DE69826929T2

DE69826929T2 - Verfahren zur Erfassung des Betriebszustandes wiederaufladbarer Batterien mit nicht wasserhaltigem Elektrolyt

Info

Publication number: DE69826929T2
Application number: DE69826929T
Authority: DE
Inventors: Hajime Seri; Yoshinori Yamada; Kenichi Takeyama; Teruhisa Kanbara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: EP0887654A2; CN1091881C; EP0887654A3; EP0887654B1; DE69826929D1; US5994877A; CN1203368A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands von Batterien, das auf wiederaufladbare Batterien mit nicht wasserhaltigem Elektrolyten anwendbar ist, wie etwa auf wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung des Beeinträchtigungsgrads und der verbleibenden Kapazität von Batterien.
Tragbare elektronische Geräte, wie etwa Notebook-Personal-Computer und Zellentelefone, die mit wiederaufladbaren Batterien hoher Kapazität betrieben werden, zeigen in den zurückliegenden Jahren rasches Wachstum. Das Gerät ist üblicherweise mit einem Messgerät für die verbleibende Batteriekapazität versehen, welches der Bedienperson die verbleibende Nutzungszeit der Batterie anzeigt.
Das Leistungsvermögen einer wiederaufladbaren Batterie, welche zum Betreiben eines elektronischen Geräts dient, fällt unvermeidlich, wenn der Lade/Entlade-Zyklus wiederholt durchgeführt wird. Eine derartige Beeinträchtigung des Leistungsvermögens der Batterie wird jedoch der Bedienperson nur im Fall von sehr wenigen elektronischen Geräten angezeigt. Die Bedienperson nimmt die Beeinträchtigung des Batterieleistungsvermögens in irgendeiner Weise, dadurch wahr, dass die Nutzungszeit des Geräts kurz wird.
Es ist eine Anzahl von Verfahren zur Erfassung des Leistungsbeeinträchtigungsgrads einer wiederaufladbaren Batterie bekannt, die grob, wie folgt klassifiziert werden können, in:

(1) Messen einer internen Impedanz der Batterie,
(2) messen interner Impedanzen einer Batterie mit mehreren Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen und Einsetzen dieser Wert in eine vorbestimmte arithmetische Gleichung,
(3) messen eines elektrischen Widerstands eines aktiven Materials einer Batterie, bei dem es sich um einen Bestandteil der Batterie handelt,
(4) erfassen der Batteriespannung, während die Batterie mit einem konstanten Strom geladen und entladen wird, und Vergleichen des gewonnenen Werts mit dem vorbestimmten Referenzwert, und
(5) zählen der Anzahl von Lade-/Entlade-Zyklen.

Zahlreiche Verfahren zum Ermitteln der Beeinträchtigung des Leistungsvermögens einer wiederaufladbaren Batterie sind vorgeschlagen worden, wie vorstehend angeführt. Die fortschreitende Beeinträchtigung des Leistungsvermögens einer wiederaufladbaren Batterie unterscheidet sich jedoch stark abhängig von ihrem Anwendungsfall, d. h., abhängig von den Lade- und Entladeströmen, den Lade- und Entladespannungen und den Lade-Entladezeiten. Es besteht ein großer Unterschied bezüglich der Beeinträchtigung zwischen einer Batterie, die der Wiederholung eines kurzen Lade-/Entlade-Zyklus unterworfen wird, und einer solchen Batterie, die einer Wiederholung eines tiefen Lade-/Entlade-Zyklus unterworfen wurde, und zwar selbst dann, wenn die Anzahl der beiden Zyklen übereinstimmen. Es ist deshalb schwierig, den Beeinträchtigungsgrad durch eines dieser Verfahren zu digitalisieren, einschließlich demjenigen Verfahren, welches lediglich die Anzahl von Lade-/Entlade-Zyklen zählt.
Andererseits werden einige Verfahren zur Erfassung der verbleibenden Kapazität einer wiederaufladbaren Batterie nunmehr in tragbaren Geräten angewendet. Diese Verfahren lassen sich im wesentlichen in die folgenden beiden Verfahren klassifizieren:
Bei dem einen Verfahren handelt es sich um ein direktes Verfahren, demnach eine Erfassung ausschließlich ausgehend von der Messung einer Batteriespannung erfolgt. Dieses Verfahren kommt weit verbreitet in Zellentelefonen zum Einsatz. Die Erfassungsvorrichtung für dieses direkte Verfahren lässt sich mit relativ geringen Herstellungskosten realisieren; das Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil einer unzureichenden Erfassungsgenauigkeit behaftet. Wenn ein elektronisches Gerät sich in Betrieb befindet, schwankt die Batteriespannung stets abhängig von der Betriebsart des Geräts. Messfehler sind groß, wenn die verbleibende Batteriekapazität lediglich auf Grundlage der Batteriespannung erfasst werden soll, wenn das Gerät sich in Betrieb befindet, und zwar ungeachtet der eingesetzten Betriebsart. In dem tragbaren elektronischen Gerät, wie etwa einem Zellentelefon, verwendet die Anzeige der verbleibenden Kapazität auf Grundlage dieses Verfahrens ein drei- bzw. vierstufiges Leuchtanzeigesystem auf LED-Basis, wobei ein Ende den vollständig geladenen Zustand und das andere den vollständig leeren Zustand anzeigt.
