JP4016881B2 - 電池の残量計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置に関し、特に、リチウムイオン電池に蓄えられた電気量を正確に測定するための電池の残量計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、リチウムイオン電池が外部の負荷装置や充電装置と接続された充放電状態で、あるいは使用しないで放置されたままの休止状態で、リチウムイオン電池が蓄えている現在の放電可能電気量(残量)、あるいは充電可能電気量を正確に測定するための計測装置として、例えば後述する特許文献1に記載された二次電池残量表示装置のような電池の残量計測装置が使用されている。
【0003】
図20は、従来の電池の残量計測装置の一例を示すブロック図である。
図20に示す残量計測装置では、電池パック3の中のリチウムイオン電池31が充電可能な二次電池である。通常、この電池パック3の中には、リチウムイオン電池31に流れる充放電電流を検出する電流センサ32、リチウムイオン電池31の温度を検出する温度センサ33が一体に収められている。電流センサ32及び温度センサ33からの検出信号は、検出装置2によって演算装置1に取り込まれ、演算装置1では内部の演算アルゴリズム101が起動されてリチウムイオン電池31に蓄えられた電気量が演算され、残量計測装置の認識する残量とされる。
【0004】
この演算装置1には、充電効率メモリテーブル401、放電効率メモリテーブル501、自己放電量メモリテーブル601、タイマ7、及びメモリ8が接続される。また、演算装置1の演算結果は外部装置9に出力され、そこに設けられた電気量表示部10により、リチウムイオン電池31に蓄えられた電気量の残量が表示できる。リチウムイオン電池31に蓄えられた残量はメモリ8に記憶するようにしている。演算装置1では、リチウムイオン電池31の放電時に電流センサ32で検出された放電電流、又は所定の電流値でこの残量を割る除算を行うことによって、放電残時間(放電可能時間)が演算される。この放電残時間は、外部装置9に設けられた時間表示部11により表示される。
【0005】
リチウムイオン電池31の充電時には、満充電量からメモリ8に記憶された残量を差し引いて充電可能電気量を求め、この充電可能電気量を電流センサ32で検出した充電電流、又は所定の電流値で割る除算を行うことにより、充電残時間(充電可能時間)を求める。この充電残時間は、外部装置9に設けられた時間表示部11で表示するようにしている。なお、充放電可能時間の演算における所定の電流値としては、所定時間内に流れた平均電流値、あるいは外部の負荷等にこれから流そうとする予定電流値等を用いることができる。
【0006】
演算アルゴリズム101では、リチウムイオン電池31に電流が流れている充放電時と、電流が流れていない非充放電時とでそれぞれ異なるアルゴリズムが実行される。すなわち、充放電時には、メモリ8に記録された前回の残量に、充電電気量を加算すると共に放電電気量を減算することによって、新たな残量を求めているが、非充放電時には、メモリ8に記録された前回の残量から、所定の自己放電量を減算することによって、現在の残量を求める。
【0007】
図21は、従来の電池の残量計測装置における温度と充電効率との関係の一例を示すグラフである。
ここで、充電電気量とは電流センサ32で検出された充電電流値とタイマ7で計測された充電時間との積、すなわち所定時間の充電電気量に充電効率(アンペアアワー効率)を乗算することで得られるものである。上記の充電効率は、リチウムイオン電池31に充電可能な電気量(充電可能電気量)に対する実際に蓄えられた電気量の比であって、この値は、リチウムイオン電池31の温度、リチウムイオン電池31に流れる電流、そこに蓄えられている電気量(残量)によって変化する。図21に示すグラフでは、温度が低くなる程、充電効率が低下している。
【0008】
図22は、従来の残量計測装置における温度と放電効率との関係の一例を示すグラフである。
放電電気量は、電流センサ32で検出された放電電流値とタイマ7で計測された時間との積、すなわち所定時間の放電電気量を放電効率で除算することで得られるものである。図22に示すグラフでは、温度が低く、電流が大きい程、放電効率が低下している。上記の放電効率は、常温(20℃)で放電電流値0.2C[A]のときの総放電電荷量(定格容量CN;以下、単にCと記す。)を基準として、所定温度での所定の放電電流で放電される電荷量〔mAH〕の割合を示す比率であって、この値は、温度と電流によって変化する。なお、放電電流の大きさは、I=1.0CmA、あるいはI=0.2CmAのように、定格容量の倍数に電流の単位を付けて表す。
【0009】
例えば、充電効率が0.9で検出した電流を積算することにより得られた充電電気量が1000Cであった場合、認識される実際の充電電気量は900C(1000C×0.9)となる。また、例えば、放電効率が0.9で検出した電流を積算することにより得られた放電電気量が1000Cであった場合、認識される実際の放電電気量は1111C(1000C/0.9)となる。
【0010】
図23は、残量計測装置における満充電状態にした電池の、温度をパラメータとして放置期間と残量率との関係を示すグラフである。
一般に、リチウムイオン電池31のような二次電池は、使用しない状態で放置した場合においても、その残量は低下する。これは、自己放電と呼ばれる現象であり、自己放電の大きさは温度、放置期間及び残量に依存する。図23は、完全充電状態における電池の電気量(満充電量)を100%として、自己放電によって残量率が低下していく様子を示している。満充電状態で放置されたリチウムイオン電池31の残量率と温度、及び放置期間との間には、温度が高い程、リチウムイオン電池31の自己放電量は大きく、また、放置期間と共に自己放電量が増加する関係がある。
【0011】
図21、図22、図23に示す充電効率、放電効率、自己放電量の値は、それぞれ図20の充電効率メモリテーブル401、放電効率メモリテーブル501、自己放電量メモリテーブル601に格納されており、検出装置2によって検出された各種の条件に対応した値が選ばれて、演算装置1における演算の際に使用される。
【0012】
なお、上述した従来技術に関連する先行出願には、特願2002−100354(平成14年4月2日出願)がある。また、放電時と充電時の両者において、正確な二次電池の残余容量を測定可能な電源残余容量測定装置については、特許文献2に記載がある。
【0013】
【特許文献1】
特開平6−20723号公報
【特許文献2】
特開平5−152006号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の残量計測装置は、温度や電流により充放電効率が変化するという考え方が基となっていた。しかしながら、実験の結果、二次電池の充放電において条件(温度・電流等)が変化した場合、充放電効率が変化するのではなく、各充放電条件に応じて一時的に充電や放電ができない電気量が存在し、その量が変化するという考え方が適当であることがわかった。
【0015】
図24は、従来の電池の残量計測装置における先行充電温度に対する充電電気量の大きさを示すグラフである。
この図24では、完全放電の後、所定温度で完全充電されるまで(例えば、充電電流が0.05C[A]になるまで)、定電圧・定電流で充電を行った結果を先行充電のグラフとして示している。また、追加充電のグラフは、常温(20℃)でさらにもう一度、完全充電されるまで充電を行ったものである。2種類の充電条件(温度・電流)で連続的に充電を行った場合、それぞれ所定温度(−20℃、及び0℃)で完全充電された後、その温度を常温(20℃)に設定することによって、さらにある程度の電気量が充電される。しかも、その合計電気量は完全放電状態から完全充電状態まで常温で連続して充電した場合の電気量と等しいことが分かる。
【0016】
このように、二次電池の充電効率(充電電気量)は一定であって、充電条件が変化した場合に、その周囲温度に応じて一時的に一部の電気量が充電できない状態となっている。すなわち、従来の残量計測装置における考え方で残量計測を行った場合、例えば0℃で充電した後に、温度が常温になった場合を想定すると、0℃では蓄えられる電気量を小さく見積もることになるため、常温における残量は実際の残量(実残量)に比べて小さくなるという問題が生じる。
【0017】
図25、図26は、いずれも従来の電池の残量計測装置における2種類の放電条件(温度・電流)で連続的に放電した結果の一例を示すグラフである。
完全充電の後、所定温度で完全放電するまで(例えば、電池電圧が2.5Vになるまで)定電流放電を行った結果を、先行放電のグラフとして示している。また、追加放電のグラフは、常温(20℃)でさらにもう一度完全放電するまで放電を行ったものである。
【0018】
