WO2015079607A1

WO2015079607A1 - 電池パック

Info

Publication number: WO2015079607A1
Application number: PCT/JP2014/004592
Authority: WO
Inventors: 健介阿比留; 央典尼嵜
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2016-05-29
Also published as: JP5971397B2; US9780592B2; US20160197506A1; CN104813560A; JPWO2015079607A1; CN104813560B

Abstract

　二次電池の充放電を制御する制御演算部は、第１の電圧での高容量モード、または第１の電圧よりも低い第２の電圧での長寿命モードを選択設定する動作モード設定部と、二次電池の放電容量を求め、放電容量と満充電容量とから相対残容量を算出する残容量算出部と、残容量算出部での算出結果からサイクル数を算出するサイクル数算出部と、サイクル数に基づいて第１の電圧を低減させ、第１の電圧が第２の電圧に所定の電圧を加算した値以下になったとき、第２の電圧を第１の電圧から所定の電圧を減算した電圧にする充電終止電圧設定部とを有することにより、二次電池の相対残容量を、その動作モードに応じて、更には動作モードが変更されたときでも的確に求めることができる。

Description

電池パック

　本発明は、二次電池の充電時の充電終止電圧を変更することで、二次電池の満充電まで充電容量を高くした高容量モード、または二次電池のサイクル寿命を長くした長寿命モードに選択設定して使用することができ、特にサイクル特性による満充電容量の低下を考慮して充電終止電圧を低下させる場合も、その動作モードに応じた相対残容量を求めるようにした電池パックに関するものである。

　二次電池と、この二次電池の充放電制御を司る制御演算部とを備えた電池パックは、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の電子機器に装着される電源部として多用されている。ちなみにこれら電子機器に用いられる電池パックにおける二次電池は、例えば電子機器の電源部を介して外部電源（商用電源）により充電され、電子機器が外部電源から取り外されたときには、外部電源に代わって電子機器に電力を供給する役割を担う。

　ところで二次電池である、例えばリチウムイオン電池の特性、具体的には充電容量およびサイクル寿命は、図７に示すようにその充電電圧によって大きく変化する。具体的には充電終了を検出するための電圧である充電終止電圧を高くして二次電池（リチウムイオン電池）を充電した場合、図７にＡの特性として示すように充電容量を大きくし得るものの、サイクル寿命が短い。その反面、充電終止電圧を低くして二次電池（リチウムイオン電池）を充電した場合、図７にＢの特性として示すように充電容量が低下するものの、サイクル寿命が長くなる。

　そこでこのような電池特性に着目し、二次電池の充電時における充電終止電圧を切り換えることで、電池パックを高容量モード、または長寿命モードで選択的に使用することが考えられている（例えば特許文献１を参照）。具体的には高容量モードの場合には、二次電池（リチウムイオン電池）に対する充電終止電圧を４.２Ｖ／cellに設定し、また長寿命モードの場合には、二次電池（リチウムイオン電池）に対する充電終止電圧を４．０Ｖ／cellに設定して、その充電が行われる。

特開２００２－７８２２２号公報

　ところで上述した電池パックを電子機器に装着して使用する場合、二次電池の残容量を的確に把握することが重要である。ちなみに二次電池の残容量については、一般的には二次電池の満充電状態（満充電容量；ＦＣＣ）を１００％としてその残容量（ＲＣ）の割合を求めた、相対残容量（ＲＳＯＣ）として管理することが多い。

　そして、上述した高容量モードと長寿命モードとを選択設定して使用される電池パックにおいては、高容量モードが設定された場合、二次電池の規格容量（ＤＣ）や満充電容量（ＦＣＣ）の１００％が最大充電容量とし、長寿命モードが設定された場合、二次電池の規格容量（ＤＣ）や満充電容量（ＦＣＣ）の１００％以下の割合、例えば、８０％が最大充電容量とし使用される。そのため、図８のように、高容量モードでの充電終止電圧は４.２Ｖ／cellに設定され、長寿命モードでの充電終止電圧は４.０Ｖ／cellに設定される。

