JP2022171118A - 半導体装置およびバッテリ残量監視方法 - Google Patents

半導体装置およびバッテリ残量監視方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリの温度が変化しても、バッテリの残量の検知における誤差を低減することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】バッテリ状態を監視する半導体装置は、所定の時刻におけるバッテリの温度から、バッテリの放電終止時の温度を予測し、予測した放電終止時の温度を考慮したバッテリの電圧を出力する予測ユニット１３＿１と、予測ユニット１３＿１によって出力されたバッテリの電圧と、所定の時刻におけるバッテリの電流とに基づいて、バッテリの残量を検知する残量検知ユニット１３＿２とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置およびバッテリ残量監視方法に関し、例えば、リチウムイオン電池のようなバッテリ（二次電池）の残量を監視する半導体装置およびその半導体装置において実行されるバッテリ残量監視方法に関する。
バッテリの状態を監視する半導体装置は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、バッテリの電圧、電流および温度の測定結果に基づいて、バッテリを満充電状態から放電終止電圧まで放電させた場合に、バッテリから取り出し可能な容量を含む状態情報を生成することが可能な半導体装置が記載されている。
特開２０１４－１１９２６５号公報
リチウムイオン電池のようなバッテリは、一般的に、同一の電流レートで放電させた場合、バッテリの温度に依存して、取り出すことが可能な容量が変化する。図８は、バッテリの出力電圧（電圧）―容量（放電容量）―温度の特性を示す図である。図８には、放電条件として、一定の電流レート（０．２Ｃ）で放電させ、放電終止電圧を３．０Ｖ（図８（Ａ））または３．４Ｖ（図８（Ｂ））とし、バッテリの温度を、２５℃、１０℃、０℃および－１０℃と変化させた場合の特性が示されている。ここで、Ｃは、１時間で満充電状態から放電終止電圧まで放電させる電流を表している。また、放電終止電圧は、バッテリの蓄積エネルギーの取り出しの可否を決定するためのしきい値電圧を表している。バッテリの出力電圧が、放電終止電圧より低い範囲では、バッテリの蓄積エネルギーの取り出しが禁止される。なお、図８では、温度が２５℃の場合が実線で示され、１０℃の場合が破線で示され、０℃の場合が一点鎖線で示され、－１０℃の場合が二点鎖線で示されている。さらに、図８において、ＦＣＣは、バッテリを所定の放電レートで満充電状態から放電終止電圧まで放電させた場合に、当該バッテリから取り出しが可能な容量（満充電容量）を示している。
図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、バッテリの温度が低下すると、取り出し可能な容量（ＦＣＣ）が小さくなる。また、バッテリの温度の低下に応じて、バッテリの内部抵抗が大きくなり、同一の電流レートの場合、バッテリの出力電圧は低下する。これは、バッテリ内のリチウムイオンの移動が低温では動きにくくなることが原因であり、セルの内部抵抗が上昇し、電圧ドロップが増加することにより起こる。さらに、図８（Ａ）と図８（Ｂ）の比較から分かるように、放電終止電圧を高くすると、温度による満充電容量の差が大きくなる。このように、バッテリの温度によって、取り出しが可能な満充電容量が変わるため、バッテリの残量を監視する場合、温度を考慮することが必要である。
特許文献１に記載の技術では、現在（所定の時刻）のバッテリの温度、電圧および電流に基づいて、満充電容量を求めている。本発明者が、特許文献１の技術を検討したところ、現在のバッテリの温度と、バッテリの電圧が放電終止電圧に到達したとき（放電終止時）のバッテリの温度との間に差があると、満充電容量等に誤差が発生することを発見した。
本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、実施の形態に係るバッテリ状態を監視する半導体装置は、所定の時刻におけるバッテリの温度から、バッテリの放電終止時の温度を予測し、予測した放電終止時の温度を考慮したバッテリの電圧を出力する予測ユニットと、予測ユニットによって出力されたバッテリの電圧と、その所定の時刻におけるバッテリの電流とに基づいて、バッテリの残量を検知する残量検知ユニットとを備える。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、バッテリの温度が変化しても、バッテリの残量等の検知における誤差を低減することが可能な半導体装置を提供することができる。
