JP3649652B2 - リチウムイオン電池の容量推定方法および劣化判定装置ならびにリチウムイオン電池パック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池の容量推定方法および劣化判定装置ならびにリチウムイオン電池パックに関するものである。
【０００２】
ここに、「電池パック」とは、単電池（以下、セルと称す）あるいは複数個のセルを直列接続、並列接続、あるいは両者の併用によって接続したものを、安全制御回路あるいは充放電制御回路と一体化して「自立電源としての二次電池」としたものを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池（以下、Ｎｉ/Ｃｄ電池と称す）に比べて体積当たり、あるいは重量当たり大幅な高エネルギー密度を有するニッケル水素電池（以下、Ｎｉ/ＭＨ電池と称す）やリチウムイオン電池（以下、Ｌｉイオン電池と称す）では、その内部に蓄えられているエネルギーが大きいため、電池の異常に伴って起こる事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【０００５】
上記のＬｉイオン電池は、正極活物質にリチウムを挿入脱離できる金属酸化物、負極にリチウムを挿入脱離できる炭素化合物、電解液にリチウム塩を溶質とし非水有機化合物をそれぞれ用いて構成される。
【０００６】
また、鉛電池、Ｎｉ/Ｃｄ電池、およびＮｉ/ＭＨ電池が過充電による副反応で発生するガスを吸収する反応機構を有するのに対して、Ｌｉイオン電池には過充電により発生するガスの吸収反応を持たない、など安全性維持の点で大きな制約がある。さらに、複数のＬｉイオン電池を直列に配置して使用する場合には、電池の劣化が進行すると個々の電池特性のアンバランスが過充電や過放電をもたらし、安全性の点で大きな不安要素となりうる。
【０００７】
信頼性確保手段のひとつとして、搭載電池の的確な劣化状態の把握とタイムリーな電池の交換が挙げられる。Ｎｉ/ＭＨ電池やＬｉイオン電池の高エネルギー密度電池に関しては、１９９４年に提唱されたスマートバッテリーシステム（ＳＢＳ）が充電制御、残存容量判定などを含めたバッテリーマネジメントシステムとして、改良を加えながら普及してきている（www.sbs-forum.org 参照）。これらの電池制御・管理は、製造メーカ、電池種類などの情報の他、常時電池の電流、電圧、温度などをモニタする膨大な情報データ管理に基づく方法が採用されているのみであり、このような方式は極めて高価な方式であり、製品価格の高騰を来していた。
【０００８】
また、安全性維持の点で重要となる電池の劣化状態の監視については、Ｌｉイオン電池搭載の機器のモデルチェンジが頻繁に実施されていることもあって、使用時間の確保と監視を重視する余り、なおざりにされている傾向がある。
【０００９】
特に、ＳＢＳは電池の充電制御、残存容量などの制御・管理の手段であり、電池の劣化状態まで把握する機能は有しておらず、電池、または電池パックの交換は使用者の勘に頼っているのが現状であった。
【００１０】
ＳＢＳとは別に、ビデオカメラに搭載するＬｉイオン電池の制御・管理方式などが提案されているが、その方式においては、電池の劣化は、すでに測定された容量の表示から判断されるのみであり、充電の後に使用される電池が劣化しているか否かを正しく判定することは必ずしも可能でない。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その課題は、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な装置、ならびに、電池の容量を推定する機能を備えたＬｉイオン電池パックを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
リチウムイオン電池の容量推定方法であり、リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流をＣ０/(２０時間）以下とし、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔを求め、該電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０（ここに、Ｃｅはこの電池の推定容量である）を関係式、
Ｃｅ/Ｃ０＝Ａｔ＋Ｂ （１）
（ここに、ＡおよびＢは該電池、電圧Ｖｓ、電圧Ｖｃおよび該定電流充電中の充電電流によって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、１回の全充電時間が３日以上３０日以下であり、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ ０ としたときの充電電流がＣ ０ /( ２０時間）以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電電流がＣ ０ /( ５時間）以上Ｃ ０ /( ０．５時間）以下であり放電終止電圧がＶｄである放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを３回以上繰り返して、各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔ ｎ （ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ ｎ とを記録し、記録された該時間ｔ ｎ と該放電容量Ｃ ｎ とから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
リチウムイオン電池の劣化判定装置であって、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する判定演算回路と、該判定演算回路による判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定装置を構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項３に記載したように、
ＩＣを内蔵した充放電制御手段を備えたリチウムイオン電池パックにおいて、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣが、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０ を請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって推定する際に用いる数値を記憶するメモリと、該数値が該メモリに記憶された場合に、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該演算回路が算出した該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０算出結果を出力する手段とを有していることを特徴とするリチウムイオン電池パックを構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法においては、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流をＣ０/(２０時間）以下とし、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔを求め、該電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０（ここに、Ｃｅはこの電池の推定容量である）を関係式、
Ｃｅ/Ｃ０＝Ａｔ＋Ｂ （１）
（ここに、ＡおよびＢは該電池、電圧Ｖｓ、電圧Ｖｃおよび該定電流充電中の充電電流によって定まる正値定数である）によって算出することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法を図面を用いてさらに詳しく説明する。
【００１８】
図１は、Ｌｉイオン電池を定電流定電圧（ＣＣ-ＣＶ）方式によって充電した場合の充電電圧（図中、電池電圧と表示）と充電電流との経時変化を示した図である。
【００１９】
図１において、Ｌｉイオン電池または電池パック中のＬｉイオン電池（以下、これらをＬｉイオン電池と総称する）を、まず、定電流（ＣＣ）モードによって、所定の一定電流Ｉｃで、あらかじめ設定された上限電圧Ｖｃ（通常は４.１Ｖ/セル、または４.２Ｖ/セルである）まで充電し、充電電圧が上限電圧Ｖｃに到達した後、定電圧（ＣＶ）モードの充電が開始され、充電電圧（図１においては電池電圧と表示）はＶｃで一定のまま、充電電流が時間とともに減衰する。
【００２０】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法においては、上記ＣＣ-ＣＶ方式による充電において、定電流（ＣＣ）モードの充電中、放電終止電圧Ｖｄ以上、上記上限電圧Ｖｃ以下に設定された電圧Ｖｓに充電電圧が到達してから、定電流モード充電が終了する（すなわち、充電電圧がＶｃに達する）までの経過時間ｔをモニタし、この時間ｔを用い、このＬｉイオン電池の上記推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を上記関係式（１）によって算出することを特徴とする。
【００２１】
この場合に、上記電池の容量の推定を精度よく行えるように、上記ＣＣ-ＣＶ方式による充電における上記一定電流ＩｃをＣ０/(２０時間）以下とする。これを超える電流で充電を行うと、上記関係式（１）による容量の推定における誤差が大きくなる。
【００２２】
以下、一般に、電池電流がＣ０/(Ｔ時間）である場合に、この電流を（１/Ｔ)ＣｍＡと表す。たとえば、Ｃ０/(２０時間）は０．０５ＣｍＡと表わされる。
【００２３】
また、本発明における容量推定の実施対象となるＬｉイオン電池は、１回当たりの充電時間が３０日以下であるような使用条件で使用されるものであることが好ましい。１回の充電時間が３０日を超えるような長期の充電時間では、過充電による劣化の程度が異なったり、電池構成材料の経時劣化が顕著となり、大きな容量推定誤差を生じるおそれがあり好ましくない。
【００２４】
さらに、容量推定の実施において、時間計測開始時の充電電圧Ｖｓは放電終止電圧Ｖｄ以上、充電上限電圧Ｖｃより少なくとも０．２Ｖ低い電圧とすることが好ましい。時間計測開始電圧Ｖｓが充電上限電圧Ｖｃより０．２Ｖ未満の差の電圧範囲内にあるときは、計測する所要時間ｔが短くなりすぎて大きな推定誤差を生じるおそれがあり好ましくない。
【００２５】
本発明における容量推定のための関係式の適用は電池の劣化が、満充電状態から放電終止電圧Ｖｄまで放電したときの放電容量Ｃ（これは放電電流を時間に関して積分して得られる）が公称容量Ｃ０の５０％以上の範囲にある場合に限定される。５０％未満に電池の比容量Ｃ/Ｃ０が低下するような大きく劣化した場合には、所要時間ｔと比容量Ｃ/Ｃ０の間に上記関係式（１）で示されるような直線関係（式の左辺を比容量Ｃ/Ｃ０で置き換えて考える）が成立しなくなり、該関係式を使用して容量を推定したときの誤差が大きくなって好ましくない。
【００２６】
上記関係式（１）は、これを適用するＬｉイオン電池の搭載機器、または充電器の充電条件における定電流（ＣＣ）モード充電所要時間ｔと、その条件下における比容量Ｃ/Ｃ０との関係であることを前提としている。もし、上記関係式（１）を作成したときのＣＣモードの充電電流値と、搭載機器、または充電器のＣＣモードの充電電流値が異なる場合には、あらかじめ別途、それぞれの充電条件におけるＣＣモード充電所要時間を求めておき、該関係式（１）作成時の条件における所要時間ｔｅと搭載装置、または充電器に相当する条件での所要時間ｔｍとの比ｔｅ／ｔｍを上記関係式（１）のｔに乗じて換算する必要がある。
【００２７】
なぜならば、ＣＣモード充電における充電率（全充電期間におけるＣＣモード充電の充電割合）は電流値が小さいほど大きくなる、すなわち、電流値が小さいほど充電達成率が大きくなるからである。また、その割合は、電池サイズ、電池形状、製造メーカ、電池構成材料などによって異なるため、別途、実際に試験を実施して電流値の影響を把握する必要がある。
上記のようにして、Ｌｉイオン電池の容量を推定するためには、上記関係式（１）を、あらかじめ作成しておかなければならない。そのためには、関係式（１）中の定数ＡおよびＢの値を決定しなければならない。その場合に、容量推定の対象となるＬｉイオン電池と同種類の電池、または電池パックを試験して上記定数ＡおよびＢを決定するのが最も妥当である。なぜならば、市販のＬｉイオン電池は、使用する正極活汚物質、負極カーボンおよび電解液の種類が多様であり、電池の劣化に伴う充電電圧挙動の変化だけでなく、初期の電池の充電挙動も異なっているからである。
【００２８】
そこで、本発明においては、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３日以上１０日以下であり、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流がＣ０/(２０時間）以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電電流がＣ０/(５時間）以上Ｃ０/(０．５時間）以下であり放電終止電圧がＶｄである放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを３回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎとを記録し、記録された該時間ｔｎと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定する。
