JP2005010032A - 電池残量検出方法およびその方法を用いた小型電気機器並びに電池パック - Google Patents

電池残量検出方法およびその方法を用いた小型電気機器並びに電池パック Download PDF

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雅人 鈴木
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芳成 青嶋
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Abstract

【課題】通常は内蔵した二次電池10で駆動するが、外部電源7を接続することにより二次電池10に対する充電を可能とする小型電気機器11にあって、充電制御のための構成を有効に利用するとともに、二次電池10における無負荷状態の端子電圧を正確に検出し、劣化状態を反映した満充電容量を的確に推測可能とする。
【解決手段】外部から電力が供給されると二次電池10に対する定電流充電を開始し、端子電圧が一定値になった時の電圧と充電電流を検出する。更に、満充電状態が検出されると、充電を停止するとともに外部電源による機器の駆動を維持し、二次電池10の実質的な無負荷状態で電圧値を測定することにより内部抵抗を算出する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池の劣化状態に対応した満充電時における容量を推定可能とする電池残量の検出方法とその検出方法を使用した携帯電話の様な小型電気機器ならびにその小型電気機器に使用する電池パックに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来この種電池残量の検出は、満充電時の充電量を100%に、二次電池の端子電圧が下限値を下回った時点の残量を0%にセットするとともに、その間の容量は充放電量を積算することにより推定する方法が一般的である。
【0003】
一方、二次電池は充放電を繰り返したり長期間保存すると劣化し、その劣化度に応じて満充電時の容量が減少方向に変化することが知られている。この満容量を検出は、満充電時から放電終了までの電流容量を積算することにより可能であるが、二次電池が満充電状態から放電終了まで一度に使用されるとは限らず、むしろその途中で充放電を繰り返すことが多く、この方法では現在の劣化状態に即した満容量を検出することは難しい。
【0004】
かかる不都合に対し、二次電池の内部抵抗の値から劣化度を加味した満充電時の容量が推定できることを利用する方法が知られる。すなわち、予め満容量と内部抵抗との関係を求めておき、使用中に二次電池の内部抵抗を検出し、この検出した内部抵抗と前記した関係データを用いて満容量を推定するのである。
【0005】
この内部抵抗の検出方法としては、二次電池が充放電をしていない休止時において開放端子電圧を測定する一方、二次電池が電気機器の駆動電源として放電している時における端子電圧と放電電流とを個別に測定し、無負荷状態での端子電圧と放電時の端子電圧の差と放電電流とから内部抵抗を求めることができる。また、電気機器が複数段階に変化する負荷状態で動作しているときの端子電圧と放電電流の差から、内部抵抗を計算することも可能である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気機器を駆動させるための放電電流は絶えず不規則に変化しているが、二次電池の放電電流が変化しても分極等の影響で端子電圧の変化に時間遅れが発生する結果、放電電流に対応した正確な端子電圧を測定することは難しい。
【0007】
これに対し、電気機器の内部に擬似負荷を設け、この負荷を利用して一定時間だけ定電流放電をしながら端子電圧を測定することにより、比較的正確な電圧電流特性を測定することも可能であるが、擬似負荷を設けることはコストアップにつながるとともに二次電池電力の無駄遣いとなるなど、依然として問題が多い。更に、端子電圧の測定手段に二次電池から駆動電力を供給している限り、厳密な意味での無負荷時の端子電圧を測定することはできない。
【0008】
本発明者はかかる不都合に鑑みて考察を行った結果、二次電池に対する充電時には機器の外部から電力が供給されるため、この電力を利用して略完全な無負荷状態を構成できるととともに、充電の直前にあっては充電電流が一定で端子電圧も変化がない領域が存在するため、この領域を利用して電池情報を取得することにより、比較的簡易な方法で正確に二次電池の内部抵抗を算出できることを知見した。
