(57)【要約】      （修正有）【課題】フライングキャパシタンス方式をＤｉＲ演算方式に援用してより正確な充電量予測方式を実現させること。【解決手段】電池電圧の変化を逐次計測し、電池電圧の挙動に関する理論式を用いて充電ステップ幅を設定しながら電池に印加するための計測装置を構成し、毎充電ステップの完了判断と動的内部抵抗が出力電圧の判断基準を満たした段階で充電停止に至る仕組みを装置化して過充電を防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電対象となる二次電池の定格満充電平衡電圧値よりも低い最低チェック電圧値から所定刻み幅の電圧値でチェック電圧値を増加させて行く電圧値増加手段と、
二次電池に印加する電圧値を前記充電電圧供給手段から供給されるチェック電圧値に切り換える切換手段と、
二次電池に通電されている電圧値を検出する電流検出手段と、
二次電池にチェック電圧を印加している間に前記電流検出手段によって検出された電流値が所定基準電流値以下になったか否かを判定する電流判定手段と、
前記電流判定手段による判定で、前回のＹｅｓ判定から今回のＹｅｓ判定までの所要時間が前々回のＹｅｓ判定から前回のＹｅｓ判定の所要時間のｒ倍を越えたか否かを判定する満充電判定手段と、
二次電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、
二次電池にチェック電圧を印加している間に前記電圧検出手段によって検出された電圧値が前記最低チェック電圧値よりも高いが前記定格満充電平衡電圧値よりも低い判定基準電圧値以上になった否かを検出する電圧判定手段と、
電流値増分、電圧値増分から電池を流れる電流値、すなわち、動的内部インピーダンス（ＤｉＲ：Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を演算し判断基準に対する論理判断回路を備えたことを特徴とする二次電池の充電状態診断装置。
【請求項２】
前記演算回路内の定数Ｋ０を一定間隔で演算し直し回路パラメータに反映させる演算機能（回路又はＦＰＧＡに代表されるＣＰＵロジック）と、
前記演算回路内において、フライングキャパシター方式を援用した回路方程式でコンデンサ容量成分Ｃ１を算出する回路と、
前記した方法で算出された定数Ｋ０とコンデンサ容量成分Ｃ１を用いたマトリックス演算に反映させるロジック回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の充電状態診断装置。
【請求項３】
前記演算回路内の定数Ｋ０を一定間隔で演算し直し、蓄積データとしてＤＢに記憶させる記憶装置と、
前記演算回路内において、フライングキャパシター方式を援用した回路方程式で演算されたコンデンサ容量成分Ｃ１を蓄積データとしてＤＢに記憶させる記憶装置と、
前記の通り蓄積されたＫ０、Ｃ１から統計処理を行い、最適値を一定期間毎に演算して回路パラメータに反映される統計処理演算装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の二次電池の充電状態診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本案は、主には鉛蓄電池、ニッケル−水素金属電池等の二次電池を診断する装置に関するものである。
【背景】
【０００２】  二次電池の充電では、その過程で蓄電池の蓄電容量に対してどの程度まで充電されているかを知ることが重要である。従来はこれを知る術がなく、異常現象の検出により充電を停止させる回路を組んでいた。
【０００３】  一方で、従来の充電方法では二次電池の過充電が防げず、結果として寿命が縮まり使用者にも製造者にも交換サイクルを短縮させてコストアップを招いていた。
【０００４】  上記したような背景に依り、二次電池が満充電状態に達しているか否かを定期的に検査しながら二次電池に損傷を残さず急速に充電を行うことが出来る二次電池の充電装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】  本案に係る二次電池の充電装置は、大電流を流す主充電と、二次電池の充電状態のチェックを交互に繰り返して充電する。主充電については、二次電池に満充電平衡電圧値より高い所定の充電印加電圧値を所定時間印加し充電する。
