JP2016170034A

JP2016170034A - 電池残量予測装置及びバッテリパック

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Publication number: JP2016170034A
Application number: JP2015049777A
Authority: JP
Inventors: 栄亀今泉; Eiki Imaizumi
Original assignee: Ablic Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2016-09-23
Also published as: CN105974316A; US20160266209A1; US10060986B2; KR20160110211A; TW201640132A; TWI669520B; CN105974316B

Abstract

【課題】低コストでありながら、充電池の電池残量の高精度な予測が可能なバッテリパックを提供する。【解決手段】電測定した電池電圧及び電池温度と、電池残量変化から算出される電流値及び電池内部抵抗に基づいて電池開回路電圧と電池残量を回帰的に算出する、第一の演算フローによって電池の残量を予測する電池残量予測装置。また、電池負荷として定電流放電を所定の期間行った後に、定電流放電の開始前の電池残量と、定電流放電の停止直前の電池電圧と、定電流放電の停止後の整定した電池電圧に基づいて電池容量と電池内部抵抗を算出する、第二の演算フローとによって前記電池の残量を予測する電池残量予測装置。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリパックに関係し、特にＬｉイオン充電池等の電池残量を予測する電池残量予測装置に関する。

充電池は、携帯機器を始めとして、多くの装置に使われていて、充放電を管理するバッテリ管理システムが必須である。特に機器稼動時には稼動時間をより正確に知ることが必要であり、そのために電池残量予測装置が使用されている。

従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックを図５に示す。従来の電池残量予測装置２０は、信号処理演算を行うＣＰＵ２１と、信号処理演算の際に用いるＲＡＭ２２と、充電池７の１セル分の電池電圧をレベル変換器２６で変換された電池電圧を検出するためのＡＤＣ２３と、充電池７の電流を検出する電流センス抵抗６で発生する電圧を検出するためのＡＤＣ２４と、電池の特性データ等を予め保持しておく不揮発性メモリ２５と、を備えている。本電池残量予測装置は、充電池７の電圧と、電流センス抵抗６を用いて計測された充電池７の電流値よりクーロンカウンタで求められた移動電荷量等とから、電池残量が求められている。高精度な残量予測には、充電池７の電圧及び電流の高精度な計測が必須である。
特に電流計測に注目すると、電流センス抵抗６は抵抗値が高精度なことが求められる。

米国特許第６７８９０２６号明細書

従来の電池残量予測装置２０を備えたバッテリパックは、高精度な電池残量予測をするためには、高精度で電流許容量の大きい電流センス抵抗６が必要となる。そのため、電流センス抵抗６は高価でサイズが大きくなってしまう、と言う課題があった。

本発明の電池残量予測装置は、上記課題を解決するために、以下のような構成とした。
電測定した電池電圧及び電池温度と、電池残量変化から算出される電流値及び電池内部抵抗に基づいて電池開回路電圧と電池残量を回帰的に算出する、第一の演算フローによって電池の残量を予測する電池残量予測装置。また、電池負荷として定電流放電を所定の期間行った後に、定電流放電の開始前の電池残量と、定電流放電の停止直前の電池電圧と、定電流放電の停止後の整定した電池電圧に基づいて電池容量と電池内部抵抗を算出する、第二の演算フローとによって前記電池の残量を予測する電池残量予測装置。

本発明の残量予測装置によれば、検出した電池電圧に基づき高精度な電池残量予測が可能なので、電流センス抵抗が不要となる。従って、バッテリパックは、小さいサイズ、かつ低コストで提供することが出来る。

第一の実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。第一の実施形態の電池残量予測装置における電池残量予測演算フローである。第二の実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。第二の実施形態の電池残量予測装置における電池特性予測演算フローである。従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。

図１は、第一の実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。第一の実施形態のバッテリパックは、電池残量予測装置１と、充電池７と、充放電制御用のＭＯＳＦＥＴ８と、充放電制御回路１５と、外部端子１８及び１９と、を備えている。
電池残量予測装置１は、電圧検出部１１と、制御部１６と、残量予測等を行う演算部１２とを備えている。

第一の実施形態のバッテリパックは、以下のように接続されている。
電池残量予測装置１は、充電池７の両端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ８は、外部端子１９と充電池７の負極の間に設けられる。充放電制御回路１５は、充電池７の両端に接続され、出力端子はＭＯＳＦＥＴ８に接続される。外部端子１８及び１９には、負荷３となるアプリケーションシステムが接続される。電圧検出部１１は、入力端子に充電池７の正極が接続され、出力端子が制御部１６に接続される。制御部１６は、出力端子が演算部１２に接続される。