　しかしながら、高容量モードにおいて、二次電池（リチウムイオン電池）が多くのサイクル数で劣化した後にも充電終止電圧を４.２Ｖ／cellで継続した場合、二次電池は過充電となり劣化がより進行することとなる。

　本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、高容量モードまたは長寿命モードに選択設定して使用される二次電池の過充電による劣化を抑制しながら、二次電池の相対残容量を、その動作モード（充電モード）に応じて、更には動作モードが変更されたときでも的確に求めることのできる電池パックを提供することにある。

　上述した目的を達成するべく本発明に係る電池パックは、二次電池と、前記二次電池の充放電を制御する制御演算部とを備え、前記制御演算部は、前記二次電池の充電終止電圧を第１の電圧に制限して前記二次電池の満充電容量を高くする高容量モード、または前記充電終止電圧を前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に制限して前記二次電池のサイクル寿命を長くする長寿命モードを選択設定する動作モード設定部と、前記二次電池の放電電流と放電時間または放電電流と電池電圧に基づいて前記二次電池の放電容量を求め、前記放電容量と前記二次電池の満充電容量とから前記二次電池の相対残容量を算出する残容量算出部と、前記残容量算出部での算出結果から前記二次電池のサイクル数を算出するサイクル数算出部と、前記サイクル数に基づいて前記第１の電圧を低減させ、前記第１の電圧が前記第２の電圧に所定の電圧を加算した値以下になったとき、前記第２の電圧を前記第１の電圧から所定の電圧を減算した電圧にする充電終止電圧設定部とを有することを特徴としている。

　これにより、二次電池のサイクル特性に合った充電終止電圧になるので、二次電池の過充電による劣化を防ぐことができる。

　上記構成の電池パックによれば、高容量モードまたは長寿命モードに選択設定して使用される二次電池の過充電による劣化を抑制しながら、二次電池の相対残容量を、その動作モードに応じて、更には動作モードが変更されたときでも的確に求めることのできる電池パックを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電池パックの構成図である。本発明の実施の形態に係る電池パックにおける二次電池のサイクル数と、高容量モードまたは長寿命モードの充電終止電圧との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る電池パックの高容量モードまたは長寿命モードにおける容量と相対残容量の変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る電池パックの高容量モードから長寿命モードに切換えたときの相対残容量の変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る電池パックの長寿命モードから高容量モードに切換えたときの相対残容量の変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る他の電池パックにおける二次電池のサイクル数と、高容量モードまたは長寿命モードの充電終止電圧との関係を示す図である。充電電圧によって変化する二次電池（リチウムイオン電池）の充電容量およびサイクル寿命を示す図である。従来の電池パックにおける二次電池のサイクル数と、高容量モードまたは長寿命モードの充電終止電圧との関係を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電池パックについて説明する。

　図１は本発明の実施の形態に係る電池パックの構成図であって、電池パック１０は、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の電子機器２０に着脱自在に装着されるである。電池パック１０は、基本的には二次電池（ＢＡＴ）１１と、二次電池１１の充放電を制御する制御部１２とを備えて構成され、電子機器２０に装着して使用される。

　具体的には電池パック１０における二次電池１１は、例えば２６００ｍＡｈ／セル程度のリチウムイオン電池からなる複数の電池セルを２個ずつ並列に接続すると共に、これらの並列接続された電池セルを３段直列に接続した、いわゆる３直２並タイプのものからなる。尚、ここでは３直２並タイプの二次電池１１を例に説明するが、電池セルの並列接続数および直列接続段数は、電池仕様として与えられる定格出力電圧および定格出力電流容量に応じて決定すれば良いものである。

