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
本実施の形態は、電池残量推定装置、電池残量推定システム、バッテリーパック、および電池残量推定方法に関する。
近年、ポータブルデバイスや自動車などの様々な分野において、充放電を繰り返し行うことができるリチウムイオン電池などの蓄電池が利用されている。蓄電池を利用する装置のユーザービリティを向上する上で、その装置があとどの程度の時間だけ動作可能であるかを知ることは重要である。そのため、蓄電池を利用する装置の大半は、蓄電池の残量を計算し、表示する機能を備えている。
蓄電池の残量を推定する方法としては、ＯＣＶ測定法とクーロンカウンタ法が代表的である。ＯＣＶ測定法は、蓄電池の端子開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を事前に測定してテーブル化する方法である。ＯＣＶ測定法によれば、通常の使用時において正確な値を求めることができる。クーロンカウンタ法は、蓄電池への電荷流出入を随時監視して、内部の電荷量を推定する方法である。クーロンカウンタ法によれば、突入電流などの負荷変動に強く、安定した残存容量が得られる。
しかし、クーロンカウンタ法には、電流積算による誤差が累積し易いという課題がある。
一方、ＯＣＶ測定法には、次のような課題がある。まず、短時間で負荷が大きく変動した場合に演算値が変動しやすい。また、充放電後に十分な時間が経過して蓄電池が安定状態にあることが前提である。さらに、充放電が連続する状態における蓄電池の開放電圧の変動を考慮していない。特に、低温時には開放電圧の変動が大きくなり、定常状態での開放電圧の推定値に基づく残存容量の誤差が拡大する。
現在は、クーロンカウンタ法とＯＣＶ測定法を組み合わせたハイブリッド方式が主流であるが、単に両者の技術を組み合わせただけでは、電流積算による累積誤差を排除することは困難である。特に、ハイブリッド車のように充放電が連続する状態では、残量の演算精度が低下したり、残量の演算値が急激に変化するといった事態が生じることがあり、安定した精度を確保することは困難である。
本実施の形態は、簡単な処理で精度よく蓄電池の残量を推定することが可能な電池残量推定装置、電池残量推定システム、バッテリーパック、および電池残量推定方法を提供する。
本実施の形態の一態様によれば、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％と推定するバッテリーパックが提供される。
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。
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。
本実施の形態によれば、簡単な処理で精度よく蓄電池の残量を推定することが可能な電池残量推定装置、電池残量推定システム、バッテリーパック、および電池残量推定方法を提供することができる。
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[クーロンカウンタ法]
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。
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。
また、負荷装置側で監視周期よりも早い時間で負荷変動が発生してしまうと、そのときの電荷の移動量を検出できないため、算出したＳＯＣ値は実際のＳＯＣ値に対して少しずつ誤差が累積する。この累積誤差を修正するために、クーロンカウンタ法では定期的に初期化動作が必要になる。
図１は、クーロンカウンタをリセットする動作を説明するためのグラフであり、縦軸は電池容量（％）、横軸は時間（ｈ）を示す。図１に示すように、あるタイミングｔ１でクーロンカウンタを０％にセットし、測定を開始する。充電が開始され、満充電またはメーカーの指定する満充電条件に到達すると、その到達タイミングｔ２でクーロンカウンタを１００％にセットする。放電が開始され、放電停止電圧またはメーカーの指定する電圧に到達すると、その到達タイミングｔ４でクーロンカウンタを０％にセットする。いったん電池容量を０％にすることでクーロンカウンタの累積誤差がリセットされ、電池容量の補正を行うことができる。
通常は、電池容量１０％で残量警報が出され、電池容量４％でシャットダウン警報が出される。そのため、放電停止電圧またはメーカーの指定する電圧に到達する前に充電が開始され（時間ｔ３）、少しずつ誤差が累積することになる。
[ＯＣＶ測定法]
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。
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。
図２は、ＯＣＶ測定法を説明するための図であり、（ａ）は模式的回路図、（ｂ）はＯＣＶとＳＯＣの関係を示すグラフである。図２（ａ）に示すように、蓄電池を負荷装置と切り離し、蓄電池内部のイオンの動きが平衡状態にあるときに測定する端子電圧がＯＣＶである。ＯＣＶとＳＯＣの関係は、図２（ｂ）に示すように、ほぼ一定の割合で変わる。
図３は、ＯＣＶと内部抵抗ｒの関係を示す。図３に示すように、ＯＣＶ測定法では電圧降下分を使う場合もある。電圧降下分は、蓄電池の内部抵抗ｒにかかる電圧のことであり、内部抵抗ｒと負荷電流Ｉの積で求まる。電圧降下分が求まれば、次式に示すようにＯＣＶが求まるので、ＳＯＣを推定することができる。
ＯＣＶ＝測定電圧値＋内部抵抗ｒ＊負荷電流Ｉ
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。
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]
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。
