JP2004279145A

JP2004279145A - ２次電池容量計測のための半導体装置

Info

Publication number: JP2004279145A
Application number: JP2003069104A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Fukunishi; 達也福西
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】外付け部品の削減を可能にして、コスト低減を図ることと、２次電池の材料、システム機種にとらわれることなく、最適な容量計測を可能にし、測定精度の向上を図ること、および、バッテリ管理の精度の向上及び環境面への配慮を実施することにある。
【解決手段】負荷電流供給時（放電時）あるいは充電電流供給時（充電時）の２次電池の状態を観測する回路と、該観測結果を外部信号として出力する回路とを有する該２次電池の保護回路を備えた２次電池容量計測のための半導体装置において、該２次電池の観測回路及び観測結果として出力される該外部信号生成回路は各々１つ以上の、基準電圧発生回路４０８と、センス電圧発生回路４０６と、定電流回路４０７と、電圧比較器４０５と、遅延回路４０４と、論理回路４０３とを有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｉ―Ｃｄ、Ｎｉ―Ｍｎ、Ｌｉイオン等２次電池を用いたシステム全般において、ＳＢＭ（ＳｍａｒｔＢｏｏｔＭａｎａｇｅｒ）に代表される残量表示、充電制御機能等を含めた、これら２次電池のバッテリーマネージメントシステムの制御方式を用いた２次電池容量計測のための半導体装置に関する。またその応用分野として、携帯電話、ノートパソコン、携帯用カメラ一体型ビデオテープレコーダー、デジタルカメラ等２次電池を装備する携帯機器全般がある。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２次電池を用いるバッテリーシステムにおいては、図５の（Ａ１）、（Ａ２）の遮断スイッチを経由してシステム側負荷回路、あるいは充電器５０４と接続されており、その経路に２次電池５０１の電池容量をモニターする専用ＩＣ（以下、容量表示ＩＣと記す。）または外付け回路５０３を設けて、電池容量を管理及び表示していた。
【０００３】
しかし、容量表示ＩＣを別途必要とするために、実装面積の増大、コストアップにつながる。携帯機器の価格は下落しており、低価格帯の機種に精度の良い容量表示ＩＣを搭載することはコスト面で厳しい状況となっている。この問題を解消するため、代替手段として、抵抗、サーミスタ等を用いた簡易的な容量計測によりバッテリー管理を実施する方法もあるが、精度面で劣ること、いずれにせよ外付け部品の増加による実装面積の増加、コストアップは避けられない状況であり、コストと精度の両立が厳しい状況であった。これらの従来技術として、特開平６−１７６７９８号公報（特許文献１）や特開平６−１７６７９９号公報（特許文献２）などがある。
【０００４】
近年、環境面での配慮から、省エネ思想に基づいた機器開発が要求されており、２次電池の制御においても、充放電電圧、充放電回数、充放電電流の制御を、実際に使用している２次電池特性に合わせて細かく制御することにより、２次電池を有効に使用することが重視されているが、従来の容量表示ＩＣでは、全ての２次電池メーカーが製造する２次電池の充放電特性を網羅することは不可能であるため、代表的なメーカー、２次電池材料に的を絞った充放電特性をもとに制御を実施している。このため、２次電池の材料、製造メーカーが異なった場合、容量表示ＩＣの制御内容が実施に使用している２次電池の容量特性とマッチせず、誤差を生じることになり、効率的なバッテリー管理ができない要因となっていた。これらの従来技術として、特開平６−１７６７９８号公報（特許文献１）や特開平６−１７６７９９号公報（特許文献２）などがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１７６７９８号公報
【特許文献２】
