JP2007026733A - パック電池の制御方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 通常のパック電池の機能を維持しつつ、電池の異常判定や、容量を適正に測定できるパック電池の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 電子機器Ｃからの電力で充電されると共に、該電子機器Ｃに電力を放電する複数個の並列接続された電池を備えたパック電池Ａの制御方法であって、少なくとも一つの電池を電気的に分離すると共に、分離されていない電池により、電子機器Ｃとの充放電を行うことを特徴とする。また、分離された電池が異常であるとき、分離された電池の分離を維持することを特徴とする。更には、分離された電池を充放電することにより、該電池の異常判定又は容量測定を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パック電池の制御方法に関する。

以下の特許文献１には、例えば、ネットワークシステムにおけるサーバのバックアップ電源（＝無停電電源）として利用されるパック電池が開示されている。このような電池においては、停電等が発生しないときは、放電する必要がなく、満充電状態付近のままで長期間保存され、全く容量の測定が行われていなかった。
特開２００２−１９１１３８号

従来においては、容量の測定が行われないので、パック電池内部のマイコンが認識している容量と、実際の電池の放電容量に大きな誤差が出る場合があった。また、パック電池の内蔵電池の品質異常等により、通常の電池よりも、容量が低下している場合等にも、マイコンが認識している容量或いは仕様の容量と、大きな誤差が出る場合があった。

また、パック電池、内蔵電池等に何らかの異常が発生して正常な放電が出来ない状態になっていても、実際に放電の必要が生じて放電状態になってからでなければ異常を検出できない問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、通常のパック電池の機能を維持しつつ、電池の異常判定や、容量を適正に測定できるパック電池の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、電子機器からの電力で充電されると共に、該電子機器に電力を放電する複数個の並列接続された電池を備えたパック電池の制御方法であって、少なくとも一つの電池を電気的に分離すると共に、分離されていない電池により、前記電子機器との充放電を行うことを特徴とする。

また、前記分離された電池が異常であるとき、前記分離された電池の分離を維持することを特徴とする。更には、前記分離された電池を充放電することにより、該電池の異常判定又は容量測定を行うことを特徴とする。

つまり、本発明においては、パック電池内部の一部の電池を内部回路により電気的に切り離すことで、部分的に充放電を可能にし、パックの機能を維持しつつ電池の異常判定や容量の測定を行う機能を持つことを特徴とする。

本発明においては、電池を電気的に分離することで、該電池を単独で充放電することができる。このように、電池を単独で充放電することにより、電池の異常検出、容量測定、リフレッシュ放電等を行うことができる。また、接続される電子機器に対する充放電については、並列接続されている他の電池にて行うことができることより、電子機器を通常の状態で使用することができる。また、電池を電気的に分離することで、電圧等を測定して、電池の異常を検出することもできる。

また、分離された電池が異常であるときは、該電池の分離を維持することで、パック電池全体の電池容量は小さくなるものの、他の分離されていない電池にて、電子機器との充放電を正常に行うことができる。

本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施例においては、電子機器Ｃとしてコンピュータのバックアップ電源（＝無停電電源）に利用されるパック電池Ａが開示されている。このコンピュータは、ネットワークシステムにおけるサーバとして利用される。電子機器Ｃ内においては、演算処理等を実行する半導体素子等の負荷Ｌと、パック電池Ａの充放電を行う充放電回路Ｃ１と、このような充放電の制御を行う制御手段ＣＣとを備えている。後述するように、パック電池Ａの充放電と、分離された構成電池の充放電を行うための切り替えスイッチＳＷを備え、これは、パック電池Ａからのリフレッシュ要求信号を受信して、制御手段ＣＣにて切り替え制御される。

このようなパック電池Ａは、電子機器Ｃの内部電源を用いた充放電回路Ｃ１に接続されて充電される。また、電子機器Ｃ（＝コンピュータ）への通常の電源である商用電力が停電の時、パック電池Ａは、周知手段により停電信号を得て、停電時に放電して電力をコンピュータに供給することになる。

パック電池Ａにおいては、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池等の二次電池１と、電池１の充放電時の電流を検出する抵抗等からなる電流検出部２と、電池１の充放電を監視、制御するマイクロプロセッサーユニット(以下、ＭＰＵと記す）とを備えている。また、パック電池Ａ内には、電池１に密接して配置されたサーミスタを含む温度検出部３が設けられている。

