JP4380932B2 - 電池の残容量の演算方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電している電池の残容量を正確に検出する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池の残容量は、充電した容量から放電容量を減算して算出できる。満充電された電池は、満充電容量から放電容量を減算して算出される。放電容量は、放電電流の積算値と放電効率の積から算出される。放電効率は、温度や放電レートによって変化する。電池の温度が低下すると、放電効率は低下する。また、大電流放電させて放電レートが大きくなっても放電効率は低下する。残容量を正確に算出するために、従来の演算方法は、温度と放電レートから放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電容量を算出している。
【0003】
従来の演算方法が放電効率を特定する方法を図1に示す。この図の方法は、複数の変極点を境界として放電レートを複数の領域に分割する。分割された領域において、放電効率は一次直線関数として近似される。一次直線関数は、傾きを特定する第1の定数と切片を特定する第2の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は、放電レートを5つの領域に分割している。したがって、特定の温度において10の定数を記憶する必要がある。さらに、6つの温度における放電効率を特定するには、60の定数を記憶する必要がある。
【0004】
また、放電している電池の残容量が設定容量となる最低電圧も、温度と放電レートで変化する。図2は、電池の残容量が5%となる最低電圧が変化する特性を示している。電池の残容量が5%となるときの最低電圧は、この図に示すように、温度と放電レートで特定して正確に検出できる。温度と放電レートで最低電圧を特定するために、放電レートが複数の領域に分割される。分割された領域において、最低電圧は一次直線関数として近似される。この一次直線関数は、放電効率と同じように、傾きを特定する第1の定数と切片を特定する第2の定数からなるふたつの定数で特定される。したがって、特定温度におけるひとつの領域でふたつの定数を記憶する必要がある。図は放電レートを5つの領域に分割しているので、特定の温度において10の定数を記憶する必要がある。さらに、6つの温度における放電効率を特定するので、60の定数を記憶する必要がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図1と図2に示すように、放電レートを複数の領域に分割し、分割された領域の放電効率や最低電圧を一次直線関数として記憶する方法は、多数の定数を記憶する必要がある。とくに、正確に放電効率や最低電圧を検出するには、放電レートをより多くの領域に分割する必要があるので、記憶する定数が極めて多くなる欠点がある。さらに、一次直線関数で近似する方法は、変極点で不連続になるので、放電レートがわずかに変化すると放電効率や最低電圧が急激に変化する。現実の電池の放電効率や最低電圧は、放電レートのいかなる値によっても急激に変化することはない。このため、一次直線関数に基づいて放電効率や最低電圧を検出する方法は、すべての放電レートにおいて、正確に放電効率や最低電圧を特定することが難しい。このため、残容量を正確に算出することができない欠点があった。
【0006】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、記憶する定数を少なくしながら残容量を正確に検出できる電池の残容量の演算方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算している。
【0008】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度をパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【0009】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて充電電流の積算値から電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算する。
【0010】
本発明の請求項4の電池の残容量の演算方法は、放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する。この演算方法は、放電レートに対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【0011】
残容量の演算方法は、温度をパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度に対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度をパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【0012】
さらに、残容量の演算方法は、温度と放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算することもできる。この演算方法は、温度と放電レートに対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとする。
【0013】
電池の残容量の演算方法は、最低電圧を、電池の残容量が0〜10%となる電圧に設定することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための残容量の演算方法を例示するものであって、本発明は演算方法を以下に特定しない。
【0015】
図3は、電池1の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図である。このパック電池は、電池1と、電池1や周囲の温度を検出するサーミスタ等の温度センサー2と、温度センサー2から入力される信号と、電池1の電圧および電流を検出してデジタル値に変換するA/Dコンバータ3と、A/Dコンバータ3から出力される信号を演算して電池1の残容量を算出する積算処理部4と、積算処理部4が残容量の演算に使用する放電効率や残容量を記憶している電池特性パラメーター記憶部5と、積算処理部4で算出された残容量を出力する電池残量出力部6とを備える。
