(57)【要約】      （修正有）【課題】バッテリの負荷状態で使用することができ、かつ外部条件に依存しないような、バッテリの充電状態を測定する。【解決手段】負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力（ＶＥＭＦ）を計算し、このようにして計算した起電力（ＶＥＭＦ）にもとづいて、予め計算した起電力（ＶＥＭＦ）と充電状態との関係によって充電状態を測定する、バッテリ１の充電状態の測定方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力を計算して、このようにして計算した前記起電力にもとづいて、予め計算した起電力と充電状態との関係によって充電状態を測定することを特徴とするバッテリの充電状態の測定方法。
【請求項２】
前記バッテリの充電中に、電流強度を種々の値に短時間設定して、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を０にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バッテリに制御可能な負荷を短時間かけて、種々の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を０にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バッテリが負荷への給電用であり、消失電流源を設けるか、あるいは補助インピーダンスを前記負荷と並列に設けることによって、前記バッテリによって供給される電流強度を変化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記バッテリに比較的短時間負荷をかけて、所定の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して；前記バッテリを同じ電流強度で比較的短時間充電して、この時に発生する端子電圧を測定して；このように測定した前記２つの端子電圧を平均することによって、前記測定データから前記起電力を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記のようにして測定した前記バッテリの充電状態を、ディスプレイ等に表示することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記起電力の変化分を、前記充電状態の関連する変化分で除算した値を計算して；この計算値を所定の参照値と比較して；前記計算値が前記所定の参照値より小さい際には、瞬時的な充電状態が、完全なフル充電未満であるが、完全な空状態以上であることを決定することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
電気回路と、バッテリ、あるいは少なくとも１つのバッテリを含むバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合された接触面とを具えたバッテリ給電の応用機器において；該電気回路が：
制御手段と；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記負荷と直列に設けられ、前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記応用機器の前記接触面どうしの間に接続され、前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項９までのいずれかに記載した方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリ給電の応用機器。
【請求項１１】
前記制御手段によって制御される、前記バッテリの充電用の電流源をさらに具えることを特徴とする請求項１０に記載の応用機器。
【請求項１２】
前記制御手段によって制御され、かつ前記負荷と並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の応用機器。
【請求項１３】
前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記応用機器が前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段が前記バッテリパックの対応する結合手段と結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれかに記載の応用機器。
【請求項１４】
応用機器の対応する接触面と接触すべく適合された接触面を具えた、該応用機器への給電用のバッテリパックにおいて、このバッテリパックが：
制御手段と；
少なくとも１つのバッテリと；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記バッテリと直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記バッテリパックの前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項９までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリパック。
【請求項１５】
前記制御手段によって制御され、かつ前記バッテリと並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項１４に記載のバッテリパック。
