JP2021048017A - 電池状態推定方法および電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池２０に含まれている複数の第１の電池１０のＳＯＣ分布を簡単に推定する電池状態推定方を提供する。【解決手段】電池状態推定方法は、複数の第１の電池１０が直列接続された組電池２０のリアクタンスが、複数の温度において測定される工程と、前記組電池２０のリアクタンスと第２の電池のデータとを用いて充電状態の分布が推定される工程と、を具備し、前記第２の電池の前記データはリアクタンスが、複数の充電状態および複数の温度において測定される第１の工程と、前記複数の温度におけるＴＳＯＣおよびＺＢが取得される第２の工程と、ＺＢと温度との関係を含む前記第２の電池の前記データが取得される第３の工程とによって取得される。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、複数の電池が直列接続された組電池の充電状態の分布を推定する電池状態推定方法、および、複数の電池が直列接続された組電池の充電状態の分布を推定する電池システムに関する。

携帯機器、電動工具および電気自動車等に二次電池が用いられている。二次電池の中でリチウムイオン電池は、リチウムのイオン化傾向が大きいことから、高電圧、高出力、高エネルギー密度である。リチウムイオン電池は、定置用電源および非常用電源などの大型電源への応用も期待されている。電池は、負荷の仕様の電圧となるように、複数の電池が直列接続された組電池として使用される。

二次電池の特性を測定する方法として、交流インピーダンス測定法が知られている。特開２００９−９７８７８号公報には、交流インピーダンス法によって取得した電池のコールコールプロットを、等価回路モデルを用いて解析する測定方法が開示されている。

特開２０１８−１５１１９４号公報には、組電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対してインピーダンスが大きく変化しない領域では、電圧からＳＯＣを推定し、ＳＯＣに対してインピーダンスが大きく変化する領域では、インピーダンスを用いてＳＯＣを推定する装置が開示されている。

組電池の複数の電池（セル）は同じ仕様にもとづき製造され、同じ条件で使用される。しかし、製造ばらつき、および、わずかな使用環境の相違によって、ＳＯＣが異なる電池が含まれていると、組電池の性能が加速度的に劣化するおそれがある。

１個の電池（セル）のＳＯＣを評価することは比較的容易である。しかし、組電池に含まれる、それぞれの電池のＳＯＣを評価するには、それぞれの電池に評価のための電線を接続する必要がある。また、組電池の仕様によっては、それぞれの電池に電線を接続できない構造のため、組み立て後は、それぞれの電池のＳＯＣを評価できなかった。

組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定する評価方法、および、組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定できる電池システムの開発が望まれていた。

特開２００９−９７８７８号公報 特開２０１８−１５１１９４号公報

本発明の実施形態は、組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定できる電池システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態の電池状態推定方法は、複数の第１の電池が直列接続された組電池の、所定の周波数におけるインピーダンス特性が、複数の第１の温度のそれぞれにおいて測定される工程と、前記組電池の前記複数の第１の温度における前記インピーダンス特性と、予め記憶されている第２の電池のデータと、を用いて、前記複数の第１の電池の充電状態の分布が推定される工程と、を具備し、前記第２の電池の前記データは、前記第１の電池と同じ仕様の前記第２の電池の前記周波数における前記インピーダンス特性が、複数の充電状態、および、複数の第２の温度において、測定される第１の工程と、前記複数の第２の温度のそれぞれにおいて、充電状態の変化に応じて前記インピーダンス特性が変化しはじめる充電状態であるＳＯＣ変化点、および、変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値と、が取得される第２の工程と、前記インピーダンス底値と温度との関係を含む前記第２の電池の前記データが取得される第３の工程と、前記第２の電池の前記データを記憶する第４の工程と、によって取得され記憶される。

別の実施形態の電池システムは、 複数の第１の電池が直列接続された組電池と、前記組電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性を、複数の第１の温度において測定する測定手段と、前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の、複数の第２の温度のそれぞれにおける、前記所定の周波数における前記インピーダンス特性が充電状態の変化に応じて変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値と前記複数の第２の温度との関係を含む前記第２の電池のデータが記憶されている記憶手段と、前記組電池の前記複数の第１の温度における前記インピーダンス特性と、前記記憶手段が記憶している前記第２の電池の前記データとから、前記組電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備する。

本発明の実施形態によれば、組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定する電池状態推定方法、および、組電池に含まれている複数の電池のＳＯＣ分布を簡単に推定できる電池システムを提供できる。

