JP2008014710A - 電池残量検知装置、電池残量検知方法及び電池式駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の残量をより正確に検知することを可能にする。
【解決手段】本発明の電池残量検知装置１０は、電池２１に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加する手段２２と、電池２１に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池２１の振動を測定する手段３１と、電池２１の振動の測定結果から電池２１の残量を判定する手段３２と、を備える。この電池残量検知装置１０では、開放電圧や充電量及び放電量を利用しないため、電池残量を正確に検知することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池の残電気量（以下、単に残量という。）を検知する技術に関する。詳しくは、電池に交流電流又は交流電圧を印加し、電池の状態変化を把握することで電池の残量を判定する技術に関する。

電池の残量を検知する技術は、従来から数多く提案されている。例えば、電池の充電量と放電量を測定し、測定した充電量と放電量から電池の残量を判定する方法や、電池の開放電圧を測定し、測定した開放電圧から電池の残量を判定する方法等がある。前者の方法では、充電電流を積算して充電量を測定し、また、放電電流を積算して放電量を測定するため、累積誤差によって検出精度が低下するという問題がある。一方、後者の方法では、電池が分極状態にある場合、電池の開放電圧が分極の影響を受け、電池残量を正確に検出できないという問題がある。そこで、電池の分極の影響を受けることなく電池残量を検出するための技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に開示された技術では、まず、電池に交流電圧又は交流電流を印加し、電池に生じた分極状態を解消する。次に、電池に交流電圧又は交流電流を印加したときに電池に流れる交流電流又は電池に発生する交流電圧を測定し、測定結果から二次電池のインピーダンスを算出し、算出したインピーダンスから電池の劣化状態を判定する。最後に、電池への交流電圧又は交流電流の印加を停止し、印加を停止してから所定時間だけ経過した時の電池電圧（開放電圧）を測定し、測定された開放電圧から電池残量を判定する。この際、電池の劣化状態に応じて電池残量を補正する。この技術では、電池の分極状態が解消された後に電池の開放電圧を測定するため、安定して電池の残量を測定することができるとされている。

特開２００４−３０１７２４号

ところで、電池は充放電を繰返すことによって劣化し、劣化に応じて電池の開放電圧も変化する。このため、特許文献１の技術では、インピーダンスによって電池の劣化状態を判定し、その判定結果に応じて電池残量を補正する。しかしながら、電池のインピーダンスを用いて電池の劣化状態を判定する方法は、電池の劣化状態を推定しているにすぎず、電池の劣化状態を正確に判定するものではない。また、電池の開放電圧から電池残量を判定する方法も、電池の残量を推定しているにすぎず、電池残量を正確に判定するものでもない。したがって、開放電圧から電池残量を判定し、その電池残量をインピーダンスから判定した劣化状態に応じて補正しても、電池残量を正確に検知することにはならない。一方、電池の充電量と放電量から電池残量を検知する方法では、電池の劣化による検出精度の低下の問題は生じないが、上述したように累積誤差が生じるため、電池の残量を正確に検知することはできない。現在のところ、電池残量を正確に検知する技術は確立されていない。

本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、電池残量をより正確に検知することができる技術を提供することである。

本発明の電池残量検知装置は、電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加する手段と、電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定する手段と、電池の振動の測定結果から電池の残量を判定する手段を備える。
この装置では、電池残量をより正確に検知するため、開放電圧や充電量及び放電量を利用することなく、電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動状態によって電池残量を検知する。すなわち、電池に交流電流又は交流電圧を印加すると、電極体が振動して電池が振動する。本発明者は、電池の振動状態が電池残量によって変化することを発見した。電池残量による電池の振動状態の変化は、電極体の体積が電池残量によって変化することに起因すると推定される。この装置では、電池の振動と電池残量の相関関係を利用して電池残量を判定する。開放電圧や充電量及び放電量を利用しないため、電池残量を正確に検知することができる。

電池に印加する交流電流又は交流電圧は、対象となる電池に応じた周波数に調整されていることが好ましい。電池の種類や形状等が変わると、電池の振動状態の相違が顕著に表れる交流電流又は交流電圧の周波数も異なることが多い。そのため、電池に印加する交流電流又は交流電圧の周波数を電池に応じて調整することで、電池残量による電池の振動状態の相違が顕著となり、電池残量を正確に検知することができる。
交流電流又は交流電圧の周波数の調整は、例えば、以下の手順で行うことができる。
（１）電池残量が既知であり、異なる電池残量を有する複数の電池を用意する。
（２）上記複数の電池に周波数の異なる交流電流又は交流電圧を印加する。
（３）交流電流又は交流電圧が印加された電池の振動を測定する。
（４）交流電流又は交流電圧の各周波数での電池残量と電池の振動状態の相関を調べる。
（５）周波数毎に得られた電池残量と電池の振動状態の相関から、電池の振動状態の相違が最も顕著に表れる周波数を特定する。

