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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025006734
(43)【公開日】2025-01-17
(54)【発明の名称】容量計測機能付き充電器
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20250109BHJP
G01R 31/382 20190101ALI20250109BHJP
G01R 31/392 20190101ALI20250109BHJP
G01R 31/387 20190101ALI20250109BHJP
H02J 7/10 20060101ALI20250109BHJP
H01M 10/44 20060101ALI20250109BHJP
H01M 10/48 20060101ALI20250109BHJP
【ＦＩ】
H02J7/00 Q
G01R31/382
G01R31/392
G01R31/387
H02J7/10 B
H02J7/10 H
H01M10/44 Q
H01M10/48 P
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023107712
(22)【出願日】2023-06-30
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-07-02
(71)【出願人】
【識別番号】515228287
【氏名又は名称】ゴイク電池株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100151208
【弁理士】
【氏名又は名称】植田 吉伸
(72)【発明者】
【氏名】大野 誠
(72)【発明者】
【氏名】高岡 浩実
【テーマコード（参考）】
2G216
5G503
5H030
【Ｆターム（参考）】
2G216BA21
2G216BA61
2G216CA01
2G216CB24
5G503BB02
5G503CA03
5G503EA09
5H030AA09
5H030AS08
5H030BB02
5H030BB03
5H030FF43
(57)【要約】 （修正有）
【課題】充電終止時に所定の計測を行うことで、容量を算出する診断機能付き充電器を提供する。
【解決手段】診断機能付き充電器は、二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、充電終了時の充電状態の値を決定する決定手段と、充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】診断機能付き充電器は、二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、充電終了時の充電状態の値を決定する決定手段と、充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、
充電終了時の充電状態の値を決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
充電終了時の充電状態の値を決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
【請求項2】
請求項１に記載の診断機能付き充電器において、
前記充電状態の値は、０．９５であることを特徴とする診断機能付き充電器。
前記充電状態の値は、０．９５であることを特徴とする診断機能付き充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、充電終了時に電池の健全度（ＳＯＨ）を計測表示することに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の充電器は、電池を満充電にする、あるいは、補充電を行うといった機能のみ持っていた。電池に対して蓄電可能な電気量を調べる場合、電池を完全放電した状態から充電を開始し、満充電までの総電気量（単位はクーロンあるいはＡｈ）を計量するか、満充電にした後に放電を開始し、その放電総量を計量するかのいずれかであった。
【0003】
しかし、実際は完全放電状態から充電することや、満充電状態から放電することは稀であり、容量計測のために一度、完全放電状態(もしくは満充電状態)にする必要がある容量計測機は実用的とは言えない。
【0004】
