JP2013083612A - 電池状態計測方法及び電池状態計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開放電圧が安定することを待たずに、安定した開放電圧を事前に予測できる、電池状態計測装置の提供。
【解決手段】二次電池２０１の充放電停止から一定時間Ｘ１経過時の二次電池２０１の過渡開放電圧Ｖ_Ｃを検出する電圧検出部１０と、一定時間Ｘ１経過時以前の二次電池２０１の所定の状態量Ｓ（充電率、劣化率、温度）を検出する状態量検出部（温度検出部２０，充電率算出部４１，劣化率算出部４２）と、過渡開放電圧Ｖ_Ｃと所定の状態量Ｓと一定時間Ｘ１経過時後の二次電池の安定開放電圧Ｖ_Ｓとの関係に基づき、電圧検出部１０で検出される過渡開放電圧Ｖ_Ｃ及び前記状態量検出部で検出される状態量Ｓに対応する、安定開放電圧Ｖ_Ｓを予測する予測部（電圧差算出部４３，電圧算出部４４）とを有すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の状態を計測する技術に関する。

従来技術として、電池の開放電圧を検出して、当該電池の開放電圧対電池残量のデータと比較することによって、当該電池の電池残量を求める、電池残量演算装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−１８０７８３号公報

ところが、二次電池の開放電圧が安定するまでの時間は、二次電池の周囲温度、劣化率及び抵抗値などの条件によって変動するので、安定した開放電圧を検出するためには、長時間待たなければならない場合がある。その場合、開放電圧の検出値を用いて二次電池の残容量（残量）を補正演算する機会が減少することにつながるため、残量の演算誤差が大きくなるおそれがある。

そこで、本発明は、開放電圧が安定することを待たずに、安定した開放電圧を事前に予測できる、電池状態計測方法及び電池状態計測装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測方法は、
二次電池の充放電停止から一定時間経過時の前記二次電池の過渡開放電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記一定時間経過時以前の前記二次電池の所定の状態量を検出する状態量検出ステップと、
前記過渡開放電圧と前記所定の状態量と前記一定時間経過時後の前記二次電池の安定開放電圧との関係に基づき、前記電圧検出ステップで検出される過渡開放電圧及び前記状態量検出ステップで検出される状態量に対応する、前記安定開放電圧を予測する予測ステップとを有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測装置は、
二次電池の充放電停止から一定時間経過時の前記二次電池の過渡開放電圧を検出する電圧検出部と、
前記一定時間経過時以前の前記二次電池の所定の状態量を検出する状態量検出部と、
前記過渡開放電圧と前記所定の状態量と前記一定時間経過時後の前記二次電池の安定開放電圧との関係に基づき、前記電圧検出部で検出される過渡開放電圧及び前記状態量検出部で検出される状態量に対応する、前記安定開放電圧を予測する予測部とを有することを特徴とする。

ここで、「二次電池の充放電停止から一定時間経過時以前」は、二次電池の充放電停止時点から一定時間だけ経過した時点でもよいし、二次電池の充放電停止時点から一定時間だけ経過した時点よりも前の時点でもよい。

本発明によれば、開放電圧が安定することを待たずに、安定した開放電圧を事前に予測できる。

本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。 放電が停止する前後の二次電池２０１の電池電圧Ｖと時間ｔとの関係を示した電池特性の概略図である。 充電が停止する前後の二次電池２０１の電池電圧Ｖと時間ｔとの関係を示した電池特性の概略図である。 二次電池２０１の放電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ＝２５℃での劣化率ＤＲ毎に実測したグラフである。 劣化していない二次電池２０１の放電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ毎に実測したグラフである。 二次電池２０１の充電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ＝２５℃での劣化率ＤＲ毎に実測したグラフである。 劣化していない二次電池２０１の充電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ毎に実測したグラフである。 安定開放電圧Ｖ_Ｓの算出例を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。計測回路１００は、二次電池２０１の残量状態を計測する集積回路（ＩＣ）である。二次電池２０１の具体例として、リチウムイオン電池、リチウムポリマ電池などが挙げられる。

