電池インピーダンス測定装置
【課題】電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて電池監視装置に用いられる電池の内部インピーダンス特性をリアルタイムで測定できる電池インピーダンス測定装置を実現することにある。
【解決手段】複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、とで構成されていることを特徴とするもの。
【解決手段】複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、とで構成されていることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池監視装置に用いられる電池インピーダンス測定装置に関し、詳しくは、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイト（現場）において、電池のインピーダンスをリアルタイムで測定できる電池インピーダンス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返し充電が行える二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの走行モータ駆動電源として用いられるとともに、化石燃料に頼らない太陽発電や風力発電などの環境負荷が比較的少ないエネルギーを蓄えることができるという視点からも、産業界や公共機関や一般家庭などでも広く用いられつつある。
【０００３】
一般に、これらの二次電池は、所定数の電池セルを直列に接続することで所望の出力電圧が得られる電池モジュールとして構成され、所望の出力電圧が得られる所定数の電池モジュールを並列に接続することで所望の電流容量（ＡＨ）が得られる電池パックとして構成されている。
【０００４】
ところで、自動車に走行モータ駆動電源として搭載される二次電池は、充電時間、航続距離などの利便性から、当面はリチウムイオン電池が主流になると考えられている。
【０００５】
図１５は、従来の二次電池を用いた電池システムの一例を示すブロック図である。図１５において、電池モジュール１０は、複数の電池セル１１1〜１１nと電流センサ１２が直列接続されたものであり、負荷Ｌと直列に接続されている。
【０００６】
電池インピーダンス測定装置２０は、電池モジュール１０を構成する複数の電池セル１１1〜１１nと電流センサ１２に個別に対応するように設けられている複数のＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1と、これらＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データが内部バス２２を介して入力される処理装置２３とで構成されている。
【０００７】
電池モジュール１０の各電池セル１１1〜１１nの出力電圧と電流センサ１２の検出信号は、それぞれ対応するＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1に入力されてデジタル信号に変換され、これらＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データは内部バス２２を介して処理装置２３に入力される。
【０００８】
処理装置２３は、Ａ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データに基づいてたとえば各電池セル１１1〜１１nの内部抵抗値を求めるとともにそれらの内部抵抗値から所望の電流を取り出す場合の電圧降下分を推定し、これらのデータを外部バス３０を介して上位の電池システム制御部４０に伝送する。
【０００９】
電池システム制御部４０は、電池インピーダンス測定装置２０から入力されるデータに基づき、現在の電池モジュール１０の出力電圧で安定に負荷装置Ｌを駆動できるように、電池モジュール１０および負荷装置Ｌを制御する。
【００１０】
このような電池モジュール１０を構成する二次電池の性能を評価する指標の一つに、図１６および図１７に示すような内部インピーダンス特性がある。図１６は満充電された電池を高温状態に放置した場合のインピーダンス特性例図であり、図１７は高温状態で充放電を繰り返した場合におけるインピーダンス特性例図である。なお、図１６および図１７において、左図は交流インピーダンス測定結果に基づく複素インピーダンスを複素座標にプロットしたコールコールプロットを示し、右図はそのインピーダンス周波数特性を表すボード線図を示している。
【００１１】
図１６の左図は、放置期間がたとえば１年、２年、・・と長くなるのにしたがって交流インピーダンスが大きくなっていく過程を示している。図１７の左図は、充放電がたとえば５０回、１００回、・・と繰り返されるのにしたがって交流インピーダンスが大きくなっていく過程を示している。
【００１２】
インピーダンスが大きくなると、電流を取り出すときの電池電圧降下が大きくなり、十分な出力電圧が得られなくなる。各右図の周波数が低い部分は、自動車のアクセルを長い時間踏み続けることに相当する。これらのデータから、周波数が低い部分ではインピーダンスが大きくなるため、どんどん電圧降下が大きくなることが推測できる。すなわち、電池の劣化に伴って出力特性が変化し、十分な出力を取り出せなくなってしまう。
【００１３】
図１８は二次電池の交流インピーダンスを測定する従来の測定回路の一例を示すブロック図であって、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１８において、電池１０と電流センサ１２の直列回路の両端には、掃引信号発生器５０が接続されている。この掃引信号発生器５０は、図１６および図１７の右図に示す周波数特性領域を含む範囲で出力周波数が掃引変化する交流信号を、電池１０と電流センサ１２の直列回路に出力する。
【００１４】
交流電圧モニタ６０は、電池１０の両端の交流電圧を測定してインピーダンス演算装置８０に入力する。交流電流モニタ７０は、電流センサ１２に流れる交流電流を測定してインピーダンス演算装置８０に入力する。
【００１５】
インピーダンス演算装置８０は、掃引信号発生器５０の出力信号の各周波数における交流電圧モニタ６０の測定電圧と交流電流モニタ７０の測定電流との比である電池１０の複素インピーダンスを算出する。これら算出された複素インピーダンスを複素平面にプロットすることにより、図１６や図１７に示すようなコールコールプロットを得ることができる。
【００１６】
このようにして作成されるコールコールプロットから、たとえば図１９に示すような電池１０の等価回路の各パラメータを推定できる。なお、図１９の等価回路は、直流電源Ｅと、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の並列回路と、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の並列回路と、抵抗Ｒ４とインダクタンスＬ４の並列回路とが直列接続されている。このような交流法によるインピーダンスの測定については、自動測定方法も含めて特許文献１に詳しく記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−４７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前述のように、電池の内部インピーダンス特性を測定することにより、電池の様々な情報を得ることができるので、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイト（現場）において電池の内部インピーダンス特性を測定できれば、それらの情報に基づいて電池の現状を把握するとともに、電池の現状に応じて常に最大限有効に活用するように制御することができる。
【００１９】
