JP3547686B2

JP3547686B2 - リチウムイオン電池の容量推定方法、劣化判定方法および劣化判定装置ならびにリチウムイオン電池パック

Info

Publication number: JP3547686B2
Application number: JP2000100654A
Authority: JP
Inventors: 薫朝倉; 敏郎平井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-04-03
Also published as: JP2001286064A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池の容量測定方法、劣化判定方法および劣化判定装置ならびにリチウムイオン電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池（以下、Ｎｉ／Ｃｄ電池と称す）に比べて体積当たり、あるいは重量当たり大幅な高エネルギー密度を有するニッケル水素電池（以下、Ｎｉ／ＭＨ電池と称す）やリチウムイオン電池（以下、Ｌｉイオン電池と称す）では、その内部に蓄えられているエネルギーが大きいため、電池の異常に伴って起こる事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【０００４】
また、鉛電池、Ｎｉ／Ｃｄ電池、およびＮｉ／ＭＨ電池が過充電による副反応で発生するガスを吸収する反応機構を有するのに対して、Ｌｉイオン電池には過充電により発生するガスの吸収反応を持たないなど安全性維持の点で大きな制約がある。さらに、複数のＬｉイオン電池を直列に配置して使用する場合には、電池の劣化が進行すると個々の電池特性のアンバランスが過充電や過放電をもたらし、安全性の点で大きな不安要素となりうる。
【０００５】
信頼性確保手段のひとつとして、搭載電池の的確な劣化状態の把握とタイムリーな電池の交換が挙げられる。Ｎｉ／ＭＨ電池やＬｉイオン電池の高エネルギー密度電池に関しては、１９９４年に提唱されたスマートバッテリーシステム（ＳＢＳ）が充電制御、残存容量判定などを含めたバッテリーマネジメントシステムとして、改良を加えながら普及してきている（ｗｗｗ．ｓｂｓ−ｆｏｒｕｍ．ｏｒｇ参照）。これらの電池制御・管理は、製造メーカ、電池種類などの情報の他、常時電池の電流、電圧、温度などをモニタする膨大な情報データ管理に基づく方法が採用されているのみであり、このような方式は極めて高価な方式であり、製品価格の高騰を来していた。
【０００６】
また、安全性維持の点で重要となる電池の劣化状態の監視については、Ｌｉイオン電池搭載の機器のモデルチェンジが頻繁に実施されていることもあって、使用時間の確保と監視を重視する余り、なおざりにされている傾向がある。
【０００７】
特に、ＳＢＳは電池の充電制御、残存容量などの制御・管理の手段であり、電池の劣化状態まで把握する機能は有しておらず、電池、または電池パックの交換は使用者の勘に頼っているのが現状であった。
【０００８】
ＳＢＳとは別に、ビデオカメラに搭載するＬｉイオン電池の制御・管理方式などが提案されているが、その方式においては、電池の劣化は、すでに測定された容量の表示から判断されるのみであり、充電の後に使用される電池が劣化しているか否かを正しく判定することは必ずしも可能でない。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その課題は、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な方法および装置、ならびに、電池の容量を推定し、必要に応じて電池の劣化を警告する手段を備えたＬｉイオン電池パックを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを求め、該時間ｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、上記リチウムイオン電池の公称容量をＣ _０としたときの上記定電流充電中の充電電流をＣ _０ /( ３０時間）以上Ｃ _０ /( １時間）以下として上記時間ｔを求め、該時間ｔを用い、該リチウムイオン電池の上記推定容量Ｃを関係式、
Ｃ / Ｃ _０＝Ａ×ｔ ^Ｂ（１）
（ここに、Ａ、Ｂは該リチウムイオン電池と上記電圧Ｖｓと該定電流充電中の充電電流とによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３時間以上１０日以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを、
環境温度を１０℃以上３０℃以下、および−１０℃以上５℃以下の２つとし、それぞれの設定温度の差が１５℃以上となるように設定して、
２回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔ _ｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ _ｎとを記録し、記録された該時間ｔ _ｎと該放電容量Ｃ _ｎとから、上記関係式（１）におけるＡ、Ｂの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【００１３】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
リチウムイオン電池の劣化判定方法であって、上記リチウムイオン電池の推定比容量Ｃを請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって算出し、該推定容量Ｃがあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに該リチウムイオン電池が劣化したと判定することを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定方法を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項３に記載したように、
リチウムイオン電池の劣化判定装置であって、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを測定する手段と、該時間ｔを用いて、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出する演算回路と、該演算回路によって算出された該推定容量Ｃがあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに該リチウムイオン電池の劣化を意味する信号を出力する手段とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定装置を構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項４に記載したように、
ＩＣを内蔵した充放電制御手段を備えたリチウムイオン電池パックにおいて、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣが、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の上記推定容量Ｃの算出に用いる数値を記憶するメモリと、該数値が該メモリに記憶された場合に該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の上記時間ｔと該数値とから請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該推定容量Ｃを算出する演算回路とを有していることを特徴とするリチウムイオン電池パックを構成する。
【００１６】
また、本発明においては、請求項５に記載したように、
上記演算回路によって算出された上記リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の上記推定容量Ｃが、該リチウムイオン電池のあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに、容量劣化を意味する警告を出力する手段を具備していることを特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン電池パックを構成する。
【００１７】
また、本発明においては、請求項６に記載したように、
