JP2010066161A

JP2010066161A - 電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態検知方法

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Publication number: JP2010066161A
Application number: JP2008233728A
Authority: JP
Inventors: Yoshifusa Majima; 吉英馬島; Keiichi Kitamura; 恵一北村; Kazuhiko Takeno; 和彦竹野; Yasumichi Kanai; 康通金井; Haruo Kamimura; 治雄上村
Original assignee: NTT Docomo Inc; Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: NTT Docomo Inc; Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: CN102144171B; CN102144171A; US8749204B2; WO2010029942A1; JP5815195B2; US20110187329A1

Abstract

【課題】二次電池を取り巻く状況にかかわらず、二次電池の微小短絡を検出することができる、電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態検知方法の提供を目的とする。
【解決手段】二次電池２００の残容量と満充電容量を算出し、二次電池２００の充電中に充電された充電容量と該充電が開始する直前の算出タイミングで算出された残容量と該充電が開始する前に算出された満充電容量とに基づいて二次電池２００が過充電されたことを検出することにより、二次電池２００の微小短絡を判断する演算処理部５０と、演算処理部５０の判断結果に応じた信号を出力する通信処理部７０とを備える、電池状態検知装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等の電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態電池方法に関する。

リチウムイオン電池等の二次電池の異常現象として、負極と正極間の微小短絡（マイクロショート）現象が知られている。特許文献１には、微小短絡についての詳細と微小短絡の有無を検出する方法が開示されている。特許文献１に開示の方法は、正極と負極とこの両者を隔離するように配したセパレータと電解液からなる電池において、前記電解液を固体状態とし、前記正極と前記負極の間で交流インピーダンスを測定し、その測定値によって短絡の有無を判定するものである。
特開２００３−４５５００号公報

しかしながら、特許文献１の開示技術では、電解液を冷却により固体状態としなければならないため、二次電池の微小短絡を検出できる状況が限られてしまう。

そこで、本発明は、二次電池を取り巻く状況にかかわらず、二次電池の微小短絡を検出することができる、電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態検知方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
二次電池の残容量を算出する残容量算出手段と、
前記二次電池の満充電容量を算出する満充電容量算出手段と、
前記二次電池の充電中に充電された充電容量と前記残容量算出手段によって該充電が開始する直前の算出タイミングで算出された残容量と前記満充電容量算出手段によって該充電が開始する前に算出された満充電容量とに基づいて前記二次電池が過充電されたことを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する微小短絡判断手段と、
前記微小短絡判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
前記内部抵抗値算出手段によって算出される内部抵抗値がその初期値から減少していることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する微小短絡判断手段と、
前記微小短絡判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、前記電池状態検知装置と前記二次電池とを内蔵する。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知方法は、
二次電池に充電可能な充電容量を超える充電容量が前記二次電池の充電中に充電されたことを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判定するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知方法は、
二次電池の内部抵抗値がその初期値から減少していることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判定するものである。

本発明によれば、二次電池を取り巻く状況にかかわらず、二次電池の微小短絡を検出することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係る電池パックの実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。電池パック１００Ａは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどの二次電池２００の周囲温度を検出する温度検出部１０と、二次電池２００の電圧を検出する電圧検出部２０と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部３０と、検出結果を示す各検出部から出力されるアナログ電圧値をデジタル値に変換するＡＤコンバータ（以下、「ＡＤＣ」という）４０と、電流積算、容量補正、放電可能容量などの演算処理を行う演算処理部５０（例えば、ＣＰＵ５１，ＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３などを備えるマイクロコンピュータ）と、その演算処理に利用される二次電池２００や電池パック１００Ａの各構成部の特性を特定するための特性データを格納するメモリ６０（例えば、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等の記憶装置）と、二次電池２００を電源とする携帯機器３００に対して二次電池２００に関する電池状態情報を伝送する通信処理部７０（例えば、通信用ＩＣ）と、時間を管理するタイマ部８０と、電流検出部３０の検出結果に従って携帯機器３００の起動電流を検出する起動電流検出部３１とを備える電池状態検知装置を、その電池状態を管理する管理システムとして、内蔵している。電池状態検知装置のこれらの構成要素の一部又は全部は、集積化された回路によって構成されるとよい。

電池パック１００Ａは、二次電池２００とその電池状態を管理する管理システムとを合わせたモジュール部品である。電池パック１００Ａは、電極端子（正極端子１及び負極端子２）と通信端子３とを介して携帯機器３００に接続される。正極端子１は二次電池２００の正極に通電経路を介して電気的に接続され、負極端子２は二次電池２００の負極に通電経路を介して電気的に接続される。通信端子３は、通信処理部７０に接続される。通信処理部７０は、演算処理部５０の処理結果に基づく通知情報を携帯機器３００に出力する出力手段である。

