WO2013114669A1 - 充電量検出装置 - Google Patents

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大輔 木庭
幸大 武田
前川　活徳
逢坂　哲彌
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プライムアースＥｖエナジー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery charge amount detection device, and more particularly to a technique for performing complex impedance analysis of the charge amount of a secondary battery.
  • Patent Document 1 in a method of measuring a discharge state of a battery having an internal impedance, a first internal impedance of the battery is measured at a first frequency, and a second internal impedance of the battery is measured at a second frequency. It is described that a difference between the first internal impedance and the second internal impedance is obtained, and a declination or argument of the difference between the internal impedances is obtained to express a declination or argument representing a state of discharge of the battery. . Moreover, it is described that the lower one of the first frequency and the second frequency is between 0.1 and 10 Hz.
  • an AC voltage is applied to the secondary battery to detect an electric quantity related to the impedance of the secondary battery or an electric quantity related to the maximum output density, and the secondary battery is based on the electric quantity. It is described that the performance is determined. Further, it is described that the electric quantity is an AC impedance-related electric quantity related to an AC impedance component composed of a component that varies depending on the frequency of the AC voltage in the impedance of the secondary battery. Also, an AC voltage having a large number of frequency values within a predetermined frequency band is applied to the secondary battery, and the real axis component value and the imaginary axis component value of the impedance of the secondary battery are obtained for each frequency value.
  • the electric quantity related to the impedance is calculated from the value and the imaginary axis component value. Further, it is described that the AC impedance component is calculated based on the diameter of the circular arc locus of the impedance in a two-dimensional plane having the real axis component value and the imaginary axis component value as axes.
  • the above document describes that the state of the battery is detected by impedance, but the battery state is detected from the impedance of the so-called charge transfer resistance region, and the battery state is always sufficiently detected. I could not say. For example, in a nickel metal hydride battery, even if the SOC changes, there is no change in the impedance of the charge transfer resistance region. Therefore, the SOC cannot be estimated from the impedance of the charge transfer resistance region.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus that can detect the amount of charge of a battery with high accuracy by complex impedance analysis of the battery.
  • the present invention is an apparatus for detecting the amount of charge of a battery, and includes two measuring means for measuring a complex impedance in the diffusion region of the battery, and two different frequencies in the diffusion region of the battery measured by the measurement unit.
  • the detector includes a detecting unit that calculates the inclination angle of the straight line or the approximate line connecting the complex impedances, and a storage unit that stores in advance the relationship between the inclination angle and the charge amount, and the detecting unit calculates the calculated inclination angle.
  • the charge amount of the battery is detected using the relationship between the tilt angle and the charge amount stored in the storage means.
  • the present invention is an apparatus for detecting the amount of charge of a battery, the frequency of which is the same as the frequency of a reference complex impedance that is a complex impedance in a diffusion region of a base battery serving as a reference when comparing the batteries.
  • Measuring means for measuring the complex impedance in the diffusion region of the battery detecting means for detecting the distance between the reference complex impedance and the complex impedance measured by the measuring means, and the relationship between the distance and the charge amount in advance.
  • the detection unit in addition to the distance between the reference complex impedance and the complex impedance measured by the measurement unit, includes the reference complex impedance and the complex impedance measured by the measurement unit. Detect the tilt angle of the straight line connecting
  • the storage means further stores in advance the relationship between the tilt angle and the charge amount, and the detection means includes the calculated distance and the distance stored in the storage means.
  • the charge amount of the battery is detected using the calculated tilt angle and the relationship between the tilt angle stored in the storage means and the charge amount.
  • the charge amount of the battery to be detected can be detected with high accuracy by the complex impedance analysis of the battery. Therefore, for example, when the battery mounted on the vehicle is accurately controlled or the battery is reused, the reuse efficiency can be improved by applying the present invention.
  • the secondary battery charge amount detection device In the secondary battery charge amount detection device according to the present embodiment, the secondary battery charge amount is detected by paying attention to the behavior in a specific frequency region out of the complex impedance behavior of the secondary battery.
  • a nickel-metal hydride battery Ni-MH battery
  • the present invention is not limited to this, and for example, other alkaline batteries and non-aqueous batteries such as lithium batteries can also be used. Is available.
  • FIG. 1 shows a complex impedance curve obtained by connecting respective complex impedances of an equivalent circuit when an alternating voltage is applied to a battery in a discharged state while changing the frequency.
  • Equivalent circuits and complex impedances are well known and are described in, for example, Patent Document 2 described above.
  • the impedance of a battery is an equivalent circuit in which a DC impedance component and an AC impedance component are connected in series.
  • the AC impedance component is equivalent to a parallel circuit of a resistor and a capacitor.
  • Zreal (Zr) is the real axis component of the complex impedance
  • Zimg (Zi) is the imaginary axis component of the complex impedance.
  • FIG. 1 is a two-dimensional representation of the real and imaginary axis components of the complex impedance of a battery, with the paired data of the real and imaginary axis components, the horizontal axis representing the real axis component Zr and the vertical axis representing the imaginary axis component Zi.