実施形態の電池システムの構成図である。 実施形態の推定方法を説明するためのフローチャートである。 第２の電池の４５℃におけるリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第２の電池の２５℃におけるリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第２の電池の０℃におけるリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第２の電池の−２０℃におけるリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第２の電池の温度とインピーダンス底値との関係を示すグラフである。 第２の電池の温度とＳＯＣ変化点との関係を示すグラフである。 実施形態の推定方法を説明するための、図７および図８をもとに作成された図である。 第２の電池のレジスタンスＺ｀とＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第２の電池のインピーダンス絶対値｜Ｚ｜とＳＯＣとの関係を示すグラフである。 実施形態の変形例の推定方法を説明するためのフローチャートである。 実施形態の変形例の推定方法を説明するための図である。 実施形態の推定方法を説明するための図である。 第２の電池のコールコールプロットの一例である。 図１５の部分拡大図である。

＜電池システムの構成＞
図１に示すように、実施形態の電池システム１は、複数の第１の電池（電池セル）１０が直列接続されている組電池２０と、温度調整装置２９と、ＣＰＵ３０と、電源４０と、を具備する。組電池２０および電源４０は図示しない負荷（モーター等）と接続されている。

第１の電池１０は、例えば、リチウムイオンを吸蔵／放出する正極と、電解質と、セパレータと、リチウムイオンを吸蔵／放出する負極と、からなる単位セルを有するリチウムイオン二次電池である。正極は例えばリチウムコバルト酸化物を含有している。負極は例えば炭素材料を含有している。セパレータは例えばポリオレフィンからなる。そして電解質は例えばＬｉＰＦ６を環状および鎖状カーボネートに溶解した電解質である。第１の電池１０は、多孔質等からなるセパレータの内部に電解質が充填された構造であってもよい。

図１は、４個の第１の電池１０が直列接続されている組電池２０を例示している。後述するように、組電池２０が含む第１の電池１０の数に特に制限はない。

電源４０は、組電池２０に測定信号を印加する。ＣＰＵ３０は、記憶手段であるメモリ３１と、制御手段であるコントローラ３２と、測定手段である測定回路３３と、演算手段である演算回路３４と、を含む。メモリ３１は、電池システム１の制御データを記憶している。制御データは後述する第２の電池（不図示）のデータを含んでいる。第２の電池と第１の電池１０とは同じ仕様である。

コントローラ３２は、電池システム１の全体を制御するとともに、組電池２０の温度を、温度センサ２９Ａを含む温度調整装置２９を用いて制御する温度制御部３２Ａを含んでいる。温度検出手段である温度センサ２９Ａは温度調整装置２９とは別体でもよい。測定回路３３は組電池２０のインピーダンス特性を測定する。演算回路３４は組電池２０のＳＯＣ分布を推定する。

メモリ３１と、コントローラ３２と、測定回路３３と、演算回路３４と、は独立した回路でもよいし、これらはプログラムにもとづきＣＰＵ３０が行う機能でもよい。また、電池システム１が別体の他のシステムの一部として使用されている場合等において、他のシステムのＣＰＵを、ＣＰＵ３０として用いてもよい。他のシステムは、複数の電池システム１が共通に用いるクラウドシステムでもよい。

発明者は、インピーダンス特性がＳＯＣに対して大きくは変化しない領域（コンスタントゾーン）から大きく変化する領域（変化ゾーン）に移行するＳＯＣであるＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）が、温度に大きく依存することを見出した。

電池システム１のメモリ３１に記憶されている第２の電池のデータは、測定条件、第２の電池のＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）と温度との関係、および、コンスタントゾーンにおけるインピーダンス特性であるインピーダンス底値（ＺＢ）と温度との関係、を含む。第２の電池のデータは、複数の電池システム１の共通データであり、電池システム１を製造する前に取得される。第２の電池のデータを用いて、複数の組電池２０の充電状態の分布が推定される。それぞれの電池システム１は第２の電池のデータを取得する機能を有している必要は無い。

電池システム１では、測定回路３３が測定したインピーダンス特性と、メモリ３１が記憶している第２の電池のデータとから、演算回路３４が、組電池２０の充電状態の分布（ＳＯＣ分布）を推定する。なお、第２の電池のデータは、ＳＯＣ変化点と温度との関係を含んでいなくともよい。

電池システム１は、ＳＯＣ変化点の温度依存性を利用して、組電池２０のＳＯＣ分布を簡単に推定する。

＜電池システムの動作＞
図２のフローチャートにそって、電池システム１による電池状態推定方法について説明する。なお、以下では、４個の第１の電池１０が直列接続されている組電池２０を含む電池システム１を例に説明する。

＜ステップＳ１０〜Ｓ３０＞第１の工程（第２の電池の測定工程）
ステップＳ１０では、第１の電池１０と同じ仕様の第２の電池（不図示）の複数の第２の温度における所定の周波数のインピーダンス特性が、複数の充電状態（ＳＯＣ）において、それぞれ測定される。

