JP2007322353A - 電池容量判定装置および方法ならびにそれを用いる電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】負荷機器などでの残量表示の基となる二次電池の実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行わないようにする。
【解決手段】二次電池の放電に伴い、積算部４２１が、放電開始から電流検出抵抗で検出された放電電荷量を減算し、残量演算部４２３が、その積算値を放電開始時点での残量から減算して実際の残量を求め、さらにその実際の残量を実容量演算部４２２ａに格納されている実容量の１００分比を求めることで、前記負荷機器などで表示する残量％を求める。この際、充放電量演算部４２４ａは、前回更新（学習）時から、演算部４２１によって積算された総充電量または総放電量が定格容量の所定倍に達した後の充電時に前記更新（学習）を行うようにし、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量に更新（学習）する。したがって、実容量の更新のために充放電を行う必要はない。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池容量判定装置および方法ならびにそれを用いる電池パックに関する。

電池を用いる電子機器の高性能化や、アプリケーションの多様化によって、前記電池の高性能化を上回るペースで、前記電子機器の消費電力が拡大している。そこで、電池の寿命、すなわち残量（残使用時間）予測の重要性が増しており、特に二次電池では、充放電の繰返しによる劣化（放電特性の変化）によって、正確な残量の判定は難しく、前記二次電池を使用するパーソナルコンピュータやビデオカメラなどでは、電子機器が電池パックと通信を行い、演算によって得られた残量と消費電力とから、前記寿命を判定し、電子機器に表示するようになっている。

前記の残量判定の難しさは、満充電によっても、放電可能な実容量（実力容量Full Charge Capacity）が、二次電池の内部抵抗の増加などの劣化によって減少してゆくために生じ、標準的な温度において、たとえば前記満充電から残量が０％になるまでの１サイクルの使用で、０．０５％程度減少する。

また、パーソナルコンピュータの場合、ＡＣアダプタを装着しっぱなしで使用されることが多く、放電途中で充電を促すアラームポイントもあり、放電停止電圧まで放電されることが極めて少ない為に、実容量の学習機会が少ない。

そこで、適宜前記実容量を学習する従来技術が、特許文献１や特許文献２で提案されている。特許文献１では、二次電池が放電警報電圧まで放電されると、満充電まで充電を行い、その間に注入した電荷量を、前記放電警報電圧に対応する放電警報容量に加算することで、現在の実容量を学習している。

特許文献２では、夜間などの二次電池が使用されない期間に、該二次電池を一旦満充電状態にした後、放電停止レベルまで放電を行わせ、放電電荷量を前記現在の実容量として学習している。
特開２００２−２３６１５５号公報 特開２００２−２４７７７３号公報

したがって、特許文献１および２では、実際に充放電した電荷量から実容量を学習しているので、精度が高いという特徴がある。しかしながら、特許文献１では、強制充電しているために、充電中は使用できないか、使用できたとしても一旦放電させたものを再充電してしまうと、間違った容量を学習してしまうという問題がある。

また、特許文献２では、強制充放電しているために、それだけで二次電池の寿命を縮めてしまうという問題がある。また、前回使用時に容量が残されていても、強制充放電中に電池パックを使用しようとすると、放電し切っている可能性がある。

本発明の目的は、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、充放電を行う必要のない電池容量判定装置および方法ならびにそれを用いる電池パックを提供することである。

本発明の電池容量判定装置は、電流検出手段および演算手段を備え、前記演算手段が、前記電流検出手段によって検出された充放電電流から充放電電荷量を積算し、その積算値から二次電池の残量の判定を行い、前記残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用（劣化）に伴い更新（学習）するようにした電池容量判定装置において、前記演算手段によって求められる前回更新時からの総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍に達すると、その後の充電時に、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量に更新（学習）する学習手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の電池容量判定方法は、残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用に伴い更新するようにした電池容量判定方法において、前回更新時からの総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍に達すると、その後の充電時に、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量に更新することを特徴とする。

上記の構成によれば、残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用（劣化）に伴い、学習手段が更新（学習）するにあたって、その更新（学習）を、前回更新（学習）時から、演算手段によって積算された総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍、たとえば１０倍に達した後の充電時に行うようにし、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値、たとえばそれまでの実容量から所定の割合だけ小さくした値、或いは所定の値だけ減算した値を、新たな実容量に更新（学習）する。

