JP6185322B2 - Secondary battery pack management method, power management system, and electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池を有する電源管理システムに関する。 The present invention relates to a power management system having a secondary battery.
携帯電話端末、ディジタルカメラ、タブレット端末、ノート型パーソナルコンピュータをはじめとするさまざまな電池駆動型の電子機器において、システム制御や信号処理を行うCPU(Central Processing Unit)、液晶パネル、無線通信モジュール、その他のアナログ、ディジタル回路などの各電子回路は、二次電池からの電力供給を受けて動作する。 CPUs (Central Processing Units) that perform system control and signal processing, liquid crystal panels, wireless communication modules, etc. in various battery-powered electronic devices such as mobile phone terminals, digital cameras, tablet terminals, and notebook personal computers Each of the electronic circuits such as analog and digital circuits operates by receiving power from the secondary battery.
電池駆動型の電子機器では、電池残存容量の検出が欠かせない機能となっている。電池の残存容量の検出方法としては、以下で説明する(1)電圧法と、(2)電荷積算法の2つが主流となっている。 In battery-driven electronic devices, detection of the remaining battery capacity is an indispensable function. There are two main methods for detecting the remaining capacity of the battery: (1) voltage method and (2) charge integration method, which will be described below.
電圧法では、電池の電圧(以下、電池電圧ともいう)を測定し、電圧と充電状態(SOC:State Of Charge)の対応関係から残存容量を推定する。電荷積算法では、電池に流れ込む充電電流、電池から流れ出る放電電流(以下、充放電電流あるいは負荷電流と総称する)をそれぞれ積算し、電池への充電電荷量、放電電荷量を計算することで残存容量を推定する。 In the voltage method, the voltage of the battery (hereinafter also referred to as battery voltage) is measured, and the remaining capacity is estimated from the correspondence between the voltage and the state of charge (SOC). In the charge integration method, the charge current flowing into the battery and the discharge current flowing out from the battery (hereinafter collectively referred to as charge / discharge current or load current) are integrated to calculate the charge charge amount and discharge charge amount to the battery. Estimate capacity.
電圧法では、事前に計測しておいた電池の開放電圧(OCV::Open Circuit Voltage)と充電状態(SOC)との対応関係にもとづき、電池の放電動作中に電池の電圧を計測し、充電状態(SOC)を求めるものである。一方、電荷蓄積法により求めるSOCは、満充電状態の電池容量BATCAPを基準として、現在の残容量の相対的な割合を表したものであり、相対残存容量ともいう。電圧法により求めた相対残存容量SOCからは、絶対的な残存容量(以下、絶対残存容量)を知ることができない。 In the voltage method, the battery voltage is measured during the battery discharge operation and charged based on the correspondence between the open circuit voltage (OCV) and the state of charge (SOC) measured in advance. The state (SOC) is obtained. On the other hand, the SOC obtained by the charge storage method represents a relative ratio of the current remaining capacity with reference to the fully charged battery capacity BATCAP, and is also referred to as a relative remaining capacity. The absolute remaining capacity (hereinafter, absolute remaining capacity) cannot be determined from the relative remaining capacity SOC obtained by the voltage method.
二次電池の外部から測定しうるのは端子電圧(電池電圧という)VBATであり、OCVは、電池電圧VBATから推定する必要がある。ここで電池電圧VBATは、OCVよりも下がった電圧値を示すが、この電圧降下量は、電池の動作条件すなわち、負荷電流IBATの波形、電池セルの温度、電池の劣化状態に大きく影響を受ける。 What can be measured from the outside of the secondary battery is terminal voltage (referred to as battery voltage) VBAT, and OCV needs to be estimated from battery voltage VBAT. Here, the battery voltage VBAT shows a voltage value lower than the OCV, but this voltage drop is greatly influenced by the battery operating conditions, that is, the waveform of the load current IBAT, the temperature of the battery cell, and the deterioration state of the battery. .
電池電圧が開放電圧よりも低下する原因は、電池の内部抵抗(等価抵抗値)が上記の動作条件に依存して増大するためである。電池の等価抵抗値を正しく検知する方法のひとつとして、電池の等価回路モデルを想定し、それを構成するインピーダンス要素すなわち、抵抗性、容量性、および誘導性の各インピーダンス要素を同定し電池の特性を正確に模擬しようとする方法がある。図1(a)、(b)は、電池の等価回路モデルを示す図である。図1(a)のZwは、拡散過程に起因するインピーダンスであり、ワールブルグ・インピーダンスとも称される。 The reason why the battery voltage is lower than the open circuit voltage is that the internal resistance (equivalent resistance value) of the battery increases depending on the above operating conditions. As a method of correctly detecting the equivalent resistance value of a battery, assuming an equivalent circuit model of the battery, the impedance elements constituting the model, that is, the resistive, capacitive, and inductive impedance elements are identified and the characteristics of the battery are identified. There is a method to try to simulate exactly. FIGS. 1A and 1B are diagrams showing an equivalent circuit model of a battery. Zw in FIG. 1A is an impedance resulting from the diffusion process, and is also referred to as a Warburg impedance.
正確さの向上を追求すると、図1(a)に示すように等価回路モデルが複雑になるため、等価抵抗値算出の演算量が増え、演算処理時間や消費電力が増加するという欠点がある。逆に、演算量削減のために図1(b)に示すように等価回路モデルを簡単化すると、推定誤差が増大するおそれがある。 When pursuing improvement in accuracy, the equivalent circuit model becomes complicated as shown in FIG. 1A, so that there is a disadvantage that the amount of calculation for calculating the equivalent resistance value increases, and calculation processing time and power consumption increase. Conversely, if the equivalent circuit model is simplified as shown in FIG. 1B in order to reduce the amount of computation, the estimation error may increase.
また、電荷積算法は、実際の充電動作中および放電動作中に、充電電荷量および放電電荷量を積算するので、完全に放電完了した時点で電荷積算値をゼロとし、充電動作中に充電電荷量を積算し、電池電圧が満充電電圧に到達するまで充電すれば、その時点の電荷積算値が満充電容量であるとみなすことができ、その後の放電動作中には、放電電荷量を減算していくことで、正確な絶対残存容量値を得ることができる。 In addition, the charge integration method integrates the charge charge amount and discharge charge amount during the actual charge operation and discharge operation. Therefore, the charge integration value is set to zero when complete discharge is completed, and the charge If the battery is charged until the battery voltage reaches the full charge voltage, the charge accumulated value at that time can be regarded as the full charge capacity, and the discharge charge amount is subtracted during the subsequent discharge operation. By doing so, an accurate absolute remaining capacity value can be obtained.
しかし、実際の電子機器の運用時には、システムが動作停止する前に、周辺回路の動作を止め、必要な情報やデータを不揮発性記憶媒体に退避する作業を行うため、それらの処理を実行するのに充分な電力を残存させておく必要があることから、電池を完全な放電完了状態にすることが困難である。また、未知の充電状態の電池を装着した場合は、電荷積算量の相対値は正確に得られるものの、その絶対値は不明のままである。 However, during actual electronic equipment operation, before the system stops operating, the peripheral circuits stop operating and the necessary information and data are saved to a non-volatile storage medium. In this case, it is difficult to make the battery completely discharged. When a battery in an unknown charge state is attached, the relative value of the charge accumulation amount can be accurately obtained, but the absolute value remains unknown.
図2は、本発明者らが検討した比較技術に係る電源管理システム101rを示すブロック図である。なお図2の電源管理システム101rを従来技術と認定してはならない。この電源管理システム101rでは、充電回路302r、電池モニタ部304r、電池計測部306r、クーロンカウンタ308rが、2個以上の個別のIC(Integrated Circuit)あるいはモジュールに分けて構成される。
FIG. 2 is a block diagram showing a
充電回路302rは、外部の電源アダプタからDC電圧VEXTを受け、二次電池パック200を充電する。充電回路302rは、たとえば定電流充電と定電圧充電が切りかえ可能であり、定電流充電時には、電池電流IBATを検出して、電流の検出値が目標値に近づくように充電状態を制御する。また定電圧充電時には、電池電圧を検出して、電池電圧の検出値が目標値に近づくように充電状態をフィードバック制御する。また満充電検出のために、電池電圧をしきい値と比較する電圧コンパレータや、外部からのDC電圧VEXTを検出するための電圧コンパレータなどを含む。さらに充電電流制御のために、電池の温度を測定する機能を備える。
The charging circuit 302r receives the DC voltage VEXT from an external power adapter and charges the
電池モニタ部304rは、(i)二次電池パック200を着脱したときの装着検出および脱離検出、(ii)電池セル202の出力である電池電圧VBATの過剰な低電圧検出、(iii)電池セル202の使用可・不可検出(デッドバッテリ検出)などを行う。
The
電池計測部306rは、電池セル202の出力電圧VBAT、電池セル202への充電・放電電流IBAT、電池セル202の温度Tを計測し、ディジタルデータに変換する。
The
クーロンカウンタ308rは、一定の時間間隔(1秒または数秒)で電池の充放電電流IBATを計測し、時間間隔を掛けた電荷量をその時点の充電量または放電量とし、これを積算していくことで、充電電荷量または放電電荷量の総和を算出する。
The
図2の電源管理システム101rにおいては、少ない演算量で、二次電池パック200の残存容量を高精度で測定することが望まれている。
In the
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、精度を犠牲にすることなく、従来より少ない演算量で二次電池の残存容量を検出可能な電源管理システムの提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and one of the exemplary purposes of one aspect thereof is to detect the remaining capacity of the secondary battery with a smaller amount of calculation than before without sacrificing accuracy. To provide a power management system.