しかし、図１５に示す従来のシステム構成では、各電池セル１１1〜１１nの内部抵抗値を求めることはできるものの、処理装置２３と電池システム制御部４０との間のデータ通信が間欠的になることから、各電池セル１１1〜１１nの電圧データは周期がたとえば１００ｍｓ以上の離散的データとなってしまう。
【００２０】
この結果、電圧、電流、温度などで構成されるテーブルを参照して各電池セル１１1〜１１nの状態を検知できるようにするのに留まり、情報が多く詰まっている各電池セル１１1〜１１nの内部インピーダンス特性を測定することはできない。
【００２１】
また、図１８に示す従来の測定回路によれば、掃引信号発生器５０が必要であり、オンサイトの各セルについて図１８のような測定回路を実装することはコスト的、スペース的にも実現は困難である。
【００２２】
本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて電池監視装置に用いられる電池の内部インピーダンス特性をリアルタイムで測定できる電池インピーダンス測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データ対してスパイク補正を行うスパイクデータ補正部と、
スパイク補正された前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
これらにより、電池を実際に使用する自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定でき、電池状態をリアルタイムで監視できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に基づく電池インピーダンス測定装置が用いられる電池監視装置の具体例を示すブロック図である。
【図２】電力／インピーダンス演算部２４の具体例を示すブロック図である。
【図３】サンプルインピーダンス特性例図である。
【図４】矩形波パルスｆ（ｔ）の特性例図である。
【図５】重み付けの具体例を示す説明図である。
【図６】重み付けで定数推定した結果例を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図８】定電流パルスの応答測定例図である。
【図９】ナイキストプロット例図である。
【図１０】図１９の等価回路における各回路定数の測定結果とその測定結果に基づき算出したフィッテング用のインピーダンス特性曲線の説明図である。
【図１１】スパイク検出の有無によるサンプルインピーダンス特性の比較例図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図１３】インダクタンスＬ成分を補正するための処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１４】図１３のフローチャートの手順で補正したスパイクありの波形データを等価回路フィッティングした結果例を示す説明図である。
【図１５】従来の二次電池を用いた電池システムの一例を示すブロック図である。
【図１６】満充電された電池を高温状態に放置した場合のインピーダンス特性例図である。
【図１７】高温状態で充放電を繰り返した場合におけるインピーダンス特性例図である。
【図１８】二次電池の交流インピーダンスを測定する従来の測定回路の一例を示すブロック図である。
【図１９】電池の等価回路例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電池インピーダンス測定装置が用いられる電池監視装置の具体例を示すブロック図であり、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、電池インピーダンス測定装置２０は、電池モジュール１０を構成する複数ｎ個の各電池セル１１1〜１１nに対応して設けられている複数ｎ個の電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nと、これら電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nの出力データが内部バス２５を介して入力される電池モジュール状態管理部２６と、負荷装置Ｌとしての自動車の駆動系を構成しているアクセルＬ１の動きを監視するアクセルワーク監視部２７とで構成されている。
【００２８】
負荷装置Ｌとしての自動車の駆動系は、アクセルＬ１とインバータＬ２とモータＬ３が実質的に直列接続されている。インバータＬ２は、電池モジュール１０と直列に接続されていて、電池モジュール１０からモータＬ３を回転駆動するのに必要な駆動電力が供給される。モータＬ３は、運転者がたとえばペダル操作するアクセルＬ１の動きに応じてインバータＬ２に供給される駆動電力量を制御することにより、運転者の意図する回転速度で回転するように緩急制御される。
【００２９】
運転者のペダル操作に伴うアクセルＬ１の動きは、アクセルワーク監視部２７で連続的に監視検出されていて、その検出信号は電池モジュール状態管理部２６および内部バス２５を介して各電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nに入力される。
【００３０】
電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nには、それぞれに対応する各電池セル１１1〜１１nから電圧信号が入力されるとともに、電流センサ１２から電流信号が入力されている。
【００３１】
ここで、運転者のペダル操作に伴うアクセルＬ１の動きは、各電池セル１１1〜１１nの出力電圧波形および電流センサ１２の出力電流波形に、広帯域の周波数成分を含む階段波的な立上がりや立下りの変化を与えることになる。
【００３２】
電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nは、これら広帯域の周波数成分を含む波形データに対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ）または高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、その結果から所望の周波数領域における等価回路定数を推定する。これにより、電池を実際に使用している自動車やプラントなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定でき、電池状態をリアルタイムで監視できる。
【００３３】
電池モジュール状態管理部２６は、各電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nで測定される電池モジュール１０を構成する各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力情報および内部インピーダンス情報を取り込むとともに、これらのデータを外部バス３０を介して上位の電池システム制御部４０に伝送する。
【００３４】
電池システム制御部４０は、電池インピーダンス測定装置２０から入力されるデータに基づき、現在の電池モジュール１０の出力電圧で安定に負荷装置Ｌを駆動できるように電池モジュール１０および負荷装置Ｌを制御するとともに、各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力量の変化動向や内部インピーダンス情報の変化動向などに基づいて各電池セル１１1〜１１nの性能の推移状況を把握し、充電を促すアラームを発信したり、性能劣化の傾向を解析して電池モジュール１０の交換時期予測データなども出力する。
【００３５】
図２は、電力／インピーダンス演算部２４の具体例を示すブロック図である。図２において、各電池セル１１1〜１１nの電圧信号Ｖは、アンチエイリアスフィルタ２４ａを介してＡ／Ｄ変換器２４ｂに入力され、Ａ／Ｄ変換器２４ｂの出力データは等価回路パラメータ測定部２４ｃに入力される。
【００３６】
電流センサ１２からの電流信号Ｉは、アンチエイリアスフィルタ２４ｄを介してＡ／Ｄ変換器２４ｅに入力され、Ａ／Ｄ変換器２４ｅの出力データは等価回路パラメータ測定部２４ｃに入力される。
【００３７】
Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅは、電池モジュール状態管理部２６→アクセル変化量検出部２４ｆ→クロック制御部２４ｇ→可変クロック発生部２４ｈで構成され、アクセルワーク監視部２７から検出出力されるアクセル変化信号に基づき生成される可変クロック系統により駆動される。これにより、発進、加速、高速走行、低速走行、減速、停止、後退、それらの緩急など、運転者のアクセルワークに基づいたクロックが生成されて、それぞれの状態における電圧信号Ｖおよび電流信号Ｉがデジタルデータに変換される。
【００３８】
なお、Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅのサンプリングクロック周波数は、各電池セル１１1〜１１nの内部インピーダンスを測定したい周波数帯域に応じて変更することもできる。たとえば１ｋＨzまでの内部インピーダンスを測定する場合は、サンプリングクロック周波数を２Ｋsample/sとし、アンチエイリアスフィルタ２４ａ、２４ｄの低域通過帯域を１ｋＨz以下とする。
【００３９】
等価回路パラメータ測定部２４ｃには、測定しようとしている各電池セル１１1〜１１nの等価回路パターンなどの等価回路の情報が格納されている等価回路情報格納部２４ｉが接続されている。等価回路パラメータ測定部２４ｃで測定された等価回路の各パラメータは、内部バス２５を介して電池モジュール状態管理部２６に取り込まれる。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅの出力データは、電力測定部２４ｊにも入力される。これにより、電力測定部２４ｊは各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力を測定し、測定結果を電力情報格納部２４ｋに格納する。電力情報格納部２４ｋに格納された電力情報は、内部バス２５を介して電池モジュール状態管理部２６に取り込まれる。
【００４１】
近年、電池に対して定電圧や定電流で正弦波を印加してインピーダンス特性を求め、充放電の温度特性や充電残量や性能劣化の度合などを推定して電池の状態を把握する研究が盛んに行われている。
【００４２】
インピーダンス特性を単一正弦波の掃引測定から得る場合は、各周波数単位で、Ａ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ分解能を考慮した振幅が設定できる。これに対し、パルスのような複数の周波数成分を含む波形の場合には、各周波数成分の振幅を制御することはできない。この場合、ある周波数成分においては、Ａ／Ｄ分解能が足りず、正しいインピーダンスを得ることができない。さらに、このデータを用いて等価回路モデルの定数推定を行うと、誤差の大きい推定結果となる可能性がある。
【００４３】
図３のサンプルデータにおいて、（Ａ）は図１９の等価回路に対応した正弦波形入力応答から得られたインピーダンス特性と定数フィッティングより得られたインピーダンス特性曲線である。正弦波を周波数範囲１Ｈｚ〜２.５ｋＨｚで掃引するとともに、各測定周波数点で十分なサンプルレートを確保しながら測定した結果であり、これらの回路定数を真値とする。
【００４４】
（Ｂ）は、パルス入力応答から得られた結果である。ただし、Ｒ４,Ｌ４は正弦波形入力応答で得られた定数を用いている。サンプルレート１ｋＨｚで測定しており、１〜４５０Ｈｚの周波数域で離散フーリエ変換を行っている。サンプルレートが低いため、高い周波数側でみえるはずのインダクタンス成分がキャプチャされていない。また、周波数が高いほど結果がばらついている。これらのばらつきは、パルスに含まれる各周波数成分の振幅とＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ分解能が関係していると考えられる。
【００４５】
ここで、矩形波パルスｆ（ｔ）をフーリエ級数展開し、波形に含まれる周波数成分を考える。矩形波パルスｆ（ｔ）は図４のように表せる。
【００４６】
【００４７】
【００４８】
ただし、Ｗはパルス幅、Ｔは周期、ｍは０以上の整数である。
上式で示されるように、周波数によっては振幅ａｍがＡ／Ｄ分解能に対して極めて小さくなってしまうため、この周波数近辺で結果が大きくばらつく可能性がある。
【００４９】
このばらつきにより等価回路定数の推定精度が損なわれるおそれがあるが、ばらつきの影響を抑制するためには、何らかの重み付け計算が有効であると考えられる。
【００５０】
具体例として、回路定数の推定にGauss-Newton法を用いる場合を考える。回路定数の真値からのずれを、ΔＲ２,ΔＣ２,ΔＲ３,ΔＣ３とすると、以下のように表せる。
【００５１】
【００５２】
ΔＺｎはｎ番目の実測インピーダンスと現在の回路定数から計算して得られた同周波数におけるインピーダンスとの差である。Ｊはヤコビアン、Ｔは行列の転置をあらわす。上記計算を、回路定数が収束するまで繰り返し行う。ここで、重み付けｐ（ｊ）を導入し、以下の式で回路定数の推定演算を行う。
【００５３】
【００５４】
振幅が小さい周波数域では重み付けを小さくし、逆に振幅が大きい周波数域では重み付けを大きくすることにより、ばらつきの影響を抑える効果が期待できる。
【００５５】
入力応答がパルスに近い形状の場合、フーリエ級数の性質から、たとえば図５のような重み付けが有効と考えられる。ただし、ｋは０以上の整数、ｆ0はＤＦＴ演算区間を一周期とした場合の周波数、ｆjはｆ0のｊ次周波数を表す。
【００５６】
【００５７】
図６は、上記の重み付けで定数推定した結果例を示す説明図である。（Ａ）はサンプルインピーダンス特性例図を示し、（Ｂ）は重み付けあり・なしで推定した場合における定数の真値からのずれを示している。全ての定数において、真値に近い定数推定結果になっている。
【００５８】
図７は重み付け演算機能を有する本発明の一実施例を示すブロック図であり、図２の電力／インピーダンス演算部２４を構成する等価回路パラメータ測定部２４ｃの具体例を示している。Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅの出力データは、波形データ記憶部ｃ１に逐次格納される。
【００５９】
ＤＦＴ演算部ｃ２は、波形データ記憶部ｃ１に逐次格納される電圧信号および電流信号の波形データを離散フーリエ変換し、電圧信号の離散フーリエ変換結果を電流信号の離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算し、演算されたインピーダンスデータをインピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納する。なお、波形データの形態によっては、ＤＦＴ演算部ｃ２に代えてＦＦＴ演算部を用いることにより、演算処理の高速化が図れる。
【００６０】
回路定数推定演算部ｃ４は、インピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納されているインピーダンスデータおよび解析条件記憶部ｃ５から設定される重み付け関数や周波数範囲などに基づき、各データの重み付け演算などを行う。
【００６１】
このように、回路定数推定演算部ｃ４で推定演算を行う過程において、周波数領域や測定精度などの条件に応じて各データの重み付けを行うことにより、定数推定精度の向上を図ることができる。
【００６２】
インダクタンス成分が大きい電池に対してパルス状の立ち上がりが速い電流（電圧）を印加すると、スパイク状の電圧（電流）が発生する。このとき、Ａ／Ｄ変換器のサンプルレートが十分に高くないと、サンプルタイミングによっては、図８に示すように、このスパイク部分がサンプルされたり、サンプルされなかったりする。
【００６３】
図８は定電流パルスの応答測定例図であり、（Ａ）は電圧スパイク部分がサンプルされた場合を示し、（Ｂ）は電圧スパイク部分がサンプルされない場合を示している。
【００６４】
電池のインピーダンスを算出する場合、スパイク部分がサンプルされた場合とサンプルされなかった場合では、インピーダンスの算定結果が著しく異なり、再現性のない結果が得られてしまう。
