(57)【要約】      （修正有）【課題】電池電圧の変化を逐次計測しながら、分派抵抗により電流計測を行い、電圧と電流からＤｉＲを判断し、理論的背景に基づく算出式により電池の残量予測を行うこと。【解決手段】二次電池の劣化度（ＳＯＨ）及び蓄電残量（ＳＯＣ）の挙動を踏まえた上で迅速かつ高精度に検出する手段をマイクロコンピューター技術による計測装置を構成し毎充電ステップの計測値から動的内部抵抗（ＤｉＲ）、出力電圧を使った予測性能向上を実現させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の劣化度（ＳＯＨ）及び蓄電残量（ＳＯＣ）を迅速かつ高精度に検出する手段として二次電池の充電開始時の立ち上がり電圧および電流の計測値をもとに電池方程式を使って装置に内蔵するマイクロコンピューターによって正確に電池の起電力を演算によって求めることを特徴とする電池状態検出装置。
【請求項２】
二次電池の充電を遮断した時の立ち下がり電圧の計測値を前記した該電池方程式を使って静止時の正確な起電力を求め、その起電力が予め設定された対比テーブルとの照合により蓄電残量を確定することを特徴とした請求項１記載の二次電池の電池状態検出装置。
【請求項３】
前記電池状態検出装置により測定された電圧値を前記電池方程式により、充電時の内部抵抗（ＤｉＲ：Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を算出して最小内部抵抗から電池劣化度（ＳＯＨ）を演算出力することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の電池状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本案は、二次電池のエネルギー残量（ＳＯＣ）、蓄電性能の劣化具合（ＳＯＨ）を短時間で精度良く検知し表示する手段に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】  二次電池の電気残量を精度良く検知する手段がなく、二次電池を用いた機器類の使用者にとり突然停止、あるいは、伴う事故等の二次災害に関する不安感に付きまとわれているのが現状製品、技術の課題である。【０００３】  電池の端子電圧計測により残量の推定を行う手法が採られている場合は、高性能な二次電池ほど残量に対する端子電圧Ｖの変化が小さく読み取り精度が実用域を超える問題があり、解決を要している。【０００４】  また、他の方法として電流の出入りを時間積分し電池から電気量増減を基準値から算出して残量推定を行う方法も採られているが、高精度な推定を行うことが困難である。【０００５】  電池は正極と負極の２つの極につき、化学的ポテンシャルが負極の方が正極より高い材料選択をすることで充放電の機能を実現させる構成になっている。さらに、負極に堆積している作動媒体（例えば、リチウムイオン電池ではリチウムイオン）が正極に滑り落ちるときに外部にエネルギーを放出する。これが放電過程である。【０００６】  また、充電は正極のポテンシャルを負極より高くし正極に堆積する作動媒体を負極に落とし込む過程であり、ポテンシャルを高める電源を外部に必要とする。【０００７】  電池内部で起きている化学自称の定量化は複雑であり、効率よく、即応的な電気化学反応の把握が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許３７５２２４９号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】松田他『電気化学概論』（丸善出版）
【非特許文献２】春山『表面技術者のための電気化学』（丸善出版）
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  蓄電された電池から電気エネルギーを取り出す過程において、蓄電残量を正確に短時間で計量し確認できる技術が望まれる。しかし、現状技術で正確に軽量、確認することは困難であると考えられる。その結果、機器類が想定通りに稼働しない、ユーザーがトラブルに巻き込まれるなどの事例が散見される。
【００１１】  機器類に使用される電池はリチウムイオン電池等の二次電池であり、充電と放電を繰り返して使用できるものである。電池残量に対する電圧挙動は図１に示す通りである。
【００１２】  二次電池は充電と放電を多数回繰り返すか、あるいは、過充電・過放電に至ると内部構造体が状態変化した時に損傷することによって性能が劣化する。そして二次電池を使用することができなくなる。
【００１３】  本発明の目的は、電池残量の計量および表示、電池健全度の計量および表示を瞬時に精度よく行い、電池状態の認識がいつでも可能にさせることにある。
