JPH06342045A

JPH06342045A - バッテリーの寿命計測装置

Info

Publication number: JPH06342045A
Application number: JP5149705A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Minamino; 郁夫南野
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】バッテリーが満充電状態でなくても寿命判定
を行うことができ、しかも少ない放電量で判定を行うこ
とのできる寿命計測装置を提供すること【構成】バッテリー１０の正負の両端子１０ａ，１０
ｂ間に、第１，第２の放電抵抗Ｒ１，２（Ｒ１＜Ｒ２）
を並列接続し、両放電抵抗と端子との間には電流パター
ン発生器１３からの制御信号Ｓ１，Ｓ２により開閉制御
される第１，第２のスイッチ１２ａ，１２ｂが配置され
る。制御信号はＳ１がオン，Ｓ２がオン，Ｓ１がオンの
順に交互にオン状態となる。第２の放電抵抗を介して放
電（Ｓ２オン）している時の放電電流を寿命判定部１５
で積算して全放電容量ΔＱを求め、その放電前後の充電
状態Ｚａ，Ｚｂを第１の放電抵抗に電流を流した時（Ｓ
１オン）の端子電圧から求める。そしてＺａ，Ｚｂ，Δ
Ｑから１００％分の電荷を求め、それを新品時のものと
比較し、劣化度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリーの寿命計測
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】充電が行えるバッテリー（蓄電池）は、
無停電電源システム（ＵＰＳ）や、車載並びに太陽光発
電システム等様々な分野に利用されている。そして、そ
のバッテリーは、容器本体内に電解液を充填するととも
にその電解液内に電極を挿入配置した構成となってい
る。

【０００３】ところで上記バックアップ用のバッテリー
は、使用条件にもよるがその寿命は３〜５年である。そ
して、寿命がきたなら十分なバックアップを行うことが
できない（容量不足，短時間に放電される）ため、適当
なタイミングで新品のバッテリーに交換しなければなら
ない。一方、未だ使用に耐え得るバッテリーを交換して
しまうことは、不経済である。そこで、バッテリーの寿
命判定を行う必要が生じる。

【０００４】係る寿命判定装置として従来例えば特開平
２−５５５３６号公報に開示されるように、まず平常時
（商用電源から負荷に対して電力供給している時）にバ
ッテリーに対しても浮動充電等の方法で充電し、満充電
状態（残存容量１００％）にする。そして、疑似停電を
発生させてバッテリーからＵＰＳの負荷としてつながっ
ているパソコンやＣＲＴを放電負荷として電力を供給す
る。この放電中のバッテリーの端子電圧を測定し、その
電圧が所定の電圧（しきい値）に降下した時までの放電
電流の積分量を求め、その積分量が所定量に達していた
か否かにより寿命か否かの判定をするようにしている。

【０００５】そして、上記の寿命判定は、例えば１ヶ月
に１回等適当なタイミングで行い、寿命判定の結果劣化
して寿命と認められた場合には新しいバッテリーと交換
し、一方、劣化していない場合には、疑似停電を解除し
て商用電源から負荷へ電力供給をすると同時にバッテリ
ーに対して充電し、バックアップに供えるようになる。

【０００６】また、従来技術ではないが、電流の積算量
を用いるのではなく満充電状態のバッテリーを一定電流
で放電させ、放電開始から所定の電圧（しきい値）に到
達するまでに要する時間を計測し、寿命がきたか否かの
判定を行うことも考えられる。すなわち、バッテリーか
ら放電電流を流して電荷を放電した場合の時間経過に伴
う端子電圧の低下の程度（放電特性）は、バッテリーの
劣化が進むほど早く低下する。従って、放電させた時の
端子電圧の低下の状態を計測し、例えば電圧があるしき
い値に達するまでに要する時間が一定時間以下の時には
寿命がきていると判断できるからである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の寿命判定装置、或いは創案された上記放電に要
した時間に基づいて判定を行う寿命判定装置のいずれの
場合であっても、バッテリーが満充電状態になっている
時から放電開始をしなければならないので、係る満充電
状態であることを検出する手段を必要とするばかりでな
く、仮に所定量放電されていて残存容量が１００％（満
充電でない）の場合には一度充電して満充電状態にする
必要があり、その判定処理が煩雑で時間がかかる。さら
に、例えば電源が太陽電池のように発電量（充電電流）
が日照量に起因するような場合には、必ずしも寿命判定
を行う時にバッテリーを満充電状態にするために必要な
充電電流を供給できるとは限らない。したがって、所望
の時期に寿命判定を行いたい場合には、別途充電用の電
源を必要とし、装置が大型かつ複雑化してしまう。