例えば、第２の電池のインピーダンス特性がＳＯＣを０％〜１００％に変化させながら、複数の第２の温度のひとつである４５℃において測定される。例えば、振幅５ｍＶ、周波数１００ｍＨｚの、正弦波の交流信号が、充電中または放電中の第２の電池に印加され、電圧が測定される。

第２の電池のＳＯＣと電圧との関係は予め取得されている。例えば、第２の電池の電圧は、ＳＯＣ１００％では４．２０Ｖであり、ＳＯＣ０％では３．００Ｖである。

測定するＳＯＣ（電圧）の数は、１％毎、すなわち０％〜１００％を測定する場合には１０１個であることが好ましいが、５％毎、すなわち２１個程度でもよい。また後述するように推定するＳＯＣ範囲に応じて、測定するＳＯＣ範囲を限定してもよい。

測定周波数１００ｍＨｚは、ＳＯＣに対してインピーダンス特性が大きく変化する周波数である。測定周波数は、予め、複数のＳＯＣの第２の電池のインピーダンス特性の周波数依存性にもとづき設定される。

具体的には、異なるＳＯＣの第２の電池のインピーダンス特性の周波数特性を、それぞれ測定し、ＳＯＣに対するインピーダンス特性の変化率の周波数依存性を算出し、最も大きい変化率（ΔＺ／Δｆ ； Ｚ：インピーダンス、ｆ：周波数）の周波数を測定周波数とする。

インピーダンス特性としては、実数成分（レジスタンス）Ｚ｀、虚数成分（リアクタンス）Ｚ｀｀、位相角θ、および絶対値｜Ｚ｜のうち、少なくともいずれかである。所定の温度に第２の電池を維持するためには、例えば、恒温槽を用いる。

図３に、４５℃における第２の電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示す。ＳＯＣが３０％以上９０％以下の範囲（コンスタントゾーン）では、リアクタンスは、ほぼ一定である。ＳＯＣが３０％以下の範囲（変化ゾーン）では、リアクタンスは大きく増加している。ＳＯＣが９０％以上の範囲（変化ゾーン）でも、リアクタンスは増加している。すなわち、リアクタンスとＳＯＣとの関係は、ＳＯＣ中央値（５０％）近傍において、リアクタンスが、一定の最小値であるインピーダンス底値ＺＢとなる、いわゆるバスタブ型である。

ステップＳ２０では、予め設定されている複数の充電状態（ＳＯＣ）および複数の第２の温度における測定が全て終了している場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０に移行する。測定が終了していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３０において、ＳＯＣまたは第２の温度が変更される。

図４は、２５℃における第２の電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示す。図５は、０℃における第２の電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示す。図６は、−２０℃における第２の電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示す。いずれの温度においてもリアクタンスとＳＯＣとの関係は、バスタブ型である。

第２の温度の数は、最低２つであるが、組電池２０のＳＯＣ推定のときに、広いＳＯＣ範囲をカバーするためには、３つ以上が好ましく、４つ以上が特に好ましい。第２の温度の数に上限は特にないが、例えば、２００以下である。ステップＳ１０〜Ｓ３０は、第１の電池１０のＳＯＣを推定するための基礎データを取得する工程であるため、多くの温度において測定を行っても、組電池２０の充電状態の分布の推定時間に影響を及ぼすことはない。

第２の温度は、広いＳＯＣ範囲をカバーするために、室温（２５℃）よりも低い温度と高い温度とを含むことが好ましい。本実施形態では、図３〜図６に示したように、第２の温度は、４５℃、２５℃、０℃、−２０℃の４つである。

＜ステップＳ４０＞第２の工程（ＺＢおよびＴＳＯＣ取得）
それぞれの第２の温度におけるリアクタンスが充電状態の変化に応じて変化しはじめる前のリアクタンスであるインピーダンス底値ＺＢが取得される。インピーダンス底値ＺＢは、リアクタンスの最小値でもよいし、例えば、図３において、ＳＯＣ３０％以上５０％以下の領域（コンスタントゾーン）の値を近似した直線から取得されてもよい。

次に、それぞれの第２の温度におけるＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）が取得される。コンスタントゾーンと変化ゾーンとの境界がＳＯＣ変化点である。本実施形態では、ＳＯＣ変化点は、ＳＯＣの変化に応じてインピーダンス特性が変化する２つの変化ゾーンのうちの低ＳＯＣ側（ＳＯＣ≦５０％）のＳＯＣである。

例えば、図３（４５℃）において、ＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）は、リアクタンスの傾きが所定値である０．００１（Ω／％）以上となったＳＯＣであり、その値は９％である。ＳＯＣ変化点の取得方法として、ＳＯＣ５％以下の領域（変化ゾーン）の値を近似した直線と、ＳＯＣ３０％以上５０％以下の領域（コンスタントゾーン）の値を近似した直線との交点のＳＯＣである５．５％を用いてもよい。

ＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）の取得には、各種の方法を用いることができる。例えば、ＳＯＣ変化点ＴＳＯＣは、リアクタンスがインピーダンス底値ＺＢよりも、ΔＺだけ大きいＳＯＣでもよい。ΔＺは例えばインピーダンス底値ＺＢの１％以上１００％以下である。ΔＺはリアクタンスの絶対値によって設定されてもよい。

図３〜図６に示すリアクタンスは、変化ゾーンにおいてリアクタンスが増加している。しかし、インピーダンス特性の種類によっては、変化ゾーンにおいてインピーダンス特性が減少することもある。

＜ステップＳ５０＞第３の工程（温度とインピーダンス底値ＺＢとの関係取得）
図７に示すインピーダンス底値ＺＢと温度との関係が図３〜図６から取得される。また、図８に示すようなＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）と温度との関係も取得される。

これらの関係は、数式として取得されてもよいし、表として取得されてもよい。後述するように、測定点と測定点との間を近似して用いることができるため、これらの関係は数式として取得されることが好ましい。すなわち、これらの関係は、実際に測定された温度におけるデータだけで構成されているわけではない。

＜ステップＳ６０＞第４の工程（第２の電池のデータ記憶）
すでに説明したように、ステップＳ１０〜Ｓ５０において取得された第２の電池のデータ（ＳＯＣ変化点と温度との関係、および、インピーダンス底値と温度との関係）は、複数の電池システム１の共通データである。すなわち、複数の電池システム１を生産するにあたって、第２の電池のデータが取得され、それぞれのメモリ３１に記憶される。

複数の第２の電池に対してステップＳ１０〜Ｓ５０の処理が行われ、取得された複数の第２の電池のデータが例えば平均化され、メモリ３１に記憶されてもよい。

＜ステップＳ７０〜Ｓ９０＞組電池の測定工程
組電池２０に含まれる複数の第１の電池１０は、いずれも第２の電池と同じ仕様であるが、それぞれのＳＯＣは未知である。例えば、電池システム１によって組電池２０は出荷検査される。

組電池２０に含まれる複数の第１の電池１０のＳＯＣ分布を推定するために、複数の第１の温度における組電池２０のリアクタンスが測定される。電源４０は、第２の電池のデータが測定されたときと同じ周波数の交流信号を組電池２０に、印加する。

第２の電池の測定値との整合のため、組電池２０に印可される測定信号の振幅は、組電池２０に含まれる第１の電池１０の数に応じて設定される。例えば、組電池２０が２０個の第１の電池１０を含む場合には、組電池２０の測定信号の振幅は、第２の電池の測定信号の２０倍とする。

温度制御部３２Ａが、センサ２９Ａが検出する組電池２０の温度が所定の第１の温度となるように温度調整装置２９を制御する。温度調整装置２９は、例えば、ヒーターおよびペルチェ素子を有する。組電池２０の温度が、複数の第１の温度のうちの１つである、例えば、４５℃となるように、温度調整装置２９が温度制御部３２Ａによって制御される。温度調整装置２９、温度制御部３２Ａおよびセンサ２９Ａは、複数の組電池２０の共通でもよい。例えば、複数の組電池２０が所定の温度に調整された恒温槽に配置される。

ステップＳ７０において、第１の温度における測定が行われる。ステップＳ８０では、予め設定されている複数の第１の温度における測定が全て終了した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１００に移行する。測定が終了していない場合（Ｎｏ）では、ステップＳ９０において、温度が別の第１の温度に変更される。そして、再び、ステップＳ７０において、組電池２０のリアクタンスが測定される。

複数の第１の温度のうちの最低温度である−２０℃以下に冷却されている組電池２０を、最高温度である４５℃以上の環境に放置して、組電池２０の温度が上昇することを利用して、複数の第１の温度におけるリアクタンスを測定してもよい。４５℃以上に加温した組電池２０を−２０℃以下の環境に放置して測定してもよい。温度制御部３２Ａおよび温度調整装置２９は、本発明の必須構成要素ではない。

第１の温度の数は第２の温度の数と同じでも良い。ただし、処理時間短縮のため、第１の温度の数は、第２の温度の数よりも少ないことが好ましい。例えば、第２の温度の数が１０１であっても、第１の温度の数は１０以下であることが好ましい。

＜ステップＳ１００＞組電池２０のＳＯＣ分布の推定工程
組電池２０の複数の第１の温度におけるリアクタンスと、メモリ３１に記憶されている第２の電池のデータ（図７、図８）と、から、演算回路３４によって、組電池２０のＳＯＣ分布が推定される。

