JP2006184035A

JP2006184035A - 電池残量検出装置

Info

Publication number: JP2006184035A
Application number: JP2004375160A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Deguchi; 洋一出口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】測定時間を短縮し、かつトータル消費量の算出精度および出力特性のリニアリティ精度を向上し、素子サイズを縮小化して回路規模の増大を抑え、コストの低減化を実現することができる電池残量検出装置を提供する。
【解決手段】充電・放電による消費電流を検出抵抗で検出した後に積分器により電圧の傾きを変動させて、充電・放電による消費電流の向きや増減を検出し、その向きや増減を発振器とコンパレータにより数値化してデジタル的に積算処理し、更に比較手段により条件一致を検出してラッチおよび出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノート型パソコン、携帯電話、ゲーム機等の２次電池を用いるモバイル機器分野において、それらのモバイル機器に使用中の２次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置に関するものである。

従来から、ノート型パソコン（ＰＣ）、携帯電話やゲーム機等の２次電池を用いるモバイル機器分野において、それらのモバイル機器に使用中の２次電池の電池残量を検出するために広く利用されている電池残量検出装置は、２次電池の消費電流量を測定し、その消費電流量を基に２次電池の残量を推定する機能を持っている。

特に近年では、モバイル機器の普及がめざましく、モバイル機器において、使用時における電池切れの回避等、安全性を高めるために、精度良くバッテリの消費量を測定し、その電池残量を正確に管理する機能を備えることが強く要求されている。

従来の構成（例えば、特許文献１を参照）では、図４に示すように、例えばモバイル機器における消費電流を検出するために２次電池（バッテリ）ＢＡＴＴＥＲＹに直列接続された検出抵抗ＲＳＥＮＳＥを用い、その検出抵抗ＲＳＥＮＳＥに消費電流ＩＢＡＴＴが流れることによりその両端に発生した電圧を検出電圧増幅器で受けて増幅し、この検出電圧増幅器の出力電圧を、ＶＣＯ内で、論理制御手段によって制御されるＶ／ＩコンバータＶ／ＩおよびＩ／ＦコンバータＩ／Ｆにより周波数に変換し、その周波数を、バイナリカウンタで、ある一定の値（例えば満充電リミットや放電リミットの値）になるまでカウントし、バッテリの残量を算出し推定していた。

この場合、バイナリカウンタでカウントした周波数はバッテリの消費電流量に比例するため、消費電流が大きくなればなるほどカウンタもその分早くカウント（充電の場合と放電の場合で、カウントアップ／ダウンが切り替えられる）し、そのカウントが満充電リミットや放電リミットとして検知するカウント値に早く達するという仕組みになっている。
特表平１１−５００９００号公報

しかしながら上記のような従来技術では、バッテリの電流消費量をＶＣＯで周波数に変換して算出していることから、低電流時の周波数が数Ｈｚ〜数ｋＨｚと非常に小さくなるため、その測定に時間がかかる。また、それを回避するため、一定の電流量以下になると、電流消費なしと見なしてＶＣＯ出力をＬレベルに固定して、その電流量を無視するようにしている。そのため、トータル消費量の算出精度が悪くなる傾向があった。

