JP2012533759A - バッテリー充電状態を判定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

バッテリー（５２、１０２、１５０、２０２）の充電状態を判定するためのシステム（５０、２００）及び方法が提供される。前記システム（５０、２００）は、バッテリー（５２、１０２、１５０、２０２）に充電電流を供給するように構成される電源（５６、２０６）を含む。コントローラ（５４、１０４、２０４）が含まれ、インピーダンスに基づく期間の間のバッテリー（５２、１０２、１５０、２０２）のインピーダンスに基づいたバッテリー（５２、１０２、１５０、２０２）の充電状態、及び充電期間の間のバッテリー（５２、１０２、１５０、２０２）の充電状態関係を判定するように構成される。

Description

本発明は、バッテリーを充電するためのシステム及び方法に関し、更に具体的には、バッテリー充電状態を判定するためのシステム及び方法に関連する。

バッテリーは、化学エネルギーをストアし、それを電気エネルギーとして利用できるようにする、直列に接続された２つ又はそれ以上の電気化学セルである。一般的な用法（Common usage）では、定義上単一電気的セルを含むようになってきている。多くの種類の電気化学セルがあり、ガルバニ電池、電解セル、燃料電池、フローセル、及びボルタ電堆（voltaic piles）が含まれる。バッテリーの特性は、内部化学的性質、電流ドレイン、寿命及び温度を含む多くの要因により変化し得る。

バッテリーは、幅広い範囲の電子回路に用いられ得る。再充電することが可能なバッテリーもある。バッテリーの容量、例えば、電力を負荷に伝達する能力、と内部抵抗又はインピーダンスとの間には既知の関係がある。そのため、残存するバッテリー容量を判定するためにバッテリー・インピーダンス・モニターを用いることができる。

本発明の１つの側面は、バッテリーの充電状態を判定するシステムに関連する。このシステムは、バッテリーに充電電流を供給するように構成される電源を含む。このシステムは更に、インピーダンスに基づく放電期間の間のバッテリーのインピーダンスに基づいた充電状態、及び充電期間の間のバッテリーの充電関係の状態を判定するように構成されるコントローラを含む。

本発明の別の側面は、バッテリーの充電状態を判定するシステムに関連する。このシステムは、前記バッテリーに充電電流を供給するように構成される電源を含む。このシステムは更に、前記バッテリーの複数のインピーダンスを判定するように構成されるコントローラを含み、前記複数のインピーダンスの各インピーダンスが前記バッテリーの充電の所定の状態に対応する、システム。

本発明の別の側面は、バッテリーを充電及び放電するための方法に関連する。前記バッテリーに充電電流が供給される。前記バッテリーのために充電の初期状態（ＳＯＣ）が判定される。前記バッテリーは所定の時間間隔の間充電される。前記バッテリーのために後続のＳＯＣが判定される。前記バッテリーの前記後続のＳＯＣに対応する開回路電圧（ＯＣＶ）が判定される。前記バッテリーの前記後続のＳＯＣに対応する、前記バッテリーのためのインピーダンスが算出される。

図１は、本発明の１つの側面に従ってバッテリーの充電状態を判定するためのシステムを図示する。

図２は、本発明の１つの側面に従ったシステムのための回路の一例を図示する。

図３は、バッテリーのための等価回路の一例を図示する。

図４は、本発明の１つの側面に従ってバッテリーの充電状態を判定するための別のシステムを図示する。

図５は、本発明の１つの側面に従ってバッテリーの充電状態を判定するための手法のフローチャートを図示する。

本発明は、バッテリーの充電状態を監視するためのアプローチに関連する。このシステムは、前記バッテリーの初期（initial）開回路電圧を測定し、前記バッテリーのための対応する充電状態を判定することができる。このシステムは更に、充電電流及び前記バッテリーが充電されている時間量に基づいて前記バッテリーの後続の充電状態を判定することもできる。前記後続の充電状態は、対応する後続の開回路電圧を判定するために用いることができ、そして、この後続の開回路電圧は、前記バッテリーのための対応するインピーダンスを判定するために用いることができる。前記バッテリーの前記インピーダンスと前記バッテリーの前記充電状態との間の対応は、ストアされて、前記バッテリーの充電状態を判定するために放電期間の間（例えば、放電サイクル）用いることができる。

図１は、本発明の１つの側面に従ってバッテリー５２の充電状態を判定するためのシステム５０を図示する。前記システム５０は、例えば、ラップトップ・コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ（personal digital assistant）、又は同様のものにおいて実装され得る。前記バッテリー５２は、例えば、リチウムイオンバッテリー（Li-ion）、リチウムイオンポリマー（Li-ion polymer）、ニッケル水素バッテリー（NiMH）、ニッケルカドミウムバッテリー（Ni-Cad）などの再充電可能なバッテリーとして実装され得る。前記システム５０は、電源５６を制御するコントローラ５４を含み得る。前記コントローラ５４及び前記電源５６は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせとして実装され得る。また、図１は、前記コントローラ５４及び前記電源５６が個別のものであることを図示しているが、当業者であれば幾つかの実施例において前記コントローラ５４及び前記電源５６が一体化される場合もあることが分かるだろう。前記電源５６は、前記コントローラ５４に電力信号を供給することができる。前記電源５６は前記バッテリー５２に結合され得る。前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２に供給される電流を制御する制御信号を供給することができる。前記電源５６は、パワー・アウトレット５８（例えば、１１０ボルト（Ｖ）又は２２０Ｖの交流（ＡＣ）電源）などの外部ソースから電力信号を受信することができる。