【0016】
電池1は、リチウムイオン二次電池1である。ただ、電池は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池とすることもできる。この図のパック電池は、直列に接続している3個の電池1を内蔵する。本発明の演算方法で残容量が算出されるパック電池は、1または2個、あるいは4個以上の電池を内蔵することもできる。
【0017】
温度センサー2は、電池温度や電池1の周囲温度を抵抗値の変化として検出する。電池温度を検出するセンサーは、電池1の表面に接触し、あるいは接近して配設される。電池温度で電池1の放電効率や最低電圧を特定する方法は、正確に残容量を算出できる。ただ、電池温度は、周囲温度で特定されるので、周囲温度を検出して放電効率や最低電圧を特定することもできる。
【0018】
A/Dコンバータ3は、温度センサー2から入力される温度信号と、検出した電池電圧と、電池1と直列に接続している電流検出抵抗7の両端に発生する電圧をデジタル信号に変換して出力する。A/Dコンバータ3は、以上の3つの信号をデジタル信号に変換するために3組設けられ、あるいはタイミングを切り換えて、時分割に3つの信号をデジタル信号に変換する。
【0019】
積算処理部4は、A/Dコンバータ3から入力される信号を演算して電池1の残容量を演算する。残容量は、先述したように充電容量から放電容量を減算して演算される。また、残容量は、放電される電池1の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して算出される。最低電圧は、電池1の残容量が設定容量となる電圧である。最低電圧は、たとえば電池1の残容量が5%となる電圧に設定される。ただ、電池1の電圧が最低電圧となるときの設定容量は0〜10%とすることもできる。
【0020】
積算処理部4は、充電電流を積算して充電容量を演算する。このとき、充電電流の積算値に充電効率をかけるとより正確に充電容量を検出することができる。充電効率は、放電効率と同じように、温度や充電電流をパラメーターとして特定される。通常の使用状態において、パック電池は、ほとんど例外なく満充電されるまで充電される。リチウムイオン二次電池の満充電は、電池の電圧で検出される。ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池の満充電は、ピーク電圧やピーク電圧から電圧が低下するΔV低下で検出される。満充電された電池は、満充電容量となるので充電容量を正確に検出できる。
【0021】
積算処理部4は、放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出する。放電効率は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。図4は、温度と放電レートで特定される放電効率を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部5は、放電レートに対する放電効率を2次以上のn次関数とし算出する定数を記憶している。図4は、放電レートをパラメーターとする3次関数で放電効率を特定する様子を示している。3次関数は以下の一般式で示される。
f(x)=ax3+bx2+cx+d
この式において、f(x)は放電効率、xは放電レート、a、b、c、dは定数である。この式は、a〜dからなる4つの定数を記憶して、放電レートから放電効率を演算する。4つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。放電効率は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、各々の温度に対するa〜dの定数を記憶している。図は、0〜50℃の温度範囲において、10℃の間隔で各々の温度に対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、10℃の温度の相違により、6組のa〜dの定数を記憶しており、温度によってa〜dの定数の変化させる。温度が特定されるとa〜dの定数が特定され、特定されたa〜dの定数から放電レートをパラメーターとする放電効率が算出される。
【0022】
電池1の温度は、必ずしも10℃ピッチに変化しない。たとえば、電池温度が15℃となることもある。この温度における電池1の放電効率は、10℃の放電効率と20℃の放電効率から比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、a〜dの定数が記憶されない電池温度においても放電効率を算出することができる。
【0023】
図4は、温度によって異なる関数を選択して放電効率を算出する。すなわち、温度が特定されるとa〜dの定数が特定され、特定されたa〜dの定数から放電レートをパラメーターとして放電効率を算出する。積算処理部4は、図5に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して放電効率を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとa1〜d1の定数が特定されて、特定されたa1〜d1の定数から温度をパラメーターとして放電効率を算出する。
【0024】
この方法は、温度をパラメーターとする3次関数で放電効率を特定する。3次関数は以下の一般式で示される。
f(y)=a1y3+b1y2+c1y+d1
