JP3111660B2 - 二次電池装置 - Google Patents

二次電池装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は二次電池電源装置に係
り、特に、その残存容量を検知表示する手段を備えた装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】二次電池は、OA機器,AV機器,電動
工具,玩具,通信機器などのコードレス機器、あるいは
電気自動車などの電気エネルギ源として広く利用されて
いる。二次電池の利用が拡大するとともに、各種の技術
的課題の解決が強く望まれている。それらの中で電池の
残存容量の検出表示は、メーカ側からは比較的軽微な課
題ととらえられがちであるものの、ユーザ側にとっては
重要な課題である。つまり、機器の使用可能時間を正確
に把握できれば、使用上の不便さ,不都合さが回避でき
るからである。この課題は、特に電気自動車にとって重
要な課題となる。現在までに提案されている電池の残存
容量の検出表示方式には、電池電圧,開路電圧,放電電
気量,電解液比重などを検出する方法がこれまで主とし
て電気自動車用に用いられてきた。(財団法人日本電動
車両協会刊,“電気自動車用電池残存容量計の調査研究
報告書”,p.8,p.19(昭和63年)。)また、電池
の内部抵抗を検出して残存容量を求める方法の提案もあ
る(特開平1−193675 号公報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の項に示
したような電池残存容量計の方式がこれまで提案されて
きた。しかし、それらの方式も、それぞれに問題点を有
しており、実用的に十分なものとはいえない。電池電圧
検知方式では、電池電圧が電池の放電電流の大きさに依
存して変化する、開路状態と閉路状態とで電圧が大きく
異なる、電圧平坦性の良い電池への適用が難しいなどの
問題点がある。開路電圧検知方式は、鉛電池の開路電圧
が放電電気量と共に変化するという鉛電池の特性を利用
した方法であるが、ニッケル/カドミウム電池,ニッケ
ル/水素電池,ニッケル/金属水素化物電池,ニッケル
/亜鉛電池,空気/亜鉛電池などの放電電圧平坦性に優
れる電池には適用できない、また閉路から開路に切り替
えた後の電圧変化が閉路中の放電電流の大きさに依存す
るため、電池の使用中の測定値が不正確になるなどの問
題点がある。放電電気量検知方式では、自己放電,放電
温度,回生充電などの影響が考慮されにくい、さらに基
準となるべき電池の放電容量が電池の充放電サイクルの
進行と共に低減するなどの問題点があった。電解液比重
検知方式は、鉛電池の電解液中の硫酸濃度が放電量と共
に減少するという鉛電池の特性を利用した方法であるた
め、自由な電解液の存在しない密閉型鉛電池、あるいは
鉛電池以外の電池に適用できない。内部抵抗検知方式
は、電池の充電状態により内部抵抗が変化するが、内部
抵抗と残存容量との対応関係に直線性はなく、しかも充
放電サイクルによる放電容量の低下とともに内部抵抗が
増加する傾向のある電池も多く、内部抵抗と残存容量と
の一義的な関係は得られにくい。
【0004】本発明の目的は、電池の充填状態が明確に
検知表示される手段を備えた二次電池装置を提供するこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、電池内
部抵抗の変化量,電池に出入りした電気量,電池内部抵
抗の絶対値の3種類の検出信号を利用したことにある。
すなわち、電池の内部抵抗値は電池の充電状態により変
化する。例えば、ニッケル/カドミウム電池の充電反応
は以下のように進行する。
【0006】○正極:2Ni(OH)2+2OH- → 2
NiOOH+2H2O+2e ○負極:Cd(OH)2+2e → Cd+2OH- つまり、充電反応の進行により低導電性の水酸化物(Ni
(OH)2,Cd(OH)2)から導電性の高い金属(Cd)、
あるいは半導体程度の導電性を有する化合物(NiOO
H)に変化する。そのため、充電の進行とともに電池内
部抵抗は減少する。放電の進行のときはその逆になる。
他の二次電池系でも、この傾向は、類似している。それ
は、二次電池系が一般に、酸化され易い金属の負極と、
導電性の高い金属の酸化物ないしはオキシ水酸化物など
