JPH03200082A - 鉛―酸電池の残存容量検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鉛−酸電池の残存容量を使用状態のまま正確か
つ迅速に検出する方法に関する。

ご従来技術〕 鉛−酸電池の突然のバッテリ上がりによるトラブルを防
ぐため従来から用いられている鉛−酸電池の残存容量検
出方法としては、電解液比重、大電流放電時の端子電圧
あるいは内部抵抗などの測定から推測する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このうち、電解液比重を測定する方法では操作が煩雑で
あり、比重センサとなる浮子あるいは比重を電気信号で
とらえる電極（特開昭６ｆ）−２９６３５）を電池内に
組み込むなど電池自体の改造が必要である上、電解液の
温度、保守（補水、補液）の状況に影響されやすく、ま
た始動性能の指標となる大電流放電時の残存容量とは対
応が悪い等の欠点がある。

大電流短時間放電時の端子電圧を測定する方法（特願昭
５３−７８０２９）では測定電流を特定の値に限定しな
ければ放電容量と端子電圧との関係が得られず、電気自
動車用電池、バッテリフォークリフト用電池、あるいは
ＳＬＩ用（Ｓｔａｒｔｉｎｇ。

Ｌｉｇｈｔｉｎｇ、　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）電池など放電
電流か定まつていない応用分野で使用時の電圧−電流の
情報から残存容量を知ることは非常に難しい。

また、内部抵抗を測定する方法では鉛−酸電池の電圧−
電流の関係が一次の関係でないため、定の直流抵抗が規
定できず交流抵抗による方法（Ｍ、Ｈｕｇｈｅｓ　ｅｔ
　ａｌ、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　１６，５５５（１９
８６））が用いられるが、交流抵抗は電池使用時の測定
が困難であり、測定のための別装置を必要とする欠点が
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、電池自体に特
別な改造等を行うことなく、鉛−酸電池の残存容量を使
用状態のまま正確かつ迅速に検出する方法を提供するこ
とを目的とする。

〔第１発明の説明〕 本発明は、鉛−酸電池の温度を測定し、該鉛−酸電池の
大電流放電時における電圧−電流の関係から基準電圧を
演算し、該基準電圧と前記電池温度に基づき、予め求め
ておいた基準電圧および電池温度と温度補償基準電圧と
の関係から前記電池温度における温度補償基準電圧を演
算し、予め求めておいた温度補償基準電圧と残存容量と
の関係より残存容量を求める鉛−酸電池の残存容量検出
方法に関するものである。

本発明の残存容量検出方法は電池の使用状態のままで始
動時の放電電流と端子電圧ならびに電解液の温度を測定
すれば、予め求めである基準電圧、電池温度と温度補償
基準電圧の関係、該温度補償基準電圧と残存容量との関
係から正確かつ迅速に前記電池の残存容量を求めること
ができる。

本発明の詳細な説明する。

鉛−酸電池の放電電流密度１と端子電圧Ｖとの関係は第
１図に示すように放電電流密度によって２つの部分に分
けられる。小電流域では■は■の増加に伴い指数関数的
に減少する。すなわち、小電流域でのＶ−Ｉの関係は放
電反応抵抗が活性化過電圧に支配されているために生じ
、この活性化過電圧の寄与を取り除かない限りＶ−Ｉの
関係から電流に依存しない一定の内部抵抗を求めること
はできない。しかしながら、大電流域である放電電流密
度が電極単位面積当たり１００　ｍＡ／ｃｎｒ〜４００
　ｍＡ／ｃｔＪの範囲ではＶ−１の関係が一次関数の直
線関係を有する。該Ｖ−Ｉの関係はある温度である残存
容量の電池については１本求まることとなる。

そこで、０°０１２５℃、５０℃の各温度で残存容量の
異なる多数の電池を準備し、それぞれの電池について大
電流放電時の２点以上の電圧・電流を測定し、それぞれ
のＶ−Ｉ直線を求め、その直線の傾きＲ（微分内部抵抗
）および該Ｖ−Ｉの関係から直線外挿して得られるＩ＝
Ｏでの電圧値Ｖ０（擬似起電力）を求めた。これら各温
度で種々の残存容量を有する電池から求めたＲ、Ｖｏと
を各温度別に残存容量ごとに記号をつけてプロットして
みると第３〜５図に示すような関係が得られた。