上記振動測定手段は、電池の振動数及び／又は振動強度を測定することが好ましい。
電池残量による電極体の振動状態の変化は、電池の振動数及び／又は振動強度に顕在化し易い。このため、電池の振動状態として、その振動数及び／又は振幅強度を測定することにより、より正確に電池の残量を判定することができる。

上記電池は、正負一対の電極体を収容するケーシングを備えており、そのケーシングには所定の荷重が付与されていることが好ましい。
電池に荷重を付与することで、電池の振動強度を大きくすることができる。そのため、電極体の振動による電池の振動が正確に測定され、電池残量をより正確に測定することができる。

さらに、本発明は、電池の残量を検知することのできる新規な方法を提供する。すなわち、本発明の電池残量検知方法は、電池の残量を検知する電池残量検知方法であって、電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加するステップと、電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定するステップと、電池の振動の測定結果から電池の残量を判定するステップを有する。
この方法においても、電池の振動を測定することによって、電池残量を正確に検知することができる。

また、本発明の電池残量を検知する技術は、二次電池を電源とする電池式駆動装置に用いることができる。すなわち、本発明の電池式駆動装置は、二次電池から供給される電力によって駆動される駆動部を有する電池式駆動装置において、二次電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加する手段と、二次電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定する手段と、二次電池の振動の測定結果から二次電池の残量を判定する手段を備える。
従来の電池残量検知装置は、電池残量を大まかに推定することはできても、正確に検知することはできなかった。そのため、二次電池の電力がいつなくなる（すなわち、駆動装置がいつ停止する）かを正確に判断することはできなかった。二次電池が自動車等の駆動装置の駆動に利用されている場合、二次電池の電力がなくなる前（駆動装置が停止する前）に充電等の処置を行う必要がある。したがって、従来の電池式駆動装置では、二次電池は、その電気容量にある程度の余裕を残して使用されている。つまり、二次電池の容量がなくなり駆動装置が突然停止することを避けようとすると、電池の持つ性能を充分に発揮することができない。しかしながら、本発明の電池残量検知技術を用いることで、電池の残量をより正確に検知することができる。そのため、電池が有する電池容量を有効に利用することができる。

上記電池式駆動装置では、印加手段が駆動部を制動する際の回生制動により発電して二次電池を充電する発電機を有することができる。この場合、回生制動により発電した回生電力の少なくとも交流成分が二次電池に印加されることが好ましい。
この構成では、発電機が発生した回生電力の交流成分を二次電池に印加することで、二次電池の電池残量を検知することができる。また、回生制動により発電した回生電力の直流成分を二次電池に印加するようにしてもよい。回生電力の直流成分を二次電池に印加することで、二次電池を充電することができる。

上記電池式駆動装置は、二次電池と発電機の間に介装されたフィルタコンデンサをさらに有しており、発電機からの回生電力の少なくとも交流成分をフィルタコンデンサを介して二次電池に印加するようにしてもよい。
発電機からの回生電力の交流成分をフィルタコンデンサを介して二次電池に印加するため、フィルタコンデンサの容量を調整することで、二次電池に印加される交流成分の強度を調整することができる。二次電池に印加される交流成分の強度を調整することで、電池残量による電池の振動状態の変化をより顕在化することができる。

上記電池式駆動装置は、二次電池と発電機との間に介装されたフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサをバイパスして二次電池と発電機とを接続するバイパス回路と、をさらに有しており、駆動部を制動する場合において、（１）二次電池を充電するときは、発電機からの回生電力がフィルタコンデンサを通って二次電池に印加され、（２）二次電池の残量を判定するときは、電動機からの回生電力がバイパス回路を通って二次電池に印加されるようにしてもよい。
二次電池を充電する場合は、発電機からの回生電力がフィルタコンデンサを通ることで、回生電力から交流成分の少なくとも一部が除去され、交流成分が除去された回生電力が二次電池に供給される。したがって、二次電池を充電する際には、二次電池の振動が抑えられる。一方、二次電池の残量を判定する場合は、発電機からの回生電力がバイパス回路を通ることで、回生電力の交流成分が二次電池に供給される。このように、二次電池の充電時と残量検知時とで回生電力の供給経路を分けることで、二次電池の充電及び残量判定をより好適に実施することができる。

