JP3346003B2 - イオン二次電池の容量検出方法 - Google Patents

イオン二次電池の容量検出方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えばリチウム・イ
オン電池のようなイオン二次電池の容量検出方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】リチウム・イオン電池は、負極に炭素電
極を用い、その電極内にリチウムがイオンの形で存在し
ているイオン二次電池である。このようなイオン二次電
池の容量検出方法としては、例えば、電池に負荷をかけ
て放電させ、その時の電流積算量によって電池容量を検
出する方法がある。また、特開昭64−59090号公
報に記載のように、温度補正を加えた電池電圧よって電
池残存容量を求める方法も提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の容量検出方法においては、電池を全て放電
させなければ、その放電容量がわからない、という問題
があった。また、上記特開昭64−59090号公報に
記載の方法では、電池電圧から電池容量を求めるため、
劣化などに応じて変化する電池の総容量を検出すること
が出来ない、という問題があった。本発明は、上記のご
とき従来技術の問題を解決するためになされたものであ
り、短時間で正確に総容量および残存容量を検出するこ
との出来るイオン二次電池の容量検出方法を提供するこ
とを目的とする。
【0004】上記の目的を達成するため、本発明におい
ては、特許請求の範囲に記載するように構成している。
すなわち、請求項1に記載の発明においては、電池容量
と電池電圧の特性が直線関係になる範囲を有するイオン
二次電池を任意の時間のあいだ放電または充電したとき
における放電または充電前の電池電圧Vと放電または
充電後の電池電圧V、および上記放電または充電中の
電流を積算して求めた積算容量Qにより、下記(数1)
式を用いて電池の総容量を、下記(数2)式を用いて残
存容量を、それぞれ求めるものである。 総容量=Q×(V−V)/|V−V| …(数1) 残存容量=Q×(V−V)/|V−V| …(数2) また、請求項2に記載の発明においては、電池容量と電
池電圧の特性が直線関係になる範囲を有するイオン二次
電池を複数個直列に接続した組電池において、上記組電
池の全体について任意の電気量Qを放電または充電さ
せ、そのときの各単電池の電圧の下降値または上昇値か
ら、上記(数1)式を用いて各単電池の総容量を、上記
(数2)式を用いて各単電池の残存容量を、それぞれ求
めるものである。なお、任意の電気量Qは(数1)式、
(数2)式の積算容量Qに相当し、また、上記の下降値
または上昇値は|V−V|に相当する。また、請求
項3に記載の発明においては、放電または充電の停止時
点から電池電圧が安定するまでの緩和時間中における経
過時間と電池電圧との特性を示すデータを記憶手段に予
め記憶しておき、上記データに基づいて、放電または充
電の停止時点からの経過時間に対応して安定後の電池電
圧を予測し、その値を上記放電または充電後の電池電圧
として用いることにより、上記(数1)式を用いて
総容量を、上記(数2)式を用いて残存容量を、それぞ
れ求めるように構成している。なお、上記緩和時間中に
おける経過時間と電池電圧との特性を示すデータは、例
えば後記(数3)式および図3に示すごとき特性であ
る。
【0005】
【作用】後記図2に示すように、リチウム・イオン電池
のごときイオン二次電池においては、電池容量と電池電
圧とに直線関係がある。したがって電池の残存容量がど
のような値でも、任意の時間のあいだ放電または充電し
たときの電流積算量Qと放電または充電前の電圧V1
放電または充電後の電圧V2より、請求項1に記載のご
とく、(数1)式から総容量を、(数2)式から残存容
量を求めることができる。なお、総容量とは、満充電時
BR>の残存容量(100%時の値)である。また、複数
個の単電池を直列に接続した組電池においては、放電ま
たは充電時に流れる電流は全ての単電池において同じ値
であるが、それによって生じる電池電圧の変化は、各単
電池の容量に応じて異なっている。したがって、請求項
2に記載のごとく、任意の電気量Qを放電または充電さ
せた場合における各単電池の電圧変化|V1−V2|を測
定することにより、各単電池ごとの容量を検出すること
が出来る。また、請求項3においては、放電または充電
の停止時点から電池電圧が安定するまでの緩和時間中に
おいて、予め記憶しておいた緩和時間中における経過時
間と電池電圧との特性を示すデータから電池電圧が安定
したときにおけるV2の値を予測し、それを用いて短い
停止時間中でも残存容量を検出することが出来るように
構成したものである。
【0006】
【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の容量検出方法の概念を示すブロック図
