JP2019039895A - 二次電池の容量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利便性の高い二次電池の容量測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物である二次電池１と接続され、二次電池の放電経路を構成する負荷抵抗８とスイッチング素子７からなる直列回路と、二次電池の放電開始後、二次電池の電圧が放電終了電圧に達したことを検出し、スイッチング素子をオフとして二次電池の放電を中止させるプログラムを保有するマイクロコンピューター５と、商用電源の代わりに二次電池を電源として電圧を一定にしてマイクロコンピューターに電源を出力する定電圧回路４と、を備えた二次電池の容量測定装置であって、定電圧回路の出力によって動作し、二次電池の放電開始後の時刻または時間の経過と、刻々と変わる二次電池の出力電圧を表示する表示装置と、二次電池の放電を強制的に中止させるためのスイッチ６と、スイッチからのスイッチ信号を受けて、放電を終了させる割り込みプログラムを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の容量を測定するために用いられる装置に関する。

二次電池は、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、その容量は、充放電回数、放電状態での放置時間、過充電または過放電により劣化する特性がある。

二次電池の容量は、新品の二次電池を満充電したあとに、劣化限界電圧まで放電しその持続時間を標準として、同じ仕様で、数年使用した二次電池を同じ温度で満充電し、同じ充電器と負荷抵抗を使い、同じ温度で劣化限界電圧まで放電しその持続時間を上記新品の二次電池の持続時間を比較することにより劣化度が判定できる。

前記新品の二次電池の容量は、限界電圧までの放電電流と持続時間を乗じた数字をＡｈとして表記されるが、その持続時間は温度と放電電流により変化するため、容量を表記する場合には、測定時の温度と放電電流の条件を付記する。

特開２００６−０６４６８３号 公報

従来の二次電池の容量を測定する装置は、一般的に商用電源を用いていて、ソーラー発電装置、ゴルフカート等の商用電源の無い場所で使う機器に使用している二次電池の容量をその場所で測定することができなかった。

このような点に鑑み、特許文献１のような商用電源を使わずに測定対象の二次電池によって動作する二次電池の容量測定装置が提案されている。

しかし、特許文献１のものでは、二次電池の放電開始後の時間を計時して表示するための装置を別途準備しなければならなく、また、その時の電圧を測定するためには、別途電圧テスターを準備しなければならないため利便性が低かった。

また、特許文献１のものでは、放電終了電圧を抵抗の分圧により判定するため、被測定物である二次電池の直列数という基準電圧ごとに装置を準備しなければならない。

また、特許文献１のものでは、二次電池の放電開始後の時間を計時して表示するために装置と、その時点での電圧を測定するための電圧テスターを別途準備しなければならなかったため利便性が低かった。

二次電池の容量は、測定温度により左右されることが知られていて、装置内に温度補正をするプログラムを入れることも考えられるが、上記、商用電源を使わないで動作する二次電池の容量を測定する装置を目的とすると、被測定物の二次電池を外すとマイクロコンピューターの電源が失われるため、装置内にプログラムを入れることは難しかった。

二次電池には、放電した後に低電圧のままで放置すると劣化しやすく、放電後即座に再充電するとその容量の劣化がしにくい特性があるが、このような商用電源を使わない、二次電池の容量測定装置は無かった。

