JP4380932B2 - 電池の残容量の演算方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電している電池の残容量を正確に検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池の残容量は、充電した容量から放電容量を減算して算出できる。満充電された電池は、満充電容量から放電容量を減算して算出される。放電容量は、放電電流の積算値と放電効率の積から算出される。放電効率は、温度や放電レートによって変化する。電池の温度が低下すると、放電効率は低下する。また、大電流放電させて放電レートが大きくなっても放電効率は低下する。残容量を正確に算出するために、従来の演算方法は、温度と放電レートから放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電容量を算出している。
【０００３】
従来の演算方法が放電効率を特定する方法を図１に示す。この図の方法は、複数の変極点を境界として放電レートを複数の領域に分割する。分割された領域において、放電効率は一次直線関数として近似される。一次直線関数は、傾きを特定する第１の定数と切片を特定する第２の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は、放電レートを５つの領域に分割している。したがって、特定の温度において１０の定数を記憶する必要がある。さらに、６つの温度における放電効率を特定するには、６０の定数を記憶する必要がある。
【０００４】
また、放電している電池の残容量が設定容量となる最低電圧も、温度と放電レートで変化する。図２は、電池の残容量が５％となる最低電圧が変化する特性を示している。電池の残容量が５％となるときの最低電圧は、この図に示すように、温度と放電レートで特定して正確に検出できる。温度と放電レートで最低電圧を特定するために、放電レートが複数の領域に分割される。分割された領域において、最低電圧は一次直線関数として近似される。この一次直線関数は、放電効率と同じように、傾きを特定する第１の定数と切片を特定する第２の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は放電レートを５つの領域に分割しているので、特定の温度において１０の定数を記憶する必要がある。さらに、６つの温度における放電効率を特定するので、６０の定数を記憶する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１と図２に示すように、放電レートを複数の領域に分割し、分割された領域の放電効率や最低電圧を一次直線関数として記憶する方法は、多数の定数を記憶する必要がある。とくに、正確に放電効率や最低電圧を検出するには、放電レートをより多くの領域に分割する必要があるので、記憶する定数が極めて多くなる欠点がある。さらに、一次直線関数で近似する方法は、変極点で不連続になるので、放電レートがわずかに変化すると放電効率や最低電圧が急激に変化する。現実の電池の放電効率や最低電圧は、放電レートのいかなる値によっても急激に変化することはない。このため、一次直線関数に基づいて放電効率や最低電圧を検出する方法は、すべての放電レートにおいて、正確に放電効率や最低電圧を特定することが難しい。このため、残容量を正確に算出することができない欠点があった。
【０００６】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、記憶する定数を少なくしながら残容量を正確に検出できる電池の残容量の演算方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算している。
【０００８】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【０００９】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて充電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【００１０】
本発明の請求項４の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１１】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１２】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１３】
電池の残容量の演算方法は、最低電圧を、電池の残容量が０〜１０％となる電圧に設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための残容量の演算方法を例示するものであって、本発明は演算方法を以下に特定しない。
【００１５】
図３は、電池１の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図である。このパック電池は、電池１と、電池１や周囲の温度を検出するサーミスタ等の温度センサー２と、温度センサー２から入力される信号と、電池１の電圧および電流を検出してデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ３と、Ａ／Ｄコンバータ３から出力される信号を演算して電池１の残容量を算出する積算処理部４と、積算処理部４が残容量の演算に使用する放電効率や残容量を記憶している電池特性パラメーター記憶部５と、積算処理部４で算出された残容量を出力する電池残量出力部６とを備える。
【００１６】
電池１は、リチウムイオン二次電池１である。ただ、電池は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池とすることもできる。この図のパック電池は、直列に接続している３個の電池１を内蔵する。本発明の演算方法で残容量が算出されるパック電池は、１または２個、あるいは４個以上の電池を内蔵することもできる。
【００１７】
温度センサー２は、電池温度や電池１の周囲温度を抵抗値の変化として検出する。電池温度を検出するセンサーは、電池１の表面に接触し、あるいは接近して配設される。電池温度で電池１の放電効率や最低電圧を特定する方法は、正確に残容量を算出できる。ただ、電池温度は、周囲温度で特定されるので、周囲温度を検出して放電効率や最低電圧を特定することもできる。
【００１８】
