(57)【要約】  電池管理装置の制御部は、直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電させて、電池の状態を診断する。放電／充電が開始してからの経過時間を、時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、電池の計測電圧から電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定する。放電／充電が開始したときの電圧から変化点までの電圧上昇分を、電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、変化点からの電圧上昇分を、電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定する。
2018051613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電するステップと、
前記電池の電圧を計測するステップと、
放電／充電が開始してからの経過時間を時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池の計測電圧から前記電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定するステップと、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定するステップと、
を有することを特徴とする電池の診断方法。
【請求項２】
放電／充電が開始してから、前記電池の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定するステップを、
さらに有することを特徴とする請求項１に記載の電池の診断方法。
【請求項３】
直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電させる制御が開始してからの経過時間を時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池の計測電圧から前記電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定する処理と、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする電池の診断プログラム。
【請求項４】
放電／充電が開始してから、前記電池の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定する処理を、
コンピュータにさらに実行させることを特徴とする請求項３に記載の電池の診断プログラム。
【請求項５】
電池に流れる電流を計測する電流計測部と、
前記電池の電圧を計測する電圧計測部と、
直流の定電流を所定時間、前記電池から放電／電池へ充電させて、前記電池の状態を診断する制御部と、を備え、
前記制御部は、
放電／充電が開始してからの経過時間を、時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池の計測電圧から前記電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定し、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定する、
ことを特徴とする電池管理装置。
【請求項６】
前記制御部は、
放電／充電が開始してから、前記電池の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の電池管理装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記電池の電解液と負極と正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を前記定電流で除算して、前記電池の電解液と負極と正極の合成抵抗値を算出し、
前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇の速度をもとに、前記電池の拡散抵抗係数を導出し、
前記電池の電解液と負極に起因する電圧上昇分を前記定電流で除算して、前記電池の電解液と負極の合成抵抗値を算出し、
前記電池の電解液と負極と正極の合成抵抗値から、前記電池の電解液と負極の合成抵抗値を減算して、前記電池の正極の抵抗値を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の電池管理装置。
【請求項８】
前記制御部は、
算出した拡散抵抗係数が、拡散抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び前記電池の充放電を停止の少なくとも1つを実行させ、
算出した正極の抵抗値が、正極の抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び前記電池の充放電を停止の少なくとも１つを実行させ、
算出した電解液と負極の合成抵抗値と、電解液と負極の合成抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び前記電池の充放電を停止の少なくとも１つを実行させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理装置。
