JP2011214938A

JP2011214938A - 鉛蓄電池用バッテリテスタ

Info

Publication number: JP2011214938A
Application number: JP2010082204A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Takeshima; 修平竹島
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】簡易な装置構成で小型化が容易であり、実際に放電試験を行った場合と同様の良否判定を行える鉛蓄電池用バッテリテスタを提供する。
【解決手段】バッテリＢＴに矩形波パルス放電を行わせてコンダクタンスを測定し、当該バッテリＢＴの劣化状態を判定する鉛蓄電池用バッテリテスタ１０において、バッテリＢＴの開回路電圧を測定する開回路電圧測定回路を備え、コンダクタンスの測定により良品と判断された後に、前記矩形波パルス放電後の開回路電圧と、前記矩形波パルス放電を予め実験的に定めた所定回数以内行わせた後の開回路電圧との差が、予め定めた良否判定電圧差以下である場合に、当該鉛蓄電池を良品であると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池用バッテリテスタに係り、特にコンダクタンス法を用いて自動車用鉛蓄電池の劣化状態を判定する携帯型の鉛蓄電池用バッテリテスタに関する。

自動車用鉛蓄電池は、エンジンルーム内に設置されているため、高温耐久性が要求されている。また、近年は燃費向上、排出されるＣＯ_２削減のために、加速のパワーを要する時は電池の充電を行わず、パワーに余裕がある場合のみ充電を行う等の充電制御、発電制御と呼ばれるシステムを搭載する車両が増える傾向がある。このシステムにおいては電池からの放電が増え、充電は抑える傾向にあるので電池は厳しい使われ方になる。

このため、電池の劣化状態を判定し、適正に電池交換することは電池トラブルを防止するために重要である。自動車用鉛蓄電池の劣化をより正確に判定するには、実際に大きな電流で放電する容量試験を行えばよいが、実用的でない。実際には車載状態で短時間に劣化状態を知るためには、各種測定方式のバッテリテスタを用いて判定することが一般に行われている。

自動車用電池の劣化状態を調べるための技術として米国のミドトロニクス社によって開発されたコンダクタンス技術を用いることが知られており、その測定原理は特許文献１に開示されており、ここでは電池のコンダクタンスと電池のダイナミックパワーの関係において正の相関があることが述べられている。

また、コンダクタンスを算出する方法については、特許文献２に開示されている。
コンダクタンス法を用いた鉛蓄電池用バッテリテスタは、測定されたコンダクタンスと開回路電圧を用いて電池の劣化状態を判定している。

米国特許第３８７３９１１号明細書特開２００５−１４８０５６号公報

従来のコンダクタンス法を用いた鉛蓄電池用バッテリテスタは、電池のコンダクタンス値と開回路電圧のマップを用いて、測定して得られたコンダクタンス値が劣化判定結果を分類するどのゾーンにあるかによって、劣化状態を判定するものである。
しかし、判定の基礎となるのはコンダクタンス値であるために、鉛蓄電池の正極活物質の結合力が低下し、軟化、脱落状態になり緩放電容量が僅かであっても、集電体である格子の腐食が少なく、負極板の劣化が小さい場合は、クランキングが困難にも関わらず、コンダクタンス値が下がらず、良好判定とする誤判定を行う場合がある。

このため、コンダクタンスの測定と同時に、充電挙動を調べたり、また大電流放電を充電中に行うことにより劣化状態を判定したりする劣化診断機能付き充電器が提案されているが、このような装置は、非常に高価であるとともに、手軽に携帯して測定するようなものではなかった。

そこで、本発明の目的は、実際に放電試験を行った場合には不良品と判定される鉛蓄電池において、コンダクタンスを測定した場合に、見かけ上、良品の鉛蓄電池であると判定されてしまう場合であっても、簡易な装置構成で小型化が容易であり、実際に放電試験を行った場合と同様の良否判定を行うことが可能な鉛蓄電池用バッテリテスタを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、鉛蓄電池に矩形波パルス放電を行わせてコンダクタンスを測定し、当該鉛蓄電池の劣化状態を判定する鉛蓄電池用バッテリテスタにおいて、前記鉛蓄電池の開回路電圧を測定する開回路電圧測定回路を備え、コンダクタンスの測定により良品と判断された後に、前記矩形波パルス放電後の開回路電圧と、前記矩形波パルス放電を予め実験的に定めた所定回数以内で行った後の開回路電圧との差が、予め定めた良否判定電圧差以下である場合に、当該鉛蓄電池を良品であると判定することを特徴とする。

