JP2013032947A - 内部抵抗値算出装置及び内部抵抗値算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良く二次電池の劣化状態を検知することができ、且つ経年劣化等の影響を回避できる二次電池の内部抵抗値算出装置及び内部抵抗算出方法を提供する。
【解決手段】バッテリ１と並列関係となるようにコンデンサ３３を接続し、第１抵抗３２及び第１スイッチ３１の直列回路を間に接続する。更に、第１抵抗３２とコンデンサ３３との間に第２スイッチ３４を介して第２抵抗３５の一端を接続し、第１スイッチ３１及び第２スイッチ３４を相補的に切り替える。第１スイッチ３１がオンのときはバッテリ１からコンデンサ３３へ充電がされ、時定数τ_chg はバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂ、第１抵抗３２の抵抗値Ｒ１、コンデンサ３３の内部抵抗値Ｒｃ及び容量Ｃを用いてτ_chg ＝（Ｒｂ＋Ｒ１＋Ｒｃ）Ｃと表される。コンデンサ３３の放電時の時定数τ_dchg＝（Ｒ１＋Ｒｃ）Ｃとの演算に基づきバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂが求まる。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の充電状態を検知する装置に関し、特に、コンデンサを用いて経年劣化等の影響を回避して劣化状態を検知するために、精度良く内部抵抗値を算出することができる二次電池の内部抵抗値算出装置及び内部抵抗値算出方法に関する。

車両に搭載されるバッテリ（二次電池）は、エンジン始動時にスタータへの電圧供給のために十分に充電されていることが必要である。したがって、バッテリの充電状態を正確に検知できることが重要である。

従来では、特許文献１及び２に示すように、車両のイグニッションスイッチがオンにされたときの突入電流が流れているときの放電電流値及び端子電圧値（解放電圧値及び放電時電圧値）をサンプリングし、サンプリングした値から内部抵抗値を算出して劣化度合いを検出する方法が用いられている。

特開２００８−８７０３号公報 特開２００９−２２６９９６号公報

しかしながら、サンプリングされる電流値又は電圧値は、数十ミリ秒間での瞬間値であるから誤差が比較的大きく、算出される内部抵抗値にもバラつきが出る。しかも、算出される内部抵抗値は、スタータの内部抵抗値の影響を受けるが、スタータの内部抵抗値も経年劣化を受けるために正確に算出できない可能性がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、精度良く二次電池の劣化状態を検知することができ、且つ経年劣化等の影響を回避できる二次電池の内部抵抗値算出装置及び内部抵抗算出方法を提供することを目的とする。

第１発明に係る内部抵抗値算出装置は、二次電池の一方の電極側に、第１スイッチ及び第１抵抗の直列回路を介して一端子が接続され、他端子が前記二次電池の他方の電極側に接続されるコンデンサと、第１抵抗及び前記コンデンサの間に第２スイッチを介して一端子が接続され、他端子が前記二次電池の他方の電極側に接続される第２抵抗と、第１スイッチ及び第２スイッチを相補的にオン／オフして前記コンデンサの充放電を切り替える手段と、該手段による切り替え後の前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定する手段と、測定した複数時点での電位に基づき、前記コンデンサへの充電時の時定数及び放電時の時定数を算出する手段と、算出された充電時及び放電時の時定数から前記二次電池の内部抵抗値を算出する手段とを備えることを特徴とする。

第２発明に係る内部抵抗値算出装置は、第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値は略等しいことを特徴とする。

第３発明に係る内部抵抗値算出装置は、算出された充電時及び放電時の差分を前記コンデンサの容量で除して前記二次電池の内部抵抗値を算出するようにしてあることを特徴とする。

第４発明に係る内部抵抗値算出装置は、前記コンデンサは電気二重層キャパシタであることを特徴とする。

第５発明に係る内部抵抗値算出方法は、二次電池の一方の電極側に、第１スイッチ及び第１抵抗の直列回路を介してコンデンサの一端子を接続し、該コンデンサの他端子を前記二次電池の他方の電極側に接続し、第１抵抗及び前記コンデンサの間に第２スイッチを介して第２抵抗の一端子を接続し、他端子を前記二次電池の他方の電極側に接続しておき、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフとして前記コンデンサを前記二次電池の供給電力により充電し、充電を開始してからの前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定し、第２スイッチをオフ、第２スイッチをオンとして前記コンデンサを放電させ、放電を開始させてからの前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定し、測定した複数時点での電位に基づき、前記コンデンサへの充電時の時定数及び放電時の時定数を算出し、算出された充電時及び放電時の時定数から前記二次充電池の内部抵抗値を算出することを特徴とする。

