WO2013018641A1

WO2013018641A1 - 蓄電装置温度測定方法

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Publication number: WO2013018641A1
Application number: PCT/JP2012/068927
Authority: WO
Inventors: 蛇口　広行
Original assignee: アルプス・グリーンデバイス株式会社
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-02-07
Also published as: EP2741060A1; EP2741060A4; KR20140028135A; EP2741060B1; JPWO2013018641A1; US9229061B2; JP5261622B1; US20130156072A1; CN103080712A; KR101609076B1; CN103080712B

Abstract

　蓄電装置の劣化状態の影響を受け、測定される内部インピーダンスの測定値が変動し、正確な蓄電装置の内部温度が得られない従来の蓄電装置の温度測定方法に対して、蓄電装置の内部温度を正確に測定するための蓄電装置の温度測定方法を提供することを目的とする。蓄電装置（１）のイオンが追従し難い周波数（例えば１０ｋＨｚ以上の周波数）の信号で、蓄電装置（１）の内部インピーダンスを測定し、内部インピーダンスの測定値から蓄電装置（１）の内部温度を算出することを特徴としている。

Description

蓄電装置温度測定方法

　本発明は、蓄電装置の温度を測定する方法に関し、特に、蓄電装置の内部温度を正確に測定するための蓄電装置温度測定方法に関する。

　リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置は様々な用途に利用され、例えば、携帯電話の電池パックやＰＣのバッテリ、或いは自動車のバッテリ等に広く適用されている。その際に、蓄電装置の状態、例えば劣化状態（ＳＯＨ；State Of Healthという）や残容量（ＳＯＣ；State Of Chargeという）を検知するのは大変重要な事項となっている。特に、自動車において、アイドリングストップを行う省エネ自動車やハイブリッド自動車、電気自動車等における蓄電装置の状態を検知することは、自動車の走行に深く関連しており、非常に重要なこととして注目されている。

　この蓄電装置の状態を検知するために、一般的に良く知られているのが、蓄電装置の電圧、電流及び温度を測定し、蓄電装置の劣化状態（ＳＯＨ）や残容量（ＳＯＣ）等を算出する方法である。この中でも蓄電装置の温度は、蓄電装置の劣化に大きな影響を与えるため、重要な測定パラメータである。

　蓄電装置の温度の測定方法の従来技術として、特許文献１のように、温度検出素子を蓄電装置に当てる或いは繋いで直接測定する方法が一般的に知られている。特許文献１では、温度検出素子にツェナーダイオ－ドを用い、ツェナーダイオ－ドを蓄電装置のプラス端子に接続し、蓄電装置のプラス端子から伝わる温度を正確に測定できるとしている。しかしながら、特許文献１（従来例１）では、蓄電装置の内部抵抗の自己発熱等により、温度検出素子の温度検出点（従来例１では蓄電装置のプラス端子）の温度と蓄電装置の内部の温度とに大きな差が生じる場合があり、蓄電装置の正確な温度を把握できないという問題があった。

　一方、熱電対などの温度検出素子で蓄電装置の温度を検知し、蓄電装置の内部インピーダンスを求めて蓄電装置の劣化状態（ＳＯＨ）を判定する装置（特許文献２）や、温度検出素子を用いずに蓄電装置の内部インピーダンスを求めて内部温度を決定する装置（特許文献３）が提案されている。

　特許文献２（従来例２）の装置は、蓄電装置の温度を調整する温度調整手段と、蓄電装置の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、算出された内部インピーダンスに基づいて蓄電装置の劣化状態を判定する劣化判定手段とから構成されている。そして、蓄電装置を温度調整手段によって所定範囲内の温度に調整した状態で、蓄電装置が所定周波数（１０Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下）の交流電流で充電又は放電されたときの内部インピーダンスの算出値と、蓄電装置の電圧及び蓄電装置の温度とに基づいて、予め蓄電装置の温度及び蓄電装置の電圧に対応させて設定した内部インピーダンスのマップを参照して、劣化状態の判定が行えるとしている。

　また、特許文献３（従来例３）の内部温度を決定する装置は、蓄電装置に時間変動する電気励起を付与するための電気励起回路と、その結果で時間変動する電気応答を検出するための応答検出回路と、入力された励起と応答信号から導出された電圧と電流信号を使用して内部温度を決定するための計算回路とから構成される。そして、時間変動する電気励起を異なる周波数（実施例では５Ｈｚ、７０Ｈｚ、１ｋＨｚ）で与え、測定されたインピーダンスを想定される等価回路に代入し、この等価回路の特定の要素値から蓄電装置の内部温度を算定するとしている。

特開平６－２６０２１５号公報特開２０１０－６７５０２号公報特表２００３－５０８７５９号公報

　しかしながら、従来例２では、蓄電装置の電解質におけるイオンの挙動の影響を受ける低い周波数（従来例２では１０Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下）で内部インピーダンスの測定をしているので、内部インピーダンスを正確に測定するため、温度の影響を受けないように蓄電装置を温度調整手段によって所定範囲内の温度に調整した状態で測定を行っている。この方法では、内部インピーダンスの測定により蓄電装置の内部温度を推定しようとしても、蓄電装置の劣化状態により、測定される内部インピーダンスの測定値は異なってくるので、正確な蓄電装置の内部温度が得られないという問題がある。

