
よって、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価装置10によれば、電池実測電流波形データをステップ関数化してラプラス変換を用いる従来の技術と異なり、例えば、任意のパラメータPhi(φ)を含むワールブルグインピーダンスを回路要素として含む等価回路を同定したり、抵抗R、容量Cだけでなく、CPEを含む等価回路を同定したりすることができ、従来よりも、被測定電池の電気化学インピーダンスが高精度に特定される。
Therefore, according to the battery
また、記憶部13に複数の種類の電池についてのインピーダンスデータZm(ω)が保持されている場合には、探索部18は、記憶部13に保持された複数のインピーダンスデータZm(ω)の少なくとも二つのそれぞれについて、電圧データ算出部15、時間領域変換部16、及び、差分算出部17での処理を行わせ、差分算出部17で算出された差分εが最も小さいインピーダンスデータZm(ω)を探索する。
Further, when the impedance data Zm (ω) for a plurality of types of batteries is held in the
これにより、記憶部13に複数の種類の電池についてのインピーダンスデータZm(ω)が保持されている場合には、複数のインピーダンスデータZm(ω)の少なくとも二つの中から時間領域での電圧差分が最小となるインピーダンスデータが探索されるので、複数の参照用のインピーダンスデータZm(ω)から被測定電池の電気化学インピーダンスに最も近いインピーダンスデータが探索される。
Thereby, when the impedance data Zm (ω) for a plurality of types of batteries is held in the
また、記憶部13に保持された複数のインピーダンスデータZm(ω)には、実測によって得られた、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスである交流インピーダンスデータZm(ω)が含まれていてもよい。
Further, even if the plurality of impedance data Zm (ω) held in the
これにより、各種電池に対する実測によって得られた交流インピーダンスデータを用いて、被測定電池の電気化学インピーダンスが特定される。 Thereby, the electrochemical impedance of the battery to be measured is specified using the AC impedance data obtained by actual measurement for various batteries.
このとき、探索部18は、記憶部13に保持された複数のインピーダンスデータZm(ω)のうち、充電状態、充放電サイクル数、電池温度、環境温度及び電池容量の少なくとも一つを含む電池稼働条件について、被測定電池と最も近い電池のインピーダンスデータZm(ω)を初期値として選択し、選択したインピーダンスデータZm(ω)について、電圧データ算出部15、時間領域変換部16、及び、差分算出部17での処理を行わせ、差分算出部17で算出された差分εが最も小さいインピーダンスデータZm(ω)を探索する。
At this time, the
これにより、被測定電池と電池特性の近い電池にインピーダンスデータが初期値として選択されるので、被測定電池のインピーダンスデータの探索時間が短縮化される。 As a result, impedance data is selected as an initial value for a battery having battery characteristics close to those of the battery to be measured, so that the search time for the impedance data of the battery to be measured is shortened.
また、入力部11は、被測定電池に対して、電流印加を休止している状態、定電流を印加している状態、及び、電流印加を休止している状態に、この順で電流印加パターンを変化させた場合に得られる電流の時系列データを、時間領域電流データI(t)として取得する。
In addition, the
これにより、電流印加の休止状態に続く印加状態(充電状態又は放電状態)での時間領域電流データI(t)等を用いることで等価回路モデルにおけるR−CPE並列回路についてのフィッティングをしたり、印加状態(充電状態又は放電状態)に続く休止状態での時間領域電流データI(t)等を用いることで等価回路モデルにおけるワールブルグインピーダンスについてのフィッティングをしたりすることができる。 Thereby, fitting for the R-CPE parallel circuit in the equivalent circuit model by using time domain current data I (t) or the like in the application state (charge state or discharge state) following the rest state of current application, By using the time domain current data I (t) in the rest state following the application state (charge state or discharge state), it is possible to fit the Warburg impedance in the equivalent circuit model.
また、差分算出部17は、時間領域変換部16で変換された時間領域電圧データVm(t)の所定時間における変化量と、入力部11で取得された時間領域電圧データV(t)の所定時間における変化量との比を、差分εとして、算出する。
Further, the difference calculation unit 17 changes the amount of time domain voltage data Vm (t) converted by the time
これにより、時間領域電圧データVm(t)及びV(t)の変化分から差分εが算出されるので、時間領域電圧データVm(t)にDCオフセット成分が正しく含まれないにも拘わらず、適切に差分εが算出される。 As a result, the difference ε is calculated from the change in the time domain voltage data Vm (t) and V (t), so that the time domain voltage data Vm (t) is appropriately included even though the DC offset component is not correctly included. The difference ε is calculated.
