JP6224363B2

JP6224363B2 - 電池状態検出装置

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Publication number: JP6224363B2
Application number: JP2013142520A
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Inventors: 荘田　隆博; 隆博荘田
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Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2017-11-01
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Description

本発明は、二次電池の内部インピーダンスに相関のある情報や劣化の度合などの当該二次電池の状態を検出する電池状態検出装置に関するものである。

例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。

このような二次電池は、充電及び放電を繰り返すことにより劣化が進み、蓄電可能容量（電流容量や電力容量など）が徐々に減少することが知られている。そして、二次電池を用いた電気自動車などにおいては、二次電池の劣化の度合を検出することにより蓄電可能容量を求めて、二次電池によって走行可能な距離や二次電池の寿命などを算出している。

二次電池の劣化の度合を示す指標の一つとして、初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）がある。このＳＯＨは二次電池の内部インピーダンスと相関があることが知られており、二次電池の内部インピーダンスを求めることにより当該内部インピーダンスに基づいてＳＯＨを検出することができる。

二次電池の内部インピーダンスは、例えば、二次電池に対して、波形が一定となる交流信号を流して、その応答に基づいて求めることができる。このような二次電池の内部インピーダンスを検出する技術の一例が、特許文献１等に開示されている。

特開２００４−２５１６２５号公報

しかしながら、交流信号を流して二次電池の内部インピーダンスを検出する場合、図４に示すように、二次電池に電力を供給する充電方向及び二次電池から電力を引き出す放電方向に向けて交互に電流を流す必要があったため、充電手段及び放電手段が共に必要となるとともに、放電手段において電力を消費することにより生じる熱を放出する機構などが必要となり、そのため、製造コストの増加及び装置の大型化といった問題があった。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、製造コストの増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる電池状態検出装置を提供することを目的としている。

本発明者は、二次電池に交流成分を含む電流を流している状態において、交流成分の周波数を変化させたときの二次電池の内部インピーダンスの変化に相関関係があることを見出し、本発明に至った。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、二次電池に電流を流す充電手段を備えた電池状態検出装置であって、第１入力端子及び第２入力端子を有し、前記第１入力端子及び前記第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、前記二次電池の一方の電極を前記第１入力端子及び前記第２入力端子に排他的に接続する切換スイッチと、前記第１入力端子と前記二次電池の他方の電極との間に設けられた第１コンデンサと、前記第２入力端子と前記二次電池の他方の電極との間に設けられた第２コンデンサと、前記切換スイッチによって前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサが前記二次電池の一方の電極と接続されたときに前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサから前記二次電池の一方の電極に流れる電流を規制するように設けられたダイオードと、前記二次電池の一方の電極と前記第１入力端子とを接続しかつ前記二次電池に直流成分及び当該直流成分の電流値以下の所定の振幅の第１交流成分を含む第１検出電流が少なくとも当該第１交流成分の一周期以上流れるように、前記切換スイッチ及び前記充電手段を制御する第１検出電流制御手段と、前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続しかつ前記二次電池に前記直流成分及び前記第１交流成分と同一の振幅でかつ異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流が少なくとも当該第２交流成分の一周期以上流れるように、前記切換スイッチ及び前記充電手段を制御する第２検出電流制御手段と、前記第１検出電流制御手段及び前記第２検出電流制御手段によって前記切換スイッチ及び前記充電手段が制御された後、前記差分電圧出力手段によって出力された差分電圧を検出する差分電圧検出手段と、前記差分電圧検出手段によって検出された差分電圧に基づいて、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、を備えていることを特徴とする電池状態検出装置である。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、第１入力端子及び第２入力端子を有し、第１入力端子及び第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する。切換スイッチが、二次電池の一方の電極を第１入力端子及び第２入力端子に排他的に接続する。第１コンデンサが、第１入力端子と二次電池の他方の電極との間に設けられ、第２コンデンサが、第２入力端子と二次電池の他方の電極との間に設けられている。ダイオードが、切換スイッチによって第１コンデンサ及び第２コンデンサが二次電池の一方の電極と接続されたときに第１コンデンサ及び第２コンデンサから二次電池の一方の電極に流れる電流を規制するように設けられている。第１検出電流制御手段が、二次電池の一方の電極と第１入力端子とを接続しかつ二次電池に直流成分及び当該直流成分の電流値以下の所定の振幅の第１交流成分を含む第１検出電流が少なくとも当該第１交流成分の一周期以上流れるように、切換スイッチ及び充電手段を制御する。第２検出電流制御手段が、二次電池の一方の電極と第２入力端子とを接続しかつ二次電池に第１検出電流の直流成分及び第１交流成分と同一の振幅でかつ異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流が少なくとも当該第２交流成分の一周期以上流れるように、切換スイッチ及び充電手段を制御する。差分電圧検出手段が、第１検出電流制御手段及び第２検出電流制御手段によって切換スイッチ及び充電手段が制御された後、差分電圧出力手段によって出力された差分電圧を検出する。電池状態検出手段が、差分電圧検出手段によって検出された差分電圧に基づいて、二次電池の状態を検出する。