下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について列記する。
（形態１） 電池のケーシングの外周部には、ケーシングを拘束する拘束部材を配する。電池残量計測時には、拘束部材よりケーシングに対して所定の荷重が加えられる。
（形態２） 電池残量を判定する手段は、電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加した場合の電池残量と電池の振動の相関を示すデータを有する。
（形態３） 電池残量を判定する手段は、測定された電池の振動と、電池残量と電池の振動の相関を示すデータを比較することで、電池残量を判定する。

本発明を具現化した一実施例に係る電池残量検知装置を、図面を参照して説明する。図１は、電池残量検知装置１０の構成を示すブロック図である。電池残量検知装置１０は、測定対象となる電池２１に交流電流を印加する電流印加部２２と、電池２１の振動を測定して電池２１の電池残量を検知する電池残量検知部３０と、を備える。

まず、測定対象となる電池２１について簡単に説明する。測定対象となる電池２１としては、典型的にはリチウムイオン二次電池が挙げられる。電池２１は、ケーシング２３と、ケーシング２３内に収容された電極体（図示省略）と、ケーシング２３の内外に亘って設けられた正負一対の電極端子２５ａ，２５ｂを有している。
電極体は、正極シートとセパレータと負極シートとセパレータとを積層して得られた単位積層体を、複数単位積層して形成されている。正極シートはアルミニウム箔であり、表裏両面にリチウム二次電池用の正極活物質が塗布されている。負極シートは銅箔であり、表裏両面にリチウム二次電池用の負極活物質が塗布されている。セパレータは、多孔質ポリエチレンシートであり、電解液が含侵している。電極体の体積（厚み）は、電池残量が多くなるほど大きくなり、電池残量が少なくなるほど小さくなる。正極端子２５ａのケーシング内側の端部は、電極体の正極シートに接続されている。負極端子２５ｂのケーシング内側の端部は、電極体の負極シートに接続されている。ケーシング２３の内部には電解液が充填されている。
図２に示すように、ケーシング２３の両側面には、一対の電池拘束部材２４が所定の間隔で配されている。電池拘束部材２４は、ケーシング２３の変形を拘束する。ケーシング２３は、電池２１の残量により体積（膨張率）が変化する。したがって、電池拘束部材２４によって、ケーシング２３に対して２００ｋｇ〜８００ｋｇの荷重が付与されるように電池拘束部材２４の間隔が調整されている。ケーシング２３に作用させる負荷荷重は、電池の種類や使用環境等によって適宜変更することができる。一方の電池拘束部材２４の上面には、加速度ピックアップ２６が取付けられている。
なお、電池残量検知装置１０で電池残量を測定可能な電池としては、リチウムイオン二次電池以外にも、ニッケル・カドミウム二次電池、ニッケル・水素二次電池等の二次電池や、マンガン一次電池、アルカリ一次電池、リチウム一次電池等の一次電池がある。

電流印加部２２は、所定の周波数の交流電流を発生し、発生した交流電流を電池２１に供給する。電流印加部２２は電極端子２５ａ，２５ｂに接続されており、電流印加部２２で発生した交流電流は電極端子２５ａ、２５ｂに印加される。電流印加部２２には、様々な交流電流発生装置を使用することができる。例えば、所定の周波数の交流電流を発生する発電機を用いることができ、あるいは、特定の周波数の交流電流を発生する電源にＡＣ／ＡＣコンバータ等を接続し、ＡＣ／ＡＣコンバータで所定の周波数に変換するようにしてもよい。

電池残量検知部３０は、振動測定部３１と電池残量判定部３２とモニタ３３によって構成されている。
振動測定部３１は、電池拘束部材２４に取付けられた加速度ピックアップ２６（図２参照）に接続されている。振動測定部３１には加速度ピックアップ２６からの信号が入力する。振動測定部３１は、加速度ピックアップ２６から入力する信号を解析し、電池拘束部材２４（すなわち、電池２１）の振動状態［振動周波数と振動強度（加速度）］を測定する。振動測定部３１には、公知の種々の振動計を用いることができ、さらに、振動波形を観察するオシロスコープ等を用いることもできる。また、振動を検知するセンサには、加速度ピックアップ２６以外にも種々のセンサ（接触式、非接触式の加速度センサ等）を用いることができる。なお、加速度ピックアップ２６（センサ）の信号は、振動測定部３１に入力される前にチャージアンプ等を用いて増幅してもよい。

