(57)【要約】【課題】定電圧モードにおける充放電試験において、試料３に余分な負荷を与えずに試験開始時のオーバーシュートを抑制する。【解決手段】充放電試験装置１０において、制御部１５は、設定された初期電流値および定電圧値をもとに試料３を定電圧モードで充放電試験するとき、当該試験を開始した後、試料３に流れる電流が初期電流値に到達する前に試料３のインピーダンス値を計測する。制御部１５は、計測したインピーダンス値をもとに設定された初期電流値が適正な範囲の値であるか確認し、適正な範囲外の場合、初期電流値を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を充放電する充放電回路と、
前記充放電回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、設定された初期電流値および定電圧値をもとに前記試料を定電圧モードで充放電試験するとき、当該試験を開始した後、前記試料に流れる電流が前記初期電流値に到達する前に前記試料のインピーダンス値を計測することを特徴とする充放電試験装置。
【請求項２】
前記制御部は、計測したインピーダンス値をもとに前記設定された初期電流値が適正な範囲の値であるか確認することを特徴とする請求項１に記載の充放電試験装置。
【請求項３】
前記制御部は、計測したインピーダンス値と前記設定された初期電流値をもとに算出される電圧値が前記設定された定電圧値を超えるとき、前記定電圧値を超えないよう前記初期電流値を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の充放電試験装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記試験を開始した後、前記試料に流れる電流が前記初期電流値に到達するまで、所定のステップ幅で段階的に電流が変化するよう前記充放電回路を制御し、最初のステップ変化前後の電流変化値および電圧変化値をもとに前記試料のインピーダンス値を計測することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充放電試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池や電気二重層コンデンサ等の試料を充放電試験する充放電試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車や電気自動車が普及してきており、二次電池の充放電試験装置に対する需要が増している。充放電試験は様々なモードで行われる（例えば特許文献１参照）。主なモードに定電流（ＣＣ）モード、定電圧（ＣＶ）モード、定電力（ＣＰ）モードがある。この内、定電圧モードではユーザにより設定された初期電流値および定電圧値をもとに充放電試験装置は二次電池を充放電する。充放電試験装置内の双方向性ＤＣ−ＤＣコンバータは、二次電池の電圧が定電圧値を維持するよう制御するが、フィードバック系の遅延成分により出力調整が追従できず、初期電流がオーバーシュートしてしまう場合がある。
【０００３】
そこで定電圧モードの試験に先立って二次電池のインピーダンスを計測し、計測したインピーダンス値と初期電流値の関係から二次電池の初期電圧が、設定された定電圧値をオーバーすることが予測される場合、初期電流値を下げることにより初期電流のオーバーシュートを回避する制御が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３８５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記の制御では定電圧モードの試験開始前に、二次電池にインピーダンス計測用の電流を流さなければならない。この電流は定電圧モード試験に直接関係しない余分な電流であり、二次電池に対しても余分な負荷をかけることになる。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、定電圧モードにおける充放電試験において、試料に余分な負荷を与えずに試験開始時のオーバーシュートを抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の充放電試験装置は、試料を充放電する充放電回路と、前記充放電回路を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、設定された初期電流値および定電圧値をもとに前記試料を定電圧モードで充放電試験するとき、当該試験を開始した後、前記試料に流れる電流が前記初期電流値に到達する前に前記試料のインピーダンス値を計測する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、定電圧モードにおける充放電試験において、試料に余分な負荷を与えずに試験開始時のオーバーシュートを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る充放電試験システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、定電圧モードにおける充放電試験とインピーダンス計測との時間関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る、定電圧モードにおける充電試験時の充電電流の推移を示す図である。
