JPH04341769A - 鉛−酸電池の寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉛−酸電池の劣化度合い
を簡単、正確かつ迅速に検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車補機用（ＳＬＩ用とも呼ぶ）鉛−
酸電池のバッテリ上がりによるエンジン始動不能トラブ
ルは突発的に起こる場合が多く、従来からドライバーに
不便を感じさせる場合があった。この原因は電池の過度
の放電あるいは正負極活物質、電極格子、電解液など電
池構成要素の劣化による放電能力の低下等によるものと
考えられる。この内、劣化は充電しても十分な放電能力
が回復されない状態である。これは電池のいわゆる寿命
と呼ばれるものであり予測が困難なものである。

【０００３】従来、鉛−酸電池の寿命予測は被験電池を
満充電後、適当な電流で放電した時の放電容量、端子電
圧あるいは内部抵抗等の特性値の初期値に対する低下割
合によって経験的に行なわれている。しかし、これらの
方法においては上記特性値が電池の充電状態によって影
響を受けるため、試験前に必ず満充電状態にする必要が
ある。さらに、試験後使用に際し、充電操作を行なわな
ければならず、電池の劣化状態を決定するのに長時間を
要していた。

【０００４】また、充電時ガス発生状態での電解液の比
重あるいは活物質の脱落による電解液の濁り等を目安と
して劣化度合いを推定し、寿命を予測する方法もあるが
、比重あるいは濁りを検出するセンサを電池内に組み込
むには電池自体の改造が必要であり、操作も煩雑となる
欠点があった。しかも、ＳＬＩ用鉛−酸電池の本来の役
割であるエンジン始動性能を評価する特性値でないため
、単なる充電不足か、電池自身が劣化しているのか等、
正確な判定が困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電池自体に
特別な改造等を行うことなく、鉛−酸電池の寿命（劣化
度合い）を使用状態のまま簡単、正確かつ迅速に予測す
る方法の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は鉛−酸電池の大
電流放電時における電圧と電流および該電池の温度を測
定する第１工程と、前記得られた電圧と電流および電池
温度から第１の温度補償基準電圧（Ｖａ１）を求める第
２工程と、前記大電流放電後の電池を短時間充電する第
３工程と、前記充電後の電池の大電流放電時における電
圧と電流および該電池の温度を測定する第４工程と、前
記得られた電圧と電流および電池温度から第２の温度補
償基準電圧（Ｖａ２）を求める第５工程と、前記Ｖａ１
とＶａ２に基づき前記電池の劣化度合いを判定する第６
工程と、からなる鉛−酸電池の寿命予測方法である。

【０００７】ここで、温度補償基準電圧（Ｖａ）はある
標準電池温度の時に得られる基準電圧（Ｖｓ）のことで
ある。さらに、Ｖｓとは電池に電流を流していない時の
電池の起電力（Ｖ０　）に電池の内部抵抗を加味して合
成した電池の仮想的な電圧である。

【０００８】本発明者らは特願平１─３４０８６３にお
いてＶａにより大電流での残存容量を容易に求める方法
を開示した。本発明者らはさらに劣化度合いの違う各種
電池を様々な角度から評価検討した結果、Ｖａ１を得た
後、極短時間の充電を行いその後さらにＶａ２を求める
ことによって電池の劣化度合いを判定し、ひいては電池
の寿命を予測できる方法を完成するに到った。

【０００９】本発明の原理を説明する。自動車用ＳＬＩ
用電池の寿命とは充電しても十分にエンジンの始動性能
が得られない状態をいう。電池のエンジン始動能力はエ
ンジン始動時の放電電流（１００Ａ〜３００Ａ）での放
電容量で決まるので電池の劣化はたとえば２００Ａ程度
の大電流で放電した時の残存容量（２００Ａ残存容量と
いう）で判断するのがよい。本発明の温度補償基準電圧
はこのような大電流放電での残存容量に対応した値であ
り、特に、第１の温度補償基準電圧（Ｖａ１）で充電状
態の良好なほとんど劣化していない電池をピックアップ
し、これで判定できなかった他の劣化状態を第２の温度
補償基準電圧（Ｖａ２）により判定するものであり、こ
れらを総合することにより電池の寿命を予測することが
できるのである。

