JP4052418B2

JP4052418B2 - 電池容量検出方法および装置並びに電池パック

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Publication number: JP4052418B2
Application number: JP2000037153A
Authority: JP
Inventors: 義弘戸高; 崇竹内; 章善西島
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: JP2001231179A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リチウムイオン電池の様な複数回の充放電が可能な二次電池における電池容量の検出方法およびその検出方法を使用した装置、並びに電池容量検出装置と二次電池とを一体に収納した電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電池容量の検出方法として、電池の出力電圧の値から残り容量を推定する方式、満充電からの放電の積算量を測定して残り容量を推定する方式等があり、種々検討されてきた。
【０００３】
電池の出力電圧の値から残り容量を推定する方式では、出力電圧に対する放電電流、温度、劣化の依存性もあるので、放電特性自体の傾きが大きくないと十分な精度で推定することは困難である。そのため、通常、放電末期で急速な電圧変化が生じる区間以外では、正確な残量の推定は困難である。
【０００４】
これに対し、満充電からの放電電流の積算量から残り容量を推定する方式では、電流を積算する必要はあるが、放電特性の傾きの問題がなくなる。この方式において、放電効率を加味することにより残量の推定の精度を向上を図る公知例として、特開昭６３−２０８７７３の「蓄電池の残存容量監視装置」がある。同装置では、放電効率のみならず充電効率も加味し、更に正確な残存容量の監視を行おうとしている。
【０００５】
また、残りの使用時間の推定精度の向上を狙ったものとして、特開平２−１７０３７２の「鉛蓄電池の残存容量検知方法」がある。これは、温度や放電電流が変化した場合の放電特性のデータを複数個もち、適時データを参照することにより、温度や電流が変化しても残りの放電可能な時間の正確さを維持しようとするものである。
【０００６】
このように、電池電圧の値により残容量の推定が困難な場合には、満充電状態における総充電量に対して充放電によって増減した電池の電荷量を積算しながら、その積算量に対応した表示を行うものが一般的であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次電池は繰り返しサイクルの増加に伴って電池性能の劣化は避けられないが、上記した方法にあってはかかる劣化に対応していないために、容量表示に誤差が発生する不都合があった。
【０００８】
かかる不都合に対し、本発明者は各種条件の二次電池について充放電過程を調べた結果、下記の事実を知見した。すなわち、図１（ａ）の様に、横軸を充電率［％］、縦軸を開放回路電圧［Ｖ］とした場合、二次電池の充放電を繰り返すことにより生じるサイクル劣化や、高温で放置した際に生じる高温放置劣化等の劣化状況や、使用条件の相違に拘らず略同一の開放回路電圧特性となり、かつ、温度特性も劣化状況や使用条件に拘らずほぼ同一の挙動を示すので、この開放回路電圧特性を利用することにより、正確な充電率の把握が可能となるのである。
【０００９】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、使用中の二次電池について開放回路電圧を測定することにより、二次電池の劣化や使用条件の変更にかかわらず現在の充電率を正確に把握することができることを積極的に利用し、測定機会を得て検出した正確な充電率を元に、充放電中の電荷量を積算することによって得た積算値や、適時測定した電池特性のパラメータから推測する放電特性を利用することにより、劣化等に対応しつつ、電池の満充電容量や残り時間等の正確な検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明は更に、上記した電池容量の検出方法を使用した電池容量検出装置と二次電池とを一体に収納して電池パックとすることにより、電池パックを装着する電気機器に対し、二次電池に関する的確な情報を提供可能とすることを目的とする。
【００１１】
なお、以上および以下の説明において、「充電率」とは、二次電池を略完全に放電した状態から充電を続け、満充電状態になるまでに二次電池に入力される総容量を「１００」とした場合における二次電池に残存する容量の割合を「％」で表示したものをいう。
【００１２】
また「開放回路電圧」とは、二次電池が長時間にわたって放置されることにより安定した状態において、両極間を開放して測定した端子間電圧である。更に「開放回路電圧特性」とは、容量表示をすべき二次電池について予め測定しておいた充電率と開放回路電圧の関係を、テーブルあるいはグラフの様なデータ処理しやすい形態の情報として保持しているものをいう。
【００１３】
更にまた、二次電池に対して充放電用の負荷が加わり、充放電電流が流れている状態における端子電圧を単に「電池電圧」と呼ぶことにする。また充放電時における充放電時間と電池電圧の関係を「電池電圧特性」と、放電時において、予め設定した一定電流で放電した場合における放電時間と電池電圧の関係を示す曲線を「放電特性」という。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために本発明にあっては、図１（ａ）に例示する様に、電池容量を検出すべき二次電池に対し、予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧特性を測定しておく。
【００１５】
一方、充電または放電の休止期間中に二次電池の開放回路電圧を測定し、測定によって得られた開放回路電圧と上記した開放回路電圧特性とから、測定時点における充電率を推測することを特徴とする。
【００１６】
上記した充電率の推測が、図１（ｂ）の様に、充電の開始前および終了後に測定された開放回路電圧ＶａおよびＶｂを開放回路電圧特性に適用することにより行われる一方、充電中に二次電池に供給された電荷の総量すなわち充電量を計測し、計測された充電量と推測された充電率とから、二次電池の満充電容量および充電終了後の残容量を推測する。
【００１７】
同様に、放電開始直前の充電率と、放電終了後の充電率と、放電中に積算した放電量の積算値とから満充電容量を推測できる。しかし通常、一度に充電率が変化する充電動作を挟んで推測する方が推測が容易である。
【００１８】
また、放電中、充電中は分極があり、開放回路電圧を測定することは困難であるので、放電中或いは充電中の電荷が積算量の変化と満充電容量とから充電率の変化を算出する。充電率の変化は満充電容量に対する積算量の変化割合であり、開放回路電圧を測定した時点からの積算量の変化を追跡することにより、各時点での充電率を算出する。