上記警告が、電気信号による警告、文字または画像の表示による警告、信号音による警告または音声による警告であることを特徴とする請求項５に記載のリチウムイオン電池パックを構成する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法を図面を用いてさらに詳しく説明する。以下の説明において、「電池パック」とは、単電池、あるいは複数個の単電池を直列接続、並列接続、あるいは両者の併用によって接続したものを、安全制御回路あるいは充放電制御回路と一体化して「自立電源としての二次電池」としたものを意味する。
【００１９】
図１は、Ｌｉイオン電池の充電における電池電圧と電流値の経時変化を示した図である。図１において、該電池、または電池パック中のＬｉイオン電池（以下、これらをＬｉイオン電池と総称する）を、まず、定電流（ＣＣ）モードによって、所定の一定電流Ｉｃで、あらかじめ設定された上限電圧Ｖｃ（通常は４．１Ｖ／セル、または４．２Ｖ／セルである、ただし、「セル」は単電池を意味する）まで充電し、該設定電圧Ｖｃに充電電圧が到達した後、定電圧（ＣＶ）モードの充電が開始され、充電電圧（図１においては電池電圧と表示）はＶｃで一定のまま、充電電流値が時間とともに減衰する。
【００２０】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法においては、上記定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電において、定電流（ＣＣ）モードの充電中、放電終止電圧Ｖｄ以上で充電上限電圧Ｖｃよりも小となるようにあらかじめ設定された任意の電圧Ｖｓに電池電圧が到達してから、定電流モード充電が定電圧モードに切り替えられるまでの経過時間ｔをモニタし、この時間ｔを該Ｌｉイオン電池の容量の推定に用いる。
【００２１】
このような推定が可能となる理由について、以下に説明する。
【００２２】
Ｌｉイオン電池の充電過程においては、正極中のＬｉが正イオンとなって電解液中を移動して負極中に入り、放電過程においては、逆に、負極中のＬｉが正イオンとなって電解液中を移動して正極中に入る。
【００２３】
充電・放電の繰り返し、長期間の休止、あるいは過充電によって、正極の構成材料であるＣｏ、Ｎｉ化合物が電解液中に溶出したり、負極表面でＬｉと電解液とが化学反応して分解して不活性膜が生成したり、電極内にＬｉの反応物や電極反応に関わらなくなったＬｉが残留したり、電極構成物質の粒子の結合が劣化して、電子やイオンの移動が円滑に行われなくなる。これによって、電池の容量は低下し、それとともに、電池の内部抵抗は上昇し、充電時におけるＬｉイオンが正極から離脱して負極に到達し、負極内部に拡散する速度が低下する。このような状態においては、定電流（ＣＣ）モードの充電時間は、電池の内部抵抗が上昇しているので、短くなり、定電圧（ＣＶ）モード充電では、Ｌｉの負極内拡散が遅くなって、電流値の減少が遅くなる。
【００２４】
本発明者らは、上記の、容量の減少と定電流（ＣＣ）モード充電時間の短縮との間に成り立つ顕著な相関関係を発見し、本発明をなすに至った。
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（実施の形態１）
まず、請求項１に係る発明の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを求め、該時間ｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出する。
【００２６】
このような推定を可能とするためには、あらかじめ、上記推定容量Ｃと上記時間ｔとの相関関係を求めておく必要があるが、その方法としては、たとえば、次のような方法がある。すなわち、容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一構造、同一仕様（本明細書においては、これを同一種類と称する）のリチウムイオン電池を用意し、その電池を用いて充放電サイクルを繰り返し、各サイクルにおける上記時間ｔ_ｎと、放電電流を時間に関して積分して得た電池の放電容量Ｃ_ｎとの相関関係を求めておく（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）。この場合に、放電容量Ｃ_ｎの値は広い範囲にわたっていることがのぞましいので、その範囲が狭い場合には、同一種類で異なる容量を持つ複数のリチウムイオン電池を対象として、上記の方法を実行することがのぞましい。
【００２７】
上記の相関関係は、かならずしも解析的数式によって表現される必要はなく、たとえば、相関関係図における測定点間を直線で結んだ折線によって表現されていてもよい。
【００２８】
上記の相関関係として、解析的数式によって表現される相関関係を採用する場合には、上記の定電流充電中の充電電流Ｉｃに好ましい範囲がある。
【００２９】
なお、各充電の際に算出した該電池の上記推定容量Ｃの値を記録し、該推定容量Ｃと充電回数との関係を求めておけば、その関係を用いて、該電池の寿命、すなわち、劣化前に何回の再充電・再使用が可能であるか、を予測することができる。上記リチウムイオン電池が、同等ないしは類似の使用条件下で、充放電を繰り返して使用される場合には、この寿命予測は確度の高いものとなる。
本実施の形態においては、定電流充電中の充電電流Ｉｃに制限を設ける。充電電流Ｉｃに関する制限は、容量推定の対象とするリチウムイオン電池の公称容量をＣ_０として、
Ｃ_０/(３０時間）≦Ｉｃ≦Ｃ_０/(１時間）
と表される。この条件を、以下の説明においては、０.０３３ＣｍＡ以上１.０ＣｍＡ以下、と表す。
【００３０】
充電電流Ｉｃが上記の条件を満足すれば、上記関係式、すなわち、
Ｃ／Ｃ_０＝Ａ×ｔ^Ｂ（１）
（ここに、Ａ、Ｂは該リチウムイオン電池と上記電圧Ｖｓと上記充電電流Ｉｃとによって定まる正値定数である）が近似的に成立するので、この関係式によって、上記時間ｔを用いて上記推定容量Ｃを算出することができる。
【００３１】
上記充電電流Ｉｃが上記条件を満足しない場合には、上記関係式（１）によって上記推定容量Ｃを算出することは好ましくなくなる。すなわち、充電電流Ｉｃが上記制限範囲よりも小さい場合には、充電が十分に行われなかったり、自己放電の影響が無視できなくなったり、上記関係式（１）による算定容量が実際の容量と異なってしまう。また、充電電流Ｉｃが上記制限範囲よりも大きい場合には、充電所要時間自体が短く、上記時間ｔの測定値に大きな誤差を生じたり、劣化による充電時間の変化が異なる場合があり、同様に、正確な容量推定が困難となる。
【００３２】
しかしながら、ほとんどすべてのＬｉイオン電池搭載機器および充電器に適用されている充電電流値は上記の条件範囲内にあるので、通常の条件下で使用されるＬｉイオン電池に対しては、本実施の形態による容量推定方法が有効となる。
【００３３】
これ以外の範囲の電流値を採用する機器および充電器は、特殊な用途、例えば緊急時に使用するために超急速充電を必要とする場合など、きわめて限定された用途のみに用いられるものであり、本発明の容量推定方法をほとんど必要としない機器および充電器である。
【００３４】
上記関係式（１）は、これを適用するＬｉイオン電池の搭載機器または充電器の充電条件における定電流（ＣＣ）モード充電中の上記時間ｔと、その条件下における推定比容量Ｃ／Ｃ_０との関係であることを前提としている。もし、関係式（１）を作成したときのＣＣモードの充電電流値と、電池搭載機器または充電器のＣＣモードの充電電流値が異なる場合には、あらかじめ別途、それぞれの充電条件下において上記時間ｔを求めておき、関係式（１）作成時の条件における上記時間ｔｅと搭載装置または充電器に相当する条件下での上記時間ｔｍとの比ｔｅ／ｔｍを実測された時間に乗じたものを上記関係式（１）に代入する。
【００３５】
なぜならば、ＣＣモード充電における充電率（全充電期間におけるＣＣモード充電の充電割合）は電流値が小さいほど大きくなり、そのため、電流値が小さいほど充電達成率が大きくなるからである。また、その割合は、電池サイズ、電池形状、製造メーカ、電池構成材料などによって異なるため、別途、実際に試験を実施して電流値の影響を把握する必要がある。
【００３６】
上記関係式（１）を作成するためには、関係式（１）中の定数ＡおよびＢの値を決定しなければならない。そのためには、すでに説明したように、容量推定の対象となるＬｉイオン電池と同一種類の電池または電池パックを用いて上記定数ＡおよびＢの値を決定するのが最も妥当である。なぜならば、市販のＬｉイオン電池は、使用する正極活物質、負極カーボンおよび電解液の種類が多様であり、電池の劣化に伴う充電電圧挙動の変化だけでなく、初期の電池の充電挙動も異なっているからである。
【００３７】
