JP6211302B2

JP6211302B2 - 電池状態検出装置

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Description

本発明は、電池の劣化の度合や内部抵抗などの当該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は二次電池の内部抵抗と相関があることが知られており、二次電池の内部抵抗を求めることにより当該内部抵抗に基づいてＳＯＨを検出することができる。

二次電池の内部抵抗は、例えば、二次電池に対して、電圧及び電流が一定となる直流信号、又は、電圧及び電流の波形が一定となる交流信号を印加して、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抵抗を測定する技術の一例が、特許文献１等に開示されている。

特許文献１に開示された方法では、複数の単セル電池が組み合わされてなる組電池において、被測定対象となる単セル電池（以下、単に「被測定電池」という）に対して外部から通電する際に、当該被測定電池に隣接して接続された他の単セル電池との間にチョークコイルを設けて被測定電池以外の他の単セル電池に流れる分流電流を抑制する。これにより、被測定電池に接続された他の単セル電池の影響を排除し、通電前の被測定電池の電圧および通電後の所定の時間経過後の被測定電池の電圧をそれぞれ測定して、これら電圧の差電圧と外部からの通電電流とから内部抵抗を算出していた。

特開平９−５４１４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、被測定電池の端子（例えば、負極側）を基準とした電圧計を用いて当該被測定電池の両電極間の電圧Ｖを測定しているところ、このような被測定電池の内部抵抗は非常に小さいので、図５に模式的に示すように、当該内部抵抗ｒにより生じる電圧Ｖｒは、被測定電池の起電力部ｅの起電力により生じる電圧Ｖｅに比べて非常に小さい。そのため、電圧計を用いて測定した電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖｅ＋Ｖｒ）に含まれる内部抵抗により生じる電圧Ｖｒの割合が非常に小さくなってしまうので、測定誤差の影響等を受けて、電圧計を用いて測定した電圧Ｖから被測定電池の内部抵抗により生じる電圧Ｖｒを十分な精度で検出することが困難であった。これにより、被測定電池の内部抵抗及び当該内部抵抗と相関のあるＳＯＨ等の電池状態の検出精度が低下してしまうという問題があった。

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、電池の状態の検出精度の低下を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。

