(57)【要約】【課題】電流が流れているときと電流が流れていないときの電池の特性変化を考慮して、電池の等価回路モデルにおける回路定数同定値の精度を高めることができる電池特性評価装置を提供すること。【解決手段】電池の電流-電圧特性に基づき、等価回路モデルに対する回路定数を同定するように構成された電池特性評価装置において、電流の流れている時間と電流の流れていない時間を分ける時間範囲分割部と、前記電流の流れている時間における等価回路定数の最適化を行う第１の回路定数算出部と、前記電流の流れていない時間における等価回路定数の最適化を行う第２の回路定数算出部が設けられ、前記時間範囲分割部を介して、前記第１の回路定数算出部には前記電流の流れている時間における電流実測値と電圧実測値が出力され、前記第２の回路定数算出部には前記電流の流れていない時間における電流実測値と電圧実測値が出力されることを特徴とするもの。【選択図】図１
2011122917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の電流-電圧特性に基づき、等価回路モデルに対する回路定数を同定するように構成された電池特性評価装置において、
電流の流れている時間と電流の流れていない時間を分ける時間範囲分割部と、
前記電流の流れている時間における等価回路定数の最適化を行う第１の回路定数算出部と、
前記電流の流れていない時間における等価回路定数の最適化を行う第２の回路定数算出部が設けられ、
前記時間範囲分割部を介して、前記第１の回路定数算出部には前記電流の流れている時間における電流実測値と電圧実測値が出力され、前記第２の回路定数算出部には前記電流の流れていない時間における電流実測値と電圧実測値が出力されることを特徴とする電池特性評価装置。
【請求項２】
前記各等価回路定数は、ワールブルグインピーダンスを含むことを特徴とする請求項１記載の電池特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池特性評価装置に関し、詳しくは、電池の等価回路モデルにおける回路定数同定値の高精度化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、電池特性を評価するための電流および電圧測定に用いられる従来の回路例を示すブロック図である。測定対象である電池１と直列に負荷２と電流計３が接続されるとともに、電池１と並列に電圧計４が接続されている。
【０００３】
電流計３は負荷２のオン／オフに応じて変化する電池１の出力電流の立ち上がりや立ち下りの実測値を測定し、電圧計４は負荷２のオン／オフに応じて変化する電池１の出力電圧の立ち上がりや立ち下りの実測値を測定する。なお、これらの具体的な測定手順については、特許文献１に記載されている。
【０００４】
図６は、図５の測定結果に基づき電池の特性評価を行う電池特性評価装置の従来例を示すブロック図である。入力部５には、電流計３による電流実測値データＩＭ、電圧計４による電圧実測値データＶＭおよびあらかじめ作成されている電池１の標準的な等価回路モデルデータＥＭが入力される。
【０００５】
回路定数算出部６は、入力部５から入力される電流計３による電流実測値データＩＭ、電圧計４による電圧実測値データＶＭおよび等価回路モデルデータＥＭに基づいて電池１の等価回路モデルの回路定数を同定値ＦＶとして最適化し、最適化された等価回路モデルの回路定数を出力部７に出力する。
【０００６】
出力部７は、回路定数算出部６で最適化された等価回路モデルの回路定数に基づき、電池１の特性曲線を生成して図示しない表示部に表示する。
【０００７】
図７は、電池１の特性を表す等価回路例図である。図７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Ｃ１の並列回路と、抵抗Ｒ３と物質拡散を表すワールブルグインピーダンス（War- burg impedance）Ｗ１の直列回路とコンデンサＣ２の並列回路とが直列接続されている。
【０００８】
回路定数算出部６は、等価回路モデルデータＥＭとして図７のような回路データが入力されると、電圧の計算値と実測値の差が小さくなるように、抵抗の抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、コンデンサの容量値Ｃ１，Ｃ２およびワールブルグインピーダンスＷ１をそれぞれ算出する。
【０００９】
特許文献１には、電池の内部インピーダンスを測定する方法および装置の構成が記載されている。
