JP2023101509A

JP2023101509A - 半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法

Info

Publication number: JP2023101509A
Application number: JP2023074831A
Authority: JP
Inventors: 崇弘清水; Takahiro Shimizu
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2023-04-28
Publication date: 2023-07-21
Also published as: US20200036059A1; CN110780217A; US11196106B2; JP2020016582A; CN110780217B

Abstract

【課題】簡易な構成で精度が高く、小型化、低コスト化が可能な半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法を提供すること。【解決手段】接続されたバッテリ２０の第１電圧と第１電圧とは異なる第２電圧を出力する電圧検出部１１と、第１電圧と第２電圧との電位差に基づき、バッテリ残量と開放電圧との相関を示す第１データからバッテリ残量とバッテリ電圧との相関を示す第２データを導出する補正部１３と、第２データの下限電圧に応じたバッテリ残量に基づきバッテリの残量を算出する演算部１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法に関する。

バッテリの残量を検出する方法には、大別して、電圧法、クーロンカウント法がある。
一般的に電圧法によるバッテリ残量の検出方式は精度が低く、クーロンカウント法によるバッテリ残量の検出方式の方が、精度は向上する。クーロンカウント法は、電圧検出回路、クーロンカウンタ回路、およびセンス抵抗を用いて、バッテリの残量（以下、「ＳＯＣ」（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：充電率）という場合がある）を検出し、その結果をバッテリが接続されたシステムに通知する。

一方、電圧法を用いたバッテリ残量の検出について開示した文献として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１に開示された電池残容量検知方法は、電源に電池を使用する機器において、電源の電圧を測定する電圧測定手段と、予め決められた負荷を発生させる負荷手段と、無負荷状態と負荷手段による負荷をかけた状態とで夫々電源の出力電圧を測定し、それらの測定値より電池の残り容量を検知する残量検知手段とを有することを特徴としている。つまり、電池に負荷をかけた状態と電池が無負荷の状態との電圧差と電池の使用時間とが相関付けられたテーブルを備えることで、電圧差から電池残量を測定している。

特開平１０－１５３６４７号公報

しかしながら、上述したクーロンカウント法では電圧検出回路とクーロンカウンタ回路の２種類の回路とセンス抵抗が必要なことから装置が大型化し、高コスト化するという問題がある。そのため、特に価格の問題から、低価格のシステム（例えば、ＩｏＴ（ＩｎｔｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ）無線センサ端末等)に適用しにくいという課題があった。

一方、特許文献１に開示された方法では、電池にかかる負荷が変動した場合に正確なバッテリ残量の測定が困難である。さらに、電池に負荷をかけた状態と電池が無負荷の状態との電圧差が、電池の劣化に伴い変化した際には正確なバッテリ残量の測定が難しいという課題を生じる。

ここで、電池の劣化に対する測定精度を向上させるために、電池の劣化に対応する複数の電圧差と電池の使用時間とを相関付けるテーブルを備える方法もある。しかしながら、当該方法では電池の劣化に伴う電圧差の取得に膨大な時間とコストがかかるという課題、そして、テーブルを格納するためにメモリ容量が増大するという課題が発生する。特に上述したようにＩｏＴ等で使用される機器のバッテリの残量の検出装置は低コスト化、小型化が求められており、複数のテーブルを備えることは困難である。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で精度が高く、小型化、低コスト化が可能な半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、接続されたバッテリの第１電圧と前記第１電圧とは異なる第２電圧を出力する電圧検出部と、前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に基づき、バッテリ残量と開放電圧との相関を示す第１データから前記バッテリ残量とバッテリ電圧との相関を示す第２データを導出する補正部と、前記第２データの下限電圧に応じた前記バッテリ残量に基づき前記バッテリの残量を算出する演算部と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係るバッテリの残量の検出方法は、接続されたバッテリの第１電圧と前記第１電圧とは異なる第２電圧を検出し、前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に基づき、バッテリ残量と開放電圧との相関を示す第１データから前記バッテリ残量とバッテリ電圧との相関を示す第２データを導出し、前記第２データの下限電圧に応じた前記バッテリ残量に基づき前記バッテリの残量を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、簡易な構成で精度が高く、小型化、低コスト化が可能な半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法を提供することが可能となる。

