JP3911038B2

JP3911038B2 - ２次電池の残存容量検出方法

Info

Publication number: JP3911038B2
Application number: JP22344995A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中條; 猛志三浦; 実道浦
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JPH0970146A; US5736835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次電池の残存容量検出方法に関する。特に、２次電池の使用時の電圧に基づいて、そのオープン電圧を算出し、さらに、そのオープン電圧に基づいて、２次電池の残存容量を算出するようにすることにより、２次電池の残存容量を、高精度で検出することができるようにした２次電池の残存容量検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バッテリパックの残存容量は、それが使用中（放電時と充電時との両方を含む）であるかどうかに拘らず、そのバッテリパックが内蔵する２次電池の電圧に基づいて算出されるようになされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、２次電池の電圧は、それが使用中である場合と、そうでない場合とで変化するが、即ち２次電池に電流が流れている場合と、流れていない場合とで変化するが、その残存容量を正確に求めるには、２次電池が使用されていない状態での電圧、即ちオープン電圧を求める必要がある。従って、従来は、２次電池が使用中でなければ、比較的精度の良い残存容量を求めることができるが、２次電池が使用中の場合は、残存容量を正確に求めることが困難であった。そのため、残存容量の表示は、例えば「バッテリパックが充分に充電されている状態にある」、「バッテリパックがある程度充電された状態にある」、「バッテリパックを充電する必要がある」（ローバッテリ）といったような、いわば大雑把なものしかすることができず、ユーザは、バッテリパックが、後どれくらいの時間使用可能なのかを、正確に知ることが困難であった。
【０００４】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、２次電池が使用中であっても、正確な残存容量を求めることができるようにするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の２次電池の残存容量検出方法は、２次電池の使用時の電圧をＤＶ、その２次電池に流れる電流をＤＩ、その２次電池の温度をＴ、その２次電池の劣化の度合いをＦ、所定の比例定数をＫとするとき、２次電池が充電中であるかどうかを判定し、２次電池が充電中であると判定されたとき、充電電流が流れているときの２次電池の電圧と、充電電流をオフしたときの２次電池の電圧との差に基づいて、劣化の度合いＦを検出し、２次電池のオープン電圧ＯＣＶを、式
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
にしたがって求め、そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、２次電池の残存容量を算出することを特徴とする。
【００１１】
本発明の２次電池の残存容量検出方法においては、２次電池の使用時の電圧をＤＶ、その２次電池に流れる電流をＤＩ、その２次電池の温度をＴ、その２次電池の劣化の度合いをＦ、所定の比例定数をＫとするとき、２次電池が充電中であるかどうかを判定し、２次電池が充電中であると判定されたとき、充電電流が流れているときの２次電池の電圧と、充電電流をオフしたときの２次電池の電圧との差に基づいて、劣化の度合いＦを検出し、２次電池のオープン電圧ＯＣＶを、式
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
にしたがって求め、そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、２次電池の残存容量を算出するようになされている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を説明するが、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に、対応する実施例（但し、一例）を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【００１７】
請求項１に記載の２次電池の残存容量検出方法は、２次電池の使用時の電圧をＤＶ、その２次電池に流れる電流をＤＩ、その２次電池の温度をＴ、その２次電池の劣化の度合いをＦ、所定の比例定数をＫとするとき、２次電池が充電中であるかどうかを判定し（例えば、図３に示すプログラムの処理ステップＳ２など）、２次電池が充電中であると判定されたとき、充電電流が流れているときの２次電池の電圧と、充電電流をオフしたときの２次電池の電圧との差に基づいて、劣化の度合いＦを検出し、２次電池のオープン電圧ＯＣＶを、式
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
にしたがって求め、そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、２次電池の残存容量を算出することを特徴とする。