特許文献２には、電池の内部インピーダンス測定の際に、分極による応答電圧の影響を除去する手法が説明されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−４７８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１００９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、電池１から電流が流れているときと流れていないときでは、図８および図９の特性例図に示すように、電池１の特性が異なることが知られている。図８および図９において、（Ａ）は電流が時刻ｔ１で立ち上がって時刻ｔ２で立ち下がる場合の実測値を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す電流の立ち上がりと立ち下がりに伴う電圧の変化について実測値を実線で示し、計算値を破線で示している。
【００１２】
図８は、電圧計算値を求めるのにあたり、時刻ｔ１からｔ２の時間において電流が流れているときの電池の出力電圧特性の実測値と一致させるようにしたものであって、電流が立ち下がった時刻ｔ２以降における電圧実測値との差分が大きくなっている。
【００１３】
これに対し、図９は、電圧計算値を求めるのにあたり、電流が流れていないときの電池の出力電圧特性の実測値と一致させるようにしたものであって、時刻ｔ１からｔ２の時間において電流が流れているときの電池の出力電圧特性の実測値との差分が大きくなっている。
【００１４】
すなわち、図８に示すように電流が流れているときの特性を優先して回路定数の最適化を行うと電流が流れていないときの特性が現実とはかけ離れてしまい、図９に示すように電流が流れていないときの特性を優先して回路定数の最適化を行うと電流が流れているときの特性が現実とはかけ離れてしまう。
【００１５】
このように、いずれか一方の状態の等価回路モデルに対してのみ最適化を行う従来の装置では、他方の状態における電流の回路定数が異なることから、他方の状態における最適化結果と実測値との間に違いが生じることになる。
【００１６】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、電流が流れているときと電流が流れていないときの電池の特性変化を考慮して、電池の等価回路モデルにおける回路定数同定値の精度を高めることができる電池特性評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、
電池の電流-電圧特性に基づき、等価回路モデルに対する回路定数を同定するように構成された電池特性評価装置において、
電流の流れている時間と電流の流れていない時間を分ける時間範囲分割部と、
前記電流の流れている時間における等価回路定数の最適化を行う第１の回路定数算出部と、
前記電流の流れていない時間における等価回路定数の最適化を行う第２の回路定数算出部が設けられ、
前記時間範囲分割部を介して、前記第１の回路定数算出部には前記電流の流れている時間における電流実測値と電圧実測値が出力され、前記第２の回路定数算出部には前記電流の流れていない時間における電流実測値と電圧実測値が出力されることを特徴とする電池特性評価装置である。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電池特性評価装置において、
前記各等価回路定数は、ワールブルグインピーダンスを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電池特性評価装置によれば、電池の等価回路モデルにおける回路定数を高精度に同定でき、高精度の電池特性評価が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】電池１の放電時における電池特性評価装置の動作説明図である。
【図３】電池１の充電時における電池特性評価装置の動作説明図である。
【図４】本発明の装置による電池特性評価結果を用いる電池模擬装置の具体例を示すブロック図である。
【図５】電池特性を評価するための電流および電圧測定に用いられる従来の回路例を示すブロック図である。
【図６】図５の測定結果に基づき電池の特性評価を行う電池特性評価装置の従来例を示すブロック図である
【図７】電池の特性を表す等価回路例図である。
【図８】電流が流れているときの電池の特性例図である。
【図９】電流が流れていないときの電池の特性例図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図６の相違点は、電流の流れている時間と電流の流れていない時間を分ける時間範囲分割部８が設けられていることと、回路定数算出部として電流の流れている時間における等価回路定数の最適化を行う第１の回路定数算出部６ａと電流の流れていない時間における等価回路定数の最適化を行う第２の回路定数算出部６ｂが設けられていることである。