【0009】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、満充電状態の検出前後の端子電圧と充電電流を充電用の外部電源を利用して検出することにより、充電制御のための構成を有効に利用して簡易に満充電容量を推測可能とする電池容量の検出方法とその方法を使用した小型電気機器ならびに電池パックを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる電池残量の検出方法は、二次電池10を内部電源とし、必要に応じて外部から電力供給を可能とする図1に例示する小型電気機器11に適用されるものである。
【0011】
そして、機器の外部から電力が供給されるのと連動して、二次電池10に対する充電を開始すると同時に、その二次電池以外の電子回路に対する給電を二次電池10から外部電力に切り換える工程と、二次電池10に対する充電電流と充電電圧が略一定になったことが判定されると、二次電池10の端子電圧と充電電流を含む第1の電池情報を検出する工程と、満充電状態に達したことが判定されると二次電池10に対する充電を停止するとともに、その充放電の停止時から所定時間経過後に二次電池10における無負荷状態での端子電圧を含む第2の電池情報を検出する工程と、第1および第2の電池情報から二次電池10における満充電時における内部抵抗を算出する工程と、二次電池10における満充電容量と内部抵抗との関係を示す第3の電池情報と前記算出された内部抵抗から、満充電容量を推定する工程とを備えている。
【0012】
前記した第1の電池情報の検出時期は、二次電池10に対する充電が満充電に達する直前であり、第2の電池情報の検出時期は、内部抵抗による影響がなくなるかその収束値が推定できる時間より長く、且つ、外部からの電力供給が断たれるまでの時間より短く設定されるものである。また内部抵抗の算出は、第1の電池情報における端子電圧V1から第2の電池情報における端子電圧V2を減算し、第1の電池情報における充電電流I1で除算することにより算出される。
【0013】
また、満充電時における残容量を100%に設定し、更に推定された満充電容量で残容量を補正するとともに、機器を使用中における充放電容量を、前記補正された残容量に対して積算することにより、二次電池の現在容量の絶対値および相対値を推定可能とする。
【0014】
上記した電池残量の検出方法を実施する小型電気機器11は、図1にその全体的な構成を概略的に示す如く、複数の機能手段1と、各機能手段1の動作時期を規制する制御手段2と、機能手段1を駆動するための二次電池10と、二次電池10の電池残量を検出するための電池残量検出手段3とを備えたものである。
【0015】
そして電池残量検出手段3は、二次電池10における端子電圧と充電電流を少なくとも含む電池情報の測定手段4と、その測定手段4により取得された電池情報から電池残量を推測する電池残量推定手段5とを備えている。
【0016】
また制御手段2は、外部からの電力供給と連動して、二次電池10に対する充電を開始すると同時に、機能手段1および電池残量検出手段3に対する給電を二次電池10から外部電力に切り換える。更に、二次電池10に対する充電が満充電状態に近づいたことが判定されると、測定手段4に対して端子電圧と充電電流を含む第1の電池情報の検出を指示し、満充電状態に達すると前記二次電池10に対する充電を停止するとともに、その充放電が停止された時から所定時間経過後に、前記測定手段4に対して二次電池10における無負荷状態での端子電圧を含む第2の電池情報の検出を指示する制御動作を行う。
【0017】
更に電池残量推定手段5は、二次電池10における満充電容量と内部抵抗との関係を示す第3の電池情報を予め備え、上記した第1および第2の電池情報から、二次電池10における満充電時における内部抵抗を演算するとともに、前記した第3の電池情報と演算された内部抵抗から、満充電容量を推定する。
【0018】
なお二次電池10は、機器の本体ケース13に対して着脱自在に構成された電池ケース22内に収納されて電池パック23が構成され、更にその電池パック23内には、電池情報の測定手段4と、その測定手段4により測定された第1および第2の電池情報と二次電池10に関する第3の電池情報とを記憶する記憶手段6とが収納する様に構成することができる。
【0019】
【発明の効果】
