JP6822357B2

JP6822357B2 - 電池の異常診断方法

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Publication number: JP6822357B2
Application number: JP2017179190A
Authority: JP
Inventors: 泰正小熊; 逢坂　哲彌; 哲彌逢坂; 時彦横島; 大吉向山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP2019053017A

Description

本発明は、電池の異常診断方法に関する。

二次電池を構成する電池素子に劣化に伴う異常が発生すると、二次電池のインピーダンスが大きくなることが知られている。そこで、二次電池全体のインピーダンスを推定し、インピーダンス推定値に基づいて二次電池の異常診断を行う異常診断方法が検討されている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に記載の異常診断方法では、二次電池に流れる電流値と二次電池の端子間電圧とを検出すると共に、二次電池の使用中における電流値と端子間電圧とに基づいて二次電池全体のインピーダンスを推定している。特許文献１によれば、交流電源回路を用いることなく二次電池全体のインピーダンスを推定することができるとされている。

特開２０１１−１３７６８１号公報

一般に、二次電池は、それぞれ正極集電体層、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層をこの順に備えた電池素子を複数備える。このように複数の電池素子を備える二次電池では、複数の電池素子のうち一部の電池素子にのみ異常が生じることがある。

ところが、上述した特許文献１に記載の異常診断方法では、二次電池全体に異常が生じているか否かを判定することはできるが、二次電池を構成する電池素子のうち一部の電池素子のみに異常が生じているときに、その電池素子を特定することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の電池素子を備える電池において、異常が生じている電池素子を特定することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）直列に接続された複数の電池素子を備える電池の異常診断を行う異常診断方法であって、前記電池は、磁束密度の分布が互いに異なる動磁場を発生させる複数の磁場発生部を備え、各磁場発生部は少なくとも一つの対応する電池素子内に動磁場を発生させるように各電池素子に隣接して配置され、前記磁場発生部によって各電池素子内に動磁場を発生させた状態で、前記電池に周波数の異なる複数の交流信号が入力されたときの前記電池のインピーダンスを検出し、検出されたインピーダンスに基づいて、前記電池を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子を特定する、異常診断方法。

本発明によれば、複数の電池素子を備える電池において、異常が生じている電池素子を特定することができる。

図１は、第一実施形態に係る電池の構成を概略的に示す図である。図２は、各電池素子の概略的な断面図である。図３は、第一実施形態における磁場発生部の構成を概略的に示す図である。図４は、電池素子内に動磁場を形成させなかった場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図５は、円筒コイルによって動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図６は、円筒コイルによって動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図７は、トロイダルコアによって動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図８は、仮想的な電池の構成を概略的に示す図である。図９は、図８に示した電池１全体のインピーダンスを示すナイキストプロット図である。図１０は、図８に示した電池等のインピーダンスを示す、図９と同様なナイキストプロット図である。図１１は、異常診断制御を行うために計測機器等が接続された状態の電池を概略的に示す、図１と同様な図である。図１２は、第一実施形態に係る電池の各電池素子の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１３は、異常診断制御を行うために計測機器等が接続された状態の第二実施形態に係る電池を概略的に示す、図１１と同様な図である。図１４は、第二実施形態における磁場発生部を概略的に示す断面図である。図１５は、第二実施形態に係る電池の各電池素子の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪電池の構成≫
図１〜図３を参照して、第一実施形態に係る電池１の構成について説明する。図１は、第一実施形態に係る電池１の構成を概略的に示す図である。本実施形態に係る電池１は、充放電可能な二次電池である。図１に示したように、電池１は、複数の電池素子１０と、隣り合う電池素子１０の間に配置された磁場発生部２０と、これら電池素子１０及び磁場発生部２０を収容するハウジング３０とを備える。

まず、電池素子１０について説明する。図２は、各電池素子１０の概略的な断面図である。図２に示したように、各電池素子１０は、正極集電体層５１、正極活物質層５２、固体電解質層５３、負極活物質層５４及び負極集電体層５５がこの順に積層されて形成される。本実施形態では、正極集電体層５１、正極活物質層５２、固体電解質層５３、負極活物質層５４、及び負極集電体層５５は、それぞれ固体材料で形成される。

正極集電体層５１は、正極集電体を有し、正極活物質層５２からの集電を行う機能を有する。正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、ＳＵＳ、ニッケル、鉄、チタン等を用いることができる。正極集電体層５１は電池素子１０から突出して電池素子１０の正極として機能する正電極５１ａを備える。

正極活物質層５２は正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等の公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、正極活物質層５２は、正極活物質に加えて、更に固体電解質、導電剤、バインダを含有していても良い。

正極活物質層５２に用いることができる固体電解質としては、後述する固体電解質層５３に用いる材料と同様の材料等を用いることができる。

正極活物質層に用いることができる導電剤としては、例えば、ＶＧＣＦ、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材、又は金属材等が挙げられる。正極活物質層に用いることができるバインダとしては、例えば、ポリテトラフロオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、アミン変性ブチルゴム（ＡＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。

固体電解質層５３は、イオン導電性を示す固体物質である固体電解質を含む。固体電解質としては、例えばＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５やＬｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１等の硫化物系固体電解質や、ＬｉＩやＬｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５等の酸化物系固体電解質等の公知の固体電解質を適宜用いることができる。

