JP2000019234A - パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定方法及び電池容量測定装置 - Google Patents

パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定方法及び電池容量測定装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス電流に対する電池の電圧応答特性を測
定し、測定された電圧応答特性を用いて電池の容量を決
定する、パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測
定方法及び装置を提供する。 【解決手段】 電池のパルス電流に対する電圧応答特性
に基づいて測定対象の電池の容量を測定する方法であっ
て、測定対象の電池にパルス電流を印加して応答電圧信
号を測定し、測定した応答電圧信号を抵抗及びコンデン
サから構成された等価回路に近似させて模型常数の値を
計算し、実施間放電法により事前に調査しておいた電池
容量と模型常数との相関関係に基づいて、測定対象の電
池の容量を求めるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電池製品を
規格容量毎に選別(grading)するために、電池製品の保
有容量(remaining capacity)を非破壊的に測定する際
に用いるのに好適な、電池容量測定方法及び装置に関
し、具体的には、測定対象の電池（一次電池及び二次電
池）の低周波パルス電流に対する電圧応答信号に基づい
て当該電池の容量を測定する、パルス電流の応答信号を
用いた電池容量測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電池の容量を測定する一般の技術として
は、測定対象の電池に電気を吸収する負荷を連結し、こ
の負荷に電池が定電流Iｄにて電力を供給する時間tｄを
測定して電池の容量を測定する実施間放電法（または、
実時間放電法と呼ばれる場合がある）が知られている。
【０００３】ここで、電池の容量をアンペア−時間（A
h）で示すと、電池が電力を供給し得る時間tｄは次の式
（１）により表わされる。なお、この式（１）は、電池
の容量を評価する標準規格の１つとして用いられている
ものである(例えば、韓国工業規格C8504)。
【０００４】
【数１】tｄ ＝ Ah ／ Iｄ …（１）
【０００５】しかし、この実施間放電法は電池の容量を
直接測定する方法であり、電池を実施間に放電させるこ
とになるため（電池が実際に放電している間すべてにわ
たって測定を行なうものであるため）、測定に長時間を
要する。
【０００６】また、複数の電池の容量を同時に測定する
場合には、それぞれの電池を独立的に放電させる装置が
各電池毎に必要となるため、同時に測定できる電池数に
限度があり、効率的に製品を選別することができない。
【０００７】一方、この実施間放電法による電池容量の
測定時間よりも短い時間で電池の特性を測定し、測定し
た電池の特性に基づいて電池の充電／放電状態又は保有
容量に関する正確な情報を求める方法は、実施間放電法
により電池の容量を直接測定する方法よりも非常に効率
的である。
【０００８】一般には、電池の充電／放電状態と関係す
る特性として、電池の開放回路電圧(Open circuit vo
ltage)、動作状態での電池の電圧及び電圧変化、電池に
印加される入力電圧又は入力電流に対する出力信号の特
性及びこの特性から誘導される内部抵抗関数又はインピ
ーダンス関数などを測定により求め、この求められた特
性に基づいて電池の容量を算出する方法がよく知られて
いる。
【０００９】この方法を使用すれば、実施間放電法にて
電池容量を測定するよりも短い時間で電池容量を求める
ことが可能である。
【００１０】しかし、この測定方法を用いて電池の容量
を算出するためには、上記のような電池特性の測定結果
と電池の容量との相関関係を精密に把握しておく必要が
ある。
【００１１】ここで、米国特許第3,808,487号には、蓄
電池を充電するときにパルス信号を周期的に印加し、そ
の印加されたパルス信号に従う応答信号を用いて蓄電池
の充電完了状態を感知する方法が提示されている。
【００１２】しかし、この方法は、蓄電池の充電が完了
するときに予想される測定信号の微妙な変化を検出した
ときに充電が完了したと判断する方法であるので、応答
信号から電池の充電状態又は電池容量に関する情報を得
ることはできない。
【００１３】また、米国特許第4,952,862号には、電池
の放電特性をピューカート媒介因子(Peukert paramete
r)から構成される電圧-時間関数で示し、電池の電圧測
定値と前記電圧-時間関数から電池の残存容量(remainin
g capacity)を算出する方法が提示されている。
【００１４】さらに、ヨーロッパ特許第119,547号に
は、放電中の電池の放電電圧を電圧−時間関数から求
め、所定の時間間隔における放電電圧の平均変化率から
電池の放電状態や電池容量を測定する方法が提示されて
いる。
【００１５】上記のような放電過程で電圧又は電圧の変
化量を測定して電池の容量を算出する場合には、測定値
と電池容量との相関関係の正確性は、電池の放電特性に
大きく依存することになる。
