(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充放電電流から上記二次電池が充電中であるか、或いは放電中であるかを検出する手段と、前記二次電池に対する充放電を一時的に休止させる手段と、上記充放電の休止時点から所定時間後における該二次電池の開放電圧を検出する手段と、検出した二次電池の開放電圧と前記二次電池が充電中であるか放電中であるかの検出結果とに基づいて前記二次電池における充電量の程度を求める充電状態検出手段とを具備したことを特徴とする二次電池の充電状態検出装置。
【請求項２】
前記二次電池における充電量の程度は、前記二次電池の満充電容量に対する充電容量の比として求められるものである請求項１に記載の二次電池の充電状態検出装置。
【請求項３】
前記充電状態検出手段は、前記二次電池が充電中であるか放電中であるかの検出結果に基づいて、充電時における前記二次電池の開放電圧と充電容量比との関係を示すテーブル、または放電時における前記二次電池の開放電圧と充電容量比との関係を示すテーブルを選択的に参照して前記二次電池における充電量の程度を検出するものである請求項１または２に記載の二次電池の充電状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素電池等の二次電池の充電状態、特に満充電容量に対する充電容量比を簡易に、且つ効率的に検出することのできる二次電池の充電状態検出装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、ニッケル水素電池等の二次電池をエネルギ源とする装置が種々開発されている。特に最近ではガソリンと二次電池とをエネルギ源として併用したハイブリッド自動車の開発も盛んに進められている。ちなみにハイブリッド自動車は、二次電池により駆動されるモータを用いてガソリンエンジンの駆動力をアシストする共に、前記モータによるエネルギの回生時には該回生エネルギを用いて前記二次電池を充電するものであり、クリーンエネルギ化とその低燃費化を図り得る等の優れた効果が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて上述した如くして二次電池を用いる場合、該二次電池が満充電状態であると自己放電作用が大きくなる上、回生エネルギの受入性も悪くなる。また二次電池の充電残容量が少な悪いと、該二次電池から十分なエネルギを引き出すことが困難となるので、ガソリンエンジンに対する適切なアシストが得られなくなる。従って二次電池の充電状態を的確に把握し、その充電容量を適正な範囲に保ちながら充放電を制御することが必要となる。
【０００４】
しかしながら従来においては、専ら二次電池の充放電電流を積算してその充電状態を管理しているだけなので、例えば二次電池に対する充放電がランダムに繰り返されるような場合、その充電状態を正確に管理することが困難である。しかも充電時における二次電池の充電電圧、放電時における二次電池の放電（出力）電圧が互いに異なる上、充放電環境（充電条件や負荷条件）によっても変化するので、これらの電圧から二次電池の充電状態を把握することも困難であった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の充電状態、特に満充電容量に対する充電容量比（％）を簡易に、且つ効率的に検出することのできる検出精度の高い二次電池の充電状態検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池の充電状態検出装置は、二次電池の充電または放電を一時的に停止させたとき、その開放電圧が該二次電池の充電量の程度に応じた経時的な変化を示して安定化すること、しかも上記開放電圧の変化が充電時と放電時とで異なる特性を示すにことに着目してなされたもので、
二次電池の充放電電流から上記二次電池が充電中であるか、或いは放電中であるかを検出すると共に、前記二次電池に対する充放電を一時的に休止させて、その充放電の休止時点から所定時間後における上記二次電池の開放電圧を検出し、充電状態検出手段においては上記開放電圧と前記二次電池が充電中であるか放電中であるかの検出結果とに基づいて前記二次電池における充電量の程度を求めることを特徴としている。
【０００７】
特に本発明の好ましい態様は、請求項２に記載するように、前記二次電池における充電量の程度を、前記二次電池の満充電容量に対する充電容量の比として、例えば９０％充電、１０％充電等として求めることを特徴としている。
【０００８】
また前述したように前記開放電圧の変化が充電時と放電時とで異なる特性を示すことから、請求項３に記載するように、前記充電状態検出手段においては、前記二次電池が充電中であるか放電中であるかの検出結果に基づいて、充電時における前記二次電池の開放電圧と充電容量比との関係を示すテーブル、または放電時における前記二次電池の開放電圧と充電容量比との関係を示すテーブルを選択的に参照して前記二次電池における充電量の程度を検出することを特徴としている。
【０００９】
