JP6115915B2

JP6115915B2 - 電池状態検出装置

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Publication number: JP6115915B2
Application number: JP2013142519A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
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Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2017-04-19
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Description

本発明は、二次電池の内部インピーダンスや劣化の度合などの当該二次電池の状態を検出する電池状態検出装置に関するものである。

例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。

このような二次電池は、充電及び放電を繰り返すことにより劣化が進み、蓄電可能容量（電流容量や電力容量など）が徐々に減少することが知られている。そして、二次電池を用いた電気自動車などにおいては、二次電池の劣化の度合を検出することにより蓄電可能容量を求めて、二次電池によって走行可能な距離や二次電池の寿命などを算出している。

二次電池の劣化の度合を示す指標の一つとして、初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）がある。このＳＯＨは二次電池の内部インピーダンスと相関があることが知られており、二次電池の内部インピーダンスを求めることにより当該内部インピーダンスに基づいてＳＯＨを検出することができる。

二次電池の内部インピーダンスは、例えば、二次電池に対して、波形が一定となる交流信号を印加して、その応答に基づいて求めることができる。このような二次電池の内部インピーダンスを検出する技術の一例が、特許文献１等に開示されている。

特開２００４−２５１６２５号公報

しかしながら、交流信号を印加して二次電池の内部インピーダンスを検出する場合、図４に示すように、二次電池に電力を供給する充電方向及び二次電池から電力を引き出す放電方向に向けて交互に電流を流す必要があったため、充電手段及び放電手段が共に必要となるとともに、放電手段において電力を消費することにより生じる熱を放出する機構などが必要となり、そのため、製造コストの増加及び装置の大型化といった問題があった。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、製造コストの増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる電池状態検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、二次電池に充電電流を流す充電手段を備えた電池状態検出装置であって、所定の基準電圧と前記二次電池の両電極間の電圧との差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、前記二次電池に一定の電流値となる直流成分のみからなる第１充電電流が流れるように前記充電手段を制御する第１充電制御手段と、前記二次電池に前記第１充電電流が流れている状態において前記差分電圧出力手段によって出力された前記差分電圧が所定の切替判定値になったとき、前記直流成分及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる交流成分を含む第２充電電流が流れるように前記充電手段を制御する第２充電制御手段と、前記二次電池に前記第２充電電流が流れ始めた後に前記差分電圧出力手段から出力された前記差分電圧を検出する差分電圧検出手段と、前記差分電圧検出手段によって検出された前記差分電圧の交流成分、及び、前記第２充電電流の交流成分に基づいて、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、を備えていることを特徴とする電池状態検出装置である。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記差分電圧検出手段が、前記差分電圧出力手段の前記差分電圧が入力されるアナログ−デジタル変換器を備え、前記切替判定値が、前記アナログ−デジタル変換器における入力許容電圧範囲の中央値に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、基準電圧と二次電池の両電極間の電圧との差分値に応じた差分電圧を出力する。第１充電制御手段が、二次電池に一定の電流値となる直流成分のみからなる第１充電電流が流れるように充電手段を制御する。第２充電制御手段が、二次電池に第１充電電流が流れている状態において差分電圧出力手段によって出力された差分電圧が所定の切替判定値になったとき、上記直流成分及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる交流成分を含む第２充電電流が流れるように充電手段を制御する。差分電圧検出手段が、二次電池に第２充電電流が流れ始めた後に差分電圧出力手段から出力された差分電圧を検出する。電池状態検出手段が、差分電圧検出手段によって検出された差分電圧の交流成分、及び、第２充電電流の交流成分に基づいて、二次電池の状態を検出する。