【請求項１６】
可制御電流源と、バッテリまたは少なくとも１つのバッテリを具えたバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合された接触面とを具えた、バッテリまたはバッテリパック用の充電装置において、この装置が：
前記電流源を制御する制御手段と；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記電流源と直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記応用機器の前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項９までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とする充電装置。
【請求項１７】
前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記充電装置が、前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段がバッテリパックの対応する結合手段に結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項１６に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、バッテリの端子電圧にもとづく充電状態の測定に関するものであり、特にリチャージャブルバッテリ（蓄電池）に関するものである。
【０００２】
本発明は、専らではないが、特にリチウムイオンバッテリに関するものであり、本明細書では特にこのバッテリを使用する例について説明する。しかし、本発明は他の種類のバッテリにも、同様に関係するものである。
【背景技術】
【０００３】
現在、多くの電気機器がバッテリによって給電されている。こうした機器の動作中には、バッテリが次第に放電されて、最後には空状態になる。バッテリが空状態になり、その結果機器が機能を停止する事態に、ユーザが不用意に直面しないために、多くの機器にとって、瞬時的な充電状態をユーザに指示することが所望されている。このことが特に所望される機器の重要例が、ビデオカメラ、ラップトップコンピュータ及び移動電話機である。通常は、バッテリの充電状態が、例えば３段階または４段階のように大まかに指示されれば十分である。しかし一部の場合には、例えば最大充電に対するパーセントで、あるいは残り動作時間を分で、または秒までも表現するように、充電状態が正確に読み出せることが望ましい。本明細書では特に移動電話機の場合について説明するが、他の使用にも同様なことが当てはまり、本発明の使用範囲はより広きにわたる。
【０００４】
なお本明細書で「充電状態」とは一般に、関連するバッテリ内に存在する電荷またはエネルギの量を意味する。この電荷またはエネルギは、最大値の一部分として、絶対値または相対値で表現される。この場合には、０％が空状態のバッテリに相当し、１００％が完全に充電されたバッテリに相当する。しかし、バッテリの充電状態を、このバッテリが放電された度合いとして規定して、この場合には０％が完全に充電されたバッテリに相当し、１００％が空状態のバッテリに相当するようにできることは、当業者にとって明らかである。
【０００５】
バッテリの充電状態を規定する種々の方法が既知であり、これらは、大部分のタイプのバッテリの端子電圧が充電状態に依存するということにもとづくものである。バッテリが放電するほど、端子電圧が下降する。このため既知の測定方法では、バッテリの端子電圧を常時測定して、指示する充電状態は、測定した端子電圧から導出する。
【０００６】
しかし実際には、この測定原理はいくつかの問題を生じさせる。まず第１には、端子電圧が充電状態に専ら依存するものではなく、バッテリの温度及びバッテリの経年、あるいはバッテリに対して行われた充電／放電サイクルの回数のような他の要因にも依存する。またバッテリが使用中の際には、端子電圧はバッテリによって供給される電流の大きさにも依存し、このことは、負荷のインピーダンス及びバッテリの端子インピーダンスも関与することを意味する。従って後者の要因を排除するためには、無負荷状態でのバッテリの端子電圧を測定する方が良いが、これは必ずしも可能ではない。さらに、負荷を非接続にした後に、バッテリの端子電圧が安定値に達するまでにはいくらかの時間を要する（リラクゼーション、包絡）。
【０００７】
ここでのさらなる問題は、移動電話機のような機器用のリチャージャブルバッテリは、バッテリの接触面が応用機器の接触面に対応するようなバッテリパックに収容されているということである。一般に、安全スイッチのような構成要素が、バッテリ端子とバッテリパックの接触面との間に設けられ、その結果、この経路で電圧損失が発生する。さらに、バッテリパックと機器との間に接触抵抗が発生して、接触面の汚損のような未知かつ可変の要因に依存して、大きさが未知であり、かつ時間的に不定の電圧損失を生じさせる。これらすべてのことは、実際には、応用機器内での実際のバッテリの端子電圧が直ちに測定可能ではないことを意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の目的は、前述した問題を緩和または排除するような、バッテリの充電状態を測定する方法を提供することにある。特に本発明の目的は、バッテリの負荷状態で使用することができ、かつ外部条件に依存しないような、バッテリの充電状態を測定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、バッテリの充電状態とこのバッテリの起電力（以下これをＶＥＭＦとも称する）との間には関係があり、この関係が外部条件からかなり独立したものであるということにもとづくものである。