本発明のある態様は、電源管理システムに関する。電源管理システムは、二次電池パックの電池電圧VBAT、充放電電流IBATおよび温度Tを測定する電池計測部と、電池電圧VBAT、充放電電流IBATおよび温度Tにもとづいて二次電池パックの残存容量を算出する残存容量検出部と、を備える。二次電池パックの内部抵抗RINTは、固定成分RFと変動成分RVの和であるものとしてモデリングされる。残存容量検出部は、内部抵抗RINTを算出する内部抵抗算出部と、内部抵抗RINTに充放電電流IBATを乗算して電圧降下VDROPを算出する電圧降下算出部と、現在の電池電圧VBATに電圧降下VDROPを加算することにより前記二次電池パックの開放電圧OCVを算出する開放電圧算出部と、二次電池パックの満充電状態に対する相対残量を示す充電状態SOCと、二次電池パックの開放電圧OCVとの対応関係にもとづいて、現在の前記開放電圧OCVに対応する現在の充電状態SOC_ocvを取得する第1充電状態推定部と、を備える。 One embodiment of the present invention relates to a power management system. The power management system consists of a battery measurement unit that measures the battery voltage VBAT, charge / discharge current IBAT, and temperature T of the secondary battery pack, and the remaining capacity of the secondary battery pack based on the battery voltage VBAT, charge / discharge current IBAT, and temperature T. A remaining capacity detecting unit for calculating The internal resistance RINT of the secondary battery pack is modeled as being the sum of the fixed component RF and the fluctuation component RV. The remaining capacity detection unit includes an internal resistance calculation unit for calculating the internal resistance RINT, a voltage drop calculation unit for calculating the voltage drop VDROP by multiplying the internal resistance RINT by the charge / discharge current IBAT, and a voltage drop to the current battery voltage VBAT. An open-circuit voltage calculation unit that calculates the open-circuit voltage OCV of the secondary battery pack by adding VDROP, a charge state SOC that indicates a relative remaining amount with respect to a fully-charged state of the secondary battery pack, and an open-circuit voltage of the secondary battery pack A first charge state estimation unit that obtains a current charge state SOC_ocv corresponding to the current open circuit voltage OCV based on a correspondence relationship with the OCV.
この態様によれば、二次電池の内部抵抗を、固定成分と変動成分の直列接続としてモデリングすることにより、精度を犠牲にすることなく、従来より少ない演算量で、二次電池の残存容量を計算できる。 According to this aspect, by modeling the internal resistance of the secondary battery as a series connection of a fixed component and a variable component, the remaining capacity of the secondary battery can be reduced with less computation than before without sacrificing accuracy. Can be calculated.
変動成分RVは、温度依存成分RTと、充放電電流の過渡応答成分RIを含んでもよい。ある時刻における過渡応答成分RIは、それまでに流れた充放電電流IBATの履歴から計算される影響度に応じた値を有するものとして定義されてもよい。 Fluctuation component RV includes a temperature dependent component R T, it may include a transient response component R I of the charging and discharging current. Transient response component R I at a certain time may be defined as having a value corresponding to the degree of influence is calculated from the charge and discharge current IBAT history flowing so far.
影響度は、ある時刻からさかのぼる一定の時間区間について、その時間区間において測定された充放電電流IBATを重み付けした値として定義されてもよい。 The influence degree may be defined as a value obtained by weighting the charging / discharging current IBAT measured in a certain time interval that goes back from a certain time.
ある態様の電源管理システムは、所定の時間間隔ごとに、前記充放電電流を積算するクーロンカウンタをさらに備えてもよい。影響度は、クーロンカウンタの値を引数とする関数として定義されてもよい。 The power management system of a certain aspect may further include a coulomb counter that integrates the charge / discharge current at predetermined time intervals. The degree of influence may be defined as a function that takes the value of the coulomb counter as an argument.
離散的なn番目の時刻における前記影響度CCNTS_var(n)は、
CCNTS_var(n) = Σp=0:m[{CCNT(n-p)-CCNT(n-p-1)}* K_dec(p)]
(ただし、CCNTは前記クーロンカウンタの値、K_decは時間経過に伴う減衰係数、mは履歴の影響度に算入する過去の標本数、(n-p)は現在の時刻nよりもp個前の時刻を示す)
として定義されてもよい。
The influence CCNTS_var (n) at the discrete n-th time is
CCNTS_var (n) = Σ p = 0: m [{CCNT (np) -CCNT (np-1)} * K_dec (p)]
(However, CCNT is the value of the coulomb counter, K_dec is the decay coefficient with time, m is the number of past samples to be included in the influence of the history, and (np) is the time p times before the current time n. Show)
May be defined as
減衰係数K_dec(p)は、2のべき数による指数的減衰K_dec(p) = 2-pとして定義されてもよい。これにより演算処理を飛躍的に簡素化できる。 Attenuation coefficient K_dec (p) may be defined as an exponential decay K_dec (p) = 2 -p by number can 2 total. Thereby, the arithmetic processing can be greatly simplified.
ある態様において残存容量検出部は、クーロンカウンタの値CCNT(n)と電池容量BATCAPにもとづいて、充電状態SOC_cc(n)を、
SOC_cc(n) = CCNT(n)/BATCAP
にしたがって算出する第2充電状態推定部をさらに備えてもよい。
この態様によれば、2つの方法で求めた充電状態により、誤差を補正することができる。
In one aspect, the remaining capacity detection unit determines the state of charge SOC_cc (n) based on the value CCNT (n) of the coulomb counter and the battery capacity BATCAP.
SOC_cc (n) = CCNT (n) / BATCAP
You may further provide the 2nd charge condition estimation part calculated according to these.
According to this aspect, the error can be corrected by the state of charge obtained by the two methods.
ある態様において残存容量検出部は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの間の誤差が許容値を超えるとき、クーロンカウンタの値を補正するクーロンカウンタ補正部をさらに備えてもよい。 In one aspect, the remaining capacity detection unit may further include a coulomb counter correction unit that corrects the value of the coulomb counter when an error between the two charging states SOC_ocv and SOC_cc exceeds an allowable value.
クーロンカウンタ補正部は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの相対誤差が所定のしきい値を超えると、クーロンカウンタの値に所定の係数を乗算してもよい。 The coulomb counter correction unit may multiply the value of the coulomb counter by a predetermined coefficient when the relative error between the two charging states SOC_ocv and SOC_cc exceeds a predetermined threshold.
ある態様において、残存容量検出部は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの間の誤差が許容値を超えるとき、電池容量BATCAPを補正する電池容量補正部をさらに備えてもよい。
電池容量補正部は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの相対誤差が所定のしきい値を超えると、電池容量BATCAPに所定の係数を乗算してもよい。
In one embodiment, the remaining capacity detection unit may further include a battery capacity correction unit that corrects the battery capacity BATCAP when an error between the two charge states SOC_ocv and SOC_cc exceeds an allowable value.
The battery capacity correction unit may multiply the battery capacity BATCAP by a predetermined coefficient when the relative error between the two charged states SOC_ocv and SOC_cc exceeds a predetermined threshold.
本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、上述の電源管理システムを備えてもよい。 Another embodiment of the present invention relates to an electronic device. The electronic device may include the above-described power management system.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、精度を犠牲にすることなく、従来より少ない演算量で、二次電池の残存容量を検出できる。 According to the present invention, the remaining capacity of the secondary battery can be detected with a smaller amount of calculation than before without sacrificing accuracy.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected to each other. Including the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the state of connection, or do not impair the functions and effects achieved by the combination thereof.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as their electric It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
また本明細書において、電圧信号、電流信号、あるいは抵抗に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値を表すものとする。 Further, in this specification, a reference numeral attached to a voltage signal, a current signal, or a resistor represents a voltage value, a current value, or a resistance value as necessary.
(システム構成)
図3は、実施の形態に係る電源管理システム101を備える電子機器のブロック図である。
電子機器100は、電池駆動型デバイスであり、二次電池パック200に加えて、バッテリマネージメント回路300、システムコントローラ400、パワーマネージメント回路500を備える。二次電池パック200、バッテリマネージメント回路300、システムコントローラ400、パワーマネージメント回路500により構成される電子機器100における電力制御に関するシステム全体を、電源管理システム101と称する。
(System configuration)
FIG. 3 is a block diagram of an electronic device including the
The
二次電池パック200は、たとえばリチウムイオン電池であり、電池セル(単電池)202と、保護回路204と、サーミスタ206を含み、電池セル202の電力出力を外部に取り出すため、正極端子208と、負極端子210を有する。