携帯機器３００は、人が携帯可能な電子機器であって、具体的には、携帯電話、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機、音楽やビデオ等のプレーヤーなどが挙げられる。電池パック１００Ａは、携帯機器３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。携帯機器３００は、通信処理部７０から取得した電池状態情報に基づいて、当該電池状態情報に応じた所定の動作を行う。携帯機器３００は、例えば、電池状態情報をディスプレイ等の表示部に表示させたり（例えば、二次電池２００の残量情報、劣化情報、交換時期情報などの表示）、電池状態情報に基づいて自身の動作モードを変更したりする（例えば、通常消費電力モードから低消費電力モードへの変更）。

二次電池２００は、携帯機器３００の電源であって、ＡＤＣ４０と演算処理部５０と通信処理部７０とタイマ８０の電源でもある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、起動電流検出部３１については、それらの回路構成に応じて、二次電池２００からの給電が必要となることがある。メモリ６０については、二次電池２００からの給電が遮断されても、その記憶内容は保持される。温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０及び演算処理部５０は、二次電池２００の電池状態を検知する状態検知部として機能する。

温度検出部１０は、二次電池２００の周囲温度を検出し、その検出された周囲温度をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の周囲温度を示す電池温度のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池温度のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。なお、温度検出部１０は、二次電池２００と電池パック１００Ａとが近接していれば、二次電池２００自体の温度やその雰囲気温度だけでなく、電池パック１００Ａやその構成部の温度を検出するものでもよい。また、温度検出部１０が電圧検出部２０と電流検出部３０とＡＤＣ４０とともに集積回路によって構成される場合、温度検出部１０は、その集積回路自体の温度やその雰囲気温度を検出することができる。

電圧検出部２０は、二次電池２００の電圧を検出し、その検出された電圧をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の電圧を示す電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

電流検出部３０は、二次電池２００の充放電電流を検出し、その検出された電流をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。電流検出部３０は、二次電池２００と直列に接続された電流検出抵抗３０ａと電流検出抵抗３０ａの両端に発生する電圧を増幅するオペアンプとを備え、電流検出抵抗３０ａとオペアンプとによって充放電電流を電圧に変換する。オペアンプは、ＡＤＣ４０に備えられてもよい。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流を示す電池電流のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電流のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

演算処理部５０は、二次電池２００の残容量の算出をする。残容量の算出方法については任意の適切な方法を用いればよいが、以下にその算出方法を例示する。

演算処理部５０は、二次電池２００の充電状態又は放電状態（例えば、携帯機器３００の動作により所定値以上の電流が消費されている状態）で電流検出部３０によって検出された電流値を積分することによって、二次電池２００において充放電される電気量を算出することができるとともに、二次電池２００が蓄えている現在の電気量（残容量）を算出することができる。残容量を算出するにあたって、例えば、特開２００４−２２６３９３号公報には、二次電池の充放電において温度や電流などの条件が変化した場合、充放電効率が変化するのではなく、各充放電条件に応じて一時的に充電や放電ができない電気量が存在し、その量が変化するという考え方が開示されている。この考え方によれば、充放電効率についての補正処理は行わなくてもよい。

ただし、電池パック１００Ａの構成部に温度に依存する温度依存回路部が存在する場合には、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「充放電電流−温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流値を補正してもよい。「充放電電流−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて充放電電流値の補正を行う。

一方、二次電池２００の充放電が休止状態（例えば、携帯機器３００の動作が停止又はスタンバイ状態）になることにより、充電状態や放電状態に比べて充電電流値は小さくなる。その結果、分解能等の理由により電流検出部３０やＡＤＣ４０による測定では誤差が多く含まれる状態や測定不可となる状態が一定期間継続すると、残容量の算出のために上述の電流積算の処理の誤差が積算されるため、残容量算出の正確さが失われる。それを防ぐため、演算処理部５０は、電流値の積算処理を停止するか、又は予め測定しておいた携帯機器３００の消費電流値をメモリ６０に格納しておき、その値を積算するとよい。

