(57)【要約】【課題】二次電池の劣化状態を判定する劣化判定装置を提供することを目的とする。【解決手段】対象となる二次電池の過放電を検出する過放電検出手段と、前記過放電検出手段によって検出された前記二次電池の過放電時間を積算する演算部とからなり、前記過放電時間の積算量から前記二次電池の劣化状態を判定することで、メンテナンスによる不都合を生じさせること無く、正確に二次電池の劣化を判定することが可能な劣化判定装置を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象となる二次電池の過放電を検出する過放電検出手段と、前記過放電検出手段によって検出された前記二次電池の過放電時間を積算する演算部とからなり、前記過放電時間の積算量から前記二次電池の劣化状態を判定する二次電池の劣化判定装置。
【請求項２】
対象となる二次電池の過放電を検出する過放電検出手段と、前記二次電池に流れる電流値を計測する電流計測手段と、前記過放電検出手段によって検出された二次電池の過放電時間とその間の前記二次電池に流れる電流値から前記二次電池の過放電電気量を積算する演算部とからなり、前記過放電電気量から前記二次電池の劣化状態を判定する二次電池の劣化判定装置。
【請求項３】
過放電検出手段が複数の判定レベルを有し、それぞれの判定レベルで判定された過放電時間を異なる係数で積算して劣化判定を行う請求項１記載の劣化判定装置。
【請求項４】
過放電検出手段が複数の判定レベルを有し、それぞれの判定レベルで判定された過放電電気量を異なる係数で積算して劣化判定を行う請求項２記載の劣化判定装置。
【請求項５】
二次電池と、
前記二次電池の過放電を検出する過放電検出手段と、前記過放電検出手段によって検出された前記二次電池の過放電時間を積算する演算部とからなり、前記過放電時間の積算量から前記二次電池の劣化状態を判定する二次電池の劣化判定手段と、
を備えたバックアップ電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の劣化判定装置及びそれを用いたバックアップ電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、モバイル機器の電源やバックアップ用の電源として広く普及している。しかしながら二次電池は、充放電の繰り返しや高温での使用、過充電や過放電によって劣化する。このように二次電池が劣化した場合には、使用できる時間が短くなったり、必要なバックアップができなくなったりするなどの不具合が発生するので、二次電池の劣化を判定することが重要である。
【０００３】
二次電池の劣化判定方法としては、例えば放電時の電流値に対して電圧の降下量を計測し、二次電池の内部抵抗を算出して劣化状態を判定する方法（特許文献１参照）などが提案されている。
【特許文献１】特開２００３−２４３０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バックアップ用の電源などの場合は、特許文献１のように放電が始まった時点で劣化が判定されたのでは、その時点で十分な放電容量が得られないのであり、バックアップ時間の不足などの不具合が発生することを回避できない。従って、定期的に劣化判定のための放電を実施するなどの手段が必要であり、そのメンテナンスの間はバックアップ機能を停止させる必要があるなどの不都合が生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する為の手段として、本発明は、対象となる二次電池の過放電を検出する過放電検出手段と、前記過放電検出手段によって検出された前記二次電池の過放電時間を積算する演算部とからなり、前記過放電時間の積算量から前記二次電池の劣化状態を判定するものである。
【０００６】
本発明の二次電池劣化判定装置を用いることによって、定期的に劣化判定のための放電を実施する必要がなくなるため、そのメンテナンスの間は電池を用いたバックアップ電源システムの機能を停止させる必要があるといった不都合を回避することができる。
【０００７】
