KR20050074531A - 전지용량 산출방법, 전지용량 산출장치 및 전지용량 산출프로그램 - Google Patents

전지용량 산출방법, 전지용량 산출장치 및 전지용량 산출프로그램 Download PDF

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Abstract

온도나 열화 상태와 같은 환경조건에 관계없이, 2차 전지의 잔여용량을 특히 방전말기에서 매우 정확하게 산출할 수 있는 전지용량 산출방법이다. 전지용량 산출장치(10)는 방전시에 있어서의 전지(1)의 단자전압(Vmea)을 측정하는 전압측정회로(11)와, 방전시에 있어서의 전지(1)의 전류값(I)을 측정하는 전류측정회로(12)와, 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 제어회로(13)를 구비한다. 제어회로(13)에 있어서의 연산부(15)는 전압측정회로(11) 및 전류측정회로(12)에 의해서 측정한 단자전압(Vmea)과 전류값(I)에 의거해서, 방전용량(Qmea)과 외관상의 방전용량(Qocv)을 산출하고, 이들의 차분인 용량 어긋남(ΔQ)에 의거해서, 방전말기를 포함한 장래에 있어서의 방전곡선(Cpre)을 방전중에 예측하고, 예측한 방전곡선(Cpre)에 의거해서, 전지(1)의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출한다.

Description

전지용량 산출방법, 전지용량 산출장치 및 전지용량 산출 프로그램{BATTERY CAPACITY CALCULATING METHOD, BATTERY CAPACITY CALCULATING APPARATUS, AND BATTERY CAPACITY CALCULATING PROGRAM}
본 발명은 2차전지의 잔여(殘)용량 및/또는 잔여(殘)전력을 산출하는 전지용량 산출방법, 전지용량 산출장치 및 전지용량 산출 프로그램에 관한 것이다.
근년, 예를 들면 노트북형 퍼스널컴퓨터나 휴대전화기와 같이, 리튬 이온 2차 전지 등의 2차 전지(이하, 단지 전지라 함)를 전원으로 하는 전자기기가 보급되고 있다.
전지의 잔여용량을 산출하는 방법으로서는 예를 들면, 단자전압과 잔여용량과의 관계를 이용하는 방법이나, 풀(full, 滿)충전 용량시에 있어서의 방전 용량을 "0"으로 정의했을 때 풀충전 용량으로부터 방전 전류를 적산해서 구한 방전 용량을 감산하는 방법과 같이, 각종의 것이 제안되어 검토되어 왔다.
여기서, 단자전압과 잔여용량과의 관계는 예를 들면 도 16에 도시하는 바와 같이, 잔여용량의 감소에 따라 소정의 방전 정지 전압 Vcut까지 단자전압이 감소하는 곡선 Cnew, Cold 의해서 나타내어진다. 특히, 전지에 있어서는 잔여용량이 "0" 근방, 즉 방전 말기가 되면, 단자전압이 급격히 저하하는 경향에 있어, 이 영역에 소정의 방전 경보 전압 Vwar이 설정된다. 또한, 같은 도면에 있어서, 곡선 Cnew는 열화(劣化)되어 있지 않은 초기 전지에 있어서의 것이고, 곡선 Cold는 사용에 의해서 열화된 열화 전지에 있어서의 것이다. 즉, 전지에 있어서는 장기간 사용해서 열화된 경우에는 단자전압과 잔여용량과의 관계가, 같은 방전 조건이었다고 해도 크게 변화하는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 상술한 단자전압과 잔여용량과의 관계를 이용하는 전지 용량 산출 방법에 있어서는 잔여용량의 추정 정밀도가 저하한다는 문제가 지적되고 있다.
그래서, 전지의 잔여용량을 산출하기에 있어서는 이러한 전지의 열화에 의한 전압 특성의 변화에의 대응을 고려할 필요가 있다. 상술한 풀충전 용량으로부터 방전 전류를 적산해서 구한 방전 용량을 감산하는 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지의 열화에 의한 전압 특성의 변화에 대응하는 방법으로서, 충방전의 사이클수를 카운트하고 그 사이클수에 따라 풀충전 용량을 보정하는 방법이나, 풀충전 상태가 될 때까지의 충전 용량을 이용해서 풀충전 용량을 보정하는 방법과 같이, 각종 방법이 검토되어 왔다(예를 들면, 일본국 특개 2002-236154호 공보 및 일본국 특개 2002-162452호 공보 참조).
일본국 특개 2002-236154호 공보에는 충방전의 사이클수를 카운트하고 그 사이클수에 따라서 풀충전 용량을 보정하는 방법으로서의 "전지의 잔여용량 보정 방법"이 개시되어 있다. 이 특개 2002-236154호 공보에는 사이클수 뿐만 아니라, 전지의 보존 상태에 따라서 풀충전 용량을 보정하는 것에 의해, 전지를 장기간 보존한 후에 사용하는 경우에도, 잔여용량의 표시 오차를 적게 할 수 있는 취지가 기재되어 있다.
또, 특개 2002-162452호 공보에는 풀충전 상태로 될 때까지의 충전 용량을 이용해서 풀충전 용량을 보정하는 방법으로서의 "전지 잔량 검출회로"가 개시되어 있다. 이 특개 2002-162452호 공보에는 소정의 방전 경보 전압까지 방전된 경우에 있어서의 풀충전 상태까지의 충전 용량을 이용해서 풀충전 용량을 보정하는 것에 의해, 전지의 전압 특성이 변화된 경우에도 잔여용량의 검출을 정확하게 행할 수 있는 취지가 기재되어 있다.
그러나, 특개 2002-236154호 공보에 기재된 기술에 있어서는 실제의 전지의 사용 환경이나 열화 양식이 다양하므로, 이상적인 환경하에서 측정한 보정 계수를 이용하여 풀충전 용량을 보정하면, 실제의 풀충전 용량과 다른 값이 산출된다는 문제가 있었다.
또, 특개 2002-162452호 공보에 기재된 기술에 있어서는 이하와 같은 문제가 있었다.
방전 경보 전압은 통상 전지에 접속되어 있는 전자기기의 종료 처리에 필요한 용량을 남기고 해당 종료 처리로 이행하기 때문에, 전지 본래의 방전 정지 전압보다 약간 높게 설정되어 있다. 여기서, 이 방전 경보 전압은 열화되어 있지 않은 초기 전지의 측정 데이터를 이용해서 결정되는 것이지만, 도 16에 도시한 바와 같이, 전지는 열화됨에 따라, 방전 말기에 있어서의 곡선의 기울기가 완만하게 된다. 환언하면, 전지는 열화됨에 따라, 방전 말기에 있어서의 방전 용량과 단자전압과의 관계를 나타내는 방전 곡선의 기울기가 완만하게 된다. 따라서, 전지에는 열화되어 있지 않은 초기 전지에 의거해서 결정한 방전 경보 전압 이하의 전압이었다고 해도, 충분한 용량이 잔존하게 된다.
그러나, 특개 2002-162452호 공보에 기재된 기술에 있어서는 이 방전 경보 전압을 전지의 열화 상태에 맞추어 저하시킬 수 없기 때문에, 풀충전 용량을 과소하게 평가하게 되고, 실제로는 그다지 열화되어 있지 않은 전지였다고 해도, 잔여용량이 과소하게 산출되어, 결과로서 전자기기의 실 사용 시간이 짧아진다고 하는 문제가 있었다.
이에 대해, 이들 특개 2002-236154호 공보 및 특개 2002-162452호 공보와 같이, 단자전압과 잔여용량과의 관계를 이용하는 방법이나, 풀충전 용량으로부터 방전 전류를 적산해서 구한 방전 용량을 감산하는 방법과는 다른 관점에서 전지의 잔여용량을 산출하는 방법으로서, 일본국 특개 2001-231179 호 공보에 기재된 기술이 존재한다.
이 특개 2001-231179호 공보에는, 전지의 내부 임피던스와 평형 전압을 이용해서 잔여용량을 산출하는 방법으로서의 "전지용량 검출방법 및 장치와 전지 팩"이 개시되어 있다. 또한, 평형 전압이란 전지의 단자를 개방시킨 상태에서 장기간 방치하고, 전극 및 전해액의 내부 상태가 안정하게 되었을 때의 단자전압이다. 이 특개 2001-231179호 공보에는, 열화 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선과 내부 임피던스를 측정하고, 내부 임피던스에 의한 전압강하에 의거해서 잔여용량을 산출하는 기술이 개시되어 있으며, 잔여용량 뿐만 아니라 잔여전력의 정확한 산출도 시도한 취지가 기재되어 있다.
그러나, 이 특개 2001-231179호 공보에 기재된 기술에 있어서는 이하와 같은 문제가 있었다.
전지의 내부 임피던스에 의한 전압강하 ΔV는 도 17에 도시하는 바와 같이, 평형 전압 곡선 Cequ와 방전 곡선 Cdch와의 차분(差分)으로 나타내어지지만, 내부 임피던스는 방전 용량에 의존해서 변화하며, 방전 말기에 크게 증가한다. 따라서, 내부 임피던스를 이용해서 잔여용량을 산출하기 위해서는 이 방전 말기에 있어서의 내부 임피던스 증가를 고려하는 것이 가장 중요한 사항으로 된다.
여기서, 전지에 있어서는 열화됨에 따라 내부 임피던스도 변화하는 것이 알려져 있다. 특개 2001-231179호 공보에 기재된 기술에 있어서는 이 내부 임피던스를 적절히 측정하는 것에 의해서 잔여전력의 산출을 시도하고 있지만, 특히 방전 말기에 있어서의 내부 임피던스의 증가를 측정하기 위해서는 방전 말기까지 완전하게 방전할 필요가 있다.
