JP2014505863A - バッテリー容量を検知するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例が、バッテリー検知システムを含む。このシステム（１０）は、バッテリー（１４）の温度（ＴＥＭＰ）を測定するように構成される温度センサ（１６）と、バッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）に関連するバッテリーの定常状態及び遷移挙動（２４、２６）に関連する所定のデータ（２０）をストアするように構成されるメモリ（１８）とを含む。このシステム（１０）は、バッテリー（１４）の電圧を測定するように、及び電圧、所定のデータ、及び温度に基づいてバッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算するように構成されるコントローラ（１２）を更に含む。

Description

本発明は、概して電子回路に関し、更に特定していえば、バッテリー容量を検知するためのシステム及び方法に関連する。

携帯型電子デバイスは、化学反応に基づいて電圧を生成するバッテリーにより電力供給される。バッテリーが電力を携帯型電子デバイスに供給するにつれて、その電力を供給するバッテリーの容量は減少してくる。幾つかの携帯型電子デバイスでは、その携帯型電子デバイスのユーザーに残存バッテリー容量の通知が提供されるように、残存バッテリー容量の表示を提供する。しかし、このようなバッテリー検知システムは、たいてい不正確であり得、且つ／又は、高価であり得、かさばり得、及び／又は電力引き出しに関し非効率であり得る、付加的な回路構成要素を含み得る。

本発明の一実施例がバッテリー検知システムを含む。このシステムは、バッテリーの温度を測定するように構成される温度センサ、及びバッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）に関連するバッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータをストアするように構成されるメモリを含む。このシステムは、バッテリーの電圧を測定するように、及びこの電圧、前記所定のデータ、及び前記温度に基づいてバッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算するように構成されるコントローラを更に含む。

本発明の別の実施例は、バッテリーのＳＯＣを計算するための方法である。この方法は、バッテリーのＤＯＤに関連するバッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータを判定するため、定常状態回路部と遷移回路部を含むダイナミックバッテリーモデルとしてバッテリーをモデル化することを含む。この方法は、バッテリーの温度を判定すること、バッテリーの電圧を測定すること、及びメモリから前記所定のデータにアクセスすることを更に含む。この方法は、この電圧、前記所定のデータ、及び前記温度に基づいてバッテリーのＳＯＣを計算することを更に含む。

本発明の更に別の実施例がバッテリー検知システムを含む。このシステムは、バッテリーの温度を測定するように構成される温度センサ、及びバッテリーのＤＯＤに関連するバッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータをストアするように構成されるメモリを含む。このシステムは、複数のサンプリングインタバルのそれぞれにおける電圧、前記所定のデータ、及び前記温度に基づいて、所定のサンプリングインタバルにおいてバッテリーにより生成される対応する電流を推定するため、複数のサンプリングインタバルの各々でバッテリーの電圧のサンプルを得るように構成されるコントローラを更に含む。コントローラは更に、複数のサンプリングインタバルのそれぞれにおいてバッテリーを介する電流に基づいて、及び直前のサンプリングインタバルにおけるバッテリーのＤＯＤに基づいて、バッテリーのＳＯＣを計算するように構成される。

図１は、本発明の１つの側面に従ったバッテリー検知システムの一例を図示する。

図２は、本発明の１つの側面に従ったダイナミックバッテリーモデルの一例を図示する。

図３は、本発明の１つの側面に従った電圧対時間のグラフの一例を図示する。

図４は、本発明の１つの側面に従ったダイナミックバッテリーモデルデータの表の一例を図示する。

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（ＳＯＣ）を計算するための方法の一例を図示する。

本発明は、概して電子回路に関し、更に具体的には、バッテリー容量を検知するためのシステム及び方法に関連する。バッテリー検知システムが、バッテリーの温度を測定する温度センサを含み得る。この温度はバッテリー検知コントローラに供給され、バッテリー検知コントローラは、バッテリーの電圧を測定するように、及び電圧、温度に基づいて、及びバッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータに基づいて、バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算するように構成される。所定のデータはメモリにストアされ得、これは、バッテリーのＳＯＣも複数のサンプリングインタバルの各々において同様に判定され得るように、複数のサンプリングインタバルの各々でバッテリー検知コントローラによりアクセスされ得る。

本明細書に記載するように、バッテリーのＳＯＣは、そのバッテリーに利用可能な電荷がどの程度残っているかを示すために時折用いられる。バッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）は、そのバッテリーがどのくらい放電されたかを指し得、そのバッテリーの最大総ゼロ電流電荷Ｑ_ＭＡＸで除された、現在残っている集積電荷Ｑと定義することができる。バッテリーのＤＯＤは、式ＤＯＤ＋ＳＯＣ＝１によりＳＯＣに関連し、通常、そのバッテリーにより電力供給されるデバイスの残存実行時間の演算を得るために用いられる。従って、本明細書に記載するように、ＳＯＣ及びＤＯＤは概して、１に対しＳＯＣ及びＤＯＤ間で逆比例の関係に基づいて相互交換可能な方式で、記載され得る。

所定のデータは、オフラインで生成され得、バッテリーの製造前などに、バッテリーをダイナミックバッテリーモデルとしてモデル化すること、及び対応するテストバッテリーに対し一連のテストを実行することに基づいて、検知されているバッテリーの特定のバッテリー化学成分に対応し得る。一例として、ダイナミックバッテリーモデルは、各々少なくとも一つのＲＣネットワークを含む、定常状態回路部及び遷移回路部を含むように構成され得る。例えば、定常状態回路部のＲＣネットワークが、直列接続されるレジスタ及びキャパシタを含み得、遷移回路部のＲＣネットワークが、並列接続のレジスタ及びキャパシタを含み得る。それぞれの静的及び遷移回路部の各々におけるレジスタ及びキャパシタの値は、対応するテストバッテリーに所定の負荷を適用すること、応答電流に関連する電圧の変化を判定すること、及び電圧応答を判定するため負荷を取り除くことにより判定され得る。また、バッテリーの抵抗の値及びダイナミックバッテリーモデルの定常状態回路部の電圧は温度依存であり得、そのため、テストバッテリーに対して同様に判定され得、所定のデータに含まれ得る。