【００１９】
上記した開放回路電圧の測定は、図４の様に、充電または放電を終了してからの休止期間中で所定の時間間隔で複数回行われ、その複数回の測定結果から、開放回路電圧の収束値を推測することにより行われる。
【００２０】
上記した開放回路電圧の測定が予め設定した回数だけ行われる前に充電または放電が再開され、前回の充電または放電後における充電率が推測されなかった場合には、前回の充電または放電前に推測された充電率に対し、その充電または放電中に測定された充電量の変化分から換算される充電率の変化分を積算し、演算により現在の充電率を推測する。
【００２１】
上記のように、精密な充電率の測定が可能な機会において得られた充電率に基づいて、測定後の充電率や容量等を推測するが、上記した電池電圧の測定により求めた充電率と、充電量の変化分を積算して求めた充電率とが互いに相違することが判定された場合には、積算された充電率を測定された充電率に対して近づける補正が行われる。この積算充電率の補正は、測定された電池電圧の変化が、予め設定した値を超える変化率を示す場合に行われることが好ましい。
【００２２】
電池の等価回路としてＲａｎｄｌｅｓｓの等価回路がよく知られているが、この等価回路の回路定数の測定には、通常、電池の平衡状態を乱さないように、負荷電流をできるだけ流さないような測定方法が採られており、実使用状態の等価回路とは必ずしも一致しない。
【００２３】
そこで、この等価回路を援用し、図３に示すように、溶液抵抗Ｒと、電荷移動抵抗ｒと、ワーブルグインピーダンスＺｗである拡散抵抗に相当する分極電圧Ｅｐと、開放回路電圧特性を有する理想電池Ｅにより電池が構成されると想定する。勿論、劣化の状態や充電率等により必ずしもこの等価回路が正確な電池の特性を表すものとは限らないが、この等価回路で第１次近似的に表せるとして放電特性を推定する。
【００２４】
その際、溶液抵抗Ｒと、電荷移動抵抗ｒと、分極電圧Ｅｐに関する少なくとも３種類の回路定数を図８の様に個別に測定し、その３種類の回路定数と、放電開始時における放電電流の値と、放電開始時における開放回路電圧の値とから、図５に例示する二次電池１２の放電特性を算出する。そして、放電開始時の充電率と、前記算出した放電特性とから、電池電圧が終止電圧に達するまでの残時間を推測する。
【００２５】
更には，溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒのように、短時間でその影響が現れる抵抗分を一括して直流抵抗分として評価することも可能である。しかし、電池挙動を説明しやすいので、以降の説明では溶液抵抗Ｒと、電荷移動抵抗ｒとを個別に評価するものとして説明する。
【００２６】
回路定数の測定に関しては、上記した溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒとは、両者の周波数応答速度の違いを利用し、二次電池１２に定電流負荷等を接続した際に流れる電流、電圧値の変化から求めることができる。
【００２７】
また分極電圧は、電池内部のイオンの濃度が拡散により変化し生じる、いわゆる濃度分極が主要成分を占める。拡散で律されるので、通常の抵抗や容量の受動素子で構成される電気回路の過渡応答と異なる時間的な応答を見せる。
【００２８】
しかし、濃度勾配が一定になると、ほぼ分極電圧は収束したような挙動となるので、これに着目し、十分に分極電圧が収束し、分極の度合いが亢進した状態で電池電圧を測定することにより分極電圧Ｅｐを求める。
【００２９】
すなわち、電流の積算値から充電率を求めると、その充電率での開放回路電圧が求まり、また、測定した溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒと放電電流Ｉとから抵抗による電圧降下分が求まるので、開放回路電圧から電圧降下分を差し引いた残りが分極電圧Ｅｐとなる。
【００３０】
なお、分極の亢進の度合いは、測定による知見によれば、充電率の変化に依存する部分もあるので、平均電流による充電率の変化が一定以上になった場合に、平均電流に対する分極電圧Ｅｐとして評価が可能である。
【００３１】
したがって、接続された機器の動作中でも分極電圧が求まる。また充電率の変化に対する分極電圧Ｅｐの変化を測定することにより、分極電圧Ｅｐの充電率に対する変化特性が学習でき、電気回路の時定数と同様なパラメータが動作中に取得できる。
【００３２】
この場合、分極電圧Ｅｐを放電電流で除し、分極による抵抗成分として取得すると、取り扱いが簡単と成る。なお上記した二次電池１２の等価回路を構成する各素子の回路定数に対し、例えば図９に示すグラフを利用し、予め設定しておいた手順にしたがって、温度補正がなされる。
【００３３】
上記の様にして求めた二次電池１２の等価回路を構成する各素子の回路定数は、検出される毎に充電率と１対にして順次記憶される一方、電流、温度および充電率の依存性を除いて同一基準で換算するとともに、現在使用中の対応する内容の値と比較し、両者の違いが予め設定した範囲内であれば、その値を新規に使用する値として設定する。
【００３４】
これは、充放電により電池は確実に劣化して行くがその程度は緩慢なので、前回や前々回の測定値を元に充放電特性等を推定しても、誤差の発生が拡大することはほとんど無いためである。
【００３５】
しかし、高温放置等で突然放電特性が変化する場合がある。この場合でも、新規に使用する値とはならないと判定された値でも、前回の値として記憶しておき、今回の測定値との違いが予め設定した範囲内であれば、その値を新規に使用することにより、充放電の繰り返しを経ることにより新しい放電特性に対応できる。
【００３６】
上記した放電が開始されてから所定の条件を満足した時点の電池電圧が測定され、その電圧変化は放電特性として保持されるとともに、測定による放電特性により求めた残時間がゼロに接近した場合は、上記した演算による残時間を測定により求めた値に近づける補正が行われる。
【００３７】
通常、いわゆるリチウムイオン二次電池においては、安全のため保護回路と共に電池パックが構成される。そこで、本発明における構成例として、上記した電池容量検出方法を使用して動作する電池容量検出装置１０と二次電池１２と、二次電池１２の保護回路２６をケース内に一体に収納して電池パック１６が図１０の様に構成できる。
【００３８】
電池容量検出装置１０としては、演算量からいって、通常、マイコン等によりコンピュータプログラムを使用してソフトウェア的にその検出動作が行われるものであり、保護回路２６は少なくとも二次電池１２の電池電圧と負荷電流とを測定するとともに、プログラムを使用することなくハードウェアの構成によってその動作をする様に構成することにより、プログラムによる制御が誤動作した場合にあっても、保護回路２６が確実に動作して二次電池１２を保護する様にしている。
【００３９】
