(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
残存容量を検知せんとする二次電池について、開回路状態にて電池電圧Ｍを計測する一方、閉回路状態にて充放電を行なって、充電時閉回路電圧Ｌ及び放電時閉回路電圧Ｎを計測し、該計測結果に基づいて、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差Ａと、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差Ｂの２つの電圧差Ａ、Ｂの比率を算出し、算出された比率に基づいて、予め設定されている比率と残存容量の関係から、算出された比率に応じた残存容量を導出することを特徴とする二次電池の残存容量検知方法。
【請求項２】
残存容量を検知せんとする二次電池（１）に接続されて充電モード及び放電モードの設定が可能な主回路（２）と、該二次電池（１）に接続されて電池電圧を計測するための計測回路（４）と、計測回路（４）による計測結果に基づいて二次電池（１）の残存容量を導出する演算処理回路（５）と、メモリ（７）とを具え、演算処理回路（５）は、二次電池（１）から主回路（２）を切り離した開回路状態にて、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｍを取り込む一方、二次電池（１）に主回路（２）を接続した閉回路状態にて、主回路（２）が充電モードに設定された状態で、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｌを取り込むと共に、主回路（２）が放電モードに設定された状態で、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｎを取り込み、該計測値に基づいて、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差Ａと、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差Ｂの２つの電圧差Ａ、Ｂの比率を算出し、算出された比率に基づいて、予めメモリ（７）に格納されている比率と残存容量の関係から、算出された比率に応じた残存容量を導出することを特徴とする二次電池の残存容量検知装置。
【請求項３】
更に、導出された残存容量を表示するための表示器（６）を具えている請求項２に記載の残存容量検知装置。
【請求項４】
更に、算出された比率（Ｂ／Ａ）が所定の上限閾値を上回ったとき、該二次電池の残存容量が微少である旨を表示器（６）に表示せしめる制御部を具えている請求項３に記載の残存容量検知装置。
【請求項５】
更に、算出された比率（Ｂ／Ａ）が所定の下限閾値を下回ったとき、満充電状態である旨を表示器（６）に表示せしめる第２の制御部を具えている請求項３又は請求項４に記載の残存容量検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−亜鉛蓄電池等のアルカリ蓄電池、その他の二次電池の残存容量を検知する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次電池においては、電池電圧や電池電流から残存容量を検知する方法が知られている（例えば特開平６−１１９９４１号［Ｈ０１Ｍ１０／４８］）。
例えば、電池電圧に基づいて残存容量を検知する方法においては、予め、電池電圧と残存容量の関係を関数化し、若しくはテーブル化しておき、残存容量の検知に際しては、そのときの電池電圧を計測して、予め設定されている電池電圧と残存容量の関係から、計測された電池電圧に応じた残存容量を導出するのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に二次電池においては、充放電を繰り返すにつれて放電特性が変化し、例えば図２に示す如く、寿命初期と寿命末期では放電特性が大きく相違する。従って、電池電圧が例えば１．１５Ｖで同じであっても、そのときの真の残存容量は、寿命初期では約２０％、寿命末期では約５０％と大きく異なることとなり、電池電圧からは、残存容量を正確に検知することは出来ない。
又、そのときの温度が異なれば、放電特性が変化するため、電池電圧に基づく残存容量の検知では、高い精度が得られない。
更に又、二次電池の個体差によっても放電特性が相違するため、電池電圧に基づく残存容量の検知においては、検知精度にバラツキが生じることになる。
【０００４】
本発明の目的は、二次電池の充放電サイクルの経過や環境温度の差、更には電池の個体差に拘わらず、従来よりも高い精度で残存容量を検知することである。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
そこで、本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、二次電池においては、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差（Ｌ−Ｍ）と、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差（Ｍ−Ｎ）の比をとることによって、該比率と残存容量との間に、充放電サイクルの経過や環境温度の差、更には電池の個体差に拘わらず、一定の関係が得られることを実験的に見出し、本発明の完成に至った。尚、開回路電圧Ｍとは、二次電池から充放電回路を切り離した開回路状態での電池電圧であり、充電時閉回路電圧Ｌとは、二次電池に充放電回路を接続した閉回路状態で充電を行なったときの電池電圧であり、放電時閉回路電圧Ｎとは、二次電池に充放電回路を接続した閉回路状態で放電を行なったときの電池電圧である。
