JP2009216681A - 二次電池の劣化判定方法および携帯情報処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の寿命を判定する。
【解決手段】二次電池を充電する充電ステップＳ２、Ｓ３と、二次電池に負荷を接続することなく所定の時間放置する放置ステップＳ４と、二次電池の電圧を測定する電圧測定ステップＳ５と、電圧測定ステップＳ５で測定した電圧に基づき二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップＳ６とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯情報処理装置等に用いられる二次電池の劣化判定方法、および二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置に関する。

ノートパソコン等の携帯情報処理装置にはリチウムイオン電池等の二次電池が搭載されている。そして、例えばオフィスでは商用電源にアダプタ電源を接続して二次電池を充電しながら使用し、外出先では充電した二次電池を電源として使用するように構成されている。

近年は、外出先でも長時間使用できるように二次電池の大容量化の検討がなされており、例えば一回の充電で１０時間以上使用できる二次電池も開発されている。しかし二次電池は充放電を繰り返すうちに劣化して容量が低下するという特性がある。このように二次電池には寿命があるため容量が大幅に低下する前に新しい二次電池に取り替えることが望ましい。

二次電池の劣化は、満充電状態から放電させたときの放電容量を計測して判定することができる。しかし、例えばノートパソコン等で二次電池の劣化を判定するためだけに、実際に放電させて容量を計測するのは現実的でない。そこで簡易的な判定方法として、例えば、短時間の放電にともなう電圧の降下量と電流値から内部抵抗を計算し、その値に基づき劣化を判定する方法が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−３３８２０１号公報 特開２００１−２２８２２６号公報

二次電池の充放電は化学変化に基づいており、条件によってそのふるまいも複雑に変化する。そのため内部抵抗を精度よく測定するには一定の電流値で二次電池を放電させ、そのときの電圧の変化に基づき計算しなければならない。しかし、携帯情報処理装置の使用中は刻々と負荷が変動し電流値も複雑に変化するために内部抵抗を正確に計算することができなかった。もちろん二次電池に固定抵抗器を接続して一定電流を流し内部抵抗を測定することも可能ではあるが、携帯情報処理装置にこのような回路を組み込み、所定の時間をかけて二次電池の寿命を判定するためだけに電力を消費することは効率的でなく、また実用的でもない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の劣化を判定することができる二次電池の劣化判定方法、および二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の二次電池の劣化判定方法は、二次電池を充電する充電ステップと、二次電池に負荷を接続することなく所定の時間放置する放置ステップと、二次電池の電圧を測定する電圧測定ステップと、電圧測定ステップで測定した電圧に基づき二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップとを有する。この方法により、使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の劣化を判定することができる二次電池の劣化判定方法を提供することができる。

また本発明の充電ステップは、定電流電源で充電する定電流充電ステップと、定電圧電源で充電する低電圧充電ステップとを有してもよい。

また本発明は、二次電池を内蔵するとともに、商用電源に接続されたアダプタ電源からの電力供給により情報処理回路を動作させることができる携帯情報処理装置であって、アダプタ電源からの電力供給により二次電池を充電する二次電池充電部と、二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、電圧測定部で測定した電圧に基づき二次電池の劣化を判定する劣化判定部とを備え、劣化判定部は、充電終了時の二次電池の電圧と充電終了から負荷を接続することなく所定の時間放置した後の二次電池の電圧とに基づき二次電池の劣化を判定する。この構成により、使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置を提供することができる。

また本発明の携帯情報処理装置の劣化判定部は、情報処理回路の動作の如何にかかわらずアダプタ電源から電力供給されている期間において、二次電池を定電流電源で充電する定電流充電ステップと、二次電池を定電圧電源で充電する定電圧充電ステップと、二次電池に負荷を接続することなく所定の時間放置する放置ステップと、二次電池の電圧を測定する電圧測定ステップと、電圧測定ステップで測定した電圧に基づき二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップとを実行する。

