JP6470022B2 - 電池残量予測装置及びバッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、バッテリパックに関係し、特にＬｉイオン充電池等の電池残量を予測する電池残量予測装置に関する。

充電池は、携帯機器を始めとして、多くの装置に使われていて、充放電を管理するバッテリ管理システムが必須である。特に機器稼動時には稼動時間をより正確に知ることが必要であり、そのために電池残量予測装置が使われている。

従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックを図６に示す。電池残量予測装置２０は、信号処理演算を行うＣＰＵ２１と、信号処理演算の際に用いるＲＡＭ２２と、充電池７の１セル分の電池電圧をレベル変換器２６で変換された電池電圧を検出するためのＡＤＣ２３と、充電池７の電流を検出する電流センス抵抗６で発生する電圧を検出するためのＡＤＣ２４と、電池の特性データ等を予め保持しておく不揮発性メモリ２５と、を備えている。電池残量予測装置２０は、充電池７の電圧と、電流センス抵抗６を用いて計測された充電池７の電流値よりクーロンカウンタで求められた移動電荷量等とから、電池残量が求められている。高精度な残量予測には、充電池７の電圧及び電流の高精度な計測が必須である。
特に電流計測に注目すると、電流センス抵抗６は抵抗値が高精度なことが求められる。

米国特許第６７８９０２６号明細書

従来の電池残量予測装置２０を備えたバッテリパックは、高精度な電池残量予測をするためには、高精度で電流許容量の大きい電流センス抵抗６が必要となる。そのため、電流センス抵抗６は高価でサイズが大きくなってしまう、と言う課題があった。

本発明の電池残量予測装置は、上記課題を解決するために、以下のような構成とした。
電池の電池電圧及び電池温度を測定する電圧検出部と、電池電圧及び電池温度に基づき電池残量を予測計算する演算部と、電池残量予測装置の動作及び演算部を制御する制御部と、を備え、電池残量予測装置は、所定の時間間隔で、測定した電池電圧及び電池温度と、電池等価回路における電池の内部インピーダンスに基づいて電池残量を回帰的に算出する、演算フローによって電池の残量を予測する電池残量予測装置。

本発明の電池残量予測装置によれば、検出した電池電圧に基づき高精度な電池残量予測が可能なので、電流センス抵抗が不要となる。従って、バッテリパックは、小さいサイズ、かつ低コストで提供することが出来る。

本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。 電池の等価回路の一例を示す回路図である。 電池の等価回路の他の例を示す回路図である。 図２の電池の等価回路に対応した電池残量予測演算フローである。 図３の電池の等価回路に対応した電池残量予測演算フローである。 従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。

図１は、本実施形態の電池残量予測装置１を備えたバッテリパックのブロック図である。本実施形態のバッテリパックは、電池残量予測装置１と、充電池７と、充放電制御用のＭＯＳＦＥＴ８と、充放電制御回路１５と、外部端子１８及び１９と、を備えている。電池残量予測装置１は、電圧検出部１１と、制御部１６と、残量予測計算等を行う演算部１２とを備えている。

本実施形態のバッテリパックは、以下のように接続されている。
電池残量予測装置１は、充電池７の両端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ８は、外部端子１９に設けられる。充放電制御回路１５は、充電池７の両端に接続され、出力端子はＭＯＳＦＥＴ８に接続される。外部端子１８及び１９には、負荷３となるアプリケーションシステムが接続される。電圧検出部１１は、入力端子に充電池７が接続され、出力端子が制御部１６に接続される。制御部１６は演算部に接続される。

電圧検出部１１は、充電池７の端子電圧及び温度を検出して、制御部１６に出力する。制御部１６は、例えば、タイマー回路や、ＲＡＭや不揮発メモリ等の記憶装置などを備えている。演算部１２は、制御部１６の情報及び制御に基づき充電池７の電池残量を高精度に予測計算を行う。即ち、電池残量予測装置１は、図４または図５に示す電池残量予測演算フローを実行し、充電池７の電池残量を高精度に予測計算する。

