JP6436271B1 - 電池劣化検出装置および電池温度推定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、集電部の腐食による電池の劣化を検出することが可能な電池劣化検出装置を得ることを目的とする。
図1は鉛蓄電池の内部構造を表す模式図を示す。図1に示すように、鉛蓄電池100は、ケーシングCA、集電体格子CCおよび複数(本例では6つ)の電池要素CEを備える。ケーシングCA内に集電体格子CCが収容される。ケーシングCA内において、集電体格子CCにより複数の電池要素CEが保持される。各電池要素CEは、正極101、負極102およびセパレータ105を含む。正極101と負極102との間にセパレータ105が配置される。ケーシングCAは電解液103で満たされる。本例において、正極101は二酸化鉛(PbO2)から構成され、負極102は海綿状鉛(Pb)から構成される。また、電解液としては硫酸鉛(PbSO4)が用いられる。集電体格子CCは、各正極101および各負極102の集電体として機能する。集電体格子CCの材料としては、例えば鉛(Pb)が用いられる。集電体格子CCの材料として、鉛に加えてアンチモン(Sb)またはスズ(Sn)等が用いられてもよい。集電体格子CCには、集電体格子CCと同材料からなる複数の配線106が接続される。これらの配線106により複数の電池要素CEが直列に接続される。集電体格子CCおよび複数の配線106により集電部104が構成される。
図2のインピーダンスナイキスト線図ICは、一定の周波数範囲におけるインピーダンスの変化を表す。当該周波数範囲は、高周波数範囲、中周波数範囲および低周波数範囲に区分される。高周波数範囲、中周波数範囲および低周波数範囲の順に周波数が高い。図2の例において、インピーダンスナイキスト線図ICは、部分B1,B2,B3を含む。部分B1は、略直線状であり、高周波数範囲におけるインピーダンスを表す。部分B2は、略円弧状であり、中周波数範囲におけるインピーダンスを表す。部分B3は、略直線状であり、低周波数範囲におけるインピーダンスを表す。部分B1と部分B2とは連結点CP1で互いに連結され、部分B2と部分B3とは連結点CP2で互いに連結される。電池100の劣化の有無によらず、部分B1,B2,B3にそれぞれ対応する高周波数範囲、中周波数範囲および低周波数範囲はそれぞれほぼ一定である。
以下、部分B1,B2,B3における実数成分の最大値と最小値との差分をそれぞれ実数成分幅RL,RCt,Rdと呼ぶ。実数成分幅RLは、集電部104における表皮効果による抵抗成分に対応する。なお、インピーダンスの計測条件によっては、他の成分が実数成分幅RLに影響を与えることもある。例えば、計測用配線の長さまたは厚みが大きい場合、計測用配線の表皮効果による抵抗成分が実数成分幅RLに影響を与える。
周波数が高くなるほど電流が導体表面へ集中するため、交流抵抗は高くなる。また導体の厚みが大きいほど表皮効果の影響は大きくなるため交流抵抗は高くなり、導体の厚みが小さいほど表皮効果の影響は小さくなるため交流抵抗は低くなる。
本発明の実施の形態1に係る電池劣化検出装置について説明する。本実施の形態に係る電池劣化検出装置は、集電部104の腐食による電池100の劣化を検出する。以下の説明においては、電池100のインピーダンスの実数成分をインピーダンス実数成分と呼び、電池100のインピーダンスの虚数成分をインピーダンス虚数成分と呼ぶ。
周波数f1,f2における未劣化電池100のインピーダンス実数成分が予め取得され、そのインピーダンス実数成分に基づいて、実際に劣化の有無を判定すべき電池100(以下、対象電池100と呼ぶ。)の劣化が検出されてもよい。例えば、実数成分算出部113により周波数f1における未劣化電池100のインピーダンス実数成分が予め算出され、その算出値が第1の基準値として劣化検出部115により記憶される。また、実数成分算出部114により周波数f2における未劣化電池100のインピーダンス実数成分が予め算出され、その算出値が第2の基準値として劣化検出部115により記憶される。さらに、実数成分算出部113により周波数f1における対象電池100のインピーダンス実数成分が第1の実測値として算出され、実数成分算出部114により周波数f2におけるインピーダンス実数成分が第2の実測値として算出される。第1の実測値と第1の基準値との差分値が第1の差分値として算出され、第2の実測値と第2の基準値との差分値が第2の差分値として算出される。算出された第1および第2の差分値の少なくとも一方が予め定められたしきい値に達した場合に、対象の電池100が集電部104の腐食により劣化していると判定される。
本発明の実施の形態2に係る電池劣化検出装置10について、上記実施の形態1と異なる点を説明する。図9は、実施の形態2に係る電池劣化検出装置10の構成を示すブロック図である。図9の電池劣化検出装置10は、温度補正部201をさらに備える。温度補正部201は、電池100の温度を検出し、検出された温度に基づいて実数成分算出部113,114により算出されたインピーダンス実数成分を予め定められた基準温度に対応する値に補正する。温度補正部201は、電池100の温度として、例えば、電池100のケーシングCAの表面温度を検出する。
このように、実施の形態2では、環境温度の変化等によって周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分が変化しても、そのインピーダンス実数成分が一定の基準温度に対応するように補正される。それにより、温度の影響を受けることなく、集電部104の腐食による電池100の劣化を精度良く検出することができる。
