JP2001231179A - 電池容量検出方法および装置並びに電池パック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池の使用環境の変化あるいは劣化にもかか
わらず、二次電池の充放電容量を正確に把握可能とす
る。 【解決手段】 電池容量を検出すべき二次電池に対し、
予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧
特性を測定しておく一方、二次電池の休止時期に対応し
て開放回路電圧を測定し、その電圧値に対応する充電率
を開放回路電圧特性から判定するとともに、充電中に供
給された充電量と充電前後の充電率とから、満充電容量
と残容量を演算する。更に充放電中は、休止中に測定し
た充電率に動作中に入出力される充電量で換算される充
電率の変化分を積算することにより、現在の充電率と残
容量を推測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リチウムイオン
電池の様な複数回の充放電が可能な二次電池における電
池容量の検出方法およびその検出方法を使用した装置、
並びに電池容量検出装置と二次電池とを一体に収納した
電池パックに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電池容量の検出方法として、電池
の出力電圧の値から残り容量を推定する方式、満充電か
らの放電の積算量を測定して残り容量を推定する方式等
があり、種々検討されてきた。

【０００３】電池の出力電圧の値から残り容量を推定す
る方式では、出力電圧に対する放電電流、温度、劣化の
依存性もあるので、放電特性自体の傾きが大きくないと
十分な精度で推定することは困難である。そのため、通
常、放電末期で急速な電圧変化が生じる区間以外では、
正確な残量の推定は困難である。

【０００４】これに対し、満充電からの放電電流の積算
量から残り容量を推定する方式では、電流を積算する必
要はあるが、放電特性の傾きの問題がなくなる。この方
式において、放電効率を加味することにより残量の推定
の精度を向上を図る公知例として、特開昭６３−２０８
７７３の「蓄電池の残存容量監視装置」がある。同装置
では、放電効率のみならず充電効率も加味し、更に正確
な残存容量の監視を行おうとしている。

【０００５】また、残りの使用時間の推定精度の向上を
狙ったものとして、特開平２−１７０３７２の「鉛蓄電
池の残存容量検知方法」がある。これは、温度や放電電
流が変化した場合の放電特性のデータを複数個もち、適
時データを参照することにより、温度や電流が変化して
も残りの放電可能な時間の正確さを維持しようとするも
のである。

【０００６】このように、電池電圧の値により残容量の
推定が困難な場合には、満充電状態における総充電量に
対して充放電によって増減した電池の電荷量を積算しな
がら、その積算量に対応した表示を行うものが一般的で
あった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二次電
池は繰り返しサイクルの増加に伴って電池性能の劣化は
避けられないが、上記した方法にあってはかかる劣化に
対応していないために、容量表示に誤差が発生する不都
合があった。

【０００８】かかる不都合に対し、本発明者は各種条件
の二次電池について充放電過程を調べた結果、下記の事
実を知見した。すなわち、図１（ａ）の様に、横軸を充
電率［％］、縦軸を開放回路電圧［Ｖ］とした場合、二
次電池の充放電を繰り返すことにより生じるサイクル劣
化や、高温で放置した際に生じる高温放置劣化等の劣化
状況や、使用条件の相違に拘らず略同一の開放回路電圧
特性となり、かつ、温度特性も劣化状況や使用条件に拘
らずほぼ同一の挙動を示すので、この開放回路電圧特性
を利用することにより、正確な充電率の把握が可能とな
るのである。

【０００９】本発明はかかる知見に基づいてなされたも
のであって、使用中の二次電池について開放回路電圧を
測定することにより、二次電池の劣化や使用条件の変更
にかかわらず現在の充電率を正確に把握することができ
ることを積極的に利用し、測定機会を得て検出した正確
な充電率を元に、充放電中の電荷量を積算することによ
って得た積算値や、適時測定した電池特性のパラメータ
から推測する放電特性を利用することにより、劣化等に
対応しつつ、電池の満充電容量や残り時間等の正確な検
出方法を提供することを目的とする。

【００１０】本発明は更に、上記した電池容量の検出方
法を使用した電池容量検出装置と二次電池とを一体に収
納して電池パックとすることにより、電池パックを装着
する電気機器に対し、二次電池に関する的確な情報を提
供可能とすることを目的とする。

【００１１】なお、以上および以下の説明において、
「充電率」とは、二次電池を略完全に放電した状態から
充電を続け、満充電状態になるまでに二次電池に入力さ
れる総容量を「１００」とした場合における二次電池に
残存する容量の割合を「％」で表示したものをいう。

【００１２】また「開放回路電圧」とは、二次電池が長
時間にわたって放置されることにより安定した状態にお
いて、両極間を開放して測定した端子間電圧である。更
に「開放回路電圧特性」とは、容量表示をすべき二次電
池について予め測定しておいた充電率と開放回路電圧の
関係を、テーブルあるいはグラフの様なデータ処理しや
すい形態の情報として保持しているものをいう。

【００１３】更にまた、二次電池に対して充放電用の負
荷が加わり、充放電電流が流れている状態における端子
電圧を単に「電池電圧」と呼ぶことにする。また充放電
時における充放電時間と電池電圧の関係を「電池電圧特
性」と、放電時において、予め設定した一定電流で放電
した場合における放電時間と電池電圧の関係を示す曲線
を「放電特性」という。

【００１４】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに本発明にあっては、図１（ａ）に例示する様に、電
池容量を検出すべき二次電池に対し、予め充電率と開放
回路電圧との関係を示す開放回路電圧特性を測定してお
く。

【００１５】一方、充電または放電の休止期間中に二次
電池の開放回路電圧を測定し、測定によって得られた開
放回路電圧と上記した開放回路電圧特性とから、測定時
点における充電率を推測することを特徴とする。

【００１６】上記した充電率の推測が、図１（ｂ）の様
に、充電の開始前および終了後に測定された開放回路電
圧ＶａおよびＶｂを開放回路電圧特性に適用することに
より行われる一方、充電中に二次電池に供給された電荷
の総量すなわち充電量を計測し、計測された充電量と推
測された充電率とから、二次電池の満充電容量および充
電終了後の残容量を推測する。

【００１７】同様に、放電開始直前の充電率と、放電終
了後の充電率と、放電中に積算した放電量の積算値とか
ら満充電容量を推測できる。しかし通常、一度に充電率
が変化する充電動作を挟んで推測する方が推測が容易で
ある。

【００１８】また、放電中、充電中は分極があり、開放
回路電圧を測定することは困難であるので、放電中或い
は充電中の電荷が積算量の変化と満充電容量とから充電
率の変化を算出する。充電率の変化は満充電容量に対す
る積算量の変化割合であり、開放回路電圧を測定した時
点からの積算量の変化を追跡することにより、各時点で
の充電率を算出する。

【００１９】上記した開放回路電圧の測定は、図４の様
に、充電または放電を終了してからの休止期間中で所定
の時間間隔で複数回行われ、その複数回の測定結果か
ら、開放回路電圧の収束値を推測することにより行われ
る。

【００２０】上記した開放回路電圧の測定が予め設定し
た回数だけ行われる前に充電または放電が再開され、前
回の充電または放電後における充電率が推測されなかっ
た場合には、前回の充電または放電前に推測された充電
率に対し、その充電または放電中に測定された充電量の
変化分から換算される充電率の変化分を積算し、演算に
より現在の充電率を推測する。

