JP2018048916A - リチャージャブルバッテリの残量検出回路、それを用いた電子機器、自動車ならびに充電状態の検出方法 - Google Patents

リチャージャブルバッテリの残量検出回路、それを用いた電子機器、自動車ならびに充電状態の検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリのSOCの検出方法を改善する。【解決手段】残量検出回路200は、再充電可能なバッテリ102のSOC(State Of Charge)を検出する。クーロンカウンタ回路202はバッテリ102の充放電電流IBATを積算してクーロンカウント値CCを生成する。電圧検出回路204はバッテリ102の電圧VBATを検出する。SOC演算部206はクーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算する。放電時補正部210はバッテリ102の放電中に、生のSOC値SOC_ccをバッテリ102の電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する。充電時補正部230は、バッテリ102の直近の放電中に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定し、バッテリ102の充電中に、最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算する。【選択図】図4

Description

本発明は、バッテリ管理システムに関する。
携帯電話端末、デジタルカメラ、タブレット端末、携帯音楽プレイヤ、携帯ゲーム機器、ノート型コンピュータをはじめとするさまざまな電池駆動型の電子機器は、再充電可能なバッテリ(2次電池)を内蔵しており、システム制御や信号処理を行うCPU(Central Processing Unit)、液晶パネル、無線通信モジュール、その他のアナログ、デジタル回路などの電子回路は、バッテリからの電力供給を受けて動作する。
図1は、電池駆動型の電子機器のブロック図である。電子機器500は、バッテリ502と、バッテリ502を充電する充電回路504と、を備える。充電回路504は、外部の電源アダプタやUSB(Universal Serial Bus)からの電源電圧VADPを受け、バッテリ502を充電する。
バッテリ502には、負荷508が接続される。バッテリ502に流れる電流BATは、充電回路504からの充電電流ICHGと負荷508に流れる負荷電流(放電電流)ILOADの差分となる。
電池駆動型の電子機器では、バッテリの残量(充電状態:SOC)の検出が欠かせない機能となっており、電子機器500には、残量検出回路506が設けられる。残量検出回路506は、ヒューエルゲージIC(Integrated Circuit)とも称される。残量検出回路506によるバッテリの残量の検出方法としては、(1)電圧法と、(2)クーロンカウント法(電荷積算法)の2つが主流となっている。残量検出回路506は、充電回路504に内蔵される場合もある。
電圧法では、開放状態(無負荷状態)においてバッテリの開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)を測定し、OCVとSOCの対応関係から残量を推定する。OCVは、バッテリが無負荷であり、かつ緩和状態でなければ測定することができず、したがって充放電中にそれを正確に測定することはできない。
クーロンカウント法では、バッテリに流れ込む充電電流およびバッテリから流れ出る放電電流(以下、充放電電流と総称する)を積算し、バッテリへの充電電荷量、放電電荷量を計算することで残量を推定する。クーロンカウント法によれば、電圧法と異なり、開放電圧が得られないバッテリの使用期間においても、残量を推定することができる。
図1の残量検出回路506は、クーロンカウント法によって、バッテリ502の残量を推定する。残量検出回路506は、クーロンカウンタ回路510と、SOC演算部512と、を備える。クーロンカウンタ回路510は、バッテリ502の電流IBATを検出し、それを積算する。クーロンカウンタ回路510が生成するクーロンカウント値CCは、以下の式で表される。
CC=∫IBATdt
厳密にはバッテリ電流IBATは時間的に離散的にサンプリングされ、以下の式で計算される。Δtはサンプリング周期を示す。
CC=Σ(Δt×IBAT
この積算(積分)は、たとえばバッテリ502から流れ出る方向の電流IBATを正、バッテリ502に流れ込む方向の電流IBATを負として行われる。
SOC演算部512は、クーロンカウント値CCにもとづいて、バッテリ502のSOCを演算する。SOCの演算には以下の式が用いられる。
SOC[%]=(CCFULL−CC)/CCFULL×100
CCFULLは、満充電状態においてバッテリ502に蓄えられる電荷量(クーロンカウント値)を示す。
米国特許第9,035,616B2号明細書
本発明者は、図1の残量検出回路506について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。ここでは充電については考えず、放電時の現象を説明する。図2は、OCVとSOCの対応関係(SOC−OCV特性)ならびにバッテリ電圧VBATの変化を示す図である。横軸は、クーロンカウント法にもとづくSOCを表す。
ここではリチウムイオンセルを例とすると、OCV=4.2Vのときが満充電状態であり、すなわちSOC=100%である。また負荷508を含むシステムが動作可能な最低動作電圧をVBAT_MINとするとき、OCV=VBAT_MINのときにSOC=0%である。中間的なSOCについても、OCVと1対1で対応付けられる。
いま、満充電状態から負荷電流ILOADが連続的、あるいは不連続的に流れると、図中、矢印で示す方向にOCVが低下していく。このときの放電電流IBATが積算され、クーロンカウント値CCにもとづいてSOCが計算され、時間の経過とともにゼロに近づいていく。
