JP2006170808A - 電池電圧検出回路及びそれを備えた電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電池電圧検出回路において、電池の寿命特性を維持しながらフィルタリングの時定数を設定する有効な手段が明確ではなかった。
【解決手段】 検出対象電池１の電圧変化を検出するローパスフィルタを備え、前記ローパスフィルタの時定数が電池のキャパシタ成分の充放電を基準に決定する構成とし、好ましくは時定数が電池の温度、ＳＯＣ、使用度合いの少なくとも一つの要素に基づいて可変できるようにすると、電池の寿命を確保しつつ、性能を十分に使いきることができる電池電圧検出回路及びそれを備えた電池パックを提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池の電圧を検出する電池電圧検出回路及びそれを備えた電池パックに関するものである。

電池、特に充放電が可能な二次電池は、適正量を超えた過充電や過放電により性能劣化が進行したり電池が故障に至ったりする為、その電圧を監視することが必要である。電池電圧は電池電圧検出回路によって検出され、それに基づいて充電や放電の停止が行われる。

ところで、電池を使用する機器の負荷は一定の電流や電力であることは少なく、パルス状に変化したり脈流となるのが一般的である。この変動が平均負荷に対して大きい場合には、瞬間的に電圧が使用範囲を逸脱することがある。このような場合、定電流や定電力ではまだ十分に充電や放電ができるにもかかわらず、充電や放電が停止されてしまうことになる。これを回避するために、電圧検出回路にはある周波数以上の電圧変化をフィルタリングするローパスフィルタと呼ばれるフィルタが設定されているのが一般的である。このフィルタの時定数は、二次電池の容量を十分に使いきる目的から、通常は負荷の持つ変動周波数に基づいて決められている。また、フィルタの時定数を通電電流によって変更することで電池の残容量検出精度をさらに高め、十分に電池を使いきろうとする提案もなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２１７２６１号公報

上記従来の構成では、電池を使用する機器の負荷の変動周波数特性を考慮したローパスフィルタでのフィルタリングにより二次電池の容量を有効に使うことが可能になるが、その反面、瞬間的とは言え電圧が使用範囲を逸脱する頻度が増えることから、極端にフィルタリング時定数を大きく設定した場合、即ち低い周波数領域までフィルタリングしてしまった場合には、電池の活物質にダメージが蓄積し、寿命が短くなってしまうという問題が表面化してくる。しかしながら、電池の寿命特性を維持しながら時定数を設定する有効な時定数設定方法は、これまで明確になっていなかった。

上記目的を達成するために本発明の電池電圧検出回路及びそれを備えた電池パックは、検出対象電池の電圧変化を検出するローパスフィルタを備え、前記ローパスフィルタの時定数が電池のキャパシタ成分の充放電を基準に決定されていることを特徴とするものである。

また、そのフィルタの時定数が電池の温度、ＳＯＣ、使用度合いの少なくとも一つの要素にもとづいて可変できるよう構成されていることを特徴とするものである。

本発明の電池電圧検出回路及びそれを備えた電池パックによれば、電池の活物質が電気化学反応を始める前の物理的な電荷の放出、蓄積部分のみがフィルタリングされ、電気化学反応による電圧変化のみを捉えることが出来る。電池の劣化は、主に活物質の電気化学反応に伴って進行し、物理的電荷の放出と蓄積ではほとんど進行しないため、この回路によって検出された電圧をもとに使用範囲を制御すれば、使用範囲外の電圧による活物質の
劣化を引き起こすことなく電池の充放電を制御することが出来る。

また、電池のキャパシタ成分は、電池の温度や寿命経過に伴って変化するので、効果をさらに高める為には、この変化に合わせてフィルタ時定数を変化させる必要がある。本発明のフィルタリング回路では、フィルタ時定数を電池の温度や劣化状態に合わせて可変できるため、広い温度範囲や電池の長い使用期間に亘って効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照しながら説明する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

検出対象電池である二次電池１の電圧を計測する為のプラス側検出線は、可変抵抗４を介してマイナス側検出線とコンデンサ５で短絡され、このコンデンサ５の両端電圧が電圧検出器６に取り込まれる。

