JP2006064683A - 二次電池の劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の大型化を招くことなく、二次電池の劣化を高精度に判定できる劣化判定装置を、低コストで実現する。
【解決手段】 接続端子６に満充電した二次電池１１が接続されると、オペアンプ１３が、放電経路上のスイッチング素子１２をオンして二次電池１１の放電を開始させ、その後、電池電圧が劣化判定電圧まで低下すると、スイッチング素子１２をオフして放電を終了させる。二次電池１１の放電開始後、終了するまでの時間は、計時装置２で計時し、放電終了後には、その計時時間を表示する。また、放電終了は、点滅式ダイオード５及びブザー１５によって周囲に報知する。また、二次電池１１の放電時には、単に負荷抵抗７に放電電流を流すだけでなく、負荷抵抗に並列に接続された冷却ファン８を駆動して、負荷抵抗７を強制的に冷却する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池の劣化を判定するために用いられる劣化判定装置に関する。

鉛蓄電池は、自動車、電動車両、フォークリフト、太陽光発電システム、フロア掃除機等様々な分野に利用されている。そして、鉛蓄電池には自動車エンジンの起動用等として使われる大電流の発生を重視した一般鉛電池と、電動車両等で高率充放電を繰り返して使う用途を重視した制御弁式鉛蓄電池がある。

前者は使用中に内部の水がガスに分解され少なくなり途中で補水する構造となっていて、後者は充電中に発生するガスを内部で水に還元して補水不要な構造をもつことを特徴として、深放電タイプ蓄電池、ディープサイクル蓄電池、シール式鉛蓄電池と呼ばれることもある。

制御弁式鉛蓄電池は、前述のように深放電を前提として開発されたものであり、放電終了電圧まで放電してもすぐに再充電すれば劣化が極めて少ないという性質を持つ。
ただし制御弁式鉛蓄電池といえども、検査をするために電池を放電してその放電した状態で長時間放置するとその電池の中でサルフェーションが進行してその寿命を短くするという鉛蓄電池特有の性質は保有する。

このため、こうした鉛蓄電池等の二次電池を使用する際には、定期検査等によって、その劣化度を測定することが望ましく、その測定方法としては、従来より、二次電池の内部抵抗と劣化度とは相関関係があることを利用し、二次電池の内部抵抗を測定することにより劣化を判定する方法が知られている（例えば、特許文献１、２等参照）。
特開平８−２５４５７３号公報 特開２０００−０６７９３３号公報

しかしながら、上記従来の測定方法では、比較的短時間で劣化の程度が分かり、しかも、二次電池に負荷をかけないで測定するため、測定による二次電池の劣化が少ないという利点はあるものの、二次電池の内部抵抗は、放電深度の違いなど種々の要因で変動し、その値自身は極めて小さい値であり、同一仕様の製品でありながら個体間でのばらつきが多いことから、二次電池の劣化を高精度に判定することができないという問題がある。

つまり、鉛蓄電池等の二次電池は、長期間使用すると、極板の劣化等で放電容量が徐々に少なくなるが、その程度は、温度、充電状態、放電状態等さまざまな要因で変化することから、従来のように二次電池の内部抵抗を測定する方法では、二次電池の劣化を精度よく判定することができないのである。

一方、二次電池の電気量（Ｑ）は、満充電をした電池に規定の放電電流（Ａ）を流した場合の放電終了電圧までの放電持続時間（ｈ）の積で計算され、新品時の仕様は定格時間（例：５時間）で放電した場合の電流と時間の積で決まり、これを定格容量（例：５時間率）という。

そして、二次電池の劣化度は、同一放電条件での新品時の放電持続時間（ｈ０）と使用後の放電持続時間（ｈ１）を比較することで判定できる。例えば、新品時にある条件で１００分持続したものが、長期使用した後同一条件で測定して６０分の持続時間であった場合、その劣化度は４０％（（１００−６０）÷１００）という推定ができる。

