JP4215171B2 - Battery capacity detection method - Google Patents
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Description
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に関する。 This invention relates to the detection how the battery capacity in a plurality of times of charge and discharge secondary battery such as a lithium ion battery.
従来、蓄電池における残存容量の推定方法として、蓄電池に流れる電流値が所定値以下の時における電圧変化から充電率を測定するとともに、その充電率と電流積算値とから満充電容量を推定し、この推定された満充電容量と充電率とから残存容量が推定できることが示されている(特許第3126591号参照)。しかしながらこの推定方法は、電池の電流が微小の場合に測定した満充電容量に相当するものであるから、残量推定には不向きであり、特に電流を流した場合における誤差が大きいなど、不都合が大きい。 Conventionally, as a method for estimating the remaining capacity of a storage battery, the charge rate is measured from the voltage change when the current value flowing through the storage battery is equal to or less than a predetermined value, and the full charge capacity is estimated from the charge rate and the current integrated value. It has been shown that the remaining capacity can be estimated from the estimated full charge capacity and the charging rate (see Japanese Patent No. 3126591). However, since this estimation method corresponds to the full charge capacity measured when the battery current is very small, it is not suitable for the remaining amount estimation, and there are inconveniences such as a large error especially when the current is passed. large.
これに対し、二次電池における残り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。 On the other hand, as a method aiming at improving the estimation accuracy of the remaining usage time in the secondary battery, there is a “method for detecting the remaining capacity of the lead storage battery” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-170372. This is because there are multiple data on the discharge characteristics when the temperature and discharge current change, and by referring to the timely data, the accuracy of the remaining dischargeable time is maintained even if the temperature and current change. To do.
しかしながら、電池パックの様に電池の構成が多種類にわたって変更使用される場合にあっては、用意しなければならないデータ量も莫大なものとなるとともに、微小な違いしか無い電池パックにあっても、仕様が違えばデータを全て入れ替える必要があるなど、コスト増大につながる。 However, if the battery configuration is changed and used over many types like a battery pack, the amount of data that must be prepared will be enormous, and even a battery pack that has only a small difference will need to be prepared. If the specifications are different, it will be necessary to replace all data, leading to increased costs.
本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、充電量を正確に推測できる電池容量検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such inconveniences, and an object thereof is to provide a battery capacity detection method capable of accurately estimating the amount of charge .
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。 In the above description and the following description, “charging rate” refers to the total capacity that is input to the secondary battery until the secondary battery is fully charged from the state where the secondary battery is almost completely discharged and is fully charged. "Indicates the percentage of the capacity remaining in the secondary battery in"% ".
また「開放回路電圧(以下「OCV」という。)」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(以下、「OCV特性」という。)」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OCVの関係を、テーブル、グラフあるいはデータベース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。 The “open circuit voltage (hereinafter referred to as“ OCV ”)” is a voltage between terminals measured by opening both electrodes in a stable state when the secondary battery is left standing for a long time. Furthermore, “open circuit voltage characteristics (hereinafter referred to as“ OCV characteristics ”)” refers to the relationship between the charge rate and OCV measured in advance for a secondary battery whose capacity is to be displayed, such as a table, graph or database. Data that is stored in a form that is easy to process data.
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。 Furthermore, a terminal voltage in a state where a charge / discharge load is applied to the secondary battery and a charge / discharge current flows is simply referred to as “battery voltage”. In addition, the relationship between the charging / discharging time and the battery voltage during charging / discharging is called “battery voltage characteristics”, and the curve indicating the relationship between the discharging time and the battery voltage when discharging at a predetermined constant current during discharging is shown as “discharge characteristics” That's it.
本発明に係る電池容量検出方法は、二次電池12から図24の様な負荷電流が間欠的に供給されている期間中にOCVの測定工程に入ったことが判定されると、電流が流れていない期間中における電圧変化の包絡線を求め、その包絡線の収束値からOCVを推測する。 In the battery capacity detection method according to the present invention, when it is determined that the OCV measurement process is started during the period in which the load current as shown in FIG. The envelope of the voltage change during the non-period is obtained, and the OCV is estimated from the convergence value of the envelope.
更に、各充電率につき、電池温度と満充電容量の減少率との図22の様な関係を予め補正用のデータベースとして備え、二次電池12から負荷電流の供給が停止された状態が持続したことが判定、例えばOCVが安定するのに必要な時間を超えて持続したことが判定されると、測定された電圧値とOCV特性から充電率を推定する一方、充電率と、電池温度と、充電率の変化から、前記補正用のデータベースを利用して満充電容量の補正処理を行うことができる。
Furthermore, sustained per charge rate, with a database for pre-correcting such relationship in Figure 22 with the reduction rate of the battery temperature and the full charge capacity, the state in which supply is sealed stop of the load current from the
本発明は上記の如く、負荷電流が間欠的に供給される負荷状態にあっては、電流が流れていない期間中における電圧変化の包絡線を求め、その包絡線の収束値からOCVを推測することにより、待機中も駆動されて停止される携帯電話の様な機器に使用された場合にあっても、比較的正確に充電量の推測動作が可能である。 As described above, according to the present invention, in a load state in which load current is intermittently supplied, an envelope of voltage change during a period in which no current flows is obtained, and OCV is estimated from the convergence value of the envelope. Thus, even when used in a device such as a mobile phone that is driven and stopped even during standby, a charge amount estimation operation can be performed relatively accurately.
また、電池の放置期間中における、各充電率に対する電池温度と満充電容量の減少率との関係を予めデータベース化し、放置期間中に充電率に加えて満充電容量の補正を行うことにより、特に高温による放置時の容量補正が正確に行える。 In addition, the relationship between the battery temperature and the reduction rate of the full charge capacity with respect to each charging rate during the battery leaving period is created in advance as a database, and by correcting the full charging capacity in addition to the charging rate during the leaving period, in particular, Capacitance correction when left at high temperature can be performed accurately.
以下、本発明にかかる電池容量検出方法を適用した電池容量検出装置10につき、満充電時におけるOCV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の素電池およびその素電池を複数組み合わせた組電池としての電池パックを例にとって更に詳細に説明するが、他の種類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。
Hereinafter, the battery
本発明にあっては、電池容量の検出をすべき二次電池12について、図2(a)に例示するOCV特性を予め測定しておく。そして、このOCV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、図2(b)の如く、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。
In the present invention, the OCV characteristic illustrated in FIG. 2A is measured in advance for the
なお、OCVの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、二次電池の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劣化状態の電池における特性測定から得た。そのため、温度変化があっても、温度特性を加味したOCV特性から、充電率を推定できる。 Regarding the temperature characteristics of the OCV, the knowledge that the change in temperature characteristics itself is small and that the temperature characteristics are substantially constant due to the deterioration of the secondary battery was obtained from the measurement of characteristics of the batteries in various deteriorated states. Therefore, even if there is a temperature change, the charging rate can be estimated from the OCV characteristic taking into account the temperature characteristic.
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。 Further, for example, when the charging rate immediately before the start of charging is a [%] and the charging rate immediately after the end of charging is b [%], the charging rate immediately before the start of charging is subtracted from the charging rate b immediately after the end of charging. The “differential charging rate” is caused by charging the “charging amount” obtained by integrating the charging current supplied to the secondary battery during charging.
そのため、この充電量を差充電率で除算し更に100倍することにより、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。 Therefore, by dividing this charge amount by the differential charge rate and multiplying it by 100, the total capacity at the time of full charge (hereinafter referred to as “full charge capacity”) is calculated without continuing the charge to the full charge state. The
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、或いは満充電状態から放電末期までの放電量を計測することによる充電容量の測定の様な、いわゆる満充電学習を行う必要が無くなる。なお、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、一過による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。 Therefore, it is necessary to perform so-called full charge learning, such as measurement of charge capacity by measuring the charge amount from the end of discharge to the end of full charge or the amount of discharge from the full charge state to the end of discharge, which has been conventionally performed. Disappears. Although the full charge capacity can be calculated from the change in the accumulated capacity during discharge and the charge rate before and after the discharge, it is preferable to estimate the full charge capacity in the charge because the current can be accumulated due to the transient.
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。
Further, if the full charge capacity is obtained, the deterioration of the
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OCV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3に例示する以下の方法で充放電を行わせる。 Therefore, in order to obtain the above-described OCV characteristics prior to the above-described detection operation of the charging rate, full charge capacity and remaining capacity, charging and discharging are performed by the following method illustrated in FIG. Let it be done.
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。 That is, by confirming that the terminal voltage of the battery has dropped below the set value, the steady state where the ambient temperature is room temperature (25 ° C.) from time t1 when the remaining capacity of the battery is assumed to be zero or close to it. Then, charging is performed while continuously checking changes in the charge amount and battery voltage by continuously integrating the charge current amount every minute time.
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。
Immediately after the start of charging, for example, constant current charging is performed with a constant current source of 1600 mA, for example, and charging is continued for, for example, 3 hours under the condition of switching to 4.2 V constant voltage charging at time t2 when the battery voltage reaches a set value. The total charge amount supplied to the
OCV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OCVを測定していくとともに、各測定点における充電率とOCVとを一対として順次に保存することにより、図2(a)の様なグラフが求まる。
For OCV characteristics, for example, charge / discharge is stopped every
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OCVよりも高く、放電時にあってはOCV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減少又は増加する。
By the way, it is known that the voltage actually appearing between the terminals of this type of
かかる現象は、図4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。
Such a phenomenon is generally explained by an equivalent circuit for the
それに対し、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OCV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。 On the other hand, the polarization voltage Ep has a response characteristic in the order of time, and it takes several hours to several days until the value is stabilized. Therefore, in order to measure an accurate OCV, at least several hours, preferably 8 hours. Some degree of downtime is required.
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OCVを測定することさえも難しい。 However, in actual usage conditions of secondary batteries, energization and rest are frequently repeated during other discharges, except that a relatively long rest period is often provided immediately after the end of charging. It is generally difficult to even measure OCV with a rest period of several hours, not to mention 8 hours.
ところで、図5に示すごとく、二次電池12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OCV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。そこで本実施例にあっては、所定の時間間隔で2点のOCVを測定し、その2点間を図5で例示する如く直線で結んで延長することにより、収束時におけるOCVを推測する様に構成している。
Incidentally, as shown in FIG. 5, when the horizontal axis represents the reciprocal of time t or the reciprocal of the square root of time t after the energization of the
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。 The time after the energization to the secondary battery is relatively stable at room temperature, so two points after 30 minutes and 2 hours can be measured. .
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。 However, since the estimation accuracy can be improved when a longer time elapses, the first estimation is performed by measuring the voltage at two points, for example, 30 minutes and 2 hours, after the completion of charging / discharging, and further for 4 hours and 8 hours. When the hibernation state continues as described above, the second or third estimation is performed using the measured voltage at that time, and the estimated value is updated.
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OCV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。 By the way, if the charging rate is high at room temperature and higher than normal temperature, the voltage drop due to self-discharge is larger than that under other conditions. To do. Therefore, in that case, it is preferable to end the estimation of the OCV convergence value at the point of time of 2 hours and use the value for the capacity determination.
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、OCV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。 On the other hand, under low temperature use conditions, the amount of self-discharge during the pause period is small, but the inflection of the voltage locus increases from that at room temperature, and it takes a long time for the OCV to stabilize. It is preferable to estimate the convergence value at two points of 8 hours.
なお、上記したOCV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。例えば、休止期間が24時間を超えて長期間連続する場合には、OCVは既に収束していると推測されるので、上記した推測処理をすることなしに測定した電圧値から直ちに充電率を求める一方、放置期間中における満充電容量の減少をデータベースを利用して補正することも可能である。その詳細については後記する。 The time interval and the number of times of measurement for the OCV measurement and the convergence value estimation described above are examples, and it is needless to say that the time interval and the number of measurements can be changed as appropriate. For example, when the pause period is longer than 24 hours and continues for a long time, it is estimated that the OCV has already converged, so the charging rate is immediately obtained from the measured voltage value without performing the above-described estimation process. On the other hand, it is also possible to correct the decrease in the full charge capacity during the leaving period using a database. Details will be described later.
一方、充放電の継続中は勿論、充放電が停止されてからOCV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OCVに含まれる誤差は大きい。 On the other hand, not only during charging / discharging, but also when charging or discharging is resumed before 2 hours, which is the above-mentioned minimum pause period in which OCV can be estimated after charging / discharging is stopped. The error included in the obtained OCV is large even if it cannot be estimated by the above-described method.
