JP4255755B2 - 二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話基地局などの設備で使用される電子・電気機器のバックアップ用電源には鉛蓄電池が多く用いられていたが、最近はニッケル−金属水素化物電池の需要が高まっている。ニッケル−金属水素化物電池は鉛蓄電池に比べて高エネルギー密度で、軽量・小型化が可能であることがその要因である。
バックアップ用電源として使用されるニッケル−金属水素化物電池は、通常は負荷に電力を供給せず、間欠充電される。停電時に、負荷に電力を供給する（放電する。）。停電時にはユーザが、バックアップ用電源が放電可能な間に電力の復旧作業等の処置を行わなくてはならないため、バックアップ用電源の残存容量又は使用可能時間を、特に放電末期に正確に演算し表示する必要がある。以下、「残存容量」は、「その時点から放電可能な電気量」を表す。
【０００３】
特許文献１（特開平９−１７８８２７号公報）に開示された電池容量の残量検出装置は、電池の放電中に所定時間内の電圧値変化量を測定し、所定時間値と電圧値変化量から、電池容量の残量（残存容量）に対応する残量時間を計算し、表示する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１７８８２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に二次電池をほぼ定電流で放電する場合、放電電気量（又は放電開始からの時間）に対して電池電圧は単調に減少する。放電末期には二次電池の放電電圧が急激に低下する。特許文献１に開示された二次電池の残存容量演算装置は、放電電圧が急激に低下することを検出して、放電末期に入ったこと（放電末期の残存容量）を表示した。しかし、メモリ効果を有する二次電池の場合、放電末期以外においても放電電圧が急激に低下することがある。それ故に、特許文献１に開示された二次電池の残存容量演算装置は、実際には残存容量が十分あるにも関わらず、小さな残存容量を表示する可能性があった。
【０００６】
二次電池の残存容量が所定の範囲においては、二次電池の電圧はほとんど変化しない。放電電圧に基づいて残存容量を算出する二次電池の残存容量演算装置（特許文献１）は、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間において、残存容量を正確に演算することは困難であった。
放電電流に基づいて放電電気量を積算し、残存容量から放電電気量を減算して、新たな残存容量を算出する二次電池の残存容量演算装置がある。しかし、この装置によれば、演算において考慮されない種々の要因により、演算された残存容量と実際の残存容量との間にわずかの誤差が生じる。放電末期においてはその誤差が累積する。放電末期において、残存容量演算装置が残存容量が未だあると表示しているにもかかわらず、実際には二次電池が完全放電状態に突然陥る恐れがあった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
本発明は、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく、且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
本発明は、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間においても、放電末期においても、二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記残存容量を表示する表示部と、を有し、前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置である。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記残存容量を表示する表示部と、を有し、前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置である。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法である。
【００１２】
本発明は、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現するという作用を有する。
本発明は、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現するという作用を有する。
【００１３】
「残存容量」は、その時点から電池電圧が放電終止電圧に達するまでに放電可能な電気量を表す。「放電電気量」は、放電開始から放電した電気量を表す。
「放電」は、負荷に電力を供給する放電及び負荷に電力を供給しない自己放電を含む。放電開始時の残存容量は任意である（満充電状態から放電を開始しなくても良い）。
例えば放電中、残存容量演算部は、所定の時間間隔で放電電流値をサンプリングし、その積算値（放電電気量）を放電開始時の残存容量から減じ、サンプリングの各タイミングでの残存容量を演算する。
二次電池が連続的に定電流放電する場合、放電曲線（放電開始からの時間に対する電池電圧のグラフ）は単調減少関数であり、放電末期において、急激な電圧降下が発生する。本発明の二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法は、放電末期に放電電圧の時間微分値が第２の所定値になったときに、残存容量を予め記憶部に記憶させた残存容量実測値に置き換え、正確な残存容量を表示する。
しかし、二次電池の放電電圧は、放電末期のみならず、メモリ効果の発生点においても、急激に降下する。本発明は、実際の残存容量が十分あるにも関わらず、メモリ効果に起因する放電電圧変動により誤って小さな残存容量を表示することを防止する。
【００１４】
請求項２及び請求項７の発明においては、二次電池が完全放電した後に、１又は複数回の充電及び不完全放電を行った場合に発生するメモリ効果の発生点のうち、メモリ効果を解消されていない点を少なくとも記憶する。即ち、完全放電後の放電終了時残存容量（放電深度）の中で、それ以前の放電深度よりも浅い放電深度の放電終了時残存容量を全て記憶する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記残存容量演算部は放電中に、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
二次電池の放電電圧は、放電末期のみならず、放電初期においても、急激に降下する。本発明の二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法は、更に放電初期（放電開始後の放電電気量が第１の所定値に達するまで）においても、放電電圧の時間微分値と第２の所定値との比較を行わない。これにより、実際の残存容量が十分あるにも関わらず、放電初期に誤って小さな残存容量を表示することを防止できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記二次電池の温度を検出する温度検出部を更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップを更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
第２の所定値は温度依存性を有する。本発明により、より正確に残存容量を推定する二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法を実現できる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
本発明は、特にメモリ効果を有する二次電池である、ニッケル−金属水素化物電池において、特に有用である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
【００２７】
《実施の形態１》
図１〜図５を用いて、本発明の実施の形態１の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図である。
【００２８】
図１において、１５０は残存容量演算装置、１０１は二次電池、１０２は電源監視制御部、１０５は放電器、１０６は充電器、１０７は表示部、１０８は商用電源、１０９は整流器、１１０は負荷である。残存容量演算装置１５０は、残存容量演算部１５１、温度検出部１５２、電流検出部１５３、電圧検出部１５４及びタイマ部１５５を有する。
【００２９】
通常、負荷１１０には商用電源１０８が供給されている。商用電源１０８からの交流電流は整流器１０９で直流電流に変換され、負荷１１０に供給される。二次電池１０１は、商用電源１０８が供給されている期間、充電器１０６によって間欠充電され、満充電状態が保持されている。充電器１０６は電源監視制御部１０２によって動作開始及び停止される。二次電池の残存容量がメモリ効果により減少することを防止するため、所定の期間毎に、電源監視制御部１０２は放電器１０５を動作させ、二次電池を完全放電させる。停電時に、電源監視制御部１０２は回路を切り替えて、二次電池１０１に放電させる。二次電池１０１は、負荷１１０へ電力を供給し（放電し）、バックアップ電源として機能する。実施の形態において、二次電池１０１の放電電流値はほぼ一定である。負荷１１０電流の急激な変動はないものとする。商用電源１０８が復旧した後、電源監視制御部１０２は二次電池１０１から負荷１１０への電力供給を中止し（放電を中止し）、商用電源１０８からの供給に切り替える。充電器１０６を動作させ、二次電池１０１を満充電する。なお、二次電池１０１の放電期間及び放電電気量は放電毎に様々である。
【００３０】
二次電池１０１は、互いに直列及び／又は並列に接続されている複数の二次電池セル（図示しない。）、あるいは一つの二次電池セル（図示しない。）から構成されている。それぞれの二次電池セルは、メモリ効果を有する。実施の形態１において二次電池１０１はニッケル−金属水素化物電池である。
【００３１】
温度検出部１５２は、二次電池１０１の内部温度、二次電池１０１の表面温度又は雰囲気温度のいずれかを検出し、残存容量演算部１５１の入出力部１１１に送信する。実施の形態において温度検出部１５２は二次電池１０１の表面温度（以下、「電池温度」と言う。）を検出する。電流検出部１５３は、二次電池１０１の放電電流、満充電電流を検出し、残存容量演算部１５１に送信する。電圧検出部１５４は二次電池１０１の電池電圧を検出し、残存容量演算部１５１に送信する。タイマ部１５５は時刻情報を残存容量演算部１５１に送信する。
【００３２】
残存容量演算部１５１は、二次電池１０１の残存容量を推定し、電源監視制御部１０２に送信する。二次電池１０１の残存容量の情報は、表示部１０７に表示される。表示方法は、定量的な表示（例えばＡｈを単位とする値の表示）であっても良く、定性的な表示（例えば赤色発光ダイオードを点滅させて残存容量が小さいことを示す表示）でも良い。残存容量の情報の出力は、例えば直接ユーザが視覚的又は聴覚的に認識可能なように表示しても良く、ホスト装置等に残存容量の情報を送信しても良い。
【００３３】
