JP2001289925A - 組電池の容量推定方法および劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 組電池の劣化診断を正しく行うため、より正
確な組電池インピーダンスと組電池容量の相関関係を導
出する。 【解決手段】 あらかじめ実際の使用中又は使用後の組
電池を構成する単電池のインピーダンスを測定し、特定
のグループからなるサンプル組電池群につき単電池のイ
ンピーダンスの出現確率を表すヒストグラムを抽出し、
ここから所定のサンプル組電池のインピーダンスを算出
する。一方、単電池におけるインピーダンスに対する放
電カーブから、ヒストグラムからサンプル組電池群の組
電池の放電容量を算出する。このような作業によって、
各種のサンプル組電池群のインピーダンスと放電容量と
の間の相関関係を決定し、放電容量を測定しようとする
組電池については、そのインピーダンスを測定し、その
インピーダンスから放電容量を推測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、組電池のインピー
ダンスを測定することによって、組電池の劣化度合を診
断する組電池の劣化診断方法およびこれを用いた劣化診
断装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電池が劣化すると容量が減少しインピー
ダンス（内部抵抗を含む概念とする）が増加することは
公知であり、インピーダンスを測定して容量を推定し、
その電池容量から電池の劣化を検出する試みは、従来よ
り行われている。このような方法は、単電池については
既に様々な角度から検討され、数多くの特許も出願され
ているが、組電池については論じられることが少ない。

【０００３】組電池について、一般的には、単電池にお
けるインピーダンスと電池容量の相関関係をそのまま組
電池中に使用される単電池の個数倍し、それを組電池の
インピーダンスと組電池容量の相関とする方法が採られ
ている。それ以外の方法としては、例えば特開平９−１
１３５８８にあるように、組電池中の１つの単電池のみ
が劣化して、残りの単電池が新品同様であると見なした
時の組電池のインピーダンスを、その組電池の劣化判定
値とする方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上に述べたような、単
電池におけるインピーダンスと容量の相関特性を単に電
池個数倍して組電池のインピーダンスと容量との相関と
するような一般的な方法では、組電池中のすべての単電
池が、容量ばらつきおよびインピーダンスばらつきを全
くもっておらず、かつ、劣化によってすべての電池の容
量とインピーダンスとが同じように変化することが前提
条件となっている。しかしながら、フィールド、すなわ
ち実際に使用中又は使用後の組電池について測定を行う
と、現実には組電池を構成する各単電池のインピーダン
スは均一ではなく、各単電池の容量も同様にばらつきを
持っている。そして、劣化とともにそれらのばらつきは
増加する傾向にある。

【０００５】そのため上記の方法では、組電池のインピ
ーダンスと容量との相関は不正確なものとなり、この相
関特性に基づいて蓄電池の劣化診断を行うと、実際の容
量低下よりも遅く劣化と判断する可能性が高く、劣化診
断では正常であるのに電池がすでに使用できなくなって
いる可能性がある。

【０００６】また、特開平９−１１３５８８にある方法
では、既に述べたように、組電池中の１つの単電池のみ
が劣化し残りの単電池は全く劣化していないということ
が前提条件となっている。しかしながら、実際には組電
池中の１つの単電池だけの劣化が進むという現象はきわ
めて生じにくいため、組電池の劣化検出にこのような組
電池のインピーダンスと容量との相関を使用すると、実
際の容量低下よりも早く劣化と判断する可能性が高く、
まだ組電池容量が十分あるにも関わらず電池が劣化と判
断されるという不利益が生じる可能性がある。

【０００７】本発明は、組電池のインピーダンスと容量
との相関特性を正しく導出し、その相関を使用して、よ
り正確な容量の推定を行う方法および組電池の劣化診断
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らは、フィールドで実際に使用されている
組電池を構成する多数の単電池のインピーダンスを測定
し、これらが一定の規則で分布しており、その分布か
ら、組電池のインピーダンスと容量との相関関係を見出
し得ることを発見した。なお、ここで組電池のインピー
ダンスとは、直流に対する純抵抗のみを有する場合も含
む概念で、もちろんリアクタンス成分を考慮してもよ
い。

