JP3736563B2

JP3736563B2 - バッテリー評価装置

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Publication number: JP3736563B2
Application number: JP2004153746A
Authority: JP
Inventors: 守鈴木; 実飯島; 靖之石濱; 信浩藤原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: JP2004301848A

Description

本発明は、直列接続された複数の電池からなる組電池の性能評価を行うバッテリー評価装置に関する。

今日において、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池等のように充電可能な電池（二次電池）が知られている。この二次電池は、例えば図２に示すようなバッテリー充電装置により充電される。

すなわち、上記図１１においてバッテリー充電装置は、直流電流源５０の正電極にスイッチ５３を介して充電用正電極５１が接続され、該直流電流源５０の負電極に充電用負電極５２が接続されている。上記充電用正電極５１及び充電用負電極５２は直列接続されており、その間に、例えば３つの二次電池５４が直列接続されるようになっている。また、上記各二次電池５４とそれぞれ並列に、抵抗５５及びスイッチ５６を直列接続した放電回路が設けられている。

このようなバッテリー充電装置は、上記二次電池５４が設けられ上記スイッチ５３がオン操作されると該二次電池５４に充電が開始される。なお、この充電開始時には、上記各放電回路のスイッチ５６は、それぞれオフ操作されている。

ここで、このように二次電池５４を直列接続し平行して充電を行うと、該二次電池５４はそれぞれ容量にバラツキがあるため、充電状態にバラツキを生ずる。

このため、従来は、上記３つの二次電池５４の電圧をそれぞれ検出し、充電状態にバラツキが生じたときに、一番充電の進んでいる二次電池５４及び２番目に充電の進んでいる二次電池５４の放電回路のスイッチ５６をそれぞれオン操作していた。これにより、上記一番充電の進んでいる二次電池５４及び２番目に充電の進んでいる二次電池５４に充電された電力が放電回路を介して放電される。

次に、上記一番充電の進んでいる二次電池５４及び２番目に充電の進んでいる二次電池５４の放電が進み、これら二次電池５４の電圧値が、一番充電の遅れている二次電池５４の電圧値と同じ電圧値となったときに、上記オン操作した放電回路のスイッチ５６をオフ操作する。これにより、再び充電が再開される。

従来のバッテリー充電装置は、このように上記スイッチ５６のオンオフ操作により充放電を繰り返し、複数の二次電池５４を均等に充電するようにしていた。

しかし、このように充放電を繰り返しながら充電を行うと、一番充電の遅れている二次電池の充電状態に合わせて全ての二次電池の充電を行うこととなり、複数の二次電池を全て満充電にするまでに時間を要する問題がある。

また、電池の充電には、常に過充電の問題がある。この過充電は、電池及び充電装置の各回路に負担がかかり、発熱，破損等の安全面に悪影響を及ぼす。このため、過充電を防止して安全に充電を行うことができるようなバッテリー充電装置の開発が望まれている。

さらに、電池の性能評価は、通常、充電・休止・放電・休止を１サイクルとし、これを複数サイクル繰り返すことにより行われるが、現実の実使用状態では充電，放電，休止が不規則に発生するため、十分な品質評価とはならない。また、直列接続された複数の電池からなる組電池では、容量の最も小さい電池が満充電になった時点で充電を終了せざる得ず、各電池毎の容量ばらつきを考慮した評価を行うことができず、組電池としての真の性能を評価することはできないという問題点があった。

そこで、上述の如き従来の問題点に鑑み、本発明の目的は、直列接続された複数の電池からなる組電池の真の性能を評価できるようにしたバッテリー評価装置を提供することにある。

本発明に係るバッテリー評価装置は、充電可能な複数の電池が直列接続されるメイン電流路に設けられ互いに並列接続された可変電流源及び可変負荷手段と、上記メイン電流路に流れる電流値を検出するメイン電流センサと、各電池にそれぞれ並列接続される可変負荷手段と、各可変負荷手段に流れる電流値を検出する負荷電流センサと、バッテリー評価プログラムに従って上記可変電流源及び各可変負荷手段の可変制御を行い、上記メイン電流センサ及び負荷電流センサにより検出された各電流値に基づいて性能評価を行う評価手段と、上記評価手段による評価結果を出力する出力手段とを有することを特徴とする。