【請求項９】
前記制御部は、
算出した拡散抵抗係数、算出した正極の抵抗値、又は算出した電解液と負極の合成抵抗値にもとづき、前記電池の充電電流及び放電電流の少なくとも1つの上限値を変更する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理装置。
【請求項１０】
前記制御部は、
算出した拡散抵抗係数、算出した正極の抵抗値、及び算出した電解液と負極の合成抵抗値の推移にもとづき、前記電池の残存使用期間または残存充放電回数を推定する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理装置。
【請求項１１】
前記制御部は、
前記電池に前記定電流を３０秒以上流すように制御することを特徴とする請求項５から１０のいずれか１項に記載の電池管理装置。
【請求項１２】
電池を含む電池モジュールと、
前記電池モジュールを管理する請求項５から１１のいずれか１項に記載の電池管理装置と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部抵抗を測定して電池を診断する電池の診断方法、電池の診断プログラム、電池管理装置、及び蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が様々な用途で使用されている。例えば、ＥＶ(Electric Vehicle)、ＨＥＶ (Hybrid Electric Vehicle)、ＰＨＶ(Plug-in Hybrid Vehicle)の走行用モータに電力を供給することを目的とする車載用途、ピークシフト、バックアップを目的とした蓄電用途、系統の周波数安定化を目的としたＦＲ（Frequency Regulation）用途等に使用されている。【０００３】
二次電池は使用につれ内部抵抗が増加し、劣化していく。二次電池の内部抵抗は主に、正極の抵抗成分、負極の抵抗成分、電解液の抵抗成分、及び拡散抵抗成分に分類される。内部抵抗増加の要因を分析することは、精緻な劣化診断を可能とし、今後のデバイス改善にも繋がる。【０００４】
二次電池を分解せずに内部抵抗の増加要因を分析する方法として、交流インピーダンス法がある（例えば、特許文献１参照）。交流インピーダンス法は、二次電池に交流電圧を、低周波から高周波まで広範囲に周波数をスイープさせて印加し、その応答電流から内部抵抗を測定する。測定した内部抵抗を複素平面上にプロットし、複素平面上の複数の円弧の形状・大きさをもとに各抵抗成分を特定・分離する。交流インピーダンス法では、このようにして時定数の異なる反応を分離することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−９０３４６号公報
【発明の概要】
【０００６】
交流インピーダンス法では、広範囲な周波数（ｍＨｚ〜ＭＨｚオーダ）をスイープ可能な局部発振器が必要となる。当該発振器を電池管理装置内に実装した場合、コスト高となる。また当該発振器を備えた専用の診断装置を使用することも考えられるが、二次電池の運用開始後に、専用の診断装置を用いて外部から各セルの内部抵抗を測定するのは、大掛かりな作業となる。また交流インピーダンス法は、二次電池の通常の充放電動作を停止して行う必要がある。従って、二次電池の運用開始後における交流インピーダンス法による劣化診断は、ユーザに不便を強いることになる。
【０００７】
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、二次電池の内部抵抗の分離解析を低コストで簡単に行う技術を提供することにある。
【０００８】
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電池の診断方法は、直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電するステップと、電池の電圧を計測するステップとを有する。そして、放電／充電が開始してからの経過時間を時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、電池の計測電圧から電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定するステップと、放電／充電が開始したときの電圧から変化点までの電圧上昇分を、電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、変化点からの電圧上昇分を、電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定するステップと、を有する。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【００１０】
本開示によれば、二次電池の内部抵抗の分離解析を低コストで簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄電システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態１を示す図である。
【図３】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態２を示す図である。
