JP3641367B2 - アルカリ蓄電池容量残量推定法および容量推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用中のバックアップ用アルカリ蓄電池の容量および残量を予測するためのアルカリ蓄電池容量残量推定法および容量推定装置に関するものである。
【０００２】
なお、容量とは満充電状態から想定終止電圧に至るまで放電した場合の容量、残量とはある範囲まで放電した状態において規定終止電圧まであとどれくらい放電が可能かを示す容量の値を指している。容量は一定電流で放電した場合、電流×時間で求める。
【０００３】
【従来の技術】
近年、通信サービスの多様化、大規模化が進行し、同時に高信頼性も要求されている。これに伴って多種多様な無停電給電システムの導入、あるいはバックアップ電源の適用が推進され、バックアップ用二次電池も大量に使用されるようになってきた。これらの装置、システムの信頼性確保のために、バックアップ用二次電池の残量表示、保守、適切な取り替え時期の把握が必要となってきた。
【０００４】
従来の二次電池容量推定方法としては、試験電池を、端子電圧が規定の放電終止電圧に到達するまで定電流放電しその時間を求める方法がある。
【０００５】
この方法では、電池の容量は正確に求めることができるが、長時間の測定となり、また、測定中に停電などのトラブルが生じると負荷装置への給電が不可能となるという欠点があった。
【０００６】
別の方法としては、交流インピーダンスによる内部インピーダンスを測定したり、あるいは一定時間の定電流放電、または充電を行い、これに対する電圧応答を電流値で除した値を内部抵抗として用いて、あらかじめ取得しておいた内部抵抗、あるいはインピーダンスと電池容量との関係に適用し、電池容量を推定する。
【０００７】
この方法では、比較的短時間で容量推定が可能となるが、あらかじめ試験対象となる各サイズ、各メーカ製電池の容量と内部インピーダンスとの関係を把握し、これを記憶しておく必要があり、膨大なデータ取得と記憶容量の確保が必要であった。さらには電池の改良ごとに新たなデータ取得と記録を実施する必要があるという欠点を有していた。
【０００８】
さらに、これらの方法による欠点を改善するために、係数補正のみで多種類の電池に適用可能な汎用性の高い劣化判定基準式が考案された（特願平７−２３８３６３）。同方法では、短時間の放電、あるいは充電によって比較的簡単に容量推定が可能となる反面、判定のためには常に試験対象電池をあらかじめ満充電しておかなければならないという欠点を有していた。
【０００９】
また、これらのバックアップ電池については容量推定法のみ提案されており、充電と放電とを頻繁に繰り返して使用するサイクル用電池に関するような残量推定は皆無であった。そのため、バックアップ電池の劣化状態が正しく把握されていないと、予想していた使用時間に満たないという不便も生じることがしばしば存在した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記現状を解決するため、任意の放電状態で短時間に容量推定が実施でき、同時に残量もまた推定できるアルカリ蓄電池容量残量推定法および容量推定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、アルカリ蓄電池（以下、セルと呼称）、または直列に複数個接続されたアルカリ蓄電池群（以下、組電池と呼称）に関して、試験対象セル、あるいは組電池をいったん休止状態においた後、一定電流値で短時間放電あるいは充電して、前記放電あるいは充電を実施する直前の休止状態の端子電圧と、前記放電あるいは充電を実施中の端子電圧との電圧差を、前記一定電流値で除して内部抵抗を求め、または、前記放電あるいは充電を実施中の端子電圧と、前記放電あるいは充電を実施した直後の休止状態の端子電圧との電圧差を、前記一定電流値で除して内部抵抗を求め、前記内部抵抗と休止状態における開回路電圧とを、容量と内部抵抗からなる劣化判定基準式を試験対象の新品電池の内部抵抗と公称容量によって係数補正した判定式に適用して、満充電からの放電可能容量Ｑを推定すると同時に、放電、あるいは充電前後の休止状態における開回路電圧を電圧−容量曲線に適用して算出した残量Ｑr0と未劣化品の容量Ｑ_Ａと推定容量Ｑとから残量を推定するアルカリ蓄電池容量残量推定法と、データを管理するコンピュータと、蓄電池の試験条件をコントロールする充放電器とから構成され、該試験電池の容量および残量推定法における劣化判定式と電圧−容量関係式を演算する回路または機能を該コンピュータに内蔵して上記に記載する手順に従って試験セル、または組電池の容量および残量推定を行うことを特徴とする装置と、既存の無停電給電システムや二次電池充放電自動試験装置に組み込み、試験電池の容量および残量推定を行うための、試験データを収集管理し、かつ、上記に記載する電池容量および残量推定法に従って容量および残量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、必要ならば、該試験電池の試験条件を制御する電流制御器、または充放電制御器とから構成されるか、または、既設コンピュータに上記に記載した電池容量および残量推定法の手順を行う演算回路、または機能とを増設し搭載してなり、必要ならば、該電流制御器、または充放電制御器とから構成される容量および残量推定機能を提案するものである。
【００１２】
本発明になる電池容量および残量推定法が高い精度で推定可能な理由は、電池劣化の進行によってセパレータ中の電解液の減少、正極、負極抵抗の増大、負極かつ物質の減少によって電池の内部抵抗が増大すること、また、放電の進行によって例えば負極カドミウムが水酸化カドミウムに変化し、電解液濃度が変化するが、これら劣化、放電深度が内部抵抗と密接に関係しているため、端子電圧、内部抵抗、容量の因子で構成される推定法の基準式および電圧−容量曲線が電池の特性をより正確に表現できているためと考えられる。
【００１３】
なお、放電深度とは満充電状態から規定終止電圧までの完全放電状態に至るまで放電した場合を１００％として、放電量の大きさ（放電の進み具合）を示すものである。Ｄｅｐｔｈ ｏｆ ＤｉｓｃｈａｒｇｅからＤＯＤとも呼ばれる。記述としては定格容量に対する放電電気量の比率（％）である。逆に充電の進み具合を表す言葉は特になくＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）がしばしば使用される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００１５】
アルカリ蓄電池（以下、セルと呼称）、または直列に複数個接続されたアルカリ蓄電池群（以下、組電池と呼称）に関して、該セル、あるいは組電池の端子電圧をモニタしながらこれをいったん休止状態に置き、端子電圧Ｖoc1 を記録した後、一定の電流値Ｉで短時間放電、あるいは充電を行い、その放電、充電直後の端子電圧Ｖ2 を記録してその電圧差
ΔＶ＝Ｖoc1 −Ｖ2
を放電、あるいは充電電流値で除した値Ｚ
Ｚ＝ΔＶ／Ｉ
を内部抵抗として求め、
あるいは、一定の電流値Ｉで短時間放電、あるいは充電を行い、その放電、充電が終了し休止に入った直後の端子電圧Ｖoc3 を記録してその電圧差
ΔＶ′＝Ｖ2 −Ｖoc3
を放電、あるいは充電電流値で除した値Ｚ′
Ｚ′＝ΔＶ′／Ｉ
を内部抵抗として求め、
あらかじめ異なる劣化状態のセル特性から求めておいた劣化判定基準式の定数補正を実施してこれに適用して、該試験対象セル、あるいは組電池の満充電状態からの放電可能容量Ｑを推定すると同時に、
上記の短時間充電、あるいは放電を実施する前の休止時の端子電圧Ｖoc1 、あるいは実施直後の休止時の端子電圧Ｖoc3 を、あらかじめ求めておいた該試験対象の新品セルの電圧−容量曲線に適用して算出した残量（放電残時間）Ｑr0と上記短時間充電、あるいは放電によって推定された満充電状態からの放電可能容量Ｑと該試験対象セル、あるいは組電池の公称容量Ｑo とから、残量（放電残時間）Ｑr を
Ｑr ＝Ｑr0（Ｑ／Ｑo ）
によって推定する。
【００１６】
本発明をさらに詳しく説明する。
【００１７】
本発明になる電池容量および残量推定法において、満充電状態からの放電可能容量を推定する方法には電池容量Ｑと内部抵抗Ｚとから構成される劣化判定基準式
