JP5768914B2 - 組電池の充電状態診断方法 - Google Patents
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Description
このため、蓄電池の寿命あるいは劣化を適切に診断して適切な時期に蓄電池を交換する必要があり、そのためには蓄電池の劣化状態を診断する技術が必要になる。
また、交流1kHz法でも直流放電方式でも、フロート充電中の充電状態診断はできなかった。
図1を用いて本発明の劣化診断方法および充電診断方法の概略を示す。
図1は、フロート充電した状態で放電を行った場合の組電池の電圧の変化を示す図で、横軸は「時間」、縦軸は「電圧」である。
図1は、放電が開始すると、初期に急激に電圧が下降し、その急激な電圧の低下を過ぎた後は、緩やかな電圧降下が続くが、放電が終了した後は、フロート充電の作用によって電圧が急上昇した後、緩やかに電圧の上昇が継続されることを示している。
本発明の劣化診断は、この放電における所定の放電時間(図1のtdc)での電圧降下量dV(図1の「DC−IR」で示される値)を測定し、その値を放電電流値Idcで除算して算出した電池の内部抵抗rcellを用いて、電池(セル)の劣化程度を判定するものである。
この劣化診断を行うためのデータを収集する試験の条件の根拠について以下に示す。
フロート充電中の組電池内の1つのセルを放電電流0.02CAから0.2CAまでの間の電流で放電したときの電圧推移の一例を図4に示す。
どの電流で放電したときも、放電を開始した直後は電圧が急激に低下し、その後は緩やかに低下し、その後一旦電圧低下が安定すると、放電による比重低下による濃度分極の影響で直線的に低下する傾向がある。
しかし、放電電流の大小により、緩やかに低下する速度が大きく異なる。緩やかに低下する部分では、活性化分極の解消が起こっており、本例のようにフロート充電中に放電をすると、各セルで分極を起こしている程度が異なるため、電圧が安定するまでの時間がまちまちとなる。放電電流が図に示す電流より小さいと、電圧降下が安定するまでに非常に時間がかかることになる。逆に電流が大きいと、今度は濃度分極による電圧低下が発生するため、正確な測定ができなくなる。
従って、放電電流の目安は、0.02CA以上、0.1CA以下の範囲が望ましい。
放電開始時を起点に0.001秒から0.01秒後の範囲に測定地点を採る理由は、図5に示すセルの内部抵抗値(DC−IR)の時間推移から、内部抵抗「DC−IR」は、およそ0.01秒の間まで安定しているが、0.01秒以降は恐らく充電分極の解消および活性化分極の発生の影響で、大きく変化するものもあらわれている。このことより、診断に用いるセルの内部抵抗値(DC−IR)を算出するための放電電圧の値を測定する測定地点は、放電開始時を起点に0.001秒から0.01秒までの間が望ましい。
0.001秒未満では放電による電圧降下量が小さく、また0.01秒を超えると電圧降下にバラツキを生じ易くなり、得られる内部抵抗の値の誤差が大きくなることから上記範囲としている。
充電状態診断は、放電開始後の緩やかな電圧低下時の放電電圧Vadc(図1のAに示す範囲)に、放電電流Idcと電池の内部抵抗rcellを乗算した値Idc×rcellを加算した値Veocvを開回路電圧の推定の値(推定OCV)とし、予め定めたしきい値と比較して、その電池の充電状態を診断するものである。放電する際、組電池全体に電子負荷を接続して組電池全体を放電すると、放電を開始して電圧低下するや否や、直流電源からはその設定充電電圧を維持するために充電電流が増加する。
結局、電池に流れる電流は、電子負荷からの放電電流を直流電源からの充電電流で相殺した電流であるため、まともな診断ができない。よって本発明では、組電池を構成する複数のセルのうちの1個を放電することで、フロート充電時の電流の変化が小さくなるようにしている。
次に、実際に各々の診断を行うためには、以下に示す試験を行い、セルの内部抵抗、推定OCVを求める。n個のセルを直列に接続したnセル組電池の劣化診断、充電状態診断を行う場合、図2に示す試験回路を構成して試験を行う。
図2において、1はnセルから構成される組電池、1a〜1nは組電池を構成するセル、2は抵抗、10は直流電源、11は電子負荷、12はデータロガ、13aは電流測定プローブ、13bは電圧測定プローブである。図では、iセル(1x)目の診断を行う状態を示す。
