JP2007010370A - 電池容量の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池容量を適正に検出できる方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電池１の充電又は放電量の累積量に応じて劣化カウンタを増加させ(S1)、電池１の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して容量の減少を保存劣化として特定し、保存時間が経過するにしたがって、電池１の保存温度と残容量から特定された劣化カウンタを増加させ(S2)、該劣化カウンタの値が所定の閾値に達すると(S3)、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発すること(S5)を特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電池容量の検出方法に関する。

劣化する電池容量の検出方法については、以下の特許文献に開示される。この公報においては、以下の２つの方法が開示されている。一つに、電池の充電容量の累積量がそのときの電池の学習容量に達する毎に１サイクルとカウントし、１サイクルの充電につき、学習容量を特定のサイクル劣化容量として減少させることが開示され、また、電池の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して学習容量の減少率を保存劣化容量として特定し、電池の保存温度と残容量から特定された保存劣化容量だけ、学習容量を減少させることが開示されている。
特開2002-236154号公報

上記の従来の方法においては、予め決められたサイクル劣化容量、保存劣化容量分、学習容量を減少させている。しかしながら、このようなサイクル劣化量、保存劣化量は、実際には設定値と実際の劣化量との間に誤差があるため、次第に誤差が蓄積されてしまう。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、電池容量を適正に検出できる方法を提供することを目的とする。

本発明は、電池の充電又は放電量の累積量に応じて劣化カウンタを増加させ、該劣化カウンタの値が所定の閾値に達すると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする。また、前記累積量がそのときの前記電池の学習容量に達する毎に、前記劣化カウンタを増加させることを特徴とする。

また、本発明は、電池の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して容量の減少を保存劣化として特定し、保存時間が経過するにしたがって、電池の保存温度と残容量から特定された劣化カウンタを増加させ、前記劣化カウンタが所定の閾値に達すると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする。また、電池の保存温度と残容量をパラメーターとして単位時間の保存劣化容量をテーブルとして記憶し、単位時間の保存劣化をテーブルから判定する。

更に、本発明は、電池の充電又は放電量の累積量に応じて劣化カウンタを増加させ、前記電池の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して容量の減少を保存劣化として特定し、保存時間が経過するにしたがって、電池の保存温度と残容量から特定された前記劣化カウンタを増加させ、該劣化カウンタの値が所定の閾値に達すると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする。

更には、容量学習要求信号により、充電又は放電による容量測定を行うことを特徴とする。

本発明においては、電池の充電又は放電の累積量による劣化程度である劣化カウンタ、及び／又は、保存により生じる劣化程度である劣化カウンタが所定の閾値に達すると、容量測定を行うための容量学習要求信号を発している。その後、容量学習要求信号により、充電又は放電による容量測定を行うことになるので、実際の電池容量を適切に測定することができる。よって、上述の従来の問題点である予め決められたサイクル劣化容量、保存劣化容量分、学習容量を減少させることによる誤差の蓄積がないので、本発明においては電池容量を正確に得ることができる。

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方法を例示するものであって、本発明は方法を以下のものに特定しない。

図１は、本発明の方法に使用される組電池の回路図である。この組電池は、電池１と、充放電の電流を電圧に変換する電流／電圧変換部２と、電池１の電圧を検出する電圧検出部３と、電池１の温度を検出する温度検出部４と、マイコンＭとを備えている。このような組電池は、ラップトップ型パソコンに装着されて、電池１から電力を供給して、パソコンを駆動し、或いは、パソコンから電力が供給されて充電される。

また、マイコンＭにおいては、電流／電圧変換部２の出力信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１１と、電圧検出部３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１２と、温度検出部４のアナログ信号である出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１３と、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力信号を演算して充放電電流または電力を積算する積算部５と、この積算部５の出力から電池１の残容量を演算する残容量算出部６と、Ａ／Ｄコンバータ１２の出力電圧を記憶している設定電圧に比較するLowBattery検出部７と、Ａ／Ｄコンバータ１１〜１３のサンプリング周期を決定するタイマー８と、電池１の放置劣化サイクル劣化判定部９と、電池１を電源として使用する電気機器に、ＳＭＢｕｓで電池情報を伝送する通信処理部１０とを備える。

