JP2010019653A

JP2010019653A - 電池残容量算出システム

Info

Publication number: JP2010019653A
Application number: JP2008179701A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Takei; 敏孝丈井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-28

Abstract

【課題】
電池残容量を算出するために必要な検出抵抗を電池と電気機器との間に直列に挿入すると、電気機器の使用時間が短くなる欠点がある。また、電池の交換が可能な電気機器では、電池パック1個ごとにマイクロプロセッサとメモリーを内蔵する必要があり、コストアップの要因になる。電流検出抵抗をなくし、しかもコストをやすくして、精度の良い残容量算出を行う事が課題である。
【解決手段】
電池開放電圧を残容量に変換して初期値にし、あらかじめ測定してメモリーしている動作モードの消費電力を時間積算して初期値から加減算する。また劣化度は別回路にて電流積算して求め、使用時間に影響を与えないようにして課題を解決した。
【選択図】図１

Description

電池で駆動する携帯機器の、電池の残容量を算出するシステムに関する。

従来の電池の残時間、あるいは残容量を求める方法には時間積算方法、電流積算方法、電圧方法が提案され実際に機器に組み込まれている。時間積算方法は電気髭剃り器等のように、比較的負荷が一定であって、使用時間だけで電池残容量が判断できる場合に良く使われる。電流積算方法は、使用時に負荷が変動するようなポータブルビデオカメラ等で使用され、使用した電流量を監視して、初期残容量値から放電時は減算し、充電時は加算して電池から取り出せる電流量を算出する。電圧方法はあらかじめ電池特性データを取り、電池電圧値対電池残容量値のテーブルの形でＲＯＭ等の記録媒体に保存する。そして動作時には電池電圧を検出し、保存してあるテーブルを参照する事で残容量に変換する。正確な放電電流の検出と積算が比較的困難な機器や、コストが優先される場合に多く利用されているが、電池電圧は温度や負荷の大きさによって大きく変動するので、誤差が大きくなる。

また充電時に電流積算方法を使用して、満充電近くになると充電電流が低下して所定電流以下になると充電電圧になったと判断して残容量が１００％とする残容量表示システムも一般的である。またいわゆる従来の電流積算方法は、放電時に電流積算方法を使用し、電池の放電終止電圧になると容量０％と表示する残容量表示システムである。従って従来の電流積算方法でも、一部電圧方法を組合せていると言える。また劣化した電池に対しては、従来の電流積算方法では、今回満充電から終止電圧まで放電できた容量を真の実容量として、次回の電流積算に使用して電池の容量低下時の補正に利用している。あるいは、あらかじめ充放電の回数で電池が劣化する程度を予測して劣化度をメモリーし、使用時には充放電の回数をカウントして、定格容量に劣化度を掛けて容量補正を行っている。

また、電池に出入りする電流が微小な時は、電池電圧は温度や負荷の大きさに影響を受けないで、電池の残容量に精度良く変換でき、電流が大きくなると電流積算方法が電池容量の消費量を正確にカウントできるので、本発明者は特許第３９１９６０号の中で、状況に応じて精度が上がる方法を使い分ける事を提案している。

また、電池を充電あるいは放電して使用している時に、流れる電流が1回目の規定電流値以下になり、次いで規定電流値を超える電流が流れ、再度2回目の規定電流値以下になった時に、１回目と２回目の規定電流値以下の時に、電圧値から電池残容量値に変換した電圧方法での容量の変化量は、劣化等を含まない標準電池の容量変化量である。一方1回目と2回目の電圧方法で測定する間に規定電流値以上流れる電流を電流積算した容量値は実際の使用容量になる。そこで特許第３９１９６０号では、電圧方法で求めた電池の残容量変化と電流積算方法で求めた電流積算値を比較して、電池の劣化度を求めている。こうして求めた劣化度を電池残容量を求める式に反映させ、補正する事で、電池劣化を加味した正確な残容量値が算出できるようになっている。これらの処理をするために、電池パックにマイクロプロッサとメモリーを内蔵している。あるいは電気機器本体のマイクロプロセッサとメモリーを使用している。
特許第３９１９６０号