【００２９】
上記の操作をさらに詳細に説明すると、
本発明における容量推定実施の対象となるＬｉイオン電池と同種の電池を用い、実施対象となる電池の使用条件と同様に、０．０５ＣｍＡ以下（Ｃ０/(２０時間）以下）の充電電流値の定電流（ＣＣ）充電によって上限電圧Ｖｃまで充電し、電池、または電池パックの電圧が上限電圧Ｖｃに到達した後、定電圧（ＣＶ）充電によって充電を継続する定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電を行い、充電時間は３日以上３０日以下に設定し、
放電は０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下（Ｃ０/(５時間）以上、Ｃ０/(０．５時間）以下)の電流値と該電池の使用条件と同様の放電終止電圧Ｖｄに設定し、必要ならばこれらの充電と放電の間に一定の休止時間を設けて、このような充放電サイクルを３回以上実施して、
各充放電サイクルにおける、充電上限電圧Ｖｃと放電終止電圧Ｖｄの間の、Ｖｄ以上（Ｖｃ−０．２Ｖ）以下の任意の電圧Ｖｓに充電電圧が到達してから定電流（ＣＣ）モードの充電が完了する（充電電圧が充電上限電圧Ｖｃに到達する）までに要した時間ｔｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎとを記録し、記録された該時間ｔｎと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定する。すなわち、関係式（１）の左辺をＣｎ/Ｃ０で置き換え、右辺におけるｔをｔｎで置き換えた関係式が、Ｃｎ/Ｃ０とｔｎとの関係を最もよく表すように、ＡおよびＢの値を確定する。
【００３０】
１サイクル当たりの充電時間は３日以上３０日以下とする。充電時間を３日以上１０日以下に設定することにより、サイクルごとの電池の劣化が適度に進み、精度の良い関係式（１）を作成するために必要なデータを効率的に取得できる。１サイクル当たりの充電時間が３０日を超える長期間であると、過充電による劣化の程度が大きくなり、また電池構成材料の経時劣化が顕著となり、所要時間ｔｎと比容量Ｃｎ/Ｃ０の間に上記関係式（１）で示される直線関係（式の左辺を比容量Ｃｎ/Ｃ０で置き換え、右辺におけるｔをｔｎで置き換えて考える）が成り立たなくなることにより、これらのデータから決定した定数ＡおよびＢを使用した関係式では大きな誤差を生じる恐れがあり好ましくない。
【００３１】
また、１サイクル当たりの充電時間を３０日より長く設定すると１サイクル当たりの経過時間が長くなり、データ取得に時間がかかって同様に好ましくない。
【００３２】
一方、１サイクル当たりの充電時間を３日未満に設定すると、充放電サイクルによる電極の劣化が顕著となり、逆に過充電による劣化の程度は小さくなり、この場合に決定した定数ＡおよびＢを適用した上記関係式（１）を用いた容量推定では、頻繁に充放電するような限定された使用方法を除き、放電と充電が毎回異なるような実使用では、容量推定誤差が大きくなって好ましくない。
【００３３】
上記充放電サイクル試験における放電電流値は、０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定する。１．０ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定すればさらに効率のよいデータ取得が可能となる。０．２ＣｍＡ未満の低放電電流の場合、完全放電に時間がかかり好ましくない。また、２．０ＣｍＡより大きな放電電流では、放電時間自体が短くなりすぎ、放電容量の測定値にばらつきが生じたり、劣化が進むと、容量が急激に低下して精度の良い関係式（１）を作成することができなくなるため好ましくない。
【００３４】
上記充放電サイクル試験の実施に当たっては、装置の設定の制約などにより、必要ならば充電と放電との間に一定時間の休止を設定することができる。
【００３５】
上記関係式（１）を作成するために実施する充放電サイクル試験においては、各サイクルごとに、充電の定電流（ＣＣ）モードにおける放電終止電圧Ｖｄ以上充電上限電圧Ｖｃより０．２Ｖ低い（Ｖｃ−０．２Ｖ）以下の使用電圧範囲内の任意の電圧ＶｓからＣＣモードが終了するまでの時間ｔと、引き続く放電の充電比容量Ｃｎ/Ｃ０を各充放電サイクルごとに測定する。測定した時間ｔと比容量Ｃｎ/Ｃ０とをプロットし、関係式（１）に適用して定数ＡおよびＢを決定する。
【００３６】
上記充放電サイクル試験は、容量推定結果Ｃｅが実容量Ｃの±２０％以内の範囲にあるように高精度とするために必要な時間ｔｎと比容量Ｃｎ/Ｃ０のデータを充足するため、３サイクル以上充放電を実施する。
【００３７】
サイクルが２サイクルのみであると、上記関係式（１）の定数ＡおよびＢの決定に対してわずか２ポイントのデータとなり高精度の容量推定が不可能となって好ましくない。
【００３８】
なお、上記関係式（１）の定数ＡおよびＢを決定するために実施する上記充放電サイクル試験の環境温度は特に規定されないが、Ｌｉイオン電池の使用温度範囲として製造メーカが推奨する温度範囲内で、好ましくは実際に使用する環境温度と同様の温度で実施することが好ましい。もし、上記充放電サイクル試験を実施する環境温度が、容量推定を行う実使用上の環境温度と大きく異なる場合は、放電容量の温度依存性のデータから容量を補正して定数ＡおよびＢを決定する。
（実施の形態２）
本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置においては、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の上記時間ｔを求める手段と、該時間ｔを用い実施の形態１において作成された上記関係式（１）によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該演算回路によって算出された該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を表示する手段あるいは該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づく該リチウムイオン電池の劣化状態の判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段とを備えていることを特徴とする。
【００３９】
図２は、Ｌｉイオン電池を搭載する装置であって、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法の機能と、該容量推定の結果に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する機能とを備えた装置の一構成概念を示したものである。
【００４０】
図２において、１は電源部であり、電源部１には、Ｌｉイオン電池２ａ、２ｂ、２ｃが搭載され、これらの電池２ａ、２ｂ、２ｃは電源部１内の電池制御部３で充放電、安全に関する制御がなされる。４は電源部１内の充電器であり、電池制御部３で制御をうけて電池２ａ、２ｂ、２ｃを充電する。５は論理部であり、論理部５には、インターフェイス６とＣＰＵ７とメモリ８とキーボードコントローラ９とがあり、電池制御部３はインターフェイス６を介してＣＰＵ７と繋がり、搭載電池２ａ、２ｂ、２ｃに関する情報や制御の実施の指示を受け、逆に、電池制御に関するデータをＣＰＵ７に送出する。論理部５内において、ＣＰＵ７とメモリ８とは、制御の指示、データの演算、電池の制御に関する情報の蓄積、データの記憶などを行う。電池２ａ、２ｂ、２ｃのＩＤ入力などはキーボードコントローラ９を介して行う。キーボードコントローラ９にはデータ送出のための配線１０が接続されている。
【００４１】
本発明における上記関係式（１）はＣＰＵ７の空きメモリなどにあらかじめ入力されるか、あるいは必要ならばＣＰＵ７に加えてメモリチップを増設して入力される。さらに、論理部５内には、関係式（１）によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路および該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する判定演算回路が組み込まれており、論理部５内において該判定演算回路による判定結果が形成される。ＣＰＵ７は、電池制御部３に、定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、使用電圧範囲内の電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの時間ｔを測定する指示を行い、逆に、電池制御部３から充電時間ｔのデータを受け取る。さらに、ＣＰＵ７は、受け取った時間ｔを関係式（１）に代入して演算を行い、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を算出し、さらに該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定するする。すなわち、論理部５は、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法および劣化状態判定の機能をも備えている。必要ならば、この推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値をメモリ８に記憶させる。
【００４２】
本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置は、図２に示された装置を、配線１０を介して、該リチウムイオン電池の劣化状態の判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段を備えた装置と連結することによって構成される。配線１０を介して、図２に示された装置と連結される上記装置が、上記演算回路によって算出された推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を表示する手段をも備えていれば該リチウムイオン電池の劣化を定量的に把握することができて好都合である。
【００４３】
このようにして、本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置を構成することができる。ただし、本発明は、上記概念になるＬｉイオン電池の劣化判定装置が構成できれば、何ら上記の構成に限定されることはない。
（実施の形態３）
本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法は、またＬｉイオン電池のパック内の制御用マイコン、あるいは必要ならば簡単な増設メモリをパック内に付与することによって電池パックに適用することができる。本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法、すなわち、実施の形態１に記載したＬｉイオン電池の容量推定方法を電池パックに適用して、本発明に係るＬｉイオン電池パックを構成する具体的一構成例を図３に示す。
【００４４】
図３はＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成を示した図であり、Ｌｉイオン電池（１２-１、１２-２、１２-３）を３セル直列にして搭載した場合を示している。
【００４５】
図３において、１１は電池パック本体であり、１２-１、１２-２、１２-３はＬｉイオン電池である。１３は保護用ＩＣであり、電圧、電流、温度などのモニタ、ソフト的な安全制御を行う。１４-Ａ、１４-Ｂ、１４-Ｃ、１４-１、１４-２、１４-３はパック本体１１内、および各電池の充電電流制御を目的とするＦＥＴであり、１５は温度ヒューズであるＰＴＣ素子、１６は電流ヒューズであり、それぞれ温度上昇時、異常大電流時に電流を遮断する役目を負う。１７はプラス端子、１８はマイナス端子であり、１９は情報出力、コントロールのための端子である。
【００４６】
図３において、上記安全機構の保護用ＩＣ１３内にタイマーを搭載し、空きメモリに上記関係式（１）をあらかじめ入力し、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路を形成しておく。
【００４７】
本Ｌｉイオン電池パックが充電装置に搭載され、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電が行われる場合に、図３におけるＬｉイオン電池１２-１、１２-２、１２-３の両端の電圧を保護用ＩＣ１３がモニタし、充電の定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、放電終止電圧Ｖｄ以上で充電上限電圧Ｖｃよりも小となるようにあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を関係式（１）に代入、演算して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する。必要ならば、保護用ＩＣ１３とは別にパック内の適当な位置に増設ＩＣを設けることもできる。
【００４８】
演算結果は、端子１９を通して、適当なディスプレイに表示したり、あるいは警告音などを発出するために充電装置本体に出力される。
【００４９】
このように、既存のＬｉイオン電池パックの最小限の変更によって、本発明に係るＬｉイオン電池パックを構成することができる。ただし、本発明は、上記概念になるＬｉイオン電池の容量推定が実施できれば何ら上記の構成に限定されることはない。