二次電池２０１は、電子機器３００に内蔵又は外付けされる電池パック２００に内蔵されている。電子機器３００の具体例として、携帯端末（携帯電話、携帯ゲーム機、情報端末、音楽や映像の携帯プレーヤーなど）、ゲーム機、コンピュータ、ヘッドセット、カメラなどの電子機器が挙げられる。二次電池２０１は、負荷接続端子５，６を介して電子機器３００に給電し、負荷接続端子５，６に接続される不図示の充電器によって充電可能である。

電池パック２００は、二次電池２０１と、二次電池２０１に電池接続端子３，４を介して接続される保護モジュール２０２とを内蔵する。保護モジュール２０２は、二次電池２０１を過電流・過充電・過放電等の異常状態から保護する保護回路２０３と、計測回路１００とを備える電池保護装置である。

計測回路１００は、電圧検出部１０と、温度検出部２０と、電流検出部７０と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）３０と、演算部４０と、メモリ５０と、通信部６０とを備えている。

電圧検出部１０は、二次電池２０１の両極間の電池電圧を検出し、その電圧検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。

温度検出部２０は、二次電池２０１の周囲温度を検出し、その温度検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。温度検出部２０は、計測回路１００又は電子機器３００の温度を、二次電池２０１の周囲温度として検出する。温度検出部２０は、二次電池２０１自体の温度を検出してもよいし、電池パック２００内の温度を検出してもよい。

電流検出部７０は、二次電池２０１の充放電電流を検出し、その充放電電流値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。電流検出部７０は、二次電池２０１の負極と負荷接続端子６との間の負側電源経路に流れる電流を検出してもよいし、二次電池２０１の正極と負荷接続端子５との間の正側電源経路に流れる電流を検出してもよい。

ＡＤＣ３０は、電圧検出部１０と温度検出部２０と電流検出部７０それぞれから出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して、演算部４０に出力する。

演算部４０は、電圧検出部１０によって検出された二次電池２０１の電池電圧と、温度検出部２０によって検出された二次電池２０１の温度と、メモリ５０に予め格納された二次電池２０１の電池特性を特定するための特性データとに基づいて、二次電池２０１の残量状態等の電池状態を推定する。電流検出部７０によって検出された二次電池２０１の充放電電流が、二次電池２０１の電池状態の推定に用いられてもよい。演算部４０は、充電率算出部４１と、劣化率算出部４２と、電圧差算出部４３と、電圧算出部４４とを有している。これらの算出部についての説明は、後述する。演算部４０の具体例として、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が挙げられ、メモリ５０の具体例として、ＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能な不揮発性メモリが挙げられる。

通信部６０は、電子機器３００に内蔵される制御部３０１に対して、二次電池２０１の残量状態等の電池状態を伝送するインターフェースである。制御部３０１の具体例として、電子機器３００の所定の制御動作を実行するためのＣＰＵ，二次電池２０１の充放電を制御するための充放電制御ＩＣなどが挙げられる。制御部３０１は、計測回路１００から取得した二次電池２０１の残量状態等の電池状態に基づいて、二次電池２０１の残量状態をユーザに表示するなどの所定の制御動作を実行する。

次に、二次電池２０１の電池特性について説明する。

図２は、放電が停止する前後の二次電池２０１の電池電圧Ｖと時間ｔとの関係を示した電池特性の概略図である。図３は、充電が停止する前後の二次電池２０１の電池電圧Ｖと時間ｔとの関係を示した電池特性の概略図である。ｔ_０は、二次電池２０１の放電又は充電の停止時点を表し、Ｖ_０は、充放電停止時点ｔ_０における二次電池２０１の電池電圧を表す。ｔ_０以降の充放電停止状態での二次電池２０１の電池電圧（すなわち、開放電圧）は、二次電池２０１の内部状態の影響によって、時間の経過とともに増加又は減少する。二次電池２０１の開放電圧が安定した値に収束するまでには、例えば２０時間程度の時間がかかる。

ここで、充放電停止時点ｔ_０から一定時間Ｘ１経過した時点ｔ_ｃにおける二次電池２０１の開放電圧を過渡開放電圧Ｖ_Ｃと定義し、ｔ_ｃから一定時間Ｘ２経過した時点ｔ_ｓにおける二次電池２０１の開放電圧を安定開放電圧Ｖ_Ｓと定義し、Ｖ_ＣとＶ_Ｓとの電圧差をΔＶと定義する。Ｘ１，Ｘ２は、いずれも固定の不変時間である。また、開放電圧の単位時間当たりの変化量が所定値（例えば、１０ｍＶ）以下になるまで収束した開放電圧が安定開放電圧Ｖ_Ｓになるように、Ｘ２は、Ｘ１よりも十分大きな値である。

