JP5029746B2

JP5029746B2 - バッテリーパック

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Publication number: JP5029746B2
Application number: JP2010200501A
Authority: JP
Inventors: 之雄土谷; 秀幸佐藤; 修長島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: TWI285270B; TW200530613A; JP2011043506A; EP1531335A2; KR20050046610A; KR101162364B1; US7514902B2; EP1531335B1; ES2388734T3; CN100412564C; HK1072469A1; JP2005147815A; CN1616982A; EP1531335A3; US20050127877A1; SG112067A1; JP4736317B2

Description

本発明はバッテリーパックに関し、特に、充放電回数及び使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパックに関する。

リチウムイオンバッテリーを始めとするバッテリーパック（２次電池）は、バッテリーパックごとにその容量が決まっているが、使用する温度によって容量が変わるという特徴がある。

低温使用時では、バッテリーセルの内部インピーダンスが高くなるため、同じ電流値を流そうとするときに電圧の降下が大きくなり、バッテリーパックの容量が減少する。

図１１は、２５℃、１０℃、０℃でのバッテリーパックの放電特性を示す図である。横軸は時間、縦軸は電圧である。

２．０Ｗ放電、エンド電圧３．３５Ｖと設定した場合で、図１のように、例えば、２５℃の環境下で放電できる容量を１００％とすると、１０℃の環境下では約８０％、０℃の環境下で放電できる容量は約６０％であるという測定結果が得られている。

一方、使用を続けることにより充放電の回数が増加した場合においても、容量が減少する特徴がある。充放電を繰り返すことによりバッテリーセルが劣化して、使用できる容量が減少するからである。これをサイクル劣化という。

充放電回数の多いバッテリーはサイクル劣化と使用時の温度による２つの要因によって使用できる容量が変わってくる。

従来、低温使用下におけるバッテリー容量低下の補正として温度センサを用いてバッテリーパックの温度を検出し、バッテリー残量を補正するといった手法が用いられている（例えば特許文献１参照）。

また同様に、充放電回数によるバッテリー劣化の補正として、充放電回数をカウントし、その回数に応じてサイクル劣化が進んでいるとみなし、バッテリー残量を少なく見積もるといった手法が用いられている。

これらの従来の手法では、サーミスタで現在の温度を測定して、現在の温度環境下での使用可能時間の補正、充放電の回数をカウントすることにより充放電回数の多くなったバッテリーセルの使用可能時間の補正を行っていた。

具体的には、温度のデータと温度に依存する補正値を保持することで、温度データが低いときは、バッテリーセルの放電特性低下を考慮して、バッテリー残量を少なく見積もっていた。また、同様に、サイクル劣化用の補正値を持っておき、充放電回数が進むにつれてバッテリー残量を少なく見積もっていた。このようにして、温度とサイクル劣化の２つの補正値をデータとしてバッテリーパックの内部に持つことにより、使用環境や使用回数に応じてバッテリー残量を補正するようにしていた。

特開２０００−２６０４８８号公報（段落番号〔００３８〕〜〔００７２〕）

しかし、サイクル劣化と使用時の温度には相関があり、低温使用時でのバッテリーセルの容量の低下は充放電回数が進むほど大きくなるという特徴がある。つまり、温度による容量の低下と充放電回数による容量の劣化を補正する補正値を、別々のパラメータとしてもつと充放電回数が進むにつれて、算出されるバッテリー残量と実際のバッテリー残量との間で誤差が発生する問題があった。

例えば、常温でのサイクル劣化を補正するように補正値を設定すると、充放電回数が進んだときに低温でのバッテリー残量の算出の際に誤差が生じ、低温でのサイクル劣化を補正するように補正値を設定すると、常温でのバッテリー残量で誤差が生じる問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、サイクル劣化及び温度による容量低下を考慮してバッテリー残量の算出誤差を軽減可能なバッテリーパックを提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、充放電回数及び使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパックにおいて、バッテリーセルの温度を測定する温度測定手段と、充放電回数を計数する充放電回数計数手段と、所定の充放電回数ごとに第１の温度及び第２の温度を含む所定の温度それぞれに対して補正値が設定され、充放電回数が少ない間は第２の温度における所定の充放電回数での補正値が段階的に引き下げられ、充電回数が多くなると第１の温度と第２の温度における所定の充放電回数での補正値の変化率が等しくなる補正値を格納する補正値格納手段と、測定した温度と、計数した充放電回数を基に補正値格納手段を検索して補正値のうちの１つを特定し、特定した補正値に応じたバッテリー残量を算出する残量算出手段と、を有するバッテリーパックが提供される。

