JP3692617B2 - 充電時間演算方法およびバッテリパック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電時間演算方法およびバッテリパックに関する。特に、２次電池の充電が終了するまでの充電時間を、精度良く求めることができるようにする充電時間演算方法およびバッテリパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、例えば電池監視用のマイコン（マイクロコンピュータ）を内蔵して２次電池の状態（例えば、２次電池の電圧や、充放電電流、残容量（２次電池の残りの容量）など）をモニタし、充電器、あるいはコンピュータなどの負荷との間でデータのやりとり（通信）を行う、スマートバッテリ（Smart Battery）（デュラセル（Duracell）社、インテル（Intel）社で提唱されている）あるいはインテリジェントバッテリなどと呼ばれるバッテリパックが実現されている。
【０００３】
このようなバッテリパックを用いた場合には、そこから送信されてくる２次電池の状態を、充電器あるいは負荷側において、ユーザに報知することができる。また、バッテリパックにおいて、例えば、２次電池の充電時に、その充電が終了するまでの充電時間を求め、充電器に送信し、充電器では、バッテリパックから送信されてきた充電時間を表示するなどして、これを、ユーザに報知するようにすることもできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スマートバッテリ（インテリジェントバッテリ）においては、例えば、電流積算法に基づいて、充電時間が求められるようになされている。即ち、満充電時から、いままでに流れた放電電流を時間積分し、その結果得られる容量（以下、適宜、空き容量という）を、充電電流で除算することにより、充電時間が求められるようになされている。
【０００５】
従って、正確な充電時間を求めることが困難な課題があった。
【０００６】
即ち、２次電池は、それを使用せず放置したままであっても、僅かではあるが放電が行われる。そして、この放電による僅かな放電電流により、空き容量に誤差が生じ、その結果、正確な充電時間を求めることが困難な課題があった。
【０００７】
そこで、このような僅かな放電電流を検出することのできる、精度の高い電流検出回路を設け、その放電電流を考慮して、空き容量を算出する方法があるが、精度の高い電流検出回路は高価であり、バッテリパックが高コスト化することになる。
【０００８】
また、正確な充電時間を求めるため、充電を行う際に、まず、２次電池を完全に放電させてから充電を行う方法があるが、これでは、充電に時間を要することになる。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、正確な充電時間を、容易に求めることができるようにするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の充電時間演算方法は、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求めるとともに、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の充電時間演算方法は、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求め、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求めることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載のバッテリパックは、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求める第１の時間算出手段と、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求める第２の時間検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載のバッテリパックは、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求める第１の時間算出手段と、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求める充電時間算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項１に記載の充電時間演算方法および請求項８に記載のバッテリパックにおいては、２次電池が定電流で充電される第１の時間が、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求められるとともに、２次電池が定電圧で充電される第２の時間が、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求められるようになされている。
【００１８】
請求項５に記載の充電時間演算方法および請求項９に記載のバッテリパックにおいては、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間が求められ、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間が求められるようになされている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を説明するが、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に、対応する実施例（但し、一例）を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【００２０】
即ち、請求項８に記載のバッテリパックは、定電流定電圧充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、２次電池のオープン電圧を検出する検出手段（例えば、図１や図９に示す電池選択器１０など）と、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求める第１の時間算出手段（例えば、図５に示すプログラムの処理ステップＳ２など）と、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求める第２の時間検出手段（例えば、図５に示すプログラムの処理ステップＳ３など）とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載のバッテリパックは、外部から供給される充電電流により充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、２次電池のオープン電圧を検出する検出手段（例えば、図１２に示す電池選択器１０など）と、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求める第１の時間算出手段（例えば、図１３に示すプログラムの処理ステップＳ２３など）と、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求める充電時間算出手段（例えば、図１３に示すプログラムの処理ステップＳ２４など）とを備えることを特徴とする。
【００２３】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【００２４】
図１は、本発明を適用したパソコン（パーソナルコンピュータ）システムの構成例を示している。このパソコンシステムは、パソコン（本体）と、それに装着されたバッテリパックとから構成されており、パソコンは、例えば携帯型とされている。
【００２５】
バッテリパックは、前述したような通信機能を有するもの（インテリジェントバッテリ）で、パソコンに対して着脱可能になされている。このバッテリパックは、２次電池として、例えば、リチウムイオン系の３つの電池（セル）Ｅ１乃至Ｅ３を有しており、これらのセルＥ１乃至Ｅ３は直列に接続されている。そして、セルＥ１の＋端子は、パック（バッテリパック）の＋端子２に接続されており、また、セルＥ３の−端子は、セルＥ１乃至Ｅ３に対して直列に接続されたＦＥＴ４，５、および抵抗６を介して、パックのＧＮＤ端子（グランド端子）８に接続されている。従って、セルＥ１乃至Ｅ３（以下、適宜、これらをまとめて２次電池Ｅともいう）の放電電流は、＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して流れ（負荷に対して、＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して放電電流が供給され）、また２次電池Ｅに対する充電電流も、この＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して流れるようになされている。
【００２６】
マイコン（マイクロコンピュータ）１は、例えば、ＣＰＵなどを内蔵し、アンプ１１の出力に基づいて、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれの電圧（セルの＋端子と−端子との間の電圧）（以下、適宜、セル電圧という）を認識し、そのセル電圧に対応して、ＦＥＴ４，５のゲート（Ｇ）に印加する電圧を制御するようになされている。さらに、マイコン１は、アンプ７の出力に基づいて、２次電池Ｅに流れる電流（充電電流および放電電流）を認識し、その電流に対応しても、ＦＥＴ４，５のゲートに印加する電圧を制御するようになされている。即ち、これにより、マイコン１は、ＦＥＴ４，５をオン／オフ（スイッチング）させ、バッテリパックが過充電および過放電状態となることを防止するようになされている。
【００２７】
また、マイコン１は、上述したようにして認識したセル電圧に基づいて、２次電池Ｅの容量（残容量）を算出するようにもなされている。さらに、マイコン１は、テーブル記憶部３に記憶されている各種のテーブルを参照することにより、２次電池Ｅを充電するのに要する充電時間を求める（演算する）ようにもなされている。また、マイコン１は、パックの通信端子９に接続されており、この通信端子９を介して、後述するマイコン２１と、所定の通信手順にしたがって通信を行うようにもなされている。即ち、マイコン１は、通信端子９を介して送信されてくるデータ（コマンド）に応じて、所定の処理を行ったり、あるいは、２次電池Ｅの電圧（直列に接続されたセルＥ１乃至Ｅ３の、セルＥ１の＋端子とセルＥ３の−端子との間の電圧）（以下、適宜、電池電圧という）や、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧、充放電電流、２次電池Ｅの残容量などの２次電池Ｅの状態に関する情報（状態情報）、さらには、２次電池Ｅ（セルＥ１乃至Ｅ２）の充電に要する充電時間その他の情報も、通信端子９を介して出力するようになされている。
【００２８】
テーブル記憶部３には、後述するような各種のテーブルが記憶されている。ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）４のドレイン（Ｄ）は、２次電池Ｅの−端子（セルＥ３の−端子）と接続されており、そのソース（Ｓ）は、ＦＥＴ５のソースと接続されている。ＦＥＴ５のドレインは、抵抗６を介して、ＧＮＤ端子８と接続されている。なお、ＦＥＴ４には、そのソースとドレインとの間に、２次電池Ｅの放電電流が流れる方向に（従って、２次電池Ｅの充電電流が流れない方向に）、寄生ダイオード４Ａが形成されている。また、ＦＥＴ５には、そのソースとドレインとの間に、２次電池Ｅの充電電流が流れる方向に（従って、２次電池Ｅの放電電流が流れない方向に）、寄生ダイオード５Ａが形成されている。ここで、本実施例では、ＦＥＴ４および５は、そのゲートにＨまたはＬレベルが印加されたとき、それぞれオンまたはオフするようになされている。
【００２９】
抵抗６は、電流検出用の微小抵抗値の抵抗で、その一端は、ＦＥＴ５のドレインと接続されており、その他端は、ＧＮＤ端子８と接続されている。アンプ７は、抵抗６に電流（充電電流および放電電流）が流れることにより生じる電圧降下（電圧）を、マイコン１で取扱い可能なレベルに調整し、マイコン１に供給するようになされている。電池選択器１０は、例えば、マルチプレクサなどでなり、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれを周期的に選択し、その選択したセルの＋端子と−端子との間の電圧（セル電圧）を検出して、アンプ１１に供給するようになされている。アンプ１１は、アンプ７と同様に、電池選択器１０から供給される電圧（セル電圧）を、マイコン１で取扱い可能なレベルに調整（変換）し、マイコン１に供給するようになされている。