図９の下部の点線は図７に示した温度と第２の電池のインピーダンス底値ＺＢとの関係を示すグラフである。直列接続された４個の第２の電池のインピーダンス底値ＺＢは、実線に示すように、４ＺＢとなる。図９の上部は図８に示した温度とＳＯＣ変化点ＴＳＯＣとの関係を示すグラフである。

図９の下部のグラフの黒円は、組電池２０のリアクタンス（−Ｚ｀｀）の一例を示している。組電池２０のリアクタンスは、−２０℃および０℃ではインピーダンス底値ＺＢ２０よりも大きく、２５℃および４５℃ではインピーダンス底値ＺＢ２０とほぼ同じである。

図９の上部のグラフから、温度０℃におけるＴＳＯＣは３８％であり、温度２５℃におけるＴＳＯＣは２０％である。このため、組電池２０には、ＳＯＣが２０％未満の第１の電池だけでなく、ＳＯＣが３８％未満２０％以上の第１の電池が含まれていることが推定される。

これに対して、例えば、組電池２０のリアクタンスが、２５℃以下ではインピーダンス底値ＺＢ２０よりも大きく、４５℃ではインピーダンス底値ＺＢ２０と、ほぼ同じである場合には、組電池２０には、ＳＯＣが１０％未満の第１の電池だけでなく、ＳＯＣが２０％未満１０％以上の第１の電池が含まれていることが推定される。

組電池２０が含む第１の電池１０の数は、特に制限はないが、１０個以上であれば所望の電圧が得られ、１００個以下であればＳＯＣ分布の推定が容易である。多くの第１の電池１０を含む組電池２０は、インピーダンス底値ＺＢ２０が大きくなる。そして、そのインピーダンス底値ＺＢ２０よりも、さらに大きいリアクタンスとなる温度をもとに、ＳＯＣ分布が推定される。

組電池２０に基準値外のＳＯＣの第１の電池１０が含まれていることを推定するだけであれば、メモリ３１には第２の電池のＳＯＣ変化点と温度との関係が記憶されていなくともよい。ただし、ＳＯＣ変化点と温度との関係が記憶されているメモリ３１を含む電池システム１では、基準値がＴＳＯＣであることが明確である。

以上の説明では、ＳＯＣが５０％以下の場合、すなわち、ＳＯＣ変化点の範囲が、６０％以下の場合の推定方法であった。しかし、同じようにＳＯＣが５０％超のＳＯＣを推定することもできる。高ＳＯＣ範囲を推定するには、図５等に示したバスタブ型曲線の右側（高ＳＯＣ範囲）のコンスタントゾーンと変化ゾーンとの境界をＳＯＣ変化点として用いる。低ＳＯＣ範囲における第２の電池のデータと、高ＳＯＣ範囲における第２の電池のデータとが、メモリ３１に記憶されていてもよい。

第１の電池１０は、リチウムイオン電池に限られるものではなく、例えばリチウムポリマー電池、または、リチウム硫黄電池でもよい。第１の電池１０は、電解質が固体電解質である全固体電池でもよい。第１の電池１０は、隣り合う電池（セル）が、正極と負極とが共通の集電体を有するバイポーラ電池でもよい。第１の電池１０は、電解質が固体電解質であるバイポーラ全固体電池でもよい。複数の組電池２０が並列に接続されていてもよい。

本実施形態では、インピーダンス特性は、リアクタンスであり、測定周波数は１００ｍＨｚであった。しかし、インピーダンス特性の種類、周波数、および印加電圧等の測定条件は、電池の仕様によって適宜、選択可能である。

すでに説明したように、インピーダンス特性として、リアクタンスに替えて、ＳＯＣとの関係がバスタブ型である、レジスタンスＺ｀（図１０）、インピーダンス絶対値｜Ｚ｜（図１１）、または、位相角θ（不図示）を用いることもできる。ただし、温度に対するＴＳＯＣの変化が最も顕著であるために、インピーダンス特性として、リアクタンスを使うことが好ましい。

インピーダンス特性の測定周波数は高いほど短時間での測定が可能であるが、インピーダンス特性の変化が顕著ではなくなる傾向があり。このため、周波数は１０ｍＨｚ以上５００ｍＨｚ以下であることが好ましい。

複数の周波数を用いることによって、単一周波数を用いた測定よりも精度の高い測定が可能である。例えば、周波数５０ｍＨｚ、１００ｍＨｚ、１５０ｍＨｚにおいて、それぞれの工程を行い、温度に対するＴＳＯＣの変化が顕著な周波数による測定結果を組み合わせることで測定精度が向上する。

＜変形例＞
変形例の電池状態推定方法および電池システム１Ａは、実施形態の電池状態推定方法および電池システム１と類似しており、同じ効果を有しているので同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