電池残量判定部３２は、振動測定部３１で測定された電池２１の振動状態（振動周波数及び／又は振動強度）に基づいて電池残量を判定する。具体的には、電池残量判定部３２には、電池２１に所定の周波数の交流電流（すなわち、電流印加部２２が電池２１に印加する交流電流と同一の周波数の交流電流）を印加したときの（ａ）電池２１の振動状態（振動周波数及び／又は振動強度）と（ｂ）電池２１の電池残量との相関関係を表す相関データが予め格納されている。電池残量判定部３２は、振動測定部３１から電池２１の振動状態（振動周波数及び／又は振動強度）が入力されると、その入力された振動状態（振動周波数及び／又は振動強度）と上記相関データから電池２１の残量を決定（判定）する。すなわち、入力された振動状態（振動周波数及び／又は振動強度）と対応する電池残量を上記相関データから特定し、特定した電池残量を電池２１の残量とする。このようにして得られた電池２１の残量はモニタ３３に出力される。なお、電池残量判定部３２は、例えば、コンピュータによって構成することができる。

図３は、電池残量（蓄電率）を１０％と６０％に調整した電池２１に対して、印加する交流電流の周波数を４〜１０ｋＨｚの範囲で変化させたときの電池２１の振動周波数及び振動強度（振動加速度）を測定した実験結果の一例を示している。図３に示すように、印加する交流電流の周波数を６〜８ｋＨｚとすると、電池残量の相違に応じて振動強度（振動加速度）に大きな差が表れ、振動周波数には大きな差が表れなかった。したがって、実験に用いた電池２１（リチウムイオン二次電池）に対しては、電流印加部２２から電池２１に印加する交流電流の周波数を６〜８ｋＨｚとし、振動測定部３１によって電池２１の振動強度を測定することで、電池２１の残量を好適に判断することができる。
ここで、電池の種類や形状等が変わると、電池の振動状態も変化することが多い。したがって、電流印加部２２から測定対象となる電池に印加する交流電流の周波数は、測定対象となる電池の種類や形状に応じて、振動状態の相違が顕著に表れる周波数を選定することが好ましい。また、電池残量の判定には、測定対象となる電池の種類や形状に応じて、電池残量による相違が顕著に表れる指標（例えば、振動周波数及び／又は振動強度）を適宜選定することが好ましい。
なお、印加する交流電流の周波数の選定及び測定する指標の選定は、例えば、下記の手順で行うことができる。すなわち、（１）異なる電池残量を有する複数の電池を用意する。（２）用意した各電池に周波数の異なる交流電流又は交流電圧を印加する。（３）交流電流又は交流電圧が印加された電池の振動を測定する。（４）交流電流又は交流電圧の各周波数での電池残量と電池の振動状態の相関を調べる。（５）周波数毎に得られた電池残量と電池の振動状態の相関から、電池の振動状態の相違が最も顕著に表れる周波数及び指標を選定する。

次に、電池残量検知装置１０による電池２１の残量の検知方法の一例について図４を参照して説明する。
まず、測定対象となる電池２１を電池拘束部材２４で拘束し、電池２１の電極端子２５ａ，２５ｂに電流印加部２２を接続する。次に、電流印加部２２から電池２１に交流電流を印加する（ステップＳ１）。このとき、電池２１に印加される交流電流は、上述した手順によって選定された周波数とされている。所定の周波数の交流電流が電池２１に印加されると、電池２１は振動する。電池２１の振動は加速度ピックアップ２６で検知され、加速度ピックアップ２６からの信号は振動測定部３１に入力される。振動測定部３１は、入力された信号から振動周波数及び／又は振動強度（振動加速度）を測定する（ステップＳ２）。測定された振動周波数及び／又は振動強度（振動加速度）は、電池残量判定部３２に入力される。電池残量判定部３２は、予め測定された電池２１の振動周波数及び／又は振動強度（振動加速度）と残量の関係（すなわち、相関データ）と、測定された電池２１の振動周波数及び／又は加速度とを比較し（ステップＳ３）、電池２１の残量を判定する（ステップＳ４）。電池残量判定部３２は、比較結果から判定した電池残量をモニタ３３に出力する（ステップＳ５）。これによって、モニタ３３には電池２１の残量が表示される。

