(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池を所定の電流で定電流放電させ、当該定電流放電中の電圧を測定する第１ステップと、
前記第１ステップで測定した電圧に基づいて前記電池の内部物質移動支配の抵抗を算出する第２ステップと、
前記第２ステップで算出した前記内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には、前記電池に特性変化が発生していると判定する第３ステップと、
を備えたことを特徴とする電池特性検出方法。
【請求項２】
前記第１ステップにおいて、
前記電池の定電流放電の開始直後の第１電圧（Ｅ１）及び第１電流（Ｉ１）と、定電流放電の開始から所定の時間経過後の第２電圧（Ｅ２）及び第２電流（Ｉ２）とを測定し、
前記第２ステップにおいて、
前記第１ステップで測定した第１及び第２電圧と第１及び第２電流とから式（２）
Ｒ＝Ｅ１／Ｉ１−Ｅ２／Ｉ２  …（２）
に示す関係に基づき前記内部物質移動支配の抵抗（Ｒ）を算出することを特徴とする請求項１に記載の電池特性検出方法。
【請求項３】
前記第３ステップにおいて、
前記第２ステップで算出した前記内部物質移動支配の抵抗が前記所定のしきい値よりも大きい場合には前記電池の特性変化としてメモリー効果が発生していると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池特性検出方法。
【請求項４】
前記第１ステップにおいて、
前記電池に所定の負荷抵抗を接続することにより定電流放電させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電池特性検出方法。
【請求項５】
前記所定の電流は、
前記電池における電流密度が、前記特性変化が発生していない電池における正極の分極と電流密度の対数とが線形関係を有しなくなる電流密度の５〜９０％となる電流であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電池特性検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池特性検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力源としての電池にメモリー効果や劣化等の特性変化が発生すると、電池の能力が制限されるので、電池の特性変化を検出することは重要である。従来、電池の内部抵抗を検出し、内部抵抗に基づいて電池にメモリ効果又は劣化が生じているか否かを検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法において、内部抵抗は、電池の充電時・放電時の電流−電圧特性を直線回帰しその直線の傾きから求められる。
【特許文献１】特開２００２−４２８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、電池の通常の使用状態においては、充電時・放電時とも大きな電流が流れる機会は少ない。このため、上記方法によれば、短時間のデータ収集では充電・放電ともに電流が大きな領域のデータは少なく、得られるデータが原点（０Ｖ、０Ａの点）付近に偏りやすい。原点付近に偏ったデータで直線回帰を行うと精度の高い内部抵抗値が得られず、メモリー効果を正確に検出することは困難であった。
【０００４】
そこで、本発明は上記問題点を解決し、電池の特性変化を正確に検出することができる方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の電池特性検出方法は、電池を所定の電流で定電流放電させ、当該定電流放電中の電圧を測定する第１ステップと、第１ステップで測定した電圧に基づいて電池の内部物質移動支配の抵抗を算出する第２ステップと、第２ステップで算出した内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には、電池に特性変化が発生していると判定する第３ステップと、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明において「内部物質移動支配の抵抗」とは、電池の内部抵抗全体のうち、電池の内部物質の移動速度に由来する抵抗をいう。