JP6436271B1 - 電池劣化検出装置および電池温度推定装置 - Google Patents

電池劣化検出装置および電池温度推定装置 Download PDF

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Abstract

電池劣化検出装置は、インピーダンス計測部および劣化検出部を備える。インピーダンス計測部は、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によって計測される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。劣化検出部は、インピーダンス計測部によって検出された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、電池の劣化を検出する。

Description

この発明は、電池の劣化を検出するための電池劣化検出装置および電池の内部温度を推定する電池温度推定装置に関する。
鉛蓄電池等の種々の電池がバックアップ電源または車両電源として使用される場合、瞬時に最大電流で放電可能であることが求められる。しかしながら、電池の状態によっては、電池の本来的な能力が発揮されず、要求される機能を満たさない。電池の本来的な能力を得るためには、電池の状態を適切に監視する必要がある。
特許文献1には、複数時点での電流値および端子電圧値に基づいて、電解液抵抗および電極抵抗を算出し、その算出値に基づいて二次電池の寿命を推定する技術が記載されている。特許文献2においては、二次電池の複素インピーダンスが取得され、その複素インピーダンスの周波数変化に二次電池の等価回路がフィッティングされ、等価回路中で反応抵抗を表すコンデンサ要素に基づく値から金属ニッケルの量が演算される。その演算結果に基づいて、二次電池の電池状態が推定される。
特開2017−44569号公報 特開2000−133322号公報
特許文献1,2に示されるように、電池の状態として電解液または電極に起因する電池の劣化を検出する方法は知られている。しかしながら、電池の劣化は、他の要因によっても生じ得る。具体的には、電池内の集電部が腐食すると、電池の本来的な能力が発揮されない。特許文献1,2に示される方法では、集電部の腐食による電池の劣化を検出することはできない。
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。
また、電池の状態として電池の内部温度を監視することが求められる。しかしながら、電池の外装温度または電池の周辺部の温度を計測することは可能であっても、電池の内部温度を計測することは困難である。
本発明の他の目的は、電池の内部温度を推定することが可能な電池温度推定装置を得ることである。
本発明に係る電池劣化検出装置は、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、インピーダンス計測部により計測された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、電池の劣化を検出する劣化検出部とを備え、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。
本発明に係る電池温度推定装置は 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、インピーダンス計測部により計測された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、電池の内部温度を推定する温度推定部とを備え、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。
本発明に係る電池劣化検出装置によれば、集電部の腐食による電池の劣化を検出することが可能となる。また、本発明に係る電池温度推定装置によれば、電池の内部温度を推定することが可能となる。
鉛蓄電池の内部構造を表す模式図を示す。 鉛蓄電池のインピーダンスナイキスト線図の例を示す図である。 実施の形態1に係る電池劣化検出装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態1において計測されるインピーダンスおよび算出されるインピーダンス実数成分について説明するための図である。 電池の劣化に伴うインピーダンスの変化の第1の例を示す図である。 一般的な鉛蓄電池における周波数とインピーダンス実数成分との関係を示す図である。 電池劣化検出装置における電池劣化検出処理を示すフローチャートである。 電池の劣化に伴うインピーダンスの変化の第2の例を示す図である。 実施の形態2に係る電池劣化検出装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態3に係る電池劣化検出装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態3において計測されるインピーダンスおよび算出されるインピーダンス実数成分について説明するための図である。 電池の劣化に伴うインピーダンスの変化の第3の例を示す。 実施の形態4に係る電池劣化検出装置の構成を示すブロック図である。 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。 電池劣化検出装置および電池温度推定装置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。
