JP2010066160A - 電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、二次電池の劣化要因にかかわらず、二次電池の交換の必要性をユーザに正確に情報提供することを可能にする、電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックの提供を目的とする。
【解決手段】
電子機器３００に給電する二次電池２００の状態を検知する電池状態検知装置であって、二次電池２００の容量劣化率と内部抵抗値を算出し、算出された容量劣化率と内部抵抗値の一方又は両方が二次電池２００の交換が必要となる値に到達した場合には二次電池２００の交換が必要と判断する演算処理部５０と、演算処理部５０による判断結果に応じた信号を出力する通信処理部７０とを備えるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックに関する。

二次電池の劣化の進行によって、その二次電池から給電される電子機器の稼動可能時間が次第に短縮したり、内部ショートなどの不具合が発生する確率が高くなったりすることが予想される。その主な劣化要因は、二次電池の内部抵抗値の増加と考えられている。この考えに基づき、二次電池の電圧や電流の検出値などによりその内部抵抗値を算出することによって、二次電池の劣化状態を判定することが行われている。

一方、特許文献１には、劣化判定の結果として算出された推定比容量Ｃ／Ｃ_０（Ｃはリチウムイオン電池の推定容量、Ｃ_０はリチウムイオン電池の公称容量）の値に応じて、電池の交換を促す表示（赤は交換、黄はまもなく交換、緑は交換不要）を行うＬＥＤが開示されている。
特開２００１−２８９９２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された推定比容量を内部抵抗値に置き換えて、内部抵抗値の大きさに応じて二次電池の交換の必要性をユーザに情報提供しようとしても、充放電の繰り返しによる劣化の場合と高温状態での保存による劣化の場合とでは内部抵抗値の変化特性が異なるため、二次電池の劣化要因によっては、二次電池の交換の必要性をユーザに正確に情報提供することができない。

そこで、本発明は、二次電池の劣化要因にかかわらず、二次電池の交換の必要性をユーザに正確に情報提供することを可能にする、電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
電子機器に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
前記二次電池の容量劣化率を算出する容量劣化率算出手段と、
前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とに基づいて前記二次電池の交換必要性を判断する判断手段と、
前記判断手段による判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備え、
前記判断手段は、
前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値の一方又は両方が前記二次電池の交換が必要となる値に到達した場合に前記二次電池の交換が必要と判断することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態検知装置は、
電子機器に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
前記二次電池の容量劣化率を算出する容量劣化率算出手段と、
前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とに基づいて前記二次電池の交換必要性を判断する判断手段と、
前記判断手段による判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備え、
前記判断手段は、
前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とが前記二次電池の劣化状態を定める要素として反映された前記二次電池の劣化状態を表す劣化状態量を算出し、算出された劣化状態量が前記二次電池の交換が必要となる値に到達した場合に前記二次電池の交換が必要と判断することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、前記電池状態検知装置と前記二次電池とを内蔵する。

本発明によれば、二次電池の劣化要因にかかわらず、二次電池の交換の必要性をユーザに正確に情報提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係る電池パックの実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。電池パック１００Ａは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどの二次電池２００の周囲温度を検出する温度検出部１０と、二次電池２００の電圧を検出する電圧検出部２０と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部３０と、検出結果を示す各検出部から出力されるアナログ電圧値をデジタル値に変換するＡＤコンバータ（以下、「ＡＤＣ」という）４０と、電流積算、容量補正、放電可能容量などの演算処理を行う演算処理部５０（例えば、ＣＰＵ５１，ＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３などを備えるマイクロコンピュータ）と、その演算処理に利用される二次電池２００や電池パック１００Ａの各構成部の特性を特定するための特性データや電池パック１００Ａの固有情報を格納するメモリ６０（例えば、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等の記憶装置）と、二次電池２００を電源とする携帯機器３００に対して二次電池２００に関する電池状態等の電池情報を伝送する通信処理部７０（例えば、通信用ＩＣ）と、時間を管理するタイマ部８０と、電流検出部３０の検出結果に従って携帯機器３００の起動電流を検出する起動電流検出部３１とを備える電池状態検知装置を、その電池状態を管理する管理システムとして、内蔵している。電池状態検知装置のこれらの構成要素の一部又は全部は、集積化された回路によって構成されるとよい。また、携帯機器３００は、ユーザに情報を提供する情報提供手段として、ディスプレイ等の表示部３１０を有する。

