(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最適の電池パックを構成するため各電池の複素インピダンスを測定して比較分析した後、各電池のインピダンススペクトルの相違に基づいて単位電池を分類する方法において、
（ａ）同一温度及び同一充電状態で各電池について、１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの複数の周波数で複素インピダンスを測定する段階と、
（ｂ）前記測定したインピダンススペクトルの相互間の差を、複素インピダンスの実数部同士の差及び虚数部同士の差に基づいて相対的な値に計数化する段階と、
（ｃ）前記計数化したインピダンススペクトルの間の差が一番小さい二つ或いは幾つかの電池を選別する段階と、からなることを特徴とする単位電池分類方法。
【請求項２】
前記（ｂ）段階において、複素インピダンスの実数部同士の差及び虚数部同士の差に基づいてインピダンススペクトル間の相対的な距離の差を計算することを特徴とする請求項１に記載の単位電池分類方法。
【請求項３】
前記（ｂ）段階で前記インピダンススペクトル間の距離測定法は、ユークリッド距離、ユークリッド距離の２乗、又はマンハッタン距離の計算法を含むことを特徴とする請求項２に記載の単位電池分類方法。
【請求項４】
同一な生産工程を経たが、互いに異なった内部特性をもつ電気化学的電力源に対し同一温度及び同一充電状態の条件で１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの多数の周波数に対する複素インピダンス値をそれぞれ試験測定する第１段階と、
前記第１段階でそれぞれの電力源に対し測定されたインピダンススペクトル曲線間の距離を、複素インピダンスの実数部同士の差及び虚数部同士の差から計算する第２段階と、
前記第２段階で計算したインピダンススペクトル曲線間の距離から、差の一番小さい二つ或いは幾つかの電気化学的電力源を組合わせることができるように分類して優れた電池パックを構成する第３段階と、から構成することを特徴とする単位電池分類方法。
【請求項５】
前記電気化学的電力源は一次電池、燃料電池、二次電池、即ち、リチウムイオン、リチウムイオンポリマー、リチウムポリマー、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、又は鉛蓄電池であることを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項６】
前記第１段階の試験測定は多重正弦波フーリエ変換インピダンススペクトル試験測定法を用いることを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項７】
前記第１段階の試験測定は過渡応答のラプラス変換インピダンススペクトル試験測定法であることを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項８】
前記電気化学的電力源に対し各枝の長さがインピダンススペクトル間の相対的な差を表す樹状構造で表示する第４段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項９】
前記樹状構造による階層構造を用いて、上位枝から下位枝へと分岐する地点で、その下位枝における複数の電力源を一つの電池パックグループに分類することを特徴とする請求項８に記載の単位電池分類方法。
【請求項１０】
前記第２段階において、複素インピダンスの実数部同士の差及び虚数部同士の差に基づいてインピダンススペクトル間の相対的な距離の差を計算することを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項１１】
前記電力源に対し測定されたインピダンススペクトル間の相対的な距離の差を行列に示して比較することを特徴とする請求項４に記載の単位電池分類方法。
【請求項１２】
前記インピダンススペクトル間の距離測定法は、ユークリッド距離、ユークリッド距離の２乗、又はマンハッタン距離の計算方法を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、性能の優れた電池パックを構成するための単位電池分類方法に係るもので、詳しくは１次電池或いは２次電池の直列、並列、又はその組合わせにより作られる電池パックの性能を最適化するためインピダンススペクトルのパターンマッチング技法を用いてインピダンススペクトルが類似した単位電池に分類する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数の電池の直列、並列、或いはその組合わせでなる電池パックを製造するにおいて、類似した特性をもつ単位電池を選択するのが電池パックの性能に有利との事実はよく知られている。しかし、初期容量に基づいた一般の電池評価方法は電池パックでの各電池の類似性を確保する方法としては充分でない。その理由は同じ容量の電池でも互いに異なった老化速度及び内部特性のインピダンススペクトルを示すことができるからである。