このようにしたことから、二次電池の内部インピーダンスにおける第２充電電流の交流成分に対する応答が差分電圧の交流成分にあらわれ、これら差分電圧の交流成分及び第２充電電流の交流成分に基づいて、二次電池の内部インピーダンス等の二次電池の状態を検出することができる。そして、第２充電電流において、交流成分の振幅値を直流成分の電流値以下としているので、これら交流成分が最小値に振れたときでも、第２充電電流が負の値（即ち、二次電池から放電される方向）になることはない。そのため、充電手段のみを用いて電池状態を検出するための第２充電電流を生成することができるので、二次電池から電流を引き出す放電手段を設ける必要がなくなり、製造コスト増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる。また、第１充電電流から第２充電電流への切替タイミングについて、例えば、単に二次電池の両電極間の電圧を用いて判定する構成では、当該切替タイミングの判定に用いる値が、二次電池の両電極間の電圧が取り得る範囲に限定されてしまうが、本発明のように所定の基準電圧と二次電池の両電極間の電圧との差分値に応じた差分電圧を用いることにより、基準電圧を適宜設定することで差分電圧の範囲を任意に設定することができ、そのため、当該切替タイミングの判定に用いる値についても任意に設定することができ、設計の自由度を高めることができる。

請求項２に記載された発明によれば、差分電圧検出手段が、差分電圧出力手段の差分電圧が入力されるアナログ−デジタル変換器を備え、切替判定値が、アナログ−デジタル変換器における入力許容電圧範囲の中央値に設定されている。このようにしたことから、第１充電電流から第２充電電流に切り替える時点において差分電圧がアナログ−デジタル変換器の入力許容電圧範囲の中央値となるので、差分電圧の変化幅を波形を歪ませることなくアナログ−デジタル変換器の入力許容電圧範囲の下限から上限までとすることができる。そのため、変化幅の大きい差分電圧を用いて電池状態を検出することができるので、二次電池の状態の検出精度を効果的に高めることができる。また、基準電圧と二次電池の両電極間の電圧との差分値が小さい場合には、当該差分値を歪ませることなくより大きく増幅できるので、二次電池の状態の検出精度を効果的に高めることができる。

請求項３に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、差分電圧として、所定の基準電圧と二次電池の両電極間の電圧との差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されている。このようにしたことから、差分電圧をより大きな値として得ることができ、二次電池の状態の検出精度の低下を抑制できる。

本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図１の電池状態検出装置が備える制御部によって実行される充電処理の一例を示すフローチャートである。図１の電池状態検出装置の充電部から出力される第２充電電流の波形の一例を模式的に示す図である。従来の二次電池の内部インピーダンス検出において用いられる電流波形を模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態の電池状態検出装置について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図２は、図１の電池状態検出装置が備える制御部によって実行される充電処理の一例を示すフローチャートである。図３は、図１の電池状態検出装置の充電部から出力される第２充電電流の波形の一例を模式的に示す図である。

電池状態検出装置は、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える二次電池の電極間に接続されて、当該二次電池の状態として二次電池の内部インピーダンスを検出するものである。勿論、電気自動車以外の二次電池を備えた装置、システムなどに適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の電池状態検出装置（図中、符号１で示す）は、図示しない電気自動車に搭載された二次電池Ｂの内部インピーダンスの検出を行う。

二次電池Ｂは、電圧を生じる起電力部ｅと内部インピーダンスｚとを有している。二次電池Ｂは、両電極（正極Ｂｐ及び負極Ｂｎ）間に電圧Ｖｂを生じ、この電圧Ｖｂは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧Ｖｅと内部インピーダンスｚに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｚとによって決定される（Ｖｂ＝Ｖｅ＋Ｖｚ）。

このような二次電池Ｂの内部インピーダンスｚは、以下の方法で求めることができる。

二次電池Ｂにおいて、所定の直流成分のみからなる第１充電電流Ｉ１を流したときの当該二次電池Ｂの両電極間の電圧をＶｂ１としたとき、電圧Ｖｂ１は、次の（ｉ）式で示される。
Ｖｂ１＝Ｖｅ＋ｚ×Ｉ１・・・（ｉ）