【００２１】上記のように、精密な充電率の測定が可能
な機会において得られた充電率に基づいて、測定後の充
電率や容量等を推測するが、上記した電池電圧の測定に
より求めた充電率と、充電量の変化分を積算して求めた
充電率とが互いに相違することが判定された場合には、
積算された充電率を測定された充電率に対して近づける
補正が行われる。この積算充電率の補正は、測定された
電池電圧の変化が、予め設定した値を超える変化率を示
す場合に行われることが好ましい。

【００２２】電池の等価回路としてＲａｎｄｌｅｓｓの
等価回路がよく知られているが、この等価回路の回路定
数の測定には、通常、電池の平衡状態を乱さないよう
に、負荷電流をできるだけ流さないような測定方法が採
られており、実使用状態の等価回路とは必ずしも一致し
ない。

【００２３】そこで、この等価回路を援用し、図３に示
すように、溶液抵抗Ｒと、電荷移動抵抗ｒと、ワーブル
グインピーダンスＺｗである拡散抵抗に相当する分極電
圧Ｅｐと、開放回路電圧特性を有する理想電池Ｅにより
電池が構成されると想定する。勿論、劣化の状態や充電
率等により必ずしもこの等価回路が正確な電池の特性を
表すものとは限らないが、この等価回路で第１次近似的
に表せるとして放電特性を推定する。

【００２４】その際、溶液抵抗Ｒと、電荷移動抵抗ｒ
と、分極電圧Ｅｐに関する少なくとも３種類の回路定数
を図８の様に個別に測定し、その３種類の回路定数と、
放電開始時における放電電流の値と、放電開始時におけ
る開放回路電圧の値とから、図５に例示する二次電池１
２の放電特性を算出する。そして、放電開始時の充電率
と、前記算出した放電特性とから、電池電圧が終止電圧
に達するまでの残時間を推測する。

【００２５】更には，溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒのよ
うに、短時間でその影響が現れる抵抗分を一括して直流
抵抗分として評価することも可能である。しかし、電池
挙動を説明しやすいので、以降の説明では溶液抵抗Ｒ
と、電荷移動抵抗ｒとを個別に評価するものとして説明
する。

【００２６】回路定数の測定に関しては、上記した溶液
抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒとは、両者の周波数応答速度の
違いを利用し、二次電池１２に定電流負荷等を接続した
際に流れる電流、電圧値の変化から求めることができ
る。

【００２７】また分極電圧は、電池内部のイオンの濃度
が拡散により変化し生じる、いわゆる濃度分極が主要成
分を占める。拡散で律されるので、通常の抵抗や容量の
受動素子で構成される電気回路の過渡応答と異なる時間
的な応答を見せる。

【００２８】しかし、濃度勾配が一定になると、ほぼ分
極電圧は収束したような挙動となるので、これに着目
し、十分に分極電圧が収束し、分極の度合いが亢進した
状態で電池電圧を測定することにより分極電圧Ｅｐを求
める。

【００２９】すなわち、電流の積算値から充電率を求め
ると、その充電率での開放回路電圧が求まり、また、測
定した溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒと放電電流Ｉとから
抵抗による電圧降下分が求まるので、開放回路電圧から
電圧降下分を差し引いた残りが分極電圧Ｅｐとなる。

【００３０】なお、分極の亢進の度合いは、測定による
知見によれば、充電率の変化に依存する部分もあるの
で、平均電流による充電率の変化が一定以上になった場
合に、平均電流に対する分極電圧Ｅｐとして評価が可能
である。

【００３１】したがって、接続された機器の動作中でも
分極電圧が求まる。また充電率の変化に対する分極電圧
Ｅｐの変化を測定することにより、分極電圧Ｅｐの充電
率に対する変化特性が学習でき、電気回路の時定数と同
様なパラメータが動作中に取得できる。

【００３２】この場合、分極電圧Ｅｐを放電電流で除
し、分極による抵抗成分として取得すると、取り扱いが
簡単と成る。なお上記した二次電池１２の等価回路を構
成する各素子の回路定数に対し、例えば図９に示すグラ
フを利用し、予め設定しておいた手順にしたがって、温
度補正がなされる。

【００３３】上記の様にして求めた二次電池１２の等価
回路を構成する各素子の回路定数は、検出される毎に充
電率と１対にして順次記憶される一方、電流、温度およ
び充電率の依存性を除いて同一基準で換算するととも
に、現在使用中の対応する内容の値と比較し、両者の違
いが予め設定した範囲内であれば、その値を新規に使用
する値として設定する。

【００３４】これは、充放電により電池は確実に劣化し
て行くがその程度は緩慢なので、前回や前々回の測定値
を元に充放電特性等を推定しても、誤差の発生が拡大す
ることはほとんど無いためである。

【００３５】しかし、高温放置等で突然放電特性が変化
する場合がある。この場合でも、新規に使用する値とは
ならないと判定された値でも、前回の値として記憶して
おき、今回の測定値との違いが予め設定した範囲内であ
れば、その値を新規に使用することにより、充放電の繰
り返しを経ることにより新しい放電特性に対応できる。

【００３６】上記した放電が開始されてから所定の条件
を満足した時点の電池電圧が測定され、その電圧変化は
放電特性として保持されるとともに、測定による放電特
性により求めた残時間がゼロに接近した場合は、上記し
た演算による残時間を測定により求めた値に近づける補
正が行われる。

【００３７】通常、いわゆるリチウムイオン二次電池に
おいては、安全のため保護回路と共に電池パックが構成
される。そこで、本発明における構成例として、上記し
た電池容量検出方法を使用して動作する電池容量検出装
置１０と二次電池１２と、二次電池１２の保護回路２６
をケース内に一体に収納して電池パック１６が図１０の
様に構成できる。

【００３８】電池容量検出装置１０としては、演算量か
らいって、通常、マイコン等によりコンピュータプログ
ラムを使用してソフトウェア的にその検出動作が行われ
るものであり、保護回路２６は少なくとも二次電池１２
の電池電圧と負荷電流とを測定するとともに、プログラ
ムを使用することなくハードウェアの構成によってその
動作をする様に構成することにより、プログラムによる
制御が誤動作した場合にあっても、保護回路２６が確実
に動作して二次電池１２を保護する様にしている。

【００３９】従って，上記した保護回路２６による制御
動作を優先させるとともに、保護回路２６が所定の制御
動作を行うと、その制御動作に対応した値に電池容量検
出装置１０における検出内容を修正する。逆に、保護回
路２６が働く前に予め設定した最低電圧を電池容量検出
装置１０が検出すると、電池容量検出装置１０は保護回
路２６を作動させて放電を強制的に停止させることが好
ましい。

【００４０】電池パック１６は所定の電気機器１８に装
着されて使用されるものであって、電気機器１８との間
におけるデータの送受手段を備えるとともに、電池容量
検出装置１０は、二次電池１２の残容量が設定値を下回
って低下したことを検出すると、電気機器１８に対して
対応した内容の情報を送って装置の強制的な終了処理を
促すことができる。