【００１０】そこで、第１および第４工程では電池を大
電流放電した時の（電圧Ｖ，電流Ｉ）の組を求める。求
める方法は電圧計と電流計を使う方法、あるいは電圧計
とシャントを使う方法その他通常の計測方法が用いられ
る。また、この時の電池温度も熱電対、サーミスタ等の
通常の方法により測定する。

【００１１】さらに、第２および第５工程では第１およ
び第４工程で得られたデータよりＶ−Ｉの直線関係を得
る。鉛−酸電池のＩとＶとの関係は図１に示すように２
つの部分に分けられる。小電流域ではＶはＩの増加に伴
い指数関数的に減少するため電流に依存しない一定の内
部抵抗を求めることができない。しかしながら、放電電
流密度が電極単位面積当たり１００ｍＡ／ｃｍ２　〜４
００ｍＡ／ｃｍ２　の範囲である大電流域ではＶ−Ｉの
関係は一次関数の直線関係となり、ある劣化状態の電池
に対して１つの直線が定まる。本発明はこれを利用する
。

【００１２】即ち、電池を大電流放電して得た２点以上
の（電圧Ｖ，電流Ｉ）からＶ−Ｉ直線を求める（ＳＬＩ
用電池の場合、これらの点はエンジン始動時の電圧、電
流を測定することによって求められる。これは、この電
流密度の範囲が総電流に換算して３４Ｂ１９電池の場合
には１０８〜４３２Ａ、５５Ｄ２３電池の場合には１９
２〜７６８Ａの放電電流に相当し、これらの電池を用い
てエンジンの始動を行った時の範囲にほぼ対応するから
である）。次に、その直線の傾きＲ（内部抵抗）および
前記Ｖ−Ｉの関係から直線を外挿して得られるＩ＝０で
の電圧値Ｖ０　（起電力）を求める。たとえば、２５℃
におけるＲおよびＶ０　をプロットすると（図２の各点
）、残存容量の多い電池に対する各点は図中左上に位置
し（即ち、低内部抵抗かつ高起電力を示す）、残存容量
の少ないものは図中右方または下方、或いは右下に位置
する（即ち、高内部抵抗または低起電力あるいはその両
方を示す）。従って、電池の温度と内部抵抗及び起電力
とが分かれば、図２の何処にその電池が位置するかがわ
かり、その電池がどの電池グループ（残存容量の状態が
近いグループ）に属するかがわかるのである。

【００１３】前記２５℃におけるＶ０　とＲをプロット
した図において、各点を残存容量の大きさによって分別
するため、残存容量が同じ点同士を結ぶ等容量直線を引
いた（図中の直線）。この直線の傾き（Ｉｓ）　は温度
ごとに一定となり、たとえば、電池温度０　℃では９６
、２５℃では７８、５０℃では６０となる。

【００１４】逆にいうと、同じ等容量直線上の電池は同
じ残存容量を持つことになる。さらに、ある電池がどの
直線に乗っているかを判定するためには、等容量直線の
傾きが温度によって決まっていることから、たとえば等
容量直線のＲ＝０　の切片（Ｖｓ）を用いればよいこと
がわかる（本発明ではこのＶｓを基準電圧と呼ぶ）。従
って、ある電池の電池温度、Ｖ０　、ＲからＶｓを求め
れば、この電池の残存容量状態即ち、この電池がどの電
池グループに属しているかがわかることになる。