【００６５】
図９は、各々のデータから求めたナイキストプロット例図である。「-△-」は、正弦波形入力から得られた結果である。前述のように各々十分なサンプルレートを確保して各周波数を一波ずつ掃引測定した結果である。なお、正弦波形は十分に滑らかであるため、パルス入力でみられるようなスパイク応答は発生してない。以降、この「-△-」の結果を真値とする。
【００６６】
「-□-」は、スパイクが検出されたデータに対して離散フーリエ変換を行った結果である。スパイク部分をキャプチャするために十分なサンプレートが確保されていないため、全体的に「-△-」の真値から大きく外れてしまっている。
【００６７】
「-×-」は、スパイクが検出されなかったデータに対して離散フーリエ変換を行った結果である。スパイク部分がキャプチャされなかったため、虚軸方向に対して下に伸びることはなく、インダクタンス成分が欠落している。これらにより、スパイクが検出された場合とされなかった場合とで、特性の現れ方が著しく異なることが明らかである。
【００６８】
電池のインダクタンスは構造的に決まるものであり、電極や溶液劣化で経時変化しないとする考えがある。前述のように、スパイクは電池のインダクタンスに起因するものであるが、電池の劣化診断においては、Ｒ,Ｃ成分のみ必要とし、Ｌ成分は測定できなくてもよい場合がある。そのような場合、グラフ虚軸のマイナス側（グラフ上部）の情報が正確かつ十分にあれば、電池のＲ（抵抗）およびＣ（コンダクタンス）を推定でき、電池の劣化診断が行える。
【００６９】
図１０は、正弦波を所定の周波数範囲１Ｈｚ〜２.５ｋＨｚで掃引するとともに各測定周波数点で十分なサンプルレートを確保して測定したインピーダンス特性、および、これを図１９の等価回路モデルで定数フィッティングして得た定数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｃ２，Ｃ３，Ｌ４，Ｒ４から導き出したインピーダンス特性曲線である。以降、これらの測定結果を真値とする。
【００７０】
図１１はスパイク検出の有無によるサンプルインピーダンス特性の比較例図である。（Ａ）はパルス応答でスパイクが検出されたデータを示し、（Ｂ）はパルス応答でスパイクが検出されなかったデータを示している。ただし、インダクタンスＬ成分が検出されなかったデータに対しては、Ｒ４,Ｌ４を等価回路モデルから外している。
【００７１】
（Ｃ）はスパイク検出の有無による各定数の真値からのずれを示している。Ｒ,Ｃにおいては、スパイクが検出されなかったデータに基づいてフィッティングを行うことにより、真値に近い結果が得られる。すなわち、サンプルレートが不十分でも、スパイクなしの波形であれば、Ｒ,Ｃの回路定数を推定することが十分可能であることを示しているが、再現性よくスパイクのない波形を取得することは困難である。
【００７２】
そこで、低サンプルレートで測定されたパルス応答データからＬ成分がみえるデータを補正し、等価回路のＲ,Ｃを再現性よく高精度に推定することを検討する。
【００７３】
図１２はスパイク補正機能を有する本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１２のスパイクデータ補正部ｃ７は、波形データ記憶部ｃ１に格納されている波形データに対してスパイク補正を行う。回路定数推定演算部ｃ４は、インピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納されているスパイク補正されたインピーダンスデータおよび解析条件記憶部ｃ５から設定される解析条件などに基づいて定数フィッティングで回路定数を推定するとともに、得られた定数から導き出されるインピーダンス特性曲線の算出を行う。回路定数推定演算部ｃ４の演算結果は、回路定数記憶部ｃ６に格納される。
【００７４】
図１３は、スパイクデータ補正部ｃ７によるスパイクありの波形データのインダクタンスＬ成分を補正するための処理の流れを説明するフローチャートである。図１３において、ｉ（ｔ）はｔ番目の電流サンプリングデータ、ｖ（ｔ）はｔ番目の電圧サンプリングデータである。ｓｒは、スパイクを検出するための係数である。トリガは、パルスの立ち上がりおよび立ち下がりを検出するためのトリガレベルである。
【００７５】
ステップＳ１でｔ＝１のデータ長の波形データを選択し、ステップＳ２でパルスの立ち上がりか否かを判断するためにＴ＝ｔとしてｉ（ｔ）＞トリガの条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればパルスの立ち上がりであると判断し、Ｔ＝ｔとしてフラグ＝ＦＡＬＳＥとするステップＳ３の処理に移行する。
【００７６】
そして、ステップＳ４でスパイクが検出されたか否かを判断するためにｖ（ｔ）＞ｓｒ＊ｖ（ｔ＋１）の条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればスパイクが検出されたと判断し、フラグ＝ＴＲＵＥ、ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ−１）、ｉ（ｔ）＝ｉ（ｔ−１）とするステップＳ５の処理に移行する。続いて、ｔ＝Ｔのデータ長の波形データを選択するステップＳ６の処理に移行する。ステップＳ４の条件が成立しなければスパイクなしと判断して直接ステップＳ６の処理に移行する。
【００７７】
ステップＳ７でパルスの立ち下がりか否かを判断するためにｉ（ｔ）＜トリガの条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればパルスの立ち下がりであると判断し、さらにステップＳ８でスパイク補正の有無を判断するためにフラグ＝ＴＲＵＥか否かを判断する。この条件が成立すればスパイク補正ありと判断し、ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ−１）、ｉ（ｔ）＝ｉ（ｔ−１）とするステップＳ９の処理に移行して、一連の処理を終了する。なお、ステップＳ８の条件が成立しなければ、スパイク補正なしとして一連の処理を終了する。
【００７８】
図１４は、図１３のフローチャートの手順で補正したスパイクありの波形データを等価回路フィッティングした結果例を示す説明図である。（Ａ）はサンプルインピーダンス特性例図を示し、（Ｂ）は補正の前後における定数の真値からのずれを示している。補正後の定数は、全ての定数で真値に近い結果になっている。
【００７９】
なお、本発明で用いる電力／インピーダンス演算部２４は、半導体集積回路化技術を用いることにより超小型にパッケージ化でき、たとえば自動車に搭載される電池モジュールの各電池セルに取り付ける場合にもきわめて微小のスペースが確保できればよい。
【００８０】
また、上記各実施例では、自動車に搭載される電池モジュールの各電池セルの内部インピーダンスを測定する例について説明したが、自動車以外の発電プラント、家庭用蓄電システムなどに設けられる蓄電池の監視にも有効である。
【００８１】
以上説明したように、本発明の電池インピーダンス測定装置によれば、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定し、電池状態をリアルタイムで監視できる電池監視装置が実現できる。
【符号の説明】
【００８２】
２４ｃ 等価回路パラメータ測定部
ｃ１ 波形データ記憶部
ｃ２ ＤＦＴ演算部
ｃ３ インピーダンスデータ記憶部
ｃ４ 回路定数推定演算部
ｃ５ 解析条件記憶部
ｃ６ 回路定数記憶部
ｃ７ スパイクデータ補正部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池監視装置に用いられる電池インピーダンス測定装置に関し、詳しくは、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイト（現場）において、電池のインピーダンスをリアルタイムで測定できる電池インピーダンス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返し充電が行える二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの走行モータ駆動電源として用いられるとともに、化石燃料に頼らない太陽発電や風力発電などの環境負荷が比較的少ないエネルギーを蓄えることができるという視点からも、産業界や公共機関や一般家庭などでも広く用いられつつある。