Ａ／Ｄコンバータ３は、温度センサー２から入力される温度信号と、検出した電池電圧と、電池１と直列に接続している電流検出抵抗７の両端に発生する電圧をデジタル信号に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータ３は、以上の３つの信号をデジタル信号に変換するために３組設けられ、あるいはタイミングを切り換えて、時分割に３つの信号をデジタル信号に変換する。
【００１９】
積算処理部４は、Ａ／Ｄコンバータ３から入力される信号を演算して電池１の残容量を演算する。残容量は、先述したように充電容量から放電容量を減算して演算される。また、残容量は、放電される電池１の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して算出される。最低電圧は、電池１の残容量が設定容量となる電圧である。最低電圧は、たとえば電池１の残容量が５％となる電圧に設定される。ただ、電池１の電圧が最低電圧となるときの設定容量は０〜１０％とすることもできる。
【００２０】
積算処理部４は、充電電流を積算して充電容量を演算する。このとき、充電電流の積算値に充電効率をかけるとより正確に充電容量を検出することができる。充電効率は、放電効率と同じように、温度や充電電流をパラメーターとして特定される。通常の使用状態において、パック電池は、ほとんど例外なく満充電されるまで充電される。リチウムイオン二次電池の満充電は、電池の電圧で検出される。ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池の満充電は、ピーク電圧やピーク電圧から電圧が低下するΔＶ低下で検出される。満充電された電池は、満充電容量となるので充電容量を正確に検出できる。
【００２１】
積算処理部４は、放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出する。放電効率は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。図４は、温度と放電レートで特定される放電効率を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部５は、放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数とし算出する定数を記憶している。図４は、放電レートをパラメーターとする３次関数で放電効率を特定する様子を示している。３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ（ｘ）＝ａｘ３＋ｂｘ２＋ｃｘ＋ｄ
この式において、ｆ（ｘ）は放電効率、ｘは放電レート、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。この式は、ａ〜ｄからなる４つの定数を記憶して、放電レートから放電効率を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。放電効率は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の温度に対するａ〜ｄの定数を記憶している。図は、０〜５０℃の温度範囲において、１０℃の間隔で各々の温度に対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、１０℃の温度の相違により、６組のａ〜ｄの定数を記憶しており、温度によってａ〜ｄの定数の変化させる。温度が特定されるとａ〜ｄの定数が特定され、特定されたａ〜ｄの定数から放電レートをパラメーターとする放電効率が算出される。
【００２２】
電池１の温度は、必ずしも１０℃ピッチに変化しない。たとえば、電池温度が１５℃となることもある。この温度における電池１の放電効率は、１０℃の放電効率と２０℃の放電効率から比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、ａ〜ｄの定数が記憶されない電池温度においても放電効率を算出することができる。
【００２３】
図４は、温度によって異なる関数を選択して放電効率を算出する。すなわち、温度が特定されるとａ〜ｄの定数が特定され、特定されたａ〜ｄの定数から放電レートをパラメーターとして放電効率を算出する。積算処理部４は、図５に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して放電効率を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとａ１〜ｄ１の定数が特定されて、特定されたａ１〜ｄ１の定数から温度をパラメーターとして放電効率を算出する。
【００２４】
この方法は、温度をパラメーターとする３次関数で放電効率を特定する。３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ（ｙ）＝ａ１ｙ３＋ｂ１ｙ２＋ｃ１ｙ＋ｄ１
この式において、ｆ（ｙ）は放電効率、ｙは温度、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は定数である。この式は、ａ１〜ｄ１からなる４つの定数を記憶して、温度から放電効率を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。放電効率は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の放電レートに対するａ１〜ｄ１の定数を記憶している。図は、０〜１０００ｍＷの放電レート範囲において、２００ｍＷの間隔で各々の放電レートに対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、２００ｍＷの放電レートの相違により、５組のａ１〜ｄ１の定数を記憶しており、放電レートによってａ１〜ｄ１の定数の変化させる。放電レートが特定されるとａ１〜ｄ１の定数が特定され、特定されたａ１〜ｄ１の定数から温度をパラメーターとする放電効率が算出される。
【００２５】
放電レートも、温度と同じように２００ｍＷピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の放電効率は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、ａ１〜ｄ１の定数が記憶されない放電レートにおいても放電効率を算出することができる。
【００２６】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の３次関数で放電効率を特定することもできる。この３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ＝ａ２ｘ３＋ｂ２ｘ２＋ｃ２ｘ＋ｄ２＋ａ３ｙ３＋ｂ３ｙ２＋ｃ３ｙ
