JP6138757B2 - 電池パックおよび電池パックの電力量算出方法 - Google Patents

電池パックおよび電池パックの電力量算出方法 Download PDF

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Description

本発明は、電池パックおよび電池パックの電力量算出方法に関する。
電池の残容量を計算するために、様々な方法が提案されている。
特許文献１（特開２００９−５１３５１号公報）には、以下のような車両用電源装置が記載されている。まず、車載バッテリの開放電圧値、およびエンジン始動時の車載バッテリの極小電圧値に基づき、残容量０に相当する開放電圧値から満充電の開放電圧値まで、極小電圧値の二乗値を積算した積算値Ｓを計算し、テーブルを作成する。また、当該積算値Ｓと車載バッテリの満充電の電力量Ｅとの係数Ｋを、実測値に基づいて計算し、記憶しておく。そして、車載バッテリ使用時において、まず、上記した極小電圧値の実測値からテーブルを参照して、積算値Ｓを求める。次いで、当該積算値Ｓに係数Ｋをかけることにより、車載バッテリの残容量を電力量（単位Ｗｈ）で算出するとされている。
特開２００９−５１３５１号公報
しかし、特許文献１に記載の電力量には、車載バッテリ（本発明における電池パックに相当）の内部抵抗が考慮されていない。このため、本発明者は、上記方法では、正確な残存電力量を得ることができないと考えた。
本発明によれば、
直列に接続された複数の電池ユニットと、
前記電池ユニットの電圧および電流を測定する電圧電流測定手段と、
前記電池ユニットの温度を測定する温度測定手段と、
前記電圧および電流に基き前記電池ユニットの第１電力量収支を算出するとともに、前記温度に基き前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、前記電流と前記内部抵抗に基き前記内部抵抗の第２電力量収支を算出することによって、前記電池ユニットの前記第１電力量収支および前記内部抵抗の前記第２電力量収支に基き前記電池ユニットに蓄積される蓄積電力量収支を算出する算出手段と、
を備える電池パックが提供される。
また、本発明によれば、
直列に接続された複数の電池ユニットと、
前記電池ユニットの電圧および電流を測定する電圧電流測定手段と、
前記電池ユニットの温度を測定する温度測定手段と、
前記電池ユニットの前記電圧、前記電流および前記温度に基づいて、前記電池ユニットに残存した電力量の変化量である電力変化量を算出する算出手段と、
前記電池ユニットの温度から前記電池ユニットの内部抵抗を算出するためのデータである内部抵抗データを保存する記憶手段と、
を備え、
前記算出手段は、前記内部抵抗データを参照して、現在の前記温度における前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての前記電池ユニットの前記電力変化量をΔＥ（ｔ）、前記電池ユニットの内部抵抗の総和である総内部抵抗をＲｔｅｍｐ（ｔ）としたとき、下記式（１）により前記電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する電池パックが提供される。
Figure 0006138757
（ただし、Ｖ（ｔ）は全ての前記電池ユニットの合計電圧、Ｉ（ｔ）は前記電池ユニットの前記電流である。）
また本発明によれば、
直列に接続された複数の電池ユニットの電圧および電流を測定するとともに、前記電池ユニットの温度を測定する測定ステップと、
前記電池ユニットの前記温度に基づいて、現在の前記電池ユニットの内部抵抗を決定するステップと、
前記電圧および電流に基き前記電池ユニットの第１電力量収支を算出するとともに、前記温度に基き前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、前記電流と前記内部抵抗に基き前記内部抵抗の第２電力量収支を算出することによって、前記電池ユニットの前記第１電力量収支および前記内部抵抗の前記第２電力量収支に基き前記電池ユニットに蓄積される蓄積電力量収支を算出する算出ステップと、
を備える電池パックの電力量算出方法が提供される。
また本発明によれば、
直列に接続された複数の電池ユニットの電圧および電流を測定するとともに、前記電池ユニットの温度を測定する測定ステップと、
前記電池ユニットの前記温度に基づいて、現在の前記電池ユニットの内部抵抗を決定するステップと、
前記電池ユニットの前記電圧、前記電流および前記温度に基づいて、前記電池ユニットに残存した電力量の変化量である電力変化量を算出する算出ステップと、
を備え、
前記算出ステップにおいて、
前記電池ユニットの内部抵抗に基づいて、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての前記電池ユニットの前記電力変化量をΔＥ（ｔ）、前記電池ユニットの内部抵抗の総和である総内部抵抗をＲｔｅｍｐ（ｔ）としたとき、上記式（１）により前記電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する電池パックの電力量算出方法が提供される。
本発明によれば、電池ユニットの内部抵抗による損失成分を考慮して、蓄積電力量収支または電力変化量を算出する。これにより、温度に依存した内部抵抗データに基づいて、電池パックに残存した電力量を正確に算出することができる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
第１の実施形態に係る電池パックの構成を示す回路図である。 第１の実施形態に係る演算通信部の構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る第１電池セルの温度に対する内部抵抗を示す図である。 第１の実施形態に係る電力量算出方法を示すフローチャートである。 図４におけるＳ１２０の詳細を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る電力量算出方法を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る電池パックおよび制御回路の構成を示す回路図である。 第４の実施形態に係る電力量算出方法を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
