(57)【要約】【課題】どのような分極条件下においても安定したインピーダンス値を測定できる蓄電池の状態判別装置及び蓄電池の状態判別方法を提供する。【解決手段】補助蓄電池３に生じた分極履歴を、３が放電状態のとき、３に交流を供給することにより消去する分極履歴消去手段と、前記分極履歴を消去した後、３に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、前記交流電圧印加手段を３に印加したとき３に流れる交流電流を測定する交流電流測定手段と、前記交流電圧印加手段の交流電圧と前記交流電流測定手段により測定された前記交流電流に基づき前記蓄電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、前記インピーダンス演算手段の演算結果により３の状態を判定する判定手段を備えたもの。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池に生じた分極履歴を消去する分極履歴消去手段と、
前記分極履歴を消去した後、前記蓄電池に交流電圧を印加するか、又は交流電流を通電する交流電圧印加手段又は交流電流通電手段と、
前記交流電圧印加手段又は交流電流通電手段を前記蓄電池に印加又は通電したとき前記蓄電池に流れる交流電流又は発生する交流電圧を測定する交流電流又は交流電圧測定手段と、
前記交流電圧印加手段又は交流電圧測定手段により測定された交流電圧と前記交流電流測定手段により測定された又は前記交流電流通電手段の交流電流に基づき前記蓄電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
予め求めておいたインピーダンスと蓄電池容量との相関関係に、前記インピーダンス演算手段の演算結果のインピーダンスを当てはめることにより前記蓄電池の状態を判定する判定手段と、を具備した蓄電池の状態判別装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記インピーダンス演算手段によりインピーダンス測定後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判定を行う請求項１記載の蓄電池の状態判別装置。
【請求項３】
蓄電池に生じた分極履歴を消去した後、前記蓄電池に印加する交流電圧又は通電する交流電流と、前記交流電圧を印加したとき前記蓄電池に流れる交流電流又は交流電流を通電したときの蓄電池電圧を測定し、前記交流電圧と前記交流電流に基づき前記蓄電池のインピーダンスを測定し、この測定結果に基づき蓄電池の状態を判別する蓄電池の状態判別方法。
【請求項４】
前記インピーダンス測定後、一定時間の放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項３記載の蓄電池の状態判別方法。
【請求項５】
所定時間充電放置された後、蓄電池に生じた分極履歴を消去する分極履歴消去手段と、
前記分極履歴を消去した後、前記蓄電池に対して直流の一定電流を流して瞬時放電サイクルを与える瞬時放電手段と、
前記瞬時放電手段が動作した後、前記瞬時放電サイクルの終了後の放置された直流電圧を測定する第１の直流電圧測定手段と、
前記第１の直流電圧測定手段が動作後前記蓄電池に対して定電流瞬時放電を行いその際の最小電圧を測定する第２の直流電圧測定手段と、
前記第１及び第２の直流電圧測定手段で測定された両者の電圧差並びに前記蓄電器に流した直流の一定電流に基づき前記蓄電池の直流抵抗を演算する演算手段と、
前記演算手段の演算結果に基づき前記蓄電池の状態を判別する判別手段と、を具備した蓄電池の状態判別装置。
【請求項６】
前記判別手段は、前記演算手段により直流抵抗を演算後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項５記載の蓄電池の状態判別装置。
【請求項７】
所定時間充電放置された後、蓄電池に生じた分極履歴を消去した状態で、前記蓄電池に対して印加する直流電圧と、前記直流電圧の印加により生ずる定電流瞬時放電時の最小電圧の差並びに前記蓄電池に流した直流の一定電流に基づき前記蓄電池の直流抵抗を測定して蓄電池の状態を判別する蓄電池の状態判別方法。
【請求項８】