【００１０】
こうしたことにもとづき、本発明によるバッテリの充電状態を測定する方法は、バッテリのＶＥＭＦを測定して、前記関係にもとづいて、測定したＶＥＭＦから充電状態を求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明のさらなる要点は、少なくともリチウムイオンバッテリについては、バッテリの電荷対ＶＥＭＦの特性が、段階どうしの間の遷移がかなり明確な多数の段階を有し、これらの段階の位置は、周囲要因の変動にはほとんどあるいは全く依存しないということにもとづくものである。このため、これらの遷移を較正点と考えることができる。このことにもとづき、本発明によるバッテリの充電状態を測定する方法は、充電及び放電のそれぞれの期間中にｄＶＥＭＦ／ｄＱを規則的な時間間隔で測定して、この測定の結果にもとづいて充電状態を求めることも特徴とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】バッテリの電圧を充電状態の関数として表現するグラフである。
【図２】充電／放電サイクル中のバッテリ電圧を、時間の関数として表現したグラフである。
【図３】充電／放電サイクル中のバッテリ電圧を、電荷の関数として表現したグラフである。
【図４】バッテリの端子電圧を電流強度に対してプロットしたグラフである。
【図５】バッテリパック及び応用機器の回路図である。
【図６】リチウムイオンバッテリの特性を示す、図１と対比可能なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１に一般的なバッテリの電圧特性を示し、ここではバッテリの端子電圧Ｖを任意単位で縦軸にプロットし、バッテリの電荷Ｑを最大値に対するパーセントで横軸にプロットして、このバッテリの充電状態を表現している。この特性は完全なフル充電（図の左）から空状態（図の右）までの範囲に広がり、それぞれ１００％及び０％で図に示す。なお実際には、バッテリの端子電圧が所定の電圧値未満に減少した場合には、このバッテリが既に空状態であるものとするが、この場合には瞬時電荷がまだ０％より大である。例えばフル充電されたリチウムイオンセルの端子電圧は４．１Ｖであり、端子電圧が３．０Ｖまで減少した際に、このセルが空状態であるものとする。
【００１５】
図１に示すバッテリの電圧特性は、比較的平坦な中央段階を有する連続下降関数である。特性の正確な形状は、バッテリのタイプに依存する。原則として、関連するバッテリの電圧特性が既知である場合には、瞬時端子電圧ＶＭを測定することによって、瞬時的な充電状態ＱＭが測定可能であることは明らかである。
【００１６】
前述したバッテリパックの場合には、瞬時端子電圧の測定には、既に問題がありうるが、一般には、瞬時端子電圧はかなり正確に測定することができる。しかし、既に前述したように、バッテリ特性は、温度及び負荷のような外部条件に依存する。端子電圧特性曲線が縦方向に微小に移動しても、この特性曲線から導出されるべき瞬時充電状態が比較的大きく変化することになることは、図１から明らかである。従って既知の測定方法においては、温度をパラメータとした種々の端子電圧曲線を有する必要があり、さらにどの曲線が有効であるかを特定するために、瞬時温度を測定することが必要である。さらに既知の方法では、負荷状態の変化、及びバッテリの内部インピーダンスの変化に対する修正が必要である。
【００１７】
さらに、既に前述したように、バッテリ負荷によって生じる問題は基本的には、無負荷端子電圧または開放回路電圧（以下ＶＯＣＶとも称する）を測定することによって解決することができる。しかし、例えば移動電話機またはラップトップコンピュータのような関連機器は、電源を切断しなければならないので、このことは必ずしも可能ではない。他方では、バッテリの開放回路電圧ＶＯＣＶが安定値に落ち着くまでには、比較的長い時間を要する。
【００１８】
本発明の識見によれば、参照符号ＶＥＭＦを付けたバッテリの起電力をパラメータとして取り上げる際に、前記の問題が生じないか、少なくとも大幅に緩和される。相対的な充電状態対ＶＯＣＶの特性は、図１のものと対比できる形状を有するが、温度、経年及び負荷のようなパラメータからかなり独立していることがわかる。このことは、バッテリの充電状態を測定するために、２つのデータが重要であることを意味する。まず第１には、関連するバッテリの相対的な充電状態対前記ＶＯＣＶの特性が既知でなければならない。このことは、従来法における、充電状態対端子電圧の特性を知る必要性と対比することができるが、いくつかの重要な相異が存在し：第１の相異は、検出するものは端子電圧ではなくＶＥＭＦであるということであり、第２の相異は、周囲要因にかかわらず、単一の特性のみが必要であるということである。
【００１９】
第２には、充電状態対ＶＥＭＦの特性を知る必要がある毎に毎回、関連するバッテリのＶＥＭＦを測定すべきであるということである。
【００２０】
以下、バッテリの挙動について詳細に説明し、負荷状態での端子電圧ＶＣＣＶを測定することによって、ＶＥＭＦを測定することができる方法を明らかにする。充電状態対ＶＥＭＦの特性を測定してメモリに記憶する方法は、当業者にとって明らかであるので、本明細書ではこれについての記述を省略する。