【００５０】
本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法、および該容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックの適用としては、特にバックアップ電源など高信頼性を必要とする機器が考えられ、該容量推定によって的確な電池の劣化状態を把握しタイムリーな電池の交換を実現することによって、機器のトラブルを回避する。しかしながら、Ｌｉイオン電池を搭載する機器であれば何ら該容量推定の方法、および容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックを採用することに問題はなく、しかもムダのない電池交換を実現することができるため使用する利点はきわめて大きい。
【００５１】
【実施例】
以下に、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法および劣化判定装置ならびにＬｉイオン電池パックについて、具体的実施例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
（実施例１）
円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）について、データ収集・保管機能を有する電池充放電自動試験装置を用いて、試験温度を２５℃に設定し、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流値１３５０ｍＡｈ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電と放電との間に休止を１時間はさんだ充放電サイクル試験を５サイクル実施し、各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔ（ｈｒ）と、放電電流を時間に関して積分して得た放電容量Ｃの公称容量Ｃ０に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求めた。
【００５２】
求めたデータを図４に示す。図４は、上記充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量Ｃ/Ｃ０の関係を示した図であり、図中の○は上記充放電サイクル試験で求めたデータであり、これらのデータから、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を時間ｔの関数として表す上記関係式（１）における定数ＡおよびＢを求め、下記の関係式（２）を作成した。
【００５３】
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２６３×ｔ＋０．２０７ （２）
上式（２）におけるｔは、厳密には、ｔ/(１時間）、すなわち、時間を単位として、ｔを無次元数で表したものでなければならないが、これを、便宜上、単にｔで表す。以下の式においても同様とする。
【００５４】
上記関係式（２）を図４の直線で示す。
【００５５】
これとは別に、同種の円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１３５０ｍＡｈ）を用意し、充電電流４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電・放電の間に１０分間の休止をはさんだ充放電サイクルを実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量Ｃ０（１３５０ｍＡｈ）に対する比容量Ｃ/Ｃ０とを記録し、上記に示した関係式（２）の妥当性を検討した。
【００５６】
結果を図４中の黒四角で示す。
【００５７】
図４に示したように、黒四角で示したデータは直線で示した関係式（２）の値に極めて近く、優れた容量推定結果を示しうることが判る。
【００５８】
一方、上記検討とは別に、比較例として、関係式を作成する際に、上記の関係式と同種のＬｉイオン電池を用い、充電電流値を１３５ｍＡ（０．１ＣｍＡ）とした以外は同じ条件の試験によって関係式作成を試みた。取得した比容量Ｃ/Ｃ０とＣＣモード充電完了までの所要時間ｔとの関係を図５に示した。
【００５９】
図５は、本発明の容量推定法における比較例として、関係式作成のために充電電流値を０．１ＣｍＡに変更して取得した比容量Ｃ/Ｃ０とＣＣモード充電完了までの所要時間ｔの関係を示した図であり、図中の●印が取得データを示す。図５より明らかなように、充電電流値を０．０５ＣｍＡより大きくした場合、比容量Ｃ/Ｃ０と時間ｔとの間には直線関係は成り立たず、精度の高い関係式の作成は不可能であることがわかる。
（実施例２）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）４個を用いて、充電電流値２０ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、放電電流値６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電時間を、２．５日、３日、３０日、３５日間とした以外は実施例１と同一条件で最大５サイクルまでの充放電サイクル試験を行い、実施例１に示したと同様の手順で１５３日間の間にそれぞれの関係式を作成した。
【００６０】
その結果、充電時間を２．５日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００９６１×ｔ＋０．７０４ （３）
であり、充電時間３日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０１６７×ｔ＋０．４８５ （４）
であり、充電時間３０日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０１８０×ｔ＋０．４４７ （５）
であった。充電時間を３５日とした場合、充放電サイクルは２回のみであったが、この２サイクルのデータから関係式を作成したところ
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００６２７×ｔ＋０．８０１ （６）
が得られた。
【００６１】
これら、得られた関係式を用いた推定精度を評価するため、携帯電話に搭載されていた角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を脱着し、正極端子、負極端子に結線して電池充放電自動試験装置に設置し、充電電流２０ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、総充電時間１日間、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電をし、１時間の休止の後、放電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖで放電し、定電流（ＣＣ）充電に要した時間ｔ(ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求めた。その結果、ＣＣ充電時間ｔは１５．３１時間、比容量Ｃ/Ｃ０は６３．５％であった。
【００６２】
求めたＣＣ充電時間ｔ、すなわちｔ＝１５．３１（ｈｒ）を、得られた各関係式（３）、（４）、（５）および（６）に代入して、それぞれの推定比容量Ｃｅ/Ｃ０と、推定誤差Ｅｒｒ＝Ｃ/Ｃ０−Ｃｅ/Ｃ０＝０．６３５−Ｃｅ/Ｃ０を求めた。
【００６３】
その結果、充電時間が３日間以上３０日以下である、充電時間３日とした試験で得られた関係式（４）、および充電時間を３０日とした試験で得られた関係式（５）では、それぞれ、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０が７４．１％、７２．３％であり、推定誤差Ｅｒｒは−１０．６％、−８．８％でいずれも±２０％以内で良好な推定を行えることがわかった。
【００６４】
これに対して、充電時間を２．５日とした試験で得られた関係式（３）を用いると推定比容量８５．１％、推定誤差−２１．６％となり、また、充電時間を３５日とした試験で得られた関係式（６）を用いると比容量８９．７％、推定誤差２６．２％となり、いずれも誤差が大きく関係式としては用いられないことがわかった。
【００６５】
比較のため、上記関係式を求めた試験のうち、充電時間を３日間とした場合の試験で得られた初期の２サイクルのデータのみから関係式を作成すると
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００５７９×ｔ＋０．８１９ （７）
が得られ、これに同様にしてｔ＝１５．３１を代入して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０と推定誤差Ｅｒｒを算出したところ、推定比容量９０．８％、推定誤差−２７．３％となり、関係式を作成するためには２サイクルのみのデータでは良好な関係式を提供できないことも明らかになった。
（実施例３）
実施例１と同様の円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）４個を用い、放電電流値を１３５ｍＡ（０．１ＣｍＡ）、２７０ｍＡ（０．２ＣｍＡ）、２７００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）、および３０００ｍＡ（２．２ＣｍＡ）とした以外は実施例１と同一の装置、試験条件によって充放電サイクル試験を行い、実施例１と同様の手順で関係式を求めた。
【００６６】
結果を図６に示す。図６は、本実施例における関係式を求めるために実施した充放電サイクル試験の結果を示した図であり、図中６−１は、充電電流値を０．１ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００９１８×ｔ＋０．７２７ （８）
を示す直線であり、６−２は、充電電流値を０．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２４２×ｔ＋０．２５５ （９）
を示す直線であり、６−３は充電電流値を２．０ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２０５×ｔ＋０．３７２ （１０）
を示す直線であり、６−４は充電電流値を２．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０５２１×ｔ−０．５５２ （１１）
を示す直線である。
【００６７】
これとは別に、ラップトップコンピュータに使用されていたＬｉイオン電池パックを解体し、その中の１本の円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）を取り出し、正極端子と電池側面（負極）にリード線を半田付けし、これを電池充放電自動試験装置に設置し、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、総充電時間１日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電を行い、１時間の休止を行った後、放電電流値１３５０ｍＡｈ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電を行い、定電流（ＣＣ）モード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量Ｃ０に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求め、ｔ＝１９．３４、Ｃ/Ｃ０＝０．６７１を得た。得られた値ｔ＝１９．３４を上記に示した関係式（８）、（９）、（１０）および（１１）に代入して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出し、推定誤差Ｅｒｒ＝Ｃ/Ｃ０−Ｃｅ/Ｃ０＝０．６７１−Ｃｅ/Ｃ０を求めて容量推定精度を評価した。
【００６８】
その結果、放電電流値を０．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式（９）では、推定比容量７２．３％、推定誤差−５．２％であり、放電電流値を２．０ＣｍＡとした試験から求めた関係式（１０）では推定比容量７６．８％、推定誤差−９．７％であり、本発明における関係式を求めるための試験の放電電流値が０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下の範囲内のこれらの場合には、いずれも良好な推定結果が得られた。これに対して、本発明における関係式を求めるための条件が、上記の放電電流値の範囲からはずれる、放電電流値が０．１ＣｍＡの試験で求めた関係式（８）では、推定比容量９０．５％、推定誤差−２３．４％であり、また同じく上記範囲からはずれる放電電流値が２．２ＣｍＡの試験で求めた関係式（１１）では、推定比容量４５．６％、推定誤差＋２１．５％であり、いずれも推定誤差が大きく、精度の良いＬｉイオン電池の容量推定は困難であることが明らかになった。
（実施例４）
円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）３本直列の電池パックの充電のため、充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、総充電時間３日間とした定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式で充電し、充電時に該電池パックの劣化判定を行う機能を有する充電器を作製した。