【００１６】例えば、電圧の平坦性に非常に優れている
電池に適用した場合には、放電状態の変化に対する電圧
の変化が非常に少ないため、このような電池の放電状態
を感知する際には、上記方法は適切な測定方法であると
は言えない。
【００１７】特に、上記ヨーロッパ特許EP119,547号で
提示された方法を使用するためには、測定値と電池の容
量に対する相関関係の正確性を向上させるべく、測定時
間間隔を大きくするか放電電流を増加させなければなら
ないが、これは測定の効率を低下させる根本的な問題に
なる。
【００１８】そして、測定値と電池容量の正確な相関関
係を得るためには、例えば電池の内部抵抗又はインピー
ダンスのように、電池の充電／放電状態を適切に反映す
る物理的又は化学的因子と関連する特性を測定すること
が必要である。
【００１９】ここで、電池の電気化学的反応の特性と関
連した測定対象として、特定周波数又は周波数領域にお
ける内部抵抗又はインピーダンス値を測定して、電池の
保有容量を測定したり充電/放電状態を検知したりする
方法が、既に試みられている。
【００２０】このような特定周波数での内部インピーダ
ンス値と蓄電池の保有容量との相関関係を用いて電池の
状態を検知する方法は、米国特許第4,678,998号に提示
されているが、この方法は、自動車の蓄電池の状態を利
用者が連続的に感知するために用いられるものである。
【００２１】これ以外にも米国特許第4,743,855号に
は、低周波領域及び高周波領域でそれぞれ測定された２
つの複素インピーダンス値を用いる方法が、また、米国
特許第5,241,275号及び第5,717,336号には、低周波領域
で線形インピーダンス特性を用いる方法がそれぞれ提示
されている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、パルス電流
に対する電池の電圧応答特性を測定し、測定された電圧
応答特性を用いて電池の容量を決定する、パルス電流の
応答信号を用いた電池容量測定方法及び装置を提供する
ことを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明は、電池のパルス電流に対する電圧応答
特性に基づいて測定対象の電池の容量を測定する方法
（即ち、低周波領域での応答電圧信号から得られる、測
定対象となる電池特有のパラメータを使用して、電池の
容量を測定する方法）であって、(1)測定対象の電池の
両端にパルス電流入力信号を印加して、そのパルス電流
入力信号に対する応答電圧信号を時間の関数として測定
し、(2)この測定された応答電圧信号を分析して、電池
容量と相関関係を有するパラメータの値を決定し、(3)
前記パラメータと電池容量との間の予め求めておいた相
関関係を適用して、前記実際に測定された電圧応答特性
より得られるパラメータの値から測定対象の電池の容量
を求めることを特徴としている。
【００２４】即ち、本発明は、電池のパルス電流に対す
る電圧応答特性に基づいて測定対象の電池の容量を測定
する方法であって、測定対象の電池（一次電池及び二次
電池）にパルス電流を印加して応答電圧信号を測定し、
測定した応答電圧信号を分析して（具体的には、応答電
圧信号を、抵抗及びコンデンサ（蓄電器）から構成され
た等価回路から求められるインピーダンス関数に近似さ
せて）モデルパラメータの値を計算し、実施間放電法に
より事前に調査した電池容量とモデルパラメータとの相
関関係に基づいて、当該電池の容量を求めることを特徴
としている（図７参照）。
【００２５】従って、本発明によれば、前述した実施間
放電法に比べて電池容量の測定時間を短縮させることが
できるほか、充電・放電状態と精密な相関関係を有する
等価回路のモデルパラメータを、精度良く効率的に決定
することができる。
【００２６】本発明では、低周波領域でのインピーダン
スの等価回路モデルパラメータ（等価回路模型常数）を
求めるために、パルス電流の応答電圧信号を分析してい
る。そして、このパルス信号を使用する方法によれば、
低周波領域での等価回路インピーダンス模型に対し、イ
ンピーダンス測定方法と同質のモデルパラメータ値を得
ることができる。
【００２７】本発明で低周波領域におけるインピーダン
ス値を採用するのは、一般に、電池の充電／放電状態と
の間で精密な相関関係を示すインピーダンス値は、mHz
領域のような低い周波数で観察されるからである。
【００２８】低周波領域でのインピーダンス特性は、幾
つかの抵抗及びコンデンサ（蓄電器）から構成される簡
単な等価回路(equivalent circuit)を用いて示すこと
ができ、測定された複素インピーダンススペクトルから
上記等価回路のモデルパラメータ(model parameter；
模型常数)値を計算することができる。
【００２９】本発明に係るパルス信号法は、測定に要す
る時間については同程度である反面、パルス電流の供給
に必要な電流発生部、出力電圧を測定する電圧計、この
電圧計を制御する制御装置、アルゴリズム(algorithm)
を実行する装置からなる単純な測定装置を使用して測定
を行うことができるので、上記インピーダンス測定方法
に比べて非常に効果的である。
【００３０】特に、多数の電池を同時に測定する場合に
は、電池容量の実施間測定に用いられる充電装置及び放
電装置をそのまま使用するか、又は部分的に変形して使
