JP2007155434A

JP2007155434A - 二次電池の残存容量検出方法

Info

Publication number: JP2007155434A
Application number: JP2005349221A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Murakami; 高広村上
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: JP4660367B2

Abstract

【課題】より適切、正確な残存容量を検出する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】積算量に対応した前記二次電池の電池電圧を検出、保存する工程と、前記二次電池の放電中に電池電圧が第１電圧に達すると、この電圧に対応して予め設定されている設定残存容量により、前記第１電圧に達した時点で算出された残存容量を、前記設定残存容量率に補正する工程と、前記総容量を得る工程以降の二次電池の放電時において、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率の関係式より、前記積算量を演算し、この演算した積算量に近い前記保存された前記積算量並びにこれに対応した前記二次電池の電池電圧を選択し、この選択された電池電圧を更新された前記第1電圧として前記補正する工程を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の残存容量検出方法に関する。

ノートパソコンや携帯電話等の携帯型電子機器においては、その電源として充放電可能な二次電池が用いられている。こうした場合、電源の供給が突然に途絶えて、データが失われたり使用できなくなってしまうことがないように、二次電池の残存容量を検出して表示するようにしている。

斯る残存容量の検出は、通常、二次電池の放電電流を積算し、この積算量を二次電池の電池容量から減算することにより行っている。しかし、この方法では、二次電池の劣化や使用環境の変化により、二次電池の容量が変化するため、実際の残存容量と検出した残存容量との間に誤差が生じてしまう。

斯る誤差を補正して正確な残存容量を表示する技術が、下記特許文献１に開示されている。同公報によれば、二次電池の満充電電圧、ＬＯＷバッテリ電圧、デッドバッテリ電圧などの複数の所定電圧に対応して予め求めておいた実際の二次電池の残存容量に基づいて、放電電流の積算結果から検出した残存容量を補正することにより、正確な残存容量を検出する技術が示されている。

また、特許文献２には、劣化した電池においても残存容量を補正できる技術が開示されている。即ち、同公報の図２において、放電時の二次電池（具体的にはニッケルカドミウム電池）の電池電圧の変化を示すグラフであり、実線は初期状態の二次電池の放電カーブを、破線は所定回数の放電サイクルが経過した後の二次電池の放電カーブを、夫々示している。

同グラフから明らかなように、二次電池の放電カーブは、二次電池の放電サイクルが進むに従って降下する。このため、所定電圧（例えば、図２の第１電圧Ｖ１）に対応して予め求めておいた二次電池の残存容量によって、検出した残存容量を補正すると、二次電池の放電サイクルが進むにつれて、大きなずれが生じてしまう。

即ち、破線で示された放電カーブを示す二次電池において、その電池電圧が第１電圧Ｖ１に到達した時点での残存容量は、同図から明らかなように、実線で示す二次電池の残存容量よりも多いにも係わらず、第１電圧Ｖ１に対応して予め求められた残存容量に補正されてしまうことから、実際の容量よりも少ない残存容量となってしまう。

この問題を解決するために、特許文献２においては、二次電池の放電中に電池電圧が第１電圧及び当該電圧より低い第２電圧に達すると、これらの電圧に対応して予め設定されている第１の設定残存容量及び第２の設定残存容量により、前記第１電圧に達した時点で算出された第１の算出残存容量及び前記第２電圧に達した時点で算出された第２の算出残存容量の各々を、前記第１の設定残存容量及び第２の設定残存容量に補正する工程と、前記第１電圧及び第２電圧に達した時点で算出された第１の算出残存容量と第２の算出残存容量との第１の差と、前記第１の設定残存容量と第２の設定残存容量との第２の差とを比較する工程と、次回の二次電池の放電時において前記第１の差が第２の差に等しくなるように、前記第１電圧を変更する工程とを備えている。これにより、二次電池の残存容量を正確に検出している。
特開平５−８７８９６号特開平１０−２１３６３８号

しかしながら、特許文献２においては、変更された第1電圧においては、第１の設定残存容量である実際の残存容量に対応した電圧ではないので、残存容量が適切でないことがある。