そして、二次電池Ｂにおいて、第１充電電流Ｉ１を流したときに上記電圧Ｖｂ１となる状態で、第１充電電流Ｉ１に代えて、当該第１充電電流Ｉ１の直流成分及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる交流成分を含む第２充電電流Ｉ２を流す。そして、第２充電電流Ｉ２を流し始めた直後、つまり、当該第２充電電流Ｉ２により充電がされる前（電圧Ｖｅが変化する前）の当該二次電池Ｂの両電極間の電圧をＶｂ２としたとき、電圧Ｖｂ２は、次の（ｉｉ）式で示される。
Ｖｂ２＝Ｖｅ＋ｚ×Ｉ２・・・（ｉｉ）

そして、これら（ｉ）、（ｉｉ）式より、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚは、次の（ｉｉｉ）式で求められる。
ｚ＝（Ｖｂ１−Ｖｂ２）／（Ｉ１−Ｉ２）・・・（ｉｉｉ）

ここで、（ｉｉｉ）式の分母である、第１充電電流Ｉ１と第２充電電流Ｉ２との差分値は、第２充電電流Ｉ２に含まれる交流成分である。また、（ｉｉｉ）式の分子である、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１を流したときの両電極間の電圧Ｖｂ１と第２充電電流Ｉ２を流したときの両電極間の電圧Ｖｂ２との差分値は、当該差分値に含まれる交流成分である。このことから、電圧Ｖｂ１と電圧Ｖｂ２との差分値に含まれる交流成分、及び、第２充電電流Ｉ２に含まれる交流成分に基づいて、二次電池の内部インピーダンスを検出することができる。

二次電池Ｂの内部インピーダンスｚは、当該二次電池Ｂにおける初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）と相関がある。そのため、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを計測することで、ＳＯＨについても把握することができる。

そして、本実施形態の電池状態検出装置は、上述した方法を応用して二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する。

図１に示すように、本実施形態の電池状態検出装置（図中、符号１で示す）は、増幅器１１と、基準電圧発生部１２と、充電部１５と、アナログ−デジタル変換器２１と、マイクロコンピュータ４０（以下、「μＣＯＭ４０」という）と、を有している。

増幅器１１は、例えば、オペアンプなどで構成されており、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２）と１つの出力端子（出力端子Ｏｕｔ）を備え、これら２つの入力端子に入力された電圧の差分値を所定の増幅率Ｇで増幅した増幅電圧Ｖｍを出力端子から出力する。第１入力端子Ｉｎ１には、二次電池Ｂの正極Ｂｐが接続されている。第２入力端子Ｉｎ２には、後述する基準電圧発生部１２の出力が接続されている。即ち、増幅器１１は、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂと基準電圧発生部１２の基準電圧Ｖｒｅｆとの差分値に増幅率Ｇを乗じた電圧を増幅電圧Ｖｍとして出力する。この増幅率Ｇは、電池状態検出装置１の構成や二次電池Ｂの種類などに応じて、例えば、数十倍〜数万倍程度の範囲で設定される。または、増幅の必要が無ければ、増幅率Ｇを１（増幅なし）に設定してもよい。増幅器１１は、差分電圧出力手段に相当し、増幅電圧Ｖｍは、差分電圧に相当する。

基準電圧発生部１２は、例えば、電池状態検出装置１の電源電圧を分圧する複数の抵抗器からなる分圧回路、又は、ツェナーダイオードなどで構成されており、一定の基準電圧Ｖｒｅｆを増幅器１１に出力している。

充電部１５は、二次電池Ｂの正極Ｂｐと基準電位Ｇ（即ち、二次電池Ｂの負極Ｂｎ）との間に接続されており、二次電池Ｂの充電に際して、当該二次電池Ｂに任意の充電電流を流すことができるように設けられている。充電部１５は、後述するμＣＯＭ４０に接続されており、μＣＯＭ４０からの制御信号に応じて、二次電池Ｂに充電電流を流して充電する。充電部１５は、充電手段に相当する。

