(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池(1)に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算する残容量の演算方法において、
デジタル値で演算された残容量の１ビット間の残容量を、充放電電流を検出して補正することを特徴とする残容量の演算方法。
【請求項２】
残容量を積算する専用の残容量測定用ＩＣ(3)で、電池(1)に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算する請求項１に記載の残容量の演算方法。
【請求項３】
残容量測定用ＩＣ(3)が８ビットのデジタル値で残容量を積算する請求項２に記載の残容量の演算方法。
【請求項４】
残容量測定用ＩＣ(3)がハードウェアで残容量を積算し、残容量測定用ＩＣ(3)でもって積算されたデジタル値の残容量の１ビット間の残容量を、ソフトウェアでもって充放電電流の積算値で補正する請求項２に記載の残容量の演算方法。
【請求項５】
電池(1)に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算するデジタル残容量演算回路と、
デジタル残容量測定回路で積算された残容量の１ビット間の残容量を、充放電電流を検出して補正する残容量補正回路とを備えるパック電池。
【請求項６】
デジタル残容量演算回路が残容量測定用ＩＣ(3)で、残容量補正回路がパック電池に内蔵されるマイコン(5)である請求項５に記載されるパック電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は充放電される電池の残容量を演算する方法と、残容量の演算回路を内蔵しているパック電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池の残容量を演算する専用のＩＣは開発されている。たとえば、ダラス社製のＤＳ２４４２等のＩＣがこの用途に使用される残容量測定用ＩＣとして市販されている。この種のＩＣは、電池に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算する。この残容量測定用ＩＣは、電池に流れる充放電の電流をリアルタイムに検出し、ハードウェアでもって電流値を積算して残容量の演算するので、残容量を正確に検出できる特長がある。
【０００３】
電池の残容量は、必ずしも専用のＩＣで演算する必要はない。たとえば、パック電池に内蔵しているマイコンを残容量の演算に併用することもできる。マイコンは、電池の充放電の電流値を積算して残容量を演算することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
残容量測定用ＩＣを使用して残容量を演算する方法は、正確に演算できる特長はあるが、残容量をデジタル値として出力するので、残容量の分解能が悪くなる欠点がある。たとえば、この種の残容量測定用ＩＣが８ビットのデジタル値で残容量を出力する場合、２５６段階で残容量を表示することになる。すなわち、８ビットのデジタル値は、１ビットの分解能が１／２５６となる。このため、たとえば、満充電容量を１０２４ｍＡｈとするパック電池の残容量を８ビットのデジタル値で表示すると、１ビットが４ｍＡｈとなるので、残容量は４ｍＡｈを１単位として表示されることになる。したがって、電池を放電して残容量が減少するとき、残容量は・・・・８ｍＡｈ、４ｍＡｈ、０ｍＡｈと、４ｍＡｈピッチで減少する。
【０００５】
残容量を表示するピッチが大きいと、たとえばパック電池の残りの使用時間を表示する場合、残り時間の表示が粗くなって、正確に表示できなくなる。たとえば、残り使用時間が５分と表示される状態から、次には残り使用時間が０分となる。
【０００６】
残容量測定用ＩＣの分解能は、ビット数を、８ビットから１０ビットや１２ビットと多くして向上できる。分解能は１ビットで２倍に増加するので、８ビットから１０ビットに増加すると、分解能は４倍となる。このため、１０ビットの残容量測定用ＩＣを使用すると、満充電容量を１０２４ｍＡｈとするパック電池は、１ｍＡｈの単位で残容量を表示できる。ただ、残容量測定用ＩＣのビット数を大きくすることは、このＩＣのコストを著しく高価にする。
【０００７】
パック電池に内蔵しているマイコンを使用して残容量を演算し、演算した残容量から残りの使用時間を表示する方法は、マイコンのソフトウェアで残り時間を正確に表示することができる。この方法で残容量を正確に演算するには、充放電の電流を検出して積算するサンプリング周期を短くする必要がある。サンプリング周期を短くすると、頻繁に電流を検出して積算するので高速処理できる高価なマイコンを使用する必要がある。このため、部品コストが高くなってしまう。さらに、マイコンは一定の周期で電流をサンプリングして電流値を積算するので、サンプリング周期の間で変化する電流を検出できず、専用の残容量測定用ＩＣに比較して残容量の演算精度が低くなる傾向がある。