【０００３】
そこで、複数の電池を直列、並列、或いはその組み合わせで連結して電池パックを製造するにおいて、電池の内部特性を示すインピダンススペクトルが互いに一番類似した電池を用いて製造されるならば電池パックの性能を向上させることができる。相互間のインピダンススペクトルが相違した電池を用いて電池パックを製造すれば、各電池の内部特性の差により全体電池パックの容量低下、又は電池パックの早い老化現象を招来することになる。
【０００４】
今までインピダンスの測定は不良な電池を除去する目的で用いられてきた。例えば、特許文献１に開示された、１秒よりも短い間に固定された周波数でのインピダンス測定は、平均的な値よりも容量の少ない電池を検出し除去するに用いられた。しかし、固定高周波数でのインピダンス測定が電池の容量を恒常正確に予測できるのではない。なぜならば、低周波数領域でのインピダンスの増加傾向が電池別に違うからであり、これは１ｋＨｚで高いインピダンス値をもつ電池が低周波数領域では低いインピダンス値を示すことができるのを意味する。
【０００５】
開放回路電圧の測定などのような電池選別方法もやはり電池パックの構成のための電池の選択において間違った結果を示すことがある。なぜならば、開放回路電圧だけで電池の内部特性が正確に表現されず、電池の放電状態に従い鈍感に変化する性質のためである。
【０００６】
不良電池を検出するため電池の品質管理の目的としてインピダンススペクトルの分析方法が提案されてきた。このような分析方法としては固定された周波数での動的抵抗値を測定する方法が特許文献１に開示され、放電時の電圧値と容量との変化を測定する方法が特許文献２に開示され、充電信号を印加したときに電池から戻り返される応答信号の媒介変数を測定する方法が特許文献３に開示され、電池に印加された交流電流と測定された交流電圧との位相差を試験測定する方法が特許文献４に開始され、リチウムーヨード電池の内部抵抗により試験測定する方法が特許文献５に開示され、２個の別の周波数で測定されたインピダンスの差による偏角を試験測定する方法が特許文献６に開示され、幾つかの周波数でインピダンスを測定しこれらのＮｙｑｕｉｓｔ図面において直線連結及び分析を通じた方法が特許文献７に開示され、電力源等価モデルに全体インピダンススペクトルの近似を通じた媒介変数分析方法が特許文献８に開示される。
【０００７】
このような既存の方法は共通の欠陥があり、測定で求めた電池の内部特性に関する情報が実際の電池選別過程で極に一部だけ用いられて“優良”或いは“不良”などの結果として単に簡単な電池選別ばかりが可能なのである。例えば、特許文献９に示すように、１秒間のパルス電流印加に対する応答電圧は本質的に１Ｈｚ〜１ｋＨｚの間の周波数領域に対するインピダンス情報を含んでいるが、単に１Ｈｚでのインピダンス値だけが電池評価に用いられている。
【０００８】
そして、上述したように既存の物理的に適切な等価回路モデルにインピダンススペクトルを近似するか又は得たインピダンス測定値を蓄電成分と抵抗成分に分離して単位電池の内部特性を分析する方法は複雑な過程を経ることになる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第３８７３９１１号明細書
【特許文献２】
欧州特許第０１１９５４７号明細書
【特許文献３】
米国特許第３８０８４８７号明細書
【特許文献４】
米国特許第３９８４７６２号明細書
【特許文献５】
米国特許第４２５９６３９号明細書
【特許文献６】
米国特許第４７４３８５５号明細書
【特許文献７】
米国特許第５２４１２７５号明細書
【特許文献８】
米国特許第６２０８１４７号明細書
【特許文献９】
