(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の残存容量を推定する残存容量推定方法であって、
前記二次電池の充放電電流を監視し、前記充放電電流に基づく積算演算を実行して第１の残存容量値を継続的に算出し、
前記二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出し、前記タイミングから所定の条件だけ遅れた時点における前記二次電池の端子電圧に基づいて第２の残存容量値を求めて前記第２の残存容量値でもって前記第１の残存容量値を置き換え、
置き換え後の前記第１の残存容量値に基づいて前記算出する段階における積算演算を続行して前記第１の残存容量値を前記二次電池の残存容量とする、残存容量推定方法。
【請求項２】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングから放電電流値の積算を開始し、前記放電電流値の積算値がしきい値に達した時点における前記二次電池の端子電圧に基づいて前記第２の残存容量値を求める、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直前の充電期間の長さ、または前記充電期間における充電電流に応じて、前記しきい値を変化させる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直後における放電電流の立ち上がりが所定の値以下である場合には、前記第２の残存容量値による前記第１の残存容量値の置き換えを実行しない、請求項２または３に記載の残存容量推定方法。
【請求項５】
前記二次電池がリチウムイオン二次電池である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
二次電池の残存容量を推定する残存容量推定装置であって、
前記二次電池における充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、
前記残存容量の値を保持する記憶手段と、
検出された前記充放電電流に基づき、前記記憶手段に保持されている前記値に対して積算演算を継続的に実行する演算手段と、
前記電流検出手段の出力に基づき、前記二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記タイミングから所定の条件だけ遅れた時点における前記端子電圧に基づいて残存容量値を求める残存容量値取得手段と、
を有し、
前記残存容量値取得手段が求めた前記残存容量値によって、前記記憶手段内の前記値が置き換えられる、残存容量推定装置。
【請求項７】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングから放電電流値の積算を開始し、前記放電電流値の積算値がしきい値に達した時点においてトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段をさらに有し、
前記残存容量値取得手段は、前記トリガ信号が発生した時点における前記端子電圧に基づいて前記残存容量値を求める、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直前の充電期間の長さ、または前記充電期間における充電電流に応じて、前記しきい値が変化する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直後における放電電流の立ち上がりが所定の値以下である場合には、前記トリガ信号発生手段は前記トリガ信号を発生しない、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
二次電池と、
前記二次電池における充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、
前記残存容量の値を保持する記憶手段と、
検出された前記充放電電流に基づき、前記記憶手段に格納された値に対して積算演算を継続的に実行する演算手段と、
前記電流検出手段の出力に基づき、前記二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記タイミングから所定の条件だけ遅れた時点における前記端子電圧に基づいて残存容量値を求める残存容量値取得手段と、を有し、
前記残存容量値取得手段が求めた残存容量値によって、前記記憶手段内の前記値が置き換えられる、バッテリパック。
