JP2007228703A

JP2007228703A - パック電池の制御方法

Info

Publication number: JP2007228703A
Application number: JP2006045998A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Murakami; 高広村上; Daia Ishihara; 大阿石原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】過放電状態の状況を知る適切な方法を提供することを目的とする。
【解決手段】二次電池が過放電状態に保持された経過時間を演算するパック電池の制御方法であって、前記二次電池が過放電状態となったときの開始日時を取得する工程と、前記二次電池が過放電状態から復帰したときの復帰日時を取得する工程と、前記開始日時と前記復帰日時より過放電状態での経過時間を演算する工程とを備えることを特徴とする。経過時間が閾値未満のときは、通常の充電を行い、経過時間が閾値以上のときは、低減された充電電流にて充電を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、パック電池の制御方法に関する。

リチウムイオン電池を含むパック電池においては、電池を使用するときの充放電状態の特性を把握するだけでなく、使用しないときも含めて電池の状態を把握することで、電池の劣化等の要因分析が効果的に行うことができることが、下記特許文献に開示されている。

具体的には、同公報には、二次電池の温度を測定する温度センサと、予め区分設定した複数の温度範囲にそれぞれ対応するメモリ領域を備えたメモリと、前記温度センサにより所定時間毎に測定された温度が含まれる温度範囲を判定する手段と、この判定結果に従って上記温度が含まれる温度範囲に対応するメモリ領域に記憶される頻度情報をインクリメントする手段と、前記メモリの各メモリ領域にそれぞれ記憶された頻度情報から前記二次電池の温度環境を求める手段とを備えている。これにより、二次電池の使用環境温度を所定時間毎に計測し、その温度が含まれる温度範囲に応じて当該温度範囲での計測回数を各温度範囲毎に計数するので、二次電池が置かれた使用温度環境の履歴を温度分布として容易に求めることができる。従って寿命の尽きた二次電池に対する要因解析を簡易にして効果的に行うことが可能となる。
特開２００３−２９７４３７号

電池の使用温度環境と共に、リチウムイオン電池等においては、過放電状態を把握することが重要である。リチウムイオン電池においては、過放電状態が長時間になる程、また、より電池電圧が低下した過放電状態になる程に、電池の劣化が進むことになる。従って、容量、特性が劣化した電池となったとき、過放電状態の放置が主な原因で劣化したのか、利用するサイクル数が多くて劣化となったものか等の判別が困難な場合がある。

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、過放電状態の状況を知る適切な方法を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池が過放電状態に保持された経過時間を演算するパック電池の制御方法であって、前記二次電池が過放電状態となったときの開始日時を取得する工程と、前記二次電池が過放電状態から復帰したときの復帰日時を取得する工程と、前記開始日時と前記復帰日時より過放電状態での経過時間を演算する工程とを備えることを特徴とする。また、本発明は、前記経過時間が閾値未満のときは、通常の充電を行うことを特徴とする。更に、前記経過時間が閾値以上のときは、低減された充電電流にて充電を行うことを特徴とする。

本発明においては、前記開始日時と前記復帰日時より過放電状態での経過時間を知ることができるので、容量、特性の劣化した電池に対する要因分析を、より適切に行うことができる。即ち、容量、特性の劣化した電池が、大きな過放電状態の経過時間となっているなら、劣化の原因は、過放電状態での放置に起因するところが大きいと分析できる。

そして、経過時間に応じて、適切な充電方法を採用することができる。本発明においては、前記経過時間が閾値未満のときは、経過時間が短いのでセルの劣化は少ないと判断し、通常の充電を行う。また、前記経過時間が閾値以上のときは、経過時間が長く、セルの劣化が進んでいる可能性があるので、低減された充電電流にて充電を行う。

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。

ここで、制御・演算部５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、各種データをメモリーに記録している。ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御・演算部５は、種々のメモリーを備えている。パック電池Ａの動作を制御するプログラムを保存するプログラムメモリを備え、プログラムメモリは、不揮発性の記憶媒体であり、ＲＯＭ（Read Only Memory）には、プログラムの実行時に必要なデータなどがあらかじめ記憶される。ＲＡＭ（Random Access Memory）は、プログラムの一部や、各種データを一時的に記憶する。この他に、不揮発性メモリとしてＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）を備えており、ＥＥＰＲＯＭには、ＣＰＵに実行させるソフトウェアや設定データや、ＭＰＵのシャットダウンが発生しても保存が必要なデータ（例えば、学習容量、サイクル数、異常時のデータ等）などをシャットダウンより前に記憶するとともに、これらを随時書き換えることが可能となっている。

