KR101164612B1

KR101164612B1 - 2차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 전지 팩

Info

Publication number: KR101164612B1
Application number: KR1020050034111A
Authority: KR
Inventors: 타이치 사사키; 마사키 호가리
Original assignee: 소니 가부시키가이샤
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2012-07-11
Also published as: US20050237027A1; KR20060045852A; JP2005315597A; CN100364205C; CN1691460A; JP4123184B2; US7459884B2

Abstract

2차 전지 사용시의 전압 및 전류를 소정 시간마다 측정하고, 상기 전압과 상기 전류의 곱에 의해 사용한 전력을 적산하는 단계와, 2차 전지의 방전 전력으로부터 에너지 손실과 이용할 수 없는 에너지를 감산하는 것에 의해서 사용가능한 방전 가능 전력량을 구하는 단계와, 산출된 전력과 상기 방전 가능 전력량 사이의 비율로부터 잔류 용량율을 산출하는 단계를 구비하는 2차 전지의 잔여 용량산출 방법을 제공하는 것에 의해, 방전 가능 전력을 정확하게 산출하고, 전력 적산법에 의해 구해지는 잔류 용량율의 정확도가 향상될 수 있다.

Description

2차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 전지 팩{REMAINING CAPACITY CALCULATION METHOD FOR SECONDARY BATTERY, AND BATTERY PACK}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 적용할 수 있는 전지 팩의 구조의 일예를 도시하는 개략 선도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 잔류용량 산출 방법의 일 실시예의 처리의 흐름을 설명하기 위한 흐름도,

도 3은 본 발명의 일실시예에서 사용하는 잔류용량 참조 테이블 및 DC－Imp 참조 테이블의 일예를 설명하기 위한 개략 선도,

도 4는 방전 가능 전력량의 산출의 설명에 이용하는 개략 선도,

도 5는 방전 종지 예측점을 구하는 처리의 흐름을 도시하는 흐름도,

도 6은 적산 처리를 설명하기 위한 흐름도,

도 7은 잉여 가산을 행하는 적산법을 이용한 경우의 데이터 적산의 일예를 도시하는 도면.

[도면 부호의 설명]

4 : 스위치 회로 5 : 충전 제어 FET

6 : 방전 제어 FET 5a, 6a : 기생 다이오드

7 : 전지 셀 8 : 온도 검출 소자

9 : 전류 검출 저항 10 : 마이크로컴퓨터

11 : 측정 회로 12 : 보호 회로

13 : EEPROM

본 문헌은, 2004년 4월 27일에 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 문헌 JP 2004-130779에 기초하는 것이며, 위 문헌의 내용은 본 명세서에 참조 문헌으로 병합되어 있다.

본 발명은 2차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 전지 팩에 관한 것이다.

2차 전지를 복수개 포함하는 전지 팩은 각종 전자 기기에 있어서 사용되고 있으며, 전자 기기 본체에 전지 팩의 잔류용량을 발광 다이오드 등의 점멸이나 펄스 광으로 사용자에게 알려 주는 것이 널리 이루어지고 있다. 전자 기기로서 예를 들면 방송국용의 캠코더(Camcorder: Camera and recorder의 약어)의 경우에는 업무용 관계상, 정확한 잔류용량의 표시가 요청되고 있다.

2차 전지의 충전 용량을 검출하는 방법으로서, 전류 또는 전력량을 적산하는 것에 의해 충전용량을 구하는 적산 방식이 알려져 있다. 2차 전지 사용시(충전, 방전시)에 그 때의 전압과 전류를 측정하고, 전압 ×전류에 의해 사용한 전력을 적산한다. 적산 전력과, 2차 전지의 방전가능한 전력 사이의 비율을 구하면, 2차 전지의 잔류 용량율이 산출된다.

일본 공개 특허 출원 번호 7-198807에, 전지의 소비 전류와 전지의 온도에 따라 전지의 잔류 용량을 산출하는 것이 기재되어 있다.

그러나, 적산 방식에 의한 전력 적산 방법의 결점은 방전 말기 부분(방전의 최종 시기)에서의 잔류 용량 산출 오차가 크다는 점이다. 예를 들면, 잔류 용량 표시가 0%이어도 전자 기기를 사용할 수 있거나, 잔류 용량 표시가 5%이어도 전자 기기를 사용할 수 없게 된다는 사태가 생긴다. 이것은 업무용 기기에 있어서는 큰 문제점으로 될 수 있다.