バッテリー検知コントローラはその後、バッテリーのＳＯＣを判定するため、電圧、所定のデータ、及びバッテリーの温度に基づいて一連の計算を実行することができる。具体的には、バッテリー検知コントローラは、それぞれのサンプリングインタバルにおける電圧及び前のサンプリング期間のＤＯＤに基づいて、複数のサンプリングインタバルの各々におけるバッテリーの電流を反復的に計算することができる。この電流はその後、バッテリーの現在のＳＯＣを計算するために用いられ得る。従って、バッテリー検知コントローラは、前の計算及び電圧及び温度の両方の電流測定に基づいて、バッテリーのＳＯＣに対し新しい値を計算し続けることができる。

図１は、本発明の１つの側面に従ったバッテリー検知システム１０の一例を図示する。バッテリー検知システム１０は、ラップトップコンピュータ、カメラ、又はワイヤレス通信デバイスなど、種々の携帯型電子デバイスのうち任意のものの一部として含まれ得る。バッテリー検知システム１０のバッテリー検知コントローラ１２は、関連する携帯型電子デバイスのオペレーションの間バッテリー１４の充電状態（ＳＯＣ）を判定するように構成される。具体的には、バッテリー検知コントローラ１２は、電圧Ｖ_ＢＡＴ、バッテリー１４の温度、バッテリー１４の放電の深さ（ＤＯＤ）に関連するバッテリー１４の定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータに基づいて、複数のサンプリング期間の各々におけるバッテリー１４のＳＯＣを提供するため、複数のサンプリング期間の各々でバッテリー１４の電圧Ｖ_ＢＡＴを継続的にサンプリングするように構成され得る。図１の例において、バッテリー１４は単一のバッテリーとして示される。しかし、バッテリー１４は、電圧Ｖ_ＢＡＴが全てのバッテリーの総電圧を表し得るように、直列に電気的に接続された複数のバッテリーを表すことができることを理解されたい。従って、バッテリー検知コントローラ１２により計算されたＳＯＣは、複数のバッテリーの平均ＳＯＣであり得る。

バッテリー検知システム１０は、温度信号ＴＥＭＰをバッテリー検知コントローラ１２に提供するように構成される温度センサ１６を含む。温度信号ＴＥＭＰは、バッテリー１４に直接的に結合される外部センサに基づくなど、バッテリー１４の実際の温度に関連付けられる信号であり得、又はバッテリーを囲むエリアの周囲温度の測定値であり得る。一例として、温度信号ＴＥＭＰは、温度センサ１６の一部であり得るアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）によって提供されるなどの、デジタル信号であり得る。バッテリー検知システム１０は、バッテリーモデルデータ２０及び前のバッテリーデータ２２をストアするように構成されるメモリ１８を更に含む。バッテリーモデルデータ２０は、バッテリー１４の定常状態挙動パラメータに対応する定常状態挙動データ２４、及びバッテリー１４の遷移挙動パラメータに対応する遷移挙動データ２６を含む。これ以降により詳細に説明するように、定常状態挙動データ２４及び遷移挙動データ２６は、バッテリー１４のＤＯＤに依存する値を有するダイナミックバッテリーモデルに関するデータを含み得る。

バッテリーモデルデータ２０は、バッテリー１４と実質的に同じ化学成分を有するテストバッテリー（図示せず）に対してテストを行うことにより、バッテリー１４の製造前になど、オフラインで生成され得る。所定のバッテリーの特性は概して、ＤＯＤへの依存として、特定の化学成分を有する全てのバッテリーに適用可能である。同じデータベースを同じ化学成分（例えば、リチウムイオン）の全てのバッテリーに用いることができるように、例えば、４つの異なる製造者からの、各々同じ化学成分を有する、４つの異なるバッテリーに対するＤＯＤに関連する所定のバッテリーの開回路電圧Ｖ_ＯＣの比較が、バッテリーの各々の開回路電圧Ｖ_ＯＣが約５ミリボルトを超えて異ならないことを示す。そのため、バッテリーモデルデータ２０は、バッテリーモデルデータ２０がバッテリー１４のＳＯＣの正確な計算を提供するように実装され得るように、バッテリー１４と実質的に同じ化学成分のバッテリーに関連付けられるデータに対応し得る。従って、バッテリー検知コントローラ１２は、バッテリー１４のＳＯＣを計算するため、メモリ１８から信号ＤＡＴＡ_{ＭＯＤＥＬ}を介して提供される、バッテリーモデルデータ２０を実装することができる。

前のバッテリーデータ２２は、バッテリー１４に関するデータの、前の計算に対応するデータのセットである。一例として、前のバッテリーデータ２２は、バッテリー１４の予め計算されたＤＯＤ、予め測定された電圧Ｖ_ＢＡＴ、及び予め推定されたバッテリー電流を含み得る。図１の例において、バッテリー検知コントローラ１２がバッテリー１４のＤＯＤを計算すると、バッテリー検知コントローラ１２は、そのＤＯＤ及び計算に必要とされる付加的なデータを、前のバッテリーデータ２２としてストアされるべき信号ＤＡＴＡ_ＢＡＴとして、メモリ１８に提供することができる。そのため、バッテリー検知コントローラ１２がバッテリー１４の次のＤＯＤ値を計算すると、バッテリー検知コントローラ１２は、バッテリー１４のＳＯＣを計算するため前のバッテリーデータ２０を実装するため、メモリ１８から提供される、信号ＤＡＴＡ_ＰＲＥＶを介して前のバッテリーデータ２２を受け取ることができる。従って、これ以降により詳細に説明するように、バッテリー検知コントローラ１２は、電圧Ｖ_ＢＡＴ、温度信号ＴＥＭＰで示されるバッテリー１４の温度、信号ＤＡＴＡ_ＢＡＴで示されるバッテリーモデルデータ２０、及び信号ＤＡＴＡ_ＰＲＥＶで示される前のバッテリーデータ２２に基づいて、バッテリー１４の電流ＳＯＣを計算することができる。