電圧検出部１１は、充電池７の端子電圧及び温度を検出して、制御部１６に出力する。制御部１６は、例えば、タイマー回路や、ＲＡＭや不揮発メモリ等の記憶装置などを備えている。演算部１２は、制御部１６の情報及び制御に基づき充電池７の電池残量を高精度に予測計算を行う。即ち、電池残量予測装置１は、図２に示す高精度残量予測演算フローを実行し、充電池７の電池残量を高精度に予測計算する。

第一の実施形態の電池残量予測装置は、以下のように動作して、充電池７の電池残量を高精度に予測する。
図２は、第一の実施形態の電池残量予測装置における電池残量予測演算フローである。電池実装時等の初期状態において、充電池７の電池残量は不明である。従って、ステップＳ１及びＳ２で充電池７の電池残量の初期値ＳＯＣｏを算出する。

ステップＳ１で、充電池７の電池端子電圧ＶＢｏ及び電池温度Ｔｏを電圧検出部１１で検出する。充電池７に電流は流れていないとすると、この時の電池端子電圧ＶＢｏは、電池開回路電圧ＯＣＶに等しい。

電池の開回路電圧ＯＣＶと電池残量（充電状態）ＳＯＣと電池温度Ｔとは、電池の種類によって所定の関係にあり、その関係を式１で表す。
ＯＣＶ＝ｆｏｃｖ（ＳＯＣ，Ｔ）（１）
但し、式１のｆｏｃｖ（ＳＯＣ，Ｔ）は、関数で表すことが難しいので、例えば予め測定して得られた数値テーブルで定義する。

ステップＳ２で、電池開回路電圧をＶＢｏ、電池温度をＴｏとして、式１から電池残量の初期値ＳＯＣｏを算出する。
ステップ３で、時間ｔｃをカウントする。そして、時間ｔｃ毎にステップ４以降の電池残量予測演算を実行する。

ステップ４で、電圧検出部１１で充電池７の電池端子電圧ＶＢｎ及び電池温度Ｔｎを検出する。
ステップ５で、前回の電池残量ＳＯＣｎ−１と、ステップ４で検出された電池電圧ＶＢｎと電池温度Ｔｎとから、現在の電池残量ＳＯＣｎ、開回路電圧ＯＣＶｎ、電池電流Ｉｎを算出する。

電池特性として規定する必要のある特性として、式１に仮定した特性に加えて、電池内部インピーダンスＲｚｂと電池容量Ｑｍａｘがある。これらは、製造初期に固有の特性を持っている。内部インピーダンス特性としては、式２を仮定する。
Ｒｚｂ＝ｆｚｂ（ＳＯＣ，Ｔ）（２）
この時点の電池電流をＩｎとすると、電池端子電圧ＶＢｎと、この時点での開回路電圧は以下の関係式で表される。

ｆｏｃｖ（ＳＯＣｎ，Ｔｎ）−ＶＢｎ＝Ｉｎ・ｆｚｂ（ＳＯＣｎ，Ｔｎ）（３）
式３は、電池開回路電圧ｆｏｃｖ（ＳＯＣｎ，Ｔｎ）と電池端子電圧ＶＢｎの差電圧（左辺）が、電池電流Ｉｎと電池内部インピーダンスｆｚｂ（ＳＯＣｎ，Ｔｎ）による電圧降下（右辺）に等しいことを表わしたものである。この時の電流Ｉｎはｔｃ時間前から現時点までの電荷の移動量を時間ｔｃで除したものと考えると、式４で表わすことが出来る。

Ｉｎ＝−（ＳＯＣｎ？ＳＯＣｎ−１）・Ｑｍａｘ／ｔｃ（４）
右辺の分子は残量の変化と電池容量Ｑｍａｘの積で、移動電荷量を意味している。尚、電流は電池から出力される方向を正としている。式３と式４は同時に成立する必要があり、電池電流Ｉｎと残量ＳＯＣｎを未知の変数として、連立方程式の解として求めることができる。従って、実際に電池電流を計測することなく電池残量を予測できる。