【図４】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態３を示す図である。
【図５】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態４を示す図である。
【図６】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態５を示す図である。
【図７】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態６を示す図である。
【図８】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態７を示す図である。
【図９】本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離と、交流インピーダンス法を利用した抵抗分離を比較した図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る電池管理装置による内部抵抗分離処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態に係る電池管理装置による劣化診断処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１の構成例を示す図である。図１に示す蓄電システム１は、定置型の蓄電システム１の構成例である。蓄電システム１は電池モジュール１０及び電池管理装置２０を備える。電池モジュール１０は、直列接続された複数のセルＳ１−Ｓｎを含んで構成される。なお電池モジュール１０は、並列接続または直並列接続された複数のセルを含んで構成されてもよい。本実施の形態では各セルＳ１−Ｓｎに、角型または円筒型のリチウムイオン電池（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用することを想定する。
【００１３】
パワーコンディショナ（ＰＣＳ）４は、商用電源系統２（以下、単に系統２という）と、電池モジュール１０との間に接続される。パワーコンディショナ４と系統２との間の配電線には、負荷３が接続される。パワーコンディショナ４は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（不図示）及び双方向インバータ（不図示）を備える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは定電流（ＣＣ）充電／放電、又は定電圧（ＣＶ）充電／放電のための制御を実行し、双方向インバータは直流電力から交流電力への変換、又は交流電力から直流電力への変換を実行する。なお双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを用いずに、双方向インバータが両者の機能を兼ねる構成でもよい。
【００１４】
電池管理装置２０は電圧計測部２１、電流計測部２２、制御部２３及び記憶部２４を含む。電圧計測部２１は、複数のセルＳ１−Ｓｎの各電圧値を所定のサンプリング周期（例えば、０．１秒周期）で計測し、制御部２３に出力する。電圧計測部２１は例えば、差動アンプ、ＡＤ変換器を含んで構成される。
【００１５】
電流計測部２２は、複数のセルＳ１−Ｓｎと直列に接続されたシャント抵抗Ｒｓの両端電圧をもとに複数のセルＳ１−Ｓｎに流れる電流値を計測し、制御部２３に出力する。電流計測部２２は例えば、差動アンプ、ＡＤ変換器を含んで構成される。なおシャント抵抗Ｒｓの代わりに、ホール素子などの他の電流検出素子を用いてもよい。
【００１６】
制御部２３は、電圧計測部２１により計測された複数のセルＳ１−Ｓｎの各電圧、電流計測部２２により計測された複数のセルＳ１−Ｓｎに流れる電流、及び図示しない温度計測部により計測された複数のセルＳ１−Ｓｎの温度をもとに、複数のセルＳ１−Ｓｎを管理する。例えば、複数のセルＳ１−ＳｎのＳＯＣ(State Of Charge)管理、均等化制御などを実行する。また本実施の形態では、各セルの劣化診断を行う。
【００１７】
制御部２３の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源として、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。記憶部２４は不揮発性メモリで実現できる。
【００１８】
操作表示部３０は、ユーザの操作内容に基づく操作信号を生成し、制御部２３に出力する。また操作表示部３０は、制御部２３から入力される表示信号に基づき、メッセージやステータス等の蓄電システム１に関する情報を表示する。操作表示部３０は例えば、タッチパネルディスプレイで実現できる。またタッチパネルディスプレイの代わりに、ディスプレイと物理ボタンで実現してもよい。またリモートコントローラ、スピーカ、マイク等を追加的に用いてよい。
【００１９】
図１に示した回路構成は定置型用途を想定したものであるが、車載用途の場合、パワーコンディショナ４の代わりに双方向インバータが設置され、負荷３としてモータが用いられる。車載用途では、プラグイン充電時を除き系統２とは連系しない。
【００２０】
