JP7261477B2 - 電池状態推定方法および電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、二次電池の充電状態を推定する電池状態推定方法、および、二次電池の充電状態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。

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、二次電池の充電状態（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。

しかし、異なる方法を用いて推定したＳＯＣは、推定方法によってＳＯＣの信頼性が異なるおそれがある。特に、推定方法が切り替わった前後のＳＯＣには連続性がなく精度が低下するおそれがあった。

特開２００９－９７８７８号公報 特開２０１８－１５１１９４号公報

本発明の実施形態は、広範囲の充電状態を同じ方法で精度良く推定できる電池状態推定方法、および、広範囲の充電状態を同じ方法で精度良く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の推定方法は、第１の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、前記第１の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、前記第１の電池の充電状態の範囲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の電池の前記所定の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が取得される第２の工程と、前記ＳＯＣ変化点と温度との関係および前記インピーダンス底値と前記温度との関係を含む前記第２の電池の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が記憶される第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、第１の電池と、前記第１の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充電状態であるＳＯＣ変化点と温度との関係、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前記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、前記第１の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の電池のデータとから、前記第１の電池の充電状態の範囲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、広範囲の充電状態を同じ方法で精度良く推定できる電池状態推定方法、および、広範囲の充電状態を同じ方法で精度良く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１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１の推定方法を説明するための図である。 実施形態の変形例２の第２の電池のコールコールプロットである。 図１４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、第１の電池２０と、温度調整装置２９と、ＣＰＵ３０と、電源４０と、を具備する。第１の電池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２０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／放出する負極とを含む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ＬｉＰＦ_６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２０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。

電源４０は、第１の電池２０に所定の周波数の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２０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、第１の電池２０の温度を制御する温度制御手段である温度制御部３２Ａを含んでいる。温度制御部３２Ａは、温度検出手段であるセンサ２９Ａを含む温度調整手段である温度調整装置２９を制御する。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は第１の電池２０の所定の測定周波数におけるインピーダンス特性を測定する。演算回路３４は第１の電池２０の充電状態の範囲を推定する。

なお、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、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。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。

後述するように電池システム１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、第１の電池２０の充電状態の範囲を推定する。

電池システム１は、ＳＯＣ変化点の温度依存性を用いることによって、広範囲の充電状態を同じ方法によって精度良く取得できる、

＜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。

＜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２０と同じ仕様の第２の電池（不図示）の複数の第２の温度、所定の測定周波数における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。第２の電池には、所定の測定周波数の交流信号が印加される。

測定周波数は、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、例えば、１００ｍＨｚ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。

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。具体的には、振幅５ｍＶ、周波数１００ｍＨｚの正弦波信号が、充電中または放電中の第２の電池に印加される。測定するＳＯＣ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。

なお、第２の電池のＳＯＣと電圧との関係が予め取得されている場合には、ＳＯＣに変えて電圧を用いてもよい。例えば、第２の電池を負荷に接続し、放電しながらインピーダンス特性を測定してもよい。もちろん、充電しながら、インピーダンス特性を測定してもよい。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。

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。なお、充電中または放電中の第２の電池の発熱による温度変化を利用して複数の温度におけるインピーダンス特性を測定してもよい。

図３に、４５℃における第２の電池のリアクタンス（－Ｚ）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Ｓ３０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、第２の温度が変更される。

第２の温度の数は、最低２つであるが、第１の電池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、１００以下である。すなわち、ステップＳ１０～Ｓ３０は、第１の電池２０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、第１の電池２０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に示すように、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以上、例えば、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％以下の領域の値を近似した直線と、ＳＯＣ３０％以上５０％以下の領域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（ＺＢおよびＴＳＯＣの温度との関係取得）
図７に示す温度とインピーダンス底値ＺＢとの関係が図３～図６から取得される。また、図８に示した温度とＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）との関係が取得される。

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に、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、これらの関係は測定点の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）
ステップＳ５０において取得された第２の電池のデータ（測定条件、ＳＯＣ変化点と第２の温度との関係、および、インピーダンス底値と第２の温度との関係）は、複数の電池システム１の共通データである。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、メモリ３１に記憶される。言い替えれば、第２の電池のデータを用いて、複数の第１の電池２０のＳＯＣ範囲が推定される。

なお、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、複数の第２の電池のデータが平均化され、平均化されたデータが用いられてもよい。

＜ステップＳ７０～Ｓ９０＞第１の電池の測定工程
第１の電池２０は、第２の電池と同じ仕様であるが、ＳＯＣは未知である。例えば、第１の電池２０は、使用中の電池システム１の一部である。

第１の電池２０の所定の周波数におけるリアクタンス－Ｚ｀｀が、複数の第１の温度のそれぞれにおいて測定される。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第１の電池２０に、印加する。

温度制御部３２Ａが、第１の電池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、温度センサ２９Ａと、例えば、ヒーターおよびペルチェ素子と、を有する。第１の電池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。

ステップＳ６０において、所定の第１の温度における測定が行われる。複数の第１の温度の範囲ｘは、複数の第２の温度の範囲と同じでもよいし、狭くてもよい。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、インピーダンス特性が測定される。

なお、複数の第１の温度のうちの最低温度である－２０℃に冷却されている第１の電池を、最高温度である４５℃以上の環境に放置することによって、第１の電池の温度が上昇することを利用して、複数の第１の温度におけるインピーダンス特性を測定してもよい。もちろん、４５℃に加温した第１の電池を、－２０℃以下の環境に放置して測定してもよい。このため、電池システム１は、少なくとも温度センサ２９Ａを有していれば、温度制御部３２Ａおよび温度調整装置２９を有していなくともよい。

