JP6887700B1 - 電池性能評価装置、電子機器、充電器および電池性能評価方法 - Google Patents

電池性能評価装置、電子機器、充電器および電池性能評価方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池の性能評価の利便性の向上を図りうる装置等を提供する。【解決手段】電子機器２００および／または当該電子機器２００が接続される充電器４００と、電池性能評価装置１００との相互通信に基づき、当該電子機器２００に搭載されている二次電池２４０の性能が電池性能評価装置１００により評価される。そして、当該評価結果に応じた電池性能情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が当該電子機器２００の出力インターフェース２０４に出力される。このため、ユーザは電子機器２００または二次電池２４０を専門機関等に持参する必要はなく、当該二次電池２４０の性能評価結果を把握できるため、電子機器２００のユーザにとっての利便性の向上が図られる。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオンバッテリ等の二次電池の性能を評価する技術に関する。
二次電池の内部抵抗を抵抗ＲとキャパシタＣの並列回路を多段に接続して等価回路を構成し、電流−電圧の挙動波形の変化を論じている。しかしながら電圧の数秒以上の過渡応答波形を説明するには時定数要素としてのキャパシタ容量値が数１００Ｆから数１０００Ｆの値を用いざるを得ない。このような値は、電池のＡＣ特性の評価方法であるＡＣインピーダンスとその等価回路モデルとは対応できない数値であり、電池の性状を再現しているとは言いがたい。
二次電池の特性項目として内部抵抗がある。たとえばリチウムイオン二次電池（以下ＬＩＢ二次電池）においては、電池内部における電極反応、ＳＥＩ反応、イオンの拡散反応等複雑な化学反応が絡み合って生じているため、電池電圧の挙動も内部抵抗を単なる直流抵抗と見なしてオームの法則を適用できる類いではない。
電池の内部抵抗を強化する方法としては、従来より周波数応答解析法（ＦＲＡ： Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づくＡＣインピーダンス解析法がよく知られており、様々な内部反応を等価回路のモデルを適用して、いくつかの時定数要素に分解して解釈する方法が確立している。電池の秒のオーダーの挙動はワールブルグ（Ｗａｒｂｕｒｇ）抵抗としての拡散現象が支配的影響を占めており、このワールブルグ抵抗を如何に動作モデルとして組み込めるかが、モデルとしての性能を決定している。ＡＣインピーダンス測定を行うには周波数応答アナライザ（ＦＲＡ）のような専用装置が必要である。
特許第第５９２４６１７号公報
しかし、実用時には二次電池は負荷と接続されており、充電および放電の繰り返しが行われており、その場合には二次電池の状態を知るための基礎情報としては電圧、電流および温度のみが測定される。このような状況下において、電池の出力電圧は内部抵抗に影響され、また内部抵抗自体も温度条件または電池の劣化度によって変化しており、実動作状態の電池の特性を詳しく解析する手段が必要とされていた。
そこで、本発明は、二次電池の性能評価の利便性の向上を図りうる装置等を提供することを目的とする。
本発明に係る電池性能評価装置は、
電子機器に電源として搭載されている二次電池の性能を評価するための装置であって、
前記電子機器または前記電子機器が接続される充電器との通信に基づき、前記電子機器または前記充電器に搭載されている電流発生装置に電流を発生させて前記二次電池に入力させ、前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を認識する第１制御要素と、
前記電子機器または前記充電器との通信に基づき、電池識別子を認識し、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識し、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識する第２制御要素と、
前記第１制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記二次電池の性能を評価する第３制御要素と、を備えている。
本発明に係る電池性能評価方法は、
電子機器に電源として搭載されている二次電池の性能を評価する方法であって、
前記電子機器または前記電子機器が接続される充電器との通信に基づき、前記電子機器または前記充電器に搭載されている電流発生装置に電流を発生させて前記二次電池に入力させ、前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を認識する第１制御工程と、
前記電子機器または前記充電器との通信に基づき、電池識別子を認識し、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識し、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識する第２制御工程と、
前記第１制御工程において認識された前記実測出力電圧および前記第２制御工程において認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記二次電池の性能を評価する第３制御工程と、を備えている。
本発明に係る電子機器は、
電源としての二次電池が搭載される電子機器であって、
電池性能評価装置との通信に基づき、前記電子機器に搭載または接続されている電流発生装置から電流を前記二次電池に入力させ、当該電流に応じて前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を、前記電池性能評価装置を構成する第１制御要素に認識させる第１機器制御要素と、