【０００９】すなわち、本発明に係る組電池の容量推定
方法は、複数の単電池を接続してなる組電池の容量を推
定する方法であって、下記の（Ａ）〜（Ｆ）の各ステッ
プを実行するものである。 （Ａ）実際に使用中又は使用後の複数の組電池を構成す
る多数の単電池について、それらのインピーダンスを測
定し、それぞれ製造からの経過期間がほぼ同一とみなし
うる複数の組電池（以下「サンプル組電池群」）を構成
する単電池群について、そのインピーダンスの出現確率
を前記サンプル組電池群毎に決定する。 （Ｂ）実際に使用中又は使用後の多数の単電池について
放電カーブを測定し、単電池のインピーダンス毎に標準
的な放電カーブを決定する。 （Ｃ）前記（Ａ）のステップにて決定された前記サンプ
ル組電池群を構成する単電池群のインピーダンスの出現
確率に基づきそのサンプル組電池群に属する組電池の標
準的なインピーダンスを決定する。 （Ｄ）前記（Ａ）ステップにて決定されたサンプル組電
池群を構成する単電池群のインピーダンスの出現確率と
前記（Ｂ）ステップにて決定された単電池の各インピー
ダンス毎の放電カーブとを掛け合わせて前記サンプル組
電池群を構成する組電池の標準的な放電カーブを決定
し、これに基づきその組電池の放電容量を決定する。 （Ｅ）複数のサンプル組電池群について前記（Ｃ）及び
（Ｄ）のステップを繰り返し実行することにより前記サ
ンプル組電池群を構成する組電池のインピーダンスと、
その放電容量との相関関係を決定する。 （Ｆ）容量を推定しようとする組電池のインピーダンス
を測定し、そのインピーダンスと前記（Ｅ）ステップに
て決定された組電池のインピーダンスと放電容量との相
関関係に基づき、その組電池の放電容量を決定する。

【００１０】また、請求項２に係る組電池の劣化診断装
置は、容量を測定しようとする組電池のインピーダンス
を測定するインピーダンス測定手段と、前記請求項１に
記載の（Ａ）〜（Ｅ）のステップを実行することにより
決定した前記組電池のインピーダンスとその放電容量と
の相関関係を記憶する記憶手段と、前記インピーダンス
測定手段により測定されたインピーダンスに基づき前記
記憶手段に記憶されている対応する放電容量を読み出し
て表示する表示手段とを備えた構成に特徴を有する。そ
して、請求項３に係る組電池の劣化診断装置は、容量を
測定しようとする組電池のインピーダンスを測定するイ
ンピーダンス測定手段と、請求項１に記載の（Ａ）〜
（Ｅ）のステップを実行することにより決定した組電池
のインピーダンスとその放電容量との相関関係に基づい
て組電池が所定の容量になっていると判断される場合に
警告を発する警告手段とを備えたところに特徴を有す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１の流れ
図に示す。まず、実際に使用中又は使用後の多数の組電
池を入手し、それを構成する各単電池について、そのイ
ンピーダンス（例えば内部抵抗）を測定する（ステップ
Ｓ１）。この測定値は、例えば図２の表に示すように、
組電池の製造ロット番号と対にしてデータベース化して
おくとよい。その折り、製造ロット番号によって製造年
月日が判るから、製造してからの経過期間（例えば年
数）ともにデータベース化する。すると、各単電池はそ
れぞれ同一のインピーダンスを有するわけではなく、
同一の組電池を構成する複数の単電池について、それら
のインピーダンスの値が互いにばらついていて正規分布
となっていること、組電池が製造されてからの経過期
間が長いほど各単電池のインピーダンスの値が全体に高
くなること、が窺われるはずである。