図１は、実施の形態に係る電子装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係るデータ処理回路で行われる処理を説明するための図である。 図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、実施の形態に係る予測ユニットの動作を示す図である。 図４は、実施の形態に係る電圧を算出するステップの詳細を示すフローチャート図である。 図５は、実施の形態に係る電圧を算出するステップの動作を説明するための図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施の形態に係る残放電時間を算出するステップを説明するための図である。 図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、実施の形態に係る放電終止時の温度を算出するステップを説明するための図である。 図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、バッテリの出力電圧―容量―温度の特性を示す図である。 図９は、本発明者が検討した内容を説明するための図である。 図１０は、実施の形態に係る数式を示す図である。
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまでも一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
各実施の形態の説明に先立ち、本発明者が検討し発見した内容を説明する。図９は、本発明者が検討した内容を説明するための図である。縦軸はバッテリの残量比率を示し、横軸は放電時間を示している。また、図９において、ＴＭＰは、バッテリの温度を示している。ここでは、条件として、一定の電流レート（０．２Ｃ）で放電を行い、温度を室温（２５℃）から－１０℃まで、一定の割合（スルーレート：１℃／１分）で低下させた場合が示されている。
図９において、ＲＳＯＣ０は、実際に放電終止時までに取り出すことが可能な容量を満充電容量とした時の真値の残量比率の推移を示している。一定の電流（０．２Ｃ）で放電しているため、取り出せる容量は一定であり、時間の経過に伴う容量の減少分も同じになる。そのため、真値の残量比率ＲＳＯＣ０は、図９に示すように直線状となる。
これに対して、特許文献１の技術では、現在の温度、電圧および電流によって、残量比率を算出している。すなわち、バッテリの温度が変化した場合、その時の温度変化に対応するように残量比率の算出が行われる。そのため、特許文献１に従うと、満充電容量は温度変化によって変化するため、残量比率は、ＲＳＯＣ１で示されるように曲線的になる。その結果、放電終止電圧に近づくほど、真値の残量比率ＲＳＯＣ０との差が大きくなり、大きな誤差が発生する。
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る電子装置の構成を示すブロック図である。電子装置１００は、電子装置１００の機能を実現するための複数の部品と、電子装置１００に取り付けられた電池パック１とを備えている。電池パック１から、複数の部品に対して電力給電（放電）が行われ、電子装置１００が動作する。図１には、電池パック１から電力給電される部品の例として、プログラムに従って動作するプロセッサ（半導体装置としてのＭＣＵ：Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０が描かれている。次に電池パック１の構成を説明する。
＜電池パックの構成＞
電池パック１は、複数のリチウム電池ＢＴ１～ＢＴｎにより構成された組電池（以下、単にバッテリとも称する）３と、バッテリ３に実装（装着）された電池温度検知回路５と、バッテリ３とプロセッサ２０の電源端子との間に接続された充放電ＦＥＴ４と、バッテリ３の電流を測定するための電流測定用抵抗６と、バッテリ３の状態を監視する電池管理ＩＣ（バッテリ管理用半導体装置）２とを備えている。
図１では、バッテリ３は、複数のリチウム電池ＢＴ１～ＢＴｎによって構成されているが、これに限定されず、１つのリチウム電池によって構成してもよい。また、複数のリチウム電池ＢＴ１～ＢＴｎによって、バッテリ３を構成する場合、給電する電力に応じて、リチウム電池は、互いに並列に接続しても、互いに直列に接続しても、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。
充放電ＦＥＴ４は、電池管理ＩＣ２によって制御される電界効果トランジスタによって構成されている。プロセッサ２０に電力を給電する場合、電池管理ＩＣ２は、充放電ＦＥＴ４をオン状態にする。これにより、バッテリ３の蓄積エネルギーが取り出され（放電）、プロセッサ２０に対して電力給電が行われる。また、電池管理ＩＣ２が、バッテリ３の異常状態等を検知すると、電池管理ＩＣ２は、充放電ＦＥＴ４をオフ状態にし、プロセッサ２０への電力給電を停止させる。
また、バッテリ３を充電する際には、充放電ＦＥＴ４がオン状態にされ、充放電ＦＥＴ４を介して、バッテリ３に対して電力が給電され、バッテリ３に蓄積エネルギーが充電される。
電流測定用抵抗６は、バッテリ３とプロセッサ２０の電源端子との間に接続され、バッテリ３からプロセッサ２０に供給されるバッテリ３の電流を電圧に変換する。電流測定用抵抗６によって変換された電圧は、電池管理ＩＣ２に供給される。
電池温度検知回路５は、バッテリ３の表面に取り付けられた、例えばサーミスタを備え、バッテリ３の温度によって定まるサーミスタの抵抗値に従った温度情報を電池管理ＩＣ２に出力する。これにより、バッテリ３の温度が、温度情報として電池管理ＩＣ２に通知されることになる。