従って、二次電池の劣化を判定するに際には、このように、満充電をした二次電池を規定の放電電流で放電させて、その出力電圧が所定電圧に低下するまでの時間を測定するようにすれば、二次電池の劣化を最も正確に判定することができるようになるのであるが、その測定には時間がかかり、また測定のための装置が大きくなったり、製作費用が高くなるという問題がある。

つまり、例えば、二次電池を規定の放電電流で放電させるには、放電のための負荷抵抗が必要になるが、その負荷抵抗に放電電流を流せば負荷抵抗が発熱し、過熱の危険性があるので、その対策のために装置が大型化するとか、上述した制御弁式鉛蓄電池のように電池容量が大きい二次電池においては、放電開始時に火花が発生して、引火の危険性があるので、その火花対策のために装置が大型化する、といった問題がある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、装置の大型化を招くことなく、二次電池の劣化を高精度に判定できる劣化判定装置を低コストで実現することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

係る目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、満充電した二次電池を所定の劣化判定電圧まで放電させ、そのときの放電時間から二次電池の劣化を判定するための二次電池の劣化判定装置であって、
前記二次電池を接続するための接続端子と、
該接続端子を介して前記二次電池に接続され、前記二次電池を放電させる負荷抵抗と、
該負荷抵抗を冷却する冷却手段と、
前記接続端子から前記負荷抵抗に至る放電経路上に設けられ、該放電経路を断続するスイッチング素子と、
前記接続端子に接続された二次電池から電源供給を受けることにより動作し、前記スイッチング素子をオンして、前記二次電池の放電を開始すると共に、その後、前記二次電池の出力電圧が前記劣化判定電圧まで低下すると、前記スイッチング素子をオフして、前記二次電池の放電を終了させる放電制御手段と、
該放電制御手段が前記二次電池の放電を開始してから前記二次電池の放電を終了するまでの時間を計時すると共に、該計時時間を表示する計時手段と、
前記放電制御手段による二次電池の放電終了を音又は光により報知する通報手段と、
を備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の劣化判定装置においては、放電制御手段が、接続端子に接続された二次電池から電源供給を受けることにより動作し、満充電された二次電池の出力電圧が劣化判定電圧に低下するまでの間、スイッチング素子をオンして、二次電池を負荷抵抗を介して放電させる。そして、計時手段が、放電制御手段が二次電池の放電を開始させてから放電を終了させるまでの間、時間を計時し、その計時時間を表示する。従って、使用者は、その計時手段に表示された放電時間から、二次電池の劣化の程度を検知することができる。

また、本発明の劣化判定装置には、負荷抵抗を冷却する冷却手段が設けられていることから、二次電池の放電時に生じる負荷抵抗の温度上昇を抑制することができ、延いては、負荷抵抗の放熱のためのフィンを小さくして、装置の小型化を図ることができる。なお、冷却手段としては、後述実施例のような冷却用のファンを用いてもよく、或いは、液冷式の冷却装置を用いてもよい。

また更に、本発明の劣化判定装置には、放電制御手段が二次電池の放電を終了させた際に、その旨を音又は光により報知するための通報手段が設けられていることから、使用者は、放電終了（換言すれば劣化判定の終了）を速やかに検知することができるようになり、二次電池が劣化していない場合には、二次電池の再充電を速やかに開始することができる。この結果、二次電池の劣化判定（放電）に伴う二次電池の劣化を抑制することができる。

なお、本発明において、負荷抵抗は、蓄電池容量の０．５ＣＡ以上の電流が流せて、検査時間を短くとれるようにするとよい。
次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記放電制御手段は、動作開始後、前記二次電池を放電させて、該放電を一旦停止すると、その後、前記二次電池の出力電圧が上昇しても、前記スイッチング素子をオフ状態に保持して、前記二次電池の放電を再開させないことを特徴とする。

この請求項２に記載の装置によれば、放電制御手段による放電の終了直後に、二次電池の出力電圧が上昇しても、二次電池が再度放電されることがなく、必要以上の放電をしないため、二次電池の劣化判定（放電）に伴う二次電池の劣化を最少限に抑えることができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の二次電池の劣化判定装置において、前記接続端子に二次電池が接続されたときに当該装置内にかかる電圧変化を遅らせる積分回路を備えたことを特徴とする。