図４は、二次電池２０１の放電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ＝２５℃での劣化率ＤＲ毎に実測したグラフである。図５は、劣化していない二次電池２０１の放電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ毎に実測したグラフである。図４，５の充電率ＳＯＣと劣化率ＤＲと温度Ｔは、二次電池２０１の放電停止時点ｔ_０から一定時間Ｘ１経過したｔ_ｃの時点で検出・算出されている値である。

一方、図６は、二次電池２０１の充電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ＝２５℃での劣化率ＤＲ毎に実測したグラフである。図７は、劣化していない二次電池２０１の充電停止後の充電率ＳＯＣと電圧差ΔＶとの関係を、温度Ｔ毎に実測したグラフである。図６，７の充電率ＳＯＣと劣化率ＤＲと温度Ｔは、二次電池２０１の充電停止時点ｔ_０から一定時間Ｘ１経過したｔ_ｃの時点で検出・算出されている値である。

図４，５，６，７によれば、電圧差ΔＶには、充電率ＳＯＣ，劣化率ＤＲ，温度Ｔなどの状態量Ｓに応じて変化する特性があることがわかる。

そこで、予め実測された図４，５，６，７に示した関係に基づいて、電圧差ΔＶと状態量Ｓとの関係を定めた電池特性を予め導出しておくことによって、計測回路１００の演算部４０は、その予め導出された電池特性に基づいて、状態量Ｓの検出値に対応する電圧差ΔＶを算出することが可能となる。例えば、電圧差ΔＶと状態量Ｓとの関係を定めた電池特性は、近似式やテーブルなどによって特定できる。電圧差ΔＶが算出されれば、演算部４０は、電圧検出部１０によってｔ_ｃの時点で検出された開放電圧を過渡開放電圧Ｖ_Ｃとして計測することによって、演算式
Ｖ_Ｓ＝Ｖ_Ｃ＋ΔＶ ・・・（１）
に基づき、ｔ_ｓの時点の安定開放電圧Ｖ_Ｓを算出することが可能となる。つまり、演算部４０は、ｔ_ｓの時点の安定開放電圧Ｖ_Ｓを、ｔ_ｓよりも前のｔ_ｃの時点で予測することが可能となる。なお、図２，３から明らかなように、式（１）において、充放電停止後の安定開放電圧Ｖ_Ｓを算出するにはＶ_ＣにΔＶを加算すればよい（ΔＶは、正又は負の値を取り得る）。

次に、電圧差ΔＶと状態量Ｓとの関係を定めた電池特性を特定する近似式について説明する。この近似式は、図４，５，６，７において、ΔＶが収束するときのＳＯＣやΔＶが急激に変化するときのＳＯＣを区分点として設定し、設定した区分点間の区間ごとに予め導出されるとよい。

電圧差ΔＶは、温度２５℃で実測された図４，６に示した関係に基づいて、予め区分けされたＳＯＣ区間毎に、例えば、
ΔＶ＝ａ_２×ＳＯＣ^２＋ａ_１×ＳＯＣ＋ａ_０ ・・・（２）
と表すことができる。ただし、ａ_ｉは係数である（ｉ＝０，１，２）。

このとき、各ａ_ｉは、図４，６に示されるグラフから、劣化率ＤＲに対しておよそ２次の特性があるため、例えば、
ａ_ｉ＝ａ_ｉ２×ＤＲ^２＋ａ_ｉ１×ＤＲ＋ａ_ｉ０ ・・・（３）
と表すことができる。ただし、ａ_ｉｊは係数である（ｉ＝０，１，２、ｊ＝０，１，２）。

そうすると、演算部４０の電圧差算出部４３は、式（２）（３）に基づき、充電率算出部４１で算出された充電率ＳＯＣ及び劣化率算出部４２で算出された劣化率ＤＲに対応する、２５℃における電圧差ΔＶを算出することができる。