  • the circle mark indicates 0.1 Hz
  • the diamond mark indicates 1 Hz
  • the triangle mark indicates 10 Hz
  • the square mark indicates 100 Hz.
  • the region having a low frequency is a region composed of complex impedance in which material diffusion is involved, and in this embodiment is referred to as a region composed of complex impedance in the diffusion region.
  • the complex impedance curve shown in FIG. 1 is composed of a curve portion (charge transfer resistance region) indicating a high-frequency side arc and a substantially linear portion, but at a frequency lower than the inflection point. This part (substantially linear part) is a region constituted by complex impedance in the diffusion region.
  • the present invention detects the amount of charge (SOC) of the battery using the complex impedance of the diffusion region described above.
  • SOC charge amount
  • the charge amount (SOC) of the battery 10 is detected using a slope angle of a straight line connecting two complex impedances having different frequencies in the diffusion region (hereinafter referred to as a slope angle of the complex impedance in the diffusion region). That is, as shown in FIG. 1, the inclination angle of the complex impedance in the diffusion region changes according to the capacities of the positive electrode and the negative electrode, that is, there is a correlation between the SOC and the inclination angle. By utilizing this, it is possible to evaluate the SOC of the battery 10 from the inclination angle of the complex impedance in the diffusion region. In the present embodiment, such SOC detection will be described.
  • FIG. 2 shows a configuration diagram of the charge amount detection device of the present embodiment.
  • the charge amount detection device includes an impedance measuring device (or impedance analyzer) 12 that is a measuring unit that measures the complex impedance of the battery 10 by applying an AC voltage to the battery 10 to be detected, and the battery measured by the impedance analyzer 12. Data of two complex impedances having different frequencies in the ten diffusion regions are supplied, and a CPU of a computer 14 serving as detection means for calculating the inclination angle of a straight line connecting these complex impedance data is provided.
  • the computer 14 further includes a memory that is a storage unit that stores in advance the relationship between the tilt angle and the charge amount.
  • FIG. 3 shows a processing flowchart of the present embodiment.
  • a measurement electrode is connected to the battery 10, an AC voltage is applied, and the complex impedance of the battery 10 is measured by the impedance measuring device 12 (S201).
  • the frequency of the alternating voltage to be applied to the battery 10 is at least two frequencies in the diffusion region, for example, 0.1 Hz and 0.5 Hz, but is not limited thereto.
  • the computer 14 calculates the inclination of the diffusion region, that is, the inclination angle of the graph (Nyquist plot) in FIG. 4 and the like using the complex impedance data at the two frequencies obtained by the impedance measuring device 12 (S202). .
  • the inclination angle may be either a mathematical or graphic (geometric) method.
  • the complex impedance at a relatively high frequency is a first complex impedance and the complex impedance at a relatively low frequency is a second complex impedance, the first and second complex impedances are connected. Calculate the inclination angle of the straight line.
  • the computer 14 compares the relationship between the SOC and the tilt angle stored in advance in the memory with the calculated tilt angle (S203), and determines the SOC of the battery 10 according to the comparison result. (S204).
  • the relationship between the SOC and the tilt angle the SOC and the tilt angle of a plurality of batteries are measured in advance, and the relationship between the two is defined as a function or a table and stored in a memory.
  • FIG. 4 shows the complex impedance in the diffusion region of various SOC batteries.
  • reference numeral 300 denotes a complex impedance of a nickel hydride battery of SOC 10%
  • reference numeral 400 denotes a complex impedance of a nickel hydride battery of SOC 20%
  • reference numeral 500 denotes a complex impedance of a nickel hydride battery of SOC 60%.
  • the inclination angle of the diffusion region in each SOC is not the same, and the inclination angle tends to decrease as the SOC increases. That is, assuming that the inclination angles of SOC 10%, 20%, and 60% are ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3, respectively, the relationship is ⁇ 1> ⁇ 2> ⁇ 3.
  • FIG. 5 shows the relationship between the SOC and tilt angle of a nickel metal hydride battery.
  • the horizontal axis represents the charge amount (SOC) (%), and the vertical axis represents the inclination angle (deg) of the diffusion region.
  • SOC charge amount
  • deg inclination angle
  • the relationship between the SOC and the tilt angle shown in FIG. 5 is defined as a function or table and stored in a memory, and the SOC is uniquely detected from the tilt angle of the battery 10 obtained by calculation. .
  • the SOC error relative to the tilt angle is relatively small compared to when the SOC is large. Therefore, when the SOC is small, the SOC can be detected from the tilt angle with high accuracy. Is possible. If it is known that the SOC of the battery 10 is relatively large (for example, 50% or more), the SOC of the battery 10 is detected by another method, and the SOC of the battery 10 is known to be relatively small (for example, 10% or less). If so, it is possible to selectively use the SOC of the battery 10 with high accuracy by the method of the present embodiment.
  • the reference complex impedance which is a complex impedance in the diffusion region of the base battery that serves as a reference when comparing the batteries 10, and the complex impedance in the diffusion region of the battery 10 having the same frequency as the frequency of the reference complex impedance.