【０００８】また、寿命判定を正確に行うためには、満
充電状態から比較的大量に放電させるのが好ましいた
め、通常バックアップ不能になる直前（例えば充電状態
が約４０％）位まで放電させる。したがって、係る大量
の電荷を放電させることは、一度バッテリー内に蓄えた
エネルギーを無駄に消費することになる。さらにこの様
に大量に電荷を放出することから、判定の末期或いは判
定終了直後には、バッテリーの残存容量は極めて少なく
なっている。したがって、寿命判定を行っている時（放
電中）に停電が起こった場合には、バッテリー内に十分
な電荷が蓄えられておらず、所定時間バックアップを行
うことができなくなる。

【０００９】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、バッテリーが満充電
状態になっているか否かにかかわらず寿命判定処理を行
え、しかも、無駄に消費するエネルギーを少なくても確
実に寿命判定を行うことができ、さらに判定中や判定終
了直後に停電が起きてもバックアップ不能になる確率を
可及的に抑制できるバッテリーの寿命計測装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係るバッテリーの寿命計測装置では、
バッテリーを短時間大電流で放電する第１放電手段と、
前記バッテリーを小電流で放電する第２放電手段と、前
記第１放電手段を用いて前記バッテリーを放電させた時
に検出したバッテリーの電圧または内部抵抗からバッテ
リーの充電状態を求める充電状態決定手段と、前記第２
放電手段を用いて前記バッテリーを放電させた時の放電
容量を算出する放電容量算出手段と、前記求めた放電容
量と充電状態に基づいて求めたバッテリーの蓄電能力か
ら劣化度や寿命か否か等の寿命情報を求める手段とから
構成した。

【００１１】

【作用】まず、第１の放電手段を用いてバッテリーの端
子を導通させて放電させる。そして、充電状態決定手段
によりこの時の端子間電圧或いは内部抵抗に基づいて充
電状態（Ｚａとおく）を求める。次いで、第２の放電手
段を用いてバッテリーを放電させる。そして、放電容量
算出手段により、この放電期間中に放出された全電荷を
算出する。その後、再度第１の放電手段を用いて放電さ
せ、この時の充電状態（Ｚｂとおく）を求める。する
と、上記算出した放電容量は、現在のバッテリーの（Ｚ
ａ−Ｚｂ）％分で蓄えることのできるの電荷となるた
め、そこから現在のバッテリーが蓄えられる１００％分
の電荷を求める。これが蓄電能力となり、この値が低い
と劣化の程度が進んでいることを意味するので、その値
を表示したり、その値の大小により寿命を判定したりす
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係るバッテリーの寿命計測装
置の好適な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図
１は、本発明に係るバッテリーの寿命計測装置の第１実
施例を示している。同図に示すように、バッテリー１０
の正負の両端子１０ａ，１０ｂ間に電圧計１１を接続
し、その端子電圧Ｖを測定できるようになっている。さ
らに、両端子１０ａ，１０ｂには、比較的抵抗値の小さ
い第１の放電抵抗Ｒ１が第１スイッチ１２ａを介して接
続され、さらにそれに並列に比較的抵抗値の大きい第２
の放電抵抗Ｒ２が第２のスイッチ１２ｂを介して接続さ
れている。そして、それら第１，第２のスイッチ１２
ａ，１２ｂは、それぞれ電流パターン発生器１３から出
力される制御信号Ｓ１，Ｓ２により開閉制御される。

