(57)【要約】【課題】放電（通電）中もしくは直後、または、充電中もしくは直後に、放電（通電）電流に依存することなく、蓄電池の内部抵抗などの電池状態を容易に測定可能で、ノイズに強い電池評価装置および電池評価方法を提供する。【解決手段】負荷が、化学電池からの電流を流すよう設けられている。スイッチが、化学電池と負荷との間に、化学電池からの放電電流を遮断可能に接続されている。測定回路が、化学電池の電池電流および電池電圧を測定可能に設けられている。測定回路は、放電電流の遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、測定された放電電流の遮断前後の電池電圧差と放電電流との比から、化学電池の内部抵抗を測定可能に構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学電池の内部抵抗を測定する電池評価装置であって、
前記化学電池からの電流を流すよう設けられた負荷と、
前記化学電池と前記負荷との間に、前記化学電池からの放電電流を遮断可能に接続されたスイッチと、
前記化学電池の電池電流および電池電圧を測定可能に設けられた測定回路とを有し、
前記測定回路は、前記放電電流の遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、測定された前記放電電流の遮断前後の電池電圧差と前記放電電流との比から、前記化学電池の内部抵抗を測定可能に構成されていることを
特徴とする電池評価装置。
【請求項２】
二次電池の内部抵抗を測定する電池評価装置であって、
前記二次電池を充電可能に設けられた充電器と、
前記二次電池と前記充電器との間に、前記二次電池への充電電流を遮断可能に接続されたスイッチと、
前記二次電池の電池電流および電池電圧を測定可能に設けられた測定回路とを有し、
前記測定回路は、前記充電電流の遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、測定された前記充電電流の遮断前後の電池電圧差と前記充電電流との比から、前記二次電池の内部抵抗を測定可能に構成されていることを
特徴とする電池評価装置。
【請求項３】
前記測定回路は、電池電圧を測定するとき、直流を遮断し、ノイズ源となる高周波数域を除去するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電池評価装置。
【請求項４】
前記スイッチは過渡電流スイッチ回路から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池評価装置。
【請求項５】
化学電池の内部抵抗を測定して評価する電池評価方法であって、
前記化学電池に負荷を接続して電流を流し、
その放電電流を遮断したときの遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、
前記放電電流の遮断前後の電池電圧差と前記放電電流との比から、前記化学電池の内部抵抗を測定し、
測定された前記内部抵抗に基づいて前記化学電池を評価することを
特徴とする電池評価方法。
【請求項６】
二次電池の内部抵抗を測定して評価する電池評価方法であって、
前記二次電池に充電器を接続して前記二次電池を充電し、
その充電電流を遮断したときの遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、
前記充電電流の遮断前後の電池電圧差と前記充電電流との比から、前記二次電池の内部抵抗を測定し、
測定された前記内部抵抗に基づいて前記二次電池を評価することを
特徴とする電池評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池評価装置および電池評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気を蓄えて、電池として使用できる化学電池、特に、充電を行うことにより電気を蓄えて電池として使用でき、繰り返し使用することが出来る二次電池または蓄電池と呼ばれる電池の状態を評価する簡便で精確な技術が求められている。例えば、代表的な化学電池である鉛蓄電池では、電池状態は、電池内の電気２重層の影響を含めて、図１の等価回路で表されることが多い。電池の劣化判定には、起電力と内部抵抗とが重要な因子である。しかし、誤差の小さな充電状態の管理に必要な測定手法はいまだ確立されていない。