残存容量の多い電池は図中左上に位置しく即ち、低微分
内部抵抗かつ高擬似起電力を示す。）、残存容量の少な
いものは図中右方または下方、或いは右下に位置する。

（即ち、高微分内部抵抗または低擬似起電力あるいはそ
の両方を示す。）従つて、電池温度が上記温度の何れか
である任意の電池の微分内部抵抗及び擬似起電力とが分
かれば、図３．４．５の関係によって、図中の何処にそ
の電池が位置するかを調べることにより、その電池の残
存容量を検出することができる。

本発明者等はこれらの関係に基づいて、任意の温度と残
存容量の鉛−酸電池の残存容量を求める方法を確立した
。前記電池の電解液の温度０°Ｃにおける残存容量と擬
似起電力Ｖ。と微分内部抵抗Ｒの関係を示した第３図に
おいて、各データ点を通る一定の傾き（これを基準電流
Ｉ３とする）を有する直線を引き、該直線と縦軸の交点
の値ｖ３が、各々の値相互に十分に区別出来る差を有す
るように前記傾き■３を決定する。すなわち、Ｖ３と残
存容量とが第３図に示すような最適な相関関係を有する
ようにＬ　　（９６）を決定するのである。この相関関
係より０°Ｃでの任意の電池のＶ５が求まれば残存容量
を求めることができる。該Ｖ３の値は任意の電池のＶ−
Ｉの関係から１３が求まれば求まる。第３図は０°Ｃの
場合であり、２５°Ｃ１５０℃の場合も同様に求めるこ
とができ、Ｉ３はそれぞれ７８．６０、また、Ｖ３と残
存容量との関係は第４．５図に示す通りである。

これらの１３およびＶＳと残存容量の関係は被測定電池
の電解液の温度が０℃、２５°Ｃ１５０’Ｃの場合であ
る。実際の電池では電解液の温度が上記温度と一致する
ことはほとんどなく、前記■３の値ならびにＶ５と残存
容量との関係を使えることは殆どない。そこで任意の電
池温度での１３、Ｖ３と残存容量との関係を求めるため
の検討を行った。

前記したように電解液の温度が０°Ｃ１２５℃、５０°
Ｃの場合の■５は夫々９６．７８．６０であった。これ
らの１５値を各温度に対しプロットし、直線関係を求め
るとＩｓ　＝Ｉｏ＋ａＴ　（ｒ。＝９６、ａ＝−０，７
２）が求まる。この関係式より任意の温度における基準
電流■３を求めることができる。

また、前記基準電圧■３と残存容量との関係も夫々の電
解液温度におけるものである。そこで温度の一次関数の
項ｂＴを導入して、いかなる温度においても成立する統
一的関係式（Ｖ、＋ｂＴ、これを温度補正をした基準電
圧Ｖ８とする）を求めるために検討を行った。発明者等
は前記第３〜５図において、０°Ｃの第３図のＶ３と残
存容量の関係に２５°Ｃおよび５０℃の関係を一致させ
るようにｂを決定（−０，０１７４）　Ｌ、温度に関係
しないｖ、＝ｖ、−ｏ。０１７４Ｔなる式を得た。

このようにして求めたＶ、と残存容量とは第６図に示し
たような良い相関関係を有していた。したがって、任意
の温度における任意の残存容量の鉛−酸電池についてＶ
２を求めれば第６図の関係から残存容量を求めることが
できる。

本発明の鉛−酸電池の残存容量検出方法において用いる
鉛−酸電池は、予め公知の残存容量測定方法により、測
定温度において残存容量の判っている電池を用いる。ま
た、任意の電池の電圧−電流関係を求めるための、始動
時の１００〜４００ｍ　Ａ　／　ｃｒｌの放電電流は電
池によって異なるが、３４Ｂ’１９電池の場合には１０
８〜４３２Ａ、５５Ｄ２３電池の場合には１９２〜７６
８Ａでの放電に相当し、これらの電池をＳＬＩ電池とし
て用いた時の、エンジン始動時の脈動電流の範囲にほぼ
対応する。従ってこれらの場合には、電池を回路に接続
したまま、いくつかの放電電流での放電を実施できる。

また、電解液の温度、電池電流電圧のヨリ定には公知の
方法及び装置を用いることができる。

本発明における残存容量は、電池を２０ＯＡで放電した
ときの容量で表した。電池の残存容量は、放電される電
流の大きさによって変化し、放電電流か大きいほど取り
出せる電気量即ち残存容量が小さくなる傾向にある。し
かし、その小さくなり方は電池およびその状態によって
必ずしも一定でなく、低電流放電における残存容量から
、高電流放電における放電容量を知ることはできない。

