JP2010197395A - バッテリの充電状態の測定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バッテリの負荷状態で使用することができ、かつ外部条件に依存しないような、バッテリの充電状態を測定する。
【解決手段】負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力(VEMF)を計算し、このようにして計算した起電力(VEMF)にもとづいて、予め計算した起電力(VEMF)と充電状態との関係によって充電状態を測定する、バッテリ1の充電状態の測定方法。
【選択図】図5
【解決手段】負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力(VEMF)を計算し、このようにして計算した起電力(VEMF)にもとづいて、予め計算した起電力(VEMF)と充電状態との関係によって充電状態を測定する、バッテリ1の充電状態の測定方法。
【選択図】図5
Description
本発明は一般に、バッテリの端子電圧にもとづく充電状態の測定に関するものであり、特にリチャージャブルバッテリ(蓄電池)に関するものである。
本発明は、専らではないが、特にリチウムイオンバッテリに関するものであり、本明細書では特にこのバッテリを使用する例について説明する。しかし、本発明は他の種類のバッテリにも、同様に関係するものである。
現在、多くの電気機器がバッテリによって給電されている。こうした機器の動作中には、バッテリが次第に放電されて、最後には空状態になる。バッテリが空状態になり、その結果機器が機能を停止する事態に、ユーザが不用意に直面しないために、多くの機器にとって、瞬時的な充電状態をユーザに指示することが所望されている。このことが特に所望される機器の重要例が、ビデオカメラ、ラップトップコンピュータ及び移動電話機である。通常は、バッテリの充電状態が、例えば3段階または4段階のように大まかに指示されれば十分である。しかし一部の場合には、例えば最大充電に対するパーセントで、あるいは残り動作時間を分で、または秒までも表現するように、充電状態が正確に読み出せることが望ましい。本明細書では特に移動電話機の場合について説明するが、他の使用にも同様なことが当てはまり、本発明の使用範囲はより広きにわたる。
なお本明細書で「充電状態」とは一般に、関連するバッテリ内に存在する電荷またはエネルギの量を意味する。この電荷またはエネルギは、最大値の一部分として、絶対値または相対値で表現される。この場合には、0%が空状態のバッテリに相当し、100%が完全に充電されたバッテリに相当する。しかし、バッテリの充電状態を、このバッテリが放電された度合いとして規定して、この場合には0%が完全に充電されたバッテリに相当し、100%が空状態のバッテリに相当するようにできることは、当業者にとって明らかである。
バッテリの充電状態を規定する種々の方法が既知であり、これらは、大部分のタイプのバッテリの端子電圧が充電状態に依存するということにもとづくものである。バッテリが放電するほど、端子電圧が下降する。このため既知の測定方法では、バッテリの端子電圧を常時測定して、指示する充電状態は、測定した端子電圧から導出する。
しかし実際には、この測定原理はいくつかの問題を生じさせる。まず第1には、端子電圧が充電状態に専ら依存するものではなく、バッテリの温度及びバッテリの経年、あるいはバッテリに対して行われた充電/放電サイクルの回数のような他の要因にも依存する。またバッテリが使用中の際には、端子電圧はバッテリによって供給される電流の大きさにも依存し、このことは、負荷のインピーダンス及びバッテリの端子インピーダンスも関与することを意味する。従って後者の要因を排除するためには、無負荷状態でのバッテリの端子電圧を測定する方が良いが、これは必ずしも可能ではない。さらに、負荷を非接続にした後に、バッテリの端子電圧が安定値に達するまでにはいくらかの時間を要する(リラクゼーション、包絡)。
ここでのさらなる問題は、移動電話機のような機器用のリチャージャブルバッテリは、バッテリの接触面が応用機器の接触面に対応するようなバッテリパックに収容されているということである。一般に、安全スイッチのような構成要素が、バッテリ端子とバッテリパックの接触面との間に設けられ、その結果、この経路で電圧損失が発生する。さらに、バッテリパックと機器との間に接触抵抗が発生して、接触面の汚損のような未知かつ可変の要因に依存して、大きさが未知であり、かつ時間的に不定の電圧損失を生じさせる。これらすべてのことは、実際には、応用機器内での実際のバッテリの端子電圧が直ちに測定可能ではないことを意味する。
従って本発明の目的は、前述した問題を緩和または排除するような、バッテリの充電状態を測定する方法を提供することにある。特に本発明の目的は、バッテリの負荷状態で使用することができ、かつ外部条件に依存しないような、バッテリの充電状態を測定する方法を提供することにある。
本発明は、バッテリの充電状態とこのバッテリの起電力(以下これをVEMFとも称する)との間には関係があり、この関係が外部条件からかなり独立したものであるということにもとづくものである。