【００２１】
図２に、リチウムイオンバッテリの特性を表わす典型的な曲線を示し、これらはＣＣＣＶ（定電流定電圧）モードにおける、それぞれ充電中及び放電中のものである。負荷状態でのバッテリのＶＣＣＶを左側の縦軸にプロットし、時刻を横軸にプロットしている。バッテリに流れる電流を右側の縦軸にプロットし、正の値がバッテリの充電を示し、負の値がバッテリによる電流の供給を示す。上の曲線はＶＣＣＶを表わす。下の曲線は電流Ｉを表わす。サイクルは図２の左から始まり、ここではバッテリが空状態であるものと仮定する。図２のグラフは、Ａ、Ｂ、及びＣの３段階に区別することができる。第１段階Ａでは、バッテリが一定電流強度Ｉ０で充電される。この段階Ａでのバッテリの端子電圧ＶＣＣＶは、所定の最大値ＶＭＡＸまで上昇する。第２段階Ｂにおいてバッテリの充電が進むにつれて、端子電圧ＶＣＣＶが前記最大値ＶＭＡＸで一定に維持されて、充電電流Ｉが、実際にはＩ０の１０％またはそれ未満の小さい値まで減少する。この瞬間には、バッテリがフル充電（１００％）されているものと考えることができる。
【００２２】
なおこの最大値は、これ以上の電荷をバッテリに蓄積することができないという意味ではない。端子電圧をより高い値に設定した場合には、再び充電電流が発生する。しかしこの最大値はバッテリに対して定められている。実際には、製造者によって指定されたＶＭＡＸが存在し、上述した指示に従って充電した場合には、バッテリがフル充電されたものと考えることができる。
【００２３】
図２の電流曲線の下部領域で表現される、電流強度を時間で積分した値が、電荷ＱＩＮの供給量の尺度であることは、当業者にとって明らかである。
【００２４】
第３段階Ｃでは、バッテリを充電した電流Ｉ０に等しく逆向きの電流−Ｉ０を供給すべく、バッテリに負荷をかける。時間が経過するにつれて、端子電圧ＶＣＣＶが減少する。ここで、図２の電流曲線の下部領域で表現される、電流強度を時間で積分した値が、バッテリによって供給される電荷ＱＯＵＴの量の尺度であることは、当業者にとって明らかである。実際には、段階Ｃはバッテリが完全に放電されてしまう前に、即ちバッテリの端子電圧が一旦許容範囲外に低下すると消滅する。
【００２５】
図３は、図２の特性を異なる表現で示した図である。この図でも、縦軸には負荷状態での端子電圧ＶＣＣＶをプロットしているが、横軸にはバッテリに存在する電荷の量をプロットしている。図中の矢印は、この図の特性におけるバッテリサイクルの向きを示すものである。段階Ａ、Ｂ及びＣは、図２のものに対応するものである。
【００２６】
図３にはさらに、バッテリの起電力ＶＥＭＦを破線で示す。段階Ｂの最後にはＶＥＭＦがＶＣＣＶに等しくなり、この時には電流が０まで減少しており、即ちバッテリの電荷が１００％である。段階Ａに属するＱの値に対しては、ＶＥＭＦの曲線がちょうど曲線Ａと曲線Ｃの間に位置する。
【００２７】
これにより、１つの特定の瞬時充電状態ＱＭ、及びバッテリに流れる１つの特定の電流強度Ｉ０に対しては、バッテリが充電されているか（段階Ａ）、負荷がかけられているか（段階Ｃ）に応じて、端子電圧ＶＣＣＶの値をＶＣＣＶ（Ａ０）及びＶＣＣＶ（Ｃ０）に仮定することができる。これら２つの値を図３に示す。またこれら２つの値を図４にも示し、図４は負荷状態での端子電圧ＶＣＣＶを電流強度Ｉに対してプロットした図である。点ＶＣＣＶ（Ｃ０）は電流強度の負の値に対応するものである。
【００２８】
図３の充電／放電特性は、それぞれ充電用（Ｉ０）及び放電用（−Ｉ０）の、１つの所定電流強度に関するものである。他の電流強度の値に対しては、曲線Ａ及びＣは同様の外見であるが、これらの縦方向の間隔が異なり：電流強度Ｉの増加とともにこの間隔が増加する。より詳細には、電流強度Ｉが増加するにつれて、曲線Ａが上昇し曲線Ｃが下降する。このことは、同じ充電状態ＱＭに対して、Ｉ０より高い他の電流強度Ｉ１を選択した場合には、端子電圧ＶＣＣＶはそれぞれ、より高い値ＶＣＣＶ（Ａ１）及びより低い値ＶＣＣＶ（Ｃ１）が見込まれる。図４では、異なる電流強度Ｉ１及びＩ２に対してこのことを示している。
【００２９】
これらのプロット点をすべて集積して、図４で参照文字Ｄを付した特性曲線が規定される。バッテリの起電力ＶＥＭＦは、この曲線が縦軸と交差する点であり、即ちＩ＝０の点である。実際には、この曲線Ｄは近似的には線型であり、前記交差する点に関して対称であることがわかる。
【００３０】
なお、ＶＣＣＶ（Ａｉ）とＶＥＭＦとの相違、あるいはＶＣＣＶ（Ｃｉ）とＶＥＭＦとの相違は、とりわけバッテリの内部インピーダンス、バッテリパックのインピーダンス、接触面の接触抵抗、等に依存する。実際には、たとえ一定電流強度の場合でも、この相違は時間と共に変動する。しかしこのことは、以下の説明から明らかなように、ＶＥＭＦの測定に影響するものではない。
【００３１】
本発明は、負荷状態のバッテリ（パック）の端子電圧を測定することによって、ＶＥＭＦを測定することができる種々の方法を提供するものである。これらの方法は、次の通りである。
（１ａ）  充電中の補外；
（１ｂ）  放電中の補外；
（２）   交互の充電／放電中の補間。
【００３２】
（１ａ）  充電中の補外