図2には、OCVに加えて、バッテリ502から外部に取り出されるバッテリ電圧VBAT(破線)が示される。バッテリ電圧VBATは、バッテリの内部抵抗rの影響で、OCVよりもドロップしている。このドロップ量(電圧降下)VDROPは、現在の負荷電流ILOAD(すなわち瞬時値)に比例する成分に加えて、過去の負荷電流ILOADの履歴にもとづく成分を含み、したがって負荷電流ILOADがゼロとなった後も、直ちにゼロとなるわけではない。電圧降下VDROPは、無負荷状態において、長い緩和時間(数時間のオーダー)を経てゼロに近づいていく。また電圧降下VDROPは、温度等にも依存する。
図2に示すように、電圧降下VDROPに起因して、OCVがVBAT_MINまで低下するより前に、バッテリ電圧VBATがVBAT_MINまで低下すると、システムがシャットダウンする。このとき、クーロンカウント法にもとづいて計算されるSOCは、0よりも大きい値Xである。つまり電子機器500のユーザは、残りX(%)と表示されていたにもかかわらず、システムがシャットダウンするという状況に遭遇する。
本発明者は、この問題を解決するために、電圧降下VDROPを考慮してSOCを補正する技術について検討した。すなわち、現在の電圧降下VDROPを推定し、バッテリ電圧VBATがシステムの最低動作電圧をVBAT_MINに到達するときにSOCがゼロとなるように、現在のSOCを補正する。なおこの補正技術を公知技術として認定してはならず、本発明者らが独自に考案したものである。
この補正処理によれば、システムがシャットダウンするときに、SOCがゼロ%となるため、ユーザの感覚に沿ったものとなる。しかしながら本発明者は、この補正処理によってさらに別の問題が生ずることを認識するに至った。図3は、SOCの補正処理によって生ずる問題を説明する図である。
横軸には、クーロンカウント法にもとづく生のSOC_ccと、補正処理を施したSOC_corrが示される。放電の過程において、SOC_ccが100%から20%に減少していく。バッテリ電圧VBATは、OCVに対して電圧降下VDROP_DIS、低くなっている。補正後のSOC_corrは、バッテリ電圧VBATが最低動作電圧VBATに到達するときがゼロとなるようにスケーリングされている。
SOC_ccが20%まで低下した段階で、充電を開始したとする。充電状態では、バッテリの内部抵抗rに流れる電流が放電時と反対となるため、バッテリ電圧VBATはOCVよりも高くなる。充電時のバッテリ電圧VBATとOCVの差をVDROP_CHGとする。すなわち、放電から充電に切り替わるとバッテリ電圧VBATとOCVの差VDROPが急激に小さくなる。
充電時においてはVDROP=0とみなし、すなわちSOCの補正処理を行わないとする。この場合、放電から充電に切りかえたタイミングで、ユーザに提示されるSOCは、SOC_corrの9%からSOC_ccの20%に一瞬で跳ね上がり、その後、充電が進むと、100%に近づいていく。
このように電圧降下VDROPにもとづくSOCの補正を行うと、放電から充電時の切りかえに際して、ユーザに提示されるSOCがジャンプし、あるいは急速に変化するため違和感となる。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、SOCの検出方法の改善にある。
本発明のある態様の方法は、再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する方法に関する。この方法は、バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するステップと、クーロンカウント値CCにもとづいて、生(raw)のSOC値SOC_ccを計算するステップと、バッテリの放電中に、生のSOC値SOC_ccをバッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、直近のバッテリの放電中に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを取得するステップと、バッテリの充電中に、最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算するステップと、を備える。
この態様によると、直近のバッテリ放電中にSOCの最低値を監視することにより、充電開始後に、充電時SOC値SOC_chgが不自然に上昇しないように補正することができる。
充電開始時の充電時SOC値SOC_chgを、最低値SOC_dis_minと一致させてもよい。これにより、充電開始時のSOCの不連続なジャンプを防止できる。
この方法は、バッテリの放電中に、生のSOC値SOC_ccが到達した最低値SOC_cc_minを取得するステップをさらに備えてもよい。充電中の充電時SOC値SOC_chgは、
SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_cc−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(1)
にしたがって計算されてもよい。これにより、充電中の充電時SOC値SOC_chgを、SOC_dis_minから100%に向かって、連続的に増加させることができる。
ある態様の方法は、充電中のバッテリの電圧とSOCの関係を表すSOC−VBAT特性をあらかじめ規定しておくステップと、バッテリの充電中に、バッテリの電圧を取得するステップと、SOC−VBAT特性にもとづいて、取得したバッテリの電圧に対応するSOC値SOC_estを取得するステップと、をさらに備えてもよい。
放電電流(バッテリの負荷電流)と異なり、充電電流は一定で既知であるため、充電中のバッテリの電圧とSOCの関係は一意に決まる場合がある。この関係をSOC−VBAT特性として保持しておくことにより、充電中はクーロンカウント値にもとづく生のSOC値SOC_ccに代えて、SOC−VBAT特性から得られるSOC値SOC_estを利用することができる。
充電中の充電時SOC値SOC_chgは、
SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_est−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(2)
にしたがって計算されてもよい。
これにより、充電中の充電時SOC値SOC_chgを、SOC_dis_minから100%に向かって、連続的に増加させることができる。
本発明の別の態様もまた、再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する方法に関する。この方法は、バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するステップと、クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するステップと、バッテリの放電中に、生のSOC値SOC_ccをバッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、直近のバッテリの放電中に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを取得するステップと、バッテリの充電中に、充電時SOC値SOC_chgを、充電開始時の値が最低値SOC_dis_minと一致するよう生成するステップと、を備える。
この態様によると、充電開始時のSOCの不連続なジャンプを防止できる。
放電時SOC値SOC_disを生成するステップは、バッテリのSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係を示すSOC−OCV特性にもとづき、生のSOC値SOC_ccに対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、バッテリの電圧VBATを検出するステップと、OCVの値OCV1とバッテリの電圧VBATの検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、システムの最低動作電圧VBAT_MINより差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、SOC−OCV特性にもとづいて、OCVの値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、SOCの値SOC2が残量ゼロに相当するものとして、放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、を含んでもよい。
本発明のさらに別の態様は、再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する残量検出回路に関する。この残量検出回路は、バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するクーロンカウンタ回路と、バッテリの電圧VBATを検出する電圧検出回路と、クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するSOC演算部と、バッテリの放電中に、生のSOC値SOC_ccをバッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する放電時補正部と、直近のバッテリの放電中に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定し、バッテリの充電中に、最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算する充電時補正部と、を備える。
この態様によると、バッテリ放電中にSOCの最低値を監視することにより、充電開始後に、充電時SOC値SOC_chgが不自然に上昇しないように補正することができる。
残量検出回路は、充電中におけるバッテリの電圧VBATとSOCの関係を表すSOC−VBAT特性を保持する充電特性保持部をさらに備えてもよい。充電時補正部は、SOC−VBAT特性にもとづいて、電圧検出回路が検出したバッテリの電圧に対応するSOCの値SOC_estを取得してもよい。
充電時補正部は、充電中の充電時SOC値SOC_chgを、
SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_est−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(2)
にしたがって計算してもよい。
本発明のさらに別の態様もまた、残量検出回路である。この残量検出回路は、バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するクーロンカウンタ回路と、バッテリの電圧VBATを検出する電圧検出回路と、クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するSOC演算部と、バッテリの放電中に、生のSOC値SOC_ccをバッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する放電時補正部と、直近のバッテリの放電中に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定し、バッテリの充電中に、充電時SOC値SOC_chgを、充電開始時の値が最低値SOC_dis_minと一致するように計算する充電時補正部と、を備える。
本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、再充電可能なバッテリと、バッテリのSOCを検出する上述のいずれかの残量検出回路と、を備えてもよい。
本発明の別の態様は、自動車に関する。自動車は、再充電可能なバッテリと、バッテリのSOCを検出する上述のいずれかの残量検出回路と、を備えてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、バッテリのSOCの検出を改善できる。
