特許 7194384 電池状態推定方法および電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-14

(45)【発行日】2022-12-22

(54)【発明の名称】電池状態推定方法および電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20221215BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20221215BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20221215BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20221215BHJP

   H01M 10/6571 20140101ALI20221215BHJP

   H01M 10/6572 20140101ALI20221215BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20221215BHJP

   B60L 3/00 20190101ALN20221215BHJP

   B60L 50/60 20190101ALN20221215BHJP

   B60L 58/12 20190101ALN20221215BHJP

   B60L 58/24 20190101ALN20221215BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 A

H01M10/48 P

H01M10/48 301

H01M10/613

H01M10/615

H01M10/625

H01M10/6571

H01M10/6572

H02J7/00 Q

H02J7/00 X

B60L3/00 S

B60L50/60

B60L58/12

B60L58/24

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019168852

(22)【出願日】2019-09-17

(65)【公開番号】P2021048018

(43)【公開日】2021-03-25

【審査請求日】2021-12-10

(73)【特許権者】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002907

【氏名又は名称】弁理士法人イトーシン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】逢坂 哲彌

(72)【発明者】

【氏名】戸ヶ崎 徳大

(72)【発明者】

【氏名】横島 時彦

(72)【発明者】

【氏名】内海 和明

(72)【発明者】

【氏名】津田 信悟

(72)【発明者】

【氏名】小熊 泰正

【審査官】下林 義明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１７１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５８４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１５０３８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４２ － １０／４８

Ｈ０１Ｍ １０／５２ － １０／６６７

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

Ｇ０１Ｒ ３１／３６ － ３１／４４

Ｂ６０Ｌ １／００ － ３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００ － １３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００ － ５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の第１の電池が直列接続されている組電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性が測定される工程と、
前記組電池の前記インピーダンス特性と、予め記憶されている前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池のデータと、をもとに、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２の電池の複数の充電状態における前記インピーダンス特性が、前記所定の周波数において測定される第１の工程と、
前記第２の電池の前記インピーダンス特性が、増加しはじめる充電状態であるＳＯＣ変化点、および、増加しはじめる前のインピーダンス底値、が算出される第２の工程と、
前記インピーダンス底値含む前記第２の電池の前記データが記憶される第３の工程と、において取得され記憶されていることを特徴とする電池状態推定方法。

【請求項2】

前記第２の電池の前記データが、前記ＳＯＣ変化点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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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４に記載の電池状態推定方法。

【請求項6】

前記第２の電池の前記データが、複数の温度における前記データを含んでい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。

【請求項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。

【請求項8】

複数の第１の電池が直列接続された組電池と、
前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の所定の周波数における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、
前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、
前記組電池の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、前記組電池に含まれる前記複数の第１の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備し、
前記記憶手段に、前記第２の電池の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変化点が記憶されていることを特徴とする電池システム。

【請求項9】

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８に記載の電池システム。

【請求項10】

複数の第１の電池が直列接続された組電池と、
前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の所定の周波数における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、
前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、
前記組電池の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、前記組電池に含まれる前記複数の第１の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備し、
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の周波数と同じ周波数であることを特徴とする電池システム。

【請求項11】

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１０に記載の電池システム。

【請求項12】

前記第２の電池の前記データが、複数の温度における前記データを含んでいることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の電池システム。

【請求項13】

前記組電池の温度を調整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１２に記載の電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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充電状態の分布を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充電状態の分布を推定する電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

組電池に含まれている複数の電池（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、僅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。

【0006】

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。

【0007】

このため、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の開発が望まれていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００９－９７８７８号公報

【文献】特開２０１８－１５１１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

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。

【課題を解決するための手段】

【0010】

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ている組電池の所定の周波数におけるインピーダンス特性が測定される工程と、前記組電池の前記インピーダンス特性と、予め記憶されている前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池のデータと、をもとに、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２の電池の複数の充電状態におけるインピーダンス特性が、前記所定の周波数において測定される第１の工程と、前記第２の電池の前記インピーダンス特性が、増加しはじめる充電状態であるＳＯＣ変化点、および、増加しはじめる前のインピーダンス底値、が算出される第２の工程と、前記インピーダンス底値含む前記第２の電池の前記データが記憶される第３の工程と、において取得され記憶されている。