【０００３】
一般に、これらの二次電池は、所定数の電池セルを直列に接続することで所望の出力電圧が得られる電池モジュールとして構成され、所望の出力電圧が得られる所定数の電池モジュールを並列に接続することで所望の電流容量（ＡＨ）が得られる電池パックとして構成されている。
【０００４】
ところで、自動車に走行モータ駆動電源として搭載される二次電池は、充電時間、航続距離などの利便性から、当面はリチウムイオン電池が主流になると考えられている。
【０００５】
図１５は、従来の二次電池を用いた電池システムの一例を示すブロック図である。図１５において、電池モジュール１０は、複数の電池セル１１1〜１１nと電流センサ１２が直列接続されたものであり、負荷Ｌと直列に接続されている。
【０００６】
電池インピーダンス測定装置２０は、電池モジュール１０を構成する複数の電池セル１１1〜１１nと電流センサ１２に個別に対応するように設けられている複数のＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1と、これらＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データが内部バス２２を介して入力される処理装置２３とで構成されている。
【０００７】
電池モジュール１０の各電池セル１１1〜１１nの出力電圧と電流センサ１２の検出信号は、それぞれ対応するＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1に入力されてデジタル信号に変換され、これらＡ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データは内部バス２２を介して処理装置２３に入力される。
【０００８】
処理装置２３は、Ａ／Ｄ変換器２１1〜２１n+1の出力データに基づいてたとえば各電池セル１１1〜１１nの内部抵抗値を求めるとともにそれらの内部抵抗値から所望の電流を取り出す場合の電圧降下分を推定し、これらのデータを外部バス３０を介して上位の電池システム制御部４０に伝送する。
【０００９】
電池システム制御部４０は、電池インピーダンス測定装置２０から入力されるデータに基づき、現在の電池モジュール１０の出力電圧で安定に負荷装置Ｌを駆動できるように、電池モジュール１０および負荷装置Ｌを制御する。
【００１０】
このような電池モジュール１０を構成する二次電池の性能を評価する指標の一つに、図１６および図１７に示すような内部インピーダンス特性がある。図１６は満充電された電池を高温状態に放置した場合のインピーダンス特性例図であり、図１７は高温状態で充放電を繰り返した場合におけるインピーダンス特性例図である。なお、図１６および図１７において、左図は交流インピーダンス測定結果に基づく複素インピーダンスを複素座標にプロットしたコールコールプロットを示し、右図はそのインピーダンス周波数特性を表すボード線図を示している。
【００１１】
図１６の左図は、放置期間がたとえば１年、２年、・・と長くなるのにしたがって交流インピーダンスが大きくなっていく過程を示している。図１７の左図は、充放電がたとえば５０回、１００回、・・と繰り返されるのにしたがって交流インピーダンスが大きくなっていく過程を示している。
【００１２】
インピーダンスが大きくなると、電流を取り出すときの電池電圧降下が大きくなり、十分な出力電圧が得られなくなる。各右図の周波数が低い部分は、自動車のアクセルを長い時間踏み続けることに相当する。これらのデータから、周波数が低い部分ではインピーダンスが大きくなるため、どんどん電圧降下が大きくなることが推測できる。すなわち、電池の劣化に伴って出力特性が変化し、十分な出力を取り出せなくなってしまう。
【００１３】
図１８は二次電池の交流インピーダンスを測定する従来の測定回路の一例を示すブロック図であって、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１８において、電池１０と電流センサ１２の直列回路の両端には、掃引信号発生器５０が接続されている。この掃引信号発生器５０は、図１６および図１７の右図に示す周波数特性領域を含む範囲で出力周波数が掃引変化する交流信号を、電池１０と電流センサ１２の直列回路に出力する。
【００１４】
交流電圧モニタ６０は、電池１０の両端の交流電圧を測定してインピーダンス演算装置８０に入力する。交流電流モニタ７０は、電流センサ１２に流れる交流電流を測定してインピーダンス演算装置８０に入力する。
【００１５】
インピーダンス演算装置８０は、掃引信号発生器５０の出力信号の各周波数における交流電圧モニタ６０の測定電圧と交流電流モニタ７０の測定電流との比である電池１０の複素インピーダンスを算出する。これら算出された複素インピーダンスを複素平面にプロットすることにより、図１６や図１７に示すようなコールコールプロットを得ることができる。
【００１６】
このようにして作成されるコールコールプロットから、たとえば図１９に示すような電池１０の等価回路の各パラメータを推定できる。なお、図１９の等価回路は、直流電源Ｅと、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の並列回路と、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の並列回路と、抵抗Ｒ４とインダクタンスＬ４の並列回路とが直列接続されている。このような交流法によるインピーダンスの測定については、自動測定方法も含めて特許文献１に詳しく記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−４７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前述のように、電池の内部インピーダンス特性を測定することにより、電池の様々な情報を得ることができるので、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイト（現場）において電池の内部インピーダンス特性を測定できれば、それらの情報に基づいて電池の現状を把握するとともに、電池の現状に応じて常に最大限有効に活用するように制御することができる。
【００１９】
しかし、図１５に示す従来のシステム構成では、各電池セル１１1〜１１nの内部抵抗値を求めることはできるものの、処理装置２３と電池システム制御部４０との間のデータ通信が間欠的になることから、各電池セル１１1〜１１nの電圧データは周期がたとえば１００ｍｓ以上の離散的データとなってしまう。
【００２０】
この結果、電圧、電流、温度などで構成されるテーブルを参照して各電池セル１１1〜１１nの状態を検知できるようにするのに留まり、情報が多く詰まっている各電池セル１１1〜１１nの内部インピーダンス特性を測定することはできない。
【００２１】
また、図１８に示す従来の測定回路によれば、掃引信号発生器５０が必要であり、オンサイトの各セルについて図１８のような測定回路を実装することはコスト的、スペース的にも実現は困難である。
【００２２】
本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて電池監視装置に用いられる電池の内部インピーダンス特性をリアルタイムで測定できる電池インピーダンス測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データ対してスパイク補正を行うスパイクデータ補正部と、
スパイク補正された前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
