JP2020071962A - 電子機器及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムイオン電池の状態を正確に判定する。【解決手段】リチウムイオン電池と、前記リチウムイオン電池の変形量を検出する変形量検出部と、前記リチウムイオン電池の満充電を検出する満充電検出部と、前記満充電検出部により満充電が検出された後、安定状態を検出する安定検出部と、前記安定検出部により前記安定状態が検出された場合に前記変形量検出部により検出された前記変形量を用いて前記リチウムイオン電池の状態判定を行う状態判定部と、を有する電子機器。【選択図】図６

Description

本発明は、電子機器及びその制御方法に関する。
二次電池であるリチウムイオン電池は、スマートフォン等の電子機器に広く用いられているが、充放電の繰り返し等により劣化することが知られている。特に、リチウムイオン電池は、充放電の繰り返しによる内部の積層体の膨張や、内部温度の上昇による電解液の気化により内圧が上昇することにより膨張する場合がある。このようなリチウムイオン電池の劣化を放置すると、発火や爆発をもたらす危険性がある。
そこで、リチウムイオン電池の膨張により生じる圧力を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの出力信号に基づいてリチウムイオン電池の変形の有無を監視することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第５８８１５９３号
特許文献１に記載されているように、リチウムイオン電池の変形量は、時間とともに単調増加するのではなく、充電時に増加して放電時に減少する。したがって、リチウムイオン電池の充放電を繰り返すと、変形量は、充放電に伴う増加及び減少を繰り返しながら、経年変動により全体として増加する。
このため、リチウムイオン電池の変形量は、充放電により増減するので、変形量の検出タイミングに依存した誤差が大きく、リチウムイオン電池の状態を正確に判定することができない場合がある。
本発明は、リチウムイオン電池の状態を正確に判定することを可能とすることを目的とする。
開示の技術は、リチウムイオン電池と、前記リチウムイオン電池の変形量を検出する変形量検出部と、前記リチウムイオン電池の満充電を検出する満充電検出部と、前記満充電検出部により満充電が検出された後、安定状態を検出する安定検出部と、前記安定検出部により前記安定状態が検出された場合に前記変形量検出部により検出された前記変形量を用いて前記リチウムイオン電池の状態判定を行う状態判定部と、を有する電子機器である。
本発明によれば、リチウムイオン電池の状態を正確に判定することができる。
第１実施形態に係る電子機器の概略構成を例示するブロック図である。 歪み検出部が張り付けられたリチウムイオン電池を例示する図である。 満充電検出動作を説明するフローチャートである。 リチウムイオン電池の充電特性を例示するグラフである。 安定検出動作を説明するフローチャートである。 リチウムイオン電池の状態判定に係る一連の動作を説明するフローチャートである。 リチウムイオン電池の変形量の時間変化及び歪み検出タイミングを例示するグラフである。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
なお、以下で説明する実施形態では、本発明を適用した電子機器の一例として、スマートフォンを例示する。
＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態に係る電子機器ついて説明する。
［電子機器の概略構成］
図１は、第１実施形態に係る電子機器１００の概略構成を例示する図である。
図１において、電子機器１００は、本体部２００と、バッテリモジュールとしての電池部３００とを有する。電池部３００には、充電器４００が接続される。
本体部２００は、タッチパネル表示器２０１と、操作ボタン２０２と、通信部２０３と、スピーカ２０４と、マイク２０５と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０６と、記憶部２０７と、充電制御部２０９とを有する。
