(57)【要約】  本発明は、充放電時における二次電池の容量変化を正確に測定することで適正な充放電管理し得る充放電測定装置を提供する。  本充放電測定装置は、二次電池からの電流を、二次電池と負荷抵抗と導体膜とを直列に接続する第一接続回路と、該二次電池と充電器と該導体膜とを直列に接続する第二接続回路とを相互に切り替え可能に構成される。また、本充放電測定装置は、前記導体膜に対して平行に配置され、前記二次電池から前記負荷抵抗および前記充電器への接続に対して並列に接続される磁性膜を有し、該磁性膜における電圧変化を検出する電圧検出手段を有する。
2013114865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の端子間に検査スイッチを介して接続された検査抵抗と、
前記二次電池の両電極から延設され前記検査抵抗と並列に設けられた一対の外部端子と、
前記二次電池の両電極間の電圧を計測する電圧計と、
前記二次電池が放電した電力を計測する放電電力計測手段と、
充電時間および放電時間に係る時間を計測するタイマと、
制御部を有し、
前記制御部は、前記二次電池に前記一対の外部端子を介して充電する際には、充電開始電圧から充電終了電圧までの充電時間を計測し、
充電終了後、前記検査スイッチによって前記検査抵抗に電流を流し、
前記放電電力計測手段により求めた前記検査抵抗で消費される電力と前記充電時間に基づいて残留電力量を算出することを特徴とする電池システム。
【請求項２】
さらに前記二次電池に充電した電力を計測する充電電力計測手段を有し、前記充電開始電圧から前記充電終了電圧までの間に充電された電力量を前記充電電力計測手段と前記タイマによって充電電力量として計測することを特徴とする請求項１に記載された電池システム。
【請求項３】
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の両電極から延設された一対の外部端子と、
前記二次電池の両電極間の電圧を計測する電圧計と、
前記二次電池が放電した電力を計測する放電電力計測手段と、
前記二次電池に充電した電力を計測する充電電力計測手段と、
充電時間および放電時間に係る時間を計測するタイマと、
制御部を有し、
前記制御部は、前記二次電池に前記一対の外部端子を介して充電する際に、充電開始電圧から充電終了電圧までの間に、前記充電電力計測手段と前記タイマによって充電電力量を算出し、残留電力量とすることを特徴とする電池システム。
【請求項４】
前記外部端子に負荷が接続され、
前記放電電力計測手段により求めた放電電力量を前記残留電力量から減算することを特徴とする請求項１乃至３の何れかの請求項に記載された電池システム。
【請求項５】
前記放電電力計測手段は、前記二次電池の端子間に直列に接続された磁性膜とセンサ抵抗と、
前記磁性膜の電圧を測定するセンサ電圧計を含み、
前記磁性膜は、前記二次電池と前記外部端子との間の接続線に隣接配置されたことを特徴とする請求項１又は４の何れかの請求項に記載された電池システム。
【請求項６】
表示部をさらに含み、
前記制御部は、前記残留電力量を前記充電電力量の絶対値に係る表示を行うことを特徴とする請求項２乃至５の何れかの請求項に記載された電池システム。
【請求項７】
二次電池からの電流を、二次電池と負荷抵抗と導体膜とを直列に接続する第一接続回路と、該二次電池と充電器と該導体膜とを直列に接続する第二接続回路とを相互に切り替え可能な充放電測定装置であって、
前記導体膜に対して平行に配置され、前記二次電池から前記負荷抵抗および前記充電器ヘの接続に対して並列に接続される磁性膜を有し、該磁性膜における電圧変化を検出する電圧検出手段を有する充放電測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充電及び放電時における電力量の管理システムおよびそれを用いた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池をはじめとする蓄電池（二次電池）は、高密度化と用途拡大に伴い、ノートパソコンや携帯電話などの携帯通信機器、ハイブリッドカー・電気自動車、更には住宅用の蓄電池にも用いられてきている。昨今の環境問題等を背景としたエネルギー消費の低減化、電力消費の低減化の要請は高まっており、蓄電池の利用がこの要請に応えることができるものと期待されている。しかし、蓄電池を電力消費の低減化に役立てるためには、蓄電池の電力量管理（電池容量管理）は大きな課題である。【０００３】
従来、蓄電池の電力量管理は、蓄電池の端子電圧を基本に時間や温度情報を含む経験式等を用いて充放電量を推測し、管理制御していた。【０００４】
しかしながら、従来の方法の場合、蓄電池の蓄電状況（電池容量の変化）について電池の端子電圧を基本に時間・温度情報を考慮して間接的に推測しているので、その推測精度には限界があり、稼働状況や使用環境条件によっては過充電や充電不足が生じる。また、従来の方法では放電時（電池使用時）は過放電などの問題も発生する。【０００５】
また、蓄電池には可燃性材料が使われることが多く、過充電による発火危険性など安全面での問題点も指摘される。また、ユーザが蓄電池の充電不足をしっかり認識していない場合、予想より早い充電時期となり不便を感じてしまうこともある。その一方、過放電は電池特性上、電池の性能寿命を短縮することになってしまう。また、蓄電池の残量表示がある場合においては、残量が少なくなると電池特性上、端子電圧の降下が急になるため結果として感覚的な「電池切れ」の時期が予期以上に早く、使用実感と合わないなどの不便さもある。【０００６】
上記問題は、二次電池の稼働状況や使用環境条件により、充放電時における電池容量の変化を正確に検出できないことに起因している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２３２６５９号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みて創作されたものであり、充放電時における二次電池の容量変化を正確に測定することで適正な充放電管理し得る電池システムと充放電測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
具体的に本発明に係る電池システムは、
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の端子間に検査スイッチを介して接続された検査抵抗と、
前記二次電池の両電極から延設され前記検査抵抗と並列に設けられた一対の外部端子と、
前記二次電池の両電極間の電圧を計測する電圧計と、
前記二次電池が放電した電力量を計測する放電電力計測手段と、
充電時間および放電時間を計測するタイマと、
制御部を有し、
前記制御部は、前記二次電池に前記一対の外部端子を介して充電する際には、充電開始電圧から充電終了電圧までの充電時間を計測し、
充電終了後、前記検査スイッチによって前記検査抵抗に電流を流し、
前記放電電力計測手段により求めた前記検査抵抗で消費される電力と前記充電時間に基づいて残留電力量を算出することを特徴とする。【００１０】
また、本発明は、二次電池からの電流を、二次電池と負荷抵抗と導体膜とを直列に接続する第一接続回路と、該二次電池と充電器と該導体膜とを直列に接続する第二接続回路とを相互に切り替え可能な充放電測定装置を提供する。この充放電測定装置では、前記導体膜に対して平行に配置され、前記二次電池から前記負荷抵抗および前記充電器への接続に対して並列に接続される磁性膜を有し、該磁性膜における電圧変化を検出する電圧検出手段を有する。【００１１】
後述するように本発明者は、二次電池の容量変化について従来のように電池の端子間の電圧を測定するよりも磁性膜電力センサにより測定する方が有用であるという知見を得た。この知見に基づいて本発明の充放電測定装置は提供されたものである。具体的には、磁性膜電力センサの磁性膜に二次電池から負荷への電流に並列な電流を流す放電系の第一接続回路と、同じ磁性膜に蓄電池から二次電池への電流に並列な電流を流す充電系の第二接続回路と、を充放電ごとに交互に切り替え可能な回路構成を提供している。【００１２】
また、本発明の充放電測定装置は、前記磁性膜を直列に２つ接続し、直流電流による磁界を逆方向に印加し、前記電圧検出手段は、２つの前記磁性膜の電流方向の端部間の出力電圧を差動増幅して電圧変化を検出する、請求項１に記載の充放電測定装置。【００１３】
本充放電測定装置の場合、磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサを活用したものである。磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサは電流方向の電圧変化を測定するので幅細形状の電流経路に適しており、スマートグリッド等への応用に適している。その一方、後述するように磁性膜電力センサの出力電圧には大きなバイアス電圧が発生する。これをキャンセル（低減）するために本充放電測定装置では、磁性膜の素子を２つ直列接続して電流による磁界を逆方向に印加する。これにより各磁性膜に逆のバイアス電圧が発生するので出力電圧を差し引けばバイアス電圧をキャンセルすることができる。【００１４】
また、本充放電測定装置は、前記磁性膜と直列にダミー抵抗を接続し、前記電圧検出手段は、前記磁性膜とダミー抵抗との電流方向の端部間の出力電圧を差動増幅して電圧変化を検出しても良い。【００１５】
この充放電測定装置も、磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサを活用したものであるが、ここでは磁性膜の素子にダミー抵抗を直列接続することでバイアス電圧をキャンセルしている。【００１６】
また、上記磁性膜は、電流方向に対して所定の傾斜角度θ１を有する短い幅細形状の各磁性膜を電流方向に間を空けて複数配置したものである場合もある。【００１７】
この磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサにおける磁性膜の場合、素子の磁性膜は負荷電流の方向に間隔を空けて縞状に成膜される。さらに、この各縞状の磁性膜は負荷電流の向きに対してそれぞれ傾斜している。例えば、負荷電流の向きが左から右の場合、素子の磁性膜が右傾斜している。このような構成の磁性膜を本明細書では「バーバーポール磁性膜」と称している。この場合、上述してきた直流電流による磁界（バイアス磁界）の印加が不要となる。これは各素子の磁性膜の磁界一抵抗特性があたかもバイアス磁界によりバイアスされているかのような特性を有するからである。【００１８】
