Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP2014106038A - 電池インピーダンス測定装置 - Google Patents

電池インピーダンス測定装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2014106038A
JP2014106038A JP2012257606A JP2012257606A JP2014106038A JP 2014106038 A JP2014106038 A JP 2014106038A JP 2012257606 A JP2012257606 A JP 2012257606A JP 2012257606 A JP2012257606 A JP 2012257606A JP 2014106038 A JP2014106038 A JP 2014106038A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ocv
battery
soc
perturbation
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012257606A
Other languages
English (en)
Inventor
Satoru Yoshitake
哲 吉武
tetsushi Hamano
哲志 浜野
Masaru Nakagome
勝 中込
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
Priority to JP2012257606A priority Critical patent/JP2014106038A/ja
Publication of JP2014106038A publication Critical patent/JP2014106038A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Tests Of Electric Status Of Batteries (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

【課題】電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価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】被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
前記摂動に伴うSOC変化によって電圧波形に生じるOCV変化を打ち消すOCV変動補償部を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電池インピーダンス測定装置に関し、詳しくは、被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置における電池のインピーダンス測定に対する摂動の影響の軽減に関する。
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。
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。
たとえば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。
ところで、電池の性能を的確に把握するために、電池の内部インピーダンスを測定することが一般的に行われている。図6は、たとえば特許文献1にも記載されている一般的な二次電池のインピーダンス測定装置の構成例を示すブロック図である。図6において、摂動発生器1から電流もしくは電圧の摂動を被測定電池2に印加する。電流センサ3はその摂動により被測定電池2に流れる電流波形を検出してインピーダンス演算部5に入力し、電圧センサ4はその摂動によって被測定電池2に発生する電圧波形を検出してインピーダンス演算部5に入力する。なお、図6では、電池2を簡易的に起電力部Eと内部インピーダンス部Zに分けた単純モデルとしている。
インピーダンス演算部5は、これら電流センサ3から入力される電流波形および電圧センサ4から入力される電圧波形に対してFFT(もしくはDFT)演算を行い、周波数領域の振幅、位相の情報に変換した後に除算を行って、各周波数におけるインピーダンスの実数部と虚数部を算出する。
図6の動作を詳しく説明する。摂動発生器1から電流もしくは電圧の摂動が被測定電池2に印加されると、被測定電池2は図7に示すように充放電される。ここで、摂動による充電率(State Of Charge、以降SOCという)の変化が大きくなると、それに伴う開放電圧(Open Cell Voltage、以降OCVという)の変化が無視できなくなる。たとえば摂動として正弦波電流を加えた場合の半周期におけるSOC変化量は、式(1)で表わすことができる。
ただし、I:摂動電流振幅
T:摂動周期/h
Q:電池の最大充電容量/Ah
たとえば電池のインピーダンスとしては比較的高い周波数である1Hz以上の周波数領域では、その摂動周期が短いため摂動による電流積算周期も短くなり、ΔSOCも小さくなる。一方、摂動電流振幅を変えずに摂動周期を10倍長くすると、ΔSOCも10倍大きくなる。
