JP6010028B2 - 複数のパラメータ更新レートを用いた充電可能なバッテリのモニタリング - Google Patents

Description

本願は、バッテリの状態をモニタリングする方法及び装置に関する。

充電可能なバッテリの充電中又は放電中の適切な制御は、充電の状態（又は逆に放電の深さ：ＤＯＤ）、或いは残容量、又は残りの使用時間、又はその他の適切な量として表される、バッテリの現在の状態を正確に推定することに依存している。バッテリの状態の推定が不正確であると、潜在的な問題の中でも、バッテリの損傷、バッテリ駆動ホストデバイス内の周辺回路の損傷、ホストデバイスのユーザの負傷、ホストデバイスにおけるデータの喪失、及び／又はバッテリの極めて非効率な使用が生じ得る。

バッテリの状態の推定は、一般に、ホストデバイス又はバッテリパック内のバッテリフューエル（ガス）ゲージ回路の関数である。典型的なバッテリフューエルゲージは、バッテリ放電容量を更新するために完全な充電及び放電のサイクルを必要とするが、このようなサイクルは「現実の」応用例ではまれにしか生じず、そのため測定エラーが頻繁に生じる。バッテリフューエルゲージ回路が不正確な場合、バッテリの残容量（例えば、ミリアンペア−時間又は充電のパーセント状態：ＳＯＣ）を実際よりも過大推定又は過小推定することがある。バッテリの寿命にわたって、且つ、温度及び使用負荷プロファイルにわたって正確な残容量情報を提供することは、主にバッテリの使用可能容量がバッテリの放電率、温度、経年変化、及び自己放電の関数であるために、過小評価された難題になることが多い。実際、バッテリの自己放電や経年変化が容量に及ぼす影響を正確にモデル化するアルゴリズムを開発することはほぼ不可能である。

バッテリフューエルゲージ回路がバッテリの残容量を著しく過大推定する場合、バッテリフューエルゲージ回路は、実際にはバッテリの残容量がなくなってもバッテリがまだかなりの残容量を有していると示すことがある。この場合、バッテリは、最終的にホストデバイスが適切に機能するために必要な最小電圧を生成し得なくなるまで放電し続け得る。すると、ホストデバイスは、警告なしに停止するか機能しなくなり、そのため、デバイスのメモリ内のあらゆるデータが失われる（又は壊れる）。このようなデータ喪失は、デバイスのユーザにとって大変な損害になり得る。したがって、データの喪失を防止することが、バッテリフューエルゲージ回路の目的の１つである。

一方、バッテリフューエルゲージ回路がバッテリの残容量を著しく過小推定する場合、バッテリフューエルゲージ回路は、バッテリが実際にはまだかなりの利用可能な充電量を有しているとき残容量がゼロであると示すことがある。残容量があるにもかかわらず、バッテリフューエルゲージ回路は、データ喪失の危険が実際に差し迫っていなくても、ホストデバイスに、この場合データの喪失を防ぐために、制御システムシャットダウンを開始させる。この場合、損傷やデータ喪失は生じないが、ホストデバイスのユーザは、デバイスが早期にシャットダウンすることよって不必要に不都合を被り、バッテリ又はホストデバイスが期待どおりに機能しないと誤って思わせることになり得る。

ホストデバイスのメーカーは、不正確なバッテリフューエルゲージ回路を補償するために、より大型でより大容量のバッテリをデバイスに組み込んで、十分に長いバッテリ動作時間を確保することを選択することがある。しかし、バッテリ駆動ホストデバイスは、通常、比較的小型で軽量となることを目指しており、この解決策は、デバイスのサイズ及び重量（そして通常はコスト）を増すことになる。或いは、メーカーは「上等な」（より小型だがより大容量の）バッテリをホストデバイスに組み込むことを選択することがあるが、このような上等なバッテリは比較的高価であり、これはかなり大きな懸念になる。というのは、バッテリがすでにホストデバイスの全体コストのかなりの部分（例えば、１／３）を占めていることが多いからである。

バッテリ残容量の起こりえる過大推定を補償するために、ホストデバイスのメーカーは、バッテリがまだかなりの容量を有しているとき残りのバッテリ容量がゼロであることを示し、それによってバッテリ容量の一部をフェールセーフ用予備として維持するようにバッテリフューエルゲージ回路を設計することを選ぶことがある。言い換えると、過大推定エラー及び破滅的なデータ喪失又は破壊を防ぐために、バッテリフューエルゲージ回路は、作為的に、実際のバッテリ容量を意図的に過小推定することがある。しかし、バッテリフューエルゲージ回路が比較的不正確である場合、回路がバッテリ容量を過大推定する時点及び回路がバッテリ容量を過小推定する時点を予測することができない。したがって、バッテリフューエルゲージ回路の不正確さによりバッテリ容量が過小推定されると、この作為的な過小推定は問題を悪化させるだけであり、その結果、バッテリの使用が極めて非効率になる。

これらの問題を軽減するために、バッテリフューエルゲージ回路は、可能な限り正確でなければならない。バッテリフューエルゲージ回路の正確さは、一般に、バッテリの状態を推定するために用いられるパラメータの正確さに依存する。このようなパラメータには、他の候補となるパラメータの中でも、一般に、バッテリの内部抵抗（又はインピーダンス）、バッテリの開回路電圧（ＯＣＶ）、及びバッテリの最大充電容量が含まれる。これらのパラメータとバッテリの状態との関係は、バッテリの状態の推定がこれらのパラメータに依存するだけでなく、これらのパラメータがバッテリの実際の状態に依存するので、堂々巡りである。例えば、ＯＣＶを得るために内部バッテリ抵抗（又はインピーダンス）が必要とされ、ＤＯＤ（又はＳＯＣ）を得るためにＯＣＶが必要とされ、内部バッテリ抵抗を得るためにＤＯＤが必要とされ、以下同様といった再帰的サイクルが存在する。