【００３０】
バッテリパックは、以上の２次電池Ｅ、マイコン１、＋端子２、テーブル記憶部３、ＦＥＴ４，５、抵抗６、アンプ７、ＧＮＤ端子８、通信端子９、電池選択器１０、およびアンプ１１から構成されている。
【００３１】
一方、パソコンは、マイコン２１、パソコン部２２、充電器２３、＋端子２５、通信端子２６、およびＧＮＤ端子２７から構成されている。
【００３２】
マイコン２１は、通信端子２６を介して、マイコン１と通信を行うようになされている。即ち、マイコン２１は、例えば、マイコン１に対し、所定のコマンドを送信し、また、マイコン１から送信されてくる状態情報やその他の情報を受信するようになされている。また、マイコン２１は、パソコン部２２および充電器２３の制御も行うようになされている。
【００３３】
パソコン部２２は、パソコン本来の機能を有するブロックで、充電器２３より供給される電圧および電流、あるいは、バッテリパックから供給される電圧および電流を電源として動作するようになされている。充電器２３は、例えば、定電圧源および定電流源などで構成され、マイコン２１の制御の下、パソコン部２２に対し、電源としての電圧および電流を供給し、また、バッテリパックに対し、充電電流を供給するようになされている。
【００３４】
＋端子２５は、充電器２３の＋端子と接続されている。通信端子２６は、マイコン２１と接続されている。ＧＮＤ端子２７は、充電器２３の−端子と接続されている。
【００３５】
なお、パソコン部２２は、充電器２３と＋端子２５との接続点、および充電器２３と−端子２７との接続点と接続されている。また、＋端子２５、通信端子２６、またはＧＮＤ端子２７は、バッテリパックが、パソコンに正常に装着されたとき、＋端子２、通信端子９、またはＧＮＤ端子８とそれぞれ接続されるようになされている。
【００３６】
次に、その動作について説明する。パソコン部２２が、バッテリパックを電源として動作する場合においては、２次電池Ｅの＋端子（セルＥ１の＋端子）、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５（ドレイン・ソース間），ＦＥＴ４（ソース・ドレイン間）、２次電池Ｅの−端子（セルＥ３の−端子）の経路で、放電電流が流れる。
【００３７】
このとき、マイコン１は、電池選択部１０が周期的に出力するセルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧を、アンプ１１の出力に基づいて検出し、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧のいずれかが、所定の第１の基準電圧（セルＥ１乃至Ｅ３が過放電状態になるおそれがある電圧）より小さくなると、ＦＥＴ５のゲートに、Ｌレベルを印加し、これによりＦＥＴ５をオフにする。ＦＥＴ５の寄生ダイオード５Ａは、充電電流が流れる方向、即ち放電電流がながれない方向に接続されているため、ＦＥＴ５がオフにされると、放電電流は遮断される。これにより、過放電が防止される。
【００３８】
なお、マイコン１は、アンプ７の出力に基づいて、放電電流も検出しており、これが、所定の第１の基準電流（セルＥ１乃至Ｅ３が過放電状態になるおそれがある電流）より大きくなった場合にも、ＦＥＴ５をオフにさせ、これにより、放電電流を遮断させるようになされている。
【００３９】
このように、放電電流が遮断されると（遮断される直前）、マイコン２１は、充電器２３を制御し、これにより、パソコン部２２の電源として動作させるとともに、バッテリパックに充電電流を供給させる。即ち、この場合、充電器２３の＋端子、＋端子２５，２、２次電池Ｅ、ＦＥＴ４、寄生ダイオード５Ａ、抵抗６、ＧＮＤ端子８，２７、充電器２３の−端子の経路で、充電電流が流れ、これにより２次電池Ｅに対する充電が開始される。しかしながら、この場合、寄生ダイオード５Ａでは、ＦＥＴ５のソース・ドレイン間に比較して（ＦＥＴ５（ＦＥＴ４も同様）に、ある程度のレベルの電圧がゲートに印加されている場合、そのオン抵抗は小さな値になるので、そのソース・ドレイン間の電圧降下は微小なものである）、約０．６乃至０．８Ｖ程度の大きな電圧降下が生じるので、効率的な充電を行うことができない。
【００４０】
そこで、マイコン１は、充電が開始されると、例えばそれにより生じる電圧降下（例えば、１Ｖ程度の電圧降下）を検出し、その電圧降下を検出すると、ＦＥＴ５のゲートに、強制的にＨレベルを印加して、ＦＥＴ５をオンにする。これにより、充電器２３の＋端子、＋端子２５，２、２次電池Ｅ、ＦＥＴ４，５、抵抗６、ＧＮＤ端子８，２７、充電器２３の−端子の経路で、充電電流が流れ、効率的な充電が行われる。
【００４１】
充電が行われている間、マイコン１は、放電中の場合と同様に、セル電圧を検出しており、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧のうちのいすれかが、所定の第２の基準電圧（セルＥ１乃至Ｅ３が過充電状態になるおそれがある電圧）より大きくなると、ＦＥＴ４のゲートに、Ｌレベルを印加し、これによりＦＥＴ４をオフにする。ＦＥＴ４の寄生ダイオード４Ａは、放電電流が流れる方向、即ち充電電流がながれない方向に接続されているため、ＦＥＴ４がオフにされると、充電電流は遮断される。これにより、過充電が防止される。
【００４２】
なお、マイコン１は、放電時における場合と同様に、アンプ７の出力に基づいて、充電電流を検出しており、これが、所定の第２の基準電流（例えば、第１の基準電流と同一の電流）より大きくなった場合にも、ＦＥＴ４をオフにさせ、これにより、充電電流を遮断させるようになされている。
【００４３】
充電が終了し、パソコン部２２が、再び、バッテリパックを電源として動作するようになされると、充電終了直後は、ＦＥＴ４はオフにされているから、２次電池Ｅの＋端子、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５，寄生ダイオード４Ａ、２次電池Ｅの−端子の経路で、放電電流が流れる。しかしながら、この場合、寄生ダイオード４Ａでは、上述した寄生ダイオード５Ａと同様に大きな電圧降下が生じるので、効率的な放電を行うことができない。
【００４４】
そこで、マイコン１は、放電が開始されると、例えばそれにより生じる電圧降下（例えば、０．４Ｖ程度の電圧降下）を検出し、その電圧降下を検出すると、ＦＥＴ４のゲートに、強制的にＨレベルを印加して、ＦＥＴ４をオンにする。これにより、上述したように、２次電池Ｅの＋端子、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５，４、２次電池Ｅの−端子の経路で、放電電流が流れ、効率的な放電が行われる。
【００４５】
バッテリパックが、パソコンに正常に装着されている場合には、上述したような充放電中を含めて、マイコン１と２１との間で、通信端子９および２６を介して通信が行われる。即ち、例えば、マイコン２１が、マイコン１に対し、セルＥ１乃至Ｅ３のセル電圧や、残容量、充放電電流を問い合わせるコマンドを送信すると、マイコン１は、そのコマンドに対応して、上述したようにして検出（算出）しているセル電圧や、残容量、充放電電流を、マイコン２１に送信する。
【００４６】
また、例えば、マイコン２１が、マイコン１に対し、２次電池Ｅの充電時間を問い合わせるコマンド（Atrate Time to Full）（例えば、０ｘ０５などのコード（０ｘは、それに続く数字が１６進数であることを表す））を送信すると、マイコン１は、そのコマンドに対応して、テーブル記憶部３を参照しながら、充電時間を演算し、マイコン２１に送信する。
【００４７】
次に、このような２次電池の充電時間の演算方法について説明する。２次電池が、上述したようにリチウムイオン電池である場合、その残容量は、２次電池のオープン電圧と１対１に対応しており、従って、２次電池のオープン電圧がわかれば、その残容量もわかる。そして、残容量がわかれば、「全容量（＝公称電池容量）」−「残容量」を計算することで、空き容量を求めることができ、この空き容量を、充電電流で除算することにより（「空き容量」／「充電電流」を計算することにより）、充電時間を求めることができる。
【００４８】
そこで、まず、２次電池を、定電流定電圧で充電する場合、即ち、図２に示すように、その電池電圧Ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullになるまでは、定電流Ｉchgで充電し、その後は、充電電流Ｉ（ｔ）が充分小さくなるまで、定電圧Ｖchgで充電する場合の充電時間の演算方法について説明する。
【００４９】
ここで、図２においては、時間をｔで表してあり、充電電流はＩ（ｔ）と、２次電池の電池電圧（充電電流が流れているときの電池電圧）はＶ（ｔ）と、２次電池のオープン電圧はｖ（ｔ）（同図において点線で示す）と、２次電池の内部抵抗はＲと、２次電池の満充電電圧はＶfullと、それぞれ表してある。また、図２において、Ｖchgは、充電器が出力する充電電圧を表す。従って、定電圧で充電が行われているときはＶ（ｔ）＝Ｖchgである。さらに、図２において、Ｉchgは、２次電池が定電流で充電されているときの充電電流を表す。従って、定電流で充電が行われているときはＩ（ｔ）＝Ｉchgである。
【００５０】
なお、リチウムイオン電池の満充電電圧Ｖfullは、例えば４．２Ｖ程度で、充電電圧Ｖchgは、それより幾分高い電圧（例えば、４．２５Ｖ／セル程度）とされる。また、充電電流Ｉchgは、１Ｃ／セル以下が推奨値とされている。ここで、Ｃは、Ｃｈａｒｇｅの略で、１Ｃは、例えば、１０００ｍＡＨ（ミリアンペアアウワ）の容量の電池に対して１０００ｍＡ（ミリアンペア）の電流を流すことを意味する。
【００５１】
定電流定電圧充電においては、Ｉchg≦（Ｖchg−ｖ（ｔ））／Ｒのとき、即ち、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）が、Ｖchg−ＲＩchg以下である間は、充電電流Ｉchgにより充電が行われる。従って、２次電池のオープン電圧がｘであるときの残容量をＣ（ｘ）と表すとすると、２次電池が定電流で充電される時間、即ち、充電開始時（あるいは、充電時間の計算開始時）から、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）がＶchg−ＲＩchgとなるまでの時間（第１の時間）Ｔchg1は、次式で計算することができる。
【００５２】
Ｔchg1＝（Ｃ（Ｖchg−ＲＩchg）−Ｃ（ｖst））／Ｉchg・・・（１）
但し、ｖstは、充電開始時の２次電池のオープン電圧を表す。
【００５３】
以上のように、時間Ｔchg1は、内部抵抗Ｒに電流Ｉchgが流れているときの電圧降下ＲＩchgと、２次電池のオープン電圧ｖstから求めることができる。
【００５４】
その後、２次電池が定電圧で充電される間、即ち、オープン電圧ｖ（ｔ）が、Ｖchg−ＲＩchgから満充電電圧Ｖfullになるまでの間における充電電流Ｉchgは、（Ｖchg−ｖ（ｔ））／Ｒと表すことができるから、これに要する時間（第２の時間）Ｔchg2は、式（２）で表される電圧ｖ（ｔ）による積分で求めることができる。
【００５５】
【数１】
【００５６】
式（１）または（２）それぞれから、Ｔchg1またはＴchg2を求めた後は、次式により、充電時間Ｔchgを求めることができる。
【００５７】
Ｔchg＝Ｔchg1＋Ｔchg2・・・（３）
【００５８】
ところで、式（２）を計算するためには、定電圧充電中における２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）を知る必要がある。そこで、ここでは、オープン電圧ｖ（ｔ）を、例えば指数関数ｅxで近似する。即ち、ｖ（ｔ）を、例えば、次式で近似する。
【００５９】
ｖ（ｔ）＝Ｖfull×ｋ×ｅ-1/t・・・（４）
但し、ｋは、所定の定数（以下、適宜、特性係数という）である。
【００６０】
