JP2007309943A - 二次電池ユニット及び二次電池の残量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の残量測定を、電池を大型化することなく、簡便な方法で精度高く行う。
【解決手段】 マイコン１０３が、通信端子１０８を通じて二次電池ユニット２０１のシリアル番号を取得する。次に、取得された該シリアル番号から、これと一体的に記憶された劣化パラメータを読み出す。一方、電池使用機器１０１において、電池を使用している際にマイコン１０３は電池セル２０２の電圧値を読み取る。そして、残量演算過程として、マイコン１０３は、テーブルを参照して、劣化パラメータの値と電池電圧との場合にその残量（補正後残量）を演算する。得られた残量は、これを必要に応じて図表化してＬＣＤ表示部１０４に表示させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の残量を正確に測定するための、二次電池ユニット、残量測定機器、及び、残量測定方法に関する。

二次電池を使用した機器においては、充電状態を表示する等の目的から、二次電池の電気容量、すなわち、残容量を計測することが要求される。二次電池の残容量を計測する１つの方法としては、単純に電圧を測定して概算的に残容量を推定する方法が挙げられる。また、他の方法としては、電流積算回路を通じて得られる充放電電流の積算値および予め記憶された充放電の回数や温度変化などによる劣化状態のパラメータに基づいて残容量を演算する方法が挙げられる（例えば、特開平１１−１４７１７号公報）。

しかしながら、上記の各計測方法のうち、電圧測定による方法は、低コストではあるが、電池の劣化状態が不明であるため、正確に残容量を推定するのが困難である。特に、グラファイト系のような炭素材料を用いた電池では、非線形の電圧降下特性を示すため、電圧測定のみによって残容量を特定するのは殊更困難である。また、充放電電流の積算値などを利用する方法は、高い精度で算出できる反面、電流積算回路として多数の部品や回路を必要とするため、測定に要するコストが極めて高くなる。しかも、二次電池自体によって電流積算回路を作動させるため、測定のために電池自体を消耗させると言う問題もある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リチウムイオン電池などの充電可能な電池セルを含み且つ電池セルの電気容量の測定を可能にする機能が備えられた電池ユニットであって、低コストで構成でき、しかも、電気容量の高精度な検出が可能な小型・軽量の二次電池ユニット及びその残量計測方法を提供することにある。

本発明者らは、二次電池ユニット内にシリアル番号を有したシリアル番号通信回路を設けることによって、上記目的が達成できることを見出し本発明を完成した。即ち、本発明の二次電池ユニットは、充電可能な電池セルを有する二次電池ユニットにおいて、シリアル番号を有するシリアル番号通信回路と、該シリアル番号通信回路からのシリアル番号情報を読み出すための通信端子とを有する二次電池ユニットである。上記の二次電池ユニットは、電池セルとしてリチウム二次電池、特に負極に炭素材料が使用されたリチウム二次電池を使用した際において効果が顕著である。上記二次電池ユニットにおいては、シリアル番号に、電池セルの種類を示す符号が付されているのが好ましい。その結果、電池の種類が変更された場合でも正確な残量測定が可能となる。上記二次電池ユニットは、さらにサーミスタを有するのが好ましい。その結果、温度に応じた正確な残量測定が可能となる。また、本発明の残量測定方法は、充電可能な電池セルと、シリアル番号を有するシリアル番号通信回路と、該シリアル番号通信回路からのシリアル番号情報を読み出すための通信端子とを有する二次電池ユニットの残量測定方法であって、前記通信端子を通じて前記シリアル番号情報を読み出すシリアル番号読み出し過程と、読み出された前記シリアル番号情報から、使用した二次電池ユニットに対応する、前記電池セルの劣化パラメータを読み出す劣化情報読み出し過程と、前記電池セルの電圧を測定する電圧測定過程と、前記測定された電圧に前記読み出された劣化パラメータによる補正を加えて、前記電池セルの残量を求める残量演算過程と、を有する二次電池ユニットの残量測定方法である。上記残量測定方法は、電池セルとしてリチウム二次電池、特に負極に炭素材料が使用されたリチウム二次電池を使用した際において効果が顕著である。