負極活物質層５４は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えばグラファイトなどの公知の負極活物質を適宜用いることができる。負極活物質層５４も、負極活物質に加えて、上述したような固体電解質、導電剤、バインダを含有していても良い。

負極集電体層５５は、負極集電体を有し、負極活物質層５４からの集電を行う機能を有する。負極集電体の材料としては、正極集電体の材料に加え、銅を用いることができる。負極集電体層５５は電池素子１０から突出して電池素子１０の負極として機能する負電極５５ａを備える。

なお、本実施形態では、電池素子１０は固体電解質層５３を有するように構成されている。しかしながら、電池素子１０は電解質層として固体電解質層ではなく、液体の電解質層を備えても良い。

次に、磁場発生部２０について説明する。図３は、本実施形態における磁場発生部２０を概略的に示す図である。図３に示したように、磁場発生部２０は、動磁場を発生させるためのコイル６１と、コイル６１全体を覆うように形成された絶縁体６２とを備える。

コイル６１は、コイル６１に交流電流が流されるとコイル６１周りに動磁場を形成するように構成される。また、各磁場発生部２０のコイル６１は、同一の交流電流が流されたとしても、他の磁場発生部２０のコイル６１とは磁束密度の分布が異なる動磁場が発生するように構成される。具体的には、例えば、各磁場発生部２０のコイル６１は、他の磁場発生部２０のコイル６１とは巻き数が異なるように形成されたり、又はコイルの巻き形状が異なるように形成されたりするように構成される。巻き形状の異なるコイルとは、円形や、楕円形、矩形等、コイルの巻かれた形状が互いに異なるコイルのみならず、例えば円形であればその半径の異なるコイルをも意味するものである。

絶縁体６２は、磁場発生部２０の表面にはコイル６１が露出することのないように、コイル６１全体を覆うように形成される。したがって、磁場発生部２０が隣り合う二つの電池素子１０の間に配置されても、コイル６１が電池素子１０に接触することはない。絶縁体６２は、例えば、コイル６１が埋め込まれたフィルムとして形成される。また、絶縁体６２の材料としては、絶縁性を示す様々な材料を使用可能であるが、例えば、絶縁性を示す樹脂が用いられる。この場合、磁場発生部２０は、例えば、コイル６１周りに絶縁体６２として用いられる樹脂を射出成形することによって形成される。

次に、ハウジング３０について説明する。図１に示したように、ハウジング３０は全ての電池素子１０及び全ての磁場発生部２０を収容するように構成される。ハウジング３０は例えば樹脂によって形成される。ハウジング３０は、電池１全体の正極として機能する正極端子３１と、電池１全体の負極として機能する負極端子３２とを備える。加えて、ハウジング３０は、磁場用第１端子３３と磁場用第２端子３４とを備える。磁場用第１端子３３及び磁場用第２端子３４は、磁場発生部２０に接続されると共に、磁場発生部２０に電流を流すべく外部の電源を接続するのに用いられる。

次に、電池１における電池素子１０、磁場発生部２０及びハウジング３０の配置について説明する。図１に示した例では、電池１は第１電池素子１１から第４電池素子１４まで、四つの電池素子１０を備えている。これら電池素子１１〜１４は互いに直列に接続されている。したがって、例えば、第１電池素子１１の負電極５５ａと第２電池素子１２の正電極５１ａとが接続され、第２電池素子１２の負電極５５ａと第３電池素子１３の正電極５１ａとが接続されている。なお、電池１が備える電池素子１０の数は必ずしも４つである必要はなく、複数の電池素子１０を備えていれば４つよりも多くても少なくてもよい。

また、直列に接続された複数の電池素子１１〜１４のうち一方の端に接続された第１電池素子１１の正電極５１ａがハウジング３０の正極端子３１に接続される。加えて、これら電池素子１１〜１４のうち他方の端に接続された第４電池素子１４の負電極５５ａがハウジング３０の負極端子３２に接続される。

また、図１に示した例では、電池１は第１磁場発生部２１から第３磁場発生部２３まで、三つの磁場発生部を備えている。各磁場発生部２０は、隣合った二つの電池素子１０の間に配置される。したがって、第１電池素子１１と第２電池素子１２との間に第１磁場発生部２１が配置され、第２電池素子１２と第３電池素子１３との間に第２磁場発生部２２が配置され、第３電池素子１３と第４電池素子１４との間に第３磁場発生部２３が配置される。

本実施形態では、これら磁場発生部２０のコイル６１は直列に接続される。したがって、第１磁場発生部２１のコイル６１の第２端部は第２磁場発生部２２のコイル６１の第１端部に接続され、第２磁場発生部２２のコイル６１の第２端部は第３磁場発生部２３のコイル６１の第１端部に接続される。また、第１磁場発生部２１のコイル６１の第１端部はハウジング３０の磁界用第１端子３３に接続され、第３磁場発生部２３のコイル６１の第２端部はハウジング３０の磁界用第２端子３４に接続される。なお、これら磁場発生部２０のコイル６１はその一部又は全部が互いに並列に接続されてもよい。

