技術 組電池の容量推定方法および劣化診断装置

（２）上記実施形態では、算出された組電池８の推定容量Ｃをディスプレイ７に表示させたが、例えばディスプレイの代わりに警告装置を接続しておき、推定容量が所定の値以下になった場合に警告を発するようにされていてもよい。

0001

本発明は、組電池の容量推定方法および劣化診断装置に関する。

0002

例えば工場の非常用電源として使用されている電池としては、必要な電圧を確保するために、複数の単電池が直列に接続された組電池が使用されていることが多い。このような非常用電源は、定期的に容量を確認して交換時期を判断する必要があることから、簡易な容量推定方法の開発が望まれている。

0003

従来、このような組電池の容量推定方法としては、例えば組電池のうち１つの単電池のみについて容量を測定し、その値から組電池の容量を推定する方法がある。

0004

また、他の方法として、単電池における内部抵抗と電池容量に一定の相関関係があることを利用する方法がある。具体的には、まず既存のサンプルを用いてあらかじめ単電池の内部抵抗と容量とを測定し、両者の相関関係を表す計算式を作成しておく。次に、測定したい組電池を構成する各単電池の内部抵抗を測定し、この測定値を計算式に導入して各単電池の推定容量を算出し、これに基づいて組電池の推定容量を決定する。

0005

しかし、同じ組電池に使用されている単電池であっても、製造ロットが異なれば容量にばらつきを生じる場合がある。このため、１つの単電池のみについて容量を測定し、その値に基づいて組電池の容量を求める方法では、精度よく容量を推定することは困難であった。

0006

また、内部抵抗と容量の相関関係は、その電池の使用履歴によって異なる。一方、計算式を作成するためのサンプルと、実際に使用している組電池との使用履歴を一致させることは、通常、不可能に近い。このため、内部抵抗と容量との相関関係を表す計算式を利用する方法でも、精度の向上には限界があった。

0007

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便かつ精度よく容量を推定可能な組電池の容量推定方法および劣化診断装置を提供することにある。

0008

本発明者らは、簡便かつ精度よく容量を推定可能な組電池の容量推定方法および劣化診断装置を開発すべく、鋭意研究してきたところ、以下の知見を見いだして本発明を完成するに至った。

0009

１つの組電池を構成する単電池中から一部の単電池を選択し、これらを用いて内部インピーダンスと容量との相関関係を表す一次式を決定すれば、その一次式はその組電池を構成する単電池の使用履歴を正確に反映したものとなる。また、１つの組電池を構成する単電池は、すべて同じ使用条件下におかれているため、内部インピーダンスと容量との相関特性に大きな差が生じる可能性は低い。従って、決定した一次式を、同じ組電池に使用されている他の単電池に適用することができ、各単電池の容量を精度よく推定することができる。なお、ここで単電池の内部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。

0010

本発明の容量推定方法は、かかる新規な知見に基づいてなされたものであり、(a)同一の前記組電池を構成する前記単電池のうち少なくとも２個以上の前記単電池の内部インピーダンスおよび容量を測定するステップ、(b)前記(a)のステップで測定された内部インピーダンスおよび容量の値に基づいて、内部インピーダンスと容量との相関関係を表す一次式を決定するステップ、(c)前記組電池を構成する他の前記単電池の内部インピーダンスを測定するステップ、(d)前記(c)のステップで測定された内部インピーダンスの値と前記(b)のステップにより決定された一次式とに基づいて、前記単電池の容量を算出するステップ、(e)前記(c)のステップ及び(d)のステップを複数回繰り返して組電池を構成する複数の単電池の容量を算出し、これに基づき前記組電池の容量を算出するステップを含むことを特徴とする。

0011

なお、上記の各ステップは必ずしもこの順序で行う必要はなく、例えば(c)の内部インピーダンスの測定を先に行ってから、(b)の一次式の決定を行ってもよい。あるいは、(c)においてすべての単電池の内部インピーダンスを測定してから、(d)のステップに移行して容量の算出を行ってもよく、１つの単電池について(c)の測定後すぐに(d)の容量算出を行い、これを繰り返してもよい。また、(e)において組電池の容量を算出する際には、組電池を構成する複数個の単電池（全ての単電池であっても、一部の単電池であってもよい）について容量を算出してそれらの平均値を求め、それを単電池の定格容量で割って相対的な容量を算出してもよい。また、組電池を構成する全ての単電池について容量を算出し、これらを合計することで組電池全体の絶対的な容量としてもよい。

0012

さらには、単電池の内部インピーダンスと容量との相関関係は直線関係であるので、任意の２個の単電池を用いて一次式を決定できるのであるが、３個以上の単電池を用いて、最小二乗法等の処理を行って一次式を決定しても構わない。