本発明は上記の如く、満充電状態の検出前後の端子電圧と充電電流を充電用の外部電源を利用して検出することにより、充電制御のための構成が有効に利用されるとともに安定した検出動作が行われ、満充電容量が正確に推測可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下本発明にかかる小型電気機器を、図2〜図4に例示する如く、携帯電話12に実施した一例を示すがこれに限らず、ポケットタイプのパソコンや携帯型情報端末など、二次電池10を駆動源として使用した各種の小型電気機器に対しても略同様に実施できることは勿論である。
【0021】
携帯電話12は、図2にその外観形状を示す如く、扁平な矩形箱状の本体ケース13の正面側に、液晶表示板による表示画面14およびスピーカ15からなる表示部16と、キーボード17およびマイク18からなる操作部19とを備える。
【0022】
更に、本体ケース13の側面位置には、矩形薄板状の記憶媒体20が挿脱可能に嵌る媒体制御部21を備え、メモリカードの様な所定の記録媒体を介してデータの受け渡しが行える様にしている。また本体ケース13の裏面側には、電池ケース22内に二次電池10を内蔵した電池パック23を、電極24を介して着脱自在に取り付けるとともに、本体ケース13と電池ケース22の内部に分散して制御に必要な電子回路25を収納している。
【0023】
また、電源プラグ26から入力される商用交流電圧を低圧の直流電圧に変換して出力する充電器28を備え、電池パック23をセットした状態の携帯電話12をその充電器28に装着した期間に対応し、コネクタ29を介して携帯電話12の内部に備えた電子回路25に対して外部から所定の電力を供給可能としている。
【0024】
図3は、携帯電話12に内蔵する電子回路25がハードウェアとして備える機能を模式的に示したものであって、携帯電話12としての基本的な送受機能を備えた送受信部30に加え、1チップマイコンを制御の中心に備えた制御部31および記憶部32に格納されたソフトウェアを利用した制御動作によって、後記する各種の機能を実現している。なお、携帯電話12としての基本的な回路構成は従来の多機能電話と略同様なので、詳細な説明は省略する。
【0025】
本実施例にあっては更に、上記した電池ケース22内に電池残量監視部33を備え、二次電池10における残容量をリアルタイムで把握可能としている。なお本実施例では、電池残量監視部33の全体を電池ケース22内に収納した例を示したがこれに限らず、その一部または全部を本体ケース13側に備えることが可能である。
【0026】
ここで図4は、図3における電池残量監視部33の構成を明確にするため、電池ケース22内の二次電池10に対する充放電に関する構成を中心に表したブロック図である。二次電池10からの出力電圧は、制御回路34でその動作が制御される放電回路35を介して上記した各部に印加されることにより、通常は二次電池10を駆動電源として電子回路25は動作する。
【0027】
また、商用交流電源27から出力される100〜200Vの商用交流電圧は、充電器28に備えたAC−DCコンバータ36により低圧の直流電圧Vdに変換されたのち、例えば本体ケース13の下面に備えた着脱自在なコネクタ29を介し、本体ケース13や電池パック23内の電子回路25に印加される。
【0028】
この本体ケース13の外部から送られる直流電圧Vdは、その入力が検出されると二次電池10に代えて電子回路25の各部に駆動電力を供給すると同時に、制御回路34で制御される充電回路37によって充電電圧および充電電流を制御しながら二次電池10に印加することにより、上記した放電回路35と連動して二次電池10における正確な電池残容量を把握しながら、満充電状態あるいはそれ以前の所定の充電率まで二次電池10を充電可能とする。
【0029】
電池残量監視部33は、充電電流Icの大きさを検出可能とする充電電流センサ38を充電回路37に、放電電流Idの大きさを検出可能とする放電電流センサ39を放電回路35に各々設け、更に二次電池10の端子電圧Vtを検出可能とするとともに、電池残量監視部33の全体を制御するプログラム式の制御回路34を備える。
【0030】
かかる制御回路34に備えたプログラムにより、各センサ38・39による検出値に基づいて二次電池10に対する充放電量を制御すると同時に、例えば検出した充放電電流を積算するなど、電池残量推定用プログラムで規定するアルゴリズムによって、現在の電池残容量をリアルタイムで算出可能とする。
【0031】