このようにしたことから、二次電池の一方の電極と第１入力端子とが接続されて、直流成分及びこの直流成分の電流値以下の振幅となる第１交流成分を含む第１検出電流が二次電池に流れると、ダイオードにより逆流が規制されて二次電池の両電極間の電圧の最大値が第１コンデンサに保持される。また、二次電池の一方の電極と第２入力端子とが接続されて、第１検出電流の直流成分及び第１交流成分と同一の振幅で異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流が二次電池に流れると、ダイオードにより逆流が規制されて二次電池の両電極間の電圧の最大値が第２コンデンサに保持される。そして、差分電圧出力手段から第１コンデンサに保持された電圧と第２コンデンサに保持された電圧の差分値に応じた差分電圧が出力され、この差分電圧は、二次電池に第１検出電流が流れている状態における当該二次電池の両電極間の電圧に含まれる交流成分の振幅、及び、二次電池に第２検出電流が流れている状態における当該二次電池の両電極間の電圧に含まれる交流成分の振幅、の差分値に応じた値となる。そして、この差分値は、第１検出電流から第２検出電流に変化したときの二次電池の内部インピーダンスの変化量に相関があり、即ち、二次電池の内部インピーダンスと相関があり、そのため、この二次電池の内部インピーダンスの変化量にもとづいて二次電池の状態を検出することができる。これにより、二次電池に電流を流す充電手段のみを用いて電池状態を検出するための各検出電流を生成することができるので、二次電池から電流を引き出す放電手段を設ける必要がなくなり、製造コスト増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる。また、二次電池に第１検出電流及び第２検出電流がそれぞれ流れたときの当該二次電池の両電極間の電圧の最大値を第１コンデンサ及び第２コンデンサに保持して、これらに保持した電圧から直接的にその差分値に応じた差分電圧を検出しているので、例えば、二次電池に第１検出電流及び第２検出電流がそれぞれ流れたときの当該二次電池の両電極間の電圧を、電圧計などを用いてそれぞれ別個に計測してそれら差分値を検出する構成に比べて、電圧測定時の誤差の混入を回避でき、そのため、二次電池の状態の検出精度の低下を抑制できる。

請求項２に記載された発明によれば、差分電圧出力手段が、差分電圧として差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されている。このようにしたことから、差分電圧をより大きな値として得ることができ、二次電池の状態の検出精度の低下をさらに抑制できる。

本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図１の電池状態検出装置が備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される充電処理の一例を示すフローチャートである。図１の電池状態検出装置の充電部から出力される検出電流の波形を模式的に示す図である。従来の二次電池の内部インピーダンス検出において用いられる電流波形を模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態の電池状態検出装置について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の電池状態検出装置の概略構成を示す図である。図２は、図１の電池状態検出装置が備えるマイクロコンピュータのＣＰＵによって実行される充電処理の一例を示すフローチャートである。図３は、図１の電池状態検出装置の充電部から出力される検出電流の波形を模式的に示す図である。

電池状態検出装置は、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える二次電池の電極間に接続されて、当該二次電池の状態として二次電池の内部インピーダンスに相関のある情報を検出するものである。勿論、電気自動車以外の二次電池を備えた装置、システムなどに適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の電池状態検出装置（図中、符号１で示す）は、図示しない電気自動車に搭載された二次電池Ｂの内部インピーダンスＺに相関のある情報、具体的には、二次電池Ｂに流した検出電流の変化に対する内部インピーダンスの変化量の検出を行う。

このような二次電池（図中、符号Ｂで示す）は、電圧を生じる起電力部ｅと内部インピーダンスＺとを有している。二次電池Ｂは、両電極（正極Ｂｐ及び負極Ｂｎ）間に電圧Ｖｂを生じ、この電圧Ｖｂは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧Ｖｅと内部インピーダンスＺに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｚとによって決定される（Ｖｂ＝Ｖｅ＋Ｖｚ）。内部インピーダンスＺは、抵抗成分Ｒとリアクタンス成分Ｘとを含んでいる（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ）。

このような二次電池Ｂに、周波数ｆ１、振幅ｉとなる交流電流Ｉ１を流した場合、周波数ｆ１のときのリアクタンス成分をＸ１とすると、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂ１の最大値ｖ１は、次の（ｉ）式で表される。
ｖ１＝Ｖｅ＋√（Ｒ²＋Ｘ１²）×ｉ・・・（ｉ）