  • the distance of the complex impedance in the diffusion region of the battery 10 having the same frequency as the reference complex impedance and the reference complex impedance Used to detect the SOC of the battery 10.
  • an impedance measuring instrument (or impedance analyzer) 12 that is a measuring means measures the complex impedance in the diffusion region of the battery 10 having the same frequency as that of the reference complex impedance.
  • the CPU of the computer 14 serving as the detection means calculates a tilt angle of a straight line connecting the reference complex impedance and the complex impedance measured by the measurement means.
  • a memory that is a storage unit stores in advance the relationship between the distance and the charge amount, and the relationship between the tilt angle and the charge amount.
  • the CPU of the computer 14 serving as the detection unit stores the relationship between the calculated distance, the distance stored in the storage unit, and the charge amount, the calculated tilt angle, and the storage. The charge amount of the battery 10 is detected using the relationship between the tilt angle stored in the means and the charge amount.
  • FIG. 6 shows a processing flowchart of the present embodiment.
  • a measurement electrode is connected to the battery 10 to be detected, an AC voltage is applied, and the complex impedance of the battery 10 is measured by the impedance measuring instrument 12 (S401).
  • the frequency of the alternating voltage to be applied to the battery 10 is one frequency in the diffusion region, for example, 0.1 Hz, but is not limited thereto.
  • the computer 14 reads, from the memory, the reference complex impedance having the same frequency as the measured frequency among the reference complex impedances which are complex impedances in the diffusion region of the base battery which becomes the reference when comparing the batteries 10.
  • the base battery refers to, for example, the battery 10 in the initial state or a battery that is different from the battery 10 but is known to be normal.
  • the inclination angle of the straight line connecting the complex impedance obtained in S401 and the reference complex impedance read from the memory and the distance between them are calculated (S402).
  • the tilt angle and distance may be either mathematical or graphic (geometric).
  • the complex impedance of the base battery is known SOC, for example 20% complex impedance.
  • the computer 14 compares the tendency of the distance and inclination angle stored in advance in the memory with the inclination angle and distance obtained by the calculation (S403), and determines the SOC of the battery 10 according to the comparison result. Determine (S404).
  • FIG. 7 schematically shows the processing of this embodiment.
  • point 40 is the complex impedance at a certain frequency in the diffusion region of the base battery, for example, 0.1 Hz
  • point 60 is the complex impedance at the same frequency in the SOC 30% of the battery
  • point 61 is the battery 10. It is the complex impedance at the same frequency in SOC 60%.
  • the SOC of the battery 10 changes from the SOC of the base battery
  • the points 60 and 61 change accordingly from the point 40, and the distance and the tilt angle change accordingly.
  • the tilt angle is in the range of approximately 0 deg to 90 deg, or 180 deg to 270 deg.
  • the distance changes as the SOC changes. Therefore, if it is known that the distance and the tilt angle, in particular, the battery 10 is normal, the SOC can be detected using the distance.
  • FIG. 8 shows an example of the relationship between battery SOC and distance. There is a correlation between the SOC and the distance. The distance increases as the SOC increases from 0% to 60%, and the distance decreases as the SOC increases from 60% to 100%. Show the trend.
  • FIG. 9 shows an example of the relationship between the SOC of the battery and the tilt angle. In the case of a normal battery, if the SOC is increased with respect to the base battery, the tilt angle is in the range of about 30 deg to 45 deg. Even if the tilt angle changes, the SOC does not change much.
  • the computer 14 shows the relationship between the SOC and distance shown in FIG. 8 and the SOC and inclination angle shown in FIG. Can be used to detect the SOC of the battery 10.
  • the tilt angle in the case of a normal battery, the tilt angle is in the range of about 30 deg to 45 deg. However, since the tilt angle slightly varies depending on the SOC value, it is possible to estimate the SOC from the tilt angle. is there.
  • the relationship between the SOC and the tilt angle in FIG. 5 is different from the relationship between the SOC and the tilt angle in FIG. 8, but this is the slope between the complex impedances at two different frequencies in the diffusion region. Note that the latter is based on the fact that the latter tilt angle represents the tilt angle between complex impedances at the same frequency in the diffusion region. In this sense, “inclination angle” in the first embodiment is “inclination angle between two different frequencies”, and “inclination angle” in the second embodiment is “inclination angle between the same frequencies”.
  • the charge amount of the battery 10 can be detected using the slope angles of the complex impedances at two different frequencies in the diffusion region. Moreover, the charge amount of the battery 10 can be detected using the inclination angle and distance of the complex impedance at the same frequency in the diffusion region.
  • Frequency condition two different frequencies in the diffusion region
  • Detection item Inclination angle
  • Detection state Charge amount
  • Second embodiment Frequency condition one frequency in the diffusion region
  • Reference complex impedance (first complex impedance) initial state of the battery, or complex impedance of another normal battery (stored in memory in advance)
  • Detection item Inclination angle and distance
  • Detection state Charge amount
  • the reference complex impedance in the first embodiment is a complex impedance at one of the two frequencies (for example, the higher one), and is measured by the impedance measuring instrument 12.
