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。
【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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、とで構成されていることを特徴とする。
【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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、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１０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１０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】
電池監視装置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、電池監視装置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１１および図１２に示すような内部インピーダンス特性がある。図１１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１２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１１および図１２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１１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１２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１３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１０と共通する部分には同一の符号を付けている。図１３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１１および図１２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１１や図１２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１４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１４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１０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１３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１３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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、
任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、
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データの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する回路モデル選択部と、
この回路モデル選択部で選択された等価回路モデルにおいて定数フィッティング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。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行うことを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数を使用することを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記回路モデル選択部は、等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定することを特徴とする。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【発明の効果】
【００２８】
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】
【００２９】
【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】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図４】電池のインピーダンス特性例図である。
【図５】図１４の等価回路についての定数推定インピーダンス特性例図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】a＝４の相関係数Corr(i)のグラフである。
【図８】サンプルインピーダンス特性例図である。
【図９】他のサンプルインピーダンス特性例図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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】
【００３０】
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１０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、電池監視装置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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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ち上がりや立ち下がりの変化を与えることになる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
電池システム制御部４０は、電池監視装置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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
電池が自動車などのシステムに組み込まれる前の単体の状態では、整備された測定環境でインピーダンス測定が行えるが、システムに組み込まれてしまうと、システム上の制約などにより、十分なインピーダンス測定ができない場合がある。特に、自動車の駆動源として搭載された場合には、システム側のサンプルレートが不十分で、高い周波数領域がサンプルできないことが想定される。この場合、予め測定した測定範囲相当での比較ができなくなってしまう。
【００４６】
図３は任意の周波数におけるインピーダンス推定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。
【００４７】
