JP7446728B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

ノートＰＣ、タブレット端末、スマートフォン、デジタルカメラ等のアプリケーションには、バッテリパックが搭載されている。バッテリパックには、充放電制御等を行う電池制御ＩＣ（ＦＧＩＣ：Ｆｕｅｌ Ｇａｕｇｅ ＩＣ）の半導体装置が設けられている。このような電池制御ＩＣを搭載したバッテリパックが、例えば特許文献１に開示されている。

バッテリセルが、充電可能な最大電位ＭａｘＶ付近の電圧まで充電された状態を満充電とする。一般的な充電方式では、まず、充電器の出力電圧がＭａｘＶに到達するまで定電流充電が行われる。その後、過電圧を防止するため、充電器の出力電圧をＭａｘＶに設定し、バッテリセルの電圧ＣｅｌｌＶが所望のＭａｘＶ付近の電圧になるまで定電圧充電が行われる。

特開２０１７－２０４４８５号公報

定電圧の期間中、充電器の出力電圧（ＭａｘＶ）とバッテリセルの内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶとの電位差により出力電流が決定される。充電器からバッテリセルまでの経路インピーダンスにより電圧降下が発生するため、出力電圧をＭａｘＶとして充電を行うと、バッテリセル電圧ＶｃｅｌｌはＭａｘＶ未満となる。その結果、バッテリセル電圧は、印加可能な最大電位ＭａｘＶに到達していない状態であり、出力電流は安全な範囲の最大電流よりも小さい状態である。そのため充電時間が長くなってしまう。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本明細書には、複数の実施の形態の半導体装置等が記載されているが、一実施の形態の半導体装置を述べると、次の通りである。

半導体装置は、バッテリセルの充電を制御する制御部を備えている。制御部は、バッテリセルの充電時、充電器から出力される出力電圧の上限値がバッテリセルの充電可能な最大電圧より高い所定の電圧となるよう指示する電圧指令値を生成し、電圧指令値を充電器に送信する。

一実施の形態によれば、充電時間を短縮させることができる。

本発明の実施の形態１に係るバッテリ充電システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るバッテリ充電システムの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係るバッテリ充電システムの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。 本発明の実施の形態３に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。 本発明の実施の形態４に係るバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。 図６のステップＳ１０６の詳細を示すフロー図である。 ステップＳ１０６における算出の一例を示す図である。 従来のバッテリセル充電に関わる処理の一例を示す説明図である。 充電器とバッテリセルとの間の経路インピーダンスを説明する図である。 バッテリパックの充電時における充電電圧、バッテリセルの電圧、充電電流を示す図である。

（課題等について補足）
本実施の形態の説明に先立ち、従来のバッテリパックの充電の処理について説明する。図９は、従来のバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。図９には、バッテリパック内のＦＧＩＣ（半導体装置）２０及び充電器９０の動作等がそれぞれ示されている。

ステップＳ１０１では、ＦＧＩＣ２０は、バッテリセルの電圧、バッテリパック１００内の電流（出力電流を含む）、バッテリパック１００内の温度等の測定を行う。なお、バッテリパック１００内の温度測定には、バッテリセルの温度測定が含まれる。

ステップＳ１０３では、ＦＧＩＣ２０は、ステップＳ１０１で測定された電圧、電流、温度等に基づき、充電器９０からバッテリセルへ供給される出力電流Ｉｏｕｔの上限値を規定する指令値ＣＣ（Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ；電流指令値）、出力電圧Ｖｏｕｔの上限値を規定する指令値ＣＶ（Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｖｏｌｔａｇｅ；電圧指令値）をそれぞれ設定する。一般的に、出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶはＭａｘＶに設定される。その間、充電器９０は、例えばＳＭＢｕｓ通信等の通信手段を介して接続確認信号を送信する。これにより、充電器９０はバッテリパックとの接続状態の確認を行う（ステップＳ２０１）。

バッテリパック１００と充電器９０とが接続されると、バッテリパック１００は、接続確認信号に対する応答信号を通信手段を介して送信する。このように、バッテリパック１００と充電器９０とが接続されて充電モードに遷移すると、ＦＧＩＣ２０は、ステップＳ１０３で設定した出力電流の指令値ＣＣ及び出力電圧の指令値ＣＶを充電器９０へ送信する（ステップＳ１０５）。

