(57)【要約】   【課題】  従来から用いられている積算法と電圧法を組み合わせた二次電池の充電方法において、充電容量をさらに精度良く測定し、正しく満充電の検出を行う。  【解決手段】  充電開始から満充電付近までは、積算法（電流積算または電力積算）によって充電容量（充電率）を算出する。満充電付近になると電圧法信頼度という係数を用い、電圧法信頼度係数によって掛けられた割合に応じて両算出方式の値を加算することで、徐々に電圧法算出値に移行させ、違和感無く積算法算出値から電圧法算出値に切り替えることができると共に、正確な満充電検出（充電率算出）を行うことができる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を充電する充電方法において
上記二次電池の電流値または電力値を一定時間毎に積算することにより電池容量を算出する積算法を用いた上記二次電池の充電率検出と、
上記二次電池の電圧値を測定し、前記電圧値と充電率の相関性に基づいて充電率を算出する電圧法を用いた上記二次電池の充電率検出とを行い、
上記二次電池の充電率に応じて、積算法で検出した充電率と電圧法で検出した充電率とを重み付け加算し、最終的な充電率検出を行うことを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項２】
請求項１に記載の二次電池の充電方法において、
あらかじめ充電中に満充電付近であることを検出するための電圧法による基準充電率を設定し、上記二次電池の充電率が基準充電率よりも小さいときは、積算法による充電率検出を行い、上記二次電池の充電率が基準充電率よりも大きいときは、その充電率に応じて積算法による充電率と電圧法による充電率とを重み付け加算することにより、最終的な充電率検出を行うことを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項３】
請求項１に記載の二次電池の充電方法において、
上記重み付け加算に使用する重みは、上記電圧法による基準充電率を元に計算された電圧法信頼度から得られることを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項４】
二次電池の電池パックにおいて、
上記電池パックは二次電池の電圧および電流を測定する測定部と、電池容量演算部とを有し、
上記電池容量演算部は、
上記二次電池の電流値または電力値を一定時間毎に積算することにより電池容量を算出する積算法を用いて、上記二次電池の充電率を検出する検出手段と、
上記二次電池の電圧値を測定し、前記電圧値と充電率の相関性に基づいて充電率を算出する電圧法を用いて、上記二次電池の充電率を検出する検出手段と、
上記二次電池の充電率に応じて、積算法で検出した充電率と電圧法で検出した充電率とを重み付け加算し、最終的な充電率検出を行う手段とを有することを特徴とする電池パック。
【請求項５】
請求項４に記載の電池パックにおいて、
上記電池容量演算部は、あらかじめ充電中に満充電付近であることを検出するための電圧法による基準充電率を設定し、上記二次電池の充電率が基準充電率よりも小さいときは、積算法による充電率検出を行い、上記二次電池の充電率が基準充電率よりも大きいときは、積算法による充電率と電圧法による充電率とを重み付け加算することにより、最終的な充電率検出を行う手段を有することを特徴とする電池パック。
【請求項６】
請求項４に記載の電池パックにおいて、
上記電池容量演算部は、上記重み付け加算に使用する重みを、上記電圧法による基準充電率を元に計算された電圧法信頼度から得る手段を有することを特徴とする電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池の充電方法および電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電池を用いて使用される機器の多くは充電可能な二次電池を装着して使用されており、自宅などで充電器を用いて充電する。これらの機器は、ランプの色や点滅、液晶表示などの方法により充電中であるのか充電完了状態にあるのかを表示している。
【０００３】
