JP6556841B2 - 内部抵抗導出装置、蓄電池装置、および内部抵抗値導出方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態における内部抵抗導出装置を含む蓄電システム1の構成を示すブロック図である。図2は、第1の実施形態における組電池ユニット12および内部抵抗導出装置60の構成を示すブロック図である。図1において電力線は実線で描かれ、通信線は破線により描かれている。また、図2において、電力線は太線で描かれ、通信線は細線により描かれている。蓄電池ユニット10は、蓄電池装置11−1〜11−n(以下、総称する場合には単に「蓄電池装置11」と呼ぶ。)を備える。nは、任意の自然数であり、例えば16である。
組電池ユニット12は、図2に示すように、電池モジュール13−1〜13−k(以下、総称する場合には単に「電池モジュール13」と呼ぶ。)と、電流センサ部16と、電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)17とを備える。kは、任意の自然数であり、例えば22である。
図6は、第1の実施形態の内部抵抗導出装置60が組電池ユニット12に接続されてない状態を示す組電池ユニット12のブロック図である。図7は、第1の実施形態の内部抵抗導出装置60における磁気結合部が組電池ユニット12に接続されていない状態を示す図である。図8は、第1の実施形態の内部抵抗導出装置60における磁気結合部が組電池ユニット12に接続された状態を示す図である。
上述した第1の実施形態において、閉ループ線路80には、円環部62、68が接続された状態において、円環部62、68によって生じるインダクタンスLと、コンデンサ82のキャパシタンスCとが直列に接続されたLC共振回路が形成される。このLC共振回路は、所定の周波数領域において共振を発生させる。このLC共振回路の共振周波数をfrとすると、frは式(1)により表される。
fr=1/[2π×(LC)0.5]…式(1)
このLC共振回路における共振の程度を表すQ値は、式(2)により表される。
Q=(1/R)×(L/C)0.5…式(2)
LC共振回路における抵抗値Rは、式(1)には含まれないが、式(2)には含まれる。したがって、LC共振回路における抵抗値Rは、共振周波数frには影響せず、Q値にのみ影響する。
Vr=α/Rt…(3)
Vr1=α/Rm…式(4)
Vr2=α/(Rm+Rref)…式(5)
β=(Rm+Rref)/Rm
=1+(Rref/Rm)…式(6)
この式(6)より、主回路51の抵抗値Rmは、下記の式(7)のようになる。
Rm=Rref/(β−1)…式(7)
この式(7)より、主回路51の抵抗値Rmは、抵抗部86の抵抗値Rrefと、検出直流信号の信号値の変化率βとから導出されることが分かる。すなわち、主回路51の抵抗値Rmは、抵抗部86の抵抗値Rrefと、閉ループ線路80の合計抵抗値Rtを変更した前後における検出直流信号の信号値の比に基づいて導出される。
Rm=Rref/((Vr1/Vr2)−1))…式(8)
Vr1にノイズが重畳した検出交流信号の電圧をVr1+n1、Vr2にノイズが重畳した検出交流信号の電圧をVr2+n2とすると、Vr1/Vr2は、以下のようになる。
(Vr1+n1)/(Vr2+n2)
n1およびn2は共に閉ループ線路80に重畳するノイズであるため、同程度の値である。このため、(Vr1+n1)/(Vr2+n2)の値は、Vr1/Vr2よりも小さい値となる。この結果、式(8)により求められる抵抗値Rmは、検出交流信号にノイズが重畳されていない場合の値よりも大きな値として測定される。さらに、例えば電池モジュール13の劣化などにより主回路51の抵抗値Rmが抵抗部86の抵抗値Rrefよりも高くなると、抵抗部86の抵抗値Rrefを閉ループ線路80に接続した際の検出交流信号と抵抗部86の抵抗値Rrefを閉ループ線路80に接続させていない際の検出交流信号との差が小さくなるため、Vr1/Vr2が1に近い値になる。このため、式(8)においてVr1/Vr2から1を減ずるため、式(8)の右辺の分母の値はさらに小さくなり、ノイズn1およびn2が検出交流信号に加算されることによる影響はさらに増幅される。これに対し、第1の実施形態の内部抵抗導出装置60は、抽出部76により検出交流信号のうち共振周波数frの成分のみを検出直流信号の信号値に変換するので、ノイズn1およびn2の影響を抑制することができる。
以下、第2の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。図11は、第2の実施形態の内部抵抗導出装置60により主回路51の抵抗値Rmを導出する動作手順を示すフローチャートである。
これにより、制御部74は、スイープ下限周波数fLからスイープ上限周波数fHまで供給交流信号の周波数fをスイープして、Von(fL)〜Von(fH)およびVoff(fL)〜Voff(fH)を記憶する。