可変抵抗４は、電池に取り付けられたサーミスタ２を用いて電池温度を計測するとともにこの電池温度をもとに可変抵抗４を制御する可変抵抗制御部３によって抵抗値を制御される。

上記構成により、電圧検出器６に取り込まれる電圧は、可変抵抗４の抵抗値Ｒ、コンデンサ５の容量Ｃに対して（１／２ΠＲＣ）以下の周波数成分がフィルタリングされたものとなる。

可変抵抗制御部３には、予めソーラトロンなどの計測器により計測された二次電池１のキャパシタ成分の値が二次電池１の温度、ＳＯＣ、使用度合いの内の少なくとも一つの要素の関数またはマップなどの形で記憶されている。化学電池の場合は発電要素の諸特性が温度に依存する為、このキャパシタ成分も温度依存性を有する。また、二次電池１の充電状態によってもキャパシタ成分は変化する。さらに充放電の繰り返しによる二次電池１の活物質の表面状態や結晶状態変化によってもキャパシタ成分は変化する。図１の可変抵抗制御部３では、サーミスタ２によって計測された電池温度から二次電池１のキャパシタ成分を求め、そのキャパシタ成分の値からフィルタリング周波数を決定し、フィルタ時定数を算出するとともに、可変抵抗４の値を算出されたフィルタ時定数となるように調整する。これにより、電圧検出器６に取り込まれる電圧挙動は、二次電池１の電圧変化の内、キャパシタ成分の充放電による成分がフィルタリングされた活物質の化学変化を伴う電圧挙動となる。この電圧をもとに二次電池１を制御することにより、二次電池２の劣化を最小限に留めつつ、最も広い領域で有効に使用することが可能となる。

なお上記の例は、可変抵抗制御部３で電池温度にもとづいてキャパシタ成分を求める形態であるが、二次電池１のＳＯＣ状態を監視してその値にもとづいてキャパシタ成分を求めたり、二次電池１の使用度合いにもとづいてキャパシタ成分を求めたりした場合も同様の効果が得られることは自明である。

上述の二次電池１や電池電圧検出回路及びその他の必要な構成を備えた電池パックとすると、従来の電池パックに比べて性能を十分に使いきることができる優れた効果を有する。

さらに、このようなアナログ回路的なフィルタリングだけではなく、ＡＤ変換手段によりマイクロコンピュータで電圧をデジタル処理するような構成において、そのデジタル処理によってローパスフィルタを形成し、検出された電圧をソフトウェア的にフィルタリング処理した場合も同様の効果が得られることは自明である。

本発明の電池電圧検出回路は、電池の寿命を確保しつつ性能を十分に使いきることが出来るので、二次電池の電圧検出回路及びそれを備えた電池パックとして有用である。

本発明にかかる回路の一例を示す図

符号の説明

１ 二次電池
２ サーミスタ
３ 可変抵抗制御部
４ 可変抵抗
５ コンデンサ
６ 電圧検出器

Claims (6)

1. 検出対象電池の電圧を検出する電池電圧検出回路であって、前記検出対象電池の電圧変化を検出するローパスフィルタを備え、前記ローパスフィルタの時定数が電池のキャパシタ成分の充放電を基準に決定されていることを特徴とする電池電圧検出回路。
2. ローパスフィルタの時定数が電池の温度、ＳＯＣ、使用度合いの少なくとも一つの要素に基づいて可変できることを特徴とする請求項１記載の電池電圧検出回路。
3. ローパスフィルタは、検出対象電池の電圧をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、マイクロコンピューターとからなることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の電池電圧検出回路。
4. 二次電池と、前記二次電池の電圧変化を検出するローパスフィルタとを備え、前記ローパスフィルタの時定数が前記二次電池のキャパシタ成分の充放電を基準に決定されていることを特徴とする電池パック。
5. 二次電池の総充放電電気量、使用時間、使用期間の温度いずれかを元に電池寿命を決定することを特徴とする請求項４記載の電池パック。
6. ローパスフィルタの時定数が電池の温度、ＳＯＣ、使用度合いの少なくとも一つの要素に基づいて可変できることを特徴とする請求項５記載の電池パック。