用することができるので、製品の生産の時に相当に効率
的な要素として作用する。
【００３１】より具体的には、本発明は以下のようなも
のを提供する。
【００３２】（１）電池のパルス電流に対する電圧応答
特性を測定して電池容量を決定する方法であって、(1)
電池の両端に印加されるパルス電流入力信号に対する応
答電圧信号を時間の関数で測定し、(2)測定された応答
電圧信号を分析してパラメータ（媒介変数）の値を決定
し、(3)前記パラメータと実施間放電法により測定され
た電池容量との相関関係を事前調査し、(4)前記相関関
係に準じて未知の電池容量を有する電池のパルス電流に
対する電圧応答特性から電池容量を決定することを特徴
とする、パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測
定方法。
【００３３】即ち、電池のパルス電流に対する電圧応答
特性に基づいて測定対象の電池の容量を測定する方法で
あって、(1)測定対象の電池の両端にパルス電流入力信
号を印加して、そのパルス電流入力信号に対する応答電
圧信号を時間の関数として測定し、(2)この測定された
応答電圧信号を分析して、電池容量と相関関係を有する
パラメータの値を決定し、(3)前記パラメータと実施間
放電法により測定された電池容量との間の予め求めてお
いた相関関係を適用して、前記実際に測定された電圧応
答特性より得られるパラメータの値から測定対象の電池
の容量を求めることを特徴とする、パルス電流の電圧応
答信号を用いた電池容量測定方法。
【００３４】（２）秒(second)を単位として前記パルス
電流応答特性を測定するときに所要される時間は、mAh
の単位で表示した電池規格容量値以下のものであること
を特徴とする、（１）に記載のパルス電流の電圧応答特
性を用いた電池容量測定方法。
【００３５】即ち、前記応答電圧信号の測定に要する時
間が、mAhの単位で表示した電池規格容量値以下となる
時間（秒）であることを特徴とする、（１）に記載のパ
ルス電流の電圧応答特性を用いた電池容量測定方法。
【００３６】（３）mAを単位にするときの前記パルス電
流の大きさは、その値がAhの単位に表示した電池規格容
量値以下であることを特徴とする、（１）又は（２）に
記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定
方法。
【００３７】即ち、前記パルス電流が、Ahの単位で表示
した電池規格容量値以下となる大きさ（mA）であること
を特徴とする、（１）又は（２）に記載のパルス電流の
電圧応答信号を用いた電池容量測定方法。
【００３８】（４）パラメータの値は、測定した応答電
圧信号を、抵抗と蓄電器のモデルパラメータからなる等
価回路で求めたインピーダンス関数に近似させた結果か
ら決定されたモデルパラメータの値であることを特徴と
する、（１）〜（３）のいずれかに記載のパルス電流の
電圧応答信号を用いた電池容量測定方法。
【００３９】即ち、前記該パラメータが、前記応答電圧
信号を抵抗及びコンデンサからなる等価回路から求めら
れるインピーダンス関数に近似させて決定されたモデル
パラメータであることを特徴とする、（１）〜（３）の
いずれかに記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電
池容量測定方法。
【００４０】（５）前記応答電圧信号の分析方法は、周
波数領域でのインピーダンス関数の逆ラプラス変換法を
使用することを特徴とする、（１）〜（４）のいずれか
に記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測
定方法。
【００４１】即ち、前記応答電圧信号を分析する際に、
低周波数領域でのインピーダンス関数の逆ラプラス変換
法を使用することを特徴とする、（１）〜（４）のいず
れかに記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池容
量測定方法。
【００４２】（６）電池にパルス電流を供給して該供給
されたパルス電流に従う電池の両端電圧を検出してその
検出値を出力する測定装置と、前記測定装置より出力さ
れる電池の両端電圧の検出値を予め定義したモデルパラ
メータの値に近似させ、前記モデルパラメータと実施間
放電法により測定された電池の容量との相関関係を事前
調査し、該調査した相関関係に準じて未知の容量を有す
る電池のパルス電流に対する電圧応答特性から電池容量
を決定する中央統制装置と、を備えて構成されることを
特徴とする、パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容
量測定装置。
【００４３】即ち、電池のパルス電流に対する電圧応答
特性に基づいて測定対象の電池の容量を測定する電池容
量測定装置であって、測定対象の電池にパルス電流を供
給し、該パルス電流に従う当該電池の両端電圧を検出す
る電圧測定装置と、該電圧測定装置から出力された当該
電池の両端電圧に関するデータを、予め定義したモデル
パラメータの値に近似させ、前記モデルパラメータと電
池容量との間の事前に求めておいた相関関係を適用し
て、前記近似させて得られるモデルパラメータの値から
当該電池の容量を求める中央統制装置とを備えて構成さ
れたことを特徴とする、パルス電流の電圧応答信号を用
