JP3539123B2

JP3539123B2 - 二次電池の劣化判定方法およびその装置

Info

Publication number: JP3539123B2
Application number: JP08886697A
Authority: JP
Inventors: 和彦竹野; 幹夫山崎; 亨鈴木; 誠一室山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2017-03-24
Also published as: JPH10270092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源に関するものであり、ニッケルカドミニウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池を予備電力源とする装置において、上記二次電池の容量低下に伴う劣化を検出する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バックアップ電源に用いられているニッケルカドミニウム電池等の二次電池は、常時微少電流を流して充電を行うトリクル充電が行われている。
【０００３】
しかし、このトリクル充電は、電池に常時電流を流しているので、電池にとっては過充電状態が長時間続くことになり、電池の電解液や電極板の劣化を進行し、電池寿命が短くなるという問題がある。このために、トリクル充電によっては劣化しにくいトリクル充電用電池を使用する必要があるが、このトリクル充電用電池は、充電電荷が全て放電された後に充電するサイクル用電池よりも高価であるという問題がある。
【０００４】
また、ニッケルカドミニウム電池よりも高エネルギー密度である二次電池としては、ニッケル水素電池が知られているが、このニッケル水素電池は、トリクル充電方式を採用することができないという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決するには、安価なサイクル用電池を二次電池として使用し、この二次電池を間欠的に充電すればよい。
【０００６】
つまり、定電流回路から二次電池を充電し、二次電池の電圧が最大閾値電圧に達したときに、充電用スイッチをオフにして充電を止めるとともに二次電池を開回路状態にし、二次電池の電圧が自己放電によって最低閾値電圧まで低下したときに二次電池の充電を開始し、上記充電状態と上記開回路状態とを繰り返す間欠充電を行えばよい。そして、この間欠充電において、二次電池の劣化を判定するには、二次電池を負荷から切り離し、二次電池の放電を実際に行い、二次電池の容量を測定することによって、二次電池の劣化を判定する方法、または、二次電池を負荷から切り離した状態で、二次電池の内部抵抗を測定することによって、二次電池の劣化を判定する方法を実行する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例においては、二次電池に間欠充電を行いながら、その二次電池の劣化を判定しようとすると、その二次電池を負荷から切り離す必要があるので、二次電池を負荷から切り離している間、バックアップできないという問題がある。
【０００８】
本発明は、間欠充電によって二次電池を充電する場合、二次電池を負荷から切り離さずに、二次電池の劣化を判定することができる二次電池の劣化判定方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、定電流回路から二次電池を充電し、二次電池の電圧が最大閾値電圧に達したときに、充電用スイッチをオフにして充電を止めるとともに二次電池を開回路状態にし、二次電池の電圧が自己放電によって最低閾値電圧まで低下したときに二次電池の充電を開始し、上記充電状態と上記開回路状態とを繰り返す二次電池の間欠充電において、充電状態から開回路状態に切り替えてから所定時間以内に、開回路状態における二次電池の電圧である開回路電圧を測定し、最大閾値電圧から開回路電圧を差し引いた差電圧と所定の閾値とを比較し、差電圧が所定の閾値に達したときに、二次電池が劣化したと判定するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態および実施例】
図１は、本発明の第１の実施例である二次電池の劣化判定回路ＤＣ１を示す図である。