更に、ＶＣＯそのものの出力リニアリティの精度を上げる必要もあり、その対策として、回路定数を微調整するためのトリミング回路の追加や、ゲート長変調効果による相対精度悪化を防止するため、素子サイズを大き目にすることが考えられるが、回路規模が大きくなってしまい、コストも高くなってしまうという問題点を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、測定時間を短縮し、かつトータル消費量の算出精度および出力特性のリニアリティ精度を向上し、素子サイズを縮小化して回路規模の増大を抑え、コストの低減化を実現することができる電池残量検出装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の電池残量検出装置は、バッテリ電流を検出し電圧に変換する検出抵抗と、前記検出抵抗の両端の電圧を充放電電流の方向に応じて極性を切り替える極性選択スイッチと、前記検出抵抗で発生した電圧を増幅するアンプと、前記アンプの出力電圧を積分し、リセット時には積分した電荷量を０にするスイッチを有する積分器と、前記積分器に接続された２つのコンパレータ回路および論理積手段からなり、前記積分器により積分された電圧が、前記２つのコンパレータ回路における任意の２つの閾値間にある場合に、アクティブになる検出時起動回路と、前記検出時起動回路がアクティブな時に、発振信号を出力する論理和手段と、測定開始信号を受けて前記積分器のスイッチを開放するインバータと、前記論理和手段の出力に接続され、測定開始信号を受けた時のみ前記論理和手段の出力信号を出力するＮＯＲゲートと、前記ＮＯＲゲートの出力を積算する積算器とで構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の電池残量検出装置は、請求項１に記載の電池残量検出装置であって、前記積算器は、前記ＮＯＲゲートの出力をカウントし、前記測定開始信号を受けていない時はリセットされるバイナリカウンタと、前記バイナリカウンタの出力を反転する反転回路と、前記反転回路の出力を前記検出時起動回路がアクティブな時だけシリアル信号に変換するパラレル−シリアル変換器と、前記パラレル−シリアル変換器の出力を充電時にカウントアップ、放電時にカウントダウンするアップ／ダウンカウンタとで構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の電池残量検出装置は、請求項１または請求項２に記載の電池残量検出装置であって、比較器及び出力ラッチ回路からなる比較手段を有し、前記比較手段は、前記比較器により前記積算器の出力データを任意の設定データと比較し、その比較結果に応じて外部装置へ割り込みするための信号を出力するよう構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の電池残量検出装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池残量検出装置であって、前記検出抵抗の両端をショートするスイッチと、外部または内部に低電圧源を設けて、任意の電圧を前記検出抵抗の片方または両方の端のそれぞれに印加するスイッチとからなる校正手段を有し、前記校正手段は、オフセットズレに対する校正を行うよう構成したことを特徴とする。

以上により、充電・放電による消費電流を検出抵抗で検出した後に積分器により電圧の傾きを変動させて、充電・放電による消費電流の向きや増減を検出し、その向きや増減を発振器とコンパレータにより数値化してデジタル的に積算処理し、更に比較手段により条件一致を検出してラッチおよび出力することができる。

以上のように本発明によれば、従来用いていたＶＣＯの代わりに積分回路を用いて、消費電流値を数値化してデジタル的に処理することにより、低電流時でも、時間をかけずに常に一定の周波数と一定の間隔で、バッテリの電流消費量をカウントすることができる。

また、従来用いていたＶＣＯのように回路が大規模化するアナログ回路を、デジタル回路に置き換えることにより、回路素子の微細化を可能とし、更に高精度化に必要なトリミング回路を不要とすることができる。

以上により、測定時間を短縮し、かつトータル消費量の算出精度および出力特性のリニアリティ精度を向上し、素子サイズを縮小化して回路規模の増大を抑え、コストの低減化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す電池残量検出装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本実施の形態の電池残量検出装置の全体構成例を示すブロック図である。図１において、ＩＢＡＴＴは電池充放電電流、ＲＳＥＮＳＥは検出抵抗、ＶＡ，ＶＢはそれぞれ検出値入力端子ＡとＢ、ＳＥＬは充放電（極性）選択スイッチ、ＡＭＰは検出電圧増幅器、ＩＮＴＥＧＡＭＰは積分器、ＤＥＴＡＣＴは起動回路、ＯＳＣは発振器、Ｃ／ＤＳＥＬは充放電用ＦＥＴ制御信号入力、ＳＴは残量測定開始信号入力、ＯＲＡは論理和手段（Ａ）、ＣＵＭは積算器、ＯＵＴは残量データ出力である。