The
サーミスタ206の一端は電池セルの負極端子210に接続され、他方は温度検知端子212に接続されている。このようにサーミスタ206を二次電池パック200に内蔵するのは一例であり、電池セル202の温度を計測するために、機器の電池ホルダ側にサーミスタまたは他の種類の温度センサ等を、電池パックに接触するように取り付けることも可能である。
One end of the
システムコントローラ400は、電子機器100全体を統合的に制御する。システムコントローラ400は、主として、ハードウェアであるメインプロセッサ402と、ソフトウェアである、オペレーティングシステム404、アプリケーションプログラム406、残存容量演算プログラム408の協調動作により実現される。
The
システムコントローラ400は、メインプロセッサ402の上で動作するオペレーティングシステム404のもとでシステム制御・管理、周辺回路制御を行い、またアプリケーションプログラム406の実行、および電池の残存容量の推定のための残存容量演算プログラム408の実行を行う。
The
また、メインプロセッサ402は、通信バス104を介して、バッテリマネージメント回路300およびパワーマネージメント回路500と通信可能であり、バッテリマネージメント回路300やパワーマネージメント回路500からの情報を受け取り、また電池の状態や電力供給状態の監視や制御を行うことができる。
Further, the
直流(DC)電力入力端子102には、外部電源(電源アダプタともいう、不図示)が着脱可能となっている。外部電源が接続された状態において、DC電力入力端子102には外部DC電圧VEXTが供給される。
An external power supply (also referred to as a power adapter, not shown) is detachable from the direct current (DC)
パワーマネージメント回路500は、システム電圧VSYSを受け、システムコントローラ400を構成するメインプロセッサ402やその他の周辺回路に電源電圧を供給する。システム電圧VSYSは、二次電池パック200からの電池電圧VBAT、もしくはバッテリマネージメント回路300によって安定化された外部電源からのDC電圧VEXTでありえる。
The
パワーマネージメント回路500は、ひとつ、あるいは複数チャンネルCH1〜CHNの電源回路を含む。各チャンネルの電源回路は、負荷ごとに設けられており、システム電圧VSYSを所定レベルに安定化し、対応する負荷にDC電源電圧を供給する。たとえば、第1チャンネルCH1の電源回路は、システムコントローラ400に対して電源電圧VDDを供給する。別のチャンネルの電源回路は、図示しない液晶ドライバに電源電圧を供給する。電源回路は、リニアレギュレータ、DC/DCコンバータ、チャージポンプ回路などでありえる。
The
パワーマネージメント回路500は、複数のチャンネルCH1〜CHNそれぞれの電圧出力の起動・停止タイミングや供給電力の管理を行う。
The
バッテリマネージメント回路300は、主として二次電池パック200の管理、より具体的には二次電池パック200の充電およびその状態の検出を行う。
The
バッテリマネージメント回路300は、充電回路302、電池モニタ部304、電池計測部306、クーロンカウンタ308、を備える。また、バッテリマネージメント回路300は外部入力(EXTIN)端子、スイッチ(SW)端子、システム電圧(VSYS)端子、正極接続用(BAT+)端子、負極接続用(BAT−)端子、サーミスタ(TH)端子、グランド(GND)端子を有する。
The
EXTIN端子は、DC電力入力端子102と接続される。BAT+端子、BAT−端子はそれぞれ、二次電池パック200の正極端子208および負極端子210と接続される。TH端子は、二次電池パック200の温度検知端子212と接続される。GND端子は接地される。
The EXTIN terminal is connected to the DC
充電回路302は、EXTIN端子、BAT+端子、VSYS端子、SW端子と接続される。
The charging
充電回路302は、DC電力入力端子102に有効な外部DC電圧VEXTが供給されているとき、これを電圧安定化してシステム電圧VSYSを生成し、VSYS端子を介してパワーマネージメント回路500に供給する。また、充電回路302は、電池セル202の残存容量が減少した場合には、BAT+端子を介して電池セル202に充電電流ICHGを供給することにより、二次電池パック200を充電する。
When a valid external DC voltage VEXT is supplied to the DC
充電回路302は、充電電流ICHGを一定に安定化する定電流(CC:Constant Current)モードと、電池電圧VBATを一定値に安定化させる定電圧(CV:Constant Voltage)モードと、が切りかえ可能となっている。充電回路302はリニア電源で構成してもよいし、スイッチング電源で構成してもよく、その構成は限定されない。
The charging
パワーFET108は、二次電池パック200の正極端子208からパワーマネージメント回路500に至る経路上に設けられる。パワーFET108のゲートは、バッテリマネージメント回路300のスイッチ端子SWと接続される。充電回路302は、パワーFET108のオン、オフを制御し、パワーマネージメント回路500を電池電圧VBATで駆動する状態と、システム電圧VSYSで駆動する状態と、を切りかえる。
The
システムコントローラ400が、充電回路302により安定化されたシステム電圧VSYSを受けて動作している最中に、システムコントローラ400の消費電力が増加し、外部電源の容量を上回り、外部DC電圧VEXTがドロップしてシステムコントローラ400への電力供給が不足する場合がある。そこでシステムコントローラ400は、外部DC電圧VEXTが低い場合には、電池セル202の充電を中断し、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)108をフルオンさせて、電池セル202から電力供給を補助する。
While the
電池モニタ部304は、(i)二次電池パック200を着脱したときの装着検出および脱離検出、(ii)電池セル202の出力である電池電圧VBATの過剰な低電圧検出、(iii)電池セル202の使用可・不可検出(デッドバッテリ検出)などを行い、検出した電池セル202の状態を充電回路302に伝達する。充電回路302は、この電池セル202の状態情報をもとに、充電動作を制御する。
The
第1A/D変換器310は、BAT+端子、BAT−端子、TH端子、GND端子それぞれの電圧が入力される。電池計測部306は、第1A/D変換器310を使用して、電池セル202の出力電圧VBAT、電池セル202への充電・放電電流(以下、充放電電流ともいう)IBAT、電池セル202の温度Tを計測し、ディジタルデータに変換する。
The first A /
第1A/D変換器310は、BAT+端子とBAT−端子の間に生ずる電池電圧VBATを受け、それをディジタル値に変換する。電池計測部306は、このディジタル値を、電池電圧VBATを示す電池電圧値DVとして取得する。
The first A /
電流検知抵抗器106は、電池セル202の充放電電流IBATの経路上に、電池セル202と直列に挿入される。本実施の形態において電流検知抵抗器106は、負極端子210と接地ラインの間に設けられるが、その場所は特に限定されない。たとえば電流検知抵抗器106は、正極端子208とパワーFET108の間に挿入されてもよい。
The
電池セル202の充放電電流IBATは、電流検知抵抗器106を流れ、電流検知抵抗器106の両端に、充放電電流IBATに比例した電圧降下(電流検出電圧という)VIが発生する。第2A/D変換器312は、BAT−端子とGND端子の間の電流検出電圧VIをディジタル値に変換する。
The charge / discharge current IBAT of the
電流検知抵抗器106の抵抗値は既知である。そこで電池計測部306のディジタル演算部307は、電流検出電圧VIに応じたディジタル値と電流検知抵抗器106の抵抗値にもとづいて、充放電電流IBATを示す電流検出値DI1を生成する。電流検出値DI1の大きさは充放電電流IBATの大きさを、電流検出値DI1の符号は充放電電流IBATの向きを表す。
The resistance value of the
二次電池パック200の温度検知端子212は、外部の抵抗110を介して一定電圧にプルアップされる。この抵抗110を介して、二次電池パック200に内蔵されるサーミスタ206に電流が流れることにより、サーミスタ206の両端間、つまり温度検知端子212と負極端子210の間には、サーミスタ206の抵抗値に応じた温度検出電圧VTが発生する。サーミスタ206の抵抗値は、電池セル202の温度変化に応じて変化するため、温度検出電圧VTは、電池セル202の温度と1対1で対応づけられる。第1A/D変換器310は、TH端子とBAT−端子の間の温度検出電圧VTをディジタル値に変換する。電池モニタ部304のディジタル演算部307は、温度検出電圧VTに対応したディジタル値を、電池セル202の温度を示す温度値DTに変換する。
The
第1A/D変換器310は、電池電圧VBAT、電流検出電圧VI、温度検出電圧VTを時分割で測定することとし、単一のA/D変換器を3つの電圧に対して時分割で共用してもよい。また、電力損失を低減するために電流検知抵抗器106の抵抗値は極力小さく設計されることが好ましい。したがって充放電電流IBATが小さいとき、電流検知抵抗器106の両端間に生ずる電流検出電圧VIは微少となる。そこで第1A/D変換器310の前段には、電流検出電圧VIを増幅するアンプを挿入してもよい。
The first A /
電池計測部306により測定された計測値、すなわち電池セルの出力電圧値DV、充放電電流値DI、電池セルの温度値DTは、充電回路302に出力され、充電動作制御に利用される。また同時に、電池セル202の充電状態(SOC)を検知するため、システムコントローラ400(残存容量演算プログラム408)により、インタフェース部314および通信バス104を介して読み取られ、演算処理に使用される。
The measured values measured by the
第2A/D変換器312は、第1A/D変換器310と同様に、電流検知抵抗器106の両端間に生ずる電流検出電圧VIをディジタル値に変換する。クーロンカウンタ308は、第2A/D変換器312の出力値を使用して、一定の時間間隔(1秒または数秒)で電池の充放電電流IBATを計測し、時間間隔を掛けた電荷量をその時点の充電量または放電量とし、これを積算していくことで、充電電荷量または放電電荷量の総和を算出する。この処理は、ディジタル演算部309が実行してもよい。
The 2A /
システムが休止状態においても、電池セル202からは微少な放電電流が流れ、電池残存容量が変化するため、正確な電池残存容量検出のためには、微少な充放電電流を検出する必要がある。そこでクーロンカウンタ308により使用される第2A/D変換器312は、上記の電池計測部306により使用される第1A/D変換器310よりも分解能を高くして、システムが休止状態のときのわずかな放電電荷量、つまり微少な充放電電流IBATでも検知できるようにすることが望ましい。
Even when the system is in a resting state, a minute discharge current flows from the
クーロンカウンタ308により計算された値(電荷カウント値CCNTという)は、上記の電池計測値と同様に、システムコントローラ400(残存容量演算プログラム408)により読み取られ、電池の残存容量検知に使用される。また、未知の残存容量の電池パックが装着された場合には、電池計測部306により初期計測が実行され、システム起動後にシステムコントローラ400により初期計測値が読み取られ、クーロンカウンタの初期値が設定される。
The value calculated by the coulomb counter 308 (referred to as the charge count value CCNT) is read by the system controller 400 (remaining capacity calculation program 408) and used for detecting the remaining capacity of the battery, in the same manner as the battery measurement value. When a battery pack with an unknown remaining capacity is attached, initial measurement is performed by the
システムコントローラ400は、バッテリマネージメント回路300において取得された二次電池パック200の情報にもとづいて、電池セル202の電池残存容量を推定する。システムコントローラ400による演算処理については後述する。
The
以上が実施の形態に係る電源管理システム101の構成である。
The above is the configuration of the
続いてその利点を説明する。この電源管理システム101の利点は、図2の電源管理システム101rとの対比によって明確となる。
実施の形態に係る図3の電源管理システム101によれば、バッテリマネージメント回路300の中に、充電回路302と、電池の状態を計測する装置すなわち、電池モニタ部304、電池計測部306、クーロンカウンタ308、を一体に構成することにより、A/D変換器、アンプ、抵抗、コンパレータなどのハードウェア資源を共用化することができ、重複する機能ブロックを削減することができる。
Next, the advantages will be described. The advantage of the
According to the
続いて、バッテリマネージメント回路300とシステムコントローラ400による、残存容量の演算処理について説明する。
Next, the remaining capacity calculation process by the
(二次電池のモデル)
はじめに、この推定演算処理に使用可能な、二次電池のモデルについて説明する。
(Secondary battery model)
First, a secondary battery model that can be used for the estimation calculation processing will be described.
図4(a)は、二次電池の等価回路モデルを示す回路図であり、図4(b)は、電池電圧と負荷電流の波形図である。 4A is a circuit diagram showing an equivalent circuit model of the secondary battery, and FIG. 4B is a waveform diagram of the battery voltage and the load current.
図4(a)に示すように、本実施の形態では、内部抵抗RINTは、固定成分RFと変動成分RVの和で定義される。
RINT = RF + RV
固定成分RFは、電池の動作条件に依存しない、電池本来の持つ固定的な抵抗成分すなわち、電極活物質と集電体との接触抵抗や、電極金属自身の電気抵抗などを含む。また、変動成分RVは、電池の動作条件に依存する抵抗値変動、すなわち電池の温度、負荷電流変動、充電状態(SOC)に依存する電池の特性変化を含む。
As shown in FIG. 4A, in the present embodiment, the internal resistance RINT is defined as the sum of a fixed component RF and a fluctuation component RV.
RINT = RF + RV
The fixed component RF includes a fixed resistance component inherent to the battery that does not depend on the operating conditions of the battery, that is, the contact resistance between the electrode active material and the current collector, the electrical resistance of the electrode metal itself, and the like. Further, the fluctuation component RV includes a resistance value fluctuation depending on the operating condition of the battery, that is, a battery characteristic change depending on a battery temperature, a load current fluctuation, and a state of charge (SOC).
