電池余寿命測定装置

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【発明の名称】	電池余寿命測定装置
【発明者】	【氏名】松浦良樹
【要約】	【課題】【解決手段】

【特許請求の範囲】
【請求項１】電池に発光体を接続して発光させ、その光線を、前記発光体に近接配設の受光素子により受光して、前記発光体の発光強度を抵抗値または電圧・電流値に変換し、設定しきい値と比較して前記電池の余寿命を測定する電池余寿命測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば長期保存乾電池の余寿命を測定する電池余寿命測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１１は、電池電圧測定回路例で、負荷７１と並列に、高インピーダンスの電圧計７３を挿入して、電池Ｅ７５の電圧を読み取る。また図１２の電池電圧測定回路例では、負荷７１と並列に、抵抗器Ｒ７と抵抗器Ｒ８により構成の高抵抗分圧器を挿入し、その出力を内部基準電圧と比較する比較器またはＡＤ変換器のＣＯＭ／ＡＤ７７に導入し、出力を得て電池Ｅ７５の電圧を測定する。
【０００３】この時、乾電池の代表例として、マンガン電池を例にとると、連続通電による電池Ｅ７５の時間に対する電圧変化は、図１３となる。（参考資料：社団法人電池工業会発行「くらしと電池」）即ち、急激に電圧が低下する期間ＴＡ、緩やかに電圧が低下する期間ＴＢ、および電圧がやヽ速く低下する寿命終端期ＴＣである。電池が使用に耐える期間はＴＡ＋ＴＢである。乾電池は、間欠的に負荷に接続すると、接続直後の電圧の急落、開放後の電圧の部分回復を繰り返すが、こヽでは、防災用品の保存状態を考えて、この効果を無視する。長期保存乾電池は、表面の絶縁抵抗が負荷となって放電し劣化する。負荷を接続して使用を開始する時には、最初の過渡期を除いて、図１３の特性曲線上のいずれかから新たな放電を開始する。そこで、負荷を伴う電圧測定により、Ｅｂの値を得、同じ負荷を接続した時の使用限界をＥｃとすれば、Ｔｃ－Ｔｂが余寿命となる。逆に、Ｅｃを下回る電圧Ｅｄが得られたならば、Ｔｃ－Ｔｄ≦０となり、既に想定の寿命時間を過ぎており、この電池Ｅ７５を更に保存することを中止する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図１３の電圧変化曲線は、全体としては緩やかに降下するために、寿命設定限界値電圧Ｅｃの設定が容易でない。即ち、Ｅｂの点に設定すれば、期間Ｔｃ－Ｔｂの寿命を捨てることになる。逆にＥｄの点に設定すれば、たとえ使用可能であっても、急激な電圧降下を生じ、機器に装着した時の機能低下を補う時間的余裕がない。
【０００５】本発明は、寿命電圧の設定を容易に行い、その設定電圧に達する迄の時間（余寿命）を容易に測定できる装置を提供することを目的としている。この効果として、充分な余寿命を持つ電池の廃棄を留保して、環境汚染物質の発生を低減すると共に、省資源化を推進し、防災用品としての乾電池の適正管理をはかることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために、本発明に係る電池余寿命測定装置は、被測定電池に発光体を接続して発光させ、その光線を近接配置の受光素子により受光して、前記発光体の発光強度を、抵抗値または電圧・電流値に変換し、設定しきい値と比較し、前記電池の余寿命を測定する。
【０００７】
【作用】本発明によれば、電池の時間に対する消耗・劣化特性を表す、全体として緩やな下降電圧曲線に代えて、電池起電力→発光体光強度→抵抗／電圧／電流の変換を経た、電池の寿命到達時点より以前に急激に降下する電圧特性曲線を得て、より余寿命の推定が容易になる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。複数の図に渡って同一記号を、使用しているが、同一部品または記号が適用出来る場合であって、図の説明の簡略化のためである。図１は、本発明の電池余寿命測定装置の回路例である。被測定乾電池ＥＡ０３、ＥＢ０５を２個組み合わせて使用する懐中電灯使用を想定している。従って、この実施例では、乾電池２個を組として余寿命を測定する。