実施の形態に係るバッテリ使用システムの構成の一例を示すブロック図である。（ａ）は実施の形態に係るバッテリ残量検出処理の考え方を示す図、（ｂ）は実施の形態に係るバッテリ残量検出処理の別法を示す図である。実施の形態に係るバッテリ残量検出処理プログラムの流れを示すフローチャートである。実施の形態に係るＯＣＶ－ＳＯＣテーブルの一例を示す図である。実施の形態に係るバッテリ使用システムの変形例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１から図４を参照して、本実施の形態に係る半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法について説明する。本実施の形態では、電池（以下、「バッテリ」）により電力が供給され、所定の機能を発揮するシステム（以下、「バッテリ使用システム」）において、該バッテリの残量を検出する半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法を例示して説明する。すなわち、本実施の形態に係る半導体装置はバッテリの残量の検出装置を含んでいる。バッテリ使用システムとしては例えばＩｏＴ機器が例示され、より具体的には所定の対象物の物理量を測定し、監視するセンサシステム等が挙げられる。

図１に示すように、本実施の形態に係るバッテリ使用システム１は、半導体装置１０、バッテリ２０、および負荷２１を含んで構成されている。すなわち、バッテリ使用システム１では、上述した従来技術のようにクーロンカウンタ回路、およびセンス抵抗を備えていない。

バッテリ２０の種類は特に限定されないが、本実施の形態では一例としてリチウムイオンセルを用いている。リチウムイオンセルの場合、ＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）＝４．２Ｖのときが満充電状態である、すなわちＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）＝１００％である。ここで、ＯＣＶ（開放電圧または開回路電圧）とは、負荷が接続されておらず、負荷に電圧、電流が印加されていない状態でのバッテリの電圧をいう。また、ＳＯＣ（充電状態または充電率）とは、仕様上の完全放電状態を０％、満充電状態を１００％として表したバッテリの充電状態をいう。

負荷２１はバッテリ２０によって電圧、電流を供給されて動作する回路であり、バッテリ使用システム１の主たる機能を発揮する部位である。上述したように本実施の形態では、バッテリ使用システム１は一例としてセンサシステムとされており、負荷２１には該センサシステムのセンサ駆動回路、監視情報を監視システムに送信する送信器等が含まれている。

図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置１０は、電圧検出部１１、ＳＯＣ演算部１２、補正部１３、ＬＵＴ（ＬｏｏｋＵｐＴａｂｌｅ）１４、および制御部１５を含んで構成されている。

電圧検出部１１は、センサシステムにより構成される負荷２１が接続された状態でのバッテリ２０の両端の電圧（以下、「バッテリ電圧ＶＢＡＴ」）を検出する（測定する）部位である。ＳＯＣ演算部１２は、後述するバッテリ残量検出処理によってＳＯＣを演算する部位である。補正部１３は、該バッテリ残量検出処理によってＳＯＣを補正する部位である。ＬＵＴ１４は、該バッテリ残量検出処理における参照処理で用いる表である。制御部１５は主として該バッテリ残量検出処理を実行する部位であり、例えば図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等を含んで構成されている。制御部１５は、電圧検出部１１、ＳＯＣ演算部１２、および補正部１３を制御している。

ところで、本実施の形態に係るバッテリ使用システム１のようなＩｏＴ無線センサ端末等のセンサシステムでは、消費電力を抑えるために、動作の大半がスリープ状態とされていることが多い。「スリープ状態」とは、電源を投入状態に保ちつつ省電力の状態にすることをいう。そのため、センサシステムにより構成される負荷２１がスリープ状態にあるスリープ区間Ｔｓ、起動状態にある起動区間Ｔａが繰り返される。