すなわち、図6に示す従来のインピーダンス測定装置では、摂動によるOCV変化も含めた端子電圧変化を内部インピーダンスで発生した電位差として演算していた。
ところが、実際は、たとえば図8に示すように、被測定電池2を簡易的に起電力部Eと内部インピーダンス部Zに分けた単純モデルで考えると、電池端子電圧は、インピーダンスZで発生する分圧1とOCV変化に伴う分圧2の成分に分離されている。
著者 板垣昌幸、「電気化学インピーダンス法 原理・測定・解析」、丸善株式会社、2008年8月、p37 図4.1、p49 図4.7
この結果、たとえばOCV変化の影響を排除した内部インピーダンスのみの特性を把握したいという測定要求に対し、従来のインピーダンス測定装置では答えることは困難である。現に、OCV変化の影響を排除した場合には、摂動による分圧2の成分に起因する電圧振幅が小さくなるため、内部インピーダンスとして従来に比較して小さい結果が得られることになる。
本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価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。
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、
被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
前記摂動に伴うSOC変化によって電圧波形に生じるOCV変化を打ち消すOCV変動補償部を設けたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記OCV変動補償部は、前記SOC変化の検出手段として、電流計測値を積算する電流積算手段と、この電流積算結果を最大充電容量で除算する除算手段を含むことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2記載の電池インピーダンス測定装置において、
前記OCV変動補償部は、前記SOC変化をOCV変化に変換する手段として、SOC−OCVテーブルと、このSOC−OCVテーブルを参照する手段を含むことを特徴とする。
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OCV変動補償部は、前記SOC変化をOCV変化に変換する手段として、OCVをSOCの関数で表現したモデルで変換する手段を含むことを特徴とする。
これらにより、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価を行うことができ、実質的に摂動の影響を受けない高精度の特性評価結果が得られる。
本発明の一実施例を示すブロック図である。 図1におけるOCV変動補償部6の具体例を示すブロック図である。 図1および図2の動作の流れを説明するフローチャートである。 市販されている18650型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図である。 図4と同型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図である。 一般的な二次電池のインピーダンス測定装置の構成例を示すブロック図である。 図6の構成における被測定電池2の充放電特性例図である。 図6の構成における被測定電池2の単純モデル図である。
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、図1では摂動に伴うSOC変化によって電圧波形に生じるOCV変化を打ち消すOCV変動補償部6を設けていることである。
図2は、OCV変動補償部6の具体例を示すブロック図である。図2において、電流センサ3から出力される電流波形は、電流波形記憶部6aに記憶される。電流波形記憶部6aに記憶された電流波形は、読み出されてそのままインピーダンス演算部5に入力されるとともに、ΔSOC演算部6bにも入力される。
ΔSOC演算部6bは、電流波形記憶部6aから読み出された電流波形に対して所定の演算処理を行い、その演算結果をΔOCV演算部6bに入力する。ΔOCV演算部6cには、SOC−OCVテーブル記憶部6dも接続されている。
ΔOCV演算部6cは、SOC−OCVテーブル記憶部6dに記憶されているテーブルを参照しながらΔSOC演算部6bの演算出力に対して所定の演算処理を行い、その演算結果をOCV変動補償演算部6eに出力する。
電圧センサ4から出力される電圧波形は、電圧波形記憶部6fを介してOCV変動補償演算部6eに入力される。
OCV変動補償演算部6eは、ΔOCV演算部6cから入力される電流波形に関連した演算結果と電圧波形記憶部6fを介して入力される電圧波形に基づいてOCVの変動分を補償するための所定の演算処理を行い、その演算結果をインピーダンス演算部5に出力する。なお、電圧波形記憶部6fの電圧波形はΔOCV演算部6cにも入力されている。
図3は図1および図2の動作の流れを説明するフローチャートであり、(A)はデータキャプチャの流れを示し、(B)は(A)でキャプチャされたデータに対する演算処理の流れを示している。
図3(A)において、はじめに初期電圧が計測され(ステップS1)、その測定値は初期OCV値として定義される(ステップS2)。
初期電圧の計測が終わると、摂動信号発生部1から被測定電池2に摂動信号が印加されて、摂動が開始される(ステップS3)。そして、摂動信号が印加されている状態で、電流波形のキャプチャ(ステップS4)と、電圧波形のキャプチャ(ステップS5)を並行して行う。これらデータのキャプチャが終了すると、図3(B)に示す演算処理を行う。