方鉛−酸電池のバッテリ上がりにおけるトラブルは、エ
ンジンの始動不能という形で現れるため始動電流に相当
する大電流放電における残存容量を知ることが重要にな
るが、従来、電池の残存容量としでは５時間率あるいは
２０時間率容量という低電流放電容量が用いられていた
。このため、これまでの電池残存容量は、必ずしも鉛−
酸電池の始動性能と対応しなかった。従って、本発明に
おける残存容量は、始動電流に相当する２００Ａでの放
電容量を用いた。

（作用） 本発明において、基準電圧は電池の残存容量とよい相関
性が示すことが見出された。この理由については以下の
ように考える。劣化あるいは放電が進んだことにより残
存容量の減った電池は、放電反応抵抗の増加あるいは起
電力の低下といった現象を示している。放電反応抵抗の
増加は活物質面積の減少あるいは格子金属の断線等によ
るものであり、直流内部抵抗から活性化過電圧の寄与分
を取り除いたものとして求められると考えられ、電流・
電圧特性の直線部分の傾きと一致する。また、電池の起
電力は、電流・電圧特性の直線部分のＶ細切片に温度に
よって決まる活性化過電圧の寄与分を加えたものになる
と考えられる。このことから、電流・電圧特性と残存容
量とが強い相関関係にあることは当然である。しかし、
この切片あるいは勾配一方だけと残存容量との相関関係
が必ずしも良くないのは、電池によって劣化の仕方、充
電の具合がまちまちであり、同じ残存容量の電池であっ
ても、あるものは微分内部抵抗の増大、また別のあるも
のは起電力の減少といったような形で症状が表れるから
である。ところが、残存容量に対応する基準電圧Ｖ３を
求める基準電流■３は適切に設定してやれば、この両者
の効果を総合でき、残存容量という電池特性によくフィ
ツトする指標となると考えられる。

（効果） 本発明の鉛−酸電池の残存容量検出方法は電気回路に電
池を接続したままで電解液の温度、始動時の放電電流、
端子電圧を測定するだけで、予め記憶しである関係から
正確かつ迅速に任意の電池の残存容量を求めることがで
きる。

（第２発明の説明） 本第２発明は大電流脈動放電時の電流と電圧との関係を
、始動時の脈動大電流放電中の２組以上ｎ組の電流と電
圧の組（１１、Ｖｌ）、（Ｉ２、Ｖ２）・・・・　（１
，、Ｖ、）から最小自乗法によって得られる、最も確か
らしい電流■と電圧Ｖとの直線関係Ｖ＝Ｖ、−Ｒ＊Ｉ　
　（Ｖｏ　［疑似起電力）及びＲ（微分内部抵抗））と
して求めることを特徴とする。

前記したように電流・電圧の関係は、電極単位面積当り
１００〜４００　ｍＡ／ｃｎｒの範囲について直線近似
でき、その直線は、勾配Ｒと切片Ｖ。とによって一義的
に決定できる。任意の電池についてこの両者を求めるに
は、大電流で短時間放電したときのＶとＩとの関係が２
点以上必要である。

この点数は、精度向上のためには出来るだけ多いのが望
ましい。このような、出来るだけ多い点数を取ることが
出来る大電流放電は、鉛−酸電池の場合、幸いにしてエ
ンジン始動時に実現される。

エンジン始動時においては、スイッチを入れるととを同
時に、セルモーターに電流が流れるが、モーターの回転
により生じる逆起電力により、モーターに流れる電流は
第２図のように脈動することが知られている。このよう
に放電電流が脈動することにより、このときの電池電圧
及び電池電流を２点以上記憶しておけば、それらの点を
利用してＶ−１直線を引くことができる。Ｖ−■直線は
、記憶した点が２点しかなければ、それらの２点間を結
ぶ直線となるが、記録した点が３点以上ある場合には、
全ての点が必ずしも厳密に一直線上にあるとは限らない
ため、それらの点を通る最も確からしい直線となる。最
も確からしい直線は、最小自乗法により求めることが精
度が高く、しかも数式化が容易である。即ち、始動時の
脈動大電流放電中の２組以上ｎ組の電流と電圧の組（１
１、Ｖ、）、（Ｉ２、Ｖ２）・・・・　（Ｉ。、Ｖ、）
から、電流Ｉと電圧Ｖとの直線関係を表す式Ｖ＝ＶＯ−
Ｒ＊ＩのＶ。（切片：疑似起電力）及びＲ（勾配：微分
内部抵抗）は以下の式により求められる。