本発明によれば、使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の劣化を判定することができる二次電池の劣化判定方法、および二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明の便宜上、数値をあげて説明するが、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０を示す斜視図である。携帯情報処理装置１０は、画像や文字を表示するディスプレイ１１と、データを入力するためのキーボード１２と、携帯情報処理装置１０に電力を供給する二次電池１３と、筐体１４内部に収納され情報処理を行う情報処理回路（図示せず）とを備えている。また付属装置として、商用電源から携帯情報処理装置１０に電力を供給するとともに二次電池１３を充電するアダプタ電源１５を有する。

図２は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０の回路ブロック図である。携帯情報処理装置１０は、その本体部である情報処理回路２０、および情報処理回路２０に電力を供給する電源部３０を備えている。

情報処理回路２０には、ディスプレイ１１、キーボード１２、マイクロプロセッサ（以下、「ＣＰＵ」と略記する）２１、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２２、メモリ２３、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する）２４、およびこれらを制御するチップセット２５を備えている。

マイコン２４は、キーボード１２の制御を行う。またマイコン２４は、情報処理回路２０が動作していない状態、いわゆる「電源オフ」の状態であっても動作しており、主にＣＰＵ２１が正常に動作するまでの電源制御を行う。さらに本実施の形態においては、詳細は後述するが、二次電池の充電を制御するとともに二次電池の劣化を判定する等の電源部３０の制御を行う。

電源部３０は、電源端子３１、二次電池充電部３２、電圧測定部３３、二次電池１３、スイッチ３４、スイッチ３５、温度センサ３６を備えている。電源端子３１にはアダプタ電源１５が接続され電力が供給される。スイッチ３５はマイコン２４により制御され、二次電池１３を充電する際に閉じられる。二次電池充電部３２はアダプタ電源１５からの電力供給により二次電池１３を充電するための電源であり、詳細は後述するが、定電流電源として、また定電圧電源として動作する。電圧測定部３３は二次電池１３の電圧を測定しマイコン２４に出力する。温度センサ３６は二次電池１３の温度を測定しマイコン２４に出力する。スイッチ３４は電源端子３１の電圧を監視しており、アダプタ電源１５が接続されると電源端子３１側に接続される。これによりアダプタ電源１５から電力が供給されているときはアダプタ電源１５から情報処理回路２０に電力を供給し、そうでないときは二次電池１３から電力を供給するように電力源を切り替える。またスイッチ３４の接続状態はマイコンに通知される。

次に、二次電池１３の充電および劣化判定方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０の二次電池１３の充電および劣化判定の動作を示すフローチャートである。また図４は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０のスイッチ３４、３５の接続状態を示す図である。

（ステップＳ１）
まず、使用者が電源端子３１にアダプタ電源１５を接続したとする。使用者が携帯情報処理装置１０を使用する目的で電源端子３１にアダプタ電源１５を接続した場合には、使用者は携帯情報処理装置１０の電源スイッチを「オン」して、ＣＰＵ２１を含む情報処理回路２０全体を起動させる。また、使用者が単に二次電池１３を充電する目的で電源端子３１にアダプタ電源１５を接続した場合には、使用者は携帯情報処理装置１０の電源スイッチを「オン」せず、情報処理回路２０のマイコン２４だけが動作している状態にある。いずれの場合であっても以下のステップで説明する動作は、マイコン２４の制御の下に自動的に実行され、使用者が以下のステップＳ２〜ステップＳ６の動作について意識することはない。

（ステップＳ２：定電流充電ステップ）
電源端子３１にアダプタ電源１５が接続されると、スイッチ３４は図４（ａ）に示すように電源端子３１側に接続される。そしてスイッチ３４からマイコン２４に対して、アダプタ電源１５が接続された旨の信号（具体的にはスイッチ３４が電源端子３１に接続された状態を示す状態信号）が送られる。マイコン２４はこの信号を受信すると、スイッチ３５を閉じて二次電池充電部３２に電力を供給させるとともに、二次電池充電部３２を定電流源として動作させ二次電池１３を充電する。図５は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０の充電時における二次電池１３の電圧Ｖｂおよび充電電流Ｉｂを示す図である。このように二次電池１３を定電流源で充電すると、二次電池１３の電圧Ｖｂは徐々に上昇する。