【００１１】
二次電池の劣化判定回路ＤＣ１は、二次電池１と、二次電池１を充電する定電流回路２と、充電状態を制御する充電用スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３と、基準電圧源４と、コンパレータ５と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、電圧判定回路を実現するシュミット・トリガ回路８と、直流電源回路９と、コンパレータ１１と、アナログスイッチ１２と、インバータ回路１３と、矩形波発生回路１４と、シュミット・トリガ回路の最大閾値電圧Ｖ１を発生する基準電圧源１５と、基準電圧ΔＶｑを発生する基準電圧源１６と、抵抗１９と、減算器２１とを有する。減算器２１は、オペアンプ１０、抵抗１７、１８、２０で構成されている。
【００１２】
二次電池１は、ニッケルカドミニウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。
【００１３】
なお、ＡＣ電源３１のＡＣ電圧がＡＣ−ＤＣコンバータ３２によって直流電圧に変換され、この直流電圧が負荷３３に印加されている。また、二次電池１の＋電極がダイオード３４のアノード側に接続され、このダイオード３４のカソード側が負荷３３の入力端子に接続されている。そして、常時はＡＣ電源から負荷３３に電力が供給されるが、ＡＣ電源が停電した場合には、ダイオード３４を介して、二次電池１に充電された電荷が負荷３３に供給される。
【００１４】
次に、二次電池の劣化判定回路ＤＣ１の動作について説明する。
【００１５】
図２は、二次電池の劣化判定回路ＤＣ１の動作波形を示す図である。
【００１６】
図２において、縦軸に電圧、横軸に時間が示されている。Ｖａは、二次電池１の端子電圧波形であり、Ｖｂはシュミット・トリガ回路８の出力電圧であり、Ｖｃはインバータ１３の出力電圧波形であり、Ｖｄは矩形波発生回路１４の出力電圧波形であり、Ｖｅはアナログスイッチ１２の出力波形信号であり、Ｖｆはコンパレータ１１の出力電圧波形である。
【００１７】
二次電池１は、ＭＯＳＦＥＴ３がオンしている場合、すなわち、Ｖｂがオン信号レベルである場合、定電流回路２から電流が流れ込み充電が行われる（充電状態）。この充電状態において、抵抗Ｒ１、Ｒ２、基準電圧源４が出力する最大閾値電圧（充電終止電圧）Ｖ１と最小閾値電圧（充電開始電圧）Ｖ２において、シュミット・トリガ回路８の最大閾値電圧（充電終止電圧）Ｖ１まで、二次電池１の電圧が上昇した時点でコンパレータ５の出力はオフ信号を発生し、充電用スイッチ３がオフ状態になり、定電流回路２と二次電池１との間が開回路になる（開回路状態）。この開回路状態において、定電流回路２からの充電電流が停止し、二次電池１への充電が停止される。
【００１８】
開回路状態になった二次電池は自己放電によって、蓄えられた電気容量が徐々に低下し、この自己放電とともに開回路電圧Ｖ３（開回路状態における二次電池１の電圧）も低下する。そして、開回路電圧が、シュミット・トリガ回路８の最小閾値電圧（充電開始電圧）Ｖ２まで低下した時点で、コンパレータ５の出力信号がオン信号になる。これによって、充電用スイッチ３がオン状態になり、定電流回路２からの充電電流が二次電池１に流れ込み、二次電池１への充電が開始される。上記開回路状態と充電状態とを繰り返すことによって、間欠充電が行われ、二次電池１の容量が、所定の容量以上に常時保持される。
【００１９】
図３は、二次電池としてのニッケル水素電池を間欠充電したときにおける電圧波形を拡大して示す図である。
【００２０】
充電停止直後に測定する電圧Ｖ３は、時間が経つに従って、自己放電によって低下していく。この現象は劣化とは無関係の現象であり、その影響を軽減する必要がある。一般に、充電停止直後に測定する電圧Ｖ３の時間的変化は、充電停止後１分以内では緩やかな変化であるが、１分を越えると、自己放電によって、大きく変化する。したがって、充電停止直後に電圧Ｖ３を測定する場合、充電停止から１分以内に測定を行うことを条件とし、これによって自己放電の影響を軽減する。
つまり、上記開回路電圧Ｖ３は、充電状態から開回路状態に切り替えてから所定時間内に測定された開回路状態における二次電池の電圧である。
【００２１】