【０００３】
鉛蓄電池などの内部抵抗の測定方法には、大きく分けて、以下の３つの方法がある。
（１）コンダクタンス法は、特定の周波数でバッテリーのセル及びユニットに交流信号を流し、端子間における電流レスポンスを測定する方法である。
（２）インピーダンス法は、特定の周波数でバッテリーから電流を採り、セル及びユニットの電圧の低下を測定する方法である。1/1000〜1/2秒間放電させ、その時に測定した電圧降下からオームの法則により内部抵抗（＝インピーダンス）を算出する。ほとんどのバッテリーテスターで採用されている方式である。
（３）レジスタンス法（負荷測定法）は、セル及びユニットに負荷をかけ、電圧と電流の変化を測定する方式で、アナログ式ロードテスターなどに採用されている。
【０００４】
蓄電池の内部抵抗は低く、これらは電気二重層の影響を考慮した測定が必要であり、精度よく測るためには測定時間が長くなり、丁寧なノイズ対策が必要となる。特に、レジスタンス法では、蓄電池への負荷が問題になる場合がある。このような課題の解決を目的として、閉回路に、第１電流制御部兼逆流防止ダイオードと第２電流制御部兼逆流防止ダイオードとが、順方向及び逆方向に対をなして直列に設けられた蓄電池診断装置が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３７２６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、放電（通電）中もしくは直後、または、充電中もしくは直後に、放電（通電）電流に依存することなく、蓄電池の内部抵抗などの電池状態を容易に測定可能で、ノイズに強い電池評価装置および電池評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１の本発明に係る電池評価装置は、化学電池の内部抵抗を測定する電池評価装置であって、前記化学電池からの電流を流すよう設けられた負荷と、前記化学電池と前記負荷との間に、前記化学電池からの放電電流を遮断可能に接続されたスイッチと、前記化学電池の電池電流および電池電圧を測定可能に設けられた測定回路とを有し、前記測定回路は、前記放電電流の遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、測定された前記放電電流の遮断前後の電池電圧差と前記放電電流との比から、前記化学電池の内部抵抗を測定可能に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明に係る電池評価装置は、二次電池の内部抵抗を測定する電池評価装置であって、前記二次電池を充電可能に設けられた充電器と、前記二次電池と前記充電器との間に、前記二次電池への充電電流を遮断可能に接続されたスイッチと、前記二次電池の電池電流および電池電圧を測定可能に設けられた測定回路とを有し、前記測定回路は、前記充電電流の遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、測定された前記充電電流の遮断前後の電池電圧差と前記充電電流との比から、前記二次電池の内部抵抗を測定可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
第１および第２の本発明に係る電池評価装置で、前記測定回路は、電池電圧を測定するとき、直流を遮断し、ノイズ源となる高周波数域を除去するよう構成されていることが好ましい。また、前記スイッチは過渡電流スイッチ回路から成っていてもよい。
【００１０】
第１の本発明に係る電池評価方法は、化学電池の内部抵抗を測定して評価する電池評価方法であって、前記化学電池に負荷を接続して電流を流し、その放電電流を遮断したときの遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、前記放電電流の遮断前後の電池電圧差と前記放電電流との比から、前記化学電池の内部抵抗を測定し、測定された前記内部抵抗に基づいて前記化学電池を評価することを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明に係る電池評価方法は、二次電池の内部抵抗を測定して評価する電池評価方法であって、前記二次電池に充電器を接続して前記二次電池を充電し、その充電電流を遮断したときの遮