図２は、二次電池１０１の放電期間中の放電開始からの時間又は放電電気量に対する電池電圧、電池電圧の時間微分値、残存容量の一例を示すグラフである。図２（ａ）は、電池電圧と放電開始からの時間の関係を表すグラフ（以下、「放電曲線」と言う。）である。二次電池１０１の放電が、満充電状態から完全放電状態まで定電流で連続的に行われるときを想定する。完全放電状態とは、電池電圧が放電終止電圧Ｖｅまで降下した状態を言う。図２（ｂ）は、電池電圧の時間微分値と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｃ）は、残存容量と放電開始からの時間の関係を表すグラフである。放電電気量は放電開始からの時間に比例し、残存容量は放電開始からの時間をパラメータとし、比例係数が負の値である１次関数で表される。満充電状態での残存容量をＳｆ、完全放電状態での残存容量を０とする。
【００３４】
１０は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がない場合の放電曲線である。放電曲線１０は単調減少関数であり、放電初期と放電末期は急激に電圧降下する。１１は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がない場合の放電曲線１０の時間に関する１回微分（放電電圧の時間変化率）ｄＶ／ｄｔ（Ｖは電池電圧、ｔは時間）のグラフである。放電電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔのグラフ１１は、常に負の値をとる、上に凸の関数である。
【００３５】
２０は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がある場合の放電曲線である。二次電池１０１を完全放電し、満充電した後、残存容量Ｓｍまで（放電開始からの時間Ｔｍまで）不完全放電したときに放電を終了し、満充電し、更に完全放電した場合を想定する。放電曲線２０は、時刻Ｔｍ付近で（残存容量がＳｍになる付近で）その前後より大きな傾きで電圧降下する屈曲部２２を有する。このため、放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１は、時刻Ｔｍ付近に凹部２３を有する。凹部２３はメモリ効果により発生する。時刻Ｔｍ以降は、放電曲線１０とほぼ同様の形状（傾きがほぼ同じ）の曲線である。図２に示した例の場合、残存容量Ｓｍより下まで二次電池１０１を放電した後（例えば完全放電した後）、充電することにより、二次電池１０１へのメモリ効果の影響（残存容量Ｓｍの近傍で発生するグラフ２１の凹部２３）は消え、放電曲線２０は放電曲線１０に戻る。
【００３６】
二次電池１０１を不完全放電し、残存容量がＳｍの時点から充電すると、次の放電時に、先の放電から充電への変化点で（残存容量がＳｍの時点で）、放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１に凹部２３が発生する。
二次電池１０１を残存容量がＳｍの時点まで放電すると、残存容量がＳｍよりも大きな時点Ｓｐ（Ｓｐ＞Ｓｍ）においてそれまで発生していた二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）が消される。残存容量がＳｍよりも小さな時点Ｓｑ（Ｓｑ＜Ｓｍ）においてそれまで発生していた二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）は消えない。二次電池１０１を完全放電し、その後充電すると、それまでに存在していた全ての二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）が消される。
以下、二次電池１０１からメモリ効果の影響を取り除くため、完全放電し、その後満充電することを、「リフレッシュ充放電」と言う。電源監視制御部１０２は、所定のタイミングに放電器１０５を動作させて二次電池１０１をリフレッシュ充放電させる。
【００３７】
本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法では、放電電流の積算値（放電電気量の積算値）に基づいて残存容量を推定する。放電電流を長時間積算し続けると電流検出誤差等の誤差が累積していく。そのため、残存容量をより正確に推定する必要がある放電末期ほど残存容量の推定精度が悪い。一方、放電末期には二次電池１０１の電圧は大きく変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。放電末期に、二次電池１０１の電圧が大きく変化して完全放電状態（電池電圧が放電終止電圧Ｖｅまで降下した状態）になるまでの時間変化は、完全放電状態の時点から時間をさかのぼって見ると、メモリ効果の有無によらずほぼ一定である。そこで、残存容量が所定値Ｓａのとき（放電可能時間がＴａのとき）の電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を予め求め、残存容量演算装置に記憶しておき、放電末期に電圧の時間変化率が第２の所定値Ｇｃになったときに残存容量をＳａに置き換える。
【００３８】
図３を用いて、本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を具体的に説明する。図３は、本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャートである。ステップ３０１で二次電池１０１は、放電を開始する。以下、残存容量演算部１５１は二次電池１０１の残存容量を連続的に推定し、電源監視制御部１０２に送信する。ステップ３０２で、リフレッシュ充放電後１回目の放電か否か判断する。該当しない場合は、ステップ３０４に進む。該当する場合はステップ３０３で最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを満充電状態での残存容量Ｓｆに初期化する。最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎは、リフレッシュ充放電後（二次電池が完全放電した後）における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したとき（放電終了時）の各放電終了時残存容量の最小値である。ステップ３０４に進む。
【００３９】
ステップ３０４で残存容量演算部１５１は、電流検出部１５３から受信した放電電流値の積算値に基づき、現在の残存容量Ｓを計算する。典型的には、次の式による。
新しい残存容量Ｓ＝古い残存容量Ｓ−放電電流値の積算値
ステップ３０５で残存容量Ｓが第１の所定値（Ｓｆ−ΔＳｉ）より小さいか否か判断する。二次電池の放電電圧は、放電初期において急激に降下する。ΔＳｉは、放電初期の電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ａ）及び図２（ｃ）参照。）。ステップ３０６で、残存容量Ｓが最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎより小さいか否か判断する。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）でなく（ステップ３０５）、又はＳ＜Ｓｍｉｎでない（ステップ３０６）場合、ステップ３０４に戻り、引き続き残存容量Ｓの計算を行う。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）であって（ステップ３０５）且つＳ＜Ｓｍｉｎである（ステップ３０６）場合、ステップ３０７に進む。ステップ３０７で、最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを現在の残存容量Ｓに更新する。
【００４０】
リフレッシュ充放電後（二次電池が完全放電した後）における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したとき（放電終了時）に、放電終了時残存容量と最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎとを比較し、放電終了時残存容量の方が小さければ（最小値であれば）、放電終了時残存容量を新たな最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎとして記憶しても良い。
【００４１】
ステップ３０８で、残存容量演算部１５１は電圧検出部１５４から受信した電圧値及びタイマ部１５５から受信した時刻情報から、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを計算する。ステップ３０９で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下か否か判断する。電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）より大きい場合ステップ３１０に進み、引き続き放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算する（ステップ３０４と同じ）。ステップ３０７に戻る。ステップ３０９で、初めて電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下になった場合、ステップ３１１に進み、残存容量ＳをＳａにリセットする。ステップ３１２で表示部１０７は、「バッテリーが残りわずか（Ｓａ）です。バッテリーの残り時間はあとＴａです」という警告メッセージを表示し、ブザーを鳴らす。処理を終了する。
【００４２】
なお、二次電池１０１の放電が中断された場合、図３のフローチャートを直ちに終了する。二次電池１０１を満充電し、次の放電開始に備える。
ステップ３１２の後、完全放電するまで、図２（ａ）若しくは（ｂ）並びに（ｃ）のグラフに従い（典型的にはグラフを表又は関数の形式で記憶する。）、残存容量演算部１５１は、放電電圧又はその時間微分値をパラメータとして、残存容量Ｓを算出し、表示しても良い。
又は、ステップ３１２の後、完全放電するまで、残存容量Ｓａを初期値として、放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算しても良い（ステップ３０４と同じ）。
【００４３】
放電開始時には電池電圧が急激に低下し、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る（絶対値においては、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃより大きい。）。実施の形態１では、放電開始後電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを上回るまでの（絶対値において、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃより小さくなるまでの）期間の放電電気量ΔＳｉを予め求めておく。残存容量ＳがＳｉ（＝Ｓｆ−ΔＳｉ）を下回るまでは、ｄＶ／ｄｔ≦Ｇｃに初めてなったことに基づく残存容量Ｓのリセット（Ｓａへの置き換え）（ステップ３１１）を行わない。
放電曲線にメモリ効果による電圧降下が見られる場合、電圧降下が起きる残存容量近傍で電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る（図２（ｂ）参照）。実施の形態１では、リフレッシュ充放電後に行った放電での放電終了時の残存容量の最小値（最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎ）を求め、放電時に残存容量が最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを下回るまでは、ｄＶ／ｄｔ≦Ｇｃに初めてなったことに基づく残存容量Ｓのリセット（Ｓａへの置き換え）（ステップ３１１）を行わない。