この請求項３に記載の装置によれば、接続端子に二次電池が接続されときに当該装置内にかかる電圧変化を積分回路にて遅延させることができるので、二次電池の接続端子への接続時に火花が発生して、周囲に引火する、といったことを防止できる。

一方、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の二次電池の劣化判定装置において、前記放電制御手段は、前記接続端子に二次電池が接続されて、動作を開始した際、前記二次電池の出力電圧が予め設定された満充電判定電圧よりも低い場合には、前記スイッチング素子をオフ状態に保持して、前記二次電池の放電を禁止し、その旨を前記通報手段を介して報知することを特徴とする。

この請求項４に記載の装置によれば、接続端子に接続された二次電池が満充電判定電圧よりも低い場合には、二次電池の放電を禁止して、その旨を周囲に報知することから、二次電池の充電不足や二次電池の初期不良等が生じているときに、使用者は、その旨を速やかに（換言すれば二次電池の測定前）に知ることができ、二次電池の再充電、或いは、交換といった処置を適正に行うことができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の二次電池の劣化判定装置において、前記接続端子に接続された二次電池の出力電圧を外部の電圧計にて測定できるように、該電圧計の測定端子の差し込むための差込端子を設けたことを特徴とする。

この請求項５に記載の装置によれば、二次電池の放電中に、その出力電圧を外部の電圧計（テスター等）を用いて測定できることから、使用者は、放電試験中の電圧変化をテスター等を用いて確認することができ、当該装置の使い勝手を向上できる。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、実施形態の劣化判定装置の全体の構成を表す一部破断正面図である。
図１に示す如く、本実施形態の劣化判定装置は、上述した制御弁式蓄電池等の二次電池１１（図２参照）の放電を制御したり、放電終了の警告を発したりするコントロールボックス１と、コントロールボックス１から放電開始の信号を受けると時間のカウントを開始し、放電を終了する信号を受けるまでそのカウント値（つまり計時時間）を表示し、二次電池１１の接続を遮断するまで放電終了時の計時時間の表示を継続する計時装置２と、二次電池１１との接続と同時に電源が入ったことを知らせるＬＥＤ３と、二次電池１１の電圧が満充電と放電終了時の中間の電圧で点灯するＬＥＤ４と、二次電池１１の放電が終了したときまたは放電開始時に所定の電圧に達していないときに点滅する点滅式ＬＥＤ５と、二次電池１１と本装置とを接続するばね圧着式の接続端子６と、放電用の負荷抵抗７と、負荷抵抗７およびコントロールボックス１を冷却する冷却ファン８と、接続端子６に接続した二次電池１１の電圧を別のテスター（電圧計）で測定するためのテスター差込端子９と、負荷抵抗７を直接手で触らないようにした安全上のカバー１０とを備える。

なお、本実施形態において、計時装置２は、本発明の計時手段に相当し、点滅式ＬＥＤ５は、後述のブザー１５と共に、本発明の通報手段に相当し、冷却ファン８は、本発明の冷却手段に相当し、コントロールボックス１は、本発明の放電制御手段に相当する。

次に、図２は本実施形態の劣化判定装置の回路構成を表す電気回路図である。
図２に示す如く、二次電池１１の正負の電極が接続される一対の接続端子６には、ＦＥＴからなるスイッチング素子１２を介して、負荷抵抗７が接続されており、負荷抵抗７には、冷却ファン８が並列に接続されている。このため、接続端子６に二次電池１１が接続され、スイッチング素子１２がオンされると、負荷抵抗７に二次電池１１の放電電流が流れ、しかも、冷却ファン８にも駆動電流が流れて、負荷抵抗７は冷却ファン８により冷却されることになる。

また、接続端子６には、コントロールボックス１も接続されており、コントロールボックス１は、二次電池１１から電源供給を受けて動作し、二次電池１１の放電経路上に設けられたスイッチング素子１２や、計時装置２、ＬＥＤ３〜５等を制御する。