より具体的には、変動成分RVを、それに流れる電流の過渡応答にもとづく変動成分(過渡応答成分)RIと、温度Tに依存した変動成分(温度依存成分RT)の和として定義する。
RV = RI + RT
なおこの等価回路モデルを、公知技術として認識してはならず、本発明者らが独自に考案したものである。
More specifically, the fluctuation component RV is defined as the sum of the fluctuation component (transient response component) RI based on the transient response of the current flowing therethrough and the fluctuation component (temperature dependent component RT) depending on the temperature T.
RV = RI + RT
Note that this equivalent circuit model should not be recognized as a publicly known technique, and is originally devised by the present inventors.
図4(b)を参照する。ある時刻t0より前に、負荷電流(放電電流)IBATはゼロであったとする。ここでは、時刻t0以前の電池電圧VBATは、開放電圧OCVと等しいものとする。 Reference is made to FIG. It is assumed that the load current (discharge current) IBAT is zero before a certain time t0. Here, it is assumed that battery voltage VBAT before time t0 is equal to open circuit voltage OCV.
時刻t0に負荷電流IBATが増大すると、瞬時に電池電圧VBATはドロップする。このドロップ量VDROPは、固定成分RFの電圧降下IBAT×RFと温度依存成分RTの電圧降下IBAT×RTの和である。 When the load current IBAT increases at time t0, the battery voltage VBAT drops instantaneously. This drop amount VDROP is the sum of the voltage drop IBAT × RF of the fixed component RF and the voltage drop IBAT × RT of the temperature dependent component RT.
負荷電流IBATが流れ始めた直後においては、過渡応答成分RIはゼロであるが、負荷電流IBATが流れ続けると、それまでに流れた過去の電流の履歴に応じて変化していく。過渡応答成分RIの増大にともない、その両端間の電圧降下IBAT×RIが増大していき、電池電圧VBATは時間とともにさらに低下していく。過去の負荷電流の依存は、一時点のものだけではなく、数分前ないし数十分前からの電流変動の影響が残存している。そこで特に残存影響の大きい数分前までの変動履歴を考慮することで、過渡応答成分RIを正確に記述することができる。 Immediately after the load current IBAT begins to flow, the transient response component RI is zero. However, if the load current IBAT continues to flow, the transient response component RI changes according to the history of the past current that has flown so far. As the transient response component RI increases, the voltage drop IBAT × RI between both ends increases, and the battery voltage VBAT further decreases with time. The dependence of the past load current is not limited to the one at the temporary point, but the influence of the current fluctuation from several minutes to several tens of minutes remains. Therefore, the transient response component RI can be accurately described by taking into account the fluctuation history up to several minutes before the residual effect is particularly large.
ある時刻における電池電圧VBATが既知であるとき、開放電圧OCVは、以下の式から推定することができる。
OCV = VBAT + IBAT * RINT=VBAT + IBAT×(RF + RI + RT)
When the battery voltage VBAT at a certain time is known, the open circuit voltage OCV can be estimated from the following equation.
OCV = VBAT + IBAT * RINT = VBAT + IBAT x (RF + RI + RT)
固定成分RFは、後述の初期測定処理S102において取得することができ、あるいは二次電池のサンプルについて事前に取得した値を用いることができる。事前に取得された固定成分RFの値をZBAT1_pre、初期測定処理S102において取得された値をZBAT1_initとする。 The fixed component RF can be acquired in an initial measurement process S102 described later, or a value acquired in advance for a sample of the secondary battery can be used. The value of the fixed component RF acquired in advance is ZBAT1_pre, and the value acquired in the initial measurement process S102 is ZBAT1_init.
温度依存成分RTについては、二次電池のサンプルを利用して、温度Tと温度依存成分RTの関係を事前に実験あるいはシミュレーションにより取得しておき、それらを対応づけるテーブルあるいは関係式(関数)を残存容量演算プログラム408に格納しておく。このテーブルあるいは関係式により計算された温度依存成分RTを、ZBAT2_pre(T)とする。
For temperature-dependent component RT, use a secondary battery sample to obtain the relationship between temperature T and temperature-dependent component RT in advance by experiment or simulation, and create a table or relational expression (function) to correlate them. It is stored in the remaining
図4(b)からも分かるように、ある時刻における過渡応答成分RVは、それまでに流れた負荷電流IBATの履歴に応じた値を有するものと考えられる。そこで本実施の形態では、ある時刻からさかのぼる一定の時間区間について、その時間区間に流れた電流IBATにもとづいた値CCNTS_varを定義する。この値CCNTS_varは、過去の負荷変動の影響度を示すパラメータであり、以下、単に影響度とも称する。 As can be seen from FIG. 4B, the transient response component RV at a certain time is considered to have a value corresponding to the history of the load current IBAT that has flown so far. Therefore, in the present embodiment, a value CCNTS_var based on the current IBAT flowing in the time interval is defined for a certain time interval that goes back from a certain time. This value CCNTS_var is a parameter indicating the influence degree of the past load fluctuation, and is also simply referred to as an influence degree hereinafter.
影響度CCNTS_varと過渡応答成分RVの関係を、事前に実験あるいはシミュレーションにより取得しておき、それらを対応づけるテーブルあるいは関係式(関数)を残存容量演算プログラム408に格納しておく。このテーブルあるいは関係式により計算された過渡応答成分RIを、ZBAT3_pre(CCNTS_var)とする。
The relationship between the influence degree CCNTS_var and the transient response component RV is acquired in advance by experiment or simulation, and a table or a relational expression (function) for associating them is stored in the remaining
一例として、値CCNTS_varは、過去の一定区間(たとえば数秒〜数十秒)に渡り取得されたクーロンカウンタの値CCNTを、重み付けして加算することにより計算される。影響度CCNTS_varの詳細については後述する。 As an example, the value CCNTS_var is calculated by weighting and adding the value CCNT of the coulomb counter acquired over a past fixed interval (for example, several seconds to several tens of seconds). Details of the influence degree CCNTS_var will be described later.
図5は、実施の形態に係る電源管理システム101の、電池残存容量の検出に関する機能ブロック図である。電源管理システム101は、電池計測部700、クーロンカウンタ702および残存容量検出部600を備える。
FIG. 5 is a functional block diagram relating to detection of the remaining battery capacity of the
電池計測部700は、図3の電池計測部306に対応し、二次電池パック200の電池電圧VBAT、充放電電流IBATおよび温度Tを測定する。クーロンカウンタ702は図3のクーロンカウンタ308に対応し、所定の時間間隔ごとに、充放電電流IBATを積算する。
The
残存容量検出部600は、図3のシステムコントローラ400の一部に対応するものであり、具体的には、メインプロセッサ402とソフトウェアの組み合わせで実現される。残存容量検出部600は、電池電圧VBAT、充放電電流IBATおよび温度Tにもとづいて二次電池パック200の残存容量、より具体的には絶対残存容量および相対残存容量を算出する。
The remaining
残存容量検出部600は、メモリ602、内部抵抗算出部604、電圧降下算出部606、開放電圧算出部608、第1充電状態推定部610、第2充電状態推定部612、クーロンカウンタ補正部614、電池容量補正部616、初期抵抗算出部620、劣化評価部622、を備える。
The remaining
メモリ602には、二次電池パック200の満充電状態における電池容量BATCAPに対する相対残量を示す充電状態(相対残存容量)SOC_ocvと、二次電池パック200の開放電圧OCVとの対応関係を規定するテーブルもしくは関数を保持する。上述のようにこの対応関係は事前に取得されている。
The
上述のように、二次電池パック200の内部抵抗RINTは、固定成分RFと変動成分RVの和であるものとしてモデリングされ、変動成分RVは過渡応答成分RIと温度依存成分RTを含む。内部抵抗算出部604は、このモデルにもとづいて二次電池パック200の内部抵抗RINTを算出する。取得部604aは、後述の初期測定処理の結果にもとづいて固定成分RFであるZBAT1を算出する。取得部604bは、二次電池パック200に流れる電流の履歴にもとづいて、過渡応答成分RIであるZBAT2を算出する。電流の履歴には、クーロンカウンタ702のカウント値CCNTが利用される。取得部604cは、温度Tにもとづいて温度依存成分RTを取得する。電流の履歴には、クーロンカウンタ702のカウント値CCNTが利用される。これらの抵抗成分が加算器605により加算され、内部抵抗RINTが算出される。
As described above, the internal resistance RINT of the
電圧降下算出部606は、内部抵抗RINTに充放電電流IBATを乗算して、電圧降下VDROPを算出する。
The voltage
開放電圧算出部608は、現在の電池電圧VBATに電圧降下VDROPを加算することにより二次電池パックの開放電圧OCVを算出する。
The open-circuit
第1充電状態推定部610は、メモリ602に格納されたOCV-SOCの対応関係にもとづいて、現在の開放電圧OCVに対応する現在の充電状態SOC_ocvを取得する。
The first charge
第2充電状態推定部612は、クーロンカウンタの値CCNTと電池容量BATCAPにもとづいて、充電状態SOC_ccを算出する。
Second charging
クーロンカウンタ補正部614は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの間の誤差が許容値を超えるとき、クーロンカウンタの値CCNTを補正する。
When the error between the two charge states SOC_ocv and SOC_cc exceeds the allowable value, the coulomb
また電池容量補正部616は、2つの充電状態SOC_ocvとSOC_ccの間の誤差が許容値を超えるとき、電池容量BATCAPを補正する。
Battery
初期抵抗算出部620は、二次電池パック200が検出された直後に実行される初期測定処理S102の結果得られた電池電圧VBAT、負荷電流IBATにもとづいて、内部抵抗RINTの固定成分ZBAT1の初期値ZBAT1_initを算出する。
The initial
劣化評価部622は、固定成分ZBAT1の初期値ZBAT1_initにもとづいて、二次電池パック200の劣化度αを評価する。電池容量補正部616は、劣化度αにもとづいて、初期状態における電池残量BATCAPを補正する。
The
以上が残存容量検出に関する電源管理システム101の機能ブロック図である。以下、この電源管理システム101の残存容量検出処理について具体的に説明する。
The above is a functional block diagram of the
図6は、電源管理システム101の残存容量検出処理のフローチャートである。図7は、図6の初期測定処理S102のフローチャートである。図8は、図6の初期SOC推定処理S107のフローチャートである。図9は、図6の残存容量推定処理S108のフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart of the remaining capacity detection process of the
図6を参照する。図3の電池モニタ部304により、二次電池パック200の有無が判定される(S101)。二次電池パック200の有無は、温度計測用のサーミスタ206の端子電圧VTにもとづいて識別するか、または電池に既知の負荷を接続し、その際の電池の応答にもとづいて検出可能である。二次電池パック200が検出されない場合(S101のN)、引き続き電池モニタ部304により二次電池パック200の検出動作が繰り返される。
Please refer to FIG. The presence or absence of the
二次電池パック200が検出されると(S101のY)、初期計測処理を行う(S102)。
When the
図7を参照して初期測定処理S102について説明する。 The initial measurement process S102 will be described with reference to FIG.