前記直流抵抗測定後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項７記載の蓄電池の状態判別方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池例えば鉛蓄電池のインピーダンス又は直流抵抗を測定することにより、蓄電池の充電状態、蓄電池の劣化状態を判定する蓄電池の状態判別装置及び蓄電池の状態判別方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、蓄電池の劣化状態を短時間で簡単に検知する方法として、蓄電池の両極端子間の交流インピーダンスの測定値から推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この推定方法は、蓄電池の交流インピーダンスが劣化状態と相関関係があることを利用したものである。
【０００３】
特許文献１では、蓄電池がフロート充電など分極状態にある場合には、インピーダンス測定時に分極の影響を受けてしまうという問題があった。これは、実際には蓄電池の充電直後または、放電直後の蓄電池状態では交流電源の周波数が１ｋＨｚでも分極の影響は受けてしまうということがあった。
【０００４】
一方、蓄電池の劣化特性を調べる上で、蓄電池の容量を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献２は、明細書の段落００１８に記載の通り、一定以上の電流が流れる放電状態が一定の期間続くと安定するとし、段落００２４で、０．５Ｃ以上の電流での充電持続時間が５秒以上になったか否かを判断しているものである。従って、特許文献２は、直流状態についての分極安定化を示しているにすぎない。特許文献２と同様な考え方として、例えば、特許文献３にも記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２８１３１０号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００３−７３５３の段落００１８及び００２４
【０００８】
【特許文献３】
特開平７−２４４１３５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように蓄電池の分極履歴をより確実に回避するインピーダンス測定方法がなく、また、分極履歴を短時間により確実に回避する定電流瞬時放電による直流抵抗測定方法がなく、しかも分極履歴のある状態での充電状態（ＳＯＣ）の判定がなかった。
【００１０】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、どのような分極条件下においても安定したインピーダンス値を測定でき、また分極履歴の存在する環境下においても安定した直流抵抗の測定が可能で、この結果蓄電池の状態判別が確実となる蓄電池の状態判別装置及び蓄電池の状態判別方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、蓄電池に生じた分極履歴を消去する分極履歴消去手段と、前記分極履歴を消去した後、前記蓄電池に交流電圧を印加するか、又は交流電流を通電する交流電圧印加手段又は交流電流通電手段と、前記交流電圧印加手段又は交流電流通電手段を前記蓄電池に印加又は通電したとき前記蓄電池に流れる交流電流又は発生する交流電圧を測定する交流電流又は交流電圧測定手段と、前記交流電圧印加手段又は交流電流測定手段により測定された交流電圧と前記交流電流測定手段により測定された又は前記交流電流通電手段の交流電流に基づき前記蓄電池のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、予め求めておいたインピーダンスと蓄電池容量との相関関係に、前記インピーダンス演算手段の演算結果のインピーダンスを当てはめることにより前記蓄電池の状態を判定する判定手段とを具備した蓄電池の状態判別装置である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記判定手段は、前記インピーダンス演算手段によりインピーダンス測定後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判定を行う請求項１記載の蓄電池の状態判別装置である。
【００１３】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、蓄電池に生じた分極履歴を消去した後、前記蓄電池に印加する交流電圧と、前記交流電圧を印加したとき前記蓄電池に流れる交流電流を測定し、前記交流電圧と前記交流電流に基づき前記蓄電池のインピーダンスを測定し、この測定結果に基づき蓄電池の状態を判別する蓄電池の状態判別方法である。
【００１４】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記インピーダンス測定後、一定時間の放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項３記載の蓄電池の状態判別方法である。
