(57)【要約】【課題】電池温度が低いときに残容量を正確に検出する。【解決手段】残容量検出方法は、電池の放電電流の積算値から検出される残容量を、電池電圧が設定電圧に低下すると残容量に予め設定された低容量に補正する方法であって、電池電圧が設定電圧まで低下するときに、電池の温度が最低温度よりも低く、かつ、電池の残容量が判定容量よりも大きいときは、残容量を低容量に補正しない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して残容量を演算すると共に、電池電圧を検出し、検出された電池電圧が設定電圧まで低下すると残容量を予め特定している低容量に補正する電池の残容量検出方法であって、
電池温度を検出し、電池温度が最低温度よりも低く、かつ、電池の残容量が特定容量よりも大容量な判定容量よりも大きいときは、電池の電圧が設定電圧まで低下しても残容量を低容量とせずに、放電容量を減算して検出した残容量とし、電池温度が最低温度よりも低く、かつ電池の残容量が判定容量よりも小さいときに、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の残容量を低容量に補正することを特徴とする電池の残容量検出方法。
【請求項２】
電池が、リチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池のいずれかである請求項１に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項３】
低容量が５〜２０％である請求項１に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項４】
判定容量が３０〜５０％である請求項１に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項５】
最低温度が−５℃〜５℃である請求項１に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項６】
電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定している請求項１に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項７】
電池温度が最低温度よりも低いときに、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定している請求項６に記載される電池の残容量検出方法。
【請求項８】
電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して残容量を演算して電池の残容量を検出し、電池温度が最低温度よりも低いときに、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定することを特徴とする電池の放電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放電電流を積算して残容量を検出する方法に関し、とくに、電池の放電が進行して電池の電圧が設定電圧まで低下すると、残容量を特定の容量に修正する残容量の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の残容量は、満充電した状態から放電容量を減算して検出される。放電容量は放電電流を積算して演算される。電池の残容量は、電流と時間の積、すなわちＡｈで表示され、または、満充電した容量（Ａｈ）を１００％として、満充電容量に対する比率（％）で表すことができる。いずれの状態で残容量を表示するにしても、満充電された状態から放電した容量を減算して検出される。ただ、放電電流の積算値で検出される残容量は、常に電池の正しい残容量に一致するとはかぎらない。放電電流の大きさや温度が残容量検出の誤差の原因となるからである。誤差を少なくするために、電池の電圧を検出し、電池電圧が特定の設定された電圧になると、残容量を特定の容量に修正する方法が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−８７８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１には、電池の電圧を検出し、検出された電圧が設定電圧になると、残容量を修正する方法が記載される。しかしながら、この公報に記載される方法では、つねに残容量を正しいように修正できない欠点がある。とくに、電池温度が低いときに、残容量を正確に修正できない欠点がある。
【０００４】
