JP2010164322A - 電池残容量検出方法、電池残容量検出装置および二次電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池残容量の補正を的確に行うことのできる電池残容量検出方法を提供する。
【解決手段】二次電池の放電電流に基づいて二次電池の残容量を求める一方、前記二次電池の電池電圧が放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧を下回る期間が、前記放電電流値に応じて定められた判定時間に至ったとき、前記二次電池の残容量を予め定められたＮ％残容量に補正するに際し、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測期間中に前記放電電流値に応じて逐次定められる前記判定時間の中で最も長い判定時間を、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る継続時間の判定に用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電に伴う二次電池の残容量を正確に求めることのできる電池残容量検出方法、電池残容量検出装置および二次電池装置に関する。

二次電池の残容量は、例えばその放電電流を積算して求められる放電容量を、該二次電池の満充電容量から減算することによって求められる。ちなみに残容量は、電流と時間との積［Ａｈ］として、或いは満充電容量に対する比率［％］として表示される。しかし上述した如く放電電流に基づいて求められる残容量は必ずしも正確であるとは限らない。そこで二次電池の残容量が或る程度まで低下したとき、これに伴って電池電圧が低下する性質に着目し、電池電圧が所定の残容量電圧（例えば１０％残容量電圧）まで低下したとき、前述した如く放電電流に基づいて求められた残容量を強制的に補正することが提唱されている（例えば特許文献１,２を参照）。

ちなみに放電時における二次電池の電池電圧の変化とその残容量は、例えば図４に示すように放電電流の大きさによって異なり、上述した所定の残容量電圧（例えば１０％残容量電圧）は放電電流が大きい程、低くなる。また残容量が少なくなったときの電池電圧の変化の仕方も放電電流の大きさによって異なり、放電電流が小さい程、その変化が急峻である。そこで一般的には前述した残容量補正を実行する上での判定条件であるＮ％残容量電圧（判定電圧）とその判定時間（検出時間）とを放電電流値に応じて、例えば次のように可変設定している。

そして、例えば放電電流値が［７Ａ］（＝１.７５Ｃ）であるときには、電池電圧が１.０秒以上に亘って継続して３.０Ｖ以下となったとき、これを二次電池の残容量が［１０％］に低下したとして検出し、放電電流の積算値を満充電容量から減算して求められた残容量を、強制的に［１０％］として補正している。ちなみに電流値が大きいときには、電池常態が安定するまでに時間が掛かる等の理由により、その検出時間を長く設定している。

特開２００６−３８７４７号公報 特開２００６−１７０８６７号公報

しかしながら上述した判定処理を実行している際に、例えば放電電流が急激に減少すると、減少した放電電流に応じて定められる判定電圧（Ｎ％残容量電圧）の下で電池電圧低下の判定と、低下した電池電圧の継続時間の判定が行われるので、電池残容量を不本意に補正することがあった。即ち、放電電流が減少すると、これに伴って判定電圧（Ｎ％残容量電圧）と判定時間とが新たに設定される。しかし放電電流が減少しても電池電圧の回復には若干の時間が掛かる。この為、電池電圧の回復期間における平均電圧が、新たに設定された判定電圧（Ｎ％残容量電圧）よりも下回る期間が、上記新たに設定された判定時間（継続時間）以上に亘って継続することがある。この結果、回復後の電池電圧が前記判定電圧（Ｎ％残容量電圧）よりも高くなる場合であっても、放電電流の積算値を満充電容量から減算して求められた残容量を強制的に［Ｎ％］として補正することがあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、放電電流が急激に減少した場合であっても電池残容量の補正を的確に行うことのできる電池残容量検出方法、電池残容量検出装置および二次電池装置を提供することにある。

本発明は、放電電流が減少しても電池電圧の回復には若干の時間が掛かることに着目してなされている。
そこで上述した目的を達成するべく本発明に係る電池残容量検出方法は、二次電池の放電電流値を積算して放電容量を検出し、該二次電池の満充電容量から上記放電容量を減算して前記二次電池の残容量を求める一方、前記二次電池の電池電圧が前記放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧を下回る期間が、前記放電電流値に応じて定められた判定時間に至ったとき、前記満充電容量から前記放電容量を減算して求められた前記二次電池の残容量を予め定められたＮ％残容量に補正するに際し、
前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測期間中に前記放電電流値に応じて逐次定められる前記判定時間の中で最も長い判定時間を、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る継続時間の判定に用いることを特徴としている。