従って，上記した保護回路２６による制御動作を優先させるとともに、保護回路２６が所定の制御動作を行うと、その制御動作に対応した値に電池容量検出装置１０における検出内容を修正する。逆に、保護回路２６が働く前に予め設定した最低電圧を電池容量検出装置１０が検出すると、電池容量検出装置１０は保護回路２６を作動させて放電を強制的に停止させることが好ましい。
【００４０】
電池パック１６は所定の電気機器１８に装着されて使用されるものであって、電気機器１８との間におけるデータの送受手段を備えるとともに、電池容量検出装置１０は、二次電池１２の残容量が設定値を下回って低下したことを検出すると、電気機器１８に対して対応した内容の情報を送って装置の強制的な終了処理を促すことができる。
【００４１】
また、電池パックとして複数の電池を搭載する場合には，充電に使用している二次電池や放電に使用している二次電池が存在することになる。そのため、充電に使用している二次電池は負荷と切り離されているので、以上述べた特性測定等を精度良く行うことが可能である。したがって、このような組電池の場合に本発明の方法を適用すると、１つの二次電池を充放電に供する場合に比べて、更に残時間等の推定精度を上げることが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、充放電の動作中に使用してる二次電池の充電率や満充電容量、放電特性を測定し、放電可能時間等を検出するので、電池劣化や放電途中での充電、満充電途中での放電に対しても対応した残時間推定等が可能となり、電圧値の変からから求めることができる。
【００４３】
すなわち本発明は上記の如く、二次電池の開放回路電圧特性と充電率との関係を示す開放回路電圧特性を予め測定しておき、充電率を検出すべき時期に対応して開放回路電圧を測定し、開放回路電圧特性を利用して充電率を求めるように構成したので、二次電池の劣化や使用環境の変化にかかわらず、比較的正確な充電率の測定ができる。
【００４４】
更に開放回路電圧の測定時に、所定時間経過後の端子電圧を少なくとも２回測定し、その測定値から開放回路電圧の収束値を推定するようにしたので、短時間で開放回路電圧ひいては充電率の確定が可能となる。開放回路電圧の収束値の推測ができない場合には、充放電量から換算した充電率の変化を積算することにより、充放電中にあっても充電率の変化が的確に把握できる。
【００４５】
また、充電前後の充電率を開放回路電圧特性を利用して検出するとともに、充電中の充電量を測定することにより、完全放電と満充電とを経ることなく、任意期間の充電を行うのみで満充電容量が正確に算出できる。
【００４６】
更にまた、二次電池の等価回路を構成する各回路定数を適宜時期に測定し、その回路定数を利用して放電特性を推測することにより、二次電池を電気機器に接続して使用した場合にあとどれほどの時間使用可能かを示す残時間が、二次電池の劣化や使用態様の変化に対応して推測することができる。
【００４７】
上記した電池容量検出方法を適用した装置と、保護回路と、二次電池とを一体に収納して電池パックを構成することにより、電池容量検出装置と保護回路とが互いにその動作を補完し、より安定した二次電池の保護および容量検出動作が行える。
【００４８】
更に、電池パック側とその電池パックが装着された電気機器との間で、電池容量に関するデータの受け渡しを可能とすることにより、電気機器を二次電池の状態変化に対応した動作をさせることが可能となる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる電池容量検出方法につき、満充電時における開放回路電圧が約４．２Ｖで、劣化のない状態における満充電容量が約１６００ｍＡｈのリチウムイオン電池を例にとって更に詳細に説明するが、他の二次電池にあっても略同様に実施できることは勿論である。
【００５０】
本発明にあっては、電池容量の検出をすべき図３に例示する二次電池１２について、図１（ａ）に例示する開放回路電圧特性を予め測定しておく。そして図１（ｂ）の如く、この開放回路電圧特性が二次電池１２の劣化や使用温度などに拘らず略一定に維持されることを利用し、二次電池１２の開放回路電圧ＶａあるいはＶｂを必要に応じて測定することにより、その測定時点における充電率ａあるいはｂを推測することを基本の構成とする。
【００５１】
なお、温度特性に関しては、温度特性の変化自体が小さいこと、また、劣化によっても温度特性が略一定であるとの知見を種々の劣化状態の電池の特性測定から得た。そのため、温度変化があっても、温度特性を加味した開放回路電圧特性から、充電率を推定できる。
【００５２】
更に、例えば充電開始直前の充電率がａで、充電終了直後の充電率がｂの場合、充電の終了直後の充電率ｂから充電開始直前ａの充電率を減算した「差充電率」は、充電中に二次電池に供給された充電電流を積分することにより得られる「充電量」だけ充電されたことにより生じるものである。
【００５３】
そのため、充電量を差充電率で除算することにより、満充電時における総容量（以下、「満充電容量」という。）が、充電を満充電状態まで継続することなく算出される。
【００５４】
したがって、従来行われていた、放電末期から満充電終了までの充電量、或いは放電量を計測することにより満充電容量の測定、いわゆる満充電学習を行う必要が無くなる。また、満充電容量は放電中の積算容量と放電前後の充電率の変化でも算出できるが、前述したように、一過で電流積算が行えるので、充電において満充電容量を推測する方が好ましい。
【００５５】
また満充電容量が得られれば、その満充電容量に測定時点の充電率を乗算することにより、「残容量」すなわち二次電池１２にどれくらいの容量が残っているかが、二次電池１２の劣化状態を考慮することなく算出されるのである。
【００５６】
そこでまず、上記した充電率、満充電容量および残容量の検出動作に先立ち、上記した開放回路電圧特性を求めるため、容量検出をすべき二次電池１２について、図２に例示する以下の方法で充放電を行わせる。
【００５７】
すなわち、電池の端子電圧が設定値以下に低下したことを確認することにより、電池の残容量がゼロないしはそれに近い状態になったと思われる時刻ｔ１から、周囲温度が常温（２５℃）の定常状態において、充電電流量を微小時間毎に連続的に積算することにより、充電量および電池電圧の変化を継続的に確認しながら充電を行う。
【００５８】
ここで充電開始直後においては、例えば１６００ｍＡの定電流源により定電流充電を行い、電池電圧が設定値に達した時刻ｔ２で４．２Ｖの定電圧充電に切り換えるという条件で充電を例えば３時間継続するものであって、充電開始から終了までの間に二次電池１２に供給された総充電量を、満充電容量の初期値として保存する。
【００５９】
開放回路電圧特性については、例えば１０％の充電または放電が進む毎に充放電を停止し、その時点における開放回路電圧を測定していくとともに、各測定点における充電率と開放回路電圧とを一対として順次に保存することにより、図１（ａ）の様なグラフが求まる。
【００６０】
ところで、この種の二次電池１２の端子間に実際に現れる電圧は、充電時にあっては上記した開放回路電圧よりも高く、放電時にあっては開放回路電圧よりも低くなることが知られる。更にその電圧の値は時間的に一定ではなく、所定の時定数をもって増加又は減少する。