充電器９０は、バッテリパック１００から受信した指令値ＣＣ、ＣＶに基づき、充電用の出力電流及び出力電圧の上限値をそれぞれ設定する（ステップＳ２０３）。そして、充電器９０は、ステップＳ２０３で設定した各上限値に基づきバッテリパックの充電を実施する（ステップＳ２０５）。

充電中、ＦＧＩＣ２０は、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ、バッテリパック１００内を流れる充電電流Ｉｃ、バッテリパック１００内の温度の測定等を行う（ステップＳ１０７）。

そして、ステップＳ１０９では、ＦＧＩＣ２０は、ステップＳ１０７で測定したバッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ、充電電流Ｉｃ、温度に基づき、バッテリセルが満充電状態であるか否か、及び充電中の異常を検知したか否かの判定が行われる。バッテリセルが満充電状態ではなく、異常も検知していない場合（Ｎｏ）、ＦＧＩＣ２０は、ステップＳ１０７の処理を再度行う。すなわち、この場合には引き続きバッテリパック１００の充電が行われる。

一方、バッテリセルが満充電状態であるか、異常を検知した場合（Ｙｅｓ）、ＦＧＩＣ２０はバッテリパック１００への充電を終了させる（ステップＳ１１１）。例えば、ＦＧＩＣ２０は、バッテリパック１００への充電を終了させる充電終了信号を充電器９０へ送信する。充電終了信号を受信すると、充電器９０は、バッテリパック１００への電力供給を停止し充電を終了させる（ステップＳ２０７）。

図１０は、充電器とバッテリセルとの間の経路インピーダンスを説明する図である。図１１は、バッテリパックの充電時における出力電圧、バッテリセル電圧、出力電流を示す図である。図１１（ａ）は従来の実際の電圧及び電流の波形を示し、図１１（ｂ）は理想的な電圧及び電流の波形を示している。

図１０に示すように、充電経路には、充電器９０からバッテリパック１００の端部までの経路インピーダンス（第１経路インピーダンス）Ｒｓｙｓと、バッテリパック１００の端部からバッテリセルまでの経路インピーダンス（第２経路インピーダンス）Ｒｐａｃｋとを含む経路インピーダンスが存在する。このため、充電経路では、経路インピーダンスＲｓｙｓ、Ｒｐａｃｋによる電圧降下ＩＲ－Ｄｒｏｐが生じる。しかし、従来の充電方法では、経路インピーダンスによる電圧降下ＩＲ－Ｄｒｏｐが考慮されることなく指令値ＣＶが設定されていた。このため、図１１（ａ）に示すように、バッテリセル電圧がＭａｘＶよりかなり低い状態の時刻Ｔ１で定電流充電から定電圧充電に移行している。定電圧充電では、出力電流が減少するため、図１１（ｂ）に示すような理想的な波形と比べて、充電時間が長くなってしまう。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するためのすべての図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

＜バッテリパックの構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るバッテリ充電システム１の構成の一例を示す図である。図１に示すように、バッテリ充電システム１は、バッテリパック１００、バッテリセル１０、充電制御トランジスタ１２、放電制御トランジスタ１４、電流センス抵抗１６、ＦＧＩＣ２０等を備えている。

バッテリセル１０の充電時、バッテリパック１００は、正側端部Ｐ１及び負側端部Ｐ２を介して充電器９０と接続され、充電器９０から充電用の電力が供給される。

バッテリセル１０は、やリチウムイオン電池等の二次電池で構成されている。バッテリセル１０は、複数のセルで構成されてもよいし、単一のセルのみで構成されてもよい。図１には、バッテリセル１０が単一のセルで構成されたものが例示されている。それぞれのセルには、セル本体と内部抵抗とが存在する。図１のＶｃｅｌｌは、バッテリセル１０の端子間電圧である。なお、以下では、Ｖｃｅｌｌをバッテリセル電圧とも呼ぶ。また、図１のＣｅｌｌＩＮＶは、バッテリセル１０の内部電圧である。図１において、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌは、内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶからセルの内部抵抗分だけ電圧降下した値となっている。

充電制御トランジスタ１２は、主にバッテリセル１０の充電時における電流制御を行う回路素子である。充電制御トランジスタ１２は、例えば、ＮＭＯＳ等の電界効果トランジスタで構成されている。充電制御トランジスタ１２のゲートは、図１に示すように、ＦＧＩＣ２０と接続されている。充電制御トランジスタ１２は、ＦＧＩＣ２０からのゲート電圧制御によりオン・オフが切り換えられる。