前記電源５６は、典型的に、前記パワー・アウトレット５８及び前記バッテリー５２の一つを介して、直流（ＤＣ）電力信号を前記コントローラ５４に供給することができ、それにより、システム５０のための電源５６を提供する。既知であるように、典型的に、前記電源５６及び前記コントローラ５４は、前記システム５０が前記パワー・アウトレット５８に接続されているとき前記パワー・アウトレット５８から前記電力信号が供給され、前記システム５０が前記パワー・アウトレット５８から切断されているとき前記バッテリー５２から前記電力信号が供給されるように構成され得る。

前記バッテリー５２における電圧降下は、測定され、前記電源５６及び／又は前記コントローラ５４に供給され得る。例えば、幾つかの実施例において、前記電源５６は、例えば、前記バッテリー５２におけるアナログ電圧降下を検出して、前記アナログ電圧を、前記アナログ電圧の大きさ及び極性を特徴付けるデジタル信号に変換することができる。このような実施例において、前記対応するデジタル信号は前記コントローラ５４に供給され得る。代替として、前記コントローラ５４は、前記アナログ電圧信号を直接受信するように構成されてもよく、前記コントローラ５４は、前記アナログ電圧信号を処理のためデジタル信号に変換することができる。当業者であれば、前記バッテリー５２における前記電圧降下を測定し得る他の方法も分かるであろう。

前記コントローラ５４によって充電状態（ＳＯＣ）データ６０がアクセスされ得る。バッテリーのＳＯＣは、例えば、前記バッテリー５２によってストアされた潜在的電気エネルギーを示すことが可能である。所定のタイムインスタンスでの前記バッテリー５２のＳＯＣが判定される場合、前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２が前記システム５０に電力供給するために適切な電流を提供することを中止するまでの残存する時間（以降では、残存バッテリー実行（run）時間という）を判定することができる。この残存バッテリー実行時間は、例えば、前記バッテリー５２の前記ＳＯＣ、前記バッテリー５２の出力電流、前記バッテリー５２の温度、前記バッテリー５２の寿命などに依存し得る。前記ＳＯＣデータ６０は、例えば、前記バッテリー５２の所定のＳＯＣに対する残存バッテリー実行時間を判定するために前記コントローラ５４が用いることが可能な情報（例えば、アルゴリズム、ルックアップテーブルなど）を含み得る。前記ＳＯＣは、例えば、前記バッテリー５２のフル充電された状態に対するパーセンテージ（例えば、０％〜１００％）で表すことができる。

前記バッテリー５２がリラックス（relaxed）状態である（例えば、前記バッテリー５２から少ししか又は全く電流が引き出されない）とき、前記バッテリー５２における電圧降下が前記コントローラ５４によって測定され得る。前記リラックス状態の電圧は、第１の開回路電圧（ＯＣＶ１）と呼ぶことができる。一例として、ＯＣＶ１は約３ボルト（Ｖ）であり得る。前記コントローラ５４は、ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル６２にアクセスして、ＯＣＶ１に対応する第１の充電状態（ＳＯＣ１）を判定することができる。前記ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル６２は、例えば、個別のＳＯＣに対するＯＣＶをストアする、及びその逆、のデータ構造として実装され得る。つまり、全てのＳＯＣに対して対応するＯＣＶが存在する。ＯＣＶとＳＯＣとの間の関係は、例えば、前記バッテリー５２の寿命など、前記バッテリー５２に対して選択される特定の材料に依存し得る。

前記電源５６は、前記外部パワー・アウトレット５８からのＡＣ信号を、前記バッテリー５２及び／又は前記コントローラ５４に供給され得る、安定化された（regulated）ＤＣ信号に変換することができる。前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２に電流を供給するように前記電源５６に合図することができる。一例として、前記コントローラ５４は、前記電源５６に、例えば、約２Ｖから約４Ｖの電圧で前記バッテリー５２に約０．５アンペア（Ａ）の比較的一定の電流を供給させることができる。所定の時間間隔（例えば、５〜２０分）の後、後続の充電状態（ＳＯＣ２）が数式１で計算され得る。

ここで

は、前記所定の時間間隔にわたる前記バッテリー５２の前記充電状態の変化である。

は、数式４で計算することができる。

ここで、ｔ１は前記所定の間隔の開始時の時間であり、ｔ２は前記所定の間隔の終了時の時間であり、Ｉは前記電源５６によって前記バッテリー５２に供給される充電電流であり、ＦＣＣは前記バッテリー５２のフル充電容量である。