【００１２】そこで、次に（ステップＳ２）、製造から
の経過年数が同一である複数の組電池群、すなわち製造
ロット番号かある範囲にあるものを一つのグループとし
て抽出し（このグループを以下「サンプル組電池群」と
いう）、そのグループに属する組電池を構成する各単電
池のインピーダンス毎の出現確率を算出する（ステップ
Ｓ３）。これをグラフ表示すれば、例えば図３に示すよ
うなヒストグラムが得られる。なおヒストグラムの具体
的な抽出方法としては、必ずしも製造ロット番号が同一
なもの、或いはある範囲にあるものを基準に抽出しなく
ても、例えば組電池毎にインピーダンスの平均値を求
め、その平均値が近い複数の組電池をサンプル組電池群
として抽出することができる。上述したように、製造か
らの経過年数が長くなるほど、インピーダンスが大きく
なる傾向を呈するから、インピーダンスを基準にグルー
プ分けしても、製造からの経過期間がほぼ同一とみなし
うる複数の組電池を抽出することができるからである。
また、サンプル組電池群は、製造からの経過期間だけで
なく、さらに使用場所によっても細分化して抽出するよ
うにしてもよい。もちろん、ヒストグラムの縦軸は出現
確率と等価な指標として出現頻度を使用してもよい。

【００１３】なお、サンプル組電池群のヒストグラムの
抽出には、必ずしも上述したような離散的な手法によら
ずとも、次のような連続的手法を採用することもでき
る。すなわち、各組電池を構成する複数の単電池のイン
ピーダンスヒストグラム毎にインピーダンスヒストグラ
ムの特性を示す標準偏差を算出し、そのインピーダンス
平均値を横軸に、インピーダンスヒストグラムの標準偏
差を対数軸とした縦軸にプロットする。すると例えば図
４のようなグラフが描け、平均値と標準偏差の相関を決
定することができる。平均値と標準偏差が分かれば正規
分布関数を決定することができるので、任意のインピー
ダンスの平均値に対する正規分布関数が得られることに
なる。

【００１４】一方、これとは別に各組電池の放電容量を
求める。そのためには、各単電池の平均容量を知り、そ
れを個数倍すればよいはずであるが、実際には、組電池
中の各単電池の容量にもばらつきがあるため、単電池容
量の平均を算出するだけでは組電池容量を求めることは
できない。例えば、図５のように、７０％の容量を持つ
単電池Ａ、８０％の容量を持つ単電池Ｂ、９０％の容量
を持つ単電池Ｃの３つの単電池がある場合、Ａ、Ｂ、Ｃ
を直列に接続して放電を行った時の放電カーブは、Ａ、
Ｂ、Ｃの放電カーブを足し合わせたＤのカーブになる。
そして組電池容量は、組電池としての放電終止電圧（こ
の場合は単電池の放電終止電圧×３）に達するまでの時
間を読みとることにより、求めることができる。図５の
場合には約７６％となり、単電池Ａ，Ｂ，Ｃの各容量を
単純に平均した容量８０％よりも小さくなる。

【００１５】以上のことより、組電池容量を求めるため
には、図５のＡ、Ｂ、Ｃのように単電池としての放電終
止より低い電圧における放電カーブが必要であることが
分かる。そこで、各単電池の過放電カーブ、すなわち単
電池の放電終止電圧以下まで放電させたときの時間−電
圧特性を測定によって求める。このような測定作業を多
数の単電池に対して行い（ステップＳ４）、これらを単
電池のインピーダンス毎に平均化することによって、各
種のインピーダンスを有する単電池について平均的な放
電カーブを決定する（ステップＳ５）

【００１６】次に、各サンプル組電池群の放電カーブを
決定する（ステップＳ６）。これには、ステップＳ３で
得られたサンプル組電池群に毎に、ヒストグラムパター
ンの各データ区間に対して、ステップＳ５で得たインピ
ーダンス毎の放電カーブを適用して各サンプル組電池群
の放電カーブを決定するのである。具体的には、次のよ
うになる。