Ｑ＝ａln（Ｚ）＋ｂ （ａ，ｂは定数、ａ＜０） （１）
を基本的関係式として用いる。該基準式（１）については、満充電状態におけるニッケルカドミウム電池の内部抵抗Ｚの対数値と放電可能容量Ｑとが直線関係にあることを基本としている（Ｎ．Ｋａｔｏ，ｅｔａｌ．，Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ，（１９９７））。この結果をもとにさらに検討を進めた結果、満充電からの放電可能容量が公称容量の７０％を越えるような比較的劣化の進行していない電池には任意の放電深度にある電池にも適用可能なことが判明した。その根拠を図１によって示す。
【００１８】
すなわち図１は、一定電流値にて一定時間放電するごとに測定した電圧応答ΔＶの大きさを示した結果の一例を示した図であり、１−１は公称容量比１００％の容量を持つ未劣化電池の各放電状態における電圧応答ΔＶの大きさを示した曲線であり、１−２は同９０％の場合の曲線であり、１−３は同８０％の場合の曲線であり、１−４は同７０％の場合の曲線であり、１−５は同６０％の場合の曲線である。
【００１９】
図１から明らかなように、公称容量比が８０％以上の容量を持つ電池では、電圧応答の大きさΔＶは放電状態によらずほぼ一定であることがわかる。
【００２０】
従って、本発明において使用される上記劣化判定基準式（１）は、従来の満充電状態の電池に関わる内部抵抗Ｚと容量Ｑとの関係とはまったく異なった意味を持ち、適用領域が異なっていることがわかる。すなわち、満充電状態を含めた任意の放電状態における内部抵抗が上記劣化判定基準式（１）に適用可能であることになる。
【００２１】
上記劣化判定基準式（１）は、係数ａ，ｂを試験対象セル、あるいは組電池の公称容量Ｑ_A と内部抵抗Ｚ_A とによって変換され、

（Ｑ_B は基準式作成のために用いたセルの容量）
となる劣化判定式として、満充電状態からの放電可能容量の推定に用いられる。
【００２２】
なお、上記劣化判定式（２）の導出は以下の通りで行った。
【００２３】
上記劣化判定基準式（１）を作成するのに用いた電池Ｂの容量をＱ_B とし、同じく同式（１）を作成するのに用いた大幅に劣化した電池の容量は電池Ａの容量の１／ｎであり、内部抵抗は電池Ａのｐ倍であるとすると、
Ｑ_B ＝ａln（Ｚ_B ）＋ｂ （２１）
Ｑ_B ／n ＝ａln（Ｚ_B ）＋［ａln（ｐ）＋ｂ］ （２２）
が成り立つ。
【００２４】
ここで、試験対象電池の容量Ｑと内部抵抗Ｚの関係は
Ｑ＝ａ^＊ln（Ｚ）＋ｂ^＊（ａ^＊、ｂ^＊は定数、ａ^＊＜０） （２３）
が成り立っているとする。
【００２５】
式（１３）を構成する試験対象電池Ａの容量をＱ_A 、内部抵抗Ｚ_A とし同じく同式（１）を作成するのに用いた電池は、内部抵抗が電池Ａのｐ倍である大幅に劣化電池で、その容量は電池Ａの容量の１／ｍであるとすると、
Ｑ_A ＝ａ^＊ln（Ｚ_A ）＋ｂ^＊ （２４）
Ｑ_A ／ｍ＝ａ^＊ln（Ｚ_A ）＋［ａ^＊ln（ｐ）＋ｂ^＊］ （２５）
となる。
【００２６】
式（１１）−式（１２）から
Ｑ_B ［１−（１／ｎ）］＝−ａln（ｐ） （２６）
式（１４）−式（１５）から
Ｑ_A ＝［１−（１／ｍ）］＝−ａ^＊ln（ｐ） （２７）
式（１６）／式（１７）より
（Ｑ_B ／Ｑ_A ）［（１−１／ｎ）／（１−１／ｍ）＝ａ／ａ^＊］ （２８）
ｎ＞＞１、ｍ＞＞１だから式（１８）から
ａ^＊＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ） （２９）
式（１９）を式（１４）に代入して
ｂ^＊＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ） （３０）
式（１９）、式（２０）を式（１３）に代入して上記劣化判定式（２）を得ることができる。
【００２７】
しかしながら、上記劣化判定式（２）は劣化状態の進行が進むと満充電状態の場合しか適用できなくなる。それは先に示した図１によって明らかである。
【００２８】
すなわち、図１において、劣化が進行した公称容量比７０％、および６０％の容量の電池では、放電が進むにつれて、電圧応答の大きさΔＶが大きくなってくる。特に、開回路電圧Ｖocが１．２０Ｖ以下になるとΔＶの増大は顕著であり、このままでは放電深度が深い状態の試験セル、あるいは組電池には劣化判定式 （２）が適用不可能である。
【００２９】
そこで上記判定式（２）に代わる劣化判定式として、内部抵抗Ｚと開回路電圧Ｖとで表される容量Ｑの式、
Ｑ＝Ｑ_A ｛［ln（Ｚ）＋ｄＶ−ｅ］／（ｆＶ−ｇ）｝ （３）
（ｄ，ｅ，ｆ，ｇは定数）
を本発明では提案するものである。
【００３０】
上記劣化判定式（３）は図１におけるような各放電深度での電圧応答の大きさΔＶの結果を基本にして作成された関係式である。該判定式（３）における定数ｄ，ｅ，ｆ，ｇは、試験対象セル、あるいは組電池に該当する未劣化品について、異なる４段階の放電深度まで放電させて求めた開回路電圧と内部抵抗の値と、公称容量から求めた容量Ｑ_A からＱ＝Ｑ_A として（３）式に適用し、これらを決定して用いる。
【００３１】
以下に上記劣化判定式（３）の導出手順を概説する。
【００３２】
電圧応答ΔＶの対数と開回路電圧Ｖとの関係を図２に示す。図２に明らかなように、電圧応答ΔＶの対数値と開回路電圧Ｖとの間には、極めて良い直線関係が得られる。
【００３３】
図２において、２−１は公称容量比１００％の容量を持つ未劣化電池の開回路電圧Ｖと電圧応答ΔＶの関係を示した直線であり、２−２は同９０％の場合の直線であり、２−３は同８０％の場合の直線であり、２−４は同７０％の場合の直線であり、２−５は同６０％の場合の直線である。
【００３４】
従って、内部抵抗Ｚと開回路電圧Ｖとの間には以下の関係式が成立する。
【００３５】
ｌｎ（Ｚ）＝−ｊＶ＋ｋ （３１）
（３１）式において、係数ｊおよびｋは電池の劣化度、すなわちＱ／Ｑ_A （Ｑ_A は公称容量）に直線的に依存し、
ｊ＝−ｆ（Ｑ／Ｑ_A ）＋ｄ （３２）
および
ｋ＝−ｇ（Ｑ／Ｑ_A ）＋ｅ （３３）
となる。（３２）、（３３）を（３１）に代入すると、

（３５）式より上記劣化判定式（３）が求まる。
【００３６】
該判定式（３）に、開回路電圧Ｖoc1 、またたはＶoc3 と、内部抵抗Ｚ、またはＺ′とを代入して算出した値Ｑを、満充電状態からの放電可能容量とする。
【００３７】
劣化判定式（３）を式（２）の代わりに適用する条件は、試験対象セル、あるいは組電池の開回路電圧Ｖoc1 、またはＶoc3 と、劣化判定式（２）を用いて推定した満充電状態からの放電可能容量Ｑと、該当する未劣化品の容量Ｑ_A との関係が実験データから判断して
Ｖoc1 （Ｑ／Ｑ_A ）＜０．８５×（セル数）
または、
Ｖoc3 （Ｑ／Ｑ_A ）＜０．８５×（セル数）
となる場合である。上記比が０．８５×（セル数）以上の場合に劣化判定式（３）を用いると、劣化判定式（２）より推定値の誤差が大きくなってしまう場合があり好ましくない。
【００３８】
本発明になる方法では、このようにして満充電状態からの放電可能容量Ｑを求めることが可能となるとともに、同時に、試験時の放電状態から後どの程度放電が可能かという残量も判定が可能である。
【００３９】
すなわち、上記の短時間充電、あるいは放電を実施する前の休止時の端子電圧Ｖoc1 、あるいは実施直後の休止時の端子電圧Ｖoc3 を、あらかじめ求めておいた該試験対象の新品セルの電圧−容量曲線に適用して算出した残量（放電残時間）Ｑr0と上記短時間充電、あるいは放電によって推定された満充電状態からの放電可能容量Ｑと該試験対象セル、あるいは組電池の未劣化品の容量Ｑ_A とから、残量（放電残時間）Ｑr を
Ｑr ＝Ｑr0（Ｑ／Ｑ_A ）
によって推定する
残量を推定するために使用する電圧−容量曲線は、試験対象の満充電状態におかれた新品セルの開回路端子電圧Ｖo を記録した後これを、０．１Ｃ、ないし０．２Ｃの電流率で３０分以下の一定時間で放電し、これを１時間以上の休止状態におき休止時の最後に開回路端子電圧Ｖoxを記録して、再び同一条件で放電させ、これを１．０Ｖ以下の電圧まで繰り返してＶo とＶoxとを、放電時間（放電容量）ごとにプロットして求める。