ここでいう「電池パック１０」とは、複数の電池ユニットを有している組電池のことをいう。また、「電池ユニット」とは、少なくとも一つ以上の電池セル１００を有しているものをいう。さらに、「電池ユニット」に含まれる電池セル１００は、正極および負極等を有する複数の単電池を有していてもよい。また、複数の「電池ユニット」は、それぞれ異なる数量の電池セル１００を有していてもよい。以下では、「電池パック１０」に含まれる「電池ユニット」は、並列に接続された二つの単電池を有する電池セル１００である場合を説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図３を用い、第１の実施形態に係る電池パック１０について説明する。図１は、第１の実施形態に係る電池パック１０の構成を示す回路図である。図２は、第１の実施形態に係る演算通信部４００の構成を示す模式図である。図３は、第１の実施形態に係る第１電池セルの温度に対する内部抵抗を示す図である。この電池パック１０は、直列に接続された複数の電池セル１００と、電圧電流測定手段（電圧電流測定部２００）と、温度測定手段（温度測定部３００）と、演算通信部４００内に設けられた算出手段（算出部４２０）と、を備えている。算出部４２０は、電圧および電流に基き電池セル１００の「第１電力量収支」を算出するとともに、温度に基き電池セル１００の内部抵抗を決定し、電流と前記内部抵抗に基き内部抵抗の「第２電力量収支」を算出する。これにより、算出部４２０は、電池セル１００の第１電力量収支および内部抵抗の第２電力量収支に基き電池セル１００に蓄積される「蓄積電力量収支」（電力量Ｅ（ｔ））を算出する。
また、たとえば、電池パック１０は、さらに記憶手段（記憶部４８０）を備えている。電圧電流測定部２００は、電池セル１００の電圧および電流を測定する。温度測定部３００は、電池セル１００の温度を測定する。算出部４２０は、電池セル１００の電圧、電流および温度に基づいて、電池セル１００に残存した電力量の変化量である電力変化量を算出する。記憶部４８０は、電池セル１００の温度から電池セル１００の内部抵抗を算出するためのデータである内部抵抗データを保存する。ここで、算出部４２０は、内部抵抗データを参照して、現在の温度における電池セル１００の内部抵抗を決定する。次いで、算出部４２０は、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての電池セル１００の電力変化量をΔＥ（ｔ）、電池ユニットの内部抵抗の総和である総内部抵抗をＲｔｅｍｐ（ｔ）としたとき、下記式（１）により電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する。
Figure 0006138757
（ただし、Ｖ（ｔ）は全ての電池セル１００の電圧、Ｉ（ｔ）は電池セル１００の電流である。）以下、詳細を説明する。
ここでいう「電力量」または「蓄積電力量収支」とは、電池セル１００等の残容量を示す指標であり、電圧、電流および時間を乗じて算出されるものである。なお、単位Ｗｈで表される。「電力量」または「蓄積電力量収支」は、電流と時間とで表される残容量と異なり、電圧を考慮している。
図１のように、電池パック１０は、複数の電池セル１００を備えている。具体的には、電池パック１０は、たとえば、Ｎ個の電池セル１００（Ｃｅｌｌ１〜ＣｅｌｌＮ）を備えている。また、上述のように電池セル１００は、二つの単電池を有している。具体的には、電池セル１００は、たとえば、Ｌｉイオン二次電池である。また、電池セル１００は、たとえば、ラミネートフィルムを外装材に用いたラミネート型電池である。第１の実施形態における電池パック１０では、複数の電池セル１００が、それぞれ外装体（不図示）に収納され、一列に積載された状態で電池パック１０にパッケージされている。なお、電池セル１００のパッケージ様態は、任意で良く、例えば複数の電池セル１００をその厚さ方向に１列に積層した状態や、積層した電池セル１００を複数列に隣合せに配置した状態であってもよい。このようなパッケージなどであっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
複数の電池セル１００は、直列に接続されている。電池セル１００の正極側には、電池セル１００の正極端子１２０が設けられている。一方、電池セル１００の負極側には、電池セル１００の負極端子１４０が設けられている。Ｃｅｌｌ１の電池セル１００の負極端子１４０と、Ｃｅｌｌ２の電池セル１００の正極端子１２０とが接続されている。このように電池セル１００は順に直列に接続され、ＣｅｌｌＮ-１の電池セル１００の負極端子１４０と、ＣｅｌｌＮの電池セル１００の正極端子１２０とが接続されている。
また、最も高電位側に設けられた、Ｃｅｌｌ１の電池セル１００の正極端子１２０は、内部正極端子１６０に接続している。一方、最も低電位側に設けられた、ＣｅｌｌＮの電池セル１００の負極端子１４０は、内部負極端子１８０に接続している。
電池パック１０は、電池セル１００のほかに、制御回路２０を備えている。制御回路２０は、電圧電流測定部２００、温度測定部３００、演算通信部４００およびスイッチ５００を備えている。
制御回路２０は、直列に接続された電池セル１００に接続されている。制御回路２０には、外部機器（不図示）と接続するための外部正極端子７２０および外部負極端子７４０を備えている。外部正極端子７２０は、制御回路２０内の配線（不図示）を介して、電池セル１００側の内部正極端子１６０に接続している。また、外部負極端子７４０は、制御回路２０内の配線（不図示）を介して、電池セル１００側の内部負極端子１８０に接続している。なお、制御回路２０の演算通信部４００は、外部機器に信号を送受信するための外部通信端子７６０に接続している。