ＳＯＣ２を算出した後、前記コントローラ５４は、前記ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル６２に問い合わせして、ＳＯＣ２に対応する後続のＯＣＶ、即ち、ＯＣＶ２、を判定することができる。また、前記バッテリー５２の実際の電圧出力Ｖｏは、本明細書に記載の方法で（ほぼ時間ｔ２に）測定され得る。このため、ＳＯＣ２に対応する前記バッテリー５２のためのインピーダンスは数式５で得ることができる。

ここで、Ｚ_SOC2は、ＳＯＣ２に対応する前記バッテリー５２のための放電インピーダンスである。前記コントローラ５４は、ルックアップテーブル又はデータベースなどのインピーダンス・データ構造６４にＺ_SOC2をストアすることができる。また、前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２のための前記ＳＯＣが前記バッテリー５２のインピーダンスを測定又は予測することによって後で判定され得るように、ＳＯＣ２をＺ_SOC2と関連付けることができる。また、幾つかの実施例において、前記インピーダンス・データ構造６４は、インピーダンス及び関連するＳＯＣのデフォルトのセットで初期化される。このような状況において、前記コントローラ５４は、デフォルトＺ_SOC2を数式３で算出されたＺ_SOC2で置き換えることができる。

前記コントローラ５４は、上述のプロセスを実質的に反復することにより、ｎ個の充電状態（ＳＯＣｎ）と前記ｎ個の充電状態の各々に関連するインピーダンス（Ｚ_SOCn）を計算することができ、ここで、ｎは１以上の整数であることを理解及び認識されたい。従って、前記コントローラ５４は、複数のインピーダンスを複数のＳＯＣと関連付けることができる。

また、一つ又はそれ以上のインピーダンスが算出された後、スケールファクタＦ_scaleを数式６で計算することができる。

ここで、Ｚ’_ＳＯＣｘは、前記バッテリー５２の所定のＳＯＣ、即ち、ＳＯＣｘ、に関連する算出されたインピーダンスであり、Ｚ_SOCxは、前記所定の充電状態ＳＯＣｘに関連するデフォルトのインピーダンスである。また、Ｆ_scaleの精度を高めるために多数（例えば、３つ又はそれ以上）のスケールファクタ（Ｆ_scale）が算出されて平均してもよいことを理解されたい。前記コントローラ５４は、数式７で、Ｆ_scale及びデフォルトの所定のインピーダンスＺ_SOCxを用いて、前記所定のインピーダンスＺ_SOCxに関連するインピーダンス（Ｚ_PREDICTEDx）を予測することができる。

前記システム５０がデフォルトの前記インピーダンス・データ構造６４内にストアされた全てのインピーダンスに対して実際のインピーダンスを測定する必要がなくなるように、関連する所定のデフォルトインピーダンス（Ｚ_SOCx）に対して測定されるインピーダンス（Ｚ’_SOCx）の代わりに、前記予測されたインピーダンス（Ｚ_PREDICTEDx）が前記コントローラ５４によって用いられ得る。

前記コントローラ５４は、少なくとも２つの状況下で前記充電電流の供給を中止するよう前記電源５６に合図するよう構成され得る。第１の状況は、前記外部パワー・アウトレット５８がシステム５０に接続されたままで、前記バッテリー５２が１００％又はほぼ１００％のＳＯＣに達していることを検出することである。第２の状況は、前記外部パワー・アウトレット５８からの切断の検出である。

前記システム５０が前記外部パワー・アウトレット５８から切断されている（例えば、プラグが抜かれる）場合、この切断が、例えば、前記電源５６及び／又は前記コントローラ５４により、検出され得る。前記切断を検出すると、前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２への前記電流の供給を中止するよう前記電源５６に合図することができる。これに応答し、前記バッテリー５２は、電流を前記電源５６（例えば、前記電力信号）へ、前記電源５６を介して前記コントローラ５４へ供給することができ、それにより、前記外部パワー・アウトレット５８から切断されている間前記システム５０を作動させることが可能となる。

本明細書に記載するように、前記バッテリー５２の所定のタイムインスタンスの出力電圧は、例えば、前記コントローラ５４及び／又は前記電源５６により測定することが可能である。前記出力電圧は、例えば、前記切断の時間近辺に（例えば、約１０秒以内）測定され得（Ｖｏ_DISCHARGE）、これは同じ時間の前記バッテリー５２の前記ＯＣＶ（ＯＣＶ_DISCHARGE）にほぼ等しくてよい。前記コントローラ５４は、ＯＣＶ_DISCHARGEを用いて、前記所定のタイムインスタンスに対する前記関連するＳＯＣを判定することができる。上述のように、前記コントローラ５４は、前記所定のタイムインスタンスに対する前記ＳＯＣと前記ＳＯＣデータ６０とを用いることにより、前記バッテリー５２の残存バッテリー実行時間を判定することができる。この残存バッテリー実行時間は、例えば、視覚的徴候（例えば、ＧＵＩ（graphical user interface）、一つ又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）など）、音声知覚システム（例えば、スピーカー）、又は触覚システム（例えば、振動機能）などを介して、システム５０のエンドユーザに報告され得る。