本発明によれば、二次電池ユニット内にシリアル番号通信回路のみが必要であるため、低コストで小型・軽量の二次電池ユニットを提供することができる。また、本発明によれば、電池の残量をより精度高く計測することができる。特に、リチウム二次電池、さらには炭素負極を用いたリチウム二次電池のような正確な残量計測が困難な電池においても精度の高い計測が可能である。

さらに、本発明によれば、近年の電池使用機器には、そもそも駆動部を駆動するためにマイコンを備えていることが多いので、その中の一部を用いて残量計測が可能となり、余分なメモリ等が不要で簡便に残量測定が可能である。さらに、本発明によれば、電池の劣化パラメータが個々の電池のシリアル番号毎に取得されているので、異なる電池が使用されても、容易にその電池残量が計測可能である。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の二次電池ユニットとパーソナルコンピュータや携帯電話等の電池を使用した機器（以下「電池使用機器」ということがある）の一例を示すブロック図である。同図において、電池使用機器１０１は、パーソナルコンピュータや携帯電話等の電池電力を消費する機器であると共に、使用している二次電池ユニット２０１内の電池セル２０２の残量を測定・表示する残量測定用機器でもある。

図１において、二次電池ユニット２０１は、電池セル２０２と、温度を計測するためにサーミスタ２０３と、シリアル番号を形成する２値符号列とクロック信号の生成やデータ出力のための制御回路とからなるシリアル番号通信回路２０４と、電池セル２０２の電池側電源端子２０５及び２０６と、電池セル２０２と電池側電源端子２０５との間に設けられた、ＰＴＣ素子を含む保護回路２０７と、シリアル番号通信回路２０４からのシリアル番号情報を読み出すための通信端子２０８と、サーミスタ２０３からの温度情報を読み出すための電池側サーミスタ通信端子２０９とを有する。

電池セル２０２は、リチウム二次電池であり、正極と負極との間でリチウムの吸蔵及び放出が行われることで充電及び放電が行なわれる。正極にはコバルト酸リチウムが使用され、負極には炭素材料が使用される。正極と負極との間に存在する電解質としてはリチウム塩と非水系溶媒とからなる電解液をポリマーで保持して非流動化してなるポリマー電解質が用いられる。

このような電池セル２０２の劣化特性を図２に示す。図２は、電池の容量と電圧との関係を、電池のサイクル数（充放電回数；ｃｙｃで示す）ごとに示すグラフである。図２から明らかなように、サイクル数が増加する、即ち二次電池の劣化が進行すると、容量／電圧曲線が変化する。従って、単に電池電圧を測定しても、その際の容量値は電池の劣化状況によって変化するので、電池の残量を正確に求めるのは困難である。従って、電池の正確な残量を測定するためには、単にその電池電圧を測定するだけでは不十分であり、その電池の劣化状況を把握する必要がある。また、容量／電圧曲線は、測定時の電池セルの温度や充放電時の電流量によっても変化することがあるので、これらの条件に対応させて電池残量を測定するのも重要である。

電池セル２０２の正極及び負極は、それぞれ電池側電源端子２０５及び２０６に接続される。電池セル２０２と電池側電源端子２０５との間には保護回路２０７が設けられる。保護回路２０７には、温度の上昇と共に抵抗が増大するＰＴＣ素子等が設けられており、二次電池ユニット２０１が高温に曝された場合や過充電・過放電の場合に電池機能を停止又は低下させる。

サーミスタ２０３は、二次電池ユニットの温度のモニターのために用いられる。サーミスタから得られた温度情報は電池側サーミスタ通信端子２０９から読み出される。シリアル番号通信回路２０４は、２値符号列からなる、個々の電池に特有のシリアル番号と、クロック信号の生成やデータ出力のための制御回路とを有する。シリアル番号通信回路には、電池固有の値としてのシリアル番号のみが記録されており、電池の正確な残量測定に必要な、その電池の劣化状況そのものに関する情報は記録されていない。また、シリアル番号そのものは電池の劣化状況に応じて変化させる必要もないので、シリアル番号を書き換えたりするために外部からの情報を受け入れる必要もない。従って、書換可能型メモリのような素子は必要なく、その結果、二次電池ユニットの簡素化及び軽量化・小型化が可能となる。シリアル番号の一部は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等の電池の種類を示す符号になっており、シリアル番号を取得すると電池の種類も認識できるようになっている。この場合、電池の種類としては、上記のような大きな分類だけでなく、正負極の種類や電解液の種類等に応じた詳細な分類であってもよい。