以下、本発明の実施の形態に係る電池劣化検出装置および電池温度推定装置について図面を用いて説明する。なお、各図において、同一の部分または同一に相当する部分については、同一符号を付して説明する。また、図面は簡略化して描かれており、寸法および形状は必ずしも正確ではない。
本実施の形態では、電池として鉛蓄電池が用いられるが、他の電池が用いられてもよい。例えば、リチウム/二酸化マンガン電池等の一次電池または他の二次電池についても本発明は有効である。また、電池の形状は限定されず、積層型、巻き型およびボタン型等の種々の形状の電池について本発明は有効である。
[電池の概要]
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(PbO)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(PbSO)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。
鉛蓄電池100の放電時には、正極101において下式(1)で表される反応が生じ、負極102において下式(2)で表される反応が生じる。鉛蓄電池100の充電時には、正極101において下式(1)で表される反応と逆の反応が生じ、負極102において下式(2)で表される反応と逆の反応が生じる。
Figure 0006436271
鉛蓄電池100に交流電圧または電流を与え、その電流応答または電圧応答に基づいて、鉛蓄電池100のインピーダンスを計測することができる。インピーダンスは複素数であるため、下式(3)のように、実数成分Zreおよび虚数成分ZimによりインピーダンスZを表すことができる。
Figure 0006436271
鉛蓄電池100のインピーダンスは、インピーダンスナイキスト線図によって表すことができる。図2は、鉛蓄電池100のインピーダンスナイキスト線図の例を示す図である。横軸がインピーダンスの実数成分Zreを表し、縦軸がインピーダンスの虚数成分Zimを表す。縦軸の正負は上下に反転されている。
位相の遅れを想定した場合、インピーダンスの絶対値を|Z|とし、位相差をφとすると、インピーダンスの実数成分Zreは式(4)で表され、インピーダンスの虚数成分Zimは式(5)で表される。
Figure 0006436271
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。
本例では、部分B1は、虚数成分が0以上となる範囲にあり、部分B2,B3は、虚数成分が負となる範囲にある。連結点CP1における虚数成分は0であり、実数成分はRsである。実数成分Rsは、部分B1,B2における実数成分のうち最も小さい値である。なお、連結点CP1における虚数成分が負または正であってもよい。
実数成分Rsは、電解液103中の硫酸の抵抗(粘性抵抗)および集電部104の電気抵抗(直流抵抗)に対応する。インピーダンスの測定のために鉛蓄電池100に接続される配線(以下、計測用配線と呼ぶ。)の電気抵抗(直流抵抗)が、実数成分Rsに影響を与えることもある。一般的な金属導体の電気抵抗(直流抵抗)Rは、電気抵抗率をρ、導体の断面積をA、導体の長さをlとすると、下式(6)で表される。導体の断面積Aが小さいと、導体の電気抵抗Rは増大する。また、導体の長lさが大きいと、導体の電気抵抗Rは増大する。
Figure 0006436271
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R,RCt,Rと呼ぶ。実数成分幅R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R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Rに影響を与える。
表皮効果とは、交流電流が金属導体を流れるときに、導体表面に近い部分(表皮)の電流密度が高くなり、導体表面から離れた部分の電流密度が低くなる現象である。導体内で電流が表面電流の1/eとなる深さ(表面からの距離)が、表皮深さと呼ばれる。表皮深さdは、導体の電気抵抗率をρとし、角周波数をωとし、かつ導体の絶対透磁率をμとすると、下式(7)で表される。
Figure 0006436271
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。
部分B1における虚数成分は、集電部104のインダクタンス成分に対応する。インピーダンスの計測条件によっては、他の成分(例えば計測用配線のインダクタンス成分)が部分B1における虚数成分に影響を与える場合もある。
部分B2,B3に対応するインピーダンスは、正極101および負極102の反応に起因する。具体的には、部分B2における実数成分幅RCtは、正極101および負極102の反応抵抗(電荷移動抵抗)に対応する。部分B3における実数成分幅Rは、正極101および負極102内における硫酸イオンの拡散抵抗に対応する。部分B2,B3における虚数成分は、電気二重層容量等の容量性成分に対応する。