上述のように、バッテリーモデルデータ２０は、バッテリー１４をダイナミックバッテリーモデルとしてモデル化することに基づいてバッテリー１４に対して生成され得る。図２は、本発明の１つの側面に従ったダイナミックバッテリーモデル５０の一例を図示する。ダイナミックバッテリーモデル５０は、図１の例においてバッテリー１４に対応し得る。従って、図２の例の下記の詳細な説明において図１の例を参照する。

ダイナミックバッテリーモデル５０は、各々ＲＣネットワークとして構成される、定常状態回路部５２及び遷移回路部５４を含む。具体的には、定常状態回路部５２は、直列に配されるレジスタＲ_ＳＥＲ及びキャパシタＣ_ＳＥＲを含み、遷移回路部５４は、並列に配されるレジスタＲ_ＰＡＲ及びキャパシタＣ_ＰＡＲを含む。図２の例は、遷移回路部５４に対し単一の並列結合のＲＣネットワークを示すが、遷移回路部５４は、バッテリー１４の遷移特性を集合的にモデル化する、互いに直列に接続されるなどの、多数の並列結合のＲＣネットワークを含み得ることを理解されたい。キャパシタＣ_ＳＥＲは、ダイナミックバッテリーモデルの電源に対応し、そのため、それを介する関連する開回路電圧Ｖ_ＯＣを有するものとしてモデル化される。開回路電圧Ｖ_ＯＣはそのため、ダイナミックバッテリーモデル５０の瞬時定常状態電圧に対応する。集合的に、レジスタＲ_ＳＥＲ及び遷移回路部５４は、抵抗Ｒ_ＢＡＴを有するダイナミックバッテリーモデル５０に対するノード５６と５８との間のバッテリーインピーダンスを構成する。ダイナミックバッテリーモデル５０は更に、所定のサンプル時間でのダイナミックバッテリーモデル５０の電圧及び電流の瞬時的大きさに対応するサンプル電圧Ｖ（ｔ）及び関連するサンプル電流Ｉ（ｔ）を有する。

ダイナミックバッテリーモデル５０は、図１の例においてバッテリーモデルデータ２０に含まれるなど、バッテリー１４の定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータの表を構築するために用いることができる。一例として、バッテリー１４の特定の化学成分に対しテストする間、所定の負荷（図示せず）が、テストバッテリーの寿命にわたってテストバッテリー電圧応答を測定するため対応するテストバッテリーに周期的に結合及び結合解除され得る。従って、バッテリー１４の動作特性が、バッテリー１４の所定のＤＯＤ値で得ることができる。そのため、テストの間バッテリー１４の動作特性は、バッテリー１４の所定のＤＯＤ値の各々における開回路電圧Ｖ_ＯＣ、静電容量Ｃ_ＳＥＲ、抵抗Ｒ_ＳＥＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び抵抗Ｒ_ＰＡＲに対する値を判定するように実装され得る。このような値は、そのため、バッテリー１４のＤＯＤの関数としてバッテリーモデルデータ２０を構築するために用いられ得る。

図３は、本発明の１つの側面に従った電圧対時間のグラフ１００の一例を図示する。グラフ１００は、図２の例においてダイナミックバッテリーモデル５０に関連付けられるテストバッテリーの電圧応答を示すことができ、そのため、バッテリー１４の所定のＤＯＤ値の各々における開回路電圧Ｖ_ＯＣ、静電容量Ｃ_ＳＥＲ、抵抗Ｒ_ＳＥＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び抵抗Ｒ_ＰＡＲに対する値を把握するように実装され得る。そのため、図３の以下の例において図１及び２の例を参照する。

グラフ１００は、時間の関数としてプロットされるダイナミックバッテリーモデル５０の電圧Ｖ（ｔ）を示す。テストバッテリーに対してテストを実行する際、所定の負荷が、テストバッテリーの特定のＤＯＤインタバルにおいてテストバッテリーに適用され得及びそれから取り除かれ得る。そのため、テストバッテリーの電圧応答は、ＤＯＤインタバルの各々における開回路電圧Ｖ_ＯＣ、静電容量Ｃ_ＳＥＲ、抵抗Ｒ_ＳＥＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び抵抗Ｒ_ＰＡＲに対する値を把握するために監視され得る。具体的には、電圧Ｖ（ｔ）が実施的に一定のままである値Ｖ_０を有するように、時間Ｔ_０で、テストバッテリーに印加される負荷はない。