本実施の形態においては、容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、１回の全充電時間が３時間以上１０日以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを２回以上繰り返して、各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔ_ｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ_ｎとを記録し、記録された該時間ｔ_ｎと該放電容量Ｃ_ｎとから、上記関係式（１）におけるＡ、Ｂの値を確定し、それらの値を用いて、上記推定容量を算出する。
【００３８】
より具体的なＡ、Ｂの値の確定方法について以下に説明する。
【００３９】
劣化判定の対象となる同種の電池、または電池パックを用い、環境温度を１０℃以上３０℃以下、および−１０℃以上５℃以下の２つとし、それぞれの設定温度の差が１５℃以上となるように設定した２種類の充放電サイクル試験により、関係式（１）の作成に必要なデータを取得するものである。
【００４０】
試験を１０℃以上３０℃以下、および−１０℃以上５℃以下の２つとし、それぞれの設定温度の差が１５℃以上となるように設定した２種類の環境下で別個に実施する理由は、実際にＬｉイオン電池を搭載し、劣化判定を行う環境温度、またはそれに極めて近い温度での特性を関係式（１）に反映して高精度化を確保するとともに、これより１５℃以上の低温での試験を実施することにより、電池の劣化が大きく進行した場合と同様の極めて低い容量での電池特性データを取得するためである。もし、使用環境、またはそれに近い１０℃以上３０℃以下の１種類のみの温度下での試験では、電池の劣化が進むまでに膨大な時間を必要とし好ましくない。
【００４１】
関係式（１）を作成するための該充放電サイクル試験は、搭載機器の充電上限電圧Ｖｃ、および放電終止電圧Ｖｄと同一条件の電圧範囲を設定し、搭載機器の充電電流値と同一か、または、０．０３３ＣｍＡ以上１．０ＣｍＡ以下の任意の充電電流値を設定して行う。
【００４２】
また、１サイクル当たりの充電時間は、試験環境温度を１０℃以上３０℃以下に設定した試験では３時間以上１０日以下、好ましくは３日以上１０日以下に設定する。１サイクル当たりの充電時間を３時間以上１０日以下、好ましくは３日以上１０日以下に設定することにより、サイクルごとの電池の劣化が適度に進み、精度の高い関係式（１）を作成するために必要なデータを効率的に取得できる。
【００４３】
３時間未満の充電時間の場合、Ｌｉイオン電池の劣化の進行が遅く、精度の高い関係式（１）を作成するためのデータ取得に数百サイクルを必要とし、膨大な時間を浪費することになり、また場合によっては充電不足となり、劣化と充電不良とが混在して、正しい劣化と特性の把握が不可能となり、いずれも好ましくない。
【００４４】
また、１サイクル当たりの充電時間を１０日より長く設定すると１サイクル当たりの経過時間が長くなり、データ取得に時間がかかってしまい、同様に好ましくない。
【００４５】
一方、試験環境温度を−１０℃以上５℃以下に設定した場合は、上記１０℃以上３０℃以下での試験より１サイクル当たりの充電時間を短く、３時間以上２４時間以下、好ましくは３時間以上１２時間以下に設定する。その理由は、低温下での充放電の場合、室温付近での充放電と異なり、設定電圧範囲内での充電における過充電による電池劣化の程度が小さくなるためである。従って、上記低温試験の場合、一定試験期間内での充放電サイクル数を増加させることにより、電池の劣化を促進させる。充電時間上限を１２時間とすればさらにその効果が増す。
【００４６】
充電時間が２４時間（１日）より長いとサイクル数が減少し、電池の劣化が進まなくなり好ましくない。また、充電時間が３時間未満であると充電不足となり、電池の劣化が促進されなくなり、同様に好ましくない。
【００４７】
上記充放電サイクル試験における放電電流値は、０．５ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定する。下限電流を１．０ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定すればさらに効率のよいデータ取得が可能となる。０．５ＣｍＡ未満の低放電電流の場合、完全放電に時間がかかり好ましくない。また、２．０ＣｍＡより大きな放電電流では、放電時間自体が短くなりすぎ、放電容量の測定値にばらつきが生じたり、劣化が進むと、容量が急激に低下して精度の高い関係式（１）を作成することができなくなるため好ましくない。
【００４８】
上記充放電サイクル試験の実施に当たっては、装置の設定の制約などにより、必要ならば充電と放電との間に一定時間の休止を設定する。
【００４９】
上記関係式（１）を作成するために実施する充放電サイクル試験においては、各サイクルごとに、充電の定電流（ＣＣ）モード充電における放電終止電圧Ｖｄ以上で充電上限電圧Ｖｃよりも小である使用電圧範囲内の任意の電圧ＶｓからＣＣモード充電が終了するまでの時間ｔ_ｎと、引き続く放電の際の放電容量Ｃ_ｎ（放電電流を時間に関して積分して求める）とを各充放電サイクルごとに測定する（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）。測定した時間ｔ_ｎと容量Ｃ_ｎとをプロットし、関係式（１）に適用して定数ＡおよびＢを決定する。
【００５０】
上記充放電サイクル試験は、劣化判定結果を実容量の±２０％以内の高精度とするために必要な時間ｔと容量Ｃのデータを充足するため、２サイクル以上実施する。１サイクルのみであると、関係式（１）の定数ＡおよびＢの決定に対して、わずか２点のデータのみが使用できるだけとなり、高精度の劣化判定が不可能となって好ましくない。
（実施の形態２）
つぎに、請求項２に係る発明の実施の形態について説明する。
【００５１】
上記実施の形態１における方法によって、Ｌｉイオン電池の推定容量Ｃを算出し、その推定容量Ｃを、あらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎと比較して、Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎとなった場合に、該Ｌｉイオン電池が劣化したと判定する。ただし、この比較は、これと同等の、推定比容量Ｃ/Ｃ_０（ここに、Ｃ_０は公称容量である）と限界比容量Ｃ_ｍｉｎ/Ｃ_０との比較によって行ってもよい。たとえば、実施の形態１においては、Ｃ/Ｃ_０が関係式（１）によって直接算出されるので、この比較のほうが好都合である。
【００５２】
限界容量Ｃ_ｍｉｎとしては、たとえば、公称容量Ｃ_０の６０％の値を用いる（この場合には、Ｃ_ｍｉｎ/Ｃ_０＝０.６となる）。
（実施の形態３）
つぎに、請求項３に係る発明の実施の形態について説明する。
【００５３】
上記実施の形態２における劣化判定方法を実行可能とする装置全体が本実施の形態を構成する。たとえば、リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した
時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを測定する手段と、該時間ｔを用いて、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出する演算回路と、該演算回路によって算出された該推定容量Ｃ（または推定比容量Ｃ/Ｃ_０）があらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎ（または限界比容量Ｃ_ｍｉｎ/Ｃ_０）よりも小となったときに該リチウムイオン電池の劣化を意味する信号を出力する手段とを備えている装置が本実施の形態となる。
【００５４】
さらに具体的な本実施の形態を図２に示す。
【００５５】
図２は、Ｌｉイオン電池を搭載する装置の一般的な電源部周辺の一構成概念を示したものであり、１は電源部であり、電源部１には、Ｌｉイオン電池２ａ、２ｂ、２ｃが搭載され、これらの電池２ａ、２ｂ、２ｃは電源部１内の電池制御部３で充放電、安全に関する制御がなされる。４は電源部１内の充電器であり、電池制御部３で制御をうけて電池２ａ、２ｂ、２ｃを充電する。５は論理部であり、論理部５には、インターフェイス６とＣＰＵ７とメモリ８とキーボードコントローラ９とがあり、電池制御部３はインターフェイス６を介してＣＰＵ７と繋がり、搭載電池２ａ、２ｂ、２ｃに関する情報や制御の実施の指示を受け、逆に、電池制御に関するデータをＣＰＵ７に送出する。論理部５内において、ＣＰＵ７とメモリ８とは、制御の指示、データの演算、電池の制御に関する情報の蓄積、データの記憶などを行う。電池２ａ、２ｂ、２ｃのＩＤ入力などはキーボードコントローラ９を介して行う。キーボードコントローラ９にはデータ送出のための配線１０が接続されている。
【００５６】