こうしたことにもとづき、本発明によるバッテリの充電状態を測定する方法は、バッテリのVEMFを測定して、前記関係にもとづいて、測定したVEMFから充電状態を求めることを特徴とする。
本発明のさらなる要点は、少なくともリチウムイオンバッテリについては、バッテリの電荷対VEMFの特性が、段階どうしの間の遷移がかなり明確な多数の段階を有し、これらの段階の位置は、周囲要因の変動にはほとんどあるいは全く依存しないということにもとづくものである。このため、これらの遷移を較正点と考えることができる。このことにもとづき、本発明によるバッテリの充電状態を測定する方法は、充電及び放電のそれぞれの期間中にdVEMF/dQを規則的な時間間隔で測定して、この測定の結果にもとづいて充電状態を求めることも特徴とすることが好ましい。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1に一般的なバッテリの電圧特性を示し、ここではバッテリの端子電圧Vを任意単位で縦軸にプロットし、バッテリの電荷Qを最大値に対するパーセントで横軸にプロットして、このバッテリの充電状態を表現している。この特性は完全なフル充電(図の左)から空状態(図の右)までの範囲に広がり、それぞれ100%及び0%で図に示す。なお実際には、バッテリの端子電圧が所定の電圧値未満に減少した場合には、このバッテリが既に空状態であるものとするが、この場合には瞬時電荷がまだ0%より大である。例えばフル充電されたリチウムイオンセルの端子電圧は4.1Vであり、端子電圧が3.0Vまで減少した際に、このセルが空状態であるものとする。
図1に示すバッテリの電圧特性は、比較的平坦な中央段階を有する連続下降関数である。特性の正確な形状は、バッテリのタイプに依存する。原則として、関連するバッテリの電圧特性が既知である場合には、瞬時端子電圧VMを測定することによって、瞬時的な充電状態QMが測定可能であることは明らかである。
前述したバッテリパックの場合には、瞬時端子電圧の測定には、既に問題がありうるが、一般には、瞬時端子電圧はかなり正確に測定することができる。しかし、既に前述したように、バッテリ特性は、温度及び負荷のような外部条件に依存する。端子電圧特性曲線が縦方向に微小に移動しても、この特性曲線から導出されるべき瞬時充電状態が比較的大きく変化することになることは、図1から明らかである。従って既知の測定方法においては、温度をパラメータとした種々の端子電圧曲線を有する必要があり、さらにどの曲線が有効であるかを特定するために、瞬時温度を測定することが必要である。さらに既知の方法では、負荷状態の変化、及びバッテリの内部インピーダンスの変化に対する修正が必要である。
さらに、既に前述したように、バッテリ負荷によって生じる問題は基本的には、無負荷端子電圧または開放回路電圧(以下VOCVとも称する)を測定することによって解決することができる。しかし、例えば移動電話機またはラップトップコンピュータのような関連機器は、電源を切断しなければならないので、このことは必ずしも可能ではない。他方では、バッテリの開放回路電圧VOCVが安定値に落ち着くまでには、比較的長い時間を要する。
本発明の識見によれば、参照符号VEMFを付けたバッテリの起電力をパラメータとして取り上げる際に、前記の問題が生じないか、少なくとも大幅に緩和される。相対的な充電状態対VOCVの特性は、図1のものと対比できる形状を有するが、温度、経年及び負荷のようなパラメータからかなり独立していることがわかる。このことは、バッテリの充電状態を測定するために、2つのデータが重要であることを意味する。まず第1には、関連するバッテリの相対的な充電状態対前記VOCVの特性が既知でなければならない。このことは、従来法における、充電状態対端子電圧の特性を知る必要性と対比することができるが、いくつかの重要な相異が存在し:第1の相異は、検出するものは端子電圧ではなくVEMFであるということであり、第2の相異は、周囲要因にかかわらず、単一の特性のみが必要であるということである。
第2には、充電状態対VEMFの特性を知る必要がある毎に毎回、関連するバッテリのVEMFを測定すべきであるということである。
以下、バッテリの挙動について詳細に説明し、負荷状態での端子電圧VCCVを測定することによって、VEMFを測定することができる方法を明らかにする。充電状態対VEMFの特性を測定してメモリに記憶する方法は、当業者にとって明らかであるので、本明細書ではこれについての記述を省略する。
図2に、リチウムイオンバッテリの特性を表わす典型的な曲線を示し、これらはCCCV(定電流定電圧)モードにおける、それぞれ充電中及び放電中のものである。負荷状態でのバッテリのVCCVを左側の縦軸にプロットし、時刻を横軸にプロットしている。バッテリに流れる電流を右側の縦軸にプロットし、正の値がバッテリの充電を示し、負の値がバッテリによる電流の供給を示す。上の曲線はVCCVを表わす。下の曲線は電流Iを表わす。サイクルは図2の左から始まり、ここではバッテリが空状態であるものと仮定する。図2のグラフは、A、B、及びCの3段階に区別することができる。第1段階Aでは、バッテリが一定電流強度I0で充電される。この段階Aでのバッテリの端子電圧VCCVは、所定の最大値VMAXまで上昇する。第2段階Bにおいてバッテリの充電が進むにつれて、端子電圧VCCVが前記最大値VMAXで一定に維持されて、充電電流Iが、実際にはI0の10%またはそれ未満の小さい値まで減少する。この瞬間には、バッテリがフル充電(100%)されているものと考えることができる。