【００１７】標準のパターン１２を連続的な方法によっ
て求め、任意のインピーダンス平均値に対する正規分布
関数で表している場合には、まず、適当なインピーダン
ス平均値をおいて、図６（ａ）に示す連続的表現による
標準パターンのような一つの正規分布を抽出する。これ
を変換して（ｂ）に示すような離散的表現による標準パ
ターンを作成しておく。この変換時には、比較しやすい
ように各データ区間の頻度を確率密度にしてもよい。標
準のパターン１２を離散的な方法によって求めてある場
合には、上記のような変換は必要なく、そのまま以下の
ようにしてサンプル組電池群の放電カーブを算出するこ
とができる。 すなわち、（ｂ）の離散的表現による標
準パターンにおける各データ区間の抵抗の代表値（図６
では０．５ｍΩ、０．５５ｍΩ、０．６ｍΩ、・・・）
に対応する放電カーブを考え、それぞれ（Ｃ１）、（Ｃ
２）、（Ｃ３）、・・・とする。これら（Ｃ１）、（Ｃ
２）、（Ｃ３）、・・・から、この標準パターンの組電
池の放電カーブ（Ｄ）を算出する。すなわち、下記式の
ようにそれぞれのデータ区間の確率密度の割合で各放電
カーブを足し合わせる。 組電池の放電カーブ（Ｄ）＝放電カーブ（Ｃ１）×Ｃ１
の確率密度＋放電カーブ（Ｃ２）×Ｃ２の確率密度＋放
電カーブ（Ｃ３）×Ｃ３の確率密度＋ ・・・・

【００１８】具体的には、同じ時間に対して（Ｃ１）、
（Ｃ２）、（Ｃ３）、・・・の放電カーブ中の電圧を読
みとって、それぞれの確率密度を掛け、足し合わせると
いう作業を行う。このようにして得られた放電カーブ
（Ｄ）は、その単電池が属するサンプル組電池群の放電
カーブに相当する。そして、その放電カーブ（Ｄ）から
組電池の放電終始電圧に対応する放電持続時間を読みと
り、そこから容量を算出すれば、サンプル組電池群につ
いての組電池容量を決定することができる（ステップＳ
７）。

【００１９】次に、そのサンプル組電池群のインピーダ
ンスを決定する（ステップＳ８）。これには、そのサン
プル組電池群を構成する単電池のインピーダンスの出現
確率を表すヒストグラムを使用し、その各データ区間の
インピーダンス代表値に出現確率を掛けたものをすべて
合計する。単電池のインピーダンスの出現確率を連続的
な方法によって求めて任意のインピーダンス平均値に対
する正規分布関数で表している場合、上記のサンプル組
電池群のインピーダンスは、正規分布を頻度で表してい
る時にはインピーダンス平均値×組電池中の単電池数と
なり、正規分布を確率密度で表している時にはインピー
ダンス値の平均値となる。どちらで表してもかまわない
が、次のステップＳ９を考慮すると、確率密度で表した
方がデータをまとめやすい。

【００２０】以上の手順を繰り返すことにより、複数の
サンプル組電池群について、その放電容量とインピーダ
ンスとを決定することができる。ステップＳ９では、こ
れらのデータに基づきサンプル組電池群のインピーダン
スと放電容量との相関関係を把握するのであり、具体的
にはインピーダンスと放電容量とを各サンプル組電池毎
にプロットする。すると、図７のようなグラフが得られ
る。図７では例えば６組のサンプル組電池群について、
６組の組電池インピーダンスと組電池放電容量とからグ
ラフを作成している。

【００２１】そこで、このようにして組電池のインピー
ダンスと組電池の放電容量との相関特性が得られれば、
実際に組電池のインピーダンスを実測し、そのインピー
ダンス値に基づき例えば図７のグラフに適用すれば、そ
こから組電池の放電容量あるいは劣化度合を正確に推定
することができる（ステップＳ１０）。ちなみに、図８
に、単電池の容量とインピーダンスとの相関関係を電池
数倍するという従来方法で得た組電池容量とインピーダ
ンスとの相関関係と、本実施形態によって求めた組電池
容量とインピーダンスとの相関関係との比較を示す。こ
のグラフから明らかなように、組電池のインピーダンス
が同じであっても、本実施形態の方法のほうが組電池の
放電容量をより少なく検出するが、この方が実際の放電
容量により近い。

