(57)【要約】【課題】外部装置８にエネルギー残量演算のための機能を分担させた結果、電池パック１それ自体ではその制御回路６を簡単化して小型・低コスト化を図りながら、電池の充放電時のみ電流を積算することで精度よく充放電積算値を演算する。【解決手段】制御回路６は二次電池２が充放電動作を開始した場合に、その充放電電流を積算して充放電積算値を演算する充放電電流積算部６４を備えている。充放電電流積算部６４によって得られた電流積算値と外部装置８から得たエネルギー残量情報とに基づいて監視データ演算部６６が電池パック１の各時点ごとのエネルギー残量である監視データを演算する。この演算結果に基づいて電池パック１の保護動作、充放電タイミングの把握が行われる。監視データ演算部６６による演算結果は、電池パック１に設けられた表示手段９に表示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、二次電池のセル電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池を保護する保護スイッチと、電圧検出手段の出力する電圧情報および電流検出手段の出力する電流情報を入力して保護スイッチをオン・オフする保護スイッチ制御部を有する制御回路とを備えた電池パックにおいて、
前記制御回路は外部装置との通信手段と、この通信手段を介して前記外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得するエネルギー残量情報取得部と、前記電流検出手段の検出値に基づいて二次電池の充放電電流を積算する充放電電流積算部と、前記エネルギー残量情報と充放電積算値から二次電池の充放電状態におけるエネルギー残量である監視データを演算する監視データ演算部とを有することを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記制御回路が、その電源と電源スイッチとを備え、制御回路電源がオフの場合に、前記保護スイッチをオフとして電池パックの充放電を停止するものである請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記電池パックがエネルギー残量情報取得部に格納されたエネルギー残量情報のリセットスイッチを備え、前記制御回路がこのリセットスイッチによりエネルギー残量情報がリセットされた場合に、外部装置から新たなエネルギー残量情報を取得するものである請求項１または請求項２に記載の電池パック。
【請求項４】
前記制御回路が、電池パックの充放電が停止中に、一定の時間ごとにエネルギー残量情報を更新するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
二次電池と、二次電池のセル電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池を保護する保護スイッチと、電圧検出手段の出力する電圧情報および電流検出手段の出力する電流情報を入力して保護スイッチをオン・オフする制御回路を備えた電池パックのエネルギー残量監視方法において、
前記制御回路は外部装置との通信手段を備え、この外部装置からのエネルギー残量情報更新の信号に従って外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得し、このエネルギー残量情報と二次電池の充放電電流を積算して求めた充放電積算値とから二次電池の充放電状態におけるエネルギー残量である監視データを演算することを特徴とする電池パックのエネルギー残量監視方法。
【請求項６】
二次電池が充放電動作する直前に外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得することを特徴とする請求項５に記載の電池パックのエネルギー残量監視方法。
【請求項７】
二次電池が充放電動作を停止している期間の一定時間毎に外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電池パックのエネルギー残量監視方法。
【請求項８】