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、より適切、正確な残存容量を検出する方法を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池の放電電流又は充電電流を積算して前記二次電池の総容量を得る工程と、放電電流を積算した積算量より前記二次電池の残存容量を算出する工程と、前記積算量に対応した前記二次電池の電池電圧を検出、保存する工程と、前記二次電池の放電中に電池電圧が第１電圧に達すると、この電圧に対応して予め設定されている設定残存容量により、前記第１電圧に達した時点で算出された残存容量を、前記設定残存容量率に補正する工程と、前記総容量を得る工程以降の二次電池の放電時において、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率の関係式より、前記積算量を演算し、この演算した積算量に近い前記保存された前記積算量並びにこれに対応した前記二次電池の電池電圧を選択し、この選択された電池電圧を更新された前記第1電圧として前記補正する工程を行うことを特徴とする。

本発明においては、前記総容量を得る工程以降の二次電池の放電時において、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率の関係式より、前記積算量を演算し、この演算した積算量に近い前記保存された前記積算量並びにこれに対応した前記二次電池の電池電圧を選択し、この選択された電池電圧を更新された第1電圧として補正するので、設定残存容量に対応した電池電圧を適切に変更し、正確な残存容量を得ることができる。

つまり、電池が劣化して総容量が低下したり、特性が変化しても、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率となる積算量を、保存された積算量より選び、この積算量に対応した電池電圧を得ることにより、劣化した電池での正確な設定残存容量に対応した電池電圧を得ることができる。

本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施例においては、パック電池Ａと、これを充電する電源を備える電子機器である携帯機器ＰＣとを備えている。携帯機器ＰＣは、ノート型のような携帯型パーソナルコンピュータである。パック電池Ａは、通常、携帯機器ＰＣに着脱自在に装着される構造である。携帯機器ＰＣには、コンセントからの交流商用電力を直流電力に変換するアダプター（図示せず）から出力される直流電力が供給され、この電力を制御し、供給するマイコンを内蔵する制御・電源手段Ｓを備えている。制御・電源手段Ｓからの電力出力は、パック電池Ａを充電するのに利用されたり、携帯機器ＰＣの負荷Ｌに電力供給される。また、商用電力より電力供給がない場合は、パック電池Ａより電力が供給され、電源回路Ｓ及び負荷Ｌを駆動させる。

パック電池Ａにおいては、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等の二次電池１と、電池１の充放電時の電流を検出する抵抗等からなる電流検出部２と、電池１の充放電を監視、制御するマイクロプロセッサーユニット(以下、ＭＰＵと記す）とを備えている。また、パック電池Ａ内には、電池１に密接して配置されたサーミスタを含む温度検出部３が設けられている。

ＭＰＵにおいては、電池電圧(測定箇所ｄ)、電流検出部２からの出力、温度検出部３からの出力のアナログ電圧が入力され、デジタル変換し、実電圧[mV]や実電流値[mA]等に換算するＡ／Ｄ変換部４が設けられている。そして、Ａ／Ｄ変換部４からの出力が、充放電制御・演算部５に入力されて、演算、比較、判定等が行われて、この制御・演算部５からの信号で、スイッチングトランジスタ等からなる制御素子７をオンオフ制御する。

つまり、制御・演算部５においては、充放電電流を積算して残容量を演算処理したり、電池１の満充電を検出したり、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時等に、充放電を制御する。そして、スイッチングトランジスタ等からなる制御素子７は、オンオフ制御され、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時に、制御・演算部５からの制御信号で電流を遮断する。周知技術を利用して、制御・演算部５においては、A/D変換部４によって変換された充放電電流に測定単位時間（例えば、２５０ｍsec）を掛け算した値を積算し、放電時においては満充電から積算量を引き算し、或いは、充電時においては充電開始時の残容量より積算量を加算する。このような演算により、電池１の残容量を算出している。また、制御・演算部５においては、充各種データをメモリーに記録している。