前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記電池性能評価装置を構成する第２制御要素に、電池識別子を認識させ、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識させ、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識させる第２機器制御要素と、
前記第１機器制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２機器制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記電池性能評価装置において評価された前記二次電池の性能を、前記電池性能評価装置との通信に基づいて認識したうえで、前記二次電池の性能に関する情報を出力インターフェースに出力させる第３機器制御要素と、を備えている。
本発明の電子機器において、
前記電子機器の入力インターフェースを通じて前記電子機器の電源をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の電源をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第１指定操作があったことを要件として、前記第１機器制御要素が前記第１制御要素に前記実測出力電圧を認識させ、かつ、前記第２機器制御要素が前記第２制御要素に前記モデル出力電圧を認識させることが好ましい。
本発明の電子機器において、前記電子機器が接続端子を通じて充電器に対して接続されたことを要件として、前記第１機器制御要素が前記第１制御要素に前記実測出力電圧を認識させ、かつ、前記第２機器制御要素が前記第２制御要素に前記モデル出力電圧を認識させることが好ましい。
本発明の電子機器において、前記充電用電源として前記電流発生装置が搭載されている前記充電器に対して接続されたことを要件として、前記第１機器制御要素が前記第１制御要素に前記実測出力電圧を認識させ、かつ、前記第２機器制御要素が前記第２制御要素に前記モデル出力電圧を認識させることが好ましい。
本発明の電子機器において、
前記電子機器の入力インターフェースを通じて前記電子機器の出力インターフェースをＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の出力インターフェースをＯＦＦ状態もしくはスリープ状態からＯＮ状態もしくはスリープ解除状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第２指定操作があったことを要件として、前記第３機器制御要素が、前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記出力インターフェースに前記二次電池の性能に関する情報を出力させることが好ましい。
本発明に係る充電器は、
電源として二次電池が搭載されている電子機器が接続される充電器であって、
電流発生装置と、
電池性能評価装置との通信に基づき、前記電流発生装置から電流が前記充電器に接続されている前記電子機器の二次電池に入力させ、当該電流に応じて前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を、前記電池性能評価装置を構成する第１制御要素に認識させる第１充電器制御要素と、
前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記電池性能評価装置を構成する第２制御要素に、電池識別子を認識させ、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識させ、当該二次電池モデルに対して、仮想的な電流が入力された際に当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識させる第２充電器制御要素と、
前記第１制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記電池性能評価装置において評価された前記二次電池の性能を、前記電池性能評価装置との通信に基づいて認識したうえで、前記二次電池の性能に関する情報を前記電子機器の出力インターフェースに出力させる第３充電器制御要素と、を備えている。
本発明の充電器において、前記電子機器において入力インターフェースを通じて前記電子機器の電源をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の電源をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第１指定操作があったことを要件として、前記第１充電器制御要素が前記第１制御要素に前記実測出力電圧を認識させ、かつ、前記第２充電器制御要素が前記第２制御要素に前記モデル出力電圧を認識させることが好ましい。
本発明の充電器において、前記電子機器が接続端子を通じて前記充電器に対して接続されたことを要件として、前記第１充電器制御要素が前記第１制御要素に前記実測出力電圧を認識させ、かつ、前記第２充電器制御要素が前記第２制御要素に前記モデル出力電圧を認識させることが好ましい。
本発明の充電器において、前記電子機器の入力インターフェースを通じて前記電子機器の出力インターフェースをＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の出力インターフェースをＯＦＦ状態もしくはスリープ状態からＯＮ状態もしくはスリープ解除状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第２指定操作があったことを要件として、前記第３充電器制御要素が、前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記出力インターフェースに前記二次電池の性能に関する情報を出力させることが好ましい。