次に、電池管理ＩＣ２を説明する。
＜＜電池管理ＩＣ＞＞
電池管理ＩＣ２は、図１では示されていないが、バッテリ３から電力が給電され、給電された電力によって動作する。
電池管理ＩＣ２は、ＩＣ温度検知回路８、選択回路７、充放電ＦＥＴ制御回路９、電圧測定回路１０、電流測定回路１１、電流検知回路１２、データ処理回路１３、記憶回路１４および通信回路１５を備えている。
ＩＣ温度検知回路８は、バッテリ３の温度ではなく、電池管理ＩＣ２の温度を測定し、測定結果を、電池管理ＩＣ２の温度情報として選択回路７に供給する。
選択回路７は、図示しないが、データ処理回路１３からの制御信号によって制御され、バッテリ３から供給されている複数の電圧から、所定の電圧を選択し、電圧測定回路１０に供給する。また、データ処理回路１３からの制御信号に従って、選択回路７は、電池温度検知回路５から通知されているバッテリ３の温度情報と電池管理ＩＣ２の温度情報を、現在の温度情報としてデータ処理回路１３に供給する。図１には、現在の温度情報として、バッテリ３に係る現在の温度情報が、符号ＴＤＰとして示されている。
電圧測定回路１０は、選択回路７から供給されたバッテリ３の電圧を測定し、現在の電圧情報ＶＤＰとして、データ処理回路１３に供給する。
電流検知回路１２は、前記した電流測定用抵抗６によって電圧に変換されたバッテリ３の電流情報を検知し、電流測定回路１１に供給する。電流測定回路１１は、バッテリ３の電流情報を、データ処理回路１３に、現在のバッテリ３の電流情報ＩＤＰとして供給する。
データ処理回路１３は、供給された電圧情報ＶＤＰ、電流情報ＩＤＰおよび温度情報ＴＤＰに基づいて、バッテリ３の状態を監視し、監視の結果を通信回路１５に供給する。通信回路１５は、監視の結果をプロセッサ２０に通知する。これにより、バッテリ３の状態が、プロセッサ２０に通知されることになる。また、通信回路１５は、プロセッサ２０からの指示およびデータを、データ処理回路１３に供給する。これにより、データ処理回路１３は、プロセッサ２０によって制御されることになる。
また、データ処理回路１３は、監視の結果を充放電ＦＥＴ制御回路９に供給する。充放電ＦＥＴ制御回路９は、監視の結果に従って、充放電ＦＥＴ４を制御する。
特に制限されないが、データ処理回路１３は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサによって構成されている。記憶回路１４には、データ処理回路１３を構成するプロセッサが処理を実行する際に用いるデータ等が、予め格納されている。そして、プロセッサは、処理の実行の際に、記憶回路１４内のデータにアクセスする。記憶回路１４に格納されているデータとしては、特許文献１の図１に示されている記憶部（１２４）と同様に、バッテリ３の内部抵抗に関わるデータ等がある。
ここでは、データ処理回路１３がプロセッサにより構成されている例を説明するが、これに限定されるものではない。例えばデータ処理回路１３は、論理回路等のハードウェアを組み合わせて構成してもよい。
次に、データ処理回路１３において実行される処理を、図面を用いて説明する。
＜データ処理回路における処理＞
図２は、実施の形態に係るデータ処理回路で行われる処理を説明するための図である。データ処理回路１３は、予測ユニット１３＿１と残量検知ユニット１３＿２とを備えている。
予測ユニット１３＿１は、温度予測機能Ｆ１およびＺ－１変換機能Ｆ２、Ｆ３を備えている。温度予測機能Ｆ１には、図１に示した電圧測定回路１０、電流測定回路１１および電池温度検知回路５から、現在の電圧情報ＶＤＰ、現在の電流情報ＩＤＰおよび現在の温度情報ＴＤＰが供給される。また、温度予測機能Ｆ１には、Ｚ－１変換機能Ｆ２およびＦ３からの情報が供給される。温度予測機能Ｆ１は、供給されたこれらの情報に基づいて、バッテリ３（図１）の放電終止時の温度を考慮した現在のバッテリ３の電圧、現在の電流およびバッテリ３の放電終止時の温度を考慮した現在の温度を生成する。以下の図では、バッテリ３の放電終止時の温度を考慮したものには、“（＠放電終止時の温度）”が付加されている。
Ｚ－１変換機能Ｆ２およびＦ３は、供給されたものを１サンプリング期間遅らせて出力する。Ｚ－１変換機能Ｆ２には、温度予測機能Ｆ１から出力された温度（＠放電終止時の温度）が供給されているため、１サンプリング期間前に、温度予測機能Ｆ１から出力された温度（＠放電終止時の温度）が、再び温度予測機能Ｆ１に供給されることになる。Ｚ－１変換機能Ｆ３には、残量検知ユニット１３＿２から出力された内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）が供給されている。内部抵抗Ｒは、後で説明するが、バッテリ３の内部抵抗を示している。そのため、１サンプリング期間前に、残量検知ユニット１３＿２から出力されたバッテリ３の内部抵抗（＠放電終止時の温度）が、温度予測機能Ｆ１に供給されることになる。なお、内部抵抗（＠放電終止時の温度）は、以下、単に内部抵抗情報とも称する。
