JP2017175684A

JP2017175684A - 電池制御方法及び電池制御装置。

Info

Publication number: JP2017175684A
Application number: JP2016056334A
Authority: JP
Inventors: 勝夫菊池; Katsuo Kikuchi
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2016-03-19
Filing date: 2016-03-19
Publication date: 2017-09-28

Abstract

【課題】長時間の保存時などに電池残量を適切に減少させるための電池制御方法を提供する。【解決手段】外部からの指示に応じて複数の単電池の組み合わせからなる組電池の電池残量を調整する電池制御方法は、前記組電池の電圧を検出する第１ステップＳ２１０〜Ｓ２３０と、前記組電池の電圧が所定値より高いとき、前記単電池のそれぞれの電圧を所定値まで降下させるよう放電する第２ステップＳ２４０〜Ｓ２７０と、前記単電池のうちの所定の単電池の電圧が所定値以下であるか、または前記組電池の電圧が所定値以下であるときに動作モードをスリープモードとする第３ステップＢと、を含む。【選択図】図４

Description

本発明の一態様は、リチウムイオンバッテリなどの二次電池の残量を調整する電池制御方法などに関する。

近年、直接に多段に接続された単電池を含むリチウムイオンバッテリなどの二次電池が種々の装置に用いられている。一方で、リチウムイオンバッテリには、単電池間の容量を均一化するためのセルバランス回路が搭載されている。このようなリチウムイオンバッテリなどの二次電池の制御システムとして、例えば特許文献１または特許文献２に記載の技術が開示されている。

特開２００３−２８２１５９号公報特開２００５−３２８６０３号公報

上記の特許文献１または特許文献２に記載にものを含む従来のリチウムイオンバッテリでは、満充電または満充電に近い状態で長期間保存するとバッテリが劣化することが知られているものの、長期間の保存時に電池残量を適切に減少させる機能が十分ではなかった。また、リチウムイオンバッテリを航空輸送する際には、電池残量（充電率）を所定量以下に減少させることが要求されることがあるが、この場合に簡易に電池残量を減少させる機能が求められている。

本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採る。なお、以下の説明において、発明の理解を容易にするために図面中の符号等を括弧書きで付記するが、本発明の各構成要素はこれらの付記したものに限定されるものではなく、当業者が技術的に理解しうる範囲にまで広く解釈されるべきものである。

本発明の一の手段は、
外部からの指示に応じて複数の単電池の組み合わせからなる組電池の電池残量を調整する電池制御方法であって、
前記組電池の電圧を検出する第１ステップ（Ｓ２００）と、
前記組電池の電圧が所定値より高いとき、前記単電池のそれぞれの電圧を所定値まで降下させるよう放電する第２ステップ（Ｓ２２０、Ｓ２６０など）と、
前記単電池のうちの所定の単電池の電圧が所定値以下であるか、または前記組電池の電圧が所定値以下であるときに動作モードをスリープモードとする第３ステップ（Ｓ２９０など）と、を含む、
電池制御方法である。

また、本発明の他の手段は、
外部からの指示に応じて複数の単電池の組み合わせからなる組電池の電池残量を調整する電池制御装置であって、
前記組電池の電圧を検出する組電池残量検出部と、
前記単電池のそれぞれの電圧を検出する単電池残量検出部と、
前記単電池のそれぞれを放電する放電部と、
前記組電池の電圧が所定値より高いとき、前記単電池のそれぞれの電圧を所定値まで降下させるとともに、前記単電池のうちの所定の単電池の電圧が所定値以下であるか、または前記組電池の電圧が所定値以下であるときに動作モードをスリープモードとする制御部と、を有する、
電池制御装置である。

上記の電池制御方法、または電池制御装置を採用すれば、例えばリチウムイオンバッテリを搭載した自転車を長時間使用することなく保管する際に、ユーザの操作により電池残量を適量に減少させることなどが可能となる。これにより、電池の寿命を長期間化させることなどが可能となる。また、電池残量の減少のために、既存のセルバランス回路などを利用することが可能となるため、安価な追加コストで電池制御を行うことなどが可能となる。

上記電池制御方法において、好ましくは、
前記第１ステップは、ユーザによる操作により開始される。

上記電池制御装置において、好ましくは、
外部からの操作を検出する操作検出部（例えばタクトスイッチ１２）をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部による操作が検出されたときに前記スリープモードへの移行処理を行う。