【０００９】乾電池ＥＡ０３，ＥＢ０５に発光体としての電球０７を接続する。電球０７は、この場合、懐中電灯の電球であって、実負荷である。防災用品としての乾電池の用途には、懐中電灯の他、携帯ラジオ、携帯無線機器が考えられるが、最も消費電力大の負荷は懐中電灯であり、懐中電灯使用を想定して乾電池を管理すれば、他目的使用に流用可能である。また、乾電池１個使用の懐中電灯は皆無ではないので、その場合は、乾電池ＥＡ０３、ＥＢ０５のいずれかを選択し、電球０７は１．５Ｖ以下用に代えて、図１の測定回路を適用することが出来る。
【００１０】図１に戻って、先ず感度調整をする。スイッチ１３を「単独」、スイッチ１７を「チェック」にする。次に、可変抵抗１５を調整し、１．５Ｖ電源２５の電圧を抵抗器Ｒ３、Ｒ４と共に分圧して、ＦＥＴ２１のゲートに印加する。ゲートとソース間に挿入の容量Ｃは、入力時定数調整用である。ＦＥＴ２１の出力を、アノードを１．５Ｖ電源２５に接続のＬＥＤ１９のカソードに印加すると共に、次段ＦＥＴ２９のゲートに入力する。ＦＥＴ２９のゲートは、１２Ｖ電源２７から抵抗器Ｒ５を通じてバイアスされている。ＦＥＴ２９のドレインと１２Ｖ電源２７との間には、リレー３１が接続してあり、時計３３を制御する。可変抵抗１５の調整位置を、時計３３が停止と始動の境界の停止状態に設定する。この時ＬＥＤ１９は点灯しない。
【００１１】図１の回路で、感度調調整後、スイッチ１３を「電灯」、電灯０１のスイッチ０９を閉じ、時計３３を始動させ、停止する迄が乾電池ＥＡ０３とＥＢ０５の組としての寿命となる。この場合、電灯０１の電球０７の発光をＦＥＴ２１のゲートと１．５Ｖ電源２５間に、可変抵抗１５と直列に接続したＣｄＳ１１で受光する。その抵抗値は、電球０７が正常に発光している時は抵抗器Ｒ３より小で、電球０７の発光が極度に低下した時には、抵抗器Ｒ３より大となるような特性のＣｄＳ１１を選ぶ。従って、電球０７が正常点灯時は、ＦＥＴ２１はＯＮ、ＬＥＤ１９は点灯、ＦＥＴ２９はＯＦＦ、リレー３１は非動作、時計３３は動作となる。電球０７の発光が極度に低下すると、ＦＥＴ２１はＯＦＦ、ＬＥＤ１９は消灯、ＦＥＴ２９はＯＮ、リレー３１は動作、時計３３は停止する。
【００１２】図１のＦＥＴ２１のゲートとソース間に、高インピーダンスの電圧計２３を接続すると、乾電池ＥＡ０３、ＥＢ０５の組としての、時間に対する劣化経過を知ることができる。図２の特性「電灯寿命」４１は、室内に４年間自然放置した単３マンガン乾電池について、図１の測定回路を使用した時の、電圧計２３の指示経過例である。試験開始前の乾電池の無負荷電圧は、それぞれ１．５７８Ｖ、１．５８０Ｖ、電球０７の定格は２．２Ｖ／０．４７Ａである。約５０分経過時点から垂下特性が始まり、約７０分で寿命となる。
【００１３】電池の単独寿命を、抵抗を負荷として、同じ図１の回路を使用して測定することができる。次に、図２の特性「電灯寿命」４１との比較をするために、その手順と結果を説明する。図１に於いて、被測定乾電池ＥＣ３５を外した状態で、抵抗負荷である可変抵抗３９の両端に、図示しないテスタを接続して、可変抵抗３９の抵抗値を調整する。抵抗値は、電灯寿命試験の際、電球０７に流れる電流とほゞ同一の電流が流れるような値とする。次に感度調整をする。即ち、スイッチ１３を「単独」、スイッチ１７を「チェック」とし、可変抵抗１５を調整して、ＬＥＤ１９が点灯から非点灯に、時計３３が動作から停止となる境界の直前に設定する。スイッチ１７を「測定」にすると、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで構成する分圧器３７の並列回路が抵抗器Ｒ４と並列に接続されるので、ＦＥＴ２１のゲートとソース間の電圧は、しきい値を下回り、ＦＥＴ２１はＯＦＦ、ＬＥＤ１９は非点灯、ＦＥＴ２９はＯＮ、時計３３は停止状態となる。