WO2010004985A1

WO2010004985A1 - 電池状態検知装置

Info

Publication number: WO2010004985A1
Application number: PCT/JP2009/062356
Authority: WO
Inventors: 吉英馬島; 和彦竹野; 治雄上村; 康通金井; 孝之金井
Original assignee: ミツミ電機株式会社; 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2010-01-14
Also published as: JP2010019758A; CN102084262A; US20110112782A1

Abstract

　携帯機器３００に給電する二次電池２００の状態を検知する電池状態検知装置であって、二次電池２００の電圧を検出する電圧検出部２０と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部３０と、電圧検出部２０によって検出された二次電池２００の充電開始前後間での電圧差と電流検出部３０によって検出された二次電池２００の充電開始前後間での電流差とに基づいて、二次電池２００の内部抵抗値を算出し、その算出した内部抵抗値に基づいて二次電池２００の劣化状態を判断する演算処理部５０と、演算処理部５０の判断結果に応じた信号を出力する通信処理部７０とを備える、電池状態検知装置。

Description

電池状態検知装置

　本発明は、電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置に関する。

　電池の劣化の進行によって、その電池から給電される電子機器等の電気負荷の稼動可能時間は次第に短縮する。その主な劣化要因は、電池の内部抵抗の増加と考えられている。この考えに基づき、電池の内部抵抗を算出することによって、電池の劣化を判定する方法がある。内部抵抗を算出する方法として、電池の「電圧－容量」特性、電池の開放電圧、定電流の放電又は充電中の電圧及び電流の測定値などを利用する方法が知られている（例えば、特許文献１～４参照）。

特開２００１－２２８２２６号公報特開平８－４３５０５号公報特開２００６－９８１３５号公報特開２００２－７５４６１号公報

　しかしながら、二次電池から給電される電子機器等の電気負荷の消費電流が頻繁に変化すると、単に二次電池の充放電電流や電池電圧を周期的に検出しただけでは、二次電池の安定した充放電電流や電池電圧を正確に検出することは難しい。

　そこで、本発明は、二次電池から給電される電気負荷の消費電流の変動が頻繁でも、二次電池の劣化状態を判断することができる、電池状態検知装置の提供を目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
　電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
　前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
　前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
　前記電圧検出手段によって検出された前記二次電池の充電開始前後間での電圧差と前記電流検出手段によって検出された前記二次電池の充電開始前後間での電流差とに基づいて、前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
　前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値を前記二次電池の劣化状態の判断基準値と比較することによって、前記二次電池の劣化状態を判断する劣化状態判断手段と、
　前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備えるものである。

　ここで、前記内部抵抗値算出手段は、
　前記二次電池の所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第１の電圧値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第２の電圧値との電圧差と、
　該所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第１の電流値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第２の電流値との電流差と、に基づいて、
　前記内部抵抗値を算出すると好適である。

　また、前記内部抵抗値算出手段は、前記電気負荷に給電を開始する前での前記電圧差と前記電流差とに基づいて、前記内部抵抗値を算出し、
　前記劣化状態判断手段は、前記電気負荷に給電を開始する前での前記内部抵抗値を前記判断基準値として、前記二次電池の劣化状態を判断すると好適である。

　また、前記判断基準値は、書き替え可能なメモリに記憶されると好適である。

　また、前記電気負荷は、前記劣化状態判断手段の判断結果に基づいて所定の動作を行う機器であって、前記出力手段は、前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を前記機器に出力すると好適である。

　また、前記内部抵抗値算出手段は、前記二次電池の周囲温度に応じて前記内部抵抗値を補正すると好適であり、前記二次電池の残容量に応じて前記内部抵抗値を補正すると好適である。

　また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
　電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
　前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
　前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
　前記電圧検出手段によって検出された前記二次電池の放電開始前後間での電圧差と前記電流検出手段によって検出された前記二次電池の放電開始前後間での電流差とに基づいて、前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
　前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値を前記二次電池の劣化状態の判断基準値と比較することによって、前記二次電池の劣化状態を判断する劣化状態判断手段と、
　前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備えるものである。

　ここで、前記内部抵抗値算出手段は、
　前記二次電池の所定値以上の放電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第１の電圧値と該所定値以上の放電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第２の電圧値との電圧差と、
　該所定値以上の放電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第１の電流値と該所定値以上の放電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第２の電流値との電流差と、に基づいて、
　前記内部抵抗値を算出すると好適である。

