JP2017227545A

JP2017227545A - 蓄電池残留寿命容量計

Info

Publication number: JP2017227545A
Application number: JP2016124215A
Authority: JP
Inventors: 亮作小池; Ryosaku Koike
Original assignee: Takagi Denki Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Takagi Denki Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28

Abstract

【課題】蓄電池が残留する寿命容量を、短時間で計測する。
【解決手段】蓄電池Ｂを一定電流Ａで放電して蓄電池の起電圧が徐々に低下するのを連続計測し、ある時の起電圧点から僅かな特定電圧分Ｖｐだけ下がったところの特定の差電圧点までに要する短い時間ｈｐを求め、同条件で同種類の蓄電池の起電圧変移対放電時間の傾斜特性の比と、計測した僅かな電圧差Ｖｐと短い時間ｈｐとの比により、その蓄電池Ｂが満充電された状態から放電終了したとする残留容量分を放電できるとする時間Ｈを短時間の計測で推測して、その推測時間Ｈと一定放電電流Ａとの積を求め、蓄電池Ｂの残留容量を短時間で推測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池の残留寿命容量を、蓄電容量を短時間だけ計測して推測する計測器に関するものである。

蓄電池の残留寿命は、一般的には被計測蓄電池の経歴充電回数が、定格充電回数に対して、占める比率により判定している。

または被計測蓄電池に満充電をしてから一定電流を連続放電して、起電圧が終止電圧まで低下する迄の時間と放電電流の積により残留容量を計測して、定格容量と比較して判定をしている。

特開２００６−１４００９４号広報の図６

「株式会社エジソンパワー」ホームページ内開示「リチウムイオン電池の放電特性」

解決しようとする問題点は、充電回数の経歴を資料とする方法は長期の記録が必要であるが、過去の経歴は不要とする。

また、満充電から起電力低下までの時間による場合は、長時間に於ける起電力値や時間監視が必要であるが、短時間で処理をする。

更に、満充電から終止電圧まで放電をする事で、寿命を減らす事である、一部の少ない放電で終了し寿命に影響を少なくする。

本発明は、被計測蓄電池から一定の電流を放電させて、起電圧の低下が落ち着いてから計測を開始する。その開始時の起電圧から、特定値の数十ミリボルト程度だけの電圧差に下がる迄の短い間の時間値を計測する。

この時間を、一般的な放電特性による比により、全容量を放電する時間を推測して、放電電流との積を演算すると蓄電池の残留する寿命容量が推測される。

本発明の蓄電池残留寿命容量計は、短時間で蓄電池寿命容量が推測出来て、定格容量と比較する事で寿命の判定が短時間で出来て便利になる。

図１は蓄電池残留寿命容量計の実施原理を示した説明図である。図２は蓄電池残留寿命容量計の改良した実施原理を示した説明図である。図３は蓄電池残留寿命容量計の実施構成を示した説明図である。

蓄電池の放電特性の一部だけを実施計測して、残留寿命容量を短時間で推測するという目的を、汎用部品で構成して実現した。

各種の蓄電池の特性は、同種の内では同様の特性であるが、異種間の特性は異なる。本装置は、リチウムイオン蓄電池を対象にした特性により考察し実施できた。

図１は、本発明の原点である簡易装置の原理を示したグラフでの説明図である。

１と２は、蓄電池を定電流で放電した時の、縦軸に蓄電池の起電圧、横軸に放電容量即ち単位：Ａｈ（放電電流×放電時間）で表したグラフである。

１と２と３は放電電流値の違いがあり、１は０．５Ｃ、２は１Ｃ、３は２Ｃの時の変位である。１Ｃとは公称容量まで満充電をした蓄電池を定電流放電して、１時間で放電終了となる電流値である。この定義は異なる方式でいう場合もあるが結果は類似している。

１と２と３は平行移動したのと同様である。また、横軸が、放電電流×放電時間であるので、放電電流が異なっても放電時間は反比例して変位するので、公称容量や使用した残留容量が異なる個々の蓄電池も同様な特性グラフを示すこととなる。図のグラフには無いが更に拡い範囲でも平行移動に近似した放電特性である。