リチウムイオン電池では、充放電回数が増加するに従い内部抵抗が増加し、劣化していく。内部抵抗増加の構成要素ごとの寄与を分離できれば、デバイス改善や安全性管理に大きく貢献する。本実施の形態ではリチウムイオン電池の内部抵抗を、正極の抵抗成分、負極と電解液の合成抵抗成分、槽内の拡散抵抗成分に分離する。
【００２１】
リチウムイオン電池の抵抗成分の分離には通常、交流インピーダンス法が使用される。しかしながら、交流インピーダンス法では、広範囲な周波数をスイープ可能な局部発振器が必要となり、当該発振器を電池管理装置２０内に実装した場合、コスト高となる。
【００２２】
そこで本実施の形態では、リチウムイオン電池からの定電流による直流放電／リチウムイオン電池への定電流による直流充電した際の、直流応答（ＤＣＩＲ）から得られる時間−電圧波形を利用して、電解液＋負極の合成抵抗、正極の抵抗、拡散抵抗を分離して抽出する。
【００２３】
周波数応答（ＡＣＩＲ）と時間応答（ＤＣＩＲ）は、フーリエ変換で記述される関係性を有している。例えば、交流印加時に高周波で応答する電解液＋負極の抵抗成分は、直流印加時には印加開始から早期に応答する電圧挙動として現れる。また、拡散抵抗成分は、時間の１／２乗（平方根）に対して、電圧が１次関数の挙動として現れる。
【００２４】
本実施の形態では、これらの特性を利用することにより、電解液＋負極＋正極の合成抵抗成分と拡散抵抗成分との分離、電解液＋負極の合成抵抗成分と正極の抵抗成分との分離を行う。以下、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムを、図面を参照しながら説明する。以下の具体例では、開回路電圧が３．６ＶでＳＯＣ５０％のリチウムイオン電池から、０．５Ｃの定電流で３０秒間充電する例を想定する。
【００２５】
図２は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態１を示す図である。図２のグラフの横軸は、時間の１／２乗（平方根）の値であり、縦軸は、計測された閉回路電圧（ＣＣＶ）から開回路電圧（ＯＣＶ）を減算した値である。図２は、０．１ｓｅｃ周期で計測されたセル電圧から開回路電圧を減算した生波形データを、√ｔ軸に変換してプロットし、Δ√ｔ＝０．０１でデータ内挿した電圧波形（実測線Ｌｍ）を示している。図２に示すように、√ｔ軸にプロットされた電圧値（ＣＣＶ−ＯＣＶ）は、立ち上がりが鈍り、途中から１次関数的に上昇する。
【００２６】
図３は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態２を示す図である。図３は、図２の電圧波形をスムージングした電圧波形（実測線Ｌｍ）を示している。
【００２７】
図４は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態３を示す図である。実測線Ｌｍの、√ｔ＝４〜５の区間のデータに基づき、外挿直線Ｌｅを生成する。なお、実測線Ｌｍが直線になることが確認されている区間であれば、√ｔ＝４〜５の区間以外のデータを用いて外挿直線Ｌｅを生成してもよい。
【００２８】
図５は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態４を示す図である。図４において生成された外挿直線Ｌｅと、実測線Ｌｍとの乖離度を算出する。乖離度は例えば、外挿直線Ｌｅ上の電圧と実測線Ｌｍ上の電圧との電圧差、当該電圧差を実測電圧で正規化した割合、外挿直線Ｌｅの傾きと実測線Ｌｍの傾きとの比率、等で規定することができる。図５では乖離度を、上記電圧差を実測電圧で正規化した割合（％）で規定する例を用いており、乖離度の推移を乖離線Ｌｄで表している。
【００２９】
図６は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態５を示す図である。図５において求めた乖離度が例えば０．１％より大きくなる、√ｔの区間の最大点を、正極抵抗と拡散抵抗との境界点Ｐ１に設定する。上述のように拡散抵抗成分による放電時の電圧上昇分は、時間の１／２乗（平方根）に対して１次関数の挙動として現れる。従って、放電時の電圧上昇が曲線状から直線状に変化する変化点が、正極抵抗と拡散抵抗との境界点Ｐ１になる。
【００３０】
図７は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態６を示す図である。ｔ＝０．１ｓｅｃの時点を、正極抵抗と、負極抵抗＋電解液抵抗との境界点Ｐ２に設定する。この例は、負極抵抗の周波数応答が１０Ｈｚ付近になるセルを使用する例を前提としている。
【００３１】
交流インピーダンス法により測定され、複素平面上にプロットされたインピーダンス（ナイキストプロット）の負極成分と正極成分はそれぞれ円弧で表される。負極成分の円弧が高周波側に、正極成分の円弧が低周波側に発生する。負極抵抗の周波数応答は、一般的なリチウムイオン電池では、１００Ｈｚから１Ｈｚの範囲に発生する。
【００３２】
なお電解液抵抗の周波数応答は、一般的なリチウムイオン電池では、１ｋＨｚ近辺に出現する。時間応答では０．００１秒近辺となり、電解液抵抗の時間応答を、一般的な電圧計測回路で高精度に計測することは難しい。そこで本実施の形態では、負極抵抗と電解液抵抗の分離は行っていない。なおコスト増を許容できる場合は、１ｋＨｚの交流波形を発振する局部発振器を電池管理装置２０内に搭載することにより、負極抵抗と電解液抵抗の分離を行うことができる。
【００３３】
