【手続補正書】
【提出日】平成16年11月18日(2004.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    再充電可能なバッテリーの充電状態及び残り使用時間を予測する方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  再充電可能なリチウムバッテリーの充電状態を予測する予測方法であって、この予測方法が、
前記バッテリーが、平衡状態であるか非平衡状態であるかを決定する工程と、
前記バッテリーが平衡状態であれば、このバッテリーの両端間の電圧を測定し、この測定電圧を平衡充電状態値に変換する工程と、
前記バッテリーが非平衡状態であれば、このバッテリーから引き出された電荷又は、このバッテリーに供給された電荷を電流積分によって計算し、この電荷を、既に計算した充電状態値から減算するか或いは、この充電状態値に加算する工程と
を有する予測方法。
【請求項２】  請求項１に記載の予測方法において、前記平衡状態で、前記バッテリーの両端間の前記測定電圧を、記憶された特性電圧対充電状態曲線を用いて平衡充電状態値に変換させることを特徴とする予測方法。
【請求項３】  請求項２に記載の予測方法において、前記記憶された特性電圧対充電状態曲線がＥＭＦ曲線を用いることを特徴とする予測方法。
【請求項４】  請求項１に記載の予測方法において、前記既に計算した充電状態値を、初期充電状態値又は先行の平衡充電状態値としうるようにすることを特徴とする予測方法。
【請求項５】  請求項４に記載の予測方法において、前記初期充電状態値を、初期状態の前記バッテリーの両端間の電圧を測定し、この測定電圧を初期充電状態値に変換することによって得ることを特徴とする予測方法。
【請求項６】  予め規定された条件の下でアプリケーションを用いることができる時間を予測する予測方法であって、この予測方法が、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の前記バッテリーの充電状態値を決定する工程と、
前記バッテリーの電圧を平衡電圧と過電圧との合計として計算する工程と
を有する予測方法。
【請求項７】  請求項６に記載の予測方法において、前記過電圧を、少なくとも時間依存部分を有する関数から計算すること特徴とする予測方法。
【請求項８】  請求項６又は７に記載の予測方法において、前記過電圧を、少なくとも温度依存部分を有する関数から計算することを特徴とする予測方法。
【請求項９】  請求項６〜８のいずれか一項に記載の予測方法において、前記過電圧を、少なくとも容量依存部分を有する関数から計算することを特徴とする予測方法。
【請求項１０】  請求項６〜９のいずれか一項に記載の予測方法において、前記過電圧を、前記バッテリーの残りの容量に反比例する少なくとも一項を有する関数から計算することを特徴とする予測方法。
【請求項１１】  抵抗及びキャパシタの値がバッテリーの過電圧の時間依存部分に関連する少なくとも１つのＲＣ回路と、一方の抵抗値が、過電圧に対応するバッテリーの残りの容量に関連する少なくとも２つの抵抗と、平衡電圧に対応するバッテリーの残りの容量に関連する値を有する電圧源とを有する電子回路網型の再充電可能なバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、再充電可能なバッテリー、特に再充電可能なリチウムバッテリーの充電状態を予測する方法に関するものである。更に、本発明は、予め規定された条件の下でアプリケーションを用いることができる時間を計算し且つ表示する残り使用時間装置に関するものである。
【０００２】
米国特許第5631540号明細書は、放電中のバッテリーの残りの容量及び時間を予測する方法及び装置に関するものである。この明細書によれば、残りのバッテリー容量を、バッテリー満充電開路電圧とバッテリーの内部抵抗による電圧損失との差から放電中のバッテリー電圧を差引いてバッテリー温度で除算したもの、すなわち温度補正バッテリー過電圧から決定する。次に、バッテリーの残りの蓄積容量を、既に計算した残りの蓄積容量と最大理論容量との比によって指数関数として決定する。