また、本実施の形態に係る電池インピーダンス評価方法は、被測定電池の電気化学インピーダンスを評価する方法であって、被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データI(t)及び時間領域電圧データV(t)を取得する入力ステップS10と、入力ステップS10で取得された時間領域電流データI(t)を、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データI(ω)に変換する周波数領域変換ステップS11と、周波数領域変換ステップS11で変換された周波数領域電流データI(ω)と、記憶部13に保持された、少なくとも一つの電池について周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータZm(ω)とを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データVm(ω)を算出する電圧データ算出ステップS13と、電圧データ算出ステップS13で算出された周波数領域電圧データVm(ω)を、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データVm(t)に変換する時間領域変換ステップS14と、時間領域変換ステップS14で変換された時間領域電圧データVm(t)と、入力ステップS10で取得された時間領域電圧データV(t)との差分εを算出する差分算出ステップS15と、差分算出ステップS15で算出された差分εを最も小さくするインピーダンスデータを探索し、探索したインピーダンスデータを出力する探索ステップ(S20〜S22、S16〜S18)とを含む。また、本実施の形態に係るプログラムは、上記電池インピーダンス評価方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
The battery impedance evaluation method according to the present embodiment is a method for evaluating the electrochemical impedance of a battery to be measured, and is time-series data of current and voltage obtained by applying a current to the battery to be measured. Input step S10 for acquiring time domain current data I (t) and time domain voltage data V (t), and time domain current data I (t) acquired in input step S10 are expressed in the frequency domain by Fourier transform. Frequency domain conversion step S11 for converting the frequency data into the frequency domain current data I (ω), the frequency domain current data I (ω) converted in the frequency domain conversion step S11, and the
これらの電池インピーダンス評価方法及びプログラムにより、電池実測電流波形データをステップ関数化してラプラス変換を用いる従来の技術と異なり、例えば、任意のパラメータPhiを含むワールブルグインピーダンスを回路要素として含む等価回路と同定したり、抵抗R、容量Cだけでなく、CPEを含む等価回路を同定したりすることができ、従来よりも、被測定電池の電気化学インピーダンスが高精度に特定される。 With these battery impedance evaluation methods and programs, the battery current measurement current waveform data is converted into a step function to differentiate it from Laplace transform. For example, the battery impedance is identified as an equivalent circuit including a Warburg impedance including an arbitrary parameter Phi as a circuit element. In addition, the equivalent circuit including CPE as well as the resistance R and the capacitance C can be identified, and the electrochemical impedance of the battery to be measured is specified with higher accuracy than before.
以上、本発明に係る電池インピーダンス評価装置及び電池インピーダンス評価方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the battery impedance evaluation apparatus and the battery impedance evaluation method according to the present invention have been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. Without departing from the gist of the present invention, various modifications conceived by those skilled in the art have been made in the present embodiment, and other forms constructed by combining some components in the embodiment are also within the scope of the present invention. Contained within.
例えば、上記実施の形態では、記憶部13に保持される等価回路モデルとして、抵抗Rs、R1−CPE1並列回路、及び、ワールブルグインピーダンスを含むR2−CPE2並列回路がこの順で直列に接続された回路が用いられたが、この回路に限定されない。CPEが含まれない回路、ワールブルグインピーダンスが含まれない回路、接続形態が異なる回路であってもよい。
For example, in the above embodiment, as an equivalent circuit model held in the
また、上記実施の形態では、等価回路モデルを用いて被測定電池のインピーダンスを探索するケース(図3)と、実測によって得られた交流インピーダンスデータを用いて被測定電池のインピーダンスを探索するケース(図4)とが説明されたが、これら2つの手法は、ユーザによる指示によって選択されてもよいし、優先順位等の予め定められたパラメータに従って自動で選択されてもよいし、両方が実行されてもよい。 In the above embodiment, the case of searching for the impedance of the battery to be measured using an equivalent circuit model (FIG. 3) and the case of searching for the impedance of the battery to be measured using AC impedance data obtained by actual measurement (FIG. 3) 4), these two methods may be selected by an instruction from the user, may be automatically selected according to a predetermined parameter such as a priority order, or both are executed. May be.