タッチパネル表示器２０１は、表示部２０１ａと、タッチパネル２０１ｂとを有する。タッチパネル２０１ｂは、表示部２０１ａ上に積層されている。
表示部２０１ａは、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどの表示デバイスである。
タッチパネル２０１ｂは、その表面に対するユーザの指等の接触と、接触した位置とを検出して検出信号をＣＰＵ２０６に送信する。タッチパネル２０１ｂの検出方式は、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、荷重検出方式等のいずれの方式であってもよい。
操作ボタン２０２は、ユーザからの操作入力を受け付ける電源ボタン、音量ボタン等である。
通信部２０３は、例えば、無線により通信を行う無線通信モジュールである。通信部２０３は、例えば、２Ｇ、３Ｇ、４Ｇ、５Ｇ等の通信規格や、近距離無線の通信規格をサポートする。
スピーカ２０４は、ＣＰＵ２０６から送出される音信号を音として出力する。スピーカ２０４は、例えば、電子機器１００にて再生される動画の音声、音楽、及び通話時の相手の声などを出力する。マイク２０５は、入力されるユーザの声等を音信号へ変換してＣＰＵ２０６へ送信する。
ＣＰＵ２０６は、本体部２００の各部と電池部３００とを制御する主制御部である。ＣＰＵ２０６は、記憶部２０７に記憶されているデータを必要に応じて参照しつつ、記憶部２０７に記憶されているプログラムに含まれる命令を実行する。ＣＰＵ２０６は、データ及び命令に基づいて各種機能を実現する。
記憶部２０７は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やフラッシュメモリ等のメモリを含んで構成されている。記憶部２０７は、設定データ、検出データ等の各種データや、プログラムを記憶する。
充電制御部２０９は、電池部３００の＋端子と−端子に接続され、電池部３００の電圧と電流とに基づき、充電器４００を制御することにより、リチウムイオン電池３０１を充電する。
電池部３００は、リチウムイオン電池３０１と、変形量検出部としての歪み検出部３０２と、電圧検出部３０３と、電流検出部３０４と、温度検出部３０５と、制御部３０６と、記憶部３０７とを有する。
リチウムイオン電池３０１は、複数の単電池が接続された組電池、又は１つの単電池により構成された二次電池である。リチウムイオン電池３０１は、電池部３００内の各部、及び本体部２００に電力供給を行う。すなわち、本体部２００は、リチウムイオン電池３０１に対する負荷機器となる。
歪み検出部３０２は、リチウムイオン電池３０１の変形量を検出するセンサである。歪み検出部３０２として、例えば、測定対象物に発生した歪みを電気抵抗値の変化として検出する歪みゲージが用いられる。歪みゲージの抵抗変化は、例えばホイーストンブリッジ回路を用いて電圧に変換することで検出される。
歪み検出部３０２は、リチウムイオン電池３０１に接着剤等を介して張り付けられている。例えば、図２に示すように、リチウムイオン電池３０１が平板状である場合には、歪み検出部３０２は、リチウムイオン電池３０１の表面に張り付けられる。
なお、歪み検出部３０２は、歪みゲージに限られず、圧力センサであってもよい。
図１に戻り、電圧検出部３０３は、リチウムイオン電池３０１の端子間の電圧を検出して、電圧検出値を制御部３０６へ出力する。
電流検出部３０４は、例えば、リチウムイオン電池３０１と充電器４００との間の充電経路に設けられている。電流検出部３０４は、検出抵抗を有し、充電電流及び放電電流を検出して電流検出値を、制御部３０６へ出力する。
制御部３０６は、電池部３００内の各部を制御する。制御部３０６は、記憶部３０７に記憶されているデータを必要に応じて参照しつつ、記憶部３０７に記憶されているプログラムに含まれる命令を実行する。制御部３０６は、データ及び命令に基づいて各種機能を実現する。
温度検出部３０５は、リチウムイオン電池３０１又はその周囲の温度を検出する温度センサであり、温度検出値を制御部３０６へ出力する。
記憶部３０７は、ＲＡＭやフラッシュメモリ等のメモリを含んで構成されている。記憶部３０７は、設定データ、検出データ等の各種データや、プログラムを記憶する。
［電子機器の機能構成］
次に、ＣＰＵ２０６及び制御部３０６で実現される機能について説明する。