そこで、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。
Wherein, continue to continuously measure the amount of charge by integrating the current flowing through the
以上の様にしてOCV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。
By using the OCV characteristics as described above, the charging rate and the remaining capacity at the time of measurement or estimation can be detected relatively accurately regardless of whether the
すなわち、微小電流の場合の残容量等に相当し、負荷が接続された場合には、この方法で検出した残容量を全て放電できないので、負荷が接続された場合の残容量としては別途算出する必要がある。 That is, it corresponds to the remaining capacity in the case of a minute current, and when the load is connected, all the remaining capacity detected by this method cannot be discharged. Therefore, the remaining capacity when the load is connected is calculated separately. There is a need.
しかし、理想的な条件での無負荷の満充電容量としては検出できたこととなり、この容量を電池の満充電容量の一つとして評価することが可能となる。本出願では、この観点を踏まえつつ、無負荷の場合の満充電容量と、負荷のある場合の残容量の区別を明確にして取り扱っている。 However, it has been detected as an unloaded full charge capacity under ideal conditions, and this capacity can be evaluated as one of the full charge capacity of the battery. In this application, based on this point of view, the distinction between the full charge capacity when there is no load and the remaining capacity when there is a load is clearly handled.
これは、以上のようにして検出された無負荷の場合の満充電容量を単に電池の満充電容量として取り扱い、この満充電容量をもとにした充電率で統一的に残量推定のデータベースを構築し、このデータベースを元に負荷がある場合の放電特性を算出し、この放電特性から残容量を推定することにより、正確な残容量の推定が可能な残量検出方法の構築が可能となっている。 This means that the full charge capacity in the case of no load detected as described above is simply treated as the full charge capacity of the battery, and the remaining capacity estimation database is unified based on the charge rate based on this full charge capacity. By constructing and calculating the discharge characteristics when there is a load based on this database and estimating the remaining capacity from this discharge characteristic, it is possible to construct a remaining capacity detection method that can accurately estimate the remaining capacity. ing.
そこで以下、放電特性がどの様に決まるか等の説明から始めて電池容量検出方法を説明する。 Therefore, the battery capacity detection method will be described below, starting with an explanation of how the discharge characteristics are determined.
先ず現実の使用状況にあっては、図4に示す等価回路および図6に示す特性から判る通り、OCV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の内部抵抗である溶液抵抗Rおよび電荷移動抵抗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。 First, in an actual use situation, as can be seen from the equivalent circuit shown in FIG. 4 and the characteristics shown in FIG. 6, from the ideal battery E whose voltage value changes according to the OCV characteristics, the secondary battery 12 A voltage value obtained by multiplying the load resistance I by the solution resistance R and the charge transfer resistance r, which are internal resistances, and the polarization voltage Ep are subtracted and output between the terminals.
しかしながら現実の使用状況にあっては、図4に示す等価回路および図6に示す特性から判る通り、OCV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の内部抵抗である溶液抵抗Rおよび電荷移動抵抗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。 However, in an actual usage situation, as can be seen from the equivalent circuit shown in FIG. 4 and the characteristics shown in FIG. 6, from the ideal battery E whose voltage value changes according to the OCV characteristics, the secondary battery 12 A voltage value obtained by multiplying the load resistance I by the solution resistance R and the charge transfer resistance r, which are internal resistances, and the polarization voltage Ep are subtracted and output between the terminals.
更に、二次電池12の溶液抵抗R、電荷移動抵抗rおよび分極電圧Epの素子値は、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。
Furthermore, the element values of the solution resistance R, the charge transfer resistance r, and the polarization voltage Ep of the
一方、二次電池12の放電特性は図6(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。
On the other hand, as illustrated in FIG. 6A, the discharge characteristics of the
しかしながら、かかる電池電圧の変動領域内で電気機器18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。
However, it is inappropriate to use the
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。
Therefore, usually, control is often performed in which the end voltage Vt is set in the middle of the fluctuation region and discharge is forcibly stopped at the end voltage Vt. Therefore, the remaining time (hereinafter referred to as “remaining time”) that can be actually used when the
以下、参考例として、残時間の求め方を説明する。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。 Hereinafter, how to obtain the remaining time will be described as a reference example. This remaining time can be determined by measuring discharge characteristics under such conditions in advance when the use conditions such as load current and ambient temperature are constant, and detecting the battery voltage at the time of detecting the remaining time.
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6(b)に例示する如く、時刻t11に通電を開始するとOCVの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。
However, the battery voltage at the time of actual discharge, particularly due to the presence of the polarization voltage Ep described above, gradually decreases from the OCV value when energization is started at time t11 as illustrated in FIG. This coincides with the theoretical discharge characteristics at time t12, and it is difficult to obtain the remaining time simply by detecting the terminal voltage of the
更に、二次電池12の放電特性は、図7(a)の様に負荷電流を変化させた場合は勿論、図7(b)の様に二次電池12が劣化した場合や、図7(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。
Furthermore, the discharge characteristics of the
そこで、二次電池12の等価回路で示される各素子の素子値を以下に示す方法を利用して図9の様に個別に測定し、その値をデータベース化して記憶しておき、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って、上記した残時間を推測できる様にしている。
Wherein the element value of each element shown in the equivalent circuit of the
ここでは、図4に示す溶液抵抗Rと電荷移動抵抗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8に示す過渡応答方式を使用して測定している。 Here , the solution resistance R and the charge transfer resistance r shown in FIG. 4 are measured using the transient response method shown in FIG. 8 by utilizing the fact that the transient response is relatively fast but the response speed of the both is different. is doing.
すなわち、図8(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8(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8(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。
That is, when a unit current consisting of a constant current having a step shape as shown in FIG. 8B is applied to the
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。 After that, a voltage drop Vr due to the charge transfer resistance r occurs with a predetermined time constant τ (≈C · r). For example, when a time of about 10 seconds elapses from the start of energization, the voltage value thereafter becomes substantially linear. . Therefore, by extending the straight line until the charge start timing, the voltage drop VR due to the solution resistance R and the voltage drop Vr due to the charge transfer resistance r are separated and detected.
かかる二次電池12の内部抵抗である溶液抵抗Rおよび電荷移動抵抗rの測定は、上記したOCV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データベース化して記憶することにより図9(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するなど正規化し、測定時点における充電率とともに記憶する。
The measurement of the solution resistance R and the charge transfer resistance r, which are internal resistances of the
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6(a)に示すごとく、例えば放電時にあっては、OCV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9(c)の様なグラフが演算により算出できる。
On the other hand, it is difficult to directly determine the value of the polarization voltage Ep. However, as shown in FIG. 6 (a), for example, at the time of discharging, the voltage value obtained by subtracting the battery voltage from the OCV matches the internal resistance of the
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3に示す充電開始後であって、特に分極特性が落ち着く程度の時間、例えば3〜5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。 However, since the polarization voltage Ep has a very long time constant of polarization, the current condition is stable after the start of charging shown in FIG. 3, and especially the time when the polarization characteristics are settled, for example, about 3 to 5 minutes have elapsed. Then, it is preferable to obtain from the change of the battery voltage after that.
また、分極電圧Epは拡散によるイオンの移動状態に依存するので、時間の経過で評価するタイミングを決める方法以外にも、例えば、3%程度の充電率の変化が生じた場合に評価する方法もある。 In addition, since the polarization voltage Ep depends on the state of ion movement due to diffusion, in addition to the method for determining the timing for evaluation over time, there is also a method for evaluating when a change in charging rate of about 3% occurs, for example. is there.
しかし、電池の拡散速度等に依存するので、より正確には、劣化具合、電流、温度、充電率変化或いは時間変化量等で測定タイミングを変更するのが望ましい。その場合のタイミングを求める方法としては、放電電流等の種々の条件での放電開始後の電圧変化の挙動から分極がほぼ一定となる時間、及び充電率変化を検出することにより、放電条件対測定タイミングのデータを採取しておき、このデータベースから測定するタイミングを求めることにより、より正確に、かつ、短時間に分極電圧Epを評価することができる。 However, since it depends on the diffusion rate of the battery, etc., it is desirable to change the measurement timing more accurately based on the deterioration, current, temperature, change in charge rate, or amount of change in time. In this case, the timing can be obtained by measuring the time during which the polarization is almost constant from the behavior of the voltage change after the start of discharge under various conditions such as the discharge current, and by measuring the change in the charging rate, and measuring the discharge condition versus By collecting timing data and obtaining the measurement timing from this database, the polarization voltage Ep can be evaluated more accurately and in a short time.
あるいはまた、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Ep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。 Alternatively, since there is a portion showing a substantially similar change characteristic of the polarization voltage Ep due to a constant charge rate change regardless of the current, it is also possible to obtain it by a voltage change when a constant charge rate change occurs. .
ここで充電中におけるOCV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OCVの推定値を加算することにより算出できる。 Here, the OCV during charging is calculated by adding the estimated value of OCV corresponding to the charging rate converted from the charging amount obtained by integrating the current value to the value measured at the end of the last discharging before charging. it can.
また溶液抵抗Rと電荷移動抵抗r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OCV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。 The values of the solution resistance R and the charge transfer resistance r are basically determined by the method described above. However, the DC resistance is measured under the condition that the charging is turned off at the timing when the OCV is calculated and the charging current is zero, or the transient response due to switching of the constant resistance load during charging is used. Can be measured.
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OCV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Epをより詳細に推定することができる。 When the charging rate at the start of charging is small, the OCV also changes rapidly and the error is large as charging progresses and the charging rate increases. Therefore, until a predetermined charging rate is exceeded, the polarization voltage Ep near the start of charging can be estimated in more detail by charging for a certain time with a smaller current than normal and using the change in the battery voltage during that time.
ここで、図3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Ep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Epの推定に利用する。 Here, when charging is performed by switching the charging method from constant current charging to constant voltage charging at time t2 in FIG. 3, the change in the battery voltage is directly measured during the constant current charging period to obtain the polarization voltage. This is used to estimate Ep. However, when entering the constant voltage charging region, a change in the charging current is measured, and the change in the current is converted into a voltage change and evaluated to be used for estimating the polarization voltage Ep.
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9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の特性を示す素子値の初期値とし、データベース化して記憶しておく。
As described above, the values of the solution resistance R, the charge transfer resistance r, and the polarization voltage Ep constituting the equivalent circuit of the
以上、簡便に、電池単独で或いは充放電を利用して測定する方法を述べたが、この他にも連続的に特性取得方法があることは言うまでもない。その一例としては、負荷電流を連続的にパルス状に変化させてその応答から求めることも可能である。 As mentioned above, although the method of measuring simply using a battery alone or using charge / discharge has been described, it goes without saying that there are other methods for continuously obtaining characteristics. As an example, the load current can be continuously changed in a pulse shape and obtained from the response.
この場合、負荷を断続的に例えば10秒間隔で切り替え、一定の放電用負荷電流に20秒周期の矩形波パルスの負荷電流が重畳した測定用負荷電流を流せば、図8(c)のような矩形波の応答波形が連続して得られることになる。この波形の上下の最外部を通る2本の包絡線の差が溶液抵抗Rと電荷移動抵抗rの電圧降下の和になるので、別途溶液抵抗Rを求めれば、10秒ごとに連続的に電荷移動抵抗rの大きさが求まる。 In this case, if the load is intermittently switched, for example, at intervals of 10 seconds, and a measurement load current in which a load current of a rectangular wave pulse with a cycle of 20 seconds is superimposed on a constant discharge load current is passed, as shown in FIG. A rectangular response waveform can be continuously obtained. Since the difference between the two envelopes passing through the upper and lower outermost portions of this waveform is the sum of the voltage drop of the solution resistance R and the charge transfer resistance r, if the solution resistance R is obtained separately, the charge is continuously charged every 10 seconds. The magnitude of the movement resistance r is obtained.