アナログ−デジタル変換器２１（以下、「ＡＤＣ２１」という）は、増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを量子化して、当該増幅電圧Ｖｍに対応するデジタル値を示す信号を出力する。本実施形態において、ＡＤＣ２１は、個別の電子部品として実装されているが、これに限定されるものではなく、例えば、後述するμＣＯＭ４０に内蔵されたアナログ−デジタル変換部などを用いてもよい。本実施形態において、ＡＤＣ２１の入力許容電圧範囲は、０Ｖ〜５Ｖである。勿論、これ以外の入力許容電圧範囲となるものを用いてもよい。ＡＤＣ２１は、後述するμＣＯＭ４０とともに差分電圧検出手段を構成する。

μＣＯＭ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、電池状態検出装置１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを第１充電制御手段、第２充電制御手段、差分電圧検出手段、電池状態検出手段などの各種手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより上記各種手段として機能する。ＲＯＭには、後述する第１充電電流Ｉ１、第２充電電流Ｉ２、増幅器１１の増幅率Ｇ、切替判定値Ｈをそれぞれ示す情報が記憶されており、これら情報は、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚの検出に用いられる。本実施形態において、切替判定値Ｈは、ＡＤＣ２１の入力許容電圧範囲の中央値（２．５Ｖ）に設定されている。また、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１が流れている状態において当該二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが、二次電池Ｂの電圧範囲の中央値（例えば、二次電池Ｂにリチウムイオン電池を用いた場合、その電圧範囲が３．０Ｖ〜４．２Ｖとするとその中央値は３．６Ｖ）になったときに、増幅器１１から出力される増幅電圧Ｖｍが２．５Ｖとなるように、基準電圧Ｖｒｅｆ及び増幅率Ｇが設定されている。勿論、これら値は一例であって、電池状態検出装置や二次電池の構成などに応じて適宜設定される。

μＣＯＭ４０は、充電部１５に接続された出力ポートＰＯを備えている。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、出力ポートＰＯを通じて充電部１５に制御信号を送信して、充電部１５から二次電池Ｂに所定の直流成分ｉｄのみからなる第１充電電流Ｉ１（Ｉ１＝ｉｄ）及びこの直流成分ｉｄ及び当該直流成分ｉｄの電流値以下の振幅αとなる正弦波の交流成分ｉａを含む第２充電電流Ｉ２（Ｉ２＝ｉｄ＋ｉａ（ｉａ＝αｓｉｎ（ωｔ）、但し、α≦ｉｄ））が流れるように充電部１５を制御する。第２充電電流Ｉ２において、交流成分ｉａの振幅を直流成分ｉｄの電流値以下としているので、交流成分ｉａが最小値に振れたときでも、第１検出電流Ｉ１及び第２検出電流Ｉ２が負の値（即ち、二次電池Ｂから放電される方向）になることはない。即ち、第２充電電流Ｉ２は、図３に模式的に示すように、充電方向のみに流れ、放電方向には流れない。

μＣＯＭ４０は、ＡＤＣ２１から出力された信号が入力される入力ポートＰＩを有している。この入力ポートＰＩに入力された信号は、μＣＯＭ４０のＣＰＵが認識できる形式の情報に変換されて当該ＣＰＵに送られる。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、当該情報に基づいて、増幅電圧Ｖｍに含まれる交流成分ｖａを検出する。また、ＣＰＵは、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａ、及び、第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに基づいて二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する。

μＣＯＭ４０は、図示しない通信ポートを有している。この通信ポートは、図示しない車両内ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）など）に接続されており、当該車両内ネットワークを通じて車両メンテナンス用の端末装置などの表示装置に接続される。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、検出した内部インピーダンスを示す信号を表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき内部インピーダンス等の二次電池Ｂの状態を表示する。または、μＣＯＭ４０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、検出した内部インピーダンスを示す信号を車両に搭載されたコンビネーションメータなどの表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき内部インピーダンス等の二次電池Ｂの状態を表示するようにしてもよい。