【００４４】
次に、二次電池１０１の充放電サイクルの例を示し、実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を更に説明する。放電中に、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行い（図３のステップ３０９）、残存容量ＳをＳａにリセット（ステップ３１１）すべきか否か判定する期間に着目する。
【００４５】
図４は、二次電池１０１の充放電サイクルの一例を示す図である。時刻と残存容量の関係を示す。１枚の図に全てを表示する都合上、図４において、満充電終了直後に放電を開始する（時刻Ｔ１、時刻Ｔ４及び時刻Ｔ９）ように表示している。二次電池１０１を時刻０から時刻Ｔ０にリフレッシュ充放電する。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１に、満充電し（残存容量Ｓｆ）、期間Ｃ１（時刻Ｔ１から時刻Ｔ３）に放電する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４に、満充電し、期間Ｃ２（時刻Ｔ４から時刻Ｔ８）に放電する。時刻Ｔ８から時刻Ｔ９に、満充電し、期間Ｃ３（時刻Ｔ９から時刻Ｔ１７）に放電する。放電期間Ｃ１、Ｃ２及びＣ３での放電終了時の残存容量（放電終了時残存容量）は、それぞれＳ１、Ｓ２及びＳ３（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓａ＞Ｓ３）である。
【００４６】
放電期間Ｃ１での放電は、リフレッシュ充放電後１回目の放電であるため、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下は生じない。放電期間Ｃ２での放電曲線には、放電期間Ｃ１での放電によるメモリ効果により、残存容量Ｓ１の時点で急激な電圧降下が生じる。放電期間Ｃ３での放電曲線には、放電期間Ｃ２での放電によるメモリ効果により、残存容量Ｓ２の時点で急激な電圧降下が生じる。放電期間Ｃ１での放電によるメモリ効果（残存容量Ｓ１の時点での急激な電圧降下）は、放電期間Ｃ２に消去される。
【００４７】
放電期間Ｃ１では、放電初期の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２には、電圧が急激に低下するため、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８及び時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１６に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００４８】
図５は、二次電池１０１の充放電サイクルの別の一例を示す図である。時刻と残存容量の関係を示す。１枚の図に全てを表示する都合上、図５において、満充電終了直後に放電を開始する（時刻Ｔ１、時刻Ｔ４及び時刻Ｔ７）ように表示している。二次電池１０１を時刻０から時刻Ｔ０にリフレッシュ充放電する。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１に、満充電し（残存容量Ｓｆ）、期間Ｃ１（時刻Ｔ１から時刻Ｔ３）に放電する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４に、満充電し、期間Ｃ２（時刻Ｔ４から時刻Ｔ６）に放電する。時刻Ｔ６から時刻Ｔ７に、満充電し、期間Ｃ３（時刻Ｔ７から時刻Ｔ１４）に放電する。放電期間Ｃ１、Ｃ２及びＣ３での放電終了時の残存容量（放電終了時残存容量）は、それぞれＳ１、Ｓ２及びＳ３（Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓａ＞Ｓ３）である。
【００４９】
放電期間Ｃ１での放電は、リフレッシュ充放電後１回目の放電であるため、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下は生じない。放電期間Ｃ２終了時（時刻Ｔ６）の残存容量Ｓ２は、放電期間Ｃ１終了時（時刻Ｔ３）の残存容量Ｓ１に比べて十分大きく、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下が生じない。放電期間Ｃ３での放電では、放電期間Ｃ１及び放電期間Ｃ２での放電によるメモリ効果が重畳し、放電曲線にはメモリ効果による急激な電圧降下が２回（残存容量Ｓ１の時点及びＳ２）生じる。
【００５０】
放電期間Ｃ１では、放電初期の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２には、電圧が急激に低下するため、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３及び時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００５１】
発明者は、放電末期に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回った後、電圧が放電終止電圧に達するまでの時間（Ｔａ）は、メモリ効果による電圧降下の有無に関わらず、ほぼ一定であることを見いだした（図２参照）。本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法によれば、放電時に電圧の時間変化率を連続的に測定し、放電末期に残存容量をリセットするので、放電末期の残存容量演算を正確に行うことができる。
なお、各電池温度毎に、二次電池１０１の残存容量がＳａのときの電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を求めておけば、より正確に残存容量を推定できる。
【００５２】
本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法のフローチャートは、図３に示したフローチャートに限られない。
なお、実施の形態１では放電は満充電状態（残存容量がＳｆ）から始めるとして説明したが、満充電していない状態から放電を開始する構成としても良い。
実施の形態では、放電中には二次電池１０１から負荷１１０に電力を供給した。放電中に二次電池から負荷に電力を供給しない、自己放電の場合についても本発明の二次電池の残存容量演算方法によって、二次電池の残存容量を正確に推定できる。
【００５３】
《実施の形態２》
図１、図２、図６〜図８を用いて、本発明の実施の形態２の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を説明する。図１は、本発明の実施の形態２の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図であり、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。図２は、既に説明したので説明を省略する。
【００５４】
本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法では、放電電流の積算値に基づいて残存容量を推定する。放電電流を長時間積算し続けると電流検出誤差が累積していく。そのため、残存容量をより正確に推定する必要がある放電末期ほど残存容量の推定精度が悪い。一方、放電末期には二次電池１０１の電圧は大きく変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。そこで、残存容量がＳａのとき（放電可能時間がＴａのとき）の電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を予め求め、残存容量演算装置に記憶しておき、放電末期に電圧の時間変化率がＧｃ（第２の所定値）になったときに残存容量をＳａに置き換える。
【００５５】
図６を用いて、本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャートである。ステップ６０１で二次電池１０１は、放電を開始する。以下、残存容量演算部１５１は二次電池１０１の残存容量を連続的に推定し、電源監視制御部１０２に送信する。ステップ６０２で、ｎに１を加算する。ｎはリフレッシュ充放電後の放電の回数であり、リフレッシュ充放電終了時に０に初期化されている。ステップ６０３で残存容量演算部１５１は、電流検出部１５３から受信した放電電流の積算値に基づき、現在の残存容量Ｓを計算する（計算方法は実施の形態１と同じ）。ステップ６０４で、ｎ回目の放電での残存容量ＳｎにＳを代入する。ステップ６０５で、残存容量Ｓが第１の所定値（Ｓｆ−ΔＳｉ）より小さいか否か判断する。ΔＳｉは、放電初期の電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ｃ）参照）。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）でない場合（放電初期）、ステップ６０３に戻る。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）である場合（放電初期を過ぎた場合）、ステップ６０６に進む。
【００５６】
ステップ６０６からステップ６０９では、残存容量Ｓがリフレッシュ充放電後の各放電終了時の残存容量Ｓｋ（ｋ＝１〜ｎ−１）近傍の値であるか否か判定する。ステップ６０６でｋを０に初期化する。ステップ６０７でｋに１を加算する。ステップ６０８でｋがｎより小さいか否か判断する。ｋがｎより小さい場合ステップ６０９で、残存容量がｋ回目の放電終了時の残存容量Ｓｋ以上Ｓｋ＋ΔＳｍ以下か否か判断する。ΔＳｍは、メモリ効果によって電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ｃ）参照）。以下、残存容量Ｓｋ以上Ｓｋ＋ΔＳｍ以下の範囲を、「ｋ回目の放電による残存容量のマスク範囲」と言う。ステップ６０９で、残存容量Ｓがｋ回目の放電による残存容量のマスク範囲に含まれる場合は、ステップ６０３に戻る。含まれない場合はステップ６０７に戻る。ステップ６０８でｋがｎ以上の場合、残存容量Ｓはリフレッシュ充放電後のｎ−１回の放電による残存容量のマスク範囲に含まれず、ステップ６１０に進む。
【００５７】
ステップ６１０で、残存容量演算部１５１は電圧検出部１５４から入力した電圧値及びタイマ部１５５から入力した時刻情報から、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを計算する。ステップ６１１で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下か否か判断する。電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）より大きい場合（絶対値において、ｄＶ／ｄｔがＧｃより小さい場合）ステップ６０３に戻り、引き続き放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算する。ステップ６１１で、初めて電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下になった場合（絶対値において、ｄＶ／ｄｔがＧｃ以上になった場合）、ステップ６１２に進み、残存容量ＳをＳａにリセットする。ステップ６１３で表示部１０７は、「バッテリーが残りわずか（Ｓａ）です。バッテリーの残り時間はあとＴａです」という警告メッセージを表示し、ブザーを鳴らす。処理を終了する。