　電池パック１０における二次電池１１の充放電路には、その充放電を制御するＦＥＴ等のスイッチ素子１３が直列に介装されると共に、充放電電流を検出する電流検出部１４としてシャント抵抗が直列に介挿されている。また電池パック１０に設けられた制御部１２は、例えばマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）からなり、その主体部を構成する制御・演算部１５と、二次電池１１の端子電圧、具体的には各段の電池セルの端子電圧（セル電圧）をそれぞれ検出する電圧検出部１６、および電子機器２０との間で情報通信する通信処理部１７とを具備して構成される。

　ちなみに制御・演算部１５は、サーミスタ等の温度検出素子１９にて検出される二次電池１１の温度（電池温度）、電圧検出部１６にて検出されるセル電圧、および電流検出部１４にて検出される充放電電流に基づいて二次電池１１の充放電状態を監視する。そして制御・演算部１５は、異常な充放電から二次電池１１を保護するべくスイッチ素子１３をオン・オフ制御すると共に、通信処理部１７を介して電子機器２０側に制御指令を与えて二次電池１１に対する充電電圧や充電電流を制御する役割を担う。

　また、電子機器２０は、基本的には外部電力（図示せず；商用電源）を受けて電子機器２０の本体部である負荷２１を駆動すると共に、電池パック１０に対して電力を供給して前述した二次電池１１を充電する制御・電源部２２を備えて構成される。制御・電源部２２は、例えば外部電力の供給が途絶えたとき、電池パック１０の二次電池１１から供給される電力にて負荷２１を駆動する役割を担う。制御・電源部２２による二次電池１１の充電は、二次電池１１がリチウムイオン電池である場合には、最大電流（０.５～４Ｃ程度）および最大電圧（約４.２Ｖ／cell程度）をそれぞれ規制した定電流・定電圧充電により行われる。

　尚、制御・電源部２２は、電池パック１０における通信処理部１７との間で、例えばデータラインＳＤＡおよびクロックラインＳＣＬを介してＳＭＢＵＳ方式にて情報通信する機能を備える。電池パック１０の制御部１２は上記の情報通信機能を利用して制御・電源部２２の作動を制御し、制御・電源部２２による二次電池１１の充電電圧や充電電流を可変設定する。この制御・電源部２２の制御により、二次電池１１に対する充電が制御される。

　さてマイクロプロセッサにより実現される制御・演算部１５は、メモリ１８に予め登録されたソフトウェア・プログラムを実行することで、例えば動作モード設定部１５ａ、充放電制御部１５ｂ、サイクル数算出部１５ｃ、および残容量算出部１５ｄを有している。尚、制御・演算部１５は、上述した構成以外にも、例えば二次電池１１の、満充電検出部や故障・異常監視部や性能（寿命）判定部等、電池パック１０の安全運用に拘わる各種機能を備えるが、ここでは本発明の要旨とは直接関係しないので、その説明については省略する。

　動作モード設定部１５ａは、電池パック１０に設けられた図示しないモード切換スイッチの状態を検出して、或いは電子機器２０側から通知される動作モードの選択指令を受けて二次電池１１の運用動作モードを、例えば高容量モード、または長寿命モードに選択設定する役割を担う。

　高容量モードは、二次電池１１がリチウムイオン電池である場合、二次電池１１の充電終止電圧を満充電容量になる第１の電圧（例えば４.２Ｖ／cell）に制限して充電し、二次電池１１の充電容量を十分に高くするモードである。また長寿命モードは、二次電池１１の充電終止電圧を第１の電圧よりも低い第２の電圧（例えば４.０Ｖ／cell）に制限して、満充電付近の充電を避けることで、二次電池１１の充電容量を或る程度抑えながら、その繰り返し充放電期間、いわゆるサイクル寿命を長くするモードである。第２の電圧は、過充電にならず、かつ、ある程度の容量を充電するため、３．９～４．１Ｖ／Cellが適している。

