JP6559521B2 - バッテリーチェッカー - Google Patents

Description

この発明は、電気自動車や、スマートフォン、充電式乾電池、ＤＩＹ電動工具等の充電式バッテリーを備える種々の機器における前記バッテリーの充電時の満充電や、バッテリー残量等の蓄電程度を検出するバッテリーチェッカーに関する。

バッテリーの寿命を判断する方法は、現状は電圧測定が一般的である。しかしバッテリーの寿命（劣化）と電圧では正確に判断できない。バッテリーの内部抵抗と寿命（劣化）とは相関があるため、バッテリーの内部抵抗から寿命を判断することは可能である。しかし、バッテリーの内部抵抗は極めて小さい抵抗（μΩ〜ｍΩ）のため、正確に測る事が困難である。
なお、研究・実験用途に設計されて、バッテリーの内部抵抗などの非常に小さい抵抗値を計測する機器としては、交流４端子法を用いたバッテリテスタ・内部抵抗計測器が市販されている（非特許文献１）。

特開２００４−３８０２９号公報 特開平１０−１７０６１５号公報

交流４端子法バッテリテスタ・内部抵抗計測器（東京デバイセズＩＷ７８０７）、東京デバイセズ、http://tokyodevices.jp/categories/battery-testers （２０１４年６月１３日検索）

従来のバッテリーの端子電圧により蓄電状態を確認する方法では正確な蓄電状態を把握することが困難であり、そのため、特に急速充電時に過充電を起こし、バッテリーの寿命を短くするという課題がある。
そこで、本発明者は、バッテリーの内部抵抗と充電程度とが比例する関係に着眼し、内部抵抗を検出して充電程度を検出することを考えた。バッテリーの内部抵抗は、内部抵抗計測器を用いれば、精度良く検出することができる。
しかし、従来の交流４端子法等による内部抵抗計測器は、研究・実験用途向けの機器であって、高価であり、一般用途に用いることが困難であるうえ、端子の当て方による抵抗値の変動等で計測値が変動し、一般の者が正確に計測することが難しい。

この課題を解消するものとして、商用電源等の外部の交流電源からリップル電圧を印加して重畳させることでバッテリーのリップル電圧の振幅から内部抵抗を計測するバッテリーチェッカーを案出した。
しかし、自動車用や手持ち式のバッテリーチェッカーにする場合、外部からの電源を使用しないで計測する必要時が多々ある。

この発明は、上記課題を解消するものであり、バッテリーの蓄電程度を精度良く検出できて、充電時の過充電の防止等が簡単な構成で行え、さらに外部から電源を与えることなく検出できるバッテリーチェッカーを提供することを目的とする。

この発明のバッテリーチェッカーは、被試験体となるバッテリーを電源として前記バッテリーの正負の出力端子間にリップル電圧を発生させるリップル電圧発生手段と、前記バッテリーに掛かるリップル電圧の値を計測するリップル電圧計測手段と、このリップル電圧計測手段で計測されたリップル電圧を前記バッテリーの蓄電程度として示す蓄電程度表示手段とを備える。
なお、この明細書，請求項で言う「リップル電圧」は、周期的に変動する電圧を言う。

この構成のバッテリーチェッカーによると、リップル電圧発生手段は、被試験バッテリーを電源として、バッテリーに掛かるリップル電圧を発生させる。リップル電圧計測手段は、バッテリーに掛かるリップル電圧の値を計測することで、バッテリーの内部抵抗を計測する。前記蓄電程度表示手段は、前記リップル電圧計測手段で計測されたリップル電圧を前記バッテリーの蓄電程度として示す。
バッテリーに掛かるリップル電圧の変動幅、つまり振幅は、バッテリーの内部抵抗に比例する。また、バッテリーの内部抵抗は充電が進むに従って小さくなる。そのため、前記リップル電圧計測手段によりバッテリーの端子電圧の変動幅を計測し、検出されたリップル電圧をバッテリーの蓄電程度として蓄電程度表示手段により示すことで、バッテリーの蓄電の程度を正確に検出することができる。
また、このバッテリーチェッカーは、被試験バッテリーを電源として使用するため、外部に電源を必要とせずに、バッテリーの内部抵抗を計測し、蓄電程度を示すことができる。そのため、外部電源を用いることができない環境で使用される手持ち式や自動車用のバッテリーチェッカー等として使用することができ、計測条件に左右されないバッテリーチェッカーとなる。