  • the complex impedance at a certain frequency in the diffusion region is known in advance, this is stored in advance as a reference complex impedance in the memory, and the impedance measuring device 12 can measure the complex impedance at other frequencies.
  • the impedance measuring device 12 does not necessarily need to measure the complex impedance at two different frequencies.
  • the reference complex impedance is stored in the memory in advance prior to the measurement of the battery 10, it is not necessary to measure with the impedance measuring instrument 12.
  • the inclination angle of a straight line connecting two complex impedances having different frequencies in the diffusion region of the battery 10 is calculated, but three or different frequencies in the diffusion region of the battery 10 are calculated.
  • the inclination angle of a straight line or an approximate straight line connecting the above complex impedances may be calculated.
  • the complex impedance in the diffusion region of the battery includes the Warburg impedance and the transmission model impedance.
  • the charge amount is detected using the Warburg impedance, but the charge amount may be detected using the impedance of the transmission model.
  • the Warburg impedance is a known impedance related to hydrogen diffusion, for example, Kuriyama, N., et al .: J Alloy & Compd., 202 (1993), 183 Zhang, W., et al .: Electrochem. Soc. The 185 th Meet., (1994), abstr.No.593 Etc. are disclosed.
  • Figure 10 shows the Warburg impedance and the transmission model impedance, respectively.
  • region A is Warburg impedance
  • region B is the impedance of the transmission model.
  • the inclination angle of a straight line connecting the impedances of two transmission models having different frequencies is calculated, and the battery is obtained using the obtained inclination angle and the relationship between the inclination angle and the charge amount. Detect the amount of charge.
  • the complex impedance is Nyquist plotted to calculate the tilt angle.
  • a Bode diagram may be used.
  • the alternating voltage is applied to the measurement of complex impedance, what is necessary is just an alternating current signal, for example, you may apply an alternating current.

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Abstract

　電池の拡散領域における複素インピーダンスを用いた電池の充電量の検出に関する。コンピュータ等の演算装置は、二次電池の拡散領域内の異なる少なくとも２つの周波数での複素インピーダンスを直線近似したときの傾き角度を求める。求めた傾き角度と、予め記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて、二次電池の充電量を検出する。

Description

充電量検出装置
　本発明は電池の充電量検出装置に関し、特に、二次電池の充電量を複素インピーダンス解析する技術に関する。
　従来から、電池のインピーダンス解析により、電池の劣化状態や余寿命を評価する技術が提案されている。
　例えば、特許文献１には、内部インピーダンスを有する電池の放電の状態を測定する方法において、第１周波数において電池の第１内部インピーダンスを測定し、第２周波数において電池の第２内部インピーダンスを測定し、第１内部インピーダンスと第２内部インピーダンス間の差を求め、内部インピーダンス間の差の偏角ないしアーギュメントであって、電池の放電の状態を表現する偏角ないしアーギュメントを求めることが記載されている。また、第１周波数及び第２周波数のうち、より低い方の周波数が０．１と１０Ｈｚの間にあることが記載されている。