この式において、ｆは放電効率、ｘは放電レート、ｙは温度、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２、ａ３、ｂ３、ｃ３は定数である。この式は、７つの定数を記憶して、温度と放電レートから放電効率を演算する。７つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。
【００２７】
積算処理部４は、放電される電池１の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して最低電圧を検出する。最低電圧は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。図６は、温度と放電レートで特定される最低電圧を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部５は、放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数とし、算出する定数を記憶している。図６は、放電レートをパラメーターとする３次関数で最低電圧を特定する様子を示している。この図は、電池１の残容量が５％となるときの最低電圧を示している。３次関数は以下の一般式で示される。
【００２８】
Ｖmin＝Ａｘ３＋Ｂｘ２＋Ｃｘ＋ｄ
この式において、Ｖminは最低電圧、ｘは放電レート、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは定数である。この式は、Ａ〜Ｄからなる４つの定数を記憶して、放電レートから最低電圧を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。最低電圧は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の温度に対するＡ〜Ｄの定数を記憶している。図は、０〜５０℃の温度範囲において、１０℃の間隔で各々の温度に対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、１０℃の温度の相違により、６組のＡ〜Ｄの定数を記憶しており、温度によってＡ〜Ｄの定数の変化させる。温度が特定されるとＡ〜Ｄの定数が特定され、特定されたＡ〜Ｄの定数から放電レートをパラメーターとする最低電圧が算出される。
【００２９】
電池１の温度は、必ずしも１０℃ピッチに変化しないので、電池温度が１５℃となることもある。この温度における電池１の最低電圧は、１０℃の最低電圧と２０℃の最低電圧から比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、Ａ〜Ｄの定数が記憶されない電池温度においても最低電圧を算出することができる。
【００３０】
図６は、温度によって異なる関数を選択して最低電圧を算出する。すなわち、温度が特定されるとＡ〜Ｄの定数が特定され、特定されたＡ〜Ｄの定数から放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出する。積算処理部４は、図７に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して最低電圧を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとＡ１〜Ｄ１の定数が特定されて、特定されたＡ１〜Ｄ１の定数から温度をパラメーターとして最低電圧を算出する。
【００３１】
この方法は、温度をパラメーターとする３次関数で最低電圧を特定する。３次関数は以下の一般式で示される。
Ｖmin＝Ａ１ｙ３＋Ｂ１ｙ２＋Ｃ１ｙ＋Ｄ１
この式において、Ｖminは最低電圧、ｙは温度、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１は定数である。この式は、Ａ１〜Ｄ１からなる４つの定数を記憶して、温度から最低電圧を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。最低電圧は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の放電レートに対するＡ１〜Ｄ１の定数を記憶している。図は、０〜１０００ｍＷの放電レート範囲において、２００ｍＷの間隔で各々の放電レートに対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、２００ｍＷの放電レートの相違により、５組のＡ１〜Ｄ１の定数を記憶しており、放電レートによってＡ１〜Ｄ１の定数の変化させる。放電レートが特定されるとＡ１〜Ｄ１の定数が特定され、特定されたＡ１〜Ｄ１の定数から温度をパラメーターとする最低電圧が算出される。
【００３２】
放電レートも、温度と同じように２００ｍＷピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の最低電圧は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、Ａ１〜Ｄ１の定数が記憶されない放電レートにおいても最低電圧を算出することができる。
【００３３】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の３次関数で最低電圧を特定することもできる。この３次関数は以下の一般式で示される。
Ｖmin＝Ａ２ｘ３＋Ｂ２ｘ２＋Ｃ２ｘ＋Ｄ２＋Ａ３ｙ３＋Ｂ３ｙ２＋Ｃ３ｙ
この式において、Ｖminは最低電圧、ｘは放電レート、ｙは温度、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ａ３、Ｂ３、Ｃ３は定数である。この式は、７つの定数を記憶して、温度と放電レートから最低電圧を演算する。７つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。
【００３４】
以上の方法は、放電効率と最低電圧を３次関数で算出するが、４次以上の関数として算出することもでき、また２次の関数として算出することもできる。４次の関数として算出する方法は、５つの定数から放電効率や最低電圧を算出し、２次の関数は、３つの定数から放電効率や最低電圧を算出する。放電効率や最低電圧をｎ次の関数として算出する場合、電池特性パラメーター記憶部５は、ｎ＋１個の定数を記憶する。放電効率と最低電圧の算出をｎ次の関数で算出する方法において、ｎの値は、誤差が少なくて簡単に算出できることから最適値に特定される。
【００３５】