また、二次電池Ｂに、周波数ｆ２（ｆ２≠ｆ１）、振幅ｉとなる交流電流Ｉ２を流した場合、周波数ｆ２のときのリアクタンス成分をＸ２とすると、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂ２の最大値ｖ２は、次の（ｉｉ）式で表される。
ｖ２＝Ｖｅ＋√（Ｒ²＋Ｘ２²）×ｉ・・・（ｉｉ）

そして、交流電流Ｉ１を流したときの二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂ１の最大値ｖ１と、交流電流Ｉ２を流したときの二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂ２の最大値ｖ２と、の差分値ΔＶは、次の（ｉｉｉ）式で表され、この（ｉｉｉ）式の変形により（ｉｖ）式が得られる。
ΔＶ＝ｖ１−ｖ２＝（√（Ｒ²＋Ｘ１²）−√（Ｒ²＋Ｘ２²））×ｉ・・・（ｉｉｉ）
ΔＶ／ｉ＝√（Ｒ²＋Ｘ１²）−√（Ｒ²＋Ｘ２²）＝ΔＺ・・・（ｉｖ）

（ｉｉｉ）式及び（ｉｖ）式から明らかなように、差分値ΔＶでは、二次電池Ｂの起電力による電圧Ｖｅがキャンセルされて、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂ１の振幅と電圧Ｖｂ２の振幅との差分値として表され、この差分値ΔＶを交流電流の振幅ｉで除することにより、交流電流の周波数の変化に対する二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化値ΔＺが得られる。そして、二次電池Ｂの内部インピーダンスＺは、当該二次電池Ｂにおける初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）と相関があるため、二次電池Ｂの内部インピーダンスＺに応じた値であるこの変化値ΔＺについても二次電池ＢのＳＯＨと相関があり、変化値ΔＺを検出することで、ＳＯＨについても把握することができる。

特に、この変化値ΔＺには、周波数依存性のない抵抗成分Ｒよりも周波数依存性のあるリアクタンス成分Ｘの変化が主に反映されるので、例えば、直流電流を流して二次電池Ｂの状態を検出する構成、又は、１つの周波数の交流電流を流して二次電池Ｂの状態を検出する構成、では検出できない二次電池Ｂの状態を検出することが可能となる。

そして、本実施形態の電池状態検出装置は、上述した方法を応用して二次電池Ｂの状態を検出する。

図１に示すように、本実施形態の電池状態検出装置（図中、符号１で示す）は、増幅器１１と、切換スイッチ１２と、第１コンデンサ１３と、第２コンデンサ１４と、充電部１５と、保護抵抗器１７と、ダイオード１８と、放電スイッチ１９と、第１アナログ−デジタル変換器２１と、第２アナログ−デジタル変換器２２と、マイクロコンピュータ４０（以下、「μＣＯＭ４０」という）と、を有している。二次電池Ｂは、両電極（正極Ｂｐ及び負極Ｂｎ）間に電圧Ｖを生じ、二次電池Ｂの負極Ｂｎは、基準電位Ｇに接続されている。

増幅器１１は、例えば、オペアンプなどで構成されており、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２）と１つの出力端子（出力端子Ｏｕｔ）を備え、これら２つの入力端子に入力された電圧の差分値を所定の増幅率Ｇで増幅した増幅電圧Ｖｍを出力端子から出力する。増幅器１１は、差分電圧出力手段に相当し、増幅電圧Ｖｍは、差分電圧に相当する。

切換スイッチ１２は、例えば、アナログスイッチなどで構成された１回路２接点（ＳＰＤＴ（単極双投））のスイッチである。切換スイッチ１２は、２つの切換端子ａ、ｂのうちの一方の切換端子ａが、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１に接続され、他方の切換端子ｂが、増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２に接続されている。また、切換スイッチ１２は、共通端子ｃが、保護抵抗器１７及びダイオード１８を介して二次電池Ｂの正極Ｂｐ（二次電池の一方の端子）に接続されている。切換スイッチ１２は、後述するμＣＯＭ４０に接続されており、μＣＯＭ４０からの制御信号に応じて、２つの切換端子ａ、ｂと共通端子ｃとの接続を切り替えて、二次電池Ｂの正極Ｂｐを第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２に排他的に接続する。

第１コンデンサ１３は、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１と基準電位Ｇとの間に接続されており、つまり、第１コンデンサ１３は、第１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第１コンデンサ１３には、第１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。