この式において、f(y)は放電効率、yは温度、a1、b1、c1、d1は定数である。この式は、a1〜d1からなる4つの定数を記憶して、温度から放電効率を演算する。4つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。放電効率は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、各々の放電レートに対するa1〜d1の定数を記憶している。図は、0〜1000mWの放電レート範囲において、200mWの間隔で各々の放電レートに対する放電効率を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、200mWの放電レートの相違により、5組のa1〜d1の定数を記憶しており、放電レートによってa1〜d1の定数の変化させる。放電レートが特定されるとa1〜d1の定数が特定され、特定されたa1〜d1の定数から温度をパラメーターとする放電効率が算出される。
【0025】
放電レートも、温度と同じように200mWピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の放電効率は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で放電効率を算出する方法は、a1〜d1の定数が記憶されない放電レートにおいても放電効率を算出することができる。
【0026】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の3次関数で放電効率を特定することもできる。この3次関数は以下の一般式で示される。
f=a2x3+b2x2+c2x+d2+a3y3+b3y2+c3y
この式において、fは放電効率、xは放電レート、yは温度、a2、b2、c2、d2、a3、b3、c3は定数である。この式は、7つの定数を記憶して、温度と放電レートから放電効率を演算する。7つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。
【0027】
積算処理部4は、放電される電池1の電圧が最低電圧まで低下したことを検出して最低電圧を検出する。最低電圧は、温度と放電レートをパラメーターとして特定される。温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出するデータは、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。図6は、温度と放電レートで特定される最低電圧を示すグラフである。電池特性パラメーター記憶部5は、放電レートに対する最低電圧を2次以上のn次関数とし、算出する定数を記憶している。図6は、放電レートをパラメーターとする3次関数で最低電圧を特定する様子を示している。この図は、電池1の残容量が5%となるときの最低電圧を示している。3次関数は以下の一般式で示される。
【0028】
Vmin=Ax3+Bx2+Cx+d
この式において、Vminは最低電圧、xは放電レート、A、B、C、Dは定数である。この式は、A〜Dからなる4つの定数を記憶して、放電レートから最低電圧を演算する。4つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。最低電圧は、温度によって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、各々の温度に対するA〜Dの定数を記憶している。図は、0〜50℃の温度範囲において、10℃の間隔で各々の温度に対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、10℃の温度の相違により、6組のA〜Dの定数を記憶しており、温度によってA〜Dの定数の変化させる。温度が特定されるとA〜Dの定数が特定され、特定されたA〜Dの定数から放電レートをパラメーターとする最低電圧が算出される。
【0029】
電池1の温度は、必ずしも10℃ピッチに変化しないので、電池温度が15℃となることもある。この温度における電池1の最低電圧は、10℃の最低電圧と20℃の最低電圧から比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、A〜Dの定数が記憶されない電池温度においても最低電圧を算出することができる。
【0030】
図6は、温度によって異なる関数を選択して最低電圧を算出する。すなわち、温度が特定されるとA〜Dの定数が特定され、特定されたA〜Dの定数から放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出する。積算処理部4は、図7に示すように、放電レートによって異なる関数を選択して最低電圧を算出することもできる。このグラフは、放電レートが特定されるとA1〜D1の定数が特定されて、特定されたA1〜D1の定数から温度をパラメーターとして最低電圧を算出する。
【0031】
この方法は、温度をパラメーターとする3次関数で最低電圧を特定する。3次関数は以下の一般式で示される。
Vmin=A1y3+B1y2+C1y+D1
この式において、Vminは最低電圧、yは温度、A1、B1、C1、D1は定数である。この式は、A1〜D1からなる4つの定数を記憶して、温度から最低電圧を演算する。4つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。最低電圧は、放電レートによって変化する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、各々の放電レートに対するA1〜D1の定数を記憶している。図は、0〜1000mWの放電レート範囲において、200mWの間隔で各々の放電レートに対する最低電圧を特定する。したがって、電池特性パラメーター記憶部5は、200mWの放電レートの相違により、5組のA1〜D1の定数を記憶しており、放電レートによってA1〜D1の定数の変化させる。放電レートが特定されるとA1〜D1の定数が特定され、特定されたA1〜D1の定数から温度をパラメーターとする最低電圧が算出される。
【0032】
放電レートも、温度と同じように200mWピッチに変化しない。したがって、記憶される放電レートの間の最低電圧は、温度と同じように比例配分で算出することができる。比例配分で最低電圧を算出する方法は、A1〜D1の定数が記憶されない放電レートにおいても最低電圧を算出することができる。
【0033】
さらに、温度と放電レートをパラメーターとする以下の3次関数で最低電圧を特定することもできる。この3次関数は以下の一般式で示される。