いた電池容量測定装置。
【００４４】（７）前記測定装置は複数個具備され、多
チャンネルで前記中央統制装置に連結されてそれぞれ独
立的に測定を行うことを特徴とする、（６）に記載のパ
ルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定装置。
【００４５】即ち、前記電圧測定装置を複数備えるとと
もに、該複数の電圧測定装置が多チャネルにより前記中
央統制装置と接続され、該複数の電圧測定装置がそれぞ
れ独立して電池の容量を測定することを特徴とする、
（６）に記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池
容量測定装置。
【００４６】（８）前記中央統制装置は、試験電池の容
量測定作業の遂行を制御する中央処理装置と、前記測定
装置との間でデータを入力及び出力する入力/出力装置
と、前記測定装置が測定して前記入力/出力装置を通じ
て伝送される電池両端の電圧データを貯蔵及び出力する
記憶装置と、前記記憶装置に貯蔵された電池両端の電圧
データを前記中央処理装置の制御に従い予め定義したモ
デルパラメータ値に近似させるインピーダンス関数近似
アルゴリズム部と、から構成されることを特徴とする、
（６）又は（７）に記載のパルス電流の応答信号を用い
た電池容量測定装置。
【００４７】即ち、前記中央統制装置が、前記電圧測定
装置との間で各種データの入出力を行うための入力/出
力部と、該電圧測定装置にて測定された当該電池の両端
電圧に関するデータを格納する記憶部と、該記憶部に格
納された当該電池の両端電圧に関するデータを該中央処
理部の制御を受けて予め定義したモデルパラメータの値
に近似させるインピーダンス関数近似アルゴリズム部
と、当該電池の容量測定作業の遂行を制御するととも
に、該モデルパラメータと電池容量との相関関係に基づ
いて、近似させたモデルパラメータの値から当該電池の
容量を求める中央処理部とを備えて構成されたことを特
徴とする、（６）又は（７）に記載のパルス電流の応答
信号を用いた電池容量測定装置。
【００４８】（９）前記測定装置は、測定する試験電池
が接続される電池接続端子と、前記電池接続端子に接続
された試験電池に所定の大きさ及び幅のパルス電流を供
給する電流発生装置と、前記電池接続端子に接続された
試験電池の両端電圧を検出しデジタル信号に変換して前
記中央統制装置に伝送する電圧測定装置と、から構成さ
れることを特徴とする、（６）又は（７）に記載のパル
ス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定装置。
【００４９】即ち、前記電圧測定装置が、測定対象の電
池を接続するための電池接続端子と、当該電池に供給す
るために所定の大きさ及び幅を有するパルス電流を発生
する電流発生部と、当該電池の両端電圧を検出してディ
ジタル信号に変換し、これを当該電池の両端電圧に関す
るデータとして前記中央統制装置に出力する電圧測定部
とを備えて構成されたことを特徴とする、（６）又は
（７）に記載のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池
容量測定装置。
【００５０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。
【００５１】図４は本発明の一実施形態にかかる電池容
量測定装置の構成を示すブロック図である。
【００５２】この電池容量測定装置30は、パルス電流の
電圧応答特性を用いて測定対象の電池（例えば一次電池
及び二次電池。以下、試験電池ということがある。）の
容量を測定するものであり、一つの中央統制装10及び複
数の電圧測定装置20を備えて構成されている。
【００５３】ここで、中央統制装置10は、複数の電圧測
定装置20を統括的に制御するものであり、電圧測定装置
20との間で各種データの入出力を行なうための入力/出
力部13と、電圧測定装置20にて測定され前記入力/出力
部13を通じて入力された試験電池の両端電圧データを格
納して出力しうる記憶部15と、記憶部15に格納された両
端電圧データを中央処理部11の制御を受けて予め定義し
たモデルパラメータ値に近似させるインピーダンス関数
近似アルゴリズム部17と、試験電池の容量測定作業の遂
行を制御するとともに、該モデルパラメータと電池容量
との相関関係に基づいて、近似させたモデルパラメータ
の値から当該電池の容量を求める中央処理部11と、を備
えている。
【００５４】また、電圧測定装置20は、試験電池にパル
ス電流を印加することにより発生したこのパルス電流に
対する両端電圧を検出して、これを両端電圧データとし
て出力するものであり、試験電池を接続するための電池
接続端子21と、電池接続端子21に接続された試験電池に
印加するために所定の大きさ及び幅を有するパルス電流
を発生するための電流発生部23と、電池接続端子21に接
続された試験電池の両端電圧を検出してディジタル信号
に変換し、これを両端電圧データとして中央統制装置10
に出力する電圧測定部25と、を備えている。
【００５５】そして、複数の電圧測定装置20は多チャネ
ルにより中央統制装置10に接続されており、これら電圧
測定装置20はそれぞれ独立して測定を行なえるように構
成されている。
【００５６】ここで、電池容量と相関関係を有するモデ