放電制御トランジスタ１４は、バッテリセル１０の放電時、すなわち、図示しない負荷への電力供給時における電流制御を行う回路素子である。放電制御トランジスタ１４は、ＮＭＯＳ等の電界効果トランジスタで構成されている。放電制御トランジスタ１４のゲートは、ＦＧＩＣ２０と接続されている。放電制御トランジスタ１４は、ＦＧＩＣ２０からのゲート電圧制御によりオン・オフが切り換えられる。

電流センス抵抗１６は、バッテリパック１００内に流れる電流を検出するための回路素子である。電流センス抵抗１６は、ＦＧＩＣ２０と接続されており、ＦＧＩＣ２０内の電流値測定部２１により、電流が測定される。

ＦＧＩＣ２０は、図１に示すように、電流値測定部２１、電圧値測定部２３、温度測定部２２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２５、充放電制御部（制御部）２７等を備えている。

電流値測定部２１は、電流センス抵抗１６に流れる電流の電流値を測定する機能ブロックである。電流値測定部２１は、例えば電流値測定回路及びＡＤコンバータを備えている。電流値測定部２１は、電流値測定回路で測定した電流値をＡＤコンバータによりデジタル変換し、デジタル化された電流値を出力する。測定した電流値は、充放電制御部２７における演算に用いられる。また、電流値は、ＲＯＭ２５に格納される。

電圧値測定部２３は、例えば、バッテリパック１００の端部電圧Ｖｐａｃｋや、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ等の電圧を測定する機能ブロックである。バッテリセル１０が複数のセルで構成されている場合、電圧値測定部２３は、セルごとの電圧を測定してもよい。電圧値測定部２３は、例えば電圧値測定回路及びＡＤコンバータを備えている。電圧値測定部２３は、電圧値測定回路で測定した電圧値をＡＤコンバータにおいてデジタル変換し、デジタル化された電圧値を出力する。測定した電圧値は、充放電制御部２７における演算に用いられる。また、電圧値は、ＲＯＭ２５に格納される。

温度測定部２２は、バッテリセル１０等のバッテリパック１００内の温度の測定を行う機能ブロックである。温度測定部２２には、例えば、温度センサ（例えば温度測定用抵抗）、温度測定回路、ＡＤコンバータ等を備えている。温度測定部２２は、例えば温度測定抵抗の抵抗値と温度とを対応付けた温度テーブルや温度関数等を有し、温度測定回路で測定された温度測定抵抗の抵抗値を用いてバッテリパック１００内の温度を測定する。測定した温度情報は、例えば、バッテリセル１０の高温状態の異常検出等に使用される。高温状態が検出されると、充放電制御部２７により充放電の停止処理が行われる。

ＲＯＭ２５は、バッテリパック１００に関する動作プログラム、設定情報等の各種情報を格納するメモリである。ＲＯＭ２５は、フラッシュメモリやレジスタ等で構成されてもよいし、これらを組み合わせた構成でもよい。ＲＯＭ２５は、図１に示すように、例えば、バッテリパック１００の制御に関わるプログラム２５ａ、設定情報２５ｂ、測定温度２５ｃ、測定電流値２５ｄ、測定電圧値２５ｅ等を格納するそれぞれのメモリ領域を有する。

ＲＯＭ２５には、設定情報２５ｂとして、経路インピーダンス（第１経路インピーダンス）Ｒｓｙｓ、経路インピーダンス（第２経路インピーダンス）Ｒｐａｃｋが格納される。また、ＲＯＭ２５には、設定情報２５ｂとして、充電器９０への指令値ＣＣ、ＣＶがそれぞれ格納される。指令値ＣＣとして、例えば、定電流充電時において許容される出力電流の所定の値が格納される。また、充電電圧ＣＶとして、例えばバッテリセル１０の最大電位ＭａｘＶの値が格納される。充電時、これらの値は、図示しないＲＡＭ等に一時的に保持されてもよい。

充放電制御部２７は、バッテリセル１０の充放電に関わる制御を行う機能ブロックである。バッテリセル１０の充電時、充放電制御部２７は、例えば図９や後述する図２等のフローに従ってバッテリパック１００内の各部の制御を行う。また、充放電制御部２７は、電流値測定部２１、電圧値測定部２３、温度測定部２２において測定された電流値、電圧値、温度に基づき、指令値ＣＣ、ＣＶの設定や、充電継続の可否の判定等の処理を行う。