また、電池ケース22内に記憶回路40と温度センサ41とを一体に内蔵し、記憶回路40に備えた素電池の特性情報と、温度センサ41による電池表面における温度変化情報に基づき、前記した積算による電池残量を補正するとともに、電池残量に関する報知情報を保存可能とする。かかる報知情報は、適宜時期に表示画面14上において表示されることにより、現在の電池残量が操作者に報知されるとともに、システム全体としての制御に利用される。
【0032】
上記した制御回路34の制御に利用するプログラムには、電池の電池残量を検出するためのアルゴリズムを記載した電池残量推定用プログラムが含まれる。かかるアルゴリズムとしては、電池電圧が下限値を下回った完全放電時にその残容量を0%とし、満充電の検出時にその残容量を100%に設定するとともに、その間における残容量は充放電量を積算して行くことにより算出されるが、その電池残量の検出方法は限定されるものではない。
【0033】
更に、満充電時の検出方法として、電池温度Tcの時間変化率がある設定値以上になった時点とする方法、電池電圧が上昇後下降に転じて更にある設定値以上降下した時点とする方法、電池電圧の時間に対する二次微分が充電量100%に近い領域で正から負に変化した時点とする方法など、そのシステムに最適なアルゴリズムが採用される。
【0034】
更にまた、電池ケース22中の記憶回路40に予め格納しておいた電池特性情報を利用し、前記した満充電の検出と充放電量の積算動作を、実際に使用している二次電池10に対応させて行わせる。また、算出された電池残容量とその時刻は絶えず記憶回路40中に記憶されており、例えば電池ケース22を本体ケース13から一旦外して再度取り付けた場合にあっては、取り外し中の経過時間と放電特性とから自己放電量を推測し、電池ケース22の取り外し前の電池残容量から自己放電量を引いて現在容量の補正を行う。
【0035】
本発明は上記した構成にあって、満充電時における電池容量を、二次電池10の劣化に対応させて補正する構成にその特徴を有する。より具体的には、その二次電池10についての、図5に例示する内部抵抗と満容量との関係を示すデータを、記憶回路40に表形式の数値あるいは近似式等の所定の形式で保存しておく。
【0036】
一方、図6の様に二次電池10に対する定電流による充電が進み、満充電状態に近づくとその端子電圧は略一定になる。そこでその略一定となった電流値I1と電圧値V1とを取得して記憶部32に保存する。
【0037】
次に満充電状態が時刻t1に検知され、充電が停止されると二次電池10は無負荷状態となる結果、端子電圧は急激に低下する。この電圧低下は、先ず応答の速い溶液抵抗による電圧上昇分が低下したのち、所定の時定数で減少する電荷移動抵抗に関係する電圧が、例えば10秒程度で収束したあと、分極電圧に関係する電圧が更に大きい時定数で減少する。
【0038】
そこで、充電をオフしてから内部抵抗による電圧上昇分の影響がなくなる所定時間τ経過後の時刻t2における端子電圧を検出するか、あるいは電圧の減少曲線から推定される収束電圧を求め、それを二次電池10における無負荷時の検出電圧V2とする。そこでその時点における内部抵抗R1は、(V1−V2)/I1で求まるので、算出した内部抵抗R1を図5に示す特性曲線に当て嵌めることにより、二次電池10の劣化状態を加味した満容量C1が推定される。
【0039】
なお、充電を終了してから検出電圧V2を取得するまでの待ち時間τは、端子電圧が追従するまでには十分長く、且つ、電気機器の使用者が携帯電話を充電器28から取り外すまでの一般的な時間より短い時間が必要である。
【0040】
しかしながら、内部抵抗を構成する溶液抵抗は瞬時に、電荷移動抵抗も10秒前後で変動は収まる。一方、充電時間は短くとも数十分かかるため、携帯電話の使用者が常時に充電状態をチェックすることは稀で、充電が終了しても直ちに充電器28から携帯電話12が取り外される可能性は低い。そうであるなら、待ち時間τは例えば10秒程度に設定することは可能であるが、それより短い充電停止直後に端子電圧を測定し、その値から収束値を推定することも可能である。
【0041】
なお、満容量が補正された時点における残容量を100%とし、充放電電流を積算していく様に電池残量監視部33を動作させると、満容量C1から積算値を順次に減算していくことにより、現在の残容量が、相対値ばかりでなく絶対値としても推測されるのである。
【0042】