また、制御・演算部５において、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 (MAX電流0.5〜1C程度)・定電圧(MAX4.2V/セル程度)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。

ここで、制御・演算部５は、充電電流、放電電流を遮断するために、充電用FET素子７１、放電用FET素子７２に対して、オンオフ制御する信号を発する。制御・演算部５においては、電池１の電圧が、過充電電圧以上（例えば、４．２Ｖ以上）になると、充電用FET素子７１をオフ制御するために、オフ信号（素子７１がｐチャネル型FETの場合、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＣＨより発する。また、電池１の電圧が、過放電電圧以下（例えば、２．５Ｖ／Cell以下）になると、放電用FET素子７２をオフ制御するために、オフ信号（素子７２がｐチャネル型FETの場合、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＤＳＧより発する。また、過充電状態においては、制御・演算部５よりポートＣＨにオフ信号が発せられることより、充電は停止される。このときは、携帯機器ＰＣが放電すると、ＤＳＧはオン信号であるので、放電用FET素子７２がオン状態で、オフ状態の充電用FET素子７１の寄生ダイオード７１Ｂを介して、放電できる。また、過放電状態においては、制御・演算部５よりポートＤＳＧにオフ信号が発せられることより、放電は停止される。このときは、携帯機器ＰＣが充電すると、ＣＨはオン信号であるので、充電用FET素子７１がオン状態で、オフ状態の放電用FET素子７２の寄生ダイオード７２Ｂを介して、充電できる。

また、本実施例のパック電池Ａにおいては、リチウムイオン電池１が過放電電圧以下の状態に保持された場合に、上述の通常の充電に代わって、低下させた電流値で予備的に充電を行う予備充電回路７３を備えている。本実施例においては、後述する経過時間が閾値以上であれば、このように予備的な充電を行う。この予備充電回路７３は、充電電流を低下させるための抵抗７５と、制御・演算部５の指示で、ポートＰＣＨからのオンオフ信号で制御される予備充電用FET素子７４を備えている。このような予備充電回路７３により、充電開示時の電池電圧が過放電電圧以下等の場合は、制御・演算部５は、ポートＣＨよりオフ信号を発して充電用FET素子７１をオフ状態として、ポートＰＣＨよりオン信号を発して予備充電用FET素子７４をオン状態とする。このような動作により、携帯機器ＰＣより充電電流が供給されると、充電電流は、抵抗７５にて低減され、オン状態の予備充電用FET素子７４を介して、電池１は充電される。そして、充電開始から所定時間(例えば、90分)以内に、電池電圧が所定値(例えば、3.0V/セル)以上になれば、制御・演算部５は、予備充電用FET素子７４をオフ状態とし、充電用FET素子７１をオン状態として、上述のような通常の充電を行う。また、充電開始から所定時間(例えば、90分)以内に、電池電圧が所定値(例えば、3.0V/セル)未満であれば、電池が劣化して、正常に充電できないとして、異常と判定し、充電を停止する。このような異常の判定結果は、適宜、通信処理により、携帯機器ＰＣ側に伝達される。

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。

そして、制御・演算部５を含むＭＰＵは、携帯機器ＰＣと通信することにより、携帯機器ＰＣに内蔵される時計機能を利用して、過放電状態となった日時、過放電状態より復帰した日時データを、取得、保存する機能を有している。更には、このような開始日時と復帰日時より過放電状態での経過時間を演算し、累計する機能を有している。

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、以下のように処理して残容量を得る。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。

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。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ても良い。

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。

以下に、本実施例の特徴点である過放電状態での経過時間の演算等について、図２のフローチャートを用いて、以下に説明する。ステップＳ１において、制御・演算部５にて、電池電圧をモニターして、下限電圧である放電終止電圧に到達したかどうかを判定する。到達していない場合は、到達するまで放電、或いは、放置されることになる。放電終止電圧に到達した場合は、ステップＳ２にて、制御・演算部５にて、携帯機器ＰＣと通信することにより、携帯機器ＰＣに内蔵される時計機能を利用して、その時点での日時データを、過放電状態となったときの開始日時として、取得し、不揮発性メモリに記憶する。例えば、２００５年１０月１日１３時１５分の開始日時として、記憶する。その後、ステップＳ３において、後述する過放電状態になりＭＰＵのマイコンがシャットダウンする前に、必要なデータを不揮発性メモリに記憶する。このようなデータとしては、学習容量、サイクル数、異常時のデータ等がある。その後、ステップＳ４には、制御・演算部５は、シャットダウンの動作を行う。