즉, 특개 2001-231179호 공보에 기재된 기술에 있어서는 방전중에 방전 말기에 있어서의 내부 임피던스를 파악할 수 없기 때문에, 장기간 보존되어 있는 상태로부터 방전한 경우나, 얕은 방전 심도로 충방전을 반복해서 열화한 경우와 같이, 사전에 측정한 내부 임피던스가 현재의 내부 임피던스에 비해 크게 변화해 있는 경우에는, 잔여용량을 정확하게 예측할 수 없다는 문제가 있었다.
이상과 같이, 이들 각종 종래의 전지 용량 산출 방법에 있어서는 열화 전지에 있어서의 특히 방전 말기의 방전 곡선을 사전에 예측할 수 없었다. 그 때문에, 종래의 전지 용량 산출 방법을 이용해서 잔여용량을 산출한 경우에는 전지의 용량을 완전히 다 사용할 수 없어, 전자기기의 실 사용 시간이 짧아진다고 하는 문제가 있었다.
즉, 종래의 전지 용량 산출 방법에 있어서는 대략 완전히 방전되고 비로소 정확한 잔여용량의 산출이 가능해지는 한편, 대략 완전히 방전되기 위해서는 정확한 잔여용량을 사전에 파악할 필요가 있다는 상반된 문제가 있었다. 이것은 종래의 전지 용량 산출 방법은 현실적으로는 실현 불가능한 것인 것을 의미하고 있다.
또, 종래의 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지의 용량을 완전히 사용할 수 없기 때문에, 정확한 전지의 열화상태를 검출할 수 없으며, 전지의 열화를 과대하게 검출해 버리는 사태도 초래하고 있었다.
본 발명은 이러한 실정에 감안해서 이루어진 것으로서, 온도나 전지의 열화 상태라는 환경조건에 관계없이, 전지의 잔여용량을 특히 방전 말기에서 극히 정확하게 산출할 수 있고, 전지의 수명을 연장시킬 수 있는 전지 용량 산출 방법, 전지 용량 산출 장치 및 전지 용량 산출 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명의 개시]
상술한 목적을 달성하는 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법은 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 전지 용량 산출 방법으로서, 상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하는 평형 전압 곡선 산출 공정과, 방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 측정하는 전압·전류 측정 공정과, 상기 전압·전류 측정 공정에서 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류값 I에 의거해서, 상기 2차 전지의 방전 용량 Qmea를 산출하는 방전 용량 산출 공정과, 상기 단자전압 Vmea에 대해서 직류저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 가산해서 외관상의 평형전압 Vocv를 산출하는 외관상의 평형 전압 산출 공정과, 상기 평형전압 곡선 산출 공정에서 산출한 상기 평형전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 평형전압 산출 공정에서 산출한 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하는 외관상의 방전용량 산출 공정과, 상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량어긋남 ΔQ를 산출하는 용량 어긋남 산출 공정과, 상기 용량 어긋남 산출 공정에서 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 예측 공정을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법은 방전시에 있어서의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 순차 측정하고, 이 단자전압 Vmea와 전류값 I에 의거해서, 방전 용량 Qmea와 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 이들 차분인 용량 어긋남 Q에 의거해서, 방전 말기를 포함하는 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 방전중에 예측한다. 이것에 의해, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법은 종래에서는 대략 완전히 방전되고 비로소 산출이 가능했던 정확한 잔여용량 및/또는 잔여전력을, 방전중에 구할 수 있다.
더욱 구체적으로는 상기 예측 공정에서는 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전 용량 산출 공정에서 산출한 상기 방전 용량 Qmea와 상기 용량 어긋남 산출 공정에서 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 방전 용량에 대한 용량 어긋남의 감소율 dQ가 산출되고, 상기 용량 어긋남 ΔQ와 상기 감소율 dQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre가 예측된다.
이 때, 상기 용량 어긋남 ΔQ는 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전용량 Qmea의 1차 함수로 나타내어지기 때문에, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 용이하게 예측하는 것이 가능해진다.
한편, 상기 예측 공정에서는 방전 말기가 아닌 경우에는 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 방전 용량 Qmea에 대응하는 평형 전압 Vequ가 산출되고, 상기 평형 전압 Vequ와 상기 단자전압 Vmea와의 차분인 전압강하 ΔV에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre가 예측된다.
그리고, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법은 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 의거해서 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행하고, 판정 결과에 따라서 상기 방전 곡선 Cpre의 예측 방법을 전환하는 전환 공정을 구비한다.
이것에 의해, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법은 특히 방전 말기에 있어서의 방전 곡선을 방전중에 극히 정확하게 예측하는 것이 가능해진다.
또, 상술한 목적을 달성하는 본 발명에 관한 전지 용량 산출 장치는 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 전지 용량 산출 장치로서, 방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea를 측정하는 전압 측정 수단과, 방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 전류값 I를 측정하는 전류 측정 수단과, 상기 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 연산 처리 수단을 구비하고, 상기 연산 처리 수단은 상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하고, 상기 전압 측정 수단에 의해서 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류 측정 수단에 의해 측정한 상기 전류값 I에 의거해서 상기 2차 전지의 방전용량 Qmea를 산출하고, 상기 단자전압 Vmea에 대해서 직류 저항 Rdc에 의한 전압 강하ΔVdc를 가산해서 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하고, 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량 어긋남 ΔQ를 산출하고, 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 본 발명에 관한 전지 용량 산출 장치는 방전시에 있어서의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 각각 전압 측정 수단 및 전류 측정 수단에 의해서 순차 측정하고, 이 단자전압 Vmea와 전류값 I에 의거해서 방전 용량 Qmea와 외관상의 방전 용량 Qocv를 연산 처리 수단에 의해서 산출하고, 이들 차분인 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 방전 말기를 포함하는 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 연산 처리 수단에 의해서 방전중에 예측한다. 이것에 의해, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 장치는 종래에는 대략 완전히 방전되고 비로소 산출이 가능했던 정확한 잔여용량 및/또는 잔여전력을, 방전중에 구하는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 목적을 달성하는 본 발명에 관한 전지 용량 산출 프로그램은 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 컴퓨터 실행 가능한 전지 용량 산출 프로그램으로서, 상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하는 평형 전압 곡선 산출 처리와, 방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 측정하는 전압·전류 측정 처리와, 상기 전압·전류 측정 처리로 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류값 I에 의거해서 상기 2차 전지의 방전 용량 Qmea를 산출하는 방전 용량 산출 처리와, 상기 단자전압 Vmea에 대해 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 가산하고 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하는 외관상의 평형 전압 산출 처리와, 상기 평형전압 곡선 산출처리로 산출한 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서 상기 평형 전압 산출 처리로 산출한 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하는 외관상의 방전 용량 산출 처리와, 상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량 어긋남 ΔQ를 산출하는 용량 어긋남 산출 처리와, 상기 용량 어긋남 산출 처리로 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 예측 처리를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 본 발명에 관한 전지 용량 산출 프로그램은 방전시에 있어서의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 순차로 측정하고, 이 단자전압 Vmea와 전류값 I에 의거해서 방전 용량 Qmea와 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 이들 차분인 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 방전 말기를 포함하는 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 방전중에 예측한다. 이것에 의해, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 프로 그램이 제공된 기기는 종래에는 대략 완전히 방전되고 비로소 산출이 가능했던 정확한 잔여용량 및/또는 잔여 전력을, 방전중에 구할 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
도 1은 방전을 정지시킨 경우에 있어서의 전압 변화를 설명하는 도면으로서, 본 발명의 실시 형태로서 나타내는 전지 용량 산출 방법의 원리에 대해 설명하기 위한 도면,
도 2는 방전시의 방전 용량에 대한 단자전압의 관계, 및 외관상의 평형 전압에 대한 외관상의 방전 용량의 관계를 설명하는 도면,
도 3은 방전 용량과 용량 어긋남과의 관계를 설명하는 도면,
도 4는 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선을 설명하는 도면,
도 5는 방전 용량과 전압과의 관계를 설명하는 도면으로서, 방전시의 단자전압과 평형 전압과의 차분인 전압강하에 의거해서, 잔여용량 및 잔여전력을 산출하는 방법을 설명하는 도면,
도 6은 방전 용량과 전압과의 관계를 설명하는 도면으로서, 방전시의 단자전압을 보정한 외관상의 평형 전압과 용량 어긋남에 의거해서, 방전 말기에 있어서의 방전 곡선을 예측하고, 잔여용량 및 잔여 전력을 산출하는 방법을 설명하는 도면,
도 7은 초기 전지의 평형 전압 곡선과 열화 전지의 평형 전압 곡선을 설명하는 도면으로서, 수축비에 의거해서 열화 전지의 평형 전압 곡선을 구하는 방법을 설명하는 도면,
도 8은 충전을 강제적으로 정지시킨 경우에 있어서, 전압 변화율의 절대값의 평방근이, 충전 정지로부터의 시간의 대수(對數 : 로그)에 대해서 대략 직선적으로 감소하는 모습을 설명하는 도면,
도 9는 같은(同) 전지 용량 산출 방법을 적용한 구체적인 전지 용량 산출 장치에 대해서 설명하는 블럭도,
도 10은 같은 전지 용량 산출 장치에 있어서 전지의 잔여용량 및 잔여전력을 산출할 때의 일련의 처리를 설명하는 흐름도,
도 11은 도 10에 도시하는 충전 처리 공정의 상세를 설명하는 흐름도,
도 12는 도 10에 도시하는 방전 처리 공정의 상세를 설명하는 흐름도,
도 13은 도 12에 도시하는 제1의 잔여용량 산출 공정의 상세를 설명하는 흐름도,
도 14는 도 12에 도시하는 제2의 잔여용량 산출 공정의 상세를 설명하는 흐름도,
도 15는 도 10에 도시하는 휴지 처리 공정의 상세를 설명하는 흐름도,
도 16은 단자전압과 잔여용량과의 관계를 설명하는 도면으로서, 초기전지와 열화 전지에서 특성이 변화하는 상태를 설명하는 도면,
도 17은 전압과 방전 용량과의 관계를 설명하는 도면으로서, 전지의 내부 임피던스에 의한 전압강하가 방전 용량에 의존해서 변화하는 상태를 설명하는 도면.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
이 실시 형태는 예를 들면 노트북형 퍼스널컴퓨터나 휴대전화기 등의 전자기기의 전원으로서 이용되는 리튬 이온 2차 전지 등의 2차 전지의 잔여용량을 산출하는 전지 용량 산출 방법이다. 이 전지 용량 산출 방법은 본건 출원인이 각종 조건하에서, 방전 말기에 있어서의 방전 곡선의 특징 및 2차 전지 내부의 물리화학적인 현상에 대해 검토를 하고, 방전시에 있어서의 단자전압과 전류값를 측정하는 것에 의해, 방전 말기에 있어서의 방전 곡선을 방전중임에도 불구하고 극히 정확하게 예측하는 것이 가능하다는 지견(知見)을 얻은 것에 의거한 것이다. 즉, 이 전지 용량 산출 방법은 2차 전지의 단자전압과 전류값을 순차 측정하고, 이 단자전압과 전류값에 의거해서 방전 말기를 포함하는 장래에 있어서의 방전 곡선을 방전중에 예측하는 것에 의해, 종래에는 대략 완전히 방전되고 비로소 산출이 가능했던 정확한 잔여용량을, 방전중에 구할 수 있는 것이다.