言い換えると、（充電又は放電の結果、或いはアイドル時間の結果として）バッテリの状態が変化すると、これらのパラメータが変化する。また、バッテリが経年変化すると（一般に、バッテリが経た充電及び放電サイクル数によって決まる）、これらのパラメータ、及びこれらのパラメータとバッテリの状態との関係がさらに変化する。したがって、放電が終了すべき（且つ、ホストデバイスが問題なく停止する）推定点が実際の所望の点に近づくように、バッテリの状態を再推定するために周期的にパラメータを更新する必要があり得る。（前述の関連特許には、様々なパラメータを更新し、バッテリの状態を推定することを含む様々な技術及び装置が記載されている。）このようにして、データの喪失の恐れなしに、最も効率のよいバッテリ使用が達成されるべきである。

バッテリフューエルゲージ回路の動作が必然的にバッテリの容量の一部を消費するため、パラメータ更新の頻度と全体のバッテリ性能はトレードオフの関係にある。したがって、パラメータをより頻繁に更新すると、バッテリの容量をより消費することになり、そのため、ホストデバイスの動作のために利用可能なバッテリ容量が顕著に減少し、バッテリの放電が速すぎとなるのは明らかである。言い換えると、バッテリのパラメータを更新する必要性と、長いバッテリ放電時間の必要性との間のバランスをとらなければならない。

長いバッテリ放電時間を確保するために、バッテリフューエルゲージ回路は、一般に、可能な限りパラメータを更新する頻度が減らされる。このように実施した典型的な結果を、図１に、バッテリ端子電圧に対する（ミリアンペア−時間での）残容量のグラフ１０２及び１０４で示す。グラフ１０２は、例示電圧に対するバッテリの真の残容量を示す。グラフ１０４は、例示電圧に対するバッテリの推定残容量を示す。また、残容量ゼロの点１０６も示されている。バッテリの放電が終了する電圧（放電終了電圧：ＥＤＶ）も示されている。

真の残容量のグラフ１０２は、その端子電圧に対する試験中のバッテリの実際の残容量を確認するために一般に実験室で求められる例を表す。推定容量のグラフ１０４は、ホストデバイス内のバッテリの動作中に測定される端子電圧、放電電流、及び温度の値に基づいて残容量を計算することから得ることができる例を表す。したがって、推定容量のグラフ１０４は、上記で概略述べたように、残容量を計算するために用いられるパラメータが更新される更新点１０８を含む。これらの更新点１０８は、一般に、放電サイクルにわたって、一定の間隔、例えば、ＳＯＣ（又はＤＯＤ）の割合によって定義される間隔、で生じるが、これらの更新点１０８の最後の４つだけをグラフ１０４上に示す。

中間の２つの更新点１０８では、これら２つの点でのグラフ１０４の突然の右側への水平傾斜から分かるように、これらの更新により、推定残容量に対する実質的な補正が成される。最後の更新点１０８（グラフ１０４の最低点）に到達するときには、推定残容量は負になる、すなわち、残容量ゼロの点１０６の左側にくる、ように見える。言い換えると、この例におけるバッテリフューエルゲージ回路では、最後の更新の前にシャットダウンポイントを過ぎてしまい、そのため、最後の更新点１０８は早すぎるシャットダウンを防ぐには遅すぎることになる。

本発明の一態様では、バッテリの状態をモニタリングするための方法が提供される。バッテリの放電中にバッテリに関連する少なくとも１つの測定値が繰り返し得られる。バッテリの状態は、前に計算されたバッテリの状態と、測定値と、バッテリの少なくとも１つのパラメータとに基づいてバッテリの放電中に繰り返し計算される。バッテリの状態が閾値を過ぎる前に、バッテリのパラメータは第１のレートで更新される。バッテリの状態が閾値を過ぎた後、バッテリのパラメータは、第１のレートよりも速い第２のレートで更新される。バッテリの状態は、パラメータの各更新に応答して補正される。本発明の別の態様では、バッテリの状態をモニタリングするためのバッテリゲージ回路が提供される。この回路は、バッテリの放電中にバッテリに関連するデータが受け取られる少なくとも１つの入力、及びこのデータを受け取るように電気的に接続されるプロセッサを含む。このプロセスは命令を実行し、この命令において、プロセッサは、データと、バッテリの少なくとも１つのパラメータと、前に改訂されたバッテリの状態とに基づいてバッテリの状態を繰り返し改訂し、バッテリの状態が閾値を過ぎる前に第１のレートでパラメータを更新し、バッテリの状態が閾値を過ぎた後、第１のレートよりも速い第２のレートでパラメータを更新し、パラメータの各更新に応答してバッテリの状態を補正する。

添付の図面を参照すれば例示実施形態の説明から他の態様及び特徴が明らかになるであろう。

充電可能なバッテリの端子電圧に対する残容量の簡略化したグラフの従来技術の例である。

本発明の一実施形態の原理に従ったバッテリ駆動デバイスの簡略化された概略図である。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられるバッテリパックの簡略化された概略図である。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられる充電可能なバッテリの、電圧に対する容量を示す簡略化されたグラフである。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられる充電可能なバッテリの、抵抗スケーリング係数に対する充電の状態を示す簡略化されたグラフである。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられる充電可能なバッテリの、抵抗に対する充電状態を示す簡略化されたグラフである。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられる充電可能なバッテリの、端子電圧に対する残容量を示す簡略化されたグラフである。

本発明の一実施形態に従った、図２に示すバッテリ駆動デバイス内で用いられるバッテリの状態をモニタリングするための手順の簡略化されたフローチャートである。

バッテリ駆動ホスト電子デバイス１１０（例えば、携帯／コードレス電話、ポータブルコンピュータ、ハンドヘルドゲームデバイスなど）及び（ホストデバイス１１０内で用いる）バッテリパック１１２の簡略化した概略図をそれぞれ図２及び図３に示す。ホストデバイス１１０は、概して、バッテリパック１１２及び負荷／ホスト回路１１４を含み、時折、ＡＣアダプタ／充電器１１６に接続される。バッテリパック１１２は、概して、他の候補となる構成要素の中でも、１つ又は複数のバッテリセル（バッテリ）１１８、バッテリ管理回路１２０、及びバッテリフューエルゲージ回路１２２を含む。