図２（ａ）を参照してスリープ区間Ｔｓおよび起動区間Ｔａと、ＯＣＶおよびバッテリ電圧ＶＢＡＴとの関係について説明する。図２（ａ）の実線はバッテリ残量すなわちＳＯＣと開放電圧すなわちＯＣＶの関係を示す。スリープ区間Ｔｓ、起動区間Ｔａの各区間でバッテリ電圧ＶＢＡＴを測定すると図２（ａ）に示す破線のようになる。すなわち、起動区間Ｔａにおいて電圧検出部１１によって測定されたバッテリ電圧ＶＢＡＴは電圧降下により低下している。一方、スリープ区間Ｔｓにおいては、バッテリ電圧ＶＢＡＴは上昇している。その際、バッテリ使用システム１ではスリープ区間Ｔｓが多いため、システム起動直前の最新のスリープ時のバッテリ電圧ＶＢＡＴはＯＣＶに近くなる。そのため、その時のバッテリ電圧ＶＢＡＴはその時のＯＣＶに等しいとみなすことができる。本実施の形態に係る半導体装置、バッテリの残量の検出方法では、この点に着目してバッテリの残量を検出している。ここで、図２（ａ）に示すＶｓはＯＣＶの初期値であり、本実施の形態はバッテリ２０としてリチウムイオンセルを用いているので、Ｖｓは約４．２Ｖである。

次に図３および図２（ａ）を参照して、本実施の形態に係る半導体装置１０で実行されるバッテリ残量検出処理について説明する。図３は、本実施の形態に係るバッテリ残量検出処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。本実施の形態に係る半導体装置１０では、図３に示す処理は、図示しないＵＩ（ユーザインタフェース）部等を介してバッテリ残量検出の開始を指示することで、制御部１５内に備えられた図示しないＣＰＵがＲＯＭ等の記憶手段に記憶された本バッテリ残量検出処理プログラムを読み込み、ＲＡＭ等に展開して実行する。

本実施の形態に係るバッテリ残量検出処理では、バッテリ使用システム１において使用されるにつれて変化するバッテリ２０の残量を検出（推定）するに際し、バッテリ使用システム１において使用されるにつれて変化するバッテリ２０の最新のＯＣＶの推定値を用いてその時のＳＯＣを求め、求めたＳＯＣからバッテリ２０がバッテリ使用システム１で使用不能になると予測されるＳＯＣを演算する。すなわち、バッテリの残量の検出においては一般に誤差が問題となるが、本実施の形態では常に最新のＯＣＶを用いてその時点でのバッテリ２０の残量を予測しているので、従来技術と比較して精度が向上している。

まずステップＳ１００、Ｓ１０１で、スリープ時の（すなわちスリープ区間Ｔｓにおける）バッテリ電圧ＶＢＡＴ０を電圧検出部１１によって検出しながらバッテリ使用システム１が起動するまで待機する。この期間において半導体装置１０の制御部１５は省電力モードで動作を行いつつ電圧検出部１１を制御する。バッテリ電圧ＶＢＡＴ０の検出は予め定められた時間を周期として周期的に行ってもよい。換言すると、バッテリ使用システム１が起動した際には、常時最新のバッテリ電圧ＶＢＡＴ０が検出されている。バッテリ電圧ＶＢＡＴ０の検出値は各値を履歴として図示しないＲＡＭ等の記憶手段に残してもよいし、常に最新の値に更新するようにしてもよい。