【００２２】このような組電池の容量推定方法を組電池
の劣化診断装置に応用するには、例えば図９に示した第
２実施形態の構成が可能である。ここで、容量を測定し
ようとする組電池１０は測定端子２１，２２に接続され
る。測定端子２１，２２はＡ／Ｄ変換器２３に接続され
ると共に、両端子２１，２２間に外部測定抵抗２４及び
スイッチ２５の直列回路が接続されている。従って、ス
イッチ２５を開いている状態では組電池１０の無負荷電
圧Ｖ0がＡ／Ｄ変換器２３に入力されてＡ／Ｄ変換器２
３からその電圧に応じたデジタル信号が演算処理部２６
に与えられる。また、スイッチ２５が閉じられると、組
電池１０から外部測定抵抗２４に電流が流れ、その抵抗
２４の端子電圧ｖがＡ／Ｄ変換器２３に与えられて、そ
の電圧に応じたデジタル信号が演算処理部２６に与えら
れる。ここで、組電池１０のインピーダンスをＺとし、
外部測定抵抗２４の抵抗値をＲとすると、次式が成立す
るから、これに基づき演算処理部２６内で組電池１０の
インピーダンスＺを算出することができる。 ｖ＝Ｖo・Ｒ／（Ｒ＋Ｚ） ……（１）

【００２３】一方、前記実施形態にて決定されたサンプ
ル組電池群のインピーダンスと放電容量との相関関係は
テーブル化してＲＡＭに書き込んでテーブル記憶部２７
としてあり、演算処理部２６で算出されたインピーダン
スＺに対応する放電容量をテーブル記憶部２７から読み
出し、これを表示部２８に表示する。このような構成に
よれば、測定端子２１，２２に容量を測定したい組電池
１０を接続してスイッチ２５を操作するだけで、組電池
１０の正確な放電容量を表示部２８に表示することがで
きる。

【００２４】また、本発明に係る組電池の劣化診断装置
を例えば無停電電源装置に組み込む場合には、図１０に
示した第３実施形態の構成とできる。商用電源３０から
の交流電力を整流回路３１にて整流して蓄電池３２を充
電しておき、その蓄電池３２からの電力によってインバ
ータ回路３３から負荷３４に交流電力を供給する。一
方、蓄電池３２のの出力端子間には前記第２実施形態と
同様にスイッチ３５と外部測定抵抗３６との直列回路を
接続し、外部測定抵抗３６の端子電圧を比較回路３７に
て比較電圧Ｖref と比較できるようにしておく。ここ
で、比較電圧Ｖref は、次のように決定される。前記第
１実施形態で説明した容量推定方法によって組電池のイ
ンピーダンスと放電容量との相関関係は把握できる。従
って、この無停電電源装置の蓄電池３２が負荷３４を規
定時間バックアップするに必要な最小の放電容量に対応
する蓄電池３２のインピーダンスＺaを決定しておく。
そして、その蓄電池３２の無負荷電圧Ｖo と外部測定抵
抗３６の抵抗値Ｒは既知であり、かつスイッチ３５を閉
じたときに外部測定抵抗３６の両端に発生する電圧ｖは
前述の式（１）によって表されるから、上述のインピー
ダンスＺa に対応する電圧ｖになったときに比較回路３
７から信号が出力される比較電圧Ｖref を印加しておく
ようにすればよい。

【００２５】上記構成によれば、スイッチ３５が定期的
にオンして蓄電池３２のインピーダンス、すなわちその
放電容量が測定され、そのインピーダンスＺがＺa まで
上昇したときに比較回路３７からの信号によって警告灯
３８が点灯することになる。これにて、無停電電源装置
に内蔵されている蓄電池３２が、負荷３４を規定時間以
上バックアップできなくなる前に蓄電池３２の劣化を知
ることができ、蓄電池３２の交換などの適切な対応がで
きるようになる。

【００２６】なお、本発明は上記各実施形態に限定され
るものではなく、例えば次のような実施の態様も含む。 （１）上記各実施形態では、組電池の直流抵抗を測定し
たが、外部に交流電源やパルス電源を接続してインピー
ダンスを測定してもよい。

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、組
電池を構成する各単電池のばらつきも考慮することにな
るから、使用中の組電池のインピーダンスを測定するだ
けで正確な放電容量を推定することができ、また、この
方法を使用した装置によれば、正確な劣化診断ができる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】組電池の放電容量を推定するプロセスを説明す
るフローチャート