即ち、コントロールボックス１内には、抵抗を介して二次電池１１の出力電圧（以下、電池電圧という）が印加されることにより基準電圧を生成するツェナーダイオード１６、電池電圧を分圧するための抵抗１８，２１，２３、抵抗１８と抵抗２１との接続点電圧とツェナーダイオード１６により生成された基準電圧とを比較することにより、二次電池１１の放電の途中で放電量が半分になったことを検知して、ＬＥＤ４を点灯させるオペアンプ１４、接続端子６への二次電池１１の接続時に電池電圧が満充電判定電圧に達していないと放電を開始しないで点滅式ＬＥＤ５に電圧を発生させ、電池電圧が満充電判定電圧に達しているときにはスイッチング素子１２をオンして、放電を開始させ、更に、その後電池電圧が劣化判定電圧まで低下すると、スイッチング素子１２をオフして、放電を終了させると共に、点滅式ＬＥＤ５に電圧を発生させるオペアンプ１３、接続端子６に二次電池１１が接続されたときにオペアンプ１３への入力電圧上昇を遅らせることにより放電を遅らせ火花の発生を防止するための積分回路を構成するコンデンサ１７、点滅式ＬＥＤ５の点滅信号を増幅してブザー１５から断続音を発するようにしたトランジスタ２５、ブザー１５の断続による電圧変動を吸収するコンデンサ２７、を備えている。

なお、オペアンプ１３は、電池電圧が満充電判定電圧以上になったときに、出力がローレベルに反転し、その後、電池電圧が劣化判定電圧まで低下したときに、出力がハイレベルに反転するよう、抵抗２４を用いて判定電圧にヒステリシスを持たせたシュミット回路として構成されている。

また、オペアンプ１３の出力は、抵抗を介して、エミッタ接地されたＮＰＮトランジスタ２６のベースに接続されており、二次電池１１の放電経路を構成するスイッチング素子１２は、オペアンプ１３の出力がハイレベルでＮＰＮトランジスタ２６がオンしているときには、このトランジスタ２６を介してゲートが接地されてオフ状態となり、逆に、オペアンプ１３の出力がローレベルでＮＰＮトランジスタ２６がオフしているときには、このトランジスタ２６を介してゲートに抵抗を介して駆動電圧が印加されてオン状態となる。

次に、このように構成された本実施形態の劣化判定装置を用いて二次電池１１の劣化判定を行う際の手順について説明する。
まず、測定対象となる二次電池１１を満充電し、劣化判定装置の接続端子６に接続する。すると、ＬＥＤ３が点灯するので、使用者は、二次電池１１を劣化判定装置に正常に接続できたことを確認できる。

また、このとき、二次電池１１の電池電圧が満充電判定電圧よりも低く、オペアンプ１３の反転入力端子に入力される抵抗２３、２１の接続点電圧が基準電圧よりも低い場合には、オペアンプ１３の出力はハイレベルに保持され、点滅式ＬＥＤ５が点滅して、ブザー１５が鳴動するが、二次電池１１の電池電圧が満充電判定電圧以上で、オペアンプ１３の反転入力端子の電圧が基準電圧以上になれば、オペアンプ１３の出力はローレベルになって、点滅式ＬＥＤ５及びブザー１５は動作せず、代わりに、トランジスタ２６がオフして、スイッチング素子１２がオンされる。

そして、このようにスイッチング素子１２がオンされると、二次電池１１から負荷抵抗７に放電電流が流れ、二次電池１１の放電が開始され、計時装置２が計時を開始する。
また、その後、二次電池１１の放電が進み、その放電量が略半分になると、オペアンプ１４がその旨を検知して、ＬＥＤ４を点灯させる。このため、使用者は、ＬＥＤ４の点灯状態から、放電の経過を知ることができる。

そして、更に、二次電池１１の放電が進み、電池電圧が、劣化判定電圧まで低下すると、オペアンプ１３の出力がローレベルからハイレベルに反転し、トランジスタ２６がオンして、スイッチング素子１２がオフされ、二次電池１１の放電が終了する。