【００４０】
なお、Ｃは、放電や充電の電流値の大きさを示す１つの値である。時間率という考え方があり、電流Ｉで終止電圧になるまで放電するのにｔ時間かかる場合、ｔ時間率放電という言い方で電流値を表す。その時、電池の定格容量（公称容量）をＣとして用いる。例えば、１Ｃという場合、１時間で放電を終了する１時間率放電を示す。定格容量が１Ａｈの電池の場合、１×２＝２Ａの電流値で放電したことになる。０．２Ｃと言えば、０．２×２＝０．４Ａの電流値で放電し、これは５時間率放電（放電に５時間かかる）になる。Ｃに公称容量の値を適用して、その前の数値をかけ算すれば電流値が求まる。
【００４１】
上記電圧−容量曲線を求めるための放電条件は、０．２Ｃ以下０．１Ｃ以上であればこれに限定されることはないが、算出上０．１Ｃ，０．２Ｃが簡便であり好ましい。０．１Ｃ未満の放電では、該曲線を求めるために膨大な時間を要し、かつ試験中に電池の状態が放電以外の要素（特に自己放電）で変化してしまう可能性があり好ましくない。また、０．２Ｃを越える大きな電流率では、放電後の休止状態が不安定であり、電圧の誤差が大きくなり好ましくない。
【００４２】
さらに放電時間を３０分より長くすると、データ数の減少につながって、基準となる電圧−容量曲線の信頼性の低下をきたすことになり好ましくない。休止時間については１時間未満だと安定な休止状態に至らず電圧の誤差が大きくなり好ましくない。
【００４３】
本発明になる電池容量および残量推定法では、試験対象となるアルカリ蓄電池（セル）、または直列に接続された複数個の組電池をいったん休止状態においた後、一定電流値で短時間放電してその端子電圧の変化を測定する。
【００４４】
推定のために必要な充電、放電時間は１秒以下であることが好ましい。充電、または放電時間が１秒を超える長い時間では、端子電圧の変化に電池の内部抵抗だけでなく電解液中のイオンの拡散の遅れによる影響が強く含まれるようになり、この影響が判定誤差を大きくするので好ましくない。
【００４５】
推定のために１秒以下の短時間充電を実施する場合、電流値は０．０５Ｃ以上の電流率であることが好ましい。０．０５Ｃより小さい電流率の充電電流では電圧変化が小さく端子電圧の読み取り誤差が大きくなって推定誤差の増大を招くことになり好ましくない。
【００４６】
同様に、推定のために１秒以下の短時間放電を実施する場合、電流値は０．５Ｃ以上の電流率であることが好ましい。０．５Ｃより小さい電流率の放電電流では電圧変化が小さく端子電圧の読み取り誤差が大きくなって推定誤差の増大を招くことになり好ましくない。
【００４７】
充電、あるいは放電前の端子電圧Ｖoc1 は試験対象セル、あるいは組電池が休止状態におかれ充電、あるいは放電が開始される２秒以内の電圧であることが好ましい。充電、あるいは放電開始の２秒を超える以前の端子電圧では、試験電池の状態が変化し、充電、放電を実施した電池状態との関係が複雑となり好ましくない。
【００４８】
また、充電、あるいは放電終了後に記録される端子電圧Ｖoc3 は充電、あるいは放電終了後２秒以内の電圧であることがこのましい。２秒を超えた後の端子電圧では、試験電池内部の状態が大きく変化してしまい、Ｖoc1 やＶ2 との関係が複雑となって誤差の増大をきたすので好ましくない。
【００４９】
本発明になる電池容量および残量推定方法を適用して満充電状態からの放電可能容量および残量推定を行う装置は、データを管理するコンピュータと、電池の試験条件をコントロールする充放電器とから構成され、該電池容量および残量推定方法における劣化判定式、および電圧−容量曲線（関係式）をもとに演算する回路または機能を該コンピュータに内蔵して上記に記載する手順に従って試験セル、または組電池の容量および残量推定を行うことを特徴とする。
【００５０】
該容量および残量推定装置の構成概念の一例を図３に示すが、試験制御、データ収集、電池容量および残量推定の実行機能が満足されれば、構成は何らこれに限定されるものではない。
【００５１】
図３は１の試験対象セル、あるいは組電池を、１２の試験装置に配置した概念の一例を示したものである。試験装置１２は、該試験電池１を試験するために具体的な充電、放電の実行を行う充放電器２と、この充放電器の制御や記憶、記録を行うコンピュータ３で構成される。
【００５２】
充放電器２は、定電流負荷装置４と定電流定電圧電源５、およびスイッチＳ１，Ｓ２とから構成されている。定電流負荷装置４は、試験電池１から供給される電流が一定の設定値に維持されるように負荷を変動させるものである。定電流定電圧電源５は充電、放電が一定の時間で規定されている場合に設定電圧に達するまでの間、定電流源として動作し、設定電圧に達した後は定電圧電源として動作する。
【００５３】
コンピュータ３は、試験全体を制御するＣＰＵ６、充放電制御とデータ記録、さらには本発明の電池容量および残量推定法に関する劣化判定基準式や電圧−容量関係式（曲線）のプログラムがあらかじめ収納されているＲＯＭ７の他、さらに該基準式から上記に記載した手順によって判定式を作成し、この劣化判定式と電圧−容量関係式に試験データを適用して容量および残量推定を行う作業用ＲＡＭ８、およびプリンタ９、キーボード１０、充放電状態や試験結果を表示する表示器１１から構成される。
【００５４】
ＲＯＭ７に格納されているプログラムに従って、ＣＰＵ６が充放電器２の定電流定電圧電源５、定電流負荷装置４、スイッチＳ１，Ｓ２、の装置全体を制御する。個々の特性試験に必要な設定値などはキーボード１０によって入力される。
【００５５】
コンピュータ３においては、あらかじめ設定された条件において試験の制御を行いながら、試験電池１の端子電圧、電流、さらに必要に応じて温度、湿度、電池歪みなどのデータを所定の時間間隔で測定し、記憶し、さらに記録する。また、得られた試験データに基準式を適用し、判定式を作成して試験対象セル、あるいは組電池の満充電状態からの放電可能容量を推定し、電圧−容量関係式に適用して残量推定を行う演算機能、さらに必要ならば試験データを一定時間毎にプロットする特性作成機能を具備している。
【００５６】
本発明になるアルカリ蓄電池の容量および残量推定機能は、試験データを収集管理し、かつ、上記の手順に従って容量および残量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、必要ならば、該試験電池の試験放電条件を制御する放電電流制御器、または充放電制御器とから構成されるか、または、既設コンピュータに上記に記載した電池容量および残量推定法の手順を行う演算回路、または機能とを増設し搭載してなり、必要ならば、放電電流制御器、または充放電制御器とから構成され、既存の無停電給電システムや二次電池充放電自動試験装置に組み込んで、従来の機能な加えて試験対象電池の容量および残量推定を可能にする機能を付与することを特徴とするものである。
【００５７】
従って、本発明になる該試験電池容量および残量推定機能は、できるだけ、既存装置、あるいはシステム本来の機能を損なったり、低下させないことで、容量および残量推定を行う。
【００５８】
一例として無停電給電システムに本発明になる電池容量および残量推定機能を付与した構成概念を図４に示す。
【００５９】
図４は本発明になる電池容量および残量推定機能のコンピュータ制御部を電力変換装置の内部に配置し、接続して構成された無停電給電システムの構成概念の一例を示したものである。
【００６０】
図４において、１の試験セル、あるいは組電池と、１３の交流、または直流電源と、１４の電力変換装置と、１５の負荷装置とによって無停電給電システムの基本構成をなしている。１４の電力変換装置内には、主変換回路１６が搭載されて、電源１３からの交流、または直流電力を変換する。
【００６１】
本発明における電池容量および残量推定機能は、コンピュータ３と定電流制御回路１７と試験時に主回路から切り離すスイッチ１８とで構成される。
【００６２】
本発明の容量および残量推定機能を構成するコンピュータ３は、容量および残量推定のための放電、あるいは充電試験全体を制御するＣＰＵ６、試験制御とデータ記録、さらには本発明の電池容量および残量推定法に関する基準式、および関係式のプログラムがあらかじめ収納されているＲＯＭ７の他、さらに該基準式を上記に記載した手順によって試験データに適用し判定式を作成して容量推定を行い、電圧−容量関係式に適用して残量推定を行う作業用ＲＡＭ８、およびプリンタ９、キーボード１０、放電状態や試験結果を表示する表示器１１から構成される。表示器１１は、使用上の利便性を考慮して該コンピュータ３の他に、電力変換装置１４の壁面の作業者の認識しやすい部位にも取り付けることができる。