また、残容量や充電率等の演算精度を高めるために、演算処理部５０は、携帯機器３００の休止状態が所定時間継続した場合、定期的に二次電池２００の電圧（開放電圧）を測定し、「開放電圧−充電率」特性（図１１参照）に基づいて、充電率を算出・補正する。開放電圧とは、安定した二次電池２００の両極間を開放して又はハイインピーダンスで測定した両極間電圧である。充電率とは、そのときの二次電池２００の満充電容量を１００としたときにその二次電池２００の残容量の割合を％で表示したものをいう。「開放電圧−充電率」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、電圧検出部２０によって測定された開放電圧に対応する充電率の算出・補正を行う。

また、二次電池２００の開放電圧に温度特性が存在する場合、演算処理部５０は、開放電圧について所定の温度補正を行ってもよい。例えば、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「開放電圧−温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の開放電圧を補正してもよい。「開放電圧−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて開放電圧の補正を行う。

上述のように、演算処理部５０は、二次電池２００の充電率を算出することができるが、二次電池２００の残容量は満充電容量と充電率との関係に基づいて算出可能であるため、二次電池２００の満充電容量が測定又は推定されていなければ、二次電池２００の残容量を算出することはできない。

二次電池２００の満充電容量を算出する方法として、例えば、二次電池２００の放電量に基づいて算出する方法や充電量に基づいて算出する方法がある。例えば、充電量に基づいて算出する場合、パルス充電以外であれば定電圧又は定電流での充電となるため、携帯機器３００の消費電流特性に影響されやすい放電量に基づいて算出する場合に比べ、正確な充電電流を測定することができる。もちろん、どちらの方法を利用するかは、携帯機器３００の特性などを考慮した上で、両方又は片方を選択すればよい。

もっとも、正確な満充電容量が測定できる条件は、残容量がゼロの状態から満充電状態になるまでの期間継続して充電が行われる場合であり、この充電期間中に積算された電流値が満充電容量となる。しかしながら、一般的な利用のされ方を考えると、このような充電が行われることはまれであり、通常はある程度の残存容量がある状態から充電が行われる。

そこで、演算処理部５０は、このような場合を考慮して、充電開始直前の電池電圧と充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧とに基づいて、二次電池２００の満充電容量を算出する。すなわち、演算処理部５０は、充電開始直前の電池電圧と「開放電圧−充電率」特性（図１１参照）とに基づいて、充電開始直前の充電率を算出するとともに、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧と「開放電圧−充電率」特性（図１１参照）とに基づいて、充電終了時点から所定時間経過時の充電率を算出する。そして、演算処理部５０は、満充電容量をＦＣＣ［ｍＡｈ］、充電開始直前の充電率をＳＯＣ１［％］、充電終了時点から所定時間経過時の充電率をＳＯＣ２［％］、充電開始時点から充電終了時点までの充電期間において充電された電気量をＱ［ｍＡｈ］とすると、演算式
ＦＣＣ＝Ｑ／｛（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）／１００｝・・・（１）
に基づいて、二次電池２００の満充電容量ＦＣＣを算出することができる。なお、ＳＯＣ１やＳＯＣ２は温度補正されたものであれば、より正確な値が算出され得る。また、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧を用いることによって、充電終了時点よりも安定した電池電圧を演算に反映して演算結果の精度を高めることができる。

したがって、上述のように算出された充電率及び満充電容量に基づいて、二次電池２００の残容量を算出することができる（残容量＝満充電容量×充電率）。

ところで、二次電池に微小短絡が発生・進行すると、放電可能時間の短縮や発火などの不具合を引き起こす原因となり得る。そこで、本実施例の電池状態検知装置は、二次電池２００の微小短絡現象を検出し、携帯機器３００の利用者に対して電池パック１００Ａの交換を促すことによって、そのような不具合になることを未然に防ぐ。以下、この点について詳細に説明する。

二次電池に対し充放電を繰り返す実験をしたところ、微小短絡が発生すると、そのときの満充電容量を超えて充電されることが判明した。図８は、充放電サイクル数と各充放電サイクルにおいて充電が止まるまでに二次電池に充電される充電容量との関係を表すデータである。縦軸の充電容量は、二次電池の新品時の満充電容量を１００としたときの充電容量を百分率で示している。二次電池の充電が止まった時点で二次電池に蓄えられている電気量がその時点での二次電池の満充電容量に相当する。図８に示されるように、二次電池に充電できる電気量は、充放電サイクル数が増えると満充電容量の減少により減ってくるが、微小短絡が一時的に発生すると増加する。ある充放電サイクルで充電容量が一瞬増加するのは、微小短絡がその充放電サイクルで一時的に発生していることを示しており、その次以降の充放電サイクルで微小短絡していない正常状態に復帰していることを示している。