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、二次電池の状態を検出する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、前記二次電池に所定の充電電流を流して充電する充電手段と、前記充電手段による前記二次電池の充電中に当該二次電池の両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になったとき、前記二次電池の充電を停止するように前記充電手段を制御する充電制御手段と、前記二次電池の充電中は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、前記二次電池の充電停止中は前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する接続切換制御手段と、前記接続切換制御手段によって前記二次電池の一方の電極の接続を前記第１入力端子から前記第２入力端子に切り換えるように前記切換スイッチが制御された後でかつ前記第２コンデンサによって保持される電圧が安定したとき、前記差分電圧出力手段から出力される差分電圧及び前記充電電流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、二次電池の状態を検出する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、前記二次電池に所定の充電電流を流して充電する充電手段と、前記充電手段による前記二次電池の充電中に当該二次電池の両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になったとき、前記二次電池の充電を停止するように前記充電手段を制御する充電制御手段と、前記二次電池の充電中は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、前記二次電池の充電停止中は前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する接続切換制御手段と、前記二次電池から前記充電電流と同一の放電電流を流して放電させる放電手段と、前記充電制御手段によって前記充電手段による前記二次電池の充電が停止されたとき、前記二次電池を放電させるように前記放電手段を制御する放電制御手段と、前記接続切換制御手段によって前記二次電池の一方の電極の接続を前記第１入力端子から前記第２入力端子に切り換えるように前記切換スイッチが制御され、前記放電電流により前記二次電池の放電が開始された後でかつ前記第２コンデンサによって保持される電圧が安定したとき、前記差分電圧出力手段から出力される差分電圧及び前記充電電流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、備えていることを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２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、これら第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１入力端子と二次電池の他方の電極との間の電圧を保持する。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、第２入力端子と二次電池の他方の電極との間の電圧を保持する。充電手段が、二次電池に所定の充電電流を流して充電する。充電制御手段が、充電手段による二次電池の充電中に当該二次電池の両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になったとき、二次電池の充電を停止するように充電手段を制御する。接続切換制御手段が、二次電池の充電中は二次電池の一方の電極と第１入力端子とを接続し、かつ、二次電池の充電停止中は二次電池の一方の電極と第２入力端子とを接続するように、切換スイッチを制御する。そして、電池状態検出手段が、接続切換制御手段によって二次電池の一方の電極の接続を第１入力端子から第２入力端子に切り換えるように切換スイッチが制御された後でかつ第２コンデンサによって保持される電圧が安定したとき、差分電圧出力手段から出力される差分電圧及び充電電流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、充電中は、切換スイッチによって二次電池の一方の電極が差分電圧出力手段の第１入力端子に接続されて、二次電池及び充電手段から第１コンデンサに電荷が流れ込む。二次電池の充電は比較的長時間行われるので、第１コンデンサがその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサにおいて充電中の二次電池の両電極間の電圧と同一の電圧が保持される。また、充電停止中は、切換スイッチによって二次電池の一方の電極が差分電圧出力手段の第２入力端子に接続されて、二次電池から第２コンデンサに電荷が流れ込む。そして、第２コンデンサがその容量上限まで電荷を蓄えると第２コンデンサによって保持される電圧が安定し、このとき第２コンデンサにおいて充電停止中の二次電池の両電極間の電圧と同一の電圧が保持される。ここで、充電中における二次電池の両電極間の電圧Ｖｃは、二次電池の起電力によって生じる電圧Ｖｅｃに二次電池の内部抵抗に上記充電電流が流れることによって生じる電圧Ｖｒを足したものとなる（Ｖｃ＝Ｖｅｃ＋Ｖｒ）。また、充電停止中における二次電池の両電極間の電圧Ｖｄは、二次電池の起電力によって生じる電圧Ｖｅｄと同一の値となる（Ｖｄ＝Ｖｅｄ）。そして、第２コンデンサの電圧が安定したとき、二次電池に充電された電荷の一部が第２コンデンサに流れたことになるがその量は二次電池の容量に比較して無視できる程度に小さいものであるため、このときの第１コンデンサによって保持された電圧（即ち、充電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｃ）に含まれる二次電池の起電力により生じる電圧Ｖｅｃと、第２コンデンサによって保持された電圧（即ち、充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄ）に含まれる二次電池の起電力により生じる電圧Ｖｅｄと、は同じ値とみなすことができる（Ｖｅｃ＝Ｖｅｄ）。これにより、充電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｃと充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄの差分値ΔＶは、内部抵抗に上記充電電流が流れることによって生じる電圧Ｖｒとなる（ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖｄ＝Ｖｒ）。そのため、電圧計を用いて測定した電圧を用いることなく、充電中の二次電池の両電極間の電圧と充電停止中の二次電池の両電極間の電圧をそれぞれ保持するとともに、これら電圧の差分値に応じた差分電圧は二次電池の内部抵抗に応じた値となるので、当該差分電圧に用いて二次電池の状態を検出することで、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、二次電池から所定の充電電流と同一の放電電流を流して放電させる放電手段と、充電制御手段によって充電手段による二次電池の充電が停止されたとき、二次電池を放電させるように放電手段を制御する放電制御手段と、をさらに備えている。このようにしたことから、二次電池は、充電停止中に放電手段によって放電されて、このときの二次電池の両電極間の電圧Ｖｄは、二次電池の起電力によって生じる電圧Ｖｅｄに二次電池の内部抵抗に上記充電電流と同一の放電電流が流れることによって生じる電圧Ｖｒ差し引いたものとなる（Ｖｄ＝Ｖｅｄ−Ｖｒ）。そして、第２コンデンサの電圧が安定したとき、第１コンデンサによって保持された電圧（即ち、充電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｃ）に含まれる二次電池の起電力により生じる電圧Ｖｅｃと、第２コンデンサによって保持された電圧（即ち、充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄ）に含まれる二次電池の起電力により生じる電圧Ｖｅｄと、は同じ値とみなすことができる（Ｖｅｃ＝Ｖｅｄ）。これにより、充電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｃと放電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄの差分値ΔＶは、内部抵抗に上記充電電流が流れることによって生じる電圧Ｖｒの二倍の値となる（ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖｄ＝Ｖｒ×２）。そのため、電圧計を用いて測定した電圧を用いることなく、充電中の二次電池の両電極間の電圧と充電停止中の二次電池の両電極間の電圧をそれぞれ保持するとともに、これら電圧の差分値に応じた差分電圧は二次電池の内部抵抗に応じた値となるので、当該差分電圧を用いて二次電池の状態を検出することで、二次電池の状態の検出精度の低下を抑制できる。また、差分電圧は、充電停止中に放電しない構成に比べて２倍の値になるので、二次電池の状態の検出精度の低下をさらに抑制できる。