本発明では、二次電池の一方の電極側に第１スイッチ及び第１抵抗の直列回路を介してコンデンサが接続される。コンデンサの一端子が第１スイッチ及び第１抵抗側に接続され、他端子は二次電池の他方の電極側に接続される。なお、二次電池のいずれかの電極は固定電位に接続、例えば接地される。第１スイッチがオンとなると二次電池から放電がされ、コンデンサが充電される。更に第１抵抗とコンデンサとの間には、第２スイッチを介して第２抵抗が接続される。第２抵抗の一端子はコンデンサ側に接続され、他端子は充電池の他方の電極側に接続される。コンデンサが充電された後、第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンとした場合、コンデンサから放電がされる。第１スイッチ及び第２スイッチを相補的にオン／オフすることにより、コンデンサの充放電を切り替える。このとき、充電中のコンデンサの一端子側の電位、及び放電中のコンデンサの一端子側の電位を夫々複数時点で測定し、それらの測定値に基づき時定数（τ_chg ，τ_dchg）を算出する。二次電池、第１抵抗及びコンデンサからなる回路構成での充電時の時定数（τ_chg ＝Ｒ_chg Ｃ）と、コンデンサ及び第２抵抗からなる回路構成での放電時の時定数（τ_dchg＝Ｒ_dchgＣ）とから、既知の第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値を用い、コンデンサの内部抵抗値を相殺して二次電池の内部抵抗値を算出することが可能である。このとき、第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値は、二次電池の内部抵抗値と比較して過大とならないように適宜設定される。

本発明では、第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値は等しくしてあることで、充電時の時定数τ_chg と、放電時の時定数τ_dchgとの差分をとり、第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値の成分を除去でき、容易に二次電池の内部抵抗値を算出することが可能となる。

本発明では、算出された充電時の時定数τ_chg と、放電時の時定数τ_dchgとの差分をコンデンサの容量で除して二次電池の内部抵抗値として算出する。充電時の回路構成が二次電池の内部抵抗、第１抵抗及びコンデンサが直列的に接続される構成であるので、充電時の時定数τ_chg （＝Ｒ_chg Ｃ）は二次電池の内部抵抗値Ｒｂ、第１抵抗の抵抗値Ｒ１及びコンデンサの内部抵抗値Ｒｃを用い、
τ_chg ＝（Ｒｂ＋Ｒ１＋Ｒｃ）Ｃ …（１）
と表すことができる。同様に、放電時の回路構成がコンデンサ及び第２抵抗が直接的に接続される構成であるので、放電時の時定数τ_dchg（＝Ｒ_dchgＣ）はコンデンサの内部抵抗値Ｒｃ及び第２抵抗の抵抗値Ｒ２（＝Ｒ１）を用い、
τ_chg ＝（Ｒｃ＋Ｒ１）Ｃ …（２）
と表すことができる。したがって、時定数の差分（＝式（１）−式（２））をコンデンサの容量Ｃで除すことで二次電池の内部抵抗値Ｒｂを算出することができる。このとき、第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値が等しいために差分をとるのみで算出が可能であり、コンデンサが経年劣化又は温度依存により内部抵抗値が変化したとしても相殺される。

本発明では、コンデンサは電気二重層キャパシタである。内部抵抗が比較的低いために二次電池の内部抵抗の算出に影響が少なく、また、充放電による劣化が少ない。

本発明による場合、突入電流時の電圧値及び電流値を用いるのではなく、二次電池からのコンデンサへの充電時の電位変化の時定数を用いて算出するから、突入電流時の瞬間値よりも誤差が少ない充電時の電圧値を用いるので算出される内部抵抗値の精度が高まる。しかも、コンデンサの充放電時の時定数を用い、各抵抗の抵抗値、及びコンデンサの内部抵抗値を相殺して算出するので、二次電池以外の回路構成要素の経年劣化による内部抵抗値の変化及び内部抵抗値の温度依存の影響も回避できる。

また、コンデンサが電気二重層キャパシタで構成され、二次電池の電圧が電気二重層キャパシタの電圧以下である場合、電気二重層キャパシタと二次電池とが接続されたままとなったとしても、電気二重層キャパシタの電位が二次電池の電位と等しくなったところで電気二重層キャパシタへの充電、つまり二次電池からの放電は停止するので、二次電池からの過放電のリスクも回避することができる。