　また、特許文献２には、二次電池に交流電圧を印加して二次電池のインピーダンスに関連する電気量又は最大出力密度に関連する電気量を検出し、この電気量に基づいて二次電池の性能を判定することが記載されている。また、電気量は、二次電池のインピーダンスのうちで交流電圧の周波数により変動する成分からなる交流インピーダンス成分に関連する交流インピーダンス関連電気量であることが記載されている。また、所定の周波数帯内の多数の周波数値の交流電圧を二次電池に印加して、各周波数値毎に二次電池のインピーダンスの実軸成分値及び虚軸成分値を求め、実軸成分値及び虚軸成分値からインピーダンスに関連する電気量を演算することが記載されている。さらに、実軸成分値及び虚軸成分値をそれぞれ軸とする二次元平面におけるインピーダンスの円弧軌跡の直径に基づいて交流インピーダンス成分を演算することが記載されている。
特開昭６０－１４４６７５号公報 特開２０００－２９９１３７号公報
　ところで、近年のハイブリッド自動車や電気自動車等の普及とともに、これらの車両に搭載される二次電池の状態を高精度に検出する技術を確立することが急務となっている。この技術により、車両に搭載される二次電池の制御や、二次電池の再利用への応用が期待できる。例えば、二次電池を再利用する際には、車両から取り出した二次電池の電池特性（開放電圧、内部抵抗、残存容量等）から再利用可能か否かを判定する手法が提案されているが、再利用可能かの判定をより高精度に行うため、より高精度に二次電池の状態を検出できる技術が望まれている。また、上記文献には、インピーダンスにより電池の状態を検出することが記載されているが、所謂電荷移動抵抗領域のインピーダンスから電池状態を検出しており、電池状態を必ずしも十分に検知しているとはいえなかった。例えば、ニッケル水素電池では、ＳＯＣが変化しても、電荷移動抵抗領域のインピーダンスに変化がないため、電荷移動抵抗領域のインピーダンスからはＳＯＣを推定することはできなかった。
　本発明の目的は、電池の複素インピーダンス解析により、高精度に電池の充電量を検出できる装置を提供することにある。
　本発明は、電池の充電量を検出する装置であって、前記電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、前記測定手段で測定した前記電池の拡散領域内の周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出する検出手段と、傾き角度と充電量との関係を予め記憶する記憶手段とを備え、前記検出手段は、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする。　
　また、本発明は、電池の充電量を検出する装置であって、前記電池を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の前記電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとの間の距離を検出する検出手段と、距離と充電量との関係を予め記憶する記憶手段とを備え、前記検出手段は、算出された距離と、前記記憶手段に記憶された距離と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする。　
　本発明の１つの実施形態では、前記検出手段は、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとの間の距離に加え、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度を検出し、
前記記憶手段は、距離と充電量との関係に加え、さらに、傾き角度と充電量との関係を予め記憶し、前記検出手段は、算出された距離と、前記記憶手段に記憶された距離と充電量との関係に加え、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする。　　
　本発明によれば、電池の複素インピーダンス解析により、高精度に検出対象の電池の充電量を検出できる。従って、例えば車両に搭載した電池を精度良く制御する、あるいは電池を再利用する際に本発明を適用することにより再利用効率を向上させることができる。
電池の複素インピーダンス図（ナイキストプロット）である。 実施形態の装置構成図である。 第１実施形態の処理フローチャートである。 第１実施形態の模式的説明図（ナイキストプロット）である。 充電量と傾き角度との関係を示すグラフ図である。 第２実施形態の処理フローチャートである。 第２実施形態の模式的説明図（ナイキストプロット）である。 充電量と距離との関係を示すグラフ図である。 充電量と傾き角度との関係を示すグラフ図である。 ワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスを示す図（ナイキストプロット）である。
　以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
＜基本原理＞
　まず、本実施形態における基本原理について説明する。本実施形態における二次電池の充電量検出装置では、二次電池の複素インピーダンスの挙動のうち、特定の周波数領域における挙動に着目して二次電池の充電量を検出するものである。なお、以下の説明では二次電池としてニッケル水素電池（Ｎｉ－ＭＨ電池）を例にとり説明するが、これに限定されるものではなく、例えば他のアルカリ電池やリチウム電池等の非水系電池にも利用可能である。
　図１に、放電状態の電池に周波数を変えて交流電圧を印加した場合における等価回路のそれぞれの複素インピーダンスを結んだ複素インピーダンス曲線を示す。等価回路や複素インピーダンスは公知であり、例えば上記の特許文献２にも記載されている通りであるが、簡単に説明すると、電池のインピーダンスは直流インピーダンス成分と交流インピーダンス成分とを直列接続した等価回路で表現され、交流インピーダンス成分は抵抗とコンデンサの並列回路で等価される。交流インピーダンス成分は、電池の両端の電圧から直流電圧成分を除去し、電池の両端に印加される交流電圧成分Ｖａｃと交流電流Ｉａｃとを検出し、
　Ｚ＝Ｖａｃ／Ｉａｃ＝Ｚｒｅａｌ＋ｊＺｉｍｇ
