(57)【要約】      （修正有）【課題】正極・負極での反応による物質変換（化学反応論）、ギプスエネルギーの変化（熱力学論）、正極・負極での化学反応と電子とのインターフェイス（電気化学理論）の３分野の学理の統合によって二次電池の充電動作を把握するとともに、この３分野の学理に基づき、二次電池の特性を勘案しながら、二次電池に固有の物性値を用いて、蓄電残量情報を正確に測定するように構成した二次電池の蓄電残量チェック装置を提供する。【解決手段】二次電池１に印加電圧を供給する印加電圧供給部６と、二次電池１にチェック電圧を印加したときに、二次電池１に通電される電流値を検出する電流検出部３と、検出した電流値から二次電池１の蓄電残量情報を導出する換算手段と、該蓄電残量情報を表示する表示部７と、を備えた蓄電残量チェック装置１０とする。【選択図】  図１
2004361221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池に印加電圧を供給する印加電圧供給手段と、
二次電池にチェック電圧を印加したときに、二次電池に通電される電流値を検出する電流検出手段と、
検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出する換算手段と、
該蓄電残量情報を報知する報知手段と、
を備えたことを特徴とする二次電池の蓄電残量チェック装置。
【請求項２】
前記チェック電圧は、満充電平衡電位であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の蓄電残量チェック装置。
【請求項３】
二次電池にチェック電圧を印加して、該二次電池に通電される電流値を検出し、この検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出して、該蓄電残量情報を報知することを特徴とする二次電池の蓄電残量チェック方法。
【請求項４】
前記チェック電圧は、満充電平衡電位であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池の蓄電残量チェック方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池等の二次電池の蓄電残量情報をチェックするための二次電池の蓄電残量チェック装置及び蓄電残量チェック方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルムービー、ノートパソコン等の電子機、携帯電話等の通信機器、電動工具、掃除機といった動力機器等の電源に、二次電池を使用するケースが著しく増加してきている。二次電池の需要が増える一方で、消費者からは二次電池の蓄電残量を表示するようにとの要望もあり、これら動力機器等の電源として使用する二次電池の正確な蓄電残量を算出する必要が出てきている。
【０００３】
従来、この種の二次電池の蓄電残量を算出する装置としては、実負荷を有する電気機器内の記憶手段に、電池パック内の二次電池の温度の変動に対する電圧の補正値を記憶するようになっている。そして、電池パック内のサーミスタ及び電気機器内のプルアップ抵抗により分圧された電圧を、Ａ／Ｄコンバータにより読み取り、読み取った電圧に対する記憶手段に記憶されている温度に基づく補正値をもとに、Ａ／Ｄコンバータにより読み取った電池パック内の二次電池の電圧を演算手段により補正している。補正された二次電池の電圧をもとに、蓄電残量の算出を行い、温度の変動による影響を受けない蓄電残量の算出を行っている。
【０００４】
この二次電池の電圧の正確な残量を算出する場合、温度による影響もあるが、二次電池のサイクル経過に伴い、二次電池の内部構造が劣化する結果、その電池電圧の変動による影響も考慮する必要がある。
【０００５】
そこで、その後、温度による影響とともに、二次電池のサイクル経過に伴う電池電圧の変動による影響をも考慮して、正確な二次電池の蓄電残量を算出できるようにした蓄電残量算出装置が発明されている（特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に開示されている発明は、二次電池内の温度を検出する温度検出手段の他に、二次電池の内部抵抗を検出する定電流負荷を有して、二次電池の温度及び内部抵抗を用いて、二次電池の電池電圧を補正するようにして、二次電池の温度とともに、二次電池のサイクル経過による電池電圧の変動を考慮した残量を算出するようにしている