電池パック１００Ａは、二次電池２００とその電池状態を管理する管理システムとを合わせたモジュール部品である。電池パック１００Ａは、電極端子（正極端子１及び負極端子２）と通信端子３とを介して携帯機器３００に接続される。正極端子１は二次電池２００の正極に通電経路を介して電気的に接続され、負極端子２は二次電池２００の負極に通電経路を介して電気的に接続される。通信端子３は、通信処理部７０に接続される。通信処理部７０は、演算処理部５０の処理結果に基づく伝送情報を携帯機器３００に出力する出力手段である。

携帯機器３００は、人が携帯可能な電子機器であって、具体的には、携帯電話、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機、音楽やビデオ等のプレーヤーなどが挙げられる。電池パック１００Ａは、携帯機器３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。携帯機器３００は、通信処理部７０から取得した電池状態等の電池情報に基づいて、当該電池情報に応じた所定の動作を行う。携帯機器３００は、例えば、電池状態情報をディスプレイ等の表示部に表示させたり（例えば、二次電池２００の残量情報、劣化情報、交換時期情報などの表示）、電池状態情報に基づいて自身の動作モードを変更したりする（例えば、通常消費電力モードから低消費電力モードへの変更）。

二次電池２００は、携帯機器３００の電源であって、ＡＤＣ４０と演算処理部５０と通信処理部７０とタイマ８０の電源でもある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、起動電流検出部３１については、それらの回路構成に応じて、二次電池２００からの給電が必要となることがある。メモリ６０については、二次電池２００からの給電が遮断されても、その記憶内容は保持される。温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０及び演算処理部５０は、二次電池２００の電池状態を検知する状態検知部として機能する。

温度検出部１０は、二次電池２００の周囲温度を検出し、その検出された周囲温度をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の周囲温度を示す電池温度のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池温度のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。なお、温度検出部１０は、二次電池２００は電池パック１００Ａに内蔵されているので、二次電池２００自体の温度やその雰囲気温度を、電池パック１００Ａやその構成部の温度として検出してもよい。

電圧検出部２０は、二次電池２００の電圧を検出し、その検出された電圧をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の電圧を示す電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電圧のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

電流検出部３０は、二次電池２００の充放電電流を検出し、その検出された電流をＡＤＣ４０に入力可能な電圧に変換して出力する。電流検出部３０は、二次電池２００と直列に接続された電流検出抵抗３０ａと電流検出抵抗３０ａの両端に発生する電圧を増幅するオペアンプとを備え、電流検出抵抗３０ａとオペアンプとによって充放電電流を電圧に変換する。オペアンプは、ＡＤＣ４０に備えられてもよい。ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流を示す電池電流のデジタル値は、演算処理部５０に伝達され、演算処理のためのパラメータとして利用される。また、電池電流のデジタル値は、演算処理部５０によって予め決められた単位に換算され、二次電池２００の電池状態を示す電池状態情報として、通信処理部７０を介して携帯機器３００に出力される。

演算処理部５０は、二次電池２００の残容量の算出をする。残容量の算出方法については任意の適切な方法を用いればよいが、以下にその算出方法を例示する。

演算処理部５０は、二次電池２００の充電状態又は放電状態（例えば、携帯機器３００の動作により所定値以上の電流が消費されている状態）で電流検出部３０によって検出された電流値を積分することによって、二次電池２００において充放電される電気量を算出することができるとともに、二次電池２００が蓄えている現在の電気量（残容量）を算出することができる。残容量を算出するにあたって、例えば、特開２００４−２２６３９３号公報には、二次電池の充放電において温度や電流などの条件が変化した場合、充放電効率が変化するのではなく、各充放電条件に応じて一時的に充電や放電ができない電気量が存在し、その量が変化するという考え方が開示されている。この考え方によれば、充放電効率についての補正処理は行わなくてもよい。

ただし、電池パック１００Ａの構成部に温度に依存する温度依存回路部が存在する場合には、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「充放電電流−温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の充放電電流値を補正してもよい。「充放電電流−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて充放電電流値の補正を行う。