　本発明によれば、二次電池から給電される電気負荷の消費電流の変動が頻繁でも、二次電池の劣化状態を判断することができる。

本発明に係る電池状態検知装置の第１の実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。電池パック１００Ａ内の管理システムの動作フローである。算出された抵抗値Ｒｃの充放電サイクル数毎の温度特性である。抵抗値Ｒｃを温度補正処理した後の抵抗値Ｒｃｏｍｐの温度特性である。算出された抵抗値Ｒｃｏｍｐの充放電サイクル毎の残容量特性である。抵抗値Ｒｃｏｍｐを残容量補正処理した後の抵抗値Ｒｃｏｍｐ２の残容量特性である。新品のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。新品のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。新品のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。新品のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。充電検出のシーケンスである。２５℃における「開放電圧－充電率」特性を示した図である。

　以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係る電池状態検知装置の第１の実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。電池パック１００Ａは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどの二次電池２００の周囲温度を検出する温度検出部１０と、二次電池２００の電圧を検出する電圧検出部２０と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部３０と、検出結果を示す各検出部から出力されるアナログ電圧値をデジタル値に変換するＡＤコンバータ（以下、「ＡＤＣ」という）４０と、電流積算、容量補正、放電可能容量などの演算処理を行う演算処理部５０（例えば、ＣＰＵ５１，ＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３などを備えるマイクロコンピュータ）と、その演算処理に利用される二次電池２００や電池パック１００Ａの各構成部の特性を特定するための特性データを格納するメモリ６０（例えば、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ）と、二次電池２００を電源とする携帯機器３００に対して二次電池２００に関する電池状態情報を伝送する通信処理部７０（例えば、通信用ＩＣ）と、時間を管理するタイマ部８０と、電流検出部３０の検出結果に従って携帯機器３００の起動電流を検出する起動電流検出部３１とを備える。これらの構成要素の一部又は全部は、集積回路によって構成されて、パッケージングされるものでもよい。

　電池パック１００Ａは、二次電池２００とその電池状態を管理する管理システムとを合わせたモジュール部品である。電池パック１００Ａは、電極端子（正極端子１及び負極端子２）と通信端子３とを介して携帯機器３００に接続される。正極端子１は二次電池２００の正極に通電経路を介して電気的に接続され、負極端子２は二次電池２００の負極に通電経路を介して電気的に接続される。通信端子３は、通信処理部７０に接続される。通信処理部７０は、演算処理部５０の処理結果に基づく通知情報を携帯機器３００に出力する手段である。

　携帯機器３００は、人が携帯可能な電子機器であって、具体的には、携帯電話、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機、音楽やビデオ等のプレーヤーなどが挙げられる。電池パック１００Ａは、携帯機器３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。携帯機器３００は、通信処理部７０から取得した電池状態情報に基づいて、当該電池状態情報に応じた所定の動作を行う。携帯機器３００は、例えば、電池状態情報をディスプレイ等の表示部に表示させたり（例えば、二次電池２００の残量情報、劣化情報、交換時期情報などの表示）、電池状態情報に基づいて自身の動作モードを変更したりする（例えば、通常消費電力モードから低消費電力モードへの変更）。

　二次電池２００は、携帯機器３００の電源であって、ＡＤＣ４０と演算処理部５０と通信処理部７０とタイマ８０の電源でもある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、起動電流検出部３１については、それらの回路構成に応じて、二次電池２００からの給電が必要となることがある。メモリ６０については、二次電池２００からの給電が遮断されても、その記憶内容は保持される。温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０及び演算処理部５０は、二次電池２００の電池状態を検知する状態検知部として機能する。

　温度検出部１０は、二次電池２００の周囲温度を検出し、その検出された周囲温度をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の周囲温度を示す電池温度のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池温度のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。なお、温度検出部１０は、二次電池２００と電池パック１００Ａとが近接していれば、二次電池２００自体の温度やその雰囲気温度だけでなく、電池パック１００Ａやその構成部の温度を検出するものでもよい。また、温度検出部１０が電圧検出部２０と電流検出部３０とＡＤＣ４０とともに集積回路によって構成される場合、温度検出部１０は、その集積回路自体の温度やその雰囲気温度を検出することができる。

　電圧検出部２０は、二次電池２００の電圧を検出し、その検出された電圧をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の電圧を示す電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

　電流検出部３０は、二次電池２００の充放電電流を検出し、その検出された電流をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。電流検出部３０は、二次電池２００と直列に接続された電流検出抵抗３０ａと電流検出抵抗３０ａの両端に発生する電圧を増幅するオペアンプとを備え、電流検出抵抗３０ａとオペアンプとによって充放電電流を電圧に変換する。オペアンプは、ＡＤＣ４０に備えられてもよい。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流を示す電池電流のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電流のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