内部正極端子１６０と外部正極端子７２０との間には、充電または放電を停止するためのスイッチ５００が設けられている。この場合、スイッチ５００は、たとえば、ＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチ５００内には、二つのＰチャネルのＭＯＳＦＥＴが設けられている。これにより、片方のＭＯＳＦＥＴが充電を制御するために用いられる。一方、他方のＭＯＳＦＥＴが放電を制御するために用いられる。また、スイッチ５００における各々のＭＯＳＦＥＴは、電圧電流測定部２００に接続している。
なお、スイッチ５００がＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである場合は、スイッチ５００は、内部負極端子１８０と外部負極端子７４０との間に配置される。その他、スイッチ５００は、たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）、リレーまたはブレーカーであってもよい。
電圧電流測定部２００は、複数の電池セル１００の各々の電圧および電流を測定する。電圧電流測定部２００は、電圧を測定するため、各々の電池セル１００の両端に接続している。
また、内部負極端子１８０と外部負極端子７４０との間には、抵抗値が既知の抵抗２２０が設けられている。電圧電流測定部２００は、抵抗２２０の両端に接続している。これにより、抵抗２２０にかかる電圧値を測定することにより、上記抵抗値で割った値を電池セル１００に流れる電流値として算出する。なお、この抵抗２２０にかかる電圧値を電流値へ変換するための算出は、演算通信部４００における算出部４２０で行ってもよい。
電圧電流測定部２００は、演算通信部４００の測定結果受付部４６０に接続している。これにより、電圧電流測定部２００により測定された電圧および電流の測定結果は、測定結果受付部４６０に送信される。
温度測定部３００は、電池セル１００の温度を測定する。温度測定部３００は、温度センサー３２０を有している。温度センサー３２０は、たとえば、熱電対である。温度測定部３００は、温度センサー３２０で生じる熱起電力等の信号を受けて温度を算出する。なお、演算通信部４００の算出部４２０が、温度センサー３２０の信号から温度を算出してもよい。この場合、算出部４２０は、温度測定部３００を兼ねてもよい。
温度測定部３００の温度センサー３２０は、電池セル１００に接するように設けられている。たとえば、温度センサー３２０は、電池セル１００を収容する外装体（不図示）に貼り付けられている。
温度センサー３２０は、たとえば、複数の電池セル１００のうち一つの電池セル１００に接するように設けられている。この温度センサー３２０が取り付けられた電池セル１００を「第１電池セル」（図中符号不図示）とする。第１電池セルは、たとえば、当該電池パック１０内で平均的な温度と考えられる部分に設けられている。これにより、全ての電池セル１００の温度を測定せずに、当該第１電池セルの温度を電池パック１０全体の温度と推定することができる。すなわち、後述するように、温度に依存する第１電池セルの内部抵抗を、電池パック１０において直列に接続された全ての電池セル１００の内部抵抗の平均値としてみなすことができる。
温度測定部３００は、演算通信部４００の測定結果受付部４６０に接続している。これにより、温度測定部３００により測定された温度の測定結果は、測定結果受付部４６０に送信される。
次に、図２を用いて、演算通信部４００について説明する。演算通信部４００は、たとえば、算出部４２０、通信手段（通信部４４０）、測定結果受付部４６０および記憶部４８０を備えている。
測定結果受付部４６０は、上述のように、電圧電流測定部２００および温度測定部３００から、電池セル１００の電圧、電流および温度の測定結果を受け付ける。また、測定結果受付部４６０は、受け付けた測定結果を算出部４２０に送信する。
また、測定結果受付部４６０は、電池セル１００の電圧、電流および温度の測定結果を記憶部４８０に送信してもよい。記憶部４８０は、これら結果を受けて、随時保存していく。
また、記憶部４８０は、電池セル１００の温度から電池セル１００の内部抵抗を算出するためのデータである内部抵抗データを保存している。
ここで、図３は、温度センサー３２０が取り付けられた第１電池セルに関して、予め測定された温度に対する内部抵抗を示している。なお、第１電池セルの内部抵抗をｒｓとする。
図３のように、第１電池セルの内部抵抗ｒｓは、温度に依存して変化する傾向にある。なお、他の電池セル１００の内部抵抗も同じ傾向にある。電池セル１００がＬｉイオン二次電池である場合、第１電池セルの内部抵抗ｒｓは、図中の温度範囲において、単調減少となっている。記憶部４８０は、図３で示されたように予め測定された第１電池セルの内部抵抗ｒｓの温度依存性を保存している。
ここで、記憶部４８０は、内部抵抗データとして、数値化された温度と、内部抵抗とのテーブルを保存している。記憶部４８０は、内部抵抗データとして、温度に対する内部抵抗の関数を保存していてもよい。この関数は、図３のグラフにフィッティングさせた近似関数であってもよい。これにより、後述する算出部４２０は、測定された現在の第１電池セルの温度に基づいて、第１電池セルの内部抵抗を算出することができる。
さらに、記憶部４８０は、たとえば、最初に電池パック１０が満充電となった時を基準時刻０とし、当該基準時刻における電池パック１０の電力量である初期電力量（後述Ｅ０）を保存している。基準時刻は、たとえば、電池パック１０の製造時に、満充電となったときに０にセットされている。これにより、後述する電力算出方法によって、現在の電池パック１０の電力量（Ｅ（ｔ））を算出することができる。
算出部４２０は、測定結果受付部４６０に接続している。算出部４２０は、測定結果受付部４６０から受信した電池セル１００の電圧、電流および温度の測定結果から、電池パック１０の電力量の変化量（ΔＥ（ｔ））等を算出する。
また、算出部４２０は、記憶部４８０に接続している。算出部４２０は、記憶部４８０に保存された内部抵抗データを参照して、測定結果受付部４６０から受信した現在の温度における第１電池セルの内部抵抗を決定する。以上、算出部４２０における電力量算出方法については、詳細を後述する。
また、算出部４２０には、タイマー（不図示）が設けられている。これにより、基準時刻０からの現在の時刻ｔを求めることができる。