この状態で、乾電池ＥＣ３５を挿入すると、ＦＥＴ２１のゲートとソース間の電圧は、しきい値を上回り、ＦＥＴ２１がＯＮ、ＬＥＤ１９が点灯、ＦＥＴ２９がＯＦＦ、時計３３は始動する。時計３３が停止する迄の時間が乾電池ＥＣ３５の寿命である。この場合、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２による乾電池ＥＣ３５の電圧の分圧比は、図２の特性「電灯寿命」４１がＦＥＴ２１の入力しきい値に達する時間とほゞ同時間に、乾電池ＥＣ３５の電圧がＦＥＴ２１入力のしきい値に達するように設定する。
【００１４】図１に於ける乾電池ＥＣ３５の時間に対する消耗度を、電圧計２３で測定すると、図２の特性「単独寿命」４３が得られる。この場合、乾電池ＥＣ３５は、特性「電灯寿命」４１の被測定乾電池ＥＡ０３、ＥＢ０５と同一ロットの４年間室内自然放置の単３マンガン乾電池であって、試験前無負荷電圧１．５７８Ｖである。図１の負荷の可変抵抗３９は３．４４Ω、抵抗器Ｒ１は２ｋΩ、抵抗器Ｒ２を１ｋΩに設定した。図２の特性「単独寿命」４３は、放電開始後、約３分間、急激な電圧降下を示し、その後はほゞ直線に近い緩やかな低下特性を示す。
【００１５】図２の特性「電灯寿命」４１と特性「単独寿命」４３とを比較すると、特性「電灯寿命」４１は、放電開始時の急激な電圧降下が小で、また、寿命末期の垂下特性が顕著である。放電開始時の電圧降下が小であることは、電池の寿命点測定に当たっての待ち時間が小であることを意味し、垂下特性が顕著であることは、電池の寿命時期の判定を容易にする。これらの原因の一つは、図１のＣｄＳ１１の受光強度と抵抗値との関係にある。受光量が充分な場合は抵抗値変化が飽和し、受光が微弱の場合は、抵抗値が激しく変化するのが望ましい。本発明では、電球０７の発光が顕著に低下し始める時、ＣｄＳ１１の抵抗値が抵抗器Ｒ３とほゞ等しくなるよう抵抗器Ｒ３の値を設定している。
【００１６】図２の特性「電灯寿命」４１の垂下特性が顕著である他の理由は、図１の負荷としての電球０７の抵抗値が一定でないことである。即ち、ＰＴＣ（正の温度係数）特性をもち、発光強度が大の時、従って温度が高い時に抵抗値が大で、発光強度が小の時は、温度が低く、抵抗値は小となる。図３は、新しい単３マンガン乾電池２個で図１の電灯０１を構成した時の、電球０７の抵抗値と、電球０７に印加される電圧と電流との積、即ち供給電力の時間推移を示す。測定回路は図４に示すように、乾電池ＥＤ４９と乾電池ＥＥ５１の直列電源に電流計５３と負荷としての電球０７を直列に接続し、電球０７と並列に電圧計５５を接続している。図３の特性「抵抗値」４５は２倍以上、特性「電力」４７は５倍以上変化している。従って、図２で特性「単独寿命」４３が固定負荷に対する特性を示すのに対し、特性「電灯寿命」４１が変動負荷に対する特性を示しており、特性「電灯寿命」４１では電池の消耗度が強調されて現れる。
【００１７】次に、電池の余寿命を推定する方法について説明する。先ず、以上述べた一連の手順に従って、新しい電池の組について図２に準じた「電灯寿命」を得る。その曲線を図形化して図５に特性「電灯寿命」５６として示す。Ｔ０を寿命点、その時の電圧をＥ０とする。余寿命推定には、図１の回路を簡略した図６の回路を使用することができる。図１の単独寿命測定関連部分、電圧計２３、ＦＥＴ２９以降は省略できる。感度調整は済んでいるものとする。即ち図５のＥ０点を判別する可変抵抗１５の値（機械的摺動子位置）は分っており、最初、可変抵抗１５の値をその値に設定する。次に、電灯０１に乾電池ＥＡ０３と乾電池ＥＢ０５とを挿入し、スイッチ０９をＯＮとして、電球０７を点灯する。乾電池ＥＡ０３と乾電池ＥＢ０５が組として寿命終端に達していなければ、ＬＥＤ１９は点灯する。次に、可変抵抗１５の値を増加させて、ＬＥＤ１９が点灯から消灯に切り替わる値（摺動子位置）を求める。図６のＦＥＴ２９のゲートとソース間の電圧（入力電圧）Ｖを、図５のしきい値電圧Ｅ０からΔＥ上昇させて、特性「電灯寿命」５６上ＴＭ時点対応のＥＭ点で、ＬＥＤ１９が消灯すると、余寿命はＴ０－ＴＭとなる。
