JPH0727838A - バッテリーの残存容量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電力損失を極力抑えるとともに、発熱量を抑
えることのできるバッテリーの残存容量計測装置を提供
すること 【構成】 バッテリー１０の正負の両端子１０ａ，１０
ｂに内部抵抗計測部１１を接続し、その内部抵抗計測部
の出力（内部抵抗）を内部抵抗−容量換算部１２に接続
し、そこにおいて換算表等からその時の残存容量を求
め、表示部１３に出力する。内部抵抗計測部は、バッテ
リーを大電流で放電させ、その時の端子電圧の低下から
内部抵抗を求めるもので、放電させる時にパルス発生器
１５により所定のデューティ比でオン／オフするトラン
ジスタＴｒを用い、オン時に両端子１０ａ，１０ｂを導
通させて放電させ、その時の端子電圧をエンベロープ検
波器１６で測定し、また放電電流を電流計測装置１８で
測定し、両測定データに基づいて内部抵抗算出部１７で
内部抵抗を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリーの残存容量
計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】充電が行えるバッテリー（蓄電池）は、
無停電電源システムや、車載並びに太陽光発電システム
等様々な分野に利用されている。そして、そのバッテリ
ーは、容器本体内に電解液を充填するとともにその電解
液内に電極を挿入配置した構成となっている。

【０００３】ところで、バッテリーの残存容量を知るこ
とは、充電の必要性の有無並びにその充電量（時間）
や、寿命判定などを知る上で重要なことであり、係る残
存容量計測装置として、従来種々のタイプのものが提案
されている。そして、その一例を示すと、例えば特開昭
６３−２０８７７３号公報に開示されるように、バッテ
リーへの充電電流並びにバッテリーから負荷へ供給され
る時の放電電流を積算し、その電流の積分量から現在の
バッテリーの残存容量を求めるものがある。すなわち、
残存容量は、現在のバッテリー内に貯留されている電荷
の総量に相当し、電流を積算する（充電電流は正，放電
電流は負）ことによりバッテリーへの電荷の供給量と放
出量の総和が求められるからである。

【０００４】しかし、上記した従来のものでは、満充電
状態からの充放電電流を積算するようにしたため、積算
するもととなる算出値に誤差を生じると、係る誤差が累
積されて正確な計測ができない。また、充電電流のすべ
てのエネルギーが充電（電荷の蓄積）に用いられるので
はなく、充電効率に従って所定量が充電に使用される。
そして、その充電効率は残存容量によっても変動し、さ
らに、温度によっても変化するので正確に把握すること
ができず、累積する誤差の発生の要因となる。

【０００５】そこで、従来簡易な計測方法としてバッテ
リーの内部抵抗を計測し、それに基づいて残存容量を計
測するものがあった。すなわち、放電時の充電状態
（％）と電圧の関係は、図８に示すような所定の相関関
係を有する。そこで瞬間的（例えば５秒間）に大電流を
流し、その時の電圧Ｖを計測するとともに、その相関関
係のグラフを見て充電状態を決定する。

【０００６】そして、係る計測を行うための装置として
は、ドライフィットチェッカー（株式会社シー・コーレ
ンス 販売）と称されるものが市販されている。これ
は、バッテリーの正負の端子間を小さな抵抗値を有する
抵抗器で接続することにより、大電流（５０〜１００
Ａ）でバッテリーを放電し、その時の端子電圧を測定す
るようにし、予め用意した上記の図８に示す変換グラフ
を用いて残存容量を知るようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のバッテリー残存容量計測装置では、測定時に抵
抗器に大電流を流すため、そこにおける電力損失が大き
いばかりか、発熱により非常に高温度となるため、誤っ
て抵抗器に触れると火傷をしてしまうおそれもあるなど
の問題を有する。そして、大電流を流すための抵抗器が
大きく、計測器が大きくなる問題もあった。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、電力損失を極力抑え
るとともに、発熱量を抑えることのできるバッテリーの
残存容量計測装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係るバッテリーの残存容量計測装置で
は、バッテリーの両端子間を接続可能なトランジスタ等
のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を所定の
デューティ比でオン／オフさせる駆動手段と、前記スイ
ッチング素子がオンで前記バッテリーが放電している時
のバッテリーの端子電圧または内部抵抗を求める計測手
段と、前記計測手段により求められた前記端子電圧また
は内部抵抗に基づいて前記バッテリーの残存容量を求め
る換算手段とから構成した。