【0011】

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、前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の所定の周波数における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、前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、前記組電池の前記インピーダンス特性と、前記メモリが記憶している前記第２の電池の前記データとから、前記組電池に含まれる前記複数の第１の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備し、前記記憶手段に、前記第２の電池の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変化点が記憶されている。
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、前記第１の電池と同じ仕様の第２の電池の所定の周波数における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、前記組電池の前記所定の周波数における前記インピーダンス特性を測定する測定手段と、前記組電池の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、前記組電池に含まれる前記複数の第１の電池の充電状態の分布を推定する演算手段と、を具備し、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の周波数と同じ周波数である。

【発明の効果】

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態の電池システムの構成図である。

【図2】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。

【図3】第２の電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。

【図4】組電池のリアクタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。

【図5】第２の電池のレジスタンスとＳＯＣとの関係を示すグラフである。

【図6】第２の電池のインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜とＳＯＣとの関係を示すグラフである。

【図7】変形例１を説明するための第２の電池のコールコールプロットの一例である。

【図8】図７の部分拡大図である。

【図9】変形例２の電池システムの構成図である。

【図10】変形例２の推定方法を説明するためのフローチャートである。

【図11】第２の電池のＺＢと温度との関係を示すグラフである。

【図12】第２の電池のＴＳＯＣと温度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜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１０が直列接続されている組電池２０と、ＣＰＵ３０と、電源４０と、温度検出手段である温度センサ２９Ａ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。

【0015】

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。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。

【0016】

図１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を例示しているが、後述するように、組電池２０が含む第１の電池１０の数は特に制限がない。

【0017】

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、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。

【0018】

制御手段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。測定回路３３は所定の温度の組電池２０の所定の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は組電池２０に含まれている第１の電池１０の充電状態（ＳＯＣ）の分布を推定する。

【0019】

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。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。温度調整装置２９、温度制御部３２Ａおよびセンサ２９Ａも、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。

【0020】

後述するように、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、測定周波数と温度とを含む測定条件、第２の電池のＳＯＣ変化点ＴＳＯＣ、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、を含む（図３参照）。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、それぞれの電池システム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ＳＯＣ分布が推定される。

【0021】

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。

【0022】

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、組電池２０の充電状態の分布を演算回路３４が推定する。

【0023】

電池システム１は、第２の電池のデータを用いることによって、組電池２０のＳＯＣ分布を簡単に推定できる、

【0024】

なお、後述するように、メモリ３１に記憶される第２の電池のデータには、ＳＯＣ変化点ＴＳＯＣが含まれていなくともよい。

【0025】

＜電池システム１の動作＞
図２のフローチャートにそって、電池システム１による推定方法について説明する。

【0026】

＜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）の所定の測定周波数、所定の温度におけるインピーダンス特性が、複数の充電状態（ＳＯＣ）において測定される。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

例えば、ＳＯＣを０％～１００％に変化させながら、振幅５ｍＶ、周波数１００ｍＨｚの交流正弦波信号を、充電中または放電中の第２の電池に印加する。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。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。

【0030】

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。

【0031】

温度は、電池が劣化しない温度範囲、例えば、－２０℃以上６０℃以下の任意の温度である。後述するように、温度によってＳＯＣ分布推定の基準値が変化する。本実施形態では温度は、０℃である。

【0032】

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。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る。

【0033】

図３に、第２の電池のリアクタンス（－Ｚ｀｀）とＳＯＣとの関係の一例（温度０℃）を示す。ＳＯＣが４５％以上８０％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。一方、ＳＯＣが４５％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８０％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。

【0034】

＜ステップＳ４０＞第２の工程（ＴＳＯＣ、底値ＺＢ取得）
インピーダンス底値ＺＢおよびＳＯＣ変化点ＴＳＯＣが取得される。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、低ＳＯＣ側（ＳＯＣ≦５０％）のＳＯＣである。

【0035】

リアクタンスがＳＯＣの変化に応じて変化しはじめる前、すなわちコンスタントゾーンのＳＯＣがインピーダンス底値ＺＢである。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、ＳＯＣが４５％超８０％未満の領域（コンスタントゾーン）の値を近似した直線のｙ切片から取得されてもよい。

【0036】

ＳＯＣ変化点ＴＳＯＣは、コンスタントゾーンと変化ゾーンとの境界のＳＯＣである。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。図３に示す例では、ＴＳＯＣは、リアクタンスがインピーダンス底値ＺＢの１０５％となったＳＯＣである３７％である。