として得られる。Ｚｒｅａｌ（Ｚｒ）は複素インピーダンスの実軸成分、Ｚｉｍｇ（Ｚｉ）は複素インピーダンスの虚軸成分である。図１は、電池の複素インピーダンスの実軸成分及び虚軸成分を求め、実軸成分と虚軸成分のペアデータを、横軸を実軸成分Ｚｒ、縦軸を虚軸成分Ｚｉとする二次元平面にプロットしたものである（ナイキストプロット：横軸では右側をプラス側、左側をマイナス側とし、縦軸では上側をマイナス側、下側をプラス側としている：他のナイキストプロットも同じ）。放電状態の電池に対して、（正極容量（Ａｈ），負極容量（Ａｈ））＝（５．５４，８．５）、（４．５４，７．５）、（３．５４，６．５）、（２．５４，５．５）、（１．５４，４．５）、（０．５４，３．５）、（０，２．９６）のそれぞれの容量において周波数を変化させたときの複素インピーダンスの実軸成分、虚軸成分である。図において、０．１Ｈｚ、１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚの点を明示的に示している。具体的には、丸印が０．１Ｈｚ、菱形印が１Ｈｚ、三角印が１０Ｈｚ、四角印が１００Ｈｚを示す。周波数が低い領域は、物質拡散の関与した複素インピーダンスで構成された領域であり、本実施形態においては、拡散領域における複素インピーダンスで構成された領域と称する。具体的には、図１で示す複素インピーダンス曲線は、高周波数側の円弧を示す曲線部分（電荷移動抵抗領域）と、略直線状の部分から構成されているが、その変曲点より低周波数の部分（略直線状の部分）が拡散領域における複素インピーダンスで構成される領域である。
　発明者らは、鋭意研究の結果、上記した拡散領域の複素インピーダンスと、電池の充電量（ＳＯＣ）に関連があることを見出し、本発明を得るに至った。すなわち、本発明は、上記した拡散領域の複素インピーダンスを用いて電池の充電量（ＳＯＣ）を検出するものである。以下、より具体的に本実施形態の構成及び処理内容について説明する。
＜第１実施形態＞
　本実施形態では、拡散領域における周波数の異なる２つの複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度（以下、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度という）を用いて電池１０の充電量（ＳＯＣ）を検出する。すなわち、図１に示されるように、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度は、正極及び負極の容量に応じて変化する、つまりＳＯＣと傾き角度との間には相関関係があるため、この事実を利用して、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度から電池１０のＳＯＣを評価することが可能である。本実施形態では、このようなＳＯＣの検出について説明する。
　図２に、本実施形態の充電量検出装置の構成図を示す。充電量検出装置は、検出対象である電池１０に交流電圧を印加して電池１０の複素インピーダンスを測定する測定手段であるインピーダンス測定器（あるいはインピーダンスアナライザ）１２と、インピーダンスアナライザ１２で測定された電池１０の拡散領域内の周波数の異なる２つの複素インピーダンスのデータが供給され、これら複素インピーダンスのデータを結んだ直線の傾き角度を算出する検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵを有する。コンピュータ１４は、さらに、傾き角度と充電量との関係を予め記憶した記憶手段であるメモリを有している。そして、コンピュータ１４のＣＰＵは、算出された傾き角度とメモリに記憶した関係を用いて電池１０の充電量を検出する。また、図３に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、電池１０に測定用電極を接続し、交流電圧を印加してインピーダンス測定器１２で電池１０の複素インピーダンスを測定する（Ｓ２０１）。電池１０に印加すべき交流電圧の周波数は、拡散領域内の少なくとも２つの周波数であり、例えば０．１Ｈｚと０．５Ｈｚであるが、これに限定されるものではない。
　次に、コンピュータ１４は、インピーダンス測定器１２で得られた２つの周波数における複素インピーダンスデータを用いて、拡散領域の傾き、つまり図４等におけるグラフ（ナイキストプロット）の傾き角度を演算する（Ｓ２０２）。傾き角度は、数学的あるいは図形的（幾何学的）のいずれの方法でもよい。２つの周波数のうち、相対的に高い周波数での複素インピーダンスを第１の複素インピーダンス、相対的に低い周波数での複素インピーダンスを第２の複素インピーダンスとすると、第１及び第２の複素インピーダンスを結ぶ直線の傾き角度を演算する。
　次に、コンピュータ１４は、メモリに予め格納されているＳＯＣと傾き角度との関係と、演算して得られた傾き角度とを比較し（Ｓ２０３）、比較結果に応じて電池１０のＳＯＣを判定する（Ｓ２０４）。ここで、ＳＯＣと傾き角度との関係は、予め複数の電池についてそのＳＯＣと傾き角度とを測定し、両者の関係を関数あるいはテーブルとして規定してメモリに格納しておく。
　図４に、種々のＳＯＣの電池の拡散領域における複素インピーダンスを示す。図において、符号３００はＳＯＣ１０％のニッケル水素電池の複素インピーダンス、符号４００はＳＯＣ２０％のニッケル水素電池の複素インピーダンス、符号５００はＳＯＣ６０％のニッケル水素電池の複素インピーダンスを示す。それぞれのＳＯＣでの拡散領域の傾き角度は同一ではなく、ＳＯＣが増大するほど傾き角度が減少する傾向にある。すなわち、ＳＯＣ１０％、２０％、６０％の傾き角度をそれぞれβ１、β２、β３とすると、β１＞β２＞β３の関係にある。
　図５に、ニッケル水素電池のＳＯＣと傾き角度との関係を示す。横軸は充電量（ＳＯＣ）（％）、縦軸は拡散領域の傾き角度（ｄｅｇ）である。上記したように、ＳＯＣと傾き角度の間には一定の関係にあり、ＳＯＣが増大するほど傾き角度は減少する傾向にある。特に、ＳＯＣが小さい（０％～１０％程度）場合に、ＳＯＣの変化に対する傾き角度の変化が大きい。本実施形態では、図５に示すＳＯＣと傾き角度との関係を関数あるいはテーブルとして規定してメモリに格納しておき、演算して得られた電池１０の傾き角度から一義的にＳＯＣを検出する。図５から分かるように、ＳＯＣが小さい場合にはＳＯＣが大きい場合に比べて相対的に傾き角度に対するＳＯＣの誤差が小さく、従って特にＳＯＣが小さい場合に傾き角度からＳＯＣを高精度に検出することが可能である。電池１０のＳＯＣが比較的大きい（例えば５０％以上）ことが既知であれば、他の方法により電池１０のＳＯＣを検出し、電池１０のＳＯＣが比較的小さい（例えば１０％以下）ことが既知であれば、本実施形態の方法により電池１０のＳＯＣを高精度に検出する等の使い分けも可能であろう。