【００６９】
作製した充電器の構成概念を図７に示す。すなわち、図７は本実施例において作製した充電器の構成を示した図であり、図中、２０は本実施例において作製した本発明の充電器であり、充電器２０は商用電源２１に端子２２、および２３で接続される。また、充電器２０に対し、Ｌｉイオン電池パック２４が充電のために端子２５および２６に接続され装着されるようにした。
【００７０】
充電器２０は、商用電源２０から供給される電気をＡＣ/ＤＣコンバータ２７によって直流に変換し、充電電流、パック電圧をモニタし、またサーミスタ２８により温度モニタを行いながら、電源マイコン２９、充電制御用マイコン３０により上述の充電条件と、過充電、過放電、異常大電流、異常電池温度上昇など危険状態を検知し回避をするための制御を行い電池パック２４を充電する。充電はスイッチ３１により、充電完了時、あるいは異常を検知した時、充電を停止する。充電の完了、何らかの異常は制御用マイコン３０から表示部３２に表示するようにした。
【００７１】
本充電器における劣化判定は、充電制御用マイコン３０に、実施例１において作成した関係式（２）と、図８に示したフロー手順をプログラムしてあらかじめ入力しておき、電池電圧のモニタリングを利用しながら内蔵タイマによりＣＣ充電時間ｔを測定し、上記関係式（２）に適用して、Ｌｉイオン電池パックの容量を推定し、その結果に基づいて劣化判定を行い、表示部３２に判定結果を表示するようにした。
【００７２】
表示部３２は、充電関係の表示を行うＬＥＤ（赤：充電中、緑：充電完了）と、劣化判定結果を表示するしＥＤ（赤：電池取りかえ、黄：まもなく電池取りかえ、緑：電池は取りかえ不要）と、劣化判定結果の数値表示、異常の表示を行うＬＣＤとから構成されている。
【００７３】
充電関係のＬＥＤでは、充電完了の場合のみ緑のＬＥＤが点灯し、充電中は赤のＬＥＤが点灯し、それ以外の異常を示す場合には両方とも点灯しない。
【００７４】
劣化判定結果を示すＬＥＤでは、容量推定結果である推定比容量の値が６０％未満の場合は赤のＬＥＤが点灯し、直ちに新しい電池パックに交換すべきであることを示す。また、比容量が６０％以上７０％未満の場合には、まもなく、すなわち使用条件にもよるが、数カ月以内に電池パックを交換すべきであるため黄のＬＥＤを点灯させる。さらに比容量が７０％以上の場合は、電池パックは新品か、相当長期間使用が可能で取りかえる必要がないため、緑のＬＥＤを点灯させる。
【００７５】
ＬＣＤは文字による情報を表示させることを目的として設置している。電池パックの装着不良をはじめ、安全性に関わる警告情報など、正常に充電を行うことが困難であることを示したり、劣化判定結果を数値で示したりする。また、商用電源の突然の停止の場合には、装着した電池パックの電圧が８．２５Ｖより高い場合のみ、装着電池パックから電流を供給して電源切れを表示するようにしてある。
【００７６】
なお、本実施例の充電器の場合、充電は必ずしも完全放電後に行われるとは限らないため、充電制御用マイコン内にあらかじめ充電電圧の時間変化のデータを入力しておき、充電開始時の電池パック電圧をモニタし、８．２５Ｖ（２．７５Ｖ/セル）以上１１．７Ｖ（３．９Ｖ/セル、上限電圧４．１Ｖ/セルより０．２Ｖ/セル低い値）以下の１．１５Ｖきざみの電圧、すなわち
８．２５Ｖ、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ、
で示される４つの電圧のうち、充電開始電圧より高く、この開始電圧に最も近い値から時間計測を開始し、充電上限電圧１２．３Ｖに到達しＣＣモード充電が完了するまでの時間ｔ”を計測して、上記入力データと比較演算を行って８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間ｔに換算して劣化判定を行うようにした。
【００７７】
図８に示した、充電制御用マイコン３０に入力した劣化判定手順フローは以下の通りである。すなわち、
手順Ａ：充電器に電池パックを装着して充電を開始し、パック電圧をモニタし、
パック電圧Ｖが
Ｖ＝８．２５、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ
を満たす値に到達したかどうかを電圧モニタで監視
手順Ｂ：上記のいずれかの値にパック電圧Ｖが到達したら時間計測を開始し、
タイマカウンタを充電上限電圧１２．３Ｖまで継続する
手順Ｃ：パック電圧Ｖが充電上限電圧１２．３Ｖに到達したら時間計測終了し、充電開始電圧が放電終止電圧８．２５Ｖの場合はそのまま、この時間ｔを劣化
判定に用いる
手順Ｄ：充電開始電圧が８．２５Ｖより高かった場合、計測した時間は、あらかじめ内蔵しておいた充電電圧の時間変化のデータと比較演算して、８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間に換算し、この値をｔとして劣化判定に用いる。求めた時間ｔを関係式（２）に代入して、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する
手順Ｅ：算出された結果をＬＣＤとＬＥＤに表示する。推定結果である推定比容量の値に応じて、上述したように赤、黄、緑のいずれかのＬＥＤを点灯させ、同時にＬＣＤに推定比容量の数値を表示する。ＬＣＤ表示は３０秒間、ＬＥＤ
は充電器が商用電源に接続されている間点灯させる。
【００７８】
このようにして構成される充電器を用い、使用済みの同タイプの電池パックを装着し、充電した。充電開始後１５．７時間で劣化判定結果が表示され、ＬＣＤには（推定）比容量６２．０％と表示され、黄色のＬＥＤが点灯した。
【００７９】
充電された上記電池パックを電池充放電自動試験装置に設置し、放電電流値１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖに設定して定電流放電を実施し、放電容量を求めたところ、８６０．０ｍＡｈであった。これは、比容量にすると６３．７％となり、上記の推定比容量の誤差は約１．７％であった。
【００８０】
以上の通り、本発明に係る上記のＬｉイオン電池の劣化判定装置を用いて、精度の高い劣化判定を行うことが可能であることが明らかになった。
（実施例５）
充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、総充電時間３日間の条件で定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）モード充電を行う機能を有したラップトップコンピュータに搭載する、図３に示す構成のＬｉイオン電池パックを作製した。上記電池パックは円筒型セル（公称容量１３５０ｍＡｈ）１２−１、１２−２、および１２−３の３セル直列のパックであり、保護用ＩＣに関係式（２）と、実施例４で示したのと同様に、充電電圧の時間変化の基礎テータをあらかじめ入力して、放電終止電圧８．２５Ｖより高いパック電圧から充電された場合でも、８．２５Ｖから１２．３Ｖまでの定電流（ＣＣ）モード充電所要時間を算出可能とするようにしてある。
【００８１】
また、図３に示す構成の上記電池パック内の保護用ＩＣ１３のメモリには、Ｌｉイオン電池１２−１、１２−２、１２−３各セルの両端の電圧をモニタし、ＣＣモード充電における放電終止電圧Ｖｄ以上充電上限電圧Ｖｃ以下のあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓから、該Ｖｓより高い
充電電圧＝８．２５Ｖ、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ
を満たす最も近い充電電圧からＣＣモード充電が完了する充電上限電圧１２．３Ｖに到達するまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を上記関係式（２）に代入、演算して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出するプログラムがあらかじめ入力してある。
【００８２】
演算した結果は端子１９を通して上記電池パックを搭載する機器本体の液晶ディスプレイに表示するために装置本体に出力する機構になっている。
【００８３】
液晶ディスプレイには、演算結果である数値がパーセントで表示されるとともに、バーの長さのパーセント数値に相当する割合が塗りつぶしで示されるようになっている。
【００８４】
劣化判定の指示は、上記機器本体から充電開始と同時に発出される。劣化判定実施のための手順フローは、図８において、結果の表示が機器本体のディスプレイに表示されるために本体に結果を送出する以外は図８と同様である。
【００８５】
このような構成になる電池パックを機器に装着し、１時間使用した後、商用電源に接続して充電を開始し、充電開始後に表示されたディスプレイを見たところ、上記電池パックの比容量推定結果は７３％と表示された。充電完了のサインがディスプレイ上に現れたのを確認して、この機器をＯＦＦにし、上記電池パックを脱着し、適当な接続コードを用いて、電池充放電自動試験装置に接続し、放電電流１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖで放電させ容量を測定した。その結果、放電容量は１０９３．５ｍＡｈ、比容量にして８１．０％であった。
【００８６】
従って、本発明になる電池パックに搭載した比容量推定機能による比容量推定結果は誤差−８．０％と優れた推定精度を示すことが明らかになった。
【００８７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の実施によって、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な装置、ならびに、電池の容量を推定する機能を備えたＬｉイオン電池パックを提供することが可能になり、Ｌｉイオン電池の管理においてきわめて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｌｉイオン電池の一般的な充電方法である定電流定電圧（ＣＣ-ＣＶ）方式充電における充電電圧（電池電圧）と充電電流値の時間的変化の概念を説明した図である。
【図２】本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法を具体的に適用するＬｉイオン電池搭載装置の一般的な電源部周辺の一構成概念を示した図である。
【図３】本発明における容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成例を示した図である。
【図４】本発明の実施例１における充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量の関係を示した図である。
【図５】本発明の実施例１における比較例として充電電流値を０．１ＣｍＡにして充放電サイクルで求めたＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例３において実施したＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量との関係を示した図であり、求めた関係式を示した図である。
【図７】本発明の実施例４において作製した充電器の構成を示した図である。
【図８】本発明の実施例４において実施した劣化判定手順を示したフロー図である。
【符号の説明】
１…電源部、２ａ、２ｂ、２ｃ…Ｌｉイオン電池、３…電池制御部、４…充電器、５…論理部、６…インターフェイス、７…ＣＰＵ、８…メモリ、９…キーボードコントローラ、１０…配線、１１…電池パック本体、１２-１、１２-２、１２-３…Ｌｉイオン電池、１３…保護用ＩＣ、１４-Ａ、１４-Ｂ、１４-Ｃ、１４-１、１４-２、１４-３…ＦＥＴ、１５…ＰＴＣ素子、１６…電流ヒューズ、１７…プラス端子、１８…マイナス端子、１９…情報出力、コントロールのための端子、２０…充電器、２１…商用電源、２２、２３…商用電源と充電器とを接続する端子、２４…Ｌｉイオン電池パック、２５、２６…充電器と電池パックとを接続する端子、２７…ＡＣ/ＤＣコンバータ、２８…サーミスタ、２９…電源マイコン、３０…充電制御用マイコン、３１…スイツチ、３２…表示部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池の容量推定方法および劣化判定装置ならびにリチウムイオン電池パックに関するものである。
【０００２】
ここに、「電池パック」とは、単電池（以下、セルと称す）あるいは複数個のセルを直列接続、並列接続、あるいは両者の併用によって接続したものを、安全制御回路あるいは充放電制御回路と一体化して「自立電源としての二次電池」としたものを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池（以下、Ｎｉ/Ｃｄ電池と称す）に比べて体積当たり、あるいは重量当たり大幅な高エネルギー密度を有するニッケル水素電池（以下、Ｎｉ/ＭＨ電池と称す）やリチウムイオン電池（以下、Ｌｉイオン電池と称す）では、その内部に蓄えられているエネルギーが大きいため、電池の異常に伴って起こる事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【０００５】
上記のＬｉイオン電池は、正極活物質にリチウムを挿入脱離できる金属酸化物、負極にリチウムを挿入脱離できる炭素化合物、電解液にリチウム塩を溶質とし非水有機化合物をそれぞれ用いて構成される。
