JP5541112B2 - 電池監視装置、及び電池監視方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態の電池監視システムのブロック構成の一例を示す図である。図1に示す電池監視システム1は、電池監視装置としての電池監視モジュール10と、二次電池20と、移動機本体30と、ACアダプタ40とを有するように構成される。
次に、図2を用いて、上述した電池監視システム1における満充電時間の算出に用いられる充放電経路の経路抵抗及び定電圧(CV)充電電圧について説明する。図2は、CV充電電圧について説明するための図である。なお、図2(A)は、時間経過に対するCV充電電圧Vcv、CV充電電流Ic、出力電圧Vcの関係を示す図である。また、図2(B)は、図1の電池監視システムを簡略化した図である。
次に、図3を用いて、満充電時間算出処理を実行する監視IC12のブロック構成の一例について説明する。図3は、満充電時間算出処理を実行する監視ICのブロック構成の一例を示す図である。
次に、図4を用いて、上述した電池監視装置10により実行される二次電池20の満充電時間算出処理の概略的な全体の流れについて説明する。図4は、二次電池の満充電時間算出処理の全体の流れを示すフローチャートである。
次に、図5を用いて、本実施形態における二次電池20の満充電時間算出のための処理状態の遷移について説明する。図5は、二次電池の満充電時間算出のための処理状態の遷移について説明するための図である。
まず、図6を用いて、満充電時間の算出に用いられる経路抵抗Rcの測定処理について説明する。図6は、満充電時間の算出に用いられる経路抵抗Rcの測定処理の流れを示すフローチャートである。なお、後述するフローチャートのステップで示される数値は一例であり、本発明については、これに限定されるものではない。
(例)Rc=(4180mV−4168mV)/(500mA−200mA)=0.04Ω
また、上述のように算出した経路抵抗Rcを用いて、測定手段53は、CV充電電圧Vcvを算出する。なお、上述したように、CV充電電圧Vcvは、経路抵抗Rcによる電圧上昇により、検出手段51により検出することができない。また、電圧上昇ΔVcは、経路抵抗RcとCV充電電流Icの積とみなせるため、経路抵抗Rcを算出する際に取得したCV充電電流Ic2、CV充電電圧Vc2、及び経路抵抗Rcを用いて、CV充電電圧Vcvを算出する。例えば、以下の式を用いてCV充電電圧Vcvを算出することができる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
Vcv=4180mV+200mA×0.04Ω=4188mV
となる。
次に、図7を用いて、本実施形態の満充電時間の算出に用いられる第1の充電率SOCfullについて説明する。本実施形態における満充電時間の算出処理では、二次電池20の充電可能容量を算出する必要がある。
(例)SOCfull=−0.026×(139mΩ+100mΩ)+105.5+0.05×(4250mV−4200mV)
なお、ΔVcvは、上述のように算出したCV充電電圧Vcvから二次電池20の基準となる充電電圧を差し引いた電圧である(ΔVcv=Vcv−充電電圧(例えば4.2V))。
次に、図8及び図9を用いて、CC充電時間Tccの算出処理について説明する。まず、CC充電時間Tccを算出するために用いられる定電流(CC)により充電可能な二次電池20の電池容量に対する充電率であるCC充電率SOCccについて説明する。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
SOCcc=101.8%+(−29×700mA)÷1000+0.05×(4250mV−4200mV)=84%
となる。
上述したCC充電率SOCccの式と、抵抗成分係数αRの式とから、二次電池20の内部抵抗の補正係数f(Rrtn)は、例えば次の式で表すことができる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
f(Rrtn)=(80%−99.4%−(0.05×100mΩ×700mA)÷1000−0.0507×(4250mV−4200mV))÷700mA×1000=−34.05
となる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
αR=−0.06×139mΩ−15.875−0.05×100mΩ=−29
となる。ここから、CC充電時間Tccを、例えば以下の式で表すことができる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
Tcc={[101.8%+(−29×700mA)÷1000+0.05×(4250mV−4200mV)]×998mAh÷100−22mAh}÷700mA×60=69.9min
となる。
次に、図10を用いて、定電圧(CV)によるCV充電時間Tcvの算出に用いられる第2の充電率SOCchgについて説明する。図10は、CV充電時間Tcvの算出に用いられる第2の充電率SOCchgを説明するための図である。
また、充電終止電流値Istopは、例えば二次電池20の充電時(前回)において検出された最新の充電終止電流値Istopを記録手段52に記録しておき、次回以降の充電時に用いる。