本発明者らは、例えばメモリー効果や長期間休眠させたことによる電圧降下等の電池の特性変化が発生した場合には内部物質の移動速度が低下し、特性変化が解消した場合には再び移動速度が元に戻るという、内部物質移動速度と特性変化との間の相関関係を見出した。電池の内部物質移動速度が低下すれば、内部物質移動速度に由来する抵抗が高くなる。よって、上記知見によれば、電池の内部物質支配の抵抗を検出することによって電池の特性変化を検出することができる。本発明の電池特性検出方法では、上記知見に基づき、電池の抵抗のなかでも特性変化との相関関係が特に高い内部物質移動支配の抵抗を特性変化の判定基準としているので、特性変化を正確に検出することが可能である。なお、本発明において「定電流放電」とは、完全に一定の電流で放電することだけでなく、上下幅±５％以内のほぼ一定の電流で放電することを含むものとする。
【０００７】
また、本発明の電池特性検出方法は、第１ステップにおいて、電池の定電流放電の開始直後の第１電圧（Ｅ１）及び第１電流（Ｉ１）と、定電流放電の開始から所定の時間経過後の第２電圧（Ｅ２）及び第２電流（Ｉ２）とを測定し、第２ステップにおいて、第１ステップで測定した第１及び第２電圧と第１及び第２電流とから式（２）
Ｒ＝Ｅ１／Ｉ１−Ｅ２／Ｉ２  …（２）
に示す関係に基づき内部物質移動支配の抵抗（Ｒ）を算出することとしてもよい。
【０００８】
内部物質移動支配の抵抗を求める方法としてはさまざまな方法が知られているが、それらの方法によれば長時間の測定を必要とする。本発明者らは、上記の式（２）に基づき簡略的に算出した内部物質移動支配の抵抗Ｒの値が十分に電池の特性変化発生の有無を判定するための基準となり得ることを見出した。さらに本発明者らは、上記の式（２）によれば、「所定の時間経過後」を短く設定しても、Ｒの値の精度は、特性変化の判定基準としては十分であることを見出した。よって、上記電池特性検出方法によれば、必要なデータの測定時間を短く設定することができ、電池の特性変化を短時間で検出することが可能である。
【０００９】
また、本発明の電池特性検出方法は、第３ステップにおいて、第２ステップで算出した内部物質移動支配の抵抗が所定のしきい値よりも大きい場合には電池の特性変化としてメモリー効果が発生していると判定することとしてもよい。
【００１０】
本発明者らは、電池の特性変化の中でもメモリー効果は内部物質移動速度との相関関係が特に高いことを見出した。よって、内部物質移動支配の抵抗を基準としてメモリー効果を検出することができる。
【００１１】
また、本発明の電池特性検出方法は、第１ステップにおいて、電池に所定の負荷抵抗を接続することにより定電流放電させることとしてもよい。この電池特性検出方法では、電池に所定の負荷抵抗を接続することにより、単純な回路で電池に定電流放電をさせることができる。
【００１２】
また、本発明の電池特性検出方法では、所定の電流は、電池における電流密度が、特性変化が発生していない電池における正極の分極と電流密度の対数とが線形関係を有しなくなる電流密度の５〜９０％となる電流であることとしてもよい。
【００１３】
この範囲よりも電流を低くすると精度のよい電圧値が得られない。また、この範囲よりも電流を高くすると、長期間使用した電池（古くなることにより特性が変化した電池）の場合に精度のよい電圧値が得られない。定電流放電の際の電流を上記の範囲に設定することにより再現性のよい内部物質移動支配の抵抗の検出が可能となり、かつ、長期間にわたり正確に電池の特性変化を検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電池の特性変化を正確に検出することができる方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は本実施形態に係る電池特性検出方法を実施するための電池特性検出装置１を含む回路の一例である回路３を示したものである。本実施形態において、電池特性検出装置１は例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等、エネルギー源となる電池を有する自動車に搭載される装置であって、当該電池に発生するメモリー効果を検出する装置である。電池特性検出装置１は、電池５、電池５に負荷する負荷抵抗７、電池５の電圧を測定する電圧検出部９、電池５の電流を測定する電流検出部１１、切り替えスイッチ１３、切り替えスイッチ１５、及び測定された電流・電圧に基づき演算を行う演算部１７を有している。