【図２】各単電池のインピーダンスを測定した値をデー
タベース化した様子を示す表

【図３】実際の各種の組電池を構成する単電池のインピ
ーダンスを示すヒストグラム

【図４】サンプル組電池群を構成する単電池インピーダ
ンスのヒストグラムパターンを連続的手法にて決定する
方法を説明するグラフ

【図５】組電池容量の決定方法を説明するグラフ

【図６】インピーダンスのヒストグラムパターンから組
電池の容量を算出する方法を説明するグラフ

【図７】組電池のインピーダンスと放電容量との相関関
係を示すグラフ

【図８】従来の方式と本発明の方式により導出される、
組電池の内部抵抗と放電容量との相関関係を比較するグ
ラフ

【図９】本発明の第２実施形態を示すブロック図

【図１０】本発明の第３実施形態を示すブロック図

【符号の説明】

１０，３２……組電池 ２６……演算処理装置 ２７……記憶手段 ２８……表示手段 ３８……警告灯（警告手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G016 CB06 CB11 CB12 CC01 CC04 CC06 CC12 CC16 CC27 CC28 CD14 CE00 5G003 BA02 EA05 EA08 GC05 5H030 AS20 BB21 FF41

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単電池を接続してなる組電池の容
   量を推定する方法であって、下記の（Ａ）〜（Ｆ）の各
   ステップを実行する組電池の容量推定方法。 （Ａ）実際に使用中又は使用後の複数の組電池を構成す
   る多数の単電池について、それらの内部抵抗を測定し、
   それぞれ製造からの経過期間がほぼ同一とみなしうる複
   数の組電池（以下「サンプル組電池群」という）を構成
   する単電池群について、そのインピーダンスの出現確率
   を前記サンプル組電池群毎に決定する。 （Ｂ）実際に使用中又は使用後の多数の単電池について
   放電カーブを測定し、単電池のインピーダンス毎に標準
   的な放電カーブを決定する。 （Ｃ）前記（Ａ）のステップにて決定された前記サンプ
   ル組電池群を構成する単電池群のインピーダンスの出現
   確率に基づきそのサンプル組電池群に属する組電池の標
   準的なインピーダンスを決定する。 （Ｄ）前記（Ａ）ステップにて決定されたサンプル組電
   池群を構成する単電池群のインピーダンスの出現確率と
   前記（Ｂ）ステップにて決定された単電池の各インピー
   ダンス毎の放電カーブとを掛け合わせて前記サンプル組
   電池群を構成する組電池の標準的な放電カーブを決定
   し、これに基づきその組電池の放電容量を決定する。 （Ｅ）複数のサンプル組電池群について前記（Ｃ）及び
   （Ｄ）のステップを繰り返し実行することにより前記サ
   ンプル組電池群を構成する組電池のインピーダンスと、
   その放電容量との相関関係を決定する。 （Ｆ）容量を推定しようとする組電池のインピーダンス
   を測定し、そのインピーダンスと前記（Ｅ）ステップに
   て決定された組電池のインピーダンスと放電容量との相
   関関係に基づき、その組電池の放電容量を決定する。
2. 【請求項２】 容量を測定しようとする組電池のインピ
   ーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記請
   求項１に記載の（Ａ）〜（Ｅ）のステップを実行するこ
   とにより決定した前記組電池のインピーダンスとその放
   電容量との相関関係を記憶する記憶手段と、前記インピ
   ーダンス測定手段により測定されたインピーダンスに基
   づき前記記憶手段に記憶されている対応する放電容量を
   読み出して表示する表示手段とを備えてなる組電池の劣
   化診断装置。
3. 【請求項３】 容量を測定しようとする組電池のインピ
   ーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記請
   求項１に記載の（Ａ）〜（Ｅ）のステップを実行するこ
   とにより決定した前記組電池のインピーダンスとその放
   電容量との相関関係に基づいて前記組電池が所定の容量
   になっていると判断される場合に警告を発する警告手段
   とを備えてなる組電池の劣化診断装置。