0013

また、本発明に係る劣化診断装置は、複数の単電池を接続してなる組電池の容量を推定する劣化診断装置であって、前記単電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段と、前記単電池の容量を測定する容量測定手段と、前記単電池のうち少なくとも２個以上の前記単電池の内部インピーダンスおよび容量の値に基づいて、内部インピーダンスと容量との相関関係を表す一次式を決定する一次式決定手段と、組電池を構成する他の単電池の内部インピーダンスの測定値と前記一次式とに基づいて前記組電池を構成する複数の前記他の単電池の容量を算出し、これに基づいて前記組電池の容量を算出する容量算出手段とを備えたことを特徴とする。

0014

本発明の容量推定方法および劣化診断装置によれば、容量を推定したい組電池を構成する単電池を使用して一次式を決定するから、その組電池を構成する単電池の使用履歴を正確に反映した一次式とすることができる。このため、各単電池の容量を精度よく推定することができ、組電池の容量を精度よく推定することができる。

0015

また、一部の単電池について内部インピーダンスと容量を測定するのみで一次式を決定し、残りの単電池については内部インピーダンスを測定するのみで容量を推定できる。このため、簡易に組電池の容量を推定することができる。

0016

以下、本発明の容量推定方法および劣化診断装置を具現化した一実施形態について、図１〜図４を参照しつつ詳細に説明する。

0017

本発明の容量推定方法を適用した劣化診断装置１としては、例えば図１に示す構成を備えたものを使用することができる。この劣化診断装置１には、単電池Ｂを接続するための端子部を備えた内部抵抗測定部２（本発明の内部インピーダンス測定手段に該当する）および容量測定部３（本発明の容量測定手段に該当する）が備えられている。内部抵抗測定部２としては、例えば定電流充電または定電流放電を行って、その間の電圧変化から直流的内部抵抗（本発明の内部インピーダンスに該当する）を求めるものを使用できる。また、容量測定部３としては、例えば定電流放電を行って単電池Ｂが所定電圧に低下するまでの時間を測定する容量測定器を使用することができる。

0018

これらの内部抵抗測定部２および容量測定部３は、データ処理部４に接続されている。データ処理部４には、内部抵抗と容量との相関関係を表す一次式を決定し、単電池Ｂおよび組電池８の容量を算出する演算部５（本発明の一次式決定手段および容量算出手段に該当する）と、測定値、算出結果等を記憶する記憶部６とが備えられている。また、データ処理部４には、算出結果を表示するディスプレイ７が接続されている。

0019

次に、この劣化診断装置１を用いた容量推定の手順を、図２を参照しつつ説明する。以下には、説明の便宜のために、５個の単電池Ｂ１〜Ｂ５により構成された組電池８の容量Ｃを測定する場合を例として説明する。

0020

まず、ステップＳ１０で、組電池８を構成する単電池Ｂ１〜Ｂ５の中から、例えば２個の単電池Ｂ１，Ｂ２を任意に選定する。

0021

ステップＳ２０では、この単電池Ｂ１、Ｂ２を内部抵抗測定部２に備えられた端子部に接続し、内部抵抗Ｒ１、Ｒ２を測定する。次いで、ステップＳ３０で、この単電池Ｂ１、Ｂ２を容量測定部３に備えられた端子部に接続し、放電容量Ｃ１、Ｃ２を測定する。得られた測定値は記憶部６に送られ、一時的に保存される。

0022

ステップＳ４０では、演算部５において、２点の内部抵抗と容量の値（Ｒ１、Ｃ１）、（Ｒ２、Ｃ２）から、内部抵抗と容量との関係を表す一次式の決定を行う。この一次式は、記憶部６に送られて一時的に保存される。

0023

ステップＳ５０では、組電池を構成する他の単電池Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５について、内部抵抗測定部２を用いて内部抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の測定を行う。ステップＳ６０では、演算部５において、内部抵抗Ｒ３〜Ｒ５の値をあらかじめ求められた一次式に導入して、各単電池の容量Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５を算出する。なお、単電池Ｂ１、Ｂ２の容量Ｃ１、Ｃ２については、ステップＳ６０で測定された値をそのまま用いることができるので、改めて算出を行う必要はない。

0024

ステップＳ７０では、すべての単電池Ｂ１〜Ｂ５の容量Ｃ１〜Ｃ５の平均値を求め、これの定格容量に対する比率（％）を組電池８の容量Ｃとし、求められた組電池８の容量Ｃは、ステップＳ８０でディスプレイ７に表示される。

0025

以上のように本実施形態によれば、容量を推定したい組電池８を構成する単電池Ｂ１、Ｂ２を使用して一次式を決定するから、その組電池８を構成する単電池Ｂ１〜Ｂ５の使用履歴を正確に反映した一次式とすることができる。従って、この一次式に他の単電池Ｂ３〜Ｂ５の内部抵抗Ｒ３〜Ｒ５を導入すれば、容量Ｃ３〜Ｃ５を精度よく推定することができる。このため、組電池８の容量Ｃを精度よく推定することができる。