上述した電池残量検知装置１０によると、電池２１の開放電圧や充放電量を用いる代わりに電池２１に交流電流を印加したときの振動と電池残量の相関関係を利用するため、電池残量を正確に検知することができる。特に、電池２１に印加する交流電流の周波数及び測定する電池２１の振動特性が実験結果に基づいて選定されているため、電池２１の残量を精度よく検知することができる。
また、電池２１のケーシング２３の両側面を電池拘束部材２４で挟み込んでケーシング２３の変形を拘束し、これによって、ケーシング２３の両側面に所定の負荷が作用するようになっている。このため、電池２１の電極体に基づく振動を加速度ピックアップ２６で好適に検知することができる。

次に、本発明の電池残量検知装置を搭載した電池式駆動装置１００を、図面を参照して説明する。図５に示すように、電池式駆動装置１００は、電池１０１と、電池１０１に交流電流を印加する電流印加部１０５と、電池１０１からの電力を用いて駆動体１０４を駆動する駆動部１２０と、電池１０１の振動から電池１０１の残量を検知する電池残量検知部１３０とを備える。なお、電池１０１、電流印加部１０５及び電池残量検知部１３０は、既に説明した電池２１、電流印加部２２及び電池残量検知部３０と同様に構成できるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
駆動部１２０は、インバータ１０２とモータ１０３を有している。インバータ１０２の入力側には電池１０１が接続されており、インバータ１０２の出力側にはモータ１０３が接続されている。電池１０１から供給される直流電流はインバータ１０２に入力する。インバータ１０２は、電池１０１から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ１０３に供給する。インバータ１０２からモータ１０３に交流電力が供給されると、モータ１０３が回転し、これによって、モータ１０３に連結された駆動体１０４が駆動される。

この電池式駆動装置１００において電池１０１の残量を検知する際は、電流印加部１０５から電池１０１に交流電流が印加される。電池１０１に交流電流が印加されると電池１０１が振動し、電池１０１の振動は電池残量検知部１３０の振動測定部１０６で測定される。振動測定部１０６は、上述した電池残量検知装置１０と同様に、電池１０１の振動の振動周波数及び振動強度（振動加速度）を測定する。この測定値は、電池残量判定部１０７に入力される。電池残量判定部１０７は、入力された測定値から電池１０１の残量が特定される。電池残量判定部１０７の処理は、上述した電池残量判定部３２と同様の処理であるため、詳細な説明は省略する。検知された電池１０１の残量は、モニタ１０８に出力される。

この電池式駆動装置１００では、電池残量検知部１３０によって電池１０１の残量が検知され、検知された残量がモニタ１０８に表示される。このため、電池式駆動装置１００の使用者は、モニタ１０８に表示される電池残量から、電池１０１に適切なタイミングで充電等の処理を実行することができる。これによって、電池式駆動装置１００の作動中に突然電池１０１の電力がなくなり、電池式駆動装置１００が停止してしまうことを防止することができる。

また、本発明の電池残量検知装置は、回生機構を有する電池式駆動装置に利用することができる。回生機構を有する電池式駆動装置は、駆動体と連結された発電機を有し、駆動体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを電池に充電可能に構成される。このような電池式駆動装置の一例を、図６を参照して説明する。図６に示すように、電池式駆動装置２００は、電池２０１と、駆動体２４０と、電池２０１の電力により駆動体２４０を駆動させる駆動部２１０と、駆動体２４０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを電池２０１供給する充電部２２０と、電池２０１の残量を検知する電池残量検知部２３０で構成されている。駆動部２１０と電池残量検知部２３０は、上述した電池式駆動装置１００の駆動部１２０と電池残量検知部１３０と同一であるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。