本実施の形態における状態検知装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態における状態検知装置の回路構成を示すブロック図である。 本実施の形態におけるコンデンサの電圧変化（充電時）を示すグラフである。 本実施の形態における状態検知装置の回路構成を示すブロック図である。 本実施の形態におけるコンデンサの電圧変化（放電時）を示すグラフである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
なお、以下の実施の形態では、車両に搭載される車載負荷へ電力を供給するバッテリの状態検知について説明する。

図１は、本実施の形態における状態検知装置の構成を示すブロック図である。状態検知装置３は、負極側が接地された鉛電池であるバッテリ１と、バッテリ１から給電を受ける負荷２との間の正電圧側（＋Ｂ）に接続される。負荷２は例えば、複数のＥＣＵ（Electronic Controller Unit）である。各ＥＣＵは電力線にバス型に接続され、給電される。

状態検知装置３は、第１スイッチ３１、第１抵抗３２、コンデンサ３３、第２スイッチ３４及び第２抵抗３５、並びにこれらを制御する制御部３６を含んで構成される。

コンデンサ３３は、一方の端子がバッテリ１の正電圧側に接続され、他方の端子が接地されてバッテリ１と並列関係に接続されている。バッテリ１の正電圧側とコンデンサ３３の一方の端子との間には第１スイッチ３１及び第１抵抗３２の直列回路が接続されている。第１スイッチ３１がオンとなることにより、バッテリ１の正電圧側とコンデンサ３３とが第１抵抗３２を介して接続され、コンデンサ３３へ充電が可能である。第１スイッチ３１は、状態検知のための測定を行なわないときにはオフである。第１抵抗３２とコンデンサ３３の正電極との間には、第２スイッチ３４を介して第２抵抗３５が接続されている。第２抵抗３５の、第２スイッチと反対側の一端は、接地されている。第２スイッチ３４がオンとなることにより、コンデンサ３３と第２抵抗３５とが接続され、充電されたコンデンサ３３が放電し、第２抵抗３５に電流が流れる。

制御部３６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）などのプロセッサを用い、第１スイッチ３１及び第２スイッチ３４のオン／オフを制御する。制御部３６は図示しないメモリに情報を記憶することが可能である。また制御部３６は電圧検知素子を含み、コンデンサ３３のバッテリ１側の端子の電位を測定する。

このように構成される状態検知装置３は定期的に、又はエンジンが停止されたときなどの何らかのきっかけが検出されたときに、制御部３６の制御によりバッテリ１の内部抵抗値を算出し、内部抵抗値の変化によってバッテリ１の状態を検知する。例えば、状態検知装置３は内部抵抗値が所定値よりも増大した場合、バッテリ１が劣化状態であると判断し、警告ランプを点灯させる。内部抵抗値を用いた劣化状態の判断の方法については多様な公知の方法を用いればよい。

状態検知装置３の制御部３６によるバッテリ１の内部抵抗値の測定について詳細を説明する。制御部３６は例えば、エンジンの始動前に、以下に説明するように第１スイッチ３１と第２スイッチ３４とをオン／オフし、その間のコンデンサ３３の電圧値を複数時点で測定してバッテリ１の内部抵抗値を算出する。

まず制御部３６は、状態検知のための測定を開始するために、第１スイッチ３１をオン、第２スイッチ３４をオフとする。図２は、本実施の形態における状態検知装置３の回路構成を示すブロック図である。図２に示す回路構成は、第１スイッチ３１がオン、第２スイッチ３４がオフである場合を示している。図２中、Ｒｂはバッテリ１の内部抵抗値を表し、Ｒｃはコンデンサ３３の内部抵抗値を表す。Ｃはコンデンサ３３の容量を表す。Ｒ１は第１抵抗３２及び第２抵抗３５の抵抗値を表す。つまり本実施の形態では、第１抵抗３２及び第２抵抗３５の抵抗値は等しくしてある。

制御部３６が第２スイッチ３４をオフ、第１スイッチ３１をオンとすると、バッテリ１からの放電が行なわれ、コンデンサ３３への充電が図２中の矢印に示すように開始される。そしてコンデンサ３３の電位がバッテリ１の電位と等しくなった時点で充電は完了する。この充電が完了するまでの間に、制御部３６は電圧値を複数時点で測定し、内蔵する図示しないメモリに記憶する。なお、コンデンサ３３が電気二重層キャパシタであり、その耐圧（使用可能上限電圧）がバッテリ１の電圧より低い場合、制御部３６は、コンデンサ３３の電位が耐圧に達したところで充電を停止するように両スイッチを制御する。

図３は、本実施の形態におけるコンデンサ３３の電圧変化（充電時）を示すグラフである。横軸に時間の経過を示し、縦軸はコンデンサ３３の電圧を示す。なお図３に示すグラフは、バッテリ１からの充電による電圧変化をシミュレーションして得た結果を、時定数τの１０倍の時間までプロットしたものである。

