JP6054934B2 - 二次電池の寿命期間を延長するバックアップ・システム、管理方法および情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は二次電池の寿命期間を延長する技術に関し、さらには所定の電気量を維持しながら寿命期間を正確に判断する技術に関する。

商用電源が利用できないときに負荷に電力を供給する二次電池は、携帯式電子機器や自動車などに実装される。このような二次電池は使用期間中の電池電圧、環境温度、および充放電サイクルなどで容量劣化の進行程度が変わる。二次電池の一例であるリチウム・イオン電池の劣化モードは２つに大別することができる。１つは、リチウム・イオン電池の充放電サイクルを繰り返す間に生ずる電気化学的変化および物理的変化に起因するサイクル劣化で、他の１つはリチウム・イオン電池が一定の電気量を蓄積する間に生ずる電気化学的変化に起因するストレージ劣化またはカレンダー劣化である。

特許文献１は、電気自動車に搭載するリチウム・イオン電池の交換サイクルを長くする充電方法を開示する。同文献には充電電圧を高く設定するほど大きな容量を得られることを利用して、使用開始初期の充電電圧を低めに設定し、使用期間が経過してくるに従って徐々に充電電圧を増加させることを記載している。具体例として、７０％以上の電気量を充電できる充電電圧で充電し、充放電の繰り返しによってその充電電圧では７０％以上の電気量を充電できなくなったときに充電電圧を１段高く設定することが記載されている。また、充放電時に電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗に関連付けた劣化率テーブルを用意して充電電圧を増加させることを記載している。

特許文献２は、電子機器や自動車に搭載する二次電池の劣化の進行を小さくする充電方式を開示する。同文献には、使用初期の二次電池の総容量よりも小さい値に設定した目標容量を一定にするように充電し、結果として劣化の進行に伴って充電電圧が上昇していくことを記載している。特許文献３は、リチウム・イオン電池のサイクル寿命を長くする発明を開示する。同文献の発明は、使用するリチウム電池の充放電可能容量が大きいうちは実際の充電電圧を上限より低くしかつ放電電圧を下限より高くする。また、充放電可能容量が小さくなるにつれて充電電圧を上限に近くしていきかつ放電電圧を下限に近くしていく。そして、寿命の末期は充電電圧を上限に設定しかつ放電電圧を下限に設定することで充放電可能容量の低下を少なくして寿命を長くしている。

特開２０００−２７０４９１号公報 特開２００９−１９９７７４号公報 特開平９−１２０８４３号公報

まず、本明細書において使用する用語を定義する。その時点で二次電池が蓄積できる最大の電気量を絶対容量Ｃということにする。絶対容量は、使用年数が経過するとサイクル劣化や容量劣化により低下する。定格容量Ｃ０は、電池の使用開始時点での絶対容量をいい容量劣化により変化しない値である。蓄積電気量Ｐは、ある時点で電池に残留している電気量をいい、絶対容量以下の値に相当する。容量劣化率ηは、（定格容量−絶対容量）／定格容量で計算した値で容量劣化が進行するに従って大きくなる。

リチウム・イオン電池では通常、定電流充電と定電圧充電で充電する定電流定電圧（ＣＣＣＶ）方式を採用する。ＣＣＣＶ方式では、定電流充電のときに最大電流を一定値以下にするように充電電圧を制御する。充電が進行するに伴って充電電圧が所定値に到達すると定電圧充電に入る。定電圧充電を継続すると充電電流が次第に減少する。そして充電電流が放電終止電流に到達した時点で充電を終了する。安全面から定電流充電では充電電流の最大値を規定し、定電圧充電では最大の充電電圧（たとえば４．２Ｖ／セル）を規定する。

定電圧充電の間に充電電流が一定の値まで減少したときに充電を終了させる。最大の充電電圧で充電を終了しときの蓄積電気量を満充電容量という。使用開始時の満充電容量は定格容量に一致し、その後の満充電容量はその時点で蓄積できる最大の電気量で絶対容量に一致する。本明細書では、満充電容量を主として最大充電電圧で充電したときの蓄積電気量に着目するときに使用し、絶対容量を蓄積できる能力に着目するときに使用する。

絶対容量または満充電容量まで充電する電圧を満充電電圧という。これに対して、定電流充電の間または定電圧充電で放電終止電流に到達する前に充電を終了したときと、満充電容量まで充電した状態から放電したあとの蓄積電気量は絶対容量よりも少ない。セル電圧が放電終止電圧に到達するまで放電させることを完全放電という。定格容量比（ＳＯＣ）は、定格容量に対する蓄積電気量の割合をいう。

ところで二次電池は、利用のタイミングと動作時間の保証の要否によって２種類に分類することができる。１つは、自動車や携帯式電子機器に搭載する二次電池のように、利用するタイミングをあらかじめ予想しておくことができ、それに合わせて充電することができるタイプでこのような二次電池を以後予定利用型の二次電池ということにする。予定利用型の二次電池は利用のために放電したときに、完全放電させたときの電気量や、完全放電状態から満充電までの電気量を測定して絶対容量を計算することができる。

