JP2006170867A

JP2006170867A - 電池の残容量の演算方法

Info

Publication number: JP2006170867A
Application number: JP2004365140A
Authority: JP
Inventors: Kozo Oi; 耕三大井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】本発明の重要な目的は、残容量を正確に検出できる電池の残容量の演算方法を提供することにある。
【解決手段】電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して第１残容量を演算し、電池電圧を検出し、検出された電池電圧が設定電圧まで低下すると第１残容量を予め特定している低容量に補正する電池の残容量演算方法であって、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の残容量を低容量に補正した後、電池電圧を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は電池の残容量を演算する方法に関する。

電池の残容量は、満充電した状態から放電容量を減算して検出される。放電容量は放電電流を積算して演算される。電池の残容量は、電流と時間の積、すなわちＡｈで表示され、または、満充電した容量（Ａｈ）を１００％として、満充電容量に対する比率（％）で表すことができる。いずれの状態で残容量を表示するにしても、満充電された状態から放電した容量を減算して検出される。ただ、放電電流の積算値で検出される残容量は、常に電池の正しい残容量に一致するとはかぎらない。放電電流の大きさや温度が残容量検出の誤差の原因となるからである。誤差を少なくするために、電池の電圧を検出し、電池電圧が特定の設定された電圧になると、残容量を特定の容量に修正する方法が開発されている（特許文献１参照）。
特開平５−８７８９６号公報

特許文献１には、電池の電圧を検出し、検出された電圧が設定電圧になると、残容量を修正する方法が記載される。しかしながら、この公報に記載される方法では、つねに残容量を正しいように修正できない欠点がある。とくに、電池温度が低いときに、残容量を正確に修正できない欠点がある。

図１は、−１０℃の電池の放電を開始して、電池電圧が低下する特性を示している。ただし、この図に示す方法は、放電される電池の電圧が設定電圧（例えば、３．０５Ｖ）まで低下すると、放電電流を積算して検出した残容量には関係なく、電池の残容量を１０％に修正する方法である。この図に示すように、低温の電池は、放電を開始すると電池電圧が急激に低下する。電池電圧が３．０５Ｖまで低下すると、残容量を１０％に補正する。その後、放電が短時間で終了するなら、電池電圧は回復して上昇するが、残容量は１０％に修正されているので、その後放電電流の積算値で残容量を次第に減少させる。したがって、検出される電池の残容量は実線Ａで示すようになる。
このような場合は、電池電圧は回復しているので、実際には、実線Ａの検出される残容量より大きい残容量がある。
このため、特許文献１に記載される方法は、温度が低いときに、残容量を正確に検出できない欠点がある。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、残容量を正確に検出できる電池の残容量の演算方法を提供することにある。

本発明の電池の電池の残容量の演算方法は、放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して第１残容量を演算し、電池電圧を検出し、検出された電池電圧が設定電圧まで低下すると第１残容量を予め特定している低容量に補正する電池の残容量演算方法であって、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の残容量を低容量に補正した後、電池電圧を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正することを特徴とする。
本発明の電池の残容量の演算方法は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して第１残容量を演算し、電池電圧を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正することを特徴とする。

本発明の電池の残容量の演算方法は、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の第１残容量を低容量に補正した後、電池電圧が、設定電圧を超えて、回復した場合に、適切に残容量を演算することができる。また、本発明の電池の残容量演算方法は、第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正することで、適切でない第１残容量を補正することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の残容量検出方法と放電方法を例示するものであって、本発明は残容量検出方法と放電方法を以下の方法に特定しない。

図２に示す残容量検出装置１はパック電池２に内蔵される。このパック電池２は、残容量検出装置１と二次電池３を内蔵している。残容量検出装置１は、検出した二次電池３の残容量を、接続機器通信端子４を介して、パック電池２の接続機器（図示せず）に伝送する。また、残容量検出装置１は、検出した残容量から、パック電池２を放電できる最大電流値を示す最大制限電流値を示す信号を、接続機器通信端子４を介して接続機器に出力する。