【請求項１１】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングから放電電流値の積算を開始し、前記放電電流値の積算値がしきい値に達した時点においてトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段をさらに有し、
前記残存容量値取得手段は、前記トリガ信号が発生した時点における前記端子電圧に基づいて残存容量値を求める、請求項１０に記載のバッテリパック。
【請求項１２】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直前の充電期間の長さ、または前記充電期間における充電電流に応じて、前記しきい値が変化する、請求項１１に記載のバッテリパック。
【請求項１３】
前記二次電池における充電から放電へと切り替わる前記タイミングの直後における放電電流の立ち上がりが所定の値以下である場合には、前記トリガ信号発生手段は前記トリガ信号を発生しない、請求項１１または１２に記載のバッテリパック。
【請求項１４】
前記二次電池がリチウムイオン二次電池である請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のバッテリパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される各種の二次電池の残存容量（ＳＯＣ；  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）を推定する方法および装置、ならびにそのような残存容量推定装置を内蔵したバッテリパックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン二次電池やニッケル金属水素化物二次電池などの二次電池を電力用途として電動機駆動の電源などとして用いるようになってきた。【０００３】
リチウムイオン二次電池などの二次電池のこのような電動機駆動の用途として、例えば、ハイブリッド自動車における用途がある。ハイブリッド自動車は、一般に、内燃機関であるエンジンと、エンジンによって駆動される発電機と、二次電池と、電動機とを備えている。ハイブリッド自動車における駆動方式には何種類かのものがあるが、ある駆動方式によるハイブリッド自動車では、発電機で得られた電力によって二次電池を充電し、車両の加速時あるいは登坂時には、発電機からの電力のほかに二次電池の放電によって得られる電力を電動機に供給している。別の駆動方式のハイブリッド自動車では、エンジンによって駆動輪を直接駆動するとともに、加速時や登坂時には電動機出力によって駆動輪の駆動を補助する。これらのハイブリッド自動車では、エネルギー効率をさらに向上させるため、車両の制動時などには、電動機を発電機として動作させて回生ブレーキとして機能させ、そのときに得られるエネルギーによっても二次電池を充電するようにしている。【０００４】
ハイブリッド自動車の場合、実際には、二次電池の残存容量が常に所定の範囲内にあるような制御が行われている。具体的には、例えば残存容量が２０％以下となった場合には、エンジンを始動して発電機によって発電し、その電力によって二次電池を充電するようにする。そして、例えば残存容量が８０％以上となった場合には、二次電池がそれ以上充電されないようにする。このように、二次電池の残存容量に応じて充放電の制御を行う必要があるため、二次電池の残存容量を常時監視していなくてはならない。具体的には数十ミリ秒から数秒の時間間隔で、残存容量を求めるようにしている。【０００５】
二次電池の残存容量は、原理的には、充電した電荷量と放電した電荷量との差によって求めることができるから、従来は、一定時間間隔で二次電池の充放電電流の値を測定し、その測定値を積算することによって、二次電池の残存容量を求めていた。また、二次電池がリチウムイオン二次電池などである場合、二次電池の開回路電圧と残存容量との間には一定の関係があることが知られており、二次電池の開回路電圧を測定して残存容量を推定することも行われている。しかしながら、二次電池をハイブリッド自動車に適用するような場合、電動機の突入電流などで短時間で大電流が流れることがあり、また、安価で直線性がよく精度が高い電流センサを入手することが難しい、などの理由により、充放電電流値を積算して残存容量を求めることとした場合には、無視できない累積誤差が生じるおそれがある。【０００６】