米国特許第６１１８２７５号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、インピダンススペクトルを分析するにおいて、物理的に適切な等価回路モデルにインピダンススペクトルを近似するか又は得たインピダンス測定値を蓄電成分と抵抗成分に分離する複雑な過程を経ずに、単にパターンマッチング（ｐａｔｔｅｒｎ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）技法を用いて類似したインピダンススペクトルをもつ電池同士を組合わせるように分類する方法を提供するにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、単位電池の直列、並列、或いはその組み合わせにより作られる電池パックの性能を最適化するため、インピダンススペクトルのパターンマッチング技法を用いて類似したインピダンススペクトルをもつ電池同士を組合わせるように分類する方法を提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため本発明による最適の電池パックを構成するために類似したインピダンススペクトルをもつ単位電池同士が組合わせられるように分類する方法は、同一な温度及び同一な充電状態で各電池の特定周波数領域のインピダンススペクトルを測定する段階と、前記測定したインピダンススペクトルの相互間の差をパターンマッチング技法を用いて相対的な値に計数化する段階と、前記計数化したインピダンススペクトル間の差が一番小さい二つ或いは幾つかの電池を選別する段階と、からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、測定されたインピダンススペクトルの総ての周波数領域を分析して電池パックを構成する電池を選別及び組合わせるようにして最適の電池パックを構成するのである。
【００１４】
又、本発明は、インピダンススペクトルを分析するにおいて、物理的に適切な等価回路モデルにインピダンススペクトルを近似するか又は得たインピダンス測定値を蓄電成分と抵抗成分に分離する複雑な過程を経ずに、単にパターンマッチング方法を用いて内部特性が一番類似した電池を選別するのである。
【００１５】
又、その他の電池選別方法は、電池を選別するために統計的に意味のある数字の電池に対する分析を先に行い、その分析結果をもとに電池を選別するが、本発明ではインピダンススペクトル自体を比較する方法であるため前記分析作業を必要とせず、よって、どんな種類の電池でも事前分析作業なしに真っ直ぐに利用することができる。
【００１６】
本発明は、インピダンス測定のような電気化学的電力源の内部特性把握のために間接的で非破壊的な試験を通じて得た電力源のインピダンススペクトルをパターンマッチング方法により分析して一番類似したインピダンススペクトルを示す、即ち、一番類似した内部特性を示す電力源間に電池パックを構成するためのもので、実時間放電法などのような測定時間が長く且つ破壊的な検査法に比べ効率的であり、媒介変数を用いた相関関係法に比べ信頼性が優れた電池分類及び電池パックの性能を確保するためのものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図を用いて詳しく説明する。そして、本発明の説明において関連の公知機能或いは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明確にすると判断される場合にその詳しい説明を省略する。
【００１８】
（実施例１）
図１はＮ個の電池で構成された電池パックを作るためにＮ個の電池をパターンマッチング技法を用いて選択するプログラムの原理を示すフローチャートである。
【００１９】
図２は５０個の角形リチウムイオン電池の初期放電容量を比較したグラフである。
【００２０】
図３は同じ温度、同じ充電状態で測定した角形リチウムイオン電池の１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの周波数領域でのインピダンススペクトルを比較したグラフである。
【００２１】
図４及び図５は５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダンススペクトルの相対的な差をユークリッド距離（Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）で計算して行列に示し、インピダンススペクトルが一番よく一致し、かつ重複選択されないように２個ずつの組合わせをなし得る電池を表示した実例である。
【００２２】
図６は５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダンススペクトルの差を最小２乗法で計算して各枝の長さがインピダンススペクトル間の相対的な差を示すようにクラスタリング（Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）方法を用いてデンドログラム（Ｄｅｎｄｒｏｇｒａｍ）で表示した実例である。
【００２３】
図７は各インピダンススペクトル間の相対的な差別組合わせにより並列に連結された電池パックの充放電回数に従う放電容量減少を比較したグラフである。
【００２４】