【００６１】
かかる現象は、図３に例示される二次電池１２についての等価回路により説明されるのが一般的である。すなわち等価回路を構成する各素子のうち、直列に介装される溶液抵抗Ｒはミリ秒のオーダーの早い応答特性を、電気２重層容量Ｃと並列に接続される電荷移動抵抗ｒは秒のオーダーの応答特性を有するため、高々１０秒程度の時間を待てば収束する。そこで以下においては、両者の抵抗を合わせて「二次電池の内部抵抗」という。
【００６２】
それに対し、拡散抵抗Ｚｗ（またはそれと等価な分極電圧Ｅｐ）については、時間オーダーの応答特性を有し、その値が安定するまでに数時間から数日間を要するので、正確な開放回路電圧を測定するためには少なくとも数時間、できれば８時間程度の休止期間が必要である。
【００６３】
しかしながら二次電池の実際の使用状況にあっては、充電終了直後に比較的長時間の休止期間が設けられることが多いのを除いて、それ以外の特に放電時には通電と休止とが頻繁に繰り返されることが一般的であり、８時間はおろか、数時間の休止期間を設けて開放回路電圧を測定することさえも難しい。
【００６４】
そこで本発明にあっては、図４に示すごとく、二次電池に対する通電を停止してからの時間ｔの逆数または時間ｔの平方根の逆数を横軸にとった場合、各測定時における開放回路電圧を縦軸にプロットすると、その軌跡は略直線または直線に近似可能な曲線となる。本発明にあっては、その結果を利用し、所定の時間間隔で２点の開放回路電圧を測定し、その２点間を直線で結んで延長することにより、収束時における開放回路電圧を推測する様に構成している。
【００６５】
上記した二次電池に対する通電を終了してからの時間は、常温にあっては比較的安定した特性を示すため、３０分後および２時間後の２点を測定時点とすることが可能である。
【００６６】
しかしながら、より長時間経過する方が推定精度の向上が図れるため、充放電の終了後、例えば３０分と２時間の２点における電圧測定により第１回目の推定をし、更に４時間、８時間の様に休止状態が継続する場合は、その時点における測定電圧を利用して第２回目あるいは第３回目の推定を行い、推定値を更新させる様に構成している。
【００６７】
ところで、常温よりも高温の使用条件下でしかもその時点における充電率が高い場合、自己放電による電圧降下が他の条件下よりも大きいため、休止時間が長時間に亘ると、むしろ推定精度は低下する。そこでその場合にあっては、２時間の経過時点で開放回路電圧の収束値の推定を終了し、その値を容量判定に使用することが好ましい。
【００６８】
逆に低温の使用条件下にあっては、休止期間中における自己放電量が少ない反面、電圧軌跡の変曲が常温時よりも増大し、開放回路電圧が安定するまでに長時間を要するため、２時間および８時間の２点で収束値の推定を行うことが好ましい。
【００６９】
なお、上記した開放回路電圧の測定および収束値の推定のための時間間隔および測定回数は一例であって、適宜変更して実施できることは勿論である。
【００７０】
一方、充放電の継続中は勿論、充放電が停止されてから開放回路電圧の推定が可能な上記した最小の休止期間である２時間が経過する前に充電または放電が再開された場合にあっては、上記した方法によって推定ができないか、推定できたとしても得られた開放回路電圧に含まれる誤差は大きい。
【００７１】
そこで本実施例にあっては、充放電中に二次電池１２に流れる電流値を積算することにより充電量を継続的に測定して行き、充放電開始前の充電率に、測定した充電量から換算される充電率の変化分を積算することにより、演算によって現在時点における充電率および残容量を算出できる様にしている。
【００７２】
以上の様にして開放回路電圧特性を利用することにより、二次電池１２の劣化や使用状態の如何に拘らず、測定または推定時点における充電率と残容量とを比較的正確に検出できるが、この方法で検出した残容量は、二次電池１２に対して入力されたクーロン量が全て消費できると仮定した場合のものである。
【００７３】
しかしながら現実の使用状況にあっては、図３に示す等価回路および図５に示す特性から判る通り、開放回路電圧特性に従って電圧値が変化する理想電池Ｅから、放電時にあっては、二次電池１２の内部抵抗値Ｒおよびｒに負荷電流Ｉを乗算して得られた電圧値および分極電圧Ｅｐが減算されて端子間に出力される。
【００７４】
更に、二次電池１２の内部抵抗Ｒ、ｒおよび分極電圧Ｅｐの値は、充放電を繰り返すなどして劣化が進むほど大きくなる結果、二次電池１２から取り出される電池電圧の値も低下する傾向にある。
【００７５】
一方、二次電池１２の放電特性は図５（ａ）に例示する如く、充電率の高い期間にあっては略直線を示しながら低下するが、ある電圧値Ｖｓを下回ると急激に電圧降下が激しくなる傾向を一般にもつ。
【００７６】
しかしながら、かかる電池電圧の変動領域内で電気機器を使用することは不適当であるし、それ以上放電が進むと過放電状態となって電池の劣化が急激に進む可能性も高い。
【００７７】
そこで通常は、その変動領域の中間に終止電圧Ｖｔを設定するとともに、その終止電圧Ｖｔで放電を強制的に停止する制御が行われることが多い。したがって、放電が開始されてから電池電圧が終止電圧Ｖｔに達するまでの、二次電池１２を負荷に接続した場合に実際に使用できる残り時間（以下、「残時間」という。）を正確に知ることが、二次電池１２を電気機器で使用する上で重要であり、更にその残時間は、電気機器の電源オン直後を始めとする任意の時期に的確に把握できることが好ましい。
【００７８】
ところでこの残時間は、負荷電流や周囲温度等の使用条件が一定の場合、予めその条件における放電特性を測定しておき、残時間の検出時における電池電圧を検出することによって判定することができる。
【００７９】
しかしながら、実際の放電時における電池電圧は、特に上記した分極電圧Ｅｐの存在に起因して、図５（ｂ）に例示する如く、時刻ｔ１１に通電を開始すると開放回路電圧値から徐々に低下し、時刻ｔ１２に理論上の放電特性と一致するものであり、単に二次電池１２の端子電圧を検出するだけでは残時間を求めることが難しい。
【００８０】
更に、二次電池１２の放電特性は、図６（ａ）の様に負荷電流を変化させた場合は勿論、図６（ｂ）の様に二次電池１２が劣化した場合や、図６（ｃ）の様に二次電池１２の周囲温度が増減しても大きく変化するため、全ての使用条件について放電特性を用意することは不可能に近い。
【００８１】
そこで本発明にあっては、二次電池１２の等価回路で示される各素子のパラメータを以下に示す方法を利用して図８の様に個別に測定し、その値を記憶しておいて次回の放電時にその記憶値を利用して演算により放電特性を導出することにより、上記した残時間を推測できる様にしている。
【００８２】
ここで本実施例にあっては、図３に示す溶液抵抗Ｒと電荷移行抵抗ｒとが比較的過渡応答が速いが両者の応答速度に違いを有することを利用し、図７に示す過渡応答方式を使用して測定している。
【００８３】