鉛蓄電池100の劣化の要因として、集電部104の腐食、電解液103中の水の電気分解、ならびに正極101および負極102の状態変化がある。例えば、過充電等によって集電体格子CCが腐食すると、集電体格子CCの断面積が減少したり、または集電体格子CCと活物質との密着性が低くなったりする。それにより、集電体格子CCにおける抵抗が増加する。また、過充電等によって電解液103中の水が電気分解されると、電解液103が減少して正極101または負極102が露出する。あるいは、電解液103の硫酸濃度が上昇することによって集電部104の腐食が加速される。さらに、正極101において、充放電が繰り返されることによって二酸化鉛が軟化し、軟化の進行によって正極101から二酸化鉛が脱落することがある。また、負極102において、放電時に生成された硫酸鉛がサルフェーションとして堆積することがある。
[実施の形態1]
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。
図3は実施の形態1に係る電池劣化検出装置の構成を示すブロック図である。図3に示すように、電池100は、交流源108に接続されている。交流源108は、電池100に交流信号を与える。この場合、電池100に与えられる実効的な電流はIであり、実効的な電圧はVである。電池劣化検出装置10は、インピーダンス計測部111および112、実数成分算出部113および114、ならびに劣化検出部115を備える。
インピーダンス計測部111は、電池100の電流応答または電圧応答に基づいて、周波数f1における電池100のインピーダンスを計測する。インピーダンス計測部112は、電池100の電流応答または電圧応答に基づいて、周波数f2における電池100のインピーダンスを計測する。周波数f1は第1の周波数の例であり、周波数f2は第2の周波数の例である。周波数f1,f2のうち少なくとも一方におけるインピーダンスの虚数成分は正であり、かつ周波数f2が周波数f1より大きくなるように、周波数f1,f2がそれぞれ設定される。本例では、図2のインピーダンスナイキスト線図ICの部分B1における2点に対応するインピーダンスが計測される。上記のように、部分B1におけるインピーダンスについては、集電部104の表皮効果の影響が支配的となる。
実数成分算出部113は、インピーダンス計測部111により計測されたインピーダンス(周波数f1で計測されたインピーダンス)の実数成分を算出する。実数成分算出部114は、インピーダンス計測部112により計測されたインピーダンス(周波数f2で計測されたインピーダンス)の実数成分を算出する。
図4は、図3のインピーダンス計測部111,112により計測されるインピーダンスおよび図3の実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分について説明するための図である。例えば、インピーダンス計測部111が、インピーダンスナイキスト線図ICの点P1に対応するインピーダンスを計測し、インピーダンス計測部112が、インピーダンスナイキスト線図ICの点P2に対応するインピーダンスを計測する。点P1,P2は、いずれも部分B1に含まれる。点P1の実数成分および虚数成分はそれぞれR11およびR21であり、点P2の実数成分および虚数成分はそれぞれR12およびR22である。
図3の実数成分算出部113は、点P1の実数成分R11を算出し、実数成分算出部114は、点P2の実数成分R12を算出する。図3の劣化検出部115は、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に基づいて、電池100の劣化を検出する。本例では、劣化検出部115は、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に基づいて、集電部104の腐食による電池100の劣化を検出することができる。
図5は、電池100の劣化に伴うインピーダンスの変化の第1の例を示す図である。図5には、劣化していない電池(以下、未劣化電池と呼ぶ。)100のインピーダンスナイキスト線図IC1が実線で示されるとともに、劣化が進行した電池(以下、劣化電池と呼ぶ。)100のインピーダンスナイキスト線図IC2が点線で示される。
図5において、インピーダンスナイキスト線図IC1の実数成分RS1およびインピーダンスナイキスト線図IC2の実数成分RS2は、図2の実数成分Rに相当する。また、インピーダンスナイキスト線図IC1の実数成分幅RL1およびインピーダンスナイキスト線図IC2の実数成分幅RL2は、図2の実数成分幅Rに相当する。上記のように、実数成分幅RL1,RL2は、未劣化電池100および劣化電池100の集電部104の表皮効果による抵抗成分に対応する。
集電部104の腐食は、集電部104の表面が電解液103として用いられる硫酸と反応することによって進行する。この場合、腐食生成物が生じる一方で、集電部104の断面積が減少する。集電部104の断面積が減少すると、集電部104の厚みが小さくなるため、上記のように、表皮効果の影響は小さくなる。それにより、図5の例のように、劣化電池100における実数成分幅RL2は、未劣化電池100における実数成分幅RL1よりも小さい。このように、集電部104の腐食の有無は、インピーダンス虚数成分が正となる範囲におけるインピーダンス実数成分の変化の傾向として現れる。