この点を踏まえ、本実施例では、二次電池の充電中に充電された充電容量と残容量算出手段によって充電開始直前の算出タイミングで算出された残容量との合計値を、満充電容量算出手段によって充電開始前（特に、満充電容量の算出誤差の抑制を図るべく、前回の充電開始直前）の算出タイミングで算出された満充電容量と比較することによって、二次電池の微小短絡を判断する。そして、その合計値がその満充電容量を超えている場合に、二次電池に微小短絡が発生したと判定することが可能となる。

図２は、充電容量に基づいて二次電池の微小短絡を検出するフローチャートである。電流検出部３０が二次電池２００に流れる電流の方向を検知等することにより二次電池２００に対する充電開始が検出されると（ステップ１）、演算処理部５０は、電流検出部３０によって検出される充電電流値Iを積分することによって充電容量Qchgを算出する（ステップ３）。なお、ステップ１において二次電池２００に対する充電が検出されない場合には、充電容量Qchgの値を零にする（ステップ２）。

演算処理部５０は、二次電池２００に充電中に追加される充電容量が二次電池２００に充電可能な充電容量を超えて過充電となった場合に、二次電池２００に微小短絡が発生したと判定する。すなわち、二次電池２００に充電中に追加される充電容量をQchg、該充電が開始する直前の算出タイミングで算出された残容量をQrem、該充電が開始する前の算出タイミングである前回の充電開始直前の算出タイミングで算出された満充電容量をQbat、１以上の正の係数をKとしたときに、演算処理部５０は、
（Qrem＋Qchg）／Qbat＞K ・・・（２）
で表される関係式が成立する場合に（ステップ４）、二次電池２００は微小短絡していると判定する（ステップ５）。K＝１でもよいが、測定や演算の誤差を考慮し、微小短絡の誤判定を防ぐため、Kは１を超える正数（例えば、１．２以上１．５以下の値）に設定するとよい。関係式（２）が不成立の場合には、ステップ２００は微小短絡していないとみなすことができるので、ステップ１に戻る。なお、演算処理部５０は、充電途中段階での充電容量が二次電池に充電可能な充電容量を超えた時点で二次電池２００が微小短絡していると判定してもよいが、二次電池２００に対する充電が開始してから終了（停止）するまでに充電された充電容量が二次電池に充電可能な充電容量を超えていた場合に、二次電池２００に微小短絡が発生したと判定してもよい。

ステップ６において、通信処理部７０は、演算処理部５０で判定された二次電池２００の微小短絡の発生情報を携帯機器３００に伝送する。これにより、携帯機器３００の表示部には、その発生情報に基づく警告情報が表示される。また、携帯機器３００のスピーカ等の音声出力手段を介してその警告情報を音声によって通知してもよい。また、演算処理部５０は、二次電池２００の充電を制限するための信号を出力することによって、二次電池２００の充電経路を遮断するように保護回路を制御してもよい。これによって、微小短絡が発生しても、その状態をユーザに知らせることができるとともに、充電状態が継続されることを防止することができる。

ところで、二次電池に微小短絡が発生すると、そのときの満充電容量を超えて充電されるという現象が上述のように見られる一方で、内部抵抗値が減少するという現象も見られることが予想される。図９は、充放電サイクル数と各充放電サイクルでの内部抵抗値との関係を表すデータである。図９に示されるように、二次電池の内部抵抗値の測定値は、充放電サイクル数が増えるにつれて大きくなるが、微小短絡が発生すると小さくなる。

そこで、通常は劣化により内部抵抗値が増加する現象を示していた二次電池が、継続的な減少傾向又は一時的な減少を示した際に微小短絡が発生したと判定することが可能となる。

本実施例では、演算処理部５０が二次電池２００の内部抵抗値の算出をするが、内部抵抗値の算出方法については任意の適切な方法を用いればよいが、以下にその算出方法を例示する。

演算処理部５０は、二次電池２００の充電開始時点を含む単位時間において、その単位時間での充放電電流の電流差及びその単位時間と同じ期間での電池電圧の電圧差を検出・算出することによって二次電池２００の内部抵抗値を算出する。

すなわち、充電開始直前の電池電圧をＶ０，その充電開始直前の充電電流をＩ０，その充電開始から規定時間経過時の電池電圧をＶ１，その充電開始からその規定時間経過時の充電電流をＩ１とすると、充電開始直前の内部抵抗値と充電開始から規定時間経過時の内部抵抗値が等しいとみなして、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃは、内部抵抗値演算式
Ｒｃ＝（Ｖ１−Ｖ０）／（Ｉ１−Ｉ０）・・・（３）
によって算出することができる。

