(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であり、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から３０秒以上、３０分以内の時間ｔだけ経過した時点における充電電流値Ｉｔを求め、該充電電流値Ｉｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃｔを、関係式、
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ                              （１）
（ここに、Ｃ０は該リチウムイオン電池の公称容量であり、ａ、ｂは該リチウムイオン電池と該時間ｔとによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３時間以上、１か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを５回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が３０秒以上、３０分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間ｔｎｉ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号であり、ｉは各サイクル中の各時点に付した番号である）および上記充電電流値Ｉｔｎｉ、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎを記録し、記録された該経過時間ｔｎｉと該充電電流値Ｉｔｎｉと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。
【請求項２】
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であり、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から３０秒以上、３０分以内の時間ｔだけ経過した時点における充電電流値Ｉｔを求め、該充電電流値Ｉｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃｔを、関係式、
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ （１）
（ここに、Ｃ０は該リチウムイオン電池の公称容量であり、ａ、ｂは該リチウムイオン電池と該時間ｔとによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、
上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を、上記時間ｔの関数として、関係式、
ａ＝ｄ×ｔｅ                                            （２）
ｂ＝ｆ×ｔｈ                                            （３）
（ここに、ｄ、ｅ、ｆ、ｈは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、０＜ｄ、ｅ＜０、０＜ｆ、ｈ＜０である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３時間以上、１か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを５回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が３０秒以上、３０分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間ｔｎｉ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号であり、ｉは各サイクル中の各時点に付した番号である）および上記充電電流値Ｉｔｎｉ、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎを記録し、記録された該経過時間ｔｎｉと該充電電流値Ｉｔｎｉと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（２）、（３）におけるｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池に関し、特に、リチウムイオン電池の容量を推定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【０００３】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池（以下、Ｎｉ／Ｃｄ電池と称す）に比べて大幅な高エネルギー密度であるニッケル水素電池（以下、Ｎｉ／ＭＨ電池と称す）やリチウムイオン電池（以下、Ｌｉイオン電池と称す）では、事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【０００４】