したがって、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要はなく、電池パックを使用できなかったり、寿命を縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、定期的に更新（学習）することで、更新（学習）漏れがなくなり、またそれまでの実容量から所定の容量だけ減少した値とすることで、充放電の中断や温度などによる誤差の影響を受け難くすることができる。さらにまた、たとえば放電量が規定のサイクル分に達した時点で、突然、残量減算の基準となる実容量を更新してしまうと、減算中の残量も突然大きく変化してしまう可能性があるのに対して、更新（学習）のタイミングを充電中に規定することで、そのような残量のジャンプによる影響を小さくし、負荷機器などで表示される残量に使用者が不信感を抱かないようにすることができる。

さらにまた、本発明の電池容量判定装置では、前記学習手段は、前記実容量の更新を、満充電時に行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、残量変化の無くなる満充電時に前記実容量の更新を行うことで、残量％を１００％に合わせるために、実容量値および残量値が変わっても残量％表示には影響しないので、残量のジャンプによる影響を一層小さくすることができる。

また、本発明の電池パックは、前記の電池容量判定装置を備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要をなくすことができる電池パックを実現することができる。

本発明の電池容量判定装置および方法は、以上のように、残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用（劣化）に伴い、学習手段が更新（学習）するにあたって、その更新（学習）を、前回更新（学習）時から、演算手段によって積算された総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍に達した後の充電時に行うようにし、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を新たな実容量に更新（学習）する。

それゆえ、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要はなく、電池パックを使用できなかったり、寿命を縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、定期的に更新（学習）することで、更新（学習）漏れがなくなり、またそれまでの実容量から所定の容量だけ減少した値とすることで、充放電の中断や温度などによる誤差の影響を受け難くすることができる。さらにまた、たとえば放電量が規定のサイクル分に達した時点で、突然、残量減算の基準となる実容量を更新してしまうと、減算中の残量も突然大きく変化してしまう可能性があるのに対して、更新（学習）のタイミングを充電中に規定することで、そのような残量のジャンプによる影響を小さくし、負荷機器などで表示される残量に使用者が不信感を抱かないようにすることができる。

さらにまた、本発明の電池容量判定装置は、以上のように、前記学習手段が、前記実容量の更新を、残量変化の無くなる満充電時に行う。

それゆえ、残量のジャンプによる影響を一層小さくすることができる。

また、本発明の電池パックは、以上のように、前記の電池容量判定装置を備える。

それゆえ、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要をなくすことができる電池パックを実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る電池容量判定方法が用いられる充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１ａに、それを充電する充電器２ａを備えて構成されるが、負荷機器が設けられて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１ａは、負荷機器に装着されて、該負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１ａおよび充電器２ａは、充電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、充電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器にも、同様の３つの端子が設けられる。

前記電池パック１ａ内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充放電経路１１には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充放電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充放電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充放電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。

前記組電池１４は、複数の二次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８ａ内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８ａ内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８ａ内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、充電制御判定部２１ａへ出力する。

前記充電制御判定部２１ａは、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、組電池１４の残量が、満充電時の何％であるかを演算して、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２ａへ送信する。また、前記充電制御判定部２１ａは、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、充電器２ａに対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅（デューティ）を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２を介して送信するとともに、前記各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１ａの外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇などに対して、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。

充電器２ａでは、前記の残量を制御ＩＣ３０ａの制御部３１ａが通信部３２を介して受信し、表示パネル３４に表示を行う。また、前記制御部３１ａは、前記の電池パック１ａから要求のあった電圧値、電流値、およびデューティの充電電流を、充電電流供給回路３３に、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３から出力させる。

注目すべきは、本実施の形態では、前記充電制御判定部２１ａは、放電開始時点での残量から、電流検出抵抗１６で検出された放電電荷量を減算してゆくことで、組電池１４の残量が満充電時の何％であるかを表す残量％を演算するにあたって、その満充電時における実容量の更新（学習）を、以下のようにして行うことである。すなわち、前記充電制御判定部２１ａは、前回更新（学習）時から、積算された総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍、たとえば１０倍に達した後、満充電となった時点で、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値に更新（学習）を行う。

図２は、前記制御ＩＣ１８ａの充電制御判定部２１ａの具体的な一構成例を示すブロック図である。充電制御判定部２１ａは、充放電制御部４１ａと、演算部４２ａと、残量補正部４３と、データテーブル４４と、学習部４９とを備えて構成される。