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１０２１４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術のように経験則に基づくものではなく、正極・負極での反応による物質変換（化学反応論）、ギプスエネルギーの変化（熱力学論）、正極・負極での化学反応と電子とのインターフェイス（電気化学理論）の３分野の学理の統合によって二次電池の充電動作を把握するとともに、この３分野の学理に基づき、二次電池の特性を勘案しながら、二次電池に固有の物性値を用いて、蓄電残量情報を正確に測定するように構成した二次電池の蓄電残量チェック装置及び蓄電残量チェック方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
次に、この課題を解決するための手段を説明する。
まず、請求項１に記載のように、二次電池に印加電圧を供給する印加電圧供給手段と、二次電池にチェック電圧を印加したときに、二次電池に通電される電流値を検出する電流検出手段と、検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出する換算手段と、該蓄電残量情報を報知する報知手段と、を備えた二次電池の蓄電残量チェック装置とする。
【００１０】
そして、請求項２に記載のように、請求項１に記載のチェック電圧は、満充電平衡電位とする。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、二次電池にチェック電圧を印加して、該二次電池に通電される電流値を検出し、この検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出して、該蓄電残量情報を報知するようにした二次電池の蓄電残量チェック方法とする。
【００１２】
また、請求項４に記載のように、請求項３に記載のチェック電圧は、満充電平衡電位とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る二次電池１の蓄電残量チェック装置１０の構成を示すブロック図、図２は二次電池１の満充電平衡電位を測定するための回路図、図３は二次電池１の充電状態ごとの電流−電圧特性を示すグラフ、図４は本発明に係る二次電池１の蓄電残量チェック装置１０の制御を示すフローチャートである。
【００１４】
まず、二次電池１の蓄電残量チェック装置１０について説明する。
図１は本発明に係る二次電池１の蓄電残量チェック装置１０の構成を示すブロック図であり、符号１は二次電池、符号２は電源部であり、該電源部２は商用交流電気を直流に変換する変圧、整流回路を含んでいる。符号３は二次電池１に通電される電流値を検出するための電流検出部であり、図４は蓄電残量チェック装置１０を制御するプログラム・演算制御部であり、この制御手段であるプログラム・演算制御部４には、二次電池１にチェック電圧である満充電平衡電位Ｅｅｑを印加したときに、二次電池１に通電される電流値から、二次電池１の蓄電残量を導出する換算手段としての換算プログラムが組み込まれている。
符号６はスタート指示により印加電圧（満充電平衡電位Ｅｅｑ）を二次電池１に供給する印加電圧供給部であり、符号７は、二次電池１の蓄電残量を表示するための表示部であり、符号８はユーザがスタート操作等を行うための操作部である。
【００１５】
なお、本実施の形態では、報知手段の一例として表示部７により視覚を通じてユーザに充電中又は充電完了等を報知するように構成しているが、音声等により報知するように構成してもよく、報知手段の構成は特に限定はしないものとする。
【００１６】
ここで言う、二次電池１とは、充放電を繰り返し行うことができる電池をいい、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄え、また逆に蓄えた化学エネルギーを電気エネルギーに変換して利用される。
二次電池１のうちで実用的に使用されている代表的なものとしては、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、リチウムイオン電池、ＮＡＳ電池等が挙げられる。
以下、各実施形態に使用するニッケル−カドミウム電池について説明する。
【００１７】