すなわち、図７（ａ）に示す測定制御手段からの信号出力により、二次電池１２に図７（ｂ）の様なステップ形状の定電流からなる単位電流を負荷に加えると、図７（ｃ）の様に、応答速度の速い溶液抵抗Ｒによる電圧降下ＶＲが電流の立ち上がり時点で先ず検出される。
【００８４】
そのあと、所定の時定数τ（≒Ｃ・ｒ）で電荷移動抵抗ｒによる電圧降下分Ｖｒが発生し、例えば通電開始から１０秒程度の時間経過するとそれ以後の電圧値は略直線状となる。そこでその直線を充電開始時期にまで延長することにより、溶液抵抗Ｒによる電圧降下分ＶＲと電荷移動抵抗ｒによる電圧降下分Ｖｒとが分離して検出される。
【００８５】
かかる二次電池１２の内部抵抗Ｒおよびｒの測定は、上記した開放回路電圧特性の測定時と同時に行うと共に、例えば１０％毎の充電率と一対にして記憶することにより、図８（ａ）および（ｂ）の様なグラフが得られるので、それを初期値として設定する。更に放電時の休止時期等の適宜時期にも測定し、その値を常温時に換算し、測定時点における充電率とともに記憶する。
【００８６】
一方、分極電圧Ｅｐについては、その値を直接的に求めることが難しい。しかしながら図５（ａ）に示すごとく、例えば放電時にあっては、開放回路電圧から電池電圧を減算した電圧値が、二次電池１２の内部抵抗と分極電圧Ｅｐによる電圧分に一致するが、内部抵抗による電圧降下分については上記した方法により直接的に検出できるからその値を減算することにより、各充電率における分極電圧Ｅｐの関係を示す図８（ｃ）の様なグラフが算出できる。
【００８７】
ただ分極電圧Ｅｐは、分極の時定数が極めて長いために、電流条件の安定している図２に示す充電開始後であって、特に分極特性が落ち着く５分程度経過してからの電池電圧の変化により求めることが好ましい。
【００８８】
または、電流によらず、一定の充電率変化により略相似な分極電圧の変化特性を示す部分があるので、一定の充電率変化が生じた場合の電圧の変化により求めることも可能である。
【００８９】
ここで充電中における開放回路電圧は、充電前の最後の放電終了時に測定した値に、電流値を積分して求められる充電量から換算される充電率に対応する開放回路電圧の推定値を加算することにより算出できる。
【００９０】
また内部抵抗の値は、基本的には上記した方法により行う。しかし、前記した開放回路電圧の算出時にタイミングをあわせて充電をオフして充電電流をゼロにした条件下で直流抵抗分を測定するか、あるいは充電中における定抵抗負荷の切り換えによる過渡応答を利用して測定することができる。
【００９１】
なお、充電開始時における充電率が小さい場合には、充電が進行して充電率が増加するのに伴って開放回路電圧も急速に変化して誤差も大きい。そこで、所定の充電率を超えるまでは、通常より小さい電流によって一定時間充電し、その間の電池電圧の変化を利用することによって、充電開始付近の分極電圧をより詳細に推定することができる。
【００９２】
ここで、図２の時刻ｔ２において充電を定電流充電から定電圧充電に充電方法を切り換えて充電を行う場合、定電流充電の期間内においては電池電圧の変化を直接的に測定して分極電圧の推定に利用する。しかし定電圧充電の領域に入ると、充電電流の変化を測定し、その電流変化を電圧変化に換算して評価することにより、分極電圧の推定に利用する。
【００９３】
以上の様にして、二次電池１２の等価回路を構成する溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒおよび分極電圧Ｅｐの値が、図８の様に、充電率の変化に対応させて求めることができるので、これらの値を二次電池１２の特性を示すパラメータの初期値として記憶しておく。
【００９４】
一方、二次電池１２における回路定数の温度依存性については、図９の様に、横軸を絶対温度の逆数に、縦軸を抵抗値の対数で目盛ると、例えば略直線などの所定の形状に近似できる。そこで、上記した各パラメータについての温度特性を予め測定し、保存をしておく。
【００９５】
そして二次電池１２の実際の使用時にあっては、放電の開始時点における二次電池１２の周囲温度から回路定数の温度補正を、負荷電流の値からパラメータに起因する降下電圧値に対する電流補正をすることにより、二次電池１２の使用条件下における放電特性が算出される。
【００９６】
一方、充電率は常時に積算されて把握されているので、その時点における充電率と算出された放電特性とから、放電開始直後の放電電流が変化せずに持続するという条件で、残時間が推測されるのである。
【００９７】
更に、放電特性において、現在の充電率からの終止の充電率までの間で区切られる、放電特性の曲線と出力電圧ゼロとの間の面積、すなわち、放電特性曲線の下部の面積は、電池から出力される電力に相当している。したがって、この特性から電池の残電力の推定が可能となる。
【００９８】
そのためには、先ず、この下部の面積を放電特性下面積として求める。次に、現在から終止までの放電電荷量を、現在の充電率と終止の充電率との差を満充電容量に乗算することにより求める。その後、これらの放電特性下面積と放電電荷量とを乗算することにより、残電力を推定する。この様にして求められた残電力は、放電特性を忠実に再現しており、精度の高い残電力推定方法となる。
【００９９】
また、温度特性により放電特性を修正するが、実際には、放電中の電池の内部抵抗損により温度が上昇する。これは、電池パック、周囲条件によりほぼ決まるので、一定電流を放電させた場合の温度特性変化を充電率と共に記憶しておき、あるいは、温度抵抗、熱容量から推定し充電率と共に算出しておき、各充電率における放電特性の温度依存性の推定を更に向上させることにより、精度の高い残時間推定や残電力推定が可能となる。
【０１００】
【実施例】
以下、図１０に示す例に基づき、上記した電池容量検出方法を利用して回路構成した電池容量検出装置１０と、二次電池１２と、電池保護部１４とをケース内に一体に収納した電池パック１６の構成を説明する。なお、二次電池１２の特性および電池容量検出装置１０における検出方法は上記したものと略同一なので、以下においてはその説明を省略する。
【０１０１】
また電池パック１６は、ＡＶ機器やパソコン装置などの各種電気機器１８に装着され、電気機器１８側の通信回路２０に向けて電池パック１６から検出データを送ることにより、電気機器１８内のディスプレイを利用して電池容量の表示動作を行わせるものを示すが、電池パック１６のケース上に表示手段を一体に備え、電池パック１６が単独で電池容量の検出動作に加えて表示動作をするものも可能である。逆に、電池容量検出装置１０で行っている制御動作の一部を、電気機器１８側で行わせることもできる。
【０１０２】
ここで電池保護部１４は、２つのＦＥＴ２２・２２からなるスイッチング部２４と、保護回路２６とから構成され、スイッチング部２４を二次電池１２から電気機器１８に向かう通電回路中に直列に介装して使用する、従来と略同様な構成のものである。
【０１０３】
すなわち、保護回路２６は例えばオペアンプからなる比較器と基準電圧とを備え、コンピュータソフトウェアを使用することなくハードウェアだけで動作可能とすることにより、誤動作の発生をできるだけ抑制して安全性を高めている。