二次電池の充電容量を検出する方法として、電流または電力量を積算することにより充電容量を求める積算方式と、電池電圧を計測することにより満充電かどうかの判別を行う電圧方式が用いられている。
【０００４】
積算方式は、上述したように、電流または電力量を積算するため、電圧の変動を気にすることなく絶対的な充電容量を検出することができ、充電容量の検出が容易である。また、図１に示すように、特に充電初期においては直線的に充電率（充電容量）が上昇するため、正確に充電率を算出することができる。
【０００５】
一方、電圧方式では、例えばリチウムイオン電池の場合は電池開放電圧が４．２Ｖ／セルになった時を満充電と定義している。セルを多数用いた充電池であれば、その中の一つが４．２Ｖに達した時点を満充電とする。そのため、開放電圧を計測することにより、確実に満充電検出をすることが可能である。
【０００６】
電圧を計測する際により正確に値を検出するためには、電流を止め、無負荷状態で電圧を測ることが望ましい。しかし、実際に電流を止めることは制御が複雑になるため、実現できないことが多い。また、充電電流を止めることができたとしても電池内部の分極電圧はすぐには安定せず、正確な開放電圧を想定することができない。そこで、充電電流と電池電流Ｉｍｐ（インピーダンス）を計測することで、充電電流を止めることなく充電率を検出する方法が用いられる。
【０００７】
この方法では、電池の内部抵抗と充電電流によって生じる電圧上昇分をセル測定電圧から減算することで開放電圧を想定し、充電率を算出することができる。これにより、安定した満充電検出をすることができる。
【０００８】
しかしながら、上述した積算方式による充電方法では、パック全体の充電容量を正確に把握していることが条件であり、その充電容量が劣化によって減少したり、環境温度によって変動したりしてしまうと、満充電容量の想定誤差が起こりやすく正確に満充電を検出することができない。
【０００９】
また、充電途中での測定誤差があった場合、図１に示すように充電率が１００％とならず、満充電検出ができなくなる。
【００１０】
さらに、電圧法を用いた場合、充電電流が小さい値の時は開放電圧を正しく想定することができる。しかし、図２に示すように、充電電流が大きい値になると電池直流Ｉｍｐの誤差や、充電電流によるセル自己発熱で電池電流Ｉｍｐ分が変動し、正しい開放電圧を得ることができず、正確な充電率を検出することができない。
【００１１】
そこで、積算法と電圧法を併用して充電容量を検出する方法が用いられる。充電開始時から満充電に近くなるまでは積算方式を用い、満充電付近で電圧法に切り替えて充電容量を検出することにより、それぞれの方法が最も効果を発する領域で計測を行うことができる。
【００１２】
以下の特許文献１に、電流積算法と電圧法を併用して電池容量の検出を行う方法が記載されている。特許文献１の発明は、電池容量が空に近いとき電流量はある一定の値を示し、満充電に近くなるにしたがって電流量が小さくなる特性に着目し、あらかじめ設定された電流値より小さいときは電圧法を、大きいときは電流積算法を用いるものである。各方法を切り替えて電池容量を計測することにより、電池容量の算出精度を高めることが可能となる。
【特許文献１】国際公開第９８／０５６０５９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、積算法と電圧法を併用する方法において、積算法から電圧法に切り替える際に、積算法で計測した充電容量（または充電率）と電圧法で計測した充電容量（または充電率）は必ずしも一致せず、測定値の切り替わりに違和感が生じる場合があった。また、徐々に積算法から電圧法に切り替えていく場合でも、一致しないそれぞれの値をつなげるため、測定値を強制的に補正していくような方法もとられることから、充電容量または充電率の測定精度が悪化し、充電に支障をきたすおそれもあった。
【００１４】
