TWI586981B - 電池狀態監視電路以及電池裝置 - Google Patents

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Atsushi Sakurai
Hiroshi Mukainakano
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Description

電池狀態監視電路以及電池裝置
本發明是有關於一種偵測二次電池的電壓或異常的電池狀態監視電路及電池裝置，特別是有關於一種搭載有二次電池的剩餘量預測功能及劣化診斷功能的電池狀態監視電路及電池裝置。
圖5表示具備習知的電池狀態監視電路的電池裝置的概略圖。具備習知的電池狀態監視電路的電池裝置包括二次電池501、電流源511、電流源512以及開關電路510。二次電池501可藉由電池電容502、電阻503、電阻504、及電容505而以等效電路的形式表現。開關電路510以將電流源511與電流源512切換的方式動作。電流源511與電流源512流通分別不同的電流值I1與電流值I2的電流。
藉由開關電路510而切換電流源511與電流源512，使向二次電池501的充電電流週期性地變化。然後，測定各時間點的二次電池的電壓，求出電阻503與電阻504的電阻值。
揭示利用上述多個電阻值，進行二次電池的壽命診斷的一種方法(例如，參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2000-133322號公報
然而，習知技術中存在如下課題：必須於充電中以規定週期使充電電流變化，並測定各電壓，從而充電器及充電方法存在限制。此外，存在如下課題：於存在二次電池使用時的電流或電壓變動時，難以計算出二次電池的內部電阻。而且，存在如下課題：必須利用近似式計算來進行二次電池的壽命診斷。
本發明是為了解決如上課題創作而成的，提供一種電池狀態監視電路及電池裝置，無論使用何種充電器，均可一面充電一面預測二次電池的剩餘量，即便於存在二次電池的電流或電壓變動時或放電亦可預測二次電池的剩餘量，且可進行不依賴近似式的二次電池的壽命診斷。
為了解決習知的課題，具備本發明的電池狀態監視電路的電池裝置為如下構成。
一種電池狀態監視電路，其包括：二次電池的虛擬等效電路；感測電阻，用以檢測二次電池的充放電電流；電壓電流轉換 器，其輸入端子連接於感測電阻的兩端，輸出端子連接於虛擬等效電路，並測定感測電阻的兩端的電壓，使與充放電電流相應的電流流向虛擬等效電路；第一類比數位(analog to digital，A/D)轉換器，監視第一端子的電壓；第二類比數位轉換器，監視虛擬等效電路的開放電壓；以及運算電路，根據第一類比數位轉換器的輸出信號與第二類比數位轉換器的輸出信號，檢測二次電池的剩餘量。
根據具備本發明的電池狀態監視電路的電池裝置，具有如下效果：即便於使用一般的充電器進行充電，且存在二次電池的電流或電壓變動時，亦可精度良好地預測二次電池的剩餘量，且可進行不依賴近似式的二次電池的壽命診斷。
11、21、111、211‧‧‧電池狀態監視電路
101、501‧‧‧二次電池
102、502‧‧‧電池電容
103、104、113、114、503、504‧‧‧電阻
105、112、115、505‧‧‧電容
106‧‧‧正極端子
107‧‧‧負極端子
116‧‧‧VDD端子
117‧‧‧VSS端子
118、119‧‧‧類比數位轉換器
120‧‧‧運算電路
121‧‧‧感測電阻
122‧‧‧電壓電流轉換器
123、124‧‧‧定電流電路
126‧‧‧通信電路
127‧‧‧電容連接端子
128‧‧‧外部連接端子
129‧‧‧輸出端子
131、132‧‧‧外部端子
212、510‧‧‧開關電路
511、512‧‧‧電流源
I1、I2‧‧‧電流值
圖1是具備第一實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。
圖2是具備第一實施方式的另一例的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。
圖3是具備第二實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。
圖4是具備第二實施方式的另一例的電池狀態監視電路的電 池裝置的方塊圖。
圖5是具備習知的電池狀態監視電路的電池裝置的概略圖。
以下，參照圖式對本實施方式進行說明。
<第一實施方式>
圖1是具備第一實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。具備第一實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置包括電池狀態監視電路11、二次電池101、電容112、以及連接充電器或負載的外部端子131及外部端子132。
二次電池101包括正極端子106及負極端子107。二次電池101可藉由電池電容102、電阻103、電阻104、及電容105而以等效電路的形式表現。
電池狀態監視電路11包括VDD端子116、VSS端子117、電容連接端子127、外部連接端子128、及輸出端子129。
二次電池101為負極端子107連接於電池狀態監視電路11的VSS端子117，正極端子106連接於電池狀態監視電路11的VDD端子116。
電容112連接於電池狀態監視電路11的電容連接端子127與VSS端子117之間。
