JP6283952B2 - 電池残量検出装置、電池システム、電池残量検出方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、電池残量検出装置、それを備えた電池システム、電池残量検出方法およびそれを実行するためのプログラムに関する。より詳細には、一定の蓄電量が残っている状態で充電を開始した場合であってもその蓄電池の総蓄電量を算出することが可能な電池残量検出装置、それを備えた電池システム、電池残量検出方法およびそれを実行するためのプログラムに関する。

従来、複数の蓄電池（例えばリチウムイオン二次電池）が接続されてなる組電池が知られている。このような蓄電池の蓄電量を検出する方法としては、例えば特許文献１には、蓄電池に入出力する電流値を計測しその電流量を積算することによって現在の残量を求めることが開示されている。

特開昭６３−２０８７３３号公報

しかしながら、特許文献１のように単に電流値を計測するだけの方式では、電流値の計測誤差の累積によって、算出値と実残容量との誤差が大きくなるという問題がある。他方、誤差を修正するためには、放電終端および満充電を測定基準点として頻繁に通過させる必要があるが、一般的な電池の使用方法を考慮するとこのような方式は実用的ではない。

そこで本発明の目的は、一定の蓄電量が残っている状態で充電を開始した場合であってもその蓄電池の総蓄電量を検出することが可能な電池残量検出装置、それを備えた電池システム、電池残量検出方法およびそれを実行するためのプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一形態に係る電池残量検出装置は、
蓄電池の電圧を検出する電圧検出部と、
上記蓄電池の充電時の充電電流を検出する電流検出部と、
演算処理を行う制御部と、
を備える電池残量検出装置であって、
上記制御部は、
（ａ）蓄電池の充電開始時に、上記蓄電池の現在の電圧を検出する処理と、
（ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、上記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求める処理と、
（ｃ）今回の充電により上記蓄電池に蓄電された蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求める処理と、
（ｄ）上記開始時蓄電量と上記計測蓄電量とを加算することにより、上記蓄電池の充電後の総蓄電量を計算する処理と、
を行うように構成されている。

（用語の説明）
「電池残量検出装置」には、電圧検出部と電流検出部と制御部とが物理的に１箇所に配置（例えば所定の筐体内に配置）されたものだけではなく、電圧検出部、電流検出部、および制御部のそれぞれが物理的には別々に配置され、互いに接続されたようなものも含まれる。
「制御部」とは、例えば、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とメモリとインターフェース等を有し、メモリ内に格納されたコンピュータプログラムを実行することで様々な機能を実現するコンピュータユニットであってもよい。一例で、コンピュータユニットは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、およびＩ／Ｆ等のハードウェアを有しプログラムが装されたいわゆるワンチップマイコンであってもよい。他にも、制御部は、電気回路として設けられたものであってもよい。
「接続」−本明細書において、例えばある要素が他の要素に接続されていると言った場合には、両者が直接に接続されている形態と、１つまたは複数の所定の中間要素を介して両者が間接的に接続されている形態との両方を意味する。また、電気的信号を伝達するまたは所定のデータ通信を行うための要素どうしの接続としては有線接続に限らず無線接続であってもよい。

本発明によれば、一定の蓄電量が残っている状態で充電を開始した場合であってもその蓄電池の総蓄電量を検出することが可能な電池残量検出装置等を提供することができる。

本発明の一形態の電池システムの構成を示すブロック図である。 対比テーブルの一例を示す図である。 充電開始時の電池セルの電圧が例えば３．７５Ｖであった場合の充電動作および電池セルの総蓄電量の算出を説明するための図である。 電池システムの動作一例のフローチャートである。 定電圧充電後短時間の放電のみ行って再充電する場合等の動作を説明するための図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する構成、機能、動作等は本発明の一形態に係るものであって、本発明を何ら限定するものではない。

図１に示すように、この電池システム１は電池残量検出装置１０と電池ユニット１１とを備えており、電池残量検出装置１０は、電流検出部１３、電圧検出部１５、および制御部１７を有している。

電池ユニット１１は、複数の電池セル１２ａ〜１２ｃ（それぞれを単に「電池セル１２」ともいう）を有している。電池セル１２は一例としてリチウムイオン電池であり、直列に接続されている。なお、電池セル１２の数は特に限定されるものではなく、複数に限らず、１つの電池セル１２のみが設けられていてもよい。電池セル１２としては、リチウムイオン電池の他にも、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池といった他の二次電池も利用可能である。