これらにより、電池を実際に使用する自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定でき、電池状態をリアルタイムで監視できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に基づく電池インピーダンス測定装置が用いられる電池監視装置の具体例を示すブロック図である。
【図２】電力／インピーダンス演算部２４の具体例を示すブロック図である。
【図３】サンプルインピーダンス特性例図である。
【図４】矩形波パルスｆ（ｔ）の特性例図である。
【図５】重み付けの具体例を示す説明図である。
【図６】重み付けで定数推定した結果例を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図８】定電流パルスの応答測定例図である。
【図９】ナイキストプロット例図である。
【図１０】図１９の等価回路における各回路定数の測定結果とその測定結果に基づき算出したフィッテング用のインピーダンス特性曲線の説明図である。
【図１１】スパイク検出の有無によるサンプルインピーダンス特性の比較例図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図１３】インダクタンスＬ成分を補正するための処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１４】図１３のフローチャートの手順で補正したスパイクありの波形データを等価回路フィッティングした結果例を示す説明図である。
【図１５】従来の二次電池を用いた電池システムの一例を示すブロック図である。
【図１６】満充電された電池を高温状態に放置した場合のインピーダンス特性例図である。
【図１７】高温状態で充放電を繰り返した場合におけるインピーダンス特性例図である。
【図１８】二次電池の交流インピーダンスを測定する従来の測定回路の一例を示すブロック図である。
【図１９】電池の等価回路例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電池インピーダンス測定装置が用いられる電池監視装置の具体例を示すブロック図であり、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、電池インピーダンス測定装置２０は、電池モジュール１０を構成する複数ｎ個の各電池セル１１1〜１１nに対応して設けられている複数ｎ個の電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nと、これら電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nの出力データが内部バス２５を介して入力される電池モジュール状態管理部２６と、負荷装置Ｌとしての自動車の駆動系を構成しているアクセルＬ１の動きを監視するアクセルワーク監視部２７とで構成されている。
【００２８】
負荷装置Ｌとしての自動車の駆動系は、アクセルＬ１とインバータＬ２とモータＬ３が実質的に直列接続されている。インバータＬ２は、電池モジュール１０と直列に接続されていて、電池モジュール１０からモータＬ３を回転駆動するのに必要な駆動電力が供給される。モータＬ３は、運転者がたとえばペダル操作するアクセルＬ１の動きに応じてインバータＬ２に供給される駆動電力量を制御することにより、運転者の意図する回転速度で回転するように緩急制御される。
【００２９】
運転者のペダル操作に伴うアクセルＬ１の動きは、アクセルワーク監視部２７で連続的に監視検出されていて、その検出信号は電池モジュール状態管理部２６および内部バス２５を介して各電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nに入力される。
【００３０】
電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nには、それぞれに対応する各電池セル１１1〜１１nから電圧信号が入力されるとともに、電流センサ１２から電流信号が入力されている。
【００３１】
ここで、運転者のペダル操作に伴うアクセルＬ１の動きは、各電池セル１１1〜１１nの出力電圧波形および電流センサ１２の出力電流波形に、広帯域の周波数成分を含む階段波的な立上がりや立下りの変化を与えることになる。
【００３２】
電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nは、これら広帯域の周波数成分を含む波形データに対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ）または高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、その結果から所望の周波数領域における等価回路定数を推定する。これにより、電池を実際に使用している自動車やプラントなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定でき、電池状態をリアルタイムで監視できる。
【００３３】
電池モジュール状態管理部２６は、各電力／インピーダンス演算部２４1〜２４nで測定される電池モジュール１０を構成する各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力情報および内部インピーダンス情報を取り込むとともに、これらのデータを外部バス３０を介して上位の電池システム制御部４０に伝送する。
【００３４】
電池システム制御部４０は、電池インピーダンス測定装置２０から入力されるデータに基づき、現在の電池モジュール１０の出力電圧で安定に負荷装置Ｌを駆動できるように電池モジュール１０および負荷装置Ｌを制御するとともに、各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力量の変化動向や内部インピーダンス情報の変化動向などに基づいて各電池セル１１1〜１１nの性能の推移状況を把握し、充電を促すアラームを発信したり、性能劣化の傾向を解析して電池モジュール１０の交換時期予測データなども出力する。
【００３５】
図２は、電力／インピーダンス演算部２４の具体例を示すブロック図である。図２において、各電池セル１１1〜１１nの電圧信号Ｖは、アンチエイリアスフィルタ２４ａを介してＡ／Ｄ変換器２４ｂに入力され、Ａ／Ｄ変換器２４ｂの出力データは等価回路パラメータ測定部２４ｃに入力される。
【００３６】
電流センサ１２からの電流信号Ｉは、アンチエイリアスフィルタ２４ｄを介してＡ／Ｄ変換器２４ｅに入力され、Ａ／Ｄ変換器２４ｅの出力データは等価回路パラメータ測定部２４ｃに入力される。
【００３７】
Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅは、電池モジュール状態管理部２６→アクセル変化量検出部２４ｆ→クロック制御部２４ｇ→可変クロック発生部２４ｈで構成され、アクセルワーク監視部２７から検出出力されるアクセル変化信号に基づき生成される可変クロック系統により駆動される。これにより、発進、加速、高速走行、低速走行、減速、停止、後退、それらの緩急など、運転者のアクセルワークに基づいたクロックが生成されて、それぞれの状態における電圧信号Ｖおよび電流信号Ｉがデジタルデータに変換される。
【００３８】
なお、Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅのサンプリングクロック周波数は、各電池セル１１1〜１１nの内部インピーダンスを測定したい周波数帯域に応じて変更することもできる。たとえば１ｋＨzまでの内部インピーダンスを測定する場合は、サンプリングクロック周波数を２Ｋsample/sとし、アンチエイリアスフィルタ２４ａ、２４ｄの低域通過帯域を１ｋＨz以下とする。
【００３９】