さらに、本充放電測定装置では前記磁性膜を直列に２つ接続し、該磁性膜の一方は、電流方向に対して所定の傾斜角度θ１を有する短い幅細形状の各磁性膜を電流方向に間を空けて複数配置し、他方は、電流方向に対して前記一方の磁性膜とは逆の所定の傾斜角度θ２を有する短い幅細形状の各磁性膜を電流方向に間を空けて複数配置するものであり、前記電圧検出手段は、２つの前記磁性膜全体の電流方向の端部間の出力電圧の変化を検出することができる。【００１９】
還元すれば、上記バーバーポール磁性膜を採用し、負荷電流の向きに対して磁性膜が互いに逆の傾きになるように直列接続した場合、例えば、負荷電流の向きが左から右の場合、一方の素子の磁性膜が右傾斜し、他方の素子の磁性膜が左傾斜するような場合である。この構成の場合、それぞれの素子（磁性膜）が差動的直列配置になり、磁界ゼロ点を動作点として出力電圧の変化のみを取り出すことができる。【００２０】
また、前記電圧検出手段は、前記磁性膜の電流方向に対して幅方向の端部間の出力電圧の変化を検出しても良い。【００２１】
上述の磁性膜電力センサの磁性膜では、磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサとして電流方向の端部電圧の変化を測定していたが、磁性膜の幅方向の出力電圧の変位を測定する所謂プレナーホール効果型（ＰＨＥ型）の磁性膜電力センサを活用したもので、二次電池の充放電管理をしても良い。この場合、磁性膜の幅をある程度確保する必要があるが、その反面、バイアス電圧の出力が本来的に回避できるため有利である。【００２２】
なお、前記磁性膜は、金属磁性体、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、高分子磁性体、磁気抵抗効果を有する半導体を主成分とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の充放電測定装置によれば、充放電時における二次電池の容量変化を正確に測定することで適正な充放電管理することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明における磁性膜電力センサの構造を示した略斜視図である。
【図２】図１に示す磁性膜電力センサにおける電力測定原理を説明する模式図である。
【図３】直流電力計測のための計測系を示した略回路図である。
【図４】図３の接続回路の変形例であり、磁気抵抗効果型電力センサ１、１’を直列接続し、外部磁界Ｈの印可方向が逆になるように設置する。
【図５】電池の放電特性を示すグラフ図である。
【図６】異なる放電流での電池の端子電圧の変化の一例を示したものである。
【図７】異なる温度環境での電池の放電特性を示したものである。
【図８】電池により負荷に電力を供給する場合と電池に外部電源より充電する場合の電力の移動量（放電量、充電量）をモニターする回路を示したものである。
【図９】図８の回路において電力計として磁性膜電力センサ素子を用いた接続回路の一例を示している。
【図１０】磁性膜電力センサのうちプレーナーホール効果（ＰＨＥ型）型の磁性膜電力センサ１”を用いた鉛電池の充放電測定装置の接続回路を示している。
【図１１】図１０の接続回路における充電時の磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（１）：Ｖｍ）と充電電流Ｉ１と電池の端子電圧から得られた電池への充電電力（黒四角印（２））の時間変化を示したグラフ図である。
【図１２】、図１０の接続回路における磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（１））の積算量と充電電力の積算量の変化の様子を示している。
【図１３】図１０の接続回路における放電時の磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（１）：Ｖｍ）と放電電流Ｉ１と負荷抵抗Ｒ１の端子電圧から得られた負荷での消費電力（放電電力黒四角印（２））との時間変化である。
【図１４】図１０の接続回路における磁性膜電力センサ１”の出力（Ｖｍ）の積算量（黒丸印（１）：ΣＶｍｔ）と負荷抵抗Ｒ１での消費電力（放電電力）の積算量（黒四角印（２））の変化の様子を示している。
【図１５】図１０の接続回路において用いた磁性膜電力センサ１”の出力特性を示している。
【図１６】図１０の接続回路における充電時の磁性膜電力センサ１”の出力の積算量（黒丸印（２）：ΣＶｍｔ）と充電電力（黒四角印（１））の積算量との時間変化を示している。
【図１７】図１０の接続回路における放電時の磁性膜電力センサ１”の積算量（黒丸印（２）：ΣＶｍｔ）、充電電力（黒四角印（１））の積算量、磁性膜電力センサ１”の出力の積算量の８５％（黒三角印（３））を示している。
【図１８】放電時の磁性膜電力センサ１”出力（黒丸印（１）Ｖｍ）、電池の電力量の減少（２）、電池の端子電圧（黒四角印（３））の時間変化を示している。
【図１９】図１８の放電終了時電圧１１［Ｖ］を０、放電開始時電圧（満充電時）を１［Ｖ］として書き直したものである。
【図２０】充放電を繰り返したときの電池の端子電圧（黒三角印（３））、磁性膜電力センサの出力（黒丸印（１））、電力量の時間変化（黒四角印（２））とを示したものである。
【図２１】充放電を繰り返したときの電池の端子電圧（黒三角印（３））、磁性膜電力センサの出力（黒丸印（１））、電力量の時間変化（黒四角印（２））を放電終了時電圧１１［Ｖ］を０、放電開始時電圧（満充電時）を１として書き直したものを示している。
【図２２】使用可能電力量を示す概念図である。
【図２３】本発明に係る電池システムの構成を示す図である。
【図２４】本発明に係る電池システムで充電電力量を確認する動作を示す図である。
【図２５】本発明に係る電池システムで放電する動作を示す図である。
【図２６】バーバーポール型の磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサにおける磁性膜を示している。
【図２７】磁性膜の上部に設ける斜めの導体膜と電極を示している。
【図２８】長手方向の電圧Ｖ１と磁界Ｈとの関係を示している。
【図２９】差動型のバーバーポール型の磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサを示しており、（ａ）には上方から見た写真、（ｂ）にはこの磁性膜電力センサをマイクロストリップ線路の測定に用いた模式図が示されている。
【図３０】通常の磁気抵抗効果による磁性膜の電気抵抗の変化の様子を示している。
【図３１】傾きの異なるバーバーポールパターンによりバーバーポール磁性膜の磁気抵抗効果が磁性膜の左右で正負に異なるバイアス磁界が印可されているかのような特性を示している。
【図３２】差動型のバーバーポール磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサの増幅回路の接続の様子を示している。
【図３３】図３２の具体的な測定系を示している。
【図３４】（ａ）は図３３のＡ−Ｂ端子間の出力特性、（ｂ）は図３３のＣ−Ｂ端子間の出力特性を示している。
【図３５】図３３のオペアンプの出力電圧を示している。
【図３６】長軸と平行にバイアス磁界を印加したときの測定系の模式図を示している。
【図３７】図３６の測定系の出力特性を示している。
【図３８】導体膜に負荷電流（Ｉ１）を流したときの電力計としての特性の測定系が示されている。
【図３９】バイアス磁界を印加せずに導体膜に負荷電流（Ｉ１）を流した時の出力特性を示している。
【図４０】素子長手方向（磁性膜の長手方向）への磁界印加による出力変化を示す。
【図４１】バイアス磁界を印可した時の測定系を示している。
【図４２】バイアス磁界印加したときの本磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサの出力特性を示している。
【図４３】直流電力計測に使用したセンサの磁気抵抗応答曲線を示す図である。
【図４４】センサＢの磁気抵抗効果特性を示す図である。
【図４５】素子のパターンを示す図である。
【図４６】直流電力計測の実験系の回路を示す図である。
【図４７】消費電力とセンサ出力の関係を示すグラフである。
【図４８】センサＢの直流電力計測の結果を示す図である。
【図４９】充放電時の回路を示す図である。
【図５０】放電時の結果を示す図である。
【図５１】充電時の結果を示す図である。
【図５２】交流の場合の電力測定結果を示す図である。
【図５３】センサを小型にした時の磁気抵抗応答曲線を示す図である。
【図５４】センサを小型にした時の電力測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の充放電測定装置の具体的な実施形態および周辺装置について説明する。まず、本充放電測定装置で電力測定手段として用いる磁性膜電力センサについて説明する。
【００２６】
この磁性膜電力センサ１は、図１示すように、上から導体膜１ａ、絶縁膜１ｂ、磁性膜１ｃの三層構造となっている。例えば、導体膜１ａ、絶縁膜１ｂ、磁性膜１ｃはそれぞれ銅Ｃｕ、ポリイミド基盤、パーマロイで構成される。導体膜１ａに電流Ｉ１を流すと磁界が生じる。このとき磁界Ｈは電流Ｉ１に比例するので、Ｈ＝αＩ１と書ける。
【００２７】
磁界Ｈが印加されたことにより磁性膜１ｃで磁気抵抗効果が起こり、抵抗値が変化する。抵抗値の変化量（ΔＲ）は、磁界Ｈに比例するので、△Ｒ＝βＨと書ける。そして最終的に、△Ｒ＝αβＩ１となり、抵抗の変化量（ΔＲ）は導体膜１ｃに流れる電流に比例することがわかる。
【００２８】
図２には図１に示す磁性膜電力センサ１での電力測定原理について説明する。入力電流は並列に配置される磁性膜電力センサ１の導体膜１ａと磁性膜１ｂとにそれぞれ電流Ｉ１、Ｉ２として分流される。導体膜１ａには電力測定対象となる負荷Ｒ１（Ｌｏａｄ  Ｒ１）が直列配置され、磁性膜１ｂには電流Ｉ２を確保するための抵抗Ｒ２が直列配置される。導体膜１ａの抵抗Ｒｃｕと磁性膜の抵抗Ｒｍｒとは、負荷Ｒ１と抵抗Ｒ２とに比べて十分小さいものとする。そうすると抵抗Ｒ２にかかる電圧Ｖ２は入力電圧Ｖｉｎと近似できる。同様に負荷Ｒ１にかかる電圧Ｖ１もＶｉｎと近似できる。
【００２９】
このときに磁性膜１ｂの電圧Ｖｍｒの変化量△Ｖｍｒは、磁性膜の抵抗の変化量をΔＲｍｒとして、△Ｖｍｒ＝Ｉ２・△Ｒｍｒと表せる。Ｉ２≒Ｖｉｎ／Ｒ２と近似し、△Ｒｍｒ＝αβ・Ｉ１となることから、結果、△Ｖｍｒ＝（Ｖｉｎ／Ｒ２）αβ・Ｉ１となる。
【００３０】
これより負荷での消費電力は、Ｖ１・Ｉ１≒（Ｒ２／αβ）△Ｖｍｒと表せる。この式において、前半部分の（Ｒ２／αβ）は定数であるため磁性膜１ｂにかかる電圧の変化量△Ｖｍｒが消費電力に比例することがわかる。よってこの△Ｖｍｒの値を計測することにより負荷にかかる消費電力がわかる。