バッテリの充電中に、電流強度Ｉを種々の値Ｉｉに短時間設定して、この時に発生する値ＶＣＣＶ（Ａｉ）を測定する。この測定は比較的短時間で済むので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記ＶＣＣＶとＩの関係の少なくとも一部（曲線Ｄの右半分）を再構成することができる。次にＩ＝０に対する測定データを補外することによってＶＥＭＦが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Ｄが直線的関係にある際には、この方法が最も簡単であり：この場合には、曲線Ｄ上の２つの測定点Ａ１及びＡ２で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。そして電流強度の正確な値Ｉ１及びＩ２を知る必要はなく、これらの相互の比率を知れば十分である。倍電流化によって簡単にＩ１からＩ２を導出できるので、Ｉ２をＩ１の２倍の大きさに選択することが好ましい。
【００３３】
所定のバッテリタイプの曲線Ｄが非線型である場合には、例えば２次または３次多項式のような多項式によって曲線Ｄを近似することができ、この多項式の係数に適合させるために複数の測定点が必要であることは、当業者にとって明らかである。
【００３４】
（１ｂ）  放電中の補外
（１ａ）に記述した方法と同様の方法で、バッテリの放電中に電流強度Ｉを種々の値Ｉｉに短時間設定して、この時に発生する値ＶＣＣＶ（Ｃｉ）を測定する。この測定は比較的短時間で行われるので、測定データは同一の充電状態に関するものと考えることができる。これらの測定データによって、前記ＶＣＣＶとＩの関係の少なくとも一部（曲線Ｄの左半分）を再構成することができる。そしてここでも、Ｉ＝０に対する測定データの補外によってＶＥＭＦが得られる。リチウムイオンバッテリの場合のように曲線Ｄが線型関係にある際には、この方法が最も簡単であり：この場合には、曲線Ｄ上の２つの測定点Ｃ１及びＣ２で測定すれば十分であることは、当業者にとって明らかである。またこの場合にも、電流強度の相互の比率を知れば十分である。
【００３５】
またこの場合にも、所定のバッテリタイプの曲線Ｄが非線型である場合には、曲線Ｄを、例えば２次または３次のような多項式によって近似できるということが成り立ち、この多項式の係数に適合させるために、複数の測定点が必要であることは、当業者にとって明らかである。
【００３６】
（２）  交互の充電／放電中の補間
バッテリを比較的短時間（例えば１分のオーダの）中に、所定の電流強度Ｉ０で放電させて、その後に、同じ時間の間に、同じ電流強度Ｉ０で充電するか、あるいはその逆を行う。充放電両方の場合に発生する端子電圧ＶＣＣＶ（Ａ０）及びＶＣＣＶ（Ｃ０）を測定する。そして測定した２つの端子電圧ＶＣＣＶ（Ａ０）及びＶＣＣＶ（Ｃ０）を単に平均することによって、対応するＶＥＭＦの値を得ることができる。原則的には、この方法によって、前述した補外法よりもやや高い精度を得ることができ、また曲線Ｄが非線型である場合にも、満足なものとなる。
【００３７】
前述した３つの方法のすべてにおいて、正確な電流強度を知る必要はない。電流強度どうしの間の相対比がわかれば十分である。しかし補間法（２）においては、充電中の電流強度が放電中の電流強度に等しいことが好ましく、その理由は、このことにより、存在しうる非線型効果の作用が相殺されて、この式によりＶＥＭＦが可能な限り簡単に計算できるようになるからである。
【００３８】
図５に、バッテリ１が、接触面４及び５を有するバッテリパック３に含まれている回路図を概略的に示す。バッテリ１の内部インピーダンスと、バッテリ１と接触面４、５の間のインピーダンスをまとめて、直列インピーダンス２として表現する。
【００３９】
ラップトップコンピュータまたは移動電話機のような応用機器をまとめて参照番号１０で表わす。機器１０の電気回路はバッテリパック３によって給電され、この回路をまとめて負荷Ｌとして図的に表現する。機器１０は、バッテリパック３を収納してこれを保持すべく機構的に適合された筐体（一般に知られており、図示せず）を有し、機器１０はさらに、バッテリパック３の接触面４、５に対応する接触面１４及び１５を有する。本実施例では簡単のために、一方を機器の接触面１４、１５、他方をバッテリパックの接触面４、５とした、これらの間の接触抵抗は、インピーダンス２の一部を形成するものと仮定して記述する。
【００４０】
本発明を実現するために、例えば適切にプログラムしたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ等のような形態の、データ処理及び制御ユニット２０（以下、簡単に制御手段と称する）を用意する。メモリ２１は制御手段２０に関連するものであり、これはバッテリ１の起電力ＶＥＭＦと、このバッテリの充電状態との関係を記憶する。この関係を、表、公式、あるいは多項式のような関数の係数の形式で記憶できることは、当業者にとって明らかである。電流計１２は負荷Ｌと直列に設けられて、電流測定信号を制御手段２０に供給し、この信号はバッテリ１に流れる電流の強度を表現するものである。電圧計１３は機器１０の接触面１４、１５の間に設けられて、電圧測定信号を制御手段２０に供給し、この信号はこれらの接触面間の電圧を表現するものである。
【００４１】
機器１０はさらに、第１の可制御電流源３１を含み、これは機器１０の接触面１４、１５に接続され、制御手段２０によって制御される。この代わりに、可制御電圧源を充電回路に含めることができることは、当業者にとって明らかである。可制御電流源３１（または電圧源）は電流を供給する電流源であり、これはバッテリ１の充電を行うものである。第１の可制御電流源３１用の電力供給回路は図に示していないが、電力線に接続するための標準的な電力供給回路とすることができることは、当業者にとって明らかである。