【００５８】
なお、二次電池１０１の放電が中断された場合、図６のフローチャートを直ちに終了する。二次電池１０１を満充電し、次の放電開始に備える。
ステップ６１３の後、完全放電するまで、図２（ａ）若しくは（ｂ）並びに（ｃ）のグラフに従い（典型的にはグラフを表又は関数の形式で記憶する。）、残存容量演算部１５１は、放電電圧又はその時間微分値をパラメータとして、残存容量Ｓを算出し、表示しても良い。
又は、ステップ６１３の後、完全放電するまで、残存容量Ｓａを初期値として、放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算しても良い（ステップ６０３と同じ）。
【００５９】
放電開始時には電池電圧が急激に低下し、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る。実施の形態１では、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを上回るまでの放電電気量ΔＳｉを予め求めておき、残存容量がＳｉ（＝Ｓｆ−ΔＳｉ）を下回るまでは、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔによる残存容量のリセット（ステップ６１２）を行わない。
放電曲線にメモリ効果による電圧降下が見られる場合、電圧降下が起きる残存容量近傍で電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る。実施の形態２では、リフレッシュ充放電後に行った全ての放電終了時の残存容量近傍で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔによる残存容量のリセット（ステップ６１２）を行わない。二次電池１０１の放電時に、メモリ効果によって、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回っている間に放電する電気量ΔＳｍを予め求めておく（図２参照）。
【００６０】
次に、二次電池１０１の充放電サイクルの例を示し、実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を更に説明する。放電中に、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行い（図６のステップ６１１）、残存容量をＳａにリセット（ステップ６１２）すべきか否か判定する期間に着目する。
【００６１】
図７は、二次電池１０１の充放電サイクルの一例を示す図である。充放電サイクルでの充電量及び放電量は図４と同じであるので、説明を省略する。各放電サイクルで、放電初期（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５及び時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０）、及びメモリ効果により放電電圧の急激な低下が発生する期間（時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２、時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１４）は、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ８、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３及び時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１６に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００６２】
図８は、二次電池１０１の充放電サイクルの別の一例を示す図である。充放電サイクルでの充電量及び放電量は図５と同じであるので、説明を省略する。各放電サイクルで、放電初期（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５及び時刻Ｔ７〜時刻Ｔ８）及びメモリ効果により放電電圧の急激な低下が発生する期間（時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１及び時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００６３】
実施の形態２の二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法は、実施の形態１のそれと同様の効果を奏する。
なお、各電池温度毎に、二次電池１０１の残存容量がＳａのときの電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を求めておけば、より正確に残存容量を推定できる。
実施の形態では、放電中には二次電池１０１から負荷１１０に電力を供給した。放電中に二次電池から負荷に電力を供給しない、自己放電の場合についても本発明の二次電池の残存容量演算方法によって、二次電池の残存容量を正確に推定できる。
【００６４】
なお、実施の形態１では放電は満充電状態（残存容量がＳｆ）から始めるとして説明したが、満充電していない状態から放電を開始する構成としても良い。
本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法のフローチャートは、図６に示したフローチャートに限られない。
実施の形態２において、残存容量演算部１５１（記憶部を含む。）は、二次電池が完全放電した後における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量を全て記憶し、全ての放電終了時残存容量についてステップ６０６〜６０９の処理を行った。これに代えて、残存容量演算部１５１（記憶部を含む。）が、二次電池が完全放電した後における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量のうち、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量のみを記憶し、記憶した放電終了時残存容量についてステップ６０６〜６０９の処理を行っても良い。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく、且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間においても、放電末期においても、二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明の二次電池の残存容量演算装置は、携帯電話基地局のバックアップ電源用電池管理装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１及び実施の形態２の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図
【図２】二次電池の放電期間中の放電開始からの時間又は放電電気量に対する電池電圧、電池電圧の時間微分値（ｄＶ／ｄｔ）、残存容量の一例を示すグラフ。図２（ａ）は、電池電圧と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｂ）は、電池電圧の時間微分値（ｄＶ／ｄｔ）と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｃ）は、残存容量と放電開始からの時間の関係を表すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャート
【図４】二次電池の充放電サイクルの一例を示す図
【図５】二次電池の充放電サイクルの別の一例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャート
【図７】二次電池の充放電サイクルの一例を示す図
【図８】二次電池の充放電サイクルの別の一例を示す図
【符号の説明】
１０１ 二次電池
１０２ 電源監視制御部
１０５ 放電器
１０６ 充電器
１０７ 表示部
１０８ 商用電源
１０９ 整流器
１１０ 負荷
１５０ 残存容量演算装置
１５１ 残存容量演算部
１５２ 温度検出部
１５３ 電流検出部
１５４ 電圧検出部
１５５ タイマ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話基地局などの設備で使用される電子・電気機器のバックアップ用電源には鉛蓄電池が多く用いられていたが、最近はニッケル−金属水素化物電池の需要が高まっている。ニッケル−金属水素化物電池は鉛蓄電池に比べて高エネルギー密度で、軽量・小型化が可能であることがその要因である。
バックアップ用電源として使用されるニッケル−金属水素化物電池は、通常は負荷に電力を供給せず、間欠充電される。停電時に、負荷に電力を供給する（放電する。）。停電時にはユーザが、バックアップ用電源が放電可能な間に電力の復旧作業等の処置を行わなくてはならないため、バックアップ用電源の残存容量又は使用可能時間を、特に放電末期に正確に演算し表示する必要がある。以下、「残存容量」は、「その時点から放電可能な電気量」を表す。
【０００３】
特許文献１（特開平９−１７８８２７号公報）に開示された電池容量の残量検出装置は、電池の放電中に所定時間内の電圧値変化量を測定し、所定時間値と電圧値変化量から、電池容量の残量（残存容量）に対応する残量時間を計算し、表示する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１７８８２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に二次電池をほぼ定電流で放電する場合、放電電気量（又は放電開始からの時間）に対して電池電圧は単調に減少する。放電末期には二次電池の放電電圧が急激に低下する。特許文献１に開示された二次電池の残存容量演算装置は、放電電圧が急激に低下することを検出して、放電末期に入ったこと（放電末期の残存容量）を表示した。しかし、メモリ効果を有する二次電池の場合、放電末期以外においても放電電圧が急激に低下することがある。それ故に、特許文献１に開示された二次電池の残存容量演算装置は、実際には残存容量が十分あるにも関わらず、小さな残存容量を表示する可能性があった。
【０００６】
二次電池の残存容量が所定の範囲においては、二次電池の電圧はほとんど変化しない。放電電圧に基づいて残存容量を算出する二次電池の残存容量演算装置（特許文献１）は、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間において、残存容量を正確に演算することは困難であった。
放電電流に基づいて放電電気量を積算し、残存容量から放電電気量を減算して、新たな残存容量を算出する二次電池の残存容量演算装置がある。しかし、この装置によれば、演算において考慮されない種々の要因により、演算された残存容量と実際の残存容量との間にわずかの誤差が生じる。放電末期においてはその誤差が累積する。放電末期において、残存容量演算装置が残存容量が未だあると表示しているにもかかわらず、実際には二次電池が完全放電状態に突然陥る恐れがあった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