電池１は、素電池を複数個直列接続した構成電池１１、１２、１３、１４を、並列接続している。電池１の種類について、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池であるなら、放電深度が浅い放電、充電を繰り返すことにより、一時的に容量が低下するメモリー効果を解消するため、及び、電池の異常判定や、容量を適正に測定するために、後述するリフレッシュ工程を行う。また、電池１の種類について、リチウムイオン電池であるなら、上述のメモリー効果は少なく、電池の異常、容量を適正に測定するために、後述するリフレッシュ工程を行う。また、温度検出部３は、図示しないが、各構成電池と熱結合されている。

ＭＰＵにおいては、電池電圧(測定箇所ｄ)、電流検出部２からの出力、温度検出部３からの出力のアナログ電圧が入力され、デジタル変換し、実電圧[mV]や実電流値[mA]に換算するＡ／Ｄ変換部４が設けられている。そして、Ａ／Ｄ変換部４からの出力が、充放電制御・演算部５に入力されて、演算、比較、判定等が行われて、この制御・演算部５からの信号で、スイッチングトランジスタ等からなる制御素子７をオンオフ制御する。周知技術を利用して、制御・演算部５においては、充放電電流を積算して残容量を演算処理すると共に、各種データを記録している。

また、MPUにおいては、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報、各種指令の情報を、電子機器Ｃの制御手段ＣＣに伝送する通信処理部９を備えている。

また、満充電の検出については、最大電圧を検出したり、電池電圧の−ΔＶ（＝電圧低下）を検出したり、演算された残容量を利用したり等の周知の方法にて検出している。

パック電池Ａは、停電時のバックアップ電源として利用されるので、通常、電池１は満充電に近い状態で保管される。また、停電の発生は、通常、非常に少ないので、電池１の残容量の低下は、電池の自己放電及びパック電池Ａ内の電力消費より発生する。充放電制御・演算部５で、電池１の残容量が、自己放電、回路の電力消費等により、再充電容量に到達したら再充電（本実施例ではパルス充電）を開始する。そして、再充電容量は、満充電容量から所定時間あたりの電流値の積算を減算して求めても良く、また、再充電容量に対応した電池電圧より求めても良い。また、再充電容量は、満充電容量の７５％以上９５％以下が望ましく、８０％以上９０％以下がより望ましい。本実施例では、再充電容量を９０％とした。

このようなパック電池Ａは、電子機器Ｃとは、以下の接続端子を介して電気的に接続されることになる。パック電池Ａは、電池１の正極側に＋端子、負極側に−端子、電気的に分離された構成電池を個別に充放電するためのリフレッシュサイクル用＋端子、−端子とを備えている。また、電子機器Ｃの制御手段ＣＣとの通信を行う通信端子ＣＴとを備えている。また、電子機器Ｃは、これら端子に対応して、接触し電気接続をする端子を備えている。

本実施例においては、制御・演算部５に制御されて、主に、放電、充電等のリフレッシュを行うために、各構成電池１１、１２、１３、１４を、選択して電気的に分離するための分離回路２０を備えている。該分離回路２０においては、各構成電池に直列に接続され、各構成電池の正極側に分離スイッチＳＷＵ、負極側に分離スイッチＳＷＬを備えている。

また、分離回路２０においては、電気的に分離された各構成電池を、個別に充電、放電するために、電池１の正極側に４本の連結ライン１５Ｕ、負極側に４本の連結ライン１５Ｌを備え、共通の電子機器Ｃ内の充放電回路Ｃ１に接続するために、正極側に連結スイッチＳＷＣＵ、負極側に連結スイッチＳＷＣＬとを備えている。

このような構成により、図１に示すように、例えば、構成電池１４を分離して充放電する場合には、構成電池１４の両側の分離スイッチＳＷＵ、ＳＷＬが、対応した連結ライン１５Ｕ、１５Ｌ側と接続される。そして、両側の連結スイッチＳＷＣＵ、ＳＷＣＬを、対応した連結ライン１５Ｕ、１５Ｌと接続する。この接続状態により、電子機器Ｃ内の充放電回路Ｃ１により、接続されたリフレッシュサイクル用＋端子、−端子を介して、分離した構成電池１４を充放電することができる（＝構成電池の分離状態）。同様に、他の構成電池についても、電気的に分離して、充放電することができる。

また、負極側の連結スイッチＳＷＣＬとリフレッシュサイクル用−端子との間には、分離された構成電池の充放電時の電流を測定するための電流検出部１６を備え、ここからの出力、並びに、負極側の連結スイッチＳＷＣＵとリフレッシュサイクル用＋端子との間における分離した構成電池の電池電圧(測定箇所ｅ）の出力が、Ａ／Ｄ変換部４に入力され、ＭＰＵ内で処理される。