一方、二次電池の開回路電圧に基づいて残存容量を推定する場合には、誤差の累積という問題は生じない。もっとも、二次電池の通常の使用時には充放電電流が存在するから、開回路電圧を連続して測定することはできない。そこで、本発明者らは、ハイブリッド自動車などの用途では、二次電池において放電と充電とが頻繁に切り替わって二次電池に流れる電流の向きが切り替わり、その切り替わりに際しては瞬間的には充放電電流がゼロとなるときがあることに着目し、既に日本国特許出願：特願２００３−３４９６７（特開２００４−２４５６７３号公報）において、精度よく残存容量を推定する方法を提案している。この方法では、二次電池の充放電電流を積算することにより残存容量を継続して算出するとともに、充放電電流がゼロになるタイミング、例えば充電と放電とが切り替わるタイミングなどで二次電池の端子電圧を測定し、それを開回路電圧としてそのときの残存容量を推定し、その推定値でもって、電流積算によって算出された残存容量値を更新する。【０００７】
しかしながら開回路電圧は、厳密には、二次電池における充放電が停止してから充分な時間が経過し電池が熱力学的に平衡状態に達したときの正極と負極との間の電圧である。充電あるいは放電が終了した直後の電流がゼロの状態での電池の端子電圧は、電池内部が平衡状態あるいは定常状態に達していないので、本来の開回路電圧からずれていることがある。本来の開回路電圧からどの程度ずれているかは、電池の内部構造などにも依存する。したがって、使用する二次電池の構造などによっては、充放電電流がゼロであるタイミングでの端子電圧を開回路電圧とみなして残存容量を推定した場合、無視できない誤差が生じる可能性がある。なお、平衡状態に達するまでに時間がかかるのは、外部回路に電流が流れないためでもある。【０００８】
特開２００１−２３１１７９号公報には、二次電池の休止時期に対応して開回路電圧を測定し、その電圧値から充電率を判定するとともに、充電中に供給された充電量と充電前後の充電率とから、満充電容量と残存容量を算出し、充放電中には休止中に測定した充電率に動作中に入出力される充電量で換算される充電率の変化分を積分することにより、現在の充電率と残存容量とを推定することが開示されている。【０００９】
特開２００３−１４９３０７号公報には、電池の充放電電流を積算することによって残存容量を算出するとともに、電池の起電圧を算出してこれから電池の推定容量を算出し、残存容量と推定容量との差からＰＩ（比例積分）制御により補正量を算出し、残存容量を補正することが開示されている。【００１０】
リチウムイオン二次電池などの二次電池を用いる場合、これらの二次電池のセルを単独で用いることは少なく、所望の放電電圧、放電電流が得られるように複数の単体セルを直列および／または並列に接続したバッテリパックとして構成することが一般的である。このバッテリパックには、二次電池セルのほかに、例えば過充電防止回路などの安全回路や、残存容量を測定してその測定値を出力する回路などが備えられることが多い。【００１１】
以下、本明細書で引用した文献を列挙する。
【特許文献１】特開２００４−２４５６７３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１１７９号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、二次電池の残存容量を求める従来の方法では、誤差が大きい、必要な時間間隔で最新の残存容量値を得ることができない、あるいは、演算量などが多くなる、という解決すべき課題が残っている。【００１３】
本発明の目的は、少ない演算量で精度よく、しかも所望の時間間隔で二次電池の最新の残存容量を推定できる残存容量推定方法を提供することにある。【００１４】
本発明の別の目的は、少ない演算量で精度よく、しかも所望の時間間隔で二次電池の最新の残存容量を推定できる残存容量推定装置を提供することにある。【００１５】
本発明のさらに別の目的は、そのような推定装置を組み込んだバッテリ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】
【００１６】
本発明の目的は、二次電池の残存容量を推定する残存容量推定方法であって、二次電池の充放電電流を監視し、充放電電流に基づく積算演算を実行して第１の残存容量値を継続的に算出し、二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出し、そのタイミングから所定の条件だけ遅れた時点において二次電池の端子電圧を取り込み、取り込まれた端子電圧に基づいて第２の残存容量値を求めて第２の残存容量値でもって第１の残存容量値を置き換え、置き換え後の第１の残存容量値に基づいて算出する段階における積算演算を続行して第１の残存容量値を二次電池の残存容量とする残存容量推定方法によって達成される。【００１７】
