JP2004172058A - 電池管理システム、及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】外部の充電器制御部に設定される充電条件の標準化を実現し、それにより充電器の出力制御に関するその充電器及び充電器制御部の構成を簡素化し、その出力制御の精度の更なる向上を可能にする電池管理システムを提供する。
【解決手段】充電条件設定部（５１Ａ）は二次電池（４１）の実際の充電特性に応じ充電条件を設定する。例えば、予測される電池容量が初期値の約５％だけ減少するごとに電池電圧の上限値を約０．０５Ｖ／セルずつ下げる。電池状態補正部（５１Ｂ）は、電流検出部（４４）、温度検出部（４５）、及び電圧検出部（４６）のそれぞれの測定値を監視し、例えば、電池電圧の測定値を実際の上限値に対する標準値の比だけ増大させる。通信部（５１Ｃ）は、電池状態補正部（５１Ｂ）により補正された電池電圧等の測定値を充電器制御部（３２）へ通知する。充電器制御部（３２）はその補正された電池電圧等の測定値に基づき、充電器（３１）の出力を標準の充電条件に合致させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池と共通の電池パック内に収められ、その二次電池の状態を監視しかつ制御し、又は充電器等、外部の制御装置へ通知するための装置、すなわち電池管理システムに関する。ここで、二次電池は例えば、電池式電気機器、携帯用電子機器、非常用電源、補助電源、若しくは自動車に内蔵され電源として用いられ、又は電力貯蔵に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池の有効な利用には、その最大容量までの充電が望ましい。
しかし、過充電は、例えば、電解液の分解によるガスの発生、又は電解液の漏れ等の原因となり、二次電池の安全性を損なうので好ましくない。更に、過充電及び過大な充電電流は二次電池を著しく劣化させるので好ましくない。
従って、二次電池の充電には厳密な制御が必要であり、すなわち、電池電圧と充電電流とが高精度で管理されなければならない。
【０００３】
二次電池に対する充電制御は、例えば、充電器又は電子機器本体内の充電器制御部と、電池パック内の電池管理システムとの協働により実現する。
電池管理システムは、二次電池の充電に先立ち、所定の充電条件を充電器制御部へ通知する。充電器制御部はその充電条件に従い、充電器から二次電池への出力電圧と出力電流とを制御する。ここで、充電条件とは、充電期間中、例えば電池電圧、充電電流、及び電池温度が満たすべき条件（例えば、変化パターン又は変動の許容範囲等）をいう。
電池管理システムは、充電期間中、電池電圧、充電電流、及び電池温度を監視し、それらの測定値を充電器制御部へフィードバックする。充電器制御部はそれらの測定値に基づき、充電器の出力を充電条件に合うように調整する。
【０００４】
二次電池は通常、満充電（完全充電ともいう）、すなわち実質的な最大容量まで充電されたときの電池状態、に達するまで充電される。二次電池の満充電は、電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値、又はそれらの一定時間内での変化量に基づき検知される。
電池管理システムは電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値に基づき満充電を検知し、充電器制御部へ通知する。そのとき、充電器制御部は、充電電流を遮断し、充電を終了する。ここで、充電器制御部が満充電を検知しても良い。
以下、電池管理システム又は充電器制御部により充電終了が判断されるための条件（例えば満充電の検知条件等）を充電終止条件という。充電終止条件は上記の充電条件の一部として含まれる。
【０００５】
電池管理システムは充電条件を二次電池の充電特性に応じて定める。二次電池の充電特性は二次電池の種類ごとに異なるので、具体的な充電条件、特に充電終止条件は二次電池の種類ごとに異なる。