【００１３】そして、電流パターン発生器１３は、図２
（Ａ），（Ｂ）に示すように、まず制御信号Ｓ１が、比
較的短い時間だけオンになり、その制御信号Ｓ１の立ち
下がりを検知して制御信号Ｓ２がオンになる。そして、
この制御信号Ｓ２は、比較的長い時間オン状態が続いた
後オフとなり、その立ち下がりを検知して制御信号Ｓ１
が再度短い時間オンとなる。

【００１４】すると、制御信号Ｓ１，Ｓ２がオンの時に
対応する各スイッチ１２ａ，１２ｂが閉じ、直列接続さ
れた第１，第２の放電抵抗Ｒ１，Ｒ２に放電電流Ｉが流
れることになる。そして、その時の放電電流Ｉの大きさ
は、第１の放電抵抗Ｒ１に流れる時には比較的大きな電
流が流れ、第２の放電抵抗Ｒ２に流れる時には比較的小
さな電流が流れることになる。なお、当然のことなが
ら、両制御信号Ｓ１，Ｓ２ともにオフの時には、バッテ
リー１０はオープン状態となる。

【００１５】そして、制御信号Ｓ１オンの時にバッテリ
ー１０の充電状態（％）を検出し、制御信号Ｓ２オンの
時にその間に放電されたバッテリー１０の放電容量を検
出するようになり、それら各データ（充電状態，放電容
量）に基づいてバッテリーの劣化状況すなわち寿命を判
定するようになっている。

【００１６】すなわち、バッテリー１０からの放電電流
Ｉを検知するための電流計１４をバッテリー１０の正極
端子１０ａからのリード線に沿うように配置し、上記電
圧計１１並びに電流計１４によりそれぞれ検出された端
子電圧Ｖ，実電流（放電電流）Ｉが寿命判定部１５に入
力するようになっている。さらに、この寿命判定部１５
には、上記電流パターン発生器１３から出力される制御
信号Ｓ１，Ｓ２も入力されるようになっている。

【００１７】また、この寿命判定部１５は、図３に示す
ようにまず端子電圧Ｖに基づいて充電状態を求める充電
状態決定部１６を有する。すなわち、放電時の充電状態
（％）と電圧の関係は、図４（Ａ）に示すような所定の
相関関係を有する。そこで瞬間的（例えば５秒間）に大
電流を流し、その時の電圧Ｖを計測するとともに、その
相関関係のグラフに基づいて（係る相関関係を格納した
データベースを設け、電圧Ｖが与えられたなら係るデー
タベースを参照して）充電状態を決定する。そして、こ
の充電状態の決定は、例えば制御信号Ｓ１の立ち下がり
を検出し、その時の電圧に基づいて行う。

【００１８】なお、電圧は電流が変動すると充電状態が
同一であっても変動する。したがって、より正確に行う
ためには、電流の変動に依存しない内部抵抗を用いて充
電状態を決定すするようにしても良い。すなわち、内部
抵抗と充電状態との相関関係は、同図（Ｂ）に示すよう
になっている。そこで、充電状態決定部に上記電圧と共
に電流を入力することにより、内部抵抗（＝電圧／電
流）を求め、その後相関関係のグラフに基づいて充電状
態を決定すれば良い。

【００１９】また、寿命判定部１５は、電流Ｉを時間積
分することにより放電容量を算出する放電容量算出部１
７を有している。この放電容量算出部１７は、積分器を
主構成とし電流Ｉを時間積分することにより所定の時間
内に放電された電荷ΔＱを算出するようになっている。
そして、時間積分する期間は、制御信号Ｓ２がオンして
いる間である。

【００２０】さらに、寿命判定部１５は、上記充電状態
決定部１６と放電容量算出部１７の出力を受け、劣化度
ＰＫを求める劣化度算出部１８を有する。そしてこの劣
化度算出の具体的な処理機能は、以下のようになる。す
なわち、放電容量算出部１６で求められた電荷ΔＱは、
放電開始当初の充電状態Ｚａ（％）から放電終了時の充
電状態Ｚｂ（％）までの（Ｚａ−Ｚｂ（％））分の放出
された容量で、これは、係るＺａ−Ｚｂ（％）で蓄積で
きる容量と等しい。そこで、下記式に基づいて現在のバ
ッテリーに蓄積できる１００％分の容量（バッテリーの
蓄電能力Ｑ100）を求める。そして、各データの関係
は、図５のようになっている。