또한, 이하에서는 2차 전지를 단지 전지로 칭해서 설명하는 것으로 한다. 또, 이하의 설명에 있어서 평형전압이란, 전지의 단자를 개방시킨 상태에서 장기간 방치하고 전극 및 전해액의 내부 상태가 안정하게 되었을 때의 단자전압을 의미하며, 평형 전압 곡선이란, 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 곡선을 의미하는 것으로 한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 방전 곡선이란, 방전 용량과 단자전압과의 관계를 나타내는 곡선을 의미하며, 방전 용량에 대해서는 풀충전 상태시에 있어서의 용량을 "0"으로 정의하는 것으로 한다.
우선, 전지 용량 산출 방법의 원리에 대해서 설명하기 위해, 평형 전압 곡선과 방전 곡선과의 관계에 대해 도 1을 이용해서 설명한다.
전지는, 방전하고 있는 경우에는 통상 내부 임피던스의 영향에 의해, 방전시에 있어서의 전류값에 따라서, 단자전압 Vmea가 평형 전압 Vequ보다도 낮은 값을 취한다.
여기서, 같은 도면에 방전 곡선 Cdch의 시간 변화를 나타내는 바와 같이, 임의의 시각 t에서 방전을 정지하고, 전지의 단자를 개방한 경우를 생각한다. 이 경우, 단자전압은 방전 정지 직후에 급격히 증가한 후, 시간적으로 완만하게 증가하며, 소정의 시간만큼 전지를 방치해 두면, 그 시점에서의 방전 용량에 대응하는 평형 전압 Vequ에 일치한다.
이 현상은 전지의 내부 임피던스가, 전류값의 변화에 대해서 순시(瞬時)로 응답하는 성분과 늦게 응답하는 성분의 2종류로 대별되는 것을 나타내고 있다. 여기서는, 이 방전 정지 직후에 급격히 증가한 전압을, 외관상의 평형 전압 Vocv로 칭하는 것으로 한다. 또, 방전시에 있어서의 평형전압 Vequ와 단자전압 Vmea와의 차분으로 나타내어지는 전압강하 ΔV(=Vequ-Vmea)를, 방전 정지 후에 있어서의 전압 변화의 시정수(時定數)에 따라서 ΔVdc(=Vocv-Vmea)와 ΔVdi(=Vequ-Vocv)로 구별하고, 전자를 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc로 칭함과 동시에, 후자를 확산에 의한 전압강하 ΔVdi로 칭하는 것으로 한다.
구체적으로는, 직류 저항 Rdc는 전지를 구성하고 있는 전극과 전해액의 전지저항 및 전극과 전해액 계면에 생기는 과전압에 기인해서 생기는 것이다. 이 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc는 대략 옴의 법칙에 따라, 전류값 I와 직류 저항 Rdc와의 곱(積)으로 나타낼 수 있는 것이다.
한편, 확산에 의한 전압강하 ΔVdi는 전지 내부에서 전하를 옮기고 있는 화학물질의 농도 분포에 기인해서 생기는 것이며, 전해액중에서의 전하의 움직이기 쉬운 것에 관계하는 것이다. 반대로 말하면, 단자전압이 방전 정지 후에 이 확산에 의한 전압강하 ΔVdi의 분만큼 시간적으로 완만하게 상승하는 현상은, 방전시에 전하가 이동하는 것에 의해서 화학물질의 농도 분포에 치우침이 생기고 있던 경우에 있어서 방전을 정지시키면, 화학물질의 농도 분포를 균질하게 되돌리려고 하는 현상이 시간적으로 완만하게 생기는 것에 기인하는 것이라고 생각된다. 이 확산에 의한 전압강하 ΔVdi는 방전중에는 전지내부의 화학물질의 농도 분포가 항상 변화하고 있기 때문에, 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc와는 달리, 간이하게 표현할 수 없는 것이다.
그런데, 전지의 정확한 잔여용량을 산출하는 것은 방전 말기에 있어서의 방전 곡선을 정확하게 예측하는 것에 집약되지만, 방전 말기에 보여지는 내부 임피던스의 증가는 상술한 2종류의 내부 임피던스 성분 중, 전류값의 변화에 대해서 늦게 응답하는 성분에 지배적인 요인이 있는 것을 본건 출원인이 실험에 의해 확인하고 있다. 즉, 방전 말기에 보이는 내부 임피던스의 증가는 확산에 의한 전압강하 ΔVdi가 급격히 증가하기 때문에 생기는 현상인 것을 확인하였다. 따라서, 방전 말기에 있어서의 방전 곡선을 정확하게 예측하기 위해서는 이 확산에 의한 전압강하 ΔVdi를 정확하게 예측하는 것이 가장 중요한 사항으로 된다.
여기서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 방전 용량이 Qmea일 때 단자전압이 Vmea일 때를 생각하고, 이 단자전압 Vmea에 대해서, 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 가산한 외관상의 평형전압 Vocv에 착목(着目)한다. 또, 평형 전압 곡선 Cequ상에 있어서의 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 방전 용량 Qocv와 현재의 방전 용량 Qmea와의 차분을 용량 어긋남 ΔQ(=Qocv-Qmea)로 정의한다.
이 때, 전지 내부에서 전하를 옮기는 화학물질의 농도 분포가 발생하고 있지 않은 경우, 즉 화학물질의 농도 분포가 균질인 경우에는 외관상의 평형 전압 Vocv를 플로트한 곡선 Cdc와 평형 전압 곡선 Cequ가 일치하기 때문에, 용량 어긋남 ΔQ는 "0"이 된다. 따라서, 용량 어긋남 ΔQ는 전지 내부에서 발생하고 있는 화학물질의 농도 분포의 정도를 나타내는 척도인 것으로 생각된다.
그래서, 본건 출원인은 방전 용량과 용량 어긋남 ΔQ와의 관계를 상세히 구하였다. 그 결과, 방전 용량과 용량 어긋남 ΔQ와의 관계는 부하가 일정한 경우에는 전지가 어떠한 열화 상태, 온도, 부하였다고 해도 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같이, 방전 용량에 대한 용량 어긋남 ΔQ가 방전 말기에서 대략 직선형상으로 감소하는 특징을 갖는다는 지견이 얻어졌다. 즉, 용량 어긋남 ΔQ는 방전 용량 Qmea의 1차 함수(ΔQ=Qocv-Qmea=a·Qmea+b ; a, b는, 정수)로 나타내어진다는 지견이 얻어졌다. 이것은 방전에 의해서 생긴 전지 내부에서의 화학물질의 농도 분포가 방전 말기에서 축소하는 것을 나타내고 있다고 생각된다.
따라서, 방전중에 이 용량 어긋남 ΔQ를 순차 측정하고, 방전 말기에 있어서의 방전 용량에 대한 용량 어긋남 ΔQ의 선형적인 감소율을 산출하는 것에 의해, 그 시점으로부터의 장래에 있어서의 용량 어긋남 ΔQ를 용이하게 예측할 수 있고, 그 결과, 외관상의 평형 전압 Vocv를 예측할 수 있다. 그리고, 예측한 평형 전압 Vocv로부터 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 감산하는 것에 의해, 장래에 있어서의 방전 곡선을 정확하게 예측할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 방전 말기에 있어서 급격히 증가하는 확산에 의한 전압강하 ΔVdi의 현상을, 전압 방향의 변화로서 파악하는 것이 아니라, 용량 어긋남 ΔQ라는 용량 방향의 변화로서 파악할 수 있다는 완전히 새로운 관점으로부터 착목한 것으로서, 장래에 있어서의 용량 어긋남 ΔQ를 예측하는 것에 의해, 종래의 방법에서는 불가능하였던 방전 말기에 있어서의 정확한 방전 곡선의 예측을 가능하게 하고, 특히 방전 말기에 있어서의 잔여용량을 정확하게 산출할 수 있는 것이다.
한편, 이하에서는 이러한 원리에 근거하는 전지 용량 산출 방법에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 방법은 여기에서는 도시하지 않았지만, 적어도 전지의 단자전압 및 전지에 흐르고 있는 전류를 측정하는 회로와, 잔여용량을 산출하는 제어 회로로 구성되는 장치에 의해서 실현할 수 있다.