電池駆動型の電子機器のブロック図である。 OCVとSOCの対応関係(SOC−OCV特性)ならびにバッテリ電圧VBATの変化を示す図である。 SOCの補正処理によって生ずる問題を説明する図である。 第1の実施の形態に係る残量検出回路を備えるバッテリ管理システムのブロック図である。 図4の残量検出回路の動作波形図である。 第2の実施の形態に係る残量検出回路を備えるバッテリ管理システムのブロック図である。 SOC−VBAT特性の一例を示す図である。 SOC−OCV特性の一例を示す図である。 実施の形態に係る残量検出のフローチャートである。 電圧とSOCの関係を利用した補正処理を示す図である。 バッテリ管理システムを備える自動車を示す図である。 バッテリ管理システムを備える電子機器を示す図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
また本明細書において、電圧信号、電流信号、あるいは抵抗に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値を表すものとする。
(第1の実施の形態)
図4は、第1の実施の形態に係る残量検出回路200を備えるバッテリ管理システム100のブロック図である。バッテリ管理システム100は、再充電可能なバッテリ(二次電池)102、充電回路104、負荷108および残量検出回路200を備える。バッテリ102は、ひとつ、あるいは複数のセルを含む。セルの種類は特に限定されず、リチウムイオンセル、リチウム空気セル、リチウム金属ベースのセル、ニッケル水素セル、ニッケルカドミウムセル、ニッケル亜鉛セルなどが例示される。セルの個数は、バッテリ管理システム100の用途に依存するが、ポータブルの電子機器の場合、1セル〜数セル、車載バッテリや産業機器、産業機械の用途では数十〜数百セルのオーダーとなる。本発明の用途としてバッテリ102の構成は特に限定されない。
負荷108には、バッテリ102からのバッテリ電圧VBATが供給される。負荷108の種類は特に限定されない。たとえばバッテリ管理システム100が電子機器に搭載される場合、負荷108は、電池電圧VBATを昇圧あるいは降圧し、電源電圧VDDを生成する電源回路や、電源電圧VDDを受けて動作する各種電子回路を含みうる。バッテリ管理システム100が自動車や産業機械に搭載される場合、負荷108は、モータと、電池電圧VBATを交流に変換し、モータを駆動するインバータと、を含みうる。
充電回路104は、外部の電源アダプタやUSB(Universal Serial Bus)、充電ステーションなどからの電源電圧VEXTを受け、バッテリ102を充電する。
残量検出回路200は、バッテリ102の充電状態(SOC:State Of Charge)を検出する。なお本明細書では理解の容易化のために、SOCを、最小値が0、最大値が100である百分率(%)として説明するが、本発明はそれには限定されない。たとえばSOCを10ビットで表す場合、デジタル信号処理の過程においては、SOCは、0〜1023の1024階調で表されることに留意されたい。
残量検出回路200は、クーロンカウンタ回路202、電圧検出回路204、SOC演算部206、放電時補正部210、充電時補正部230を備える。
クーロンカウンタ回路202は、バッテリ102の充放電電流(IBAT)を積算することにより、クーロンカウント値CCを生成する。クーロンカウント値CCは、以下の式で表される。
CC=∫IBATdt
クーロンカウンタ回路202は、バッテリ電流IBATを所定のサンプリング周期Δtでサンプリングする。クーロンカウント値CCは、各サンプリング時刻におけるバッテリ電流IBATiを用いて、以下の式で計算される。
CC=Σi=1(Δt×IBATi
この積算(積分)は、たとえばバッテリ102から流れ出る方向の電流IBATを正、バッテリ502に流れ込む方向の電流IBATを負として行われる。
電流IBATの検出方法は特に限定されない。たとえば電流IBATの経路上に、バッテリ102と直列にセンス抵抗Rを挿入し、センス抵抗Rの電圧降下を検出してもよい。センス抵抗Rは、バッテリ102の正極側に挿入されてもよいし、負極側に挿入されてもよい。クーロンカウンタ回路202は、センス抵抗Rの電圧降下VCS(もしくは電圧降下VCSを増幅した電圧)をサンプリングするA/Dコンバータと、A/Dコンバータの出力データを積算する積算器と、を含んでもよい。
電圧検出回路204は、バッテリ102の電圧VBATを監視し、バッテリ電圧VBAT1を示すデータ(電圧データ)DVBATを生成する。電圧検出回路204は、バッテリ電圧VBATあるいはそれを所定係数倍した電圧をサンプリングし、デジタル化するA/Dコンバータを含んでもよい。
SOC演算部206は、クーロンカウンタ回路202からのクーロンカウント値CCを受ける。SOC演算部206は、式(1)にもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算する。
SOC_cc=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
ただし、CCFULLは満充電に相当するクーロンカウント容量値
放電時補正部210には、値SOC_ccおよび電圧データDVBATが供給される。放電時補正部210は、これらの値にもとづいて、放電時SOC値SOC_disを生成する。具体的には放電時補正部210は、バッテリ102の放電中に、生のSOC値SOC_ccを、バッテリ102の電圧降下VDROPにもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する。放電時補正部210は、バッテリ電圧VBATがシステムの最低動作電圧VBAT_MINに到達したときに、SOC_dis=0%となるように、SOC_ccの値を補正する。
