JP2018207740A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが設定した任意の時間において、適切な電池の容量推定及び充電を行うこと。【解決手段】二次電池と、満充電状態から放電終止状態までの前記二次電池の放電可能な容量に対応する学習容量を記憶する記憶手段と、前記二次電池の現在の容量を検出する容量検出手段と、前記二次電池が放電終止状態になった場合もしくは所定の放電電流で所定時間放電を行った場合に前記学習容量の更新を行う更新手段とを有する電池パックが接続される充電装置（１１２）は、時間の入力を受け付ける入力手段と、前記容量検出手段によって検出された容量と、前記入力手段に入力された時間と、所定の放電電流及び充電電流とを元に、放電時間及び充電時間を計算する計算手段と、前記計算手段によって計算された時間に応じて前記二次電池の充電または放電を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を充電する充電装置に関する。

従来、携帯電話端末や撮像装置など、二次電池を電源として使用した装置において、電池残量を通知する機能を有する機器が商品化されている。これらの機器では、充電容量及び放電容量から電池の残量を推定し、推定された残量に基づいて電池残量表示が行われている。

しかし、電池の残量推定が行われていない期間、例えば放置期間に電池温度の変化に伴う析出リチウムの溶解、析出リチウムの不活性化等によって電池に状態変化が生じている場合は、電池が認識している容量と実際の容量に差が生じてしまう。

この場合、例えば電池の放電を行い、充電容量及び放電容量に基づいて満充電状態から放電終止状態までの電池の放電可能な容量に対応する学習容量を計算（キャリブレーション）することで正確に容量を推定することが可能となるが、放電を行う時間が必要になる。また、ユーザが電池を使用するためには更に充電が必要となることから、ユーザの都合に合わせて正確な容量推定と充電を行う充電システムが望まれている。

特許文献１には、電池の開放電圧及び温度データに基づいて電池の放置期間状態を推定する方法が記載されている。

特開２０１４−１２６４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、放置期間を考慮した容量推定は可能となるが、ユーザの都合に合わせた電池の容量推定と充電を行うには至っていない。

そこで、本発明は、ユーザが設定した任意の時間において、適切な電池の容量推定及び充電を行うことができるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る充電装置は、
二次電池と、満充電状態から放電終止状態までの前記二次電池の放電可能な容量に対応する学習容量を記憶する記憶手段と、前記二次電池の現在の容量を検出する容量検出手段と、前記二次電池が放電終止状態になった場合もしくは所定の放電電流で所定時間放電を行った場合に前記学習容量の更新を行う更新手段とを有する電池パックが接続される充電装置であって、時間の入力を受け付ける入力手段と、前記容量検出手段によって検出された容量と、前記入力手段に入力された時間と、所定の放電電流及び充電電流とを元に、放電時間及び充電時間を計算する計算手段と、前記計算手段によって計算された時間に応じて前記二次電池の充電または放電を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明に係る充電装置によれば、ユーザが設定した任意の時間において、適切な電池の容量推定及び充電を行うことができる。

実施形態１および２における充電システムの構成の一例を説明するための図である。 実施形態１における充電システムの動作の一例を説明するためのフローチャートである。 ユーザによる入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーション時間Ｔｃａｌと電池容量０％から電池容量１００％までの充電時間との合計時間よりも短い場合を説明するための図である。 ユーザによる入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーション時間Ｔｃａｌと電池容量０％から電池容量１００％までの充電時間との合計時間以上の場合を説明するための図である。 実施形態２における充電システムの動作の一例を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１］
図１は、実施形態１および２における充電システムの構成の一例を説明するための図である。

実施形態１および２における充電システムは、図１に示すように、電池パック１０５と、充電装置１１２とを有する。電池パック１０５は、充電装置１１２に接続可能である。充電装置１１２は、充電装置１１２に接続された電池パック１０５の充電および放電を行うことができる。