残量検知ユニット１３＿２は、特に制限されないが、実施の形態においては、特許文献１に記載された構成が採用されている。具体的に述べると、予測ユニット１３＿１によって生成された電圧（＠放電終止時の温度）、現在の電流および温度（＠放電終止時の温度）は、特許文献１の図１に示されている、電圧情報（ＤＶ）、電流情報（ＤＩ）および温度情報（ＤＴ）として、特許文献１の図１に示されているデータ処理制御部（１２５）に供給される。特許文献１で述べられているように、データ処理制御部（１２５）が、供給されたこれらの情報に基づいて、バッテリ３の状態を示す状態情報を出力する。図２では、バッテリ３の状態を示す状態情報として、満充電容量ＦＣＣ（＠放電終止時の温度）、残量ＲＣ（＠放電終止時の温度）、残量比率ＲＳＯＣ（＠放電終止時の温度）が、示されている。ここで、残量ＲＣは、バッテリ３の残量を示す情報である。また、残量比率ＲＳＯＣは、バッテリ３の充電状態を示す情報であり、ＲＳＯＣ＝ＲＣ／ＦＣＣで表される残容量比率（相対充電率）である。
残量検知ユニット１３＿２から出力されている内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）は、特許文献１の図２に示されているＲ推定部（３１３）からの出力に相当する。バッテリ３の等価回路は、特許文献１の図３に示されているように表すことができる。すなわち、バッテリ３は、充放電していない状態（充電電流および放電電流が流れていないオープン状態）のときの開放電圧ＯＣＶと、内部抵抗Ｒと、分極抵抗（ｒｐ）とキャパシタ成分Ｃｐの並列接続対の直列回路によって構成されていると見なすことができる。バッテリの内部抵抗Ｒは、バッテリ３の温度に依存して変化する。Ｒ推定部（３１３）は、その時の温度情報によって表される温度に対応した内部抵抗Ｒの値を出力する。したがって、残量検知ユニット１３＿２からは、放電終止時の温度を考慮した温度に対応する内部抵抗Ｒの値が出力され、Ｚ－１変換機能Ｆ３を介して、温度予測機能Ｆ１に供給されることになる。
＜予測ユニット＞
次に、予測ユニット１３＿１の動作を、図面を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る予測ユニットの動作を示す図である。ここで、図３（Ａ）は、予測ユニット１３＿１の全体動作を示すフローチャート図であり、図３（Ｂ）および（Ｃ）は、予測ユニット１３＿１による効果を説明する図である。図３（Ｂ）および（Ｃ）については、後で説明するので、ここでは省略する。
ステップＳ０において、予測ユニット１３＿１および残量検知ユニット１３＿２（図２）が、動作を開始する。続いて、ステップＳ１からＳ４が繰り返して実行される。実施の形態においては、ステップＳ１からＳ４の一回の動作が、１サンプリング期間において実行されるものとして説明する。
ステップＳ１においては、現在の電圧情報ＶＤＰによって表されるバッテリ３の電圧と、Ｚ－１変換機能Ｆ３からの１サンプリング期間前の内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）に基づいて、放電終止時の温度を考慮した現在のバッテリ３の電圧が算出される。ここで算出されたバッテリ３の電圧が、電圧（＠放電終止時の温度）として、残量検知ユニット１３＿２に供給される。
次に、ステップＳ２において、バッテリ３の電圧の変化から、バッテリ３の残量放電時間（残放電時間）の算出が行われる。ステップＳ３では、ステップＳ２で算出された残量放電時間と、現在の温度情報ＴＤＰと、Ｚ－１変換機能Ｆ２からの１サンプリング期間前の温度（＠放電終止時の温度）とに基づいて、バッテリ３の放電終止時の温度が算出される。
予測ユニット１３＿１は、ステップＳ３で算出した放電終止時の温度に基づいて、現在の温度情報ＴＤＰの表される温度を変換し、放電終止時の温度を考慮した温度を生成し、温度（＠放電終止時の温度）として、残量検知ユニット１３＿２に供給する。
その後、ステップＳ４において、図２に示した残量検知ユニット１３＿２が、現在の電流と、電圧（＠放電終止時の温度）と、温度（＠放電終止時の温度）とによって、バッテリ３の状態（残量）を検知する処理を実施する。ステップＳ４の後は、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１～Ｓ４が繰り返される。
次に、前記したステップＳ１～Ｓ３を、図を用いて、より具体的に説明する。以下の説明を容易にするために、ここで、以下の説明で用いる用語を説明しておく。
Ｑｍａｘは、満充電状態におけるバッテリ３の総容量を示し、バッテリ３を、内部抵抗Ｒによる電圧降下が無視できる程度の放電レートで、満充電状態から放電終止電圧まで放電させた場合に、バッテリ３から取り出し可能な容量値である。Ｑｕｓｅは、バッテリ３の放電電流Ｉの積分値∫Ｉｄｔである。ＳＯＣは、バッテリ３の充電状態を示す情報で、総容量Ｑｍａｘにおける残容量率ＳＯＣ＝（Ｑｍａｘ－Ｑｕｓｅ）／Ｑｍａｘ＊１００である。ＣＣＶは、バッテリ３の閉路電圧を示し、内部抵抗Ｒ等に電流が流れているときのバッテリの電圧である。また、図１０は、実施の形態に係る数式を示す図である。
＜＜ステップＳ１＞＞
図４は、実施の形態に係る電圧を算出するステップＳ１の詳細を示すフローチャート図である。また、図５は、実施の形態に係る電圧を算出するステップＳ１の動作を説明するための図である。