上記した構成にあって、電池パック23を携帯電話12の本体ケース13に装着すると、電池パック23中の記憶回路40に格納した電気機器情報と電池パック23情報とを利用して電池残量監視部33を初期化することにより、二次電池10の満充電の検出と充放電量の積算動作を、実際に使用している携帯電話12および二次電池10に対応させて行わせる。
【0043】
また、算出された電池残容量とその時刻は絶えず記憶回路40中に記憶されており、例えば電池ケース22を本体ケース13から一旦外して再度取り付けた場合にあっては、取り外し中の経過時間と放電特性とから自己放電量を推測し、電池ケース22の取り外し前の電池残容量から自己放電量を引いて現在容量の補正を行う。
【0044】
更に、充電器28が携帯電話12に接続されて充電が行われ、満充電状態になった時点で、劣化状態の満容量が推測されてその値で残容量は補正される。すなわち、充電操作によって満充電状態にされる毎に電池残量は電池の劣化による容量変化を考慮した絶対補正がされるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成の基本的な構成を示す概略図である。
【図2】本発明を携帯電話に実施した一例を示す斜視図である。
【図3】電子回路の構成を概略的に示すブロック図である。
【図4】電池残量監視部の構成を示すブロック図である。
【図5】二次電池の内部抵抗と満容量との関係を例示する特性曲線である。
【図6】二次電池の満充電時における端子電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 機能手段
2 制御手段
3 電池残量検出手段
4 測定手段
5 推定手段
6 記憶手段
7 外部電源
10 二次電池
11 小型電気機器
12 携帯電話
13 本体ケース
14 表示画面
15 スピーカ
16 表示部
17 キーボード
18 マイク
19 操作部
20 記憶媒体
21 媒体制御部
22 電池ケース
23 電池パック
24 電極
25 電子回路
26 電源プラグ
27 商用交流電圧
28 充電器
29 コネクタ
30 送受信部
31 制御部
32 記憶部
33 電池残量監視部
34 制御回路
35 放電回路
36 AC−DCコンバータ
37 充電回路
38 充電電流センサ
39 放電電流センサ
40 記憶回路
41 温度センサ

Claims (8)

  1. 二次電池を内部電源とし、必要に応じて外部から電力供給を可能とする小型電気機器における電池残量の検出方法であって、
    前記外部からの電力供給と連動して、前記二次電池に対する充電を開始すると同時に、該二次電池以外の電子回路に対する給電を二次電池から外部電力に切り換える工程と、
    該二次電池に対する充電電流と充電電圧が略一定になったことが判定されると、二次電池の端子電圧と充電電流を含む第1の電池情報を検出する工程と、
    満充電状態に達したことが判定されると前記二次電池に対する充電を停止するとともに、その充放電の停止時から所定時間経過後に二次電池における無負荷状態での端子電圧を含む第2の電池情報を検出する工程と、
    前記第1および第2の電池情報から、前記二次電池における満充電時における内部抵抗を算出する工程と、
    前記二次電池における満充電容量と内部抵抗との関係を示す第3の電池情報と、前記算出された内部抵抗から、満充電容量を推定する工程と、
    を備えた電池残量検出方法。
  2. 前記第1の電池情報の検出時期は、前記二次電池に対する充電が満充電に達する直前であり、
    前記第2の電池情報の検出時期は、内部抵抗による影響がなくなるかその収束値が推定できる時間より長く、且つ、外部からの電力供給が断たれるまでの時間より短く設定されるものであって、
    前記内部抵抗の算出は、前記第1の電池情報における端子電圧から前記第2の電池情報における端子電圧を減算し、前記第1の電池情報における充電電流で除算することにより算出する請求項1記載の電池残量検出方法。
  3. 前記満充電時における残容量を100%に設定し、更に前記推定された満充電容量で残容量を補正するとともに、
    前記機器を使用中における充放電容量を、前記補正された残容量に対して積算することにより、二次電池の現在容量の絶対値および相対値を推定可能とする請求項1または2記載の電池残量検出方法。
  4. 複数の機能手段と、各機能手段の動作時期を規制する制御手段と、機能手段を駆動するための二次電池と、該二次電池の電池残量を検出するための電池残量検出手段と、を備えた小型電気機器であって、
    該小型電気機器の外部から、必要に応じて所定の電力を供給可能とするとともに、