従来技術によって、開放電池電圧と電池に出入りする電流を精度良く検出できれば、かなり正確な電池残容量が算出できるようになった。しかし、電池に出入りする電流を精度良く検出するためには、精度の良い検出抵抗を電池と電気機器との間に直列に挿入して、その検出抵抗の両端に発生する電圧を取得する必要がある。それはとりもなおさず電気機器に入力する電圧が低下すると共に、検出抵抗でも電池電力が消費されるので、電気機器の使用時間が短くなる要因ある。また、電流積算し、残容量を計算するためには、マイクロプロセッサとメモリーが必要で、電池の交換が可能な電気機器では、電池パック1個ごとにマイクロプロセッサとメモリーを内蔵する必要があり、コストアップの要因になっている。単セルで駆動する携帯電話などでは、これらの要因の比重が高まるので、致命的な問題で、携帯電話の残容量算出に電流積算方法が採用されない２大要因になっている。

上記課題を解決するため、電流積算方法に変えて、電気機器の各動作モードの消費電力をあらかじめ測定してテーブルを作成し、電気機器に内蔵したメモリーに保存する。各動作モード指定手段が動作モードを指定した時は、メモリーからその動作モードに対応した消費電力を読み込み、電池残容量から加減算する事で、電流検出器のない回路を実現する。ユーザーが電気機器を使用しない時、あるいはユーザーの意思によって、回路をほぼ全電流が電流検出器を通過するように切替える。そして、正確な開放電池電圧から変換した電池容量と使用電池容量とを測定して、従来技術で説明した方法で劣化度の算出を行う。また、電池を交換して、現在メモリーに保存している電池データが役に立たない時は、無線やインターネット回線を使用して取得する新たな電池データをダウンロードする。以上のごとく、開放電池電圧を残容量に変換する方法と電流積算方法と時間積算方法の３種類の電池残容量算出方法を組み合わせる事で問題点を解決する。

本発明は、電池で駆動する電気機器において、動作モード指定手段とマイクロプロセッサと第１のメモリーと第２のメモリー２とデータ転送手段と電圧検出手段と電流検出手段で構成する。あらかじめ取得した開放電池電圧を電池残容量に変換する第１のデータを、ライターなどのデータ転送手段を用いて第１のメモリーに転送して保存する。またあらかじめ取得した電気機器の各動作モードにおける消費電力あるいは消費電流の第２のデータを、ライターなどのデータ転送手段を用いて第2のメモリーに転送して保存する。動作モード指定手段が電気機器が動作するモードを決定し、動作モードの消費電力あるいは消費電流が規定値より小さい小動作モードの時、マイクロプロセッサは第１のメモリーに保存した第1のデータを用いて、電圧検出手段を用いて検出した開放電池電圧を電池残容量に変換して残容量の初期値にする。動作モードの消費電力あるいは消費電流が規定値より大きい大動作モードの時、第２のデータから動作モードに対応する消費電力あるいは消費電流に動作モードの動作時間を掛けて消費容量を算出し、初期値から加減算して残容量を求める。動作モードが電池から出入りする電流のほぼ全てが電流検出手段を通過する検出電流の場合は、検出電流を時間積算して消費容量として初期値から加減算して残容量とする。したがって、電圧方法と時間積算方法と電流積算方法の3種類の電池残容量算出方法を状況に応じて切替えて使用する特徴がある。

請求２の発明においては、電流検出手段があらかじめ電流値を設定できる定電流回路であって、設定した電流値に動作時間を掛けて電池の消費容量にする特徴がある。

請求項３の発明においては、データ転送手段が第３のメモリーとサーバーを有し、サーバーが無線通信手段あるいはインターネットを通して、第３のメモリーに保存されたデータを電気機器の第１や第２のメモリーに転送する特徴がある。