前記充放電制御部４１ａは、上述のような充放電の制御および異常に対する保護動作を行うものであり、充電器２ａに対して要求する充電電流の電圧値、電流値、デューティおよび異常の有無を、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ１３を介して送信する。前記演算部４２ａは、後述するようにして、組電池１４の実容量に対する現在の使用状態での残量の割合である残量％を演算する。前記残量補正部４３は、放電時に、セル電圧が予め定められる複数の補正ポイントの値となる毎に、後述するように前記演算部４２ａで求められた残量％を、その補正ポイントにおける残量％の値に逐次補正する。

図３には、放電の継続による前記残量％の低下を示すとともに、放電電流の増加によるセル電圧の低下や温度低下によるセル電圧の低下などを示す放電特性の一例および定消費電力時における放電の継続によるセル電圧の低下に伴う放電電流の増加を示す。本実施の形態では、前記残量％が、５．５％、３．５％、０％を前記補正ポイントとし、前記補正ポイントまでは、演算部４２ａでの積算値を、充電器２ａへ出力する残量％の値とする。一方、残量補正部４３は、電圧検出手段である前記電圧検出回路２０によって検出されるセル電圧、電流検出手段である電流検出抵抗１６によって検出される放電電流および温度センサ１７によって検出されるセル温度をモニタしており、前記放電電流およびセル温度に対応して定められる補正ポイントの電圧値にセル電圧が達すると、前記演算部４２ａの積算値を、その補正ポイントの残量％の値に補正する。

詳しくは、前記データテーブル４４には、温度および放電電流に対応した電圧値が記憶されており、たとえば５．５％の補正ポイントは、１０℃０Ａで３．３８Ｖに選ばれるのに対して、６０℃になると、３．４３Ｖに選ばれる。残量補正部４３は、このデータテーブル４４から、現在の放電電流およびセル温度に対応した電圧値を読出し、セル電圧がその電圧値に達すると、残量％をその補正ポイントの値とする。このような補正を、図３において、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３で示すように、セル電圧が補正ポイントの電圧値まで低下する毎に行う。図３の例では、残量％の積算値が、５．５％および３．５％の補正ポイントに達した時点でのセル電圧が、データテーブル４４に記憶されている値よりも高かったために、積算値が小さく補正されていることを表している。こうして、放電末期の残量％が小さい状態において、複数の各補正ポイントで積算値を補正することで、充電器２ａでの残量％の表示精度を向上するようになっている。そして、このような残量％の表示を行うにあたって、同じ満充電状態でも、二次電池の劣化に伴い、前述のように満充電で充電できる電荷量が減少するので、残量％の判定精度を向上するために、二次電池の実容量の学習を行う。

図２を参照して、演算手段である前記演算部４２ａは、充放電の電荷量を積算する積算部４２１と、前記実容量を格納し、その実容量が前記学習部４９によって更新（学習）させられる実容量保持部４２２ａと、残量％を求める残量演算部４２３と、充放電量を求める充放電量演算部４２４ａとを備えて構成される。この演算部４２ａには、前記充放電制御部４１ａから、該電池パック１ａのステータス情報が入力されており、そのステータス情報によって、充電状態であるか、放電状態であるか、或いは満充電状態に達したかなどを判定することができる。そして、積算部４２１は、充電状態と放電状態とが切換わると、積算値をリセットして、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値を積算してゆく。

前記残量演算部４２３は、積算部４２１の積算値を、それまでの残量値に加減算し、実容量演算部４２２ａに設定されている実容量から、（加減算値／実容量）×１００によって前記残量％を算出し、前記通信部２２を介して充電器２ａや負荷機器へ送信する。放電時において、この残量％は、残量補正部４３によって前述のように補正される。

一方、充放電量演算部４２４ａは、前記積算部４２１で求められた充放電量を積算しており、前回学習時からの総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量の所定倍、たとえば１０倍に達すると、学習部４９へ強制学習を許容する信号を出力する。一方、学習手段である学習部４９には、充放電制御部４１ａからステータス情報が与えられており、この学習部４９の演算部４９１は、前記強制学習が許容された後に、満充電となったタイミングで、実容量保持部４２２ａから現在の実容量を読出し、その値から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量として実容量保持部４２２ａに更新（学習）させる。前記充放電演算部４２４ａにおける前回学習時からの総充電量または総放電量の比較は、前記定格容量を基準とするのではなく、現在の実容量が基準とされてもよい。

