(57)【要約】【課題】充放電中或いは非作動状態などに拘わらず、また電極への接続を行うことなく、簡単に電池容量を求めて電池の劣化診断することができる電池の劣化診断方法とその装置を提供する。【解決手段】この電池の劣化診断方法は、被測定電池Ｂの外側から超音波発振子３により超音波を被測定電池内に印加し、被測定電池の外側で超音波受信子４により超音波を検出し、検出した超音波に基づき、被測定電池の電池容量の対定格容量比を求め、対定格容量比から被測定電池の劣化を診断する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電池の外側から超音波を該被測定電池内に印加し、該被測定電池の外側で超音波を検出し、該検出した超音波に基づき、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする電池の劣化診断方法。
【請求項２】
前記被測定電池内に印加される超音波は、複数の周波数の超音波であり、超音波発振子により該電池内の電極の電極面に対して垂直に透過するように該電地の外壁側部から印加され、反対側の外壁側部に設けた超音波受信子により該超音波を検出することを特徴とする請求項１記載の電池の劣化診断方法。
【請求項３】
前記超音波受信子により検出し出カされた超音波の電圧信号をフーリエ変換して超音波のパワースペクトルデータを算出し、同様にして該被測定電池と同種の未使用電池について予め測定し算出された超音波のパワースペクトルデータとを比較し、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする請求項１または２記載の電池の劣化診断方法。
【請求項４】
前記超音波受信子により検出し出力された超音波の電圧信号をフーリエ変換して超音波のパワースペクトルデータを算出し、該パワースペクトルデータから超音波のパワー総和値を算出し、該パワーの総和値と該被測定電池と同種の電池について予め同様にして算出した超音波のパワーの総和値と対定格容量比との関係式から被測定電池の対定格容量比を求め、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする請求項１または２記載の電池の劣化診断方法。
【請求項５】
被測定電池の外側から該被測定電池内に超音波を印加する超音波発振子と、該被測定電池の外側から該超音波を検出する超音波受信子と、該超音波受信子から出力された電圧信号をフーリエ変換して該超音波のパワースペクトルを算出するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段で得られたパワースペクトルから該超音波のパワーの総和値を算出するパワー総和値算出手段と、該被測定電池と同種の電池について予め測定し算出した超音波のパワーの総和値と対定格容量比との関係式を記憶するグラフデータ記憶手段と、被測定電池の超音波のパワーの総和値と該グラフデータ記憶手段に記憶した関係式とから該被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段と、を備えたことを特徴とする電池の劣化診断装置。
【請求項６】
前記被測定電池内に印加される超音波は、単一の波長の超音波であり、超音波発振子により該電池の一方の電極端子又はその近傍から該電池内に一定時間印加され、他方の電極端子又はその近傍に設けた超音波受信子により該超音波を検出し、検出した超音波の受信継続時間を求めて、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする請求項１記載の電池の劣化診断方法。
【請求項７】
前記被測定電池の超音波の受信継続時間と、同様にして該被測定電池と同種の未使用の電池について予め測定して求めた超音波の受信継続時間とを比較し、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする請求頃６記載の電池の劣化診断方法。
【請求項８】
前記超音波発振子により所定時間幅のパルス状の超音波を前記被測定電池内に印加し、前記パルス状の超音波の印加に応じて前記超音波受信子が検出した超音波の受信継続時間を求め、該受信継続時間と該被測定電池と同種の電池について予め同様にして測定し算出した受信継続時間と対定格容量比との関係式から被測定電池の対定格容量比を求め、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする請求項６記載の電池の劣化診断方法。