開放電池電圧と電池に出入りする電流を精度良く検出して、電圧方法と電流積算方法を組合せると、かなり正確な電池残容量が算出できる。しかし、電流検出のために、回路に直列に検出抵抗を挿入するので、電気機器に入力する電圧が低下すると共に、検出抵抗でも電池電力が消費される。そこで、電流積算方法に変えて、あらかじめ測定して既知になった消費電力を時間積分すると、検出抵抗が不要になるので電気機器の使用時間を延ばせる効果がある。また、ユーザーが電気機器を使用しない時に、電流検出手段を通るように回路を切替えると、正確な使用電池容量を測定できるので、正確な電池の劣化度も測定可能になる。また、データ転送手段を有する事で、外部で測定した電池データをメモリーに書き込んで保存できるし、電池や充電器を取替えた時など、新しい電池データや充電器データを転送して書きかえる事も簡単にできる効果がある。すると電池ごとにマイクロプロセッサやメモリーを内蔵しなくて良いので、精度の良い残容量システムにした場合に発生するコストアップを極力抑える効果がある。

また、正確な電池の劣化度を知る事は、電池残容量の算出、ひいては電池マネジメントにとって極めて重要な事である。ところで、ユーザーが電気機器を使用していない時、例えば充電時には、充電器には既知の定電流が流れる時間帯がある。請求項２においては、その時間帯を利用して、正確な消費電流を求め、開放電池電圧から変換した残容量変化を比較する事で、正確な電池の劣化度を算出する大きな効果がある。この劣化度算出においても、電流検出抵抗をなくせるし、その抵抗間電圧を取得する回路も不要になるので、コストダウン効果は大きい。

また、請求項３においては、電池データをサーバーのメモリーに保存するので、電池を交換した時など、あらたな電池データをサーバーから取得できる。すると、サーバーから取得したデータは電気機器に内蔵したマイクロプロセッサを使用して電気機器に内蔵したメモリーを書換えて保存すれば良いので、電池ごとにメモリーやマイクロプロセッサを内蔵する必要がなくなり、大きなコストダウン効果がある。

メモリーに保存した開放電池電圧対電池残容量の変換テーブルを用いて微小電流時の電池電圧を残容量に変換する電圧方法と、既知の使用電力に使用時間を掛けて電池残容量を算出する時間積算方法と、流れる電流を積算して求める消費電池容量から電池残容量を算出する電流積算方法の3種類の電池残容量方法を状況に応じて切替えて使用する。

図1は請求項１の実施例１を示すブロック図である。電気機器１は、電池２と動作モード指定手段３と各動作モード４と電圧検出手段５と第１のメモリー６と第２のメモリー７と点線で囲って示した電流検出手段８とマイクロプロセッサ９を有している。また充電器１０も内蔵あるいは外部から接続可能になっていている。さらに、外部には第３のメモリー１１を有するデータ転送手段１２があって電池残容量算出システムを構成する。動作モード指定手段３はキーボードや音声や光などの入力手段を用いて、動作モード４の選択をして、マイクロプロセッサ９に指示を入力する。動作モード４は図1では３種類であるが、何種類あっても本発明の趣旨は同じである。電圧検出手段５は電池２の電圧を取得する。メモリー６には図２に示すように、開放電池電圧を電池残容量に変換するテーブルが保存されている。このテーブルは細かければ細かい程、残容量の精度が上がるのは言うまでもない。但し、図２のようなテーブルでなくて、開放電池電圧を電池残容量に変換する関数であっても、本発明の趣旨は変わらない。メモリー７には図3に示す各動作モード４が消費する消費電力あるいは消費電流のテーブルを保存する。図３には、各動作モード４に末尾を付けて動作モード４−１、動作モード４−２のごとく表示している。電流検出手段８は、スイッチ１３で電流検出抵抗１４を電池に直列に接続して、回路電流が流れる時、電流検出抵抗１４の両端電圧を電圧検出ＩＣ１５で検出する従来の回路になっている。マイクロプロセッサ９は動作モード４の指示や電池残容量を算出し、また表示装置などに出力するプログラムを実行し、電気機器１全体をコントロールする。図１にはマイクロプロセッサ９が1個であるが、複数個であっても本発明の趣旨は変わらない。充電器１０は電気機器１に内蔵されていても良いが、図1では充電が必要な時に電気機器１に接続する。データ転送手段１２は、本実施例では電気機器１と独立していて、図には示さないが、試験機で測定した電池データが第３のメモリー１１に保存されていて、第１のメモリー６やメ第２のモリー７に書き込むライターである。