さらに、算出部４２０は、通信部４４０に接続している。算出部４２０は、算出した電池パック１０の電力変化量または電力量を通信部４４０に送信する。また、通信部４４０は、外部通信端子７６０を介して、電力変化量または電力量に基づいた信号を外部機器に送信する。
次に、図４および図５を用い、第１の実施形態に係る電池パック１０の電力算出方法について説明する。まず、直列に接続された複数の電池セル１００の電圧および電流を測定するとともに、電池セル１００の温度を測定する（Ｓ１１０、測定ステップ）。次いで、電池セル１００の温度に基づいて、現在の電池セル１００の内部抵抗を決定する（Ｓ１２０）。次いで、電池セル１００の電圧、電流および温度に基づいて、電池セル１００に残存した電力量の変化量である電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する（Ｓ１３０、算出ステップ）。以下、詳細を説明する。
電力算出を開始する前に、記憶部４８０は、予め、上述した第１電池セルの内部抵抗データを保存している。また、記憶部４８０は、最初に電池パック１０が満充電となった時を基準時刻０とし、当該基準時刻における電池パック１０の電力量である初期電力量Ｅ０を保存している。
まず、電圧電流測定部２００は、直列に接続された複数の電池セル１００の電圧および電流を測定する。なお、電圧電流測定部２００は、直列に接続された複数の電池セル１００の両端の電圧を測定することにより、全ての電池セル１００の合計電圧を測定する。ここで、現在の時刻ｔとしたとき、当該合計電圧をＶ（ｔ）とする。なお、電圧電流測定部２００は、電池パック１０の正極端子１６０および負極端子１８０の間の電圧を測定し、当該測定電圧を当該合計電圧Ｖ（ｔ）に変えて用いてもよい。
また、電圧電流測定部２００は、抵抗２２０の両端の電圧から各々の電池セル１００に流れる電流を測定する。ここで、当該電流をＩ（ｔ）とする。
電圧電流測定部２００は、電池セル１００の合計電圧Ｖ（ｔ）および電流Ｉ（ｔ）を測定結果受付部４６０に送信する。
また、温度測定部３００は、第１電池セルに取り付けられた温度センサー３２０からの信号に基づいて、第１電池セルの温度を測定する。温度測定部３００は、温度の測定結果を測定結果受付部４６０に送信する。以上のようにして、電池セル１００の電圧、電流および温度を測定する（Ｓ１１０）。
次いで、電池セル１００の内部抵抗の総和である総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する（Ｓ１２０）。この処理の詳細は、図５を用いて後述する。
次いで、算出部４２０は、電池セル１００の電圧並びに電流、および第１電池セルの温度に基づいて決定された総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）に基づいて、下記式（１）のように、電池セル１００に残存した電力の変化量である電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する（Ｓ１３０、算出ステップ）。
Figure 0006138757
（ただし、Ｖ（ｔ）は全ての電池セル１００の電圧、Ｉ（ｔ）は電池セル１００の電流である。）
ここで、式（１）の右辺第１項は、電池パック１０が充電されている場合、全ての電池セル１００に供給されている充電電力量を示している。また、式（１）の当該第１項は、電池パック１０が放電している場合、全ての電池セル１００から放電されている放電電力量を示している。また、この当該第１項の電力量を、電池セル１００の「第１電力量収支」とする。
また、式（１）の右辺第２項は、全ての電池セル１００の内部抵抗によって消費される電力量を示している。ここで、当該第２項は、電池パック１０が充電されている場合および放電している場合の両方の場合において、消費される電力量である。また、この当該第２項の電力量を、内部抵抗の「第２電力量収支」とする。なお、当該第２項の電力量は、主に電池セル１００の内部抵抗によって熱エネルギーとして消費される。
また、電池パック１０が充電されている場合、Ｉ（ｔ）は正の値である。したがって、電力変化量ΔＥ（ｔ）は正の値となる。一方、電池パックが放電されている場合、Ｉ（ｔ）は負の値である。したがって、電力変化量ΔＥ（ｔ）は負の値となる。
このとき、算出部４２０は、電力変化量ΔＥ（ｔ）を記憶部４８０に保存してもよい。
次いで、算出部４２０は、電池パック１０の記憶部４８０から初期電力量Ｅ０を読み出し、下記式（４）により、現在の全ての電池セル１００の電力量Ｅ（ｔ）を算出する（Ｓ１４０）。この当該電力量Ｅ（ｔ）を、電池パック１０に蓄積される「蓄積電力量収支」とする。
Figure 0006138757
なお、第１の実施形態の初期電力量Ｅ０は、電池パック１０の製造時において電池パック１０を放電終止から満充電までの間に放電を挟むことなく定電圧定電流で充電したときに、電池パック１０に蓄えられる電力量として、予め計測されている。つまり、上述した式（１）の電力変化量ΔＥ（ｔ）を、充電開始を時刻０として満充電になるまでの間計算することにより、満充電になったときの当該電力変化量が初期電力量Ｅ０であるとしている。なお、当該「満充電になったとき」は、充電電流が予め定めた基準値以下になったときである。また、放電が終了したとする「放電終止」は、合計電圧Ｖ（ｔ）が所定の放電終止電圧になったときである。
以上のようにして、電池セル１００に残存した電力量Ｅ（ｔ）（蓄積電力量収支）、および電力量の変化量である電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する。
次いで、図５を用い、先の電池セル１００の内部抵抗の総和である総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定するステップ（Ｓ１２０）について説明する。
まず、算出部４２０は、測定結果受付部４６０から、温度の測定結果を受信する（Ｓ１２１）。
次いで、算出部４２０は、記憶部４８０から内部抵抗データを読み出す（Ｓ１２２）。ここでの内部抵抗データは、図３で示されたように、第１電池セルの内部抵抗データである。