このような構成によれば、温度測定手段により測定されたバッテリーセルの温度と、充放電回数計数手段により計数された充放電回数を基に、残量算出手段は、補正値格納手段に格納された所定の充放電回数ごとに変更した、温度に応じたバッテリー残量算出のための補正値を特定し、特定した補正値に応じたバッテリー残量を算出する。全ての充放電回数ごとに補正値を設定するのではなく、所定の充放電回数ごとに変更した補正値を用いることにより、サイクル劣化と温度によるバッテリー残量の補正が少ないパラメータで行われる。

本発明のバッテリーパックに拠れば、測定したバッテリーセルの温度及び計数した充放電回数を基に、格納された所定の充放電回数ごとに変更した、温度に応じたバッテリー残量算出のための補正値を特定し、特定した補正値に応じたバッテリー残量を算出するので、充放電回数が多くなりサイクル劣化が進行しても、各温度環境下で実際のバッテリー残量をより正確に算出することができる。

また、所定の充放電回数ごとに変更した補正値を用いるので、バッテリー残量の補正を少ないパラメータで行うことができる。

本発明の実施の形態のバッテリーパックの原理を示す機能ブロック図である。格納された温度補正値の例である。本発明の実施の形態のバッテリーパックのハードウェア構成例である。２５℃（常温）での各充放電回数におけるバッテリーセルの放電特性を示す図である。０℃（低温）での各充放電回数におけるバッテリーセルの放電特性を示す図である。バッテリーセルにおける温度と充放電回数に応じた容量変化の特性を示す図である。常温時のサイクル劣化に合わせて補正した時の、常温と低温での充放電回数と容量の関係を示す図である。低温時のサイクル劣化に合わせて補正した時の、常温と低温での充放電回数と容量の関係を示す図である。本発明の実施の形態のバッテリーパックにより補正した様子を示す図である。本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理の流れを示すフローチャートである。２５℃、１０℃、０℃でのバッテリーパックの放電特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態のバッテリーパックの原理を示す機能ブロック図である。
本発明の実施の形態のバッテリーパック１０は、バッテリーセル１１の温度を測定する温度測定手段１２と、充放電回数を計数する充放電回数計数手段１３と、所定の充放電回数ごとに変更した、温度に応じたバッテリー残量算出のための補正値（以下温度補正値と呼ぶ）を格納する補正値格納手段１４と、測定した温度と、計数した充放電回数を基に補正値格納手段１４を検索し温度補正値を特定し、特定した温度補正値に応じたバッテリー残量を算出する残量算出手段１５と、算出したバッテリー残量を図示しない接続機器に通知する通信手段１６と、を有する。

バッテリーセル１１は、例えば、リチウムイオンバッテリーである。温度測定手段１２は、例えば、サーミスタであり、バッテリーセル表面や基板上に搭載される。充放電回数計数手段１３、残量算出手段１５は、例えば、マイクロコントローラ（以下マイコンと呼ぶ）により実現される。また、補正値格納手段１４は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）である。

なお、充放電回数とは、以下本実施の形態の説明においては、バッテリーセル１１を１回充電したのち、ある電圧レベルまで１回放電することをもって充放電回数が１回であるとする。

本発明の実施の形態で用いる温度補正値は、所定の充放電回数ごとに変更したものである。
図２は、格納された温度補正値の例である。

例えば、補正値格納手段１４のアドレス００〜０６に、充放電回数が５０回までの温度補正値が格納される。各アドレス００〜０６には、使用時の温度に応じて、例えば、０℃まで、０〜１０℃、１０〜２０℃、２０〜３０℃、３０〜４０℃、４０〜５０℃、５０℃以上の場合についての温度補正値が格納される。例えば、０〜１０℃では、１０％／５０回の割合で容量を減少させるような温度補正値を、２５℃では、４％／５０回の割合で容量を減少させるような温度補正値を格納しておく。また、パラメータ数を削減するために、５０回までは、例えば、全ての温度について４％／５０回の割合で容量を減少させるように温度補正値を設定してもよい。