前記実容量の更新（学習）は、具体的には、それまでの実容量から所定の割合だけ小さくした値、たとえば前述のとおり１サイクルの充放電で０．０５％の容量が減少するので、１０サイクル分として０．５％減少した値や、所定の値、たとえば３０００ｍＡｈの定格容量に対して、０．５％の１５ｍＡｈだけ減算した値を設定することで行われる。

このように構成することで、二次電池の劣化に伴う実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要はなく、電池パック１ａを使用できなかったり、寿命を縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、定期的に更新（学習）することで、更新（学習）漏れがなくなり、またそれまでの実容量から所定の容量だけ減少した値とすることで、充放電の中断や温度などによる誤差の影響を受け難くすることができる。さらにまた、たとえば放電量が規定のサイクル分に達した時点で、突然、残量減算の基準となる実容量を更新してしまうと、減算中の残量も突然大きく変化してしまう可能性があるのに対して、更新（学習）のタイミングを充電中に規定することで、そのような残量のジャンプによる影響を小さくし、負荷機器などで表示される残量に使用者が不信感を抱かないようにすることができる。特に更新のタイミングを残量変化の無くなる前記満充電時に規定することで、残量％を１００％に合わせるために、実容量値および残量値が変わっても残量％表示には影響しないので、残量のジャンプによる影響を一層小さくすることができる。

なお、特開２００２−２３６１５４号公報には、現在の実容量分の充電１サイクルにつき、前記実容量から所定の劣化容量分を減算した値を現在の実容量として更新し、或いは使用しないで保存している状態が続くと、その保存温度と残量とをパラメータとして、保存期間に応じた劣化容量分を減算した値を現在の実容量として更新することが示されている。しかしながら、この従来技術では、規定容量、規定時間の任意のタイミングで実容量が更新されるので、継足し充電した場合など、継続放電中に、突然残量が変わる（ジャンプする）という問題がある。

本発明は、充電器や負荷機器での残量表示などのために使用される二次電池の実容量の更新（学習）を行うにあたって、そのための充放電を行う必要はなく、電池パックを使用できなかったり、寿命を縮めてしまうような不具合を無くすことができるとともに、前記更新（学習）に伴う残量のジャンプによる影響を小さくできるので、電池パックに好適である。

本発明の実施の一形態に係る電池容量判定方法が用いられる充電システムの電気的構成を示すブロック図である。 図１で示す電池パックの制御ＩＣにおける充電制御判定部の具体的な一構成例を示すブロック図である。 リチウム二次電池の放電特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ａ 電池パック
２ａ 充電器
１１，１５ 充放電経路
１２，１３ ＦＥＴ
１４ 組電池
１６ 電流検出抵抗
１７ 温度センサ
１８ａ，３０ａ 制御ＩＣ
１９ アナログ／デジタル変換器
２０ 電圧検出回路
２１ａ 充電制御判定部
２２，３２ 通信部
３１ａ 制御部
３３ 充電電流供給回路
３４ 表示パネル
４１ａ 充放電制御部
４２ａ，４９１ 演算部
４２１ 積算部
４２２ａ 実容量保持部
４２３ 残量演算部
４２４ａ 充放電量演算部
４３ 残量補正部
４４ データテーブル
４９ 学習部
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３ 端子

Claims (4)

1. 電流検出手段および演算手段を備え、前記演算手段が、前記電流検出手段によって検出された充放電電流から充放電電荷量を積算し、その積算値から二次電池の残量の判定を行い、前記残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用に伴い更新するようにした電池容量判定装置において、
   前記演算手段によって求められる前回更新時からの総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍に達すると、その後の充電時に、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量に更新する学習手段を備えることを特徴とする電池容量判定装置。
2. 前記学習手段は、前記実容量の更新を、満充電時に行うことを特徴とする請求項１記載の電池容量判定装置。
3. 前記請求項１または２記載の電池容量判定装置を備えることを特徴とする電池パック。
4. 残量判定のために使用される二次電池の実容量値を、前記二次電池の使用に伴い更新するようにした電池容量判定方法において、
   前回更新時からの総充電量または総放電量の少なくとも一方が定格容量または現在の実容量の所定倍に達すると、その後の充電時に、それまでの実容量から所定の容量だけ減少した値を、新たな実容量に更新することを特徴とする電池容量判定方法。

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