本発明は、上述した従来の二次電池の容量測定装置が有していた問題を解決し、利便性の高い二次電池の容量測定装置を実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
被測定物である二次電池と接続され、該二次電池の放電経路を構成する負荷抵抗とスイッチング素子からなる直列回路と、
前記二次電池の放電開始後、該二次電池の電圧が放電終了電圧に達したことを検出し、前記スイッチング素子をオフとして前記二次電池の放電を中止させるプログラムを保有するマイクロコンピューターと、
商用電源の代わりに前記二次電池を電源として電圧を一定にして前記マイクロコンピューターに電源を出力する定電圧回路と、
を備えた二次電池の容量測定装置であって、
前記定電圧回路の出力によって動作し、前記二次電池の放電開始後の時刻または時間の経過と、刻々と変わる前記二次電池の出力電圧を表示する表示装置と、前記二次電池の放電を強制的に中止させるためのスイッチと、該スイッチからのスイッチ信号を受けて、前記放電を終了させる割り込みプログラムを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
前記マイクロコンピューターは、前記二次電池の接続と同時に該二次電池の初期電圧を感知して、該二次電池に適した放電終了電圧を判断させるプログラムを内蔵したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
前記放電時の時刻または時間の経過と、刻々と変わる二次電池の出力電圧を外部の装置でデータを処理するために記録するためのＳＤメモリーカードを接続するソケットを備え、データ処理をパソコンで行うようにして、装置を複雑化しないで可搬性を維持することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
前記放電時の時刻または時間の経過と、刻々と変わる二次電池の出力電圧を外部の装置でデータを処理するために、無線でデータを送出する装置を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
前記放電を中止させた後に、前記二次電池を再充電するためのリレー信号を外部に出力する回路と端子を設けたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、
被測定物である二次電池から電源を得て、定電圧回路で本装置の動作用電圧を確保することによるため、商用電源の無い場所で二次電池の容量が測定でき、測定場所にこだわる必要がない。

加えて、放電中の経過時間と電圧の状態が、表示装置により刻々と表示され、使用者は、その時の電圧と経過時間を見ることにより放電状況が分かるため、別途計時装置と電圧テスターを準備する必要がなく利便性が向上する。

また、二次電池を放電したまま放置すると劣化が進むという特性があるが、設定電圧で放電を中止させるため、二次電池の劣化を防止できる。

さらに、二次電池の放電を強制的に中止させるスイッチを備えているため、そのスイッチからマイクロコンピューターに信号が入った場合、放電中止をスイッチング素子に伝える構造にして放電を途中で停止でき、測定の時間節約ができる。

請求項２の発明によれば、
二次電池の接続と同時に二次電池の電圧を検知して放電終了電圧を決定するプログラムを入れることにより、一つの二次電池の容量測定装置で異なる基準電圧の二次電池の測定が可能となるため、二次電池の容量測定装置内にプログラムを入れたり、印刷ドライバーを入れたりする必要がなく、可搬性と利便性が向上する。

請求項３または
請求項４の発明によれば、
刻々と変わる二次電池の放電状態のデータをＳＤメモリーカードに記録するためのソケットを配置すること、または無線装置で外部に転送するデバイスを配置することにより、パソコンにインストールされた表計算ソフト等の高度な機能を使って、測定時の測定時温度を入力すると二次電池の温度補正を計算させ、放電特性をグラフ化でき、パソコンの印刷ドライバーを用いて二次電池の試験報告書を印刷できるため、複雑にならない可搬性のある二次電池の容量測定装置が提供できる。

請求項５の発明によれば、
二次電池の放電を中止させた後に、二次電池を低電圧の状態で放置すると二次電池の劣化が進むという特性があるが、二次電池の放電を中止したときに、商用電源に接続して、電子リレーと充電装置用のソケットを保有した充電装置により、即座に充電を開始するため、二次電池の劣化を防止できるとともに再充電の手間が省ける。

構成品間の電気の流れを示す回路図である。 この発明の実施の形態に係る構造と構成品の配置例を示す斜視図である。 ＳＤメモリーカード１１用ソケットを取り付けた例の斜視図である。 ＵＳＢメモリー用ソケットを取り付けた例の斜視図である。 近距離無線通信装置を取り付けた例の斜視図である。 スイッチによる入力とその後の表示動作、警告動作等を示したフロー図である。 一定の電流（１ＣＡ）で放電した場合、測定温度（横軸）により、二次電池の容量（縦軸）がどのように変化するかを示した例のグラフである。 前記ＳＤメモリーカード１１のデータを放電特性グラフ化、温度補正等を行い報告書にするための、気温、ファイル名、測定日、メモ等を記入できるよう別途のパソコンでプログラムを作成したメニューの例である。 前記のデータを元に、鉛蓄電池を補正係数Ａ、補正時間Ｂ、時間毎の電圧を積分して実放電容量Ｃ、放電特性グラフＤ等を記載し性能試験報告書Ｅ、を作成し印刷できるようにした例である（２４Ｖにて試験）。 本発明で、新旧自動車用の二次電池の容量を比較し分かりやすくした図例である。