【００１８】図６に於いて、１．５Ｖ電源２５の電圧を安定化すれば、同種類の電池について、また同一電球０７について、図５の特性「電灯寿命」５６とＥ０値を基準値化することができる。図７は、図６の可変抵抗１５を回転型とし、つまみ５９の回転位置に余寿命目盛５７を付した例である。「０」は、図５の「Ｔ０」点を、左に廻し図６のＬＥＤ１９が消灯した時のつまみ５９の位置が、図５の「ＴＭ」点を表し、余寿命を直読することができる。
【００１９】図２の特性「電灯寿命」４１の終端に、特性「単独寿命」４３の終端を一致させる、図１の負荷の可変抵抗３９と分圧器３７の抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との値が分かれば、特性「単独寿命」４３を基準値化し、個々の電池の、電灯使用時の余寿命を予測することができる。図９は、図１の単独寿命測定関連部分を簡略化した回路図である。図１の可変抵抗１５を固定化して、抵抗器Ｒ６に、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２を可変抵抗６５に置換してある。但し、１．５Ｖ電源２５は安定化し、抵抗器Ｒ６は図１のスイッチ１３が「チェック」時の感度調整値に設定してある。電圧計２３とＦＥＴ２９以降は省略できる。図８は、図２の特性「単独寿命」４３を図形化「単独寿命」６１として示している。最初、図９のＦＥＴ２１のゲートとソース間の電圧Ｖのしきい値が、図８の寿命終端Ｔ０時点で電圧Ｖ０となるよう、可変抵抗６５の値（機械的摺動子位置）を確認・設定する。次に、被測定乾電池ＥＣ３５を回路に挿入した時、ＬＥＤ１９が点灯すること、即ち乾電池ＥＣ３５の余寿命があることを確認する。この状態で、可変抵抗６５の値（機械的摺動子位置）をＦＥＴ２１の入力電圧Ｖを絞る方向に調整し、ＬＥＤ１９が点灯から消灯に変わる値（機械的摺動子位置）を求める。この際、数分の安定時間を要することは、既述の通りである。この動作を更に図８で説明すると、ＦＥＴ２１入力しきい値をＶ０からΔＶ上昇させＶ１に設定したことになり、その時の特性「単独寿命」６１上の時間軸はＴ１となる。即ち、乾電池ＥＣ３５の余寿命は、Ｔ０－Ｔ１と予想される。この時、図１０に示すように可変抵抗６５の、つまみ６９の位置に、余寿命目盛６７を付せば、余寿命を直読できる。
【００２０】図９の単独寿命測定回路で、電灯寿命測定時の電球負荷に対応する電流が負荷の可変抵抗３９に流れるように、可変抵抗３９を乾電池ＥＣ３５の寿命時期に応じて、変化設定するのが望ましい。その際は、図８の特性「単独寿命」６１を図５の特性「電灯寿命」５６に近い形に補正し、図１０の余寿命目盛６７も補正する必要がある。負荷の可変抵抗３９を固定化したまヽの時は、負荷を寿命時点に対応して変化させた場合の「単独寿命」特性をシュミュレーションし、図８の特性「単独寿命」６１を補正し、図１０の余寿命目盛６７も補正する。但し、負荷を実際に変化させない場合は、既に説明した本発明の作用により、変化させた場合と較べて検出感度は低い。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、電池の時間に対する劣化特性を、寿命終端付近に広範囲な垂下特性を持つように変換することができ、寿命点推定が容易になり、また寿命特性曲線を確定することが容易になる。従って簡便な余寿命測定装置を実現し、防災用品としての電池の管理が容易となり、不用意な廃棄による環境汚染を低減し、省資源化をはかることができる。

【出願人】	【識別番号】５９４０７０８５２【氏名又は名称】有限会社松浦電子デバイス
【出願日】	平成１１年６月２９日（１９９９．６．２９）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－１３２２７（Ｐ２００１－１３２２７Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願平１１－２１９０７１