また、完全放電状態から充電電気量を計算して所定の蓄積電気量まで充電することができる。これに対して、サーバに搭載するＮＶＤＩＭＭ（Non-Volatile Dual In-line Memory Module）用のバッテリィやＲＡＩＤ記憶装置に搭載するバッテリィは、装置が予期しないタイミングで停電した時に、揮発性メモリのデータを不揮発性メモリに退避するまでの短い一定の時間だけ電力を供給するタイプで、このような二次電池を以後突然利用型の二次電池ということにする。

特許文献１および特許文献２に記載する二次電池は予定利用型に分類することができる。予定利用型も突然利用型も、特許文献１および特許文献２に記載するように、蓄積電気量を少なくしながら徐々に充電電圧を増加させることで寿命期間を延長することができる。しかし、突然利用型の二次電池は、放電のタイミングを予想することができないため、つねに所定の蓄積電気量を確保して負荷の動作時間を保証する必要がある。このとき蓄積電気量を保証電気量Ｐｓということにする。

予定利用型の二次電池では、特許文献１に記載するように完全放電をしてから所定の充電電圧で充電したときの蓄積電気量を計測したり内部抵抗を測定したりして、所定の電気量を蓄積するために必要な充電電圧を計算して徐々に上昇させることができる。また、特許文献２に記載するように完全放電してから充電中の充電電気量を計測し、あらかじめ設定した目標容量に充電するための充電電圧が所定値を越えたときに充電電圧を上昇させることで目標容量を維持しながら徐々に充電電圧を上昇させることができる。

しかし、突然利用型の二次電池では、常に保証電気量Ｐｓを確保する必要があるため完全放電をすることができず、かつ保証電気量Ｐｓを維持する間の放電電流は微量であるため放電した電気量を計測することができない。したがって、特許文献１または特許文献２と同様の方法で保証電気量を維持するための充電電圧および充電開始の電圧と、充電電圧を上昇させるタイミングを取得することができない。また、リチウム・イオン電池は絶対容量が定格容量の４０％程度を下回ると急激に絶対容量が低下するため、できるだけ長い期間二次電池を使用するためには絶対容量を頻繁に推定して更新時期を適切に判断する必要がある。

そこで本発明の目的は、二次電池の寿命期間を延長するバックアップ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、二次電池の寿命を判断するバックアップ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、二次電池のサイクル劣化を抑制するバックアップ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、突然利用型の二次電池の寿命期間を延長しながら、保証電気量を維持するバックアップ・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなバックアップ・システムにおける二次電池の管理方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなバックアップ・システムを搭載した情報処理装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、交流電力源が停止したときに所定の時間だけ負荷に電力を供給することが可能な突然利用型の二次電池を使用開始後にバックアップ・システムが管理する方法を提供する。二次電池の絶対容量より小さい保証電気量を設定する。保証電気量を維持しながら複数の所定のタイミングで計測放電をして二次電池の直流抵抗を測定する。直流抵抗を利用して取得した充電開始電圧と充電電圧で二次電池の充電を制御し保証電気量を維持する。

上記構成によれば、絶対量より小さい保証電気量を維持するため、ストレージ劣化を抑制することができる。またサイクル劣化のない計測放電で直流抵抗を取得して保証電気量を維持することができる。所定のタイミングは一定の周期としたり、時間の経過とともに短くなる周期としたりすることができる。保証電気量を維持する際は、二次電池の絶対容量より小さくかつ保証電気量より大きい目標電気量を設定し、直流抵抗を利用して取得した目標電気量に対応する第１の充電電圧で充電することができる。ここに二次電池の電圧はセル電圧とすることができる。

さらに、保証電気量を維持する際に、二次電池の電圧が直流抵抗を利用して取得した保証電気量に相当する値まで低下したときに第１の充電電圧で充電を開始することができる。このとき第１の充電電圧に対応する蓄積電気量が所定値より小さくなったときに第１の充電電圧よりも高い第２の充電電圧で充電することができる。所定値は保証電気量とすることができる。その結果、保証電気量を維持するために充電電圧を徐々に増加させることができる。

交流電力源が停止したときに二次電池から負荷に電力を供給し、完全放電させてから満充電をすることで測定した二次電池の絶対容量に基づいて直流抵抗と第１の充電電圧の関係を修正することができる。満充電電圧で充電を終了した時の蓄積電気量が所定値よりも小さくなったときに、完全放電して絶対容量を計算し、絶対容量が所定値よりも小さいときにバックアップ・システムが二次電池の寿命が到来したことを認識することができる。このときの所定値は保証電気量とすることができる。また、直流抵抗が所定値を越えたときにバックアップ・システムが二次電池の寿命が到来したことを認識することができる。

本発明の第２の態様は、交流電力源が停止したときに負荷に電力を供給することが可能な二次電池を充電システムが使用開始後に管理する方法を提供する。複数の所定のタイミングで計測放電をして二次電池の直流抵抗を測定する。直流抵抗が所定値を越えたときに二次電池を所定のタイミングで完全放電する。完全放電のタイミングで絶対容量を測定する。絶対容量が所定値よりも低下したときに充電システムが二次電池の寿命が到来したことを認識する。このとき完全放電の周期を徐々に短くすることができる。