【００１５】さらに、上記ＩｓおよびＶｓと残存容量状
態（電池グループ）の関係は被験電池の電解液の温度が
０℃、２５℃、５０℃の場合であったが、実際の電池で
は電解液の温度が上記温度と一致するとは限らず、前記
のＩｓの値ならびにＶｓと残存容量との関係は必ずしも
使えない。そこで任意の電池温度でのＩｓ、Ｖｓと残存
容量との関係を求める方法は次のようである。

【００１６】前記したように電解液の温度が０℃、２５
℃、５０℃の場合のＩｓは夫々９６、７８、６０であっ
た。これらのＩｓ値を各温度に対しプロットし、直線関
係を求めるとＩｓ＝Ｉｏ　＋ａＴ（Ｉｏ　＝９６、ａ＝
−０．７２）が求まる。この関係式よりある温度におけ
る基準電流ＩｓおよびＶｓを求めることができる。

【００１７】さらに、Ｖｓについて温度の一次関数の項
ｂＴを導入して、いかなる温度においても成立する統一
的関係式（Ｖｓ＋ｂＴ）を求めるために検討を行った。 得られた結果が温度補正した基準電圧であり、これを温
度補償基準電圧Ｖａと呼ぶ。この検討において発明者等
は様々の温度で求めたＶｓが０℃のＶｓと一致するよう
ｂを決定し、一般式Ｖａ＝Ｖｓ−０．０１７４Ｔを得た
。これによりエンジン始動等の大電流放電を利用し、そ
の時のデータからＶａを求めることができる。

【００１８】このＶａは図３に示すようにたとえば２０
０Ａのような大電流放電での残存容量と良い相関関係を
有しているが（Ｖａと２００Ａ残存容量との関係は公知
の残存容量測定方法により、電池温度、残存容量の判明
している電池のＶａを予め求めることによって得た）、
さらに、Ｖａは比較的小さい放電電流で得られる５時間
率残存容量と図４に示すような相関関係を有することを
本発明者らは実験によりつきとめた（図中の電池の劣化
度合いは電池Ｄ＞電池Ｃ＞電池Ｂ＞電池Ａである）。

【００１９】そこで、本発明者らは第１および第２工程
により第１の温度補償基準電圧Ｖａ１を求めた後、Ｖａ
１が小さく大電流放電での残存容量が小さいもののみ、
第４および第５工程で第２の温度補償基準電圧Ｖａ２を
求めれば電池の劣化度合いを判定できることに考え到っ
た。第３工程では第１および第２工程で求めたＶａ１が
小さいものについて、短時間の充電（充電量３Ａｈ　以
上）を行い次の第４および第５工程においてＶａ２を求
め、第６工程においてＶａ１からＶａ２へどの程度まで
回復したかを見ることによって電池の劣化度合いを判定
する。

【００２０】即ち、第６工程では次のようなことを判定
する。図４の新しい電池Ａでは格子の腐食、活物質の軟
化、硬化、表面積の減少などの劣化が進行していないた
めにＶａが大きく、５時間率の残存容量が２Ａｈ以下に
なるまでＶａ≧９．９である。従ってＶａ１≧９．９の
時、電池はほとんど劣化しておらず、十分なエンジン始
動能力を有していると判断できる。また、多少の劣化は
あるが十分に充電されている電池ＢもＶａ１≧９．９と
なる。

【００２１】一方、劣化が進行し、寿命の近い電池Ｄで
は満充電状態で５時間率の残存容量が１４Ａｈもあるに
もかかわらずＶａは約９．５でありエンジン始動能力は
低い。さらに充電状態が悪化すると始動能力は急激に低
下する。従って、Ｖａ１、Ｖａ２≦９．５の場合には劣
化状態が限界にきており継続使用不可能と判定すること
ができる。また、劣化の度合いが比較的小さい電池Ｂは
５時間率の残存容量が半分以下になるとＶａが９．９よ
り小さくなり始動能力が低下する。電池Ｂはこの状態で
も３Ａｈ以上の充電をすればＶａは９．９以上となる。 電池Ｄほどではないがかなり劣化しており満充電に近い
状態でのみ始動能力を有する電池ＣではＶａは常に９．
９より小さい。この電池は３Ａｈ以上の充電によりＶａ
２は９．５より大きく９．９より小さい値となる。