請求項３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。

本発明の第１の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電池状態検出処理１の一例を示すフローチャートである。本発明の第２の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３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電池状態検出処理２の一例を示すフローチャートである。二次電池の等価回路を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の電池状態検出装置について、図１、図２を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の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電池状態検出処理１の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の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抵抗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。

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と内部抵抗ｒ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、この電圧Ｖは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧Ｖｅと内部抵抗ｒに電流が流れることにより生じる電圧Ｖｒとによって決定される（Ｖ＝Ｖｅ＋Ｖｒ）。二次電池Ｂの負極Ｂｎは、基準電位Ｇに接続されている。

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、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。

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Ａｖ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、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に予め定められた充電電流Ｉｃを流すことができるように設けられている。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を流して充電し、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃを流すことを停止して充電を停止する。充電部１５は、充電手段に相当する。

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を充電制御手段、接続切換制御手段及び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、及び、充電部１５に接続された第２出力ポートＰＯ２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、二次電池Ｂの充電中は二次電池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の充電停止中は二次電池Ｂの正極Ｂｐと第２入力端子Ｉｎ２とを接続するように、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による二次電池Ｂの充電中に当該二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖが所定の状態検出電圧Ｖｔｈになったとき、二次電池Ｂの充電を停止するように充電部１５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の内部抵抗ｒ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、検出した内部抵抗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抵抗等の二次電池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、検出した内部抵抗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抵抗等の二次電池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１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、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電開始の制御信号を送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流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。そして、図２に示す電池状態検出処理１に進む。

電池状態検出処理１において、ＣＰＵは、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃが流れて充電中になると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｓ１１０）。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が二次電池Ｂの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第１コンデンサ１３に、二次電池Ｂ及び充電部１５から電荷が流れ込む。そして、ある程度時間が経過すると、第１コンデンサ１３がその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサには充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

次に、ＣＰＵは、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。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する（Ｓ１２０）。そして、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になると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信し（Ｓ１３０）、ほぼ同時に第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電停止の制御信号を送信する（Ｓ１４０）。切換スイッチ１２は、ＣＰＵから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とを接続する。これにより、第２コンデンサ１４が二次電池Ｂの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第２コンデンサ１４に、二次電池Ｂから電荷が流れ込む。また、充電部１５は、ＣＰＵからの制御信号に応じて、二次電池Ｂへの充電電流Ｉｃを停止する。

そして、第２コンデンサ１４がその容量上限まで電荷を蓄えるための予め設定された蓄電期間が経過するのを待ち（Ｓ１５０）、この蓄電期間を経過したとき第２コンデンサ１４がその容量上限まで電荷を蓄えてその保持する電圧が安定し、第２コンデンサには充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

次に、ＣＰＵは、第２コンデンサの保持する電圧が安定したとき（即ち、上記蓄電期間を経過した時点）、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（Ｓ１６０）。

次に、ＣＰＵは、検出した増幅電圧Ｖｍを増幅器１１の増幅率Ａｖで除し、さらに充電電流Ｉｃで除することにより、二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出する（ｒ＝（Ｖｍ／Ａｖ）／Ｉｃ）（Ｓ１７０）。そして、ＣＰＵは、通信ポートを通じて、検出した二次電池Ｂの内部抵抗ｒを他の装置等に送信する。

最後に、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電開始の制御信号を送信する（Ｓ１８０）。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを再度流し始める。これにより充電が再開されて、電池状態検出処理１を終了する。

図２のフローチャートにおけるステップＳ１４０の処理を実行するＣＰＵが、充電制御手段に相当し、ステップＳ１１０及びＳ１３０の処理を実行するＣＰＵが、接続切換制御手段に相当し、ステップＳ１７０の処理を実行するＣＰＵが、電池状態検出手段に相当する。