図１は、−１０℃の電池の放電を開始して、電池電圧が低下する特性を示している。ただし、この図に示す方法は、放電される電池の電圧が３．１Ｖまで低下すると、放電電流を積算して検出した残容量には関係なく、電池の残容量を１０％に修正する方法である。この図に示すように、低温の電池は、放電を開始すると電池電圧が急激に低下する。電池電圧が３．１Ｖまで低下すると、残容量を１０％に補正する。その後、電池電圧は多少上昇するが、残容量は１０％に修正されているので、その後放電電流の積算値で残容量を次第に減少させる。したがって、検出される電池の残容量は実線Ａで示すようになる。しかしながら、この電池は満充電された状態から放電を開始したので、正しい残容量の値は、図の実線Ａで示すようには変化しない。このため、特許文献１に記載される方法は、温度が低いときに、残容量を正確に検出できない欠点がある。
【０００５】
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池温度が低い状態においても、残容量を正確に検出できる電池の残容量検出方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、電池温度が低い状態においても、残容量に応じた適切な最大の放電電流に制限する電池の放電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電池の残容量検出方法は、電池の放電電流を積算して電池の放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して残容量を演算すると共に、電池電圧を検出し、検出された電池電圧が設定電圧まで低下すると残容量を予め特定している低容量に補正する。さらに、本発明の残容量検出方法は、電池温度を検出して、電池温度が最低温度よりも低く、かつ、電池の残容量が特定容量よりも大容量な判定容量よりも大きいときは、電池の電圧が設定電圧まで低下しても残容量を低容量とせず、放電容量を減算して検出した残容量とする。電池温度が最低温度よりも低く、かつ電池の残容量が判定容量よりも小さいときに、電池の電圧が設定電圧まで低下すると、電池の残容量を低容量に補正する。
【０００７】
残容量が検出される電池は、リチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池のいずれかである。
電池の電圧が設定電圧まで低下するときに補正する低容量は、たとえば５〜２０％とする。
残容量を比較して残容量を補正するかどうかを判定する判定容量は、たとえば３０〜５０％すとる。
また、残容量を低容量に補正するかどうかを判定する電池の最低温度は、−５℃〜５℃とする。
【０００８】
本発明の請求項６の残容量検出方法は、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定する。この方法は、とくに電池温度が最低温度よりも低いときに、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定して電池を保護しながら最大大電流で放電できる。
【０００９】
また、本発明の請求項８の電池の放電方法は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して残容量を演算して電池の残容量検出し、電池温度が最低温度よりも低いときに、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電池の残容量検出方法は、電池温度が低い状態において残容量を正確に検出できる特徴がある。それは、電池電圧が設定電圧まで低下しても、電池温度が最低温度よりも低く、かつ、電池の残容量が判定容量よりも大きいときは、残容量を低容量に補正しないので、電池温度が低下して実質的に放電できる容量が低下するときに、残容量を間違った値に補正するのを解消できるからである。
【００１１】
また、本発明の電池の放電方法は、電池温度が最低温度よりも低いときに、電池の残容量によって最大放電電流を変化させると共に、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きく設定している。従って、低温時において残容量が大きい場合に、不必要に、放電電流を制限することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の残容量検出方法と放電方法を例示するものであって、本発明は残容量検出方法と放電方法を以下の方法に特定しない。
【００１３】
図２に示す残容量検出装置１はパック電池２に内蔵される。このパック電池２は、残容量検出装置１と二次電池３を内蔵している。残容量検出装置１は、検出した二次電池３の残容量を、接続機器通信端子４を介して、パック電池２の接続機器（図示せず）に伝送する。また、残容量検出装置１は、検出した残容量から、パック電池２を放電できる最大電流値を示す最大制限電流値を示す信号を、接続機器通信端子４を介して接続機器に出力する。
【００１４】