電池１は、リチウムイオン二次電池またはニッケル−水素電池である。ただ、電池１は、ニッケル−カドミウム電池等の充電できる全ての電池とすることができる。電池１は、ひとつまたは複数の二次電池を直列または並列に接続している。

電池１の充放電の電流を電圧に変換する電流／電圧変換部２は、図示しないが、電池と直列に接続している電流検出抵抗と、この電流検出抵抗の両端に発生する電圧を増幅するアンプとを備える。電流検出抵抗は、電池１に流れる電流に比例した電圧が発生するので、電圧で電流を検出することができる。アンプは、＋−の信号を増幅できるオペアンプで、出力電圧の＋−で充電電流と放電電流を識別する。電流／電圧変換部２の出力信号であるアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１１でデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、積算部５と、通信処理部１０と、LowBattery検出部７とに出力される。

電圧検出部３は、電池１の電圧を検出する。検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２でデジタル信号の電圧信号に変換されてLowBattery検出部７に出力される。LowBattery検出部７は、電池電圧が、放電終止電圧（Ｅ．Ｖ）まで低下すると、放電終止電圧信号を残容量算出部６に出力し、さらに、電池１の電圧が過放電電圧（ＯverＤischarge）まで低下すると、過放電電圧信号を出力する。

温度検出部４は、電池１の温度を検出する。検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１３でデジタル信号に変換され、変換された温度のデジタル信号は、LowBattery検出部７と、積算部５と、放置劣化サイクル劣化判定部９と、通信処理部１０とに出力される。

積算部５は、Ａ／Ｄコンバータ１１から入力されるデジタル信号の電流信号を演算して電池１の残量を演算する。この積算部５は、電池１の充電容量から放電容量を減算して、電池１の残量を電流の積算値（Ａｈ）として演算する。充電容量は、電池１の充電電流の積算値で、あるいはこれに充電効率をかけて演算される。放電容量は、放電電流の積算値、あるいは放電効率を考慮して演算される。積算部５は、電流の積算に代わって、電力の積算値（Ｗｈ）で残量を演算することもできる。電力の積算値は、充電電力から放電電力を減算して演算される。電力は、Ａ／Ｄコンバータ１１から入力される電流信号に、Ａ／Ｄコンバータ１２から入力される電圧をかけて演算される。

積算部５は、Ａ／Ｄコンバータ１２から入力される電圧信号で、残量を補正する。Ａ／Ｄコンバータ１２から、電池１の電圧が放電終止電圧に低下したことを示す信号が入力されると、積算部５は演算した残量を０に補正する。電池電圧が放電終止電圧まで低下すると、電池１の実際の容量は０になるからである。

残容量算出部６は、学習容量を算出し、算出した学習容量と、積算部５から入力される残量から、電池１の残存率（％）を演算する。電池１の残存率は、残量／学習容量の比率で演算される。残量は、積算部５から入力される。さらに、残容量算出部６は、電池１を完全に放電した状態から満充電されるまでの積算容量（Ａｈ又はＷｈ）、あるいは満充電した状態から完全に放電されるまでの積算容量（Ａｈ又はＷｈ）を学習容量として算出する。電池１が完全に放電された状態と、満充電された状態は、電池電圧から検出される。電池１が完全に放電されると、LowBattery検出部７から残容量算出部６に、放電終止電圧になったことを示す信号が出力される。電池１が満充電されると、電池１の電圧が満充電電圧まで上昇するので、この信号がＡ／Ｄコンバータ１２から残容量算出部６に出力される。