積算処理部４で算出された電池１の残容量は、パック電池を装着しているマイコン等の電気機器に電池残量出力部６から出力される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電池の残容量の演算方法は、記憶する定数を少なくしながら、残容量を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の電池の残容量の演算方法が、放電レートをパラメターとする放電効率や最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートから放電効率や最低電圧を算出し、算出された放電効率や最低電圧で電池の残容量を検出するからである。たとえば、図１や図２で示す従来の方法は、放電レートから放電効率を検出し、あるいは放電レートから最低電圧を算出するためには６０の定数を記憶する必要がある。これに対して、図４や図６に示す本発明の方法にあっては、３次関数で放電効率や最低電圧を算出するとすれば、ひとつの温度に対して４つの定数となるので、６つの温度において２４の定数を記憶して放電効率や最低電圧を算出できる。
さらに、本発明の方法は、複数の直線で算出する従来の方法のように変極点で不連続に変化することがなく、全体としてより正確に放電効率や最低電圧を検出して、残容量を少ない誤差で検出できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の演算方法で放電効率を特定する方法を示すグラフ
【図２】従来の演算方法で電池の残容量が５％となる最低電圧を特定する方法を示すグラフ
【図３】本発明の実施例にかかる電池の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図
【図４】放電レートをパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図５】温度をパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図６】放電レートをパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【図７】温度をパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【符号の説明】
１…電池
２…温度センサー
３…Ａ／Ｄコンバータ
４…積算処理部
５…電池特性パラメーター記憶部
６…電池残量出力部
７…電流検出抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電している電池の残容量を正確に検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池の残容量は、充電した容量から放電容量を減算して算出できる。満充電された電池は、満充電容量から放電容量を減算して算出される。放電容量は、放電電流の積算値と放電効率の積から算出される。放電効率は、温度や放電レートによって変化する。電池の温度が低下すると、放電効率は低下する。また、大電流放電させて放電レートが大きくなっても放電効率は低下する。残容量を正確に算出するために、従来の演算方法は、温度と放電レートから放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電容量を算出している。
【０００３】
従来の演算方法が放電効率を特定する方法を図１に示す。この図の方法は、複数の変極点を境界として放電レートを複数の領域に分割する。分割された領域において、放電効率は一次直線関数として近似される。一次直線関数は、傾きを特定する第１の定数と切片を特定する第２の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は、放電レートを５つの領域に分割している。したがって、特定の温度において１０の定数を記憶する必要がある。さらに、６つの温度における放電効率を特定するには、６０の定数を記憶する必要がある。
【０００４】
また、放電している電池の残容量が設定容量となる最低電圧も、温度と放電レートで変化する。図２は、電池の残容量が５％となる最低電圧が変化する特性を示している。電池の残容量が５％となるときの最低電圧は、この図に示すように、温度と放電レートで特定して正確に検出できる。温度と放電レートで最低電圧を特定するために、放電レートが複数の領域に分割される。分割された領域において、最低電圧は一次直線関数として近似される。この一次直線関数は、放電効率と同じように、傾きを特定する第１の定数と切片を特定する第２の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は放電レートを５つの領域に分割しているので、特定の温度において１０の定数を記憶する必要がある。さらに、６つの温度における放電効率を特定するので、６０の定数を記憶する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１と図２に示すように、放電レートを複数の領域に分割し、分割された領域の放電効率や最低電圧を一次直線関数として記憶する方法は、多数の定数を記憶する必要がある。とくに、正確に放電効率や最低電圧を検出するには、放電レートをより多くの領域に分割する必要があるので、記憶する定数が極めて多くなる欠点がある。さらに、一次直線関数で近似する方法は、変極点で不連続になるので、放電レートがわずかに変化すると放電効率や最低電圧が急激に変化する。現実の電池の放電効率や最低電圧は、放電レートのいかなる値によっても急激に変化することはない。このため、一次直線関数に基づいて放電効率や最低電圧を検出する方法は、すべての放電レートにおいて、正確に放電効率や最低電圧を特定することが難しい。このため、残容量を正確に算出することができない欠点があった。
【０００６】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、記憶する定数を少なくしながら残容量を正確に検出できる電池の残容量の演算方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算している。
【０００８】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【０００９】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて充電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【００１０】