Bei dem anderen Verfahren handelt es sich um ein indirektes Verfahren, demnach Information bezüglich eines integrierten Ladestromwerts in einem Speicher gespeichert wird und der Entladestrom abgeleitet wird aus dem integrierten Ladestromwert, wenn die Batterie sich entlädt. Dieses System wird weit verbreitet in Notebook-Personal-Computern eingesetzt. Das indirekte Verfahren ist hochgenau und in der Lage, die verbleibende Kapazität innerhalb von Minuten anzuzeigen. Dieses Verfahren erfordert jedoch, dass die Information bezüglich des integrierten Stromwerts gespeichert ist, was zu einer Kostenerhöhung des Geräts führt.
Es sind auch andere Ideen vorgeschlagen worden. Unter diesen befinden sich Verfahren zur Erfassung der verbleibenden Kapazität durch Messen eines Batteriespannungsabfalls durch Impulsentladen unter Verwendung der Erholungseigenschaft der Batteriespannung nach der Pulsentladung durch Messen der Batteriekapazität, oder durch Messen einer Impedanz bei einer spezifischen Frequenz, woraufhin die verbleibende Kapazität aus dem Verhältnis der Realzahlkomponente zu der Imaginärzahlkomponente der Impedanz berechnet wird oder eine Berechnung unter Verwendung der Imaginärzahlkomponente und der Frequenz ausgeführt wird.
Ein Verfahren der durch die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 festgelegten Art ist aus der EP-A-0 582 526 bekannt.
Aus der EP-A-0o 470 545 ist es bekannt, die Beeinträchtigung einer Batterie auf Grundlage des Batteriespannungswerts zu erfassen, wenn die Batterie mit einem konstanten Strom geladen bzw. entladen wird. Genauer gesagt wird die Batteriebeeinträchtigung in binärer Weise beurteilt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erfassung des Beeinträchtigungsgrads einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten zu schaffen, das auf elektronische Geräte kleiner Baugröße, wie etwa Zellentelefone anwendbar ist, und zwar in alternativer Weise.
Wiederaufladbare Batterien nicht-wässerigem Elektrolyten zeigen ein übliches Verhalten bezüglich der Beeinträchtigung einer Ausgangsstromrateneigenschaft bzw. Binde-Kennlinie, ungeachtet der Stromentladebetriebsart, solange die vom Hersteller empfohlenen Ladebedingungen und die Entladeabschaltspannungen beachtet werden. In der vorliegenden Erfindung kann die Beeinträchtigung der Batterie quantitativ ermittelt werden durch Messen der Ausgangsstromraten-Kennlinie.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine wiederaufladbare Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten mit mehreren konstanten Strömen geladen bzw. entladen, und die Batteriespannung wird für jeden konstanten Strom gemessen. Ein Beziehungsausdruck zwischen der Spannung und dem Strom wird durch Regressionsanalyse auf Grundlage der dadurch gewonnenen Spannungs- und Stromwerte erarbeitet. Unter Verwendung dieses Bezugsausdrucks erfolgt eine quantitative Erfassung des Batteriebeeinträchtigungsgrads.
Beispielsweise wird der Beeinträchtigungsgrad einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten wie folgt ermittelt.
Die Differenz ΔV zwischen der Batteriespannung V beim Laden und Entladen mit konstantem Strom und der anfänglichen Spannung V₀ kann durch folgende quadratische Funktion dargestellt werden, wobei der Stromwert "i" eine Variable ist. ΔV = (V – V0) = ai2 + bi + c (1)
Die Abnahme der Größe des Koeffizienten "a" ist proportional zur Kapazitätsabnahme, welche durch die Beeinträchtigung der wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten verursacht ist. Der Beeinträchtigungsgrad der Batterie wird demnach auf Grundlage des Koeffizienten "a" erfasst. Wenn beispielsweise dieser Parameter "a" in die nachfolgende Gleichung eingesetzt wird, kann die Entladekapazität C_a zu diesem Zeitpunkt ungeachtet der vergangenen Lade- und Entlade-Historie abgeschätzt werden. Ca = K1 – ak2 (2)wobei C_a eine Entladekapazität ist, und wobei K₁ und k₂ vorbestimmte charakteristische Werte der Batterie sind.
Auf Grundlage der derart gewonnenen Entladekapazität C_a kann eine konsistente und quantitative Erfassung des Batteriebeeinträchtigungsgrads vorgenommen werden.
Es wird bemerkt, dass der Koeffizient "a" für eine Batterie, die keinen Lade-/Entlade-Zyklen unterworfen war, sehr groß ist, während der Koeffizient "a" allmählich größer wird durch Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus. Das heißt, in neuen Batterien sind der Stromwert und die Polarisationsspannung in etwa proportional zueinander, während die Polarisationsspan nung als Funktion des Stromwerts bei Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus beschleunigt bzw. größer wird.
Die vorstehend genannte Erfassung des Beeinträchtigungsgrads kann beispielsweise mit der nachfolgend genannten Anordnung bewirkt werden.
Eine Konstantstrom-Entladeeinrichtung (bzw. eine Konstantstrom-Ladeeinrichtung), ein Spannungsdetektor und eine arithmetische Einheit sind für das Gerät vorgesehen. Die Konstantstrom-Entladeeinrichtung entlädt eine wiederaufladbare Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten mit Strömen von 0,1 A, 0,5 A, 1 A, '' A und 3 A beispielsweise für eine Sekunde. Der Spannungsdetektor ermittelt die jeweilige Batteriespannung zu einem (Zeit-)Punkt eine Sekunde nach dem Entladungsstart. Im Fall, dass die Konstantstrom-Ladeeinrichtung anstelle der Konstantstrom-Entladeeinrichtung eingesetzt wird, wird der Ladevorgang mit derselben Rate beeinflusst.