したがって、この発明の目的は、充電池の劣化や環境の変化によっても正確に満充電可能であり、また、より高い精度で充電容量または充電率を検出することができる二次電池の充電方法および電池パックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、二次電池を充電する充電方法において、二次電池の電流値または電力値を一定時間毎に積算することにより電池容量を算出する積算法を用いた二次電池の充電率検出と、二次電池の電圧値を測定し、電圧値と充電率の相関性に基づいて充電率を算出する電圧法を用いた二次電池の充電率検出とを行い、二次電池の充電率に応じて、積算法で検出した充電率と電圧法で検出した充電率とを重み付け加算し、最終的な充電率検出を行うことを特徴とする二次電池の充電方法である。
【００１６】
また、この発明の第２の態様は、二次電池の電池パックにおいて、電池パックは二次電池の電圧および電流を測定する測定部と、電池容量演算部とを有し、電池容量演算部は二次電池の電流値または電力値を一定時間毎に積算することにより電池容量を算出する積算法を用いて、二次電池の充電率を検出する検出手段と、二次電池の電圧値を測定し、電圧値と充電率の相関性に基づいて充電率を算出する電圧法を用いて、二次電池の充電率を検出する検出手段と、二次電池の充電率に応じて、積算法で検出した充電率と電圧法で検出した充電率とを重み付け加算し、最終的な充電率検出を行う手段とを有することを特徴とする電池パックである。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、電池の充電率を充電初期から高精度で算出することができると共に、正確に満充電を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図３は、この発明を適用することが可能なバッテリパックの構成の一例を模式的に示すものである。
【００２０】
このバッテリパックは、充電時には充電器に装着され、＋端子１と−端子２がそれぞれ充電器の＋端子、−端子に接続され、充電が行われる。また、電気機器使用時には充電時と同様に、＋端子１と−端子２が機器の＋端子、−端子に接続され、放電が行われる。
【００２１】
バッテリパックは主に、電池セル７、マイクロコンピュータ１０、測定回路１１、保護回路１２、スイッチ回路４、通信端子３ａ，３ｂで構成されている。
【００２２】
電池セル７は、リチウムイオン電池等の二次電池で、４個の二次電池を直列に接続したものである。
【００２３】
マイクロコンピュータ１０は、測定回路１１から入力された電圧値、電流値を使用して電圧値の測定や電流値の積算を行うようになされている。また、参照符号８で示される温度検出素子（例えばサーミスタ）で電池温度を監視する。さらに、測定値等が参照符号１３で示される不揮発性メモリＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）に保存される。さらに、マイクロコンピュータ１０は電圧法信頼度の検出も随時行っている。
【００２４】
測定回路１１は、バッテリパック内の電池セル７の各セルの電圧を測定し、マイクロコンピュータ１０に測定値を供給する。また、電流検出抵抗８を使用して電流の大きさおよび向きを測定し、マイクロコンピュータ１０に測定値を送るものである。さらに、測定回路１１は、電池セル７の電圧を安定化して電源電圧を発生するレギュレータとしての機能も有する。
【００２５】
保護回路１２は、電池セル７のいずれかのセルの電圧が過充電検出電圧になったときや、電池セル７の電圧が過放電検出電圧以下になったとき、スイッチ回路４に制御信号を送ることにより、過充電、過放電を防止する。ここで、リチウムイオン電池の場合、過充電検出電圧が例えば４．２Ｖ±０．５Ｖと定められ、過放電検出電圧が２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。
【００２６】
スイッチ回路４は、参照符号５で示される充電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor）と、参照符号６で示される放電制御ＦＥＴとから構成されている。電池電圧が過充電検出電圧となったときは、充電制御ＦＥＴ５をＯＦＦとし、充電電流が流れないように制御される。なお、充電制御ＦＥＴ５のＯＦＦ後は参照符号５ａで示される寄生ダイオードを介することによって放電のみが可能となる。
【００２７】