【００４２】
機器１０はさらに、第２の可制御電流源３２を含み、これは負荷Ｌと並列に接続され、制御手段２０によって制御される。第２の可制御電流源３２は消失（ディシペーション）電流源であり、これはバッテリ１から電流の排出を行わせて、放電電流でバッテリに負荷をかけるものである。消失電流源の代わりとして、受動インピーダンス（例えば抵抗）と、制御手段２０によって制御可能なスイッチとを直列配置したものを使用することができる。
【００４３】
また図５には、機器１０が、充電状態識別信号の表示用のディスプレイ２２を有することを示す。例えばラップトップコンピュータまたは移動電話機の場合には、このディスプレイは、機器１０の通常のディスプレイの一部として形成することができるが、独立したディスプレイを用意することも同様に可能である。当業者にとって明らかな方法で、充電状態識別信号を制御手段２０によってこのディスプレイ上に表示することができ、従って本明細書では説明を省略する。
【００４４】
通常使用中の動作
通常使用中には、負荷Ｌはバッテリパック３から給電される。そしてバッテリパック３によって供給される電流が、制御手段２０によって電流センサ１２を用いて測定され、接触面１４、１５間の入力電圧が、制御手段２０によって電圧計１３を用いて測定される。制御手段２０は、バッテリパック３によって供給される電流の強度を、規則的な時間間隔で増加させて、その結果の、接触面１４、１５間の入力電圧を測定すべく適応されている。この目的のために、制御手段２０は、追加的な電流をバッテリパック３から排出させるような方法で、消失電流源３２を制御する。このことは負荷Ｌには影響しない。
【００４５】
前の（１ｂ）以下の「放電中の補外」に記述したように、制御手段２０はさらに、測定データから補外によってＶＥＭＦを計算すべく適応されている。その後に、メモリ２１内の関係及び計算したＶＥＭＦにもとづいて、バッテリパック３のバッテリ１の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ２２上に表示することができる。
【００４６】
本発明によれば、前記の関係は周囲要因からかなり独立したものとなり、その結果、このようにして計算した充電状態は、温度のような周囲要因についての修正を必要とせず、非常に高信頼性かつ正確なものとなる。
【００４７】
充電モードでの動作
制御手段２０は、機器１０の充電回路が電力線のような電源に接続された際に、第１電流源３１を制御して充電電流を供給すべく適応され、この充電電流の大きさは、所定のパターンに従って時間の関数として制御される。そしてバッテリパック３によって消費される電流は、制御手段２０によって、電流計１２を用いて測定され、接触面１４、１５間の入力電圧は、制御手段２０によって、電圧計１３を用いて測定される。本発明によれば、制御手段２０はさらに、規則的な時間間隔で、充電電流強度を前記パターンから分布した値に短時間設定して、この時に発生する入力電圧を記憶すべく適応される。
【００４８】
第１の変形例では、制御手段２０が第１の可制御電流源３１を制御して、より高い充電電流強度またはより低い電流強度のいずれかで短時間供給することができる。そして前の（１ａ）以下の「充電中の補外」に記述したように、制御手段２０は、測定データから補外によってＶＥＭＦを計算することができ、その後に、メモリ２１内の関係及び計算したＶＥＭＦにもとづいて、バッテリパック３のバッテリ１の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ２２上に表示することができる。
【００４９】
第２の変形例では、制御手段２０が、バッテリ１に流れる電流の向きを短時間逆転させることができる。この目的のために、制御手段２０は、まず第１電流源３１をオフ状態にして、適用可能ならば第２電流源３２をオン状態にすべく適応され、これにより、バッテリ１に負荷Ｌ用の電流、及び適用可能ならば消失電流源３２用の電流を供給させる。そして前の（２）以下の「充電／放電中の補間」に記述したように、制御手段２０は測定データから補間によってＶＥＭＦを計算することができ、その後に、メモリ２１内の関係及び計算したＶＥＭＦにもとづいて、バッテリパック３のバッテリ１の充電状態を測定して、この充電状態をディスプレイ２２上に表示することができる。
【００５０】
上述したことは、バッテリ１の充電電流を変化させることを、第１の可制御電流源３１によって行うことができ、バッテリ１の放電電流を変化させることを、第２の可制御電流源３２によって行うことができ、交互の充電及び放電を、第１の可制御電流源３１及び第２の可制御電流源３２をそれぞれオン状態またはオフ状態、オフ状態またはオン状態にすることによって達成することができるということを記述したものである。この代案として、２つの電流源３１、３２を、電流強度を制御することができるだけでなく、必要により電流供給モードまたは電流排出モードに設定することもできる、単一の可制御双方向電流源で置き換えることができる。第１の可制御電流源３１に関して前述したことと同様の方法で、このような双方向の電流源を電源回路に接続して、電流供給モードにおいて受電することができる。
【００５１】