本発明の請求項４の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１１】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１２】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【００１３】
電池の残容量の演算方法は、最低電圧を、電池の残容量が０〜１０％となる電圧に設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための残容量の演算方法を例示するものであって、本発明は演算方法を以下に特定しない。
【００１５】
図３は、電池１の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図である。このパック電池は、電池１と、電池１や周囲の温度を検出するサーミスタ等の温度センサー２と、温度センサー２から入力される信号と、電池１の電圧および電流を検出してデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ３と、Ａ／Ｄコンバータ３から出力される信号を演算して電池１の残容量を算出する積算処理部４と、積算処理部４が残容量の演算に使用する放電効率や残容量を記憶している電池特性パラメーター記憶部５と、積算処理部４で算出された残容量を出力する電池残量出力部６とを備える。
【００１６】
電池１は、リチウムイオン二次電池１である。ただ、電池は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池とすることもできる。この図のパック電池は、直列に接続している３個の電池１を内蔵する。本発明の演算方法で残容量が算出されるパック電池は、１または２個、あるいは４個以上の電池を内蔵することもできる。
【００１７】
温度センサー２は、電池温度や電池１の周囲温度を抵抗値の変化として検出する。電池温度を検出するセンサーは、電池１の表面に接触し、あるいは接近して配設される。電池温度で電池１の放電効率や最低電圧を特定する方法は、正確に残容量を算出できる。ただ、電池温度は、周囲温度で特定されるので、周囲温度を検出して放電効率や最低電圧を特定することもできる。
【００１８】
Ａ／Ｄコンバータ３は、温度センサー２から入力される温度信号と、検出した電池電圧と、電池１と直列に接続している電流検出抵抗７の両端に発生する電圧をデジタル信号に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータ３は、以上の３つの信号をデジタル信号に変換するために３組設けられ、あるいはタイミングを切り換えて、時分割に３つの信号をデジタル信号に変換する。
【００１９】
積算処理部４は、Ａ／Ｄコンバータ３から入力される信号を演算して電池１の残容量を演算する。残容量は、先述したように充電容量から放電容量を減算して演算される。また、残容量は、放電される電池１の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して算出される。最低電圧は、電池１の残容量が設定容量となる電圧である。最低電圧は、たとえば電池１の残容量が５％となる電圧に設定される。ただ、電池１の電圧が最低電圧となるときの設定容量は０〜１０％とすることもできる。
【００２０】
積算処理部４は、充電電流を積算して充電容量を演算する。このとき、充電電流の積算値に充電効率をかけるとより正確に充電容量を検出することができる。充電効率は、放電効率と同じように、温度や充電電流をパラメーターとして特定される。通常の使用状態において、パック電池は、ほとんど例外なく満充電されるまで充電される。リチウムイオン二次電池の満充電は、電池の電圧で検出される。ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池の満充電は、ピーク電圧やピーク電圧から電圧が低下するΔＶ低下で検出される。満充電された電池は、満充電容量となるので充電容量を正確に検出できる。
【００２１】
積算処理部４は、放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出する。放電効率は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。図４は、温度と放電レートで特定される放電効率を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部５は、放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数とし算出する定数を記憶している。図４は、放電レートをパラメーターとする３次関数で放電効率を特定する様子を示している。３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ（ｘ）＝ａｘ３＋ｂｘ２＋ｃｘ＋ｄ
この式において、ｆ（ｘ）は放電効率、ｘは放電レート、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。この式は、ａ〜ｄからなる４つの定数を記憶して、放電レートから放電効率を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。放電効率は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の温度に対するａ〜ｄの定数を記憶している。図は、０〜５０℃の温度範囲において、１０℃の間隔で各々の温度に対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、１０℃の温度の相違により、６組のａ〜ｄの定数を記憶しており、温度によってａ〜ｄの定数の変化させる。温度が特定されるとａ〜ｄの定数が特定され、特定されたａ〜ｄの定数から放電レートをパラメーターとする放電効率が算出される。
【００２２】
電池１の温度は、必ずしも１０℃ピッチに変化しない。たとえば、電池温度が１５℃となることもある。この温度における電池１の放電効率は、１０℃の放電効率と２０℃の放電効率から比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、ａ〜ｄの定数が記憶されない電池温度においても放電効率を算出することができる。
【００２３】