本発明の第１実施形態としての電池性能評価システムの構成に関する説明図。 電池性能評価方法の手順を示すフローチャート。 インパルス電流に関する説明図。 二次電池および二次電池モデルの電圧応答特性に関する説明図。 二次電池の複素インピーダンスの測定システムに関する説明図。 二次電池のナイキストプロットに関する説明図。 二次電池の内部抵抗の等価回路の第１例示説明図。 二次電池の内部抵抗の等価回路の第２例示説明図。 ＩＩＲシステムの伝達関数を表わすダイヤグラム。 ＦＩＲシステムの伝達関数を表わすダイヤグラム。 本発明の第２実施形態としての電池性能評価システムの構成に関する説明図。
（第１実施形態）
（電池性能評価システムの構成）
図１に示されている本発明の第１実施形態としての電池性能評価システムは、ネットワークを介して相互通信可能な電池性能評価装置１００および電子機器２００により構成されている。電池性能評価装置１００は、データベース１０にアクセス可能な一または複数のサーバにより構成されている。電池性能評価装置１００は、電子機器２００に電源として搭載されている二次電池２４０の性能を評価する。
電池性能評価装置１００は、第１制御要素１１０、第２制御要素１２０および第３制御要素１３０を備えている。第１制御要素１１０、第２制御要素１２０および第３制御要素１３０のそれぞれは、プロセッサ（演算処理装置）、メモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。
メモリまたはこれとは別個の記憶装置には、電流（例えばインパルス電流）に対する二次電池２４０の電圧応答特性の測定結果などの様々なデータのほか、プログラムまたはソフトウェアが記憶保持されている。例えば、二次電池２４０またはこれが搭載されている電子機器２００の種類（規格および諸元により特定される。）を識別するための複数の識別子のそれぞれと、複数の二次電池モデルのそれぞれとが対応付けられてメモリに記憶保持されている。プロセッサがメモリから必要なプログラムおよびデータを読み取り、当該データに基づき、当該プログラムにしたがった演算処理を実行することにより、各要素１１０、１２０および１３０のそれぞれに割り当てられた後述する演算処理またはタスクが実行される。
電子機器２００は、入力インターフェース２０２と、出力インターフェース２０４と、センサ群２０６と、機器制御装置２２０と、電流発生装置２３０と、二次電池２４０と、を備えている。パソコン、携帯電話（スマートフォン）、家電製品または電動自転車等の移動体など、二次電池２４０を電源とするあらゆる機器が電子機器２００に該当する。電子機器２００が充電器４００に対して、接続端子を介して接続され、または、ワイヤレス接続されることにより二次電池２４０が充電される。
機器制御装置２２０は、第１機器制御要素２２１、第２機器制御要素２２２および第３機器制御要素２２３を備えている。第１機器制御要素２２１、第２機器制御要素２２２および第３機器制御要素２２３のそれぞれは、プロセッサ（演算処理装置）、メモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。当該メモリまたはこれとは別個の記憶装置には、二次電池２４０の電圧応答特性の計測結果などの様々なデータが記憶保持される。機器制御装置２２０は、二次電池２４０から供給電力に応じて作動し、通電状態において電子機器２００の動作を制御する。
各要素が情報を「認識する」とは、情報を受信すること、データベース１０等の情報源から情報を検索することもしくは読み取ること、他の情報に基づいて情報を算定、推定等することなど、必要な情報を準備するあらゆる演算処理等を実行することを意味する。
電子機器２００の動作には、当該電子機器２００を構成するアクチュエータ（電動式アクチュエータなど）の負荷の動作が含まれる。機器制御装置２２０を構成するプロセッサがメモリから必要なプログラムおよびデータを読み取り、当該データに基づき、当該プログラムにしたがって割り当てられた演算処理を実行する。
電流発生装置２３０は、例えば、インパルス電流発生装置により構成されている。 二次電池２４０は、例えばリチウムイオンバッテリであり、ニッケル水素電池、ニッケル・カドミウム電池等のその他の二次電池であってもよい。センサ群２０６は、二次電池２４０の電圧応答特性および温度のほか、電子機器２００の制御に必要なパラメータの値を測定する。センサ群２０６は、例えば二次電池２４０の電圧、電流および温度のそれぞれに応じた信号を出力する電圧センサ、電流センサおよび温度センサにより構成されている。
電池性能評価装置１００は電子機器２００に搭載されていてもよい。この場合、ソフトウェアサーバ（図示略）が、電子機器２００が備えている機器制御装置２２０を構成する演算処理装置に対して劣化判定用ソフトウェアを送信することにより、当該演算処理装置に対して電池性能評価装置１００としての機能を付与してもよい。
（電池性能評価方法）
前記構成の第１実施形態の電池性能評価システムにより実行される、電子機器２００に搭載される二次電池２４０の電池性能評価方法について説明する。
電子機器２００において、第１機器制御要素２２１により、当該電子機器２００が充電器４００に対して接続されたか否かが判定される（図２／ＳＴＥＰ２１０）。当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ２１０‥ＮＯ）、一連の処理が終了し、再び電子機器２００が充電器４００に対して接続されたか否かが判定される。