本発明の第３の態様は、交流電力源が停止したときに負荷に電力を供給することが可能な二次電池を充電システムが使用開始後に管理する他の方法を提供する。複数の所定のタイミングで計測放電をして二次電池の直流抵抗を測定する。直流抵抗が所定値よりも増加したときに充電システムが二次電池の寿命が到来したことを認識する。あるいは直流抵抗から推定した絶対容量が所定値よりも低下したときに寿命が到来したことを認識する。

本発明により、二次電池の寿命期間を延長するバックアップ・システムを提供することができた。さらに本発明により、二次電池の寿命を判断するバックアップ・システムを提供することができた。さらに本発明により、二次電池のサイクル劣化を抑制するバックアップ・システムを提供することができた。さらに本発明により、突然利用型の二次電池の寿命期間を延長しながら、保証電気量を維持するバックアップ・システムを提供することができた。さらに本発明により、そのようなバックアップ・システムにおける二次電池の管理方法を提供することができた。さらに本発明により、そのようなバックアップ・システムを搭載した情報処理装置を提供することができた。

バックアップ・システム１００の構成を示す概略の機能ブロック図である。 セル電圧をパラメータとしたときの、二次電池の経過年数と容量劣化率の関係を説明するための図である。 二次電池を管理する方法の概要を説明するための図である。 直流抵抗と絶対容量の関係を説明するための図である。 容量劣化率をパラメータとしたときのセル電圧と蓄積電気量の関係を説明するための図である。 バックアップ・システム１００の動作を説明するための機能ブロック図である。 参照テーブルの一例を説明するための図である。

［本発明の概要］
図１は、情報処理装置に搭載することが可能なバックアップ・システム１００の構成を示す概略の機能ブロック図である。実線は電力ラインを示している。バックアップ・システム１００は、コントローラ１０１、参照テーブル１０３、充電器１０５、電圧調整器（ＶＲ）１０７、スイッチ１１１、１１３、電池ユニット１１７および計測回路１１５を含んでいる。コントローラ１０１は、バックアップ・システム１００を搭載する情報処理装置のプロセッサとは独立してファームウェアを実行するプロセッサを含むマイクロ・コントローラとすることができる。参照テーブル１０３は、電池ユニット１１７の保証電気量Ｐｓの維持および寿命時期の判断をするためにコントローラ１０１が参照可能なデータを格納する不揮発性メモリとすることができる。

スイッチ１１１、１１３はＭＯＳ−ＦＥＴで構成することができる。電池ユニット１１７は、複数の電池セルを直列および並列に接続したリチウム・イオン電池とすることができるが、本発明はリチウム・イオン電池以外の二次電池に適用することもできる。充電器１０５は、電池ユニット１１７をＣＣＣＶ方式で充電する。ＶＲ１０７は、電池ユニット１１７の出力電圧を負荷１０９に適した電圧に変換する。計測回路１１５は、電池ユニット１１７の出力電圧、出力電流およびセル電圧などを測定する。

コントローラ１０１は、負荷１０９に電力が供給されている間電池ユニット１１７を構成する電池セルの直流抵抗（内部抵抗）ＤＣＲを測定するために、極短時間だけ交流電力源１１９を停止し、ＶＲ１０７を動作させて、スッチ１１３をオン状態にする。計測回路１１５は、スイッチ１１１、１１３がオフ状態のときのセル電圧と負荷１０９に電力を供給するときの放電電流およびセル電圧から直流抵抗ＤＣＲを計算する。直流抵抗ＤＣＲを測定するための負荷は、システムを構成する負荷１０９とは別に設けた擬似負荷としてもよい。

直流抵抗ＤＣＲの測定を目的として、電池ユニット１１７を放電させることを計測放電ということにする。これに対して交流電力源１１９が動作を停止したときに負荷１０９に電力を供給することを目的とて電池ユニット１１７を放電させることを実用放電ということにする。コントローラ１０１は計測回路１１５から直流抵抗ＤＣＲの計算に必要なデータを受け取ると、再び交流電力源１１９から負荷１０９に電力を供給し、スイッチ１１３をオフ状態にしてＶＲ１０７を停止する。

計測放電において電池ユニット１１７から負荷１０９に電力を供給する時間は計測回路１１５が直流抵抗ＤＣＲを測定するのに必要な時間で数秒程度である。したがって、計測放電の前後では電池ユニット１１７の蓄積電気量はほとんど減らない。後に詳細に説明するように、コントローラ１０１は、計測放電で取得した直流抵抗ＤＣＲと参照テーブル１０３に基づいて充電器１０５の動作を制御して、電池ユニット１１７の保証電気量Ｐｓを維持しながら、充電電圧を徐々に上昇させるとともに寿命が到来したことを判断する。

負荷１０９は、一例においてサーバに搭載する複数のＮＶＤＩＭＭとすることができる。一般的なＮＶＤＩＭＭは、印刷回路基板に複数のＤＲＡＭチップと複数のフラッシュ・メモリ・チップとＮＶＤＩＭＭロジックを実装したメモリ・モジュールが、電気二重層キャパシタ（EDLC：Electric Double Layer Capacitor）またはリチウム・イオン電池をバックアップ電源として備える。これに対して、電池ユニット１１７をバックアップ電源とする負荷１０９は、サーバが搭載するすべてのＮＶＤＩＭＭとなる。