信頼性のひとつとして、搭載電池の的確な劣化状態の把握とタイムリーな電池の交換が挙げられる。Ｎｉ／ＭＨ電池やＬｉイオン電池の高エネルギー密度電池に関しては、インテル社とデュラセル社によって１９９４年に提唱されたスマートバッテリーシステム（ＳＢＳ）が充電制御、残存容量判定などを含めたバッテリーマネジメントシステムとして、改良を加えながら普及してきている（www. sbs-forum. or 参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電池の劣化状態に対しては、これらの電池制御・管理は、製造メーカ、電池種類などの情報の他、常時電池の電流、電圧、温度などをモニタする膨大な情報データ管理に基づく方法であり、極めて高価な方式で、製品価格の高騰を来していた。
【０００６】
また、ＳＢＳは電池の充電制御、残存容量などの制御・管理であり、電池の劣化状態まで把握する機能は有しておらず、電池、または電池パックの交換は使用者の勘に頼っているのが現状であった。
【０００７】
ＳＢＳとは別に、ソニー社のビデオカメラに搭載するＬｉイオン電池（インフォリチウム）の制御・管理方式などが提案されているが、ＳＢＳと同様、劣化判定機能は有していなかった。
【０００８】
したがって、Ｌｉイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を確立すれば、その方法によって推定された容量が、あらかじめ設定された限界容量よりも大きいか小さいかによって、その電池が劣化していないか劣化しているかを判定できるので、その方法が持つ効果は極めて大きい。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑み、なされたものであり、その課題は、Ｌｉイオン電池の劣化を判定するために必須となる、Ｌｉイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であり、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から３０秒以上、３０分以内の時間ｔだけ経過した時点における充電電流値Ｉｔを求め、該充電電流値Ｉｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃｔを、関係式、
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ （１）
（ここに、Ｃ０は該リチウムイオン電池の公称容量であり、ａ、ｂは該リチウムイオン電池と該時間ｔとによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、１回の全充電時間が３時間以上、１か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを５回以上繰り返して、各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が３０秒以上、３０分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間ｔｎｉ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号であり、ｉは各サイクル中の各時点に付した番号である）および上記充電電流値Ｉｔｎｉ、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎを記録し、記録された該経過時間ｔｎｉと該充電電流値Ｉｔｎｉと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であり、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から３０秒以上、３０分以内の時間ｔだけ経過した時点における充電電流値Ｉｔを求め、該充電電流値Ｉｔを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ｃｔを、関係式、
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ                              （１）
（ここに、Ｃ０は該リチウムイオン電池の公称容量であり、ａ、ｂは該リチウムイオン電池と該時間ｔとによって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を、上記時間ｔの関数として、関係式、
ａ＝ｄ×ｔｅ （２）
ｂ＝ｆ×ｔｈ （３）
（ここに、ｄ、ｅ、ｆ、ｈは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、０＜ｄ、ｅ＜０、０＜ｆ、ｈ＜０である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、１回の全充電時間が３時間以上、１か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを５回以上繰り返して、各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が３０秒以上、３０分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間ｔｎｉ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号であり、ｉは各サイクル中の各時点に付した番号である）および上記充電電流値Ｉｔｎｉ、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎを記録し、記録された該経過時間ｔｎｉと該充電電流値Ｉｔｎｉと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（２）、（３）におけるｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法を図面を用いてさらに詳しく説明する。以下の説明において、「電池パック」とは、単電池、あるいは複数個の単電池を直列接続、並列接続、あるいは両者の併用によって接続したものを、安全制御回路あるいは充放電制御回路と一体化して「自立電源としての二次電池」としたものを意味する。