図２は、電池の等価回路の一例を示す回路図である。電池等価回路３０は、電圧源３１と、Ｍ組が直列接続されているＣ−Ｒ回路と、抵抗Ｒｏとから構成されている。電圧源３１は、充電状態や電池温度に依存して電池開回路電圧を出力する。Ｃ−Ｒ回路は、電池の内部インピーダンスの等価回路を構成する抵抗ＲとコンデンサＣが並列接続されている。電圧Ｖ_ＯＣＶは、電圧源３１の電圧である。電圧Ｖ_Ｂは、電池の電圧である。電流源３２は、負荷電流ｉ_Ｌを流す負荷３の等価化回路である。

Ｃ−Ｒ回路は、電池出力の過渡応答を反映している。Ｃ−Ｒ回路の直列接続個数は、求める等価回路精度に依存し、直列接続個数を増やすほど高精度化が容易となる。Ｃ−Ｒ回路の時定数が残量計算の時間間隔より充分に小さければ、電池出力の過渡応答の残量計算への影響は小さい。しかしながら、電池出力の過渡応答の時定数は、数十分から数時間に及ぶものがあり、残量予測計算への影響は大きい。特に、大電流で、かつ急峻な変化ある場合には、残量予測計算の大きな誤差に繋がり易い。

電池過渡応答の影響を残量予測計算に反映させるためには、電池の内部インピーダンスを構成する抵抗Ｒ_ｋとコンデンサＣ_ｋを含む時間微分方程式に基づいた残量予測計算を行う必要がある。

以下、微分方程式を立式する。抵抗Ｒ_ｋとコンデンサＣ_ｋに掛かる電圧をΔ_ｋ（ｋ≧１）とすると、各抵抗Ｒ_１〜Ｒ_Ｍに流れる電流ｉ_Ｒｋは式１、各コンデンサＣ１〜ＣＭに流れる電流ｉ_Ｃｋは式２となり、負荷電流ｉ_Ｌは式３であることから、式４と式５となる２つの方程式を得る。

電池電流ｉ_Lは、電池の充電状態、即ち電池残量ＳＯＣの変化と、最大電池容量をＱ_maxとして、式６で表すことが出来る。尚、放電電流を正電流としている。

式６を式４と式５に代入すると、式７と式８が得られる。

式７と式８において、Ｖ_ＯＣＶ、Ｒ_ｋ（ｋ＝０〜Ｍ）、Ｃ_ｋ（ｋ＝１〜Ｍ）を電池残量ＳＯＣと電池温度Ｔの依存性を持つとして、実測される電池電圧Ｖ_Ｂと電池残量及び電池内部電圧の夫々の初期値ＳＯＣ_ｉ、Δ_ｋ、ｉを既知として、連立方程式を解くことで電池残量ＳＯＣを求めることが出来る。

しかしながら、本連立方程式を微分方程式として解くには、計算量も多く、また実現するための論理規模も大となることから現実的ではない。そこで、本連立方程式を差分方程式に近似することを考える。式７を、時刻ｎ及びｔｃ時間前の時刻ｎ−１の差分式化すると、式９と表すことが出来る。

式９から、Δ_ｋ，ｎについて求めると、式１０となる。

そして、式１０を式８に代入して式１１が求まる。

式（１１）を電池残量ＳＯＣ_ｎを未知の変数として解くことにより、時刻ｎに於ける電池残量ＳＯＣ_ｎの値を求めることが可能となる。時刻ｎのｔｃ時間後の時刻ｎ＋１に於ける予測計算のため、時刻ｎに於けるΔ_ｋ，ｎを式１０から求める。以降、本計算を繰り返すことで、実時間で電池残量予測計算が可能となる。

図４は、図２の電池の等価回路に対応した上述の電池残量予測演算フローである。
本実施形態のバッテリパックは、電池装填時等において電池残量は不明である。従って、ステップＳ１で初期の電池端子電圧ＶＢ_ｉ、電池温度Ｔ_ｉを電圧検出部１１で検出する。充電池７は電流が流れていないとすると、この時の電池端子電圧ＶＢ_ｉは電池開回路電圧Ｖ_ＯＣＶに等しいと考えることが出来る。また、電池等価回路内部電圧Δ_ｋは、図２から容易に分かる様に電流が流れていない状態と考えると、初期値Δ_ｋ，ｉは０となる。