なお、特性係数ｋは、２次電池の特性に基づいて決定するようにする。即ち、特性係数ｋを、例えばｋ1，ｋ2，ｋ3，・・・と変えることにより、図３（ａ）に示すように、ｖ（ｔ）を近似する種々の曲線が得られるが、このような曲線のうち、その形状が充電時間を演算しようとする２次電池の特性に最も合致するものを選択し、その曲線を与えるｋを、２次電池の特性係数として決定する。具体的には、例えば、２次電池を充電しながら、そのオープン電圧を実測し、その実測したオープン電圧の変化と最も近似する曲線を与える特性係数ｋを選択するようにすれば良い。
【００６１】
また、２次電池の特性係数ｋを決定した後は、図３（ｂ）に示すように、その特性係数ｋにより与えられる式（４）のｖ（ｔ）が、種々の電圧ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・それぞれから満充電電圧Ｖfullになるまでの時間ｔ1，ｔ2，ｔ3，・・・を求め、これを、例えば、図４に示すように、テーブル化しておくようにする（このようなテーブルを、以下、適宜、充電時間テーブルという）。この充電時間テーブルは、Ｖchg−ＲＩchgが、ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・である場合に定電圧充電を行ったときそれぞれの、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullになるまでの時間、即ち、Ｔchg2を表すから、Ｖchg−ＲＩchgが与えられれば、この充電時間テーブルを参照することで、式（４）を計算しなくても、時間Ｔchg2を求めることができる。
【００６２】
なお、与えられたＶchg−ＲＩchgが、充電時間テーブルに登録された電圧ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・のうちのいずれとも一致しない場合には、そのＶchg−ＲＩchgに対応する時間Ｔchg2は、例えば、充電時間テーブルの登録値を用いて線形補間などすることにより求めるようにすれば良い。
【００６３】
図５は、以上のようにして充電時間を求める場合の、図１のマイコン１の動作を説明するフローチャートである。マイコン１は、充電時間を問い合わせるコマンド（以下、適宜、充電時間コマンドという）を、マイコン２１から受信すると、ステップＳ１において、電池選択器１０から、アンプ１１を介して、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧を受信する。即ち、マイコン１は、充電開始前（充電器２３から充電電流の供給を受ける前）に、充電時間コマンドを受信したときは（但し、このとき、放電は行われていないものとする）、電池選択器１０の出力を、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧として受信する。また、マイコン１は、充電中は、一旦、ＦＥＴ４をオフすることにより、充電電流を遮断し、その状態において、電池選択器１０が出力する電圧を、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧として受信する。
【００６４】
その後、ステップＳ２において、マイコン１は、ステップＳ１で受信したオープン電圧ｖstを用い、式（１）にしたがって、時間Ｔchg1を算出する。即ち、テーブル記憶部３には、２次電池のオープン電圧と、その残容量とを対応付けたテーブル（以下、適宜、容量テーブルという）が記憶されており、マイコン１は、この容量テーブルを参照して、式（１）におけるＣ（Ｖchg−ＲＩchg）およびＣ（ｖst）を算出する（必要ならば、例えば線形補間などを行うことにより算出する）。そして、マイコン１は、式（１）にしたがった演算を行うことで、時間Ｔchg1を算出する。
【００６５】
ここで、式（１）を計算するには、充電電圧Ｖchg、充電電流Ｉchg、および内部抵抗Ｒが必要となるが、充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchgは、通常、あらかじめ決められており、内部抵抗Ｒも、あらかじめ測定しておくことが可能であるから、マイコン１は、そのような充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchg、並びに、内部抵抗Ｒに基づき、式（１）の演算を行う。但し、充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchgは、充電器２３を制御するマイコン２１からマイコン１に対して送信させるようにしても良い。また、充電電流Ｉchgは、マイコン１に、アンプ７の出力に基づいて認識させるようにしても良い。
【００６６】
なお、図１の実施例における場合のように、バッテリパックが、セルＥ１乃至Ｅ３のように、複数のセルを有する場合には、マイコン１は、それらのオープン電圧のうち、最も高いものを用いるようになされている。このように、最も高いオープン電圧を基準とするのは、仮に、最も低いオープン電圧を基準とすると、そのオープン電圧より高いオープン電圧のセルが、充電中に、高い電圧となることがあり、安全性の観点より好ましくないからである。
【００６７】
時間Ｔchg1の算出後は、ステップＳ３に進み、マイコン１は、上述したようにして時間Ｔchg2を算出する。即ち、テーブル記憶部３には、図４に示したような充電時間テーブルが記憶されており、マイコン１は、この充電時間テーブルを参照し、Ｖchg−ＲＩchgに対応する時間Ｔchg2を算出する（必要ならば、例えば線形補間などを行うことにより算出する）。あるいは、また、マイコン１は、式（４）で与えられる電圧ｖ（ｔ）を用いて、式（２）の積分を実行することで、時間Ｔchg2を算出する。なお、マイコン１に対する負荷の軽減の観点からは、時間Ｔchg2の算出は、充電時間テーブルを利用する手法を用いるのが望ましい。
【００６８】
そして、マイコン１は、ステップＳ４に進み、式（３）にしたがって、充電時間Ｔchgを算出し、例えば、マイコン２１に送信するなどして、処理を終了する。
【００６９】
２次電池がリチウムイオン電池である場合のオープン電圧は、上述したように、その残容量に対応しており、従って、そのようなオープン電圧にしたがって充電時間を計算することで、正確な充電時間を求めることができる。即ち、例えば、２次電池から僅かな放電電流が流れたとしても、それによる残容量の減少は、そのオープン電圧に現れ、このオープン電圧に基づいて充電時間が求められるので、正確な充電時間を得ることができる。また、正確な充電時間を得るために、電流積算法における場合のように、充電を行う際に、２次電池を完全に放電させる必要もない。
【００７０】
次に、図６に示すように、２次電池を、その電池電圧（２次電池の＋端子と−端子との間の電圧）Ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullとなるまでは定電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgで充電し、その後、充電電流をオン／オフしてパルス充電する場合の充電時間を演算する方法について説明する。なお、図６においては、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）の図示は省略してある。また、図６では、パルス充電において、充電電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgは、期間Ｔ1だけオンした後、期間Ｔ2だけオフになり、再び、期間Ｔ1だけオンになることを繰り返すようになされている。そして、充電電流Ｉchgがオフにされている期間Ｔ2において、２次電池の電池電圧（これは、充電電流がオフしているときの電池電圧であるからオープン電圧に等しい）が、満充電電圧Ｖfull未満に降下しなくなったとき、パルス充電を終了するようになされている。
【００７１】
この場合、パルス充電が開始されるまでは、即ち、電池電圧が（最初に）満充電電圧Ｖfullになるまでは、定電流定電圧充電における場合と同様の充電が行われる。従って、充電開始時から、パルス充電が開始されるまでの時間（定電流での充電が行われている時間）（第１の時間）Ｔchg1は、上述の式（１）で計算することができる。
【００７２】
このとき充電を終了すると、２次電池の電池電圧は、ＩＲロス分、即ち、ＲＩchgだけ降下するから（厳密には、分極によっても降下するが、その大きさは、ＩＲロス分に比較して小さいので、ここでは、無視する。但し、これを考慮するようにしても良い）、その後、２次電池は、パルス充電により、この電圧降下分ＲＩchgだけ充電されると考えることができる。即ち、パルス充電によれば、２次電池のオープン電圧を、Ｖfull−ＲＩchgからＶfullにするまでの充電が行われると考えることができる。
【００７３】
いま、ｖpst＝Ｖfull−ＲＩchgとおくと、パルス充電により増加する容量は、Ｃ（Ｖfull）−Ｃ（ｖpst）と表すことができ、また、パルス充電時の充電電流Ｉ（ｔ）のデューティ比、即ち、Ｔ1／（Ｔ1＋Ｔ2）をηとおくと、パルス充電により流れる電流値は、Ｉchg／ηと表すことができるから、パルス充電が行われている時間（電池電圧がＶfullとなってから、充電が終了するまでの時間）（第２の時間）Ｔchg2は、次式で求めることができる。
【００７４】
Ｔchg2＝（Ｃ（Ｖfull）−Ｃ（ｖpst））／（Ｉchg／η）・・・（５）
【００７５】
式（１）または（５）それぞれから、Ｔchg1またはＴchg2を求めた後は、上述の式（３）により、充電時間Ｔchgを求めることができる。
【００７６】
図７は、以上のようにして充電時間を求める場合の、図１のマイコン１の動作を説明するフローチャートである。マイコン１は、充電時間コマンドを、マイコン２１から受信すると、ステップＳ１１またはＳ１２において、図５のステップＳ１またはＳ２における場合とそれぞれ同様の処理を行い、これにより、時間Ｔchg1を算出する。
【００７７】
時間Ｔchg1の算出後は、ステップＳ１３において、マイコン１は、パルス充電が開始されるときのオープン電圧ｖpst（＝Ｖfull−ＲＩchg）を求め、ステップＳ１４に進み、ｖpstおよびηから、式（５）にしたがって時間Ｔchg2を算出する。
【００７８】
ここで、充電電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgのオン／オフは、マイコン１がＦＥＴ４を制御することにより行われるから、デューティ比ηは、マイコン１において認識することができる。
【００７９】
なお、デューティ比η（Ｔ1およびＴ2）が固定値である場合には、その固定値を用いれば良いが、デューティ比ηが変化する場合、即ち、Ｔ1またはＴ2が変化する場合は、その変化するデューティ比ηの、例えば平均値などを用いるようにすることが可能である。
【００８０】
ステップＳ１４においてＴchg2を計算した後は、ステップＳ１５に進み、マイコン１は、図５のステップＳ４における場合と同様の処理を行い、処理を終了する。
【００８１】
この場合も、２次電池のオープン電圧にしたがって充電時間が計算されるので、正確な充電時間を求めることができる。
【００８２】
ところで、２次電池の内部抵抗Ｒは、例えば、図８（ａ）に示すように、環境温度Ｔaによって変化する。また、充電中においては、２次電池自身の温度Ｔtも、例えば、図８（ｂ）に示すように変化するが、内部抵抗Ｒは、この温度Ｔtのによっても変化する。従って、抵抗Ｒは、温度ＴaとＴtの関数として、Ｒ（Ｔa，Ｔt）と表すことができるが、充電時間の算出には、この温度ＴaおよびＴtを考慮した内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を用いた方が、その精度を、より向上させることができる。
【００８３】
そこで、図９は、このように温度ＴaおよびＴtを考慮して、充電時間を算出するパソコンシステムの構成例を示している。なお、図中、図１における場合と対応する部分には、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。即ち、このパソコンシステムは、温度センサ３１および温度テーブル記憶部３２が新たに設けられている他は、図１のパソコンシステムと同様に構成されている。
【００８４】