前記電池パックがエネルギー残量リセットスイッチを備え、このリセットスイッチの投入に従って外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の電池パックのエネルギー残量監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を内蔵した電池パック及びそのエネルギー残量監視方法に関するものであって、特に、簡単な制御回路を使用しつつエネルギー残量を高精度で監視できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池パックのエネルギー残量監視方法は、電池パックに電流積分回路部を備え、電池を流れる充放電電流を検出してその検出信号を積分することで充放電積算値を監視するとともに、電池電圧を検出して電池電圧が上限設定値もしくは下限設定値に到達することで充放電積算値をリセットしてエネルギー残量を監視している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、電池の開放回路電圧をデータベース化して、電池の開放回路電圧からエネルギー残量を演算することでエネルギー残量を監視する方法も提案されている（例えば特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平１１−０７２５４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７９１２号公報
【特許文献３】特開平２−１７０３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１の方法では、電池の電圧が上限電圧もしくは下限電圧に到達するまで充放電積算値を修正する手段がなく、かつ充放電電流を積算して求める充放電積算値は、電流検出器のオフセットや検出誤差などの理由から実際に使用したエネルギーに対してずれが生じていく。
【０００５】
また、特許文献２や特許文献３の方法は、電池の開放回路電圧をデータベース化して電圧・電流・温度などの検出点を増やしてそのデータベースを大型化することで、精度よく実際のエネルギー残量に近づけることが可能となるが、電池パックに高性能な演算処理用マイコンおよび大規模データベースが必要となり、電池パックのコストは高くなる。
【０００６】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は、高性能な演算処理用のマイコンなどを不要とした簡単な制御回路により、高精度でエネルギー残量を検出することを可能とした電池パック及びそのエネルギー残量監視方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明の電池パックは、二次電池と、二次電池のセル電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池を保護する保護スイッチと、電圧検出手段の出力する電圧情報および電流検出手段の出力する電流情報を入力して保護スイッチをオン・オフする保護スイッチ制御部を有する制御回路とを備え、前記制御回路は外部装置との通信手段と、この通信手段を介して前記外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得するエネルギー残量情報取得部と、前記電流検出手段の検出値に基づいて二次電池の充放電電流を積算する充放電電流積算部と、前記エネルギー残量情報と充放電積算値から二次電池の充放電状態におけるエネルギー残量である監視データを演算する監視データ演算部とを有することを特徴とする。  
【０００８】
また、本発明の電池パックのエネルギー残量監視方法は、二次電池と、二次電池のセル電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池を保護する保護スイッチと、電圧検出手段の出力する電圧情報および電流検出手段の出力する電流情報を入力して保護スイッチをオン・オフする制御回路を備えた電池パックにおいて、前記制御回路は外部装置との通信手段を備え、この外部装置からのエネルギー残量情報更新の信号に従って外部装置から二次電池のエネルギー残量情報を取得し、このエネルギー残量情報と二次電池の充放電電流を積算して求めた充放電積算値とから二次電池の充放電状態におけるエネルギー残量である監視データを演算することを特徴とする。
【０００９】
このような構成を有する本発明の電池パック及びそのエネルギー残量監視方法は、電池開放回路電圧のデータベースを電池パックから外部装置に分離し、電池パックは電池が動作するときに外部装置からエネルギー残量情報を取得する。また電池パックの制御回路は充放電電流を積算して求めた充放電積算値を前記電池残量情報に加えることで電池パックのエネルギー残量を監視する。
【発明の効果】
【００１０】
前記のような構成を有する本発明の電池パックのエネルギー残量監視方法では、電池パックから高性能な演算処理用マイコンとデータベースを省略して制御回路の低コスト化を図れると共に、電池の充放電動作に合わせて充放電電流を積算することで、精度よくエネルギー残量を監視して高機能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図１乃至図３に従って具体的に説明する。図１は、本実施形態の電池パックの構成を示す回路図、図２は本実施形態の電池パックの機能ブロック図、図３はこの電池パックにおいてエネルギー残量の監視を行う方法を示す動作フローチャートである。