本発明における関係式（１）はＣＰＵ７の空きメモリなどにあらかじめ入力されるか、あるいは必要ならばＣＰＵ７に加えてメモリチップを増設して入力される。ＣＰＵ７は、電池制御部３に、定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、使用電圧範囲内の電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの時間ｔを測定する指示を行い、逆に、電池制御部３から充電時間ｔのデータを受け取る。さらに、ＣＰＵ７は、受け取った時間ｔを関係式（１）に代入して演算を行い、推定容量Ｃ（または推定比容量Ｃ/Ｃ_０）の値を算出する。必要ならば、この推定容量Ｃ（または推定比容量Ｃ/Ｃ_０）の値をメモリ８に記憶させる。この推定容量Ｃ（または推定比容量Ｃ/Ｃ_０）の値を、あらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎ（または限界比容量Ｃ_ｍｉｎ/Ｃ_０）の値と比較して、Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎ（またはＣ/Ｃ_０＜Ｃ_ｍｉｎ/Ｃ_０）となった場合に、該Ｌｉイオン電池が劣化したと判定する。劣化判定結果は、システムマネジメントバスなどの適当な配線１０を介して装置本体に入力する。装置本体は、その入力に応じて、劣化判定結果を装置本体の表示部に表示したり、必要に応じて、信号音または音声などによる警告を発出する。このようにして、本発明におけるＬｉイオン電池の劣化判定機能を有する装置を構成することができる。ただし、上記概念になるＬｉイオン電池の劣化判定が実施できれば、何ら上記の構成に限定されることはない。
（実施の形態４）
つぎに、請求項４、５または６に係る発明の実施の形態について説明する。
【００５７】
本実施の形態の一例を図３によって説明する。図３はＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成を示した図であり、Ｌｉイオン電池（１２−１、１２−２、１２−３）を３セル直列にして搭載した場合を示している。
【００５８】
図３において、１１は電池パック本体であり、１２−１、１２−２、１２−３はＬｉイオン電池である。１３は保護用ＩＣであり、電圧、電流、温度などのモニタ、ソフト的な安全制御を行う。１４−Ａ、１４−Ｂ、１４−Ｃ、１４−１、１４−２、１４−３はパック本体１１内、および各電池の充電電流制御を目的とするＦＥＴであり、１５は温度ヒューズであるＰＴＣ素子、１６は電流ヒューズであり、それぞれ温度上昇時、異常大電流時に電流を遮断する役目を負う。１７はプラス端子、１８はマイナス端子であり、１９は情報出力、コントロールのための端子である。
【００５９】
図３において、上記安全機構の保護用ＩＣ１３内にタイマーを搭載し、空きメモリに上記関係式（１）をあらかじめ入力しておき、図３におけるＬｉイオン電池１２−１、１２−２、１２−３の両端の電圧を端子ＶｃｃとＶｓｓとにより保護用ＩＣ１３がモニタし、充電の定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、放電終止電圧Ｖｄ以上で充電上限電圧Ｖｃよりも小となるようにあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を該関係式（１）に代入、演算して推定容量Ｃを算出する。必要ならば、保護用ＩＣ１３とは別にパック内の適当な位置に増設ＩＣを設けることもできる。算出された推定容量Ｃ（または推定比容量Ｃ／Ｃ_０）があらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎ（または限界比容量Ｃ_ｍｉｎ／Ｃ_０）よりも小となった場合に、容量劣化を意味する警告（この場合には電気信号による警告）を、端子１９を通して、適当なディスプレイ、あるいは警告音などに表示、発出するために、パックを搭載している装置本体に出力する。
【００６０】
また、Ｌｉイオン電池パックを搭載する上記装置本体に劣化を警告する手段が設けられていない場合には、パック自体がこの警告を、たとえば、文字または画像の表示、信号音あるいは音声などによって出力する手段を備えていれば好都合である。そのようなＬｉイオン電池パックは、本発明と従来技術とを併用することによって作製可能である。
【００６１】
このように、既存のＬｉイオン電池パックの最小限の変更によって、本発明に係る劣化判定方法を実行する手段を具備したＬｉイオン電池パックを提供することが可能となる。ただし、上記概念になるＬｉイオン電池の劣化判定が実施できれば何ら上記の構成に限定されることはない。
【００６２】
本発明におけるＬｉイオン電池の劣化判定方法、および該劣化判定機能を具備したＬｉイオン電池の適用対象としては、特に高信頼性を必要とする機器が考えられ、該劣化判定によって的確な電池の劣化状態を把握しタイムリーな電池の交換を実現することによって、機器のトラブルを回避することができる。しかしながら、Ｌｉイオン電池を搭載する機器であれば何ら上記劣化判定の方法、および劣化判定機能を具備したＬｉイオン電池を採用することに問題はなく、しかもムダのない電池交換を実現することができるため使用する利点はきわめて大きい。
【００６３】
【実施例】
以下に、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法、劣化判定方法および劣化判定装置ならびにＬｉイオン電池パックについて、さらに具体的に、実施例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
（実施例１）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）について、データ収集・保管機能を有する電池充放電自動試験装置を用いて、試験温度を２５℃および０℃の２種に設定し、充電電流値６００ｍＡ（充電電流率１．０Ｃ、１．０ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、２５℃の試験温度では充電時間７日間、０℃の試験温度では充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流値６００ｍＡｈ（放電電流率１．０Ｃ、１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電と放電との間に休止を１時間はさんだ充放電サイクル試験を５サイクル実施し、各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔと、公称容量に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）を測定した（この場合、上記電圧ＶｓはＣＣモード充電開始時の充電電圧に等しい、としている）。
【００６４】
求めたデータを図４に示す。図４は、上記充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０の関係を示した図であり、図中４−Ａは２５℃における結果の集団、４−Ｂは０℃における結果の集団である。これらのデータから、推定比容量Ｃ／Ｃ_０を表す時間ｔの関数関係式（１）の定数ＡおよびＢを求め、以下の関係式（２）を作成した。
【００６５】
Ｃ／Ｃ_０＝１．０６７×ｔ^{０．２２８} （２）
上式（２）におけるｔは、厳密には、ｔ／（１時間）、すなわち、時間を単位として、ｔを無次元数で表したものでなければならないが、これを、便宜上、単にｔで表す。以下の式においても同様とする。
【００６６】
上記関係式（２）が表す関係を図４の４−Ｃに示す。
【００６７】
これとは別に、同種の角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を用意し、充電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流６００ｍＡ／１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電・放電の間に１０分間の休止をはさんだ充放電サイクルを実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と、公称容量６００ｍＡｈに対する放電容量Ｃ_ｎの比、すなわち比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録し、上記に示した関係式（２）の妥当性を検討した。
【００６８】