【００１９】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【００２０】
図１は、本発明を適用したバッテリパックの一実施例の構成を示している。このバッテリパックは、スマートバッテリ（Smart Battery）あるいはインテリジェントバッテリなどと呼ばれるもので、２次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の監視用のＩＣ（Integrated Circuit）としての、例えばＣＰＵ４や、その状態を検出するための電流検出部１、電圧検出部２、温度センサ３などを内蔵しており、そこに接続される充電器、あるいはコンピュータなどの負荷との間で通信を行い、バッテリパックの状態を知らせることができるようになされている。なお、充電器／負荷と通信を行うための端子は、ＣＰＵ４に接続されているが、その図示は省略してある。
【００２１】
２次電池Ｅ１乃至Ｅ４それぞれは、直列に接続されており、２次電池Ｅ１の＋端子は、電流検出部１を介して、バッテリパックの端子＋ＥＢに、２次電池Ｅ４の−端子は、スイッチＳＷを介して、バッテリパックの端子−ＥＢにそれぞれ接続されている。なお、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４は、例えばカーボンを含んで構成されるリチウム電池や鉛電池などである。但し、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４は、これに限られるものではなく、例えば図２に示すように、その電圧と残存容量とが１対１に対応するような特性を有するものであれば良い。なお、図２は、電圧と残存容量とが比例関係にある場合を示しているが、電圧と残存容量とは、必ずしも比例関係にある必要はない。
【００２２】
電流検出部１は、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４に流れる電流（充電電流、放電電流）を検出し、ＣＰＵ４に出力するようになされている。電圧検出部２は、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４それぞれの電圧（以下、適宜、電池電圧という）を検出し、ＣＰＵ４に出力するようになされている。温度センサ３は、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の温度を検出し、ＣＰＵ４に出力するようになされている。
【００２３】
ＣＰＵ４は、電圧検出部２より供給される電池電圧に対応して、通常はオン状態になっているスイッチＳＷをオフにし、これにより過充電および過放電を防止するようになされている。なお、スイッチＳＷは、例えば電界効果トランジスタなどで構成されている。
【００２４】
また、ＣＰＵ４は、バッテリパックが使用状態にある場合に、後述するようにして、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４のオープン電圧を算出し、さらに、そのオープン電圧に基づいて、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４（バッテリパック）の残存容量を算出するようにもなされている。
【００２５】
表示部５は、ＣＰＵ４によって算出されたバッテリパックの残存容量を表示するようになされている。容量記憶部６は、バッテリパックが使用されていないときの電池電圧、即ちオープン電圧と、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の残存容量との対応表（以下、適宜、残存容量対応表という）を記憶している。なお、この残存容量対応表は、実験によって求められる。即ち、残存容量対応表は、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４が所定のオープン電圧を有するときの残存容量を測定することを、種々のオープン電圧について行うことで求められる。
【００２６】
なお、電流検出部１、電圧検出部２、および温度センサ３は、常時動作しており、従って、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４に流れている電流、その電圧、およびその温度は、ＣＰＵ４に、常時供給されるようになされている。
【００２７】
次に、その動作について説明する。端子＋ＥＢおよび−ＥＢに充電器（図示せず）が接続された場合、充電器、端子＋ＥＢ、電流検出部１、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４、スイッチＳＷ、端子−ＥＢ、充電器の経路で充電電流が流れる。このとき、電圧検出部２は、上述したように、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の電圧（電池電圧）を検出しており、その検出した電池電圧をＣＰＵ４に出力している。ＣＰＵ４は、電圧検出部２からの電池電圧が、所定の電圧（例えば、満充電電圧より幾分高い電圧）以上となると、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の充電が充分なされたとみなして、スイッチＳＷをオフにする。これにより、過充電が防止されるようになされている。
【００２８】