前記バッテリー５２が消耗するにつれて、前記バッテリー５２のインピーダンスは増加し、前記バッテリー５２のＳＯＣは低下する。所定の時間（例えば、約１〜５分）の後、前記コントローラ５４は、前記バッテリー５２の放電インピーダンス（Ｚ_DISCHARGE）を測定するように前記電源５６に合図することができる。前記バッテリー５２のインピーダンスは、例えば、パルス電流への応答のスペクトル解析で測定され得る。前記スペクトル解析は、例えば、フーリエ変換、ラプラス変換などを含み得る。このような実施例において、前記電源５６は、Ｚ_DISCHARGEを特徴付けるデジタル信号を前記コントローラ５４に供給することができる。Ｚ_DISCHARGEは、典型的に、所定の間隔で繰り返し判定され得る。当業者であれば、前記バッテリー５２のインピーダンスは他の方法でも測定され得ることが分かるであろう。

前記コントローラ５４は、前記インピーダンス・データ構造６４にアクセスして、Ｚ_DISCHARGEに関連するＳＯＣを判定することができる。このため、前記コントローラ５４は、残存バッテリー実行時間の表示を更新することができる。残存バッテリー実行時間の前記表示は、典型的に、Ｚ_DISCHARGEが判定される度に周期的に更新され得る。前記システム５０は、前記バッテリー５２の出力電流を測定することなく、残存バッテリー実行時間の比較的正確な表示を提供することができる。前記バッテリー５２の前記出力電流は、例えば、前記システム５０が１つのオペレーションモードから別のオペレーションモードへ（例えば、オペレーションのスリープモードからオペレーションのアクティブモードへ）遷移するときなど、前記システム５０の前記電力要求が変化すると著しく変化するのが典型的である。

図２は、本発明の１つの側面に従って或るシステム（例えば、図１に示した前記システム５０）のための回路１００の一例を図示する。前記回路１００は、例えば、電源１０４に結合されるバッテリー１０２を含み得る。前記電源１０４は、端子Ｂ＋及びＢ−で前記バッテリー１０２に結合され得る。この例において、前記バッテリー１０２にセベニン（Thevenin）等価回路が用いられ得る。前記バッテリー１０２の前記セベニン等価回路は、例えば、等価インピーダンスＺＢと直列の電源ＶＢを含み得る。前記電源１０４は、例えば、矢印で示す方向のＩ（例えば、０．５Ａ）の電流を提供する電流源１０６、及び電圧計１０８を含み得る。

前記電流源１０６は、例えば、充電電流を前記バッテリー１０２に供給することができる。前記電圧計１０８は、例えば、端子Ｂ＋及びＢ−の間の出力電圧（Ｖｏ）を測定することができる。前記バッテリー１０２が完全なリラックス状態である（例えば、前記バッテリー１０２から少ししか又は全く電流が出ていない）とき、Ｖｏは前記バッテリー１０２のＯＣＶにほぼ等しくなり得る。本明細書に記載するように、前記ＯＣＶ電圧と前記測定された電圧は、所定の時間間隔の間の前記バッテリー１０２に対するインピーダンスを判定するために用いることができる。また、本明細書に記載するように、前記バッテリー１０２のインピーダンスは、前記バッテリー１０２の放電期間の間残存バッテリー実行時間を判定するために用いることができる。

図３は、バッテリー１５０（例えば、図２に示す前記バッテリー１０２）のための等価回路の一例を図示する。前記バッテリー１５０は、例えば、正及び負のノード（例えば、端子）Ｂ＋及びＢ−を有していてよい。前記バッテリー１５０は更に電源ＶＢを有することもできる。前記電源の負の端子はノードＢ−に結合され得る。前記バッテリー１５０の正の端子は、（１５２で示すノードを介して）第１の抵抗Ｒ１に結合され得る。Ｒ１は更に、キャパシタＣ１及び第２の抵抗Ｒ２に共通の、１５４で示すノードに結合され得る。Ｃ１は更にＢ−に結合され得、Ｒ２は更にＢ＋に結合され得る。

前記バッテリー１５０が充電期間にあるとき、（例えば、電源により）前記バッテリー１５０にＤＣのみが供給される。前記バッテリー１５０にＤＣのみが供給される場合、初期過渡状態（例えば、１０秒）後、前記バッテリー１５０に対する等価インピーダンスは、Ｒ１+Ｒ２にほぼ等しくなる。このため、前記バッテリー１５０が完全にリラックスしているとき、前記バッテリー１５０のＯＣＶは、前記バッテリー１５０のＳＯＣのみに依存する。