また、電池電圧が過放電検出電圧となったときは、放電制御ＦＥＴ６をＯＦＦとし、放電電流が流れないように制御される。なお、放電制御ＦＥＴ６のＯＦＦ後は参照符号６ａで示される寄生ダイオードを介することによって充電のみが可能となる。
【００２８】
通信端子３ａ，３ｂは、電気機器、例えばカムコーダ（Camcorder: Camera and recorderの略）に装着された際、電池容量の情報を機器に送信するためのものである。この情報を受け取った機器側では、液晶等の表示部に充電容量や、充電率を表示する。
【００２９】
この発明では、充電容量の検出は積算法（電流積算または電圧積算）と電圧法を併用して行うが、ある閾値で積算法と電圧法を完全に切り替えるのではなく、常に積算法、電圧法の両方で充電率の計測を行う。また、充電率の値により、充電法で求めた値がどれだけ信頼できるかを定義した電圧法信頼度を算出し、その値に応じて電圧法で求められた充電容量と積算法で求められた充電容量とを重み付け加算して最終的な充電容量を求める。このような電圧法充電率を使用した重み付け加算により、積算法から電圧法に徐々に移行する。
【００３０】
また、積算法で充電容量を算出する際、除算処理が加わるとデータ中の小数点以下の値が切り捨て等によって丸められ、桁落ちした値（電流値）を積算していくために、誤差が積算結果に累積される。その結果、積算電流値の精度が悪くなり、充電率の検出の精度も悪くなる。
【００３１】
誤差の累積を防止するために、有効桁数を増やすことにより桁落ちによる誤差に対応する方法では、逆にマイクロコンピュータのメモリ使用量が増え、処理を圧迫することになる。また、マイクロコンピュータのメモリが足りない場合は有効桁数を増やすことができず、桁落ちしたデータを積算していくことになり、精度の悪化につながる。
【００３２】
そこで、桁落ちの影響を極力少なくするために、一実施形態では以下のような積算方法を用いる。
【００３３】
図４に示すように、電流値の測定時に入力端子２１とスイッチ２２を介して、ゲインが２４倍のアンプ２３とゲインが１２５倍のアンプ２４とを接続し、各アンプの出力電圧をマイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄコンバータ２５に供給してデジタルデータへと変換する。各アンプは電流値によって使い分け、電流が２Ａより大きいときは２４倍のアンプを、２Ａ以下のときは１２５倍のアンプを使用する。この構成により、電流値が小さい場合と大きい場合での有効桁数の差を少なくすることが可能である。
【００３４】
ただし、２４倍アンプ２３を通った測定値と１２５倍アンプ２４を通った測定値は桁の重みが違うため、単純に足し合わせることができない。そこで、以下の方法により、桁落ちの影響が少なくなるようにする。
【００３５】
例えば、電流測定のハードウェア条件を以下のようにする。
Ａ／Ｄ基準電圧（ＡＶＲＥＦ）：  ３０００ｍＶ
Ａ／Ｄ分解能：  １０２４（１０Ｂｉｔ）
電流検出抵抗（図３の抵抗９）：  ５ｍΩ
【００３６】
このとき、電池セル７を流れる電流１ＡあたりのＡ／Ｄコンバータ２５に入力される電圧値は、
２４倍アンプ２３の場合：５ｍΩ×１Ａ×２４＝１２０（ｍＶ／Ａ）   ・・・（１）
１２５倍アンプ２４の場合：５ｍΩ×１Ａ×１２５＝６２５（ｍＶ／Ａ）・・・（２）
【００３７】
また、Ａ／Ｄコンバータ２５の１分解能あたりの電圧感度は、３０００ｍＶ／１０２４＝２.９３０（ｍＶ）となる。これを２４倍アンプ２３の使用時における電流感度に換算すると、２.９３０（ｍＶ）／１２０（ｍＶ／Ａ）×１０００≒２４.４１（ｍＡ）となる。
【００３８】
上述した値を元に、積算処理の流れを図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３９】
まず、ステップＳ１で積算処理が開始されると、図３中の電流検出抵抗９でＡ／Ｄコンバータに入力する電流値を測定し、測定された電流値をマイクロコンピュータ１０にＡ／Ｄ入力値として供給する（ステップＳ２）。次に、ステップＳ３ではステップＳ２で計算された入力値を２４倍アンプ２３と１２５倍アンプ２４のどちらを用いて計測するかを決定する。電流検出抵抗９での電流値が２Ａより大きい場合は２４倍アンプ２３を、２Ａ以下の場合は１２５倍アンプ２４を使用する。
【００４０】