図25のグラフでは、先行放電の電流値が0.2C[A]であって、例えば温度が0℃であれば、放電電気量が5250Cとなった時点で残量がゼロとなり、また、温度が−20℃であれば、放電電気量が4800Cとなった時点で残量がゼロとなる。しかし、その後に温度を常温(20℃)にして追加放電を行うと、前者では100C、後者では550Cだけ追加放電が可能である。
【0019】
また、図26のグラフでは、先行放電の電流値が1C[A]であって、例えば温度が0℃であれば、放電電気量Aが4550Cとなった時点で放電可能電気量(残量)がゼロと認識されるが、その後に温度を常温(20℃)にして追加放電を行うと、さらに残量Bが800Cとなって、その大きさだけ追加放電が可能となる。
【0020】
このように従来の残量計測装置においては、二次電池が所定条件で完全放電したと認識した後でも、常温(20℃)でさらにある程度の電気量が放電され、その合計電気量は完全充電状態から完全放電状態まで常温(20℃)で連続して放電した場合の電気量と等しい。
【0021】
このように、リチウムイオン電池31のような二次電池では、その温度が上昇したり、放電電流が減少したりすると、新たな充電が行われなくても見かけ上の残量が生じる。そのため、従来の残量計測装置では、放電可能な電気量が増加し、放電残時間が大きくなるにもかかわらず、演算装置で認識する残量としてはゼロを維持し、放電残時間もゼロと計算してしまうという問題があった。
【0022】
また、非充放電時には自己放電量を考慮した残量計算を行っているが、検出された複数の状態量(残量、温度、放置期間)から自己放電量を間接的に求めていたため、その精度は悪く、非充放電状態が繰り返されると、誤差の蓄積により残量計測装置で認識する残量が実際の残量と大きく異なってしまうという問題もあった。
【0023】
さらに、二次電池は電気の充電・放電を繰り返すことにより劣化が進み、定格容量自体が減少する。しかし、従来の残量計測装置では、劣化の程度を正確に認識して残量を計測することができないという問題もあった。
【0024】
この発明の目的は、二次電池の使用状態や周囲の環境条件の影響を除去して、そこに蓄えられた電気量の残量を正確に計測するための残量計測装置を提供することにある。
【0025】
また、この発明の別の目的は、休止状態になる前において二次電池に流れる電流方向に基づいて残量修正を行って、二次電池の残量率を正確に測定できる電池の残量計測装置を提供することにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、前記二次電池の温度を検出する温度センサと、前記電流センサにより前記二次電池に流入する電流が検出された充電状態、前記二次電池から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定する判定手段と、前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、前記二次電池の周囲温度と一時的に充電できないとみなされる電気量との関係を保存する温度−非充電量関係メモリテーブルと、前記判定手段により充電状態と判断された場合に、前記温度センサが検出した温度と、前記温度−非充電量関係メモリテーブルとに基づいて、充放電可能電気量及び充放電可能時間を演算して所定の充電処理を実行する演算手段と、を有することを特徴とする電池の残量計測装置が提供される。
【0027】
また、上記課題を解決するために、二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、前記電流センサにより前記二次電池に流入する電流が検出された充電状態、前記二次電池から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定する判定手段と、前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、前記休止状態での前記二次電池の電圧(開放電圧)と前記二次電池に蓄えられた電気量の割合(残量率)との関係を保存する開放電圧−残量率関係メモリテーブルと、前記判定手段により休止状態と判定された場合に、前記電圧センサが検出した前記二次電池の電圧と、前記開放電圧−残量率関係メモリテーブルとに基づいて、前記二次電池に蓄えられた電気量の割合及び前記二次電池の残量を演算して前記メモリの満充電量の修正処理を実行する演算手段と、を有することを特徴とする電池の残量計測装置が提供される。
【0028】
また、上記課題を解決するために、二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、前記二次電池の温度を検出する温度センサと、前記各センサの信号をもとに前記二次電池の残量を計算する演算手段と、前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、前記二次電池の温度及び電流と一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)との関係を保存する温度・電流−非放電量関係メモリテーブルと、を備え、前記判定手段により放電状態と判定された場合に、前記演算手段で充放電可能電気量及び充放電可能時間を演算して所定の放電処理を実行することを特徴とする電池の残量計測装置が提供される。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【0031】
演算装置1は、二次電池の残量を計測するための演算アルゴリズム12を備え、ここには検出装置2を介してリチウムイオン電池31を含む電池パック3が接続されている。この電池パック3には、リチウムイオン電池31の他に、リチウムイオン電池31に流れる充放電電流を検出する電流センサ32、リチウムイオン電池31の周囲温度を検出する温度センサ33、リチウムイオン電池31の電圧を検出する電圧センサ34が収められている。ここで検出された信号は、検出装置2によって演算装置1に取り込まれ、演算装置1では、内部の演算アルゴリズム12によって、電流センサ32により流入する電流が検出された充電状態、流出する電流が検出された放電状態、及びそれ以外の休止状態をそれぞれ判定して、リチウムイオン電池31に蓄えられた電気量(残量)や充放電残時間(充電残時間、放電残時間)等を演算する。
【0032】
この演算装置1には、リチウムイオン電池31の温度と一時的に充電できないとみなされる電気量(非充電量)との関係を保存する温度−非充電量メモリテーブル4、リチウムイオン電池31の温度及び電流と一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)との関係を保存する温度・電流−非放電量メモリテーブル5、休止状態におけるリチウムイオン電池31の電圧(開放電圧)とリチウムイオン電池31に蓄えられた電気量の割合(残量率)との関係を保存する開放電圧−残量率メモリテーブル6、リチウムイオン電池31の充電時間又は放電時間を計測するタイマ7、及びリチウムイオン電池31に蓄えられた残量及び満充電量を記憶するメモリ8が接続されている。
【0033】
リチウムイオン電池31の充放電が行われている充放電時では、演算アルゴリズム12において、メモリ8に記憶された前回の残量に充電電気量を加算し、あるいは前回の残量から放電電気量を減算することによって、新たな残量を求める。ここで、充電電気量は電流センサ32で検出された充電電流とタイマ7で測定される時間との積(所定時間の充電電気量)として、充電時に演算され、放電電気量は電流センサ32で検出された放電電流とタイマ7で測定される時間との積(所定時間の放電電気量)として、放電時に演算できる。また、検出した温度から温度−非充電量メモリテーブル4を参照して非充電量を求め、メモリ8に記憶された残量・満充電量を用いて充電可能量を演算するとともに、検出した温度・電流から温度・電流−非放電量メモリテーブル5を参照して非放電量を求め、メモリ8に記憶された残量を用いて放電可能量を演算する。さらに、充電可能量と放電可能量を所定の電流値で除算して、充放電残時間を求める。
【0034】
リチウムイオン電池31に電流が流れなくなった非充放電時には、自己放電量を考慮した残量計算を行っている。すなわち、非充放電状態が所定時間経過した休止状態(休止時)には、電圧センサ34によって開放電圧を検出し、開放電圧−残量率メモリテーブル6を参照することでリチウムイオン電池31の残量率を求める。また、残量率とメモリ8に記憶された満充電量を乗算することで、リチウムイオン電池31の残量を求めて、残量修正を行う。
【0035】
演算装置1によるこれらの演算結果は外部装置9に出力され、電気量表示部10でリチウムイオン電池31に蓄えられた電気量の残量が表示できる。また、放電残時間は、外部装置9に設けられた時間表示部11で表示できる。
【0036】
次に、第1の実施の形態に係る電池の残量計測装置の動作を説明する。
図1の残量計測装置では、充電状態、放電状態、休止状態でそれぞれ演算アルゴリズム12による処理内容が異なる。すなわち、演算装置1によりリチウムイオン電池31が現在どのような状態にあるかを判定し、その状態に応じた一連の処理が実行される。
