JP2016171716A - 電池残量予測装置及びバッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】電池特性ばらつきに対応でき、低コストでありながら、充電池の電池残量予測をより正確に行うことが可能なバッテリパックを提供する。【解決手段】電池残量予測装置に電池に定電流を負荷電流として流す定電流源を設け、電池に定電流負荷を流す前後の電池電圧を複数点計測し、電池電圧の時間変化から電池内部抵抗を算出する構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ管理システムに関係し、特にＬｉイオン充電池等の電池残量予測装置に関する。

充電池は、携帯機器を始めとして、多くの装置に使われていて、充放電を管理するバッテリ管理システムが必須である。特に機器稼動時には稼動時間をより正確に知ることが必要であり、そのために電池残量予測装置が使用されている。

従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックを図５に示す。電池残量予測装置２０は、信号処理演算を行うＣＰＵ２１と、信号処理演算の際に用いるＲＡＭ２２と、充電池６の１セル分の電池電圧をレベル変換器２６で変換された電池電圧を検出するためのＡＤＣ２３と、充電池６の電流を検出する電流センス抵抗１０で発生する電圧を検出するためのＡＤＣ２４と、電池の特性データ等を予め保持しておく不揮発性メモリ２５と、を備えている。電池残量予測装置２０は、充電池６の電圧と、電流センス抵抗１０を用いて計測された充電池６の電流値よりクーロンカウンタで求められた移動電荷量等とから、電池残量が求められている。高精度な残量予測には、充電池６の電圧及び電流の高精度な計測が必須である。

米国特許第６７８９０２６号明細書

従来の電池残量予測装置は、電池内部抵抗を予め電池内部抵抗モデルとして用意することとしており、電池特性のばらつきに直ぐには対応出来ないと言う問題があった。
また、電池内部抵抗から電圧降下電圧を求めるためには、電池消費電流の計測が必須であり、そのための高精度で電流許容量の大きい電流センス抵抗を必要としていた。
低コストでありながら、充電池の電池残量の高精度な予測が可能なバッテリパックを提供する。

本発明の電池残量予測装置は、上記課題を解決するために、以下のような構成とした。
電池電圧を測定する第一の電圧検出部と、負荷に流れる負荷電流をセンスする電流センス抵抗と、電流センス抵抗の電圧を測定する第二の電圧検出部と、電池電圧及び電流センス抵抗の電圧に基づき電池残量を予測計算する演算制御部と、定電流を電池に負荷として選択的に流す定電流源を設け、演算制御部において電池に定電流を流す前後での電池電圧を少なくとも３点以上で測定し、側定した電池電圧に基づき電池内部抵抗を算出することによって前記電池の残量を予測する、構成とする電池残量予測装置。

電池内部抵抗を直接的に計測できることから、電池特性ばらつきに対応でき、低コストでありながら、充電池の電池残量予測をより正確に行うことが可能となる。

本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。 電池の等価回路の他の例を示す回路図である。 充電池の開回路電圧と充電状態の依存性の一例を示すグラフである。 本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図の他の例である。 従来の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。

図１は、本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックのブロック図である。 本実施形態の電池残量予測装置を備えたバッテリパックは、電池残量予測装置１と、充電池６と、充放電制御用のＭＯＳＦＥＴ９と、電流センス抵抗１０と、充放電制御回路１６と、を備えている。電池残量予測装置１は、電圧検出部１１と、演算制御部１７と、電圧検出部１２と、定電流源４と、電流源制御スイッチ５を備えている。

本実施形態のバッテリパックは、以下のように接続されている。
電池残量予測装置１は、充電池６の両端に接続される。電流センス抵抗１０は、充電池６の負極端子とＭＯＳＦＥＴ９の間に設けられる。充放電制御回路１６は、充電池６の両端に接続され、出力端子はＭＯＳＦＥＴ９に接続される。外部端子には、負荷８となるアプリケーションシステムが接続される。電圧検出部１１は、入力端子に充電池６が接続され、出力端子が演算制御部１７に接続される。電圧検出部１２は、入力端子に電流センス抵抗１０の両端が接続され、出力端子が演算制御部１７に接続される。定電流源４と電流源制御スイッチ５は、充電池６の正極端子に設けられる。