本発明の別の目的は、二次電池の残存容量を推定する残存容量推定装置であって、二次電池における充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、残存容量の値を保持する記憶手段と、検出された充放電電流に基づき、記憶手段に格納された値に対して積算演算を継続的に実行する演算手段と、電流検出手段の出力に基づき、二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出するタイミング検出手段と、そのタイミングから所定の条件だけ遅れた時点における端子電圧を取り込んで取り込んだ端子電圧に基づいて残存容量値を求める残存容量値取得手段と、を有し、残存容量値取得手段が求めた残存容量値によって、記憶手段内の値が置き換えられる残存容量推定装置によって達成される。【００１８】
二次電池において、充放電電流がゼロになったのち、開回路電圧を測定できるようになるまでに長時間を要するのは、充放電電流がゼロであって外部回路に電流が流れないため、電圧値がなかなか確定しないためである。電流がゼロから再び流れ出せば、電池の電圧は急速に確定するから、そのようなタイミングであって、電池の内部インピーダンスによる電圧降下がほとんど発生していないタイミングを捉え、そのときの電池の端子電圧を測定すれば、その測定された電圧値は、ほぼ電池の開回路電圧とみなすことができる。【００１９】
そこで本発明では、二次電池における充電と放電との切り替わりがあったタイミングを検出し、そのタイミング以降のある時点で二次電池の端子電圧を測定し、測定された端子電圧をその二次電池の開回路電圧とみなして残存容量値を推定し、その推定値でもって積算演算による残存容量値を更新することとする。ただし、放電から充電に切り替わった場合、その切り替わり時点からの電流が比較的大きくないと電池電圧が安定しないので、充電から放電に切り替わるタイミングのみを検出してその後のある時点で端子電圧を取り込むようにすることが好ましい。【００２０】
また、充電から放電に切り替わった時点から端子電圧を測定して取り込むまでの時間の長さを一定にしておくと、その期間での電流の流れ方によっては誤差が大きくなる。そこで、充電から放電に切り替わった時点からの放電電流の立ち上がり方に応じて端子電圧を取り込むタイミングを変えることが好ましい。具体的には、残存容量を連続して算出するための充放電電流の積算処理である第１の積算演算とは別個に、充電から放電に切り替わった時点から放電電流の積算処理すなわち第２の積算演算を開始し、第２の積算演算による電流積算値が所定のしきい値に達した時点で二次電池の端子電圧を取り込むようにすればよい。このようにすれば、放電電流の立ち上がりが急であればあるほど、より早いタイミングで端子電圧が取り込まれることになり、放電電流パターンの違いによって端子電圧と開回路電圧との誤差が大きくなることを防ぐことができる。なお、放電電流の立ち上がりが緩やか過ぎる場合、すなわち、放電電流の立ち上がりが所定の値以下の場合には、端子電圧を開回路電圧とみなして積算演算による残存容量値を更新する処理自体を行わないようにすることもできる。例えば、充電から放電に切り替わってから所定時間以内に所定電流に達しない場合には、端子電圧に基づく残存容量値の更新を行わないようにする。ここでの所定時間としては、例えば、０．１秒が用いられ、所定電流としては、例えば、二次電池の１時間定格容量値に対応する電流が用いられる。【００２１】
さらに本発明では、充電から放電に切り替わるタイミングの直前の充電時間やそのときの充電電流の大きさに応じて、充電から放電に切り替わってから端子電圧を取り込むまでの時間の長さを変えることができ、それによって、残存容量推定の精度をさらに向上することができる。具体的には、充電から放電に切り替わるタイミングの直前の充電時間が短い場合には、端子電圧の取り込みまでの時間も短くする。充電から放電に切り替わるタイミングから過去に向かっての電流積算値が必要となるが、これは、例えば、電流値を所定のサンプリングレートでサンプリングしてリングバッファに格納しておき、充電から放電に切り替わりを検出した時点で、リングバッファにおいてその時点から過去にむかって電流値を検索し積算すればよいことになる。【００２２】
