JP6386816B2 - バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 - Google Patents

バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池の電圧や異常を検知するバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置に関し、特に、二次電池の残量予測機能および劣化診断機能を搭載したバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置に関する。
図５に、従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の概略図を示す。従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置は、二次電池５０１と、電流源５１１と、電流源５１２と、スイッチ回路５１０を備えている。二次電池５０１は、電池容量５０２と、抵抗５０３と、抵抗５０４と、容量５０５により等価回路で表すことができる。スイッチ回路５１０は、電流源５１１と電流源５１２を切替えるように動作する。電流源５１１と電流源５１２は、夫々異なる電流値Ｉ１とＩ２の電流を流す。
スイッチ回路５１０によって電流源５１１と電流源５１２を切り替えて、二次電池５０１への充電電流を周期的に変化させる。そして、夫々の時点での二次電池の電圧を測定して、抵抗５０３と抵抗５０４の抵抗値を求める。
これらの抵抗値を用いて、二次電池の寿命診断を行う方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１３３３２２号公報
しかしながら、従来の技術では、充電中に所定の周期で充電電流を変化させて、夫々の電圧を測定しなければならず、充電器および充電方法の制限があるという課題があった。また、二次電池使用時の電流又は電圧変動がある場合は、二次電池の内部抵抗を算出することが困難、という課題がある。さらに、近似式による計算で二次電池の寿命診断を行わなければならない、という課題があった。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、どのような充電器を用いても充電しながら二次電池の残量予測が可能であり、二次電池の電流又は電圧変動がある場合や放電しながらでも二次電池の残量予測が可能であり、また、近似式に寄らない二次電池の寿命診断ができるバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供するものである。
従来の課題を解決するために、本発明のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置は以下のような構成とした。
二次電池の擬似等価回路と、二次電池の充放電電流を検出するためのセンス抵抗と、入力端子がセンス抵抗の両端に接続され、出力端子が擬似等価回路に接続され、センス抵抗の両端の電圧を測定し、充放電電流に応じた電流を擬似等価回路に流す電圧電流変換器と、第一端子の電圧を監視する第一Ａ／Ｄコンバータと、擬似等価回路の開放電圧を監視する第二Ａ／Ｄコンバータと、第一Ａ／Ｄコンバータの出力信号と第二Ａ／Ｄコンバータの出力信号から二次電池の残量を検出する演算回路と、を備えたバッテリ状態監視回路。
本発明のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置によれば、一般的な充電器を用いて充電していても、また、二次電池の電流又は電圧変動がある場合にも、精度良く二次電池の残量予測が可能であり、また、近似式によらない二次電池の寿命診断ができる、という効果がある。
第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。 第一の実施形態の他の例のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。 第二の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。 第二の実施形態の他の例のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。 従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の概略図である。