特開平６−１７６７９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の問題点を解消する２次電池容量計測において、外付け部品の削減を可能にして、コスト低減を図ることと、２次電池の材料、システム機種にとらわれることなく、最適な容量計測を可能にし、測定精度の向上を図ること、および、バッテリ管理の精度の向上及び環境面への配慮を実施することを実現するための２次電池容量計測のための半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る２次電池容量計測のための半導体装置は、単一あるいは２つ以上の２次電池が直列ないし並列に接続されたバッテリーパックの２次電池から、放電側ないし、充電側遮断スイッチを経由してシステム側へ負荷電流、または２次電池側へ充電電流を供給し、該２次電池の電池電圧が所定の電圧以下または所定の電圧以上、負荷電流が所定の負荷電流以上に達した時に、該放電側ないし充電側遮断スイッチを制御してシステム側への負荷電流供給または２次電池への充電電流供給を間欠的に行う２次電池の保護回路を有し、該２次電池の保護回路は負荷電流供給時（放電時）あるいは充電電流供給時（充電時）の該２次電池の状態を観測する回路と、該観測結果を外部信号として出力する回路とを有することを特徴とする（請求項１記載）。
【０００８】
また、２次電池容量計測のための半導体装置は、前記２次電池の放電時あるいは充電時の前記２次電池の観測回路及び観測結果として出力される前記外部信号生成回路が各々１つ以上の、センス電圧と比較される基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、２次電池最上位電圧を反映するセンス電圧を発生するセンス電圧発生回路と、回路の消費電流、遅延時間、動作スピード等を決定する定電流回路と、基準電圧とセンス電圧を比較する電圧比較器と、遅延時間を設定する容量を備えた遅延時間設定用電圧比較器と、該遅延時間設定用電圧比較器の出力を外部信号として出力するための論理回路とを有し、前記放電側遮断スイッチの設定制御レベル及び前記充電側遮断スイッチの設定制御レベルを基準とし、該放電側遮断スイッチの設定制御レベルから、充電側遮断スイッチの設定制御レベルの間において、２次電池容量計測のためのある設定電圧であるモニター電圧を任意に設定できることを特徴とする（請求項２記載）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例１を示す。これは２次電池容量計測のための半導体装置のブロック図である。
図１の１０１は２次電池、１０２は保護回路、１０３は外部システム側回路あるいは表示装置、１０４は負荷あるいは充電器、Ａ１、Ａ２は遮断スイッチを表す。
図１において、２次電池容量計測のための基準となる２次電池側最上位電圧を観測電圧とする。つまり、２次電池最上位電圧を観測することによって、その時々の２次電池の容量が計測されるということになる。
図２に、２次電池観測電圧設定レベル及び設定数を示す。
図２において、観測電圧の設定数Ｎは、充放電の際にいつ電力の需要と供給を停止すべきかという基準となる、図１（Ａ１）遮断スイッチ設定レベルＶＳＷ（ＶｏｌｔＳｗｉｔｃｈ）１から図１（Ａ２）遮断スイッチ設定レベルＶＳＷ２の間の電圧と、観測電圧の分解能Ｍで決まる。分解能Ｍは、電池容量観測レベル１と２、２と３などの間の範囲で表される。
【００１０】
ある電圧に設定された本来観測されるべき電圧のモニター電圧と設定数Ｎ及び分解能Ｍは、使用している２次電池材料に起因する充放電特性及び該２次電池が使用されている携帯機器のシステム負荷条件を考慮して各々個別に設定され、分解能Ｍを小さくかつ設定数Ｎを大きくすることにより、使用されている２次電池の充放電特性曲線に合わせた２次電池容量計測が可能になり、該２次電池容量の計測精度を上げることが可能になる。
【００１１】
図４は、本発明の実施例２を示す２次電池容量計測回路図である。
図４において、１つの２次電池容量計測回路４０１は、基準電圧発生回路４０８、センス電圧発生回路４０６、電圧比較器４０５、遅延回路４０４、論理回路４０３、定電流回路４０７等で構成され、これがＮ数分だけ用意される。つまり、ある電圧に設定されたモニター電圧の分、つまり設定数Ｎの分だけ、２次電池容量計測回路は本発明の半導体装置に備わっている。
【００１２】
センス電圧発生回路４０６は、２次電池４０９の＋側端子である２次電池側最上位電位端子とＧＮＤ（Ｇｒｏｕｎｄ）４１０との間に、例えば、定電流制御Ｔｒ、抵抗Ｒを介して接続され、２次電池最上位電圧が、モニター電圧となったときに、基準電圧ＶＲＥＦ（ＶｏｌｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅ）と等しい電圧がセンス電圧ＶＳ（ＶｏｌｔＳｅｎｓｅ）として出力するように抵抗比分割される。つまり、観測される２次電池最上位電圧が、ある電圧に設定されたモニター電圧になったときに、基準電圧ＶＲＥＦと等しい、２次電池最上位電圧を反映するセンス電圧ＶＳが出力され、２次電池最上位電圧が、モニター電圧になったことがセンス電圧発生回路４０６において解釈される。