ステップＳ１０２で制御部１５は、バッテリ使用システム１が起動した後の（つまり起動区間Ｔａにおける）バッテリ電圧ＶＢＡＴ１を、電圧検出部１１によって検出させる。バッテリ電圧ＶＢＡＴ１の検出は、バッテリ２０の稼働による状態の変化を考慮し、極力、バッテリ使用システム１の起動した後であってバッテリ使用システム１が安定動作に移行した直後に行うのが好ましい。また、ＶＢＡＴ１を測定するタイミングについては、センサシステムにより構成される負荷２１の動作により負荷がかかっている状態で最も電圧値が低いバッテリ電圧ＶＢＡＴをバッテリ電圧ＶＢＡＴ１として取得する、つまり、起動区間Ｔａにおいて測定したバッテリ電圧ＶＢＡＴの最小値をバッテリ電圧ＶＢＡＴ１とすることにより、より高精度なバッテリ残量の検出が可能となる。

ステップＳ１０３で制御部１５はＳＯＣ演算部１２を制御し、図２（ａ）に示すように、バッテリ電圧ＶＢＡＴ０をその時（残量検出時）のＯＣＶであるＯＣＶ１とみなし、残量検出時のＳＯＣであるＳＯＣ１を取得させる。あるバッテリ２０のＳＯＣとＯＣＶの間には、例えば、図２（ａ）の実線で示された一定の関係があるので、この関係を予めテーブル等によって作成しておき（以下、「ＯＣＶ－ＳＯＣテーブル」）、随時このＯＣＶ－ＳＯＣテーブルを参照してＯＣＶ１からＳＯＣ１（残量検出時のＳＯＣ）を求めるようにしてもよい。図４はこのＯＣＶ－ＳＯＣテーブルの一例を示しており、本ＯＣＶ－ＳＯＣテーブルがすなわち本実施の形態に係るＬＵＴ１４となっている。ＯＣＶ－ＳＯＣテーブルは、例えば図示しないＲＯＭ等の記憶手段に記憶させておいてもよい。なお、ＯＣＶとＳＯＣの関係の記述は図４のようなテーブルに限られず、例えば数式の形式で記述してもよい。

ステップＳ１０４で制御部１５はＳＯＣ演算部１２を制御し、以下に示す（式１）を用いて、図２（ａ）に示す降下電圧ＶＤＲＯＰ１を算出させる。
ＶＤＲＯＰ１＝ＯＣＶ１－ＶＢＡＴ１・・・（式１）
降下電圧ＶＤＲＯＰ１は、残量検出時のバッテリ電圧ＶＢＡＴの、残量検出時のＯＣＶからの降下分を示している。

ステップＳ１０５で制御部１５はＳＯＣ演算部１２を制御し、以下に示す(式２）を用いて、図２（ａ）に示すＯＣＶ２を演算させる。
ＯＣＶ２＝ＶＢＡＴ＿ＭＩＮ＋ＶＤＲＯＰ１・・・（式２）
ただし、ＶＢＡＴ＿ＭＩＮは、バッテリ使用システム１が正常に動作できなくなるバッテリ電圧ＶＢＡＴの最小値（最小バッテリ電圧）を表している。最小バッテリ電圧ＶＢＡＴ＿ＭＩＮの具体的な値は例えば３．４Ｖである。

ステップＳ１０６で制御部１５はＳＯＣ演算部１２を制御し、ＯＣＶ－ＳＯＣテーブル（図４参照）を用いてＯＣＶ２に対応するＳＯＣ２を取得させる（図２（ａ）参照）。

ステップＳ１０７で制御部１５は補正部１３を制御し、以下に示す（式３）から（式５）を用いてＳＯＣ２を補正し、補正ＳＯＣを算出させる。
ＮｅｗＳＯＣＦｕｌｌ＝１００－ＳＯＣ２・・・（式３）
ＮｅｗＳＯＣＮｏｗ＝ＳＯＣ１－ＳＯＣ２・・・（式４）
補正ＳＯＣ＝（ＮｅｗＳＯＣＮｏｗ／ＮｅｗＳＯＣＦｕｌｌ）×１００・・・（式５）すなわち、ＳＯＣ２は最小バッテリ電圧ＶＢＡＴ＿ＭＩＮに対応するＳＯＣであるが、未だ０（ゼロ）までは至っていない。そこで、ＳＯＣ２＝０とした場合の残量検出時のＳＯＣ１を補正ＳＯＣとして算出している。このことにより、補正ＳＯＣから直接バッテリ２０の残量を判断することができる。