このように本発明では、二次電池において充電と放電との切り替わりが発生するたびに、少なくとも充電から放電への切り替わりが発生するたびに、充放電電流の積算による第１の残存容量値が、開回路電圧に基づくより正確な第２の残存容量値によって更新されるので、充放電電流の積算での累積誤差がそのたびにリセットされることになる。特に、充電と放電との切り替わりから遅れて二次電池の端子電圧を取り込んでそれを開回路電圧とみなすことにより、その時点での本来の値に極めて近い開回路電圧に基づいて残存容量値が得られ、残存容量推定の精度がさらに向上する。したがって、本発明では、累積誤差の影響を受けることが少なくて精度よく、しかも任意のタイミングでの残存容量を取得することができる。ハイブリッド自動車への応用を考えた場合、長くても数十分たてば充電と放電との切り替わりが発生して残存容量値が開回路電圧に基づく正確な値に更新されるので、この間の充放電電流の積算の際の累積誤差は、残存容量による充放電の制御を行う際に悪影響を及ぼすほど大きなものとはならない。また、本発明によれば、充放電電流の検出のために用いられる電流センサとして、直線性の良好な高価なセンサを使用する必要がなくなり、残存容量推定のための構成の全体としてのコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の一形態の残存容量推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】残存容量推定の動作を模式的に示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態の残存容量推定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す残存容量推定装置の動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１に示す残存容量推定装置１０は、二次電池１１の残存容量を推定するものであって、ここでは、バッテリパック１２内に残存容量推定装置１０が組み込まれたものとして描かれている。バッテリパック１２を構成する二次電池１１として、例えばリチウムイオン二次電池を用いることができる。以下では、二次電池１１としてリチウムイオン二次電池が使用されているものとして、説明を行う。【００２５】
残存容量推定装置１０は、二次電池１１に対する充電電流及び放電電流を検出する電流検出器２１と、二次電池１１の端子電圧を測定して出力する電圧測定部２２と、電流検出器２１の出力をサンプリングしてアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器２３と、電流検出器２３の出力波形を整形し充放電電流の極性を判別して充放電電流がゼロとなるタイミングを検出する電流ゼロ検出部２４と、充放電電流がゼロになったタイミングが充電から放電への切り替えのタイミングなのか放電から充電への切り替わりのタイミングなのかを判別して放電の開始を検出する放電開始検出部２５と、二次電池１１の端子電圧に基づいて残存容量値を取得する残存容量値取得部２６と、残存容量の現在値を保持する残存容量記憶部２７と、Ａ／Ｄ変換器２３からの出力に基づいて残存容量記憶部２７に保持された残存容量値に対して積算演算を行う積算演算部２８と、Ａ／Ｄ変換器２３から出力される電流サンプル値の積算を充電から放電への切り替えのタイミングで開始し、積算値が所定値に達した時点で残存容量値取得部２６にトリガ信号を出力する電流積算部２９と、を備えている。ここで二次電池１１は、複数の単位セルを直列に接続した組電池であってもよい。充放電電流の極性とは、電池に向かって電流が流れているか、あるいは電池から電流が流れているかを示すものであり、言い換えれば充電であるか放電であるかの別を示すものである。【００２６】
電流検出器２１としては、ホールセンサを用いたオープンループのものや、シャント抵抗を有しその両端の電圧を計測するものを用いることができる。電流検出器２１は、充放電電流の大きさに比例するとともに、例えば充電であれば負であり放電であれば正である電圧を発生する。充電電流と放電電流との違いは二次電池１１に対する電流の向きで区別されるものである。【００２７】
電圧測定部２２は、二次電池の正極端子と負極端子との間の電圧を端子電圧として計測するものであるが、二次電池１１として組電池が使用される場合であれば、組電池の正側端子と負側端子との間の電圧を端子電圧として計測する。電圧測定部２２は、計測した端子電圧をデジタル値で出力する。【００２８】
電流ゼロ検出器２４は、電流検出器２１の出力が正か負かによって放電か充電かを識別することとし、放電である期間中は論理レベルが“１”であり、充電である期間中は“０”である信号を用いることによって、電流がゼロであるタイミングを検出する。この信号における“０”から“１”への立ち上がりのタイミングと、“１”から“０”への立ち下がりのタイミングは、いずれも、二次電池１１における充放電電流がゼロであるタイミングを表している。このような電流ゼロ検出部２４としては、非反転入力端子端子には電流検出器２１からの波形が入力し、反転入力端子には基準電位として０Ｖが供給されているコンパレータにより実現することができる。放電開始検出部２５は、電流ゼロ検出器２４での上述した信号の“０”から“１”への立ち上がりのタイミングを検出して、そこを放電開始のタイミングと検出し、電流積算開始のためのトリガを電流積算部２９に送出する。【００２９】