さらに、劣化率ＤＲ＝０％の二次電池２０１について実測された図５，７によれば、電圧差ΔＶは、温度特性を持っている。式（３）内の各係数ａ_ｉｊは、図５，７に示されるグラフから、温度Ｔに対しておよそ１次の特性があるため、例えば、
ａ_ｉｊ＝ａ_ｉｊ１×Ｔ＋ａ_ｉｊ０ ・・・（４）
と表すことができる。ただし、ａ_ｉｊｋは係数である（ｉ＝０，１，２、ｊ＝０，１，２、ｋ＝０，１）。

そうすると、演算部４０の電圧差算出部４３は、式（２）（３）（４）に基づき、充電率算出部４１で算出された充電率ＳＯＣ及び劣化率算出部４２で算出された劣化率ＤＲ及び温度検出部２０によって検出された温度に対応する、電圧差ΔＶを算出することもできる。

したがって、演算部４０の電圧算出部４４は、このように算出された電圧差ΔＶと電圧検出部１０によって検出された過渡開放電圧Ｖ_Ｃとを式（１）に代入することによって、安定開放電圧Ｖ_Ｓを算出できる。

なお、式（２）（３）（４）は、あくまで一例である。式（２）（３）の場合、２次の多項式で近似し、式（４）の場合、１次の多項式で近似しているが、他の関数式で近似してもよい。また、充電率ＳＯＣ，劣化率ＤＲ，温度Ｔなどの変数の数値範囲に応じて、近似式または近似式の各項の係数を変更してもよい。また、放電停止後の開放電圧を予測する場合と充電停止後の開放電圧を予測する場合とで、近似式または近似式の各項の係数を変更してもよい。このように、二次電池２０１の種類毎に異なる電池特性等を考慮して、適当なモデル関数を選定すればよい。このような近似式の係数又はその係数を決定するための係数が、メモリ５０に予め記憶されているとよい。

次に、演算部４０による安定開放電圧Ｖ_Ｓの算出例について説明する。

図８は、安定開放電圧Ｖ_Ｓの算出例を示したフローチャートである。演算部４０は、充電率算出部４１、劣化率算出部４２、電圧差算出部４３及び電圧算出部４４を用いて、図８のフローチャートで表されるルーチンを二次電池２０１の充放電が停止する毎に繰り返し実行する。

ステップＳ１０において、演算部４０は、電圧検出部１０によって検出されたｔ_ｃ時点での開放電圧を過渡開放電圧Ｖ_Ｃとして計測する。例えば、演算部４０は、電流検出部７０によって検出された充放電電流値が零又は零近傍の所定値以下に低下したタイミングを、充放電停止時点ｔ_０として設定する。演算部４０は、充放電停止時点ｔ_０から一定時間Ｘ１経過したｔ_ｃの時点で電圧検出部１０によって検出される開放電圧を、過渡開放電圧Ｖ_Ｃとして計測する。

ステップＳ２０において、充電率算出部４１は、例えば、電圧検出部１０によって検出された二次電池２０１の電池電圧値と電流検出部７０によって検出された充放電電流値とを用いて、二次電池２０１の充電率ＳＯＣを算出する。二次電池２０１の充電率ＳＯＣの算出は、従来の任意の算出方法を用いてよい。劣化率算出部４２は、例えば、二次電池２０１の初期の満充電容量に対する二次電池２０１の現在の満充電容量の割合を、二次電池２０１の劣化率ＤＲとして算出する。二次電池２０１の劣化率ＤＲの算出は、従来の任意の算出方法を用いてよい。温度検出部３０は、二次電池２０１の温度を検出する。

ステップＳ３０において、電圧差算出部４３は、式（２），（３），（４）に基づき、ステップＳ２０で算出・検出された充電率ＳＯＣと劣化率ＤＲと温度Ｔに対応する電圧差ΔＶを算出する。

ステップＳ４０において、電圧算出部４４は、式（１）に基づき、ステップＳ１０で検出された過渡開放電圧Ｖ_ＣとステップＳ３０で算出された電圧差ΔＶとを用いて、安定開放電圧Ｖ_Ｓを算出する。