    前記電池残量検出手段は、
    前記二次電池における端子電圧と充電電流を少なくとも含む電池情報の測定手段と、
    該測定手段により取得された電池情報から電池残量を推測する電池残量推定手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記機器外部からの電力供給と連動して、前記二次電池に対する充電を開始すると同時に、全ての電子回路に対する給電を二次電池から外部電力に切り換え、
    該二次電池に対する充電が満充電状態に近づいたことが判定されると、前記測定手段に対して端子電圧と充電電流を含む第1の電池情報の検出を指示し、
    満充電状態に達すると前記二次電池に対する充電を停止するとともに、その充放電が停止された時から所定時間経過後に、前記測定手段に対して二次電池における無負荷状態での端子電圧を含む第2の電池情報の検出を指示する制御動作を行い、
    前記電池残量推定手段は、
    前記二次電池における満充電容量と内部抵抗との関係を示す第3の電池情報を予め備え、
    前記第1および第2の電池情報から、前記二次電池における満充電時における内部抵抗を演算するとともに、前記第3の電池情報と演算された内部抵抗から、満充電容量を推定することを特徴とする小型電気機器。
  5. 前記第1の電池情報の検出時期は、前記二次電池に対する充電が満充電に達する直前であり、
    前記第2の電池情報の検出時期は、内部抵抗による影響がなくなるかその収束値が推定できる時間より長く、且つ、外部からの電力供給が断たれるまでの時間より短く設定されるものであって、
    前記内部抵抗の算出は、前記第1の電池情報における端子電圧から前記第2の電池情報における端子電圧を減算し、前記第1の電池情報における充電電流で除算することにより算出する請求項4記載の小型電気機器。
  6. 前記満充電時における残容量を100%に設定し、更に前記推定された満充電容量で残容量を補正するとともに、
    前記機器を使用中における充放電容量を、前記補正された残容量に対して積算することにより、二次電池の現在容量を推定可能とする請求項4または5記載の小型電気機器。
  7. 前記二次電池は、前記機器の本体ケースに対して着脱自在に構成された電池ケース内に収納されて電池パックが構成され、
    更に該電池パック内には、前記電池情報の測定手段と、該測定手段により測定された第1および第2の電池情報と二次電池に関する第3の電池情報とを記憶する記憶手段とが少なくとも収納されている請求項4乃至6の何れかに記載の小型電気機器。
  8. 本体ケース内に複数の機能手段と各機能手段の動作時期を規制する制御手段とを収納した機器本体に対して着脱自在に取り付けられる電池ケース内に二次電池を収納して構成した電池パックであって、
    前記本体ケースの外部から、必要に応じて所定の電力を供給可能とするとともに、電池残量の検出手段を備え、
    該電池残量検出手段は、
    前記電池ケース内に収納されて、前記二次電池における端子電圧と充電電流を少なくとも含む電池情報の測定手段と、
    前記本体ケース内または電池ケース内にあって、前記測定手段により取得された電池情報から電池残量を推測する電池残量推定手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記本体ケース外部からの電力供給と連動して、前記二次電池に対する充電を開始すると同時に、全ての電子回路に対する給電を二次電池から外部電力に切り換え、
    該二次電池に対する充電が満充電状態に近づいたことが判定されると、前記測定手段に対して端子電圧と充電電流を含む第1の電池情報の検出を指示し、
    満充電状態に達すると前記二次電池に対する充電を停止するとともに、その充放電が停止された時から所定時間経過後に、前記測定手段に対して二次電池における無負荷状態での端子電圧を含む第2の電池情報の検出を指示する制御動作を行い、
    前記電池残量推定手段は、
    前記二次電池における満充電容量と内部抵抗との関係を示す第3の電池情報を予め備え、
    前記第1および第2の電池情報から、前記二次電池における満充電時における内部抵抗を演算するとともに、前記第3の電池情報と演算された内部抵抗から、満充電容量を推定することを特徴とする電池パック。
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