【0037】

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であり、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はリアクタンスの値で設定されてもよい。さらに、ＳＯＣ変化点ＴＳＯＣは、変化ゾーンを近似した直線と、コンスタントゾーンを近似した直線との交点から取得してもよい。

【0038】

＜ステップＳ５０＞第３の工程（記憶工程）
測定条件、および、ＳＯＣ変化点ＴＳＯＣ、および、インピーダンス底値ＺＢ、を含む第２の電池のデータが、電池システム１のメモリ３１に記憶される。

【0039】

複数の第２の電池に対してステップＳ１０～Ｓ４０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て、平均化されたデータが、それぞれの電池システム１において用いられても良い。

【0040】

＜ステップＳ６０＞組電池測定工程
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、コントローラ３２の制御によって、電源４０がメモリ３１に記憶されている条件の測定信号を所定温度の組電池２０に印加し、組電池２０のリアクタンスが測定回路３３によって測定される。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測定信号を、第２の電池のデータが測定されたときと略同じ温度の組電池２０に印加する。

【0041】

なお、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。

【0042】

電池のインピーダンス特性は温度の影響をうける。このため、電池システム１は、温度検出手段である温度センサ２９Ａが測定した温度が、例えば、第２の電池の温度±５℃、である場合に、充電状態の分布を推定する。なお、温度センサ２９Ａは、他のシステムとの共用センサであってもよい。

【0043】

＜ステップＳ７０＞組電池２０のＳＯＣ分布の推定工程
組電池２０のリアクタンスと、メモリ３１に記憶されている第２の電池のデータ（ＴＳＯＣ、ＺＢ）と、から組電池２０のＳＯＣ分布が演算回路３４によって推定される。

【0044】

ここで、組電池２０のリアクタンスは、直列接続されているｋ個（ｋは整数）の第１の電池１０のリアクタンスの加算値となる。このため、図３に示した第２の電池のインピーダンス底値ＺＢに対して、図４に示す、ｋ個の第１の電池１０を含む組電池２０のインピーダンス底値は、ｋＺＢとなる。

【0045】

そして、図４のＡ領域のように、組電池２０のリアクタンスが、インピーダンス底値ＺＢの、ほぼｋ倍（ｋＺＢ）であれば、組電池２０には、ＳＯＣが推定基準値（ＴＳＯＣ）である３７％以下の第１の電池１０が含まれていないと推定される。これに対して、Ｂ領域のように、組電池２０のリアクタンスが、インピーダンス底値ＺＢのｋ倍超であれば、組電池２０には、ＳＯＣが推定基準値である３７％以下の第１の電池１０が含まれていると推定される。

【0046】

なお、組電池２０に、ある推定基準値をもとにした場合に、他の第１の電池１０とは、異なる第１の電池１０が含まれていないことを推定するためには、メモリ３１にはＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）は記憶されていなくともよい。ただし、ＴＳＯＣも記憶されているメモリ３１を含む電池システム１では、推定基準値のＳＯＣがＴＳＯＣであることが明確である。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

すでに説明したように、ステップＳ１０～ステップＳ５０は、電池システム１の製造工程で行われる複数の電池システム１の共通工程である。さらに、ステップＳ６０、Ｓ７０が組電池２０の工場等で行われる検査工程の場合には、ＣＰＵ３０および電源４０等も、複数の組電池２０の共通構成であり、検査後に良品と推定された組電池２０が出荷される。

【0050】

なお、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。また、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。また、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。また、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。

【0051】

また、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。

【0052】

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５）、インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜（図６）、または、位相角θ（不図示）を用いることもできる。ただし、インピーダンス特性に対するＳＯＣ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。

【0053】

なお、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、それらの測定結果を組み合わせることで測定精度が向上する。

【0054】

＜実施形態の変形例＞
実施形態の変形例の電池システム１Ａ、１Ｂおよび変形例の電池状態推定方法は、実施形態の電池システム１および実施形態の電池状態推定方法と類似し同じ効果を有しているため、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。

【0055】

＜変形例１＞
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。

【0056】

しかし、変形例１の電池システム１Ａ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。

【0057】

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

【0058】

＜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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

図７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。

【0063】

＜第１の周波数の取得＞
図８は、図７の部分拡大図である。図８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。

【0064】

図８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。

【0065】

＜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。

【0066】

図８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。

【0067】

＜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。

【0068】

なお、図７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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