このパソコンシステムにおいては、温度センサ３１において、環境温度Ｔaが検出され、マイコン１に供給される。また、温度テーブル記憶部３２には、図８（ｂ）に示したグラフをテーブル化したテーブル（以下、適宜、温度テーブルという）が記憶されており、マイコン１は、充電が開始されてからの経過時間ｔに対応する温度Ｔaを温度テーブルを参照することにより算出し、その温度Ｔaと温度センサ３１から受信した環境温度Ｔaに基づいて、内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を算出する（例えば、Ｒ（Ｔa，Ｔt）と、ＴaおよびＴtとを対応付けたテーブルが、テーブル記憶部３に記憶されており、そのテーブルを参照することで、Ｒ（Ｔa，Ｔt）を算出する）。その後は、マイコン１は、その内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を用いて、上述したように充電時間を算出する。
【００８５】
この場合、より正確に、充電時間を求めることができる。
【００８６】
次に、例えばリチウムイオン電池などの２次電池を、所定の一定の電流で放電させると、そのオープン電圧ｖ（ｔ）は、例えば、図１０に示すように、徐々に下降していく。いま、２次電池が過放電状態となる直前のオープン電圧をＶemp（以下、適宜、放電終了電圧という）とし、オープン電圧が、この放電終了電圧Ｖempとなったときに２次電池の放電を終了するものとすると、オープン電圧が、満充電電圧Ｖfullから放電終了電圧Ｖempになるまでの放電時間ＴBは、あらかじめ計測しておくことができる。同様に、オープン電圧が、所定の電圧ｖ（ｔ）から放電終了電圧Ｖempになるまでの放電時間ＴAも、あらかじめ計測しておくことができる。従って、オープン電圧が、満充電電圧Ｖfullから所定の電圧ｖ（ｔ）になるまでの放電時間Ｔは、次式によって求めることができる。
【００８７】
Ｔ＝ＴB−ＴA・・・（６）
【００８８】
そこで、図１１に示すように、放電電流を種々の大きさに変えて、放電時間ＴAおよびＴBを測定し、テーブル化しておけば（このようなテーブルを、以下、適宜、時間テーブルという）、この時間テーブルを参照することで、容易に、放電時間Ｔを求めることが可能となる。
【００８９】
ところで、リチウムイオン電池などの２次電池には、充放電の可逆性がある。従って、放電時間Ｔは、オープン電圧がｖ（ｔ）となっている２次電池を、満充電まで充電する充電時間に等しい。従って、充電電流および充電開始時のオープン電圧を検出し、それに対応する放電時間Ｔを、時間テーブルを参照して算出すれば、それが、充電時間となり、図１や図９の実施例では、このような時間テーブルを利用して、充電電流が一定の期間についての充電時間を求めるようにすることもできる。
【００９０】
次に、時間テーブルを用いる場合においては、２次電池の充電が、可変の充電電流によって行われても、次のようにして、その可変の充電電流による充電時間を、ある程度の精度で求めることができる。即ち、例えば、充電開始後、所定の期間における可変の充電電流の移動平均値（以下、適宜、移動平均電流という）を求め、この移動平均電流で、充電がなされていくものと仮定することで、充電時間を求めることができる。
【００９１】
ここで、所定の期間における充電電流の移動平均値とは、所定の期間に相当する時間窓が時刻の進行方向に移動していくことを考えた場合、現在時刻における充電電流が時間窓に取り込まれるときに、既に取り込まれている充電電流の総和から、その平均値（既に、時間窓内にある充電電流の総和を、時間窓の幅で除算したもの）を減算した値に、現在時刻における充電電流を加算した値を、時間窓の幅で除算した値である。従って、現在の移動平均値は、時間窓内の充電電流それぞれを記憶しておかなくても、前回の移動平均値を計算するのに用いた電流の総和値を記憶しておくだけで計算することができる。即ち、現在の移動平均値は、前回の移動平均値を計算するのに用いた電流の総和値から、その値を時間窓の幅で除算した値（これは、前回の移動平均値である）を減算し、その減算値に、現在時刻の充電電流を加算し、時間窓の幅で除算することにより求めることができる。
【００９２】
この移動平均値は、充電電流を、時間窓の幅に対応する時間のタイムコンスタントの、抵抗とコンデンサでなるローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）を通過させて得られる値と等価である。
【００９３】
移動平均電流を求めた後は、その移動平均電流および充電開始時のオープン電圧に対応する充電時間Ｔを、時間テーブルを参照して算出すれば良い。
【００９４】
図１２は、以上のようにして、充電時間を演算するパソコンシステムの構成例を示している。なお、図中、図１における場合と対応する部分については、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。即ち、このパソコンシステムは、移動平均値を計算する移動平均値計算部４１が新たに設けられている他は、図１のパソコンシステムと同様に構成されている。但し、テーブル記憶部３には、上述の時間テーブルが記憶されているものとする。
【００９５】
次に、図１３のフローチャートを参照して、マイコン１が上述した時間テーブルを利用して充電時間を求める場合の動作について説明する。マイコン１は、充電時間コマンドを、マイコン２１から受信すると、ステップＳ２１において、図５のステップＳ１における場合と同様に、オープン電圧ｖstを受信する。そして、マイコン１は、ステップＳ２２において、移動平均値計算部４１に、充電電流の所定の期間における移動平均値、即ち、移動平均電流を送信させ、これを受信する。
【００９６】
ここで、マイコン１では、充電が開始されると、アンプ７の出力に基づいて、例えば１秒ごとに充電電流が認識され、移動平均値計算部４１に供給されており、移動平均値計算部４１では、マイコン１からの充電電流の、例えば１分間における移動平均値が計算されるようになされている。
【００９７】
即ち、移動平均値計算部４１は、最初の１分間は、マイコン１から供給される６０個の電流値を加算し、その内蔵するレジスタ（図示せず）に記憶する。さらに、移動平均値計算部４１は、レジスタに記憶された値を１分間に相当する（１分間の間に加算した電流値のサンプル数）６０で除算し、その結果得られる値を、移動平均値とする。そして、移動平均値計算部４１は、マイコン１から６１個目の電流値が供給されると、レジスタに記憶された値から、その値を６０で除算した値、即ち、前回の移動平均値を減算し、その減算値に、６１個目の電流値を加算する。さらに、移動平均値計算部４１は、その加算値を、内蔵するレジスタに新たに記憶させるとともに、６０で除算し、その除算結果を、移動平均値（移動平均電流）とする。以下、移動平均値計算部４１では、マイコン１から電流値（現在の電流値）を受信するごとに、同様の処理が行われる。
【００９８】
マイコン１は、移動平均電流を受信すると、ステップＳ２３において、その移動平均電流およびオープン電圧ｖstに対応する時間ＴAおよびＴBを、時間テーブルを参照することにより算出する。そして、ステップＳ２４に進み、マイコン１は、式（６）にしたがって、充電時間Ｔを算出し、例えば、マイコン２１に送信するなどして、処理を終了する。
【００９９】
なお、図１２の実施例においても、上述した温度ＴaおよびＴtを考慮して充電時間を求めるようにすることが可能である。また、図１２の実施例では、充電時間を求めるのに、充電時間コマンドを受信したときの充電電流の移動平均値を用いるようにしたが、充電時間は、充電時間コマンドを受信したときの充電電流そのものを用いて求めるようにすることも可能である。
【０１００】
以上、本発明を、パソコンに装着可能な、通信機能を有するバッテリパックに適用した場合について説明したが、本発明は、その他、例えばパソコン以外の電子機器に装着可能なバッテリパックにも適用可能である。また、通信機能を有しないバッテリパックにも適用可能である。
【０１０１】
なお、本実施例においては、２次電池（セルＥ１乃至Ｅ３）を、リチウムイオン電池としたが、２次電池としては、リチウムイオン電池以外の電池を用いることも可能である。但し、２次電池は、その残容量と電池電圧とが１対１に対応しているものである必要がある。
【０１０２】
また、本実施例では、バッテリパックにおいて充電時間を求めるようにしたが、充電時間は、例えば、充電器側、即ち、ここでは、パソコンにおいて求めるようにすることも可能である。
【０１０３】
【発明の効果】
請求項１に記載の充電時間演算方法および請求項８に記載のバッテリパックによれば、２次電池が定電流で充電される第１の時間が、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求められ、また、２次電池が定電圧で充電される第２の時間が、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求められる。従って、精度良く充電時間を求めることが可能となる。
【０１０５】
請求項５に記載の充電時間演算方法および請求項９に記載のバッテリパックによれば、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間が求められ、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間が求められる。従って、例えば、可変の充電電流により充電がなされる場合であっても、その充電時間を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したパソコンシステムの第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】定電流定電圧充電がなされる場合の電池電圧と充電電流の時間変化を示す図である。
【図３】２次電池の電圧変化を近似する指数関数を示す図である。
【図４】充電時間テーブルを示す図である。
【図５】図１のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】パルス充電がなされる場合の電池電圧と充電電流の時間変化を示す図である。
【図７】図１のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】２次電池の内部抵抗と温度との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用したパソコンシステムの第２実施例の構成を示すブロック図である。
【図１０】２次電池の放電時のオープン電圧の時間変化を示す図である。
【図１１】放電電流を種々の大きさに変えたときの２次電池のオープン電圧の時間変化を示す図である。
【図１２】本発明を適用したパソコンシステムの第３実施例の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ マイコン， ３ テーブル記憶部， ４，５ ＦＥＴ， ６ 抵抗， ９通信端子， １０ 電池選択器， ２１ マイコン， ２３ 充電器， ２６通信端子， ３１ 温度センサ， ３２ 温度テーブル記憶部， ４１ 移動平均値計算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電時間演算方法およびバッテリパックに関する。特に、２次電池の充電が終了するまでの充電時間を、精度良く求めることができるようにする充電時間演算方法およびバッテリパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、例えば電池監視用のマイコン（マイクロコンピュータ）を内蔵して２次電池の状態（例えば、２次電池の電圧や、充放電電流、残容量（２次電池の残りの容量）など）をモニタし、充電器、あるいはコンピュータなどの負荷との間でデータのやりとり（通信）を行う、スマートバッテリ（Smart Battery）（デュラセル（Duracell）社、インテル（Intel）社で提唱されている）あるいはインテリジェントバッテリなどと呼ばれるバッテリパックが実現されている。
【０００３】
このようなバッテリパックを用いた場合には、そこから送信されてくる２次電池の状態を、充電器あるいは負荷側において、ユーザに報知することができる。また、バッテリパックにおいて、例えば、２次電池の充電時に、その充電が終了するまでの充電時間を求め、充電器に送信し、充電器では、バッテリパックから送信されてきた充電時間を表示するなどして、これを、ユーザに報知するようにすることもできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スマートバッテリ（インテリジェントバッテリ）においては、例えば、電流積算法に基づいて、充電時間が求められるようになされている。即ち、満充電時から、いままでに流れた放電電流を時間積分し、その結果得られる容量（以下、適宜、空き容量という）を、充電電流で除算することにより、充電時間が求められるようになされている。
