JP4311168B2 - バッテリーパック及びバッテリー残量算出方法 - Google Patents

Description

本発明はバッテリーパック及びバッテリー残量算出方法に関し、特に、使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパック及びバッテリー残量算出方法に関する。

リチウムイオンバッテリーを始めとするバッテリーパック（２次電池）は、バッテリーパックごとにその容量が決まっているが、使用する温度によって容量が変わってくるという特徴がある。

低温使用時では、バッテリーセルの内部インピーダンスが高くなるため、同じ電流値を流そうとするときに電圧の降下が大きくなり、バッテリーパックの容量が減少する。
図６は、２５℃、１０℃、０℃でのバッテリーパックの放電特性を示す図である。横軸は時間、縦軸は電圧である。

２．０Ｗ放電、エンド電圧３．３５Ｖと設定した場合で、図６のように、例えば、２５℃の環境下で放電できる容量を１００％とすると、１０℃の環境下では約８０％、０℃の環境下で放電できる容量は約６０％であるという測定結果が得られている。

従来、低温使用下におけるバッテリー容量低下の補正として温度センサを用いてバッテリーパックの温度を検出し、バッテリー残量を補正するといった手法が用いられている（例えば特許文献１参照）。

この場合、現在のサーミスタの温度を測定して、現在の温度環境下で使用可能時間を補正する。従って、低温環境下では使用可能時間の表示は常温時に比べて短くなる傾向がある。
特開２０００−２６０４８８号公報（段落番号〔００３８〕〜〔００７２〕）

しかし、従来のサーミスタを用いる手法は、バッテリーセルの内部にサーミスタを搭載することは困難であるので、バッテリーパックの基板上の温度や、バッテリーセルの表面温度しか測定することができなかった。実際のバッテリーの容量低下はバッテリーセルの内部温度（内部にある電極の温度）に依存している。このため、正しい補正を行うことができないという問題があった。

また、近年バッテリーを搭載するカムコーダやデジタルスチルカメラは小型化される傾向が強まってきており、バッテリーも使用する機器に内蔵する場合が増えてきている。一般的にこれらの機器は使用することで発熱をして、その熱によりバッテリーパックの表面温度も高くなってしまうといった影響が出てくる。しかし、この時点ではサーミスタの温度が上昇しているだけで、バッテリーセルの内部の温度までは上昇していない。バッテリーとして使用できる容量も低下したままである。

つまり、低温下でバッテリーの使用を始めるとサーミスタの温度が上がり、残量表示も多くなってしまうが、バッテリー内部まで暖まっていない場合には、算出されたバッテリー残量と実際に使用可能な容量との間に誤差が発生するといった問題が発生する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、バッテリー残量の算出誤差を軽減可能なバッテリーパック及びバッテリー残量算出方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパックにおいて、バッテリーセルの温度を測定する温度測定手段と、測定した前記温度の履歴を記憶する測定温度履歴記憶手段と、所定時間分の前記履歴から最低温度を抽出して、前記最低温度を現在のバッテリーセル内温度として推測するセル内温度推測手段と、推測した前記バッテリーセル内温度をもとに、バッテリー残量を算出する残量算出手段と、を有することを特徴とするバッテリーパックが提供される。

このような構成によれば、温度測定手段により測定されたバッテリーセルの温度は、温度の履歴を記憶する測定温度履歴記憶手段に記憶される。セル内温度推測手段は、測定温度履歴記憶手段より、所定時間分の履歴から最低温度を抽出して、その温度を現在のバッテリーセル内温度として推測する。残量算出手段は、推測したバッテリーセル内温度をもとにしてバッテリー残量を算出する。測定した温度をそのままバッテリー残量算出に用いず、推測したバッテリーセル内温度を用いるので、測定した温度が急激に上昇したとしても、算出されるバッテリー残量が瞬時に増すといった現象が防止される。

本発明のバッテリーパックに拠れば、測定した温度をそのままバッテリー残量算出に用いず、所定時間分の履歴から最低温度を抽出して、その温度を現在のバッテリーセル内温度と推測してバッテリー残量算出に用いるので、測定した温度が急激に上昇したとしても、算出されるバッテリー残量が瞬時に増すといった現象を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態のバッテリーパックの原理を示す機能ブロック図である。
本発明の実施の形態のバッテリーパック１０は、バッテリーセルの温度を測定する温度測定手段１２と、測定した温度の履歴を記憶する測定温度履歴記憶手段１３と、所定時間分の履歴から最低温度を抽出して、最低温度を現在のバッテリーセル内温度として推測するセル内温度推測手段１４と、推測したバッテリーセル内温度をもとに、バッテリー残量を算出する残量算出手段１５と、算出したバッテリー残量を図示しない接続機器に通知する通信手段１６と、を有する。