【０００３】
上述した方法の重要な欠点は、計算された残りのバッテリー容量が、特に測定誤差によって実際値から結局は逸脱してしまうということである。これによって、バッテリーの残りの容量及び時間の予測が不正確になる。
【０００４】
本発明の目的は、再充電可能なバッテリーの充電状態を予測する予測方法であって、バッテリーの残りの容量を正確に測定する予測方法を提供することにある。
【０００５】
この目的のため、本発明は、再充電可能なバッテリー、特にリチウムバッテリーの充電状態を予測する方法であって、この予測方法が、
前記バッテリーが、平衡状態であるか非平衡状態であるかを決定する工程と、
前記バッテリーが平衡状態であれば、このバッテリーの両端間の電圧を測定し、この測定電圧を平衡充電状態値に変換する工程と、
前記バッテリーが非平衡状態であれば、このバッテリーから引き出された電荷又は、このバッテリーに供給された電荷を電流積分によって計算し、この電荷を、既に計算した充電状態値から減算するか或いは、この充電状態値に加算する工程と
を有する予測方法を提供することにある。
【０００６】
極めてわずかな量の電流のみが、バッテリーから引き出されている又はバッテリーに供給されているとき、バッテリーはいわゆる平衡状態にある。この電流の絶対値は、規定された小電流Ｉlim よりも低い。この状態は、例えば、携帯電話が待機モードであるときに生じる。このような場合にバッテリーから引き出される電流はわずかに数ｍＡである。
【０００７】
非平衡状態は、充電状態、放電状態及び遷移状態を有する。充電状態では、規定されたＩlim よりも大きい正の電流がバッテリー内へ流れている。放電状態では、絶対値において、規定されたＩlim よりも大きい負の電流がバッテリーから流れ出ている。遷移状態は、充電状態又は放電状態のどちらかが平衡状態に移る状態である。
【０００８】
充電状態のより正確な測定を、バッテリーの平衡状態の充電状態値の計算と、バッテリーの非平衡状態の充電状態値の計算との間に区別をつけることによって達成させる。
【０００９】
平衡状態のバッテリーの両端間の測定電圧を、特に、記憶された特性電圧対充電状態曲線、好ましくはＥＭＦ曲線を用いることによって、平衡の充電状態（state-of-charge；ＳｏＣ）値に変換させる。
【００１０】
平衡状態で、わずかな量の電流のみがバッテリーから流れるとき、測定電圧はバッテリーのＥＭＦに近くなる。このＥＭＦは、バッテリーの電極の平衡電圧の合計に等しい。本発明による方法は、記憶されたＥＭＦ対充電状態曲線を用いて、平衡状態で測定された電圧値を、最大容量の百分率として表わした充電状態値に変換するアルゴリズムに基づいている。
【００１１】
バッテリーが古い場合であっても、ＥＭＦ対充電状態曲線は同一に保たれている。更に、この曲線の温度依存性は比較的低い。従って、バッテリーの年齢及び温度にかかわらず、同一の充電状態が、ある測定されたＥＭＦ値として分かるので、ＥＭＦ曲線は、充電状態装置の校正として用いるのに適している。非平衡状態では、計算された充電状態値が結局、例えば、電流測定の誤差やこれら誤差の時間での積分によって実際値から逸脱するため、上述した校正は重要である。
【００１２】
充電状態を予測する方法は平衡状態で校正工程を有するので、平衡状態で、電圧がバッテリーのＥＭＦに実際に近づいていることが重要である。従って、バッテリー電圧がＥＭＦに近い又は殆ど等しい定常状態に達したら、アルゴリズムは平衡状態に入ることができる。
【００１３】
非平衡状態では、バッテリーから引き出された又はバッテリーに供給された電荷を電流積分によって計算し、この電荷を、既に計算した充電状態値から減算するか、或いはこの充電状態値に加算する。この方法はクーロン計数（Coulomb counting）とも称する。
【００１４】
特に、既に計算した充電状態値を、初期充電状態値又は先行の平衡充電状態値とすることができる。