ニッケル−カドミウム電池はオキシ水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＯＨ））を用いる正極と、カドミウム（Ｃｄ）を用いる負極とを、合成樹脂製のセパレータで隔離して、アルカリ電解液とともに密閉式の電池容器に収納した蓄電池である。電解質は導電率の高い水酸化カリウムを主成分とする水溶液であり、正極の特性を向上させるため、必要に応じて水酸化リチウムや水酸化ナトリウム等が添加される。
このニッケル−カドミウム電池の起電反応式であるが、正極の反応は、次の一般式（化学反応式（１））で表される。
【００１８】
【化１】
2004361221.tif 000003
【００１９】
また、負極の反応は、次の一般式（化学反応式）で表される。
【００２０】
【化２】
2004361221.tif 000004
【００２１】
放電において前記正極の反応では、オキシ水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＯＨ））と水（Ｈ２Ｏ）、および正極からの電子（ｅ−）が反応して、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）が生成し、一方、負極の反応では、カドミウム（Ｃｄ）が、正極で生成されセパレータを透過した水酸化イオン（ＯＨ−）と反応して、水酸化カドミウム（Ｃｄ（ＯＨ）２）と電子（ｅ−）を生成し、この電子（ｅ−）は外部負荷を通過して正極へ供給される。
【００２２】
前記サイクルで電子（ｅ−）が外部負荷を通過する過程で仕事として利用される。従って、このサイクルが上手く回るということは、正極に水（Ｈ２Ｏ）が豊富にあり、生成物である水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）の濃度が低く、負極では水酸化カドミウム（Ｃｄ（ＯＨ）２）の濃度が低いことである。これを数式で表現すると次式（数式（１））となる。
【００２３】
【数１】
2004361221.tif 000005
【００２４】
ここで、Ｅ０は標準起電力であり、正極、負極を構成する物質によって決まる定数で、それらの量には依存しない。ニッケル−カドミウム電池の場合、この標準起電力Ｅ０は約１．２〔Ｖ（ボルト）〕である。また、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー数である。
【００２５】
前記数式（１）が示すように、正極では水（Ｈ２Ｏ）の濃度Ｃａｑが高く、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）の濃度ＣＮが低いほど、起電力Ｅｅｍｆは大きくなり、負極では水酸化カドミウム（Ｃｄ（ＯＨ）２）の濃度ＣＣが低いほど、起電力Ｅｅｍｆは大きくなる。起電力Ｅｅｍｆが大きいことは、蓄電量が大きいことである。
【００２６】
ところで、二次電池１の充電状態を的確に知るには、図２に示す回路を形成すればよい。すなわち、二次電池１に可変電源１１を接続し、この可変電源１１の電位を、二次電池１の起電力Ｅと平衡する電位に調整する。すなわち、電流検出部３による検出電流が±０〔ｍＡ（ミリアンペア）〕となるように可変電源１１を調整し、これにより二次電池１の起電力Ｅｅｍｆを間接的に測定する。この二次電池１の起電力Ｅｅｍｆは、後述する満充電平衡電位Ｅｅｑに略等しくなり、こうして、二次電池１の満充電状態での起電力Ｅｅｍｆを、各種類、又は各機種ごとに測定して、そのデータを前記プログラム・演算制御部４の記憶手段（メモリ）に入力しておく。
なお、この満充電平衡電位Ｅｅｑは、ニッケル−カドミウム二次電池、ニッケル−水素金属二次電池等の二次電池の種類や蓄電容量、型番等によって決まる固有の値であり、例えば、蓄電容量が１０００〔ｍＡｈ（ミリ・アンペア・アワー）〕のニッケル−カドミウム二次電池の満充電平衡電位は約１．４１〔Ｖ〕、蓄電容量が２２００〔ｍＡｈ〕のニッケル−水素金属二次電池の満充電平衡電位は約１．４５〔Ｖ〕となり、略どの二次電池１でも種類や蓄電容量に関わらず満充電平衡電位は約１．４〔Ｖ〕となる。
【００２７】
次に、図３を参照しながら二次電池１の充電電圧と充電電流との特性について説明する。
図３におけるグラフの横軸には電池端子電圧を、また縦軸には充電電流をとっており、充電率が異なる各二次電池１の電圧一電流特性をそれぞれ示している。
【００２８】