【００２２】
図１において、時間範囲分割部８には、入力部５から電流計３による電流実測値データＩＭと電圧計４による電圧実測値データＶＭが入力されている。
【００２３】
この時間範囲分割部８は、電流実測値ＩＭを元に、電流の流れている時間と電流の流れていない時間に分けるものであり、電流の流れている時間の電流を電流実測値high(ＩＭＨ)とし、電流の流れてない時間の電流を電流実測値low(ＩＭＬ)とし、電流の流れている時間の電圧を電圧実測値high(ＶＭＨ)とし、電流の流れていない時間の電圧を電圧実測値low(ＶＭＬ）とする。
【００２４】
第１の回路定数算出部６ａにはあらかじめ作成されている電池１の標準的な等価回路モデルデータＥＭと電流の流れている時間の電流実測値high(ＩＭＨ)と電圧実測値high(ＶＭＨ)が入力されていて、電流の流れている時間における等価回路モデルの回路定数を同定値ＦＶＨとして最適化し、これら最適化された同定値ＦＶＨを出力部７に出力する。
【００２５】
第２の回路定数算出部６ｂにはあらかじめ作成されている電池１の標準的な等価回路モデルデータＥＭと電流の流れていない時間の電流実測値low(ＩＭＬ)と電圧実測値lowＶＭＬが入力されていて、電流の流れていない時間における等価回路モデルの回路定数を同定値ＦＶＬとして最適化し、これら最適化された同定値ＦＶＬを出力部７に出力する。
【００２６】
出力部７は、第１の回路定数算出部６ａで最適化された同定値ＦＶＨおよび第２の回路定数算出部６ｂで最適化された同定値ＦＶＬに基づき、電池１の特性曲線を生成して図示しない表示部に表示する。
【００２７】
図２は電池１の放電時における電池特性評価装置の動作説明図である。図２において、（Ａ）は電流が時刻ｔ１で立ち上がって時刻ｔ２で立ち下がる場合の実測値を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す電流の立ち上がりと立ち下がりに伴う電圧の変化について実測値を実線で示して時刻ｔ１からｔ２の時間において電流が流れているときの電圧の計算値を破線で示して電流が立ち下がった時刻ｔ２以降における電圧の計算値を１点鎖線で示し、（Ｃ）は電流が流れている時間の等価回路モデルにおける回路定数最適値highＦＶＨを示し、（Ｄ）は電流の流れていない時間の等価回路モデルにおける回路定数最適値lowＦＶＬを示している。
【００２８】
回路定数算出部６ａは、電流が流れている時間における電流の実測値から、電流が流れている時間における応答電圧を算出する。そして、応答電圧の計算値と実測値の差が小さくなるように、（Ｃ）に示す抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、コンデンサの容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびワールブルグインピーダンスＷ１を求める。これらを回路定数最適値highとして最適化された同定値ＦＶＨとする。
【００２９】
回路定数算出部６ｂは、電流が流れていない時間における電流の実測値から、電流が流れていない時間における応答電圧を算出する。そして、応答電圧の計算値と実測値の差が小さくなるような、抵抗値Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８、コンデンサの容量Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６およびワールブルグインピーダンスＷ２を求める。これらを回路定数最適値lowとして最適化された同定値ＦＶＬとする。
【００３０】
図３は電池１の充電時における電池特性評価装置の動作説明図である。図３において、（Ａ）は電流が時刻ｔ１で立ち下がって時刻ｔ２で立ち上がる充電時の実測値を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す電流の立ち下がりと立ち上がりに伴う電圧の変化について実測値を実線で示して時刻ｔ１からｔ２の充電時において電流が流れているときの電圧の計算値を破線で示して電流が立ち下がった時刻ｔ２以降における電圧の計算値を１点鎖線で示し、（Ｃ）は電流が流れている充電時の等価回路モデルにおける回路定数最適値lowＦＶＨを示し、（Ｄ）は電流の流れていない時間の等価回路モデルにおける回路定数最適値highＦＶＬを示している。
【００３１】
回路定数算出部６ａは、図２の放電時と同様に、電流が流れている充電時における電流の実測値から、充電時における応答電圧を算出する。そして、応答電圧の計算値と実測値の差が小さくなるように、（Ｃ）に示す抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、コンデンサの容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３およびワールブルグインピーダンスＷ１を求める。これらを回路定数最適値highとして最適化された同定値ＦＶＨとする。