使用中で起電圧が低下した蓄電池でも無負荷で放置すると起電圧が上昇するが、使用開始から数十秒の間に、起電圧は急激に下がり、その時点での残留容量と同じ蓄電容量の新品の蓄電池の放電特性上を概ね沿う。多少の相違があっても平行移動上に沿う。

従って、例えば公称容量１Ｃの蓄電池を使い古したところの残留容量が０．５Ｃに落ちた蓄電池を満充電をして、その元の公称容量１Ａｈの０．５Ｃの定電流を流した時の特性は、図１の２に沿い、あたかも１Ｃを流した時の特性上をたどる事となる。

従って公称容量が異なっても、または使用して残留容量が解らない蓄電池でも、放電電流が、０．５Ｃから１Ｃの間であれば、図中の特性線を平行移動した特性線上を概略推移する事となる。

４の鎖線で示す直線は、蓄電池の起電圧がＬで示す範囲に於いて特性曲線と傾斜が近似に成っている。この仮想直線は１Ｃの放電電流でＶの電圧幅が生じた時、仮想でのＨ時間が推移した事を表している。

従って、例えば使い古した公称容量１Ａｈ（アンペア・アワー）の蓄電池を充電後に使用され満容量の１０％から４０％程度の範囲まで放電した後に、適当な定電流であると予想の０．５Ａの放電をして、起電圧が落ち着いた時点を、測定開始点として、そこから起電圧がＶｐだけ下がるまでの時間を測定した時、時間がｈｐだけ経過したとすると各々の比から次の計算式が成立する。

Ｈ／ｈｐ＝Ｖ／ＶｐまたはＨ／Ｖ＝ｈｐ／Ｖｐ
従って
Ｈ＝ｈｐ×Ｖ／Ｖｐ
ＶとＶｐは既定の定数なので、変数ｈｐから推定時間Ｈが求められる。

ｈｐは時間で秒単位ならばＨも秒単位の結果となるので、時間単位にするには
１時間＝３６００秒で除算する。
残留容量は放電電流が０．５Ａなので０．５を掛けた値になる。
故に残留容量は
Ｃ＝（Ｈ／３６００）×０．５（Ａｈ）となる。

この様にして、蓄電池の放電容量の１０％から４０％程度のレベルでの計測は可能である。

もっと広い範囲での計測は、実施例２に委ねる。

以上では、Ｖｐが特定電圧値で、変移値がｈｐで有ったが、計算式では、比によりＣが求めれるので、グラフで言えば、縦軸と横軸とを入替えて、特定時間ｈｐだけ変化する間に、電圧値Ｖｐが変移する値を求めても蓄電池残留容量は求めれる。

実施例１の構成は、実施例２の構成と同じである。実施例２の図３の説明の項を参照の事。

実施例２は、実施例１の改良型である。目的は同一である。構成部品も同一で、原理も同一で、計測可能範囲を拡げると共に計測結果の表示精度を上げる為に、情報処理の制御を改良したものである。
従って、説明上、重複する説明は省略してある。

図２は、本実施例の改良装置の原理を示したグラフでの説明図である。

５は放電電流が０．５Ｃの時の放電特性線で、６は１．０Ｃの時の放電特性線である。

７は起電圧がＬ１のレベル範囲に有る時の放電特性線の傾斜を直線にしたものである。
Ｈｘ時間に対してＶ１電圧幅の傾きである。

８は起電圧がＬ２のレベル範囲に有る時の放電特性線の傾斜を直線にしたものである。
Ｈｘ時間に対してＶ２電圧幅の傾きである。

９は起電圧がＬ３のレベル範囲に有る時の放電特性線の傾斜を直線にしたものである。
Ｈｘ時間に対してＶ３電圧幅の傾きである。

計測原理は、先に述べた様に「実施例１」と同一であるが改めて概略を以下に述べる。
放電電流を０．５Ａとして計測開始してから起電圧がＶｐだけ下がるまでの時間がｈｘだけ経過したとする。
全残留容量を放電するのに掛かる時間は図のＨｘなので、次式が成立する。
Ｈｘ＝ｈｘ×Ｖ１／Ｖｐ