【０００６】
また、鉛電池、Ｎｉ/Ｃｄ電池、およびＮｉ/ＭＨ電池が過充電による副反応で発生するガスを吸収する反応機構を有するのに対して、Ｌｉイオン電池には過充電により発生するガスの吸収反応を持たない、など安全性維持の点で大きな制約がある。さらに、複数のＬｉイオン電池を直列に配置して使用する場合には、電池の劣化が進行すると個々の電池特性のアンバランスが過充電や過放電をもたらし、安全性の点で大きな不安要素となりうる。
【０００７】
信頼性確保手段のひとつとして、搭載電池の的確な劣化状態の把握とタイムリーな電池の交換が挙げられる。Ｎｉ/ＭＨ電池やＬｉイオン電池の高エネルギー密度電池に関しては、１９９４年に提唱されたスマートバッテリーシステム（ＳＢＳ）が充電制御、残存容量判定などを含めたバッテリーマネジメントシステムとして、改良を加えながら普及してきている（www.sbs-forum.org 参照）。これらの電池制御・管理は、製造メーカ、電池種類などの情報の他、常時電池の電流、電圧、温度などをモニタする膨大な情報データ管理に基づく方法が採用されているのみであり、このような方式は極めて高価な方式であり、製品価格の高騰を来していた。
【０００８】
また、安全性維持の点で重要となる電池の劣化状態の監視については、Ｌｉイオン電池搭載の機器のモデルチェンジが頻繁に実施されていることもあって、使用時間の確保と監視を重視する余り、なおざりにされている傾向がある。
【０００９】
特に、ＳＢＳは電池の充電制御、残存容量などの制御・管理の手段であり、電池の劣化状態まで把握する機能は有しておらず、電池、または電池パックの交換は使用者の勘に頼っているのが現状であった。
【００１０】
ＳＢＳとは別に、ビデオカメラに搭載するＬｉイオン電池の制御・管理方式などが提案されているが、その方式においては、電池の劣化は、すでに測定された容量の表示から判断されるのみであり、充電の後に使用される電池が劣化しているか否かを正しく判定することは必ずしも可能でない。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その課題は、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な装置、ならびに、電池の容量を推定する機能を備えたＬｉイオン電池パックを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
リチウムイオン電池の容量推定方法であり、リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流をＣ０/(２０時間）以下とし、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔを求め、該電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０（ここに、Ｃｅはこの電池の推定容量である）を関係式、
Ｃｅ/Ｃ０＝Ａｔ＋Ｂ （１）
（ここに、ＡおよびＢは該電池、電圧Ｖｓ、電圧Ｖｃおよび該定電流充電中の充電電流によって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、１回の全充電時間が３日以上３０日以下であり、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ ０ としたときの充電電流がＣ ０ /( ２０時間）以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電電流がＣ ０ /( ５時間）以上Ｃ ０ /( ０．５時間）以下であり放電終止電圧がＶｄである放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを３回以上繰り返して、各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔ ｎ （ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ ｎ とを記録し、記録された該時間ｔ ｎ と該放電容量Ｃ ｎ とから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
リチウムイオン電池の劣化判定装置であって、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する判定演算回路と、該判定演算回路による判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定装置を構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項３に記載したように、
ＩＣを内蔵した充放電制御手段を備えたリチウムイオン電池パックにおいて、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣが、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０ を請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって推定する際に用いる数値を記憶するメモリと、該数値が該メモリに記憶された場合に、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該演算回路が算出した該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０算出結果を出力する手段とを有していることを特徴とするリチウムイオン電池パックを構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法においては、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流をＣ０/(２０時間）以下とし、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔを求め、該電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０（ここに、Ｃｅはこの電池の推定容量である）を関係式、
Ｃｅ/Ｃ０＝Ａｔ＋Ｂ （１）
（ここに、ＡおよびＢは該電池、電圧Ｖｓ、電圧Ｖｃおよび該定電流充電中の充電電流によって定まる正値定数である）によって算出することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法を図面を用いてさらに詳しく説明する。
【００１８】
図１は、Ｌｉイオン電池を定電流定電圧（ＣＣ-ＣＶ）方式によって充電した場合の充電電圧（図中、電池電圧と表示）と充電電流との経時変化を示した図である。
【００１９】
図１において、Ｌｉイオン電池または電池パック中のＬｉイオン電池（以下、これらをＬｉイオン電池と総称する）を、まず、定電流（ＣＣ）モードによって、所定の一定電流Ｉｃで、あらかじめ設定された上限電圧Ｖｃ（通常は４.１Ｖ/セル、または４.２Ｖ/セルである）まで充電し、充電電圧が上限電圧Ｖｃに到達した後、定電圧（ＣＶ）モードの充電が開始され、充電電圧（図１においては電池電圧と表示）はＶｃで一定のまま、充電電流が時間とともに減衰する。
【００２０】
本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法においては、上記ＣＣ-ＣＶ方式による充電において、定電流（ＣＣ）モードの充電中、放電終止電圧Ｖｄ以上、上記上限電圧Ｖｃ以下に設定された電圧Ｖｓに充電電圧が到達してから、定電流モード充電が終了する（すなわち、充電電圧がＶｃに達する）までの経過時間ｔをモニタし、この時間ｔを用い、このＬｉイオン電池の上記推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を上記関係式（１）によって算出することを特徴とする。
【００２１】
この場合に、上記電池の容量の推定を精度よく行えるように、上記ＣＣ-ＣＶ方式による充電における上記一定電流ＩｃをＣ０/(２０時間）以下とする。これを超える電流で充電を行うと、上記関係式（１）による容量の推定における誤差が大きくなる。
【００２２】
以下、一般に、電池電流がＣ０/(Ｔ時間）である場合に、この電流を（１/Ｔ)ＣｍＡと表す。たとえば、Ｃ０/(２０時間）は０．０５ＣｍＡと表わされる。
【００２３】
また、本発明における容量推定の実施対象となるＬｉイオン電池は、１回当たりの充電時間が３０日以下であるような使用条件で使用されるものであることが好ましい。１回の充電時間が３０日を超えるような長期の充電時間では、過充電による劣化の程度が異なったり、電池構成材料の経時劣化が顕著となり、大きな容量推定誤差を生じるおそれがあり好ましくない。
【００２４】
さらに、容量推定の実施において、時間計測開始時の充電電圧Ｖｓは放電終止電圧Ｖｄ以上、充電上限電圧Ｖｃより少なくとも０．２Ｖ低い電圧とすることが好ましい。時間計測開始電圧Ｖｓが充電上限電圧Ｖｃより０．２Ｖ未満の差の電圧範囲内にあるときは、計測する所要時間ｔが短くなりすぎて大きな推定誤差を生じるおそれがあり好ましくない。
【００２５】
本発明における容量推定のための関係式の適用は電池の劣化が、満充電状態から放電終止電圧Ｖｄまで放電したときの放電容量Ｃ（これは放電電流を時間に関して積分して得られる）が公称容量Ｃ０の５０％以上の範囲にある場合に限定される。５０％未満に電池の比容量Ｃ/Ｃ０が低下するような大きく劣化した場合には、所要時間ｔと比容量Ｃ/Ｃ０の間に上記関係式（１）で示されるような直線関係（式の左辺を比容量Ｃ/Ｃ０で置き換えて考える）が成立しなくなり、該関係式を使用して容量を推定したときの誤差が大きくなって好ましくない。
【００２６】
上記関係式（１）は、これを適用するＬｉイオン電池の搭載機器、または充電器の充電条件における定電流（ＣＣ）モード充電所要時間ｔと、その条件下における比容量Ｃ/Ｃ０との関係であることを前提としている。もし、上記関係式（１）を作成したときのＣＣモードの充電電流値と、搭載機器、または充電器のＣＣモードの充電電流値が異なる場合には、あらかじめ別途、それぞれの充電条件におけるＣＣモード充電所要時間を求めておき、該関係式（１）作成時の条件における所要時間ｔｅと搭載装置、または充電器に相当する条件での所要時間ｔｍとの比ｔｅ／ｔｍを上記関係式（１）のｔに乗じて換算する必要がある。
【００２７】
なぜならば、ＣＣモード充電における充電率（全充電期間におけるＣＣモード充電の充電割合）は電流値が小さいほど大きくなる、すなわち、電流値が小さいほど充電達成率が大きくなるからである。また、その割合は、電池サイズ、電池形状、製造メーカ、電池構成材料などによって異なるため、別途、実際に試験を実施して電流値の影響を把握する必要がある。
上記のようにして、Ｌｉイオン電池の容量を推定するためには、上記関係式（１）を、あらかじめ作成しておかなければならない。そのためには、関係式（１）中の定数ＡおよびＢの値を決定しなければならない。その場合に、容量推定の対象となるＬｉイオン電池と同種類の電池、または電池パックを試験して上記定数ＡおよびＢを決定するのが最も妥当である。なぜならば、市販のＬｉイオン電池は、使用する正極活汚物質、負極カーボンおよび電解液の種類が多様であり、電池の劣化に伴う充電電圧挙動の変化だけでなく、初期の電池の充電挙動も異なっているからである。
【００２８】
そこで、本発明においては、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３日以上１０日以下であり、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流がＣ０/(２０時間）以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電電流がＣ０/(５時間）以上Ｃ０/(０．５時間）以下であり放電終止電圧がＶｄである放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを３回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎとを記録し、記録された該時間ｔｎと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定する。
【００２９】
上記の操作をさらに詳細に説明すると、
本発明における容量推定実施の対象となるＬｉイオン電池と同種の電池を用い、実施対象となる電池の使用条件と同様に、０．０５ＣｍＡ以下（Ｃ０/(２０時間）以下）の充電電流値の定電流（ＣＣ）充電によって上限電圧Ｖｃまで充電し、電池、または電池パックの電圧が上限電圧Ｖｃに到達した後、定電圧（ＣＶ）充電によって充電を継続する定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電を行い、充電時間は３日以上３０日以下に設定し、
放電は０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下（Ｃ０/(５時間）以上、Ｃ０/(０．５時間）以下)の電流値と該電池の使用条件と同様の放電終止電圧Ｖｄに設定し、必要ならばこれらの充電と放電の間に一定の休止時間を設けて、このような充放電サイクルを３回以上実施して、