【００１８】
図１は、Ｌｉイオン電池の充電における電池電圧と電流値の経時変化を示した図である。図１において、該電池、または電池パック中のＬｉイオン電池（以下、これらをＬｉイオン電池と総称する）を、まず、定電流（ＣＣ）モードによって、所定の一定電流値であらかじめ設定された上限電圧Ｖ１（通常は４．１Ｖ／セル、または４．２Ｖ／セルである、ただし、「セル」は単電池を意味する）まで充電し、該設定電圧Ｖ１にＬｉイオン電池の電圧が到達した後、定電圧（ＣＶ）モードの充電が開始される。
【００１９】
このような、定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件が定電流モードから定電圧モードに切り替えられた時点から所定の時間ｔが経過した時の電流値Ｉｔを求めると、この電池の容量が一定ならば、この電流値Ｉｔも一定である。  しかし、上記時間ｔが或る範囲内にある場合には、電池の容量が減少すると、電流値Ｉｔが増加する。
【００２０】
本発明者らは、上記の、容量減少と電流増加との間に成り立つ顕著な相関関係を発見し、本発明をなすに至った。
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
本発明においては、容量容量推定の対象となるリチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からあらかじめ設定された時間だけ経過した時点における充電電流値を求め、該充電電流値を用いて該リチウムイオン電池の容量を推定する。
【００２２】
このような推定を可能とするために、容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一構造、同一仕様（本明細書においては、これを同一種類と称する）のリチウムイオン電池であって、その容量が（繰り返し使用などの原因によって）異なるものを複数個用意し、それらを用いて、充放電サイクルを繰り返し、上記時点における充電電流値を測定し、その結果から、電池の容量と該充電電流値との相関関係を求めておく。このときの相関関係は、かならずしも解析的数式によって表現される必要はなく、相関関係図における測定点間を直線で結んだ折線によって表現されていてもよいが、本発明においては、上記の相関関係が解析的数式によって表現される場合のみを対象とする。
【００２３】
さらに、上記の相関関係として、直線関係（１次関数関係）を採用する場合には、上記の時間に好ましい範囲がある。後述の具体例２（とくに図５）に示すように、小さな誤差のみを生ずるような上記時間の好ましい範囲は３０秒以上、３０分以内であり、より好ましい範囲は３０秒以上、２０分以内である。
【００２４】
本実施の形態においては、上記の「あらかじめ設定された時間」をｔとし、その時間ｔを３０秒以上、３０分以内とする。このような制限の下では、電池の推定容量Ｃｔと充電電流値Ｉｔとの間に、上記関係式（１）、すなわち、
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ                                  （１）
（ここに、Ｃ０は該リチウムイオン電池の公称容量であり、ａ、ｂは該リチウムイオン電池と該時間ｔとによって定まる正値定数である）で示される簡単な直線関係が成立するので、実用上好都合である。後述の具体例２（とくに図５）に示すように、小さな誤差のみを生ずるような上記時間ｔの好ましい範囲は３０秒以上、３０分以内であり、より好ましい範囲は３０秒以上、２０分以内である。
【００２５】
また、ＣＶモード充電開始後３０秒未満の時点では、充電電流値のバラツキが大きくなる場合があり、かならずしも正確な容量推定を行えるとは限らない。また、開始後３０分を越えた時間になると、充電電流値と容量との関係が変化し、単純な直線関係から大きくはずれて関係式が複雑となる。
【００２６】
電流値Ｉｔを求めるためのモニタリングは、例えば、１０μ秒ごとに数回行い、その中間値を選んだり、平均値を選んだりする方法がノイズによる誤認識を抑制する方法として好ましい。しかし、本発明に係る容量推定方法の実施が可能ならば何らモニタリングの方法を限定するものではない。
【００２７】
電池の推定容量Ｃｔは、上記の電流値Ｉｔを用い、上記関係式（１）によって算出する。このときに、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を知る必要があるが、その方法としては、たとえば、後述の方法がある。
【００２８】
上記の推定容量Ｃｔから電池の劣化を判定する場合には、公称容量Ｃ０に対する関係式
Ｄｅｇ（％）＝１００×（１−Ｃｔ/Ｃ０）                    （４）