【0037】
図2は、図1の演算アルゴリズム12による状態判定を示すフローチャートである。この状態判定では、まず電流センサ32の測定値からリチウムイオン電池31に電流が流れているかどうかをチェックし(ステップS1)、流れていない場合には休止状態と判定する。また、電流が流れている場合には、電流方向をチェックする(ステップS2)。ここで、電流方向が+方向であった場合には充電状態と判定し、−方向であった場合を放電状態と判定する。
【0038】
図3は、充電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
充電状態では、演算装置1は、まず温度センサ33で測定された温度と温度−非充電量メモリテーブル4とから、対応するリチウムイオン電池31の非充電量を求める(ステップS11)。次に、満充電量から残量と非充電量を減算して、リチウムイオン電池31の充電可能電気量を求める(ステップS12)。さらに、充電可能電気量を電流で除算して、リチウムイオン電池31の充電可能時間を求める(ステップS13)。
【0039】
次に、電圧センサ34で測定されたリチウムイオン電池31の電圧値が所定値(1セルの場合であれば、例えば4.15V)以上で、かつ電流センサ32で測定された電流値が所定値(例えば50mA)以下であるかどうかをチェック(ステップS14,S15)し、そうであった場合はステップS16に進む。ステップS16では、満充電量の値をメモリ8に記憶された残量値によって置き換えることにより、満充電量を修正する。
【0040】
図4は、放電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
放電状態では、演算装置1は、まず温度センサ33と電流センサ32で測定された温度と電流と温度・電流−非放電量メモリテーブル5とから、対応するリチウムイオン電池31の非放電量を求める(ステップS17)。次に、残量から非放電量を減算して、リチウムイオン電池31の放電可能電気量を求める(ステップS18)。さらに、放電可能電気量を電流で除算して、リチウムイオン電池31の放電可能時間を求める(ステップS19)。
【0041】
ここで、温度−非充電量メモリテーブル4のデータには、前述した図24のグラフに示す追加充電が可能とされる充電電気量を用い、温度・電流−非放電量メモリテーブル5のデータには、前述した図25、図26のグラフに示す追加放電が可能とされる放電電気量を用いる。その場合に、温度が常温(20℃)より高いときには、充電、放電のいずれであっても、常温(20℃)のとき以上の電荷が充放電されることになる。したがって、所定温度での電気量から常温(20℃)のときの電気量を差し引いた値を、それぞれ非充電量、及び非放電量とし、これらの値を便宜上マイナスの値で示す。もっとも、追加充放電される電気量の基準値は、常温(20℃)ではなく、例えば60℃のような高温に設定する場合も考えられ、そのような場合には、非充電量、及び非放電量の値は全てプラスの値で示すことができる。
【0042】
図5は、休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
リチウムイオン電池31の休止状態では、演算装置1は、電圧センサ34で測定された電圧(開放電圧)が所定値(1セルの場合であれば、例えば4.15V)以上かどうかを判断する(ステップS21)。開放電圧が所定値以上である場合には、満充電量の値をメモリ8に記憶された残量値によって置き換えて、メモリ8の満充電量を修正する(ステップS25)。
【0043】
開放電圧が所定値以下の場合には、休止状態の継続時間が所定の時間、例えば1時間を経過したかどうかをチェック(ステップS22)し、所定時間を経過している場合には、測定した開放電圧と開放電圧−残量率メモリテーブル6とから対応するリチウムイオン電池31の残量率を求める(ステップS23)。さらに、メモリ8の満充電量に残量率を乗算することによって、新たな残量値を計算して(ステップS24)、メモリ8に記憶された残量値と置き換える(残量修正)。
【0044】
このように、第1の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、リチウムイオン電池31に流れる電流を検出する電流センサ32と、電流センサ32によりリチウムイオン電池31に流入する電流が検出された充電状態、リチウムイオン電池31から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定し、その判定結果に応じて充放電可能電気量及び充放電可能時間を演算する演算装置1と、リチウムイオン電池31の温度を検出する温度センサ33と、リチウムイオン電池31の電圧を検出する電圧センサ34と、各センサの信号をもとにリチウムイオン電池31の残量を計算する演算装置1と、充電状態の継続時間を計測するタイマ7と、リチウムイオン電池31の残量とリチウムイオン電池31の満充電量を保存するメモリ8と、リチウムイオン電池31の周囲温度と一時的に充電できないとみなされる電気量(非充電量)との関係を保存する温度−非充電量メモリテーブル4と、リチウムイオン電池31の温度及び電流と一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)との関係を保存する温度・電流−非放電量メモリテーブル5と、休止状態でのリチウムイオン電池31の電圧(開放電圧)とリチウムイオン電池31に蓄えられた電気量の割合(残量率)との関係を保存する開放電圧−残量率メモリテーブル6とを備えて構成されるものである。したがって、放電時のリチウムイオン電池31の周囲温度や電流値が変化した場合でも、変化した温度や電流から、一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)を求めることで、表示された残量が実際に放電可能な電気量と一致しないという問題点を解決できる。また、リチウムイオン電池31に電流が流れない状態(電流ゼロ状態)での開放電圧と開放電圧−残量率メモリテーブル6から残量率を求めているから、無負荷時に変動する電池電圧を安定して検出して、残量を正確に求めることができる。
【0045】
(第2の実施の形態)
図6は、第2の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【0046】
第2の実施の形態に係る電池の残量計測装置では、リチウムイオン電池31の充電状態と休止状態のときに、演算装置1によって実行される演算アルゴリズム13の処理内容が、第1の実施の形態と異なっている。しかし、残量計測装置の構成は、前述した図1に示す第1の実施の形態と同様である。
【0047】
なお、演算アルゴリズム13による状態判定については、図2に示す演算アルゴリズム12での状態判定と同じであり、また、放電状態での放電処理については、図4に示す演算アルゴリズム12での放電時の演算処理と同じである。その他に、図6の残量計測装置において、第1の実施の形態のものと対応する部分には図1と同じ符号を付けて、それらの詳細な説明を省略する。
【0048】
第1の実施の形態の演算アルゴリズム12の説明において、非充電量とは、常温(20℃)での充電量を基準とし、基準条件での充電量(=常温の満充電量)に対して所定温度の充電量がどのくらい小さくなるかを示すものであり、非放電量についても、常温(20℃)で0.2Cの放電量を基準とし、基準条件での放電量(=常温の満充電量)に対して所定温度であって、所定電流での放電量がどのくらい小さくなるかを示すものであった。また、放電処理における放電可能電気量は、残量から非放電量を減算するステップS18において求めており、この残量の大きさは、温度と無関係に充放電電気量を積算した値(演算アルゴリズム12の計算式参照)が用いられていた。したがって、放電可能電気量の計算では、残量(基準条件での放電量)に温度の影響が含まれているため、その精度が低下する。充電処理における充電可能電気量の計算についても、同様に残量と非充電量とが関係するから、その精度は低下する。
【0049】
すなわち、第1の実施の形態では、図3に示す充電処理における満充電量の修正(ステップS16)や、図5に示す休止処理における満充電量の修正(ステップS25)がリチウムイオン電池31の温度とは無関係に実行されていたので、修正された満充電量には温度変化による誤差が含まれていた。ここで、基準条件以外で満充電量修正を行った後に放電可能電気量の計算を行った場合を考えると、温度の影響が含まれた満充電量に対して、さらに温度の影響を加えることになる。すなわち、計算された放電可能電気量の値は、本来の電気量に温度影響分の誤差が含まれたものとなっていた。
【0050】
図7は、充電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