本発明は、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく、且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
本発明は、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間においても、放電末期においても、二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記残存容量を表示する表示部と、を有し、前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置である。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記残存容量を表示する表示部と、を有し、前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置である。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法である。
【００１２】
本発明は、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現するという作用を有する。
本発明は、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現するという作用を有する。
【００１３】
「残存容量」は、その時点から電池電圧が放電終止電圧に達するまでに放電可能な電気量を表す。「放電電気量」は、放電開始から放電した電気量を表す。
「放電」は、負荷に電力を供給する放電及び負荷に電力を供給しない自己放電を含む。放電開始時の残存容量は任意である（満充電状態から放電を開始しなくても良い）。
例えば放電中、残存容量演算部は、所定の時間間隔で放電電流値をサンプリングし、その積算値（放電電気量）を放電開始時の残存容量から減じ、サンプリングの各タイミングでの残存容量を演算する。
二次電池が連続的に定電流放電する場合、放電曲線（放電開始からの時間に対する電池電圧のグラフ）は単調減少関数であり、放電末期において、急激な電圧降下が発生する。本発明の二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法は、放電末期に放電電圧の時間微分値が第２の所定値になったときに、残存容量を予め記憶部に記憶させた残存容量実測値に置き換え、正確な残存容量を表示する。
しかし、二次電池の放電電圧は、放電末期のみならず、メモリ効果の発生点においても、急激に降下する。本発明は、実際の残存容量が十分あるにも関わらず、メモリ効果に起因する放電電圧変動により誤って小さな残存容量を表示することを防止する。
【００１４】
請求項２及び請求項７の発明においては、二次電池が完全放電した後に、１又は複数回の充電及び不完全放電を行った場合に発生するメモリ効果の発生点のうち、メモリ効果を解消されていない点を少なくとも記憶する。即ち、完全放電後の放電終了時残存容量（放電深度）の中で、それ以前の放電深度よりも浅い放電深度の放電終了時残存容量を全て記憶する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記残存容量演算部は放電中に、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
二次電池の放電電圧は、放電末期のみならず、放電初期においても、急激に降下する。本発明の二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法は、更に放電初期（放電開始後の放電電気量が第１の所定値に達するまで）においても、放電電圧の時間微分値と第２の所定値との比較を行わない。これにより、実際の残存容量が十分あるにも関わらず、放電初期に誤って小さな残存容量を表示することを防止できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記二次電池の温度を検出する温度検出部を更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップを更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
第２の所定値は温度依存性を有する。本発明により、より正確に残存容量を推定する二次電池の残存容量演算装置及び残存容量演算方法を実現できる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算装置である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法である。
本発明は、特にメモリ効果を有する二次電池である、ニッケル−金属水素化物電池において、特に有用である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
【００２７】
《実施の形態１》
図１〜図５を用いて、本発明の実施の形態１の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図である。
【００２８】
図１において、１５０は残存容量演算装置、１０１は二次電池、１０２は電源監視制御部、１０５は放電器、１０６は充電器、１０７は表示部、１０８は商用電源、１０９は整流器、１１０は負荷である。残存容量演算装置１５０は、残存容量演算部１５１、温度検出部１５２、電流検出部１５３、電圧検出部１５４及びタイマ部１５５を有する。
【００２９】
通常、負荷１１０には商用電源１０８が供給されている。商用電源１０８からの交流電流は整流器１０９で直流電流に変換され、負荷１１０に供給される。二次電池１０１は、商用電源１０８が供給されている期間、充電器１０６によって間欠充電され、満充電状態が保持されている。充電器１０６は電源監視制御部１０２によって動作開始及び停止される。二次電池の残存容量がメモリ効果により減少することを防止するため、所定の期間毎に、電源監視制御部１０２は放電器１０５を動作させ、二次電池を完全放電させる。停電時に、電源監視制御部１０２は回路を切り替えて、二次電池１０１に放電させる。二次電池１０１は、負荷１１０へ電力を供給し（放電し）、バックアップ電源として機能する。実施の形態において、二次電池１０１の放電電流値はほぼ一定である。負荷１１０電流の急激な変動はないものとする。商用電源１０８が復旧した後、電源監視制御部１０２は二次電池１０１から負荷１１０への電力供給を中止し（放電を中止し）、商用電源１０８からの供給に切り替える。充電器１０６を動作させ、二次電池１０１を満充電する。なお、二次電池１０１の放電期間及び放電電気量は放電毎に様々である。
【００３０】
二次電池１０１は、互いに直列及び／又は並列に接続されている複数の二次電池セル（図示しない。）、あるいは一つの二次電池セル（図示しない。）から構成されている。それぞれの二次電池セルは、メモリ効果を有する。実施の形態１において二次電池１０１はニッケル−金属水素化物電池である。
【００３１】
温度検出部１５２は、二次電池１０１の内部温度、二次電池１０１の表面温度又は雰囲気温度のいずれかを検出し、残存容量演算部１５１の入出力部１１１に送信する。実施の形態において温度検出部１５２は二次電池１０１の表面温度（以下、「電池温度」と言う。）を検出する。電流検出部１５３は、二次電池１０１の放電電流、満充電電流を検出し、残存容量演算部１５１に送信する。電圧検出部１５４は二次電池１０１の電池電圧を検出し、残存容量演算部１５１に送信する。タイマ部１５５は時刻情報を残存容量演算部１５１に送信する。
【００３２】
残存容量演算部１５１は、二次電池１０１の残存容量を推定し、電源監視制御部１０２に送信する。二次電池１０１の残存容量の情報は、表示部１０７に表示される。表示方法は、定量的な表示（例えばＡｈを単位とする値の表示）であっても良く、定性的な表示（例えば赤色発光ダイオードを点滅させて残存容量が小さいことを示す表示）でも良い。残存容量の情報の出力は、例えば直接ユーザが視覚的又は聴覚的に認識可能なように表示しても良く、ホスト装置等に残存容量の情報を送信しても良い。
【００３３】
図２は、二次電池１０１の放電期間中の放電開始からの時間又は放電電気量に対する電池電圧、電池電圧の時間微分値、残存容量の一例を示すグラフである。図２（ａ）は、電池電圧と放電開始からの時間の関係を表すグラフ（以下、「放電曲線」と言う。）である。二次電池１０１の放電が、満充電状態から完全放電状態まで定電流で連続的に行われるときを想定する。完全放電状態とは、電池電圧が放電終止電圧Ｖｅまで降下した状態を言う。図２（ｂ）は、電池電圧の時間微分値と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｃ）は、残存容量と放電開始からの時間の関係を表すグラフである。放電電気量は放電開始からの時間に比例し、残存容量は放電開始からの時間をパラメータとし、比例係数が負の値である１次関数で表される。満充電状態での残存容量をＳｆ、完全放電状態での残存容量を０とする。
【００３４】
１０は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がない場合の放電曲線である。放電曲線１０は単調減少関数であり、放電初期と放電末期は急激に電圧降下する。１１は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がない場合の放電曲線１０の時間に関する１回微分（放電電圧の時間変化率）ｄＶ／ｄｔ（Ｖは電池電圧、ｔは時間）のグラフである。放電電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔのグラフ１１は、常に負の値をとる、上に凸の関数である。
【００３５】
２０は、二次電池１０１の電池電圧にメモリ効果の影響がある場合の放電曲線である。二次電池１０１を完全放電し、満充電した後、残存容量Ｓｍまで（放電開始からの時間Ｔｍまで）不完全放電したときに放電を終了し、満充電し、更に完全放電した場合を想定する。放電曲線２０は、時刻Ｔｍ付近で（残存容量がＳｍになる付近で）その前後より大きな傾きで電圧降下する屈曲部２２を有する。このため、放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１は、時刻Ｔｍ付近に凹部２３を有する。凹部２３はメモリ効果により発生する。時刻Ｔｍ以降は、放電曲線１０とほぼ同様の形状（傾きがほぼ同じ）の曲線である。図２に示した例の場合、残存容量Ｓｍより下まで二次電池１０１を放電した後（例えば完全放電した後）、充電することにより、二次電池１０１へのメモリ効果の影響（残存容量Ｓｍの近傍で発生するグラフ２１の凹部２３）は消え、放電曲線２０は放電曲線１０に戻る。
【００３６】
二次電池１０１を不完全放電し、残存容量がＳｍの時点から充電すると、次の放電時に、先の放電から充電への変化点で（残存容量がＳｍの時点で）、放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１に凹部２３が発生する。