전지 용량 산출 방법에 있어서는 제어 회로 내부에 각종 정보를 기억시키는 기억부를 구비하고, 잔여용량을 산출하기 위해 이용하는 평형 전압 곡선을 이 기억부에 기억시켜 둔다. 이 평형 전압 곡선은 미리 산출해서 기억부에 기억시켜도 좋고, 또 어떠한 근사식을 이용해서 함수화하여 기억부에 기억시켜도 좋고, 더 나아가서는 방전 용량과 평형 전압을 대응시킨 테이블로서 기억부에 기억시켜도 좋다.
또, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전시에 있어서의 잔여용량의 산출에 앞서, 전지의 직류 저항 Rdc를 산출하고, 기억부에 기억시킨다. 이 직류 저항 Rdc는 충전시에 측정해도 좋지만, 충전시에 측정한 값을 이용하는 경우에는 충전시의 온도와 방전시의 온도가 다른 경우가 있기 때문에, 온도 보정을 행한다는 번잡한 처리가 필요하게 될 우려가 있다. 그래서, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전시에 직류 저항 Rdc를 측정하는 것으로 한다. 물론, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전중에 있어서도 온도변화가 생기는 경우가 있기 때문에, 이것을 고려해서 온도보정을 행해도 좋다. 또한, 직류 저항 Rdc는 예를 들면, 접속되는 전자기기의 전원 투입시나, 전자기기가 퍼스널컴퓨터 등인 경우에는 임의의 어플리케이션의 기동시와 같이, 큰 부하 변동이 생기는 기회를 이용하여, 그 부하 변동의 전후에 있어서의 전압 및 전류의 변화 dVmea, dI를 측정하는 것에 의해, Rdc=dVmea/dI로서 용이하게 산출할 수 있다.
이러한 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지가 사용 상태에 있을 때에는 전지의 단자전압 Vmea 및 전지에 흐르고 있는 전류값 I를 순차 측정하고, 전류 적산을 행하는 것에 의해서 현재의 방전 용량 Qmea를 산출한다. 또, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 기억부에 기억하고 있는 직류 저항 Rdc를 이용해서 전압강하 ΔVdc(=I·Rdc)와 외관상의 평형 전압 Vocv(=Vmea+ΔVdc=Vmea+I·Rdc)를 산출하고, 또한 기억부에 기억하고 있는 평형 전압 곡선을 이용해서 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 상술한 용량 어긋남 ΔQ(=Qocv-Qmea)를 구한다. 그리고, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 현재의 방전 용량 Qmea와 용량 어긋남 ΔQ를 대응지어 기억부에 기억시켜 두고, 과거 수회분의 방전 용량 Qmea와 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 용량 어긋남 ΔQ의 감소율 dQ를 산출한다.
여기서, 우선 도 3에 도시한 용량 어긋남 ΔQ의 감소율의 선형성(線形性)을 이용하는 잔여용량 산출은 방전 말기 부근의 특징을 파악한 것이기 때문에, 방전 말기 이외에는 이 방법을 이용할 수 없다. 그 때문에, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전중에 현재의 상태가 방전 말기에 가까운지의 여부를 판정하고, 이것에 따라서 처리 내용을 전환할 필요가 있다.
그래서, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지의 단자전압 Vmea에 대해, 직류 저항 Rdc와 전류값 I와의 곱으로 나타내어지는 전압강하 ΔVdc를 가산한 외관상의 평형 전압 Vocv를, 소정의 임계값과 비교하는 것에 의해, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행한다. 이것은 외관상의 평형 전압 Vocv가 도 4 중 파선부로 나타내는 바와 같이, 평형 전압 곡선의 기울기가 급격히 변화하는 변곡점(變曲点) 부근의 전압인 경우에, 도 3에 도시한 용량 어긋남 ΔQ 의 선형적인 감소가 발생한다는 지견을 본건 출원인이 실험에 의해 얻은 것에 근거한 것이다. 물론, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전 용량 Qmea나 측정한 단자전압 Vmea, 또는 이들의 조합에 의거해서 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 하도록 해도 좋고, 또 구한 용량 어긋남 ΔQ를 방전 용량 Qmea로 미분한 값이 일정하게 되는 것을 검출하는 것에 의해서 용량 어긋남 ΔQ의 감소율이 선형으로 된 것을 판정하도록 해도 좋다. 어느 방법을 이용한 경우에도, 전지용량 산출 방법에 있어서는 용량 어긋남 ΔQ의 감소율의 선형성을 이용하여 방전말기에 가까운지의 여부를 판정하는 것에 변함은 없다.
전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전 말기가 아닌 것으로 판정된 경우에는 도 5에 도시하는 바와 같이, 현재의 방전 용량 Qmea로부터 현재의 평형 전압 Vequ를 구하고, 그 때의 전압강하 ΔV를 산출하고, 예를 들면, 평형 전압 곡선 Cequ로부터 전압강하 ΔV를 공제하는 것에 의해서 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측한다. 그리고, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 예측한 방전 곡선 Cpre가 방전 정지 전압 Vcut을 하회할 때까지의 방전 용량 Qcut와 현재의 방전 용량 Qmea와의 차분을, 잔여용량 Qr로서 산출함과 동시에, 그때까지 예측한 전압으로 적분한 같은 도면 중 사선부로 나타내는 값을, 잔여전력 Wr로서 산출한다.
또한, 이러한 방법으로 잔여용량을 산출하는 경우에는 부하가 변동할 때마다 전압강하 ΔV가 변동하기 때문에, 잔여용량이 변동하게 된다. 이것을 회피하기 위해, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 현재까지의 최대 부하에 대응하는 최대 전압강하 ΔVmax를 이용해서 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하도록 해도 좋다. 또, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 정(定)전력 방전을 가정한 경우에는 방전함에 따라 전압이 저하하기 때문에 전류가 증가하고, 이것에 의해 전압강하가 커지는 것을 생각하여, 장래에 있어서의 전압강하 ΔV를 산출하도록 해도 좋다. 또한, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 과거에 대략 완전 방전을 행할 수 있던 경우에는, 이 때의 실제로 방전할 수 있었던 용량이나 전력을 이용해서, 산출한 잔여용량을 보정하도록 해도 좋다.
한편, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전 말기에 가까운 것으로 판정된 경우에는 도 6에 도시하는 바와 같이, 현재의 용량 어긋남 ΔQmea와 용량 어긋남의 dQ에 의거해서, 즉 용량 어긋남 ΔQ가 방전 용량 Qmea의 1차 함수(ΔQ=Qocv-Qmea=a·Qmea+b ; a, b는 정수)로 나타내어진다는 특징을 이용해서, 같은 도면 중 '●'(검은 동그라미)로 나타내는 장래에 있어서의 외관상의 평형 전압을 예측하고, 이들 외관상의 평형 전압으로부터 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 감산하는 것에 의해서, 장래에 있어서의 방전곡선 Cpre를 예측한다. 그리고, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 상술한 방전 말기가 아닌 것으로 판정된 경우와 대략 마찬가지로, 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 산출한다. 이 때, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 장래에 있어서의 전류값 I에 대해서는 현재의 전류값이나 현재까지의 최대 전류값을 장래에 걸쳐서 일정한 것으로 가정해도 좋고, 또 현재의 전력이나 최대 전력을 장래에 걸쳐서 일정한 것으로 가정해서 전류값의 변화를 생각해도 좋다.
또한, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 상술한 바와 같이, 잔여용량의 산출에 앞서, 평형 전압 곡선을 구해 둘 필요가 있지만, 이 평형 전압 곡선은 통상 전지의 열화에 따라 변화하기 때문에, 열화되어 있지 않은 초기 전지의 평형 전압 곡선이 아닌, 현재의 상태에 있어서의 열화 전지의 평형 전압 곡선을 구할 필요가 있다. 여기서, 평형 전압 곡선은 예를 들면 도 7에 도시하는 바와 같이, 그 형상이 초기 전지와 열화 전지에서 대략 상사형(相似形)으로 되는 것에 착목한다. 또한, 같은 도면에 있어서, 곡선 Cequn은 열화되어 있지 않은 초기 전지에 있어서의 평형 전압 곡선을 나타내고, 곡선 Cequo는 사용에 따라서 열화된 열화 전지에 있어서의 평형 전압 곡선을 나타내고 있다. 즉, 열화 전지의 평형 전압 곡선 Cequo는 초기 전지의 평형 전압 곡선 Cequn의 형상을 유지하면서 1방향으로 수축한 형상을 띠는 것으로 된다.
그래서, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 평형 전압 곡선 Cequn, Cequo가 서로 대략 상사형으로 되는 사실에 의거해서, 평형 전압 곡선 Cequn을 미리 파악해 두고, 열화 전지에 있어서의 적어도 2점의 평형 전압과 이들 평형 전압간의 용량을 구하는 것에 의해, 평형 전압 곡선의 용량 방향의 수축비 S, 즉, "열화 전지의 풀충전 용량/초기 전지의 풀충전 용량"을 산출할 수 있다. 예를 들면, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 같은 도면에 도시하는 바와 같이, 구한 열화 전지에 있어서의 2점의 평형 전압을 V1, V2로 하고, 이들 평형 전압 V1, V2에 대응하는 방전 용량이 Q1, Q2(Q2>Q1)인 것으로 하면, 평형 전압 곡선 Cequn상에 있어서 평형 전압이 V1, V2로 되는 방전 용량 Qini1, Qini2를 구하면, 수축비 S를 (Q2-Q1)/(Qini2-Qini1)로서 산출할 수 있다. 전지 용량 산출 방법에 있어서는 이 수축비 S에 의거해서 열화 전지의 평형 전압 곡선 Cequo를 구하고, 기억부에 기억시킬 수 있다.
또, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 평형 전압을 구하는 방법으로서, 전지의 이용자가 충전도 방전도 행하고 있지 않은 휴지(休止) 상태의 전압으로부터 구하는 방법이나, 충전을 강제적으로 정지시키고 그 후의 전압 변화로부터 평형 전압을 추정하는 방법 등을 이용할 수도 있다. 특히, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 이들 양자의 방법을 병용하고, 평형 전압을 구하는 기회를 늘리는 것이 바람직하다.
또한, 충전을 강제적으로 정지시킨 경우에는 예를 들면 도 8에 도시하는 바와 같이, 전압변화율(dV/dt)의 절대값의 평방근이, 충전 정지로부터의 시간의 대수에 대해 대략 직선적으로 감소한다는 지견을 본건 출원인이 실험에 의해서 얻고 있기 때문에, 이 방법에 의해, 충전 정지 후의 단시간에 있어서의 전압 변화에 의거해서 평형 전압을 추정하는 것이 가능해진다.
단, 이 수축비 S의 산출에 있어서는 구하는 평형 전압의 적어도 2점간의 용량을 충분히 크게 할 필요가 있기 때문에, 얕은 방전 심도에서의 충방전을 반복하고 있는 경우에는 충분한 정밀도에서의 산출이 곤란하지만, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 상술한 바와 같이, 용량 어긋남 ΔQ의 감소율의 선형성을 이용하는 잔여용량 산출을 행하는 것에 의해, 이러한 경우에도 충분한 정밀도로 방전 말기에 있어서의 잔여용량을 산출할 수 있는 취지가, 실험에 의해서 확인이 끝난 것이다.
한편, 이하에서는 이러한 전지 용량 산출 방법을 적용해서 소정의 전자기기의 전원으로서의 전지의 잔여용량을 산출하는 구체적인 전지 용량 산출 장치에 대해서 설명한다. 또한, 이하에서는 설명의 편의상, 풀충전 전압이 4. 2V이고, 방전 정지 전압이 3. 0V이고, 공칭 용량이 1800mAh인 직경 18㎜, 길이 65㎜의 리튬 이온 2차 전지의 잔여용량을 산출하는 전지 용량 산출 장치에 대해 설명한다. 또, 이하에서는 방전시의 전류값을 정(正), 충전시의 전류값을 부(負)로 해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치는 상술한 바와 같이, 적어도 전지의 단자전압, 및 전지에 흐르고 있는 전류를 측정하는 회로와, 잔여용량을 산출하는 제어 회로로 구성된다. 구체적으로는 예를 들면 도 9에 도시하는 바와 같이, 전지 용량 산출 장치(10)는 전자기기(20)의 전원으로서의 전지(1)의 단자전압을 측정하는 전압 측정 회로(11)와, 전지(1)에 흐르고 있는 전류를 측정하는 전류 측정 회로(12)와, 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 제어 회로(13)와, 전지(1)에 대한 충전의 정지 또는 개시를 전환하는 스위치(14)를 구비한다.
또한, 이들 각 부로 구성되는 전지 용량 산출 장치(10)는 소위 전지 팩으로서 전지(1)를 이용하는 전자기기(20)로부터 독립해서 구성되어도 좋고, 또 전지(1)를 포함시켜 전자기기(20)에 내장되어 있어도 좋다. 더 나아가서는 전지 용량 산출 장치(10)는 전지(1)만이 전자기기(20)로부터 독립해서 구성되어도 좋다.
전압 측정 회로(11)는 전지(1)의 단자전압을 측정한다. 전압 측정 회로(11)는 얻어진 아날로그값인 단자전압을 예를 들면 도시하지 않은 A/D (Analog to Digital) 변환기를 이용해서 디지탈값으로 변환하고, 제어회로(13)로 공급한다.
전류 측정 회로(12)는 전지(1)에 대해서 직렬로 접속되어 있는 예를 들면 20mΩ의 저항(2)에 있어서의 양단의 전압을 측정하는 것에 의해, 전지 (1)에 흐르고 있는 전류를 측정한다. 전류 측정 회로(12)는 아날로그값인 저항(2)에 있어서의 양단의 전압을 예를 들면 도시하지 않은 A/D 변환기를 이용해서 디지탈값으로 변환하고, 제어 회로(13)에 공급한다.
제어 회로(13)는 예를 들면 마이크로 프로세서 등의 각종 연산을 행하는 연산부(15)와, 각종 정보를 리라이트 가능하게 기억하는 기억부(16)와, 전자기기(20)와의 사이에서 각종 정보의 수수를 행하는 통신부(17)를 갖는다.
제어 회로(13)는 사전에 잔여용량을 산출하는 대상으로서의 전지(1)의 평형 전압 곡선을 기억부(16)에 기억시켜 둔다. 이 평형 전압 곡선은 상술한 바와 같이, 미리 산출해서 기억부(16)에 기억시켜도 좋고, 또 어떠한 근사식을 이용해서 함수화하여 기억부(16)에 기억시켜도 좋고, 더 나아가서는 방전 용량과 평형 전압을 대응시킨 테이블로서 기억부(16)에 기억시켜도 좋다. 또한 여기에서는 사전에 평형 전압 곡선을 산출하고, 기억부(16)에 기억시켜 두는 것으로 한다.
구체적으로는, 전지 용량 산출 장치(10)에 있어서는 전지(1)를 소정의 충방전기에 장착하고, 예를 들면, 충전 전류 1A 하에 4. 2V까지 정전류 충전을 행하고, 그 후, 4. 2V로 정전압 충전을 3시간 행하는 것에 의해, 해당 전지(1)를 풀충전 전압까지 충전한다. 그리고, 전지 용량 산출 장치(10)에 있어서는 예를 들면 1A로 10분간과 같이, 소정의 방전용량만큼 방전을 행한 후, 전지(1)의 단자를 개방해서 단자전압이 안정될 때까지 방치하고, 평형 전압을 구한다. 전지 용량 산출 장치(10)에 있어서는 이러한 측정을 단자전압이 소정의 방전 정지 전압, 즉 3. 0V로 될 때까지 반복해서 행하는 것에 의해, 평형 전압 곡선을 구한다. 또한, 단자전압이 안정될 때까지의 시간은 적어도 30분 이상 필요하다.
제어 회로(13)는 이와 같이 해서 구해진 평형 전압 곡선을 사전에 기억부(16)에 기억시켜 둔다. 그리고, 제어 회로(13)는 전압 측정 회로(11)로부터 공급된 전압과, 전류 측정 회로(12)로부터 공급된 전압으로부터 산출되는 전류값에 의거해서, 연산부(15)에 의해서 전지(1)의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출한다. 제어 회로(13)는 산출한 잔여용량 및/또는 잔여전력을 통신부(17)를 거쳐서 전자기기(20)에 대해 전달한다. 이 때, 제어 회로(13)는 전지(1)의 열화 상태를 아울러 검출하고, 이 정보를 통신부(17)를 거쳐서 전자기기(20)에 대해 전달하도록 해도 좋다.
스위치(14)는 제어 회로(13)로부터 공급되는 제어 신호에 의거해서 충전을 정지 또는 개시하기 위해서 설치되고, 충전중에 강제적으로 휴지 상태를 만들어 내는 것이다.
이러한 전지 용량 산출 장치(10)는 도 10에 도시하는 바와 같은 일련의 공정을 거치는 것에 의해, 전지(1)의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출한다. 또한, 같은 도면에 있어서의 스텝 S1 내지 스텝 S4의 처리는 예를 들면 1초와 같은 일정한 주기 Δt로 또는 불규칙으로 반복해서 행해지는 것이다. 여기서는 스텝 S1 내지 스텝 S4의 처리는 일정한 주기 Δt로 반복해서 행해지는 것으로 한다.
우선, 전지 용량 산출 장치(10)는 같은 도면에 도시하는 바와 같이, 스텝 S1에 있어서, 전압 측정 회로(11)에 의해서 단자전압 Vmea를 측정함과 동시에, 전류 측정 회로(12)에 의해서 전류값 I를 측정하고, 이들 단자전압 Vmea 및 전류값 I를 제어회로(13)에 의해서 취득한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S2에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 용량 적산을 행하고, 현재의 방전 용량 Qmea(=Qold-I×Δt)를 산출한다. 여기서, Q` old는 전회 산출한 방전 용량이다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S3에 있어서, 전류값 I에 의거해서 충전중인지의 여부를 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해 판정한다. 전지 용량 산출 장치(10)는 전류값 I가 부인 것으로 판정한 경우에는 충전중인 것으로 판정하고, 스텝 S5에 있어서의 충전 처리 공정으로 이행한다.
한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 전류값 I가 부가 아닌 것으로 판정한 경우에는 스탭 S4로 처리를 이행하여, 전류값 I에 의거해서 방전중인지 의 여부를 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해 판정한다. 전지 용량 산출 장치(10)는 전류값 I가 정인 것으로 판정한 경우에는 방전중인 것으로 판정하고, 스텝 S6에 있어서의 방전 처리 공정으로 이행하는 한편, 전류값 I가 정이 아닌 것으로 판정한 경우, 즉 전류값 I가 정부 어느 것도 아닌 "0"인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S7에 있어서의 휴지 처리 공정으로 이행한다.
그리고, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S5에 있어서의 충전 처리 공정, 스텝 S6에 있어서의 방전 처리 공정, 또는 스텝 S7에 있어서의 휴지 처리 공정 중의 어느 한쪽을 종료하면, 재차 스텝 S1로부터의 처리를 반복한다. 전지 용량 산출 장치(10)는 이러한 일련의 공정을 반복해서 행하는 것에 의해, 방전중에 전지(1)의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출할 수 있다.