パック電池の接続機器はアシスト自転車である。アシスト自転車に装着されたパック電池は、アシスト自転車のモーターを駆動して自転車を走行させる。この用途に使用されるパック電池は、自転車を走行させる駆動力により、パック電池の放電電流が変化する。モーターが自転車を強い力で駆動するとき、モーターに放電される電流は大きくなる。パック電池を保護するために、電池の最大放電電流を制限している。電池の最大放電電流を制限する信号は、パック電池から接続機器であるアシスト自転車に伝送される。接続機器であるアシスト自転車は、パック電池から入力される最大制限電流値に基づいて、放電電流をコントロールする。すなわち、放電電流を最大制限電流値よりも小さくして、最大の放電電流を最大制限電流値に制限する。接続機器であるアシスト自転車は、パック電池から入力される残容量を表示し、また、残容量に基づいて使用時間や走行可能距離等を表示する。ただし、残容量を演算するパック電池は、必ずしもアシスト自転車に装着されるとはかぎらない。パック電池は、自動車、電動バイク、電動自転車等の車両に装着でき、あるいは車両以外の電気機器に装着することができる。また、パック電池の接続機器は、ラップトップ型のパーソナルコンピューターでも良い。

残容量検出装置１は、電池の電圧を検出する電圧検出部５と、電池の温度を検出する温度検出部６と、電池に流れる電流を検出する電流検出部７と、電圧検出部５と温度検出部６と電流検出部７から入力される信号を演算して電池の残容量を検出すると共に、残容量や電池温度からパック電池２の最大制限電流値を検出する残容量演算部８と、演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部９とを備えている。通信処理部９は接続機器通信端子４に接続している。通信処理部９は、接続機器通信端子４を介して接続機器に接続されて、残容量や最大制限電流値を示す信号を接続機器に伝送する。

電池は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池はニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池とすることもできる。また、電池はひとつ又は複数を直列、または並列に接続している。

電圧検出部５は、パック電池２に内蔵される二次電池３の電圧を検出する。図のパック電池２は、複数の二次電池３を直列に接続しているので、電圧検出部５は直列に接続している電池のトータル電圧を検出している。電圧検出部５は、検出した電圧をアナログ信号として残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。電圧検出部５は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池電圧を検出して、検出した電圧を残容量演算部８に出力する。

温度検出部６は、パック電池２に内蔵される電池の温度を検出する温度センサー１０を備える。温度センサー１０は、電池の表面に接触し、あるいは熱伝導材を介して電池に接触し、あるいはまた電池の表面に接近して電池に熱結合されて電池温度を検出する。温度センサー１０はサーミスタである。ただし、温度センサー１０には、ＰＴＣやバリスタ等、温度を電気抵抗に変換できる全ての素子を使用できる。また、温度センサー１０には、電池から放射される赤外線を検出して電池に非接触な状態で温度を検出できる素子も使用できる。温度検出部６も、検出した電池温度をアナログ信号で残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。温度検出部６は一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池温度を検出して、検出した電池温度を残容量演算部８に出力する。

電流検出部７は、電池と直列に抵抗素子を接続し、この抵抗素子の両端に誘導される電圧を検出して、電池に流れる放電電流を検出する。抵抗素子は低抵抗な抵抗器である。ただ抵抗素子には、トランジスターやＦＥＴ等の半導体も使用できる。電池の充電電流と放電電流は電流が流れる方向が逆であるから、抵抗素子に誘導される正負の極性が反転する。したがって、抵抗素子の極性で放電電流と判定して、抵抗素子に誘導される電圧で電流を検出できる。電流が抵抗素子に誘導される電圧に比例するからである。この電流検出部７は電池の放電電流を正確に検出できる。ただし、電流検出部７には、リード線に流れる電流で外部に漏れる磁束を検出して電流を検出する構造とすることもできる。電流検出部７も、検出した放電電流をアナログ信号で残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。電流検出部７は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に放電電流を検出して、検出した放電電流を残容量演算部８に出力する。

電圧検出部５と温度検出部６と電流検出部７から、一定のサンプリング周期でデジタル値の信号を残容量演算部８に出力する装置は、各々の検出部から残容量演算部８にデジタル信号を出力するタイミングをずらせて、順番にデジタル信号を残容量演算部８に出力する。