その一方、当該判定結果が肯定的である場合（図２／ＳＴＥＰ２１０‥ＹＥＳ）、第１機器制御要素２２１により、入力インターフェース２０２を通じた第１指定操作の有無がさらに判定される（図２／ＳＴＥＰ２１２）。例えば、電子機器２００の電源をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、電子機器２００の電源をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えるための操作、ＣＰＵ使用率等の演算処理負荷が閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作が「第１指定操作」に該当する。
当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ２１２‥ＮＯ）、一連の処理が終了し、電子機器２００の充電器４００に対する接続有無の判定処理（図２／ＳＴＥＰ２１０）以降の処理が実行される。
その一方、第１指定操作があったと判定された場合（図２／ＳＴＥＰ２１２‥ＹＥＳ）、電流発生装置２３０により発生された電流Ｉ（ｔ）が、第１機器制御要素２２１により二次電池２４０に対して入力される（図２／ＳＴＥＰ２１４）。これにより、例えば、図３Ａに示されているようなインパルス電流Ｉ（ｔ）が電流発生装置２３０により発生されたうえで二次電池２４０に対して入力される。第１指定操作に応じて、出力インターフェース２０４を構成するディスプレイ装置に、二次電池２４０の評価が開始されることを表わすアイコン等の画像またはメッセージが表示されてもよい。
インパルス電流Ｉ（ｔ）の波形信号は、電池性能評価装置１００および電子機器２００の相互通信によって、第２制御要素１２０により指定されたものであってもよい。充電器４００に接続された状態で電流発生装置２３０が駆動されることにより、当該電流発生装置２３０により二次電池２４０に対して入力される電流Ｉ（ｔ）の安定化が図られる。インパルス電流発生のための補助電源が電子機器２００に搭載されていてもよい。
電子機器２００の充電器４００に対する接続有無の判定処理（図２／ＳＴＥＰ２１０）および第１指定操作の有無の判定処理（図２／ＳＴＥＰ２１２）のうち、少なくとも一方が省略されてもよい。
センサ群２０６の出力信号に基づき、制御装置２００により二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）および温度Ｔが測定される（図２／ＳＴＥＰ２１６）。これにより、例えば、図３Ｂに実線で示されているように変化する二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）が測定される。
二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）および温度Ｔの測定結果を含む電池特性因子が、第１機器制御要素２２１により、出力インターフェース１０２を構成する通信装置を通じて、電子機器２００から電池性能評価装置１００に対して送信される（図２／ＳＴＥＰ２１８）。第２機器制御要素２２２が、二次電池２４０の種類（規格、諸元）を識別するための電池識別子ＩＤを電池特性因子に含ませたうえで電池性能評価装置１００に対して送信する。また、電圧応答特性Ｖ（ｔ）が測定された際に二次電池２４０に入力されたインパルス電流Ｉ（ｔ）を特定するための測定条件が電池特性因子に含まれていてもよい。
電池性能評価装置１００において、電子機器２００から送信された電池特性因子が認識される（図２／ＳＴＥＰ１１２）。具体的には、第１制御要素１１０により、電池特性因子に含まれている電圧応答特性Ｖ（ｔ）および温度Ｔの測定結果が認識され、かつ、第２制御要素１２０により、電池特性因子に含まれている電池識別子ＩＤが認識される。
第２制御要素１２０により、データベース１０に登録されている多数の二次電池モデルの中から、電池特性因子に含まれている電池識別子ＩＤおよび温度Ｔの測定結果のそれぞれに関連付けられている一の二次電池モデルが選定される（図２／ＳＴＥＰ１１４）。二次電池モデルは、電流値Ｉ（ｔ）が入力された際に、該当する二次電池が出力すると推定または予測される電圧値Ｖ（ｔ）を出力するモデルである。二次電池モデルとしては、例えば、特開２００８−２４１２４６号公報、特開２０１０−２０３９３５号公報および特開２０１７−１３８１２８号公報に記載されているモデルなど、さまざまなモデルが適用されてもよい。
さらに、第２制御要素１２０により、当該選定された二次電池モデルに対して電流Ｉ（ｔ）が入力される（図２／ＳＴＥＰ１１６）。これにより、例えば、図３Ａに示されているようなインパルス電流Ｉ（ｔ）が二次電池モデルに対して入力される。インパルス電流Ｉ（ｔ）は、第２制御要素１２０により指定された波形信号に基づいて認識されてもよく、電子機器２００から電池性能評価装置１００に対して送信された電池特性因子に含まれている測定条件情報に基づいて認識されてもよい。
第２制御要素１２０により、二次電池モデルから出力される電圧応答特性Ｖmodel（ｔ）が当該二次電池モデルの出力信号として計算される（図２／ＳＴＥＰ１１８）。これにより、例えば、図３Ｂに破線で示されているように変化する二次電池モデルの電圧応答特性Ｖmodel（ｔ）が二次電池モデルの出力信号として計算される。図３Ｂには、開放電圧ＯＣＶ（ｔ）の変化態様が一点鎖線で示されている。
続いて、第３制御要素１３０により、二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）および二次電池モデルの電圧応答特性Ｖmodel（ｔ）の対比結果に基づき、当該二次電池２４０の性能が評価される（図２／ＳＴＥＰ１２０）。例えば、二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）および二次電池モデルの電圧応答特性Ｖmodel（ｔ）のそれぞれを表わす曲線の類似度ｘが算定される。そして、類似度ｘを主変数とする減少関数ｆにしたがって、二次電池２４０の劣化度Ｄ＝ｆ（ｘ）が算定される。