なお、電池残量検出装置１０としては、例えば、１つの筐体内に電流検出部１３、電圧検出部１５、および制御部１７等の一部または全部が配置されたものであってもよい。

本実施形態では、電池セル１２は、図３および図５に示すような充放電特性カーブを示し放電終端電圧が約３．０Ｖものを例として説明する。

図１に示すように、電池ユニット１１には端子１４ａ、１４ｂが設けられており、この端子１４ａ、１４ｂに不図示の充電デバイスを接続することにより、電池ユニット１１が充電可能となる。充電デバイス（不図示）としては従来公知のものを利用でき、充電方式としては例えばリチウムイオン電池に対してであれば定電流・定電圧方式が用いられる。図３および図５の例では、電池セル１２の電圧が約４．１５Ｖとなるまで定電流充電が行われ、電圧が約４．１５Ｖとなった後は定電圧充電が行われる。

電流検出部１３は、電池セル１２に入出力される電流を検出する。電圧検出部１５は、各電池セル１２ａ〜１２ｃの電圧を検出する。

制御部１７は、電流検出部１３および電圧検出部１５に接続されている。制御部１７は、（ｉ）各検出部１３、１５の動作を制御する機能、（ｉｉ）各検出部１３、１５からの検出値に基づいて種々の演算を行う機能を有する。制御部１７は、プログラムによって、上記機能を実現し、また、後述するような種々の処理を行うように構成されたものであってもよい。

図１では図示を省略しているが、電池システム１は、上記プログラムを格納する記憶部を備えていてもよい。当然ながら、この記憶部には当該プログラム以外にも様々なデータ（例えば後述する「対比テーブル」）が格納されていてもよい。記憶部としては、例えば、コンピュータユニットの不図示のメモリ等であってもよい。または、対比テーブル等のデータは、コンピュータユニットに接続される外部の記憶デバイスに格納されていてもよい。

図２は対比テーブルの一例を示している。この対比テーブルの利用方法については後で再度説明する。テーブル左欄の「充電電圧」は、蓄電池の電圧を複数の区分に分けたものであり、この例では、３１００ｍＶから４０００ｍＶまで１００ｍＶごとに分けられている。当然ながら、１００ｍＶに限らず、例えばより小さい値、あるいは、より大きい値ごとに分けられていてもよい。

テーブル右欄の「蓄電量」は、それぞれの充電電圧に対応する電池セルの蓄電量を示している。この「蓄電量」の数値は、電池セルの経年劣化の影響により変化するものである。したがって、より正確に蓄電量を求めるためには、対比テーブルのデータを適宜更新することが好ましい。このデータ更新についても再度後述するものとする。

上記のような対比テーブルを用いることにより、例えば、検出した電池セル１２の電圧が３．１Ｖ（３１００ｍＶ）であった場合には蓄電量は２００Ａｈ、また、例えば３．８Ｖ（３８００ｍＶ）であった場合には蓄電量は５０００Ａｈというように、充電開始時の電池セル１２の蓄電量を推定できる。また、電池セル１２の電圧が３．７５Ｖ（３７５０ｍＶ）のような値の場合には、充電を行い、３８００ｍＶの電圧に達した時に、５０００Ａｈと推定する。

なお、制御部１７は、満充電状態から消費された蓄電量（使用蓄電量）を電流検出部１３からの検出値に基づいて計測し、満充電状態の総蓄電量とその計測した使用蓄電量とに基づいて、使用後の電池残量を計算する機能も有している。

次に、本実施形態の電池システム１による電池セルの充電動作について説明する。

図３は、充電開始時の電池セル１２の電圧が３．７５Ｖであった場合の充電動作および電池セルの総蓄電量の算出を説明するための図である。図中、グラフの横軸は充電時間であり、縦軸は電池セルの電圧〔Ｖ〕である。図４は電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。

まず、電池ユニット１１に充電デバイス（不図示）を接続して充電を開始するとともに、ステップＳ１において、電流検出部１３で充電電流を検出する。また、電圧検出部１５で電池セル１２の電圧を検出する。これらの検出の開始および／または終了等のタイミングは特に限定されるものではなく、どのようなものであってもよい。各検出を実施するための方式としては、従来公知の方式を適宜利用することができる。

次いで、ステップＳ２において、現在の電池セル１２の電圧が放電終端電圧（この例では３．０Ｖ）より実質的に大きいか否かを判定する。例えば電圧セル１２の電圧が３０００ｍＶ未満の場合には、放電終端値まで充電し放電終端電圧に達したと判定された後、充電電流と充電時間とに基づいて電池セルの総蓄電量を計算する（ステップＳ３−２）。なお、上記のような判定は、一例で、制御部１７によって自動的に実施されるものであってもよい。