【００６３】
なお、図４に示した構成概念はあくまで具体的な一例であって、上述した容量推定の機能を保持し、構成要素を完備していれば、無停電給電システム、あるいはそれ以外の装置に該容量推定機能を付与する構成は何らこれに限定されることはない。
【００６４】
以下に、本発明になる電池容量および残量推定方法について実施例によって説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
【００６５】
【実施例】
［実施例１］
非常灯に用いられていたトリクル単一ニッケルカドミウム電池（公称容量Ｑ_B ＝４Ａｈ）を回収するとともに、同型の新品電池を購入して、内部抵抗と容量とを評価した。
【００６６】
実施した試験は、以下の通りである。
【００６７】
すなわち、回収、または購入した各電池を電池充放電試験装置に設置して、０．１ＣｍＡ（４００ｍＡ）の電流値で１６時間充電し、１時間休止の後、０．２ＣｍＡ（８００ｍＡ）の電流値で１．０Ｖまで放電し、１時間の休止を行う。これを２回繰り返し、３回目の放電を開始する直前の休止状態で、１．０ＣｍＡ（４０００ｍＡ）の電流値で１０ｍｓｅｃの短時間放電を行い、その電圧応答の大きさを測定した。電圧応答は、短時間放電を実施する直前と、短時間放電を終了する直前の端子電圧の差を採用した。この短時間放電の後、１時間の休止を置いて、０．２ＣｍＡ（８００ｍＡ）の定電流で１．０Ｖまで放電を行い、この容量を電池容量とした。電圧応答の大きさを電流値で除した値を内部抵抗とした。
【００６８】
こうして測定した各電池の容量Ｑを内部抵抗Ｚの対数についてプロットすると良好な直線関係が得られ、その関係は
Ｑ＝−１２９１×ln（Ｚ）＋８４９０ （４）
となり、これを劣化判定基準式とした。
【００６９】
次に、試験対象となるトリクル単三ニッケルカドミウム電池の３セル直列パック（公称容量６００ｍＡｈ）の新品を購入し、電流値は充電を０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）、放電を０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）、内部抵抗を求めるための短時間放電を１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）とした以外上記と同様の条件で試験を行い容量Ｑ_A ＝６４２と内部抵抗Ｚ_A ＝６５．２５を求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式（４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して

なるトリクル単三ニッケルカドミウム電池の３セル直列パックの劣化判定式を得た。
【００７０】
上記試験を実施した後、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）で１６時間充電した後、１時間休止を置き端子電圧Ｖoc1 を測定してから、６００ｍＡ、１０ｍｓｅｃの短時間放電を実施し、放電終了直前に端子電圧Ｖ2 を測定し上記方法と同様にして内部抵抗Ｚ1 ＝（Ｖoc1 −Ｖ2 ）／６００を求めた。その後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）で３０分間（６０ｍＡｈ）放電してから、２時間の休止をおき、端子電圧Ｖocx を測定した後、再び６００ｍＡ、１０ｍｓｅｃの短時間放電を実施し端子電圧Ｖx2を測定してこれを終了し、上記方法と同様にして内部抵抗Ｚx ＝（Ｖocx −Ｖx2）／６００を求めた。
【００７１】
この３０分放電、２時間休止、端子電圧Ｖocx 測定、１０ｍｓｅｃ放電、端子電圧Ｖx2測定の操作を放電時の電圧が３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）に至るまで繰り返した。放電電圧が３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）に至ると直ちに放電を終了し、２時間の休止ののち上記と同じ条件で内部抵抗を求めた。
【００７２】
こうして求めた試験データのうち、４つの放電状態のデータを選択し、それぞれの短時間放電を実施する直前の休止電圧Ｖocx と、内部抵抗Ｚx と、上記Ｑ_A ＝６４２とから
Ｑ＝Ｑ_A ｛［ln（Ｚ）＋ｄＶ−ｅ］／（ｆＶ−ｇ）｝ （３）
（ｄ，ｅ，ｆ，ｇは定数）
の定数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを算出し、
Ｑ＝642 × {［ln（Ｚ）＋15.1Ｖ−11.3］／（0.15Ｖ−0.208)｝ （６） なる別の劣化判定式を作成した。該判定式（６）は、
Ｖoc1 （Ｑ／Ｑ_A ）＜２．５５（０．８５Ｖ×３セル） （７） となる場合に、上記劣化判定式（５）に代わって使用することにした。
【００７３】
また、上記試験によって求めた放電における端子電圧が３．０Ｖに至る各放電状態の休止電圧Ｖoc1 と満充電からの総放電量との関係、電圧−容量曲線をあらかじめプロットして、図５に示す残量算出のための基礎データを得た。
【００７４】
図５は、該試験電池パックの残量を推定するために使用される基礎データであり、一例として、試験した電池パックの端子電圧Ｖoc1 が図５に示した値である場合、その値を曲線に適用して満充電からの容量Ｑ1 が求められ、初期容量Ｑ_A との差、
Ｑr0＝Ｑ_A −Ｑ1 （８）
Ｑr0を未劣化品の場合の残量とする。また、この残量を
１００×（Ｑr0／Ｑ_A ） （９）
として、パーセントで示すこともできる。
【００７５】
こうして得られた劣化判定式（５）、および（６）、および電圧−容量の基礎データをもとに、回収したトリクル単一ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）の容量および残量推定を行った。
【００７６】
回収した電池パックは、まず０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）で１６時間充電し、１時間の休止を置く。端子電圧Ｖoc1 を測定した後、１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）で１０ｍｓｅｃの短時間放電を行い、放電終了直前の電圧Ｖ2 を測定し、内部抵抗Ｚ＝ΔＶ／Ｉ＝（Ｖoc1 −Ｖ2 ）／６００を求める。
【００７７】
該電池パックを２時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）で開回路電圧Ｖoc1 が３．６０Ｖ（１．２０Ｖ／セル）以上３．７５Ｖ（１．２５Ｖ／セル）未満となるまで放電する。１時間の休止後、上記と同様の手順で端子電圧Ｖoc1 、内部抵抗Ｚを測定する。
【００７８】
さらに２時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流値で開回路電圧Ｖoc1 が３．３０Ｖ（１．１０Ｖ／セル）以上３．６０Ｖ（１．２０Ｖ／セル）未満となるまで放電し、同様にして２時間休止の後、端子電圧Ｖoc1 と内部抵抗を測定する。
【００７９】
こうして測定した端子電圧Ｖoc1 と内部抵抗を関係式（７）を考慮して劣化判定式（５）または（６）に代入し、満充電からの放電可能容量Ｑを算出した。
【００８０】
さらに、該試験電池パックは、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）で端子電圧３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）まで放電し、満充電からの総容量を求め、これを実測容量Ｑm とした。推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから、