一方、二次電池２００の充放電が休止状態（例えば、携帯機器３００の動作が停止又はスタンバイ状態）になることにより、充電状態や放電状態に比べて充電電流値は小さくなる。その結果、分解能等の理由により電流検出部３０やＡＤＣ４０による測定では誤差が多く含まれる状態や測定不可となる状態が一定期間継続すると、残容量の算出のために上述の電流積算の処理の誤差が積算されるため、残容量算出の正確さが失われる。それを防ぐため、演算処理部５０は、電流値の積算処理を停止するか、又は予め測定しておいた携帯機器３００の消費電流値をメモリ６０に格納しておき、その値を積算するとよい。

また、残容量や充電率等の演算精度を高めるために、演算処理部５０は、携帯機器３００の休止状態が所定時間継続した場合、定期的に二次電池２００の電圧（開放電圧）を測定し、「開放電圧−充電率」特性（図５参照）に基づいて、充電率を算出・補正する。開放電圧とは、安定した二次電池２００の両極間を開放して又はハイインピーダンスで測定した両極間電圧である。充電率とは、そのときの二次電池２００の満充電容量を１００としたときにその二次電池２００の残容量の割合を％で表示したものをいう。「開放電圧−充電率」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、電圧検出部２０によって測定された開放電圧に対応する充電率の算出・補正を行う。

また、二次電池２００の開放電圧に温度特性が存在する場合、演算処理部５０は、開放電圧について所定の温度補正を行ってもよい。例えば、演算処理部５０は、温度検出部１０によって周囲温度を検出し、「開放電圧−温度」特性に基づいて、ＡＤＣ４０によって変換された二次電池２００の開放電圧を補正してもよい。「開放電圧−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０によって測定された温度に応じて開放電圧の補正を行う。

上述のように、演算処理部５０は、二次電池２００の充電率を算出することができるが、二次電池２００の残容量は満充電容量と充電率との関係に基づいて算出可能であるため、二次電池２００の満充電容量が測定又は推定されていなければ、二次電池２００の残容量を算出することはできない。

二次電池２００の満充電容量を算出する方法として、例えば、二次電池２００の放電量に基づいて算出する方法や充電量に基づいて算出する方法がある。例えば、充電量に基づいて算出する場合、パルス充電以外であれば定電圧又は定電流での充電となるため、携帯機器３００の消費電流特性に影響されやすい放電量に基づいて算出する場合に比べ、正確な充電電流を測定することができる。もちろん、どちらの方法を利用するかは、携帯機器３００の特性などを考慮した上で、両方又は片方を選択すればよい。

もっとも、正確な満充電容量が測定できる条件は、残容量がゼロの状態から満充電状態になるまでの期間継続して充電が行われる場合であり、この充電期間中に積算された電流値が満充電容量となる。しかしながら、一般的な利用のされ方を考えると、このような充電が行われることはまれであり、通常はある程度の残存容量がある状態から充電が行われる。

そこで、演算処理部５０は、このような場合を考慮して、充電開始直前の電池電圧と充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧とに基づいて、二次電池２００の満充電容量を算出する。すなわち、演算処理部５０は、充電開始直前の電池電圧と「開放電圧−充電率」特性（図５参照）とに基づいて、充電開始直前の充電率を算出するとともに、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧と「開放電圧−充電率」特性（図５参照）とに基づいて、充電終了時点から所定時間経過時の充電率を算出する。そして、演算処理部５０は、満充電容量をＦＣＣ［ｍＡｈ］、充電開始直前の充電率をＳＯＣ１［％］、充電終了時点から所定時間経過時の充電率をＳＯＣ２［％］、充電開始時点から充電終了時点までの充電期間において充電された電気量をＱ［ｍＡｈ］とすると、演算式
ＦＣＣ＝Ｑ／｛（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）／１００｝ ・・・（１）
に基づいて、二次電池２００の満充電容量ＦＣＣを算出することができる。なお、ＳＯＣ１やＳＯＣ２は温度補正されたものであれば、より正確な値が算出され得る。また、充電終了時点から所定時間経過時の電池電圧を用いることによって、充電終了時点よりも安定した電池電圧を演算に反映して演算結果の精度を高めることができる。