等価回路パラメータ測定部２４ｃには、測定しようとしている各電池セル１１1〜１１nの等価回路パターンなどの等価回路の情報が格納されている等価回路情報格納部２４ｉが接続されている。等価回路パラメータ測定部２４ｃで測定された等価回路の各パラメータは、内部バス２５を介して電池モジュール状態管理部２６に取り込まれる。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅの出力データは、電力測定部２４ｊにも入力される。これにより、電力測定部２４ｊは各電池セル１１1〜１１nの瞬時電力を測定し、測定結果を電力情報格納部２４ｋに格納する。電力情報格納部２４ｋに格納された電力情報は、内部バス２５を介して電池モジュール状態管理部２６に取り込まれる。
【００４１】
近年、電池に対して定電圧や定電流で正弦波を印加してインピーダンス特性を求め、充放電の温度特性や充電残量や性能劣化の度合などを推定して電池の状態を把握する研究が盛んに行われている。
【００４２】
インピーダンス特性を単一正弦波の掃引測定から得る場合は、各周波数単位で、Ａ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ分解能を考慮した振幅が設定できる。これに対し、パルスのような複数の周波数成分を含む波形の場合には、各周波数成分の振幅を制御することはできない。この場合、ある周波数成分においては、Ａ／Ｄ分解能が足りず、正しいインピーダンスを得ることができない。さらに、このデータを用いて等価回路モデルの定数推定を行うと、誤差の大きい推定結果となる可能性がある。
【００４３】
図３のサンプルデータにおいて、（Ａ）は図１９の等価回路に対応した正弦波形入力応答から得られたインピーダンス特性と定数フィッティングより得られたインピーダンス特性曲線である。正弦波を周波数範囲１Ｈｚ〜２.５ｋＨｚで掃引するとともに、各測定周波数点で十分なサンプルレートを確保しながら測定した結果であり、これらの回路定数を真値とする。
【００４４】
（Ｂ）は、パルス入力応答から得られた結果である。ただし、Ｒ４,Ｌ４は正弦波形入力応答で得られた定数を用いている。サンプルレート１ｋＨｚで測定しており、１〜４５０Ｈｚの周波数域で離散フーリエ変換を行っている。サンプルレートが低いため、高い周波数側でみえるはずのインダクタンス成分がキャプチャされていない。また、周波数が高いほど結果がばらついている。これらのばらつきは、パルスに含まれる各周波数成分の振幅とＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ分解能が関係していると考えられる。
【００４５】
ここで、矩形波パルスｆ（ｔ）をフーリエ級数展開し、波形に含まれる周波数成分を考える。矩形波パルスｆ（ｔ）は図４のように表せる。
【００４６】
【００４７】
【００４８】
ただし、Ｗはパルス幅、Ｔは周期、ｍは０以上の整数である。
上式で示されるように、周波数によっては振幅ａｍがＡ／Ｄ分解能に対して極めて小さくなってしまうため、この周波数近辺で結果が大きくばらつく可能性がある。
【００４９】
このばらつきにより等価回路定数の推定精度が損なわれるおそれがあるが、ばらつきの影響を抑制するためには、何らかの重み付け計算が有効であると考えられる。
【００５０】
具体例として、回路定数の推定にGauss-Newton法を用いる場合を考える。回路定数の真値からのずれを、ΔＲ２,ΔＣ２,ΔＲ３,ΔＣ３とすると、以下のように表せる。
【００５１】
【００５２】
ΔＺｎはｎ番目の実測インピーダンスと現在の回路定数から計算して得られた同周波数におけるインピーダンスとの差である。Ｊはヤコビアン、Ｔは行列の転置をあらわす。上記計算を、回路定数が収束するまで繰り返し行う。ここで、重み付けｐ（ｊ）を導入し、以下の式で回路定数の推定演算を行う。
【００５３】
【００５４】
振幅が小さい周波数域では重み付けを小さくし、逆に振幅が大きい周波数域では重み付けを大きくすることにより、ばらつきの影響を抑える効果が期待できる。
【００５５】
入力応答がパルスに近い形状の場合、フーリエ級数の性質から、たとえば図５のような重み付けが有効と考えられる。ただし、ｋは０以上の整数、ｆ0はＤＦＴ演算区間を一周期とした場合の周波数、ｆjはｆ0のｊ次周波数を表す。
【００５６】
【００５７】
図６は、上記の重み付けで定数推定した結果例を示す説明図である。（Ａ）はサンプルインピーダンス特性例図を示し、（Ｂ）は重み付けあり・なしで推定した場合における定数の真値からのずれを示している。全ての定数において、真値に近い定数推定結果になっている。
【００５８】
図７は重み付け演算機能を有する本発明の一実施例を示すブロック図であり、図２の電力／インピーダンス演算部２４を構成する等価回路パラメータ測定部２４ｃの具体例を示している。Ａ／Ｄ変換器２４ｂ、２４ｅの出力データは、波形データ記憶部ｃ１に逐次格納される。
【００５９】
ＤＦＴ演算部ｃ２は、波形データ記憶部ｃ１に逐次格納される電圧信号および電流信号の波形データを離散フーリエ変換し、電圧信号の離散フーリエ変換結果を電流信号の離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算し、演算されたインピーダンスデータをインピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納する。なお、波形データの形態によっては、ＤＦＴ演算部ｃ２に代えてＦＦＴ演算部を用いることにより、演算処理の高速化が図れる。
【００６０】
回路定数推定演算部ｃ４は、インピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納されているインピーダンスデータおよび解析条件記憶部ｃ５から設定される重み付け関数や周波数範囲などに基づき、各データの重み付け演算などを行う。
【００６１】
このように、回路定数推定演算部ｃ４で推定演算を行う過程において、周波数領域や測定精度などの条件に応じて各データの重み付けを行うことにより、定数推定精度の向上を図ることができる。
【００６２】
インダクタンス成分が大きい電池に対してパルス状の立ち上がりが速い電流（電圧）を印加すると、スパイク状の電圧（電流）が発生する。このとき、Ａ／Ｄ変換器のサンプルレートが十分に高くないと、サンプルタイミングによっては、図８に示すように、このスパイク部分がサンプルされたり、サンプルされなかったりする。
【００６３】
図８は定電流パルスの応答測定例図であり、（Ａ）は電圧スパイク部分がサンプルされた場合を示し、（Ｂ）は電圧スパイク部分がサンプルされない場合を示している。
【００６４】
電池のインピーダンスを算出する場合、スパイク部分がサンプルされた場合とサンプルされなかった場合では、インピーダンスの算定結果が著しく異なり、再現性のない結果が得られてしまう。
【００６５】
図９は、各々のデータから求めたナイキストプロット例図である。「-△-」は、正弦波形入力から得られた結果である。前述のように各々十分なサンプルレートを確保して各周波数を一波ずつ掃引測定した結果である。なお、正弦波形は十分に滑らかであるため、パルス入力でみられるようなスパイク応答は発生してない。以降、この「-△-」の結果を真値とする。
【００６６】
「-□-」は、スパイクが検出されたデータに対して離散フーリエ変換を行った結果である。スパイク部分をキャプチャするために十分なサンプレートが確保されていないため、全体的に「-△-」の真値から大きく外れてしまっている。
【００６７】
「-×-」は、スパイクが検出されなかったデータに対して離散フーリエ変換を行った結果である。スパイク部分がキャプチャされなかったため、虚軸方向に対して下に伸びることはなく、インダクタンス成分が欠落している。これらにより、スパイクが検出された場合とされなかった場合とで、特性の現れ方が著しく異なることが明らかである。
【００６８】
電池のインダクタンスは構造的に決まるものであり、電極や溶液劣化で経時変化しないとする考えがある。前述のように、スパイクは電池のインダクタンスに起因するものであるが、電池の劣化診断においては、Ｒ,Ｃ成分のみ必要とし、Ｌ成分は測定できなくてもよい場合がある。そのような場合、グラフ虚軸のマイナス側（グラフ上部）の情報が正確かつ十分にあれば、電池のＲ（抵抗）およびＣ（コンダクタンス）を推定でき、電池の劣化診断が行える。