また、本発明に係るバッテリー評価装置は、各電池の温度を測定する温度センサを備え、上記温度センサによる検出出力に基づいて上記評価手段により温度特性の評価を行うことを特徴とする。

また、本発明に係るバッテリー評価装置は、評価条件の設定入力手段を備え、上記評価手段は、上記設定入力手段により設定された評価条件に応じたバッテリー評価プログラムに従って、上記可変電流源及び各可変負荷手段の可変制御を行い、上記メイン電流センサ及び負荷電流センサにより検出された各電流値に基づいて性能評価を行うことを特徴とする。

本発明では、各電池を満充電することができ、各電池の容量の差異、組電池としての真の容量、組電池としての真のサイクル特性すなわち繰り返し充放電による容量変化などを安全且つ正確に評価することができる。また、実使用状態をシュミレーションすることができ、市場不良の解析やトラブルの事前回避、あるいは、出荷前の品質管理の徹底が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明に係るバッテリィ評価装置１００は、直列接続された複数個の電池からなる組電池、例えば図１に示すように直列接続された３個の電池１０からなる組電池の評価を行うものであって、充電可能な３個の電池１０が直列接続されるメイン電流路に設けられ互いに並列接続された電流源１１と電子負荷１２を備える。また、上記メイン電流路には、該メイン電流路に流れる電流を検出するメンイン電流センサ１３が設けられている。

上記電流源１１は、上記３個の電池１０からなる組電池に充電電流を供給する可変電流源であって、その出力電流値がコントローラ１４により可変制御されるようになっている。なお、この電流源１１は、逆流防止用のダイオード１５を介して上記組電池に充電電流を供給するようになっている。また、上記電子負荷１２は、上記３個の電池１０からなる組電池の放電電流が流される可変負荷手段であって、例えばＦＥＴを用いた可変負荷抵抗からなり、その抵抗値が上記コントローラ１３により可変制御されるようになっている。さらに、上記メンイン電流センサ１５は、上記メイン電流路に流れている電流を検出して、その電流値をＡ／Ｄ変換器１６を介して上記コントローラ１４に供給するようになっている。

また、このバッテリィ評価装置１００は、上記組電池の各電池１０にそれぞれ並列接続される互いに直列接続された電子負荷１７と負荷電流センサ１８を備える。上記各電子負荷１７は、各電池１０に流れる充電電流を個別に可変するための可変負荷手段であって、例えばＦＥＴを用いた可変負荷抵抗からなり、各抵抗値が上記コントローラ１４からＤ／Ａ変換器１９を介して供給される制御信号により可変制御されるようになっている。また、上記各負荷電流センサ１８は、上記各電子負荷１７に流れている電流を検出して、各電流値を上記Ａ／Ｄ変換器１６を介して上記コントローラ１４に供給するようになっている。

また、このバッテリィ評価装置１００は、組電池の各電池１０に取り付けられる各温度センサ２０を備える。上記各温度センサ２０は、各電池１０の温度を検出して、各検出出力を上記Ａ／Ｄ変換器１６を介して上記コントローラ１４に供給するようになっている。

さらに、このバッテリィ評価装置１００は、上記コントローラ１４に接続された表示部２１，キーボードやマウスなどのデータ入力部２２，ハードディスクや光磁気記録装置などのデータ保存部２３及びプリンタなどのデータ出力部２４を備える。

このバッテリィ評価装置１００において、上記コントローラ１４は、上記データ入力部２２から入力される評価条件に応じて充電，放電，休止などを任意に組み合わせた試験パターンのバッテリー評価プログラムに従って上記電流源１１や各電子負荷１２，１７の可変制御を行うとともに、上記メンイン電流センサ１５や各負荷電流センサ１８、各温度センサ２０の検出出力に基づいて、上記各電池１０からなる組電池の性能評価を行う評価手段として機能するマイクロコンピュータからなる。