【請求項９】
被測定電池の外側から該被測定電池内に超音波を印加する超音波発振子と、該被測定電池の外側から該超音波を検出する超音波受信子と、該超音波受信子から出カされた電圧信号から該超音波の受信継続時間を算出する受信継続時間算出手段と、該被測定電池と同種の電池について予め測定し算出した受信継続時間と対定格容量比との関係式を記憶するグラフデータ記憶手段と、被測定電池の超音波の受信継続時間と該グラフデータ記憶手段に記憶した関係式とから該被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段と、を備えたことを特徴とする電池の劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛蓄電池など各種の電池の劣化を、その電池容量に基づき診断する電池の劣化診断方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、二次電池における電池容量とは、基本的にその電池内に蓄電可能な電気量をＡｈ(アンペア・時間)で表すものであるから、電池容量を正確に測定するためには、その電池を完全に放電させ、その際の電流値と時間を測定する必要がある。このために、一般に二次電池の電池容量を正確に測定する際には、電池を完全に放電するために例えば５〜１０時間の長い時間を必要とし、さらに、再充電するために１５時間程度の長い充電時間を必要とする。また、電池容量が非常に大きい二次電池の場合、被測定電池の放電を行うためには、放電したエネルギーを熱に変えるための大型の抵抗器が必要となる。
【０００３】
このような実際に充放電を行う電池容量の測定によれば、使用中の電池を測定することはできないため、稼働中の電池の接続を一旦外して測定する必要があり、電池を使用していた機器では、別の電源装置を必要とする。加えて、電池の充放電を行うことは実質的に電池の劣化を進行させることになるため、電池容量の測定によって電池に悪影響を与えやすい、などの問題があった。
【０００４】
また、従来、電池容量を測定する方法として、電池の部分放電により、電池容量を推定する方法が下記特許文献１などで提案されている。この部分放電による電池容量の測定は、上記の完全放電による測定と同様に、充放電工程に伴う劣化を発生するなどの問題があった。
【特許文献１】特開平５−２８１３０９号公報
【０００５】
さらに、従来では、電池容量を測定する方法として電池の電解液の比重を測定し、その比重から電池容量を推定する方法が下記特許文献２などにより提案されている。この方法は、電池容量が減少すると、電池の電解液の比重が大きくなる傾向にあることを利用した方法であり、電解液を使用する液式電池においては、簡便な電池容量測定方法として従来実施されていた。
【０００６】
しかしながら、この種の電池の電解液の比童から電池容量を測定する方法では、電池から電解液を取出しえる構造の電池のみに限定され、現在の蓄電池において主流になりつつある密閉型の電池では電解液を取出すことができないために、測定ができず、また、電解液の比重は、電池の充電状態に影響されやすいため、電解液の比重から電池容量を推定した場合、電池容量の測定ではなく、電池の充電状態の測定になりやすい、という問題があった。
【特許文献２】特公平６−９１４６号公報
【０００７】
さらに、従来、電池の充電中に電極から発生する超音波(アコースティックエミッション)を観測して、この超音波の周波数に基づき、電池の充電状態或いは劣化状態を測定する方法が、下記特許文献３で提案されている。しかし、このような充電中のアコースティックエミッションを検出して充電状態などを測定する方法では、必然的に充電中でしか電池の劣化状態を測定することができず、電池容量から正確に電池の劣化を診断することができないという問題があった。
