JP2007240524A - 電池残量検出回路 - Google Patents

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一樹 中野
Akira Ikeuchi
亮 池内
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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]

Abstract

【課題】本発明は、消費電流を小さく抑えることができ、かつ、正確な電池の残量検出を行うことができる電池残量検出回路を提供することを目的とする。
【解決手段】電池102の充放電電流を検出する電流検出手段123と、電流検出手段123で検出された充放電電流が所定値以下のとき第1の時間間隔で、充放電電流が所定値を超えたとき第1の時間間隔より短い第2の時間間隔で、充放電電流を積算して電池102の残量を測定する残量測定手段112、113と、充放電電流が基準値を超えたとき割込信号を生成して残量測定手段112、113に電池残量の測定を指示する割込信号生成手段116とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は電池残量検出回路に係り、特に、電池の充放電電流に基づいて電池の残量を検出する電池残量検出回路に関する。
近年、リチウムイオン電池は、デジタルカメラなど、携帯機器に搭載されている。リチウムイオン電池は、一般に、その電池電圧により電池残量を検出することが難しいとされている。このため、電池の充放電電流を積算することにより、電池残量を測定する方法がとられている(特許文献1参照)。
例えばデジタルカメラは電源投入からいかに短時間で撮影ができるかが非常に重要な課題となっている。上記の電源投入から撮影可能になるまでの時間は、電源投入時の消費電流が増すほど短くなることが知られている。
充放電電流を積算する電池残量検出回路を利用した場合、電源投入時の大きな消費電流を検出できないと、電池残量の誤差が大きくなる。これは、電池残量検出回路自体で電流を消費するので、この自己消費電流を抑えるために、電池残量検出回路は間欠的に電流測定を行っているためである。
特開2001−174534号公報
図8は従来の電池残量検出回路の一例の動作説明図を示す。同図中、tm11、tm12は測定タイミング、Δt11、Δt12(Δt11>Δt12)は測定間隔を示している。
例えば、負荷の電源切断時などにおいては消費電流の変動及び消費電流自体が小さいため、電池残量検出回路での消費電流を低減するために比較的長い測定間隔Δt11(例えば数分程度)で測定を行っており、負荷の電源投入時においては負荷の状態に応じて消費電流が大きく変動するために比較的短い測定間隔Δt12(例えば数秒程度)で測定を行っている。
このとき、図8に示すように時刻t10で負荷に電源が投入された場合、最後の測定タイミングtm11から測定間隔Δt11経過した時刻t11から測定間隔Δt12で残量検出が行われるため、測定タイミングtm11によっては図8に斜線で示す負荷に電源を投入したときの比較的大きな電流消費を検出できない。したがって、電源投入及び切断を繰り返した場合には電池残量を正確に検出できないという問題があった。
これを解決するには、図9に示すように測定間隔を短くすることが考えられる。図9は従来の電池残量検出回路の他の一例の動作説明図を示す。同図中、tm21、tm22は測定タイミング、Δt21、Δt22(Δt21>Δt22)は測定間隔を示している。
図9では負荷の電源切断時の測定間隔Δt21(例えば数10秒程度)を図8の負荷の電源切断時の測定間隔Δt11より短く設定している。これにより、図9に示すように時刻t20で負荷に電源が投入された場合、最後の測定タイミングtm21から測定間隔Δt21経過した時刻t21から測定間隔Δt22で残量検出が行われるため、図9に斜線で示す負荷に電源を投入したときの電流消費を検出できないものの、図8に比べると電池残量の誤差は小さくなる。
しかし、図9に示す方法では、負荷の電源が切断されたときの測定間隔がΔt21と短いので、電池残量検出回路での電流消費が大きくなるという問題があった。
従来の残量検出回路では、残量測定の処理タイミングによっては電源投入時などの大きな電流消費の測定を逃してしまい、正確な残量検出が行えないといった問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、消費電流を小さく抑えることができ、かつ、正確な電池の残量検出を行うことができる電池残量検出回路を提供することを目的とする。
本発明の一実施態様による電池残量検出回路は、電池(102)の充放電電流を検出する電流検出手段(123)と、