　また、従来例３では、残容量（ＳＯＣ）に対して変化の少ない周波数を測定に用いるのが好適としているが、従来例２と同様に、蓄電装置の電解質におけるイオンの挙動の影響を受ける低い周波数（従来例３では５Ｈｚ、７０Ｈｚ、１ｋＨｚ）で内部インピーダンスの測定をしているので、蓄電装置の劣化状態により、測定される内部インピーダンスの測定値が異なり、正確な蓄電装置の内部温度が得られないという問題がある。

　本発明は、上述した課題を解決するもので、蓄電装置の内部温度を正確に測定するための蓄電装置の温度測定方法を提供することを目的とする。

　本発明の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置内のイオンが追従し難い周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする。

　この構成によれば、電解質のイオンが追従し難い周波数で、蓄電装置の内部インピーダンスを測定した測定値から蓄電装置の内部温度を算出するので、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。このため、蓄電装置の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがない。このことにより、温度のみに依存する蓄電装置の内部インピーダンスを測定でき、蓄電装置の内部温度を正確に測定することができる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置は、正極集電体、前記電解質、セパレータ及び負極集電体を有し、前記周波数は、前記正極集電体、前記電解質、前記セパレータ及び前記負極集電体の少なくとも一つが電子伝導性の抵抗として測定される周波数であることが好ましい。この構成によれば、信号の周波数は、正極集電体、電解質、セパレータ及び負極集電体の少なくとも一つが、主としてイオン伝導ではない電子伝導性の抵抗として測定される周波数なので、蓄電装置の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがない。このことにより、電子伝導性の抵抗、言い換えると、インピーダンスにおけるレジスタンス（Ｒ、実部）が測定されるので、温度のみに依存する蓄電装置の抵抗を測定でき、蓄電装置の内部温度をより正確に測定することができる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、１０ｋＨｚ以上の周波数の信号で、蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することが好ましい。この構成によれば、１０ｋＨｚ以上の周波数で、蓄電装置の内部インピーダンスを測定した測定値から蓄電装置の内部温度を算出するので、電解質のイオンがこの周波数に対して追従することはなく、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。このため、蓄電装置の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に反映されることがない。このことにより、温度のみに依存する蓄電装置の内部インピーダンスを測定でき、蓄電装置の内部温度を正確に測定することができる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置に与えられたパルスが誘起する過渡応答に対して、フーリエ変換を利用して周波数成分に変換し、前記周波数における前記内部インピーダンスを算出し、算出した値を前記測定値とすることが好ましい。この構成によれば、蓄電装置に与えられたパルスが誘起する過渡応答のフーリエ変換を利用して、イオンが追従しない或いは１０ｋＨｚ以上の周波数における内部インピーダンスの算出値を測定値としたので、蓄電装置に高い周波数の信号を付与するための交流信号源を設ける必要がなく、蓄電装置に対して新たに高い周波数信号を与える必要もない。このことにより、測定のための交流信号源を準備する必要がなく、本発明の蓄電装置温度測定方法を用いた蓄電装置温度測定装置の製造コストを下げることができる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置が二次電池であることが好ましい。この構成によれば、蓄電装置が充放電を繰り返すタイプの二次蓄電装置であるので、蓄電装置の残容量や劣化状態がその都度違ってくる。本発明の蓄電装置温度測定方法では、蓄電装置の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に大きく反映されることがないので、このような蓄電装置を用いる場合でも、蓄電装置の内部温度を正確に測定することができる。さらに、二次電池が大容量の製品に適用された場合、大電流での充放電時に蓄電装置の内部発熱により、蓄電装置の内部温度と蓄電装置の表面温度との差が大きく生じるが、その際にも蓄電装置の内部温度を正確に測定することができる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置に接続される充電回路と前記蓄電装置との間に設けられるローパスフィルタにより、前記充電回路で生じる前記信号の周波数のノイズを除去することが好ましい。この構成によれば、蓄電装置に接続される充電回路と蓄電装置との間にローパスフィルタを設けるので、充電回路で生じる内部温度測定用の信号の周波数のノイズを除去できる。これにより、充電回路からのノイズによる内部インピーダンスの測定精度の低下を防止して、温度の算出精度を高く維持できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置に接続される負荷と前記蓄電装置との間に設けられるローパスフィルタにより、前記負荷で生じる前記信号の周波数のノイズを除去することが好ましい。この構成によれば、蓄電装置に接続される負荷と蓄電装置との間にローパスフィルタを設けるので、負荷で生じる内部温度測定用の信号の周波数のノイズを除去できる。これにより、負荷からのノイズによる内部インピーダンスの測定精度の低下を防止して、温度の算出精度を高く維持できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置に接続される電力変換器のスイッチ電源から生じる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することが好ましい。この構成によれば、電力変換器で発生する信号を用いて蓄電装置の内部インピーダンスを測定するので、内部温度測定用の信号を発生する信号源を別に設ける必要がない。このため、温度測定精度を高く維持しつつ、本発明の蓄電装置温度測定方法に用いる測定システムに要するコストを低減できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置のインピーダンスが前記蓄電装置側から見た前記蓄電装置に接続される充電回路のインピーダンスより小さくなる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することが好ましい。この構成によれば、蓄電装置のインピーダンスが充電回路のインピーダンスより小さくなる周波数の信号で蓄電装置の内部インピーダンスを測定するので、内部インピーダンスの測定において充電回路の影響が小さくなる。これにより、内部インピーダンスの測定精度を高め、高精度に温度を算出できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、蓄電装置のインピーダンスが前記蓄電装置側から見た前記蓄電装置に接続される負荷のインピーダンスより小さくなる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することが好ましい。この構成によれば、蓄電装置のインピーダンスが負荷のインピーダンスより小さくなる周波数の信号で蓄電装置の内部インピーダンスを測定するので、内部インピーダンスの測定において負荷の影響が小さくなる。これにより、内部インピーダンスの測定精度を高め、高精度に温度を算出できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置に接続される位相補償回路により、前記周波数の信号による電流の位相と電圧の位相とが揃えられることが好ましい。この構成によれば、蓄電装置に接続される位相補償回路により、電流の位相と電圧の位相とを揃えることで、検出装置の性能が高くなくとも、蓄電装置の内部インピーダンスを精度良く計測できる。このため、温度測定精度を高く維持しつつ、本発明の蓄電装置温度測定方法に用いる測定システムに要するコストを低減できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記蓄電装置と前記位相補償回路とにより、共振回路が構成されることが好ましい。この構成によれば、蓄電装置と位相補償回路とで直列共振回路が構成されることで、共振周波数においてインピーダンスの虚部を０にできる。このため、共振周波数の信号により、蓄電装置の内部インピーダンスの抵抗成分のみを検出可能である。また、蓄電装置と位相補償回路とで並列共振回路が構成されることで、蓄電装置の内部インピーダンスの僅かな変動を共振によって増幅できる。このため、Ｓ／Ｎが高くなり、内部インピーダンスを精度良く計測できる。