２４倍アンプ２３を用いる場合、Ａ／Ｄ入力電圧を上述の式（１）から算出する。例えば、放電電流が２．５Ａの場合、
Ａ／Ｄ入力電圧は、１２０（ｍＶ／Ａ）×２．５Ａ＝３００（ｍＶ）
となる。また、Ａ／Ｄ入力電圧をデジタルデータに変換すると、
Ａ／Ｄ変換後の入力値（積算値）は、３００（ｍＶ）／２．９３０（ｍＶ）≒１０２
となる。２４倍アンプ２３を使用した場合は、求めた積算値をそのまま積算エリアに加算する。
【００４１】
１２５倍アンプ２４を用いる場合、Ａ／Ｄ入力電圧を上述の式（２）から算出する。例えば、放電電流が０.８Ａの場合、
Ａ／Ｄ入力電圧は、６２５（ｍＶ／Ａ）×０．８Ａ＝５００（ｍＶ）
となる。また、
Ａ／Ｄ変換後の入力値（ＢＡＴＴ＿ＣＵＲＲＥＮＴ＿ＢＩＴ）は、３００（ｍＶ）／２．９３０（ｍＶ）≒１７０
となる。
【００４２】
１２５倍アンプ２４を用いた場合は、ステップＳ５で桁の重みが２４倍アンプ２３の使用時と同様になるように換算してから積算する（１回目の積算は前回剰余０とする）。Ａ／Ｄ変換後の入力値１７０を２４倍アンプ２３の使用時に換算すると、１７０／５.２０８＝３２  余り３．３４４となる。ステップＳ６で余りの小数点以下を切り捨てすることにより、積算値３２、剰余３と求められ、積算エリアには３２が加算される。
【００４３】
ここで、放電電流が０．８Ａのまま１０回積算した場合について説明する。剰余を無視し、剰余加算を行わない場合は  積算値３２×１０（回）＝３２０であるが、理論的には換算前の入力値１７０を用いて計算すると、｛１７０×１０（回）｝／５．２０８≒３２６となり、積算値に６のずれが生じる。
【００４４】
そこで、前回除算した時に求めた剰余を次の計算時に加算して積算処理を行う。つまり、２回目に求めた換算前の入力値１７０に１回目の剰余３を加算し、合計値を換算することで２回目の積算値を決定する。３回目以降は、２回目と同様に換算前の入力値に前回の剰余を加算してから全体を換算する。
【００４５】
１０回目までの積算処理の状況を図６に示す。剰余を加算する方法で積算処理が行われた結果、この例では積算エリアの値が３２６となり、誤差が発生しない。したがって、前回計算時の剰余をＡ／Ｄ入力値に加算してから除算することで、桁落ちの影響を極力なくすことが出来る。
【００４６】
また、有効桁数を増やす必要がないので、マイクロコンピュータ１０にて使用するメモリを最小限にとどめることができる。
【００４７】
以下、図７のフローチャートを参照して、上述したようなバッテリパックを充電する際の流れを説明する。
【００４８】
充電初期から中期においては、通常の積算方式にて充電率を算出する。ステップＳ１０〜ステップＳ１１での電流値の処理は、図５のステップＳ１からステップＳ６と同様の処理となる。次に、ステップＳ１２で充電率（％）を求める。積算法における充電率（％）は、以下の式で求めることができる。
【００４９】
積算法充電率（％）＝積算容量／パック全容量
【００５０】
また、ステップＳ１４のように積算法と並行して電圧法での充電率を求めるため、ステップＳ１０では電流値の他、電圧値もマイクロコンピュータ１０に入力される。電池セル７には電流が流れているため、無負荷状態での電圧を測定することは難しい。そこで、ステップＳ１３では開放電圧を以下のように想定する。
【００５１】
開放電圧（想定値）＝｛電池電圧−（電池電流Ｉｍｐ×充電電流）｝
【００５２】
さらに、得られた開放電圧を元に、ステップＳ１４で電圧と充電率を相関的に関連付けた充電率テーブル（例えば、電池電圧４．２Ｖで充電率１００％）を参照することにより、電圧法充電率（％）を得る。この電圧法充電率を元に、ステップＳ１５で満充電付近（例えば、電圧法充電率＝９０％）であるかを判定する。満充電付近でないと判断された場合には、ステップＳ１１に戻り、さらに充電を続けながら開放電圧、電圧法充電率の算出を行う。
【００５３】
なお、積算法による充電容量（充電率）検出と、電圧法による充電容量（充電率）検出は、処理の前後を変えたり、両者を並列的に行うようにしてもよい。
【００５４】
充電末期となり、満充電付近であると判定されると、電圧法充電率を用いて電圧法信頼度（０〜１００％）を算出する（ステップＳ１７）。電圧法信頼度（％）は、例えば電圧法充電率９０％で満充電付近であると検出する場合、以下の式で求めることができる。