방전 말기 부분에서의 잔류용량 산출 오차가 커지는 것은, 측정 오차가 누적되는 것, 열손실 등에 의한 무효 전력의 발생, 및 2차 전지의 DC 임피던스(이하, DC－Imp로 간단히 약칭함) 상승에 의한 유효 전력의 손실에 기인하고 있다. 전력 적산법에서는 전력의 적산이 수행될 때 모든 종류의 오차도 적산되는 결과로 되어, 방전 말기에 있어서의 오차가 커진다. 상술한 일본 공개 특허 출원 번호 7-198807에는 이러한 방전 말기 부분에서 오차가 커진다는 점에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전력 적산 방식의 잔류용량 검출 방법에 있어서, 부하, 온도와 같은 환경 상태에 따른 방전 가능 전력을 산출할 수 있고, 방전 말기 부분에서의 오차를 적게 할 수 있는 2차 전지의 잔류용량 산출 방법 및 전지 팩을 제공하는 것에 있다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법에 있어서,

2차 전지 사용시의 전압 및 전류를 소정 시간마다 측정하고, 전압과 전류의 적(product)에 의해 사용한 전력을 적산하고,　

2차 전지의 방전 전력에서 에너지 손실과 사용할 수 없는 에너지를 감산하는 것에 의해서 사용 가능한 방전 가능 전력량을 구하고,

적산 전력과 방전 가능 전력량 사이의 비율로부터 잔류 용량율을 산출하는

2차 전지의 잔류용량 산출 방법을 제공한다.

또, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 2차 전지의 전지 팩에 있어서, 전지 팩은 2차 전지의 전압 및 전류를 측정하는 측정부와 잔류용량 연산부를 갖고; 잔류용량 연산부는 2차 전지 사용시의 전압 및 전류를 소정 시간마다 측정하고; 전압과 전류의 곱에 의해 사용한 전력을 적산하고; 2차 전지의 방전 전력에서 에너지 손실과 사용할 수 없는 에너지를 감산하는 것에 의해서 사용 가능한 방전 가능 전력량을 구하고, 적산 전력과 방전 가능 전력량 사이의 비율로부터 잔류 용량율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 팩을 제공한다.

본 발명에 의하면, 전력 적산 방식에 의한 잔류용량 산출 방법이어도, 방전 가능 전력을 정확하게 산출할 수 있으므로, 방전 말기 부분에서의 잔류용량을 보다 정확하게 산출하는 것이 가능해진다.

본 발명의 상기 목적과 다른 목적, 특징과 잇점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 현재 바람직한 예시적인 실시예의 이하 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 우선, 도 1을 참조해서, 2차 전지 예를 들면 리튬 이온 전지를 사용한 전지 팩의 일예에 대해서 설명한다. 이 전지 팩은 충전시에는 충전기에 장착된다. ＋단자(1)와 -단자(2)가 이 충전기의 ＋단자와 －단자에 각각 접속되어 충전이 행해진다. 또, 전기 기기 사용시에는 충전시와 마찬가지로, ＋단자(1)와 -단자(2)가 전기 기기의 ＋단자와 －단자에 접속되어 방전이 행해진다.

전지 팩은 주로 전지 셀(7), 마이크로 컴퓨터(10), 측정 회로(11), 보호 회로(12), 스위치 회로(4), 통신 단자(3a, 3b)로 구성되어 있다. 전지 셀(7)은 리튬 이온 전지 등의 2차 전지로서, 4개의 2차 전지를 직렬로 접속한 것이다.

마이크로 컴퓨터(10)는 측정 회로(11)로부터 입력된 전압값과 전류값을 사용해서 전류값의 측정이나 전력을 적산하도록 되어 있다. 또, 참조 부호(8)로 나타내는 온도검출 소자(예를 들면, 써미스트)로 전지의 온도를 감시한다. 또한, 측정값 등이 참조 부호(13)로 나타내지는 불휘발성 메모리 EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)에 보존된다.

측정 회로(11)는 전지 팩 내의 전지 셀(7)의 각 셀의 전압을 측정하고, 마이크로 컴퓨터(10)로 측정값을 공급한다. 또, 전류 검출 저항(9)을 사용해서 전류의 크기 및 방향을 측정하고, 이 측정값은 마이크로 컴퓨터(10)로 보내진다. 측정된 온도의 데이터가 마이크로 컴퓨터(10)에 공급된다. 또한, 측정 회로(11)는 전지 셀 (7)의 전압을 안정화하여 전원 전압을 발생하는 레귤레이터(regulator)로서의 기능도 갖는다.

보호 회로(12)는, 전지 셀(7) 중의 임의의 셀의 전압이 과충전 검출전압으로 되었을 때나, 전지 셀(7)의 전압이 과방전 검출 전압 이하로 되었을 때, 스위치 회로(4)에 제어 신호를 보내는 것에 의해, 과충전과 과방전을 방지한다. 여기서, 리튬 이온 전지의 경우, 과충전 검출 전압이 예를 들면 4.2V ±0.5V로 정해지고, 과방전 검출 전압이 2.4V ±0.1V로 정해진다.