前記電流検出手段(123)で検出された充放電電流が所定値以下のとき第1の時間間隔で、前記充放電電流が前記所定値を超えたとき前記第1の時間間隔より短い第2の時間間隔で、前記充放電電流を積算して前記電池(102)の残量を測定する残量測定手段(112、113)と、
前記充放電電流が基準値を超えたとき割込信号を生成して前記残量測定手段(112、113)に前記電池残量の測定を指示する割込信号生成手段(116)とを有することにより、消費電流を小さく抑えることができ、かつ、正確な電池の残量検出を行うことができる。
前記電池残量検出回路において、
前記電流検出手段(123)は、前記充放電電流が流れる抵抗(Rs)の両端間電圧として検出し、
前記割込信号生成手段(116)は、前記充放電電流が流れる抵抗(Rs)の両端間電圧が第1の基準値を超えたとき、及び前記充放電電流が流れる抵抗の両端間電圧が前記第1の基準値より低い第2の基準値未満のとき前記割込信号を生成する構成とすることができる。
前記電池残量検出回路において、
前記割込信号生成手段(116)は、ウィンドウコンパレータで構成することができる。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
本発明によれば、消費電流を小さく抑えることができ、かつ、正確な電池の残量検出を行うことができる。
図1は、本発明の電池残量検出回路の一実施形態のブロック構成図を示す。同図中、電池残量検出回路101は、例えば、単一の半導体基板上に形成されており、検出部111、シグマ・デルタ変調器112、CPU113、メモリ114、レギュレータ115、割込信号生成回路116、通信回路117を含む構成とされている。
検出部111は、電圧検出部121、温度検出部122、電流検出部123、マルチプレクサ124を含む構成とされている。
電圧検出部121は、電池102の両端に接続されており、電池102の電圧を検出する。電圧検出部121で検出された検出信号は、マルチプレクサ124に供給される。温度検出部122は、周囲温度を検出し、周囲温度に応じた検出信号を生成し、出力する。温度検出部122の検出信号は、マルチプレクサ124に供給される。
電流検出部123は、例えば、差動アンプから構成されており、電池102と端子T−との間に接続された電流検出抵抗Rsの両端に接続されており、電流検出抵抗Rsに流れる電流に応じて電流検出抵抗Rsに発生する電圧を検出し、電池102の充放電電流に応じた検出信号を出力する。
なお、このとき、検出信号は、例えば、電池102に充放電電流が流れていないときに基準電圧V0となり、充電電流が流れているとき基準電圧V0を超える値となり、放電電流が流れているとき基準電圧V0未満の値となって出力される。電流検出部123の検出信号は、割込信号生成回路116及びマルチプレクサ124に供給される。
マルチプレクサ124は、CPU113からの制御信号に基づいて電圧検出部121の検出信号、温度検出部122の検出信号、電流検出部123の検出信号のいずれかを選択して、シグマ・デルタ変調器112に供給する。
割込信号生成回路116は、電流検出回路123の検出信号に基づいて割込信号を生成し、CPU113に供給する。
シグマ・デルタ変調器112はマルチプレクサ124からのアナログ信号をPDM(パルス密度変調)つまり1ビットデジタル変調してCPU113に供給する。
CPU113は、メモリ114に記憶されているデジタルフィルタ処理プログラムを実行してPDM信号を多ビットのデジタル値つまりPCM(パルスコード変調)データに変換する。更に、残量算出プログラム処理を実行して電池102の残量を算出する。なお、本明細書で言うCPUにはマイクロプロセッサ等のプロセッサも含むものとする。
通信回路117は、CPU113が算出した電池残量を外部回路に対して送信する。レギュレータ115は、電池102から電源を得て、電池残量回路101で必要となる電源電圧を生成し、電池残量検出回路101の各部に供給する。
<割込信号生成回路の構成>
図2は割込信号生成回路116のブロック構成図、図3は割込信号生成回路116の動作説明図を示す。
割込信号生成回路116は、コンパレータ131、132、第1の基準電圧V1を発生する基準電圧源133、第2の基準電圧V2を発生する基準電圧源134、ORゲート136から構成されており、図3に示すように、入力電圧が第1の基準電圧(第1の基準値)V1と第2の基準電圧(第2の基準値)V2との間にある時にのみ、出力がローレベルとなるウィンドウコンパレータを構成している。
コンパレータ131は、非反転入力端子に電流検出部123の検出信号が供給されており、反転入力端子に第1の基準電圧源133から第1の基準電圧V1が供給されている。第1の基準電圧V1は、検出信号の基準電圧V0(例えば電圧0.8V程度)より例えば500mVだけ高い電圧に設定されている。なお、差電圧|V1−V0|=|V2−V0|は閾値電流Ith(例えば電流50mA程度)に相当する。