【００３１】
本発明の電池システムおよび充放電測定装置では、このような磁性膜電力センサ１を電力測定手段として使用している。磁性膜電力センサ１は、従来の機械式積算電力量計等と比較し、小形・軽量、作製が容易であり、自己消費電力が低く、出力が電気量であるといった利点を有するからである。すなわち、磁性膜電力センサ１は種々の電子機器、電池、電気機器への組み込み型のセンサとして使用可能であり、電池の充放電の管理、制御には適したものである。
【００３２】
次に図３を参照すれば、直流電力計測のための計測系を示している。磁性膜電力センサ１としてはＰＨＥ型（プレーナーホール効果型）電力センサや磁気抵抗効果型電力センサがある。プレーナーホール効果型電力センサは、磁性膜に電流を流した時に、電流と直角方向の電圧の変化を出力とする。磁気抵抗効果型電力センサは、磁性膜に電流を流した時に、電流と同じ方向の電圧の変化を出力とする。
【００３３】
磁気抵抗型電力センサは、磁性膜に流れる電流と同方向の端子電圧を出力とできるため、素子を細長く形成することができる。しかし、本質的には大きなバイアス電圧を発生するという課題がある。これは直流電圧による電力を測定しにくいという課題がある。後述するバーバーポール型にした場合には理想的にはバイアス電圧を抑制することはできる。しかし、実際は、構造の不均一、磁気特性の不均衡のため若干のバイアス電圧を発生する。
【００３４】
一方、プレーナーホール効果型電力センサでは出力にバイアス電圧が発生するということはない。しかし磁性膜に流れる電流に対して直角方向に幅が必要となるため、回路の接続線に配置しにくいという課題がある。
【００３５】
したがって、磁気抵抗効果型電力センサは、単独では直流電力測定ができない。磁気抵抗効果型電力センサは、このバイアス電圧を除去し、変化分のみの電圧信号を得る必要がある。図３では、バイアス電圧をキャンセルするため、磁性膜電力センサ１の磁性膜のオフセット抵抗と同じ抵抗値を持つ抵抗Ｒ３を直列接続し、さらに磁性膜と抵抗Ｒ３の接続点を接地（センタータップ）することで、電圧変化分のみを検出する。
【００３６】
なお、磁性膜電力センサ１に流れる電流の方向と直角方向にバイアス磁界が印加される。若しくは予め電流の流れる方向に対して傾いた方向に磁性膜の磁化容易軸を誘導しておく。
【００３７】
図４は、図３の接続回路の変形例であり、磁気抵抗効果型電力センサ１、１’を直列接続し、外部磁界Ｈの印加方向が逆になるように設置する。また、それぞれの磁気抵抗効果型電力センサ１、１’の間の接続点は接地する。この回路構成にすれば、オフセット電圧は互いにキャンセルし、磁界Ｈによる変化分は正負逆方向に変化する。磁気抵抗効果型電力センサ１、１’を接続した両端の出力電圧は差動的に足しあわされて図３の場合の２倍となる。
【００３８】
したがって、図３〜図４のような素子接続方法によれば磁気抵抗効果型電力センサでの電力計測の欠点であった、直流バイアスの影響による直流電力測定不能という問題を解消し得る。
【００３９】
次に電池の放電特性について説明する。図５は鉛畜電池の放電特性を示すグラフ図である。縦軸は端子電圧（Ｖｏｌｔ）で、横軸は電力量（Ｗｈ）である。ラインＮｅｗは劣化していない電池であり、ラインＯｌｄは劣化した電池の放電特性である。このグラフ図からわかるように放電と共に電池の端子電圧は徐々に低下し、最終的には急激な端子電圧の低下がみられる。また、電池の劣化の程度により、端子電圧が低下する電力量が異なる。
【００４０】
なお、本発明で対象としている二次電池（充電可能）には多くの車に搭載されている鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、一般に広く販売されているニッケルカドミウム電池などある。どの電池についても、基本的に図５で示される劣化の違いによる放電特性の違いは存在する。
【００４１】
図６に異なる放電流での端子電圧の変化の一例を示している。縦軸は電池の端子電圧を示し、横軸は電池の残存放電容量（％）を示す。ラインＡは１００Ａｈの電池を５Ａ（２０時間率）で定電流放電させた時の電池電圧の変化を示す。ラインＢは１００Ａｈの電池を１０Ａ（１０時間率）で放電させた時の電池電圧の変化を示す。ラインＣは１００Ａｈの電池を２０Ａ（５時間率）で放電させた時の電池電圧の変化を示す。ラインＤは１００Ａｈの電池を１００Ａ（１時間率）で放電させた時の電池電圧の変化を示す。
【００４２】
この図より放電流が異なると端子電圧の変化の様子が異なることがわかる。また、端子電圧が同じ場合であっても、それまでの放電の履歴によって、電池の残存放電容量（残存電力）が異なることがわかる。
【００４３】
また、図７には異なる温度環境での電池の放電特性を示す。縦軸は電池電圧（２．４Ｖ〜４．４Ｖ）であり、横軸は容量（０〜２５００ｍＡｈ）を示す。円筒型１８６５０サイズで、公称容量が２０００ｍＡｈ、放電電流は０．２Ｃ（４００ｍＡ）の時の放電特性を示す。また、グラフ中の各ラインは、放電中の温度環境を示している。温度環境が異なると端子電圧の変化が異なることがわかる。
【００４４】
以上のことより、従来一般的に行っていた電池の端子電圧を読み取ることで、電池の残存電力量を予測する方法では、電池の使用環境や使用状態により電池端子電圧の降下曲線は異なっているため正確な電池の残存電力量を測定することができないことがわかる。そこで、電池の残存電力量を正確に測定する本充放電測定装置が以下に例示される。
【００４５】
図８に電池により負荷に電力を供給する場合と電池に外部電源より充電する場合の電力の移動量（放電量、充電量）をモニターする回路を示す。充放電の際、電流の流れる方向は正負に変化する。しかしながら、電池の端子電圧の極性は変わらないので、電力計の出力は充電時に正であれば放電時には負の出力が得られ、充放電時の出力信号を積分回路で積分すれば電池の残電力量が得られる。この電力計は双方向性を有するため非常に簡単な電気回路で電池の残量を得ることができる。
【００４６】
図９は、図４の転用例である。図８の回路において電力計とした部分に、図４で示した磁性膜電力センサ素子１、１’を用いた接続回路の例を示している。ここでの磁性膜電力センサ１、１’は、磁性膜の電流方向の電圧変位を測定する磁気抵抗効果型電力センサを用いている。この接続回路では、充放電の電力管理を行うため、整流回路３、充電器４、切替スイッチ５が付加されている。
【００４７】
整流回路３は交流電流を直流電流に変換するものであり、ブリッジ回路が簡易構成例となる。また、充電器４は交流電流を発生するものであり、図示しないが充電器４は、外部電源若しくは駆動装置が接続される。なお、充電器４が直流電圧を発生する場合は、整流回路３は不要である。
【００４８】
磁気抵抗効果型電力センサの場合、単独の磁性膜電力センサ素子の接続構成では、直流電圧を扱うと、大きな直流バイアス電圧が出力される。したがって、これを解消するために図９の接続回路では、２つの磁気抵抗効果型電力センサ素子１、１’を直列に接続し、接点を接地する。この構成にすることで、電流による磁界を逆方向に印加して直流バイアス電圧を差動的に足し合わせることでバイアス出力電圧をキャンセルしている。結果、磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサを用いても直流電力も測定可能となる。
【００４９】
まず、切替スイッチ５を負荷Ｒ１側に接続した場合、図８で説明したように直流電源である電池の消費電力を検出することができる。一方、切替スイッチ５を充電器４側に接続すると充電器４によって、電池に充電される電力を検出することができる。
【００５０】
したがって、図９の接続方法の場合、電池により負荷Ｒ１に電力を供給する場合と、外部電源により電池に充電する場合の電力とにおける電力の移動量（放電量、充電量）をモニタリングすることができる。
【００５１】
また、バイアス出力電圧のキャンセルに関しては、図３の接続回路の転用し、ダミー抵抗体Ｒ２により磁性膜電力センサ１で発生した直流バイアス電圧と同等の電圧を発生させることで差し引いてもよい。
【００５２】
さらに、磁気抵抗効果型電力センサとしては所謂バーバーポール型の磁性膜電力センサを用いてもよい。このバーバーポール型の磁性膜電力センサ及びこれを用いた接続回路については本明細書の末尾で図２６以降を参照しつつ別途説明する。
【００５３】
次に、図１０には、磁性膜電力センサのうちプレーナーホール効果（ＰＨＥ型）型電力センサ１”を用いた鉛電池の充放電測定装置の接続回路を示している。プレナーホール効果型電力センサ１”は、磁性膜１”ｃの幅方向（電流に直角な方向）の電圧変位を測定するものである。プレナーホール効果型磁性膜電力センサ１”は、本質的にはバイアス電圧を発生しない。
【００５４】
したがって、図１０の接続回路では図９の接続回路のようにバイアス電圧をキャンセルする構成を設ける必要がない。この接続回路において放電電流（負荷電流）又は充電電流であるＩ１は、放電時又は充電時に互いに逆方向に流れる。また、Ｉ２は常に電池の電圧をモニターするために、磁性膜１”ｃと抵抗Ｒ２に流れている。以下に示す実験では、充電電流Ｉ１は、２Ａ一定とし、放電流は負荷Ｒ１（＝５Ω）を流れる電流Ｉ１＝２．４Ａ〜２．２Ａであった。
【００５５】
図１１は、図１０の接続回路における充電時の磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（１）：Ｖｍ）と充電電流Ｉ１と電池の端子電圧から得られた電池への充電電力（白四角印（２）：Ｗ）の時間変化を示したグラフ図である。左縦軸は磁性膜１ｃ”の出力Ｖｍ（ｍＶ）であり、右縦軸は充電電力（Ｗ）であり横軸は時間（ｍｉｎ）である。なお、Ｖｍは、磁性膜電力センサ出力である。図１１から、明らかなように磁性膜電力センサ出力（１）と充電電力（２）は非常に良く一致している。
【００５６】
図１２に、図１０の接続回路における磁性膜１ｃ”の出力（磁性膜電力センサ出力Ｖｍ）の積算量（黒丸印（１）：ΣＶｍｔ）と充電電力の積算量の変化の様子を示している。左縦軸はΣＶｍｔ（ｍＶ・ｈ）であり、右縦軸は充電電力量（Ｗ・ｈ）であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。図１１と同様に磁性膜電力センサ１”の出力の積算量（１）と充電電力の積算量（白四角（２））は非常に良く一致していることがわかる。
【００５７】