ＮＶＤＩＭＭロジックは、交流電力源１１９が突然停止したときに、一定の時間以内にＤＲＡＭチップのデータをフラッシュ・メモリ・チップに退避し、交流電力源１１９が復帰したときにフラッシュ・メモリ・チップのデータをＤＲＡＭチップに復帰する。このときフラッシュ・メモリ・チップにデータを退避するために必要な電力を電池ユニット１１７が供給する。

このようにバックアップ電源を必要とするタイミングが確定せず、かつ、一定の動作時間を保証する必要がある負荷１０９に対して電力を供給する電池ユニット１１７は、突然利用型の二次電池としての機能が要求される。突然利用型の電池ユニット１１７を要求する負荷１０９はまた、ＲＡＩＤ（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）を採用した記憶装置とすることもできる。なお、本発明は、予定利用型の電池ユニットの管理に適用することもできる。

図２は、セル電圧をパラメータとしたときの、リチウム・イオン電池の経過年数と容量劣化率ηの関係を説明するための図である。リチウム・イオン電池は、セル電圧、環境温度および充放電サイクル数により容量劣化の進行の程度が変わる。図２は、環境温度と充放電サイクル数を同じ条件にして、セル電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）に維持したときの容量劣化率の時間的な変化を示している。図はセル電圧が高いほど容量劣化率ηが上昇する割合が大きくなることを示している。容量劣化率が６０％、すなわち、絶対容量が定格容量の４０％程度の限界容量Ｃｍまで小さくなると、絶対容量が急激に低下するため安定した電力を得ることができなくなる。

リチウム・イオン電池の寿命期間を延長するには、セル電圧をできるだけ小さくして時間的に容量劣化率が低下する割合を小さくすること、および絶対容量Ｃが限界容量Ｃｍに到達したことを正確に判断することが必要である。さらに、突然利用型のリチウム・イオン電池では、常時保証電気量Ｐｓを維持する必要があるために容量劣化率ηの測定を目的とした完全放電は避ける必要がある。

図３は、突然利用型のリチウム・イオン電池の管理方法の概要を説明するための図である。横軸は、リチウム・イオン電池の使用を開始してからの経過時間で縦軸は蓄積電気量Ｐを示している。保証電気量Ｐｓを、限界絶対容量Ｃｍに対して所定のマージンを加えた値として、たとえば定格容量Ｃ０の４５％といった蓄積電気量Ｐとして設定する。

保証電気量Ｐｓは、負荷１０９に電力供給する交流電力源１１９が停止したときに、電池ユニット１１７が所定の動作時間だけ負荷１０９に電力供給するために必要な最低の電気量に相当する。充電システム１００は、経過時間ｔ０で電池ユニット１１７の使用を開始し経過時間ｔ５で寿命と判断する。充電システム１００は、充電電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５と１ステップずつ上昇させる。たとえば、経過時間ｔ０からｔ１までは、充電電圧をＶ１に設定する。

経過時間ｔ０では容量劣化率ηを０％と推定する。このとき充電電圧Ｖ１で充電すると蓄積電気量がＰ０（Ｐ０＞Ｐｓ）になる。交流電力源１１９が電力を供給する間は、電池ユニット１１７は計測回路１１５に対して極わずかだけ放電するが、負荷１０９に対しては放電しない。経過時間ｔ１に到達する前に蓄積電気量Ｐが保証電気量Ｐｓまで低下したときは充電電圧Ｖ１で再充電する。

このとき時間が経過するに伴って容量劣化率ηが徐々に大きくなるため、同じ充電電圧Ｖ１で充電をすると蓄積電気量Ｐが徐々に低下する。経過時間ｔ１では、蓄積電気量Ｐが保証電気量Ｐｓまで低下して充電電圧Ｖ１で充電すると保証電気量Ｐｓを維持できないため充電電圧をＶ２に上昇させる。充電が終了したとき蓄積電気量はＰ１まで増加する。蓄積電気量Ｐ０とＰ１は異なってもよいが、後に説明する目標電気量Ｐｔとほぼ同じ値になるように、直流抵抗ＤＣＲに対して充電電圧および充電電圧を増加させるタイミングを選択することが望ましい。

以後同様にして経過時間ｔ４で充電電圧Ｖ５が満充電電圧まで上昇する。このときの蓄積電気量Ｐ４はその時点での満充電容量に相当する。満充電電圧に到達すると、それ以降において蓄積電気量Ｐが保証電気量Ｐｓまで低下したときに満充電電圧で再充電しても、経過時間ｔ４での充電終了時のＰ４以上の蓄積電気量を蓄積することはできず、再充電のたびに充電終了時の蓄積電気量は徐々に低下する。一例において絶対容量Ｃが限界容量Ｃｍに到達する直前の経過時間ｔ５で電池ユニット１１７を寿命と判断することができる。