また本発明に係る電池残容量検出装置は、
<ａ> 二次電池の放電電流値を検出する電流検出手段と、
<ｂ> この電流検出手段にて検出された放電電流値を積算して放電容量を検出し、該二次電池の満充電容量から上記放電容量を減算して前記二次電池の残容量を求める残容量算出手段と、
<ｃ> 前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
<ｄ> 前記放電電流値に応じて設定されたＮ％残容量電圧と前記電圧検出手段にて検出された電池電圧とを比較し、該電池電圧が連続して前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間を計測する計測手段と、
<ｅ> この計測手段にて計測された時間が前記放電電流値に応じて定められた判定時間を越えたとき、前記残容量算出手段にて求められた残容量を予め定められたＮ％残容量に補正する残容量補正手段と、
<ｆ> 前記計測手段による前記継続時間の計測期間中に前記放電電流値に応じて逐次定められた判定時間の中で最も長い判定時間を前記残容量補正手段における継続時間の判定に用いる判定時間制御手段と
を具備したことを特徴としている。

好ましくは前記二次電池のＮ％残容量電圧および判定時間は、前記放電電流の大きさを複数段階に区分した電流領域毎に設定されるものであって、前記Ｎ％残容量電圧は前記放電電流値が大きい程、低く設定され、前記判定時間は前記放電電流値が大きい程、長く設定されるものであり、前記継続時間の判定に用いる判定時間は、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測期間中に、前記放電電流値に応じて逐次求められる判定時間の中の最も長い時間として決定することが望ましい。

具体的には前記判定時間制御手段において、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測を開始した後、前記放電電流値に応じて逐次求められる判定時間を相互に比較し、これらの判定時間の中の最も長い時間を、前記継続時間の判定に用いる判定時間として決定するようにすれば良い。
尚、前記電池電圧については、所定の周期毎に前記放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧と比較するようにし、また前記判定時間については前記比較周期の倍数として設定することが望ましい。

そして本発明に係る二次電池装置は、二次電池と、上述した構成の電池残容量検出装置とを具備したことを特徴としている。

本発明によれば放電電流の減少に伴ってＮ％残容量電圧が新たに設定された場合であっても、その判定時間を長くすることで電池電圧の回復に要する時間遅れを吸収し、これによって不本意なＮ％残容量補正を防止することができる。換言すれば減少した放電電流に応じて設定される電圧判定時間（継続時間）として、放電電流が減少する前の大電流時の電圧判定時間（継続時間）を採用することで電池電圧の回復に要する時間遅れを吸収して電池電圧の判定を行い、これによってＮ％残容量補正を的確に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る電池残容量検出方法および電池残容量検出装置を説明する為のパック電池の概略構成図。 本発明に係る電池残量検出の制御手順の一例を示す図。 本発明に係る電池残量検出の作用を説明する為の図。 二次電池の放電時における電池電圧の変化と残容量との関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電池残容量検出方法および電池残容量検出装置について説明する。また本発明に係る二次電池装置は、二次電池と電池残容量検出装置とを具備した、いわゆるパック電池として実現される。
図１はパック電池の概略構成図であって、１０は二次電池、２０は電池残容量検出装置である。二次電池１０は、複数の電池セルを直・並列に接続して所要とする電池電圧と電池容量を確保した、例えばリチウムイオン電池である。この二次電池１０は、図示しない充電器に接続されて充電されると共に、電池残容量検出装置２０を介して図示しない電子機器（負荷）に接続されて該電子機器の電力源として使用される。

電池残容量検出装置２０は、基本的には二次電池１０の放電電流値を検出する電流検出部（電流検出手段）２１と、この電流検出部２１にて検出された放電電流に基づいて前記二次電池１０の残容量を求める残容量演算部（残容量算出手段）２２と、前記二次電池１０の端子電圧（電池電圧）を検出する電圧検出部（電圧検出手段）２３とを備えて構成される。

ちなみに前記残容量演算部２２は、例えばマイクロプロセッサを用いて実現されるものであって、前記電流検出部２１にて検出された放電電流値を逐次積算して前記二次電池１０の放電容量を算出し、予め求められている該二次電池１０の満充電容量から上記放電容量を減算することでその残容量を求める役割を担う。また前記残容量演算部２２は、前記電圧検出部２３にて検出される電池電圧から二次電池１０の残容量が予め設定したＮ％残容量（例えば１０％残容量；一般的には３〜１２％の範囲の値としての低残容量が利用できる）に達したか否かを判定し、後述するようにＮ％残容量に達したことを検出した場合には、前述した如く求めた残容量を強制的にＮ％残容量に補正する残容量補正部（残容量補正手段）２４を備える。