はじめに、二次電池パック200の正極端子208を開放、つまり無負荷とし(S102−1)、無負荷状態で、そのときの電池電圧VBAT1を測定し、それを内部レジスタに保存する(S102−2)。続いて、二次電池パック200の正極端子208と接地(Ground)との間に固定抵抗の軽負荷(ダミーロードと称する)を接続し(S102−3)、その直後の電池電圧(VBAT0)と負荷電流(IBAT0)を計測する(S102−4)。VBAT0とIBAT0は、内部レジスタに保存される。ダミーロードにはバッテリマネージメント回路300に内蔵される抵抗を利用することができる。ダミーロードを接続した直後とは、過渡応答の影響が現れる以前を意味する。
First, the
続いて、ステップS102−1で接続したダミーロードを切断する(S102−5)。内部レジスタに保存したVBAT0、IBAT0、VBAT1は、システムコントローラ400の起動後に、残存容量演算プログラム408(残存容量検出部600)により読み出され、二次電池パック200の初期SOC推定処理(後述のS107)に利用される。
Subsequently, the dummy load connected in step S102-1 is disconnected (S102-5). The VBAT0, IBAT0, and VBAT1 stored in the internal register are read by the remaining capacity calculation program 408 (remaining capacity detection unit 600) after the
電圧および電流の測定が終了すると、直ちにクーロンカウンタ308の動作を開始する(S102−6)。ただし、その初期値である電池容量BATCAPは仮値であり、後の初期値設定を行うまでは不正確である。しかし、時間経過における相対値(時間差分)は正確である。
When the measurement of the voltage and current is completed, the operation of the
続いて図3のパワーFET108をオンし、二次電池パック200の電池電圧VBATをシステム負荷であるパワーマネージメント回路500に供給しはじめる(S102−7)。
Subsequently, the
以上が初期測定処理S102である。 The above is the initial measurement process S102.
図6に戻る。初期測定処理(S102)が完了すると、システムコントローラ400の起動を待機する(S103のN)。そしてシステムコントローラ400が起動すると(S103のY)、オペレーティングシステム404の管理下で、残存容量演算プログラム408がメインプロセッサ402によって実行可能な状態となる。
Returning to FIG. When the initial measurement process (S102) is completed, the
二次電池パック200の残存容量が充分あればシステムコントローラ400は起動可能であり、二次電池パック200の残存容量が不足の場合でも、DC電力入力端子102に接続された外部電源が既定の電力供給を行えば、システムコントローラ400の起動は可能である。
If the remaining capacity of the
続いて外部電源からの外部DC電圧VEXTの有無がバッテリマネージメント回路300により判定される(S104)。具体的には、バッテリマネージメント回路300は、外部DC電圧VEXTを所定のしきい値と比較するコンパレータ(図3に不図示)を備え、このコンパレータにより、外部DC電圧VEXTの有無が判定される。有効な外部DC電圧VEXTが入力されており(S104のY)、かつ二次電池パック200が満充電状態に未達であれば、充電回路302が二次電池パック200への充電電力供給を開始する(S105)。充電回路302による充電方法は特に限定されず、公知の、あるいは将来利用可能な方法が利用される。充電状態(S105)は、電池電圧VBATが充電終止電圧VCHG_termに到達するまでの間継続する(S106のN)。電池電圧VBATが充電終止電圧VCHG_termに到達すると(S106のY)、充電を停止する。
Subsequently, the
次に、二次電池パック200の初期SOC推定処理S107を行う。初期SOC推定処理S107は、システムコントローラ400において残存容量演算プログラム408にもとづいて実行される。
Next, the initial SOC estimation process S107 of the
初期SOC推定処理S107は、充電により充電終止電圧に達した場合(S106のY)と、充電を経ていない場合(S104のN)とで異なる。 The initial SOC estimation process S107 differs depending on whether the charge end voltage is reached by charging (Y in S106) or not (No in S104).
充電終止電圧VCHG_termを経て充電終了した場合の初期SOC推定処理S112について説明する。 The initial SOC estimation process S112 in the case where the charging is finished through the charging end voltage VCHG_term will be described.
初期SOC推定処理S112では、充電終止電圧VCHG_termにより、クーロンカウンタの値CCNTを初期化する。充電終止電圧VCHG_termが、二次電池の仕様により規定された最大充電電圧、すなわち満充電電圧(例えば、リチウムイオン二次電池ならば4.3V)の場合は、クーロンカウンタ308に電池容量値BATCAPと同一の値を設定する。
In the initial SOC estimation process S112, the value CCNT of the coulomb counter is initialized by the charge end voltage VCHG_term. When the end-of-charge voltage VCHG_term is the maximum charge voltage defined by the specifications of the secondary battery, that is, the full charge voltage (for example, 4.3 V for a lithium ion secondary battery), the battery capacity value BATCAP is stored in the
すなわちこの場合、クーロンカウンタ値CCNTから得られるSOC値(=CCNT÷BATCAP×100[%])は100%である。システムの要求または電池の寿命等を考慮して、充電終止電圧VCHG_termを最大充電電圧よりも低い電圧値(例えば4.2V)を選ぶ場合もありうる。その場合、動作終止電圧VBAT_lowを基準に、式(1)により電池容量値BATCAPを縮小する。
BATCAP=BATCAP_max×(VCHG_term - VBAT_low)/(VBAT_max - VBAT_low) …(1)
That is, in this case, the SOC value (= CCNT ÷ BATCAP × 100 [%]) obtained from the coulomb counter value CCNT is 100%. In consideration of system requirements or battery life, the end-of-charge voltage VCHG_term may be selected to be lower than the maximum charge voltage (for example, 4.2 V). In that case, the battery capacity value BATCAP is reduced by Equation (1) with reference to the operation end voltage VBAT_low.
BATCAP = BATCAP_max × (VCHG_term-VBAT_low) / (VBAT_max-VBAT_low)… (1)
ここで、BATCAP_maxは電池の最大容量、VCHG_termは充電終止電圧、VBAT_maxは電池の最大電圧(定格値)、VBAT_lowは電池の動作終止電圧である。BATCAP_maxは、二次電池パック200の定格容量値もしくはサンプル電池の事前測定値を用いればよい。後述のように電池が劣化している場合、容量BATCAPにはさらに劣化の度合いが反映される。
Here, BATCAP_max is the maximum capacity of the battery, VCHG_term is the end-of-charge voltage, VBAT_max is the maximum voltage (rated value) of the battery, and VBAT_low is the end-of-operation voltage of the battery. As the BATCAP_max, a rated capacity value of the
ここで動作終止電圧VBAT_lowは、JIS C8711で定義される「放電終止電圧」ではなく、システムの要求により、システム終了時にオペレーティングシステムが正常にシャットダウン動作(必要なデータを不揮発性記憶媒体に退避する、など)を実行するために充分な動作電圧と残存容量とを確保した電圧として設定される。 Here, the operation end voltage VBAT_low is not the `` discharge end voltage '' defined in JIS C8711, but the system shuts down normally when the system is shut down at the end of the system (saving necessary data to a nonvolatile storage medium, Etc.) is set as a voltage ensuring a sufficient operating voltage and remaining capacity.
充電を経ていないとき(S104のN)の初期SOC推定処理S107について説明する。電池パックが装着され、DC電力入力が無い場合、充電は行われず、電池の充電状態(SOC)および残存容量は未知である。このときの初期SOC推定処理S107について、図8を用いて説明する。 Initial SOC estimation processing S107 when charging is not performed (N in S104) will be described. When the battery pack is installed and there is no DC power input, charging is not performed, and the state of charge (SOC) and remaining capacity of the battery are unknown. The initial SOC estimation process S107 at this time will be described with reference to FIG.
図8の初期SOC推定処理S107では、図4(a)の内部抵抗の等価回路モデルが利用される。 In the initial SOC estimation process S107 in FIG. 8, the equivalent circuit model of the internal resistance in FIG. 4A is used.
はじめに、二次電池の劣化度αが計算される(S107−1)。劣化度αの計算には、上述の初期測定処理(図7のS102)において電池装着時に計測し内部レジスタに保存しておいた値VBAT0、IBAT0、VBAT1が使用される。VBAT1は、図4(b)の波形図において、時刻t0より前の電池電圧VBATに対応し、VBAT0は、時刻t0の直後の電池電圧VBATに対応し、IBAT0は、負荷電流IBATの電流量に対応する。 First, the deterioration degree α of the secondary battery is calculated (S107-1). For the calculation of the deterioration degree α, values VBAT0, IBAT0, and VBAT1 measured when the battery is mounted and stored in the internal register in the above-described initial measurement process (S102 in FIG. 7) are used. In the waveform diagram of FIG. 4B, VBAT1 corresponds to the battery voltage VBAT before time t0, VBAT0 corresponds to the battery voltage VBAT immediately after time t0, and IBAT0 corresponds to the amount of load current IBAT. Correspond.