【０１０４】
そして、二次電池１２の電池電圧とスイッチング部２４に流れる負荷電流の大きさを常時にチェックしておき、負荷電流の大きさが設定値を超えて上昇したことや電池電圧が設定値を超えて下降したことが検出されると、スイッチング部２４に信号を送って負荷に対する通電を強制的に停止して二次電池１２が破損するのを未然に防止することを基本構成とするが、本実施例にあっては更に、電池容量検出装置１０に向けて制御状態に対応した信号を送り、異常状態になったことを知らせることを可能としている。
【０１０５】
電池容量検出装置１０は、主としてアナログ値の信号処理を行う外部回路群２８と、１チップマイコンがその制御の中心として使用されてデジタル値の信号処理を行う制御部３０とから構成される。そして、外部回路群２８から出力される各種の測定値が制御部３０に送られ、その制御部３０に備えたＲＯＭに内蔵されたプログラムにより、測定値が演算されるなど、全体の動作がソフトウェア的に制御されるものである。
【０１０６】
ここで外部回路群２８は、二次電池１２の周囲温度に対応した信号を出力する温度検出回路３２と、二次電池１２の端子電圧に対応した信号を出力する電圧検出回路３４と、二次電池１２に流れる電流に対応した信号を出力する電流検出回路３６と、二次電池１２の回路定数を検出するための負荷電流を二次電池１２に流す負荷回路３８とから構成される。
【０１０７】
温度検出回路３２は、サーミスタの様な温度検知手段４０を二次電池１２に接近して備え、温度検知手段４０から出力される温度変化に対応したアナログ値をデジタル値に変換して制御部３０に送る。
【０１０８】
電圧検出回路３４は、二次電池１２の両端に接続されて端子間に出力される電圧を取り出したあとデジタル値に変更して制御部３０に送るものであって、電池電圧と開放回路電圧の測定に使用される。
【０１０９】
電流検出回路３６は、二次電池１２と直列に接続された抵抗４４の両端に発生する電圧値をデジタル値に変換して制御部３０に送るものであって、二次電池１２に流れる電流値を測定するために使用される。
【０１１０】
負荷回路３８は、図７に示す過渡応答方式によって溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒとを分離して測定するためのものであって、二次電池１２から電気機器１８に対する通電が停止されている休止期間中に、制御部３０から送られる信号によってスイッチングトランジスタ４２をオンさせ、そのトランジスタ４２と直列に接続された抵抗４６・４４に通電させる。この通電に伴う図７（ｂ）または（ｃ）に例示する二次電池１２の過渡応答状態を、電圧検出回路３４と電流検出回路３６で同時に測定することにより、二次電池１２の内部抵抗を測定可能とする。
【０１１１】
以下において、図１１および図１２に示す流れ図にしたがって、電池パック１６の動作手順を更に詳細に説明する。
【０１１２】
先ずＥＥＰＲＯＭの様な所定の記憶手段上には、電池パック１６の使用に先立ち、図１に例示する開放回路電圧特性に加えて、標準状態における二次電池の図５に例示する放電特性および図８に例示する各回路定数が予め測定され、通常の制御時における初期値として記憶されている。
【０１１３】
そこで図１１のステップ１において、前記した初期値に基づく所定の初期設定を行ったのち、ステップ２からの電池容量検出工程に入る。
【０１１４】
図１１のステップ２において、二次電池１２が休止中か否かを判定し、休止中でない場合は更に、ステップ３で充電中か否かが、ステップ４で放電中か否かが、更にステップ５において電池保護部１４が作動しているか否かが判定され、各判定結果に基づいて図１２に示す各処理動作が行われる。
【０１１５】
ここでステップ２の判定が休止中であれば、ステップ２１に移って、休止状態の開始から継続して３０分、２時間、４時間あるいは８時間の設定時間が経過したかが判定されたあと、設定時間が経過していることが判定されると、図１２（ａ）に示す開放回路電圧（ＯＣＶ）の検出工程に入る。
【０１１６】
開放回路電圧の検出工程は、ステップ２２において二次電池１２の端子電圧が測定される。更にステップ２３において、測定された端子電圧が２点目以降であるか否かが判定され、２点目以降であればステップ２４に移って開放回路電圧の推定動作が行われるが、そうでない場合は、測定された端子電圧を保存して戻る。
【０１１７】
次に、図１１のステップ３において充電中であることが判定されると、図１２（ｂ）の放電処理工程に移る。かかる放電処理工程にあっては、ステップ３１において放電電流値が、ステップ３２で二次電池１２の周囲温度が測定されたあと、その測定された値を用いて図８に示す回路定数を補正することにより、ステップ３３において図６に例示する放電特性を算出し、この算出された放電特性を用いてステップ３４において残時間を推定する。
【０１１８】
また前回に算出した充電率に対し、測定した放電電流から換算した充電率をステップ３５で積算処理することにより、現在の充電率を算出したあと、次のステップ３６に移る。
【０１１９】
ステップ３６では、電池電圧が予め設定した最低電圧を下回ったか否かを判定し、下回ったことが判定されると、ステップ３７において保護部に信号を送ることによってスイッチング部２４を強制的にオフし、放電を終了する処理を行う。
【０１２０】
更に次のステップ３８においては放電が終了したか否かを判定し、放電終了の場合は、図７に示す方法および負荷回路３８を用いて、二次電池１２の回路定数中における溶液抵抗Ｒおよび電荷移動抵抗ｒをステップ３９で個別に測定してその値を保存するとともに、ステップ４０において学習処理動作を行う。
【０１２１】
学習処理動作は、上記の様にして測定あるいは算出した溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒおよび分極電圧Ｅｐを充電率とともに記憶する一方、電流依存性の修正、温度係数の修正および充電率の修正を行い、過去に記憶した同様な数値と比較処理を行うものである。
【０１２２】
ここで比較した数値が一定の範囲内であれば、その新しい数値が過去の数値に代えて使用可能とする処理を行うが、範囲外であれば、その値を使用することなく保存のみにとどめる。
【０１２３】
そして、次の回に測定された値が前回から一定範囲内の値であることが判定されると、前回と今回の値を平均するなどして使用するとともに、前々回以降のデータを保存する。
【０１２４】
逆に、次に測定された値も範囲外になった場合、高温状態で劣化が急激に進むなどしたものと判断し、その値を使用に供すると共に，前々回以前のデータは破棄する。
【０１２５】
次に、図１１のステップ４で充電中であることが判定されると、図１２（ｃ）に示す充電処理工程に入る。かかる工程にあっては、ステップ４１において充電電流を測定するとともに、ステップ４２に移って充電率の算出が行われる。
【０１２６】