図7の充電状態での演算処理は、図3に示す充電処理のフローチャートと比較すると、充電処理のステップS15の後に温度チェックのステップS31が追加されたものとなっている。
【0051】
第2の実施の形態では、充電状態と判断された場合も同様に、ステップS11からステップS13で一連の演算(充電可能量、充電可能時間)処理を終えた後に、リチウムイオン電池31の電圧値が所定値(1セルの場合、例えば4.15V)以上で、電流値が所定値(例えば50mA)以下であった場合でも、ステップS31でリチウムイオン電池31の温度をチェックし、その温度が常温範囲(例えば15〜30℃)と判断した場合に限り、ステップS16で満充電量の値をメモリ8に記憶された残量値によって置き換えて、満充電量修正を行う。ステップS31で温度が常温以外と判断された場合には満充電修正を行わないで、図2に示す状態判定に戻る。
【0052】
図8は、休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
図5に示す休止処理のフローチャートと比較すると、休止処理のステップS21で開放電圧が所定値以上と判断された後に、温度チェックのステップS32が追加されたものとなっている。
【0053】
第2の実施の形態では、リチウムイオン電池31が休止状態と判断され、電圧センサ34で測定された電圧(開放電圧)が所定値(1セルの場合、例えば4.15V)以上であった場合でも、ステップS32で温度が常温範囲(例えば15℃〜30℃)と判断した場合に限り、満充電量の値をメモリ8に記憶された残量値によって置き換えて、満充電量修正を行う。そして、ステップS32で温度が常温以外と判断された場合には、満充電量修正を行わないで、図2に示す状態判定に戻る。
【0054】
図9は、非放電量の温度・電流特性を示すグラフであり、図10は、非充電量の温度特性を示すグラフである。
これらの温度特性を見ると、常温(20℃)以下の温度に対しては、非放電量の電流特性、非充電量の電流特性には大きな変化がある。しかし、常温以上の温度領域では、非充電量、非放電量ともに変化が少ない。すなわち、常温以上であれば放電量、充電量は、いずれも常温の場合とほぼ等しいということであり、このことからリチウムイオン電池31の残量計測装置では、ステップS31、ステップS32での温度チェックにおける温度条件を常温に限定する必要はなく、常温以上という条件に置き換えてもよいことがわかる。
【0055】
このように、第2の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、電圧センサ34により検出された電圧値が所定値以上であって、電流センサ32により検出された電流値が所定値以下であって、温度センサ33により検出された温度が常温以上の温度範囲である場合に、メモリ8に保存されたリチウムイオン電池31の満充電量を、演算装置1で計算した残量で置き換えるようにしているので、充電処理に際して、常温以上の温度範囲でリチウムイオン電池31の満充電量修正を行わせることで、修正される満充電量が常に温度による誤差の影響を含まないようになる。また、休止処理では、開放電圧の電圧値が所定値以上であって、温度センサ33により検出された温度が常温以上の温度範囲である場合に、メモリ8に保存されたリチウムイオン電池31の満充電量を、演算装置1で計算した残量値で置き換えるようにしている。したがって、満充電量修正を行った後の状態判定で放電状態となったとき、リチウムイオン電池31の放電処理における放電可能電気量の計算を行うステップS18では、計算された残量から二重の温度の影響による誤差が排除できる。
【0056】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る電池の残量計測装置の構成は、前述した図1に示す第1の実施の形態と同様である。ただし、演算アルゴリズム12による状態判定では、その処理内容が異なっている。なお、リチウムイオン電池31の充電状態、放電状態、及び休止状態のときに、演算装置1によって実行される演算アルゴリズム12については、すでに図3、図4、図5で説明した充電処理、放電処理、及び休止処理と同じである。
【0057】
ノートパソコンのバッテリ動作(AC電源末接続)時に、電池パック3の消費電流が最も小さくなる状態は、パソコンの電源をオフにした状態である。この状態では装置本体が動作していないため電池パック3での消費電流はゼロと思われている。ところが、複数のノートパソコンの電源オフ時における電流値を実測したところ、全てのパソコンで5mA程度の微少電流が流れていることが確認された。
【0058】
開放電圧−残量率特性から実用最小レベル(残量率40%程度)での残量変化率は約0.35%/mVであり、残量精度を1%以内にすることを考えるとき、許容される開放電圧の変化量は2.8mVとなる。
【0059】
図11は、リチウムイオン電池に流れる微小電流の大きさと開放電圧の変化を示すグラフである。このグラフでは、残量率40%のリチウムイオン電池31に微小電流が1時間継続して流れたとき、リチウムイオン電池31の電気量の変化が開放電圧にどのように影響するかを示している。このグラフによれば、電流の大きさが13mA以内であれば、開放電圧の変化量が2.8mV以内となり、残量精度が1%となることがわかる。また、残量精度を2%以内と考えると、同様の計算から許容される電流は26mA以下となる。すなわち残量精度を1〜2%程度にすることを考えると、13〜26mA以内の微少電流が流れても問題ないと言える。
【0060】
図12は、第3の実施の形態に係る演算アルゴリズムによる状態判定を示すフローチャートである。ここで、ステップS1及びステップS2は、図1の演算アルゴリズム12による状態判定を示すフローチャート(図2)と対応する。
【0061】
図12に示す状態判定のフローチャートは、ステップS1でリチウムイオン電池31に電流が流れているかどうかを判断した後に、ステップS3を実行して、電流の大きさが所定値(例えば20mA)以下であるかどうかの電流値チェックをするものとなっている。この状態判定では、電流が流れている場合であっても、それが微少電流であるかどうかをチェックして、微少電流であれば電流が流れていない場合と同様に休止状態と判定して休止処理を行う。そして、例えば20mAを越す場合には、電流方向をチェックするステップS2に進み、充放電処理のいずれかを行うようにしている。
【0062】
このように、ノートパソコン等、電源オフ時にも微少電流が流れる電子装置において、この発明の残量計測装置を使用した場合に、微少電流が流れていても休止状態として認識することができる。したがって、第3の実施の形態に係る電池の残量計測装置では、電流がゼロの場合でなくても休止状態とし、その休止状態が所定時間以上経過した場合に、残量修正が行われる。
【0063】
また、この残量計測装置をノートパソコンに適用した場合、常に微少電流が流れていても休止状態として認識されるから、適宜に残量修正が行われ、この残量修正と満充電量修正との連携による容量学習を行うことができる。このため、サイクル劣化等により電池の実容量が変化した場合でも、測定される電池の残量精度が悪くならない利点がある。
【0064】
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、休止処理を実行する演算アルゴリズムの処理内容が、図6に示す第2の実施の形態と異なっている。なお、残量計測装置の構成は第1の実施の形態と同様である。また、リチウムイオン電池31の状態判定や充電状態、あるいは放電状態のときに、演算装置1によって実行される演算アルゴリズムについては、すでに図2、図3、図4で説明した状態判定、充電処理又は放電処理と同じである。
【0065】
第1の実施の形態における休止処理では、図5に示すように、電池の残量率とは無関係に残量修正(ステップS24)が行われている。しかし、次に説明するように、40%程度以下の低残量率では残量率変化に対する開放電圧変化が小さく、リチウムイオン電池31の充電後(充電特性)と放電後(放電特性)の特性の差も大きくなるため、この範囲で残量修正を行った場合の修正後の残量誤差が問題となる。
【0066】
図13は、開放電圧と残量率との関係を示す残量率特性のグラフである。
ここでは、2つの残量率特性として充電特性と放電特性の実験データを示している。充電特性データは、残量ゼロの状態から所定残量率まで充電を行い、その後、一定時間だけ放置して、電池電圧がほぼ一定になったときの、リチウムイオン電池31に電流が流れない休止状態での電圧値(開放電圧)と所定の残量率との関係を示すものである。また、放電特性データは、満充電状態から所定残量率まで放電を行い、その後、一定時間だけ放置して、電池電圧がほぼ一定になったときの、開放電圧と所定の残量率との関係を示すものである。
【0067】