簡略化した説明では、正及び負のバッテリパック電圧線Ｖｐａｃｋｐ及びＶｐａｃｋｎが、バッテリパック１１２、負荷／ホスト回路１１４、及びＡＣアダプタ／充電器１１６の間の電力接続を提供する。ホストデバイス１１０がＡＣアダプタ／充電器１１６に接続されるとき、ＡＣアダプタ／充電器１１６は、ホストデバイス１１０を機能させるため、及びバッテリパック１１２内のバッテリ１１８を充電するための電力を供給する。一方、ホストデバイス１１０がＡＣアダプタ／充電器１１６に接続されない場合、バッテリパック１１２が、ホストデバイス１１０の構成要素（例えば、負荷／ホスト回路１１４）に電力を供給する（放電する）。したがって、この状況では、ホスト回路１１４がホストデバイス１１０の「主たる」機能を実施するので、バッテリパック１１２はホスト回路１１４に「主として」電力を供給する。ただし、バッテリパック１１２は、バッテリパック１１２自体の構成要素（例えば、バッテリ管理回路１２０、バッテリフューエルゲージ回路１２２など）にも電力を供給するので、バッテリ１１８の放電中にバッテリパック１１２を適切に機能させるように維持され得る。

バッテリ１１８の充電容量の最大又は最適な量がホスト回路１１４に利用可能になるように、バッテリパック１１２の構成要素がバッテリ１１８から消費する電力が比較的少ないことが望ましい。また、背景技術において述べたように、ホストデバイス１１０がバッテリ１１８をデータの喪失の危険なく最も効率よく使用し得るように、フューエルゲージ回路１２２がバッテリ１１８の残容量をできる限り正確に推定することも望ましい。また、バッテリ１１８の特性／パラメータ（例えば、ＳＯＣ、内部インピーダンス、残容量など）を正確に推定することより、ホストデバイス１１０がその電力使用を、バッテリ１１８が放電終了に近づいたときに必須でないサブシステムを停止するか、電力設定を下げるか、又は性能を落とすことによって、且つ／又は、バッテリのインピーダンスが高すぎる（すなわち、バッテリ１１８の経年変化がかなり進んだ）場合に高電流動作を可能にしないことによって、能動的に管理及び最適化することもできる。

これらの競合する目的のバランスをとるために、フューエルゲージ回路１２２は、好ましくは、バッテリ１１８の１つ又は複数の特性パラメータ（インピーダンス又は抵抗など）をバッテリ１１８の状態に応じた複数のレートで更新する。このように、フューエルゲージ回路１２２は、好ましくは、過大推定によるデータ喪失のリスクが極めて低くなるほどバッテリ１１８の状態（例えば、とりわけ、残容量、充電の状態、又は放電の深さ）が充分に高いと推定されるときには、より遅いレートでパラメータを更新する。しかし、バッテリ１１８の推定状態が何らかの閾値に達するか又はそれを過ぎた場合には、パラメータ更新レートが増加される、すなわち、更新間隔が短くなる。したがって、閾値を過ぎる前のフューエルゲージ回路１２２が消費する電力は比較的小さく、閾値を過ぎた後のバッテリ１１８の状態の推定の正確さは比較的高い。閾値を過ぎた後でのフューエルゲージ回路１２２が消費する電力の増加は、バッテリ１１８の状態の推定のよりよい正確さに対するトレードオフになる。これは、ホストデバイス１１０の制御シャットダウンを開始しなければならなり得、かつ、能動的な電力管理がより必須になるとき、バッテリ１１８の状態が放電終了点に近づくからである。

バッテリパック１１２（例えば、バッテリ管理回路１２０及び／又はフューエルゲージ回路１２２）は、一般に、適切な通信プロトコルに従って適切なインターフェース回路（図示せず）を介して、ホストデバイス１１０内の他の構成要素（例えば、負荷／ホスト回路１１４）と双方向デジタルバス１２４を介して通信する。双方向デジタルバス１２４は、標準ＳＭＢｕｓ（スマートバス）、標準Ｉ２Ｃ（集積回路間）バス、別のシリアル又はパラレルインターフェース、或いは任意の他の適切な標準又は専用通信手段とし得る。

バッテリパック１１２は、典型的には、様々な理由からホストデバイス１１０内の他の構成要素と通信する。例えば、フューエルゲージ回路１２２によって判断されるバッテリ１１８の状態が終了点に達したか又はそれを過ぎたとき、ホストデバイス１１０の制御シャットダウンを開始するための命令がホスト回路１１４に送信され得る。また、フューエルゲージ表示／アイコン／インジケータをホストデバイス１１０のユーザに示すことができるように、バッテリ１１８の状態に関するデータがホスト回路１１４に送信され得、それにより、ホストデバイス１１０がそれ自体をシャットダウンする前に、バッテリ１１８を再充電すべき時点をユーザが主観的に予測することができるようになる。これらの例はいずれも、バッテリ１１８の状態が正確に推定されることに依存している。（制御シャットダウンを開始する前にバッテリ１１８の状態を正確に推定することの必要性は上記で説明した。）

フューエルゲージ表示／アイコン／インジケータに関して、これらは典型的にはバッテリ１１８の状態の比較的低解像度の（すなわち正確さが低い）表示をユーザに提供するが、バッテリ１１８の状態をより正確な推定により（これはフューエルゲージ表示／アイコン／インジケータに反映される）、ユーザはより明確にホストデバイス１１０に関して知ることになる。特に、（フューエルゲージ表示／アイコン／インジケータによって示されるような）バッテリ１１８の充電の状態の過大推定がかなり不正確であると、ユーザはホストデバイス１１０をＡＣアダプタ／充電器１１６につなぐのを遅らせることになり得、そのため、ホストデバイス１１０のシャットダウンによりユーザに不便をかけるか、ユーザをいらだたせる可能性が大きくなる。一方、充電の状態の過小推定がかなり不正確であると、不必要且つ不便にも、シャットダウンを防ぐために真に必要であるよりも早くバッテリ１１８を再充電する必要があるとユーザに思わせ、ユーザがややパニックに陥ることになりかねない。