なお、この点に関して、充電開始前後のそれぞれの時点で検出された電流と電圧とを演算式（３）に代入することによって内部抵抗値を算出する場合に、内部抵抗値の安定した算出結果が得られることを確かめるために行った確認試験の結果についての説明は省略するが、この確認試験の結果によれば、新品時に比べ劣化が進んだ状態で、充電電流が異なっても、充電開始前後間での電圧値及び電流差に基づいて、安定した内部抵抗値を算出できる。

したがって、演算処理部５０は、二次電池２００の充放電電流値が零又は二次電池２００に微小な充放電電流が流れている休止状態を一定時間検出後に、休止状態の電流値より大きい所定値以上の充電電流値が流れている充電状態を検出した場合、当該所定値以上の充電電流値の検出時点から一定時間経過時の充電状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、当該所定値以上の充電電流値の検出時点前の休止状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、に基づいて、二次電池２００の内部抵抗値を上記の演算式（３）に従って算出するとよい。演算処理部５０は、算出した内部抵抗値がその初期値（メモリ６０等に予め記憶）から減少していることを検出することにより、二次電池２００の微小短絡を判定することができる。その判定情報は、通信処理部７０を介して、携帯機器３００に伝送される。

図３は、電池パック１００Ａ内の管理システムの内部抵抗値の算出フローである。管理システムは、演算処理部５０が主体となって動作する。演算処理部５０は、管理システムの初期化後に、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を行う（ステップ１０）。演算処理部５０は、これらの検出部による測定値を所定の検出周期で検出し、電圧値、電流値及び温度値の同時点のデータをＲＡＭ５３等のメモリに記憶する。この検出周期は、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり前後間での電圧差及び電流差を正確に検出できるように、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり特性などを考慮して決定されるとよい。

演算処理部５０は、電流検出部３０によって充放電電流値が零又は微小な充放電電流が流れている休止状態を一定期間検出した後に、電流検出部３０によって検出された電流が二次電池２００の充電開始を判定するための所定の正の第１の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１０，１２）。演算処理部５０は、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上でなければ、その検出された電圧、電流、温度を、充電開始直前の検出値として、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐと決定する（ステップ１４）。決定後、ステップ１０に戻る。ステップ１２において電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上となるまで、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐは更新される。

なお、ステップ１０において電流検出部３０において検出された電流が第１の電流閾値（絶対値）以上ではないものの、零又は零より大きい所定値以上の放電電流値（絶対値）である場合には、正しい内部抵抗値の算出に適する検出値ではないとして、その検出値は内部抵抗値を算出するための電流として除外されてもよい。

一方、演算処理部５０は、ステップ１２において、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上である場合には、二次電池２００に対する充電が開始されたとみなして、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を再度行う（ステップ１６）。演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が、第１の電流閾値より大きい所定の第２の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１８）。第２の電流閾値は、二次電池２００に対する充電電流が立ち上がった後の安定した充電状態（充電電流の変動量が充電電流の立ち上がり状態に比べ小さい充電状態）であるかを判断するための判断閾値である。

演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上でない場合には、充電開始後に充電電流がまだ安定しておらず内部抵抗値の算出に不適であるとして、本フローを終了する。一方、演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上である場合には、充電電流が安定しているとみなして、その検出された電圧及び電流を、充電開始から規定時間経過時の検出値として、Ｖ１，Ｉ１と決定する（ステップ２０）。また、ステップ２２において、第１の電流閾値以上の電流値が検出されてから規定時間経過していなければ、充電電流がまだ立ち上がり途中であるとみなしてステップ１６に戻る。一方、経過していればステップ２４に移行する。ステップ２４において、演算処理部５０は、演算式（３）に従って、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃを算出する。

したがって、二次電池２００の充電がされる度に内部抵抗値Ｒｃが算出され、図１０に示されるように、充電開始を判定するための第１の電流閾値と第１の電流閾値より大きい第２の電流閾値とを設定することによって、二次電池２００に対する充電開始時点を確実に捉えて、安定した充電状態での検出値を内部抵抗値の算出に用いることができる。