時間Ｔ_０に続く時間Ｔ_１で、既知の電流Ｉ（ｔ）がテストバッテリーから流れるように、所定の負荷がテストバッテリーに印加される。応答において、電圧Ｖ（ｔ）は、時間Ｔ_１における大きさＶ_０から、所定の負荷がテストバッテリーから取り除かれる時間Ｔ_２の大きさＶ_１まで低減し始める。グラフ１００の時間Ｔ_１とＴ_２の間の時間の領域はそのため、電圧Ｖ（ｔ）の高周波数領域１０２を定義することができ、これは、高周波数領域１０２の所定のＤＯＤインタバルＸの間テストバッテリーのパラメータを識別することができる。一例として、レジスタＲ_ＳＥＲの値は、下記のように、電流Ｉ（ｔ）の変化に関連する電圧Ｖ（ｔ）の変化に基づいて確認され得る。
Ｒ_ＳＥＲ（Ｘ）＝ｄＶ（ｔ）／ｄＩ（ｔ） （式１）
そのため、レジスタＲ_ＰＡＲの値は下記のように確定され得る。
Ｒ_ＰＡＲ（Ｘ）＝Ｒ_ＢＡＴ（Ｘ）−Ｒ_ＳＥＲ（Ｘ） （式２）
また、所定のＤＯＤインタバルに対し、キャパシタＣ_ＳＥＲの開回路電圧Ｖ_ＯＣは電圧Ｖ（ｔ）に基づいて判定され得、下記のようになる。
Ｖ_ＯＣ（Ｘ）＝Ｖ（ｔ）−Ｖ_ＲＣ（Ｘ）＝Ｉ（ｔ）×Ｒ_ＢＡＴ（Ｘ） （式３）
ここで、Ｖ_ＲＣは抵抗Ｒ_ＢＡＴの電圧である。従って、所定のＤＯＤインタバルの高周波数領域１０２は、所定のＤＯＤインタバルＸのＲ_ＳＥＲ、Ｒ_ＰＡＲ、及びＶ_ＯＣの値を判定するように実装され得る。

時間Ｔ_２の後、所定の負荷がテストバッテリーから取り除かれると、電圧Ｖ（ｔ）はリラックスし、そのため、図３の例においてＶ_１の大きさからＶ_２の大きさまで増加する。そのため、時間Ｔ_２はリラクゼーション領域１０４を定義する。そのため、Ｖ_１からリラクゼーション領域１０４におけるＶ_２までの電圧Ｖ（ｔ）の大きさの増加は、ダイナミックバッテリーモデル５０の付加的なパラメータを判定するために分析され得る。具体的には、時間ｔの関数として電圧Ｖ（ｔ）の増加は、下記のように、ＤＯＤインタバルＸの静電容量Ｃ_ＰＡＲの大きさを判定することができる。
Ｃ_ＰＡＲ（Ｘ）＝ｄＶ（ｔ）／ｄｔ （式４）

ＤＯＤインタバルの各々における開回路電圧Ｖ_ＯＣ、抵抗Ｒ_ＳＥＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び抵抗Ｒ_ＰＡＲに対する値が把握されると、静電容量Ｃ_ＳＥＲに対する値は、テストバッテリーがテストされるＤＯＤインタバルの数に基づいて判定され得る。具体的には、ＤＯＤインタバルＸでは、静電容量Ｃ_ＳＥＲに対する値は下記のように判定され得る。
Ｃ_ＳＥＲ（Ｘ）＝｛Ｑ_ＭＡＸ／（Ｙ−１）｝×（Ｖ_ＯＣ（Ｘ）−Ｖ_ＯＣ（Ｘ−１））（式５）
ここで、Ｑ_ＭＡＸはテストバッテリーの最大総ゼロ電流電荷である。従って、ダイナミックバッテリーモデル５０の回路パラメータは、ＤＯＤインタバルＹの各々に対し充分にモデル化され得る。

バッテリー１４の所定のＤＯＤ値の各々での開回路電圧Ｖ_ＯＣ、静電容量Ｃ_ＳＥＲ、抵抗Ｒ_ＳＥＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び抵抗Ｒ_ＰＡＲのための値を把握するための初期実験は、所定の「室」温で行われ得る。そのため、ダイナミックバッテリーモデル５０の抵抗及び電圧両方の温度依存性に基づいて、ダイナミックバッテリーモデル５０に基づいてバッテリーモデルデータ２０を構築する際にテストバッテリーを用いてこの実験は更に、温度構成要素を組み込むこともできる。具体的には、温度は、レジスタＲ_ＳＥＲ及びＲ_ＢＡＴ及びキャパシタＣ_ＳＥＲ及びＣ_ＰＡＲに実質的に等しく影響を与え得るため、レジスタＲ_ＳＥＲ及びＲ_ＢＡＴ及びキャパシタＣ_ＳＥＲ及びＣ_ＰＡＲの大きさの比は、バッテリーモデルデータ２０の一部として開発され得、組み込まれ得る。具体的には、各ＤＯＤインタバルＸでの比は、下記のように定義することができる。
ＲＡＴＩＯ_１（Ｘ）＝Ｒ_ＳＥＲ（Ｘ）／Ｒ_ＰＡＲ（Ｘ） （式６）
及び
ＲＡＴＩ０_２（Ｘ）＝Ｃ_ＳＥＲ（Ｘ）／Ｃ_ＰＡＲ（Ｘ） （式７）

また、テストバッテリーに対する温度実験に基づいて、温度に基づいて開回路電圧Ｖ_ＯＣ及びバッテリー抵抗Ｒ_ＢＡＴを計算するためのファクターのセットが判定され得る。具体的には、ＤＯＤ依存変数のセットは、下記数式に基づいて開回路電圧Ｖ_ＯＣ及びバッテリー抵抗Ｒ_ＢＡＴの温度依存計算を可能にし得る。
Ｖ_ＯＣ（Ｘ）＝ＯＣＶ＿Ａ（Ｘ）＋ＯＣＶ＿Ｂ（Ｘ）×Ｔ （式８）
Ｒ_ＢＡＴ（Ｘ）＝Ｒ＿Ａ（Ｘ）^{（Ｒ−Ｂ（Ｘ）×（１０×Ｔ−２５０））} （式９）
ここで、Ｔは温度であり、ＯＣＶ＿Ａは開回路電圧Ｖ_ＯＣに対するインターセプト変数であり、ＯＣＶ＿Ｂは開回路電圧Ｖ_ＯＣに対するスロープ係数であり、Ｒ＿Ａはバッテリー抵抗Ｒ_ＢＡＴに対するベース変数であり、Ｒ＿Ｂはバッテリー抵抗Ｒ_ＢＡＴに対する指数係数である。