また、本発明は上記課題を解決するために、二次電池の過放電を検出する過放電検出手段に加えて電池に流れる電流値を計測する電流計測手段を有し、前記過放電検出手段によって検出された二次電池の過放電時間とその間の二次電池に流れる電流値から二次電池の過放電電気量を計算して積算する演算部からなり、前記過放電電気量から二次電池の劣化状態を判定するものである。さらに、過放電検出手段が複数の判定レベルを有し、それぞれの判定レベルで判定された過放電時間、過放電積算電気量を異なる係数で積算して劣化判定を行う劣化判定装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バックアップ機能を停止させて二次電池を放電し劣化を判定するなどのメンテナンスによる不都合を生じさせること無く、正確に二次電池の劣化を判定することが可能であり、実際のバックアップ使用時に二次電池が劣化していて十分なバックアップ時間が得られないような事態を事前に回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、二次電池の劣化状態を二次電池の過放電時間の積算量から判定することで、（バックアップ機能を停止させて二次電池を放電し劣化を判定するなどのメンテナンスによる不都合を生じさせること無く、正確に二次電池の劣化を判定することが可能であり、実際のバックアップ使用時に二次電池が劣化していて十分なバックアップ時間が得られないような事態を事前に回避することが可能）となることを見出したものである。
【００１０】
以下、本発明の劣化判定の原理について説明する。
【００１１】
一般に二次電池の劣化は、過充電による電解液の電気分解による減少や活物質の不働態化によるものと、過放電による電解液の電気分解による減少や活物質の不働態化、失活化によるものが主な要因である場合が多い。この内、過充電による劣化については、通常、正極容量と負極容量のバランス設計の適正化などにより多少の過充電に対しては耐性を持つように設計されているので、急激な劣化を引き起こすことは少ない。一方、過放電による劣化については、過放電時に正極と負極の電位関係が逆転するなど、通常状態とは全く異なる電気化学反応を引き起こすため、劣化の程度は過充電に比べて非常に大きい。
【００１２】
ところで、バックアップ用の電源に用いられる二次電池は、近年情報化の発展に伴い大型化、高電圧化する傾向にある。特に、消費電力が大きくなる場合には、電流を増加させた際には回路や素子のジュール発熱が課題となることから、高電圧化により対応するのが一般的である。この場合、二次電池のセル電圧は電気化学的に決まっていることから、セル直列数が増加することになる。しかしながらセルを直列に接続すると、全ての直列内のセルに流れる電流が一定となり、セル間の容量差により、放電末期に過放電に至るセルが発生してしまう。従って、過放電検出手段により過放電を回避する必要があるが、１セルの過放電で放電を停止させてしまうのは、他のセルに容量が残っていて十分にバックアップする能力がある場合には、電源全体としての能力を制限してしまうので問題がある。そこで、本発明は、バックアップが必要な際には電源全体としての能力をできるだけ発揮させながら、過放電による二次電池の劣化を正確に把握して必要な電池のメンテナンスを適切な時期に実施できるように劣化判定を行えるようにしたものである。
【００１３】
図３は二次電池を過放電させながら耐久試験を実施した場合と過放電をさせずに耐久試験を実施した場合の比較を行ったものである。耐久試験に用いた電池は、３０００ｍＡｈの円筒形ニッケル水素蓄電池である。この電池を２０℃環境下で３Ａ充電を電池電圧がピーク値から１０ｍＶ低下するまで満充電を行い、１０Ａで０Ｖまで放電した。過放電をさせないものはここで放電を停止した。過放電をさせるものについては、その後さらに１０Ａでそれぞれ２０秒間の過放電を実施したものと４０秒間の過放電を実施したものの２種類の試験を行った。過放電をさせなかったセルについては、１００サイクル後でも初期の９８％以上の容量を有しており、ほとんど劣化が進んでいなかった。一方、毎放電サイクルごとに１０Ａ、２０秒の過放電をさせたセルについては、３６サイクル目で初期の９５％、６８サイクル目で初期の９０％に放電容量が低下した。また、毎放電サイクルごとに１０Ａ、４０秒の過放電をさせたセルについては、２０サイクル目で初期の９５％、３６サイクル目で初期の９０％まで放電容量が低下した。この結果から、電池の過放電が容量劣化を急激に促進していることが明らかである。また、１０Ａ、２０秒間の過放電のものに対して１０Ａ、４０秒間の過放電のものがほぼ２倍の速度で劣化していたことから、過放電の量と劣化の間に非常に良い相関が見られることも明らかである。