経過時間ｔ０から経過時間ｔ４までは、交流電力源１１９が停止しない限り電池ユニット１１７は負荷１０９に対して実用放電をしないが、所定のタイミングで直流抵抗ＤＣＲを測定するための計測放電をする。経過時間ｔ０からｔ４までの期間を計測放電期間という。直流抵抗ＤＣＲを測定するタイミングは一定の周期でもよいが、充電電圧が低い間は周期を長くして、充電電圧が上昇するに従って周期を短くすることができる。経過時間ｔ４以降では、一時的に保証電気量Ｐｓを維持できなくなることよりも、正確な寿命を判断してできるだけ長く利用することを重要視して、絶対容量Ｃを測定するために所定のタイミングで完全放電をすることができる。この期間を寿命判定期間という。

寿命判定期間における完全放電のタイミングは一定の周期でもよいが、直流抵抗ＤＣＲが大きくなるに従って短くすることができる。バックアップ・システム１００は図３で説明した管理を行うために、計測放電期間中は交流電力源１１９が動作を停止しない限り保証電気量Ｃｍを連続して維持する。以下において、充電システム１００が、保証電気量Ｐｓを維持しながら、セル電圧をできるだけ低くして、充電を開始するセル電圧、充電電圧、および充電電圧の増加のタイミングを適切に判断する方法を説明する。

図４は、リチウム・イオン電池の直流抵抗ＤＣＲと絶対容量Ｃの関係を示す図である。使用開始直後は絶対容量Ｃが定格容量Ｃ０に等しい。直流抵抗ＤＣＲと絶対容量Ｃは反比例の関係になることが知られている。したがって、直流抵抗ＤＣＲを測定することで、絶対容量Ｃの推定値を得ることができ、絶対容量Ｃの推定値から、容量劣化率ηをη＝（Ｃ０−Ｃ）／Ｃ０で計算することができる。容量劣化が進行して絶対容量が小さくなるほど容量劣化率ηは大きくなる。ライン１１は、あらかじめ工場で実測した特性を示し、ライン１３、１５は、使用を開始したあとに完全放電をして実測した絶対容量Ｃと直流抵抗ＤＣＲｘの関係からライン１１を修正した特性を示している。限界容量Ｃｍに対応する直流抵抗ＤＣＲを限界抵抗ＤＣＲｍということにする。

図５（Ａ）は、計測放電期間に、保証電気量Ｐｓを維持するための充電電圧の決定方法、充電開始のタイミングの決定方法および充電電圧を上昇させるタイミングを決定する方法を説明するための図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）を部分的に拡大して説明するための図である。横軸は定格容量Ｃ０に対する蓄積電気量Ｐの割合（ＳＯＣ）を示し、縦軸はセル電圧を示している。各ラインはη０からη６までの各容量劣化率について、セル電圧とＳＯＣの関係を示しておりあらかじめ実験で求めておくことができる。η０は容量劣化率が０％に相当し、番号が大きくなるに従ってηが大きくなることを示している。

ＳＯＣに対して保証電気量Ｐｓと目標電気量Ｐｔを設定している。目標電気量Ｐｔはセル電圧をできるだけ低くするために、充電の頻度が問題にならない程度まで保証電気量Ｐｓに接近させることが望ましい。一例において、保証電気量ＰｓをＳＯＣ４５％とし、目標電気量ＰｔをＳＯＣ５５％とすることができる。図５は、説明のために模式的に作成したもので、現実に実測する特性は図５の傾向と異なる場合がある。図５で特徴的な第１の傾向として、容量劣化率ηが大きくなるに従って満充電電圧で充電したときのＳＯＣ（満充電容量Ｃ１〜Ｃ６）が低下することを挙げることができる。

第２の傾向として同じセル電圧のときには、容量劣化率ηが大きいほどＳＯＣが小さくなることを挙げることができる。さらに、第３の傾向として同じＳＯＣのときは、容量劣化率ηが大きいほど、セル電圧が高いことを挙げることができる。すなわち、図は同じ蓄積電気量Ｐに充電するためには、容量劣化率ηが大きいほど高い充電電圧が必要になることを示している。

図６は、充電システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。ブロック２０１でコントローラ１０１に対して、定格容量Ｃ０、限界容量Ｃｍ、限界抵抗ＤＣＲｍ、目標電気量Ｐｔ、および保証電気量Ｐｓなどのパラメータを設定する。コントローラ１０１は、図４のライン１１に相当するデータを保有し、直流抵抗ＤＣＲから絶対容量Ｃを計算することができる。参照テーブル１０３には、一例として図５の特性から取得した図７に示すデータを格納している。参照テーブル１０３は、直流抵抗ＤＣＲの所定の範囲をレコードとし、容量劣化率η、充電電圧、充電開始のセル電圧、および満充電容量をフィールドとするデータ・ベースである。参照テーブル１０３は、これらのデータを関数として保有してもよい。

充電電圧Ｖ０ｔ〜Ｖ５ｔは、対応するそれぞれの容量劣化率η０〜η５のときに、目標電気量Ｐｔを充電することができる定電圧充電の電圧に相当する。充電開始のセル電圧は、対応するそれぞれの容量劣化率η０〜η５のときに、保証電気量Ｐｓを蓄積している電圧に相当する。満充電容量Ｃ０〜Ｃ５は、対応するそれぞれの容量劣化率η０〜η５のときに、満充電電圧で充電したときのＳＯＣに相当する。ここでは満充電容量を、容量劣化率がη０のときに１００％とし、容量劣化率がη５のときに目標電気量Ｐｔとなるように設定しているが、各レコードにおける直流抵抗ＤＣＲの範囲やレコードの数は本発明を限定するものではない。

