JP5541112B2 - 電池監視装置、及び電池監視方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電池監視装置、及び電池監視方法に関する。
従来から、例えば携帯電話等の電子機器に使用されるリチウムイオン電池等の二次電池を充電する方法として、定電流・定電圧(CC・CV)充電による充電方法が知られている。CC・CV充電では、まず定電流(CC)充電が行われ、二次電池の電圧が所定の電圧に達すると、定電圧(CV)充電に切り換わり、充電電流が所定の電流値まで低下すると満充電と判定されて充電電流の供給が停止される。
このようなCC・CV充電を用いた充電方法において、例えば測定された電池電圧と充電電流の値をもとに充電中の二次電池が満充電になるまでの時間を算出する充電時間算出方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平07−274408号公報
しかしながら、上記特許文献1等に示される従来の充電時間算出方法においては、充電時の環境等により変動する充電電圧、充電終止電流、検出区間の経路抵抗等が考慮されていなかった。そのため、温度等の測定環境が変化すると充電時間の算出精度が悪化するという問題があった。
また、従来においては、充電時の温度や電池の劣化率により二次電池の充電可能容量が変化するにも関わらず、前回の充電時に算出された二次電池の充電可能容量を参照して充電時間を算出していたため、算出された充電時間と実測時間との誤差が大きいという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、二次電池の状態に応じた充電可能容量を算出することで、二次電池の満充電時間の算出精度の向上を図る電池監視装置、及び電池監視方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、二次電池(20)の電圧値、電流値、及び温度を検出する検出手段(51)と、前記検出手段(51)により検出された値を用いて前記二次電池(20)の充電時間を算出する充電時間算出手段(55)と、前記二次電池(20)の充電状態を判定する判定手段(54)とを備える電池監視装置(12)であって、前記充電時間算出手段(55)は、前記検出手段(51)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(20)の経路抵抗値と、前記二次電池(20)の充電電圧値と、前記二次電池(20)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(20)の充電時間を算出することを特徴とする。
また、本発明において、前記充電時間算出手段(55)は、前記検出手段(51)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(51)により定電流充電中に検出された充電電流値と、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。
また、本発明において、前記判定手段(54)により前記二次電池(20)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(51)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(51)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(20)の充電時間を補正する充電末期補正手段(57)を有することを特徴とする。
また、本発明において、前記判定手段(54)は、前記検出手段(51)から検出された値に基づいて算出された前記二次電池(20)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(20)の充電状態を判定することを特徴とする。
また、本発明は、二次電池(20)の電圧値、電流値、及び温度を検出する検出手段(51)と、前記検出手段(51)により検出された値を用いて前記二次電池(20)の充電時間を算出する充電時間算出手段(55)と、前記二次電池(20)の充電状態を判定する判定手段(54)とを備える電池監視装置(12)により実行される電池監視方法であって、前記検出手段(51)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(S35)と、前記経路抵抗値取得ステップ(S35)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(S40)と、前記第1の充電率算出ステップ(S40)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(S41)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(S50)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(S53)とを有することを特徴とする。
また、本発明において、前記充電時間算出ステップ(S53)は、前記検出手段(51)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(S42)、前記検出手段(51)により定電流充電中に検出された充電電流値と、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(S52)、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。
また、本発明において、前記判定手段(54)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(51)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(51)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(S75)と、前記充電末期時間算出ステップ(S75)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(S66)とを有することを特徴とする。
また、本発明において、前記判定手段(54)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(S63)とを有することを特徴とする。
尚、上記参照符号は、あくまでも参考であり、これによって、本願発明が図示の態様に限定されるものではない。
本発明によれば、二次電池の状態に応じた充電可能容量を算出することで、二次電池の満充電時間の算出精度の向上を図ることが可能となる。