したがって、図８によれば、二次電池２０１の開放電圧が安定することを待たずに、安定した開放電圧を事前に予測できる。

また、安定後の開放電圧を安定する前に予測できるため、残容量を補正演算する機会を増やすことができる。また、充電率ＳＯＣ、劣化率ＤＲ、温度Ｔなどの状態量を考慮して安定した開放電圧を予測できるので、例えば開放電圧と充電率との関係を定めたテーブルに基づいて、正確な充電率ＳＯＣを算出できる。また、安定開放電圧の算出時間の短縮と算出精度の向上によって、二次電池を使用する製品のユーザビリティが向上する。また、演算部４０は、安定開放電圧Ｖ_Ｓから算出された充電率ＳＯＣと、別の算出方法で算出された充電率ＳＯＣ（例えば、積算容量から算出された充電率ＳＯＣ）との間に所定値以上の差がある場合には、二次電池２０１の異常と判断できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。

例えば、本発明に係る電池状態計測装置は、電池パック３００の保護モジュール２０２の基板上に搭載される場合に限らない。例えば、二次電池２０１で動作する電子機器３００内の基板上に搭載されてもよい。また、本発明に係る電池状態計測方法は、電子機器３００内の制御部３０１によって処理されるソフトウェアに組み込まれてもよい。

また、過渡開放電圧Ｖ_Ｓの算出に使用される状態量Ｓ（充電率ＳＯＣ、劣化率ＤＲ，温度Ｔなど）は、過渡開放電圧Ｖ_Ｃと同じタイミングｔ_ｃでの値であることが好ましいが、ｔ_ｃよりも前の時点におけるできるだけ最新の値（例えば、充放電停止時点ｔ_０以降且つｔ_ｃよりも前の時点における値）であってもよい。

また、過渡開放電圧Ｖ_Ｓの算出に使用される状態量Ｓは、電圧差ΔＶとの間に相関関係がある状態量であれば、充電率ＳＯＣ，劣化率ＤＲ，温度Ｔ以外の任意の状態量であってもよい。

１０ 温度検出部
２０ 電圧検出部
３０ ＡＤＣ
４０ 演算部
４１ 充電率算出部
４２ 劣化率算出部
４３ 電圧差算出部
４４ 電圧算出部
５０ メモリ
６０ 通信部
７０ 電流検出部
１００ 計測回路
２００ 電池パック
２０１ 二次電池
２０２ 保護モジュール
２０３ 保護回路
３００ 電子機器

Claims (7)

1. 二次電池の充放電停止から一定時間経過時の前記二次電池の過渡開放電圧を検出する電圧検出ステップと、
   前記一定時間経過時以前の前記二次電池の所定の状態量を検出する状態量検出ステップと、
   前記過渡開放電圧と前記所定の状態量と前記一定時間経過時後の前記二次電池の安定開放電圧との関係に基づき、前記電圧検出ステップで検出される過渡開放電圧及び前記状態量検出ステップで検出される状態量に対応する、前記安定開放電圧を予測する予測ステップとを有する、電池状態計測方法。
2. 前記予測ステップは、
   前記過渡開放電圧と前記安定開放電圧との電圧差と、前記所定の状態量との関係に基づき、前記状態量検出ステップで検出される状態量に対応する、前記電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
   前記電圧検出ステップで検出される過渡開放電圧と前記電圧差算出ステップで算出される電圧差とを用いて、前記安定開放電圧を算出する電圧算出ステップとを有する、請求項１に記載の電池状態計測方法。
3. 前記所定の状態量は、前記二次電池の充電率と温度と劣化率のうちの少なくとも一つである、請求項１又は２に記載の電池状態計測方法。
4. 二次電池の充放電停止から一定時間経過時の前記二次電池の過渡開放電圧を検出する電圧検出部と、
   前記一定時間経過時以前の前記二次電池の所定の状態量を検出する状態量検出部と、
   前記過渡開放電圧と前記所定の状態量と前記一定時間経過時後の前記二次電池の安定開放電圧との関係に基づき、前記電圧検出部で検出される過渡開放電圧及び前記状態量検出部で検出される状態量に対応する、前記安定開放電圧を予測する予測部とを有する、電池状態計測装置。
5. 前記二次電池を保護する保護回路と、請求項４に記載の電池状態計測装置とを備える、電池保護装置。
6. 前記二次電池と、請求項４に記載の電池状態計測装置とを備える、電池パック。
7. 請求項４に記載の電池状態計測装置を備える、前記二次電池を電源とする機器。

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