この発明において、前記リップル電圧発生手段は、前記バッテリーに接続される正負の入力端子を結ぶ回路に直列に介在したスイッチング素子および抵抗と、前記スイッチング素子にオンオフの指令を与える発振器とでなり、前記発振器の電源接続端子が前記正負の入力端子に接続された構成としても良い。
このように、発振器とスイッチング素子を組み合わせることで、バッテリーからの直流電圧を変換し、リップル電圧を発生させることが実現できる。発振器はその駆動に電源が必要であるが、被試験バッテリーを電源として駆動することで、他に電源を必要とされない。

この発明において、前記リップル電圧計測手段は、前記バッテリーに接続される正負の入力端子を結ぶ回路に介在したコンデンサおよび増幅器と、この増幅器で増幅された電圧を計測する手段とでなり、前記増幅器の電源接続端子は前記正負の入力端子に接続された構成としても良い。
前記コンデンサを介在させることで、バッテリーに掛かるリップル電圧から直流成分が除かれ、リップル成分のみが抽出される。この抽出されたリップル成分が前記増幅器で増幅される。そのため、リップル電圧の振幅を精度良く検出することができる。前記増幅器の駆動に電源が必要であるが、前記バッテリーを電源として駆動することで、他に電源を必要とされない。

この発明において、前記蓄電程度表示手段が、印加電圧によって発光する明るさが変わる発光素子であり、前記リップル電圧発生手段の検出値を示す手段を兼ねるようにしても良い。
バッテリーの内部抵抗と充電程度とは比例するため、前記リップル電圧計測手段により内部抵抗の検出値として出力される電圧で前記発光素子を発光させることで、蓄電程度を発光素子の明るさによって表すことができる。そのため、比較判定等の演算処理が不要であり、簡素な構成で、計測されたリップル電圧を蓄電程度として表すことができる。

この発明のバッテリーチェッカーは、被試験体となるバッテリーを電源として前記バッテリーの正負の出力端子間にリップル電圧を発生させるリップル電圧発生手段と、前記バッテリーに掛かるリップル電圧の値を計測するリップル電圧計測手段と、このリップル電圧計測手段で計測されたリップル電圧を前記バッテリーの蓄電程度として示す蓄電程度表示手段とを備えるため、バッテリーの蓄電程度を精度良く検出できて、充電時の過充電の防止等が簡単な構成で行え、しかも外部から電源を必要とせずに使用することができる。

この発明の一実施形態におけるバッテリーチェッカーの電気回路図である。 この発明の他の実施形態におけるバッテリーチェッカーの電気回路図にブロック図を組み合わせて示す説明図である。

この発明の一実施形態を図１と共に説明する。このバッテリーチェッカー１は、被試験体となるバッテリー２を電源として前記バッテリー２の正負の出力端子２ａ，２ｂ間にリップル電圧を発生させるリップル電圧発生手段３と、前記バッテリー２の端子電圧に含まれるリップル電圧を計測するリップル電圧計測手段４と、このリップル電圧計測手段４で計測されたリップル電圧を前記バッテリー２の蓄電程度として示す蓄電程度表示手段５とを備える。

前記リップル電圧発生手段３は、前記バッテリー２に接続される正負の入力端子６ａ，６ｂを結ぶ回路７に直列に介在したスイッチング素子８および抵抗９と、前記スイッチング素子８にオンオフの指令を与える発振器（ＯＳＣ）１０とでなる。前記スイッチング素子８は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等からなり、そのソースおよびドレイ電極が前記回路７に介在する。前記スイッチング素子８のゲート端子に、そのゲート電圧として、発振器１０の出力となるリップル生成信号が入力される。発振器１０はＩＣ素子などからなり、その電源接続端子は前記正負の入力端子６ａ，６ｂに接続される。