스위치 회로(4)는 참조 부호(5)로 나타내는 충전 제어 FET(Field Effect Transistor)와, 참조 부호(6)로 나타내는 방전 제어 FET로 구성되어 있다. 전지 전압이 과충전 검출전압으로 되었을 때에는 충전 제어 FET(5)를 OFF로 하여, 충전 전류가 흐르지 않게 제어된다. 또, 충전 제어 FET(5)를 OFF로 한 후에는 참조 부호(5a)로 나타내어지는 내부 다이오드(internal diode)를 개재시키는 것에 의해서 방전만이 가능해진다.

또, 전지 전압이 과방전 검출 전압으로 되었을 때는 방전 제어 FET(6)를 OFF로 하여, 방전 전류가 흐르지 않게 제어된다. 또, 방전 제어 FET(6)를 OFF로 한 후는 참조 부호(6a)로 나타내는 내부 다이오드를 개재시키는 것에 의해서 충전만이 가능해진다.

통신 단자(3a, 3b)는 전기 기기, 예를 들면 업무용 캠코더에 장착되었을 때, 전지 용량에 관한 정보를 이 기기로 송신하기 위한 것이다. 이 정보를 수취한 기기측에서는 액정 디스플레이와 같은 표시부에 충전 용량이나 충전율을 표시한다.

도 2는 마이크로 컴퓨터(10)에서 구현되는 전력 적산 방식에 의한 잔류용량 산출 방법의 처리의 흐름을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 잔류용량 산출은 부하가 접속되어 있는 상태에서 수행된다. 산출된 잔류용량 예를 들면 잔류용량율(%)이 마이크로 컴퓨터(10)로부터 통신 단자(3a 및 3b)를 거쳐서 전자 기기로 보내지고, 필요에 따라서 전자 기기의 표시부 등에 표시된다.

스텝 ST1에 있어서, 측정 회로(11)로부터의 전압값과 전류값을 취득한다. 전압값 및 전류값은 소정의 시간 간격 예를 들면 250㎳마다 취득된다. 스텝 ST2에 있어서, 취득된 전류가 적산되고 이 전류가 방전 전류량으로서 보존 유지된다. 또, 전압 ×전류의 연산에 의해서 전력이 산출되고, 전력이 적산되며 이 적산된 전력은 방전 적산 전력으로서 보존 유지된다.

스텝 ST2에서는 적산 전류량과, 전지가 갖는 방전 전류량 사이의 비율로부터 잔류 용량율[%]이 구해진다. 즉, 잔류용량율=100-(방전 전류량/풀 충전용량)×100으로 구해진다. 전압과 잔류 용량율 사이의 대응 관계를 나타내는 잔류용량 참조 테이블을 사용하여, 산출한 잔류 용량율에 대한 전압(무부하 전압)이 구해진다. 산출한 무부하 전압에서 측정된 현재의 방전 전압이 감산되고, 그 차가 IRV(방전 전류에 의한 전압 강하분)로서 산출된다.

또한, 스텝 ST3에서는 DC-Imp 계수와 잔류 용량율 사이의 대응 관계를 나타내는 DC-Imp 테이블을 사용하여, 산출한 잔류용량율에 대한 DC-Imp 계수가 구해진다. DC-Imp 계수는 전지 셀(7)의 내부 직류 임피던스 값에 대응하는 값이다. 구해진 IRV를 DC-Imp 계수로 나누는 것에 의해서, 기준 IRV가 산출된다.

도 3은 사용하는 테이블을 그래프로서 나타내는 것이다. 도 3에 있어서, 수평축(x 축)이 잔류 용량율(%)이고, 수직축(y 축)이 무부하 전압 및 DC-Imp 계수를 나타낸다. 참조 부호 Tb1이 잔류용량 참조 테이블의 그래프를 나타내고, 참조 부호 Tb2가 DC-Imp 참조테이블의 그래프를 나타낸다. 이들 테이블은 사용하는 전지 팩에 따라서 미리 작성되며 마이크로컴퓨터(10)의 메모리에 격납되어 있다.

스텝 ST3에서는 도 3에 도시하는 바와 같이, 임의의 잔류용량율에 대한 무부하 전압 Va와 현 방전전압 Vb가 구해지고, 그 차가 IRV로서 구해진다.

스텝 ST4에서는 방전 종지 예측점이 산출된다. 스텝 ST4에서는 "예측 방전 전압 = 잔류용량 참조 테이블 전압(무부하 전압) - 기준 IRV ×DC－Imp 계수"로 예측 방전 전압을 산출한다. "방전 종지 전압 ≤예측 방전 전압"의 조건이 충족될 때까지, 잔류 용량율의 0%에서＋1%마다 무부하 전압과 DC-Imp계수를 구하고, 이 조건이 충족하는 잔류 용량율을 산출한다. 이와 같이 구해진 잔류 용량율이 전지가 갖는 방전 전류량의 방전 종지 예측점을 나타낸다. 즉,

전지가 갖는 방전 전류량 ×잔류 용량율 = 방전가능한 전류량

으로 된다.