そのため、バッテリーモデルデータ２０は、Ｙ ＤＯＤ値の各々に対するインターセプト変数ＯＣＶ＿Ａ、スロープ係数ＯＣＶ＿Ｂ、ベース変数Ｒ＿Ａ、及び指数係数Ｒ＿Ｂのための値を含み得る。ベース変数Ｒ＿Ａは、測定された電圧Ｖ_ＢＡＴ、開回路電圧Ｖ_ＯＣ、及び推定された電流Ｉ_ＥＳＴ（これ以降に更に詳細に説明するように）関連付けられる情報の比較に基づくなど、バッテリー経年劣化を把握するように、バッテリー検知コントローラ１２がベース変数Ｒ＿Ａの値を（例えば、信号ＤＡＴＡ_ＢＡＴを介して）更新し得るように、動的な値を有し得る。また、抵抗に対する温度の異なる影響に基づいて、指数係数Ｒ＿Ｂは、温度の異なる範囲に基づいてＤＯＤ値の各々における複数の値を含み得る。一例として、所定のＤＯＤ値Ｘで、バッテリーモデルデータ２０は、或る閾値（例えば、２５℃）を下回る温度に対する指数係数Ｒ＿Ｂ_ＬＯＷ及び閾値を上回る温度に対する別個の指数係数Ｒ＿Ｂ_ＨＩＧＨを含み得る。

図４は、本発明の１つの側面に従ったダイナミックバッテリーモデルデータの表１５０の一例を図示する。ダイナミックバッテリーモデルデータは、図１の例におけるバッテリーモデルデータ２０に対応し得、図２及び図３の例に関連して上述した手法に基づいて生成され得る。従って、図４の下記の例において図１〜図３の例を参照する。

表１５０は、バッテリーモデルデータ２０の所定のセットがテストバッテリー及びダイナミックバッテリーモデル５０から把握されるＤＯＤ値のセットを示す第１のコラム１５２を含む。図４の例において、第１のコラム１５２は、バッテリー１４のＤＯＤに対し１５個の異なる値を含む。しかし、図４の例においてＤＯＤのこれらの値は一例として示されること、及び表１５０はバッテリーモデルデータ２０が得られた任意の数のＤＯＤ値を含み得ることを理解されたい。表１５０は、インターセプト変数ＯＣＶ＿Ａを示す第２のコラム１５４、スロープ係数ＯＣＶ＿Ｂを示す第３のコラム１５６、及びベース変数Ｒ＿Ａを示す第４のコラム１５８を更に含む。表１５０は更に、指数係数Ｒ＿Ｂを示す第５のコラム１６０、ＲＡＴＩＯ_１を示す第６のコラム１６２、及びＲＡＴＩＯ_２を示す第７のコラムを含む。従って、バッテリーモデルデータ２０は、バッテリー１４のバッテリー１４のＳＯＣを判定するため定常状態挙動及び遷移挙動の実質的に完全な特徴を含み得る。

再び図１の例を参照すると、所定のサンプリング時間（ｋ）に、バッテリー検知コントローラ１２はそのため、バッテリー１４のＳＯＣを計算することができる。バッテリー検知コントローラ１２はまず、温度信号ＴＥＭＰを介してバッテリー１４の電圧Ｖ_ＢＡＴ（ｋ）及び温度Ｔを測定することができ、バッテリー１４の電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）を推定することができる。電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）を推定するため、バッテリー検知コントローラ１２は、前のサンプリング時間（ｋ−１）において得られた及び計算されたＤＯＤ、推定された電流Ｉ_ＥＳＴ、及びバッテリー電圧Ｖ_ＢＡＴを得るため、信号ＤＡＴＡ_ＰＲＥＶを介して、前のバッテリーデータ２２に対しメモリ１８にアクセスできる。ＤＯＤ（ｋ−１）の値に基づいて、バッテリー検知コントローラ１２は、信号ＤＡＴＡ_{ＭＯＤＥＬ}を介してバッテリーモデルデータ２０を得るためメモリ１８にアクセスできる。具体的には、バッテリー検知コントローラ１２は、ＤＯＤ（ｋ−１）より直に大きい及びＤＯＤ（ｋ−１）より直に小さい、２つの既知のＤＯＤ値に対応して表１５０からパラメータにアクセスできる。従って、バッテリー検知コントローラ１２は、その間にＤＯＤ（ｋ−１）がある、ＤＯＤ（Ｘ）及びＤＯＤ（Ｘ＋１）の各々における値の線形補間に基づいて、インターセプト変数ＯＣＶ＿Ａ、スロープ係数ＯＣＶ＿Ｂ、ベース変数Ｒ＿Ａ、指数係数Ｒ＿Ｂ、ＲＡＴＩＯ_１、及びＲＡＴＩＯ_２に対する値を判定することができる。充分に充電されたバッテリー１４（即ち、ＳＯＣ＝１）後の第１のサンプリング時間（ｋ）では、前のサンプリング時間（ｋ−１）のデータは、ＤＯＤの第１の値（即ち、ＤＯＤ＝０．０００）のバッテリーモデルデータ２０に対応し得ることを理解されたい。