次いで、算出部４２０は、記憶部４８０から読み出した内部抵抗データに基づいて、測定結果の温度から、電池セル１００の内部抵抗を決定する。このとき、上述のように第１電池セルのみの温度を測定している場合、第１電池セルの内部抵抗ｒｓ（ｔ）を決定する（Ｓ１２３）。また、内部抵抗データがテーブルである場合は、測定結果の温度に対応する内部抵抗をテーブルから読み取ることにより決定する。一方、内部抵抗データが関数である場合は、測定結果の温度を関数に代入して、内部抵抗を決定する。
次いで、算出部４２０は、上記した内部抵抗に基づいて、下記のようにして、電池セル１００の内部抵抗の総和である総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する（Ｓ１２４）。
ここで、電池パック１０において、直列に接続された各々の電池セル１００の内部抵抗をｒｋ（ｔ）とする（ただし、ｋは１〜Ｎの自然数）。電池セル１００は直列に接続されているため、電池セル１００の内部抵抗ｒｋ（ｔ）の総和である総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）は、下記式（２）で求められる。
Figure 0006138757
温度センサー３２０が電池パック１０内で平均的な温度と考えられる第１電池セルに取り付けられている場合、複数の電池セル１００のうち、第１電池セルの内部抵抗ｒｓ（ｔ）が全ての電池セル１００の内部抵抗ｒｋ（ｔ）の平均値とみなすことができる。
この場合、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）は、下記式（３）で求めることができる。
Figure 0006138757
Ｓ１２３で決定した第１電池セルの内部抵抗ｒｓ（ｔ）を、上記式（３）に代入する。このようにして、第１電池セルの内部抵抗ｒｓ（ｔ）が全ての電池セル１００の内部抵抗の平均値であるとして、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する（Ｓ１２４）。
以上のようにして、電池セル１００の内部抵抗の総和である総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する（Ｓ１２０）。
次に、第１の実施形態の効果について、説明する。
第１の実施形態によれば、電圧電流測定部２００および温度測定部３００は、電池セル１００の電圧、電流および温度を測定する。算出部４２０は、電圧および電流に基き電池セル１００の「第１電力量収支」を算出するとともに、温度に基き電池セル１００の内部抵抗を決定し、電流と前記内部抵抗に基き内部抵抗の「第２電力量収支」を算出する。これにより、算出部４２０は、電池セル１００の第１電力量収支および内部抵抗の第２電力量収支に基き電池セル１００に蓄積される「蓄積電力量収支」（電力量Ｅ（ｔ））を算出する。
たとえば、記憶部４８０は、温度に依存する電池セル１００の内部抵抗を算出するための内部抵抗データを保存している。算出部４２０は、この内部抵抗データを参照して、測定した現在の温度から、現在の電池セル１００の内部抵抗を決定する。これにより、算出部４２０は、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての電池セル１００の電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する。
ここで、図３のように、電池セル１００の内部抵抗は、温度に依存している。電池セル１００の内部抵抗は、たとえば、低温ほど高くなる傾向にある。このため、電池パック１０を充電または放電するときの残存した電力量Ｅ（ｔ）、または電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する際には、式（１）の第２項における内部抵抗による損失成分が無視できない。よって、実際に電池パック１０に残存した電力変化量ΔＥ（ｔ）は、単純に電池パック１０の電圧と電流を乗じた式（１）の第１項における電力変化量とは異なっている。したがって、本実施形態のように、電池セル１００の内部抵抗による電力量の損失成分を考慮することにより、電池パックに残存した電力量Ｅ（ｔ）を正確に算出することができる。
以上のようにして、第１の実施形態によれば、温度に依存した内部抵抗データに基づいて、電池パック１０に残存した電力量Ｅ（ｔ）を正確に算出することができる。
なお、上述した第１の実施形態では、最初に電池パック１０が満充電となった時を基準時刻０とした。しかし、基準時刻０は、合計電圧Ｖ（ｔ）が最初に放電終止に至ったときに０にセットするとしてもよい。ただし、この場合、電池パック１０の初期電力量は０とする。また、基準時刻０は、電池パック１０が放電終止に至ったとき毎に０にセットしなおすとしてもよい。ただし、この場合、電池パック１０の初期電力量も共に０にセットしなおすのが望ましい。また、基準時刻０は、電池パック１０が放電終止に至り、且つ、そのときに温度測定部３００が測定した温度が所定の範囲内にあるときにセットしなおすなどとしてもよい。
（第２の実施形態）
図６を用い、第２の実施形態に係る電池パック１０の電力量算出方法について説明する。図６は、第２の実施形態に係る電力量算出方法を示すフローチャートである。第２の実施形態は、電力算出方法において、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定するＳ１２０のみが異なる点を除いて、第１の実施形態と同様である。第２の実施形態によれば、電池セル１００の劣化を考慮して、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を補正していく。以下詳細を説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の電池パック１０を用いることができる。なお、記憶部４８０は、予め、第１電池セルの内部抵抗データを保存している。また、記憶部４８０は、最初に電池パック１０が満充電となった時を基準時刻０とし、当該基準時刻における電池パック１０の電力量である初期電力量Ｅ０を保存している。