によって劣化度Ｄｅｇ（％）を計算し、この劣化度Ｄｅｇ（％）が、あらかじめ定められた限界値よりも大となったときに、その電池は劣化した、と判定すればよい。
【００２９】
また、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値を上記関係式（２）、（３）、すなわち、
ａ＝ｄ×ｔｅ                                            （２）
ｂ＝ｆ×ｔｈ                                            （３）
（ここに、ｄ、ｅ、ｆ、ｈは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、０＜ｄ、ｅ＜０、０＜ｆ、ｈ＜０である）によって算出してもよい。
【００３０】
このときに、上記関係式（２）、（３）におけるｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を知る必要があるが、その方法としては、たとえば、後述の方法がある。
【００３１】
多くの事例について、ｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を求めたところ、Ｉｔの単位をＡとし、ｔの単位を分としたときに、これらの値は、条件、
１．４≦ｄ≦２．２
−０．７≦ｅ≦−０．３
１．４≦ｆ≦２．２
−０．２５≦ｈ≦−０．１５
を満足することが判明した。
【００３２】
また、上記関係式（１）において、任意の推定容量値Ｃｔにある同一の電池において充電電流値Ｉｔが時間ｔの増加とともに単調に減少する条件を満たす値であることを主張するものである。
【００３３】
上記関係式（１）の係数ａ、ｂが測定時間ｔの関数となる理由は、定電流（ＣＶ）モードによる充電の場合、電流値はＬｉの活物質中への固体内拡散に依存することが知られている。もし、上記Ｌｉの活物質中への固体内拡散がＦｉｃｋの第一法則によるとすれば、電流値ＩはＣＶモード開始からの時間ｔに関して、
Ｉ＝ＫｎＦ［（△ｃ）／ｔ１／２］
（ただし、Ｋは定数、△ｃは固体内のＬｉの濃度勾配に相当する値、ｎは電気化学当量、Ｆは Faraday 定数）となる。
【００３４】
しかし、現実には様々な要因が存在するためにより複雑なｔの関数となりうる。本発明における劣化判定式（１）の定数ａ、ｂは、０．５≦ｔ≦３０における任意の時間ｔにおける電流値Ｉｔを測定すれば、測定対象の電池の容量Ｃｔ（これは測定時間ｔに依存しないことが求められる）が算出できるよう、この固体内拡散の影響を考慮しているため、測定時間ｔの高次関数となっている。
【００３５】
上記に示した定数の条件以外の値では、１分以内の極めて短時間で電流値Ｉｔがマイナスの値をとったり、充電電流値Ｉｔが経過時間ｔのある値で極大値を持つようになったりすることがあり、実質上、Ｌｉイオン電池の充電電流変化を具体的に式で示すことがかならずしも可能でない。
【００３６】
なお、上記関係式（１）に示される推定容量Ｃｔは、満充電状態から所定の下限電圧まで放電した、完全放電のときの容量であり、途中の任意の電圧までの放電容量を示すものではない。
本実施の形態においては、下記の方法によって、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値、あるいは、上記関係式（２）、（３）におけるｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を確定し、確定された値を用いて、リチウムイオン電池の容量を推定する。すなわち、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３時間以上、１か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを５回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が３０秒以上、３０分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間ｔｎｉ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号であり、ｉは各サイクル中の各時点に付した番号である）および上記充電電流値Ｉｔｎｉ、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎを記録し、記録された該経過時間ｔｎｉと該充電電流値Ｉｔｎｉと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるａ、ｂの値、あるいは、上記関係式（２）、（３）におけるｄ、ｅ、ｆ、ｈの値を確定し、確定された値を用いて、リチウムイオン電池の容量を推定する。
【００３７】
上記の数値の確定には、逐次近似法や、最小自乗法などを用いればよい。
【００３８】
具体的な充放電サイクルとしては、つぎのようなものがある。すなわち、
容量推定の対象となるＬｉイオン電池あるいは同一種類のＬｉイオン電池を用い、
０．５Ｃ以上、２Ｃ以下の充電率になる充電電流値、または、充電条件として推奨される、または電池を搭載する機器や使用する充電器の規定する充電上限電圧設定下での定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による、３時間以上１ヶ月以内の充電時間による充電期間と、