　また、本発明の蓄電装置温度測定方法において、前記位相補償回路は、キャパシタを備えることが好ましい。この構成によれば、位相補償回路は、キャパシタを含んで構成されるので、簡単な構成の位相補償回路で、電流の位相と電圧の位相とを揃えることができる。

　本発明の蓄電装置温度測定方法は、前記蓄電装置の内部インピーダンスのインダクタンス成分が、キャパシタンス成分より支配的となる周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする。

　本発明の蓄電装置温度測定方法は、前記蓄電装置の内部インピーダンスの抵抗成分が温度の上昇に伴い大きくなる周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする。

　本発明により、蓄電装置の内部温度を正確に測定するための蓄電装置の温度測定方法を提供できる。

本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための別の測定システムのブロック図である。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、リチウムイオン二次電池の構造模式図である。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置における抵抗の時間依存性を表したグラフの一例である。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、リチウムイオン二次電池の等価回路図である。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置に供給される信号の周波数と、内部インピーダンスの実部（抵抗）との関係の一例を示すグラフである。本発明の第２実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。本発明の第４実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。本発明の第５実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。本発明の第６実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。本発明の第６実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、電流の位相と電圧の位相とが揃う様子を示すグラフである。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法の変形例１を説明する図であって、蓄電装置の内部温度を測定するための測定システムのブロック図である。

　以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

　［第１実施形態］
　図１Ａは、本発明の第１実施形態の蓄電装置の温度測定方法（蓄電装置温度測定方法）を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０１のブロック図である。図１Ｂは、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システムＡ１０１のブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、リチウムイオン二次電池Ｌ１の構造模式図である。図３は、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１における抵抗の時間依存性を表したグラフの一例である。図４は、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、リチウムイオン二次電池Ｌ１の等価回路図である。図５は、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１に供給される信号の周波数と、内部インピーダンスの実部（抵抗成分）との関係の一例を示すグラフである。

　本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法は、図１Ａに示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０１、又は図１Ｂに示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システムＡ１０１を用いて行う方法である。測定システム１０１は、図１Ａに示すように、蓄電装置１に高い周波数の信号を付与するための交流信号源部５と、その結果で応答する電流及び電圧を検出する電流検出部４及び電圧検出部６と、入力された高い周波数信号と検出された電流及び電圧とを使用して内部温度を算出する内部温度算出部７とから構成される。また、測定システムＡ１０１は、図１Ｂに示すように、測定システム１０１と同様の構成を有しており、例えば、１００ｋＨｚ以上の高い周波数で蓄電装置の温度を測定する場合に用いられる。測定システムＡ１０１において、交流信号源部５は、キャパシタを介して負荷と並列に接続されており、蓄電装置１の電流経路には配置されていない。これにより、電流経路の直流抵抗を低く抑えて電力損失を低減できる。