本変形例では、ＳＯＣが２０％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。

【0072】

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１０のＳＯＣを精度良く容易に推定できる。

【0073】

＜変形例２＞
実施形態の変形例２の電池システム１Ｂの構成を図９に示す。電池システム１Ｂおよび電池システム１Ｂによる電池状態推定方法は、電池システム１および電池システム１による電池状態推定方法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。

【0074】

電池システム１Ｂは、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、温度センサ２９Ａを含む温度調整手段である温度調整装置２９を用いて、組電池２０の温度を制御する、センサ２９Ａは温度調整装置２９と別体でもよい。

【0075】

電池のインピーダンス特性は温度の影響を受けるために、ＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）も、温度によって変化する。

【0076】

電池システム１Ｂは、組電池２０に含まれる複数の第１の電池のＳＯＣ分布を、所望のＳＯＣを推定基準値として推定できる。

【0077】

＜電池システム１Ｂの動作＞
図１０のフローチャートにそって、電池システム１Ｂによる電池状態推定方法について説明する。

【0078】

＜ステップＳ１１０～Ｓ１３０＞第１の工程（第２の電池の測定）
ステップＳ１１０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１の温度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。

【0079】

例えば、第２の電池のインピーダンス特性が、ＳＯＣを所定範囲、例えば、０％～１００％に変化させながら、複数の第１の温度のひとつである４５℃において測定される。所定温度に第２の電池を維持するためには、例えば、恒温槽を用いる。

【0080】

ステップＳ１２０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ている場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３０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１の温度が、例えば２５℃に変更される。

【0081】

第１の温度の数は、最低２つであるが、より広い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。

【0082】

＜ステップＳ１４０＞第２の工程（ＴＳＯＣ、ＺＢ取得）
図１１、図１２に示す、インピーダンス底値ＺＢおよびＳＯＣ変化点（ＴＳＯＣ）と、温度（第１の温度）との関係が取得される。

【0083】

＜ステップＳ１５０＞第３の工程（第２の電池のデータ記憶）
ＺＢおよびＴＳＯＣと温度との関係を含む第２の電池のデータが、メモリ３１に記憶される。これらの関係、図１１、１２のグラフをもとにした、近似式として記憶されてもよいし、表として記憶されてもよい。

【0084】

＜ステップＳ１６０＞温度設定
本実施形態では、ＳＯＣ分布を推定する基準となる推定基準値に応じて温度が設定される。例えば、ＳＯＣ１０％未満の第１の電池１０が含まれているかどうかを推定する場合には、図１２に示したＴＳＯＣと温度との関係を用いて、温度は、４２℃に設定される。同様にＳＯＣ３０％を基準ＳＯＣとする場合には、温度は１０℃に設定される。

【0085】

そして、温度制御部３２Ａが、センサ２９Ａが検出する組電池２０の温度が、所定の温度となるように温度調整装置２９を制御する。言い替えれば、組電池２０の温度が、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は、例えば、ヒーターおよびペルチェ素子を有する。なお、複数の組電池２０のＳＯＣ推定を行う場合には、複数の組電池２０を所定温度の１つの恒温槽または恒温室に配置してもよい。

【0086】

＜ステップＳ１７０＞組電池の測定
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、組電池２０のリアクタンスが測定される。

【0087】

＜ステップＳ１８０＞組電池２０のＳＯＣ分布の推定
すでに説明したように、例えば、温度が４２℃の組電池２０のリアクタンスが、図１１に示したＺＢと温度との関係を用いて取得される。インピーダンス底値ＺＢのｋ倍以下であれば、組電池２０には、ＳＯＣがＴＳＯＣである１０％以下の第１の電池１０が含まれていないと推定される。これに対して、組電池２０のリアクタンスが、インピーダンス底値ＺＢのｋ倍超であれば、組電池２０には、ＳＯＣが１０％以下の第１の電池１０が含まれていると推定される。

【0088】

変形例２の電池システム１Ｂおよび電池状態推定方法によれば、所望のＳＯＣを基準とする充電状態の分布を推定できる。

【0089】

なお、温度制御機能を有していない電池システムであっても、第２の電池のデータが、複数の温度におけるデータを含んでいてもよい。組電池２０のＳＯＣ分布を推定するときに、温度センサ２９Ａが検出した温度に最も近い温度において測定された第２の電池のデータを、組電池２０の推定に用いることができる。

【0090】

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。

【符号の説明】

【0091】

１、１Ａ、１Ｂ…電池システム
１０…第１の電池
２０…組電池
３１…メモリ
３２…コントローラ
３３…測定回路
３４…演算回路
４０…電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】