＜第２実施形態＞
　本実施形態では、電池１０を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスと、基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度（以下、拡散領域における複素インピーダンスの傾き角度という）および、基準複素インピーダンスと、基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスの距離を用いて電池１０のＳＯＣを検出する。なお、第１実施形態の測定手段の代わりに、測定手段であるインピーダンス測定器（あるいはインピーダンスアナライザ）１２は基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の電池１０の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する。また、第１実施形態の検出手段の代わりに、検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵは、基準複素インピーダンスと測定手段で測定した複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度を算出する。さらに、第１実施形態の記憶手段の代わりに、記憶手段であるメモリは、距離と充電量との関係と、傾き角度と充電量との関係を予め記憶する。そして、第１実施形態の検出手段の代わりに、検出手段であるコンピュータ１４のＣＰＵは、算出された距離と記憶手段に記憶された距離と充電量との関係と、算出された傾き角度と記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて、電池１０の充電量を検出する。
　図６に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、検出対象の電池１０に測定用電極を接続し、交流電圧を印加してインピーダンス測定器１２で電池１０の複素インピーダンスを測定する（Ｓ４０１）。電池１０に印加すべき交流電圧の周波数は、拡散領域内の１つの周波数であり、例えば０．１Ｈｚであるが、これに限定されるものではない。
　次に、コンピュータ１４は、電池１０を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスのうち、測定した周波数と同一周波数の基準複素インピーダンスをメモリから読み出す。ここで、ベース電池とは、例えば初期状態の電池１０や、電池１０と異なるが正常であることが既知である電池をいう。そして、Ｓ４０１で得られた複素インピーダンスとメモリから読み出した基準複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度とそれらの間の距離を演算する（Ｓ４０２）。傾き角度及び距離は、数学的あるいは図形的（幾何学的）のいずれの方法でもよい。ベースの電池の複素インピーダンスは、ＳＯＣが既知、例えば２０％の複素インピーダンスである。
　次に、コンピュータ１４は、メモリに予め格納されている距離と傾き角度の傾向と、演算して得られた傾き角度及び距離とを比較し（Ｓ４０３）、比較結果に応じて電池１０のＳＯＣを判定する（Ｓ４０４）。
　図７に、本実施形態の処理を模式的に示す。図において、点４０はベース電池の拡散領域内のある周波数、例えば０．１Ｈｚでの複素インピーダンスであり、点６０は電池１０のＳＯＣ３０％における同一周波数での複素インピーダンスであり、点６１は電池１０のＳＯＣ６０％における同一周波数での複素インピーダンスである。電池１０のＳＯＣがベース電池のＳＯＣから変化するに従い、これに応じて点６０、点６１が点４０から変化し、距離及び傾き角度が変化していく。検出対象である電池１０の容量バランスが正常である場合、傾き角度は凡そ０ｄｅｇ～９０ｄｅｇ、あるいは１８０ｄｅｇ～２７０ｄｅｇの範囲内にある。他方、ＳＯＣが変化するに従い、距離が変化する。従って、距離と傾き角度、特に電池１０が正常であることが既知であれば、その距離を用いてＳＯＣを検出することができる。
　図８に、電池のＳＯＣと距離との関係の一例を示す。ＳＯＣと距離との間には相関関係があり、ＳＯＣが０％～６０％まではＳＯＣが増大するに従って距離も増大し、ＳＯＣが６０％～１００％まではＳＯＣが増大するに従って距離は減少する傾向を示す。なお、図８において、ＳＯＣ＝２０％における点は、ベース電池のＳＯＣ（距離＝０）を示す。また、図９に、電池のＳＯＣと傾き角度との関係の一例を示す。正常な電池の場合、ベース電池に対してＳＯＣが増大していれば傾き角度は凡そ３０ｄｅｇ～４５ｄｅｇの範囲内にあり、傾き角度が変化してもＳＯＣはあまり変化しない。なお、図９において、ＳＯＣ＝２０％における点は、ベース電池のＳＯＣ（傾き角度＝０）を示す。
　従って、コンピュータ１４は、例えば電池１０のＳＯＣが６０％以下であることは既知であるものの、正確なＳＯＣが不明の場合、図８に示すＳＯＣと距離の関係及び図９に示すＳＯＣと傾き角度を用いて、電池１０のＳＯＣを検出することができる。なお、本実施形態では、正常な電池の場合、傾き角度が凡そ３０ｄｅｇ～４５ｄｅｇの範囲内にあるが、ＳＯＣの値により傾き角度が多少変動するので、傾き角度によりＳＯＣを推定することも可能である。
　因みに、図５におけるＳＯＣと傾き角度の関係は、図８におけるＳＯＣと傾き角度の関係と異なっているが、これは前者の傾き角度が拡散領域内における異なる２つの周波数での複素インピーダンス間の傾き角度であり、後者の傾き角度が拡散領域内における同一周波数での複素インピーダンス間の傾き角度を表すことに基づく点に留意されたい。この意味で、第１実施形態における「傾き角度」は「異なる２つの周波数間の傾き角度」であり、第２実施形態における「傾き角度は」は「同一周波数間の傾き角度」である。
　以上の各実施形態で説明したように、本実施形態では、拡散領域内における異なる２つの周波数における複素インピーダンスの傾き角度を用いて電池１０の充電量を検出することができる。また、拡散領域内における同一の周波数における複素インピーダンスの傾き角度及び距離を用いて電池１０の充電量を検出することができる。
　各実施形態の検出条件及び検出状態を要約すると以下の通りである。
　第１実施形態
　　周波数条件：拡散領域内の異なる２つの周波数
　　基準複素インピーダンス（第１複素インピーダンス）：２つの周波数のうちのいずれか（例えば高い方の周波数）での複素インピーダンス（インピーダンス測定器１２で測定してもよく、予めメモリに記憶してもよい）