溶液抵抗Rは充電率依存性がほとんど無いため、別途測定した値を使用してもよいし、負荷電流にマイクロ秒オーダーの短い矩形波パルス電流を流し、その応答から求めてもよい。もちろん、10秒間隔の矩形波パルスが変化する瞬間の電圧、電流変化から求めてもよいことは言うまでもないが、ここでは、専用の測定パルスで測定するとして例を挙げている。 Since the solution resistance R has almost no dependency on the charging rate, a value measured separately may be used, or a short rectangular pulse current of microsecond order may be passed through the load current and obtained from the response. Of course, it goes without saying that it may be obtained from the voltage and current changes at the instant when the rectangular wave pulses at intervals of 10 seconds change, but here an example is given assuming that measurement is performed with a dedicated measurement pulse.
また、この2つの包絡線の差が矩形波パルス電流に対する電荷移動抵抗rと溶液抵抗Rとによる電圧降下分であるので、測定中の平均負荷電流だけ矩形波パルス電流が増加したとして包絡線の差を増加させれば、それが平均電流による電荷移動抵抗rと溶液抵抗Rの電圧降下分に相当する。従って、OCV特性からこの判明した電圧降下分を差し引いた特性曲線と、放電特性曲線との間の部分が分極による電圧降下分として評価できるので、簡便にデータベースを生成できる。 Further, since the difference between the two envelopes is a voltage drop due to the charge transfer resistance r and the solution resistance R with respect to the rectangular wave pulse current, it is assumed that the rectangular wave pulse current has increased by the average load current being measured. If the difference is increased, it corresponds to the voltage drop of the charge transfer resistance r and the solution resistance R due to the average current. Therefore, since the portion between the characteristic curve obtained by subtracting the found voltage drop from the OCV characteristic and the discharge characteristic curve can be evaluated as the voltage drop due to polarization, a database can be easily generated.
一方、二次電池12における各素子値の温度依存性については、図10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、上記した各素子値についての温度特性を予め測定し、保存をしておく。
On the other hand, regarding the temperature dependence of each element value in the
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の周囲温度から素子値の温度補正を、負荷電流の値から素子値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。
When the
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、或いは後ほど詳細に説明する放電電力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。 On the other hand, since the charging rate is always accumulated and grasped, the discharge current immediately after the start of discharge or the discharge power described in detail later does not change from the charging rate at that time and the calculated discharge characteristics. The remaining time is estimated on the condition that it lasts.
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(図6(b)における斜線部分)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。 Furthermore, in the discharge characteristics, the area between the discharge characteristic curve and the output voltage zero, which is divided between the current charge rate and the end charge rate, that is, the area under the discharge characteristic curve (FIG. 6 ( The shaded portion in b) corresponds to the power output from the battery. Therefore, the remaining power of the battery can be estimated from this characteristic.
以下、参考例として、残電力の求め方を説明する。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。 Hereinafter, how to obtain the remaining power will be described as a reference example. For this purpose, first, the area of this lower part is obtained as the area under the discharge characteristics. Next, the discharge charge amount from the present to the end is obtained by multiplying the full charge capacity by the difference between the current charge rate and the end charge rate. Thereafter, the remaining power is estimated by multiplying the area under the discharge characteristics by the discharge charge amount. The remaining power obtained in this way faithfully reproduces the discharge characteristics, and is a highly accurate remaining power estimation method.
また、温度特性により放電特性を修正する必要があるが、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、一定電流で放電させた場合の温度特性変化を充電率と共にデータベースに記憶しておき、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って、精度の高い残時間推定や残電力推定が可能となる。 In addition, although it is necessary to correct the discharge characteristics based on the temperature characteristics, the temperature actually increases due to the internal resistance loss of the battery during discharge. Since this is almost determined by the battery pack and ambient conditions, the temperature characteristic change when discharging at a constant current is stored in the database together with the charging rate, or it is estimated from the temperature resistance and heat capacity and calculated together with the charging rate. Further, by further improving the estimation of the temperature dependence of the discharge characteristics at each charging rate, it is possible to estimate the remaining time and the remaining power with high accuracy.
次に以下においては、上記した分極による電圧降下分である分極電圧Epの評価方法として、電圧での評価の代わりに抵抗値として評価することにより、温度依存性要素も、データベースに全面的に依存せず、演算によって算出可能とする例を示す。分極電圧Epは拡散により生じるので、その電圧には電流依存性がある。従って、電流依存性を分極による電圧降下を生じさせる抵抗分として拡散抵抗Zwを想定し、これを用いて残量推定を行うのである。 Next, in the following, as a method for evaluating the polarization voltage Ep, which is the voltage drop due to the polarization described above, the temperature-dependent element also depends entirely on the database by evaluating as the resistance value instead of the evaluation with the voltage. An example in which the calculation is possible without calculation is shown. Since the polarization voltage Ep is generated by diffusion, the voltage has current dependency. Therefore, the diffusion resistance Zw is assumed as the resistance that causes the voltage drop due to polarization with respect to the current dependency, and the remaining amount is estimated using this.
ここでは、電池の内部等価回路のワーブルグインピーダンスZwに電流が流れる場合にも抵抗成分として作用するとして、拡散抵抗Zwを定義して使用する。この抵抗値は、溶液抵抗R、電荷移動抵抗r以外の電圧降下を引き起こす成分をまとめて示すものとする。 Here, the diffused resistor Zw is defined and used as acting as a resistance component even when a current flows through the Wurburg impedance Zw of the internal equivalent circuit of the battery. This resistance value collectively indicates components that cause a voltage drop other than the solution resistance R and the charge transfer resistance r.
なお、拡散による電圧降下は電流依存性があるので、拡散抵抗Zwは一定の抵抗成分として表わせないことが多い。そのような場合には、電流依存性を配慮した拡散抵抗Zwのデータベースを予め測定により構築し、その後、適時、前述のように分極電圧Epを測定できるので、同時に測定した電流と共に拡散抵抗Zwを算出して修正することにより、電流依存性を付加した拡散抵抗Zwとして残量推定に使用する。その他、拡散抵抗Zwを使用せず、分極電圧Epのままデータベース化し、その値を演算時に使用できることは勿論である。 Since the voltage drop due to diffusion has current dependency, the diffusion resistance Zw cannot often be expressed as a constant resistance component. In such a case, a database of diffusion resistance Zw taking into account the current dependency is constructed in advance, and then the polarization voltage Ep can be measured as described above at the appropriate time. By calculating and correcting, the diffusion resistance Zw to which current dependency is added is used for the remaining amount estimation. In addition, it is a matter of course that the diffusion resistance Zw is not used and the polarization voltage Ep is used as a database, and the value can be used at the time of calculation.
次に図11に、上記した拡散抵抗Zwを使用し、温度依存性を考慮した放電特性を求めるための等価回路モデルおよびその周辺を含めた容量推定回路の回路構成の一例を示す。以下、このモデル例に従って、一定電力で放電させた場合の放電特性の推定方法、及び、それから求まる残電力量推定値を求める方法を示し、このモデルを残量推定に使用した場合の容量計としての残量推定処理の一例を説明する。 Next, FIG. 11 shows an example of the circuit configuration of the capacity estimation circuit including the equivalent circuit model for obtaining the discharge characteristics in consideration of temperature dependency using the diffusion resistance Zw and the periphery thereof. In the following, according to this model example, a method for estimating discharge characteristics when discharging with constant power and a method for obtaining an estimated value of remaining power obtained therefrom will be shown. As a capacity meter when this model is used for remaining amount estimation An example of the remaining amount estimation process will be described.
この例にあっても、電池の等価回路は図4に示したものと同様であるが、温度依存性を示すために、亀山他が2001年電池討論会において提案した「小型リチウムイオン二次電池の発熱解析」におけるエントロピーを配慮した熱収支式から、マイコンの放電特性シミュレーションに適した熱変化算出式を求め、温度推定に使用している。 Even in this example, the equivalent circuit of the battery is the same as that shown in FIG. 4, but in order to show the temperature dependence, the “small lithium-ion secondary battery” proposed by Kameyama et al. From the heat balance equation that takes into account the entropy in "Heat generation analysis of the heat", a thermal change calculation formula suitable for the discharge characteristic simulation of the microcomputer is obtained and used for temperature estimation.
ここで前記したエントロピーを配慮した電池発熱モデルは、過電圧による発熱をQp、エントロピー変化による発熱をQs、電池周囲への発熱をQb、OCVの温度変化をdVo/dT、電池温度をTc、周囲温度をTr、電池の熱容量をCc、放電電流をI、定電流放電のV−I特性からの過電圧抵抗をRη、ファラデー定数をF、電池表面面積をA、熱伝達係数をhとした場合、Qp=I2 ・Rη、Qs=−Tc・ΔS・(I/F)=−Tc(dVo/dT)・I、Qb=−A・h・(Tc−Tr)であり、熱収支式は、Cc・(dTc/dt)=Qp+Qs+Qbになると指摘されている。 Here, the battery heat generation model considering the entropy described above is Qp for heat generation due to overvoltage, Qs for heat generation due to entropy change, Qb for heat generation around the battery, dVo / dT for temperature change of OCV, Tc for battery temperature, ambient temperature Qp, where Tr is the battery capacity, Cc is the heat capacity of the battery, I is the discharge current, Rη is the overvoltage resistance from the VI characteristics of constant current discharge, F is the Faraday constant, A is the surface area of the battery, and h is the heat transfer coefficient. = I 2 · Rη, Qs = −Tc · ΔS · (I / F) = − Tc (dVo / dT) · I, Qb = −A · h · (Tc−Tr), and the heat balance equation is Cc It is pointed out that (dTc / dt) = Qp + Qs + Qb.
かかる熱収支式から、微小時間Δtにおいて電池温度がΔTcだけ上昇したとすると、Cc・ΔTc/Δt=Qp+Qs+Qbと表わすことができ、これより、ΔTc=Δt・(Qp+Qs+Qb)/Cが求まる。 From this heat balance equation, if the battery temperature rises by ΔTc in the minute time Δt, it can be expressed as Cc · ΔTc / Δt = Qp + Qs + Qb, and from this, ΔTc = Δt · (Qp + Qs + Qb) / C is obtained.
したがって、各項目のTc、I、dVo/dT、RηからQp、Qs、Qbを求めることにより、ΔTcが求まり、更に推定温度は、Σ(ΔTc)+開始温度となるので、ΔTcの積算値で温度変化値を求め、開始温度との積算で温度が推定される。 Therefore, by obtaining Qp, Qs, and Qb from Tc, I, dVo / dT, and Rη of each item, ΔTc is obtained, and the estimated temperature is Σ (ΔTc) + starting temperature. The temperature change value is obtained, and the temperature is estimated by integration with the start temperature.
更に温度等により電池の素子値が変化し、更に素子値の変化により温度等が変化するが、その場合の電流値は次の条件により求まる。この条件を満足する放電特性が、求める放電特性である。 Further, the element value of the battery changes depending on the temperature and the like, and the temperature and the like change further according to the change of the element value. In this case, the current value is obtained according to the following conditions. The discharge characteristics that satisfy this condition are the required discharge characteristics.
先ず電池の素子値である溶液抵抗Rおよび電荷移動抵抗rと拡散抵抗Zwの値は、温度T・充電率Qおよび電流Iをパラメータとして測定されて予めデータベース化されているので、ある時点における温度Tと充電率Qおよび電流Iが判れば導出できる。 First, the solution resistance R, the charge transfer resistance r, and the diffusion resistance Zw, which are the element values of the battery, are measured using the temperature T, the charging rate Q, and the current I as parameters, and are preliminarily stored in a database. It can be derived if T, charging rate Q, and current I are known.
また負荷の使用電力Wが一定であれば、W=I×(開放回路電圧−(R+r+Zw)×I)の関係が成立するので、放電開始時におけるOCV、素子値および使用電力Wが判ると、電流値Iは演算により算出される。 If the load power consumption W is constant, the relationship of W = I × (open circuit voltage− (R + r + Zw) × I) is established. Therefore, when the OCV, the element value, and the power consumption W at the start of discharge are known, The current value I is calculated by calculation.
更に、充電率Qが微小量ΔQだけ変化するのに要する変化時間Δtは、「ΔQ×満充電量/平均電流」で求められる。 Further, the change time Δt required for the charge rate Q to change by a minute amount ΔQ is obtained by “ΔQ × full charge amount / average current”.
ところで、上記した関係式を連立して解くことにより、放電特性を直接的に演算によって算出することも不可能ではない。例えば、1次の連立多項式に展開して解く方法等が考えられる。 By the way, it is not impossible to calculate the discharge characteristics directly by calculation by simultaneously solving the above relational expressions. For example, a method of expanding to a linear simultaneous polynomial and the like can be considered.