断前後の過渡現象を電池電圧で測定し、前記充電電流の遮断前後の電池電圧差と前記充電電流との比から、前記二次電池の内部抵抗を測定し、測定された前記内部抵抗に基づいて前記二次電池を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、放電（通電）中もしくは直後、または、充電中もしくは直後に、放電（通電）電流に依存することなく、蓄電池の内部抵抗などの電池状態を容易に測定可能で、ノイズに強い電池評価装置および電池評価方法を提供することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、特殊な電源や負荷装置なしに、汎用の電流電圧測定器によって、蓄電池の内部抵抗などの電池状態の測定ができる。さらに、放電（通電）中の短時間電流遮断や、放電直後の電流電圧測定で、電池の内部抵抗が測定できる。電池起電圧と対応した内部抵抗の測定ができる。充電中の短時間電流遮断や、充電直後の電流電圧測定で、電池の内部抵抗が測定できる。電池内の電気２重層などによるイオン移動に大きな影響を受けず、ノイズに強い内部抵抗の測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】蓄電池の等価回路を示す回路図である。
【図２】電流遮断時の過渡現象向け蓄電池の等価回路を示す回路図である。
【図３】（ａ）本発明の実施の形態の電池評価装置の、電池電流遮断時の過渡現象の電流電圧測定のための測定回路の回路図、（ｂ）  （ａ）により測定された、電流遮断時の電池電流と電池電圧の測定波形を示すグラフ、（ｃ）  （ｂ）の時間軸を拡大したグラフである。
【図４】本発明の実施の形態の電池評価装置の、過渡電流スイッチ回路の回路図である。
【図５】（ａ）図３（ａ）に示す電池評価装置の、図４に示す過渡電流スイッチ回路を適用したとき、（ｂ）図４に示す過渡電流スイッチ回路を適用しないときの、電流遮断時の電池電流と電池電圧の測定波形を示すグラフである。
【図６】図３（ａ）に示す電池評価装置の、（ａ）電池電流と、交流および直流の電池電圧の測定波形、（ｂ）電流遮断時の電池電流と、交流および直流の電池電圧の測定波形を示すグラフである。
【図７】（ａ）本発明の実施の形態の電池評価装置の、充電時の過渡現象の電流電圧測定のための測定回路の回路図、（ｂ）  （ａ）により測定された、充電開始時の電池電流と電池電圧の測定波形を示すグラフ、（ｃ）  （ａ）により測定された、充電終了時の電池電流と電池電圧の測定波形を示すグラフである。
【図８】図７（ａ）に示す電池評価回路の（ａ）充電終了時の電池電流と、交流および直流の電池電圧の測定波形、（ｂ）放電終了時の電池電流と、交流および直流の電池電圧の測定波形を示すグラフである。
【図９】図３（ａ）に示す電池評価回路により、放電電流を変化させて測定した内部抵抗を示すグラフである。
【図１０】図３（ａ）に示す電池評価回路により得られた、蓄電池の放電時間と復帰電圧と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１１】図３（ａ）に示す電池評価回路により得られた、蓄電池の放電時間と電界液の比重と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１２】図７（ａ）に示す電池評価回路により得られた、蓄電池の充電時間と復帰電圧と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１３】図３（ａ）に示す電池評価回路により得られた、リチウムイオン電池での電流遮断時の電池電流と電池電圧の測定波形を示すグラフ、（ｃ）  （ｂ）の時間軸を拡大したグラフである。
【図１４】図３（ａ）に示す電池評価回路により得られた、リチウムイオン電池の放電時間に対する、放電電流・起電圧および過渡現象で測定した放電抵抗の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
［電池の電流遮断時の電池電圧の過渡現象に着目した電池の内部抵抗の測定方法］
蓄電池の等価回路は、図１のように、内部抵抗と電気２重層の等価回路で構成される。電気２重層の存在が、電池内部状態の観察を難しくしている。そこで、電流遮断時の過渡現象に着目する。充電時でも放電時でも、電流を急激に瞬断し、電気２重層コンデンサに電荷が溜まる以前の電流電圧特性の等価回路は、図２のようになる。化学電池における電気２重層は、イオンの挙動にも依存し、電流遮断に対して時間的に遅れが発生する。酸化還元反応など、電池内の電子の動きで決まる現象を中心にあらわれる過渡現象として電池電圧を観測する。