【００５５】
電圧法信頼度（％）＝｛電圧法充電率（％）−９０（％）｝×１０
（電圧法充電率≧９０）
【００５６】
ここで、上述した電圧法信頼度は、電圧法による満充電付近の充電率算出精度を活かして決定される。電圧法での充電率が満充電付近になるまでは電圧法信頼度を０とし、そこから電圧法での充電率が上昇することにより電圧法信頼度も上昇、満充電時には信頼度が１００％となるようになされている。また、上述した電圧法信頼度（％）を用いて（１−電圧法信頼度（％））を計算し、積算法信頼度（％）を求める。さらに、電圧法充電率（％）に電圧法信頼度をかけた値と、積算法充電率（％）に積算法信頼度をかけた値を加算することにより、最終的な充電率を電圧法信頼度を用いた重み付け加算によって算出する（ステップＳ１８）。
【００５７】
充電率（％）＝電圧法充電率×電圧法信頼度＋積算法充電率×（１−電圧法信頼度）
【００５８】
次に、ステップＳ１８で算出された充電率が１００％であるかを判断し、１００％未満であればさらに充電を継続し、１００％であれば充電を終了する（ステップＳ１９）。
【００５９】
この方法を用いることにより、電圧法と積算法のそれぞれで算出された充電率の値に差があった場合でも、電圧法信頼度によってかけられた割合に応じて違和感なく積算法算出値から電圧法算出値に移行させることができ、図８に示す充電率のグラフのような曲線を描く充電が可能であり、満充電を正しく、容易に検出することが可能となる。
【００６０】
また、積算精度にむやみにこだわることが不必要になり、安価で簡易的な素子でシステムを構成することが可能となる。
【００６１】
さらに、リチウムイオン電池を用いた場合は、ＣＣＣＶ（定電流定電圧）方式のため、満充電付近に時間がかかる。そのため、満充電付近での充電率算出精度が悪い場合には充電残り時間の検出精度も悪くなる。上述の方法を用いることで充電容量を正しく検出することが可能であるため、充電残り時間の算出精度も向上する。
【００６２】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６３】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００６４】
また、この発明はリチウムイオン電池の他、Ｎｉ−Ｃｄ（ニッカド）電池、Ｎｉ−ＭＨ（ニッケル水素）電池など、種々の電池に適用可能である。
【００６５】
また、電池パックを構成するマイクロコンピュータが、保護回路の機能を持つようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来用いられている積算法の充電時間と、電池の充電量、電圧、電流を示すグラフである。
【図２】従来用いられている電圧法の充電時間と、電池の充電量、電圧、電流を示すグラフである。
【図３】この発明を適用することができるバッテリパックの構造の一例を示す略線図である。
【図４】より精密に電流積算または電力積算を行うために用いる構成の略線図である。
【図５】より精密に電流積算または電力積算を行うための処理の流れを表すフローチャートである。
【図６】剰余加算を行う積算法を用いた場合のデータ積算の一例を示す図である。
【図７】この発明を適用した充電方法の流れを表すフローチャートである。
【図８】この発明を適用して二次電池を充電したときの電流、電圧、充電率の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
４・・・スイッチ回路
５・・・充電制御ＦＥＴ
６・・・放電制御ＦＥＴ
５ａ，６ａ・・・寄生ダイオード
７・・・電池セル
８・・・温度検出素子
９・・・電流検出抵抗
【図１】
2005312239.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】
2005312239.tif 000008
【図７】
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【図８】
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