次にその作用である図４の動作フローを説明する。図4のフローを実施する前に、電池試験器で取得した開放電池電圧対残容量のデータが第３のメモリー１１に保存され、そのデータはデータ転送手段であるライター１２を使って第１のメモリー５に転送されて書き込まれている。また、電気機器１の各動作モードにおける消費電力も試験器で前もって取得し、第３のメモリー１１に保存してあり、そのデータもライター１２を使って第２のメモリー７に転送し書き込んである。さて、図４においては、フローの各ステップは通し番号の前にＳを付けて表示している。先ず電気機器１の電源をＯＮする（Ｓ１）とマイクロプロセッサ９の電源がＯＮする（Ｓ２）。電流検出手段８はOFFにして（Ｓ３）できるだけ流れる電流を小さくしている。次に電圧検出手段５を使って電池２の電圧を取得する（Ｓ４）。取得した電池電圧はメモリー６に保存してある開放電圧対残容量のデータを参照して、電池残容量に変換して残容量の初期値Ｑ０とし、マイクロプロセッサ９に内蔵したメモリーに保存する（Ｓ５）。電池２の開放電池電圧とは、一般に電池２がまったく負荷を接続していないオープンな状態での電池電圧であるが、本発明では電池２に出入りする電流が微小で規定値以下であれば、開放電池電圧としている。この段階では電池２を流れる電流は、マイクロプロセッサ９を動作させる電流で微小なので、規定値以下にしている。この電流が規定値以下である状態が指定時間例えば1時間以上続いているかどうかを判断する（Ｓ６）．もし、指定時間以上続いているなら、再度電圧検出手段５を使って開放電池電圧を検出する（Ｓ７）。その開放電池電圧をメモリー６を参照して残容量に変換した値で、残容量の初期値を更新する（Ｓ８）。次に、マイクロプロセッサ９に割り込みで、動作モード指定手段３が動作モード４を指定する（Ｓ９）と、メモリー７から指定した動作モード４の消費電力を図３のテーブルから読み出す（Ｓ１０）。そして、消費電力が規定値以下かどうかを判断する（Ｓ１１）。規定値以下であれば、前記したステップ６になる。消費電力が規定値以上であれば消費電力に使用時間を掛けて時間積分で消費容量Ｑ１を算出する（Ｓ１２）。ステップ５あるいはステップ８で更新した残容量初期値からステップ１２で算出した消費容量を加減算して現在の残容量Ｑｒを算出する（Ｓ１３）。動作モード指定手段３で割込むたびにステップ９からのフローを繰り返し、消費容量もＱ１、Ｑ２、そしてＱｎのように増えて行く。算出式は（１）式で現される。

Ｑｒ＝Ｑ０−（Ｑ１＋Ｑ２＋…＋Ｑｎ） … （１）

Ｑｎは充電時には−Ｑｎになり、Ｑ０に加算されて行くので、電池２に蓄積する容量であるが、本発明では、どちらも消費容量として統一して説明する。また図３のテーブルは動作モード対消費電力であるが、消費電力を電池電圧で割ると消費電流になるので、一般に電池の容量を現すアンペアアワーに換算するのは容易であるから、本発明の説明で消費電力と消費電流、あるいは電池容量と電池電力を同じ意味に使用しても発明の趣旨は変わらない。