制御部３６は、図３のグラフに示す電圧変化の内、複数の時点で測定し、測定結果に基づき電圧変化を近似によって求めればよい。そして制御部３６は、電圧の時間変化から時定数τ_chg を求める。このとき時定数τ_chg は、上述したように式（１）で表わされる。
τ_chg ＝Ｒ_chg Ｃ＝（Ｒｂ＋Ｒ１＋Ｒｃ）Ｃ …（１）

次に制御部３６は、第１スイッチ３１をオフ、第２スイッチ３４をオンとする。なお、第１スイッチをオンとしてからオフとするまでは例えば１分間待機する。図４は、本実施の形態における状態検知装置３の回路構成を示すブロック図である。図４に示す回路構成は、第１スイッチ３１がオフ、第２スイッチ３４がオンである場合を示している。

制御部３６が第１スイッチ３１をオフ、第２スイッチ３４をオンとすると、コンデンサ３３はバッテリ１とは切断され、充電されたコンデンサ３３のバッテリ１側の端子は第２抵抗３５を介して接地される。したがってコンデンサ３３からの放電が図４中の矢印に示すように開始される。そしてコンデンサ３３の電位が接地電位（ゼロＶ）と等しくなった時点で放電は終了する。この放電が終了するまでの間に、制御部３６は電圧値を複数時点で測定し、内蔵する図示しないメモリに記憶する。

図５は、本実施の形態におけるコンデンサ３３の電圧変化（放電時）を示すグラフである。横軸に時間の経過を示し、縦軸はコンデンサ３３の電圧を示す。なお図５に示すグラフは、放電による電圧変化をシミュレーションして得た結果を、時定数τの１０倍の時間までプロットしたものである。

制御部３６は、図５のグラフに示す電圧変化の内、複数の時点で測定し、測定結果に基づき電圧変化を近似によって求めればよい。そして制御部３６は、電圧の時間変化から時定数τ_dchgを求める。このとき時定数τ_dchgは、上述したように式（２）で表わされる。
τ_dchg＝Ｒ_dchg Ｃ＝（Ｒ１＋Ｒｃ）Ｃ …（２）

そして制御部３６は、求めた時定数τ_chg 及びτ_dchgを用いてバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂを算出する。具体的には、式（１）から式（２）を減算する。減算結果は式（３）となる。
τ_chg −τ_dchg＝ＲｂＣ …（３）
減算結果をコンデンサ３３の容量Ｃで除算すれば、以下の式（４）のように、バッテリ１の内部抵抗値Ｒｂを算出することが可能である。
τ_chg −τ_dchg／Ｃ＝Ｒｂ …（４）

なお、上述の式（１）〜（４）のようにしてバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂを精度よく算出するためには、第１抵抗３２及び第２抵抗３５の抵抗値Ｒ１、コンデンサ３３の容量Ｃなどを適切に設定して構成すべきである。抵抗値Ｒ１、コンデンサ３３の容量Ｃは例えば以下のように設定される。車両に搭載される鉛電池であるバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂは、約１０〜３０ｍΩである。この内部抵抗値Ｒｂの変化を検出するためには、Ｒ１は内部抵抗値Ｒｂと同程度から少し大きい値とすべきである。そこで、例えば０．１Ω程度のものを用いる。またコンデンサ３３の容量Ｃについては、コンデンサ３３が電気二重層キャパシタで構成される場合、バッテリ１の満充電時の出力電圧が１２．８Ｖであるとすれば、電気二重層キャパシタの１セル当たりの耐圧は２．３〜２．５Ｖであるからキャパシタを６直列とし、１つが６０Ｆのものを用いて１０Ｆ以下となるようにする。なお、内部抵抗値Ｒｂを算出するための電圧値の変化を十分に測定するため、時定数の５〜１０倍程度が１分間となる程度に適宜容量Ｃを設計により決めることが望ましい。コンデンサ３３の内部抵抗値Ｒｃも、内部抵抗値Ｒｂの変化を検出するために同程度又は少し大きい値とすべきである。そこで、０．１〜０．３Ω・Ｆのコンデンサを用いることが望ましい。ただし、各構成要素の抵抗値又は容量は、これらの数値に限定されず、冷却するなどにより調整することも可能である。

なお、本実施の形態における状態検知装置３では、大電流が流れることが考えられるため、配線は大電流に耐えうる構成とすべきである。

このようにして、コンデンサ３３の充電時及び放電時における時定数τ_chg ，τ_dchgを求めて内部抵抗値Ｒｂを算出する構成により、精度良く内部抵抗値Ｒｂを算出することが可能である。したがって、より精度良くバッテリ１の状態を検知することが可能となる。