以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置は、バッテリ状態監視回路１１と、二次電池１０１と、容量１１２と、充電器または負荷が接続される外部端子１３１及び外部端子１３２を備えている。
二次電池１０１は、正極端子１０６と、負極端子１０７を備えている。二次電池１０１は、電池容量１０２と、抵抗１０３と、抵抗１０４と、容量１０５により等価回路で表すことができる。
バッテリ状態監視回路１１は、ＶＤＤ端子１１６と、ＶＳＳ端子１１７と、容量接続端子１２７と、外部接続端子１２８と、出力端子１２９を備えている。
二次電池１０１は、負極端子１０７がバッテリ状態監視回路１１のＶＳＳ端子１１７に接続され、正極端子１０６がバッテリ状態監視回路１１のＶＤＤ端子１１６に接続される。
容量１１２は、バッテリ状態監視回路１１の容量接続端子１２７とＶＳＳ端子１１７の間に接続される。
バッテリ状態監視回路１１は、ＶＤＤ端子１１６が外部端子１３１に接続され、外部接続端子１２８が外部端子１３２と接続される。
バッテリ状態監視回１１は、抵抗１１３と、抵抗１１４と、容量１１５と、Ａ／Ｄコンバータ１１８と、Ａ／Ｄコンバータ１１９と、演算回路１２０と、センス抵抗１２１と、電圧電流変換器１２２と、通信回路１２６を備えている。Ａ／Ｄコンバータ１１８は、二次電池１０１の電圧を監視する。Ａ／Ｄコンバータ１１９は、容量接続端子１２７の電圧を監視する。
直列に接続され抵抗１１３と抵抗１１４と、抵抗１１４と並列に接続された容量１１５は、容量接続端子１２７と電圧電流変換器１２２の出力端子の間に接続される。センス抵抗１２１は、外部接続端子１２８とＶＳＳ端子１１７の間に接続される。電圧電流変換器１２２は、第一入力端子と第二入力端子にセンス抵抗１２１の両端が接続される。Ａ／Ｄコンバータ１１８は、入力端子がＶＤＤ端子１１６に接続される。Ａ／Ｄコンバータ１１９は、入力端子が容量接続端子１２７に接続される。演算回路１２０は、第一入力端子がＡ／Ｄコンバータ１１８の出力端子と接続され、第二入力端子がＡ／Ｄコンバータ１１９の出力端子と接続される。通信回路１２６は、入力端子が演算回路１２０の出力端子に接続さ、出力端子はバッテリ状態監視回１１の出力端子１２９に接続される。図示はしないが、電圧電流変換器１２２などは、正負電源端子に夫々ＶＤＤ端子１１６とＶＳＳ端子１１７が接続される。
次に、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路の動作について説明する。
容量１１２と、抵抗１１３と、抵抗１１４と、容量１１５は、二次電池１０１の等価回路と同じ回路を構成する。
電池容量１０２の容量値をＣｂａｔ、抵抗１０３の抵抗値をＲｂ１、抵抗１０４の抵抗値をＲｂ２、容量１０５の容量値をＣｂとする。容量１１２の容量値をＣｍｄｂ、抵抗１１３の抵抗値をＲｍｄ１、抵抗１１４の抵抗値をＲｍｄ２、容量１１５の容量値をＣｍｄとする。電池容量Ｃｂａｔと容量Ｃｍｄｂは、Ｃｍｄｂ÷Ｃｂａｔ＝Ｎ（Ｎは定数）の関係にあるものとすると、その他の素子はＣｍｄ＝Ｃｂ×Ｎ、Ｒｍｄ１＝Ｒｂ１÷Ｎ、Ｒｍｄ２＝Ｒｂ２÷Ｎとなるように設定する。二次電池１０１へ流れる電流をＩｂａｔとすると、Ｉｍｄ＝Ｉｂａｔ×Ｎと設定する。充電電流と放電電流は、符号が逆の関係にある。電流Ｉｍｄは、電圧電流変換器１２２の出力端子とＶＳＳ端子１１７間に流れる電流である。
充電電流Ｉｂａｔは、外部端子１３１から二次電池１０１、ＶＳＳ端子１１７からセンス抵抗１２１介して外部接続端子１２８、そして外部端子１３２へ流れる。センス抵抗１２１の抵抗値は、ＶＳＳ端子１１７と外部端子１２８の端子間の抵抗値Ｒｓを測定すれば得られる。よって、電圧電流変換器１２２でセンス抵抗１２１の両端の電圧Ｖｓを測定すれば、電流Ｉｂａｔの値（Ｖｓ／Ｒｓ）が分かり、電流Ｉｍｄを作ることができる。電圧電流変換器１２２は、電流Ｉｍｄによって抵抗１１４と抵抗１１３を介して容量１１２へ充電又は放電を行うことができる。このように動作させることで、二次電池１０１の充放電を、バッテリ状態監視回路１１と容量１１２で擬似的に行うことができる。