このような温度補正値を、所定の充放電回数ごとに変更させたものがさらに格納される。

図２のように充放電回数が５１〜１００回までの温度補正値は、アドレス１０〜１６に、１０１〜１５０回のものはアドレス２０〜２６に、１５０回以上のものはアドレス３０〜３６に格納され、それぞれの回数の範囲ごとに、温度補正値を変更する。例えば、５０回までのものと容量を減少させる割合を変更したり、回数の区切りごとに段階的に容量を引き下げたり、引き上げたりして温度補正値を変更するようにしてもよい（この例については後述する）。

以上のような温度補正値は、バッテリーセル１１における温度と充放電回数に応じた容量変化の特性に合わせて設定し、補正値格納手段１４に格納される。
以下、バッテリーパック１０の動作を説明する。

例えば、バッテリーパック１０を、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの接続機器に接続して使用を開始すると、バッテリーセル１１の温度が温度測定手段１２により測定される。充放電回数計数手段１３は、計数していた現在の充放電回数を残量算出手段１５に渡す。残量算出手段１５は、温度と充放電回数を基に、補正値格納手段１４を検索して図２のようにして格納されている温度補正値を特定し、特定した温度補正値に応じたバッテリー残量を算出する。通信手段１６は、接続したビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで、使用可能な残時間を表示することができるように算出したバッテリー残量を通知する。

このように、測定したバッテリーセルの温度及び計数した充放電回数を基に、所定の充放電回数ごとに変更した温度補正値を特定し、特定した温度補正値に応じたバッテリー残量を算出するので、充放電回数が多くなりサイクル劣化が進行しても、各温度環境下で実際のバッテリー残量をより正確に算出することができる。

また、全ての充放電回数ごとに温度補正値を設定するのではなく、例えば、５０回、１００回などと、所定の充放電回数ごとに変更した温度補正値を用いるので、バッテリー残量の補正を少ないパラメータで行うことができる。

次に本発明の実施の形態の詳細を説明する。
図３は、本発明の実施の形態のバッテリーパックのハードウェア構成例である。
バッテリーパック５０は、バッテリーセル５１と、周辺回路５２と、マイコン５３と、サーミスタ５４と、通信回路５５とを有する。

バッテリーセル５１は、例えば、リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムポリマーバッテリーなどである。

バッテリーセル５１の正極は正極端子６１に、負極は、電流検出抵抗Ｒｓ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）とダイオードからなる充電制御スイッチＳＷ１及び放電制御スイッチＳＷ２を介して、負極端子６２に接続される。

周辺回路５２は、電圧比較器（コンパレータ）を主とした回路構成になっており、電流検出抵抗Ｒｓに流れる充放電電流値を検出する機能や、過充電、過放電、過電流からバッテリーセル５１を保護する保護機能を有する。具体的には、バッテリーセル５１の電圧が設定電圧以上になると、充電制御スイッチＳＷ１をオフし充電を停止することで過充電を防止する。また、バッテリーセル５１の電圧が設定電圧を下回ると、放電制御スイッチＳＷ２をオフし放電を停止することで過放電を防止する。

マイコン５３は、周辺回路５２により検出される充放電電流を積算し、使用時の温度や充放電回数に応じてバッテリー残量を算出する。また、サーミスタ５４を制御して、使用時のバッテリーセル５１の温度を測定する。また、図２で示したような温度補正値を格納する補正値格納手段として、例えば、ＥＥＰＲＯＭを内蔵している。また、通信回路５５を制御して、算出したバッテリー残量を接続機器に通知する機能を有する。

ここで、本発明の実施の形態のバッテリーパック５０の動作を説明する前に、温度と充放電回数の相関について説明する。
図４は、２５℃（常温）での各充放電回数におけるバッテリーセルの放電特性を示す図である。

また図５は、０℃（低温）での各充放電回数におけるバッテリーセルの放電特性を示す図である。
図４、図５において、横軸は時間、縦軸は電圧であり、充電条件：電圧４．２Ｖ、電流０．５Ａ、２．５時間、放電条件：２Ｗ定電力で充放電を繰り返した場合の放電特性が示されている。

図４のように、例えば、２５℃（常温）での使用下では、図のように、例えば３．３５Ｖまで放電する場合において、充放電回数が０回のバッテリーセル５１の放電時間を１００％としたとき、５０回使用したものは９４％、１００回使用したものは９０％、５００回使用したものは６８％と放電時間が少なくなっている。すなわち、５０回使用するごとにサイクル劣化により約５％の容量の低下が確認される。