이하에서는, 스텝 S5에 있어서의 충전 처리 공정, 스텝 S6에 있어서의 방전 처리 공정, 및 스텝 S7에 있어서의 휴지 처리 공정의 각각에 대해서 상세히 설명한다.
우선, 스텝 S5에 있어서의 충전 처리 공정에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 충전 처리 공정으로 이행하면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 스텝 S11에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 충전 용량이 소정값 이상인지의 여부를 판정한다. 예를 들면, 전지 용량 산출 장치(10)는 충전 개시부터 또는 충전의 강제 종료부터 500mAh 이상 충전했는지의 여부를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 충전 용량이 소정값 이상이 아닌 것으로 판정한 경우에는 그대로 일련의 충전 처리 공정을 종료하고, 도 10중 스텝 S1로 처리를 이행한다.
한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 충전 용량이 소정값 이상인 것으로 판정한 경우에는 도 11중 스텝 S12에 있어서, 제어 회로(13)로부터 스위치(14)에 대해 제어 신호를 공급하고, 충전을 강제적으로 정지시킨 후, 일련의 충전 처리 공정을 종료하고, 도 10중 스텝 S1로 처리를 이행한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 이러한 충전 처리 공정을 거치는 것에 의해, 충전중에 강제적으로 휴지 상태를 만들어 낼 수 있고, 이것을 이용해서 상술한 바와 같이, 평형 전압을 추정하는 것이 가능해진다.
다음에, 스텝 S6에 있어서의 방전 처리 공정에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 방전 처리 공정으로 이행하면, 도 12에 도시하는 바와 같이, 스텝 S21에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 방전 개시 직후인지의 여부를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 방전 개시 직후가 아닌 것으로 판정한 경우에는 스텝 S23으로 처리를 이행한다. 한편, 전지 용량 산출 장치 (10)는 방전 개시 직후인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S22에 있어서, 전압 측정 회로(11)에 의해서 측정한 방전 개시 직전에 있어서의 단자전압 Vb 및 방전개시 직후에 있어서의 단자전압 Va 및 전류측정회로(12)에 의해서 측정된 전류값 I에 의거하는 그 때의 전류값 변화 ΔI를 이용해서, 제어 회로(13) 에 있어서의 연산부(15)에 의해 직류 저항 Rdc(=dVmea/d1=(Vb-Va)/ΔI)를 산출한다. 또한, 이 때, 전지 용량 산출 장치(10)는 예를 들면 방전 개시 후 5초간이라는 평균 전압이나 평균 전류값을 이용해서, 직류 저항 Rdc를 산출하도록 해도 좋다. 전지 용량 산출 장치(10)는 직류 저항 Rdc를 산출하면, 스텝 S23으로 처리를 이행한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S23에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 단자전압 Vmea에 대해 직류 저항 Rdc와 전류값 I와의 곱을 가산하는 것에 의해, 외관상의 평형 전압 Vocv(=Vmea+Δ Vdc=Vmea+I·Rdc)를 산출한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S24에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 곡선 Cequ를 참조하여, 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 도 10 중 스텝 S2에서 구한 현재의 방전 용량 Qmea와 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량 어긋남 ΔQ(=Qocv-Qmea)를 산출하고, 현재의 방전 용량 Qmea와 용량 어긋남 ΔQ를 대응시켜 기억부(16)에 기억시킨다. 또한, 전지 용량 산출 장치(10)는 기억부(16)의 기억용량을 경감시키기 때문에, 전압 및 전류를 측정할 때마다 이 스텝 S24를 행할 필요는 없고, 방전 용량이 예를 들면 10mAh 이상 증가한 경우에만 행하도록 해도 좋다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 도 12 중, 스텝 S25에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억되어 있는 방전 용량 Qmea와 용량 어긋남 ΔQ를, 예를 들면 방전 용량으로 과거 50mAh분만큼 연산부(15)에 의해 읽어내고, 복수의 방전 용량 Qmea와 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 예를 들면 회귀 분석을 행하는 것에 의해서, 방전 용량에 대한 용량 어긋남의 감소율 dQ를 산출하고, 산출한 감소율 dQ를 기억부(16)에 기억시킨다.
그리고, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S26에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 방전 말기에 가까운지의 여부를 판정한다. 이 때, 전지 용량 산출 장치(10)는 상술한 바와 같은 각종 방법을 이용해서, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행할 수 있지만, 여기에서는 외관상의 평형 전압 Vocv를, 예를 들면 3. 6V의 임계값과 비교하는 것에 의해, 방전 말기에 가까운지의 여부를 판정하는 것으로 한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 외관상의 평형 전압 Vocv가 임계값보다 큰 것으로 판정한 경우에는 방전 말기가 아닌 것으로 판정하여, 스텝 S27에 있어서의 제1의 잔여용량 산출 공정으로 이행하는 한편, 외관상의 평형 전압 Vocv가 임계값 이하인 것으로 판정한 경우에는 방전 말기에 가까운 것으로 판정하여, 스텝 S28에 있어서의 제2의 잔여용량 산출 공정으로 이행한다.
여기서, 스텝 S27에 있어서의 제l의 잔여용량 산출 공정 및 스텝 S28 에 있어서의 제2의 잔여용량 산출 공정에 대해서 설명한다.
우선, 제1의 잔여용량 산출 공정에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 제1의 잔여용량 산출 공정으로 이행하면, 도 13에 도시하는 바와 같이, 스텝 S31에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 곡선 Cequ를 참조하여, 현재의 방전 용량 Qmea에 대응하는 평형 전압 Vequ를 산출하고, 산출된 평형 전압 Vequ와 현재의 단자전압 Vmea와의 차분인 전압강하 ΔV (=Vequ-Vmea)를 산출한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S32에 있어서, 각종 파라미터를 리세트해서 초기화한다. 구체적으로는 전지 용량 산출 장치(10)는 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 "0"으로 세트함과 동시에, 계산 용량 Qc로서 현재의 방전 용량 Qmea를 세트한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S33에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 계산 용량 Qc에 대해 예를 들면 1mAh 와 같은 소정량의 용량차(용량간격) ΔQc를 가산하고, 계산 용량 Qc를 갱신한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S34에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 곡선 Cequ를 참조하여, 스텝 S33에서 갱신한 계산 용량 Qc에 대응하는 평형 전압 Vequ를 산출하고, 산출한 평형 전압 Vequ로부터 스텝 S31에서 산출한 전압강하 ΔV를 감산하는 것에 의해, 예측 전압 Vpre(=Vequ-ΔV)를 산출한다. 이것에 의해, 전지 용량 산출 장치(10)는 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측할 수 있다.
그리고, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S35에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 예측 전압 Vpre를 방전 정지 전압 Vcut(=3. 0V)와 비교하고, 예측 전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut보다 큰지의 여부를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 예측 전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut보다 큰 것으로 판정한 경우에는 스텝 S36으로 처리를 이행하고, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 그 때까지의 잔여용량 Qr에 대해서 용량차 ΔQc를 가산함과 동시에, 그 때까지의 잔여전력 Wr에 대해서 용량간격 ΔQc와 평형 전압 Vequ와의 곱을 가산하고, 스텝 S33으로부터의 처리를 반복한다.
한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 예측 전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut 이하인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S37에 있어서 그 때까지의 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 출력해서 제어 회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억시키고, 또 필요에 따라서 통신부(17)를 거쳐서 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 전자기기(20)에 대해서 송신하고, 일련의 제l의 잔여용량 산출 공정을 종료한다.
이와 같이, 전지 용량 산출 장치(10)는 방전 말기가 아닌 것으로 판정한 경우에는 현재의 평형 전압 Vequ와 단자전압 Vmea와의 차분인 전압강하 ΔV를 산출하고, 평형 전압 Vequ로부터 전압강하 ΔV를 감산해서 예측 전압 Vpre를 산출하는 것에 의해, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측할 수 있고, 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 산출할 수 있다. 또한, 전지 용량 산출 장치(10)는 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 순차적으로 산출하지만, 이들 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 전자기기(20)에 대해서 순차 송신하는 것이 아니라, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 과거 수회분의 평균값을 산출하고, 이 평균값을 통신부(17)를 거쳐서 전자기기(20)에 대해서 송신하도록 해도 좋다.
다음에, 제2의 잔여용량 산출 공정에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 제2의 잔여용량 산출 공정으로 이행하면, 도 14에 도시하는 바와 같이, 스텝 S41에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해 단자전압 Vmea에 대해서 직류 저항 Rdc와 전류값 I와의 곱을 가산하는 것에 의해, 현재의 방전 용량 Qmea에 있어서의 외관상의 평형 전압 Vocv(=Vmea+ΔVdc=Vmea+I·Rdc)를 산출한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S42에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 곡선 Cequ를 참조하여, 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S43에 있어서, 각종 파라미터를 리세트해서 초기화한다. 구체적으로는 전지 용량 산출 장치(10)는 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 "0"으로 세트함과 동시에, 계산 용량 Qc로서 현재의 외관상의 방전 용량 Qocv를 세트한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S44에 있어서, 제어회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 계산 용량 Qc에 대해 예를 들면 1m Ah와 같은 소정량의 용량차 ΔQc를 가산하고, 계산 용량 Qc를 갱신한다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S45에 있어서, 제어 회로 (13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 곡선 Cequ를 참조하여, 스텝 S44에서 갱신한 계산 용량 Qc에 대응하는 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하고, 산출된 외관상의 평형 전압 Vocv로부터 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하를 감산하는 것에 의해, 예측 전압 Vpre (=Vocv-Rdc×I)를 산출한다. 이것에 의해, 전지 용량 산출 장치(10)는 방전 말기에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측할 수 있다.