ブロック２０３で電池ユニット１１７の使用を開始すると、コントローラ１０１は、ＶＲ１０７、スイッチ１１１、１１３、および交流電力源１１９を制御して所定のタイミングで負荷１０９に対して電池ユニット１１７から計測放電をする。計測放電で放電する電気量は微量であるため計測放電の周期は１日に１回程度としてもよいし、当初は１ヶ月に１回として容量劣化が進行するに従って短くしてもよい。また、計測放電は、サイクル劣化をもたらすことがないため頻度を高くしても容量劣化に影響はでない。

コントローラ１０１は、計測放電のタイミングで計測回路１１５から放電電流と放電の前後のセル電圧を取得して直流抵抗ＤＣＲを計算し、図４のライン１１から絶対容量Ｃを計算する。さらに、定格容量Ｃ０と計算した絶対容量Ｃから現在の容量劣化率ηを計算する。ブロック２０５でコントローラ１０１は計算した容量劣化率ηに対して最も近いレコードを参照テーブル１０３から選択する。この場合、最も容量劣化の小さいη０を選択するものと想定する。

コントローラ１０１は、参照テーブル１０３のη０を含むレコードから充電開始のセル電圧Ｖ０ｓと充電電圧Ｖ０ｔを取得する。本実施の形態では、ＳＯＣを目標電気量Ｐｔと保証電気量Ｐｓの間に維持することでセル電圧を必要以上に高くしないようにする。コントローラ１０１は、使用を開始した直後の電池ユニット１１７が満充電状態のときは、セル電圧が充電電圧Ｖ０ｔまで低下するように負荷１０９に放電することができる。充電器１０５は充電電圧Ｖ０ｔで充電するときに、充電電流が一定の放電終止電流以下になると充電を停止する。セル電圧は充電を停止する直前の充電電圧Ｖ０ｔに支配される。充電を停止する直前と直後のセル電圧は多少変化するがここでは誤差として扱うことにする。

ブロック２０７でコントローラ１０１は、今回測定した直流抵抗ＤＣＲが、限界抵抗ＤＣＲｍ（図４）より大きい場合は、寿命と判断してブロック２３１に移行する。この手順は、コントローラ１０１が電池ユニット１１７の寿命の到来を認識するまで実行する。ブロック２０９でコントローラ１０１は、自然放電や計測回路１１５に対する放電でＳＯＣが保証電気量Ｐｓに到達したか否かを判断するが、計測放電期間の放電量は微量であるため、実用放電がない限り放電電気量を計測することは困難である。

コントローラ１０１は、定期的に計測回路１１５から受け取ったセル電圧を監視し、セル電圧が参照テーブル１０３に示す充電開始のセル電圧Ｖ０ｓまで低下したときにＳＯＣが保証電気量Ｐｓに到達したと判断する。計測放電期間の放電量は微量であるため、ＳＯＣが保証電気量Ｐｓに到達するまでは数ヶ月を費やす場合があり、この間も、容量劣化率ηは大きくなる。

容量劣化率がη０よりも大きくなると、セル電圧が、容量劣化率がη０のときの充電開始のセル電圧Ｖ０ｓに到達したタイミングで充電を開始するとＳＯＣが保証電気量Ｐｓより小さくなる。これを補うために、図５（Ｂ）に示すように、直流抵抗ＤＣＲから計算したその時点の容量劣化率をηｘ１としたときに、η１とη０の差およびＶ１ｓとＶ０ｓの差から、補完法でηｘ１に対応するＶｘｓを求め、セル電圧がＶ０ｓより高いＶｘｓに到達したときにＳＯＣが保証電気量Ｐｓに到達したと判断することができる。あるいは、容量劣化率がη０の間は、充電開始のセル電圧Ｖ０ｓで充電しても負荷１０９の動作時間を保証できるように保証電気量Ｐｓに余裕を持たせておくことができる。

ブロック２１１で充電開始のタイミングを認識したコントローラ１０１は充電電圧Ｖ０ｔで再充電する。再充電のタイミングでは容量劣化率ηが初期の容量劣化率η０よりも大きくなってηｘ１になっているため、充電終了時のＳＯＣは同じ充電電圧Ｖ０ｔで充電したブロック２０５のときよりも小さくなってＳＯＣ１になるが保証電気量Ｐｓよりは大きい。以後、充電電圧Ｖ０ｔで再充電したときには、容量劣化率ηの増加に伴ってＳＯＣは小さくなる。

ブロック２１３でコントローラ１０１は、充電電圧Ｖ０ｔで充電したときのＳＯＣが、その時点での直流抵抗ＤＣＲ、すなわち容量劣化率ηにおいて、保証電気量Ｐｓより大きいか否かを判断する。図５（Ｂ）に示すように、現在の容量劣化率がηｘ２まで増加すると、充電電圧Ｖ０ｔで充電すると充電終了時のＳＯＣが保証電気量Ｐｓ以下になる。コントローラ１０１は、η１、η０、Ｖ１ｓ、Ｖ０ｓから補完法で求めた容量劣化率がηｘ２のときの充電開始のセル電圧が、Ｖ０ｔより小さいときは保証電気量Ｐｓを維持できると判断してブロック２０９に戻り再充電が必要なときは充電電圧Ｖ０ｔで充電する。