【０００５】
従って、正確な充電時間を求めることが困難な課題があった。
【０００６】
即ち、２次電池は、それを使用せず放置したままであっても、僅かではあるが放電が行われる。そして、この放電による僅かな放電電流により、空き容量に誤差が生じ、その結果、正確な充電時間を求めることが困難な課題があった。
【０００７】
そこで、このような僅かな放電電流を検出することのできる、精度の高い電流検出回路を設け、その放電電流を考慮して、空き容量を算出する方法があるが、精度の高い電流検出回路は高価であり、バッテリパックが高コスト化することになる。
【０００８】
また、正確な充電時間を求めるため、充電を行う際に、まず、２次電池を完全に放電させてから充電を行う方法があるが、これでは、充電に時間を要することになる。
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、正確な充電時間を、容易に求めることができるようにするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の充電時間演算方法は、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求めるとともに、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の充電時間演算方法は、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求め、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求めることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載のバッテリパックは、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求める第１の時間算出手段と、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求める第２の時間検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載のバッテリパックは、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求める第１の時間算出手段と、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求める充電時間算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項１に記載の充電時間演算方法および請求項８に記載のバッテリパックにおいては、２次電池が定電流で充電される第１の時間が、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求められるとともに、２次電池が定電圧で充電される第２の時間が、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求められるようになされている。
【００１８】
請求項５に記載の充電時間演算方法および請求項９に記載のバッテリパックにおいては、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間が求められ、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間が求められるようになされている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を説明するが、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に、対応する実施例（但し、一例）を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【００２０】
即ち、請求項８に記載のバッテリパックは、定電流定電圧充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、２次電池のオープン電圧を検出する検出手段（例えば、図１や図９に示す電池選択器１０など）と、２次電池が定電流で充電される第１の時間を、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求める第１の時間算出手段（例えば、図５に示すプログラムの処理ステップＳ２など）と、２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求める第２の時間検出手段（例えば、図５に示すプログラムの処理ステップＳ３など）とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載のバッテリパックは、外部から供給される充電電流により充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、２次電池のオープン電圧を検出する検出手段（例えば、図１２に示す電池選択器１０など）と、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求める第１の時間算出手段（例えば、図１３に示すプログラムの処理ステップＳ２３など）と、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間を求める充電時間算出手段（例えば、図１３に示すプログラムの処理ステップＳ２４など）とを備えることを特徴とする。
【００２３】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【００２４】
図１は、本発明を適用したパソコン（パーソナルコンピュータ）システムの構成例を示している。このパソコンシステムは、パソコン（本体）と、それに装着されたバッテリパックとから構成されており、パソコンは、例えば携帯型とされている。
【００２５】
バッテリパックは、前述したような通信機能を有するもの（インテリジェントバッテリ）で、パソコンに対して着脱可能になされている。このバッテリパックは、２次電池として、例えば、リチウムイオン系の３つの電池（セル）Ｅ１乃至Ｅ３を有しており、これらのセルＥ１乃至Ｅ３は直列に接続されている。そして、セルＥ１の＋端子は、パック（バッテリパック）の＋端子２に接続されており、また、セルＥ３の−端子は、セルＥ１乃至Ｅ３に対して直列に接続されたＦＥＴ４，５、および抵抗６を介して、パックのＧＮＤ端子（グランド端子）８に接続されている。従って、セルＥ１乃至Ｅ３（以下、適宜、これらをまとめて２次電池Ｅともいう）の放電電流は、＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して流れ（負荷に対して、＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して放電電流が供給され）、また２次電池Ｅに対する充電電流も、この＋端子２およびＧＮＤ端子８を介して流れるようになされている。
【００２６】
マイコン（マイクロコンピュータ）１は、例えば、ＣＰＵなどを内蔵し、アンプ１１の出力に基づいて、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれの電圧（セルの＋端子と−端子との間の電圧）（以下、適宜、セル電圧という）を認識し、そのセル電圧に対応して、ＦＥＴ４，５のゲート（Ｇ）に印加する電圧を制御するようになされている。さらに、マイコン１は、アンプ７の出力に基づいて、２次電池Ｅに流れる電流（充電電流および放電電流）を認識し、その電流に対応しても、ＦＥＴ４，５のゲートに印加する電圧を制御するようになされている。即ち、これにより、マイコン１は、ＦＥＴ４，５をオン／オフ（スイッチング）させ、バッテリパックが過充電および過放電状態となることを防止するようになされている。
【００２７】
また、マイコン１は、上述したようにして認識したセル電圧に基づいて、２次電池Ｅの容量（残容量）を算出するようにもなされている。さらに、マイコン１は、テーブル記憶部３に記憶されている各種のテーブルを参照することにより、２次電池Ｅを充電するのに要する充電時間を求める（演算する）ようにもなされている。また、マイコン１は、パックの通信端子９に接続されており、この通信端子９を介して、後述するマイコン２１と、所定の通信手順にしたがって通信を行うようにもなされている。即ち、マイコン１は、通信端子９を介して送信されてくるデータ（コマンド）に応じて、所定の処理を行ったり、あるいは、２次電池Ｅの電圧（直列に接続されたセルＥ１乃至Ｅ３の、セルＥ１の＋端子とセルＥ３の−端子との間の電圧）（以下、適宜、電池電圧という）や、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧、充放電電流、２次電池Ｅの残容量などの２次電池Ｅの状態に関する情報（状態情報）、さらには、２次電池Ｅ（セルＥ１乃至Ｅ２）の充電に要する充電時間その他の情報も、通信端子９を介して出力するようになされている。
【００２８】
テーブル記憶部３には、後述するような各種のテーブルが記憶されている。ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）４のドレイン（Ｄ）は、２次電池Ｅの−端子（セルＥ３の−端子）と接続されており、そのソース（Ｓ）は、ＦＥＴ５のソースと接続されている。ＦＥＴ５のドレインは、抵抗６を介して、ＧＮＤ端子８と接続されている。なお、ＦＥＴ４には、そのソースとドレインとの間に、２次電池Ｅの放電電流が流れる方向に（従って、２次電池Ｅの充電電流が流れない方向に）、寄生ダイオード４Ａが形成されている。また、ＦＥＴ５には、そのソースとドレインとの間に、２次電池Ｅの充電電流が流れる方向に（従って、２次電池Ｅの放電電流が流れない方向に）、寄生ダイオード５Ａが形成されている。ここで、本実施例では、ＦＥＴ４および５は、そのゲートにＨまたはＬレベルが印加されたとき、それぞれオンまたはオフするようになされている。
【００２９】
抵抗６は、電流検出用の微小抵抗値の抵抗で、その一端は、ＦＥＴ５のドレインと接続されており、その他端は、ＧＮＤ端子８と接続されている。アンプ７は、抵抗６に電流（充電電流および放電電流）が流れることにより生じる電圧降下（電圧）を、マイコン１で取扱い可能なレベルに調整し、マイコン１に供給するようになされている。電池選択器１０は、例えば、マルチプレクサなどでなり、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれを周期的に選択し、その選択したセルの＋端子と−端子との間の電圧（セル電圧）を検出して、アンプ１１に供給するようになされている。アンプ１１は、アンプ７と同様に、電池選択器１０から供給される電圧（セル電圧）を、マイコン１で取扱い可能なレベルに調整（変換）し、マイコン１に供給するようになされている。
【００３０】
バッテリパックは、以上の２次電池Ｅ、マイコン１、＋端子２、テーブル記憶部３、ＦＥＴ４，５、抵抗６、アンプ７、ＧＮＤ端子８、通信端子９、電池選択器１０、およびアンプ１１から構成されている。
【００３１】
一方、パソコンは、マイコン２１、パソコン部２２、充電器２３、＋端子２５、通信端子２６、およびＧＮＤ端子２７から構成されている。
【００３２】
マイコン２１は、通信端子２６を介して、マイコン１と通信を行うようになされている。即ち、マイコン２１は、例えば、マイコン１に対し、所定のコマンドを送信し、また、マイコン１から送信されてくる状態情報やその他の情報を受信するようになされている。また、マイコン２１は、パソコン部２２および充電器２３の制御も行うようになされている。
【００３３】
パソコン部２２は、パソコン本来の機能を有するブロックで、充電器２３より供給される電圧および電流、あるいは、バッテリパックから供給される電圧および電流を電源として動作するようになされている。充電器２３は、例えば、定電圧源および定電流源などで構成され、マイコン２１の制御の下、パソコン部２２に対し、電源としての電圧および電流を供給し、また、バッテリパックに対し、充電電流を供給するようになされている。
【００３４】
＋端子２５は、充電器２３の＋端子と接続されている。通信端子２６は、マイコン２１と接続されている。ＧＮＤ端子２７は、充電器２３の−端子と接続されている。
【００３５】