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１３０は、電圧モニタ１３１Ａと、電流モニタ１３１Ｂと、ＯＣＶテーブル１３２と、リセット検出回路１３３と、クーロンカウンタ１３４と、残量推定部１３５とを備える。すなわち、クーロンカウンタ法とＯＣＶ測定法を組み合わせたハイブリッド方式を採用し、ＯＣＶ、満充電（１００％）、完全放電（０％）のタイミングでクーロンカウンタ１３４の累積誤差をリセットするようになっている。しかし、上述したように、ＯＣＶ測定法には正確な測定が難しい等の課題があり、クーロンカウンタ法には累積誤差のリセットが難しい等の課題がある。
[第１の実施の形態]
（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。
（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。
具体的には、電池２０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てもよい。
また、残量推定部３６は、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電池２０の残量を３３％，５０％，１００％と推定してもよい。この“３３％，５０％，１００％”は一例である。
また、リセット検出回路３４は、電池２０の電池特性に応じた閾値を有し、微分値が閾値以上となったときに累積誤差をリセットしてもよい。
また、微分回路３３は、電池２０の充電時に微分値を検出してもよい。
また、電池２０の電圧のノイズを除去するフィルタ３２Ａを微分回路３３の前段に備えてもよい。
また、電池２０を流れる電流のノイズを除去するフィルタ３２Ｂをリセット検出回路３４の前段に備えてもよい。
なお、負荷装置１０としては、リチウムイオン電池などの蓄電池を電源とするポータブルデバイス（例えば、携帯電話、スマートフォン、ゲーム機器）、自動車、自転車、各種蓄電システムなど様々な装置を採用することができる。
（ステージ構造）
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７は、図６に示されるグラファイト１１にリチウムイオン１２が挿入されていく際の電位変化を示す。図７に示すように、リチウムイオン１２はグラファイト１１の層間に入り、ある特定の層ごとにリチウムを規則的に吸蔵したステージ構造を形成する。黒鉛系の場合、図６に示すようなステージ化合物を形成しながらリチウムイオン１２の挿入が進行するため、いくつかの電位平坦部分を示しながら電極電位が変化する。具体的には、ＬｉＣ２４で表現されるステージ４、ＬｉＣ１８で表現されるステージ３、ＬｉＣ１２で表現されるステージ２、ＬｉＣ６で表現されるステージ１と段階的に変化していく。このような充放電曲線には、ステージ４，３，２，１のそれぞれに対応する位置において変曲点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が存在する。
（電池残量推定方法）
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。
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。
ステップＳ１において、電流モニタ３１Ｂは、電池２０を流れる電流値をモニタする。この電流のノイズをフィルタ３２Ｂで除去してもよい。
ステップＳ２において、電圧モニタ３１Ａは、電池２０の電圧値をモニタする。ここでいう電池２０の電圧値とは、電池２０の正極と負極の電位差である。この電圧のノイズをフィルタ３２Ａで除去してもよい。
ステップＳ３において、クーロンカウンタ３５は、ステップＳ１でモニタされた電流値を積算する。例えば、一定の時間間隔（１秒または数秒）で電池２０の充放電電流を計測し、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。
ステップＳ４において、微分回路３３は、ステップＳ２でモニタされた電圧値の微分値を検出する。すなわち、ステージ変化時には充放電曲線が傾きを持つため（図７参照）、この傾きを微分回路３３で検出する。
なお、電池２０の充電時は放電時に比べて一定電流が流れるため、微分値が算出しやすい。そのため、微分回路３３は、電池２０の充電時に微分値を検出してもよい。また、負荷が変動する電流状態においては、流れる電流量に応じた電圧変化量を算出するのが望ましい。
ステップＳ５，Ｓ６において、リセット検出回路３４は、ステップＳ４で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。例えば、ステージ３（Ｌｉｃ１８）に対応する変曲点Ｐ２が検出されたとき、ステージ２（Ｌｉｃ１２）に対応する変曲点Ｐ３が検出されたとき、およびステージ１（Ｌｉｃ６）に対応する変曲点Ｐ４が検出されたとき、クーロンカウンタ３５に対してリセット信号を送出する。
このように、電池電圧の微分値の検出レベルによってクーロンカウンタ３５をリセットする。具体的には、電池電圧の微分値が所定の閾値以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、累積誤差をリセットするようになっている。実際に使用される電池容量範囲は、完成した個々の電池２０により異なるため、事前に個々の電池特性を測定し、その電池特性に応じた閾値を決定するのが望ましい。
ステップＳ７において、残量推定部３６は、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。具体的には、黒鉛で構成された負極は、Ｌｉｃ１８，Ｌｉｃ１２，Ｌｉｃ６といったステージ変化を持ち、それぞれを電池残存容量で換算する。
（電池残量推定システム）
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。
（バッテリーパック）
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。
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。
以上のように、第１の実施の形態によれば、クーロンカウンタ３５を用いた電池残量推定装置３０において、負極のステージ変化を利用して累積誤差をリセットすることができる。また、事前にテーブル作成が必要なＯＣＶ測定法を用いないため、抵抗値推定などの複雑な処理を省略または簡略化することが可能である。