また、このように二次電池１１の放電が終了すると、点滅式ＬＥＤ５に電流が流れて、点滅式ＬＥＤ５が点滅を開始し、これに伴いブザー１５が鳴動する。このため、使用者は、このブザー１５の鳴動と点滅式ＬＥＤ５の点滅とにより、二次電池１１の放電の終了を速やかに検知することができる。

そして、このように二次電池１１の放電が終了すると、計時装置２が計時を終了して、二次電池１１の放電に要した時間（計時時間）を表示し続けることから、使用者は、その計時時間から、二次電池１１の劣化の程度を判定できる。

つまり、図３は本実施形態の劣化判定装置を利用して１２Ｖ５時間率容量３３ＡＨの制御弁式鉛二次電池を放電させた際の経過時間と電池電圧との関係を表すグラフであり、実線は、新品の二次電池で数件のデータを平均化したもので、破線は、劣化した二次電池のデータである。そして、この図３において、Ｖ００，Ｖ０１，Ｖ０２を結んだ実線は、新品の経過時間に対する電圧値の変化の平均値の線であり、Ｔ０１（４２分）で放電を終了している。

従って、この例で、劣化した二次電池の劣化度を判断するには、所定の電圧１０．５Ｖに到達するまでの基準時間Ｔ０１である４２分と、劣化判定対象となる二次電池が同じ電圧（つまり劣化判定電圧）１０．５Ｖに到達するまでの時間Ｔ１１である２５分とを比較すればよく、これにて劣化度は（４２分−２５分）／４２分で４０．４％という判定ができる。

以上説明したように、本実施形態の二次電池の劣化判定装置においては、劣化判定対象となる二次電池１１が接続端子６に接続され、その電池電圧が、満充電判定電圧以上であると、オペアンプ１３からの出力により、放電経路上のスイッチング素子１２がオンして、負荷抵抗７を介して二次電池１１の放電が開始され、その後、電池電圧が劣化判定電圧まで低下すると、オペアンプ１３の出力が反転して、スイッチング素子１２がオフされ、二次電池１１の放電が終了される。

そして、二次電池１１の放電を開始してから、放電を終了するまでの時間は、計時装置２で計時されて、放電終了後には、その計時時間が表示され、しかも、二次電池１１の放電終了後は、点滅式ＬＥＤ５が点滅すると当時に、ブザー１５が鳴動する。よって、使用者は、二次電池１１の放電終了を速やかに検知して、計時装置２に表示された放電時間から、二次電池１１の劣化の程度を判定することができる。

また、本実施形態では、接続端子６に接続された直後の二次電池１１の電池電圧が満充電判定電圧に達していない場合は、負荷抵抗７を用いた二次電池１１の放電を禁止して、その旨を、点滅式ＬＥＤ５及びブザー１５を用いて報知することから、使用者は、劣化判定装置に接続した二次電池１１の充電不足若しくは初期不良等の異常を、放電開始前に速やかに知ることができ、二次電池１１の再充電、或いは、交換といった処置を適正に行うことができる。

また、本実施形態の劣化判定装置には、負荷抵抗７を強制的に冷却するための冷却ファン８が設けられており、二次電池１１の放電時には、冷却ファン８が動作することから、負荷抵抗７の温度上昇を抑制することができる。よって、本実施形態によれば、負荷抵抗７の放熱のためのフィン等を小さくして、装置の小型化を図ることができる。

また、図３から明らかなように、二次電池１１は、放電を終了すると同時に電池電圧が急激に上昇するが、スイッチング素子１２をオン・オフさせるオペアンプ１３は、判定電圧にヒステリシスを持たせたシュミット回路にて構成されていることから、二次電池１１の放電終了直後に電池電圧が上昇しても、二次電池１１が再度放電されることがない。よって、本実施形態によれば、二次電池１１の放電を必要最小限に抑え、放電による二次電池１１の劣化を防止することができる。