なお、パソコン部２２は、充電器２３と＋端子２５との接続点、および充電器２３と−端子２７との接続点と接続されている。また、＋端子２５、通信端子２６、またはＧＮＤ端子２７は、バッテリパックが、パソコンに正常に装着されたとき、＋端子２、通信端子９、またはＧＮＤ端子８とそれぞれ接続されるようになされている。
【００３６】
次に、その動作について説明する。パソコン部２２が、バッテリパックを電源として動作する場合においては、２次電池Ｅの＋端子（セルＥ１の＋端子）、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５（ドレイン・ソース間），ＦＥＴ４（ソース・ドレイン間）、２次電池Ｅの−端子（セルＥ３の−端子）の経路で、放電電流が流れる。
【００３７】
このとき、マイコン１は、電池選択部１０が周期的に出力するセルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧を、アンプ１１の出力に基づいて検出し、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧のいずれかが、所定の第１の基準電圧（セルＥ１乃至Ｅ３が過放電状態になるおそれがある電圧）より小さくなると、ＦＥＴ５のゲートに、Ｌレベルを印加し、これによりＦＥＴ５をオフにする。ＦＥＴ５の寄生ダイオード５Ａは、充電電流が流れる方向、即ち放電電流がながれない方向に接続されているため、ＦＥＴ５がオフにされると、放電電流は遮断される。これにより、過放電が防止される。
【００３８】
なお、マイコン１は、アンプ７の出力に基づいて、放電電流も検出しており、これが、所定の第１の基準電流（セルＥ１乃至Ｅ３が過放電状態になるおそれがある電流）より大きくなった場合にも、ＦＥＴ５をオフにさせ、これにより、放電電流を遮断させるようになされている。
【００３９】
このように、放電電流が遮断されると（遮断される直前）、マイコン２１は、充電器２３を制御し、これにより、パソコン部２２の電源として動作させるとともに、バッテリパックに充電電流を供給させる。即ち、この場合、充電器２３の＋端子、＋端子２５，２、２次電池Ｅ、ＦＥＴ４、寄生ダイオード５Ａ、抵抗６、ＧＮＤ端子８，２７、充電器２３の−端子の経路で、充電電流が流れ、これにより２次電池Ｅに対する充電が開始される。しかしながら、この場合、寄生ダイオード５Ａでは、ＦＥＴ５のソース・ドレイン間に比較して（ＦＥＴ５（ＦＥＴ４も同様）に、ある程度のレベルの電圧がゲートに印加されている場合、そのオン抵抗は小さな値になるので、そのソース・ドレイン間の電圧降下は微小なものである）、約０．６乃至０．８Ｖ程度の大きな電圧降下が生じるので、効率的な充電を行うことができない。
【００４０】
そこで、マイコン１は、充電が開始されると、例えばそれにより生じる電圧降下（例えば、１Ｖ程度の電圧降下）を検出し、その電圧降下を検出すると、ＦＥＴ５のゲートに、強制的にＨレベルを印加して、ＦＥＴ５をオンにする。これにより、充電器２３の＋端子、＋端子２５，２、２次電池Ｅ、ＦＥＴ４，５、抵抗６、ＧＮＤ端子８，２７、充電器２３の−端子の経路で、充電電流が流れ、効率的な充電が行われる。
【００４１】
充電が行われている間、マイコン１は、放電中の場合と同様に、セル電圧を検出しており、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのセル電圧のうちのいすれかが、所定の第２の基準電圧（セルＥ１乃至Ｅ３が過充電状態になるおそれがある電圧）より大きくなると、ＦＥＴ４のゲートに、Ｌレベルを印加し、これによりＦＥＴ４をオフにする。ＦＥＴ４の寄生ダイオード４Ａは、放電電流が流れる方向、即ち充電電流がながれない方向に接続されているため、ＦＥＴ４がオフにされると、充電電流は遮断される。これにより、過充電が防止される。
【００４２】
なお、マイコン１は、放電時における場合と同様に、アンプ７の出力に基づいて、充電電流を検出しており、これが、所定の第２の基準電流（例えば、第１の基準電流と同一の電流）より大きくなった場合にも、ＦＥＴ４をオフにさせ、これにより、充電電流を遮断させるようになされている。
【００４３】
充電が終了し、パソコン部２２が、再び、バッテリパックを電源として動作するようになされると、充電終了直後は、ＦＥＴ４はオフにされているから、２次電池Ｅの＋端子、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５，寄生ダイオード４Ａ、２次電池Ｅの−端子の経路で、放電電流が流れる。しかしながら、この場合、寄生ダイオード４Ａでは、上述した寄生ダイオード５Ａと同様に大きな電圧降下が生じるので、効率的な放電を行うことができない。
【００４４】
そこで、マイコン１は、放電が開始されると、例えばそれにより生じる電圧降下（例えば、０．４Ｖ程度の電圧降下）を検出し、その電圧降下を検出すると、ＦＥＴ４のゲートに、強制的にＨレベルを印加して、ＦＥＴ４をオンにする。これにより、上述したように、２次電池Ｅの＋端子、＋端子２，２５、パソコン部２２、ＧＮＤ端子２７，８、抵抗６、ＦＥＴ５，４、２次電池Ｅの−端子の経路で、放電電流が流れ、効率的な放電が行われる。
【００４５】
バッテリパックが、パソコンに正常に装着されている場合には、上述したような充放電中を含めて、マイコン１と２１との間で、通信端子９および２６を介して通信が行われる。即ち、例えば、マイコン２１が、マイコン１に対し、セルＥ１乃至Ｅ３のセル電圧や、残容量、充放電電流を問い合わせるコマンドを送信すると、マイコン１は、そのコマンドに対応して、上述したようにして検出（算出）しているセル電圧や、残容量、充放電電流を、マイコン２１に送信する。
【００４６】
また、例えば、マイコン２１が、マイコン１に対し、２次電池Ｅの充電時間を問い合わせるコマンド（Atrate Time to Full）（例えば、０ｘ０５などのコード（０ｘは、それに続く数字が１６進数であることを表す））を送信すると、マイコン１は、そのコマンドに対応して、テーブル記憶部３を参照しながら、充電時間を演算し、マイコン２１に送信する。
【００４７】
次に、このような２次電池の充電時間の演算方法について説明する。２次電池が、上述したようにリチウムイオン電池である場合、その残容量は、２次電池のオープン電圧と１対１に対応しており、従って、２次電池のオープン電圧がわかれば、その残容量もわかる。そして、残容量がわかれば、「全容量（＝公称電池容量）」−「残容量」を計算することで、空き容量を求めることができ、この空き容量を、充電電流で除算することにより（「空き容量」／「充電電流」を計算することにより）、充電時間を求めることができる。
【００４８】
そこで、まず、２次電池を、定電流定電圧で充電する場合、即ち、図２に示すように、その電池電圧Ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullになるまでは、定電流Ｉchgで充電し、その後は、充電電流Ｉ（ｔ）が充分小さくなるまで、定電圧Ｖchgで充電する場合の充電時間の演算方法について説明する。
【００４９】
ここで、図２においては、時間をｔで表してあり、充電電流はＩ（ｔ）と、２次電池の電池電圧（充電電流が流れているときの電池電圧）はＶ（ｔ）と、２次電池のオープン電圧はｖ（ｔ）（同図において点線で示す）と、２次電池の内部抵抗はＲと、２次電池の満充電電圧はＶfullと、それぞれ表してある。また、図２において、Ｖchgは、充電器が出力する充電電圧を表す。従って、定電圧で充電が行われているときはＶ（ｔ）＝Ｖchgである。さらに、図２において、Ｉchgは、２次電池が定電流で充電されているときの充電電流を表す。従って、定電流で充電が行われているときはＩ（ｔ）＝Ｉchgである。
【００５０】
なお、リチウムイオン電池の満充電電圧Ｖfullは、例えば４．２Ｖ程度で、充電電圧Ｖchgは、それより幾分高い電圧（例えば、４．２５Ｖ／セル程度）とされる。また、充電電流Ｉchgは、１Ｃ／セル以下が推奨値とされている。ここで、Ｃは、Ｃｈａｒｇｅの略で、１Ｃは、例えば、１０００ｍＡＨ（ミリアンペアアウワ）の容量の電池に対して１０００ｍＡ（ミリアンペア）の電流を流すことを意味する。
【００５１】
定電流定電圧充電においては、Ｉchg≦（Ｖchg−ｖ（ｔ））／Ｒのとき、即ち、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）が、Ｖchg−ＲＩchg以下である間は、充電電流Ｉchgにより充電が行われる。従って、２次電池のオープン電圧がｘであるときの残容量をＣ（ｘ）と表すとすると、２次電池が定電流で充電される時間、即ち、充電開始時（あるいは、充電時間の計算開始時）から、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）がＶchg−ＲＩchgとなるまでの時間（第１の時間）Ｔchg1は、次式で計算することができる。
【００５２】
Ｔchg1＝（Ｃ（Ｖchg−ＲＩchg）−Ｃ（ｖst））／Ｉchg・・・（１）
但し、ｖstは、充電開始時の２次電池のオープン電圧を表す。
【００５３】
以上のように、時間Ｔchg1は、内部抵抗Ｒに電流Ｉchgが流れているときの電圧降下ＲＩchgと、２次電池のオープン電圧ｖstから求めることができる。
【００５４】
その後、２次電池が定電圧で充電される間、即ち、オープン電圧ｖ（ｔ）が、Ｖchg−ＲＩchgから満充電電圧Ｖfullになるまでの間における充電電流Ｉchgは、（Ｖchg−ｖ（ｔ））／Ｒと表すことができるから、これに要する時間（第２の時間）Ｔchg2は、式（２）で表される電圧ｖ（ｔ）による積分で求めることができる。
【００５５】
【数１】
式（１）または（２）それぞれから、Ｔchg1またはＴchg2を求めた後は、次式により、充電時間Ｔchgを求めることができる。
【００５７】
Ｔchg＝Ｔchg1＋Ｔchg2・・・（３）
【００５８】
ところで、式（２）を計算するためには、定電圧充電中における２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）を知る必要がある。そこで、ここでは、オープン電圧ｖ（ｔ）を、例えば指数関数ｅxで近似する。即ち、ｖ（ｔ）を、例えば、次式で近似する。
【００５９】
ｖ（ｔ）＝Ｖfull×ｋ×ｅ-1/t・・・（４）
但し、ｋは、所定の定数（以下、適宜、特性係数という）である。
【００６０】
なお、特性係数ｋは、２次電池の特性に基づいて決定するようにする。即ち、特性係数ｋを、例えばｋ1，ｋ2，ｋ3，・・・と変えることにより、図３（ａ）に示すように、ｖ（ｔ）を近似する種々の曲線が得られるが、このような曲線のうち、その形状が充電時間を演算しようとする２次電池の特性に最も合致するものを選択し、その曲線を与えるｋを、２次電池の特性係数として決定する。具体的には、例えば、２次電池を充電しながら、そのオープン電圧を実測し、その実測したオープン電圧の変化と最も近似する曲線を与える特性係数ｋを選択するようにすれば良い。
【００６１】
また、２次電池の特性係数ｋを決定した後は、図３（ｂ）に示すように、その特性係数ｋにより与えられる式（４）のｖ（ｔ）が、種々の電圧ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・それぞれから満充電電圧Ｖfullになるまでの時間ｔ1，ｔ2，ｔ3，・・・を求め、これを、例えば、図４に示すように、テーブル化しておくようにする（このようなテーブルを、以下、適宜、充電時間テーブルという）。この充電時間テーブルは、Ｖchg−ＲＩchgが、ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・である場合に定電圧充電を行ったときそれぞれの、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullになるまでの時間、即ち、Ｔchg2を表すから、Ｖchg−ＲＩchgが与えられれば、この充電時間テーブルを参照することで、式（４）を計算しなくても、時間Ｔchg2を求めることができる。
【００６２】
なお、与えられたＶchg−ＲＩchgが、充電時間テーブルに登録された電圧ｖ1，ｖ2，ｖ3，・・・のうちのいずれとも一致しない場合には、そのＶchg−ＲＩchgに対応する時間Ｔchg2は、例えば、充電時間テーブルの登録値を用いて線形補間などすることにより求めるようにすれば良い。
【００６３】