以下、第3の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。上述した第2の実施形態はスイープ下限周波数fLおよびスイープ上限周波数fHの範囲で次第に供給交流信号の周波数をスイープして共振周波数rfの抵抗値Rmを求めたが、閉ループ線路80の共振周波数frを予め求めておいてもよい。第3の実施形態の内部抵抗導出装置60は、制御部74によって閉ループ線路80の共振周波数frを求めておき、閉ループ線路80の抵抗値Rmを測定する際に、予め求めておいた共振周波数frの供給交流信号を供給する。
以下、第4の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
第4の実施形態の内部抵抗導出装置60は、電池モジュール13における充放電電流値、電池セル部15の温度、電池セル部15の充電率のうち少なくとも一つ、または何れか二つ、または全てが所定の範囲内である場合に、主回路51の抵抗値Rmを測定する。すなわち、第4の実施形態の内部抵抗導出装置60は、閉ループ線路80に供給交流信号を重畳させる際の電池モジュール13の充放電電流値、温度、充電率の条件に制約を加える点で、上述した実施形態と相違する。
制御部74は、受信したBMU17から充放電電流値、電池セル部15の充電率、および電池セル部15の温度が所定の範囲内である場合に、閉ループ線路80に供給交流信号を重畳させて、検出交流信号を検出する。
さらに、内部抵抗導出装置60は、閉ループ線路80に供給交流信号を重畳する際の充放電電流の値の条件に制約を設ける。充放電電流値に制約を設けることにより、円環部68における磁界が高くなることによる磁気飽和を抑制することができる。
以下、第5の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
第5の実施形態の内部抵抗導出装置60は、検出直流信号の信号値が所定の範囲となるように閉ループ線路80に重畳させる供給交流信号の振幅を変更させる。すなわち、上述した実施形態においては閉ループ線路80に重畳させる供給交流信号の振幅を一定値に設定して主回路51の抵抗値Rmを測定したが、第5の実施形態の内部抵抗導出装置60は、閉ループ線路80に重畳させる供給交流信号の振幅を制御する点で、上述した実施形態と相違する。
以下、第6の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
第6の実施形態の内部抵抗導出装置60は、主回路51の抵抗値Rmの変化に対する式(7)の導出値の感度を高めるように抵抗部86の抵抗値が設定される点で、上述した実施形態と相違する。
β=4の場合、Rm=0.333×Rref
β=3の場合、Rm=0.5×Rref
β=2.5の場合、Rm=0.667×Rref
β=2の場合、Rm=1×Rref
β=1.5の場合、Rm=2×Rref
β=1.333の場合、Rm=3×Rref
β=1.25の場合、Rm=4×Rref
上記の試算結果から(β−1)とRmとは反比例の関係にあることがわかる。図15は、第6の実施形態における検出直流信号の信号値の変化率βと主回路51の抵抗値Rmとの関係を示す図である。主回路51の抵抗値Rmに対する導出精度が最大となるように、抵抗部86の抵抗値Rrefを決定することについて検討する。
主回路51に劣化がない時の抵抗値Rm(BOL)に対して抵抗部86の抵抗値Rrefが大きすぎると、検出直流信号の信号値の変化率βが高くなるため主回路51の劣化に対する検出直流信号の信号値の変化率βの変化は検出しやすくなるが、主回路51の抵抗値Rmに対する抵抗部86の抵抗値Rrefの誤差の比率が高くなる。
抵抗値Rm(BOL)に対して抵抗部86の抵抗値Rrefが小さすぎると、検出直流信号の信号値の変化率βが1に近づくので、式(7)における分母である(β−1)の有効桁数が減り、主回路51の抵抗値Rmの推定誤差が大きくなる。
Rm(EOL)=2×Rm(BOL)、すなわち、主回路51の抵抗値Rmが使用初期の2倍になった時点が寿命であるとすると、
Rref=2×Rm(BOL)、すなわち主回路51の使用初期においてはβ=3
とすると、
Rref=Rm(EOL、)、すなわち主回路51の劣化状態においてはβ=2
となり、主回路51の使用初期から劣化するまでにおいて検出直流信号の信号値の変化率βは2〜3の範囲となる。すなわち、抵抗部86の抵抗値Rrefは、主回路51の初期状態における抵抗値Rmの2倍程度、或いは主回路51の劣化状態における抵抗値Rmの1倍程度が望ましい。また、抵抗部86の抵抗値Rrefは、主回路51の抵抗値Rmに対して概ね0.5倍〜4倍の範囲内であればよい。
以下、第7の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
第7の実施形態の内部抵抗導出装置60は、閉ループ線路80の共振周波数frを変更させ、変更された共振周波数frの供給交流信号を閉ループ線路80に重畳させる点で、上述した実施形態と相違する。