結果を図５に示す。図５は、上記充放電サイクルで求めたＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０との関係を示した図であり、１１サイクル目までのデータをプロットしている。また、図５には、図４により求めた関係式（２）が表す関係を示す曲線を５−Ａで、この関係式の値より２０％高い価（すなわち誤差＋２０％）を示す曲線を５−Ｂで、逆に関係式の値より２０％低い値（誤差−２０％）を示す曲線を５−Ｃで併せて示してある。
【００６９】
図５に示したように、データは全て誤差±２０％以内に収まり、しかも関係式（２）の曲線５−Ａは該データ点に極めて近接しており、優れた劣化判定結果を示していることが判る。
（実施例２）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を用いて、データ収集・保管機能を有する電池充放電自動試験装置により、上記実施例１の関係式作成のための試験と同一条件の充放電サイクル試験を実施し、同様に各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔ（ｈｒ）と、公称容量に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０を測定した。０℃と２５℃の２つの試験より取得したデータから、それぞれ１データずつを用いてＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量Ｃ／Ｃ_０の関係式（１）の係数ＡおよびＢを決定し、関係式、
Ｃ／Ｃ_０＝１．０８９×ｔ^{０．１１４} （３）
を作成した。
【００７０】
これとは別に、同種の角形Ｌｉイオン電池（公称容貴６００ｍＡｈ）を用いて、充電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流６００ｍＡ（１０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電・放電の間に１０分間の休止をはさんだ充放電サイクルを１２サイクル実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃ_ｎの公称容量６００ｍＡｈに対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録した。
【００７１】
こうして求めた充放電サイクル試験結果に、作成した関係式（３）を適用し、最大・最小誤差を求めた。その結果、最大誤差−２１．７％、最小誤差−１．０％であった。
【００７２】
同様にして、２データずつ、３データずつ、５データずつ、１０データずつ、１１データずつ、および１５データずつを用いて作成したそれぞれの関係式を上記試験結果に適用して、それぞれ最大・最小誤差を求め、データ数による作成関係式の精度を検討した。
【００７３】
結果を図６に示す。すなわち、図６は、関係式作成に用いたデータ数（図中データポイント／試験と表示）と誤差の絶対値幅を示した図であり、上限が最大誤差（絶対値）下限が最小誤差（絶対値）を示すものである。
【００７４】
図６から明らかなように、０℃と２５℃の各試験から２データずつ以上で作成した関係式によると誤差が±２０％以内に収まり高精度の関係式が得られることがわかった。各試験１データずつのみで作成した関係式によると、誤差が±２０％を越える場合が生じ、好ましくない。また、１１データずつ以上で作成した関係式によると２データ以上１０データ以下の精度とほとんど変わりがないことが明らかとなった。
（実施例３）
Ｌｉイオン電池の関係式を作成するために、実施例１で用いたものと同種のＬｉイオン電池を用い、０℃、および２５℃における試験とも、充電電流値６００ｍＡ（充電電流率１．０Ｃ、１．０ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間７日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電とし、放電を、電流値６００ｍＡｈ（放電電流率１．０Ｃ、１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電とし、充電と放電との問に休止を１時間はさんだ条件下で５サイクル実施し、各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔ（ｈｒ）と、公称容量に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０を測定した。この結果をもとに関係式を作成したところ、
Ｃ／Ｃ_０＝１．０１５×ｔ^{０．０７９４} （４）
を得た。
【００７５】
上記関係式を作成するために用いたものと同種の使用済みの角形Ｌｉイオン電池を回収し、充電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電・放電の間に１０分間の休止をはさんだ充放電サイクルを３サイクル実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量の公称容量６００ｍＡｈに対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録した。
【００７６】
得られた結果に関係式（４）を適用して、その精度を検討した。
【００７７】
結果を図７に示す。すなわち、図７は、上記劣化電池のＣＣモード充電所要時間ｔと比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０との関係を示した図であり、図中、７−Ａは上記関係式（４）を示す曲線であり、７−Ｂは比較のために示した実施例１において作成した本発明における関係式（２）を示す曲線であり、７−Ｃは、関係式（４）より２０％少ない値を示す曲線、すなわち、誤差−２０％を示す曲線である。
【００７８】
図７より明らかなように、比較例として示した本発明における関係式（２）を示す曲線７−Ｂは、得られたデータのすべてに極めて近接して存在し、高い判定精度を示しているのに対して、本実施例で求めた関係式（４）では、データから大きくはずれており、しかも誤差−２０％を下回る位置にデータが存在することになり誤差が大きく好ましくないことがわかる。すなわち、本実施例で求めた関係式（４）よりも、実施例１において作成した関係式（２）のほうが、容量推定に適していることが判る。
（実施例４）
Ｌｉイオン電池の関係式を作成するために、実施例１で用いたものと同種のＬｉイオン電池を用い、０℃、および２５℃における試験とも、充電電流値６０ｍＡ（充電電流率０．１Ｃ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電とし、放電を、電流値６００ｍＡ（放電電流率１．０Ｃ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電とし、充電と放電との間に休止を１時間はさんだ条件で５サイクル実施し、各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔ（ｈｒ）と、公称容量に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０を測定した。この結果をもとに関係式を作成したところ、
Ｃ／Ｃ_０＝１．０４６×ｔ^{０．２１９} （５）
を得た。
【００７９】
上記関係式（５）を作成するのに用いたものと同種の別の使用済みの角形Ｌｉイオン電池を調達し、充電電流６０ｍＡ（０．１ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流６００ｍＡ／１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電と放電との間に１時間の休止をはさんだ充放電サイクルを４サイクル実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃ_ｎの公称容量Ｃ_０（６００ｍＡｈ）に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録した。
【００８０】
得られた結果に関係式（５）を適用して、その精度を検討した。
【００８１】
結果を図８に示す。すなわち、図８は、上記劣化電池のＣＣモード充電所要時間ｔと比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０との関係を示した図であり、図中、８−Ａは上記関係式（５）を示す曲線であり、８−Ｂは比較のために示した実施例１において作成した本発明における関係式（２）を示す曲線である。
【００８２】