満充電から完全放電されるまでの積算容量、あるいは完全放電から満充電されるまでの積算容量は、正確に電池１の学習容量を示すものであるが、この積算値から学習容量を算出するためには、電池１を満充電し、かつ、完全放電させる必要がある。満充電から完全放電されるまでの積算容量、あるいは完全放電から満充電されるまでの積算容量が、得られたときは、残容量算出部６は、この積算容量を学習容量として算出することになる。このとき満充電と完全放電のいずれか一方のみが発生する状態では、学習容量を正確に算出できない。しかしながら、電池１は、満充電と完全放電を繰り返さない状態で使用され、あるいは、使用されないで放置される状態にあっても劣化して、学習容量が減少する。

電池１が満充電と完全放電を繰り返さない状態で使用され、あるいは、使用されないで保存する状態で学習容量が変化する状態は、放置劣化サイクル劣化判定部９で算出される。放置劣化サイクル劣化判定部９は、充電又は放電量の累積量と、放置する外的条件から、学習容量を新たに検出する必要性があることを判断し、その後、放電或いは充電により、学習容量を正確に測定、検出することができる。詳細には、放置劣化サイクル劣化判定部９においては、劣化カウンタを備えており、累積量、保存状態に応じて、劣化カウンタを増加させ、この劣化カウンターが、所定の閾値に達すると、学習容量を新たに検出する必要性があることを判断している。

充電による工程にて、充電量の累積量により容量学習の必要性を判断する方法は、実際の充電量を累積し、この累積量がその時点での電池の学習容量に達する毎に１サイクルとカウントし、カウントに基づいて、劣化カウンタを増加させている。たとえば、現在の学習容量が１０００ｍＡｈである場合、１回目の充電で５００ｍＡｈ、２回目に２００ｍＡｈ、３回目に３００ｍＡｈの充電を行ったとき、充電容量の累積量が１０００ｍＡｈに達するので、１サイクルの充電を行ったと判定する。この間、電池は、放電を行うこともでき、また、満充電にすることもできる。これらの充電を繰り返し、積算量がその時点での電池の学習容量に達する毎に、劣化カウンタを増加させている。

また、充電による工程に代わって、放電による工程を利用するとき、放電量の累積量により容量学習の必要性を判断する方法は、実際の放電量を累積し、この累積量がその時点での電池の学習容量に達する毎に１サイクルとカウントし、カウントに基づいて、劣化カウンタを増加させている。たとえば、現在の学習容量が１０００ｍＡｈである場合、１回目の放電で５００ｍＡｈ、２回目に２００ｍＡｈ、３回目に３００ｍＡｈの充電を行ったとき、放電容量の累積量が１０００ｍＡｈに達するので、１サイクルの充電を行ったと判定する。この間、電池は、放電を行うこともでき、また、満充電にすることもできる。これらの放電を繰り返し、積算量がその時点での電池の学習容量に達する毎に、劣化カウンタを増加させている。

すなわち、この方法は、放電や満充電の有無に関わらず、電池の充電、放電容量を累積し、この累積量がそのときの電池の学習容量になる毎に１サイクルとカウントして、カウントに基づいて、劣化カウンタを増加させている。劣化カウンターが、所定の閾値に達すると、学習容量を新たに検出する必要性があることを判断している。そして、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を、パソコン側に発する。容量学習が行われると、充電、放電容量の累積量をリセットして０にする。

容量学習要求信号を受け取ったパソコン等の電子機器においては、以下のような方法で、容量を測定、学習するが、これ以外の方法であっても良い。

電子機器が、ＡＣの商用電力供給を受けながら、電池を、放電（内蔵する負荷抵抗を利用する）、充電させて、満充電から完全放電されるまでの積算容量、あるいは完全放電から満充電されるまでの積算容量を測定して、学習容量とする。また、完全放電でなくても、満充電でなくても、電池の残存容量を適切に測定できる残存容量から、学習容量を演算してもよい。つまり、例えば、残存容量１０％から満充電までが、９００ｍＡｈであるなら、電池の容量は１０００ｍＡｈとなる。

また、容量学習要求信号を受け取った電子機器が、容量を学習する必要があることを、表示画面、音等により、機器の使用者に通知してもよい。このような通知を認識した使用者が、電気機器に設定されている学習容量の測定機能を動作させて、上記のような放電、充電にて、学習容量を測定してもよい。