Ｅrr＝１００×（Ｑ−Ｑm ）／Ｑm （１０）
を算出し、これを誤差Ｅrrとした。
【００８１】
結果を図６に示す。
【００８２】
図６は実測した満充電状態からの放電可能容量に対する、上記（１０）の関係によって求めた誤差を示した図である。図６において、白丸は満充電状態での試験電池パックの測定結果であり、四角は端子電圧Ｖoc1 が３．６０Ｖ以上３．７５Ｖ未満の放電状態にある試験電池パックの測定結果であり、黒丸は端子電圧Ｖoc1 が３．３０Ｖ以上３．６０Ｖ未満の放電状態にある試験電池パックの測定結果である。
【００８３】
図６に明らかなように、測定対象となった電池パックのあらゆる容量（劣化状態）に対し、本発明になる方法により推定した満充電からの放電可能容量は、実測した容量に比べて誤差±１５％以内と良好な推定精度であることが判った。
【００８４】
さらに、端子電圧Ｖoc1 の値を図５に示す電圧−容量曲線（関係）に適用し、上記図５に示した電圧−容量の関係から（８）式によって得られた残量Ｑr0と、これに劣化判定式（５）および（６）によって得られた満充電からの放電可能推定容量Ｑと初期容量Ｑ_A とから
Ｑr ＝Ｑr0（Ｑ／Ｑ_A ） （１１）
によって試験電池の残量を推定した。これを上記に示した方法で測定した実測残量Ｑrmと比較し、
Ｅrr(r) ＝１００×（Ｑr −Ｑrm）／Ｑrm （１２）
として誤差を求めた。
【００８５】
結果を図７に示す。図７は試験した異なる劣化状態にある３個の電池パックについて、実測残量に対する（１２）式で求めた推定残量の誤差Ｅrr(r) の結果を示したものである。
【００８６】
図７に示したように、各放電状態で測定した推定残量は、実測値に比べて±１０％以内の誤差であり、本発明になる方法により、高精度で残量が推定可能であることが判った。
【００８７】
［実施例２］
実施例１において試験した電池パックの結果を用い、各放電状態での端子電圧Ｖoc1 と実施例１における劣化判定式（５）および（６）から求めた、満充電からの放電可能容量推定Ｑの判定精度の検討を実施した。
【００８８】
劣化判定式（６）の使用基準となる、試験電池パックの端子電圧Ｖoc1 と未劣化品の容量Ｑ_A と劣化判定式（５）から求めた推定容量Ｑとの関係、
Ｊ＝Ｖoc1 （Ｑ／Ｑ_A ） （１３）
の値を変えて判定誤差の大きさを調べた。
【００８９】
結果を図８に示す。
【００９０】
図８は、上記実施例１に示した劣化判定式（６）を使用する判断基準である、式（１３）によって求めた値Ｊに対する誤差範囲を示したものである。
【００９１】
図８から明らかなように、Ｊの値が２．５５未満で劣化判定式（６）を使用した場合の推定容量の実測容量に対する誤差は、Ｊの値が２．５５以上で同（６）式を使用した場合に比べて小さくなり良好な精度で容量推定が可能になることがわかった。
【００９２】
［実施例３］
トリクル単三ニッケルカドミウムセル（公称容量６００ｍＡｈ）の残量を推定するために、電圧−容量曲線を作成した。
【００９３】
試験対象の未劣化品１０セルについて、これをいったん０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）で１６時間充電した後、開回路端子電圧Ｖocを記録し、これを図１１に示す条件で放電し、休止状態におき、休止時の最後に開回路端子電圧Ｖocx を記録して、再び同一条件で放電させ、これを１．０Ｖ以下の電圧まで繰り返してＶocとＶocx とを、放電時間（放電容量）ごとにプロットした。
【００９４】
トリクル単三ニッケルカドミウムセル（公称容量６００ｍＡｈ）を１００セル回収し、０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電した後、実施例１と同様にして満充電状態からの放電可能容量を推定するとともに、実施例１と同様にして、開回路端子電圧Ｖoc1 と推定容量Ｑをそれぞれの未劣化品セルについて作成した上記電圧−容量曲線に各１０セルずつ適用して残量Ｑr を推定するとともに、実測残量Ｑrmも併せて求めた。（１２）式によって推定誤差を算出し、その絶対値の最大値を図１１に示した。
【００９５】
図１１に示した絶対誤差の最大値から明らかなように、電圧−容量曲線を作成する放電の条件は、０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ），０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率、各放電の時間は０．５時間以下が好ましく、また各放電後の休止時間は１時間以上であることが好ましいことがわかった。
【００９６】
［実施例４］
実施例１に用いたのと同様の５つのトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列）新品を購入し、上記実施例１において求めた劣化判定基準式 （４）から劣化判定式を導いた。
【００９７】
すなわち、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）まで放電し、１時間休止を行う。この充放電を２回繰り返し、さらに、同じ条件で充電し休止した。放電を実施する前に、端子電圧Ｖoc1 を測定し、電流値１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）で、図１２に示した時間ｔだけ短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電を行い、この放電から容量Ｑ_A を求めた。内部抵抗Ｚ_A はＺ_A ＝（Ｖoc1 −Ｖ2 ）／６００から求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式（４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して劣化判定式（２）の係数ａ′，ｂ′を以下の式で決定、図１２に示す値を得た。
【００９８】
ａ′＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ） （１４）
ｂ′＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ） （１５）
その後、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した。続いて、端子電圧Ｖoc1 を測定し、電流率１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）で、図１２に示した時間ｔだけ短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３０分間放電し、２時間の休止をおいた。２時間休止が完了すると端子電圧を測定し放電深度ｘにおける開回路電圧Ｖocx とした。そして再び同条件の短時間放電を実施、端子電圧Ｖx2を測定して短時間放電を終了した。
【００９９】
放電中の端子電圧が３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）に到達するまで、この３０分間放電、２時間休止、端子電圧Ｖocx 測定、短時間放電、端子電圧Ｖx2測定の手順を繰り返した。これらの各放電深度ｘにおけるＶocx とＺx ＝（Ｖocx −Ｖx2）／Ｉと容量Ｑ_A から別の劣化判定式（３）の係数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを決定、図１２に示す値を得た。
【０１００】
このようにして作成した２つの劣化判定式に基づいて、回収したトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）５０パックについて各１０パックずつそれぞれの未劣化品から作成した判定式に適用し、実施例１と同様にして容量推定と実際の容量測定を行った。
【０１０１】
図１２に結果を示す。すなわち、図１２には、測定した推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから得られた誤差の絶対値の最大を示しており、短時間放電時間ｔが１秒以下では誤差が小さく高精度の容量推定を行えることが明らかとなった。