制御部３０６には、例えば、満充電検出部３０９と、安定検出部３１０と、変形量取得部３１１とが含まれる。
満充電検出部３０９は、リチウムイオン電池３０１の充電中に、電圧検出部３０３により検出される電圧検出値と、電流検出部３０４により検出される電流検出値とに基づき、リチウムイオン電池３０１が満充電になったことを検出する。
リチウムイオン電池３０１は、満充電となって充電が停止された後に、無負荷又は微放電の負荷状態が継続することにより出力電圧が安定する（図４参照）。満充電直後の出力電圧（充電電圧Ｖ１）と、その後に無負荷又は微放電の負荷状態が継続している時の出力電圧（開放端電圧Ｖ２）がほぼ一定の電圧になったときとの電圧の差（Ｖ１−Ｖ２）を過電圧という。
安定検出部３１０は、リチウムイオン電池３０１が満充電となった後、電圧検出部３０３により検出される電圧検出値と、電流検出部３０４により検出される電流検出値とに基づき、安定した状態（安定状態）となったことを検出する。
変形量取得部３１１は、歪み検出部３０２からリチウムイオン電池３０１の変形量を取得する。変形量取得部３１１は、変形量を取得すると、取得した変形量（取得データ）を記憶部３０７に記録する。制御部３０６は、ＣＰＵ２０６から変形量（取得データ）の要求命令を受信すると、記憶部３０７に記録された変形量（取得データ）をＣＰＵ２０６に送信する。
ＣＰＵ２０６には、例えば、状態判定部２０８が含まれる。
状態判定部２０８は、安定検出部３１０により安定状態が検出された場合に歪み検出部３０２により検出されたリチウムイオン電池３０１の変形量に基づいて、リチウムイオン電池３０１の状態を判定する。
例えば、状態判定部２０８は、安定検出部３１０により安定状態が検出された際に、制御部３０６の変形量取得部３１１に指示を与え、変形量取得部３１１により取得された変形量の取得データを受信して記憶部２０７に記録する。記憶部２０７には、リチウムイオン電池３０１の充電が行われるたびに、安定状態において取得された変形量の取得データが記録される。
状態判定部２０８は、例えば、リチウムイオン電池３０１の変形量が所定の閾値以上となった場合に、リチウムイオン電池３０１に一定以上の膨張が生じたとして、異常状態であると判定する。
状態判定部２０８は、異常状態と判定した場合には、表示部２０１ａやスピーカ２０４を用いて、リチウムイオン電池３０１が異常状態である旨を表すメッセージ等を、ユーザに対して報知する。
また、リチウムイオン電池３０１は、電子機器１００が製造された初期の段階でも変形が生じ得る。さらに、リチウムイオン電池３０１の変形量には、個体差や実装ばらつきが存在する。このため、状態判定部２０８は、電子機器１００の製造時の検査工程等、出荷前の上記安定状態において歪み検出部３０２により検出された１つの変形量を初期値として記憶部２０７に記録しておき、この初期値に基づいて状態判定に用いる上記閾値を決定することが好ましい。
また、記憶部２０７には、変形量が、変形量の検出時間に対応付けられた時系列データとして記録されるので、状態判定部２０８は、変形量の大きさに基づく判定に加えて、変形量の時間変化率に基づいて異常判定を行ってもよい。
また、本実施例では、変形量取得部３１１は、歪み検出部３０２からリチウムイオン電池３０１の変形量を取得すると、取得した変形量（取得データ）を記憶部３０７に記録し、制御部３０６は、ＣＰＵ２０６から変形量（取得データ）の要求命令を受信すると、記憶部３０７に記録された変形量（取得データ）をＣＰＵ２０６に送信している。制御部３０６は、歪み検出部３０２により検出されたリチウムイオン電池３０１の変形量を取得し、この変形量の取得データをＣＰＵ２０６の指示によらず、ＣＰＵ２０６の状態判定部２０８へ送信するように構成されていてもよい。
［満充電検出動作］
次に、満充電検出部３０９による満充電検出動作についてより詳細に説明する。
図３は、満充電検出動作を説明するフローチャートである。図４は、リチウムイオン電池３０１の充電特性を例示するグラフである。
充電制御部２０９による充電動作が開始すると、図３に示すように、満充電検出部３０９は、電圧検出部３０３により検出された電圧検出値を取得し（ステップＳ１０）、電流検出部３０４により検出された電流検出値を取得する（ステップＳ１１）。