図１３は、図１０の接続回路における放電時の磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（１）：Ｖｍ）と放電電流Ｉ１と負荷抵抗Ｒ１の端子電圧から得られた負荷での消費電力（放電電力白四角印（２））との時間変化である。左縦軸は、Ｖｍ（ｍＶ）であり、右縦軸は消費電力（Ｗ）であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。図１１の充電時に比べ、磁性膜１”ｃの出力（１）について放電開始時から数分の変化の様子は若干異なる（Ｖｍが降下している）。
【００５８】
その一方、負荷抵抗Ｒ１での消費電力（２）の変化の様子とは良く一致していることがわかる。なお、磁性膜電力センサ１”の出力は、充電時（図１１）の場合の約１／２になった。これは、磁性膜１”ｃの容易軸の向きと流れる電流の方向に若干のずれがあり、充電時と放電時で電流の方向が変わったことに伴うゲインの違いである。
【００５９】
図１４は、図１０の接続回路における磁性膜電力センサ１”の出力（Ｖｍ）の積算量（黒丸印（１）：ΣＶｍｔ）と負荷抵抗Ｒ１での消費電力（放電電力）の積算量（白四角印（２））の変化の様子を示している。左縦軸は積算量ΣＶｍｔ（ｍＶ・ｈ）であり、右縦軸は消費電力量（Ｗ・ｈ）であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。図１２と同様に磁性膜電力センサ１”の出力の積算量（１）と消費電力の積算量（２）とは非常に良く一致していることがわかる。
【００６０】
次に、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図１０の接続回路において用いた磁性膜電力センサ１”の出力特性を示している。図１５（ａ）は、放電時の特性で縦軸はΣＶｍｔ（Ｖ・ｍｉｎ）であり、横軸は消費電力量（Ｗ・ｈ）である。図１５（ｂ）は、充電時の特性で、縦軸はΣＶｍｔ（Ｖ・ｍｉｎ）であり、横軸は充電電力量（Ｗ・ｈ）である。充放電時の近似直線とのずれは放電時６％、充電時２％であった。なお縦軸の指数は、１０−６である。
【００６１】
図１５（ｃ）は、図１５（ａ）および（ｂ）を同一縦軸上にプロットし直したものである。充電電流と、放電電流は方向が異なるため、磁性膜電力センサ１”の出力電圧Ｖｍは充電時と放電時で極性が変わる。ここでは、充電時を正、放電時を負としている。放電時と充電時で積算値であるΣＶｍｔの傾きが変わるのは、充電時と放電時の電流の向きでゲインが変わるためである。
【００６２】
図１６は、図１０の接続回路における充電時の磁性膜電力センサ１”の出力の積算量（黒丸印（１）：ΣＶｍｔ）と充電電力（白四角印（２））の積算量との時間変化を示している。これは図１２と同じである。また図１７に放電時の磁性膜電力センサ１”の積算量（黒丸印（２）：ΣＶｍｔ）、放電電力（白四角印（１））の積算量、磁性膜電力センサ１”の出力の積算量の８５％（黒三角印（３））を示している。これは図１４と同じである。
【００６３】
電池の充放電は、充電終了電圧を１４［Ｖ］、放電終了電圧を１１［Ｖ］とし、充放電を繰り返した。充電電力量は充電電流と電池の端子電圧から算出し、２４．５１９［Ｗｈ］であった。また、放電電力量は放電電流と負荷端子電圧から算出し、２１．０［Ｗｈ］であった。これより充電効率は約８５％であった。充電効率を考慮し、充放電時の電池からの電力の増減を正確に求めることができることを示している。
【００６４】
図１８に放電時の磁性膜電力センサ１”出力（黒丸印（１）Ｖｍ）、電池の電力量の減少（２）、電池の端子電圧（白四角印（３））の時間変化を示している。左縦軸に電池の電力量（Ｗ・ｈ）と磁性膜電力センサ１”の出力Ｖｍ（ｍＶ）、右縦軸に電池の端子電圧（Ｖ）、横軸に時間（ｍｉｎ）を示す。電池の電力量の時間変化（２）と電池の端子電圧の時間変化（３）とは明らかに異なっている様子がわかる。
【００６５】
図１９は、図１８の放電終了時電圧１１［Ｖ］を０、放電開始時電圧（満充電時）を１［Ｖ］として書き直したものであり、磁性膜電力センサ１”の出力（黒丸印（３）：Ｖｍ）、電池の電力量の減少（白三角印（２））、電池の端子電圧（白四角印（１））の時間変化を示している。縦軸は規格化されたＶｍ、電池の電力量、電池の端子電圧（いずれも％）であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。電池の端子電圧が放電開始時（満充電時）の電圧（白四角印（１））が５０％まで減少したときには、充電された電力量（白三角印（２））の９３％をすでに消費し、７％の電力量を残すのみになっていることを示している。
【００６６】
図２０は、充放電を繰り返したときの電池の端子電圧（バツ印（３））、磁性膜電力センサの出力の積算値ΣＶｍｔ（黒丸印（１））、電力量（白四角印（２））と経過時間との関係を示している。なお、この電池は使用の経歴が長く、いわゆる劣化した電池である。左縦軸に電池の電力量（Ｗ・ｈ）と磁性膜電力センサ１”の出力の積算値ΣＶｍｔ（ｍＶ・ｈ）、右縦軸に電池の端子電圧Ｖｂａｔ（Ｖ）、横軸が時間（ｍｉｎ）を表す。このグラフは、充電と放電を４回繰り返したことを示す。
【００６７】
充電終了電圧を１４［Ｖ］、放電終了電圧を１１［Ｖ］とし、充放電を繰り返している。繰り返すごとに充電終了電圧１４［Ｖ］に達する時間が短くなり、充電量が少なくなっていく様子がわかる（２）。したがって、放電電力量も少なくなっている。また、端子電圧（３）の減少の様子は毎回異なり、充電電力量が少なくなっていることを反映していないことが明らかである。
【００６８】
図２１に充放電を繰り返したときの電池の端子電圧（バツ印（３））、磁性膜電力センサの出力の積分値（黒丸印（１））、電力量の時間変化（白四角印（２））を放電終了時電圧１１［Ｖ］を０、放電開始時電圧（満充電時）を１としてプロット直したものを示す。縦軸は規格化されたＶｍ、電池の電力量、電池の端子電圧（いずれも％）であり、横軸は時間（ｍｉｎ）である。充電時は充電開始電圧から充電終了電圧（１４Ｖ）への電圧変化を０〜１００％に規格化し、放電時には放電開始電圧から放電終了電圧（１１Ｖ）を１００〜０％として表示している。これは図２０をプロットしなおしたものである。
【００６９】
充放電を繰り返しても、Ｖｍの積分値ΣＶｍｔ（１）は毎回、電池からの充放電時の電力量（２）の変化と同じように変化していくことがわかる。しかしながら、端子電圧（３）は、電力量（２）と関連性なく変化していることがわかる。
【００７０】
ここで注目すべき点は、充電を開始してから電池の端子電圧が１４（Ｖ）になるまでの時間と、放電を開始してから電池の端子電圧が１１（Ｖ）になるまでの時間が各充放電特性時にほぼ等しいということである。また、図１１および図１３で示したように、一定電流での充放電であれば、電池の残量電力量や端子電圧に関わらず、時間に対してほぼ一定値を示すということである。
【００７１】
これらのことは、放電開始時の所定電流での消費電力から、放電するまでの時間を見積もれることを示している。すなわち、電池の残存電力量を可視化できることを意味する。つまり、充電開始電圧から充電終了電圧まで、一定電流で充電した時の充電時間を、その電流で放電した時の放電時間とみなす。
【００７２】
図２２を参照する。図２２（ａ）には、図１１（充電時）の模式図を示す。縦軸は磁性膜電力センサの出力であり、横軸は時間である。この時、充電終了時間はＴ１０である。図２２（ｂ）には、図１３（放電時）の模式図を示す。縦軸は磁性膜電力センサの出力であり、横軸は時間である。
【００７３】
この時、消費される電力は、時間によらず一定であるとみなす。また放電時間は充電時間Ｔｃと同じとみなす。すると、放電時の初期消費電力Ｖｍ０と充電時間Ｔｃの積である面積Ｓの部分が、電池の使用可能電力量とみなせる。この使用可能電力量Ｓは、図２０および図２１から、劣化してくると少なくなる。
【００７４】
しかし、電池の劣化程度を知らなくても（つまり電池の使用履歴を知らなくても）、使用可能電力量を見積もることができる。このような機能を有する電池システムは大変有用である。
【００７５】
充放電の電力を管理することのできる具体的な構成としては、図８および図９で示した充放電測定装置をすでに示した。しかし、充放電測定装置および図９の切替スイッチ５を制御する制御部などを備えることで、残存電力量を表示することができる電池システムを実現することができる。
【００７６】
図２３に、この原理を用いた電池システムの構成を示す。電池システム３０は、二次電池３２と、磁性膜電力センサ３４と、電池電圧計３６と検査抵抗４０と検査スイッチ４２と、接続スイッチ４４と、制御部４６を含む。さらに、電流計３８と、表示部４８を含んでもよい。
【００７７】
二次電池３２は、充放電可能であれば、特に限定するものではない。また、複数の二次電池を直列若しくは並列につないであってもよい。磁性膜電力センサ３４は、磁性膜２９、導体膜２８、センサ電圧計２７、センサ抵抗２６を含む。磁性膜２９は、磁気抵抗効果型の磁性膜であっても、プレーナーホール効果型の磁性膜であってもよい。すでに説明したように磁気抵抗効果型であれば、素子形状若しくはセンタータップ構成を用いて、バイアス電圧をキャンセルできる構成にするのが望ましい。なお、図２３では、プレーナーホール効果型磁性膜を用いた場合を示す。
【００７８】
磁性膜２９は導体膜２８に重ねて用いられる。導体膜２８に流れる電流との位置関係を固定させるためである。この際に、導体膜２８に流れる電流の向きと、磁性膜２９の磁化容易軸の方向を合せておくのが望ましい。もし、ずれていると、図２０に示したように、充電時と放電時で磁性膜電力センサ３４のゲインが異なるからである。また、磁性膜２９と導体膜２８の一端同士は連結させてある。なお、磁性膜２９と導体膜２８との関係は、磁性膜２９は二次電池３２と外部電極３０ｔ１、３０ｔ２の間の接続線に隣接配置されたと言える。
【００７９】
なお、磁性膜２９は単一の膜でなくてもよい。図４や図２７で示すように複数の磁性膜で構成されたものであってもよい。
【００８０】
磁性膜２９にはセンサ電圧計２７が接続される。図２３ではプレーナーホール効果型なので、磁性膜２９に流れる電流と直角の方向の電圧を測定する。磁気抵抗効果型の磁性膜２９を用いる場合は、磁性膜２９に流れる方向の両端の電圧を計測する。磁性膜２９は、センサ抵抗２６の一端に連結される。センサ抵抗２６は、十分に大きな抵抗値を有する抵抗である。電池から流れる電流の値に係らず、実質的に一定電流が流れるようにするためである。
【００８１】
なお、センサ電圧計２７は、磁性膜２９の形状および構成によって、接続が変わる。したがって、センサ電圧計２７の電圧を測定するとは、測定する回路の電流で発生する磁界によって変化する磁性膜２９の抵抗を、磁性膜電力センサの出力電圧とできるように測定することを意味する。
【００８２】