又、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差Ａは充電分極と称され、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差Ｂは放電分極と称される。
【０００６】
本発明に係る二次電池の残存容量検知方法においては、残存容量を検知せんとする二次電池について、開回路電圧Ｍ、充電時閉回路電圧Ｌ及び放電時閉回路電圧Ｎを計測し、該計測結果に基づいて、充電分極Ａと放電分極Ｂの比率（Ａ／Ｂ若しくはＢ／Ａ）を算出し、算出された比率に基づいて、予め設定されている比率と残存容量の関係から、算出された比率に応じた残存容量を導出する。
尚、充電時及び放電時の閉回路電圧を計測する際の充放電の電流値は、例えば０．３Ｃ〜１Ｃに設定することが好ましい。
【０００７】
上記本発明の残存容量検知方法においては、充放電サイクルの経過や環境温度の差、更には電池の個体差があった場合、これらの要因によって、充電分極Ａに引き起こされる変動量ΔＡと、放電分極Ｂに引き起こされる変動量ΔＢとが、分極Ａ、Ｂの比率を算出することによって相殺され、該比率と残存容量との間には、これらの要因には殆ど拘わりのない略一定の関係が得られることになる。
そこで、予め、充電分極と放電分極の関係を実験的に調べて、これを関数化し、若しくはテーブル化して、メモリ等に格納しておき、残存容量検知時には、充電分極Ａと放電分極Ｂを計測して、これらの分極の比率（Ａ／Ｂ若しくはＢ／Ａ）を算出し、該算出結果に基づいて、前記メモリから対応する残存容量を導出するのである。
この様にして得られた残存容量は、充放電サイクルの経過や環境温度の差、更には電池の個体差に拘わらず、高い精度を有するものとなる。
【０００８】
また、本発明に係る二次電池の残存容量検知装置は、残存容量を検知せんとする二次電池（１）に接続されて充電モード及び放電モードの設定が可能な主回路（２）と、該二次電池（１）に接続されて電池電圧を計測するための計測回路（４）と、計測回路（４）による計測結果に基づいて二次電池（１）の残存容量を導出する演算処理回路（５）と、メモリ（７）とを具え、演算処理回路（５）は、二次電池（１）から主回路（２）を切り離した開回路状態にて、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｍを取り込む一方、二次電池（１）に主回路（２）を接続した閉回路状態にて、主回路（２）が充電モードに設定された状態で、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｌを取り込むと共に、主回路（２）が放電モードに設定された状態で、計測回路（４）から電池電圧の計測値Ｎを取り込み、該計測値に基づいて、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差Ａと、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差Ｂの２つの電圧差Ａ、Ｂの比率を算出し、算出された比率に基づいて、予めメモリ（７）に格納されている比率と残存容量の関係から、算出された比率に応じた残存容量を導出する。
上記本発明の残存容量検知装置によれば、上記本発明の残存容量検知方法が実施されて、残存容量が高い精度で検知される。
【０００９】
具体的構成においては更に、導出された残存容量を表示するための表示器（６）を具えている。
これによって、二次電池の残存容量を定量的に把握することが出来る。
【００１０】
又、具体的構成においては、算出された比率（Ｂ／Ａ）が所定の上限閾値を上回ったとき、該二次電池の残存容量が微少である旨を表示器（６）に表示せしめる一方、算出された比率（Ｂ／Ａ）が所定の下限閾値を下回ったとき、満充電状態である旨を表示器（６）に表示せしめる。
これによって、適切なタイミングで充電を開始し、若しくは充電を終了することが出来る。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る二次電池の残存容量検知方法及び装置によれば、二次電池の充放電サイクルの経過や環境温度の差、更には電池の個体差に拘わらず、従来よりも高い精度で残存容量を検知することが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をニッケル−水素蓄電池の残存容量検知に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る残存容量検知装置においては、図１に示す如く、ニッケル−水素蓄電池である二次電池（１）に対し、スイッチ（３）を介して、充電モード及び放電モードの設定が可能な主回路（２）が接続されると共に、二次電池（１）の電圧を計測するための計測回路（４）が接続されている。計測回路（４）によって計測された電池電圧は、マイクロコンピュータからなる演算処理回路（５）に取り込まれる。演算処理回路（５）は、メモリ（７）に格納されているデータを用いた後述の演算処理を実行して、二次電池（１）の残存容量を導出し、その結果を表示器（６）に表示せしめる。