上記構成によれば、コンダクタンスを測定した場合に、見かけ上、良品の鉛蓄電池であると判定されてしまう場合であっても、劣化している鉛蓄電池は、所定回数の放電前後における開回路電圧の変化後大きいことを利用して、確実に実際に放電試験を行った場合と同様の良否判定を行うことができる。
この場合において、前記矩形波パルス放電は５回以内であることが好ましい。この好ましい構成によれば、開回路電圧差が大きくなるためより確実に良否判定を行うことができる。

また、この場合において、前記開回路電圧測定回路は、前記矩形波パルス放電毎に前記開回路電圧を測定し、前記開回路電圧測定毎に前記判定を行うようにしてもよい。
上記構成によれば、電圧差が所定回数より少ない回数で良否判定電圧差以下になる場合には、少ない回数の矩形波パルス放電を行うだけで良否判定を行うことができ、検査時間の短縮化が図れる。

本発明によれば、簡易な装置構成で小型化が容易であり、実際に放電試験を行った場合と同様の良否判定を行うことができるという効果を奏する。

バッテリテスタの概要構成ブロック図である。実施形態の良否判定処理の処理フローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、バッテリテスタの概要構成ブロック図である。
バッテリテスタ１０は、測定時には、エンジン始動用の車載バッテリ等のバッテリＢＴの正極端子ＴＰ及び負極端子ＴＭに接続されるものであり、バッテリＢＴのコンダクタンス（Ｇ）、バッテリＢＴの端子ＴＰ、ＴＭ間の開回路電圧（ＯＣＶ）を測定している。
バッテリテスタ１０は、大別すると、パルス電流源１１、差動アンプ１２、Ａ／Ｄ変換部１３、電圧アンプ１４、処理制御部１５、クロック部１６、メモリ部１７、入力部１８及び電圧測定用抵抗１９、容量結合用コンデンサ２０−１、２０−２及び温度センサ２１、を備えている。

パルス電流源１１は、処理制御部１５により制御されており、図１中、パルス電流源１１の上方から下方に流れるようにパルス電流をバッテリＢＴから放電させる。なお、パルス電流源１１に代えて、方形波電流源であってもよい。
差動アンプ１２は、容量結合用コンデンサ２０−１、２０−２を介してバッテリＢＴに容量結合されており、正極端子ＴＰ−負極端子ＴＭ間の電位差に相当する差データを処理制御部１５に出力する。

Ａ／Ｄ変換部１３は、差動アンプ１２の出力信号あるいは電圧アンプ１４の出力信号のアナログ／ディジタル変換を行って、差データあるいは電圧データを処理制御部１５に出力する。
電圧アンプ１４は、電圧測定用抵抗１９の両端の電圧差に相当するバッテリＢＴの開回路電圧を測定して電圧信号をＡ／Ｄ変換部１３に出力する。

処理制御部１５は、バッテリテスタ１０を中枢的に制御するものであり、クロック部１６から入力されたシステムクロックに基づいてＡ／Ｄ変換部１３、入力部１８、外部の入力装置３１あるいは温度センサ２１から入力された各種データの処理を行い、この時点で良否判定結果が得られる場合には、外部の出力装置に正常あるいは要交換などの処理結果データを出力する。また、各種処理を行い、良否判定に必要な処理結果データあるいは処理中データについては、一時的にメモリ部１７に格納しておき、最終判定時に読み込んで、外部の出力装置３２に判定結果を出力する。

クロック部１６は、システムクロックなどの各種基準クロック信号を生成して処理制御部１５に出力する。
メモリ部１７は、制御プログラムを格納するとともに、ワークエリアとしても用いられ、上述したように処理制御部１５からの各種データを一時的に格納する。