図４は、温度によって異なる関数を選択して放電効率を算出する。すなわち、温度が特定されるとａ〜ｄの定数が特定され、特定されたａ〜ｄの定数から放電レートをパラメーターとして放電効率を算出する。積算処理部４は、図５に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して放電効率を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとａ１〜ｄ１の定数が特定されて、特定されたａ１〜ｄ１の定数から温度をパラメーターとして放電効率を算出する。
【００２４】
この方法は、温度をパラメーターとする３次関数で放電効率を特定する。３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ（ｙ）＝ａ１ｙ３＋ｂ１ｙ２＋ｃ１ｙ＋ｄ１
この式において、ｆ（ｙ）は放電効率、ｙは温度、ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１は定数である。この式は、ａ１〜ｄ１からなる４つの定数を記憶して、温度から放電効率を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。放電効率は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の放電レートに対するａ１〜ｄ１の定数を記憶している。図は、０〜１０００ｍＷの放電レート範囲において、２００ｍＷの間隔で各々の放電レートに対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、２００ｍＷの放電レートの相違により、５組のａ１〜ｄ１の定数を記憶しており、放電レートによってａ１〜ｄ１の定数の変化させる。放電レートが特定されるとａ１〜ｄ１の定数が特定され、特定されたａ１〜ｄ１の定数から温度をパラメーターとする放電効率が算出される。
【００２５】
放電レートも、温度と同じように２００ｍＷピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の放電効率は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、ａ１〜ｄ１の定数が記憶されない放電レートにおいても放電効率を算出することができる。
【００２６】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の３次関数で放電効率を特定することもできる。この３次関数は以下の一般式で示される。
ｆ＝ａ２ｘ３＋ｂ２ｘ２＋ｃ２ｘ＋ｄ２＋ａ３ｙ３＋ｂ３ｙ２＋ｃ３ｙ
この式において、ｆは放電効率、ｘは放電レート、ｙは温度、ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２、ａ３、ｂ３、ｃ３は定数である。この式は、７つの定数を記憶して、温度と放電レートから放電効率を演算する。７つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。
【００２７】
積算処理部４は、放電される電池１の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して最低電圧を検出する。最低電圧は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。図６は、温度と放電レートで特定される最低電圧を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部５は、放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数とし、算出する定数を記憶している。図６は、放電レートをパラメーターとする３次関数で最低電圧を特定する様子を示している。この図は、電池１の残容量が５％となるときの最低電圧を示している。３次関数は以下の一般式で示される。
【００２８】
Ｖmin＝Ａｘ３＋Ｂｘ２＋Ｃｘ＋ｄ
この式において、Ｖminは最低電圧、ｘは放電レート、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは定数である。この式は、Ａ〜Ｄからなる４つの定数を記憶して、放電レートから最低電圧を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。最低電圧は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の温度に対するＡ〜Ｄの定数を記憶している。図は、０〜５０℃の温度範囲において、１０℃の間隔で各々の温度に対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、１０℃の温度の相違により、６組のＡ〜Ｄの定数を記憶しており、温度によってＡ〜Ｄの定数の変化させる。温度が特定されるとＡ〜Ｄの定数が特定され、特定されたＡ〜Ｄの定数から放電レートをパラメーターとする最低電圧が算出される。
【００２９】
電池１の温度は、必ずしも１０℃ピッチに変化しないので、電池温度が１５℃となることもある。この温度における電池１の最低電圧は、１０℃の最低電圧と２０℃の最低電圧から比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、Ａ〜Ｄの定数が記憶されない電池温度においても最低電圧を算出することができる。
【００３０】
図６は、温度によって異なる関数を選択して最低電圧を算出する。すなわち、温度が特定されるとＡ〜Ｄの定数が特定され、特定されたＡ〜Ｄの定数から放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出する。積算処理部４は、図７に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して最低電圧を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとＡ１〜Ｄ１の定数が特定されて、特定されたＡ１〜Ｄ１の定数から温度をパラメーターとして最低電圧を算出する。
【００３１】
この方法は、温度をパラメーターとする３次関数で最低電圧を特定する。３次関数は以下の一般式で示される。
Ｖmin＝Ａ１ｙ３＋Ｂ１ｙ２＋Ｃ１ｙ＋Ｄ１