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。 CV充電電圧について説明するための図である。 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。 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。 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。 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。 経路抵抗Rc及び現在温度の抵抗値Rrtnに対する第1の充電率SOCfullの特性を示す図である。 二次電池の内部抵抗値Rrtnに対するCC充電率SOCccの特性を示す図である。 CC充電時間Tccの算出処理の流れを示すフローチャートである。 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。 CV充電時における充電電流値Icの変化を示す図である。 上述した左辺Istart/Istopに対する右辺の特性を示す図である。 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。 CC・CV充電方法における検出電流、及び検出電圧の傾きを示す図である。 CC充電及びCV充電を判定する閾値を説明するための図である。 CC・CV充電中に微小短絡が発生した場合の充電電圧及び充電電流の状態を示す図である。 充電末期におけるCV充電電流の状態を示す図である。 充電状態判定処理の流れを示すフローチャートである。 「Li−ion25℃」における充電末期の時間経過とCV充電電流との特性を示す図である。 図19(A)の充電電流Ic1、Ic2に対応する経過時間T1、T2を示す図である。 充電末期補正処理の流れを示すフローチャートである。 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。 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。 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。 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。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
<電池監視システム:ブロック構成例>
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。
電池監視モジュール10は、二次電池20に対する充電状態等を監視する機能を有し、保護IC11と、監視IC12とを有する。
保護IC11は、例えば二次電池20の過充電、過放電等を検出することにより二次電池20を保護する。
監視IC12は、二次電池20の周囲温度を検出する温度センサ13Aと、二次電池20の充電電圧を検出する電圧センサ13Bと、二次電池20の充放電電流を検出する電流検出センサ13Cと、各センサから出力される値をもとに電流積算等の演算を行うよう制御するCPU14と、監視IC12において実行される演算処理に用いられる二次電池20の電池特性パラメータ等を格納するメモリ15とを有する。
監視IC12は、上述した構成を有することにより、二次電池20の電圧や電流積算量等から二次電池20の残容量を算出し、二次電池20の周囲温度や残容量等から二次電池20の内部抵抗値を算出し、二次電池20の容量保持率、内部抵抗値、充電電流、電池特性パラメータ等から二次電池20の状態に応じた充電可能容量、満充電時間等を算出する。
二次電池20は、充放電を行うことができる電池であり、例えばリチウムイオン電池等からなる。
移動機本体30は、例えば携帯電話等から構成される。また、移動機本体30は、監視IC12から得られる値をもとに、二次電池20の充電を制御する充電制御IC31を有する。
ACアダプタ40は、外部から得られる交流電源を直流電源に変換して、変換した直流電源を移動機本体30に供給する。
<経路抵抗及びCV充電電圧について>
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。
図2(A)に示すように、二次電池20を充電するCV充電電圧Vcvは、図2(B)に示す充電制御IC31から出力される出力電圧Vc、経路抵抗Rc、CV充電電流Icによって変化する。
すなわち、CV充電電圧Vcvは、経路抵抗RcとCV充電電流Icの積によるΔVc分、出力電圧Vcから上昇する。なお、経路抵抗Rcは、図2(A)に示すCV充電中における2点でのVc1、Vc2、Ic1、Ic2を用いることで、算出することができる。
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、電圧センサ13Bにより検出することができないが、経路抵抗Rcによる電圧上昇ΔVcは、経路抵抗RcとCV充電電流Icの積とみなせる。
したがって、本実施形態では、CV充電電圧Vcvは、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を用いて算出する。なお、上述した経路抵抗Rc及びCV充電電圧Vcvの具体的な算出処理については後述する。
<監視ICのブロック構成について>
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。
図3に示すように、監視IC12は、検出手段51と、記録手段52と、測定手段53と、判定手段54と、充電時間算出手段55と、CV充電時間カウント手段56と、充電末期補正手段57と、制御手段58とを有するように構成される。
検出手段51は、二次電池20の温度、充電電圧値Vc、充電電流値Ic等を検出する。なお、検出手段51は、上述した監視IC12の温度センサ13Aと、電圧センサ13Bと、電流センサ13Cとに対応する。
記録手段52は、ROM(Read Only Memory)等のメモリであり、例えば後述する充電時間算出手段55等により実行される満充電時間算出処理に用いられる二次電池20の電池特性パラメータ等を格納する。
測定手段53は、検出手段51により検出された値を用いて経路抵抗値Rcを算出する。また、測定手段53は、例えば検出手段51により検出された充電電流値Icの値が「Ic>0」となった場合、電圧変化速度及び電流変化速度を測定する。
判定手段54は、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は、例えば検出手段51から検出される所定の充電電流値Ic、測定手段53により測定された電圧変化速度及び電流変化速度を、例えば記録手段52から取得して、二次電池20の充電状態を判定する。