満充電検出部３０９は、取得した電圧検出値が所定の閾値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。満充電検出部３０９は、電圧検出値が閾値Ｖｔｈ以上である場合には（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、電流検出値が所定の閾値Ｉｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。
満充電検出部３０９は、電流検出値が閾値Ｉｔｈ未満である場合には（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、時間計測を行い（ステップＳ１４）、一定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１５）。満充電検出部３０９は、一定時間が経過していない場合には（ステップＳ１５：Ｎｏ）、処理をステップＳ１０に戻す。
また、満充電検出部３０９は、電圧検出値が閾値Ｖｔｈ以上でない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、及び、電流検出値が閾値Ｉｔｈ未満でない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）には、計測時間をリセットして（ステップＳ１７）、処理をステップＳ１０に戻す。
満充電検出部３０９は、一定時間が経過した場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、すなわち、電圧が閾値Ｖｔｈで、かつ電流が閾値Ｉｔｈ未満の状態が一定時間持続した場合には、満充電に達したと判定する（ステップＳ１６）。ここで、一定時間とは、例えば、１０秒から１分の範囲内から選択される時間である。
なお、ステップＳ１０〜Ｓ１３の検出順序や判定順序は、これに限定されず、適宜変更可能である。
［安定検出動作］
次に、安定検出部３１０による安定検出動作についてより詳細に説明する。図５は、安定検出動作を説明するフローチャートである。
安定検出部３１０は、満充電検出部３０９により満充電が検出されると動作を開始し、制御部３０６に含まれるタイマ（図示せず）のカウント（タイマカウント）を０（ゼロ）に設定し（ステップＳ２０）、処理をステップＳ２１へ移す。
ステップＳ２１では、タイマカウントに１を加算して、処理をステップ２２へ移す。
ステップＳ２２では、電圧検出部３０３により測定された電圧値を取得して、処理をステップ２３へ移す。ステップＳ２３では、電流検出部３０４により測定された電流値を取得して、電流積算容量値の算出を行い、処理をステップ２４へ移す。
ステップ２４では、温度検出部３０５により測定された温度を取得して、処理をステップＳ２５へ移す。
ステップＳ２５では、安定検出部３１０は、タイマカウントが閾値以上か否かを判定し、タイマカウントが閾値以上でないと判定した場合には（Ｎｏ判定）、処理をステップＳ２１に戻す。一方、安定検出部３１０は、タイマカウントであると判定した場合には（Ｙｅｓ判定）、処理をステップＳ２６へ移す。
ステップＳ２６では、安定検出部３１０は、電流検出部３０４により測定された電流値が閾値未満であるか否かを判定し、測定された電流値が閾値未満でないと判定した場合には（Ｎｏ判定）、処理をステップＳ３２へ移す。ステップＳ３２では、ステップＳ２２で取得した電圧データを前回取得電圧データとして記憶部３０７に格納し、電流積算容量をリセットして、処理をステップＳ２０に戻す。一方、安定検出部３１０は、ステップＳ２６において、測定した電流値が閾値未満であると判断した場合には（Ｙｅｓ判定）、ステップＳ２７の処理へ移す。
ステップＳ２７では、安定検出部３１０は、ステップＳ２２で取得した電圧データが、安定検出動作を開始してから初回のデータであるか否かを判定し、初回のデータであると判定した場合には（Ｙｅｓ判定）、処理をステップＳ３２へ移す。一方、安定検出部３１０は、初回のデータでないと判断した場合には（Ｎｏ判定）、処理をステップＳ２８へ移す。
ステップＳ２８では、安定検出部３１０は、ステップＳ２４で測定した測定温度から電圧変化率の閾値を計算して決定して、処理をステップＳ２９へ移す。