【００１４】  正確な残量検知のために起電力の増減と残量増減の関係を軽量化しておき、起電力を計測し残量を計数化することが一つの手法になる。
しかし、残量が正確に判っていれば計量化しながら抜き取り、その差し引きにより現在の残量を正確に知ることができる。
【００１５】  残量を正確に計量する他の手法として電池起電力の計測がある。動作中の電圧は起電力（ＥＭＦ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｏｔｉｖｅ  Ｆｏｒｃｅ、以下ＥＭＦと称する）を示すものではなく、動作を止めると非常に緩慢に計測値は変動する。例えば、充電を遮断した場合、電圧値は時間をかけて一定値に収斂する。
【００１６】  収斂した電圧値が電池起電力であり、電池の蓄電残量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）の指標になる。起電力の計測は長時間を要し、一度充電又は放電すると長時間（目安が１７時間前後）放置しておかないと起電力は計測不能であり電池に存在する電池残量、即ち、引き出し得る電気量（パワー）は逐次計測することができず、したがって、電池が適用された機器の制御を困難に、そして、電池の取り扱いに手間を要する実態をつくっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  瞬時かつ正確な電池残量の計測を目的として、電池方程式を応用する。電池容量の特定には該電池方程式から動的内部インピーダンス（ＤｉＲ：Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、以下ＤｉＲと称する）を瞬時に算出し電池の種類に依る固有の定数を以て電池の現在容量、あるいは健全度（劣化度）、ＳＯＨを算出する。
【００１８】  ここで、電池反応に関する論理の概要を述べ、創出した「電池方程式」に関し説明を加える。
【００１９】  負極の電池反応を反応速度の律速として過電圧と電流、ＤｉＲに関して考察すべく電池反応に依る電流を下記する。
【００２０】    次のように数式文字を定義したとき、電池反応による電流は、任意の平衡電圧からの電圧変位（増減分）δに関し成立する電流を与える関係は数式１で表現できる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】  電圧は仮想平衡電圧η＊ｅｑ＋Δηｅｑを超えた電流に依存した電圧値であり、充電電流を大きくするためには過電圧δを大きくしようとする。結果として、電流値は数式１で算出される挙動を示す。
【００２３】  電流Ｉによる微小な過電圧δへの依存性は動作点でのコンダクタンスになり、逆数が数式２に示されるようにＤｉＲになる。
【００２４】
【数２】
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【００２５】  上記数式２でリチウムイオン電池ではｎ＝１、また、充電時、負極では還元反応、正極では酸化反応が主な反応になり、それぞれの移動度αは異なるが、全体動作としてα＝０．５にしても論理的に矛盾を起こすものではないから、数式１、２は次のように数式３、４で表される。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
【数４】
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【００２８】  動作時の内部抵抗は起電力ηｅｑ＊＋Δηｅｑでの電流立ち上げ時のそれとなる。内部抵抗による電圧降下は数式３および４から、数式５のように表わされる。
【００２９】
【数５】
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【００３０】  図２の左図は負極正極の分極への電流値特性を示す。この特性を計測することは不可能であるが、分極特性として正負両極を合成した同図２の右図で示す枠組みで計測することは可能である。
【００３１】  還元反応を陽に起こすのは、平衡電圧移行の過電圧により電流が生じることを鑑みて数式５では平衡電圧がηｅｑ＊＋ηｅｑであるが、下記する数式６に示すようにΔηｅｑは反応界面の酸化体の必要濃度が安定時濃度との比により過電圧δが決まることを示している。
【００３２】
【数６】
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【００３３】  平衡時はｃ０＊／ｃｒ＊に相当し、すなわち、Δηｅｑ＝０であり酸化と還元の山を越える時間当たりの電子数が等しい時である。充電電流を得るためには、還元による電流を大きくする必要があるが、その場合は電極側のポテンシャルが高くなり電子が反応界面側に流れやすくなる。一方、逆の界面側から電極側へは山が高くなり流れにくくなる。