である。図1において、1はリチウム・イオン電池のよ
うなイオン二次電池(以下、電池と略記する)であり、
放電または充電中における電流を検出する電流検出手段
2、電池1の電圧を検出する電圧検出手段3が接続さ
れ、さらに電流検出手段2と電圧検出手段3は演算手段
4に接続されている。この演算手段4は電流検出手段2
からの出力と電圧検出手段3からの出力により、電池の
総容量および残存容量を算出する。この演算手段4によ
って算出された電池容量は表示手段5で表示される。な
お、電流検出手段2は、例えば放電または充電の電流路
に直列に低抵抗を接続し、その両端の電圧を増幅回路を
介して出力する手段を用いることが出来る。また、電圧
検出手段3は、例えば電池1の端子電圧をバッファ回路
を介して出力する手段を用いることが出来る。また、演
算手段4は、例えばマイクロコンピュータで構成するこ
とが出来る。また、表示手段5は、例えば液晶表示器の
ような表示装置、或いはハードコピーを出力するプリン
タ等を用いることが出来る。
【0007】次に作用を説明する。
【0008】電池1を任意の時間のあいだ放電または充
電する。そして演算手段4は、その間に電流検出手段2
で検出された電流値の積算量を演算し、かつ電圧検出手
段3で検出された電圧から放電または充電の前と後の電
圧値を演算し、それらに基づいて、電池の総容量と残存
容量を算出する。次に、上記の算出方法について説明す
る。図2は、イオン二次電池における電圧Vと電池容量
(%)との関係を示す特性図である。図2に示すよう
に、負極に結晶化度の低い炭素材料を用いたイオン二次
電池は、電池容量と電池電圧とに直線関係がある。した
がって電池の残存容量がどのような値でも、任意の時間
のあいだ放電または充電したときの電流積算量Qと、放
電または充電前の電圧V1、放電または充電後の電圧V2
より、次式によって総容量と残存容量を求めることがで
きる。なお、総容量とは、図2から判るように満充電時
の残存容量(100%時の値)である。 総容量=Q×(VM−V0)/|V1−V2| …(数1) 残存容量=Q×(V2−V0)/|V1−V2| …(数2) ただし、VM:満充電状態での電池電圧 V0:残存容量を0とみなす電池電圧 なお、残存容量を0とみなす電池電圧V0は、厳密に化
学的な意味における残存容量0ではないが、それ以上の
放電を行なうと過放電状態となって実質的にそれ以上放
電出来ない値であり、予め設定した値である。
【0009】また、図2に示す直線は温度によって変化
する。したがって電池温度を検出して温度補償を行なう
ことにより、より正確に容量を検出することができる。
例えば、温度が上昇すると電池電圧も上昇するので、基
準温度からの偏差に応じて検出した電圧を補正してやれ
ばよい。ただし、上記の温度による電池電圧の変化は、
0.01V/10℃以内であり、測定誤差や、検出の簡
便さを考えると、温度補正は必ずしも必要ではない。
【0010】次に、第2の実施例について説明する。こ
の実施例は、イオン二次電池を複数個直列に接続した組
電池に関するものである。組電池においては、環境条件
の違い等によって各単電池ごとに容量が異なってくる。
しかし、従来方法では組電池における各単電池個々の容
量を測定することはできなかった。本実施例において
は、組電池全体に任意の電気量Qを短時間の間に放電ま
たは充電し、その時の各単電池の電圧下降値または上昇
値を測定する。この電圧下降値または上昇値は、前記
(数1)式、(数2)式における|V−V|に相当
し、上記電気量Qは電流積算量Qに相当する。したがっ
てそれらの値を用いて前記(数1)式、(数2)式から
各単電池の容量を簡単に求めることができる。なお、上
記の任意の電気量Qを放電するには、短時間のあいだ組
電池に抵抗器を接続して放電させ、そのときの電流値を
測定し、上記時間と電流との積を求めればよい。また、
その時点における総容量と規格容量(厳密には各単電池
ごとに多少異なる新品時の容量)との比が容量劣化率で
あるから、各単電池の容量から各単電池毎の容量劣化
率も求められる。そのため容量の少なくなった単電池を
早期に発見することが可能である。
【0011】次に、第3の実施例について説明する。こ
の実施例は、放電または充電の停止時点から電池電圧が
安定するまでの緩和時間中において、残存容量を検出す
る方法である。前記(数1)式、(数2)式における放
電または充電後の電池電圧V2は、放電または充電後に
電池電圧が安定したときにおける値である。しかし、放
電または充電後に電池電圧が安定するまでには時間がか
かり、イオン二次電池の場合、放電末期には2週間以上
かかることもある。したがって放電または充電後に電池
電圧が完全に安定するまで待つことは実用的でない。特
に、電気自動車の場合には、走行しているときの電流値
を積算して電気量Qを求め、停止しているとき(電流値
が0のとき)の電圧Vを用いて前記(数2)式から電池
の残存容量を求めるようになっている。この停止時間は