【００２２】このように、第６工程ではＶａ１≧９．９
であれば電池の容量は十分であり、充電状態も良好であ
る。エンジン始動能力も十分にある。したがって、この
電池はこの段階で全く劣化していないと判定できる。一
方、Ｖａ１＜９．９の場合、短時間の充電（３Ａｈ以上
）を行った後、Ｖａ２を求める。Ｖａ２≧９．９の場合
には劣化は少ないが充電すべきと判定、９．９＞Ｖａ２
＞９．５の場合には充電すれば当面の使用は可能だが劣
化が大きく残りの寿命は少ないと判定し、さらに、Ｖａ
２≦９．５の場合には劣化状態が限界にきており継続使
用不可能と判定することができる。

【００２３】

【作用】本発明の温度補償基準電圧（Ｖａ）はエンジン
始動性に関係のある大電流放電時の残存容量とよい相関
関係を持つだけでなく、電池の劣化度合いを反映する５
時間率残存容量ともよく対応する特性値である。これは
次のような作用に基づくものと考えられる。

【００２４】劣化あるいは放電が進んだことにより残存
容量の減った電池は、内部抵抗の増加あるいは起電力の
低下といった現象を示している。電池の内部抵抗は電池
の電流─電圧特性の直流部分の傾きと一致する。また、
電池の起電力は電池に流れる電流が零の時の電圧であり
電流─電圧特性の直線部分のＶ軸切片である。従って、
電池が劣化して電池内の活物質面積の減少あるいは格子
金属の断線等が生ずると電池の内部抵抗が増加し、電池
が劣化して活物質の組成が変化してくると電池の起電力
が低下してくる。

【００２５】以上のことから、電池の内部抵抗と起電力
に電池の劣化度合いが強く反映されていることがわかる
。しかし、電池の内部抵抗と起電力の一方のみを指標と
した場合には電池の劣化度合いを正確に判定できない。 これは、電池によって劣化の仕方、充電の具合がまちま
ちであり、同じ劣化度合いの電池であってもあるものは
内部抵抗の増大、また別のあるものは起電力の減少とい
ったような形で症状が現れるからである。

【００２６】ところが、温度補償基準電圧（Ｖａ）はこ
の電池の内部抵抗と起電力を残存容量とうまく対応する
よう混合した値であり、電池の劣化度合いとよく対応す
る。なぜなら、図４に示すように新しい電池ではＶａは
全体に大きな値であり、従って、大電流放電での残存容
量も大きい。この電池では５時間率放電容量が極めて小
さい状態になって始めてＶａは小さくなる。

【００２７】一方、劣化が進んだ電池では、５時間率放
電容量が十分に大きな領域でもそのＶａは小さい値を示
し大電流での放電ができなくなる。これは、電極が劣化
するに従い５時間率程度の比較的小さな放電電流では働
きうる活物質が大電流放電になるとうまく働けなくなる
ためと考えられる。したがって、２つの充電状態で電池
の温度補償基準電圧Ｖａを求めること、特に、１回目に
測定したＶａ１が小さく、電池が劣化しているのか充電
状態が悪いのか判定できない時に２回目のＶａ２を求め
ることによって電池の劣化状態を判定できるのである。

【００２８】さらに、各工程の作用を説明する。第１お
よび第４工程では電池を大電流で放電したときの（Ｖ，
Ｉ）データの組と電池温度を得る。第２および第５工程
では第１および第４工程で得られたデータを演算するこ
とによってＶｓ１とＶａ１およびＶｓ２とＶａ２を得る
。第３工程では第４および第５工程でＶａ２を求めるた
めに必要な充電状態の電池を得る。第６工程では得られ
たＶａ１、Ｖａ２が予め設定されているＶａの値より大
きいか小さいかの結果を得る。