図５には、制御手段２０及び関連するメモリ２１が、物理的に応用機器１０に含まれるように示している。しかし、必ずしもそうである必要はない。この代案として、これらのうち１つ以上の部分をバッテリパック３内に収容することができる。特に好適な実施例では、メモリ２１が物理的にバッテリパック３内に含まれるか、あるいはバッテリパック３が、所定のタイプのバッテリパックを表現し、かつ制御手段２０によって識別可能な手段を有するようにする。こうした識別手段の例が識別レジスタである。こうした好適な実施例では、バッテリパック３と応用機器１０との間に通信経路が用意されるべきである。この目的のために、バッテリパック３に情報コネクタ面を設けて、これを応用機器の情報コネクタ面に対応させて、メモリ２１をバッテリパック３の情報コネクタ面に接続して、制御手段２０を応用機器の情報コネクタ面に接続する。しかし簡単のために、この実施例は図示しない。
【００５２】
メモリ２１がバッテリパック３内に存在する場合には、このことは、関連するバッテリに当てはまる特性を１回だけ測定すればよく、その後はこの特性をこのバッテリに関連づけたままにしておくことができるという大きな利点を有し、規則的な時間間隔でバッテリパックを変更する場合に特に有効である。あるいはまた、複数のバッテリパックの複数の関係を応用機器内のメモリに記憶し、そして、この制御手段が読み取り可能な、このバッテリパックに関連する情報にもとづいて、制御手段２０が適正な関係を伝えるべく、制御手段２０を適応させることができる。
【００５３】
以上の記述においては、既知のＶＥＭＦと充電状態との関係から出発して、信頼性をもってこの充電状態の識別を行う方法について記述している。例えば、あるバッテリパックを所定の応用機器で初めて使用するので、前記関係が未知である場合には、原則としてＶＥＭＦを測定することによって充電状態を測定することは不可能であり、まず完全な較正サイクルを実行する必要がある。この目的のために、制御手段２０を、完全に放電されたと仮定されるバッテリを充電して、このバッテリに転送した電気量（電流を時間で積分した値）を記憶すべく適応させることができる。これは「ブックキーピング法」と称されるものである。前述した方法で、ＶＥＭＦを規則的な時間間隔で計算して、測定したＶＥＭＦを、このバッテリに転送したすべてのエネルギに関連させて、メモリ２１に記憶する。
【００５４】
メモリ２１が（まだ）情報を有しない場合、あるいは信頼できる情報を有しない場合には、バッテリの充電状態の少なくとも「大まか」な指標を得ることが望ましく、ここで「大まか」とは、フル充電、フル充電の半分位、ほぼ空状態の区別ができれば十分であるということである。本発明によれば、図１に示すようなバッテリの電圧特性の、直ちに識別可能な少しの特徴にもとづいて、こうした大まかな指標を得ることができる。図６に、リチウムイオンバッテリの特性を、図１と同様に示す。この電荷対ＶＥＭＦの特性は、少なくともリチウムイオンバッテリについては、かなり急な傾斜を有する第１範囲Ｉ、かなり緩やかな傾斜を有する第２範囲ＩＩ、及び再びかなり急な傾斜を有する第３範囲ＩＩＩを有している。図６のＸ軸にＱＩ／ＩＩ及びＱＩＩ／ＩＩＩの印を付けた、隣接する範囲間の遷移はかなり明確である。本発明の重要な識見によれば、ＱＩ／ＩＩ及びＱＩＩ／ＩＩＩは、周囲要因の変化にほとんど、あるいは全く依存しないと見られる。従ってこれらの遷移は、較正点と考えることができる。
【００５５】
この較正は、充電及び放電中に、ｄＶＥＭＦ／ｄＱを規則的な時間間隔で測定して、この測定値を所定の参照値と比較することによって、有効にすることができる。ｄＶＥＭＦ／ｄＱがこの参照値よりも小さいと見られる際には、このバッテリはその特性のＩＩの部分、即ち「フル充電の半分」にある。時間の経過中に、ｄＶＥＭＦ／ｄＱが増加して前記参照値を越えたと見られる際には、バッテリが充電中であるか放電中であるかに応じて、このバッテリがその特性のＩの部分（ほぼフル充電）に達したか、あるいは特性のＩＩＩの部分（ほとんど空状態）に達したことを意味する。
【００５６】
範囲ＩとＩＩの間の遷移、及び範囲ＩＩとＩＩＩの間の遷移を比較的正確に規定することができるので、このような遷移に達したということを、前記ブックキーピング法によって測定された、あるいは本発明による前述の方法によって測定されたＱの瞬時値のチェックに使用することができる。
【００５７】
本発明は前述した例に限定されるものではなく、請求範囲に記載した本発明の範疇を逸脱することなく、幾多の変更を加えうることは当業者にとって明らかである。また本発明は、バッテリまたはバッテリパック用の充電装置にも関するものであることは、当業者にとって明らかである。
【００５８】
また当業者にとって、本明細書の記述及び図面から明白な方法及び装置も同様に、本発明の範疇に属することも明らかである。
【図１】
2010197395.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月9日(2010.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの充電状態の決定方法であって、
負荷状態での端子電圧を測定して、これから起電力を計算して、このようにして計算した前記起電力にもとづいて、予め計算した起電力と充電状態との関係によって充電状態を決定し、