【図４】定電圧モードにおける充電試験開始直後の制御部の処理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】
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る充放電試験システム１の構成を示すブロック図である。充放電試験システム１は試料３の充放電試験を行う。試験対象の試料３は蓄電デバイスであり、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池、ニッケルカドミウム電池などの二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタが該当する。本実施の形態では試料３として車載用のリチウムイオン電池を想定する。二次電池の単位にはセル、複数のセルを接続したモジュール、及び複数のモジュールを接続したパックがある。本実施の形態ではモジュール／パックを想定する。
【００１１】
充放電試験システム１は、充放電試験装置１０、情報端末装置２０及び恒温槽３０を備える。試料３は恒温槽３０内に設置される。情報端末装置２０は充放電試験を制御する装置であり、例えばＰＣを使用できる。情報端末装置２０は恒温槽３０内の温度を管理しつつ、充放電試験装置１０に試験実施用の制御信号を送信し、充放電試験装置１０から計測データを受信する。情報端末装置２０はモニタを備え、計測データを当該モニタにリアルタイムに表示させることができる。また情報端末装置２０は計測データの解析機能を有し、解析結果を表示およびプリントアウトできる。
【００１２】
充放電試験装置１０は回生インバータ１１、充放電回路１２、電流検出部１３、電圧検出部１４、制御部１５及び計測部１６を備える。回生インバータ１１は、交流電源（商用電源）２と充放電回路１２との間に接続される。回生インバータ１１は回生機能付きの双方向ＡＣ−ＤＣコンバータである。回生インバータ１１は力行時、交流電源２からの交流電圧を直流電圧に変換して充放電回路１２に出力する。回生時、充放電回路１２からの直流電圧を交流電圧に変換して交流電源２に出力する。なおインバータは回生機能付きでなくてもよいが、その場合、余った放電電流をヒータ抵抗により消費する必要がある。
【００１３】
充放電回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータはスイッチング電源で構成でき、例えばフォワード方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用できる。なおスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のＰＷＭ制御により、出力の安定化フィードバック制御が可能なＤＣ−ＤＣコンバータであれば、いずれの方式のＤＣ−ＤＣコンバータを使用してもよい。充放電回路１２は充電時、回生インバータ１１から入力される直流電圧を降圧して試料３に出力する。また放電時、試料３から入力される直流電圧を昇圧して回生インバータ１１に出力する。
【００１４】
電流検出部１３は、充放電回路１２と試料３間に流れる電流（充電電流または放電電流）を検出する。具体的には電流検出部１３は、充放電回路１２と試料３間の電流路に挿入されるシャント抵抗と、当該シャント抵抗の両端に接続されるアンプで構成できる。当該アンプはシャント抵抗に流れる電流に応じた電圧値を制御部１５に出力する。
【００１５】
電圧検出部１４は、充放電回路１２から試料３に印加される充電電圧または試料３から充放電回路１２に印加される放電電圧を検出する。具体的には電圧検出部１４は、充放電回路１２と試料３間を結ぶプラス配線およびマイナス配線間の電位差を検出するアンプで構成できる。当該アンプは、両配線間の電位差を示す電圧値を制御部１５に出力する。
【００１６】
制御部１５は充放電回路１２を制御する。制御部１５は情報端末装置２０とケーブル（例えばＬＡＮケーブル）で接続され、情報端末装置２０から充放電試験に関する制御信号を受信する。
【００１７】
計測部１６は充放電試験中の試料３の計測データを収集する。計測部１６は情報端末装置２０とケーブル（例えばＬＡＮケーブル）で接続され、収集した試料３の計測データを情報端末装置２０に出力する。計測部１６は試料３の計測データとして、セル電圧、モジュール／パック電圧、電流、温度などの値を試料３から取得する。
【００１８】
試料３とされる電池パック内に電圧センサ、電流センサ、温度センサが含まれている場合、試料３から電圧値、電流値および温度値をそのまま取得できる。なお温度は恒温槽に設けられた温度センサから取得してもよい。なお電圧および電流は、電圧検出部１４で検出された電圧値および電流検出部１３で検出された電流値を使用してもよい。また電圧検出部１４及び電流検出部１３と別に、計測データ取得用の電圧センサ及び電流センサを設けて、当該電圧センサ及び電流センサから取得してもよい。
【００１９】