充電池７の電池開回路電圧Ｖ_ＯＣＶは、電池残量ＳＯＣと電池温度Ｔとによる、予め定められた電池固有の依存特性を持っており、本特性を式１２で仮定する。

Ｖ_OCV＝ｆ_OCV（ＳＯＣ，Ｔ）（１２）

ステップＳ２において、充電池７の電池端子電圧ＶＢ_ｉと電池温度Ｔ_ｉから、初期の電池残量ＳＯＣ_ｉを算出する。以後、所定の時間間隔ｔｃ毎（ステップ３）に測定と電池残量予測計算を繰返し実行する。

ステップ４において、電圧検出部１１はｔｃ時間経過後の時刻ｎに於ける電池端子電圧ＶＢ_ｎと、電池温度Ｔ_ｎを検出する。

ステップ５において、時刻ｎ−１に於ける電池残量ＳＯＣ_ｎ−１、電池温度Ｔ_ｎ−１及び電池等価回路内部電圧Δ_{ｋ，ｎ−1}と、時刻ｎで検出された電池電圧ＶＢ_ｎと、電池温度Ｔ_ｎとから、時刻ｎに於ける電池残量ＳＯＣ_ｎと、電池開回路電圧Ｖ_{ＯＣＶ、ｎ}、電池電流ｉ_Ｌ，ｎ、電池等価回路内部電圧Δ_ｋ，ｎを算出する。但し、初回のステップＳ５において、電池残量ＳＯＣ_ｎ−１は初期の電池残量ＳＯＣ_ｉが用いられる。

電池特性として予め規定する必要のある特性として、式１２に仮定した特性に加えて、抵抗Ｒ_ｋ（ｋ＝０〜Ｍ）とコンデンサＣ_ｋ（ｋ＝１〜Ｍ）と最大電池容量Ｑ_ｍａｘがある。これらは、電池製造初期の固有の特性を持っている。電池等価回路の内部インピーダンスとして、下記の２式を仮定する。

この２式を式１１に適用すると、式１５を得ることが出る。

式１５を満たす時刻ｎに於ける電池残量ＳＯＣ_ｎを回帰的計算により算出する。算出された電池残量ＳＯＣ_ｎから、電池開回路電圧Ｖ_{ＯＣＶ、ｎ}、電池電流ｉ_Ｌ，ｎ、電池等価回路内部電圧Δ_ｋ，ｎをそれぞれ算出することが出来る。ステップＳ６において、算出されたこれらの数値は記憶装置に書き込まれ保持される。
以上の演算ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し実行することで、実時間での残量予測計算が可能となる。

尚、電池開回路電圧Ｖ _OCV ， _n ＝ｆ_OCV（ＳＯＣ，Ｔ）、電池内部抵抗Ｒ_k＝ｆ_rk（ＳＯＣ，Ｔ）、電池内部コンデンサ容量Ｃ_k＝ｆ_Ck（ＳＯＣ，Ｔ）は、代数学的な関数で簡単に表すことが出来ない場合には、数値テーブルで表される関数として定義される。テーブル数値としては存在しない変数値（ＳＯＣ，Ｔ）に対しては、内挿或いは外挿補間手法を用いて算出される。

以上説明した通り、本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパック及び電池残量予測演算フローによれば、電池電流を実際に検出することなく、電池出力の過渡応答を考慮した高精度な電池残量予測計算が可能となる。従って、電池電流検出のために必要であった高精度な電流センス抵抗が不要となり、コスト低減、実装サイズ低減を実現できる。

図３は、電池の等価回路の他の例を示す回路図である。図３に示す電池等価回路４０は、電池の内部インピーダンスの等価回路を一組のＣ−Ｒ回路に簡略化した。このように簡略化した電池の等価回路であっても、以下に詳述する手法で電池残量予測計算を行うことが出来る。
式１〜３に於いてＭが１なので、式１６と式１７となる２つの方程式を得る。