　蓄電装置１は、例えば、リチウムイオン二次電池等の充電可能な化学電池であるが、電気二重層キャパシタのようにイオンを利用して電気エネルギーを蓄えることのできる装置も含まれる。一般的に、蓄電装置１は、主に正極集電体Ａ１、負極集電体Ｃ１、電解質Ｅ１及びセパレータＳ１とから構成され、例えばリチウムイオン二次電池Ｌ１の場合、図２に示すように、上述した構成要素の他に、正極集電体Ａ１側の電気をためる物質である正極活物質Ａ５１、負極集電体Ｃ１側の電気をためる物質である負極活物質Ｃ５１、電気の流れを良くするために加える導電助材Ｄ５１、バインダーである結着材等を有している。リチウムイオン二次電池Ｌ１の場合、正極集電体Ａ１としてアルミニウム（Ａｌ）、負極集電体Ｃ１として銅（Ｃｕ）、電解質Ｅ１として有機系の溶媒（Ｃ４Ｈ６Ｏ３等）とリチウム塩（ＬｉＰＦ６等）の溶質とから構成される溶液、正極活物質Ａ５１としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、負極活物質Ｃ５１として炭素（Ｃ）が最も使用されている。負極活物質Ｃ５１の炭素（Ｃ）には、層状に形成された黒鉛の結晶を用いており、層と層の間にリチウムがイオンの状態で蓄えられているのが特徴である。

　交流信号源部５は、およそ１ｋＨｚ以上の高い周波数の信号を発生させるためのものである。電流検出部４は、蓄電装置１が接続され負荷９がかかっている回路の間に接続されている。そして、電流検出部４は、電流を検出するための電流センサと電流センサの制御回路とから主に構成され、電流を検出している。電流センサとして、例えば、磁気抵抗素子を用いた小型電流センサを用いることができる。電圧検出部６は、蓄電装置１の電圧を検出している。内部温度算出部７は、入力された高い周波数信号と検出された電流及び電圧とを使用して、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定し、内部インピーダンスの測定値から蓄電装置１の内部温度を算出している。

　この蓄電装置１の測定は、前述したように、蓄電装置１におけるイオンの挙動の影響を大きく受けることが良く知られている。図３は、蓄電装置１の抵抗値を測定した際の、応答時間と得られた抵抗値との関係の一例を示したグラフである。図３に示すように、応答時間が約０.２ｍ秒以下では、得られる蓄電装置１の抵抗値は、イオン応答が追従しないので、蓄電装置１の構成要素の純粋な抵抗値、所謂電子伝導性の抵抗値を合計した値として得られる（図中の領域ＺＡ）。応答時間が約０.２ｍ秒以上になると、負極界面でのイオンとの反応抵抗などが見られ、上記の電子伝導性の抵抗値に加え反応による抵抗値が加算されてくる（図中の領域ＺＢ）。更に、応答時間が約１０ｍ秒以上になると、正極界面でのイオンとの反応抵抗が見られ、上記の電子伝導性の抵抗値に加え反応による抵抗値が更に加算されてくる（図中の領域ＺＣ）。そして、応答時間が約１秒以上になると、イオンの拡散が行われるようになるので、拡散による抵抗値が更に加算されてくる（図中の領域ＺＤ）。このように、蓄電装置１の抵抗値の測定は、イオンの挙動の影響を大きく受け、しかも応答時間とも大きく関連している。

　図４は、リチウムイオン二次電池Ｌ１の等価回路図である。図４において、Ｌａ及びＲａは、それぞれ正極集電体Ａ１のインダクタンス及び電気抵抗を示し、Ｃａ及びＲｂは、それぞれ正極部分の反応に依存する静電容量及び電気抵抗を示し、Ｒｃは、電解質Ｅ１に起因する電気抵抗を示し、Ｃｂ及びＲｄは、それぞれセパレータＳ１を通過するイオンに起因する静電容量及び電気抵抗を示し、Ｃｃ及びＲｅは、それぞれ負極部分の反応に依存する静電容量及び電気抵抗を示し、Ｌｂ及びＲｆは、それぞれ負極集電体Ｃ１のインダクタンス及び電気抵抗を示す。

　図４に示すように、リチウムイオン二次電池Ｌ１の内部インピーダンスにおいて、イオンの挙動の影響が大きいのは、正極部分の反応に依存するＣａ，Ｒｂ、セパレータＳ１を通過するイオンに起因するＣｂ，Ｒｄ、及び負極部分の反応に依存するＣｃ，Ｒｅである。本発明者は、この点に着目し、正極部の反応に依存するＣａ，Ｒｂ、セパレータＳ１を通過するイオンに起因するＣｂ，Ｒｄ、及び負極部の反応に依存するＣｃ，Ｒｅの影響が十分に低減される条件を実現できれば、内部インピーダンスを精度良く測定できるのではないかと考えた。