다음에, 스텝 ST5에 있어서, 방전 가능 전력량이 산출된다. 도 4에 도시하는 바와 같이, x축을 방전용량으로 하고, y축을 전압으로 해서 나타내는 경우, 2차 전지(전지 셀(7))의 풀 충전에서 방전 종지까지의 방전 전압 변화의 커브 Q를 y = -ax＋b1의 직선(선형선) L1로 근사한다. 여기서, 기울기 a(정수)는 2차 전지의 방전 커브의 데이터에 근거하여 산출된 값이다. "a"는 사용하는 전지 팩에 따른 값이 된다.

절편 b1은 풀 충전시에 무부하 상태에서 소정의 전압값(공칭 전압값)을 취한다. b1의 값은 부하 계수(load factor)로 불리우며, 온도 및 부하의 조건에 따라 값이 변동한다. 부하 계수는 방전 전류의 값과 온도에 따라서 공칭 전압값보다 낮은 값으로 되며, 방전 전류와 온도의 조건으로부터 부하 계수가 구해진다.

온도가 상승함에 따라서 작은 값을 취하는 온도 계수의 테이블이 미리 작성되어 있다. 온도 계수와 방전 전류의 평방근(square root)과 미리 결정된 수를 곱한 값이 공칭 전압값에서 감산되어 부하계수가 구해진다. 예를 들면 공칭 전압값 b1이 16800mV이어도, b2=16496mV와 같이 저하한다. 따라서, 온도가 낮아지면, 직선 L1이 하측으로(downward) 이동하고, 방전 가능 전력량이 더욱 감소한다. 방전 전류가 많아지면, 마찬가지로 직선 L1이 하측으로 이동한다. 또한, 방전 종지 전압 Ve1은 x에 방전 종지 용량 F1을 대입함으로써 구해진다. 방전 종지 용량 F1은 전지 팩에 따라 미리결정된 값을 갖는다.

따라서, 직선 L1과, 직선 L1의 방전 종지 전압 Ve1에서 점 F1에 수직으로 내린 선으로 둘러싸인 부분이 무부하시의 이론상의 방전 가능 전력량이다. 부하가 있는 경우에는 부하와 온도 조건에 따라서 사용할 수 없는 무효 용량과 2차 전지의 열화(저하)에 의한 용량 감소가 존재한다.

즉, 부하 전류에 의한 분극으로 발열하여 사용할 수 없는 전력량 P1, 부하 또는 환경조건에 의해서 사용할 수 없는 전력량 P2, 및 전지의 열화에 의해서 사용할 수 없게 된 전력량 P3이 이론상의 방전 가능 전력량에서 감산되는 것에 의해서, 부하가 접속된 경우의 실제적인 방전 가능 전력량 P4가 산출된다. 전력량 P2는 전지로서 사용가능한 잔류 용량이므로, 다른 전력량 P1과 P3과는 서로 다르다.

여기서 산출된 방전 가능 전력량 P4와, 소정 시간마다 적산된 전력량 사이의 비율을 산출하여, 전지 전체의 잔류 용량율을 얻을 수 있다.

방전 가능 전력량 P4를 고정밀도로 구하는 것이 잔류 용량율의 산출의 정밀도를 높이기 위해 필요하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상술한 부하와 온도 조건으로 인해 사용할 수 없는 용량과, 2차 전지의 열화에 의한 용량 감소가 x 축 상에서 방전 종지 용량을 마이너스 방향(원점 방향)으로 이동시키는 것에 의해 산출한다. F2는 이와 같이 구해진 방전 종지 용량이다.

후술하는 바와 같이, 방전 종지 예측점이 구해지고, 방전 가능 용량율(POSI RATE = 100(%) - 방전 종지 예측점(%))에 의해 구해진다. F2로 나타내어지는 방전 종지 용량(CAPA END)이 다음 식에 의해 구해진다:

방전 종지 용량(CAPA END) = 방전 가능 용량율(POSI RATE) ×풀 충전 용량

방전 종지 용량시의 전압(방전 종지 전압) Ve2는 다음 식에 의해 산출된다:

방전 종지 전압 Ve2 = -a ×방전 종지 용량 ＋ b2

이상의 처리에서, 직선 L1을 평행 이동하여 직선 L2를 구할 수 있다. 직선 L2는 부하를 접속했을 때의 방전 가능 전력량을 구하기 위한 직선이다.