【００１２】
（１−１）第１実施形態の構成
図１及び図２において、１は電池パック、２は二次電池、３は二次電池２の電圧を検出する電圧検出手段、４は二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段、５は二次電池を保護する保護スイッチである。
【００１３】
６は、前記電圧検出手段３および電流検出手段４の情報に基づいて保護スイッチ５をオン・オフするとともに二次電池のエネルギー残量監視を行う制御回路である。７は通信手段であって、本実施形態の電池パック１と、この電池パック１とは別体に構成された外部装置８との間で、エネルギー残量に関する情報の授受を行うためのものである。９は電池パックのエネルギー監視データの表示手段、１０はエネルギー残量リセットスイッチ、１１は制御回路６の電源、１２は制御回路６の電源スイッチである。
【００１４】
電池パック１は充電もしくは放電が可能な二次電池２を内部に備え、二次電池２の端子電圧は電圧検出手段３で検出され制御回路６へと出力される。また、二次電池２の充放電電流は電流検出手段４で検出され制御回路６へと信号は出力される。
【００１５】
ここで二次電池２は一つの電池セルでもよいし、複数の電池セルを直列または並列に接続してもよい。また、複数の二次電池を直列もしくは並列に接続することで二次電池モジュールを構成し、その二次電池モジュールを直列もしくは並列に接続して構成してもよい。
【００１６】
電圧検出手段３は二次電池セルの電圧を個別に検出してもよいし、複数セルの二次電池電圧を検出してもよい。電流検出手段４はホールＣＴのような磁束を検知する電流検出装置でもよいし、シャント抵抗のようなインピーダンス要素を接続してその端子電圧の変化から電流を検出してもよい。
【００１７】
制御回路６は過・低電圧状態判定部６１と保護スイッチ制御部６２とを有している。すなわち、過・低電圧状態判定部６１は電圧検出手段３の信号から、二次電池２が過電圧状態や低電圧状態になっていないことを判断して、もし二次電池２が過電圧状態や低電圧状態に至っていると判断した場合には、保護スイッチ制御部６２からの指令により保護スイッチ５をオフして二次電池２の保護を行う。
【００１８】
また、制御回路６の過・低電圧状態判定部６１は、電流検出手段４の信号から二次電池が過電流状態であると判断した場合には、保護スイッチ制御部６２からの指令により保護スイッチ５をオフして二次電池２の保護を行う。また、制御回路電源スイッチ１２がオフになっていて、制御回路６に電源１１がはいっていない場合には、保護スイッチ５をオフすることで電池パック１の端子電圧が印加状態となることを防ぎ、感電災害を防止する機能も持つ。
【００１９】
制御回路６はエネルギー残量情報取得部６５を有し、電源スイッチ１２を投入することで制御回路６の電源１１がオンすると、通信手段７を介して外部装置８から二次電池のエネルギー残量情報がこのエネルギー残量情報取得部６５に入力される。
【００２０】
外部装置８は電池パック１と電極端子を接続して、二次電池２の充電もしくは放電を行う変換器であり、この変換器を制御するための高性能な演算処理用マイコンを備えている。すなわち、外部装置８には、電池パック１の開放端子電圧の検出部８１と、その検出電圧からエネルギー残量情報を確認するために必要な電圧−エネルギー残量の対応関係が格納されたデータベース８２と、これらの電圧値とデータベースとに基づいて、電池パック１内のエネルギー残量を確認するエネルギー残量情報確認部８３が設けられている。なお、このデータベースとしては、前記特許文献２や特許文献３に記載のものを使用することが可能である。
【００２１】
このエネルギー残量確認部８３によって得られたエネルギー残量情報は、前記のように通信手段７を介して電池パック１の制御回路６に設けられたエネルギー残量情報取得部６４に出力される。また、このエネルギー残量情報に基づいて、二次電池充放電制御部８４が電池パック１の充放電指令を出力する。
【００２２】
前記制御回路６は二次電池２が充放電動作を開始した場合に、その充放電電流を積算して充放電積算値を演算する充放電電流積算部６４を備えている。そして、この充放電電流積算部６４によって得られた電流積算値と外部装置８から得たエネルギー残量情報とに基づいて監視データ演算部６６が電池パック１の各時点ごとのエネルギー残量である監視データを演算し、その演算結果に基づいて電池パック１の保護動作、充放電タイミングの把握が行われる。また、この監視データ演算部６６による演算結果は、電池パック１に設けられた表示手段９に表示される。