パック電池の接続機器はアシスト自転車である。アシスト自転車に装着されたパック電池は、アシスト自転車のモーターを駆動して自転車を走行させる。この用途に使用されるパック電池は、自転車を走行させる駆動力により、パック電池の放電電流が変化する。モーターが自転車を強い力で駆動するとき、モーターに放電される電流は大きくなる。パック電池を保護するために、電池の最大放電電流を制限している。電池の最大放電電流を制限する信号は、パック電池から接続機器であるアシスト自転車に伝送される。接続機器であるアシスト自転車は、パック電池から入力される最大制限電流値に基づいて、放電電流をコントロールする。すなわち、放電電流を最大制限電流値よりも小さくして、最大の放電電流を最大制限電流値に制限する。接続機器であるアシスト自転車は、パック電池から入力される残容量を表示し、また、残容量に基づいて使用時間や走行可能距離等を表示する。ただし、残容量を演算するパック電池は、必ずしもアシスト自転車に装着されるとはかぎらない。パック電池は、自動車、電動バイク、電動自転車等の車両に装着でき、あるいは車両以外の電気機器に装着することができる。
【００１５】
残容量検出装置１は、電池の電圧を検出する電圧検出部５と、電池の温度を検出する温度検出部６と、電池に流れる電流を検出する電流検出部７と、電圧検出部５と温度検出部６と電流検出部７から入力される信号を演算して電池の残容量を検出すると共に、残容量や電池温度からパック電池２の最大制限電流値を検出する残容量演算部８と、演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部９とを備えている。通信処理部９は接続機器通信端子４に接続している。通信処理部９は、接続機器通信端子４を介して接続機器に接続されて、残容量や最大制限電流値を示す信号を接続機器に伝送する。
【００１６】
電池は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池はニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池とすることもできる。また、電池はひとつ又は複数を直列、または並列に接続している。
【００１７】
電圧検出部５は、パック電池２に内蔵される二次電池３の電圧を検出する。図のパック電池２は、複数の二次電池３を直列に接続しているので、電圧検出部５は直列に接続している電池のトータル電圧を検出している。電圧検出部５は、検出した電圧をアナログ信号として残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。電圧検出部５は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池電圧を検出して、検出した電圧を残容量演算部８に出力する。
【００１８】
温度検出部６は、パック電池２に内蔵される電池の温度を検出する温度センサー１０を備える。温度センサー１０は、電池の表面に接触し、あるいは熱伝導材を介して電池に接触し、あるいはまた電池の表面に接近して電池に熱結合されて電池温度を検出する。温度センサー１０はサーミスタである。ただし、温度センサー１０には、ＰＴＣやバリスタ等、温度を電気抵抗に変換できる全ての素子を使用できる。また、温度センサー１０には、電池から放射される赤外線を検出して電池に非接触な状態で温度を検出できる素子も使用できる。温度検出部６も、検出した電池温度をアナログ信号で残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。温度検出部６は一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池温度を検出して、検出した電池温度を残容量演算部８に出力する。
【００１９】
電流検出部７は、電池と直列に抵抗素子を接続し、この抵抗素子の両端に誘導される電圧を検出して、電池に流れる放電電流を検出する。抵抗素子は低抵抗な抵抗器である。ただ抵抗素子には、トランジスターやＦＥＴ等の半導体も使用できる。電池の充電電流と放電電流は電流が流れる方向が逆であるから、抵抗素子に誘導される正負の極性が反転する。したがって、抵抗素子の極性で放電電流と判定して、抵抗素子に誘導される電圧で電流を検出できる。電流が抵抗素子に誘導される電圧に比例するからである。この電流検出部７は電池の放電電流を正確に検出できる。ただし、電流検出部７には、リード線に流れる電流で外部に漏れる磁束を検出して電流を検出する構造とすることもできる。電流検出部７も、検出した放電電流をアナログ信号で残容量演算部８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部８に出力する。電流検出部７は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に放電電流を検出して、検出した放電電流を残容量演算部８に出力する。