このように構成された磁場発生部２０では、ハウジング３０の磁界用第１端子３３と磁界用第２端子３４との間に交流電流が流されると、各磁場発生部２０周りに動磁場が形成される。このようにして形成される動磁場は、上述したようにコイルの巻き数等が磁場発生部２０毎に異なることから、各磁場発生部２０毎に磁束密度の分布が異なる動磁場となる。

また、各磁場発生部２０によって形成される動磁場はその磁場発生部２０から近いほど強い。したがって、各磁場発生部２０によれば、その磁場発生部２０に隣接する電池素子１０には強い磁場が形成されるが、隣接しない電池素子１０には弱い磁場が形成される。したがって、例えば、第１磁場発生部２１によれば、第１電池素子１１と第２電池素子１２内に強い磁場が形成されるが、第３電池素子１３及び第４電池素子１４内には弱い磁場が形成されるか、又はほとんど磁場が形成されない。

以上より、本実施形態では、電池１は、磁束密度の分布が互いに異なる動磁場を発生させる複数の磁場発生部２０を備え、各磁場発生部２０は二つの対応する電池素子内に動磁場を発生させるように各電池素子１０に隣接して配置されているといえる。

≪動磁場と電池素子のインピーダンスとの関係≫
次に、図４〜図７を参照して、磁場発生部２０によって形成された動磁場と電池素子１０のインピーダンスとの関係について説明する。斯かる動磁場とインピーダンスとの関係を確認すべく或る電池素子を用いて実験を行った。実験においては、電池素子に外部の交流電源を接続すると共に、この交流電源によって入力される交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行い、その結果に基づいてインピーダンスの実数部（Ｚ’）及びインピーダンスの虚数部（Ｚ’’）を算出した。

図４は、電池素子内に動磁場を形成させなかった場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図４に示したように、周波数が高くなるほどインピーダンスの実数部が小さくなる。加えて、周波数が１０Ｈｚ程度のとき及び１０ｋＨｚ程度のときにはインピーダンスの虚数部が小さい。一方、周波数が１０Ｈｚ以下のときや周波数が１０ｋＨｚ以上のときには１０Ｈｚ又は１０ｋＨｚから離れるにつれて虚数部が大きくなる。また、周波数が１０Ｈｚと１０ｋＨｚとの間のときにも１０Ｈｚと１０ＫＨｚから離れるほどインピーダンスの虚数部が大きくなる。電池素子がこのような性質を示す理由は、主に、コイン電池内に形成される電気二重層がキャパシタと同様に作用することによるものである。

一方、図５は、電池素子に隣接して円筒コイルを配置し、この円筒コイルによって電池素子内に動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図中の各プロットは、円筒コイルに異なる電流を流したときの計測結果を示している。したがって、０Ａのプロットは、円筒コイルに電流を流さなかったとき、すなわち電池素子に動磁場が形成されなかったときの計測結果を示している。また、１．５Ａのプロットは、円筒コイルに１．５Ａの電流を流したとき、すなわち電池素子に弱い動磁場が形成されたときの計測結果を示している。さらに、６Ａのプロットは、円筒コイルに６Ａの電流を流したとき、すなわち電池素子に強い動磁場が形成されたときの計測結果を示している。

図５からわかるように、電池素子に動磁場が形成されたときには、電池素子に動磁場が形成されていないときに対して、約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの領域において、インピーダンスが変化することがわかる。特に、３０ｋＨｚ近傍の領域では、電池素子に動磁場が形成されたときと、動磁場が形成されていないときとでインピーダンスが大きく変化する。

図６は、電池素子に隣接して円筒コイルを配置し、この円筒コイルによって動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示す、図５と同様なナイキストプロット図である。図５の計測を行ったときには、インピーダンスの計測を行うべく電池素子に加える交流信号と、円筒コイルに流す交流電流とを同期させていなかった。これに対して、図６の計測を行ったときには、インピーダンスの計測を行うべく電池素子に加える交流信号と、円筒コイルに流す交流電流とを同期させた。

図６からわかるように、交流信号と交流電流とを同期させた場合であっても、図５の計測結果と同様に、電池素子に動磁場が形成されたときには、電池素子に動磁場が形成されていないときに対して、約１ｋＨｚから約１００ｋＨｚの領域において、インピーダンスが変化し、特に３０ｋＨｚ近傍の領域ではインピーダンスが大きく変化する。加えて、交流信号と交流電流とを同期させていない場合には円筒コイルに流れる電流の大きさに応じてインピーダンスが変化していたのに対して、交流信号と交流電流とを同期させた場合には円筒コイルに流れる電流の大きさを変えてもインピーダンスがほとんど変化しないことがわかる。

一方、図７は、電池素子に隣接してトロイダルコアを配置し、このトロイダルコアによって動磁場が形成された場合の電池素子のインピーダンスの計測結果を示すナイキストプロット図である。図中の各プロットは、トロイダルコアに異なる電流を流したときの計測結果を示している。したがって、０Ａのプロットは、トロイダルコアに電流を流さなかったとき、すなわち電池素子に動磁場が形成されなかったときの計測結果を示している。また、０．２５Ａのプロット及び１．０Ａは、それぞれ、トロイダルコアに０．２５Ａ及び１．０Ａの電流を流したとき、すなわち電池素子に弱い動磁場及び強い動磁場が形成されたときの計測結果を示している。