【００４１】また、電池パックとして複数の電池を搭載
する場合には，充電に使用している二次電池や放電に使
用している二次電池が存在することになる。そのため、
充電に使用している二次電池は負荷と切り離されている
ので、以上述べた特性測定等を精度良く行うことが可能
である。したがって、このような組電池の場合に本発明
の方法を適用すると、１つの二次電池を充放電に供する
場合に比べて、更に残時間等の推定精度を上げることが
可能となる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、充
放電の動作中に使用してる二次電池の充電率や満充電容
量、放電特性を測定し、放電可能時間等を検出するの
で、電池劣化や放電途中での充電、満充電途中での放電
に対しても対応した残時間推定等が可能となり、電圧値
の変からから求めることができる。

【００４３】すなわち本発明は上記の如く、二次電池の
開放回路電圧特性と充電率との関係を示す開放回路電圧
特性を予め測定しておき、充電率を検出すべき時期に対
応して開放回路電圧を測定し、開放回路電圧特性を利用
して充電率を求めるように構成したので、二次電池の劣
化や使用環境の変化にかかわらず、比較的正確な充電率
の測定ができる。

【００４４】更に開放回路電圧の測定時に、所定時間経
過後の端子電圧を少なくとも２回測定し、その測定値か
ら開放回路電圧の収束値を推定するようにしたので、短
時間で開放回路電圧ひいては充電率の確定が可能とな
る。開放回路電圧の収束値の推測ができない場合には、
充放電量から換算した充電率の変化を積算することによ
り、充放電中にあっても充電率の変化が的確に把握でき
る。

【００４５】また、充電前後の充電率を開放回路電圧特
性を利用して検出するとともに、充電中の充電量を測定
することにより、完全放電と満充電とを経ることなく、
任意期間の充電を行うのみで満充電容量が正確に算出で
きる。

【００４６】更にまた、二次電池の等価回路を構成する
各回路定数を適宜時期に測定し、その回路定数を利用し
て放電特性を推測することにより、二次電池を電気機器
に接続して使用した場合にあとどれほどの時間使用可能
かを示す残時間が、二次電池の劣化や使用態様の変化に
対応して推測することができる。

【００４７】上記した電池容量検出方法を適用した装置
と、保護回路と、二次電池とを一体に収納して電池パッ
クを構成することにより、電池容量検出装置と保護回路
とが互いにその動作を補完し、より安定した二次電池の
保護および容量検出動作が行える。

【００４８】更に、電池パック側とその電池パックが装
着された電気機器との間で、電池容量に関するデータの
受け渡しを可能とすることにより、電気機器を二次電池
の状態変化に対応した動作をさせることが可能となる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる電池容量検
出方法につき、満充電時における開放回路電圧が約４．
２Ｖで、劣化のない状態における満充電容量が約１６０
０ｍＡｈのリチウムイオン電池を例にとって更に詳細に
説明するが、他の二次電池にあっても略同様に実施でき
ることは勿論である。

【００５０】本発明にあっては、電池容量の検出をすべ
き図３に例示する二次電池１２について、図１（ａ）に
例示する開放回路電圧特性を予め測定しておく。そして
図１（ｂ）の如く、この開放回路電圧特性が二次電池１
２の劣化や使用温度などに拘らず略一定に維持されるこ
とを利用し、二次電池１２の開放回路電圧Ｖａあるいは
Ｖｂを必要に応じて測定することにより、その測定時点
における充電率ａあるいはｂを推測することを基本の構
成とする。

【００５１】なお、温度特性に関しては、温度特性の変
化自体が小さいこと、また、劣化によっても温度特性が
略一定であるとの知見を種々の劣化状態の電池の特性測
定から得た。そのため、温度変化があっても、温度特性
を加味した開放回路電圧特性から、充電率を推定でき
る。

【００５２】更に、例えば充電開始直前の充電率がａ
で、充電終了直後の充電率がｂの場合、充電の終了直後
の充電率ｂから充電開始直前ａの充電率を減算した「差
充電率」は、充電中に二次電池に供給された充電電流を
積分することにより得られる「充電量」だけ充電された
ことにより生じるものである。

【００５３】そのため、充電量を差充電率で除算するこ
とにより、満充電時における総容量（以下、「満充電容
量」という。）が、充電を満充電状態まで継続すること
なく算出される。

【００５４】したがって、従来行われていた、放電末期
から満充電終了までの充電量、或いは放電量を計測する
ことにより満充電容量の測定、いわゆる満充電学習を行
う必要が無くなる。また、満充電容量は放電中の積算容
量と放電前後の充電率の変化でも算出できるが、前述し
たように、一過で電流積算が行えるので、充電において
満充電容量を推測する方が好ましい。

【００５５】また満充電容量が得られれば、その満充電
容量に測定時点の充電率を乗算することにより、「残容
量」すなわち二次電池１２にどれくらいの容量が残って
いるかが、二次電池１２の劣化状態を考慮することなく
算出されるのである。

【００５６】そこでまず、上記した充電率、満充電容量
および残容量の検出動作に先立ち、上記した開放回路電
圧特性を求めるため、容量検出をすべき二次電池１２に
ついて、図２に例示する以下の方法で充放電を行わせ
る。

【００５７】すなわち、電池の端子電圧が設定値以下に
低下したことを確認することにより、電池の残容量がゼ
ロないしはそれに近い状態になったと思われる時刻ｔ１
から、周囲温度が常温（２５℃）の定常状態において、
充電電流量を微小時間毎に連続的に積算することによ
り、充電量および電池電圧の変化を継続的に確認しなが
ら充電を行う。

【００５８】ここで充電開始直後においては、例えば１
６００ｍＡの定電流源により定電流充電を行い、電池電
圧が設定値に達した時刻ｔ２で４．２Ｖの定電圧充電に
切り換えるという条件で充電を例えば３時間継続するも
のであって、充電開始から終了までの間に二次電池１２
に供給された総充電量を、満充電容量の初期値として保
存する。

【００５９】開放回路電圧特性については、例えば１０
％の充電または放電が進む毎に充放電を停止し、その時
点における開放回路電圧を測定していくとともに、各測
定点における充電率と開放回路電圧とを一対として順次
に保存することにより、図１（ａ）の様なグラフが求ま
る。

【００６０】ところで、この種の二次電池１２の端子間
に実際に現れる電圧は、充電時にあっては上記した開放
回路電圧よりも高く、放電時にあっては開放回路電圧よ
りも低くなることが知られる。更にその電圧の値は時間
的に一定ではなく、所定の時定数をもって増加又は減少
する。

【００６１】かかる現象は、図３に例示される二次電池
１２についての等価回路により説明されるのが一般的で
ある。すなわち等価回路を構成する各素子のうち、直列
に介装される溶液抵抗Ｒはミリ秒のオーダーの早い応答
特性を、電気２重層容量Ｃと並列に接続される電荷移動
抵抗ｒは秒のオーダーの応答特性を有するため、高々１
０秒程度の時間を待てば収束する。そこで以下において
は、両者の抵抗を合わせて「二次電池の内部抵抗」とい
う。