　演算処理部５０は、二次電池２００の残容量の算出をする。残容量の算出方法については任意の適切な方法を用いればよいが、以下にその算出方法を例示する。

　演算処理部５０は、二次電池２００の充電状態又は放電状態（例えば、携帯機器３００の動作により所定値以上の電流が消費されている状態）で電流検出部３０によって検出された電流値を積分することによって、二次電池２００において充放電される電気量を算出することができるとともに、二次電池２００が蓄えている現在の電気量（残容量）を算出することができる。残容量を算出するにあたって、例えば、特開２００４－２２６３９３号公報には、二次電池の充放電において温度や電流などの条件が変化した場合、充放電効率が変化するのではなく、各充放電条件に応じて一時的に充電や放電ができない電気量が存在し、その量が変化するという考え方が開示されている。この考え方によれば、充放電効率についての補正処理は行わなくてもよい。

　ただし、電池パック１００Ａの構成部に温度に依存する温度依存回路部が存在する場合には、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「充放電電流－温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流値を補正してもよい。「充放電電流－温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて充放電電流値の補正を行う。

　一方、二次電池２００の充放電が休止状態（例えば、携帯機器３００の動作が停止又はスタンバイ状態）になることにより、充電状態や放電状態に比べて充電電流値は小さくなる。その結果、分解能等の理由により電流検出部３０やＡＤＣ４０による測定では誤差が多く含まれる状態や測定不可となる状態が一定期間継続すると、残容量の算出のために上述の電流積算の処理の誤差が積算されるため、残容量算出の正確さが失われる。それを防ぐため、演算処理部５０は、電流値の積算処理を停止するか、又は予め測定しておいた携帯機器３００の消費電流値をメモリ６０に格納しておき、その値を積算するとよい。

　また、残容量や充電率等の演算精度を高めるために、演算処理部５０は、携帯機器３００の休止状態が所定時間継続した場合、定期的に二次電池２００の電圧（開放電圧）を測定し、「開放電圧－充電率」特性（図１６参照）に基づいて、充電率を算出・補正する。開放電圧とは、安定した二次電池２００の両極間を開放して又はハイインピーダンスで測定した両極間電圧である。充電率とは、そのときの二次電池２００の満充電容量を１００としたときにその二次電池２００の残容量の割合を％で表示したものをいう。「開放電圧－充電率」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、電圧検出部２０によって測定された開放電圧に対応する充電率の算出・補正を行う。

　また、二次電池２００の開放電圧に温度特性が存在する場合、演算処理部５０は、開放電圧について所定の温度補正を行ってもよい。例えば、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「開放電圧－温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の開放電圧を補正してもよい。「開放電圧－温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて開放電圧の補正を行う。

　上述のように、演算処理部５０は、二次電池２００の充電率を算出することができるが、二次電池２００の残容量は満充電容量と充電率との関係に基づいて算出可能であるため、二次電池２００の満充電容量が測定又は推定されていなければ、二次電池２００の残容量を算出することはできない。

　二次電池２００の満充電容量を算出する方法として、例えば、二次電池２００の放電量に基づいて算出する方法や充電量に基づいて算出する方法がある。例えば、充電量に基づいて算出する場合、パルス充電以外であれば定電圧又は定電流での充電となるため、携帯機器３００の消費電流特性に影響されやすい放電量に基づいて算出する場合に比べ、正確な充電電流を測定することができる。もちろん、どちらの方法を利用するかは、携帯機器３００の特性などを考慮した上で、両方又は片方を選択すればよい。

　もっとも、正確な満充電容量が測定できる条件は、残容量がゼロの状態から満充電状態になるまでの期間継続して充電が行われる場合であり、この充電期間中に積算された電流値が満充電容量となる。しかしながら、一般的な利用のされ方を考えると、このような充電が行われることはまれであり、通常はある程度の残存容量がある状態から充電が行われる。