次に、図１を参照して、電池パック１０５の構成の一例を説明する。

電池パック１０５は、二次電池１０１、電流検出部１０２、メモリ１０３、電池パック制御部１０４、電圧変換部１０６、電圧検出部１０７、保護回路１０８、＋端子１０９、Ｄ端子（通信端子）１１０、−端子１１１、温度検出部１１２を有する。

二次電池１０１は、例えば、直列に接続された２つの電池セルを有する。二次電池１０１は、例えば、リチウムイオン電池である。二次電池１０１の一方の端子は保護回路１０８を介して＋端子１０９へ接続されると共に、電圧変換部１０６に接続される。二次電池１０１のもう一方の端子は、二次電池１０１の充電または放電電流を測定するための電流検出部１０２を介して−端子１１１に接続されている。

電流検出部１０２は、例えば２０ｍΩのような低抵抗器であり、充放電電流を電圧に変換し、それを電池パック制御部１０４がＡ／Ｄ変換することで充放電電流を測定する。

メモリ１０３は、例えば書き換え可能な不揮発性メモリであり、電池パック１０５の各構成要素を制御するためのプログラムを記憶している。さらに、メモリ１０３は、二次電池１０１の満充電状態時の容量（学習容量に相当）、充放電電流の積算値、さらに残量（学習容量から充放電電流の積算値を減算した容量に相当）を記憶している。

電池パック制御部１０４は、例えばＡＤ変換、ＲＯＭ／ＲＡＭ及びタイマ等を持ったワンチップマイコンで構成され、電池パック１０５の各構成要素の動作を制御する。電池パック制御部１０４は、ＲＡＭに記憶されている電池パック１０４を動作させるためのプログラムを読み込み、電池パック制御部内のＲＡＭに展開し、各構成要素の動作を制御する。また、電池パック制御部１０４は電流検出部１０２で測定した充放電電流を一定周期（例えば１００ｍｓ周期）毎に積算を行い、充放電電流の積算値をメモリ１０３に記憶させる。

また、電池パック制御部１０４は、前述の通り、学習容量から充放電電流の積算値を減算した容量を残量として、メモリ１０３に記憶させる。

電圧変換部１０６は、例えばリニアレギュレータを有し、電池パック制御部１０４に定電圧を供給する。これにより、電池パック１０５が外部機器（携帯端末、撮像装置等）から外された状態でも電池パック制御部１０４は動作可能となる。

電圧検出部１０７は、例えばＡ／Ｄ変換器で構成され、二次電池１０１の各電池セルの電圧を検出し、電池パック制御部１０４へ伝える。

保護回路１０８は、充電保護ＦＥＴ及び放電保護ＦＥＴにより構成され、充電時及び放電時において、過充電や過放電にならないように回路を遮断されるスイッチであり、電池パック制御部１０４により制御される。

温度検出部１１２は、例えばサーミスタによって構成され、温度変化を抵抗値に変換し、それを電池パック制御部１０４のＡ／ＤポートにてＡＤ変換することで電池パック１０５の温度を検出する。

次に、図１を参照して、充電装置１１２の構成の一例を説明する。充電装置１１２も、電池パック１０５同様に、＋端子１０９と接続される＋端子と、Ｄ端子１１０と接続されるＤ端子（通信端子）と、−端子１１１と接続される−端子とを有する。

充電装置１１２は充電装置制御部１１４、入力部１１５、表示部１１６、充電／放電部１１７、満充電検出部１１８、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１９、動作時間決定部１２０を有する。

充電制御部１１４は、例えばＡＤ変換器、ＲＯＭ／ＲＡＭやタイマを持ったワンチップマイコンであり、充電装置１１２の動作を制御する。充電制御部１１４は制御端子１１０’を介して電池パック制御部１０４と通信可能な構成とされ、電池パック制御部１０４から電池パック１０５に関する電池情報を受信する。

入力部１１５は例えばメカスイッチやタッチパネル等の操作部材により構成され、本充電システムにおいて、ユーザがキャリブレーションと充電動作を行う時間との合計時間を入力する。