【００６２】それに対し、拡散抵抗Ｚｗ（またはそれと
等価な分極電圧Ｅｐ）については、時間オーダーの応答
特性を有し、その値が安定するまでに数時間から数日間
を要するので、正確な開放回路電圧を測定するためには
少なくとも数時間、できれば８時間程度の休止期間が必
要である。

【００６３】しかしながら二次電池の実際の使用状況に
あっては、充電終了直後に比較的長時間の休止期間が設
けられることが多いのを除いて、それ以外の特に放電時
には通電と休止とが頻繁に繰り返されることが一般的で
あり、８時間はおろか、数時間の休止期間を設けて開放
回路電圧を測定することさえも難しい。

【００６４】そこで本発明にあっては、図４に示すごと
く、二次電池に対する通電を停止してからの時間ｔの逆
数または時間ｔの平方根の逆数を横軸にとった場合、各
測定時における開放回路電圧を縦軸にプロットすると、
その軌跡は略直線または直線に近似可能な曲線となる。
本発明にあっては、その結果を利用し、所定の時間間隔
で２点の開放回路電圧を測定し、その２点間を直線で結
んで延長することにより、収束時における開放回路電圧
を推測する様に構成している。

【００６５】上記した二次電池に対する通電を終了して
からの時間は、常温にあっては比較的安定した特性を示
すため、３０分後および２時間後の２点を測定時点とす
ることが可能である。

【００６６】しかしながら、より長時間経過する方が推
定精度の向上が図れるため、充放電の終了後、例えば３
０分と２時間の２点における電圧測定により第１回目の
推定をし、更に４時間、８時間の様に休止状態が継続す
る場合は、その時点における測定電圧を利用して第２回
目あるいは第３回目の推定を行い、推定値を更新させる
様に構成している。

【００６７】ところで、常温よりも高温の使用条件下で
しかもその時点における充電率が高い場合、自己放電に
よる電圧降下が他の条件下よりも大きいため、休止時間
が長時間に亘ると、むしろ推定精度は低下する。そこで
その場合にあっては、２時間の経過時点で開放回路電圧
の収束値の推定を終了し、その値を容量判定に使用する
ことが好ましい。

【００６８】逆に低温の使用条件下にあっては、休止期
間中における自己放電量が少ない反面、電圧軌跡の変曲
が常温時よりも増大し、開放回路電圧が安定するまでに
長時間を要するため、２時間および８時間の２点で収束
値の推定を行うことが好ましい。

【００６９】なお、上記した開放回路電圧の測定および
収束値の推定のための時間間隔および測定回数は一例で
あって、適宜変更して実施できることは勿論である。

【００７０】一方、充放電の継続中は勿論、充放電が停
止されてから開放回路電圧の推定が可能な上記した最小
の休止期間である２時間が経過する前に充電または放電
が再開された場合にあっては、上記した方法によって推
定ができないか、推定できたとしても得られた開放回路
電圧に含まれる誤差は大きい。

【００７１】そこで本実施例にあっては、充放電中に二
次電池１２に流れる電流値を積算することにより充電量
を継続的に測定して行き、充放電開始前の充電率に、測
定した充電量から換算される充電率の変化分を積算する
ことにより、演算によって現在時点における充電率およ
び残容量を算出できる様にしている。

【００７２】以上の様にして開放回路電圧特性を利用す
ることにより、二次電池１２の劣化や使用状態の如何に
拘らず、測定または推定時点における充電率と残容量と
を比較的正確に検出できるが、この方法で検出した残容
量は、二次電池１２に対して入力されたクーロン量が全
て消費できると仮定した場合のものである。

【００７３】しかしながら現実の使用状況にあっては、
図３に示す等価回路および図５に示す特性から判る通
り、開放回路電圧特性に従って電圧値が変化する理想電
池Ｅから、放電時にあっては、二次電池１２の内部抵抗
値Ｒおよびｒに負荷電流Ｉを乗算して得られた電圧値お
よび分極電圧Ｅｐが減算されて端子間に出力される。

【００７４】更に、二次電池１２の内部抵抗Ｒ、ｒおよ
び分極電圧Ｅｐの値は、充放電を繰り返すなどして劣化
が進むほど大きくなる結果、二次電池１２から取り出さ
れる電池電圧の値も低下する傾向にある。

【００７５】一方、二次電池１２の放電特性は図５
（ａ）に例示する如く、充電率の高い期間にあっては略
直線を示しながら低下するが、ある電圧値Ｖｓを下回る
と急激に電圧降下が激しくなる傾向を一般にもつ。

【００７６】しかしながら、かかる電池電圧の変動領域
内で電気機器を使用することは不適当であるし、それ以
上放電が進むと過放電状態となって電池の劣化が急激に
進む可能性も高い。

【００７７】そこで通常は、その変動領域の中間に終止
電圧Ｖｔを設定するとともに、その終止電圧Ｖｔで放電
を強制的に停止する制御が行われることが多い。したが
って、放電が開始されてから電池電圧が終止電圧Ｖｔに
達するまでの、二次電池１２を負荷に接続した場合に実
際に使用できる残り時間（以下、「残時間」という。）
を正確に知ることが、二次電池１２を電気機器で使用す
る上で重要であり、更にその残時間は、電気機器の電源
オン直後を始めとする任意の時期に的確に把握できるこ
とが好ましい。

【００７８】ところでこの残時間は、負荷電流や周囲温
度等の使用条件が一定の場合、予めその条件における放
電特性を測定しておき、残時間の検出時における電池電
圧を検出することによって判定することができる。

【００７９】しかしながら、実際の放電時における電池
電圧は、特に上記した分極電圧Ｅｐの存在に起因して、
図５（ｂ）に例示する如く、時刻ｔ１１に通電を開始す
ると開放回路電圧値から徐々に低下し、時刻ｔ１２に理
論上の放電特性と一致するものであり、単に二次電池１
２の端子電圧を検出するだけでは残時間を求めることが
難しい。

【００８０】更に、二次電池１２の放電特性は、図６
（ａ）の様に負荷電流を変化させた場合は勿論、図６
（ｂ）の様に二次電池１２が劣化した場合や、図６
（ｃ）の様に二次電池１２の周囲温度が増減しても大き
く変化するため、全ての使用条件について放電特性を用
意することは不可能に近い。

【００８１】そこで本発明にあっては、二次電池１２の
等価回路で示される各素子のパラメータを以下に示す方
法を利用して図８の様に個別に測定し、その値を記憶し
ておいて次回の放電時にその記憶値を利用して演算によ
り放電特性を導出することにより、上記した残時間を推
測できる様にしている。

【００８２】ここで本実施例にあっては、図３に示す溶
液抵抗Ｒと電荷移行抵抗ｒとが比較的過渡応答が速いが
両者の応答速度に違いを有することを利用し、図７に示
す過渡応答方式を使用して測定している。

【００８３】すなわち、図７（ａ）に示す測定制御手段
からの信号出力により、二次電池１２に図７（ｂ）の様
なステップ形状の定電流からなる単位電流を負荷に加え
ると、図７（ｃ）の様に、応答速度の速い溶液抵抗Ｒに
よる電圧降下ＶＲが電流の立ち上がり時点で先ず検出さ
れる。