ステップＳ１＿Ｓで、ステップＳ１が開始する。次に、ステップＳ１＿１において、バッテリ３の状態ＳＯＣが算出される。このときの算出の式（１）が、図１０に示されている。図１０の式（１）に示す関数ＳＯＣ（ＯＣＶ）は、特許文献１に述べられているように、開放電圧ＯＣＶに対する充電状態ＳＯＣを表す関数である。ステップＳ１＿１では、バッテリ３が、放電を開始する前の初期の状態ＳＯＣ０を算出する場合が例示されている。図５に示すように、初期の状態ＳＯＣ０では、放電が行われていないため、バッテリ３の電流は０Ａである。式（１）の入力は開放電圧ＯＣＶであり、式（１）の出力は、状態ＳＯＣである。
ステップＳ１＿２では、放電によるバッテリ３の状態ＳＯＣの変化分ΔＳＯＣの算出が行われる。変化分ΔＳＯＣは、図１０に示された式（２）に基づいて算出される。式（２）の入力は、積分値∫Ｉｄｔおよび総容量Ｑｍａｘであり、出力は状態ＳＯＣの変化分ΔＳＯＣである。次にステップＳ１＿３では、現在の状態ＳＯＣが算出される。このときの算出式は、図１０において、式（３）として示されている。式（３）の入力は、初期の状態ＳＯＣ０および変化分ΔＳＯＣで、出力は、現在の状態ＳＯＣである。図５を参照して述べると、バッテリ３の放電電流Ｉが流れることにより、放電電流の積分値∫Ｉｄｔに相当する分だけ蓄積容量（ドット表示領域）が減少し、状態が、ＳＯＣ０からＳＯＣに遷移することになる。このときのバッテリ３の開放電圧ＯＣＶは、初期の開放電圧から低下し、ＯＣＶ（＠現時点の温度）となる。なお、符号に付加されている（＠現時点の温度）は、符号によって表されるものが、図１に示した電池温度検知回路５によって測定されたバッテリ３の現在の温度における値であることを表している。
ステップＳ１＿４において、このＯＣＶ（＠現時点の温度）の値が、算出される。このときの算出式としては、図１０に示した式（１）とは逆の関係にある式を用いる。また、このときの式の入力は、状態ＳＯＣで、出力は開放電圧ＯＣＶ（＠現時点の温度）である。
ステップＳ１＿５においては、ステップＳ１＿４で求めた開放電圧ＯＣＶ（＠現時点の温度）に対応する閉路電圧ＣＣＶ（＠放電終止時の温度）の算出が行われる。このときの算出式は、図１０に示した式（４）が用いられる。式（４）の入力は、ＯＣＶ（＠現時点の温度）、内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）および放電電流Ｉであり、出力が閉路電圧ＣＣＶ（＠放電終止時の温度）である。
ステップＳ１＿５において、バッテリ３の内部抵抗Ｒとして、現時点の温度での値を用いると、ステップＳ１＿５で求められる閉路電圧は、図５において、ＣＣＶ（＠現時点の温度）となる。バッテリ３の放電終止時の温度が考慮されていない内部抵抗を用いているため、閉路電圧ＣＣＶの値が高くなる。これにより、図９に示したように、取り出せる放電容量が大きく検知され、誤差が発生する。これに対して、前記したように、バッテリ３の内部抵抗Ｒとして、放電終止時の温度を考慮した値を用いることにより、誤差の低減を図ることが可能である。
バッテリ３の放電終止時の温度を考慮した内部抵抗、すなわち内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）は、実施の形態においては残量検知ユニット１３＿２から供給される。内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）を生成は、後でステップＳ３において説明する。
ステップＳ１＿Ｅで、電圧を算出するステップＳ１が終わり、処理が、次のステップＳ２に移行する。
＜＜ステップＳ２＞＞
次に、残放電時間を算出するステップＳ２を、図面を用いて説明する。図６は、実施の形態に係る残放電時間を算出するステップを説明するための図である。ここで、図６（Ａ）は、ステップＳ２の詳細を示すフローチャート図であり、図６（Ｂ）は、ステップＳ２の動作を説明するための図である。図６（Ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸はバッテリ３の閉路電圧ＣＣＶを示している。
ステップＳ２＿Ｓで、残放電時間を算出するステップＳ２が開始し、次にステップＳ２＿１が実行される。
ステップＳ２＿１では、バッテリ３の電圧の電圧変化率が算出される。実施の形態では、単位時間当たりの、バッテリ３の閉路電圧ＣＣＶの電圧変化率ａｖ（＝ｄＶ／ｄｔ）が算出される。ここで、ｄｔは、図５に示した初期の状態ＳＯＣ０から状態ＳＯＣに変化するまでの時間に相当し、ｄＶは、初期の状態ＳＯＣ０のときの閉路電圧ＣＣＶと状態ＳＯＣのときの閉路電圧ＣＣＶ（＠放電終止時の温度）との間の電位差に相当する。これにより、ステップＳ２＿１を実行することにより、図６（Ｂ）に示すように、閉路電圧ＣＣＶの傾きが、電圧変化率ａｖとして求められる。
ステップＳ２＿２では、ステップＳ２＿１で求めた電圧変化率ａｖを利用して、閉路電圧ＣＣＶが、現時点ｔ０から放電終止時ｔＥＯＤの放電終止電圧ＶＥＯＤに到達するまでの残放電時間ＡＴＴＥ＿ＣＣＶの算出が行われる。ステップＳ２＿１で用いられる算出式が、図１０において式（５）として示されている。式（５）の入力は、放電終止電圧ｔＥＯＤ、電圧変化率ａｖおよび閉路電圧ＣＣＶ（＠放電終止時の温度）であり、出力が残放電時間ＡＴＴＥ＿ＣＣＶとなる。ステップＳ２＿２の後で、ステップＳ２＿Ｅを実行することにより、ステップＳ２の処理は終了する。