劣化検出部115は、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分に基づいて、集電部104の腐食による電池100の劣化の有無を判定する。この場合、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分から、インピーダンス虚数成分が正となる範囲におけるインピーダンス実数成分の変化の傾向が判明する。それにより、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分に基づいて、集電部104の腐食の有無を判定することができ、その判定結果に基づいて電池100の劣化の有無を判定することができる。
例えば、劣化検出部115は、実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部114により算出されたインピーダンス実数成分との比に基づいて電池100の劣化を検出する。具体的には、図4の例において、R11/R12が、予め定められたしきい値よりも大きい場合、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。
また、劣化検出部115は、実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部114により算出されたインピーダンス実数成分との差分(図4の例では、R12−R11)に基づいて電池100の劣化を検出してもよい。例えば、差分R12−R11が、予め定められたしきい値よりも小さい場合、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。
図2の部分B1におけるインピーダンス実数成分の最小値および最大値が実数成分算出部113,114によって算出されるように周波数f1,f2が設定されてもよい。その場合、実数成分算出部114により算出されるインピーダンス実数成分と実数成分算出部113により算出されるインピーダンス実数成分との差分は、図2の実数成分幅Rに相当する。この場合、集電部104の表皮効果による抵抗成分を直接的に算出することができるので、集電部104の腐食をより精度良く検出することができる。
さらに、劣化検出部115は、インピーダンス計測部111により計測されたインピーダンスとインピーダンス計測部112により計測されたインピーダンスとの間の傾き(図4の例では、(R22−R21)/(R12−R11))に基づいて電池100の劣化を検出してもよい。この場合、実数成分算出部113,114の他に、インピーダンス計測部111,112により計測されたインピーダンスの虚数成分を算出する虚数成分算出部が設けられる。例えば、傾き(R22−R21)/(R12−R11)が、予め定められたしきい値よりも大きい場合、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。
電池100のインピーダンスは、正極101および負極102の反応、電解液103の減液等の種々の要因によって変化する。本実施の形態では、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分の比、差分または傾きに基づいて、種々の要因のうち集電部104の表皮効果の影響によるインピーダンスの変化を検出することができる。
周波数f1におけるインピーダンス実数成分および周波数f2におけるインピーダンス実数成分の各々について複数のしきい値が段階的に設定され、算出されたインピーダンス実数成分とそれらの複数のしきい値との比較に基づいて、集電部104の腐食による劣化の度合いが判定されてもよい。さらに、算出されたインピーダンス実数成分に基づいて、電池100の寿命が判定されてもよい。
周波数f1,f2の設定例について説明する。図6は、一般的な鉛蓄電池における周波数とインピーダンス実数成分との関係を測定した結果を表す図である。図6には、未劣化電池100および劣化電池100の各々における周波数とインピーダンス実数成分との関係が示される。横軸は周波数を表し、縦軸はインピーダンス実数成分を表す。図6の例では、未劣化電池100および劣化電池100のいずれにおいても、周波数が1kHz以下の範囲では、周波数が低くなるにつれてインピーダンス実数成分が増大する。これは、周波数が1kHz以下の範囲において、正極101および負極102の反応の影響が大きくなることによる。周波数が1kHz以上10kHz未満の範囲では、周波数が変化してもインピーダンス実数成分はほとんど変化しない。周波数が1kHz以上10kHz未満の範囲にある場合、図2の連結点CP1またはその近傍のインピーダンスが計測される。周波数が10kHz以上の範囲では、周波数が高くなるにつれてインピーダンス実数成分が増大する。これは、周波数が10kHz以上の範囲において、集電部104の表皮効果の影響が大きくなることによる。
そこで、周波数f1は、1kHz以上10kHz未満の範囲に設定されることが好ましい。また、周波数f2は、10kHz以上の範囲に設定されることが好ましい。これにより、正極101および負極102の反応に起因した抵抗成分ではなく、集電部104の表皮効果に起因した抵抗成分に対応するインピーダンスを適切に計測することができる。なお、図4の例では、周波数f1,f2におけるインピーダンス虚数成分(点P1,P2における虚数成分)がいずれも正であるが、インピーダンス虚数成分が正となる範囲におけるインピーダンス実数成分の変化の傾向を求めることが可能であれば、周波数f1におけるインピーダンス虚数成分が負であってもよい。