【００８４】そのあと、所定の時定数τ（≒Ｃ・ｒ）で
電荷移動抵抗ｒによる電圧降下分Ｖｒが発生し、例えば
通電開始から１０秒程度の時間経過するとそれ以後の電
圧値は略直線状となる。そこでその直線を充電開始時期
にまで延長することにより、溶液抵抗Ｒによる電圧降下
分ＶＲと電荷移動抵抗ｒによる電圧降下分Ｖｒとが分離
して検出される。

【００８５】かかる二次電池１２の内部抵抗Ｒおよびｒ
の測定は、上記した開放回路電圧特性の測定時と同時に
行うと共に、例えば１０％毎の充電率と一対にして記憶
することにより、図８（ａ）および（ｂ）の様なグラフ
が得られるので、それを初期値として設定する。更に放
電時の休止時期等の適宜時期にも測定し、その値を常温
時に換算し、測定時点における充電率とともに記憶す
る。

【００８６】一方、分極電圧Ｅｐについては、その値を
直接的に求めることが難しい。しかしながら図５（ａ）
に示すごとく、例えば放電時にあっては、開放回路電圧
から電池電圧を減算した電圧値が、二次電池１２の内部
抵抗と分極電圧Ｅｐによる電圧分に一致するが、内部抵
抗による電圧降下分については上記した方法により直接
的に検出できるからその値を減算することにより、各充
電率における分極電圧Ｅｐの関係を示す図８（ｃ）の様
なグラフが算出できる。

【００８７】ただ分極電圧Ｅｐは、分極の時定数が極め
て長いために、電流条件の安定している図２に示す充電
開始後であって、特に分極特性が落ち着く５分程度経過
してからの電池電圧の変化により求めることが好まし
い。

【００８８】または、電流によらず、一定の充電率変化
により略相似な分極電圧の変化特性を示す部分があるの
で、一定の充電率変化が生じた場合の電圧の変化により
求めることも可能である。

【００８９】ここで充電中における開放回路電圧は、充
電前の最後の放電終了時に測定した値に、電流値を積分
して求められる充電量から換算される充電率に対応する
開放回路電圧の推定値を加算することにより算出でき
る。

【００９０】また内部抵抗の値は、基本的には上記した
方法により行う。しかし、前記した開放回路電圧の算出
時にタイミングをあわせて充電をオフして充電電流をゼ
ロにした条件下で直流抵抗分を測定するか、あるいは充
電中における定抵抗負荷の切り換えによる過渡応答を利
用して測定することができる。

【００９１】なお、充電開始時における充電率が小さい
場合には、充電が進行して充電率が増加するのに伴って
開放回路電圧も急速に変化して誤差も大きい。そこで、
所定の充電率を超えるまでは、通常より小さい電流によ
って一定時間充電し、その間の電池電圧の変化を利用す
ることによって、充電開始付近の分極電圧をより詳細に
推定することができる。

【００９２】ここで、図２の時刻ｔ２において充電を定
電流充電から定電圧充電に充電方法を切り換えて充電を
行う場合、定電流充電の期間内においては電池電圧の変
化を直接的に測定して分極電圧の推定に利用する。しか
し定電圧充電の領域に入ると、充電電流の変化を測定
し、その電流変化を電圧変化に換算して評価することに
より、分極電圧の推定に利用する。

【００９３】以上の様にして、二次電池１２の等価回路
を構成する溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒおよび分極電圧
Ｅｐの値が、図８の様に、充電率の変化に対応させて求
めることができるので、これらの値を二次電池１２の特
性を示すパラメータの初期値として記憶しておく。

【００９４】一方、二次電池１２における回路定数の温
度依存性については、図９の様に、横軸を絶対温度の逆
数に、縦軸を抵抗値の対数で目盛ると、例えば略直線な
どの所定の形状に近似できる。そこで、上記した各パラ
メータについての温度特性を予め測定し、保存をしてお
く。

【００９５】そして二次電池１２の実際の使用時にあっ
ては、放電の開始時点における二次電池１２の周囲温度
から回路定数の温度補正を、負荷電流の値からパラメー
タに起因する降下電圧値に対する電流補正をすることに
より、二次電池１２の使用条件下における放電特性が算
出される。

【００９６】一方、充電率は常時に積算されて把握され
ているので、その時点における充電率と算出された放電
特性とから、放電開始直後の放電電流が変化せずに持続
するという条件で、残時間が推測されるのである。

【００９７】更に、放電特性において、現在の充電率か
らの終止の充電率までの間で区切られる、放電特性の曲
線と出力電圧ゼロとの間の面積、すなわち、放電特性曲
線の下部の面積は、電池から出力される電力に相当して
いる。したがって、この特性から電池の残電力の推定が
可能となる。

【００９８】そのためには、先ず、この下部の面積を放
電特性下面積として求める。次に、現在から終止までの
放電電荷量を、現在の充電率と終止の充電率との差を満
充電容量に乗算することにより求める。その後、これら
の放電特性下面積と放電電荷量とを乗算することによ
り、残電力を推定する。この様にして求められた残電力
は、放電特性を忠実に再現しており、精度の高い残電力
推定方法となる。

【００９９】また、温度特性により放電特性を修正する
が、実際には、放電中の電池の内部抵抗損により温度が
上昇する。これは、電池パック、周囲条件によりほぼ決
まるので、一定電流を放電させた場合の温度特性変化を
充電率と共に記憶しておき、あるいは、温度抵抗、熱容
量から推定し充電率と共に算出しておき、各充電率にお
ける放電特性の温度依存性の推定を更に向上させること
により、精度の高い残時間推定や残電力推定が可能とな
る。

【０１００】

【実施例】以下、図１０に示す例に基づき、上記した電
池容量検出方法を利用して回路構成した電池容量検出装
置１０と、二次電池１２と、電池保護部１４とをケース
内に一体に収納した電池パック１６の構成を説明する。
なお、二次電池１２の特性および電池容量検出装置１０
における検出方法は上記したものと略同一なので、以下
においてはその説明を省略する。

【０１０１】また電池パック１６は、ＡＶ機器やパソコ
ン装置などの各種電気機器１８に装着され、電気機器１
８側の通信回路２０に向けて電池パック１６から検出デ
ータを送ることにより、電気機器１８内のディスプレイ
を利用して電池容量の表示動作を行わせるものを示す
が、電池パック１６のケース上に表示手段を一体に備
え、電池パック１６が単独で電池容量の検出動作に加え
て表示動作をするものも可能である。逆に、電池容量検
出装置１０で行っている制御動作の一部を、電気機器１
８側で行わせることもできる。

【０１０２】ここで電池保護部１４は、２つのＦＥＴ２
２・２２からなるスイッチング部２４と、保護回路２６
とから構成され、スイッチング部２４を二次電池１２か
ら電気機器１８に向かう通電回路中に直列に介装して使
用する、従来と略同様な構成のものである。

【０１０３】すなわち、保護回路２６は例えばオペアン
プからなる比較器と基準電圧とを備え、コンピュータソ
フトウェアを使用することなくハードウェアだけで動作
可能とすることにより、誤動作の発生をできるだけ抑制
して安全性を高めている。