表示部１１６は、充電制御部１１４によって制御され、ユーザに充電装置１１２の情報および電池パック１０５の情報を表示する。

充電／放電部１１７は電池パック１０５が接続された場合に、充電動作を行う場合には主に定電流で充電を行う。また、キャリブレーション動作を行う場合は定電流で放電を行う。

満充電検知部１１８は充電／放電部１１７と接続端子１０９’との間に接続されている。また、満充電検出部１１８は充電装置制御部１１４に接続されている。満充電検出部１１８は電池パック１０５が満充電状態になったことを検出して、充電装置制御部１１４に通知する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１１９はＡＣ電源から供給されるＤＣ電源に変換し電力を充電装置１１２の各構成要素（充電制御部１１４など）に供給する。

動作時間決定部１２０は充電装置制御部１１４に接続されており、ユーザによって入力部１１５に入力された充電とキャリブレーションを行う時間に応じて、充電時間およびキャリブレーション時間を決定する。

次に、図２のフローチャートを参照して、実施形態１における充電システムの動作の一例を説明する。

図２のフローチャートを参照して説明される処理は、充電装置制御部１１４が、充電装置制御部１１４内のメモリに記憶されたプログラムを実行することにより制御される。

Ｓ２０１では、充電装置１１２の充電装置制御部１１４が電池パック制御部１０４と通信し、電池１０１の現在容量を計算する。

Ｓ２０２では、現在容量から電池容量１００％まで充電する、第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算する。第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算するための計算式は、次のとおりである。ただし、第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算するための計算式は、これに限るものではない。

Ｔｃｈ１＝（Ｑｍａｘ−Ｑ１）／Ｉｃｈ
第一の充電時間Ｔｃｈ１の計算式において、Ｔｃｈ１は第一の充電時間、Ｑｍａｘはフル充電時の電池容量、Ｑ１は現在の電池容量、Ｉｃｈは充電電流を表す。

Ｓ２０３では、ユーザが入力部１１５である操作部材を操作することで、キャリブレーションと充電動作を行う合計時間である入力時間Ｔｉｎを充電装置に入力する。

Ｓ２０４では、Ｓ２０３でユーザが入力した入力時間Ｔｉｎが第一の充電時間Ｔｃｈ１よりも長い時間であるか否かを判定する。ユーザが入力した入力時間が第一の充電時間Ｔｃｈ１よりも長い時間である場合はＳ２０５に進み、短い時間である場合はＳ２０３へ戻る。

Ｓ２０５では、キャリブレーション時間Ｔｃａｌを計算する。キャリブレーション時間Ｔｃａｌを計算するための計算式は、次のとおりである。

Ｔｃａｌ＝（Ｉｃｈ／（Ｉｃａｌ＋Ｉｃｈ））×（Ｔｉｎ−Ｔｃｈ１）
キャリブレーション時間Ｔｃａｌの計算式において、Ｔｃａｌはキャリブレーション時間、Ｉｃｈは充電電流、Ｉｃａｌはキャリブレーション（放電）電流、Ｔｉｎは入力時間、Ｔｃｈ１は第一の充電時間を表す。

Ｓ２０６では、キャリブレーションで放電を行った分の充電である第二の充電時間Ｔｃｈ２を計算する。第二の充電時間Ｔｃｈ２を計算するための計算式は、次のとおりである。

Ｔｃｈ２＝Ｔｉｎ−Ｔｃｈ１−Ｔｃａｌ
第二の充電時間Ｔｃｈ２の計算式において、Ｔｃｈ２は第二の充電時間、Ｔｉｎは入力時間、Ｔｃｈ１は第一の充電時間、キャリブレーション時間はＴｃａｌを表す。

Ｓ２０７では、Ｓ２０５で決定された時間に基づいて、キャリブレーションを行う。

Ｓ２０８では、Ｓ２０２で決定された第一の充電時間Ｔｃｈ１と、Ｓ２０６で決定された第二の充電時間Ｔｃｈ２に基づいて、充電動作を行う。

次に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、ユーザによる入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーション時間Ｔｃａｌと電池容量０％から電池容量１００％までの充電時間との合計時間３０１よりも短い場合における、充電システムの時間の配分と電池容量の変化とを説明する。