以下、本発明による二次電池の容量測定装置を図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０を参照して説明する。

図１は、構成品間の電気の流れを示す回路図で、図２は、構成する部品の配置を具体的に示す斜視図であり、二次電池１を除いた部分が本発明の部分である。

本装置は、被測定物と装置作動用の電源となる二次電池１、二次電池と本装置を接続する接続端子２、本装置を制御するマイクロコンピューター５、装置作動用の電圧を発生させる定電圧回路４、二次電池の電圧をマイクロコンピューターに伝える二次電池出力電圧線３、二次電池の保有電力を消費し発熱する負荷抵抗８、負荷抵抗のオン−オフをするスイッチング素子７、二次電池の電圧と放電開始後の時間と装置の状態を数字または文字で示す液晶表示装置９、放電開始、放電強制終了を放電途中で指示するスイッチ６、測定データを外部に出すための媒体ソケット１０、放電終了を知らせるブザー１２、放電終了後に再充電をさせるための再充電信号端子１６、信号によりオンとなる半導体リレー装置１７、電子リレー装置に繋がる商用電源コンセント１８、充電装置用ソケット１９で構成される。

測定しようとする二次電池１は、接続端子２に接続される。二次電池１は接続端子２に接続される。二次電池１は、接続端子２を介して放電経路を構成する負荷抵抗８とスイッチング素子７の直列回路に接続されている。

二次電池１の出力電圧は、接続端子２および二次電池出力電圧線３を通じて、定電圧回路４に入力されている。定電圧回路４は、二次電池１の出力電圧をマイクロコンピューター５、液晶表示装置９、ＳＤメモリーカード１１または近距離無線装置１５を動作させるために必要な電圧（例えば５Ｖ）を出力する。

図２の構成例では、媒体ソケットとしてＳＤメモリーカードのソケット１０とＳＤメモリーカード１１を取り付けた例を示している。なお、メモリーカードとして、ＳＤメモリーカード、ＵＳＢメモリー等が一般的であるが、本明細書では、ＵＳＢメモリーもカードでは無いが、ＳＤメモリーカードとしている。

図３はＳＤメモリーカードのソケット１０とＳＤメモリーカード１１を取り付けた拡大図である。

図４はＵＳＢメモリー１４用のソケット１３を取り付けた拡大図である。

図５は無線でデータを送出する近距離無線通信装置１５を取り付けた拡大図である。ここでの近距離無線通信装置１５には、２．４ＧＨｚ帯を使用するＷｉ−ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、３１５ＭＨｚ帯、９２０ＭＨｚ帯の特定小電力無線を使用した装置等があり、基板用にチップアンテナを内蔵した装置がモジュールとして市販されている。

以下、本発明の動作の状態を、図６を参照して説明する。

図６は、二次電池１の接続から、動作前のチェック、入力手段としてのスイッチ６の信号によりどのような動作をするか、液晶表示装置９に表示される文字、ブザー１２からの警告音が時系列、およびＳＤメモリーカード１１の状態によりどのような動作をするかを説明した図であり、角丸四角に囲まれた部分は液晶表示装置９に表示される内容であり、１行または２行の文字を表示して、１行目は経過時間と電圧が１秒毎に変化し”＊＊”は交互に情報を表示していることを示し、２行目は、その時の状態を表示するようにしている。

ブザーのマークは、液晶表示９を見なくても、音により概略の進行状態が分かるようにしてあり音の状態を示す。

マイクロコンピューター５は、スイッチ６のオン−オフ状態、二次電池１の出力電圧などの状態を周期的にチェックし、その状態に応じて、次のような処理を行う。

二次電池１を接続（Ｓ０１）すると自動で二次電池１の初期電圧を検知して（Ｓ０２）、プログラム上の放電終了電圧を決定する（Ｓ０３）。接続される二次電池が鉛二次電池の場合には、１２Ｖ、２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖ、７２Ｖが基準電圧として検知され、その電圧に適した放電終了電圧を自動的に決定する。

そのあと、自動でＳＤメモリーカード１１の有無チェック（Ｓ１０）とＳＤメモリーカード１１の正常チェック（Ｓ１２）を行い正常であれば待機状態になる。エラーの場合は、液晶表示装置９に状態「ＮＯ ＳＤ」「ＳＤ ＬＯＣＫ」「ＳＤ ＢＡＤ！！」を表示して、次のスイッチ６の入力を待つ。