次に、上述した電池状態検出装置１が備えるμＣＯＭ４０における充電処理の一例について、図２のフローチャートを参照して説明する。

μＣＯＭ４０のＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」という）は、例えば、車両に搭載された電子制御装置から通信ポートを通じて二次電池Ｂの充電開始命令を受信すると、図２に示す充電処理に進む。

充電処理において、始めに、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１を流す（Ｓ１１０）。具体的には、ＣＰＵは、出力ポートＰＯを通じて充電部１５に対し第１充電電流Ｉ１で充電を行うための制御信号を送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた直流成分ｉｄのみを含む第１充電電流Ｉ１を流す。これにより、二次電池Ｂの充電が開始される。

次に、増幅器１１から出力される増幅電圧Ｖｍが切替判定値Ｈになるまで待つ（Ｓ１２０）。具体的には、ＣＰＵは、入力ポートＰＩに入力された信号から得られた情報に基づいて増幅器１１から出力される増幅電圧Ｖｍを周期的（例えば、１秒毎）に検出して、切替判定値Ｈ（２．５Ｖ）になったか否かを判定する。

次に、増幅電圧Ｖｍが切替判定値Ｈになると、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１に代えて第２充電電流Ｉ２を流す（Ｓ１３０）。具体的には、ＣＰＵは、出力ポートＰＯを通じて充電部１５に対し第２充電電流Ｉ２で充電を行うための制御信号を送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに直流成分ｉｄ及び交流成分ｉａを含む第２充電電流Ｉ２を流す。

次に、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが安定するまで待つ（Ｓ１４０）。具体的には、第１充電電流Ｉ１から第２充電電流Ｉ２に切り替えると、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが過渡状態となってその値が変動しながら一定の波形に収束するところ、ＣＰＵは、この収束のための予め設定された電圧安定待ち時間（例えば、１〜３秒程度）が経過するのを待ち、この電圧安定待ち時間を経過したとき二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが一定の波形に収束して安定する。本明細書において、「二次電池に第２充電電流が流れ始めた後」とは、第２充電電流Ｉ２が流れ始めてから当該第２充電電流Ｉ２によって二次電池Ｂの充電状態が変化する前（即ち、二次電池Ｂの電圧Ｖｅが変化する前）までの期間のことを意味し、本実施形態においては上記電圧安定待ち時間が経過した後を含む。つまり、第２充電電流Ｉ２が流れ始めてから上記電圧安定待ち時間が経過しても、当該第２充電時間Ｉ２の通電時間が十分に短いため、二次電池Ｂは充電されず、充電状態（即ち、二次電池Ｂの電圧Ｖｅ）は、内部インピーダンスｚの検出に影響を与える程度の変化をしない。

次に、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａを検出する（Ｓ１５０）。具体的には、ＣＰＵは、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが安定したとき（即ち、上記電圧安定待ち時間を経過した時点）、入力ポートＰＩに入力された信号から得られた情報に基づいて、増幅器１１の増幅電圧Ｖｍについて、少なくとも第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａの１周期以上の期間にわたって当該１周期より十分に短い間隔（当該交流成分ｉａの波形が概ね再現可能な程度であり、例えば、１周期の２０分の１から１００分の１程度）で周期的にサンプリングして計測する。この増幅電圧Ｖｍには、第２充電電流Ｉ２の直流成分ｉｄ及び交流成分ｉａに応じて生じる直流成分ｖｄ及び交流成分ｖａが含まれる（Ｖｍ＝ｖｄ＋ｖａ（ｖａ＝βｓｉｎ（ωｔ−θ）、但し、θは第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに対する位相差）。そして、時系列的に計測した増幅電圧Ｖｍの値の最大値から最小値を差し引いた値の半分値を増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａの振幅βとして検出する。