【０００８】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、マイコンに高速処理するものを使用することなく、残容量を極めて正確に演算できる残容量の演算方法とパック電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の残容量の演算方法は、電池１に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算する演算方法を改良したものである。残容量の演算方法は、デジタル値で演算された残容量の１ビット間の残容量を、充放電電流を検出して補正する。
【００１０】
本発明の残容量の演算方法は、好ましくは、残容量を積算する専用の残容量測定用ＩＣ３で、電池１に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算する。残容量測定用ＩＣ３は、たとえば、８ビットのデジタル値で残容量を積算する。さらに、本発明の演算方法は、好ましくは、残容量測定用ＩＣ３がハードウェアで残容量を積算し、残容量測定用ＩＣ３でもって積算されたデジタル値の残容量の１ビット間の残容量を、ソフトウェアでもって充放電電流の積算値で補正する。
【００１１】
本発明のパック電池は、電池１に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算するデジタル残容量演算回路と、デジタル残容量測定回路で積算された残容量の１ビット間の残容量を、充放電電流を検出して補正する残容量補正回路とを備える。
【００１２】
さらに、本発明のパック電池は、好ましくは、デジタル残容量演算回路を残容量測定用ＩＣ３とし、残容量補正回路をパック電池に内蔵されるマイコン５とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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残容量の演算方法とパック電池を例示するものであって、本発明は演算方法とパック電池を以下のものに特定しない。
【００１４】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１５】
図１は、残容量の演算回路を内蔵しているパック電池の回路構成を示すブロック図である。このパック電池は、電気機器等の負荷に接続して放電し、充電器に接続して充電される。パック電池は、充電できる電池１と、電池１に流れる電流を検出する電流検出抵抗２と、電池１の残容量を演算する専用のＩＣである残容量測定用ＩＣ３と、この残容量測定用ＩＣ３に制御されるスイッチング素子４と、残容量測定用ＩＣ３で演算する残容量を補正するマイコン５とを内蔵している。
【００１６】
電池１は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン二次電池等の充電できる電池、すなわち二次電池である。
【００１７】
電流検出抵抗２は、電池１と直列に接続されて、電池１に流れる電流に比例した電圧を発生する。電池１が放電するときと充電するときでは、電流検出抵抗２の両端に発生する電圧の＋−が変化する。したがって、残容量測定用ＩＣ３は電流検出抵抗２の両端に発生する電圧の大きさで電流値を検出し、＋−で充電と放電を識別する。
【００１８】
残容量測定用ＩＣ３は、電流検出抵抗２の両端に発生する電圧から、電池１に流れる充放電の電流を検出し、検出した電流値を積算して、デジタル値で残容量を演算する。この残容量測定用ＩＣ３は、演算した残容量を８ビットのデジタル値として出力する。ただ、残容量測定用ＩＣ３は４〜６ビットのデジタル値として残容量を出力することもできる。８ビットのデジタル値で残容量を積算する残容量測定用ＩＣ３として、ダラス社製のＤＳ２４４２等のＩＣを使用する。残容量測定用ＩＣ３は、充電電流を積算して充電容量を演算し、放電電流を積算して放電容量を演算する。充電容量は、充電電流を積算した値に、充電効率をかけてより正確に演算できる。電池１の残容量は、充電容量から放電容量を減算して演算される。残容量測定用ＩＣ３は、残容量を検出するための専用のＩＣであるから、常に充放電電流を積算して残容量を演算するハードウェアを内蔵している。この残容量測定用ＩＣ３は、ハードウェアでもって、常に充放電電流を積算するので極めて正確に電池１の残容量を積算する。
【００１９】
８ビットのデジタル値で残容量を積算する残容量測定用ＩＣ３は、１ビットの分解能が１／２５６となる。１ビットの分解能をわかりやすく説明するために、電池の満充電容量を２５６０ｍＡｈとすれば、１ビットの分解能は１０ｍＡｈとなるので、８ビットのデジタル値で表すことができる最小の単位が１０ｍＡｈとなる。このため、電池を放電させるとき、残容量は次第に小さくなって、・・・・２０ｍＡｈ、１０ｍＡｈ、０ｍＡｈと階段状に減少して積算される。１０ｍＡｈよりも細かく残容量を表示できないので、残容量は１０ｍＡｈから次には０となる。
【００２０】