以上の演算をステップＳ５で実行することで、電池残量ＳＯＣｎ、開回路電圧ＯＣＶｎ（≡ｆｏｃｖ（ＳＯＣｎ，Ｔｎ））、電池電流Ｉｎがそれぞれ算出される。ステップＳ６でこれら算出された諸数値はＲＡＭや不揮発メモリ等の記憶措置に書き込まれ保持される。以上のステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し実行することで残量予測を行う。

以上の通り、本発明の実施形態によれば、電池電流を実際に検出することなく電池残量を予測でき、従って、従来、電池電流検出のために必要であった高精度電流センス抵抗が不要となり、コスト低減、実装サイズ低減を実現できる。

図３は、第二の実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックの他の例を示すブロック図である。
残量予測装置２は、既知の電池負荷とする定電流源４と、スイッチ５を備えている。また、これら既知定電流源をオン・オフ制御するスイッチ５の制御機能等を具備した制御部１７と、既知定電流源のオン・オフの情報も用いて残量予測演算を行う演算部１３とから成っている。本発明の実施形態では、電池容量の低下や電池内部インピーダンスの増加と言った経年変化を予測する手段も併せて提供することを目的としたものである。

第二の実施形態の電池残量予測の演算フローは、図２の電池残量予測演算フローに加えて、図４に示す電池特性予測演算フローを具備している。電池特性予測演算フローを実行する条件としては、電池負荷であるアプリケーションシステムが停止、或いはスリープ状態等、極低消費電流状態にあり、電池電流が所期の電流より小さい状態において実行する。

以下に電池特性予測演算フローについて説明する。
ステップＳ１では、電池特性予測を実行するかどうかを判定する。電池特性予測の実行の起動の可否を判断するため、実行フラグＦｌａｇを監視し、フラグが立った（本例ではＦｌａｇ＝１）事を検出して電池特性予測演算を起動する。

ステップＳ２では、電池残量予測演算フローで算出された開回路電圧ＯＣＶｊと検出した電池端子電圧ＶＢｊの電圧の差を求め、この差が所期の電圧δｖ以下か否かを判定し、以下となった時点で次ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、│ＯＣＶｊ−ＶＢｊ│≦δｖとなった時点での電池残量ＳＯＣｊをＲＡＭ等の記憶装置に保持する。そして、残量予測装置２に具備した既知の定電流源４が電池７の負荷として接続され、電池７は定電流源４によって定電流Ｉｄｉが放電される。

ステップＳ４では、所期の定電流放電時間（ｋ・ｔｃ）の経過を監視して、検出するとステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、放電停止直前の電池端子電圧ＶＢ_(k・_tc)、電池温度Ｔ_(k・_tc) 、をＲＡＭ等の記憶装置に保持する。そして、既知の定電流源４を電池７から切断する。

ステップＳ６では、定電流源４切断後の開回路電圧ＯＣＶｍ、電池端子電圧ＶＢｍの差電圧（＝│ＯＣＶｍ−ＶＢｍ│）を監視し、この電圧の差が所期の電圧δｖ２以下か否かを判定し、以下となった時点で次ステップＳ７に進める。
ステップＳ７では、前記差電圧が所期電圧δｖ２以下となった時点での電池残量ＳＯＣｍ、開回路電圧ＯＣＶｍ、電池温度ＴｍをＲＡＭ等の記憶装置に保持する。

ステップＳ８では、電池残量ＳＯＣｊ、定電流値Ｉｄｉ、定電流放電時間ｋ・ｔｃ、電池端子電圧ＶＢ_(k・_tc)、電池温度Ｔ_(k・_tc)、電池残量ＳＯＣｍ、開回路電圧ＯＣＶｍ、電池温度Ｔｍ、を元に電池特性である電池容量、電池内部インピーダンスを算出する。
ステップＳ８における電池特性算出方法を以下に詳述する。

先ず、電池容量の算出に関して説明する。
定電流Ｉｄｉでの定電流放電開始前、放電停止後の電池残量は、それぞれ、ＳＯＣｊ、ＳＯＣｍとして算出されている。この電池残量の変化は、定電流放電による電荷移動に拠っていることから、電池容量をＱｒｍｘとすると、式５となる。

Ｉｄｉ・ｋ・ｔｃ＝（ＳＯＣｊ−ＳＯＣｍ）・Ｑｒｍｘ（５）
式５の左辺は、定電流Ｉｄｉでｋ・ｔｃ時間に放電された電荷量で、式５の右辺の電池残量の変化と電池容量の積に等しいとしている。従って、経年変化後の電池容量Ｑｒｍｘは、式６として算出できる。
Ｑｒｍｘ＝Ｉｄｉ・ｋ・ｔｃ／（ＳＯＣｊ−ＳＯＣｍ）（６）