【００２１】Ｑ100 ＝ΔＱ（１００／Ｚａ−Ｚｂ）そして、係る蓄電能力が求められたなら、その現在の蓄
電能力Ｑ100 と予め新品時に求めておいたバッテリーの
蓄電能力Ｑ0 とから、下記式に基づいて劣化度ＰＫを求
める。

【００２２】ＰＫ＝Ｑ100 ／Ｑ0 さらに、本例では劣化度算出部１８の出力を判定部１９
に接続し、そこにおいて与えられた劣化度ＰＫと所定の
しきい値Ｔｈ_PKと比較し、劣化度がしきい値以下となっ
た場合に寿命がきたと判定し、その判定結果を出力す
る。すなわち、本例では、上記劣化度算出部１８並びに
判定部１９で寿命情報を求める手段を構成している。な
お、本例では寿命か否かの判定結果を出力するようにし
たが、例えば係る判定部１９を設けずに劣化度ＰＫを直
接出力するようにしても良く、或いは両者共に出力する
等、適宜の態様をとることができる。

【００２３】次に、上記した実施例の作用について説明
する。まず、寿命判定を行う場合には、電源パターン発
生器１３から出力される制御信号Ｓ１が短時間オンにな
る。すると、バッテリー１０の正負の両端子１０ａ，１
０ｂは、第１の放電抵抗Ｒ１を介して接続されることに
なり、電流が流れた状態での端子間電圧（開放電圧でな
い）が発生する。そして、この間の実電流Ｉは図２
（Ｃ）に示すように比較的大きな電流値となる。

【００２４】そして、制御信号Ｓ１がオフになると共に
制御信号Ｓ２がオンになり、スイッチ１３ａ，１３ｂが
ともに切り替わりバッテリー１０の正負の両端子１０
ａ，１０ｂは、第２の放電抵抗Ｒ２を介して接続される
ことになる。この切替時における端子間電圧Ｖを電圧計
１１を介して計測し寿命判定部１５内の充電状態決定部
１６に送る。そして、その電圧Ｖに基づいて制御信号Ｓ
１オフ時の充電状態Ｚａ％を求め、係る値Ｚａを記憶保
持する。

【００２５】また、第２の放電抵抗Ｒ２が接続されてい
る間は、比較的小さな放電電流Ｉが流れ続け、端子電圧
は徐々に減少し残存容量Ｑも徐々に低下する（図２
（Ｃ），（Ｄ）参照）。そして、この時の実電流Ｉを電
流計１４を介して計測し得られたデータを寿命判定部１
５内の放電容量算出部１７に送る。この電流Ｉは、制御
信号Ｓ２がオンし続けている間放電容量算出部１７に与
えられ続け、積算される。

【００２６】そして、所定時間制御信号Ｓ２のオン状態
が続き、所定量だけ放電されたなら制御信号Ｓ２はオフ
になり、係る信号が寿命判定部１５にも送られ、上記電
流Ｉの積算が停止され、それまで積算された値が劣化度
算出部１８に与えられる。また、制御信号Ｓ１は、信号
Ｓ２の立ち下がりを検知してオンとなり、上記と同様の
作用によりその時の充電状態Ｚｂを求める。

【００２７】次いで、低電流での放電開始前後の充電状
態Ｚａ，Ｚｂをそれぞれ劣化度算出部１８に送る。そし
て、劣化度算出部１８では、与えられたＺａ，Ｚｂ並び
にΔＱに基づいて劣化度ＰＫを求め、その劣化度ＰＫに
基づいて判定部１９にて寿命か否かを判断する。