【００３４】  この電極側ポテンシャルの必要アップ量は式（６）に立ち返り、Δηｅｑ（ｔ）の時間特性に関し考察する。電池界面と流れとの間には参加体の流れに対し、電気的にはある種の抵抗とコンデンサーからなる図３に示す遅延回路が存在すると考えることが出来る。
【００３５】  図３の回路の過渡特性は次の数式７で表せる。
【００３６】
【数７】
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【００３７】  長期非動作後充電を開始したとき、上式中ｔ＝０とおきΔηｅｑ（０）はゼロになる。
充電を続行すると時間とともにΔηｅｑは増大し電流値ｉに応じその値はＲｘＩに漸近する。
【００３８】  数式７におけるＲは、いわゆる物質移動課程におけるイオン移動抵抗であり、Ｃは障壁の等価容量となる。また、ｔ＝∞のとき、電流Ｉを流すために必要な界面酸化体の濃度に関係し、静止時の平衡電圧に対する動作時の平衡電圧の差Δηｅｑの絶対値になる。逆に充電を止めるとこの電圧が時間と共に低下しもとの平衡電圧に収斂する。
【００３９】  図２は電圧・電流特性の過渡状態を示す。同図（ａ）は長期非動作からの動作曲線で電流の立ち上がりはηｅｑ＊からの過電圧δ０によって電流Ｉが流れ、動作曲線上δ０での勾配がＤｉＲ＝０になり、これに電流Ｉを乗じたＩ×ＤｉＲが内部抵抗による電位差になる。
【００４０】  電流Ｉを固定するには印加電圧は上昇する。この理由は、界面の酸化体濃度を保つためには電圧を上昇し、反応界面の外部領域から酸化体を引っ張り出すのに必要な余分の電位を必要とするためである。換言すると、電流Ｉを得るためには時間とともに仮想の起電力が数式７にしたがって上昇し、平衡電圧の上昇に伴い過電圧電位を上昇する必要が生じるためである。この様子を示した電圧・電流特性を示したものが同図（ｂ）である。
【００４１】  数式７でｔ→∞のとき、すなわち、電流Ｉで充電続行すると、Δηｅｑは電池種の特性値Ｒに電流値Ｉを乗じたＲＩとなる。
【００４２】  この抵抗値Ｒは、物質移動過程の界面でのイオン伝導率にかかわり、これも動的内部抵抗ＤｉＲとして計測データに現れる。しかし、この抵抗Ｒと電極反応での電子移動過程での反応による抵抗ＤｉＲとは分離して計測可能である。
【００４３】  物質移動過程の抵抗値Ｒの同定は次のように求めることができる。定電流充電後、遮断すると電圧が変化する。遮断直前の電圧Ｖ＿ｃｈａｒｇｅはＶ＿ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎに低下する。その後、電圧は徐々に低下し長期放置すると電圧ηｅｑとなり平衡する。このＶ＿ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎとηｅｑ１との差が遮断直前の電流と物質移動過程での抵抗Ｒとの積に等しい。
【００４４】  この抵抗値Ｒは、電池セルに固有な特性値であり、充電開始直後からの指数近似式にしたがう電圧の時間変化、あるいは、充電遮断直後からの電圧低下を計測することにより知られる。下記、数式８にそれを示す。
【００４５】
【数８】
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【発明の効果】
【００４６】  本発明に依れば、書籍１、２で解説されている知見に基づき、特許文献１に示した方法論に加え、蓄電残量（ＳＯＣ）、動的内部抵抗ＤｉＲを逆演算することにより電池状態の監視をより的確にできる。そして、適格な監視によって蓄電装置使用者の不安感が一掃される効果も見込める。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】充電残量に対する電池電圧の変化を示すグラフ図である。本発明ではリチウムイオン電池に特有の充電現象を対象にしているので、リチウムイオン電池と鉛蓄電池の比較を示している。
【図２】充電時の電圧・電流特性を示した図である。
【図３】充電時の電圧対電流の立ち上がり特性を示した図である。
【図４】充電時の電圧対電流の立ち下がり特性を示した図である。
【図５】本発明に係る計測装置の基本構成である。
【図６】毎充電ステップの電圧／電流特性を示した図である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】  本発明は、蓄電池を用いた産業機器等で利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】    １０  電池
１１  電流検知器
１２  電圧検知器
１３  計測制御器
【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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