第２コンデンサ１４は、増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２と基準電位Ｇとの間に接続されており、つまり、第２コンデンサ１４は、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられている。これにより、第２コンデンサ１４には、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧が保持される。

充電部１５は、二次電池Ｂの正極Ｂｐと基準電位Ｇ（即ち、二次電池Ｂの負極Ｂｎ）との間に接続されており、二次電池Ｂの充電に際して、当該二次電池Ｂに一定の電流値となる直流成分のみを含む充電電流Ｉｃを流すことができるように設けられている。また、充電部１５は、充電電流Ｉｃに任意の周波数及び振幅の交流成分を重畳して二次電池Ｂに流すことができるようにもなっている。後述する充電処理において、充電部１５は、図３に模式的に示すような、充電電流Ｉｃの直流成分（Ｉｏｆｓｅｔ）及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる正弦波の第１交流成分を含む第１検出電流Ｉ１、並びに、第１検出電流Ｉ１の直流成分及び第１交流成分と同一の振幅で異なる周波数の正弦波の第２交流成分を含む第２検出電流Ｉ２を、二次電池Ｂに流す。第１検出電流Ｉ１及び第２検出電流Ｉ２のそれぞれにおいて、第１交流成分及び第２交流成分の振幅値を直流成分の電流値以下としているので、これら交流成分が最小値に振れたときでも、第１検出電流Ｉ１及び第２検出電流Ｉ２が負の値（即ち、二次電池Ｂから放電される方向）になることはない。充電部１５は、後述するμＣＯＭ４０に接続されており、μＣＯＭ４０からの制御信号に応じて、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃなどの電流を流す。充電部１５は、充電手段に相当する。

保護抵抗器１７及びダイオード１８は、二次電池Ｂの正極Ｂｐと切換スイッチ１２の共通端子ｃとの間に直列に接続して設けられている。ダイオード１８は、二次電池Ｂの正極Ｂｐから切換スイッチ１２の共通端子ｃに向けて電流が流れるように設けられている。保護抵抗器１７は、後述する放電スイッチ１９が閉じられたときに、第１コンデンサ１３又は第２コンデンサ１４に充電された電荷が二次電池Ｂの正極Ｂｐに向けて急激に流れることを抑制する。また、ダイオード１８は、第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４から二次電池Ｂの正極Ｂｐに向けて電流が流れることを抑制することにより、第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４において、それらに与えられた電圧の最大値が保持される。

放電スイッチ１９は、例えば、アナログスイッチなどで構成された１回路１接点（ＳＰＳＴ（単極単投））のスイッチであり、ダイオード１８に並列に接続されている。放電スイッチ１９は、後述するμＣＯＭ４０に接続されており、μＣＯＭ４０からの制御信号に応じて、回路を閉じることによりダイオード１８をバイパスする回路部分を形成して、第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４に保持された電圧（電荷）を解放する。

第１アナログ−デジタル変換器２１（以下、「第１ＡＤＣ２１」という）は、二次電池Ｂの両電極間の電圧（即ち、二次電池Ｂの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎ間の電圧）を量子化して、当該電圧に対応するデジタル値を示す信号を出力する。第２アナログ−デジタル変換器２２（以下、「第２ＡＤＣ２２」という）は、増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを量子化して、当該増幅電圧Ｖｍに対応するデジタル値を示す信号を出力する。本実施形態において、ＡＤＣ２１及びＡＤＣ２２は、個別の電子部品として実装されているが、これに限定されるものではなく、例えば、後述するμＣＯＭ４０に内蔵されたアナログ−デジタル変換部などを用いて、各電圧を量子化してもよい。

μＣＯＭ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵して構成されており、電池状態検出装置１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを第１検出電流制御手段、第２検出電流制御手段、差分電圧検出手段、電池状態検出手段などの各種手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより上記各種手段として機能する。

μＣＯＭ４０は、切換スイッチ１２に接続された第１出力ポートＰＯ１、充電部１５に接続された第２出力ポートＰＯ２、および、放電スイッチ１９に接続された第３出力ポートＰＯ３を備えている。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に制御信号を送信して切換スイッチ１２を制御する。また、μＣＯＭ４０のＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に制御信号を送信して充電部１５を制御する。また、μＣＯＭ４０のＣＰＵは、第３出力ポートＰＯ３を通じて放電スイッチ１９に制御信号を送信して放電スイッチ１９を制御する。