ＥＶの車載搭載電池では、容量が低下するとモーター馬力が急激に落ちる。従って、特に、車載搭載の場合は、常に電池容量を確認することが必要となる。電池性能を確認することは、電池をエネルギー源として使用する機器の安全性、信頼性において極めて重要な課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第３７５２２４９号公報
【特許文献2】特許第３８６９８３８号公報
【特許文献3】特許第６５８９０８０号公報
【特許文献4】特許第６８３９８８３号公報
【非特許文献1】松田他「電気化学概論」丸善株式会社（平１１．１１）
【非特許文献2】板垣「電気化学インピーダンス法」丸善出版（平２３．７）
【非特許文献3】小山他「リチウムイオン二次電池の進化と評価・解析技術」日刊工業社月刊誌「工業材料」ｖｏｌ．６９（令和３．７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
例えば、非特許文献２、３には、交流インピーダンス法による静的内部抵抗が電池性能指標となることが述べられており、基準の電池に対するインピーダンス比率から性能比率を算出する手法が開示されている。
【0007】
また、特許文献２等には、電解質と電極の組み合わせに応じた複素応答特性を観測する手法が開示されており、特許文献４には、電極の電気化学的特性から蓄電性能を算出する手法が開示されている。
【0008】
しかし、電気的計測には、電極の酸化還元による電子の流れと、電解質中のイオンの流れの総合特性としての計測が必要となり、電池としての容量を決める電極性能を切り離して計測することが困難である。過去、幾多の手法が試みられているが、いずれも、実用上あるいは実装上、様々な難点があり、特殊用途の使用にとどまっている。
【0009】
本発明の目的は、充電終止時に所定の計測を行うことで、容量を算出することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る診断機能付き充電器は、二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、充電終了時の充電状態の値を決定する決定手段と、充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【0011】
また、本発明に係る診断機能付き充電器において、前記充電状態の値は、０．９５であることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、任意の状態から満充電にするだけで容量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る実施形態において、診断機能付き充電器の概略図である。
【図2】本発明に係る実施形態において、容量算出に必要な物理量の測定時の電圧、電流の挙動である。
【図3】本発明に係る実施形態において、各状態の測定電圧の内訳である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0015】
電池２は、外部から電流の形で注入された電気エネルギーを、内部では、化学物質の状態変化、所謂、ギブスエネルギーの形で保持する機構を有している。電池２内部のポテンシャルは、ギブスエネルギー準位で表わせられ、電池構成である負極と正極の基本準位差、及び、作動媒体の存在比率で定義される電位差に伴うエネルギーが注入電気エネルギーと等価となる。電池２の一例としてリチウムイオン二次電池が挙げられる。
【0016】
充電動作では、正極サイドから負極の反応界面に到達した媒体が、電気化学反応により外部から流れ込む電子と反応し負極に担持される過程となる。この過程に関する研究は、ボルツマンーマックスウエル、アレニウス等、偉大な先達の研究が、現在も基本原理として周知応用されている。
【0017】
本発明は、これら基本原理・定理に基づき、その活用と現在の発展進化による電気・電子・マイコン技術を応用展開することで成し遂げたものである。
【0018】
診断機機能付き充電器１０は、計測部１２と、電力部１４と、制御部１６とを備える。診断機機能付き充電器１０は、電池２を任意の状態から満充電にするだけで容量を計測する機能を有する。充電中に電圧計４により端子電圧がモニタされ、電流計６により電流がモニタされる。
【0019】
電力部１４は制御部１６の信号により所望の電流、電圧を電池２に供給することができる。電流、電圧は計測部１２の電圧計４及び電流計６により測定される。電力部１４、計測部１２は制御部１６により制御され、所望のタイミングで電流注入、電圧印可、電圧・電流計測が可能である。
【0020】