充電部２２０は発電機２２１を備えている。発電機２２１は、図示しないクラッチを介して駆動体２４０と連結されている。クラッチによって発電機２２１と駆動体２４０とが連結されると、駆動体２４０の回転が発電機２２１に伝達され、発電機２２１は交流電流を発生する。クラッチによって発電機２２１と駆動体２４０が連結されていない状態では、駆動体２４０の回転が発電機２２１に伝達されず、発電機２２１は発電を行わない。クラッチの切り換えは、自動又は手動で行われる。
発電機２２１は、スイッチ２２４及びフィルタコンデンサ２２２を介して電池２０１に接続され、また、スイッチ２２４及び交流電流制御部２２３を介して電池２０１に接続されている。スイッチ２２４は、発電機２２１をフィルタコンデンサ２２２を介して電池２０１に接続する状態と、発電機２２１を交流電流制御部２２３を介して電池２０１に接続する状態とに切り替える。スイッチ２２４の切換えは、自動又は手動で行われる。
フィルタコンデンサ２２２は、発電機２２１で発生した交流電流から交流成分を除去する。フィルタコンデンサ２２２の容量は充分に大きく、発電機２２１で発生した交流電流のほぼ全ての交流成分を除去することができるようになっている。したがって、発電機２２１がフィルタコンデンサ２２２を介して電池２０１に接続されると、発電機２２１で発生した交流電流の直流成分のみが電池２０１に供給される。
交流電流制御部２２３は、発電機２２１から入力される交流電流を予め設定された周波数の交流電流に変換する。すなわち、電池２０１の電池残量検出に適した周波数の交流電流に変換する。発電機２２１が交流電流制御部２２３を介して電池２０１に接続されると、電池２０１には交流電流が印加される。なお、交流電流制御部２２３には、フィルタコンデンサ２２２と同様のフィルタコンデンサを使用してもよいし、ＡＣ／ＡＣコンバータ等を使用してもよい。また、発電機２２１で発生する交流電流の周波数が電池残量検出に適した周波数である場合（発電機２２１で発生する交流電流の周波数は変更する必要がない場合）には、交流電流制御部２２３としてインピーダンス等を使用してもよい。

上述した電池式駆動装置２００において駆動体２４０を駆動させる場合は、電池２０１で発生した直流電流がインバータ２１１に通電され、インバータ２１１で直流電流から交流電流に変換される。インバータ２１１で変換された交流電流は、モータ２１０ｂに通電されることにより、モータ２１０ｂが駆動され、モータ２１０ｂに連結された駆動体２４０が駆動される。

次に、電池２０１に充電する場合について説明する。電池２０１の充電には、駆動体２４０の運動エネルギーを利用する。すなわち、駆動体２４０が回転している時に、クラッチによって発電機２２１を駆動体２４０に連結する。発電機２２１と駆動体２４０が連結されると、駆動体２４０の回転が発電機２２１に伝達され、発電機２２１は交流電流を発生する。また、電池２０１を充電する場合は、スイッチ２２４は、発電機２２１がフィルタコンデンサ２２２を介して電池２０１に接続された状態に切換える。このため、発電機２２１で発生した交流電流は、スイッチ２２４を通ってフィルタコンデンサ２２２に供給される。フィルタコンデンサ２２２に供給された交流電流は、フィルタコンデンサ２２２によって交流成分が除去されて直流電流となる。フィルタコンデンサ２２２を通過した直流電流は電池２０１に供給され、これによって電池２０１が充電される。

次に、電池２０１の残量（充電量）を検知する場合について説明する。電池２０１の残量を検知する場合も、発電機２２１によって発生した交流電流を利用する。ただし、この場合は、スイッチ２２４は、発電機２２１が交流電流制御部２２３を介して電池２０１に接続された状態に切換える。すなわち、発電機２２１で発生した交流電流は、スイッチ２２４を通って交流電流制御部２２３に供給される。交流電流制御部２２３は、供給された交流電流の周波数を所定の周波数（電池２０１の残量検知に適した周波数）の交流電流に変換する。交流電流制御部２２３で変換された交流電流は、電池２０１に印加される。これにより、電池２０１は振動し、その振動（詳細には、振動周波数及び振動強度（振動加速度））が電池残量検知部２３０の振動測定部２３１によって測定される。振動測定部２３１の測定結果は電池残量判定部２３２に入力され、電池残量判定部２２３は電池２０１の残量を判定する。電池残量判定部２３２の判定結果はモニタ２３３に出力される。

上述した電池式駆動装置２００では、駆動体２４０と連結された発電機２２１を備えることで、駆動体２４０の運動エネルギーを利用して発電し、その発電した電力を電池２０１の充電と残量検知に利用する。このため、電池２０１に貯えられた電気エネルギーを効率的に利用することができる。
また、スイッチ２２４を切り替えることで、電池２０１の充電と残量検知を切替えることができる。このため、電池２０１の残量検知を適宜のタイミングで行うことで、電池２０１の充電の要否を判断することができ、電池２０１に適切なタイミングで充電を行うことができる。特に、電池２０１の残量を正確に検知することができるため、電池２０１の能力を充分に活用することができる（すなわち、電池２０１の残量に余裕を残すように、充電タイミングを決定する必要がなく、電池の性能を充分に利用することができる）。