図５は、以上のようにして充電時間を求める場合の、図１のマイコン１の動作を説明するフローチャートである。マイコン１は、充電時間を問い合わせるコマンド（以下、適宜、充電時間コマンドという）を、マイコン２１から受信すると、ステップＳ１において、電池選択器１０から、アンプ１１を介して、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧を受信する。即ち、マイコン１は、充電開始前（充電器２３から充電電流の供給を受ける前）に、充電時間コマンドを受信したときは（但し、このとき、放電は行われていないものとする）、電池選択器１０の出力を、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧として受信する。また、マイコン１は、充電中は、一旦、ＦＥＴ４をオフすることにより、充電電流を遮断し、その状態において、電池選択器１０が出力する電圧を、セルＥ１乃至Ｅ３それぞれのオープン電圧として受信する。
【００６４】
その後、ステップＳ２において、マイコン１は、ステップＳ１で受信したオープン電圧ｖstを用い、式（１）にしたがって、時間Ｔchg1を算出する。即ち、テーブル記憶部３には、２次電池のオープン電圧と、その残容量とを対応付けたテーブル（以下、適宜、容量テーブルという）が記憶されており、マイコン１は、この容量テーブルを参照して、式（１）におけるＣ（Ｖchg−ＲＩchg）およびＣ（ｖst）を算出する（必要ならば、例えば線形補間などを行うことにより算出する）。そして、マイコン１は、式（１）にしたがった演算を行うことで、時間Ｔchg1を算出する。
【００６５】
ここで、式（１）を計算するには、充電電圧Ｖchg、充電電流Ｉchg、および内部抵抗Ｒが必要となるが、充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchgは、通常、あらかじめ決められており、内部抵抗Ｒも、あらかじめ測定しておくことが可能であるから、マイコン１は、そのような充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchg、並びに、内部抵抗Ｒに基づき、式（１）の演算を行う。但し、充電電圧Ｖchgおよび充電電流Ｉchgは、充電器２３を制御するマイコン２１からマイコン１に対して送信させるようにしても良い。また、充電電流Ｉchgは、マイコン１に、アンプ７の出力に基づいて認識させるようにしても良い。
【００６６】
なお、図１の実施例における場合のように、バッテリパックが、セルＥ１乃至Ｅ３のように、複数のセルを有する場合には、マイコン１は、それらのオープン電圧のうち、最も高いものを用いるようになされている。このように、最も高いオープン電圧を基準とするのは、仮に、最も低いオープン電圧を基準とすると、そのオープン電圧より高いオープン電圧のセルが、充電中に、高い電圧となることがあり、安全性の観点より好ましくないからである。
【００６７】
時間Ｔchg1の算出後は、ステップＳ３に進み、マイコン１は、上述したようにして時間Ｔchg2を算出する。即ち、テーブル記憶部３には、図４に示したような充電時間テーブルが記憶されており、マイコン１は、この充電時間テーブルを参照し、Ｖchg−ＲＩchgに対応する時間Ｔchg2を算出する（必要ならば、例えば線形補間などを行うことにより算出する）。あるいは、また、マイコン１は、式（４）で与えられる電圧ｖ（ｔ）を用いて、式（２）の積分を実行することで、時間Ｔchg2を算出する。なお、マイコン１に対する負荷の軽減の観点からは、時間Ｔchg2の算出は、充電時間テーブルを利用する手法を用いるのが望ましい。
【００６８】
そして、マイコン１は、ステップＳ４に進み、式（３）にしたがって、充電時間Ｔchgを算出し、例えば、マイコン２１に送信するなどして、処理を終了する。
【００６９】
２次電池がリチウムイオン電池である場合のオープン電圧は、上述したように、その残容量に対応しており、従って、そのようなオープン電圧にしたがって充電時間を計算することで、正確な充電時間を求めることができる。即ち、例えば、２次電池から僅かな放電電流が流れたとしても、それによる残容量の減少は、そのオープン電圧に現れ、このオープン電圧に基づいて充電時間が求められるので、正確な充電時間を得ることができる。また、正確な充電時間を得るために、電流積算法における場合のように、充電を行う際に、２次電池を完全に放電させる必要もない。
【００７０】
次に、図６に示すように、２次電池を、その電池電圧（２次電池の＋端子と−端子との間の電圧）Ｖ（ｔ）が満充電電圧Ｖfullとなるまでは定電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgで充電し、その後、充電電流をオン／オフしてパルス充電する場合の充電時間を演算する方法について説明する。なお、図６においては、２次電池のオープン電圧ｖ（ｔ）の図示は省略してある。また、図６では、パルス充電において、充電電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgは、期間Ｔ1だけオンした後、期間Ｔ2だけオフになり、再び、期間Ｔ1だけオンになることを繰り返すようになされている。そして、充電電流Ｉchgがオフにされている期間Ｔ2において、２次電池の電池電圧（これは、充電電流がオフしているときの電池電圧であるからオープン電圧に等しい）が、満充電電圧Ｖfull未満に降下しなくなったとき、パルス充電を終了するようになされている。
【００７１】
この場合、パルス充電が開始されるまでは、即ち、電池電圧が（最初に）満充電電圧Ｖfullになるまでは、定電流定電圧充電における場合と同様の充電が行われる。従って、充電開始時から、パルス充電が開始されるまでの時間（定電流での充電が行われている時間）（第１の時間）Ｔchg1は、上述の式（１）で計算することができる。
【００７２】
このとき充電を終了すると、２次電池の電池電圧は、ＩＲロス分、即ち、ＲＩchgだけ降下するから（厳密には、分極によっても降下するが、その大きさは、ＩＲロス分に比較して小さいので、ここでは、無視する。但し、これを考慮するようにしても良い）、その後、２次電池は、パルス充電により、この電圧降下分ＲＩchgだけ充電されると考えることができる。即ち、パルス充電によれば、２次電池のオープン電圧を、Ｖfull−ＲＩchgからＶfullにするまでの充電が行われると考えることができる。
【００７３】
いま、ｖpst＝Ｖfull−ＲＩchgとおくと、パルス充電により増加する容量は、Ｃ（Ｖfull）−Ｃ（ｖpst）と表すことができ、また、パルス充電時の充電電流Ｉ（ｔ）のデューティ比、即ち、Ｔ1／（Ｔ1＋Ｔ2）をηとおくと、パルス充電により流れる電流値は、Ｉchg／ηと表すことができるから、パルス充電が行われている時間（電池電圧がＶfullとなってから、充電が終了するまでの時間）（第２の時間）Ｔchg2は、次式で求めることができる。
【００７４】
Ｔchg2＝（Ｃ（Ｖfull）−Ｃ（ｖpst））／（Ｉchg／η）・・・（５）
【００７５】
式（１）または（５）それぞれから、Ｔchg1またはＴchg2を求めた後は、上述の式（３）により、充電時間Ｔchgを求めることができる。
【００７６】
図７は、以上のようにして充電時間を求める場合の、図１のマイコン１の動作を説明するフローチャートである。マイコン１は、充電時間コマンドを、マイコン２１から受信すると、ステップＳ１１またはＳ１２において、図５のステップＳ１またはＳ２における場合とそれぞれ同様の処理を行い、これにより、時間Ｔchg1を算出する。
【００７７】
時間Ｔchg1の算出後は、ステップＳ１３において、マイコン１は、パルス充電が開始されるときのオープン電圧ｖpst（＝Ｖfull−ＲＩchg）を求め、ステップＳ１４に進み、ｖpstおよびηから、式（５）にしたがって時間Ｔchg2を算出する。
【００７８】
ここで、充電電流Ｉ（ｔ）＝Ｉchgのオン／オフは、マイコン１がＦＥＴ４を制御することにより行われるから、デューティ比ηは、マイコン１において認識することができる。
【００７９】
なお、デューティ比η（Ｔ1およびＴ2）が固定値である場合には、その固定値を用いれば良いが、デューティ比ηが変化する場合、即ち、Ｔ1またはＴ2が変化する場合は、その変化するデューティ比ηの、例えば平均値などを用いるようにすることが可能である。
【００８０】
ステップＳ１４においてＴchg2を計算した後は、ステップＳ１５に進み、マイコン１は、図５のステップＳ４における場合と同様の処理を行い、処理を終了する。
【００８１】
この場合も、２次電池のオープン電圧にしたがって充電時間が計算されるので、正確な充電時間を求めることができる。
【００８２】
ところで、２次電池の内部抵抗Ｒは、例えば、図８（ａ）に示すように、環境温度Ｔaによって変化する。また、充電中においては、２次電池自身の温度Ｔtも、例えば、図８（ｂ）に示すように変化するが、内部抵抗Ｒは、この温度Ｔtのによっても変化する。従って、抵抗Ｒは、温度ＴaとＴtの関数として、Ｒ（Ｔa，Ｔt）と表すことができるが、充電時間の算出には、この温度ＴaおよびＴtを考慮した内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を用いた方が、その精度を、より向上させることができる。
【００８３】
そこで、図９は、このように温度ＴaおよびＴtを考慮して、充電時間を算出するパソコンシステムの構成例を示している。なお、図中、図１における場合と対応する部分には、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。即ち、このパソコンシステムは、温度センサ３１および温度テーブル記憶部３２が新たに設けられている他は、図１のパソコンシステムと同様に構成されている。
【００８４】
このパソコンシステムにおいては、温度センサ３１において、環境温度Ｔaが検出され、マイコン１に供給される。また、温度テーブル記憶部３２には、図８（ｂ）に示したグラフをテーブル化したテーブル（以下、適宜、温度テーブルという）が記憶されており、マイコン１は、充電が開始されてからの経過時間ｔに対応する温度Ｔaを温度テーブルを参照することにより算出し、その温度Ｔaと温度センサ３１から受信した環境温度Ｔaに基づいて、内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を算出する（例えば、Ｒ（Ｔa，Ｔt）と、ＴaおよびＴtとを対応付けたテーブルが、テーブル記憶部３に記憶されており、そのテーブルを参照することで、Ｒ（Ｔa，Ｔt）を算出する）。その後は、マイコン１は、その内部抵抗Ｒ（Ｔa，Ｔt）を用いて、上述したように充電時間を算出する。
【００８５】
この場合、より正確に、充電時間を求めることができる。
【００８６】
次に、例えばリチウムイオン電池などの２次電池を、所定の一定の電流で放電させると、そのオープン電圧ｖ（ｔ）は、例えば、図１０に示すように、徐々に下降していく。いま、２次電池が過放電状態となる直前のオープン電圧をＶemp（以下、適宜、放電終了電圧という）とし、オープン電圧が、この放電終了電圧Ｖempとなったときに２次電池の放電を終了するものとすると、オープン電圧が、満充電電圧Ｖfullから放電終了電圧Ｖempになるまでの放電時間ＴBは、あらかじめ計測しておくことができる。同様に、オープン電圧が、所定の電圧ｖ（ｔ）から放電終了電圧Ｖempになるまでの放電時間ＴAも、あらかじめ計測しておくことができる。従って、オープン電圧が、満充電電圧Ｖfullから所定の電圧ｖ（ｔ）になるまでの放電時間Ｔは、次式によって求めることができる。
【００８７】
Ｔ＝ＴB−ＴA・・・（６）
【００８８】
そこで、図１１に示すように、放電電流を種々の大きさに変えて、放電時間ＴAおよびＴBを測定し、テーブル化しておけば（このようなテーブルを、以下、適宜、時間テーブルという）、この時間テーブルを参照することで、容易に、放電時間Ｔを求めることが可能となる。
【００８９】
ところで、リチウムイオン電池などの２次電池には、充放電の可逆性がある。従って、放電時間Ｔは、オープン電圧がｖ（ｔ）となっている２次電池を、満充電まで充電する充電時間に等しい。従って、充電電流および充電開始時のオープン電圧を検出し、それに対応する放電時間Ｔを、時間テーブルを参照して算出すれば、それが、充電時間となり、図１や図９の実施例では、このような時間テーブルを利用して、充電電流が一定の期間についての充電時間を求めるようにすることもできる。
【００９０】
次に、時間テーブルを用いる場合においては、２次電池の充電が、可変の充電電流によって行われても、次のようにして、その可変の充電電流による充電時間を、ある程度の精度で求めることができる。即ち、例えば、充電開始後、所定の期間における可変の充電電流の移動平均値（以下、適宜、移動平均電流という）を求め、この移動平均電流で、充電がなされていくものと仮定することで、充電時間を求めることができる。