充放電制御部２７は、例えばＣＰＵ等のプロセッサや各機能ブロックを実現する個別回路等で構成される。また、これ以外にも、ＦＧＩＣ２０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成されてもよい。また、ＦＧＩＣ２０は、これらを組み合わせて構成されてもよい。

＜本実施の形態におけるバッテリパックの充電方法＞
図２は、本発明の実施の形態１に係るバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。図２は、すでに述べた図９と類似している。このため、図２では、図９と同様の処理を行うステップには同一の符号が付されている。また、以下では、図９とは異なる処理を中心に説明する。

図２には、図９に対し、バッテリパック１００側にステップＳ１０８が追加されている。また、ステップＳ２０３における処理が、図９とは一部異なっている。

ステップＳ１０８では、経路インピーダンスによる電圧降下ＩＲ－Ｄｒｏｐを考慮した指令値ＣＶが設定される。具体的に述べると、充放電制御部２７は、充電器９０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの最大値がバッテリセル１０の充電可能な最大電位ＭａｘＶより高い所定の電圧となるよう指示する指令値ＣＶを生成する。

充放電制御部２７は、ステップＳ１０７で測定されたバッテリセル１０の電圧、バッテリパック１００内の充電電流Ｉｃに基づき指令値ＣＶの再設定を行う。例えば、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌが所望の電圧よりも低い場合、充放電制御部２７は、出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶの値を現在の値より高い値に再設定する。このとき、充放電制御部２７は、予め規定された所定の幅で指令値ＣＶを変動させてもよいし、ステップＳ１０７で測定された各値を参照しつつ変動させてもよい。充放電制御部２７は、再設定した指令値ＣＶを充電器９０へ送信する。

ステップＳ２０３において、再設定された指令値ＣＶをＦＧＩＣ２０から受信すると、充電器９０は、出力電圧Ｖｏｕｔの上限値を、ＭａｘＶから、受信した充電電圧ＣＶに更新する。そして、定電圧充電時、充電器９０は、再設定した上限値に基づく出力電圧Ｖｏｕｔをバッテリパック１００へ供給する（ステップＳ２０５）。

充電期間中、ステップＳ１０７－Ｓ１０８の処理が繰り返し実行される。これに対応して、ステップＳ２０３では、定期的に指令値ＣＶの更新が行われる。

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、充電器９０の出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶは、経路インピーダンスによる電圧降下を考慮した値に設定される。この構成によれば、定電圧充電中、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧がＭａｘＶより大きい値に維持されるので、バッテリセル電圧ＶｃｅｌｌがＭａｘＶに近くなっても、出力電圧ＶｏｕｔとバッテリセルＶｃｅｌｌとの電位差が大きい状態を保つことができる。これにより、充電電流Ｉｃを増大させることができ、その結果、充電時間の短縮させることが可能となる。言い換えると、定電流充電から定電圧充電に移行するタイミングを延ばし、出力電流を安全な範囲で最大化させ、充電時間の短縮させることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、バッテリセル電圧ＶｃｅｌｌがＭａｘＶを超えないように指令値ＣＶが設定されるので、充電時の安全性が確保される。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態では、経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓを更新しながら出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶを設定する方法について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係るバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。図３は、図２と類似しており、ステップＳ１０１－Ｓ１０３間にステップＳ１０２が追加されている点が図２と異なる。

ステップＳ１０２では、経路インピーダンスＲｓｙｓ、Ｒｐａｃｋにあらかじめ設定した初期値が設定される。この設定は、ＦＧＩＣ２０の起動後１回だけ行われる。経路インピーダンスＲｓｙｓ、Ｒｐａｃｋの測定は、例えば後述する図４に示す方法により行われる。測定された経路インピーダンスＲｓｙｓ、Ｒｐａｃｋは、初期値としてＲＯＭ２５に格納されてもよいし、図示しないＲＡＭに一時的に保持されてもよい。