　すなわち、本発明の骨子は、蓄電装置１（例えば、リチウムイオン二次電池Ｌ１）においてインダクタンスが支配的となる高い周波数の信号を用いて内部インピーダンスを測定することである。このような高い周波数では、Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃは実質的に短絡されるので、イオンの挙動による影響が十分に低減された状態で内部インピーダンスを測定できる。

　上述の技術的思想に基づき、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置１のイオンの影響が少ない、或いはイオンの影響を受けない応答時間で測定したことを特徴としている。つまり、蓄電装置１のイオンが追従し難い周波数の信号を用いて、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定し、内部インピーダンスの測定値から、蓄電装置１の内部温度を算出するようにした。イオンが追従し難い周波数、具体的には約５ｋＨｚ（図３に示す応答時間約０.２ｍ秒に相当する）以上の信号で測定すると応答時間を短くすることができるので、イオンの挙動による影響を無くすことができ、蓄電装置１の構成要素の純粋な内部インピーダンスを測定することができる。このように測定される内部インピーダンスは、温度のみに依存しているので、内部インピーダンスの測定値から、蓄電装置１の内部温度を精度良く算出することができる。すなわち、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に大きく反映されることがないので、温度にのみ依存する蓄電装置１の内部インピーダンスを測定でき、蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。このように、本発明によって、蓄電装置１の内部温度を正確に測定するための温度測定方法を提供できる。

　また、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法で用いた信号の周波数は、インダクタンスが支配的となる程度に高くなっており、正極集電体Ａ１、電解質Ｅ１、セパレータＳ１及び負極集電体Ｃ１の少なくとも一つが、主としてイオン伝導ではない電子伝導性の抵抗として測定されるので、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがない。しかも、主として電子伝導性の抵抗、言い換えると、インピーダンスにおけるレジスタンス（Ｒ、実部）が測定されるので、温度にのみ依存する蓄電装置１の抵抗を測定でき、蓄電装置１の内部温度をより正確に測定することができる。

　ここで、イオン伝導の抵抗と電子伝導の抵抗とは、インピーダンスの抵抗成分の温度依存性に基づいて見分けることができる。イオン伝導の場合、温度が高くなるほどイオンの移動度が大きくなり、インピーダンスの抵抗成分は小さくなる（つまり、インピーダンスの抵抗成分の温度依存性が負）。電子伝導の場合、特に金属の場合には、温度が高くなるほど電子の散乱が大きくなり、インピーダンスの抵抗成分は大きくなる（つまり、インピーダンスの抵抗成分の温度依存性が正）。従って、インピーダンスの抵抗成分が温度の上昇に伴い大きくなるような周波数（インピーダンスの抵抗成分の温度依存性が正となる周波数）を用いることで、同様に温度にのみ依存する蓄電装置１の抵抗を測定でき、蓄電装置１の内部温度をより正確に測定することが可能である。

　また、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法で測定した蓄電装置１は、例えば、充放電を繰り返すタイプの二次電池であるので、蓄電装置１の残容量や劣化状態がその都度違ってくる。本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に大きく反映されることがないので、このような蓄電装置１を用いる場合でも、蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。さらに、蓄電装置１が大容量の製品に適用された場合、大電流での充放電時に蓄電装置１の内部発熱により、蓄電装置１の内部温度と蓄電装置１の表面温度との差が大きく生じるが、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法は、その際にも蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。

　図５は、蓄電装置１に供給される信号の周波数と、内部インピーダンスの実部（抵抗）との関係の一例を示すグラフである。図５においては、充電率が２５％，５０％，７５％，１００％、温度が０℃，２０℃，４０℃のそれぞれの条件における関係を示している。図５から、インダクタンスが支配的となる高い周波数では、内部インピーダンスは主に温度に依存し、充電率に依存しないことが確認できる。なお、インピーダンスの測定精度を高めるためには、測定に用いる信号の周波数は１０ｋＨｚ以上とするのが好ましく、１００ｋＨｚ以上とするとより好ましい。一方、インピーダンスの測定の容易性を考慮すれば、信号の周波数は１ＭＨｚ以下に抑えるのが望ましい。

　以上により、本実施形態の蓄電装置温度測定方法は、イオンが追従し難い周波数で、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定した測定値から蓄電装置１の内部温度を算出するので、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。このため、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがない。このことにより、温度のみに依存する蓄電装置１の内部インピーダンスを測定でき、蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。

　また、信号の周波数は、正極集電体Ａ１、電解質Ｅ１、セパレータＳ１及び負極集電体Ｃ１の少なくとも一つが、主としてイオン伝導ではない電子伝導性の抵抗として測定される周波数なので、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがない。このことにより、電子伝導性の抵抗、言い換えると、インピーダンスにおけるレジスタンス（Ｒ、実部）が測定されるので、温度のみに依存する蓄電装置１の抵抗を測定でき、蓄電装置１の内部温度をより正確に測定することができる。