第２の実施形態の電力量算出方法において、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定するＳ１２０は、以下の方法で行う。
温度測定結果の受信（Ｓ１２１）から、式（３）により、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する（Ｓ１２４）までを、第１の実施形態と同様にして行う。
次いで、電池パック１０が、現在、満充電であるか否かを判定する（Ｓ１２５）。電池パック１０が満充電でない場合（Ｓ１２５Ｎｏ）、第１の実施形態と同様に、図４のＳ１３０を行う。
一方、電池パック１０が満充電である場合（Ｓ１２５Ｙｅｓ）、算出部４２０は、下記のようにして、初期電力量Ｅ０に対する現在の電力量Ｅ（ｔｆ）を比較する。このとき、現在の時刻はｔｆであるとする。
算出部４２０は、初期電力量Ｅ0を基準として、現在の電力量Ｅ（ｔｆ）を比較し、下記式（５）により劣化比率ｌを算出する（Ｓ１２６）。
Figure 0006138757
なお、電池パック１０の劣化がほとんどない場合、ΔＥ（ｔｆ）は０である。このため、劣化比率ｌは１である。一方、電池パック１０の劣化が顕著になってきた場合、ΔＥ（ｔｆ）は０より小さい値となる。このため、劣化比率ｌは１より小さい値となる。
算出部４２０は、上記式（５）で求められた劣化比率ｌを記憶部４８０に保存する。
次いで、算出部４２０は、劣化比率ｌを用いて総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を補正する。このとき、算出部４２０は、直前の総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）に劣化比率ｌの逆数を乗じて、当該総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を補正する（Ｓ１２７）。具体的には、時刻ｔｆ以降の総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を１／ｌ倍した値を使用して、電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出していく。
なお、電池パック１０の劣化がほとんどない場合、劣化比率ｌは１であるため、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）は上記補正によって変化しない。一方、電池パック１０の劣化が顕著になってきた場合、劣化比率ｌは１より小さいため、当該劣化を考慮した補正により、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）は大きい値となる。
算出部４２０は、上記補正後のＲｔｅｍｐ（ｔ）を、随時、記憶部４８０に保存していく。
以上のようにして、総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を決定する。以下のステップは、第１の実施形態と同様である。
次に、第２の実施形態の効果について説明する。
電池パック１０を充電または放電を繰り返すことにより、電池パック１０に充電することができる満充電電力量は減少していく。それに伴って、電池セル１００の内部抵抗は上昇する傾向にある。具体的には、電池セル１００の正極材料、負極材料または電解質などが劣化することで、電池セル１００の内部抵抗が上昇することが考えられる。
このような場合、電池セル１００の内部抵抗データは、記憶部４８０に予め保存しておいたものと異なってくることが予想される。
そこで、第２の実施形態では、電池パック１０が満充電となったとき毎に、満充電時の電力量Ｅ（ｔｆ）を初期電力量Ｅ０と比較する。これにより、劣化比率ｌを算出する。さらに、この劣化比率ｌに基づいて、当該満充電時以降の総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を補正していく。
したがって、第２の実施形態によれば、電池セル１００の劣化によって変化した内部抵抗を補正していくことにより、随時、正確な電池パック１０の電力量Ｅ（ｔ）を算出していくことができる。
（第３の実施形態）
図７を用い、第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態に係る電池パック１０および制御回路２０の構成を示す回路図である。第３の実施形態は、制御回路２０が電池パック１０の外側に設けられている点を除いて、第１の実施形態と同様である。以下詳細を説明する。
図７のように、制御回路２０は、電池パック１０の外側に設けられている。制御回路２０は、たとえば、電池パック１０から独立した充放電機器（不図示）等に設けられている。または、制御回路２０は、電池パック１０を放電して使用する際に用いる使用機器内に設けられていてもよい。
電池パック１０には、第１の実施形態と同様に、複数の電池セル１００が直列に接続されている。電池パック１０には、電池パック１０の充放電を行うための正極端子１６０および負極端子１８０が設けられている。そのほか、それぞれの電池セル１００の間において、電池セル端子１３０が設けられている。
電池パック１０の外装体（不図示）の一部には、温度センサー３２０を取り付けるための挿入口が設けられている。これにより、第１電池セルの温度を外部の温度測定部３００により測定することができる。なお、温度センサー３２０は、電池パック１０の一部として取り付けられていてもよい。この場合、温度センサー３２０用の端子（不図示）が電池パック１０の外装体から露出するように設けられていればよい。
制御回路２０は、電圧電流測定部２００、温度測定部３００、演算通信部４００およびスイッチ５００を備えている。制御回路２０の電池パック１０側には、制御回路２０の正極端子６２０および負極端子６４０が設けられている。制御回路２０の正極端子６２０および負極端子６４０は、たとえば配線（不図示）を介して、それぞれ電池パック１０の正極端子１６０および負極端子１８０に接続している。これにより、制御回路２０側から電池パック１０に充電の電力を供給することができ、また、電池パック１０側から制御回路２０側に放電の電力を伝達することができる。