【００２３】
更に、前記外部装置８には、制御回路６の監視データ演算部６６で得られた演算結果を通信手段７を介して取得するエネルギー算量演算結果取得部８５が設けられている。また、前記外部装置８には、二次電池２の充放電動作が停止している時に、一定の時間ごとに外部装置８が取得したエネルギー残量情報電池パック１のエネルギー残量情報取得部６５に送信するためのタイマー８６が設けられている。
【００２４】
（１−２）第１実施形態の作用
前記のような構成を有する本実施形態の電池パックの作用を図３〜図６に示すフローチャートに従って説明する。なお、各図において、符号Ｓ１〜Ｓ１０はフローチャートを構成する個々のステップを示す。
【００２５】
図３は、本実施形態の基本的な動作を示すものであって、制御回路６の電源スイッチ１２がオンになると（ステップ１）、電池パック１は通信手段７を介して外部装置８からエネルギー残量情報を取得する（ステップ２）。すなわち、外部装置８は、その開放端子電圧検出部８１により電池パック１の端子電圧を検出し、その検出電圧値とデータベース８２に格納されている電圧−エネルギー残量との関係から、エネルギー残量情報確認部８３が制御回路電源スイッチ１１投入時における電池パック１のエネルギー残量を決定し、その値を電池パック１のエネルギー残量取得部６５に送信する。
【００２６】
この状態で、充放電動作が開始されると（ステップ３）、充放電流を電流検出手段４が検出し、この充放電電流を積算部６４が積算していく（ステップ４）。この積算値と、前記エネルギー残量取得部６５が外部装置から取得したエネルギー残量情報とに基づいて、監視データ演算部６６が、充放電期間中における各時点のエネルギー残量を演算し（ステップ５）、その演算結果を監視データとして表示手段９に出力する（ステップ６）。同時に、この監視データは、通信手段７を介して外部装置８に設けられた監視データ取得部８５に送られ、外部装置８の液晶ディスプレイなどの表示手段に出力される。
【００２７】
なお、この監視データ演算６６の演算処理は、外部装置８から取得したエネルギー残量情報を初期値として、この初期値に対して充放電電流積算部６４の積算値を加算することで行われる。例えば、充電電流が多く積算値が＋の場合には、それが初期値に加算されるので、エネルギー残量が増加するので、その増加したエネルギー残量が監視データとして出力される。このようにすることで、外部装置８から取得した初期値に充放電電流の積算値を加算するという簡単な演算処理で、正確な監視データを逐次生成することができ、電池パック１自体に複雑な監視データ演算用のマイコンなどを内蔵させる必要がなくなる。  
【００２８】
一方、前記のようにして得られた監視データは、外部装置８の監視データ取得部８５から二次電池充放電制御部８４に送信され、この制御部８４はこの監視データに基づいて電池パック１の充放電動作の制御を行うことができる。
【００２９】
前記のような充放電動作中において、電圧検出手段３が検出した電圧値に基づいて、制御回路６の過・低電圧状態判定部６１が電池パック１が過電圧状態あるいは低電圧状態にあると判断した場合には、保護スイッチ制御部６２の指令により保護スイッチ５を開くことで、電池パック１の充放電が停止される。同様に、電流検出手段４が検出した電流値に基づいて、制御回路６の過電流状態判定部６３が電池パック１が過電流状態にあると判断した場合には、保護スイッチ制御部６２の指令により保護スイッチ５を開くことで、電池パック１の充放電が停止される。また、制御回路電源スイッチ１２を使用者が手動でオフとした場合も、制御回路６への電源機器が途絶えると共に、保護スイッチ５が開いて電池パック１の充放電も停止される。
【００３０】
（１−３）第１実施形態の効果
前記のような構成を有する第１実施形態によれば、外部装置８にエネルギー残量演算のための機能を分担させた結果、電池パック１それ自体ではその制御回路６を簡単化して小型・低コスト化を図りながら、電池の充放電時のみ電流を積算することで精度よく充放電積算値を演算することができる。また、授受するデータも少なく、演算に必要な初期値のみを送信すればよいので、高速な通信手段を必要としないことも低コスト化の要因であり、コストを低減しても高機能なエネルギー残量の監視を行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態では、電池パック１に設けたエネルギー残量の表示手段９により、電池パック１のエネルギー残量を一目で把握することが可能となり、簡単に電池パックの高機能化を図ることが可能になる。
【００３２】