　そこで、演算処理部５０は、このような場合を考慮して、充電開始直前の電池電圧と充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧とに基づいて、二次電池２００の満充電容量を算出する。すなわち、演算処理部５０は、充電開始直前の電池電圧と「開放電圧－充電率」特性（図１６参照）とに基づいて、充電開始直前の充電率を算出するとともに、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧と「開放電圧－充電率」特性（図１６参照）とに基づいて、充電終了時点から所定時間経過時の充電率を算出する。そして、演算処理部５０は、満充電容量をＦＣＣ［ｍＡｈ］、充電開始直前の充電率をＳＯＣ１［％］、充電終了時点から所定時間経過時の充電率をＳＯＣ２［％］、充電開始時点から充電終了時点までの充電期間において充電された電気量をＱ［ｍＡｈ］とすると、演算式
　ＦＣＣ＝Ｑ／｛（ＳＯＣ２－ＳＯＣ１）／１００｝　・・・（１）
に基づいて、二次電池２００の満充電容量ＦＣＣを算出することができる。なお、ＳＯＣ１やＳＯＣ２は温度補正されたものであれば、より正確な値が算出され得る。また、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧を用いることによって、充電終了時点よりも安定した電池電圧を演算に反映して演算結果の精度を高めることができる。

　したがって、上述のように算出された充電率及び満充電容量に基づいて、二次電池２００の残容量を算出することができる（残容量＝満充電容量×充電率）。

　ところで、近年の携帯電話等の電子機器においては、その稼動可能時間を延ばすなどの理由によって頻繁に消費電流が変化するため、単に二次電池の充放電電流や電池電圧を周期的に検出しただけでは、二次電池の安定した充放電電流や電池電圧を正確に検出することは難しい。そこで、本実施例では、二次電池２００の充電開始時点を含む単位時間において、その単位時間での充放電電流の電流差及びその単位時間と同じ期間での電池電圧の電圧差を検出・算出することによって二次電池２００の内部抵抗値を算出し、この算出した内部抵抗値を二次電池２００の劣化判断の指標として利用する。

　すなわち、充電開始直前の電池電圧をＶ０，その充電開始直前の充電電流をＩ０，その充電開始から規定時間経過時の電池電圧をＶ１，その充電開始からその規定時間経過時の充電電流をＩ１とすると、充電開始直前の内部抵抗値と充電開始から規定時間経過時の内部抵抗値が等しいとみなして、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃは、内部抵抗値演算式
　Ｒｃ＝（Ｖ１－Ｖ０）／（Ｉ１－Ｉ０）　・・・（２）
によって算出することができる。

　この点に関して、充電開始前後のそれぞれの時点で検出された電流と電圧とを演算式（２）に代入することによって内部抵抗値を算出する場合に、内部抵抗値の安定した算出結果が得られるか否かを確かめるために行った確認試験の結果について説明する。具体的には、二次電池に対して充電パルスを５回発生させて、充電中の電圧を同時に観測する確認試験を行った。図７～１４は、その試験結果である。図７，８は、新品のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。図９，１０は、新品のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。図１１，１２は、充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を０．５Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。図１３，１４は、充放電を５００サイクル繰り返した後のリチウムイオン電池を１．０Ｃのパルス充電電流で充電した場合の電圧変動特性である。

　図７，９，１１，１３の表において、経過時間１４秒目は、パルス充電電流が供給されていない電圧変動波形の谷の部分に相当し、経過時間１５～１９秒目は、パルス充電電流が供給されている電圧波形の山の部分に相当する。

　図７～１０において、電圧変動波形の谷の電圧値と山の電圧値との電圧差に基づいて内部抵抗値の平均値を算出すると、図７，８の場合には１９９．５ｍΩとなり、図９，１０の場合には１９７．９ｍΩとなった。いずれの場合でも、ほぼ同一の内部抵抗値が算出されている。したがって、充電電流が異なっても、充電開始前後間での電圧値及び電流差に基づいて、安定した内部抵抗値を算出できることが確認できる。

　同様に、図１１～１４において、電圧変動波形の谷の電圧値と山の電圧値との電圧差に基づいて内部抵抗値の平均値を算出すると、図１１，１２の場合には２８４．６ｍΩとなり、図１３，１４の場合には２７２．６ｍΩとなった。いずれの場合でも、ほぼ同一の内部抵抗値が算出されている。したがって、新品時に比べ劣化が進んだ状態で、充電電流が異なっても、充電開始前後間での電圧値及び電流差に基づいて、安定した内部抵抗値を算出できることが確認できる。

　したがって、演算処理部５０は、二次電池２００の充放電電流値が零又は二次電池２００に微小な充放電電流が流れている休止状態を一定時間検出後に、休止状態の電流値より大きい所定値以上の充電電流値が流れている充電状態を検出した場合、当該所定値以上の充電電流値の検出時点から一定時間経過時の充電状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、当該所定値以上の充電電流値の検出時点前の休止状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、に基づいて、二次電池２００の内部抵抗値を上記の演算式（２）に従って算出するとよい。演算処理部５０は、算出した内部抵抗値と二次電池２００が劣化しているとみなすことができる所定の抵抗値（メモリ６０等に予め記憶）とを比較し、算出した内部抵抗値がその所定の抵抗値より大きい場合に、二次電池２００を劣化電池と判定する。その判定情報は、通信処理部７０を介して、携帯機器３００に伝送される。