また、周波数f1において、集電部104全体が導電路を構成する状態での抵抗成分がインピーダンス実数成分として取得され、周波数f2において、表皮効果によって集電部104の表皮が導電路を構成する状態での抵抗成分がインピーダンス実数成分として取得されるように、周波数f1,f2が設定されることが好ましい。集電部104の全体が第1の導電路の例であり、集電部104の表皮が第2の導電路の例である。例えば、周波数f1が1kHz以上10kHz未満である場合に、集電部104全体が導電路を構成する状態での抵抗成分がインピーダンス実数成分として実数成分算出部113により算出される。また、周波数f2が10kHz以上である場合に、集電部104の表皮が導電路を構成する状態での抵抗成分がインピーダンス実数成分として実数成分算出部114により算出される。
図7は、電池劣化検出装置10における電池劣化検出処理を示すフローチャートである。図7の処理は、例えば、予め記憶された電池劣化検出プログラムに基づいて実行される。図7の例では、ステップS1でインピーダンス計測部111が周波数f1における電池100のインピーダンスを計測し、ステップS2でインピーダンス計測部112が周波数f2における電池100のインピーダンスを計測する。ステップS3において、実数成分算出部113が、ステップS1で計測されたインピーダンスに基づいて、周波数f1におけるインピーダンス実数成分を算出する。ステップS4において、実数成分算出部114が、ステップS2で計測されたインピーダンスに基づいて、周波数f2におけるインピーダンス実数成分を算出する。ステップS5において、劣化検出部115が、ステップS3で算出されたインピーダンス実数成分およびステップS4で算出されたインピーダンス実数成分に基づいて、電池100の集電部104が腐食しているか否かを判定する。ステップS5で集電部104が腐食していると判定された場合、ステップS6に進み、集電部104が腐食していないと判定された場合、ステップS7に進む。ステップS6において、劣化検出部115は、集電部104の腐食により電池100が劣化していると判定し、ステップS7において、劣化検出部115は、集電部104の腐食による電池100の劣化が生じていないと判定する。このようにして、集電部104の腐食による電池100の劣化が検出される。
以上のように、実施の形態1に係る電池劣化検出装置1においては、周波数f1,f2における電池100のインピーダンスが計測され、計測されたインピーダンスの実数成分に基づいて電池100の劣化が検出される。周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分は、インピーダンス虚数成分が正となる範囲におけるインピーダンス実数成分の変化の傾向を表す。この場合、電池100の集電部104の腐食の有無は、インピーダンス虚数成分が正となる範囲におけるインピーダンス実数成分の変化の傾向として現れる。それにより、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分に基づいて、集電部104の腐食による電池100の劣化を精度よく検出することができる。
[第1の実施の形態の変形例]
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。
また、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分と電池100の劣化度合い(容量、容量維持率等)との相関を表すマップが予め用意され、そのマップを用いて、実数成分算出部113,114による算出結果から対象電池100の劣化度合いが判定されてもよい。
劣化検出部115による検出結果に基づいて、電池100に処理が行われてもよい。例えば、電池100の制御電圧(例えば充電電圧)が高い場合、集電部104の腐食が進みやすい。そこで、劣化検出部115により電池100が劣化していると判定された場合には、集電部104の腐食が進行しにくくなるように、交流源108やその他電源による電池100の制御入出力値や制御電圧、電流を低下してもよい。また、電池100が寿命であると判定された場合には、電池100の交換を促すための通知が作業員に与えられてもよい。
劣化検出部115は、実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分に基づいて、電解液103の減液または変質による電池100の劣化の有無を判定してもよい。図8は、電池100の劣化に伴うインピーダンスの変化の第2の例を示す図である。図8の例は、次の点で図5の例と異なる。
図8の例では、インピーダンスナイキスト線図IC1の実数成分幅RL1が、インピーダンスナイキスト線図IC2の実数成分幅RL2と等しい。これは、未劣化電池100と劣化電池100との間で、集電部104の表皮効果による抵抗成分がほぼ等しいことを意味する。すなわち、劣化電池100に集電部104の腐食による劣化がほとんど生じていない可能性が高い。一方、インピーダンスナイキスト線図IC1の実数成分RS1が、インピーダンスナイキスト線図IC2の実数成分RS2より大きい。この場合、劣化電池100は、電解液103の減液または変質により劣化している可能性が高い。