なおこの最大値は、これ以上の電荷をバッテリに蓄積することができないという意味ではない。端子電圧をより高い値に設定した場合には、再び充電電流が発生する。しかしこの最大値はバッテリに対して定められている。実際には、製造者によって指定されたVMAXが存在し、上述した指示に従って充電した場合には、バッテリがフル充電されたものと考えることができる。
図2の電流曲線の下部領域で表現される、電流強度を時間で積分した値が、電荷QINの供給量の尺度であることは、当業者にとって明らかである。
第3段階Cでは、バッテリを充電した電流I0に等しく逆向きの電流−I0を供給すべく、バッテリに負荷をかける。時間が経過するにつれて、端子電圧VCCVが減少する。ここで、図2の電流曲線の下部領域で表現される、電流強度を時間で積分した値が、バッテリによって供給される電荷QOUTの量の尺度であることは、当業者にとって明らかである。実際には、段階Cはバッテリが完全に放電されてしまう前に、即ちバッテリの端子電圧が一旦許容範囲外に低下すると消滅する。
図3は、図2の特性を異なる表現で示した図である。この図でも、縦軸には負荷状態での端子電圧VCCVをプロットしているが、横軸にはバッテリに存在する電荷の量をプロットしている。図中の矢印は、この図の特性におけるバッテリサイクルの向きを示すものである。段階A、B及びCは、図2のものに対応するものである。
図3にはさらに、バッテリの起電力VEMFを破線で示す。段階Bの最後にはVEMFがVCCVに等しくなり、この時には電流が0まで減少しており、即ちバッテリの電荷が100%である。段階Aに属するQの値に対しては、VEMFの曲線がちょうど曲線Aと曲線Cの間に位置する。
これにより、1つの特定の瞬時充電状態QM、及びバッテリに流れる1つの特定の電流強度I0に対しては、バッテリが充電されているか(段階A)、負荷がかけられているか(段階C)に応じて、端子電圧VCCVの値をVCCV(A0)及びVCCV(C0)に仮定することができる。これら2つの値を図3に示す。またこれら2つの値を図4にも示し、図4は負荷状態での端子電圧VCCVを電流強度Iに対してプロットした図である。点VCCV(C0)は電流強度の負の値に対応するものである。
図3の充電/放電特性は、それぞれ充電用(I0)及び放電用(−I0)の、1つの所定電流強度に関するものである。他の電流強度の値に対しては、曲線A及びCは同様の外見であるが、これらの縦方向の間隔が異なり:電流強度Iの増加とともにこの間隔が増加する。より詳細には、電流強度Iが増加するにつれて、曲線Aが上昇し曲線Cが下降する。このことは、同じ充電状態QMに対して、I0より高い他の電流強度I1を選択した場合には、端子電圧VCCVはそれぞれ、より高い値VCCV(A1)及びより低い値VCCV(C1)が見込まれる。図4では、異なる電流強度I1及びI2に対してこのことを示している。
これらのプロット点をすべて集積して、図4で参照文字Dを付した特性曲線が規定される。バッテリの起電力VEMFは、この曲線が縦軸と交差する点であり、即ちI=0の点である。実際には、この曲線Dは近似的には線型であり、前記交差する点に関して対称であることがわかる。
なお、VCCV(Ai)とVEMFとの相違、あるいはVCCV(Ci)とVEMFとの相違は、とりわけバッテリの内部インピーダンス、バッテリパックのインピーダンス、接触面の接触抵抗、等に依存する。実際には、たとえ一定電流強度の場合でも、この相違は時間と共に変動する。しかしこのことは、以下の説明から明らかなように、VEMFの測定に影響するものではない。
本発明は、負荷状態のバッテリ(パック)の端子電圧を測定することによって、VEMFを測定することができる種々の方法を提供するものである。これらの方法は、次の通りである。
(1a) 充電中の補外;
(1b) 放電中の補外;
(2) 交互の充電/放電中の補間。
(1a) 充電中の補外;
(1b) 放電中の補外;
(2) 交互の充電/放電中の補間。
(1a) 充電中の補外
バッテリの充電中に、電流強度Iを種々の値Iiに短時間設定して、この時に発生する値VCCV(Ai)を測定する。この測定は比較的短時間で済むので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記VCCVとIの関係の少なくとも一部(曲線Dの右半分)を再構成することができる。次にI=0に対する測定データを補外することによってVEMFが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Dが直線的関係にある際には、この方法が最も簡単であり:この場合には、曲線D上の2つの測定点A1及びA2で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。そして電流強度の正確な値I1及びI2を知る必要はなく、これらの相互の比率を知れば十分である。倍電流化によって簡単にI1からI2を導出できるので、I2をI1の2倍の大きさに選択することが好ましい。