一方、図５のように、０℃（低温）での使用下では、充放電回数が０回のバッテリーセル５１においても、図４で示した常温での充放電回数が０回のバッテリーセル５１に比べて６０％と放電時間が少なくなっている。０℃のバッテリーパックでの充放電回数を進めると、０回の常温使用のバッテリーセル５１に比べて５０回で４６％、１００回で３９％、５００回で１０％と、常温の場合に比べてサイクル劣化の割合が大きくなることが分かる。

図６は、バッテリーセルにおける温度と充放電回数に応じた容量変化の特性を示す図である。
横軸は充放電回数で、縦軸は容量であり、２５℃（常温）で充放電回数が０回のバッテリーセルの容量を１００％としている。

この図のように、温度が低いほど、充放電回数の増加によるサイクル劣化の度合いは増大することが分かる。

これを、充放電回数と使用温度といった２つのパラメータで補正しようとすると、正しいバッテリー残量の算出が難しくなってしまう。

図７は、常温時のサイクル劣化に合わせて補正した時の、常温と低温での充放電回数と容量の関係を示す図である。

この図７は、図６の常温と低温による充放電回数と容量の関係の図において、２５℃（常温）のサイクル劣化に合わせて、５０回ごとにリニアに４％ずつ容量を低下するようなパラメータを設定して補正したものである。このとき、０℃（低温）では充放電回数が０回の場合の容量を６５％としたとき、図７のように、充放電回数が増えたときに理論値との誤差が増大してしまう。すなわち算出されたバッテリー残量はまだ使用できる値であるにもかかわらず、実際のバッテリー残量はそれよりも少なく、使用することができないといった不具合が生じるおそれがある。

図８は、低温時のサイクル劣化に合わせて補正した時の、常温と低温での充放電回数と容量の関係を示す図である。

この図８は、図６の常温と低温による充放電回数と容量の関係の図において、０℃（低温）のサイクル劣化（例えば、充放電回数０〜１００回の範囲）に合わせて、充放電回数が０回の時の容量を６０％として、５０回ごとにリニアに１０％ずつ容量を低下するような補正値を設定して補正したものである。このとき、２５℃（常温）では充放電回数が増えるに従って理論値との誤差が大きくなってしまう。これによって、充放電回数が多くなったバッテリーでは常温使用時には、実際には使用できるにもかかわらず、算出されるバッテリー残量が少なくなってしまうという不具合が生じるおそれがある。

サイクル劣化を補正する補正値と、温度による容量の低下を補正する補正値を組み合わせてもつと、常温、低温どちらの場合においても正しいバッテリー残量を算出することが可能であるが、パラメータ数が多くなってしまい、設定が困難になるという問題がある。

これに対し、本発明の実施の形態のバッテリーパック５０は、図２で示したように、例えば、５０回、１００回などと、所定の充放電回数ごとに変更した温度補正値を用いており、この不具合を解消する。

以下本発明の実施の形態のバッテリーパック５０の動作を説明する。
例えば、バッテリーパック５０の正極端子６１、負極端子６２を、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、充電器などの接続機器に接続して使用を開始すると、周辺回路５２により検出された充放電電流値をマイコン５３により積算し、バッテリー残量を算出する。また、マイコン５３は、充放電回数を計数しており、例えば、充放電回数をマイコン５３内部のＥＥＰＲＯＭに格納している。

バッテリー残量算出の際、マイコン５３は、サーミスタ５４で測定された温度と、充放電回数を基に、図２で示したような温度補正値が格納されている、例えば、ＥＥＰＲＯＭを検索して温度補正値を特定し、その温度補正値に応じたバッテリー残量を算出する。

図９は、本発明の実施の形態のバッテリーパックにより補正した様子を示す図である。
この図９は、図６の常温と低温による充放電回数と容量の関係の図において、２５℃（常温）のサイクル劣化に合わせて、５０回ごとにリニアに４％ずつ容量を低下するようなサイクル補正を行ったものである。ただし、低温使用時の容量を５０回ごとに段階的に引き下げるようなサイクル補正を行っている（ただし、図９の例では１５０回まで）。すなわち、充放電回数が５０回、１００回、１５０回、となったときに、段階的に容量を下げるような温度補正値を設定する。それ以外の部分では、常温と同様にリニアに４％ずつ容量を低下するような温度補正値を設定する。所定の充放電回数ごとに変化させた温度補正値を用いるので、バッテリー残量の補正を少ないパラメータで行うことができる。