さらに、電池１は、使用しないで保存しているときにもわずかに劣化して学習容量が少なくなる。保存状態における電池１の劣化は、保存温度と残容量で変化する。放置劣化サイクル劣化判定部９は、保存状態で容量減少を知るために、使用しないで保存している電池の保存温度と残容量をパラメーターとして、容量減少として学習容量の減少を保存劣化として特定する。保存時間が経過するにしたがって、電池１の保存温度と残容量から特定された保存劣化を、電池の保存温度と残容量から特定された保存劣化程度（＝度合＝劣化カウンタ）を増加させ、
保存劣化程度である劣化カウンタが所定の閾値になると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を、通信処理部１０より電子機器側に発する。電池１の保存温度と残容量をパラメーターとする単位時間の保存劣化は、放置劣化サイクル劣化判定部９の劣化カウンタにメモリに記憶される。

メモリに記憶されるテーブルを図２に示している。この図のテーブルは、電池１の保存温度と残存率（％）をパラメーターとして、単位時間の保存劣化容量を係数として特定する。いいかえると、保存温度と残存率から、保存劣化を算出する係数が特定される。この図のテーブルは、残容量として、残存率（％）をパラメーターとしているが、残量（Ａｈ又はＷｈ）をパラメーターとすることもできる。放置劣化サイクル劣化判定部９は、保存される電池１の保存温度と残容量から、単位時間の保存劣化をテーブルの係数から特定し、特定された係数を、劣化カウンタのカウント値として、時間の経過と共に加算する。

図２は、保存状態にある電池１の１分間の保存劣化容量を算出する係数を示している。この係数は、加算した劣化カウンタのカウント値が、所定の閾値である１０⁶になると、ある程度、劣化が進んでいると認識して、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発する。このような閾値は、学習容量の約１％の減少に相当している。ここで、本実施例においては、上述の累積量によるサイクル毎に増加させる劣化カウンタと、保存状態による劣化カウンタとを共通としている。本実施例においては、累積量によるサイクル毎の劣化カウンタを、リチウムイオン電池においては、１０⁶／５０としている。このようなサイクル毎の劣化カウンタは、使用する電池の性質、性能に応じて、適宜、自由に設定値を変更することができる。
図２において、Ａ〜Ｅは以下の係数に特定する。ただ、Ａ〜Ｅは、電池によりカッコで示す範囲とすることもできる。

Ａ…２．５ （０〜５）
Ｂ…８ （６〜１０）
Ｃ…１５ （１１〜２０）
Ｄ…３５ （２１〜５０）
Ｅ…７５ （５１〜１００）
放置劣化サイクル劣化判定部９は、１分毎に保存温度と残容量から特定されるテーブルの係数を、劣化カウンタに加算している。劣化カウンタの加算したカウント値が所定の閾値である１０⁶になると、ある程度、劣化が進んでいると認識して、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を、通信処理部１０よりパソコン側に発する。この放置劣化サイクル劣化判定部９は、１分を単位として、保存温度と残容量から保存劣化容量を算出する係数を加算するので、電池１が放置される温度や残容量が変化する状態で、極めて正確に容量の減少を得ることができる。ただし、放置劣化サイクル劣化判定部９が、保存温度と残容量から係数を加算する単位時間は、たとえば３０秒〜６０分、好ましくは１分〜３０分とすることもできる。図２のテーブルは、１分を単位とする容量減少の係数であるから、６０分を１単位とする容量減少の係数は、このテーブルの６０倍となる。

さらに、図２のテーブルは、保存温度を４領域に区画して、残容量を３領域に区画しているが、保存温度と残容量は、さらに小さく区画してより正確に容量減少を把握することもできる。

また、放置劣化サイクル劣化判定部９は、テーブルではなく、保存温度と残容量から学習容量を演算する係数を特定する関数をメモリに記憶させることもできる。この放置劣化サイクル劣化判定部９は、電池１の保存温度と残容量から保存状態における係数を関数で算出し、算出した係数を加算する。