共振回路部90は、例えば、閉ループ線路80に接続されたスイッチ部92と、スイッチ部92に対して並列接続されたコンデンサ94、96とを有する。コンデンサ94とコンデンサ96とは異なるキャパシタンスを有する。スイッチ部92は、制御部74からの制御信号に基づいて、閉ループ線路80に対してコンデンサ94またはコンデンサ96の一方を選択的に分岐電力線52に接続させる。これにより、制御部74は、式(1)におけるC成分を変更させて、閉ループ線路80の共振周波数frを変更させる。
以下、第8の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。図18は、第8の実施形態の内部抵抗測定ユニット60Aの構成を示すブロック図である。
第8の実施形態は、分岐電力線52に内部抵抗導出装置60、コンデンサ82、スイッチ部84、および抵抗部86を含む内部抵抗測定ユニット60Aが、電力線50に対して着脱可能に構成される。
以下、第9の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。なお、第9の実施形態は、その構成が図1と同様であるので、図示を省略する。
第9の実施形態は、分岐電力線52に内部抵抗導出装置60、コンデンサ82、スイッチ部84、および抵抗部86を含む内部抵抗測定ユニットが、電力線50に対して固定的に接続される。
この第9の実施形態によれば、閉ループ線路80の合計抵抗値Rtを変更するように指示した前後における検出直流信号の信号値の差に基づいて主回路51の抵抗値Rmを導出する導出部74aを持つので、主回路51の抵抗を高い精度で測定することができる。
以下、上述した実施形態の変形例について説明する。図19は、実施形態の変形例の蓄電システム1の構成を示すブロック図である。変形例の蓄電システム1は、電池モジュール13が接続された電力線50に分岐電力線52を介して内部抵抗導出装置60が接続されると共に、電池モジュール13、電流センサ部16およびBMU17が電力線50に接続される点で、上述した実施形態と異なる。
Claims (17)
- 蓄電池が接続された電力線に対して交流信号を供給する供給部と、
前記電力線および前記蓄電池を介して前記供給部により供給された交流信号を検出する検出部と、
前記検出部により検出された交流信号の周波数成分のうち前記供給部により供給された交流信号の周波数と等しい周波数成分の信号を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出する導出部と、を備え、
前記抽出部は、前記検出部により検出された交流信号を、直流信号に変換し、
前記導出部は、前記抽出部により変換された直流信号に基づいて前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
内部抵抗導出装置。 - 前記抽出部は、前記検出部により検出された交流信号に前記供給部により供給された交流信号を乗算し、乗算して得られた信号のうち直流信号を減衰させずに通過させるように遮断周波数が設計されたローパスフィルタを通過した信号を、前記直流信号とする、
請求項1に記載の内部抵抗導出装置。 - 蓄電池が接続された電力線に対して交流信号を供給する供給部と、
前記電力線および前記蓄電池を介して前記供給部により供給された交流信号を検出する検出部と、
前記検出部により検出された交流信号の周波数成分のうち前記供給部により供給された交流信号の周波数と等しい周波数成分の信号を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された信号に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出する導出部と、を備え
前記供給部は、前記蓄電池の一方端と他方端との間にコンデンサが接続された閉ループ線路に交流信号を供給し、
前記検出部は、前記閉ループ線路における交流信号を検出し、
前記閉ループ線路の抵抗値を変更する抵抗値変更部に対して抵抗値を変更させる制御部を備え、
前記導出部は、前記閉ループ線路の抵抗値を変更する抵抗値変更部に対して抵抗値を変更するように指示した前後において前記抽出部により抽出された信号の信号値の比に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、第1の抵抗値と前記第1の抵抗値よりも高い第2の抵抗値との間で抵抗値を変更するよう指示し、
前記導出部は、前記抽出部により抽出された信号の信号値の比と前記第2の抵抗値とに基づいて前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記導出部は、前記抽出部により抽出された信号の信号値の比と、前記第2の抵抗値と前記第1の抵抗値の差とに基づいて前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