ＤＯＤ（ｋ−１）でのバッテリーモデルデータ２０に対する値を得ると、バッテリー検知コントローラ１２は、温度Ｔに基づいてバッテリー１４のモデル化された抵抗Ｒ_ＳＥＲ及びＲ_ＰＡＲに対する実際の値を得るために上記式６及び９を実行し得る。具体的には、式９を用いて、バッテリー検知コントローラ１２は、バッテリーの総抵抗Ｒ_ＢＡＴを 温度に対し調節されたものとして計算することができる。その後、温度調節された抵抗値バッテリーのＲ_ＢＡＴを用いて、バッテリー検知コントローラ１２は、下記のように数式６を実装し得る。
Ｒ_ＢＡＴ＝Ｒ_ＳＥＲ＋Ｒ_ＰＡＲ＝Ｒ_ＰＡＲ＋Ｒ_ＰＡＲ×ＲＡＴＩＯ_１ （式１０）
従って、バッテリー検知コントローラ１２は、下記のように、バッテリー１４のモデル化された抵抗Ｒ_ＳＥＲ及びＲ_ＰＡＲを計算することができる。
Ｒ_ＰＡＲ＝Ｒ_ＢＡＴ／（１＋ＲＡＴＩＯ_１）） （式１１）
及び
Ｒ_ＳＥＲ＝Ｒ_ＢＡＴ−Ｒ_ＰＡＲ （式１２）

上述のように、バッテリー検知コントローラ１２は、それぞれ、式３及び５に基づいて、各ＤＯＤ値Ｘに対して開回路電圧Ｖ_ＯＣ及び静電容量 Ｃ_ＳＥＲに対する値を得ることができる。そのため、バッテリー検知コントローラ１２は、その間にＤＯＤ（ｋ−１）がある、ＤＯＤ（Ｘ）及びＤＯＤ（Ｘ＋１）の各々における値の線形補間に基づいて開回路電圧Ｖ_ＯＣ及び静電容量Ｃ_ＳＥＲの値を同様に判定することができる。バッテリー検知コントローラ１２はその後、下記のように、静電容量Ｃ_ＰＡＲの値を計算することができる。
Ｃ_ＰＡＲ＝Ｃ_ＳＥＲ／ＲＡＴＩＯ_２ （式１３）

バッテリー検知コントローラ１２はその後、電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）推定するために、抵抗Ｒ_ＳＥＲ及びＲ_ＰＡＲ、静電容量Ｃ_ＰＡＲ、及び開回路電圧Ｖ_ＯＣに対し計算された値を用いることができる。具体的には、バッテリー検知コントローラ１２は、抵抗Ｒ_ＳＥＲ及びＲ_ＰＡＲ及び静電容量Ｃ_ＰＡＲに対し計算された値を、電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）を推定するため係数のセットを計算するため用いることができる。係数は、下記のように定義することができる。
Ｐ_０＝１／Ｒ_ＳＥＲ （式１４）

ここで、Ｔｓはサンプリング時間である。係数Ｐ_０、Ｐ_１、及びＰ_２は、上述のように、各サンプル（ｋ）で計算され得、又は上述と同様に所定のサンプリング時間（ｋ）における係数Ｐ_０、Ｐ_１、及びＰ_２の値が線形的に補間され得るように各所定のＤＯＤ（Ｘ）におけるテストの間計算され得ることを理解されたい。

バッテリー検知コントローラ１２はその後、下記のように、所定のサンプル（ｋ）に対する開回路電圧Ｖ_ＯＣに基づいて、レジスタＲ_ＳＥＲ及び遷移回路部５４の電圧Ｖ_ＲＣを計算することができる。
Ｖ_ＲＣ（ｋ）＝Ｖ_ＢＡＴ（ｋ）−Ｖ_ＯＣ（ｋ） （式１７）
開回路電圧Ｖ_ＯＣ（ｋ）を得るため、バッテリー検知コントローラは、下記のように、前のバッテリーデータ２２にストアされた予め計算された開回路電圧Ｖ_ＯＣ（ｋ−１）及び予め推定された電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１）の値を実装し得る。
Ｖ_ＯＣ（ｋ）＝Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１）×Ｔｓ×Ｃ_ＳＥＲ（ｋ）＋Ｖ_ＯＣ（ｋ−１） （式１８）
開回路電圧Ｖ_ＯＣ（ｋ）は更に、上述の数式８を用いて温度に対し調節され得る。従って、バッテリー検知コントローラ１２は、下記のように、バッテリー１４により生成される電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）を推定することができる。
Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）＝Ｐ_０×Ｖ_ＲＣ（ｋ）＋Ｐ_１×Ｖ_ＲＣ（ｋ−１）＋Ｐ_２×Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１） （式１９）

バッテリー１４により生成される電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ）を推定すると、バッテリー検知コントローラ１２は更に、サンプル時間（ｋ）にバッテリー１４のＳＯＣを計算することもできる。具体的には、バッテリー検知コントローラ１２は、下記のように、ＤＯＤの前の値（ｋ−１）及び予め推定された電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１）、を実装することができる。
ＤＯＤ（ｋ）＝ＤＯＤ（ｋ−１）−Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１）×Ｔｓ／Ｑ_ＭＡＸ （式２０）
ＳＯＣ（ｋ）＝１−ＤＯＤ（ｋ） （式２１）
ＳＯＣ（ｋ）はその後、インジケータ（図示せず）に提供され得、インジケータは、関連する携帯型電子デバイスのユーザーにバッテリー１４のＳＯＣ表示を提供する。ＤＯＤ（ｋ）、開回路電圧Ｖ_ＯＣ（ｋ）、及び推定された電流Ｉ_ＥＳＴ（ｋ−１）の値がその後、バッテリー検知コントローラ１２が将来のサンプリング時間（ｋ＋１）にバッテリーのＳＯＣを再帰的に計算できるように、前のバッテリーデータ２２としてストアされるべき信号ＤＡＴＡ_ＢＡＴを介してメモリ１８に提供され得る。また、抵抗ベース変数Ｒ＿Ａは、バッテリー１４が経年変化するにつれてバッテリー抵抗Ｒ_ＢＡＴの変化を把握するようにメモリ１８において更新され得る。