差動アンプ１２は、各コンデンサ２０−１、２０−２を介してバッテリＢＴの各端子ＴＰ、ＴＭとそれぞれ接続され、端子ＴＰ、ＴＭ間の電圧電位差に関する出力を提供する。１つの好適な実施形態において、差動アンプ１２は高い入力インピーダンスを有する。バッテリテスタ１０は、各端子ＴＰ、ＴＭにそれぞれ接続される反転および非反転入力を有する電圧アンプ１４を備える。電圧アンプ１４は、端子ＴＰ、ＴＭ間におけるバッテリＢＴの開回路電圧（ＯＣＶ）を測定するよう接続される。電圧アンプ１４の出力はＡ／Ｄ変換部１３に供給され、開回路電圧データとして端子ＴＰ、ＴＭ間の電圧が開回路電圧データとして処理制御部１５に出力される。

また、バッテリテスタ１０は、ケルビン接続として周知の４点接続技術によってバッテリＢＴへ接続されている。このケルビン接続により、矩形波パルス電流が第１の対の端子を介してバッテリＢＴに注入され、端子ＴＰ、ＴＭ間の電圧Ｖが第２の対の接続によって差動アンプ１２の反転入力端子および非反転入力端子に入力される。
このとき、差動アンプ１２を流れる電流がほんのわずかであるため、差動アンプ１２への入力間の電圧降下は、バッテリＢＴの端子ＴＰ、ＴＭ間の電圧降下と実質的に同じである。
そして、差動アンプ１２の出力は、Ａ／Ｄ変換部１３により、アナログ／ディジタル変換され、処理制御部１５に入力される。
これにより、処理制御部１５は、クロック部１６により生成されたシステムクロックに対応する周波数で、メモリ部１７に格納された制御プログラムの処理手順に従って入力されたデータの演算処理を行う。

これと並行して、処理制御部１５は、パルス電流源１１を制御して、バッテリＢＴの矩形波パルス放電を行って、バッテリＢＴの端子ＴＰ、ＴＭ間に矩形波パルス電流を流し、バッテリＢＴのコンダクタンスを測定する。
すなわち、処理制御部１５は、差動アンプ１２及びＡ／Ｄ変換部１３を用いて矩形波パルス電流によるバッテリ電圧の変化を測定し、次式により、バッテリＢＴのコンダクタンスＧを算出する。
Ｇ＝ΔＩ／ΔＶ

ここで、ΔＩは、パルス電流源１１によりバッテリＢＴを流れる電流の変化量であり、ΔＶは、電流変化量ΔＩが生じたときの変化前後のバッテリ電圧の変化量である。
この場合において、バッテリＢＴの温度は、温度センサ２１により測定されて、処理制御部１５に入力されている。

次に実施形態におけるバッテリＢＴの良否判定処理について説明する。
図２は、実施形態の良否判定処理の処理フローチャートである。
まず、処理制御部１５は、パルス電流源１１を制御し、矩形波パルス放電を行ってバッテリＢＴの端子ＴＰ、ＴＭ間に矩形波パルス電流を流し、差動アンプ１２及びＡ／Ｄ変換部１３を用いて矩形波パルス電流によるバッテリ電圧の変化を測定し、次式により、バッテリＢＴのコンダクタンスＧを算出し、これと同時に末弟ＢＴの開回路電圧測定を行う（ステップＳ１１）。
Ｇ＝ΔＩ／ΔＶ

そして処理制御部１５は、さらに算出したコンダクタンスＧをＣＣＡ（Cold Cranking Ampere）値に換算し、所定の良否判定用ＣＣＡ値（閾値）を越えているか否か、すなわち、得られたコンダクタンス値が良品のバッテリに相当する値となっているかを判別する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の判別において、得られたコンダクタンス値が良否判定用ＣＣＡ値（閾値）以下である場合には（ステップＳ１２；Ｎｏ）、処理制御部１５は、当該バッテリは、不良品であると判定し、要交換とされ、その旨がディスプレイなど出力装置３２に通知され、ユーザに通知される（ステップＳ１７）。