尚、Ｎ％残容量に達したか否かの判定は、計測部（計測手段）２５において前記電池電圧が予め設定されたＮ％残容量電圧を下回るか否か、また電池電圧がＮ％残容量電圧を下回る期間が予め設定した判定時間に亘って継続するか否かを判定することによって行われる。ちなみにＮ％残容量電圧および判定時間は、放電電流の大きさに応じて、例えば前述した表１に示したように放電電流の大きさを複数段階に区分した電流領域毎に予め設定されており、メモリ２６に登録されている。そして残容量判定に用いられるＮ％残容量電圧および判定時間は、前記電流検出部２１にて検出された放電電流値に応じて前記メモリ２５から選択的に求められて前記計測部２５に与えられる。前述した残容量補正部２４は、この計測部２５にて二次電池１０の残容量がＮ％残容量に達したことが検出されたときに起動されて残容量補正を実行する。また上述した如く求められる二次電池１０の残容量については、通信処理部２８を介して前述した電子機器に適宜通知される。

ここで本発明に係る電池残容量検出装置２０が特徴とするところは上述した基本機能に加えて、前記残容量演算部２２が判定時間制御部（判定時間制御手段）２７を備えている点にある。この判定時間制御部２７は、前記計測部２５において前記電池電圧がＮ％残容量電圧を下回ることが検出されたとき、その継続時間の計測期間中に前記放電電流値の変化に応じて逐次求められる判定時間の中で最も長い判定時間を該計測部２５における継続時間の判定に採用する役割を担う。

具体的には前記計測部２５が、放電電流値に応じて設定したＮ％残容量電圧の下で電池電圧を判定し、該電池電圧がＮ％残容量電圧を下回ったときからその状態の継続時間を計測している期間において前記放電電流が減少し、これに伴って新たにＮ％残容量電圧（判定電圧）とその判定時間が求められたとき、前記判定時間制御部２７は放電電流の変化に応じて求められた複数の判定時間の中で最も長い判定時間を採択し、これを前記計測部２５に与える判定条件（判定時間）として設定する役割を担っている。従って放電電流が急激に減少し、これに伴って前記メモリ２６から新たに求められる判定時間が短くなった場合でも、放電電流が減少する前に設定されていた大電流時の長い判定時間がそのまま前記計測部２５における残容量判定に使用される。この結果、前記電池電圧が新たに設定されたＮ％残容量電圧（判定電圧）を下回る期間が、上述した大電流時の長い判定時間に亘って継続した場合にのみ、計測部２５は二次電池１０の残容量がＮ％残容量に達したことを検出することになる。

図２は、電池残容量検出装置２０における上述したＮ％残容量判定の処理手順の一例を示している。この判定処理は、例えば所定の周期（例えば２５０ｍ秒）毎に実行される。具体的には、先ず二次電池１０の電池電圧（１周期の平均電池電圧；平均電池電圧は、前記所定の周期より短い周期、例えば２０ｍ秒毎に求められる電池電圧の平均値として算出される）と、そのときの放電電流値に応じて前記メモリ２６から求められたＮ％残容量電圧（判定電圧）とを比較することから実施される＜ステップＳ１＞。ちなみに放電初期時のように二次電池１０の電池電圧が十分に高く、Ｎ％残容量電圧（判定電圧）まで低下していない場合には、残容量補正が不要であるので、前回の判定時間（カウント値）を［０］にリセットすると共に＜ステップＳ２＞、継続時間カウンタを［０］にリセットする＜ステップＳ３＞。更にＮ％残容量の判定処理を実行中である旨を示す残容量検出フラグを［０］にリセットする＜ステップＳ４＞。

尚、前記継続時間カウンタおよび判定時間（カウント値）は、ここでのＮ％残容量判定処理が所定の周期（例えば２５０ｍ秒）で繰り返し実行されることから、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧（判定電圧）を下回る状態が連続する周期の数として設定されるものである。具体的には前述した表１に示したように検出時間（判定時間）が１.０秒として設定される場合には、前記判定時間（カウント値）は［１.０秒÷２５０ｍ秒＝４回］として与えられる。また逆に継続時間カウンタによる計数値が６回である場合には、その継続時間は［２５０ｍ秒×４回＝１.５秒］として求められることになる。

