JP3979831B2 - 二次電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の寿命を的確に判定することのできる簡易な構成の二次電池装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、各種電子機器の電力源として、繰り返し再充電可能な二次電池が幅広く用いられている。しかしながら二次電池は、繰り返し充放電や経年変化等によってその電池性能が劣化することが否めない。これ故、例えばネットワークシステムにおけるサーバ用の無停電電源装置に見られるように、二次電池を商用電源のバックアップ電源として用いるような場合には、特にその電池性能、ひいては電池寿命を的確に把握することが重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来、二次電池の性能（サイクル劣化の度合い）を評価する手法として、例えば特開平８−２２８４４０号公報には、二次電池にスイッチを介して放電用の負荷を並列接続し、スイッチをオン（導通）させたときの端子電圧と、該スイッチをオフ（遮断）させたときの端子電圧とから二次電池の内部抵抗を求めて、その寿命を判断することが開示される。しかし寿命判断の為のスイッチおよび負荷が必要な上、二次電池を放電させる必要がある等の不具合がある。
【０００４】
また、例えば特開平１１−３２９５１２号公報には、二次電池を定電流充電した際の満充電までに要した定電流充電時間を計測し、新品当初の定電流充電時間と比較することで、その性能の劣化の度合い判断することが開示される。しかしながら二次電池の充電条件を常に一定に揃えることは困難であり、例えば電池温度の違いによってその定電流充電時間が変化する等の問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の充電エネルギを無駄に消費することなく、二次電池の寿命を確実に評価することのできる簡易な構成の二次電池装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池装置は、例えばニッケル水素（Ｎi-ＭＨ）電池からなる複数個の二次電池を直列に接続した電池ブロックの寿命を判断する機能を備えたものであって、
前記電池ブロックを形成する複数個の二次電池を１個または複数個ずつ複数のグループに分けて各グループの端子電圧をそれぞれ検出して（電圧検出手段）、上記各グループ間の端子電圧のバラツキを求め（バラツキ測定手段）、前記二次電池の充電中または充電終了後における前記グループ間の端子電圧のバラツキが所定値以上のときにアンバランス検知手段が発生するアンバランス信号に基づいて前記電池ブロックの寿命を判定する（電池寿命判定手段）ことを特徴としている。
【０００７】
即ち、本発明は、直列接続されて電池ブロックを形成する複数の二次電池中の１個が特性劣化してきた場合、上記各二次電池の端子電圧にバラツキが生じることに着目したもので、これらの二次電池を１個または複数個ずつ複数のグループに分けて各グループの端子電圧をそれぞれ検出し、前記電池ブロックの充電中または充電終了後における上記各端子電圧のバラツキに基づいて該電池ブロックの寿命を判定することを特徴としている。
【０００８】
好ましくは前記アンバランス検知手段においては、前記二次電池の充電開始から所定時間経過後、または所定量の充電を行った後、若しくは所定の充電電圧に達した後、或いは充電終了から所定時間経過後に前記グループ間の端子電圧のバラツキを判定するように構成される。
即ち、上記各二次電池の特性が揃っている場合であっても、その充電初期時には各二次電池の端子電圧にバラツキが生じ易いことに着目し、充電初期時を除いて端子電圧のバラツキを判定することを特徴としている。
【０００９】
また本発明の好ましい態様は、前記アンバランス検知手段においては、前記電池ブロックを充電する都度、その充電中または充電終了後における所定の時期に前記グループ間の端子電圧のバラツキを１回だけ判定するように構成され、また前記寿命判定手段においては、前記アンバランス検知手段が発生するアンバランス信号の発生回数Ｎtまたは連続発生回数Ｎsに基づいて前記電池ブロックの寿命を判定するように構成される。
【００１０】
また或いは前記アンバランス検知手段においては、前記グループ間の端子電圧のバラツキを多段階に判定し、その判定レベルに応じたアンバランス信号をそれぞれ発生するように構成される。このとき前記寿命判定手段においては、これらのアンバランス信号に種別に応じて前記電池ブロックの寿命の程度を判定するように構成することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る二次電池の寿命判定機能を備えた二次電池装置について説明する。
この二次電池装置は、例えばネットワークシステムにおけるサーバのバックアップ用電源として用いられるものであって、図１にその概略構成を示すように、ニッケル水素（Ｎi-ＭＨ）電池等からなる複数の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂnを直列に接続した電池ブロック１を備えて構成される。この電池ブロック１は、例えば図示しない外部機器（サーバ）の内部電源に接続されて充電され、また上記外部機器の本体に対してその充電電荷を放電するように設けられる。尚、ここでは６個の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6を直列に接続して電池ブロック１が構成されているものとして説明する。