また、制御・演算部５において、満充電の検出については、電池１がニッケル水素電池等の場合は、ピーク電圧を検出したり、電池電圧の−ΔＶ（＝電圧低下）を検出したり、演算された残容量を利用したり等の周知の方法にて検出している。電池１がリチウムイオン電池の場合は、電流、電圧を規制した定電流・定電圧充電を利用し、電圧が所定値以上、電流が所定値以下の条件のとき、満充電とする。満充電を検出したとき、制御・演算部５は残容量を100%とする情報を出力する。満充電の情報は、通信ラインを介して、電子機器Ｐに送信されることもできる。

また、MPUにおいては、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報、各種指令の情報を、携帯機器ＰＣの制御・電源手段Ｓに伝送する通信部９を備えている。パック電池Ａと携帯機器ＰＣとの通信処理は、以下のように、通信部９にて行われる。通信部９は、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報を携帯機器ＰＣが受信できる信号データに作成する通信データ作成部と、実際に通信を行うためのドライバ部と備え、残容量を算出するための各種パラメータの記憶や諸々のデータを記憶する為の制御・演算部５内メモリを利用する。また、電子機器からバッテリパックの各種情報の送信要求をドライバ部にて受け、通信データ作成部にて作成されたデータをドライバ部から電子機器に送信する。通信方式としては、周知技術であるＳＭＢｕｓ方式等が利用でき、２つの通信ラインであるデータラインＳＤＡ、クロックラインＳＣＬを介して、データ信号等を送信、受信する機能を備えている。

パック電池Ａは、携帯時等の商用電力を利用できないときに利用されるので、通常、電池１は満充電に近い状態で保管される。また、停電の発生は、通常、非常に少ないので、電池１の残容量の低下は、電池の自己放電及びパック電池Ａ内の電力消費より発生する。充放電制御・演算部５で、電池１の残容量が、自己放電、回路の電力消費等により、再充電容量に到達したら再充電を開始する。そして、再充電容量は、満充電容量から所定時間あたりの電流値の積算を減算して求めても良く、また、再充電容量に対応した電池電圧より求めても良い。また、再充電容量は、再充電容量を９０％としている。

本実施例においては、制御・演算部５では、以下のように処理を行う。制御・演算部５は、電池１を放電して、後述する電池１の総容量である総放電量（＝学習容量）から放電容量を減算して、電池１の残量を電流の積算量又は積算量（Ａｈ）として演算する。また、制御・演算部５においては、放電中、（総容量−積算量）／（総容量）＝残存容量率の関係式より、電池１の残存容量率（％）を演算する。充電容量は、電池１の充電電流の積算量で、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、放電電流の積算量、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、電力の積算量（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。

ここでは、その時点での電池の総容量（＝学習容量）としては、満充電した状態から完全に放電されるまでの放電の積算容量（Ａｈ又はＷｈ）でも、電池１を完全に放電した状態から満充電されるまでの充電の積算容量（Ａｈ又はＷｈ）でもよい。また、これ以外の方法でも、総容量が得られるのであれば、その時点での電池の総容量としても良い。

また、制御・演算部５は、放電中において、一定放電量又は一定時間毎に、その時点での放電電流の積算量と、これに対応したその時点での電池電圧値を検出、メモリーに保存する。

放電が進んで、制御・演算部５は、Ａ／Ｄ変換部４から入力される電圧信号で、残量を補正する。Ａ／Ｄ変換部４から、電池１の電圧が第１電圧に到達、低下したことを示す信号が入力されると、制御・演算部５は第1電圧（例えば、リチウムイオン電池３．６Ｖ／セル）に対応して予め設定されている第１残存容量（率）Ｙａ１（例えば、８％）により、算出した残存容量率を補正する。

即ち、第１残存容量Ｙａ１を残存容量８％とすると、制御・演算部５は、算出した残存容量が９％になると、二次電池１の電池電圧が第１電圧Ｖ１に低下するまで、残存容量として９％を保持する。一方、算出した残存容量が９％以上の場合に、二次電池１の電池電圧が第１電圧Ｖ１に低下すると、その時点で、制御・演算部５は、算出した残存容量の値を８％に補正する。