からなる正極との組合わせで構成されているからであ
る。従って、二次電池の内部抵抗を測定すればその充電
状態が推定できることになる。しかし、実際には、高い
充電状態での抵抗の変化はほとんどなく、内部抵抗の検
出値をそのまま、全容量領域にわたる電池容量の残量表
示には利用できない。そこで、本発明者らは、内部抵抗
の変化量(ΔR)に注目し、放電末期の検出信号として
使うとともに、比較的高い充電状態の容量検出には、電
池に出入りした電気量(Ah)の積算値を利用すること
を考案した。これにより、高い充電状態における残存容
量の変化をほぼ定量的に把握できるとともに、自己放
電,温度特性,電池の劣化などの影響で、電気量Ahの
積算値から推算されるよりも残存容量が少なく急速に放
電できなくなる場合も事前に検出が可能となる。更に、
ΔRとAhに加え、抵抗の絶対値Rの検出値を加味する
ことにより、この残存容量検知は、より完全なものとな
る。Rの検出値は、電池が劣化して内部抵抗の値が大き
くなっている場合に、電池の劣化による容量の低下を表
示し、電池交換を指示することができる。
【0007】電池残存容量の表示の精度を高くするに
は、通常は電気量検出部からの信号に基づいて残存容量
を算出演算して推定し、抵抗測定部からの信号が抵抗値
の増加を示した時は、その信号を優先して容量の低下を
判断することが必要であり、これにより残存容量が少な
く急速に放電できなくなるトラブルを事前に検出するこ
とが可能となる。
【0008】電池内部抵抗測定方法には、交流電圧を印
加したときの抵抗を測定する交流法、直流パルス電流を
加えたときの電圧応答を測定する直流パルス法などがあ
が、測定が簡単で再現性のよい検出値がえられる交流法
が利用しやすい。交流法の測定には、交流電圧の周波数
を変化させ、周波数分散を測定する方法と、固定周波数
のみで測定する方法とがある。後者の方が簡便で実用的
である。固定周波数は、0.5 〜50kHzの中程度の
値が適している。ΔRの測定のためには基準となる抵抗
値を予め入力しておくことが必要である。基準抵抗値に
は電池の充電制御部が満充電の信号を出力して充電を終
了したときの内部抵抗値を使用する。そのため、電池を
満充電に至るまで充電するたびにその値は更新されて記
憶されることになる。ΔRの値と残存容量との関係は、
それぞれの電池の種類,形状,容量などによって異なる
ので事前に測定評価した値を記憶させておくことが必要
である。Rについても、同様に電池交換を指示するべき
値が、それぞれの電池によって異なるので事前に測定評
価した値を記憶させておくことが必要である。電池の内
部抵抗は電池の温度により、その値が変化するので、電
池の温度を温度センサにより検出し、予め記憶しておい
た内部抵抗の温度係数に基づいてセンサ信号による抵抗
測定値を補正する機能を抵抗測定部に備えさせることも
必要である。本発明の適用に適した主電池はニッケル/
カドミウム電池,ニッケル/鉄電池,ニッケル/亜鉛電
池,鉛蓄電池,空気/亜鉛電池,リチウム二次電池など
の金属の負極と、導電性の高い金属の酸化物ないしはオ
キシ水酸化物などからなる正極によって構成される二次
電池である。
【0009】本発明は、二次電池パックを内蔵したコー
ドレス機器はもちろんのこと、それらの機器の外付け電
源として使用される電池パックにも適用できる。
【0010】
【作用】本発明の作用の要点は、検知しにくい主電池の
残存容量を比較的検知しやすい内部抵抗の変化量と電気
量の両者を同時に監視することにより可能になったこと
にある。
【0011】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図面を用
いて更に詳細に説明する。図2において、1は二次電池
部であり、2は二次電池部1へ入出力する電流を直流ま
たは交流へ変換する電流変換部、3は二次電池部の状態
を監視しながら入出力を制御する充放電制御部であり、
4は本発明になる二次電池装置、5は二次電池装置4の
負荷、6は外部電源である。図1は図2の二次電池部1
の詳細な内部構成を示す図であり、図1において、11
は二次電池、12は二次電池11の温度を検出するため
の温度センサであり、13は二次電池11の内部抵抗を
検知するための抵抗測定部、14は抵抗測定部13で使
用する高周波電流を発生する高周波電源部であり、15