図３（ａ）を参照して、時間の変化を説明する。

入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％から電池容量１００％まで充電する時間と現在の電池容量から電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーションに必要な時間との合計時間３０１よりも短い場合、二次電池１０１の残量のうち一部の容量を放電してキャリブレーションを行う。

一部の容量を放電してキャリブレーションを行った分の充電を第二の充電３０５として行う。その後、電池容量１００％までの充電を第一の充電３０３として行う。このとき、キャリブレーション時間Ｔｃａｌと第二の充電時間Ｔｃｈ２および第一の充電時間Ｔｃｈ１との合計時間は入力時間Ｔｉｎに等しくなる。

図３（ｂ）を参照して、電池容量の変化を説明する。

電池容量１００％Ｑｍａｘに対する、現在の電池容量Ｑ１を検出する。キャリブレーションは二次電池１０１の残量の一部を放電すること３０８で行い、キャリブレーションを行った分の充電を第二の充電３０９として行う。その後、電池容量１００％Ｑｍａｘまでの充電を第一の充電３１０として行う。

次に、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、ユーザによる入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーション時間Ｔｃａｌと電池容量０％から電池容量１００％までの充電時間との合計時間４０１以上の場合における、本充電システムの時間の割り当てと、電池容量の変化に関して説明する。

図４（ａ）を参照して、時間の変化を説明する。

入力時間Ｔｉｎが、電池容量０％から電池容量１００％まで充電する時間と現在の電池容量から電池容量０％までの放電を行うことによるキャリブレーションに必要な時間との合計時間４０１以上の場合、二次電池１０１の残量全てを放電し、キャリブレーションを行う。

現在の電池容量から電池容量０％までの放電をしてキャリブレーションを行った分の充電を第二の充電Ｔｃｈ２として行う。

その後、電池容量１００％までの充電を第一の充電Ｔｃｈ１として行う。このとき、キャリブレーション時間Ｔｃａｌと第二の充電時間Ｔｃｈ２および第一の充電時間Ｔｃｈ１との合計時間は入力時間４０２に等しくなる。

図４（ｂ）を参照して、電池容量の変化を説明する。

電池容量１００％Ｑｍａｘに対する、現在の電池容量Ｑ１を検出する。キャリブレーションは二次電池１０１の残量の全てを放電すること４０８で行い、キャリブレーションを行った分の充電を第二の充電４０９として行う。その後、電池容量１００％Ｑｍａｘまでの充電を第一の充電４１０として行う。

このように、実施形態１によれば、ユーザが設定した任意の時間において、適切な二次電池１０１の容量推定及び充電を行うことができる。

［実施形態２］
次に、実施形態２について説明する。なお、実施形態２における電池パック１０５および充電装置１１２の構成は、実施形態１における電池パック１０５および充電装置１１２と同様であるため、それらの説明を省略する。実施形態２では、実施形態１と異なる部分を説明する。

図５のフローチャートを参照して、実施形態２における充電システムの動作の一例を説明する。

図５のフローチャートを参照して説明される処理は、充電装置制御部１１４が、充電装置制御部１１４内のメモリに記憶されたプログラムを実行することにより制御される。

Ｓ５０１では、充電装置１１２の充電装置制御部１１４が電池パック制御部１０４と通信し電池１０１の現在容量を計算する。

Ｓ５０２では、現在容量から電池容量１００％まで充電する、第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算する。第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算するための計算式は、次のとおりである。ただし、第一の充電時間Ｔｃｈ１を計算するための計算式は、これに限るものではない。

Ｔｃｈ１＝（Ｑｍａｘ−Ｑ１）／Ｉｃｈ
第一の充電時間Ｔｃｈ１の計算式において、Ｔｃｈ１は第一の充電時間、Ｑｍａｘはフル充電時の電池容量、Ｑ１は現在の電池容量、Ｉｃｈは充電電流を表す。