μＣＯＭ４０は、第１ＡＤＣ２１から出力された信号が入力される第１入力ポートＰＩ１、及び、第２ＡＤＣ２２から出力された信号が入力される第２入力ポートＰＩ２を有している。これら第１入力ポートＰＩ１及び第２入力ポートＰＩ２に入力された信号は、μＣＯＭ４０のＣＰＵが認識できる形式の情報に変換されて当該ＣＰＵに送られる。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、当該情報に基づいて、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖ及び増幅電圧Ｖｍを検出する。ＣＰＵは、増幅電圧Ｖｍ及び上記充電電流Ｉｃに基づいて二次電池Ｂの内部インピーダンスＺの変化量を検出する。

μＣＯＭ４０は、図示しない通信ポートを有している。この通信ポートは、図示しない車両内ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）など）に接続されており、当該車両内ネットワークを通じて車両メンテナンス用の端末装置などの表示装置に接続される。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、検出した内部インピーダンスの変化量を示す信号を表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき内部インピーダンスの変化量又はこれに基づくＳＯＨ等の二次電池Ｂの状態を表示する。または、μＣＯＭ４０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、検出した内部インピーダンスの変化量を示す信号を車両に搭載されたコンビネーションメータなどの表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき内部インピーダンスの変化量又はＳＯＨ等の二次電池Ｂの状態を表示するようにしてもよい。

次に、上述した電池状態検出装置１が備えるμＣＯＭ４０における電池状態検出処理の一例について、図２のフローチャートを参照して説明する。

μＣＯＭ４０のＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」という）は、例えば、車両に搭載された電子制御装置から通信ポートを通じて二次電池Ｂの充電開始命令を受信すると、図２に示す充電処理に進む。

充電処理において、始めに、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを流す（Ｓ１１０）。具体的には、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電電流Ｉｃを出力するための所定の制御信号を充電部１５に対して送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた所定の直流成分のみを含む充電電流Ｉｃを流し始める。これにより、二次電池Ｂの充電が開始される。

次に、第１コンデンサ１３の電圧及び第２コンデンサ１４の電圧をリセットする（Ｓ１２０）。この「リセット」とは、第１コンデンサ１３の電圧及び第２コンデンサ１４の電圧を再設定して、二次電池Ｂの両電極間の電圧と同一にすることを意味する。具体的には、ＣＰＵは、第３出力ポートＰＯ３を通じて閉路（スイッチオン）のための所定の制御信号を放電スイッチ１９に送信する。放電スイッチ１９はこの制御信号に応じて閉路して、ダイオード１８をバイパスするバイパス回路が形成される。そして、ＣＰＵは、第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４の電圧が二次電池Ｂの両電極間の電圧と同一になるように、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２をそれぞれ所定の放電期間（例えば、１秒）のあいだ二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続するための制御信号を切換スイッチ１２に対して送信する。切換スイッチ１２は、この制御信号に応じて一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１とを上記放電期間にわたって接続し、これにより、第１コンデンサ１３が放電スイッチ１９を通じて二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続され、第１コンデンサ１３の電圧が二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂと同一になる。続いて、切換スイッチ１２は、この制御信号に応じて他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２とを上記放電期間にわたって接続し、これにより、第２コンデンサ１４が放電スイッチ１９を通じて二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続され、第２コンデンサ１４の電圧が二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂと同一になる。その後、ＣＰＵは、第３出力ポートＰＯ３を通じて開路（スイッチオフ）のための所定の制御信号を放電スイッチ１９に送信する。これにより、放電スイッチ１９によるダイオード１８のバイパス回路が切断される。

次に、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する（Ｓ１３０）。具体的には、ＣＰＵは、増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１を二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続するための制御信号を切換スイッチ１２に対して送信する。切換スイッチ１２は、この制御信号に応じて一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する。これにより、第１コンデンサ１３に、二次電池Ｂ及び充電部１５から電荷が流れ込み、第１コンデンサ１３に二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

次に、二次電池の両電極間の電圧が状態検出電圧Ｖｔｈになるまで待つ（Ｓ１４０）。具体的には、ＣＰＵは、二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の状態検出電圧Ｖｔｈになるまで、第１入力ポートＰＩ１に入力された信号から得られた情報に基づいて二次電池Ｂの両電極間の電圧を周期的に検出して判定する。

二次電池Ｂの両電極間の電圧が状態検出電圧Ｖｔｈになると、次に、二次電池Ｂに第１検出電流Ｉ１を流す（Ｓ１５０）。具体的には、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて第１検出電流Ｉ１を出力するための所定の制御信号を充電部１５に対して送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、上記充電電流Ｉｃの直流成分及び当該直流成分の電流値以下の振幅となる第１交流成分を含む第１検出電流Ｉ１を二次電池Ｂに流し始める。