これにより、例えばCC・CV充電中に微小短絡が発生した場合であっても、二次電池20の充電状態を正確に判定することが可能となる。なお、判定手段54の具体的な判定処理については後述する。
充電時間算出手段55は、判定手段54により二次電池20の充電状態がCC充電と判定された場合に、CC充電時間とCV充電時間とを算出し、本実施形態では、算出したCC充電時間とCV充電時間とを合計して、予測時間としての満充電時間(CC・CV充電時間)を算出する。
例えば、充電時間算出手段55は、検出手段51によりCV充電中に検出された値に基づいて、測定手段53により測定された経路抵抗Rc、二次電池20の充電電圧Vcv、二次電池20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二次電池20の電池容量に対する充電率である第1の充電率と、第1の充電率を用いて算出されたCC充電率と、第1の充電率を用いて、二次電池20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、二次電池20の満充電時間を算出する。
具体的には、充電時間算出手段55は、検出手段51によりCC充電中に検出された充電電流値と、第1の充電率とに基づいてCC充電時間を算出し、検出手段51によりCC充電中に検出される充電電流値と、CC充電率と、第2の充電率とに基づいてCV充電時間を算出し、このように算出したCC充電時間にCV充電時間を加算することにより、二次電池20の満充電時間を算出する。
なお、充電時間算出手段55の具体的なCC充電時間算出処理及びCV充電時間算出処理については後述する。
CV充電時間カウント手段56は、判定手段54により二次電池20の充電状態がCV充電と判定された場合に、充電時間算出手段55により算出されたCC・CV充電時間のカウントダウンを行う。具体的には、CV充電時間カウント手段56は、後述する充電末期補正手段57の処理が実行されるまで、CC・CV充電時間から経過時間に対応する減算処理を行う。
充電末期補正手段57は、判定手段54により二次電池20の充電状態が定電圧充電状態であると判定され、かつ検出手段51により検出される充電電流値が所定値以下の場合、検出手段51により検出された所定の電流値と、二次電池20を充電する充電回路に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からカウントダウンする補正を行う。
これにより、充電末期補正手段57は、充電時間算出手段55により算出されたCC・CV充電時間からCV充電時間カウント手段56が減算した予測残時間をより正確にすることが可能となる。
制御手段58は、監視IC12における各機能構成全体の制御を行うものであり、CPU14に対応するものである。具体的には、制御手段58は、上述した各機能構成を用いて本実施形態における満充電時間算出処理を実行するための各種制御を行う。
なお、制御手段58は、上述した充電時間算出手段55により算出された第1の充電率、CC・CV充電時間と、実測した第1の充電率に対応する充電容量、充電時間とを比較することで二次電池20の電池状態を判定したり、実測された二次電池20の充電可能容量に基づいて二次電池20の電池抵抗を算出したりしても良い。
<満充電時間算出処理の流れについて>
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。
図4に示すように、測定手段53は、予めCV充電中に検出手段51により検出された二次電池20の電圧値及び電流値を用いて、二次電池20の経路抵抗Rcを算出する経路抵抗算出処理を実行する(S10)。
また、CV充電中に、検出手段51により二次電池20の予め設定された所定の電流値が検出されると、充電末期補正手段57は、後述する充電末期時間を補正する充電末期補正処理を実行する(S11)。
また、測定手段53は、検出手段51により検出される二次電池20のCV充電電流のうち、二次電池20の充電終止電流を測定する充電終止電流測定処理を実行する(S12)。
なお、測定手段53は、検出手段51により所定の電流が検出されて、二次電池20のCC・CV充電が開始される前に、上述したS10〜S12の処理を所定のタイミングにより行い、各処理により得られた値を記録手段53に記録しておく。
次に、判定手段54は、二次電池20のCC・CV充電が開始されると、充電状態判定処理を実行する(S13)。判定手段54により、S13の処理において、例えば電圧変化速度が所定値(第1の閾値)以上かつ電流変化速度が所定値(第2の閾値)未満の場合に、CC充電状態と判定されると、CC・CV充電時間を算出するCC・CV充電時間算出処理が実行される(S14)。
また、判定手段54により、S13の処理において、例えば、電圧変化速度が所定値(第1の閾値)未満かつ電流変化速度が所定値(第2の閾値)以上の場合に、CV充電状態と判定されると、CV充電時間を減算処理するCV充電時間算出処理が実行される(S15)。
また、判定手段54により、S13の処理において、例えば電圧変化速度及び電流変化速度が所定値(第1の閾値、第2の閾値)未満となり、CV充電電流が所定値(第3の閾値)以下であると判定されると、充電末期補正を行う充電末期補正処理が実行される(S16)。
すなわち、図4に示すフローチャートでは、S13の処理結果に応じてS14〜S16のうち、いずれかの処理が行われる。
<満充電時間算出ための各処理状態の遷移について>
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。
図5に示すように、例えば、検出手段51により検出された二次電池20の充電電流Icの値が0より大きい場合(Ic>0)、二次電池20の充電が開始された判断され、CC・CV充電時間が算出される処理状態となる(S20)。なお、検出手段51により検出された二次電池20の充電電流Icの値は、便宜上(+)が充電電流、(−)が放電電流を示すものとする。
また、S20の状態において、CV充電が検出されると、S20の算出処理で算出されたCC・CV充電時間を減算していく残時間カウントダウン状態となり(S21)、所定の電流値Ic1が検出されると、そのときの検出時間T1を保持し(S22)、S21の処理状態に戻る。
次に、所定の電流値Ic2が検出されると、検出時間T2を保持し、T1やT2等を用いて充電末期時間が算出される処理状態となる(S23)。
次に、S23の処理で算出された充電末期時間を減算していく残時間カウントダウン状態となり(S21)、二次電池20の充電電流の値が0以下となった場合、放電中と判断される(S24)。なお、S24の処理では、Ic=0の場合に満充電であると判断する。
上述のように満充電時間算出のために実行される監視IC12の具体的な算出処理、及び満充電時間の算出に必要となる二次電池20の電池特性について、以下の通り説明する。