ステップＳ２を実行することにより、初期の状態ＳＯＣ０のときから現在の時刻ｔ０までの間に変化した閉路電圧ＣＣＶの値から、放電終止時までに取り出すことが可能な残容量の時間を予測することができる。
＜＜ステップＳ３＞＞
放電終止時の温度を算出するステップＳ３を、図面を用いて説明する。図７は、実施の形態に係る放電終止時の温度を算出するステップを説明するための図である。ここで、図７（Ａ）は、ステップＳ３の詳細を示すフローチャート図であり、図７（Ｂ）は、ステップＳ３の動作を説明するための図である。図７（Ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸はバッテリ３の温度を示している。
ステップＳ３＿Ｓで、ステップＳ３が開始する。次のステップＳ３＿１で、バッテリ３の温度の変化を基にして、単位時間当たりの温度の変化率ａＴＨ（＝ｄＴ／ｄｔ）が算出される。ここで、ｄＴは、初期の状態ＳＯＣ０のときに、電池温度検知回路５（図１）から通知されたバッテリ３の温度と、現在（時刻ｔ０）、電池温度検知回路５から通知されている温度ＴＨ０との間の温度差である。また、ｄｔは、ステップＳ２で説明した時間である。これにより、初期の状態ＳＯＣ０のときから、現在に至るまでのバッテリの温度変化率ａＴＨが算出されることになる。
ステップＳ３＿１に続いて、ステップＳ３＿２が実行される。ステップＳ３＿２においては、ステップＳ２で予測した残放電時間ＡＴＴＥ＿ＣＣＶで到達するバッテリ３の温度の予測が行われる。ステップＳ３＿２では、図１０に示した式（６）が実行される。式（６）の入力は、現在の温度ＴＨ０、温度変化率ａＴＨおよびステップＳ２で予測した残放電時間ＡＴＴＥ＿ＣＣＶである。式（６）を実行することにより、図７（Ｂ）に示すように、放電終止時ｔＥＯＤのバッテリ３の温度ＴＨＥＯＤを求めることができ、放電終止時にバッテリ３が到達する温度を予測することができる。
ステップＳ３＿２の後で、ステップＳ３を終了するステップＳ３＿Ｅが実行される。
温度予測機能Ｆ１は、ステップＳ３で予測された放電終止時の温度ＴＨＥＯＤを用いて、現在の温度情報ＴＤＰで表されるバッテリ３の温度を変換し、変換によって求められた温度を、現在のバッテリの温度（＠放電終止時の温度）として出力する。この温度変換は、例えば、初期に設定された放電終止時の温度と、ステップＳ３で予測した放電終止時の温度との間の温度比を求め、温度比と温度情報ＴＤＰで表される現時点のバッテリ３の温度との積を求めることによって行われる。温度予測機能Ｆ１は、この積演算によって求めた温度を、現在のバッテリの温度（＠放電終止時の温度）として、図２に示した残量検知ユニット１３＿２へ供給する。
残量検知ユニット１３＿２は、供給された温度（＠放電終止時の温度）に基づいた内部抵抗、すなわち内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）を生成し、次のサンプリング期間において、予測ユニット１３＿１へ供給する。
残量検知ユニット１３＿２は、次のようにして、放電終止時の温度を考慮した内部抵抗を生成する。すなわち、残量検知ユニット１３＿２は、特許文献１で述べられているように、供給された温度（＠放電終止時の温度）を基にして、関数あるいはテーブルを参照し、現在の温度（＠放電終止時の温度）に対応した内部抵抗Ｒが求められる。この求められた内部抵抗Ｒを、残量検知ユニット１３＿２は、次のサンプリング期間において、内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）として出力する。
ステップＳ３が終了すると、図３に示したように、残量検知処理を実行するステップＳ４が実行される。
その後、図３に示したように、ステップＳ１からＳ４が繰り返される。繰り返されるステップＳ１～Ｓ３においては、現在の値と１サンプリング期間前の値に基づいて処理が実行される。
例えば、ステップＳ１＿５では、１サンプリング期間前の内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）を用いて、閉路電圧ＣＣＶの算出が行われる。この場合、ステップＳ１＿５には、１サンプリング期間前に、ステップＳ３で算出された放電終止時の温度と、その時のバッテリ３の温度とに基づいた温度変換により生成された温度に従ったバッテリ３の内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）が、残量検知ユニット１３＿２から供給されることになる。そして、ステップＳ１＿５では、この１サンプリング期間前の内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）と、現時刻のバッテリの電圧と、現時刻のバッテリの電流とによって式（４）の算出が行われ、放電終止時の温度を考慮したバッテリ３の電圧が求められることになる。
また、ステップＳ３＿１では、1サンプリング期間前の温度(＠放電終止時の温度)と温度変換された現在の温度とを用いて温度の変化率が算出される。これにより、ステップＳ１では、時間の経過に伴って変化するバッテリ３の閉路電圧ＣＣＶ（＠放電終止時の温度）が算出され、ステップＳ２では、時間の経過に伴って変化する残量放電時間ＡＴＴ＿ＣＣＶが算出され、ステップＳ３では、時間の経過に伴って変化する放電終止時の温度ＴＨＥＯＤが予測されることになる。また、ステップＳ４では、時間の経過に伴って変化するバッテリ３の残量が検知されることになる。