　図２は、電池パック１００Ａ内の管理システムの動作フローである。管理システムは、演算処理部５０が主体となって動作する。演算処理部５０は、管理システムの初期化後に、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を行う（ステップ１０）。演算処理部５０は、これらの検出部による測定値を所定の検出周期で検出し、電圧値、電流値及び温度値の同時点のデータをＲＡＭ５３等のメモリに記憶する。この検出周期は、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり前後間での電圧差及び電流差を正確に検出できるように、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり特性などを考慮して決定されるとよい。

　演算処理部５０は、電流検出部３０によって充放電電流値が零又は微小な充放電電流が流れている休止状態を一定期間検出した後に、電流検出部３０によって検出された電流が二次電池２００の充電開始を判定するための所定の正の第１の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１０，１２）。演算処理部５０は、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上でなければ、その検出された電圧、電流、温度を、充電開始直前の検出値として、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐと決定する（ステップ１４）。決定後、ステップ１０に戻る。ステップ１２において電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上となるまで、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐは更新される。

　なお、ステップ１０において電流検出部３０において検出された電流が第１の電流閾値（絶対値）以上ではないものの、零又は零より大きい所定値以上の放電電流値（絶対値）である場合には、正しい内部抵抗値の算出に適する検出値ではないとして、その検出値は内部抵抗値を算出するための電流として除外されてもよい。

　一方、演算処理部５０は、ステップ１２において、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上である場合には、二次電池２００に対する充電が開始されたとみなして、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を再度行う（ステップ１６）。演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が、第１の電流閾値より大きい所定の第２の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１８）。第２の電流閾値は、二次電池２００に対する充電電流が立ち上がった後の安定した充電状態（充電電流の変動量が充電電流の立ち上がり状態に比べ小さい充電状態）であるかを判断するための判断閾値である。

　演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上でない場合には、充電開始後に充電電流がまだ安定しておらず内部抵抗値の算出に不適であるとして、本フローを終了する。一方、演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上である場合には、充電電流が安定しているとみなして、その検出された電圧及び電流を、充電開始から規定時間経過時の検出値として、Ｖ１，Ｉ１と決定する（ステップ２０）。また、ステップ２２において、第１の電流閾値以上の電流値が検出されてから規定時間経過していなければ、充電電流がまだ立ち上がり途中であるとみなしてステップ１６に戻る。一方、経過していればステップ２４に移行する。ステップ２４において、演算処理部５０は、演算式（２）に従って、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃを算出する。

　したがって、二次電池２００の充電がされる度に内部抵抗値Ｒｃが算出され、図１５に示されるように、充電開始を判定するための第１の電流閾値と第１の電流閾値より大きい第２の電流閾値とを設定することによって、二次電池２００に対する充電開始時点を確実に捉えて、安定した充電状態での検出値を内部抵抗値の算出に用いることができる。

　また、携帯機器３００が間欠的に電流を消費するような動作をする場合（例えば、通常電力消費モードと低消費電力モードとの切り替えが間欠的に行われる場合、定常状態の消費電流は１ｍＡであるが定期的に消費電流が１００ｍＡになる場合）、充電開始前電流Ｉ０や充電開始後電流Ｉ１の検出タイミングに充電の立ち上がりタイミングが重なると、内部抵抗値の算出誤差が大きくなる。しかしながら、携帯機器３００の動作状態を考慮して、上述のように、２つの電流閾値を設定して内部抵抗値を算出することによって、内部抵抗値の算出誤差を抑えることができる。また、内部抵抗値の算出誤差を抑えるため、携帯機器３００の動作状態を考慮し、例えば、複数回の検出値の平均値、複数回の検出値のうち多数一致の平均値、連続ｎ回一致する検出値などを、内部抵抗値演算式の代入値として採用してもよい。

　ところが、二次電池２００や電池パック１００Ａの構成部に温度特性が存在する場合、内部抵抗値Ｒｃは温度特性を持っている。例えば、二次電池２００の開放電圧は、その周囲温度が高くなるにつれて小さくなる傾向がある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０などが、抵抗やトランジスタやアンプ等のアナログ素子を備えるため、温度依存回路部になり得る。基本的に集積回路の設計段階では、ウエハ内素子の温度依存性を考慮して設計されるが、製造プロセスのばらつきやウエハ面内の特性ばらつき等が存在するため、僅かではあるが製造されたＩＣは温度特性を持つことになる。