また、携帯機器３００が間欠的に電流を消費するような動作をする場合（例えば、通常電力消費モードと低消費電力モードとの切り替えが間欠的に行われる場合、定常状態の消費電流は１ｍＡであるが定期的に消費電流が１００ｍＡになる場合）、充電開始前電流Ｉ０や充電開始後電流Ｉ１の検出タイミングに充電の立ち上がりタイミングが重なると、内部抵抗値の算出誤差が大きくなる。しかしながら、携帯機器３００の動作状態を考慮して、上述のように、２つの電流閾値を設定して内部抵抗値を算出することによって、内部抵抗値の算出誤差を抑えることができる。また、内部抵抗値の算出誤差を抑えるため、携帯機器３００の動作状態を考慮し、例えば、複数回の検出値の平均値、複数回の検出値のうち多数一致の平均値、連続ｎ回一致する検出値などを、内部抵抗値演算式の代入値として採用してもよい。

ところが、二次電池２００や電池パック１００Ａの構成部に温度特性が存在する場合、内部抵抗値Ｒｃは温度特性を持っている。例えば、二次電池２００の開放電圧は、その周囲温度が高くなるにつれて小さくなる傾向がある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０などが、抵抗やトランジスタやアンプ等のアナログ素子を備えるため、温度依存回路部になり得る。基本的に集積回路の設計段階では、ウエハ内素子の温度依存性を考慮して設計されるが、製造プロセスのばらつきやウエハ面内の特性ばらつき等が存在するため、僅かではあるが製造されたＩＣは温度特性を持つことになる。

そこで、抵抗算出時の温度情報を利用して、いかなる温度で測定を行った場合であっても、算出された内部抵抗値が等しくなるように補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２４で算出した抵抗値Ｒｃを周囲温度に応じて補正することによって、第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出する（ステップ２６）。

内部抵抗値の温度による補正方法は、任意の適切な方法を用いればよい。「内部抵抗値−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０による測定時の温度により内部抵抗値Ｒｃを補正した第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出することができる。

さらに、算出された内部抵抗値は、二次電池の残容量に応じても変化するため、測定時の残容量が異なっても略一定の内部抵抗値が算出されるように、補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２６で算出した抵抗値Ｒｃｏｍｐを残容量に応じて補正することによって、第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出する（ステップ２８）。

内部抵抗値の残容量による補正方法は、任意の適切な方法を用いればよい。「内部抵抗値−残容量」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、充電開始直前の残容量Ｑ０により第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを補正した第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出することができる。

次に、図３において正確に算出された内部抵抗値に基づいて、微小短絡の判定が行われる。微小短絡の判定フローとして、図４〜７を例示する。なお、微小短絡と判定された場合には、上述と同様に、携帯機器３００のユーザに対する通知動作を行ったり、二次電池２００に対する充電制限動作を行ったりすればよい。

図４では、演算処理部５０は、内部抵抗値Ｒの演算値が更新された場合（ステップ４０）、その演算値が所定の閾値Th1（例えば、１００ｍΩ）を下回っている場合には、微小短絡と判定する（ステップ４２）。

図５では、演算処理部５０は、内部抵抗値Ｒの演算値が更新された場合（ステップ５０）、前回から所定回数前までの演算ステップで最も高い測定値を示した内部抵抗値Rmax（メモリ６０に記憶）からステップ５０において演算された現在の内部抵抗値Rnewを差し引いた差分が所定の閾値Th2よりも大きい場合には（ステップ５２）、微小短絡と判定する。なお、ステップ５２において、その差分が閾値Th2よりも大きくない場合において、過去の最大の内部抵抗値Rmaxが現在の内部抵抗値Rnewより小さい場合には（ステップ５４）、内部抵抗値Rmaxを現在の内部抵抗値Rnewの値に更新する（ステップ５６）。

図6では、演算処理部５０は、内部抵抗値Ｒの演算値が更新された場合（ステップ６０）、前回の演算ステップでの内部抵抗値Rlastから今回のステップ６０の演算ステップで演算された内部抵抗値Rnewを差し引いた差分が所定の閾値Th3より大きい場合には（ステップ６２）、微小短絡と判定する。

図7では、演算処理部５０は、内部抵抗値Ｒの演算値が更新された場合（ステップ７０）、内部抵抗値が規定回数連続で減少していることを検出した場合には、微小短絡と判定する。すなわち、前回の内部抵抗値Rlastが今回の内部抵抗値Rnewより大きくない場合には、カウンタのカウント値Countをクリアし（ステップ７４）、前回の内部抵抗値Rlastが今回の内部抵抗値Rnewより大きい場合には、カウント値Countをインクリメントする（ステップ７６）。カウント値Countが所定の閾値Th４より大きい場合には（ステップ７８）、微小短絡と判定する。