また、端子＋ＥＢおよび−ＥＢに負荷（図示せず）が接続された場合、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４、電流検出部１、端子＋ＥＢ、負荷、端子−ＥＢ、スイッチＳＷ，２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の経路で放電電流が流れる。このとき、電圧検出部２は、やはり、上述したように、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の電圧（電池電圧）を検出しており、その検出した電池電圧をＣＰＵ４に出力する。ＣＰＵ４は、電圧検出部２からの電池電圧が、所定の電圧（例えば、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４が過放電状態となる電圧より幾分高い電圧）以下となると、スイッチＳＷをオフにする。これにより、過放電が防止されるようになされている。
【００２９】
次に、このバッテリパックにおいては、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の残存容量が常時表示されるようになされている。即ち、バッテリパックが使用されていない状態にある場合、ＣＰＵ４は、電圧検出部２から供給される電池電圧を、容量記憶部６に記憶されている残存容量対応表を参照して、残存容量に変換する。即ち、この場合、電圧検出部２から供給される電池電圧は、オープン電圧であるから、残存容量対応表を参照するだけで、正確な残存容量を得ることができる。
【００３０】
その後、ＣＰＵ４は、表示部５に残存容量を表示させる。なお、以上の処理は、所定の時間ごとに行われる。従って、表示部５に表示された残存容量は、所定の時間ごとに更新される。
【００３１】
一方、バッテリパックが使用状態にあるとき、バッテリパックでは、図３に示すフローチャートにしたがった処理が行われることにより、所定の時間ごとに、残存容量の表示（更新）が行われる。即ち、まず最初に、ステップＳ１において、所定の時間をカウントするための変数Ｃに初期値としての、例えば０がセットされる。なお、この変数Ｃは、所定のクロックのタイミングで順次インクリメントされるようになされている。
【００３２】
その後、ステップＳ２に進み、バッテリパックが充電状態にあるかどうかが、ＣＰＵ４によって判定される。なお、この判定は、例えば電流検出部１から供給される電流およびその向きなどに基づいて行われる。ステップＳ２において、バッテリパックが充電状態にあると判定された場合、即ち、充電電流が流れている場合、ステップＳ３に進み、ＣＰＵ４によって、スイッチＳＷがオフにされ、これにより充電電流がオフにされて、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の劣化の度合いを表す劣化係数Ｆが、ＣＰＵ４によって求められる。
【００３３】
ここで、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４は、その劣化に伴い、内部インピーダンスが変化する。この内部インピーダンスの変化は、充電電流が流れているときの電池電圧と、充電電流をオフしたときの電池電圧との差として現れるから、ＣＰＵ４では、この電池電圧の差に基づいて、劣化係数Ｆが求められる。
【００３４】
なお、バッテリパックが充電状態にある場合には、必ず、ステップＳ３およびＳ４の処理が行われるから、劣化係数Ｆは、バッテリパックの充電が行われるたびに更新される。また、本実施例では、バッテリパックは、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の４つの２次電池を有するため、２次電池Ｅ１乃至Ｅ４それぞれで劣化係数が異なる場合がある（むしろ、そのようになるのが一般的である）。そこで、このような場合には、例えば２次電池が最も劣化していることを表す劣化係数Ｆが用いられる。
【００３５】
劣化係数Ｆの算出後は、ＣＰＵ４によって、スイッチＳＷが再びオンにされ、ステップＳ５に進む。
【００３６】
一方、ステップＳ２において、バッテリパックが充電状態にないと判定された場合、ステップＳ３およびＳ４をスキップして、ステップＳ５に進み、変数Ｃが所定の数Ｎ（Ｎは、上述した所定の時間に相当する整数）以上であるか否かが、ＣＰＵ４によって判定される。ステップＳ５において、変数Ｃが所定の数Ｎ以上でないと判定された場合、即ち、後述するステップＳ８で、残存容量の表示がなされてから、所定の時間が経過していない場合、ステップＳ２に戻り、ステップＳ５において、変数Ｃが所定の数Ｎ以上であると判定されるまで、ステップＳ２乃至Ｓ５の処理を繰り返す。
【００３７】
そして、ステップＳ５において、変数Ｃが所定の数Ｎ以上であると判定された場合、即ち、前回の残存容量の表示がなされてから、所定の時間が経過した場合、ステップＳ６に進み、ＣＰＵ４によって、オープン電圧が算出される。即ち、ＣＰＵ４は、ステップＳ４で求めた（検出した）劣化係数Ｆ、並びに電流検出部１、電圧検出部２、または温度センサ３それぞれから供給される電池電圧ＤＶ、電流（充電電流または放電電流）ＤＩ、または温度Ｔに基づき、オープン電圧ＯＣＶを次式にしたがって算出する。
【００３８】
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
但し、Ｋは所定の比例定数である。なお、この比例定数Ｋは、実験により求められる。