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、所定時間充電放置された後、蓄電池に生じた分極履歴を消去する分極履歴消去手段と、前記分極履歴を消去した後、前記蓄電池に対して直流の一定電流を流して瞬時放電サイクルを与える瞬時放電手段と、前記瞬時放電手段が動作した後、前記瞬時放電サイクルの終了後の放置された直流電圧を測定する第１の直流電圧測定手段と、前記第１の直流電圧測定手段が動作後前記蓄電池に対して定電流瞬時放電を行いその際の最小電圧を測定する第２の直流電圧測定手段と、前記第１及び第２の直流電圧測定手段で測定された両者の電圧差並びに前記蓄電器に流した直流の一定電流に基づき前記蓄電池の直流抵抗を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づき前記蓄電池の状態を判別する判別手段とを具備した蓄電池の状態判別装置である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記判別手段は、前記演算手段により直流抵抗を演算後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項５記載の蓄電池の状態判別装置である。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、所定時間充電放置された後、蓄電池に生じた分極履歴を消去した状態で、前記蓄電池に対して印加する直流電圧と、前記直流電圧の印加により生ずる定電流瞬時放電時の最小電圧の差並びに前記蓄電池に流した直流の一定電流に基づき前記蓄電池の直流抵抗を測定して蓄電池の状態を判別する蓄電池の状態判別方法である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記直流抵抗測定後、一定時間放置時間を設け、この間の過渡電圧が前記蓄電池の充電状態に依存することを利用して前記蓄電池の充電状態の判別を行う請求項７記載の蓄電池の状態判別方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明するが、始めに本発明の蓄電池状態判定装置又は蓄電池状態判定方法が適用される対象、例えば自動車用補助蓄電池の概要について図１を参照して説明する。図１において、オルタネーター１は、メイン蓄電池本体２ａと制御回路２ｂからなるメイン蓄電池２及び補助蓄電池本体３ａと制御回路３ｂからなる予備の蓄電池である補助蓄電池３の両方に接続され、通常例えばメイン蓄電池２が正常のときはメイン蓄電池２が切替回路４を介して負荷５であるランプやステレオ更にはエンジンやブレーキ等の制御に使用されるようになっている。
【００２０】
補助蓄電池３はメイン蓄電池２が故障等で使用できなくなった時に切替回路４により負荷５と補助蓄電池３の接続が生かされるので、常時定電圧で充電している補助蓄電池３は、その状態は何時も良好な状態にしておく必要があることから、後述する蓄電池状態判定器６により補助蓄電池３の状態を把握できるように構成されている。
【００２１】
蓄電池状態判定器６は、図示しない以下に述べる分極履歴消去手段と、交流電圧印加手段と、交流電流測定手段と、インピーダンス演算手段と、判定手段とを備えている。分極履歴消去手段は、所定時間充電放置された後（Ｓ１、Ｓ２）、蓄電池に生じた分極履歴を消去するために、例えば１０Ｈｚの所定の交流電圧、又は交流電流を補助蓄電池３に印加又は通電するように構成したものである。
【００２２】
交流電圧印加手段は、分極履歴を消去した後、インピーダンスを算出するための交流電圧Ｖを補助蓄電池３に印加させるものである。交流電流測定手段は、交流電圧印加手段を補助蓄電池３に印加したとき補助蓄電池３に流れる交流電流Ｉを測定する例えば電流計である。インピーダンス演算手段は、交流電圧印加手段の交流電圧Ｖと交流電流測定手段により測定された交流電流Ｉに基づき補助蓄電池３のインピーダンスを演算するするものである。判定手段は、予め求めておいたインピーダンスと蓄電池容量との相関関係に、インピーダンス演算手段の演算結果のインピーダンスを当てはめることにより補助蓄電池３の状態を判定するものである。
【００２３】