しかし、通常、残量推定等を行う容量計は低コスト化を狙うため、演算パワーの小さいワンチップマイコン等を使用して容量推定するのが主流である。従って、一度の計算量が多くない、メモリの消費が少ない等の条件が必要と考えられる。 However, in general, the capacity meter for estimating the remaining amount is intended to reduce the cost, so that the capacity is estimated by using a one-chip microcomputer having a small calculation power. Therefore, conditions such as a small amount of calculation at one time and low memory consumption are considered necessary.
そのため、算出の開始ポイントと次ポイントの値の差が少ないものとして次ポイントの値を算出し、更にその算出結果を使用して次ポイントを再算出することにより精度向上を図りながら、データベースの利用を最小限に抑制して、放電特性を示す曲線を推定可能とする算出方法の一例を使用する。 Therefore, the difference between the starting point and the next point values of calculated unloading calculates the value of the next point as small, while achieving improved accuracy by re-calculating the next point further using the calculation result, the database An example of a calculation method that makes it possible to estimate a curve indicating discharge characteristics while suppressing the use to a minimum is used.
すなわち、開始ポイントである第1のポイントとそのポイントから少し充電率が変化した場合の第2のポイントを上記した関係式を用いて求めることを繰り返すことにより、放電特性と温度特性とを求めるのである。ここでの算出のポイントは、先ず、取りあえずは決まる値を元に他の部分を修正して放電特性をシミュレートすることにある。 That is, the discharge characteristic and the temperature characteristic are obtained by repeatedly obtaining the first point as the start point and the second point when the charging rate slightly changes from the point by using the relational expression described above. is there. The point of calculation here is to first simulate the discharge characteristics by modifying other parts based on the determined values.
更に、上記した素電池についてのデータベースと、熱抵抗に類するケースや電池構成の様な電池パックとしてのデータベースを個別に備えることにより、劣化、温度等に配慮した放電特性推定による残量推定が、更に小さなデータベースを利用して可能となる。 Furthermore, by separately providing a database on the above-mentioned unit cells and a database as a battery pack such as a case and a battery configuration similar to thermal resistance, the remaining amount estimation by estimating discharge characteristics in consideration of deterioration, temperature, etc. This is possible using a smaller database.
すなわち、データベースにより種々の電池パックに対応した容量計を構成する場合、目的の電池パックに対応した、素電池のデータベースと電池パックに関するデータベースを組み込むことにより対応する。 That is, when a capacity meter corresponding to various battery packs is configured by the database, it is possible to incorporate a unit cell database and a database related to the battery pack corresponding to the target battery pack.
ここで、データベースの大きさを比較すると、素電池に関するデータベースは、通常、電流依存性等の詳細を必要とするので、データベースの大きさは増大する。それに対し、電池パックに関するデータベースは、通常は、電池パックの素電池の接続構成、例えば「2S3P」(3つの素電池の並列接続を2つ直列に接続した構成であり、Sはシリーズ、Pはパラレルの意で使用)の種別や、電池パックのケース等で決まる熱抵抗や熱容量、他程度の値しか含まないので、データベースは増大しない。 Here, when comparing the size of the database, the size of the database increases because the database related to the unit cells usually requires details such as current dependency. On the other hand, the database related to the battery pack is usually a connection configuration of unit cells of the battery pack, for example, “2S3P” (a configuration in which two parallel connections of three unit cells are connected in series, S is a series, P is The database does not increase because it includes only the values of thermal resistance, heat capacity, and other values determined by the type of (used in parallel), the battery pack case, and the like.
そのため、電池パックに関するデータベースをマイコンのデータ読み取り元であるEEPROM等のメモリに入れ、電池パックの構成を変更する毎にその電池パックに関するデータのみを更新可能とすることにより、マイコン自体の変更をすることなく、種々の電池パックに対応した容量計を構成することができるのである。 Therefore, the microcomputer itself is changed by putting a database related to the battery pack in a memory such as an EEPROM from which the microcomputer data is read, and making it possible to update only the data related to the battery pack every time the configuration of the battery pack is changed. Thus, capacity meters corresponding to various battery packs can be configured.
もちろん前述したように、素電池のデータベースを修正する値をEEPROM等に入れておき、素電池の変更にも対応することにより、更に種々の電池パックに対応した容量形を構成できるのである。 Of course, as described above, the capacity type corresponding to various battery packs can be configured by storing the value for correcting the cell database in an EEPROM or the like and responding to the change of the cell.
なお、電池温度はエントロピーを配慮して求めるとしているが、放電率対温度特性をもとに、温度上昇特性を放電特性算出に取り込んでもよいことは言うまでもない。 Na us, but the battery temperature has a determined in consideration of entropy, based on the discharge rate versus temperature characteristic, it is needless to say that may incorporate a temperature rise characteristic in discharge characteristic calculation.
更に、放電電力をパラメータとし、充電率を横軸に放電終止の最高温度を正規化すると、温度特性は略一定のパターンとなる。従って、データベースの大きさをそれほど増大することなく、放電特性が推定可能である。 Further, when the discharge power is used as a parameter and the maximum temperature at the end of discharge is normalized with the charging rate as the horizontal axis, the temperature characteristic becomes a substantially constant pattern. Therefore, the discharge characteristics can be estimated without increasing the size of the database so much.
また、一定電力で電池パックを使用した場合を想定して放電特性を推定するものとしたが、元となる使用電力値は、元々は、電池パックを装着している親機である電気機器18から通知され、それに基づいて電池のデータベースから容量計が算出するものであるが、実際の使用電力と異なる場合がある。そのため、実使用電力と通知電力が一定以上乖離した場合、実使用電力により残電力を推定することが望ましい。その場合、親機の方にその旨を通知することもまた望ましい。
In addition, the discharge characteristics are estimated on the assumption that the battery pack is used at a constant power. However, the original power consumption value is originally the
以上、算出条件や算出方法、および、低コスト化等の方法例を示したが、図12に、放電特性、及び、温度特性のカーブ例と、その特性が決定される条件を模式的に示し、以下に説明する放電特性算出処理方法の算出のポイントを更に具体的に示す。 As described above, calculation examples, calculation methods, and method examples such as cost reduction have been shown. FIG. 12 schematically shows examples of curves of discharge characteristics and temperature characteristics, and conditions for determining the characteristics. The calculation points of the discharge characteristic calculation processing method described below will be described more specifically.
算出のポイントとして、前述したように第1のポイントを求めてから、条件が大きく変動しないとの条件で、充電率が変化した第2のポイントを求める。 As a calculation point, after obtaining the first point as described above, the second point at which the charging rate has changed is obtained under the condition that the condition does not vary greatly.
今、第1のポイントが放電開始のポイントとすれば、温度としてはほぼ周囲温度Trが測定され、この場合の温度を電池温度Tcとして以下使用する。 If the first point is the discharge start point, the ambient temperature Tr is measured as the temperature, and this temperature is used as the battery temperature Tc below.
また、第1のポイントの出力電圧は、電池パックの内部抵抗と電流とによる電圧降下分V1と、親機として備えた電気機器18の負荷による電圧降下分V2との和がOCVとなる。
The sum of the voltage drop V1 due to the internal resistance and current of the battery pack and the voltage drop V2 due to the load of the
次に、ある充電率ΔQだけ変化した場合の第2のポイントでは、第1のポイントの電流が流れたとすると第2のポイントまでの時間Δtが判明するため、温度上昇分ΔTcが算出されて第2のポイントの電池温度Tcが算出される。また、電池温度Tcと電流Iが分かるので内部抵抗等が求まり、第2のポイントの電圧電流が求まる。 Next, at the second point when the charging rate ΔQ is changed, if the current at the first point flows, the time Δt until the second point is determined, and therefore the temperature increase ΔTc is calculated and the second point is calculated. The battery temperature Tc at 2 points is calculated. Further, since the battery temperature Tc and the current I are known, the internal resistance and the like are obtained, and the voltage current at the second point is obtained.
しかしこのままでは、第2のポイントの計算結果が第2のポイントに反映されないので、さらに第2のポイントの計算結果を入れ、再度第2のポイントの放電特性および温度特性の値を算出する。このようにすることによりシミュレートの精度を向上させている。 However, since the calculation result of the second point is not reflected on the second point as it is, the calculation result of the second point is further entered, and the discharge characteristic and temperature characteristic values of the second point are calculated again. By doing so, the accuracy of simulation is improved.
次に、以上のように第2ポイントが求まったら、これを新たな第1のポイントとし、前述の第1ポイントから第2ポイントを求めたのと同様に、新たな第2ポイントの状態を算出する。これを続行することにより、放電特性と温度特性のカーブを求めることが出来る。最終的には、放電電圧が予め決めた放電終止電圧Vt以下になるまで続行することにより、全体の放電特性が求められる。 Next, when the second point is obtained as described above, this is used as the new first point, and the state of the new second point is calculated in the same manner as the second point is obtained from the first point described above. To do. By continuing this process, it is possible to obtain a curve of discharge characteristics and temperature characteristics. Finally, the entire discharge characteristics are obtained by continuing until the discharge voltage becomes equal to or lower than the predetermined discharge end voltage Vt.
なお、内部抵抗として電池内部の電荷移動抵抗r等を元に説明していたが、電池パックとしては、内部配線抵抗等があるのでそれを含めて抵抗分の電圧降下とする必要がある。さらには、電池パック構成のデータベースを元に抵抗分を求める必要がある。 Although the description has been made based on the charge transfer resistance r inside the battery as the internal resistance, the battery pack has an internal wiring resistance and the like, and it is necessary to make a voltage drop corresponding to the resistance including that. Furthermore, it is necessary to obtain the resistance component based on the battery pack configuration database.
例えば、2S1Pの場合、電池内部抵抗は素電池一本分の2倍の抵抗となり、また、OCV特性としては2倍の値となるので、電池パック構成により適時変更して算出する必要があることは言うまでも無い。さらには、2S3Pの場合は、抵抗分としては素電池2×1/3=2/3本分となり、OCV特性としては素電池2本分となる。 For example, in the case of 2S1P, the internal resistance of the battery is twice the resistance of one unit cell, and the OCV characteristic is twice the value. Therefore, it is necessary to change the timely calculation according to the battery pack configuration. Needless to say. Furthermore, in the case of 2S3P, the resistance is equivalent to 2 × 1/3 = 2/3 cells, and the OCV characteristic is equivalent to two cells.
従って、電池パックのデータベースとして、回路抵抗rcを測定しておき、それと素電池の接続構成から求まる電池内部抵抗分とを加算したものを抵抗分とし、OCV特性としては直列接続の電池分とすればよい。そして、この変換式自体は素電池の組み合わせデータを元に簡単に処理できるので、予めマイコンのソフト内に組み入れておけばどのような電池パックにも対応できる。 Therefore, the circuit resistance rc is measured as a database of battery packs, and is added to the internal resistance of the battery obtained from the connection configuration of the unit cells as the resistance, and the OCV characteristic is the battery connected in series. That's fine. Since this conversion formula itself can be easily processed based on the combination data of the unit cells, any battery pack can be supported if it is incorporated in the software of the microcomputer in advance.
このような場合の構成方法の例を図1に示しておく。同図では、素電池のデータベース6と電池パックのデータベース4を有し、電池パックのデータベース等をEEPROMの様な書き換え可能なメモリに収納することにより電池パックの仕様変更に柔軟に対応できる。
An example of a configuration method in such a case is shown in FIG. In the figure, a
次に、図13〜図15に放電特性を求める処理方法を表す流れ図を示し、図12を用いて更に具体的に以下説明する。図13は放電中における全体の流れを示す流れ図、図14は図13中における第1のステップAを求める流れ図、図15は図13中における第2のステップBを求める流れ図である。 Next, FIG. 13 to FIG. 15 are flowcharts showing processing methods for obtaining the discharge characteristics, which will be described more specifically with reference to FIG. 13 is a flowchart showing the overall flow during discharge, FIG. 14 is a flowchart for obtaining the first step A in FIG. 13, and FIG. 15 is a flowchart for obtaining the second step B in FIG.