Ｓ５０３では、Ｓ５０１で計算した二次電池１０１の現在容量と、所定の放電電流から電池容量０％までの放電に必要な時間である、キャリブレーション時間Ｔｃａｌを計算する。キャリブレーション時間Ｔｃａｌを計算するための計算式は、次のとおりである。

Ｔｃａｌ＝（Ｉｃｈ／（Ｉｃａｌ＋Ｉｃｈ））×（Ｔｉｎ−Ｔｃｈ１）
キャリブレーション時間Ｔｃａｌの計算式において、Ｔｃａｌはキャリブレーション時間、Ｉｃｈは充電電流、Ｉｃａｌはキャリブレーション（放電）電流、Ｔｉｎは入力時間、Ｔｃｈ１は第一の充電時間を表す。

Ｓ５０４では、キャリブレーションで放電を行った分の充電である第二の充電時間Ｔｃｈ２を計算する。第二の充電時間Ｔｃｈ２を計算するための計算式は、次のとおりである。

Ｔｃｈ２＝Ｔｉｎ−Ｔｃｈ１−Ｔｃａｌ
第二の充電時間Ｔｃｈ２の計算式において、Ｔｃｈ２は第二の充電時間、Ｔｉｎは入力時間、Ｔｃｈ１は第一の充電時間、キャリブレーション時間はＴｃａｌを表す。

Ｓ５０５では、充電装置１１２の表示部１１６に第一の充電時間と、キャリブレーション時間と、第二の充電時間との合計時間と等しい最大入力時間及び第一の充電時間と等しい最小入力時間を表示部１１６に表示する。

Ｓ５０６では、ユーザが入力部１１５である操作部材を操作することで、キャリブレーションと充電動作を行う合計時間を充電装置の入力部１１５に入力する。

Ｓ５０７では、Ｓ５０６でユーザが入力した時間が最大入力時間と最小入力時間の範囲内であるか否かを判定する。ユーザが入力した時間が最大入力時間と最小入力時間の範囲内である場合はＳ５０８に進み、範囲外である場合はＳ５０６へ戻る。

Ｓ５０８では、ＳＳ５０３で決定したキャリブレーション時間に基づいてキャリブレーション動作を行う。

Ｓ５０９では、Ｓ５０２で決定した第一の充電時間とＳ５０４で決定した第二の充電時間に基づいて充電動作を行う。

このように、実施形態２によれば、ユーザが設定した任意の時間において、適切な二次電池１０１の容量推定及び充電を行うことができることに加え、充電装置１１２に入力可能な最小時間と最大時間を通知することでユーザが入力する時間を選択しやすくなるため、快適な操作が可能となる。

なお、本発明は実施形態１および２に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内であれば実施形態１および２に様々な変更または修正を加えることができる。

１０５ 電池パック、１１２ 充電装置

Claims (3)

1. 二次電池と、満充電状態から放電終止状態までの前記二次電池の放電可能な容量に対応する学習容量を記憶する記憶手段と、前記二次電池の現在の容量を検出する容量検出手段と、前記二次電池が放電終止状態になった場合もしくは所定の放電電流で所定時間放電を行った場合に前記学習容量の更新を行う更新手段とを有する電池パックが接続される充電装置であって、
   時間の入力を受け付ける入力手段と、
   前記容量検出手段によって検出された容量と、前記入力手段に入力された時間と、所定の放電電流及び充電電流とを元に、放電時間及び充電時間を計算する計算手段と、
   前記計算手段によって計算された時間に応じて前記二次電池の充電または放電を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする充電装置。
2. 前記入力手段に入力可能な最も短い時間は、前記容量計算手段によって計算された容量と所定の充電電流を元に計算された、現在の容量から満充電までの充電時間である第一の充電時間に等しいことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記入力手段に入力可能な最も長い時間は、前記容量計算手段によって計算された容量と所定の放電電流から求めた現在の容量から放電終止状態までの放電時間と、放電終止状態から満充電までの充電時間との合計時間に等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充電装置。