また、制御回路２０の電池パック１０側には、電圧電流測定部２００の測定端子６６０が設けられている。電圧電流測定部２００の測定端子６６０は、配線（不図示）を介して、電池パック１０の電池セル端子１３０に接続している。これにより、制御回路２０が電池パック１０の外側に設けられていても、電圧電流測定部２００により、それぞれの電池セル１００の電圧および電流を測定することができる。
第３の実施形態によれば、制御回路２０が電池パック１０の外側に設けられている。このような場合においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
図８を用い、第４の実施形態について説明する。図８は、第４の実施形態に係る電力量算出方法を示すフローチャートである。第４の実施形態は、蓄積電力量収支（電力量Ｅ（ｔ））と電気量収支Ｃ（ｔ）に基き電池セル１００が出力できる実質電力量Ｅｅ（ｔ）を算出する点を除いて、第１の実施形態と同様である。以下詳細を説明する。
上述した第１の実施形態では、算出部４２０は電池パック１０に残存した電力量Ｅ（ｔ）を算出し、通信部４４０は算出した電池パック１０の電力変化量ΔＥ（ｔ）または電力量Ｅ（ｔ）に基いた信号を外部機器に送信するとした。第４の実施形態では、この算出部４２０は、たとえば外部機器が消費できる電池パック１０に蓄積された実質の電力量（実質電力量Ｅｅ（ｔ））を算出してもよい。通信部４４０は、実質電力量Ｅｅ（ｔ）に基いた予測信号を外部機器に送信してもよい。
図８において、現在、電池パック１０を放電しているとする。Ｓ１４０までを行い、現在の全ての電池セル１００の電力量Ｅ（ｔ）（蓄積電力量収支）を算出する。
次いで、算出部４２０は、下記式（６）により、電流Ｉ（ｔ）に基き電池セル１００の電気量収支Ｃ（ｔ）を算出する（Ｓ１５０）。
Figure 0006138757
式（６）において、電気量収支Ｃ（ｔ）は、時刻ｔにおいて電池パック１０に蓄えられた電気量を表す。電気量収支Ｃ（ｔ）の単位は、Ａｈである。また、基準時刻ｔ＝０は、第１の実施形態と同様にして、最初に電池パック１０が満充電となったときである。また、初期値Ｃ０は、電池パック１０の電気量収支の初期値である。すなわち、初期値Ｃ０は、基準時刻ｔ＝０のときに電池パック１０に蓄えられている電気量のことである。つまり、電気量収支Ｃ（ｔ）は、基準時刻０から時刻ｔまでの電池パック１０の「電気量収支」を示している。
次いで、算出部４２０は、下記式（７）により、蓄積電力量収支（電力量Ｅ（ｔ））と電気量収支Ｃ（ｔ）に基き電池セル１００が出力できる実質電力量Ｅｅ（ｔ）を算出する（Ｓ１６０）。式（７）のように、実質電力量Ｅｅ（ｔ）は、電池パックに現存する電力量Ｅ（ｔ）（蓄積電力量収支）から、将来的に電池セル１００の内部抵抗により消費される電力量の予測値（右辺第２項）を差し引くことより求めることができる。
Figure 0006138757
式（７）の右辺第２項は、将来的に電池セル１００の内部抵抗により消費される電力量の予測値である。ただし、現在の総内部抵抗Ｒｔｅｍｐ（ｔ）が定常的であり、かつ、電池パック１０が、電池パック１０に蓄えられた電気量が０になるまで、現在の電流Ｉ（ｔ）で放電し続けると仮定している。
式（７）の右辺第２項のうち、−Ｉ２（ｔ）Ｒｔｅｍｐ（ｔ）は、電池パック１０の内部抵抗で消費される現在の電力（単位Ｗ）である。また、−Ｃ（ｔ）／Ｉ（ｔ）は、電池パック１０に蓄えられた電気量が０になるまでの予測時間（単位ｈ）である。
式（７）の右辺第２項において、電池パック１０の内部抵抗で消費される現在の電力に、電池パック１０に蓄えられた電気量が０になるまでの予測時間を乗じることにより、将来的に電池セル１００の内部抵抗により消費される電力量の予測値（単位Ｗｈ）を求めることができる。
なお、式（７）の右辺第２項において、Ｉ（ｔ）とする部分を基準時刻０から時刻ｔまでの平均電流とするなどとしてもよい。
以上のようにして、算出部４２０は、式（７）により、右辺第１項で算出される電池パックに現存する電力量Ｅ（ｔ）（蓄積電力量収支）に、右辺第２項で算出される将来的に電池セル１００の内部抵抗により消費される電力量の予測値を加算することにより、実質電力量Ｅｅ（ｔ）を算出する。
このとき、通信部４４０は、実質電力量Ｅｅ（ｔ）に基いた予測信号を外部機器に送信してもよい。これにより、外部機器は、この予測信号に基づいて、電池パック１０の内部抵抗によって消費される電力量を考慮して、実質的に消費することが出来る電力量を予測することができる。
第４の実施形態の効果について、説明する。ここで、電池パック１０から電力を供給される外部機器が将来的に消費可能な実質の電力量（実質電力量）は、電池パック１０に蓄積された電力量よりも少ない。つまり、当該実質電力量は、電池パックに蓄積された電力量から、将来的に電池セル１００の内部抵抗により消費される電力量を差し引いた電力量となる。第４の実施形態では、算出部４２０は、当該実質電力量Ｅｅ（ｔ）を式（７）によって算出する。従って、第４の実施形態によれば、電池パック１０の内部抵抗によって消費される電力量を考慮して、電池パック１０が出力できる実質電力量を予測することができる。
なお、上述した第４の実施形態では、説明を簡略化するため、現在、電池パックを放電しているとした。しかし、現在、電池パックを充電しているとしても同様に、第４の実施形態の効果が得られる。ただし、この場合、算出部４２０は、式（７）の右辺第２項において、Ｉ（ｔ）とする部分を、電池パックが前回放電したときの放電電流や、基準時刻０から時刻ｔまでの平均放電電流などの放電電流に替えて、式（７）を計算する。
以上の実施形態において、上記した制御回路２０を備える電池パック１０の電力算出機器も開示されている。
以上の実施形態においては、一つの第１電池セルのみの温度を測定した場合を説明したが、複数の電池セル１００の温度を測定し、それぞれの内部抵抗を用いてもよい。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記実施形態では電池セル１００がラミネート型電池である場合を説明したが、電池セル１００が円筒型や角型などの他の形態の電池である場合も、同様に本発明の効果を得ることができる。