充電時補正部230は、バッテリ102の充電中に、SOC演算部206からの生のSOC値SOC_ccを補正し、充電時SOC値SOC_chgを生成する。充電時補正部230は、バッテリ102の直近の放電中(直近の放電サイクル)に、放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定する。そして、バッテリ102の充電中に、最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算する。
クーロンカウンタ回路202および電圧検出回路204は、ハードウェアのみで実装することができ、それらを単一のICに集積化してもよい。SOC演算部206、放電時補正部210、充電時補正部230は、マイコンやCPUなどのソフトウェア制御可能なプロセッサで実装してもよい。残量検出回路200全体を、単一のチップに集積化してもよい。
残量検出回路200が生成したSOC_disおよびSOC_chgは、数字として、あるいは残量を示すアイコンとしてディスプレイ装置に表示され、ユーザに提示される。あるいはバッテリ管理システム100は、検出されたSOCを残量低下のアラートに使用する。
以上が残量検出回路200の基本構成である。続いてその動作を説明する。図5は、図4の残量検出回路200の動作波形図である。図5の上段には、OCVおよびバッテリ電圧VBATの時間波形が示され、下段にはSOC_cc,SOC_disおよびSOC_chgが示される。
本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。
時刻tにバッテリの放電が開始する。ここでは理解の容易化のため、放電電流は一定とする。このときSOC演算部206が生成する生のSOC値SOC_ccは、一定の傾きで低下していく。またOCVはバッテリの残量に応じて低下していく。バッテリ電圧VBATは、OCVよりも電圧降下VDROP分、低くなる。電圧降下VDROPは、放電電流の量、温度、過去の放電の履歴などに依存する。放電時SOC値SOC_disはバッテリ電圧VBATが最低動作電圧3.4Vとなるときに0%となるように補正される。
時刻tに、放電が終了し、充電が開始する。充電電流が一定であるとき、SOC_ccは一定の傾きで増加していく。また充電中は、OCVよりもバッテリ電圧VBATの方が高くなる。
充電中のSOC値として、SOC_ccを採用すると、時刻tにおいて、SOC値が急激に増加することとなり、ユーザが違和感を覚える。
充電時補正部230は、直前の放電サイクル(期間t〜t)において、SOC_disが到達する最低値SOC_dis_minを測定している。そして、放電サイクルから充電サイクルに切り替わったときに、最低値SOC_dis_minからの乖離が大きくならないようにSOC_chgを生成する。これにより、放電から充電に切り替わったときに、ユーザに提示されるSOCが、不自然に変動するのを防止できる。
より好ましくは充電時補正部230は、充電開始時(時刻t)の充電時SOC値SOC_chgを、最低値SOC_dis_minと一致させる。そして充電時補正部230は、その後、充電が進むにしたがいSOC_chgを100%に近づけていけばよい。これにより、充電開始時のSOCの不連続なジャンプを防止できる。
たとえば充電時補正部230は、直前の放電サイクル(期間t〜t)において、最低値SOC_dis_minに加えて、SOC_ccが到達した最低値SOC_cc_minを測定する。そして充電時補正部230は、充電中の充電時SOC値SOC_chgを、式(1)にしたがって計算する。
SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_cc−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(1)
式(1)で表されるSOC_chgは、時刻tにおいてSOC_dis_minを通過するようにSOC_ccをシフトし、さらに、SOC_ccが100%のときに、SOC_chgが100%となるように、傾きを補正したものと把握できる。この処理によれば、充電中の充電時SOC値SOC_chgを、SOC_dis_minから100%に向かって、連続的に増加させることができる。
(第2の実施の形態)
図6は、第2の実施の形態に係る残量検出回路200Aを備えるバッテリ管理システム100Aのブロック図である。
残量検出回路200Aは、図4の残量検出回路200に加えて、充電特性保持部250を備える。充電特性保持部250は、充電中におけるバッテリの電圧VBATとSOCの関係を表すSOC−VBAT特性を保持する。
充電時補正部230Aは、充電時において、充電特性保持部250が保持するSOC−VBAT特性にもとづいて、電圧検出回路204が検出したバッテリ電圧VBATに対応するSOC値SOC_estを取得する。
たとえば充電特性保持部250は、ルックアップテーブルであってもよい。図7は、SOC−VBAT特性の一例を示す図である。充電時補正部230Aは、テーブル参照により、SOC値SOC_estを取得する。ルックアップテーブルに格納されない中間値については、線形補間などの演算手段により生成することができる。
あるいは充電特性保持部250は、SOC−VBAT特性を近似式SOC=f(VBAT)の形式で保持してもよい。f()は近似関数である。この場合、充電時補正部230Aは、f(VBAT)の値を計算してSOC_estを求めてもよい。
充電時補正部230Aは、SOC_ccに代えてSOC_estを利用して、式(2)にしたがいSOC_chgを生成する。
SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_est−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(2)
バッテリの放電電流は負荷に応じて変動するが、バッテリの充電電流は、充電回路104による定電流(CC:Constant Current)充電によって、所定値に安定化される。このことは、充電サイクルにおけるOCVとバッテリ電圧VBATの差が予測可能であることを意味しており、充電サイクルにおけるバッテリの電圧VBATとSOCの関係を表すSOC−VBAT特性が一定であることを意味する。なお、充電電流が切りかえ可能なシステムにおいては、充電電流ごとに、SOC−VBAT特性を用意すればよい。また温度依存性がある場合、温度ごとにSOC−VBAT特性を用意すればよい。