バッテリの充電中に、電流強度Iを種々の値Iiに短時間設定して、この時に発生する値VCCV(Ai)を測定する。この測定は比較的短時間で済むので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記VCCVとIの関係の少なくとも一部(曲線Dの右半分)を再構成することができる。次にI=0に対する測定データを補外することによってVEMFが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Dが直線的関係にある際には、この方法が最も簡単であり:この場合には、曲線D上の2つの測定点A1及びA2で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。そして電流強度の正確な値I1及びI2を知る必要はなく、これらの相互の比率を知れば十分である。倍電流化によって簡単にI1からI2を導出できるので、I2をI1の2倍の大きさに選択することが好ましい。
所定のバッテリタイプの曲線Dが非線型である場合には、例えば2次または3次多項式のような多項式によって曲線Dを近似することができ、この多項式の係数に適合させるために複数の測定点が必要であることは、当業者にとって明らかである。
(1b) 放電中の補外
(1a)に記述した方法と同様の方法で、バッテリの放電中に電流強度Iを種々の値Iiに短時間設定して、この時に発生する値VCCV(Ci)を測定する。この測定は比較的短時間で行われるので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記VCCVとIの関係の少なくとも一部(曲線Dの左半分)を再構成することができる。そしてここでも、I=0に対する測定データの補外によってVEMFが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Dが線型関係にある際には、この方法が最も簡単であり:この場合には、曲線D上の2つの測定点C1及びC2で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。またこの場合にも、電流強度の相互の比率を知れば十分である。
(1a)に記述した方法と同様の方法で、バッテリの放電中に電流強度Iを種々の値Iiに短時間設定して、この時に発生する値VCCV(Ci)を測定する。この測定は比較的短時間で行われるので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記VCCVとIの関係の少なくとも一部(曲線Dの左半分)を再構成することができる。そしてここでも、I=0に対する測定データの補外によってVEMFが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Dが線型関係にある際には、この方法が最も簡単であり:この場合には、曲線D上の2つの測定点C1及びC2で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。またこの場合にも、電流強度の相互の比率を知れば十分である。
またこの場合にも、所定のバッテリタイプの曲線Dが非線型である場合には、曲線Dを、例えば2次または3次のような多項式によって近似できるということが成り立ち、この多項式の係数に適合させるために、複数の測定点が必要であることは、当業者にとって明らかである。
(2) 交互の充電/放電中の補間
バッテリを比較的短時間(例えば1分のオーダの)中に、所定の電流強度I0で放電させて、その後に、同じ時間の間に、同じ電流強度I0で充電するか、あるいはその逆を行う。充放電両方の場合に発生する端子電圧VCCV(A0)及びVCCV(C0)を測定する。そして測定した2つの端子電圧VCCV(A0)及びVCCV(C0)を単に平均することによって、対応するVEMFの値を得ることができる。原則的には、この方法によって、前述した補外法よりもやや高い精度を得ることができ、また曲線Dが非線型である場合にも、満足なものとなる。
バッテリを比較的短時間(例えば1分のオーダの)中に、所定の電流強度I0で放電させて、その後に、同じ時間の間に、同じ電流強度I0で充電するか、あるいはその逆を行う。充放電両方の場合に発生する端子電圧VCCV(A0)及びVCCV(C0)を測定する。そして測定した2つの端子電圧VCCV(A0)及びVCCV(C0)を単に平均することによって、対応するVEMFの値を得ることができる。原則的には、この方法によって、前述した補外法よりもやや高い精度を得ることができ、また曲線Dが非線型である場合にも、満足なものとなる。