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。
【００４８】
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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて、定数フィッティングを行う。回路定数推定演算部ｃ４で推定演算された回路定数は、たとえば図１４に示した等価回路の場合、Ｒ４とＬ４は不変回路定数記憶部ｃ５に格納され、その他のＲ１、Ｒ２、Ｃ２、Ｒ３、Ｃ３は回路定数記憶部ｃ６に格納される。
【００４９】
インピーダンス推定演算部ｃ７は、任意の周波数におけるインピーダンスを出力する。
インピーダンスデータが実在する周波数領域については、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をそのまま出力する。インピーダンスデータが実在しない周波数領域については、不変回路定数記憶部ｃ５および回路定数記憶部ｃ６に格納されている回路定数に基づき推定演算し、その演算結果を出力する。
【００５０】
解析条件記憶部ｃ８には、外部から解析条件が格納される。解析条件は主に各演算部における演算条件をあらわすが、基準測定かシステム搭載時測定かの情報も含む。
【００５１】
図４は電池のインピーダンス特性例図であり、（Ａ）は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を示している。以降、（Ａ）を基準特性とする。
【００５２】
（Ｂ）は（Ａ）の基準特性から周波数範囲１〜５０Ｈｚを切り出したものである。これは、電池をたとえば自動車システムに搭載した場合の制約により、高周波数領域が測定できない場合を想定している。（Ａ）に表示されている虚軸の＋側（グラフの下半分）は電池のＬ(インダクタンス)の情報を含む領域であるが、（Ｂ）ではその部分が完全に欠落している。
【００５３】
電池のインダクタンスについては、構造的な特性であり、電極や電解溶液の劣化などでは経時変化しないとする考えがある。この考えに基づけば、（Ａ）の基準特性から予め等価回路定数を求め、経時変化しない定数については、電池をシステム搭載後も、これらの定数を使用できる。
【００５４】
（Ｃ）は（Ａ）の基準特性を、図１４の等価回路モデルに基づき定数フィッティングして求めた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。フィッティングは公知の演算式に基づいて行うことができる。
【００５５】
（Ｄ）は（Ｂ）で推定した回路定数Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｃ２,Ｃ３と予め取得したＬ４,Ｒ４を用いて、図１４の等価回路モデルに基づき定数フィッティングして求めた結果から導き出したインピーダンス特性曲線である。（Ｄ）のインピーダンス特性曲線は、（Ｃ）のインピーダンス特性曲線とほぼ等しくなっている。すなわち、（Ｂ）で推定した回路定数Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｃ２,Ｃ３と予め取得したＬ４,Ｒ４を用いることにより、（Ａ）の基準特性に相当する周波数範囲におけるインピーダンス特性を推定することができる。
【００５６】
なお、図３の実施例では等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行っているが、等価回路上に不変回路定数を与えるのではなく、不変回路定数から時系列データを作り出し、それを測定した時系列データに足しこんだ上で、他の回路定数を推定するようにしてもよい。
【００５７】
また、図３の実施例ではＬ成分は低い周波数領域には影響しないという前提で定数推定を行っている。よって、定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を使用している。ところが、電池の特性によってはＬ成分が低い周波数領域にも影響を及ぼす可能性がある。その場合には、定数推定時の等価回路に不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を含んだ上で定数推定するようにしてもよい。
【００５８】
ところで、電池の等価回路モデルの選択にあたっては、予め、測定対象とする電池固有の特性や測定周波数範囲を認識した上で適切な等価回路モデルを選択しないと、図５のインピーダンス特性例図に示すように実物とはかけ離れた定数推定結果となる場合がある。
【００５９】
図５は、図１４の等価回路について、同じインピーダンスデータから異なる周波数範囲のデータを抽出し、定数推定を行った結果である。（Ａ）は０．１Ｈｚ以上を抽出した結果であり、定数フィッティングにより導き出したインピーダンス特性曲線と、実際のインピーダンス特性が一致している。
【００６０】
これに対し、（Ｂ）は１．０Ｈｚ以上を抽出した結果であって、定数フィッティングにより導き出したインピーダンス特性曲線から大きく外れている。これは、実物はワールブルグ素子を含んでいるにもかかわらず、データにはその特性が顕著に現れていないことにより、局所解に陥っていると推測できる。このように、同じ等価回路モデルでも、定数推定に用いるインピーダンスの周波数範囲が異なると、全く異なる結果が得られることがある。
【００６１】
このような不都合は、等価回路パラメータ測定部２４ｃとして図６に示すように構成されたものを用い、インピーダンスデータの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択することにより回避でき、回路定数推定精度の向上が図れる。
【００６２】
図６は最適な等価回路モデルを選択する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３と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、回路モデル選択部ｃ９は、ＤＦＴ演算部ｃ２で推定され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の特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する。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回路モデル選択部ｃ９で選択された最適な等価回路モデルに基づき、各回路定数の推定演算を行う。
【００６３】
一般的に使用される電池の等価回路モデルは、ｎ段のＲＣ並列回路と、１段のＬＲ並列回路と、ワールブルグ素子とで構成されている。そこで、回路モデル選択部ｃ９は、このような等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定する。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【００６４】
１）まず、ワールブルグ素子については、低周波数側のインピーダンス実軸・虚軸の相関係数を用いて、有無を判断する。たとえば、Ｃｏｒｒ＜−０．９９であればワールブルグ有と判定する。相関係数は下式より算出する。
【００６５】
【００６６】
ここで、Corr(i)はi番目インピーダンスデータ周辺の相関係数、ZrealjおよびZimgjはj番目インピーダンスデータの実部・虚部をあらわす。
【００６７】
【００６８】
【００６９】
は、各々i-a〜i+a番目インピーダンスの実部・虚部データの平均値をあらわす。なお、インピーダンスデータは周波数の昇順に並んでいるものとする。