従って、バッテリー１４のＳＯＣは、バッテリー１４の電圧Ｖ_ＢＡＴ及び温度Ｔに基づいて正確に計算され得る。このような方式のバッテリー検知はそのため、典型的な電圧相関バッテリー検知方法より正確となる。というのは、本明細書に記載のバッテリー検知は、電流が負荷を介して流れる一方で、電圧Ｖ_ＢＡＴに対するＩＲドロップ効果を把握するためである。また、本明細書に記載のバッテリー検知の方式は、本明細書に記載のバッテリー検知がバッテリー１４のＳＯＣを計算する付加的な電流センサを必要としないため、典型的なクーロンカウンティングバッテリー検知方法よりもコスト効率がよく効率的である。従って、本明細書に記載のバッテリー検知手法は、典型的なバッテリー検知手法より正確で、コスト効率的がよく、効率的でもある。

上述の構造的及び機能的特徴を考慮すると、図５を参照すれば本発明の種々の側面に従った手法がより一層よく理解できるであろう。説明を簡潔にするため、図５の手法は連続的に実行するように示され及び説明されているが、本発明は、図示された順に限定されることはなく、幾つかの側面は、本発明に従って、異なる順で及び／又は本明細書に図示及び記載したものとは他の側面と同時に生じ得ることを理解及び認識されたい。また、本発明の１つの側面に従って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（ＳＯＣ）を計算するための方法２００の一例を図示する。２０２において、バッテリーは、バッテリーのＤＯＤに関連するバッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータを判定するため、定常状態回路部及び遷移回路部を含むダイナミックバッテリーモデルとしてモデル化される。バッテリーのモデル化は、ダイナミックバッテリーモデルの所定の数のＤＯＤ値の各々に対し、レジスタ及びキャパシタのための判定値だけでなく、バッテリーの電圧及び抵抗に関連付けられる温度依存変数を含み得る。ダイナミックバッテリーモデル及び関連するテストバッテリーは、回路パラメータの正確なモデル化のためバッテリーと同じ化学成分を有し得る。

２０４で、バッテリーの温度が判定される。温度は、バッテリーの温度又はバッテリー環境の周囲温度を監視する温度センサに基づいて判定され得る。２０６で、バッテリーの電圧が測定される。２０８で、所定のデータがメモリからアクセスされる。所定のデータは更に、予め計算されたＤＯＤ及び推定された電流を含む、予め計算されたバッテリーデータを含むこともできる。２１０で、バッテリーのＳＯＣは、電圧、所定のデータ、及び温度に基づいて計算される。ＳＯＣの計算は、上述の式に基づき得る。

当業者であれば、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び本発明の特許請求の範囲内で他の実施例を実装し得ることが分かるであろう。

Claims (20)