第2の実施の形態によれば第1の実施の形態と同様に、充電時に自然なSOCを生成できる。
(放電時の補正処理)
本発明において放電時の補正方法は特に限定されるものではないが、以下にそのいくつかの例を説明する。
バッテリ102に関して、SOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係(SOC−OCV特性)があらかじめ測定されている。図8は、SOC−OCV特性の一例を示す図である。SOC−OCV特性は、たとえばルックアップテーブル(図4、図には不図示)に格納される。ルックアップテーブルに格納されない中間値については、線形補間などの演算手段により生成することができる。あるいは放電時補正部210は、SOC−OCV特性を、演算式(たとえば多項式)の形式で保持してもよい。
放電時補正部210は、SOC−OCV特性にもとづいて、値SOC_ccに対応するOCVの値OCV1を生成する。続いて、値OCV1と電圧検出回路204が検出したバッテリ電圧VBAT1の差分VDROP1を生成する。
DROP1=OCV1−VBAT1
放電時補正部210は、最低動作電圧VBAT_MINよりも差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成する。
OCV2=VBAT_MIN+ΔV
ΔV=VDROP1とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1
となる。あるいはΔV=VDROP1×α(αは定数)とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1×α
となる。あるいはΔV=VDROP1+β(βは定数)とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1+β
となる。あるいは、
OCV2=VBAT_MIN+α×VDROP1+β
としてもよい。より一般化すると、所定の関数f()を定義しておき、ΔV=f(VDROP1)にもとづいて電圧幅ΔVを計算してもよい。
放電時補正部210は、SOC−OCV特性にもとづいて、値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成する。そして放電時補正部210は、値SOC2がバッテリ102の残量ゼロ(0%)に相当するものとして、放電時のSOC_disを計算する。
図9は、実施の形態に係る残量検出のフローチャートである。たとえば満充電状態から処理がスタートする。なお、フローチャートは、各処理(ステップ)の順序を限定するものではなく、各処理の順序は、処理が破綻しない限りにおいて任意に入れ換えることが可能である。また、このフローチャートは、各処理が行われる頻度(周波数、周期)が同じであることを示すものではない。
クーロンカウンタ回路202は、クーロンカウント値CCを計算する(S100)。SOC演算部206は、クーロンカウント値CCを利用し、式(1)にもとづいて値SOC_ccを演算する(S102)。たとえば、クーロンカウンタ回路202は、数十〜数百Hzの周期でクーロンカウント値CCを更新する一方、SOC演算部206は、それより低い周波数、たとえば1秒〜60秒程度の周期で、SOC_ccを演算してもよい。

電圧検出回路204はVBATを測定する(S104)。消費電力の増加が問題とならない場合、電圧検出回路204は、高い周波数(たとえばクーロンカウンタ回路202と同じ周波数)で、バッテリ電圧VBATを測定しても構わない。
続いて、補正処理S110が行われる。補正処理S110は、SOC_ccの演算毎に行ってもよいし、それより低い周期で行ってもよい。
図10は、電圧とSOCの関係を利用した補正処理S110を示す図である。各値は、それに付した番号(i)〜(v)の順序で生成される。
放電時補正部210は、SOC−OCV特性にもとづいて、SOC_ccからOCV1に変換する(S112)。続いて、電圧降下VDROP1を計算する(S114)。そして、電圧降下VDROP1および最低動作電圧VBAT_MINにもとづいて、バッテリ電圧VBATの測定値VBAT1が最低動作電圧VBAT_MINに達するときのOCVの値OCV2を推定する(S116)。そして、SOC−OCV特性にもとづいて、値OCV2からそれに対応するSOCの値SOC2に逆変換する(S118)。
値SOC2は、システムがシャットダウンしうるSOCを表す。すなわち、SOC演算部206が計算するSOC_ccが、値SOC2まで低下すると、バッテリ電圧VBATが最低動作電圧VBAT_MINまで低下してシャットダウンする可能性があることを表す。
そこで修正処理S120では、値SOC2にもとづいて、値SOC2が残量ゼロ(0%)に相当するものとして、放電時SOC値SOC_disを生成する。
このような放電時のSOC補正処理によれば、その時々で変化する電圧降下VDROPを考慮し、実際のバッテリ電圧VBATが最低動作電圧VBAT_MINまで低下したとき、すなわち、システムがシャットダウンするときにSOCがゼロとなるように、クーロンカウント法にもとづく残量検出処理を補正することができる。これによりSOCの検出精度を改善できる。
なおここで説明した放電時のSOC補正処理を、電圧法にもとづくSOCと混同してはならない。両者はSOC−OCV特性を利用する点において電圧法と共通するが、ここでのSOC補正処理ではOCVを測定する処理は必要とせず、したがって緩和時間の経過を待つ必要はない。