그리고, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S46에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해 예측 전압 Vpre를 방전 정지 전압 Vcut(=3. 0V)와 비교하고, 예측 전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut보다 큰지의 여부를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 예측 전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut보다 큰 것으로 판정한 경우에는 스텝 S47로 처리를 이행하고, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 그 때까지의 잔여용량 Qr에 대해 ΔQc/(1-dQ)를 가산함과 동시에, 그 때까지의 잔여전력 Wr에 대해 ΔQc/ (1-dQ)와 예측 전압 Vpre와의 곱을 가산하고, 스텝 S44로부터의 처리를 반복한다.
한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 예측전압 Vpre가 방전 정지 전압 Vcut 이하인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S48에 있어서 그 때까지의 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 출력해서 제어회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억시키고, 또 필요에 따라서, 통신부(17)를 거쳐서 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 전자기기(20)에 대해서 송신하고, 일련의 제2의 잔여용량 산출 공정을 종료한다.
이와 같이, 전지 용량 산출 장치(10)는 방전 말기에 가까운 것으로 판정한 경우에는 현재의 방전 용량 Qmea에 있어서의 외관상의 평형 전압 Vocv와 방전 용량 Qocv를 산출하고, 외관상의 평형 전압 Vocv로부터 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하를 감산해서 예측 전압 Vpre를 산출하는 것에 의해, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측할 수 있고, 현재의 용량 어긋남 Qmea와 용량 어긋남의 감소율 dQ에 의거해서 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 산출할 수 있다. 또한, 전지 용량 산출 장치(10)는 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 순차적으로 산출하지만, 이들 잔여용량 Qr과 잔여전력 Wr을 전자기기(20)에 대해 순차 송신하는 것이 아니라, 상술한 바와 같이 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 과거 수회분의 평균값을 산출하고, 이 평균값을 통신부(17)를 거쳐서 전자기기(20)에 대해 송신하도록 해도 좋다
전지 용량 산출 장치(10)는 도 12에 도시한 방전 처리 공정에 있어서, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정에 따라서, 이들 제1의 잔여용량 산출 공정 또는 제2의 잔여용량 산출 공정을 전환해서 행한다. 전지 용량 산출 장치(10)는 이들 스텝 S27에 있어서의 제1의 잔여용량 산출 공정 또는 스텝 S28에 있어서의 제2의 잔여용량 산출 공정을 거친 후, 일련의 방전 처리 공정을 종료하고, 도 10 중 스텝 S1로 처리를 이행한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 이러한 방전 처리 공정을 거치는 것에 의해, 방전중에 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 산출할 수 있다. 특히, 전지 용량 산출 장치(10)는 방전 말기에서는 제2의 잔여용량 산출 공정으로 이행하는 것에 의해, 매우 정확하게 잔여용량 Qr 및 잔여전력 Wr을 산출할 수 있다.
마지막으로, 스텝 S7에 있어서의 휴지 처리 공정에 대해서 설명한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 휴지 처리 공정으로 이행하면, 도 15에 도시하는 바와 같이, 스텝 S51에 있어서, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15) 에 의해서 현재의 상태가 강제적으로 휴지된 강제 휴지 상태인지 통상의 휴지 상태인지를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 통상의 휴지 상태인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S52에 있어서 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 단자전압 Vmea가 안정되어 있는지의 여부를 판정한다. 구체적으로는 전지 용량 산출 장치(10)는 휴지 상태가 예를 들면 30분 이상과 같이 소정 시간 이상 계속되고 있는지의 여부에 따라 단자전압 Vmea가 안정되어 있는지의 여부를 판정한다. 전지 용량 산출 장치(10)는 단자전압 Vmea가 안정되어 있지 않은 것으로 판정한 경우에는 그대로 일련의 휴지 처리 공정을 종료하고, 도 10 중 스텝 S1로 처리를 이행한다. 한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 단자전압 Vmea가 안정되어 있는 것으로 판정한 경우에는 도 15 중 스텝 S53에 있어서, 그 때의 단자전압 Vmea를 평형 전압 Vequ로서 전압 측정 회로(11)에 의해서 측정하고, 이 평형 전압 Vequ를 현재의 방전 용량 Qmea와 대응시켜 제어 회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억시키고, 스텝 S58로 처리를 이행한다.
한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S51에서 강제 휴지 상태인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S54에 있어서 전압 측정 회로(11)에 의해서 측정한 단자전압 Vmea를 순차적으로 제어 회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억시키고, 스텝 S55에 있어서 연산부(15)에 의해 강제 휴지 상태가 계속되고 있는 시간을 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 강제 휴지 상태가 계속되고 있는 시간이 예를 들면 1분과 같이 소정 시간 t미만인 것으로 판정한 경우에는 그대로 일련의 휴지처리공정을 종료하고, 도 10 중 스텝 S1로 처리를 이행한다. 한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 강제 휴지 상태가 계속되고 있는 시간이 소정 시간 t이상인 것으로 판정한 경우에는 스텝 S56에 있어서 제어 회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억되어 있는 단자전압 Vmea의 시간 변화에 의거해서 연산부(15)에 의해 평형 전압 Vequ를 추정하고, 이 평형 전압 Vequ를 그 때의 방전 용량 Qmea와 대응시켜 기억부(16)에 기억시킨다.
그리고, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S57에 있어서, 제어회로(13)로부터 스위치(14)에 대해 제어 신호를 공급하고, 충전을 재개시킨다.
계속해서, 전지 용량 산출 장치(10)는 스텝 S58에 있어서, 제어회로(13)에 있어서의 기억부(16)에 기억되어 있는 평형 전압 Vequ의 개수(個數)를 판정한다.
여기서, 전지 용량 산출 장치(10)는 평형 전압 Vequ의 개수가 2개 미만인 것으로 판정한 경우에는 그대로 일련의 휴지 처리 공정을 종료하고, 도 10중 스텝 S1로 처리를 이행한다. 한편, 전지 용량 산출 장치(10)는 평형 전압 Vequ의 개수가 2개 이상인 것으로 판정한 경우에는 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 그 때의 평형 전압 곡선 Cequ에 있어서의 수축비 S를 산출해서 일련의 휴지 처리 공정을 종료하고, 도 10 중 스텝 S1로 처리를 이행한다. 예를 들면, 전지 용량 산출 장치(10)는 먼저 도 7에 도시한 바와 같이, 구해져 있는 평형 전압이 V1, V2이고, 이들 평형 전압 V1, V2 에 대응하는 방전 용량이 Q1, Q2(Q2>Q1)인 것으로 하면, 제어 회로(13)에 있어서의 연산부(15)에 의해서 기억부(16)에 기억되어 있는 초기 전지의 평형 전압 곡선을 참조하여, 평형 전압 V1, V2로 되는 방전 용량 Qini1, Qini2를 구하고, 수축비 S를 (Q2-Q1)/(Qini2-Qini1)로서 산출한다.
전지 용량 산출 장치(10)는 이러한 휴지 처리 공정을 거치는 것에 의해, 평형전압 Vequ를 구할 수 있고, 이것을 이용해서 상술한 바와 같이, 현재의 상태에 있어서의 열화 전지의 평형 전압 곡선을 정확하게 구할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태로서 기술한 전지 용량 산출 방법에 있어서는 방전중의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 측정하고, 용량 어긋남 ΔQ를 산출하는 것에 의해, 방전 말기를 포함한 장래에 있어서의 방전 곡선을 방전중에 예측할 수 있어, 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출할 수 있다 . 특히, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 종래에는 대략 완전히 방전되고 비로소 산출이 가능하였던 방전 말기에 있어서의 정확한 잔여용량을, 온도나 전지의 열화 상태와 같은 환경조건에 관계없이, 다 방전되기 이전에 예측할 수 있다.
따라서, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지의 용량을 대략 완전히 다 사용할 수 있어, 전자기기의 실사용 시간을 길게 할 수 있다.
또, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 종래에는 특히 열화된 전지의 용량을 대략 완전히 사용할 수 없는 것에 기인해서 생기고 있던 전지의 열화를 경감시킬 수 있어, 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지를 대략 완전히 실사용 환경하에서 방전시킬 수 있으므로, 그 시점으로부터의 풀충전까지의 충전 용량을 측정하는 것에 의해, 전지가 어떠한 열화품이었다고 해도, 정확한 풀충전 용량을 산출할 수 있다. 그 결과, 전지 용량 산출 방법에 있어서는 전지의 열화 정도를 정확하게 파악할 수 있게 되고, 이것에 의해, 전지의 이용자에 대해서 해당 전지의 교환 시기를 정확하게 명시하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상술한 실시 형태에서는 전지의 예로서 리튬 이온 2차 전지를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 임의의 각종 2차 전지에 적용할 수 있는 것이다.
또, 상술한 실시 형태에서는 전지 용량 산출 장치(10)에 의한 측정 대상으로서의 전지가 1개인 것과 같이 설명했지만, 본 발명은 서로 직렬로 접속된 복수의 전지나, 서로 병렬로 접속된 복수의 전지, 더 나아가서는 이들 조합된 복수의 전지에 대해서도 적용할 수 있다. 이 경우, 잔여용량의 산출에 있어서는 각 전지의 단자전압 및 전류값을 측정하고, 각 전지의 잔여용량을 산출하는 것이 바람직하지만, 조(組) 전지 전체의 단자전압 및 전류값을 측정하고, 조(組) 전지 전체의 잔여용량을 산출하도록 해도 좋다.