1. バッテリー検知システムであって、
   バッテリーの温度を測定するように構成される温度センサ、
   前記バッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）に関連する前記バッテリーの定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータをストアするように構成されるメモリ、及び
   前記バッテリーの電圧を測定するように、及び前記電圧、前記所定のデータ、及び前記温度に基づいて前記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算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に記載のシステムであって、前記コントローラが、複数のサンプリング時間の各々において前記電圧を測定し、且つ、前記ＳＯＣを計算するように構成され、前記バッテリーの定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータが、前記バッテリーの温度依存抵抗を含み、前記コントローラが、前記バッテリーの前記電圧及び前記温度依存抵抗に基づいて前記バッテリーにより生成される電流を推定するように構成され、及び更に、前のサンプリング時間における前記推定された電流に基づいて現在のサンプリング時間における前記バッテリーの前記ＳＯＣを計算するように構成される、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータが、定常状態回路部及び遷移回路部を含むダイナミックバッテリーモデルとして前記バッテリーをモデル化することに基づいて判定され、前記ダイナミックバッテリーモデルが少なくとも一つのＲＣネットワークを含む、システム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、
   前記少なくとも１つのＲＣネットワークが、
   直列に結合される第１のレジスタ及び第１のキャパシタとして構成される前記定常状態回路部に関連付けられる第１のＲＣネットワーク、及び
   前記遷移回路部に関連付けられる少なくとも一つの第２のＲＣネットワークであって、各々が並列に結合される第２のレジスタ及び第２のキャパシタとして構成される、前記少なくとも１つの第２のＲＣネットワーク、
   を含む、システム。
5. 請求項４に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータが、全て前記バッテリーの複数のＤＯＤポイントの関数として、前記第１及び第２のキャパシタの静電容量値の比と、前記第１及び第２のレジスタの抵抗値の比と、前記第１のキャパシタの電圧に対する温度依存線形数式変数と、前記バッテリーの総抵抗に関連付けられる温度依存指数方程式変数とを含む、システム。
6. 請求項５に記載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温度の関数として、前記第１及び第２のレジスタの抵抗値の前記比と前記バッテリーの総抵抗に関連付けられる温度依存指数方程式変数とに基づいて前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のレジスタの前記抵抗値を計算するように、及び前記バッテリーの前記温度の関数として、前記第１及び第２のキャパシタの静電容量値の前記比と前記第１のキャパシタの電圧に対する温度依存線形数式変数とに基づいて前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のキャパシタの前記静電容量値を計算するように構成される、システム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、前記コントローラが更に、前記バッテリーの経年劣化を把握するため前記メモリ内の前記バッテリーの前記温度の関数として、前記バッテリーの総抵抗に関連付けられる前記温度依存指数方程式変数を更新するように構成される、システム。
8. 請求項６に記載のシステムであって、前記コントローラが更に、前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のレジスタの前記抵抗値と前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のキャパシタの前記静電容量値とに基づいて、及び前のサンプリング時間における前記バッテリーを介する前記推定された電流に基づいて、現在のサンプリング時間において前記バッテリーにより生成される電流を推定するように構成される、システム。
9. 請求項８に記載のシステムであって、前記コントローラが更に、前記前のサンプリング時間における前記バッテリーの前記ＤＯＤの前記バッテリーの前記推定された電流に基づいて前記バッテリーの前記ＳＯＣを計算するように構成される、システム。
10. 請求項３に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータの少なくとも一部が、所定の負荷を前記ダイナミックバッテリーモデルに適用すること、及び前記所定の負荷を介する電流の関数として、前記ダイナミックバッテリーモデルに関連付けられる電圧の変化を測定することに基づいて判定される、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる前記所定のデータの少なくとも一部が、前記所定の負荷を取り除くと前記ダイナミックバッテリーモデルに関連付けられる電圧応答を測定することに基づいて判定される、システム。
12. バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算するための方法であって、前記方法が、
    前記バッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）に関連する前記バッテリーの定常状態と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータを判定するため定常状態回路部及び遷移回路部を含むダイナミックバッテリーモデルとして前記バッテリーをモデル化すること、
    前記バッテリーの温度を判定すること、
    前記バッテリーの電圧を測定すること、
    メモリから前記所定のデータにアクセスすること、及び
    前記電圧、前記所定のデータ、及び前記温度に基づいて、前記バッテリーの前記ＳＯＣを計算すること、
    を含む、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記バッテリーをモデル化することが、
    前記定常状態回路部を、直列に結合される第１のレジスタ及び第１のキャパシタとしてモデル化すること、
    前記遷移回路部を、並列に結合される第２のレジスタ及び第２のキャパシタとしてモデル化すること、及び
    前記バッテリーの前記ＤＯＤの関数として、前記第１及び第２のキャパシタ及び前記第１及び第２のレジスタの値を計算することであって、前記第１及び第２のキャパシタ及び前記第１及び第２のレジスタの前記値が、前記バッテリーの前記定常状態挙動と遷移挙動とに関連付けられる所定のデータの一部を形成すること、
    を含む、方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記バッテリーをモデル化することが、全て前記バッテリーの複数のＤＯＤポイントの関数として、前記第１及び第２のキャパシタの静電容量値の比、前記第１及び第２のレジスタの抵抗値の比、前記第１のキャパシタの電圧に対する温度依存線形数式変数、及び前記バッテリーの総抵抗に関連付けられる温度依存指数方程式変数として、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータを生成することを更に含む、方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、前記ＳＯＣを計算することが、
    前記バッテリーの前記温度の関数として、前記第１及び第２のレジスタの抵抗値の前記比と前記バッテリーの総抵抗に関連付けられる前記温度依存指数方程式変数とに基づいて、前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のレジスタの前記抵抗値を計算すること、及び
    前記バッテリーの前記温度の関数として、前記第１及び第２のキャパシタの静電容量値前記比と前記第１のキャパシタの前記電圧に対する前記温度依存線形数式変数とに基づいて、前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のキャパシタの前記静電容量値を計算すること、
    を含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記ＳＯＣを計算することが、
    前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のレジスタの前記抵抗値と前記ダイナミックバッテリーモデルの前記第１及び第２のキャパシタの前記静電容量値とに基づいて、及び前のサンプリング時間における前記バッテリーを介する前記推定された電流に基づいて、現在のサンプリング時間における前記バッテリーにより生成される電流を推定すること、及び
    前記バッテリーにより生成される前記推定された電流と前記前のサンプリング時間における前記バッテリーの前記ＤＯＤとに基づいて、前記バッテリーの前記ＳＯＣを計算すること、
    を更に含む、方法。
17. バッテリー検知システムであって、
    バッテリーの温度を測定するように構成される温度センサ、
    前記バッテリーの放電の深さ（ＤＯＤ）に関連する前記バッテリーの定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる所定のデータをストアするように構成されるメモリ、及び
    複数のサンプリングインタバルの各々で前記バッテリーの電圧のサンプルを得るように、前記サンプリングインタバル、前記所定のデータ、及び前記温度のそれぞれ一つにおける前記電圧に基づいて所定のサンプリングインタバルで前記バッテリーにより生成される対応する電流を推定するため、及び前記サンプリングインタバルのそれぞれにおける前記バッテリーを介する前記推定された電流に基づいて、及び直前のサンプリングインタバルにおける前記バッテリーの前記ＤＯＤに基づいて、前記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を計算するように構成されるコントローラ、
    を含む、システム。
18. 請求項１７に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動と遷移挙動に関連付けられる前記所定のデータが、定常状態回路部及び遷移回路部を含むダイナミックバッテリーモデルとして前記バッテリーをモデル化することに基づいて判定され、前記静的及び遷移回路部の各々が少なくとも一つのＲＣネットワークを含む、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる前記所定のデータの少なくとも一部が、前記ダイナミックバッテリーモデルに所定の負荷を適用すること、及び前記所定の負荷を介する電流の関数として前記ダイナミックバッテリーモデルに関連付けられる電圧の変化を測定することに基づいて判定される、システム。
20. 請求項１９に記載のシステムであって、前記バッテリーの前記定常状態挙動及び遷移挙動に関連付けられる前記所定のデータの少なくとも一部が、前記所定の負荷を取り除くと前記ダイナミックバッテリーモデルに関連する電圧応答を測定することに基づいて判定される、システム。