次に、ＣＰＵは、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａ及び第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに基づいて、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する（Ｓ１６０）。具体的には、ＣＰＵは、ステップＳ１５０で検出した増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａの振幅βを増幅器１１の増幅率Ｇで除し、さらに第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａの振幅αで除することにより、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する（ｚ＝（β／Ｇ）／α）。そして、ＣＰＵは、通信ポートを通じて、検出した二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを他の装置等に送信する。

そして、再度、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１を流す（Ｓ１７０）。具体的には、ＣＰＵは、出力ポートＰＯを通じて充電部１５に対し第１充電電流Ｉ１で充電を行うための制御信号を送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに上記第１充電電流Ｉ１を流す。これにより、二次電池Ｂの充電が再開され、その後、二次電池Ｂの充電が完了すると、充電処理を終了する。

図２のフローチャートにおけるステップＳ１１０の処理を実行するＣＰＵが、第１充電制御手段として機能し、ステップＳ１３０の処理を実行するＣＰＵが、第２充電制御手段として機能し、ステップＳ１５０の処理を実行するＣＰＵが、差分電圧検出手段の一部として機能し、ステップＳ１６０の処理を実行するＣＰＵが、電池状態検出手段として機能する。

以上より、本実施形態によれば、増幅器１１が、基準電圧Ｖｒｅｆと二次電池Ｂの両電極間の電圧との差分値に応じた増幅電圧Ｖｍを出力する。第１充電制御手段が、二次電池Ｂに一定の電流値となる直流成分ｉｄのみからなる第１充電電流Ｉ１が流れるように充電部１５を制御する。第２充電制御手段が、二次電池Ｂに第１充電電流Ｉ１が流れている状態において増幅器１１によって出力された増幅電圧Ｖｍが所定の切替判定値Ｈになったとき、直流成分ｉｄ及び当該直流成分ｉｄの電流値以下の振幅αとなる交流成分ｉａを含む第２充電電流Ｉ２が流れるように充電部１５を制御する。差分電圧検出手段が、二次電池Ｂに第２充電電流Ｉ２が流れ始めた後に増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを検出する。電池状態検出手段が、差分電圧検出手段によって検出された増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａ、及び、第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに基づいて、二次電池の内部インピーダンスｚを検出する。

このようにしたことから、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚにおける第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに対する応答が増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａにあらわれ、これら増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａ及び第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに基づいて、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出することができる。そして、第２充電電流Ｉ２において、交流成分ｉａの振幅αを直流成分ｉｄの電流値以下としているので、この交流成分ｉａが最小値に振れたときでも、第２充電電流Ｉ２が負の値（即ち、二次電池から放電される方向）になることはない。そのため、充電部１５のみを用いて電池状態を検出するための第２充電電流Ｉ２を生成することができるので、二次電池Ｂから電流を引き出す放電手段を設ける必要がなくなり、製造コスト増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる。また、第１充電電流Ｉ１から第２充電電流Ｉ２への切替タイミングについて、例えば、単に二次電池Ｂの両電極間の電圧を用いて判定する構成では、当該切替タイミングの判定に用いる値が、二次電池Ｂの両電極間の電圧が取り得る範囲に限定されてしまうが、本実施形態のように所定の基準電圧Ｖｒｅｆと二次電池Ｂの両電極間の電圧との差分値に応じた増幅電圧Ｖｍを用いることにより、基準電圧Ｖｒｅｆを適宜設定することで増幅電圧Ｖｍの範囲を任意に設定することができ、そのため、当該切替タイミングの判定に用いる値についても任意に設定することができ、設計の自由度を高めることができる。

また、差分電圧検出手段が、差分電圧出力手段の増幅電圧Ｖｍが入力されるＡＤＣ２１を備え、切替判定値Ｈが、ＡＤＣ２１における入力許容電圧範囲の中央値に設定されている。このようにしたことから、第１充電電流Ｉ１から第２充電電流Ｉ２に切り替える時点において増幅電圧ＶｍがＡＤＣ２１の入力許容電圧範囲の中央値となるので、増幅電圧Ｖｍの変化幅を波形を歪ませることなくＡＤＣ２１の入力許容電圧範囲の下限から上限までとすることができる。そのため、変化幅の大きい増幅電圧Ｖｍを用いて電池状態を検出することができるので、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚの検出精度を効果的に高めることができる。また、基準電圧Ｖｒｅｆと二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂとの差分値が小さい場合には、当該差分値を歪ませることなくより大きく増幅できるので、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚの検出精度を効果的に高めることができる。