【００１２】
さて電池ブロック１は、ＦＥＴ等からなるスイッチ素子２が直列に介して一対の充電端子Ｃ+,Ｃ-に接続されると共に、一対の放電端子Ｄ+,Ｄ-に接続されており、上記スイッチ素子２を介して充電されるようになっている。このスイッチ素子２は、満充電検出回路３によりオン・オフ駆動されるもので、電池ブロック１が満充電状態に至ったときにその充電路を遮断して前記電池ブロック１（二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6）の充電を停止させる役割を担う。
【００１３】
尚、満充電検出回路３は、例えば充電時に次第に上昇する端子電圧Ｖbatがその満充電時にピークに達した後に低下することを利用して、電池ブロック１の満充電状態を検出する−ΔＶ検出方式を採用して実現される。しかし充電時における電池温度上昇率を検知してその充電を制御する方式や、ピーク電圧検出方式等の従来より種々提唱されている充電制御方式を適宜採用して満充電検出回路３を構成することも可能である。
【００１４】
一方、この二次電池装置には、直列に接続されて前記電池ブロック１を構成する複数（６個）の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6を順次２個ずつ区切って３つのグループに分けて、即ち、二次電池Ｂ1,Ｂ2からなる第１グループ、二次電池Ｂ3,Ｂ4からなる第２グループ、二次電池Ｂ5,Ｂ6からなる第３グループに分け、これらの各グループの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3をそれぞれ検出する電圧検出回路（電圧検出手段）４が設けられている。そしてバラツキ測定回路（バラツキ測定手段）５においては、上記電圧検出回路４にてそれぞれ検出される前記各グループの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3をそれぞれ入力し、これらの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3間のバラツキ、具体的にはその電圧差ΔＶ1-2（＝｜Ｖ1−Ｖ2｜），ΔＶ2-3（＝｜Ｖ2−Ｖ3｜）,ΔＶ3-1（＝｜Ｖ3−Ｖ1｜）をそれぞれ求めるものとなっている。
【００１５】
このようにしてバラツキ測定回路５により測定される前記各グループの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3間のバラツキ（電圧差）を入力するアンバランス検知回路（アンバランス検知手段）６は、後述するようにタイマ回路７によりその作動タイミングが制御されて前記各グループの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3間に大きなアンバランスが生じているか否かを判定するものである。そしてアンバランス検知回路６は、上記端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3間に、例えば０.５Ｖ以上の電圧差があるとき、これを前記各グループの充電電圧にアンバランスが生じているとして判定し、アンバランス信号を発生するものとなっている。
【００１６】
このアンバランス判定は、上述した各電圧差ΔＶ1-2（＝｜Ｖ1−Ｖ2｜），ΔＶ2-3（＝｜Ｖ2−Ｖ3｜）,ΔＶ3-1（＝｜Ｖ3−Ｖ1｜）を、予め設定した判定閾値［０.５Ｖ］とそれぞれ比較することによってなされる。そして上記電圧差ΔＶ1-2，ΔＶ2-3,ΔＶ3-1の少なくとも１つが判定閾値［０.５Ｖ］を越えたとき、これをアンバランスの発生として検知するものとなっている。
【００１７】
特にこのようなアンバランス判定は、前記タイマ回路７により規定されるタイミングで、具体的には電池ブロック１の充電開始から所定時間経過後に実行される。即ち、タイマ回路７は、前記スイッチ素子２の導通（オン）による充電開始からの経過時間を計測しており、予め設定した所定時間が経過したとき、前記アンバランス検知回路６を起動している。この所定の経過時間は、電池ブロック１の充電条件や充電状態にもよるが、数分から１時間程度に設定される。このようなタイマ回路７による判定タイミングの規定（制御）により、充電初期時における電池電圧が不安定な期間を除いて、そのアンバランス判定が実行される。換言すれば複数の二次電池の特性が揃っている場合であっても、その充電初期時には各二次電池の端子電圧にバラツキが生じ易いことから、その充電初期時を除く期間においてだけ、各二次電池の端子電圧のバラツキ（アンバランス）を判定するものとなっている。
【００１８】
尚、アンバランス検知回路６によるアンバランス判定を、前記電池ブロック１に対して所定量の充電を行った後に、或いは電池ブロック１の端子電圧Ｖbatが所定の充電電圧に達した後に行うようにしても良い。また後述するように前記タイマ回路７により、満充電検出に伴う前記スイッチ素子２の遮断（オフ）による充電終了時点からの経過時間を計測し、充電終了から所定時間経過後に前述したアンバランス判定を行うようにしても良い。要は上記アンバランス検知回路に６においては、電池ブロック１を充電する（充電した）際、その充電１回について１回だけ上述したように規定される適切なタイミングで複数の電池グループ（二次電池）間での端子電圧のバラツキの程度を判定するものとなっている。
【００１９】