【０００６】  また、二次電池の満充電状態チェックでは、二次電池に満充電平衡電圧値を微小時間印加している間に二次電池を流れる電流値を検出し、該電流値と所定基準電流値を比較して、二次電池が満充電状態に達したか否かをチェックする。
【０００７】  そして、充電する二次電池の種類に対応する満充電平衡電圧値と所定の充電印加電圧値を手動でセットして前準備した上で充電を行うことになるが、その後、本案の出願人により前準備の手間を省き二次電池の種類と型番に依らない二次電池の充電装置が提案されている。（特許文献４）
【０００８】  本発明は二次電池の定格満充電平衡電圧値よりも高く不可逆化学反応領域に達しない所定の充電印加電圧値により二次電池に大電流を流す主充電と、充電対象となるどの種類の二次電池の定格満充電平衡電圧値よりも低い最低チェック電圧値又は該最低チェック電圧値からインクリメントしていったチェック電圧値による二次電池の充電状態チェックを繰り返しながら、第１の条件（二次電池電流が基準電流値以下）で電圧値をステップ状に増す、第２の条件（所要時間が一定の倍率で増える、すなわち、充電に時間がかかる状態になる）で充電停止信号が出て充電を停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−４０７７０号公報
【特許文献２】特許３４３０４３９号公報
【特許文献３】特許３７５２２４９号公報
【特許文献４】特許４２３１８５２号公報
【特許文献５】特開２０１５−１０８５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  エネルギー効率向上と環境保護の観点から、近年、急速充電技術と充電診断技術が開発されてきている。【００１１】  本案では、フライングキャパシタンス方式をＤｉＲ演算方式に援用してより正確な充電量予測方式を実現させようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  前記は本案により解決しようとする課題であり手段を以下に説明する。【００１３】  ＰＷＭパルス電圧印加値と時間幅をステップ状で制御する回路（図１）、及び、電圧上昇分を検知する検出回路（図２）は前記した私たちの従来案と同様である。加えて、本案では、いわゆるフライングキャパシター方式と呼ばれる３相スイッチング回路を設け（図３）、ＰＷＭ制御によるパルス幅による電圧印加の間隙の波形を読み取りコンデンサ容量成分Ｃ１を逆演算する（図４）。逆演算したコンデンサ容量値Ｃ１を使ってマトリックス演算式（数１）に依り、寿命演算を行うことが出来る。【００１４】  以下、本発明の一実施形態を図面参照しながら説明する。【００１５】  図１は本案の原型として考えるべき充電残量と電池電圧の関係をグラフで示したものである。リチウムイオン電池は充電残量の変化に対して電圧値が大きく変化せず推移するため、充電残量がゼロ（Ｅｍｐｔｙ）に近づくときの反応を読み取るのが困難である。そして、充電時の電圧及び電流の計測システムを図２に示すような回路の実施形態に沿って行った場合に予測診断、アルゴリズムに独自の工夫が必要になって来る。【００１６】  したがって、従来の抵抗法、フライングキャパシターによる方法のみでは容易に予測診断できない精度を獲得するための方法を本案により実現させるものである。原型として考えるべきは、充電時の電圧・電流特性を示した図３が一例である。【００１７】  図３から考察を進め、図４に示すように充電／休止時間のステップ幅を決めた上での毎充電ステップの挙動を考えると、
第一に、充電から放電までの単位区間（以下「充電ステップ」と呼ぶことにする）の完了を判断するために、単一ステップ間に電流と電圧が下降具合を計測しながら、電圧・電流の下降値幅基準を設けて計測単位時間（Δｔとする。例えば周波数１ｋＨｚの計測ループであれば１ｍｓ毎である）前後で基準に対して判断する方法になる。一例として、ステップｊにおける測定データを電圧Ｖ［ｊ］、電流Ｉ［ｊ］とするならば、
ロジック１−１：Ｖ［ｊ］＜Ｖ［ｊ−１］  ａｎｄ  Ｉ［ｊ］＜Ｉ［ｊ−１］
ロジック１−２：Ｖ［ｊ］＜Ｖ［ｊ−１］  ａｎｄ  Ｖ［ｊ−１］＜Ｖ［ｊ−２］