【００６９】
図１０は、正弦波を所定の周波数範囲１Ｈｚ〜２.５ｋＨｚで掃引するとともに各測定周波数点で十分なサンプルレートを確保して測定したインピーダンス特性、および、これを図１９の等価回路モデルで定数フィッティングして得た定数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｃ２，Ｃ３，Ｌ４，Ｒ４から導き出したインピーダンス特性曲線である。以降、これらの測定結果を真値とする。
【００７０】
図１１はスパイク検出の有無によるサンプルインピーダンス特性の比較例図である。（Ａ）はパルス応答でスパイクが検出されたデータを示し、（Ｂ）はパルス応答でスパイクが検出されなかったデータを示している。ただし、インダクタンスＬ成分が検出されなかったデータに対しては、Ｒ４,Ｌ４を等価回路モデルから外している。
【００７１】
（Ｃ）はスパイク検出の有無による各定数の真値からのずれを示している。Ｒ,Ｃにおいては、スパイクが検出されなかったデータに基づいてフィッティングを行うことにより、真値に近い結果が得られる。すなわち、サンプルレートが不十分でも、スパイクなしの波形であれば、Ｒ,Ｃの回路定数を推定することが十分可能であることを示しているが、再現性よくスパイクのない波形を取得することは困難である。
【００７２】
そこで、低サンプルレートで測定されたパルス応答データからＬ成分がみえるデータを補正し、等価回路のＲ,Ｃを再現性よく高精度に推定することを検討する。
【００７３】
図１２はスパイク補正機能を有する本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１２のスパイクデータ補正部ｃ７は、波形データ記憶部ｃ１に格納されている波形データに対してスパイク補正を行う。回路定数推定演算部ｃ４は、インピーダンスデータ記憶部ｃ３に格納されているスパイク補正されたインピーダンスデータおよび解析条件記憶部ｃ５から設定される解析条件などに基づいて定数フィッティングで回路定数を推定するとともに、得られた定数から導き出されるインピーダンス特性曲線の算出を行う。回路定数推定演算部ｃ４の演算結果は、回路定数記憶部ｃ６に格納される。
【００７４】
図１３は、スパイクデータ補正部ｃ７によるスパイクありの波形データのインダクタンスＬ成分を補正するための処理の流れを説明するフローチャートである。図１３において、ｉ（ｔ）はｔ番目の電流サンプリングデータ、ｖ（ｔ）はｔ番目の電圧サンプリングデータである。ｓｒは、スパイクを検出するための係数である。トリガは、パルスの立ち上がりおよび立ち下がりを検出するためのトリガレベルである。
【００７５】
ステップＳ１でｔ＝１のデータ長の波形データを選択し、ステップＳ２でパルスの立ち上がりか否かを判断するためにＴ＝ｔとしてｉ（ｔ）＞トリガの条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればパルスの立ち上がりであると判断し、Ｔ＝ｔとしてフラグ＝ＦＡＬＳＥとするステップＳ３の処理に移行する。
【００７６】
そして、ステップＳ４でスパイクが検出されたか否かを判断するためにｖ（ｔ）＞ｓｒ＊ｖ（ｔ＋１）の条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればスパイクが検出されたと判断し、フラグ＝ＴＲＵＥ、ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ−１）、ｉ（ｔ）＝ｉ（ｔ−１）とするステップＳ５の処理に移行する。続いて、ｔ＝Ｔのデータ長の波形データを選択するステップＳ６の処理に移行する。ステップＳ４の条件が成立しなければスパイクなしと判断して直接ステップＳ６の処理に移行する。
【００７７】
ステップＳ７でパルスの立ち下がりか否かを判断するためにｉ（ｔ）＜トリガの条件が成立するか否かを判断する。この条件が成立すればパルスの立ち下がりであると判断し、さらにステップＳ８でスパイク補正の有無を判断するためにフラグ＝ＴＲＵＥか否かを判断する。この条件が成立すればスパイク補正ありと判断し、ｖ（ｔ）＝ｖ（ｔ−１）、ｉ（ｔ）＝ｉ（ｔ−１）とするステップＳ９の処理に移行して、一連の処理を終了する。なお、ステップＳ８の条件が成立しなければ、スパイク補正なしとして一連の処理を終了する。
【００７８】
図１４は、図１３のフローチャートの手順で補正したスパイクありの波形データを等価回路フィッティングした結果例を示す説明図である。（Ａ）はサンプルインピーダンス特性例図を示し、（Ｂ）は補正の前後における定数の真値からのずれを示している。補正後の定数は、全ての定数で真値に近い結果になっている。
【００７９】
なお、本発明で用いる電力／インピーダンス演算部２４は、半導体集積回路化技術を用いることにより超小型にパッケージ化でき、たとえば自動車に搭載される電池モジュールの各電池セルに取り付ける場合にもきわめて微小のスペースが確保できればよい。
【００８０】
また、上記各実施例では、自動車に搭載される電池モジュールの各電池セルの内部インピーダンスを測定する例について説明したが、自動車以外の発電プラント、家庭用蓄電システムなどに設けられる蓄電池の監視にも有効である。
【００８１】
以上説明したように、本発明の電池インピーダンス測定装置によれば、電池を実際に使用している自動車や発電プラント、家庭用蓄電システムなどのオンサイトにおいて、電池の内部インピーダンス特性を測定し、電池状態をリアルタイムで監視できる電池監視装置が実現できる。
【符号の説明】
【００８２】
２４ｃ 等価回路パラメータ測定部
ｃ１ 波形データ記憶部
ｃ２ ＤＦＴ演算部
ｃ３ インピーダンスデータ記憶部
ｃ４ 回路定数推定演算部
ｃ５ 解析条件記憶部
ｃ６ 回路定数記憶部
ｃ７ スパイクデータ補正部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
【請求項２】
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データ対してスパイク補正を行うスパイクデータ補正部と、
スパイク補正された前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
【請求項１】
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
【請求項２】
複数個の電池セルが直列に接続され、実負荷を高周波域を含む負荷変動を生じる状態で駆動する電池モジュールをリアルタイムで測定監視する電池監視装置に用いられるインピーダンス測定装置であって、
前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データ対してスパイク補正を行うスパイクデータ補正部と、
スパイク補正された前記各セルの電圧波形データおよび電流波形データを離散フーリエ変換し、電圧波形データの離散フーリエ変換結果を電流波形データの離散フーリエ変換結果で除算することによりインピーダンスを演算するＤＦＴ演算部と、
このＤＦＴ演算部で演算されたインピーダンスおよび重み付け関数や周波数範囲などの解析条件に基づき各データの重み付け演算を行う回路定数推定演算部、
とで構成されていることを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
【図１】
【図２】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−２９４１１（Ｐ２０１３−２９４１１Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５４０９（Ｐ２０１１−１６５４０９）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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