　ちなみに二次電池１１の充電は、前述したように充電電流および充電電圧を制限した、いわゆる定電流・定電圧充電により行われる。具体的にはリチウムイオン電池セルを３直２並列に接続した二次電池１１を充電する場合には、例えば最大出力電流が５０００ｍＡ、最大出力電圧が４.２Ｖ／cellの定電流・定電圧電源を用いて定電流・定電圧充電が行われる。上述した第１および第２の電圧は、この定電流・定電圧充電による二次電池１１の充電終止電圧を、前述した高容量モードまたは長寿命モードに応じてそれぞれ制限する電圧である。

　制御・演算部１５における充放電制御部１５ｂは、上述した動作モードに応じた制約条件、具体的にはその充電終止電圧を規制して二次電池１１に対する充電を制御し、また最大放電電流を規制して二次電池１１の放電を制御する役割を担う。またサイクル数算出部１５ｃは、上記充電制御の下で二次電池１１の充電のサイクル数を監視し、例えば二次電池１１の放電量を累積した累積放電量を満充電容量で割った値や、二次電池１１の残容量が放電不可状態に近い所定の容量以下になった回数で、サイクル数を算出する。尚、ここではサイクル数が累積放電量を満充電容量で割った値であることを例に説明するが、サイクル数は二次電池１１の使用頻度が推測できる値であればこれに限るものでない。

　また制御・演算部１５における残容量算出部１５ｄは、基本的には電流検出部１４にて検出される二次電池１１の充放電電流値と電圧値の積から求められる電力量（ΔＷ；単位［ＡＶ］または［Ｗ］）、若しくは充放電電流値とその電流通電時間とから求められる量（ΔＩ；単位［ｍＡｈ］）を積算して、その充電容量（ＣＣ；Charge Capacity）または放電容量（ＤＣＣ；Discharge Capacity）を算出する。そして二次電池１１の満充電容量（ＦＣＣ；Full Charge Capacity）に対する残容量（ＲＣ；Remaining Capacity）の比率を、相対残容量（ＲＳＯＣ；Relative State Of Charge）として算出する役割を担う。

　具体的には相対残容量（ＲＳＯＣ）は、充電時には充電容量（ＣＣ）を残容量（ＲＣ）として用い、放電時にはその満充電容量（ＦＣＣ）から放電容量（ＤＣＣ）を減じた容量（ＦＣＣ－ＤＣＣ）を残容量（ＲＣ）として求めて、数式１で算出される。

（数１）
　ＲＳＯＣ＝ＲＣ／ＦＣＣ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

　そしてこの残容量算出部１５ｄにて求められた二次電池１１の相対残容量（ＲＳＯＣ）は、前述した通信処理部１７を介して電子機器２０に通知される。

　基本的には上述した如く構成される電池パック１０において、本発明が特徴とするところは、前述した動作モードに拘わることなく二次電池１１の規格容量（ＤＣ；Design Capacity）と満充電容量（ＦＣＣ）を一元的に管理すると共に、二次電池１１の充放電に伴う充電容量（ＲＣ）または放電容量（ＤＣＣ）を一義的に求め、前述した動作モードに応じて二次電池１１の相対残容量（ＲＳＯＣ）を算出するようにした点にある。

　次に、図２は本発明の実施の形態に係る電池パックにおける二次電池のサイクル数と、高容量モードまたは長寿命モードの充電終止電圧との関係を示す図である。横軸は二次電池１１のサイクル数（回）で、縦軸は高容量モードまたは長寿命モードの充電終止電圧（Ｖ／Cell）である。そして、高容量モードを実線で、長寿命モードを破線で示している。

　高容量モードでは、図２のように二次電池１１の使用状態が初期のときは充電終止電圧を第１の電圧（４．２Ｖ／cell）と設定して、充電を行う。そして、二次電池１１のサイクル数の増加に伴って、充電終止電圧を第１の電圧（例えば、４．２Ｖ／cell）から徐々に低減する制御を行う。これにより、二次電池１１のサイクル数が多くなって劣化した後に過充電による更なる劣化を防ぐことができる。