図13で放電を開始すると、先ず、放電開始時点における充電率Q1と、電気機器18から通知される使用電力Wが検出され、更に充電率Q1の値とデータベース中のデータからその充電率Q1に対応するOVCが導出されたあと、第1ポイントにおける電流値の算出工程に入る。
When discharging is started in FIG. 13, first, the charging rate Q1 at the time of starting discharging and the used power W notified from the
図14で示す第1ポイントの演算工程は、放電開始でどのような素子値や電流値になるか不明の場合の算出方法を示しており、先ずは、充電率からOCVを求め、それが直接電流を決めるとして、以下の条件設定を行う。 The calculation process of the first point shown in FIG. 14 shows a calculation method when it is unclear what element value or current value will be at the start of discharge. First, the OCV is obtained from the charging rate, The following conditions are set to determine the current.
すなわち、放電を開始すると、使用電力WおよびOCVの値のみから決まる暫定的な第1の電流が、「W/OCV」により算出される。また、放電開始時における電池温度Tcは周囲温度Trに略等しいと仮定し、第1の電流とQ1の値から、推定用のデータベースを利用して第1の素子値を導出する。 That is, when the discharge is started, the provisional first current determined only from the values of the used power W and the OCV is calculated by “W / OCV”. Further, assuming that the battery temperature Tc at the start of discharge is substantially equal to the ambient temperature Tr, the first element value is derived from the first current and the value of Q1 using an estimation database.
ここで、電流Iが決まるとデータベースから素子値が導出され、素子値が決まると、W=I×(OCV−I×素子値)の関係から電流が算出される関係があるので、素子値の導出と、導出された素子値を用いた電流の算出とを複数回(ここでは2回)繰り返し行って電流の補正を行うことにより、第1ポイントにおける電流I1が推定される。 Here, when the current I is determined, the element value is derived from the database. When the element value is determined, the current is calculated from the relationship W = I × (OCV−I × element value). The current I1 at the first point is estimated by repeating the derivation and the calculation of the current using the derived element value a plurality of times (here, twice) to correct the current.
上記の様にして、放電開始時点である第1のポイントにおける電流I1が推定されると、図15に入り、一定充電率ΔQだけ充電率が減少した第2ポイントにおける電流値I2の推定工程が実行される。 As described above, when the current I1 at the first point which is the discharge start time is estimated, the process of estimating the current value I2 at the second point where the charging rate is decreased by the constant charging rate ΔQ is entered in FIG. Executed.
ここで、第2ポイントではまだ電流等が不明であるため、先ずは第1ポイントの電流I1が継続すると仮定して、到達時間及び温度を求める。なお、充電率Qが微小量ΔQだけ変化するのに要する到達時間Δtは「ΔQ×満充電量/I1」であるから、ΔQの充電率変化で上昇する温度変化量ΔTcはΔt・(Qp+Qs+Qb)/Cとなり、これによって第2ポイントでの電池温度Tcが求まる。 Here, since the current and the like are still unknown at the second point, first, the arrival time and temperature are obtained on the assumption that the current I1 at the first point continues. Since the arrival time Δt required for the charge rate Q to change by a minute amount ΔQ is “ΔQ × full charge amount / I1”, the temperature change amount ΔTc that increases as the charge rate changes by ΔQ is Δt · (Qp + Qs + Qb). / C, thereby obtaining the battery temperature Tc at the second point.
更に、電池温度Tcが判明するとデータベースから素子値が導出され、その導出された素子値を利用して電流を再計算することにより、より正確な第2ポイントの電流I2’が算出される。 Further, when the battery temperature Tc is found, an element value is derived from the database, and the current is recalculated using the derived element value, whereby a more accurate second point current I2 'is calculated.
第1ポイントの電流I1と第2ポイントの電流I2’が求まると、第2ポイントまではその平均の電流「(I1+I2’)/2」が流れると仮定して、その平均電流から第2ポイントの到達時間と到達温度を再計算する。 When the current I1 at the first point and the current I2 ′ at the second point are obtained, it is assumed that the average current “(I1 + I2 ′) / 2” flows up to the second point. Recalculate the arrival time and temperature.
更に、この再計算から算出された温度を使用して第2ポイントの電流I2を求めることにより、第2ポイントの状態を算出したとして第2ポイントの演算を終了する。すなわち、1回目の計算では、第1ポイントの電流が第2ポイントまで持続するものと仮定して第2ポイントの電流を算出し、2回目の計算では第1ポイントと算出された第2ポイントの平均電流が持続するものと仮定して第2ポイントにおける電流値の補正を行っている。 Further, the second point current I2 is obtained by using the temperature calculated from the recalculation, and the second point state is calculated and the second point operation is terminated. That is, in the first calculation, the current of the second point is calculated on the assumption that the current of the first point lasts up to the second point, and in the second calculation, the current of the second point calculated as the first point is calculated. The current value at the second point is corrected assuming that the average current is sustained.
以下、この第2ポイントの電流I2を第1ポイントの電流I1に置き換えてさらに次のポイントの電流を算出していく。これを、出力電圧が終止電圧Vt以下になるまで続行し、全体の放電特性を求めるのである。 Thereafter, the current I2 at the second point is replaced with the current I1 at the first point, and the current at the next point is calculated. This is continued until the output voltage becomes equal to or lower than the final voltage Vt, and the overall discharge characteristics are obtained.
ここで、上記した説明において電流のみをあげてきたが、電流が求まると電圧が直ちに求まるため、その説明を省略している。 Here, only the current has been described in the above description. However, since the voltage is obtained immediately when the current is obtained, the explanation is omitted.
以上、算出方法の一例を示したが、第2ステップで最終的に求まった電流を再度平均電流に戻して演算をすることにより精度を向上させる等も可能であることは言うまでも無い。 Although an example of the calculation method has been described above, it is needless to say that the accuracy can be improved by returning the current finally obtained in the second step to the average current and performing the calculation.
また、電池パックに関するデータベース等によりOCVや抵抗を電池接続状態により変更することや、回路の配線抵抗等を含めて抵抗を求めることは勿論であるが、さらにAV機器等の負荷となる親機の挙動を含めて算出し、放電特性精度を向上させることもできる。 Moreover, it is of course possible to change the OCV and resistance according to the battery connection state using a database related to the battery pack, and to obtain the resistance including the wiring resistance of the circuit. It is also possible to improve the discharge characteristic accuracy by calculating including the behavior.
それは、残量推定精度向上のためには、親機として備えた電気機器18の電源の効率も重要な要素となってくることである。例えば、親機の電源の構成がDDコンバータの場合、入力電圧によりDDコンバータの変換効率が異なってくるので、残電力算出の場合にDDコンバータの変換効率を加味して残電力算出を行えばさらに残時間推定精度が向上する。すなわち、放電特性算出の場合の使用電力として変換効率を含めた使用電力を求めて、これを放電特性算出に使用する。
That is, in order to improve the remaining amount estimation accuracy, the efficiency of the power source of the
通常、DDコンバータの入力電圧に依存するので、電圧対変換効率のデータベースを設けて、残電力推定の際に、目標使用電力に変換効率を加味し、目標使用電力の大きさを変更して放電特性曲線を推定する。 Usually, since it depends on the input voltage of the DD converter, a voltage vs. conversion efficiency database is provided, and when estimating the remaining power, the conversion efficiency is added to the target power consumption, and the target power consumption is changed in magnitude. Estimate the characteristic curve.
この場合、電源の変換効率は、親機から容量推定処理にデータベースとして渡すのが望ましく、データベース自体としては、電圧とその場合の変換効率とのペアのデータを、使用電圧範囲内で数ポイント分備えることが望ましい。データベースとしては、例えば、電池パックと親機の場合では、バッテリの使用開始前に通信で渡してもよい。このような場合は、通信の仕様を決めておけば容易に実現出来ることは言うまでも無いが、残量推定の前までにこれらの変換効率のデータを用意しておく必要があることは言うまでも無い。従って、電池パックとペアで使用する場合、予め、電池パック内の容量計のEEPROM等に書き込んでおいてもよい。または、電池パックのEEPROMに親機が自らデータベースを書き込んでも良い。 In this case, it is desirable that the conversion efficiency of the power supply is passed from the master unit to the capacity estimation process as a database. As the database itself, the data of a pair of the voltage and the conversion efficiency in that case is several points within the operating voltage range. It is desirable to provide. As the database, for example, in the case of a battery pack and a parent device, the database may be passed by communication before the start of battery use. In such a case, it goes without saying that it can be easily realized if the communication specifications are determined, but it is necessary to prepare these conversion efficiency data before estimating the remaining amount. Not even. Therefore, when used as a pair with the battery pack, it may be written in advance in an EEPROM of a capacity meter in the battery pack. Alternatively, the parent device may write its own database in the EEPROM of the battery pack.
なお、さらに演算を繰り返すことによりシミュレーションの精度を向上させることが可能かと思われるが、演算量、演算時間、演算パワーと算出結果の精度から決める必要がある。実際の電池データからの演算結果は図14および図15に示す本方法でも十分な精度を有することを確認している。 Although it seems that it is possible to improve the accuracy of the simulation by repeating the calculation, it is necessary to determine the calculation amount, the calculation time, the calculation power, and the accuracy of the calculation result. It has been confirmed that the calculation results from the actual battery data have sufficient accuracy even in the present method shown in FIGS.
また、電池パックのデータベース4として電池構成や内部抵抗等を含める必要があるが、さらに、素電池自体の変更に対する対応も可能なように構成できる。それは、素電池の放電特性曲線自体、電極材料にほぼ依存するので、電池の大きさを変更しても、OCV等はほぼ同じであり、電極面積等が変化することによる電荷移動抵抗r等の値の変化が生じる程度であり、挙動は類似している。その為、素電池のデータベース6において、各素子値を修正するデータをEEPROM等に記録させ、素電池の変化に対しても対応するように構成できる。
In addition, the
従って、このようなデータベースを有することにより、電池パックの構成や素電池それ自体の変更に対しても柔軟に対応可能な残量推定方法や装置が構築できる。このデータを図1に示す構成の例えばEEPROM等で構成される電池パックのデータベース4に含めておけばよいことは言うまでも無い。
Therefore, by having such a database, it is possible to construct a remaining amount estimation method and apparatus that can flexibly cope with changes in the configuration of the battery pack and the unit cell itself. Needless to say, this data may be included in the
なお、放電特性推定においては、周囲温度Trからの上昇により電池温度Tcを推定し放電特性推定の精度を向上させるが、この場合、周囲温度Trとしては、放電が停止されて長時間経過したあとの温度であると推定される放電開始前の電池温度Tcを周囲温度Trとして求めておき、その後の温度上昇を推定する。 In the discharge characteristic estimation, the battery temperature Tc is estimated from the rise from the ambient temperature Tr to improve the accuracy of the discharge characteristic estimation. In this case, the ambient temperature Tr is used after the discharge is stopped for a long time. The battery temperature Tc before the start of discharge, which is estimated to be the temperature, is obtained as the ambient temperature Tr, and the subsequent temperature rise is estimated.
しかしながら、周囲温度Trは一定の条件で使用されることは稀であり、その周囲温度Trが変化した場合には、上記の方法を利用して推定した電池温度と実測した電池温度との間に誤差が発生する。そこで現在の電池温度Tcの実測値と推定値の差から、逆に周囲温度Trの変化を推定することができる。そして、周囲温度Trの変化が推定されると、その変化した周囲温度を利用して放電特性の推定に利用することにより、周囲温度変化に対応した残量推定が可能となる。 However, the ambient temperature Tr is rarely used under a certain condition, and when the ambient temperature Tr changes, the battery temperature estimated using the above method is between the battery temperature actually measured and the actually measured battery temperature. An error occurs. Therefore, on the contrary, the change in the ambient temperature Tr can be estimated from the difference between the measured value and the estimated value of the current battery temperature Tc. When the change in the ambient temperature Tr is estimated, the remaining amount can be estimated corresponding to the change in the ambient temperature by using the changed ambient temperature to estimate the discharge characteristics.
具体的には、推定開始条件下で放電特性算出を開始し、開始時点と現在との2点における電池温度Tcと充電率を測定する一方、放電の開始時点において推定した現在の充電率での電池温度Tcを演算により推定する。そして、測定した電池温度と推定した電池温度との差が設定値を超えて大なら、周囲温度Trが変化したものと推定し、周囲温度Trを以下の推定値に修正するのである。 Specifically, the discharge characteristic calculation is started under the estimation start condition, and the battery temperature Tc and the charge rate at the two points of the start time and the current time are measured, while the current charge rate estimated at the start time of the discharge is measured. The battery temperature Tc is estimated by calculation. If the difference between the measured battery temperature and the estimated battery temperature exceeds the set value and is large, it is estimated that the ambient temperature Tr has changed, and the ambient temperature Tr is corrected to the following estimated value.