上記コントローラ１４は、各負荷電流センサ１８により検出される各負荷電流の値に基づいて、各電池１０の充電電圧値を規定値に維持するように、上記各電子負荷１２を制御するとともに、上記各電子負荷１７及び各負荷電流センサ１８に過大な電流が流れないように上記電流源１１を制御する。さらに、上記コントローラ１４は、メイン電流センサ１３により検出される電流値に基づいて、上記メイン電流路に流れる電流の値を規定値以下に維持するように、上記電流源１１を制御する。

これにより、各電池１０の容量に差異がある場合にも過充電になることなく、各電池１０を安全に満充電にすることができる。

そして、上記コントローラ１４は、上記バッテリー評価プログラムに従って実行した評価結果を上記表示部２１又はデータ出力部２４により出力する。また、その評価結果を示すデータは、上記データ保存部２３に保存される。

なお、試験パターンの設定操作は、上記データ入力部２２及び上記表示部２１を用いて行われる。

ここで、上記マイクロコンピュータからなるコントローラ１４は、例えば次のようなバッテリー評価用のソフトウエア機能を有している。

１．パワーオン初期チェック機能
装置電源投入後、次の内容をチェックし、異常時はその内容を上記表示部２１に表示するとともに上記データ保存部２３に保存する。
（１）通信機能
（２）メイン電流センサ１３及び各負荷電流センサ１７の各検出電流値
（３）各温度センサ２０の検出値
（４）各電子負荷１７などのモジュールコントローラの異常出力
（５）電流源１１の異常
（６）電子負荷１２の異常

２．充放電条件の設定機能
５種類の動作モード（充電１、充電２、放電、休止、ＤＣＲ）を最大９９組み合わせた充放電パターン及びパターンの実行サイクル数の設定を行う。各動作モードでは、次のパラメータを設定する。

（充電１）
（１）データ保存する／しない
（２）データサンプルタイム１秒単位〜１０分単位
（３）充電電流値０．００〜４００．００〔Ａ〕電流源１１の電流値
（４）充電電圧値０．０００〜５．０００〔Ｖ〕各電池１０の充電電圧値
（５）負荷電流値０．００〜１０．００〔Ａ〕各負荷電流の電流最大値
（６）充電終止条件次の内容を選択（複数選択も可とする）
・電流０．００〜４００．００〔Ａ〕
全電池の電流読値が設定値以下で終了
・電圧０．０００〜５．０００〔Ｖ〕
いずれかの電池の電圧読値が設定値以上で終了
・充電時間００Ｈ００Ｍ００Ｓ〜１２Ｈ００Ｍ００Ｓ充電開始から設定時間で終了
（７）監視項目（モジュールコントローラからの読値を監視）
・上限電流０．００〜４１０．００〔Ａ〕
・上限電圧０．０００〜５．１００〔Ｖ〕
・上限温度０．００〜１００．０〔°Ｃ〕

（充電２）
（１）データ保存する／しない
（２）データサンプルタイム１秒単位〜１０分単位
（３）充電電流値０．００〜４００．００〔Ａ〕電流源１１の電流値
（４）充電電圧値０．０００〜３５．０００〔Ｖ〕組電池の充電電圧値
（５）充電終止条件次の内容を選択（複数選択も可とする）
・電流０．００〜４００．００〔Ａ〕
全電池の電流読値が設定値以下で終了
・電圧０．０００〜５．０００〔Ｖ〕
いずれかの電池の電圧読値が設定値以上で終了
・充電時間００Ｈ００Ｍ００Ｓ〜１２Ｈ００Ｍ００Ｓ充電開始から設定時間で終了
（６）監視項目（モジュールコントローラからの読値を監視）
・上限電流０．００〜４１０．００〔Ａ〕
・上限電流０．０００〜５．１００〔Ｖ〕
・上限温度０．００〜１００．０〔°Ｃ〕