第３制御要素１３０により、二次電池２４０の劣化度Ｄに応じた電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が生成される（図２／ＳＴＥＰ１２２）。第３制御要素１３０により、電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が評価性能装置１００から電子機器２００に対して送信される（図２／ＳＴＥＰ１２４）。
電子機器２００において、入力インターフェース２０２を構成する通信装置により電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が受信される（図２／ＳＴＥＰ２２０）。
続いて、第３機器制御要素２２２により第２指定操作の有無が判定される（図２／ＳＴＥＰ２２２）。例えば、電子機器２００の出力インターフェース２０４をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、電子機器２００の出力インターフェース２０４をＯＦＦ状態（もしくはスリープ状態）からＯＮ状態（もしくはスリープ解除状態）に切り替えるための操作、ＣＰＵ使用率等の演算処理負荷が閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作が「第２指定操作」に該当する。
当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ２２２‥ＮＯ）、当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ２１２‥ＮＯ）、一連の処理が終了し、電子機器２００の充電器４００に対する接続有無の判定処理（図２／ＳＴＥＰ２１０）以降の処理が実行される。第２指定操作の有無の判定処理（図２／ＳＴＥＰ２２２）が省略されてもよい。
その一方、第２指定操作があったと判定された場合（図２／ＳＴＥＰ２２２‥ＹＥＳ）、第３機器制御要素２２３により、出力インターフェース２０４を構成するディスプレイ装置に、電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が出力表示される（図２／ＳＴＥＰ２２４）。これにより、二次電池２４０の劣化度Ｄを示すグラフ表示のほか、「バッテリーの劣化度は３０％です。あと１５０日で交換することをおススメします。」といった劣化度Ｄに応じた対処方法などに関するメッセージがディスプレイ装置に表示される。
（二次電池モデルの構築方法）
データベース１０に登録されている二次電池モデルの構築方法の一実施形態について説明する。本実施形態では、二次電池２４０の複素インピーダンスＺの測定結果に基づき、電流値Ｉ（ｔ）が入力された際に当該二次電池２４０から出力されると推定または予測される電圧値Ｖ（ｔ）を出力する二次電池モデルが構築される。
二次電池モデルの構築対象となる二次電池２４０の複素インピーダンスＺが、交流インピーダンス法により測定される。交流インピーダンス法によれば、図４に示されているように、周波数応答解析装置（ＦＲＡ）２１１およびポテンショガルバノスタット（ＰＧＳ）２１２の組み合わせが用いられる。ＦＲＡ２１１を構成する発振器から任意の周波数の正弦波信号が出力され、当該正弦波信号に応じた二次電池２４０の電流信号Ｉ（ｔ）および電圧信号Ｖ（ｔ）がＰＧＳ２１２からＦＲＡ２１１に入力される。そして、ＦＲＡ２１１において、電流信号Ｉ（ｔ）および電圧信号Ｖ（ｔ）が離散フーリエ周波数変換によって周波数領域のデータに変換され、周波数ｆ＝（ω／２π）における複素インピーダンスＺが測定される。
例えば、二次電池２４０の出荷直前等、電子機器２００に搭載されていない状態における二次電池２４０の複素インピーダンスＺが測定され、機器制御装置２２０または第１機器制御要素２２１を構成するメモリまたは記憶装置に格納されていてもよい。そのほか、電子機器２００に搭載されている状態における二次電池２４０の複素インピーダンスＺが測定されてもよい。この場合、第１機器制御要素２２１によりＦＲＡ２１１が構成され、センサ群２０６によりＰＧＳ２１２が構成されていてもよい。例えば、電子機器２００が二次電池２４０の充電のために商用電源等の外部電源に接続され、当該外部電源から供給される電力によって正弦波信号が出力されうる。
図５には、二次電池２４０の複素インピーダンスＺの実測結果を表わすナイキストプロットの一例が、当該プロットの近似曲線とともに示されている。横軸は複素インピーダンスＺの実部ＲｅＺであり、縦軸は複素インピーダンスＺの虚部−ＩｍＺである。−ＩｍＺ＞０の領域においてＲｅＺが大きくなるほど低周波数の複素インピーダンスＺを表わしている。−ＩｍＺ＝０におけるＲｅＺの値は二次電池２４０の電解液中の移動抵抗に相当する。−ＩｍＺ＞０の領域における略半円形状の部分の曲率半径は、二次電池２４０の電荷移動抵抗に相当する。当該曲率半径は、二次電池２４０の温度Ｔが高温になるほど小さくなる傾向がある。−ＩｍＺ＞０の領域の低周波数領域において約４５°で立ち上がる直線状の部分には、二次電池２４０のワールブルグインピーダンスの影響が反映されている。
前記のように、電流値Ｉ（ｔ）が入力された際に当該二次電池２４０から出力されると推定または予測される電圧値Ｖ（ｔ）を出力する二次電池モデルは、二次電池２４０の開放電圧ＯＣＶ（ｔ）および内部抵抗の伝達関数Ｈ（ｚ）を用いて関係式（０１）により定義される。
Ｖ（ｔ）＝ＯＣＶ（ｔ）＋Ｈ（ｔ）・Ｉ（ｔ） ‥（０１）。
ここで、ＯＣＶ（ｔ）は、電流Ｉ（ｔ）の充電および／または放電に伴い開放電圧が増減することを表わしている。
二次電池の内部抵抗の等価回路モデルの伝達関数Ｈ（ｔ）は関係式（０２）により定義される。
Ｈ（ｔ）＝Ｈ0（ｔ）＋Σi=1-mＨi（ｔ）＋ＨW（ｔ）＋ＨL（ｔ） ‥（０２）。
「Ｈ0（ｔ）」、「Ｈi（ｔ）」、「ＨW（ｔ）」および「ＨL（ｔ）」は、二次電池の内部抵抗の特性を表わすパラメータにより定義されている。