ルパラメータについて説明するが、まず、電池容量と関
係のある特性インピーダンス因子について説明する。
【００５７】電池の充電及び放電と関連された電極活性
物質の電気化学反応に対し、前記特性インピーダンス因
子について、以下のように考えることができる。
【００５８】電極表面に吸着する物質（電極活性物質）
Ａの酸化還元反応“Ａ −ｅ- ＝ Ａ + ”に対する界面イ
ンピーダンスＺｉは、図１(A)に示すように、電荷移動
抵抗(charge transfer resistance：Ｒct）、コンデ
ンサ（畜電器）である擬似電気容量(pseudo capacitan
ce：Ｃps)、二重層電気容量(double layer capacitan
ce：Ｃdl)及び電解液と電線などの連結抵抗を表わす直
列抵抗(serial resistance：Ｒser)から構成される簡
単な等価回路模型を用いて表現することができる。
【００５９】ここで、擬似電気容量Ｃpsを決定する関係
式を下記に示す。
【００６０】
【数２】
【００６１】前記数学式（２）において、Ｓは電極の表
面積、Ｆはファラデー常数、ｚは移動電荷の数、ｄＥ／
ｄｃは電位・濃度係数を示す。
【００６２】そして、前記数学式（２）は、ネルンスト
式から下記式（３）のように変形できる。
【００６３】
【数３】
【００６４】前記数学式（３）において、c0及びＥ0は
それぞれ平衡状態での濃度及び電気化学電位を示す。
【００６５】擬似電気容量Ｃpsは、酸化還元反応と関連
した媒介体の量に係るモデルパラメータとして（実際の
電池の場合には、電極活性物質が単純に電極界面に吸着
されず多孔質電極物質の空間に分布してより複雑な反応
構造を有するが、一般にmHz帯域の低い周波数では電極
吸着模型に近似することができるため）、低周波に該当
する複素インピーダンスの虚数値との関係式〔Ｚ″＝
（−１／ω）・Ｃps〕から求めることができる（図２参
照）。
【００６６】なお、このようなインピーダンススペクト
ルと関連したモデルパラメータの活用に関しては、“C.
Ho,I.R.Raistrick,R.A.Huggins,J.Electrochem.Soc.12
7,343(1980)”に詳しく記述されている。
【００６７】そして、上述のような等価回路において、
電池容量と関係のあるモデルパラメータは、主に低周波
領域でのインピーダンス特性から決定することができ
る。
【００６８】一般に、ある時間領域（時間間隔）におけ
る入力信号Ｉ(t)に対する線形回路の応答特性Ｅ(t)は、
下記の数学式（４）に示すように、回路系の伝達関数Ｈ
(s)と入力信号のラプラス変換I(s)の積を逆ラプラス変
換することにより得られる。
【００６９】
【数４】Ｅ(t)＝£-1{Ｈ(s)Ｉ(s)} …（４）
【００７０】ここで、ｔ=0において電流の大きさが０か
らＩ０に変わる階段型の電流入力信号である場合、ラプ
ラス変換はI（ｓ）＝Ｉ０／ｓで、伝達関数Ｈ(s)はイン
ピーダンス関数Ｘ(s)で表される。
【００７１】そして、Ｃdl≪Ｃpsである場合には、図１
(A)に示される等価回路のインピーダンス関数は、図１
(B)に示される等価回路により表わされるインピーダン
ス関数（数学式（５））に近似することができる。
【００７２】
【数５】
【００７３】一方、前記数学式（４）での逆ラプラス変
換は、次の数学式（６）にて表現されるブロムウイッチ
(Bromwich)積分にて定義される。
【００７４】
【数６】
【００７５】そして、逆ラプラス変換は、前記数学式
（６）における被積分関数が、簡単な場合には解析関数
のラプラス変換表を用いて実行することができ、より複
雑な場合は“T.Hosono,'Fast Inversion of Laplace Tr
ansform in BASIC', KyoritsuShupan, Tokyo(1984)”の
ように数値解析的に実行することができる。
【００７６】そして、Ｃdl≪Ｃpsである場合、図１(A)
の等価回路に対する応答電圧特性は、前記数学式（５）
及び数学式（６）から導出される次の数学式（７）を用
いて求めることができる。
【００７７】
【数７】
【００７８】このように、パルス電流に対する応答電圧
特性は、前記数学式（７）に示すような、等価回路から
導かれるモデルパラメータによる関数にて表現すること
ができるので、実際に測定された応答電圧特性を非線形
最小二乗法などの方法を用いて当該関数に近似させて、
モデルパラメータの値を決定することができる。
【００７９】一方、十分に大きい時間領域（時間t ≫
ＣdlＲct)では、前記数学式（５）により表現される等
価回路は、図１(C)に示すようなより一層単純な形態に
て近似することができる。なお、図１(C)に示す式にお
いて、Ｒlim ＝ Ｒser＋Ｒct ,Ｃlim ≒ Ｃpsである。
【００８０】そして、この場合には、図３に示すような
電流パルスに対する電圧の線形応答曲線を得ることがで
きる。
【００８１】このとき、試験電池に印加する電流の大き
さ（mA）は、電池の内部抵抗により電圧降下が線形的に
起こる範囲内、即ち、Ahの単位で表示した電池規格容量
値以下となる大きさ（mA）で選択する。
【００８２】そして、パルスの長さは、電圧信号が直線
に近似されるように選択すべきである。
【００８３】また、応答電圧信号の測定に要する時間
は、mAhの単位で表示した電池規格容量値以下となる時