이상의 잔류 용량 산출 처리는, 예를 들면, 전류, 전압, 또는 온도의 측정값이 소정 시간마다 입력될 때마다, 마이크로 컴퓨터(10)가 인터럽트되도록, 마이크로 컴퓨터(10)의 소프트웨어에 의해서 실행된다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 기준 IRV 산출(스텝 ST3) 및 방전 종지 예측점의 산출 처리(스텝 ST4)에 대해서, 보다 상세하게 설명한다. 도 5에 도시하는 흐름도에 있어서, 스텝 ST41에 대해, 소정 시간 간격, 예를 들면 250㎳마다 적산 처리를 수행한 결과로부터 현재의 잔류 용량율이 산출된다.

특정예를 들어 설명하면, 전류 적산값으로부터 구해진 방전 전류량을 1341(mA)로 하고, 풀 충전 용량을 4400(mAh)으로 하면, 다음 식에서 잔류 용량율이 구해진다:

잔류 용량율 = 100 - (방전 전류량/풀 충전 용량) ×100

　　　　　= 100 -(1341/4400) ×100

　　　　= 69.52%

스텝 ST42에서는 구해진 잔류 용량율로부터 그 때의 무부하 전압(도 3에 있어서의 Va)을 산출하고, IRV(방전 전류에 의한 전압 강하분)를 구한다. 즉, 잔류용량 참조 테이블로부터 잔류 용량율을 참조하고, 그 때의 무부하 전압 Va를 취득한다. 그리고, 그 전압으로부터, 측정된 현 방전 전압(도 3에 있어서의 Vb)을 감산하는 것에 의해서, IRV가 산출된다.

예를 들면, 잔류 용량율 = 69.92%이고, 현 방전 전압 Vb가 14626(mV)일 때에는, 소수점 이하의 값을 잘라 버려 69% 일 때의 무부하 전압 Va가 잔류 용량 참조 테이블로부터 15615(mV)로 구해질 수 있다.

69% + 1% = 70% 일 때의 무부하 전압이 테이블로부터 15637(mV)로 구해질 수 있다.

다음 식의 선형 보간에 의해서 0.52%분의 전압을 구하고, 이 전압을 69% 일 때의 전압에 가산하고, 잔류 용량율 69.52%시의 전압을 산출한다.

전압 상승 = (무부하 70%시의 전압 - 무부하 69%시의 전압)

　　　　　/(100/잔류 용량율 소수점 이하)

　　　　　=(15637-15615)/(100/52)

　　　　　=11(mV)

69.52%시의 무부하 전압

= 15615(mV) ＋ 11(mV)

　　　　　= 15626(mV)

IRV = 무부하 전압 - 현 방전 전압

= 15626(mV) - 14626(mV)

= 1000

스텝 ST43에서는 잔류 용량율로부터 그 때의 임피던스 계수가 참조된다. DC-Imp 참조 테이블을 참조해서 잔류 용량율에 대응하는 DC-Imp 계수가 구해진다. DC-Imp 참조 테이블로부터 검색하는 경우에는, 잔류 용량율의 소수점 이하의 값이 잘라 버려진다. 일예로서 잔류 용량율이 69.52%인 경우에는 소수점 이하의 값을 잘라 버리고 69%에서 DC-Imp 참조 테이블을 참조하여, DC-Imp 계수 = 1.00으로 구해진다.

스텝 ST44에서는 기준 IRV가 산출된다. 먼저 산출한 IRV와 DC-Imp 계수로부터 기준 IRV를 산출한다.

기준 IRV = IRV/DC-Imp 계수

예를 들면, IRV：1000　및　DC-Imp 계수：1로 하면,

기준 IRV=1000/1=1000(mV)

로 된다.

스텝 ST46 이후에 방전 종지 예측점이 산출된다.

예측 방전 전압 = 잔류 용량 참조 테이블 전압 - 기준 IRV ×DC-Imp 계수

이 식에 의해 잔류 용량율이 0%에서 ＋1%마다 산출하여 방전 종지점의 검증을 행한다. 그리고, 예측 방전 전압이 아래 식을 충족할 때까지 탐색을 행한다.

방전 종지 전압　≤　예측 방전 전압

일예로서 기준 IRV：1000 및 방전 종지 전압： 11000(mV)으로 한다. 또, 도 3에 도시하는 바와 같이, 잔류 용량율 0%시의 검색 SR0과, 잔류 용량율 1%시의 검색 SR1과, ..., 잔류 용량율 7%시의 검색 SR7이 순차 이루어진다.

스텝 ST45에서는 검증된 잔류 용량율 = 0%가 설정된다. 스텝 ST46에 있어서, 예측 방전 전압 = 잔류 용량 참조 테이블 전압(0%)：11000(mV) - 기준 IRV：1000 ×DC-Imp 계수：25.11 = -14000(mV)가 구해진다.