電流積算部２９は、放電開始検出部２５からトリガが入力すると、Ａ／Ｄ変換器２３が出力する電流サンプル値の積算を開始し、積算値が所定の値に到達したタイミングで、残存容量取得部２６に対してトリガ信号を出力し、その直後、積算を停止して積算値をゼロにリセットする。ここでの所定の値は、充放電電流がゼロとなった後に二次電池１１の端子電圧がその本来の開回路電圧に最も近づくタイミングを表すように、二次電池１１の種類や内部構成などに応じて予め定められるしきい値である。電流積算部２９には、電流ゼロ検出部２４から、電流ゼロとなるタイミングを示す信号も入力しており、この信号が入力した時点で、電流積算部２９は電流積算を停止し、その積算値をゼロにリセットする。したがって、積算開始後、上述した所定の値になる前に二次電池１１が放電から充電へと切り替わった場合には、電流積算部２９は、トリガ信号を出力することなく、積算を停止し、ゼロにリセットされることになる。なお、充電から放電に切り替わった場合には、電流積算部２９には、電流ゼロ検出部２４からの信号と放電開始検出部２５からのトリガの両方が入力するが、このときは、電流積算部２９は、ゼロにリセットされた後、直ちに電流積算を開始することになる。【００３０】
残存容量値取得部２６は、二次電池１１の開回路電圧が入力したときに、その開回路電圧に対応する残存容量値を求めて出力するものであるが、ここでは、電圧測定部２２で測定した電圧値と、電流積算部２９で発生したトリガ信号とが入力している。そして、トリガ信号が入力したタイミングで二次電池１１の端子電圧値を取り込み、その取り込んだ端子電圧を開回路電圧とみなして、その開回路電圧に対応する残存容量値を出力する。実際には、リチウムイオン二次電池の開回路電圧値と残存容量との関係を示したルックアップテーブルを備え、取り込んだ電圧値を開回路電圧値としてこのルックアップテーブルを参照し、残存容量値を出力する。残存容量推定の対象である二次電池がリチウムイオン二次電池以外の二次電池である場合には、その二次電池の特性に対応したルックアップテーブルを備えるようにする。【００３１】
本実施形態では、残存容量値取得部２６において、二次電池１１の端子電圧を開回路電圧とみなして残存容量値を推定するタイミングを、充放電電流がゼロとなるタイミングではなくて、そのタイミングから遅れた時点、具体的には、電流積算部２９での積算値が所定の値に達した時点としている。このように、充放電電流がゼロとなるタイミングでの端子電圧を開回路電圧とするのではなく、それより遅れたタイミングでの端子電圧を開回路電圧としているのは、［背景技術］の項目でも述べたように、二次電池１１において充電と放電とが切り替わるタイミングでは、二次電池１１の端子電圧は、本来の開回路電圧からずれているおそれがあるからである。充放電電流がゼロになった後、二次電池１１に充放電電流が流れると、あるタイミングではその時点での端子電圧は本来の開回路電圧と一致している。本実施形態では、そのような遅れたタイミングで端子電圧を取り込んで開回路電圧とみなすことにより、残存容量の推定を正確に行えるようにしている。特に、充電から放電への切り替わるタイミングを検出し、そのタイミングからの放電電流の積算量が所定の値に達した時点での端子電圧を開回路電圧とすることにより、残存容量の推定をより正確に行えるようにしている。【００３２】
二次電池１１の現在の残存容量を保持する残存容量記憶部２７は、積算演算部２８による充放電電流の積算による残存容量演算に際しての演算用メモリとしても機能し、この残存容量記憶部２７からは現在の残存容量（ＳＯＣ）がリアルタイムで外部に出力される。さらに残存容量記憶部２７内の残存容量の値は、トリガ信号が出力されて残存容量値取得部２６から残存容量値が出力された場合に、その出力された値に置き換わるようになっている。積算演算部２８は、Ａ／Ｄ変換器２３のサンプリングごとに、Ａ／Ｄ変換器２３の出力に応じて残存容量記憶部２７に格納されている残存容量値に対して積算演算を行う。ここで、残存容量記憶部２７に記憶されている残存容量の値を［ＳＯＣ］とおくと、放電時には、
［ＳＯＣ］←［ＳＯＣ］−（放電電流の大きさ）      …（１）
によって［ＳＯＣ］を更新し、充電時には、