ステップＳ１２の判別において、得られたコンダクタンス値が良否判定用ＣＣＡ値（閾値）を越えている場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、処理制御部１５は、当該バッテリはコンダクタンス値の観点からは、コンダクタンス値は正常であり良品であると判断し処理をステップＳ１３に移行する。

次に処理制御部１５は、パルス電流源１１を制御して、バッテリＢＴの矩形波パルス放電を行って、その端子ＴＰ、ＴＭ間に矩形波パルス電流を流し、バッテリＢＴの開回路電圧測定を行う（ステップＳ１３）。

具体的には、電圧アンプ１４は、電圧測定用抵抗１９の両端の電圧差に相当するバッテリＢＴの開回路電圧を測定して電圧信号をＡ／Ｄ変換部１３に出力し、Ａ／Ｄ変換部１３は、開回路電圧に相当する開回路電圧データを処理制御部１５に出力する。
これにより、処理制御部１５は、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、今回測定した開回路電圧との差電圧を算出し、その差が所定の良否判定電圧差（例えば、電圧差０．０５Ｖ）以下でありバッテリが正常であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の判別において、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、今回測定した開回路電圧との差電圧が所定の良否判定電圧差を越えている場合には（ステップＳ１４；Ｎｏ）、処理制御部１５は、当該バッテリは、不良品であると判定し、要交換とされ、その旨がディスプレイなど出力装置３２に通知され、ユーザに通知される（ステップＳ１７）。

ステップＳ１４の判別において、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、今回測定した開回路電圧との差電圧が所定の良否判定電圧差以下である場合には（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、処理制御部１５は、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、今回測定した開回路電圧との差電圧の観点からは、値は正常であり良品であると判断し、今回の測定が１０回目であるか否かを判別する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１４の判別において、今回の測定が１０回目ではない場合には、処理制御部１５は、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、次回測定した開回路電圧との差電圧がまだ変化してより大きな値となる可能性があるので、処理を再びステップＳ１３に移行して以下同様の処理を繰り返す。

ステップＳ１４の判別において、今回の測定が１０回目である場合には、ステップＳ１１で測定した初回に測定した開回路電圧と、次回測定した開回路電圧との差電圧が大きく変動する可能性は低いため、処理制御部１５は、当該バッテリは、良品であると判定し正常とされ、その旨がディスプレイなど出力装置３２に通知され、ユーザに通知される（ステップＳ１６）。

上記処理の結果、より確実にバッテリＢＴの劣化状態を判定することが可能となる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、従来、コンダクタンス値のみの良否判定では、誤判定し易かった正極格子や負極板の劣化がなく、正極活物質の軟化・脱落のみの鉛蓄電池であっても、劣化状態（劣化状態レベル）を確実に知ることができ、より寿命予測、交換時期の推定が容易になる。ひいては、劣化した電池を使用し続ける時に見られる走行時のバッテリ上がりやエンジン始動不良を未然に防ぐことができる。

以上の説明においては、初回の矩形波パルス放電後と、矩形波パルス放電を予め実験的に定めた所定回数（本実施形態では、１０回）行わせた後の開回路電圧測定に対し、コンダクタンス測定を初回の矩形波パルス放電による１回としていたが、これを矩形波パルス放電毎にコンダクタンス測定を行うようにしてもよい。
また、以上の説明においては、矩形波パルス放電を行う毎に開回路電圧を測定する構成を採っていたが、予め実験的に定めた所定回数（本実施形態では、１０回）の矩形波パルス放電を行った後に、１回の開回路電圧測定を行うようにし、初回の矩形波パルス放電後の開回路電圧との差電圧を求めるように構成することも可能である。

なお、本発明では、開回路電圧差を初回の矩形波パルス放電後の開回路電圧（Ａ）と、所定回数の矩形波パルス放電後の開回路電圧（Ｂ）との差（Ｂ−Ａ）としているが、矩形波パルス放電後の開回路電圧に代えて、矩形波パルス放電前の開回路電圧としてもよい。このとき、処理制御部１５は、電圧アンプ１４及びＡ／Ｄ変換部１３を介して入力される電圧測定用抵抗１９の両端電圧に相当する開回路電圧データを取得し、矩形波パルス放電前の開回路電圧をメモリ部１７に格納する。