残量率が40%程度以下の低残量率では、残量率の変化に対する開放電圧の変化が小さくなっているので、休止状態になる前が充電であった場合と、放電であった場合とでは、開放電圧に対応する残量率の差が大きくなる。すなわち、低残量率範囲でリチウムイオン電池31の残量修正を行った場合には、修正後の残量誤差が大きい。さらに、通常のノートパソコンなどでは、電池パック3が満充電状態や完全放電状態ではなく、30%前後の低充電状態で出荷されている。そのため、常に残量精度の比較的高くなる所定容量(例えば40%)以上のみで残量修正を行った場合には、残量計測装置が最初に起動してから残量修正と満充電量修正との連携による容量学習が行われるまでの間、残量表示の精度が非常に悪くなる。
【0068】
図14は、第4の実施の形態に係る演算アルゴリズムによる休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
この実施の形態に係る電池の残量計測装置では、図5の休止処理における残量率の演算(ステップS23)の後に、新たに起動回数チェック(ステップS33)と、残量率チェック(ステップS34)とを付加したものである。この休止処理の動作は、ステップS22で休止状態が所定時間継続しているとき、ステップS23で残量率を求めた後に起動回数をチェックする(ステップS33)。残量計測装置での休止処理が最初に実行される場合にはステップS24に進んで、残量率に関係なく残量修正(残量=満充電量×残量率)が行われる。しかし、残量計測装置が2回目以降の起動であった場合には、ステップS34に進む。このステップS34では、ステップS23で演算された残量率が所定値(例えば40%)以上であるかどうかの判定が行われ、残量率が所定の割合以上である場合に限って、残量修正(ステップS24)を行うようにしている。また、ステップS34で残量率が所定値以下と判定されれば、新たに残量計算を行わないで状態判定に戻る。
【0069】
このように、第4の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、最初に電池の残量計測装置が休止状態となって、演算装置1で休止処理を実行する時には、残量率とは無関係に残量修正を行い、2回目以降の休止状態では所定値以上の残量率の場合にのみ、残量修正を行わせている。これによって、未使用の電池パック3を最初に起動する時には、ある程度の精度で残量を計測することができ、2回目以降の休止処理時には、比較的高い精度で残量を計測することができる。
【0070】
(第5の実施の形態)
図15は、第5の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【0071】
第5の実施の形態に係る電池の残量計測装置では、リチウムイオン電池31の放電状態のときに、演算装置1によって実行される演算アルゴリズム14の処理内容が、第1の実施の形態と異なっている。しかし、残量計測装置の構成は、前述した図1に示す第1の実施の形態のものと同様である。
【0072】
なお、演算アルゴリズム14による状態判定については、図2に示す演算アルゴリズム12での状態判定と同じであり、また、リチウムイオン電池31の充電状態、及び休止状態のときに実行される演算アルゴリズムは、すでに図3、図5で説明した充電処理、及び休止処理と同じである。その他に、図15において、第1の実施の形態のものと対応する部分には図1と同じ符号を付けて、それらの詳細な説明を省略する。
【0073】
次に、放電時に実行される演算アルゴリズム14の処理について説明する。演算装置1では、そのときの温度と電流から温度・電流−非放電量メモリテーブル5を参照して、放電時の非放電量を求め、この非放電量を残量から減算することで、放電可能電気量を計算している。また、放電可能時間は、放電可能電気量を電流値で除算することで求める。さらに、放電時で実残量がゼロの状態では、残量を非放電量に置き換えて更新している。
【0074】
図16は、第5の実施の形態における放電可能電気量の時間変化を示す図である。
ここで使用されるリチウムイオン電池31の特性は、図26に示すように、20℃/0.2C[A]で満充電状態になったときには、放電量がA+B=5400C≒1500mAH、0℃/1C[A]で満充電状態になってからの放電量がA=4500C≒1250mAHである。
【0075】
いま、0℃の温度で充放電が繰り返され、学習機能により実際の残量と演算装置1が認識する放電可能電気量とが一致した後、満充電状態(1250mAH)から放電が行われたケースを想定している。
【0076】
リチウムイオン電池31が0℃で充放電を繰り返し満充電状態にあるとき、実残量は1250mAH(図26のAに相当)である。また、演算装置1の認識する残量は、非放電量(図26のBに相当)に実残量を加算した値(1500mAH)となり、放電可能電気量は残量から非放電量を減算した値(1250mAH)となる。この状態から、タイミングt1で放電電流値が1C[A]の放電が開始されるとすると、実残量、放電可能電気量ともに減少する。
【0077】
この発明では、放電可能電気量を電流値で除算して放電残時間を求めているために、このときの放電残時間は従来の方法で求めた(残量/電流値)と同じ値を示す。そして、放電開始からT1時間経過後のタイミングt2には、リチウムイオン電池31が完全放電状態となり、実残量、放電可能電気量、放電残時間は、いずれもゼロを示すが、この時点で、演算装置1で認識する残量が非放電量に置き換えられる。このため、残量の大きさは温度と電流で決まる非放電量(図26のBに相当)に一致する。
【0078】
したがって、次のタイミングt3で温度が20℃に変化し、タイミングt4になって20℃/0.2C[A]での追加放電が始まると、見かけ上の残量(実残量、すなわち図26のAに相当)は増加する。演算装置1では、前の先行放電が終了した時(タイミングt2)に、残量を250mAHと認識しており、このときの温度と電流条件における非放電量が0mAHであることから、タイミングt4での放電可能電気量を250mAH(250mAH−0mAH)とする。すなわち、見かけ上の残量(実残量)と放電可能電気量とが一致し、計算される放電残時間(放電可能時間)も実際の放電残時間T2と一致することになる。
【0079】
このように、第5の実施の形態に係る残量計測装置では、残量ゼロの状態で、温度や放電電流が変化したとき、外部装置9に表示される放電残時間と実際の放電可能な時間とが一致する。また、外部装置9における放電残時間の表示では、実際の放電可能な時間とずれがなくなるので、使用者のとまどいや不信感がなくなる。さらに、リチウムイオン電池31に蓄積された電気量を完全な放電状態になるまで使い切ることができ、実質的な使用時間が増加し、充電の頻度が少なくなる。
【0080】
(第6の実施の形態)
図17は、第6の実施の形態に係る電池の残量計測装置を示すブロック図である。
【0081】
図において、1は演算装置、2は電池パック3に内蔵された各種センサ信号を取り込む検出装置である。電池パック3は、二次電池としてリチウムイオン電池31を備え、このリチウムイオン電池31に流れる電流を電流センサ32により検出する。電池パック3は、さらにリチウムイオン電池31の温度を検出する温度センサと、リチウムイオン電池31の電圧を検出する電圧センサ34とを備えている。
【0082】
演算装置1は、電池パック3から検出装置2によって取り込んだセンサ信号をもとに電池の残量を計算する。この演算装置1は、リチウムイオン電池31の周囲温度と一時的に充電できないとみなされる電気量(非充電量)との関係を保存したメモリテーブル(温度−非充電量メモリテーブル)4と、リチウムイオン電池31の周囲温度及び電流と一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)との関係を保存したメモリテーブル(温度・電流−非放電量メモリテーブル)5と、リチウムイオン電池31に電流が流れない状態(休止状態)での電池電圧(開放電圧)とリチウムイオン電池31に蓄えられた電気量(残量)との関係を保存したメモリテーブル(開放電圧−残量メモリテーブル)61,62とを備えていて、時間を計測するタイマ7と、残量と満充電量を保存するメモリ8と、休止前の電流方向を記憶するメモリ81と、外部装置9などが接続されている。外部装置9は、演算装置1に接続され、リチウムイオン電池31により作動する電子機器に供給可能な電気量の残量を表示するとともに、リチウムイオン電池31の充電残時間(充電可能時間)、放電残時間(放電可能時間)などの時間表示ができる。
【0083】
図1に示す残量計測装置と比較するとき、開放電圧−残量率メモリテーブル6に代えて、休止状態となる直前のリチウムイオン電池31に流れる電流方向が充電方向であった場合に使用される開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61と、電流方向が放電方向であった場合に使用される開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62が追加されている。これら開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61と開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62では、それぞれ異なる残量率データを保存している。