残容量演算部８は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、放電開始時の残容量（通常は満充電状態）から検出した放電容量を減算して、第１残容量として電池の残容量を演算する。たとえば、満充電容量を１０００ｍＡｈとする電池が５００ｍＡｈ放電されると、残容量は５０％となる。したがって、満充電された電池が放電されるにしたがって、残容量は図３の実線Ｂで示すように次第に低下する。さらに、残容量演算部８は、電池の電圧で放電容量から検出した残容量を補正する。たとえば、図３に示すように、電圧検出部５から入力される電池電圧が設定電圧まで低下すると、残容量を予め特定している低容量に補正する。設定電圧と低容量は、残容量演算部８に接続しているメモリ１１に記憶している。図３は、リチウムイオン二次電池の特性を示し、設定電圧を３．０５Ｖ／セル、低容量を１０％としている。したがって、放電している電池の電圧が設定電圧の３．０５Ｖ／セルまで低下すると、放電電流を演算して検出された電池の特定容量として残容量を１０％と補正する。
また、より正確に、残容量を特定容量に補正するには、周知技術を利用して、特定容量を示す電池状態、即ち、電池電圧、電流、電池温度のテーブルを利用することで、特定容量を示す電流、電池温度に対応した電池電圧を利用することもできる。
そして、残容量演算部８は、このように演算した残容量のデータを通信処理部９に送り、通信処理部９から、接続機器通信端子４を介して接続機器に接続されて、残容量を示す信号を接続機器に伝送する。また、演算した残容量のデータを表示する機能を、パック電池２に設けても良い。

放電している電池の電圧が設定電圧になるときに、残容量を低容量に補正する方法は、電池温度が非常に低いときに、残容量の補正が不正確になる。図１はその具体例を示している。この図は、温度が−１０℃である満充電された電池の放電特性を示している。この図に示すように、極低温の電池が、放電されると、放電（電流５Ｃ程度）を開始して短時間に電圧が急激に低下する。この図は、電池電圧が３Ｖまで低下している。そして、第１残容量として電池電圧３．０５Ｖにて１０％と補正された残容量は、その後放電電流の積算値で残容量を次第に減少する。その後、機器の使用状態等の都合により、放電が停止される（＝無負荷状態になる）と、電池電圧が設定電圧を超えて、急激に回復している。このような場合は、電池電圧は回復しているので、実際には、実線Ａの検出される残容量より大きい残容量がある。

残容量演算部８は、以上の弊害を防止するために、以下の演算処理を行う。
放電電流が流れていないときに、電池電圧（＝開放電圧）を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、直前の電流積算で得られた第１残容量とを比較して、その差が所定値（例えば、第1残容量に対して５％程度）以上であるなら、第１残容量を、第２残容量の値として補正する。また、その差が所定値未満であるなら、第１残容量を補正しない。
ここで、電池電圧に対応した第２残容量を以下のようにして求める。電池電圧に対応した残容量は、周知技術であって、各温度における電池電圧（＝開放電圧）と残容量との関係のテーブルより得ることがきる。そして、このような電池電圧と残容量との関係は、特定の温度（＝２０℃）において、図５の関係となる。このようなテーブルは、予め残容量演算部８内に保存されている。
このような第１残容量を、第２残容量の値として補正する機会は、上述の従来の弊害のように、低温時に、電池の電圧が設定電圧まで低下して電池の第１残容量を低容量に補正した後、放電が停止され（＝無負荷状態）、電池電圧が設定電圧を超えて、急激に回復するときに、発生することが多いが、
これ以外に、誤差が蓄積され電流積算による第１残容量が大きく実際の残容量と異なるときにも、発生する。
このような残容量演算部８の演算処理により、以下に説明する図３の残容量を演算する。
この図は、図１と同じ条件で放電、放電停止をされたものであり、時間経過に伴う電池電圧の変化は同じとなっている。図３は、温度が−１０℃である満充電された電池の放電特性を示し、この図に示すように、極低温の電池が、放電されると、放電を開始して短時間に電圧が急激に低下する。この図は、電池電圧が３Ｖまで低下している。そして、第１残容量として電池電圧３．０５Ｖにて１０％と補正された残容量は、その後放電電流の積算値で残容量（実線Ｂ）を次第に減少する。その後、機器の使用状態等の都合により、放電が停止される（＝無負荷状態になる）と、電池電圧が設定電圧を超えて、急激に回復している。そして、図３においては、電流積算による第１残容量が、電池電圧に対応した第２残容量により補正されて、電池電圧の値に対応して、適正な残容量（実線Ｂ）を示している。

メモリ１１は、各種のデータを保存しており、残容量演算部８からの指示で、データを残容量演算部８に出力する。このようなデータとして、上述の各温度における電池電圧（＝開放電圧）と残容量との関係のテーブルを保存している。