（放電）
（１）データ保存する／しない
（２）データサンプルタイム１秒単位〜１０分単位
（３）負荷動作モードの選択及び値設定（次のいずれかを選択）
・定電流０．００〜４００．００〔Ａ〕
・定電力０〜１４０００〔Ｗ〕
（４）放電終止条件次の内容を選択（複数選択も可とする）
・電圧０．０００〜５．０００〔Ｖ〕
各電池の電圧読値が１個以上設定値以上で終了
・充電時間００Ｈ００Ｍ００Ｓ〜１２Ｈ００Ｍ００Ｓ放電開始から設定時間で終了
（５）監視項目（モジュールコントローラからの読値を監視）
・上限電流０．００〜４１０．００〔Ａ〕
・下限電流０．０００〜５．０００〔Ｖ〕
・上限温度０．００〜１００．０〔°Ｃ〕

（休止）
（１）データ保存する／しない
（２）データサンプルタイム１秒単位〜１０分単位
（３）休止時間００Ｈ００Ｍ００Ｓ〜１２Ｈ００Ｍ００Ｓ充電／放電電流をカットオフする時間を設定

（ＤＣＲ）
（１）データ保存する／しない
（２）データサンプルタイム１秒単位〜１０分単位
（３）定電流１（Ｉ１）０．００〜４００．００〔Ａ〕
（４）定電流２（Ｉ２）０．００〜４００．００〔Ａ〕
（５）放電時間１（Ｔ１）００Ｓ〜５９Ｓ放電開始から設定時間で終了
（６）放電時間２（Ｔ２）００Ｓ〜５９Ｓ放電開始から設定時間で終了
（７）監視項目（モジュールコントローラからの読値を監視）
・上限電流０．００〜４１０．００〔Ａ〕
・下限電流０．０００〜５．０００〔Ｖ〕
・上限温度０．００〜１００．０〔°Ｃ〕

３．充放電試験の実行開始／停止機能充放電試験の開始又は停止を行う。開始時には次の電池パラメータを設定する。
（１）組電池名（１０文字）
（２）組電池番号（１０文字）
（３）電池番号１〜７（各７文字）
（４）体積０．０００〜９９．９９９〔ｌ〕
（５）重量０．０００〜９９．９９９〔Ｋｇ〕
（６）周囲温度０．００〜１００．０〔°Ｃ〕

４．電圧、電流、温度の表示／印字機能各電池の電圧、電流、温度のをモジュールコントローラから読み出して表示部２１で表示又はデータ出力部２４で印字する。読み出しは充放電試験実行中／停止中に拘らず３秒毎に行い、最新データを表示する。表示／印字方法はデータ（数値）又はヒストグラムとする。

５．計測結果の表示／印字機能測定データのファイルからステップ毎に次の内容を演算し、表示部２１で表示又はデータ出力部２４で印字する。

（充電１）
（１）各電池充電容量（ＡＨ，ＷＨ）
（２）最大／最小温度値（各温度センサ２０毎）
（３）各電池及び組電池両端の開始／終了時電圧

（充電２）
（１）各電池充電容量（ＡＨ，ＷＨ）
ＡＨ：電流値〔Ａ〕の積分値／充電時間〔Ｈ〕
ＷＨ：電圧値〔Ｖ〕の積分値／充電時間〔Ｈ〕
（２）最大／最小温度値（各温度センサ２０毎）
（３）各電池及び組電池両端の開始／終了時電圧

（放電）
（１）各電池放電容量（ＡＨ，ＷＨ）
ＡＨ：電流値〔Ａ〕の積分値／放電時間〔Ｈ〕
ＷＨ：電圧値〔Ｖ〕の積分値／放電時間〔Ｈ〕
（２）最大／最小温度値（各温度センサ２０毎）
（３）各電池及び組電池両端の開始／終了時電圧

（休止）
（１）最大／最小温度値（各温度センサ２０毎）
（２）各電池及び組電池両端の開始／終了時電圧

（ＤＣＲ）
（１）各電池及び組電池してのＤＣＲ値（直流抵抗値〔Ω〕）
ＤＣＲ値は、Ｉ１〔Ａ〕をＴ１〔秒〕放電し、続いてＩ２〔Ａ〕をＴ２〔秒〕放電し、Ｉ１流した時とＩ２流した時の電池単体又は組電池の両端電圧をＶ１，Ｖ２から、
ＤＣＲ＝｜（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｉ１−Ｉ２）｜
にて算出される。
（２）Ｉ１，Ｉ２を流したときの各電池及び組電池両端の電圧