【特許文献３】特開平７−６７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するものであり、充放電中或いは非作動状態などに拘わらず、被測定電池の外側から超音波を印加することにより電池容器を開封することなく外部から、簡単に電池の劣化を診断することができる電池の劣化診断方法とその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の電池の劣化診断方法は、被測定電池の外側から超音波を該被測定電池内に印加し、該被測定電池の外側で超音波を検出し、該検出した超音波に基づき、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、上記請求項１記載の電池の劣化診断方法において、上記被測定電池内に印加される超音波は、複数の周波数の超音波であり、超音波発振子により該電池内の電極の電極面に対して垂直に透過するように該電池の外壁側部から印加され、反対側の外壁側部に設けた超音波受信子により該超音波を検出することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、上記請求項１または２記載の電池の劣化診断方法において、上記超音波受信子により検出し出カされた超音波の電圧信号をフーリエ変換して超音波のパワースペクトルデータを算出し、同様にして該被測定電池と同種の未使用電池について予め測定し算出された超音波のパワースペクトルデータとを比較し、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１２】
また請求項４の発明は、上記請求項１または２記載の電池の劣化診断方法において、上記超音波受信子により検出し出カされた超音波の電圧信号をフーリエ変換して超音波のパワースペクトルデータを算出し、該パワースペクトルデータから超音波のパワー総和値を算出し、該パワー総和値と該被測定電池と同種の電池について予め同様にして算出した超音波のパワーの総和値と対定格容量比との関係式から被測定電池の対定格容量比を求め、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明は、電池の劣化診断装置であり、被測定電池の外側から該被測定電池内に超音波を印加する超音波発振子と、該被測定電池の外側から該超音波を検出する超音波受信子と、該超音波受信子から出力された電圧信号をフーリエ変換して該超音波のパワースペクトルを算出するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段で得られたパワースペクトルから該超音波のパワーの総和値を算出するパワー総和値算出手段と、該被測定電池と同種の電池について予め測定し算出した超音波のパワーの総和値と対定格容量比との関係式を記憶するグラフデータ記憶手段と、被測定電池の超音波のパワー総和値と該グラフデータ記憶手段に記憶した関係式とから該被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６の発明は、上記請求項１記載の電池の劣化診断方法において、上記被測定電池内に印加される超音波は、単一の波長の超音波であり、超音波発振子により該電池の一方の電極端子又はその近傍から該電池内に一定時間印加され、他方の電極端子又はその近傍に設けた超音波受信子により該超音波を検出し、検出した超音波の受信継続時間を求めて、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７の発明は、上記請求項６記載の電池の劣化診断方法において、上記被測定電池の超音波の受信継続時間と、同様にして該被測定電池と同種の未使用の電池について予め測定して求めた超音波の受信継続時間とを比較し、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８の発明は、上記請求項６記載の電池の劣化診断方法において、前記超音波発振子により所定時間幅のパルス状の超音波を前記被測定電池内に印加し、前記パルス状の超音波の印加に対応して超音波受信子が検出した超音波の受信継続時間を求め、該受信継続時間と該被測定電池と同種の電池について同様にして測定し算出した受信継続時間と対定格容量比との関係式から被測定電池の対定格容量比を求め、被測定電池の劣化を診断することを特徴とする。
【００１７】
さらに、請求項９の発明は、電池の劣化診断装置であり、被測定電池の外側から該被測定電池内に超音波を印加する超音波発振子と、該被測定電池の外側から該超音波を検出する超音波受信子と、該超音波受信子から出力された電圧信号から該超音波の受信継続時間を算出する受信継続時間算出手段と、該被測定電池と同種の電池について予め測定し算出した受信継続時間と対定格容量比との関係式を記憶するグラフデータ記憶手段と、被測定電池の超音波の受信継続時間と該グラフデータ記憶手段に記憶した関係式とから該被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明者は、電池内の電極の崩落や電池活物質の剥離による電池の劣化に起因して、超音波が電池内を透過しやすくなることや、超音波の伝達時間に大きく影響を与えること、さらにそれらに大きな相関があることを見出し、超音波を利用することにより、上記課題を解決したものである。