ステップ４２では、前回に算出した充電率に対し、今回測定した充電電流から換算した充電率を積算処理することにより現在の充電率を算出するものであって、更に次のステップ４３に移って分極電圧Ｅｐの測定が行われたあと、測定された値はそのときの充電率とともに保存される。
【０１２７】
更に図５のステップ５において電池保護部１４の作動が検出されると、その検出内容に対応した値に対応させて、上記のようにして算出あるいは測定した充電率は修正が加えられる。
【０１２８】
なお図１３（ａ）は、上記した電荷移動抵抗ｒを周波数応答方法で測定する場合の回路構成であって、測定制御手段４８からオペアンプ５０を介してトランジスタスイッチ５２に交流信号を送ることにより、負荷５４に対して電流変調をかけることを可能とする。そして、変調周波数を変化させながら、図７（ａ）で示す電圧検出手段および電流検出手段で電流と電圧を測定するとともに、両者の変調振幅と位相の関係を図１３（ｂ）の様に複素インピーダンスのプロットをすることにより、実数部との交点の値から、溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒの値を個別に測定できる。
【０１２９】
また、二次電池１２の劣化がすすむと、その等価回路は図３（ａ）から図１４（ａ）に変化する可能性がある。この様な場合にあっては、前記した図１３の方法を用いて回路定数を測定すると、その複素インピーダンスのプロット結果は図１４（ｂ）の様になって、劣化によって増加したｒ２分も分離して検出できる結果、劣化の程度がより具体的に判定できる。
【０１３０】
二次電池１２の内部抵抗の測定方法については、更に、電池保護部１４に備えたスイッチング部２４を利用し、放電中などの適宜時期に電気機器１８に対する通電を停止することにより測定できる。すなわち、通電の停止直後における電圧応答曲線は図７（ｃ）と類似の形状となり、その過渡応答特性により溶液抵抗Ｒと電荷移動抵抗ｒとが分離して検出できるのである。
【０１３１】
以上、如何にして内部抵抗を分離して検出するかについて述べてきたが、前述したように、内部抵抗を必ずしも分離して検出する必要が無いことは言うまでもない。内部抵抗を直流抵抗分として一括して評価することは、放電特性が開放回路電圧特性から内部抵抗による電圧降下分と分極による電圧降下を減じたものであると定義し直すことである。従って、今まで記載してきた構成がそのまま適用できることは明らかであるので、詳細な説明は省略する。
【０１３２】
また、内部抵抗を測定する際に、説明を簡単にするため、定電流負荷としてその応答を観測することによりそれぞれの抵抗分を推定するとしたが、勿論、定抵抗負荷でもよいことは言うまでもない。
【０１３３】
本発明では、電池パラメータを測定し、それを次回の容量推定に使用することが本質であり、また、負荷変動により変化する電圧、電流の変化から抵抗成分を分離測定することは当業者にとって容易であるので、詳細な説明は省略する。
【０１３４】
更に、負荷変動が定電流負荷や抵抗負荷に限らず、接続した機器の負荷変動によっても観測でき、その結果で電池パラメータを観測することも可能である。またその場合、急峻な電流変化が期待できない場合は、溶液抵抗Ｒ、電荷移動抵抗ｒをまとめて直流抵抗分として測定し、放電特性を推定しても良いことはいうまでもない。
【０１３５】
また、満充電容量として、充電中に二次電池に供給された充電電流を積分することにより得られる充電量と、充電前後の充電率の差で除して求めることで説明してきたが、前述したように、放電中の放電電流を積分することにより得られる放電量を、放電前後の充電率の差で除して求めることもできる。
【０１３６】
この場合、放電により検出した満充電容量と、充電により検出した満充電容量とは、通常はほぼ一致するが、高温放置劣化等を経験した場合は異なってくる。従って、放置中にマイコン内部の時計回路等で一定期間毎に周囲環境条件を測定して高温放置等を検出できるが、さらに、放電で検出した満充電容量と、充電で検出した満充電容量の差が大であることを検出した場合には、高温放置等で劣化が一挙に進んだことが裏付けられるので、接続機器等への通知や、表示を確実に行うことができる。
【０１３７】
また、放電開始時に放電特性を推定し残時間を推定し、その後、電流積算により充電率の変化を検出し残時間を変更して行くが、放電終止電圧近くになり、実際の放電電圧変化と推定していた放電電圧の変化とが異なってくる場合がある。
【０１３８】
このような場合、実際の放電電圧の変化による残時間推定値に、積算により推定した残時間推定値をあわせることが好ましい。そのため、電池電圧の変化を監視しておき、推測した放電特性と異なる場合には、推測した放電特性の示す値が、実測した値に近づくように、残時間を推定するために使用している充電率を変更することにより、推定値と実測値を合わせ、残時間推定値の精度を向上させても良いことは言うまでも無い。
【０１３９】
また更に、測定していた電池電圧が急速に終止電圧に近づくような変化が生じた場合には終止電圧間近であるので、残量が無いものとして接続機器に終了を促すような緊急通信を送付してもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】二次電池の開放回路電圧特性の一例を示すグラフであって、（ａ）は充電率と開放回路電圧の関係を、（ｂ）は開放回路電圧特性を利用した充電率の判定過程を示す。
【図２】二次電池に対する充電時における電池電圧と充電電流の変化状態を示すグラフである。
【図３】二次電池の等価回路と、周波数応答の状況を示す説明図である。
【図４】開放回路電圧の推定過程を示す説明図である。
【図５】開放回路電圧特性と電池電圧特性との関係を示すグラフである。
【図６】二次電池の放電特性の一例を示すグラフであって、（ａ）は負荷電流の違いによるグラフの変化を、（ｂ）は電池の劣化に伴うグラフの変化を、（ｃ）は周囲温度の変化に伴うグラフの変化を各々示す。
【図７】二次電池の内部抵抗を検出する工程を示す説明図であって、（ａ）は電池の内部抵抗を測定するための回路構成を、（ｂ）は負荷に供給する電流の変化を、（ｃ）は端子電圧の変化を各々示す。
【図８】二次電池の等価回路を構成する各パラメータの値と、充電率との関係を示すグラフである。
【図９】二次電池のパラメータの温度依存性を説明するグラフである。
【図１０】本発明を電池パックに実施した一例を示すブロック図である。
【図１１】制御部で行う容量検出手順を示す全体的な流れ図である。
【図１２】各動作モードにおける制御手順を示す流れ図である。
【図１３】二次電池の内部抵抗を検出する他の工程を示す説明図であって、（ａ）は電池の内部抵抗を測定するための回路構成を、（ｂ）は複素インピーダンスのプロット結果を各々示す。
【図１４】二次電池が劣化した場合における説明図であって、（ａ）はその場合の等価回路を、（ｂ）は複素インピーダンスのプロット結果を各々示す。
【符号の説明】
１０電池容量検出装置
１２二次電池
１４電池保護部
１６電池パック
１８電気機器
２０通信回路
２２ＦＥＴ
２４スイッチング部
２６保護回路
２８外部回路群
３０制御部
３２温度検出回路