実施形態の電池状態推定方法を用いて推定されるＳＯＣ範囲は、複数の第１の温度の数が少ない場合等には、広い範囲であり精度が高くない場合がある。精度を高くするために、第１の温度の数を増加すると、推定時間が長くなる。

これに対して、変形例の推定方法では、第１の温度での測定結果に基づき、第１の温度の温度範囲よりも狭い第３の温度範囲において測定することによって、推定時間の増加を最小限としながらも、推定されるＳＯＣ範囲の精度を高めること、言い替えれば、推定されるＳＯＣ範囲を狭い範囲に絞り込むことができる。

変形例の電池状態推定方法のフローチャートを図１２に示す。

＜ステップＳ１０−Ｓ１００＞ＳＯＣ範囲推定サブルーチン
すでに説明したステップＳ１０−Ｓ１００の処理が行われる。

＜ステップＳ１１０＞（ＳＯＣ範囲は所望の精度？）
ステップＳ１０−Ｓ１００（ＳＯＣ範囲推定サブルーチン）において推定されたＳＯＣ範囲が所望の精度であるかどうかが、コントローラ３２によって判定される。例えば、ＳＯＣが２０％未満の第１の電池だけでなく、ＳＯＣが３８％未満２０％以上の第１の電池が含まれているとの推定されたＳＯＣ分布が、所望の精度を満たしていないと判断される（Ｎｏ）と、工程はステップＳ１２０に移行する。

＜ステップＳ１２０＞第３の温度の設定
リアクタンスが、インピーダンス底値ＺＢ２０よりも大きくなった温度と、それよりも高い温度との間に、複数の第１の温度が設定される。すなわち、図１３に示すように、第１の温度の範囲ＴＷ１よりも狭い温度範囲ＴＷ２の複数の第３の温度がコントローラ３２によって再設定される。

例えば、複数の第３の温度として、０℃と２５℃との間に、５℃、１０℃、１５℃、２０℃が再設定される。

＜ステップＳ１３０〜Ｓ１５０＞第１の電池の再測定工程
ステップＳ７０〜ステップＳ９０と同じように、複数の第３の温度における組電池２０のインピーダンス特性（リアクタンス）が測定回路３３によって測定される。

＜ステップＳ１６０＞組電池のＳＯＣ分布の再推定工程
ステップＳ１００と同じように、組電池２０の複数の第３の温度におけるリアクタンスと、第２の電池のデータと、から第１の電池１０のＳＯＣ範囲が演算回路３４によって推定される。

例えば、図１３の下部のグラフに黒円で示されている組電池２０のリアクタンスは、１５℃以下ではインピーダンス底値ＺＢ２０よりも大きく、２０℃以上ではインピーダンス底値ＺＢ２０と、ほぼ同じである。

図１３の上部のグラフから、組電池２０には、ＳＯＣが２３％未満の第１の電池だけでなく、ＳＯＣが２７％未満２３％以上の第１の電池が含まれていることが推定される。

ステップＳ１６０において推定されるＳＯＣの閾値範囲は、２７％〜２３％であり、ステップＳ９０（第５の工程）において推定された閾値範囲３８％〜２０％よりも精度が高い。

ステップＳ１１０において、ＳＯＣ範囲が所望の精度を満たしている場合（Ｙｅｓ）には、処理が終了する。もし、ＳＯＣ範囲が未だ所望の精度を満たしていないと判断される（Ｎｏ）と、工程は再び、ステップＳ１２０に移行する。この場合に再々設定される温度範囲が、再設定された第３の温度の範囲（ＴＷ２）よりも更に狭くなる。

以上の説明では、所定のＳＯＣを基準とし、基準から外れた第１の電池１０の有無を推定する例を示した。さらに詳細な測定および解析によって、さらに詳細な分布を推定することもできる。

例えば、図１４において黒円で示されている組電池２０のリアクタンスは、温度Ｔ１〜Ｔ２の間で、インピーダンス底値ＺＢ２０よりも大きくなっている。言い替えれば、傾きが変化する変化点（変曲点）がある。このため、組電池２０には、ＳＯＣが範囲Ａの第１の電池１０が含まれていることが推定される。さらに、インピーダンス底値ＺＢ２０から、ΔＺ１増加していることから、ΔＺ１と第２の電池１個の場合のインピーダンス底値ＺＢからのインピーダンス増加量との比較によって、範囲ＡのＳＯＣの第１の電池１０の数も推定できる。