ステップＳ１０８で制御部１５は図示しないＵＩ部を制御し、補正ＳＯＣを通知させ、その後ステップＳ１００に戻り、バッテリ使用システム１が起動するまで待機する。補正ＳＯＣの通知は、上記のようにバッテリ使用システム１の図示しないＵＩ部等を介して通知してもよいし、他の方法によって通知してもよい。また、本バッテリ残量検出処理プログラムは、例えばバッテリ使用システム１の電源がオフにされた場合に停止するようにしてもよい。なお、図３に示すフローチャートにおいては、ある起動区間Ｔａでバッテリ残量検出処理を行った後は、原則的に２回以上行う必要はない。従って、ステップＳ１０８において補正ＳＯＣを通知した後フラグを立て、当該起動区間Ｔａの間以降の処理を停止させるように構成してもよい。

図２（ｂ）を参照し、残量検出時のＳＯＣの算出方法の別法について説明する。
（手順１）図２（ａ）に示す各ＳＯＣに対応するＯＣＶのからＶＤＲＯＰ１を減じ、曲線ＯＣＶを下方にシフトさせて図２（ｂ）に示す曲線ＯＣＶ’を作図する。以下曲線ＯＣＶ’を「ＶＢＡＴ－ＳＯＣ曲線」という。すなわち、本別法では曲線ＯＣＶ’をバッテリ電圧ＶＢＡＴの変化とみなしている。
（手順２）ＶＢＡＴ－ＳＯＣ曲線がＶＢＡＴ＿ＭＩＮと交わる部分をＳＯＣ＝０％とする。
（手順３）ＶＢＡＴ＿ＭＩＮと交わる部分をＳＯＣ＝０％とした場合の現在のＳＯＣを算出し現在のバッテリ残量とする。

本実施の形態に係る半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法によれば、クーロンカウンタ回路とセンス抵抗を用いないで現在のＳＯＣの検出が可能となるので、簡易な構成で精度が高く、小型化、低コスト化が可能な半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法を提供することができる。

また、バッテリ使用システムがスリープ状態から回復した際に、バッテリ残量（ＳＯＣ）と開放電圧（ＯＣＶ）との相関を示す第１データ（ＯＣＶ－ＳＯＣテーブル）の開放電圧値から、第１電圧と第２電圧との電位差（ＶＤＲＯＰ１）の値を減じてバッテリ残量（ＳＯＣ）と負荷がかかった状態のバッテリ電圧（ＶＢＡＴ）との相関を示す第２データ（ＶＢＡＴ－ＳＯＣ曲線）を求め、第２データとバッテリ使用システムの動作に必要な下限電圧（ＶＢＡＴ＿ＭＩＮ）とから現在のバッテリ残量を推定／更新することで、複数の電圧差とバッテリの使用時間とを相関付けるテーブルを用意することなく、負荷電圧の変動、バッテリの劣化に影響されない高精度なバッテリ残量の推定が可能となる。この際、本実施の形態では、降下電圧ＶＤＲＯＰ１がバッテリの使用時間の経過に伴って大きくなるという現象に着目し、これを利用している。

＜変形例＞
図５を参照して、上記実施の形態の変形例について説明する。本変形例は、上記実施の形態に係る半導体装置１０をＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）を用いて実現した形態である。すなわち、上記実施の形態ではスリープ時においてもバッテリ電圧ＶＢＡＴの測定が可能なように専用の電圧検出部１１を用いていたが、本実施の形態では、電圧検出回路として汎用のＭＣＵに内蔵されたＡＤＣ（ＡｎａｌｏｇＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）を使用し、ＳＯＣ演算部１２、補正部１３はソフトウェアで実行する。