【０１０４】そして、二次電池１２の電池電圧とスイッ
チング部２４に流れる負荷電流の大きさを常時にチェッ
クしておき、負荷電流の大きさが設定値を超えて上昇し
たことや電池電圧が設定値を超えて下降したことが検出
されると、スイッチング部２４に信号を送って負荷に対
する通電を強制的に停止して二次電池１２が破損するの
を未然に防止することを基本構成とするが、本実施例に
あっては更に、電池容量検出装置１０に向けて制御状態
に対応した信号を送り、異常状態になったことを知らせ
ることを可能としている。

【０１０５】電池容量検出装置１０は、主としてアナロ
グ値の信号処理を行う外部回路群２８と、１チップマイ
コンがその制御の中心として使用されてデジタル値の信
号処理を行う制御部３０とから構成される。そして、外
部回路群２８から出力される各種の測定値が制御部３０
に送られ、その制御部３０に備えたＲＯＭに内蔵された
プログラムにより、測定値が演算されるなど、全体の動
作がソフトウェア的に制御されるものである。

【０１０６】ここで外部回路群２８は、二次電池１２の
周囲温度に対応した信号を出力する温度検出回路３２
と、二次電池１２の端子電圧に対応した信号を出力する
電圧検出回路３４と、二次電池１２に流れる電流に対応
した信号を出力する電流検出回路３６と、二次電池１２
の回路定数を検出するための負荷電流を二次電池１２に
流す負荷回路３８とから構成される。

【０１０７】温度検出回路３２は、サーミスタの様な温
度検知手段４０を二次電池１２に接近して備え、温度検
知手段４０から出力される温度変化に対応したアナログ
値をデジタル値に変換して制御部３０に送る。

【０１０８】電圧検出回路３４は、二次電池１２の両端
に接続されて端子間に出力される電圧を取り出したあと
デジタル値に変更して制御部３０に送るものであって、
電池電圧と開放回路電圧の測定に使用される。

【０１０９】電流検出回路３６は、二次電池１２と直列
に接続された抵抗４４の両端に発生する電圧値をデジタ
ル値に変換して制御部３０に送るものであって、二次電
池１２に流れる電流値を測定するために使用される。

【０１１０】負荷回路３８は、図７に示す過渡応答方式
によって溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒとを分離して測定
するためのものであって、二次電池１２から電気機器１
８に対する通電が停止されている休止期間中に、制御部
３０から送られる信号によってスイッチングトランジス
タ４２をオンさせ、そのトランジスタ４２と直列に接続
された抵抗４６・４４に通電させる。この通電に伴う図
７（ｂ）または（ｃ）に例示する二次電池１２の過渡応
答状態を、電圧検出回路３４と電流検出回路３６で同時
に測定することにより、二次電池１２の内部抵抗を測定
可能とする。

【０１１１】以下において、図１１および図１２に示す
流れ図にしたがって、電池パック１６の動作手順を更に
詳細に説明する。

【０１１２】先ずＥＥＰＲＯＭの様な所定の記憶手段上
には、電池パック１６の使用に先立ち、図１に例示する
開放回路電圧特性に加えて、標準状態における二次電池
の図５に例示する放電特性および図８に例示する各回路
定数が予め測定され、通常の制御時における初期値とし
て記憶されている。

【０１１３】そこで図１１のステップ１において、前記
した初期値に基づく所定の初期設定を行ったのち、ステ
ップ２からの電池容量検出工程に入る。

【０１１４】図１１のステップ２において、二次電池１
２が休止中か否かを判定し、休止中でない場合は更に、
ステップ３で充電中か否かが、ステップ４で放電中か否
かが、更にステップ５において電池保護部１４が作動し
ているか否かが判定され、各判定結果に基づいて図１２
に示す各処理動作が行われる。

【０１１５】ここでステップ２の判定が休止中であれ
ば、ステップ２１に移って、休止状態の開始から継続し
て３０分、２時間、４時間あるいは８時間の設定時間が
経過したかが判定されたあと、設定時間が経過している
ことが判定されると、図１２（ａ）に示す開放回路電圧
（ＯＣＶ）の検出工程に入る。

【０１１６】開放回路電圧の検出工程は、ステップ２２
において二次電池１２の端子電圧が測定される。更にス
テップ２３において、測定された端子電圧が２点目以降
であるか否かが判定され、２点目以降であればステップ
２４に移って開放回路電圧の推定動作が行われるが、そ
うでない場合は、測定された端子電圧を保存して戻る。

【０１１７】次に、図１１のステップ３において充電中
であることが判定されると、図１２（ｂ）の放電処理工
程に移る。かかる放電処理工程にあっては、ステップ３
１において放電電流値が、ステップ３２で二次電池１２
の周囲温度が測定されたあと、その測定された値を用い
て図８に示す回路定数を補正することにより、ステップ
３３において図６に例示する放電特性を算出し、この算
出された放電特性を用いてステップ３４において残時間
を推定する。

【０１１８】また前回に算出した充電率に対し、測定し
た放電電流から換算した充電率をステップ３５で積算処
理することにより、現在の充電率を算出したあと、次の
ステップ３６に移る。

【０１１９】ステップ３６では、電池電圧が予め設定し
た最低電圧を下回ったか否かを判定し、下回ったことが
判定されると、ステップ３７において保護部に信号を送
ることによってスイッチング部２４を強制的にオフし、
放電を終了する処理を行う。

【０１２０】更に次のステップ３８においては放電が終
了したか否かを判定し、放電終了の場合は、図７に示す
方法および負荷回路３８を用いて、二次電池１２の回路
定数中における溶液抵抗Ｒおよび電荷移動抵抗ｒをステ
ップ３９で個別に測定してその値を保存するとともに、
ステップ４０において学習処理動作を行う。

【０１２１】学習処理動作は、上記の様にして測定ある
いは算出した溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒおよび分極電
圧Ｅｐを充電率とともに記憶する一方、電流依存性の修
正、温度係数の修正および充電率の修正を行い、過去に
記憶した同様な数値と比較処理を行うものである。

【０１２２】ここで比較した数値が一定の範囲内であれ
ば、その新しい数値が過去の数値に代えて使用可能とす
る処理を行うが、範囲外であれば、その値を使用するこ
となく保存のみにとどめる。

【０１２３】そして、次の回に測定された値が前回から
一定範囲内の値であることが判定されると、前回と今回
の値を平均するなどして使用するとともに、前々回以降
のデータを保存する。

【０１２４】逆に、次に測定された値も範囲外になった
場合、高温状態で劣化が急激に進むなどしたものと判断
し、その値を使用に供すると共に，前々回以前のデータ
は破棄する。

【０１２５】次に、図１１のステップ４で充電中である
ことが判定されると、図１２（ｃ）に示す充電処理工程
に入る。かかる工程にあっては、ステップ４１において
充電電流を測定するとともに、ステップ４２に移って充
電率の算出が行われる。

【０１２６】ステップ４２では、前回に算出した充電率
に対し、今回測定した充電電流から換算した充電率を積
算処理することにより現在の充電率を算出するものであ
って、更に次のステップ４３に移って分極電圧Ｅｐの測
定が行われたあと、測定された値はそのときの充電率と
ともに保存される。