本発明の方法によるアルゴリズムは５つの状態で動作し、これら状態は初期状態、平衡状態、充電状態、放電状態及び遷移状態であり、後の３つの状態は非平衡状態である。アルゴリズムは初期状態で始動し、初期充電状態値を決定する。
【００１５】
初期状態でバッテリーの両端間の電圧を測定し、この測定電圧を初期充電状態値に変換することによって、初期充電状態値を得るのが有利である。
【００１６】
次に、バッテリーが充電されているか、放電されているか、平衡状態であるかどうかによって、アルゴリズムは、適切な状態に移り、電圧測定又はクーロン計数によって充電状態値を決定する。
【００１７】
本発明は、予め規定された条件の下でアプリケーションを用いることができる時間、いわゆる残り時間を予測する方法にも関するものである。この方法は、
上述した本発明の方法によってバッテリーの充電状態値を決定する工程と、
平衡電圧と過電圧との合計としてバッテリー電圧を計算する工程と
を有する。
【００１８】
放電中のバッテリー電圧は平衡電圧よりも低い。このことは過電圧に原因がある。バッテリー中で使用しうる電荷と、ある条件の下でバッテリーから引き出すことができる電荷とを区別すべきである。特に、低温及び低充電状態値では、高い過電圧のため、残りの電荷をバッテリーから引き出すことができない。その理由は、バッテリー電圧が、携帯装置で規定されたいわゆる放電末期電圧Ｖmin よりも下に降下するためである。
【００１９】
電圧が、あるレベルＶmin よりも下に降下すると、バッテリーは空であるとみなされる。例えば、携帯電話の用語では、“残りの会話時間”は、電話が連続的に会話モードである間、電圧がＶmin よりも下に降下するまでにかかる時間を意味する。“残りの待機時間”は、電話が連続的に待機モードである間、電圧がＶmin よりも下に降下するまでにかかる時間を意味する。
【００２０】
過電圧を、少なくとも時間依存部分を有する関数から計算するのが有利である。好ましくは、過電圧を、少なくとも容量依存部分を有する関数から計算する。
【００２１】
バッテリー電圧を予測するため、バッテリーの充電状態値を知り、時間及び充電状態値の関数としての過電圧を計算することが必要である。
特に、過電圧を、少なくとも温度依存部分を有する関数から計算する。
【００２２】
このような温度依存部分によって、様々な温度の条件の下での残りの使用時間、例えば、室温での残りの使用時間や摂氏零度での残りの使用時間を決定することができる。これら計算では、残りの待機時間及び残りの会話時間をも考慮することができ、これにより、２つの異なる温度例えば、室温及び摂氏零度の温度での残りの待機時間を示し、２つの異なる温度での残りの会話時間を示すことができる。
【００２３】
非平衡状態では、バッテリーの充電状態値をクーロン計数によって計算する。過電圧を、後で表わす式７〜12で示すような微分の形態で計算する。平衡状態では、過電圧及びクーロン計数の双方をリセットする。
【００２４】
特に、過電圧を、バッテリーの残りの容量に反比例する少なくとも１つの項を有する関数から計算する。
【００２５】
最後に本発明は、抵抗及びキャパシタの値がバッテリーの過電圧の時間依存部分に関連する少なくとも１つのＲＣ回路と、一方の抵抗の値が、過電圧に対応するバッテリーの残りの容量に関連する少なくとも２つの抵抗と、平衡電圧に対応するバッテリーの残りの容量に関連する値を有する電圧源とを有する電子回路網型の再充電可能なバッテリーに関するものである。
【００２６】
特に、電子回路網内の１つ以上の構成要素の値は温度に依存する。
最大限の精度を得るために、電子回路網内のすべての構成要素の値はバッテリーの残りの容量に依存する。
【００２７】
特に、１つの抵抗の値は電流の方向に依存する。しかも、この抵抗をキャパシタと並列に接続して、この特定の過程の時間依存性をシミュレートすれば、より高い精度が得られる。
【００２８】
本発明を、添付図面を用いて更に説明する。