リアクタンスの温度依存性には、温度Ｔ３〜Ｔ４の間に、再び、リアクタンスが急上昇している変化点がある。このため、組電池２０には、ＳＯＣが範囲Ｂの第１の電池１０が含まれていることが推定される。さらに、変曲点においてΔＺ２増加していることから、ΔＺ２と第２の電池１個の場合のインピーダンス増加量との比較によって、範囲ＢのＳＯＣの第１の電池１０の数も推定できる。

＜周波数の決定方法＞
すでに説明したように、最適の測定周波数を決定するには、ＳＯＣが異なる複数の第２の電池のインピーダンス特性の周波数依存性を、それぞれ測定する必要があった。

１つの第２の電池のインピーダンス特性の周波数依存性を測定するだけでも、最適の測定周波数を決定することもできる。

＜複素インピーダンス測定工程＞
本方法では、測定周波数を決定するために、所定の充電状態である第１のＳＯＣの第２の電池の複素インピーダンス（レジスタンスＺ｀およびリアクタンスＺ｀｀）の周波数特性が測定される。

第１のＳＯＣは、ＳＯＣ推定の基準となる２つのＳＯＣ（第１のＳＯＣおよび第２のＳＯＣ）のうちの、リアクタンスが小さいＳＯＣである。例えば、低ＳＯＣ範囲の変化ゾーンのＳＯＣ推定を行う場合には、ＳＯＣ２０％が第１のＳＯＣであり、ＳＯＣ１０％が第２のＳＯＣである。

第１のＳＯＣと第２のＳＯＣとの差は、５％以上２０％以下であることが好ましい。前記範囲内であれば、推定精度が高い。

複素インピーダンスの周波数特性の測定では、例えば、振幅５ｍＶの交流信号が、周波数を高周波（１ｋＨｚ）から低周波（１０ｍＨｚ）に変化しながら、第２の電池に印加される。

図１５は、第２の電池の複素インピーダンスの周波数特性を示すコールコールプロットである。コールコールプロットは、横軸がインピーダンスの実数成分（レジスタンスＺ｀）であり縦軸がインピーダンスの虚数成分（リアクタンス−Ｚ｀｀）である。正極と負極とを有する二次電池のコールコールプロットは、負極反応に相当する高周波領域の半円と、正極反応に相当する低周波領域の半円と、拡散抵抗成分に相当する傾き４５度の直線と、に分解できる。

＜第１の周波数の取得＞
図１６は、図１５の部分拡大図である。図１６に示すように、コールコールプロットにおいて拡散抵抗成分に相当する傾き４５度の直線とリアクタンスがゼロの直線との交点、すなわち、拡散抵抗成分がゼロとなる点Ｏが算出される。そして、点ＯのレジスタンスＺ｀と同じレジスタンスＺ｀となるコールコールプロットの測定点Ａの周波数が、第１の周波数ｆ１として取得される。なお、測定点Ａは拡散抵抗成分がゼロとなる最も低い周波数である。

図１６に示す例では、点Ｏのインピーダンス実数成分Ｚ｀は、４５ｍΩであり、同じレジスタンスＺ｀となる点Ａの第１の周波数ｆ１は、６１０ｍＨｚである。

＜第２の周波数の取得＞
コールコールプロットにおいて、拡散抵抗成分を含む領域において、リアクタンスが、第１の周波数ｆ１と同じである周波数が、第２の周波数ｆ２として取得される。拡散抵抗成分を含む領域は、言い替えれば、第１の周波数ｆ１よりも低周波の領域である。

図１６に示す例では、点Ａのリアクタンスは、６．８ｍΩであり、同じリアクタンスとなる点Ｂの第２の周波数ｆ２は、４０ｍＨｚである。

＜測定周波数決定＞
第１の周波数ｆ１以下第２の周波数ｆ２以上の範囲の周波数Ｆが決定される。例えば、コールコールプロットの第１の周波数ｆ１の点と第２の周波数ｆ２の点とを結ぶ直線の中点Ｃのリアクタンスとなる周波数が測定周波数Ｆとして決定される。図１６に示したコールコールプロットでは、１００ｍＨｚが測定周波数Ｆとして決定される。

図１５から明らかなように、周波数Ｆの範囲ｆ１−ｆ２は、正極反応に相当する低周波領域の半円の範囲である。すなわち、本変形例では、二次電池の正極反応におけるリアクタンスの変化をもとにＳＯＣが推定される。

周波数Ｆが前記範囲であれば、リアクタンスの変化率が大きい。例えば、リアクタンスの変化率（（Ｚ１０−Ｚ２０）／Ｚ２０）は、第１の周波数ｆ１においては６２０％であり、第２の周波数ｆ２においては、６８０％であり、１００ｍＨｚにおいては１１００％であった。