ニッケル−カドミウム蓄電池の充電は定電流方式で行われる。電池電圧は充電開始から徐々に上昇し、満充電でピークを迎え、以後降下する。このような充電特性に基づき、電池管理システムは、一定時間内の電池電圧の変化量が正から負へ転じることを充電終止条件として定める（−ΔＶ方式）。
【０００６】
ニッケル−水素蓄電池の充電は定電流方式で行われる。電池温度の時間微分は充電開始から徐々に減少し、満充電で増大に転じ、過充電領域では増大する。このような充電特性に基づき、電池管理システムは、一定の微小時間内の電池温度の変化量の急増を充電終止条件として定める（ｄＴ／ｄｔ方式）。
【０００７】
リチウムイオン二次電池では、ニッケル−カドミウム蓄電池及びニッケル−水素蓄電池に比べ、過充電による危険性が高い。そこで、リチウムイオン二次電池の充電は定電流定電圧方式（ＣＣＣＶ方式）で行われる。充電開始からしばらくは定電流制御が行われ、充電電流値が所定値に維持される。定電流制御期間では電池電圧が上昇する。充電が進み、電池電圧が所定の上限に達するとき、定電流制御は定電圧制御へ切り換えられ、充電電圧値がその上限値に維持される。定電圧制御期間では充電電流は徐々に減少する。充電電流値が所定の閾値（以下、充電終止電流値という）を下回るとき、充電が終了する。このように、ＣＣＣＶ方式ではその充電条件の一つとして、電池電圧の上限値が設定される。それにより過充電が確実に回避される。
【０００８】
二次電池の充電特性は、その二次電池の種類の他に、その電池状態の履歴にも依存し変化する。例えば、充放電サイクル数の増大に伴い二次電池は劣化し、特にその電池容量が減少する。従って、充電条件は例えば充放電サイクル数に応じ修正され、充放電サイクル数の増大に関わらず過充電が確実に回避されなければならない。
【０００９】
二次電池の充電時、その二次電池の充放電サイクル数に基づき充電条件を修正する充電システムとして、次のようなものが知られる（特許文献１参照）。その充電システムは、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと略す）に内蔵された充電器とその制御部、及び電池パック内の電池管理システムとを含む。
【００１０】
図２は、二次電池４１の充電に関するノートＰＣ３と電池パック４０との従来の構成を示すブロック図である。ここで、電池パック４０内の二次電池４１は例えばリチウムイオン二次電池である。ノートＰＣ３内の充電器制御部３２と電池管理システム４２内の制御部４３とは協働し、ＣＣＣＶ方式に従い二次電池４１の充電を制御する。
充電器３１は商用交流電源１からＡＣアダプタ２を通し電力を入力する。更に、充電器制御部３２の制御下でその入力電力を変換し、出力電圧又は出力電流を所定値に安定に維持し、電池パック４０へ供給する。
【００１１】
電池パック４０では、二次電池４１が充電器３１からの電力供給により充電される。
二次電池４１の充電期間中、電池管理システム４２では電池状態監視部が二次電池４１の状態を監視する。ここで、電池状態監視部は電流検出部４４、温度検出部４５、及び電圧検出部４６の三つのセンサを含む。電流検出部４４は充電電流を、電流検出用抵抗４４Ａによる電圧降下量から計測する。温度検出部４５は電池温度を、二次電池４１に近接したサーミスタ４５Ａの抵抗値から計測する。電圧検出部４６は二次電池４１の両端間の電圧を計測し、セル当たりの電池電圧を換算する。
制御部４３は、電流検出部４４、温度検出部４５、及び電圧検出部４６のそれぞれから測定値を一定の時間間隔で入力し、それらの測定値をノートＰＣ３内の充電器制御部３２へ通知する。充電器制御部３２は通知された電池状態に基づき、充電器３１の出力電圧又は出力電流を、所定の充電条件に合うように調整する。
【００１２】
一方、制御部４３は充電期間中、充電電流の測定値を積算し、充電電気量を算定する。更にその充電電気量を充電後も保持する。複数回の充電にわたる充電電気量の累積が所定の電池容量と実質的に等しいとき、例えばその電池容量の０．９倍を超えるとき、制御部４３は充放電サイクル数を１だけ加算する。ここで、電池容量は、例えば制御部４３により二次電池４１の放電ごとに放電電流の積算値から学習された値である。こうして、充放電サイクル数が放電深度による重み付きでカウントされる。