　また、蓄電装置１が充放電を繰り返すタイプの二次電池の場合でも、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に大きく反映されることがないので、蓄電装置の内部温度を正確に測定することができる。さらに、蓄電装置１が大容量の製品に適用された場合、大電流での充放電時に蓄電装置１の内部発熱により、蓄電装置１の内部温度と蓄電装置１の表面温度との差が大きく生じるが、その際にも蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。

　［第２実施形態］
　図６は、本発明の第２実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０２のブロック図である。第２実施形態の蓄電装置温度測定方法は、第１実施形態に対し、蓄電装置１に与えられたパルスから周波数成分に変換する変換部８を設けている点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　本発明の第２実施形態の蓄電装置温度測定方法は、図６に示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０２を用いて行う方法である。この測定システム１０２は、図６に示すように、スイッチ・オン等のトリガーＴＲから蓄電装置１に与えられたパルスから周波数成分に変換する変換部８と、蓄電装置１に与えられたパルスに応答する電流及び電圧を検出する電流検出部４及び電圧検出部６と、入力された高い周波数信号と検出された電流及び電圧とを使用して内部温度を算出する内部温度算出部７とから構成される。

　上述したトリガーＴＲとして、例えば自動車の場合、エンジン始動時のスイッチ・オンや、回生ブレーキがかけられた時の充電時、蓄電装置１の急速充電時等が挙げられる。この際に発生するパルス信号が蓄電装置１に与えられるが、このパルスが誘起する過渡応答に対して、フーリエ変換を利用して周波数成分に変換することができる。パルス信号に含まれる周波数の中から、蓄電装置１のイオンが追従し難い周波数を選択し、この周波数における蓄電装置１の内部インピーダンスを算出し、算出した値を測定値とすることにより、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。このため、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが大きく測定値に反映されることがないので、蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。

　以上により、本実施形態の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置１に高い周波数の信号を付与するための交流信号源を設ける必要がなく、蓄電装置１に対して新たに高い周波数信号を与える必要もない。このことにより、測定のための交流信号源を準備する必要がなく、本発明の蓄電装置温度測定方法を用いた蓄電装置温度測定装置の製造コストを下げることができる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　［第３実施形態］
　第３実施形態の蓄電装置温度測定方法は、第１実施形態に対し、図１の交流信号源部５の仕様が異なり、１０ｋＨｚ以上の周波数の信号を発生させる。この１０ｋＨｚ以上の周波数の信号で測定するので、応答時間が０.１ｍ秒以下となり、図３に示すように、蓄電装置１のイオンがこの周波数に対して追従しなくなり、蓄電装置１の構成要素の純粋な抵抗値、所謂電子伝導性の抵抗値を合計した値が得られる。これにより、１０ｋＨｚ以上の周波数における蓄電装置１の内部インピーダンスを算出し、算出した値を測定値としたことにより、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。

　以上により、本実施形態の蓄電装置温度測定方法は、１０ｋＨｚ以上の周波数で、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定した測定値から蓄電装置１の内部温度を算出するので、蓄電装置１のイオンがこの周波数に対して追従することはなく、イオンの挙動の違いによる温度誤差が測定されることはない。このため、蓄電装置１の残容量や劣化状態の違いによるイオンの挙動の違いが測定値に反映されることがない。このことにより、温度にのみ依存する蓄電装置１の内部インピーダンスを測定でき、蓄電装置１の内部温度を正確に測定することができる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　［第４実施形態］
　図７は、本発明の第４実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０４のブロック図である。第４実施形態の蓄電装置温度測定方法は、第１実施形態に対し、負荷９及び充電回路１１で生じる高周波数のノイズを除去するためのローパスフィルタ１２ａ，１２ｂを用いる点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第４実施形態の蓄電装置温度測定方法は、図７に示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０４を用いて行う方法である。測定システム１０４は、図７に示すように、蓄電装置１に高い周波数の信号を付与するための交流信号源部５と、電流及び電圧を検出する電流検出部４及び電圧検出部６と、交流信号源部５から入力される高い周波数の信号と、電流検出部４及び電圧検出部６で検出される電流及び電圧とを用いて蓄電装置１の内部温度を算出する内部温度算出部７とを備えている。

　蓄電装置１には、スイッチＳＷａを介して、電力の供給先である負荷９と、蓄電装置１を充電する充電回路１１とが接続されている。スイッチＳＷａにより、蓄電装置１の放電時には蓄電装置１と負荷９とが接続され、蓄電装置１の充電時には蓄電装置１と充電回路１１とが接続される。負荷９は、代表的には、蓄電装置１の直流電力を交流電力に変換するインバータなどの電力変換器である。負荷９には、リップル電流を抑制するためのキャパシタ１３が並列に接続されている。