【０１２７】更に図５のステップ５において電池保護部
１４の作動が検出されると、その検出内容に対応した値
に対応させて、上記のようにして算出あるいは測定した
充電率は修正が加えられる。

【０１２８】なお図１３（ａ）は、上記した電荷移動抵
抗ｒを周波数応答方法で測定する場合の回路構成であっ
て、測定制御手段４８からオペアンプ５０を介してトラ
ンジスタスイッチ５２に交流信号を送ることにより、負
荷５４に対して電流変調をかけることを可能とする。そ
して、変調周波数を変化させながら、図７（ａ）で示す
電圧検出手段および電流検出手段で電流と電圧を測定す
るとともに、両者の変調振幅と位相の関係を図１３
（ｂ）の様に複素インピーダンスのプロットをすること
により、実数部との交点の値から、溶液抵抗Ｒと電荷移
動抵抗ｒの値を個別に測定できる。

【０１２９】また、二次電池１２の劣化がすすむと、そ
の等価回路は図３（ａ）から図１４（ａ）に変化する可
能性がある。この様な場合にあっては、前記した図１３
の方法を用いて回路定数を測定すると、その複素インピ
ーダンスのプロット結果は図１４（ｂ）の様になって、
劣化によって増加したｒ２分も分離して検出できる結
果、劣化の程度がより具体的に判定できる。

【０１３０】二次電池１２の内部抵抗の測定方法につい
ては、更に、電池保護部１４に備えたスイッチング部２
４を利用し、放電中などの適宜時期に電気機器１８に対
する通電を停止することにより測定できる。すなわち、
通電の停止直後における電圧応答曲線は図７（ｃ）と類
似の形状となり、その過渡応答特性により溶液抵抗Ｒと
電荷移動抵抗ｒとが分離して検出できるのである。

【０１３１】以上、如何にして内部抵抗を分離して検出
するかについて述べてきたが、前述したように、内部抵
抗を必ずしも分離して検出する必要が無いことは言うま
でもない。内部抵抗を直流抵抗分として一括して評価す
ることは、放電特性が開放回路電圧特性から内部抵抗に
よる電圧降下分と分極による電圧降下を減じたものであ
ると定義し直すことである。従って、今まで記載してき
た構成がそのまま適用できることは明らかであるので、
詳細な説明は省略する。

【０１３２】また、内部抵抗を測定する際に、説明を簡
単にするため、定電流負荷としてその応答を観測するこ
とによりそれぞれの抵抗分を推定するとしたが、勿論、
定抵抗負荷でもよいことは言うまでもない。

【０１３３】本発明では、電池パラメータを測定し、そ
れを次回の容量推定に使用することが本質であり、ま
た、負荷変動により変化する電圧、電流の変化から抵抗
成分を分離測定することは当業者にとって容易であるの
で、詳細な説明は省略する。

【０１３４】更に、負荷変動が定電流負荷や抵抗負荷に
限らず、接続した機器の負荷変動によっても観測でき、
その結果で電池パラメータを観測することも可能であ
る。またその場合、急峻な電流変化が期待できない場合
は、溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒをまとめて直流抵抗分
として測定し、放電特性を推定しても良いことはいうま
でもない。

【０１３５】また、満充電容量として、充電中に二次電
池に供給された充電電流を積分することにより得られる
充電量と、充電前後の充電率の差で除して求めることで
説明してきたが、前述したように、放電中の放電電流を
積分することにより得られる放電量を、放電前後の充電
率の差で除して求めることもできる。

【０１３６】この場合、放電により検出した満充電容量
と、充電により検出した満充電容量とは、通常はほぼ一
致するが、高温放置劣化等を経験した場合は異なってく
る。従って、放置中にマイコン内部の時計回路等で一定
期間毎に周囲環境条件を測定して高温放置等を検出でき
るが、さらに、放電で検出した満充電容量と、充電で検
出した満充電容量の差が大であることを検出した場合に
は、高温放置等で劣化が一挙に進んだことが裏付けられ
るので、接続機器等への通知や、表示を確実に行うこと
ができる。

【０１３７】また、放電開始時に放電特性を推定し残時
間を推定し、その後、電流積算により充電率の変化を検
出し残時間を変更して行くが、放電終止電圧近くにな
り、実際の放電電圧変化と推定していた放電電圧の変化
とが異なってくる場合がある。

【０１３８】このような場合、実際の放電電圧の変化に
よる残時間推定値に、積算により推定した残時間推定値
をあわせることが好ましい。そのため、電池電圧の変化
を監視しておき、推測した放電特性と異なる場合には、
推測した放電特性の示す値が、実測した値に近づくよう
に、残時間を推定するために使用している充電率を変更
することにより、推定値と実測値を合わせ、残時間推定
値の精度を向上させても良いことは言うまでも無い。

【０１３９】また更に、測定していた電池電圧が急速に
終止電圧に近づくような変化が生じた場合には終止電圧
間近であるので、残量が無いものとして接続機器に終了
を促すような緊急通信を送付してもよいことは言うまで
もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次電池の開放回路電圧特性の一例を示すグラ
フであって、（ａ）は充電率と開放回路電圧の関係を、
（ｂ）は開放回路電圧特性を利用した充電率の判定過程
を示す。

【図２】二次電池に対する充電時における電池電圧と充
電電流の変化状態を示すグラフである。

【図３】二次電池の等価回路と、周波数応答の状況を示
す説明図である。

【図４】開放回路電圧の推定過程を示す説明図である。

【図５】開放回路電圧特性と電池電圧特性との関係を示
すグラフである。

【図６】二次電池の放電特性の一例を示すグラフであっ
て、（ａ）は負荷電流の違いによるグラフの変化を、
（ｂ）は電池の劣化に伴うグラフの変化を、（ｃ）は周
囲温度の変化に伴うグラフの変化を各々示す。

【図７】二次電池の内部抵抗を検出する工程を示す説明
図であって、（ａ）は電池の内部抵抗を測定するための
回路構成を、（ｂ）は負荷に供給する電流の変化を、
（ｃ）は端子電圧の変化を各々示す。

【図８】二次電池の等価回路を構成する各パラメータの
値と、充電率との関係を示すグラフである。

【図９】二次電池のパラメータの温度依存性を説明する
グラフである。

【図１０】本発明を電池パックに実施した一例を示すブ
ロック図である。

【図１１】制御部で行う容量検出手順を示す全体的な流
れ図である。

【図１２】各動作モードにおける制御手順を示す流れ図
である。

【図１３】二次電池の内部抵抗を検出する他の工程を示
す説明図であって、（ａ）は電池の内部抵抗を測定する
ための回路構成を、（ｂ）は複素インピーダンスのプロ
ット結果を各々示す。

【図１４】二次電池が劣化した場合における説明図であ
って、（ａ）はその場合の等価回路を、（ｂ）は複素イ
ンピーダンスのプロット結果を各々示す。

【符号の説明】

１０ 電池容量検出装置 １２ 二次電池 １４ 電池保護部 １６ 電池パック １８ 電気機器 ２０ 通信回路 ２２ ＦＥＴ ２４ スイッチング部 ２６ 保護回路 ２８ 外部回路群 ３０ 制御部 ３２ 温度検出回路 ３４ 電圧検出回路 ３６ 電流検出回路 ３８ 負荷回路 ４０ 温度検知手 ４２ スイッチングトランジスタ ４４ 抵抗 ４６ 抵抗 ４８ 測定制御手段 ５０ オペアンプ ５２ トランジスタスイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西島 章善 大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号 日立マ クセル株式会社内 Ｆターム(参考） 5G003 BA02 CA03 CA16 CB01 CC02 DA13 EA05 FA03 GC05 5H030 AA08 AA10 AS06 FF22 FF42 FF44