又、演算処理回路（５）は、二次電池（１）の放電状態にて、該二次電池（１）の残存容量が微少となったとき、その旨を表示器（６）に表示する一方、二次電池（１）の充電状態にて、該二次電池（１）が満充電状態となったとき、その旨を表示器（６）に表示せしめる。
【００１３】
尚、残存容量検知の対象となるニッケル−水素蓄電池は、次の工程によって作製される。
（工程１）  水酸化ニッケルと、導電剤である水酸化コバルトと、結着剤であるヒドロキシプロピルセルロースと、粘度を調整するための水とを、重量比９０：１０：０．１：５０で混合して、ペーストを作製する。
（工程２）  発泡ニッケル製の基体に前記ペーストを充填し、乾燥させる。
（工程３）  ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を６重量％含むディスパージョン（懸濁液）を噴霧器で工程２で形成されたペースト表面に噴霧し、乾燥させる。
（工程４）  これを成型し、水酸化ニッケルを４ｇ含有する、長さ７０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのニッケル正極を得る。
（工程５）  該ニッケル正極と、ＭｍＮｉ３．２ＣｏＡｌ０．２Ｍｎ０．６の組成で表わされる水素吸蔵合金からなる負極と、ポリオレフィン不織布とを用いて、渦巻き電極体を作製する。これを電池缶に装入し、更に３０重量％ＫＯＨ水溶液を２．４ｇ注入し、封口して、正極容量支配の理論容量１１５０ｍＡｈの密閉型ニッケル−水素蓄電池を作製する。
【００１４】
図３は、上記ニッケル−水素蓄電池の残存容量検知において、演算処理回路（５）が実行する具体的な処理手続を表わしている。
先ずステップＳ１にて、スイッチ（３）をオフとした後、ステップＳ２では、計測回路（４）から閉回路電圧Ｍを取り込む。
次にステップＳ３にてスイッチ（３）をオンとした後、ステップＳ４では、主回路（２）を充電モードに設定して、５７５ｍＡで充電を施す。そしてステップＳ５では、計測回路（４）から充電開始後３秒間経過時の電圧（充電値閉回路電圧）Ｌを取り込む。
その後、ステップＳ６にて、主回路（２）を放電モードに設定して、５７５ｍＡで放電を施す。そしてステップＳ７では、計測回路（４）から放電開始後３秒経過時の電圧（放電時閉回路電圧）Ｎを取り込んだ後、ステップＳ８にてスイッチ（３）をオフとする。
【００１５】
次に、ステップＳ９にて、開回路電圧Ｍと充電時閉回路電圧Ｌの差、即ち充電分極Ａ（＝Ｌ−Ｍ）と、開回路電圧Ｍと放電時閉回路電圧Ｎの差、即ち放電分極Ｂ（＝Ｍ−Ｎ）を算出し、更に両分極の比Ｃ（＝Ｂ／Ａ）を算出する。
続いてステップＳ１０では、前記メモリ（７）に予め格納されている分極比と残存容量の関数式若しくは対応テーブルから、算出された分極比Ｃに対応する残存容量を導出し、ステップＳ１１にて該残存容量を表示器（６）に表示せしめる。
【００１６】
その後、ステップＳ１２では、ステップＳ９で算出された分極比Ｃが１．１を上回るかどうか、或いは０．９を下回るかどうかを判定する。そして、分極比Ｃが１．１を上回るときはステップＳ１３に移行して、該電池の残存容量が微少である旨の警告を表示器（６）に表示せしめる。一方、分極比Ｃが０．９を下回るときはステップＳ１４に移行して、該電池が満充電状態である旨を表示し、手続を終了する。
【００１７】
本発明に係る残存容量検知機能の動作確認を行なうべく、下記条件１の充放電を行ない、充電状態の異なる電池Ｘ１〜Ｘ７を得た。
［条件１］
充電：１１５ｍＡ×１２時間
放電：１１５ｍＡ×０，１，３，５，７，９時間，及び電池電圧が１．０Ｖとなるまで放電
尚、これら７個の電池Ｘ１〜Ｘ７の残存容量（充電深度）はそれぞれ１００，９０，７０，５０，３０，１０，０％に設定されたものである。
【００１８】
同様にして、残存容量がそれぞれ１００，９０，７０，５０，３０，１０，０％の７個の電池の組：Ｘ８〜Ｘ１４、Ｘ１５〜Ｘ２１、Ｘ２２〜Ｘ２８、Ｘ２９〜Ｘ３５を得た。
【００１９】
上記電池Ｘ１〜Ｘ７について、環境温度２５℃における分極比Ｂ／Ａを算出したところ、図４に示す結果が得られた。
この図から明らかな様に、残存容量が１０〜９０％の範囲では、分極比Ｂ／Ａが略直線的に減少しており、分極比Ｂ／Ａから残存容量を精度良く導出することが出来る。そこで、前記メモリ（７）には、図４に示すグラフを関数化し、若しくはテーブル化して格納しておく。尚、Ｘ１〜Ｘ７以外のデータについては、データ間を直線補完などによって補う。
残存容量が１０％以下では、分極比Ｂ／Ａが１．１から急激に増大しており、分極比Ｂ／Ａが１．１を上回ったとき、電池の残存容量が微少であることを検知することが出来る。又、残存容量が９０％以上では、分極比Ｂ／Ａが０．９から急激に減少しており、分極比Ｂ／Ａが０．９を下回ったとき、電池が略満充電状態であることを検知することが出来る。
【００２０】