ロジック１−３：｛Ｖ［ｊ］＜Ｖ［ｊ−１］  ａｎｄ  Ｖ［ｊ−１］＜Ｖ［ｊ−２］｝  ａｎｄ  ｛Ｉ［ｊ］＜Ｉ［ｊ−１］  ａｎｄ  Ｉ［ｊ−１］＜Ｉ［ｊ−２］｝
のように、離散時間Δｔによる微分値の正負判断を使うのが一般的な方法である。【００１８】  第二に、充電ステップ内でのＤｉＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の変動を読む方法を採る。判断基準をＤｉＲ＊としてＤｉＲ［ｊ］＞ＤｉＲ＊の論理判断を設けた論理判断式の一例は、
ロジック２−１：（Ｖ［ｊ−１］−Ｖ［ｊ−２］）／Ｉ［ｊ−１］−Ｉ［ｊ−２］）＞ＤｉＲ
ロジック２−２：｛（Ｖ［ｊ−１］−Ｖ［ｊ−２］）／（Ｉ［ｊ−１］−Ｉ［ｊ−２］）＞ＤｉＲ＊｝  ａｎｄ  ｛（Ｖ［ｊ−１］−Ｖ［ｊ−３］）／Ｉ［ｊ−１］−Ｉ［ｊ−３］｝＞ＤｉＲ＊｝
である。これをグラフ化して図示したものが図５である。【００１９】  第三に、電圧Ｖ［ｊ］の上昇幅がある値以下になった時点を充電完了とみなす判断方法を採る。判断基準をｄＶ＊としてＶ［ｊ−１］−Ｖ［ｊ−２］＜ｄＶ＊の論理判断を設けるのが一例である。【００２０】  さらに論理判断を加えるときには、Δｔの幅により変わるものと見られる経験値から計測データに統計処理をかけて、前記した各々ＤｉＲ＊、ｄＶ＊の基準をΔｔの関数、即ちＤｉＲ＊（Δｔ）とｄＶ＊（Δｔ）としてデータを整理し経験則を積み重ねる方法も考えられる。【００２１】  前記した計測データＶ［ｊ］、Ｉ［ｊ］から平衡電極電圧ηｅｑに相当する値を算出する方法の一案として、（数１）に示したマトリックス演算法を用いるのも考えられる。すなわち、
演算式（１）ｄ＾２ηｅｑ／ｄｔ＝１／（２＊Ｋ０＊ｆ＾２）
演算式（２）ｄηｅｑ／ｄｔ＝１／（１−ｆ／２）＊｛（Ｖ［ｊ］−Ｖ［ｊ−１］−４＊Ｋ０）
なお、上記演算式中でＫ０とした定数は前記した電流値Ｉ［ｊ］の経験値から印加電圧Ｅ／Ｉ［ｊ］の傾きにより求められる値である。【００２２】  また、電池の充電特性を決めるイオン（リチウム、鉛など）により活性化エネルギー値Ｅは決まるものであるが、測定値から回帰直線論理を使い逆演算した活性化エネルギー値Ｅにより、前記したＤｉＲ＊、ｄＶ＊の基準を算出する方法も考えられる。【００２３】
【数１】
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（注記）
１  Ｋ０は印加電圧、電流値から回帰直線で求められる定数である。
２  ｆ＝Ｆ／（ＲＴ）  Ｆ：ファラデー定数、Ｒ：気体定数  Ｔ：絶対温度
３  マトリックス式への展開は
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として、一次項のみで止めている。データ検討からは、有意近似といえることが判った。
【発明の効果】
【００２４】  本案に依れば、特許文献２、４で解説されている方法論に加え、キャパシタンスＣ１を逆演算する機能を有し充電現象のマトリックス演算を加え精緻化した回路を組むことで、充電診断をより高性能化させ回路の発散現象を抑えることが出来る。又、該マトリックス回路とデータ保全・分析を組合せて現場の経験則を導き出し「活用しながら更なる高性能化を図る」仕組みを構築する足掛かりになるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】本発明に係る計測装置の基本構成である。
【図３】充電時の電圧・電流特性を示した図である。
【図４】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５】毎充電ステップの電圧／電流特性を示した図である。
【図６】毎受電ステップの電圧／電流立下がり特性を示した図である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】  本発明は、プラント、産業機器、一般消費者向け製品等、蓄電池を備えたものについて利用可能である。
【符号の説明】
【００２７】    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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