［ＳＯＣ］←［ＳＯＣ］＋（充電電流の大きさ）×充電効率      …（２）
によって［ＳＯＣ］を更新するようになっている。Ａ／Ｄ変換器２３のサンプリングが一定の時間周期で行われているので、電流量の加算及び減算は、電荷量の加算及び減算と等価である。ここで充電時において充電効率を乗じているのは、充電電流に対応する電荷量の全てが二次電池１１内に蓄えられるわけではないことによる。充電効率は一般に温度の関数である。したがって温度に応じて充電効率の値を変化させて積算演算を行うようにしてもよい。【００３３】
図２は、この残存容量推定装置１０の動作を模式的に示したものである。【００３４】
電流検出器２１は、二次電池１１に対する充放電電流を常時監視しており、検出された電流に対応する電圧信号をＡ／Ｄ変換器２３に供給する。Ａ／Ｄ変換器２３および積算演算部２８は、Ａ／Ｄ変換器２３でのサンプリングごとに、残存容量記憶部２７内に格納されている残存容量値［ＳＯＣ］に対して上記の式(1), (2)にしたがって充放電電流の加算または減算を行うことによる積算演算を実行する。その結果、残存容量記憶部２７には、Ａ／Ｄ変換器２３でのサンプリングごとに最新の残存容量値が格納されることになる。【００３５】
電流検出器２１からの電圧信号は電流ゼロ検出部２４にも入力してここで波形整形され、放電期間には論理レベルが“１”、充電期間には論理レベルが“０”である信号とされ、放電開始検出部２５により放電開始のタイミングが検出され、その検出されたタイミングに対応して、電流積算部２９は、放電電流の積算、すなわち図示斜線部の積算を開始する。電流積算値は図示斜線部の面積で表される。電流積算値が所定の値に達した時点で、電流積算部２９からトリガ信号が残存容量値取得部２６に出力され、残存容量値取得部２６は、このトリガ信号が入力したタイミングでルックアップテーブルを参照することにより、そのときの二次電池１１の端子電圧を開回路電圧とみなした残存容量値を取得する。そして、取得された残存容量値によって、残存容量記憶部２７内に格納されている残存容量値［ＳＯＣ］が置き換えられる。【００３６】
充電から放電に切り替わってからの放電電流の積算値が所定の値に達したタイミングでの二次電池１１の端子電圧は、その二次電池１１のその時点での開回路電圧の値とほぼ同じであるみなすことができ、残存容量値取得部２６は、そのような正確な残存容量値を出力するので、この残存容量推定装置１０によれば、充放電電流の積算演算によって継続的に二次電池１１の残存容量を算出し続けるとともに、放電から充電へと切り替わるタイミングにおいて、積算演算で使用される残存容量値を正確な残存容量値で更新することとなる。これにより、積算演算における誤差の蓄積が排除されて、任意の時点においてその時点での正確な残存容量を知ることができるようになる。【００３７】
上述した本実施形態の残存容量推定装置１０は、マイクロコンピュータを用いて実装されるのが一般的である。その場合、エッジ検出部２５、残存容量値取得部２６、残存容量記憶部２７、積算演算部２８及び電流積算部２９の各機能が、マイクロコンピュータによって実現される。具体的には、マイクロコンピュータが充放電電流による積算演算を継続して実行するようにするとともに、上述したコンパレータなどの出力信号がマイクロコンピュータのインプットキャプチャ端子に入力して立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジが検出されるようにし、エッジを検出した場合には割り込みタスクを生成して、上述した処理が行われるようにすればよい。【００３８】
図３は、本発明の別の実施形態の残存容量推定装置を示している。【００３９】
図１に残存容量推定装置では、充電から放電に切り替わった時点からの放電電流の積算値が所定の値になったタイミングで二次電池１１の端子電圧を取り込み、開回路電圧とみなしているが、残存容量の推定値の精度をさらに向上させるために、図３に示した残存容量推定装置では、充電から放電に切り替わる時点の直前の充電期間における充電時間の長さに応じて、あるいはそのような充電期間における充電電流の電流値に応じて、端子電圧を取り込むタイミングを変化させている。具体的には、充電時間が短い場合、あるいは充電電流量が小さい場合には、充電から放電に切り替わってから端子電圧を取り込むまでの時間間隔を短くする。さらに、放電電流の立ち上がりが小さすぎて電流積算値がなかなか所定値に達しない場合には、端子電圧を開回路電圧とみなした残存容量値の更新を行わないようにしている。例えば、充電から放電に切り替わってから所定の時間のうちに放電電流値が所定の電流値に達しない場合には、端子電圧を開回路電圧とみなした残存容量値の更新を行わないようにする。ここでの所定の時間は、例えば１００ミリ秒程度であり、所定の電流値は、例えば、二次電池の１時間定格容量値に対応する電流値である。【００４０】