図８は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離アルゴリズムの状態７を示す図である。図８に示すように直流定電流の放電／充電によるセルの電圧上昇分の内、境界点Ｐ２までの上昇分が、電解液＋負極の抵抗成分に起因する電圧上昇分となり、境界点Ｐ２から境界点Ｐ１までの上昇分が、正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分となり、境界点Ｐ１以降の上昇分が、拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分となる。各電圧上昇幅を、電池に印加した電流値で除算することにより、各抵抗値を求めることができる。
【００３４】
図９は、本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離と、交流インピーダンス法を利用した抵抗分離を比較した図である。図９のグラフの横軸は充放電サイクルを、縦軸は抵抗値を示している。上から順に、（１）ＳＯＣ５０％のリチウムイオン電池から０．５Ｃで１０秒間放電した後に測定した電圧変化幅を印加電流値で除算した抵抗値、（２）本実施の形態に係る上記方法を用いて測定した正極＋負極＋電解液の抵抗値、（３）本実施の形態に係る上記方法を用いて測定した正極の抵抗値、（４）交流インピーダンス法を用いて測定した正極の抵抗値、（５）本実施の形態に係る上記方法を用いて測定した負極＋電解液の抵抗値、（６）交流インピーダンス法を用いて測定した負極の抵抗値をそれぞれ示している。
【００３５】
本実施の形態に係るＤＣＩＲを利用した抵抗分離が、交流インピーダンス法を利用した抵抗分離と同等の分離精度を有していることが分かる。また正極の抵抗増加による劣化は、充放電回数の増加とともに大きく進行するが、負極の抵抗増加による劣化は、充放電回数の増加に対して緩やかに進行することが分かる。
【００３６】
図１０は、本発明の実施の形態に係る電池管理装置２０による内部抵抗分離処理の流れを示すフローチャートである。制御部２３は直流の定電流を、電池モジュール１０から放電／電池モジュール１０へ充電するようパワーコンディショナ４に指示する（Ｓ１０）。制御部２３は、電圧計測部２１により計測された各セルＳ１−Ｓｎの電圧値を取得する（Ｓ１１）。制御部２３は、取得した電圧値をワーク領域に一時保持する（Ｓ１２）。ステップＳ１１−ステップＳ１３の処理が、所定時間（本実施の形態では３０秒）経過するまで（Ｓ１３のＹ）、継続して実行される（Ｓ１３のＮ）。
【００３７】
制御部２３は、各サンプル周期のセルの計測電圧から当該セルの開回路電圧を減算した電圧値を、時間の平方根の値の軸に対してプロットする（Ｓ１４）。制御部２３は、プロットした電圧値が、曲線から直線に変化する値を、正極抵抗による電圧上昇分と拡散抵抗による電圧上昇分の境界値（以下、第１境界電圧値という）として検出する（Ｓ１５）。
【００３８】
制御部２３は、放電／充電が開始してから所定時間（本実施の形態では０．１秒）が経過時の電圧値を、負極＋電解液による電圧上昇分と正極抵抗による電圧上昇分との境界値（以下、第２境界電圧値という）として検出する（Ｓ１６）。
【００３９】
制御部２３は、第１境界電圧値を上記の定電流値で除算して、正極＋負極＋電解液の合成抵抗値（以下、第１合成抵抗値という）を算出する（Ｓ１７）。制御部２３は、第２境界電圧値を上記の定電流値で除算して、負極＋電解液の合成抵抗値（以下、第２合成抵抗値という）を算出する（Ｓ１８）。制御部２３は、第１合成抵抗値から第２合成抵抗値を減算して、正極の抵抗値を算出する（Ｓ１９）。制御部２３は、第１境界電圧値以降の電圧変化の速度から、拡散抵抗係数を導出する（Ｓ１１０）。拡散抵抗係数は、劣化するほど傾きが大きくなっていく。
【００４０】
以上の正極の抵抗値、負極＋電解液の抵抗値、及び拡散抵抗係数の導出を、セルごとに実行する。制御部２３は、正極の抵抗値、負極＋電解液の合成抵抗値、及び拡散抵抗係数を記憶部２４に保存する（Ｓ１１１）。
【００４１】
図１１は、本発明の実施の形態に係る電池管理装置２０による劣化診断処理の流れを示すフローチャートである。制御部２３は、図１０のフローチャートに示した内部抵抗分離処理を実行する（Ｓ２０）。制御部２３は、正極の抵抗値、負極＋電解液の合成抵抗値、及び拡散抵抗係数と、それぞれの劣化判定閾値とを比較する（Ｓ２１）。電池メーカは、正極の抵抗用の劣化判定閾値、負極＋電解液の合成抵抗用の劣化判定閾値、及び拡散抵抗係数の劣化判定閾値を、実験またはシミュレーションにより予め導出し、制御部２３または記憶部２４内に登録しておく。
【００４２】
上記比較の結果、劣化判定閾値以上の抵抗値／係数が１つでも存在する場合（Ｓ２２のＹ）、制御部２３は、劣化判定閾値への到達を示すアラートを操作表示部３０に出力して表示させる。または制御部２３はパワーコンディショナ４に指示して、電池モジュール１０の充放電動作を停止させる。またはその両方を実行する（Ｓ２６）。なお、操作表示部３０にアラートを表示させる際、どの構成要素が劣化判定閾値に到達したかを合わせて表示させてもよい。
【００４３】
上記比較の結果、劣化判定閾値以上の抵抗値／係数が１つも存在しない場合（Ｓ２２のＮ）、制御部２３は、算出した拡散抵抗係数、算出した正極の抵抗値、又は算出した電解液と負極の合成抵抗値にもとづき、セルの放電電流及び／又は充電電流の上限値を変更する（Ｓ２３）。
【００４４】