ここでセンス電圧ＶＳと基準電圧ＶＲＥＦは、電圧比較器ＣＰ（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）４０５に入力され、センス電圧ＶＳに反映される２次電池の最上位電圧がモニター電圧に対し高いか低いかの判定を行う。ここで、センス電圧ＶＳと基準電圧ＶＲＥＦが等しくなった時には、２次電池最上位電圧がモニター電圧になったという具合にセンス電圧発生回路４０６では解釈される。また、その判定結果はシリアル又はパラレルの論理信号として出力される。
【００１３】
以下に、図３を用いて電池残量計測について説明する。
図３は、本発明の実施例３を示す電池容量表示図である。
図３において、例として図１の（Ａ１）遮断スイッチ設定レベルＶＳＷ１から図１の（Ａ２）遮断スイッチ設定レベルＶＳＷ２の間の電圧の分解数Ｎつまり観測電圧設定数を３とし、その観測電圧レベルを各々レベル１から３とする。
【００１４】
図３において、外部には観測電圧設定数Ｎ＋２に相当する表示装置が設けられている。図３の例の場合、２次電池容量計測レベルとして５レベル設定されており、該２次電池４０９の満充電状態から、過放電状態（充電を行わなければならない状態）までの電圧範囲を５分割して計測、表示していることになる。
【００１５】
２次電池４０９の電池容量が、図３の（Ａ２）遮断スイッチ設定レベルを超えている図３の▲６▼の範囲（満充電または過充電）にある時、図３の外部表示装置が全てＯＮしている状態とし、本状態において外部に負荷回路を接続後、負荷電流を外部負荷回路に供給するにつれ、２次電池の容量は、図１の遮断スイッチ（Ａ２）のレベルから遮断スイッチ（Ａ１）のレベルに向かって低下していく。
【００１６】
この負荷電流供給によって、２次電池容量が低下していく過程において、２次電池容量が予め設定している観測電圧レベル３を下回った時、観測電圧レベル３のセンス電圧発生器４０６から出力される電圧信号と基準電圧発生回路４０８から出力される電圧信号が入力されている電圧比較器４０５の出力が変化し、観測電圧が推移したことがセンス電圧発生回路４０６で解釈され（この場合、観測電圧が低下したこと）、遅延回路４０４、論理回路４０３を経て外部へ伝達され、該表示装置を一部ＯＦＦする。
【００１７】
さらに継続して負荷電流を供給することにより、２次電池容量が観測設定レベル２、１を下回った時同様な動作を繰り返し、図１の遮断スイッチ（Ａ１）設定レベルを下回っている図３の▲１▼の範囲（過放電状態）である時、図３の外部表示装置がすべてＯＦＦしている状態となる。
【００１８】
充電器が接続され、２次電池側へ充電電流が供給される時には、上述と反対の動作となり、２次電池容量が図１の遮断スイッチ（Ａ１）の設定レベルを上回り、観測電圧設定レベル１を下回った状態の図３の▲２▼の状態になった時、該当表示装置が点灯する。さらに継続して充電電流を２次電池側へ供給し、２次電池容量が観測電圧設定レベル２、３を上回った時同様な動作を繰り返す。
【００１９】
以下に、２次電池の充放電に関する諸情報処理を説明する。
図１の（Ｂ）の各観測電圧の設定レベルは、任意の時点での２次電池最上位電位を表す電圧値として、図２に示すように、遮断スイッチ（Ａ１）設定レベルから遮断スイッチ（Ａ２）設定レベル間に任意の分解能により与えられる。また、これがモニター電圧になる。
【００２０】
観測電圧設定レベルを大きく、かつ分解能を小さくすることにより実際に使用されている２次電池の充放電特性曲線に近づけることが可能なため、システム側回路に本回路の観測電圧の設定電圧をデータとして与えておき、ある電圧に設定されたモニター電圧である本観測電圧設定レベルとシステムの負荷定数、負荷電流を用いた計算処理を外部システム側にて実施することにより、システムの残稼働時間、充電完了までの時間等の情報が従来より、詳細かつ精度良く実施することが可能になる。例えば、ある時点での観測電圧が、モニター電圧１であるとすると、その時点からシステムの負荷定数、負荷電流など消費される電力から、システムの残稼働時間が精度良く割り出せるということである。
【００２１】
２次電池の充放電の都度、ある電圧に設定された各々のモニター電圧である本観測電圧まで到達する時間を計測する場合において、観測信号数つまり設定数Ｎ、及び分解能により、計測される時間値の精度が自由に設定できる。つまり、観測信号の設定数を大きく、かつ分解能を小さく設定すれば、より正確な時間計測が可能になる。つまり、ある時点から別の時点までの電位変化を細かく追うことができれば、その分だけ、充放電特性曲線の全体像の特徴が分かり、後どのくらいで上記本観測電圧であるモニター電圧に到達するかが精度良く予測、測定できる。
【００２２】