前述した3つの方法のすべてにおいて、正確な電流強度を知る必要はない。電流強度どうしの間の相対比がわかれば十分である。しかし補間法(2)においては、充電中の電流強度が放電中の電流強度に等しいことが好ましく、その理由は、このことにより、存在しうる非線型効果の作用が相殺されて、この式によりVEMFが可能な限り簡単に計算できるようになるからである。
図5に、バッテリ1が、接触面4及び5を有するバッテリパック3に含まれている回路図を概略的に示す。バッテリ1の内部インピーダンスと、バッテリ1と接触面4、5の間のインピーダンスをまとめて、直列インピーダンス2として表現する。
ラップトップコンピュータまたは移動電話機のような応用機器をまとめて参照番号10で表わす。機器10の電気回路はバッテリパック3によって給電され、この回路をまとめて負荷Lとして図的に表現する。機器10は、バッテリパック3を収納してこれを保持すべく機構的に適合された筐体(一般に知られており、図示せず)を有し、機器10はさらに、バッテリパック3の接触面4、5に対応する接触面14及び15を有する。本実施例では簡単のために、一方を機器の接触面14、15、他方をバッテリパックの接触面4、5とした、これらの間の接触抵抗は、インピーダンス2の一部を形成するものと仮定して記述する。
本発明を実現するために、例えば適切にプログラムしたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ等のような形態の、データ処理及び制御ユニット20(以下、簡単に制御手段と称する)を用意する。メモリ21は制御手段20に関連するものであり、これはバッテリ1の起電力VEMFと、このバッテリの充電状態との関係を記憶する。この関係を、表、公式、あるいは多項式のような関数の係数の形式で記憶できることは、当業者にとって明らかである。電流計12は負荷Lと直列に設けられて、電流測定信号を制御手段20に供給し、この信号はバッテリ1に流れる電流の強度を表現するものである。電圧計13は機器10の接触面14、15の間に設けられて、電圧測定信号を制御手段20に供給し、この信号はこれらの接触面間の電圧を表現するものである。
機器10はさらに、第1の可制御電流源31を含み、これは機器10の接触面14、15に接続され、制御手段20によって制御される。この代わりに、可制御電圧源を充電回路に含めることができることは、当業者にとって明らかである。可制御電流源31(または電圧源)は電流を供給する電流源であり、これはバッテリ1の充電を行うものである。第1の可制御電流源31用の電力供給回路は図に示していないが、電力線に接続するための標準的な電力供給回路とすることができることは、当業者にとって明らかである。
機器10はさらに、第2の可制御電流源32を含み、これは負荷Lと並列に接続され、制御手段20によって制御される。第2の可制御電流源32は消失(ディシペーション)電流源であり、これはバッテリ1から電流の排出を行わせて、放電電流でバッテリに負荷をかけるものである。消失電流源の代わりとして、受動インピーダンス(例えば抵抗)と、制御手段20によって制御可能なスイッチとを直列配置したものを使用することができる。
また図5には、機器10が、充電状態識別信号の表示用のディスプレイ22を有することを示す。例えばラップトップコンピュータまたは移動電話機の場合には、このディスプレイは、機器10の通常のディスプレイの一部として形成することができるが、独立したディスプレイを用意することも同様に可能である。当業者にとって明らかな方法で、充電状態識別信号を制御手段20によってこのディスプレイ上に表示することができ、従って本明細書では説明を省略する。
通常使用中の動作
通常使用中には、負荷Lはバッテリパック3から給電される。そしてバッテリパック3によって供給される電流が、制御手段20によって電流センサ12を用いて測定され、接触面14、15間の入力電圧が、制御手段20によって電圧計13を用いて測定される。制御手段20は、バッテリパック3によって供給される電流の強度を、規則的な時間間隔で増加させて、その結果の、接触面14、15間の入力電圧を測定すべく適応されている。この目的のために、制御手段20は、追加的な電流をバッテリパック3から排出させるような方法で、消失電流源32を制御する。このことは負荷Lには影響しない。
通常使用中には、負荷Lはバッテリパック3から給電される。そしてバッテリパック3によって供給される電流が、制御手段20によって電流センサ12を用いて測定され、接触面14、15間の入力電圧が、制御手段20によって電圧計13を用いて測定される。制御手段20は、バッテリパック3によって供給される電流の強度を、規則的な時間間隔で増加させて、その結果の、接触面14、15間の入力電圧を測定すべく適応されている。この目的のために、制御手段20は、追加的な電流をバッテリパック3から排出させるような方法で、消失電流源32を制御する。このことは負荷Lには影響しない。
前の(1b)以下の「放電中の補外」に記述したように、制御手段20はさらに、測定データから補外によってVEMFを計算すべく適応されている。その後に、メモリ21内の関係及び計算したVEMFにもとづいて、バッテリパック3のバッテリ1の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ22上に表示することができる。