【００１４】
このように過放電量と電池の劣化に非常に良い相関が見られることから、二次電池の過放電を検知して負荷電流がほぼ想定されるような場合にはその時間を積算することで二次電池の劣化を正確に把握することが可能となる。また、負荷電流の変動が大きく、電流値の想定が難しいような場合には過放電時の電流と時間から求められる放電電気量を積算す
ることで二次電池の劣化を正確に把握することができる。さらに、電池の種類によっては、過放電のレベルが段階的に変化し、それぞれの段階での劣化促進要因が異なるものもある。このような場合には、過放電の検出手段に複数の判定レベルを設け、それぞれの判定レベルで判定された過放電時間、過放電積算電気量を異なる係数で積算することで、二次電池の正確な劣化判定を行うことができるのは明白である。
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるシステムの概略構成図である。
【００１７】
図１のシステムは、電池モジュール１と電流計測手段４とＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５を含む。電池モジュール１は電流計測手段４と直列に接続され、さらには負荷へ接続される。電池モジュール１は少なくとも一つ以上の二次電池２が直列に接続されて構成される。二次電池２の電圧はＥＣＵ５内部の過放電検出手段３の入力に接続される。電流計測手段４はＥＣＵ５内部の過放電電気量積算演算部７に接続される。ＥＣＵ５内部にはさらにメモリー８とＣＰＵ９が含まれる。ＣＰＵ９はＥＣＵ５の内部でメモリー８、過放電検出手段３、過放電電気量積算演算部７、過放電時間積算演算部６と接続されてデータの送受信や各部の制御を行う。過放電検出手段３は、二次電池２の電圧を測定し、その電圧値のデータをＣＰＵへ送る。ＣＰＵは送られた電圧値データに基づいて過放電レベルの判定を行う。電流計測手段４は、電池モジュール１の放電電流あるいは充電電流を測定し、過放電電気量積算演算部７へ充放電電流値のデータを送る。電池モジュール１から負荷へ放電されると、二次電池２の電圧は下がり、ついにはあらかじめ設定された過放電電圧値Ｖ１よりも電圧が下回る。すると過放電検出手段３が過放電状態を検出し、ＣＰＵ９へ通知する。ＣＰＵ９は過放電時間積算演算部６へ過放電状態の継続時間を積算させる。すなわち、二次電池２の電圧が過放電電圧値Ｖ１よりも下回っている時間を計測し、その積算時間をＴ１とすると、積算時間Ｔ１に比例した値であるＡＴ１を二次電池の劣化判定に使用する。ここでＡは二次電池の電圧がＶ１以下の時の劣化度を決める係数である。
【００１８】
図３に電池容量と過放電時間の関係を示す。この結果からわかるように電池容量はサイクル数、すなわち過放電時間と直線関係にあるので、積算値ＡＴ１があらかじめ定められた値Ｚ１を超えると、電池が劣化したと判定することができる。積算値ＡＴ１はＣＰＵ９へ送られ、メモリー４に記憶されているＺ１と比較をして電池が劣化したかどうかを判定する。電池が充電されて電圧がＶ１を上回って過放電状態から抜けると、ＣＰＵは過放電時間積算演算部６の積算を停止させ、積算値をメモリー８へ記憶させる。
【００１９】
（実施の形態２）
二次電池２の過放電のレベルは電圧によって複数のレベルが存在する。図２は過放電の複数の判定レベルと二次電池の電圧の状態を表す図である。図２においては２つの過放電レベルを示す。電池が放電されるとまず電池の正極が過放電となる。図２のＸがその状態である。この状態からさらに放電されて二次電池電圧が低下すると、正負極とも過放電となる領域へ移る（図２のＹ）。Ｘの領域を電池電圧Ｖ１以下かつ電圧Ｖ２以上、Ｙの状態をＶ２未満とする。それぞれの状態では電池の劣化に与える影響の度合いが異なる。したがって、劣化度を決める係数は複数持ち、かつ、それぞれの過放電状態の継続時間を計測することが望ましい。すなわち、電池電圧がＶ１以下かつＶ２以上の積算時間をＴ１、電池電圧がＶ２未満の積算時間をＴ２とすると、各々の過放電レベルでの積算値の和であるＡＴ１＋ＢＴ２があらかじめ定められた値Ｚ２を超えると、電池が劣化したと判定することができる。ここでＡ、Ｂはそれぞれ劣化度を決める係数であり、Ａ＜Ｂとなっている。