次に、二次電池Ｂの両電極間の電圧が安定するまで待つ（Ｓ１６０）。具体的には、充電電流Ｉｃから第１検出電流Ｉ１に切り替えると、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが過渡状態となってその値が変動しながら一定の波形に収束するところ、ＣＰＵは、この収束のための予め設定された第１電圧安定待ち時間（例えば、１〜３秒程度）が経過するのを待つ。この第１電圧安定待ち時間を経過したとき二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが一定の波形に収束して安定する。第１電圧安定待ち時間を経過した直後の時点において、第１コンデンサ１３には、ダイオード１８により逆流が規制されることにより、二次電池Ｂの両電極間の電圧の最大値が保持される。この第１電圧安定待ち時間は、第１検出電流Ｉ１の交流成分の周波数の一周期以上の期間であって、この第１電圧安定待ち時間を経過した直後の時点においても二次電池Ｂが第１検出電流Ｉ１により充電されることないように、当該第１電圧安定待ち時間及び第１検出電流Ｉ１が設定される。つまり、第１電圧安定待ち時間を経過した直後の時点は、前記第１検出電流が少なくとも前記第１交流成分の一周期以上の期間以上流れた後でかつ前記第１検出電流により前記二次電池の充電状態が変化する前となる。

次に、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２とを接続する（Ｓ１７０）。具体的には、ＣＰＵは、増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２を二次電池Ｂの正極Ｂｐに接続するための制御信号を切換スイッチ１２に対して送信する。切換スイッチ１２は、この制御信号に応じて他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続することにより、二次電池Ｂの正極Ｂｐと増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１とを接続する。これにより、第１コンデンサ１３が二次電池Ｂと切り離されて現在の電圧を保持し、第２コンデンサ１４に二次電池Ｂ及び充電部１５から電荷が流れ込み、第２コンデンサ１４に二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

また、ステップＳ１７０の切換スイッチ１２による接続の切り換え直後に、二次電池Ｂに第２検出電流Ｉ２を流す（Ｓ１８０）。具体的には、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて第２検出電流Ｉ２を出力するための所定の制御信号を充電部１５に対して送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、上記充電電流Ｉｃの直流成分及び上記第１交流成分と同一の振幅で周波数の異なる第２交流成分を含む第２検出電流Ｉ２を二次電池Ｂに流し始める。

次に、二次電池Ｂの両電極間の電圧が安定するまで待つ（Ｓ１９０）。具体的には、第１検出電流Ｉ１から第２検出電流Ｉ２に切り替えると、二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが過渡状態となってその値が変動しながら一定の波形に収束するところ、ＣＰＵは、この収束のための予め設定された第２電圧安定待ち時間（例えば、１〜３秒程度）が経過するのを待つ。この第２電圧安定待ち時間を経過したとき二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂが一定の波形に収束して安定する。第２電圧安定待ち時間を経過した直後の時点において、第２コンデンサ１４には、ダイオード１８により逆流が規制されることにより、二次電池Ｂの両電極間の電圧の最大値が保持される。この第２電圧安定待ち時間は、第２検出電流Ｉ２の交流成分の周波数の一周期以上の期間であって、この第２電圧安定待ち時間を経過した直後の時点においても二次電池Ｂが第２検出電流Ｉ２により充電されることないように、当該第２電圧安定待ち時間及び第２検出電流Ｉ２が設定される。つまり、第２電圧安定待ち時間を経過した直後の時点は、前記第２検出電流が少なくとも前記第２交流成分の一周期以上の期間以上流れた後でかつ前記第２検出電流により前記二次電池の充電状態が変化する前となる。なお、ステップＳ１７０における切換スイッチ１２による接続の切り換えタイミングなどによっては、第１検出電流Ｉ１が流れている状態での二次電池Ｂの両電極間の電圧が第２コンデンサ１４に保持されてしまうことがある。このようなときは、第２電圧安定待ち時間が経過する前に、放電スイッチ１９を一時的に閉路して第２コンデンサ１４に保持された電圧を改めてリセットして、第２検出電流Ｉ２が流れている状態での二次電池Ｂの両電極間の電圧の最大値が第２コンデンサ１４に保持されるようにする。

次に、二次電池Ｂの両電極間の電圧が安定した直後の時点において、増幅器１１から出力される増幅電圧Ｖｍを検出する（Ｓ２００）。具体的には、ＣＰＵは、上記第２電圧安定待ち時間が経過した直後に、第２入力ポートＰＩ２に入力された信号から得られた情報に基づいて増幅器１１から出力された増幅電圧Ｖｍを検出する。

