JP6546452B2 - 電池残量推定装置、電池残量推定システム、およびバッテリーパック - Google Patents
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Description
本実施の形態の他の態様によれば、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置であって、前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタとを備え、前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出する電池残量推定装置が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、前記蓄電池から電力を供給される負荷装置とを備える電池残量推定システムであって、前記負荷装置は、前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置を備え、前記電池残量推定装置は、前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタとを備え、前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出する電池残量推定システムが提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置とを備えるバッテリーパックであって、前記電池残量推定装置は、前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタとを備え、前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出するバッテリーパックが提供される。
クーロンカウンタ法は、蓄電池の流出・流入する電流を測定して、蓄電池内で増減する電荷量を算出することにより、蓄電池のSOC(State of Charge)の増減を監視する方法である。この方法では、実際に蓄電池を出入りする電荷を常に監視するため、高い精度でSOCの増減を算出することが可能であるが、計算式は時間的に相対的であるため、絶対的なSOCを算出することができない。そのため、SOCを算出する前に、測定する蓄電池の電荷が空の状態を初期値として、蓄電池に電荷が満たされた状態になるまでにどの程度の電荷が蓄電池内に流入するかという情報をあらかじめ測定する初期化動作が必要となる。
蓄電池に負荷を繋がない状態での電池端子に出現する電圧値(OCV)は、蓄電池内に蓄電された電荷量に比例する。この特性を利用して、無負荷時の電圧から蓄電量(SOC)を推定する方法がOCV測定法である。OCV測定法では、蓄電池の端子電圧を検出するだけでSOCが一意に決まるが、実際には蓄電池から電力を受ける負荷装置が無負荷であることは極めて稀である。そのため、蓄電池自体の内部抵抗と負荷装置の負荷量を考慮してSOCを推定する場合もある。
しかし、内部抵抗rは蓄電池の組成、使用履歴、温度によって変動するため、正確な測定は難しく計算も複雑となる。
比較例に係る電池残量推定装置130の模式的ブロック構成は、図4に示すように表される。図4に示すように、リチウムイオン電池などの電池120に電池残量推定装置130と負荷装置110が接続されている。
(電池残量推定装置)
第1の実施の形態に係る電池残量推定装置30の模式的ブロック構成は、図5に示すように表される。図5に示すように、第1の実施の形態に係る電池残量推定装置30は、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む電池20の残量を推定する装置であって、電池20を流れる電流値をモニタする電流モニタ31Bと、電池20の電圧値をモニタする電圧モニタ31Aと、電流モニタ31Bによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタ35と、電圧モニタ31Aによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路33と、微分回路33により検出された微分値の変曲点を利用してクーロンカウンタ35の電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路34と、クーロンカウンタ35の値に基づいて電池20の残量を推定する残量推定部36とを備える。
図6は、第1の実施の形態に係る電池残量推定装置30が備えるリチウムイオン電池の負極が有するステージ構造を示す。リチウムイオン電池内では、充電時はリチウムが正極材より抜けて負極材に入り、放電時ではその逆の反応が生じることで電池として機能する。一般的に、リチウムイオン電池の負極材にはグラファイト11などのカーボン材料が用いられ、充電反応ではカーボン材料中の層間にリチウムイオン12が挿入されていく。
図8は、第1の実施の形態に係る電池残量推定装置30による電池残量推定方法を示す。この電池残量推定方法は、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池の残量を電池残量推定装置30が推定する電池残量推定方法であって、以下のステップS1〜S7を有する。
第1の実施の形態に係る電池残量推定システム40の模式的ブロック構成は、図9に示すように表される。図9に示すように、第1の実施の形態に係る電池残量推定システム40は、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む電池20と、電池20から電力を供給されるスマートフォンや携帯電話などの負荷装置10Aとを備え、負荷装置10Aは、電池20の残量を推定する電池残量推定装置30を備える。負荷装置10Aは、電池20の残量を表示する表示部などを備えてもよい。電池残量推定装置30は、電子部品を1つのチップ上に集積した電池残量推定ICとして実現することができる。もちろん、電池残量推定装置30の構成は上述した通りである。
第1の実施の形態に係るバッテリーパック50の模式的ブロック構成は、図10に示すように表される。図10に示すように、第1の実施の形態に係るバッテリーパック50は、蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む電池20と、電池20の残量を推定する電池残量推定装置30とを備える。バッテリーパック50は、電池20を過充電や過放電から保護するための保護回路などを備えてもよい。電池残量推定装置30は、電子部品を1つのチップ上に集積した電池残量推定ICとして実現することができる。もちろん、電池残量推定装置30の構成は上述した通りである。
以下、第2の実施の形態を第1の実施の形態と異なる点のみ説明する。
第2の実施の形態に係る電池残量推定装置30の模式的ブロック構成は、図11に示すように表される。図11に示すように、第2の実施の形態に係る電池残量推定装置30は、さらに、電池20の端子開放電圧(OCV)を事前に測定したOCVテーブル37を備え、残量推定部36は、OCVテーブル37に保持されたOCVに基づいて電池20の残量を推定する。OCV測定法については既に説明した通りである。