前記バッテリに比較的短時間負荷をかけて、所定の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して；前記バッテリを同じ電流強度で比較的短時間充電して、この時に発生する端子電圧を測定して；このように測定した前記２つの端子電圧を平均することによって、前記測定データから前記起電力を計算する、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記バッテリの充電中に、電流強度を種々の値に短時間設定して、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を０にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バッテリに制御可能な負荷を短時間かけて、種々の電流強度が供給されるようにして、この時に発生する端子電圧を測定して、前記電流強度を０にする補外によって前記起電力を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記補外が線型補外であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バッテリが負荷への給電用であり、前記負荷と並列に消失電流源又は補助インピーダンスを設けることによって、前記バッテリによって供給される電流強度を変化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記のようにして決定した前記バッテリの充電状態を、ディスプレイ等に表示することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記起電力の変化分を、前記充電状態の関連する変化分で除算した値を計算して；この計算値を所定の参照値と比較して；前記計算値が前記所定の参照値より小さい際には、瞬時的な充電状態が、完全なフル充電未満であるが、完全な空状態以上であることを決定することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載の方法。
【請求項９】
電気回路と接触面とを有し、該接触面はバッテリ又は少なくとも１つのバッテリを含むバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合される、バッテリ給電の応用機器において；該電気回路が：
制御手段と；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記負荷と直列に設けられ、前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記応用機器の前記接触面どうしの間に接続され、前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項８までのいずれかに記載した方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリ給電の応用機器。
【請求項１０】
前記制御手段によって制御される、前記バッテリの充電用の電流源をさらに具えることを特徴とする請求項９に記載の応用機器。
【請求項１１】
前記制御手段によって制御され、かつ前記負荷と並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の応用機器。
【請求項１２】
前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記応用機器が前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段が前記バッテリパックの対応する結合手段と結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項９から請求項１１までのいずれかに記載の応用機器。
【請求項１３】
応用機器の対応する接触面と接触すべく適合された接触面を具えた、該応用機器への給電用のバッテリパックにおいて、このバッテリパックが：
制御手段と；
少なくとも１つのバッテリと；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記バッテリと直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記バッテリパックの前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とするバッテリパック。
【請求項１４】
前記制御手段によって制御され、かつ前記バッテリと並列に設けられた負荷をさらに具えることを特徴とする請求項１３に記載のバッテリパック。
【請求項１５】
可制御電流源と、バッテリまたは少なくとも１つのバッテリを具えたバッテリパックの対応する接触面と接触すべく適合された接触面とを具えた、バッテリまたはバッテリパック用の充電装置において、この装置が：
前記電流源を制御する制御手段と；
前記バッテリの起電力と前記バッテリの充電状態との関係を記憶するメモリと；
前記電流源と直列に設けられ、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電流計と；
前記応用機器の前記接触面どうしの間に結合され、かつ前記制御手段に結合された出力を有する電圧計と
を具え；
前記制御手段が、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法を実行すべく適応されたことを特徴とする充電装置。
【請求項１６】
前記メモリがバッテリパック内に収容され、前記充電装置が、前記制御手段に接続された結合手段を有し、前記バッテリパックを載置した際に、前記結合手段がバッテリパックの対応する結合手段に結合されるべく適合され、前記対応する結合手段が前記メモリに接続されたことを特徴とする請求項１５に記載の充電装置。