【００２０】
なお、ここでは過放電のレベルが２つであるとして説明したが、レベル設定数はこの限りではなく、３つ以上のレベルを設定し、積算をしてもかまわない。
【００２１】
（実施の形態３）
二次電池の過放電劣化は、過放電状態での放電電流にも依存する。今、二次電池２の電圧があらかじめ定められた所定値Ｖ１以下に下がり、過放電検出手段３が二次電池２の過放電を検出すると、それをＣＰＵ９へ通知し、過放電電気量演算部７がＣＰＵ９の指示に従い、電流計測手段４から送られる電池モジュール放電電流のデータを用いて放電電気量の積算演算を開始する。放電電流が一定であれば、過放電時間Ｔ１と電流Ｉの積算値に比例したＣＩＴ１の積算値が過放電電気量の積算値であり電池の劣化度を表す値となり、この値があらかじめ定められたＺ３よりも大きくなったときに電池が劣化したと判定する。ここでＣは二次電池の電圧がＶ１以下の時の劣化度を決める係数である。
【００２２】
なお放電電流は必ずしも、一定とは限らないので電流計測手段４はあらかじめ定められた周期毎に電流を測定する。測定周期を△ｔ、過放電継続中に電流を測定した回数をＮ、ｋ回目の電流の測定値をＩ（ｋ）とし、今回の過放電を検出する前の劣化度をＺ０とすると、新たな積算値はＺ０＋Ｃ（Ｉ（１）＋Ｉ（２）＋・・・＋Ｉ（Ｎ−１）＋Ｉ（Ｎ））△ｔで表され、これがあらかじめ定められたＺ３よりも大きくなったときに電池が劣化したと判定することができる。
【００２３】
（実施の形態４）
電池の劣化は電池電圧から判断できる過放電状態、その時の放電電流、その継続時間の影響を受ける。またシステムの運転状況によっては、電池システムを構成する一部の電池が過放電状態になっても、他の電池がまだ過放電になっていないのであれば敢えてシステムの運転を停止せずに継続するのが望ましい場合がある。今、二次電池の電圧がＶ１まで下がり、さらにＶ２まで下がるまでの時間をＴ１、Ｖ２未満の時間をＴ２とし、放電電流がＩとすると、この時の劣化はＣＩＴ１＋ＤＩＴ２で表すことができ、この値があらかじめ定められた値Ｚ３よりも大きくなると電池が劣化したと判定することができる。ここでＣ、Ｄはそれぞれ劣化度を決める係数であり、Ｃ＜Ｄとなっている。
【００２４】
実施の形態３でも述べたように、放電電流は必ずしも一定とは限らない。電流の測定周期を△ｔ、２次電池電圧がＶ１からＶ２である過放電状態中に電流を測定した回数をＮ回、２次電池電圧がＶ２未満である過放電状態中に電流を測定した回数をＭ、ｋ回目の電流の測定値をＩ（ｋ）とし、今回の過放電を検出する前の劣化度をＺ０とすると、新たな積算値はＺ０＋Ｃ（Ｉ（１）＋Ｉ（２）＋・・・＋Ｉ（Ｎ−１）＋Ｉ（Ｎ））△ｔ＋Ｄ（Ｉ（１）＋Ｉ（２）＋・・・＋Ｉ（Ｍ−１）＋Ｉ（Ｍ））△ｔで表され、これがあらかじめ定められたＺ３よりも大きくなったときに２次電池が劣化したと判定することができる。
【００２５】
なお特許請求の範囲に記載した演算部は、各実施の形態において、過放電時間積算演算部６、過放電電気量積算演算部７、または過放電時間積算演算部６と過放電電気量積算演算部７とを組み合わせたものとしている。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は二次電池の劣化判定に有用であり、特にバックアップ電源に用いるとその効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態におけるシステムの概略構成図
【図２】過放電の複数の判定レベルと二次電池の電圧の状態を表す図
【図３】本発明にかかる過放電実施サイクルと過放電非実施サイクルの比較図
【符号の説明】
【００２８】
１  電池モジュール
２  二次電池
３  過放電検出手段
４  電流計測手段
５  ＥＣＵ
６  過放電時間積算演算部
７  過放電電気量積算演算部
８  メモリー
９  ＣＰＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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