図７からわかるように、トロイダルコアが配置された場合、電池素子に動磁場が形成されたときには、電池素子に動磁場が形成されていないときに対して、約１００Ｈｚから約１０ｋＨｚの領域において、インピーダンスが変化することがわかる。特に、約１００Ｈｚから約１０ｋＨｚの領域では、電池素子に動磁場が形成されたときと、動磁場が形成されていないときとでインピーダンスが大きく変化する。

図５及び図６に示した計測結果と図７に示した計測結果とから、電池素子に動磁場が形成されると、或る周波数領域において電池素子に動磁場が形成されていないときに対してインピーダンスが大きく変化することがわかる。また、図５及び図６では、３０ｋＨｚ近傍の領域でインピーダンスが大きく変化しているのに対して、図７では、約１００Ｈｚから約１０ｋＨｚの領域の領域でインピーダンスが大きく変化している。したがって、インピーダンスが大きく変化する周波数領域は、電池素子に形成される動磁場に応じて変わることがわかった。このような現象が生じる理由は必ずしも明確に解明できてはいないが、電池素子に外部から形成される動磁場が、リチウムイオンの動きに影響を与えているものと考えられる。

また、図５及び図６に示した計測結果から、電池素子に加える交流信号と電池素子に形成される動磁場とを同期させていない場合には動磁場の強さに応じてインピーダンスがばらつくのに対して、交流信号と動磁場とを同期させた場合には動磁場の強さを変えてもインピーダンスがほとんどばらつかないことがわかった。

≪動磁場と電池のインピーダンスとの関係≫
ここで、図８に示したように、三つの電池素子１０とこれら三つの電池素子１０の間に配置された二つの磁場発生部２０から構成された電池１’を考える。図８に示した電池１’は、電池素子１０及び磁場発生部２０の数を除いて図１に示した電池１’と同様に構成されている。

このような電池１’全体のインピーダンスは、基本的に三つの電池素子１０のインピーダンスを合計した値となる。より詳細には、ナイキストプロット図において、各周波数における各電池素子１０のインピーダンスの実数部の値を合計したものがその周波数におけるその電池１’全体のインピーダンスの実数部の値となる。同様に、ナイキストプロット図において、各周波数における各電池素子１０のインピーダンスの虚数部の値を合計したものがその周波数におけるその電池１’全体のインピーダンスの虚数部の値となる。

図９は、図８に示した電池１’等のインピーダンスを示すナイキストプロット図である。図９の一点鎖線は一つの電池素子１０のインピーダンスを示しており、図９の破線は電池１’全体のインピーダンス、すなわち直列に接続された三つの電池素子１０のインピーダンスを示している。図９に示したように、破線で示した電池１’全体のインピーダンスは、各電池素子１０のインピーダンスを合計した値となっている。

一方、図９の実線は、電池素子１０間に配置された磁場発生部２０に電流を流すことによって各電池素子１０に動磁場が形成された場合における、電池１’全体のインピーダンスを示している。図９に示した例では、各電池素子１０の動磁場が形成された場合には、周波数が３ｋＨｚ近傍及び３０ｋＨｚ近傍であるときに、動磁場が形成されていない場合に対してインピーダンスが大きく変化することがわかる。

このように各電池素子１０に動磁場が形成されると、或る周波数領域において各電池素子に動磁場が形成されていないときに対してインピーダンスが大きく変わるのは、図５〜図７を参照して説明したとおりである。

図８に示した例では、第１磁場発生部２１によって第１電池素子１１及び第２電池素子１２に動磁場が形成される。この結果、周波数が３０ｋＨｚ近傍の領域において第１電池素子１１及び第２電池素子１２のインピーダンスが動磁場の形成されていないときのインピーダンスから大きく変化する。一方、第１磁場発生部２１は第３電池素子１３から離れているため、第１磁場発生部２１によって形成される動磁場は第３電池素子１３のインピーダンスにはほとんど影響を与えない。

加えて、図８に示した例では、第２磁場発生部２２によって第２電池素子１２及び第３電池素子１３に動磁場が形成される。この結果、周波数が３ｋＨｚ近傍の領域において第２電池素子１２及び第３電池素子１３のインピーダンスが動磁場の形成されていないときのインピーダンスから大きく変化する。一方、第２磁場発生部２２は第１電池素子１１から離れているため、第２磁場発生部２２によって形成される動磁場は第１電池素子１１のインピーダンスにはほとんど影響を与えない。

このように、第１磁場発生部２１によって形成される動磁場によって第１電池素子１１及び第２電池素子１２のインピーダンスが３０ｋＨｚ近傍において大きく変化し、第２磁場発生部２２によって形成される動磁場によって第２電池素子１２及び第３電池素子１３のインピーダンスが３ｋＨｚ近傍において大きく変化する。その結果、図９に示したように、磁場発生部２０に電流を流したときの電池１’全体のインピーダンスは、周波数が３０ｋＨｚ近傍及び３ｋＨｚ近傍であるときにおいて、磁場発生部２０に電流を流していないときの電池１’のインピーダンスから大きく変化することになる。