【０１０２】
［実施例５］
実施例１に用いたのと同様の５つのトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列）新品を購入し、上記実施例１において求めた劣化判定基準式 （４）から劣化判定式を導いた。
【０１０３】
すなわち、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖ（１．０Ｖ／セル）まで放電し、１時間休止を行う。この充放電を２回繰り返し、さらに、同じ条件で充電し休止した。放電を実施する前に、端子電圧Ｖoc1 を測定し、図１３に示す各電流値Ｉで、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電を行い、この放電から容量Ｑ_A を求めた。内部抵抗Ｚ_A はＺ_A ＝（Ｖoc1 −Ｖ2 ）／Ｉから求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式（４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して劣化判定式（２）の係数ａ′，ｂ′を以下の式で決定、図１３に示す値を得た。
【０１０４】
ａ′＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ） （１４）
ｂ′＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ） （１５）
その後、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した。続いて、端子電圧Ｖoc1 を測定し、図１３に示す各電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３０分間放電し、２時間の休止をおいた。２時間休止が完了すると端子電圧を測定し放電深度ｘにおける開回路電圧Ｖocx とした。そして再び１０ｍｓｅｃ短時間放電を実施、端子電圧Ｖx2を測定して短時間放電を終了した。
【０１０５】
放電中の端子電圧が．３．０Ｖに到達するまで、この３０分間放電、２時間休止、端子電圧Ｖocx 測定、１０ｍｓｅｃ短時間放電、端子電圧Ｖx2測定を繰り返した。これらの各放電深度ｘにおけるＶocx とＺx ＝（Ｖocx −Ｖx2）／Ｉと容量Ｑ_A から別の劣化判定式（３）の係数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを決定、図１３に示す値を得た。
【０１０６】
このようにして作成した２つの劣化判定式に基づいて、図３に示す、本発明になる容量および残量判定機能を具備した充放電試験装置を使用して、回収したトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）５０パックについて実施例１と同様にして各未劣化品から作成した劣化判定式に１０パックずつ適用し、容量推定と実際の容量測定を行った。
【０１０７】
図１３に結果を示す。すなわち、図１３には、測定した推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから得られた誤差の絶対値の最大を示しており、１０ｍｓｅｃ短時間放電の電流値が０．５ＣｍＡ以上では誤差が小さく高精度の容量推定を行えることが明らかとなった。
【０１０８】
［実施例６］
実施例１に用いたのと同様の５つのトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列）新品を購入し、上記実施例１において求めた劣化判定基準式 （４）から劣化判定式を導いた。
【０１０９】
すなわち、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電し、１時間休止を行う。この充放電を２回繰り返し、さらに、同じ条件で充電し休止した。放電を実施する前に、端子電圧Ｖoc1 を測定し、図１４に示す各電流値Ｉで、１０ｍｓｅｃの間短時間充電し、該充電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電を行い、この放電から容量Ｑ_A を求めた。内部抵抗Ｚ_A はＺ_A ＝（Ｖ2 −Ｖoc1 ）／Ｉから求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式 （４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して劣化判定式（２）の係数ａ′，ｂ′を以下の式で決定、図１４に示す値を得た。
【０１１０】
ａ′＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ） （１４）
ｂ′＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ） （１５）
その後、該電池パックの端子電圧Ｖoc1 を測定し、図１４に示す各電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間充電し、該充電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１時間充電し、１時間の休止した。１時間休止が完了すると端子電圧を測定し充電状態Ｘにおける開回路電圧Ｖocx とした。そして再び１０ｍｓｅｃ短時間放電を実施、端子電圧Ｖx2を測定して短時間放電を終了した。
【０１１１】
充電の総時間が１６時間に到達するまで、この１時間放電、１時間休止、端子電圧Ｖocx 測定、１０ｍｓｅｃ短時間充電、端子電圧Ｖx2測定を繰り返した。これらの各充電状態ＸにおけるＶocx とＺx ＝（Ｖx2−Ｖocx ）／Ｉと容量Ｑ_A から別の劣化判定式（３）の係数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを決定、図１４に示す値を得た。
【０１１２】
このようにして作成した２つの劣化判定式を適用した、図３に示す、本発明になる容量および残量判定機能を具備した充放電試験装置を使用して、回収したトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）５０パックを各１０パックずつ適用して、実施例１に示した短時間放電の代わりに、電流率が図１４に示す値で短時間充電を行う以外は実施例１と同様の手順で容量推定と実際の容量測定を行った。
【０１１３】
図１４に結果を示す。すなわち、図１４には、測定した推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから得られた誤差の絶対値の最大を示しており、１０ｍｓｅｃ短時間放電の電流値が０．０５ＣｍＡ以上では誤差が小さく高精度の容量推定を行えることが明らかとなった。
【０１１４】
［実施例７］
実施例１に用いたのと同様の５つのトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列）新品を購入し、上記実施例１において求めた劣化判定基準式 （４）から劣化判定式を導いた。
【０１１５】
すなわち、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電し、１時間休止を行う。この充放電を２回繰り返し、さらに、同じ条件で充電し休止した。放電開始２秒前に、端子電圧Ｖoc1 を測定し、１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）の電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電を行い、この放電から容量Ｑ_A を求めた。内部抵抗Ｚ_A はＺ_A ＝（Ｖ2 −Ｖoc1 ）／Ｉから求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式（４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して劣化判定式（２）の係数ａ′，ｂ′を以下の式で決定、下記に示す値を得た。
【０１１６】