本発明の電池残量検知装置はハイブリッド自動車に搭載することができる。本発明の電池残量検知装置をハイブリッド自動車に搭載した実施例を図面を参照して説明する。図７は、ハイブリッド自動車３００の駆動伝達系統を模式的に示している。ハイブリッド自動車３００は、エンジン３０１と、モータ３０２と、エンジン３０１及びモータ３０２に駆動される車輪３０５を備える。
エンジン３０１には出力軸３０３の一端が接続されている。出力軸３０３の他端には、ディファレンシャルギア３０４を介して車軸３０６が取付けられている。車軸３０６の両端には、車輪３０５が固定されている。エンジン３０１が駆動されると、出力軸３０３が回転する。回転した出力軸３０３の回転方向はディファレンシャルギア３０４により変換され、車軸３０６に伝達される。これにより、車輪３０５が回転駆動する。
また、出力軸３０３には、モータ３０２が接続されている。モータ３０２には、インバータ３０８及びフィルタコンデンサ３１０を介してバッテリー３０９が接続されている。バッテリー３０９の電力は、フィルタコンデンサ３１０によって昇圧され、インバータ３０８に供給される。インバータ３０８は、フィルタコンデンサ３１０からの電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ３０２に供給する。インバータ３０８から交流電流が供給されるとモータ３０２が回転し、モータ３０２の回転は出力軸３０３及び車軸３０６を介して車輪３０５に伝達される。なお、インバータ３０８及びモータ３０２には、これらを制御するＥＣＵ３１４が接続されている。

ＥＣＵ３１４には、電池残量推定部３１５と電池残量検知部３１３が接続されている。電池残量推定部３１５は、バッテリー３０９からモータ３０２に電力を供給している場合に、バッテリー３０９からフィルタコンデンサ３１０に供給される電流値よりバッテリー３０９の残量を推定する。電池残量推定部３１５の推定結果は、ＥＣＵ３１４に入力される。ＥＣＵ３１４は、電池残量推定部３１５の推定結果に基づいて、バッテリー３０９への放電を制御する。
電池残量検知部３１３は、バッテリー３０９に交流電流を印加したときのバッテリーの振動を測定し、その測定した振動に基づいてバッテリー３０９の残量を検知する。電池残量検知部３１３の構成は、上述した実施例の電池残量検知部と同様に構成することができる。電池残量検知部３１３の検知結果は、ＥＣＵ３１４に入力される。ＥＣＵ３１４は、電池残量検知部３１３の検知結果に基づいて電池残量推定部３１５のバッテリー３０９の残量推定値を補正する。

上述したハイブリッド自動車３００の動作を説明する。なお、ハイブリッド自動車３００の走行時の動作は、従来のハイブリッド自動車と同様であるため、その詳細な説明は省略する。ここでは、バッテリー３０９への充電時の動作及びバッテリー３０９の残量検知時の動作について説明する。
本実施例では、バッテリー３０９への充電とバッテリー３０９の残量検知が同時に行われる。すなわち、バッテリー３０９への充電にはモータ３０２の回生電力が利用され、また、電池残量を検知するためにバッテリー３０９に印加される交流電流にもモータ３０２の回生電力が利用される。ハイブリッド自動車３００が減速又は制動している場合、エンジン３０１及び車輪３０５の回転はモータ３０２に伝達される。これにより、モータ３０２は、発電機として交流電流を発生する（いわゆる回生制動）。モータ３０２で発電した交流電流は、インバータ３０８を通過してフィルタコンデンサ３１０に印加される。本実施例のフィルタコンデンサ３１０は、その容量を調整することで、バッテリー３０９に直流電流と共に交流電流も印加するようになっている。このため、バッテリー３０９の充電時には、バッテリー３０９に交流電流も印加され、バッテリー３０９が振動する。バッテリー３０９の振動は、電池残量検知部３１３で測定される。電池残量検知部３１３は、測定したバッテリー３０９の振動（振動周波数及び振動強度）からバッテリー３０９の残量を検知する。なお、バッテリー３０９への交流電流の印加は、上述した駆動伝達装置２００と同様に、交流電流制御部をフィルタコンデンサ３１０にバイパスさせて行うようにしてもよい。
電池残量検知部３１３で検知されたバッテリー３０９の残量は、ＥＣＵ３１４に入力される。ＥＣＵ３１４は、検知されたバッテリー３０９の残量からインバータ３０８及びモータ３０２にバッテリー３０９の充電を制御する。また、ＥＣＵ３１４は、検知されたバッテリー３０９の残量を用いて電池残量推定部３１５で推定されたバッテリー３０９の残量を補正する。これによって、電池残量推定部３１５のバッテリー３０９の残量推定値が適切な値に修正され、バッテリー３０９の放電時（すなわち、モータ３０２が車輪３０５に駆動力を供給している時）の放電制御が適切に行われる。