図３における破線で示す曲線は、二次電池１の充電率が略０％の状態（電池がなくなった状態）を示しており、この場合は標準電圧Ｅ０（公称電圧）より低い電圧Ｅαを印加しても充電電流が流れ出す。また、印加電圧を開放電圧Ｅαから上昇させていくにつれて、略それに比例して二次電池１に流れる充電電流も増大するが、所定の電圧（電圧一電流曲線における変曲点）を過ぎると、印加電圧に対する充電電流の増加率（ΔＩ／ΔＥ）は減少し、やがて、印加電圧を上昇させても充電電流は殆ど上昇しなくなり、充電電流は電流ピーク値Ｉｓｏに到達する。
【００２９】
この（印加電圧に対する充電電流の増加率（ΔＩ／ΔＥ）が０となったとき）の電流ピーク値Ｉｓｏに対応する印加電圧値はＥｓとなり、この所定の充電印加電圧値Ｅｓは二次電池１の種類や二次電池１の劣化状態などによって決まる二次電池１に固有の電圧値となる。この後、さらに印加電圧を上昇させても、充電電流はしばらくはＩｓｏのままで上昇はしないが、二次電池１の内部で負性抵抗特性が現れて、急激な温度上昇を来たすようになり、やがて、充電電流は印加電圧の上昇に伴って、再び上昇し始める。
【００３０】
この充電率が略０％の二次電池１に印加する印加電圧が前記所定の充電印加電圧値Ｅｓを越えると、該二次電池１は、内部で活物質の酸化還元反応がさらに進んで、電気分解反応を惹き起こす不可逆化学反応領域Ｄに突入する。
また、図３の一点鎖線で示す充電率が約５０％の二次電池１では、印加電圧を（０〔Ｖ〕から）上昇させていったときに二次電池１に充電電流が流れ始める開放電圧Ｅβは、充電率が略０％の二次電池１の開放電圧Ｅαよりも高くなる。この開放電圧は二次電池１の充電率が上昇するに連れて高くなり、図３の二点鎖線で示す充電率が約９０％の二次電池１の開放電圧はＥγ（Ｅγ＞Ｅβ）、図３の実線で示す充電率が略１００％の二次電池１の開放電圧はＥδ（Ｅδ＞Ｅγ）となり、そして、充電率が１００％の（満充電状態の）二次電池１の開放電圧は前記の満充電平衡電位Ｅｅｑ（Ｅｅｑ＞Ｅδ）となり、この満充電平衡電位Ｅｅｑも二次電池１の種類などによって決まる二次電池１に固有の電圧値となる。
【００３１】
ここで、図３に示す充電率が略０％の二次電池１の端子電圧を、満充電平衡電位Ｅｅｑに固定して充電すると、二次電池１に流れる充電電流は充電率が上昇するに連れてＩｅｑｏから減少していき、満充電状態では充電電流が０〔ｍＡ〕となる。
言い換えれば、満充電平衡電位Ｅｅｑで固定して充電していったときに、二次電池１に流れる充電電流が０〔ｍＡ〕となると、満充電状態と判断することができ、すなわち、二次電池１の蓄電率が１００〔％〕となる。このような特性から、満充電平衡電位Ｅｅｑで固定して充電していったときに、二次電池１に流れる電流（チェック電流）を測定することにより、二次電池１の蓄電残量情報（蓄電率など）を計量することは可能である。
【００３２】
しかしながら、満充電平衡電位Ｅｅｑで印加したときに、二次電池１に流れるチェック電流と、二次電池１の蓄電残量とは比例関係にはなく、非線形の関係にあり、また、二次電池１の種類等によっても異なる。
【００３３】
そこで、予め試験等により二次電池１の種類ごとに、満充電平衡電位Ｅｅｑで印加したときに、二次電池１に流れるチェック電流と、二次電池１の蓄電残量情報（例えば、蓄電率）との対応表（換算テーブル）を作成しておき、該換算テーブルをプログラム・演算制御部４の記憶手段（メモリ）に入力しておく。
【００３４】
例えば、蓄電容量が２２００〔ｍＡｈ〕のニッケル−水素金属二次電池の満充電平衡電位Ｅｅｑは１．４５〔Ｖ〕、所定の充電印加電圧値Ｅｓは１．６０〔Ｖ〕で、この満充電平衡電位Ｅｅｑで印加したときに、ニッケル−水素二金属次電池に流れる電流と、その蓄電率との関係は、表１のように表される。
【００３５】
【表１】
2004361221.tif 000006
【００３６】
なお、換算テーブルに基づき近似式を求め、該近似式を用いて、満充電平衡電位Ｅｅｑで印加したときに、二次電池１に流れる電流値から、二次電池１の蓄電残量情報を導出するように構成してもよい。
【００３７】
以上のように蓄電残量チェック装置１０は構成されており、次に、図４を参照しながら、二次電池１の蓄電残量のチェックについて説明する。
【００３８】
まず、ユーザが蓄電残量をチェックする二次電池１の種類を操作部７からプログラム・演算制御部４に入力すると、該プログラム・演算制御部４中の記憶手段（メモリ）に予め記憶設定されたテーブルの中から、この二次電池１の種類に相当する満充電平衡電位Ｅｅｑが選択される（ステップＳ１）。
次に、ユーザは操作部８を操作して蓄電残量チェック操作を行うと（ステップＳ２）、二次電池１に満充電平衡電位Ｅｅｑが所定時間継続して印加される（ステップＳ３）。
【００３９】