なお、初期測定処理S102において取得されたVBAT1は、かならずしも二次電池のOCVであるとは限らないことに留意されたい。なぜなら、その直前において、二次電池パック200が充電あるいは放電されており、直前の使用から十分な緩和時間が経過していない場合、電池電圧VBATはOCVとは一致しないからである。
Note that VBAT1 acquired in the initial measurement process S102 is not necessarily the OCV of the secondary battery. This is because the battery voltage VBAT does not coincide with the OCV when the
続いて、読み出した値を利用して、二次電池パック200の内部抵抗の初期値ZBAT1_initを式(2)にもとづいて算出する。(VBAT1 - VBAT0)/IBAT0の項には、変動成分RFの電圧降下は実質的に含まれておらず、その値から温度依存成分ZBAT2_pre(T)を減ずることにより、内部抵抗の固定成分RFが計算される。この処理は、図5の初期抵抗算出部620により実行される。
ZBAT1_init = (VBAT1 - VBAT0) / IBAT0 - ZBAT2_pre(T) …(2)
Subsequently, using the read value, an initial value ZBAT1_init of the internal resistance of the
ZBAT1_init = (VBAT1-VBAT0) / IBAT0-ZBAT2_pre (T) (2)
本発明者らは、二次電池パック200の検出直後の初期測定によって測定された電流値IBAT、電圧値VBATにもとづいて算出される固定成分ZBAT1_initが、二次電池パック200の充電・放電を繰り返したことによる劣化(サイクル劣化)を原因として増大することを見いだした。そこで、劣化前の未使用状態における固定成分ZBAT1_preを予め測定しておき、それをメモリに格納しておく。システムコントローラ400は、式(2)により計算された値ZBAT1_initと、予め測定しておいた値ZBAT1_preにもとづいて、二次電池パック200の劣化度αを評価する。劣化度αの評価は、図5の劣化評価部622により実行される。この劣化度αは、たとえば式(3)で定義され、劣化が進むにつれてその値は大きくなる。
α = (ZBAT1_init - ZBAT1_pre) / ZBAT1_pre …(3)
The present inventors repeatedly charge and discharge the
α = (ZBAT1_init-ZBAT1_pre) / ZBAT1_pre (3)
劣化度αは、バッテリの寿命の管理に使用することができる。 The deterioration degree α can be used for managing the life of the battery.
また本発明者らは、式(3)で算出される劣化度αが、二次電池の容量の劣化と相関を有することを見いだした。そこで本実施の形態では、劣化度αを電池容量BATCAPに反映させる。具体的には、補正後の容量BATCAP'を、BATCAP'=(1−α)×BATCAPとして計算する。この処理は、図5の電池容量補正部616により実行される。
In addition, the present inventors have found that the deterioration degree α calculated by the expression (3) has a correlation with the deterioration of the capacity of the secondary battery. Therefore, in the present embodiment, the deterioration degree α is reflected in the battery capacity BATCAP. Specifically, the corrected capacity BATCAP ′ is calculated as BATCAP ′ = (1−α) × BATCAP. This process is executed by the battery
このように、実施の形態に係るバッテリマネージメント回路300によれば、初期状態において、負荷電流IBATを流した直後における固有の抵抗値RFを測定することにより、その抵抗値にもとづいて二次電池パック200の劣化度αを評価することができ、さらには、それを電池容量BATCAPに反映させることができる。
As described above, according to the
エラー処理として、何らかの原因で、初期計測値VBAT0、IBAT0、VBAT1が得られなかった場合は、劣化度を0(劣化はない)と仮定して電池容量BATCAPに定格容量値BATCAP_maxを設定してもよい。 If the initial measurement values VBAT0, IBAT0, and VBAT1 cannot be obtained for some reason as error processing, the rated capacity value BATCAP_max is set to the battery capacity BATCAP assuming that the degree of deterioration is 0 (no deterioration). Good.
続いて、電圧降下値VDROPの初期値VDROP_initが算出される(S107−2)。具体的には、二次電池にダミーロードを接続して、そのときの負荷電流IBAT_init、電池電圧VBAT_initを測定する。そして式(4)により電圧降下値VDROPの初期値VDROP_initを算出する(S107−2)。
VDROP_init = IBAT_init × (ZBAT1_init+ ZBAT2_pre(T) + ZBAT3_pre(CCNTS_var)) …(4)
インピーダンスの項(ZBAT1_init+ ZBAT2_pre(T) + ZBAT3_pre(CCNTS_var))は図5の内部抵抗算出部604により計算され、電圧降下VDROP_initは図5の電圧降下算出部606により計算される。
Subsequently, an initial value VDROP_init of the voltage drop value VDROP is calculated (S107-2). Specifically, a dummy load is connected to the secondary battery, and the load current IBAT_init and the battery voltage VBAT_init at that time are measured. Then, the initial value VDROP_init of the voltage drop value VDROP is calculated from the equation (4) (S107-2).
VDROP_init = IBAT_init × (ZBAT1_init + ZBAT2_pre (T) + ZBAT3_pre (CCNTS_var))… (4)
The impedance term (ZBAT1_init + ZBAT2_pre (T) + ZBAT3_pre (CCNTS_var)) is calculated by the
こうして得られた初期の電圧降下値VDROP_initを用いて式(5)から開放電圧OCVの初期値OCV_initを推定する(S107−3)。この推定は、開放電圧算出部608により行われる。
OCV_init = VBAT_init + VDROP_init …(5)
The initial value OCV_init of the open circuit voltage OCV is estimated from the equation (5) using the initial voltage drop value VDROP_init thus obtained (S107-3). This estimation is performed by the open circuit
OCV_init = VBAT_init + VDROP_init (5)
システムコントローラ400には、開放電圧OCVとSOC(充電状態)の対応関係を示すOCV-SOCテーブルSOC=table(OCV)が用意されている。SOCは、満充電状態の容量を基準として、現在の残容量の割合(本実施の形態では%)を表したものである。
The
システムコントローラ400は、このテーブルを参照して、現在の推定開放電圧OCV_initに対応するSOC初期値SOC_ocv_init=table(OCV_init)を推定する(S107−4)。この推定は、図5の第1充電状態推定部610により行われる。
The
さらに、式(6)にしたがって初期残存容量CCNT_initを算出し(S107−5)、クーロンカウンタに初期値として設定する(S107−6)。BATCAPは電池容量である。この処理は、図5のクーロンカウンタ補正部614により実行される。
CCNT_init = SOC_ocv_init [%]/100 × BATCAP …(6)
Further, the initial remaining capacity CCNT_init is calculated according to the equation (6) (S107-5), and is set as an initial value in the coulomb counter (S107-6). BATCAP is the battery capacity. This process is executed by the coulomb
CCNT_init = SOC_ocv_init [%] / 100 × BATCAP (6)
上述のように二次電池が劣化している場合、その劣化度αが電池容量BATCAPに反映される。 When the secondary battery is deteriorated as described above, the deterioration degree α is reflected in the battery capacity BATCAP.
図6に戻る。ここまでの処理で、電池の充電状態(SOC)すなわち満充電状態に対する相対的な電池残存容量の初期値SOC_ocv_initと、絶対的な電池残存容量の初期値CCNT_initを推定することができる。 Returning to FIG. Through the processing so far, the initial value SOC_ocv_init of the battery remaining capacity relative to the state of charge (SOC) of the battery, that is, the fully charged state, and the initial value CCNT_init of the absolute battery remaining capacity can be estimated.
続くステップS108、S109、S110は、電池の放電動作中の残存容量推定処理に対応する。残存容量推定処理S108は、電池電圧が動作終止電圧VBAT_lowを下回るまで(S109)、一定の時間間隔(たとえば数秒)で繰り返し行われる。 Subsequent steps S108, S109, and S110 correspond to a remaining capacity estimation process during the battery discharging operation. The remaining capacity estimation process S108 is repeatedly performed at regular time intervals (for example, several seconds) until the battery voltage falls below the operation end voltage VBAT_low (S109).
残存容量推定処理S108について、図9を参照して説明する。 The remaining capacity estimation process S108 will be described with reference to FIG.
現在の電池電圧VBAT(n)と放電電流IBAT(n)が、電池計測部700により所定の周期で計測される(S108−1)。nは計測時刻を表し、計測ごとにインクリメントされる。 The current battery voltage VBAT (n) and discharge current IBAT (n) are measured at a predetermined cycle by the battery measuring unit 700 (S108-1). n represents the measurement time and is incremented for each measurement.
上述の、負荷変動の履歴にもとづいた影響度CCNTS_varは、クーロンカウンタの値CCNTを利用して計算される(S108−2)。このために常に数分間にわたる過去のクーロンカウンタの値CCNTを保存しておく。現在の負荷変動履歴の影響度CCNTS_var(n)は、式(7)で定義される。
CCNTS_var(n)=Σp=0:m[{CCNT(n-p)-CCNT(n-p-1)}* K_dec(p)] …(7)
The degree of influence CCNTS_var based on the load fluctuation history is calculated using the value CCNT of the coulomb counter (S108-2). For this purpose, the past coulomb counter value CCNT for several minutes is always stored. The influence degree CCNTS_var (n) of the current load fluctuation history is defined by Expression (7).
CCNTS_var (n) = Σ p = 0: m [{CCNT (np) -CCNT (np-1)} * K_dec (p)] (7)
ここで、CCNTS_varは、負荷変動履歴の影響度、CCNTはクーロンカウンタ値、K_decは時間経過に伴う減衰係数である。"n"は現在の時点を表し、"n-1"はひとつ前の、"n-p"は、p個前の計測時点を意味する。"m"は履歴の影響度に算入する過去の標本数である。
図5の内部抵抗算出部604の取得部604bは、各時刻nにおいて、影響度CCNTS_var(n)を演算し、その結果にもとづいて過渡応答成分ZBAT2を取得する。
Here, CCNTS_var is the degree of influence of the load fluctuation history, CCNT is a coulomb counter value, and K_dec is an attenuation coefficient with time. "n" represents the current time point, "n-1" represents the previous measurement point, and "np" represents the p previous measurement time point. “m” is the number of past samples included in the influence level of the history.
The
CCNT(n-p)-CCNT(n-p-1)は、現在の時刻nからp個前の時刻(n-p)における電流に相当し、K_dec(p)は、時刻(n-p)における重み付け係数である。 CCNT (n-p) -CCNT (n-p-1) corresponds to a current at time (n-p) p times before the current time n, and K_dec (p) is a weighting coefficient at time (n-p).