そこで、周波数f1,f2における対象電池100のインピーダンス実数成分の差分が、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の差分とほぼ等しい場合であって、周波数f1,f2における対象電池100のインピーダンス実数成分が周波数f1,f2における未劣化電池100のインピーダンス実数成分よりそれぞれ大きい場合、劣化検出部115は、対象電池100が電解液103の減液または変質により劣化していると判定してもよい。このようにして、集電部104の腐食による電池100の劣化だけではなく、電解液103の減液または変質による電池100の劣化を検出することができる。
また、図5の例では、劣化電池100の実数成分幅RL2が、未劣化電池100の実数成分幅RL1よりも小さいが、劣化電池100の実数成分幅RL2が、未劣化電池100の実数成分幅RL1よりも大きい場合もあり得る。例えば、集電部104が腐食すると、集電部104の断面積が減少する一方で、集電部104が電流の流れる方向に伸長する場合がある。そのような場合には、上式(7)のl(導体の長さ)が大きくなるので、劣化電池100の実数成分幅RL2が未劣化電池100の実数成分幅RL1よりも大きくなり得る。
また、本実施の形態では、インピーダンス計測部111,112によって2点の周波数f1,f2におけるインピーダンスが計測されるとともに、実数成分算出部113,114によって2点の周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分が算出されるが、本発明はこれに限定されない。3点以上の周波数におけるインピーダンスが計測され、かつ3点以上の周波数におけるインピーダンス実数成分が算出されてもよい。その場合、集電部104の腐食による電池100の劣化検出の精度がより高まる。
[実施の形態2]
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。
電池100においては、電解液103の温度が高くなるにつれて電解液103の粘性が高くなり、電解液103の粘性が高くなるにつれて電解液の抵抗は低くなる。すなわち、電解液103の温度が高くなるにつれて電解液103の抵抗は低くなる。また、温度が高くなるにつれて金属イオンの熱振動が激しくなり、自由電子の移動が妨げられる。そのため、温度が高くなるにつれて集電部104の直流抵抗および表皮効果に対応した抵抗は高くなる。したがって、実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分は、電池100の温度に依存して変化する。
そこで、本実施の形態では、実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分が、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される。劣化検出部115は、補正後のインピーダンス実数成分に基づいて、上記第1の実施の形態と同様にして電池100の劣化を検出する。
例えば、温度補正部201は、周波数f1,f2におけるインピーダンス実数成分と、電池100の温度との関係を表す温度−インピーダンスマップを予め記憶する。温度補正部201は、検出された電池100の温度、および記憶された温度−インピーダンスマップに基づいて、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補正する。
また、インピーダンス実数成分は、電池100の温度の変化に伴い、略一定の温度係数に従って一次関数的に変化する。そこで、温度補正部201は、検出された温度および予め定められた温度係数に基づいて、実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分を基準温度での成分に対応する値に補正してもよい。
さらに、上記のように、図9の実数成分算出部113,114により算出されたインピーダンス実数成分の差分は、集電部104の表皮効果による抵抗成分に対応する。そこで、温度補正部201は、集電部104の物性値に基づいて、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基準温度に対応する値に補正してもよい。例えば、集電部104の物性値として、集電部104の抵抗温度係数αが用いられる。検出温度(現在の温度)T、基準温度T、検出温度Tにおけるインピーダンス実数成分R、基準温度Tにおけるインピーダンス実数成分R、および集電部104の抵抗温度係数αの関係は、下式(8)によって表される。したがって、下式(8)を用いて、検出温度T、基準温度Tおよびインピーダンス実数成分Rからインピーダンス実数成分Rを算出することができる。
Figure 0006436271
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。
[実施の形態3]
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。
周波数f3は、計測されるインピーダンスの虚数成分が負になるように設定される。例えば、図2の連結点CP2に対応するインピーダンスが計測されるように、周波数f3が設定される。上記のように、負の虚数成分を有する電池100のインピーダンスは、正極101および負極102の反応に起因する。