図３（Ｂ）には、ステップＳ１が繰り返されることにより算出されるバッテリ３の閉路電圧ＣＣＶの曲線ＣＣＶカーブ２と、ステップＳ１を実行せずに求めたバッテリ３の閉路電圧ＣＣＶの曲線ＣＣＶカーブ１（破線）とが示されている。また、図３（Ｂ）には、ステップＳ２およびＳ３が繰り返されることにより予測された温度推移がＴＭＰ２として示され、ステップＳ２およびＳ３を実行しない場合の温度推移がＴＭＰ１（破線）として示されている。図３（Ｂ）において、横軸は放電容量を示し、左側の縦軸は、曲線ＣＣＶカーブ１およびＣＣＶカーブ２に対応する電圧を示し、右側の縦軸は、温度推移ＴＭＰ１およびＴＭＰ２に対応する温度を示している。
ステップＳ２およびＳ３が実行されることにより、放電終止時の温度が予測され、放電終止時の温度を考量した温度は、温度推移ＴＭＰ２のように変化する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、温度推移ＴＭＰ２は、温度推移ＴＭＰ１よりも低くなる。また、曲線ＣＣＶカーブ１は、放電終止時の温度が考慮されていないため、図８（Ａ）で示した電圧特性と同様な変化を示す。これに対して、実施の形態においてはステップＳ１で、閉路電圧ＣＣＶを算出する際の内部抵抗Ｒが、放電終止時の温度を考慮した値となる。そのため、曲線ＣＣＶカーブ２で表される閉路電圧ＣＣＶは、曲線ＣＣＶカーブ１で表される閉路電圧に比べて、少ない放電容量で低下する。
図３（Ｃ）には、時間の経過に伴うバッテリ３の残量が、残量比率ＲＳＯＣで示されている。図３（Ｃ）は、図９と類似しており、図３（Ｃ）に示したＲＳＯＣ１は、図９に示した曲線ＲＳＯＣ１に対応し、ＲＳＯＣ０は、図９に示した真値の直線ＲＳＯＣ０に対応している。また、図３（Ａ）に示したステップＳ４が繰り返し実行されることにより求められる残量（ここでは、残量比率ＲＳＯＣ）の推移が、図３（Ｃ）では、ＲＳＯＣ２として示されている。図３（Ｃ）から理解されるように、バッテリ３の放電が開始した直後では、曲線ＲＳＯＣ２は、真値ＲＳＯＣ０の直線と隔たっているが、時間が経過し、放電終止時に近づく程、真値ＲＳＯＣ０の直線と重なるようになり、誤差を低減することが可能である。
＜付記＞
本明細書には、特許請求の範囲に記載した発明以外にも、発明が記載されている。その代表的な発明を、以下、列記する。
（Ａ）バッテリと、
前記バッテリに装着され、前記バッテリの温度を検知する電池温度検知回路と、
前記バッテリと、前記電池温度検知回路とに結合された半導体装置と、
を備え、
前記半導体装置は、
前記電池温度検知回路から通知された温度から、前記バッテリの放電終止時の温度を予測し、予測した前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を出力する予測ユニットと、
前記予測ユニットによって出力された前記バッテリの電圧と、前記バッテリの電流とに基づいて、前記バッテリの残量を検知する残量検知ユニットと、
を備える、電池パック。
（Ｂ）前記（Ａ）に記載の電池パックにおいて、
前記予測ユニットは、所定の時刻における前記バッテリの電圧の電圧変化率を求め、前記電圧変化率に基づいて、前記バッテリの電圧が、放電終止時の放電終止電圧に到達するまでの放電時間を予測し、前記所定の時刻における温度の変化率と前記放電時間とに基づいて、前記放電終止時の温度を予測する、電池パック。
（Ｃ）前記（Ｂ）に記載の電池パックにおいて、
前記残量検知ユニットは、前記放電終止時の温度と、前記バッテリの温度とに基づいて求められた温度に従った前記バッテリの内部抵抗情報を、前記予測ユニットに通知し、
前記予測ユニットは、前記バッテリの電圧と通知された前記内部抵抗情報と前記バッテリの電流とに基づいて、前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を出力する、電池パック。
（Ｄ）前記（Ｃ）に記載の電池パックにおいて、
前記残量検知ユニットは、検知した前記バッテリの残量に関する残量情報を、他の半導体装置へ通知する通信回路を、さらに備える、電池パック。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）は、次のようにして生成するようにしてもよい。すなわち、残量検知ユニット１３＿２に、互いに異なる放電終止時の温度に対応した複数の関数あるいはテーブルを設け、供給された温度ＴＨＥＯＤに対応する関数あるいはテーブルを選択することで実現してもよい。この場合、残量検知ユニット１３＿２は、予測ユニット１３＿１から供給された現在の温度を基にして、予め選択した関数あるいはテーブルから内部抵抗Ｒを求め、求めた内部抵抗Ｒを内部抵抗Ｒ（＠放電終止時の温度）として、予測ユニット１３＿１に供給する。
１ 電池パック
２ バッテリ管理用半導体装置
３ バッテリ
５ 電池温度検知回路
１０ 電圧測定回路
１１ 電流測定回路
１３ データ処理回路
１３＿１ 予測ユニット
１３＿２ 残量検知ユニット