【００１９】
上記請求項１，２，３，４の発明では、被測定電池の劣化診断を行う場合、被測定電池の外側に超音波発振子を取り付け、そこから超音波を被測定電池内に印加し、反対側の外側に取り付けた超音波受信子により、被測定電池内を透過してきた超音波を検出する。このとき、超音波受信子から出力された超音波の電圧信号は増幅された後、デジタル信号に変換されてその波形データを取り出し、その波形データをフーリエ変換し、超音波の周波数に対するパワー値として、受信した超音波のパワースペクトルデータを求める。被測定電池を透過して得た超音波のパワースペクトルデータと、同様にして予め取得した同種の未使用電池の超音波のパワースペクトルデータとを比較することにより簡便に電池の劣化を診断することができる。
【００２０】
さらに、このパワースペクトルの積分値を算出することにより、受信した超音波のパワー総和値を算出する。このパワー総和値、つまり電池を透過して得られた超音波のパワー総和値に対する被測定電池の電池容量の対定格容量比の関係には強い相関があり、その被測定電池と同種の電池におけるパワー総和値と対定格容量比のグラフデータは、予め実験した実験データに基づき算出され記憶されている。
【００２１】
したがって、パワー総和値と対定格容量比の関係を表すグラフデータを使用し、このグラフデータから今回得られた被測定電池のパワー総和値に対応した対定格容量比が得られる。この対定格容量比に基づき被測定電池の劣化を診断し、対定格容量比が予め設定した設定値以下の場合、被測定電池は劣化していると判定する。
【００２２】
また請求項１，６，７，８の発明では、被測定電池の劣化診断を行う場合、被測定電池内に印加される超音波は、電池の一方の電極端子の近傍に取り付けた超音波発振子から電池内に印加され、他方の電極端子の近傍に設けた超音波受信子から被測定電池内を伝播してきた超音波を検出する。このとき、所定時間幅をもつパルス状の超音波が印加され、超音波受信子から出力された超音波の電圧信号は増幅された後、その波形データがデジタル信号に変換され、予め設定した閾値以上の波形データの部分つまり超音波の有効レベル以上の部分が続く超音波の受信継続時間が算出される。被測定電池を伝播して得た超音波の受信継続時間と、同様にして予め取得した同種の未使用電池の超音波の受信継続時間とを比較することにより簡便に電池の劣化を診断することができる。
【００２３】
また、この受信継続時間に対する被測定電池の電池容量の対定格容量比の関係には、強い相関があり、その被測定電池と同種の電池における超音波の受信継続時間と対定格容量比のグラフデータは、予め実験した実験データに基づき算出され記憶されている。
【００２４】
したがって、予め記憶された超音波の受信継続時間と対定格容量比の関係を表すグラフデータを参照し、そのグラフデータから今回測定された超音波の受信継続時間に対応した対定格容量比を求める。そして、この対定格容量比に基づき被測定電池の劣化を診断し、対定格容量比が予め設定した設定値以下の場合、被測定電池は劣化していると判定する。
【００２５】
このように、本発明の電池の劣化診断方法とその装置によれば、超音波を外側から被測定電池に印加し、電池を透過もしくは伝播した超音波を電池の外側より検出して、電池の対定格容量比を求め、その対定格容量比から電池の劣化診断を行うため、電池の稼働中であっても、簡単に短時間で電池の劣化を診断することができる。また、劣化診断には電池の充放電工程を含まないため、電池に悪影響を与えることがない。
【００２６】
さらに、劣化診断のために電池の設置或いは接続状態を外す必要がなく、また、被測定電池の電極端子に測定者が触れる必要がないため、測定者の安全を確保することができる。また、長時間の充放電を行って電池容量を測定する従来の装置に比べ、非常に短時間で劣化診断を行うことができ、放電時に使用する大型の抵抗器なども不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態の電池の劣化診断装置の構成ブロック図を示している。本劣化診断装置は、被測定電池Ｂに超音波を印加する超音波発振子３と、印加され電池Ｂを透過した超音波を検出する超音波受信子４と、超音波受信子４から出力された電圧信号を演算処理する処理装置としてのコンピュータ１０とを備えて構成される。