以下、このように構成された蓄電池状態判定器６の動作について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、補助蓄電池３の電圧波形を示し、図２（ｂ）は、蓄電池状態判定器６の動作又は補助蓄電池３の状態判別方法を説明するためのタイムチャートである。蓄電池状態判定器６は、安定した測定値を出力するために、判定時において、定電圧充電を一時停止し（充電Ｓ１）、一定の放置時間を経た後に（放置Ｓ２）、劣化診断に最適な周波数例えば１０Ｈｚの所定の交流電流を補助蓄電池３に流すか（交流電流供給Ｓ３）、もしくは最適な周波数例えば１０Ｈｚの所定の交流電圧を補助蓄電池３に印加する。図２に示すように始めの数サイクル例えば５サイクルはインピーダンスの測定には用いず（Ｓ７）、分極履歴を一定化させるための分極履歴消去処理を行う（Ｓ６）。
【００２４】
この時に必要なサイクル数は、交流電流値または、交流電圧値、測定周波数によって左右される。この場合の必要なサイクル数は、予め、実験により対象蓄電池および使用用途に最適な条件を求める必要性がある。
【００２５】
上記のような条件を満たした一定の交流サイクルを行い、分極履歴消去（分極履歴を一定化させた）後に、同様の交流サイクルを継続させ、測定周波数に応じたインピーダンス算出に必要なサイクル数を行い、インピーダンスを算出する（Ｓ７）。これらの処理により、定常状態にない分極履歴をもった蓄電池３に対しても安定したインピーダンス値を出力することができる。このように算出したインピーダンスは蓄電池の劣化状態を示す基準として利用することができる。
【００２６】
なお、前述のように算出したインピーダンス値は温度により変動するため、同時に蓄電池温度を測定してインピーダンス測定値を温度補正する必要がある。
【００２７】
前述のように、充電状態の判定を行う目的でインピーダンス測定後に放置時間例えば数秒を設け（Ｓ４）、このときの回復電圧を利用して充電状態を判定する（Ｓ８）。
【００２８】
このとき、図３より判るように交流電流もしくは、交流電圧印加後、一定時間例えば０．５秒経過後の縦軸の０．５ｓｅｃ目開放電圧（０．５ｓｅｃ目過渡電圧）が、横軸の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｇｅ）に比例していることに着目して、この一定時間経過後の過渡電圧よりＳＯＣの判定を行う。
【００２９】
なお、この過渡電圧は、蓄電池温度および、蓄電池の劣化状態に依存して変動するため、温度補正および劣化補正を行う必要がある。
【００３０】
図４は、本発明と従来のインピーダンスとＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ：劣化度合いを示す指標）の関係を示すものである。図４（ａ）は従来の方法の場合、すなわち、放置時間（例えば数サイクル間）を設けず、蓄電池のインピーダンスを直ぐに測定した場合であり、図４（ｂ）は本発明の方法の場合、すなわち、放置時間（例えば数サイクル間）を設けて、蓄電池のインピーダンスを測定した場合である。この結果、本発明の方がバラツキが少なく、従来の方がバラツキが多いことが解る。
【００３１】
次に、図５及び図６を参照して本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図５は、図１と比較して異なる点は、蓄電池状態判定器７の構成であり、これは次のような手段から構成されている。図示しない分極履歴消去手段は、例えば瞬時放電を複数回繰り返す、例えば補助蓄電池３に電気的に直列に接続されたスイッチのごとき手段である。瞬時放電手段は、分極履歴を消去した後、補助蓄電池３に対して直流の一定電流Ｉを流して瞬時放電サイクルを与えるものである。第１の直流電圧測定手段は、瞬時放電手段が動作した後、瞬時放電サイクルの終了後の放置された直流電圧Ｖ１を測定するものである。第２の直流電圧測定手段は、第１の直流電圧測定手段が動作後補助蓄電池３に対して定電流瞬時放電を行いその際の最小電圧Ｖ２を測定するものである。演算手段は、第１及び第２の直流電圧測定手段で測定された両者の電圧差並びに補助蓄電池３に流した直流の一定電流に基づき補助蓄電池３の直流抵抗を演算するものである。判別手段は、演算手段の演算結果に基づき補助蓄電池３の状態を判別するものである。
【００３２】
蓄電池状態判定器７は、図６に示すように、瞬時定電流放電測定の際に始めの数サイクルは直流抵抗の演算を行なわず、分極履歴消去処理［（分極履歴を揃える目的の処理）Ｓ１０］で、瞬時定電流放電を複数回実施後、放置時間（Ｓ４）を設け、このときの過渡電圧を用いてＳＯＣを検知する（Ｓ１１）。
【００３３】
具体的には、常時定電圧充電を行っている補助蓄電池３について、一定間隔で劣化状態および、ＳＯＣ状態の把握を行うために、定電流瞬時放電による判定試験を行うものである。この際、安定した測定値を出力するために、判定時において、定電圧充電を一時停止し、一定の放置時間を経た後に、一定電流瞬時放電を複数回行う。