上記の技術によって、本計測された時間値を、システム側に保存、履歴管理を行い、前回の充放電で計測された直近の時間値と比較することにより、２次電池の劣化具合をより正確に把握することが可能となる。例えば同じ負荷電流、充電電流で負荷を駆動あるいは２次電池を充電しようとした場合、前回の充放電で計測された直近の時間値より本計測された時間値が長いと、該２次電池のインピーダンスが大きくなり特性劣化が進んだと推測できる。
【００２３】
それにより、実際に使用されている２次電池の状態に合わせた電池交換時期の表示等の実施が可能になり、２次電池の能力を有効に活用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
実施例１から３で述べた２次電池容量計測の実施に関して、従来容量表示ＩＣ、抵抗等外付け部品にて構成されていた本機能を、保護ＩＣ内に取りこむことにより、外付け部品の削減が可能となり、コスト低減効果が期待できる。
また、例えば２次電池容量が少なくなった状態を前もってシステム側に知らせることができるため、２次電池の使用状態に合わせた最適なシステム制御を、システム側が実施することができる。
【００２５】
２次電池の使用状態に適した、該２次電池の充放電に関する制御を、システム側から実施することができる。
実施例１から３で述べた、２次電池容量計測に関して、実際に使用している２次電池の特性に合わせた設定が可能になるため、２次電池の材料、システム機種にとらわれることなく、最適な容量計測が可能になり、測定精度の向上が期待できる。
【００２６】
２次電池の使用状況、充放電状態等、２次電池の電池容量に関する詳細かつ実情にあった情報を第３者に与えられるため、ユーザインターフェース、システムメンテナンスの向上が期待できる。
実際に使用している２次電池の充放電状態に合わせた制御、管理が可能になるため、該２次電池の有効利用が図れ、環境への負荷軽減が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す２次電池容量計測の回路図である。
【図２】本発明における２次電池観測電圧設定レベル及び設定数を示す図である。
【図３】本発明の実施例３である電池容量表示図である。
【図４】本発明の実施例２である２次電池容量計測回路図である。
【図５】従来における２次電池容量計測の回路図である。
【符号の説明】
１０１、５０１２次電池
１０２、５０２保護回路
１０３外部システム側回路あるいは表示装置
５０３容量表示ＩＣないし外付け回路
１０４、５０４負荷あるいは充電器
４０１２次電池容量計測回路
４０２システム側あるいは表示装置
４０３論理回路
４０４遅延回路
４０５電圧比較器
４０６センス電圧発生回路
４０７定電流回路
４０８基準電圧発生回路
４０９２次電池
４１０ＧＮＤ（Ｇｒｏｕｎｄ）
Ｔｒ定電流制御
Ｒ抵抗

Claims

２次電池容量計測のための半導体装置において、
単一あるいは２つ以上の２次電池が直列ないし並列に接続されたバッテリーパックから、放電側ないし、充電側遮断スイッチを経由してシステム側へ負荷電流、または２次電池側へ充電電流を供給し、該２次電池の電池電圧が所定の電圧以下または所定の電圧以上、負荷電流が所定の負荷電流以上に達した時に、該放電側ないし充電側遮断スイッチを制御してシステム側への負荷電流供給または２次電池への充電電流供給を間欠的に行う２次電池の保護回路を有し、
該２次電池の保護回路は、負荷電流供給時あるいは充電電流供給時の該２次電池の状態を観測する回路と、該観測結果を外部信号として出力する回路と
を有することを特徴とする２次電池容量計測のための半導体装置。
請求項１に記載の２次電池容量計測のための半導体装置において、
前記２次電池の放電時あるいは充電時の前記２次電池の観測回路及び観測結果として出力される前記外部信号生成回路は、各々１つ以上の、
センス電圧と比較される基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
２次電池最上位電圧を反映するセンス電圧を発生するセンス電圧発生回路と、
回路の消費電流、遅延時間、動作スピードを決定する定電流回路と、
該基準電圧と該センス電圧を比較する電圧比較器と、
遅延時間を設定する容量を備えた遅延時間設定用電圧比較器と、
該遅延時間設定用電圧比較器の出力を外部信号として出力するための論理回路とを有し、
前記放電側遮断スイッチの設定制御レベル及び前記充電側遮断スイッチの設定制御レベルを基準とし、該放電側遮断スイッチの設定制御レベルから、充電側遮断スイッチの設定制御レベルの間において、２次電池容量計測のためのある設定電圧であるモニター電圧を任意に設定できることを特徴とする２次電池容量計測のための半導体装置。