たとえば計測時間間隔が1秒で、過去2分間分のクーロンカウンタ値を保持しておくとすると、クーロンカウンタ値の保存標本数はm=120となり、またクーロンカウンタの大きさが32ビットであるとすれば、すなわち3840ビットという多大なバッファを用意しなければならず、ハードウェア実装の場合はレジスタ量が非常に大きくなるおそれがある。またソフトウェア実装の場合でも、記憶領域や演算量が非常に大きくなりうる。そこで、このレジスタに関しては、10秒程度の時間間隔で離散的に記憶し、m=10程度のバッファ量にまで削減する。さらに、時間経過に依存する減衰係数K_decは、電池の過渡応答に依存し、その減衰曲線は単純な式では表現が困難であるが、2のべき数による単純な指数的減衰とみなし演算を簡略化することが望ましい。2のべき乗の演算処理は、ビットシフトにより実行できるからである。たとえば現在の時刻nよりp個前の時刻に対する係数K_dec(p)は以下のように定義される。
K_dec(p)= 2-p
For example, if the measurement time interval is 1 second and the coulomb counter value for the past 2 minutes is held, the number of samples stored in the coulomb counter value is m = 120, and the size of the coulomb counter is 32 bits. In other words, a large buffer of 3840 bits must be prepared, and in the case of hardware implementation, the register amount may become very large. Even in the case of software implementation, the storage area and the calculation amount can be very large. Therefore, this register is stored discretely at a time interval of about 10 seconds and reduced to a buffer amount of about m = 10. Furthermore, the decay coefficient K_dec, which depends on the passage of time, depends on the transient response of the battery, and its decay curve is difficult to express with a simple formula, but it is regarded as a simple exponential decay with a power of 2 and the calculation is simplified. It is desirable to make it. This is because the power of 2 arithmetic processing can be executed by bit shift. For example, the coefficient K_dec (p) for the p time before the current time n is defined as follows.
K_dec (p) = 2 -p
以上の標本数削減と、減衰係数の単純化を用いても、誤差の増大にはつながらないことが実験的に確認できている。簡易計算ではあっても、負荷変動履歴の影響は非常に大きいので、誤差の低減効果も大きいと考える。 It has been experimentally confirmed that the use of the above reduction in the number of samples and simplification of the attenuation coefficient do not lead to an increase in error. Even if it is a simple calculation, since the influence of the load fluctuation history is very large, it is considered that the effect of reducing the error is great.
電池の特性を考えれば、電荷の移動・拡散による電気化学的なインピーダンスと、電気二重層構造による電気的容量性インピーダンスとによる過渡応答は、一般に長い減衰時間をもった減衰曲線を示すものであり、負荷変動の影響を正しく算出するには、厳密には積分演算を必要とする。それを簡易計算によって置き換えることで、効率の良い推定精度向上を行うことができる。 Considering the characteristics of the battery, the transient response due to the electrochemical impedance due to charge transfer / diffusion and the electrical capacitive impedance due to the electric double layer structure generally shows a decay curve with a long decay time. Strictly speaking, an integral operation is required to correctly calculate the influence of the load fluctuation. By replacing it with simple calculation, efficient estimation accuracy can be improved.
続いて式(8)にもとづいて電圧降下VDROPが算出される(S108−3)。
VDROP(n) = IBAT(n)×(ZBAT1_pre + ZBAT2_pre(T) + ZBAT3_pre(CCNTS_var(n)) …(8)
この演算処理は、図5の電圧降下算出部606により実行される。
Subsequently, the voltage drop VDROP is calculated based on the equation (8) (S108-3).
VDROP (n) = IBAT (n) x (ZBAT1_pre + ZBAT2_pre (T) + ZBAT3_pre (CCNTS_var (n)) (8)
This calculation process is executed by the voltage
そして、式(9)にもとづいて開放電圧(OCV)が推定される(S108−4)。この処理は、図5の開放電圧算出部608により実行される。
OCV(n) = VBAT(n) + VDROP(n) …(9)
And an open circuit voltage (OCV) is estimated based on Formula (9) (S108-4). This process is executed by the open-circuit
OCV (n) = VBAT (n) + VDROP (n) (9)
そしてテーブル参照により充電状態(SOC)の推定値SOC_ocvが求められる(S108−4)。これは図5の第1充電状態推定部610により実行される。
Then, an estimated value SOC_ocv of the state of charge (SOC) is obtained by referring to the table (S108-4). This is executed by the first charging
ここで、IBAT(n)、VBAT(n)、VDROP(n)は、それぞれ現在時点(n)の電流値、電圧値、および電圧降下値、さらにOCV(n)は、現在時点の推定開放電圧OCVである。 Where IBAT (n), VBAT (n), and VDROP (n) are the current value, voltage value, and voltage drop value at the current time point (n), respectively, and OCV (n) is the estimated open circuit voltage at the current time point. It is OCV.
一方、クーロンカウンタ値CCNTと電池容量BATCAP(定格容量、または実効容量)の値からも、SOCを算出することができる。この処理は図5の第2充電状態推定部612により実行される。
SOC_cc(n)[%] = CCNT(n) / BATCAP …(10)
On the other hand, the SOC can also be calculated from the value of the coulomb counter value CCNT and the battery capacity BATCAP (rated capacity or effective capacity). This process is executed by the second charge
SOC_cc (n) [%] = CCNT (n) / BATCAP (10)
ここで、電池容量BATCAPは、初期推定値算出時の誤差が内在している可能性がある。満充電完了直後に放電を開始した場合は、電圧降下が大きいので誤差が大きくなる傾向にあり、また、未知の残存容量の電池の充電状態を推定し初期値を算出した場合も、SOC初期値や劣化度推定の誤差を内在している可能性がある。 Here, the battery capacity BATCAP may have an error in calculating the initial estimated value. When discharging starts immediately after the completion of full charge, the voltage drop is large and the error tends to increase.In addition, when the initial state is calculated by estimating the state of charge of the battery with an unknown remaining capacity, the SOC initial value is also calculated. Or there may be an error in estimating the degree of deterioration.
そこで、開放電圧推定により導出したSOC値SOC_ocvと、クーロンカウンタ値から導出したSOC値SOC_ccとに差がある場合、クーロンカウンタの初期値に誤差があるとみなし、クーロンカウンタ値を増減する補正を行ってもよい。たとえば、(SOC_cc - SOC_ocv)> 5%であったとき、定格容量の所定の割合に対応する電荷量(たとえば1%分)をクーロンカウンタから減ずる。この処理は、図5のクーロンカウンタ補正部614により実行される。
Therefore, if there is a difference between the SOC value SOC_ocv derived from open-circuit voltage estimation and the SOC value SOC_cc derived from the coulomb counter value, the initial value of the coulomb counter is considered to have an error, and correction to increase or decrease the coulomb counter value is performed. May be. For example, when (SOC_cc−SOC_ocv)> 5%, the charge amount (for example, 1%) corresponding to a predetermined ratio of the rated capacity is reduced from the coulomb counter. This process is executed by the coulomb
このとき、SOC_ccが不連続にならないよう、BATCAPからも同量を減ずることが好ましい。この処理は図5の電池容量補正部616が実行する。これにより、劣化等による初期値推定時の誤差が後に適応的に補正されていく。クーロンカウンタの相対値は正確なので、負荷変動履歴の演算に影響を及ぼすことは無く、絶対値が補正されていくため、SOC値だけでなく、残存容量の絶対値([mAh]単位)をも知ることができる。
At this time, it is preferable to reduce the same amount from BATCAP so that SOC_cc does not become discontinuous. This process is executed by the battery
以上が実施の形態に係るバッテリマネージメント回路300とシステムコントローラ400による、電池の充電状態(SOC)および残存容量の推定演算方法である。
The above is the estimation calculation method of the state of charge (SOC) and remaining capacity of the battery by the
この方法によれば以下の利点を得ることができる。 According to this method, the following advantages can be obtained.
第1に、電池の初期状態の計測(S102)において、一時的に電池に負荷電流を流す際に、ダミーロードとして、電池モニタ部304の機能の一部を流用することができる。たとえば電池モニタ部304は、電池の接続を検出する機能を有するが、この機能に利用される回路素子を、ダミーロードとして利用してもよい。
First, in the measurement of the initial state of the battery (S102), when a load current is temporarily passed through the battery, a part of the function of the
第2に、未知の充電状態の二次電池パック200が装着されるその都度、初期状態を計測する(S102)ため、電池の充電状態を記憶しておくための不揮発性メモリを持つ必要が無い。
Second, each time the
第3に、電圧法と電荷積算法とを併用し、相互に誤差補正をすることとした。これにより、従来よりも高い精度で残存容量を検出することができる。 Third, the voltage method and the charge integration method are used in combination, and error correction is performed mutually. Thereby, the remaining capacity can be detected with higher accuracy than in the past.
第4に、電子機器100が休止状態にあるときには、クーロンカウンタ308による電荷量の積算のみを継続し、開放電圧(OCV)推定を停止させることで消費電力低減が可能である。したがって、開放電圧推定演算処理(S108)は、電子機器100の通常動作時のみでもよく、ソフトウェアによる実装が可能となる。このことは、バッテリマネージメント回路300のハードウェアを削減することができることを意味する。なお、電子機器100の休止状態では、第1A/D変換器310を停止するようにしてもよく、この場合、消費電力を低減することができる。
Fourth, when the
第5に、電池の内部抵抗値RINTの算出に、等価回路モデルを用いず、固定成分RFと変動成分RVとの和を用いることで、複雑な演算を排除し、演算量を削減でき、処理時間短縮および消費電力低減が可能である。 Fifth, the calculation of the internal resistance value RINT of the battery does not use an equivalent circuit model, but uses the sum of the fixed component RF and the fluctuation component RV, thereby eliminating complex calculations and reducing the amount of calculation. Time can be shortened and power consumption can be reduced.
第6に、電池の内部抵抗値RINTの変動成分を、電池の温度、負荷変動、特性変動、劣化を考慮して算出するため、推定誤差を低減することができる。 Sixth, since the fluctuation component of the internal resistance value RINT of the battery is calculated in consideration of the battery temperature, load fluctuation, characteristic fluctuation, and deterioration, the estimation error can be reduced.
第7に、機器の起動時および電池装着時に電池の充電状態(SOC)および残存容量の推定を行うので、システム停止時に電池の状態を記憶・保持するための不揮発性記憶媒体(フラッシュメモリなど)を必要としない。 Seventh, since the state of charge (SOC) and remaining capacity of the battery are estimated when the device is started up and when the battery is installed, a nonvolatile storage medium (flash memory, etc.) for storing and holding the battery state when the system is stopped Do not need.
第8に、電池の残存容量推定装置を充電回路と協調動作させることにより、充電時は満充電完了時点を、ソフトウェアその他の通信手段を経ることなく、ただちに残存容量推定装置に通知することができる。また、電池の初期状態を計測する際、充電回路の機能の一部(充電電流供給機能、および無負荷/定負荷選択機能)を流用することができ、ハードウェアの重複を避けることができる。 Eighth, by causing the battery remaining capacity estimation device to operate in cooperation with the charging circuit, it is possible to immediately notify the remaining capacity estimation device at the time of charging without passing through software or other communication means. . Further, when measuring the initial state of the battery, a part of the functions of the charging circuit (charging current supply function and no-load / constant load selection function) can be used, and duplication of hardware can be avoided.