次に、増幅電圧に基づいて二次電池Ｂの状態を検出する（Ｓ２１０）。具体的には、ＣＰＵは、ステップＳ２００で検出した増幅電圧Ｖｍを増幅器１１の増幅率Ｇで除し、さらに第１検出電流Ｉ１の交流成分の振幅ｉで除することにより、二次電池Ｂに流れる電流の交流成分の周波数の変化に対する内部インピーダンスの変化量ΔＺを検出する（ｒ＝（Ｖｍ／Ｇ）／ｉ）。そして、ＣＰＵは、通信ポートを通じて、検出した二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺ（即ち、二次電池Ｂの状態）を他の装置等に送信する。

最後に、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを再度流す（Ｓ２２０）。具体的には、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電電流Ｉｃを出力するための所定の制御信号を充電部１５に対して送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを再度流し始める。これにより、二次電池Ｂの充電が再開されて、二次電池Ｂの両電極間の電圧が所定の充電完了電圧になるなど、二次電池Ｂの充電が完了すると、充電処理を終了する。

図２のフローチャートにおけるステップＳ１３０及びステップＳ１５０の処理を実行するＣＰＵが、第１検出電流制御手段として機能し、ステップＳ１７０及びステップＳ１８０の処理を実行するＣＰＵが、第２検出電流制御手段として機能し、ステップＳ２００の処理を実行するＣＰＵが、差分電圧検出手段として機能し、ステップＳ２１０の処理を実行するＣＰＵが、電池状態検出手段として機能する。

以上より、本実施形態によれば、増幅器１１が、第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２を有し、第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた増幅電圧Ｖｍを出力する。切換スイッチ１２が、二次電池Ｂの正極Ｂｐを第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２に排他的に接続する。第１コンデンサ１３が、第１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられ、第２コンデンサ１４が、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間に設けられている。ダイオード１８が、切換スイッチ１２によって第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４が二次電池Ｂの正極Ｂｐと接続されたときに第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４から二次電池Ｂの正極Ｂｐに流れる電流を規制するように設けられている。第１検出電流制御手段が、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第１入力端子Ｉｎ１とを接続しかつ二次電池Ｂに直流成分及び当該直流成分の電流値以下の所定の振幅の第１交流成分を含む第１検出電流Ｉ１が少なくとも当該第１交流成分の一周期以上流れるように、切換スイッチ１２及び充電部１５を制御する。第２検出電流制御手段が、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第２入力端子Ｉｎ２とを接続しかつ二次電池Ｂに第１検出電流Ｉ１の直流成分及び第１交流成分と同一の振幅でかつ異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流Ｉ２が少なくとも当該第２交流成分の一周期以上流れるように、切換スイッチ１２及び充電部１５を制御する。差分電圧検出手段が、第１検出電流制御手段及び第２検出電流制御手段によって切換スイッチ１２及び充電部１５が制御された後、増幅器１１によって出力された増幅電圧Ｖｍを検出する。電池状態検出手段が、差分電圧検出手段によって検出された増幅電圧Ｖｍに基づいて、二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺを検出する。

このようにしたことから、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第１入力端子Ｉｎ１とが接続されて、直流成分及びこの直流成分の電流値以下の振幅となる第１交流成分を含む第１検出電流Ｉ１が二次電池Ｂに流れると、ダイオード１８により逆流が規制されて二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂの最大値が第１コンデンサ１３に保持される。また、二次電池Ｂの正極Ｂｐと第２入力端子Ｉｎ２とが接続されて、第１検出電流Ｉ１の直流成分及び第１交流成分と同一の振幅で異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流Ｉ２が二次電池Ｂに流れると、ダイオード１８により逆流が規制されて二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂの最大値が第２コンデンサ１４に保持される。そして、増幅器１１から第１コンデンサ１３に保持された電圧と第２コンデンサ１４に保持された電圧の差分値に応じた増幅電圧Ｖｍが出力され、この増幅電圧Ｖｍは、二次電池Ｂに第１検出電流Ｉ１が流れている状態における当該二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂに含まれる交流成分の振幅、及び、二次電池Ｂに第２検出電流Ｉ２が流れている状態における当該二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｂに含まれる交流成分の振幅、の差分値に応じた値となる。そして、この差分値は、第１検出電流Ｉ１から第２検出電流Ｉ２に変化したときの二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺに相関があり、即ち、二次電池Ｂの内部インピーダンスＺと相関があり、そのため、この二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺにもとづいて二次電池Ｂの状態を検出することができる。これにより、二次電池Ｂに電流を流す充電部１５のみを用いて電池状態を検出するための各検出電流を生成することができるので、二次電池Ｂから電流を引き出す放電手段を設ける必要がなくなり、製造コスト増加及び装置の大型化を効果的に抑制できる。また、二次電池Ｂに第１検出電流Ｉ１及び第２検出電流Ｉ２がそれぞれ流れたときの当該二次電池Ｂの両電極間の電圧の最大値を第１コンデンサ１３及び第２コンデンサ１４に保持して、これらに保持した電圧から直接的にその差分値に応じた増幅電圧Ｖｍを検出しているので、例えば、二次電池Ｂに第１検出電流Ｉ１及び第２検出電流Ｉ２がそれぞれ流れたときの当該二次電池Ｂの両電極間の電圧を、電圧計などを用いてそれぞれ別個に計測してそれら差分値を検出する構成に比べて、電圧測定時の誤差の混入を回避でき、そのため、二次電池Ｂの状態の検出精度の低下を抑制できる。