【００１７】
電池５は二次電池であり、放電及び充電が可能である。電池５としては例えば正極に水酸化ニッケルを用いたニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等が用いられる。自動車の通常の使用時（自動車が走行している状態）においては、切り替えスイッチ１５が閉じられ、切り替えスイッチ１３が開かれている。自動車が加速するときは、電池５はモータ１９への電力供給源となり、電池５から電力が供給されたモータ１９によってシャフト・タイヤ等の駆動部２１が駆動される。逆に自動車が減速するときは、モータ１９は発電機の役割を果たす。このとき、駆動部２１によってモータ１９が駆動され、モータ１９で電力が発生し、発生した電力が電池５へ蓄えられるようになっている。電池の電圧及び電流はそれぞれ電圧検出部９、電流検出部１１によって常時測定されている。測定された電圧及び電流は電圧検出部９及び電流検出部１１で電気信号へ変換され、演算部１７へ送信される。
【００１８】
電池５の特性検出を行うときには、切り替えスイッチ１５が開かれ、切り替えスイッチ１３が閉じられる。このとき、電池５から負荷抵抗７へほぼ一定値の電流で放電（定電流放電）される。この場合においても、通常の使用時と同様に電池の電圧及び電流がそれぞれ電圧検出部９、電流検出部１１によって測定される。測定された電圧及び電流は電圧検出部９及び電流検出部１１で電気信号へ変換され、演算部１７へ送信される。電池５の特性検出を行う時期は、モータ１９へ電力を供給する必要がないときであれば何れの時期でもよい。例えば自動車の始動時に特性検出を行うようにしてもよい。また例えば、ハイブリッド自動車が内燃機関のみで駆動している時期に特性検出を行うようにしてもよい。
【００１９】
演算部１７では、受信した電気信号を電圧値、電流値へ変換し、各時点における電流・電圧を記憶し、電流・電圧の経時変化を認識する。演算部１７では上記経時変化に基づいて電池５の内部物質移動支配の分極が算出され、算出された内部物質移動支配の分極と予め記憶されたしきい値との大小関係によって電池５のメモリー効果が発生したか否かが判定される。
【００２０】
負荷抵抗７の抵抗値は、上記定電流放電の際の電流が、再現性のよい内部物質移動支配の分極の検出が可能となるような電流密度になるように、以下のように設定される。
【００２１】
まず、電池５と同種の電池について、メモリー効果が発生していない場合の正極の還元方向の分極曲線を作成する。ここで分極曲線とは、分極をη、電流密度をｉとしたとき、分極ηと電流密度の対数logｉとの関係を表す曲線である。分極曲線の作成は周知の方法で行えばよい。例えば、メモリー効果が発生していない電池（基準電池）の正極を用いて三極式電池を作製する。そして、ポテンショスタット、ファンクションジェネレータ、レコーダ等を用い、しかるべき自然電位からある値η分だけ分極させ、その際の応答電流を計測するといった方法で分極ηと電流密度ｉとの関係を求めることができる。ここで作成される分極曲線の例を図２に示す。図２のグラフは横軸に分極ηを示し、縦軸に電流密度の対数logｉを示している。分極ηの単位は例えばｍVで表され、電流密度ｉの単位は例えばｍＡ／ｃｍ２で表される。
【００２２】