さらに、放電が進んで、電池１の電圧が所定の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、制御・演算部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、下限容量として、０になるからである。そして、制御・演算部５は、放電開始から放電終止電圧までの放電電流積算量を、総放電量（＝総容量）として演算、保存する。

そして、制御・演算部５は、総放電量（＝学習容量）の得た後、次の総放電量が得られるまで、この総放電量を利用する。

制御・演算部５は、総容量（＝学習容量）を得て、総容量を更新するときは、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率の関係式より、積算量を演算し、この演算した積算量に近い上述のメモリーに保存された積算量並びにこれに対応した二次電池の電池電圧を選択する。そして、この選択された電池電圧を更新された第1電圧として補正する。よって、劣化した電池での正確な設定残存容量に対応した電池電圧を得ることができる。これにより、電池が劣化して容量が低下したときでも、特性が変化しても、（正確に設定残存容量率に対応した電池電圧を得ることできる。従って、本実施例では、正確な残存容量、残存容量率を得ることができる。制御・演算部５は、以上の処理を繰り返すことになる。

このような制御・演算部５での処理について、図２の放電時間と、電池電圧、放電積算量との関係で説明する。図２においては、制御・演算部５は、放電中において、一定放電量又は一定時間毎に、その時点での放電電流の積算量と、これに対応したその時点での電池電圧値を検出、メモリーに保存していく。そして、電池１の電圧が所定の放電終止電圧に低下したとき放電を終了して、満充電状態からの総放電容量として総容量が1000mAhと測定して、得られる。そして、（総容量−積算量）／（総容量）＝８％（＝設定残存容量率）の関係式より、積算量を920mAhと演算する。メモリーに保存されたデータより、積算量920mAhに近いものを選択し、この選択した積算量と共に保存されている電池電圧値を得ることができる。これにより、総容量が1000mAhのときの、残存容量８％の電池電圧を、実測により得ることができる。

なお、更新される第1電圧と、事前の第1電圧との差が、所定値以下のときは、第1電圧を更新することなく、事前の第1電圧を再度利用しても良い。また、第１残存容量（率）に対応した第１電圧に加えて、これより少ない容量（例えば、３％）での第２残存容量（率）に対応した第２電圧でも、算出した残存容量率を補正し、上述の更新した総容量、第1電圧と同じように、更新した総容量、第２電圧を利用することも可能である。

また、上述の残存容量(率)に対応した第1電圧、放電終止電圧等については、電流、温度に依存するので、使用時において電流、温度を基に補正した電圧を利用することも可能である。

本発明の電池パックの回路ブロック図である。本発明の電池パックの放電のグラフである。

符号の説明

Ａ電池パック
ＰＣ携帯機器（＝電子機器）
Ｓ制御・電源手段
Ｌ負荷
ＭＰＵマイクロプロセッサユニット
１電池
２抵抗（電流検出部）
３温度検出部
４Ａ／Ｄ変換部
５制御・演算部
７制御素子
９通信部

Claims

二次電池の放電電流又は充電電流を積算して前記二次電池の総容量を得る工程と、
放電電流を積算した積算量より前記二次電池の残存容量を算出する工程と、
前記積算量に対応した前記二次電池の電池電圧を検出、保存する工程と、
前記二次電池の放電中に電池電圧が第１電圧に達すると、この電圧に対応して予め設定されている設定残存容量により、前記第１電圧に達した時点で算出された残存容量を、前記設定残存容量率に補正する工程と、
前記総容量を得る工程以降の二次電池の放電時において、（総容量−積算量）／（総容量）＝設定残存容量率の関係式より、前記積算量を演算し、この演算した積算量に近い前記保存された前記積算量並びにこれに対応した前記二次電池の電池電圧を選択し、この選択された電池電圧を更新された前記第1電圧として前記補正する工程を行うことを特徴とする二次電池の残存容量検出方法。