　負荷９には、ローパスフィルタ１２ａが直列に接続されている。ローパスフィルタ１２ａは、負荷９と蓄電装置１との間に設けられており、負荷９において発生する信号の高周波数成分（ノイズ）を除去する。なお、ローパスフィルタ１２ａは、リップル電流を抑制するためのキャパシタ１３より蓄電装置１側に設けられている。同様に、充電回路１１には、ローパスフィルタ１２ｂが直列に接続されている。ローパスフィルタ１２ｂは、充電回路１１と蓄電装置１との間に設けられており、充電回路１１において発生する信号の高周波数成分（ノイズ）を除去する。

　測定システム１０４において、内部温度を測定するために用いられる信号の周波数は、ローパスフィルタ１２ａ，１２ｂの通過帯域より高くなっている。つまり、負荷９や充電回路１１で発生する信号の高周波数成分（ノイズ）は、ローパスフィルタ１２ａ，１２ｂで除去されて、電流検出部４及び電圧検出部６の検出精度に影響を与えない。このため、負荷９や充電回路１１からの信号による内部温度の測定精度の低下を防止できる。

　このように、本実施形態の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置１に接続される負荷９と蓄電装置１との間にローパスフィルタ１２ａを設け、又は、蓄電装置１に接続される充電回路１１と蓄電装置１との間にローパスフィルタ１２ｂを設けることで、内部温度測定用の信号と同じ周波数のノイズを除去できる。これにより、負荷９又は充電回路１１からのノイズによる内部温度の測定精度の低下を防止できる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　［第５実施形態］
　図８は、本発明の第５実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０５のブロック図である。第５実施形態の蓄電装置温度測定方法は、第１実施形態に対し、負荷９で発生する高周波数の信号を用いて蓄電装置１の内部インピーダンスを測定する点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第５実施形態の蓄電装置温度測定方法は、図８に示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０５を用いて行う方法である。測定システム１０５には、図８に示すように、蓄電装置１から電力が供給される負荷９が接続されている。負荷９は、代表的には、蓄電装置１の直流電力を交流電力に変換するインバータやＤＣ－ＤＣコンバータなどの電力変換器であり、スイッチ周波数の固定されたスイッチ電源（不図示）を備えている。負荷９のスイッチ電源は、蓄電装置１の内部温度の測定に適した高周波数の信号（例えば、リップル電流）を発生できるように構成されている。

　また、測定システム１０５は、負荷９のスイッチ電源からの信号で生じる電流及び電圧を検出する電流検出部４及び電圧検出部６と、負荷９から入力された高い周波数の信号と、電流検出部４及び電圧検出部６で検出された電流及び電圧とを用いて蓄電装置１の内部温度を算出する内部温度算出部７とを備えている。

　本実施形態の蓄電装置温度測定方法では、負荷９で発生する高周波数の信号を用いて蓄電装置１の内部インピーダンスを測定するので、第１実施形態の測定システム１０１，Ａ１０１のような交流信号源部５を設ける必要がない。このため、温度測定精度を高く維持しつつ、測定システムに要するコストを低減できる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　［第６実施形態］
　図９は、本発明の第６実施形態の蓄電装置温度測定方法を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０６のブロック図である。第６実施形態の蓄電装置温度測定方法は、第１実施形態に対し、電流の位相と電圧の位相とを揃えるための位相補償回路１４を用いる点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第６実施形態の蓄電装置温度測定方法は、図９に示す蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システム１０６を用いて行う方法である。測定システム１０６は、図９に示すように、蓄電装置１に高い周波数の信号を付与するための交流信号源部５と、交流信号源部５からの信号による電流及び電圧を検出する電流検出部４及び電圧検出部６と、入力された高い周波数信号と検出された電流及び電圧とを用いて蓄電装置１の内部温度を算出する内部温度算出部７とを備えている。

　蓄電装置１には、交流信号源部５からの高い周波数の信号で生じる電流及び電圧の位相を揃えるための位相補償回路１４が接続されている。通常、蓄電装置１の内部インピーダンスを求めるには、電流と電圧との位相差を計測するために時間分解能の高い電流検出部４及び電圧検出部６が必要となる。これに対して、本実施形態の測定システム１０６では、位相補償回路１４によって電流と電圧との位相が揃えられるので、電流検出部４及び電圧検出部６の時間分解能が高くなくとも、蓄電装置１の内部インピーダンスの抵抗成分（実部）を精度良く計測できる。また、電流と電圧の位相差を算出する必要がないので蓄電装置１の内部インピーダンスをリアルタイムに計測できる。

　位相補償回路１４は、蓄電装置１と位相補償回路１４とで直列共振回路を構成するように設けられるのが好ましい。この場合、共振周波数においてインピーダンスの虚部を０にできるので、共振周波数の信号を用いれば、蓄電装置１の内部インピーダンスの抵抗成分のみを検出できる。また、位相補償回路１４は、蓄電装置１と位相補償回路１４とで並列共振回路を構成するように設けられるのが好ましい。この場合、蓄電装置１の内部インピーダンスの僅かな変動を共振によって増幅できるので、Ｓ／Ｎが高くなり、内部インピーダンスを精度良く計測できる。また、本実施の形態の蓄電装置温度測定方法に用いられる周波数において、蓄電装置１のインピーダンスはインダクタンス成分が支配的となるため、位相補償回路１４は、キャパシタを含んで構成されることが好ましい。この場合、簡単な構成の位相補償回路１４で、電流と電圧との位相を揃えることができる。