<経路抵抗Rc及びCV充電電圧Vcvの算出処理の流れについて>
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。
図6に示すように、測定手段53は、検出手段51において検出されるCV充電中の充電電流値Icが0より大きい(Ic>0)か、否か判断し(S30)、充電電流値Icが0より大きい場合(S30において、YES)、次に、充電電流値Icが例えば500mA以下(Ic≦500mA)か否か判断する(S31)。なお、測定手段53は、充電電流値Icが0より大きくない(Ic≦0)と判断した場合(S30において、NO)、処理を終了する。
測定手段53は、CV充電中の充電電流値Icが500mA以下と判断した場合(S31において、YES)、充電電流値Ic1=500mAのときのCV充電中の充電電圧値Vc1を取得済みか否か判断する(S32)。測定手段53は、充電電圧値Vc1を取得済みではないと判断した場合(S32において、NO)、充電電流値Ic1=500mAのときの充電電圧値Vc1を取得する(S33)。
次に、測定手段53は、CV充電中の充電電流値Icが500mA以下でないと判断した場合(S31において、NO)、次に、充電電流値Icが例えば200mA以下(Ic≦200mA)か否か判断し(S34)、充電電流値Icが200mA以下と判断した場合(S34において、YES)、充電電流値Ic2=200mAのときのCV充電中の充電電圧値Vc2を取得済みか否か判断する(S35)。
測定手段53は、充電電圧値Vc2を取得済みでないと判断した場合(S35において、NO)、充電電流値Ic2=200mAのときの充電電圧値Vc2を取得する(S36)。
次に、測定手段53は、S33の処理において取得した充電電圧値Vc1、及びS36の処理において取得した充電電圧値Vc2と、対応する充電電流値Ic1(500mA)、Ic2(200mA)とに基づいて経路抵抗値を算出し(S37)、処理を終了する。なお、測定手段53は、S32の処理において充電電圧値Vc1を取得済みと判断した場合(S32において、YES)及びS35の処理において充電電圧値Vc2を取得済みと判断した場合(S35において、YES)、処理を終了する。
測定手段53は、上述したS37の処理において、例えば以下の式を用いて経路抵抗Rcを算出することができる。
Rc=(Vc2−Vc1)/(Ic1−Ic2)
(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。
Vcv=Vc2+Ic2×Rc
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。
なお、この経路抵抗RcとCV充電電圧Vcvは、充電するたびに算出しておき、満充電時間の算出に用いる値は前回算出時の値を用いる。
<第1の充電率SOCfullについて>
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。
例えば、充電終止電流0mAで充電可能なSOC(State Of Charge)を第1の充電率SOCfullとすると、第1の充電率SOCfullは、図7に示すように経路抵抗Rc及び現在温度の内部抵抗値Rrtnに対して線形の特性を持つ。なお、上述したSOCとは、二次電池20の電池容量中の残容量の割合(充電率)を示すものである。
図7は、経路抵抗Rc及び現在温度の内部抵抗値Rrtnに対する第1の充電率SOCfullの特性を示す図である。なお、横軸(x軸)は、経路抵抗値Rc及び現在温度の内部抵抗値Rrtnの合計抵抗値[mΩ]、縦軸(y軸)は第1の充電率SOCfull[%]を示している。
図7に示すように、第1の充電率SOCfullは、所定の充電電圧(例えば二次電池20の基本となる充電電圧4.15V、充電電圧4.2V、充電電圧4.25V)に対して一定のオフセットを持つような特性となる。
このような図7に示す特性をx軸に対する1次式で近似すると、第1の充電率SOCfullは、例えば以下の式で表すことができる。
SOCfull=αSOC×(Rrtn+Rc)+βSOC+αV×ΔVcv・・・(1)
(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))。
上述した図7に示す特性を表す係数(αSOC、βSOC、αV)は、特性データとして記録手段52に格納しておく。
充電時間算出手段55は、検出手段51により充電電流値Ic>0が検出されると、充電状態になったと判断して、上述した式(1)に、事前に算出した経路抵抗Rc、現在温度の内部抵抗値Rrtn、電圧上昇ΔVcvを用いて、第1の充電率SOCfullを算出する。
なお、現在温度の内部抵抗値Rrtnは、公知の方法を用いて二次電池20の周囲温度や二次電池20の残容量から算出される。例えば、現在温度の内部抵抗値Rrtnは、二次電池20に対する充放電が行われない安定状態から、充電が開始したときの電流変化ΔIcと、充電開始前後の電圧変化ΔVcより、ΔVc/ΔIcとして、現在の抵抗値を算出する。内部抵抗値Rrtnは、温度が下がるほど大きくなる特性があり、この特性を数値化し、過去に算出した内部抵抗値と温度特性式から現在温度の内部抵抗Rrtnを算出する。
<CC充電時間Tccの算出について>
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。
CC充電率SOCccは、二次電池20の充電上限値である上述した第1の充電率SOCfullからの抵抗成分による電圧降下と、充電電圧の変動分による変動とを考慮して、例えば次のようにCC充電率SOCccを定式化することができる。
SOCcc=SOCfull+(αR×Icc)÷1000+αV×ΔVcv
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。
ここで、Iccとは、検出手段51により検出されるCC充電中の充電電流値である。また、CC充電率SOCccを表す式のうち、抵抗成分による電圧降下は(αR×Icc)÷1000により示され、充電電圧の変動分はαV×ΔVcvにより表される。
また、上述した抵抗成分による電圧降下に用いられる抵抗成分係数αRは、二次電池20の内部抵抗による成分と経路抵抗による成分とに分解することができる。すなわち、抵抗成分係数αRは、例えば次の式で表すことができる。
αR=f(Rrtn)+αV×RC
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。
f(Rrtn)=(SOCcc−SOCfull−(αV×Rc×Icc)÷1000−αV×ΔVcv)÷Icc×1000
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。