（ステップＳ３：定電圧充電ステップ）
充電が進んで時刻ｔ１で二次電池１３の電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｆｕｌｌに達すると、二次電池充電部３２は定電圧源として動作し、電圧Ｖｆｕｌｌでさらに充電を継続する。すると図５に示したように、徐々に充電電流Ｉｂが減少する。そして時刻ｔ２で所定の電流しきい値Ｉｔｈまで充電電流Ｉｂが減少すると、マイコン２４は充電が終了したと判定し、図４（ｂ）に示すようにスイッチ３５を開いて二次電池１３を二次電池充電部３２から切り離す。

なお、所定の電圧Ｖｆｕｌｌとしては、リチウムイオン電池のセルを２個直列接続している場合、例えば８．４Ｖ程度である。

（ステップＳ４：放置ステップ）
充電が終了すると、二次電池１３に負荷を接続せず電流を流さない状態で所定時間Ｔの間放置する。本実施の形態においては所定の時間Ｔは、例えば２時間である。図６は、本発明の実施の形態における携帯情報処理装置１０の放置時における二次電池１３の電圧の変化を示す図であり、充電終了後、二次電池１３に負荷を接続せず電流を流さない状態で放置した場合の電圧の変化を示している。また図６には、劣化の少ない二次電池の電圧Ｖｂ１と劣化の進んだ二次電池の電圧Ｖｂ２との変化を示している。このように、二次電池１３の電圧Ｖｂは、充電終了後に大きく低下し、１〜２時間経過後にはほぼ安定する特性を示す。また劣化の進んだ二次電池の電圧Ｖｂ２は、劣化の少ない二次電池の電圧Ｖｂ１よりも大きく電圧が低下する。

この電圧の低下は、二次電池１３の充電が化学変化であり、二次電池１３の内部全体でこの化学変化が均一に進行するのではなく、化学変化の進行に偏りがあるため発生すると考えられる。すなわち充電終了時には二次電池１３の電極近辺での充電が先行して進行する。そして充電終了後も二次電池１３の内部で化学変化が進行し、１〜２時間経過後に充電状態が二次電池１３の内部全体で均一化されて電圧Ｖｂが安定すると考えられる。

充電による化学変化の偏りは二次電池１３が劣化するほど大きくなるため、充電終了直後の二次電池１３の電圧Ｖｂ（０）と２時間放置後の二次電池１３の電圧Ｖｂ（２）との差も、図６に示したように、二次電池１３の劣化が大きいほど大きくなる。したがって、電圧Ｖｂ（０）と電圧Ｖｂ（２）との電圧差、あるいはその電圧差を正規化した電圧低下率Ｋ＝（Ｖｂ（０）−Ｖｂ（２））／Ｖｂ（０）等に基づき二次電池１３の劣化の程度を判定することができる。もちろんこれらの値は充電電流の大きさにも依存し、また二次電池１３の温度にも大きく依存する。しかし充電電流および電流しきい値Ｉｔｈを一定とすることで、また二次電池１３の温度を検出して判定基準を補正することで、二次電池１３の劣化の程度を精度よく判定することができる。

（ステップＳ５：電圧測定ステップ）
充電終了から２時間経過後の時刻ｔ３において、マイコン２４は、電圧測定部３３から出力される二次電池１３の電圧Ｖｂ（２）を取り込み、その値に基づき電圧低下率Ｋを算出する。なお、充電終了直後の二次電池１３の電圧Ｖｂ（０）は時刻ｔ２において測定しておかなければならないが、電圧Ｖｂ（０）と電圧Ｖｆｕｌｌとはほぼ等しいので、電圧Ｖｂ（０）の代りに電圧Ｖｆｕｌｌを用いて電圧低下率Ｋを算出しても大きな誤差は発生しない。具体的な値としては、例えば図６に示した劣化の少ない二次電池の電圧低下率Ｋ１は、例えば１％であり、劣化の進んだ二次電池の電圧低下率Ｋ２は、例えば５％である。