【００３４】
図６（ａ）は、補助蓄電池３の電圧波形を示し、図６（ｂ）は、蓄電池状態判定器７の動作又は補助蓄電池３の状態判別方法を説明するためのタイムチャートである。
【００３５】
図６に示すように、補助蓄電池３の充電Ｓ１を停止し、所定時間放置Ｓ２後，数サイクルは直流抵抗の演算は行なわず、分極履歴消去処理（分極履歴を一定化させるための処理）として行う（Ｓ１０）。この時に必婁なサイクル数は、放電電流値または、放電時間によって左右される。この時に必要なサイクル数は、予め、実験により対象蓄電池および使用用途に最適な条件を求める必要性がある。
【００３６】
一般的には、定電流瞬時放電により直流抵抗を算出する際、試験前の安定した開回路電圧Ｖ０および、最小電圧Ｖｍｉｍより変動電圧ΔＶを算出し、通電した電流Ｉを用いて以下の式（１）により直流抵抗を算出する。
【００３７】
Ｒ０＝（Ｖ０−Ｖｍｉｍ）／Ｉ          ……式（１）
しかしながら、分極履歴のある蓄電池状態では、安定した開回路電圧を得るには、長時間の放置が必要となる。そこで、上記のような条件を満たした一定の定電流瞬時放電サイクルを行い、分極履歴消去を行い（Ｓ１０）、一定サイクル終了後の開回路電圧をＶ１として測定し、またその後の定電流瞬時放電時の最小電圧をＶ２を測定する。そして、式（２）により直流抵抗Ｒ１を演算する。
【００３８】
Ｒ１＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉ          …式（２）
これらの処理により、定常状態にない分極履歴をもった蓄電池に対しても安定した直流抵抗値を出力することができる。
【００３９】
なお、直流抵抗値は温度により変動するため、同時に蓄電池温度を測定して直流抵抗測定値を温度補正する必要がある。
【００４０】
このようにして演算した直流抵抗は蓄電池の劣化状態を示す基準として利用することができる。また、ＳＯＣ判定を行う目的で瞬時放電後に放置時間（数秒）を設け、このときの過渡電圧を用いてＳＯＣを判定する。瞬時放電後は、蓄電池の分極履歴を一定化することができているので、測定毎に安定した状態で過渡電圧を測定することができる。
【００４１】
本実施形態は、一定時間経過後の過渡電圧がＳＯＣに比例していることに着目して、この一定時間経過後の過渡電圧よりＳＯＣの判定を行うものである。この場合の瞬時放電後の０．５ｓｅｃ目の過渡電圧と充電状態ＳＯＣの関係は、図３とほぼ同一である。
【００４２】
なお、この過渡電圧は、蓄電池温度および、蓄電池の劣化状態に依存して変動するため、温度補正および劣化補正を行う必要がある。
【００４３】
以上述べた本発明の第２の実施形態によれば、前述した特許文献２に比べて短時間に直流抵抗を測定でき、またこの場合も前述の第１の実施形態と同様に、従来の方法による直流抵抗の測定結果に比べてバラツキが少ない。具体的には、図４の横軸のインピーダンスが直流抵抗に代わったものと、ほぼ同様な結果となるからである。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、どのような分極条件下においても安定したインピーダンス値を測定でき、また分極履歴の存在する環境下においても安定した直流抵抗の測定が可能で、この結果蓄電池の状態判別が確実となる蓄電池の状態判別装置及び蓄電池の状態判別方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄電池の状態判別装置の第１の実施形態を説明するためのブロック。
【図２】図１の実施形態の動作並びに本発明の蓄電池の状態判別方法の第１の実施形態を説明するための図。
【図３】図１及び図２の作用効果を説明するためのＳＯＣと開放電圧の関係を示す図。
【図４】図１及び図２の作用効果を従来の方法を比較して説明するためのインピーダンスとＳＯＨの関係を示す図。
【図５】本発明の蓄電池の状態判別装置の第２の実施形態を説明するためのブロック。
【図６】図６の実施形態の動作並びに本発明の蓄電池の状態判別方法の第２の実施形態を説明するための図。
【符号の説明】
１…オルタネーター、２ａ…メイン蓄電池本体、２ｂ…制御回路、２…メイン蓄電池、３ａ…補助蓄電池本体、３ｂ…制御回路、３…補助蓄電池、４…切替回路、５…負荷、６…蓄電池状態判定器、７…蓄電池状態判定器。
【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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