【0084】
すなわち、図1に示す第1の実施の形態の残量計測装置では、開放電圧−残量率メモリテーブル6には1種類の残量率データを格納しているだけであり、休止状態になる前の電流方向を記憶していなかった。そのため、開放電圧−残量率メモリテーブル6は、充電後の開放電圧−残量率特性と放電後の開放電圧−残量率特性を同時に代表する特性として、充電後若しくは放電後の開放電圧−残量率特性のいずれか一方の残量率データだけが設定され、あるいは2つの残量率特性の中間値が残量率データとして設定されていた。これに対して、ここでは、休止前のリチウムイオン電池31に流れる電流方向を記憶するメモリ81が追加され、さらに、演算装置1に格納された演算アルゴリズム15を演算アルゴリズム12に対して若干変更し、充放電時での電流方向記憶処理と、休止時での残量率演算処理とを実行するようにしている。これらメモリテーブル61,62、及びメモリ81以外の構成については、図1に示す第1の実施の形態のものと同一であって、それらの詳細な説明は省略する。
【0085】
次に、第6の実施の形態に係る電池の残量計測装置の動作について説明する。
図17の残量計測装置では、演算装置1によりリチウムイオン電池31が現在どのような状態にあるかを判定し、その状態に応じた一連の処理が実施される。
【0086】
充電時において、演算装置1は、温度センサ33で測定された温度と温度−非充電量メモリテーブル4とから、対応するリチウムイオン電池31の非充電量を求める。次に、満充電量から残量と非充電量を減算して、リチウムイオン電池31の充電可能電気量を求める。さらに、充電可能電気量を電流で除算して、リチウムイオン電池31の充電可能時間を求める。また、放電時には、演算装置1は、温度センサ33と電流センサ32で測定された温度と電流と温度・電流−非放電量メモリテーブル5とから、対応するリチウムイオン電池31の非放電量を求める。次に、残量から非放電量を減算して、リチウムイオン電池31の放電可能電気量を求める。さらに、放電可能電気量を電流で除算して、リチウムイオン電池31の放電残時間(放電可能時間)を求めて、外部装置9に送って残量、及び充電残時間(充電可能時間)とともに表示する。
【0087】
演算アルゴリズム15は、リチウムイオン電池31の充放電が行われているとき(充放電時)に、リチウムイオン電池31に流れている電流の方向をメモリ81に記憶する演算プロセスを備えている。すなわち、メモリ81には、リチウムイオン電池31に充放電電流が流れなくなった状態が所定時間経過して休止状態になったとき、休止前の電流方向データが格納される。
【0088】
このリチウムイオン電池31の休止時には、電圧センサ34で検出した開放電圧とメモリテーブル61,62を用いて残量率データを求める。ここでは、図14に示す休止状態での演算処理方法とは異なり、リチウムイオン電池31の休止状態になる前の電流方向データにより、2つのメモリテーブル、すなわち開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61と開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62とを使い分けている。具体的には、休止状態前が充電であった場合には開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61から、休止状態前が放電であった場合には開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62から、それぞれ残量率を読み出して、メモリ8に保存された残量値を修正する。なお、ここでは、休止状態が所定時間継続したときに、メモリ8に保存された残量値を修正するようにしている。
【0089】
このように、第6の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、リチウムイオン電池31が休止状態となる直前の電流方向が充電方向であった場合の残量率データを保存した開放電圧−残量率メモリテーブル61と、休止状態となる直前の電流方向が放電方向であった場合の残量率データを保存した開放電圧−残量率メモリテーブル62とを備えているので、休止状態の前の状態(充電又は放電)にかかわらず、リチウムイオン電池31の休止状態における残量率及び残量修正が高精度に行える。したがって、残量(残時間)の精度が高く、実際に装置が使用できる時間と外部装置9に表示される使用時間とが一致するために、ユーザが表示された使用時間を信頼し安心して装置を使用できる利点がある。また、残量(残時間)の精度が高く、実際に装置が使用できる時間と装置に表示された使用時間が一致しているため、電池に蓄えられた電気量を有効に最後まで使い切ることができ、装置の実行時間が長くなる利点がある。
【0090】
なお、開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61は、図13の充電特性データをディジタル化した残量率データにより構成され、開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62は、図13の放電特性データをディジタル化した残量率データにより構成されたテーブルである。
【0091】
(第7の実施の形態)
図18は、第7の実施の形態に係る電池の残量計測装置を示すブロック図である。
【0092】
図17に示す残量計測装置と比較するとき、開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62がなくなり、その代わりに開放電圧補正メモリテーブル63が追加されている。この開放電圧補正メモリテーブル63には、休止状態におけるリチウムイオン電池31の電圧値を補正するための補正データが格納されている。
【0093】
また、休止前のリチウムイオン電池31に流れる電流方向を記憶するメモリ81が同様に追加され、さらに、演算装置1に格納された演算アルゴリズム16でも、休止時の処理が若干異なる。なお、これらメモリテーブル61,63、及びメモリ81以外の構成は、第1の実施の形態のものと同一であって、それらの詳細な説明は省略する。
【0094】
この残量計測装置の動作については、充放電時には図17の残量計測装置と同様の演算処理が実行されるが、休止状態での演算動作は若干異なっている。すなわち、休止時にはメモリ81に格納された休止状態直前において電流方向データをチェックして、メモリ81に保存された電流方向が放電方向であった場合には、開放電圧補正メモリテーブル63に格納された補正データを用いて、電圧センサ34で検出した開放電圧を補正する。
【0095】
例えば、この開放電圧補正メモリテーブル63には開放電圧ごとに、放電特性を基準とした充電特性との差電圧に対応する電圧値が格納されており、いま休止状態直前の電流方向が放電方向であって、そのときの開放電圧が3.797Vであったとする。その場合には、リチウムイオン電池31が図13に示す残量率特性を有するものと想定すれば、その開放電圧3.797Vに対応する開放電圧補正メモリテーブル63の設定値は11mVであって、そのときの開放電圧が3.808V(3.797+0.011)に修正される。
【0096】
この例は実残量が40%の場合であり、開放電圧の修正が行われない場合には、放電時開放電圧から充電特性に沿って求めた残量率となるため、誤差が4%(残量率36%)も生じるが、開放電圧の修正が行われることによって充電時開放電圧に換算してから充電特性曲線に沿った残量率を求めることができ、正確な残量率(40%)を認識できる。メモリ81に保存された電流方向が充電方向であった場合には、補正しなくても残量率に誤差は生じない。
【0097】
このように、第7の実施の形態に係る電池の残量計測装置は、開放電圧−残量率メモリテーブルが、休止状態におけるリチウムイオン電池31の電圧値を補正するための補正データと、休止状態となる直前の電流方向が充電方向又は放電方向のいずれか一方についての残量率データとから構成されているので、休止状態の前の状態(充電又は放電)にかかわらず、リチウムイオン電池31の休止状態における残量率修正、及び残量修正が高精度に行える。
【0098】
なお、ここでは充電特性データを基準とする開放電圧の補正方法について説明したが、開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61の代わりに開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62を用いて、開放電圧補正メモリテーブル63に開放電圧毎の充電特性を基準とした放電特性との差電圧に対応する電圧値を格納し、リチウムイオン電池31の開放電圧を補正してもよい。