電池電圧計３６は、二次電池３２の端子電圧を計測する。また、電流計３８は、電池システム３０に流れる電流を計測する。いずれも、電圧値、電流値が測定若しくは換算できれば、内部構成等は限定されるものではない。
【００８３】
検査抵抗４０は、充電後にどれくらいの電力量が二次電池３２に蓄積されるかを検査するための抵抗である。また、検査スイッチ４２は、蓄積された電力量を検査する際に、検査抵抗４０と二次電池３２を接続するためのスイッチである。また、接続スイッチ４４は、外部との接続を連結遮断するスイッチである。検査スイッチ４２、接続スイッチ４４ともに後述する制御部４６で制御される。
【００８４】
制御部４６は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｕｎｉｔ）とメモリで構成されるコンピューターである。タイマ４６ｔおよび表示部４８が、制御部４６に接続される。また、制御部４６は、センサ電圧計２７、電池電圧計３６、電流計３８、検査スイッチ４２、接続スイッチ４４に接続されている。
【００８５】
制御部４６は、タイマ４６ｔからは、信号Ｓｔを受信する。経過時間を計測するためである。したがって、信号Ｓｔは時刻情報である。また、制御部４６からタイマ４６ｔに計測開始信号Ｃｔｓ（図示せず）を送信し、測定終了信号Ｃｔｔ（図示せず）を送信し、その結果タイマが出力する信号Ｓｔから経過時間を知ってもよい。この場合の信号Ｓｔはタイマ４６ｔが作成した時間情報である。
【００８６】
いずれにしても、タイマ４６ｔを有する事で、制御部４６は、所定時刻間の時間を取得することができる。言い換えると、タイマ４６ｔは、充電時間および放電時間に係る時間を計測すると言える。
【００８７】
また、制御部４６は、後述するように残留電力量を算出できるので、それを信号Ｓｄとして表示部４８に送る。表示部４８は、８セグメントから構成される表示器であってもよいし、液晶や有機ＥＬを用いた表示器であってもよい。また、単に所定のライトを点灯させるだけでもよい。
【００８８】
また、制御部４６は、センサ電圧計２７と接続され、センサ電圧計２７から、磁性膜２９における電圧を信号Ｓｖｍとして受信する。また、制御部４６は、電池電圧計３６、電流計３８とも接続され、それぞれ電池端子間の電圧を信号Ｓｖｂ、電流値を信号Ｓｉで受信する。
【００８９】
また、制御部４６は、接続スイッチ４４と検査スイッチ４２とも接続され、指示Ｃｃｎ、指示Ｃｃｋによってそれぞれの開閉もしくは接続点の変更を指示することができる。
【００９０】
次に全体の接続関係を説明する。外部端子３０ｔ１、３０ｔ２は、電池システム３０と外部の機器を接続する端子である。二次電池３２の一方の極（図２３では正極）は、外部端子３０ｔ１と接続され、他方の極（図２３では負極）は外部端子３０ｔ２と接続されている。正極から外部端子３０ｔ１までの間には、導電膜２８、電流計３８、検査スイッチ４２、接続スイッチ４４が直列に接続される。
【００９１】
導電膜２８と電流計３８は検査スイッチ４２より正極側に配置され、接続スイッチ４４は、検査スイッチ４２より外部端子３０ｔ１側に配置される。検査スイッチ４２は、正極側から接続スイッチ４４若しくは検査抵抗４０の一端との間の接続の切換を行う。検査抵抗４０の他端は、外部端子３０ｔ２と負極の間に接続される。
【００９２】
二次電池３２の両極間には、電池電圧計３６が接続される。また二次電池３２の両極間には、磁性膜２９とセンサ抵抗２６が直列に接続される。なお、前述したように、磁性膜２９と導電膜２８と重ねて構成される。磁性膜２９の電圧を計測するようにセンサ電圧計２７が接続される。センサ電圧計２７は、すでに説明したように、磁気抵抗効果型とプレーナーホール効果型で磁性膜２９への接続点が異なる。なお、上記の接続関係は、接続の趣旨が変わらない限りにおいて、接続順を変更してもよい。
【００９３】
また、上記の構成において、磁性膜電力センサ３４は、共に放電電力計測手段であり、充電電力計測手段でもある。
【００９４】
以上の構成を含む電池システム３０についてその動作を説明する。図２３を参照して、充電時には、外部との接続端子３０ｔ１、３０ｔ２には、充電器５０が接続される。図２３では定電流電源を接続している。検査スイッチ４２は外部端子３０ｔ１側と接続している。制御部４６が充電開始とすると、接続スイッチ４４を指示Ｃｃｎで外部の充電器５０と連結させ電池システム３０に外部から電流をながす。
【００９５】
なお、充電開始は、外部からの指示で行ってもよいし、図８のように、スイッチによって充電器５０にいつでも接続できる構成の場合は、電池電圧計３６を監視し、所定の電圧になったら充電を開始してもよい。充電を開始する電池電圧を充電開始電圧（例えば１１Ｖ）と呼ぶ。
【００９６】
図２３の場合に充電する際は、矢印の方向に充電電流Ｉｃｇが流れる。電流Ｉｃｇは、導体膜２８を流れる。その際に発生する磁界は、磁性膜２９にとって外部磁界となり、磁性膜２９にプレナーホール効果による電圧を発生させる。導体膜２８を流れた電流Ｉｃｇは二次電池３２内を流れ、再び外部端子３０ｔ２から充電器５０に戻る。
【００９７】
また、導電膜２８を流れた電流の一部は、磁性膜２９にも流れる。ただし、センサ抵抗２６は、大きな値なので、磁性膜２９を通過する電流Ｉｍｃは一定と考えてよい。
【００９８】
制御部４６は、充電を開始したら、まずタイマ４６ｔから時刻を取得し、これを充電開始時刻とする。そして、電池電圧計３６が所定電圧（例えば１４Ｖ）になったら、充電を終了させる。これを充電終了電圧と呼ぶ。充電の終了は、制御部４６から接続スイッチ４４に指示Ｃｃｎを送り、接続スイッチ４４を切断することで実現してよい。充電が終了したらタイマ４６ｔから時刻を取得し、充電終了時刻とする。制御部４６は、充電開始時刻および充電終了時刻から充電時間Ｔｃを算出する。
【００９９】
充電されている間、制御部４６は、微小時間ΔＴ毎にセンサ電圧計２７の値Ｖｍを計測し、微小時間ΔＴにおける電力量ΔＷｈを算出し積算する（足し加えていく）。センサ電力計２７の電圧Ｖｍは、充電電力を示す値である。つまり、電圧Ｖｍと微小時間ΔＴの積は、電力量ΔＷｈを示す。したがって、電力量ΔＷｈは、センサ電圧Ｖｍと時間の積を積算した値ΣＶｍｔであってもよい。もちろん、センサ電圧Ｖｍを電力に換算し、時間との積を積算してもよい。
【０１００】
制御部４６は電池電圧計３６が充電終了電圧となるまで積算値ΣＶｍｔを算出し続ける。この際に、表示部４８に現在充電中を示す表示若しくは現在の積算値ΣＶｍｔを表示してもよい。
【０１０１】
電池電圧計３６が充電終了電圧となったら、制御部４６は、指示Ｃｃｎを接続スイッチ４４に送り、充電器５０との接続を切断する。また、充電開始から充電終了までの時間を充電時間Ｔｃとして算出する。この際に表示部４８に充電終了を示す表示および充電時間Ｔｃを表示してもよい。
【０１０２】
次に図２４を参照する。充電が終了したら、制御部４６は、検査スイッチ４２に指示Ｃｃｋを送り、検査抵抗４０に電流Ｉｃｋを流す。この時電流Ｉｃｋは二次電池３２の正極から負極に向かって、検査抵抗４０を負荷とする回路を流れる。ここで、流れる電流Ｉｃｋによるセンサ電圧計２７の値を初期消費電力Ｖｍ０（図２２（ｂ）参照）として読み取る。そして、充電時間Ｔｃと初期消費電力Ｖｍ０を積算した値を充電電力量Ｗｃｇとする。これは図２２（ｂ）の面積Ｓに相当する。
【０１０３】
なお、初期消費電力Ｖｍ０を読み取ったら、検査スイッチ４２は、直ちに外部端子３０ｔ１側に切換えてよい。検査抵抗４０に電流を流し続けるのは電力のロスになるからである。
【０１０４】
この充電電力量Ｗｃｇは、図２１で示したように二次電池の劣化具合によって値が変わる。つまり、二次電池の使用履歴を知らなくても、充電した二次電池３２に蓄積された電力量を知ることができる。制御部４６は表示部４８にこの充電電力量Ｗｃｇを残存電力量として表示する。この際、表示は「充電電力量Ｗｃｇの絶対値に関係する表示」を少なくとも行えるようにする。
【０１０５】
二次電池３２は、使用履歴によって劣化の程度が変わる。これは同じ規格の二次電池であっても、満タンに充電した時の容量が変わることを意味する。すなわち、ガソリン自動車で例えると、ガソリンタンクの容量自体が減少することを意味する。そのような状況においては、充電量をパーセント表示しても、満充電の際の電力量が不明である以上あまり意味がない。
【０１０６】
一方、充電電力Ｗｃｇの絶対値に関係する表示を行えば、充電電力Ｗｃｇ自体の変化をも使用者は知ることができる。充電電力Ｗｃｇの絶対値に関係する表示とは、例えば電気を利用して走行する自動車では、一定速度で走行した際の走行距離、走行時間であってもよい。また、通常の使用状況において保持すべき推奨電力量に対する割合であってもよい。ロボットであれば、所定の作業に換算したときの活動時間であってもよい。
【０１０７】
なお、充電電力Ｗｃｇは、実際の電力に換算した値であってもよいし、センサ電圧Ｖｍと時間の積を充電時間の間積算したΣＶｍｔ（電圧と時間の積）であってもよい。また、制御部４６は、充電電力量Ｗｃｇを算出すれば足り、実際に表示部４８で表示を行わなくてもよい。例えば、充電電力量Ｗｃｇを信号として出力するだけでもよい。
【０１０８】
以上のように、制御部４６は、二次電池３２に一対の外部端子（３０ｔ１、３０ｔ２）を介して充電する際に、充電開始電圧から充電終了電圧までの充電時間Ｔｃを計測し、充電終了後、検査スイッチ４２によって検査抵抗４０に電流Ｉｃｋを流し、検査抵抗４０で消費される初期消費電力Ｖｍ０と前記充電時間に基づいて充電電力量すなわち、残留電力量を算出する。なお、電流Ｉｃｋは充電時の電流Ｉｃｇとほぼ同じになるようにあらかじめ検査抵抗４０の値を決めておくのが望ましい。
【０１０９】
次に図２５を参照して、制御部４６は、接続スイッチ４４を外部端子３０ｔ１側に接続する。そして電池システム３０に負荷５２が接続されると、二次電池３２の正極から外部端子３０ｔ１、負荷５２、外部端子３０ｔ２、負極と電流Ｉｄが流れる。この負荷５２による電流Ｉｄが流れている間、制御部４６は、微小時間ΔＴ毎にセンサ電圧計２７の値Ｖｍを測定し、放電電力量をΔＴ・Ｖｍとして求める。そして、充電電力量Ｗｃｇから放電電力量ΔＴ・Ｖｍを減算し、新たな充電電力量Ｗｃｇとする。
【０１１０】
制御部４６は、減少した充電電力量Ｗｃｇを表示部４８に表示させる。この表示の際も、充電電力量Ｗｃｇの絶対値に係る表示を行えばよい。これは残留電力量となる。使用者は残りの充電電力量Ｗｃｇを使用に則った時間若しくは仕事量といった尺度で把握することができる。もちろん、このような表示と共に、充電終了直後の充電電力量Ｗｃｇに対するパーセント表示を行ってもよい。
【０１１１】