【００７０】
図７は、a＝４の相関係数Corr(i)のグラフである。今回のサンプルデータではワールブルグ「有」と判断される。
【００７１】
２）次に、ＬＲ並列回路の有無を判定する。高周波数測のインピーダンス虚軸が＋値であれば、ＬＲ並列回路が必要と判断する。図８のサンプルインピーダンス特性図の場合には、ＬＲ並列回路「有」と判断される。
【００７２】
３）最後にＲＣ並列回路の段数を決定する。全データにおいて相関係数が−から＋方向に、Corr(i)＝−０．９５を跨いだ回数で判定する。ただし、インピーダンスの虚軸が＋領域で跨いでいる場合は、ＬＲの特性とみなしてカウントしない。図９（Ａ）に示すサンプルデータでは、ａ，ｂ，ｃの３点で相関係数が−０．９５を跨いでいるが、ｃ点は（Ｂ）に示すようにインピーダンスの虚軸が３２０Ｈｚを越えた＋領域で跨いでいるのでカウントせず、ＲＣ並列回路は２段と判断する。
【００７３】
これらにより、回路定数推定演算部ｃ４で推定演算される各回路定数の推定精度の向上が図れる。
【００７４】
十分な測定環境下で電圧・電流データを取得できれば、インピーダンスの特徴を抽出することは可能である。しかし、たとえば電池を自動車に搭載した状態では、ノイズなどの影響で必ずしも良好な測定結果が得られるとは限らない。
【００７５】
その場合には、複数の等価回路モデル候補を選択した上で並列に定数推定演算を行い、対象インピーダンスデータとの誤差が最小なものを最終的な出力としてもよい。
【００７６】
さらに、繰り返し演算中において、随時対象インピーダンスデータとの誤差を算出し、基準値を満たさないもの、または、明らかに収束していないものについては、演算を打ち切って他のモデルを選択するという機能を設けてもよい。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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】
【００８０】
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 不変回路定数記憶部
ｃ６ 回路定数記憶部
ｃ７ インピーダンス推定演算部
ｃ８ 解析条件記憶部
ｃ９ 回路モデル選択部
【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１０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１０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】
電池監視装置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、電池監視装置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１１および図１２に示すような内部インピーダンス特性がある。図１１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１２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１１および図１２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１１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１２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１３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１０と共通する部分には同一の符号を付けている。図１３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１１および図１２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１１や図１２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１４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１４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１０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１３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１３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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、
任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、
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データの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する回路モデル選択部と、
この回路モデル選択部で選択された等価回路モデルにおいて定数フィッティング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。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行うことを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数を使用することを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記回路モデル選択部は、等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定することを特徴とする。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【発明の効果】
【００２８】
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】
【００２９】
【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】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図４】電池のインピーダンス特性例図である。
【図５】図１４の等価回路についての定数推定インピーダンス特性例図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】a＝４の相関係数Corr(i)のグラフである。
【図８】サンプルインピーダンス特性例図である。
【図９】他のサンプルインピーダンス特性例図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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】
【００３０】