【００２９】

【発明の効果】本発明の鉛−酸電池の寿命予測方法は電
気回路に電池を接続したまま、短時間の充電を行いその
前後の電解液の温度、始動時の放電電流、端子電圧の測
定を行い、Ｖａ１および／またはＶａ２を求めることに
より正確かつ迅速に任意の電池の寿命予測を行うことが
できる。

【００３０】

【実施例】以下、具体例、実施例を用いて本発明をより
具体的に説明する。 （具体例１）本発明中におけるＶａ１とＶａ２の測定の
間に行われる充電は３〜７Ａｈが好適である。３Ａｈ未
満であればＶａ１とＶａ２の値に大きな違いが見られず
、判定を誤る可能性がある。７Ａｈ以上では充電に長時
間を要し、本発明の利点を損なう結果となる。

【００３１】（具体例２）本発明の電流−電圧関係は、
電極単位面積当り１００〜４００ｍＡ／ｃｍ２　の範囲
について直線近似でき、その直線は、勾配Ｒと切片Ｖ０
　とによって一義的に決定できる。任意の電池について
この両者を求めるには、大電流で短時間放電したときの
ＶとＩとの関係が２点以上必要である。この点数は、精
度向上のためには出来るだけ多いのが望ましい。

【００３２】このような、出来るだけ多い点数を取るこ
とが出来る大電流放電は、自動車用鉛−酸電池の場合、
エンジン始動時に実現される。エンジン始動時において
は、スイッチを入れると同時に、セルモーターに電流が
流れるが、モーターの回転により生じる逆起電力により
、モーターに流れる電流は脈動することが知られている
。放電電流が脈動するので、異なる電池電圧及び電池電
流を２点以上測定することが容易に行なえる。これを記
憶しておけば、記憶した点を利用してＶ−Ｉ直線を求め
ることができる。

【００３３】（実施例１）本実施例では、残存容量未知
の試験電池（ＮＳ４０ＺＡ型）を複数個用意し、図５の
システムを搭載した自動車を用い、各電池でエンジン始
動実験を行った。

【００３４】図５の電池寿命を予測するための装置は次
の様な構成からなる。被験電池１、その正極端子２とス
タータモータ３との間に設けられたパワーリレースイッ
チ４、スタータモータに流れる大電流放電における電流
Ｉと電圧Ｖを測定する電流計５および電圧計６、前記電
池の電解液の中に挿入した電解液の温度を測定する温度
センサ７、始動時の電圧─電流の関係や温度補償基準電
圧から２００Ａ残存容量等を演算したり、温度補償基準
電圧から５時間率放電容量の大小の判定を行う演算部８
、基準電流と電解液温度との関係、基準電圧、電解液温
度と温度補償基準電圧との関係、温度補償基準電圧と２
００Ａ残存容量との関係を記憶し、演算部８に供給する
記憶部９、演算や判定をした結果を外部に出力する表示
部１０、充電装置１１および充電スイッチ１２からなる
。

【００３５】図５の装置において、パワーリレースイッ
チ４が閉じるとスタータモータに大電流が流れ、スター
タモータの回転に伴い電流は脈動する。このときの、電
流Ｉと電圧Ｖを電流計５および電圧計６で夫々測定した
。測定する時間間隔としては、通常スタータモータに通
電してからエンジンがかかるまでが１秒以下、脈動の周
期が０．３秒程度であることから、できるだけ広い電流
範囲のデータをとるために、０．１秒以下であることが
望ましい。本実施例では始動電流が流れると同時に０．
０３秒間隔で電流電圧の組（Ｉｋ　、Ｖｋ　）（ｋ＝１
〜ｎ）を測定した。本実施例の装置で用いる温度センサ
７にはサーミスタを用いた。サーミスタの出力は電圧、
電流データとともに演算部に送られる。前記演算部８で
は耐振動性、耐熱性および耐薬品性に優れたＩＣ回路か
らなる。演算部８は記憶部９および表示部１０を制御す
るコントローラも兼ねている。