バッテリーセル１１は、例えば、リチウムイオンバッテリーである。温度測定手段１２は、例えば、サーミスタであり、バッテリーセル表面や基板上に搭載される。また、測定温度履歴記憶手段１３は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）である。セル内温度推測手段１４、残量算出手段１５は、例えば、マイクロコントローラ（以下マイコンと呼ぶ）により実現される。

また、所定時間とは、例えば、サーミスタにより、ある時点で測定して得られた温度に、バッテリーセル内温度が到達するまでの時間により規定され、バッテリーセル１１の熱電圧特性や、バッテリーパック１０内において温度測定手段１２であるサーミスタの配置される場所により変わってくる。

バッテリーパック１０の動作を説明する。
例えば、バッテリーパック１０を、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの接続機器に接続して使用を開始すると、バッテリーセル１１の温度が温度測定手段１２により測定される。このとき、バッテリーセル１１の表面またはバッテリーパック１０内の温度が測定されることになる。ここで測定した温度は、測定温度履歴記憶手段１３に記憶される。セル内温度推測手段１４は、測定温度履歴記憶手段１３より、所定時間分の履歴から最低温度を抽出して、その温度を現在のバッテリーセル内温度として推測する。残量算出手段１５は、推測したバッテリーセル内温度をもとにしてバッテリー残量を算出する。通信手段１６は、接続したビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで、使用可能な残時間を表示することができるように算出したバッテリー残量を通知する。

このように、測定した温度をそのままバッテリー残量算出に用いず、推測したバッテリーセル内温度を用いるので、測定した温度が急激に上昇したとしても、算出されるバッテリー残量が瞬時に増加するといった現象を防止することができる。

次に本発明の実施の形態の詳細を説明する。
図２は、本発明の実施の形態のバッテリーパックのハードウェア構成例である。
バッテリーパック５０は、バッテリーセル５１と、周辺回路５２と、マイコン５３と、サーミスタ５４と、通信回路５５とを有する。

バッテリーセル５１は、例えば、リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムポリマーバッテリーなどである。
バッテリーセル５１の正極は正極端子６１に、負極は、電流検出抵抗Ｒｓ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）とダイオードからなる充電制御スイッチＳＷ１及び放電制御スイッチＳＷ２を介して、負極端子６２に接続される。

周辺回路５２は、電圧比較器（コンパレータ）を主とした回路構成になっており、電流検出抵抗Ｒｓに流れる充放電電流値を検出する機能や、過充電、過放電、過電流からバッテリーセル５１を保護する保護機能を有する。具体的には、バッテリーセル５１の電圧が設定電圧以上になると、充電制御スイッチＳＷ１をオフし充電を停止することで過充電を防止する。また、バッテリーセル５１の電圧が設定電圧を下回ると、放電制御スイッチＳＷ２をオフし放電を停止することで過放電を防止する。

マイコン５３は、周辺回路５２により検出される充放電電流を積算し、使用時の温度に応じてバッテリー残量を算出する。また、サーミスタ５４を制御して、サーミスタ５４で測定された温度の履歴を記憶する測定温度履歴記憶手段として、例えば、ＥＥＰＲＯＭを内蔵している。また、通信回路５５を制御して、算出したバッテリー残量を接続機器に通知する機能を有する。

バッテリーパック５０の動作を説明する。
例えば、バッテリーパック５０の正極端子６１、負極端子６２を、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、充電器などの接続機器に接続して使用を開始すると、周辺回路５２により検出された充放電電流値をマイコン５３により積算し、バッテリー残量を算出する。このとき、マイコン５３は、サーミスタ５４で測定された温度によりバッテリー残量を補正する。

図３は、バッテリー使用時における、サーミスタ温度と、バッテリーセル内（内部電極）温度との関係の一例を示す図である。
横軸は経過時間で縦軸が温度［℃］である。

この図のように、セル内部電極温度は、サーミスタ温度が上昇しても、すぐにはその温度は上がらず、セル内部電極温度はある程度の時間を経てから、ある時点で測定したサーミスタ温度に到達するような特性を示す。この例では、約２４分経過するとセル内部電極温度は、サーミスタ温度に近い値を示す。