図４は、本発明の１つの側面に従ってバッテリー２０２のＳＯＣを判定するための別のシステム２００を図示する。前記システム２００は、例えば、ラップトップ・コンピュータ、ＰＤＡ、無線電話などとして実装され得る。前記システム２００は、前記バッテリー２０２を充電及び放電することが可能な電源２０６に結合されるコントローラ２０４を含む。前記コントローラ２０４は、例えば、コンピュータ命令を実行できる中央処理装置（ＣＰＵ）２０８を含み得る。前記ＣＰＵ２０８は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）又は読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などのメモリ２１０にアクセスできる。前記ＣＰＵ２０８は更に、データ記憶装置２１２とのデータ読み出し及び書き込みが可能である。前記データ記憶装置２１２は、例えば、ＲＡＭ、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリなどとして実装され得る。前記コントローラ２０４は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース２１３を介して外部デバイス（例えば、前記電源２０６）と通信することができる。前記Ｉ／Ｏインタフェース２１３は、例えば、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）、デジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）などを含み得る。

前記システム２００は、外部パワー・アウトレット２１４（例えば、電気アウトレット）に接続され得る。前記外部パワー・アウトレット２１４は、例えば、１１０Ｖ又は２２０ＶのＡＣ信号を前記電源２０６に供給することができる。前記電源２０６は、例えば、前記コントローラ２０４からの制御信号の受信に応答して電流を前記バッテリー２０２に供給することができる電流発生器２１６を含み得る。前記電源２０６は更に、前記バッテリー２０２における電圧降下を測定することができる電圧計２１８を含み得る。

前記外部パワー・アウトレット２１４に接続されると、前記バッテリー２０２からの電流はほぼゼロまで低減され得、これにより前記バッテリー２０２がリラックス状態に遷移する。前記電圧計２１８は、前記リラックス状態の前記バッテリー２０２における電圧を測定することができ、これをＯＣＶ１と呼ぶことができる。一例として、ＯＣＶ１は約３Ｖであってよい。前記電源２０６は、ＯＣＶ１に対応する信号を前記コントローラ２０４に供給することができる。この信号は、例えば、前記Ｉ／Ｏインタフェース２１３で受信するアナログ信号であってよい。このような実施例において、前記Ｉ／Ｏインタフェース２１３は、前記アナログ信号を、ＯＣＶ１の大きさ及び極性を特徴付けるデジタル信号に変換することができる。前記コントローラ２０４は（例えば、前記ＣＰＵ２０８及び前記Ｉ／Ｏインタフェース２１３を介して）、前記電流発生器２１６から前記バッテリー２０２へ充電電流を提供するように前記電源２０６に合図を送ることができる。一例として、前記充電電流は、約２Ｖから約４Ｖまでの電圧で約０．５Ａの電流の電力信号として実装され得る。

前記データ記憶装置２１２は、例えば、前記バッテリー２０２のＯＣＶと前記バッテリー２０２のＳＯＣとの間の関係をストアするＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル２２０を含み得る。前記ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル２２０は、例えば、デフォルト値で埋められ得る。このため、前記ＣＰＵ２０８は、前記リラックス状態の前記バッテリー２０２のＳＯＣを判定することができ、これをＳＯＣ１と呼ぶことができる。前記ＳＯＣは、前記バッテリー２０２内にストアされる潜在的電気エネルギーの量を示す、例えば、０％から１００％の間のパーセンテージであってよい。前記ＣＰＵ２０８は、充電中前記バッテリー２０２の前記ＳＯＣを、例えば、バッテリー状態インジケーター２２２を介して前記システム２００のエンドユーザに、報告することができる。前記バッテリー状態インジケーター２２２は、例えば、視覚的インジケーター（例えば、ＧＵＩのアイコン、一つ又はそれ以上のＬＥＤなど）、音声インジケーター（例えば、スピーカー）、触感インジケーター（例えば、振動メカニズム）などであってよい。

所定の時間量後、前記ＣＰＵ２０８は、例えば、数式１及び２を用いるアルゴリズムで、後続のＳＯＣ、即ち、ＳＯＣ２、を算出することができる。ＳＯＣ２を算出すると、前記ＣＰＵ２０８は、前記ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブル２２０を問い合わせして、ＳＯＣ２に対応する後続のＯＣＶを判定することができ、これはＯＣＶ２と呼ぶことができる。ＯＣＶ２が判定されると、前記バッテリー２０２における実際の電圧Ｖｏが前記電圧計２１８により再度測定され、前記Ｉ／０インタフェース２１３を介して前記ＣＰＵ２０８に報告され得る。Ｖｏ及びＯＣＶ２が判定されると、Ｚ_SOC2と呼ばれる、ＳＯＣ２に対する前記バッテリー２０２のインピーダンスが、数式３を用いて前記ＣＰＵ２０８によって計算され得る。