また、リフレッシュサイクル用＋端子と、正極側の連結スイッチＳＷＣＵとの間には、調整用スイッチＳＷＡが設けられている。このスイッチは、分離した構成電池を充放電するときは、図１の上側に切り替えて、分離した構成電池とリフレッシュサイクル用＋端子とを電気接続し、分離した構成電池を充放電する。また、分離した構成電池を、再接続するとき、後述するように分離した構成電池は満充電状態となっているので、他の構成電池との電圧差がある場合は、調整用スイッチＳＷＡを下側に切り替えて、電圧調整用抵抗１７にて放電を行い、他の構成電池と電圧を同じにした後、分離した電池を、他の構成電池に並列接続する。

構成電池１４の両側の分離スイッチＳＷＵ、ＳＷＬを接続しない状態とすることもできる（＝構成電池の孤立状態＝構成電池の分離維持状態）。このように、構成電池１４を孤立状態のままで、他の構成電池を利用して、通常に使用することもできる。このような孤立状態は、特定の構成電池に、異常が検出され、その構成電池の使用を中止する場合に、適用できる。

また、制御・演算部５は、リフレッシュが必要と判定される場合に、上述のように、各構成電池１１、１２、１３、１４を順次、電気的に分離して、電子機器Ｃの充放電回路Ｃ１を利用して、充電、放電等のリフレッシュを行う。以下の３つの場合に、リフレッシュは必要と判断される。
(1)制御・演算部５にて、内蔵するタイマーを利用して、前回リフレッシュを行ったときからの経過時間が、所定時間経過したとき、リフレッシュが必要と判断される。このような所定時間は、１００日程度であり、利用する電池の種類、品質等により、適宜、設定することが可能である。
(2) 制御・演算部５にて、実際の充電量を累積し、この累積量がその時点での電池の学習容量（或いは公称容量）に達する毎に１サイクルとカウントし、所定サイクル数（例えば、５０回程度、電池の種類、性能に応じて、適宜、設定する）の閾値に到達したら、リフレッシュが必要と判断する。この判断は、電池１の学習容量の測定が必要と判断することでもある。なお、学習容量は、経時変化した電池容量について、実際に測定した満充電から完全放電されるまでの積算容量、あるいは完全放電から満充電されるまでの積算容量である。また、充電量に代わって、放電量とすることもできる。
(3) 電池１は、充放電を行わない状態であってもわずかに劣化して学習容量が少なくなる。保存状態における電池１の劣化は、保存温度と残容量で変化する。制御・演算部５は、保存状態で容量減少を知るために、使用しないで保存している電池の保存温度と残容量をパラメーターとして、容量減少として学習容量の減少率を保存劣化として特定する。保存時間が経過するにしたがって、電池１の保存温度と残容量から特定された保存劣化を、温度検出部３にて検出される電池の保存温度と残容量から特定された保存劣化程度（＝度合＝劣化カウンタ）を増加させ、保存劣化程度である劣化カウンタが所定の閾値になると、リフレッシュが必要と判断する。この判断は、電池１の学習容量の測定が必要と判断することでもある。
電池１の保存温度と残容量をパラメーターとする単位時間の保存劣化は、充電制御・演算部５のメモリに記憶される。

メモリに記憶されるテーブルを図２に示している。この図のテーブルは、電池１の保存温度と残存率（％）をパラメーターとして、単位時間の保存劣化容量を係数として特定する。いいかえると、保存温度と残存率から、保存劣化を算出する係数が特定される。この図のテーブルは、残容量として、残存率（％）をパラメーターとしているが、残量（Ａｈ又はＷｈ）をパラメーターとすることもできる。制御・演算部５は、保存される電池１の保存温度と残容量から、単位時間の保存劣化をテーブルの係数から特定し、特定された係数を、劣化カウンタのカウント値として、時間の経過と共に加算する。

図２は、保存状態にある電池１の１分間の保存劣化容量を算出する係数を示している。この係数は、加算した劣化カウンタのカウント値が、所定の閾値である１０⁶になると、ある程度、劣化が進んでいると認識して、充電、放電等のリフレッシュが必要と判断する。このような閾値は、学習容量の約１％の減少に相当している。
図２において、Ａ〜Ｅは以下の係数に特定する。ただ、Ａ〜Ｅは、電池によりカッコで示す範囲とすることもできる。