０．２Ｃ以上、２Ｃ以下の放電率になる放電電流値、または、放電条件として推奨される、または電池を搭載する機器や使用する充電器の規定する放電終止電圧条件設定下での放電期間と、
必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを容量推定のための充放電サイクルとする。
【００３９】
充電電流値は、２Ｃを超える大電流では、通常の使用電流を上回り、電池にダメージを与え、正確な劣化判定式を構築できない。また、０．５Ｃ未満の低充電率では劣化判定式を構築するための時間が掛かりすぎ、好ましくない。
【００４０】
各サイクルの充電時間が３時間未満だと、Ｌｉイオン電池が劣化している場合に、充電が不足する可能性があり、正確な劣化判定が困難な劣化判定式を提供することになり、好ましくない。
【００４１】
また、１ヶ月を越える充電時間にすると、該劣化判定式を構築するために膨大な時間を要し、好ましくない。
【００４２】
また、該劣化判定式を求めるためには、その係数を決定するために上記条件になる充放電サイクルを少なくとも５サイクル以上実施する。本発明に係る劣化判定式（１）は１次関数であるから最低２サイクルのデータで該係数を決定することが可能であるが、実際は電流値読みとりの誤差などにより４サイクル以下のデータだと誤差が±２０％を越えてしまい、好ましくない。±２０％以内の判定精度を確保するためには少なくとも５サイクル分のデータ取得が好ましい。さらに、データ取得の対象となる３サイクル以上の各サイクルにおける電流値Ｉｔの測定は、ＣＶモードに変更されてから経過する異なる２点の時間では、定数ａ、およびｂを記述するそれぞれの係数ｄ、ｅ、ｆ、ｈを決定することが困難となる。
【００４３】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法では、上記関係式（１）を１０℃以上、４５℃以下で求めることが好ましい。１０℃未満の低温下では、上記関係式（１）のような容量Ｃｔと充電電流値Ｉｔとの間に直線関係が成り立たない。また、４５℃より高温下では、Ｌｉイオン電池の使用温度範囲になじまない。また、容量推定の実施は、上記関係式（１）を求めた時の環境温度に対して±１０℃の範囲内にあり、かつ１０℃以上、４５℃以下の範囲内にある環境温度で行うことが望ましい。関係式を求めた温度より＋１０℃を超え、−１０℃未満の環境温度では充電電流値の値が異なり、正確な容量推定を行うことが困難となる。
【００４４】
（参考例１）
本参考例においては、
ＩＣを内蔵した安全性確保手段を備えたリチウムイオン電池パックを用い、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣに、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の推定容量値の算出に用いる数値を記憶する空きメモリを設け、さらに、該数値が該空きメモリに記憶された場合に、該数値と該リチウムイオン電池充電中の充電電流値とから該推定容量値を算出する演算回路とを設けたことを特徴とするリチウムイオン電池パックを構成する。
【００４５】
このようなリチウムイオン電池パックにおいては、該パック中のリチウムイオン電池が充電される際に、該電池の推定容量値が算出されるので、その値をＩＣの、外部との接続端子を介して読みだしてもよいし、該推定容量値が、あらかじめ設定された限界容量値よりも小となったときに、容量劣化を意味する警告を出力する手段を該電池パックに設けておいてもよい。この警告としては、文字または画像の表示による警告、信号音による警告、あるいは音声による警告などが用いられる。
【００４６】
また、リチウムイオン電池充電中の充電電流値と、その他の数値とから該リチウムイオン電池の推定容量値を算出する方法としては、たとえば、請求項１または２に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法を用いることができる。
【００４７】
以上の実施の形態の説明で明らかなように、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法は、極めて簡便な方法であり、これを用いて、容易かつ簡便に、Ｌｉイオン電池の容量劣化の判定を行うことができ、実用上の著しい効果が現れる。
【００４８】
また、上記参考例１に記載したＬｉイオン電池パックにおいては、ただ単に、該電池パックを使用することのみによって、該電池パック内の電池の容量を推定することができ、それによって、該電池の容量劣化の判定を自動的に行うことができるので、その実用上の効果には極めて大なるものがある。
（実施の具体例）
つぎに、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法を具体的に実施する方法の一例について概説する。
【００４９】
図２は上記方法を実施する充電制御回路の一概念を示したものであり、図中、１は充電制御回路、２は判定の対象となるＬｉイオン電池、３は充電制御用マイコン、４は電源マイコン、５はスイッチ、６はサーミスタ、７は異常出力検出端子、８は電池接続プラス端子、９は電池接続マイナス端子、１０は電源接続プラス端子、そして１１は電源接続マイナス端子である。
【００５０】