【００１７】
図３は、過渡現象の測定による内部抵抗の導出に関する説明図である。図３（ａ）に示すように、測定回路は、電池とスイッチと負荷回路とで構成され、電池（負荷）電流と接点電圧とを測定する。図３（ｂ）および（ｃ）に、電池電流と電池電圧の測定波形全体図、および、過渡現象に対応する時間軸拡大図を示す。なお、実験に用いた蓄電池は、自動車用１２Ｖ鉛蓄電池で、５時間電流率は２８Ａｈ相当品である。電池電圧測定では、直流測定と交流測定（帯域幅１０ＭＨｚ）とを示した。これらから、図２の等価回路における内部抵抗が推定できる。
【００１８】
［電池電流遮断への過渡電流スイッチ回路の適用］
電池からの電流を開閉するとき、機械的なスイッチやリレーが便利であるが、電流遮断時には、ブリッジ現象やアーク放電現象のような不安定な電流遮断現象となることが多い。それを避けるために、過渡電流スイッチ回路の適用が有利である。過渡電流スイッチ回路で電流を遮断すると、電流遮断時には、電流を遮断するスイッチの電流は遮断されるが、通電回路の電流はコンデンサの充電電流として流れ続ける。スイッチ部では、電圧変化が少ない時間で電流を遮断できる。電池電流は、コンデンサと負荷抵抗できまる時定数で穏やかに低減する。その結果、負荷や配電回路のサージ電圧の急な増大を抑止でき、機械的な開閉接点でのブリッジ現象やアーク放電を抑止できる。蓄電池の通電後の電流遮断時での過渡現象を制御できるので、安定に過渡現象としての電池電圧が測定できる。
【００１９】
図４に、過渡電流スイッチ回路（ＴＣＳ回路）の動作原理説明図を示す。図５（ａ）に示すように、過渡電流スイッチ回路によって、電池電流は、負荷抵抗と過渡電流スイッチ回路のコンデンサ容量とで決まる時定数で、安定に遮断される。なお、実験に用いた蓄電池は、自動車用１２Ｖ蓄電池で、５時間電流率は２８Ａｈ相当品である。図５（ｂ）は、過渡電流スイッチ回路を適用しないで、機械的なスイッチで放電電流を遮断したときの応答例であり、不安定な電流遮断とノイズとが顕著に現れている。適用するスイッチは、ＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチでも、サージ電圧やノイズ抑止などには同じ効果がえられる。
【００２０】
［電池電圧の過渡現象測定で、直流信号成分を遮断し、ノイズ源となる高域にフィルターを適用した交流回路での測定］
過渡現象として電池電圧を観察する場合、直流成分を取り除いて、さらにノイズ除去するために、高周波遮断フィルターを組み合わせた“交流測定”を行う。正常に充電し、正常に使用される場合、通電時と電流遮断後の電池電圧差はわずかである。交流測定として過渡現象を取り出すことによって、帯域幅に合わせた増幅器を適用できるので、Ｓ／Ｎ比を改善した測定ができる。図３と同じ条件の交流測定による過渡現象電圧測定の妥当性の説明を、図６に示す。ただし、電池が消耗した条件での放電電流遮断直後の過渡現象での直流電圧測定と交流電圧測定との比較である。同じ電圧レンジで比較が可能な条件となるのは、内部抵抗が比較的大きな場合である。直流測定は、入力抵抗１ＭΩ、交流測定は、入力抵抗１ＭΩで、帯域幅１０ＭＨｚの場合である。
【００２１】
［蓄電池の充電時の電流遮断による内部抵抗の測定］
図２は蓄電池の等価回路であり、電池と負荷、電池と充電電源とをつなぐと、電気２重層のような現象が除かれると同時に、この等価回路は可逆的であると考えることができる。充電時電流を遮断して、前後の電圧差から同じ等価回路の内部抵抗を求めることができる。図７に、充電時の充電開始時と終了時（電流遮断時）の電池電圧電流の測定回路について、具体的な実施例を示す。電流は、図３で示した放電時と逆方向である。充電電源電圧は１３Ｖに設定し、安定後電流は１．３Ａ、復帰電圧は１２．８Ｖの場合である。図８に、充電完了直後の充電電流で測定した内部抵抗の測定結果と、その直後の放電電流により測定した内部抵抗の測定結果とを比較して示した。両者はほぼ同じ値を示した。
【００２２】
［放電時の放電電流に依存しない内部抵抗の測定］