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１０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、電池監視装置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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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ち上がりや立ち下がりの変化を与えることになる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
電池システム制御部４０は、電池監視装置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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
電池が自動車などのシステムに組み込まれる前の単体の状態では、整備された測定環境でインピーダンス測定が行えるが、システムに組み込まれてしまうと、システム上の制約などにより、十分なインピーダンス測定ができない場合がある。特に、自動車の駆動源として搭載された場合には、システム側のサンプルレートが不十分で、高い周波数領域がサンプルできないことが想定される。この場合、予め測定した測定範囲相当での比較ができなくなってしまう。
【００４６】
図３は任意の周波数におけるインピーダンス推定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。
【００４７】
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。
【００４８】
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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて、定数フィッティングを行う。回路定数推定演算部ｃ４で推定演算された回路定数は、たとえば図１４に示した等価回路の場合、Ｒ４とＬ４は不変回路定数記憶部ｃ５に格納され、その他のＲ１、Ｒ２、Ｃ２、Ｒ３、Ｃ３は回路定数記憶部ｃ６に格納される。
【００４９】
インピーダンス推定演算部ｃ７は、任意の周波数におけるインピーダンスを出力する。
インピーダンスデータが実在する周波数領域については、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をそのまま出力する。インピーダンスデータが実在しない周波数領域については、不変回路定数記憶部ｃ５および回路定数記憶部ｃ６に格納されている回路定数に基づき推定演算し、その演算結果を出力する。
【００５０】
解析条件記憶部ｃ８には、外部から解析条件が格納される。解析条件は主に各演算部における演算条件をあらわすが、基準測定かシステム搭載時測定かの情報も含む。
【００５１】
図４は電池のインピーダンス特性例図であり、（Ａ）は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を示している。以降、（Ａ）を基準特性とする。
【００５２】
（Ｂ）は（Ａ）の基準特性から周波数範囲１〜５０Ｈｚを切り出したものである。これは、電池をたとえば自動車システムに搭載した場合の制約により、高周波数領域が測定できない場合を想定している。（Ａ）に表示されている虚軸の＋側（グラフの下半分）は電池のＬ(インダクタンス)の情報を含む領域であるが、（Ｂ）ではその部分が完全に欠落している。
【００５３】
電池のインダクタンスについては、構造的な特性であり、電極や電解溶液の劣化などでは経時変化しないとする考えがある。この考えに基づけば、（Ａ）の基準特性から予め等価回路定数を求め、経時変化しない定数については、電池をシステム搭載後も、これらの定数を使用できる。
【００５４】
（Ｃ）は（Ａ）の基準特性を、図１４の等価回路モデルに基づき定数フィッティングして求めた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。フィッティングは公知の演算式に基づいて行うことができる。
【００５５】
（Ｄ）は（Ｂ）で推定した回路定数Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｃ２,Ｃ３と予め取得したＬ４,Ｒ４を用いて、図１４の等価回路モデルに基づき定数フィッティングして求めた結果から導き出したインピーダンス特性曲線である。（Ｄ）のインピーダンス特性曲線は、（Ｃ）のインピーダンス特性曲線とほぼ等しくなっている。すなわち、（Ｂ）で推定した回路定数Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｃ２,Ｃ３と予め取得したＬ４,Ｒ４を用いることにより、（Ａ）の基準特性に相当する周波数範囲におけるインピーダンス特性を推定することができる。
【００５６】
なお、図３の実施例では等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行っているが、等価回路上に不変回路定数を与えるのではなく、不変回路定数から時系列データを作り出し、それを測定した時系列データに足しこんだ上で、他の回路定数を推定するようにしてもよい。
【００５７】
また、図３の実施例ではＬ成分は低い周波数領域には影響しないという前提で定数推定を行っている。よって、定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を使用している。ところが、電池の特性によってはＬ成分が低い周波数領域にも影響を及ぼす可能性がある。その場合には、定数推定時の等価回路に不変回路定数Ｌ４,Ｒ４を含んだ上で定数推定するようにしてもよい。
【００５８】
ところで、電池の等価回路モデルの選択にあたっては、予め、測定対象とする電池固有の特性や測定周波数範囲を認識した上で適切な等価回路モデルを選択しないと、図５のインピーダンス特性例図に示すように実物とはかけ離れた定数推定結果となる場合がある。
【００５９】
図５は、図１４の等価回路について、同じインピーダンスデータから異なる周波数範囲のデータを抽出し、定数推定を行った結果である。（Ａ）は０．１Ｈｚ以上を抽出した結果であり、定数フィッティングにより導き出したインピーダンス特性曲線と、実際のインピーダンス特性が一致している。
【００６０】
これに対し、（Ｂ）は１．０Ｈｚ以上を抽出した結果であって、定数フィッティングにより導き出したインピーダンス特性曲線から大きく外れている。これは、実物はワールブルグ素子を含んでいるにもかかわらず、データにはその特性が顕著に現れていないことにより、局所解に陥っていると推測できる。このように、同じ等価回路モデルでも、定数推定に用いるインピーダンスの周波数範囲が異なると、全く異なる結果が得られることがある。
【００６１】
このような不都合は、等価回路パラメータ測定部２４ｃとして図６に示すように構成されたものを用い、インピーダンスデータの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択することにより回避でき、回路定数推定精度の向上が図れる。
【００６２】