上記の電力管理において、磁性膜電力センサ３４の部分は、磁性膜２９を用いた構成でなくても、充電と放電の電力を計測できることができ、放電電力を測定することができれば、実現することができる。ただし、電池システム３０に一体的に設けるとすると、磁性膜２９を用いた電力センサ３４は、センサ電圧計２７の電圧を測定するだけで、電力を測定することができるので、小型化が可能で好適である。
【０１１２】
上記のように、充電時間Ｔｃと初期消費電力Ｖｍ０から充電電力量Ｗｃｇを求めたのは、充電時と放電時で磁性膜電力センサ３４のゲインが異なったからである。したがって、充電時と同じ電流方向で放電時も磁性膜電力センサ３４が使用出来る場合、若しくは、磁性膜電力センサ３４の磁性膜２９と導体膜２８との設定が精密に行え、充電時と放電時の磁性膜電力センサ３４のゲインが等しいとみなすことができる場合は、充電時間Ｔｃを測定しなくても、充電時の電力積算量であるΣＶｍｔを充電電力量Ｗｃｇとしてもよい。
【０１１３】
磁性膜電力センサ３４のゲインが充電時および放電時で同一に出来る場合は、検査抵抗４０と検査スイッチ４２は不要である。また、放電時も充電時と同じ電流方向で磁性膜電力センサ３４を使用するには、充電時と放電時で電流路を変更するためのスイッチが別途必要となる。
【０１１４】
制御部４６は、充電開始電圧から、微小時間毎の充電電力を積算し、ΣＶｍｔを求める。充電終了電圧になったら、接続スイッチ４４を切断し、ΣＶｍｔを充電電力量Ｗｃｇとする。電池システム３０が負荷に接続されたら、上記同様に、負荷での消費電力を充電電力量Ｗｃｇから減算し、新たな充電電力量Ｗｃｇとする。この充電電力量Ｗｃｇは残留電力量である。
【０１１５】
制御部４６は、「充電電力量Ｗｃｇの絶対値に関係する表示」を行うことで、使用者は、二次電池３２の実質的に使用することのできる電力量を知ることができる。負荷が接続された場合は、図２５での説明通り、消費電力量を充電電力量Ｗｃｇから減算してゆけばよい。
【０１１６】
また、このように充電時と放電時の磁性膜電力センサ３４のゲインが等しいとみなせる場合は、充電時間Ｔｃを測定する必要がないので、充電を一定電流という条件で行う必要はない。例えば、急速充電を行う場合、過電流を周期的に流す等して、充電時間を短くすることがある。
【０１１７】
そのような場合であっても、充電時の電力量を磁性膜電力センサ３４とタイマ４６ｔで計測し、ΣＶｍｔを求め、それを充電電力量Ｗｃｇとすることで残留電力量を見積もることができる。なお、上記の説明で、電池システム３０は二次電池３２と磁性膜電力センサ３４や制御部４６を含んで構成されるが、二次電池以外の部分を充放電測定装置としてもよい。
【０１１８】
以上により、電池の端子電圧で管理するよりも、磁性膜電力センサ（薄膜電力計）で二次電池の充放電を管理する方が有用であることが理解される。また、充放電を繰り返すごとに（使用しているうちに）充電可能電力量すなわち使用可能電力量が減少する二次電池の管理には磁性膜電力センサが最も優れていることも理解される。
【０１１９】
以上の結果より、磁性膜電力センサを用いた本発明の充放電測定装置は、スマートグリッド、スマートバッテリ等への応用が最適であると結論出来る。電力問題回避に非常に有用である。
【０１２０】
ここで前述したバーバーホール型の磁性膜電力センサ及びこれを用いた本充放電測定装置の接続回路の一例について言及する。
【０１２１】
図２６にはバーバーポール型の磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサにおける磁性膜を示している。図２７は磁性膜の上部に設ける斜めの導体膜と電極が示されている（以下、バーバーポール電極と呼ぶ）。また以下、磁性膜とその上部に形成された斜め導体（バーバーポール電極）との一体型磁性膜を「バーバーポール磁性膜」と称する。
【０１２２】
図２６はバーバーポール磁性膜（磁界センサ）１を上方から見たときの電流方向と磁化方向とを示したイメージ図を示している。また、図２７は磁性膜１の上部に設ける斜め導体と電極パッドが示されており、（ａ）では全体視を、（ｂ）では（ａ）の丸囲み部分の拡大視を示している。図２６〜図２７に示す導体膜１ｃ、磁性膜１ａは、それぞれ図１の磁気センサ部１の導体膜１ｃ、磁性膜１ａに相当する。
【０１２３】
磁性膜として長さ３０ｍｍ、幅１ｍｍ、膜厚約０．１μｍのパーマロイ（ＮｉＦｅ）膜を用いている。バーバーポール磁性膜には図２６〜図２７に示すように磁性膜の幅方向（紙面上下方向）に斜めの導体膜１ｃ（図４の最上側の導体膜１ｃに相当）を設けており、Ｃｕを用いている。この導体膜１ｃは幅０．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、膜厚０．１μｍ、導体膜−導体膜の間隔１ｍｍである（図２７参照）。
【０１２４】
図２６〜図２７に示す磁気センサ１を磁性膜電力センサとして用いる場合、磁性膜１ａには電流を流す必要がある。この際、導体膜１ｃを設けることにより電流は電気抵抗のより小さい方向に流れる性質を持っている（図２６参照）。まず、磁性膜（パーマロイ膜）１ａの電気抵抗に比べ導体膜（Ｃｕ膜）１ａの方は約１０倍程度電気抵抗は小さい。
【０１２５】
したがって、電流は、磁性膜１ａの長手方向を直進するよりも導体膜−導体膜間の距離の短い方と導体膜１ｃを流れる方が電気抵抗が小さくなる。磁性膜には形状異方性、誘導異方性により予め長手方向に磁化方向（磁化容易方向）が誘導されているので、電流の流れる方向と磁化方向とに角度が生じることになる。
【０１２６】
そのため、図２８（ｂ）に示すようにバーバーポール磁性膜１ａの磁気抵抗特性はに示すように通常の磁気抵抗効果による磁界−抵抗特性があたかもバイアス磁界によりバイアスされているかのような特性を示す。なお、図２８は、長手方向の電圧Ｖ１と磁界Ｈとの関係を示しており、（ａ）は図２に相当し通常の磁気抵抗効果を表しており磁界Ｈに対する出力電圧Ｖ１は遇関数を形成するため線形特性を得るためにバイアス磁界を付与する心要があるのに対して、（ｂ）ではバーバーポール磁性膜の磁気抵抗効果を示しており、バイアス磁界が不要であることが理解されよう。
【０１２７】
図２９に差動型のバーバーポール型の磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサを示しており、この磁性膜電力センサをマイクロストリップ線路の測定に用いた模式図が示されている。
【０１２８】
図３０に通常の磁気抵抗効果による磁性膜の電気抵抗の変化の様子を示しておく。傾きの異なるバーバーポールパターンによりバーバーポール磁性膜の磁気抵抗効果は磁性膜の左右で正負に異なるバイアス磁界が印可されているかのような特性を示す（図３１）。図３１に示すように左のバーバーポール磁性膜１は、印加磁界に対して負にバイアスされている特性Ｂを示し、右のバーバーポール磁性膜１は正にバイアスされているかの特性Ａを示す。
【０１２９】
この異なるバーバーポール磁性膜１、１を直列に接続し、同じ方向たとえば左から右方向に磁界を印可すると各々のバーバーポール磁性膜の抵抗は一方では減少し、また他方では増加するように変化する。それらを差動出力させることが出来れば図３１の下図のように磁界ゼロ点を動作点として変化のみを取り出すことができるようになる。
【０１３０】
また、通常の磁気抵抗効果の磁性膜１を用いる場合には図３０に示すような大きなバイアス磁界を印可して、動作点を直線性の良い所に設定する必要がある。しかし、図３１に示すように差動型のバーバーポール磁性膜を用いることにより動作点を零磁界に移動させることが出来、また磁界による電気抵抗の変化も２倍に拡大することができる。無バイアス磁界で磁性膜電力センサを動作させることができるという点で有利である。
【０１３１】
図３２に差動型のバーバーポール磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサ１の増幅回路の接続の様子を示す。図３２のＢ端子を接地し、Ａ端子、Ｃ端子からの電気信号を演算増幅器で加算することによりバイアス電圧の無い、磁界の変化のみを出力する電気信号を得ることができる。
【０１３２】
図３３に測定系を示す。増幅器の全ての抵抗値は２ｋΩとし、増幅ゲインは１である。
【０１３３】
次に、一様な外部磁界に対するバーバーポール磁性膜の磁性膜電力センサ１の出力特性を測定した。図３４（ａ）は図３３のＡ−Ｂ端子間の出力特性、（ｂ）は図３３のＣ−Ｂ端子間の出力特性、図３５（ｃ）は図３３のオペアンプの出力電圧を示している。これらの図は縦軸が出力（Ｖ）であり、横軸は外部から印加された磁界（図３３のヘルムホルツコイルによる磁界）である。なお、図３４（ａ）に示すＡ−Ｂ端子間の出力特性については、ＡＢ間の出力オフセットが７４２［ｍＶ］、ＡＢ間の出力変化が４［ｍＶ］、ＡＢの出力変化率が０．４２［％］、抵抗変化率が０．００３１／０．７４２＊１００＝０．４２［％］である。
【０１３４】
また、図３４（ｂ）に示すＣ−Ｂ端子間の出力特性については、ＣＢ間の出力オフセットが７４３［ｍＶ］、ＣＢ間の出力変化が２．６［ｍＶ］、ＣＢ間の出力変化率が０．３５［％］、抵抗変化率が０．００２６／０．７４３０＊１００＝０．３５［％］である。また、図３５（ｃ）に示す図３３のオペアンプの出力特性ついては、ＡＣ間の出力オフセットが１．４６［ｍＶ］、ＡＣ間の出力変化が０．１１［ｍＶ］、ＡＣ間の出力変化率が７．５［％］、抵抗変化率０．０００１１／０．００１４６＊１００＝７．５［％］）である。
【０１３５】
図３４（ａ）、（ｂ）では磁界に対して大きく抵抗が変化している。図３５（ｃ）では図３４（ａ）、（ｂ）に比べバイアス電圧が大きく減少しているのがわかる。また磁界による出力電圧の変化は小さい。したがって、磁性膜１ｃ中の磁化の向きや磁区構造が多磁区状態になり一軸異方性を持った単磁区になっていないと思われる。
【０１３６】
【表１】
2013114865.tif 000003
【０１３７】
表１にバーバーポール磁性膜による出力改善結果を示す。出力の変化率（出力電圧）大きく減少しているのは、膜中の磁化が十分に素子長手方向に揃っていないのが原因と推察される。しかしながら、オフセット電圧の急激な減少により抵抗変化率が急激に改善され、バーバーポール磁性膜１の差動接続によりデバイスとしての性能が格段と向上していることがわかる。オフセット電圧の減少は素子に繋がる増幅回路の増幅率を大きく出来るメリットをもたらし、非常に有益な結果であると思われる。
【０１３８】
また、図３６に長軸と平行にバイアス磁界を印加したときの測定系の模式図を示す。先に述べたように磁化方向を強制的に一方向にそろえることにより素子（デバイス）としての特性の変化について検討した。
【０１３９】