電池寿命検出回路８は、上記アンバランス検知回路６が発生するアンバランス信号に基づいて前記電池ブロック１の寿命を判定するもので、基本的にはアンバランス信号が発せられたとき、前記電池ブロック１を構成する二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の特性に大きなバラツキ（電池性能の劣化）が生じており、その寿命が尽きてきたと判定する。
【００２０】
即ち、電池ブロック１を構成する複数の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6は、その使用に伴う充放電の繰り返しによって次第にその特性が劣化することが否めない。しかも特性劣化の程度は、各二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の個体性に起因する差異がある。従って複数の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6を長期間に亘って使用したことによりその電池特性が劣化してきた場合、これらの二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6を同時に充電したとしても、その充電電圧にバラツキが生じ易い。
【００２１】
また仮にこれらの二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6をそれぞれ満充電まで充電したとしても、その充電が完了して充電電流が零となったとき、或いは微小な充電電流だけが流れる状態においては、図２に示すようにその端子電圧が次第に低下する。このときの端子電圧の低下の程度もその電池特性に依存し、電池特性が劣化してきた場合には、図２に示すように所定時間経過後における電池電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3の間に違い（バラツキ）が生じる。
【００２２】
アンバランス検知回路６は、このような二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の特性劣化に伴う電池電圧のバラツキを、前述した如く区分した複数の電池グループの端子電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3の差から検出し、そのバラツキが大なるときにアンバランス信号を発生している。そして前記電池寿命検出回路８は、このようなアンバランス信号から前記二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の各電池電圧のバラツキの発生、ひいては電池特性の劣化を検知し、これによって電池寿命を判定するものとなっている。
【００２３】
尚、アンバランス信号の発生回数Ｎtをカウンタ回路９により計数し、その発生回数Ｎtが所定回数に達したときに前記電池ブロック１（二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6）の寿命が尽きてきたと判定するようにしても良い。また前記アンバランス検知回路６によるアンバランス判定に同期してアンバランス信号の発生の有無を検出することで、該アンバランス信号の連続発生回数Ｎsを計数し、その連続発生回数Ｎsが所定回数に達したときに前記電池ブロック１（二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6）の寿命が尽きてきたと判定するようにしても良い。
【００２４】
そして電池ブロック１（二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6）の寿命が尽きてきたとの判定結果を得たとき、寿命判定回路８は電池寿命を提示するアラーム信号Ｌを出力したり、或いは
『電池交換をお薦めします。』
等のメッセージを出力するものとなっている。この際、上述したアンバランス信号の発生回数Ｎtや連続発生回数Ｎsに応じて、電池寿命の程度を多段階に分けて提示することも可能である。即ち、
『そろそろ電池交換の時期です。』
『直ちに電池を交換して下さい。』
として、電池寿命の程度の応じたメッセージを段階的に提示するようにしても良い。また或いは１つまたは複数の表示器（表示素子）を設け、その表示形態を異ならせることで、具体的には１つまたは複数の表示器（表示素子）の表示色を変えたり、その点滅間隔を変える等して電池寿命の程度を多段階に表示することも勿論可能である。
【００２５】
かくして上述した如く構成された二次電池装置によれば、電池ブロック１を形成する複数の二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の充電中、または充電終了後の所定の時期における端子電圧のバラツキの程度から、その電池寿命（電池特性の劣化）を簡易にして的確に判断し、これを提示することができる。特に充電開始初期時における各二次電池Ｂ1,Ｂ2,〜Ｂ6の端子電圧が不安定な期間を除いてそのバラツキの程度を判定するので、信頼性の高い寿命判定を行うことができる。しかも二次電池を放電させることなくその電池寿命を判定することができるので、二次電池の充電エネルギを無駄に消費することもない等の利点がある。
【００２６】
ところで前述したアンバランス検知回路６においては、各電圧差ΔＶ1-2（＝｜Ｖ1−Ｖ2｜），ΔＶ2-3（＝｜Ｖ2−Ｖ3｜）,ΔＶ3-1（＝｜Ｖ3−Ｖ1｜）を、予め設定した複数レベルの判定閾値とそれぞれ比較することで、そのアンバランス状態を多段階に判定することも可能である。例えば上記各電圧差ΔＶ1-2，ΔＶ2-3,ΔＶ3-1を第１の判定閾値［０.３Ｖ］および第２の判定閾値［０.５Ｖ］とそれぞれ比較し、各判定閾値に応じたアンバランス信号を発生するようにしても良い。