스텝 ST47에서는 (방전 종지 전압：11000(mV) ≤예측 방전 전압：-14000(mV) )가 성립하는지의 여부가 판정된다. 이 경우에는 성립하지 않으므로, 0%가 방전 종지점에서는 없다고 판정된다. 처리가 스텝 ST48로 이행하고, 검증된 잔류 용량율이 ＋1%로 된다. 재차, 스텝 ST46 및 ST47이 반복된다.

스텝 ST46에 있어서,

예측 방전 전압 = 잔류 용량 참조 테이블 전압(1%)：12427(mV) - 기준 IRV：1000 ×DC－Imp 계수：17.29 = -4863(mV)

가 구해진다.

스텝 ST47에서는 (방전 종지 전압：11000(mV) ≤예측 방전 전압：-4863(mV))가 성립하는지의 여부가 판정된다. 이 경우에는 성립하지 않으므로, 1%가 방전 종지점에서는 없다고 판정된다. 처리가 스텝 ST48로 이행하고, 검증된 잔류 용량율이 ＋2%로 된다. 재차, 스텝 ST46 및 ST47이 반복된다.

이하, 검증된 잔류 용량율이 3%, 4% , ..., 로 증가되고, 검증된 잔류 용량율이 7%로 되면, 스텝 ST46에 있어서,　

예측 방전 전압 = 잔류 용량 참조 테이블 전압(7%) ： 14416(mV)－기준 IRV：1000 ×DC-Imp 계수：3.33 = 11086(mV)

가 구해진다.

스텝 ST47에서는 (방전 종지 전압：11000(mV) ≤예측 방전 전압：11086(mV))가 성립하는지의 여부가 판정된다. 이 경우에는 성립하므로, 스텝 ST49로 이행한다. 스텝 ST49에서는 방전 종지 예측점이 검증된 잔류 용량율(7%)로 판정된다.

방전 종지 예측점으로부터 방전 가능 용량율(POSI RATE)이 산출된다. 예를 들면 방전 종지 예측점이 7%인 경우,

POSI RATE = 100% - 방전 종지 예측점

　　　　　= 100% - 7%

　　　　　= 93%

가 산출된다.

방전 가능 용량율(POSI RATE)로부터 방전 종지 용량(CAPA END)이 산출된다. 도 4에 있어서, F2는 방전 종지 용량이다.

예를 들면 방전 가능 용량율(POSI RATE)：93%, 풀 충전 용량：4400(mAh)인 경우에는,

방전 종지 용량(CAPA END) = 0.93 × 4400

　　　　　　　　　　　　 = 4092(mAh)

로 구해진다.

도 4에 있어서, 실제의 방전 종지 용량이 알려졌을 때, 방전 가능 전력량을 정확하게 구할 수 있다. 따라서, 부하와 온도와 같은 환경 상태에 따른 방전 가능 전력량으로부터 방전한 전력 적산값의 비율을 구하여, 잔류 용량율을 검출할 수 있다.

적산법에 의해 충전 용량이 산출될 때, 제산 처리(division process)가 가해지면, 데이터 내의 소수점 이하의 값이 잘라버림(truncation) 등에 의해서 사사오입되고, 사사오입된 값(truncated value)(전류값)을 적산해 가기 때문에, 오차가 적산결과에 누적된다. 그 결과, 적산 전류값의 정밀도가 나빠지고, 충전율의 검출의 정밀도도 나빠진다..

오차의 누적을 방지하기 위해, 유효 자리수(the number of significant digit)를 늘리는 것에 의해 자리수 떨어짐에 의한 오차에 대응하는 방법에서는 반 대로 마이크로 컴퓨터의 메모리 사용량이 증가하여 처리를 압박하게 된다. 또, 마이크로 컴퓨터의 메모리가 부족한 경우에는 유효 자리수를 늘릴 수 없어, 자리수가 떨어진 데이터를 적산해 가게 되어, 정확도의 악화로 이어진다.

그래서, 자리수 떨어짐의 영향을 최소로 줄이기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 이하와 같은 적산 방법을 이용한다.

전류값의 측정시에, 이득이 24배인 증폭기와 이득이 125배인 증폭기를 사용하고, 각 증폭기의 출력 전압을 마이크로 컴퓨터(10)의 A/D 컨버터에 공급해서 이 출력 전압을 디지털 데이터로 변환한다. 각 증폭기는 전류값에 따라 적절히 구분하여 사용된다. 전류가 예를 들면 2A보다 큰 때에는 24배의 증폭기를 사용하고, 2A이하일 때에는 125배의 증폭기를 사용한다. 이 구성에 의해, 전류값이 작은 경우와 큰 경우에서의 유효 자리수의 차를 적게 하는 것이 가능하다.