Ｖａ　＝　（ｎΣＩ、ΣＩ、Ｖ、−Σ■、′ΣＶ、）／
′（（ΣＩＩ）２　　ｎΣＩ、′） Ｒ＝　（ｎΣＩｋ　Ｖｈ−Σ■、ΣＶ、）／（（ΣＩｈ
）２　　ｎΣ■、′） 但し、ここでΣは、ｋ＝１〜ｎまでの総和を表す。

こうして求められたＶ。及びＲよりＶ５は、■５＝Ｖ、
−Ｒ１，とじて求めることができる。

（実施例） 本発明の鉛−酸電池の電池状態検出方法の有効性を実証
するため、残存容量未知の試験電池（ＮＳ４０ＺＡ型）
を複数個用意し、第７図のシステムを搭載した自動車を
用い、各電池でエンジン始動実験を行った。

第７図の残存容量を検出するための装置は次の様な構成
からなる。被験電池１、その正極端子２とスタータモー
タ３との間に設けられたパワーリレー４、スタータモー
タに流れる大電流放電における電流■と電圧Ｖを測定す
る電流計５および電圧計６、前記電池の電解液の中に挿
入した電解液の温度を測定する温度センサ７、始動時の
電圧−電流の関係等を演算する演算部８、基準電流と電
解液温度との関係、基準電圧、電解液温度と温度補償基
準電圧との関係、温度補償基準電圧と残存容量との関係
を記憶し、演算部８に供給する記憶部９、演算した残存
容量等を外部に出力する表示部１０からなる。

第７図の装置において、パワーリレー４がオン状態にな
るとスタータモータに大電流が流れ、スタータモータの
回転に伴い電流は脈動する。このときの、電流Ｉと電圧
Ｖを電流計５および電圧計６で夫々測定した。測定する
時間間隔としては、通常スタータモータに通電してから
エンジンがかかるまでが１秒以下、脈動の周期が０．３
秒程度であることから、できるだけ広い電流範囲のデー
タをとるために、０．１秒以下であることが望ましい。

本実施例では始動電流が流れると同時に０．０３秒間隔
で電流電圧の組（Ｉ、、Ｖ、）（ｋ＝Ｉ〜ｎ）を測定し
た。本実施例の装置で用いる温度センサ７にはサーミス
タを用いた。サーミスタの出力は電圧、電流データとと
もに演算部に送られる。

前記演算部８では耐振動性、耐熱性および耐薬品性に優
れたＩＣ回路からなる。演算部８は記憶部９および表示
部１０を制御するコントローラも兼ねている。

演算部８では電圧計、電流計から送られてくる信号値を
もとに、電流・電圧特性を示す直線の切片Ｖ。および傾
きＲを最小自乗法によって演算して求めＶ−Ｉ直線を決
定した。さらに温度センサ７から送られてくる信号値な
らびに記憶部９に記憶されている温度と基準電流Ｉ３と
の関係式（Ｉ。

＝９６．　　Ｏ（１−０，７２Ｔ）から基準電流Ｉ３を
演算し、該基準電流■３における基準電圧Ｖ３　（＝Ｖ
ｏ−Ｒ１，）を算出した。さらに記憶部９に記憶されて
いる温度補償電圧■８と基準電圧ｖ５および電解液温度
との関係式Ｖ、　＝Ｖ、　−０，０１７４Ｔより温度補
償基準電圧Ｖ、を演算し、該温度補償基準電圧Ｖ、と残
存容量との関係図（第６図）にもとづき残存容量を演算
した。このようにして求めた、Ｖ、、Ｒ，Ｔ、Ｌ、Ｖ、
　、Ｖ、および残存容量を表１に示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は端子電圧と、放電電流密度の関係図、第２図は
始動時の放電電流と放電時間の関係図、第３図、第４図
、第５図は夫々Ｏ℃、２５℃、５０℃における基準電圧
Ｖ３と残存容量の関係図、第６図は温度補正した基準電
圧Ｖ２と残存容量の関係図、第７図は残存容量を検出す
るためのシステムを示した図である。 １・・・鉛−酸電池、　２・・・電極、３・・・スター
タモータ、 ４・・−パワーリレー ５・・・電流計、 ７・・・温度センサ、 ９・・・記憶部、 ６・・・電圧計、 ８・・・演算部、 １０・・・表示部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鉛−酸電池の温度を測定し、該鉛−酸電池の大電流放電
   時における電圧−電流の関係から基準電圧を演算し、該
   基準電圧と前記電池温度に基づき、予め求めておいた基
   準電圧および電池温度と温度補償基準電圧との関係から
   前記電池温度における温度補償基準電圧を演算し、予め
   求めておいた温度補償基準電圧と残存容量との関係より
   残存容量を求める鉛−酸電池の残存容量検出方法。