多くの異なる種類及び組合せの回路構成要素を用いて、図２及び図３に示す回路を形成し、本明細書で説明する機能を実施し得ることを理解されたい。したがって、図２及び図３に示し本明細書で説明する特定の回路構成要素及び相互接続は、多くの可能な実施形態の単に１つの簡略化したバージョンを示しており、特許請求の範囲を不必要に限定することは意図していない。また、（上記で触れた）米国特許番号第６，７８９，０２６号、６，８３２，１７１号、及び６，８９２，１５０号では、ホストデバイス１１０及び／又はバッテリパック１１２に組み込まれ得る例示の回路の付加的な説明がなされている。
米国特許番号第６，７８９，０２６号 米国特許番号第６，８３２，１７１号 米国特許番号第６，８９２，１５０号

図示した実施形態では、バッテリパック１１２は、概して、バッテリ管理回路１２０及びフューエルゲージ回路１２２に加えて、充電トランジスタ１２６、放電トランジスタ１２８、電流感知抵抗１３０、及び温度センサ１３２を含む。バッテリ管理回路１２０は、概して、他の候補となる構成要素の中でも、低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧レギュレータ回路１３４、コントローラ回路１３６、１つ又は複数のドライバ回路１３８、及び電圧感知回路１４０を含む。フューエルゲージ回路１２２は、概して、他の候補となる構成要素の中でも、１つ又は複数のアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１４２、マイクロプロセッサ１４４、及び少なくとも１つのメモリ１４６を含む。

ＬＤＯ電圧レギュレータ回路１３４は、バッテリ１１８の正の端子電圧（Ｖｂａｔｔ）を受け取る。バッテリ１１８の端子電圧（Ｖｂａｔｔ）から、ＬＤＯ電圧レギュレータ回路１３４は、概して、他の候補となる構成要素の中でも、バッテリ管理回路１２０及びフューエルゲージ回路１２２の構成要素の動作のための電力を提供する。

バッテリ管理回路１２０（時折フロントエンド回路又はチップと称する）は、概して、様々な機能の中でも、バッテリ１１８の充電及び放電をモニタリング及び管理する。そのため、コントローラ回路１３６の制御下で、ドライバ回路１３８は、ライン１４８及び１５０上にゲート駆動電圧を生成して、それぞれ充電トランジスタ１２６及び放電トランジスタ１２８を作動及び作動解除させる。充電トランジスタ１２６及び放電トランジスタ１２８のこの動作により、バッテリ１１８の充電及び放電がラインＶｐａｃｋｐを介して制御される。

電圧感知回路１４０は、例えば、レベルトランスレータ回路、又は他の適切なデバイスとし得る。図示した実施形態では、電圧感知回路１４０は、バッテリ１１８の端子電圧を測定するために、バッテリ１１８の正の端子電圧（Ｖｂａｔｔ）を受け取る。電圧感知回路１４０の出力は、バッテリ１１８の端子電圧を表すアナログ電圧である。（他の実施形態では、電圧感知回路１４０は、バッテリ１１８に含まれる個々のセルの１つ又は複数の電圧を測定するよう、適切な回路により結合され得る。次いで、適切な計算を行ってバッテリ１１８の端子電圧を求めることができる。）

バッテリ管理回路１２０による制御機能の幾つかは、本明細書で説明される、及び（任意で）上記で参照した米国特許に記載された機能に従って、フューエルゲージ回路１２２からの命令（例えば、様々な構成、安全、及び制御情報）に応答して行われる。バッテリ管理回路１２０とフューエルゲージ回路１２２の間の（例えば、それぞれコントローラ回路１３６及びマイクロプロセッサ１４４による）通信は、概して、別の適切な双方向デジタルバス１５２を介して行われる。

フューエルゲージ回路１２２は、他の可能な入力電圧の中でも、電圧感知回路１４０の出力、温度センサ１３２の出力、及び電流感知抵抗１３０の電流感知電圧などの、データ、測定値、又は信号を受け取る。これらの入力電圧は、複数のＡＤＣ１４２のうち適切なものに供給される。ＡＤＣ１４２は、概して、これらの入力電圧を、他の可能な測定値の中でも、端子電圧、放電電流、及びバッテリ温度のデジタル等価物に変換する。

フューエルゲージ回路１２２内では、ＡＤＣ１４２、マイクロプロセッサ１４４、及びメモリ１４６は、概して、更に別の適切な双方向デジタルバス１５４を介して互いに通信する。マイクロプロセッサ１４４は、バス１５４を介して（メモリ１４６に記憶される）１つ又は複数のプログラム１５６にアクセスする。これらのプログラムを用いて、マイクロプロセッサ１４４は、フューエルゲージ回路１２２の様々な機能を実施又は制御する。プログラム１５６の１つ又は複数に従って、マイクロプロセッサ１４４は、ＡＤＣ１４２によって生成される受信測定値のデジタル等価物、及びメモリ１４６に記憶される１つ又は複数のデータベース１５８に保持されるデータにアクセスする。バス１５４は、好ましくは、適切なインターフェース回路を介して双方向デジタルバス１２４にも結合される。

データベース１５８は、一般に、様々なテーブルを含む。１つのこのようなテーブルの例には、バッテリ１１８の測定値及びパラメータの１つ又は複数の関数、或いはこれらの測定値及びパラメータから計算され得るバッテリ１１８の状態の関数として、バッテリ１１８の開回路電圧（ＯＣＶ）が含まれる。例えば、このテーブルは、バッテリ１１８を製造するに先だって実験的に求められるバッテリ１１８のＳＯＣ又はＤＯＤに依存するＯＣＶを有していてもよい。別の例示のテーブルは、ＳＯＣ（又はＤＯＤ）及び温度の関数として、バッテリ１１８の抵抗又はインピーダンスを含み得る。