つまり本発明に係る二次電池の充電状態検出装置は、二次電池に対する充放電を一時的に休止させると共に、或いは二次電池に対する充放電が停止したとき、その充放電の休止（停止）時点から所定時間後における該二次電池の開放電圧を求めることで、この開放電圧から該二次電池の充電状態、特に満充電容量に対する充電容量比（％）を簡易に、且つ高精度に求めるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る二次電池の充電状態検出装置について説明する。
図１は実施形態に係る充電状態検出装置と、この充電状態検出装置を備えた二次電池ＢＡＴに対する充放電回路の概略構成図である。二次電池ＢＡＴはリチウムイオン電池やニッケル水素電池等からなり、単一の電池セル（素電池）、または複数の電池セルを直列、或いは並列に接続した電池ブロックからなる。しかして二次電池ＢＡＴは、充放電スイッチ回路１を介して充電電源２またはモータ等の負荷３に選択的に接続される。そして該二次電池ＢＡＴは前記充電電源２により充電されると共に、前記負荷３に対して放電するものとなっている。尚、負荷３がモータである場合、該モータによって回生されるエネルギにより前記二次電池ＢＡＴが充電される場合もある。
【００１１】
さて前記二次電池ＢＡＴにはシャント抵抗Ｒが直列に介挿されており、該シャント抵抗Ｒの両端間電圧から二次電池ＢＡＴに対する充放電電流が検出されている。また充放電判定部１１は、上記シャント抵抗Ｒに流れる電流の向き（上記両端間電圧の極性）から、二次電池ＢＡＴが充電中であるか、或いは放電中であるかを判定している。更に開放電圧検出部１２は、前記二次電池ＢＡＴの端子電圧Ｖbatを検出しており、特に一時休止制御部１３の制御の下で前記二次電池ＢＡＴに対する充放電が停止されたとき、その開放電圧Ｖoffを検出するものとなっている。
【００１２】
しかして前記一時休止制御部１３は、例えば所定の時間間隔で、或いは図示しない制御部からの指令を受けて前記充放電スイッチ回路１の作動を制御して前記二次電池ＢＡＴに対する充放電を一時的に休止させるもので、この充放電休止期間中の上記休止時点から所定時間ｔ後に前記開放電圧検出部１２に対して前記開放電圧Ｖoffの検出指令を発している。このようなタイミングで前記開放電圧検出部１２は二次電池ＢＡＴの開放電圧Ｖoffを検出している。
【００１３】
このようにして開放電圧検出部１２により検出された二次電池ＢＡＴの開放電圧Ｖoffは、前記充放電判定部１１の制御の下で充電電圧テーブル１４または放電電圧テーブル１５による選択的な参照に供される。これらの各テーブル１４,１５は、予め前記二次電池ＢＡＴの充電状態に応じた開放電圧Ｖoffを、例えば折れ線近似したグラフとしてテーブル化したものであり、該二次電池ＢＡＴの充電状態を、その満充電容量に対する充電容量比（％）として表し、この充電容量比と開放電圧Ｖoffとの関係を示している。特に後述するように充電容量比と開放電圧Ｖoffとの関係が、二次電池ＢＡＴに対する充電時と放電時とで異なることから、ここではその充放電状態に応じて充電電圧テーブル１４および放電電圧テーブル１５の２つテーブルが準備されている。しかして前記充電状態検出部１６は、二次電池ＢＡＴが充電中であったか、或いは放電中であったかに応じて前記テーブル１４,１５を選択的に参照して前記開放電圧Ｖoffに相当する二次電池ＢＡＴの充電状態を求め、例えばこれを充電状態表示部１７にて表示するものとなっている。
【００１４】
即ち、図２にその動作タイミングを模式的に示すように、二次電池ＢＡＴに対する充電（放電）中、一次休止制御部１３は図２(ｂ)に示すようにその充放電を一時的に休止させる休止制御パルスを発生し、前記充放電スイッチ回路１を付勢して二次電池ＢＡＴに対する充放電を一時的に停止させる。そしてこの休止制御パルスを用いて前記二次電池ＢＡＴに対する充放電を一時的に休止させている期間において、図２(ｃ)に示すように前記休止制御パルスのリーディングエッジから所定時間ｔ後に開放電圧Ｖoffの検出指令を発している。前記開放電圧検出部１２は、上記タイミングで発せられる検出指令を受けて、例えば図２(ｄ)に示すように二次電池ＢＡＴの開放電圧Ｖoffを検出するものとなっている。
【００１５】
尚、上記充放電の一時的な休止は、例えば１０秒程度に設定され、またこのときの開放電圧Ｖoffの検出タイミングは、例えば充放電の休止時点から５秒後程度に設定される。しかし上記休止期間や開放電圧Ｖoffの検出タイミングは、二次電池ＢＡＴの仕様等に応じて定めれば良いものである。また上述した如く休止制御パルスの下で二次電池ＢＡＴの充放電を一時的に休止し、開放電圧Ｖoffを計測した後には、該二次電池ＢＡＴに対する充放電が再開される。
【００１６】
次に前述した如く検出される二次電池ＢＡＴの開放電圧Ｖoffと、該二次電池ＢＡＴの充電状態との関係について説明する。二次電池ＢＡＴの充電状態は、例えばその満充電状態における電池容量（満充電容量）を１００％としたときの充電容量比（％）として表される。従って概念的な表現においては、充電容量比が９０％である場合には充電状態が高く、また充電容量比が１０％の場合には充電状態が低いと言える。
【００１７】
さて二次電池ＢＡＴを所定の充電状態まで充電した後の開放電圧Ｖoffの経時的変化を調べたところ、図３(ａ)に示すような傾向があることが確認された。同様に満充電状態にある二次電池二次電池ＢＡＴを所定の充電状態まで放電させた後の開放電圧Ｖoffの経時的変化を調べたところ、図３(ｂ)に示すような傾向があることが確認された。