次に、実施例として、形式４６Ｂ２４Ｌの５時間率容量（以下、５ＨＲ容量という）３６Ａｈの回収したバッテリＢＡ〜ＢＥの５個について、測定した時の本発明のバッテリテスタによる判定結果を、従来のコンダクタンス値を基礎に劣化判定を行うバッテリテスタと比較したものを表１に示す。

この場合において、コンダクタンス値は、ＣＣＡ値に換算して表示しており、ＣＣＡの閾値は、回収したバッテリＢＡ〜ＢＤにおいて全てＣＣＡ＝３１５となっており、この値以下で不良品と判断するものとする。
また、バッテリＢＡ〜ＢＤは、矩形波パルス放電毎にコンダクタンス測定及び開回路電圧測定を行い、それぞれ１回目、５回目、１０回目の各データを比較した。

以上の結果によれば、本発明の鉛蓄電池用バッテリテスタによれば、バッテリＢＡ、ＢＢは良品（良好）と判定され、バッテリＢＣ、ＢＤは、不良品（要交換）と判定され、従来のバッテリテスタによれば、バッテリＢＡ〜ＢＤの全てが、良品（良好）と判定された。また、本発明のバッテリテスタにおいて、コンダクタンス値を判定に用いない場合、パルス放電後による開回路電圧差のみで判定を行うと、末弟バッテリＢＥは、不良品（要交換）と判定されるが、確認のため、コンダクタンス値を測定したみたところ、コンダクタンス値＝４０５であり、本発明テスタによる判定では良品（良好）であった。
そこで、テスタ判定を行ったバッテリＢＡ〜ＢＥについて、実際に５ＨＲ放電試験を行い、容量を確認した。

表２に容量確認結果を示す。

バッテリＢＡ、ＢＢ、ＢＥを除く、バッテリＢＣ、ＢＤの５ＨＲ容量は定格比１０％以下で、５ＨＲ容量から判定すると寿命品であった。
以上の説明のように、バッテリテスタ１０による判定結果と、５ＨＲ放電試験の試験結果とは、一致しており、従来のバッテリテスタを用いた場合では、誤って良品と判定されるバッテリＢＣ、ＢＤ、また、パルス放電後の開回路電圧差のみの判定で誤って不良品（要交換）と判定されるバッテリＢＥであっても、本発明の鉛蓄電池用バッテリテスタによれば、短時間（１０回のコンダクタンス値の測定に要する時間は３０秒程度）で正確に良否判定を行うことができることがわかり、非常に有効であることが分かった。

１０バッテリテスタ
１１パルス電流源
１２差動アンプ
１３Ａ／Ｄ変換部（開回路電圧測定回路）
１４電圧アンプ（開回路電圧測定回路）
１５処理制御部（開回路電圧測定回路）
１６クロック部
１７メモリ部
１８入力部
１９電圧測定用抵抗（開回路電圧測定回路）
２０容量結合用コンデンサ
２１温度センサ

Claims

鉛蓄電池に矩形波パルス放電を行わせてコンダクタンスを測定し、当該鉛蓄電池の劣化状態を判定する鉛蓄電池用バッテリテスタにおいて、
前記鉛蓄電池の開回路電圧を測定する開回路電圧測定回路を備え、
コンダクタンスの測定により良品と判断された後に、前記矩形波パルス放電後の開回路電圧と、前記矩形波パルス放電を予め実験的に定めた所定回数以内で行った後の開回路電圧との差が、予め定めた良否判定電圧差以下である場合に、当該鉛蓄電池を良品であると判定することを特徴とする鉛蓄電池用バッテリテスタ。
請求項１記載の鉛蓄電池用バッテリテスタにおいて、
前記矩形波パルス放電は５回以内であることを特徴とする鉛蓄電池用バッテリテスタ。
請求項１または請求項２記載の鉛蓄電池用バッテリテスタにおいて、
前記開回路電圧測定回路は、前記矩形波パルス放電毎に前記開回路電圧を測定し、
前記開回路電圧測定毎に前記判定を行うことを特徴とする鉛蓄電池用バッテリテスタ。