他方、ステップＳ２において、電池セルの電圧が放電終端電圧より実質的に大きいと判定した場合（換言すれば放電終端電圧以外から充電が開始される場合）、ステップＳ３−１の内容の電池残量検出を行う。具体的な例として、図３に示すように、電池セル１２の電圧が３．７５Ｖ（３７５０ｍＶ）であった場合を想定する。この場合、電池セル１２の現時点での蓄電量は図２の対比テーブルから求める。電池セルの電圧が３７５０ｍＶであるので、３８００ｍＶとなるまで充電を続け、対比テーブルの３８００ｍＶに対応する蓄電量５０００Ａｈを現時点の電池セルの蓄電量として推定する（これを「開始時蓄電量」という）。なお、上記のような処理は、一例で制御部１７によって自動的に実施されてもよい。下に説明する種々の処理についても同様に制御部１７によって自動的に実施可能である。

次いで、電圧が３８００ｍＶを超えてから充電終了までの充電については、充電電流と充電時間とを乗じて蓄電量（これを「計測蓄電量」という）を計算する。そして、「開始時蓄電量」と計測蓄電量とを加算し、その合計を総蓄電量として計算する。

このような蓄電量の算出によれば、放電終端電圧以外から充電が行われる場合においても、対比テーブルを参照して当該電池セル１２に残っている蓄電量を求めそれに今回の充電によって蓄電された蓄電量を加えて電池セル１２の総蓄電量を計算するので、充電後の電池セルのより正確な総蓄電量を求めることができる。

続いて、対比テーブルのデータ更新について説明する。充電が放電終端電圧から開始される場合（ステップＳ４−２）、定電流充電中の各電圧とその時の蓄電量との関係が測定される。すなわち、例えば、３１００ｍＶに達したときの蓄電量がａ１［Ａｈ］、３２００ｍＶに達したときの蓄電量がａ２［Ａｈ］、…３９００ｍＶに達したときの蓄電量がａ９［Ａｈ］、３１００ｍＶに達したときの蓄電量がａ１０［Ａｈ］のように、各電圧とその時の蓄電量との関係を測定する。そして、そのデータに基づいて対比テーブル（図２）の蓄電量のデータを更新する。

なお、このデータ更新は、充電中に行われてもよいし、充電後に行われてもよい。データ更新のために、制御部１７が、上記のような蓄電量ａ１、ａ２〜ａ９などの情報を用いて自動的に対比テーブルのデータを更新するように構成されていてもよい。

他方、放電終端電圧以外から充電が開始される場合（ステップＳ４−１）は、下記のように、対比データの「蓄電量」の一部のみをデータを更新する。具体的な例として、上記同様、電池セル１２の電圧が３７５０ｍＶであった場合を想定する。この場合、３９００ｍＶおよび４０００ｍＶの各電池区分に対応する蓄電量をそれぞれ新たに計算し、対比テーブルの「蓄電量」の各データを更新していく。

更新される「蓄電量」の値を計算する方法は特に限定されるものではなく、種々採用しうるが、例えば下記のようなものであってもよい：
ｅ１：蓄電池の現在の電圧に対応する開始時蓄電量を対比テーブルから求め（３７５０ｍＶであれば、充電後の３８００ｍＶに対応する５０００Ａｈ）、
ｅ２：１つ分の電圧区分（例えば、３８００ｍＶから３９００ｍＶまで）を充電したときに蓄電された蓄電量を例えば充電電流に充電時間を乗ずることで計算し、
ｅ３：開始時蓄電量と上記ｅ２での蓄電量とを加算してその電圧（３９００ｍＶ）での総蓄電量を算出し（例えば、５９５０Ａｈ）、
ｅ４：その総蓄電量を当該電圧（３９００ｍＶ）の蓄電量としてテーブルに格納する。

以上のように、対比テーブルの「蓄電量」のデータを、現在の電池セルの特性に合わせて更新することで、仮に電池セルの経年劣化の影響によって電池の特性が変化したとしても、その特性に応じた対比テーブルが作成されることとなるので、電池セルの劣化状況を考慮したより正確な残量検出が可能となる。