リチウムイオン電池の正極材としてオリビン構造を有するリン酸化合物を使用する場合は、充放電曲線がフラットになる領域が長くなる。このようなプラトー領域区間が長い電池に関しては、ＯＣＶによるリセットが困難であるため、本実施の形態のようにＯＣＶ測定法を用いない手法は特に有効である。
[第２の実施の形態]
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。
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。
（電池残量推定装置）
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。
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。
（電池残量推定方法）
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。
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。
以上のように、第２の実施の形態によれば、電池２０のＯＣＶに基づいて電池２０の残量を推定することができる。そのため、第１の実施の形態に比べ、より精度よく電池２０の残量を推定することが可能である。
[第３の実施の形態]
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。
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。
（電池残量推定装置）
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。
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。
（電池残量推定方法）
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。
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。
以上のように、第３の実施の形態によれば、電池２０の温度に基づいて微分値の変曲点が検出されるため、負極のステージ変化をさらに詳細にとらえることができる。そのため、第１の実施の形態に比べ、より精度よく電池２０の残量を推定することが可能である。
[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]
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。
（電池残量推定装置）
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。
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。
（電池残量推定方法）
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。
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。
なお、ここでは、負極−参照極間の微分値を検出することとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、電圧モニタ３１Ｄは、正極と参照極との間の電位差をモニタし（ステップＳ３２）、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正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してもよい（ステップ３５）。
以上のように、第４の実施の形態によれば、参照極を有する電池２０を用いる場合、電池２０の正極・負極の電位をそれぞれ独立でモニタできるため、負極のステージ変化をさらに詳細にとらえることができる。そのため、第１の実施の形態に比べ、より精度よく電池２０の残量を推定することが可能である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、簡単な処理で精度よく蓄電池の残量を推定することが可能な電池残量推定装置、電池残量推定システム、バッテリーパック、および電池残量推定方法を提供することができる。
[その他の実施の形態]
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。
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。
第１〜第４の実施の形態では、黒鉛のような負極を含むリチウムイオン電池を用いる場合について説明したが、蓄電池はリチウムイオン電池に限定されるものではない。また、負極材は黒鉛に限定されるものではないし、負極の特性だけに着目するものでもない。
例えば、負極材のステージ特性について記載したが、正極材についてもステージ構造の変化などにより閾値となる微分値が検出可能な場合には同様の推定ができる。また、参照極を用い、正極、負極個別に情報を得ることができれば、さらに詳細な情報を得ることができる。
このように、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
本実施の形態に係る電池残量推定装置、電池残量推定システム、バッテリーパック、および電池残量推定方法は、リチウムイオン電池などの蓄電池を電源とするポータブルデバイス（例えば、携帯電話、スマートフォン、ゲーム機器）、自動車、自転車、各種蓄電システムなど様々な応用分野に適用可能である。
１０，１０Ａ…負荷装置
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
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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