Die arithmetische Einheit berechnet das Abnahme- (oder Zunahme-)Ausmaß ΔV der Spannung ausgehend vom anfänglichen Pegel. Daraufhin wird ein Approximationsausdruck der Gleichung (1), der zu den gewonnenen Werten passt, berechnet. Der hieraus gewonnene Koeffizient "a" wird daraufhin in die vorab aufgezeichnete Gleichung (2) eingesetzt, woraufhin die Entladekapazität C_a berechnet wird. In diesem Prozess besteht keine Beschränkung in Bezug auf den Anpassungsalgorithmus für die Berechnung des Koeffizienten "a", und es können bekannte Techniken zum Einsatz kommen, wie etwa die Methode der kleinsten Quadrate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Beeinträchtigungsgrad der wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten quantitativ auf Grundlage der Zeit T erfasst, welche die Batteriespannung benötigt, einen spezifischen Wert zu erreichen, wenn die Batterie mit einem großen Strom geladen bzw. entladen wird.
Wenn die nominale Ein-Stunden-Raten-Kapazität der Batterie C mAh beträgt, ist es erwünscht, dass der Stromwert beim Laden bzw. Entladen nicht kleiner als 5C mA ist. Im Fall von Batteriesystemen, wie etwa einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie, die einen organischen Elektrolyten mit geringer Ionen-Leitfähigkeit nutzt, zeigt die Batterie mit einer größeren Kapazitätsabnahme aufgrund der Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus einen größeren Spannungsabfall, wenn die Batterie sich mit einem unüblich großen Strom entlädt. Das Ausmaß des Spannungsabfalls ist außerdem umgekehrt proportional zur Entladekapazität der Batterie. Beim Laden dieser Batterien wird der Spannungsanstieg durch Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus größer.
Selbst dann, wenn unterschiedliche Strombetriebsarten in dem Lade-Entladezyklus verwendet worden sind, kann der Beeinträchtigungsgrad der Batterie aufgrund der Wiederholung des Lade-Entladezyklus ermittelt werden, wenn eine Batterie mit einem nahezu unüblich großen Strom geladen oder entladen wird, und die Änderung der Spannung als Parameter zur Beurteilung des Beeinträchtigungsgrad herangezogen wird.
Ausgehend von der Zeit T, die erforderlich ist, daß die Batteriespannung einen spezifischen Wert erreicht, kann der Ka pazitätsabfallgrad der Batterie beurteilt werden. Die Entladekapazität C_b der Batterie zu diesem Zeitpunkt kann ungeachtet der vergangene Lade- und Entladehistorie ermittelt werden, wenn beispielsweise die derart erhaltene Zeit T in Folgende Gleichung eingesetzt wird:
wobei i 1, 2 ... n ist, k_i ein charakteristischer Wert ist, der durch den Stromwert, die Abschaltspannung und den Batterietyp beispielsweise vorbestimmt ist.
Auf Grundlage der derart erhaltenen Entladekapazität C_b kann der Beeinträchtigungsgrad der aufladbaren Batterie konsistent und quantitativ ermittelt werden.
Die vorstehend genannte Ermittlung des Beeinträchtigungsgrads kann beispielsweise in folgender Anordnung ausgeführt werden.
Eine Konstantstrom-Entladeeinrichtung (bzw. eine Konstantstrom-Ladeeinrichtung), eine Messeinheit und eine arithmetische Einheit sind in dem Gerät vorgesehen. Die Konstantstrom-Entladeeinrichtung veranlasst die Batterie, mit einem konstanten Strom von 5 A zu entladen. Die Messeinheit misst die Zeit T, die benötigt wird, bis die Batteriespannung auf 1 V beispielsweise abfällt, während die Batteriespannung gemessen wird. Offensichtlich gilt, je kleiner der Wert T ist, desto größer ist die Batteriebeeinträchtigung. Die arithmetische Einheit berechnet die Entladekapazität der Batterie durch Einsetzen dieses Werts T in ein Polynom mit T als Variable, beispielsweise in die vorstehend genannte Gleichung (3). Im Fall, dass die Konstantstrom-Ladeeinrichtung anstelle der Konstantstrom-Entladeeinrichtung zum Einsatz kommt, kann die Entladekapazität der Batterie in derselben Weise unter Verwendung der Zeit ermittelt werden, die erforderlich ist, bis die Batteriespannung einen vorbestimmten Spannungswert erreicht, der höher ist als der anfängliche Spannungswert.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die verbleibende Kapazität der wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten auf Grundlage der geschlossenen Stromkreisspannung erfasst, die gemessen wird, wenn die Batterie mit einem konstanten Strom für eine spezifische Zeit geladen bzw. entladen wird.
Indem die gewonnene geschlossene Stromkreisspannung zu einer vorab aufgezeichneten Batteriespannungs-Restkapazitäts-Korrelationstabelle in Beziehung gesetzt wird, kann die verbleibende Kapazität bzw. Restkapazität der Batterie hochgenau unter Verwendung einer einfachen Detektoranordnung ohne ein Integrationssystem erfasst werden.
Wenn die nominale Kapazität der Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten C mAh beträgt, ist es erwünscht, dass der Stromwert beim Erfassen der verbleibenden Kapazität nicht höher als C/5 mA ist.
Die vorstehend genannte verbleibende Kapazität bzw. Restkapazität wird beispielsweise in der folgenden Weise abgeschätzt.