　長寿命モードでは、図２のように二次電池１１のサイクル数が少ない間は二次電池１１の容量が規格容量の所定割合（例えば８０％）になるように、充電終止電圧を第１の電圧（４．２Ｖ／cell）より低い第２の電圧（例えば、４．０Ｖ／cell）で充電する。これにより、二次電池１１はある程度の容量を確保することができると共に、二次電池１１を満充電付近まで充電していないので、図７のように高容量モードより長寿命で使用することができる。

　そして、二次電池１１のサイクル数が増加すると、高容量モードでの相対残容量１００％となる容量が二次電池１１の規格容量の所定割合（例えば８０％）に近づいていき、図２のように充電終止電圧も第１の電圧が第２の電圧に近づいていく。そして、例えば高容量モードの容量が規格容量の８５％になると、長寿命モードの充電終止電圧を図２のように高容量モードと同様にサイクル数の増加に伴って徐々に減少させる制御を行う。

　さらに詳細に述べると、二次電池１１のサイクル数が増加すると、図２のように高容量モードでの充電終止電圧である第１の電圧が長寿命モードの充電終止電圧である第２の電圧（例えば、４．０Ｖ／cell）に近づいていく。そして、高容量モードの充電終止電圧と長寿命モードの充電終止電圧との差が所定電圧、例えば０．０６５Ｖ以下になると、長寿命モードの充電終止電圧を図２のように高容量モードと同様にサイクル数の増加に伴って徐々に減少させる制御を行う。例えば、高容量モードの充電終止電圧と長寿命モードの充電終止電圧との差を所定電圧、例えば０．０６５Ｖとして、図２のように平行に減少させる。

　また、サイクル数が所定回数、例えば、１０００サイクル以上で電池パックの交換が近い状態になると、高容量モードの充電終止電圧である第１の電圧を例えば、３．９Ｖ／cellに固定し、それ以降にサイクル数が増えても充電終止電圧を３．９Ｖ／cellのまま維持する。

　これにより、高容量モードと長寿命モードの充電終止電圧の逆転を防ぐとともに、長寿命モードは、満充電付近まで充電しないので、二次電池１１の劣化後も長寿命で使用することができる。

　次に、図３は本発明の実施の形態に係る電池パックの高容量モードまたは長寿命モードにおける容量と相対残容量の変化を示す図である。横軸は二次電池１１の規格容量（初期のＦＣＣ）に対するサイクル経過後の残容量（ＲＣ）の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）（％）で、縦軸は高容量モードまたは長寿命モードのサイクル経過後の相対残容量（％）である。そして、高容量モードを実線で、長寿命モードを破線で示している。

　図３は、二次電池１１の初期状態（点Ａ）と、サイクル数が経過して二次電池が劣化した３つの状態（点Ｂ、Ｃ、Ｄ）における高容量モード及び長寿命モードの容量と相対残容量の関係を示している。二次電池１１の満充電容量で説明すると、満充電容量が規格容量の１００％、８５％、８０％、６５％の４つのタイミングを高容量モードでは０点と点Ａ～Ｄを結ぶ実線で、長寿命モードでは０点と点ａ～ｂを結ぶ破線で示している。また、これらのタイミングは、図２においても同じ符号（点Ａ～Ｄ及び点ａ～ｂ）で示している。高容量モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＨＣ）は０～１００％の間を変動し、長寿命モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＬＬ）は０～８０％の間を変動する。数式２となる。

（数２）
　０％ ≦ ＲＳＯＣ_ＨＣ ≦ １００％　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　０％ ≦ ＲＳＯＣ_ＬＬ ≦ 　８０％