【００１３】
上記の重み付き充放電サイクル数が所定の閾値（例えば５０）を超えるとき、制御部４３は充電器制御部３２へ通知する。その通知に応じ、充電器制御部３２は、例えばＣＣＣＶ方式での電池電圧の上限値を所定量だけ低減させる（例えば、４．２０Ｖ／セルから０．１０Ｖ／セルだけ下げる）。それにより、一回の充電当たりの充電電気量の実質的な上限が下がる。
こうして、充放電サイクル数の増大に伴い二次電池４１が劣化し、その電池容量が減少するときでも、過充電が確実に回避される。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−３０９５６８号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１で開示される充電システムは、二次電池の劣化を上記の重み付き充放電サイクル数で評価し、判定する。更に、その劣化判定の結果に応じ、例えば電池電圧の上限値を下げる等、充電条件を適切に修正する。その結果、充電条件は一般に、電池パックごとに、更に充電ごとに異なる。
従って、このような従来の充電システムでは、充電器がその出力を、充電条件の変動範囲を十分にカバーできるだけの広範囲で可変とし、充電器制御部がその充電器の広範囲で可変な出力を高精度に制御可能としなければならない。これらの要請は充電器及びその制御部の構成を複雑化し、制御精度の更なる向上を困難にしていた。
【００１６】
本発明は、外部の充電器制御部に設定される充電条件の標準化を実現し、それにより、充電器の出力制御に関するその充電器及び充電器制御部の構成を簡素化し、その出力制御の精度の更なる向上を可能にする電池管理システムの提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電池管理システムは、
（Ａ） 二次電池について、（ａ） 電池電圧を測るための電圧検出部、（ｂ） 電池電流を測るための電流検出部、及び、（ｃ） 電池温度を測るための温度検出部、を含む電池状態監視部；
（Ｂ） 二次電池の充電特性に応じ、その二次電池の充電条件を設定するための充電条件設定部；
（Ｃ） 上記の充電条件と、外部の充電器制御部により保持される標準の充電条件との相違に基づき、電池状態監視部による二次電池の電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値をそれぞれ補正するための電池状態補正部；並びに、
（Ｄ） 電池状態補正部により補正された二次電池の電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を充電器制御部へ送出するための通信部；
を有する。
ここで、電池管理システムは、二次電池と共通の電池パック内に収められ、その二次電池の状態を監視しかつ制御し、又は充電器等、外部の制御装置へ通知するための装置である。
【００１８】
充電条件とは、二次電池の充電期間中、電池電圧、充電電流、及び電池温度が満たすべき条件（例えば、変化パターン又は変動の許容範囲）をいう。充電条件は特に、例えば満充電の検知条件等、充電終了を判断するための条件（以下、充電終止条件という）を含む。
例えば、−ΔＶ方式では、充電電流の目標値、及び一定時間内の電池電圧の変化量に対する閾値が、充電条件として含まれる。ｄＴ／ｄｔ方式では、充電電流の目標値、及び一定時間内の電池温度の変化量に対する閾値が、充電条件として含まれる。ＣＣＣＶ方式では、充電電流の目標値、電池電圧の上限値、及び充電終止電流値が、充電条件として含まれる。
【００１９】
上記の電池管理システムは、二次電池の充電条件をその二次電池の充電特性に応じて設定する。二次電池の充電特性は二次電池ごとに異なり、更に、二次電池の劣化により経年変化を生じる。特に、二次電池の電池容量が使用時間の経過と共に減少する。従って、電池管理システムにより設定される実際の充電条件は一般に、電池パックごとに、及び充電ごとに異なる。
【００２０】
上記の電池管理システムは、実際の充電条件と標準の充電条件とを比較する。ここで、その標準の充電条件は外部の充電器制御部により保持され、実質的に一定である。