その他（共通）
（１）電池パラメータ
（２）開始／終了時刻及びその間の時間（ステップ毎）
（３）監視項目以外の充／放電条件（ステップ毎）

６．測定データの表示／印字機能測定データのファイルから次の内容を表示部２１で表示又はデータ出力部２４で印字する。
（１）各電池電圧、電流、温度のサンプルデータ及びサンプル時間
（２）電池パラメータ
（３）開始／終了時刻及びその間の時間（ステップ毎）
（４）充／放電条件（ステップ毎）

７．充放電カーブの表示／印字機能測定データのファイルから次の内容を表示部２１で表示又はデータ出力部２４で印字する。
（１）充放電カーブ（電圧、電流、温度）
（２）電池パラメータ
（３）表示電池の指定、選択
（４）表示時間軸の設定
（５）試験開始日時

８．異常履歴の表示／印字機能データ保存部２３に蓄積された異常内容／履歴（日時）を表示部２１で表示又はデータ出力部２４で印字する。

９．測定データの保存方法の設定機能測定データの保存に関する次の内容を設定する。
（１）データ保存する／しない「しない」を選択時は、充放電条件で設定した「保存する」は無視する。
（２）データ保存するファイル名

１０．充放電条件の印字機能充放電条件をデータ出力部２４で印字する。

このような構成のバッテリィ評価装置１００では、上記コントローラ１４により上記データ入力部２２から入力される評価条件に応じて充電，放電，休止などを任意に組み合わせた試験パターンのバッテリー評価プログラムに従って上記電流源１１や各電子負荷１２，１７の可変制御を行うことによって、各電池１０を満充電することができるので、上記メンイン電流センサ１５や各負荷電流センサ１８、各温度センサ２０の検出出力に基づいて、上記各電池１０からなる組電池の性能評価を行うことにより、各電池の容量の差異、組電池としての真の容量、組電池としての真のサイクル特性すなわち繰り返し充放電による容量変化などを安全且つ正確に評価することができる。また、実使用状態をシュミレーションすることができ、市場不良の解析やトラブルの事前回避、あるいは、出荷前の品質管理の徹底が可能となる。

本発明に係るバッテリー評価装置のブロック図である。従来のバッテリー充電装置のブロック図である。

符号の説明

１０電池、１１電流源、１２電子負荷、１３メイン電流センサ、１４コントローラ、２０温度センサ、２１表示部、２２データ入力部、２３データ保持部、２４データ出力部、１００バッテリー評価装置

Claims

充電可能な複数の電池が直列接続されるメイン電流路に設けられ互いに並列接続された可変電流源及び可変負荷手段と、
上記メイン電流路に流れる電流値を検出するメイン電流センサと、各電池にそれぞれ並列接続される可変負荷手段と、各可変負荷手段に流れる電流値を検出する負荷電流センサと、
バッテリー評価プログラムに従って上記可変電流源及び各可変負荷手段の可変制御を行い、上記メイン電流センサ及び負荷電流センサにより検出された各電流値に基づいて性能評価を行う評価手段と、
上記評価手段による評価結果を出力する出力手段とを有することを特徴とするバッテリー評価装置。
各電池の温度を測定する温度センサを備え、上記温度センサによる検出出力に基づいて上記評価手段により温度特性の評価を行うことを特徴とする請求項１記載のバッテリー評価装置。
評価条件の設定入力手段を備え、上記評価手段は、上記設定入力手段により設定された評価条件に応じたバッテリー評価プログラムに従って、上記可変電流源及び各可変負荷手段の可変制御を行い、上記メイン電流センサ及び負荷電流センサにより検出された各電流値に基づいて性能評価を行うことを特徴とする請求項１記載のバッテリー評価装置。