プログラム１５６の制御下でデータベース１５８を用いてマイクロプロセッサ１４４によって実施される１組の例示の手順は、比較的長い緩和期間、すなわち、バッテリ１１８による活動がないか又は極めて少ない期間、の後バッテリ１１８が平衡状態に達したと思われるときに、上記の測定値からバッテリ１１８のＯＣＶを決定することを含み得る。ＯＣＶをこのように決定した状態で、データベース１５８内のＯＣＶ対ＳＯＣのテーブルからＳＯＣが読み出される。このようにして、初期ＳＯＣ値（ＳＯＣ＿０）が得られ、この初期ＳＯＣ値は、ホストデバイス１１０の動作（すなわち、バッテリの放電）中に、クーロンカウント技術を用いて更新される。ＳＯＣをこのように更新した後、かつ、放電中にＳＯＣが更新点に達したか又はそれを過ぎたと判断されると、更新されたＯＣＶが、ＯＣＶ対ＳＯＣのテーブルから読み出される。更新されたＯＣＶ及び測定された端子電圧、並びに平均放電電流を用いて、バッテリ１１８の抵抗が計算される。計算された抵抗を用いて、適切なＩＲ補正を実施するために抵抗テーブル（例えば、抵抗対ＳＯＣ及び温度）が更新され、そのため、放電終了までの残りの時間が推定され得る。（上述の諸米国特許出願に、これらの計算及び手順の幾つかを実施する例が提供されている。）

本発明の様々の実施形態に従って、バッテリ１１８の１つ又は複数の状態（例えば、ＳＯＣ、ＤＯＤ、ＯＣＶ、端子電圧など）が閾値を過ぎた後、１つ又は複数のパラメータ（例えば、抵抗、インピーダンスなど）が放電中に更新されるレートが増加される（又は、パラメータ更新間隔が短縮される）。図４、図５、及び図６に示すグラフは、この閾値を求めるための好ましい方法を示す補助である。これらのグラフは必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。そうではなくて、これらのグラフは、パラメータ更新レート又は間隔を変更する時点を決定するためにモニタリングするよう選択されるバッテリ１１８の特定の状態に対する閾値を設定する方法を決定する補助となる、例示のバッテリ１１８の或る特性を強調するように描かれている。

図４は、バッテリ端子電圧（ボルト又はミリボルト単位）に対する、使用されたバッテリ容量（アンペア時間又はミリアンペア時間単位）を表す３つの例示の簡略化したグラフ１６０、１６２、及び１６４を示す。第１のグラフ（ＯＣＶ）１６０は、バッテリ１１８のＯＣＶに関するものであり、そのため、バッテリ１１８の端子電圧の理論最大値に対する、使用された容量を表す。第２のグラフ（Ｃｙｃｌｅ＿１）１６２は、バッテリ１１８の第１の放電サイクル中の端子電圧に関するものである。第３のグラフ（Ｃｙｃｌｅ＿Ｎ）１６４は、バッテリ１１８の仮想のＮ番目の放電サイクル中の端子電圧に関するものである。これらのグラフからわかるように、使用されたバッテリ容量が増加するにつれて、各グラフ１６０〜１６４でバッテリ１１８の端子電圧が減少する。

図４には放電終了電圧（ＥＤＶ）も示されている。ＥＤＶは、ホストデバイス１１０の電子構成要素がもはや正しく動作しないか又はホストデバイス１１０が突然シャットダウンすることによりデータの喪失又は破壊が起こり得るところまでバッテリ１１８の端子電圧が低下するのを防ぐために、ホストデバイス１１０を問題なくシャットダウンしなければならない時点の又はその前の、バッテリ１１８の端子電圧を表す。したがって、第１のグラフ（ＯＣＶ）１６０がＥＤＶと交差する点は、バッテリ１１８の理論最大容量（Ｑ＿ｍａｘ）を表す。一方、第２及び第３のグラフ１６２及び１６４がＥＤＶと交差する点は、それぞれ第１の放電サイクル中及びＮ番目の放電サイクル中のバッテリ１１８の使用可能な容量（Ｑ＿ｕｓｅ＿１及びＱ＿ｕｓｅ＿Ｎ）を表す。

第１のグラフ（ＯＣＶ）１６０と第２のグラフ（Ｖ＿ｂａｔ＿１）１６２又は第３のグラフ（Ｖ＿ｂａｔ＿Ｎ）１６４との間の垂直差ＩＲ＿１又はＩＲ＿Ｎはそれぞれ、バッテリ１１８の内部抵抗又はインピーダンスに因るＩＲ降下を示す。グラフからわかるように、バッテリ１１８の内部抵抗又はインピーダンスに因るＩＲ降下は、放電サイクル数の増加、すなわち、バッテリ１１８の「経年変化」とともに（例えば、ＩＲ＿１からＩＲ＿Ｎに）増加する。その結果、使用可能な容量は、バッテリ１１８の経年変化とともに（例えば、Ｑ＿ｕｓｅ＿１からＱ＿ｕｓｅ＿Ｎに）減少する。

各グラフ１６０〜１６４の傾きは、概して、それらの終端部分１６６内で、（ほぼ）中間部分１６８と比べてかなり大きく増加する。そのため、グラフ１６０〜１６４は、ＥＤＶ近くでより速く減少し始める。この変化は、概して、バッテリ１１８のパラメータの１つ又は複数の変化率が増加することに起因する。また、これらのパラメータの１つ又は複数が終端部分１６６ではより速く変化しているため、パラメータ更新点前のパラメータの計算値の正確さの不確かさが大きくなり、そのため、このパラメータに基づく他のバッテリ特性の推定の不正確さも大きくなる。したがって、終端部分１６６に入る前、又は終端部分１６６のほぼ始まりで、このパラメータを更新するレートを増加させることが望ましい。言い換えると、終端部分１６６の開始時、開始前、又は開始直後にパラメータ更新レートが増加するように、モニタリングされるバッテリ１１８の状態のための閾値を設定することが好ましい。