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and various modifications may exist in each of those constituent elements, each processing process, and a combination thereof. Hereinafter, such modifications will be described.
実施の形態では、図3のバッテリマネージメント回路300とシステムコントローラ400の組み合わせによって、図6〜図9で説明した残存容量推定の処理を行う場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。
In the embodiment, the case where the remaining capacity estimation processing described in FIGS. 6 to 9 is performed by the combination of the
たとえば、図2に示した電源管理システム101rにおいて、図6〜図9で説明した残存容量の推移処理を行ってもよい。
For example, the remaining capacity transition process described with reference to FIGS. 6 to 9 may be performed in the
また、図6〜図9の演算処理をすべて採用する必要はなく、その一部のみを採用し、残りの部分は公知技術を用いてもよい。 Moreover, it is not necessary to employ all the arithmetic processes in FIGS. 6 to 9, and only a part of them may be employed, and a known technique may be used for the remaining part.
実施の形態では、システムコントローラ400を、メインプロセッサ402とソフトウェアの組み合わせで構成する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、システムコントローラ400をハードウェアのみで実現してもよい。またシステムコントローラ400の機能のうち、二次電池の残存容量検出に関する機能の一部あるいは全部は、バッテリマネージメント回路300に内蔵されてもよい。
In the embodiment, the case where the
反対に、バッテリマネージメント回路300で行われる処理の一部、たとえばクーロンカウンタ308による積算処理は、システムコントローラ400で行ってもよい。あるいは電池計測部306における演算処理の一部を、システムコントローラ400で行ってもよい。
Conversely, part of the processing performed by the
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100…電子機器、101…電源管理システム、102…DC電力入力端子、104…通信バス、106…電流検知抵抗器、108…パワーFET、200…二次電池パック、202…電池セル、204…保護回路、206…サーミスタ、208…正極端子、210…負極端子、212…温度検知端子、300…バッテリマネージメント回路、302…充電回路、304…電池モニタ部、306…電池計測部、308…クーロンカウンタ、310…第1A/D変換器、312…第2A/D変換器、314…インタフェース部、320…充電部、322…電流制御トランジスタ、324…充電制御部、400…システムコントローラ、402…メインプロセッサ、404…オペレーティングシステム、406…アプリケーションプログラム、408…残存容量演算プログラム、410…通信ドライバプログラム、500…パワーマネージメント回路。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記二次電池パックの内部抵抗RINTが固定成分RFと変動成分RVの和であるものとしてモデリングされ、かつ、
前記二次電池パックの満充電状態に対する相対残量を示す充電状態SOCと、前記二次電池パックの開放電圧OCVとの対応関係があらかじめ取得されており、
前記管理方法は、
充放電電流IBATおよび電池電圧VBATを測定するステップと、
前記内部抵抗RINTを算出するステップと、
前記内部抵抗RINTに前記充放電電流IBATを乗算して電圧降下VDROPを算出するステップと、
現在の電池電圧VBATに前記電圧降下VDROPを加算することにより前記二次電池パックの開放電圧OCVを推定するステップと、
前記対応関係にもとづいて、現在の前記開放電圧OCVに対応する現在の充電状態SOC_ocvを取得するステップと、
を備え、
前記変動成分RVは、温度依存成分RTと、充放電電流の過渡応答成分RIを含み、
ある時刻における前記過渡応答成分RIは、それまでに流れた充放電電流IBATの履歴から計算される影響度に応じた値を有するものとして定義されることを特徴とする方法。 A method for managing a secondary battery pack,
The internal resistance RINT of the secondary battery pack is modeled as a sum of a fixed component RF and a fluctuation component RV, and
The correspondence relationship between the state of charge SOC indicating the relative remaining amount with respect to the fully charged state of the secondary battery pack and the open circuit voltage OCV of the secondary battery pack has been acquired in advance,
The management method is:
Measuring charge / discharge current IBAT and battery voltage VBAT;
Calculating the internal resistance RINT;
Multiplying the internal resistance RINT by the charge / discharge current IBAT to calculate a voltage drop VDROP;
Estimating the open-circuit voltage OCV of the secondary battery pack by adding the voltage drop VDROP to the current battery voltage VBAT;
Obtaining a current state of charge SOC_ocv corresponding to the current open circuit voltage OCV based on the correspondence relationship;
With
The fluctuation component RV may include a temperature dependent component R T, the transient response component R I of the charging and discharging current,
The transient response component R I is at a certain time, how you characterized in that it is defined as having a value corresponding to the degree of influence is calculated from the charge and discharge current IBAT history flowing so far.
前記影響度は、前記クーロンカウンタの値を用いて算出されることを特徴とする請求項2に記載の方法。 The step of integrating the charge / discharge current at predetermined time intervals by a coulomb counter is further provided,
The method according to claim 2 , wherein the influence degree is calculated using a value of the coulomb counter.
CCNTS_var(n) = Σp=0:m[{CCNT(n-p)-CCNT(n-p-1)}* K_dec(p)]
(ただし、CCNTは前記クーロンカウンタの値、K_decは時間経過に伴う減衰係数、mは履歴の影響度に算入する過去の標本数、(n-p)は現在の時刻nよりもp個前の時刻を示す)
を用いて計算されることを特徴とする請求項3に記載の方法。 The influence CCNTS_var (n) at the discrete n-th time is
CCNTS_var (n) = Σ p = 0: m [{CCNT (np) -CCNT (np-1)} * K_dec (p)]
(However, CCNT is the value of the coulomb counter, K_dec is the decay coefficient with time, m is the number of past samples to be included in the influence of the history, and (np) is the time p times before the current time n. Show)
The method according to claim 3 , wherein the method is calculated using:
SOC_cc(n) = CCNT(n)/BATCAP
にしたがって算出するステップをさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。 Based on the value CCNT (n) of the coulomb counter and the battery capacity BATCAP, the state of charge SOC_cc (n)
SOC_cc (n) = CCNT (n) / BATCAP
The method of claim 3 , further comprising the step of calculating according to:
前記電池電圧VBAT、前記充放電電流IBATおよび前記温度Tにもとづいて二次電池パックの残存容量を算出する残存容量検出部と、
を備え、
前記二次電池パックの内部抵抗RINTは、固定成分RFと変動成分RVの和であるものとしてモデリングされ、
前記残存容量検出部は、
前記内部抵抗RINTを算出する内部抵抗算出部と、
前記内部抵抗RINTに前記充放電電流IBATを乗算して電圧降下VDROPを算出する電圧降下算出部と、
現在の電池電圧VBATに前記電圧降下VDROPを加算することにより前記二次電池パックの開放電圧OCVを算出する開放電圧算出部と、
前記二次電池パックの満充電状態に対する相対残量を示す充電状態SOCと、前記二次電池パックの開放電圧OCVとの対応関係にもとづいて、現在の前記開放電圧OCVに対応する現在の充電状態SOC_ocvを取得する第1充電状態推定部と、
を備え、
前記変動成分RVは、温度依存成分RTと、充放電電流の過渡応答成分RIを含み、
ある時刻における前記過渡応答成分RIは、それまでに流れた充放電電流IBATの履歴から計算される影響度に応じた値を有するものとして定義されることを特徴とする電源管理システム。 A battery measuring unit for measuring the battery voltage VBAT, charge / discharge current IBAT and temperature T of the secondary battery pack;
A remaining capacity detector that calculates a remaining capacity of the secondary battery pack based on the battery voltage VBAT, the charge / discharge current IBAT, and the temperature T;
With
The internal resistance RINT of the secondary battery pack is modeled as the sum of the fixed component RF and the fluctuation component RV,
The remaining capacity detector
An internal resistance calculation unit for calculating the internal resistance RINT;
A voltage drop calculation unit that calculates the voltage drop VDROP by multiplying the internal resistance RINT by the charge / discharge current IBAT;
An open-circuit voltage calculation unit that calculates the open-circuit voltage OCV of the secondary battery pack by adding the voltage drop VDROP to the current battery voltage VBAT;
The current state of charge corresponding to the current open circuit voltage OCV based on the relationship between the state of charge SOC indicating the relative remaining amount with respect to the fully charged state of the secondary battery pack and the open circuit voltage OCV of the secondary battery pack A first charge state estimation unit for obtaining SOC_ocv;
With
The fluctuation component RV may include a temperature dependent component R T, the transient response component R I of the charging and discharging current,
The transient response component R I at a certain time, power management systems that characterized in that it is defined as having a value corresponding to the degree of influence is calculated from the charge and discharge current IBAT history flowing so far.
前記影響度は、前記クーロンカウンタの値を引数とする関数として定義されることを特徴とする請求項11に記載の電源管理システム。 Further comprising a coulomb counter that accumulates the charge / discharge current at predetermined time intervals,
The power management system according to claim 11 , wherein the influence degree is defined as a function having the value of the coulomb counter as an argument.
CCNTS_var(n) = Σp=0:m[{CCNT(n-p)-CCNT(n-p-1)}* K_dec(p)]
(ただし、CCNTは前記クーロンカウンタの値、K_decは時間経過に伴う減衰係数、mは履歴の影響度に算入する過去の標本数、(n-p)は現在の時刻nよりもp個前の時刻を示す)
として定義されることを特徴とする請求項12に記載の電源管理システム。 The influence CCNTS_var (n) at the discrete n-th time is
CCNTS_var (n) = Σ p = 0: m [{CCNT (np) -CCNT (np-1)} * K_dec (p)]
(However, CCNT is the value of the coulomb counter, K_dec is the decay coefficient with time, m is the number of past samples to be included in the influence of the history, and (np) is the time p times before the current time n. Show)
The power management system of claim 12 , defined as:
前記クーロンカウンタの値CCNT(n)と電池容量BATCAPにもとづいて、充電状態SOC_cc(n)を、
SOC_cc(n) = CCNT(n)/BATCAP
にしたがって算出する第2充電状態推定部をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の電源管理システム。 The remaining capacity detector
Based on the value CCNT (n) of the coulomb counter and the battery capacity BATCAP, the state of charge SOC_cc (n)
SOC_cc (n) = CCNT (n) / BATCAP
The power management system according to claim 12 , further comprising a second charge state estimation unit that calculates according to:
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