図１に、再充電可能なバッテリー１に対する充電状態装置を線図的に示す。バッテリー１の端子２及び３間の電圧Ｖは、バッテリーに流れている又はバッテリーから流れている電流Ｉと、周囲の環境の温度Ｔと一緒に測定される。これら測定データＶ、Ｉ及びＴはマルチプレクサ４及びアナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器５によって順次に処理され、マイクロプロセッサ６に供給される。このマイクロプロセッサは、本発明による適切なアルゴリズムを適用し、予測されたＳｏＣ信号を出力端７に発生させる。しかも、このマイクロプロセッサ６はマルチプレクサ４を帰還ループ８によって制御し、これにより、マイクロプロセッサ６は、バッテリーの決定された状態及びその他の要因に応じて、電圧Ｖ、電流Ｉ又は温度Ｔが任意の特定の期間で標本化されているかどうかを決定する。
【００２９】
図２は、図１のマイクロプロセッサ６によって、再充電可能なバッテリー１の状態を査定するのに用いられる充電状態アルゴリズムの状態図である。実行可能な状態をボックス10〜14によって表わす。
10：初期状態−バッテリーが最初に連結されるとき
11：平衡状態−極めてわずかな電流がバッテリーから取り出される又はバッテリーに供給される
12：充電状態−大きい電流がバッテリーに流れている
13：放電状態−大きい電流がバッテリーから流れている
14：遷移状態−アルゴリズムが充電状態又は放電状態から平衡状態に移るとき
【００３０】
バッテリーがＳｏＣ装置に最初に連結されると、アルゴリズムが初期状態で始動し、初期のＳｏＣ値を決定する。次に、アルゴリズムは、適切なとき、充電状態、放電状態又は平衡状態に移る。このことは、電流Ｉを測定し、この電流を、予め決定された比較的低い電流値Ｉlim と比較することによって行なわれる。Ｉが正の電流であって、すなわち、バッテリー内へ流れている電流であって、Ｉlim よりも大きければ、この場合、バッテリーを、充電状態であると決定し、アルゴリズムはボックス12に移る。Ｉが負の電流であって、すなわち、バッテリーから流れている電流であって、Ｉlim よりも大きければ、この場合、バッテリーを、放電状態であると決定し、アルゴリズムはボックス13に移る。
【００３１】
Ｉが、Ｉlim よりも小さければ又はＩlim と等しければ、バッテリーは、平衡状態又は平衡に近い状態であると予測される。しかし、電流が、Ｉlim よりも小さい値に変化する際には、再充電可能なバッテリーに緩和過程が生じ、これら緩和過程はバッテリー電圧に影響を及ぼす。従って、本発明によれば、ＩがＩlim よりも小さければ、これによってアルゴリズムが平衡状態11に移る前に、マイクロプロセッサ６は定常電圧状態を追加的に検索する。
【００３２】
平衡状態においてＳｏＣ値を概算し、この値を装置を校正するのに用いる、すなわち、マイクロプロセッサ６に対する基準として用いる。この校正は、非平衡状態で計算したＳｏＣ値が、電流の測定誤差やこれら誤差の時間での積分によって実際値から逸脱する傾向にあるので重要である。正確な校正を確実にするため、定常の平衡状態が得られるようにする、すなわち、緩和過程を終えるようにすることは本発明にとって重要である。なぜならば、その場合、測定電圧がバッテリーの真のＥＭＦに極めて近づくためである。マイクロプロセッサのアルゴリズムは、測定電圧がＥＭＦに近いことを前提としており、この測定電圧を、記憶されたＥＭＦ対ＳｏＣデータ表と組み合わせて用いてＳｏＣ値に変換し、最大容量の百分率として表示する。
【００３３】
この装置は、バッテリーが古くなり、しかも、殆ど温度に依存しない場合でさえも、ＥＭＦ対ＳｏＣの関係がほぼ同一に保たれるという利点を有する。
定常状態の電圧を検出しなければ、アルゴリズムは平衡状態１１に入らず、正確な校正は保障される。
【００３４】
アルゴリズムが、充電状態12又は放電状態13から平衡状態11へ移る前に、定常状態の電圧をも検査する。そのため、アルゴリズムは遷移状態14を有し、この遷移状態では、電圧の安定性を監視する。つまり、充電状態12又は放電状態13の電流が、零よりも小さくなる又は零に等しくなるように変化すると、図２の線1214及び1314でそれぞれ示すように、アルゴリズムは遷移状態14に移り、電圧安定性に対して検査を行なう。電圧が安定であれば、アルゴリズムは、線1411で示すように平衡状態11に移る。