【００２８】
超音波発振子３は、例えば圧電素子から形成され、増幅器２を介して音源発生器１に接続される。音源発生器１としては、例えば５００kHzを中心に正規分布した周波数を含むノイズ波(ホワイトノイズ)を発生するシンセサイザーなどを使用することができるが、ホワイトノイズの他に異なる周波数信号を個々に発生させる装置を使用することもできる。音源発生器１から発生した電気信号(例えば５００kHzを中心に正規分布した周波数信号)は、増幅器２を通して増幅され、超音波発振子３に送られ、超音波発振子３が駆動されて、超音波が発生する。
【００２９】
被測定電池Ｂとして、例えば鉛蓄電池が使用される場合、超音波発振子３は、図２に示すように、超音波が電極面に直交して透過するようにその被測定電池Ｂの側面外壁の外側面に、接触して取り付けられ、電池Ｂ内に超音波を印加する。なお、Ｔは被測定電池Ｂの電極端子である。
【００３０】
一方、電池Ｂ内の電極面に対して、垂直に透過した超音波を検出するために、被測定電池Ｂの反対側の外側面に、超音波受信子４が接触して取り付けられる。超音波受信子４としては、圧電素子を用いることができ、超音波を受信すると、その超音波の波長、振幅、周波数に応じた電圧信号を出力する。超音波受信子４の出力側は、増幅器５を介してＡ／Ｄ変換器６に接続され、Ａ／Ｄ変換器６はコンピュータ１０の入力側に接続される。
【００３１】
コンピュータ１０は、予めＲＯＭ１２に記憶されたプログラムデータに基づき、各種演算処理を実行するＣＰＵ１１、プログラムデータなどの固定データを記憶するＲＯＭ１２、ＣＰＵ１１のワークエリアとして動作しデータの一時記憶を行うＲＡＭ１３、データの入出カを行う入出力回路１４を備えて構成される。
【００３２】
この劣化診断装置において、コンピュータ１０は、例えば汎用のマイクロコンピュータを使用することができ、図１に示すように、上記の超音波の検出波形データをフーリエ変換するフーリエ変換手段１５、フーリエ変換された超音波のパワースペクトルデータから超音波のパワー総和値を算出するパワー総和値算出手段１６(周波数に対するパワーのデータを積分する)、及びそのパワー総和値と予め記憶されたパワー総和値と対定格容量比の関係を表すグラフデータから得たパワー総和値と対定格容量比との関係式に基づき、被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段１８として、機能する。
【００３３】
また、ＲＯＭ１２は、グラフデータ記憶手段１７としても機能し、被測定電池と同種の電池について予め実験した実験データに基づき算出されたパワー総和値と対定格容量比のグラフデータ(図７)が予めＲＯＭ１２に記憶されている。なお、コンピュータ１０のほかに、フーリエ変換機能を有したオシロスコープを、フーリエ変換手段として使用することもできる。
【００３４】
上記構成の劣化診断装置を使用して被測定電池Ｂの劣化診断を以下のように実施するが、まず、その劣化診断方法の原理について説明する。
【００３５】
例えば定格１００Ａｈ程度の容量の格子状集電体に電池活物質を付着させた電極を有する電池(例えば、鉛蓄電池)について、図２に示すように、超音波発振子を電池の外壁の一方の側面に取り付け、他方の外壁の他方の側面に超音波受信子を取り付ける。そして、超音波発振子から例えば、５００kHzを中心に正規分布した周波数を持ったホワイトノイズの超音波を電池内に印加し、電池内の電極面に対して垂直に透過した超音波を超音波受信子で受信する。
【００３６】
そして、その超音波受信子から出力された電圧信号を増幅した後、デジタル信号に変換し、その波形データをフーリエ変換して、超音波の周波数に対するパワー値とし、受信した超音波のパワースペクトルデータを求める。そして、このパワースペクトルを一定の周波数域で積分した値を算出すると、電池内を透過した超音波のパワー総和値を算出することができる。ここで、「一定の周波数域」とは、電池の劣化によってパワースペクトルデータに現れる卓越した周波数を含むその前後の周波数域であり、その前後の範囲は適宜定めることができる。
【００３７】
なお、異なる周波数信号を個々に発生させる場合は、該異なる周波数信号ごとに超音波受信子から出力された電圧信号を各々前記と同様に超音波のパワースペクトルを求め、各々の該パワースペクトルデータを合成することにより、一連のパワースペクトルデータを得て、このパワースペクトルを一定の周波数域で積分した値を算出することでパワーの総和値を算出することができる。