次に電気機器１をユーザーが使用していない非使用時間帯に手動あるいは自動的に劣化度算出モードにする（Ｓ１４）。先ず動作モード４の消費電力が規定値以下で指定時間以上かどうかを判断する（Ｓ１５）。規定値以下が指定時間以上であれば、開放電池電圧を残容量に変換して初期値を更新して、Ｑｆ０（Ｓ１６）とする。指定時間に達していなければ、達するまで待機する。指定時間に達したところで、電流検出手段８をオンする（Ｓ１７）。この実施例では、スイッチ１３を直流抵抗に切替えて、動作モード４のいずれかを選択して負荷とし（Ｓ１８）、消費する電池容量を電流積算でカウントし消費電池容量Ｑａを実測する（Ｓ１９）。次に動作モード４をオフして電池に流れる電流を止める（Ｓ２０）。この電流をストップした状態を所定時間以上続ける（Ｓ−２１）。電圧検出手段５を使って、開放電池電圧を取得する（Ｓ２２）。図２のテーブルから開放電池電圧を残容量Ｑｒ０に変換する（Ｓ２３）。Ｑｆ０からＱｒ０を引いてＱａで割って電池劣化度αを算出する（Ｓ２４）。算出式は（２）式で現わされる。

α＝（Ｑｆ０―Ｑｒ０）/Ｑａ … （２）

Ｑｆ０はｆがフロントの印で１回目の残容量初期値を意味する。Ｑｒ０はｒがリヤの印で２回目の残容量初期値を意味する。Ｑａはａがエイジの印で劣化算出用の電池容量を意味する。すなわちＱｆ０とＱｒ０は電池が劣化していない条件で測定した図２のテーブルから求め、Ｑａは劣化も含めた現状の電池容量を測定しているので、劣化度αが算出できる。

そして、残容量初期値Ｑ０をＱｒ０の値で更新する（Ｓ２５）。この後は、その間に動作モード４を指定する割込み（Ｓ９）が入るまで、時間間隔ｔ（Ｓ２６）で間欠的に開放電池電圧を取得して（Ｓ２７）残容量に変換し、残容量の初期値を更新する（Ｓ２８）ループになる（Ｓ２９）。

こうして、求めた残容量Ｑｒと電池劣化度αはさまざまな電池マネジメントに使用される事は周知の事なので、説明は省略する。

請求項２の実施例２を図1を用いて、充電器に内蔵した定電流回路１６と電源プラグ１７を実施例１に追加する構成で説明する。充電して繰り返し使用する２次電池の充電器は、ほとんどすべてが定電流回路１６を有し、定電流充電期間が存在する。そこで本発明では、定電流回路１６を電流検出手段にする。すなわち、定電流回路１６が動作すると、電流検出手段８がオンであり、逆ではオフである。電流検出１６が検出する電流はあらかじめ充電器１０に設定された既知の値である。そして、図４のフローチャートで電流検出手段８を定電流回路１６に置きかえると実施例２の作用になる。但し、充電時にこの劣化度算出モードに入ると、開放電池電圧を取得するために、電池電圧が落ち付くまでの待機時間が必要で、そのために充電時間が長くなってしまう。電池劣化度の取得は頻繁に行う必要がないので、通常は劣化モードにしないで、残容量表示の精度が悪くなってきたと感じた時に、ユーザーの選択で劣化度算出モードにするのも一つの方法である。

実施例３においては、図１のデータ転送手段１２が第３の第３のメモリー１１を有するサーバーであって、無線通信あるいはインターネットを通して、第１のデータあるいは第２のデータを第１のメモリーあるいは第２のメモリーに転送する手段になっている。