Eine Konstantstrom-Entladeeinrichtung (bzw. eine Konstantstrom-Ladeeinrichtung), ein Spannungsdetektor und eine arithmetische Einheit sind für das Gerät vorgesehen. Die Konstantstrom-Entladeeinrichtung veranlasst die Batterie, mit einem konstanten Stromwert von 70 mA für 5 Sekunden zu entladen. Der Spannungsdetektor misst die geschlossene Stromkreisspannung der Batterie zu diesem Zeitpunkt. Die arithmetische Einheit ermittelt bzw. schätzt ab die verbleibende Kapazität, indem der gewonnene Spannungswert zu einer vorbereiteten Restkapazitäts-Batteriespannungs-Korrelationstabelle in Bezug gesetzt wird. Die Restkapazitäts-Batteriespannungs-Korrelationstabelle kann vorbereitet werden aus einer Konstantstrom(70 mA)-Entladekurve der Batterie.
Es wird bemerkt, dass, je größer der Entladestrom ist, desto größer ist der Abfall im Verlauf der Zeit der geschlossenen Stromkreisspannung. Die Restkapazität bzw. verbleibende Kapazität der Batterie kann deshalb mit beträchtlicher Genauigkeit ausschließlich durch Entladen der Batterie mit einem relativ großen Strom und Messen der geschlossenen Stromkreisspannung in dieser Zeit bzw. zu diesem Zeitpunkt ermittelt bzw. abgeschätzt werden. Je größer der Stromwert ist, desto genauer ist die Information, die bezüglich der verbleibenden Kapazität gewonnen wird. Wenn jedoch eine Batterie in letztendlichem Entladezustand mit sehr großem Strom entladen wird, fällt die Batteriespannung so stark, dass die Gefahr besteht, dass das Gerät im Einsatz nicht mehr richtig arbeitet. Es ist deshalb notwendig, den geeigneten Stromwert im Hinblick auf den Stromverbrauch des Geräts im Betrieb und der Entladespannungseigenschaft der Batterie zu entscheiden. Außerdem kann die Entladekapazität in derselben Weise ermittelt werden durch Laden der Batterie mit einem großen Strom und Messen der Spannungszunahme zu diesem Zeitpunkt bzw. in dieser Zeit.
Während die neuartigen Merkmale der Erfindung insbesondere in den anliegenden Ansprüchen festgelegt sind, lässt sich die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus wie ihres Inhalts besser und verstehen und würdigen zusammen mit weiteren Aufgaben und Merkmalen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1 zeigt Kennlinien von Änderungen der Entladekapazität während einer Wiederholung von Lade-/Entlade-Zyklen einer aufladbaren Lithiumionen-Batterie, die in einer Ausführungsform verwendet wird.
2 zeigt Kennlinien zwischen den Stromwerten und Spannungsabfällen der Batterie, die im Prozess C in dieser Ausführungsform entladen wird.
3 zeigt eine Kennlinie einer Beziehung zwischen einem Parameter "a" und der Entladekapazität dieser Batterie.
4 zeigt eine Kennlinie einer Beziehung zwischen dem Parameter "a" und der Entladekapazität der Batterie, die im Prozess A in dieser Ausführungsform entladen wird.
5 zeigt eine Kennlinie einer Beziehung zwischen dem Parameter "a" und der Entladekapazität der Batterie, die in einem Prozess B in dieser Ausführungsform entladen wird.
6 zeigt Kennlinien von Änderungen der Batteriespannung unmittelbar nach dem Ende des Lade-/Entlade-Zyklus mit dem Entladeprozess C, wenn die Batterie mit einem konstanten Strom entladen wird.
7 zeigt eine Kennlinie einer Beziehung zwischen dem Zeitfaktor T und der Entladekapazität.
8 zeigt einen Kurvenverlauf einer Beziehung zwischen dem Zeitfaktor T und der Entladekapazität mit den jeweiligen Entladezyklen der Batterie, die dem Entladeprozess A unterworfen war.
9 zeigt einen Kurvenverlauf einer Beziehung zwischen dem Zeitfaktor T und der Entladekapazität bei den jeweiligen Zyklen einer Batterie, die dem Entladeprozess B unterworfen war.
10 zeigt einen Kurvenverlauf einer Beziehung zwischen dem Zeitfaktor T und der Entladekapazität bei den jeweiligen Zyklen einer Batterie, die dem Entladeprozess A, B bzw. C unterworfen war.
11 zeigt eine Kennlinie einer Entladekurve der Batterie, die in einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
12 zeigt eine Kennlinie von Wirkungen der Temperatur auf die Spannung der Batterie, die in dieser Ausführungsform verwendet wird.
13 zeigt ein Diagramm von Entlade-Betriebsarten dieser Batterie.
14 zeigt ein Diagramm einer Beziehung zwischen der Spannung und der verbleibenden Kapazität dieser Batterie.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nunmehr wird ein Verfahren zur Erfassung des Betriebszustands von Batterien in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch Beispiele unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
In der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren erläutert, das geeignet ist, den Abfall der Kapazität von wiederaufladbaren Batterien mit nicht-wässerigem Elektrolyten aufgrund einer Beeinträchtigung zu ermitteln, und zwar selbst dann, wenn die Batterien unterschiedlichen Lade- und Entladebedingungen unterworfen waren. Die Erfassung erfolgt auf Grundlage eines Verringerungsausmaßes der Ausgangsspannung der Batterie, das beobachtet wird, wenn die Batterie mit konstantem Strom entladen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wurden Experimente mit Lithiumbatterien ausgeführt, die durch Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (Modell CGR17500; empfohlene obere Ab schaltfrequenz 4,1 V, untere Abschaltfrequenz 3,0 V; Nenn-Entladekapazität 720 mAh) hergestellt werden. Die Batterien wurden Lade-/Entlade-Zyklus-Tests bei unterschiedlichen Entladebedingungen unterworfen, die in der Tabelle 1 angeführt sind. Die Batteriespannung wurde vor dem Test und nach 300 Zyklen, 500 Zyklen bzw. 700 Zyklen gemessen.