【００２０】
電圧検出部５と温度検出部６と電流検出部７から、一定のサンプリング周期でデジタル値の信号を残容量演算部８に出力する装置は、各々の検出部から残容量演算部８にデジタル信号を出力するタイミングをずらせて、順番にデジタル信号を残容量演算部８に出力する。
【００２１】
残容量演算部８は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して電池の残容量を演算する。たとえば、満充電容量を１０００ｍＡｈとする電池が５００ｍＡｈ放電されると、残容量は５０％となる。したがって、満充電された電池が放電されるにしたがって、残容量は図３の実線Ｂで示すように次第に低下する。さらに、残容量演算部８は、電池の電圧で放電容量から検出した残容量を補正する。たとえば、図３に示すように、電圧検出部５から入力される電池電圧が設定電圧まで低下すると、残容量を予め特定している低容量に補正する。設定電圧と低容量は、残容量演算部８に接続しているメモリ１１に記憶している。図３は、リチウムイオン二次電池の特性を示し、設定電圧を３．１Ｖ／セル、低容量を１０％としている。したがって、放電している電池の電圧が設定電圧の３．１Ｖ／セルまで低下すると、放電電流を演算して検出された電池の残容量を１０％と補正する。
【００２２】
放電している電池の電圧が設定電圧になるときに、残容量を低容量に補正する方法は、電池温度が非常に低いときに、残容量の補正が不正確になる。図１はその具体例を示している。この図は、温度が−１０℃である満充電された電池の放電特性を示している。この図に示すように、極低温の電池が、放電されると、放電を開始して短時間に電圧が急激に低下する。この図は、電池電圧が３Ｖまで低下している。このように電池電圧が設定電圧よりも低くなるときに、残容量を低容量の１０％に補正すると、正しい残容量を検出できなくなる。
【００２３】
残容量演算部８は、以上の弊害を防止するために、電池の電圧が設定電圧に低下するときに、電池温度と残容量から、残容量を補正するかどうかを判定する。電池の電圧が設定電圧である３．１Ｖ／セルまで低下しても、電池温度が予め設定している最低温度の０℃よりも低いときは、電池の残容量が予め設定している判定容量の４０％よりも小さいときに限って残容量を低容量に補正し、残容量が判定容量の４０％よりも大きいときは、残容量を低容量に補正しない。すなわち、放電電流から検出した残容量を正しいとする。
【００２４】
メモリ１１は、最低温度と判定容量を記憶している。低容量に補正するかどうかを判定する電池の最低温度は、−５℃〜５℃の範囲に設定することができる。最低温度は高すぎても低すぎても、残容量を正確に補正できなくなる。また、判定容量は３０〜５０％の範囲に設定することができるが、この判定容量も大きすぎても小さすぎても、残容量を正確に補正できなくなる。したがって、最低温度と判定容量は、電池のタイプや大きさを考慮して、残容量をもっとも正確に補正できる値に設定される。
【００２５】
残容量演算部８は、電池電圧が設定電圧よりも低くなるとき、電池温度が最低温度よりも高いときは、電池の残容量に関係なく、残容量を低容量に補正する。図３においては、電池の放電を開始した最初に電池電圧が設定電圧よりも低くなるが、この時の電池温度は最低温度の０℃よりも低いが、放電電流から検出した残容量が判定容量の４０％よりも大きいので、残容量を低容量の１０％には補正しない。電池の放電が進行して、放電容量が１４００ｍＡｈから１６００ｍＡｈとなる間において、電池電圧が設定電圧の３．１Ｖ／セルに低下するときは、電池の温度が最低温度の０℃よりも高いので、残容量を低容量の１０％に補正する。図では、このときに電池の温度が最低温度の０℃よりも高くなっているが、このときの電池温度が仮に最低温度の０℃よりも低くても、電池の残容量が判定容量の４０％よりも低くなっているので、残容量は低容量の１０％に補正される。
【００２６】
すなわち、放電している電池の電圧が設定電圧まで低下するとき、電池の温度が最低温度よりも低いときには、放電電流から検出した残容量が判定容量よりも小さいときにかぎって、残容量を低容量に補正し、残容量が判定容量よりも大きいときは、残容量を低容量に補正しない。また、電池の電圧が設定電圧まで低下するときに、電池温度が設定温度よりも高いときは、残容量に関係なく低容量に補正する。
【００２７】
残容量演算部８が、放電する電池の電圧が設定電圧よりも低くなったときに、残容量を低容量に補正するフローチャートを図４に示す。この図のフローチャートは、以下のステップで残容量を補正する。
［ｎ＝１のステップ］
このステップにおいて、残容量演算部８は、電池電圧が設定電圧よりも低いかどうかを判定する。電池電圧が設定電圧よりも低くない場合は、このステップをループする。
［ｎ＝２のステップ］