図２によれば、logｉの値がlogｉ０以下の領域（ηがη０以上の領域）においては、分極ηと電流密度の対数logｉはほぼ線形関係にあるが、logｉがlogｉ０よりも大きい領域（ηがη０よりも小さい領域）においては、線形関係から外れている。すなわち、基準電池の正極の分極ηと電流密度の対数logｉとの関係が線形関係を有しなくなる電流密度はｉ０であることが図２より読み取れる。ここで求められたｉ０に基づき、上記定電流放電をさせる際の電流密度ｉｓをｉ０の５〜９０％とするような抵抗値、更に好ましくは５０〜７０％とするような抵抗値を負荷抵抗７の抵抗値ｒとして設定する。抵抗値ｒの単位は例えばｍΩで表される。
【００２３】
図１、図３を参照し、電池５のメモリー効果を検出する電池特性検出方法について説明する。図３は電池特性検出方法の処理を示すフロー図である。
【００２４】
まず、切り替えスイッチ１５が開かれる（Ｓ１０２）。その約１秒後に切り替えスイッチ１３が閉じられ、電池５と負荷抵抗７との間に閉回路が形成される（Ｓ１０４）。このとき、負荷抵抗７の抵抗値ｒは上記のように設定されているので、電池５は電流密度がｉｓとなるような電流で定電流放電が開始され、閉回路に電流が流れることとなる。閉回路に流れる電流は電流検出部１１で検出され電気信号として演算部１７へ随時送信される。また、電池５の電圧は電圧検出部９で検出され電気信号として演算部１７へ随時送信される。
【００２５】
演算部１７は各時点の電圧・電流に対応する電気信号を受信する。ここで得られる電圧・電流の経時変化の例を図４に示す。図４は放電開始時、すなわち切り替えスイッチ１３が閉じられた時点（ｔ＝０）からの各時点における電流・電圧の変化を示すグラフである。グラフの横軸には経過時間ｔ（単位は秒）、右の縦軸には各時点の電流、左の縦軸には各時点の電圧を示している。図中、細い曲線は電圧の変化を示し、太い曲線は電流の変化を示している。なお、グラフの縮尺は説明のため適当に変更している。図４のグラフに示されるとおり、切り替えスイッチ１５が開かれてから切り替えスイッチ１３が閉じられるまで電池５の電圧は電池５の開放電圧Ｅ０を示す。その後、切り替えスイッチ１３を閉じた瞬間、負荷抵抗７を接続したことによるＩＲ降下等が生じる。その後は、時間と共に電圧が降下する。一方、電流は切り替えスイッチ１３を閉じた後は、時間が経過してもほぼ一定でＩｓを保っており、電池５は定電流放電している。
【００２６】
演算部１７は、放電開始直後（切り替えスイッチ１３が閉じられてからｔ１秒後）の電圧Ｅ１を読み込む（Ｓ１０６）。次に、放電開始からｔ２秒後の電圧Ｅ２を読み込み（Ｓ１０８）、式（１）、
Ｅ＝Ｅ１−Ｅ２  …（１）
によって内部物質移動支配の分極Ｅを算出する（Ｓ１１０）。本実施形態においてｔ１は０．１秒に設定され、ｔ２は２３秒に設定されている。
【００２７】
演算部１７は算出した内部物質移動支配の分極Ｅを、しきい値Ｅｔと大小比較し（Ｓ１１２）、ＥがＥｔよりも大きい場合には電池５にメモリー効果が発生しているものと判定する（Ｓ１１４）。ＥがＥｔよりも大きくない場合には電池５にメモリー効果は発生していないものと判定する（Ｓ１１６）。しきい値Ｅｔは予め設定され、演算部１７に記憶されている。以上で電池特性検出方法の処理を終了する。
【００２８】
電池の電圧降下の要因はＩＲ損による抵抗、反応抵抗、内部物質移動による抵抗の３つに分類できる。ＩＲ損による抵抗及び反応抵抗を要因とする電圧降下は、電池に抵抗を負荷した後０．１秒程度でほとんど終了するものと考えられる。よって、放電開始後０．１秒後以降の電池反応は内部物質移動支配で進行しており、放電開始後０．１秒後以降の電圧降下は内部物質移動による抵抗を要因とするものであると考えることができる。よって、放電開始後０．１秒後以降の電圧降下を検出することにより内部物質移動支配の分極を求めることが可能である。ＩＲ損による抵抗及び反応抵抗を要因とする電圧降下がほとんど終了した後の電圧を電圧Ｅ１として読み込むべく、本実施形態では時間ｔ１は０．１秒に設定している。すなわち、放電開始直後の電圧・電流とは、時間ｔ１秒後（本実施形態においては０．１秒後）の電圧・電流を意味する。
【００２９】
時間ｔ２は判定の精度を向上する観点からは長いほどよいが、時間ｔ２は判定を短時間で行う観点からは短いほどよい。電池５のメモリー効果の判定が可能な程度の精度を確保しつつ短時間での判定を行うために、特に好ましい時間ｔ２の設定は１０〜９０秒であり、更に好ましくは２０〜４０秒である。本実施形態では時間ｔ２は２３秒に設定されている。