最後に、バッテリ管理システム100の用途を説明する。図11は、バッテリ管理システム100を備える自動車300を示す図である。自動車300は、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、などである。インバータ302は、バッテリ管理システム100からの電圧VBATを受け、交流に変換してモータ304に供給し、モータ304を回転させる。またブレーキが踏まれた場合などの減速時には、インバータ302は回生動作を行い、モータ304が発生する電流をバッテリ管理システム100のバッテリ102に回収する。PHVやEVでは、そのほかにバッテリ管理システム100のバッテリ102を充電する充電回路を備える。
図12は、バッテリ管理システム100を備える電子機器400を示す図である。電子機器400は、バッテリ管理システム100に加えて、PMIC(パワーマネージメントIC)402、プロセッサ404、その他図示しない電子回路を含む。PMIC402は統合された複数の電源回路であり、プロセッサ404やその他の電子回路に、適切な電源電圧を供給する。
そのほか、バッテリ管理システム100は、産業機器、産業機械、家庭用/工場用の蓄電システム、エレベータシステムの電源などに用いることができる。
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
500…電子機器、502…バッテリ、504…充電回路、506…残量検出回路、508…負荷、510…クーロンカウンタ回路、512…SOC演算部、100…バッテリ管理システム、102…バッテリ、104…充電回路、108…負荷、200…残量検出回路、202…クーロンカウンタ回路、204…電圧検出回路、206…SOC演算部、300…自動車、302…インバータ、304…モータ、400…電子機器、402…PMIC、404…プロセッサ。

Claims (18)

  1. 再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する方法であって、
    前記バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するステップと、
    前記クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するステップと、
    前記バッテリの放電中に、前記生のSOC値SOC_ccを前記バッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、
    前記バッテリの放電中に、前記放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを取得するステップと、
    前記バッテリの充電中に、前記最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 充電開始時の前記充電時SOC値SOC_chgを、前記最低値SOC_dis_minと一致させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記バッテリの放電中に、前記生のSOC値SOC_ccが到達した最低値SOC_cc_minを取得するステップをさらに備え、
    充電中の前記充電時SOC値SOC_chgは、
    SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_cc−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(1)
    にしたがって計算されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 充電中の前記バッテリの電圧とSOCの関係を表すSOC−VBAT特性をあらかじめ規定しておくステップと、
    前記バッテリの充電中に、前記バッテリの電圧を取得するステップと、
    前記SOC−VBAT特性にもとづいて、取得した前記バッテリの電圧に対応するSOC値SOC_estを取得するステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  5. 前記バッテリの放電中に、前記生のSOC値SOC_ccが到達した最低値SOC_cc_minを取得するステップをさらに備え、
    充電中の前記充電時SOC値SOC_chgは、
    SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_est−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(2)
    にしたがって計算されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する方法であって、
    前記バッテリの放電中に、放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、
    前記バッテリの放電中に、前記放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを取得するステップと、
    前記バッテリの充電中に、充電時SOC値SOC_chgを、充電開始時の値が前記最低値SOC_dis_minと一致するように生成するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
  7. 前記放電時SOC値SOC_disを生成するステップは、
    前記バッテリのSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係を示すSOC−OCV特性にもとづき、前記生のSOC値SOC_ccに対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、
    前記バッテリの電圧VBATを検出するステップと、
    前記OCVの値OCV1と前記バッテリの電圧VBATの検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、
    システムの最低動作電圧VBAT_MINより前記差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、