一般に短いので、放電または充電の停止時点から電池電
圧が安定するまでの緩和時間の間に安定後の電池電圧を
推定する必要がある。
【0012】図3は、緩和時間と放電後の電池電圧との
関係を示す特性図である。図3の曲線は一般的には下記
(数3)式で表わされ、各パラメータを予め求めておく
ことにより、安定後の電池電圧を推定することが可能で
ある。 電圧差η=iRe〔1−exp(−t/Re・CdL)〕 …(数3) ただし、Re:電荷移動抵抗、 CdL:二重層容量 i:放電または充電時の電流 t:放電または充電停止後の経過時間 なお、電荷移動抵抗Reと二重層容量CdLは、電池を抵
抗と容量との直列回路モデルとして表現した場合におけ
る抵抗と容量に相当する。また、電位差ηは放電または
充電停止後の経過時間tにおける電圧と安定後の電圧と
の差を示す。したがって、図3または(数3)式の特性
を演算手段4に記憶させておき、放電または充電停止後
の経過時間tからそのときの電位差ηを求め、そのとき
の電池電圧に加算することによって安定後の電池電圧を
推定し、その値を前記V2として用いることにより、
(数1)式、(数2)式から容量を算出することが出来
る。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載の
発明においては、任意の時間のあいだ放電または充電し
たときにおける放電または充電前の電池電圧V1と放電
または充電後の電池電圧V2、および上記放電または充
電中の電流を積算して求めた積算容量Qから電池の総容
量および残存容量を求めるように構成したことにより、
電池の総容量と残存容量を同時に検出することが出来る
と共に、算出方法が単純なため、容易かつ正確に容量を
検出できる、という効果が得られる。また、請求項2に
記載の発明においては、組電池を構成する各単電池の容
量を容易に検出することが出来る。という効果が得られ
る。また、請求項3に記載の発明においては、安定後の
電圧を予測することにより、短い停止時間中でも電池容
量を正確に検出することが出来る、という効果が得ら
れ、特に電気自動車用として実用上の利点が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の容量検出方法の概念を示すブロック
図。
【図2】イオン二次電池における電圧Vと電池容量との
関係を示す特性図。
【図3】緩和時間と放電後の電池電圧との関係を示す特
性図。
【符号の説明】
1…イオン二次電池 4…演算手段 2…電流検出手段 5…表示手段 3…電圧検出手段
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/42 - 10/48 G01R 31/36

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電池容量と電池電圧の特性が直線関係にな
    る範囲を有するイオン二次電池を任意の時間のあいだ放
    電または充電したときにおける放電または充電前の電池
    電圧Vと放電または充電後の電池電圧V、および上
    記放電または充電中の電流を積算して求めた積算容量Q
    により、下記(数1)式を用いて電池の総容量を、下記
    (数2)式を用いて残存容量を、それぞれ求めることを
    特徴とするイオン二次電池の容量検出方法。 総容量=Q×(V−V)/|V−V| …(数1) 残存容量=Q×(V−V)/|V−V| …(数2) ただし、V:満充電状態における電池電圧 V:残存容量を0とみなす電池電圧
  2. 【請求項2】電池容量と電池電圧の特性が直線関係にな
    る範囲を有するイオン二次電池を複数個直列に接続した
    組電池において、 上記組電池の全体について任意の電気量Qを放電または
    充電させ、そのときの各単電池の電圧の下降値または上
    昇値から、上記(数1)式を用いて各単電池の総容量
    を、上記(数2)式を用いて各単電池の残存容量を、そ
    れぞれ求めることを特徴とする請求項1に記載のイオン
    二次電池の容量検出方法。
  3. 【請求項3】放電または充電の停止時点から電池電圧が
    安定するまでの緩和時間中における経過時間と電池電圧
    との特性を示すデータを記憶手段に予め記憶しておき、
    上記データに基づいて、放電または充電の停止時点から
    の経過時間に対応して安定後の電池電圧を予測し、その
    値を上記放電または充電後の電池電圧Vとして用いる
    ことにより、上記(数1)式を用いて総容量を、上記
    (数2)式を用いて残存容量を、それぞれ求めることを
    特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン二次
    電池の容量検出方法。
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