図４は、二次電池としてのニッケル水素電池の劣化に伴って低下する二次電池の容量Ｑと、差電圧ΔＶとの関係を示す図である。
【００２２】
二次電池１を間欠充電する場合、充電状態から開回路状態へ移行する瞬間、二次電池１の端子電圧Ｖａは急激に降下する。この急激な電圧降下による差電圧ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ３）は、図４に示してあるように、差電圧ΔＶと二次電池１の容量Ｑとに相関があるので、二次電池１の劣化と、判定する容量Ｑｑに対応する差電圧の閾値ΔＶｑを決定し、差電圧ΔＶが閾値ΔＶｑに達した時点で劣化と判定する。
【００２３】
すなわち、基準電圧源１５が出力する充電終止電圧Ｖ１から、開回路電圧Ｖ３を引いた差電圧Ｖ１−Ｖ３を、減算器２１が出力する。一方、充電状態から開回路状態に移行するときに、シュミット・トリガ回路８の出力電圧Ｖｂの値がオフ信号状態になり、電圧Ｖｂを入力したインバータ１３の出力電圧Ｖｃはオン信号状態になる。矩形波発生回路１４は、立ち上がり信号が入力された場合、パルス時間Ｔ０の矩形波信号Ｖｄを出力するので、電圧Ｖｃがオン信号に立ち上がったことを検出して、パルス時間Ｔ０の矩形波信号Ｖｄが出力される。
【００２４】
そして、アナログスイッチ１２のゲートに、矩形波発生回路１４からオン信号が入力されると、アナログスイッチ１２の切り替え接片がＡ側に切り替わり、アナログスイッチ１２のゲートにオフ信号が入力されると、その切り替え接片がＢ側に切り替わる。パルス時間Ｔ０の矩形波信号Ｖｄがアナログスイッチ１２のゲートに入力されると、アナログスイッチ１２がＢ側からＡ側に切り替わる。これによって、減算器２１からの信号Ｖｅが、コンパレータ１１の＋入力端子に入力される。コンパレータ１１は、減算器２１からの信号Ｖｅ（＝Ｖ１−Ｖ３）と閾値ΔＶｑの値とを比較して、信号Ｖｅの値が閾値ΔＶｑよりも大きくなったときに、出力電圧波形Ｖｆの信号がオンレベルになり、二次電池１が劣化したことを知らせる。
【００２５】
なお、差電圧ΔＶは、充電停止から短い時間Ｔ０が経過したときにおける電圧Ｖ３を、間欠充電における充電終止電圧Ｖ１から差し引いた差の電圧である。つまり、差電圧ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ３である。そして、充電状態から開回路状態に移行してから、１分以内においては、二次電池１の電圧波形はほぼ一定であることが図３に示されている。したがって、充電停止直後に電圧Ｖ３を測定する時間（パルス時間Ｔ０）を１分以内に設定することによって、自己放電の影響を排除し、差電圧ΔＶを精度よく測定することができる。
【００２６】
上記実施例は、図４に示すように、二次電池１の容量Ｑの低下に伴って、差電圧ΔＶが大きくなり、この特性を利用して、二次電池１が劣化していると判断される容量Ｑｑに対応する差電圧の閾値ΔＶｑを設定し、間欠充電中に、差電圧ΔＶを監視し、差電圧ΔＶが、閾値Ｖｑになったときに、その二次電池１が劣化していると判定する。
【００２７】
なお、上記劣化判定動作が実行されているときに、二次電池１が負荷から切り離されないので、停電時（ＡＣ電源３１の故障時）に、上記劣化判定動作が実行されたとしても、バックアップが停止されることはない。
【００２８】
図５は、本発明の第２の実施例である二次電池の劣化判定回路ＤＣ２を示す図である。
【００２９】
二次電池の劣化判定回路ＤＣ２は、基本的には二次電池の劣化判定回路ＤＣ１と同じであり、二次電池の劣化判定回路ＤＣ１において、基準電圧源１６と直列に、抵抗２２とサーミスタ２３との直列回路が接続され、サーミスタ２３が二次電池１の温度を検出するようになっている点が、二次電池の劣化判定回路ＤＣ１とは異なる。
【００３０】
つまり、二次電池の劣化判定回路ＤＣ２において、サーミスタ２３が、劣化判定電圧における差電圧の閾値ΔＶｑを温度補正している。
【００３１】
具体的には、二次電池１にサーミスタ２３を接触させ、このサーミスタ２３によって二次電池１の温度を測定し、このときに、二次電池１の温度変化に応じてサーミスタ２３の抵抗値が変化し、抵抗２２とサーミスタ２３とによって電圧分割された閾値ΔＶｑが、温度によって変化される。
【００３２】
図６は、劣化に伴って低下するニッケル水素電池の容量Ｑと、差電圧ΔＶとの関係が、温度依存性を有することを示す特性図である。