本発明によれば、前記の関係は周囲要因からかなり独立したものとなり、その結果、このようにして計算した充電状態は、温度のような周囲要因についての修正を必要とせず、非常に高信頼性かつ正確なものとなる。
充電モードでの動作
制御手段20は、機器10の充電回路が電力線のような電源に接続された際に、第1電流源31を制御して充電電流を供給すべく適応され、この充電電流の大きさは、所定のパターンに従って時間の関数として制御される。そしてバッテリパック3によって消費される電流は、制御手段20によって、電流計12を用いて測定され、接触面14、15間の入力電圧は、制御手段20によって、電圧計13を用いて測定される。本発明によれば、制御手段20はさらに、規則的な時間間隔で、充電電流強度を前記パターンから分布した値に短時間設定して、この時に発生する入力電圧を記憶すべく適応される。
制御手段20は、機器10の充電回路が電力線のような電源に接続された際に、第1電流源31を制御して充電電流を供給すべく適応され、この充電電流の大きさは、所定のパターンに従って時間の関数として制御される。そしてバッテリパック3によって消費される電流は、制御手段20によって、電流計12を用いて測定され、接触面14、15間の入力電圧は、制御手段20によって、電圧計13を用いて測定される。本発明によれば、制御手段20はさらに、規則的な時間間隔で、充電電流強度を前記パターンから分布した値に短時間設定して、この時に発生する入力電圧を記憶すべく適応される。
第1の変形例では、制御手段20が第1の可制御電流源31を制御して、より高い充電電流強度またはより低い電流強度のいずれかで短時間供給することができる。そして前の(1a)以下の「充電中の補外」に記述したように、制御手段20は、測定データから補外によってVEMFを計算することができ、その後に、メモリ21内の関係及び計算したVEMFにもとづいて、バッテリパック3のバッテリ1の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ22上に表示することができる。
第2の変形例では、制御手段20が、バッテリ1に流れる電流の向きを短時間逆転させることができる。この目的のために、制御手段20は、まず第1電流源31をオフ状態にして、適用可能ならば第2電流源32をオン状態にすべく適応され、これにより、バッテリ1に負荷L用の電流、及び適用可能ならば消失電流源32用の電流を供給させる。そして前の(2)以下の「充電/放電中の補間」に記述したように、制御手段20は測定データから補間によってVEMFを計算することができ、その後に、メモリ21内の関係及び計算したVEMFにもとづいて、バッテリパック3のバッテリ1の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ22上に表示することができる。
上述したことは、バッテリ1の充電電流を変化させることを、第1の可制御電流源31によって行うことができ、バッテリ1の放電電流を変化させることを、第2の可制御電流源32によって行うことができ、交互の充電及び放電を、第1の可制御電流源31及び第2の可制御電流源32をそれぞれオン状態またはオフ状態、オフ状態またはオン状態にすることによって達成することができるということを記述したものである。この代案として、2つの電流源31、32を、電流強度を制御することができるだけでなく、必要により電流供給モードまたは電流排出モードに設定することもできる、単一の可制御双方向電流源で置き換えることができる。第1の可制御電流源31に関して前述したことと同様の方法で、このような双方向の電流源を電源回路に接続して、電流供給モードにおいて受電することができる。
図5には、制御手段20及び関連するメモリ21が、物理的に応用機器10に含まれるように示している。しかし、必ずしもそうである必要はない。この代案として、これらのうち1つ以上の部分をバッテリパック3内に収容することができる。特に好適な実施例では、メモリ21が物理的にバッテリパック3内に含まれるか、あるいはバッテリパック3が、所定のタイプのバッテリパックを表現し、かつ制御手段20によって識別可能な手段を有するようにする。こうした識別手段の例が識別レジスタである。こうした好適な実施例では、バッテリパック3と応用機器10との間に通信経路が用意されるべきである。この目的のために、バッテリパック3に情報コネクタ面を設けて、これを応用機器の情報コネクタ面に対応させて、メモリ21をバッテリパック3の情報コネクタ面に接続して、制御手段20を応用機器の情報コネクタ面に接続する。しかし簡単のために、この実施例は図示しない。
メモリ21がバッテリパック3内に存在する場合には、このことは、関連するバッテリに当てはまる特性を1回だけ測定すればよく、その後はこの特性をこのバッテリに関連づけたままにしておくことができるという大きな利点を有し、規則的な時間間隔でバッテリパックを変更する場合に特に有効である。あるいはまた、複数のバッテリパックの複数の関係を応用機器内のメモリに記憶し、そして、この制御手段が読み取り可能な、このバッテリパックに関連する情報にもとづいて、制御手段20が適正な関係を伝えるべく、制御手段20を適応させることができる。
