JP2016080616A - 充電率算出装置、電池システム及び充電率算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザから見て不自然な動作とならないようにする。【解決手段】電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出装置であって、電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に電池の現在電圧が位置する場合、現在電圧と第２電圧との差を第１電圧と第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと前記現在電圧が前記第２電圧に等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を第２充電率に加算した加算値を電池の現在充電率とする。【選択図】図１

Description

本発明は、充電率算出装置、電池システム及び充電率算出方法に関する。

電池システム（例えば、下記特許文献１参照）は、電池から外部の負荷に電力を供給するための放電処理を行うと共に、電池を充電する充電処理を行うものである。このような電池システムでは、電池の現在充電率を表示するために、放電時の電流及び充電時の電流の積分値を算出し、電池の総容量における積分値の比率を求め、該比率を現在の充電率に加算することで、電池の現在充電率を算出している。しかしながら、上記方法では、放電時の電流及び充電時の電流を検出する際の検出誤差等が積み重なり、算出した現在充電率と、実際の充電率との差が開いてしまうという問題があった。そのため、満充電時に検出されるべき電池電圧及び電流が検出された場合には、電池の充電率を１００％に補正する。

特開２０１１−１６９９０６号公報

しかしながら、上記従来技術では、電池の充電率の算出結果が実際の充電率よりも低い場合には、満充電時に検出されるべき電池電圧及び電流が検出されると、表示している充電率が１００％よりも低い値であるにもかかわらず、表示している充電率を急激に１００％に変化させなければならず、また、電池の充電率の算出結果が実際の充電率よりも高い場合には、表示している充電率が１００％であるにもかかわらず、充電を継続するという、ユーザから見ると不自然な動作をしていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ユーザから見て不自然な動作とならないようにする、ことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、充電率算出装置に係る解決手段として、電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出装置であって、前記電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に前記電池の現在電圧が位置する場合、前記現在電圧と前記第２電圧との差を前記第１電圧と前記第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと前記現在電圧が前記第２電圧に略等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を前記第２充電率に加算した加算値を前記電池の前記現在充電率とする、という手段を採用する。

本発明では、電池システムに係る解決手段として、電池と、上記解決手段を採用する充電率算出装置と、表示装置とを具備し、前記充電率算出装置は、前記電池の前記現在充電率を前記表示装置に表示させる、という手段を採用する。

本発明では、充電率算出方法に係る第１の解決手段として、電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出方法であって、電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に前記電池の現在電圧が位置する場合、前記現在電圧と前記第２電圧との差を前記第１電圧と前記第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと前記現在電圧が前記第２電圧に略等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を前記第２充電率に加算した加算値を前記電池の前記現在充電率とする、という手段を採用する。

本発明では、充電率算出方法に係る第２の解決手段として、電池の電圧が前記電池の満充電を示す電圧より低い所定の閾値電圧より大きいか否かを判定するステップを有し、前記電池の電圧が、前記閾値電圧以下の場合には前記電池に対する充電電流の積分値に基づき前記電池の充電率を算出する一方で、前記電池の電圧が前記閾値電圧より大きい場合には、前記電池が満充電であることを示す充電率に向かって滑らかに増加する、という手段を採用する。

本発明によれば、電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出装置であって、電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に現在電圧が位置する場合、現在電圧と第２電圧との差を第１電圧と第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと現在電圧が第２電圧に略等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を第２充電率に加算した加算値を電池の現在充電率とすることによって、ユーザから見て不自然な動作とならないようにすることができる。

本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における電池Ｅの電圧及び充電率の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電池システムは、フォークリフト等の各種電動装置に搭載され、充電器Ｊに接続されて充電される際の電池Ｅの充電処理や、電力消費時の電池Ｅの放電処理を行うものである。なお、上記充電器Ｊは、電池システムに対して着脱可能である。

本電池システムは、図１に示すように、接続端子Ｔ、電池Ｅ、放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、電圧センサＤ、電流センサＹ、充電用スイッチング素子ＢＳ及びマイコンＭ（充電率算出装置）を備える。

接続端子Ｔは、本電池システムに充電器Ｊが装着された際に、該充電器Ｊに電気的に接続される端子である。
電池Ｅは、リチウムイオン電池等の蓄電池（二次電池）であるｎ個の電池セルＣ１〜Ｃｎかなり、電池セルＣ１〜Ｃｎが直列に接続された電池モジュールである。また、直列に接続された電池セルＣ１〜Ｃｎのうち、一方の端に配置された電池セルＣ１は、その正極に、充電用スイッチング素子ＢＳを介して、接続端子Ｔが接続されている。