本発明は、電池インピーダンス評価装置として、特に、被測定電池の電気化学インピーダンスを高精度に特定する電池インピーダンス評価装置として、例えば、パーソナルコンピュータを用いて実現される電池インピーダンス評価装置として、利用できる。 The present invention can be used as a battery impedance evaluation apparatus, in particular, as a battery impedance evaluation apparatus that specifies the electrochemical impedance of a battery to be measured with high accuracy, for example, as a battery impedance evaluation apparatus realized using a personal computer.
10 電池インピーダンス評価装置
11 入力部
12 周波数領域変換部
13 記憶部
15 電圧データ算出部
16 時間領域変換部
17 差分算出部
18 探索部
20 電気化学測定システム
21 電気化学測定装置
22 データロガー
23 被測定電池
DESCRIPTION OF
Claims (11)
少なくとも一つの電池について、周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータを保持している記憶部と、
前記被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データ及び時間領域電圧データを取得する入力部と、
前記入力部で取得された前記時間領域電流データを、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データに変換する周波数領域変換部と、
前記周波数領域変換部で変換された前記周波数領域電流データと、前記記憶部に保持された前記インピーダンスデータとを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データを算出する電圧データ算出部と、
前記電圧データ算出部で算出された前記周波数領域電圧データを、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データに変換する時間領域変換部と、
前記時間領域変換部で変換された前記時間領域電圧データと、前記入力部で取得された前記時間領域電圧データとの差分を算出する差分算出部と、
前記差分算出部で算出される前記差分を小さくするインピーダンスデータを探索し、探索した前記インピーダンスデータを出力する探索部と
を備える電池インピーダンス評価装置。 A battery impedance evaluation apparatus for evaluating the electrochemical impedance of a measured battery,
For at least one battery, a storage unit holding impedance data indicating electrochemical impedance expressed in the frequency domain;
An input unit for obtaining time domain current data and time domain voltage data, which are time series data of current and voltage, obtained by applying current to the battery to be measured;
A frequency domain conversion unit that converts the time domain current data acquired by the input unit into frequency domain current data that is current data expressed in the frequency domain by Fourier transform;
By calculating the frequency domain current data converted by the frequency domain conversion unit and the impedance data held in the storage unit, frequency domain voltage data that is voltage data expressed in the frequency domain is calculated. A voltage data calculator;
A time domain converter that converts the frequency domain voltage data calculated by the voltage data calculator to time domain voltage data that is voltage data expressed in the time domain by inverse Fourier transform;
A difference calculation unit that calculates a difference between the time domain voltage data converted by the time domain conversion unit and the time domain voltage data acquired by the input unit;
A battery impedance evaluation apparatus comprising: a search unit that searches for impedance data that reduces the difference calculated by the difference calculation unit and outputs the searched impedance data.
前記探索部は、前記差分を小さくするように前記等価回路モデルを構成する前記回路要素の定数を変更し、変更後の前記等価回路モデルを、探索した前記インピーダンスデータとして出力する
請求項1記載の電池インピーダンス評価装置。 The impedance data held in the storage unit is an equivalent circuit model composed of circuit elements,
The said search part changes the constant of the said circuit element which comprises the said equivalent circuit model so that the said difference may be made small, and outputs the said equivalent circuit model after change as the searched said impedance data. Battery impedance evaluation device.
請求項2記載の電池インピーダンス評価装置。 The battery impedance evaluation apparatus according to claim 2, wherein the equivalent circuit model includes CPE (Constant Phase Element) as a circuit element.
請求項2又は3記載の電池インピーダンス評価装置。 The battery impedance evaluation apparatus according to claim 2, wherein the equivalent circuit model includes a Warburg impedance including an arbitrary parameter Phi as a circuit element.