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、これら第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１入力端子Ｉｎ１と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧を保持する。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、第２入力端子Ｉｎ２と二次電池Ｂの負極Ｂｎとの間の電圧を保持する。充電部１５が、二次電池Ｂに所定の充電電流Ｉｃを流して充電する。μＣＯＭ４０のＣＰＵは、充電制御手段、接続切換制御手段及び電池状態検出手段として機能する。充電制御手段が、充電部１５による二次電池Ｂの充電中に当該二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖが所定の状態検出電圧Ｖｔｈになったとき、二次電池Ｂの充電を停止するように充電部１５を制御する。接続切換制御手段が、二次電池Ｂの充電中は二次電池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の充電停止中は二次電池ＢのＢｐと第２入力端子Ｉｎ２とを接続するように、切換スイッチ１２を制御する。そして、電池状態検出手段が、接続切換制御手段によって二次電池Ｂの正極Ｂｐの接続を第１入力端子Ｉｎ１から第２入力端子Ｉｎ２に切り換えるように切換スイッチ１２が制御された後でかつ第２コンデンサ１４によって保持される電圧が安定したとき、増幅器１１から出力される増幅電圧Ｖｍ及び充電電流Ｉｃに基づいて二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出する。

このようにしたことから、充電中は、切換スイッチ１２によって二次電池Ｂの正極Ｂｐが増幅器１１の第１入力端子Ｉｎ１に接続されて、二次電池Ｂ及び充電部１５から第１コンデンサ１３に電荷が流れ込む。二次電池Ｂの充電は比較的長時間行われるので、第１コンデンサ１３がその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサ１３において充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧と同一の電圧が保持される。また、充電停止中は、切換スイッチ１２によって二次電池Ｂの正極Ｂｐが増幅器１１の第２入力端子Ｉｎ２に接続されて、二次電池Ｂから第２コンデンサ１４に電荷が流れ込む。そして、第２コンデンサ１４がその容量上限まで電荷を蓄えると第２コンデンサ１４によって保持される電圧が安定し、このとき第２コンデンサ１４において充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧と同一の電圧が保持される。ここで、充電中における二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃは、二次電池Ｂの起電力によって生じる電圧Ｖｅｃに二次電池Ｂの内部抵抗ｒに充電電流Ｉｃが流れることによって生じる電圧Ｖｒを足したものとなる（Ｖｃ＝Ｖｅｃ＋Ｖｒ）。また、充電停止中における二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｄは、二次電池Ｂの起電力によって生じる電圧Ｖｅｄと同一の値となる（Ｖｄ＝Ｖｅｄ）。そして、第２コンデンサ１４の電圧が安定したとき、二次電池Ｂに充電された電荷の一部が第２コンデンサに流れたことになるがその量は二次電池Ｂの容量に比較して無視できる程度に小さいものであるため、このときの第１コンデンサ１３によって保持された電圧（即ち、充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃ）に含まれる二次電池Ｂの起電力により生じる電圧Ｖｅｃと、第２コンデンサ１４によって保持された電圧（即ち、充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄ）に含まれる二次電池Ｂの起電力により生じる電圧Ｖｅｄと、は同じ値とみなすことができる（Ｖｅｃ＝Ｖｅｄ）。これにより、充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃと充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄの差分値ΔＶは、内部抵抗ｒに充電電流Ｉｃが流れることによって生じる電圧Ｖｒとなる（ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖｄ＝Ｖｒ）。そのため、電圧計を用いて測定した電圧を用いることなく、充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃと充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｄをそれぞれ保持するとともに、これら電圧の差分値ΔＶを増幅して得た増幅電圧Ｖｍは二次電池Ｂの内部抵抗ｒに応じた値となるので、当該増幅電圧Ｖｍに用いて二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出することで、二次電池Ｂの内部抵抗ｒの検出精度の低下を抑制できる。

また、増幅器１１が、第１入力端子Ｉｎ１に入力された電圧及び第２入力端子Ｉｎ２に入力された電圧の差分値を所定の増幅率で増幅した電圧を出力する。このようにしたことから、上記差分値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。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態の電池状態検出装置について、図３、図４を参照して説明する。

図３は、本発明の第２の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４は、図３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電池状態検出処理２の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の電池状態検出装置についても、上述した第１の実施形態と同様に、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抵抗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３に示すように、電池状態検出装置（図中、符号２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、放電部１６と、第１アナログ−デジタル変換器２１（第１ＡＤＣ２１）と、第２アナログ−デジタル変換器２２（第２ＡＤＣ２２）と、マイクロコンピュータ４０（μＣＯＭ４０）と、を有している。

本実施形態の電池状態検出装置２は、上述した第１の実施形態の電池状態検出装置１において、放電部１６をさらに備えるとともに、μＣＯＭ４０のＣＰＵを放電制御手段としてさらに機能させること以外は、上記電池状態検出装置１と同一の構成であるので、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