シリアル番号通信回路からのシリアル番号情報は、通信端子２０８から読み出される。通信端子２０８と電池側サーミスタ通信端子２０９とは、サーミスタや通信信号の特性仕様に応じてこれを兼用することができる。この場合、通信端子の数を減らすことができるという利点がある。一方、図１において、電池使用機器１０１は、電力を回路全体へ供給するためのシステム電源回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と、電池セル２０２の電圧を計算する電圧測定部と電池セルの劣化状態を示す劣化パラメータを求めるパラメータ測定部と前記シリアル番号情報と前記劣化パラメータとを一体的に記憶するメモリとしての機能を有するマイコン１０３と、電池の残量を表示するためのＬＣＤ表示部１０４と、二次電池ユニットの電池側電源端子２０５及び２０６と接続するための電源端子１０５及び１０６と、二次電池ユニット２０１に付与されたシリアル番号情報を受け容れるための通信端子１０８と、電池側サーミスタ通信端子２０９と接続するためのサーミスタ通信端子１０９と、電池によって駆動する駆動部（図示せず）とを有する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、電源端子１０５及び１０６から受け入れた電力を所定の安定した電圧に変換して、マイコン１０３やＬＣＤ表示部１０４等必要な駆動部全体に供給するシステム電源として機能する。マイコン１０３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２からの電力によって駆動され、電池使用機器全体の駆動の制御を行う。マイコン１０３は、二次電池ユニット２０１のシリアル番号とその電池セル２０２の劣化状況に関する劣化パラメータとを一体的に記憶したメモリを有しており、通信端子１０８を通じてその際に使用されている二次電池ユニット２０１のシリアル番号を取得すると、それをもとにメモリから電池セル２０２の劣化パラメータを読み出す。一方、マイコン１０３は、電池の電圧情報である電圧値を読み取る電圧読み取り部を有しており、電源端子１０５より電池セル２０２の電圧値を読み取る。そして、マイコン１０３は、後述するように、得られた電圧値に前記劣化パラメータによる補正を加えて、電池セル２０２の残量を演算して求める。また、マイコン１０３は、サーミスタ通信端子１０９を介して、二次電池ユニットの温度情報を読み取り、必要に応じて、前記残量の演算に当たり、さらに温度による補正を加える。

また、マイコン１０３は、電池の劣化パラメータを求めるパラメータ測定部を有する。劣化パラメータは、例えば、後述する方法によって求められる。ＬＣＤ表示部１０４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２からの電力によって駆動される。そして、マイコン１０３によって求められた電池セル２０２の残量を表示する。

残量の演算は、例えば次のように行われる。電池の劣化パラメータは、１〜１０の１０段階の数値として表現されており、マイコン内には、測定された電圧と劣化パラメータと残量との相関とを示す相関テーブルが下記表−１のように記憶されている。

表−１は、電圧範囲として、４．０Ｖ、３．５Ｖ及び３．０Ｖの３つの場合についてのみ記載しているが、実際にはさらに細分化している。また、表−１においては、劣化パラメータも１〜３の３段階についてのみ記載しているが、これも実際には１０段階に細分化している。即ち、表−１は、全体の相関テーブルの一部を表したものである。上記のようなテーブルは、二次電池ユニットのシリアル番号に記載された電池種類、サーミスタによって識別される温度、及び充放電時の電流値（レート）に応じて複数設けられており、電池種類、温度、レートが認識されると、それらに応じたテーブルが用意される。

マイコン内に格納された上記テーブルを用いて、残量の演算を行う。先ず、シリアル番号読み出し過程として、マイコン１０３が、通信端子１０８を通じて二次電池ユニット２０１のシリアル番号を取得する。次に、劣化情報読み出し過程として、取得された該シリアル番号から、これと一体的に記憶された劣化パラメータを読み出す（例えば、劣化パラメータの数値が「２」だったとする）。一方、電圧測定過程として、電池使用機器１０１において、電池を使用している際にマイコン１０３は電池セル２０２の電圧値を読み取る（例えば、電池電圧の値が「３．５Ｖ」だったとする）。さらに、マイコン１０３は、シリアル番号に付された電池の種類、サーミスタで読みとられた温度情報及び充放電時に用いられる電流値に応じて複数の相関テーブルの中から適当なもの（表−１の相関テーブル）を選択する。つづいて、残量演算過程として、マイコン１０３は、表−１に示されたテーブルを参照して、劣化パラメータの値「２」と電池電圧「３．５Ｖ」との場合にその残量（補正後残量）を「４００ｍＡｈ」と演算する。得られた残量は、これを必要に応じて図表化してＬＣＤ表示部１０４に表示される。