　図１０は、蓄電装置１と位相補償回路１４とで構成される共振回路により、電流の位相と電圧の位相とが揃う様子を示すグラフである。図１０では、交流信号源部５を定電流源として、周波数が３００ｋＨｚで、最大値及び最小値が±２０ｍＡの交流電流を発生させた場合を例示している。図１０に示すように、位相補償回路１４を用いることで、電流（破線）の位相と電圧（実線）の位相とが揃えられるのが分かる。

　このように、本実施形態の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置１に接続される位相補償回路１４で電流の位相と電圧の位相とを揃えることにより、検出装置の性能が高くなくとも、蓄電装置１の内部インピーダンスを精度良く計測できる。このため、温度測定精度を高く維持しつつ、測定システムに要するコストを低減できる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　［第７実施形態］
　第７実施形態の蓄電装置温度測定方法は、例えば、図７に示す測定システム１０４において、蓄電装置１のインピーダンスが、蓄電装置１側から見た充電回路１１のインピーダンスより小さくなる条件で、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定する。また、例えば、図８に示す測定システム１０５において、蓄電装置１のインピーダンスが、蓄電装置１側から見た負荷９のインピーダンスより小さくなる条件で、蓄電装置１の内部インピーダンスを測定する。

　具体的には、蓄電装置１のインピーダンスをＺ１、蓄電装置１側から見た負荷９のインピーダンスをＺ２、蓄電装置１側から見た充電回路１１の負荷をＺ３として、測定に用いられる周波数において、Ｚ１＜Ｚ２、又はＺ１＜Ｚ３を満たすようにする。この場合、蓄電装置１以外の構成の影響は小さくなるので、内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。その結果、高い温度測定精度を実現できる。本実施形態に係る構成及び方法は、他の実施形態に係る構成及び方法と適宜組み合わせて実施できる。

　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

　＜変形例１＞
　図１１は、本発明の第１実施形態の蓄電装置温度測定方法の変形例１を説明する図であって、蓄電装置１の内部温度を測定するための測定システムＣ１０１のブロック図である。上記第１実施形態の測定システム１０１の測定系に、図１１に示すように、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２を設けた測定システムＣ１０１であっても良い。これによれば、測定の際に負荷９の影響を受ける場合は、負荷９を駆動しなくても良いタイミングで、スイッチＳＷ１を開きスイッチＳＷ２を閉じて測定することにより、より精度が高い測定値を得ることができる。

　本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

　本発明の蓄電装置温度測定方法は、蓄電装置の劣化状態（ＳＯＨ）や残容量（ＳＯＣ）を求める際に有用である。

　本出願は、２０１１年８月１日出願の特願２０１１－１６８５１８に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

　蓄電装置内のイオンが追従し難い周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置は、正極集電体、前記電解質、セパレータ及び負極集電体を有し、
　前記周波数は、前記正極集電体、前記電解質、前記セパレータ及び前記負極集電体の少なくとも一つが電子伝導性の抵抗として測定される周波数であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置温度測定方法。
　１０ｋＨｚ以上の周波数の信号で、蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置に与えられたパルスが誘起する過渡応答に対して、フーリエ変換を利用して周波数成分に変換し、前記周波数における前記内部インピーダンスを算出し、算出した値を前記測定値としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置が二次電池であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置に接続される充電回路と前記蓄電装置との間に設けられるローパスフィルタにより、前記充電回路で生じる前記信号の周波数のノイズを除去することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置に接続される負荷と前記蓄電装置との間に設けられるローパスフィルタにより、前記負荷で生じる前記信号の周波数のノイズを除去することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置に接続される電力変換器のスイッチ電源から生じる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置のインピーダンスが前記蓄電装置側から見た前記蓄電装置に接続される充電回路のインピーダンスより小さくなる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置のインピーダンスが前記蓄電装置側から見た前記蓄電装置に接続される負荷のインピーダンスより小さくなる前記周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置に接続される位相補償回路により、前記周波数の信号による電流の位相と電圧の位相とが揃えられることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置と前記位相補償回路とにより、共振回路が構成されることを特徴とする請求項１１に記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記位相補償回路は、キャパシタを備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置の内部インピーダンスのインダクタンス成分が、キャパシタンス成分より支配的となる周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする蓄電装置温度測定方法。
　前記蓄電装置の内部インピーダンスの抵抗成分が温度の上昇に伴い大きくなる周波数の信号で、前記蓄電装置の内部インピーダンスを測定し、前記内部インピーダンスの測定値から前記蓄電装置の内部温度を算出することを特徴とする蓄電装置温度測定方法。