図６Ａには、二次電池２４０の内部抵抗の等価回路の一例が示されている。この例では、内部抵抗の等価回路は、電解液中の移動抵抗に相当する抵抗Ｒ0、電荷移動抵抗に相当する抵抗ＲiおよびキャパシタＣiからなる第ｉのＲＣ並列回路（ｉ＝１，２，‥，ｍ）、ワールブルグインピーダンスに相当する抵抗Ｗ0、ならびに、コイルＬの直列回路により定義されている。直列接続されるＲＣ並列回路の数は、図６Ａに示した実施例では「３」であったが、３より小さくてもよく、３より大きくてもよい。抵抗Ｗ0は、少なくともいずれか１つのＲＣ並列回路において抵抗Ｒと直列接続されていてもよい。キャパシタＣがＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｈａｓｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ）に置換されていてもよい。図５Ｂに示されているよう、ワールブルグ抵抗Ｗが少なくとも１つのＲＣ並列回路（図６Ｂの例では第１のＲＣ並列回路）の抵抗Ｒと直列接続されてもよい。
抵抗Ｒ0の伝達関数Ｈ0（ｚ）は関係式（０３）により定義されている。
Ｈ0（ｚ）＝Ｒ0 ‥（０３）。
第ｉのＲＣ並列回路の伝達関数Ｈi（ｚ）はＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）システム（無限インパルス応答システム）の伝達関数として関係式（０３）により定義されている。図７Ａには、第ｉのＲＣ並列回路の伝達関数Ｈi（ｚ）を表わすブロックダイヤグラムが示されている。
Ｈi（ｚ）＝（ｂ0＋ｂiｚ-1）／（１＋ａiｚ-1） ‥（０３）。
ワールブルグインピーダンスに相当する抵抗Ｗ0の伝達関数ＨW（ｚ）はＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）システム（有限インパルス応答システム）の伝達関数として関係式（０４）により定義されている。図７Ｂには、ワールブルグインピーダンスに相当する抵抗Ｗ0の伝達関数ＨW（ｚ）を表わすブロックダイヤグラムが示されている。
ＨW（ｚ）＝Σk=0-nｈkｚ-k ‥（０４）。
コイルＬの伝達関数ＨL（ｚ）は関係式（０５）により定義されている。
ＨL（ｚ）＝（２Ｌ0／Ｔ）（１−ｚ-1）／（１＋ｚ-1） ‥（０５）。
図５に実線で示されているナイキストプロットにより表わされる二次電池の複素インピーダンスＺの近似曲線を求める際、関係式（０２）にしたがって二次電池の内部抵抗の等価回路モデルの伝達関数Ｈ（ｚ）が定義されるという仮定下で求められる。これにより、パラメータＲ0、ａi、ｂ0、ｂi、ｈk、Ｌ0およびＴの値が求められる（関係式（０３）〜（０５）参照）。開放電圧ＯＣＶの測定値により二次電池モデルにおける開放電圧ＯＣＶの値が同定される（関係式（０１）参照）。そして、当該パラメータの値により二次電池モデルが様々な種類の二次電池２４０について構築される。
（第２実施形態）
（電池性能評価システムの構成）
図８に示されている本発明の第２実施形態としての電池性能評価システムは、電池性能評価装置１００、電子機器２００および充電器４００により構成されている。電池性能評価装置１００は、充電器４００と相互通信可能である。
充電器４００は、充電器制御装置４２０と、電流発生装置４３０を備えている。充電器制御装置４２０は、第１充電器制御要素４２１、第２充電器制御要素４２２および第３充電器制御要素４２３を備えている。第１充電器制御要素４２１、第２充電器制御要素４２２および第３充電器制御要素４２３のそれぞれは、プロセッサ（演算処理装置）、メモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。当該メモリまたはこれとは別個の記憶装置には、二次電池２４０の電圧応答特性の計測結果などの様々なデータが記憶保持される。第１充電器制御要素４２１、第２充電器制御要素４２２および第３充電器制御要素４２３のそれぞれは、電子機器２００の第１機器制御要素２２１、第２機器制御要素２２２および第３機器制御要素２２３のそれぞれと同様の機能を発揮する。
充電器４００が電流発生装置４３０を備えている一方、電子機器２００において電流発生装置２３０（図１参照）が省略されている。
これら以外の点は、第１実施形態における電池性能評価システム（図１参照）とほぼ同様の構成であるため、同一符号を付するとともに説明を省略する。
（電池性能評価方法）
前記構成の第２実施形態の電池性能評価システムにより実行される、電子機器２００に搭載される二次電池２４０の電池性能評価方法について説明する。第２実施形態では、充電器４００が、電子機器２００に代わって電池性能評価装置１００との相互通信を担いながら、第１実施形態と同様の手順で二次電池２４０の性能が評価される（図２参照）。
具体的には、第１機器制御要素２２１による第１指定操作の有無の判定結果が、電子機器２００から充電器４００に無線または有線で送信され、第１充電器制御要素４２１により第１指定操作の有無の判定結果が認識される（図２／ＳＴＥＰ２１２参照）。
第１充電器制御要素４２１により、電流発生装置４３０を用いて電流Ｉ（ｔ）が無線または有線方式で電子機器２００に搭載されている二次電池２４０に対して入力される（図２／ＳＴＥＰ２１４参照）。
第１機器制御要素２２１により、二次電池２４０の電圧応答特性Ｖ（ｔ）および温度Ｔが測定されたうえで、当該測定結果を含む電池特性因子が電子機器２００から充電器４００に無線または有線で送信され、第１充電器制御要素４２１により当該電池特性因子が認識される（図２／ＳＴＥＰ２１６参照）。続いて、第１充電器制御要素４２１により、当該電池特性因子が充電器４００から電池性能評価装置１００に対して送信される（図２／ＳＴＥＰ２１８参照）。
第２充電器制御要素４２２により、電池識別子ＩＤが第２機器制御要素２２２との無線または有線での通信を介して認識されたうえで、電池性能評価装置１００に対して送信される（図２／ＳＴＥＰ２２０参照）。