TABELLE 1
1-1. Batterie-Lade-/Entlade-Zyklus-Test
Die Batterien wurden für insgesamt 2 Stunden in Übereinstimmung mit der empfohlenen Ladeprozedur für die Batterien dieser Art (ein Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladevorgang) geladen, demnach ein konstanter Strom von 500 mA den Batterien bis hin zu 4,1 V zugeführt wurde, woraufhin ein Strom so zugeführt wurde, dass diese Spannung beibehalten wurde. Beim Entladen wurden andererseits drei unterschiedliche Strombetriebsarten A, B bzw. C angewendet. Mit sämtlichen Batterien wurde der Entladevorgang bei 3,0 V gestoppt. Diese Tests wurden sämtliche in einem Thermostaten ausgeführt, der auf 20°C gehalten wurde. Die Ergebnisse sind in 1 gezeigt.
In 1 ist auf der Ordinate die Entladekapazität aufgetragen und auf der Abszisse ist die Anzahl von Lade-/Entlade-Zyklen aufgetragen. Aus 1 geht hervor, dass der Beein trächtigungsgrad der Entladekapazität abhängig vom Entladestromwert unterschiedlich ist.
1-2. Messung des Beeinträchtigungsparameters
Derartig geladene Batterien wurden kontinuierlich für eine Sekunde mit 0,1 A, 0,5 A, 1 A, 2 A, 2,5 A, 3 A, 4 A bzw. 5 A entladen, bevor sie nach 300 Zyklen und nach 500 Zyklen eines Lade-/Entlade-Vorgangs in Übereinstimmung mit dem Verfahren C in Tabelle 1 einem Lade-/Entlade-Zyklus unterworfen wurden. Nach jedem zweiten Entladevorgang wurden Messungen bezüglich des Spannungsabfalls ausgehend von dem Pegel, der bei Beendigung des Ladevorgangs gemessen wurde, vorgenommen. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. Aus 2 geht hervor, dass der Spannungsabfall bei Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus selbst dann größer wurde, wenn derselbe Strom angelegt worden war. Hieraus folgt eine quadratische Funktion als Bezugsausdruck zwischen dem Ausmaß des Spannungsabfalls und dem Stromwert, berechnet durch Regressionsanalyse unter Verwendung der gewonnenen Daten: ΔV = ai2 + bi + cwobei ΔV das Ausmaß an Spannungsabfall ist, und wobei i ein Stromwert ist.
Die Koeffizienten "a", "b" und "c" des berechneten Beziehungsausdrucks sind in der Tabelle 2 in Form von Zahlen angegeben.
TABELLE 2
In 3 ist die Beziehung zwischen den Parametern "a" und Entladekapazitäten aufgetragen, die bei den jeweiligen Zyklen gewonnen wurden. Wie in 3 gezeigt, sind die vier Punkte im wesentlichen auf einer geraden Linie aufgetragen. Approximiert durch die Methode mit kleinsten Quadraten wird die Entladekapazität C in der nachfolgenden linearen Gleichung mit dem Parameter "a" als Variable ausgedrückt: C [mAh] = 680 – 490 × a
Die in Übereinstimmung mit dem Prozess A und dem Prozess B entladenen Batterien wurden in derselben Weise untersucht, und die Parameter "a" wurden erarbeitet. Die Ergebnisse sind in 4 und 5 gezeigt.
Die Entladekapazität unterscheidet sich üblicherweise stark, abhängig vom Stromwert. Außerdem wird bemerkt, dass die Batterien natürlich einen unterschiedlichen Beeinträchtigungs grad, abhängig von den Lade- und Entladebedingungen nach Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus aufweisen. Aus einer Kombination von 3, 4 und 5 geht jedoch hervor, dass die Entladekapazität C der Batterien aus einer Gleichung ermittelt werden kann, welche die tatsächliche Messung des anfänglichen Entladestroms und des Parameters "a" in der vorliegenden Ausführungsform wie folgt selbst dann enthält, wenn die Batterien Lade-/Entlade-Zyklen unter unterschiedlichen Entladebedingungen ausgesetzt worden sind: C [mAh] = anfängliche Kapazität – 500 × a
Es erübrigt sich darauf hinzuweisen, dass die vorstehend genannte Gleichung ausschließlich auf Lithiumionen-Batterien derjenigen Art anwendbar ist, die in dieser Ausführungsform verwendet werden. Der Parameter "a" kann jedoch in ähnlicher Weise für andere Arten von Lithiumbatterien und andere wiederaufladbaren Batterien mit nicht-wässerigem Elektrolyten erarbeitet werden. Aus dem Parameter "a" kann das Leistungsvermögen der Batterie zu diesem Zeitpunkt abgeschätzt bzw. ermittelt werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Diese Ausführungsform verdeutlicht ein Beispiel des Verfahrens zum quantitativen Erfassen des Beeinträchtigungsgrads einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten zur Erreichung eines spezifischen Werts, wenn die Batterie mit einem großen Strom geladen bzw. entladen wird. In dieser Ausführungsform wurden Lithiumionen-Batterien desselben Modells verwendet, das in der Ausführungsform 1 verwendet wurde.
Das Laden und Entladen in Übereinstimmung mit dem Verfahren C wurde wiederholt. Vor der Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus und nach 100, 300, 500 und 700 Zyklen wurden die Batterien mit einem konstanten Strom von 4,9 A entladen und das Spannungsabfallverhalten der Batterie zu diesem Zeitpunkt wurde untersucht. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt.