　そこで、抵抗算出時の温度情報を利用して、いかなる温度で測定を行った場合であっても、算出された内部抵抗値が等しくなるように補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２４で算出した抵抗値Ｒｃを周囲温度に応じて補正することによって、第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出する（ステップ２６）。

　図３は、残量が３４０ｍＡｈのときの、算出された抵抗値Ｒｃの充放電サイクル数毎の温度特性である。図３に示されるように、本来は一定の算出結果となるべきところが、ＡＤＣ４０等の温度特性のために、温度が上昇するにつれて、算出された抵抗値Ｒｃは小さくなる。詳細は省略するが、図３の温度特性についてカーブフィット処理を行うことによって、周囲温度Ｔｅｍｐと内部抵抗値Ｒｃを変数とする、周囲温度によらずに略一定の内部抵抗値を算出可能な第１の補正関係式
　　Ｒｃｏｍｐ＝
　　　（０．００１６×Ｔｅｍｐ²－０．００６×Ｔｅｍｐ＋０．７２４６）×Ｒｃ
　　　　＋（－０．３１７２×Ｔｅｍｐ²＋８．６０１９×Ｔｅｍｐ－５９．８６１)
　　　　　　　・・・（３）
を導き出すことができる。カーブフィット処理によって式（３）の係数を算出するためには、ＭＡＴＬＡＢやＬａｂＶＩＥＷなどの数値解析ソフトウェアを利用すればよい。これらの係数をメモリ６０に予め格納しておけば、演算処理部５０は、メモリ６０から読み出したこれらの係数と温度検出部１０によって測定された温度データと内部抵抗値Ｒｃとに基づき、式（３）に従って、その測定時の温度により内部抵抗値Ｒｃを補正した第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出することができる。

　図４は、抵抗値Ｒｃを温度補正処理した後の抵抗値Ｒｃｏｍｐの温度特性である。二次電池２００の周囲温度の実測値が変化しても、補正関係式（３）に代入すると、図４に示されるように、内部抵抗値を略一定に変換できる。

　さらに、算出された内部抵抗値は、二次電池の残容量に応じても変化するため、測定時の残容量が異なっても略一定の内部抵抗値が算出されるように、補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２６で算出した抵抗値Ｒｃｏｍｐを残容量に応じて補正することによって、第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出する（ステップ２８）。

　図５は、周囲温度が２０℃のときの、算出された抵抗値Ｒｃｏｍｐの充放電サイクル毎の残容量特性である。図５に示されるように、本来は一定の算出結果となるべきところが、残容量が増加するにつれて、算出された抵抗値Ｒｃｏｍｐは小さくなる。詳細は省略するが、図５の残容量特性についてカーブフィット処理を行うことによって、充電開始直前の残容量Ｑ０と第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを変数とする、残容量によらずに略一定の内部抵抗値を算出可能な第２の補正関係式
　　Ｒｃｏｍｐ２＝
　　　（０．０００４×Ｑ０＋０．８５４３）×Ｒｃｏｍｐ
　　　　＋（－０．０５０４×Ｑ０＋１９．８０４）
　　　　　　　・・・（４）
を導き出すことができる。充電開始直前の残容量Ｑ０は、演算処理部５０によって算出される。カーブフィット処理によって式（４）の係数を算出するためには、ＭＡＴＬＡＢやＬａｂＶＩＥＷなどの数値解析ソフトウェアを利用すればよい。これらの係数をメモリ６０に予め格納しておけば、演算処理部５０は、メモリ６０から読み出したこれらの係数と残容量Ｑ０と第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐとに基づき、式（４）に従って、残容量Ｑ０により第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを補正した第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出することができる。

　図６は、抵抗値Ｒｃｏｍｐを残容量補正処理した後の抵抗値Ｒｃｏｍｐ２の残容量特性である。二次電池２００の残容量が変化しても、補正関係式（４）に代入すると、図６に示されるように、内部抵抗値を略一定に変換できる。