【００１０】そして、好ましくは、前記内部抵抗を求め
る計測手段が、端子電圧計測手段と、前記バッテリの放
電電流の平均値を計測する電流計測手段と、前記端子電
圧計測手段により検出された開放電圧と短絡電圧の差
と、前記電流計測手段より検出された電流値とに基づい
て内部抵抗を算出する算出手段とから構成されることで
ある。

【００１１】また、前記端子電圧を求める計測手段、ま
たは前記端子電圧計測手段が、エンベロープ検波器から
構成するとさらに良く、また、前記駆動手段が、前記放
電電流の平均値を計測する電流計測手段と、前記電流計
測手段で検出された放電電流と目的とする電流とを比較
し、前記放電電流が目的電流になるようにデューティ比
を制御する手段とから構成するとなお良い。

【００１２】

【作用】駆動手段を動作させてスイッチング素子を所定
のデューティ比でオン／オフ駆動させる。すると、オン
時にはバッテリーが短絡して放電電流が流れ、オフ時に
は開放状態となる。デューティ比を小さくすると、瞬間
的に流れる電流が大きくても、単位時間あたりの放電電
流（平均値）は同じにすることができる（実質的な抵抗
値を従来のものと同じにすることができる）。そして、
スイッチング素子では、大きな電力損失も発生せず、そ
のため発熱によって高温となることもない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係るバッテリーの残存容量計
測装置の好適な実施例を添付図面を参照にして詳述す
る。図１は、本発明の第１実施例を示している。同図に
示すように、バッテリー１０の正負の両端子１０ａ，１
０ｂに内部抵抗計測部１１を接続し、その内部抵抗計測
部１１の出力を内部抵抗−容量換算部１２を接続し、さ
らに内部抵抗−容量換算部１２の出力を表示部１３に接
続している。

【００１４】このように、本例で内部抵抗を用いるよう
にしたのは、仮に充電状態が同一であっても電流が変動
すると電圧も変動してしまうので、電圧を基準に計測す
ることにより生じる係る誤差を無くし、電流の変動に依
存しないより正確な測定を行なうためである。

【００１５】次に各部について詳述する。内部抵抗計測
部１１は、基本的には従来の抵抗器によるものと同様に
バッテリー１０の両端子１０ａ，１０ｂを短絡（低抵抗
で接続）させて大電流を流し、その時の所望の特徴量デ
ータを検出するもので、本発明では、従来の抵抗器に変
えてスイッチング素子であるトランジスタＴｒを用い、
そのコレクタとエミッタを両端子１０ａ，１０ｂに接続
している。そしてこのトランジスタＴｒのベースに駆動
手段たるパルス発生器１５の出力を接続し、ベースに所
定の電圧を印加している時（パルスオン時）だけトラン
ジスタＴｒを導通してバッテリー１０の端子間１０ａ，
１０ｂに放電電流が流れるようにしている。このパルス
発生器１５は、開始スイッチＳＷを閉じることにより、
所定のデューティ比（本例では１０％とした）からなる
矩形パルスが出力されるようになっている。そして、パ
ルス発生器１５から出力されるパルスのデューティ比を
適宜変えることにより、単位時間あたりに流れる総電流
量（平均電流値）を所望の値に設定できるようになり、
実質的な抵抗値を調整できるが、実際の計測装置に実装
する場合には、デューティ比は所定の値で固定しても良
い。

【００１６】さらに、バッテリー１０の両端子間１０
ａ，１０ｂには、エンベロープ検波器１６が接続され
て、上記トランジスタＴｒを介してバッテリー１０が短
絡されている時の端子電圧を測定するようになってい
る。ここでエンベロープ検波器１６を用いたのは、図２
に示すように、トランジスタＴｒをオン／オフする（同
図（Ａ））ことにより、バッテリー１０は短絡状態と開
放状態が交互に現われる。よって、単に電圧計を接続し
ただけでは、短絡電圧と開放電圧を交互に検出すること
になり安定しないので（同図（Ｂ）中実線で示す）、本
例では同図中一点鎖線で示すようにそのエンベロープを
検出することにより、係る現象を解消するためである。

【００１７】そして、このエンベロープ検波器１６の出
力（電圧Ｖ）を内部抵抗算出部１７に接続する。さら
に、バッテリー１０からの放電電流（平均値）Ｉを検知
するための電流計測装置１８をバッテリー１０の正極端
子１０ａからのリード線に沿うように配置し、この電流
計測装置１８の出力（放電電流Ｉ）も上記内部抵抗算出
部１７に接続している。なお、この電流計測装置１８
も、図示するように、通常の検流計１８ａに抵抗，コン
デンサを接続することにより、放電電流の平均値を求
め、それを内部抵抗算出部１７に入力するようにしてい
る。