試験は、次に示す測定手順に従って行う。
(1)フロート充電中のセルを1個ずつ、表1に記載の条件で放電し、放電中の電圧の推移を測定する。
(2)放電中の電圧推移の測定結果から、セルの内部抵抗の算出、および推定開回路電圧(推定OCV)の算出を行う。
(3)求めたセルの内部抵抗を用いて劣化診断を行う。
(4)求めた推定OCVを用いて充電状態の診断を行う。
なお、雰囲気温度は、組電池が使用される環境に合わせて変更しても良い。また、充電電圧、最大充電電流は、組電池の接続形態(直列接続、並列接続)、測定対象の組電池のセルの開回路電圧に合わせて適正に設定するものである。
さらに、電圧収集間隔も0.0025秒(2.5ms)間隔に固執せずに適宜設定することができるが、0.001〜0.005秒間隔がデータ量の大きさや取扱いなどを考えると好ましい。
図3に示す試験回路を用いて、定格容量が500AhであるVRLA電池(セル)を9セル直列接続した劣化電池(9セル組電池)の劣化診断および充電状態診断の検証試験を行った。図3において、1は組電池(9セル、セル1a〜1i)、2は抵抗、10は直流電源、11は電子負荷、12はデータロガ、13aは電流測定プローブ、13bは電圧測定プローブである。
試験手順は、先に説明した「測定手順」を基にしているが、妥当性を検証するために一部変更して行った。その試験手順を下記(1)から(8)に示す。
(2)容量試験を終えたセル1a〜1iを用いて、組電池を構成する。
(3)(1)の回復充電の完了後24時間放置し開回路電圧が充分安定した状態で、各セル(1a〜1i)の実際の開回路電圧(実測OCV)(a〜i)を、電圧測定プローブ13bを使用して測定する。
(4)各セルの開回路電圧を測定後、表3に一例を示す条件で組電池1に対してフロート充電を行う。
(5)充電中に、電池1個ずつ順番に表3記載の条件で放電を行い、放電中の電圧推移を測定する。
(6)放電中の電圧推移の測定結果から、セルの内部抵抗の算出、および推定開回路電圧(推定OCV)の算出を行う。
(7)求めたセルの内部抵抗を初期状態の抵抗測定結果と比較して劣化診断の妥当性を検証する。
(8)求めた推定OCVを実測OCVと比較して充電状態診断結果の妥当性を検証する。
[測定結果]
(a)劣化診断
セルNo.1a〜1iの容量試験結果を表4に示す。
表5は10A放電時の放電結果、表6は20A放電時の放電結果、表7は50A放電時の放電結果を、表8は100A放電時の放電結果を表している。
一般に、据置VRLA電池は定格容量の70%以下に容量低下すると寿命と判断される。本試験に用いた電池の初期状態における内部抵抗(DC−IR)は、0.20〜25[mΩ]である。容量が70%以下であったセルの内部抵抗はどれも1mΩ以上となっていた。また、容量が80%程度であったセルも全て、内部抵抗が初期値の2倍以上となっていた。
表5〜8のデータを基に、充電状態の診断を行うために推定OCVを算出した。推定に用いる内部抵抗値は、2.5秒目の電圧を用いた。
表9〜表12に放電開始後から0.5秒、1秒、2秒、5秒後の時間で求めた推定OCVを示す。
表9は表5を基にした10A放電時の推定OCVを示し、表10は表6を基にした20A放電時の推定OCVを、表11は表7を基に50A放電時の推定OCVを、表12は表8を基に100A放電時の推定OCVを表している。
その相関図を、図16〜19に示し、それぞれの条件での相関係数をまとめた結果を表13に示す。
実測OCVと、放電開始から5秒後の放電電圧から求めた推定OCVの相関係数は、0.88〜0.95が得られ、充電状態診断の妥当性を確認した。
1a、1b、1c〜1n 組電池を構成する各セル
2 抵抗
10 直流電源
11 電子負荷
12 データロガ
13a 電流測定プローブ
13b 電圧測定プローブ
Claims (1)
- 放電開始時を起点に0.5秒から5秒までの間のいずれかの時間に測定した電池電圧と、
放電電流に、フロート充電中における放電開始前の電池電圧と放電における放電開始時を起点に0.001秒から0.01秒までの間のいずれかの時間に測定した放電中の電池電圧との差を放電電流で除算して求めた電池の内部抵抗を乗算して求めた値、
との加算値を用いて電池の充電状態を診断することを特徴とする組電池の充電状態診断方法。
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