図８は各インピダンススペクトル間の相対的な差別組合わせにより直列に連結された電池パックの充放電回数による放電容量減少を比較したグラフである。
【００２５】
（ａ）  １０１段階で同一な生産工程を経たが、互いに異なった性能特性をもつ５０個の角形リチウムイオン電池に対し１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚ間の周波数範囲で６０個の周波数に対する複素インピダンススペクトルをそれぞれ試験測定する。前記インピダンススペクトル測定結果を図３に示した。前記インピダンス試験測定には錦湖石油化学（株）で製造された電池診断システム（Ｐｏｗｅｒｇｒａｐｈｙ、モデル名：ＢＰＳ１０００ＦＬ）を用いた。試験に用いた５０個の角形リチウムイオン電池は１Ｃ放電でそれぞれ互いに異なった放電容量を示し、図２に比較して示した。インピダンス試験測定は米国特許出願番号第０９／７４６，４５２号に示した方法をそのまま適用して実施した。前記インピダンス試験測定は、例えば、多重正弦波（ｍｕｌｔｉ−ｓｉｎｅ  ｗａｖｅ）フーリエ変換インピダンススペクトル試験測定法及び過度応答（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）のラプラス変換インピダンススペクトル試験測定法を用いる。
【００２６】
（ｂ）  そして、１０２段階で電池パック構成のために電池の個数（Ｎ）を入力させる。その後、１０３段階で５０個の角形リチウムイオン電池に対し測定されたインピダンススペクトルに対しパターンマッチング技法を通じてインピダンススペクトルの類似性を求める。よく知られたパターンマッチング技法中の一つは距離測定法で、ユークリッド距離、ユークリッド距離の２乗、マンハッタン距離（Ｍａｎｈａｔｔａｎ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）などの曲線間の距離を計算する方法などが知られている。このような方法を通じてインピダンススペクトルの類似性が求められ、ユークリッド距離測定法の実例が数学式１のように示される。ここで、Δは二つのインピダンススペクトルの相対的な差を示し、Ｚ１とＺ２はそれぞれ互いに異なった２個のインピダンススペクトルを意味し、Ｒｅ（Ｚ１）はＺ１インピダンススペクトルの実数部値を示し、Ｉｍ（Ｚ２）はＺ２インピダンススペクトルの虚数部値を意味し、ｉはインピダンススペクトルの測定に用いられた全体周波数の数を意味し、ｆｉはインピダンススペクトルの測定に用いられた周波数を示す。
【００２７】
【数１】
0004087672.tif 000002
【００２８】
このようにユークリッド距離を計算した後、１０４段階でユークリッド距離が一番小さい（Ｎ−１）個のインピダンススペクトルを選択する。そして、１０５段階でできるだけ総ての電池の組合わせに対しその組合わせに包含された電池の標準偏差を計算する。
【００２９】
（ｃ）  （ｂ）段階で得た５０個の各インピダンススペクトル間の相対的な差を行列に示して、インピダンススペクトルが一番よく一致し、かつ重複選択されないように２個ずつ組合わせをなし得る電池を表示した実例を図４及び図５に示した。図４及び図５に示した行列は５０個の各インピダンススペクトル間のユークリッド距離を数１に示す式のように表現される式で計算してその値を行列の各要素に記録したものである。この行列はその値が総て０である対角成分を基準に対称をなすので、一方のみにその値を表示し、行と列の番号は５０個の電池を区分して表記したものである。又、前記行列はできるだけ総て２電池組合わせを現すことができて、２個以上の電池で電池パックをつくるのに相当に有用である。
【００３０】
そして、図６には（ｂ）段階で得た５０個の各インピダンススペクトルの相対的な差をパターンマッチング技法中の一つであるクラスタリング方法を用いて、各枝の長さが相対的なインピダンス間の差を示すようにデンドログラムを用いて図式的に表示した実例を示した。この樹状構造の図６は各インピダンススペクトルの差を肉眼で易しく確認できるだけでなく、樹状構造がもつ階層構造を用いて上位枝から下位枝に分岐する地点を２個のグループに束ねることができるため、いろんなグループに選別するのも又可能になる。
【００３１】