２０ プロセッサ
１００ 電子装置
Ｆ１ 温度予測機能
Ｆ２、Ｆ３ Ｚ－１変換機能
ＦＣＣ 満充電容量
ＲＣ 残量
ＲＳＯＣ 残量比率

Claims (10)

  1. バッテリの状態を監視する半導体装置であって、
    所定の時刻における前記バッテリの温度から、前記バッテリの放電終止時の温度を予測し、予測した前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を出力する予測ユニットと、
    前記予測ユニットによって出力された前記バッテリの電圧と、前記所定の時刻における前記バッテリの電流とに基づいて、前記バッテリの残量を検知する残量検知ユニットと、
    を備える、半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記予測ユニットは、前記所定の時刻における前記バッテリの電圧の電圧変化率を求め、前記電圧変化率に基づいて、前記バッテリの電圧が、前記放電終止時の放電終止電圧に到達するまでの放電時間を算出し、前記所定の時刻における温度の変化率と前記放電時間とに基づいて、前記放電終止時の温度を予測する、半導体装置。
  3. 請求項２に記載の半導体装置において、
    前記残量検知ユニットは、予測された前記放電終止時の温度と前記バッテリの温度とに基づいた温度変換により求められた温度に従った前記バッテリの内部抵抗情報を、前記予測ユニットに通知し、
    前記予測ユニットは、前記バッテリの電圧と通知された前記内部抵抗情報と前記バッテリの電流とに基づいて、前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を出力する、半導体装置。
  4. 請求項３に記載の半導体装置において、
    前記予測ユニットには、前記バッテリに装着された電池温度検出回路から、前記バッテリの温度が通知され、前記バッテリに結合された電流検知回路から、前記バッテリの電流が通知され、前記バッテリに結合された電圧測定回路から、前記バッテリの電圧が通知される、半導体装置。
  5. バッテリの状態を監視する半導体装置であって、
    前記バッテリの放電終止時の温度を予測し、予測した前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの温度を求める予測ユニットと、
    前記予測ユニットによって求められた前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの温度に応じた前記バッテリの内部抵抗情報を前記予測ユニットに通知する残量検知ユニットと、
    を備え、
    前記予測ユニットは、前記バッテリの電圧と、前記内部抵抗情報と、前記バッテリの電流とに基づいて、前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を求め、前記残量検知ユニットに出力する、半導体装置。
  6. 請求項５に記載の半導体装置において、
    前記予測ユニットは、所定の時刻における前記バッテリの電圧の電圧変化率を求め、前記電圧変化率に基づいて、前記バッテリの電圧が、前記放電終止時における放電終止電圧に到達するまでの放電時間を求め、前記所定の時刻における前記バッテリの温度の変化率と前記放電時間とに基づいて、前記放電終止時の温度を予測する、半導体装置。
  7. 請求項６に記載の半導体装置において、
    前記予測ユニットには、前記バッテリに装着された電池温度検出回路から、前記バッテリの温度が通知され、前記バッテリに結合された電流検知回路から、前記バッテリの電流が通知され、前記バッテリに結合された電圧測定回路から、前記バッテリの電圧が通知される、半導体装置。
  8. 請求項７に記載の半導体装置において、
    前記予測ユニットは、前記バッテリの電流と前記内部抵抗情報との積を算出し、算出された積と前記バッテリの電圧とに基づいて、前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を出力する、半導体装置。
  9. バッテリの電圧変化率から、前記バッテリの電圧が、前記バッテリの放電終止時の放電終止電圧に到達するまでの放電時間を算出する放電時間算出ステップと、
    前記バッテリの温度の変化率と、前記放電時間算出ステップで算出された前記放電時間とに基づいて、前記バッテリの放電終止時の温度を算出する温度算出ステップと、
    前記バッテリの温度と前記温度算出ステップで算出された前記放電終止時の温度とに基づいた温度変換により生成された温度に従った前記バッテリの内部抵抗情報と、前記バッテリの電圧と、前記バッテリの電流とに基づいて、前記放電終止時の温度を考慮した前記バッテリの電圧を算出する電圧算出ステップと、
    を備える、バッテリ残量監視方法。
  10. 請求項９に記載のバッテリ残量監視方法において、
    前記電圧算出ステップは、前記バッテリの内部抵抗情報と前記バッテリの電流との積を算出し、前記バッテリの電圧から前記算出された積を減算するステップを備える、バッテリ残量監視方法。
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