図８より明らかなように、本実施例で求めた関係式（５）と実施例１で求めた比較例の関係式（２）は、ともにデータのすべてに近接して存在し、いずれも高い判定精度を示しているが、比較例として示した実施例１の関係式（２）の方が本実施例で求めた関係式（５）より、より高い精度の劣化判定を可能にすることが判る。従って、関係式を求めるために実施する、異なる２つの設定温度のうち高い温度に設定する試験では、充電時間を３時間以上１０日以下とするよりも３日以上１０日以下とすることがより好ましいことが判った。
（実施例５）
１８６５０サイズ円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１４００ｍＡｈ）を用いて、上限電圧を４．１Ｖに設定し、充電電流値を１４００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）に設定した定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電を行い、放電終止電圧を２．７５Ｖに設定し、放電電流値を２８００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）に設定した放電を行い、該充電と放電との間にそれぞれ１時間の休止を設定し、この充放電を繰り返すサイクル試験において、設定温度を３０℃と５℃の２種設定し、設定温度が３０℃の場合には、１サイクル当たりの充電時間を２．５時間以上１１日間以下の、下記表１に示した７つの値に設定し、設定温度が５℃の場合には１サイクル当たりの充電時間を５時間に設定して該試験を実施し、各充放電サイクルごとに３．５０ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃ_ｎの公称容量Ｃ_０に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録した。試験の実施期間を２１日間とし、この期間内に得られた３０℃での試験のデータと、それと同数の０℃におけるデータとからｔとＣ／Ｃ_０の関係式（１）の定数ＡおよびＢを決定して関係式を作成した。データ数が各試験５つずつ以上の場合はそれぞれ５つずつのデータから関係式を作成した。
【００８３】
これに加えて、上記試験条件のうち、試験温度３０℃における充電時間を７日間に設定した場合、充電電流値を別に４６ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）に設定した試験を行い、３．５ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間ｔを求め、１４００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）の試験の３．５ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間との換算比率を求めたところ、ｔ（１．０）／ｔ（０．０３３）＝０．０３０を得た。
【００８４】
これとは別に、１８６５０サイズの使用済み円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１３５０ｍＡｈ）を回収し、電池充放電自動試験装置に設定して、上限電圧を４．１Ｖに設定し、充電電流値を４４．６ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）に設定し、充電時間を７日間に設定した定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電を行い、次に、電流値を２７００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）に設定し、放電終止電圧を２．７５Ｖに設定した試験を行い、３．５０ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間ｔ’と放電容量Ｃ_ｍの公称容量Ｃ_０に対す比容量Ｃ_ｍ／Ｃ_０とを記録した。所要時間ｔ’から、ｔ＝ｔ’×（ｔ（１．０）／ｔ（０．０３３））＝０．０３０ｔ’
として求めたｔの値を、上記で求めた各関係式に代入して推定比容量Ｃ_ｅ／Ｃ_０を算出し、実測比容量Ｃ_ｍ／Ｃ_０との差の絶対値、
Ｅｒｒ＝（Ｃ_ｅ／Ｃ_０−Ｃ_ｍ／Ｃ_０）の絶対値
を求めた。
【００８５】
結果を表１に示す。
【００８６】
【表１】

表１は、本実施例において関係式を作成するための試験のサイクル当たり各充電時間と作成に使用した試験当たりのデータ数、作成した関係式、およびそれを適用した結果である判定誤差の絶対値を示した表である。
【００８７】
表１から明らかなように、本発明における関係式の条件である３時間以上１０日以下の充電時間においては、判定誤差はいずれも±２０％以内にあるという良好な精度を示した。これに対して、３時間未満、および１０日を越える充電時間での試験で作成した関係式では±２０％を越える大きな誤差を生じ、判定精度上問題があることが明らかになった。
（実施例６）
１８６５０サイズ円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１４００ｍＡｈ）を用いて、上限電圧を４．１Ｖに設定し、充電電流値を１４００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）に設定した定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電を行い、放電終止電圧を２．７５Ｖに設定し、放電電流値を２８００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）に設定した放電を行い、該充電と放電との間にそれぞれ１時間の休止を設定し、この充放電を繰り返すサイクル試験において、高温側設定温度を２０℃とし、低温側設定温度をそれぞれ、−１１℃、−１０℃、０℃、５℃、６℃、および１５℃に設定し、高温側設定温度（２０℃）では、１サイクル当たりの充電時間を７日間に設定し、低温側設定温度の各試験の場合には１サイクル当たりの充電時間を５時間に設定して該試験を２サイクル実施し、各充放電サイクルごとにＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃ_ｎの公称容量Ｃ_０に対する比容量Ｃ_ｎ／Ｃ_０とを記録した。高温（２０℃）での試験と、低温側の１つの試験より得られたそれぞれ２つずつのデータからｔとＣ／Ｃ_０の関係式（１）の定数ＡおよびＢを決定して６つの関係式を作成した。
【００８８】
これに加えて、上記試験条件のうち、２０℃での高温試験において、充電電流値を別に４６ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）に設定した試験を行い、３．５ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間ｔを求め、１４００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）の試験の３．５ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間との換算比率を求めたところ、ｔ（１．０）／ｔ（０．０３３）＝０．０２９を得た。
【００８９】
これとは別に、回収した１８６５０サイズの使用済み円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１３５０ｍＡｈ）を電池充放電自動試験装置に設定して、実施例５と同様の、上限電圧を４．１Ｖに設定し、充電電流値を４４．６ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）に設定し、充電時間を７日間に設定した定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電を行い、次に、電流値を２７００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）に設定し、終止電圧を２．７５Ｖに設定した試験を行い、３．５０ＶからＣＣモード充電完了までの所要時間ｔ’と放電容量Ｃ_ｍの公称容量Ｃ_０に対す比容量Ｃ_ｍ／Ｃ_０とを記録した。
【００９０】
所要時間ｔ’から、上記のように求めた充電電流値０．０３３ＣｍＡと１．０ＣｍＡとの時間の換算率ｔ（１．０）／ｔ（０．０３３）＝０．０２９を用いて、
ｔ＝ｔ’×（ｔ（１．０）／ｔ（０．０３３））＝０．０２９ｔ’
として求めたｔの値を、６つの各関係式に代入して推定比容量Ｃ_ｅ／Ｃ_０を算出し、実測比容量Ｃ_ｍ／Ｃ_０との差の絶対値、
Ｅｒｒ＝（Ｃ_ｅ／Ｃ_０−Ｃ_ｍ／Ｃ_０）の絶対値
を求めた。
【００９１】