上記の電池管理システムは更に、実際の充電条件と標準の充電条件との相違に基づき、電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を補正する。その補正は、実際の充電条件に対応する電池電圧等の目標値を、標準の充電条件に対応する目標値に修正するものである。従って、外部の充電器制御部がその補正された電池電圧等の測定値に基づき、充電器の出力を標準の充電条件に合致させるとき、二次電池の電池状態が実際の充電条件に合致する。
【００２１】
ＣＣＣＶ方式による充電では、上記の電池管理システムは例えば、二次電池の劣化による電池容量の減少に応じ、電池電圧の実際の上限値を下げる。一方、外部の充電器制御部は電池電圧の上限を標準値に維持する。
上記の電池管理システムはそのとき、電池電圧の上限について実際の値に対する標準値の比を求める。更に、電池電圧の測定値をその比だけ増大させ、その増大された電池電圧の測定値を外部の充電器制御部へ送出する。それにより、充電器制御部は、特に電池電圧の測定値による実際の上限値への到達を、標準の上限値への到達として判定する。
【００２２】
こうして、外部の充電器制御部は、上記の電池管理システムにより補正された電池電圧等の測定値に基づき充電器の出力制御を行うことで、充電条件を標準のものに維持したまま、二次電池の良好な充電制御を達成できる。そのとき、その充電器及びその制御部は、少なくとも標準の充電条件にさえ適合した構成であれば良い。その結果、それらの制御精度の向上は従来の装置より容易である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の最適な実施の形態について、その好ましい実施例を挙げて、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
《実施例１》
本発明の実施例１による電池管理システムはノートＰＣ用電池パックに搭載される。図１は、二次電池４１の充電に関するノートＰＣ３と電池パック４との構成を示すブロック図である。
ノートＰＣ３は充電器３１と充電器制御部３２とを含む。
電池パック４は二次電池４１と電池管理システム５とを含む。
二次電池４１は例えばリチウムイオン二次電池である。ノートＰＣ３と電池パック４内の電池管理システム５とは協働し、ＣＣＣＶ方式に従い二次電池４１を充電する。
【００２５】
ノートＰＣ３内の充電器３１は、ＡＣアダプタ２を通し商用交流電源１へ接続される。それにより、ＡＣアダプタ２から直流電力を入力する。更に、充電器制御部３２の制御下でその入力電力を変換し、出力電圧又は出力電流を所定値に安定に維持し、電池パック４へ供給する。
充電器制御部３２は標準の充電条件に従い、充電器３１の出力電圧と出力電流とを制御する。ここで、標準の充電条件は、二次電池４１の種類及びその充電方式ごとに規定される。
充電器制御部３２は特に、電池管理システム５から二次電池４１の電池状態に関する情報をフィードバックされ、それらのフィードバックに基づき、充電器３１の出力と標準の充電条件による目標値とのずれを補償する。
【００２６】
例えばＣＣＣＶ方式では、定電流制御期間での充電電流の目標値と充電電圧の実質的な上限値、及び、定電圧制御期間での充電終止電流値が充電条件として含まれる。充電器制御部３２はそれらの値として標準値を保持し、充電器３１の出力制御では一律に、それらの標準値を目標値として設定する。例えば二次電池４１がリチウムイオン二次電池であるとき、充電器制御部３２は電池電圧の上限値として約４．２０Ｖ／セルを一律に設定する。
充電器制御部３２は、充電初期では定電流制御を実行し、充電器の出力電流を充電電流の標準の目標値に安定に維持する。電池管理システム５からの通知に基づき電池電圧の上限への到達が判定されるとき、充電器制御部３２は定電流制御を定電圧制御へ切り替え、充電器の出力電圧を電池電圧の標準の上限値に安定に維持する。更に、電池管理システム５からの通知に基づき充電電流の充電終止電流値までの降下が判定されるとき、充電器制御部３２は充電器３１の出力を遮断し、二次電池４１の充電を終了する。
【００２７】