ここで、図8は、二次電池の内部抵抗値Rrtnに対するCC充電率SOCccの特性を示す図である。なお、横軸(x軸)は、内部抵抗[mΩ]、縦軸(y軸)はCC充電率SOCcc[%]を示している。図8の縦軸は、上述した補正係数f(Rrtn)の式の右辺に対応している。
すなわち、図8に示すように、二次電池の内部抵抗値Rrtnは、CC充電率SOCccの値(上述の右辺の値)と線形の関係として近似することが可能である。
また、図8に示す特性をx軸に対する1次式で近似すると、抵抗成分係数αRは、例えば以下の式で表すことができる。
αR=αcc×Rrtn+βcc−αV×Rc
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。
Tcc={[SOCfull+(αR×Icc)÷1000+αV×ΔVcv]×電池容量÷100−残容量}÷Icc×60・・・(2)
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。
なお、上述した特性を表す係数(αcc、βcc、αV)は、特性データとして記録手段52に格納しておく。
ここで、図9は、CC充電時間Tccの算出処理の流れを示すフローチャートである。図9に示すように、充電時間算出手段55は、第1の充電率SOCfullを上述した式(1)によって算出し(S40)、S40の処理により算出した第1の充電率SOCfullを用いて、CC充電率SOCccを算出する(S41)。
次に、充電時間算出手段55は、CC充電時間Tccを上述した式(2)によって算出し(S42)、算出したCC充電時間Tccの値が適切か否か判断する(S43)。
例えば、CC充電時間Tccの値が、Tcc<0となった場合には、適切でないと判断し(S43において、NO)、Tcc=0として(S44)、処理を終了する。また、CC充電時間Tccの値が、Tcc<0とならなかった場合には、適切であると判断して(S43において、YES)、処理を終了する。
なお、具体的には、充電時間算出手段55は、S40の処理により第1の充電率SOCfullを求めた後、S43の処理によりCC充電時間Tccを算出すれば良い。
このとき、充電時間算出手段55は、記録手段52に格納された各特性係数(αcc、βcc、αV)を取得し、また、検出手段51により検出されるCC充電電流値Icc、事前に算出した経路抵抗Rc、現在温度の内部抵抗値Rrtn、第1の充電率SOCfull、経路抵抗による電圧上昇ΔVcv、二次電池20の基準となる電池容量、残容量を用いて、上述した式(2)から、定電流充電時間Tccを算出する。
なお、上述した電池容量、残容量は公知の方法を用いて算出される。例えば、電池容量は、一度の充電で充電された容量とその際に変動した充電率との関係から求めることができる。例えば電池容量[mAh]=充電容量[mAh]÷(充電終了後充電率[%]−充電開始前充電率[%])×100の式を用いて算出することが可能である。
また、残容量は、予め電圧と充電率との関係を示すテーブルをメモリに保持しておき、このテーブルと安定状態(すなわち充電や放電が行われておらず、電圧変動が微小)の電圧とから、その電圧での充電率を求め、求めた充電率と電池容量から算出する。なお、残容量は、充放電電流の積算量から計算しても良い。
また、CC充電時間Tccは、温度変化や、CC充電電流値Icc等の充電電流の変化による時間変動を反映させるため、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、所定時間おきに算出すると良い。
<第2の充電率SOCchgについて>
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。
なお、第2の充電率SOCchgは、充電回路に固有の充電終止電流値Istop(例えば充電制御IC31を含む二次電池20を充電する回路において二次電池20の充電を止めるために用いられる充電終止電流値)に対応して算出される充電率である。
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。
また、図10(B)は、図10(A)に示す特性を直線近似した際の傾き(充電可能SOC算出係数)と、CC充電時間Tcc算出時に求めた抵抗成分係数αR及び充電電圧ΔVcvの和との関係を示す図である。図10(B)に示すように、図10(A)に示す特性を直線近似した際の傾きと、抵抗成分係数αR及び充電電圧ΔVcvの和とは、係数倍で近似可能な特性を示している。
図10(B)に示す特性をx軸に対する1次式で近似して、抵抗値により変化する係数αchgとすると、第2の充電率SOCchgは、例えば以下の式で表せる。
SOCchg=SOCfull+αchg(αR+αV×ΔVcv÷Icc)×Istop・・・(3)
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。
上述した特性を表す係数(αchg)は、特性データとして記録手段52に格納しておく。充電時間算出手段55は、第1の充電率SOCfullを算出した後、記録手段52に格納した各係数αchg等と、充電終止電流Istopを取得し、第1の充電率SOCfullと、事前に算出した抵抗成分係数αRとを用いて、上述した式(3)から、第2の充電率SOCchgを算出する。
<CV充電時間Tcvの算出について>
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。
図11に示すように、CV充電時における充電電流Icvの変化は、指数関数の形となり、指数関数で表せると仮定した場合、CV(定電圧)充電にかかる時間であるCV充電時間Tcvは、例えば以下の式で表すことができる。
Tcv=log(Istart÷Istop)÷(Istart−Istop)×CV充電可能容量
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。
f(Istart÷Istop)=Tcv×(Istart−Istop)÷CV充電可能容量
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。
ここで、上述したIstartとは、算出時におけるCC充電電流Iccの値を示す。また、CV充電可能容量は、上述したCC充電率SOCccと第2の充電率SOCchgを用いて、CV充電可能容量=(SOCchg−SOCcc)×電池容量として表すことができる。
更に、上述した式の左辺Istart/Istopと右辺との間には、次のような特性があると考えられる。
図12は、上述した左辺Istart/Istopに対する右辺の特性を示す図である。横軸(x軸)は、左辺Istart/Istop、縦軸(y軸)は右辺Tcv×(Istart−Istop)÷CV充電可能容量を示している。なお、縦軸に示すQcvとは、CV充電時間Tcvに充電される容量値を示している。