したがって、上述のように算出された充電率及び満充電容量に基づいて、二次電池２００の残容量を算出することができる（残容量＝満充電容量×充電率）。

また、満充電容量ＦＣＣの算出が可能となることで、二次電池２００の容量劣化率ＳＯＨ［％］を推定することが可能となる。演算処理部５０は、初期の満充電容量をＡＦＣＣ，任意の時点での満充電容量をＲＦＣＣとすると、演算式
ＳＯＨ＝ＲＦＣＣ／ＡＦＣＣ×１００ ・・・（２）
に基づいて、任意の時点での二次電池２００の容量劣化率ＳＯＨを算出することができる。本実施例での容量劣化率ＳＯＨは、言い換えれば新品度であって、（２）式からも明らかなように、その値が小さいほど二次電池が劣化していることを表す。もちろん、場合によっては、容量劣化率ＳＯＨの値が大きいほど二次電池が劣化していることを表すように（２）式の定義を書き換えてもよい。

さらに、本実施例では、演算処理部５０は、二次電池２００の内部抵抗値を算出する。内部抵抗値の算出方法については任意の適切な方法を用いればよいが、以下にその算出方法を例示する。

演算処理部５０は、二次電池２００の充電開始時点を含む単位時間において、その単位時間での充放電電流の電流差及びその単位時間と同じ期間での電池電圧の電圧差を検出・算出することによって二次電池２００の内部抵抗値を算出する。

すなわち、充電開始直前の電池電圧をＶ０，その充電開始直前の充電電流をＩ０，その充電開始から規定時間経過時の電池電圧をＶ１，その充電開始からその規定時間経過時の充電電流をＩ１とすると、充電開始直前の内部抵抗値と充電開始から規定時間経過時の内部抵抗値が等しいとみなして、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃは、内部抵抗値演算式
Ｒｃ＝（Ｖ１−Ｖ０）／（Ｉ１−Ｉ０） ・・・（３）
によって算出することができる。

なお、この点に関して、充電開始前後のそれぞれの時点で検出された電流と電圧とを演算式（３）に代入することによって内部抵抗値を算出する場合に、内部抵抗値の安定した算出結果が得られることを確かめるために行った確認試験の結果についての説明は省略するが、この確認試験の結果によれば、新品時に比べ劣化が進んだ状態で、充電電流が異なっても、充電開始前後間での電圧値及び電流差に基づいて、安定した内部抵抗値を算出できる。

したがって、演算処理部５０は、二次電池２００の充放電電流値が零又は二次電池２００に微小な充放電電流が流れている休止状態を一定時間検出後に、休止状態の電流値より大きい所定値以上の充電電流値が流れている充電状態を検出した場合、当該所定値以上の充電電流値の検出時点から一定時間経過時の充電状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、当該所定値以上の充電電流値の検出時点前の休止状態での二次電池２００の電圧値及び電流値と、に基づいて、二次電池２００の内部抵抗値を上記の演算式（３）に従って算出するとよい。演算処理部５０は、算出した内部抵抗値がその初期値（メモリ６０等に予め記憶）から減少していることを検出することにより、二次電池２００の微小短絡を判定することができる。その判定情報は、通信処理部７０を介して、携帯機器３００に伝送される。

図３は、電池パック１００Ａ内の管理システムの内部抵抗値の算出フローである。管理システムは、演算処理部５０が主体となって動作する。演算処理部５０は、管理システムの初期化後に、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を行う（ステップ１０）。演算処理部５０は、これらの検出部による測定値を所定の検出周期で検出し、電圧値、電流値及び温度値の同時点のデータをＲＡＭ５３等のメモリに記憶する。この検出周期は、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり前後間での電圧差及び電流差を正確に検出できるように、二次電池２００の充電時の電池電圧の立ち上がり特性などを考慮して決定されるとよい。

演算処理部５０は、電流検出部３０によって充放電電流値が零又は微小な充放電電流が流れている休止状態を一定期間検出した後に、電流検出部３０によって検出された電流が二次電池２００の充電開始を判定するための所定の正の第１の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１０，１２）。演算処理部５０は、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上でなければ、その検出された電圧、電流、温度を、充電開始直前の検出値として、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐと決定する（ステップ１４）。決定後、ステップ１０に戻る。ステップ１２において電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上となるまで、Ｖ０，Ｉ０，Ｔｅｍｐは更新される。