コンパレータ131は、検出信号が第1の基準電圧V1より高ければ出力をハイレベルとし、低ければ出力をローレベルとする。コンパレータ131の出力はORゲート136に供給される。
コンパレータ132は、非反転入力端子に基準電圧源134から第2の基準電圧V2が供給されており、反転入力端子に電流検出部123の検出信号が供給されている。第2の基準電圧V2は、検出信号の基準電圧V0より例えば500mVだけ低い電圧に設定されている。
コンパレータ132は、検出信号が第2の基準電圧V2より高ければ出力をローレベルとし、低ければ出力をハイレベルとする。コンパレータ132の出力はORゲート136に供給される。
ORゲート136は、コンパレータ131の出力とコンパレータ132の出力とのOR論理を出力する。ORゲート136の出力は、図3に示すように検出信号が第1の基準電圧V1と第2の基準電圧V2との間でローレベルとなり、検出信号が第1の基準電圧V1より大きいとき、及び、検出信号が第2の基準電圧V2より小さいときにハイレベルとなる。ORゲート136の出力は割込信号としてCPU113に供給される。
図4はCPU113の処理フローチャートを示す。CPU113は、消費電力を低減するために、通常スリープ状態であり、内蔵された割込タイマに設定された時間毎に起動して、デジタルフィルタ処理及び残量測定処理を実行する。
同図中、CPU113は、ステップS1−1でスリープ状態となり、電流検出部123と割込信号生成回路116とCPU113及びメモリ114を除く電池残量検出回路101の各回路の動作電流の供給が停止される。
CPU113は、ステップS1−2で割込タイマによるタイマ割込がかかると、ステップS1−4でCPU113はスリープ状態からアウェイク状態となる。そして、ステップS1ー5でマルチプレクサ124を制御して電圧検出部121、温度検出部122、電流検出部123それぞれから電圧、温度、充放電電流それぞれの検出信号を順次に選択し、シグマ・デルタ変調器112によりPDM信号に変換して内部に取り込み、デジタルフィルタ処理及び残量測定処理を行って電池の残量を測定する。
一方、ステップS1−2でタイマ割込がかかっていない場合、ステップS1ー3に進み、CPU113は割込信号生成回路116による電流検出割込がかかったか否かを判別し、電流検出割込がかかっていない場合にはステップS1−1に進んでスリープ状態となり、ステップS1−1〜S1−3を繰り返す。
ステップS1−3で割込信号生成回路116による電流検出割込がかかると、ステップS1−4でCPU113はスリープ状態からアウェイク状態となる。そして、ステップS1ー5でマルチプレクサ124を制御して電圧検出部121、温度検出部122、電流検出部123それぞれから電圧、温度、充放電電流それぞれの検出信号を順次に選択し、シグマ・デルタ変調器112によりPDM信号に変換して内部に取り込み、デジタルフィルタ処理及び残量測定処理を行って電池の残量を測定する。
なお、CPU113は、割込信号生成回路116からの割込信号がローレベルからハイレベルに反転したときに、割込であると認識する。
ステップS1−4,S1−5を実行した後、CPU113はステップS1−6にて電流検出部123で検出された充放電電流が所定値(例えば10〜50mA程度)を超える大電流であるか否かを判別する。
充放電電流が所定値以下で小電流である場合、すなわち例えば端子T+、T−が負荷から切断されている場合、ステップS1−7でこの状態(充放電電流が小電流である状態)が所定時間(例えば数分)継続しているか否かを判別する。この状態が所定時間継続していなければ、ステップS1−1に進む。この状態が所定時間継続すると、CPU113はステップS1−8で割込タイマのタイマ割込時間間隔を長い値Δt1(Δt1>Δt2)とした後、ステップS1−1に進む。
充放電電流が所定値を超えて大電流である場合、すなわち例えば端子T+、T−が負荷に接続されている場合、CPU113はステップS1−9で割込タイマのタイマ割込時間間隔を短い値Δt2とした後、ステップS1−1に進む。
図5は本発明の一実施形態の動作説明図を示す。同図中、tm1は割込信号生成回路116からの割込信号がローレベルでタイマ割込時間間隔が長い値Δt1であるときのCPU113による測定処理のタイミングを示しており、tm2はタイマ割込時間間隔が短い値Δt2であるときのCPU113による測定処理のタイミングを示している。上記のタイミングtm1又はtm2から例えば数m秒の期間にCPU113はデジタルフィルタ処理及び残量測定処理を実行する。