以上のように構成された電池残量検出装置について、その動作を以下に説明する。
電池ＢＡＴＴＥＲＹへの充電電流あるいは電池ＢＡＴＴＥＲＹからの放電電流である電池充放電電流ＩＢＡＴＴは、必ず検出抵抗ＲＳＥＮＳＥを通り、検出抵抗ＲＳＥＮＳＥの両端に端子電圧を発生させる。この時、充電電流は端子ＶＡ側から端子ＶＢ側の方向へ流れ、放電電流はその逆の方向（端子ＶＢ側から端子ＶＡ側）へ電流が流れるので、各電流による検出抵抗ＲＳＥＮＳＥの端子電圧は、互いに極性が逆になる。そこで、充・放電用のＦＥＴの制御信号を利用し、この充放電用ＦＥＴ制御信号入力Ｃ／ＤＳＥＬに応じて、充電の時と放電の時で検出電圧増幅器ＡＭＰへ極性を変えて接続する充放電選択スイッチＳＥＬを用いることにより、端子ＶＡと端子ＶＢ間の電圧（以降、ＶＩＮと称する）の絶対値を、検出電圧増幅器ＡＭＰで増幅することができる（図３に示す「ＩＢＡＴＴ」と「ＡＭＰ出力」の関係）。

検出電圧増幅器ＡＭＰにより増幅されたＶＩＮは、積分器ＩＮＴＥＧＡＭＰによって積分される。この積分器ＩＮＴＥＧＡＭＰは、残量測定開始信号ＳＴによって積分を開始／停止できるので、不要な時は機能を停止させて消費電流を抑えることが可能である。また、停止時は時定数を決めている内部容量（Ｃｉ）の両端をショートして放電させているので、検出開始時の積分器ＩＮＴＥＧＡＭＰの出力（以降、ＶＩＮＴＥと称する）は、常に初期値からの変動となり、ＶＩＮの値が小さければ緩やかに立ち上がり、大きければ急速に立ち上がるようになっている（図３に示す「ＡＭＰ出力」と「ＩＮＴＥＧＡＭＰ出力」の関係）。

任意の２つの閾値間（以降、それぞれ高い閾値をＶｔｈＨ、低い閾値をＶｔｈＬと称する）における前記ＶＩＮＴＥの変動期間を、一定周波数のクロックを用いてカウントしてやることにより、電池充放電電流ＩＢＡＴＴについて、時間積分と積算を同時に行うことが可能となる。ここで、ＶＩＮＴＥに対する任意の２つの閾値検出は起動回路ＤＥＴＡＣＴを、カウント用のクロック生成は発振器ＯＳＣを、カウントは任意のビット数を持つバイナリカウンタ（ここでは、従来技術に用いたものと同様）をそれぞれ用いる。

起動回路ＤＥＴＡＣＴは、２つのコンパレータと１つのＡＮＤゲートで構成されており、ＶＩＮＴＥが閾値ＶｔｈＬより高く且つ閾値ＶｔｈＨより低いところで、ＡＮＤゲートからＨレベルが出力されるようになっており、ＶＩＮＴＥの変動が緩やかであれば長く、急峻であれば短く検出する。そして論理和（ＯＲゲート）手段（Ａ）ＯＲＡにより、起動回路ＤＥＴＡＣＴの出力がＨレベルになっている期間だけを、発振器ＯＳＣから発せられる一定周波数のクロックでカウントできるようにすれば、電池充放電電流ＩＢＡＴＴの時間積分を数値化して出力することができる（図３に示す「ＩＮＴＥＧＡＭＰ出力」と「論理和手段（Ａ）出力」の関係）。

また、論理和手段（Ａ）ＯＲＡの出力は、残量測定開始信号ＳＴが測定開始の信号を出してなければ、確実にバイナリカウンタへの出力を止めて誤カウントを防いでおく必要がある。このため、論理和手段（Ａ）ＯＲＡの出力信号と残量測定開始信号ＳＴの反転信号をそれぞれＮＯＲゲートの入力に接続しておく。

後は、継続的且つ定期的に残量測定開始信号ＳＴをアクティブにして測定し、前記のＮＯＲゲートの出力をバイナリカウンタで積算すれば、それで電池残量検出が可能となるが、電池充放電電流ＩＢＡＴＴの変動と、数値化された積分値であるＮＯＲゲートの出力は反比例の関係にあり、普通のバイナリカウンタでは積算ができないため、工夫が必要である。