電圧検出部１１は、充電池６の電池電圧Ｖｂａｔを計測する。電圧検出部１２は、負荷８の消費電流を計測する電流センス抵抗１０の両端の電圧を検出する。演算制御部１７は、電池電圧Ｖｂａｔと消費電流に基づき電池残量を予測する。定電流源４は、電池の内部抵抗を計測するための既知の定電流を流す。

図２は、充電池６の等価回路の一例を示す回路図である。充電池６は、電圧源１８と内部抵抗等価回路モデル７で構成するものとしている。一般的な充電池の内部抵抗等価回路モデルは、直列接続された第一抵抗及び第二抵抗と、第二抵抗に並列に接続されたコンデンサからなる回路を単位回路として、この単位回路を複数直列に接続された構成である。電池の内部抵抗を等価回路でより正確に近似しようとすると、この単位回路の段数が増えることになるので、計算が複雑になる。図２に示した充電池６の内部抵抗等価回路モデル７は、簡単化された回路構成であるが、電池残量予測に用いる内部抵抗等価回路モデルとしては、十分実用的である。本実施形態では、図２に示した充電池６の内部抵抗等価回路モデル７を基にして説明する。

負荷８の消費電流をＩｓｙｓとし、定電流源４の電流をＩｄｉとして、電流Ｉｄｉが充電池６に接続された場合の充電池６の電池電圧Ｖｂａｔ（ｔ）、及び電池開回路電圧Ｖｏｃｖ（ｔ）の時間変化を求めると、式１で表される。

尚、式１は定電流源４が時刻ｔ＝ｔ₀で接続されるとし、即ちｔ＜ｔ₀のときＩｄｉ＝０、ｔ≧ｔ₀のときＩｄｉ＞０、τ≡Ｃｐ・Ｒｂの場合である。
式１を元に、電池開回路電圧Ｖｏｃｖと電池電圧Ｖｂａｔの時間変化を模式的に図示したのが図４である。時間変化は定電流Ｉｄｉに伴う電圧降下による時間変化と、充電池６から充電電荷が流出することによる電池開回路電圧Ｖｏｃｖ（ｔ）の時間変化となる。

期間ｔ＜ｔ_oでは、充電池６から消費される電流は負荷８の電流Ｉｓｙｓである。この場合の電池電圧Ｖｂａｔは電池開回路電圧Ｖｏｃｖから電池内部抵抗７と電流Ｉｓｙｓによって電圧降下した電圧となる。電圧降下分は、−（Ｒａ＋Ｒｂ）Ｉｓｙｓで表され、この時の電池開回路電圧をＶｏｃｖ（ｔ）として、電池電圧Ｖｂａｔ（ｔ）は式２となる。

時刻ｔ≧ｔ₀では、定電流源４の電流Ｉｄｉによる電圧降下が加わり、降下電圧は式３となる。

定電流源４の付加直前及び直後の電池電圧をそれぞれ、Ｖｂａｔ（ｔ₀−δ）、Ｖｂａｔ（ｔ₀＋δ）とすると、下記の通り表される。

定電流源４の付加直後の時間を短いとした場合は電池開回路電圧Ｖｏｃｖの変化は小さいと考えると、電池内部抵抗７の第一抵抗の抵抗値Ｒａは式７で表され、電池電圧Ｖｂａｔの変化量と定電流源４の電流Ｉｄｉから求めることが出来る。

また、時刻ｔ＝Ｔ＋ｔｏ及びｔ＝ｎＴ＋ｔｏの２点での電池電圧Ｖｂａｔは、式８及び式９で表すことが出来る。

式８と式９を解析的に解くことで、電池内部抵抗７の２変数、Ｒｂ、Ｃｐを求めることが出来る。即ち、電池電圧Ｖｂａｔの時間変化を計測することで、内部抵抗等価回路モデル７における抵抗値Ｒａ及びＲｂ、容量値Ｃｐを求めることができる。