従来の方法では、ＳＯＣ１０％の電池およびＳＯＣ２０％の電池のリアクタンスの周波数特性を、それぞれ測定し、さらに、ＳＯＣに対するリアクタンスの変化率の周波数依存性を取得し、変化率が最大値となる周波数が算出される。従来の方法では、周波数１２５ｍＨｚにおいて、変化率は最大値１１５０％となった。

本方法では、例えば、ＳＯＣ２０％の電池のリアクタンスの周波数特性を測定するだけで、従来の方法に匹敵するインピーダンス変化率が得られている。

本方法では、適切な測定周波数を含む第２の電池のデータを用いることによって、第１の電池１０のＳＯＣを精度良く容易に推定できる。

本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、構成要素の組み合わせ等が可能である。

１、１Ａ…電池システム
１０…第１の電池
２０…組電池
２９…温度調整装置
２９Ａ…温度センサ
３１…メモリ
３２…コントローラ
３２Ａ…温度制御部
３３…測定回路
３４…演算回路
４０…電源

Claims (11)

1. 複数の第１の電池が直列接続された組電池の、所定の周波数におけるインピーダンス特性が、複数の第１の温度のそれぞれにおいて測定される工程と、
   前記組電池の前記複数の第１の温度における前記インピーダンス特性と、予め記憶されている第２の電池のデータと、を用いて、前記複数の第１の電池の充電状態の分布が推定される工程と、を具備し、
   前記第２の電池の前記データは、
   前記第１の電池と同じ仕様の前記第２の電池の前記周波数における前記インピーダンス特性が、複数の充電状態、および、複数の第２の温度において、測定される第１の工程と、
   前記複数の第２の温度のそれぞれにおいて、充電状態の変化に応じて前記インピーダンス特性が変化しはじめる充電状態であるＳＯＣ変化点、および、変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値と、が取得される第２の工程と、
   前記インピーダンス底値と温度との関係を含む前記第２の電池の前記データが取得される第３の工程と、
   前記第２の電池の前記データを記憶する第４の工程と、によって取得され記憶されることを特徴とする電池状態推定方法。
2. 前記第２の電池の前記データが、前記ＳＯＣ変化点と前記温度との関係を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池状態推定方法。
3. 前記インピーダンス特性が、リアクタンスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池状態推定方法。
4. 前記所定の周波数は、第１の周波数以下、第２の周波数以上であり、
   前記第１の周波数は、所定の充電状態の前記第２の電池の複素インピーダンスの周波数特性であるコールコールプロットにおいて拡散抵抗成分がゼロの領域における最も低い周波数であり、
   前記第２の周波数は、前記コールコールプロットにおいて前記拡散抵抗成分を含む領域における、リアクタンスが前記第１の周波数と同じである周波数であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池状態推定方法。
5. 前記所定の周波数が、１０ｍＨｚ以上５００ｍＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池状態推定方法。
6. 推定された前記組電池の充電状態の分布に基づいて、前記組電池の前記インピーダンス特性が、前記複数の第１の温度の範囲よりも、狭い範囲の複数の第３の温度において測定される工程と、
   前記組電池の前記複数の第３の温度における前記インピーダンス特性と、前記第２の電池のデータとを用いて、前記組電池の充電状態の分布が再度、推定される工程と、をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池状態推定方法。
7. 前記第２の電池の前記データを用いて、複数の組電池の分布が推定されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池状態推定方法。
8. 複数の第１の電池が直列接続された組電池と、
   前記組電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性を、複数の第１の温度において測定する測定手段と、
   前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の、複数の第２の温度のそれぞれにおける、前記所定の周波数における前記インピーダンス特性が充電状態の変化に応じて変化しはじめる前の前記インピーダンス特性であるインピーダンス底値と前記複数の第２の温度との関係を含む前記第２の電池のデータが記憶されている記憶手段と、
   前記組電池の前記複数の第１の温度における前記インピーダンス特性と、前記記憶手段が記憶している前記第２の電池の前記データとから、前記組電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備することを特徴とする電池システム。
9. 前記第２の電池のデータが、前記インピーダンス特性が充電状態の変化に応じて変化しはじめる充電状態であるＳＯＣ変化点と前記複数の第２の温度との関係を含むことを特徴とする請求項８に記載の電池システム。
10. 前記所定の周波数は、第１の周波数以下、第２の周波数以上であり、
    前記第１の周波数は、所定の充電状態の前記第２の電池の複素インピーダンスの周波数特性であるコールコールプロットにおいて拡散抵抗成分がゼロの領域における最も低い周波数であり、
    前記第２の周波数は、前記コールコールプロットにおいて前記拡散抵抗成分を含む領域における、リアクタンスが前記第１の周波数と同じである周波数であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電池システム。
11. 前記第１の電池の温度を増減する温度調整装置と、
    前記温度調整装置を制御する温度制御部と、を更に具備することを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の電池システム。

Images