以上の記述においては、既知のVEMFと充電状態との関係から出発して、信頼性をもってこの充電状態の識別を行う方法について記述している。例えば、あるバッテリパックを所定の応用機器で初めて使用するので、前記関係が未知である場合には、原則としてVEMFを測定することによって充電状態を測定することは不可能であり、まず完全な較正サイクルを実行する必要がある。この目的のために、制御手段20を、完全に放電されたと仮定されるバッテリを充電して、このバッテリに転送した電気量(電流を時間で積分した値)を記憶すべく適応させることができる。これは「ブックキーピング法」と称されるものである。前述した方法で、VEMFを規則的な時間間隔で計算して、測定したVEMFを、このバッテリに転送したすべてのエネルギに関連させて、メモリ21に記憶する。
メモリ21が(まだ)情報を有しない場合、あるいは信頼できる情報を有しない場合には、バッテリの充電状態の少なくとも「大まか」な指標を得ることが望ましく、ここで「大まか」とは、フル充電、フル充電の半分位、ほぼ空状態の区別ができれば十分であるということである。本発明によれば、図1に示すようなバッテリの電圧特性の、直ちに識別可能な少しの特徴にもとづいて、こうした大まかな指標を得ることができる。図6に、リチウムイオンバッテリの特性を、図1と同様に示す。この電荷対VEMFの特性は、少なくともリチウムイオンバッテリについては、かなり急な傾斜を有する第1範囲I、かなり緩やかな傾斜を有する第2範囲II、及び再びかなり急な傾斜を有する第3範囲IIIを有している。図6のX軸にQI/II及びQII/IIIの印を付けた、隣接する範囲間の遷移はかなり明確である。本発明の重要な識見によれば、QI/II及びQII/IIIは、周囲要因の変化にほとんど、あるいは全く依存しないと見られる。従ってこれらの遷移は、較正点と考えることができる。
この較正は、充電及び放電中に、dVEMF/dQを規則的な時間間隔で測定して、この測定値を所定の参照値と比較することによって、有効にすることができる。dVEMF/dQがこの参照値よりも小さいと見られる際には、このバッテリはその特性のIIの部分、即ち「フル充電の半分」にある。時間の経過中に、dVEMF/dQが増加して前記参照値を越えたと見られる際には、バッテリが充電中であるか放電中であるかに応じて、このバッテリがその特性のIの部分(ほぼフル充電)に達したか、あるいは特性のIIIの部分(ほとんど空状態)に達したことを意味する。
範囲IとIIの間の遷移、及び範囲IIとIIIの間の遷移を比較的正確に規定することができるので、このような遷移に達したということを、前記ブックキーピング法によって測定された、あるいは本発明による前述の方法によって測定されたQの瞬時値のチェックに使用することができる。
本発明は前述した例に限定されるものではなく、請求範囲に記載した本発明の範疇を逸脱することなく、幾多の変更を加えうることは当業者にとって明らかである。また本発明は、バッテリまたはバッテリパック用の充電装置にも関するものであることは、当業者にとって明らかである。
また当業者にとって、本明細書の記述及び図面から明白な方法及び装置も同様に、本発明の範疇に属することも明らかである。
Claims (17)
- 負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力を計算して、このようにして計算した前記起電力にもとづいて、予め計算した起電力と充電状態との関係によって充電状態を測定することを特徴とするバッテリの充電状態の測定方法。
- 前記バッテリの充電中に、電流強度を種々の値に短時間設定して、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を0にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記バッテリに制御可能な負荷を短時間かけて、種々の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を0にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記バッテリが負荷への給電用であり、消失電流源を設けるか、あるいは補助インピーダンスを前記負荷と並列に設けることによって、前記バッテリによって供給される電流強度を変化させることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の方法。
- 前記バッテリに比較的短時間負荷をかけて、所定の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して;前記バッテリを同じ電流強度で比較的短時間充電して、この時に発生する端子電圧を測定して;このように測定した前記2つの端子電圧を平均することによって、前記測定データから前記起電力を計算することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記のようにして測定した前記バッテリの充電状態を、ディスプレイ等に表示することを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかに記載の方法。