그러나, 24배 증폭기를 통과한 측정값과 125배 증폭기를 통과한 측정값은 자리수의 가중(weight of the digit)이 다르기 때문에, 그 값을 단순히 서로 더할 수 없다. 그래서, 이하의 방법에 의해, 자리수 떨어짐의 영향이 적어지도록 한다.

예를 들면, 전류 측정의 하드웨어 조건은 이하와 같이 한다:

A/D 기준 전압(AVREF)：3000(mV)

A/D 분해능：1024 (10 비트)

전류 검출 저항{도 1의 저항(9)}：　5(mΩ)

이 때, 전지 셀(7)을 흐르는 전류 1A당의 A/D 컨버터에 입력되는 전압값은,

24배 증폭기의 경우：5(mΩ) ×1(A) ×24 = 120(㎷/A)???(1)

125배 증폭기의 경우：5(mΩ) ×1(A) ×125 = 625(㎷/A)???(2)

또, A/D 컨버터의 1분해능당의 전압 감도는 3000(㎷)/1024 = 2.930(㎷)으로 된다. 이것을 24배 증폭기를 사용할 때의 전류 감도로 환산하면,

2.930(㎷)/120(㎷/A) ×1000 ≒ 24.41(mA)로 된다.

상술한 값에 따라, 적산 처리의 흐름을 도 6의 흐름도를 참조해서 설명한다.

우선, 스텝 ST11에서 적산 처리가 개시되면, 도 1의 전류 검출 저항(9)으로 A/D 컨버터에 입력하는 전류값을 측정한다. 측정된 전류값을 마이크로 컴퓨터(10)에 A/D 입력값으로서 공급한다(스텝 ST12). 다음에, 스텝 ST13에서는 스텝 ST12에서 계산된 입력값을 24배 증폭기와 125배 증폭기의 어느 쪽을 이용해서 계측할지를 결정한다. 전류 검출 저항(9)에서의 전류값이 2A보다 큰 경우는 24배 증폭기를 사용하고, 2A이하인 경우에는 125배 증폭기를 사용한다.

24배 증폭기를 이용하는 경우, A/D 입력 전압을 상술한 식 (1)로부터 산출한다. 예를 들면, 방전 전류가 2. 5A인 경우,

A/D 입력 전압은, 120(㎷/A) ×2.5A = 300(㎷)

로 된다.

또, A/D 입력 전압을 디지털 데이터로 변환하면, A/D 변환 후의 입력값(적산값)은,

300(㎷)/2.930(㎷) ≒ 102

로 된다.

24배 증폭기를 사용한 경우에는 구한 적산값을 그대로 적산 에리어에 가산한 다.

125배 증폭기를 이용하는 경우, A/D 입력 전압을 상술한 식 (2)로부터 산출한다. 예를 들면, 방전 전류가 0.8(A)인 경우, A/D 입력 전압은,

625(㎷/A) ×0.8A = 500(㎷)

로 된다.

또, A/D 변환 후의 입력값(BATT_CURRENT_BIT)은,

300(㎷)/2.930(㎷) ≒ 170

으로 된다.

125배 증폭기를 이용한 경우에는 스텝 ST15에서 자리수의 가중이 24배 증폭기의 사용시와 마찬가지로 되도록 환산하고 나서 적산을 수행한다(1회째의 적산은 전회 잉여를 0으로 함). A/D 변환 후의 입력값 170을 24배 증폭기의 사용시로 환산하면, 170/5.208 = 32 이고　나머지 3.344로 된다. 스텝 ST16에서 잉여의 소수점 이하를 잘라 버리는 것에 의해, 적산값은 32로 되고, 잉여는 3으로 되며, 적산 에리어에는 32가 가산된다.

여기서, 방전 전류가 0.8(A)인 채, 10회 적산한 경우에 대해서 예를 들어 설명한다. 잉여를 무시하고, 잉여 가산(suprplus addition)을 행하지 않는 경우에는 적산값 32 ×10(회) = 320 이지만, 이론적으로는 환산 전의 입력값 170을 이용해서 계산하면,｛170 ×10(회)｝/5.208 ≒ 326이 되어, 적산값에 6의 차가 생긴다.

그래서, 전회 제산(previous division)했을 때에 구한 잉여를 다음의 계산시에 가산해서 적산 처리를 행한다. 즉, 2회째에 구한 환산 전의 입력값 170에 1회째 의 잉여 3을 가산하고, 합계값을 환산함으로써 2회째의 적산치를 결정한다. 3회째 이후는 2회째와 마찬가지로 환산 전의 입력값에 전회의 잉여를 가산하고 나서 전체를 환산한다.