図３６の測定系の出力特性を図３７に示している。図３７（ａ）はバーバーポールを設けないで作製した素子（差動接続）において磁性膜長手方向にバイアス磁界を印加した場合の出力特性を示している。縦軸は出力電圧（Ｖ）であり、横軸は外部からの磁界（Ｏｅ）である。このから明らかなようにバーバーポール無し、バイアス磁界有りの場合の抵抗変化は非常に小さい。その抵抗変化率は０．０００２２％で非常に小さいものであった。
【０１４０】
図３７（ｂ）では、バーバーポール有りで磁性膜長手方向にバイアス磁界無しの素子の場合の出力特性、すなわちバーバーポール磁性膜１の長手方向に直流バイアス磁界を印加しない場合の出力特性が示されている。縦軸は出力電圧（Ｖ）であり、横軸は外部からの磁界（Ｏｅ）である。
【０１４１】
図３７（ｃ）では、バーバーポール有りで磁性膜長手方向にバイアス磁界有りの素子の出力特性、すなわちバーバーポール磁性膜１の長手方向に直流バイアス磁界を印可した場合の出力特性が示されている。縦軸は出力電圧（Ｖ）であり、横軸は外部からの磁界（Ｏｅ）である。素子長手方向にバイアス磁界を印可するか否かにより出力特性が大きく変化している様子がわかる。これは磁性膜の異方性の強さが十分で無いのが原因であると推察できる。
【０１４２】
その異方性の強さを補うような素子長手方向へのバイアス磁界により、磁化が磁界方向に強く揃えられ、磁化と電流と明確な角度が出来たことによるものと推察される。抵抗変化率はバイアス磁界無しの場合は０．６％、バイアス磁界有りの場合は３．３％以上であり、バイアス磁界が非常に有効であるといえる。
【０１４３】
図３８では、導体膜に負荷電流（Ｉ１）を流したときの電力計としての特性の測定系が示されている。本来の電力計測では、負荷に流れる負荷電流（Ｉ１）は導体膜に、負荷電圧の大きさに比例した電流（Ｉ２）を磁性膜に流して測定する。しかし、図３８ではＩ１とＩ２を個別に設定できるようにして特性を評価した。
【０１４４】
図３９は、バイアス磁界を印加せずに導体膜に負荷電流（Ｉ１）を流した時の出力特性を示している。左縦軸は、出力（Ｖ）であり、右縦軸は導体膜に流した電流（Ａ）であり、横軸は時間（ｓｅｃ）である。この測定では、磁性膜に流す直流電流（Ｉ２）は２ｍＡとした。また、負荷電流（Ｉ１）は負荷抵抗に接続した直流電源を用いて設定した。負荷電流を０［Ａ］〜１［Ａ］まで０．２［Ａ］刻みで増加させ、その後０．２［Ａ］刻みで減少させながらそれぞれ５０［ｓ］間測定した。
【０１４５】
負荷電流（Ｉ１）の増加に伴い出力が増加している様子が分かる。しかしながら負荷電流の変化に対して電力センサ出力の変化は明確に電流の変化を反映しているとは言えない。磁性膜の磁化の向きが印可されている磁界に比例して動いていないことがその一因であると思われる。
【０１４６】
図４０に素子長手方向（磁性膜の長手方向）への磁界印加による出力変化を示す。縦軸は電力センサ出力（Ｖ）であり、横軸は外部からの磁界（Ｏｅ）である。グラフ中、丸は長軸方向バイアス磁界がゼロの場合、四角は１０Ｏｅの場合、三角は４０Ｏｅの場合、黒四角は１００Ｏｅの場合である。無磁界状態（丸）では磁性膜の異方性の強さと磁化の向きとの関係でこの状態では電力計としての出力は一意に定まらず、電力計として期待できない。
【０１４７】
しかし、印加磁界の大きさが１００ｅ、４００ｅとでは広い範囲で直線性と良い感度を得ることが出来ている。また、１０００ｅ印加の場合には明らかに感度の低下が見られるが、１００ｅ、４００ｅの場合と比較すると直線領域が広がっている様子が分かる。バイアス磁界はある程度の大きさまでは膜の磁区構造を整え、高感度と良い直線性を得ることが出来るが大きなバイアス磁界は感度を低下させることが明らかである。
【０１４８】
磁性膜の保持力を若干超える程度のバイアス磁界印加は、電力計としての感度を大きく改善する効果を有する。また、異方性磁界以上の印加磁界は感度を減少させるが電力計としての動作範囲を広げる効果を有すると言える。印加磁界の大きさを変えることにより測定可能な電流（電力）を設定できると言える。ただし、感度は減少する。
【０１４９】
図４１は、バイアス磁界を印可した時の測定系を示している。ここでは永久磁石を用いてバイアス磁界を印可した。磁界の大きさは磁石の距離を調整することにより設定した。
【０１５０】
また、図４２はバイアス磁界印加したときの本磁気抵抗効果型の磁性膜電力センサの出力特性を示している。左縦軸はセンサ出力（Ｖ）であり、右縦軸は導体膜に流した電流値（Ａ）であり、横軸は時間（ｓｅｃ）である。バイアス磁界の大きさは４００ｅである。その他の測定条件は図３９の場合と同じである。この図４２からバイアス磁界の印可により出力電圧の電流変化への追随性は向上していることが明らかである。また、若千の誤差を生じているが、膜特性の向上や交流バイアスの印加により大きく改善できるものと思われる。また交流電力計測では全く問題なく動作すると思われる。
【０１５１】
以上の結果より、バーバーポール型磁性膜磁性膜電力センサおよび差動型バーバーポール磁性膜磁性膜電力センサはスマートグリッド、スマートバッテリー等への応用が最適であると結論でき、電力不足等の回避にも有利である。
【０１５２】
以上、本発明の種々の磁性膜電力センサついての実施形態およびその概念について説明してきたが本発明はこれに限定されるものではなく特許請求の範囲および明細書等に記載の精神や教示を逸脱しない範囲で他の変形例、改良例が得られることは当業者は理解できるであろう。
【０１５３】
次に、バッテリー電力計測時にセンサを使用し、直流電力の計測を行い、センサ出力の線形性や精度について検討した。図４３に直流電力計測に使用したセンサの磁気抵抗応答曲線を示す。縦軸は差動抵抗の値（Ω）であり、横軸は印加磁界（Ｏｅ）である。外部より０．０２Ｈｚ交流磁界を外部磁界を印加し測定している。
【０１５４】
電力センサとしての動作範囲は磁界Ｈ＝０付近の磁界と抵抗値の比例関係にある部分である。なおセンサＡ（図４３）、センサＢ（図４４）としているのは、後に述べるバッテリーの充放電電力計測は２つのバッテリーを使用し、それぞれのバッテリーの電力２つのセンサを使用し計測している。その２つのセンサをそれぞれセンサＡ、センサＢとしている。
【０１５５】
次にセンサＢの磁気抵抗効果特性を図４４に示す。センサＡとセンサＢはそれぞれガラス基板にパーマロイを真空蒸着し、エッチングによりパターン形成をしている。使用した素子のパターンを図４５（ａ）に示す。磁性膜が斜めに傾いたものが左右対称に配置された構造になっている。
【０１５６】
図４３、４４に示した磁気抵抗応答曲線は図４５のＡＢ間とＢＣ間の抵抗値の差（差動抵抗）を示している。またセンサＡ、センサＢいずれに対しても磁気抵抗応答曲線を計測する際にバイアス磁界１０Ｏｅを印加している。なお、バイアス磁界の方向は図４５のＨｂｉａｓの方向である。また、図４５（ａ）のパターンの拡大図を図４５（ｂ）に示す。磁性膜の磁化方向は、ＡおよびＢからＣの方向に向かってバイアス磁界Ｈｂｉａｓによって付与される。
【０１５７】
なお、図４５のセンサについて説明する。図４５（ａ）の素子は、磁性膜を矢羽形状の形成したものである。端子Ａから端子Ｃまでは、紙面に向かって右下がりの傾斜部分を直列に連結したものであり、端子Ｃから端子Ｂまでは紙面に向かって右上がりの傾斜部分を直列に連結している。
【０１５８】
このセンサは、端子Ａ−Ｂ間の抵抗値を抵抗値ＡＢとし、端子Ｃ−Ｂ間の抵抗値を抵抗値ＣＢとすると、差動抵抗が（抵抗値ＡＢ）−（抵抗値ＣＢ）によって得られる。すなわち、本センサは、直流バイアスを軽減できる。また、このセンサは、Ｈｂａｉｓ方向に直流バイアス磁界（図４５（ａ）参照）を印加して使用する。
【０１５９】
図４５（ｂ）を参照して、矢羽形状の左側では、傾斜した磁性膜片が直列に連結された形状をしている。ここで、矢印の方向にバイアス磁界が印加されると、磁性膜中の磁化はバイアス方向に揃う。一方、電流を端子Ａから端子Ｃに流すと、傾斜部分では、磁化方向に対して左側に角度θだけ傾いた電流が流れる。
【０１６０】
一方、矢羽形状の右側では、磁性膜片の傾斜が左側とは逆なので、磁化に対する電流は右側に角度θだけ傾いて流れる。電流は端子Ｃから端子Ｂに向かって流れるからである。
【０１６１】
この状態で、点線で示すように導体膜６０をセンサに被せ、端子Ｖ１から端子Ｖ２に向かって電流を流す。すると、紙面右から左に磁界Ｈが発生する。図４５（ｂ）を参照して、この磁界によって磁性膜の磁化は傾けられる。この時、矢羽形状の左側では、電流に近づくように磁化が動き、矢羽形状の右側では、電流から遠ざかる方向に磁化が傾く。
【０１６２】
矢羽形状の右側と左側を同じように作製しておけば、Ａ−Ｃ間とＣ−Ｂ間の磁気抵抗特性はほぼ同じにすることができる。しかも、磁性膜片の傾斜方向が左右で異なるため、Ａ−Ｃ間とＣ−Ｂ間での極性が反対になる。したがって、Ａ−Ｃ間の抵抗とＣ−Ｂ間の抵抗の差分をとれば、仮に直流バイアスがあっても、これをキャンセルすることができる。
【０１６３】
ここでバイアス磁界について説明する。磁性膜は多数の磁区から出来ており、各磁区により磁化方向がわずかにずれている。磁性膜電力センサはその磁化方向をそろえるために外部から磁界を印加して、単磁区にした状態で使用する。その外部磁界のことをバイアス磁界という。
【０１６４】
図４３、４４に示した磁気抵抗応答のセンサを使用し直流電力計測を行った。実験系を図４６に示す。センサ電圧をＤＣ電源で２０Ｖ一定にし、負荷電流を１Ａ〜４Ａの間で１Ａずつステップ上に変化させている。Ｒｍｒ１とＲｍｒ２がセンサ部分でＲ１、Ｒ２が固定抵抗、Ｒが可変抵抗でこれを調節することでブリッジの平衡をとり、図４６のＶ１とＶ２の差動出力をセンサ出力として計測している。
【０１６５】
表２および表３のセンサ出力平均値は、各消費電力でのセンサ出力の平均値を表し、センサ出力換算値は消費電力とセンサ出力平均値を直線近似し、その直線から各センサ出力を消費電力に換算したものである。またその換算値と理論値との誤差を表の右側に示している。最大で誤差１．３％であり、精度良く電力を計測することができている。図４７（ｂ）のグラフは横軸を消費電力（Ｗ）、縦軸をセンサ出力（Ｖ）としたものであり、線形性良く出力されていることが分かる。
【０１６６】
【表２】
2013114865.tif 000004
【０１６７】
【表３】
2013114865.tif 000005
【０１６８】
次にセンサＢの直流電力計測の結果を図４８に示す。センサＢも同様に線形性良く出力されている誤差の要因として計測時にブリッジ回路が完全に平衡に取れていないことに起因するオフセット電圧の影響、センサの動作範囲において磁気抵抗応答曲線が完全には線形にはなっていないということが考えられる。
【０１６９】
次に車載用バッテリーを２個を直列接続し、充放電の行い、その電力を磁性膜電力センサを使用し計測する。
【０１７０】