ステップＳ１０３では、図２、図９と同様の処理が行われてもよいし、ステップＳ１０２で設定された経路インピーダンスＲｓｙｓ、Ｒｐａｃｋの初期値を用いて指令値ＣＣ、ＣＶの算出が行われてもよい。なお、指令値ＣＶは、後述の式（３）により、充放電制御部２７において算出される。ステップＳ１０５では、ここで算出された指令値ＣＶが充電器９０へ送信される。

本実施の形態のステップＳ１０８では、図４に示す各処理が実行される。図４は、本発明の実施の形態２に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。図４には、ステップＳ１０８ａ、Ｓ１０８ｂ、Ｓ１０８ｃが含まれる。ステップＳ１０８ａでは、バッテリパック１００の端部からバッテリセルまでの経路インピーダンスＲｐａｃｋが算出される。具体的に述べると、充放電制御部２７は、バッテリパック１００の端部電圧Ｖｐａｃｋ、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ、充電電流Ｉｃを用い、図４の式（１）により経路インピーダンスＲｐａｃｋを算出する。

ステップＳ１０８ｂでは、充電器９０からバッテリパック１００の端部までの経路インピーダンスＲｓｙｓが算出される。具体的に述べると、充放電制御部２７は、充電器９０の出力電圧Ｖｏｕｔ、バッテリパック１００の端部電圧Ｖｐａｃｋ、充電電流Ｉｃを用い、図４の式（２）により経路インピーダンスＲｓｙｓを算出する。出力電圧Ｖｏｕｔは、通信手段を介して充電器９０から受信してもよい。

ステップＳ１０８ｃでは、充放電制御部２７は、ステップＳ１０８ａ、Ｓ１０８ｂで算出されたそれぞれの経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓを加算して、充電器９０からバッテリセル１０までの経路インピーダンス（Ｒｐａｃｋ＋Ｒｓｙｓ）を算出する。そして、充放電制御部２７は、経路インピーダンス（Ｒｐａｃｋ＋Ｒｓｙｓ）、充電電流Ｉｃ等を用い、図４の式（３）により出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶを算出する。このように、本実施の形態では、算出した経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、充電電流Ｉｃを用いて電圧降下ＩＲ－Ｄｒｏｐを考慮した指令値ＣＶの算出を行う。言い換えれば、指令値ＣＶは、バッテリセル１０の充電可能な最大電圧ＭａｘＶと、充電器９０からバッテリセル１０までの経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓによる電圧降下と、を加算した電圧に対応する値に設定される。これ以外の処理は、前述の実施の形態と同様である。

なお、ステップＳ１０８では、経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓのいずれか一方のみが測定されても構わない。言い換えると、図４のステップＳ１０８ａ、Ｓ１０８ｂのうち、いずれか一方のみが実行されてもよい。ステップＳ１０８において算出されなかった経路インピーダンスについては、例えばステップＳ１０２で設定された初期値や、以前のステップＳ１０８において算出された値等を用いてステップＳ１０８ｃの処理が実行される。

また、ステップＳ１０８ｂ、Ｓ１０８ｃを統合し、経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓの合成抵抗値を直接算出してもよい。具体的には、充放電制御部２７は、出力電圧Ｖｏｕｔ（指令値ＣＶ）と、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌと、充電電流Ｉｃと、を用いて合成抵抗値（Ｒｐａｃｋ＋Ｒｓｙｓ）を算出する。

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、サイクルごとに測定される経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、充電電流Ｉｃを用いて、出力電圧Ｖｏｕｔの指令値ＣＶが設定される。この構成によれば、バッテリセル１０に印加される電圧をより適切な値に調整することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態では、定電圧充電である場合のみ充電器９０からバッテリパック１００の端部までの経路インピーダンスＲｓｙｓが更新される。

図５は、本発明の実施の形態３に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。図５に示す本実施の形態のステップＳ１０８は、図４と類似しており、ステップＳ１０８ａ－Ｓ８０１ｂ間にステップＳ１０８ｄが追加されている点が図４と異なる。

ステップＳ１０８ｄでは、充電方式が、定電流充電及び定電圧充電のいずれであるかが判定される。この判定は、ステップＳ１０７において測定される充電電流Ｉｃ等を用いて行われる。充放電制御部２７は、充電器９０の出力電流Ｉｏｕｔの指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃと、閾値電流Ｉｔｈとを比較することにより判定を行う。ここで、閾値電流Ｉｔｈは、定電流充電であるか定電圧充電であるかを判定するための基準値である。