これらの電池制御方法または電池制御装置によれば、ユーザ操作に応じて容易に電池残量を調整可能な方法または装置を提供することができる。

電池パックの構成例を示す図。放電回路の構成例を示す図。スリープモード移行検出処理を示すフローチャート。スリープモード移行処理を示すフローチャート。低消費電力モード移行処理を示すフローチャート。通常動作移行処理を示すフローチャート。

本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定的に解釈させるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
１．実施形態
２．補足事項

＜１．実施形態＞
本実施形態の電池制御装置は、例えば電動アシスト自転車に採用される電池パックの電池制御装置であって、ユーザからの指示に応じて、既存のセルバランス回路を利用しながら電池残量を所定量まで減少させる機能を有する点に特徴のひとつがある。以下、本実施形態の電池パック及び電池パックに内蔵された電池制御装置の構成及び処理について、順に説明する。

＜（１）電池パックの構成例＞
図１は、本実施形態の電池制御装置を有する電池パック（例えばリチウムイオンバッテリパック）の構成例を示す図である。図２は、本実施形態の電池パックに含まれる保護ＩＣ付き放電回路を示す図である。

図１に示されるように、本実施形態の電池パックは、プラス側端子１、マイナス側端子２、シリアル通信端子３、マイコン４、ＡＦＥ５、単電池６、抵抗７、抵抗８、モーメンタリ式スライドスイッチ９、ＩＤ端子１０、ＬＥＤ１１、タクトスイッチ１２、及び残量表示用スイッチ１３を含んで構成される。また、ＡＦＥ５は、コントロールユニット５１、並びにセルセレクト及びセルバランス回路５２を含む。ＡＦＥ５は、アナログフロントエンド（ＡｎａｌｏｇＦｒｏｎｔ−Ｅｎｄ）を指している。

＜プラス側端子１、マイナス側端子２、シリアル通信端子３＞
プラス側端子１及びマイナス側端子２は、電池パックから外部へ電力を供給し、または電池パックに充電のための電力が外部から供給される際に利用される端子である。シリアル通信端子３は、電池パックが外部に対してデータ（情報）を送信し、または電池パックが外部からデータ（情報や指示を含む）を受信するために利用される端子である。場合によっては、シリアル通信端子３を備えない構成としてもよい。また、シリアル通信端子３に代えた通信端子を備える構成としてもよい。

＜マイコン４＞
マイコン４は、ＡＦＥ５からＶＣＣ及びＧＮＤの供給を受けながら、ＡＦＥ５との間でシリアルデータ送受信を利用したデータ（情報及び指示を含む）の送受信を行っている。なお、マイコン４とＡＦＥ５との間のデータの送受信は必ずしもシリアルデータ送受信でなくてもよく、パラレルデータ送受信などの別の方法であってもよい。マイコン４は、ＡＦＥ５に含まれるコントロールユニット５１と共に、電池パックの各種制御を行う機能を有する。また、シリアル通信端子３を介して、外部機器からのデータや指示等を受信する。

＜ＡＦＥ５＞
ＡＦＥ５は、例えばアナログ−デジタル混合の半導体回路などであって、コントロールユニット５１、並びにセルセレクト及びセルバランス回路５２を含んで構成される。コントロールユニット５１は、セルセレクト及びセルバランス回路５２の動作を制御するが、具体的な制御処理については後述する。セルセレクト及びセルバランス回路５２は、セル（単電池）との接続状態を変化させるセレクタと、セル（単電池）間の容量を均一化するためのセルバランス回路を含んでいる。ＡＦＥ５は例えば回路基板に搭載され、ＡＦＥ５の近傍には抵抗８などが配置される。

＜単電池６＞
単電池６は、電池パックに充電された電力を保持する機能を有しており、抵抗７を介してＡＦＥ５に接続される。また、電池パックでは複数の単電池６がプラス側端子１とマイナス側端子２との間に直列接続されており、各単電池６の両端子の電位差の合計電位差が、プラス側端子１とマイナス側端子２との間に発生することになる。単電池６は「セル」と呼ばれることもある。直列接続された単電池６の最外側端子に電圧を印加して充電したとしても、それぞれの単電池６の両端に発生する電位は均一ではなくばらつきが生じてしまい、これによって複数の単電池６の間で劣化までの時間が異なる原因となったりするため、本実施形態の電池パックでは、単電池６の間の電位バランスを取るためのセルバランス回路を内蔵したＡＦＥ５が採用されている。
＜モーメンタリ式スライドスイッチ９＞