- 前記起電力の変化分を、前記充電状態の関連する変化分で除算した値を計算して;この計算値を所定の参照値と比較して;前記計算値が前記所定の参照値より小さい際には、瞬時的な充電状態が、完全なフル充電未満であるが、完全な空状態以上であることを決定することを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載の方法。
- 電気回路と、バッテリ、あるいは少なくとも1つのバッテリを含むバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合された接触面とを具えたバッテリ給電の応用機器において;該電気回路が:
制御手段と;
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと;
前記負荷と直列に設けられ、前記制御手段に結合された出力を有する電流計と;
前記応用機器の前記接触面どうしの間に接続され、前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え;
前記制御手段が、請求項1から請求項9までのいずれかに記載した方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリ給電の応用機器。 - 前記制御手段によって制御される、前記バッテリの充電用の電流源をさらに具えることを特徴とする請求項10に記載の応用機器。
- 前記制御手段によって制御され、かつ前記負荷と並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の応用機器。
- 前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記応用機器が前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段が前記バッテリパックの対応する結合手段と結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項10から請求項12までのいずれかに記載の応用機器。
- 応用機器の対応する接触面と接触すべく適合された接触面を具えた、該応用機器への給電用のバッテリパックにおいて、このバッテリパックが:
制御手段と;
少なくとも1つのバッテリと;
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと;
前記バッテリと直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と;
前記バッテリパックの前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え;
前記制御手段が、請求項1から請求項9までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリパック。 - 前記制御手段によって制御され、かつ前記バッテリと並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項14に記載のバッテリパック。
- 可制御電流源と、バッテリまたは少なくとも1つのバッテリを具えたバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合された接触面とを具えた、バッテリまたはバッテリパック用の充電装置において、この装置が:
前記電流源を制御する制御手段と;
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと;
前記電流源と直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と;
前記応用機器の前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え;
前記制御手段が、請求項1から請求項9までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とする充電装置。 - 前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記充電装置が、前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段がバッテリパックの対応する結合手段に結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項16に記載の充電装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100921 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110301 |