抵抗が増加すると同じ値の電流を流した場合でも電圧が上昇する。各構成部材の抵抗増加により、上限値の放電電流又は充電電流が当該構成部材に流れた場合、当該構成部材が耐圧オーバとなる場合がある。制御部２３は、内部抵抗の増加により、耐圧オーバとなる構成部材が発生している場合、耐圧オーバとならない放電電流値及び／又は充電電流値まで、放電電流及び／又は充電電流の上限値を低下させる。耐圧オーバとなる構成部材が発生していない場合は、放電電流及び／又は充電電流の上限値を変更する必要はない。
【００４５】
制御部２３は、記憶部２４に保存されている実測された拡散抵抗係数、正極の抵抗値、及び電解液と負極の合成抵抗値の推移にもとづき、各セルの残存充放電回数を推定する（Ｓ２４）。図９に示したように各構成部材の内部抵抗は、充放電回数の増加に従い増加する。電池メーカは、拡散抵抗係数、正極の抵抗値、及び電解液と負極の合成抵抗値の推移を、実験またはシミュレーションにより予め導出し、制御部２３または記憶部２４内に登録しておく。
【００４６】
制御部２３は、登録されている拡散抵抗係数、正極の抵抗値、及び電解液と負極の合成抵抗値の推移と、実測された拡散抵抗係数、正極の抵抗値、及び電解液と負極の合成抵抗値の推移を比較して、各構成部材の残存充放電回数を推定する。各構成部材の残存充放電回数の内、最も少ない残存充放電回数をセルの残存充放電回数とする。さらに複数のセルＳ１−Ｓｎの残存充放電回数の内、最も少ない残存充放電回数を電池モジュール１０の残存充放電回数とする。制御部２３は、推定した電池モジュール１０の残存充電回数を操作表示部３０に出力して表示させる。
【００４７】
なお、充放電回数と使用期間との間に安定的な関係が成り立つ用途では、制御部２３は、電池モジュール１０の残存使用期間を推定し、推定した残存使用期間を操作表示部３０に出力して表示させてもよい。
【００４８】
前回の内部抵抗分離処理時から、所定回数（例えば、１００回）の充放電が実行されると（Ｓ２５のＹ）、ステップＳ２０に遷移し、ステップＳ２０−ステップＳ２４の処理を繰り返す。なお所定期間（例えば、１ヶ月）が経過する度に、ステップＳ２０に遷移し、ステップＳ２０−ステップＳ２４の処理を繰り返してもよい。
【００４９】
以上説明したように本実施の形態によれば、直流の定電流で放電／充電する際の時間応答（ＤＣＩＲ）から得られる時間−電圧波形を利用して、二次電池の内部抵抗の分離解析を低コストで簡単に行うことができる。時間応答（ＤＣＩＲ）を利用するため、交流インピーダンス法で必要となる、広範囲な周波数をスイープ可能な局部発振器が不要となる。従って、電池管理装置２０内に当該発振器を実装する必要がなく、コストおよび回路面積の増加を抑えることができる。
【００５０】
また診断時に流す直流電流は、通常の充放電制御により流すことができる直流電流であるため、蓄電システム１の運用開始後においても、蓄電システム１のハードウェア構成を変更することなく簡単に診断を行うことができる。各セルの両端にプローブ端子を接触させるような煩雑な作業は発生しない。また定期的に自動診断することができるため、ユーザが意識することなく各構成部材の劣化診断を行うことができ、利便性が高い。また既存の蓄電システム１に対しても、制御部２３にファームウェアを追加インストールするだけで実装することができ、実現が容易である。
【００５１】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５２】
上述の実施の形態では、リチウムイオン電池を使用する例を想定したが、ニッケル水素電池等の他の化学電池でも原理は同じであり、同様に適用することができる。
【００５３】
また上述の実施の形態では、蓄電システム１内の電池管理装置２０で、電池モジュール１０内の各セルの劣化診断を行う例を説明した。この点、電池管理装置２０とネットワークで接続された集中管理装置で、複数の蓄電システム１の劣化診断を集中的に行ってもよい。この場合、各蓄電システム１内の電池管理装置２０は、計測した各セルＳ１−Ｓｎの電圧値と、計測した複数のセルＳ１−Ｓｎに流れる電流値を、インターネットや専用線などのネットワークを介して、電池管理装置２０に送信する。電池管理装置２０は通信機能を備えていれば、劣化診断機能を備える必要がない。これによれば、電池メーカは、自社製品の劣化診断データを効率的に収集することができる。
【００５４】
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
【００５５】
［項目１］
直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電するステップと、
前記電池の電圧を計測するステップと、
放電／充電が開始してからの経過時間を時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池の計測電圧から前記電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定するステップと、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定するステップと、
を有することを特徴とする電池の診断方法。
本明細書では、「時間の平方根で規定した値」は、時間を０．５１乗した値など、時間を０．５乗した値と実質的に同等の値を含む概念とする。