本発明の容量推定方法を実現するためには、タイマーによる時間計測と充電電流値Ｉｔの測定が必要となるが、タイマーはもともと充電制御用マイコン３などに搭載され、また電流値Ｉｔ異常出力検出端子７などを利用してモニタが可能であり、充電制御用マイコン３などの空きメモリを用いて、上記関係式（１）、（２）または（３）の演算処理を行えばよく、何らの付加部品を必要とすることなく、本発明に基づく容量推定を実施することが可能である。ただし、該容量推定が実施できれば何らこれに限定されることはない。
【００５１】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法は、上述のように、搭載機器本体に機能を付与して実施することが可能であるが、該容量推定の実施のために、販売するＬｉイオン電池パック内の安全機構内に具備することができる。以下に具体的な安全回路図を用いて説明する。
【００５２】
図３はＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成を示した図であり、Ｌｉイオン電池を３セル直列に搭載した場合である。
【００５３】
図３において、１２は電池パック本体、１３−１、１３−２、１３−３はＬｉイオン電池である。１４は保護用ＩＣで、電圧、電流、温度などのモニタ、ソフト的な安全制御を行う。１５−Ａ、１５−Ｂ、１５−Ｃ、１５−１、１５−２、１５−３はパック内、および各電池の充電電流制御を目的とするＦＥＴであり、１６は温度ヒューズであるＰＴＣ素子、１７は電流ヒューズで、それぞれ温度上昇時、異常大電流時に電流を遮断する役目を負う。１８はプラス端子、１９はマイナス端子、２０は情報出力、コントロールのための端子である。
【００５４】
図３において、該安全機構の保護用ＩＣ１４内にタイマーを搭載し、空きメモリに上記に示した充電電流値Ｉｔと放電容量Ｃｔとの関係式（１）をあらかじめ入力しておき、定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に充電モードが変更されてから３０秒以上、３０分以内の範囲内の所定の経過時間ｔにおける充電電流値Ｉｔを１５−Ａ、１５−Ｂ、あるいは各電池ごとに１５−１、１５−２、および１５−３のＦＥＴでモニタし、モニタされた充電電流値Ｉｔを代入して演算する。必要ならば、保護用ＩＣ１４とは別にパック内の適当な位置に増設ＩＣを設けることもできる。演算した結果は端子２０を通して適当なディスプレイ、あるいは警告音などに表示、発出するために装置本体に出力する。
【００５５】
このように、既存のＬｉイオン電池パックの最小限の変更によって、容量推定の機能、たとえば本発明に係る容量推定の機能を具備したＬｉイオン電池パックを提供できる。ただし、上記概念になるＬｉイオン電池の容量推定が実施できれば何ら上記の構成に限定されることはない。
【００５６】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法、および該容量推定機能を具備しだＬｉイオン電池パックの適用としては、特に高信頼性を必要とする機器が考えられ、該容量推定によって的確な電池の劣化状態を把握し、タイムリーな電池の交換を実現することによって、機器のトラブルを回避することができる。
【００５７】
しかしながら、Ｌｉイオン電池を搭載する機器であれば、何ら該容量推定の方法、および容量推定機能を具備したＬｉイオン電池を採用することに問題はなく、しかもムダのない電池交換を実現することができるため、実用上の利点は極めて大きい。
【００５８】
以下に本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法について、さらに具体的な例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
（具体例１）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を用意し、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用いて、充電電流値６００ｍＡ（充電電流率１Ｃ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）による充電と、放電電流値６００ｍＡ（放電電流率１Ｃ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電放電の間にそれぞれ１時間の休止をはさんだ充放電サイクルを１０回繰り返し、各サイクルにおける定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に変更になってからの３０秒以上、３０分以内の任意の時間ｔ（単位は分）における充電電流値Ｉｔ（単位はＡ）と、放電の容量を測定した。
【００５９】
その結果係数ａが
ａ＝１．９２×ｔ−０．５                                    （５）
であり、係数ｂが
ｂ＝１．９２×ｔ−０．２                                    （６）
となる関係式
Ｃｔ/Ｃ０＝−ａ×Ｉｔ＋ｂ                                （７）
（ここに、Ｃ０はこの電池の公称容量である）が求まった。
【００６０】
ちなみに、充放電サイクルの初期５サイクル分のデータを用いて上記（５）および（６）の関係式取得を試みたところ上記に示す定数と同じ値が得られたが、初期４サイクルのみのデータでは、ばらつきが大きく該関係式の取得には至らなかった。
【００６１】