≪電池の劣化に伴う変化≫
ところで、電池１’を構成する電池素子１０に劣化の異常が生じると、そのインピーダンスが大きく変化する。このようにインピーダンスが変化するのは、電池素子１０に劣化の異常が生じると、電池素子１０内においてリチウムイオンが移動しにくくなることがその要因の一つである。したがって、電池１を構成する電池素子１０に劣化の異常が生じると、その電池素子１０に動磁場が形成されているときと形成されていないときとのインピーダンスの差（以下、「インピーダンス差」という）が、その電池素子１０に劣化の異常が生じていないときに比べて変化する。特に、電池素子１０に劣化の異常が生じるとそのインピーダンスが大きくなることから、電池素子１０に劣化の異常が生じると、劣化の異常が生じていないときに比べてインピーダンス差が大きくなる。

図１０は、図８に示した電池１’等のインピーダンスを示す、図９と同様なナイキストプロット図である。図１０の破線は、図９の破線と同様に、磁場発生部２０によって動磁場が形成されていない場合における電池１’全体のインピーダンスを示している。また、図１０の一点鎖線は、図９の実線と同様に、電池素子１０に劣化の異常が生じていないときの、磁場発生部２０によって動磁場が形成された場合における電池１’全体のインピーダンスを示している。

一方、図１０の実線は、第１電池素子１１に劣化の異常が生じているときの、磁場発生部２０によって動磁場が形成された場合における電池１’全体のインピーダンスを示している。図１０からわかるように、第１電池素子１１に劣化の異常が生じているとき（実線）には、劣化の異常が生じていないとき（一点鎖線）に対して、周波数が３０ｋＨｚ近傍の領域においてインピーダンス差が大きくなっていることがわかる。

その一方で、周波数が３ｋＨｚ近傍の領域では、第１電池素子１１に劣化の異常が生じているときであっても、劣化の異常が生じていないときに対して、インピーダンス差はほぼ同一となっている。したがって、電池素子１０に劣化の異常が生じているときには、その電池素子１０に形成されている動磁場に対応する周波数近傍において、インピーダンス差が大きくなることがわかる。

一方、図１０に示した例とは異なり第３電池素子１３に劣化の異常が生じているときには、劣化の異常が生じていないときに比べて、周波数が３ｋＨｚ近傍の領域においてインピーダンス差が大きくなり、一方、周波数が３０ｋＨｚの領域ではインピーダンス差はほとんど変化しない。加えて、第２電池素子１２に劣化の異常が生じているときには、劣化の異常が生じていないときに比べて、周波数が３０ｋＨｚ近傍の領域及び３ｋＨｚ近傍の領域のいずれにおいてもインピーダンス差が大きくなる。

したがって、各磁場発生部２０によって各電池素子１０に動磁場が形成されているときと形成されていないときとの電池全体のインピーダンス差を各周波数について検出することによって、いずれに電池素子１０に劣化の異常が生じているかを診断することができる。

≪本実施形態における異常診断制御≫
そこで、本実施形態では、上述したような性質を利用して、複数の電池素子１０を備える電池１において、異常が生じている電池素子１０を特定する異常診断が行われる。特に、本実施形態では、磁場発生部２０によって各電池素子１０内に動磁場を発生させた状態で、電池１に周波数の異なる複数の交流信号が入力されたときの電池１のインピーダンスを検出し、検出されたインピーダンスに基づいて電池１を構成する電池素子１０のうち異常の発生している電池素子を特定するようにしている。以下では、具体的な異常診断制御における診断方法について説明する。

図１１は、異常診断制御を行うために計測機器等が接続された状態の電池１を概略的に示す、図１と同様な図である。図１１に示したように、電池１のインピーダンスの検出を行うインピーダンス検出装置７０が電池１の両端子３１、３２に接続される。加えて、磁場発生部２０に電流を流す交流電源７１が、磁場用第１端子３３及び磁場用第２端子３４に接続される。

インピーダンス検出装置７０は、電池１に様々な周波数の交流信号を入力したとき（すなわち、電池１に交流電流を流したときや、電池１に交流電圧を印加したとき）の電池１のインピーダンスを検出することができる。具体的には、インピーダンス検出装置７０は、電池１に所定の周波数の交流電流を流すと共にこのときの両端子３１、３２間の電圧を測定し、測定された電圧に基づいてその周波数における電池１のインピーダンス等を算出する。或いは、インピーダンス検出装置７０は、電池１の両端子３１、３２間に交流電圧を印加すると共にこのときに電池１に流れる電流を測定し、測定された電流に基づいてその周波数における電池１のインピーダンス等を算出する。なお、インピーダンス検出装置７０は、電池１に様々な周波数の交流信号を入力したときの電池１のインピーダンスを検出することができれば、周波数応答アナライザ（ＦＲＡ：Frequency Response Analyzer）等、公知の装置を用いることができる。

交流電源７１は、バイポーラ電源であり、直列に接続された磁場発生部２０に交流電流を流す。交流電源７１から交流電流が流れることによって各磁場発生部２０は隣接する電池素子１０に動磁場を形成する。