コントローラ１０１は、容量劣化率ηｘ２のときの充電開始のセル電圧が、Ｖ０ｔより大きいときは、充電電圧Ｖ０ｔでは保証電気量Ｐｓを維持できないと判断してブロック２１５に移行する。ブロック２１５でコントローラ１０１は、容量劣化率η１のグラフに対応する充電電圧Ｖ１ｔを取得する。容量劣化率ηは、直流抵抗ＤＣＲから推定しているが、所定の直流抵抗ＤＣＲｘに対して、実験で求めた図４のライン１１が示す絶対容量Ｃ０１と実測した絶対容量Ｃｘ１、ｃｘ２の関係の間には、環境条件や個体差によりある程度の差が生じる。

実測した絶対容量Ｃｘ１よりも、実測した直流抵抗ＤＣＲからライン１１を使って推定した絶対容量が大きい場合は、推定したよりも容量劣化が遅いため、充電電圧が保証電気量Ｐｓを維持するために必要な値以上に大きくなり不必要な容量劣化が進行することになる。逆に、実測した絶対容量Ｃｘ２よりも、実測した直流抵抗ＤＣＲからライン１１を使って推定した絶対容量Ｃ０１が小さい場合は、充電電圧および充電開始のセル電圧が必要以上に小さくなり保証電気量Ｐｓを維持できなくなる。

ブロック２１７で、偶発的に実用放電が発生する場合がある。コントローラ１０１は交流電力源１１９の停電を検出するとスイッチ１１１、１１３およびＶＲ１０７を制御して負荷１０９に電池ユニット１１７から電力を供給する。このとき、交流電力源１１９は、電池ユニット１１７が放電終止電圧に到達する前に復電することがあるが、コントローラ１０１は復電しても放電終止電圧まで電池ユニット１１７から電力を供給してから充電を継続することができる。

ブロック２１９でコントローラ１０１は、放電終止電圧から満充電電圧で充電して実測した絶対容量Ｃと、現在の直流抵抗ＤＣＲの値に対して図４のライン１１が対応する絶対容量Ｃ０１を比較して、図４のグラフを修正することができる。実測した絶対容量Ｃｘ１が、実測した直流抵抗ＤＣＲｘから取得したライン１１上の絶対容量Ｃ０１より小さい場合は、ライン１１をライン１５のように修正することができる。

逆に実測した絶対容量Ｃｘ２が絶対容量Ｃ０１より大きい場合は、ライン１１をライン１３のように修正することができる。以後、ライン１１のキャリブレーションは、実用放電が発生するタイミングごとに実行することができる。あるいは実用放電に代えて定期的にまたは徐々に短くなる周期で、計画的な完全放電および満充電電圧による充電をして図４のグラフをキャリブレーションするようにしてもよい。

ブロック２２１では、ブロック２０３からブロック２１９までの手順を繰り返してＳＯＣを保証電気量Ｐｓ以上に維持しながら直流抵抗ＤＣＲの増加に伴って充電電圧を徐々に上昇させる。したがって、セル電圧は、保証電気量Ｐｓを維持するのに必要な最低限の値に維持できるため、ストレージ劣化を抑制することができる。この例では、ブロック２２３で容量劣化率がη５まで大きくなったときに満充電電圧で充電しており、このときの満充電容量Ｃ５に相当するＳＯＣが目標電気量Ｐｔに一致している。

これ以降は再充電の際に、満充電電圧で充電しても充電終了時のＳＯＣが目標電気量Ｐｔより小さくなるため寿命判定期間に移行する。寿命判定期間への移行のタイミングは、満充電電圧で充電したときのＳＯＣが目標電気量Ｐｔより小さいが保証電気量Ｐｓより大きい所定値になったときとすることができる。あるいは、実測した直流抵抗ＤＣＲが容量劣化率η５に対応する値より大きいが限界抵抗ＤＣＲｍの値より小さい所定値になったときとすることができる。あるいは、充電開始のセル電圧から満充電容量まで充電したときに充電した電気量が所定値未満になったときとすることができる。

ブロック２２５でコントローラ１０１は、一定の周期または徐々に短くなる周期で完全放電をして満充電電圧で充電し絶対容量Ｃを実測する。ブロック２２７でコントローラ１０１は、絶対容量Ｃが限界容量Ｃｍに到達したときに寿命と判断してブロック２３１に移行する。絶対容量Ｃが限界容量Ｃｍに到達していないときはブロック２２９でコントローラ１０１は、図５の容量劣化率η６のラインが示すように、満充電電圧Ｖ６ｔで充電したときのＳＯＣが保証電気量Ｐｓを下回ったときに寿命と判断してブロック２３１に移行する。ブロック２３１でコントローラ１０１は、ユーザーにランプやディスプレイを通じて電池ユニット１１７に寿命が到来したことを知らせる。