10회째까지의 적산 처리의 상황을 도 7에 도시한다. 잉여를 가산하는 방법으로 적산 처리가 행해진 결과, 이 예에서는 적산 에리어의 값이 326으로 되어, 오차가 발생하지 않는다. 따라서, 전회 계산시의 잉여를 A/D 입력값에 가산하고 나서 제산함으로써, 자리수 떨어짐의 영향을 최소로 없앨 수 있다.

또, 유효 자리수를 늘릴 필요가 없으므로, 마이크로 컴퓨터(10)에서 사용하는 메모리를 최소한 줄일 수 있다.

이상, 본 발명의 일실시예에 대해 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이 기술 분야에 숙련된 자라면, 설계 요구조건과 다른 인수에 따라 첨부된 청구항이나 그 균등물의 범위 내에 있는, 여러 변화, 변형, 조합, 하위 조합, 및 변경이 가능하다는 것은 명백할 것이다.

예를 들면 전자 기기에서는 잔류 용량율 이외에 나머지 사용가능 시간 등의 다른 형태로, 잔류 용량을 나타내도록 해도 좋다. 또, 상술한 바람직한 실시예에 있어서 예로 든 수치는 어디까지나 예에 불과하며, 필요에 따라서 이것과 다른 수치를 이용해도 좋다.

또, 본 발명은 리튬 이온 전지 이외에, Ni-Cd(니켈-카드뮴) 전지, Ni-MH(니켈 수소) 전지와 같은 여러 가지의 전지에 적용 가능하다. 또한, 전지 팩을 구성하는 마이크로 컴퓨터가 보호 회로의 기능을 가지도록 해도 좋다.

본 발명에 의하면, 전력 적산 방식에 의한 잔류용량 산출 방법이어도, 방전 가능 전력을 정확하게 산출할 수 있으므로, 방전 말기 부분에서의 잔류용량 산출을 정확하게 행하는 것이 가능해진다.

Claims

2차 전지의 잔류용량 산출 방법에 있어서,

2차 전지 사용시의 전압 및 전류를 소정 시간마다 측정하고, 상기 전압과 상기 전류의 곱에 의해 사용한 전력을 적산하는 단계와,

2차 전지의 방전 전력으로부터 에너지 손실과 이용할 수 없는 에너지를 감산하는 것에 의해서 사용가능한 방전 가능 전력량을 구하는 단계와,

산출된 전력과 상기 방전 가능 전력량 사이의 비율로부터 잔류 용량율을 산출하는 단계

를 포함하는, 2차 전지의 잔류용량 산출방법.
제 1 항에 있어서,

상기 방전 가능 전력량은, x축을 방전 용량으로 하고, y축을 전압으로 해서, 2차 전지의 풀 충전에서 방전 종지까지의 방전 전압을 직선으로 근사시켜 구해진 상기 직선과 상기 x축 및 상기 y축과의 교점의 면적 부분으로서 구해지는, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 직선은 y = -ax＋b1로 나타내지고,

여기서, 기울기 "a"는 2차 전지의 방전 커브의 데이터에 의거해서 산출된 값 이고,

절편 "b1"은 풀 충전시에 무부하 상태의 전압값인, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 절편 "b1"이 부하 계수이고, 상기 부하 계수는 부하가 있을 때에는 상기 무부하 상태의 값에 비해 마이너스(-) 방향으로 이동되고, 방전 전류가 클수록 마이너스(-) 방향으로의 이동량이 크게 되는, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법.
제 2 항에 있어서,

부하와 온도 조건으로 인해 사용할 수 없는 용량과 2차 전지의 열화에 의한 용량 감소는, x축상에서 방전 종지 용량점을 마이너스 방향으로 이동시킴으로써 산출되는, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법.
제 2 항에 있어서,

잔류 용량율과 DC 임피던스 계수 사이의 대응 관계를 나타내는 테이블을 준비하고,

방전 종지 부분에서의 방전 종지 전압을 상기 DC 임피던스의 증가를 고려해 구하는, 2차 전지의 잔류용량 산출 방법.
2차 전지의 전지 팩에 있어서,

상기 전지 팩은 2차 전지의 전압 및 전류를 측정하는 측정부와 잔류용량 연산부를 갖고,

상기 잔류용량 연산부는,

2차 전지 사용시의 전압 및 전류를 소정 시간마다 측정하고, 상기 전압과 상기 전류의 적산에 의해 사용한 전력을 적산하고,　

2차 전지의 방전 전력으로부터 에너지 손실과 사용할 수 없는 에너지를 감산하는 것에 의해서 사용 가능한 방전 가능 전력량을 구하고,

상기 적산된 전력과 상기 방전 가능 전력량 사이의 비율로부터 잔류 용량율을 산출하는

것을 특징으로 하는, 2차 전지의 전지 팩.