計測部１２、電力部１４及び制御部１６により、充電終了直前の電流、電圧、充電終了直後の電圧の測定が可能となる。一般に電池の化学反応のスピードは１ｍｓ程度ということが知られている。これは電流遮断の１ｍｓ程度後に電池端子電圧の降下が起こることを意味している。これを踏まえると電流遮断信号発信の１ｍｓ前を充電終了直前、電流遮断信号発信の２ｍｓ後を充電終了直後として問題がないことがいえる。
＜本発明に関する電池動作研究及びその解析＞
＜本発明に関する電池動作研究及びその解析＞
【0021】
本発明は、充電終止直前・直後に所定の方法で電圧差を測定するだけで電池の容量算出に必要な物理量を得られるというものである。蓄電性能の検定の元となる技術は、一定量の電気エネルギーを注入後すぐに電池２の電圧をモニタする。その繰り返しで、設定した電池の電圧に達した時点で、このプロセスを終止するＡｄ．Ｉ．Ｃ＆Ｃ充電手法である。
【0022】
図２は、充電終止直前の電圧と電流の図である。定電流で充電し、所定の電圧に到達すると定電圧充電に切り替える。
【0023】
電流Ｉと過電圧Δｖの関係式と動的内部抵抗ＤＩＲは
＜数式１＞
で表される。(特許文献４)
＜数式１＞
【0024】
ここでＫ００は電極の素材による定数、Ｃr,f
*はＳＯＣの１/１００、ｆ=Ｆ/ＲＴ [1/Ｖ]である。( Ｒ [Ｊ/ｍｏｌ・Ｔ] :気体定数 Ｆ[Ｑ/ｍｏｌ]:ファラディ定数 Ｔ[Ｋ]:絶対温度)
【0025】
またＫ00と容量Ｑとの間には
＜数式２＞
が成立する。(特許文献４)
＜数式２＞
【0026】
図２において、充電電流をＩ、充電終止電流をＩ０(電池の仕様書に記載されており、ここでは０.１Ｉ)、充電終止するときのＳＯＣを９５%(Ｃr,f
*＝０.９５)と決定して設定する。電池端子電圧がＶｍａｘになったときＣＣ充電からＣＶ充電に切り替える。このＶｍａｘも電池の仕様書に記載されている。電解質の電気特性、電極の物理特性から、例えばコバルトーカーボン系で４.２Ｖ、リン酸鉄ーカーボンで３.６Ｖ等と電池の仕様書に明示されている。
【0027】
終止直前電圧Ｖｍａｘと遮断直後(０.１秒以内)の電圧Ｖとの電位差ΔＶｆと充電終止電流Ｉ０との関係式は
＜数式３＞
である。
＜数式３＞
である。
【0028】
これより
＜数式４＞
が導かれる。
充電終止時のＳＯＣを９５％と設定したとき
となる。
＜数式４＞
充電終止時のＳＯＣを９５％と設定したとき
となる。
【0029】
このＫ00と数式１から、充電電流Ｉでの任意のＳＯＣでの過電圧Δｖが定まる。
例えばＳＯＣが５０％のとき、Δｖ、ＤＩＲは最小値をとり、
＜数式５＞
が導かれる。
これまでの記述の中Δｖの物理化学的意味を、ここで明らかとする。
例えばＳＯＣが５０％のとき、Δｖ、ＤＩＲは最小値をとり、
＜数式５＞
これまでの記述の中Δｖの物理化学的意味を、ここで明らかとする。
【0030】
起電力は、正極－負極間の静時電位差で定義される。即ち、電池に、電流の出し入れのない電流ゼロであるとともに、電池内部のイオンの偏り、動きに伴う電位差が伴うことのない状態での平衡電位であり、通常１０数時間の非動作後の電位差をいう。
【0031】
充電動作中の電池端子電圧Ｖ（ｔ＋）は、起電力Ｖｅｍｔ（ｔ）と電解質中のイオンおよび溶融和の形のイオンの形態によるΔηｅｑ（ｔ）、それに電極反応に伴う反応ポテンシャル差ΔＶ（ｔ）の総和となる。
＜数式６＞
充電動作終了直後の電池端子電圧Ｖ（ｔ－）は起電力Ｖｅｍｆ（ｔ）と電解質中のイオンおよび溶融和の形のイオンの形態によるΔηｅｑ（ｔ）の総和となる。
＜数式７＞
＜数式６＞
＜数式７＞
【0032】
Δηｅｑ（ｔ）は、時定数Ｔ１、拡散抵抗Ｒ１、および時定数Ｔ２、拡散抵抗Ｒ２を持つ２つのタンク回路の直列接続で表わされる。
＜数式８＞
＜数式８＞
【0033】
ネルンストの関係から、ＳＯＣを示す蓄電濃度Ｃｒ
＊(t)は起電力Ｖｅｍｆ（t）を確定する。
＜数式９＞
＜数式９＞
【0034】
但し、Ｖｅｍｆ（ｔ）は、ｔの増加に対し、負極の電位降下と正極の電位上昇の和となり、式中の係数１／ｆは両極の律速による影響、及び、移動度の影響を加味し、該当電池固有の係数αを適応し、１/αｆとする。尚、Ｖｓｔは、正極、負極の組合せによる電池材料固有の定数である。
【0035】
数式６と数式７より
＜数式１０＞
が得られる。
＜数式１０＞
【0036】
Ｖ(ｔ+)、Ｖ(ｔ-)ともに測定量であるので、ΔＶ（ｔ）は数式１０から算出が可能である。数式４の中のΔＶｆ（ｔ）は充電終了直前・直後のΔＶ（ｔ）であるので、これらより測定量からＫ００が求められ、数式２からＱが算出できることを示す。また完全放電するときにも同様の手続きを踏むことによりＱが算出できることも示唆している。これはＢＭＳ等に応用可能である。
＜本発明の特長＞