結果を表２に示す。すなわち表２は、本実施例において関係式を求めるために行った低温側試験の試験温度と求めた関係式、さらにこれを適用して判定した結果である誤差の絶対値を示した表である。
【００９２】
【表２】

表２から明らかなように、関係式を求めるために実施する低温側試験の設定温度が−１０℃以上５℃以下であり、かつ高温側試験と低温側試験との設定温度の差が１５℃以上の場合、判定誤差は±２０％以内にあるという良好な結果を示した。
（実施例７）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）３本直列の電池パックの充電のため、充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流値６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電を終了するためのしきい値である収束電流値を６０ｍＡとした定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式で充電し、充電時に該電池パックの判定を行う機能を有する充電器を作製した。
【００９３】
作製した充電器の構成概念を図９に示す。すなわち、図９は本実施例において作製した充電器の構成を示した図であり、図中、充電器２０は商用電源２１に端子２２、および２３で接続される。また、充電器２０に対し、Ｌｉイオン電池パック２４が充電のために端子２５および２６に接続され装着されるようにした。充電器２０は、商用電源２１から供給される電気をＡＣ／ＤＣコンバータ２７によって直流に変換し、充電電流、パック電圧をモニタし、またサーミスタ２８により温度モニタを行いながら、電源マイコン２９、充電制御用マイコン３０により上述の充電条件と、過充電、過放電、異常大電流、異常電池温度上昇など危険状態を検知し回避するための制御を行い、電池パック２４を充電する。充電は、スイッチ３１により、充電完了時、あるいは異常を検知した時、停止される。充電の完了、何らかの異常は制御用マイコン３０から表示部３２に表示するようにした。表示部３２は、充電関係の表示を行うＬＥＤ（発光ダイオード、赤は充電中、緑は充電完了をそれぞれ表す）と、劣化判定結果を表示するＬＥＤ（赤は電池取りかえ、黄はまもなく電池取りかえ、緑は電池は取りかえ不要をそれぞれ表す）と、劣化判定結果の数値表示、異常の表示を行うＬＣＤ（液晶ディスプレイ）とから構成されている。
【００９４】
充電関係のＬＥＤでは、充電完了の場合のみ緑のＬＥＤが点灯し、充電中は赤のＬＥＤが点灯し、それ以外の異常を示す場合には両方とも点灯しない。
【００９５】
劣化判定結果を示すＬＥＤでは、劣化判定結果である推定比容量Ｃ／Ｃ_０の値が６０％未満の場合は赤のＬＥＤが点灯し、直ちに新しい電池パックに交換すべきであることを示す。また、推定比容量Ｃ／Ｃ_０の値が６０％以上７０％未満の場合には、まもなく、すなわち使用条件にもよるが、数カ月以内に電池パックを交換すべきであるため黄のＬＥＤを点灯させる。さらに推定比容量Ｃ／Ｃ_０の値が７０％以上の場合は、電池パックは新品か、相当長期間使用が可能で取りかえる必要がないため、緑のＬＥＤを点灯させる。
【００９６】
ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）は文字による情報を表示させることを目的として設置している。電池パックの装着不良をはじめ、安全性に関わる警告情報など、正常に充電を行うことが困難であることを示したり、劣化判定結果を数値で示したりする。また、商用電源の突然の停止の場合には、装着した電池パックの電圧が８．２５Ｖより高い場合のみ、装着電池パックから電流を供給して電源切れを表示するようにしてある。
【００９７】
本発明になる劣化判定は、充電制御用マイコン３０に、実施例１において作成した関係式（２）と、図１０に示したフロー手順をプログラムしてあらかじめ入力しておき、電池電圧のモニタリングを利用しながら内蔵タイマによりＣＣ充電時間ｔを測定し、上記関係式（２）に適用して、Ｌｉイオン電池パックの劣化判定を行い、表示部３２に判定結果を表示するようにした。
【００９８】
なお、本実施例の充電器の場合、充電は必ずしも完全放電後に行われるとは限らないため、充電制御用マイコン内にあらかじめ充電電圧の時間変化のデータを入力しておき、充電開始時の電池パック電圧をモニタし、８．２５Ｖ（２．７５Ｖ／セル）以上１２Ｖ（４．０Ｖ／セル）以下の０．１５Ｖきざみの電圧、
８．２５＋０．１５×ｎ（ｎは整数、０≦ｎ≦２５）
で示される、充電開始電圧より高く、この充電開始電圧に最も近い値から時間計測を開始し、充電上限電圧１２．３Ｖに到達しＣＣモード充電が完了するまでの時間ｔ”を計測して、上記入力データと比較演算を行って８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間ｔに換算して劣化判定を行うようにした。
【００９９】
図１０に示した、充電制御用マイコン３０に入力した劣化判定手順フローは以下の通りである。すなわち、
手順Ａ：充電器に電池パックを装着して充電を開始し、パック電圧をモニタする。パック電圧Ｖが
Ｖ＝８．２５＋０．１５×ｎ（ｎは整数、０≦ｎ≦２５）（６）
を満たす値に到達したかどうかを電圧モニタで監視、
手順Ｂ：上記式（６）を満たす値にパック電圧Ｖが到達したら時間計測を開始。タイマカウンタを充電上限電圧１２．３Ｖまで継続、
手順Ｃ：パック電圧Ｖが充電上限電圧１２．３Ｖに到達したら時間計測終了。
充電開始電圧が放電終止電圧８．２５Ｖの場合はそのまま、この時間ｔを劣化判定に使用、
手順Ｄ：充電開始電圧が８．２５Ｖより高かった場合、計測した時間は、あらかじめ内蔵しておいた充電電圧の時間変化のデータと比較演算して、８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間に換算し、この値をｔとして劣化判定に用いる。求めた時間ｔを関係式（２）に代入して、推定比容量Ｃ／Ｃ_０を算出、
手順Ｅ：算出された結果をＬＣＤとＬＥＤに表示する。判定結果である比容量の値に応じて、上述したように赤、黄、緑のいずれかのＬＥＤを点灯させ、同時にＬＣＤディスプレイに数値を表示する。ＬＣＤディスプレイ表示は３０秒間、ＬＥＤは充電器が商用電源に接続されている問点灯させる。
【０１００】
このようにして構成される充電器を用い、使用済みの同タイプの電池パックを装着し、充電した。充電開始後４．５分で劣化判定結果が表示され、ＬＣＤディスプレイには６５％と表示され、黄色のＬＥＤが点灯した。充電は約２．５時間で完了した。充電された該電池パックを電池充放電自動試験装置に設置し、放電電流値６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖに設定して定電流放電を実施し、放電容量を求めたところ、４１４．２ｍＡｈであった。これは、比容量にすると６９％となり、容量推定の誤差は約４％であった。
【０１０１】
以上の通り、本発明になる充電機能を有する充電器では、精度の高い劣化判定を行うことが可能であることが明らかになった。
（実施例８）
充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、収束電流値が６０ｍＡの条件で定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）モード充電を行う機能を有した小型携帯用情報端末機器に搭載する、図３に示す構成のＬｉイオン電池パックを作製した。該電池パックは角形セル（公称容量６００ｍＡｈ）１２−１、１２−２、および１２−３の３セル直列のパックであり、保護用ＩＣに関係式（２）と、実施例７で示したものと同様に、充電電圧の時間変化の基礎データをあらかじめ入力して、放電終止電圧８．２５Ｖより高いパック電圧から充電された場合でも、８．２５Ｖから１２．３Ｖまでの定電流（ＣＣ）モード充電所要時間を算出可能とするようにしてある。
【０１０２】
また、図３に示す構成の該電池パック内の保護用ＩＣ１３のメモリには、Ｌｉイオン電池１２−１、１２−２、１２−３各セルの両端の電圧をＶｃｃとＶｓｓによりモニタし、ＣＣモード充電における放電終止電圧Ｖｄ以上充電上限電圧Ｖｃよりも小のあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓから、該Ｖｓより高い、
Ｖ＝８．２５＋０．１５×ｎ（ｎは整数、０≦ｎ≦２５）（６）
を満たす最も近い電圧ＶからＣＣモード充電が完了する充電上限電圧１２．３Ｖに到達するまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を関係式（２）に代入、演算して比容量Ｃ／Ｃ_０を算出するプログラムがあらかじめ入力してある。
【０１０３】