また、本実施の形態では、車載のバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂを算出するために状態検知装置３を用いる。コンデンサ３３もバッテリ１の近傍に設置される状態検知装置３内部に備えられるから、車両内の温度変化の影響を当然受ける。したがって、コンデンサ３３の内部抵抗値Ｒｃも変動するが、式（１）〜（４）に示したようにコンデンサ３３の内部抵抗値Ｒｃはバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂの算出過程で相殺される。第１抵抗３２及び第２抵抗３５の抵抗値Ｒ１など、バッテリ１以外の要素の変化は算出過程で相殺されるので、経年劣化及び温度変化による各要素の値の影響を受けることなくバッテリ１の内部抵抗値Ｒｂを算出することができる点、優れた効果を奏する。

また、本実施の形態における状態検知装置３の構成では、制御部３６の誤動作などによって第１スイッチ３１がオンのままとなり、バッテリ１とコンデンサ３３とが接続されたままとなったとしても、コンデンサ３３の電位がバッテリ１の電位と等しくなった場合に放電は停止するので、過放電のリスクも回避することができるといった効果も奏する。

本実施の形態では、状態検知装置３はバッテリ１の正電圧側に接続される構成とした。しかしながら本発明はこれに限らず、バッテリの正電圧側を固定電位に接続し、バッテリの負電圧側に状態検知装置を接続して内部抵抗値を算出し、状態を検知する構成としてもよい。

本実施の形態では、状態検知装置３は車両に搭載される鉛電池であるバッテリ１の充電状態を検知する装置として構成され、車載のバッテリ１の内部抵抗値を算出して状態を検知する構成とした。しかしながら本発明はこれに限らず、鉛電池以外の電池の内部抵抗値の算出にも適用でき、車載バッテリのみならず二次電池の充電状態を検知する装置として広く使用することが可能である。

開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ バッテリ（二次電池）
３ 状態検知装置（内部抵抗値算出装置）
３１ 第１スイッチ
３２ 第１抵抗
３３ コンデンサ（電気二重層キャパシタ）
３４ 第２スイッチ
３５ 第２抵抗
３６ 制御部（測定する手段、算出する手段）

Claims (5)

1. 二次電池の一方の電極側に、第１スイッチ及び第１抵抗の直列回路を介して一端子が接続され、他端子が前記二次電池の他方の電極側に接続されるコンデンサと、
   第１抵抗及び前記コンデンサの間に第２スイッチを介して一端子が接続され、他端子が前記二次電池の他方の電極側に接続される第２抵抗と、
   第１スイッチ及び第２スイッチを相補的にオン／オフして前記コンデンサの充放電を切り替える手段と、
   該手段による切り替え後の前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定する手段と、
   測定した複数時点での電位に基づき、前記コンデンサへの充電時の時定数及び放電時の時定数を算出する手段と、
   算出された充電時及び放電時の時定数から前記二次電池の内部抵抗値を算出する手段と
   を備えることを特徴とする内部抵抗値算出装置。
2. 第１抵抗及び第２抵抗の抵抗値は略等しいこと
   を特徴とする請求項１に記載の内部抵抗値算出装置。
3. 算出された充電時及び放電時の差分を前記コンデンサの容量で除して前記二次電池の内部抵抗値を算出するようにしてあること
   を特徴とする請求項２に記載の内部抵抗値算出装置。
4. 前記コンデンサは電気二重層キャパシタであること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の内部抵抗値算出装置。
5. 二次電池の一方の電極側に、第１スイッチ及び第１抵抗の直列回路を介してコンデンサの一端子を接続し、該コンデンサの他端子を前記二次電池の他方の電極側に接続し、第１抵抗及び前記コンデンサの間に第２スイッチを介して第２抵抗の一端子を接続し、他端子を前記二次電池の他方の電極側に接続しておき、
   第１スイッチをオン、第２スイッチをオフとして前記コンデンサを前記二次電池の供給電力により充電し、
   充電を開始してからの前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定し、
   第２スイッチをオフ、第２スイッチをオンとして前記コンデンサを放電させ、
   放電を開始させてからの前記コンデンサの一端子側の電位を複数時点で測定し、
   測定した複数時点での電位に基づき、前記コンデンサへの充電時の時定数及び放電時の時定数を算出し、
   算出された充電時及び放電時の時定数から前記二次充電池の内部抵抗値を算出する
   ことを特徴とする内部抵抗値算出方法。

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