　各々のタイミングについて図３で説明する。

　二次電池１１の初期状態である図３の点Ａ及び点ａにおいて、高容量モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＨＣ）と長寿命モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＬＬ）は二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）と同じ値とする。

（数３）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ　　　　　　　　（３）

　次に、サイクル数が進んで二次電池１１の劣化が進むに従い、高容量モードにおいて矢印１のように二次電池１１の満充電容量を徐々に低下させていく。例えば、二次電池１１の容量が規格容量の８５％になった状態である図３の点Ｂ及び点ｂにおいて、高容量モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＨＣ）の８５％が二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）となる。また、長寿命モードは図２のように充電終止電圧が二次電池１１の初期状態と同じ４．０Ｖのままであるので、相対残容量（ＲＳＯＣ_ＬＬ）は二次電池１１の初期状態と同じで二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）と同じ値とする。

（数４）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ × 0.85 ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ　　　（４）

　上記の二つのタイミングから、二次電池１１の初期状態から容量が規格容量の８０％付近（例えば８３％）までは、高容量モードの相対残容量と長寿命モードの相対残容量は異なる計算式で求められることとなる（ｘは係数である）。

（数５）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ × ｘ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ　　　　　（５）
　　　　　0.80 ＜ｘ ≦ 1.0

　そして、二次電池１１の劣化が更に進み矢印２のように、二次電池の高容量モードの満充電容量が長寿命モードの８０％容量との差が所定値以下になると、図２のように長寿命モードの充電終止電圧を高容量モードと同様に低減させていく。例えば、二次電池１１の容量が規格容量の８０％になった劣化状態である図３の点Ｃ及び点ｃにおいて、高容量モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＨＣ）の８０％が二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）となる。また、長寿命モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＬＬ）の７５／８０（＝９４）％が二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）となる。

（数６）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ × 0.80 ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ × 0.94 ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ（６）

　さらに、二次電池１１の劣化が矢印３のように進んだ場合、例えば、二次電池１１の容量が規格容量の６５％になった状態である図３の点Ｄ及び点ｄにおいて、高容量モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＨＣ）の６５％が二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）となる。また、長寿命モードの相対残容量（ＲＳＯＣ_ＬＬ）の６２／８０（＝７８）％が二次電池１１の規格容量と残容量の割合（ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ）となる。

（数７）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ × 0.65 ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ × 0.78 ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ（７）

　つまり、二次電池１１の容量が規格容量の８０％付近（例えば８５％）より小さいときは、高容量モードの相対残容量と長寿命モードの相対残容量は以下の計算式で求められることとなる（ｙ、ｚは係数である）。

（数８）
　ＲＳＯＣ_ＨＣ × ｙ＝ＲＳＯＣ_ＬＬ × ｚ＝ＲＣ／ＦＣＣ_ｉｎｔ　　（８）
　　　　　ｙ＜ 0.85
　　　　　ｚ＜ 1.0

　最後に、長寿命モードと高容量モードの動作モードの切換えによる相対残容量について説明する。

　動作モードの切換えを放電中及び充電中に行った場合、残容量算出部１５ｄは切換前の動作モードの二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性に従って相対残容量を算出する。そして、充電で切換後の動作モードの充電終止電圧になった後、残容量算出部１５ｄは切換後の動作モードの二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性に従って相対残容量を算出する。

　動作モードの切換直後の相対残容量の変化について、図３の点Ｃのタイミングで動作モードを切換えた場合を例にして説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る電池パックの高容量モードから長寿命モードに切換えたときの相対残容量の変化を示す図で、図５は、本発明の実施の形態に係る電池パックの長寿命モードから高容量モードに切換えたときの相対残容量の変化を示す図である。