上述したハイブリッド自動車３００では、電池残量検知部３１３によってバッテリー３０９の残量が正確に検知され、その検知された値によって電池残量推定部３１５の残量推定値が修正される。これによって、バッテリー３０９の正確な残量に基づいて、バッテリー３０９の充放電を適切に実施することができる。そのため、バッテリー３０９の性能を充分に発揮させることができる。また、バッテリー３０９の過充電及び過放電を防止でき、バッテリー３０９の寿命を延ばすことができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した駆動伝達装置２００の電池２０１及びハイブリッド自動車３００のバッテリー３０９に交流電流を印加する場合、発電機やモータで発生した交流電流を用いるのではなく、別に設けた交流発生器によって発生した交流電流を印加するようにしてもよい。交流発生器を別で備えることにより、電池２０１及びバッテリー３０９の充電時以外でも残量を検知することができる。
また、電池残量の検知は、環境温度に応じて補正するようにしてもよい。すなわち、電池の温度が上昇すると、電池に交流電流を印加したときの振動（加速度）も増加する。したがって、測定された電池の振動から電池残量を検知する場合は、電池の環境温度に応じて電池残量を補正することが好ましい。これによって、電池残量を正確に検知することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例に係る電池残量検知装置の構成ブロック図。 同、電池の構成を示す図。 本実施例に利用の印加交流電流周波数―電池の振動周波数、及び、印加交流電流周波数―加速度の関係を示すグラフ。 本実施例に係る電池残量検知装置の残量検知の手順を示すフローチャート。 本実施例に係る駆動伝達装置の構成ブロック図。 本実施例に係る充電可能に構成された駆動伝達装置の構成ブロック図。 本実施例に係るハイブリッド自動車の駆動系統を示す構成ブロック図。

符号の説明

１０：電池残量検知装置
２１：電池
３１：振動測定部
３２：電池残量判定部
１００：駆動伝達装置
１１０：電池部
１２０：駆動部
１３０：電池残量検知部
３００：ハイブリッド自動車

Claims (8)

1. 電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加する手段と、
   電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定する手段と、
   電池の振動の測定結果から電池の残量を判定する手段と、を備えることを特徴とする電池残量検知装置。
2. 振動測定手段は、電池の振動数及び／又は振動強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の電池残量検知装置。
3. 電池は、正負一対の電極体を収容するケーシングを備えており、
   ケーシングには、所定の荷重が付与されていることを特徴とする請求項２に記載の電池残量検知装置。
4. 電池の残量を検知する電池残量検知方法において、
   電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加するステップと、
   電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定するステップと、
   電池の振動の測定結果から電池の残量を判定するステップと、を有する電池残量検知方法。
5. 二次電池から供給される電力によって駆動される駆動部を有する電池式駆動装置において、
   二次電池に所定の周波数の交流電流又は交流電圧を印加する手段と、
   二次電池に交流電流又は交流電圧を印加したときの電池の振動を測定する手段と、
   二次電池の振動の測定結果から二次電池の残量を判定する手段と、を備えることを特徴とする電池式駆動装置。
6. 印加手段は、駆動部を制動する際の回生制動により発電して二次電池を充電する発電機を有しており、回生制動により発電した回生電力の少なくとも交流成分が二次電池に印加されることを特徴とする請求項５に記載の電池式駆動装置。
7. 二次電池と発電機の間に介装されたフィルタコンデンサをさらに有しており、発電機からの回生電力の少なくとも交流成分がフィルタコンデンサを介して二次電池に印加されることを特徴とする請求項６に記載の電池式駆動装置。
8. 二次電池と発電機との間に介装されたフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサをバイパスして二次電池と発電機とを接続するバイパス回路と、をさらに有しており、
   駆動部を制動する場合において、（１）二次電池を充電するときは、発電機からの回生電力の少なくとも直流成分がフィルタコンデンサを通って二次電池に印加され、（２）二次電池の残量を判定するときは、発電機からの回生電力の少なくとも交流成分がバイパス回路を通って二次電池に印加されることを特徴とする請求項６に記載の電池式駆動装置。

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