【００３５】
遷移状態14では電流Ｉをも測定する。Ｉが再びＩlim よりも大きくなるように変化すれば、アルゴリズムは再び充電状態12に移る。これに反して、Ｉが負になり、絶対値でＩlim よりも大きくなるように変化すれば、この場合、アルゴリズムは放電状態13に移る。これらのことは、線1412及び1413でそれぞれ表わしてある。
【００３６】
同様に、平衡状態11では、電流Ｉを絶えず監視し、この電流に応じて、アルゴリズムは、（充電状態12に戻る）線1112及び（放電状態13に戻る）線1113で示すように適切な状態に移る。
【００３７】
要するに、充電状態、放電状態及び遷移状態では、電流を測定することによってＳｏＣ値を決定し、平衡状態では、定常状態の電圧を測定することによって校正ＳｏＣ値を決定する。充電状態、放電状態及び遷移状態での電流測定値を、時間に関して積分し、平衡状態11で計算した校正ＳｏＣ値から減算するか或いは校正ＳｏＣ値に加算するか或いは初期のＳｏＣ値に加算する。
【００３８】
放電状態13ではさらに補償を行う。なぜなら過電圧の影響を考慮しなければならない、すなわち、放電中のバッテリー電圧は、ＥＭＦよりも低くなるためである。過電圧は温度に依存するため、マイクロプロセッサ６は、適切なとき、マルチプレクサ４を介して温度読み取り部にアクセスする。
【００３９】
本発明は更に、特定の条件の下でバッテリー内に残されたユーザー時間、例えば、会話時間や待機時間の量を正確に予測するのに用いることができる。このように予測する方法は、式１〜12を参照して後に説明する。
【００４０】
残りの使用時間はバッテリー電圧から予測されるが、ある最小値Ｖmin よりも下では、どうしてもバッテリーは空であるとみなされてしまう。現在の携帯電話ではこの最小値は代表的に３Ｖである。従って、使用時間は、電圧がＶmin に降下するのに必要とする時間である。バッテリー電圧はＳｏＣ値から評価されるが、正確な値を計算するためには、時間及びＳｏＣ値の関数として変化する過電圧をも考慮しなければならない。その理由は、これら過電圧によって放電中のバッテリー電圧が平衡電圧よりも低くなるためである。
【００４１】
式１は、ＥＭＦ及び過電圧の合計としてバッテリー電圧を与える。
【数１】
2004515044.tif 000001
【００４２】
式２によって、過電圧は、オーム抵抗による過電圧と、電荷移送及び二重層での抵抗による過電圧と、電解質拡散／移動による過電圧と、半導体拡散による過電圧との合計として近似することができる。過電圧のこれら要因の各々に対する式をそれぞれ式３、４、５及び６に示す。
【数２】
2004515044.tif 000002
【数３】
2004515044.tif 000003
【数４】
2004515044.tif 000004
【数５】
2004515044.tif 000005
【数６】
2004515044.tif 000006
【００４３】
式７〜12では、過電圧を微分の形態で表わし、バッテリーが非平衡状態であれば、この形態で過電圧を計算することができる。
【数７】
2004515044.tif 000007
【数８】
2004515044.tif 000008
【数９】
2004515044.tif 000009
【数１０】
2004515044.tif 000010
【数１１】
2004515044.tif 000011
【数１２】
2004515044.tif 000012
【００４４】
過電圧が一旦分かれば、温度Ｔ及び電流Ｉのいかなる所定の条件に対しても使用時間を計算することができる。非平衡状態では、バッテリーのＳｏＣ値をクーロン計数によって計算する。過電圧を、上述したように微分の形態で計算する。平衡状態では、過電圧とクーロン計数との双方をリセットする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  充電状態装置の一例を示すブロック図である。
【図２】  各状態間での関連の電流レベルを示す、充電可能なバッテリーに対する状態図である。