図３に示した残存容量推定装置は、図１に示した残存容量推定装置において、電流積算部２９の代わりにリングバッファ３０とトリガ信号発生部３１を設けたものである。本実施形態において、エッジ検出部２５、残存容量値取得部２６、残存容量記憶部２７、積算演算部２８、リングバッファ３０及びトリガ信号発生部３１の各機能は、マイクロコンピュータによって実現できる。【００４１】
リングバッファ３０は、Ａ／Ｄ変換器２３からの電流サンプル値を順次格納するものであって、格納すべき電流サンプル値の個数がリングバッファ３０のメモリ容量を超えた場合には、最も古いサンプル値が最も新しいサンプル値に書き換えられるようになっており、これによって、リングバッファ３０内には、リングバッファ３０の容量分だけ、最新の時点から過去に遡る各電流サンプル値が格納されることになる。単純に電流積算を行う回路を設けるのではなくリングバッファを設けているのは、過去の充電時間あるいは充電電流量に応じてトリガ信号が発生する条件を変化させるためには、過去の電流サンプル値を保持しておく必要があるからである。【００４２】
トリガ信号発生部３１は、トリガ信号を残存容量値取得部２６に出力するものであるが、充電から放電に切り替わるタイミングの直前の充電時間に応じてトリガ信号の出力条件が変化し、さらに、放電電流の立ち上がりが小さすぎる場合にはトリガ信号の出力を抑止するように構成されている。トリガ信号発生部３１には、放電開始検出部２５からトリガが入力するとともに、電流ゼロ検出部２４から、電流ゼロとなるタイミングを示す信号も入力し、図１に示した残存容量推定装置の電流積算部と同様に、電流ゼロ検出部２４からの信号によってリセットされ、放電開始検出部２５からのトリガによって、電流積算を開始する。【００４３】
図４は、トリガ信号発生部３１の動作を示すフローチャートである。まずステップ１０１において、充電から放電への切り替わりのタイミングかどうか、すなわち、放電開始検出部２５からのトリガが入力したかどうかが判断される。充電から放電への切り替わりのタイミングでなければそのようなタイミングになるまで待機し、充電から放電への切り替わりのタイミングであれば、ステップ１０２において、トリガ信号発生部３１は、リングバッファ３０内に格納された電流サンプル値を検索し各サンプルの電流値が充電に対応するものか放電に対応するものかを判別し、直前の充電の継続時間すなわち充電時間を調べる。そして、トリガ信号発生部３１は、充電から放電への切り替わりのタイミングの直前における充電時間が短い場合には、電流積算値のしきい値が小さくなるように、電流積算値のしきい値を決定する。この場合、充電時間がある所定時間より長い場合には電流積算値のしきい値は一定値とするので、リングバッファ３０は、その所定時間分の電流サンプル値を格納するだけの記憶容量があればよい。ここでの所定時間としては、例えば、電流のサンプリングで表して２０サンプルに相当する時間などが用いられる。【００４４】
次に、ステップ１０３において、トリガ信号発生部３１は放電電流の積算を開始する。放電電流の積算は、リングバッファ３０に新たに格納される電流サンプル値を取り込んで積算することによって行われる。そして、ステップ１０４において、積算開始後、所定の経過時間が経過したかどうかを判断し、経過しない場合には、そのままステップ１０６に移行し、所定の経過時間が経過している場合には、ステップ１０５において、その時点での放電電流の電流値が所定の下限値以上であるかを判断する。所定の経過時間としては例えば１００ミリ秒が用いられ、所定の下限値としては、例えば、二次電池１１の１時間定格容量に対応する電流値が用いられる。放電電流の電流値が下限値未満の場合は、放電電流の立ち上がりが緩やか過ぎる場合に相当するので、処理を打ち切り、下限値以上の場合にはステップ１０６に移行する。ステップ１０６では、電流積算値がステップ１０２で定めたしきい値に到達しているかを判断し、到達していない場合には、さらに電流積算を行うためにステップ１０４に戻り、到達している場合には、ステップ１０７においてトリガ信号を出力した後、処理を終了する。【００４５】
以上のようなトリガ信号発生部３１の処理は、充電から放電への切り替わりタイミングを検出するたびに実行される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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