情報端末装置２０は各種の充放電試験パターンを制御部１５に設定する。充放電パターンの基本モードに定電圧（ＣＶ）モードがある。通常、リチウムイオン電池では定電流（ＣＣ）モードで充電を開始し、充電電圧が設定電圧に到達すると定電圧モードに切り替える。リチウムイオン電池では厳格な電圧管理が必要であるため、過充電とならないよう満充電状態に近づくと定電圧モードに切り替える。放電の場合も同様に定電流モードで放電を開始し、放電電圧が設定電圧に到達すると定電圧モードに切り替える。
【００２０】
定電圧モードにおける充放電試験では、定電圧値Ｖｃｖと、充電／放電開始時の初期電流値Ｉｓが設定される必要がある。ユーザは情報端末装置２０のコンソール端末（例えばタッチパネル操作部）から定電圧値Ｖｃｖ及び初期電流値Ｉｓを入力する。情報端末装置２０は、入力された定電圧値Ｖｃｖ及び初期電流値Ｉｓを制御部１５に送信する。
【００２１】
本実施の形態では制御部１５をデジタル制御で実装する例を想定する。この場合、制御部１５は、ファームウェアで動作するプロセッサ（例えばＤＳＰ）、電流検出部１３により検出されたアナログの電流値をデジタルの電流値に変換する第１のＡ／Ｄコンバータ、及び電圧検出部１４で検出されたアナログの電圧値をデジタルの電圧値に変換する第２のＡ／Ｄコンバータを含む。
【００２２】
以下、定電圧モードにおける充電試験について説明する。上記プロセッサには、情報端末装置２０から定電圧値Ｖｃｖ及び初期電流値Ｉｓが設定され、第１のＡ／Ｄコンバータから充放電回路１２の出力電流値が入力され、第２のＡ／Ｄコンバータから充放電回路１２の出力電圧値が入力される。定電圧モードにおける充電試験開始後、上記プロセッサは充放電回路１２の出力電流値が初期電流値Ｉｓに合致するよう、充放電回路１２内のスイッチング素子のデューティ比を制御する。
【００２３】
充放電回路１２の出力電流値が初期電流値Ｉｓに到達すると、上記プロセッサは充放電回路１２の出力電圧値が定電圧値Ｖｃｖを維持するよう、充放電回路１２内のスイッチング素子のデューティ比を適応的に制御する。充放電回路１２の出力電圧値が定電圧値Ｖｃｖより低い場合はスイッチング素子のデューティ比を上げ、反対に充放電回路１２の出力電圧値が定電圧値Ｖｃｖより高い場合はスイッチング素子のデューティ比を下げる。二次電池が満充電状態に近づくにつれ、充放電回路１２の出力電流値は低下していき、満充電状態ではゼロになる。
【００２４】
ユーザは上記の定電圧値Ｖｃｖ及び初期電流値Ｉｓを、試料３となる二次電池の仕様書に記載されたインピーダンスを参考に決定する。しかしながら二次電池のインピーダンスは、温度などの環境条件により変化するため、試験時における実際のインピーダンスが仕様書に記載されたインピーダンスより低くなっている場合がある。また製造プロセスのばらつきにより、実際のインピーダンスが仕様書に記載されたインピーダンスより低くなっている場合もある。このように二次電池のインピーダンスが低くなっている場合、試験開始時の電流上昇が急峻になりオーバーシュートが発生する可能性がある。
【００２５】
上述の電流検出部１３により検出される出力電流値によるフィードバック制御、及び電圧検出部１４により検出される出力電圧値によるフィードバック制御は、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ、プロセッサを経てスイッチング素子が制御されるものである。従って、このフィードバック系の遅延より、試験開始時の電流上昇速度の方が速い場合、オーバーシュートが発生する。なお放電試験の場合、基本的に以上の説明における電流を正負反転させて考えればよい。
【００２６】
上述のオーバーシュートに対する対策として従来、定電圧モードにおける充電試験に先立ち、試料３のインピーダンスを計測することが行われていた。試料３のインピーダンス値を計測するには試料３に電流を流して、電流を流す前後の電圧変化を検出する必要がある。この試料３に流す電流は充電試験に直接関係しない電流であり、充電試験にとって余剰な電流である。また試験開始前に試料３に電流を流してしまうと試料３の特性を変えてしまう可能性があり、試験精度を下げる方向に作用する。
【００２７】
本実施の形態では定電圧モードにおける充放電試験とインピーダンス計測を並行に行うことにより、それらの課題を解決する。具体的には、設定された初期電流値Ｉｓおよび定電圧値Ｖｃｖをもとに試料３を定電圧モードで充放電試験するとき、制御部１５は当該試験を開始した後、試料３に流れる電流が初期電流値Ｉｓに到達する前に試料３のインピーダンス値を計測する。
【００２８】
図２（ａ）、（ｂ）は、定電圧モードにおける充放電試験とインピーダンス計測との時間関係を示す図である。図２（ａ）は従来における両者の時間関係を示し、図２（ｂ）は本発明の実施の形態における両者の時間関係を示している。図２（ｂ）に示すように両者を並行して行うことにより、上述の課題を解決するとともにインピーダンス計測を含む全体の試験時間短縮にもつながる。
【００２９】
図３は、本発明の実施の形態に係る、定電圧モードにおける充電試験時の充電電流の推移を示す。図３に示す充電電流の推移は、充放電回路１２をデジタル制御する場合の推移である。図３に示すように制御部１５は定電圧モードにおける充放電試験を開始した後、試料３に流れる電流が初期電流値Ｉｓに到達するまで、所定のステップ幅で段階的に電流が変化するよう充放電回路１２を制御する。即ち上記プロセッサは、充放電回路１２の出力電流値の目標電流値を、ゼロから初期電流値Ｉｓまで所定のステップ幅で段階的に変更する。目標電流値を示す電圧は、コンパレータに参照電圧として入力される。当該コンパレータは当該参照電圧と基準クロック信号電圧との比較結果に応じて、充放電回路１２内のスイッチング素子をオン／オフ制御する。