ここで、周囲温度の推定値を算出する式の例を示す。これは、放電開始から求めた現在の推定の電池温度(修正前の現在の電池温度推定値)と、現在の実測の電池温度(現在の電池温度)の差(修正前の電池温度誤差)が、元々測定して退避しておいた修正前の周囲温度(修正前の周囲温度)と、現在の実際の周囲温度(周囲温度推定値)との差に対応しているとして、修正前の周囲温度に修正前の電温度誤差を加算して、先ずは修正したと想定した周囲温度(修正後の周囲温度)を求めおく。次に、この修正後の周囲温度を元に再度現在の電池温度を推定(修正後の現在の電池温度推定値)を求め、これらの値から最終的な周囲温度を算出する。最終的な周囲温度は、(修正後の周囲温度−修正前の周囲温度)・(現在の電池温度−修正前の現在の電池温度推定値)/(修正後の現在の電池温度推定値−修正前の現在の電池温度推定値)+修正前の周囲温度から求めることができる。 Here, an example of an equation for calculating the estimated value of the ambient temperature is shown. This is the difference between the current estimated battery temperature (current battery temperature estimate before correction) obtained from the start of discharge and the current measured battery temperature (current battery temperature) (battery temperature error before correction). It is assumed that the ambient temperature before correction (ambient temperature before correction), which was originally measured and saved, corresponds to the difference between the current actual ambient temperature (estimated ambient temperature) and the ambient temperature before correction. The electric temperature error before correction is added to the temperature, and first, the ambient temperature assumed to have been corrected (ambient temperature after correction) is obtained. Next, the current battery temperature is estimated again (corrected current battery temperature estimated value) based on the corrected ambient temperature, and the final ambient temperature is calculated from these values. The final ambient temperature is: (Ambient temperature after correction-Ambient temperature before correction)-(Current battery temperature-Current battery temperature estimate before correction) / (Current battery temperature estimate after correction-Correction) (Previously estimated current battery temperature) + ambient temperature before correction.
なお、データベース構築にあたり、図8に示すようなステップ応答や、図19に示すような周波数応答で、電池内部の抵抗成分の値を測定することを説明したが、これに限るものではないことは言うまでも無い。 In the database construction, the step response as shown in FIG. 8 and the frequency response as shown in FIG. 19 are described to measure the value of the resistance component inside the battery. However, the present invention is not limited to this. Needless to say.
例えば、A/D変換機の電圧検出精度が低い場合、A/D変換値を多数回測定し、その平均値を取ることにより高精度の電圧測定を行い素子値の検出精度を向上させることが可能である。 For example, when the voltage detection accuracy of the A / D converter is low, the A / D conversion value is measured many times, and the average value thereof is taken to perform high-accuracy voltage measurement to improve the detection accuracy of the element value. Is possible.
この場合、電荷移動抵抗rの応答が速いので、図8のステップ応答を行う回路において、短いパルス、たとえば、μ秒オーダーの矩形波を出力させ、この応答波形のオン状態とオフ状態の電圧を多数回サンプリングして測定の分解能を向上させて素子値の検出精度を向上させても良い。 In this case, since the response of the charge transfer resistance r is fast, a short pulse, for example, a square wave on the order of μ seconds is output in the circuit that performs the step response in FIG. 8, and the on-state and off-state voltages of the response waveform are output. It is possible to improve the resolution of measurement by sampling many times to improve the detection accuracy of element values.
さらに、電荷移動抵抗rでは電圧変化が緩慢なため、通電前の電圧測定と通電中の電圧測定回数を増加させ測定の分解能を向上させることもできる。この方法は、A/D変換精度の低いマイコン等において有効であることは言うまでも無い。 Furthermore, since the voltage change is slow in the charge transfer resistor r, the measurement resolution can be improved by increasing the voltage measurement before energization and the number of voltage measurements during energization. Needless to say, this method is effective in a microcomputer having low A / D conversion accuracy.
さらには、実際のAV機器の使用に際しては、ステップ応答的な変化をすることがあり、この場合の応答から素子値を求めることも可能である。また、このように電流が変化する場合に、電流と電圧変化とその場合の時間経過から内部抵抗を求めることも可能である。 Furthermore, when an actual AV device is used, the step response may be changed, and the element value can be obtained from the response in this case. Further, when the current changes in this way, it is also possible to obtain the internal resistance from the change in current and voltage and the passage of time in that case.
この場合、一定時間、例えば10秒間の前後の電圧電流変化から、10秒の応答に対する抵抗成分を求めこれを電荷移動抵抗rとして求めるものであり、さらに、多数の時間応答に対する抵抗成分を求めることにより、応答時間が短い場合の抵抗成分は溶液抵抗Rとして評価するものである。これは、抵抗成分の周波数分析に対応しており、演算パワー等に余裕がある場合には有効な手段となることはいうまでもない。 In this case, a resistance component with respect to a response of 10 seconds is obtained from a voltage / current change before and after a certain time, for example, 10 seconds, and this is obtained as a charge transfer resistance r, and further, resistance components with respect to many time responses are obtained. Therefore, the resistance component when the response time is short is evaluated as the solution resistance R. This corresponds to the frequency analysis of the resistance component, and it goes without saying that it becomes an effective means when there is a margin in the calculation power and the like.
以上、電池残量の推定方法について記載したが、その残量推定における推定値全体の修正も可能であるので、以下、その詳細な説明をする。 Although the battery remaining amount estimation method has been described above, the entire estimated value in the remaining amount estimation can be corrected. Therefore, a detailed description thereof will be given below.
二次電池12の放電が経過するにつれて、推定の残電力量と実測の電力量(電力積算値)が変化していくが、放電中の2つのポイントに着目し、2つのポイントでの推定の残電力量の変化分と、実測の残電力量との変化分とを求める。この場合、双方の変化分が等しければ、放電途中がどうあれ、推定していた値の変化と、その間の実測値変化とがよく一致していることとなり、推定値と実測値がよく一致していた一つの証明と考えられる。
As the discharge of the
この2つが異なっていた場合、推定値と実測値が異なることとなり、推定値の この2つが異なっていた場合、推定値と実測値が異なることとなり、推定値の精度が低いこととなる。そこで、係数Kとして、前回の実測値の差分=K×前回の推定値の差分、となる関係式を定義すると、推定値が正しい場合には、K=1となる。ただし、実際にはK=前回の実測値の差分/前回の推定値の差分≒1である。 If the two are different, the estimated value and the measured value are different. If the two estimated values are different, the estimated value and the measured value are different, and the accuracy of the estimated value is low. Therefore, if a relational expression is defined as the coefficient K, the difference between the previous measured value = K × the difference between the previous estimated values, K = 1 when the estimated value is correct. However, in practice, K = difference between previous measured values / difference between previous estimated values≈1.
従って、残量推定アルゴリズムの変更がなく、同様に推定を繰り返すとすると、「今回の実測値の差分=K×今回の推定値の差分」となることが予想される。すなわち、今回の放電で得られるであろう、今回の実測値の差分と今回の推定値の差分は一致しないと予想される。 Accordingly, if there is no change in the remaining amount estimation algorithm and the estimation is repeated in the same manner, it is expected that “difference in current measured value = K × difference in current estimated value”. That is, it is expected that the difference between the current measured value and the difference between the current estimated value that would be obtained by the current discharge do not match.
そこで、「今回の実測値の差分=修正した今回の推定値の差分=K×今回の推定値の差分=(前回の実測値の差分/前回の推定値の差分)×今回の推定値の差分」として、推定値の差分を修正することが可能である。 Therefore, “difference of current measured value = difference of corrected estimated value = K × difference of current estimated value = (difference of previous measured value / difference of previous estimated value) × difference of current estimated value ", It is possible to correct the difference between the estimated values.
従って、今、差分として、満充電から放電終止までとすると、「修正した今回の推定値=(前回の実測値の差分/前回の推定値の差分)×今回の推定値」が、期待でき、推定精度が向上することとなる。 Therefore, now, as a difference, from full charge to the end of discharge, “corrected current estimated value = (difference of previous measured value / difference of previous estimated value) × current estimated value” can be expected, The estimation accuracy will be improved.
実際には、第1ポイントを放電開始のポイントとし、その場合の推定値及び電力積算値を記録し、第2ポイントを放電終了のポイントとし、その場合の推定値及び電力積算値を記録し、このように得られた4つのデータから、係数Kを算出し、次回の残量推定値を修正することによって、より正しい残量推定値が学習効果として得られる。 Actually, the first point is the discharge start point, the estimated value and the power integrated value in that case are recorded, the second point is the discharge end point, and the estimated value and the power integrated value in that case are recorded, By calculating the coefficient K from the four data thus obtained and correcting the next remaining amount estimated value, a more accurate remaining amount estimated value can be obtained as a learning effect.
なお、これは、放電条件が同一とした場合によい結果を期待できる。そのため、放電条件が前回と異なっている場合、係数を1に近づける等の対策を施すことにより、さまざまな場合で残量推定精度が高い残量検出方法が得られることとなることは言うまでもない。 In addition, this can expect a good result when discharge conditions are the same. Therefore, when the discharge condition is different from the previous time, it is needless to say that a remaining amount detection method with high remaining amount estimation accuracy can be obtained in various cases by taking measures such as bringing the coefficient closer to 1.
以下、図16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詳細な説明を省略する。
Hereinafter, based on the example shown in FIG. 16, a battery in which a battery
また電池パック16は、AV機器やパソコン装置あるいは携帯電話などの各種電気機器18に装着され、双方向通信が可能な電気機器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。
The
電池パック16内に収納される二次電池12は、複数個の素電池を直列あるいは並列に接続することにより、電池パックとして要求される容量および出力電圧が達成される様に構成している。
The
更に、素電池における素子値やOCV特性等のデータベース6に加えて、素電池の構成あるいは温度パラメータ等のパック状態の違いが判別できる電池パックデータベース4を個別に備えている。
Further, in addition to the
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。
Here, the battery protection unit 14 includes a
すなわち、保護回路26は例えばオペアンプ或いはコンパレータ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。 That is, the protection circuit 26 includes a comparator composed of, for example, an operational amplifier or a comparator and a reference voltage, and can be operated only by hardware without using computer software, thereby suppressing the occurrence of malfunction as much as possible and improving safety. It is increasing.
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、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。
Then, the battery voltage of the
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データベース2を参照しながら、測定値が演算されるなどして全体の動作がソフトウェア的に制御されるものである。
The battery
ここで外部回路群28は、二次電池12の電池温度Tc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。
Here, the
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。
The
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OCVの測定に使用される。
The
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。
The current detection circuit 36 converts the voltage value generated at both ends of the
負荷回路38は、図8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8(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。
The
以下において、図17および図18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。
Hereinafter, the operation procedure of the
先ずEEPROMの様な所定の記憶手段上には、素電池データベース6として、図2に例示する素電池のOCV特性に加えて、標準状態における二次電池の図6に例示する放電特性および図9に例示する各素子値が予め測定され、通常の制御時における初期値としてデータベース化されて記憶されている。
First, on a predetermined storage means such as an EEPROM, as the
ここで、データベースとして記憶するOCV特性データとしては、充電率の算出用と残量算出用とに少なくとも2種類備えている。すなわち、素電池について実際に測定したOCV特性は図2の様な滑らかな曲線ではなく、図21(a)において破線で示す様なショルダー(変曲点)を有することが一般的である。そこで、OCV特性をそのまま利用する充電率の推定時には、測定値をそのままデータベース化した第1のOCV特性を忠実に再現したデータベースを用意することにより、充電率を推定する際の誤差を最少限に抑制する。 Here, the OCV characteristic data stored as a database, and includes at least two kinds and for the remaining amount calculation for calculating the charging rate. That is, the OCV characteristic actually measured for the unit cell generally has a shoulder (inflection point) as shown by a broken line in FIG. 21A, not a smooth curve as shown in FIG. Therefore, when estimating the charging rate using the OCV characteristics as they are, by preparing a database that faithfully reproduces the first OCV characteristics in which the measured values are converted into a database, the error in estimating the charging rate is minimized. Suppress.