前記ＣＰＵ２０８は、前記バッテリー２０２のインピーダンスとＳＯＣとの関係をインピーダンス・データ２２４として前記データ記憶装置２１２にストアすることができる。前記インピーダンス・データ２２４は、前記バッテリー２０２のインピーダンスと前記バッテリー２０２のＳＯＣとの既定の関係を確立するデフォルト値を含むように構成され得る。Ｚ_SOC2が判定されると、前記ＣＰＵ２０８は、前記判定されたインピーダンスと前記バッテリー２０２のＳＯＣの既存の関係を置き換えることができる。前記バッテリー２０２のインピーダンスが算出されると、前記ＣＰＵ２０８は、数式４を用いるアルゴリズムを用いて前記バッテリー２０２のためのスケールファクタ（Ｆ_scale）を判定することができる。Ｆ_scaleは、前記ＣＰＵ２０８によって用いられて、数式５で所定のデフォルトのインピーダンスＺ_SOCxに対するインピーダンス（Ｚ_PREDICTED）を予測することができる。

前記システム２００は、他のＳＯＣに対し周期的（例えば、５〜２０分毎）に前記バッテリー２０２のインピーダンスを判定する前記プロセスを反復し、前記判定されたインピーダンスと前記インピーダンス・データ２２４内の前記関連するＳＯＣとの間の関係をストアするように構成され得る。また、ＳＯＣが前記ＣＰＵ２０８によって判定されるとき、前記バッテリー状態インジケーター２２２は、それに従って前記ＣＰＵ２０８によって更新され得る。また、前記ＣＰＵ２０８は、前記判定されたバッテリー・インピーダンスを用いて、予測されるインピーダンスの精度を高めるため平均化され得る多数のスケールファクタ（Ｆ_scale）を判定することができる。

前記バッテリー２０２が所望のＳＯＣまで充電されるとき、前記システム２００は、前記外部パワー・アウトレット２１４から切断され得る（例えば、プラグが抜かれる）。前記切断は、例えば、前記電源２０６及び／又は前記ＣＰＵ２０８によって、検出され得る。前記切断が検出されると、前記ＣＰＵ２０８は、前記バッテリー２０２への前記充電電流の供給を中止するよう前記電源２０６に（前記Ｉ／Ｏインタフェース２１３を介して）合図を送ることができる。これに応答して、前記バッテリー２０２は、前記電源２０６（例えば、電力信号）に電流を供給することができ、これは前記コントローラ２０４へ送られ得る。このため、前記システム２００は、前記外部パワー・アウトレット２１４から切断されている間も稼動し得る。

所定のタイムインスタンスの間の前記バッテリー２０２の出力電圧は、例えば、前記電圧計２１８により測定され、前記ＣＰＵ２０８に供給され得る。前記ＣＰＵ２０８は、前記切断の時間近辺に（例えば、１０秒以内）前記バッテリー２０２の前記出力電圧を測定するよう前記電源２０６に合図を送ることができ、これはＶｏ_DISCHARGEと呼ぶことができる。Ｖｏ_DISCHARGEは、同じ時間の前記バッテリー２０２の前記ＯＣＶにほぼ等しくてよく、これはＯＣＶ_DISCHARGEと呼ぶことができる。前記ＣＰＵ２０８は、ＯＣＶ_DISCHARGEを用いて、前記切断の時間近辺での前記バッテリー２０２の前記関連するＳＯＣを判定することができる。

前記ＣＰＵ２０８は、前記データ記憶装置２１２内にストアされ得るＳＯＣデータ２２６を用いることにより、所定のタイムインスタンスの間の所定のＳＯＣを用いることにより前記バッテリー２０２の前記残存する実行時間を判定することができる。前記バッテリー２０２の前記残存する実行時間は、例えば、前記ＳＯＣ、前記システム２００の動作モード、前記バッテリー２０２の寿命などに基づき得る。残存バッテリー実行時間は、前記バッテリー状態インジケーター２２２を介して前記システム２００のエンドユーザに報告され得る。

前記バッテリー２０２が消耗するにつれて、前記バッテリー２０２のインピーダンスは増加し、前記バッテリー２０２のＳＯＣは低下する。周期的時間（例えば、約１〜５分）に、前記ＣＰＵ２０８は、放電インピーダンスＺ_DISCHARGEを算出することができる。Ｚ_DISCHARGEは、例えば、パルス電流（例えば、前記電流発生器２１６によって提供される）への応答のスペクトル解析で算出され得る。このような実施例において、前記電圧計２１８は、前記パルス電流への応答を表すデジタル信号を前記ＣＰＵ２０８に供給することができる。前記ＣＰＵ２０８は既知のアルゴリズムを用いてＺ_DISCHARGEを判定することができる。当業者であれば、Ｚ_DISCHARGEが測定される及び／又は算出される多様な他の実行可能な方法が分かるであろう。

前記ＣＰＵ２０８は、前記データ記憶装置２１２にアクセスして、前記算出されたＺ_DISCHARGEに対するＳＯＣを判定することができる。前記ＳＯＣが判定されると、前記バッテリー状態インジケーター２２２は、現在の残存バッテリー実行時間を反映するように更新され得る。前記システム２００は、前記放電期間にわたって著しく変化することが分かっている、前記バッテリー２０２の出力電流を測定することなく残存バッテリー実行時間の比較的正確な表示を提供することができる。