【００３９】
以上のように、オープン電圧ＯＣＶを、バッテリパックの使用時の電圧ＤＶだけでなく、そのとき流れている電流ＤＩ、そのときの温度Ｔ、および劣化係数Ｆを考慮して算出するようにしたので、正確なオープン電圧ＯＣＶを求めることができる。
【００４０】
オープン電圧ＯＣＶの算出後、ステップＳ７に進み、ＣＰＵ４によって、そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、残存容量が算出される。即ち、ＣＰＵ４は、容量記憶部６に記憶されている残存容量対応表から、ステップＳ６で算出したオープン電圧ＯＣＶに対応する残存容量を読み出す。そして、ステップＳ８において、その残存容量（数値）が表示部５に出力され、これにより、表示部８において、いままで表示されていた残存容量の表示が更新され、ステップＳ１に戻る。
【００４１】
以上のように、正確なオープン電圧から残存容量を算出するようにしたので、正確な残存容量を得ることができる。
【００４２】
次に、図４は、本発明を適用した負荷／充電器の一実施例の構成を示している。この負荷／充電器は、一般的な負荷または充電器としての機能を有する負荷／充電器ブロック２０に加え、図１の電流検出部１、電圧検出部２、温度センサ３、ＣＰＵ４、表示部５、または容量記憶部６それぞれと同様に構成される電流検出部１１、電圧検出部１２、温度センサ１３、ＣＰＵ１４、表示部１５、または容量記憶部１６が設けられて構成されている。
【００４３】
従って、この負荷／充電器に、例えば２次電池Ｅ１乃至Ｅ４を内蔵するバッテリパックを接続した場合、図１における場合と同様にして、バッテリパックの、正確な残存容量を求めることができる。
【００４４】
なお、本実施例においては、残存容量を常時表示させるために、電流検出部１、電圧検出部２、および温度センサ３を、常時動作させるようにしたが、残存容量は、必要なとき（例えば、所定のボタンが操作されたときなど）だけ表示させるようにし、電流検出部１、電圧検出部２、および温度センサ３についても、そのときだけ動作させるようにすることも可能である（但し、電圧検出部２については、残存容量を表示するためにだけでなく、過充電および過放電を検出するために動作させておく必要がある）。
【００４５】
また、本実施例では、劣化係数Ｆの更新を、充電時に行うようにしたが、劣化係数Ｆの更新は、その他の場合に行うことも可能である。但し、劣化係数Ｆの更新時には、図３で説明したように、スイッチＳＷがオフにされるため、放電時には、放電電流が停止されることとなる。従って、放電時に、劣化係数Ｆの更新を行う場合には、負荷が、そのような状態となることを許すようなものである必要がある。
【００４６】
さらに、本実施例においては、バッテリパックに、４つの２次電池を設けるようにしたが、バッテリパックに設ける２次電池の数は、特に限定されるものではない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の２次電池の残存容量検出方法によれば、２次電池の使用時の電圧をＤＶ、その２次電池に流れる電流をＤＩ、その２次電池の温度をＴ、その２次電池の劣化の度合いをＦ、所定の比例定数をＫとするとき、２次電池が充電中であるかどうかが判定され、２次電池が充電中であると判定されたとき、充電電流が流れているときの２次電池の電圧と、充電電流をオフしたときの２次電池の電圧との差に基づいて、劣化の度合いＦが検出され、２次電池のオープン電圧ＯＣＶが、式
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
にしたがって求められ、そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、２次電池の残存容量が算出される。従って、２次電池のオープン電圧ＯＣＶが、その使用時の電圧ＤＶの他、２次電池に流れている電流ＤＩ、２次電池の温度Ｔ、および２次電池の劣化の度合いＦを考慮して算出されるので、正確なオープン電圧を求めることができ、その結果、正確な残存容量を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したバッテリパックの一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の２次電池Ｅ１乃至Ｅ４の特性（オープン電圧と残存容量との関係）を示す図である。
【図３】図１のバッテリパックの動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明を適用した負荷／充電器の一実施例の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１電流検出部
２電圧検出部
３温度センサ
４ＣＰＵ
５表示部
６容量記憶部

Claims

２次電池の使用時の電圧をＤＶ、その２次電池に流れる電流をＤＩ、その２次電池の温度をＴ、その２次電池の劣化の度合いをＦ、所定の比例定数をＫとするとき、前記２次電池が充電中であるかどうかを判定し、前記２次電池が充電中であると判定されたとき、充電電流が流れているときの前記２次電池の電圧と、前記充電電流をオフしたときの前記２次電池の電圧との差に基づいて、前記劣化の度合いＦを検出し、
前記２次電池のオープン電圧ＯＣＶを、式
ＯＣＶ＝ＤＶ＋Ｋ×ＤＩ×Ｔ×Ｆ
にしたがって求め、
そのオープン電圧ＯＣＶに基づいて、前記２次電池の残存容量を算出する
ことを特徴とする２次電池の残存容量検出方法。