放電部１６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の放電に際して、当該二次電池Ｂから予め定められた上記充電電流Ｉｃと同一電流値の放電電流Ｉｄを流すことができるように設けられている。放電部１６は、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から放電電流Ｉｄを流して放電し、二次電池Ｂから放電電流Ｉｄを流すことを停止して放電を停止する。放電部１６は、放電手段に相当する。

μＣＯＭ４０は、第１出力ポートＰＯ１及び第２出力ポートＰＯ２に加えて、放電部１６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３出力ポートＰＯ３を通じて放電部１６に制御信号を送信して、充電部１５による二次電池Ｂの充電が停止されたとき、二次電池Ｂを放電させるように放電部１６を制御する。

次に、上述した電池状態検出装置２が備えるμＣＯＭ４０における電池状態検出処理２の一例について、図４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、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電開始の制御信号を送信する。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流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。そして、図４に示す電池状態検出処理２に進む。

電池状態検出処理２において、ＣＰＵは、二次電池Ｂに充電電流Ｉｃが流れて充電中になると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して一方の切換端子ａと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信する（Ｔ１１０）。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が二次電池Ｂの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第１コンデンサ１３に、二次電池Ｂ及び充電部１５から電荷が流れ込む。そして、ある程度時間が経過すると、第１コンデンサ１３がその容量上限まで電荷を蓄えて、第１コンデンサには充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

次に、ＣＰＵは、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。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する（Ｔ１２０）。そして、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になると、第１出力ポートＰＯ１を通じて切換スイッチ１２に対して他方の切換端子ｂと共通端子ｃとを接続する制御信号を送信し（Ｔ１３０）、ほぼ同時に第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電停止の制御信号を送信する（Ｔ１４０）。切換スイッチ１２は、ＣＰＵから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とを接続する。これにより、第２コンデンサ１４が二次電池Ｂの正極Ｂｐ及び負極Ｂｎの間に接続されて、第２コンデンサ１４に、二次電池Ｂから電荷が流れ込む。また、充電部１５は、ＣＰＵからの制御信号に応じて、二次電池Ｂへの充電電流Ｉｃを停止する。

次に、ＣＰＵは、第３出力ポートＰＯ３を通じて放電部１６に対し放電開始の制御信号を送信する。放電部１６はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂから予め定められた一定の放電電流Ｉｄ（充電電流Ｉｃと同一値）を流し始める。これにより、二次電池Ｂの放電が開始される（Ｔ１４５）。

そして、第２コンデンサ１４がその容量上限まで電荷を蓄えるための所定の蓄電期間を経過するまで待ち（Ｔ１５０）、この蓄電期間を経過したとき第２コンデンサ１４がその容量上限まで電荷を蓄えてその保持する電圧が安定し、第２コンデンサには充電停止中（即ち、放電中）の二次電池Ｂの両電極間の電圧が保持される。

次に、ＣＰＵは、第２コンデンサの保持する電圧が安定したとき（即ち、上記蓄電期間を経過した時点）、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（Ｔ１６０）。

次に、ＣＰＵは、検出した増幅電圧Ｖｍの半分の値を増幅器１１の増幅率Ａｖで除し、さらに充電電流Ｉｃで除することにより、二次電池Ｂの内部抵抗ｒを検出する（ｒ＝（Ｖｍ／Ａｖ）／（Ｉｃ×２））（Ｔ１７０）。そして、ＣＰＵは、通信ポートを通じて、検出した二次電池Ｂの内部抵抗ｒを他の装置に送信する。

次に、ＣＰＵは、第３出力ポートＰＯ３を通じて放電部１６に対し放電停止の制御信号を送信する。放電部１６はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂからの放電電流Ｉｄを停止する（Ｔ１７５）。

最後に、ＣＰＵは、第２出力ポートＰＯ２を通じて充電部１５に対し充電開始の制御信号を送信する（Ｔ１８０）。充電部１５はこの制御信号に応じて、二次電池Ｂに予め定められた一定の充電電流Ｉｃを再度流し始める。これにより充電が再開されて、電池状態検出処理２を終了する。

図４のフローチャートにおけるステップＴ１４０の処理を実行するＣＰＵが、充電制御手段に相当し、ステップＴ１４５の処理を実行するＣＰＵが、放電制御手段に相当し、ステップＴ１１０及びＴ１３０の処理を実行するＣＰＵが、接続切換制御手段に相当し、ステップＴ１７０の処理を実行するＣＰＵが、電池状態検出手段に相当する。