は二次電池11に出入りする電気量を検知する電気量検
出部であり、16は12,13,15からの信号に基づ
いて二次電池11の残存容量を算出する演算部であり、
17は演算部16で算出した残存容量を表示する表示部
である。
【0012】〈実施例1〉定格容量700mAhのニッ
ケル/カドミウム電池を5個直列に接続した6Vの電池
パックを用い、本発明を実施した。内部抵抗の測定に
は、1kHzの交流電流を用いた。あらかじめこの電池
パックの内部抵抗の絶対値と充放電による変化量に関す
る情報を入力しておいた演算部において残存容量を算出
した。電池パックの充放電の各段階において、抵抗測定
部13と電気量検出部15からの情報により残存容量を
算出演算し、同時にまた、それぞれの場合に電池を0.
2cmAのレートで放電して実際の残存容量を測定した。
結果を表1に示す。
【0013】
【表1】
【0014】表より算出値と測定値はよい対応を示して
おり、本発明が有効な技術であることが明らかになっ
た。
【0015】〈実施例2〉定格容量1500mAhのシ
ール鉛電池を5個直列に接続した10Vの電池パックを
用い、本発明を実施した。詳細な実施内容は実施例1と
同じである。結果を表2に示す。
【0016】
【表2】
【0017】表より算出値と測定値はよい対応を示して
おり本実施例においても、実施例1と同様に本発明が有
効な技術であることが明らかになった。
【0018】
【発明の効果】本発明により、確度の高い電池残存容量
計が可能となり、二次電池を内蔵した各種機器の使い勝
手の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になる電池の残存容量計の構成を示すブ
ロック図。
【図2】本発明になる二次電池装置の構成を示すブロッ
ク図。
【符号の説明】
1…二次電池部、2…電流変換部、3…充放電制御部、
4…二次電池装置、5…負荷、6…外部電源、11…二
次電池、12…温度センサ、13…抵抗測定部、14…
高周波電源部、15…電気量検出部、16…残存容量算
出演算部、17…残存容量表示部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−341022(JP,A) 特開 平3−163375(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 31/36 G01R 27/00 - 27/32 H02J 7/00 - 7/12 H01M 10/42 - 10/48

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二次電池,電流変換部,充放電制御部など
    からなる二次電池を電気エネルギ源として用いる装置に
    おいて、前記二次電池の抵抗を測定し抵抗値の変化量と
    絶対値の信号を得るための抵抗測定部と、前記二次電池
    に出入りする電流量を積算して監視する電気量検出部
    と、抵抗測定部と、電気量検出部からの信号により前記
    二次電池の残存容量を判断する演算部とを含むことを特
    徴とする二次電池装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記二次電池の抵抗と
    して0.5 〜50kHzの交流抵抗を測定するための交
    流電源と抵抗検出機能を備えた抵抗測定部とを有する二
    次電池装置。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記電気量検
    出部からの信号に基づいて残存容量を推定するとともに
    前記抵抗測定部からの信号が抵抗の増加を示した時は、
    その信号を優先して容量の低下を判断する演算部を設け
    た二次電池装置。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3において、前記二次
    電池の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの
    信号に基づいて抵抗測定値を補正する機能を備えた抵抗
    測定部を有する二次電池装置。
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