一方、二次電池１０の電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧（判定電圧）を下回っている場合には＜ステップＳ１＞、現在の放電電流の大きさに応じて前記メモリ２６から求められる判定時間（カウント値）と、前回（１周期前）求められた判定時間（カウント値）との大きい方を選択し、これを今回の残容量判定に用いる判定時間として設定する＜ステップＳ５＞。そして上述した如く設定した判定時間を前回（１周期前）の判定時間（カウント値）として更新する＜ステップＳ６＞と共に、前記継続時間カウンタの値を［１］だけ歩進（インクリメント；＋１）する＜ステップＳ７＞。

この処理によって電池電圧がＮ％残容量電圧（判定電圧）を連続して下回っている時間が前記継続時間カウンタにより計測され、また残容量判定に用いられる判定時間が、判定時間の検出期間中における最も長い判定時間として設定される。そして上述した如く判定時間（カウント値）を設定し、また継続時間カウンタにより前記電池電圧がＮ％残容量電圧（判定電圧）を連続して下回っている時間（カウント値）が求められたならば、前記継続時間カウンタの値（継続時間）が前記判定時間（カウント値）を越えたか否かを判定する＜ステップＳ８＞。そして継続時間カウンタの値（継続時間）が前記判定時間（カウント値）を越えた場合には、これを前記二次電池１０の残容量がＮ％残容量に達したとして残量検出フラグを［１］に設定する＜ステップＳ９＞。逆に継続時間カウンタの値（継続時間）が前記判定時間（カウント値）に満たない場合には、これを前記二次電池１０の残容量がＮ％残容量まで低下していないとして前記残量検出フラグを［０］にリセットする＜ステップＳ４＞。そして前述した残容量補正部２４は、このような残量検出フラグを受け、該残量検出フラグが［１］のときに前記二次電池１０の残容量がＮ％残容量に達したとして、その残容量補正を実行する。

かくして上述した如くして二次電池１０の電池電圧からＮ％残容量判定を行い、該二次電池１０の残容量を補正する電池残容量検出装置（電池残容量検出方法）２０によれば、電池電圧がＮ％残容量電圧（判定電圧）を下回っている時間を計測中にその放電電量が変化し、特に放電電流が急激に減少して前記Ｎ％残容量電圧（判定電圧）が今までより高い電圧値として新たに設定されても、その判定時間が継続時間判定期間中における最も長い判定時間として、つまり大電流時の長い判定時間のまま残される。従って放電電流の減少に伴う電池電圧の変化に遅れが伴う場合であっても、その電池電圧から誤ってＮ％残容量に達したとして判定することがなくなる。

具体的には図３に例示するように二次電池１０（容量４０００ｍＡＨ）の放電電流が１８Ａ（＝４.５Ｃ）である場合には、表１に示す判定条件から１０％残容量電圧が２.８Ｖとして設定され、その判定時間が２.０秒（８周期）として設定される。そしてこの条件下において二次電池１０の電池電圧が上記１０％残容量電圧［２.８Ｖ］を下回ったときから当該状態の継続時間の計測を開始した途端、１０％残容量電圧が２.８Ｖが１.５Ａに急激に減少したとすると、一定周期後の次回の残量判定タイミングには、変化した放電電流の大きさに応じて前記メモリ２６のから１０％残容量電圧が３.１Ｖとして求められ、その判定時間が０.５秒（２周期）として求められる。

このようにしてメモリ２６から求められる判定条件をそのまま用いて残容量判定を行った場合、例えば図３に示すように０.２５秒後における判定処理と、０.５秒後における判定処理とにおいて２回に亘って連続して１０％残容量判定条件を満たすことになるので、電池電圧の回復が遅れているだけにも拘わらず、これを電池残量が１０％残容量まで低下下として誤判定してしまうことになる。