ここで、時刻t0で端子T+、T−に接続されている負荷に電池102から電流が流れ始める。時刻t1で電流検出部123の検出信号がV1に達して充放電電流が閾値電流Ithを超えると、割込信号生成回路116の出力をローレベルとしてCPU113に割込みをかけ、CPU113は即座にデジタルフィルタ処理及び残量測定処理を実行する。
このため、タイマ割込時間間隔がΔt1,Δt2のいずれであっても、電源投入時の閾値電流Ithを超える比較的大きな電流が消費されるときを逃すことなく電流測定行うことが可能となり、正確な電流測定が可能となる。これによって、正確な電池の残量検出を行うことができる。
<バッテリパック>
図6は、本発明回路を適用したバッテリパックの一実施形態のブロック図を示す。同図中、電池残量検出回路としてのフューエルゲージIC200は半導体集積化されており、デジタル部210とアナログ部250とから大略構成されている。なお、フューエルゲージIC200の外部にレギュレータ・保護回路304が設けられているため、フューエルゲージIC200内には図1に示すレギュレータ115は設けられていない。
デジタル部210内には、CPU211、ROM212、RAM213、EEPROM214、割込み制御部215、バス制御部216、I2C部217、シリアル通信部218、タイマ部219、パワーオンリセット部220が設けられている。これらの回路は内部バス222にて相互に接続されている。
CPU211は、ROM212に記憶されているプログラムを実行してフューエルゲージIC200全体を制御し、バッテリの充放電電流を積算してバッテリ残量を算出する処理等を実行する。この際にRAM213が作業領域として使用される。EEPROM214にはトリミング情報等が記憶される。なお、CPU211は図1に示すCPU113に相当し、ROM212、RAM213、EEPROM214はメモリ114に相当する。
割込み制御部215は、フューエルゲージIC200の各部から割込み要求を供給され、各割込み要求の優先度に応じて割込みを発生しCPU211に通知する。バス制御部216は、どの回路部が内部バスを使用するかの制御を行う。
I2C部217はポート231,232を介して通信ラインに接続されて2線式のシリアル通信を行う。シリアル通信部218は図1に示す通信回路117に相当し、ポート233を介して図示しない通信ラインに接続されて1線式のシリアル通信を行う。
タイマ部219はシステムクロックをカウントし、そのカウント値はCPU211に参照される。パワーオンリセット部220はポート235に供給される電源Vddが立ち上がったことを検出してリセット信号を発生しフューエルゲージIC200全体のリセットを行う。
アナログ部250内には、発振回路251、水晶発振回路252、マルチプレクサ(MPX)253、分周器254、電圧センサ255、温度センサ256、電流センサ257、マルチプレクサ258、シグマ・デルタ変調器259が設けられている。
発振回路251はPLLを持つ発振器であり数MHzの発振信号を出力する。水晶発振回路252はポート271,272に水晶振動子を外付けされて発振を行い、数MHzの発振信号を出力する。水晶発振回路252の発振周波数は発振回路251に対し高精度である。
マルチプレクサ253はポート273から供給される選択信号に基づいて発振回路251と水晶発振回路252のいずれか一方の出力する発振周波信号を選択しシステムクロックとしてフューエルゲージIC200の各部に供給すると共に分周器254に供給する。ところで、マルチプレクサ253はポート273から選択信号が供給されない場合には例えば発振回路251の出力する発振周波信号を選択する。分周器254はシステムクロックを分周して各種クロックを生成しフューエルゲージIC200の各部に供給する。
電圧センサ255はポート274,275それぞれに外付けされるバッテリ(リチウムイオン電池)301,302の電圧を検出し、アナログの検出電圧をマルチプレクサ258に供給する。温度センサ256はフューエルゲージIC200の環境温度を検出しアナログの検出温度をマルチプレクサ258に供給する。
ポート276,277には電流検出用の抵抗303の両端が接続されており、電流センサ257はポート276,277それぞれの電位差から抵抗303を流れる電流を検出しアナログの検出電流をマルチプレクサ258に供給する。
マルチプレクサ258は、アナログの検出電圧、アナログの検出温度、アナログの検出電流を順次選択してシグマ・デルタ変調器259に供給する。シグマ・デルタ変調器259は各検出値をシグマ・デルタ変換することでパルス密度変調信号を内部バスを通してCPU211に供給し、CPU211にてデジタルフィルタ処理を行って検出電圧、検出温度、検出電流それぞれのデジタル化を行う。また、CPU211は、バッテリの充放電電流を積算することによりバッテリ残量を算出する。この際検出温度は温度補正のために使用される。