【００３６】演算部８では電圧計、電流計から送られて
くる信号値をもとに、電流−電圧特性を示す直線の切片
Ｖ０　および傾きＲを最小自乗法によって演算して求め
Ｖ−Ｉ直線を決定した。さらに温度センサ７から送られ
てくる信号値ならびに記憶部９に記憶されている温度と
基準電流Ｉｓとの関係式（Ｉｓ＝９６．００−０．７２
Ｔ）から基準電流Ｉｓを演算し、該基準電流Ｉｓにおけ
る基準電圧Ｖｓ（＝Ｖ０　−ＲＩｓ）を算出した。さら
に記憶部９に記憶されている温度補償電圧Ｖａと基準電
圧Ｖｓおよび電解液温度Ｔとの関係式Ｖａ＝Ｖｓ−０．
０１７４Ｔより温度補償基準電圧Ｖａ１を演算し、温度
補償基準電圧Ｖａと２００Ａ残存容量との関係図（図３
）にもとづき２００Ａ残存容量を演算した。このように
して求めた、Ｖ０　、Ｒ、Ｔ、Ｉｓ、Ｖｓ、Ｖａ１およ
び残存容量を表１、表２に示した。このうちＶａ１が９
．９　以上の電池は残り寿命大と判定し９．９　未満の
ものについて次の操作を行った。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】リレースイッチ４　を開くとともに充電ス
イッチ１２を閉じて電池１を５Ａｈ　だけ充電器１１に
より充電した後、スイッチ１２を開き再びパワーリレー
スイッチ４　を閉じて前述と同じ操作を再び行いＶａ２
を求めた（表３、表４）。この内、Ｖａ２が９．９以上
の電池は劣化は少ないが充電すべき、９．９＞Ｖａ２＞
９．５の電池は充電すれば当分の使用は可能、Ｖａ２が
９．５以下の電池は寿命が近く継続使用は不可とそれぞ
れ判定された。参考のため各Ｖａ１およびＶａ２から図
３で推定される２００Ａ残存容量と実測値を表２、表４
に記した。 両者はよく対応しておりＶａによる電池状態予測の確度
を実証できた。

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】

【図面の簡単な説明】

【図１】電池の電圧と放電電流との関係図である。

【図２】電池の起電力と内部抵抗との関係図である。

【図３】温度補償基準電圧と２００Ａ残存容量との関係
図である。

【図４】温度補償基準電圧と５時間率放電容量との関係
図である。

【図５】実施例の電池寿命予測装置の概略ブロック図で
ある。

【符号の説明】

１　　被験電池 ２　　正極端子 ３　　スタータモータ ４　　パワーリレースイッチ ５　　電流計 ６　　電圧計 ７　　温度センサ ８　　演算部 ９　　記憶部 １０　　表示部 １１　　充電装置 １２　　充電スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鉛−酸電池の大電流放電時における電
   圧と電流および該電池の温度を測定する第１工程と、前
   記得られた電圧と電流および電池温度から第１の温度補
   償基準電圧（Ｖａ１）を求める第２工程と、前記大電流
   放電後の電池を短時間充電する第３工程と、前記充電後
   の電池の大電流放電時における電圧と電流および該電池
   の温度を測定する第４工程と、前記得られた電圧と電流
   および電池温度から第２の温度補償基準電圧（Ｖａ２）
   を求める第５工程と、前記Ｖａ１とＶａ２に基づき前記
   電池の劣化度合いを判定する第６工程と、からなる鉛−
   酸電池の寿命予測方法。