前記リップル電圧計測手段４は、前記バッテリー２に接続される正負の入力端子６ａ，６ｂを結ぶ回路１１に介在したコンデンサ１２および増幅器１３と、この増幅器１３で増幅された電圧を計測する電圧計測手段（前記蓄電程度表示手段５が兼用する）とでなる。前記増幅器１３はオペアンプ等からなり、その電源接続端子は前記正負の入力端子６ａ，６ｂに接続されている。

前記蓄電程度表示手段５は、蓄電程度を表示する外部表示器等であり、この実施形態では印加電圧によって発光する明るさが変わる半導体の発光素子で構成される。この発光素子からなる蓄電程度表示手段５は、前記リップル電圧計測手段４の前記電圧計測手段を兼用する。

この構成のバッテリーチェッカー１によると、リップル電圧発生手段３は、被試験バッテリー２を電源として、バッテリー２に掛かるリップル電圧を発生させる。具体的には、前記バッテリー２に接続された正負の入力端子６ａ，６ｂを結ぶ回路７に介在するスイッチング素子８を、発振器１０から電圧値として出力されるリップル生成信号によって開閉させる。これにより、リップル電流を生成し、バッテリー２に掛かるリップル電圧を発生させる。

バッテリー２の電圧は、図１においてバッテリー２の側にグラフで示すように一体であるが、上記のようにスイッチング素子８で回路７の導通，非導通を周期的に切り換えることで、バッテリー２の端子２ａ，２ｂにかかる電圧をリップル電圧とすることができる。
また、前記リップル電圧の変動幅、つまり振幅は、バッテリー２の内部抵抗に比例する。また、バッテリー２の内部抵抗は充電が進むに従って小さくなる。そのため、充電が進むに従って、図１（Ｂ）に示すように、リップル電圧ｂは符号「ｂ′」で示す波形を示すように小さくなる。

リップル電圧計測手段４は、上記のように変化するリップル電圧を計測する。すなわちリップル電圧計測手段４は、バッテリー２に掛かるリップル電圧の値を計測することにより、バッテリー２の内部抵抗を計測する。この場合に、前記コンデンサ１１が介在することで、バッテリー２に掛かるリップル電圧から直流成分が除かれ、リップル成分のみが抽出される。この抽出されたリップル成分が増幅器１３で増幅される。そのため、リップル電圧の振幅を精度良く検出することができる。増幅器１３の出力がリップル電圧計測手段４の計測値となる。

増幅器１３の出力は、発光素子からなる蓄電程度表示手段５に印加される。この蓄電程度表示手段５となる発光素子は、印加電圧によって発光する明るさが変わる半導体の発光素子であるため、発光する明るさにより、リップル電圧の計測値、バッテリー２の内部抵抗、およびバッテリー２の蓄電程度を表すことになる。

前記発振器１０の駆動、および増幅器１３の駆動に電源が必要であるが、いずれも前記バッテリー２を電源として駆動するため、他に電源を必要とされない。

このように、バッテリー２の蓄電程度を精度良く検出できて、充電時の過充電の防止等が簡単な構成で行え、しかも外部から電源を必要とせずに使用することができ、計測条件に左右されない内部抵抗の計測、蓄電程度の検出が行える。そのため、手持ち式や自動車用のバッテリーチェッカーとして好適となる。
また、この実施形態では、発光素子からなる蓄電程度表示手段５が、リップル電圧計測手段４の計測結果となる出力を表す手段、および蓄電程度を表す手段として兼用されることになり、構成がより一層簡素となる。
なお、このバッテリーチェッカー１は、バッテリー２の内部抵抗だけでなく、微小な抵抗（μΩ〜ｍオームの計測装置として利用すること可能である。

図２は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１の発光素子からなる蓄電程度表示手段５に代えて電圧計４ａを設け、この電圧計４ａの検出値を設定基準と比較して充電程度を検出する蓄電程度表示手段５Ａを設けている。この実施形態は、特に説明する事項の他は、図１に示した実施形態と同様である。