この満充電平衡電位Ｅｅｑが所定時間印加されている間に、このとき二次電池１に流れている電流値（満充電平衡電位Ｅｅｑにおける電流値）を電流検出部３で検出する（ステップＳ４）。
そして、プログラム・演算制御部４により、換算テーブルを参照しながら、この検出された電流値から二次電池１の蓄電率を導出し（ステップＳ５）、該蓄電率を表示部７に表示する（ステップＳ６）。
【００４０】
なお、蓄電率等の蓄電残量情報は数値データに限らず、グラフ等で表示してもよい。
以上のような構成で、二次電池１にチェック電圧である満充電平衡電位Ｅｅｑを印加して、該二次電池１に通電される電流値を検出し、この検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出して、該蓄電残量情報を報知するように構成したことで、精度良く二次電池１の蓄電残量情報を計量することができ、信頼性が向上する。殊に、チェック電圧を、満充電平衡電位Ｅｅｑとしたことで、満充電状態では二次電池１に流れる電流が０〔ｍＡ〕となって、充電率が１００％であるときの判定がし易く、二次電池１の蓄電残量情報をより一層精度良く計量することができて、信頼性が向上する。
【００４１】
なお、二次電池１に印加するチェック電圧を、二次電池１の種類に関わらず、例えば、一律に１．４０〔Ｖ〕としておき、ある種類の二次電池１では満充電平衡電位が印加されることになるが、その以外の種類の二次電池１では該満充電平衡電位よりも低い電圧値が印加されるようにしておいてもよい。
この場合、二次電池１の種類ごとに、１．４０〔Ｖ〕の電圧で印加したときに、その二次電池１に流れる電流と、そのときの蓄電残量情報との対応表（換算テーブル）若しくは該換算テーブルから導出される換算式を作成しておき、プログラム・演算制御部４の記憶手段（メモリ）に入力しておく。
【００４２】
以上のように蓄電残量チェック装置１０は構成されており、この蓄電残量チェック装置１０は二次電池１の充電装置などにも付設することができる。
【００４３】
【発明の効果】
次に、本発明の効果について言及する。
まず、請求項１に記載の発明では、二次電池にチェック電圧を印加して、該二次電池に通電される電流値を検出し、この検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出して、該蓄電残量情報を報知するように構成したことにより、精度良く二次電池の蓄電残量情報を計量することができ、信頼性が向上する。
【００４４】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のチェック電圧を、満充電平衡電位としたことで、満充電状態では二次電池に流れる電流が０〔ｍＡ〕となって、特に、充電率が１００％であるときの判定がし易く、二次電池の蓄電残量情報をより一層精度良く計量することができて、信頼性が向上する。
【００４５】
そして、請求項３に記載の発明では、二次電池にチェック電圧を印加して、該二次電池に通電される電流値を検出し、この検出した電流値から二次電池の蓄電残量情報を導出して、該蓄電残量情報を報知することにより、精度良く二次電池の蓄電残量情報を計量することができ、信頼性が向上する。
【００４６】
また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のチェック電圧を、満充電平衡電位としたことで、満充電状態では二次電池に流れる電流が０〔ｍＡ〕となって、特に、充電率が１００％であるときの判定がし易く、二次電池の蓄電残量情報をより一層精度良く計量することができて、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二次電池１の蓄電残量チェック装置１０の構成を示すブロック図。
【図２】二次電池１の満充電平衡電位を測定するための回路図。
【図３】二次電池１の充電状態ごとの電流−電圧特性を示すグラフ。
【図４】本発明に係る二次電池１の蓄電残量チェック装置１０の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  二次電池
２  電源部
３  電流検出部
４  プログラム・演算制御部
６  印加電圧供給部
７  表示部
８  操作部
１０  蓄電残量チェック装置
【図１】
2004361221.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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