電池狀態監視電路11為VDD端子116連接於外部端子131，外部連接端子128與外部端子132連接。
電池狀態監視電路11包括電阻113、電阻114、電容115、類比數位轉換器118、類比數位轉換器119、運算電路120、感測電阻121、電壓電流轉換器122以及通信電路126。類比數位轉換器118監視二次電池101的電壓。類比數位轉換器119監視電容連接端子127的電壓。
串聯連接的電阻113與電阻114以及與電阻114並聯連接的電容115連接於電容連接端子127與電壓電流轉換器122的輸出端子之間。感測電阻121連接於外部連接端子128與VSS端子117之間。電壓電流轉換器122為於第一輸入端子與第二輸入端子連接感測電阻121的兩端。類比數位轉換器118為輸入端子連接於VDD端子116。類比數位轉換器119為輸入端子連接於電容連接端子127。運算電路120為第一輸入端子與類比數位轉換器118的輸出端子連接，第二輸入端子與類比數位轉換器119的輸出端子連接。通信電路126為輸入端子連接於運算電路120的輸出端子，輸出端子連接於電池狀態監視電路11的輸出端子129。雖未圖示，但電壓電流轉換器122等為VDD端子116與VSS端子117分別連接於正負電源端子。
其次，對第一實施方式的電池狀態監視電路的動作進行說明。
電容112、電阻113、電阻114、及電容115構成與二次電池101的等效電路相同的電路。
將電池電容102的電容值設為Cbat，將電阻103的電 阻值設為Rb1，將電阻104的電阻值設為Rb2，將電容105的電容值設為Cb。將電容112的電容值設為Cmdb，將電阻113的電阻值設為Rmd1，將電阻114的電阻值設為Rmd2，將電容115的電容值設為Cmd。若電池電容Cbat與電容Cmdb存在Cmdb÷Cbat=N(N為常數)的關係，則其他元件以Cmd=Cb×N、Rmd1=Rb1÷N、Rmd2=Rb2÷N的方式設定。若將流向二次電池101的電流設為Ibat，則設定為Imd=Ibat×N。充電電流與放電電流存在符號相反的關係。電流Imd為於電壓電流轉換器122的輸出端子與VSS端子117間流通的電流。
充電電流Ibat自外部端子131流向二次電池101、自VSS端子117經由感測電阻121流向外部連接端子128，接著流向外部端子132。只要測定VSS端子117與外部端子128的端子間的電阻值Rs便能獲得感測電阻121的電阻值。因此，若利用電壓電流轉換器122來測定感測電阻121的兩端的電壓Vs，便可知電流Ibat的值(Vs/Rs)，從而可求出電流Imd。電壓電流轉換器122可藉由電流Imd經由電阻114與電阻113而對電容112進行充電或放電。藉由以此方式動作，可利用電池狀態監視電路11與電容112，虛擬地進行二次電池101的充放電。
因此，只要利用類比數位轉換器119測定電容連接端子127的電壓，便可虛擬地獲得二次電池101的電池電容102的電壓值(開放電壓)。然後，將該測定值向運算電路120輸入。運算電路120儲存二次電池101的開放電壓的上限值與下限值， 並利用運算電路120比較並計算上述上限值與下限值及測定值，藉此可預測二次電池101的剩餘量。將該剩餘量預測值經由通信電路126而向輸出端子129輸出，例如發送至連接於外部的設備。
此處，為了精度良好地進行剩餘量預測，例如，只要以電容112具有與電容102類似的特性，且電容115具有與電容105類似的特性的方式進行選擇即可。此外，只要以電阻113具有與電阻103類似的特性，且電阻114具有與電阻104類似的特性的方式進行選擇即可。
另外，雖未圖示，亦可藉由開關電路，使類比數位轉換器119的輸入端子，切換地連接於電容連接端子127與電阻114的第二端子。若如此，則可檢測出因二次電池101的經時變化所致的內部阻抗的增加。因此，利用該檢測結果，修正電容112的電壓，藉此可精度更良好地進行剩餘量預測。
此外，可利用類比數位轉換器118來測定二次電池101的電壓。亦可預先測定二次電池101的無負載時的電壓與電流流通時的電流與電壓，利用運算電路來計算電阻103與電阻104的電阻值並記憶於運算電路。可將該電阻值與初始值進行比較，來判斷二次電池的內部電阻即電阻103與電阻104的劣化程度。
此外，亦可藉由運算電路120，對利用類比數位轉換器118所測定的二次電池101的無負載時的電壓、與利用類比數位轉換器119所測定的電容連接端子127的電壓進行比較。
此外，雖未圖示，亦可搭載溫度測定電路並使運算電路120保持溫度資訊，考慮溫度特性變化而對Imd、設為可變電阻的電阻114、或設為可變電阻的電阻113進行修正。
此外，感測電阻121既可內置於電池狀態監視電路11，亦可由外裝零件構成。
圖2是具備第一實施方式的另一例的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。如此，亦可於VDD端子116與電容連接端子127之間設置開關電路212。
以此方式構成的電池狀態監視電路21中，於不向二次電池101流通充放電電流時使開關電路212短路(short)，於開關電路212短路的期間，可使電容112的電壓與二次電池101的電壓相等。
其他的動作與圖1的電池狀態監視電路11相同，因此，可精度良好地預測二次電池101的剩餘量。
另外，開關電路212亦可以任意的週期重複開路(open)與短路。
如以上所說明，根據具備第一實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置，可僅藉由測定電容連接端子127的電壓值而精度良好地預測二次電池101的剩餘量。