この出願は、２０１２年２月２９日に出願された日本出願特願２０１２−４４６３５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (11)

  1. 直列に接続された複数の電池ユニットと、
    前記電池ユニットの電圧および電流を測定する電圧電流測定手段と、
    前記電池ユニットの温度を測定する温度測定手段と、
    前記電圧および電流に基き前記電池ユニットの第１電力量収支を算出するとともに、前記温度に基き前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、前記電流と前記内部抵抗に基き前記内部抵抗の第２電力量収支を算出することによって、前記電池ユニットの前記第１電力量収支および前記内部抵抗の前記第２電力量収支に基き前記電池ユニットに蓄積される蓄積電力量収支を算出する算出手段と、
    を備える電池パック。
  2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
    前記算出手段は、さらに、前記電流に基き前記電池ユニットの電気量を算出し、前記蓄積電力量収支と前記電気量に基き前記電池ユニットが出力できる実質電力量を算出する電池パック。
  3. 直列に接続された複数の電池ユニットと、
    前記電池ユニットの電圧および電流を測定する電圧電流測定手段と、
    前記電池ユニットの温度を測定する温度測定手段と、
    前記電池ユニットの前記電圧、前記電流および前記温度に基づいて、前記電池ユニットに残存した電力量の変化量である電力変化量を算出する算出手段と、
    前記電池ユニットの温度から前記電池ユニットの内部抵抗を算出するためのデータである内部抵抗データを保存する記憶手段と、
    を備え、
    前記算出手段は、前記内部抵抗データを参照して、現在の前記温度における前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての前記電池ユニットの前記電力変化量をΔＥ（ｔ）、前記電池ユニットの内部抵抗の総和である総内部抵抗をＲｔｅｍｐ（ｔ）としたとき、下記式（１）により前記電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する電池パック。
    Figure 0006138757
     （ただし、Ｖ（ｔ）は全ての前記電池ユニットの合計電圧、Ｉ（ｔ）は前記電池ユニットの前記電流である。）
  4. 請求項３に記載の電池パックにおいて、
    前記温度測定手段は、少なくとも前記電池ユニットのうちの一つである第１電池ユニットの温度を測定し、
    前記算出手段は、当該第１電池ユニットの温度から前記内部抵抗データを参照することにより前記第１電池ユニットの前記内部抵抗を特定し、前記電池ユニットの内部抵抗の総和Ｒｔｅｍｐ（ｔ）を、下記式（３）により算出して、前記電力変化量を算出する電池パック。
    Figure 0006138757
     （ただし、Ｎは前記電池ユニットの総数、ｒｓ（ｔ）は前記第１電池ユニットの前記内部抵抗である。）
  5. 請求項３または４に記載の電池パックにおいて、
    前記記憶手段は、最初の満充電時を基準時刻０とし、当該基準時刻における前記電力量である初期電力量を保存し、
    前記算出手段は、前記初期電力量と現在の前記電力変化量との和により、現在の前記電力量を算出する電池パック。
  6. 請求項５に記載の電池パックにおいて、
    前記算出手段は、前記初期電力量を基準に直前の満充電時の前記電力量を比較した劣化比率を算出し、当該劣化比率に基づいて前記総内部抵抗を補正する電池パック。
  7. 請求項６に記載の電池パックにおいて、
    前記算出手段は、直前の前記総内部抵抗に前記劣化比率の逆数を乗じて、当該総内部抵抗を補正する電池パック。
  8. 請求項２に記載の電池パックにおいて、
    前記実質電力量に基づいた予測信号を外部機器に送信する通信手段をさらに備える電池パック。
  9. 請求項３〜７のいずれか一項に記載の電池パックにおいて、
    前記電力量に基づいた信号を外部機器に送信する通信手段をさらに備える電池パック。
  10. 直列に接続された複数の電池ユニットの電圧および電流を測定するとともに、前記電池ユニットの温度を測定する測定ステップと、
    前記電池ユニットの前記温度に基づいて、現在の前記電池ユニットの内部抵抗を決定するステップと、
    前記電圧および電流に基き前記電池ユニットの第１電力量収支を算出するとともに、前記温度に基き前記電池ユニットの内部抵抗を決定し、前記電流と前記内部抵抗に基き前記内部抵抗の第２電力量収支を算出することによって、前記電池ユニットの前記第１電力量収支および前記内部抵抗の前記第２電力量収支に基き前記電池ユニットに蓄積される蓄積電力量収支を算出する算出ステップと、
    を備える電池パックの電力量算出方法。
  11. 直列に接続された複数の電池ユニットの電圧および電流を測定するとともに、前記電池ユニットの温度を測定する測定ステップと、
    前記電池ユニットの前記温度に基づいて、現在の前記電池ユニットの内部抵抗を決定するステップと、
    前記電池ユニットの前記電圧、前記電流および前記温度に基づいて、前記電池ユニットに残存した電力量の変化量である電力変化量を算出する算出ステップと、
    を備え、
    前記算出ステップにおいて、
    前記電池ユニットの内部抵抗に基づいて、基準時刻０から現在の時刻ｔまでにおける全ての前記電池ユニットの前記電力変化量をΔＥ（ｔ）、前記電池ユニットの内部抵抗の総和である総内部抵抗をＲｔｅｍｐ（ｔ）としたとき、下記式（１）により前記電力変化量ΔＥ（ｔ）を算出する電池パックの電力量算出方法。
    Figure 0006138757
     （ただし、Ｖ（ｔ）は全ての前記電池ユニットの合計電圧、Ｉ（ｔ）は前記電池ユニットの前記電流である。）
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