図12に示すように、左辺Istart/Istopと右辺との間には、左辺項Istart/Istopに対して2次特性を持っていると考えられる。そこで、図12に示す特性をx軸に対する2次式で近似することで、CV充電時間Tcvを、例えば以下の式で表すことができる。なお、以下の式では、充電電流値Istartを、Istart=Iccとして表している。
Tcv=[αcv×(Icc÷Istop)+βcv×(Icc÷Istop)+γcv]÷(Icc−Istop)×CV充電可能容量=[αcv×(Icc÷Istop)+βcv×(Icc÷Istop)+γcv]÷(Icc−Istop)×(SOCchg−SOCcc)×電池容量・・・(4)
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)+12.25×(700mA÷60mA)+50.5]÷(700mA−60mA)×(99.7%−84%)×998mAh÷100=41min
となる。
ここで、上述した特性を表す係数(αcv、βcv、γcv)は、特性データとして記録手段52に格納しておく。充電時間算出手段55は、第2の充電率SOCchgを算出した後、記録手段52に格納した各係数(αcv、βcv、γcv)と、充電終止電流Istopとを取得し、第2の充電率SOCchgと、事前に算出したCC充電率SOCcc、検出される充電電流値Iccとを用いて、上述した式(4)から、CV充電時間Tcvを算出する。
<CC・CV充電時間の算出処理の流れ>
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)。
次に、充電時間算出手段55は、CV充電時間Tcvを上述した式(4)によって算出し(S52)、S52の処理により算出されたCV充電時間Tcvを、既に算出され保存されているCC充電時間Tccに加算し(S53)、処理を終了する。
上述したように、充電時間算出手段55は、上述した式(1)〜(4)に基づいて算出したCC充電時間TccとCV充電時間Tcvの合計時間を、予測時間としての満充電時間として算出する。
<CV充電検出後の処理について>
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。
また、判定手段54により二次電池20の充電状態がCV充電と判定された後は、CV充電時間カウント手段56が、充電時間算出手段55により算出された予測時間としての満充電時間からカウントダウンを行う。
具体的には、CV充電時間カウント手段56は、予測時間としての満充電時間から経過時間に対応する減算処理を行い、このカウントダウンは、後述する充電末期補正手段57の処理が実行されるまで行う。
なお、CV充電領域においては、電流の変動等による大幅な時間の増減が発生しないため、単純な経過時間の減算によってカウントダウンすれば良い。
<充電状態の判定処理について>
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。
図14は、CC・CV充電方法における検出電流、及び検出電圧の傾きを示す図である。なお、横軸(x軸)は、時間[min]、左側の縦軸(y軸)は充電電流[mA]、右側の縦軸(y軸)は充電電圧[mV]を示している。
また、図14に示す検出電流とは、検出手段51により検出される二次電池20の充電電流であり、図14に示す検出電圧とは、検出手段51により検出される二次電池20の充電電圧であり、図14に示すセル電圧とは、二次電池20のセル電圧を示している。
図14に示すように、CC充電中は、検出電流が一定となり、検出電圧は所定の傾きを有しながら増加する。また、CV充電中は、検出電圧が増加する傾きが小さくなる一方、検出電流は指数関数的に減少する。このような変化を有するCC・CV充電方法において、充電中の電流、温度変化、二次電池20のセル内部での微小短絡の発生により、CC充電中には検出電圧が安定し、またCV充電中に検出電流が安定してその傾きが変化する現象が生じる場合がある。
本実施形態では、上述した点を考慮して設定した閾値に基づいて、判定手段54が、二次電池20の充電状態を判定することにより、二次電池20の充電状態を正確に判定する。
まず、検出手段51が検出するCV充電電圧が、充電制御IC31から出力される出力電圧、経路抵抗Rc、CV充電電流によって変化することを考慮して、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の閾値を設定する。
例えば、CV電圧の下限値を4150[mV]、経路抵抗値Rcを80[mΩ]、CC充電電流を例えば700mAとした場合には、充電状態判定開始電圧を以下の式を用いて設定する。
判定開始電圧=4150−(700×80)÷1000=4094[mV]
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。
また、図15は、CC充電及びCV充電を判定する閾値を説明するための図である。図15(A)は、最小充電電流付近と予想される例えば330[mA]で充電しているときに、電圧がOCV(Open Circuit Voltage)テーブル上で変化すると仮定した図である。なお、横軸(x軸)は、SOC[%]、左側の縦軸(y軸)は充電電圧[mV]、右側の縦軸(y軸)は電圧変化速度[mV/min]を示している。
図15(A)に示すように、充電電圧は、例えばCC充電及びCV充電の充電状態判定開始電圧4000[mV]以上になると、電圧増加速度が4mV/min以上となっている。そこで、CC充電又はCV充電の充電状態を判定するための第1の閾値として、例えば電圧増加速度4mV/minの値を用いる。
また、図15(B)は、CC充電時の充電のバラツキから電流変化速度の安定閾値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[mV]を示している。
図15(B)に示すように、CC充電中の充電電流は、最大約6[mA]幅で変動している。そこで、CC充電及びCV充電の充電状態を判定するための第2の閾値として、例えば電流減速速度8mA/minの値を用いる。
次に、図16は、CC・CV充電中に微小短絡が発生した場合の充電電圧及び充電電流の状態を示す図である。図16(A)は、CC充電中に微小短絡が発生した場合を示す図である。なお、横軸(x軸)は、経過時間[sec]、左側の縦軸(y軸)は充電電圧[mV]、右側の縦軸(y軸)は充電電流[mA]を示している。
図16(A)に示すように、CC充電中に微小短絡が発生した場合、上昇する充電電圧の傾きの状態に一部変動が生じる。
また、図16(B)は、CV充電中に微小短絡が発生した場合を示す図である。なお、横軸(x軸)は、経過時間[sec]、左側の縦軸(y軸)は充電電圧[mV]、右側の縦軸(y軸)は充電電流[mA]を示している。