（ｄ）  １０６段階で得た５０個の各インピダンススペクトルの標準偏差が一番小さい組合わせを電池パックで決定する。即ち、各インピダンススペクトルの相対的な差に対し電池パックを構成する電池の最適の組合わせ条件として一つの電池パックはインピダンススペクトルの類似した電池で構成されることにより最も効率的になり、エネルギー及び容量の損失を少なくするためインピダンススペクトルの標準偏差が一番小さい２個の電池、インピダンススペクトルの標準偏差が一番大きい２個の電池、そして、ある程度インピダンススペクトルの標準偏差を示す２個の電池で構成された並列及び直列電池パックをそれぞれ構成した。このようにして１０７段階で残った電池数が１０２段階で入力した電池パック構成電池数（Ｎ）よりも小さいかどうかを確認して、残った電池数が入力した電池パック構成電池数（Ｎ）よりも小さくないならば、前記１０４段階へ戻って継続して電池パックを構成するためにインピダンススペクトルを選択する。しかし、残った電池数が入力した電池パック構成電池数（Ｎ）よりも小さいならば、電池パック構成を終了する。このようにして各電池パックの名称はＭｉｎｉｍｕｍ、Ｍａｘｉｍｕｍ、Ｍｉｄｄｌｅに表記する。このような三つの互いに異なった組合わせでなる並列及び直列電池パックに対する充放電結果をそれぞれ図７及び図８に示した。図７及び図８によると、Ｍｉｎｉｍｕｍ組合わせの電池パックがＭａｘｉｍｕｍ組合わせ及びＭｉｄｄｌｅ組合わせの電池パックに比べ初期容量及び連続された充放電に従う性能特性がもっと優れていることがわかる。そして、Ｍａｘｉｍｕｍ組合わせとＭｉｄｄｌｅ組合わせの場合に内部特性の差が互いに異なっているといっても、その電池パックの性能が容量と老化の面で類似した結果を示しており、電池パックの性能は構成電池の相互間の内部特性の差により大きく左右されることがわかる。従って、商業的に使用する電池パックの構成のときに、インピダンススペクトルの相対的な差が一番小さくて相互間に類似した内部特性をもつ電池で電池パックを構成するようにして、電池パックの性能低下を防止するのが一番好ましいことである。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、インピダンス測定のような、電気化学的電力源の内部特性把握のために間接的で非破壊的な試験を通じて得た電力源のインピダンススペクトルのパターンマッチング方法により分析して、一番類似したインピダンススペクトルを示す、即ち、一番類似した内部特性を示す電力源間に電池パックを構成する方法であり、実時間放電方法などのような測定時間が長く且つ破壊的な検査法に比べ効率的で、媒介変数を用いた相関関係法に比べ信頼性の優れた電池分類及び電池パック性能確保方法に関するもので、電力源に対する内部特性予測の正確性及び信頼性を向上させることができるという効果がある。
【００３３】
又、電力源の試験測定及び分析に所要される評価時間を画期的に短縮すると共に電力源を用いて高効率の電池パックを構成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎ個の電池で構成された電池パックを作るためＮ個の電池をパターンマッチング技法を用いて選択するプログラムの原理を示すフローチャートである。
【図２】５０個の角形リチウムイオン電池の初期放電容量を比較したグラフである。
【図３】同じ温度、同じ充電状態で測定した角形リチウムイオン電池の１０ｋＨｚ〜１０ｍＨｚの周波数領域でのインピダンススペクトルを比較したグラフである。
【図４】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダンススペクトルの相対的な差をユークリッド距離で計算して行列に示して、インピダンススペクトルが一番よく一致し重複されないように２個ずつ組合わせをなし得る電池を表示した実例である。
【図５】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダンススペクトルの相対的な差をユークリッド距離で計算して行列に示して、インピダンススペクトルが一番よく一致し重複されないように２個ずつ組合わせをなし得る電池を表示した実例である。
【図６】５０個の角形リチウムイオン電池の各インピダンススペクトルの差を最小２乗法により計算して各枝の長さがインピダンススペクトル間の相対的な差を示すようにクラスタリング方法を用いてデンドログラムで表示した実例である。
【図７】各インピダンススペクトル間の相対的な差別組み合わせにより並列に連結された電池パックの充放電回数による放電容量減少を比較したグラフである。
【図８】各インピダンススペクトル間の相対的な差別組み合わせにより直列に連結された電池パックの充放電回数による放電容量減少を比較したグラフである。
【図１】
0004087672.tif 000003
【図２】
0004087672.tif 000004
【図３】
0004087672.tif 000005
【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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