【0099】
(第8の実施の形態)
図19は、第8の実施の形態に係る電池の残量計測装置を示すブロック図である。
【0100】
図18に示す残量計測装置と比較するとき、開放電圧補正メモリテーブル63がなくなり、その代わりに残量率補正メモリテーブル64が追加されている。この残量率補正メモリテーブル64には、休止状態となる直前の電流方向が充電方向であった場合と放電方向であった場合とにおける残量率特性の差分データが格納されている。
【0101】
また、休止前のリチウムイオン電池31に流れる電流方向を記憶するメモリ81が同様に追加され、さらに、演算装置1に格納された演算アルゴリズム17でも、休止時の処理が若干異なる。なお、これらメモリテーブル61,64、及びメモリ81以外の構成は、第1の実施の形態のものと同一であって、それらの詳細な説明は省略する。
【0102】
この残量計測装置の動作については、充放電時には図1の残量計測装置と同様の演算処理を実行しているが、休止状態における演算動作が若干異なっている。
すなわち、休止時には電圧センサ34で検出した開放電圧と開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61を用いて、残量率データを求める。次に、メモリ81に格納された休止状態直前において電流方向データをチェックして、メモリ81に保存された電流方向が放電であった場合には、残量率補正メモリテーブル64に格納された差分データを用いて、残量率データを補正する。
【0103】
例えば、残量率補正メモリテーブル64には開放電圧ごとに、充電特性を基準とした放電特性に基づく差分データが格納されており、いま休止状態直前の電流方向が放電方向であって、そのときの開放電圧が3.797Vであったとする。
その場合には、リチウムイオン電池31が図13に示す残量率特性を有するものと想定すれば、開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61から残量率が36%として求めることができ、休止状態直前で放電状態であったことから、残量率補正メモリテーブル64を参照して残量率データの補正が行われる。すなわち、開放電圧3.797Vに対応する残量率補正メモリテーブル64の設定値は+4%であるから、残量率データは40%(36+4)に修正される。
【0104】
この例は実残量が40%の場合であり、残量率データの修正が行われない場合には充電特性に沿った値となるため、誤差が4%(残量率36%)も生じるが、残量率データの修正が行われることによって放電特性曲線に沿った残量率を求めることができるから、正確な残量率(40%)に基づいて精度の高い残量(残時間)の認識が可能になる。
【0105】
なお、ここでは充電特性データを基準にした残量率補正の方法について説明したが、開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル61の代わりに開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル62を用いて、残量率補正メモリテーブル64に開放電圧毎の放電特性データを基準とした充電特性データとの差分データを格納して、リチウムイオン電池31の残量率補正を行ってもよい。
【0106】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の電池の残量計測装置によれば、二次電池の使用状態や周囲の環境条件の影響を除去して、そこに蓄えられた電気量の残量を正確に計測することができる。
【0107】
また、この発明の電池の残量計測装置は、電圧センサにより検出された電圧値が所定値以上であって、電流センサにより検出された電流値が所定値以下であって、温度センサにより検出された温度が常温以上の温度範囲である場合に、メモリに保存された二次電池の満充電量を、演算装置で計算した残量で置き換えるようにしているので、修正された満充電量が常に温度の影響を含まないように処理できる。
【0108】
また、この発明の電池の残量計測装置は、開放電圧の電圧値が所定値以上であって、温度センサにより検出された温度が常温以上の温度範囲である場合に、メモリに保存された二次電池の満充電量を、演算装置で計算した残量値で置き換えるようにしている。したがって、ノートパソコンなどの電源オフ時には、確実に休止状態と判断して、残量や満充電量の修正による容量の学習ができる。
【0109】
また、この発明の電池の残量計測装置は、タイマにより計測された休止状態の継続時間が所定時間を経過したとき、メモリに保存された二次電池の残量を、演算装置で計算した新たな残量に置き換えるようにしたので、ノートパソコンなどで電源オフ時に失われた電気量を正確に計測することができる。
【0110】
また、この発明の電池の残量計測装置は、開放電圧−残量率関係メモリテーブルから所定時間毎に二次電池に蓄えられた電気量の割合(残量率)を計算し、休止処理が最初に実行されたときを除いて、残量率が所定の割合以上である場合に限って、メモリに保存された二次電池の残量を、新たに計算された残量に置き換えるようにしたので、最初の起動時に必ず残量修正を行うことができ、さらに、2回目以降の休止状態では、電圧変化に対する残量率変化が比較的大きな範囲のみで残量修正が行われるから、残量を正確に計測することができる。
【0111】
また、この発明の電池の残量計測装置は、放電処理に際して、外部装置から残量ゼロ信号が入力し、あるいは電圧センサで残量ゼロに相当する低い電圧が検出されたとき、温度・電流−非放電量関係メモリテーブルから非放電量を求め、メモリに保存された二次電池の残量を非放電量で置き換えるようにしたので、残量ゼロの状態で温度や放電電流が変化したとき、正確に放電残時間と実際の放電可能な時間とを一致させて表示できる。
【0112】
さらに、この発明の電池の残量計測装置は、電流センサで検出した電流値とタイマで計測した時間とから所定時間内の放電電気量を求め、かつ放電電気量とメモリに記憶された所定時間経過前の残量との加減算を行って所定時間経過後の新たな残量を求め、かつ新たな残量から温度・電流−非放電量関係メモリテーブルで得られた非放電量を減算して放電可能電気量を求めるとともに、放電可能電気量を電流値で除算して放電可能時間を求めるようにしたので、放電残時間の表示と実際の放電可能な時間との違いがなくなり、使用者のとまどいや不信感を除去できる。また、電池に蓄積された電気量を完全な放電状態になるまで使い切ることができ、実質的な使用時間が増加し、充電の頻度が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】図1の演算アルゴリズムによる状態判定を示すフローチャートである。
【図3】充電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図4】放電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図5】休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図6】第2の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図7】充電状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図8】休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図9】非放電量の温度・電流特性を示すグラフである。
【図10】非充電量の温度特性を示すグラフである。
【図11】リチウムイオン電池に流れる微小電流の大きさと開放電圧の変化を示すグラフである。
【図12】第3の実施の形態に係る演算アルゴリズムによる状態判定を示すフローチャートである。
【図13】開放電圧と残量率との関係を示す残量率特性のグラフである。
【図14】第4の実施の形態に係る演算アルゴリズムによる休止状態での演算処理の一例を示すフローチャートである。
【図15】第5の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図16】第5の実施の形態における放電可能電気量の時間変化を示す図である。
【図17】第6の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図18】第7の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図19】第8の実施の形態に係る電池の残量計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図20】従来の電池の残量計測装置の一例を示すブロック図である。
【図21】従来の電池の残量計測装置における温度と充電効率との関係の一例を示すグラフである。
【図22】従来の電池の残量計測装置における温度と放電効率との関係の一例を示すグラフである。