Ａ…２．５ （０〜５）
Ｂ…８ （６〜１０）
Ｃ…１５ （１１〜２０）
Ｄ…３５ （２１〜５０）
Ｅ…７５ （５１〜１００）
制御・演算部５は、１分毎に保存温度と残容量から特定されるテーブルの係数を、劣化カウンタに加算している。

劣化カウンタの加算したカウント値が所定の閾値である１０⁶になると、ある程度、劣化が進んでいると認識して、リフレッシュが必要と判断する。この判断は、電池１の学習容量の測定が必要と判断することでもある。この制御・演算部５は、１分を単位として、保存温度と残容量から保存劣化容量を算出する係数を加算するので、電池１が放置される温度や残容量が変化する状態で、極めて正確に容量の減少を得ることができる。ただし、制御・演算部５が、保存温度と残容量から係数を加算する単位時間は、たとえば３０秒〜６０分、好ましくは１分〜３０分とすることもできる。図２のテーブルは、１分を単位とする容量減少の係数であるから、６０分を１単位とする容量減少の係数は、このテーブルの６０倍となる。

さらに、図２のテーブルは、保存温度を４領域に区画して、残容量を３領域に区画しているが、保存温度と残容量は、さらに小さく区画してより正確に容量減少を把握することもできる。

本実施例のパック電池Ａは、図３に示す以下のフローにて、リフレッシュが必要かどうかを判断している。図３のリフレッシュ開始判定処理フローに示すように、ステップＳ１において、前回リフレッシュを行ったときからの経過時間が、閾値である所定時間以上かどうかが判定される。閾値以上のとき(=YES)は、続く、ステップＳ５にて、リフレッシュ必要ありと、判定される。

ステップＳ１にて、NOのときは、続いて、ステップＳ２において、上述のように、充電量（又は放電量）が電池の学習容量（或いは公称容量）に達する毎に１サイクルとカウントし、このカウントが所定サイクル数の閾値以上であるかが判定される。閾値以上のとき(=YES)は、続く、ステップＳ５にて、リフレッシュ必要ありと、判定される。

ステップＳ２にて、NOのときは、続いて、ステップＳ３において、上述のように、保存劣化程度である劣化カウンタが所定の閾値以上かどうかが判定される。閾値以上のとき(=YES)は、続く、ステップＳ５にて、リフレッシュ必要ありと、判定される。ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４がNOのときは、ステップＳ４にて、リフレッシュ必要無しと判定される。以上の図３のリフレッシュ開始判定処理フローにて、リフレッシュが必要かどうかを判断している。

また、リフレッシュ工程は、図４のリフレッシュ実行フローにて、処理される。、電池１の構成電池１１、１２、１３、１４を、１個づつ順次、電気的に分離して、各構成電池において、図４のリフレッシュ実行フローを行う。まず、ステップＳ５１においては、図３のステップＳ５にてリフレッシュ必要ありと判定されたとき、上述の分離回路２０を利用して、特定された電池１の構成電池を、電気的に分離する。

なお、図４のリフレッシュ実行フローの実施中に、停電が発生し、電子機器Ｃの負荷Ｌ等にパック電池Ａより、放電して供給する必要が生じたときは、停電信号を得て制御・演算部５が、リフレッシュ実行中の構成電池を電気的に分離した状態で、制御素子７をオンとして、電子機器Ｃに電力を供給する。

ステップＳ５２においては、パック電池Ａからのリフレッシュ要求信号を受信して、電子機器Ｃの制御手段ＣＣが、切り替えスイッチＳＷを図１の上側より、下側に切り替えて、充放電回路Ｃ１を分離した構成電池に接続する。そして、充放電回路Ｃ１を利用して、分離した構成電池を、放電終止電圧（ＥＤＶ）まで放電する。これにより、構成電池のメモリー効果を解消できる。

そして、その後、ステップＳ５３にて、充放電回路Ｃ１を利用して、分離した構成電池を、満充電まで充電する。そして、ステップＳ５４にて、別途、電流検出部１６からの出力を基に制御・演算部５にて電流を積算して、放電終止電圧から満充電までの充電量にて、構成電池の電池容量測定を行う。