上述の構造的及び機能的特徴を考慮すれば、図４を参照すると種々の手法がより良く分かるであろう。他の実施例において、図示した動作は異なる順序で及び／又は他の動作と同時に行われても良いことを理解及び認識されたい。また、或る方法を実行するために図示した全ての特徴が必要とされるわけではない。

図５は、本発明の１つの側面に従ってバッテリーの充電状態を判定するための手法３００のフローチャートを示す。３１０で、前記バッテリーの初期ＯＣＶ、ＯＣＶ１が、例えば、電源により測定され得、前記電源は、前記測定されたＯＣＶ１を特徴付ける信号をコントローラに供給することができる。３２０で、前記コントローラは、ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブルにアクセスしてＯＣＶ１に対応するＳＯＣを判定することができる。

３３０で、前記コントローラは、所定の時間間隔の間前記バッテリーに電流を提供するように前記電源に合図を送ることができ、それにより、前記バッテリーを前記所定の時間間隔の間充電する。３４０で、前記コントローラは、アルゴリズムを用いて前記所定の間隔の後前記バッテリーに対する前記ＳＯＣを判定することができる。３５０で、前記コントローラは、前記ＳＯＣ−ＯＣＶルックアップテーブルにアクセスして前記判定されたＳＯＣに対する対応するＯＣＶを判定することができる。３６０で、前記判定されたＳＯＣに対応する前記バッテリー・インピーダンスが、前記コントローラによって算出され、ストアされる。前記バッテリー・インピーダンス及び前記対応するＳＯＣは、例えば、インピーダンス・データとしてストアされ得る。前記インピーダンス・データは、例えば、デフォルト値を用いて予めロードされ（pre-loaded）得る。３７０で、前記コントローラは、一つ又はそれ以上の算出されたインピーダンスを用いて、インピーダンスを予測するためのデフォルトのインピーダンスをスケーリングするために用いられ得るスケールファクタを判定する。

３８０で、外部パワー・アウトレットからの切断が検出されたかどうかについて判定が成される。前記切断は、例えば、前記コントローラ及び／又は前記電源によって、検出され得る。前記判定がネガティブ（例えば、いいえ）である場合、前記手法は３３０に戻る。前記判定がポジティブ（例えば、はい）である場合、前記手法は３９０に進む。

３９０で、電圧計により前記バッテリーの初期放電出力電圧（Ｖｏ）が測定され得、前記測定された電圧を特徴付ける信号が前記コントローラに供給され得る。前記初期放電Ｖｏは、前記切断が検出された時間近辺の前記バッテリーの前記ＯＣＶにほぼ等しくてよい。４００で、前記コントローラは、前記バッテリーの前記ＯＣＶに対応する前記バッテリーのためのＳＯＣを判定することができる。

４１０で、前記バッテリーは所定の時間間隔の間放電される。４２０で、前記バッテリーの放電インピーダンスが前記電源及び前記コントローラによって測定され得る。前記インピーダンスは、例えば、前記バッテリーに電流パルスを供給する前記電源、及び前記電流パルスへの応答を検出する前記電源によって測定され及び／又は算出され得る。前記電源は、前記電流パルスへの前記応答を応答データとして特徴付ける信号を前記コントローラに供給することができる。前記コントローラは、前記応答データを用いて前記バッテリーに対する前記インピーダンスを算出することができる。４３０で、前記コントローラは、前記インピーダンス・データにアクセスして前記判定されたインピーダンスに対する対応するＳＯＣを判定することができる。４４０で、前記コントローラは、ＳＯＣデータを用いて残存バッテリー実行時間を判定することができる。４５０で、前記コントローラは、前記残存バッテリー実行時間を、例えば、バッテリー状態インジケーターを介して、システムのエンドユーザに報告することができ、前記手法３００は４１０に戻る。

上述で説明したものは本発明の例である。もちろん、本発明を記載する目的で想起し得る構成要素のあらゆる組み合わせ及び方法を記載することが不可能であるが、当業者であれば、本発明の多くの更なる組み合わせ及び置換が可能であることが理解されるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に入る全てのこのような改変、変形、及び変更をも包含することが意図されている。

Claims (20)