演算した結果は端子１９を通して該電池パックを搭載する情報端末機器本体の液晶ディスプレイに表示するために装置本体に出力する機構になっている。
【０１０４】
液晶ディスプレイには、判定結果である数値がパーセントで表示されるとともに、バーの長さのパーセント数値に相当する割合が塗りつぶしで示されるようになっている。
【０１０５】
劣化判定の指示は、上記機器本体から充電開始と同時に発出される。劣化判定実施のための手順フローは、図１０において、結果の表示が機器本体のディスプレイに表示されるために本体に結果を送出する以外は図１０と同様である。
【０１０６】
このような構成になる電池パックを情報端末機器に装着し、１時間使用した後、商用電源に接続して充電を開始し、充電開始後に表示されたディスプレイを見たところ、該電池パックの判定結果は８７％と表示された。充電完了のサインがディスプレイ上に現れたのを確認して、この情報端末機器をＯＦＦにし、該電池パックを脱着し、適当な接続コードを用いて、電池充放電自動試験装置に接続し、放電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖで放電させて容量を測定した。その結果、放電容量は５３４．６ｍＡｈ、比容量にして８９．１％であった。
【０１０７】
従って、本発明になる電池パックに搭載した劣化判定機能による判定結果は誤差＋２．１％と優れた判定精度を示すことが明らかになった。
【０１０８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の実施によって、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な方法および装置、ならびに、電池の容量を推定し、必要に応じて電池の劣化を警告する手段を備えたＬｉイオン電池パックを提供することが可能になり、Ｌｉイオン電池の管理においてきわめて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｌｉイオン電池の一般的な充電方法である定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式充電における電池電圧Ｖと充電電流値Ｉの変化の概念を説明した図である。
【図２】本発明におけるＬｉイオン電池の劣化判定方法を具体的に適用するＬｉイオン電池搭載装置の一般的な電源部周辺の一構成概念を示した図である。
【図３】本発明における劣化判定機能を具備しだＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成例を示した図である。
【図４】本発明の実施例１における充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量の関係を示した図である。
【図５】本発明の実施例１における充放電サイクルで求めたＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例２において実施した関係式作成に用いたデータ数と誤差の絶対値幅を示した図である。
【図７】本発明の実施例３において実施した試験の結果である、劣化電池のＣＣモード充電所要時間ｔと比容量との関係を示した図である。
【図８】本発明の実施例４において実施した試験の結果である、ＣＣモード充電所要時間ｔと比容量との関係を示した図である。
【図９】本発明の実施例７において作製した充電器の構成を示した図である。
【図１０】本発明の実施例７において実施した劣化判定手順を示したフロー図である。
【符号の説明】
１…電源部、２ａ、２ｂ、２ｃ…Ｌｉイオン電池、３…電池制御部、４…充電器、５…論理部、６…インターフェイス、７…ＣＰＵ、８…メモリ、９…キーボードコントローラ、１０…配線、１１…電池パック本体、１２−１、１２−２、１２−３…Ｌｉイオン電池、１３…保護用ＩＣ、１４−Ａ、１４−Ｂ、１４−Ｃ、１４−１、１４−２、１４−３…ＦＥＴ、１５…ＰＴＣ素子、１６…電流ヒューズ、１７…プラス端子、１８…マイナス端子、１９…情報出力、コントロールのための端子、２０…充電器、２１…商用電源、２２、２３…商用電源と充電器とを接続する端子、２４…Ｌｉイオン電池パック、２５、２６…充電器と電池パックとを接続する端子、２７…ＡＣ／ＤＣコンバータ、２８…サーミスタ、２９…電源マイコン、３０…充電制御用マイコン、３１…スイツチ、３２…表示部。

Claims

リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを求め、該時間ｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、上記リチウムイオン電池の公称容量をＣ _０としたときの上記定電流充電中の充電電流をＣ _０ /( ３０時間）以上Ｃ _０ /( １時間）以下として上記時間ｔを求め、該時間ｔを用い、該リチウムイオン電池の上記推定容量Ｃを関係式、
Ｃ / Ｃ _０＝Ａ×ｔ ^Ｂ（１）
（ここに、Ａ、Ｂは該リチウムイオン電池と上記電圧Ｖｓと該定電流充電中の充電電流とによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３時間以上１０日以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを、
環境温度を１０℃以上３０℃以下、および−１０℃以上５℃以下の２つとし、それぞれの設定温度の差が１５℃以上となるように設定して、
２回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔ _ｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ _ｎとを記録し、記録された該時間ｔ _ｎと該放電容量Ｃ _ｎとから、上記関係式（１）におけるＡ、Ｂの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。
リチウムイオン電池の劣化判定方法であって、上記リチウムイオン電池の推定比容量Ｃを請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって算出し、該推定容量Ｃがあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに該リチウムイオン電池が劣化したと判定することを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定方法。
リチウムイオン電池の劣化判定装置であって、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達した時点から、充電条件を定電流から定電圧に切り替える時点までの時間ｔを測定する手段と、該時間ｔを用いて、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定容量Ｃを算出する演算回路と、該演算回路によって算出された該推定容量Ｃがあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに該リチウムイオン電池の劣化を意味する信号を出力する手段とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定装置。
ＩＣを内蔵した充放電制御手段を備えたリチウムイオン電池パックにおいて、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣが、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の上記推定容量Ｃの算出に用いる数値を記憶するメモリと、該数値が該メモリに記憶された場合に該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の上記時間ｔと該数値とから請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該推定容量Ｃを算出する演算回路とを有していることを特徴とするリチウムイオン電池パック。
上記演算回路によって算出された上記リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の上記推定容量Ｃが、該リチウムイオン電池のあらかじめ設定された限界容量Ｃ_ｍｉｎよりも小となったときに、容量劣化を意味する警告を出力する手段を具備していることを特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン電池パック。
上記警告が、電気信号による警告、文字または画像の表示による警告、信号音による警告または音声による警告であることを特徴とする請求項５に記載のリチウムイオン電池パック。