    前記SOC−OCV特性にもとづいて、前記OCVの値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、
    前記SOCの値SOC2が残量ゼロに相当するものとして、前記放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の方法。
  8. ΔV=VDROP1であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する残量検出回路であって、
    前記バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するクーロンカウンタ回路と、
    前記バッテリの電圧VBATを検出する電圧検出回路と、
    前記クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するSOC演算部と、
    前記バッテリの放電中に、前記生のSOC値SOC_ccを前記バッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する放電時補正部と、
    前記バッテリの直近の放電中に、前記放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定し、前記バッテリの充電中に、前記最低値SOC_dis_minを利用して、充電時SOC値SOC_chgを計算する充電時補正部と、
    を備えることを特徴とする残量検出回路。
  10. 充電開始時の前記充電時SOC値SOC_chgが、前記最低値SOC_dis_minと一致していることを特徴とする請求項9に記載の残量検出回路。
  11. 前記充電時補正部は、
    前記バッテリの放電中に前記生のSOC値SOC_ccが到達した最低値SOC_cc_minをさらに測定し、
    充電中の前記充電時SOC値SOC_chgを、
    SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_cc−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(1)
    にしたがって計算することを特徴とする請求項9または10に記載の残量検出回路。
  12. 充電中における前記バッテリの電圧VBATとSOCの関係を表すSOC−VBAT特性を保持する充電特性保持部をさらに備え、
    前記充電時補正部は、前記SOC−VBAT特性にもとづいて、前記電圧検出回路が検出した前記バッテリの電圧に対応するSOCの値SOC_estを取得することを特徴とする請求項9または10に記載の残量検出回路。
  13. 前記充電時補正部は、充電中の前記充電時SOC値SOC_chgを、
    SOC_chg=SOC_dis_min+(SOC_est−SOC_cc_min)×(100−SOC_dis_min)/(SOC−cc_min) …(2)
    にしたがって計算することを特徴とする請求項12に記載の残量検出回路。
  14. 再充電可能なバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する残量検出回路であって、
    前記バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するクーロンカウンタ回路と、
    前記バッテリの電圧VBATを検出する電圧検出回路と、
    前記クーロンカウント値CCにもとづいて、生のSOC値SOC_ccを計算するSOC演算部と、
    前記バッテリの放電中に、前記生のSOC値SOC_ccを前記バッテリの電圧降下にもとづいて補正し、放電時SOC値SOC_disを生成する放電時補正部と、
    前記バッテリの直近の放電中に、前記放電時SOC値SOC_disが到達した最低値SOC_dis_minを測定し、前記バッテリの充電中に、充電時SOC値SOC_chgを、充電開始時の値が前記最低値SOC_dis_minとなるように計算する充電時補正部と、
    を備えることを特徴とする残量検出回路。
  15. 前記放電時補正部は、
    前記バッテリのSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係を示すSOC−OCV特性にもとづき、前記生のSOC値SOC_ccに対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、
    前記値OCV1と前記電圧検出回路が検出した前記バッテリの電圧の検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、
    システムの最低動作電圧VBAT_MINより前記差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、
    前記SOC−OCV特性にもとづいて、前記値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、
    前記SOCの値SOC2が残量ゼロに相当するものとして、前記放電時SOC値SOC_disを生成するステップと、
    を実行することを特徴とする請求項9から14のいずれかに記載の残量検出回路。
  16. ΔV=VDROP1であることを特徴とする請求項15に記載の残量検出回路。
  17. 再充電可能なバッテリと、
    前記バッテリのSOCを検出する請求項9から16のいずれかに記載の残量検出回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  18. 再充電可能なバッテリと、
    前記バッテリのSOCを検出する請求項9から16のいずれかに記載の残量検出回路と、
    を備えることを特徴とする自動車。
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