その作用は、電気機器１が携帯電話であれば、データ転送手段１２から、メモリー１１に保存されているデータを無線で転送する事ができる。また、電気機器１がノートパソコンであれば、インターネットを通じて転送する事ができる。電気機器１の充電可能な２次電池パックは取替え可能になっている機器が多く、電池パックにマイクロプロセッサやメモリーを内蔵していないと、電池を換えた時、電池残容量のデータの信頼性が失われてしまう。例えば、使用時間の短い電池パックと長いパックでは、図２のテーブルデータが異なる。また、製造者が電気機器発売後に電池性能の異なる電池をオプションで提供する場合も、電池パックにマイクロプロセッサやメモリーを内蔵していない場合は電池データが合わなくなるので、残容量算出の信頼性は失われる。また電気機器１の各動作モード４の消費電力も新しいオプション機器が接続できるようになったり、携帯電話であれば、近くに基地局が開局するだけでも消費電力の変更が必要になる。そのような場合、請求項３の発明である実施例３は電気機器１のユーザーが、電気機器１をサーバー１２に接続して、図２あるいは図３の新しいデータをダウンロードして、第１のメモリー６や第２のメモリー７に更新保存する事ができる。

電池残容量の算出は、従来電流積算方法がもっとも精度が良いとされている。欠点は初期値の精度が不充分であった。そこで本発明者は、特許第３９１９６０号において、初期値を電池に流れる電流が極小になり、しかも時間が経って電池電圧が落ち付いた時取得する開放電池電圧を電池残容量に変換して初期値にする発明を行った。そして、電流積算方法と開放電池電圧方法を組み合わせて電池劣化度も算出できるようになった。しかし、電流積算方法では、精度の良い直流抵抗を電気機器回路に直列に挿入するために、電気機器の使用時間が短くなるマイナス要因が発生する。さらには電池パックが取替え可能な機器では電池パックごとにマイクロプロセッサとメモリーを内蔵する必要があるのでコストアップしてしまう。本発明では、残容量算出の精度も保ちながら、これらマイナス要因をすべて無くしたので、これまで残容量表示の精度が省みられてこなかった携帯電話を始めとして、多くの電池駆動する携帯機器に使用されて、精度の高い電池マネジメントシステムになる可能性は大である。

本発明の回路ブロック図である。第１のデーターテーブル。第２のデーターテーブル。本発明の作用を示すフローチャート。

符号の説明

１電気機器
２電池
３動作モード指定手段
５電圧検出手段
６第１のメモリー
７第２のメモリー
８電流検出手段
９マイクロプロセッサ
１０充電器
１２データ転送手段
１６定電流回路

Claims

充電して繰り返し使用する２次電池で駆動する電気機器において、動作モード指定手段とマイクロプロセッサと第１のメモリーと第２のメモリーとデータ転送手段と電圧検出手段と電流検出手段で構成し、あらかじめ取得した第１のデータ、すなわち開放電池電圧を電池残容量に変換するデータを、データ転送手段を用いて該第１のメモリーに転送して保存し、またあらかじめ取得した第２のデータ、すなわち該電気機器の各動作モードにおける消費電力あるいは消費電流を、該データ転送手段を用いて該第2のメモリーに転送して保存し、該動作モード指定手段が消費電力あるいは消費電流が規定値より小さい動作モードを指定した時、該マイクロプロセッサは該第１のメモリーに保存した該第1のデータを用いて、該電圧検出手段が検出した該開放電池電圧を電池残容量に変換して残容量の初期値にし、該動作モードの消費電力あるいは消費電流が規定値より大きい該動作モードを指定すると、該第２のデータから該動作モードに対応する消費電力あるいは消費電流に該動作モードの動作時間を掛けて消費容量を算出し、該初期値から加減算して残容量を求め、該電池から出入りする電流のほぼ全てが該電流検出手段を通過する検出電流である該動作モードを指定した場合は、該検出電流を時間積算して該消費電流として、該初期値から加減算して残容量とする電池残容量算出システム。
該電流検出手段は、該電池あるいは充電器あるいは該電気機器に内蔵した定電流回路である請求項１の電池残容量算出システム。
データ転送手段が第３のメモリーとサーバーを有し、無線通信あるいはインターネットを通して、該第１のデータあるいは該第２のデータを該第１のメモリーあるいは該第２のメモリーに転送して保存する請求項１の電池残容量算出システム。