図５は、バッテリ１１８の抵抗スケーリング係数に対する、充電の状態（ＳＯＣ）を示す例示の簡略化されたグラフ１７０である。抵抗スケーリング係数は、このパラメータを更新する際に、抵抗テーブル内のバッテリ１１８の内部抵抗又はインピーダンス値に乗ずる又はスケーリングする値である。したがって、抵抗スケーリング係数１．０は、テーブル内の抵抗値がまったく変化しないことを意味する。抵抗スケーリング係数が値１．０から離れているほど、テーブル内の抵抗値の変化も大きくなる。グラフからわかるように、抵抗スケーリング係数は、バッテリ１１８の充電の状態が減少するにつれて値１．０から逸れる。ほぼ点１７２で、抵抗スケーリング係数は、バッテリ１１８の充電の状態がさらに減少するとともに、値１．０からさらに速く逸れ始める。その結果、抵抗スケーリング係数が値１．０からさらに速く逸れるにつれ、このパラメータの正確さの不確かさが大きくなり、各パラメータ更新点前の、このパラメータに基づくバッテリ１１８のいかなる状態の推定の不正確さも大きくなる。したがって、点１７２で又はその前に（例えば、バッテリ１１８のＳＯＣの範囲１７４内で）、パラメータ更新レート変更閾値を設定することが望ましい。

図６は、バッテリ１１８の初期抵抗（オーム単位）に対するＳＯＣを示す例示の簡略化されたグラフ１７６である。グラフ１７６からわかるように、初期抵抗はＳＯＣの全範囲にわたっていくらか変化するが、ＳＯＣがゼロに近づくと（グラフ１７６の左端）、バッテリ１１８の初期抵抗が急激に増加することが示されている。従って、ＳＯＣがゼロに近づくと、このパラメータの正確さの不確かさが大きくなり、各パラメータ更新点前の、このパラメータに基づくバッテリ１１８のいかなる状態の推定の不正確さも大きくなる。そのため、バッテリ１１８の初期抵抗が急激に増加する前に（例えば、バッテリ１１８のＳＯＣの範囲１７８内で）、パラメータ更新レート変更閾値を設定することが望ましい。

実験により、パラメータ更新レートを増加すべき適切な閾値が、約１０％〜２０％の間のＳＯＣ値にあることが示されている。また、グラフ１６０、１６２、１６４、１７０、及び１７６も、ＳＯＣのこの範囲内に閾値を設定することを支持している。ただし、バッテリ１１８の状態の推定の正確さとフューエルゲージ回路１２２が消費する電力との妥当なバランスをとるために実験及び経験が示し得るように、バッテリ１１８の他の状態を用いて適切な閾値を求めることができ、この閾値を他の値に又は他の範囲内に設定し得ることを理解されたい。

図７は、バッテリ１１８のパラメータ（例えば、抵抗、インピーダンスなど）の１つ又は複数が２つ以上のレートで更新される放電サイクルについての、バッテリ端子電圧に対する推定残容量（アンペア時間又はミリアンペア時間単位）を示すグラフ１８０である。図１と同様に、バッテリの例示電圧に対する真の残容量を示すグラフ１０２も示されている。また、残容量がゼロの点１０６も示されている。バッテリの放電が終了する電圧（放電終了電圧：ＥＤＶ）も示されている。

前述のように、真の残容量のグラフ１０２は、その端子電圧に対する試験中のバッテリの実際の残容量を確認するために実験室で一般に求められる例を表す。推定残容量のグラフ１８０は、上述したように、データベース１５８（図３）内のテーブル並びにホストデバイス１１０内のバッテリ１１８の動作中に測定される端子電圧、放電電流、及び温度の値に基づいて残容量を計算することから得ることができる例を表す。したがって、推定残容量のグラフ１８０は、上記で概略述べたように、残容量を計算するために用いられる１つ又は複数のパラメータが更新される更新点を含む。また、推定残容量のグラフ１８０は、上述したように好ましくは範囲１８２内の閾点も含む。この閾点の前（上及び右）では、パラメータ更新レートは閾点後のパラメータ更新レートより小さい。すなわち、パラメータ更新間隔は、閾点の前のほうがその後よりも大きい。

パラメータ更新レートの変更の結果として、グラフ１８０の閾点後の部分についての残容量の推定に対する補正は、グラフ１０２及び１８０に用いられる分解能では、特に、従来技術のグラフ１０４（図１）と比較したとき、顕著ではない。すなわち、グラフ１８０には顕著な突然の水平傾斜はない。また、残容量がゼロに近づくにつれて、真の残容量のグラフ１０２及び推定残容量のグラフ１８０は互いに近づくように見える。言い換えると、パラメータ更新レートを増加させると、バッテリ１１８の状態の推定の正確さが、推定計算の誤差がゼロに近づく地点まで向上する。したがって、推定残容量のグラフ１８０は、真の残容量のグラフ１０２が交差する点にかなり近い地点で放電終了電圧（ＥＤＶ）と交差し、そのため、制御システムシャットダウン手順を、それを真に開始する必要がある地点のより近くで開始することができ、それにより全バッテリ容量が最適に使用される。

実施形態によっては、閾点の前後の間隔長は、概して、ＳＯＣ（又はＤＯＤ）の割合、又はバッテリ１１８の他の適切な状態によって定義される。例えば、閾点の前では、パラメータ更新点は、ＳＯＣの１０％の倍数毎に生じ得る。閾値の後では、更新点は３．３％の倍数毎に生じ得、それにより、更新間隔がその閾値前の値の１／３まで低減する。これらの特定の数値は単に例示を目的として示されたものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

バッテリ駆動ホストデバイス（例えば１１０）内の充電可能なバッテリ（例えば１１８）の状態をその放電中にモニタリングするための本発明の一実施形態に組み込む例示手順１８４を図８に示す。幾つかの実施形態では、手順１８４は、メモリ１４６内のプログラム１５６の１つ又は複数として記憶される。手順１８４は、概して、バッテリ１１８に関連する少なくとも１つの測定値を得ること、データベース１５８内のテーブルのうち１つ又は複数のテーブルの値を参照すること、バッテリ１１８の少なくとも１つの状態（例えば、ＳＯＣ、ＤＯＤ、残容量など）を適宜改訂／再計算すること、バッテリ１１８の１つ又は複数のパラメータを更新すること、及びバッテリ１１８の状態が閾値に達するか又はそれを過ぎたときパラメータ更新レートを変更することを含む、様々な機能を実施する。ただし、この手順１８４は、本発明の特定の実施形態の単なる１つの例であること、そして、類似の結果に到達するための類似の又は異なるステップ、機能、サブルーチンなどを有する他の可能な手順も本発明の範囲に含まれることを理解されたい。さらに、例示の手順１８４の幾つかの変形形態も、フローチャート内の動作の一部の順序又は配置を変更することによって可能である。また、手順１８４における任意の適切な箇所において、バッテリ１１８の状態を、ホスト回路１１４などのホストデバイス１１０の他の構成要素に通信することもできる。