電池パック４内の電池管理システム５は、電池状態監視部と制御部５１とを含む。
電池状態監視部は電流検出部４４、温度検出部４５、及び電圧検出部４６の三つのセンサを含む。電流検出部４４は充電電流を、電流検出用抵抗４４Ａによる電圧降下量から計測する。温度検出部４５は電池温度を、二次電池４１に近接したサーミスタ４５Ａの抵抗値から計測する。電圧検出部４６は二次電池４１の両端間の電圧を計測し、セル当たりの電池電圧を換算する。ここで、電圧検出部４５は二次電池４１のセルごとに電圧を直接計測しても良い。
【００２８】
制御部５１はＣＰＵとメモリ（例えば、ＲＡＭとフラッシュメモリ）とを含む（図示せず）。
メモリは充放電制御プログラムと二次電池４１に関する情報とを記憶する。その二次電池４１に関する情報には、例えば、電池電圧、電池電流、電池温度、及び充電状態の履歴、電池容量の初期値と放電ごとの学習値、充放電サイクル数、充放電サイクル数と電池容量との対応関係を示すリスト、電池状態と充電状態との対応関係を示すリスト、並びに、充電条件が含まれる。特に充電条件としては、充電器制御部３２により保持されるものと同じ標準の充電条件と、電池管理システム５により設定される実際の充電条件とが含まれる。
【００２９】
ここで、二次電池の充電状態とは電池容量に対する残存容量の割合をいう。
充電状態は、例えば、電池電流の積算値、すなわち充電電気量又は放電電気量と、電池容量とから算定される。その他に、二次電池固有の充放電特性に基づき電池状態（電池電圧、電池電流、及び電池温度の組）と充電状態との対応関係が二次電池の製造時に記憶され、その対応関係から、電池状態の測定値に対応する充電状態が決定されても良い。
【００３０】
二次電池４１の充電時、ＣＰＵはメモリに記憶された充電制御プログラムを実行する。それにより、制御部５１は、充電条件設定部５１Ａ、電池状態補正部５１Ｂ、及び通信部５１Ｃのそれぞれとして、以下の機能を実現する。
【００３１】
充電条件設定部５１Ａは二次電池４１の充電ごとに、その実際の充電特性に応じ充電条件を設定する。
例えば、二次電池４１は充放電サイクル数の増大に伴い劣化するので、その電池容量が充放電サイクル数の増大と共に低減する。制御部５１は二次電池４１の使用開始以降、その充放電サイクル数をカウントし、保持する。充電条件設定部５１Ａはその充放電サイクル数に基づき、充電ごとに電池容量を予測する。その予測は例えば、充放電サイクル数と電池容量との対応関係を示すリストに基づく。そのリストは例えば二次電池４１の製造時の実験で設定される。
予測される電池容量の初期値（二次電池４１の製造時での値）からの減少量が所定の範囲を超えるごとに、充電条件設定部５１Ａは定電流制御期間での充電電流の目標値若しくは電池電圧の上限値を所定量だけ低減させ、又は、充電終止電流値を所定量だけ増加させる。具体的には例えば、予測される電池容量が初期値の約５％だけ減少するごとに、電池電圧の上限値が約０．０５Ｖ／セルずつ下げられる。
【００３２】
電池状態補正部５１Ｂはまず、充電条件設定部５１Ａによる実際の充電条件と標準の充電条件とを比較し、それらの相違を求める。例えば、電池電圧の上限について実際の値に対する標準値の比を求める。
電池状態補正部５１Ｂは次に、電流検出部４４、温度検出部４５、及び電圧検出部４６のそれぞれから測定値を一定の時間間隔（例えば約２秒間隔）で入力し、電池電圧、電池電流、及び電池温度の充電期間中で変化を監視する。更に、実際の充電条件と標準の充電条件との相違に基づき、電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を補正する。その補正は、実際の充電条件に対応する電池電圧等の目標値を、標準の充電条件に対応する目標値に修正するものである。
具体的には例えば、電池電圧の測定値を実際の上限値に対する標準値の比だけ増大させる。その他に、定電流制御期間中、充電電流の実際の目標値を標準値より小さく設定するとき、その実際の目標値に対する標準値の比だけ充電電流の測定値を増大させる。更に、定電圧制御期間中、実際の充電終止電流値を標準値より小さく設定するとき、その実際の値に対する標準値の比だけ充電電流の測定値を増大させる。