ところで、上記の式から電池内部抵抗７を求めるためには、電池開回路電圧Ｖｏｃｖを知る必要がある。電池開回路電圧Ｖｏｃｖは、充電池６の充電状態ＳＯＣと強い相関を持っている。図３は、電池開回路電圧Ｖｏｃｖと充電状態ＳＯＣの依存性の一例を示すグラフである。ここでＶｍａｘは充電池６の充電時の最大電圧で、Ｖｍｉｎは予め規定した充電池６の所期の下限電圧である。Ｑｍｘは電池電圧ＶｍｉｎからＶｍａｘまでの満充電に要する充電電荷量である。充電池６のある時点での充電電荷量をＱｃとした場合、その時の充電状態ＳＯＣは、式１０で規定される。

充電池６に定電流Ｉｄｉを付加する直前の充電状態をＳｏｃｏとすると、この時の充電池６に充電されている電荷量Ｑｃｏは式１１で表される。

定電流Ｉｄｉが付加されてからの経過時間をｎ・Ｔ（ｎは整数）として、充電池６の充電されている電荷量の変化Ｑｃｍｓは式１２となる。

この時の充電状態Ｓｏｃ（ｎ・Ｔ）は、式１３で表される。

この時の充電池６の開回路電圧Ｖｏｃｖ（ｎ・Ｔ）は、前記の式から求まる充電状態値を元に図３に示す電池開回路電圧Ｖｏｃｖと充電状態の依存性から求めることが出来る。
なお、本実施形態では、電流センス抵抗１０を充電池６の負極側に設けた例を説明したが、図４に示すように充電池６の正極側に設けても、同様の効果を奏する。

以上説明したように、本発明の電池残量予測装置によれば、電池内部抵抗７を直接的に計測することが可能となり、実際の電池内部抵抗７を電池残量予測に即反映させることができ、より正確な電池残量予測が可能となる。

なお、電圧検出部を電圧検出部１１と１２個々に設けることとしたが、電圧計測タイミングを時間的にシェアすることで、一つの電圧検出部のみで行うことも可能である。
また、定電流源４のオン・オフ制御を電流源制御スイッチ５で行うことしたが、定電流源４自身にスリープ機能等を付加することで容易に実現できることは既知である。
また、負荷８の電流Ｉｓｙｓは、勿論、Ｉｓｙｓ＝０であっても良い。

１ 電池残量予測装置
４ 定電流源
５ 電流源制御スイッチ
６ 充電池
７ 内部抵抗等価回路モデル
１０ 電流センス抵抗
１１、１２ 電圧検出部
１６ 充放電制御回路
１７ 演算制御部
１８ 電圧源

Claims (3)

1. 電池の電池電圧を計測して、電池の残量を予測する電池残量予測装置であって、
   前記電池電圧を測定する第一の電圧検出部と、
   負荷に流れる負荷電流をセンスする電流センス抵抗と、
   前記電流センス抵抗の電圧を測定する第二の電圧検出部と、
   前記電池電圧及び前記電流センス抵抗の電圧に基づき電池残量を予測計算する演算制御部と、を備え、
   定電流を前記電池に負荷として選択的に流す定電流源を設け、
   前記演算制御部において、前記電池に前記定電流を流す前後での電池電圧を少なくとも３点以上で測定し、前記側定した電池電圧に基づき電池内部抵抗を算出することによって前記電池の残量を予測する
   ことを特徴とする電池残量予測装置。
2. 前記第一の電圧検出部と前記第二の電圧検出部は、一つの電圧検出部で構成した
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池残量予測装置。
3. 負荷が接続される第一及び第二の外部端子の間に直列に接続された前記電池及びＭＯＳＦＥＴと、
   前記電池の両端に接続され、前記電池の状態を監視し前記ＭＯＳＦＥＴを制御する充放電制御回路と、
   前記電池の両端に接続され、前記電池の残量を予測する請求項１または２に記載の電池残量予測装置と、
   を備えたことを特徴とするバッテリパック。

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