充放電制御部２７は、まず、指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃの値を算出する。そして、充放電制御部２７は、算出した指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃの値と、閾値電流Ｉｔｈとを比較する。これらを比較した結果、以下の式（４）の関係を満たす場合、充放電制御部２７は、充電電流Ｉｃが減少しており、定電圧充電であると判断する。その後、充放電制御部２７は、ステップＳ１０８ｂ、Ｓ１０８ｃの処理を順次行う。

すなわち、定電圧充電であると判定されると、充電器９０からバッテリパック１００の端部までの経路インピーダンスＲｓｙｓの再計算も行われ、再計算された経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓを用いて指令値ＣＶが更新される。

指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃ＞閾値電流Ｉｔｈ ・・・式（４）
これに対し、式（４）の関係を満たさない場合、充放電制御部２７は、充電電流Ｉｃが減少しておらず、定電流充電であると判断する。その後、充放電制御部２７は、ステップＳ１０８ｃの処理のみを行う。

すなわち、定電流充電であると判定されると、充電器９０からバッテリパック１００の端部までの経路インピーダンスＲｓｙｓの再計算は行われず、例えば、すでに述べた経路インピーダンスＲｓｙｓの初期値と、ステップＳ１０８ａで算出される経路インピーダンスＲｐａｃｋとを用いて指令値ＣＶが更新される。

ステップＳ１０８ｄにおける判定に際し、充放電制御部２７は、指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃの値と閾値電流Ｉｔｈとの比較を複数回行い、式（４）の関係を所定の時間継続して満たす場合に定電圧充電であると判断してもよい。また、充放電制御部２７は、指令値ＣＣ－充電電流Ｉｃの値と閾値電流Ｉｔｈとの比較を複数回行い、式（４）の関係を所定の割合以上満たす場合に定電圧充電であると判断してもよい。

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、定電圧充電と判定された場合のみ経路インピーダンスＲｓｙｓの更新が行われる。この構成によれば、本実施の形態によれば、経路インピーダンスＲｓｙｓの測定に際し、出力電圧Ｖｏｕｔを指令値ＣＶに置き換えられる。この構成によれば、ＦＧＩＣ２０で出力電圧Ｖｏｕｔを直接測定できなくても、経路インピーダンスＲｓｙｓの測定が可能となる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。本実施の形態では、充電前に、充電開始時から充電終了時までの充電電流Ｉｃ、出力電流Ｖｏｕｔの変動を推定し、推定結果に基づき指令値ＣＣ、ＣＶを更新する方法について説明する。

図６は、本発明の実施の形態４に係るバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。図６は、図２と類似しており、ステップＳ１０５－Ｓ１０７間にステップＳ１０６が追加されている点が図２と異なる。図７は、図６のステップＳ１０６の詳細を示すフロー図である。図８は、ステップＳ１０６における推定の一例を示す図である。図８（ａ）には、出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔ、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌの推定値の一例が示され、図８（ｂ）には、バッテリ温度、ＦＥＴ温度、配線温度の推定値の一例が示されている。

ステップＳ１０６は、充電電流Ｉｃ、出力電流Ｖｏｕｔの変動を推定するステップである。図４に示すように、ステップＳ１０６には、ステップＳ１０６ａ－Ｓ１０６ｆが含まれる。

ステップＳ１０６ａでは、充電時におけるバッテリパック１００内に発生するジュール熱及び放熱量の算出が行われる。充放電制御部２７は、例えばステップＳ１０２で設定された指令値ＣＣ、ＣＶに基づき、充電開始直後の時刻ｔ０（図８を参照）におけるジュール熱及び放熱量の算出を行う。ＲＯＭ２５には、設定情報２５ｂとして、例えばバッテリパック１００の主要な構成要素の比熱、熱容量、熱伝導率、抵抗率等の熱量等の算出に必要な各種情報が格納される。なお、ここで言う主要な構成要素としては、例えば、バッテリセル１０、充電制御トランジスタ１２及び放電制御トランジスタ１４（「ＦＥＴ」と総称することがある）、これらのトランジスタに接続される抵抗、充電器９０からバッテリセル１０までの配線等が挙げられる。充放電制御部２７は、電流が指令値ＣＣ、電圧が指令値ＣＶであるとして、ＲＯＭ２５の設定情報２５ｂを用いてジュール熱及び放熱量の算出を行う。