＜本発明の特長＞
【0037】
二次電池実用において、充電作業は必須である。しかしながら、従来手法では充電時において、電池の健全度ＳＯＨ(Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ)を得ることは出来なかった。これを得るためには一旦満充電状態にし、完全放電状態にするまでの電荷量を測定するかとその逆の２つが考えられるが、ＳＯＨを得るためにわざわざ充電放電をするのは時間がかかり効率的ではない。
【0038】
よって電池の内部状態を電圧、電流等の測定から推定し、容量を算出することが求められる。インパルス法、インピーダンス法による電池診断においては予め標準電池の電気化学的動作定数を既知としての、対象電池の定数比較であり、これら定数は電池の動作履歴、その履歴時の動作環境等により多くの因子の相関マトリックス定数として参照する必要があり、分析と解釈に種々の課題を抱えていた。本発明の特長は、充電終了直前直後の電電圧測定で、電極のリチウムイオンの反応面積の大小の指標であるＤＩＲが求められ、それより電極容量を算出できるというものである。
＜本発明の効果＞
＜本発明の効果＞
【0039】
エネルギータンクに電気エネルギーを補填、補充するという電池充電では、ガソリンタンクとは異なり、タンクの容量、性能が変化するという欠点がある。従って、エネルギー使用に於いては、この変化を踏まえた適正使用が重要事項であるが、この変化の認識が従来困難であった。本発明によって、手軽に充電の都度、変化の確認が可能であり、電池使用機器の安全性、信頼性が向上されることとなる。
【0040】
また、充電の都度、電池の現在性能（容量）が確認できるとともに、その遍歴のデータ解析から、対象電池の特性予測を可能とするとともに、対象電池の将来利用計画が作成でき、利用上の安全性の確認、その確信による信頼と安心感が保証される。
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2023-12-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
＜数式４＞
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0010】
本発明に係る診断機能付き充電器は、二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、を備えることを特徴とする。
＜数式２＞
＜数式４＞
＜数式２＞
＜数式４＞
【手続補正書】
【提出日】2024-04-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
＜数式４＞
Ｉｏ：充電を終止する際の電流
ｆ：Ｆ／ＲＴ
Ｒ［Ｊ／ｍｏｌ・Ｔ］：気体定数
Ｆ［Ｑ／ｍｏｌ］：ファラデイ定数
Ｔ［Ｋ］：絶対温度
ΔＶｆ：充電を終止する直前の電圧と遮断直後の電圧との電位差
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
ｆ：Ｆ／ＲＴ
Ｒ［Ｊ／ｍｏｌ・Ｔ］：気体定数
Ｆ［Ｑ／ｍｏｌ］：ファラデイ定数
Ｔ［Ｋ］：絶対温度
ΔＶｆ：充電を終止する直前の電圧と遮断直後の電圧との電位差
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0010】
本発明に係る診断機能付き充電器は、二次電池を定電流充電により充電し、前記二次電池の電池端子電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電に切り替えて充電し、充電電流が所定の電流になった際に充電を終了する充電手段と、
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
＜数式４＞
Ｉｏ：充電を終止する際の電流
ｆ：Ｆ／ＲＴ
Ｒ［Ｊ／ｍｏｌ・Ｔ］：気体定数
Ｆ［Ｑ／ｍｏｌ］：ファラデイ定数
Ｔ［Ｋ］：絶対温度
ΔＶｆ：充電を終止する直前の電圧と遮断直後の電圧との電位差
充電終了時の充電状態の値を０．９５として決定する決定手段と、
充電終了直前の電池端子電圧及び充電終了直後の電池端子電圧を測定する測定手段と、
前記充電状態の値、前記充電終了直前の電池端子電圧及び前記充電終了直後の電池端子電圧に基づいて、数式２及び数式４を用いて前記二次電池の電池容量を算出する容量算出手段と、
を備えることを特徴とする診断機能付き充電器。
＜数式２＞
ｆ：Ｆ／ＲＴ
Ｒ［Ｊ／ｍｏｌ・Ｔ］：気体定数
Ｆ［Ｑ／ｍｏｌ］：ファラデイ定数
Ｔ［Ｋ］：絶対温度
ΔＶｆ：充電を終止する直前の電圧と遮断直後の電圧との電位差