前記探索部は、前記記憶部に保持された複数の前記インピーダンスデータの少なくとも二つのそれぞれについて、前記電圧データ算出部、前記時間領域変換部、及び、前記差分算出部での処理を行わせ、前記差分算出部で算出された前記差分が最も小さいインピーダンスデータを探索する
請求項1記載の電池インピーダンス評価装置。 The storage unit stores the impedance data for a plurality of types of batteries,
The search unit causes the voltage data calculation unit, the time domain conversion unit, and the difference calculation unit to perform processing for at least two of the plurality of impedance data held in the storage unit, and The battery impedance evaluation apparatus according to claim 1, wherein impedance data having the smallest difference calculated by the difference calculation unit is searched.
請求項5記載の電池インピーダンス評価装置。 The battery impedance evaluation apparatus according to claim 5, wherein the plurality of impedance data held in the storage unit include AC impedance data that is electrochemical impedance expressed in a frequency domain and obtained by actual measurement.
請求項6記載の電池インピーダンス評価装置。 The search unit is configured to measure the battery operation condition including at least one of a charge state, a charge / discharge cycle number, a battery temperature, an environmental temperature, and a battery capacity among the plurality of impedance data held in the storage unit. The impedance data of the battery closest to the battery is selected as an initial value, and the voltage data calculation unit, the time domain conversion unit, and the difference calculation unit are processed for the selected impedance data, and the difference calculation is performed. The battery impedance evaluation apparatus according to claim 6, wherein the impedance data having the smallest difference calculated by the unit is searched.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の電池インピーダンス評価装置。 The input unit applies a current application pattern in this order to the battery under test in a state where current application is suspended, a state where constant current is applied, and a state where current application is suspended. The battery impedance evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein time-series data of current obtained when changed is acquired as the time-domain current data.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の電池インピーダンス評価装置。 The difference calculation unit is a ratio between a change amount of the time domain voltage data converted by the time domain conversion unit in a predetermined time and a change amount of the time domain voltage data acquired by the input unit in the predetermined time. The battery impedance evaluation apparatus according to claim 1, wherein the battery impedance is calculated as the difference.
前記被測定電池に対する電流の印加によって得られた、電流及び電圧の時系列データである時間領域電流データ及び時間領域電圧データを取得する入力ステップと、
前記入力ステップで取得された前記時間領域電流データを、フーリエ変換により、周波数領域で表現された電流データである周波数領域電流データに変換する周波数領域変換ステップと、
前記周波数領域変換ステップで変換された前記周波数領域電流データと、記憶部に保持された、少なくとも一つの電池について周波数領域で表現された電気化学インピーダンスを示すインピーダンスデータとを演算することで、周波数領域で表現された電圧データである周波数領域電圧データを算出する電圧データ算出ステップと、
前記電圧データ算出ステップで算出された前記周波数領域電圧データを、逆フーリエ変換により、時間領域で表現された電圧データである時間領域電圧データに変換する時間領域変換ステップと、
前記時間領域変換ステップで変換された前記時間領域電圧データと、前記入力ステップで取得された前記時間領域電圧データとの差分を算出する差分算出ステップと、
前記差分算出ステップで算出された前記差分を最も小さくするインピーダンスデータを探索し、探索した前記インピーダンスデータを出力する探索ステップと
を含む電池インピーダンス評価方法。 A battery impedance evaluation method for evaluating the electrochemical impedance of a measured battery,
An input step of obtaining time domain current data and time domain voltage data, which are time series data of current and voltage, obtained by applying current to the battery to be measured;
A frequency domain transforming step for transforming the time domain current data acquired in the input step into frequency domain current data that is current data expressed in the frequency domain by Fourier transform;
By calculating the frequency domain current data converted in the frequency domain conversion step and the impedance data indicating the electrochemical impedance expressed in the frequency domain for at least one battery held in the storage unit, A voltage data calculation step for calculating frequency domain voltage data, which is voltage data represented by
A time domain conversion step of converting the frequency domain voltage data calculated in the voltage data calculation step into time domain voltage data that is voltage data expressed in the time domain by inverse Fourier transform;
A difference calculating step of calculating a difference between the time domain voltage data converted in the time domain conversion step and the time domain voltage data acquired in the input step;
A battery impedance evaluation method comprising: searching for impedance data that minimizes the difference calculated in the difference calculating step, and outputting the searched impedance data.
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