図10(A)は、充電終止電流Istopに対する第2の充電率SOCchgの特性を示す図である。なお、横軸(x軸)は、充電終止電流[mA]、縦軸(y軸)は、第2の充電率SOCchg[%]を示している。図10(A)は、第2の充電率SOCchgと充電終止電流Istopとの関係がプロットされているものであり、第2の充電率SOCchgは、図10(A)に示すような2次特性を示している。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
SOCchg=101.8%+0.00119[−29+0.05×(4250mV−4200mV)÷700mA)×60mA=99.7%
となる。また、図10(B)の横軸(x軸)は上述した式の(αR+αV×ΔVcv÷Icc)に対応する係数を示し、縦軸(y軸)はSOCchg−SOCfullの値を示している。
次に、図11及び図12を用いて、CV充電時間Tcvの算出処理について説明する。図11は、CV充電時における充電電流値Icの変化を示す図である。なお、横軸(x軸)は、時間[h]、縦軸(y軸)は充電電流[mA]を示している。
上述した式について、ファームでの実現が困難なlogの計算部を、近似式として成立するような関数fとすると、関数fは、例えば以下の式で表すことができる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
f(Istart÷Istop)=42min×(700mA−60mA)÷(995mAh−835mAh)=11.7
となる。
なお、上記の式に具体的な数値を入れると、例えば、
Tcv=[−0.193×(700mA÷60mA)2+12.25×(700mA÷60mA)+50.5]÷(700mA−60mA)×(99.7%−84%)×998mAh÷100=41min
となる。
次に、図13は、CC・CV充電時間の算出処理の流れを示すフローチャートである。図13に示すように、充電時間算出手段55は、第2の充電率SOCchgを上述した式(3)によって算出し(S50)、S50の処理により算出された第2の充電率SOCchgと、事前に算出されたCC充電率SOCccとを用いて、上述したように、CV充電可能容量を算出する(S51)。
本実施形態では、判定手段54により二次電池20の充電状態がCV充電と判定されるまで、上述した充電時間算出手段55によりCC充電時間TccとCV充電時間Tcvの合計時間である予測時間としての満充電時間を算出する。
次に、図14〜17を用いて、満充電時間の時間を算出する各処理を実行するタイミングを決定するため、二次電池20の充電状態を判定する判定手段54の判定処理について説明する。
ここから、例えばCC充電とCV充電との切り換わりを判定するための充電状態判定開始電圧を検出電圧約4000[mV]以上とする。
次に、図18を用いて、判定手段54が実行する充電状態判定処理について説明する。図18は、充電状態判定処理の流れを示すフローチャートである。
次に、図19及び図20を用いて、充電末期補正手段57により実行される充電末期補正処理について説明する。充電末期では、算出誤差が残らないように最終時間=0となるよう補正を行う。
なお、Inowとは、上述したように、現在の充電電流値を示し、具体的には充電末期を開始する電流値として予め設定された値(図20に示すIc2)を示す。
また、図19(B)に示す特性から、充電電流Ic1と電流Ic2の2点の電流値と、その経過時間T2−T1を用いることにより、充電末期補正時の残りの充電時間(充電末期時間)は、以下に示す式で表せる。
なお、上述した係数αTを算出するタイミングを、図20に示す充電電流値Ic1、充電電流値Ic2の検出時とした場合、充電電流値Ic1、Ic2、現在電流Inowは、定数値となるため、上述した式の係数項の分母は、定数となり、充電末期時間は、例えば以下の式で表すことができる。
(例)充電末期時間=−{(102min−95.6min)÷(−0.18)×(2−1.78)=7.8min
なお、上述した特性を表す係数(αlog、βlog)は、特性データとして記録手段52に格納しておく。
次に、図21を用いて、充電末期補正手段57が実行する充電末期補正処理の流れについて説明する。図21は、充電末期補正処理の流れを示すフローチャートである。
次に、図22を用いて、本実施形態による充電時間算出手段55により算出された予測時間の算出精度について説明する。図22は、充電時間算出手段により算出された予測時間の算出精度を説明するための図である。なお、横軸(x軸)は、充電終止電流[mA]、縦軸(y軸)は算出時間誤差[min]を示している。
次に、図23を用いて、本実施形態による充電末期補正手段57により補正された充電時間の算出精度について説明する。図23は、充電末期補正手段により補正された充電時間の算出精度を説明するための図である。なお、横軸(x軸)は温度[℃]、縦軸(y軸)は算出時間誤差[min]を示している。
次に、図24を用いて、本実施形態による満充電時間算出処理による充電時間算出の切り換わりによる算出時間の変動について説明する。図24は、充電時間算出の切り換わりによる算出時間の変動について説明するための図である。なお、横軸(x軸)は経過時間[min]、左側の縦軸(y軸)は残充電時間[min]、右側の縦軸(y軸)は充電電流[mA]を示している。
次に、図25を用いて、本実施形態による充電末期補正処理の変形例について説明する。図25は、本実施形態による充電末期補正処理の変形例を説明するための図である。なお、横軸(x軸)は、経過時間[sec]、縦軸(y軸)は充電電流[A]を示している。
上述の算出式のうち、変形例では、T2−T1の間隔を一定とすることで、一定間隔ごとに充電末期時間を算出することが可能となる。また、変形例では、一定間隔ごとに算出するため、図25に示す充電電流の傾きが予測しやすくなることにより、充電末期時間の算出精度を良くすることが可能となる。