図3(B)において、はじめに、ΔSOC演算部6bは、電流波形記憶部6aに記憶されている電流波形に対して、式(1)に相当する式(2)に基づく離散的データによる電流積算を行う(ステップS6、S7)。
ここで、Δtはサンプリング間隔である。
次に、ΔOCV演算部6cは、上記SOC変化であるΔSOC(t)によるOCVの変化量ΔOCVを求める(ステップS8)。
具体的には、図3(A)のステップS1に示すように摂動開始前における被測定電池2のセル電圧を計測し、その電圧を初期OCV(0)とする(ステップS2)。そして、SOC-OCVテーブル記憶部6dに記憶されているSOC−OCVテーブルを参照して、初期SOCであるSOC(0)を求める。ここで、摂動中のSOC(t)は、式(3)で表すことができる。
次に、SOC−OCVテーブルを参照することにより、式(3)で得られたSOC(t)に対応した式(4)で表されるようなOCV(t)を求める。
この式(4)で表される電圧変化が、図8に示した分圧2である。
一方、計測された電圧データをVmeas(t)とすると、図8で示された分圧1すなわち電池内部インピーダンスで発生する摂動による電圧変化であるOCV変化補償済の電圧は、式(5)で表わされる。
図1のOCV変動補償演算部6eの演算出力は、上式(5)となる(ステップS9)。
インピーダンス演算部5は、このようにしてOCVの変動成分が補償された電圧波形と電流波形を使って、従来手法と同様の演算処理をすることにより、被測定電池2のインピーダンスを演算する(ステップS10)。
図4は市販されている18650型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図であって、縦軸に虚数部インピーダンスをとって横軸に実数部インピーダンスをとり、摂動信号の周波数を所定範囲で掃引しながら測定したものである。特性AはOCV変動補償を行わない従来手法の計測結果を示し、特性Bは本発明に基づくOCV変動補償を実施した計測結果を示している。
両者を比較すると、OCV変動補償を行った特性Bの計測結果のインピーダンスが小さくなっている。この被測定電池2では、1mHz以下の極低周波で、明らかなインピーダンス差が現れている。
図5も図4と同型リチウムイオン電池のインピーダンス実測例を示すコール・コール線図であって、縦軸に虚数部インピーダンスをとって横軸に実数部インピーダンスをとり、オフセット放電電流を流しながら摂動信号を重畳して測定した放電特性の測定例を示している。
特性Aは定電流で放電させながらSOCが87%から74%に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性Bは定電流で放電させながらSOCが71%から58%に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性Cは定電流で放電させながらSOCが55%から42%に低下するまでの間摂動信号として同時に複数の正弦波周波数を重畳して測定した測定結果であり、特性DはSOC60%のオフセット電流なし(固定SOC)で摂動信号の周波数を所定範囲で掃引させて通常の交流抵抗成分ACRとして測定した測定結果である。
特性Dと特性A,B,Cを比較すると、オフセット電流なしでかつ従来手法では見られなかった低周波の円弧特性が10mHz以下で観測されていて、明らかな特性差異が見られる。
なお、上記実施例では被測定電池2に印加する電流波形については言及せず、一般的に表現したが、以下のような電流波形が使える。
a)オフセット電流(充電もしくは放電電流)が無い状態での正弦波摂動
b)オフセット電流(充電もしくは放電電流)に重畳してインピーダンス計測用に行う単一正弦波摂動もしくは複数の周波数成分を含んだ摂動(たとえば複数正弦波摂動)
この場合、測定中にSOCがダイナミックに変化していくが、そのSOC変化と摂動信号によるOCV変化を全てまとめて補償処理を行う。
また、正弦波は代表例として示したものであり、たとえば余弦波などの任意の初期位相を持たせて摂動信号として使ってもよい。
また、上記実施例では、摂動信号として電圧信号(電圧源)を用いる例について説明したが、電流信号(電流源)を用いてもよい。
また、上記実施例では、一時的に電圧および電流のデータを記憶装置に記憶して演算する例を示したが、電流積算量演算、SOC変換、OCV変換、OCV変動補償演算、インピーダンス演算は、データ計測中に随時計算させてもよい。
さらに、上記実施例では、SOC−OCVテーブルを参照してSOC変化をOCV変化に変換しているが、OCVをSOCの関数として表現し、その関数を使ってSOC変化をOCV変化に変換してもよい。関数は、多項式などを使うことができる。
以上説明したように、本発明によれば、被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、電池の内部インピーダンスのみを切り出して特性評価を行うことができ、実質的に摂動の影響を受けることなく高精度の特性評価結果を得ることができる。
1 摂動発生器
2 被測定電池
3 電流センサ
4 電圧センサ
5 インピーダンス演算部
6 OCV変動補償部
6a 電流波形記憶部
6b ΔSOC演算部
6c ΔOCV演算部
6d SOC−OCVテーブル記憶部
6e OCV変動補償演算部
6f 電圧波形記憶部