電池電圧が設定電圧よりも低くなると、このステップで電池温度が最低温度よりも低いかどうかを判定し、電池温度が最低温度よりも低いと、次のｎ＝３のステップに進み、電池温度が設定温度よりも高いと、ｎ＝４のステップにジャンプして残用量を低容量に補正する。
［ｎ＝３のステップ］
電池電圧が設定電圧よりも低く、かつ電池温度が最低温度よりも低いと、このステップで、電池の残容量が判定容量よりも小さいかどうかを判定し、残容量が判定容量よりも小さいと、ｎ＝４のステップで残容量を低容量に補正し、判定容量よりも大きいと、残容量を低容量に補正することなく、ｎ＝１のステップにジャンプする。
［ｎ＝４のステップ］
電池電圧が設定電圧よりも低くなって電池温度が最低温度よりも高い電池と、電池電圧が設定電圧よりも低くなって、電池温度が最低温度よりも低く、かつ残容量が判定容量よりも小さい電池の残容量が、このステップで低容量に補正される。
【００２８】
さらに、残容量演算部８は、検出した電池の残容量によって、パック電池２の最大の放電電流を示す信号である最大放電電流信号を接続機器に伝送する。接続機器は、パック電池２を放電させる最大電流をこの最大放電電流信号で特定される電流に設定して、この電流よりも小さい電流でパック電池２を放電するように制御する。パック電池２の最大放電電流は、電池の残容量に基づいて残容量演算部８で演算される。残容量演算部８は、図５に示すように、電池の残容量によって最大放電電流を変化させる。最大放電電流は、残容量が大きいときに大きく、残容量が小さいときに小さくなるように、すなわち、残容量が大きいときの最大放電電流を残容量が小さいときに比較して大きくするように設定している。すなわち、パック電池２は、残容量から最大放電電流を特定する関数やテーブルをメモリ１１に記憶させている。図５に示す関数は、残容量によって最大放電電流を直線的に変化させる一次関数である。メモリ１１は、残容量によって最大放電電流を段階的に変化させる関数として記憶することもでき、また、残容量に対する最大放電電流をテーブルとして記憶する。残容量演算部８は残容量が検出されると、この残容量からメモリ１１の記憶される関数やテーブルでもって、パック電池２の最大放電電流を検出して、設定機器に最大放電電流信号を出力する。
【００２９】
また、このように最大放電電流を規制する方法は、特に、低温時に有効である。すなわち、一般的に電池は、低温での放電時は、常温に比べると電池電圧が低下する傾向にあり、低温で放電電流が大きい場合には、放電停止電圧（例えば、２．７Ｖ／セル）を下回ってしまうことがある。実際には、電池残容量があるのに電池が使用できなくなる。そこで従来、例えば電動アシスト自転車においては、低温の場合には、その温度に応じて本体側に電流を制限する情報（制限電流値など）を伝達して、本体側で電流を制限し（図５での従来の電流値）、放電停止電圧を下回らないようにしていた。この従来の場合、温度のみによって電流が制限されるので、電池残容量が満充電状態に近い状態にも関わらず、電動アシスト自転車のアシスト力は一定のレベルに制限されるという欠点があった。一方、上記のように、残容量によって、最大放電電流を制限する方法は有用であり、特に、電池温度を検出して、低温時に利用することは有用である。低温時としては、例えば、判定する電池の最低温度は、上述の実施例と同様に、−５℃〜５℃の範囲に設定することができる。このような最低温度以下の時に、図５に示す関数にて、最大放電電流を制限する。従って、電池残容量が十分ある状態では、制限電流値を多少大きくしても放電停止電圧を下回ることはなく、不必要に放電電流を制限することがなく、放電電流を最大限に引き出すことが可能となる。例えば、電動アシスト自転車の場合、電池残容量が十分ある状態では、従来よりも制限電流値を大きくすることができアシスト力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】低温のリチウムイオン二次電池を放電する電圧特性を示すグラフである。
【図２】本発明の残容量検出方法に使用する残容量演算装置を内蔵するパック電池のブロック図である。
【図３】本発明の実施例にかかる方法で放電される電池の残容量を補正する特性を示すグラフである。
【図４】図３の残容量演算装置が残容量を演算する工程を示すフローチャート図である。
【図５】残容量によって最大放電電流を変化させる特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１…残容量検出装置
２…パック電池
３…二次電池
４…接続機器通信端子
５…電圧検出部
６…温度検出部
７…電流検出部
８…残容量演算部
９…通信処理部
１０…温度センサー
１１…メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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