これによれば、電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目２］
放電／充電が開始してから、前記電池の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定するステップを、
さらに有することを特徴とする項目１に記載の電池の診断方法。
これによれば、電池の電解液、及び負極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池の正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目３］
直流の定電流を所定時間、電池から放電／電池へ充電させる制御が開始してからの経過時間を時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池の計測電圧から前記電池の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定する処理と、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする電池の診断プログラム。
非一過性の記録媒体（Non-transitory computer readable medium）に診断プログラムを記憶させ、コンピュータは診断プログラムを実行することができる。
これによれば、電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目４］
放電／充電が開始してから、前記電池の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定する処理を、
コンピュータにさらに実行させることを特徴とする項目３に記載の電池の診断プログラム。
これによれば、電池の電解液、及び負極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池の正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目５］
電池（Ｓ１−Ｓｎ）に流れる電流を計測する電流計測部（２２）と、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電圧を計測する電圧計測部（２１）と、
直流の定電流を所定時間、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）から放電／電池へ充電させて、前記電池の状態を診断する制御部（２３）と、を備え、
前記制御部（２３）は、
放電／充電が開始してからの経過時間を、時間の平方根で規定した値の増加推移に対して、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の計測電圧から前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の開回路電圧を減算した電圧の上昇が曲線状から直線状に変化する変化点を特定し、
放電／充電が開始したときの電圧から前記変化点までの電圧上昇分を、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定し、前記変化点からの電圧上昇分を、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分と特定する、
ことを特徴とする電池管理装置（２０）。
これによれば、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液、及び負極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目６］
前記制御部（２３）は、
放電／充電が開始してから、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の負極の抵抗成分の周波数応答をもとに予め決定された設定時間が経過するまでの電圧上昇分を、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液、及び負極に起因する電圧上昇分と特定する、
ことを特徴とする項目５に記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液、及び負極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる。
［項目７］
前記制御部（２３）は、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極と正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分を前記定電流で除算して、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極と正極の合成抵抗値を算出し、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇の速度をもとに、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の拡散抵抗係数を導出し、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極に起因する電圧上昇分を前記定電流で除算して、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極の合成抵抗値を算出し、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極と正極の合成抵抗値から、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極の合成抵抗値を減算して、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の正極の抵抗値を算出する、