【００２８】すなわち、本例では、放電開始前後の充電
状態を検出する共に、その間に放電された電荷（容量）
から、充電状態１００％の時の残存容量（蓄電能力）を
求め、その大小から劣化を判定するようにしたため、い
かなる充電状態の時からでも寿命判定を行うことができ
る。また、その放電させる容量も、従来のように満充電
状態からバックアップ不能になる直前までというように
非常に大きな容量（約５０〜６０％）ではなく、比較的
少ない容量（例えば１０〜２０％）の放電でもって、寿
命判定を行うことができる。よって、無駄に放電させる
エネルギーが少なくなり、しかも、バックアップ不能に
なるほど放電されてしまうことがほとんどなく、寿命判
定中或いは直後に停電等が生じてもすぐにバックアップ
を行うことができ、バックアップ不能状態になるおそれ
が可及的に減少する。

【００２９】図６は、本発明の第２実施例を示してい
る。本例では上記した第１実施例と相違して、第１，第
２の放電抵抗Ｒ１，Ｒ２の代わりにトランジスタＴｒを
用いている。すなわち、トランジスタＴｒのベースにパ
ルス発生器２０の出力を接続し、ベースに所定の電圧を
印加している時（パルスオン時）だけトランジスタＴｒ
を導通してバッテリー１０の端子間１０ａ，１０ｂに放
電電流が流れるようになる。そして、パルス発生器２０
から出力されるパルスのデューティ比を適宜変えること
により、単位時間あたりに流れる総電流量（平均電流
値）を適宜の値に設定できるようになり、実質的な抵抗
を変化させるようにしている。

【００３０】つまり、デューティ比を大きくし導通時間
が長くなると電流値（平均）は大きくなり、これは、上
記した第１実施例における第１の放電抵抗Ｒ１を接続し
た状態と等価となる。また、逆にデューティ比を小さく
し導通時間を短くすると電流値（平均）は小さくなるた
め、上記した第１実施例における第２の放電抵抗Ｒ２を
接続した状態と等価となる。

【００３１】これにより、電流を放電抵抗Ｒ１，Ｒ２に
流す時に生じる発熱を抑制し、放熱に要する設備を不要
或いは縮小することにより、装置の小型化を図ってい
る。また、トランジスタＴｒのオン／オフのデューティ
比を変えるだけで、２種類の放電抵抗Ｒ１，Ｒ２の役目
（第１，第２の放電手段）を兼用することができる。

【００３２】ここでトランジスタにおける消費電力（発
熱）を考える。まず、第１実施例に示す放電に用いる放
電抵抗を０．２Ω程度でバッテリーの端子間電圧を１０
Ｖとすると、消費電力は５００Ｗとなり、また、放電電
流は５０Ａとなる。そして、同一の放電電流をトランジ
スタで流すためには、放電電流が流れている間は図８
（Ａ）に示すように断続するパルス波となっており、こ
の電流が流れている間だけトランジスタＴｒに電流が流
れて発熱するので、実際に流れている時の電流を５００
Ａとすると、デューティ比を１０％にすることにより回
路中に流れる平均電流を５０Ａにすることができる。こ
れにより、単位時間あたりの放電容量は同じとなる。

【００３３】一方、トランジスタＴｒのエミッタ−コレ
クタ間電圧Ｖce（＝２Ｖ）は、同図（Ｂ）のようになる
ため、トランジスタでの消費電力は、同図（Ｃ）に示す
ように電流が流れている時は１０００Ｗとなり、平均す
ると１００Ｗとなる。よって、同一の放電容量を得るた
めに必要な消費電力は、トランジスタを用いた方が１／
５になり、発熱量も少なくなることがわかる。

【００３４】そして、かかるデューティ比の制御は、電
流パターン発生器１３′からの制御信号Ｓに基づいて電
流制御回路２１がパルス発生器２０を制御する。すなわ
ち、制御信号Ｓは、目的となる電流Ｉａ，Ｉｂを所定の
タイミング（上記した第１実施例におけるスイッチの切
り替えタイミングと同等）で出力するようになる。さら
に、電流制御回路２１は、電流計１４を介して検出した
放電電流Ｉが与えられるようになっており、実際に流れ
ている放電電流Ｉと目的となる電流ＩａまたはＩｂとを
比較し、両者が異なる場合には、目的の電流になるよう
にパルス発生器２０のデューティ比をフィードバック制
御するようになる。そして係る構成により、バッテリー
１０の放電電流は、常に所定の電流（一定）に保つこと
ができる（図８（Ａ）参照）。さらに、その様に一定電
流で放電するため、バッテリー１０の残存容量は、同図
（Ｂ）に示すように、ほぼ一定に減少していく。なお、
図示の例では平均電流並びにそれに基づく残存容量を示
している。