10 電池監視モジュール
11 保護IC
12 監視IC
13A 温度センサ
13B 電圧センサ
13C 電流センサ
14 CPU
15 メモリ
20 二次電池
30 移動機
31 充電制御IC
40 ACアダプタ
51 検出手段
52 記録手段
53 測定手段
54 判定手段
55 充電時間算出手段
56 CV充電時間カウント手段
57 充電末期補正手段
58 制御手段
Claims (8)
- 二次電池の電圧値、電流値、及び温度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された値を用いて前記二次電池の充電時間を算出する充電時間算出手段と、前記二次電池の充電状態を判定する判定手段とを備える電池監視装置であって、
前記充電時間算出手段は、
前記検出手段により定電圧充電中に検出された値に基づいて算出された前記二次電池の経路抵抗値と、前記二次電池の充電電圧値と、前記二次電池の現在温度の内部抵抗値とを用いて所定の充電終止電流に対応して算出された第1の充電率と、前記第1の充電率を用いて算出された定電流充電率と、前記第1の充電率を用いて、前記二次電池を充電する充電回路に固有の充電終止電流に対応して算出された第2の充電率とに基づいて、前記二次電池の充電時間を算出することを特徴とする電池監視装置。 - 前記充電時間算出手段は、
前記検出手段により定電流充電中に検出される充電電流値と、前記第1の充電率とに基づいて定電流充電時間を算出し、
前記検出手段により定電流充電中に検出される充電電流値と、前記定電流充電率と、前記第2の充電率とに基づいて定電圧充電時間を算出し、
前記定電流充電時間に前記定電圧充電時間を加算することにより前記二次電池の充電時間を算出することを特徴とする請求項1に記載の電池監視装置。 - 前記判定手段により前記二次電池の充電状態が定電圧充電状態であると判定され、かつ前記検出手段により検出される充電電流値が所定値以下の場合、前記検出手段により検出された所定の電流値と、前記固有の充電終止電流とを用いて充電末期時間を算出し、算出された充電末期時間を用いて前記二次電池の充電時間を補正する充電末期補正手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電池監視装置。
- 前記判定手段は、前記検出手段から検出された値に基づいて算出された前記二次電池の電圧変化速度、電流変化速度、及び前記所定の電流値を用いて、前記二次電池の充電状態を判定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電池監視装置。
- 二次電池の電圧値、電流値、及び温度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された値を用いて前記二次電池の充電時間を算出する充電時間算出手段と、前記二次電池の充電状態を判定する判定手段とを備える電池監視装置により実行される電池監視方法であって、
前記検出手段により定電圧充電中に検出された値に基づく前記二次電池の経路抵抗値を取得する経路抵抗値取得ステップと、
前記経路抵抗値取得ステップにより取得された前記二次電池の経路抵抗値と、前記二次電池の充電電圧と、前記二次電池の現在温度の内部抵抗値とを用いて所定の充電終止電流に対応する第1の充電率を算出する第1の充電率算出ステップと、
前記第1の充電率算出ステップにより算出された第1の充電率を用いて定電流充電率を算出する定電流充電率算出ステップと、
前記第1の充電率を用いて、前記二次電池を充電する充電回路に固有の充電終止電流に対応する第2の充電率を算出する第2の充電率算出ステップと、
前記第1の充電率と、前記定電流充電率と、前記第2の充電率とに基づいて、前記二次電池の充電時間を算出する充電時間算出ステップとを有することを特徴とする電池監視方法。 - 前記充電時間算出ステップは、
前記検出手段により定電流充電中に検出される充電電流値と、前記第1の充電率とに基づいて定電流充電時間を算出し、
前記検出手段により定電流充電中に検出される充電電流値と、前記定電流充電率と、前記第2の充電率とに基づいて定電圧充電時間を算出し、
前記定電流充電時間に前記定電圧充電時間を加算することにより前記二次電池の充電時間を算出することを特徴とする請求項5に記載の電池監視方法。 - 前記判定手段により前記二次電池の充電状態が定電圧充電状態であると判定され、かつ前記検出手段により検出される充電電流値が所定値以下の場合、前記検出手段により検出された所定の電流値と、前記固有の充電終止電流とを用いて充電末期時間を算出する充電末期時間算出ステップと、
前記充電末期時間算出ステップにより算出された充電末期時間を用いて、前記二次電池の充電時間を補正する充電末期補正ステップとを有することを特徴とする請求項5又は6に記載の電池監視方法。 - 前記判定手段により、前記検出手段から検出された値に基づいて前記二次電池の電圧変化速度、電流変化速度、及び所定の電流値を取得する充電状態判定情報取得ステップと、
前記充電状態判定情報取得ステップにより得られる前記二次電池の電圧変化速度、電流変化速度、及び前記所定の電流値を用いて、前記二次電池の充電状態を判定する判定ステップとを有することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の電池監視方法。
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