Ｖ１とＶｐは既定の定数なので、変数ｈｘから推定時間Ｈｘが求められる。

ｈｐは時間で秒単位ならばＨｘも秒単位の結果となるので、時間単位にするには
１時間＝３６００秒で除算する。
残留容量は放電電流が０．５Ａなので０．５を掛けた値になる。
故に残留容量は
Ｃ＝（Ｈｘ／３６００）×０．５（Ａｈ）となる。

他のレベル範囲でもその範囲に適合した傾斜情報を基に同様手法により残留容量を推測できる。

この様にして、蓄電池の残留容量の３％から８０％程度のレベルでの計測は可能に成った。

更に、レベル範囲を多数設ければ、計測範囲は拡がると共に、計測精度も上がる。

実施例２の構成は、実施例１と同一である、図３が適用される。
図３は、改良装置の構成説明図で簡易装置の構成説明と兼用である。

蓄電池１１は常に起電圧が計測出来るように電圧計測回路１５に接続されていると共に、定電流回路１２にも接続されている。

定電流回路１２の出力は負荷１３に接続されている。また定電流回路１２には出力の接／断を電気信号で制御できる機能が備わっている。

負荷１３の電流が正常に流れているか監視するために電圧計測回路１５に接続されている。

また、負荷１３は蓄電池の残留容量の０．５Ｃから１Ｃの電流になるように切替れる。その時の切替情報を出力している。

中央制御部１４は、各周辺部と接続されて様々な制御をしている。それらの制御内容の概略を以下に述べる。

電圧計測回路１５に接続して被計測蓄電池１１の起電圧を計測している。

電圧計測回路１６に接続して負荷１３への電流による電圧を計測している。

操作部１９からは、計測開始、停止、リセットなどの指令信号を受ける。

記憶部１８に接続して、計測開始時の被計測蓄電池１１の起電圧を記憶したり、各制御に必要な情報の記憶をして、読み書きをする。

表示器１７に接続して、蓄電池１１の計測開始時の起電圧を表示したり、開始後、特定電圧まで下がるまでと計測終了時の電圧を表示したり、計測経過時間を表示したり、負荷１３の電圧を表示したり、計測した時間を基に演算をして残留容量を表示する。

中央制御部１４は、これらを一括管理して、測定開始してから結果表示をするまで、全自動制御をしている。

本発明は、一般作業現場での利用を対象とし、常温環境で、起電圧４．０ボルトから３．４ボルトの範囲で、概略値であっても早く計測結果を知る目的の現場に適している。

蓄電池の残留寿命容量が短時間で解ると、蓄電池利用現場で、定格容量と比較して寿命を判定できるので、蓄電池を多く利用する場では、蓄電池の管理に便利である。また、蓄電池を利用する機器を販売する店頭や修理作業所で利用すれば、対応が早くなりサービス向上になり利用されることが期待される。

１放電電流０．５Ｃの時の放電特性曲線
２放電電流１．０Ｃの時の放電特性曲線
３放電電流２．０Ｃの時の放電特性曲線
４仮想放電特性の直線
５計測電圧が高位用の仮想放電特性の直線
６計測電圧が中位用の仮想放電特性の直線
７計測電圧が下位用の仮想放電特性の直線
１１蓄電池
１２定電流回路
１３負荷
１４中央制御部
１５蓄電池の電圧計測回路
１６負荷の電圧計測回路
１７表示器
１８記憶部
１９操作部

Claims

常温下で蓄電池を放電させて、その起電圧が下がる時間特性が比較的に直線的になる起電圧と時間範囲に於いて、蓄電池Ｂを一定電流Ａで放電して蓄電池の起電圧が徐々に低下するのを計測し、ある時の起電圧点から電圧差Ｖｐだけ下がるのに要する時間ｈｐを計測して、同種類の蓄電池の放電容量変移対起電圧変移の傾斜特性が、経年して残留寿命容量が減少した蓄電池で、多少放電電流が異なっても近似した傾斜特性を持つ事を利用して、計測した僅かな電圧差Ｖｐと短い時間ｈｐとの比により、その蓄電池Ｂが満充電された状態から放電終了したとする残留容量分を放電できる時間Ｈを短時間の計測で推測して、その推測時間Ｈと一定電流Ａとの積を求め、蓄電池Ｂの残留容量を短時間で推測できることを特徴とする蓄電池残留寿命容量計。