３４電圧検出回路
３６電流検出回路
３８負荷回路
４０温度検知手
４２スイッチングトランジスタ
４４抵抗
４６抵抗
４８測定制御手段
５０オペアンプ
５２トランジスタスイッチ

Claims

電池容量を検出すべき二次電池に対し、予め充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧特性を測定および記憶しておく工程と、
前記二次電池の内部に等価的に存在する直流抵抗分と分極電圧に関する少なくとも２種類の回路定数を個別に測定および記憶する工程と、
前記回路定数と、放電開始時における放電電流の値と、前記開放回路電圧特性とから、前記二次電池の放電特性を算出する工程と、
前記開放回路電圧特性と開放回路電圧とから充電率を推測する工程と、
該充電率の推測工程により推測された放電開始時の充電率と、前記算出した放電特性とから、電池電圧が終止電圧に達するまでの電流積算量或いは電力積算量の残容量を推測する工程と、を備えた電池容量検出方法であって、
前記直流抵抗分は、二次電池に負荷を接続した際における電圧値の変化から算出され、
前記分極電圧は、前記開放回路電圧から、電池電圧と、前記直流抵抗分に放電電流を乗算したものとを減算することにより算出され、
該算出された各素子の回路定数は、検出される毎に充電率と１対にして順次記憶されるものであって、更に、
電流、温度および充電率の依存性を除いて同一基準で換算するとともに、現在使用中の対応する内容の値と比較し、
両者の違いが予め設定した範囲内であればその値を新規に使用する値として設定するが、範囲外にあるとその値を保存するに留めてそれ以前の値をそのまま使用し、続けて範囲外にあることが判定されるとその値を新規に使用する値として設定する一方、
放電が開始されてから所定の条件を満足した時点の電池電圧を測定し、その電圧変化を測定による放電特性として保持し、
該測定による放電特性により求めた残容量がゼロに接近した場合は、前記演算により算出された残容量を測定により求めた値に近づける補正が行われることを特徴とする電池容量検出方法。
前記充電率の推測工程は、
前記開放回路電圧の測定を、充電または放電を終了してから所定の時間間隔で予め設定された回数行い、その測定結果から開放回路電圧の収束値を推測し、その推測された開放回路電圧と前記開放回路電圧特性とから充電率を推測するが、
前記開放回路電圧の測定が予め設定した回数だけ行われる前に充電または放電が再開され、前回の充電または放電後における充電率が推測されなかった場合、前回の充電または放電前に推測された充電率に対し、その充電または放電中に測定された充電量の変化分から換算される充電率の変化分を積算し、演算により現在の充電率を推測可能とする一方、
前記測定により推測された充電率と、前記演算により推測された充電率とが互いに相違するすることが判定された場合、
前記演算により推測された充電率を測定により推測された充電率に対して近づける補正が行われる請求項１記載の電池容量検出方法。
電池容量を検出すべき二次電池に対し、予め測定した充電率と開放回路電圧との関係を示す開放回路電圧特性を記憶する手段と、
前記二次電池の内部に等価的に存在する直流抵抗分と分極電圧に関する少なくとも２種類の回路定数を個別に測定および記憶する手段と、
前記回路定数と、放電開始時における放電電流の値と、前記開放回路電圧特性とから、前記二次電池の放電特性を算出する手段と、
前記開放回路電圧特性と開放回路電圧とから充電率を推測する手段と、
該充電率の推測工程により推測された放電開始時の充電率と、前記算出した放電特性とから、電池電圧が終止電圧に達するまでの電流積算量或いは電力積算量の残容量を推測する手段と、を備えた電池容量検出装置であって、
前記直流抵抗分は、二次電池に負荷を接続した際における電圧値の変化から算出され、
前記分極電圧は、前記開放回路電圧から、電池電圧と、前記直流抵抗分に放電電流を乗算したものとを減算することにより算出され、
該算出された各素子の回路定数は、検出される毎に充電率と１対にして順次記憶されるものであって、更に、
電流、温度および充電率の依存性を除いて同一基準で換算するとともに、現在使用中の対応する内容の値と比較し、
両者の違いが予め設定した範囲内であればその値を新規に使用する値として設定するが、範囲外にあるとその値を保存するに留めてそれ以前の値をそのまま使用し、続けて範囲外にあることが判定されるとその値を新規に使用する値として設定する一方、
放電が開始されてから所定の条件を満足した時点の電池電圧を測定し、その電圧変化を測定による放電特性として保持し、
該測定による放電特性により求めた残容量がゼロに接近した場合は、前記演算により算出された残容量を測定により求めた値に近づける補正が行われることを特徴とする電池容量検出装置。
前記充電率の推測手段は、
前記開放回路電圧の測定を、充電または放電を終了してから所定の時間間隔で予め設定された回数行い、その測定結果から開放回路電圧の収束値を推測し、その推測された開放回路電圧と前記開放回路電圧特性とから充電率を推測するが、
前記開放回路電圧の測定が予め設定した回数だけ行われる前に充電または放電が再開され、前回の充電または放電後における充電率が推測されなかった場合、前回の充電または放電前に推測された充電率に対し、その充電または放電中に測定された充電量の変化分から換算される充電率の変化分を積算し、演算により現在の充電率を推測可能とする一方、
前記測定により推測された充電率と、前記演算により推測された充電率とが互いに相違するすることが判定された場合、
前記演算により推測された充電率を測定により推測された充電率に対して近づける補正が行われる請求項３記載の電池容量検出装置。
前記請求項４記載の電池容量検出装置と、二次電池と、該二次電池の保護回路とを、所定の電気機器に着脱自在に装着可能なケース内に一体に収納した電池パックであって、
前記電池容量検出装置はコンピュータプログラムを使用してソフトウェア的にその検出動作が行われるものであり、
前記保護回路は少なくとも前記二次電池の電池電圧と負荷電流とを測定可能とするとともに、プログラムを使用することなくハードウェアの構成によって所定の制御動作をするものであって、更に、
該保護回路による制御動作を優先させるとともに、保護回路が所定の制御動作を行うと、その制御動作に対応した値に前記電池容量検出装置における検出内容を修正可能とする一方、
その保護回路が働く前に予め設定した最低電圧を電池容量検出装置が検出すると、前記電池容量検出装置は保護回路を作動させて放電を強制的に停止させる電池パック。
前記ケース内の二次電池は複数あって、放電と充電とを並行して実行可能とするとともに、
充電中の二次電池に対し、前記充電率の推測手段による充電率の推測動作が行われる請求項５記載の電池パック。
前記ケース内には更に、前記電気機器との間におけるデータの送受手段を備えるとともに、
前記電池容量検出装置は、前記二次電池の残容量が設定値を下回って低下したことを検出すると、前記電気機器に対して対応した内容の情報を送る請求項５または６記載の電池パック。