なお、上記では、常温のサイクル劣化にあわせて、５０回ごとにリニアに４％ずつ容量を低下するようなサイクル補正を行った場合について説明したが、低温のサイクル劣化に合わせて、例えば、５０回ごとに１０％ずつ容量を低下するようなサイクル補正を行い、常温使用時では、５０回ごとに容量を段階的に引き上げるようなサイクル補正を行うようにしてもよい。

このようにして算出したバッテリー残量を、マイコン５３の制御のもと通信回路５５は図示しない接続機器に通知することで、例えば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどでは、現在の環境下での実際に放電可能な時間に近い値を、使用者に対して提示することができる。

本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理をフローチャートでまとめる。
図１０は、本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１：温度測定
マイコン５３は、サーミスタ５４を制御してバッテリーセル５１の温度を測定する。

以下のステップＳ２〜Ｓ８の処理は、測定した温度と充放電回数に応じて温度補正値を特定する処理である。ここでは、例えば、マイコン５３に内蔵されたＥＥＰＲＯＭに、図２のように、充放電回数が５０回まで、５０〜１００回、１０１〜１５０回、１５１回以上の４種類の温度補正値が格納されている場合について説明する。

マイコン５３は、まず、充放電回数が５０回以下であるか否かを判定し（ステップＳ２）、５０回以下であれば、ＥＥＰＲＯＭを検索して充放電回数５０回以下の温度補正値をステップＳ１の処理で測定した温度に応じて設定する（ステップＳ３）。充放電回数が５０回を上回っている場合、マイコン５３は次に、充放電回数が１００回以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、１００回以下であれば、ＥＥＰＲＯＭを検索して充放電回数が５１〜１００回の温度補正値をステップＳ１の処理で測定した温度に応じて設定する（ステップＳ５）。充放電回数が１００回を上回っている場合、マイコン５３は次に、充放電回数が１５０回以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、１５０回以下であれば、ＥＥＰＲＯＭを検索して充放電回数が１０１〜１５０回の温度補正値をステップＳ１の処理で測定した温度に応じて設定する（ステップＳ７）。充放電回数が１５０回を上回った場合、ＥＥＰＲＯＭを検索して、充放電回数１５０回以上の温度補正値をステップＳ１の処理で測定した温度に応じて設定する（ステップＳ８）。

ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８の処理で温度補正値が設定されると、マイコン５３は、その温度補正値に応じたバッテリー残量を算出する（ステップＳ９）。マイコン５３は、通信回路５５を制御して図示しない接続機器に算出したバッテリー残量を通知する（ステップＳ１０）。

なお、上記の処理内容は、マイコン５３のソフトウェアにより実現可能なため、現行品に対してコストアップなしで実現することができる。

例えば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、充電器に接続するバッテリーパックに適用できる。

１０……バッテリーパック、１１……バッテリーセル、１２……温度測定手段、１３……充放電回数計数手段、１４……補正値格納手段、１５……残量算出手段、１６……通信手段

Claims

充放電回数及び使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパックにおいて、
バッテリーセルの温度を測定する温度測定手段と、
充放電回数を計数する充放電回数計数手段と、
所定の充放電回数ごとに第１の温度及び第２の温度を含む所定の温度それぞれに対して補正値が設定され、充放電回数が少ない間は前記第２の温度における前記所定の充放電回数での補正値が段階的に引き下げられ、充電回数が多くなると前記第１の温度と前記第２の温度における前記所定の充放電回数での補正値の変化率が等しくなる補正値を格納する補正値格納手段と、
測定した前記温度と、計数した前記充放電回数を基に前記補正値格納手段を検索して前記補正値のうちの１つを特定し、特定した前記補正値に応じたバッテリー残量を算出する残量算出手段と、
を有するバッテリーパック。
前記第１の温度は常温であり、前記第２の温度は低温である請求項１記載のバッテリーパック。
算出した前記バッテリー残量を接続機器に通知する通信手段を有する請求項１又は２記載のバッテリーパック。