Vmin=A2x3+B2x2+C2x+D2+A3y3+B3y2+C3y
この式において、Vminは最低電圧、xは放電レート、yは温度、A2、B2、C2、D2、A3、B3、C3は定数である。この式は、7つの定数を記憶して、温度と放電レートから最低電圧を演算する。7つの定数は、電池特性パラメーター記憶部5に記憶される。
【0034】
以上の方法は、放電効率と最低電圧を3次関数で算出するが、4次以上の関数として算出することもでき、また2次の関数として算出することもできる。4次の関数として算出する方法は、5つの定数から放電効率や最低電圧を算出し、2次の関数は、3つの定数から放電効率や最低電圧を算出する。放電効率や最低電圧をn次の関数として算出する場合、電池特性パラメーター記憶部5は、n+1個の定数を記憶する。放電効率と最低電圧の算出をn次の関数で算出する方法において、nの値は、誤差が少なくて簡単に算出できることから最適値に特定される。
【0035】
積算処理部4で算出された電池1の残容量は、パック電池を装着しているマイコン等の電気機器に電池残量出力部6から出力される。
【0036】
【発明の効果】
本発明の電池の残容量の演算方法は、記憶する定数を少なくしながら、残容量を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の電池の残容量の演算方法が、放電レートをパラメターとする放電効率や最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて放電レートから放電効率や最低電圧を算出し、算出された放電効率や最低電圧で電池の残容量を検出するからである。たとえば、図1や図2で示す従来の方法は、放電レートから放電効率を検出し、あるいは放電レートから最低電圧を算出するためには60の定数を記憶する必要がある。これに対して、図4や図6に示す本発明の方法にあっては、3次関数で放電効率や最低電圧を算出するとすれば、ひとつの温度に対して4つの定数となるので、6つの温度において24の定数を記憶して放電効率や最低電圧を算出できる。
さらに、本発明の方法は、複数の直線で算出する従来の方法のように変極点で不連続に変化することがなく、全体としてより正確に放電効率や最低電圧を検出して、残容量を少ない誤差で検出できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の演算方法で放電効率を特定する方法を示すグラフ
【図2】従来の演算方法で電池の残容量が5%となる最低電圧を特定する方法を示すグラフ
【図3】本発明の実施例にかかる電池の残容量を演算する回路を実装するパック電池の回路図
【図4】放電レートをパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図5】温度をパラメーターとして放電効率を特定するグラフ
【図6】放電レートをパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【図7】温度をパラメーターとして最低電圧を特定するグラフ
【符号の説明】
1…電池
2…温度センサー
3…A/Dコンバータ
4…積算処理部
5…電池特性パラメーター記憶部
6…電池残量出力部
7…電流検出抵抗
Claims (7)
- 放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
放電レートに対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする残容量の演算方法。 - 温度をパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて放電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
温度に対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度をパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度と放電レートをパラメーターとして電池の放電効率を特定し、特定された放電効率に基づいて充電電流の積算値から電池の残容量を演算する方法において、
温度と放電レートに対する放電効率を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして放電効率を算出し、算出された放電効率に基づいて放電電流の積算値と放電効率の積から放電容量を算出し、充電容量から放電容量を減算して電池の残容量を演算することを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
放電レートに対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度をパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
温度に対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度をパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 温度と放電レートをパラメーターとして電池の残容量が設定容量となる電圧である電池の最低電圧を特定し、放電している電池の電圧が特定された最低電圧になることを検出して電池の残容量を演算する方法において、
温度と放電レートに対する最低電圧を2次以上のn次関数として記憶し、記憶するn次関数に基づいて温度と放電レートをパラメーターとして最低電圧を算出し、算出された最低電圧に電池の電圧が低下すると、電池の残容量が設定容量になったとすることを特徴とする電池の残容量の演算方法。 - 最低電圧を電池の残容量が0〜10%となる電圧に設定する請求項4〜6に記載される電池の残容量の演算方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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