ステップＳ２９では、安定検出部３１０は、記憶部３０７に記憶した前回取得電圧データと今回取得の電圧データから電圧変化率を算出し、算出した電圧変化率とステップＳ２８で決定した電圧変化率の閾値とを比較する。安定検出部３１０は、電圧変化率が閾値未満でないと判定した場合には（Ｎｏ判定）、処理をステップＳ３２へ移す。一方、安定検出部３１０は、電圧変化率が閾値未満であると判断した場合には（Ｙｅｓ判定）、処理をステップＳ３０へ移す。
ステップＳ３０では、安定検出部３１０は、ステップＳ２３で算出した電流積算容量値が閾値未満であるか否かを判定し、電流積算容量値が閾値未満でないと判定した場合には（Ｎｏ判定）、処理をステップＳ３２へ移す。一方、安定検出部３１０は、電流積算容量値が閾値未満であると判断した場合には（Ｙｅｓ判定）、安定状態であると判定する（ステップＳ３１）。
なお、ステップＳ２０〜Ｓ３２の検出順序や判定順序は、これに限定されず、適宜変更可能である。
さらに、安定検出部３１０として、特開２０１１−１６９８１７号公報等に開示されている二次電池の残容量計を適用することも可能である。残容量（充電率）の変化率に基づいて安定状態を検出すればよい。
［リチウムイオン電池の状態判定動作］
次に、リチウムイオン電池３０１の状態判定に係る一連の動作をより詳細に説明する。
図６は、リチウムイオン電池３０１の状態判定に係る一連の動作を説明するフローチャートである。
図６において、ＣＰＵ２０６により、充電制御部２０９により充電動作が開始したか否かが判定される（ステップＳ４０）。充電動作が開始されると（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、満充電検出部３０９により満充電の検出動作が行われる（ステップＳ４１）。
満充電検出部３０９により満充電が検出されると（ステップＳ４１：Ｙｅｓ）、安定検出部３１０により安定状態の検出動作が行われる（ステップＳ４２）。
安定検出部３１０により安定状態が検出されると（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、状態判定部２０８は、変形量取得部３１１を介して、歪み検出部３０２により検出されたリチウムイオン電池３０１の変形量を取得し（ステップＳ４３）、リチウムイオン電池３０１の状態判定を行う（ステップＳ４４）。
そして、ＣＰＵ２０６は、所定の終了条件を満たすか否かを判定し（ステップＳ４５）、終了条件を満たす場合には（ステップＳ４５：Ｙｅｓ）、動作を終了する。一方、終了条件を満たさない場合には（ステップＳ４５：Ｎｏ）、ＣＰＵ２０６は、処理をステップＳ４０に戻す。
［変形量の時間変化］
図７は、リチウムイオン電池３０１の変形量の時間変化及び歪み検出タイミングを例示するグラフである。
リチウムイオン電池３０１は、充電によって内部の積層体が膨張するので、充電により変形量が増加し、放電により変形量が減少する傾向を示す。
また、リチウムイオン電池３０１の変形量の平均値は、経年変動により増加する傾向にある。これは、リチウムイオン電池３０１の充放電のサイクリング劣化や、高温状態での電子機器１００の放置や、電子機器１００の落下等によるリチウムイオン電池３０１の変形等が原因として挙げられる。
このように、リチウムイオン電池３０１の変形量は、充放電に伴う増加及び減少を繰り返しながら、経年変動により全体として増加する。
本実施形態の電子機器１００では、満充電後の安定状態において歪み検出部３０２により検出された変形量に基づいて状態判定が行われるので、充放電による変形量の増減の影響が抑制され、リチウムイオン電池３０１の状態を正確に判定することができる。
なお、リチウムイオン電池３０１の満充電時に歪み検出を行うことも考えられるが、満充電後から安定状態になるまでの間は、温度、電池電圧が変動しているので、リチウムイオン電池３０１の変形の要因となるため、安定状態で検出された変形量を用いることにより、状態判定の精度が向上する。
また、状態判定では、初期値を基準として閾値が設定されるので、リチウムイオン電池３０１の個体差や実装ばらつき等による誤判定を抑制することができる。