残容量がデジタル値の１ビット単位、前述の例では１０ｍＡｈのピッチで変化する間を、マイコン５が補正してより細かく残容量を演算する。満充電容量を２５６０ｍＡｈとする電池１の残容量を、８ビットの残容量測定用ＩＣ３がデジタル値で出力する状態を図２に示す。デジタル値で電池１の残容量を表示する残容量測定用ＩＣ３は、残容量の最小の単位が１ビットであるから、１ビットに相当する残容量、すなわち１０ｍＡｈを最小の単位として増加する。したがって、残容量測定用ＩＣ３の出力は、図に示すように階段状に増加する。図において、太線で示す残容量測定用ＩＣ３が出力する残容量をＲＣ−ＨＡＲＤとする。
【００２１】
ＲＣ−ＨＡＲＤは、階段状に増加するので、マイコン５が１ビットの間を細かく演算して補正する。マイコン５は、ＲＣ−ＨＡＲＤの残容量に補正値を加算して残容量を演算する。マイコン５は充電電流を積算して補正値を演算する。マイコン５は、メモリに記憶しているソフトウェアにしたがって充電電流を積算して補正値を演算するので、マイコン５が演算する補正値をソフトウェア残容量、すなわちＲＣ−ＳＯＦＴとする。図はＲＣ−ＳＯＦＴを矢印で示している。マイコン５は一定のサンプリング周期で充電電流を検出してＲＣ−ＳＯＦＴを演算する。ＲＣ−ＳＯＦＴは、デジタル値の残容量が階段状に増加したときに０にリセットされ、階段状に増加したときをスタート時間として、充電電流の積算を開始してＲＣ−ＳＯＦＴを演算する。補正値であるＲＣ−ＳＯＦＴは、矢印で示すように、階段状に増加するのを補正する値であるから、電池１の残容量は、ＲＣ−ＨＡＲＤにＲＣ−ＳＯＦＴを加算した値となる。
【００２２】
以上は電池１を充電するときに残容量が増加する状態を示すが、電池１を放電するときに残容量が減少する状態を図３に示す。デジタル値で電池１の残容量を表示する残容量測定用ＩＣ３は、残容量の最小の単位が１ビットであるから、１ビットに相当する残容量、すなわち１０ｍＡｈを最小の単位として残容量は減少する。したがって、残容量測定用ＩＣ３の出力は、図に示すように階段状に減少する。図において、太線で示す残容量測定用ＩＣ３が出力する残容量をＲＣ−ＨＡＲＤとしている。
【００２３】
階段状に減少するＲＣ−ＨＡＲＤを、マイコン５が１ビットの間を細かく演算して補正する。マイコン５は、残容量測定用ＩＣ３が積算した残容量であるＲＣ−ＨＡＲＤの残容量に、補正値を加算して残容量を演算する。マイコン５はソフトウェアにしたがって補正値を演算するが、この補正値であるＲＣ−ＳＯＦＴを矢印で示している。マイコン５は、ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット減少したときをスタート時間として、ＲＣ−ＳＯＦＴの演算を開始する。ＲＣ−ＳＯＦＴは、残容量測定用ＩＣ３の１ビットに相当する残容量（この実施例では１０ｍＡｈ）から、１ビット残容量が減少してからの放電容量を減算して演算される。演算されたＲＣ−ＳＯＦＴが、ＲＣ−ＨＡＲＤに加算されて電池１の残容量が演算される。
【００２４】
マイコン５は、図４のフローチャートに示すステップで、電池１を充電するときの残容量を演算する。
【００２５】
［ｎ＝１のステップ］
マイコン５のサンプリング時間になると、マイコン５は残容量測定用ＩＣ３からＲＣ−ＨＡＲＤを検出する。
［ｎ＝２のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤが、前回のＲＣ−ＨＡＲＤから１ビット増加したかどうかを判定する。ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット増加するとは、図２において、残容量測定用ＩＣ３が出力する残容量が階段状に１０ｍＡｈ増加する状態を意味している。ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット増加しているときは、ｎ＝３のステップに進み、増加していないときは、ｎ＝４のステップに進む。
【００２６】
［ｎ＝３のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット増加すると、ＲＣ−ＳＯＦＴを０にリセットする。さらに、ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット増加したときをスタート時間として、ＲＣ−ＳＯＦＴの演算を開始する。ＲＣ−ＳＯＦＴは、１ビット残容量が増加してからの充電電流を積算して演算される。
［ｎ＝４のステップ］
充電電流の積算を継続し、前回のＲＣ−ＳＯＦＴに、サンプリングする１周期分の充電電流の積算値であるＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）を加えてＲＣ−ＳＯＦＴとする。ＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）は、以下の式で求めることができる。
ＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）＝充電電流［Ｉ］×サンプリング周期［Ｔ］
【００２７】