そこで、上記のバイナリカウンタとして、図１に示すような積算器ＣＵＭを使って積算する必要があり、この場合について次に説明する。
図２は本実施の形態の電池残量検出装置における積算器ＣＵＭの構成を示すブロック図である。積算器ＣＵＭは、図２にその構成例を示すように、リセット可能な任意のビット数（ｎビット）のバイナリカウンタと、ｎビットバイナリカウンタのパラレル信号出力を反転する反転回路Ｓｕｂと、反転回路Ｓｕｂのｎビット出力を、起動回路ＤＥＴＡＣＴ出力がＨレベルの時だけシリアル信号に変換するパラレル−シリアル変換器Ｐ／Ｓと、パラレル−シリアル変換器Ｐ／Ｓの出力を、充電時にはカウントアップし、放電時にはカウントダウンするアップ／ダウンカウンタとで構成される。この積算器ＣＵＭの入力であるＣＵＭＩＮを前記のＮＯＲゲート出力に接続し、リセット入力を残量測定開始信号ＳＴに接続し、出力ＣＵＭＯＵＴを残量データ出力ＯＵＴに接続する。

以上の接続で、前記のＮＯＲゲート出力は、一旦ｎビットバイナリカウンタでカウントされた後、そのカウント値は全ビットが反転回路で反転される。これにより、反比例の関係だった電池充放電電流ＩＢＡＴＴの変動と数値化された積分値が、反転回路Ｓｕｂ出力で比例関係に変わる。そこで反転回路Ｓｕｂの出力値をパラレル−シリアル変換器Ｐ／Ｓでシリアルデータに変換し、充放電用ＦＥＴ制御信号Ｃ／ＤＳＥＬが充電信号であればカウントアップし放電信号であればカウントダウンするアップダウンカウンタで積算することにより、電池の残量データを出力端子ＣＵＭＯＵＴから得ることができる。

前記の残量測定開始信号ＳＴが測定開始信号でない時は、バイナリカウンタはリセットされるので、その都度、電池充放電電流ＩＢＡＴＴの電流量に則した積分値を得られるため、測定の頻度を高めれば高める程、残量データ出力ＯＵＴ端子は精度良い電池残量データを出力することができる。

次に、残量データ出力ＯＵＴに比較手段ＣＯＭＰを接続する場合について説明する。
図１において、残量データ出力ＯＵＴが任意に設定した値になれば、外部装置に対して割り込みを要求する信号ＩＮＴＯＵＴを出すことができる。ここで、比較手段ＣＯＭＰは、積算器ＣＵＭからの残量データ出力ＯＵＴ及び任意に設定した値（例えば、０〜２^ｎ−１の任意値）を入力に接続したコンパレータ（比較器）あるいは一致検出回路（図１に示しているのは、コンパレータを用いた例である）と、前記コンパレータあるいは一致検出回路の出力に、入力が接続された出力ラッチ回路Ｌａｔｃｈとで構成される。

前記の比較手段ＣＯＭＰを複数設けることで、例えば電池の充電リミット、放電リミット、その他多くの場合で、内部および外部装置等へ割り込み処理を要求することが可能である。

次に、端子ＶＡとＶＢから後述の校正手段ＣＡＬを通して充放電選択スイッチＳＥＬに接続することにより、高精度な残量検出を可能にする場合について説明する。
図１に示すように、校正手段ＣＡＬは、端子ＶＡとＶＢをショートするスイッチと、端子ＶＡを任意の電圧にするスイッチと、端子ＶＢを任意の電圧にするスイッチとで構成され、例えば端子ＶＡとＶＢをショートしてゼロ・スケール補正することができ、また例えば、端子ＶＡかＶＢのどちらか一方をＧＮＤ電位、もう一方をある任意の電圧にして、フル・スケール補正を残量検出の前に都度行うことで、残量測定の精度を高め、且つその精度を保つことができる。