　図４は黒丸の位置で高容量モードから長寿命モードに切換られ、充電を実施している場合を示している。動作モードの切換直後は、切換前の高容量モードの二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性に従うので、点線矢印のように０点とＣ点を結ぶ直線に沿って、相対残容量が増加する。そして、相対残容量が８０％になったとき、点線矢印が横軸方向に曲がるように相対残容量は切換後の長寿命モードの相対残容量の最大値である８０％を充電終止電圧になるまで維持し、充電を終了させる。或いは、相対残容量を７９％で維持し、充電終止電圧になった後に、相対残容量を８０％に変化させ、充電を終了させるとしてもよい。

　残容量算出部１５ｄは、図４のｃ点である充電終止電圧になった時点で、二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量を８０％と設定する。そして、次に動作モードが切換えられるまで、残容量算出部１５ｄは充放電による二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性は０点とｃ点を結ぶ直線に沿って算出する。

　図５は黒丸の位置で長寿命モードから高容量モードに切換えられ、充電を実施している場合を示している。動作モードの切換直後は、切換前の長寿命モードの二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性に従うので、点線矢印のように０点とｃ点を結ぶ直線に沿って、相対残容量が変化する。そして、相対残容量が８０％になった後も０点とｃ点を結ぶ直線の延長線上で相対残容量が増加する。そして、充電終止電圧になった後に、相対残容量を１００％に急上昇させ、充電を終了させる。

　残容量算出部１５ｄは、図５のＣ点である充電終止電圧になった時点での二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量を１００％と設定する。そして、次に動作モードが切換えられるまで、残容量算出部１５ｄは充放電による二次電池１１の規格容量と残容量の割合に対する相対残容量の特性は０点とＣ点を結ぶ直線に沿って算出する。

　これらにより、動作モードを高容量モードから長寿命モードへ、或いは、長寿命モードから高容量モードへ切換えたとしても、切換直後の１回の満充電付近のみ相対残容量が８０％で維持したり、８０％付近から１００％に急上昇したりすることになるが、充電状態に注意が必要な残容量が少ないタイミングなどでは、相対残容量を的確に表示することができる。

　図３の点Ｃのタイミングを例に説明したが、点Ｂ、Ｃ、Ｄやその他のタイミングで高容量モードと長寿命モードの特性が異なるタイミングでは、動作モードを切換えるときは同様の処理を行う。

　かかる構成によれば、高容量モードまたは長寿命モードに選択設定して使用される二次電池の過充電による劣化を抑制しながら、二次電池の相対残容量を、その動作モードに応じて、更には動作モードが変更されたときでも的確に求めることのできる電池パックを提供することができる。

　なお、本実施の形態において、図２のように充電終止電圧をサイクル数に対して直線的に低減するとしたが、曲線状に低減するとしてもよい。または、階段状に低減するとしてもよい。または、使用する電池の特性に合わせて、初期、中期、末期と異なる直線や曲線で充電終止電圧を低減するとしてもよい。特に、図６のように初期から１００～２００サイクルまでに充電終止電圧を大きく低減することで、それ以降の二次電池の劣化を抑制することができる。

　なお、本実施の形態において、図２のように充電終止電圧をサイクル数に対して低減するとしたが、充電終止電圧を経過日数に対して低減するとしてもよい。その場合は、電子機器から入力される日数情報に従い充電終止電圧を低減させる。または、使用前半は充電終止電圧をサイクル数に対して低減し、使用後半は充電終止電圧を使用日数に対して低減するとしてもよい。そうすることで、使用前半は二次電池のサイクル数で使用された頻度による劣化に対応することができ、使用後半は実施の有無にかかわらず経年変化の劣化に対応することができる。

　なお、本実施の形態において、初期の二次電池における高容量モードの第１の電圧を二次電池が最大の満充電容量になる４.２Ｖ／cellとしたが、第１の電圧を第２の電圧より高い４．０５～４.１９Ｖ／cellとして、満充電容量を二次電池の最大の満充電容量の８５～９９％としてもよい。そうすることで、高容量モードでも満充電付近で充電を行っていないので劣化を低減することができる。