（定電圧充電後短時間の放電のみ行って再充電する場合について）
リチウムイオン電池では定電流・定電圧方式で充電が行われることを考慮して、本実施形態の電池システム１は次のような動作を行うものであってもよい：
制御部１７が、
（ｉ）電池セル１２の充電を行う際に、その電池セル１２が、定電圧充電によって蓄電された蓄電量を放電した状態かどうか判定し、
（ｉｉ）放電した状態と判定した場合にのみ、上記で述べたような対比テーブルを用いた電池残量検出および／または対比テーブルのデータ更新を行う。

すなわち、図５に示すように、定電圧充電においては電圧が一定（この例では約４．１５Ｖ）となる。前回の定電圧充電が図中の「×」印の位置で終了したと仮定し、次の充電が定電圧充電によって蓄電された蓄電量を放電しきっていないような位置（例えばＰ１の位置）から開始される場合、次の充電は当初から定電圧充電ということになり、電圧は一定となるので、上述したような対比テーブルを用いた電池残量検出や対比テーブルのデータ更新の必要はない。

他方、次の充電が、定電圧充電によって蓄電された蓄電量を放電しきった位置（例えばＰ２の位置）から開始される場合、次の充電は定電流充電となるので、上述したような
対比テーブルを用いた電池残量検出や対比テーブルのデータ更新を行う。こうすることで上記と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明の一形態について説明したが、本発明は上記の開示内容に限定されるものではなく、種々変更可能である。

なお本明細書は、電池システムおよび電池残量検出装置に係る発明以外にも、下記の発明を開示する：
電池の残量検出方法であって、
（ａ）蓄電池の充電開始時に、電圧検出手段によって上記蓄電池の現在の電圧を検出するステップと、
（ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、上記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求めるステップと、
（ｃ）今回の充電により上記蓄電池に蓄電される蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求めるステップと、
（ｄ）上記開始時蓄電量と上記計測蓄電量とを加算することにより、上記蓄電池の総蓄電量を計算するステップと、
を含む、電池残量検出方法。

例えば、上記のような電池残量検出が装置によって行われものである場合、本発明は次のように表現することもできる：
１つまたは複数のコンピュータによって実施される電池の残量検出方法であって、
−コンピュータが、電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、検出された蓄電池の現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求めるステップと、
−コンピュータが、今回の充電により上記蓄電池に蓄電される蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求めるステップと、
−コンピュータが、上記開始時蓄電量と上記計測蓄電量とを加算することにより、上記蓄電池の総蓄電量を計算するステップと、
を含む、電池残量検出方法。

コンピュータ（１つまたは複数のコンピュータであってもよい）に、
（ａ）蓄電池の充電開始時に、電圧検出手段によって検出された上記蓄電池の現在の電圧を参照する処理と、
（ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、上記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求める処理と、
（ｃ）今回の充電により上記蓄電池に蓄電される蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求める処理と、
（ｄ）上記開始時蓄電量と上記計測蓄電量とを加算することにより、上記蓄電池の総蓄電量を計算する処理と、
を実行させるプログラム。

また、本明細書は、これら方法およびプログラムに係る発明だけではなく、上記に説明した装置の発明に対応する方法、プログラム、プログラムを格納した媒体に係る発明をも開示する。

１ 電池システム
１０ 電池残量検出装置
１１ 電池ユニット
１２ａ〜１２ｂ、１２ 電池セル
１３ 電流検出部
１５ 電圧検出部
１７ 制御部

Claims (13)