そして、ステップＳ５５、Ｓ５６においては、構成電池（＝リフレッシュブロック）の充放電により、構成電池が異常かどうかの判定を行う。異常は、以下の場合、異常と判定されるが、これ以外の基準を利用することも可能である。なお、構成電池の異常の検出として、ここでは、充放電により構成電池の異常を検出しているが、ステップＳ５１で構成電池を電気的に分離したとき、構成電池の電圧を測定して、セルショート等の異常が発生しているかどうかの判定を、加えても良い。
(1)測定された電池容量が、基準値以下となったとき（基準値は、構成電池の公称容量又は初期容量の半分）
(2)構成電池の充放電時において、温度が所定値を超えて、異常に発熱するとき
(3)構成電池の放電時、放電終止電圧（ＥＤＶ）まで、至らないとき
ステップＳ５６にて、異常がないときは、ステップＳ５７にて、分離した構成電池（＝ブロック）の電圧調整を行う。つまり、分離した構成電池（＝ブロック）を、再接続するとき、分離した構成電池は満充電状態となっているので、他の構成電池の電圧を検出して、電圧差が所定値以上ない場合は、次に進む。また、電圧差が所定値以上ある場合は、調整用スイッチＳＷＡを下側に切り替えて、電圧調整用抵抗１７にて放電を行い、他の構成電池と電圧を同じに、つまり、電圧調整を行う。そして、電圧調整の後、調整用スイッチＳＷＡを電圧調整用抵抗１７側から切り離す。

次に、ステップＳ５８にて、分離した電池（＝ブロック）を、他の構成電池に並列接続する。

ここで、ステップＳ５６において、分離された構成電池が、異常と判定されたときは、ステップＳ５９にて、分離された構成電池を、他の構成電池に、再接続しない処理、つまり、異常が判定された構成電池の両側の分離スイッチＳＷＵ、ＳＷＬを接続しない状態とする（＝構成電池の孤立状態＝構成電池の分離維持状態）。これにより、パック電池Ａは、異常が検出された構成電池を除いて、正常な構成電池を並列接続した状態で、電子機器Ｃに電力を供給することになる。このように、本実施例には、一部の構成電池が異常である場合でも、電池１の全体の電池容量は小さくなるものの、他の構成電池にて、電子機器Ｃに電力を供給する通常の機能を維持することができる。このとき、異常が判定された構成電池に関する情報を、制御・演算部５の制御により、別途設けられる表示体（図示せず）に表示しても良いし、通信処理部９を介して、電子機器Ｃに伝達して、電子機器Ｃにおいて、異常が判定された構成電池に関する情報を表示しても良い。

そして、本実施例は、図５のメイン処理フローを、繰り返し行い、全体の工程が進められる。

まず、ステップ１１においては、上記に説明した図３のリフレッシュ開始判定処理フローのステップＳ５においてリフレッシュ必要ありと判定されたときの、フラグ等を利用して、リフレッシュ実行フローが実施中かどうかが判定される。リフレッシュ実行フローが実施中でない場合は、ステップ１２として、図３のリフレッシュ開始判定処理フローを行うことになる。

ステップＳ１１にて、リフレッシュ実行フローが実施中であるときは、図４のリフレッシュ実行フローに従い、実行する。そして、図５のメイン処理フローのステップＳ１５、Ｓ１６にて、リフレッシュ終了したかどうかを、判定し、リフレッシュ終了していない場合は、ステップＳ１７にて継続させ、図５のフローの開始に戻る。また、ステップＳ１６でリフレッシュが終了したと判定した場合は、ステップＳ１８にて、リフレッシュ終了の処理（＝リフレッシュのフラグをクリア）を行う。

本発明の実施例のパック電池の回路ブロック図である。 電池温度と残存率をパラメーターとする単位時間の保存劣化のテーブルの一例を示す図 本発明の実施例のリフレッシュ開始判定処理フローを示すフローチャート 本発明の実施例のリフレッシュ実行フローを示すフローチャート 本発明の実施例のメイン処理フローを示すフローチャート

符号の説明

Ａ 電池パック
Ｃ 電子機器
ＭＰＵ マイクロプロセッサユニット
１ 電池
２０ 分離回路
ＳＷＵ、ＳＷＬ 分離スイッチ
ＳＷＣＵ、ＳＷＣＬ 連結スイッチ

Claims (3)

1. 電子機器からの電力で充電されると共に、該電子機器に電力を放電する複数個の並列接続された電池を備えたパック電池の制御方法であって、
   少なくとも一つの電池を電気的に分離すると共に、分離されていない電池により、前記電子機器との充放電を行うことを特徴とするパック電池の制御方法。
2. 前記分離された電池が異常であるとき、前記分離された電池の分離を維持することを特徴とする請求項１のパック電池の制御方法。
3. 前記分離された電池を充放電することにより、該電池の異常判定又は容量測定を行うことを特徴とする請求項１のパック電池の制御方法。