またマイコン２４は、温度センサ３６から出力される二次電池１３の温度θを取り込む。

（ステップＳ６：劣化判定ステップ）
マイコン２４は、取り込んだ電圧低下率Ｋと二次電池１３の温度θとに基づき二次電池１３の劣化を判定する。具体的には、寿命を迎えた二次電池、例えば定格容量の６０％まで容量の劣化した二次電池に対する電圧低下率を測定し、その値を限界電圧低下率Ｋｔｈとする。二次電池１３の温度θを変化させて限界電圧低下率Ｋｔｈ（θ）を測定し、それらの値をマイコン２４にあらかじめ記憶しておく。

マイコン２４は、取り込んだ電圧低下率Ｋと、マイコン２４のメモリに記憶されている温度θにおける限界電圧低下率Ｋｔｈ（θ）とを比較する。そして電圧低下率Ｋ＜限界電圧低下率Ｋｔｈ（θ）であれば、二次電池１３はまだ使用可能であるとして、二次電池１３の劣化判定を終える。しかし、電圧低下率Ｋ≧限界電圧低下率Ｋｔｈ（θ）であれば、マイコン２４は二次電池１３の寿命が終わりに近づいていると判定する。

（ステップＳ７）
二次電池１３の寿命が終わりに近づいていると判定すると、マイコン２４は使用者にその旨の警告を発する。携帯情報処理装置１０の電源スイッチが「オン」されており、ＣＰＵ２１を含む情報処理回路２０全体が動作している場合には、例えばディスプレイ１１に「電池交換必要」の警告を表示する、あるいは赤色のＬＥＤを設けておきそれを点滅させる等の方法により警告を発する。また、携帯情報処理装置１０の電源スイッチが「オン」されていない場合には、判定結果を一旦マイコン２４のメモリに記憶し、次に携帯情報処理装置１０の電源スイッチが「オン」された際に、例えばディスプレイ１１に「電池交換必要」の警告を表示する、あるいは赤色のＬＥＤを設けておきそれを点滅させる等の方法により警告を発する。

なお、ステップＳ３までにアダプタ電源１５からの電力供給が停止し、二次電池１３の充電動作が正規に終了しなかった場合には、二次電池の寿命判定は行わない。また、二次電池１３の充電動作が正規に終了しても、その後のステップＳ４およびステップＳ５においてスイッチ３４が切り替えられて二次電池１３に負荷が接続されて放電電流が流れた場合にも、二次電池の寿命判定は行わない。

このように本実施の形態によれば、劣化判定のための特別な回路を用いることなく、また劣化判定のためだけに電力を消費することもなく、さらに使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の寿命を判定することができる。

なお、本実施の形態における二次電池１３の充電および劣化判定動作は、使用者が電源端子３１にアダプタ電源１５を接続する毎に自動的に実行される。しかし必ずしもアダプタ電源１５を接続する毎に実行しなくてもよく、例えば使用者が電源端子３１にアダプタ電源１５を接続したときにマイコン２４が二次電池１３の電圧Ｖｂを測定し、電圧Ｖｂが電圧しきい値Ｖｔｈよりも低い場合に上記動作を実行する構成であってもよい。

また本実施の形態においては、二次電池の充電方式の一例として、定電流充電と定電圧充電を用いて説明を行ったが、本発明はこれに限らず、例えばパルス充電等の他の充電方式を用いてもよい。