従って、Ａ／Ｄコンバータ１１９で容量接続端子１２７の電圧を測定すれば、二次電池１０１の電池容量１０２の電圧値（開放電圧）が擬似的に得ることができる。そして、この測定値を演算回路１２０へ入力する。演算回路１２０は、二次電池１０１の開放電圧の上限値と下限値が格納されており、それらと測定値とを演算回路１２０で比較し計算することで二次電池１０１の残量予測ができる。この残量予測値は、通信回路１２６を介して出力端子１２９へ出力され、例えば外部に接続された機器に送信される。
ここで、精度良く残量予測を行うためには、例えば、ＣｍｄｂはＣｂａｔと、ＣｍｄはＣｂと類似の特性を有する容量を用いればよい。また、Ｒｍｄ１はＲｂ１と、Ｒｍｄ２はＲｂ２と類似の特性を有する抵抗を用いればよい。
なお、図示はしないが、Ａ／Ｄコンバータ１１９の入力端子を、スイッチ回路によって容量接続端子１２７と抵抗１１４の第二端子に切替えて接続させるようにしてもよい。このようにすると、二次電池１０１の経時変化による内部インピーダンスの増加を検出することが出来る。従って、この検出結果を利用して、容量１１２の電圧を補正することで、より精度良く残量予測を行うことが出来る。
また、Ａ／Ｄコンバータ１１８で二次電池１０１の電圧を測定することができる。二次電池１０１の無負荷時の電圧と電流が流れている時の電流と電圧を測定し、演算回路で抵抗１０３と抵抗１０４の抵抗値を計算し演算回路に記憶させておく事もできる。この抵抗値を初期値と比較し、二次電池の内部抵抗である抵抗１０３と抵抗１０４の劣化度合いを判断できる。
また、Ａ／Ｄコンバータ１１８で測定した二次電池１０１の無負荷時の電圧と、Ａ／Ｄコンバータ２で測定した容量接続端子１２７の電圧を演算回路１２０で比較することもできる。
また、図示はしないが、温度測定回路を搭載し温度情報を演算回路１２０に持たせることもでき、Ｉｍｄや、可変抵抗とした抵抗１１４や、可変抵抗とした抵抗１１３へ温度特性変化を考慮した補正を行うことも可能である。
また、センス抵抗１２１は、バッテリ状態監視回路１１に内蔵しても、外付けの部品で構成しても良い。
図２は、第一の実施形態の他の例のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。このように、ＶＤＤ端子１１６と容量接続端子１２７の間にスイッチ回路２１２を設けても良い。
このように構成したバッテリ状態監視回路２１は、二次電池１０１へ充放電電流が流れていないときにスイッチ回路２１２をショートさせ、スイッチ回路２１２がショートしている間に、容量１１２の電圧を二次電池１０１の電圧と等しくすることができる。
その他の動作は、図１のバッテリ状態監視回路１１と同様であり、従って、二次電池１０１の残量を精度良く予測することができる。
なお、スイッチ回路２１２は、任意の周期でオープンとショートを繰り返してもよい。
以上に説明したように、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置によれば、容量接続端子１２７の電圧値を測定するだけで二次電池１０１の残量を精度良く予測することができる。
＜第二の実施形態＞
図３は、第二の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。以下、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路との違いについて説明する。
バッテリ状態監視回１１１は、さらに、定電流回路１２３と、定電流回路１２４を備えている。演算回路１２０は、さらに第二出力端子と第三出力端子を備えている。
定電流回路１２３は、ＶＤＤ端子１１６と容量接続端子１２７の間に接続され、制御端子に演算回路１２０の第二出力端子が接続される。定電流回路１２４は、容量接続端子１２７とＶＳＳ端子１１７の間に接続され、制御端子に演算回路１２０の第三出力端子が接続される。
次に、第二の実施形態のバッテリ状態監視回路の動作について説明する。
二次電池１０１の等価回路を擬似回路については、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路と同様であるので、説明を省略する。
演算回路１２０は、Ａ／Ｄコンバータ１１８で測定した二次電池１０１の無負荷時の電圧と、Ａ／Ｄコンバータ１１９で測定した容量１１２の電圧を比較する。このとき、比較した電圧に差が有る場合に、演算回路１２０は定電流回路１２３と定電流回路１２４を制御して、容量１１２の電圧と二次電池１０１の無負荷時の電圧が等しくなるようにする。