上記の方法は、それぞれの電池の劣化状況に応じた劣化パラメータによって残量に補正を加えているので、単に電圧のみから電池の残量を予測する方法に比べ、より精度の高い残量表示が可能となる。即ち、上記の例において、劣化パラメータの補正を加えない場合は、電池電圧が３．５Ｖならば、一様に残量は５００ｍＡｈと認識されてしまい、もしも劣化の進んだ（即ち劣化パラメータの大きい）電池を使用していた場合には、実際の残量よりも大きな残量を示してしまう。一方、上記の方法においては、電池の劣化が進めば、それに応じてマイコンは、その電池に対して大きな数値の劣化パラメータを与えるので、残量表示の精度はより高まる。さらに、上記の方法は、電池の種類や、温度、レートに応じて異なる相関テーブルを与えているので、汎用性及び精度の高い残量計測が可能となる。

電池の劣化は、その電池の使用によって徐々に進行する。従って、マイコン１０３に記憶される劣化パラメータは、更新する必要がある。マイコン１０３内に記憶される電池の劣化パラメータの値は、例えば、次のようにして求められる。まず、電池使用機器１０１が、今までに取得したことがないシリアル番号の電池を認識した場合には、これを新規の電池と判定し、新規の劣化パラメータを与える。例えば、前記した残量の演算方法において例示した劣化劣化パラメータ「１」を与える。

次に、劣化パラメータの更新は、電池使用機器１０１と一体化した状態の二次電池ユニット２０１を充電器で充電する際に行われる。図３は、劣化パラメータのマイコンへの書き込み手順を示すフローチャートである。先ず、充電器が所定の電圧（４．１Ｖ）まで充電を行うと、電池使用機器内１０１に設けられた定電流又は定抵抗の放電回路によって一定時間（例えば１秒）放電を行う。電池使用機器１０１のマイコン１０３は、一定時間経過後の電池電圧値を取得し、これと予めマイコン１０３内に記憶された補正値との積を演算して、劣化パラメータを求める。求められた劣化パラメータは、マイコン１０３内のメモリに二次電池ユニット２０１のシリアル番号と一体的に書き込まれる。この際、以前に記憶された同じシリアル番号の二次電池ユニットの劣化パラメータは消去される。充電器は、電圧が低下した電池に対して充電を再開し、再び４．１Ｖになったら充電を終了させる。

図２からも明らかなように、電池の劣化が進行すると、一定時間の間に降下する電圧の値は増加する。従って、上記のように４．１Ｖから１秒間放電した後の電圧値を計測すれば、これに所定の補正を加えて劣化パラメータを求めることができる。

本発明の二次電池ユニットと電池使用機器の一例を示すブロック図 リチウムポリマー二次電池の劣化特性の一例を示すグラフ 劣化パラメータの書き込み手順を示すフローチャート

符号の説明

１０１：電池使用機器
１０２：ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０３：マイコン
１０４：ＬＣＤ表示部
２０１：二次電池ユニット
２０２：電池セル
２０４：シリアル番号通信回路

Claims (5)

1. 充電可能な電池セルを有する二次電池ユニットにおいて、シリアル番号を有するシリアル番号通信回路と、該シリアル番号通信回路からのシリアル番号情報を読み出すための通信端子とを有する二次電池ユニット。
2. 電池セルが、リチウム二次電池である請求項１に記載の二次電池ユニット。
3. リチウム二次電池の負極として炭素材料が使用された請求項２に記載の二次電池ユニット。
4. シリアル番号には、電池セルの種類を示す符号が付されている請求項１乃至３のいずれか１つに記載の二次電池ユニット。
5. さらにサーミスタを有する請求項１乃至４のいずれか１つに記載の二次電池ユニット。

Images