【図23】従来の電池の残量計測装置における満充電状態にした電池の、温度をパラメータとして放置期間と残量率との関係を示すグラフである。
【図24】従来の電池の残量計測装置における先行充電温度に対する充電電気量の大きさを示すグラフである。
【図25】従来の電池の残量計測装置における2種類の放電条件(温度・電流)で連続的に放電した結果の一例を示すグラフである。
【図26】従来の電池の残量計測装置における2種類の放電条件(温度・電流)で連続的に放電した結果の一例を示す他のグラフである。
【符号の説明】
1 演算装置
2 検出装置
3 電池パック
4 温度−非充電量メモリテーブル
5 温度・電流−非放電量メモリテーブル
6 開放電圧―残量率メモリテーブル
7 タイマ
8 メモリ
9 外部装置
10 電気量表示部
11 時間表示部
12〜17 演算アルゴリズム
31 リチウムイオン電池
32 電流センサ
33 温度センサ
34 電圧センサ
61 開放電圧(充電後)−残量率メモリテーブル
62 開放電圧(放電後)−残量率メモリテーブル
63 開放電圧補正メモリテーブル
64 残量率補正メモリテーブル
Claims (15)
- 二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、
前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
前記電流センサにより前記二次電池に流入する電流が検出された充電状態、前記二次電池から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定する判定手段と、
前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、
前記二次電池の周囲温度と一時的に充電できないとみなされる電気量との関係を保存する温度−非充電量関係メモリテーブルと、
前記判定手段により充電状態と判断された場合に、前記温度センサが検出した温度と、前記温度−非充電量関係メモリテーブルとに基づいて、充放電可能電気量及び充放電可能時間を演算して所定の充電処理を実行する演算手段と、
を有することを特徴とする電池の残量計測装置。 - 前記二次電池の電圧を検出する電圧センサをさらに有し、
前記演算手段は、前記各センサの信号に基づいて、前記二次電池の残量を計算する機能をさらに備え、
前記演算手段は、前記判定手段により充電状態と判断された場合において、前記電圧センサの検出値と前記電流センサの検出値が所定の条件を満たす場合、前記メモリに保存された前記二次電池の満充電量を、計算した残量で置き換えることを特徴とする請求項1記載の電池の残量計測装置。 - 前記演算手段は、前記電圧センサにより検出された電圧値が所定値以上であって、前記電流センサにより検出された電流値が所定値以下である場合に、前記メモリに保存された前記二次電池の満充電量を、計算した残量で置き換えることを特徴とする請求項2記載の電池の残量計測装置。
- 前記演算手段は、さらに、前記温度センサにより検出された温度が常温以上の温度範囲か否かを判断し、常温以上の温度範囲である場合に、前記メモリに保存された前記二次電池の満充電量を、計算した残量で置き換えることを特徴とする請求項3記載の電池の残量計測装置。
- 二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、
前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記電流センサにより前記二次電池に流入する電流が検出された充電状態、前記二次電池から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定する判定手段と、
前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、
前記休止状態での前記二次電池の電圧(開放電圧)と前記二次電池に蓄えられた電気量の割合(残量率)との関係を保存する開放電圧−残量率関係メモリテーブルと、
前記判定手段により休止状態と判定された場合に、前記電圧センサが検出した前記二次電池の電圧と、前記開放電圧−残量率関係メモリテーブルとに基づいて、前記二次電池に蓄えられた電気量の割合及び前記二次電池の残量を演算して前記メモリの満充電量の修正処理を実行する演算手段と、
を有することを特徴とする電池の残量計測装置。 - 前記二次電池の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記演算手段は、前記各センサの信号に基づいて、前記二次電池の残量を計算する機能をさらに備え、
前記演算手段は、前記開放電圧の電圧値が所定値以上であって、前記温度センサにより検出された温度が常温以上の温度範囲である場合に、前記メモリに保存された前記二次電池の満充電量を、前記二次電池の残量で置き換えることを特徴とする請求項5記載の電池の残量計測装置。 - 前記二次電池の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記演算手段は、前記温度センサが検出した温度と、前記開放電圧−残量率関係メモリテーブルとに基づいて、前記二次電池に蓄えられた電気量の割合を演算し、前記二次電池に蓄えられた電気量の割合と、前記メモリの前記満充電量とに基づいて、前記二次電池の残量を演算することを特徴とする請求項5記載の電池の残量計測装置。 - 前記判定手段は、前記電流センサにより所定値以上の大きさの電流が検出されない場合に休止状態と判定することを特徴とする請求項5記載の電池の残量計測装置。
- 前記充電状態、前記放電状態、及び前記休止状態の継続時間を計測するタイマをさらに有することを特徴とする請求項8記載の電池の残量計測装置。
- 前記二次電池の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記演算手段は、前記各センサの信号に基づいて、前記二次電池の残量を計算する機能をさらに備え、
前記修正処理では、前記開放電圧の電圧値が所定値以下であった場合に、前記タイマにより計測された前記休止状態の継続時間が所定時間を経過したとき、前記メモリに保存された前記二次電池の残量を、前記演算手段で計算した新たな残量に置き換えることを特徴とする請求項9記載の電池の残量計測装置。 - 前記演算手段は、前記開放電圧−残量率関係メモリテーブルから前記所定時間毎に前記二次電池に蓄えられた電気量の割合(残量率)を計算し、前記休止処理が最初に実行されたときを除いて、前記残量率が所定の割合以上である場合に限って、前記メモリに保存された前記二次電池の残量を、新たに計算された残量に置き換えることを特徴とする請求項10記載の電池の残量計測装置。
- 二次電池に蓄えられた電気量の残量を計測する電池の残量計測装置において、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流センサと、
前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
前記電流センサにより前記二次電池に流入する電流が検出された充電状態、前記二次電池から流出する電流が検出された放電状態、及び休止状態を判定する判定手段と、
前記各センサの信号をもとに前記二次電池の残量を計算する演算手段と、
前記二次電池の残量と前記二次電池の満充電量を保存するメモリと、
前記二次電池の温度及び電流と一時的に放電できないとみなされる電気量(非放電量)との関係を保存する温度・電流−非放電量関係メモリテーブルと、
を備え、前記判定手段により放電状態と判定された場合に、前記演算手段で充放電可能電気量及び充放電可能時間を演算して所定の放電処理を実行することを特徴とする電池の残量計測装置。 - 前記放電処理では、外部装置から残量ゼロ信号が入力し、あるいは前記電圧センサで残量ゼロに相当する低い電圧が検出されたとき、前記温度・電流−非放電量関係メモリテーブルから非放電量を求め、前記メモリに保存された前記二次電池の残量を、前記非放電量で置き換えることを特徴とする請求項12記載の電池の残量計測装置。
- 前記放電状態の継続時間を計測するタイマをさらに有することを特徴とする請求項12記載の電池の残量計測装置。
- 前記放電処理では、前記電流センサで検出した電流値と前記タイマで計測した継続時間とから所定時間内の放電電気量を求め、
かつ前記放電電気量と前記メモリに記憶された前記所定時間経過前の残量との加減算を行って前記所定時間経過後の新たな残量を求め、
かつ前記新たな残量から前記温度・電流−非放電量関係メモリテーブルで得られた非放電量を減算して前記放電可能電気量を求めるとともに、前記放電可能電気量を前記電流値で除算して前記充放電可能時間を求めることを特徴とする請求項14記載の電池の残量計 測装置。
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