本発明の電池残量検出装置は、高精度、小型化、低コスト化を実現するもので、バッテリを必須とするモバイル機器の機能として有用であり、またＶＣＯに置き換わる機能、あるいはクーロンカウンタとして、幅広い分野および用途に適応可能である。

本発明の実施の形態の電池残量検出装置の構成を示すブロック図同実施の形態の電池残量検出装置における積算器の構成を示すブロック図同実施の形態の電池残量検出装置における電池残量検出機能を示すタイミングチャート従来の電池残量検出装置の構成を示すブロック図

符号の説明

ＩＢＡＴＴ電池充放電電流
ＲＳＥＮＳＥ検出抵抗
ＶＡ、ＶＢ検出値入力端子Ａ、Ｂ
ＣＡＬ校正手段
ＳＥＬ充放電（極性）選択スイッチ
ＡＭＰ検出電圧増幅器
ＩＮＴＥＧＡＭＰ積分器
ＤＥＴＡＣＴ起動回路
ＶｔｈＨ／Ｌ任意の２つの閾値ＨとＬ
ＯＳＣ発振器
ＯＲＡ論理和手段（Ａ）
Ｃ／ＤＳＥＬ充放電用ＦＥＴ制御信号入力
ＳＴ残量測定開始信号入力
ＯＵＴ残量データ出力
ＩＮＴＯＵＴ割り込み出力
ＣＵＭ積算器
ＣＯＭＰ（比較及びラッチ出力する）比較手段
ＣＵＭＯＵＴ積算器出力
ＣＵＭＩＮ割り込み出力
Ｓｕｂ反転回路
Ｐ／Ｓパラレル−シリアル変換器
ＥＮＢＬＰ／Ｓ駆動信号
ｎ任意のビット数

Claims

バッテリ電流を検出し電圧に変換する検出抵抗と、前記検出抵抗の両端の電圧を充放電電流の方向に応じて極性を切り替える極性選択スイッチと、前記検出抵抗で発生した電圧を増幅するアンプと、前記アンプの出力電圧を積分し、リセット時には積分した電荷量を０にするスイッチを有する積分器と、前記積分器に接続された２つのコンパレータ回路および論理積手段からなり、前記積分器により積分された電圧が、前記２つのコンパレータ回路における任意の２つの閾値間にある場合に、アクティブになる検出時起動回路と、前記検出時起動回路がアクティブな時に、発振信号を出力する論理和手段と、測定開始信号を受けて前記積分器のスイッチを開放するインバータと、前記論理和手段の出力に接続され、測定開始信号を受けた時のみ前記論理和手段の出力信号を出力するＮＯＲゲートと、前記ＮＯＲゲートの出力を積算する積算器とで構成したことを特徴とする電池残量検出装置。
請求項１に記載の電池残量検出装置であって、前記積算器は、前記ＮＯＲゲートの出力をカウントし、前記測定開始信号を受けていない時はリセットされるバイナリカウンタと、前記バイナリカウンタの出力を反転する反転回路と、前記反転回路の出力を前記検出時起動回路がアクティブな時だけシリアル信号に変換するパラレル−シリアル変換器と、前記パラレル−シリアル変換器の出力を充電時にカウントアップ、放電時にカウントダウンするアップ／ダウンカウンタとで構成したことを特徴とする電池残量検出装置。
請求項１または請求項２に記載の電池残量検出装置であって、比較器及び出力ラッチ回路からなる比較手段を有し、前記比較手段は、前記比較器により前記積算器の出力データを任意の設定データと比較し、その比較結果に応じて外部装置へ割り込みするための信号を出力するよう構成したことを特徴とする電池残量検出装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池残量検出装置であって、前記検出抵抗の両端をショートするスイッチと、外部または内部に低電圧源を設けて、任意の電圧を前記検出抵抗の片方または両方の端のそれぞれに印加するスイッチとからなる校正手段を有し、前記校正手段は、オフセットズレに対する校正を行うよう構成したことを特徴とする電池残量検出装置。