また、増幅器１１が、増幅電圧Ｖｍとして、所定の基準電圧Ｖｒｅｆと二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂとの差分値を所定の増幅率Ｇで増幅した電圧を出力するように構成されている。このようにしたことから、増幅電圧Ｖｍをより大きな値として得ることができ、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚの検出精度の低下を抑制できる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の電池状態検出装置はこれらの実施形態の構成に限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａの振幅βを、第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａの振幅αで除することにより、簡易的に二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、図２のフローチャートに示すステップＳ１５０において、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａの振幅βに代えて、交流成分ｖａの実効値ｖａｅを検出し、ステップＳ１６０において、この交流成分ｖａの実効値ｖａｅ、及び、第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａの実効値ｉａｅに基づいて、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する（ｚ＝（ｖａｅ／Ｇ）／ｉａｅ）など、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚが検出するために用いる、増幅電圧Ｖｍの交流成分ｖａに係る値、及び、第２充電電流Ｉ２の交流成分ｉａに係る値、については、本発明の目的に反しない限り、任意である。

また、上述した実施形態では、二次電池Ｂの状態として二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する構成であったが、これに限定されるものではなく、二次電池Ｂの内部インピーダンスｚと二次電池ＢのＳＯＨは相関があることを利用して、内部インピーダンスｚからさらにＳＯＨを検出する構成としてもよい。

また、上述した各実施形態では、電池状態検出装置が１つの二次電池Ｂの内部インピーダンスｚを検出する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、上述した電池状態検出装置の先にマルチプレクサを設けて、当該マルチプレクサを切り換えることにより、複数の二次電池Ｂと接続して、これら複数の二次電池Ｂのそれぞれの内部インピーダンスｚを検出する構成としてもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子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。かかる変形によってもなお本発明の電池状態検出装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１電池状態検出装置
１１増幅器（差分電圧出力手段）
１２基準電圧発生部
１５充電部（充電手段）
２１アナログ−デジタル変換器（差分電圧検出手段）
４０マイクロコンピュータ（第１充電制御手段、第２充電制御手段、差分電圧検出手段、電池状態検出手段）
Ｂ二次電池
Ｂｐ二次電池の正極
Ｂｎ二次電池の負極
Ｖｍ増幅電圧（差分電圧）
Ｇ増幅率
ｅ起電力部
ｚ内部インピーダンス

Claims

二次電池に充電電流を流す充電手段を備えた電池状態検出装置であって、
所定の基準電圧と前記二次電池の両電極間の電圧との差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、
前記二次電池に一定の電流値となる直流成分のみからなる第１充電電流が流れるように前記充電手段を制御する第１充電制御手段と、
前記二次電池に前記第１充電電流が流れている状態において前記差分電圧出力手段によって出力された前記差分電圧が所定の切替判定値になったとき、前記直流成分及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる交流成分を含む第２充電電流が流れるように前記充電手段を制御する第２充電制御手段と、
前記二次電池に前記第２充電電流が流れ始めた後に前記差分電圧出力手段から出力された前記差分電圧を検出する差分電圧検出手段と、
前記差分電圧検出手段によって検出された前記差分電圧の交流成分、及び、前記第２充電電流の交流成分に基づいて、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、
を備えていることを特徴とする電池状態検出装置。
前記差分電圧検出手段が、前記差分電圧出力手段の前記差分電圧が入力されるアナログ−デジタル変換器を備え、
前記切替判定値が、前記アナログ−デジタル変換器における入力許容電圧範囲の中央値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電池状態検出装置。
前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池状態検出装置。