【００３８】
このような超音波の測定と演算を、予め既知の対定格容量比をもった複数の鉛蓄電池について、繰り返し実施し、そこで得られた各々の電池のパワー総和値とそれらの電池の対定格容量比の関係をグラフ化したものが、図７に示すグラフ(関係式)である。
【００３９】
この図７のグラフから、被測定電池に超音波を印加し、電池内を透過して検出された超音波のパワー総和値が大きくなるほど、電池の対定格容量比が減少し、それらの電池の対定格容量比と超音波のパワー総和値との間には、明らかに強い相関があることが分かり、パワーの総和値と対定格容量比との関係式を算出することができる。
【００４０】
このような現象は、電池内の電極の崩落や電池活物質の剥離による電池の劣化に起因して超音波が電池内を透過しやすくなるためと考えられ、超音波のパワー総和値と被測定電池との対定格容量比の関係式を使用すれば、被測定電池の対定格容量比を求めることができることが分かる。
【００４１】
そこで、本実施形態の方法により、被測定電池Ｂの劣化診断を行う場合、図２に示すように、被測定電池Ｂの外壁の一方の側部に超音波発振子３を取り付け、そこから超音波を被測定電池Ｂ内に印加する。このとき、電池Ｂの反対側の外壁に取り付けた超音波受信子４により、被測定電池Ｂ内を透過してきた超音波を検出する。
【００４２】
図１に示すように、超音波受信子４から出力された超音波の電圧信号は、増幅器５で増幅された後、図３に示すような電圧波形信号となって、Ａ／Ｄ変換器６に送られる。この電圧波形信号は、Ａ／Ｄ変換器６でデジタル信号に変換され、コンピュータ１０に入力される。コンピュータ１０では、入カした波形データをフーリエ変換し、超音波の周波数に対するパワー値として、図４,５に示すような、受信した超音波のパワースペクトルデータが算出される。
【００４３】
なお、図５に示すパワースペクトルは、電池の劣化が少なく、電池容量が比較的高い場合であり、電池の劣化が進み、電池容量が低下すると、図４に示すように、スペクトルの一部が上昇し、超音波のパワー値が増大する。これにより劣化の度合を測定することができる。次に、コンピュータ１０のＣＰＵ１１は、図６のグレーで示す、パワースペクトルの積分値を算出することにより、受信した超音波のパワー総和値を算出する。
【００４４】
そして、ＣＰＵ１１は、グラフデータ(関係式)記憶手段１７としてのＲＯＭ１２に記憶された、被測定電池と同種の電池におけるパワー総和値と対定格容量比のグラフデータ(予め実験した実験データに基づき算出された図７の関係式)を参照し、上記パワー総和値に対応した被測定電池Ｂの電池容量の対定格容量比を算出する。そして、ＣＰＵ１１は、この対定格容量比に基づき被測定電池Ｂの劣化を診断し、例えば対定格容量比が予め設定した設定値以下の場合、被測定電池は劣化していると判定する。
【００４５】
このように、超音波を外側から被測定電池Ｂに印加し、電池Ｂの電極を透過した超音波を電池Ｂの外側より検出して、電池Ｂの対定格容量比を求め、その対定格容量比から被測定電池Ｂの劣化診断を行うため、電池の稼働中であっても、簡単に短時間で電池の劣化を診断することができる。また、劣化診断には電池の充放電工程を含まないため、電池に悪影響を与えることがない。
【００４６】
さらに、劣化診断のために電池の設置或いは接続状態を外す必要がなく、また、被測定電池の電極端子に測定者が触れる必要がないため、測定者の安全を確保することができる。また、長時間の充放電を行って電池容量を測定する従来の装置に比べ、非常に短時間で劣化診断を行うことができ、放電時に使用する大型の抵抗器なども不要となる。
【００４７】
図８〜図１２は、第２実施形態の電池の劣化診断装置と方法を示している。音源発生器１など上記実施形態と同様の部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
本劣化診断装置は、被測定電池Ｂに超音波を印加する超音波発振子３０と、印加され電池Ｂを伝播した超音波を検出する超音波受信子４０と、超音波受信子４０から出力された電圧信号を演算処理する処理装置としてのコンピュータ２０とを備えて構成される。超音波発振子３０は、例えば圧電素子から形成され、増幅器２を介して音源発生器１に接続される。音源発生器１から発生した電気信号(例えば１００〜２００kHzの単一の波長の超音波)は、増幅器２を通して増幅され、超音波発振子３０に送られ、超音波発振子３０が所定時間幅(例えば５０μ秒)で駆動されて、所定時間幅を持つパルス状の超音波が発生する。