　　検出項目：傾き角度
　　検出状態：充電量
　第２実施形態
　　周波数条件：拡散領域内の一つの周波数
　　基準複素インピーダンス(第１複素インピーダンス)：電池の初期状態、あるいは正常である他の電池の複素インピーダンス（予めメモリに記憶）
　　検出項目：傾き角度及び距離
　　検出状態：充電量
　なお、第１実施形態における基準複素インピーダンスは、２つの周波数のいずれか（例えば高い方）での複素インピーダンスであるから、インピーダンス測定器１２で測定される。もちろん、予め拡散領域内のある周波数における複素インピーダンスが既知であれば、これを基準複素インピーダンスとして予めメモリに格納しておき、インピーダンス測定器１２では他の周波数での複素インピーダンスを測定する処理としてもよい。すなわち、第１実施形態において、インピーダンス測定器１２は必ずしも異なる２つの周波数での複素インピーダンスを測定する必要はない。第２実施形態では、基準複素インピーダンスは、電池１０の測定に先立ってメモリに予め格納しておくので、インピーダンス測定器１２で測定する必要はない。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
　例えば、第１実施形態では、電池１０の拡散領域内の周波数の異なる２つの複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度を演算しているが、電池１０の拡散領域内の周波数の異なる３つあるいはそれ以上の複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を演算してもよい。
　電池の拡散領域内の複素インピーダンスとしてはワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスがある。上記の実施形態では、ワールブルグインピーダンスを用いて充電量を検出しているが、伝送モデルのインピーダンスを用いて充電量の検出をしてもよい。ワールブルグインピーダンスは、水素拡散の関係した公知のインピーダンスであり、例えば、
Kuriyama, N., et al. : J  Alloy &  Compd., 202 (1993), 183
Zhang, W., et al. : Electrochem. Soc. the 185th Meet., (1994), abstr. No.593
等に開示されている。
　図１０に、ワールブルグインピーダンスと伝送モデルのインピーダンスをそれぞれ示す。図において、領域Ａはワールブルグインピーダンスであり、領域Ｂは伝送モデルのインピーダンスである。第１実施形態に即して説明すると、周波数の異なる２つの伝送モデルのインピーダンスを結んだ直線の傾き角度を算出し、得られた傾き角度と、傾き角度と充電量との関係を用いて電池の充電量を検出する。
　また、本実施形態では複素インピーダンスをナイキストプロットして傾き角度を演算しているが、Ｂｏｄｅ線図を用いてもよい。また、本実施形態では、複素インピーダンスの測定に交流電圧を印加しているが、交流信号であればよく、例えば交流電流を印加してもよい。

Claims (6)

  1. 　電池の充電量を検出する装置であって、
    　前記電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、
    　前記測定手段で測定した前記電池の拡散領域内の周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出する検出手段と、
    　傾き角度と充電量との関係を予め記憶する記憶手段と、
    　を備え、前記検出手段は、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする充電量検出装置。
  2. 　請求項１記載の充電量検出装置であって、
    　前記検出手段は、実軸成分及び虚軸成分を軸とする二次元平面を用いて、周波数の異なる２つ以上の前記複素インピーダンスを結んだ直線または近似直線の傾き角度を算出することを特徴とする充電量検出装置。
  3. 　電池の充電量を検出する装置であって、
    　前記電池を比較する際に基準となるベース電池の拡散領域内の複素インピーダンスである基準複素インピーダンスの周波数と同一の周波数の前記電池の拡散領域内の複素インピーダンスを測定する測定手段と、
    　前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとの間の距離を検出する検出手段と、
    　距離と充電量との関係を予め記憶する記憶手段と、
    　を備え、前記検出手段は、算出された距離と、前記記憶手段に記憶された距離と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする充電量検出装置。
  4. 　請求項３記載の充電量検出装置であって、
    　前記検出手段は、実軸成分及び虚軸成分を軸とする二次元平面を用いて、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとの間の距離を検出することを特徴とする充電量検出装置。
  5. 　請求項３，４のいずれかに記載の充電量検出装置であって、
    　前記検出手段は、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとの間の距離に加え、前記基準複素インピーダンスと前記測定手段で測定した複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度を検出し、
    　前記記憶手段は、距離と充電量との関係に加え、さらに、傾き角度と充電量との関係を予め記憶し、
    　前記検出手段は、算出された距離と、前記記憶手段に記憶された距離と充電量との関係に加え、算出された傾き角度と、前記記憶手段に記憶された傾き角度と充電量との関係を用いて前記電池の充電量を検出することを特徴とする充電量検出装置。
  6. 　請求項５記載の充電量検出装置であって、
    　前記検出手段は、実軸成分及び虚軸成分を軸とする二次元平面を用いて、前記基準複素インピーダンスと、前記測定手段で測定した前記複素インピーダンスとを結んだ直線の傾き角度を算出することを特徴とする充電量検出装置。
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