図16(B)に示すように、CV充電中に微小短絡が発生した場合、下降する充電電流の傾きが一部安定した状態となっている。
上述した微小短絡が生じた場合の充電状態の誤判定を防ぐため、本実施形態では、充電電圧、充電電流それぞれ単独の判定により充電状態の判定は行わず、充電電圧、充電電流を組み合わせた判定を行う。
具体的には、判定手段54は、上述した図15に示す電圧増加速度及び電流減速速度を用いて、電圧増加速度が第1の閾値以上かつ電流減速速度が第2の閾値未満である場合に、CC充電状態と判定する。また、判定手段54は、電圧増加速度が第1の閾値未満かつ電流減少速度が第2の閾値以上である場合に、CV状態と判定する。これにより、図16に示すように、充電中に微小短絡が発生した場合であっても誤判定することなく充電状態を判定することが可能となる。
なお、上述した電圧増加速度と電流減速速度の組み合わせ以外の組み合わせは、充電中の微小短絡によりCC充電及びCV充電のいずれにも発生する可能性があるため、充電状態の正確な判定が困難となる。したがって、上述した組み合わせ以外の組み合わせが生じた場合には、前回判定時の状態を維持する処理とする。
また、図17は、充電末期におけるCV充電電流の状態を示す図である。なお、横軸(x軸)は、経過時間[sec]、左側の縦軸(y軸)は充電電流[mA]、右側の縦軸(y軸)は電流変化速度[mA/64sec]を示している。
また、図17に示す充電電流の波形は、CV充電電流の変化速度が小さくなる劣化電池、低温(保持率88[%]、0[℃])における波形である。なお、保持率とは、電池の劣化率を示しており、定格容量に対する現在の電池容量の劣化率を示している。例えば、保持率[%]=現時点の電池容量[mAh]÷定格容量(Fresh時)[mAh]×100の式により算出される。
図17に示すように、CV充電電流の値が低くなると、電流変化速度の値も、例えば第2の閾値である例えば8[mA/min]を下回ってしまうが、充電電流の値が所定値(第3の閾値)以下、かつ電圧、電流の変化速度が閾値未満となる場合には、CV充電状態として判定する。
上述したように、本実施形態では、判定手段54は、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の充電中において検出される充電電流、充電電圧の値に基づいて、二次電池20の充電状態を判定する。
具体的には、判定手段54は、CC・CV充電状態を判定するために、まず、検出手段51から検出された検出電圧が例えば4000[mV]以上となった場合に、CC・CV充電状態判定処理を開始する。
また、判定手段54は、検出手段51から検出される検出電圧及び検出電流の値が、例えば電圧増加速度が4[mV/min](第1の閾値)以上、かつ電流減少速度が8[mA/min](第2の閾値)未満の場合、充電状態はCC充電状態であると判定する。
また、判定手段54は、検出手段51から検出される検出電圧及び検出電流の値が、例えば電圧増加速度が4[mV/min](第1の閾値)未満、かつ電流減少速度が8[mA/min](第2の閾値)以上の場合、充電状態はCV充電状態であると判定する。
また、判定手段54は、上述した電圧増加速度及び電流減少速度の組み合わせ以外の検出電圧及び検出電流を検出した場合には、主に電流変動や微小短絡の影響による状態であるため、CC・CV充電の正確な充電状態が判断できないとして、前回判定時の状態を維持する。
更に、判定手段54は、上述した電圧増加速度及び電流速度が共に設定した閾値未満となり、この状態でCV充電電流が十分に小さい所定値(第3の閾値)以下の場合も、CV充電状態として判定する。
<充電状態判定処理の流れ>
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。
図18に示すように、判定手段54は、検出手段51から電流が検出される充電電流値Icが0より大きい(Ic>0)か、否か判断し(S60)、充電電流Icが0より大きい場合(S60において、YES)、経過時間(例えば1min)をカウントする(S61)。次に、判定手段54は、S61の経過時間において検出手段51から検出された充電電流、充電電圧の変化速度を測定する(S62)。
次に、判定手段54は、S62の処理にて測定した充電電流の電流変化速度、充電電圧の電圧変化速度に基づいて二次電池20の充電状態を判定する(S63)。
判定手段54は、上述したように、例えば電圧増加速度が4[mV/min]以上、かつ電流減少速度が8[mA/min]未満の場合、充電状態はCC充電状態であると判定して、充電時間算出手段55によりCC及びCV充電時間を算出する(S64)。
また、判定手段54は、例えば電圧増加速度が4[mV/min]未満、かつ電流減少速度が8[mA/min]以上の場合、充電状態はCV充電状態であると判定して、CV充電時間カウント手段によりCV充電時間Tcvのカウントダウンを行う(S65)。
また、判定手段54は、電圧増加速度及び電流速度が共に設定した閾値未満となり、この状態でCV充電電流Icが十分に小さい、第3の閾値である所定値(例えばIc=150[mA])以下と判定した場合、充電末期補正手段57により補正処理を行う(S66)。
なお、判定手段54は、充電電流値Icが0より大きくない(Ic≦0)場合(S60において、NO)、処理を終了する。
上述した充電状態判定処理では、電流変化速度、電圧変化速度の算出は、判定間隔ごとに適切な閾値を設定し、例えば電圧増加速度が安定するCV充電電圧付近から充電末期補正を行うまで判定を繰り返すと良い。
<充電末期補正処理について>
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。
図19は、「Li−ion25℃」における充電末期の時間経過とCV充電電流との特性を示す図である。図19(A)は、充電末期の時間経過に対するCV充電電流との特性を示す図である。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。また、図19(B)は、図19(A)の充電電流の時間変化が指数関数と良く似た特性を示すために、Log(Ic)としたときの時間経過との関係を示す図である。なお、横軸(x軸)は、経過時間[sec]、縦軸(y軸)はLog(現在の充電電流値Inow/Istop)を示している。
図19(B)に示すように、Log(Ic)としたときの時間との関係は線形性の高い特性となる。図19(B)に示す特性から、CV充電時間Tcvは、例えば以下に示す式で表すことができる。
Tcv=−αT×log(Inow÷Istop)
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20は、図19(A)の充電電流Ic1、Ic2に対応する経過時間T1、T2を示したものである。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。