【００３２】
回路定数算出部６ｂも、図２の放電時と同様に、電流が流れていない時間における電流の実測値から、電流が流れていない時間における応答電圧を算出する。そして、応答電圧の計算値と実測値の差が小さくなるように、抵抗値Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８、コンデンサの容量Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６およびワールブルグインピーダンスＷ２を求める。これらを回路定数最適値lowとして最適化された同定値ＦＶＬとする。
【００３３】
このように、等価回路モデルＥＭの各素子に第１の回路定数算出部６ａで最適化された同定値ＦＶＨを適用することにより電流が流れているときの電池の特性を表現でき、等価回路モデルＥＭの各素子に第２の回路定数算出部６ｂで最適化された同定値ＦＶＬを適用することにより電流が流れていないときの電池の特性を表現できるので、電池特性評価の目的に合わせて少なくともいずれかの評価データを用いればよく、従来のいずれか一方のみの電池特性評価結果に比べると、電池特性評価の精度を高めることができる。
【００３４】
本発明の装置による電池特性評価結果は、たとえば図４に示すように、燃料電池などの電池模擬装置に利用できる。
【００３５】
図４において、電池模擬装置９はテスト対象である負荷装置１０に接続されている。電池模擬装置９の格納部９ａには、本発明の電池特性評価装置で求められた同定値ＦＶＨが格納されて格納部９ｂには同定値ＦＶＬが格納され、これら格納部９ａ，９ｂは定数選択部９ｃに接続されている。
【００３６】
定数選択部９ｃは、電流値検出部９ｄで検出される電流値に応じていずれかの同定値ＦＶＨまたはＦＶＬを選択し、回路定数として電圧演算部９ｅに入力する。電圧演算部９ｅには、電流値検出部９ｄで検出される電流値も入力されるとともに、格納部９ｆに格納されている等価回路モデルデータＥＭも入力される。
【００３７】
電圧演算部９ｅは、等価回路モデルデータＥＭに定数選択部９ｃから選択出力される回路定数を適用し、電流値に応じた応答電圧値を演算して出力制御部９ｇに出力する。
【００３８】
出力制御部９ｇには、電圧演算部９ｅで演算される応答電圧値が入力される。これに基づき、出力制御部９ｇは電源として負荷装置１０に電圧を供給する。
【００３９】
図４のように構成することにより、本発明の電池特性評価装置で求めた高精度の電池特性評価結果を用いて、負荷装置１０に対する電池の動作を高精度に模擬できる。
【００４０】
具体的には、実電池の代わりに電池模擬装置９を使うことができる。化学物質であり状態が変化していく実電池の代わりに電池模擬装置９を使用すると以下のような効果が得られ、電池を利用する携帯電話をはじめとする各種携帯型の電子機器や、車載用電池を搭載するＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle：ハイブリッド電気自動車）やＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）の開発の効率化が期待できる。また、電池模擬装置９を回路シミュレーション用のモデルとして使用することでも同等の効果が得られる。
ａ）定量性と再現性に優れた評価ができる
ｂ）作成するのに時間がかかる劣化電池の大量準備が不要となる。
ｃ）充電時間や放電時間および状態遷移時間を短縮もしくはほぼゼロにできる。
ｄ）未入手の仮想的な電池の特性を作ることができる。
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、電流が流れているときと電流が流れていないときの電池の特性の変化を考慮して、電池の等価回路モデルにおける回路定数を高精度に同定できて高精度の電池特性評価が行える電池特性評価装置が実現でき、電池の各種パラメータの効率的な解析に好適である。
【符号の説明】
【００４２】
５  入力部
６ａ、６ｂ  回路定数算出部
７  出力部
８  時間範囲分割部
９  電池模擬装置
９ａ、９ｂ、９ｆ  格納部
９ｃ  定数選択部
９ｄ  電流値検出部
９ｅ  電圧演算部
９ｇ  出力制御部
１０  負荷装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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