ＳＤメモリーカード１１が正常で、スイッチ６がオンされると（Ｓ１３）、放電開始のため、スイッチング素子７がオン（Ｓ１４）する。二次電池１の放電が開始され、液晶表示装置９に経過時間と電圧が交互に表示され（Ｓ１６）、同時にＳＤメモリーカード１１に１秒ごとに経過時間と電圧が書き込まれる（Ｓ１６）。

ＳＤメモリーカード１１が異常で、記録をせず放電テストのみをしたい場合は、スイッチ６の長押し（Ｎ１１）により、放電開始のため、スイッチング素子７がオン（Ｓ１４Ａ）して、二次電池１の放電が開始される。この場合には、液晶表示装置９の１行目に経過時間と電圧が交互に、２行目に”ＮＯ ＲＥＣ．”と表示され進行状況が分かる（Ｎ１６）。

液晶表示装置９を見て、測定を中止したい場合は、スイッチ６を長押し（Ｓ１５）する（Ｓ１４−１、Ｓ１５）。すると、マイクロコンピューター５はスイッチング素子７をオフし、二次電池の放電を中止（Ｓ１５−２または３）させる。

ＳＤメモリーカード１１が正常な場合は、同じＳＤメモリーカード１１に連続して測定結果を記録するとファイル名が重複し前のデータが上書きされる。それを回避するために、マイクロコンピューター５は、ＳＤメモリーカード１１に記録し測定が完了するごとにユニークな連続した番号をマイクロコンピューター５のＲＯＭに記憶（Ｓ１４−１）する。そして、次の測定と記録時には、その番号に１を足した数字をＳＤメモリーカード１１内のファイル番号（Ｓ１９）として保存する。

マイクロコンピューター５は、上記ファイル番号のファイルに、放電開始後の秒単位の時間とＡＤ変換された電圧が記録される（Ｓ１６）。

１０．５Ｖ（放電終了電圧 Ｓ１８）になると、スイッチング素子７がオフとなり、ブザー１２から放電終了の警告音２１が出る。

ＳＤメモリーカード１１が有効の場合には、放電終了電圧（Ｓ１８）になると、１行目に放電中止までの時間と現電圧が表示され、２行目に”ＥＮＤ”とユニークな「ファイル番号」が表示されるとともに、ＳＤメモリーカード１１にその「ファイル番号」（Ｓ１９）が書き込まれるため、連続して測定をしても試験の終了後に外部のパソコンで測定データが識別できる。

１０．５Ｖ（放電終了電圧 Ｓ１８）になると、再充電信号端子１６から半導体リレー装置１７に信号が送出され、商用電源２０に接続された電源が電子リレーにより充電装置用ソケット１８に伝わり、充電装置１９に電源が入り放電された二次電池１への充電が開始され、二次電池１の劣化を防ぐ事ができる。

放電が終了（Ｓ１８）すると、終了までの経過時間とファイル番号が液晶に表示されるため、パソコンでデータ処理をしなくても、その場で、二次電池の容量（経過時間）の概略が把握できる。

以下、本発明で取得したＳＤメモリーカード１１のデータ（Ｓ１９）を外部のパソコンでプログラム化して、報告書にする手順を、図７、図８、図９を参照して説明する。

二次電池においての充電と放電は化学反応に基づく場合が多く、正確に二次電池の容量を測定するため、二次電池の温度補正をする。そして、鉛蓄電池では２５℃での性能を標準とする例が多く図７のような温度＿容量曲線を作成し、電卓等で別途２５℃測定に換算する例が多い。

前記計算式については、実験により、温度修正係数をｙとした場合、
ｙ＝（−０．０００１２×ｔ２＋０．０１２×ｔ＋０．７７５）の計算式を表計算ソフトで作成し、パソコンに常駐した。

測定値である放電時間を補正するために、測定時間をｙで除す。
例として０℃で測定した場合グラフから０．７７が読み取れ、
１／０．７７＝１．３となり、０℃での測定時間に１．３を乗じた数値を計算すると、標準温度である２５℃での補正後の時間が計算できる。