通信処理部１０は、残容量算出部６で演算された残容量と、電圧検出部３で検出した電池電圧と、温度検出部４で検出した温度を、ＳＭＢｕｓで装着している機器に伝送する。

以上の組電池は、マイクロコンピューター等の電子機器に装着される状態で、図３に示すフローチャートに従い、以下のように動作する。
ステップ１において、電子機器が使用されるとき、組電池は充放電される。組電池が充電されると、放置劣化サイクル劣化判定部９は、放電（又は充電）容量の累積量がそのときの学習容量に達する毎に１サイクルをカウントする。そして、１サイクルをカウントすると、劣化カウンタを増加させる。本実施例では、劣化カウンタを、１０⁶／５０増加させている。

一方、ステップ２においては、電流／電圧変換部２にて、電流が検出されず、組電池が充放電されない保存状態にあると、放置劣化サイクル劣化判定部９は、電池１の保存温度と残容量を検出する。保存温度は、Ａ／Ｄコンバータ１３から入力され、残容量は残容量算出部６から入力される。保存温度と残容量が特定されると、メモリに記憶されるテーブルから係数が特定される。このことが１分毎に繰り返され、特定された係数は、劣化カウンタのカウント値として、劣化カウンタに、１分毎に加算される。

ステップ３において、劣化カウンタの値が、所定の閾値以上かどうかが判定される。所定の閾値は、本実施例では、１０⁶を利用している。閾値に達しない場合は、上述のステップ１、２を繰り返すこととになる。劣化カウンタの値が、所定の閾値以上になると、ステップ４に進み、劣化カウントをクリアーする。

そして、ステップ５において、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を、通信処理部１０よりＳＭＢｕｓからを利用して電子機器側に発する。

ステップ６において、組電池からの容量学習要求信号により、上述のように、満充電に相当する容量を、測定、学習する。

なお、図３のフローにおいては、ステップ１において、累積量のサイクルに伴う劣化を判定し、ステップ２において、保存状態での放置劣化を判定しているが、どちらか一方だけで、劣化を判定することも可能である。

本発明の実施例の組電池の回路図 電池温度と残存率をパラメーターとする単位時間の保存劣化のテーブルの一例を示す図 本発明の実施例のフローを示すフローチャート

符号の説明

１…電池
２…電流／電圧変換部
３…電圧検出部
４…温度検出部
５…積算部
６…残容量算出部
７…LowBattery検出部
８…タイマー
９…放置劣化サイクル劣化判定部
１０…通信処理部
１１…Ａ／Ｄコンバータ
１２…Ａ／Ｄコンバータ
１３…Ａ／Ｄコンバータ

Claims (6)

1. 電池の充電又は放電量の累積量に応じて劣化カウンタを増加させ、該劣化カウンタの値が所定の閾値に達すると、
   充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする電池容量の検出方法。
2. 前記累積量がそのときの前記電池の学習容量に達する毎に、前記劣化カウンタを増加させることを特徴とする請求項１の電池容量の検出方法。
3. 電池の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して容量の減少を保存劣化として特定し、
   保存時間が経過するにしたがって、電池の保存温度と残容量から特定された劣化カウンタを増加させ、
   前記劣化カウンタが所定の閾値に達すると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする電池容量の検出方法。
4. 電池の保存温度と残容量をパラメーターとして単位時間の保存劣化容量をテーブルとして記憶し、単位時間の保存劣化をテーブルから判定する請求項３の電池容量の検出方法。
5. 電池の充電又は放電量の累積量に応じて劣化カウンタを増加させ、
   前記電池の保存温度と残容量をパラメーターとして利用して容量の減少を保存劣化として特定し、保存時間が経過するにしたがって、電池の保存温度と残容量から特定された前記劣化カウンタを増加させ、
   該劣化カウンタの値が所定の閾値に達すると、充電又は放電による容量測定を行うための容量学習要求信号を発することを特徴とする電池容量の検出方法。
6. 容量学習要求信号により、充電又は放電による容量測定を行うことを特徴とする請求項１、３又は５の電池容量の検出方法。