−１７４＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）
１３６８＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ）
その後、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した。続いて、放電開始２秒前に、端子電圧Ｖoc1 を測定し、１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）の電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３０分間放電し、２時間の休止をおいた。２時間休止が完了すると次の放電開始２秒前に、端子電圧を測定し放電深度ｘにおける開回路電圧Ｖocx とした。そして再び１０ｍｓｅｃ短時間放電を実施、端子電圧Ｖx2を測定して短時間放電を終了した。
【０１１７】
放電中の端子電圧が３．０Ｖに到達するまで、この３０分間放電、２時間休止、端子電圧Ｖocx 測定、１０ｍｓｅｃ短時間放電、端子電圧Ｖx2測定を繰り返した。これらの各放電深度ｘにおけるＶocx とＺx ＝（Ｖocx −Ｖx2）／Ｉと容量Ｑ_A から別の劣化判定式（３）の係数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを決定、それぞれ、ｄ＝１５．１、ｅ＝−１１．３、ｆ＝０．１５、ｇ＝０．２０８を得た。
【０１１８】
このようにして作成した２つの劣化判定式に基づいて、回収したトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）１０パックについて端子電圧測定を短時間放電前の所定の時間に実施した他は、実施例１と同様にして、容量推定と実際の容量測定を行った。
【０１１９】
図９に結果を示す。すなわち、図９には、端子電圧Ｖoc1 測定を短時間放電開始前に実施した時間と誤差範囲との関係を示した図である。図９から明らかなように、測定した推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから得られた誤差は、短時間放電開始前の２秒以内の端子電圧測定を実施した場合、開始前２秒を越える時間で端子電圧を測定する場合に比べて、誤差が小さくなり高精度の容量推定を行えることが判った。
【０１２０】
［実施例８］
実施例１に用いたのと同様の５つのトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列）新品を購入し、上記実施例１において求めた劣化判定基準式 （４）から劣化判定式を導いた。
【０１２１】
すなわち、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電し、１時間休止を行う。この充放電を２回繰り返し、さらに、同じ条件で充電し休止した。次に１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）の電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定し、該放電終了後２秒経過の時点の端子電圧Ｖoc3 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３．０Ｖまで放電を行い、この放電から容量Ｑ_A を求めた。内部抵抗Ｚ_A はＺ_A ＝（Ｖ2 −Ｖoc1 ）／Ｉから求めた。これらの値をもとに、劣化判定基準式（４）の係数ａ＝−１２９１とｂ＝８４９０を補正して劣化判定式（２）の係数ａ′，ｂ′を以下の式で決定、以下に示す値を得た。
【０１２２】
−１７４＝ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）
１３７０＝Ｑ_A −ａ（Ｑ_A ／Ｑ_B ）ln（Ｚ_A ）
その後、該電池パックを０．１ＣｍＡ（６０ｍＡ）の電流率で１６時間充電し、１時間休止した。続いて、１．０ＣｍＡ（６００ｍＡ）の電流率で、１０ｍｓｅｃの間短時間放電し、該放電を終了する直前の端子電圧Ｖ2 を測定し、該放電終了後２秒経過の時点の端子電圧Ｖoc3 を測定した。１時間の休止をおいた後、０．２ＣｍＡ（１２０ｍＡ）の電流率で３０分間放電し、２時間の休止をおいた。２時間休止が完了すると再び１０ｍｓｅｃ短時間放電を実施、端子電圧Ｖx2を測定して短時間放電を終了し、終了後２秒経過で端子電圧を測定し放電深度ｘにおける開回路電圧Ｖocx とした。
【０１２３】
放電中の端子電圧が３．０Ｖに到達するまで、この３０分間放電、２時間休止、１０ｍｓｅｃ短時間放電、端子電圧Ｖx2測定、端子電圧Ｖocx 測定の操作を繰り返した。これらの各放電深度ｘにおけるＶocx とＺx ＝（Ｖx2−Ｖocx ）／Ｉと容量Ｑ_A から別の劣化判定式（３）の係数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを決定、それぞれ、ｄ＝１５．０、ｅ＝−１１．４、ｆ＝０．１５、ｇ＝０．２１０を得た。
【０１２４】
このようにして作成した２つの劣化判定式を適用した、図３に示す、本発明になる容量および残量判定機能を具備した充放電試験装置を使用して、回収したトリクル単三ニッケルカドミウム電池パック（３セル直列、公称容量６００ｍＡｈ）１０パックについて端子電圧測定を短時間放電終了後の所定時間経過で実施した他は、実施例１と同様にして、容量推定と実際の容量測定を行った。
【０１２５】
図１０に結果を示す。すなわち、図１０は、端子電圧Ｖoc3 測定を実施した短時間放電終了後所定時刻と誤差範囲との関係を示した図である。
【０１２６】
図１０から明らかなように、測定した推定容量Ｑと実測容量Ｑm とから得られた誤差は、短時間放電終了後の２秒以内の端子電圧Ｖoc3 測定を実施した場合、終了後２秒を越える時間で端子電圧Ｖoc3 を測定する場合に比べて、誤差が小さくなり高精度の容量推定を行えることが判った。
【０１２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、短時間で満充電状態からの放電可能容量、および残量が比較的高精度で推定でき、無停電給電システムなどバックアップ電源の高信頼化と効率的なメンテナンス実施が期待できることになり大きな貢献を果たすことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明になるニッケルカドミウム電池の容量を推定する判定式作成のための試験データであり、各放電深度（容量）と短時間放電に対する応答電圧ΔＶとの関係を示したデータ図である。
【図２】 本発明になるニッケルカドミウム電池の容量を推定する判定式作成のための試験データであり、開回路電圧Ｖと短時間放電に対する応答電圧ΔＶとの関係を示したデータ図である。
【図３】 本発明になるニッケルカドミウム電池の容量および残量を推定する機能を搭載した充放電試験装置の一例を示す構成概念図である。
【図４】 本発明になるニッケルカドミウム電池の容量および残量推定機能を搭載した無停電給電システムの一例を示す構成概念図である。
【図５】 本発明の実施例１における残量推定に用いる容量と電圧の関係を示した基礎データの特性図である。
【図６】 本発明の実施例１の結果を示した図であり、各放電状態における判定容量の実測容量に対する誤差を示した特性図である。
【図７】 本発明の実施例１の結果を示した図であり、各放電状態における判定残量の実測残量に対する誤差を示した特性図である。
【図８】 本発明の実施例２の結果を示した図であり、劣化判定使用の判断基準値Ｊと推定容量誤差との関係を示す特性図である。
【図９】 本発明の実施例７の結果を示した図であり、端子電圧Ｖoc1 測定時刻と推定容量誤差との関係を示した特性図である。
【図１０】 本発明の実施例８の結果を示した図であり、端子電圧Ｖoc3 測定時刻と推定容量誤差との関係を示した特性図である。
【図１１】 本発明に係る電圧−容量曲線を求めるための放電、休止条件の一例を示す説明図である。
【図１２】 本発明に係る短時間放電の時間と容量推定誤差の一例を示す説明図である。
【図１３】 本発明に係る短時間放電の電流率と容量推定誤差の一例を示す説明図である。