Wie in 6 dargestellt, verläuft der Spannungsabfall beschleunigt bei einer Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus. Die Zeit, die erforderlich ist, dass die Batteriespannung auf 1,0 V fällt, wurde als Zeitfaktor T gemessen. Die Beziehung zwischen dem Zeitfaktor T und der Entladekapazität ist in 7 gezeigt. Die Ladekapazität kann in kubischer Funktion mit dem Zeitfaktor T als Variable approximiert werden.
Die Batterien, die in Übereinstimmung mit dem Prozess A entladen werden und mit dem Prozess B, wurden ebenfalls in derselben Weise untersucht, und die Zeitfaktoren T wurden erarbeitet. Die Ergebnisse sind in 8 und 9 gezeigt.
Sämtliche Daten sind in 10 aufgetragen. Die Entladekapazität ist üblicherweise stark unterschiedlich, abhängig vom Stromwert. Nach Wiederholung des Lade-/Entlade-Zyklus besaßen die Batterien selbstverständlich unterschiedlichen Beeinträchtigungsgrad, abhängig von den Lade-/Entlade-Bedingungen. 10 zeigt jedoch, dass es möglich ist, die Entladekapazität C bzw. des Batterieleistungsvermögens zu diesem Zeitpunkt in der folgenden Gleichung konsistent zu erfassen, und zwar selbst dann, wenn die Batterien unterschiedlichen Lade-/Entlade-Zyklen unterworfen waren: C [mAh] = aT3 + bT2 + cT + dwobei a = 0,066, b = –4,0, c = 86 und d = 19
Die verwendete Gleichung zur Erfassung der Entladekapazität in diesem Verfahren ist ein kubischer Ausdruck. Es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, dass durch Erhöhen der Dimension und Wählen des Parameters zur Verbesserung der Präzision beim Ermitteln der Kapazität führen kann.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
In dieser Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ermittlung einer Restkapazität bzw. verbleibenden Kapazität einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten erläutert.
In dieser Ausführungsform wurde der Stromverbrauch geändert, um einen praktischen Einsatz eines Zellentelefons zu simulieren und die Batteriespannung wurde immer dann ermittelt, wenn der Stromverbrauch geändert war. Messungen erfolgten in der nachfolgend erläuterten Weise.
Der in diesem Experiment verwendete Batterie-Typ war eine quadratische Lithiumionen-Batterie (Modell Nr. FJA; Nenn-Spannung 3,6 V, Nennkapazität 600 mAh) für ein Zellentelefon (Modell P201 Hyper), wobei sowohl die Batterie wie das Zellentelefon durch Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. hergestellt wird.
In dem Entladeprozess für diesen Test wurde der Entladestrom mit zwei Modi gewählt. Der eine beträgt 300 mA zur Simulierung der maximalen Betriebszeit für das Zellentelefon bzw. 2 Stunden (600 mAh/2 Stunden = 300 mA) und der andere beträgt 3,5 mA zur Simulierung der maximalen Wartezeit bzw. 170 Stunden (600 mAh/170 Stunden = 3,5 mA). Der Betriebszustand, unter dem die Batterie bei 300 mA für 20 Minuten entladen wird, und dass im Wartezustand die Batterie mit 3,5 mA für eine Stunde entladen wird, wurde abwechselnd wiederholt. Die Batteriespannung wurde unmittelbar vor und nach jedem Entladevorgang mit 300 mA erfasst.
Bei der Ermittlung der Batteriespannung wurde die geschlossene Stromkreisspannung der Batterie ausgelesen, wenn der Entladestrom vorübergehend auf 60 mA für 5 Sekunden geändert wurde, während das Entladen der Batterie mit 300 mA bzw. 3,5 mA in dem vorstehend genannten Prozess erfolgte. Der derart gewonnene Spannungswert wurde mit einer im voraus vorbereiteten Spannungsrestkapazität-Korrelationstabelle korreliert bzw. in Beziehung gesetzt, und die verbleibende Kapazität wurde ermittelt. Nachdem die Spannung erfasst worden war, wurde der Entladestromwert auf den ursprünglichen Pegel rückgestellt.
Die Prozedur zum Vorbereiten der Spannungsrestkapazität-Korrelationstabelle wird nunmehr erläutert.
11 zeigt die Beziehung zwischen der Entladekapazität und der Spannung der Batterie. In 4 wurden die Batterien vorausgehend für 2 Stunden mit einem konstanten Strom von 420 mA zunächst bis zu einer Batteriespannung bis hin zu 4,1 V geladen, woraufhin die Spannung auf diesem Pegel gehalten wurde. Der Entladevorgang wurde mit einem konstanten Strom von 60 mA bei Umgebungstemperaturen von 45°C, 20°C bzw. 0°C bewirkt.
Wie in 11 gezeigt, verhält sich die Batteriespannung unterschiedlich abhängig von der Umgebungstemperatur. Wenn die Batteriespannung beispielsweise 3,8 V beträgt, beträgt die Entladekapazität 120 mAh bei einer Umgebungstemperatur von 0°C, d. h., die Restkapazität beträgt 480 mAh, und 180 mAh bei einer Umgebungstemperatur von 45°C, d. h., die Restkapazität beträgt 430 mAh. Dieses Ergebnis zeigt an, dass der Fehler bezüglich der Restkapazität bzw. verbleibenden Kapazität aufgrund der Temperaturdifferenz (480 – 430) [mAh]/600[mAh] beträgt, d. h., etwa 10% der Nennkapazität. Mit anderen Worten kann die Restkapazität der Batterie nahezu exakt ohne jegliche Temperaturkompensation erfasst werden durch Verwenden der Batterierestkapazitäts-Korrelationstabelle, in welcher der Spannungsbereich in gleiche zehn Teile, jeweils entsprechend der Restkapazität 100%, 90%, 80%, ..., 10% bzw. 0 auf Grundlage der 11 unterteilt ist.