請求項4に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記蓄電池の充放電電流値、温度、充電率のうち少なくとも一つが所定の範囲内である場合に、前記抵抗値を変更させて前記検出部により信号値を検出させる、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記検出部により検出された信号値が所定の範囲となるように前記供給部により前記交流信号の振幅を変更させる、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記抵抗値は、前記蓄電池の内部抵抗値の変化に対する導出値の感度を高める値に設定される、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記供給部により供給される前記交流信号の周波数を次第に変更させながら前記抽出部に信号を抽出させ、
前記導出部は、前記抽出部により抽出された信号の信号値のうち最大の信号値を用いて前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記閉ループ線路の共振周波数の前記交流信号を前記供給部に供給させる、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記抽出部は、前記供給部により供給された交流信号の位相と、前記検出部により検出された交流信号の位相との位相差を検出する位相差検出部を備え、
前記制御部は、前記供給部により前記交流信号の周波数を次第に変更させる過程で前記位相差検出部により検出された位相差に基づいて、前記電力線を含む線路の共振周波数を特定する、
請求項10に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記供給部により前記交流信号の周波数を次第に変更させながら前記検出部により前記交流信号を検出させ、変更された前記交流信号の周波数ごとに前記抽出部により抽出された信号の信号値を用いて内部抵抗値を導出し、導出された内部抵抗値のうち最小の内部抵抗値が導出された際の前記交流信号の周波数を、前記電力線を含む線路の共振周波数として特定する、
請求項10に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記制御部は、前記閉ループ線路の共振周波数を変更させる共振回路部に対して共振周波数を変更するよう指示すると共に、前記共振回路部によって変更された共振周波数の交流信号を供給するように前記供給部を制御する、
請求項10に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記供給部、前記検出部、前記抽出部、および前記導出部は、前記閉ループ線路に対して着脱可能である、
請求項3に記載の内部抵抗導出装置。 - 前記供給部、前記検出部、前記抽出部、および前記導出部は、前記蓄電池が接続された電力線に接続され、
前記供給部は、前記電力線に流れる電流に前記交流信号を重畳させ、
前記検出部は、前記電力線に流れる電流に重畳された交流信号の信号値を検出する、
請求項1または3に記載の内部抵抗導出装置。 - 蓄電池が接続された電力線に対して交流信号を供給し、
前記電力線および前記蓄電池を介して前記供給された交流信号を検出し、
前記検出された交流信号の周波数成分のうち前記供給された交流信号の周波数と等しい周波数成分の信号を抽出し、
前記抽出された信号に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出し、
前記検出された交流信号を、直流信号に変換し、
前記変換された直流信号に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
内部抵抗値導出方法。 - 蓄電池が接続された電力線に対して交流信号を供給し、
前記電力線および前記蓄電池を介して前記供給された交流信号を検出し、
前記検出された交流信号の周波数成分のうち前記供給された交流信号の周波数と等しい周波数成分の信号を抽出し、
前記抽出された信号に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出し、
前記蓄電池の一方端と他方端との間にコンデンサが接続された閉ループ線路に交流信号を供給し、
前記閉ループ線路における交流信号を検出し、
前記閉ループ線路の抵抗値を変更する抵抗値変更部に対して抵抗値を変更させ、
前記閉ループ線路の抵抗値を変更する抵抗値変更部に対して抵抗値を変更するように指示した前後において前記抽出された信号の信号値の比に基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を導出する、
内部抵抗値導出方法。
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