【００３０】
上記の電池特性検出方法では、電池５の内部物質移動支配の分極Ｅを求めしきい値と比較することとしている。電池５の内部物質移動支配の分極Ｅが所定のしきい値よりも大きくなることは、電池５の内部物質移動速度が所定値よりも低下したことを意味する。また、電池５の内部物質移動速度の低下は、電池５にメモリー効果が発生していることと高い相関関係があることが本発明者らの研究によりわかっている。よって、上記の電池特性検出方法によれば、電池の分極のなかでもメモリー効果との相関関係が特に高い電池５の内部物質移動支配の分極Ｅを求め、メモリー効果の有無を判定することとしているので、正確にメモリー効果を検出することが可能である。
【００３１】
また、上記の電池特性検出方法では、第１ステップにおいて、電池５に負荷抵抗７を接続することとしているので、単純な回路で電池５を定電流放電させることができる。
【００３２】
上記の電池特性検出方法では、電池５の内部物質移動支配の分極Ｅを式（１）の関係に基づいて算出することとしている。式（１）に必要なデータＥ１、Ｅ２は定電流放電開始から短時間（本実施形態では２３秒）のうちに得られる測定値である。よって、上記電池特性検出方法によれば、電池５のメモリー効果の有無を短時間で判定することが可能である。
【００３３】
上記の電池特性検出方法では、電池５を定電流放電させるときの電流密度を上記の範囲に設定することにより、再現性のよい内部物質移動支配の分極の検出が可能となり、長期間にわたり正確に電池の特性変化を検出することができる。
【００３４】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【００３５】
例えば、上記した実施形態では式（１）の関係に基づいて内部物質移動支配の分極を求めたが、電圧検出装置９から得られた電圧と電流検出装置１１から得られた電流との関係から電池５の内部物質移動支配の抵抗を算出するようにしてもよい。この場合、第２ステップで演算部１７は、放電開始からｔ１秒後の電流Ｉ１・電圧Ｅ１、ｔ２秒後の電流Ｉ２・電圧Ｅ２を読み込む。そして、第３ステップにおいて内部物質移動支配の抵抗Ｒを以下の式（２）
Ｒ＝Ｅ１／Ｉ１−Ｅ２／Ｉ２  …（２）
の関係に基づいて算出する。演算部１７は算出した内部物質移動支配の抵抗Ｒを、しきい値Ｒｔと大小比較し、ＲがＲｔよりも大きい場合には電池５にメモリー効果が発生しているものと判定する。ＲがＲｔよりも大きくない場合には電池５にメモリー効果は発生していないものと判定する。しきい値Ｒｔは予め設定され、演算部１７に記憶されている。このようにすれば、電池を長期間使用し、電流−電圧特性が変化した場合にも再現性のよい特性変化の検出が可能となる。
【００３６】
また、上記した実施形態では電池５に負荷抵抗７を接続することによって定電流で放電させることとしたが、定電流回路等を接続することによって定電流放電させてもよい。
【００３７】
また、上記した実施形態では電池５のメモリー効果を検出することとしたが、本発明は電池５の内部物質移動速度と相関関係のある他の特性変化を検出する場合にも適用が可能である。適用が可能な他の特性変化としては電池を長期間休眠させたことによる電圧降下等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電池特性検出方法を実施するための電池特性検出装置を含む回路を示す回路図である。
【図２】基準電池の分極曲線を示すグラフである。
【図３】電池特性検出方法の処理を示すフロー図である。
【図４】電池の放電開始からの電流・電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…電池特性検出装置、３…回路、５…電池、７…負荷抵抗、９…電圧検出部、１１…電流検出部、１３…切り替えスイッチ、１５…切り替えスイッチ、１７…演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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