図２において、蓄電程度表示手段５Ａは、リップル電圧計測手段４の電圧計４ａで計測されたリップル電圧を設定基準Ｒと比較して前記バッテリー２の蓄電程度を検出する構成としている。また、蓄電程度検出手段５Ａは、前記設定基準Ｒとして計測対象となるバッテリー２の各種類に応じた複数のバッテリー種類別基準Ｒａと、この複数のバッテリー種類別基準Ｒａを切り換える基準切換手段１４とを有する。蓄電程度検出手段５は、前記設定基準Ｒを記憶した記憶素子を含む電子回路やマイクロコンピュータ等からなる。前記基準切換手段１４は、例えば、作業者が操作する操作子と、その操作に応じてバッテリー種類別基準Ｒａを切り換える回路またはプログラム等（いずれも図示せず）とからなる。

前記設定基準Ｒは、リップル電圧と内部抵抗との関係により分かる蓄電程度を示すために適宜作成される基準であるが、特に内部抵抗を抵抗値として示すことなく、リップル電圧と蓄電程度との関係を直接に示す基準でも良い。また、前記設定基準Ｒは、リップル電圧と蓄電程度との関係を曲線で示したものであっても、単に満充電をリップル電圧の一定の閾値で示す値であっても良い。

前記設定基準Ｒにおける複数のバッテリー種類別基準Ｒａは、例えば、鉛バッテリー、マンガン電池、リチウムイオン電池等のバッテリーの種類や、バッテリー２内のセルの積層個数による電圧の違い、またはその両方に応じて設定されている。なお、前記基準切換手段１４は、使用毎に切り換えるようにしても良く、また一度切り換えた後に一つのバッテリー種類別基準を固定として用い、所定のバッテリー専用のバッテリーチェッカーとして使用しても良い。

蓄電程度報知手段１６は、蓄電程度検出手段５で検出された蓄電の程度を示す情報を人または機器に伝える手段であり、蓄電の程度を棒グラフ等の画像で示す液晶画面の画像表示装置、または蓄電の程度によって点灯個数や点灯，点滅等を切り換える一つまたは複数のランプ等からなる。蓄電程度報知手段１６は、蓄電程度が満充電の場合に充電装置（図示せず）による充電を停止させる機能を備えていても良い。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…バッテリーチェッカー
２…バッテリー
２ａ，２ｂ…出力端子
３…リップル電圧発生手段
４…リップル電圧計測手段
５…蓄電程度表示手段
６ａ，６ｂ…入力端子
７…回路
８…スイッチング素子
９…抵抗
１０…発振器
１１…回路
１２…コンデンサ
１３…増幅器

Claims (4)

1. 被試験体となるバッテリーを電源として前記バッテリーの正負の出力端子間にリップル電圧を発生させるリップル電圧発生手段と、前記バッテリーに掛かるリップル電圧の値を計測するリップル電圧計測手段と、このリップル電圧計測手段で計測されたリップル電圧を前記バッテリーの蓄電程度として示す蓄電程度表示手段とを備えるバッテリーチェッカー。
2. 請求項１に記載のバッテリーチェッカーにおいて、前記リップル電圧発生手段は、前記バッテリーに接続される正負の入力端子を結ぶ回路に直列に介在したスイッチング素子および抵抗と、前記スイッチング素子にオンオフの指令を与える発振器とでなり、前記発振器の電源接続端子が前記正負の入力端子に接続されたバッテリーチェッカー。
3. 請求項１または請求項２に記載のバッテリーチェッカーにおいて、前記リップル電圧計測手段は、前記バッテリーに接続される正負の入力端子を結ぶ回路に介在したコンデンサおよび増幅器と、この増幅器で増幅された電圧を計測する電圧計測手段とでなり、前記増幅器の電源接続端子は前記正負の入力端子に接続されたバッテリーチェッカー。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバッテリーチェッカーにおいて、前記蓄電程度表示手段が、印加電圧によって発光する明るさが変わる発光素子であり、前記リップル電圧発生手段の検出値を示す手段を兼ねるバッテリーチェッカー。

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