図11は、図10のインピーダンス計測部111,112,301により計測されるインピーダンスおよび図3の実数成分算出部113,114,302により算出されるインピーダンス実数成分について説明するための図である。図11の例は、次の点で図4の例と異なる。図11の例では、インピーダンス計測部111が、インピーダンスナイキスト線図ICの連結点CP1に対応するインピーダンスを計測し、実数成分算出部113が、連結点CP1における実数成分R13を算出する。実数成分R13は、図2の実数成分Rに相当する。インピーダンス計測部112および実数成分算出部114は、図4の例と同様に、インピーダンスの計測およびインピーダンス実数成分の算出を行う。インピーダンス計測部301は、インピーダンスナイキスト線図ICの連結点CP2に対応するインピーダンスを計測する。実数成分算出部302は、連結点CP2における実数成分R14を算出する。
図12は、電池100の劣化に伴うインピーダンスの変化の第3の例を示す。図12の例は、次の点で図5の例と異なる。図12において、インピーダンスナイキスト線図IC1の実数成分幅RCt1およびインピーダンスナイキスト線図IC2の実数成分幅RCt2は、図2の実数成分幅RCtに相当する。上記のように、実数成分幅RCt1,RCt2は、正極101および負極102の反応抵抗に対応する。正極101および負極102の状態変化に伴い、正極101および負極102の反応抵抗が増大する。そのため、劣化電池100における実数成分幅RCt2は、未劣化電池100における実数成分幅RCt1よりも大きい。
図9の劣化検出部115は、実数成分算出部113,302により算出されたインピーダンス実数成分に基づいて、正極101および負極102の状態変化による電池100の劣化を検出する。実数成分算出部302により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分との差分は、図2の実数成分幅RCt(図12の実数成分幅RCt1,RCt2)に相当する。そこで、図10の劣化検出部115は、実数成分算出部302により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分との差分に基づいて、正極101および負極102の状態変化による電池100の劣化の有無を判定してもよい。例えば、図11の実数成分R13,R14の差分R14−R13が、予め定められたしきい値よりも大きい場合、電池100が正極101および負極102の状態変化により劣化していると判定される。
また、劣化検出部115は、実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部302により算出されたインピーダンス実数成分との比に基づいて正極101および負極102の状態変化による電池100の劣化を検出してもよい。また、2点以上の周波数で負の虚数成分を有するインピーダンスが計測され、そのインピーダンスの実数成分に基づいて、電池100の劣化の有無が判定されてもよい。
実施の形態3では、集電部104の腐食による電池100の劣化、および電解液103の減液または変質による電池100の劣化に加えて、正極101および負極102の状態変化による電池100の劣化を検出することができる。また、実施形態1と同様にして、正極101および負極102の状態変化による電池100の劣化の度合いを判定することも可能である。また、図9の温度補正部201が、図10の電池劣化検出装置10に設けられてもよい。
[実施の形態4]
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。
インピーダンス計測部111は、電池モジュール600の電流応答または電圧応答に基づいて、周波数f1における電池モジュール600のインピーダンスを計測する。インピーダンス計測部112は、電池モジュール600の電流応答または電圧応答に基づいて、周波数f2における電池モジュール600のインピーダンスを計測する。実数成分算出部113は、インピーダンス計測部111により計測されたインピーダンスの実数成分を算出する。実数成分算出部114は、インピーダンス計測部112により計測されたインピーダンスの実数成分を算出する。劣化検出部115は、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に基づいて、電池モジュール600の劣化を検出する。例えば、各電池100の集電部104の腐食による電池モジュール600の劣化の有無が判定される。
ここで、実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分のうち、n個の電池100を互いに接続するための配線金属(例えばバスバー)における直流抵抗または表皮効果による抵抗成分(以下、接続抵抗成分と呼ぶ。)が占める割合が大きい場合、電池モジュール600の劣化を適切に検出できない。
そこで、劣化していない電池モジュール600(以下、未劣化電池モジュール600と呼ぶ。)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モジュール600(以下、対象電池モジュール600と呼ぶ。)の劣化が検出されてもよい。具体的には、インピーダンス計測部111,112および実数成分算出部113,114により、周波数f1,f2における未劣化電池モジュール600のインピーダンス実数成分が予め取得され、劣化検出部115により記憶される。その後、対象電池モジュール600のインピーダンス計測部111,112および実数成分算出部113,114により、周波数f1,f2における対象電池モジュール600のインピーダンス実数成分が取得される。取得された対象電池モジュール600のインピーダンス実数成分と、予め記憶された未劣化電池モジュール600のインピーダンス実数成分との差分が算出され、その差分に基づいて、対象電池モジュール600の劣化の有無が判定される。