この点、本装置（方法）においては、前述したようにその判定時間を、継続時間判定期間中における最も長い判定時間として設定するので、この例においては放電電流が１８Ａであったときの判定時間２.０秒（８周期）としてそのまま残される。この結果、０.５秒後移行における判定処理においても二次電池１０の電池電圧が、新たに設定された１０％残容量電圧よりも下回っているか否かが判定される。従って電池電圧の回復に伴ってその判定条件が満たされなくなるので、具体的には電池電圧が１０％残容量電圧よりも高くなるので、二次電池１０の残容量が１０％残容量まで低下したとして誤判定することがなくなる。この結果、二次電池１０の残容量が真に１０％残容量まで低下したときにだけ、放電電流に応じて求められる残容量を強制的に１０％残容量に補正することが可能となる。換言すれば放電電流の変化に伴う二次電池１０の電池電圧の変化が遅れを伴う場合であっても、該二次電池１０の電池電圧がＮ％残容量電圧まで低下したことを確実（的確）に検出してその残容量補正を行うことが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは二次電池１０としてリチウムイオン電池を例に説明したが、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池であるある場合にも同様に適用することができる。またＮ％残容量としては、例示した１０％残容量に特定されないことも言うまでもない。更には前述した特許文献１,２にそれぞれ示されるように、二次電池１０の電池温度を検出して残容量を補正する機能を備える場合においても本発明を同様に適用することができる。その他、電流検出部２１等については公知の手法を用いて実現すれば十分であり、要は本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

１０ 二次電池
２０ 残容量検出装置
２１ 電流検出部
２２ 残容量演算部
２３ 電圧検出部
２４ 残容量補正部
２５ 計測部
２６ メモリ
２７ 判定時間制御部
２８ 通信処理部

Claims (7)

1. 二次電池の放電電流値を積算して放電容量を検出し、該二次電池の満充電容量から上記放電容量を減算して前記二次電池の残容量を求める一方、前記二次電池の電池電圧が前記放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧を下回る期間が、前記放電電流値に応じて定められた判定時間に至ったとき、前記満充電容量から前記放電容量を減算して求められた前記二次電池の残容量を予め定められたＮ％残容量に補正するに際し、
   前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測期間中に前記放電電流値に応じて逐次定められる前記判定時間の中で最も長い判定時間を、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る継続時間の判定に用いることを特徴とする電池残容量検出方法。
2. 前記二次電池のＮ％残容量電圧および判定時間は、前記放電電流の大きさを複数段階に区分した電流領域毎に設定されるものであって、前記Ｎ％残容量電圧は前記放電電流値が大きい程、低く設定され、前記判定時間は前記放電電流値が大きい程、長く設定されるものであり、
   前記継続時間の判定に用いる判定時間は、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測期間中に、前記放電電流値に応じて逐次求められる判定時間の中の最も長い時間として決定されるものである請求項１に記載の電池残容量検出方法。
3. 前記電池電圧は、所定の周期毎に前記放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧と比較されるものであって、前記判定時間は前記比較周期の倍数として設定されるものである請求項１に記載の電池残容量検出方法。
4. 二次電池の放電電流値を検出する電流検出手段と、
   この電流検出手段にて検出された放電電流値を積算して放電容量を検出し、該二次電池の満充電容量から上記放電容量を減算して前記二次電池の残容量を求める残容量算出手段と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記放電電流値に応じて設定されたＮ％残容量電圧と前記電圧検出手段にて検出された電池電圧とを比較し、該電池電圧が連続して前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間を計測する計測手段と、
   この計測手段にて計測された時間が前記放電電流値に応じて定められた判定時間を越えたとき、前記残容量算出手段にて求められた残容量を予め定められたＮ％残容量に補正する残容量補正手段と、
   前記計測手段による前記継続時間の計測期間中に前記放電電流値に応じて逐次定められた判定時間の中で最も長い判定時間を該計測手段における継続時間の判定に用いる判定時間制御手段と
   を具備したことを特徴とする電池残容量検出装置。
5. 前記二次電池のＮ％残容量電圧および判定時間は、前記放電電流の大きさを複数段階に区分した電流領域毎に設定されるものであって、前記二次電池のＮ％残容量電圧は、前記放電電流値が大きい程、低く設定され、前記判定時間は前記放電電流値が大きい程、長く設定されるものであり、
   前記判定時間制御手段は、前記電池電圧が前記Ｎ％残容量電圧を下回る時間の計測を開始した後、前記放電電流値に応じて逐次求められる判定時間を相互に比較し、これらの判定時間の中の最も長い時間を、前記継続時間の判定に用いる判定時間として決定するものである請求項４に記載の電池残容量検出装置。
6. 前記計測手段は、所定の周期毎に前記電池電圧を前記放電電流値に応じて定められたＮ％残容量電圧と比較するものであって、
   前記放電電流値に応じて定められる判定時間は、前記比較周期の倍数として設定されるものである請求項４に記載の電池残容量検出装置。
7. 二次電池と、請求項４〜６のいずれかに記載の電池残容量検出装置とを具備したことを特徴とする二次電池装置。

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