本実施例のパック電池２が、機器に接続され、放電し、或いは放電を停止したときの残容量の演算方法を、図４のフローチャートに従って演算される。そして、図４のフローを繰り返すことにより、電池の残容量を適切に演算することができる。以下に、図４のフローチャートを順に説明する。
［ｎ＝１のステップ］
電圧検出部５、電流検出部７にて、電池電圧、電流値を測定する。また、これと同じタイミングで、温度センサー１０にて、電池温度が測定される。これらデータは、残容量演算部８に出力される。
［ｎ＝２のステップ］
残容量演算部８にて、電流があるかどうか、即ち、電流値が０Ａかどうかを判定する。
［ｎ＝６のステップ］
ｎ＝２のステップにて、電流がある場合は、本ステップで、電流積算で得られる第１残容量Ａが、０％を超えるかが判定される。本ステップで、Ｎｏ、即ち、第１残容量Ａが０％と判定された場合は、ｎ＝１のステップに戻る。
［ｎ＝７のステップ］
ｎ＝６のステップで、第１残容量Ａが０％を越える場合は、本ステップには、電池電圧が、予め設定された残容量０％に対応した規定電圧以下であるかが判定される。本ステップで、この規定電圧以下であるなら、ｎ＝１１のステップで、現在の第１残容量Ａが０％であるとし、次に、ｎ＝１のステップに戻る。
［ｎ＝８のステップ］
ｎ＝７のステップで、電池電圧が残容量０％に対応した規定電圧を超える場合は、本ステップで、現在の第１残容量Ａが、１０％を越えるかが判定される。第１残容量Ａが１０％を超えていないなら、ｎ＝１０のステップに進んで、電流値を積算して、現在の第１残容量Ａを求め、ｎ＝１のステップに戻る。
［ｎ＝９のステップ］
ｎ＝８のステップで、第１残容量Ａが１０％を超えている場合、本ステップで、予め設定された残容量１０％に対応した設定電圧以下であるかが判定される。電池電圧が設定電圧以下であるなら、ｎ＝１２のステップにて、特定の低容量として、第１残容量Ａが１０％に補正され、ｎ＝１のステップに戻る。
また、本ステップで、電池電圧が設定電圧を超える場合は、ｎ＝１０のステップにて、電流値を積算して、現在の第１残容量Ａを求め、ｎ＝１のステップに戻る。
［ｎ＝３のステップ］
一方、ｎ＝２のステップで、電流がないと判定されて場合は、本ステップにて、電池電圧に対応した残容量（＝第２残容量Ｂ）を求める。
［ｎ＝４のステップ］
ｎ＝３のステップで求められた第２残容量Ｂと、本ステップと前回のｎ＝１０のステップで演算された第１残容量Ａを比較し、その差が所定値（第1残容量に対して５％程度）以上であるなら、ｎ＝５のステップにて、第１残容量Ａを、第２残容量Ｂの値として補正する。また、その差が所定値未満であるなら、第１残容量Ａは補正されず、ｎ＝１のステップに戻る。
また、ここで、ｎ＝８、９、１０、１２のステップで、電池電圧に対応した特定の低容量に補正されているが、これらのステップを省略することも可能である。
また、ｎ＝３のステップで、電流がないと判定されて場合は、ｎ＝３のステップにて、電池電圧に対応した残容量（＝第２残容量Ｂ）を求めているが、電流がある場合に、所定の周期で電池電圧を測定し、これに対応した残容量を、第２残容量Ｂとしてもよい。この場合、各種の残容量を示す電流、電池温度に対応した電池電圧を利用することもできる。
。

低温のリチウムイオン二次電池を放電する電圧特性を示すグラフである。本発明の残容量検出方法に使用する残容量演算装置を内蔵するパック電池のブロック図である。本発明の実施例にかかる方法で放電される電池の残容量を補正する特性を示すグラフである。図３の残容量演算装置が残容量を演算する工程を示すフローチャート図である。電池電圧に対応した残容量を示すグラフである。

符号の説明

１…残容量検出装置
２…パック電池
３…二次電池
４…接続機器通信端子
５…電圧検出部
６…温度検出部
７…電流検出部
８…残容量演算部
９…通信処理部
１０…温度センサー
１１…メモリ

Claims

電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して第１残容量を演算し、電池電圧を検出し、検出された電池電圧が設定電圧まで低下すると第１残容量を予め特定している低容量に補正する電池の残容量演算方法であって、
電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の残容量を低容量に補正した後、
電池電圧を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、
第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正することを特徴とする電池の残容量の演算方法。
電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して第１残容量を演算し、
電池電圧を検出し、検出された電池電圧に対応した第２残容量を演算し、
第１残容量と第２残容量とを比較して、その差が所定値以上であるなら、第１残容量を第２残容量にて補正することを特徴とする電池の残容量の演算方法。