本実施形態では、電池１にこのようなインピーダンス検出装置７０及び交流電源７１を接続した後に、インピーダンス検出装置７０によって交流信号が電池素子１０に入力され、加えて交流電源７１によって交流電流が磁場発生部２０に流される。そして、このときのインピーダンスがインピーダンス検出装置７０によって検出される。

このとき、インピーダンス検出装置７０によって入力される交流信号の周波数は、磁場発生部２０によって動磁場を電池素子１０に形成することにより、いずれかの電池素子１０において、動磁場の形成されていないときに対してインピーダンスが大きく変化するような周波数を含む異なる複数の周波数に設定される。図１１に示したように三つの磁場発生部２０を備える場合には、第１磁場発生部２１によって発生する動磁場により隣接する電池素子１１、１２が最も影響を受ける第１周波数と、第２磁場発生部２２によって発生する動磁場により隣接する電池素子１２、１３が最も影響を受ける第２周波数と、第３磁場発生部２３によって発生する動磁場により隣接する電池素子１３、１４が最も影響を受ける第３周波数とを含む異なる複数の周波数に設定される。例えば、図９に示した例であれば、第１磁場発生部２１によって発生する動磁場により隣接する電池素子１１、１２が最も影響を受ける周波数である３０ｋＨｚと、第２磁場発生部２２によって発生する動磁場により隣接する電池素子１２、１３が最も影響を受ける周波数３ｋＨｚの周波数とを含む異なる複数の周波数に設定されることになる。

また、本実施形態では、交流電源７１は、インピーダンス検出装置７０において入力される交流信号と同一周波数であって、この交流信号と同期した交流電流を流すことが好ましい。このように、インピーダンス検出装置７０によって入力される交流信号と交流電源７１によって流される交流電流とを同期させることにより、図６を用いて説明したように動磁場の強さの変化に伴うインピーダンスのばらつきを抑制することができる。

より具体的には、まず、交流電源７１から交流電流が流されていない状態で、インピーダンス検出装置７０によって第１周波数の交流信号が入力され、このときの電池１全体のインピーダンスが検出される。次いで、交流電源７１からインピーダンス検出装置７０の交流信号と同期した第１周波数の交流電流が磁場発生部２０に流され、このときの電池１全体のインピーダンスが検出される。そして、このようにして検出されたインピーダンスに基づいて、第１周波数におけるインピーダンス差（電池素子１０に動磁場が形成されているときと形成されていないときとのインピーダンスの差）が算出される。そして、周波数を第２周波数、第３周波数に変えて、同様な操作が繰り返し行われる。

その後、このようにして算出された各周波数におけるインピーダンス差に基づいて、電池１の各電池素子１０の異常診断が行われる。例えば、図１１に示した電池１では、第１周波数においてのみインピーダンス差が予め定められた第１基準値以上に大きい場合には第１電池素子１１に異常があると判定される。また、第３周波数においてのみインピーダンス差が予め定められた第３基準値以上に大きい場合には第４電池素子１４に異常があると判定される。加えて、第１周波数及び第２周波数においてインピーダンス差がそれぞれ予め定められた第１基準値及び第２基準値以上に大きい場合には、第２電池素子１２に異常があると判定される。さらに第２周波数及び第３周波数においてインピーダンス差がそれぞれ予め定められた第２基準値及び第３基準値以上に大きい場合には、第３電池素子１３に異常があると判定される。本実施形態によれば、このようにして異常が生じている電池素子を特定することができる。

なお、上記実施形態では、各周波数におけるインピーダンス差が対応する基準値以上であるか否かに基づいて各電池素子の異常診断を行っている。しかしながら、異常診断を行うにあたって、必ずしもインピーダンス差を算出する必要は無い。したがって、例えば、動磁場が形成されていないときの各周波数におけるインピーダンスを予め実験的に又は計算によって求めておき、動磁場が形成されているときの各周波数におけるインピーダンスと予め求められたインピーダンスとの差を、基準値と比較して異常診断を行うようにしてもよい。或いは、動磁場が形成されているときの各周波数におけるインピーダンスを予め実験的に又は計算によって求められた基準値と比較し、この基準値との差が大きいときにはその周波数に対応する電池素子に異常があると判定するようにしてもよい。

≪フローチャートの説明≫
図１２は、第一実施形態に係る電池１の各電池素子１０の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。このような異常診断制御は、インピーダンス検出装置７０及び交流電源７１によって自動的に行われる。しかしながら、このような異常診断制御は、同様な手順によりインピーダンス検出装置７０及び交流電源７１を手動で操作することによって行われてもよい。

異常診断制御が開始されると、まず、ステップＳ１１では、測定回数ｉが１に初期化される。次いで、ステップＳ１２では、測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多いか否かが判定される。磁場発生部総数Ｎｃは、電池１に設けられた磁場発生部２０の数を示す。したがって、図１及び図１０に示した例では、磁場発生部総数Ｎｃは３とされる。