また、コントロールボックス１内には、接続端子６に二次電池１１が接続されたときに放電を遅らせ火花の発生を防止するために積分回路（抵抗１８，２１及びコンデンサ１７）が設けられているため、接続端子６に二次電池１１が接続されたときに火花が発生して、周囲に引火するのを防止することができる。

また更に、本実施形態の劣化判定装置には、外部の電圧計であるテスターの測定端子の差し込むためのテスター差込端子９が設けられていることから、二次電池１１の放電中に、電池電圧をテスター等を用いて測定できることになり、使用者は、放電中の電池電圧の変化をテスター等を用いて確認することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、二次電池１１の放電制御を行うためのコントロールボックス１内には、図２に示したオペアンプ等からなる制御回路が内蔵されているものとして説明したが、このコントロールボックス１内には、マイクロコンピュータを内蔵し、上述した放電制御をマイクロコンピュータの動作によって実現するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、単に二次電池１１の放電時間を表示するようにした劣化判定装置について説明したが、例えば、温度センサと、温度と放電時間の変化量との関係式を記憶した記憶回路と、温度センサにより検出された温度と記憶回路に記憶された関係式とを用いて、計時装置２により計時された放電時間を温度補正し、その補正後の放電時間を表示する表示回路とを設けるようにしてもよい。

実施形態の劣化判定装置全体の構成を表す一部判断正面図である。 実施形態の劣化判定装置の回路構成を表す電気回路図である。 二次電池の放電時間と電池電圧との関係を表すグラフである。

符号の説明

１…コントロールボックス、２…計時装置、３，４…ＬＥＤ、５…点滅式ＬＥＤ、６…接続端子、７…負荷抵抗、８…冷却ファン、９…テスター差込端子、１０…カバー、１１…二次電池、１２…スイッチング素子、１３…オペアンプ、１４…オペアンプ、１５…ブザー、１７…コンデンサ、１８，２１，２３，２４…抵抗、２５，２６…トランジスタ。

Claims (5)

1. 満充電した二次電池を所定の劣化判定電圧まで放電させ、そのときの放電時間から二次電池の劣化を判定するための二次電池の劣化判定装置であって、
   前記二次電池を接続するための接続端子と、
   該接続端子を介して前記二次電池に接続され、前記二次電池を放電させる負荷抵抗と、
   該負荷抵抗を冷却する冷却手段と、
   前記接続端子から前記負荷抵抗に至る放電経路上に設けられ、該放電経路を断続するスイッチング素子と、
   前記接続端子に接続された二次電池から電源供給を受けることにより動作し、前記スイッチング素子をオンして、前記二次電池の放電を開始すると共に、その後、前記二次電池の出力電圧が前記劣化判定電圧まで低下すると、前記スイッチング素子をオフして、前記二次電池の放電を終了させる放電制御手段と、
   該放電制御手段が前記二次電池の放電を開始してから前記二次電池の放電を終了するまでの時間を計時すると共に、該計時時間を表示する計時手段と、
   前記放電制御手段による二次電池の放電終了を音又は光により報知する通報手段と、
   を備えたことを特徴とする二次電池の劣化判定装置。
2. 前記放電制御手段は、動作開始後、前記二次電池を放電させて、該放電を一旦停止すると、その後、前記二次電池の出力電圧が上昇しても、前記スイッチング素子をオフ状態に保持して、前記二次電池の放電を再開させないことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の劣化判定装置。
3. 前記接続端子に二次電池が接続されたときに当該装置内にかかる電圧変化を遅らせる積分回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池の劣化判定装置。
4. 前記放電制御手段は、前記接続端子に二次電池が接続されて、動作を開始した際、前記二次電池の出力電圧が予め設定された満充電判定電圧よりも低い場合には、前記スイッチング素子をオフ状態に保持して、前記二次電池の放電を禁止し、その旨を前記通報手段を介して報知することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の二次電池の劣化判定装置。
5. 前記接続端子に接続された二次電池の出力電圧を外部の電圧計にて測定できるように、該電圧計の測定端子の差し込むための差込端子を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の二次電池の劣化判定装置。

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