ここで、Th1等の微小短絡判定用閾値は、メモリ６０に記憶されるとよい。メモリ６０に記憶された微小短絡判定用閾値を書き替えることによって、携帯機器３００や二次電池２００の仕様毎に微小短絡判定用閾値を容易に変更することができる。すなわち、電池パック１００Ａが装着される携帯機器３００の仕様や電池パック１００Ａに内蔵される二次電池２００の仕様が変更されても、微小短絡判定を適切に行うことができる。

また、演算処理部５０は、微小短絡判定を行うに当たり、二次電池２００に給電を開始する前での検出値に基づいて算出された初期内部抵抗値を微小短絡判定用の判定基準値として、二次電池２００の微小短絡の判定を行ってもよい。演算処理部５０は、初期内部抵抗値と二次電池２００に給電を開始した後での検出値に基づいて算出された内部抵抗値との比較によって、二次電池２００の微小短絡状態を判断する。例えば、給電開始前の初期内部抵抗値から給電開始後の内部抵抗値を差し引いた差分が所定値以上大きいことが検出された場合に二次電池２００の微小短絡が進行したと判断する。

また、初期内部抵抗値は、電池パック１００Ａが携帯機器３００に装着される前に（例えば、電池パック１００Ａが出荷される前に）二次電池２００が初めて充電される時の充電開始前後間での電圧及び電流の検出値に基づいて、算出可能である。演算処理部５０は、電流検出部３０などによって初回の充電動作を自動検出した場合、その初回充電開始前後間での検出値に基づいて初期内部抵抗値を算出し、その算出結果を劣化判定用の判定基準値としてメモリ６０に記憶する。初回の充電は、例えば、電池パック１００Ａの電極端子から充電のパルス電流を電池パック１００Ａの外部から供給することによって行われるとよい。

したがって、上述の実施例によれば、電流や電圧等の検出回路や充電容量や内部抵抗値の算出回路が電池パック１００Ａ内に設けられているので、微小短絡検出のための専用の測定装置を外部装置として又は携帯機器３００の内蔵装置として設ける必要が無くなるばかりでなく、電池パックを製品として出荷する前後の保存期間中や、一般ユーザが携帯機器３００を利用している期間中であっても、微小短絡の判定をすることが可能となり、出荷以前に発生した微小短絡や出荷後に発生・成長する微小短絡を判定することができるようになる。

一般的に、二次電池を利用する機器はユーザが製品を購入した時にはじめて機器本体に接続される。したがって、それまでの保管状態で微小短絡が発生していることも考えられる。本技術では、電池パック内部に微小短絡の検出回路が設けられているため、電池パックが保存状態であっても、内蔵の二次電池を電源として微小短絡の検出動作を実行することができる。また、機器本体への電池の装着を販売店で行うことで、二次電池の電池情報が携帯機器側で取得されることにより携帯機器のディスプレイに二次電池の交換を促す画面が表示され、ユーザの手に渡る前に不良電池を見分けることができる。

また、単に一定時間異常充電が継続した場合に何らかの異常が発生したと判定して保護動作を行う方法では、経過時間によっては過剰に充電されるおそれがあるが、充電開始時の残容量を考慮した本実施例では、そのような過充電の問題は発生しない。

また、微小短絡等の異常が検出されたことを電池パックが利用される携帯機器に伝えることで、携帯機器側で利用者に対して電池の交換を促し、発火などの不具合が起こる前に電池を回収することができる。

また、上述の充電開始前後間での検出値に基づいて算出された内部抵抗値は、交流によって測定されるインピーダンスと比べて、劣化時の抵抗変化が大きく現れる。そのため、抵抗値算出時の誤差が、判定閾値との比較を行う劣化判定に与える影響を抑えることができる。

また、初期状態から電池状態を監視しているため、例えば内部抵抗値が増加傾向から減少傾向に変わることを検出することによって、電池内の微小短絡などの劣化異常を検出することができるとともに、携帯機器３００やそのユーザに対してその劣化異常を伝えることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、起動電流や放電電流が短期間でもあっても略一定である携帯機器であれば、上記の充電開始前後間での検出値に基づいて内部抵抗値を算出する算出処理を、放電開始前後間での検出値に基づいて内部抵抗値を算出する算出処理に置き換えても、同様の考えで同様の効果が得られる。また、定電流充電を行っている際に一定期間充電を停止させることによって電圧降下が発生するため、その電圧低下を上述の放電開始と置き換えることによっても、同様の考えで同様の効果が得られる。また、充電を停止し、一定時間経過後に充電を再開することによって電圧上昇が発生するため、その電圧上昇を充電開始と上述の充電開始と置き換えることによっても、同様の考えで同様の効果が得られる。