ことを特徴とする項目６に記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の電解液と負極と正極の合成抵抗、拡散抵抗係数、及び電解液と負極の合成抵抗の値をそれぞれ推定することができる。
［項目８］
前記制御部（２３）は、
算出した拡散抵抗係数が、拡散抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び／又は前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の充放電を停止させ、
算出した正極の抵抗値が、正極の抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び／又は前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の充放電を停止させ、
算出した電解液と負極の合成抵抗値と、電解液と負極の合成抵抗用の劣化判定閾値以上になったときアラートを出力及び／又は前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の充放電を停止させる、
ことを特徴とする項目７に記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の寿命に到達したとき、ユーザに認識させることにより又は自動で、充放電動作を停止させることができる。
［項目９］
前記制御部（２３）は、
算出した拡散抵抗係数、算出した正極の抵抗値、又は算出した電解液と負極の合成抵抗値にもとづき、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の充電電流及び／又は放電電流の上限値を変更する、
ことを特徴とする項目７に記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、各構成部材の耐圧オーバを回避することができる。
［項目１０］
前記制御部（２３）は、
算出した拡散抵抗係数、算出した正極の抵抗値、及び算出した電解液と負極の合成抵抗値の推移にもとづき、前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）の残存使用期間または残存充放電回数を推定する、
ことを特徴とする項目７に記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、電池（Ｓ１−Ｓｎ）の交換時期等の目安とすることができる。
［項目１１］
前記制御部（２３）は、
前記電池（Ｓ１−Ｓｎ）に前記定電流を３０秒以上流すように制御することを特徴とする項目５から１０のいずれかに記載の電池管理装置（２０）。
これによれば、抵抗分離をするに十分な期間の計測値を取得することができる。
［項目１２］
電池（Ｓ１−Ｓｎ）を含む電池モジュール（１０）と、
前記電池モジュール（１０）を管理する項目１から１１のいずれかに記載の電池管理装置（２０）と、
を備えることを特徴とする蓄電システム（１）。
これによれば、電池の電解液、負極、及び正極の抵抗成分に起因する電圧上昇分と、電池の拡散抵抗成分に起因する電圧上昇分を低コストで簡単に分離することができる蓄電システム（１）を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、電池の診断方法、電池の診断プログラム、電池管理装置、及び蓄電システムに利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１  蓄電システム
２  系統
３  負荷
４  パワーコンディショナ
１０  電池モジュール
２０  電池管理装置
２１  電圧計測部
２２  電流計測部
２３  制御部
２４  記憶部
Ｓ１，Ｓ２，Ｓｎ  セル
Ｒｓ  シャント抵抗
３０  操作表示部
【図１】
2018051613.tif 000003
【図２】
2018051613.tif 000004
【図３】
2018051613.tif 000005
【図４】
2018051613.tif 000006
【図５】
2018051613.tif 000007
【図６】
2018051613.tif 000008
【図７】
2018051613.tif 000009
【図８】
2018051613.tif 000010
【図９】
2018051613.tif 000011
【図１０】
2018051613.tif 000012
【図１１】
2018051613.tif 000013
【国際調査報告】
2018051613.tif 000014
2018051613.tif 000015
2018051613.tif 000016
2018051613.tif 000017