また、接続抵抗成分が予め算出されてもよい。例えば、インピーダンス計測部111,112および実数成分算出部113,114により、未劣化電池100単体のインピーダンス実数成分が取得される。取得された未劣化電池100単体のインピーダンス実数成分からn個の未劣化電池100を含む電池モジュール600のインピーダンス実数成分が算出される。一方、インピーダンス計測部111,112および実数成分算出部113,114により、未劣化電池モジュール600のインピーダンス実数成分が算出される。
この場合、実測により得られた未劣化電池モジュール600のインピーダンス実数成分と、未劣化電池100単体のインピーダンス実数成分から計算で求められた電池モジュール600のインピーダンス実数成分との差分は、接続抵抗成分に相当する。そこで、対象電池モジュール600について、インピーダンス計測部111,112および実数成分算出部113,114によりインピーダンス実数成分が取得され、取得されたインピーダンス実数成分から、上記のようにして算出された接続抵抗成分が減算される。これにより、接続抵抗成分を除いた対象電池モジュール600のインピーダンス実数成分が得られる。そのインピーダンス実数成分に基づいて、対象電池モジュール600の劣化を適切に検出することができる。
図13の例では、図3の電池劣化検出装置10を用いて電池モジュール600の劣化が検出されるが、図9または図10の電池劣化検出装置10を用いて電池モジュール600の劣化が検出されてもよい。
[実施の形態5]
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。
実施の形態5に係る電池温度推定装置20は、劣化検出部115の代わりに、差分算出部401および温度推定部402を備える。差分算出部401は、実数成分算出部113により算出されたインピーダンス実数成分と実数成分算出部114により算出されたインピーダンス実数成分との差分(以下、差分成分と呼ぶ。)を算出する。温度推定部402は、差分算出部401により算出された差分成分に基づいて、電池100の内部温度を推定する。
本例においては、実数成分算出部113,114により算出されるインピーダンス実数成分が、インピーダンスナイキスト線図IC(図2)の部分B1における実数成分の最小値および最大値がとなるように、周波数f1,f2がそれぞれ設定される。この場合、差分成分は、図2の実数成分幅Rに相当し、集電部104で生じる表皮効果による抵抗成分に対応する。これにより、温度推定部402は、差分算出部401により算出された差分成分に基づいて、上式(8)により、電池100の内部温度を推定することができる。
具体的には、基準温度における差分成分が、基準差分成分として温度推定部402により予め記憶される。上式(8)において、差分算出部401により算出された差分成分がインピーダンス実数成分Rとして用いられ、予め記憶された基準差分成分がインピーダンス実数成分Rとして用いられる。また、基準温度Tおよび抵抗温度係数αは既知である。これにより、温度推定部402は、上式(8)を用いて現在の温度Tを推定することができる。温度推定部402は、差分成分と温度との関係を表すマップを用いて、電池100の内部温度を推定してもよい。
サーミスタまたは熱電対により電池100の温度を計測する場合、電池100の外装温度または電池100の周辺部の温度を計測することは可能であっても、電池100の内部温度を計測することは困難である。そのため、計測される温度と実際の電池100の内部温度との間で差が生じ、正確な電池100の内部温度を取得することができない。それに対して、実施の形態5に係る電池温度推定装置20によれば、差分算出部401により算出される差分成分を用いて、電池100の内部温度を精度良く推定することができる。
また、推定された内部温度に基づいて、電池100に処理が行われてもよい。例えば、推定された内部温度が予め定められた上しきい値よりも高い場合に、電池100の内部温度が低下するように、電池100の冷却処理が行われてもよい。また、推定された内部温度が予め定められた下しきい値よりも低い場合に、電池100の内部温度が上昇するように、電池100の昇温処理が行われてもよい。
[他の実施の形態]
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。
10 電池劣化検出装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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に記載の電池劣化検出装置。
  11. 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。
  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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