放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに設けられ、マイコンＭから入力される制御信号に基づいて電池セルＣ１〜Ｃｎを放電するものである。このような放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、図１に示すように、放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び抵抗器Ｒ１〜Ｒｎから構成されている。

なお、各放電回路Ｈ１〜Ｈｎは同じ構成であるので、放電回路Ｈ１の放電用スイッチング素子ＡＳ１及び抵抗器Ｒ１についてのみ説明し、放電回路Ｈ２〜Ｈｎについては説明を省略する。

放電用スイッチング素子ＡＳ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣ１の正極に接続され、コレクタ端子が抵抗器Ｒ１の一端に接続されている。

このような放電用スイッチング素子ＡＳ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、電池セルＣ１の電力を抵抗器Ｒ１に放電する。一方、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、電池セルＣ１から抵抗器Ｒ１への放電を停止する。

また、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

抵抗器Ｒ１は、一端が放電用スイッチング素子ＡＳ１のコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣ１の負極に接続されている。このような抵抗器Ｒ１は、放電用スイッチング素子ＡＳ１がオン状態となると、電池セルＣ１から電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。
電圧センサＤは、電池Ｅの電圧を検出し、検出した電圧値を示す電圧検出信号をマイコンＭに出力する。
電流センサＹは、電池Ｅの電流を検出し、検出した電流値を示す電流検出信号をマイコンＭに出力する。

充電用スイッチング素子ＢＳは、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が接続端子Ｔに接続され、コレクタ端子が電池セルＣ１の正極に接続されている。このような充電用スイッチング素子ＢＳは、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を開始する。

一方、充電用スイッチング素子ＢＳは、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を停止する。

また、充電用スイッチング素子ＢＳは、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

表示装置Ｄｐは、例えば液晶ディスプレイまたは有機ＥＬ（Electronic Luminescent）ディスプレイ等であり、マイコンＭから入力される画像信号に基づいて画像や文字からなる各種画面を表示する。例えば、表示装置Ｄｐは、マイコンＭから入力される画像信号に基づいて電池Ｅの現在充電率を表示する。

マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップである。

このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電池システムの全体動作を制御する。詳細については後述するが、マイコンＭは、電圧センサＤによる検出結果を用いて電池Ｅの現在充電率を算出する。

次に、このように構成された本電池システムの動作について説明する。
本電池システムは、例えば、フォークリフトに搭載されている場合、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率が低減した状態となると、担当作業者によって、充電器Ｊが装着される。そして、本電池システムは、充電時に、表示装置Ｄｐに電池Ｅの現在充電率を表示するが、表示するための現在充電率を算出する際に、以下の特徴的な動作を実行する。

電池システムにおいて、マイコンＭは、電池の満充電状態時の第１電圧Ｖ１と該第１電圧Ｖ１よりも低い第２電圧Ｖ２との間に電池Ｅの現在電圧Ｖが位置するか否か判定する（ステップＳ１）。マイコンＭは、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間に現在電圧Ｖが位置しない場合（ＮＯの場合）、電流センサＹによって検出した充電時の電流の積分値を算出し、電池の総容量における積分値の比率を求め、該比率を現在の充電率に加算することで、電池の現在充電率を算出する（ステップＳ２）。

一方、マイコンＭは、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間に現在電圧Ｖが位置する場合（ＹＥＳの場合）、現在電圧Ｖと第２電圧Ｖ２との差を第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと現在電圧Ｖが第２電圧Ｖ２に等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率Ｘとの差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を第２充電率Ｘに加算した加算値を電池の現在充電率Ｓとし（ステップＳ３）、現在充電率Ｓを表示装置Ｄｐに表示させる（ステップＳ４）。

つまり、マイコンＭは、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間に現在電圧Ｖが位置する場合、以下（１）式に基づいて現在充電率Ｓを算出し、該現在充電率Ｓを表示装置Ｄｐに表示させる。
現在充電率Ｓ［％］＝Ｘ＋（１００−Ｘ）×（Ｖ−Ｖ２）÷（Ｖ１−Ｖ２）…（１）
なお、第２充電率Ｘを算出するために必要な電流値として、電流センサＹによる電流検出信号によって示されるものを使用する。