本発明の実施の形態のバッテリーパック５０において、サーミスタ５４で測定した温度は、マイコン５３の図示しないＲＡＭもしくはＥＥＰＲＯＭに記憶される。マイコン５３は、現在測定した温度がＥＥＰＲＯＭに格納された所定時間分の履歴の中で最低でなければ、その履歴から最低温度を抽出して、その温度を現在のバッテリーセル内温度とする。例えば、図３のような場合、２４分間の履歴から最低温度を抽出してその温度を現在のバッテリーセル内温度として推測する。

図４は、過去２４分間におけるサーミスタ温度の最低温度の履歴を図３に加えたものである。
横軸は経過時間で縦軸が温度［℃］である。

図のように、過去２４分の最低温度の履歴をとると、セル内部電極温度に近い値を得ることができる。
マイコン５３は、推測したバッテリーセル内温度をもとにして、周辺回路５２により検出される電流値を積算し算出したバッテリー残量を補正する。このようにして算出したバッテリー残量を、マイコン５３の制御のもと通信回路５５は図示しない接続機器に通知することで、例えば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどでは、現在の環境下での実際に放電可能な時間に近い値を、使用者に対して提示することができる。

また、急激な温度変化によりサーミスタの温度が上昇したとしても、瞬時に残時間の表示が増えるといった問題を回避できる。
最後に本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理をフローチャートでまとめる。

図５は、本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１：温度測定
サーミスタ５４により、バッテリーセル５１の温度を測定する。

ステップＳ２：測定温度履歴記憶
マイコン５３は測定した温度の履歴を、例えば、ＥＥＰＲＯＭに記憶する。
ステップＳ３：セル内温度推測
マイコン５３は、所定時間分の履歴から最低温度をＥＥＰＲＯＭから抽出して、その最低温度を現在のバッテリーセル内温度として推測する。

なお、現在測定した温度が、履歴の中で最低であればその値をバッテリーセル内温度として用いる。
ステップＳ４：バッテリー残量算出
マイコン５３は、周辺回路５２により検出される電流値を積算し算出した値を、推測したバッテリーセル内温度をもとに補正してバッテリー残量を算出する。

ステップＳ５：バッテリー残量通知
マイコン５３は、通信回路５５を制御して図示しない接続機器に算出したバッテリー残量を通知する。

なお、上記本発明の実施の形態では、過去の最低温度の履歴を保持することで、現在のバッテリーセル内の温度を推測するとしたが、最高温度の履歴も保持したり、温度変化から現在の温度を推測するようにしたりしてもよい。そうすることで、より正確にバッテリーセル内の温度を推測することが可能となり、残時間表示も実際の値に近づけることが可能となる。

また、上記の処理内容は、マイコン５３のソフトウェアにより実現可能なため、現行品に対してコストアップなしで実現することができる。

例えば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、充電器に接続するバッテリーパックに適用できる。

本発明の実施の形態のバッテリーパックの原理を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態のバッテリーパックのハードウェア構成例である。 サーミスタ温度と、バッテリーセル内（内部電極）温度との関係の一例を示す図である。 過去２４分間におけるサーミスタ温度の最低温度の履歴を図３に加えたものである。 本発明の実施の形態のバッテリーパックの処理の流れを示すフローチャートである。 ２５℃、１０℃、０℃でのバッテリーパックの放電特性を示す図である。

符号の説明

１０……バッテリーパック、１１……バッテリーセル、１２……温度測定手段、１３……測定温度履歴記憶手段、１４……セル内温度推測手段、１５……残量算出手段、１６……通信手段

Claims (4)

1. 使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリーパックにおいて、
   バッテリーセルの温度を測定する温度測定手段と、
   測定した前記温度の履歴を記憶する測定温度履歴記憶手段と、
   所定時間分の前記履歴から最低温度を抽出して、前記最低温度を現在のバッテリーセル内温度として推測するセル内温度推測手段と、
   推測した前記バッテリーセル内温度をもとに、バッテリー残量を算出する残量算出手段と、
   を有することを特徴とするバッテリーパック。
2. 前記所定時間は、ある時点で測定した前記温度に前記バッテリーセル内温度が到達するまでの時間により規定されることを特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。
3. 算出した前記バッテリー残量を接続機器に通知する通信手段を有することを特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。
4. 使用時の温度に応じたバッテリー残量を算出するバッテリー残量算出方法において、
   バッテリーセルの温度を測定し、
   測定した前記温度の履歴を記憶し、
   所定時間分の前記履歴から最低温度を抽出して、前記最低温度を現在のバッテリーセル内温度として推測し、
   推測した前記バッテリーセル内温度をもとに、バッテリー残量を算出することを特徴とするバッテリー残量算出方法。
   

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