例えば放電サイクルの開始時などで開始する（１８６）と、例示手順１８４は、（上述のように求められる）ＳＯＣ＿０などのバッテリ１１８の初期状態又はバッテリ１１８の直近に推定されたＳＯＣを得る（１８８）。また、手順１８４は、初期パラメータ更新レート（又は更新間隔）及び初期パラメータ更新点も設定する（１９０）。バッテリ１１８の状態が閾点を上回る／閾点前である状態で放電サイクルが開始される場合、初期パラメータ更新レートは、より低い／より遅いレートに設定される（１９０）。一方、バッテリ１１８の状態がすでに閾点を下回る／閾点後である状態で放電サイクルが開始される場合、初期パラメータ更新レートは、より高い／より速いレートに設定される（１９０）。しかし、幾つかの代替形態では、更新レート又は間隔を設定する代わりに、更新点がテーブル又はアレイに記憶され、バッテリ１１８の初期状態に基づいて適切な更新点にポインタが設定される（１９０）。

バッテリ１１８に関連する測定値（例えば、端子電圧、放電電流、温度など）は、上述したようにＡＤＣ１４２を介して読み出される（１９２）。１９４で、バッテリ１１８の状態が改訂される。一例では、バッテリ１１８の現在の充電状態は、前に求めた充電状態及びクーロンカウントから推定される。前に求めた充電状態は１９４での第１の改訂ではＳＯＣ＿０であるが、１９４でのすべての後続の改訂では、前に求めた充電状態は、充電状態の直近で改訂又は再計算された値である。クーロンカウントは、一般に、手順１８４の始まりからの、或いは直近で改訂又は再計算された充電状態の値からの放電電流の積分に基づいている。

１９６で、バッテリ１１８の放電を終了すべきかどうかが判断される。例えば、１９６での判断は、バッテリ１１８の端子電圧を、ＥＤＶ、ゼロに到達する／近づきつつあるＳＯＣ（又は計算されたバッテリ残容量）、或いは他の適切な計算と比較することに基づき得る。１９６での判断が肯定である場合、ホストデバイス１１０の制御シャットダウンが開始され（１９８）、手順１８４が終了する（２００）。

１９６での判断が否定である場合、パラメータ更新点に到達したか又はそれを過ぎたかどうかが判断される（２０２）。例えば、パラメータ更新点がＳＯＣの所定の値によって定義される場合、１９６では、（１９４で改訂された）ＳＯＣの現在の値がこの所定の値以下であるかどうかが判断される。２０２での判断が否定である場合、パラメータを更新する時点ではないので、手順１８４は１９２に戻り上記を繰り返す。

２０２での判断が肯定である場合、２０４でパラメータの１つ又は複数が（及び好ましくはパラメータスケーリング係数も）計算される。例えば、更新すべきパラメータがバッテリ１１８の内部抵抗（又はインピーダンス）である場合、ＳＯＣの現在の値を用いてＯＣＶ対ＳＯＣのテーブル内のＯＣＶが参照され、ＯＣＶ、端子電圧、及び放電電流に基づいて抵抗が計算される。次いで、この新たな抵抗と、前に推定された、抵抗対ＳＯＣ及び温度のテーブルから得られる抵抗とに基づいて抵抗スケーリング係数が計算される。

パラメータスケーリング係数（例えば、抵抗スケーリング係数）を用いて、パラメータに関するデータベース（例えば、抵抗対ＳＯＣ及び温度のテーブル）が、好ましくは、現在のＳＯＣ値以下のＳＯＣ値に対応する抵抗値のみをスケーリングすることによって、２０６で更新される。好ましくは、バッテリ１１８の状態が、このパラメータ及びパラメータデータベースの更新に応答して再計算される（２０８）。

２１０で、パラメータ更新レートを増加させるための閾点に到達したか又はそれを過ぎたかどうかが判断される。否定の場合、２１２で次のパラメータ更新点が設定される。しかし、２１０での判断が肯定である場合、それに従って、次のパラメータ更新点を設定する（２１２）前にパラメータ更新レートが変更される（２１４）。この新たなパラメータ更新点を用いて、手順は１９２に戻り、放電終了点に到達する（１９６）まで、又はユーザがホストデバイス１１０の電源をオフにするまで、或いは他の方式で現在の放電サイクルが停止するまで、この手順が前と同様に継続される。

例えば、更新点がテーブル又はアレイに記憶されているような幾つかの代替形態では、２１０でしたような判断をしたり、２１４でしたようなパラメータ更新レートを実際に変更したりする必要はない。その代わりに、単にポインタが（例えば、２１２で）テーブル又はアレイ内の次の値まで増分され得、それによって、次の更新点が提供される。

他の実施形態及び変形が本発明の特許請求の範囲内で可能であること、また、簡潔さ又は平易さのために、特徴又はステップが、そのような特徴又はステップの全て又はその幾つかを有する例示の実施形態の文脈で説明されているが、説明した特徴又はステップの１つ又は複数の異なる組合せを有する実施形態も本明細書に包含されることを意図していることが当業者には理解されよう。

Claims (18)