【００３５】なお、本例における具体的な寿命判定は、
上記した第１実施例と同様で、電圧Ｖ並びに電流Ｉを寿
命判定部１５′（詳細な構成は図３に示すものと同様）
に送り、ここにおいて放電開始前後の充電状態Ｚａ，Ｚ
ｂとその間に放電された放電容量ΔＱに基づいて、劣化
度や寿命の判定を行うようになっている。但し、電圧の
計測は、トランジスタがオンになっている時に行う。

【００３６】なお本例では、上記したごとく放電電流が
一定であるため、放電容量を求める際に電流の積分では
なく、単に放電していた時間を計測し、その時間に電流
（目的電流Ｉｂ）を掛けるようにしても良く、構成の簡
略化が図れる。なおまた、トランジスタに代えてＦＥＴ
やリレーを用いることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るバッテリー
の寿命計測装置では、放電開始前後の充電状態を検出す
る共に、その間に放電された電荷（容量）から、充電状
態１００％の時の残存容量（蓄電能力）を求め、その大
小から劣化を判定するようにしたため、いかなる充電状
態の時からでも寿命判定を行うことができる。また、比
較的少ない容量の放電でもって、寿命判定を行うことが
できる。よって、無駄に放電させるエネルギーが少なく
なり、しかも、バックアップ不能になるほど放電されて
しまうことがほとんどく、寿命判定中或いは直後に停電
等が生じてもすぐにバックアップを行うことができ、バ
ックアップ不能状態になるおそれが可及的に減少する。
さらに、トランジスタ等の開閉手段のオン／オフの時間
割合を制御するようにした場合には、発熱を可及的に提
言することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバッテリーの寿命判定装置の第１
実施例を示す図である。

【図２】時間に対する各部での動作状況並びに特性を示
す図である。

【図３】寿命判定部の内部構造を示す図である。

【図４】充電状態に対する端子電圧・内部抵抗の関係を
示す図である。

【図５】寿命判定部の作用を説明する図である。

【図６】本発明に係るバッテリーの寿命判定装置の第１
実施例を示す図である。

【図７】時間に対する各部での動作状況並びに特性を示
す図である。

【図８】時間に対する各部での動作状況並びに特性を示
す図である。

【符号の説明】

１０バッテリー１１電圧計１３，１３′ 電流パターン発生器１４電流器１５，１５′ 寿命判定部１６充電状態決定部１７放電容量算出部１７１８劣化度算出部１９判定部Ｒ１第１の放電抵抗Ｒ２第２の放電抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バッテリーを短時間大電流で放電する第
１放電手段と、前記バッテリーを小電流で放電する第２放電手段と、前記第１放電手段を用いて前記バッテリーを放電させた
時に検出したバッテリーの電圧または内部抵抗からバッ
テリーの充電状態を求める充電状態決定手段と、前記第２放電手段を用いて前記バッテリーを放電させた
時の放電容量を算出する放電容量算出手段と、前記求めた放電容量と充電状態に基づいて求めたバッテ
リーの蓄電能力から劣化度や寿命か否か等の寿命情報を
求める手段とを備えたバッテリーの寿命計測装置。
【請求項２】前記第１放電手段並びに第２放電手段
が、抵抗値の異なる抵抗体と、それに接続されたスイッ
チとから構成された請求項１に記載のバッテリーの寿命
計測装置。
【請求項３】前記両放電手段が、トランジスタ，ＦＥ
Ｔ等のオン／オフ制御可能な開閉素子と、そのオン／オ
フのデューティ比を調整する手段とから構成された請求
項１に記載のバッテリーの寿命計測装置。