【００２７】
そして寿命判定回路８においては、アンバランス検知回路６から出力されるアンバランス信号の種別に応じて、具体的には判定閾値［０.３Ｖ］に基づくアンバランス信号が出力されたときには
『そろそろ電池交換の時期です。』
なるメッセージを出力し、判定閾値［０.５Ｖ］に基づくアンバランス信号が出力されたときには
『直ちに電池を交換して下さい。』
なるメッセージを出力することで、電池の寿命状態を多段階に提示することも可能である。この場合、前述したアンバランス信号の発生回数の判定を併用することで、更に精度の高い電池寿命の判定を行うことが可能となる。
【００２８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば電池ブロック１を構成する二次電池の数はその仕様に応じた数であれば良く、また二次電池としてはニッケル水素（Ｎi-ＭＨ）電池のみならず、リチウムイオン（Ｌiイオン）電池やニッケルカドミウム（Ｎi-Ｃd）電池等であっても良い。また二次電池を７個直列に接続したような場合には、これらの二次電池を２個,２個,３個グループに分け、これらの各グループの端子電圧を二次電池１個当たりの電圧に換算して比較するようにしても良い。勿論、個々の二次電圧の端子電圧をそれぞれ検出してそのバラツキを求めるようにしても良い。
【００２９】
また端子電圧のバラツキを測定するに際しては、その最大値と最小値との差として求めるようにしても良く、各端子電圧の平均値からの差として求めるようにしても良い。またアンバランス信号の発生条件も、電池仕様に応じて定めれば良いものである。更にはアンバランス信号の発生回数Ｎtや連続発生回数Ｎsに対する判定閾値についても、アンバランス信号の発生条件や二次電池の特性に応じて定めれば良いものである。また電池ブロックからの放電時には、前述した寿命判定は機能を停止させておくことも好ましい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数個の二次電池を直列に接続した電池ブロックにおける各二次電池の端子電圧に着目することで、該電池ブロックの寿命を簡易に、しかも的確に判定することができる。しかも電池ブロックの充電開始時を除くタイミングで上記各二次電池における端子電圧のバラツキの程度を検出して電池寿命を判定するので、電池寿命の判定精度を十分に高め得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池装置の要部概略構成図。
【図２】充電終了後における二次電池の端子電圧の変化特性を示す図。
【符号の説明】
１ 電池ブロック
２ スイッチ素子（充電制御）
３ 満充電検出回路
４ 電圧検出回路
５ バラツキ測定回路
６ アンバランス検知回路
７ タイマ回路
８ 寿命判定回路
９ カウンタ回路

Claims (4)

1. 複数個の二次電池を直列に接続した電池ブロックにおける二次電池を１個または複数個ずつ複数のグループに分けて各グループの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
   上記各グループ間の端子電圧のバラツキを求めるバラツキ測定手段と、
   前記二次電池の充電中または充電終了後における前記グループ間の端子電圧のバラツキが所定値以上のとき、アンバランス信号を発生するアンバランス検知手段と、
   上記アンバランス信号に基づいて前記電池ブロックの寿命を判定する電池寿命判定手段と
   を具備し、
   前記アンバランス検知手段は、前記電池ブロックを充電する都度、その充電中または充電終了後における所定の時期に前記グループ間の端子電圧のバラツキを１回判定するものであって、
   前記寿命判定手段は、前記アンバランス検知手段が発生するアンバランス信号の発生回数または連続発生回数に基づいて前記電池ブロックの寿命を判定するものであることを特徴とする二次電池装置。
2. 複数個の二次電池を直列に接続した電池ブロックにおける二次電池を１個または複数個ずつ複数のグループに分けて各グループの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
   上記各グループ間の端子電圧のバラツキを求めるバラツキ測定手段と、
   前記二次電池の充電中または充電終了後における前記グループ間の端子電圧のバラツキが所定値以上のとき、アンバランス信号を発生するアンバランス検知手段と、
   上記アンバランス信号に基づいて前記電池ブロックの寿命を判定する電池寿命判定手段と
   を具備し、
   前記アンバランス検知手段は、前記グループ間の端子電圧のバラツキを多段階に判定し、その判定レベルに応じたアンバランス信号をそれぞれ発生するものであることを特徴とする二次電池装置。
3. 前記アンバランス検知手段は、前記二次電池の充電開始から所定時間経過後、または所定量の充電を行った後、若しくは所定の充電電圧に達した後、或いは充電終了から所定時間経過後に前記グループ間の端子電圧のバラツキを判定するものである請求項１又は２に記載の二次電池装置。
4. 前記二次電池は、ニッケル水素電池からなる請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池装置。

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