Claims (4)

  1. 被測定電池に摂動を印加して電池のインピーダンスを測定するように構成された電池インピーダンス測定装置において、
    前記摂動に伴うSOC変化によって電圧波形に生じるOCV変化を打ち消すOCV変動補償部を設けたことを特徴とする電池インピーダンス測定装置。
  2. 前記OCV変動補償部は、前記SOC変化の検出手段として、電流計測値を積算する電流積算手段と、この電流積算結果を最大充電容量で除算する除算手段を含むことを特徴とする請求項1記載の電池インピーダンス測定装置。
  3. 前記OCV変動補償部は、前記SOC変化をOCV変化に変換する手段として、SOC−OCVテーブルと、このSOC−OCVテーブルを参照する手段を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電池インピーダンス測定装置。
  4. 前記OCV変動補償部は、前記SOC変化をOCV変化に変換する手段として、OCVをSOCの関数で表現したモデルで変換する手段を含む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。
JP2012257606A 2012-11-26 2012-11-26 電池インピーダンス測定装置 Pending JP2014106038A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012257606A JP2014106038A (ja) 2012-11-26 2012-11-26 電池インピーダンス測定装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012257606A JP2014106038A (ja) 2012-11-26 2012-11-26 電池インピーダンス測定装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014106038A true JP2014106038A (ja) 2014-06-09

Family

ID=51027670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012257606A Pending JP2014106038A (ja) 2012-11-26 2012-11-26 電池インピーダンス測定装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014106038A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017026443A (ja) * 2015-07-22 2017-02-02 スズキ株式会社 二次電池の充電状態推定装置
CN106936172A (zh) * 2015-12-31 2017-07-07 宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司 一种智能充电器及其控制方法和控制装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3003659U (ja) * 1994-04-28 1994-10-25 アデックス株式会社 インピーダンス測定装置
JP2004271410A (ja) * 2003-03-11 2004-09-30 Hitachi Ltd 電気車のバッテリ制御装置
JP2011102756A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Yokogawa Electric Corp インピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3003659U (ja) * 1994-04-28 1994-10-25 アデックス株式会社 インピーダンス測定装置
JP2004271410A (ja) * 2003-03-11 2004-09-30 Hitachi Ltd 電気車のバッテリ制御装置
JP2011102756A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Yokogawa Electric Corp インピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017026443A (ja) * 2015-07-22 2017-02-02 スズキ株式会社 二次電池の充電状態推定装置
CN106936172A (zh) * 2015-12-31 2017-07-07 宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司 一种智能充电器及其控制方法和控制装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mingant et al. Novel state-of-health diagnostic method for Li-ion battery in service
CN100495060C (zh) 用于测量电池容量的方法
JP5349810B2 (ja) 蓄電装置の異常検出装置及び方法並びにプログラム
EP3130934B1 (en) Battery monitoring device
JP5517997B2 (ja) リチウムイオン二次電池の検査装置,検査方法及び二次電池モジュール
WO2013054813A1 (ja) 電池システムおよび電池の評価方法
WO2014104188A1 (ja) 電気化学解析装置および電気化学システム
CN106772104B (zh) 一种动力电池soc值估算方法
US10585146B2 (en) System for providing an excitation signal to an electrochemical system and method therefor
CN103969596B (zh) 船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正装置及方法
TW201122523A (en) Apparatus for estimating battery's state of health
Hossain et al. A parameter extraction method for the Thevenin equivalent circuit model of Li-ion batteries
He et al. Multi-time scale variable-order equivalent circuit model for virtual battery considering initial polarization condition of lithium-ion battery
CN103314303A (zh) 用于测定蓄电池的开路电压的方法、具有用于测定开路电压的模块的蓄电池以及具有相应的蓄电池的机动车
Beganovic et al. Estimation of remaining useful lifetime of lithium-ion battery based on acoustic emission measurements
Itagaki et al. Simultaneous determination of electrochemical impedance of lithium-ion rechargeable batteries with measurement of charge-discharge curves by wavelet transformation
JP2014106119A (ja) 交流インピーダンス測定装置
Göllei et al. Modeling and optimization of electrical vehicle batteries in complex clean energy systems
Einhorn et al. Parameterization of an electrical battery model for dynamic system simulation in electric vehicles
Barreras et al. An improved parametrization method for Li-ion linear static Equivalent Circuit battery Models based on direct current resistance measurement
JP2014106038A (ja) 電池インピーダンス測定装置
CN102814292A (zh) 锂离子电池一致性配组方法和系统
Chen et al. Fast estimation of state of charge for lithium-ion battery
de Melo et al. Batteries usability for Electric Vehicle powertrain
Scavuzzo et al. Simplified modeling and characterization of the internal impedance of lithium-ion batteries for automotive applications

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151006

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160819

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160830

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161014

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170322