ＳＤメモリーカード１１のデータ（Ｓ１９）を処理する外部のパソコンに、該当のファイル名Ｓ１９と温度の入力ができるような画面（図８−▲１▼）を出すプログラムを常駐させる。

図９は、二次電池の容量性能測定結果に関連した情報を追加して、表計算ソフトを使い、報告書として印刷できるようにまとめた例である。

上記入力された温度（図８−▲１▼、図９−▲１▼）とＳＤメモリーカード１１内の経過時間（図９−▲２▼）を元に、２５℃との環境で測定されるとどうなるかという温度＿容量曲線「００５３」と「００５４」の計算式を入れると、補正係数（図９−▲４▼）により放電時間の補正（図９−▲３▼）ができる。

上記により作成した放電特性グラフが図９−▲６▼であり、時間を横軸にして電圧を縦軸にした放電特性グラフとなっている。

図９−▲５▼は、放電経過時間毎の電圧を積分して全放電容量を計算した結果である。

図１０は、本発明で、新品満充電の３６ＡＨの自動車二次電池と、５年使用した同じ規格の中古二次電池を用意して、満充電後に同じ負荷抵抗（７Ω）を使用して設定電圧（１０．５Ｖ）まで放電し、ＳＤメモリーカード１１に保存したデータをパソコンの表計算ソフトを利用し図７に基づく温度補正をして、時間（横軸）と電圧変位（縦軸）の放電特性グラフと、５年間使用した二次電池を満充電にして同条件で放電して、その容量を比較した図例である。

図９の例で、放電持続時間が新品では４１分、中古品では３分となり、測定器を複雑化することを回避して、その容量差が容易に分かることを示している。

１ 二次電池
２ 接続端子
３ 二次電池出力電圧線
４ 定電圧回路
５ マイクロコンピューター
６ 強制終了スイッチ
７ スイッチング素子
８ 負荷抵抗
９ 液晶表示装置
１０ 媒体ソケット（図３ ＳＤメモリーカード１１の例）
１１ ＳＤメモリーカード
１２ ブザー
１３ ソケット（図４ ＵＳＢメモリーの例）
１４ ＵＳＢメモリー（図４ ＵＳＢメモリーの例）
１５ 近距離無線通信装置（図５）
１６ 再充電信号端子
１７ 半導体リレー装置
１８ 商用電源コンセント
１９ 充電装置
２０ 商用電源
２１ ブザーのマーク

Claims (5)

1. 被測定物である二次電池と接続され、該二次電池の放電経路を構成する負荷抵抗とスイッチング素子からなる直列回路と、
   前記二次電池の放電開始後、該二次電池の電圧が放電終了電圧に達したことを検出し、前記スイッチング素子をオフとして前記二次電池の放電を中止させるプログラムを保有するマイクロコンピューターと、
   商用電源の代わりに前記二次電池を電源として電圧を一定にして前記マイクロコンピューターに電源を出力する定電圧回路と、
   を備えた二次電池の容量測定装置であって、
   前記定電圧回路の出力によって動作し、前記二次電池の放電開始後の時刻または時間の経過と、刻々と変わる前記二次電池の出力電圧を表示する表示装置と、前記二次電池の放電を強制的に中止させるためのスイッチと、該スイッチからのスイッチ信号を受けて、前記放電を終了させる割り込みプログラムを備えたことを特徴とする二次電池の容量測定装置。
2. 前記マイクロコンピューターは、前記二次電池の接続と同時に該二次電池の初期電圧を感知して、該二次電池に適した放電終了電圧を判断させるプログラムを内蔵したことを特徴とする請求項１記載の二次電池の容量測定装置。
3. 前記放電時の時刻または時間の経過と、刻々と変わる二次電池の出力電圧を外部の装置でデータを処理するために記録するためのＳＤメモリーカードを接続するソケットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の容量測定装置。
4. 前記放電時の時刻または時間の経過と、刻々と変わる二次電池の出力電圧を外部の装置でデータを処理するために、無線でデータを送出する装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の容量測定装置。
5. 前記放電を中止させた後に、前記二次電池を再充電するためのリレー信号を外部に出力する回路と端子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の容量測定装置。