なお、電圧センサ255は図1に示す電圧検出部121に相当し、温度センサ256は温度検出部122に相当し、電流センサ257は電流検出部123に相当し、マルチプレクサ258はマルチプレクサ124に相当し、シグマ・デルタ変調器259はシグマ・デルタ変調器112に相当し、電流検出用の抵抗303は電流検出抵抗Rsに相当する。
上記のフューエルゲージIC200は、バッテリ301,302、電流検出用の抵抗303、レギュレータ・保護回路304、抵抗305及びスイッチ306と共に筐体310に収納されてバッテリパック300が構成されている。バッテリパック300の端子311にバッテリ301の正電極及びレギュレータ・保護回路304の電源入力端子が接続され、レギュレータ・保護回路304の電源出力端子がフューエルゲージIC200の電源Vddのポート235が接続されている。端子312は抵抗305を介してレギュレータ・保護回路304の接地端子に接続されると共に、スイッチ306を介して電流検出用の抵抗303のポート277との接続点に接続されている。レギュレータ・保護回路304は、端子311,312間の電圧を安定化すると共に、この電圧が所定範囲外となった場合にスイッチ306を遮断して保護を行う。
また、電流検出用の抵抗303のポート276との接続点はフューエルゲージIC200の電源Vssのポート236が接続される。バッテリパック300の端子313,314にはフューエルゲージIC200のポート231,232が接続されている。
図7は、図6のバッテリパック300を使用した携帯型電子機器の一実施形態のブロック図を示す。同図中、携帯型電子機器400は、例えば携帯型パーソナルコンピュータ、デジタルスチルカメラ、携帯電話等の本体回路である。携帯型電子機器400は通信装置410を有している。
バッテリパック300の端子311〜314それぞれは携帯型電子機器400の電源Vdd,Vssの端子401,402、及びクロックラインL1及びデータラインL2が接続される端子403,404に接続される。これにより、バッテリパック300内のバッテリ301,302から携帯型電子機器400に電源が供給される。
この場合、通常、携帯型電子機器400がマスタ、フューエルゲージIC200がスレーブとして動作し、携帯型電子機器400からの要求により、フューエルゲージIC200は算出したバッテリ残量を携帯型電子機器400の通信装置410に応答する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形例が可能である。
本発明の電池残量検出回路の一実施形態のブロック構成図である。 割込信号生成回路のブロック構成図である。 図3は割込信号生成回路の動作説明図である。 CPUの処理フローチャートである。 本発明の一実施形態の動作説明図である。 本発明回路を適用したバッテリパックの一実施形態のブロック図である。 図6のバッテリパックを使用した携帯型電子機器の一実施形態のブロック図である。 従来の電池残量検出回路の一例の動作説明図である。 従来の電池残量検出回路の他の一例の動作説明図である。
符号の説明
101 電池残量検出回路
111 検出部
112 シグマ・デルタ変調器
113 CPU
114 メモリ
116 割込信号生成回路
117 通信回路
121 電圧検出部
122 温度検出部
123 電流検出部
124 マルチプレクサ
131,132 コンパレータ
133,134 基準電圧源
135 ORゲート

Claims (3)

  1. 電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
    前記電流検出手段で検出された充放電電流が所定値以下のとき第1の時間間隔で、前記充放電電流が前記所定値を超えたとき前記第1の時間間隔より短い第2の時間間隔で、前記充放電電流を積算して前記電池の残量を測定する残量測定手段と、
    前記充放電電流が基準値を超えたとき割込信号を生成して前記残量測定手段に前記電池残量の測定を指示する割込信号生成手段と
    を有することを特徴とする電池残量検出回路。
  2. 請求項1記載の電池残量検出回路において、
    前記電流検出手段は、前記充放電電流が流れる抵抗の両端間電圧として検出し、
    前記割込信号生成手段は、前記充放電電流が流れる抵抗の両端間電圧が第1の基準値を超えたとき、及び前記充放電電流が流れる抵抗の両端間電圧が前記第1の基準値より低い第2の基準値未満のとき前記割込信号を生成することを特徴とする電池残量検出回路。
  3. 請求項2記載の電池残量検出回路において、
    前記割込信号生成手段は、ウィンドウコンパレータで構成されていることを特徴とする電池残量検出回路。
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