Wie vorstehend angezeigt, ist der durch die Temperaturdifferenz hervorgerufene Fehler klein, wenn der Entladestrom 60 mA beträgt. Wenn die Entladespannung größer wird, wird hingegen der Fehler beträchtlich größer, wie in 12 gezeigt. In 12 ist auf der Abszisse der Entladestrom aufgetragen, während auf der Ordinate der Wert in Prozent aufgetragen ist, der gewonnen wird durch Teilen der Differenz zwischen der Restkapazität bei 45°C und 0°C, wenn die Batteriespannung 3,8 V beträgt, durch die Nominalkapazität von 600 mAh. 12 zeigt, dass, wenn der Entladestrom nicht höher als 120 mA bzw. C/5 mA ist, wenn die Nominalkapazität C mAh beträgt, der durch die Temperaturdifferenz hervorgerufene Fehler ungefähr 10% beträgt. Wenn hingegen ein Strom, größer als im vorstehend genannten Bereich fließt, wird der Fehler größer. Wenn die benötigte Genauigkeit im praktischen Einsatz 10% beträgt, darf der Stromwert nicht höher als C/5 mA sein. Es erübrigt sich darauf hinzuweisen, dass dann, wenn die Temperatur überwacht wird und die Spannung durch die Temperatur der Batterie kompensiert wird, die Restkapazität hochgenau konstant erfasst werden kann. Dies würde jedoch bedeuten, dass das Batteriepaket groß ist, und es würde außerdem die Kosten des Geräts erhöhen.
Ein Experiment zur Erfassung der Restkapazität einer aufladbaren Batterie wurde in der Entladebetriebsart ausgeführt, um die Verwendung des vorstehend genannten Zellentelefons zu simulieren. Die Entladebetriebsart ist in 13 gezeigt. In diesem Experiment wurden die Batterien zunächst geladen und daraufhin entladen für 20 Minuten bei 300 mA, was einem Stromverbrauch in der Betriebsart als Telefon entspricht, und für etwa 3 Stunden bei 3,5 mA, was dem Wartezustand entspricht. Diese Kombination von Entladebetriebsarten wurden wiederholt. Zu den Zeitpunkten bzw. Zeiten t₁ bis t₇ unmittelbar nach der jeweiligen Entladung für 20 Minuten bei 300 mA wurden die jeweiligen Batterien für 5 Sekunden mit einem konstanten Strom von 60 mA entladen. Daraufhin wurden die Batteriespannungen V₁ bis V₇ gemessen. Zu den Zeitpunkten bzw. Zeiten t₁' bis t₇' unmittelbar nach dem jeweiligen Entladen der drei Stufen bei 3,5 mA wurden die jeweiligen Batterien in ähnlicher Weise für 5 Sekunden mit einem konstanten Strom von 60 mA entladen, woraufhin die Batteriespannungen gemessen wurden. Die Differenz zwischen dem gewonnenen Spannungswert in jeder Messung und dem Wert (dem jeweiligen Wert V₁ bis V₇) unmittelbar vor den jeweiligen Zeiten bzw. Zeitpunkten betrug etwa 10 mV. Dieser Zyklus wurde wiederholt, bis die Batteriespannung auf 3,0 V gefallen war. Da die Span nung dieses Batterie-Typs stark abnimmt, nachdem die Restkapazität unter 10% gefallen ist, wurden die letzten zwei Entladevorgänge mit 300 mA auf 10 Minuten nach diesem Punkt verkürzt, wie in 13 gezeigt.
Das Verhalten der Batteriespannungen (V₁ bis V₇) in Bezug auf die Restkapazität ist in 14 gezeigt. Es wird bemerkt, dass die Restkapazität erarbeitet wurde durch Rückwärtszählen der Zeit bei verbleibender Kapazität von 0, wenn die Batteriespannung auf 3,0 V in 14 gefallen war.
Aus den aus 14 gewonnenen Ergebnissen wurden die Restkapazitäten von 0 bis 100% in 10 gleiche Teile mit einem 10%-Bereich unterteilt. Diese wurden daraufhin an die Spannungsmessungen angepasst, um die Tabelle 3 zu erstellen.
TABELLE 3
Unter Verwendung der Tabelle 3 kann die Restkapazität der Batterie mit einer 10%-Einheit bzw. Genauigkeit ermittelt werden.
Die Erfassung der Restkapazität wie vorstehend angeführt kann durch eine einfache Anordnung konfiguriert werden.
Wenn im praktischen Einsatz die Bedienperson eine Taste zur Erfassung der Restkapazität drückt, die in dem Gerät vorgesehen ist, entlädt die Batterie mit einem konstanten Strom von 60 mA für eine festgelegte Zeit, woraufhin die geschlossene Stromkreisspannung der Batterie gemessen wird. Die durchgeführte Spannungsmessung wird mit der Korrelationstabelle (Tabelle 3) korreliert bzw. abgestimmt, die in dem Speicher in dem Gerät abgelegt ist. Die derart gewonnene Restkapazität bzw. verbleibende Kapazität wird daraufhin an der Anzeige für die Bedienperson angezeigt.