その後、携帯機器ＰＣが、交流商用電力から電力を供給される状態になり、携帯機器ＰＣの制御・電源手段Ｓに電力が供給される状態となったとき、ステップＳ５にて、電源供給によりパック電池Ａ内のＭＰＵのマイコンの起動が開始され、ＭＰＵのマイコンの動作状態となる。ステップＳ６においては、制御・演算部５にて、携帯機器ＰＣと通信することにより、携帯機器ＰＣに内蔵される時計機能を利用して、その時点での日時データを、過放電状態から復帰したときの復帰日時として、取得する。例えば、２００５年１１月２日１４時４５分の開始日時として、記憶する。なお、携帯機器ＰＣにおいては、広く利用される技術として、不使用時においても、時計機能を継続して動作させるための補助電源(例えば、小型コイン型リチウム１次電池)を内蔵している。本実施例においては、日時データを携帯機器ＰＣの時計機能より取得しているが、これ以外でも周知の技術を利用して、日時データを、パック電池Ａの制御・演算部５は取得することができる。

次に、ステップＳ７においては、制御・演算部５にて、不揮発性メモリより過放電状態となったときの開始日時を呼び出し、開始日時と復帰日時より、経過時間を演算する。上述の例においては、経過時間は、３２日１時間３０分が経時時間となる。また、制御・演算部５においては、復帰時における経過時間（この場合は、３２日１時間３０分）と、今回の経過時間より以前での過放電状態の経過時間を累計しており、この累計時間に今回の経過時間を加算する。このような累計時間は、不揮発性メモリに記憶する。このような今回の経過時間、累積の経過時間により、容量、特性の劣化した電池に対する要因分析を、より適切に行うことができる。即ち、容量、特性の劣化した電池が、大きな過放電状態の経過時間となっているなら、劣化の原因は、過放電状態での放置に起因するところが大きいと分析できる。

次に、ステップＳ８において、制御・演算部５にて、今回の経過時間が閾値以上かどうかについて、判定する。閾値については、本実施例においては、閾値は３０日に設定される。経験上、３０日以内程度の過放電状態であれば、電池特性が大きく劣化することはない。このような閾値は、適宜、種々の要因により、変更することができる。経過時間が閾値未満であれば、ステップＳ２０にて、通常の充電、即ち、上述した電流、電圧を規制した定電流・定電圧充電を行う。

また、経過時間が閾値より大きいときは、電池が劣化により、内部抵抗が大きくなっていたり、過放電状態がより進んで内部ショートに近い状態となっている可能性があるので、ステップＳ９においては、微小電流（０．１Ｃ〜０．０３Ｃ程度）にて充電を行う。

ステップＳ１０においては、充電開始から所定時間以内に、電池セル電圧が所定値以上になるかどうかが、判定される。本実施例では、例えば、所定時間は９０分、所定値は３．０Ｖ／セルと設定される。ステップＳ１０の判定が、ＹＥＳの場合は、電池が正常状態であると判断でき、続くステップＳ１１において、通常の充電、即ち、上述した電流、電圧を規制した定電流・定電圧充電を行う。

ステップＳ１０の判定が、ＮＯの場合は、電池が異常状態であると判断でき、通常の充電を行うのであれば、発熱等の異常の可能性があるので、ステップＳ３０において充電を停止する。そして、ステップＳ３１においては、制御・演算部5において、エラー情報が記録され、携帯機器ＰＣに通信処理により、エラー情報を伝達される。そして、本実施例においては、以上のステップを繰り返すことになる。

本発明の電池パックの回路ブロック図である。本発明を示すフローチャートである。

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

二次電池が過放電状態に保持された経過時間を演算するパック電池の制御方法であって、
前記二次電池が過放電状態となったときの開始日時を取得する工程と、
前記二次電池が過放電状態から復帰したときの復帰日時を取得する工程と、
前記開始日時と前記復帰日時より過放電状態での経過時間を演算する工程とを備えることを特徴とするパック電池の制御方法。
前記経過時間が閾値未満のときは、通常の充電を行うことを特徴とする請求項１のパック電池の制御方法。
前記経過時間が閾値以上のときは、低減された充電電流にて充電を行うことを特徴とする請求項１のパック電池の制御方法。