各充放電サイクルにおける、充電上限電圧Ｖｃと放電終止電圧Ｖｄの間の、Ｖｄ以上（Ｖｃ−０．２Ｖ）以下の任意の電圧Ｖｓに充電電圧が到達してから定電流（ＣＣ）モードの充電が完了する（充電電圧が充電上限電圧Ｖｃに到達する）までに要した時間ｔｎ（ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃｎとを記録し、記録された該時間ｔｎと該放電容量Ｃｎとから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定する。すなわち、関係式（１）の左辺をＣｎ/Ｃ０で置き換え、右辺におけるｔをｔｎで置き換えた関係式が、Ｃｎ/Ｃ０とｔｎとの関係を最もよく表すように、ＡおよびＢの値を確定する。
【００３０】
１サイクル当たりの充電時間は３日以上３０日以下とする。充電時間を３日以上１０日以下に設定することにより、サイクルごとの電池の劣化が適度に進み、精度の良い関係式（１）を作成するために必要なデータを効率的に取得できる。１サイクル当たりの充電時間が３０日を超える長期間であると、過充電による劣化の程度が大きくなり、また電池構成材料の経時劣化が顕著となり、所要時間ｔｎと比容量Ｃｎ/Ｃ０の間に上記関係式（１）で示される直線関係（式の左辺を比容量Ｃｎ/Ｃ０で置き換え、右辺におけるｔをｔｎで置き換えて考える）が成り立たなくなることにより、これらのデータから決定した定数ＡおよびＢを使用した関係式では大きな誤差を生じる恐れがあり好ましくない。
【００３１】
また、１サイクル当たりの充電時間を３０日より長く設定すると１サイクル当たりの経過時間が長くなり、データ取得に時間がかかって同様に好ましくない。
【００３２】
一方、１サイクル当たりの充電時間を３日未満に設定すると、充放電サイクルによる電極の劣化が顕著となり、逆に過充電による劣化の程度は小さくなり、この場合に決定した定数ＡおよびＢを適用した上記関係式（１）を用いた容量推定では、頻繁に充放電するような限定された使用方法を除き、放電と充電が毎回異なるような実使用では、容量推定誤差が大きくなって好ましくない。
【００３３】
上記充放電サイクル試験における放電電流値は、０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定する。１．０ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下に設定すればさらに効率のよいデータ取得が可能となる。０．２ＣｍＡ未満の低放電電流の場合、完全放電に時間がかかり好ましくない。また、２．０ＣｍＡより大きな放電電流では、放電時間自体が短くなりすぎ、放電容量の測定値にばらつきが生じたり、劣化が進むと、容量が急激に低下して精度の良い関係式（１）を作成することができなくなるため好ましくない。
【００３４】
上記充放電サイクル試験の実施に当たっては、装置の設定の制約などにより、必要ならば充電と放電との間に一定時間の休止を設定することができる。
【００３５】
上記関係式（１）を作成するために実施する充放電サイクル試験においては、各サイクルごとに、充電の定電流（ＣＣ）モードにおける放電終止電圧Ｖｄ以上充電上限電圧Ｖｃより０．２Ｖ低い（Ｖｃ−０．２Ｖ）以下の使用電圧範囲内の任意の電圧ＶｓからＣＣモードが終了するまでの時間ｔと、引き続く放電の充電比容量Ｃｎ/Ｃ０を各充放電サイクルごとに測定する。測定した時間ｔと比容量Ｃｎ/Ｃ０とをプロットし、関係式（１）に適用して定数ＡおよびＢを決定する。
【００３６】
上記充放電サイクル試験は、容量推定結果Ｃｅが実容量Ｃの±２０％以内の範囲にあるように高精度とするために必要な時間ｔｎと比容量Ｃｎ/Ｃ０のデータを充足するため、３サイクル以上充放電を実施する。
【００３７】
サイクルが２サイクルのみであると、上記関係式（１）の定数ＡおよびＢの決定に対してわずか２ポイントのデータとなり高精度の容量推定が不可能となって好ましくない。
【００３８】
なお、上記関係式（１）の定数ＡおよびＢを決定するために実施する上記充放電サイクル試験の環境温度は特に規定されないが、Ｌｉイオン電池の使用温度範囲として製造メーカが推奨する温度範囲内で、好ましくは実際に使用する環境温度と同様の温度で実施することが好ましい。もし、上記充放電サイクル試験を実施する環境温度が、容量推定を行う実使用上の環境温度と大きく異なる場合は、放電容量の温度依存性のデータから容量を補正して定数ＡおよびＢを決定する。
（実施の形態２）
本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置においては、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際の上記時間ｔを求める手段と、該時間ｔを用い実施の形態１において作成された上記関係式（１）によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該演算回路によって算出された該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を表示する手段あるいは該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づく該リチウムイオン電池の劣化状態の判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段とを備えていることを特徴とする。
【００３９】
図２は、Ｌｉイオン電池を搭載する装置であって、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法の機能と、該容量推定の結果に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する機能とを備えた装置の一構成概念を示したものである。
【００４０】
図２において、１は電源部であり、電源部１には、Ｌｉイオン電池２ａ、２ｂ、２ｃが搭載され、これらの電池２ａ、２ｂ、２ｃは電源部１内の電池制御部３で充放電、安全に関する制御がなされる。４は電源部１内の充電器であり、電池制御部３で制御をうけて電池２ａ、２ｂ、２ｃを充電する。５は論理部であり、論理部５には、インターフェイス６とＣＰＵ７とメモリ８とキーボードコントローラ９とがあり、電池制御部３はインターフェイス６を介してＣＰＵ７と繋がり、搭載電池２ａ、２ｂ、２ｃに関する情報や制御の実施の指示を受け、逆に、電池制御に関するデータをＣＰＵ７に送出する。論理部５内において、ＣＰＵ７とメモリ８とは、制御の指示、データの演算、電池の制御に関する情報の蓄積、データの記憶などを行う。電池２ａ、２ｂ、２ｃのＩＤ入力などはキーボードコントローラ９を介して行う。キーボードコントローラ９にはデータ送出のための配線１０が接続されている。
【００４１】
本発明における上記関係式（１）はＣＰＵ７の空きメモリなどにあらかじめ入力されるか、あるいは必要ならばＣＰＵ７に加えてメモリチップを増設して入力される。さらに、論理部５内には、関係式（１）によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路および該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する判定演算回路が組み込まれており、論理部５内において該判定演算回路による判定結果が形成される。ＣＰＵ７は、電池制御部３に、定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、使用電圧範囲内の電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの時間ｔを測定する指示を行い、逆に、電池制御部３から充電時間ｔのデータを受け取る。さらに、ＣＰＵ７は、受け取った時間ｔを関係式（１）に代入して演算を行い、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を算出し、さらに該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定するする。すなわち、論理部５は、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法および劣化状態判定の機能をも備えている。必要ならば、この推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値をメモリ８に記憶させる。
【００４２】
本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置は、図２に示された装置を、配線１０を介して、該リチウムイオン電池の劣化状態の判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段を備えた装置と連結することによって構成される。配線１０を介して、図２に示された装置と連結される上記装置が、上記演算回路によって算出された推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値を表示する手段をも備えていれば該リチウムイオン電池の劣化を定量的に把握することができて好都合である。
【００４３】
このようにして、本発明に係るＬｉイオン電池の劣化判定装置を構成することができる。ただし、本発明は、上記概念になるＬｉイオン電池の劣化判定装置が構成できれば、何ら上記の構成に限定されることはない。
（実施の形態３）
本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法は、またＬｉイオン電池のパック内の制御用マイコン、あるいは必要ならば簡単な増設メモリをパック内に付与することによって電池パックに適用することができる。本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法、すなわち、実施の形態１に記載したＬｉイオン電池の容量推定方法を電池パックに適用して、本発明に係るＬｉイオン電池パックを構成する具体的一構成例を図３に示す。
【００４４】
図３はＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成を示した図であり、Ｌｉイオン電池（１２-１、１２-２、１２-３）を３セル直列にして搭載した場合を示している。
【００４５】
図３において、１１は電池パック本体であり、１２-１、１２-２、１２-３はＬｉイオン電池である。１３は保護用ＩＣであり、電圧、電流、温度などのモニタ、ソフト的な安全制御を行う。１４-Ａ、１４-Ｂ、１４-Ｃ、１４-１、１４-２、１４-３はパック本体１１内、および各電池の充電電流制御を目的とするＦＥＴであり、１５は温度ヒューズであるＰＴＣ素子、１６は電流ヒューズであり、それぞれ温度上昇時、異常大電流時に電流を遮断する役目を負う。１７はプラス端子、１８はマイナス端子であり、１９は情報出力、コントロールのための端子である。
【００４６】
図３において、上記安全機構の保護用ＩＣ１３内にタイマーを搭載し、空きメモリに上記関係式（１）をあらかじめ入力し、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路を形成しておく。
【００４７】
本Ｌｉイオン電池パックが充電装置に搭載され、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電が行われる場合に、図３におけるＬｉイオン電池１２-１、１２-２、１２-３の両端の電圧を保護用ＩＣ１３がモニタし、充電の定電流（ＣＣ）モード充電における充電電圧が、放電終止電圧Ｖｄ以上で充電上限電圧Ｖｃよりも小となるようにあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓに達してからＣＣモード充電がＣＶモード充電に切り替えられるまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を関係式（１）に代入、演算して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する。必要ならば、保護用ＩＣ１３とは別にパック内の適当な位置に増設ＩＣを設けることもできる。
【００４８】
演算結果は、端子１９を通して、適当なディスプレイに表示したり、あるいは警告音などを発出するために充電装置本体に出力される。
【００４９】
このように、既存のＬｉイオン電池パックの最小限の変更によって、本発明に係るＬｉイオン電池パックを構成することができる。ただし、本発明は、上記概念になるＬｉイオン電池の容量推定が実施できれば何ら上記の構成に限定されることはない。
【００５０】
本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法、および該容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックの適用としては、特にバックアップ電源など高信頼性を必要とする機器が考えられ、該容量推定によって的確な電池の劣化状態を把握しタイムリーな電池の交換を実現することによって、機器のトラブルを回避する。しかしながら、Ｌｉイオン電池を搭載する機器であれば何ら該容量推定の方法、および容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックを採用することに問題はなく、しかもムダのない電池交換を実現することができるため使用する利点はきわめて大きい。
【００５１】
【実施例】
以下に、本発明に係るＬｉイオン電池の容量推定方法および劣化判定装置ならびにＬｉイオン電池パックについて、具体的実施例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
（実施例１）