次に、電池内部インピーダンスの算出に関して説明する。
定電流放電停止直前の電池端子電圧ＶＢ_(k・_tc)と、この時の電池開回路電圧ＯＣＶ_(k・_tc)、電池内部インピーダンスをＲｚとすると、その関係は式７で表わされる。
ＯＣＶ_(k・_tc)−ＶＢ_(k・_tc)＝Ｉｄｉ・Ｒｚ（７）
式７の左辺は、電池開回路電圧と電池端子電圧の差電圧で、この差電圧が定電流Ｉｄｉと電池内部インピーダンスＲｚによる電圧降下に等しいとしている。

ところで、定電流放電停止直前の電池開回路電圧ＯＣＶ_(k・_tc)は、定電流放電停止後の電池残量ＳＯＣｍと、定電流放電停止直前の電池温度Ｔ_(k・_tc)と、電池開回路電圧ＯＣＶと残量ＳＯＣ、温度Ｔ依存性式、ＯＣＶ＝ｆｏｃｖ（ＳＯＣ，Ｔ）とを用いると、式８として算出できる。
ＯＣＶ_(k・_tc)＝ｆｏｃｖ（ＳＯＣｍ，Ｔ_(k・_tc)）（８）
式７と式８から、電池内部インピーダンスＲｚを式９で求めることが出来る。

Ｒｚ＝（ｆｏｃｖ（ＳＯＣｍ，Ｔ_(k・_tc)）−ＶＢ_(k・_tc)）／Ｉｄｉ（９）
ステップＳ９では、ステップＳ８で求められた経年変化後の電池容量と電池内部インピーダンスを残地残量予測に用いる電池特性データに反映させる。
ステップＳ１０では、電池特性予測演算が終了したことに伴って、予測実行フラグＦｌａｇをリセット（本例では、Ｆｌａｇ＝０）する。

以上説明したように、第二の実施形態の電池残量予測装置によれば、電池特性の経年変化も予測できることから、高精度の残量予測を永続的に行うことができ、電流検出を行わずとも実現できることから、従来の電流センス抵抗は不要であり、低コスト化、実装サイズ低減に効果がある。

１、２残量予測装置
４定電流源
７充電池
１１電圧検出部
１２、１３演算部
１５充放電制御回路
１６、１７制御部

Claims

電池の電圧を計測して、電池の残量を予測する電池残量予測装置であって、
前記電池の電池電圧及び電池温度を測定する電圧検出部と、
前記電池電圧及び前記電池温度に基づき電池残量を予測計算する演算部と、
前記電池残量予測装置の動作及び前記演算部を制御する制御部と、を備え、
前記電池残量予測装置は、測定した前記電池電圧及び電池温度と、電池残量変化から算出される電流値及び電池内部抵抗に基づいて電池開回路電圧と電池残量を回帰的に算出する、演算フローによって前記電池の残量を予測する
ことを特徴とする電池残量予測装置。
電池の電圧を計測して、電池の残量を予測する電池残量予測装置であって、
前記電池の電池電圧及び電池温度を測定する電圧検出部と、
前記電池電圧及び前記電池温度に基づき電池残量を予測計算する演算部と、
前記電池残量予測装置の動作及び前記演算部を制御する制御部と、
前記電池負荷となる定電流源と、を備え、
前記電池残量予測装置は、測定した前記電池電圧及び電池温度と、電池残量変化から算出される電流値及び電池内部抵抗に基づいて電池開回路電圧と電池残量を回帰的に算出する、第一の演算フローと、
前記定電流源を電池負荷として接続し、定電流放電を所定の期間行った後に、前記定電流放電の開始前の電池残量と、前記定電流放電の停止直前の電池電圧と、前記定電流放電の停止後の整定した電池電圧に基づいて電池容量と電池内部抵抗を算出する、第二の演算フローと、
によって前記電池の残量を予測することを特徴とする電池残量予測装置。
負荷が接続される第一及び第二の外部端子の間に直列に接続された電池及び負荷電流制御用のＭＯＳＦＥＴと、
前記電池の両端に接続され、前記電池の状態を監視し前記ＭＯＳＦＥＴを制御する制御回路と、
前記電池の両端に接続され、前記電池の残量を予測する請求項１または２に記載の電池残量予測装置と、
を備えたことを特徴とするバッテリパック。