充電器４００において、第３充電器制御要素４２３により電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が受信される（図２／ＳＴＥＰ２２０参照）。
続いて、第３機器制御要素２２３による第２指定操作の有無の判定結果が、電子機器２００から充電器４００に無線または有線で送信され、第３充電器制御要素４２３により第１指定操作の有無の判定結果が認識される（図２／ＳＴＥＰ２２２参照）。
第２指定操作があったと判定された場合、第３充電器制御要素４２３により電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が無線または有線で第３機器制御要素２２３に対して送信され、出力インターフェース２０４を構成するディスプレイ装置に、第３機器制御要素２２３によって当該電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が出力表示される（図２／ＳＴＥＰ２２２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ２２４参照）。
（本発明の他の実施形態）
第１実施形態における機器制御装置２２０の機能が、第２実施形態における機器制御装置２００および充電器制御装置４００により分担されてもよい。
例えば、第２実施形態において、第３機器制御要素２２３により電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が受信され、第２指定操作があったという判定結果に応じて、電池性能評価情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が出力インターフェース２０４を構成するディスプレイ装置に出力表示されてもよい（図２／ＳＴＥＰ２２０→ＳＴＥＰ２２２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ２２４参照）。この場合、第３充電器制御要素４２３は省略されてもよい。
また、第２実施形態において、第２機器制御要素２２２により、電池識別子ＩＤが電池性能評価装置１００に対して送信されてもよい（図２／ＳＴＥＰ２２０参照）。この場合、第２充電器制御要素４２２は省略されてもよい。
電圧応答特性Ｖ（Ｔ）の測定時における二次電池２４０または電子機器２００の温度Ｔが勘案されたうえで二次電池モデルが選定され、当該二次電池２４０の性能が評価されたが、他の実施形態として、電圧応答特性Ｖ（Ｔ）の測定時の二次電池２４０の温度Ｔが勘案されずに、二次電池２４０の種類を表わす電池識別子ＩＤに基づいて二次電池モデルが選定され、当該二次電池２４０の性能が評価されてもよい。
（発明の効果）
本発明に係る電池性能評価装置１００およびこれにより実行される電池性能評価方法によれば、電子機器２００および／または当該電子機器２００が接続される充電器４００と、電池性能評価装置１００との相互通信に基づき、当該電子機器２００に搭載されている二次電池２４０の性能が電池性能評価装置１００により評価される。そして、当該評価結果に応じた電池性能情報Ｉｎｆｏ（Ｄ）が当該電子機器２００の出力インターフェース２０４に出力される。このため、ユーザは電子機器２００または二次電池２４０を専門機関等に持参する必要はなく、当該二次電池２４０の性能評価結果を把握できるため、電子機器２００のユーザにとっての利便性の向上が図られる。
１０‥データベース、１００‥電池性能評価装置、１１０‥第１制御要素、１２０‥第２制御要素、１３０‥第３制御要素、２００‥電子機器、２０２‥入力インターフェース、２０４‥出力インターフェース、２０６‥センサ群、２２０‥機器制御装置、２２１‥第１機器制御要素、２２２‥第２機器制御要素、２２３‥第３機器制御要素、２４０‥二次電池、４００‥充電器、４２０‥充電器制御装置、４２１‥第１充電器制御要素、４２２‥第２充電器制御要素、４２３‥第３充電器制御要素。

Claims (9)

  1. 電子機器に電源として搭載されている二次電池の性能を評価するための装置であって、
    前記電子機器または前記電子機器が接続される充電器との通信に基づき、前記電子機器または前記充電器に搭載されている電流発生装置に電流を発生させて前記二次電池に入力させ、前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を認識する第１制御要素と、
    前記電子機器または前記充電器との通信に基づき、電池識別子を認識し、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識し、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識する第２制御要素と、
    前記第１制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記二次電池の性能を評価する第３制御要素と、を備えていることを特徴とする電池性能評価装置。
  2. 請求項１記載の電池性能評価装置において、
    前記電子機器の入力インターフェースを通じて前記電子機器の電源をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の電源をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第１指定操作があったことを要件として、前記第１制御要素が前記実測出力電圧を認識し、かつ、前記第２制御要素が前記モデル出力電圧を認識することを特徴とする電池性能評価装置。
  3. 請求項１または２に記載の電池性能評価装置において、
    前記電子機器が接続端子を通じて前記充電器に対して接続されたことを要件として、前記第１制御要素が前記実測出力電圧を認識し、かつ、前記第２制御要素が前記モデル出力電圧を認識することを特徴とする電池性能評価装置。