1. 蓄電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記蓄電池の充電時の充電電流を検出する電流検出部と、
   演算処理を行う制御部と、
   を備える電池残量検出装置であって、
   前記制御部は、
   （ａ）蓄電池の充電開始時に、前記蓄電池の現在の電圧を検出する処理と、
   （ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、前記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求める処理と、
   （ｃ）今回の充電により前記蓄電池に蓄電された蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求める処理であって、当該計測蓄電量は蓄電池に対する充電電流と充電時間とを積算して求られるものである、処理と、
   （ｄ）前記開始時蓄電量と前記計測蓄電量とを加算することにより、前記蓄電池の充電後の総蓄電量を計算する処理と、
   を行うように構成されている、電池残量検出装置。
2. さらに、
   少なくとも前記対比テーブルを格納する記憶部を備える、請求項１に記載の電池残量検出装置。
3. 前記制御部は、さらに、
   （ｅ）前記蓄電池を充電する際に電圧と蓄電量との関係を測定し、そのデータに基づいて、前記対比テーブルの前記蓄電量のデータを更新する処理を行う、請求項１または２に記載の電池残量検出装置。
4. 前記（ｅ）の処理において、
   蓄電池の充電が放電終端以外から開始された場合には、
   （ｅ１）蓄電池の現在の電圧に対応する前記開始時蓄電量を前記対比テーブルから求め、
   （ｅ２）対比テーブルの電圧区分１つ分を充電したときに蓄電された蓄電量を計算し、
   （ｅ３）前記開始時蓄電量と前記（ｅ２）での蓄電量とを加算してその電圧の総蓄電量を算出し、
   （ｅ４）その総蓄電量を当該電圧に対応する蓄電量としてデータ更新する、
   請求項３に記載の電池残量検出装置。
5. 前記制御部は、さらに、
   （ｆ）蓄電池の使用蓄電量を計測し、充電後の前記総蓄電量と当該使用蓄電量とに基づいて使用後の前記蓄電量の残量を計算する処理を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池残量検出装置。
6. 前記蓄電池がリチウムイオン電池であって、前記制御部は、
   （ｇ）蓄電池の充電を行う際に、その蓄電池が、前回の定電圧充電によって蓄電された蓄電量を放電した状態かどうか判定し、
   （ｈ）放電した状態と判定した場合にのみ、前記（ａ）〜（ｄ）の処理を行う、
   ように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池残量検出装置。
7. １つまたは複数の蓄電池と、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池残量検出装置と、
   を備える電池システム。
8. 蓄電池の残量検出方法であって、
   （ａ）前記蓄電池の充電開始時に、電圧検出手段によってその蓄電池の現在の電圧を検出するステップと、
   （ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、前記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求めるステップと、
   （ｃ）今回の充電により前記蓄電池に蓄電された蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求めるステップであって、当該計測蓄電量は蓄電池に対する充電電流と充電時間とを積算して求られるものである、ステップと、
   （ｄ）前記開始時蓄電量と前記計測蓄電量とを加算することにより、前記蓄電池の充電後の総蓄電量を計算するステップと、
   を含む、電池残量検出方法。
9. さらに、
   （ｅ）前記蓄電池を充電する際に電圧と蓄電量との関係を測定し、そのデータに基づいて、前記対比テーブルの前記蓄電量のデータを更新するステップを含む、請求項８に記載の電池残量検出方法。
10. 前記（ｅ）のステップにおいて、
    蓄電池の充電が放電終端以外から開始された場合には、
    （ｅ１）蓄電池の現在の電圧に対応する前記開始時蓄電量を前記対比テーブルから求め、
    （ｅ２）対比テーブルの電圧区分１つ分を充電したときに蓄電された蓄電量を計算し、
    （ｅ３）前記開始時蓄電量と前記（ｅ２）での蓄電量とを加算してその電圧の総蓄電量を算出し、
    （ｅ４）その総蓄電量を当該電圧に対応する蓄電量としてデータ更新する、
    請求項９に記載の電池残量検出方法。
11. コンピュータに、
    （ａ）蓄電池の充電開始時に、電圧検出手段によって検出されたその蓄電池の現在の電圧を参照する処理と、
    （ｂ）電圧とそれに対応する蓄電量との関係を表す対比テーブルを用い、前記現在の電圧に対応する蓄電量（以下「開始時蓄電量」という）求める処理と、
    （ｃ）今回の充電により前記蓄電池に蓄電された蓄電量（以下「計測蓄電量」という）を求める処理であって、当該計測蓄電量は蓄電池に対する充電電流と充電時間とを積算して求られるものである、処理と、
    （ｄ）前記開始時蓄電量と前記計測蓄電量とを加算することにより、前記蓄電池の充電後の総蓄電量を計算する処理と、
    を実行させるプログラム。
12. さらに、
    コンピュータに、
    （ｅ）前記蓄電池を充電する際に電圧と蓄電量との関係を測定し、そのデータに基づいて、前記対比テーブルの前記蓄電量のデータを更新する処理を実行させる、請求項１１に記載のプログラム。
13. 前記（ｅ）の処理において、
    蓄電池の充電が放電終端以外から開始された場合には、
    （ｅ１）蓄電池の現在の電圧に対応する前記開始時蓄電量を前記対比テーブルから求め、
    （ｅ２）対比テーブルの電圧区分１つ分を充電したときに蓄電された蓄電量を計算し、
    （ｅ３）前記開始時蓄電量と前記（ｅ２）での蓄電量とを加算してその電圧の総蓄電量を算出し、
    （ｅ４）その総蓄電量を当該電圧に対応する蓄電量としてデータ更新する、
    請求項１２に記載のプログラム。

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