また、別に上記充放電条件のうち、充電時間のみを２時間として充放電サイクル試験を実施したが、充電電流Ｉｔと放電容量との間に直線関係が得られず式（７）が求められなかった。
【００６２】
別に同種の角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を試験電池として、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用い、充電電流値６００ｍＡ、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間７日間（１６８時間）の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）による充電と、放電電流値６００ｍＡ、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電放電の間にそれぞれ１時間の休止をはさんだ充放電サイクル試験を行い、各サイクルにおける容量Ｃｎと、ＣＶモードに変化してからの一定時間ｔ後の充電電流値Ｉｔを測定して上記関係式（７）の妥当性を検討した。
【００６３】
結果を図４に示す。
【００６４】
図４は、各サイクルごとの試験電池の放電容量Ｃｎの公称容量Ｃ０に対する比（Ｃｎ/Ｃ０、図中、公称容量比Ｃｍと表示）と定電圧充電開始５分後の充電電流値Ｉｔ（図中、Ｉ５と表示）との関係を示した図である。図４には、測定容量Ｃｎと公称容量Ｃ０とから求めた劣化度の尺度も併せて示しておいた。なお、図中実線は上記関係式（７）を示している。
【００６５】
すなわち、ｔ＝５であるから、（５）のａは、ａ＝０．８６、（６）のｂは、ｂ＝１．３９となり、容量推定式は、Ｃｔ/Ｃ０をＣ５で表して、
Ｃ５＝−０．８６×Ｉ５＋１．３９                          （８）
となった。
【００６６】
また、図４中２本の破線は、上記判定式（８）によって算出された推定容量値Ｃ５の、実容量Ｃｍに対する値として、
Ｅｒｒ（％）＝１００×（Ｃ５−Ｃｍ）                      （９）
によって求まる±５％に相当する推定容量Ｃ５の値を示している。
【００６７】
図４の結果から明らかなように、本発明に係る容量推定方法に従うと、誤差±５％以内の極めて良好な精度でＬｉイオン電池の劣化状態を判定することができる。
（具体例２）
具体例１に用いたのと同種の携帯電話に搭載されていた角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を回収して、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用いて、充電電流値６００ｍＡ（充電電流率１Ｃ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３時間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）による充電、１時間の休止、放電電流値６００ｍＡ（放電電流率１Ｃ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電、１時間の休止を１サイクルとする充放電を２サイクル実施した。２サイクル目の充電における、モードが定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に変更されてから３５分後に至る各時間ｔにおける充電電流値Ｉｔと、２サイクル目の放電容量を公称容量Ｃ０で割った値をＣｍとし、具体例１で求めた本発明における判定式（７）を用いて、推定容量Ｃｔを公称容量Ｃ０で割った値（Ｃｔ/Ｃ０、これをＣｔで表す）と比較して判定精度を検討した。判定精度は推定値Ｃｔの、実測値Ｃｍからのずれを、上記と同様に、
Ｅｒｒ（％）＝１００×（Ｃｔ−Ｃｍ）                      （９’）
により、誤差の大きさで評価した。
【００６８】
結果を図５に示す。
【００６９】
図５は、ＣＶ充電開始後３５分に至るまでの各時間ｔにおける充電電流値Ｉｔと、上記式（９’）によって算出した誤差の平均値、最大誤差の絶対値、最小誤差の絶対値との関係を示した図である。
【００７０】
図５から明らかなように、ＣＶ充電開始０．５分後から３０分後までの誤差は、実使用上問題のない±２０％以内に収まっており、さらに、０．５分後から２０分後までの誤差は±６％以内に収まっており、本発明における容量推定方法が優れた判定精度をもたらすことを示している。
【００７１】
ＣＶ充電開始後０．５分より短時間であると、判定精度が±２０％の範囲外となり誤差が大きくなって実使用上問題となることがわかった。例えば、ＣＶ充電開始後０．３３分（２０秒）後における該容量推定式（７）、および誤差を求める（９’）式に基づく結果では、最大誤差（絶対値）２９％、最小誤差（絶対値）０．１９％、平均誤差＋２６％であった。従って、ＣＶ充電開始後０．５分未満における測定は、この算出方式に関するかぎりは、好ましくないことが明らかになった。
【００７２】
また、ＣＶ充電開始後３０分を越えると同様に判定精度が±２０％以内の範囲の外になり、誤差が大きくなって実使用上問題となることがわかった。
【００７３】