ブロック２０１からブロック２３１までの手順は、本発明の実施形態を説明したものであり、本発明に必須の手順およびその順番は特許請求の範囲に記載のとおりである。たとえば、寿命を判定するブロック２０７、２２７、２２９の手順はすべてを採用する必要はなくいずれか１つであってもよい。ブロック２２７の手順を省略すれば、完全放電をしないで寿命の判断ができるため、使用開始から寿命までの全期間にわたって保証電気量Ｐｓを維持することができる。また、ブロック２１９の手順は省略してもよい。

上記の手順によれば、セル電圧を抑制しながらストレージ劣化を抑制できるとともに、計測放電期間は寿命の判断のために完全放電をする必要がないか、または頻度が少ないためサイクル劣化を抑制することも可能になる。また、寿命の判断や充電電圧を上昇させるタイミングを取得するために完全放電する必要がないため、ほぼ完全に保証電気量Ｐｓを維持することができる。これまで、突然利用型の電池ユニットを例示して管理方法を説明したが、本発明は、予定利用型の電池ユニットに適用してサイクル劣化を防ぎながら寿命を判断することができる。この場合は特に図６のブロック２０７、ブロック２２３〜２２９の手順を適用することができる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１００ 充電システム
η 容量劣化率
Ｃ０ 定格容量
Ｃｍ 限界容量
Ｐ 蓄積電気量
Ｐｔ 目標電気量
Ｐｓ 保証電気量
ＤＣＲ 直流抵抗
ＳＯＣ 定格容量に対する蓄積電気量

Claims (14)

1. 交流電力源が停止したときに所定の時間だけ負荷に電力を供給することが可能な突然利用型の二次電池を使用開始後にバックアップ・システムが管理する方法であって、
   前記二次電池の絶対容量より小さい保証電気量を設定するステップと、
   前記保証電気量を維持しながら複数の所定のタイミングで計測放電をして前記二次電池の直流抵抗を測定するステップと、
   前記直流抵抗を利用して取得した充電開始電圧と充電電圧で前記二次電池の充電を制御し前記保証電気量を維持するステップ、
   前記交流電力源が停止して前記二次電池から前記負荷に電力を供給した後で充電する際に測定した絶対容量に基づいて前記直流抵抗と前記充電電圧の関係を修正するステップと
   を有する方法。
2. 前記所定のタイミングが一定の周期である請求項１に記載の方法。
3. 前記所定のタイミングが時間の経過とともに短くなる周期である請求項１に記載の方法。
4. 前記保証電気量を維持するステップが、
   前記絶対容量より小さくかつ前記保証電気量より大きい目標電気量を設定するステップと、
   前記直流抵抗を利用して取得した前記目標電気量に対応する第１の充電電圧で充電するステップと
   を有する請求項１に記載の方法。
5. 前記保証電気量を維持するステップが、
   前記二次電池の電圧が前記直流抵抗を利用して取得した前記保証電気量に相当する値まで低下したときに前記第１の充電電圧で充電を開始するステップを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記直流抵抗を利用して取得した前記第１の充電電圧に対応する蓄積電気量が所定値より小さくなったときに前記第１の充電電圧よりも高い第２の充電電圧で充電するステップを有する請求項５に記載の方法。
7. 前記所定値が前記保証電気量である請求項６に記載の方法。
8. 満充電電圧で充電を終了した時の蓄積電気量が所定値よりも小さくなったときに、完全放電して絶対容量を計算するステップと、
   前記絶対容量が所定値よりも小さいときに前記バックアップ・システムが前記二次電池の寿命の到来を認識するステップと
   を有する請求項１に記載の方法。
9. 前記蓄積電気量の所定値が前記保証電気量である請求項８に記載の方法。
10. 前記直流抵抗が所定値を越えたときに前記バックアップ・システムが前記二次電池の寿命の到来を認識するステップを有する請求項１に記載の方法。
11. 交流電力源が停止したときに所定の時間だけ負荷に電力を供給することが可能な突然利用型の二次電池を有するバックアップ・システムであって、
    前記二次電池を充電する充電器と、
    前記二次電池の直流抵抗を計算するためのデータを測定する計測回路と、
    前記直流抵抗から保証電気量を維持する充電電圧を取得するためのデータを格納する参照テーブルと、
    前記二次電池から複数の所定のタイミングで計測放電をして前記直流抵抗を計算し、前記参照テーブルから前記充電器の充電電圧を取得して前記保証電気量を維持し、前記交流電力源が停止して前記二次電池から前記負荷に電力を供給した後で前記充電器が充電する際に測定した絶対容量に基づいて前記直流抵抗と前記充電電圧の関係を修正するするコントローラと
    を有するバックアップ・システム。
12. 前記参照テーブルが前記直流抵抗から充電を開始する電池電圧を取得するためのデータを格納し、前記コントローラは前記参照テーブルから取得した前記電池電圧に基づいて前記充電器の動作を制御する請求項１１に記載のバックアップ・システム。
13. 前記負荷がＮＶＤＩＭＭである請求項１１に記載のバックアップ・システム。
14. 請求項１１から請求項１３のいずれかに記載のバックアップ・システムを搭載する情報処理装置。

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