なお、上記式（１）はあくまで一例に過ぎず、当業者の通常の創作能力の発揮の範疇で創出され得る他の式を用いてよいことは言うまでもない。すなわち、本実施の形態においては、電池の電圧が前記電池の満充電を示す電圧より低い所定の閾値電圧より大きいか否かを判定するステップを有し、前記電池の電圧が、前記閾値電圧以下の場合には前記電池に対する充電電流の積分値に基づき前記電池の充電率を算出する一方で、前記電池の電圧が前記閾値電圧より大きい場合には、前記電池が満充電であることを示す充電率に向かって滑らかに増加するよう補正された充電率を算出する。この技術的思想に含まれるものは、すべて本発明に技術的範囲に属するものである。

このことにより、本実施の形態では、従来技術のように、急激に充電率が変化することがなくなり、ユーザにとって不自然な動作とならない。

例えば、電池Ｅにおける電池電圧と充電率とは、図３に示すように遷移する。なお、図３に示す（ａ）は電池の現在充電率Ｓに対する算出結果が実際の充電率よりも高い場合における現在充電率Ｓの遷移を示し、図３に示す（ｂ）は現在充電率Ｓに対する算出結果が実際の充電率よりも低い場合における現在充電率Ｓの遷移を示している。

このような本実施形態によれば、電池Ｅの現在充電率Ｓを算出し、表示装置Ｄｐに表示させる電池システムであって、電池Ｅの満充電状態時の第１電圧Ｖ１と該第１電圧Ｖ１よりも低い第２電圧Ｖ２との間に現在電圧Ｖが位置する場合、現在電圧Ｖと第２電圧Ｖ２との差を第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと現在電圧Ｖが第２電圧Ｖ２に等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率Ｘとの差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を第２充電率Ｘに加算した加算値を電池の現在充電率Ｓとすることによって、図３（ａ）や（ｂ）のように、現在充電率Ｓが緩やかに変化するので、ユーザから見て不自然な動作とならないようにすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
本実施形態は、フォークリフト以外の電動装置に搭載されてもよい。

Ｔ…接続端子、Ｃ１〜Ｃｎ…電池セル、Ｈ１〜Ｈｎ…放電回路、Ｄ…電圧センサ、Ｙ…電流センサ、ＢＳ…充電用スイッチング素子、Ｍ…マイコン、Ｊ…充電器、ＡＳ１〜ＡＳｎ…放電用スイッチング素子、Ｒ１〜Ｒｎ…抵抗器、Ｄｐ…表示装置

Claims (4)

1. 電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出装置であって、
   前記電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に前記電池の現在電圧が位置する場合、前記現在電圧と前記第２電圧との差を前記第１電圧と前記第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと前記現在電圧が前記第２電圧に等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を前記第２充電率に加算した加算値を前記電池の前記現在充電率とすることを特徴とする充電率算出装置。
2. 電池と、
   請求項１に記載の充電率算出装置と、
   表示装置とを具備し、
   前記充電率算出装置は、前記電池の前記現在充電率を前記表示装置に表示させることを特徴とする電池システム。
3. 電池の現在充電率を算出し、表示装置に表示させる充電率算出方法であって、
   電池の満充電状態時の第１電圧と該第１電圧よりも低い第２電圧との間に前記電池の現在電圧が位置する場合、前記現在電圧と前記第２電圧との差を前記第１電圧と前記第２電圧との差によって割った除算値に、満充電状態時の充電率である１００パーセントと前記現在電圧が前記第２電圧に等しくなった時点での電流積算によって算出した第２充電率との差を乗算して乗算値を算出し、該乗算値を前記第２充電率に加算した加算値を前記電池の前記現在充電率とすることを特徴とする充電率算出方法。
4. 電池の電圧が前記電池の満充電を示す電圧より低い所定の閾値電圧より大きいか否かを判定するステップを有し、
   前記電池の電圧が、前記閾値電圧以下の場合には前記電池に対する充電電流の積分値に基づき前記電池の充電率を算出する一方で、前記電池の電圧が前記閾値電圧より大きい場合には、前記電池が満充電であることを示す充電率に向かって滑らかに増加するように補正された充電率を算出する、充電率算出方法。

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