近年、環境問題を背景とし、走行中に温室効果ガスのＣＯ２を排出せず、またエンジンではなくモーターを使用することで振動が少なく、静かで快適な電気自動車（以下ＥＶ）が普及し始めている。この電気自動車には多数のリチウムイオン電池を直列に接続したものが並列に数列並べて搭載されている。
【０１７１】
リチウムイオン電池は、過充電されると、最悪の場合、発火や破裂が起こる。またリチウムイオン電池以外の他の電池でも、過充電や過放電をすることで電池の劣化を早めたりする。磁性膜電力センサの小型軽量という利点を生かし、電池１つ１つにセンサを組み込み、残存電力量をモニタリングしておくことで、こういった問題を解決することができる。図４９に充放電時の回路を示す。
【０１７２】
バッテリーＡ、Ｂは同様の製品を使用し、バッテリーＡは新品で、バッテリーＢは経年劣化によりかなり電池容量の減ったものを使用している。このような電池を使うことで充電時、放電時共にバッテリー間に電力のアンバランスが生じる。そういった電池ごとのアンバランスを含め正確に電力を測定できるかを目的とし、新しいバッテリーと劣化したバッテリーの２つを使用している。
【０１７３】
今回放電は２Ａ定電流放電を、充電は１．５Ａ定電流充電を行い、センサＡでバッテリーＡの電力を、センサＢでバッテリーＢの電力を計測している。この計測の際、先に行った直流電力計測で同一の消費電力ではセンサ出力Ａの方が大きいため、それぞれのセンサに印加する縦バイアス磁界を調節することで、同一の消費電力でほぼ同一のセンサ出力が出るように調整している。図５０に放電時の結果を図５１に充電時の結果を示す。
【０１７４】
図５０（ａ）は、バッテリーＡの放電時、図５０（ｂ）はバッテリーＢの放電時、図５０（ｃ）はバッテリーＡおよびＢを直列にした時の消費電力と時間の関係を示す。いずれのグラフも左縦軸は消費電力（Ｗ）、右縦軸はセンサ出力（Ｖ）、横軸は時間（ｍｉｎ）である。
【０１７５】
なお、図示していないが、バッテリーＡおよびバッテリーＢの電極端子には電圧計を配置させ、計測回路全体に流れる電流も測定できるようにし、バッテリーＡおよびバッテリーＢの充電電力および消費電力（放電電力）をそれぞれ個別に測定できるようにした。
【０１７６】
図５０を参照して、バッテリーＡは新しいバッテリーであるので、測定の間一定の電力を放電することができた。なお、消費電力とセンサ出力を重ねると、区別がつかないほど同じ挙動を示す。バッテリーＢは劣化したバッテリーであるので、測定の後半で電力低下が生じた。この場合も、消費電力とセンサ出力は全く同じ挙動をしているのがわかる。
【０１７７】
バッテリーＡおよびＢを直列にし、全体としてみると、バッテリーＡおよびＢの特性がそのまま加算され、バッテリーＢの放電電力が低下した部分で、全体の特性も低下した。図５１は図５０と同様のグラフであるが、充電時の特定である点だけが異なる。
【０１７８】
放電時は７０分間の放電を行い、充電時は１１０分間の充電を行っている。充電時、放電時共に電力を精度よく計測できていることが分かる。今回の計測で行ったように個々のバッテリーにセンサを搭載し、その出力をモニタリングすることで、バッテリーに異常が起きた時に、どのバッテリーに異常が発生しているか発見することができ、セキュリティーセンサとしての役割を果たすことを示した。
【０１７９】
以上のように磁気抵抗効果型薄膜電力計を使用し、車載用バッテリーの充放電電力計測を行った。これを行うに先立ち、まず使用するセンサの磁気抵抗効果特性を測定し、そのセンサを使った直流電力計測を行い、電力センサとして機能していることの確認、センサ出力の線形性、精度の確認を行った。バッテリーの充放電電力計測は新品のバッテリーと経年劣化したバッテリーの２つを使用し充放電電力の計測を行った。センサ出力が精度良く充放電電力を計測できていることが確認できた。
【０１８０】
また、上記では、バッテリーの充放電電力計測のみしか扱わなかったが薄膜電力センサは交流電力（高周波を含む）もＮ次高調波も計測することができる。このように多機能な電力センシングデバイスは従来存在しなかった。またセンサの大きさが５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさで作製することができるので、あらゆる家電製品に組み込むことも可能である。
【０１８１】
なお、図４６の回路では、直流での消費電力を測定した（図４７、図４８）が、交流についても、同様に計測できることを確認した。図５２には、周波数６０Ｈｚ、電圧２０Ｖ、電流１〜４Ａの場合の測定結果を示す。また、その時の測定値を表４に示す。
【０１８２】
【表４】
2013114865.tif 000006
【０１８３】
また、図４５のセンサをより小型にした（３ｍｍ×３ｍｍ）ものを作製し、同様の特性を得ることができた。そのセンサの磁気抵抗応答曲線を図５３に、また電力測定結果を図５４に示す。直流の場合同様線形性よく測定できているのがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
本発明の電池システムは、自動車、飛行機、船舶といった電気を使って駆動するものや、産業用、民生用を問わず、自律駆動するロボットの電源として広く利用することができる。また本発明に係る充放電測定装置は、電池を使用するシステムだけでなく、産業用、民生用を問わず、電気を使用する場所で消費電力を計測することに利用できる。
【符号の説明】
【０１８５】
１  磁性膜電力センサ
１ａ  導体膜
１ｂ  絶縁膜
１ｃ  磁性膜
３  整流回路（プリッジ回路）
４  充電器
５  切替スイッチ
２６  センサ抵抗
２７  センサ電圧計
２８  導体膜
２９  磁性膜
３０  電池システム
３０ｔ１、３０ｔ２  外部端子
３２  二次電池
３４  磁性膜電力センサ
３６  電池電圧計
４０  検査抵抗
４２  検査スイッチ
４４  接続スイッチ
４６  制御部
４６ｔ  タイマ
４８  表示部
５０  充電器
５２  負荷
Ｒ１  負荷
Ｒ２  抵抗
Ｒ３  ダミー抵抗体
Ｒｃｕ  １次導体
Ｒｍｒ  磁性膜
【図１】
2013114865.tif 000007
【図２】
2013114865.tif 000008
【図３】
2013114865.tif 000009
【図４】
2013114865.tif 000010
【図５】
2013114865.tif 000011
【図６】
2013114865.tif 000012
【図７】
2013114865.tif 000013
【図８】
2013114865.tif 000014
【図９】
2013114865.tif 000015
【図１０】
2013114865.tif 000016
【図１１】
2013114865.tif 000017
【図１２】
2013114865.tif 000018
【図１３】
2013114865.tif 000019
【図１４】
2013114865.tif 000020
【図１５】
2013114865.tif 000021
【図１６】
2013114865.tif 000022
【図１７】
2013114865.tif 000023
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年2月12日(2015.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池の端子間に検査スイッチを介して接続された検査抵抗と、
前記二次電池を充電する充電器を接続可能な一対の外部端子と、
前記二次電池の両電極間の電圧を計測する電池電圧計と、
前記二次電池と前記外部端子との間の接続線に隣接配置された磁性膜と、
前記二次電池の端子間に、前記磁性膜と直列に接続されたセンサ抵抗と、
前記磁性膜の電圧を測定するセンサ電圧計と、
前記二次電池を充電する際に、前記電池電圧計の計測結果に基づいて、前記二次電池の両電極間の電圧が充電開始電圧から充電終了電圧になるまでの充電時間を計測するタイマと、
前記検査スイッチを制御するとともに、前記タイマによる計測結果および前記センサ電圧計による測定結果に基づいて、前記二次電池の残留電力量を算出する制御部と、を有することを特徴とする電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、
前記二次電池を充電する際には、前記検査抵抗に電流が流れないよう、前記検査スイッチを制御し、
充電終了後、前記検査抵抗に電流が流れるよう、前記検査スイッチを制御し、
前記検査抵抗に流れる電流による前記センサ電圧計の計測結果を取得後、前記検査抵抗に電流が流れないよう、前記検査スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池を充電する充電器を接続可能な一対の外部端子と、
前記二次電池の両電極間の電圧を計測する電池電圧計と、
前記二次電池と前記外部端子との間の接続線に隣接配置された磁性膜と、
前記二次電池の端子間に、前記磁性膜と直列に接続されたセンサ抵抗と、
前記磁性膜の電圧を測定するセンサ電圧計と、
前記二次電池を充電する際に、前記電池電圧計および前記センサ電圧での計測結果に基づいて、前記二次電池の両電極間の電圧が充電開始電圧から充電終了電圧になるまでの間における充電電力量を算出する制御部と、を有することを特徴とする電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記二次電池を充電する際に、前記二次電池の両電極間の電圧が前記充電開始電圧から前記充電終了電圧になるまでの間における、微小時間ごとの充電電力を積算し、前記充電電力量を算出する、請求項３に記載の電池システム。
【請求項５】
前記磁性膜が隣接配置される接続線、前記磁性膜、前記センサ抵抗および前記センサ電圧計から構成される磁性膜電力センサのゲインは、前記二次電池の充電時も放電時も等しい、請求項３または４に記載の電池システム。
【請求項６】
前記磁性膜が隣接配置される接続線に流れる電流の向きは、前記磁性膜の磁化容易軸の方向と等しい、請求項１乃至５のいずれかに記載の電池システム。
【請求項７】
二次電池からの電流を、二次電池と負荷抵抗と導体膜とを直列に接続する第一接続回路と、該二次電池と充電器と該導体膜とを直列に接続する第二接続回路とを相互に切り替え可能な充放電測定装置であって、
前記導体膜に対して平行に配置され、前記二次電池から前記負荷抵抗および前記充電器ヘの接続に対して並列に接続される磁性膜を有し、該磁性膜における電圧変化を検出する電圧検出手段を有する充放電測定装置。
【国際調査報告】
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