【図１４】 本発明に係る短時間充電の電流率と容量推定誤差の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 試験対象セル、あるいは組電池
２ 充放電器
３ コンピュータ
４ 定電流負荷装置
５ 定電流定電圧電源
６ ＣＰＵ
７ ＲＯＭ
８ ＲＡＭ
９ プリンタ
１０ キーボード
１１ 表示器
１２ 充放電試験装置本体
１３ 交流、直流電源
１４ 電力変換装置
１５ 負荷装置
１６ 主変換回路
１７ 定電流制御回路
１８ スイッチ
Ｓ１，Ｓ２ 充放電切り換えスイッチ

Claims (6)

1. アルカリ蓄電池（以下、セルと呼称）、または直列に複数個接続されたアルカリ蓄電池群（以下、組電池と呼称）に関して、
   試験対象セル、あるいは組電池をいったん休止状態においた後、一定電流値で短時間放電あるいは充電して、
   前記放電あるいは充電を実施する直前の休止状態の端子電圧と、前記放電あるいは充電を実施中の端子電圧との電圧差を、前記一定電流値で除して内部抵抗を求め、
   または、前記放電あるいは充電を実施中の端子電圧と、前記放電あるいは充電を実施した直後の休止状態の端子電圧との電圧差を、前記一定電流値で除して内部抵抗を求め、
   前記内部抵抗と休止状態における開回路電圧とを、容量と内部抵抗からなる劣化判定基準式を試験対象の新品電池の内部抵抗と公称容量によって係数補正した判定式に適用して、満充電からの放電可能容量Ｑを推定すると同時に、放電、あるいは充電前後の休止状態における開回路電圧を電圧−容量曲線に適用して算出した残量Ｑr0と未劣化品の容量Ｑ_Ａと推定容量Ｑとから残量を推定することを特徴とするアルカリ蓄電池容量残量推定法。
2. セル、あるいは組電池の端子電圧をモニタしながらこれをいったん休止状態に置き、端子電圧Ｖoc1 を記録した後、一定の電流値Ｉで短時間放電、あるいは充電を行い、その放電、充電直後の端子電圧Ｖ2 を記録してその電圧差
   ΔＶ＝Ｖoc1 −Ｖ2
   を放電、あるいは充電電流値で除した値Ｚ
   Ｚ＝ΔＶ／Ｉ
   を内部抵抗として求め、
   あるいは、一定の電流値Ｉで短時間放電、あるいは充電を行い、その放電、充電が終了し休止に入った直後の端子電圧Ｖoc3 を記録してその電圧差
   ΔＶ′＝Ｖ2 −Ｖoc3
   を放電、あるいは充電電流値で除した値Ｚ′
   Ｚ′＝ΔＶ′／Ｉ
   を内部抵抗として求め、
   あらかじめ異なる劣化状態のセル特性から求めておいた劣化判定基準式の定数補正を実施してこれに適用して、該試験対象セル、あるいは組電池の満充電状態からの放電可能容量Ｑを推定すると同時に、
   上記の短時間充電、あるいは放電を実施する前の休止時の端子電圧Ｖoc1 、あるいは実施直後の休止時の端子電圧Ｖoc3 を、あらかじめ求めておいた該試験対象の新品セルの電圧−容量曲線に適用して算出した残量（放電残時間）Ｑr0と上記短時間充電、あるいは放電によって推定された満充電状態からの放電可能容量Ｑと該試験対象セル、あるいは組電池の公称容量Ｑo とから、残量（放電残時間）Ｑr を
   Ｑr ＝Ｑr0（Ｑ／Ｑo ）
   によって推定することを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法。
3. 試験対象セル、あるいは組電池の満充電状態からの放電可能容量を求める方法において、算出の基本となる劣化判定基準式が、内部抵抗Ｚの対数と容量Ｑとから構成される式
   Ｑ＝ａln（Ｚ）＋ｂ （ａ，ｂは定数、ａ＜０） （１）
   であり、該基準式（１）の定数ａ，ｂについて、試験対象セルあるいは組電池の新品（未劣化品）の容量Ｑ_ＡとＺ_Ａ＝ΔＶ／Ｉの内部抵抗Ｚ_Ａとを用いて、
   ａ→ａ（Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ）
   ｂ→Ｑ_Ａ−ａ（Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ）ln（Ｚ_Ａ）
   （Ｑ_Ｂは基準式作成のために用いた満充電からの放電可能容量が公称容量の７０％を越えるような比較的劣化の進行していないセルの容量）
   となるように変換した式、
   

   

   を劣化判定式として用い、該判定式（２）に、内部抵抗Ｚ、またはＺ′を代入して算出した値Ｑを、満充電状態からの放電可能容量とし、
   さらに、試験対象セル、あるいは組電池の開回路電圧Ｖoc1 、またはＶoc3 と、上記劣化判定式（２）において算出したＱの値と、該当する未劣化品の容量Ｑ_Ａとの関係が
   Ｖoc1 （Ｑ／Ｑ_Ａ）＜０．８５×（セル数）
   または、
   Ｖoc3 （Ｑ／Ｑ_Ａ）＜０．８５×（セル数）
   となる場合には、このＱ値を用いずに、劣化判定式（２）の代わりに、内部抵抗Ｚと開回路電圧Ｖとで表される容量Ｑの式、
   Ｑ＝Ｑ_Ａ｛［ln（Ｚ）＋ｄＶ−ｅ］／（ｆＶ−ｇ）｝ （３）
   （ｄ，ｅ，ｆ，ｇは定数）
   について、定数ｄ，ｅ，ｆ，ｇを、未劣化品について異なる４段階の放電深度まで放電させて求めた開回路電圧と内部抵抗の値と、Ｑ＝Ｑ_Ａとから決定してこれを用い、該判定式（３）に、開回路電圧Ｖoc1 、またはＶoc3 と、内部抵抗Ｚ、またはＺ′とを代入して算出した値Ｑを、満充電状態からの放電可能容量とし、
   一方、残量を推定するために使用する電圧−容量曲線は、試験対象の満充電状態におかれた新品セルの開回路端子電圧Ｖo を記録した後これを、０．１Ｃ、ないし０．２Ｃの電流率で３０分以下の一定時間で放電し、これを１時間以上の休止状態におき休止時の最後に開回路端子Ｖoxを記録して、再び同一条件で放電させ、これを１．０Ｖ以下の電圧まで繰り返してＶo とＶoxとを、放電時間（放電容量）ごとにプロットして求めた曲線であることを特徴とする請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法。
4. 請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法において、試験対象セル、あるいは組電池の満充電状態からの放電可能容量を求めるために実施される端子電圧の記録と、充電、あるいは放電条件に用いられる、充電、あるいは放電前の端子電圧Ｖoc1 は、試験対象セル、あるいは組電池が休止状態におかれ充電、あるいは放電が開始される２秒以内の電圧であり、
   充電は０．０５Ｃ以上の電流率で実施され、
   放電は０．５Ｃ以上の電流率で実施され、
   充電、あるいは放電時間がともに１秒以下であり、
   充電、あるいは放電中に記録される端子電圧Ｖ2 は、充電、あるいは放電終了直前の電圧であり、
   充電、あるいは放電終了後に記録される端子電圧Ｖoc3 は充電、あるいは放電終了後２秒以内の電圧であることを特徴とするアルカリ蓄電池容量残量推定法。
5. データを管理するコンピュータと、アルカリ蓄電池の試験条件をコントロールする充放電器とから構成され、請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法における適用基準式および電圧−容量曲線を演算する回路または機能を該コンピュータに内蔵して請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法の手順に従って試験対象セル、または組電池の容量および残量推定を行うことを特徴とするアルカリ蓄電池容量推定装置。
6. 試験データを収集管理し、かつ、請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法に従って容量および残量推定値を求めるために演算を行うコンピュータと、該試験セル、あるいは組電池の試験放電、あるいは充電条件を制御する電流制御器、または充放電制御器とから構成されるか、
   または、既設コンピュータに請求項２記載のアルカリ蓄電池容量残量推定法の手順を行う演算回路、または機能とを増設して搭載してなり、かつ、該電流制御器、または充放電制御器とから構成されることを特徴とするアルカリ蓄電池容量推定装置。

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