1. バッテリーの充電状態を判定するためのシステムであって、
   バッテリーに充電電流を供給するように構成される電源、及び、
   インピーダンスに基づく放電期間の間のバッテリーのインピーダンスに基づいた充電状態、及び充電期間の間のバッテリーの充電関係の状態を判定するように構成されるコントローラ、
   を含む、システム。
2. 請求項１のシステムであって、所定のタイムインスタンスの前記充電期間の間前記バッテリーの前記インピーダンスは、少なくとも、前記所定のタイムインスタンスでの前記バッテリーの測定された電圧、前記所定のタイムインスタンスでの前記バッテリーの前記充電状態、及び前記所定のタイムインスタンスに前記電源により供給される電流、に基づいて判定される、システム。
3. 請求項２のシステムであって、前記コントローラが、前記充電期間の間複数の異なるタイムインスタンスの前記バッテリーのインピーダンスを判定して、前記バッテリーのインピーダンスを予測するために前記コントローラによって用いられる、前記バッテリーのための平均化スケールファクタ（average scaling factor）を判定するように構成される、システム。
4. 請求項１のシステムであって、前記コントローラが、前記バッテリーの前記インピーダンスと前記バッテリーの前記充電状態との間の関係をストアするように構成される、システム。
5. 請求項１のシステムであって、前記バッテリーの前記インピーダンスが、前記バッテリーの前記充電状態の関数として変化する、システム。
6. 請求項５のシステムであって、前記コントローラが、前記バッテリーの前記充電状態と前記バッテリーの前記充電状態の変化とを用いて、所定のタイムインスタンスの前記バッテリーの後続の充電状態を判定する、システム。
7. 請求項６のシステムであって、前記コントローラが、前記所定のタイムインスタンスの前記後続の充電状態を用いて、前記後続の充電状態に対する開回路電圧を判定する、システム。
8. 請求項７のシステムであって、前記コントローラが、ルックアップテーブルにアクセスして、前記バッテリーの前記所定の充電状態と前記バッテリーの前記後続の充電状態に対する前記開回路電圧との間の関係を判定する、システム。
9. 請求項８のシステムであって、前記コントローラが、下記数式で前記所定のタイムインスタンスの前記バッテリーのインピーダンスを計算するシステムであって、
   

   

   ここで、Ｚは、前記所定のタイムインスタンスの前記バッテリーのインピーダンスであり、
   Ｖｏは、前記所定のタイムインスタンスでの前記バッテリーにおける電圧降下であり、
   ＯＣＶは、前記所定のタイムインスタンスでの前記バッテリーの前記開回路電圧であり、
   Ｉは、前記所定のタイムインスタンスに前記バッテリーに供給される前記電流である、システム。
10. 請求項１のシステムであって、前記コントローラが、前記バッテリーの前記充電状態に基づいて前記バッテリーの残存するバッテリー実行時間を判定するように構成される、システム。
11. バッテリーの充電状態を判定するシステムであって、
    前記バッテリーに充電電流を提供するように構成される電源、及び、
    充電期間の間前記バッテリーの複数のインピーダンスを判定するように構成されるコントローラを含み、前記バッテリーの前記複数のインピーダンスの各インピーダンスが、前記バッテリーの所定の充電状態に対応する、システム。
12. 請求項１１のシステムであって、前記コントローラが更に、前記複数のインピーダンスと前記バッテリーの前記対応する充電状態とをストアするように構成される、システム。
13. 請求項１２のシステムであって、前記コントローラが更に、前記ストアされた複数のインピーダンスと前記バッテリーの前記対応する充電状態とに基づいて、放電期間の間前記バッテリーの充電状態を判定するように構成される、システム。
14. 請求項１１のシステムであって、前記バッテリーの前記複数のインピーダンスのうち所定のインピーダンスが、前記所定のインピーダンスに対応する前記バッテリーに対する前記充電状態、前記バッテリーの測定された電圧、及び前記バッテリーの前記充電電流に基づいている、システム。
15. 請求項１４のシステムであって、前記コントローラが更に、所定のタイムインスタンスの前記バッテリーの充電状態に基づいて、バッテリー状態インジケーターを介して前記所定のタイムインスタンスの間残存バッテリー実行時間を報告するように構成される、システム。
16. バッテリーの充電状態を判定するための方法であって、前記方法が、
    前記バッテリーに充電電流を供給し、
    前記バッテリーに対する充電の初期状態（ＳＯＣ）を判定し、
    所定の時間間隔の間前記バッテリーを充電し、
    前記バッテリーに対する後続のＳＯＣを判定し、
    前記バッテリーの前記後続のＳＯＣに対応する開回路電圧（ＯＣＶ）を判定し、更に、
    前記バッテリーの前記後続のＳＯＣに対応する、前記バッテリーに対するインピーダンスを算出すること、
    を含む、方法。
17. 請求項１６の方法であって、前記バッテリーの一つ又はそれ以上の算出されたインピーダンスに基づいて前記バッテリーに対するスケールファクタを判定することを更に含む、方法。
18. 請求項１７の方法であって、前記スケールファクタに基づいて前記バッテリーの所定のＳＯＣに関連するインピーダンスを予測すること、を更に含む、方法。
19. 請求項１６の方法であって、
    パワー・アウトレットからの切断を検出し、更に、
    前記切断の時間近辺に前記バッテリーに対するＳＯＣを判定すること、
    を更に含む、方法。
20. 請求項１９の方法であって、
    放電期間の間の所定のタイムインスタンスの間前記バッテリーのインピーダンスを判定し、
    前記バッテリーの前記インピーダンスと前記バッテリーの前記ＳＯＣとの間の対応に基づいて、前記バッテリーに対する充電状態を判定すること、
    を更に含む、方法。
    

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