二次電池１０１を残存容量がＳｍの時点まで放電すると、残存容量がＳｍよりも大きな時点Ｓｐ（Ｓｐ＞Ｓｍ）においてそれまで発生していた二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）が消される。残存容量がＳｍよりも小さな時点Ｓｑ（Ｓｑ＜Ｓｍ）においてそれまで発生していた二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）は消えない。二次電池１０１を完全放電し、その後充電すると、それまでに存在していた全ての二次電池１０１へのメモリ効果の影響（放電曲線２０の１回微分ｄＶ／ｄｔのグラフ２１の凹部）が消される。
以下、二次電池１０１からメモリ効果の影響を取り除くため、完全放電し、その後満充電することを、「リフレッシュ充放電」と言う。電源監視制御部１０２は、所定のタイミングに放電器１０５を動作させて二次電池１０１をリフレッシュ充放電させる。
【００３７】
本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法では、放電電流の積算値（放電電気量の積算値）に基づいて残存容量を推定する。放電電流を長時間積算し続けると電流検出誤差等の誤差が累積していく。そのため、残存容量をより正確に推定する必要がある放電末期ほど残存容量の推定精度が悪い。一方、放電末期には二次電池１０１の電圧は大きく変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。放電末期に、二次電池１０１の電圧が大きく変化して完全放電状態（電池電圧が放電終止電圧Ｖｅまで降下した状態）になるまでの時間変化は、完全放電状態の時点から時間をさかのぼって見ると、メモリ効果の有無によらずほぼ一定である。そこで、残存容量が所定値Ｓａのとき（放電可能時間がＴａのとき）の電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を予め求め、残存容量演算装置に記憶しておき、放電末期に電圧の時間変化率が第２の所定値Ｇｃになったときに残存容量をＳａに置き換える。
【００３８】
図３を用いて、本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を具体的に説明する。図３は、本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャートである。ステップ３０１で二次電池１０１は、放電を開始する。以下、残存容量演算部１５１は二次電池１０１の残存容量を連続的に推定し、電源監視制御部１０２に送信する。ステップ３０２で、リフレッシュ充放電後１回目の放電か否か判断する。該当しない場合は、ステップ３０４に進む。該当する場合はステップ３０３で最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを満充電状態での残存容量Ｓｆに初期化する。最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎは、リフレッシュ充放電後（二次電池が完全放電した後）における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したとき（放電終了時）の各放電終了時残存容量の最小値である。ステップ３０４に進む。
【００３９】
ステップ３０４で残存容量演算部１５１は、電流検出部１５３から受信した放電電流値の積算値に基づき、現在の残存容量Ｓを計算する。典型的には、次の式による。
新しい残存容量Ｓ＝古い残存容量Ｓ−放電電流値の積算値
ステップ３０５で残存容量Ｓが第１の所定値（Ｓｆ−ΔＳｉ）より小さいか否か判断する。二次電池の放電電圧は、放電初期において急激に降下する。ΔＳｉは、放電初期の電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ａ）及び図２（ｃ）参照。）。ステップ３０６で、残存容量Ｓが最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎより小さいか否か判断する。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）でなく（ステップ３０５）、又はＳ＜Ｓｍｉｎでない（ステップ３０６）場合、ステップ３０４に戻り、引き続き残存容量Ｓの計算を行う。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）であって（ステップ３０５）且つＳ＜Ｓｍｉｎである（ステップ３０６）場合、ステップ３０７に進む。ステップ３０７で、最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを現在の残存容量Ｓに更新する。
【００４０】
リフレッシュ充放電後（二次電池が完全放電した後）における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したとき（放電終了時）に、放電終了時残存容量と最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎとを比較し、放電終了時残存容量の方が小さければ（最小値であれば）、放電終了時残存容量を新たな最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎとして記憶しても良い。
【００４１】
ステップ３０８で、残存容量演算部１５１は電圧検出部１５４から受信した電圧値及びタイマ部１５５から受信した時刻情報から、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを計算する。ステップ３０９で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下か否か判断する。電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）より大きい場合ステップ３１０に進み、引き続き放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算する（ステップ３０４と同じ）。ステップ３０７に戻る。ステップ３０９で、初めて電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下になった場合、ステップ３１１に進み、残存容量ＳをＳａにリセットする。ステップ３１２で表示部１０７は、「バッテリーが残りわずか（Ｓａ）です。バッテリーの残り時間はあとＴａです」という警告メッセージを表示し、ブザーを鳴らす。処理を終了する。
【００４２】
なお、二次電池１０１の放電が中断された場合、図３のフローチャートを直ちに終了する。二次電池１０１を満充電し、次の放電開始に備える。
ステップ３１２の後、完全放電するまで、図２（ａ）若しくは（ｂ）並びに（ｃ）のグラフに従い（典型的にはグラフを表又は関数の形式で記憶する。）、残存容量演算部１５１は、放電電圧又はその時間微分値をパラメータとして、残存容量Ｓを算出し、表示しても良い。
又は、ステップ３１２の後、完全放電するまで、残存容量Ｓａを初期値として、放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算しても良い（ステップ３０４と同じ）。
【００４３】
放電開始時には電池電圧が急激に低下し、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る（絶対値においては、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃより大きい。）。実施の形態１では、放電開始後電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを上回るまでの（絶対値において、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃより小さくなるまでの）期間の放電電気量ΔＳｉを予め求めておく。残存容量ＳがＳｉ（＝Ｓｆ−ΔＳｉ）を下回るまでは、ｄＶ／ｄｔ≦Ｇｃに初めてなったことに基づく残存容量Ｓのリセット（Ｓａへの置き換え）（ステップ３１１）を行わない。
放電曲線にメモリ効果による電圧降下が見られる場合、電圧降下が起きる残存容量近傍で電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る（図２（ｂ）参照）。実施の形態１では、リフレッシュ充放電後に行った放電での放電終了時の残存容量の最小値（最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎ）を求め、放電時に残存容量が最小放電終了時残存容量Ｓｍｉｎを下回るまでは、ｄＶ／ｄｔ≦Ｇｃに初めてなったことに基づく残存容量Ｓのリセット（Ｓａへの置き換え）（ステップ３１１）を行わない。
【００４４】
次に、二次電池１０１の充放電サイクルの例を示し、実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を更に説明する。放電中に、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行い（図３のステップ３０９）、残存容量ＳをＳａにリセット（ステップ３１１）すべきか否か判定する期間に着目する。
【００４５】
図４は、二次電池１０１の充放電サイクルの一例を示す図である。時刻と残存容量の関係を示す。１枚の図に全てを表示する都合上、図４において、満充電終了直後に放電を開始する（時刻Ｔ１、時刻Ｔ４及び時刻Ｔ９）ように表示している。二次電池１０１を時刻０から時刻Ｔ０にリフレッシュ充放電する。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１に、満充電し（残存容量Ｓｆ）、期間Ｃ１（時刻Ｔ１から時刻Ｔ３）に放電する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４に、満充電し、期間Ｃ２（時刻Ｔ４から時刻Ｔ８）に放電する。時刻Ｔ８から時刻Ｔ９に、満充電し、期間Ｃ３（時刻Ｔ９から時刻Ｔ１７）に放電する。放電期間Ｃ１、Ｃ２及びＣ３での放電終了時の残存容量（放電終了時残存容量）は、それぞれＳ１、Ｓ２及びＳ３（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓａ＞Ｓ３）である。
【００４６】
放電期間Ｃ１での放電は、リフレッシュ充放電後１回目の放電であるため、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下は生じない。放電期間Ｃ２での放電曲線には、放電期間Ｃ１での放電によるメモリ効果により、残存容量Ｓ１の時点で急激な電圧降下が生じる。放電期間Ｃ３での放電曲線には、放電期間Ｃ２での放電によるメモリ効果により、残存容量Ｓ２の時点で急激な電圧降下が生じる。放電期間Ｃ１での放電によるメモリ効果（残存容量Ｓ１の時点での急激な電圧降下）は、放電期間Ｃ２に消去される。
【００４７】
放電期間Ｃ１では、放電初期の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２には、電圧が急激に低下するため、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８及び時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１６に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００４８】