異常診断制御の開始直後は測定回数ｉは１であるため、ステップＳ１２では測定回数ｉは磁場発生部総数Ｎｃ以下であると判定され、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、インピーダンス検出装置７０によって周波数ｆｉの交流信号が電池１に入力される。ここで、周波数ｆｉは、第ｉ磁場発生部に電流を流すことによって生成される動磁場により隣接する電池素子１０においてインピーダンス差が大きくなる周波数を意味する。したがって、例えば測定回数ｉが１のときには、第１磁場発生部２１に電流を流すことによって第１電池素子１１及び第２電池素子１２においてインピーダンス差が大きくなる第１周波数の交流信号が電池１に入力されることになる。なお、このときは交流電源７１からは磁場発生部２０へ交流電流は流されていない。

次いで、ステップＳ１４では、ステップＳ１３において周波数ｆｉの交流信号を電池１に入力したときの電池１全体のインピーダンスの実数部Ｚｉ’ｒｅｆ及び虚数部Ｚｉ’’ｒｅｆがインピーダンス検出装置７０によって検出される。これらインピーダンスの実数部Ｚｉ’ｒｅｆ及び虚数部Ｚｉ’’ｒｅｆは、いずれの磁場発生部２０によっても動磁場が形成されていないときのインピーダンスを表している。

次いで、Ｓ１５では、交流電源７１によって磁場発生部２０へ交流電流が流される。このとき、交流電源７１からは、インピーダンス検出装置７０によって入力される交流信号と同期された周波数ｆｉの交流電流が流される。その後、ステップＳ１６では、インピーダンス検出装置７０によって周波数ｆｉの交流信号が電池１に入力され、且つ交流電源７１によって周波数ｆｉの交流電流が流された状態で、電池１全体のインピーダンスの実数部Ｚｉ’及び虚数部Ｚｉ’’がインピーダンス検出装置７０によって検出される。

次いで、ステップＳ１７では、ステップＳ１４で検出された動磁場が形成されていないときのインピーダンスの実数部Ｚｉ’ｒｅｆ及び虚数部Ｚｉ’’ｒｅｆと、ステップＳ１６で検出された動磁場が形成されているときのインピーダンスの実数部Ｚｉ’及び虚数部Ｚｉ’’とに基づいて、下記式（１）によりインピーダンス差Ｄｉが算出される。
Ｄｉ＝（（Ｚｉ’−Ｚｉ’ｒｅｆ）²＋（Ｚｉ’’−Ｚｉ’’ｒｅｆ）²）^1/2 …（１）

ステップＳ１８では、ステップＳ１７において算出された周波数ｆｉにおけるインピーダンス差Ｄｉが基準値Ｄｉｒｅｆ以上であるか否かが判定される。ここで、基準値Ｄｉｒｅｆは、第ｉ電池素子及び第ｉ＋１電池素子において劣化の異常が発生していないときの周波数ｆｉにおけるインピーダンス差よりも大きな値となるように且つ劣化の異常が発生しているときの周波数ｆｉにおけるインピーダンス差よりも小さな値となるように、予め実験的に又は計算によって求められる。

ステップＳ１８においてインピーダンス差Ｄｉが基準値Ｄｉｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、第ｉ電池素子及び第ｉ＋１電池素子に異常があると判定され、ステップＳ２１へと進む。一方、ステップＳ１８において、インピーダンス差Ｄｉが基準値Ｄｉｒｅｆ未満であると判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、第ｉ電池素子及び第ｉ＋１電池素子には異常がないと判定され、ステップＳ２１へと進む。

ステップＳ２１では、測定回数ｉに１を加算したものが新たな測定回数ｉとされ、ステップＳ２２ではステップＳ１５において交流電源７１から流されていた交流電流が停止され、ステップＳ１２へと戻される。

ステップＳ１３〜Ｓ２２が繰り返し実行されると、遂にはステップＳ２２によって算出される測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多くなる。このように測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多くなると、ステップＳ１２からステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、測定回数ｉが１から磁場発生部総数Ｎｃに達するまでの間にステップＳ１９又はＳ２０において行われた判定に基づいて、異常が生じている電池素子１０が特定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

＜第二実施形態＞
≪異常診断制御≫
次に、図１３〜図１５を参照して、第二実施形態に係る電池素子１０の異常診断制御について説明する。第二実施形態においても第一実施形態における電池１と同様な電池が用いられる。以下では、第一実施形態における異常診断制御とは異なる部分を中心に説明する。

図１３は、異常診断制御を行うために計測機器等が接続された状態の第二実施形態に係る電池２を概略的に示す、図１１と同様な図である。図１３に示したように、電池２は、複数の電池素子１０と、対応する電池素子に隣接して配置された磁場発生部２５と、これら電池素子１０及び磁場発生部２５を収容するハウジング３０とを備える。第二実施形態における電池素子１０及びハウジング３０は、第一実施形態における電池素子１０及びハウジング３０と同様に配置される。

図１４は、本実施形態における磁場発生部２５を概略的に示す断面図である。図１４に示したように、本実施形態の磁場発生部２５は、動磁場を発生させるためのコイル６１と、透磁率の高い板状部材６３と、これらコイル６１及び板状部材６３とを覆うように形成された絶縁体６２とを備える。

コイル６１は、第一実施形態におけるコイルと同様に形成される。したがって、各磁場発生部２５のコイル６１は、同一の交流電流がなされたとしても、他の磁場発生部２５のコイル６１とは磁束密度の分布が異なる動磁場が発生するように構成される。