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池容量を検出すべき二次電池に対し、
   予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧
   特性を測定しておく一方、 充電または放電の休止期間中に二次電池の開放回路電圧
   を測定し、測定によって得られた開放回路電圧と上記し
   た開放回路電圧特性とから、測定時点における充電率を
   推測することを特徴とする電池容量検出方法。
2. 【請求項２】 上記した開放回路電圧の測定および充電
   率の推測が、充電の開始前および終了後に行われる一
   方、 充電中に二次電池に供給された充電量、或いは放電中に
   二次電池から放電された放電量を計測し、計測された充
   電量或いは放電量と推測された充電率とから二次電池の
   満充電容量を推測し、充電終了後に測定された充電率と
   推測した満充電容量とから充電終了後の残容量を推測す
   ることを特徴とする請求項１記載の電池容量検出方法。
3. 【請求項３】 上記した開放回路電圧の測定は、充電ま
   たは放電を終了してから所定の時間間隔で複数回行わ
   れ、 その複数回の測定結果から、開放回路電圧の収束値を推
   測することを特徴とする請求項１または２記載の電池容
   量検出方法。
4. 【請求項４】 上記した開放回路電圧の測定が予め設定
   した回数だけ行われる前に充電または放電が再開され、
   前回の充電または放電後における充電率が推測されなか
   った場合、 前回の充電または放電前に推測された充電率に対し、そ
   の充電または放電中に測定された充電量の変化分から換
   算される充電率の変化分を積算し、演算により現在の充
   電率を推測することを特徴とする請求項３記載の電池容
   量検出方法。
5. 【請求項５】 上記した電池電圧の測定により求めた充
   電率と、充電量の変化分を積算して求めた充電率とが互
   いに相違することが判定された場合、 積算された充電率を測定された充電率に対して近づける
   補正が行われる請求項４記載の電池容量検出方法。
6. 【請求項６】 上記した積算充電率の補正は、 測定された電池電圧の変化が、予め設定した値を超える
   変化率を示す場合に行われることを特徴とする請求項５
   記載の電池容量検出方法。
7. 【請求項７】 電池容量を検出すべき二次電池に対し、
   予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧
   特性を測定しておく一方、 二次電池の内部に等価的に存在する溶液抵抗と、電荷移
   動抵抗と、分極電圧に関する少なくとも３種類の回路定
   数を個別に測定し、 その３種類の回路定数と、放電開始時における放電電流
   の値と、放電開始時における開放回路電圧の値とから二
   次電池の放電特性を算出するとともに、 放電開始時の充電率と、前記算出した放電特性とから、
   電池電圧が終止電圧に達するまでの残時間或いは残時間
   を推測することを特徴とする電池容量検出方法。
8. 【請求項８】 上記した溶液抵抗と電荷移動抵抗とは、 両者の周波数応答速度の違いを利用し、二次電池に負荷
   を接続した際における電圧値の変化から求める請求項７
   記載の電池容量検出方法。
9. 【請求項９】 上記した分極電圧は、 開放回路電圧から、電池電圧と、二次電池の内部抵抗に
   通電電流を乗算したものとを減算することにより算出さ
   れる請求項７記載の電池容量検出方法。
10. 【請求項１０】 上記した二次電池の等価回路を構成す
    る各素子の回路定数に対し、 予め設定しておいた手順にしたがって、温度補正がなさ
    れる請求項７記載の電池容量検出方法。
11. 【請求項１１】 上記の様にして求めた二次電池の等価
    回路を構成する各素子の回路定数は、検出される毎に充
    電率と１対にして順次記憶される一方、 電流、温度および充電率の依存性を除いて同一基準で換
    算するとともに、現在使用中の対応する内容の値と比較
    し、 両者の違いが予め設定した範囲内であれば、その値を新
    規に使用する値として設定する請求項７記載の電池容量
    検出方法。
12. 【請求項１２】 上記した放電が開始されてから所定の
    条件を満足した時点の電池電圧が測定され、その電圧変
    化は放電特性として保持されるとともに、 測定による放電特性により求めた残時間がゼロに接近し
    た場合は、上記した演算による残時間を測定により求め
    た値に近づける補正が行われる請求項７記載の電池容量
    検出方法。
13. 【請求項１３】 上記した請求項１乃至１２の何れかに
    記載の電池容量検出方法を使用して動作することを特徴
    とする電池容量検出装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の電池容量検出装置
    と二次電池とをケース内に一体に収納した電池パック。
15. 【請求項１５】 ケース内には更に二次電池の保護回路
    を備えるとともに、 電池容量検出装置はコンピュータプログラムを使用して
    ソフトウェア的にその検出動作が行われるものであり、 保護回路は少なくとも二次電池の電池電圧と負荷電流と
    を測定するとともに、プログラムを使用することなくハ
    ードウェアの構成によってその動作をするものである請
    求項１４記載の電池パック。
16. 【請求項１６】 上記した保護回路による制御動作を優
    先させるとともに、 保護回路が所定の制御動作を行うと、その制御動作に対
    応した値に電池容量検出装置における検出内容を修正す
    る請求項１５記載の電池パック。
17. 【請求項１７】 保護回路が働く前に予め設定した最低
    電圧を電池容量検出装置が検出すると、電池容量検出装
    置は保護回路を作動させて放電を強制的に停止させる請
    求項１５記載の電池パック。
18. 【請求項１８】 電池パックは所定の電気機器に装着さ
    れて使用されるものであって、 電気機器との間におけるデータの送受手段を備えるとと
    もに、 電池容量検出装置は、二次電池の残容量が設定値を下回
    って低下したことを検出すると、電気機器に対して対応
    した内容の情報を送る請求項１４乃至１７の何れかに記
    載の電池パック。
19. 【請求項１９】 電池パックは所定の電気機器に装着さ
    れて使用されるものであって、 複数個の電池を内蔵し、いずれかの電池を放電に使用
    し、それ以外の電池を充電する場合、充電中の電池にお
    いて請求項１乃至１０の何れかに記載の電池容量検出方
    法を行うことを特徴とする電池パック。
20. 【請求項２０】 電池容量を検出すべき二次電池に対
    し、予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路
    電圧特性を測定しておく一方、 二次電池の内部に等価的に存在する直流抵抗分と、分極
    電圧に関する少なくとも２種類の回路定数を個別に測定
    し、 その２種類の回路定数と、放電開始時における放電電流
    の値と、放電開始時における開放回路電圧の値とから二
    次電池の放電特性を算出すると共に、 放電開始時の充電率と、前記算出した放電特性とから、
    電池電圧が終止電圧に達するまでの残時間、或いは残電
    力を推測することを特徴とする電池容量検出方法。