その理由として、ＣＶ充電開始後３０分より長い経過時間では容量と充電電流値との間に直線関係が成立しなくなることが認められた。一例として図６に、具体例１において関係式（５）、（６）、（７）を求める際に行った充放電サイクル試験において参考のために取得したＣＶ充電開始後３１分の結果を示した。図６は、ＣＶ充電開始後３１分における充電電流値Ｉ３１（Ａ）と放電容量Ｃｍとの関係を示した図であり、図中実線はｔ＝３１における容量推定式（７）を、また２本の破線は式（９’）から求まる誤差±２０％の場合の推定容量Ｃ３１の値を示している。
【００７４】
図６に示すように、ＣＶ充電開始後３０分を超えると、放電容量Ｃｍと充電電流値Ｉｔとは直線関係からはずれ、本発明における簡単な容量推定式で示すことができず、複雑な高次式を必要として該Ｌｉイオン電池の容量推定に伴う部品、装置の価格の上昇を招くおそれがあることがわかった。
（具体例３）
具体例１と同種のＬｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）３セルと、安全保護機能をもち、保護用ＩＣにタイマーと上記具体例１の関係式（５）、（６）、（７）とその演算機能をあらかじめ入力したＩＣとを具備した、図３に示す構成のＬｉイオン電池パックを作製した。
【００７５】
ＩＣ１４は、充電において、定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に変更した１０分後の充電電流値Ｉ１０（Ａ）をモニタするよう設定し、充電電流値Ｉ１０に対する本発明における容量推定式は
Ｃ１０＝−０．６１×Ｉ１０＋１．２１                        （１０）
となることを確認した。
【００７６】
この電池パックをデータ収集、管理機能を有する充放電試験装置に設置し、充電電流値６００ｍＡ（充電電流率１Ｃ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間１０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）による充電と、放電電流値６００ｍＡ（放電電流率１Ｃ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電放電の間にそれぞれ１時間の休止をはさんだ充放電サイクルを１５回繰り返し、定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に変更した１０分後の充電電流値Ｉ１０と、放電の実測容量値Ｃｎとを測定し、Ｃｎを公称容量Ｃ０で割ってＣｍとした。
【００７７】
結果を図７に示す。
【００７８】
すなわち、図７は、具体例３における充電電流値Ｉ１０と放電容量Ｃｍとの関係を示した図である。図中、実線は上記判定式（１０）のＩ１０とＣ１０の関係を示した直線であり、２本の破線は具体例２に示した式（９’）に基づくｔ＝１０の誤差±５％の場合のＩ１０とＣ１０との関係を示した直線である。
【００７９】
図７に明らかなように、本発明における容量推定機能を具備しだＬｉイオン電池パックでは、±５％以内の誤差範囲に容量Ｃｍが収まっており、本発明が高精度な容量推定を実現できるＬｉイオン電池パックを提供できることがわかった。
【００８０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明実施によって、Ｌｉイオン電池の劣化を判定するために必須となる、Ｌｉイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を提供することができ、実用上、極めて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リチウムイオン電池の一般的な充電方法である定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による電池電圧と充電電流値の変化の概念を説明した図である。
【図２】本発明におけるリチウムイオン電池の容量推定方法を具体的に適用する充電制御回路構成の概念ブロック図である。
【図３】本発明における容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックの一構成例を示す図である。
【図４】本発明の具体例１における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【図５】本発明の具体例２における試験結果を示した測定時間と判定誤差の関係を示す図である。
【図６】本発明の具体例２における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【図７】本発明の具体例３における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…充電制御回路、２…電池、３…充電制御用マイコン、４…電源マイコン、５…スイッチ、６…サーミスタ、７…異常出力検出端子、８…電池接続プラス端子、９…電池接続マイナス端子、１０…電源接続プラス端子、１１…電源接続マイナス端子、１２…電池パック本体、１３−１、１３−２、１３−３…Ｌｉイオン電池、１４…保護用ＩＣ、１５−Ａ、１５−Ｂ、１５−Ｃ、１５−１、１５−２、１５−３…ＦＥＴ、１６…ＰＴＣ素子、１７…電流ヒューズ、１８…プラス端子、１９…マイナス端子、２０…情報出力、コントロールのための端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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