  4. 請求項３記載の電池性能評価装置において、
    前記電流発生装置が搭載されている前記充電器に対して前記電子機器が接続されたことを要件として、前記第１制御要素が前記実測出力電圧を認識し、かつ、前記第２制御要素が前記モデル出力電圧を認識することを特徴とする電池性能評価装置。
  5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の電池性能評価装置において、
    前記第３制御要素が、前記電子機器との通信に基づき、前記二次電池の電池性能評価結果を当該電子機器に認識させることにより、前記電子機器の出力インターフェースに前記二次電池の性能に関する情報を出力させることを特徴とする電池性能評価装置。
  6. 請求項５記載の電池性能評価装置において、
    前記電子機器の入力インターフェースを通じて前記電子機器の出力インターフェースをＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えるための操作、前記電子機器の出力インターフェースをＯＦＦ状態もしくはスリープ状態からＯＮ状態もしくはスリープ解除状態に切り替えるための操作、前記電子機器における演算処理負荷を閾値以下に低下させるような所定のアプリケーションもしくは負荷の動作停止のための操作、または、前記電子機器における所定のアプリケーションもしくは負荷を起動させるための操作としての第２指定操作があったことを要件として、前記第３制御要素が、前記電子機器との通信に基づき、前記出力インターフェースに前記二次電池の性能に関する情報を出力させることを特徴とする電池性能評価装置。
  7. 電源としての二次電池が搭載される電子機器であって、
    電池性能評価装置との通信に基づき、前記電子機器に搭載または接続されている電流発生装置から電流を前記二次電池に入力させ、当該電流に応じて前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を、前記電池性能評価装置を構成する第１制御要素に認識させる第１機器制御要素と、
    前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記電池性能評価装置を構成する第２制御要素に、電池識別子を認識させ、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識させ、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識させる第２機器制御要素と、
    前記第１機器制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２機器制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記電池性能評価装置において評価された前記二次電池の性能を、前記電池性能評価装置との通信に基づいて認識したうえで、前記二次電池の性能に関する情報を出力インターフェースに出力させる第３機器制御要素と、を備えていることを特徴とする電子機器。
  8. 電源として二次電池が搭載されている電子機器が接続される充電器であって、
    電流発生装置と、
    電池性能評価装置との通信に基づき、前記電流発生装置から電流が前記充電器に接続されている前記電子機器の二次電池に入力させ、当該電流に応じて前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を、前記電池性能評価装置を構成する第１制御要素に認識させる第１充電器制御要素と、
    前記電池性能評価装置との通信に基づき、前記電池性能評価装置を構成する第２制御要素に、電池識別子を認識させ、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識させ、当該二次電池モデルに対して、仮想的な電流が入力された際に当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識させる第２充電器制御要素と、
    前記第１制御要素により認識された前記実測出力電圧および前記第２制御要素により認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記電池性能評価装置において評価された前記二次電池の性能を、前記電池性能評価装置との通信に基づいて認識したうえで、前記二次電池の性能に関する情報を前記電子機器の出力インターフェースに出力させる第３充電器制御要素と、を備えていることを特徴とする充電器。
  9. 電子機器に電源として搭載されている二次電池の性能を評価する方法であって、
    前記電子機器または前記電子機器が接続される充電器との通信に基づき、前記電子機器または前記充電器に搭載されている電流発生装置に電流を発生させて前記二次電池に入力させ、前記二次電池から出力される電圧の変化態様の計測結果としての実測出力電圧を認識する第１制御工程と、
    前記電子機器または前記充電器との通信に基づき、電池識別子を認識し、前記電池識別子により識別される二次電池の電流特性を表わすためにあらかじめ確立された二次電池モデルを認識し、当該二次電池モデルに対して電流が入力された際に、当該二次電池モデルから出力される電圧の変化態様としてのモデル出力電圧を認識する第２制御工程と、
    前記第１制御工程において認識された前記実測出力電圧および前記第２制御工程において認識された前記モデル出力電圧を対比結果に基づき、前記二次電池の性能を評価する第３制御工程と、を備えていることを特徴とする電池性能評価方法。
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