ステップＳ１０６ｂでは、バッテリパック１００内の温度の算出が行われる。充放電制御部２７は、ステップＳ１０６ａで算出したジュール熱、放熱量、及び設定情報２５ｂを用いて、時刻ｔ０におけるバッテリセル１０、ＦＥＴ、配線等の温度の算出を行う。算出した、バッテリ温度、ＦＥＴ温度、配線温度が図８（ｂ）にそれぞれ示されている。

ステップＳ１０６ｃでは、経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、及びバッテリセル１０の内部抵抗の算出が行われる。充放電制御部２７は、ステップＳ１０６ｂで算出した各部の温度、設定情報２５ｂを用いて、時刻ｔ０における経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、及びバッテリセル１０の内部抵抗の算出を行う。

ステップＳ１０６ｄでは、バッテリセル１０の内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶと、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌと、の算出が行われる。充放電制御部２７は、例えば、ステップＳ１０６ｃで算出した経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、及びバッテリセル１０の内部抵抗、温度等の情報を用いて、時刻ｔ０における内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶと、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌと、を算出する。なお、充放電制御部２７は、必要に応じて指令値ＣＣ、ＣＶも用いて内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶと、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌと、を算出してもよい。

ステップＳ１０６ｅでは、充電器９０の出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔの算出が行われる。充放電制御部２７は、ステップＳ１０６ｃで算出した経路インピーダンスＲｐａｃｋ、Ｒｓｙｓ、バッテリセル１０の内部抵抗、及びステップＳ１０６ｄで算出した内部電圧ＣｅｌｌＩＮＶ、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ等を用いて、時刻ｔ０における出力電流Ｉｏｕｔ（あるいは充電電流Ｉｃ）、出力電圧Ｖｏｕｔを算出する。

ステップＳ１０６ｆでは、充放電制御部２７は、ステップＳ１０６ｅで算出した出力電流Ｉｏｕｔ、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌがそれぞれ充電終了条件を満たしているかどうかを判定する。充放電制御部２７は、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ及び出力電流Ｉｏｕｔがそれぞれ充電終了条件を満たす場合、最終的に充電終了条件を満たしていると判定する。

具体的には、算出したバッテリセル電圧ＶｃｅｌｌがＭａｘＶ付近の所定の閾値Ｖｐｔｈより大きい場合、充放電制御部２７は、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌについて充電終了条件を満たしていると判定する。なお、閾値Ｖｐｔｈは、ＭａｘＶより小さい値でも構わない。そして、算出した出力電流Ｉｏｕｔが所定の閾値Ｉｐｔｈより小さい場合、充放電制御部２７は、出力電流Ｉｏｕｔについて充電終了条件を満たしていると判定する。

バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ及び出力電流Ｉｏｕｔの少なくとも一方が充電終了条件を満たさない場合（Ｎｏ）、充放電制御部２７は、充電終了条件を満たしていないと判断し、ステップＳ１０６ａ－Ｓ１０６ｅの処理を再度行う。

再度のステップＳ１０６ａ－Ｓ１０６ｅでは、例えば図８の時刻ｔ１におけるそれぞれの値の算出が行われる。これらの処理は、充電終了条件を満たし満充電になると推定される時刻ｔｎ（図８）まで繰り返し実行され、算出したそれぞれの値の時系列情報が得られる。

そして、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ及び出力電流Ｉｏｕｔの双方が充電終了条件を満たす場合（Ｙｅｓ）、充放電制御部２７は、充電終了条件を満たしていると判断し、ステップＳ１０６の処理を終了する。

図８（ａ）、図８（ｂ）によれば、充電が開始されると、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌ、バッテリパック１００内の各部の温度が上昇する。その間、出力電圧Ｖｏｕｔ、出力電流Ｉｏｕｔは、ほぼ一定の値となっている。そして時刻ｔ３以降の所定のタイミングで出力電流Ｉｏｕｔが減少している。さらに時刻ｔｎにおいて出力電流Ｉｏｕｔの算出値は閾値Ｉｐｔｈ以下に減少している。その間、出力電圧Ｖｏｕｔは充電開始時よりやや低下しているが、大きく低下しているわけではない。
そして、出力電流Ｉｏｕｔが減少すると、バッテリパック１００内の各部の温度上昇はほぼ抑えられている。

バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌの算出値は、時刻ｔ２で閾値Ｖｐｔｈ以上、かつＭａｘＶ以下の電圧まで上昇する。その後、時刻ｔｎまで、バッテリセル電圧Ｖｃｅｌｌの算出値は、ほぼ一定の値となるか、ＭａｘＶ以下の範囲でゆっくりと上昇する。

充放電制御部２７は、ステップＳ１０６において算出した出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔを、指令値ＣＣ、ＣＶとして、図８と対応する所定のタイミングで充電器９０へ送信する。なお、後段のステップＳ１０８においても指令値ＣＶが送信されるので、ステップＳ１０６では、算出した出力電流Ｉｏｕｔに基づく指令値ＣＣのみが送信されてもよい。

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、充電開始前に、充電器９０からの出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔの変動を推定することができるので、算出した出力電流Ｉｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔに対応した指令値を設定することが可能となる。また、定電圧充電に対応していない充電器であっても、算出した出力電流Ｉｏｕｔに対応した指令値ＣＣを送信することで、充電時の安全性が確保される。

なお、指令値ＣＣ、ＣＶ送信用のタイミングを規定する時間の計測は、充放電制御部２７等で行われる。時間の計測には、図示しないカウンタ回路やタイマー回路が用いられてもよいし、レジスタ等を用いたダウンカウント等の方式が採用されてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１０…バッテリセル、２０…ＦＧＩＣ（半導体装置）、２７…充放電制御部（制御部）、９０…充電器、１００…バッテリパック、ＣＣ、ＣＶ…指令値、Ｉｏｕｔ…出力電流、Ｖｏｕｔ…出力電圧、Ｖｃｅｌｌ…バッテリセル電圧、ＣｅｌｌＩＮＶ…バッテリセル内部電圧

Claims (2)

1. バッテリセルと共にバッテリパック内に封止され、前記バッテリセルの充放電を制御する半導体装置であって、
   前記バッテリパックの端部電圧および前記バッテリセルの電圧を測定し、充電器の出力電圧を測定しない電圧値測定部と、
   前記バッテリパック内を流れる充電電流を測定する電流値測定部と、
   前記バッテリセルの充電を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記バッテリセルの充電時、前記充電器の出力電圧の上限値が前記バッテリセルの充電可能な最大電圧より高い所定の電圧となるよう前記充電器へ指示する電圧指令値を生成すると共に、前記電圧指令値を定期的に更新し、
   前記電圧指令値を生成する際には、前記充電器の出力電圧の上限値を、前記バッテリセルの充電可能な前記最大電圧と前記充電器から前記バッテリセルまでの経路インピーダンスによる電圧降下とを加算した値とする前記電圧指令値を生成し、
   前記電圧降下を算出する際には、
   前記充電器の出力電圧と、前記バッテリパックの端部電圧の測定値と、前記バッテリパック内を流れる充電電流の測定値と、を用いて前記充電器と前記バッテリパックの端部との間の第１経路インピーダンスを算出し、
   前記端部電圧の測定値と、前記バッテリセルの電圧の測定値と、前記充電電流の測定値と、を用いて前記バッテリパックの端部と、前記バッテリセルとの間の第２経路インピーダンスを算出し、
   前記第１経路インピーダンスと前記第２経路インピーダンスとを加算して前記経路インピーダンスを算出し、
   前記経路インピーダンスと、前記バッテリパック内を流れる充電電流と、を用いて前記電圧降下を算出し、
   前記バッテリセルに対する充電には、前記充電器の出力電圧が前記バッテリセルの充電可能な前記最大電圧に到達するまで行われる定電流充電と、前記定電流充電の後、前記充電器の出力電圧を前記最大電圧に設定し、前記バッテリセルの電圧が前記最大電圧付近になるまで行われる定電圧充電と、が含まれ、
   前記制御部は、前記定電流充電の期間では、前記第１経路インピーダンスの算出値として予め定めた固定値を用いて前記電圧指令値を更新し、前記定電圧充電の期間では、前記充電器の出力電圧の値を前記電圧指令値に置き換えて前記第１経路インピーダンスの算出を行い、前記電圧指令値を更新する、
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記制御部は、前記充電器へ指示する前記充電器の出力電流の上限値である電流指令値と前記充電電流の測定値との差分値と、予め定めた閾値電流とを比較することにより、前記定電流充電であるか前記定電圧充電であるかを判定する、
   半導体装置。

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