円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）について、データ収集・保管機能を有する電池充放電自動試験装置を用いて、試験温度を２５℃に設定し、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流値１３５０ｍＡｈ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電と放電との間に休止を１時間はさんだ充放電サイクル試験を５サイクル実施し、各サイクルにおける充電開始時からＣＣモード充電完了までの経過時間ｔ（ｈｒ）と、放電電流を時間に関して積分して得た放電容量Ｃの公称容量Ｃ０に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求めた。
【００５２】
求めたデータを図４に示す。図４は、上記充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量Ｃ/Ｃ０の関係を示した図であり、図中の○は上記充放電サイクル試験で求めたデータであり、これらのデータから、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を時間ｔの関数として表す上記関係式（１）における定数ＡおよびＢを求め、下記の関係式（２）を作成した。
【００５３】
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２６３×ｔ＋０．２０７ （２）
上式（２）におけるｔは、厳密には、ｔ/(１時間）、すなわち、時間を単位として、ｔを無次元数で表したものでなければならないが、これを、便宜上、単にｔで表す。以下の式においても同様とする。
【００５４】
上記関係式（２）を図４の直線で示す。
【００５５】
これとは別に、同種の円筒型Ｌｉイオン電池（公称容量１３５０ｍＡｈ）を用意し、充電電流４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、充電時間３０日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電と、放電電流１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電と、充電・放電の間に１０分間の休止をはさんだ充放電サイクルを実施して、各サイクルごとのＣＣモード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量Ｃ０（１３５０ｍＡｈ）に対する比容量Ｃ/Ｃ０とを記録し、上記に示した関係式（２）の妥当性を検討した。
【００５６】
結果を図４中の黒四角で示す。
【００５７】
図４に示したように、黒四角で示したデータは直線で示した関係式（２）の値に極めて近く、優れた容量推定結果を示しうることが判る。
【００５８】
一方、上記検討とは別に、比較例として、関係式を作成する際に、上記の関係式と同種のＬｉイオン電池を用い、充電電流値を１３５ｍＡ（０．１ＣｍＡ）とした以外は同じ条件の試験によって関係式作成を試みた。取得した比容量Ｃ/Ｃ０とＣＣモード充電完了までの所要時間ｔとの関係を図５に示した。
【００５９】
図５は、本発明の容量推定法における比較例として、関係式作成のために充電電流値を０．１ＣｍＡに変更して取得した比容量Ｃ/Ｃ０とＣＣモード充電完了までの所要時間ｔの関係を示した図であり、図中の●印が取得データを示す。図５より明らかなように、充電電流値を０．０５ＣｍＡより大きくした場合、比容量Ｃ/Ｃ０と時間ｔとの間には直線関係は成り立たず、精度の高い関係式の作成は不可能であることがわかる。
（実施例２）
角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）４個を用いて、充電電流値２０ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、放電電流値６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、充電時間を、２．５日、３日、３０日、３５日間とした以外は実施例１と同一条件で最大５サイクルまでの充放電サイクル試験を行い、実施例１に示したと同様の手順で１５３日間の間にそれぞれの関係式を作成した。
【００６０】
その結果、充電時間を２．５日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００９６１×ｔ＋０．７０４ （３）
であり、充電時間３日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０１６７×ｔ＋０．４８５ （４）
であり、充電時間３０日で試験した電池から求めた関係式は
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０１８０×ｔ＋０．４４７ （５）
であった。充電時間を３５日とした場合、充放電サイクルは２回のみであったが、この２サイクルのデータから関係式を作成したところ
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００６２７×ｔ＋０．８０１ （６）
が得られた。
【００６１】
これら、得られた関係式を用いた推定精度を評価するため、携帯電話に搭載されていた角形Ｌｉイオン電池（公称容量６００ｍＡｈ）を脱着し、正極端子、負極端子に結線して電池充放電自動試験装置に設置し、充電電流２０ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、総充電時間１日間、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式の充電をし、１時間の休止の後、放電電流６００ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖで放電し、定電流（ＣＣ）充電に要した時間ｔ(ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求めた。その結果、ＣＣ充電時間ｔは１５．３１時間、比容量Ｃ/Ｃ０は６３．５％であった。
【００６２】
求めたＣＣ充電時間ｔ、すなわちｔ＝１５．３１（ｈｒ）を、得られた各関係式（３）、（４）、（５）および（６）に代入して、それぞれの推定比容量Ｃｅ/Ｃ０と、推定誤差Ｅｒｒ＝Ｃ/Ｃ０−Ｃｅ/Ｃ０＝０．６３５−Ｃｅ/Ｃ０を求めた。
【００６３】
その結果、充電時間が３日間以上３０日以下である、充電時間３日とした試験で得られた関係式（４）、および充電時間を３０日とした試験で得られた関係式（５）では、それぞれ、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０が７４．１％、７２．３％であり、推定誤差Ｅｒｒは−１０．６％、−８．８％でいずれも±２０％以内で良好な推定を行えることがわかった。
【００６４】
これに対して、充電時間を２．５日とした試験で得られた関係式（３）を用いると推定比容量８５．１％、推定誤差−２１．６％となり、また、充電時間を３５日とした試験で得られた関係式（６）を用いると比容量８９．７％、推定誤差２６．２％となり、いずれも誤差が大きく関係式としては用いられないことがわかった。
【００６５】
比較のため、上記関係式を求めた試験のうち、充電時間を３日間とした場合の試験で得られた初期の２サイクルのデータのみから関係式を作成すると
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００５７９×ｔ＋０．８１９ （７）
が得られ、これに同様にしてｔ＝１５．３１を代入して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０と推定誤差Ｅｒｒを算出したところ、推定比容量９０．８％、推定誤差−２７．３％となり、関係式を作成するためには２サイクルのみのデータでは良好な関係式を提供できないことも明らかになった。
（実施例３）
実施例１と同様の円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）４個を用い、放電電流値を１３５ｍＡ（０．１ＣｍＡ）、２７０ｍＡ（０．２ＣｍＡ）、２７００ｍＡ（２．０ＣｍＡ）、および３０００ｍＡ（２．２ＣｍＡ）とした以外は実施例１と同一の装置、試験条件によって充放電サイクル試験を行い、実施例１と同様の手順で関係式を求めた。
【００６６】
結果を図６に示す。図６は、本実施例における関係式を求めるために実施した充放電サイクル試験の結果を示した図であり、図中６−１は、充電電流値を０．１ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．００９１８×ｔ＋０．７２７ （８）
を示す直線であり、６−２は、充電電流値を０．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２４２×ｔ＋０．２５５ （９）
を示す直線であり、６−３は充電電流値を２．０ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０２０５×ｔ＋０．３７２ （１０）
を示す直線であり、６−４は充電電流値を２．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式
Ｃｅ/Ｃ０＝０．０５２１×ｔ−０．５５２ （１１）
を示す直線である。
【００６７】
これとは別に、ラップトップコンピュータに使用されていたＬｉイオン電池パックを解体し、その中の１本の円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）を取り出し、正極端子と電池側面（負極）にリード線を半田付けし、これを電池充放電自動試験装置に設置し、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、充電上限電圧４．１Ｖ、総充電時間１日間の定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式による充電を行い、１時間の休止を行った後、放電電流値１３５０ｍＡｈ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧２．７５Ｖの放電を行い、定電流（ＣＣ）モード充電の所要時間ｔ（ｈｒ）と放電容量Ｃの公称容量Ｃ０に対する比容量Ｃ/Ｃ０を求め、ｔ＝１９．３４、Ｃ/Ｃ０＝０．６７１を得た。得られた値ｔ＝１９．３４を上記に示した関係式（８）、（９）、（１０）および（１１）に代入して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出し、推定誤差Ｅｒｒ＝Ｃ/Ｃ０−Ｃｅ/Ｃ０＝０．６７１−Ｃｅ/Ｃ０を求めて容量推定精度を評価した。
【００６８】
その結果、放電電流値を０．２ＣｍＡとした試験から求めた関係式（９）では、推定比容量７２．３％、推定誤差−５．２％であり、放電電流値を２．０ＣｍＡとした試験から求めた関係式（１０）では推定比容量７６．８％、推定誤差−９．７％であり、本発明における関係式を求めるための試験の放電電流値が０．２ＣｍＡ以上２．０ＣｍＡ以下の範囲内のこれらの場合には、いずれも良好な推定結果が得られた。これに対して、本発明における関係式を求めるための条件が、上記の放電電流値の範囲からはずれる、放電電流値が０．１ＣｍＡの試験で求めた関係式（８）では、推定比容量９０．５％、推定誤差−２３．４％であり、また同じく上記範囲からはずれる放電電流値が２．２ＣｍＡの試験で求めた関係式（１１）では、推定比容量４５．６％、推定誤差＋２１．５％であり、いずれも推定誤差が大きく、精度の良いＬｉイオン電池の容量推定は困難であることが明らかになった。
（実施例４）
円筒型Ｌｉイオン電池（１８６５０型、公称容量１３５０ｍＡｈ）３本直列の電池パックの充電のため、充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流値４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、総充電時間３日間とした定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）方式で充電し、充電時に該電池パックの劣化判定を行う機能を有する充電器を作製した。
【００６９】
作製した充電器の構成概念を図７に示す。すなわち、図７は本実施例において作製した充電器の構成を示した図であり、図中、２０は本実施例において作製した本発明の充電器であり、充電器２０は商用電源２１に端子２２、および２３で接続される。また、充電器２０に対し、Ｌｉイオン電池パック２４が充電のために端子２５および２６に接続され装着されるようにした。
【００７０】
充電器２０は、商用電源２０から供給される電気をＡＣ/ＤＣコンバータ２７によって直流に変換し、充電電流、パック電圧をモニタし、またサーミスタ２８により温度モニタを行いながら、電源マイコン２９、充電制御用マイコン３０により上述の充電条件と、過充電、過放電、異常大電流、異常電池温度上昇など危険状態を検知し回避をするための制御を行い電池パック２４を充電する。充電はスイッチ３１により、充電完了時、あるいは異常を検知した時、充電を停止する。充電の完了、何らかの異常は制御用マイコン３０から表示部３２に表示するようにした。
【００７１】
本充電器における劣化判定は、充電制御用マイコン３０に、実施例１において作成した関係式（２）と、図８に示したフロー手順をプログラムしてあらかじめ入力しておき、電池電圧のモニタリングを利用しながら内蔵タイマによりＣＣ充電時間ｔを測定し、上記関係式（２）に適用して、Ｌｉイオン電池パックの容量を推定し、その結果に基づいて劣化判定を行い、表示部３２に判定結果を表示するようにした。