また、内部抵抗値を算出するために利用する充電開始後の電圧と電流の検出タイミングをメモリ６０に格納された記憶値に応じて変化させることによって、二次電池の種類に応じた最適な検出タイミングで充電開始後の電圧と電流を検出することができる。

本発明に係る電池パックの実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。充電容量に基づいて二次電池の微小短絡を検出するフローチャートである。電池パック１００Ａ内の管理システムの内部抵抗値の算出フローである。微小短絡の第1の判定フローである。微小短絡の第２の判定フローである。微小短絡の第３の判定フローである。微小短絡の第４の判定フローである。充放電サイクル数と各充放電サイクルにおいて充電が止まるまでに二次電池に充電される充電容量との関係を表すデータである。充放電サイクル数と各充放電サイクルでの内部抵抗値との関係を表すデータである。充電検出のシーケンスである。２５℃における「開放電圧−充電率」特性を示した図である。

符号の説明

１０温度検出部
２０電圧検出部
２１起動電圧検出部
３０電流検出部
３１起動電流検出部
４０ＡＤＣ
５０演算処理部
６０メモリ
７０通信処理部
８０タイマ
１００Ａ電池パック
２００二次電池
３００携帯機器

Claims

二次電池の残容量を算出する残容量算出手段と、
前記二次電池の満充電容量を算出する満充電容量算出手段と、
前記二次電池の充電中に充電された充電容量と前記残容量算出手段によって該充電が開始する直前の算出タイミングで算出された残容量と前記満充電容量算出手段によって該充電が開始する前に算出された満充電容量とに基づいて前記二次電池が過充電されたことを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する微小短絡判断手段と、
前記微小短絡判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える、電池状態検知装置。
前記二次電池の充電中に充電された充電容量をQchg、前記残容量算出手段によって該充電が開始する直前の算出タイミングで算出された残容量をQrem、前記満充電容量算出手段によって該充電が開始する前に算出された満充電容量をQbat、１以上の正の係数をKとしたときに、
前記微小短絡判断手段は、
（Qrem＋Qchg）／Qbat＞K
で表される関係式が成立する場合に、前記二次電池は微小短絡していると判断する、請求項１に記載の電池状態検知装置。
前記出力手段は、前記二次電池の異常を通知するための信号を出力する、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
前記出力手段は、前記二次電池の充電を制限するための信号を出力する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池状態検知装置。
二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
前記内部抵抗値算出手段によって算出される内部抵抗値がその初期値から減少していることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する微小短絡判断手段と、
前記微小短絡判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える、電池状態検知装置。
前記微小短絡判断手段は、前記内部抵抗値算出手段によって前記二次電池が充電される毎に算出される内部抵抗値に基づいて前記二次電池の内部抵抗値がその初期値から減少していることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する、請求項５に記載の電池状態検知装置。
前記微小短絡判断手段は、前記内部抵抗値算出手段によって前回以前の充電サイクルで算出された内部抵抗値から今回の充電サイクルで算出された内部抵抗値を差し引いた差分が所定の判定値を超えることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判断する、請求項５又は６に記載の電池状態検知装置。
前記内部抵抗値算出手段は、前記二次電池の充電開始前後間での電圧差と電流差とに基づいて、前記二次電池の内部抵抗値を算出する、請求項５から７のいずれか一項に記載の電池状態検知装置。
前記内部抵抗値算出手段は、
前記二次電池の所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで検出された第１の電圧値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで検出された第２の電圧値との電圧差と、
該所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで検出された第１の電流値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで検出された第２の電流値との電流差と、に基づいて、
前記内部抵抗値を算出する、請求項８に記載の電池状態検知装置。
前記出力手段は、前記二次電池の異常を通知するための信号を出力する、請求項５から９のいずれか一項に記載の電池状態検知装置。
前記出力手段は、前記二次電池の充電を制限するための信号を出力する、請求項５から１０のいずれか一項に記載の電池状態検知装置。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池状態検知装置と前記二次電池とを内蔵する電池パック。
二次電池に充電可能な充電容量を超える充電容量が前記二次電池の充電中に充電されたことを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判定する、電池状態検知方法。
二次電池の充電が開始される直前の残容量とその直前での満充電容量とを測定することによって、二次電池に充電可能な充電容量を特定する、請求項１３に記載の電池状態検知方法。
二次電池の内部抵抗値がその初期値から減少していることを検出することにより、前記二次電池の微小短絡を判定する、電池状態検知方法。