間（秒）とする。
【００８４】そして、モデルパラメータと電池容量も相
関関係を有しているので、この相関関係を事前に調べて
おけば、上述のようにして求めたモデルパラメータに応
じた電池容量を求めることができるのである。
【００８５】上述の構成により、本発明の一実施形態に
かかる電池容量測定装置30では、以下のようにして電池
容量の測定が行われる。
【００８６】まず、電池容量の測定に先立って、前記モ
デルパラメータと実施間放電法で測定された電池容量と
の相関関係を調べておく。
【００８７】そして、測定対象の電池（試験電池）を電
圧測定装置20の電池接続端子21に接続する。このとき、
複数の電圧測定装置20の電池接続端子21に試験電池をそ
れぞれ接続すれば、複数の試験電池の容量を同時に測定
することができる。
【００８８】電池接続端子21に試験電池が接続される
と、電流発生部23が、所定の大きさ及び幅を有するパル
ス電流を発生し、発生したパルス電流が電池接続端子21
に接続された試験電池に印加される。
【００８９】すると、印加されるパルス電流に従い、試
験電池の両端電圧が変化する。
【００９０】そして、電圧測定部25が、試験電池の両端
電圧を検出し、検出した両端電圧を連続的にディジタル
信号に変換して両端電圧データを作成し、この両端電圧
データを中央統制装置10に出力する。
【００９１】中央統制装置10では、入力/出力部13を介
して電圧測定装置20からの両端電圧データを受け取り、
この両端電圧データは記憶部15に順次格納される。
【００９２】電圧測定装置20での試験電池の電圧の測定
が完了すると、中央統制装置10のインピーダンス関数近
似アルゴリズム部17が、記憶部15に格納された両端電圧
データを中央処理部11の制御を受けて予め定義したモデ
ルパラメータの値に近似させる。
【００９３】そして、中央処理部11が、前述したように
事前に求めておいた、モデルパラメータと電池容量との
相関関係に基づいて、近似させたモデルパラメータの値
から試験電池の容量を求める。
【００９４】このように、本発明の一実施形態にかかる
電池容量測定装置30によれば、パルス電流に対する電池
の電圧応答特性を測定し、測定された電圧応答特性を用
いて電池の容量を決定することができるので、測定時間
を短縮して、効率的に電池容量を測定することができ
る。
【００９５】つまり、本発明は、一次電池又は二次電池
にパルス電流を加えて得られる応答電圧信号を測定及び
分析して、未知の電池容量を測定するものであって、従
来の電池容量測定方法と比べ効率性と正確性に優れてお
り、規格化された一次電池又は二次電池を使用する電気
製品、電子機器、通信機器及び自動車などにおいて使用
者が電池の保有容量を測定する際や、規格化された一次
電池又は二次電池を大量生産するときに規格容量を測定
したり電池を選別する際に使用しうるという効果があ
る。
【００９６】また、多チャネル方式により複数の電池の
容量を同時に測定する場合には、インピーダンス関数近
似に相当する演算を順次行なうことになるが、この演算
に要する時間は、入力及び出力信号を測定する時間と比
べ無視することができる。
【００９７】さらに、パルス電流測定装置と、実施間に
電池の充電／放電を制御する一般の充放電試験装備を結
合して、規格化された電池製品の容量測定及び選別をす
るために非常に効果的な装置を構成することができる。
【００９８】
【実施例】以下、実施例を通じて本発明をより詳細に説
明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものでは
ない。
【００９９】
【実施例１】常温で６時間，定電流条件にて満充電され
た規格表示容量600mAh級ニッケル金属水素電池（Emmeri
ch社製造）を、10分ほど安定させた後、電流パルス測定
装置を用いて、当該電池にパルス電流として、+30mAの
電流（充電電流）を100秒間，-30mAの電流（放電電流）
を100秒間加えながら、電池の両端電圧を時間の関数と
して測定した。
【０１００】ここで、前記パルス電流は、5mHzの周波数
を有する四角波に相当する。また、前記パルス電流の大
きさ（30mA）は、電圧応答曲線の線形性が維持される電
流の範囲内で決定された値である。
【０１０１】そして、充電電流に対する電圧の応答特性
から線形近似させて得た直線の傾きとy切片から、図１
(C)に相当する等価回路のモデルパラメータ、低周波数
限界抵抗ＲLim及び低周波数限界電気容量ＣLimを計算し
た。
【０１０２】さらに、同一電池の別の放電状態でのパル
ス電流応答特性を得るために、60mAの定電流で毎回30mA
hずつ放電させた後、前述と同様の方法によりパルス電
流測定を繰り返し、モデルパラメータの低周波数限界抵
抗、低周波数限界電気容量を求めた。
【０１０３】60mAの定電流で実施間放電法により測定し
た各放電状態での電池の保有容量値と比較した結果を、
表１（600mAh級ニッケル金属水素電池のパルス電流の応
答信号分析結果），図5(A)及び図5(B)に示す。これらよ
り、低周波数限界電気容量及び低周波数限界抵抗は、電
池の保有容量と密接した相関関係を有していることがわ
かった。
【０１０４】
【表１】
【０１０５】
【実施例２】規格表示容量1300mAh級リチウムイオン電
池（Sony社製造）を、常温で１時間、定電流条件にて4.