また本実施の形態においては、二次電池１３の寿命が終わりに近づいているか否かだけを判定するものとして説明したが、本発明は、二次電池１３の劣化を定量的に判定することも可能である。具体的には、例えば定格容量を持つ二次電池に対する電圧低下率Ｋ_１００（θ）、定格容量の９０％まで容量の低下した二次電池に対する電圧低下率Ｋ_９０（θ）、定格容量の８０％まで容量の低下した二次電池に対する電圧低下率Ｋ_８０（θ）、定格容量の７０％まで容量の低下した二次電池に対する電圧低下率Ｋ_７０（θ）、・・・、等の電圧低下率を二次電池１３の温度θをパラメータとして測定し、それらのデータをマイコン２４にあらかじめ記憶しておく。図７は、このような本発明の他の実施の形態における電圧低下率のデータの一例を模式的に示す図であり、横軸は温度θを、縦軸は電圧低下率Ｋを示している。そして、ステップＳ５において取り込んだ電圧低下率Ｋと二次電池１３の温度θとから、二次電池１３の容量を推定し、その値を二次電池１３の劣化の程度を示す値とする。そして、例えば二次電池１３の容量が定格容量の６０％以下であれば、マイコン２４は二次電池１３の寿命が終わりに近づいていると判定し、使用者に警告を発する構成であってもよい。

また、図７からもわかるようにある温度以上の領域においては電圧低下率の曲線は水平に近くなっていくので、簡易的な方法として、あるしきい値温度以上の条件を以って電圧低下率の判定を行うという構成でもよい。

なお、本実施の形態においては二次電池の劣化判定方法を携帯情報処理装置に応用した例について説明したが、本発明は携帯情報処理装置に限定されるものではなく、携帯電話機、携帯端末機、ゲーム機等の二次電池を使用する機器に広く応用することができる。

本発明によれば、使用者が意識することなく、自動的かつ効率的に二次電池の寿命を判定することができるので、二次電池の劣化判定方法として、また二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置等に用いて有用である。

本発明の実施の形態における携帯情報処理装置を示す斜視図 同携帯情報処理装置の回路ブロック図 同携帯情報処理装置の二次電池の充電および二次電池の劣化判定の動作を示すフローチャート 同携帯情報処理装置のスイッチの接続状態を示す図 同携帯情報処理装置の充電時における二次電池の電圧および充電電流を示す図 同携帯情報処理装置の放置時における二次電池の電圧の変化を示す図 本発明の他の実施の形態における電圧低下率のデータの一例を模式的に示す図

符号の説明

１０ 携帯情報処理装置
１１ ディスプレイ
１２ キーボード
１３ 二次電池
１４ 筐体
１５ アダプタ電源
２０ 情報処理回路
２１ マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
２２ ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）
２３ メモリ
２４ マイクロコンピュータ（マイコン）
２５ チップセット
３０ 電源部
３１ 電源端子
３２ 二次電池充電部
３３ 電圧測定部
３４，３５ スイッチ
３６ 温度センサ

Claims (4)

1. 二次電池を充電する充電ステップと、
   前記二次電池に負荷を接続することなく所定の時間放置する放置ステップと、
   前記二次電池の電圧を測定する電圧測定ステップと、
   前記電圧測定ステップで測定した電圧に基づき前記二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップとを有する二次電池の劣化判定方法。
2. 前記充電ステップは、
   定電流電源で充電する定電流充電ステップと、
   定電圧電源で充電する低電圧充電ステップとを有する請求項１記載の二次電池の劣化判定方法。
3. 二次電池を内蔵するとともに、商用電源に接続されたアダプタ電源からの電力供給により情報処理回路を動作させることができる携帯情報処理装置であって、
   前記アダプタ電源からの電力供給により前記二次電池を充電する二次電池充電部と、
   前記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部で測定した電圧に基づき前記二次電池の劣化を判定する劣化判定部とを備え、
   前記劣化判定部は、充電終了時の前記二次電池の電圧と、充電終了から負荷を接続することなく所定の時間放置した後の前記二次電池の電圧とに基づき、前記二次電池の劣化を判定する携帯情報処理装置。
4. 前記劣化判定部は、前記情報処理回路の動作の如何にかかわらず、前記アダプタ電源から電力供給されている期間において、
   前記二次電池を定電流電源で充電する定電流充電ステップと、前記二次電池を定電圧電源で充電する定電圧充電ステップと、前記二次電池に負荷を接続することなく所定の時間放置する放置ステップと、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定ステップと、前記電圧測定ステップで測定した電圧に基づき前記二次電池の劣化を判定する劣化判定ステップとを実行する請求項３に記載の携帯情報処理装置。

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