モーメンタリ式スライドスイッチ９は、ユーザによる操作を電池パックのＡＦＥ５またはマイコン４が検知するために配置されている。すなわち、ユーザがモーメンタリ式スライドスイッチ９を操作すると、ＡＦＥ５のコントロールユニット５１またはマイコン４がそのユーザ操作を検出して所定の処理を開始する。後述するように、この所定の処理とは電池パックを低消費電力モードから通常動作モードに移行させる処理である。

＜ＩＤ端子１０＞
ＩＤ端子１０は、電池パックのプラス側端子１及びマイナス側端子２が外部機器に接続されたことを検出し、検出結果をＡＦＥ５またはマイコン４に通知するよう構成される。後述するように、低消費電力モードのときに電池パックが充電器などに接続されたとき、ＩＤ端子１０はＡＦＥ５またはマイコン４に通知して、電池パックを通常動作モードへと移行させる。

＜ＬＥＤ１１、タクトスイッチ１２、残量表示用スイッチ１３＞
タクトスイッチ１２は、ユーザによる操作を検出し、複数のＬＥＤ１１と、これらのＬＥＤ１１にそれぞれ接続された残量表示用スイッチ１３を利用して、電池残量をユーザに示すトリガとなるスイッチである。また、タクトスイッチ１２は、後述のように、ユーザ操作を検出して、電池パックを低消費電力モードに移行させるトリガとなるスイッチでもある。

図２に記載されているように、ＡＦＥ５のセルセレクト及びセルバランス回路５２には、保護ＩＣ５３ａ及び５３ｂなどを含んだ放電回路内蔵される。これらの保護ＩＣ５３ａ及び５３ｂは、それぞれ単電池６ａ及び６ｂなどに接続される。

＜（２）電池制御処理＞
次に、本実施形態の電池パックの電池制御部が行う電池制御の処理について、具体的に説明する。本実施形態では、マイコン４及びＡＦＥ５（特にコントロールユニット５１）が電池パック全体の制御を行っているため、マイコン４及びＡＦＥ５を総称して電池制御部（または電池制御装置）と呼ぶ。マイコン４とＡＦＥ５とのどちらがどのような制御を行うかは、設計時に任意に決定可能である。

本実施形態の電池パックは、通常動作モード、スリープモード、及び低消費電力モードの３モードでの動作を含む。もちろん、電池パックはこれらの動作モード以外の動作モードをさらに含んでもよい。電池パックは、通常動作している場合には、使用していない時間も含め（例えば電動アシスト自転車が走行を停止している状態のときを含め）、通常動作モードで動作している。そして、しばらくの間使用しないことが判っている場合には、ユーザの操作に基づいて、スリープモードを経て低消費電力モードへと移行する。低消費電力モードからは、充電器への接続やユーザ操作をトリガとして、電池パックは通常動作モードへと移行する。以下、これらの動作モードの移行について具体的に説明する。

＜Ｓ１００〜Ｓ１２０＞
図３は、スリープモード移行検出処理を示すフローチャートである。電池パックが通常動作モードであるときには、電池パックは通常動作を行っている（Ｓ１００）。このとき、シリアル通信端子３を介して、マイコン４（電池制御部）が外部からスリープコマンドを受信すると（Ｓ１１０でＹ）、電池制御部はスリープモード移行処理を開始する（Ａ）。また、タクトスイッチ１２がユーザにより一定時間長押しされた場合には（Ｓ１２０でＹ）、マイコン４（電池制御部）はスリープモード移行処理を開始する（Ａ）。つまり、スリープモードへの移行処理は、外部からの指示、またはタクトスイッチ１２が長押しされることをトリガとして開始される。

＜Ｓ２００＞
図４は、スリープモード移行処理を示すフローチャートである。電池制御部（マイコン４またはＡＦＥ５）は、まず、単電池６の全体の電池残量が所定量（例えば５０％または３０％）以上であるか否かを確認する（Ｓ２００）。このとき、電池残量が所定量未満であった場合は（Ｓ２００でＮ）、電池残量を減らすことなくスリープモードへと移行する（Ｂ）。