このように構成することによって、バッテリ状態監視回路１１１は、二次電池１０１の残量を精度良く予測することができる。
図４は、第二の実施形態の他の例のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置のブロック図である。このように、ＶＤＤ端子１１６と容量接続端子１２７の間にスイッチ回路２１２を設けても良い。
このように構成したバッテリ状態監視回路２１１は、二次電池１０１へ充放電電流が流れていないときにスイッチ回路２１２をショートさせ、スイッチ回路２１２がショートしている間に、容量１１２の電圧を二次電池１０１の電圧と等しくすることができる。
その他の動作は、図３のバッテリ状態監視回路１１１と同様であり、従って、二次電池１０１の残量予測がより精度良くできる。
なお、スイッチ回路２１２は、任意の周期でオープンとショートを繰り返してもよい。
以上に説明したように、第二の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置によれば、容量接続端子１２７の電圧値を測定するだけで二次電池１０１の残量予測が精度良く求めることができる。
なお、第一の実施形態及び第二の実施形態のバッテリ状態監視回路は、図示はしないが、二次電池１０１の電圧を監視する保護回路を備え、図示しない充放電経路に設けられた充放電制御スイッチを制御して、二次電池１０１の過充電や過放電を防止するように構成されても良い。
以上に説明したように、本発明のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置によれば、容量接続端子１２７の電圧値を測定するだけで二次電池１０１の残量予測が精度良く求めることができ、さらに安全性を向上させることができる。
１０１ 二次電池
１１、２１、１１１、２１１、 バッテリ状態監視回路
１１８、１１９ Ａ／Ｄコンバータ
１２０ 演算回路
１２２ 電圧電流変換器
１２３、１２４ 定電流回路
１２５ 定電圧回路
１２６ 通信回路

Claims (5)

  1. 第一端子と第二端子に接続される二次電池の充放電を監視し、前記二次電池の残量を検出するバッテリ状態監視回路であって、
    前記二次電池の擬似等価回路と、
    前記二次電池の充放電電流を検出するためのセンス抵抗と、
    入力端子が前記センス抵抗の両端に接続され、出力端子が前記擬似等価回路に接続され、前記センス抵抗の両端の電圧を測定し、前記充放電電流に応じた電流を前記擬似等価回路に流す電圧電流変換器と、
    前記第一端子の電圧を監視する第一Ａ／Ｄコンバータと、
    前記擬似等価回路の開放電圧を監視する第二Ａ／Ｄコンバータと、
    前記第一Ａ／Ｄコンバータの出力信号と前記第二Ａ／Ｄコンバータの出力信号から前記二次電池の残量を検出する演算回路と、
    を備えたことを特徴とするバッテリ状態監視回路。
  2. 前記擬似等価回路は、
    前記第二端子に一方の端子が接続された第一容量と、
    前記第一容量の他方の端子と前記電圧電流変換器の出力端子の間に直列に接続された第一抵抗及び第二抵抗と、
    前記第二抵抗に並列に接続された第二容量と、を備え、
    前記第二Ａ／Ｄコンバータは、前記第一容量の他方の端子の電圧を測定する
    ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ状態監視回路。
  3. 前記第一端子と前記第一容量の他方の端子の間に接続された第一の定電流回路と、
    前記第一容量の他方の端子と前記第二端子の間に接続された第二の定電流回路と、
    を備えたことを特徴とする請求項２に記載のバッテリ状態監視回路。
  4. 前記第一端子と前記第一容量の他方の端子の間にスイッチ回路を備えた
    ことを特徴とする請求項２または３に記載のバッテリ状態監視回路。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載のバッテリ状態監視回路と、
    前記二次電池と、
    を備えたことを特徴とするバッテリ装置。
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