2Vになるまで充電し、当該電圧で2.5時間，低電圧条件
にて満充電した後、上記実施例１で述べた電流パルス測
定装置を用いて、電池の電圧応答曲線を測定した。
【０１０６】さらに、同一電池の別の放電状態での応答
曲線を得るために、120mAの定電流で毎回60mAhずつ放電
させた後、パルス電流測定を繰り返した。
【０１０７】ここで、パルス電流としては、大きさ+100
mA、時間幅400秒のパルス電流を使用した。
【０１０８】各電圧応答曲線に対して、図１(C)の等価
回路模型に対応するインピーダンス関数に線形最小二乗
近似法で近似させて、モデルパラメータの低周波数限界
抵抗ＲLim及び低周波数限界電気容量ＣLimを計算した。
【０１０９】120mAの定電流で実施間放電法により測定
した各放電状態での電池の保有容量値と比較した結果
を、表２（1300mAh級リチウムイオン電池のパルス電流
の応答信号分析結果）、図６(A)及び図６(B)に示す。こ
れらより、低周波数電気容量及び低周波数限界抵抗と、
電池の保有容量との間の密接した相関関係を観察するこ
とができた。
【０１１０】なお、各放電状態で電圧応答曲線を測定し
て、近似させてモデルパラメータを求めるためにかかる
時間は200秒を超えなかった。
【０１１１】
【表２】
【０１１２】
【実施例３】使用記録が未知の規格容量1300mAh級のリ
チウムイオン電池（Sanyo社製造）６個を、同一条件下
で上記実施例２で述べた方法と同様の方法により、満充
電状態でパルス電流を印加して電圧応答曲線を測定し
た。
【０１１３】前記の数学式（７）に準じて、非線形最小
二乗法によりモデルパラメータ値を求めた。
【０１１４】これらの電池を、再び常温で５時間を定電
流にて終止電圧2.7Vになるまで放電させて、その結果測
定された放電時間から電池の放電容量を計算して比較し
たところ、表３（実施間放電法により求めた各リチウム
イオン電池の電池容量とパルス電流の応答信号分析結
果）及び図７に示すように、電荷移動抵抗Ｒct，二重層
電気容量Ｃdl，擬似電気容量Ｃpsと、電池の保有容量と
の間の密接な相関関係を観察することができた。
【０１１５】なお、各電池に対してパルス電流を印加し
て電圧応答信号を測定して、近似させてモデルパラメー
タを求めるためにかかった時間は200秒を超えなかっ
た。
【０１１６】
【表３】
【０１１７】
【比較例１】上記実施例３で使用した満充電の電池のパ
ルス電流法により求めたモデルパラメータでなく特定周
波数でのインピーダンス値から計算されたモデルパラメ
ータ、及び、擬似電気容量と、電池の保有容量との関係
を直接比較した結果を図８に示す。
【０１１８】電極吸着モデルでは、擬似電気容量は-1/
ωZ"（ω：角速度（ω=2π×周波数）、Z"：インピンダ
ンス虚数値）の関係を有しているが、図８に示すよう
に、周波数5mHzでのインピーダンス値から計算された擬
似電気容量と電池の保有容量との間には、上記実施例３
の結果と比べて相関関係の精密度が低いことがわかる。
【０１１９】
【比較例２】上記実施例１にて使用した満充電の電池の
保有容量を、（１）実施間放電法、（２）5mHz〜20kHz
領域で周波数を等間隔にすることにより、電池を20
個，40個，60個を選択して、周波数走査法により測
定したインピーダンススペクトル測定法、（３）周波数
5mHzの正弦波を使用したインピーダンス値の測定方法、
（４）本発明のパルス波を使用するパルス電流法、によ
りそれぞれ測定したときに要した時間を表４（電池の容
量測定法に対する測定時間の比較）に示す。
【０１２０】これより、本発明のパルス電流法により電
池の保有容量を測定した場合には、測定時間が相当短縮
されることがわかる。
【０１２１】
【表４】
【０１２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パルス電流に対する電池の電圧応答特性を測定し、測定
された電圧応答特性を用いて電池の容量を決定すること
ができるので、測定時間を短縮して、効率的に電池容量
を測定することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】(A)〜(C)は、電池の電気化学反応と関連するモ
デルパラメータから構成された等価回路を示す図であ
る。
【図２】ニッケル金属水素電池で測定されたインピーダ
ンス測定結果と、低周波数での等価回路に従う近似値を
示すグラフである。
【図３】ニッケル金属水素電池で測定されたパルス電流
に対する電圧応答曲線及び近似結果を示すグラフであ
る。
【図４】本発明の一実施形態にかかる電池容量測定装置
の構成を示すブロック図である。
【図５】(A),(B)は、ニッケル金属水素電池の放電状態
に従う保有容量とモデルパラメータとの相関関係を示す
グラフである。
【図６】(A),(B)は、リチウムイオン電池の放電状態に
従う保有容量とモデルパラメータとの相関関係を示すグ
ラフである。
【図７】満充電されたリチウムイオン電池の放電容量と
モデルパラメータとの相関関係を示すグラフである。
【図８】満充電されたリチウムイオン電池の放電容量と
周波数5mHzでのインピーダンス虚数値から計算された電