　次に、図２において、演算処理部５０は、補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２が所定の劣化判定用閾値より大きいか否かを判断する（ステップ３０）。演算処理部５０は、その劣化判定用閾値より大きいと判断した場合には、二次電池２００は劣化していると判定し（ステップ３４）、その劣化判定用閾値以下と判断した場合には、二次電池２００は劣化せずに正常であると判定する（ステップ３２）。また、演算処理部５０は、複数の異なる劣化判定用閾値と算出した内部抵抗値とを比較することによって、二次電池２００の劣化の進行度合を判定してもよい。これにより、詳細な劣化判定の結果が得られるようになる。

　ここで、劣化判定用閾値は、メモリ６０に記憶されるとよい。メモリ６０に記憶された劣化判定用閾値を書き替えることによって、携帯機器３００の仕様毎に劣化判定用閾値を容易に変更することができる。すなわち、電池パック１００Ａが装着される携帯機器３００の仕様が変更されても、劣化判定を適切に行うことができる。

　また、演算処理部５０は、劣化判定を行うに当たり、二次電池２００に給電を開始する前での検出値に基づいて算出された初期内部抵抗値を劣化判定用の判定基準値として、二次電池２００の劣化状態の判定を行ってもよい。演算処理部５０は、初期内部抵抗値と二次電池２００に給電を開始した後での検出値に基づいて算出された内部抵抗値との比較によって、二次電池２００の劣化状態を判断する。例えば、給電開始前の初期内部抵抗値と給電開始後の内部抵抗値との差が大きくなるにつれて二次電池２００の劣化が進んだと判断する。

　また、初期内部抵抗値は、電池パック１００Ａが携帯機器３００に装着される前に（例えば、電池パック１００Ａが出荷される前に）二次電池２００が初めて充電される時の充電開始前後間での電圧及び電流の検出値に基づいて、算出可能である。演算処理部５０は、電流検出部３０などによって初回の充電動作を自動検出した場合、その初回充電開始前後間での検出値に基づいて初期内部抵抗値を算出し、その算出結果を劣化判定用の判定基準値としてメモリ５０に記憶する。初回の充電は、例えば、電池パック１００Ａの電極端子から充電のパルス電流を電池パック１００Ａの外部から供給することによって行われるとよい。

　したがって、上述の実施例によれば、充電電流が変動する充電開始前後間での電圧及び電流の検出値に基づいて劣化状態を判断しているので、二次電池２００から給電される携帯機器３００の消費電流が頻繁に変動しても、二次電池２００の劣化状態を支障なく判断することができる。

　また、上述の実施例によれば、メモリ６０に内部抵抗値の算出や劣化判定をするための特性データ（例えば、補正関係式（３）（４）の係数、劣化判定用閾値）を格納しておいて、当該補正関係式等に基づいて内部抵抗値を算出しているので、「内部抵抗値－温度」特性や「内部抵抗値－残容量」特性を表す膨大な特性データを記憶したルックアップテーブルに基づいて内部抵抗値を算出する場合よりも、小さなメモリ領域で高精度の内部抵抗値の算出や劣化判定をすることができる。メモリ領域を小さくすることができれば、ＩＣ等のコストの削減も可能である。また、二次電池の特性に応じて、メモリ６０に格納される特性データを書き替えれば、特性の異なる二次電池の内部抵抗値を算出することができるとともに、特性の異なる二次電池の劣化状態を判定することができる。

　また、上述の充電開始前後間での検出値に基づいて算出された内部抵抗値は、交流によって測定されるインピーダンスと比べて、劣化時の抵抗変化が大きく現れる。そのため、抵抗値算出時の誤差が、判定閾値との比較を行う劣化判定に与える影響を抑えることができる。

　また、抵抗値の算出は電池パック内で行われるため、内部抵抗値算出のために、専用の機器や測定回路などを携帯機器３００側に必要としない。また、初期状態から電池状態を監視しているため、例えば内部抵抗値が増加傾向から減少傾向に変わることを検出することによって、電池内の微小短絡などの劣化異常を検出することができるとともに、携帯機器３００に対してその劣化異常を伝えることができる。

　以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

　例えば、起動電流や放電電流が短期間でもあっても略一定である携帯機器であれば、上記の充電開始前後間での検出値に基づいて内部抵抗値を算出する算出処理を、放電開始前後間での検出値に基づいて内部抵抗値を算出する算出処理に置き換えても、同様の考えで同様の効果が得られる。また、定電流充電を行っている際に一定期間充電を停止させることによって電圧降下が発生するため、その電圧低下を上述の放電開始と置き換えることによっても、同様の考えで同様の効果が得られる。また、充電を停止し、一定時間経過後に充電を再開することによって電圧上昇が発生するため、その電圧上昇を充電開始と上述の充電開始と置き換えることによっても、同様の考えで同様の効果が得られる。