　本発明にかかる電池パックは、高容量モードまたは長寿命モードに選択設定して使用される二次電池の過充電による劣化を抑制しながら、二次電池の相対残容量を、その動作モードに応じて、更には動作モードが変更されたときでも的確に求めることのできるので、動作モードを切換る電池パックや電池システム等として有用である。

　１０　電池パック
　１１　二次電池
　１２　制御部
　１３　スイッチ素子
　１４　電流検出部
　１５　制御・演算部
　１５ａ　動作モード設定部
　１５ｂ　充放電制御部
　１５ｃ　サイクル数算出部
　１５ｄ　残容量算出部
　１６　電圧検出部
　１７　通信処理部
　１８　メモリ
　１９　温度検出素子
　２０　電子機器
　２１　負荷
　２２　制御・電源部

Claims

　二次電池と、
　前記二次電池の充放電を制御する制御演算部とを備え、
　前記制御演算部は、
　　前記二次電池の充電終止電圧を第１の電圧に制限して前記二次電池の満充電容量を高くする高容量モード、または前記充電終止電圧を前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に制限して前記二次電池のサイクル寿命を長くする長寿命モードを選択設定する動作モード設定部と、
　　前記二次電池の放電電流と放電時間または放電電流と電池電圧に基づいて前記二次電池の残容量を求め、前記残容量と前記二次電池の満充電容量とから前記二次電池の相対残容量を算出する残容量算出部と、
　　前記残容量算出部での算出結果から前記二次電池のサイクル数を算出するサイクル数算出部と、
　　前記サイクル数に基づいて前記第１の電圧を低減させ、前記第１の電圧が前記第２の電圧に所定の電圧を加算した値以下になったとき、前記第２の電圧を前記第１の電圧から所定の電圧を減算した電圧にする充電終止電圧設定部とを有することを特徴とする電池パック。
　前記残容量算出部は、
　　前記高容量モードが設定されたときには、前記二次電池の規格容量または充電終止電圧での充電容量を満充電容量として用い、
　　前記長寿命モードが設定されたときで前記第１の電圧が前記第２の電圧に所定の電圧を加算した値より大きいときには、前記規格容量に１００％以下の所定の係数を乗じた容量を前記長寿命モードでの最大充電容量として用い、
　　前記長寿命モードが設定されたときで前記第１の電圧が前記第２の電圧に所定の電圧を加算した値以下のときには、前記第２の電圧での充電容量を前記長寿命モードでの最大充電容量として用いる請求項１に記載の電池パック。
　前記残容量算出部は、
　　動作モードが変更された直後は、変更前の動作モードにおける算出方法で相対残容量を算出し、充電で変更後の動作モードの充電終止電圧になった後、切換後の動作モードにおける算出方法で相対残容量を算出する請求項２に記載の電池パック。
　前記残容量算出部は、
　　動作モードが前記高容量モードから前記長寿命モードに変更された後の最初の満充電付近の充電において、最大値を前記所定の係数に制限して前記相対残容量を求める請求項３に記載の電池パック。
　前記残容量算出部は、
　　動作モードが前記長寿命モードから前記高容量モードに変更された後の最初の満充電付近の充電において、前記充電終止電圧になったとき前記相対残容量を１００％に変更する請求項３に記載の電池パック。
　前記残容量算出部は、
　　前記高容量モードにおいて、前記満充電容量を相対残容量１００％とし、
　　前記長寿命モードにおいて、前記最大充電容量を相対残容量が前記所定の係数とする請求項２に記載の電池パック。
　前記二次電池は、リチウムイオン電池であって、
　　前記二次電池の使用状態が初期のときに、前記高容量モードでの充電終止電圧を規制する前記第１の電圧は４.２Ｖ／cellとして設定され、前記長寿命モードでの充電終止電圧を規制する前記第２の電圧は３．９～４.１Ｖ／cellとして設定される請求項１に記載の電池パック。