<第二實施方式>
圖3是具備第二實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。以下，對與第一實施方式的電池狀態監視電路的不同進 行說明。
電池狀態監視電路111更包括定電流電路123及定電流電路124。運算電路120更包括第二輸出端子及第三輸出端子。
定電流電路123連接於VDD端子116與電容連接端子127之間，運算電路120的第二輸出端子連接於定電流電路123的控制端子。定電流電路124連接於電容連接端子127與VSS端子117之間，運算電路120的第三輸出端子連接於定電流電路124的控制端子。
其次，對第二實施方式的電池狀態監視電路的動作進行說明。
關於使二次電池101的等效電路為虛擬電路，由於與第一實施方式的電池狀態監視電路相同，故而省略說明。
運算電路120對利用類比數位轉換器118所測定的二次電池101的無負載時的電壓、與利用類比數位轉換器119所測定的電容112的電壓進行比較。此時，當比較後的電壓存在差時，運算電路120控制定電流電路123與定電流電路124，使電容112的電壓與二次電池101的無負載時的電壓變得相等。藉由此種構成，電池狀態監視電路111可精度良好地預測二次電池101的剩餘量。
圖4是具備第二實施方式的另一例的電池狀態監視電路的電池裝置的方塊圖。如此，亦可於VDD端子116與電容連接端子127之間設置開關電路212。
以此方式構成的電池狀態監視電路211中，於不向二次電池101流通充放電電流時使開關電路212短路，於開關電路212短路的期間，可使電容112的電壓與二次電池101的電壓相等。
其他的動作與圖3的電池狀態監視電路111相同，因此，可精度更良好地預測二次電池101的剩餘量。
另外，開關電路212亦可以任意的週期重複開路與短路。
如以上所說明，根據具備第二實施方式的電池狀態監視電路的電池裝置，可僅藉由測定電容連接端子127的電壓值而精度良好地預測二次電池101的剩餘量。
另外，第一實施方式及第二實施方式的電池狀態監視電路中，雖未圖示，但亦可構成為，具備監視二次電池101的電壓的保護電路，控制設置於未圖示的充放電路徑的充放電控制開關，防止二次電池101的過充電或過放電。
如以上所說明，根據具備本發明的電池狀態監視電路的電池裝置，僅藉由測定電容連接端子127的電壓值便可精度良好地實現二次電池101的剩餘量預測，且可進一步提高安全性。
11‧‧‧電池狀態監視電路
101‧‧‧二次電池
102‧‧‧電池電容
103、104、113、114‧‧‧電阻
105、112、115‧‧‧電容
106‧‧‧正極端子
107‧‧‧負極端子
116‧‧‧VDD端子
117‧‧‧VSS端子
118、119‧‧‧類比數位轉換器
120‧‧‧運算電路
121‧‧‧感測電阻
122‧‧‧電壓電流轉換器
126‧‧‧通信電路
127‧‧‧電容連接端子
128‧‧‧外部連接端子
129‧‧‧輸出端子
131、132‧‧‧外部端子

Claims (6)

  1. 一種電池狀態監視電路，對連接於第一端子與第二端子的二次電池的充放電進行監視，並檢測上述二次電池的剩餘量，其特徵在於包括：以與上述二次電池的等效電路相同的電路構成的虛擬等效電路；感測電阻，設置於上述第二端子，用以檢測上述二次電池的充放電電流；電壓電流轉換器，其輸入端子連接於上述感測電阻的兩端，輸出端子連接於上述虛擬等效電路，並測定上述感測電阻的兩端的電壓，使與上述充放電電流相應的電流流向上述虛擬等效電路；第一類比數位轉換器，測定上述第一端子的電壓；第二類比數位轉換器，測定上述虛擬等效電路的開放電壓；以及運算電路，將基於上述第一類比數位轉換器的輸出信號與上述第二類比數位轉換器的輸出信號的電壓，以及所儲存的上述二次電池的開放電壓的上限值與下限值進行比較計算，藉此檢測上述二次電池的剩餘量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電池狀態監視電路，其中上述虛擬等效電路包括：第一電容，其一個端子連接於上述第二端子； 第一電阻及第二電阻，串聯連接於上述第一電容的另一個端子與上述電壓電流轉換器的輸出端子之間；以及第二電容，並聯連接於上述第二電阻，上述第二類比數位轉換器測定上述第一電容的上述另一個端子的電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電池狀態監視電路，包括：第一定電流電路，連接於上述第一端子與上述第一電容的上述另一個端子之間；以及第二定電流電路，連接於上述第一電容的上述另一個端子與上述第二端子之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的電池狀態監視電路，包括：第一定電流電路，連接於上述第一端子與上述第一電容的上述另一個端子之間；以及第二定電流電路，連接於上述第一電容的上述另一個端子與上述第二端子之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電池狀態監視電路，其中於上述第一端子與上述第一電容的上述另一個端子之間包括開關電路。
  6. 一種電池裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的電池狀態監 視電路，上述第一端子與上述第二端子連接至上述二次電池的兩端；以及上述二次電池。
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