図５は、二次電池１０１の充放電サイクルの別の一例を示す図である。時刻と残存容量の関係を示す。１枚の図に全てを表示する都合上、図５において、満充電終了直後に放電を開始する（時刻Ｔ１、時刻Ｔ４及び時刻Ｔ７）ように表示している。二次電池１０１を時刻０から時刻Ｔ０にリフレッシュ充放電する。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１に、満充電し（残存容量Ｓｆ）、期間Ｃ１（時刻Ｔ１から時刻Ｔ３）に放電する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４に、満充電し、期間Ｃ２（時刻Ｔ４から時刻Ｔ６）に放電する。時刻Ｔ６から時刻Ｔ７に、満充電し、期間Ｃ３（時刻Ｔ７から時刻Ｔ１４）に放電する。放電期間Ｃ１、Ｃ２及びＣ３での放電終了時の残存容量（放電終了時残存容量）は、それぞれＳ１、Ｓ２及びＳ３（Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓａ＞Ｓ３）である。
【００４９】
放電期間Ｃ１での放電は、リフレッシュ充放電後１回目の放電であるため、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下は生じない。放電期間Ｃ２終了時（時刻Ｔ６）の残存容量Ｓ２は、放電期間Ｃ１終了時（時刻Ｔ３）の残存容量Ｓ１に比べて十分大きく、放電曲線にはメモリ効果による電圧降下が生じない。放電期間Ｃ３での放電では、放電期間Ｃ１及び放電期間Ｃ２での放電によるメモリ効果が重畳し、放電曲線にはメモリ効果による急激な電圧降下が２回（残存容量Ｓ１の時点及びＳ２）生じる。
【００５０】
放電期間Ｃ１では、放電初期の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２には、電圧が急激に低下するため、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３及び時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００５１】
発明者は、放電末期に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回った後、電圧が放電終止電圧に達するまでの時間（Ｔａ）は、メモリ効果による電圧降下の有無に関わらず、ほぼ一定であることを見いだした（図２参照）。本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法によれば、放電時に電圧の時間変化率を連続的に測定し、放電末期に残存容量をリセットするので、放電末期の残存容量演算を正確に行うことができる。
なお、各電池温度毎に、二次電池１０１の残存容量がＳａのときの電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を求めておけば、より正確に残存容量を推定できる。
【００５２】
本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法のフローチャートは、図３に示したフローチャートに限られない。
なお、実施の形態１では放電は満充電状態（残存容量がＳｆ）から始めるとして説明したが、満充電していない状態から放電を開始する構成としても良い。
実施の形態では、放電中には二次電池１０１から負荷１１０に電力を供給した。放電中に二次電池から負荷に電力を供給しない、自己放電の場合についても本発明の二次電池の残存容量演算方法によって、二次電池の残存容量を正確に推定できる。
【００５３】
《実施の形態２》
図１、図２、図６〜図８を用いて、本発明の実施の形態２の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を説明する。図１は、本発明の実施の形態２の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図であり、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。図２は、既に説明したので説明を省略する。
【００５４】
本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法では、放電電流の積算値に基づいて残存容量を推定する。放電電流を長時間積算し続けると電流検出誤差が累積していく。そのため、残存容量をより正確に推定する必要がある放電末期ほど残存容量の推定精度が悪い。一方、放電末期には二次電池１０１の電圧は大きく変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。そこで、残存容量がＳａのとき（放電可能時間がＴａのとき）の電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を予め求め、残存容量演算装置に記憶しておき、放電末期に電圧の時間変化率がＧｃ（第２の所定値）になったときに残存容量をＳａに置き換える。
【００５５】
図６を用いて、本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャートである。ステップ６０１で二次電池１０１は、放電を開始する。以下、残存容量演算部１５１は二次電池１０１の残存容量を連続的に推定し、電源監視制御部１０２に送信する。ステップ６０２で、ｎに１を加算する。ｎはリフレッシュ充放電後の放電の回数であり、リフレッシュ充放電終了時に０に初期化されている。ステップ６０３で残存容量演算部１５１は、電流検出部１５３から受信した放電電流の積算値に基づき、現在の残存容量Ｓを計算する（計算方法は実施の形態１と同じ）。ステップ６０４で、ｎ回目の放電での残存容量ＳｎにＳを代入する。ステップ６０５で、残存容量Ｓが第１の所定値（Ｓｆ−ΔＳｉ）より小さいか否か判断する。ΔＳｉは、放電初期の電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ｃ）参照）。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）でない場合（放電初期）、ステップ６０３に戻る。Ｓ＜（Ｓｆ−ΔＳｉ）である場合（放電初期を過ぎた場合）、ステップ６０６に進む。
【００５６】
ステップ６０６からステップ６０９では、残存容量Ｓがリフレッシュ充放電後の各放電終了時の残存容量Ｓｋ（ｋ＝１〜ｎ−１）近傍の値であるか否か判定する。ステップ６０６でｋを０に初期化する。ステップ６０７でｋに１を加算する。ステップ６０８でｋがｎより小さいか否か判断する。ｋがｎより小さい場合ステップ６０９で、残存容量がｋ回目の放電終了時の残存容量Ｓｋ以上Ｓｋ＋ΔＳｍ以下か否か判断する。ΔＳｍは、メモリ効果によって電池電圧が急激に低下する期間に二次電池１０１が放電する電気量である（図２（ｃ）参照）。以下、残存容量Ｓｋ以上Ｓｋ＋ΔＳｍ以下の範囲を、「ｋ回目の放電による残存容量のマスク範囲」と言う。ステップ６０９で、残存容量Ｓがｋ回目の放電による残存容量のマスク範囲に含まれる場合は、ステップ６０３に戻る。含まれない場合はステップ６０７に戻る。ステップ６０８でｋがｎ以上の場合、残存容量Ｓはリフレッシュ充放電後のｎ−１回の放電による残存容量のマスク範囲に含まれず、ステップ６１０に進む。
【００５７】
ステップ６１０で、残存容量演算部１５１は電圧検出部１５４から入力した電圧値及びタイマ部１５５から入力した時刻情報から、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔを計算する。ステップ６１１で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下か否か判断する。電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）より大きい場合（絶対値において、ｄＶ／ｄｔがＧｃより小さい場合）ステップ６０３に戻り、引き続き放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算する。ステップ６１１で、初めて電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｇｃ（第２の所定値）以下になった場合（絶対値において、ｄＶ／ｄｔがＧｃ以上になった場合）、ステップ６１２に進み、残存容量ＳをＳａにリセットする。ステップ６１３で表示部１０７は、「バッテリーが残りわずか（Ｓａ）です。バッテリーの残り時間はあとＴａです」という警告メッセージを表示し、ブザーを鳴らす。処理を終了する。
【００５８】
なお、二次電池１０１の放電が中断された場合、図６のフローチャートを直ちに終了する。二次電池１０１を満充電し、次の放電開始に備える。
ステップ６１３の後、完全放電するまで、図２（ａ）若しくは（ｂ）並びに（ｃ）のグラフに従い（典型的にはグラフを表又は関数の形式で記憶する。）、残存容量演算部１５１は、放電電圧又はその時間微分値をパラメータとして、残存容量Ｓを算出し、表示しても良い。
又は、ステップ６１３の後、完全放電するまで、残存容量Ｓａを初期値として、放電電流の積算値から、現在の残存容量Ｓを計算しても良い（ステップ６０３と同じ）。
【００５９】
放電開始時には電池電圧が急激に低下し、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る。実施の形態１では、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを上回るまでの放電電気量ΔＳｉを予め求めておき、残存容量がＳｉ（＝Ｓｆ−ΔＳｉ）を下回るまでは、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔによる残存容量のリセット（ステップ６１２）を行わない。
放電曲線にメモリ効果による電圧降下が見られる場合、電圧降下が起きる残存容量近傍で電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回る。実施の形態２では、リフレッシュ充放電後に行った全ての放電終了時の残存容量近傍で、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔによる残存容量のリセット（ステップ６１２）を行わない。二次電池１０１の放電時に、メモリ効果によって、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔが第２の所定値Ｇｃを下回っている間に放電する電気量ΔＳｍを予め求めておく（図２参照）。
【００６０】
次に、二次電池１０１の充放電サイクルの例を示し、実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を更に説明する。放電中に、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行い（図６のステップ６１１）、残存容量をＳａにリセット（ステップ６１２）すべきか否か判定する期間に着目する。
【００６１】