図９は、放電時の負荷抵抗を変えて測定した内部抵抗値である。負荷電流に依存しない内部抵抗測定が可能となった。これは、特殊な電子負荷装置など不要で、実際の負荷での放電電流での測定可能なことを示唆している。通常の動作状態で、負荷通電（放電状態）終了時の測定が可能である。
【００２３】
［電池起電圧および内部抵抗の両方を同時に、連続的に測定］
放電が持続すると内部抵抗は増加し、起電圧（復帰電圧）は減少する。起電圧の変化は小さいが、それに比べて内部抵抗の変化は大きく、安定な数値を示すので、蓄電池の状況の推定がより容易になる。図１０に、放電時間に対する起電圧（復帰電圧）および内部抵抗の測定例をしめす。図中の黒線は、初期内部抵抗の３倍値である。蓄電池寿命を示す値と言われることがある。
【００２４】
［電解液の比重と内部抵抗とを同時に測定]
測定時間が短いので、放電を継続しながら、途中で電解液の比重と内部抵抗とを測定できる。図１１に、その測定例を示す。比重は、バッテリー用汎用の比重計で測定した。両者は、良く対応している。比重値は、電池寿命予測に多用されてきたものである。
【００２５】
［蓄電池の充電中の内部抵抗の測定］
充電期間中に、瞬時の電流遮断で内部抵抗を測定できる。その測定例を、図１２に示す。図中には、充電前後に行った放電による内部抵抗測定値を記入してあるが、充電開始時、終了時の充電電流による測定結果と等しい。充電することにより、内部抵抗は、１６．６ｍΩ→１１ｍΩに低下した。その間、起電圧は、１２Ｖ→１２．５Ｖとわずかに上昇した。その充電期間に、電流を瞬断して内部抵抗を測定した。このような充電中の測定が可能となったので、過充電を予防できる。
【００２６】
［リチウムイオン電池などへの応用］
電流遮断時の過渡応答に着目した内部抵抗の測定は、鉛蓄電池のみならず、その他の電池に適用できる。図１３に、リチウムイオン２次電池での測定例を示す。起電圧３８Ｖの電池に５Ωの負荷をつないだときの放電である。測定回路は、図３（ａ）と同じである。鉛電池と同様に、内部抵抗が測定できる。同様な手法で、乾電池でも放電時の測定をおこなえる。図１４は、リチウムイオン電池の放電時間に対する、放電電流・起電圧および過渡現象で測定した放電抵抗の変化である。
【００２７】
［デジタル技術との組み合わせ］
電流電圧の測定では、汎用のシンクロスコープ型測定で波形観察した。実用的には、専用の電流電圧測定回路とデジタルメモリーとを組み合わせ、必要な時間のデンジタル信号を取り出し比較する。マイコン技術が容易に適用できる技術分野である。
【００２８】
本発明の実施の形態の電池評価装置および電池評価方法によれば、以下も実現可能である。
（１）放電時の残留電力の推定。
たとえば、図１０のように、電池の初期内部抵抗と消費電力との関係をあらかじめ測定して起き、その後、内部抵抗変化を測定すれば、残存の使用可能電力の推定ができる。また、内部抵抗の絶対値や変化の傾きや、比重計の測定結果と内部抵抗との対応によっても、残留電力や充電の必要時期を予測できる。
【００２９】
（２）充電時の内部抵抗の測定による過充電の防止
充電時の回路を短時間遮断するという簡易な手法で、電池の内部抵抗が測定できる。
【００３０】
（３）不可逆的な抵抗増加の検出
内部抵抗には、充電によって復帰できる可逆的な抵抗分のほかに、硫酸化鉛の結晶化や電極の消耗・破損などによる部分も含まれる。このような、故障や機能低下の予測・判断の根拠となりうる。すなわち、廃棄時期の推定データを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る電池評価装置および電池評価方法は、蓄電池の利用において、使用可能な残留電力の推定を可能にするシステムを構築することができる。また、蓄電池の充電において、過電流による電池劣化を避けることができる充電システムを構築することができる。また、蓄電池の充電によっても回復しない劣化を定量的に評価し、不要な廃却を減らことができる。
【符号の説明】
【００３２】
Ｖ０  電池の起電力
Ｒｓ  内部抵抗
Ｒｌ  負荷抵抗  
Ｃｂ  電気２重層の等価容量。
Ｒｒ  電気２重層に付随する等価抵抗
Ｄ１，Ｄ２  ＴＣＳ回路ダイオード
Ｒ２  ＴＣＳ回路コンデンサ放電抵抗
Ｃ    ＴＣＳ回路コンデンサ
ＳＷ１  ＴＣＳ回路電流スイッチ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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