　また、上述の実施例において、算出された内部抵抗値は検出時の残容量の影響があるため補正処理を行ったが、図５の内部抵抗値の残容量特性を見ても分かるように、劣化が進んだ電池であるほど、低残容量のときの検出値に基づいて算出された内部抵抗値と高残容量のときの検出値に基づいて算出された内部抵抗値との差は大きくなる。そこで、残容量の単位変化量当たりの内部抵抗値の変化量を算出し、その内部抵抗値の変化量に応じて電池の劣化状態を判断することができる。すなわち、残容量の単位変化量当たりの内部抵抗値の変化量が大きいほど、劣化が進んでいると判断することができる。

　また、上述の実施例において、補正関係式によって算出された補正後内部抵抗値（Ｒｃｏｍｐ，Ｒｃｏｍｐ２）と劣化判定用閾値との比較によって劣化判定を行っていたが、補正前内部抵抗値Ｒｃと複数の温度範囲毎の劣化判定用閾値との比較によって、劣化判定を行ってもよい。同様に、補正前内部抵抗値Ｒｃと複数の残容量範囲毎の劣化判定用閾値との比較によって、劣化判定を行ってもよい。

　また、内部抵抗値を算出するために利用する充電開始後の電圧と電流の検出タイミングをメモリ６０に格納された記憶値に応じて変化させることによって、二次電池の種類に応じた最適な検出タイミングで充電開始後の電圧と電流を検出することができる。

　本国際出願は、２００８年７月１１日に出願した日本国特許出願第２００８－１８１９２４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２００８－１８１９２４号の全内容を本国際出願に援用する。

　１０　温度検出部
　２０　電圧検出部
　２１　起動電圧検出部
　３０　電流検出部
　３１　起動電流検出部
　４０　ＡＤＣ
　５０　演算処理部
　６０　メモリ
　７０　通信処理部
　８０　タイマ
　１００Ａ　電池パック
　２００　二次電池
　３００　携帯機器

Claims

　電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
　前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
　前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
　前記電圧検出手段によって検出された前記二次電池の充電開始前後間での電圧差と前記電流検出手段によって検出された前記二次電池の充電開始前後間での電流差とに基づいて、前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
　前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値を前記二次電池の劣化状態の判断基準値と比較することによって、前記二次電池の劣化状態を判断する劣化状態判断手段と、
　前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える、電池状態検知装置。
　前記内部抵抗値算出手段は、
　前記二次電池の所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第１の電圧値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第２の電圧値との電圧差と、
　該所定値以上の充電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第１の電流値と該所定値以上の充電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第２の電流値との電流差と、に基づいて、
　前記内部抵抗値を算出する、請求項１に記載の電池状態検知装置。
　前記内部抵抗値算出手段は、前記電気負荷に給電を開始する前での前記電圧差と前記電流差とに基づいて、前記内部抵抗値を算出し、
　前記劣化状態判断手段は、前記電気負荷に給電を開始する前での前記内部抵抗値を前記判断基準値として、前記二次電池の劣化状態を判断する、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
　前記判断基準値は、書き替え可能なメモリに記憶される、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
　前記電気負荷は、前記劣化状態判断手段の判断結果に基づいて所定の動作を行う機器であって、
　前記出力手段は、前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を前記機器に出力する、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
　前記内部抵抗値算出手段は、前記二次電池の周囲温度に応じて前記内部抵抗値を補正する、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
　前記内部抵抗値算出手段は、前記二次電池の残容量に応じて前記内部抵抗値を補正する、請求項１又は２に記載の電池状態検知装置。
　電気負荷に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
　前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
　前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
　前記電圧検出手段によって検出された前記二次電池の放電開始前後間での電圧差と前記電流検出手段によって検出された前記二次電池の放電開始前後間での電流差とに基づいて、前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
　前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値を前記二次電池の劣化状態の判断基準値と比較することによって、前記二次電池の劣化状態を判断する劣化状態判断手段と、
　前記劣化状態判断手段の判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備える、電池状態検知装置。
　前記内部抵抗値算出手段は、
　前記二次電池の所定値以上の放電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第１の電圧値と該所定値以上の放電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電圧検出手段によって検出された第２の電圧値との電圧差と、
　該所定値以上の放電電流値が検出される前の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第１の電流値と該所定値以上の放電電流値が検出された後の検出タイミングで前記電流検出手段によって検出された第２の電流値との電流差と、に基づいて、
　前記内部抵抗値を算出する、請求項８に記載の電池状態検知装置。