一方、放電特性の推定時には、図21(a)に示す実際の測定値におけるショルダー部分などの凹凸を滑らかにして図21(b)の実線で示す様な曲線とし、その曲線をデータベース化した第2のOCV特性を用意する。そして、この第2のOCV特性に基づき、R・r・Zw等の各素子値がデータベース化される結果、素子値の変化具合が抑制され、データベース化した際のデータ量を減少させることを可能としている。 On the other hand, when estimating the discharge characteristics, unevenness such as a shoulder portion in the actual measurement value shown in FIG. 21A is smoothed to obtain a curve as shown by a solid line in FIG. 2 OCV characteristics are prepared. Based on this second OCV characteristic, the element values such as R, r, and Zw are made into a database. As a result, the change of the element values is suppressed, and the data amount when making the database can be reduced. It is said.
また、電池パックデータベース4としては、素電池の直列あるいは並列状態の構成あるいは温度パラメータ等のパック状態の違いが判別できるデータが記憶されている。そして、素電池および電池パックのデータベースを含む推定用データベース2から、組電池としての各種データが導出あるいは算出される様にしている。
Further, the
そこで図17のステップST1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ST2からの電池容量検出工程に入る。 Therefore, in step ST1 of FIG. 17, after performing predetermined initial setting based on the above-described initial value, the battery capacity detection process from step ST2 is entered.
図17のステップST2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ST6で放置中か否かが、ステップST3で放電中か否かが、ステップST4で充電中か否かが、更にステップST5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18に示す各処理動作が行われる。
In step ST2 of FIG. 17, it is determined whether or not the
ここでステップST2の判定が休止中であれば、ステップST21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る毎に図18(a)に示すOCVの検出工程に入る。しかし、図17のステップST6で24時間以上経過したことが判定されると放置中と判断して、例えばステップ61で24時間の経過が判定される毎に、ステップ62に移って放置中における残量補正工程が行われる。
Here, if the determination in step ST2 is paused, the process moves to step ST21, and it is determined whether the set time of 30 minutes, 2 hours, 4 hours, or 8 hours has elapsed since the start of the sleep state. Then, the OCV detection process shown in FIG. However, if it is determined in step ST6 in FIG. 17 that 24 hours or more have elapsed, it is determined that the device is left unattended. For example, every time it is determined in
図18(a)に示すOCVの検出工程は、ステップST22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ST23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ST24に移って図5に示すOCV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。
In the OCV detection step shown in FIG. 18A, the terminal voltage of the
図17のステップST62で行われる放置中における残量補正工程は、例えば24時間等の所定の長時間が経過する毎に実施されるものであって、かかる段階にあってはOCVの値も安定しているので、前記した様な推測によるのではなくOCVを実測し、その実測値と第1のOCV特性に基づいて現在の充電率を決定するとともに、検出されたOCVの変化に応じて満充電容量を補正する。 The remaining amount correction process during standing performed in step ST62 in FIG. 17 is performed each time a predetermined long period of time such as 24 hours elapses. In this stage, the OCV value is also stable. Therefore, the OCV is actually measured, not based on the above-described estimation, and the current charging rate is determined based on the actually measured value and the first OCV characteristic, and the OCV is satisfied according to the detected OCV change. Correct the charge capacity.
ここで長時間の放置中にあっては、図22(a)に例示するごとく、例えば充電率が50%かそれ以下であれば電池温度Tcの大小に拘らず満充電容量の減少は殆ど認められないが、電池温度Tcが30℃を超えると、図22(b)あるいは(c)のごとく、放置中の充電率が大きくなるほど満充電容量の減少が大きくなる傾向にある。 If the battery is left for a long time, as shown in FIG. 22A, for example, if the charging rate is 50% or less, a decrease in the full charge capacity is almost recognized regardless of the battery temperature Tc. However, when the battery temperature Tc exceeds 30 ° C., as shown in FIG. 22 (b) or (c), the decrease in the full charge capacity tends to increase as the charging rate during standing increases.
そこで、図22に示す関係により、例えば10%毎の各充電率について温度と時間経過に伴う充電率変化に対する満充電容量の変化を示す補正量の補正データベースを予め作成し、記憶させておく。そして、上記の様にしてOCVを測定し充電率を求めると同時に平均放置温度を検出し、前記補正データベースを利用して満充電容量の減少量を推定し、必要な補正を行うのである。 Therefore, a correction amount correction database indicating a change in full charge capacity with respect to a change in charge rate with the passage of time and temperature is created and stored in advance for each charge rate, for example, every 10%, according to the relationship shown in FIG. Then, as described above, the OCV is measured to determine the charging rate, and at the same time, the average standing temperature is detected, the amount of decrease in the full charge capacity is estimated using the correction database, and necessary correction is performed.
更に、充電率の測定と同時に溶液抵抗Rと電荷移動抵抗rの値も測定することによって、より正確に満充電容量を補正可能となるが、充電率の変化が一定値を超えた場合にのみ測定を行わせることにより、電池の消費電力を抑制することとなって好ましい。 Furthermore, the full charge capacity can be corrected more accurately by measuring the value of the solution resistance R and the charge transfer resistance r simultaneously with the measurement of the charge rate, but only when the change in the charge rate exceeds a certain value. By performing the measurement, the power consumption of the battery is preferably suppressed.
次に、図17のステップST3において放電中であることが判定されると、図18(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ST31において放電電流値が、ステップST32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9に示す素子値を補正することにより、ステップST33において図7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ST34において残時間を推定する。
Next, when it is determined in step ST3 in FIG. 17 that discharging is in progress, the process proceeds to the discharging process in FIG. In such a discharge treatment process, after the discharge current value is measured in step ST31 and the ambient temperature of the
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ST35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ST36に移る。 In addition, the current charging rate is calculated by integrating the charging rate calculated from the previously measured charging rate from the measured discharge current in step ST35, and then the process proceeds to the next step ST36.
ステップST36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ST37において電池保護部14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。
In step ST36, it is determined whether or not the battery voltage is lower than a preset minimum voltage. If it is determined that the battery voltage is lower, the switching
なお、上記した残容量の推測は、一定電力で放電する場合を想定したものである。しかしながら、サージ電流が流れる機会が多い機器に適用する場合にあっては、サージ電流が流れても機器がシャットダウンを起こさせない仕組みが必要である。 In addition, the above estimation of the remaining capacity assumes a case of discharging at a constant power. However, in the case of application to a device where there is a large opportunity for surge current to flow, a mechanism that does not cause the device to shut down even if surge current flows is necessary.
そこで、サージ電流が検出された場合あるいはサージ電流が予め予想される場合にあっては、図23において太線で示す様な内部抵抗や分極のみを考慮した一定電力での放電特性に対し、図23において一点鎖線で示すごとく、電池の内部抵抗や回路抵抗にサージ電流を掛けて算出した電圧降下を見込んだ放電特性を算出し、そのサージによる放電特性がシャットダウン電圧Vtを超えて低下する時点までの残時間を推定することにより、余裕を持たせた残量推定が行われる。サージによる影響は電池が劣化した場合により大きく、有効な手段となる。 Therefore, when a surge current is detected or when a surge current is predicted in advance, the discharge characteristics at a constant power considering only the internal resistance and polarization as shown by the thick line in FIG. As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 5, the discharge characteristic is calculated by taking into account the voltage drop calculated by multiplying the internal resistance and circuit resistance of the battery by the surge current, and until the point when the discharge characteristic due to the surge decreases beyond the shutdown voltage Vt. By estimating the remaining time, remaining amount estimation with a margin is performed. The effect of surge is greater when the battery is deteriorated, and is an effective means.
なお、サージ電流の様に実際に電圧が大きく低下する場合に限らず、特に動作中に電池残量の不足状態が発生することを極力避ける必要がある機器にあっては、動作状態を想定して残量の一部を予め保険として確保しておき、その残りの残量を上記した残量推定で通知することもできる。 Note that this is not limited to cases where the voltage actually drops significantly, such as surge currents, and especially for equipment that needs to avoid battery shortage during operation as much as possible. Thus, a part of the remaining amount can be secured in advance as insurance, and the remaining remaining amount can be notified by the above remaining amount estimation.
更に、終止電圧Vtを設定し、その電圧Vtを下回るまでの時間を残時間として通知する様に構成したがそれに限らず、上記した放電時における電流や電池温度の推定機能を利用し、電池に流す最大電流や最大上昇可能温度を予め設定し、演算により推定された電流や電池温度がその設定値を超える時点を機器の終止条件とすることも可能である。 Furthermore, to set the final stop voltage Vt, was constructed so as to notify the time to below its voltage Vt as a remaining time is not limited to, using the estimating function of the current and the battery temperature during discharge as described above, battery It is also possible to preset the maximum current to flow through and the maximum temperature that can be increased, and to set the end point of the device when the current estimated by the calculation and the battery temperature exceed the set values.
更に、図18(b)におけるステップST38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8に示す方法および負荷回路38を用いて、二次電池12の素子値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。
Further, in step ST38 in FIG. 18B, it is determined whether or not the discharge has ended. If the discharge has ended, the method and
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および拡散抵抗Zw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。 The learning processing operation stores the solution resistance R, charge transfer resistance r and diffusion resistance Zw measured or calculated as described above together with the charging rate, while correcting the current dependency, correcting the temperature coefficient, and correcting the charging rate. And comparison processing with similar numerical values stored in the past.
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。 If the numerical value compared here is within a certain range, the new numerical value is used instead of the past numerical value, but if it is out of the range, the value is only saved without being used. .
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。 When it is determined that the value measured at the next time is within a certain range from the previous time, the previous and current values are averaged and used, and the data after the previous time are stored.
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。 Conversely, when the next measured value is also out of the range, it is determined that the deterioration has rapidly progressed in a high temperature state, and the value is used for use and the previous data is discarded.
なお、携帯電話機の様に、待機中も微小であるが間欠的に動作してパルス状に駆動電流が流れる場合にあっては、放電電流値を正確に測定することもOCVを測定することも何れも難しい。この場合にあっては、電流がオフ時における電圧を断続的に検出し、図24において破線で示す包絡線を求め、その包絡線が低下しつつOCVに漸近することを利用して、電流がオフと仮定した場合の最終到達電圧を推測することにより、結果的にOCVを推測可能とするのである。 If the drive current flows in a pulsating manner even though it is very small during standby, like a mobile phone, the discharge current value can be measured accurately or the OCV can be measured. Both are difficult. In this case, the voltage when the current is off is intermittently detected, the envelope indicated by the broken line in FIG. 24 is obtained, and the current is obtained by using the fact that the envelope gradually decreases and approaches the OCV. As a result, it is possible to estimate the OCV by estimating the final voltage when it is assumed to be off.
次に、図17のステップST4で充電中であることが判定されると、図18(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ST41において充電電流を測定するとともに、ステップST42に移って充電率の算出が行われる。 Next, when it is determined in step ST4 of FIG. 17 that charging is in progress, the charging process shown in FIG. In this process, the charging current is measured in step ST41, and the process proceeds to step ST42 to calculate the charging rate.
ステップST42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ST43に移って拡散抵抗Zw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。 In step ST42, the current charging rate is calculated by integrating the charging rate calculated from the charging current measured this time with respect to the charging rate calculated last time. After the resistance Zw is measured, the measured value is stored together with the current charging rate.
なお充電がパルス電源によって行われ、上記した電圧と電流の測定が所定周期によるサンプリングによって行われる場合には、充電時におけるパルスの隙間を連続的にサンプリングしてしまい、測定ができなくなる可能性がある。そこで、その様な条件が判定された場合にあっては、電圧電流測定時の位相を、例えば1秒毎に所定量づつずらせて平均値をとることにより、測定の欠落を減少させることができる。 If charging is performed by a pulse power supply and the above voltage and current measurements are performed by sampling at a predetermined cycle, the gap between pulses at the time of charging may be sampled continuously, possibly making measurement impossible. is there. Therefore, when such a condition is determined, the measurement loss can be reduced by shifting the phase at the time of voltage-current measurement by a predetermined amount, for example, every second to obtain an average value. .
更に図17のステップST5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。 Further, when the operation of the battery protection unit 14 is detected in step ST5 of FIG. 17, the charging rate calculated or measured as described above is corrected in accordance with the value corresponding to the detected content.