なお、第１実施形態では、歪み検出部３０２は、安定状態の場合にのみ歪み検出を行っているが、安定状態であるか否かにかかわらず、歪み検出部３０２が定期的に変形量を検出して記憶部に記録しておき、状態判定部２０８が、安定状態の判定結果に基づいて、安定状態に検出された変形量を記憶部から取得するように構成してもよい。
したがって、本発明に係る電子機器は、リチウムイオン電池３０１の満充電後の安定状態の判定結果に基づき、安定状態である場合に検出されたリチウムイオン電池３０１の変形量に基づいてリチウムイオン電池３０１の状態を判定することを特徴とする。
また、状態判定部２０８が状態判定に用いる変形量は、安定検出部３１０により安定状態が検出された時点と同時に取得されたものでなくてもよく、安定状態が検出された後、安定状態が継続し得る期間内に検出されたものであればよい。
また、上記実施形態では、制御部３０６は、電池部３００内に設けているが、制御部３０６を本体部２００内に設けてもよい。
また、上記実施形態では、ＣＰＵ２０６と制御部３０６とを個別に設けているが、これらを１つの演算処理回路により構成してもよい。
また、上記実施形態では、満充電検出部３０９、安定検出部３１０、及び変形量取得部３１１を制御部３０６内に設けているが、これらをＣＰＵ２０６内に設けてもよい。
また、上記実施形態では、状態判定部２０８は、リチウムイオン電池３０１が異常状態であると判定した場合に異常状態である旨の報知を行っているが、これに加えて、又はこれに代えて、異常状態であると判定した場合に、充電制御部２０９に命令を与えて、充電方式や充電条件を変更してもよい。
また、上記実施形態では、電子機器としてスマートフォンを例に挙げて説明したが、本発明は、スマートフォンに限られず種々の電子機器に適用可能である。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
１００ 電子機器
２００ 本体部
２０６ ＣＰＵ
２０８ 状態判定部
２０９ 充電制御部
３００ 電池部
３０１ リチウムイオン電池
３０２ 歪み検出部（変形量検出部）
３０３ 電圧検出部
３０４ 電流検出部
３０５ 温度検出部
３０６ 制御部
３０９ 満充電検出部
３１０ 安定検出部
３１１ 変形量取得部
４００ 充電器

Claims (7)

  1. リチウムイオン電池と、
    前記リチウムイオン電池の変形量を検出する変形量検出部と、
    前記リチウムイオン電池の満充電を検出する満充電検出部と、
    前記満充電検出部により満充電が検出された後、安定状態を検出する安定検出部と、
    前記安定検出部により前記安定状態が検出された場合に前記変形量検出部により検出された前記変形量を用いて前記リチウムイオン電池の状態判定を行う状態判定部と、
    を有する電子機器。
  2. 前記安定検出部は、電圧変化率と、満充電後の電流積算容量とがそれぞれ所定の閾値未満となった場合に前記安定状態と判定する請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記状態判定部は、前記変形量の大きさが所定の閾値を超えた場合に異常状態と判定する請求項１又は２に記載の電子機器。
  4. 前記状態判定部は、前記安定状態が検出された場合に前記変形量検出部により検出された１つの前記変形量を初期値として記録しておき、前記初期値に基づいて前記閾値を決定する請求項３に記載の電子機器。
  5. 前記状態判定部は、前記変形量の大きさに加えて、前記変形量の時間変化率に基づいて前記状態判定を行う請求項３又は４に記載の電子機器。
  6. 前記変形量検出部は、歪みゲージ又は圧力センサである請求項１ないし５いずれか１項に記載の電子機器。
  7. リチウムイオン電池と、前記リチウムイオン電池の変形量を検出する変形量検出部とを有する電子機器の制御方法において、
    前記リチウムイオン電池の満充電を検出する満充電検出ステップと、
    前記満充電が検出された後、安定状態を検出する安定検出ステップと、
    前記安定状態が検出された場合に前記変形量検出部により検出された前記変形量を用いて前記リチウムイオン電池の状態判定を行う状態判定ステップと、
    を有する電子機器の制御方法。
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