【００３０】
デジタル制御する場合、ファームウェア上のルーチンで目標電流値を切り替える。アナログ制御する場合、抵抗ラダー等で等間隔に生成された複数の電圧源をスイッチにより順次切り替える。
【００３１】
制御部１５は、最初のステップ変化前後の電流変化値ΔＩおよび電圧変化値ΔＶをもとに試料３のインピーダンス値Ｒを計測する。電圧変化値ΔＶを電流変化値ΔＩで割ることにより、試料３のインピーダンス値Ｒを算出できる。制御部１５は計測したインピーダンス値Ｒをもとに、設定された初期電流値Ｉｓが適正な範囲の値であるか否か確認する。
【００３２】
当該インピーダンス値Ｒと当該初期電流値Ｉｓをもとに算出される予測電圧値Ｖｅが、設定された定電圧値Ｖｃｖを超えないとき制御部１５は、当該初期電流値Ｉｓが適正な範囲内の値であると判定する。当該予測電圧値Ｖｅが当該定電圧値Ｖｃｖを超えるとき当該初期電流値Ｉｓが適正な範囲外の値であると判定する。この場合、制御部１５は予測電圧値Ｖｅが当該定電圧値Ｖｃｖを超えないように、設定された初期電流値Ｉｓを変更する。充電試験の場合、初期電流値Ｉｓを低下させて予測電圧値Ｖｅが当該定電圧値Ｖｃｖ以下になるよう変更する。
【００３３】
図４は、定電圧モードにおける充電試験開始直後の制御部１５の処理を示すフローチャートである。制御部１５は情報端末装置２０から定電圧値Ｖｃｖ及び初期電流値Ｉｓを取得して、定電圧モードにおける充電試験の参照値として設定する（Ｓ１０）。
【００３４】
制御部１５は、充放電回路１２の目標出力電流値を、初期値にΔＩを加算した値に設定する（Ｓ１１）。制御部１５は充放電回路１２の目標出力電流値が初期値の状態で計測した充放電回路１２の出力電圧値と、ΔＩを加算した値の状態で計測した出力電圧値との間の電圧変化値ΔＶを算出する。制御部１５は電圧変化値ΔＶを電流変化値ΔＩで除して、インピーダンス値Ｒを計測する（Ｓ１２）。
【００３５】
制御部１５は設定された初期電流値Ｉｓに、計測したインピーダンス値Ｒを掛けて初期の予測電圧値Ｖｅを算出する（Ｓ１３）。制御部１５は算出した予測電圧値Ｖｅと、設定された定電圧値Ｖｃｖを比較する（Ｓ１４）。予測電圧値Ｖｅが定電圧値Ｖｃｖより大きい場合（Ｓ１４のＹ）、制御部１５は初期電流値Ｉｓを、予測電圧値Ｖｅをインピーダンス値Ｒで除して算出した電流値に変更する（Ｓ１５）。なお算出した電流値からマージンを引いた電流値に初期電流値Ｉｓを変更してもよい。予測電圧値Ｖｅが定電圧値Ｖｃｖ以下の場合（Ｓ１４のＮ）、ステップＳ１５の処理をスキップする。
【００３６】
制御部１５は充放電回路１２の目標出力電流値にΔＩを順次、加算していく（Ｓ１６）。ステップＳ１６の処理を、電流検出部１３により検出される出力電流値が初期電流値Ｉｓを超えない間（Ｓ１７のＹ）継続する。検出される出力電流値が初期電流値Ｉｓ以上になると（Ｓ１７のＮ）、試験開始直後の制御部１５の処理を終了する。この後は、電圧検出部１４により検出される出力電圧値が、設定された定電圧値Ｖｃｖと一致するようにフィードバック制御する。
【００３７】
以上説明したように本実施の形態によれば、試料３のインピーダンスの確認を定電圧モードにおける充放電試験の前処理としてではなく、実際の充放電試験の中で行うことにより、余剰な電流が発生せず試料３に余分な負荷を与えることを抑制できる。従って前処理で流す電流により試料３の特性が変わることを防止でき、試験精度の低下を抑制できる。
【００３８】
また試験開始直後に試料３のインピーダンスを計測し、その計測結果にもとづき設定された初期電流値Ｉｓを必要に応じて補正することにより、初期電流のオーバーシュートを防止できる。また、ハードウェアを改造することなく、試料３の特性に応じた定電圧モードの充放電試験が可能であるため、充放電試験システム１をローコストで運用できる。
【００３９】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この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合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。
【００４０】
上述の説明では、試料３のインピーダンス計測後も目標電流値を所定のステップ幅で変更する例を説明したが、目標電流値を初期電流値Ｉｓに直接変更してもよい。制御部１５の実装方法に応じて使い分ければよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  充放電試験システム、  ２  交流電源、  ３  試料、  １０  充放電試験装置、  １１  回生インバータ、  １２  充放電回路、  １３  電流検出部、  １４  電圧検出部、  １５  制御部、  １６  計測部、  ２０  情報端末装置、  ３０  恒温槽。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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