【００１８】内部抵抗算出部１７は、与えられた放電電
流（平均値）Ｉと、計測開始当初の開放電圧Ｖo （トラ
ンジスタＴｒをオフ状態にしたままの状態におけるエン
ベロープ検波器１６の出力）と一定時間放電電流を流し
た時のバッテリー１０の端子電圧（短絡）Ｖs の差ΔＶ
（＝Ｖo −Ｖs ）を下記式に代入し、演算することによ
りバッテリー１０の内部抵抗ｒを求めるようになってい
る。

【００１９】ｒ＝ΔＶ／Ｉ すなわち、トランジスタＴｒのオン時における等価回路
は、図３に示すように表すことができる。ここで負荷Ｒ
は、トランジスタＴｒである。そして、この内部抵抗ｒ
での電圧降下をΔＶとすると、上記式により内部抵抗ｒ
を簡単に求めることができる。そして、内部抵抗ｒに電
流の流れない開放状態における開放電圧Ｖo よりも、短
絡電圧Ｖs は上記ΔＶだけ低い値となる。そこで、上記
のようにして内部抵抗ｒを求めるようにした。

【００２０】ところで、バッテリー１０を短絡した場合
には、直ぐに所定量（上記ΔＶに相当する量）だけ電圧
降下をするのではなく、所定のカーブで電圧が低下し、
短絡状態を継続するとΔＶだけ電圧降下した後、安定す
る（図４参照）。なお実際には、放電により電荷が放出
されるため、その後も低下する。

【００２１】そして、かかる電圧降下ΔＶは、一定時間
平均電流Ｉを流し続けた時に低下するバッテリー１０の
端子電圧の漸近値までの降下量（これがΔＶとなる）で
あるため、係る漸近値になるまでの時間経過をまって端
子電圧Ｖs を求めてもよく、また、端子電圧Ｖs の降下
の状態（履歴）を検出し、漸近値を求めるようにしても
よい。そして、この内部抵抗算出部１７で上記した所定
の演算処理を与えられたＩ，Ｖo ，Ｖs に基づいて行
い、算出した内部抵抗ｒを出力する。

【００２２】内部抵抗−容量換算部１２は、与えられた
内部抵抗ｒに基づいてそのときのバッテリーの残存容量
を求めるものである。具体的には、放電時の充電状態
（％）と内部抵抗の関係は、図５に示すような所定の相
関関係を有する。そこで与えられた内部抵抗ｒから上記
相関関係のグラフに基づいて充電状態を決定する。すな
わち、係る相関関係を格納したデータベースを設け、内
部抵抗ｒが与えられたなら係るデータベースを参照して
決定し、求めた残存容量を表示部１３に出力するように
なっている。そして表示部１３では、与えられた残存容
量を人間が理解できる形態で表示するようにしている。

【００２３】ここでトランジスタにおける消費電力（発
熱）を考える。まず、従来の放電に用いる放電用抵抗器
の抵抗値を０．２Ω、バッテリーの端子間電圧を１０Ｖ
とすると、消費電力は５００Ｗとなり、また、放電電流
は５０Ａとなる。一方、同一の放電電流（平均値）をト
ランジスタＴｒで流すためには、放電電流が流れている
間は図６（Ａ）に示すように断続するパルス波となって
おり、この電流が流れている間だけトランジスタＴｒに
電流が流れて発熱するので、実際に流れている時の電流
を５００Ａとすると、デューティ比を１０％にすること
により回路中に流れる平均電流を５０Ａにすることがで
きる。これにより、単位時間あたりの放電容量は同じと
なる。

【００２４】一方、トランジスタＴｒのエミッタ−コレ
クタ間電圧Ｖce（＝２Ｖ）は、同図（Ｂ）のようになる
ため、トランジスタでの消費電力は、同図（Ｃ）に示す
ように電流が流れている時は１０００Ｗとなり、平均す
ると１００Ｗとなる。よって、同一の放電容量を得るた
めに必要な消費電力は、トランジスタを用いた方が１／
５になり、発熱量も少なくなることがわかる。また、ト
ランジスタＴｒ等は、従来の抵抗器に比し小さいため、
装置全体の小型化も図れる。