＜Ｓ２１０〜Ｓ２３０＞
電池残量が所定量以上であった場合（Ｓ２００でＹ）、電池制御部はＡＦＥ５のセルセレクト及びセルバランス回路５２を利用して単電池６の放電を行うことで電池残量を減らしていく。このとき、まずは０番目の単電池６の電池残量を減らすため、Ｎ＝０として（Ｓ２１０）、このＮ＝０番目の単電池６の放電を開始する（Ｓ２２０）。単電池６の放電中は、都度単電池６の電圧が、予め定められたＸ［Ｖ］以下であるかを、セルセレクト及びセルバランス回路５２を介して確認する（Ｓ２３０）。

＜Ｓ２４０〜Ｓ２７０＞
単電池６の電圧がＸ［Ｖ］以下となったことが検出されたら（Ｓ２３０でＹ）、次の単電池６の放電を行うためにＮ＝Ｎ＋１とする処理を行い（Ｓ２４０）、ＡＦＥ５のセルバランス制御レジスタを利用してＮ番目の単電池６を指定して（Ｓ２５０）、単電池６の放電を行っていく（Ｓ２６０）。そして、単電池６の放電中は、都度単電池６の電圧が、Ｎ＝０番目の単電池６の電圧以下となったか否かを、セルセレクト及びセルバランス回路５２を介して確認する（Ｓ２７０）。

＜Ｓ２８０＞
Ｎ番目の単電池６の電圧がＮ＝０番目の単電池６の電圧以下となったら（Ｓ２７０でＹ）、当該処理をすべての単電池６について行っていく（Ｓ２８０）。

＜Ｓ２９０＞
すべての単電池６の放電が完了したら（Ｓ２８０でＹ）、Ｎ＝０番目の単電池６の電圧が、予め定められたＹ［Ｖ］以下であるか、または電池残量が所定量（例えば５０％または３０％）以下になっているかを確認する（Ｓ２９０）。Ｎ＝０番目の単電池６の電圧が、予め定められたＹ［Ｖ］以下であるか、または電池残量が所定量（例えば５０％または３０％）以下になっている場合にはスリープモードに移行し（Ｂ）、そうでない場合には、再度放電処理を行うため、Ｓ２１０の処理に戻る。

Ｎ＝０番目の単電池６の放電完了判定の際のＸ［Ｖ］は、単電池６の特性により最適な１回の放電量が異なってくるため、電池毎の特性により算出されている。例えば、ある単電池に対して１回に放電する電圧量を１０ｍＶなどと設定してもよい。また、すべての単電池６の放電が完了した状態では、Ｎ＝０番目の単電池６の電圧が変化していることがあるため、この電圧の変化などの電池特性を考慮して算出された、Ｎ＝０番目の単電池６の許容電圧がＹ［Ｖ］となっている。

＜Ｓ３００〜Ｓ３２０＞
図５は、電池パックがスリープモードから低消費電力モードへと移行する際の処理を示すフローチャートである。電池パックの動作モードがスリープモード（Ｂ）になると、電池制御部は低消費電力モードへの移行を進める。まず、マイコン４は、ＡＦＥ５に対してスリープコマンドを送信する（Ｓ３００）。スリープコマンドを受信したＡＦＥ５は、復帰に必要な最小限の回路を除いてその動作を停止させる。このとき、ＡＦＥ５はマイコン４に対する電力の供給を停止させた後（Ｓ３１０）、ＡＦＥ５自身が低消費電力モードへと移行する（Ｓ３２０を経てＣへ）。

＜Ｓ４００〜Ｓ４２０＞
図６は、電池パックが低消費電力モードから通常動作モードへと移行する際の処理を示すフローチャートである。低消費電力モード（Ｃ）において、ＩＤ端子１０に充電器が接続されるか、またはモーメンタリ式スライドスイッチ９をユーザが操作することで回路がプルダウンされると（Ｓ４００）、ＡＦＥ５はこの状態の変化を検知して、復帰処理を行う。このとき、ＡＦＥ５は自身の回路に対する電力の供給を再開させると共に、マイコン４に対する電力の供給を再開する（Ｓ４１０）。これによって、電池パックは通常動作モードへと移行する（Ｓ４２０）。