0026

また、一部の単電池Ｂ１、Ｂ２について内部抵抗Ｒ１、Ｒ２と容量Ｃ１、Ｃ２を測定するのみで一次式を決定し、残りの単電池Ｂ３〜Ｂ５については内部抵抗Ｒ３〜Ｒ５を測定するのみで容量Ｃ３〜Ｃ５を推定できる。このため、簡易に組電池８の容量を推定することができる。

0027

＜試験例＞以下、本発明をさらに詳細に説明するために、本実施形態の容量推定方法による試験例を挙げる。

0028

［試験方法］組電池としては、制御弁式鉛蓄電池ＭＳＥ−１５０を用いた。この組電池は、１７個の鉛蓄電池を単電池として直列に接続して構成されている。各単電池の定格容量は１５０Ａｈである。この組電池について、使用履歴の異なるものを２組選択し、一方を試験例１，他方を試験例２として試験とした。

0029

［試験例１］試験例１の組電池を構成する単電池の中からそれぞれ２個の単電池を任意に選択し、内部抵抗の測定および容量の測定を行った。内部抵抗の測定は交流４端子法により行い、容量の測定は０．１ＣＡ（１５Ａ）の定電流で１．８０Ｖ／セルまで放電させてその放電容量を測定した。これらの結果から、それぞれの組電池について内部抵抗と容量との関係を表す１次式を作成した。

0030

この後、上記の測定に使用した単電池を除く単電池について、それぞれ上記と同じ測定条件で内部抵抗を測定した。そして、測定された内部抵抗の値を一次式に導入することにより、各単電池の容量を算出した。最後に、すべての単電池の容量の平均値を求めた。

0031

また、各組電池を構成する各単電池の容量を、上記と同様の放電条件で測定した。そして、すべての単電池の容量の測定値を平均して単電池の定格容量に対する比率を求め、これを各組電池の実測値とした。

0032

［試験例２］上述の試験例１に使用した組電池とは使用履歴が異なる他の組電池を使用して、試験例１と同様にしてその組電池の容量の推定値及び実測値を求めた。

0033

［試験結果および考察］試験例１において、各組電池について算出した１次式を表すグラフを、図３に示した。また、各単電池についての内部抵抗（Ω）に対する容量の測定値についても、併せてプロットした。なお、本グラフにおいては、縦軸を容量の測定値の定格容量に対する比として表している（以下、図４について同じ）。

0034

図３より、各組電池についての一次式の傾きは異なっていることがわかる。この違いは、組電池の使用履歴の違いに由来するものであると考えられる。従って、特定の組電池を構成する単電池を使用して決定した一次式を、他の組電池を構成する単電池の容量推定のために使用すれば、誤差が大きくなると考えられる。

0035

一方、各単電池についての内部抵抗に対する容量の測定値のプロットは、同じ組電池を構成する単電池を用いて決定した一次式の近傍に位置しており、両者は非常に高い相関関係を示している。このことから、同じ組電池を構成する単電池を使用して決定した一次式を使用する限りにおいては、精度よく単電池の容量を推定することができるといえる。

0036

試験例２に関し、各組電池について算出した１次式を表すグラフを図４に示した。また、各単電池についての内部抵抗に対する容量の実測値についても、併せてプロットした。図４より、いずれの放電条件においても、各単電池についての内部抵抗に対する容量の実測値のプロットは、同じ組電池を構成する単電池を用いて決定した一次式の近傍に位置しており、両者はよい相関を示していることが分かる。

0037

また、各試験例において、一次式を使用して求めた組電池の容量の推定値を、各単電池の容量の測定値を合計することによって求めた実測値と比較した。いずれの組電池においても、推定値の実測値に対する誤差は１０％以内であった。これより、精度よく組電池の容量を推定できることが分かった。

0038

なお、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、鉛蓄電池を単電池Ｂとして使用した組電池８について容量Ｃの推定を行ったが、本発明の容量推定方法および劣化診断装置を適用できる組電池の種類は上記実施形態に限るものではなく、例えばリチウムイオン２次電池を単電池として使用した組電池であってもよい。

0039

図１本実施形態の劣化診断装置の構成図
図２本実施形態の容量推定方法のフローチャート
図３試験例１における各組電池について測定した内部抵抗と容量との関係及び算出した１次式を表すグラフ
図４試験例２における各組電池について算出した１次式を表すグラフ

0040

１…劣化診断装置
２…内部抵抗測定部（内部インピーダンス測定手段）
３…容量測定部（容量測定手段）
５…演算部（一次式決定手段、容量算出手段）
８…組電池
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５…単電池