【００１８】
即ち、二次電池ＢＡＴを異なる充電容量比までそれぞれ充電した後の開放電圧Ｖoffの経時的な変化を調べたところ、図３(ａ)に示すように充電停止直後、その開放電圧Ｖoffは急激に低下した後、そのときの充電容量比に応じた減少特性で次第に或る電圧値に安定化する。また二次電池ＢＡＴを異なる充電容量比までそれぞれ放電させた場合には、図３(ｂ)に示すように放電停止直後、その開放電圧Ｖoffは急速に回復した後、そのときの充電容量比に応じた増加特性で次第に或る電圧値に安定化する。しかも上記開放電圧Ｖoffの変化特性と安定化電圧値は、充放電時における二次電池ＢＡＴの端子電圧に拘わることなく、そのときの充電状態に応じて一定である。また開放電圧Ｖoff自体は、そのときの充電容量比によって互いに異なる値を示す。
【００１９】
従って二次電池ＢＡＴに対する充電または放電を停止（休止）した時点から、所定時間後の開放電圧Ｖoffに着目すれば、その開放電圧Ｖoffはそのときの充電状態（充電容量）を示していることになる。特にこのような開放電圧Ｖoffと充電状態との関係は、例えば図４(ａ)(ｂ)に示すように開放電圧Ｖoffに応じてその充電容量比（％）が一義的に対応付けられる。尚、図４(ａ)(ｂ)に示す特性は実験的に求めた二次電池ＢＡＴの特性を示している。
【００２０】
そこで本発明においては予め充電状態検出対象とする二次電池ＢＡＴの、図４(ａ)に示す如きグラフ特性として示されるような充電停止時における開放電圧Ｖoffと充電状態（充電容量比）との関係を予め求めて前記充電電圧テーブル１４として準備し、また図４(ｂ)に示す如きグラフ特性として示されるような放電停止時における開放電圧Ｖoffと充電状態との関係を予め求めて前記放電電圧テーブル１５として準備している。
【００２１】
そして二次電池ＢＡＴの充放電を一時的に休止（停止）させたとき、該二次電池ＢＡＴが充電中であったか、或いは放電中であったかに応じて前記充電放電テーブル１４または放電電圧テーブル１５を選択的に参照することで、上記休止時点から所定時間ｔ後に検出された開放電圧Ｖoffに基づいて該二次電池ＢＡＴの充電状態（充電容量比）を求めるものとなっている。
【００２２】
かくして上述した如く構成された本装置によれば、二次電池ＢＡＴの充放電電流を積算することなしに、しかも充放電中の外部環境からの影響を受け易い二次電池ＢＡＴの閉路電圧（充放電電圧）に左右されることなしに、該二次電池ＢＡＴの充電状態を正確に検出することができる。しかも二次電池ＢＡＴに対する充放電を一時的に休止させると言う簡単な制御だけで、そのときの充電状態を高精度に検出することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば二次電池ＢＡＴの環境温度を考慮する場合には、開放電圧Ｖoffの検出時における電池温度に応じて該開放電圧Ｖoffを補正した後、その補正された開放電圧Ｖoffに基づいて前述したテーブル１４,１５を参照するようにすれば良い。また充放電に対する一時的な休止時間や、開放電圧Ｖoffの検出タイミングについては、二次電池ＢＡＴの仕様に応じて定めれば良い。また二次電池ＢＡＴが複数の電池セル（素電池）からなる場合、個々の電池セル（素電池）毎にその開放電圧Ｖoffを検出するようにしても良いことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、充放電中の二次電池の充放電を一時的に休止させて、その休止時点から所定時間後における該二次電池の開放電圧Ｖoffを検出し、前記二次電池が充電中であるか放電中であるかの情報と、上記開放電圧Ｖoffとから該二次電池の充電量を求めるので簡易にして効率的に、しかも高精度にその充電状態を把握することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。特に充電中であったか、放電中であったかに応じて異なるテーブルを参照するので、充電状態または放電状態に拘わることなくその開放電圧Ｖoffから二次電池の充電状態（充電容量比）を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電状態検出装置と、この充電状態検出装置を備えた充放電回路の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る充電状態検出装置における充放電の休止制御と開放電圧の検出タイミングを示す図。
【図３】種々の充放電状態における二次電池の開放電圧の経時的変化を示す図。
【図４】開放電圧と充電状態（充電容量比）との関係を示す図。
【符号の説明】
ＢＡＴ  二次電池
１１  充電判定部
１２  開放電圧検出部
１３  一時休止制御部
１４  充電電圧テーブル
１５  放電電圧テーブル
１６  充電状態検出部
１７  充電状態表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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