本発明の実施の形態3に係る電池劣化検出装置10について、上記実施の形態1と異なる点を説明する。図10は、実施の形態3に係る電池劣化検出装置10の構成を示すブロック図である。図10の電池劣化検出装置10は、インピーダンス計測部301および実数成分算出部302をさらに備える。インピーダンス計測部301は、周波数f3における電池100のインピーダンスを計測する。実数成分算出部302は、インピーダンス計測部301により計測されるインピーダンスの実数成分を算出する。
本発明の実施の形態4に係る電池劣化検出装置10について、上記実施の形態1と異なる点を説明する。図13は、実施の形態4に係る電池劣化検出装置10の構成を示すブロック図である。図13の電池劣化検出装置10は、電池100に代えて、電池モジュール600の劣化を検出する。電池モジュール600は、互いに直列または並列に接続されたn個の電池100を含む。
本発明の実施の形態5に係る電池温度推定装置について説明する。図14は、実施の形態5に係る電池温度推定装置の構成を示すブロック図である。図14の電池温度推定装置20は、以下の点で図1の電池劣化検出装置10と異なる。
電池劣化検出装置10および電池温度推定装置20の各機能は、電子回路等のハードウェアで実現されてもよく、ソフトウェアで実現されてもよい。図15は、電池劣化検出装置10および電池温度推定装置20の少なくとも一部の機能がソフトウェアで実現される例を示す図である。図15の例では、電池劣化検出装置10および電池温度推定装置20が、処理装置(プロセッサ)51および記憶装置(メモリ)52を備える。処理装置51は、例えばCPU(中央演算処理装置)であり、記憶装置52に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、上記実施の形態における電池劣化検出装置10および電池温度推定装置20の少なくとも一部の機能を実現することができる。
20 電池温度推定装置
100 電池
111,112,301 インピーダンス計測部
113,114,302 実数成分算出部
115 劣化検出部
201 温度補正部
401 差分算出部
402 温度推定部
Claims (12)
- 複数の周波数における電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記インピーダンス計測部により計測された前記複数の周波数におけるインピーダンスの実数成分に基づいて、前記電池の劣化を検出する劣化検出部とを備え、
前記複数の周波数のうち少なくとも1つの周波数におけるインピーダンスは、正の虚数成分を有すること、を特徴とする電池劣化検出装置。 - 前記複数の周波数におけるインピーダンスは、それぞれ0以上の虚数成分を有すること、を特徴とする請求項1に記載の電池劣化検出装置。
- 前記複数の周波数におけるインピーダンスの実数成分は、虚数成分が正となるインピーダンスの範囲における前記電池のインピーダンスの実数成分の変化の傾向を表すこと、を特徴とする請求項1または2に記載の電池劣化検出装置。
- 前記劣化検出部は、前記複数の周波数におけるインピーダンスの実数成分の比に基づいて、前記電池の劣化を検出すること、を特徴とする請求項1〜3のいずれかに一項に記載の電池劣化検出装置。
- 前記劣化検出部は、前記複数の周波数におけるインピーダンスの実数成分の差分に基づいて、前記電池の劣化を検出すること、を特徴とする請求項1〜3のいずれかに一項に記載の電池劣化検出装置。
- 前記複数の周波数は、第1の周波数と、前記第1の周波数よりも高い第2の周波数とを含み、
前記第1の周波数で計測されたインピーダンスの実数成分は、前記電池の集電部における第1の導電路の抵抗成分に対応し、前記第2の周波数で計測されたインピーダンスの実数成分は、前記集電部における第2の導電路の抵抗成分に対応し、
前記第2の導電路は、前記集電部における表皮効果によって前記第1の導電路の一部に構成されること、を特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電池劣化検出装置。 - 前記第1の周波数は、1kHz以上10kHz未満であること、を特徴とする請求項6に記載の電池劣化検出装置。
- 前記第2の周波数は、10kHz以上であること、を特徴とする請求項6または7に記載の電池劣化検出装置。
- 前記インピーダンス計測部により計測されたインピーダンスの実数成分を予め定められた基準温度での抵抗成分に対応する値に補正する温度補正部をさらに備えること、を特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の電池劣化検出装置。
- 前記複数の周波数のうち他の少なくとも1つの周波数におけるインピーダンスは、負の虚数成分を有し、
前記劣化検出部は、前記インピーダンス計測部により計測された前記負の虚数成分を有するインピーダンスの実数成分に基づいて前記電池の劣化を検出すること、を特徴とする請求項1に記載の電池劣化検出装置。 - 前記インピーダンス計測部は、互いに接続された複数の電池を含む電池モジュールの前記複数の周波数におけるインピーダンスを計測し、
前記劣化検出部は、前記電池モジュールの劣化を検出すること、を特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電池劣化検出装置。 - 複数の周波数における電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記インピーダンス計測部により計測された前記複数の周波数におけるインピーダンスの実数成分に基づいて、前記電池の内部温度を推定する温度推定部とを備え、
前記複数の周波数のうち少なくとも1つの周波数におけるインピーダンスは、正の虚数成分を有すること、を特徴とする電池温度推定装置。
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