図６は最適な等価回路モデルを選択する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３と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、回路モデル選択部ｃ９は、ＤＦＴ演算部ｃ２で推定され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の特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する。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回路モデル選択部ｃ９で選択された最適な等価回路モデルに基づき、各回路定数の推定演算を行う。
【００６３】
一般的に使用される電池の等価回路モデルは、ｎ段のＲＣ並列回路と、１段のＬＲ並列回路と、ワールブルグ素子とで構成されている。そこで、回路モデル選択部ｃ９は、このような等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定する。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【００６４】
１）まず、ワールブルグ素子については、低周波数側のインピーダンス実軸・虚軸の相関係数を用いて、有無を判断する。たとえば、Ｃｏｒｒ＜−０．９９であればワールブルグ有と判定する。相関係数は下式より算出する。
【００６５】
【００６６】
ここで、Corr(i)はi番目インピーダンスデータ周辺の相関係数、ZrealjおよびZimgjはj番目インピーダンスデータの実部・虚部をあらわす。
【００６７】
【００６８】
【００６９】
は、各々i-a〜i+a番目インピーダンスの実部・虚部データの平均値をあらわす。なお、インピーダンスデータは周波数の昇順に並んでいるものとする。
【００７０】
図７は、a＝４の相関係数Corr(i)のグラフである。今回のサンプルデータではワールブルグ「有」と判断される。
【００７１】
２）次に、ＬＲ並列回路の有無を判定する。高周波数測のインピーダンス虚軸が＋値であれば、ＬＲ並列回路が必要と判断する。図８のサンプルインピーダンス特性図の場合には、ＬＲ並列回路「有」と判断される。
【００７２】
３）最後にＲＣ並列回路の段数を決定する。全データにおいて相関係数が−から＋方向に、Corr(i)＝−０．９５を跨いだ回数で判定する。ただし、インピーダンスの虚軸が＋領域で跨いでいる場合は、ＬＲの特性とみなしてカウントしない。図９（Ａ）に示すサンプルデータでは、ａ，ｂ，ｃの３点で相関係数が−０．９５を跨いでいるが、ｃ点は（Ｂ）に示すようにインピーダンスの虚軸が３２０Ｈｚを越えた＋領域で跨いでいるのでカウントせず、ＲＣ並列回路は２段と判断する。
【００７３】
これらにより、回路定数推定演算部ｃ４で推定演算される各回路定数の推定精度の向上が図れる。
【００７４】
十分な測定環境下で電圧・電流データを取得できれば、インピーダンスの特徴を抽出することは可能である。しかし、たとえば電池を自動車に搭載した状態では、ノイズなどの影響で必ずしも良好な測定結果が得られるとは限らない。
【００７５】
その場合には、複数の等価回路モデル候補を選択した上で並列に定数推定演算を行い、対象インピーダンスデータとの誤差が最小なものを最終的な出力としてもよい。
【００７６】
さらに、繰り返し演算中において、随時対象インピーダンスデータとの誤差を算出し、基準値を満たさないもの、または、明らかに収束していないものについては、演算を打ち切って他のモデルを選択するという機能を設けてもよい。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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】
【００８０】
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 不変回路定数記憶部
ｃ６ 回路定数記憶部
ｃ７ インピーダンス推定演算部
ｃ８ 解析条件記憶部
ｃ９ 回路モデル選択部
【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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、
任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、
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データの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する回路モデル選択部と、
この回路モデル選択部で選択された等価回路モデルにおいて定数フィッティング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３】
前記等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数を使用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記回路モデル選択部は、等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定することを特徴とする請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【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に基づき、予め指定された等価回路モデルにおいて定数フィッティングを行う回路定数推定演算部と、
任意の周波数におけるインピーダンスを出力するインピーダンス推定演算部、
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データの特徴に基づいて最適な等価回路モデルを選択する回路モデル選択部と、
この回路モデル選択部で選択された等価回路モデルにおいて定数フィッティング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３】
前記等価回路モデルに不変回路定数を与えることによりインピーダンス推定を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記定数推定時の等価回路モデルには不変回路定数を含まず、インピーダンス推定時にのみ不変回路定数を使用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池インピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記回路モデル選択部は、等価回路モデルの具体的な構成について、以下の手順で順次決定することを特徴とする請求項２に記載の電池インピーダンス測定装置。
１）ワールブルグ素子の有無
２）ＬＲ並列回路の有無
３）ＲＣ並列回路の段数
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図６】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２９４１２（Ｐ２０１３−２９４１２Ａ）
【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２０１１−１６５４１０（Ｐ２０１１−１６５４１０）
【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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