또한, 상술한 실시 형태에서는 전지 용량 산출 방법을 적용한 구체적인 장치로서의 전지 용량 산출 장치(10)에 대해 설명했지만, 본 발명은 전자기기가 예를 들면 퍼스널컴퓨터 등인 경우에는 이 전자기기에 의해서 실행 가능한 프로그램으로서 실현될 수도 있다. 이 경우, 이 프로그램은 전자기기에 대해 프리 인스톨되어 제공되어도 좋고, 예를 들면 CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) 등의 각종 기록 매체에 기록된 상태로 반포되어도 좋으며, 또 소정의 통신회선을 거쳐서 반포되어도 좋다.
이와 같이, 본 발명은 그 취지를 이탈하지 않은 범위에서 적절히 변경이 가능한 것은 물론이다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법, 전지 용량 산출 장치 및 전지 용량 산출 프로그램은 각각, 방전시에 있어서의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 순차 측정하고, 이 단자전압 Vmea와 전류값 I에 의거해서, 방전 용량 Qmea와 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 이들 차분 어긋남 ΔQ에 의거해서, 방전 말기를 포함한 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 방전중에 예측하는 것에 의해, 종래에는 대략 완전히 방전되고 나서 비로소 산출이 가능하였던 잔여용량 및/또는 잔여 전력을 어떠한 환경조건에서도 방전중에 정확하게 구할 수 있다.
따라서, 본 발명에 관한 전지 용량 산출 방법, 전지 용량 산출 장치,및 전지 용량 산출 프로그램은 각각, 2차 전지의 용량을 대략 완전히 다 사용할 수 있기 때문에, 이 2차 전지를 전원으로 하는 전자기기의 실사용 시간을 길게 할 수 있어, 2차 전지의 열화를 경감시켜 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (31)

  1. 2차 전지의 잔여(殘)용량 및/또는 잔여(殘)전력을 산출하는 전지 용량 산출 방법으로서,
    상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하는 평형 전압 곡선 산출 공정과,
    방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 측정하는 전압·전류 측정 공정과,
    상기 전압·전류 측정 공정에서 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류값 I에 의거해서, 상기 2차 전지의 방전 용량 Qmea를 산출하는 방전 용량 산출 공정과,
    상기 단자전압 Vmea에 대해서 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc 를 가산해서 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하는 외관상의 평형 전압 산출 공정과,
    상기 평형 전압 곡선 산출 공정에서 산출한 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 평형 전압 산출 공정에서 산출한 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하는 외관상의 방전 용량 산출 공정과,
    상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분(差分)인 용량 어긋남 ΔQ를 산출하는 용량 어긋남 산출 공정과,
    상기 용량 어긋남 산출 공정에서 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 예측 공정을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예측 공정에서는, 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전 용량 산출 공정에서 산출한 상기 방전 용량 Qmea와 상기 용량 어긋남 산출 공정에서 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 방전 용량에 대한 용량 어긋남의 감소율 dQ가 산출되고, 상기 용량 어긋남 ΔQ와 상기 감소율 dQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre가 예측되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용량 어긋남 ΔQ는, 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전 용량 Qmea의 1차 함수로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예측 공정에서는, 방전 말기가 아닌 경우에는 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 방전 용량 Qmea에 대응하는 평형 전압 Vequ가 산출되고, 상기 평형 전압 Vequ와 상기 단자전압 Vmea와의 차분인 전압 강하 ΔV에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre가 예측되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예측 공정에서는 상기 평형 전압 곡선 Cequ로부터 상기 전압강하 ΔV가 공제되는 것에 의해서 상기 방전 곡선 Cpre가 예측되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 예측 공정에서는 상기 전압강하 ΔV 대신에, 현재까지의 최대 부하에 대응하는 최대 전압강하 ΔVmax가 이용되어 상기 방전 곡선 Cpre가 예측되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 예측 공정에서 예측한 상기 방전 곡선 Cpre에 의거해서, 상기 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 잔여용량·잔여전력 산출 공정을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 의거해서, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행하고, 판정 결과에 따라서 상기 방전 곡선 Cpre의 예측 방법을 전환하는 전환공정을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전환 공정에서는 상기 외관상의 평형 전압 Vocv가 소정의 임계값과 비교되고, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정이 행해지는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외관상의 평형 전압 산출 공정에서는 전류 변화에 따른 전압변화에 의거해서, 상기 직류 저항 Rdc가 산출되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외관상의 평형 전압 산출 공정에서는 평균 전압 및 평균 전류값에 의거해서, 상기 직류 저항 Rdc가 산출되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 평형 전압 곡선 산출 공정에서는 적어도 2점의 평형 전압과 이들 평형 전압간의 용량에 의거해서, 상기 평형 전압 곡선 Cequ가 산출되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 평형 전압 곡선 산출 공정에서는 적어도 2점의 평형 전압과 이들 평형 전압간의 용량에 의거해서, 상기 2차 전지의 풀(full, 滿)충전 용량을 열화되어 있지 않은 초기 전지의 풀충전 용량으로 제산(除算)한 몫으로 나타내어지는 수축비 S가 산출되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 평형 전압 곡선 산출 공정에서는 충전을 강제적으로 정지시키고 그 후의 전압 변화로부터 평형 전압이 구해지는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 잔여용량·잔여전력 산출 공정에서는 산출한 상기 잔여용량 및/또는 상기 잔여전력이, 상기 2차 전지를 전원으로 하는 전자기기에 대해 전달되는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 방법.
  16. 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 전지 용량 산출 장치로서,
    방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea를 측정하는 전압 측정 수단과,
    방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 전류값 I를 측정하는 전류 측정 수단과,
    상기 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 연산 처리 수단을 구비하고,
    상기 연산 처리 수단은 상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하고, 상기 전압 측정 수단에 의해서 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류 측정 수단에 의해서 측정한 상기 전류값 I에 의거해서, 상기 2차 전지의 방전 용량 Qmea를 산출하고, 상기 단자전압 Vmea에 대해 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc를 가산해서 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하고, 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하고, 상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량 어긋남 ΔQ를 산출하고, 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전 용량 Qmea와 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 방전 용량에 대한 용량 어긋남의 감소율 dQ를 산출하고, 상기 용량 어긋남 ΔQ와 상기 감소율 dQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 용량 어긋남 ΔQ는 방전 말기에 가까운 경우에는 상기 방전 용량 Qmea의 1차 함수로 나타내어지는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 방전 말기가 아닌 경우에는 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 방전 용량 Qmea에 대응하는 평형 전압 Vequ를 산출하고, 상기 평형 전압 Vequ와 상기 단자전압 Vmea와의 차분인 전압강하 ΔV에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 상기 평형 전압 곡선 Cequ로부터 상기 전압강하 ΔV를 공제하는 것에 의해서 상기 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것
    을 특징으로 하는전지 용량 산출 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 상기 전압강하 ΔV 대신에, 현재까지의 최대 부하에 대응하는 최대 전압강하 ΔVmax를 이용해서 상기 방전 곡선 Cpre를 예측하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 예측한 상기 방전 곡선 Cpre에 의거해서, 상기 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 의거해서, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행하고, 판정 결과에 따라서 상기 방전 곡선 Cpre의 예측 방법을 전환하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 상기 외관상의 평형 전압 Vocv를 소정의 임계값과 비교하고, 방전 말기에 가까운지의 여부의 판정을 행하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 전류 변화에 따른 전압 변화에 의거해서, 상기 직류 저항 Rdc를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 평균 전압 및 평균 전류값에 의거해서, 상기 직류 저항 Rdc를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  27. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 적어도 2점의 평형 전압과 이들 평형 전압간의 용량에 의거해서, 상기 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 적어도 2점의 평형 전압과 이들 평형 전압간의 용량에 의거해서, 상기 2차 전지의 풀충전 용량이 열화되어 있지 않은 초기 전지의 풀충전 용량으로 제산한 몫으로 나타내어지는 수축비 S를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  29. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단은 충전을 강제적으로 정지시키고 그 후의 전압 변화로부터 평형 전압을 구하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  30. 제16항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단에 의해서 산출한 상기 잔여용량 및/또는 상기 잔여전력을, 상기 2차 전지를 전원으로 하는 전자기기에 대해 전달하는 전달 수단을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 장치.
  31. 2차 전지의 잔여용량 및/또는 잔여전력을 산출하는 컴퓨터 실행 가능한 전지 용량 산출 프로그램으로서,
    상기 2차 전지에 있어서의 방전 용량과 평형 전압과의 관계를 나타내는 평형 전압 곡선 Cequ를 산출하는 평형 전압 곡선 산출 처리와,
    방전시에 있어서의 상기 2차 전지의 단자전압 Vmea와 전류값 I를 측정하는 전압·전류 측정 처리와,
    상기 전압·전류 측정 처리로 측정한 상기 단자전압 Vmea 및 상기 전류값 I에 의거해서, 상기 2차 전지의 방전 용량 Qmea를 산출하는 방전 용량 산출 처리와,
    상기 단자전압 Vmea에 대해서 직류 저항 Rdc에 의한 전압강하 ΔVdc 를 가산하여 외관상의 평형 전압 Vocv를 산출하는 외관상의 평형 전압 산출 처리와,
    상기 평형 전압 곡선 산출 처리로 산출한 상기 평형 전압 곡선 Cequ에 의거해서, 상기 평형 전압 산출 처리로 산출한 상기 외관상의 평형 전압 Vocv에 대응하는 외관상의 방전 용량 Qocv를 산출하는 외관상의 방전 용량 산출 처리와,
    상기 방전 용량 Qmea와 상기 외관상의 방전 용량 Qocv와의 차분인 용량 어긋남 ΔQ를 산출하는 용량 어긋남 산출 처리와,
    상기 용량 어긋남 산출 처리로 산출한 상기 용량 어긋남 ΔQ에 의거해서, 장래에 있어서의 방전 곡선 Cpre를 예측하는 예측 처리를 구비하는 것
    을 특징으로 하는 전지 용량 산출 프로그램.
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