【００３３】
通信部５１ＣはノートＰＣ３との通信を実現し、二次電池４１の電池状態をノートＰＣ３へ提供する。特に充電期間中では、二次電池４１の電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を、電池状態補正部５１Ｂによる上記の補正後に、充電器制御部３２へ通知する。充電器制御部３２はその補正された電池電圧等の測定値に基づき、充電器３１の出力を標準の充電条件に合致させる。そのとき、電池パック４内では二次電池４１の電池状態が充電条件設定部５１Ａによる実際の充電条件に合致する。
【００３４】
こうして、実施例１による電池管理システム５は、二次電池４１に関する電池電圧等の測定値を、充電条件設定部５１Ａによる実際の充電条件と標準の充電条件との相違に基づき補正した上で、充電器制御部３２へフィードバックする。それにより、充電器制御部３２に充電器３１の出力制御を、その補正された測定値に基づき実行させる。その結果、充電器制御部３２は充電条件を標準のものに維持したまま、二次電池４１の良好な充電制御を達成できる。すなわち、二次電池４１の劣化による電池容量の減少に適切に応じ、過充電及び過大な充電電流の発生が確実に回避される。
そのとき、充電器３１及び充電器制御部３２はいずれも、少なくとも標準の充電条件にさえ適合した構成であれば良い。従って、それらの構成は従来の装置より簡素であり、特に制御精度の向上が従来の装置より容易である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明による電池管理システムは、二次電池の充電条件をその二次電池の充電特性に応じて設定し、実際の充電条件と標準の充電条件とを比較する。更に、実際の充電条件と標準の充電条件との相違に基づき、電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を補正する。その補正は、実際の充電条件に対応する電池電圧等の目標値を、標準の充電条件に対応する目標値に修正するものである。従って、外部の充電器制御部がその補正された電池電圧等の測定値に基づき、充電器の出力を標準の充電条件に合致させるとき、二次電池の電池状態が実際の充電条件に合致する。
こうして、外部の充電器制御部は、上記の電池管理システムにより補正された電池電圧等の測定値に基づき充電器の出力制御を行うことで、充電条件を標準のものに維持したまま、二次電池の良好な充電制御を達成できる。そのとき、その充電器及びその制御部は、少なくとも標準の充電条件にさえ適合した構成であれば良い。その結果、それらの制御精度の向上は従来の装置より容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１について、二次電池４１の充電に関するノートＰＣ３と電池パック４との構成を示すブロック図である。
【図２】二次電池４１の充電に関するノートＰＣ３と電池パック４０との従来の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 商用交流電源
４１ 二次電池
４４Ａ 電流検出用抵抗
４５Ａ サーミスタ

Claims (2)

1. （Ａ） 二次電池について、（ａ） 電池電圧を測るための電圧検出部、（ｂ） 電池電流を測るための電流検出部、及び、（ｃ） 電池温度を測るための温度検出部、を含む電池状態監視部；
   （Ｂ） 前記二次電池の充電特性に応じ、前記二次電池の充電条件を設定するための充電条件設定部；
   （Ｃ） 前記充電条件と、外部の充電器制御部により保持される標準の充電条件との相違に基づき、前記電池状態監視部による前記二次電池の電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値をそれぞれ補正するための電池状態補正部；並びに、
   （Ｄ） 前記電池状態補正部により補正された前記二次電池の電池電圧、充電電流、及び電池温度の測定値を前記充電器制御部へ送出するための通信部；
   を有する電池管理システム。
2. 請求項１記載の電池管理システムと前記二次電池とを有する電池パック。

Images