【００４９】
超音波発振子３０は、図９に示すように、その被測定電池Ｂの上面に位置する一方の電極端子またはその近傍に、接触して取り付けられ、電池Ｂ内に超音波を印加する。この場合、超音波は、所定時間幅をもつパルス状の超音波として電池に印加される。なお、Ｔは電池Ｂの電極端子である。
【００５０】
一方、超音波受信子４０は、電池Ｂ内を伝播した超音波を検出するために、被測定電池Ｂの上面の他方の電極端子またはその近傍に接触して取り付けられる。超音波受信子４０の出力側は、増幅器５を介してＡ／Ｄ変換器６に接続され、Ａ／Ｄ変換器６はコンピュータ２０の入力側に接続される。コンピュータ２０は、図８に示すように、予めＲＯＭ２２に記憶されたプログラムデータに基づき各種演算処理を実行するＣＰＵ２１、プログラムデータなどの固定データを記憶するＲＯＭ２２,ＣＰＵ２１のワークエリアとして動作しデータの一時記憶を行うＲＡＭ２３、データの入出カを行う入出力回路２４を備えて構成される。
【００５１】
さらに、このコンピュータ２０は、本実施形態においては、超音波の検出波形データを記録する波形記録手段２５、波形記録手段２５に記録した波形データについて予め設定した閾値以上の電圧（振幅）を最初に受信してから最後に受信するまでの時間(本発明において、これを受信継続時間という)を算出する受信継続時間算出手段２６及び予め記憶された受信継続時間と対定格容量比の関係を表すグラフデータに基づき、被測定電池の対定格容量比を算出する対定格容量比算出手段２８として、機能する。
【００５２】
また、ＲＯＭ２２は、グラフデータ記憶手段２７、としても機能し、被測定電池と同種の電池について予め実験した実験データに基づき算出された受信継続時間と対定格容量比のグラフデータ(図１２)が予め、ＲＯＭ２２に記憶されている。
【００５３】
上記構成の劣化診断装置を使用して行う劣化診断方法の原理について説明すると、例えば定格１００Ah程度の容量の格子状集電体に電池活物質を付着させた電極を有する電池(例えば、鉛蓄電池)を被測定電池として、図９に示すように、超音波発振子を電池の上面の一方の電極端子の近傍に取り付け、他方の電極端子の近傍に超音波受信子を取り付ける。
【００５４】
そして、超音波発振子３０から単一の周波数の超音波(例えば、１５０KHz)を、所定時間幅(例えば５０μ秒)でパルス状に発生させて電池内に印加し、電池内を伝播した超音波を超音波受信子４０で受信する。
【００５５】
そして、その超音波受信子から出カされた電圧信号を増幅した後、デジタル信号に変換し、コンピュータ内に取り込み、その一連の波形データ(時間、振幅)を記録する。そして、コンピュータにおいて予め設定した閾値以上の電圧(振幅)を有する電圧を受信した時間を波形データから抽出し、その最大値と最小値との差、つまり受信継続時間(本発明における受信継続時間は、図１１においてtで示される)を算出する。
【００５６】
そして、このような超音波の測定と演算を予め既知の対定格容量比をもった複数の鉛蓄電池について、繰り返し実施し、そこで得られた各々の電池の受信継続時間とそれらの電池の対定格容量比の関係をグラフ化したものが、図１２に示すグラフである。上記受信継続時間は図１１のｔで算出したが、上記受信継続時間ｔ内における閾値未満の時間帯（例えばｔ１とｔ２との間、ｔ２とｔ３の間など）は短時間であるので、閾値以上である時間帯ｔ１〜ｔｎの和を受信継続時間としても差し支えない。なお、図１１において、説明上、プラス側の閾値は実際よりプラス側に高く、マイナス側の閾値は実際よりマイナス側に低く図示されている。
【００５７】
この図１２のグラフから、被測定電池に超音波を印加し電池内を伝播して検出された超音波の受信継続時間が長くなるほど、電池の対定格容量比が高く、超音波の受信継続時間が短くなるほど、電池の対定格容量比が低くなり、それらの電池の対定格容量比と超音波の受信継続時間との関係には明らかに強い相関があり、受信継続時間の長短で電池の劣化が分かり、受信継続時間と対定格容量比との関係式を算出することができる。
【００５８】
このような現象は、電池内に電極の崩落や電池活物質の剥離による電池の劣化に起因して超音波の伝達経路が短くなって短時間で超音波が伝播するためと考えられ、超音波の受信継続時間と被測定電池の対定格容量比との関係式を使用すれば、被測定電池の対定格容量比を求めることができることが分かる。