1. バッテリの状態をモニタリングする方法であって、
   前記バッテリの放電中に前記バッテリに関連する少なくとも１つの測定値を繰り返し得ることと、
   前に計算された前記バッテリの状態と、前記測定値と、前記バッテリの少なくとも１つのパラメータとに基づいて、前記バッテリの放電中に前記バッテリの状態を繰り返し計算することと、
   前記バッテリの状態が閾値を過ぎる前に、前記バッテリのパラメータを第１のレートで更新することと、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後に、前記バッテリのパラメータを前記第１のレートより速い第２のレートで更新することと、
   前記パラメータの各更新に応答して前記バッテリの状態を補正することと、
   を含み、
   前記バッテリのパラメータが、前記バッテリの状態に非線形な依存関係を有する前記バッテリのインピーダンスであり、前記閾値が前記バッテリのインピーダンスに関連する係数である、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前の前記パラメータの変化率の平均値が、前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後の前記パラメータの変化率の平均値より小さい、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記バッテリが、前記閾値の後の傾きより小さい前記閾値の前の傾きを有する、端子電圧対容量のグラフによって特徴づけられ得る、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前は、バッテリゲージ回路が第１の電力消費率で電力を消費し、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後は、前記バッテリゲージ回路が前記第１の電力消費率より速い第２の電力消費率で電力を消費する、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記バッテリの状態が前記バッテリの充電のパーセント状態であり、
   前記閾値が１０％〜２０％の間にある、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記閾値が第１の閾値であり、
   前記方法が、
   前記バッテリの状態が前記第１の閾値を過ぎた後、且つ、前記バッテリの状態が第２の閾値を過ぎる前に、前記バッテリのパラメータを前記第２のレートで更新することと、
   前記バッテリの状態が前記第２の閾値を過ぎた後に、前記バッテリのパラメータを前記第２のレートより速い第３のレートで更新することと、
   を更に含む、方法。
7. バッテリの状態をモニタリングするためのバッテリゲージ回路であって、
   前記バッテリの放電中に前記バッテリに関連するデータが受け取られる少なくとも１つの入力と、
   前記データを受け取るように電気的に接続されるプロセッサと、
   を含み、
   前記プロセッサが、
   前記データと、前記バッテリの少なくとも１つのパラメータと、前に改訂された前記バッテリの状態とに基づいて、前記バッテリの状態を繰り返し改訂し、
   前記バッテリの状態が閾値を過ぎる前に第１のレートで前記パラメータを更新し、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後に、前記第１のレートより速い第２のレートで前記パラメータを更新し、
   前記パラメータの各更新に応答して前記バッテリの状態を補正し、
   前記パラメータが、前記バッテリの状態に非線形な依存関係を有する前記バッテリのインピーダンスであり、前記閾値が前記バッテリのインピーダンスに関連する係数である、回路。
8. 請求項７に記載のバッテリゲージ回路であって、
   前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前の前記パラメータの変化率の平均値が、前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後の前記パラメータの変化率の平均値より小さい、回路。
9. 請求項７に記載のバッテリゲージ回路であって、
   前記バッテリが、前記閾値の後の傾きより小さい前記閾値の前の傾きを有する、端子電圧対容量のグラフによって特徴づけられ得る、回路。
10. 請求項７に記載のバッテリゲージ回路であって、
    前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前は、前記バッテリゲージ回路が第１の電力消費率で電力を消費し、
    前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後は、前記バッテリゲージ回路が前記第１の電力消費率より速い第２の電力消費率で電力を消費する、回路。
11. 請求項７に記載のバッテリゲージ回路であって、
    前記バッテリの状態が前記バッテリの充電のパーセント状態であり、
    前記閾値が１０％〜２０％の間にある、回路。
12. 請求項７に記載のバッテリゲージ回路であって、
    前記閾値が第１の閾値であり、
    前記バッテリの状態が前記第１の閾値を過ぎた後、且つ、前記バッテリの状態が第２の閾値を過ぎる前に、前記プロセッサが前記バッテリのパラメータを前記第２のレートで更新し、
    前記バッテリの状態が前記第２の閾値を過ぎた後に、前記プロセッサが前記バッテリのパラメータを前記第２のレートより速い第３のレートで更新する、回路。
13. バッテリの状態をモニタリングするためのバッテリゲージであって、
    前記バッテリの放電中に前記バッテリに関する少なくとも１つの測定値を生成するための手段と、
    前記測定値と前記バッテリに関連する少なくとも１つのパラメータとに基づいて、前記バッテリの放電中に前記バッテリの状態を繰り返し改訂するための手段と、
    前記バッテリの状態が閾値を過ぎる前は第１の更新間隔で、前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後は前記第１の更新間隔より短い第２の更新間隔で、複数の更新点において前記パラメータを更新するための手段と、
    前記パラメータの更新に応答して前記バッテリの状態を補正するための手段と、
    を含み、
    前記パラメータが、前記バッテリの状態に非線形な依存関係を有する前記バッテリのインピーダンスであり、前記閾値が前記バッテリのインピーダンスに関連する係数である、バッテリゲージ。
14. 請求項１３に記載のバッテリゲージであって、
    前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前の前記パラメータの変化率の平均値が、前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後の前記パラメータの変化率の平均値より小さい、バッテリゲージ。
15. 請求項１３に記載のバッテリゲージであって、
    前記バッテリが、前記閾値の後の傾きより小さい前記閾値の前の傾きを有する、端子電圧対容量のグラフによって特徴づけられ得る、バッテリゲージ。
16. 請求項１３に記載のバッテリゲージであって、
    前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎる前は、前記バッテリゲージが第１の電力消費率で電力を消費し、
    前記バッテリの状態が前記閾値を過ぎた後は、前記バッテリゲージが前記第１の電力消費率より速い第２の電力消費率で電力を消費する、バッテリゲージ。
17. 請求項１３に記載のバッテリゲージであって、
    前記バッテリの状態が前記バッテリの充電のパーセント状態であり、
    前記閾値が１０％〜２０％の間にある、バッテリゲージ。
18. 請求項１３に記載のバッテリゲージであって、
    前記閾値が第１の閾値であり、
    前記パラメータを更新するための手段が、前記バッテリの状態が前記第１の閾値を過ぎた後、且つ、前記バッテリの状態が第２の閾値を過ぎる前に、前記パラメータを前記第２の更新間隔で更新し、前記バッテリの状態が前記第２の閾値を過ぎた後に、前記パラメータを前記第２の更新間隔より短い第３の更新間隔で更新する、バッテリゲージ。