Die Restkapazitätserfassung durch Erfassung der Batteriespannung erfolgte bislang durch Messen der Batteriespannung ungeachtet des Betriebszustands des Geräts. Wenn der Entladestrom sich von 300 mA auf 3,5 mA ändert, steigt die geschlossene Kreislaufspannung der Batterie auf etwa 200 mA, wie in 14 gezeigt. Dadurch kann die Restkapazität exakt ermittelt werden, indem einfach die geschlossene Stromkreisspannung der Entladebatterie gemessen wird, da dieses sich zwischen der Betriebsart und der Wartebetriebsart bzw. Bereitschaftsbetriebsart unterscheidet.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Batterie-Restkapazität präzise ungeachtet des Betriebszustands des Geräts durch Entladen der Batterie mit konstantem Strom wie in dieser Ausführungsform erfasst werden. Wenn der Stromverbrauch des Geräts im Betrieb kleiner als der Entladestrom ist, kann das Gerät ungehindert genutzt werden. Im Fall des Zellentelefons kann die Bedienperson beispielsweise telefonieren. Wenn der Stromverbrauch des Geräts im Betrieb größer als der Entladestrom zum Zeitpunkt der Spannungserfassung wie in dieser Ausführungsform ist, kann das Gerät für ein Telefongespräch betrieben werden durch Bereitstellen einer Bereitschaftsstromquelle in dem Gerät, die sofort geladen und entladen werden kann, wie etwa durch einen elektrischen Doppelschichtkondensator.
In der vorstehend angeführten Ausführungsform sind Verfahren zur Erfassung der Restkapazität eines speziellen Typs einer Lithiumionen-Batterie erläutert worden. In anderen Typen von Lithiumionen-Batterien und aufladbaren Batterien mit nicht-wässerigem Elektrolyten kann die Restkapazität bzw. verbleibende Kapazität in derselben Weise ermittelt werden, wenn eine Entladekurve wie in 11 vorbereitet wird und der Stromwert und die Entlade-(Lade-)Zeit geeignet gewählt werden.
Wenn im praktischen Einsatz ähnliche Korrelationstabellen für mehrere Typen von Batterien in dem Speicher in dem Gerät im vornherein gespeichert sind und der Nutzer den Batterie-Typ auswählen kann, kann die Restkapazität korrekt ermittelt werden, wenn eine andere Batterie verwendet wird.
Wie vorstehend ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung geeignet, den Beeinträchtigungsgrad bzw. die Restkapazität einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektro lyten durch einen einfachen Test zu ermitteln ungeachtet der bisherigen Lade- und Entlade-Historie.

Claims

Verfahren zur Erfassung des Verschlechterungsgrads einer wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten, bei welchem der Betriebszustand der Batterie quantitativ auf Grundlage eines Spannungswerts der Batterie ermittelt wird, wenn die Batterie mit einem konstanten Strom geladen bzw. entladen wird, gekennzeichnet durch die Schritte: Messen der Spannungswerte der Batterie, während die Batterie mit mehreren konstanten Strömen geladen und entladen wird, die sich voneinander unterscheiden; und Ausarbeiten eines Beziehungsausdrucks zwischen dem Spannungswert und dem Stromwert durch Regressionsanalyse unter Verwendung der Spannungswerte, die in dem vorausgehenden Schritt gewonnen werden, und der Stromwerte, und wobei der Beeinträchtigungsgrad der Batterie quantitativ auf Grundlage eines Koeffizienten des Beziehungsausdrucks erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Beziehungsausdruck durch die folgende quadratische Funktion gegeben ist, in welcher die Batteriespannung V beim Laden bzw. Entladen mit einem konstanten Strom der Batterie durch den Stromwert i als Variable ausgedrückt ist: V0 – V = ai2 + bi + c wobei V₀ eine Anfangsspannung der Batterie ist, und wobei der Beeinträchtigungsgrad der Batterie auf Grundlage des Koeffizienten "a" erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Beeinträchtigungsgrad der Batterie auf Grundlage der erfassten Entladekapazität C_a ermittelt wird, die durch Einsetzen des Koeffizienten "a" in folgende Gleichung gewonnen wird: Ca = k1 – ak2 wobei k₁ und k₂ vorbestimmte charakteristische Werte sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Beeinträchtigungsgrad der Batterie auf Grundlage einer Zeit T erfasst wird, die erforderlich ist, damit eine Spannung der Batterie einen spezifischen Wert erreicht, während die wiederaufladbaren Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten geladen bzw. entladen wird mit einem großen Strom, der nicht niedriger als 5C mA ist, wenn eine Ein-Stunden-Nennkapazität der Batterie C mAh beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Beeinträchtigungsgrad der Batterie auf Grundlage einer ermittelten Entladekapazität C_b erfasst wird, die durch Einsetzen der Zeit T in folgende Gleichung gewonnen wird:
wobei i eine natürliche Zahl von 1 bis n ist, und wobei k₁ ein charakteristischer Wert ist, der vorausgehend durch den Stromwert, die Abschaltspannung und dem Batterie-Typ ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Restkapazität der Batterie auf Grundlage einer geschlossenen Stromkreisspannung der Batterie ermittelt wird, wenn die Batterie für eine spezifische Zeit mit einem konstanten Stromwert geladen bzw. entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Restkapazität der Batterie dadurch erfasst wird, dass die geschlossene Kreislaufspannung mit einer vorausgehend vorbereiteten Batteriespannungs-Restkapazitäts-Korrelationstabelle in Beziehung gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Konstantstromwert zum Laden bzw. Entladen nicht höher als C/5 mA ist, wenn die Nennkapazität der Batterie C mAh beträgt.