また、増幅器１１が、増幅電圧Ｖｍとして第１コンデンサ１３に保持された電圧と第２コンデンサ１４に保持された電圧との差分値を所定の増幅率Ｇで増幅した電圧を出力するように構成されている。このようにしたことから、増幅電圧Ｖｍをより大きな値として得ることができ、二次電池Ｂの状態の検出精度の低下をさらに抑制できる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の電池状態検出装置はこれらの実施形態の構成に限定されるものではない。

例えば、上述した各実施形態では、第１ＡＤＣ２１によって二次電池Ｂの両電極間の電圧を検出し、μＣＯＭ４０のＣＰＵによって当該電圧と状態検出電圧とを比較する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、コンパレータなどの電子部品を用いて、二次電池Ｂの正極Ｂｐの電圧と状態検出電圧とを比較する構成としてもよい。このようにすることで、高精度のＡＤＣを用いることなく、簡易な構成で状態検出電圧を検出できる。

また、上述した各実施形態では、二次電池の状態として二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺを検出する構成であったが、これに限定されるものではなく、二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺと二次電池ＢのＳＯＨは相関があることを利用して、この変化量ΔＺからさらにＳＯＨを検出する構成としてもよい。

また、上述した各実施形態では、電池状態検出装置が１つの二次電池Ｂの内部インピーダンスの変化量ΔＺを検出する構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、電池状態検出装置の先にマルチプレクサを設けて、当該マルチプレクサを切り換えることにより、複数の二次電池Ｂと接続する構成としてもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の電池状態検出装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１電池状態検出装置
１１増幅器（差分電圧出力手段）
１２切換スイッチ
１３第１コンデンサ
１４第２コンデンサ
１５充電部（充電手段）
１７保護抵抗器
１８ダイオード
１９放電スイッチ
４０マイクロコンピュータ（第１検出電流制御手段、第２検出電流制御手段、差分電圧検出手段、電池状態検出手段）
Ｂ二次電池
Ｂｐ二次電池の正極
Ｂｎ二次電池の負極
Ｖｍ増幅電圧（差分電圧）
ｅ起電力部
Ｚ内部インピーダンス
ΔＺ内部インピーダンスの変化量

Claims

二次電池に電流を流す充電手段を備えた電池状態検出装置であって、
第１入力端子及び第２入力端子を有し、前記第１入力端子及び前記第２入力端子のそれぞれに入力された電圧の差分値に応じた差分電圧を出力する差分電圧出力手段と、
前記二次電池の一方の電極を前記第１入力端子及び前記第２入力端子に排他的に接続する切換スイッチと、
前記第１入力端子と前記二次電池の他方の電極との間に設けられた第１コンデンサと、
前記第２入力端子と前記二次電池の他方の電極との間に設けられた第２コンデンサと、
前記切換スイッチによって前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサが前記二次電池の一方の電極と接続されたときに前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサから前記二次電池の一方の電極に流れる電流を規制するように設けられたダイオードと、
前記二次電池の一方の電極と前記第１入力端子とを接続しかつ前記二次電池に直流成分及び当該直流成分の電流値以下の所定の振幅の第１交流成分を含む第１検出電流が少なくとも当該第１交流成分の一周期以上流れるように、前記切換スイッチ及び前記充電手段を制御する第１検出電流制御手段と、
前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続しかつ前記二次電池に前記直流成分及び前記第１交流成分と同一の振幅でかつ異なる周波数の第２交流成分を含む第２検出電流が少なくとも当該第２交流成分の一周期以上流れるように、前記切換スイッチ及び前記充電手段を制御する第２検出電流制御手段と、
前記第１検出電流制御手段及び前記第２検出電流制御手段によって前記切換スイッチ及び前記充電手段が制御された後、前記差分電圧出力手段によって出力された差分電圧を検出する差分電圧検出手段と、
前記差分電圧検出手段によって検出された差分電圧に基づいて、前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、
を備えていることを特徴とする電池状態検出装置。
前記差分電圧出力手段が、前記差分電圧として前記差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池状態検出装置。