図７は、二次電池１０１の充放電サイクルの一例を示す図である。充放電サイクルでの充電量及び放電量は図４と同じであるので、説明を省略する。各放電サイクルで、放電初期（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５及び時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０）、及びメモリ効果により放電電圧の急激な低下が発生する期間（時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２、時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１４）は、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ８、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３及び時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１６に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００６２】
図８は、二次電池１０１の充放電サイクルの別の一例を示す図である。充放電サイクルでの充電量及び放電量は図５と同じであるので、説明を省略する。各放電サイクルで、放電初期（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５及び時刻Ｔ７〜時刻Ｔ８）及びメモリ効果により放電電圧の急激な低下が発生する期間（時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は、電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行わない。時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１及び時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３に電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔと第２の所定値Ｇｃとの比較を行う。
【００６３】
実施の形態２の二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法は、実施の形態１のそれと同様の効果を奏する。
なお、各電池温度毎に、二次電池１０１の残存容量がＳａのときの電圧の時間変化率Ｇｃ（第２の所定値）を求めておけば、より正確に残存容量を推定できる。
実施の形態では、放電中には二次電池１０１から負荷１１０に電力を供給した。放電中に二次電池から負荷に電力を供給しない、自己放電の場合についても本発明の二次電池の残存容量演算方法によって、二次電池の残存容量を正確に推定できる。
【００６４】
なお、実施の形態１では放電は満充電状態（残存容量がＳｆ）から始めるとして説明したが、満充電していない状態から放電を開始する構成としても良い。
本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法のフローチャートは、図６に示したフローチャートに限られない。
実施の形態２において、残存容量演算部１５１（記憶部を含む。）は、二次電池が完全放電した後における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量を全て記憶し、全ての放電終了時残存容量についてステップ６０６〜６０９の処理を行った。これに代えて、残存容量演算部１５１（記憶部を含む。）が、二次電池が完全放電した後における、二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量のうち、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量のみを記憶し、記憶した放電終了時残存容量についてステップ６０６〜６０９の処理を行っても良い。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、メモリ効果に起因して残存容量を誤って表示する恐れがなく、且つ放電末期の二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、二次電池の電圧がほとんど変化しない区間においても、放電末期においても、二次電池の残存容量を正確に演算する二次電池の残存容量演算装置及びその残存容量演算方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明の二次電池の残存容量演算装置は、携帯電話基地局のバックアップ電源用電池管理装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１及び実施の形態２の残存容量演算装置を含むバックアップ電源用電池管理装置の構成図
【図２】二次電池の放電期間中の放電開始からの時間又は放電電気量に対する電池電圧、電池電圧の時間微分値（ｄＶ／ｄｔ）、残存容量の一例を示すグラフ。図２（ａ）は、電池電圧と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｂ）は、電池電圧の時間微分値（ｄＶ／ｄｔ）と放電開始からの時間の関係を表すグラフ、図２（ｃ）は、残存容量と放電開始からの時間の関係を表すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャート
【図４】二次電池の充放電サイクルの一例を示す図
【図５】二次電池の充放電サイクルの別の一例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２の二次電池の残存容量演算方法を示すフローチャート
【図７】二次電池の充放電サイクルの一例を示す図
【図８】二次電池の充放電サイクルの別の一例を示す図
【符号の説明】
１０１ 二次電池
１０２ 電源監視制御部
１０５ 放電器
１０６ 充電器
１０７ 表示部
１０８ 商用電源
１０９ 整流器
１１０ 負荷
１５０ 残存容量演算装置
１５１ 残存容量演算部
１５２ 温度検出部
１５３ 電流検出部
１５４ 電圧検出部
１５５ タイマ部
Claims (10)
- 二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、
前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、
前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、
前記残存容量を表示する表示部と、を有し、
前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、
ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置。 - 二次電池の放電電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の放電電流を検出する電流検出部と、
前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶部と、
前記電流検出部によって検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、
前記残存容量を表示する表示部と、を有し、
前記残存容量演算部は放電中に、前記残存容量が前記記憶部に記憶された前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶部に記憶された第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、
ことを特徴とする二次電池の残存容量演算装置。 - 前記残存容量演算部は放電中に、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池の残存容量演算装置。
- 前記二次電池の温度を検出する温度検出部を更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算装置。
- 前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかの請求項に二次電池の残存容量演算装置。
- 二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、
前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量の最小値である最小放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、
前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、
前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、
放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記最小放電終了時残存容量より小さく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、
ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法。 - 二次電池の放電電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の放電電流を検出する電流検出ステップと、
前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が減少する放電末期における所定残存容量のときの前記放電電圧の時間微分値である第２の所定値と、前記二次電池が完全放電した後における、前記二次電池が不完全放電状態から充電状態に変化したときの各放電終了時残存容量であって、少なくとも、それ以後の放電終了時残存容量よりも値が小さな放電終了時残存容量と、を記憶する記憶ステップと、
前記電流検出ステップにおいて検出された放電電流の積算値に基づき前記二次電池の残存容量を演算する残存容量演算ステップと、
前記残存容量を表示する表示ステップと、を有し、
放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記残存容量が前記記憶ステップにおいて記憶した前記各放電終了時残存容量近傍の値でなく、且つ前記放電電圧の時間微分値が前記記憶ステップにおいて記憶した第２の所定値になった時、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換える、
ことを特徴とする二次電池の残存容量演算方法。 - 放電中の前記残存容量演算ステップにおいて、前記の条件で且つ前記残存容量が前記二次電池の放電に伴って放電電圧の時間微分値が増大する放電初期における第１の所定値より小さい場合に、前記残存容量を前記所定残存容量に置き換えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の二次電池の残存容量演算方法。
- 前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップを更に有し、前記第２の所定値が、前記温度を変数とする値であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法。
- 前記二次電池がニッケル−金属水素化物電池であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれかの請求項に記載の二次電池の残存容量演算方法。
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