なお図19(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8(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19(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。
FIG. 19A shows a circuit configuration in the case where the above-described charge transfer resistance r is measured by a frequency response method. By sending an AC signal from the measurement control means 48 to the
また、二次電池12の劣化がすすむと、その等価回路は図4(a)から図20(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19の方法を用いて素子値を測定すると、その複素インピーダンスのプロット結果は図20(b)の様になって、劣化によって増加したr2の成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。
Further, when the
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8(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。
The measuring method of the internal resistance of the
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OCV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。 As described above, how to separate and detect the internal resistance has been described above, but it goes without saying that it is not always necessary to separately detect the internal resistance. To collectively evaluate the internal resistance as a DC resistance component is to redefine that the discharge characteristics are obtained by subtracting the voltage drop due to the internal resistance and the voltage drop due to polarization from the OCV characteristics. Therefore, since it is clear that the configuration described so far can be applied as it is, detailed description thereof is omitted.
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。 In order to simplify the explanation when measuring the internal resistance, each resistance component is estimated by observing the response as a constant current load, but it goes without saying that a constant resistance load may be used.
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。 The batteries parameters measured, it is essential to be next used capacity estimation The voltage varies with load fluctuation, because the separation measure resistance component from the change of the current is easy for those skilled in the art Detailed description will be omitted.
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。これは、溶液抵抗Rを測定する時間差をτRとして、時間差τRをもつ2点の間の電圧と電流のそれぞれの差分、ΔVR,ΔIRを検出して、R=ΔVR/ΔIRとして求めるもので有る。この場合、τRが短すぎる場合、幾つかのτRを定義しておき、夫々の場合のRと時間τRとのプロットにおける収束値(例えば元々の時間差τRとして推定される値)を検出することにより溶液抵抗Rを求めることが出来る。同様に、電荷移動抵抗rを測定する時間差をτrとして、その間の電圧、電流変動から求める。更には、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。 Furthermore, the load fluctuation can be observed not only by the constant current load and the resistance load but also by the load fluctuation of the connected device, and the battery parameter can be observed as a result. This is to obtain R = ΔVR / ΔIR by detecting the difference between voltage and current, ΔVR, ΔIR between two points having the time difference τR, where τR is the time difference for measuring the solution resistance R. In this case, when τR is too short, several τR are defined, and a convergence value (for example, a value estimated as the original time difference τR) in the plot of R and time τR in each case is detected. The solution resistance R can be obtained. Similarly, a time difference for measuring the charge transfer resistance r is set as τr, and is obtained from voltage and current fluctuations therebetween. Furthermore, when a steep current change cannot be expected, it goes without saying that the solution resistance R and the charge transfer resistance r may be collectively measured as a DC resistance component to estimate the discharge characteristics.
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。 In addition, the full charge capacity has been explained by obtaining the charge amount obtained by integrating the charge current supplied to the secondary battery during charging and dividing by the difference between the charge rates before and after the charge. As described above, the discharge amount obtained by integrating the discharge current during discharge can also be obtained by dividing by the difference in charge rate before and after the discharge.
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。 In this case, the full charge capacity detected by the discharge and the full charge capacity detected by the charge are generally substantially the same, but differ when experiencing high-temperature standing deterioration or the like. Therefore, while it is left unattended, ambient temperature conditions can be measured at regular intervals with a clock circuit inside the microcomputer, etc., so that it is possible to detect high temperature neglect, etc.In addition, the full charge capacity detected by discharging and the full charge capacity detected by charging When it is detected that the difference is large, it can be confirmed that the deterioration has progressed all at once due to being left at a high temperature or the like, so that it is possible to reliably notify and display the connected devices.
また、放電開始時に放電特性を推定して残時間を推定し、その後、電流積算により充電率の変化を検出しながら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。 Also, the remaining time is estimated by estimating the discharge characteristics at the start of discharge, and then the remaining time is changed while detecting the change in the charging rate by current integration, but the actual discharge voltage becomes close to the discharge end voltage. The change may be different from the estimated change in the discharge voltage.
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って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。 In such a case, it is preferable to match the estimated remaining time estimated by integration with the estimated remaining time based on the actual change in the discharge voltage. Therefore, the change in the battery voltage is monitored, and when it differs from the estimated discharge characteristic, it is used to estimate the remaining time so that the value indicated by the estimated discharge characteristic approaches the actually measured value. It goes without saying that the accuracy of the remaining time estimated value may be improved by combining the estimated value and the actually measured value by changing the charging rate.
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。 Furthermore, when the battery voltage that was being measured changes so as to rapidly approach the end voltage, it is close to the end voltage, so an emergency communication that prompts the connected device to end is sent because there is no remaining capacity. Needless to say.
なお、実測により温度推移のデータベースを作成し、それを用いて温度依存性を考慮してもよいことを先に述べたが、図11の等価回路を用いて演算により温度依存性を計算することにより、データベースの大きさを小さくすることを可能とする。演算方法は、上記した通りである。 Although it has been described above that a temperature transition database may be created by actual measurement and the temperature dependence may be taken into account, the temperature dependence may be calculated by calculation using the equivalent circuit of FIG. This makes it possible to reduce the size of the database. The calculation method is as described above.
また、先に電池の残量推定方法について述べたが、この推定手段が電池パック側にある必要が無いことは言うまでも無い。その場合、例えば残量推定処理を電池パックが装着される機器側の制御手段に組み入れる等により、推定処理自体を電池パック側から取り除くことが可能である。その場合、コスト削減や、推定処理の速度向上等のため、推定処理に必要な大部分のデータベースは推定処理手段と共に機器側に置くことが望ましい。 Further, although the battery remaining amount estimation method has been described above, it is needless to say that this estimation means does not have to be on the battery pack side. In this case, the estimation process itself can be removed from the battery pack side by, for example, incorporating the remaining amount estimation process into the control means on the device side where the battery pack is mounted. In that case, in order to reduce costs, improve the speed of the estimation process, etc., it is desirable to place most of the databases necessary for the estimation process on the device side together with the estimation processing means.
具体的には、電池パックを構成する素電池のデータベース6を電気機器18側に置き、データベースの量自体が大きくない電池パックのデータベース4や素電池のデータベースを修正するデータベースを電池パック16側に置き、電池パック16とそれを使用する電気機器18とを接続した場合、電池パック16と電気機器18間の通信手段により電気機器18側に必要なデータベースを取り込むことにより、推定に必要なデータベース2を機器側に備えることが可能である。このような構成によれば、素電池自体の変更や電池パックの構成の変更に対しても対応可能となることは言うまでも無い。
More specifically, the
さらに、素電池の内部抵抗等を測定し、データベースを修正することを述べたが、この測定手段を含め、電池の電圧、電流等の検出手段は電池パック側に残し、電流積算値や内部抵抗測定値等を電池パック内で測定し、機器側に送信することにより、先に述べてきた残量推定方法をそのまま実現できることも言うまでも無い。 Furthermore, it was stated that the internal resistance of the unit cell was measured and the database was corrected. However, including this measuring means, the battery voltage and current detection means were left on the battery pack side, and the current integrated value and internal resistance were It goes without saying that the remaining amount estimation method described above can be realized as it is by measuring the measured value in the battery pack and transmitting it to the device side.
また、電池容量検出装置10の一部または全部を電池パック16内に一体に収納した場合にあっても、電池パック16内の二次電池12から駆動電力を供給する例を示した。しかしながら、図25に例示する如く、小型二次電池あるいはキャパシタからなる電子回路の駆動専用電源60を電池パック16内に同時に備え、その専用電源60で電池容量検出装置10の回路駆動させることにより、残量を検出すべき二次電池に対する電流消費の影響が防止され、OCVおよび電池残量を正確に測定できる。
Also, even when housed in integral part or all of the battery
なお、専用電源60の電圧値が電圧監視手段61により常時に検出され、その値が設定値を下回ったことが電圧判定手段62において判定されると、スイッチ制御手段63によりスイッチ64を切り換えて二次電池12から専用電源60に充電を行う。そして、充電が完了するとその間の充電量を充電量検出手段65で検出し、二次電池12における現在の残量から検出された充電量を電池残量算出手段9で差し引くことにより、残量の補正が行われる。この場合、専用電源60に対する充電量が一定であれば、この一定量を予め記憶させておき、専用電源60を満充電にさせるたびに充電量を検出すること無しに一定量を減算させることも可能である。
When the voltage value of the
更にまた、電池パック16内に備えたA/D変換器におけるキャリブレーションを、その電池パック16を装着する電気機器18側からの命令で行える様にすることもできる。これは、電池パック16内に備える電池容量検出装置10のソフトウェア中にキャリブレーション用のサブルーチンを予め組み込んでおき、電気機器18側からの命令でそのサブルーチンが実行されるものである。
Furthermore, the calibration in the A / D converter provided in the
具体的な処理手順としては、電気機器18側から電池パック16側にA/D変換を行う命令を送出し、電気機器18はその変換されたA/D変換値を読み込み、その値が最適か否かを判定する。そして、最適な値でないなら、キャリブレーション値を電池パック16側に送出し、再度A/D変換値を読み込んで最適な値と判定されるまで繰り返す。
As a specific processing procedure, an instruction to perform A / D conversion is sent from the
上記したキャリブレーション動作を初期組み立て時において自動化することにより、コストの低減が図れる。また、このキャリブレーションされた最適な値は、電気的消去可能な不揮発性メモリに書き込むことにより、組み立て後の経時変化に対応できるとともに、システムリセットによるリセットスタート時に対応できて好ましい。 Costs can be reduced by automating the calibration operation described above at the time of initial assembly. Further, the calibrated optimum value is preferably written in an electrically erasable non-volatile memory, so that it can cope with a change with time after assembly and can cope with a reset start by a system reset.
2 推定用データベース
4 電池パックデータベース
6 素電池データベース
7 放電特性推定手段
8 充放電量検出手段
9 電池残量算出手段
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
22 FET
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 温度検知手段
42 スイッチングトランジスタ
44 電流検出用抵抗
46 負荷抵抗
48 測定制御手段
50 オペアンプ
52 トランジスタスイッチ
2 Database for
24 switching unit 26
Claims (2)
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前記データベースから、測定時点における充電率を推定する電池容量検出方法であって、
二次電池から負荷電流が間欠的に供給されている期間中に開放回路電圧の測定工程に入ったことが判定されると、電流が流れていない期間中における電圧変化の包絡線を求め、その包絡線の収束値から開放回路電圧を推測することを特徴とする電池容量検出方法。 While measuring the open circuit voltage characteristic indicating the relationship between the charging rate and the open circuit voltage in advance for the secondary battery whose battery capacity is to be detected,
A battery capacity detection method for measuring an open circuit voltage of a secondary battery, and estimating a charging rate at the time of measurement from the open circuit voltage obtained by the measurement and the database,
When it is determined that the open circuit voltage measurement process has been started during the period when the load current is intermittently supplied from the secondary battery, an envelope of the voltage change during the period when the current is not flowing is obtained. A battery capacity detection method for estimating an open circuit voltage from a convergence value of an envelope.
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前記データベースから、測定時点における充電率を推定する電池容量検出方法であって、
各充電率につき、電池温度と満充電容量の減少率との関係を予め補正用のデータベースとして備え、
二次電池から負荷電流の供給が停止された状態が持続したことが判定されると、
測定された電圧値と開放回路電圧特性から充電率を推定する一方、
充電率と、電池温度と、充電率の変化から、前記補正用のデータベースを利用して満充電容量の補正処理を行うことを特徴とする電池容量検出方法。 While measuring the open circuit voltage characteristic indicating the relationship between the charging rate and the open circuit voltage in advance for the secondary battery whose battery capacity is to be detected,
A battery capacity detection method for measuring an open circuit voltage of a secondary battery, and estimating a charging rate at the time of measurement from the open circuit voltage obtained by the measurement and the database,
For each charging rate, the relationship between the battery temperature and the reduction rate of the full charge capacity is provided as a correction database in advance,
When the state in which supply is sealed stop of the load current from the secondary battery is judged that persisted,
While estimating the charging rate from the measured voltage value and open circuit voltage characteristics,
A battery capacity detection method, wherein a correction process of a full charge capacity is performed using a database for correction based on a change in charge rate, battery temperature, and charge rate .
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