以上より、本実施形態によれば、上述した第１の実施形態の構成に加えて、二次電池Ｂから所定の充電電流Ｉｃと同一の放電電流Ｉｄを流して放電させる放電部１６をさらに備えている。また、μＣＯＭ４０のＣＰＵが、放電制御手段としてさらに機能し、この放電制御手段が、充電制御手段によって充電部１５による二次電池Ｂの充電が停止されたとき、二次電池Ｂを放電させるように放電部１６を制御する。このようにしたことから、二次電池Ｂは、充電停止中に放電部１６によって放電されて、このときの二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｄは、二次電池Ｂの起電力によって生じる電圧Ｖｅｄに二次電池Ｂの内部抵抗ｒに上記充電電流Ｉｃと同一の放電電流Ｉｄが流れることによって生じる電圧Ｖｒ差し引いたものとなる（Ｖｄ＝Ｖｅｄ−Ｖｒ）。そして、第２コンデンサ１４の電圧が安定したとき、第１コンデンサ１３によって保持された電圧（即ち、充電中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｃ）に含まれる二次電池Ｂの起電力により生じる電圧Ｖｅｃと、第２コンデンサ１４によって保持された電圧（即ち、充電停止中の二次電池の両電極間の電圧Ｖｄ）に含まれる二次電池Ｂの起電力により生じる電圧Ｖｅｄと、は同じ値とみなすことができる（Ｖｅｃ＝Ｖｅｄ）。これにより、充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃと放電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｄの差分値ΔＶは、内部抵抗ｒに上記充電電流Ｉｃが流れることによって生じる電圧Ｖｒの二倍の値となる（ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖｄ＝Ｖｒ×２）。そのため、電圧計を用いて測定した電圧を用いることなく、充電中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｃと充電停止中の二次電池Ｂの両電極間の電圧Ｖｄをそれぞれ保持するとともに、これら電圧の差分値ΔＶを増幅して得た増幅電圧Ｖｍは二次電池Ｂの内部抵抗ｒに応じた値となるので、当該増幅電圧Ｖｍを用いて二次電池Ｂの内部抵抗を検出することで、二次電池の内部抵抗ｒの検出精度の低下を抑制できる。また、増幅電圧Ｖｍは、充電停止中に放電しない構成に比べて２倍の値になるので、二次電池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の内部抵抗ｒ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の内部抵抗ｒと二次電池ＢのＳＯＨは相関があることを利用して、内部抵抗ｒ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の内部抵抗ｒ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、２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）
１６放電部（放電手段）
４０マイクロコンピュータ（充電制御手段、接続切換制御手段、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
ｒ内部抵抗

Claims

二次電池の状態を検出する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、
前記二次電池に所定の充電電流を流して充電する充電手段と、
前記充電手段による前記二次電池の充電中に当該二次電池の両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になったとき、前記二次電池の充電を停止するように前記充電手段を制御する充電制御手段と、
前記二次電池の充電中は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、前記二次電池の充電停止中は前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する接続切換制御手段と、
前記接続切換制御手段によって前記二次電池の一方の電極の接続を前記第１入力端子から前記第２入力端子に切り換えるように前記切換スイッチが制御された後でかつ前記第２コンデンサによって保持される電圧が安定したとき、前記差分電圧出力手段から出力される差分電圧及び前記充電電流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。
二次電池の状態を検出する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、
前記二次電池に所定の充電電流を流して充電する充電手段と、
前記充電手段による前記二次電池の充電中に当該二次電池の両電極間の電圧が所定の状態検出電圧になったとき、前記二次電池の充電を停止するように前記充電手段を制御する充電制御手段と、
前記二次電池の充電中は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、前記二次電池の充電停止中は前記二次電池の一方の電極と前記第２入力端子とを接続するように、前記切換スイッチを制御する接続切換制御手段と、
前記二次電池から前記充電電流と同一の放電電流を流して放電させる放電手段と、
前記充電制御手段によって前記充電手段による前記二次電池の充電が停止されたとき、前記二次電池を放電させるように前記放電手段を制御する放電制御手段と、
前記接続切換制御手段によって前記二次電池の一方の電極の接続を前記第１入力端子から前記第２入力端子に切り換えるように前記切換スイッチが制御され、前記放電電流により前記二次電池の放電が開始された後でかつ前記第２コンデンサによって保持される電圧が安定したとき、前記差分電圧出力手段から出力される差分電圧及び前記充電電流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、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又は２に記載の電池状態検出装置。