図５は本実施の形態に係るバッテリ使用システム１ａを示している。図５に示すように、本実施の形態に係るＭＣＵ３０は電圧検出部１６、制御部３１、およびＬＵＴ１４を含んでいる。なお、以下の説明では図１に示すバッテリ使用システム１と同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

上述したように、本実施の形態に係る電圧検出部１６はＭＣＵ３０のＡＤＣを用いて構成されている。制御部３１はＳＯＣ演算部１２および補正部１３を含んで構成されるが、上述したように本実施の形態ではソフトウェアによって構成されている。

本実施の形態に係るバッテリ使用システム１ａでは、ＭＣＵ３０が起動した後電圧検出部１６によるバッテリ電圧の検出が実行される。そこで、例えばＭＣＵ３０を低消費電力モードで起動し電圧検出を行った後、通常の動作モードに移行しバッテリ残量検出処理を行う。低消費電力モードでＭＣＵ３０を動作させることで電圧の降下を抑え、その結果残量検出時のバッテリ電圧ＶＢＡＴをＯＣＶとみなすことができ、現在のＳＯＣの検出が可能となる。

本変形例に係るバッテリ残量検出処理は基本的に図３に示すフローチャートに従って実行される。違いはバッテリ使用システムの初期状態だけであり、具体的には図３のステップＳ１００において「スリープ時」を「低消費電力時」と読み替えればよい。

以上のように本実施の形態に係る半導体装置、およびバッテリの残量の検出方法によれば、汎用ＭＣＵのみで現在の（残量検出時の）ＳＯＣの検出が可能となるので、さらなるコストの削減が期待される。

１、１ａバッテリ使用システム
１０半導体装置
１１電圧検出部
１２ＳＯＣ演算部
１３補正部
１４ＬＵＴ
１５制御部
１６電圧検出部
２０バッテリ
２１負荷
３０ＭＣＵ
３１制御部
Ｔｓスリープ区間
Ｔａ起動区間
ＶＤＲＯＰ１降下電圧
ＶＢＡＴ１バッテリ電圧
ＶＢＡＴ＿ＭＩＮ最小バッテリ電圧

Claims

接続されたバッテリの開放電圧である第１電圧と前記バッテリに負荷が接続された状態での電圧である第２電圧を出力する電圧検出部と、
前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に基づき、バッテリ残量と開放電圧との相関を示す第１データから前記バッテリ残量とバッテリ電圧との相関を示す第２データを導出する補正部と、
前記第１電圧に応じた第１バッテリ残量と、前記第２データの下限電圧に応じた第２バッテリ残量と、に基づき前記第１バッテリ残量を補正する演算部と、
スリープ時の前記第１電圧と負荷時のうち最も低い電圧である前記第２電圧を前記電圧検出部から出力させる制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記第２データは前記第１データから前記電位差を減じたバッテリ電圧値と前記バッテリ残量との相関を示すデータである
請求項１に記載の半導体装置。
接続されたバッテリの開放電圧である第１電圧と前記バッテリに負荷が接続された状態での電圧である第２電圧を検出し、
前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に基づき、バッテリ残量と開放電圧との相関を示す第１データから前記バッテリ残量とバッテリ電圧との相関を示す第２データを導出し、
前記第１電圧に応じた第１バッテリ残量と、前記第２データの下限電圧に応じた第２バッテリ残量と、に基づき前記第１バッテリ残量を補正し、
スリープ時の前記第１電圧と負荷時のうち最も低い電圧である前記第２電圧を電圧検出部から出力させる
ことを特徴とするバッテリの残量の検出方法。
前記第２データは前記第１データから前記電位差を減じたバッテリ電圧値と前記バッテリ残量との相関を示すデータである
請求項３に記載のバッテリの残量の検出方法。