［ｎ＝５のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤの残容量に、ＲＣ−ＳＯＦＴを加算して電池１の残容量とする。
［ｎ＝６のステップ］
マイコン５の次回のサンプリング時間が発生するまで待機する。
【００２８】
その後、ｎ＝１のステップにジャンプし、ｎ＝１〜６のステップをループしながら、充電される電池１の残容量を演算する。
【００２９】
さらに、マイコン５は、図５のフローチャートに示すステップで、電池１を放電するときの残容量を演算する。
【００３０】
［ｎ＝１のステップ］
マイコン５のサンプリング時間になると、マイコン５は残容量測定用ＩＣ３からＲＣ−ＨＡＲＤを検出する。
［ｎ＝２のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤが、前回のＲＣ−ＨＡＲＤから１ビット減少したかどうかを判定する。ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット減少するとは、図３において、残容量測定用ＩＣ３が出力する残容量が階段状に１０ｍＡｈ減少する状態を意味している。ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット減少しているときは、ｎ＝３のステップに進み、減少していないときは、ｎ＝４のステップに進む。
【００３１】
［ｎ＝３のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット減少すると、ＲＣ−ＳＯＦＴを、残容量測定用ＩＣ３の１ビットに相当する残容量（図３では１０ｍＡｈ）とする。さらに、ＲＣ−ＨＡＲＤが１ビット減少したときをスタート時間として、ＲＣ−ＳＯＦＴの演算を開始する。ＲＣ−ＳＯＦＴは、１ビットに相当する残容量から、放電電流を積算した放電容量を減算して演算される。
［ｎ＝４のステップ］
放電電流の積算を継続し、前回のＲＣ−ＳＯＦＴから、サンプリングする１周期分の放電電流の積算値であるＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）を減算してＲＣ−ＳＯＦＴとする。ＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）は、以下の式で求めることができる。
ＲＣ−ＳＯＦＴ（Ｓ）＝放電電流［Ｉ］×サンプリング周期［Ｔ］
【００３２】
［ｎ＝５のステップ］
ＲＣ−ＨＡＲＤの残容量に、ＲＣ−ＳＯＦＴを加算して電池１の残容量とする。
［ｎ＝６のステップ］
マイコン５の次回のサンプリング時間が発生するまで待機する。
【００３３】
その後、ｎ＝１のステップにジャンプし、ｎ＝１〜６のステップをループしながら、充電される電池１の残容量を演算する。
【００３４】
以上の実施例の演算方法において、残容量測定用ＩＣとマイコンは、電池に流れる充放電の電流を検出し、検出した電流値を積算して残容量を演算している。ただ、本発明の演算方法は、充放電の電流と電圧を検出し、検出した電流値と電圧値の積、すなわち電力値を積算して残容量を演算することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の残容量の演算方法とパック電池は、マイコンに高速処理するものを使用することなく、残容量を極めて正確に演算できる特長がある。それは、本発明の残容量の演算方法とパック電池が、電池に流れる充放電の電流を積算して、デジタル値で残容量を演算すると共に、デジタル値で演算された残容量の１ビット間の残容量を、充放電電流を検出して補正しているからである。このように、本発明の演算方法とパック電池は、デジタル値で演算された残容量と、充放電電流から検出された補正値の両方で残容量を演算するので、従来のように残容量測定用ＩＣやマイコンのみを使用して残容量を演算する方法に比べて、残容量の演算精度を著しく高くできる。しかも、本発明の演算方法とパック電池は、デジタル値で残容量を演算するＩＣの分解能を高くすることなく、いいかえると、ビット数が大きくて著しく高価なＩＣを使用することなく、また、高速処理できる高価なマイコンを使用することなく、理想的な演算回路を低コストに実現できる特長もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のパック電池の回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施例の演算方法で充電時の残容量を演算する状態を示す図
【図３】本発明の実施例の演算方法で放電時の残容量を演算する状態を示す図
【図４】本発明の実施例の演算方法で充電時の残容量を演算する工程を示すフローチャート図
【図５】本発明の実施例の演算方法で放電時の残容量を演算する工程を示すフローチャート図
【符号の説明】
１…電池
２…電流検出抵抗
３…残容量測定用ＩＣ
４…スイッチング素子
５…マイコン
【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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