気容量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10：中央統制装置 11：中央処理部 13：入力/出力部 15：記憶部 17：インピーダンス関数近似アルゴリズム部 20：電圧測定装置 21：電池接続端子 23：電流発生部 25：電圧測定部 30：電池容量測定装置
フロントページの続き (72)発明者 バルスコフ エフゲン 大韓民国 タエジョン−シ ユスン−グ シンスン−ドン 202−209−11 (72)発明者 キム ジョン−ヒュン 大韓民国 ソウル カンボク−ク ミア８ ドン 734−48

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電池のパルス電流に対する電圧応答特性
    を測定して電池容量を決定する方法であって、(1)電池
    の両端に印加されるパルス電流入力信号に対する応答電
    圧信号を時間の関数で測定し、(2)測定された応答電圧
    信号を分析してパラメータの値を決定し、(3)前記パラ
    メータと実施間放電法により測定された電池容量との相
    関関係を事前調査し、(4)前記相関関係に準じて未知の
    電池容量を有する電池のパルス電流に対する電圧応答特
    性から電池容量を決定することを特徴とする、パルス電
    流の電圧応答信号を用いた電池容量測定方法。
  2. 【請求項２】 秒(second)を単位として前記パルス電流
    応答特性を測定するときに所要される時間は、mAhの単
    位で表示した電池規格容量値以下のものであることを特
    徴とする、請求項１に記載のパルス電流の電圧応答特性
    を用いた電池容量測定方法。
  3. 【請求項３】 mAを単位にするときの前記パルス電流の
    大きさは、その値がAhの単位に表示した電池規格容量値
    以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の
    パルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定方法。
  4. 【請求項４】 パラメータの値は、測定した応答電圧信
    号を、抵抗と蓄電器のモデルパラメータからなる等価回
    路で求めたインピーダンス関数に近似させた結果から決
    定されたモデルパラメータの値であることを特徴とす
    る、請求項１〜３のいずれかに記載のパルス電流の電圧
    応答信号を用いた電池容量測定方法。
  5. 【請求項５】 前記応答電圧信号の分析方法は、周波数
    領域でのインピーダンス関数の逆ラプラス変換法を使用
    することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載
    のパルス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定方
    法。
  6. 【請求項６】 電池にパルス電流を供給して該供給され
    たパルス電流に従う電池の両端電圧を検出してその検出
    値を出力する測定装置と、 前記測定装置より出力される電池の両端電圧の検出値を
    予め定義したモデルパラメータの値に近似させ、前記モ
    デルパラメータと実施間放電法により測定された電池の
    容量との相関関係を事前調査し、該調査した相関関係に
    準じて未知の容量を有する電池のパルス電流に対する電
    圧応答特性から電池容量を決定する中央統制装置と、を
    備えて構成されることを特徴とする、パルス電流の電圧
    応答信号を用いた電池容量測定装置。
  7. 【請求項７】 前記測定装置は複数個具備され、多チャ
    ンネルで前記中央統制装置に連結されてそれぞれ独立的
    に測定を行うことを特徴とする、請求項６に記載のパル
    ス電流の電圧応答信号を用いた電池容量測定装置。
  8. 【請求項８】 前記中央統制装置は、 試験電池の容量測定作業の遂行を制御する中央処理装置
    と、 前記測定装置との間でデータを入力及び出力する入力/
    出力装置と、 前記測定装置が測定して前記入力/出力装置を通じて伝
    送される電池両端の電圧データを貯蔵及び出力する記憶
    装置と、 前記記憶装置に貯蔵された電池両端の電圧データを前記
    中央処理装置の制御に従い予め定義したモデルパラメー
    タ値に近似させるインピーダンス関数近似アルゴリズム
    部と、から構成されることを特徴とする、請求項６又は
    ７に記載のパルス電流の応答信号を用いた電池容量測定
    装置。
  9. 【請求項９】 前記測定装置は、 測定する試験電池が接続される電池接続端子と、 前記電池接続端子に接続された試験電池に所定の大きさ
    及び幅のパルス電流を供給する電流発生装置と、 前記電池接続端子に接続された試験電池の両端電圧を検
    出しデジタル信号に変換して前記中央統制装置に伝送す
    る電圧測定装置と、から構成されることを特徴とする、
    請求項６又は７に記載のパルス電流の電圧応答信号を用
    いた電池容量測定装置。
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