この式において、Ｖminは最低電圧、ｙは温度、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１は定数である。この式は、Ａ１〜Ｄ１からなる４つの定数を記憶して、温度から最低電圧を演算する。４つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。最低電圧は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、各々の放電レートに対するＡ１〜Ｄ１の定数を記憶している。図は、０〜１０００ｍＷの放電レート範囲において、２００ｍＷの間隔で各々の放電レートに対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部５は、２００ｍＷの放電レートの相違により、５組のＡ１〜Ｄ１の定数を記憶しており、放電レートによってＡ１〜Ｄ１の定数の変化させる。放電レートが特定されるとＡ１〜Ｄ１の定数が特定され、特定されたＡ１〜Ｄ１の定数から温度をパラメーターとする最低電圧が算出される。
【００３２】
放電レートも、温度と同じように２００ｍＷピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の最低電圧は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、Ａ１〜Ｄ１の定数が記憶されない放電レートにおいても最低電圧を算出することができる。
【００３３】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の３次関数で最低電圧を特定することもできる。この３次関数は以下の一般式で示される。
Ｖmin＝Ａ２ｘ３＋Ｂ２ｘ２＋Ｃ２ｘ＋Ｄ２＋Ａ３ｙ３＋Ｂ３ｙ２＋Ｃ３ｙ
この式において、Ｖminは最低電圧、ｘは放電レート、ｙは温度、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ａ３、Ｂ３、Ｃ３は定数である。この式は、７つの定数を記憶して、温度と放電レートから最低電圧を演算する。７つの定数は、電池特性パラメーター記憶部５に記憶される。
【００３４】
以上の方法は、放電効率と最低電圧を３次関数で算出するが、４次以上の関数として算出することもでき、また２次の関数として算出することもできる。４次の関数として算出する方法は、５つの定数から放電効率や最低電圧を算出し、２次の関数は、３つの定数から放電効率や最低電圧を算出する。放電効率や最低電圧をｎ次の関数として算出する場合、電池特性パラメーター記憶部５は、ｎ＋１個の定数を記憶する。放電効率と最低電圧の算出をｎ次の関数で算出する方法において、ｎの値は、誤差が少なくて簡単に算出できることから最適値に特定される。
【００３５】
積算処理部４で算出された電池１の残容量は、パック電池を装着しているマイコン等の電気機器に電池残量出力部６から出力される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電池の残容量の演算方法は、記憶する定数を少なくしながら、残容量を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の電池の残容量の演算方法が、放電レートをパラメターとする放電効率や最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートから放電効率や最低電圧を算出し、算出された放電効率や最低電圧で電池の残容量を検出するからである。たとえば、図１や図２で示す従来の方法は、放電レートから放電効率を検出し、あるいは放電レートから最低電圧を算出するためには６０の定数を記憶する必要がある。これに対して、図４や図６に示す本発明の方法にあっては、３次関数で放電効率や最低電圧を算出するとすれば、ひとつの温度に対して４つの定数となるので、６つの温度において２４の定数を記憶して放電効率や最低電圧を算出できる。
さらに、本発明の方法は、複数の直線で算出する従来の方法のように変極点で不連続に変化することがなく、全体としてより正確に放電効率や最低電圧を検出して、残容量を少ない誤差で検出できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の演算方法で放電効率を特定する方法を示すグラフ
【図２】従来の演算方法で電池の残容量が５％となる最低電圧を特定する方法を示すグラフ
【図３】本発明の実施例にかかる電池の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図
【図４】放電レートをパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図５】温度をパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図６】放電レートをパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【図７】温度をパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【符号の説明】
１…電池
２…温度センサー
３…Ａ／Ｄコンバータ
４…積算処理部
５…電池特性パラメーター記憶部
６…電池残量出力部
７…電流検出抵抗
Claims (7)
- 放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする残容量の演算方法。 - 温度をパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
温度に対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度と放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて充電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
温度と放電レートに対する放電効率を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度をパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
温度に対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度をパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度と放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
温度と放電レートに対する最低電圧を２次以上のｎ次関数として記憶し、記憶するｎ次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 最低電圧を電池の残容量が０〜１０％となる電圧に設定する請求項４〜６に記載される電池の残容量の演算方法。
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