【００９１】
ここで、所定の期間における充電電流の移動平均値とは、所定の期間に相当する時間窓が時刻の進行方向に移動していくことを考えた場合、現在時刻における充電電流が時間窓に取り込まれるときに、既に取り込まれている充電電流の総和から、その平均値（既に、時間窓内にある充電電流の総和を、時間窓の幅で除算したもの）を減算した値に、現在時刻における充電電流を加算した値を、時間窓の幅で除算した値である。従って、現在の移動平均値は、時間窓内の充電電流それぞれを記憶しておかなくても、前回の移動平均値を計算するのに用いた電流の総和値を記憶しておくだけで計算することができる。即ち、現在の移動平均値は、前回の移動平均値を計算するのに用いた電流の総和値から、その値を時間窓の幅で除算した値（これは、前回の移動平均値である）を減算し、その減算値に、現在時刻の充電電流を加算し、時間窓の幅で除算することにより求めることができる。
【００９２】
この移動平均値は、充電電流を、時間窓の幅に対応する時間のタイムコンスタントの、抵抗とコンデンサでなるローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）を通過させて得られる値と等価である。
【００９３】
移動平均電流を求めた後は、その移動平均電流および充電開始時のオープン電圧に対応する充電時間Ｔを、時間テーブルを参照して算出すれば良い。
【００９４】
図１２は、以上のようにして、充電時間を演算するパソコンシステムの構成例を示している。なお、図中、図１における場合と対応する部分については、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。即ち、このパソコンシステムは、移動平均値を計算する移動平均値計算部４１が新たに設けられている他は、図１のパソコンシステムと同様に構成されている。但し、テーブル記憶部３には、上述の時間テーブルが記憶されているものとする。
【００９５】
次に、図１３のフローチャートを参照して、マイコン１が上述した時間テーブルを利用して充電時間を求める場合の動作について説明する。マイコン１は、充電時間コマンドを、マイコン２１から受信すると、ステップＳ２１において、図５のステップＳ１における場合と同様に、オープン電圧ｖstを受信する。そして、マイコン１は、ステップＳ２２において、移動平均値計算部４１に、充電電流の所定の期間における移動平均値、即ち、移動平均電流を送信させ、これを受信する。
【００９６】
ここで、マイコン１では、充電が開始されると、アンプ７の出力に基づいて、例えば１秒ごとに充電電流が認識され、移動平均値計算部４１に供給されており、移動平均値計算部４１では、マイコン１からの充電電流の、例えば１分間における移動平均値が計算されるようになされている。
【００９７】
即ち、移動平均値計算部４１は、最初の１分間は、マイコン１から供給される６０個の電流値を加算し、その内蔵するレジスタ（図示せず）に記憶する。さらに、移動平均値計算部４１は、レジスタに記憶された値を１分間に相当する（１分間の間に加算した電流値のサンプル数）６０で除算し、その結果得られる値を、移動平均値とする。そして、移動平均値計算部４１は、マイコン１から６１個目の電流値が供給されると、レジスタに記憶された値から、その値を６０で除算した値、即ち、前回の移動平均値を減算し、その減算値に、６１個目の電流値を加算する。さらに、移動平均値計算部４１は、その加算値を、内蔵するレジスタに新たに記憶させるとともに、６０で除算し、その除算結果を、移動平均値（移動平均電流）とする。以下、移動平均値計算部４１では、マイコン１から電流値（現在の電流値）を受信するごとに、同様の処理が行われる。
【００９８】
マイコン１は、移動平均電流を受信すると、ステップＳ２３において、その移動平均電流およびオープン電圧ｖstに対応する時間ＴAおよびＴBを、時間テーブルを参照することにより算出する。そして、ステップＳ２４に進み、マイコン１は、式（６）にしたがって、充電時間Ｔを算出し、例えば、マイコン２１に送信するなどして、処理を終了する。
【００９９】
なお、図１２の実施例においても、上述した温度ＴaおよびＴtを考慮して充電時間を求めるようにすることが可能である。また、図１２の実施例では、充電時間を求めるのに、充電時間コマンドを受信したときの充電電流の移動平均値を用いるようにしたが、充電時間は、充電時間コマンドを受信したときの充電電流そのものを用いて求めるようにすることも可能である。
【０１００】
以上、本発明を、パソコンに装着可能な、通信機能を有するバッテリパックに適用した場合について説明したが、本発明は、その他、例えばパソコン以外の電子機器に装着可能なバッテリパックにも適用可能である。また、通信機能を有しないバッテリパックにも適用可能である。
【０１０１】
なお、本実施例においては、２次電池（セルＥ１乃至Ｅ３）を、リチウムイオン電池としたが、２次電池としては、リチウムイオン電池以外の電池を用いることも可能である。但し、２次電池は、その残容量と電池電圧とが１対１に対応しているものである必要がある。
【０１０２】
また、本実施例では、バッテリパックにおいて充電時間を求めるようにしたが、充電時間は、例えば、充電器側、即ち、ここでは、パソコンにおいて求めるようにすることも可能である。
【０１０３】
【発明の効果】
請求項１に記載の充電時間演算方法および請求項８に記載のバッテリパックによれば、２次電池が定電流で充電される第１の時間が、オープン電圧、および定電流充電時の２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求められ、また、２次電池が定電圧で充電される第２の時間が、定電圧で充電されるときの２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求められる。従って、精度良く充電時間を求めることが可能となる。
【０１０５】
請求項５に記載の充電時間演算方法および請求項９に記載のバッテリパックによれば、２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間が求められ、第１の時間、および満充電状態にある２次電池が、充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、充電時間が求められる。従って、例えば、可変の充電電流により充電がなされる場合であっても、その充電時間を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したパソコンシステムの第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】定電流定電圧充電がなされる場合の電池電圧と充電電流の時間変化を示す図である。
【図３】２次電池の電圧変化を近似する指数関数を示す図である。
【図４】充電時間テーブルを示す図である。
【図５】図１のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】パルス充電がなされる場合の電池電圧と充電電流の時間変化を示す図である。
【図７】図１のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】２次電池の内部抵抗と温度との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用したパソコンシステムの第２実施例の構成を示すブロック図である。
【図１０】２次電池の放電時のオープン電圧の時間変化を示す図である。
【図１１】放電電流を種々の大きさに変えたときの２次電池のオープン電圧の時間変化を示す図である。
【図１２】本発明を適用したパソコンシステムの第３実施例の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２のマイコン１の処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ マイコン， ３ テーブル記憶部， ４，５ ＦＥＴ， ６ 抵抗， ９通信端子， １０ 電池選択器， ２１ マイコン， ２３ 充電器， ２６通信端子， ３１ 温度センサ， ３２ 温度テーブル記憶部， ４１ 移動平均値計算部
Claims (9)
- 定電流定電圧充電により２次電池を充電する場合の、充電終了までの充電時間を演算する充電時間演算方法であって、
前記２次電池のオープン電圧を検出し、
前記２次電池が定電流で充電される第１の時間を、前記オープン電圧、および定電流充電時の前記２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求めるとともに、前記２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの前記２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、前記２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求め、
前記第１および第２の時間から、前記充電時間を求める
ことを特徴とする充電時間演算方法。 - 前記２次電池は、そのオープン電圧と残容量とが１対１に対応しているものである
ことを特徴とする請求項１に記載の充電時間演算方法。 - 環境温度による前記内部抵抗の変化を考慮して、前記充電時間を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の充電時間演算方法。 - 前記２次電池の温度変化を考慮して、前記充電時間を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の充電時間演算方法。 - ２次電池に充電電流を供給して充電する場合の充電終了までの充電時間を演算する充電時間演算方法であって、
前記２次電池のオープン電圧を検出し、
前記２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、前記２次電池が、前記充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求め、
前記第１の時間、および満充電状態にある前記２次電池が、前記充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、前記充電時間を求める
ことを特徴とする充電時間演算方法。 - 前記２次電池は、そのオープン電圧と残容量とが１対１に対応しているものである
ことを特徴とする請求項５に記載の充電時間演算方法。 - 前記第１の時間は、前記２次電池が、所定の期間における前記充電電流の移動平均値と同一の放電電流を流し続けることのできる時間である
ことを特徴とする請求項５に記載の充電時間演算方法。 - 定電流定電圧充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、
前記２次電池のオープン電圧を検出する検出手段と、
前記２次電池が定電流で充電される第１の時間を、前記オープン電圧、および定電流充電時の前記２次電池の内部抵抗による電圧降下に基づいて求める第１の時間算出手段と、
前記２次電池が定電圧で充電される第２の時間を、定電圧で充電されるときの前記２次電池のオープン電圧の変化を近似する指数関数に基づいて作成された、前記２次電池のオープン電圧が満充電電圧となるまでの時間をテーブル化した充電時間テーブルに基づいて求める第２の時間検出手段と
を備えることを特徴とするバッテリパック。 - 外部から供給される充電電流により充電される２次電池を内蔵するバッテリパックであって、
前記２次電池のオープン電圧を検出する検出手段と、
前記２次電池のオープン電圧が所定の電圧であるときに、その２次電池が所定の放電電流を流し続けることのできる時間をテーブル化した時間テーブルに基づいて、前記２次電池が、前記充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第１の時間を求める第１の時間算出手段と、
前記第１の時間、および満充電状態にある前記２次電池が、前記充電電流と同一の放電電流を流し続けることのできる第２の時間から、前記充電時間を求める充電時間算出手段と
を備えることを特徴とするバッテリパック。
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