板状部材６３は、コイル６１の一方の側に配置される。特に、板状部材６３は、透磁率の高い材料で形成されることから、コイル６１に交流電流が流れることによってコイル６１周りに動磁場が形成されても、この動磁場は板状部材６３を貫通して発生しない。したがって、コイル６１に交流電流が流されると、コイル６１の側面のうち板状部材６３が配置されていない側には動磁場が形成され、コイル６１の側面のうち板状部材６３が配置されている側には動磁場が形成されないことになる。

図１４に示すように、本実施形態では、第一実施形態と同様に、電池２は、第１電池素子１１から第４電池素子１４まで、四つの電池素子１０を備えている。加えて、本実施形態では、電池２は、第１磁場発生部２１から第４磁場発生部２４まで、四つの磁場発生部を備えている。すなわち、本実施形態では、電池２は、電池素子１０の数と同数の磁場発生部２５を備えている。各磁場発生部２５は、対応する電池素子に隣接して配置される。したがって、例えば、第１磁場発生部２１は第１電池素子１１に隣接して配置され、第２磁場発生部２２は第２電池素子１２に隣接して配置される。

また、各磁場発生部２５は、各磁場発生部２５に交流電流が流されると、対応する電池素子１０に動磁場を形成し、それ以外の電池素子１０には動磁場を形成しないように配置される。したがって、例えば、第１磁場発生部２１は、交流電流が流されると第１電池素子１１に動磁場を形成し且つ他の電池素子には動磁場を形成しないように配置される。

以上より、本実施形態では、電池２は、磁束密度の分布が互いに異なる動磁場を発生させる複数の磁場発生部２５を備え、各磁場発生部２５は一つの対応する電池素子内に動磁場を発生させるように各電池素子１０に隣接して配置されているといえる。この結果、より正確に各電池素子１０における劣化の異常を診断することができるようになる。

≪フローチャートの説明≫
図１５は、第二実施形態に係る電池２の各電池素子１０の異常診断を行う異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。このような異常診断制御は、インピーダンス検出装置７０及び交流電源７１によって自動的に行われる。しかしながら、このような異常診断制御は、同様な手順によりインピーダンス検出装置７０及び交流電源７１を手動で操作することによって行われてもよい。

異常診断が開始されると、まず、ステップＳ３１では、測定回数ｉが１に初期化される。次いで、ステップＳ３２〜Ｓ３６では、図１２のステップＳ１３〜Ｓ１７と同様な操作が行われる。

ステップＳ３７では、ステップＳ３６において算出された周波数ｆｉにおけるインピーダンス差Ｄｉが、基準値Ｄｉｒｅｆ異常であるか否かが判定される。ここで、基準値Ｄｉｒｅｆは、第ｉ電池素子において劣化の異常が発生していないときの周波数ｆｉにおけるインピーダンス差よりも大きな値となるように且つ劣化の異常が発生しているときの周波数ｆｉにおけるインピーダンス差よりも小さな値となるように、予め実験的に又は計算によって求められる。

ステップＳ３７においてインピーダンス差Ｄｉが基準値Ｄｉｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ３８へと進む。ステップＳ３８では、第ｉ電池素子に異常があると判定され、ステップＳ４０へと進む。一方、ステップＳ３７において、インピーダンス差Ｄｉが基準値Ｄｉｒｅｆ未満であると判定された場合には、ステップＳ３９へと進む。ステップＳ３９では、第ｉ電池素子には異常がないと判定され、ステップＳ４０へと進む。

ステップＳ４０では、測定回数ｉに１を加算したものが新たな測定回数ｉとされ、次いで、ステップＳ４１ではステップＳ３４において交流電源７１から流されていた交流電流が停止され、ステップＳ４２へと進む。ステップＳ４２では、測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多いか否かが判定される。このときの測定回数ｉは１であるため、ステップＳ４２では測定回数ｉは磁場発生部総数Ｎｃ以下であると判定され、ステップＳ３２へ戻される。

その後、ステップＳ３２からＳ４１が繰り返し実行されると、遂にはステップＳ４２によって算出される測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多くなる。このように測定回数ｉが磁場発生部総数Ｎｃよりも多くなると、制御ルーチンが終了せしめられる。

１電池
１０電池素子
１１第１電池素子
１２第２電池素子
１３第３電池素子
１４第４電池素子
２０磁場発生部
２１第１磁場発生部
２２第２磁場発生部
２３第３磁場発生部
３０ハウジング
３１正極端子
３２負極端子
３３磁場用第１端子
３４磁場用第２端子
７０インピーダンス検出装置
７１交流電源

Claims

直列に接続された複数の電池素子を備える電池の異常診断を行う異常診断方法であって、
前記電池は、磁束密度の分布が互いに異なる動磁場を発生させる複数の磁場発生部を備え、各磁場発生部は少なくとも一つの対応する電池素子内に動磁場を発生させるように各電池素子に隣接して配置され、
前記磁場発生部によって各電池素子内に動磁場を発生させた状態で、前記電池に周波数の異なる複数の交流信号が入力されたときの前記電池のインピーダンスを検出し、
検出されたインピーダンスに基づいて、前記電池を構成する電池素子のうち異常の発生している電池素子を特定する、異常診断方法。