【００２５】図７は、本発明の第２実施例を示してい
る。すなわち、本例ではパルス発生器１５′から出力さ
れるパルス信号のデューティ比を可変に、放電状態に応
じて制御できるようにしている。すなわち、パルス発生
器１５′に電流制御回路２０を接続し、その電流制御回
路２０から出力される制御信号（デューティ比を決定す
る）に基づいてパルス発生器１５′から出力されるパル
スのデューティ比が調整されるようになっている。さら
にこの電流制御回路２０には目的とする放電電流Ｉo
（本例では５０Ａ）がセットされており、しかも、上記
電流計測装置１８′を介して検出した放電電流（平均
値）Ｉが与えられるようになっている。そして、実際に
流れている放電電流Ｉと目的となる電流Ｉｏとを比較
し、両者が異なる場合には、目的の電流Ｉo になるよう
に電流制御回路２０の出力を変えてパルス発生器１５′
のデューティ比をフィードバック制御するようにしてい
る。

【００２６】係る構成により、バッテリー１０の放電電
流Ｉは、常に所定の電流値（一定）に保つことになるた
め、エンベロープ検波器１６で検出したバッテリー１０
の端子電圧を電圧−残存容量換算部２１に与え、そこに
おいて図８に示す換算データ等に基づいてバッテリー１
０の残存容量を正確に計測することができる。なお、そ
の他の構成並びに作用効果は上記した第１実施例のもの
と同様であるため、その説明を省略する。

【００２７】なお、この第２実施例のように放電電流を
一定にするようにフィードバック制御すること無く、端
子電圧に基づいて残存容量を求めるようにしてももちろ
んよい。また、スイッチング素子としては、上記したト
ランジスタに限ること無く、パワーＭＯＳＦＥＴ等種々
のものを用いることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るバッテリー
の残存容量計測装置では、所定のデューティ比でオン／
オフするトランジスタ等のスイッチング素子を介してバ
ッテリーを短絡して放電電流を流すようにしたため、同
じ放電電流を流したとしても、電力損失を少くすること
ができ、充電した電荷を無駄に消費することが抑制でき
る。その結果、発熱量を抑えることができ、火傷などを
生じるおそれもなく、また、それにともない冷却装置・
機構も不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバッテリーの残存容量計測装置の
第１実施例を示すブロック図である。

【図２】作用を説明するためのグラフである。

【図３】短絡状態における等価回路図である。

【図４】作用を説明するためのグラフである。

【図５】内部抵抗−残存容量換算部の機能を説明するグ
ラフである。

【図６】本実施例の効果を説明するためのグラフであ
る。

【図７】本発明に係るバッテリーの残存容量計測装置の
第１実施例を示すブロック図である。

【図８】端子電圧に対する残像容量の特性を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１０ バッテリー １０ａ，１０ｂ 端子 １１ 内部抵抗計測部 １２ 内部抵抗−容量換算部 １３ 表示部 １５，１５′ パルス発生器 １６ エンベロープ検波器 １７ 内部抵抗算出部 １８，１８′ 電流計測装置 ２０ 電流制御回路 ２１ 電圧−残像容量換算部 Ｔｒ トランジスタ（スイッチング素子）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリーの両端子間を接続可能なトラ
   ンジスタ等のスイッチング素子と、 前記スイッチング素子を所定のデューティ比でオン／オ
   フさせる駆動手段と、 前記スイッチング素子がオンで前記バッテリーが放電し
   ている時のバッテリーの端子電圧または内部抵抗を求め
   る計測手段と、 前記計測手段により求められた前記端子電圧または内部
   抵抗に基づいて前記バッテリーの残存容量を求める換算
   手段とを備えたバッテリーの残存容量計測装置。
2. 【請求項２】 前記内部抵抗を求める計測手段が、 端子電圧計測手段と、 前記バッテリの放電電流の平均値を計測する電流計測手
   段と、 前記端子電圧計測手段により検出された開放電圧と短絡
   電圧の差と、前記電流計測手段より検出された電流値と
   に基づいて内部抵抗を算出する算出手段とを備えた請求
   項１に記載のバッテリーの残存容量計測装置。
3. 【請求項３】 前記端子電圧を求める計測手段、または
   前記端子電圧計測手段が、エンベロープ検波器からなる
   請求項１または２に記載のバッテリーの残存容量計測装
   置。
4. 【請求項４】 前記駆動手段が、 前記放電電流の平均値を計測する電流計測手段と、 前記電流計測手段で検出された放電電流と目的とする電
   流とを比較し、前記放電電流が目的電流になるようにデ
   ューティ比を制御する手段とを備えた請求項１〜３のい
   ずれか１項に記載のバッテリーの残存容量計測装置。