【００３３】
図６に示す特性図によれば、容量ＱとΔＶとの関係が、温度の変化に対して変化している。この特性から、劣化と判断する容量Ｑｑに対応する閾値ΔＶｑの値を、温度変化とともに変化させて、温度補正を行う。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、間欠充電によって二次電池を充電する場合に、二次電池を負荷から切り離さずに、二次電池の劣化を判定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である二次電池の劣化判定回路ＤＣ１の図である。
【図２】二次電池の劣化判定回路ＤＣ１の動作波形を示す図である。
【図３】二次電池としてのニッケル水素電池を間欠充電したときにおける電圧波形を拡大して示す図である。
【図４】二次電池としてのニッケル水素電池の劣化に伴って低下する二次電池の容量Ｑと、差電圧ΔＶとの関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例である二次電池の劣化判定回路ＤＣ２の図である。
【図６】劣化に伴って低下するニッケル水素電池の容量Ｑと、差電圧ΔＶとの関係が、温度依存性を有することを示す特性図である。
【符号の説明】
ＤＣ１、ＤＣ２…二次電池の劣化判定回路、
１…二次電池、
２…定電流回路、
３…ＭＯＳＦＥＴ、
４…基準電圧源、
８…シュミット・トリガ回路、
９…直流電源回路、
１１…コンパレータ１１、
１２…アナログスイッチ、
１４…矩形波発生回路、
２１…減算器、
２３…サーミスタ、
３１…ＡＣ電源、
３３…負荷、
３４…ダイオード。

Claims

定電流回路から二次電池を充電し、上記二次電池の電圧が最大閾値電圧に達したときに、充電用スイッチをオフにして充電を停止するとともに上記二次電池を上記定電流回路から切り離して開回路状態にし、上記二次電池の電圧が自己放電によって最低閾値電圧まで低下したときに上記二次電池の充電を開始し、上記充電状態と上記開回路状態とを繰り返す二次電池の間欠充電において、
上記充電状態から上記開回路状態に切り替えてから所定時間以内に、上記開回路状態における上記二次電池の電圧である開回路電圧を測定する開回路電圧測定段階と；
上記最大閾値電圧から上記開回路電圧を差し引いた差電圧を演算する差電圧演算段階と；
上記差電圧と所定の閾値とを比較する比較段階と；
上記差電圧が上記所定の閾値に達したときに、上記二次電池が劣化したと判定する劣化判定段階と；
を有することを特徴とする二次電池の劣化判定方法。
請求項１において、
上記所定の閾値に、上記二次電池の使用温度の依存性を持たせることを特徴とする二次電池の劣化判定方法。
請求項１または請求項２において
上記充電状態から上記開回路状態に切り替えてからの上記所定時間は、１分間であることを特徴とする二次電池の劣化判定方法。
定電流回路から二次電池を充電し、上記二次電池の電圧が最大閾値電圧に達したときに、充電用スイッチをオフにして充電を停止するとともに上記二次電池を上記定電流回路から切り離して開回路状態にし、上記二次電池の電圧が自己放電によって最低閾値電圧まで低下したときに上記二次電池の充電を開始し、上記充電状態と上記開回路状態とを繰り返す二次電池の間欠充電回路において、
上記最大閾値電圧から、上記充電状態から上記開回路状態に切り替えてから所定時間内に測定された上記開回路状態における上記二次電池の電圧である開回路電圧を差し引いた差電圧を演算する差電圧演算手段と；
上記差電圧と所定の閾値とを比較し、上記差電圧が上記所定の閾値に達したときに、上記二次電池が劣化したと判定する劣化判定手段と；
を有することを特徴とする二次電池の劣化判定装置。
請求項４において、
上記劣化判定手段は、上記差電圧演算手段が出力した差電圧と上記所定の閾値とを比較するコンパレータによって構成され、
上記二次電池の電圧が上記最大閾値電圧に達したときにパルスを発生するパルス発生手段と；
上記パルス発生手段が上記パルスを発生したときにのみ、上記差電圧演算手段が出力した差電圧を、上記コンパレータへ供給するスイッチ手段と；
を有することを特徴とする二次電池の劣化判定装置。
請求項４または請求項５において、
上記劣化判定手段は、上記二次電池の使用温度を保証する温度補償手段を有する回路であることを特徴とする二次電池の劣化判定装置。