【００７２】
表示部３２は、充電関係の表示を行うＬＥＤ（赤：充電中、緑：充電完了）と、劣化判定結果を表示するしＥＤ（赤：電池取りかえ、黄：まもなく電池取りかえ、緑：電池は取りかえ不要）と、劣化判定結果の数値表示、異常の表示を行うＬＣＤとから構成されている。
【００７３】
充電関係のＬＥＤでは、充電完了の場合のみ緑のＬＥＤが点灯し、充電中は赤のＬＥＤが点灯し、それ以外の異常を示す場合には両方とも点灯しない。
【００７４】
劣化判定結果を示すＬＥＤでは、容量推定結果である推定比容量の値が６０％未満の場合は赤のＬＥＤが点灯し、直ちに新しい電池パックに交換すべきであることを示す。また、比容量が６０％以上７０％未満の場合には、まもなく、すなわち使用条件にもよるが、数カ月以内に電池パックを交換すべきであるため黄のＬＥＤを点灯させる。さらに比容量が７０％以上の場合は、電池パックは新品か、相当長期間使用が可能で取りかえる必要がないため、緑のＬＥＤを点灯させる。
【００７５】
ＬＣＤは文字による情報を表示させることを目的として設置している。電池パックの装着不良をはじめ、安全性に関わる警告情報など、正常に充電を行うことが困難であることを示したり、劣化判定結果を数値で示したりする。また、商用電源の突然の停止の場合には、装着した電池パックの電圧が８．２５Ｖより高い場合のみ、装着電池パックから電流を供給して電源切れを表示するようにしてある。
【００７６】
なお、本実施例の充電器の場合、充電は必ずしも完全放電後に行われるとは限らないため、充電制御用マイコン内にあらかじめ充電電圧の時間変化のデータを入力しておき、充電開始時の電池パック電圧をモニタし、８．２５Ｖ（２．７５Ｖ/セル）以上１１．７Ｖ（３．９Ｖ/セル、上限電圧４．１Ｖ/セルより０．２Ｖ/セル低い値）以下の１．１５Ｖきざみの電圧、すなわち
８．２５Ｖ、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ、
で示される４つの電圧のうち、充電開始電圧より高く、この開始電圧に最も近い値から時間計測を開始し、充電上限電圧１２．３Ｖに到達しＣＣモード充電が完了するまでの時間ｔ”を計測して、上記入力データと比較演算を行って８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間ｔに換算して劣化判定を行うようにした。
【００７７】
図８に示した、充電制御用マイコン３０に入力した劣化判定手順フローは以下の通りである。すなわち、
手順Ａ：充電器に電池パックを装着して充電を開始し、パック電圧をモニタし、
パック電圧Ｖが
Ｖ＝８．２５、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ
を満たす値に到達したかどうかを電圧モニタで監視
手順Ｂ：上記のいずれかの値にパック電圧Ｖが到達したら時間計測を開始し、
タイマカウンタを充電上限電圧１２．３Ｖまで継続する
手順Ｃ：パック電圧Ｖが充電上限電圧１２．３Ｖに到達したら時間計測終了し、充電開始電圧が放電終止電圧８．２５Ｖの場合はそのまま、この時間ｔを劣化
判定に用いる
手順Ｄ：充電開始電圧が８．２５Ｖより高かった場合、計測した時間は、あらかじめ内蔵しておいた充電電圧の時間変化のデータと比較演算して、８．２５Ｖから１２．３ＶまでのＣＣモード充電所要時間に換算し、この値をｔとして劣化判定に用いる。求めた時間ｔを関係式（２）に代入して、推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する
手順Ｅ：算出された結果をＬＣＤとＬＥＤに表示する。推定結果である推定比容量の値に応じて、上述したように赤、黄、緑のいずれかのＬＥＤを点灯させ、同時にＬＣＤに推定比容量の数値を表示する。ＬＣＤ表示は３０秒間、ＬＥＤ
は充電器が商用電源に接続されている間点灯させる。
【００７８】
このようにして構成される充電器を用い、使用済みの同タイプの電池パックを装着し、充電した。充電開始後１５．７時間で劣化判定結果が表示され、ＬＣＤには（推定）比容量６２．０％と表示され、黄色のＬＥＤが点灯した。
【００７９】
充電された上記電池パックを電池充放電自動試験装置に設置し、放電電流値１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖに設定して定電流放電を実施し、放電容量を求めたところ、８６０．０ｍＡｈであった。これは、比容量にすると６３．７％となり、上記の推定比容量の誤差は約１．７％であった。
【００８０】
以上の通り、本発明に係る上記のＬｉイオン電池の劣化判定装置を用いて、精度の高い劣化判定を行うことが可能であることが明らかになった。
（実施例５）
充電上限電圧１２．３Ｖ、充電電流４５ｍＡ（０．０３３ＣｍＡ）、総充電時間３日間の条件で定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）モード充電を行う機能を有したラップトップコンピュータに搭載する、図３に示す構成のＬｉイオン電池パックを作製した。上記電池パックは円筒型セル（公称容量１３５０ｍＡｈ）１２−１、１２−２、および１２−３の３セル直列のパックであり、保護用ＩＣに関係式（２）と、実施例４で示したのと同様に、充電電圧の時間変化の基礎テータをあらかじめ入力して、放電終止電圧８．２５Ｖより高いパック電圧から充電された場合でも、８．２５Ｖから１２．３Ｖまでの定電流（ＣＣ）モード充電所要時間を算出可能とするようにしてある。
【００８１】
また、図３に示す構成の上記電池パック内の保護用ＩＣ１３のメモリには、Ｌｉイオン電池１２−１、１２−２、１２−３各セルの両端の電圧をモニタし、ＣＣモード充電における放電終止電圧Ｖｄ以上充電上限電圧Ｖｃ以下のあらかじめ設定された任意の開始電圧Ｖｓから、該Ｖｓより高い
充電電圧＝８．２５Ｖ、９．４０Ｖ、１０．５５Ｖ、１１．７０Ｖ
を満たす最も近い充電電圧からＣＣモード充電が完了する充電上限電圧１２．３Ｖに到達するまでの経過時間ｔをカウントし、この測定された時間ｔの値を上記関係式（２）に代入、演算して推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出するプログラムがあらかじめ入力してある。
【００８２】
演算した結果は端子１９を通して上記電池パックを搭載する機器本体の液晶ディスプレイに表示するために装置本体に出力する機構になっている。
【００８３】
液晶ディスプレイには、演算結果である数値がパーセントで表示されるとともに、バーの長さのパーセント数値に相当する割合が塗りつぶしで示されるようになっている。
【００８４】
劣化判定の指示は、上記機器本体から充電開始と同時に発出される。劣化判定実施のための手順フローは、図８において、結果の表示が機器本体のディスプレイに表示されるために本体に結果を送出する以外は図８と同様である。
【００８５】
このような構成になる電池パックを機器に装着し、１時間使用した後、商用電源に接続して充電を開始し、充電開始後に表示されたディスプレイを見たところ、上記電池パックの比容量推定結果は７３％と表示された。充電完了のサインがディスプレイ上に現れたのを確認して、この機器をＯＦＦにし、上記電池パックを脱着し、適当な接続コードを用いて、電池充放電自動試験装置に接続し、放電電流１３５０ｍＡ（１．０ＣｍＡ）、放電終止電圧８．２５Ｖで放電させ容量を測定した。その結果、放電容量は１０９３．５ｍＡｈ、比容量にして８１．０％であった。
【００８６】
従って、本発明になる電池パックに搭載した比容量推定機能による比容量推定結果は誤差−８．０％と優れた推定精度を示すことが明らかになった。
【００８７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の実施によって、Ｌｉイオン電池の容量を推定する簡便な方法、Ｌｉイオン電池の劣化を判定する簡便な装置、ならびに、電池の容量を推定する機能を備えたＬｉイオン電池パックを提供することが可能になり、Ｌｉイオン電池の管理においてきわめて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｌｉイオン電池の一般的な充電方法である定電流定電圧（ＣＣ-ＣＶ）方式充電における充電電圧（電池電圧）と充電電流値の時間的変化の概念を説明した図である。
【図２】本発明におけるＬｉイオン電池の容量推定方法を具体的に適用するＬｉイオン電池搭載装置の一般的な電源部周辺の一構成概念を示した図である。
【図３】本発明における容量推定機能を具備したＬｉイオン電池パックの一般的な回路構成例を示した図である。
【図４】本発明の実施例１における充放電サイクル試験の結果を示した経過時間ｔと比容量の関係を示した図である。
【図５】本発明の実施例１における比較例として充電電流値を０．１ＣｍＡにして充放電サイクルで求めたＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例３において実施したＣＣモード充電の所要時間ｔと比容量との関係を示した図であり、求めた関係式を示した図である。
【図７】本発明の実施例４において作製した充電器の構成を示した図である。
【図８】本発明の実施例４において実施した劣化判定手順を示したフロー図である。
【符号の説明】
１…電源部、２ａ、２ｂ、２ｃ…Ｌｉイオン電池、３…電池制御部、４…充電器、５…論理部、６…インターフェイス、７…ＣＰＵ、８…メモリ、９…キーボードコントローラ、１０…配線、１１…電池パック本体、１２-１、１２-２、１２-３…Ｌｉイオン電池、１３…保護用ＩＣ、１４-Ａ、１４-Ｂ、１４-Ｃ、１４-１、１４-２、１４-３…ＦＥＴ、１５…ＰＴＣ素子、１６…電流ヒューズ、１７…プラス端子、１８…マイナス端子、１９…情報出力、コントロールのための端子、２０…充電器、２１…商用電源、２２、２３…商用電源と充電器とを接続する端子、２４…Ｌｉイオン電池パック、２５、２６…充電器と電池パックとを接続する端子、２７…ＡＣ/ＤＣコンバータ、２８…サーミスタ、２９…電源マイコン、３０…充電制御用マイコン、３１…スイツチ、３２…表示部。
Claims (3)
- リチウムイオン電池の容量推定方法であり、
リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ０としたときの充電電流をＣ０/(２０時間）以下とし、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔを求め、該電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０（ここに、Ｃｅはこの電池の推定容量である）を関係式、
Ｃｅ/Ｃ０＝Ａｔ＋Ｂ （１）
（ここに、ＡおよびＢは該電池、電圧Ｖｓ、電圧Ｖｃおよび該定電流充電中の充電電流によって定まる正値定数である）によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
１回の全充電時間が３日以上３０日以下であり、該リチウムイオン電池の公称容量をＣ ０ としたときの充電電流がＣ ０ /( ２０時間）以下である定電流定電圧方式による充電期間と、放電電流がＣ ０ /( ５時間）以上Ｃ ０ /( ０．５時間）以下であり放電終止電圧がＶｄである放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを３回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、定電流充電中の充電電圧があらかじめ設定された電圧Ｖｓに達してから充電上限電圧Ｖｃに達するまでの時間ｔ ｎ （ここに、ｎは各サイクルに付した番号である）と、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Ｃ ｎ とを記録し、記録された該時間ｔ ｎ と該放電容量Ｃ ｎ とから、上記関係式（１）におけるＡおよびＢの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。 - リチウムイオン電池の劣化判定装置であって、
請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０の値に基づいて該リチウムイオン電池の劣化状態を判定する判定演算回路と、該判定演算回路による判定結果を表示する手段あるいは該判定結果に基づき、必要に応じて、該リチウムイオン電池の劣化を警告する警告音を発する手段とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の劣化判定装置。 - ＩＣを内蔵した充放電制御手段を備えたリチウムイオン電池パックにおいて、該ＩＣあるいは該ＩＣに付設して増設されたＩＣが、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０ を請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって推定する際に用いる数値を記憶するメモリと、該数値が該メモリに記憶された場合に、請求項１に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法によって該リチウムイオン電池の推定比容量Ｃｅ/Ｃ０を算出する演算回路と、該演算回路が算出した該推定比容量Ｃｅ/Ｃ０算出結果を出力する手段とを有していることを特徴とするリチウムイオン電池パック。
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