そして、式１６と式１７から式１８を求めることが出来る。

式１８の微分方程式は、差分方程式に近似すると、式１９になる。

尚、電池電流ｉ_Ｌ，ｎは、差分方程式近似式として、式２０で表すことが出来る。

式１９には、変数Δ_k,n-1が無いので、電池等価回路内部電圧を算出することなく、電池開回路電圧Ｖ_OCV,n-1と、電池電圧ＶＢ_n-1と、電池残量ＳＯＣ_n-1、電池電流ｉ _L,n を元に式１９から現時刻ｎの電池残量ＳＯＣ_nを算出することが出来る。但し、初回のステップＳ５において、電池残量ＳＯＣ_n-1 は初期の電池残量ＳＯＣ_iが用いられる。

図５は、図３の電池の等価回路に対応した電池残量予測演算フローである。
以上説明したように、図５に示す電池残量予測計算は、２進数計算で行うことから、演算の時間間隔を２^Ｎ（Ｎは整数）秒とすることで、計算の論理規模の低減を図ることが容易となり、集積回路化した際には、集積回路のチップサイズの低減に効果がある。

１ 電池残量予測装置
７ 充電池
１１ 電圧検出部
１２ 演算部
１５ 充放電制御回路
１６ 制御部
３０、４０ 電池等価回路

Claims (7)

1. 電池の電圧及び温度を計測して、電池の残量を予測する電池残量予測装置であって、
   前記電池の電池端子電圧及び電池温度を測定する電圧検出部と、
   前記電池端子電圧及び前記電池温度に基づき電池残量を予測計算する演算部と、
   前記電池残量予測装置の動作及び前記演算部を制御する制御部と、を備え、
   前記電池残量予測装置は、所定の時間間隔で、測定した前記電池端子電圧及び電池温度と、電池等価回路における電池の内部インピーダンスと、前回算出した電池残量及び電池電流と、前記前回算出した電池残量と未知の現在の電池残量の差分方程式で表した現在の電池電流に基づいて、前記現在の電池残量を回帰的に算出する、演算フローによって前記電池の残量を予測する
   ことを特徴とする電池残量予測装置。
2. 前記電池等価回路は、
   電池開回路電圧を出力する電圧源と、
   前記電圧源に直列に接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗に直列接続された、抵抗とコンデンサが並列接続されたインピーダンス素子を備えた内部インピーダンスと、を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の電池残量予測装置。
3. 前記演算フローは、
   電池装填時に初期電池端子電圧及び初期電池温度を測定し、
   前記初期電池端子電圧及び前記初期電池温度から初期電池残量を算出し、
   所定の時間間隔で、
   電池端子電圧及び電池温度を測定し、
   今回測定した電池端子電圧及び電池温度と、前回測定した電池端子電圧及び電池温度と、前回算出した電池残量及び電池開回路電圧を元に、電池残量及び電池開回路電圧を算出し、
   今回測定した電池端子電圧及び電池温度と、今回算出した電池残量及び電池開回路電圧を記憶装置に保持する
   ことを特徴とする請求項２記載の電池残量予測装置。
4. 前記電池等価回路の内部インピーダンスは、
   前記インピーダンス素子を複数直列接続した
   ことを特徴とする請求項２記載の電池残量予測装置。
5. 前記演算フローは、
   電池装填時に初期電池端子電圧及び初期電池温度を測定し、
   前記初期電池端子電圧及び前記初期電池温度から初期電池残量を算出し、
   前記インピーダンス素子に掛かる電圧を初期値に設定し、
   所定の時間間隔で、
   電池端子電圧及び電池温度を測定し、
   今回測定した電池端子電圧及び電池温度と、前回算出した電池残量及び前記インピーダンス素子に掛かる電圧を元に、電池残量及びインピーダンス素子に掛かる電圧を算出し、
   今回算出した電池残量及びインピーダンス素子に掛かる電圧を記憶装置に保持する
   ことを特徴とする請求項４記載の電池残量予測装置。
6. 電池残量予測演算を行う時間間隔は、２Ｎ（Ｎは整数）秒とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の電池残量予測装置。
7. 負荷が接続される第一及び第二の外部端子の間に直列に接続された電池及び負荷電流制御用のＭＯＳＦＥＴと、
   前記電池の両端に接続され、前記電池の状態を監視し前記ＭＯＳＦＥＴを制御する制御回路と、
   前記電池の両端に接続され、前記電池の残量を予測する請求項１から６のいずれか記載の電池残量予測装置と、
   を備えたことを特徴とするバッテリパック。

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