【００５９】
そこで、本実施形態の方法により、被測定電池Ｂの劣化診断を行う場合、図９に示すように、被測定電池Ｂの上面の一方の電極端子の近傍に超音波発振子３０を取り付け、図１０に示すような電気信号(例えば、１５０kHz)を超音波発振子１０に入力して、超音波を発生させ、所定時間幅(例えば５０μ秒)の超音波を被測定電池Ｂ内に印加する。
【００６０】
このとき、電池Ｂの他方の電極端子の近傍に取り付けた超音波受信子４０により、被測定電池Ｂ内を伝播してきた超音波を検出する。超音波受信子４から出力された超音波の電圧信号は、増幅器５で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６に送られて、デジタル信号(図１１)に変換され、コンピュータ２０に入カされる。コンピュータ２０のＣＰＵ２１は、入力した波形データに対し図１１に示すような閾値を設定し、閾値以上の波形データの部分、つまり超音波の有効レベル部分が続く超音波の受信継続時間をカウントし、記憶する。閾値とは、電池自体が振動源となって検出される低レベルの超音波による信号や最初に電池容器を伝播し得られた超音波信号は、電池内部の劣化状態を示す信号ではないので、これを評価の対象から外すために設定する。
【００６１】
そして、ＣＰＵ２１は、グラフデータ記憶手段２７であるＲＯＭ２２に記録された被測定電池Ｂと同種の電池についての超音波の受信継続時間と対定格容量比のグラフデータ(関係式)(予め実験した実験データに基づき算出された図１２のグラフデータ(関係式))を参照し、上記超音波の受信継続時間に対応した被測定電池Ｂの電池容量の対定格容量比を読み取る。そして、ＣＰＵ２１は、この対定格容量比に基づき被測定電池の劣化を診断し、例えば対定格容量比が予め設定した設定値以下の場合、被測定電池は劣化していると判定する。
【００６２】
このように、この第２実施形態の劣化診断方法と装置においても、超音波を外側から被測定電池Ｂに印加し、電池Ｂの電極を伝播した超音波を電池Ｂの外側より検出して、電池Ｂの対定格容量比を求め、その対定格容量比から被測定電池Ｂの劣化診断を行うから、電池の稼働中であっても、簡単に短時間で電池の劣化を診断することができ、被測定電池の電極端子に測定者が触れる必要がないため、測定者の安全を確保することができる。
【００６３】
なお、上記第１、第２の実施形態では、鉛蓄電池を被測定電池Ｂとして劣化診断を行ったが、鉛蓄電池のほか、ニッケル水素電池、リチウム電池、ニッケルカドニウム電池などの二次電池の劣化診断に使用することもできる。また、グラフデータは対定格容量比に限らず、直接、電池容量とパワー総和値または受信継続時間との関係を表すものでも本質的に同じである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す電池の劣化診断装置の構成ブロック図である。
【図２】同劣化診断装置における被測定電池Ｂへの超音波発振子と超音波受信子の装着状態を示す斜視図である。
【図３】同超音波受信子から出力された超音波検出時の電圧信号の波形図である。
【図４】電池が劣化したときの超音波の周波数に対するパワーの波形図である。
【図５】電池が劣化する前の超音波の周波数に対するパワーの波形図である。
【図６】パワースペクトルの積分値つまりパワー総和を示すパワーの波形図である。
【図７】超音波のパワー総和値と対定格容量比の関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態の電池の劣化診断装置の構成ブロック図である。
【図９】同劣化診断装置における被測定電池Ｂへの超音波発振子と超音波受信子の装着状態を示す斜視図である。
【図１０】超音波発振子に入カする電圧信号の波形図である。
【図１１】超音波受信子から出力される電圧信号の波形図である。
【図１２】超音波の受信継続時間と対定格容量比の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
３−超音波発振子
４−超音波受信子
１０−コンピュータ
１１−ＣＰＵ
１２−ＲＯＭ
１５−フーリエ変換手段
１６−パワー総和値算出手段
１７−グラフデータ記憶手段
１８−対定格容量比算出手段
【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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