上述した係数αTは、図20に示す充電電流Ic1、Ic2と、その経過時間T2−T1を用いることにより、以下に示す式で表される。
αT=−(T2−T1)÷log(Ic2÷Istop)−log(Ic1÷Istop)
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。
充電末期時間=−{(T2−T1)/[log(Ic2÷Istop)−log(Ic1÷Istop)]}×log(Inow÷Istop)
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。
充電末期時間=−{(T2−T1)÷αlog×[βlog−log(Istop)]・・・(5)
(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。
<充電末期補正処理の流れ>
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。
図21に示すように、充電末期補正手段57は、検出手段51から電流が検出される充電電流値Icが0より大きい(Ic>0)か、否か判断し(S70)、充電電流値Icが0より大きい場合(S70において、YES)、次に、充電電流値Icが例えば150mA以上(Ic>150mA)か否か判断する(S71)。
充電末期補正手段57は、充電電流値Icが150mA以上でないと判断した場合(S71において、NO)、充電電流値Icが例えば100mA以上(Ic>100mA)か否か判断する(S72)。
充電末期補正手段57は、充電電流値Icが例えば100mA以上150mA未満の場合(S72において、YES)、時間計測を開始する(S73)。具体的には、図20に示す充電電流値Ic1、Ic2の検出時におけるT1、T2の時間を計測し、保持する。
また、充電末期補正手段57は、充電電流値Icが例えば100mA未満の場合(S72において、NO)、時間計測を終了し(S74)、充電末期補正を行うための充電末期時間を上述した式(5)によって算出し(S75)、処理を終了する。
なお、充電末期補正手段57は、充電電流値Icが0より大きくない(Ic≦0)と判断した場合(S70において、NO)、処理を終了する。
上述したS75の処理において、充電末期補正手段57は、記録手段52に格納された各特性係数(αlog、βlog)、T2−T1の時間、充電終止電流Istopを取得し、上述した式(5)から、充電末期時間を算出する。また、算出した後、充電末期補正手段57は、充電末期時間のカウントダウンを行う。
<予測時間の算出精度>
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。
図22(A)は、測定温度25[℃]、経路抵抗40[mΩ]の場合の例を示し、図22(B)は、測定温度25[℃]、経路抵抗80[mΩ]の場合の例を示している。なお、図22(A)、図22(B)の縦軸(y軸)の算出時間誤差とは、充電時間算出手段55により算出された予測時間から実際にかかった実測の充電時間を差し引いた時間を示している。
図22(A)及び図22(B)に示すように、二次電池20の容量保持率及び充電電圧がそれぞれ異なる場合について、充電終止電流の変化に対する算出時間誤差を算出したところ、いずれも算出時間誤差は10分以下に収まっている。
<充電末期補正による算出精度>
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。
図23に示すように、充電終止電流が60[mA]の場合に、容量保持率が、それぞれ80%、90%、100%となる二次電池20について、温度の変化に対する算出時間誤差を算出したところ、いずれも算出時間誤差は5分程度となっている。
<充電時間算出の切り換わりによる算出時間の変動>
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。
図24に示すように、本実施形態の満充電時間算出処理による算出充電時間は、経過時間に対する残充電時間が、実測時間(理想充電時間)に沿うように算出され、CV充電のCV判定ポイント以降、理想充電時間とほぼ重なり、充電終了ポイントでは、残充電時間がほぼ同時に0の状態となっている。
<充電末期補正処理の変形例>
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。
上述した図20に示す充電末期補正処理では、予め設定された所定の充電電流(Ic1、Ic2)が検出された場合に、その検出時の時間(T1、T2)を保持しておくことで、充電末期時間を算出する。
一方、変形例では、図25に示すように、予め設定された一定間隔ごと(T2−T1)に充電末期時間を算出し、補正を行う。充電末期時間は、上述した算出式と同様の式で表すことができる。
充電末期時間=−{(T2−T1)/[log(Ic2÷Istop)−log(Ic1÷Istop)]}×log(Inow÷Istop)
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。
上述したように、本実施形態によれば、二次電池の状態に応じた充電可能容量を算出することで、二次電池の満充電時間の算出精度の向上を図ることが可能となる。具体的には、実使用にて対応が必要となる経路抵抗、充電電圧、充電終止電流を考慮しながら充電可能容量を算出することが可能となる。また、CC充電時間TccとCV充電時間Tcvを個別に算出して、その合計を予測時間とすること満充電時間の算出精度を向上させることが可能となる。また、充電末期において予測時間の補正を行うことで、予測残時間を正確にすることが可能となる。
よって、本実施形態によれば、二次電池の充電終了までにかかる時間が算出可能となるため二次電池を使用する製品のユーザビリティを向上させる。また、本実施形態により算出された予測時間よりも大幅に充電時間がかかる場合や、充電可能容量よりも多くの充電を検出した場合に、二次電池の異常としての判定が可能となり、二次電池の安全な使用が可能となる。また、予め基準となる温度での初期の充電予測時間を記録しておくことで、実際に充電にかかった時間から二次電池の劣化状態を把握することが可能となる。また、実際に二次電池の充電容量を記録しておくことで、二次電池の電池抵抗を算出しにくい場合でも、逆算により二次電池の電池抵抗を算出することが可能となる。
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
1 電池監視システム
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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