更に、制御回路６によって保護スイッチ５を制御して、電池パック１が陥る可能性のある各種の事態に対処できるようにしたので、安全性も高い利点がある。その結果、本実施形態によれば、多数の電池パックを１台の外部装置で制御しつつ、しかも、個々の電池パック１に必要な安全面の機能については電池パック１自体が受け持つので、簡単な構成で、高機能、しかも安全性に優れた電池パックを提供することが可能になる。
【００３３】
（２）第２実施形態
本発明の第２実施形態を図４のフローチャートに基づいて説明する。すなわち、電池パック１のエネルギー残量は電池１の自己放電や保護回路での電力消費に伴って時間の経過とともに減ることが考えられる。この第２実施形態は、そのような事態を考慮したものである。
【００３４】
第２実施形態では、電池パック１にエネルギー残量リセットスイッチ８を設けて、電池パック１のエネルギー残量状態を確認したい場合にエネルギー残量リセットスイッチ８をオンすることで、外部装置８からエネルギー残量情報を取得する（ステップ７）。以下の処理は、図３に示した第１実施形態と同様である。これにより、電池パック１の状態に応じてエネルギー残量情報をリセットすることができ、電池パックの状態に合わせたエネルギー残量の監視ができる。
【００３５】
同様に、二次電池の開放端子電圧からデータベースを参照して求めるエネルギー残量は環境温度や充放電動作完了後の経過時間により変化する。一方、外部装置８では開放回路電圧に対するエネルギー残量情報を逐次確認できる。
【００３６】
そこで、第２実施形態においては、前回外部装置８から電池パック１の制御回路６に対して通信したエネルギー残量情報に対してその後演算したエネルギー残量情報が変化した場合に、外部装置８から情報の更新信号を通信する（ステップ７）。その信号に基づいて電池パックはエネルギー残量情報を更新し、そのエネルギー残量情報と充放電電流を積算した充放電積算値から電池パック１のエネルギー残量を監視する。
【００３７】
（３）第３実施形態
本発明の第３実施形態を図４のフローチャートに基づいて説明する。この第３実施形態は、外部装置８が電池パック１の充放電を制御することから、電池パック１に電流が流れるタイミングを外部装置８がコントロールすることができる点に着目したものである。
【００３８】
この第３実施形態においては、外部装置が二次電池に電流を流す直前に、外部装置から電池パック１の制御回路６にエネルギー残量情報を通信し、そのエネルギー残量情報と充放電電流を積算した充放電積算値から電池パック１のエネルギー残量を監視する（ステップ８）。これにより、電池パックは充放電動作直前の開放回路電圧から得られたエネルギー残量情報を得ることができ、より精度高くエネルギー残量の監視を行うことができる。
【００３９】
（４）第４実施形態
本発明の第４実施形態を図５に示す。図５は第４実施形態の動作フローチャートである。すなわち、この第４実施形態は、電池パック１の制御回路６もしくは外部装置８にタイマー８６を持たせて、二次電池２の充放電動作が停止している時にタイマー８６で設定した時間ごとに（ステップ９）、外部装置からのエネルギー残量情報を更新し（ステップ１０）、そのエネルギー残量情報と充放電電流を積算した充放電積算値から電池パック１のエネルギー残量である監視データを演算する。
【００４０】
これにより、電池パックは充放電動作直前の開放回路電圧から得られたエネルギー残量情報を得ることができ、簡単な構成で精度高くエネルギー残量の監視を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す回路図。
【図２】本発明の第１実施形態の構成を示す機能ブロック図。
【図３】本発明の第１実施形態を示す動作フローチャート。
【図４】本発明の第２実施形態を示す動作フローチャート。
【図５】本発明の第３実施形態を示す動作フローチャート。
【図６】本発明の第４実施形態を示す動作フローチャート。
【符号の説明】
【００４２】
１…電池パック
２…二次電池
３…電圧検出手段
４…電流検出手段
５…保護スイッチ
６…制御回路
７…通信手段
８…外部装置
９…表示手段
１０…エネルギー残量リセットスイッチ
１１…制御回路電源
１２…制御回路電源スイッチ
６１…過・低電圧状態判定部
６２…保護スイッチ制御部
６３…過電流状態判定部
６４…充放電電流積算部
６５…エネルギー残量情報取得部
６６…監視データ演算部
８１…開放端子電圧検出部
８２…データベース
８３…エネルギー残量情報確認部
８４…二次電池充放電制御部
８５…監視データ取得部
８６…タイマー
【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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【図６】
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