図12は、第2の実施の形態に係る電池残量推定装置30による電池残量推定方法を示す。図12に示すように、さらに、OCVを事前に測定してOCVテーブル37を作成するステップS13を有し、ステップ18において、残量推定部36は、OCVテーブル37に保持されたOCVに基づいて電池20の残量を推定する。
以下、第3の実施の形態を第1〜第2の実施の形態と異なる点のみ説明する。
第3の実施の形態に係る電池残量推定装置30の模式的ブロック構成は、図13に示すように表される。図13に示すように、第3の実施の形態に係る電池残量推定装置30は、さらに、電池20の温度をモニタする温度モニタ31Cを備え、リセット検出回路34は、温度モニタ31Cによりモニタされた温度情報38に基づいて微分値の変曲点を検出する。温度モニタ31Cは、サーミスタやその他の温度センサなどでよく、特に限定されるものではない。
図14は、第3の実施の形態に係る電池残量推定装置30による電池残量推定方法を示す。図14に示すように、さらに、電池20の温度を温度モニタ31CでモニタするステップS23を有し、ステップS25において、リセット検出回路34は、温度モニタ31Cによりモニタされた温度情報38に基づいて微分値の変曲点を検出する。
[第4の実施の形態]
以下、第4の実施の形態を第1〜第3の実施の形態と異なる点のみ説明する。
第4の実施の形態に係る電池残量推定装置30の模式的ブロック構成は、図15に示すように表される。図15に示すように、電池20は、正極、負極、および参照極を有し、電圧モニタ(参照極モニタ)31Dは、負極と参照極との間の電位差をモニタし、リセット検出回路34は、電圧モニタ31Dによりモニタされた負極と参照極との間の電位差に基づいて微分値の変曲点を検出する。参照極は、電極電位の測定時に電位の基準点を与える電極である。参照極は、電位が安定して再現性のよい電極であればよく、材質などは特に限定されるものではない。
図16は、第4の実施の形態に係る電池残量推定装置30による電池残量推定方法を示す。図16に示すように、ステップS32において、負極と参照極との間の電位差をモニタし、ステップ35において、リセット検出回路34は、電圧モニタ31Dによりモニタされた負極と参照極との間の電位差に基づいて微分値の変曲点を検出する。
上記のように、第1〜第4の実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
20…電池(蓄電池)
30…電池残量推定装置
31A…電圧モニタ
31B…電流モニタ
31C…温度モニタ
31D…参照極モニタ(電圧モニタ)
32A…フィルタ
32B…フィルタ
33…微分回路
34…リセット検出回路
35…クーロンカウンタ
36…残量推定部
37…OCVテーブル
40…電池残量推定システム
50…バッテリーパック
P1,P2,P3,P4…変曲点
Claims (6)
- 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置であって、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と
を備え、
前記蓄電池の負極は、グラファイト層にリチウムを規則的に吸蔵したステージ構造を有し、
前記残量推定部は、前記ステージ構造がLic18,Lic12,Lic6である場合、それぞれの場合における前記蓄電池の残量を33%,50%,100%と推定することを特徴とする電池残量推定装置。 - 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置であって、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、
前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタと
を備え、
前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出することを特徴とする電池残量推定装置。 - 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、
前記蓄電池から電力を供給される負荷装置と
を備える電池残量推定システムであって、
前記負荷装置は、前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置を備え、
前記電池残量推定装置は、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と
を備え、
前記蓄電池の負極は、グラファイト層にリチウムを規則的に吸蔵したステージ構造を有し、
前記残量推定部は、前記ステージ構造がLic18,Lic12,Lic6である場合、それぞれの場合における前記蓄電池の残量を33%,50%,100%と推定することを特徴とする電池残量推定システム。 - 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、
前記蓄電池から電力を供給される負荷装置と
を備える電池残量推定システムであって、
前記負荷装置は、前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置を備え、
前記電池残量推定装置は、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、
前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタと
を備え、
前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出することを特徴とする電池残量推定システム。 - 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、
前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置と
を備えるバッテリーパックであって、
前記電池残量推定装置は、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と
を備え、
前記蓄電池の負極は、グラファイト層にリチウムを規則的に吸蔵したステージ構造を有し、
前記残量推定部は、前記ステージ構造がLic18,Lic12,Lic6である場合、それぞれの場合における前記蓄電池の残量を33%,50%,100%と推定することを特徴とするバッテリーパック。 - 蓄電量に応じてステージ構造が変化する電極を含む蓄電池と、
前記蓄電池の残量を推定する電池残量推定装置と
を備えるバッテリーパックであって、
前記電池残量推定装置は、
前記蓄電池を流れる電流値をモニタする電流モニタと、
前記蓄電池の電圧値をモニタする電圧モニタと、
前記電流モニタによりモニタされた電流値を積算するクーロンカウンタと、
前記電圧モニタによりモニタされた電圧値の微分値を検出する微分回路と、
前記微分回路により検出された微分値の変曲点を利用して前記クーロンカウンタの電流積算による累積誤差をリセットするリセット検出回路と、
前記クーロンカウンタの値に基づいて前記蓄電池の残量を推定する残量推定部と、
前記蓄電池の温度をモニタする温度モニタと
を備え、
前記リセット検出回路は、前記温度モニタによりモニタされた温度情報に基づいて前記微分値の変曲点を検出することを特徴とするバッテリーパック。
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