以上のような電池制御部（電池制御部）を備え、上記のようなモード移行処理を実行可能にした電池パックでは、例えばリチウムイオンバッテリを搭載した自転車を長時間使用することなく保管する際に、ユーザの操作により電池残量を適量に減少させることなどが可能となる。これにより、電池の寿命を長期間化させることなどが可能となる。また、電池残量の減少のために、既存のセルバランス回路などを利用することが可能となるため、安価な追加コストで電池制御を行うことなどが可能となる。

特に近年では、リチウムイオンバッテリを空輸する際に、電池残量を所定量以下にすることが求められる場合があるが、上記のように動作可能な電池制御部を備える構成とすることで、電池残量を簡易に減少させる機能を提供することが可能となる。

＜２．補足事項＞
以上、本発明の実施形態についての具体的な説明を行った。上記説明では、あくまで一実施形態としての説明であって、本発明の範囲はこの一実施形態に留まらず、当業者が把握可能な範囲にまで広く解釈されるものである。

上記実施形態の電池パックでは、できるだけ具体的な例を挙げて説明しているが、いずれもあくまで一例に過ぎない。すなわち、モーメンタリ式スライドスイッチ９、ＩＤ端子１０、タクトスイッチ１２などのモード移行のトリガに利用されるスイッチ及び端子は、当然に他のものに置き換えることができる。ＡＦＥ５も、必ずしもこのような機能の半導体回路を搭載させる必要があるわけではなく、セルセレクト回路、セルバランス回路、及びコントロールユニットを別構成としてもよい。また、ＡＦＥ５を、マイコン４などの他の構成とさらに組み合わせた構成としてもよい。また、ＬＥＤ１１や残量表示用スイッチ１３などは必須の構成ではない。

本発明の電池制御装置は、リチウムイオンバッテリに限定して採用されるものではなく、他の充電可能な電池に採用することも可能である。ただし、電池残量を減少させて保管または輸送するニーズのあるリチウムイオンバッテリのような充電池に採用することで、特に本発明の効果を得ることができる。また、本発明の電池制御装置、及び電池パックは、電動アシスト自転車のみならず、車椅子、歩行補助具（電動機能付き）などに適用されうる。

また、本発明は、このような電池制御装置（電池制御部）を有する電池パック（電池装置）、またはそのような電池パックを搭載した電動アシスト自転車または電子機器などをも含む。

本発明は、複数の単電池を有する電池において、ユーザ指示に応じて電池残量を適切に減少させることが可能な電池制御方法または電池制御装置などとして利用される。

１…プラス側端子
２…マイナス側端子
３…シリアル通信端子
４…マイコン
６…単電池
７、８…抵抗
９…モーメンタリ式スライドスイッチ
１０…ＩＤ端子
１１…ＬＥＤ
１２…タクトスイッチ
１３…残量表示用スイッチ
５１…コントロールユニット
５２…セルバランス回路
５３ａ、５３ｂ…保護ＩＣ

Claims

外部からの指示に応じて複数の単電池の組み合わせからなる組電池の電池残量を調整する電池制御方法であって、
前記組電池の電圧を検出する第１ステップと、
前記組電池の電圧が所定値より高いとき、前記単電池のそれぞれの電圧を所定値まで降下させるよう放電する第２ステップと、
前記単電池のうちの所定の単電池の電圧が所定値以下であるか、または前記組電池の電圧が所定値以下であるときに動作モードをスリープモードとする第３ステップと、を含む、
電池制御方法。
前記第１ステップは、ユーザによる操作により開始される、
請求項１に記載の電池制御方法。
外部からの指示に応じて複数の単電池の組み合わせからなる組電池の電池残量を調整する電池制御装置であって、
前記組電池の電圧を検出する組電池残量検出部と、
前記単電池のそれぞれの電圧を検出する単電池残量検出部と、
前記単電池のそれぞれを放電する放電部と、
前記組電池の電圧が所定値より高いとき、前記単電池のそれぞれの電圧を所定値まで降下させるとともに、前記単電池のうちの所定の単電池の電圧が所定値以下であるか、または前記組電池の電圧が所定値以下であるときに動作モードをスリープモードとする制御部と、を備える、
電池制御装置。
外部からの操作を検出する操作検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部による操作が検出されたときに前記スリープモードへの移行処理を行う、
請求項３に記載の電池制御装置。