そして、上記電池Ｘ１〜Ｘ７を対象として、１１５０ｍＡで１．２時間の充電を行なった後、１１５０ｍＡで電池電圧が１．０Ｖになるまで放電を行なう充放電サイクル試験を１０回繰り返し、条件１により残存容量を設定し、その時点での残存容量を上記本発明の検知方法によって求め、更に該電池を１１５ｍＡで電池電圧が１．０Ｖとなるまで放電を行なって、残存容量を実測した。その結果を表１に示す。
【００２１】
同様にして、上記電池Ｘ８〜Ｘ１４について、同様の充放電サイクル試験を１００回繰り返し、本発明の検知方法によって残存容量を求めると共に、残存容量を実測した。その結果を表３に示す。
又、上記電池Ｘ１５〜Ｘ２１について、同様の充放電サイクル試験を５００回繰り返し、本発明の検知方法によって残存容量を求めると共に、残存容量を実測した。その結果を表５に示す。
【００２２】
一方、上記電池Ｘ１〜Ｘ２１と同様にして残存容量の異なる電池Ｚ１〜Ｚ２１を作製した。
そして、電池Ｚ１〜Ｚ７について、開回路電圧と残存容量の関係を求めた。その結果を図５に示す。従来は、図５の関係に基づいて、電池電圧の実測値から残存容量を導出していた。
又、電池Ｚ１〜Ｚ７を対象として、１１５０ｍＡで１．２時間の充電を行なった後、１１５０ｍＡで電池電圧が１．０Ｖになるまで放電を行なう充放電サイクル試験を１０回繰り返し、その時点での残存容量を図５の関係に基づく従来方法によって求め、更に該電池を１１５ｍＡで電池電圧が１．０Ｖとなるまで放電を行なって、残存容量を実測した。その結果を表２に示す。
【００２３】
更に、電池Ｚ８〜Ｚ１４について、同様の充放電サイクル試験を１００回繰り返し、従来方法によって残存容量を求めると共に、残存容量を実測した。その結果を表４に示す。
又、電池Ｚ１５〜Ｚ２１について、同様の充放電サイクル試験を５００回繰り返し、従来方法によって残存容量を求めると共に、残存容量を実測した。その結果を表６に示す。
【００２４】
更に、上記電池Ｘ２２〜Ｘ２８について、環境温度−２０℃における分極比Ｂ／Ａを導出した。その結果を表７に示す。又、上記電池Ｘ２９〜Ｘ３５について、環境温度４５℃における分極比Ｂ／Ａを導出した。その結果を表８に示す。
【００２５】
【表１】
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【表２】
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【００２６】
【表３】
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【表４】
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【００２７】
【表５】
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【表６】
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【００２８】
【表７】
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【表８】
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【００２９】
上記表１〜表６の結果から明らかな様に、従来の残存容量検知方法では、充放電サイクルが１０回、１００回、５００回と進むにつれて、誤差が大きくなっているのに対し、本発明の残存容量検知方法によれば、充放電サイクルの経過に拘わらず、高精度で残存容量が検知されている。特に従来の方法では、図５に示す如く残存容量が１０〜９０％の範囲で、電池電圧の変化が極めて小さいため、電池電圧から残存容量を導出する際の誤差が大きくなるが、本発明の方法では、図４に示す如く残存容量が１０〜９０％の範囲で、分極比Ｂ／Ａの変化が比較的大きいため、分極比Ｂ／Ａから残存容量を導出する際の誤差が小さくなる。
又、上記表７及び表８の結果から明らかな様に、本発明の残存容量検知方法によれば、環境温度に拘わらず、高精度で残存容量が検知されている。
更に又、本発明の残存容量検知方法によれば、電池の個体差に拘わらず、検知精度のバラツキが抑制されることを実験的に確認している。
【００３０】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。又、本発明による残存容量の検知方法は、分極比を基準として残存容量を検知するので、単電池のみならず、複数本の電池を並列又は直列に接続してなる組電池についても、同様に実施することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る残存容量検知装置の構成を表わすブロック図である。
【図２】二次電池の放電特性を表わすグラフである。
【図３】本発明に係る残存容量検知装置の動作を表わすフローチャートである。
【図４】分極比Ｂ／Ａと残存容量の関係を表わすグラフである。
【図５】電池電圧と残存容量の関係を表わすグラフである。
【符号の説明】
（１）  二次電池
（２）  主回路
（３）  スイッチ
（４）  計測回路
（５）  演算処理回路
（６）  表示器
（７）  メモリ
【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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