なお、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１００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＞第１の電池のＳＯＣ範囲の推定工程
第１の電池２０の複数の第１の温度におけるリアクタンスと、第３の工程で取得され、メモリ３１に記憶されている第２の電池のデータ（例えば、図７、図８）と、から第１の電池２０のＳＯＣ範囲が推定される。

図９の下部は、図７に示した温度とインピーダンス底値ＺＢとの関係を示すグラフである。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、第１の電池２０のリアクタンス（－Ｚ｀｀）を示している。第１の電池２０のリアクタンス（－Ｚ｀｀）は、－２０℃および０℃では第２の電池のインピーダンス底値ＺＢよりも大きく、２５℃および４５℃では第２の電池のインピーダンス底値ＺＢと略同じである。

図９の上部のグラフから、温度が０℃のときのＴＳＯＣは３８％であり、温度が２５℃のときのＴＳＯＣは２０％である。このため、第１の電池２０のＳＯＣ範囲は、２０％以上３８％以下であると推定される。

例えば、第１の電池２０のリアクタンスが、２５℃以下では、第２の電池のインピーダンス底値ＺＢよりも大きく、４５℃では第２の電池のインピーダンス底値ＺＢと略同じである場合には、第１の電池２０のＳＯＣ範囲は、１０％以上２０％以下であると推定される。

図８に示したように、ＳＯＣ変化点と第２の温度との関係のＳＯＣ変化点ＴＳＯＣは５％以上から６０％以下の広範囲である。このため、本実施形態の電池状態推定方法は、広い範囲の充電状態を同じ方法によって精度良く取得できる。

以上の説明では、ＳＯＣが５０％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３－図６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。また、電池システムでは、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２０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２０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２０は、電解質が固体電解質である全固体電池でもよい。

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、測定周波数、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。

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る。このため、測定周波数は１０ｍＨｚ以上５００ｍＨｚ以下であることが好ましい。

複数の測定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によって、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、１Ｂ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、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。

＜変形例１＞
変形例１のフローチャートを図１２に示す。

実施形態の電池状態推定方法を用いて推定されるＳＯＣ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。一方、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、変形例の推定方法および電池システム１Ａ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の温度の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。

＜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、推定されたＳＯＣ範囲が２０％以上３８％以下、すなわち、（２９％±９％）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
ステップＳ１００においてリアクタンスが、インピーダンス底値ＺＢ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３の温度がコントローラ３２によって再設定される。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の温度が設定される。

例えば、第３の温度として、０℃と２５℃との間に、５℃、１０℃、１５℃、２０℃が設定される。

＜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、設定された複数の第３の温度における第１の電池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Ｓ１５０＞第１の電池のＳＯＣ範囲の再推定工程
ステップＳ１００と同じように、第１の電池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２０のＳＯＣ範囲が演算回路３４によって、推定される。

例えば、図１３において黒円で示されている第１の電池２０のリアクタンスは、１５℃以下では第２の電池のインピーダンス底値ＺＢよりも大きく、２０℃以上では第２の電池のインピーダンス底値ＺＢと略同じである。

このため、第１の電池２０のＳＯＣ範囲は、２３％以上２６％以下であると推定される。

ステップＳ１５０において推定されるＳＯＣ範囲は、（２４．５％±１．５％）であり、ステップＳ１００において推定された範囲（２９％±９％）よりも狭い。

そして、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。この場合に設定される温度範囲が、第３の温度の範囲（ＴＷ２）よりも更に狭くなる。

＜実施形態の変形例２＞
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。

しかし、変形例２の電池システム１Ｂでは、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、最適の測定周波数を決定することもできる。

本変形例の電池状態推定方法では、以下に説明するように、コールコールプロットの解析工程によって、測定周波数を決定する

＜複素インピーダンス測定工程＞
本変形例の推定方法では、測定周波数を決定するために、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。

ここで、第１のＳＯＣは、ＳＯＣ推定の基準としたい２つの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の正弦波信号が、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１４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１５は、図１４の部分拡大図である。図１５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１５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１５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８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。

なお、図１４から明らかなように、測定周波数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。

測定周波数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。

なお、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、変化率の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。

本変形例では、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。

本変形例は、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２０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、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせ等が可能である。

１、１Ａ、１Ｂ…電池システム
２０…第１の電池
２９…温度調整装置
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 (8)

1. 第１の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、
   前記第１の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、前記第１の電池の充電状態の範囲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の電池の前記所定の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が取得される第２の工程と、
   前記ＳＯＣ変化点と温度との関係および前記インピーダンス底値と前記温度との関係を含む前記第２の電池の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が記憶される第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に記載の電池状態推定方法。
3. 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. 前記所定の周波数が、１０ｍＨｚ以上５００ｍＨｚ以下であることを特徴とする請求項３に記載の電池状態推定方法。
5. 推定された前記第１の電池の充電状態の範囲に基づいて、前記第１の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、
   前記第１の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、前記第１の電池の充電状態の範囲が再度、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４のいずれか１項に記載の電池状態推定方法。
6. 前記第２の電池の前記データを用いて、複数の第１の電池の充電状態の範囲が推定され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. 第１の電池と、
   前記第１の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充電状態であるＳＯＣ変化点と温度との関係、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前記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、
   前記第１の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の電池のデータとから、前記第１の電池の充電状態の範囲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。
8. 前記第１の電池の温度を増減する温度調整手段と、
   前記温度調整手段を制御する温度制御手段と、を更に具備することを特徴とする請求項７に記載の電池システム。

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