なお、ステップ１０において電流検出部３０において検出された電流が第１の電流閾値（絶対値）以上ではないものの、零又は零より大きい所定値以上の放電電流値（絶対値）である場合には、正しい内部抵抗値の算出に適する検出値ではないとして、その検出値は内部抵抗値を算出するための電流として除外されてもよい。

一方、演算処理部５０は、ステップ１２において、ステップ１０の検出タイミングで電流検出部３０によって検出された電流が第１の電流閾値以上である場合には、二次電池２００に対する充電が開始されたとみなして、温度検出部１０による温度測定、電圧検出部２０による電圧測定、電流検出部３０による電流測定を再度行う（ステップ１６）。演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が、第１の電流閾値より大きい所定の第２の電流閾値以上であるか否かを判断する（ステップ１８）。第２の電流閾値は、二次電池２００に対する充電電流が立ち上がった後の安定した充電状態（充電電流の変動量が充電電流の立ち上がり状態に比べ小さい充電状態）であるかを判断するための判断閾値である。

演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上でない場合には、充電開始後に充電電流がまだ安定しておらず内部抵抗値の算出に不適であるとして、本フローを終了する。一方、演算処理部５０は、ステップ１６において電流検出部３０によって検出された電流が第２の電流閾値以上である場合には、充電電流が安定しているとみなして、その検出された電圧及び電流を、充電開始から規定時間経過時の検出値として、Ｖ１，Ｉ１と決定する（ステップ２０）。また、ステップ２２において、第１の電流閾値以上の電流値が検出されてから規定時間経過していなければ、充電電流がまだ立ち上がり途中であるとみなしてステップ１６に戻る。一方、経過していればステップ２４に移行する。ステップ２４において、演算処理部５０は、演算式（３）に従って、二次電池２００の内部抵抗値Ｒｃを算出する。

したがって、二次電池２００の充電がされる度に内部抵抗値Ｒｃが算出され、図４に示されるように、充電開始を判定するための第１の電流閾値と第１の電流閾値より大きい第２の電流閾値とを設定することによって、二次電池２００に対する充電開始時点を確実に捉えて、安定した充電状態での検出値を内部抵抗値の算出に用いることができる。

また、携帯機器３００が間欠的に電流を消費するような動作をする場合（例えば、通常電力消費モードと低消費電力モードとの切り替えが間欠的に行われる場合、定常状態の消費電流は１ｍＡであるが定期的に消費電流が１００ｍＡになる場合）、充電開始前電流Ｉ０や充電開始後電流Ｉ１の検出タイミングに充電の立ち上がりタイミングが重なると、内部抵抗値の算出誤差が大きくなる。しかしながら、携帯機器３００の動作状態を考慮して、上述のように、２つの電流閾値を設定して内部抵抗値を算出することによって、内部抵抗値の算出誤差を抑えることができる。また、内部抵抗値の算出誤差を抑えるため、携帯機器３００の動作状態を考慮し、例えば、複数回の検出値の平均値、複数回の検出値のうち多数一致の平均値、連続ｎ回一致する検出値などを、内部抵抗値演算式の代入値として採用してもよい。

ところが、二次電池２００や電池パック１００Ａの構成部に温度特性が存在する場合、内部抵抗値Ｒｃは温度特性を持っている。例えば、二次電池２００の開放電圧は、その周囲温度が高くなるにつれて小さくなる傾向がある。また、温度検出部１０、電圧検出部２０、電流検出部３０、ＡＤＣ４０などが、抵抗やトランジスタやアンプ等のアナログ素子を備えるため、温度依存回路部になり得る。基本的に集積回路の設計段階では、ウエハ内素子の温度依存性を考慮して設計されるが、製造プロセスのばらつきやウエハ面内の特性ばらつき等が存在するため、僅かではあるが製造されたＩＣは温度特性を持つことになる。

そこで、抵抗算出時の温度情報を利用して、いかなる温度で測定を行った場合であっても、算出された内部抵抗値が等しくなるように補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２４で算出した抵抗値Ｒｃを周囲温度に応じて補正することによって、第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出する（ステップ２６）。

内部抵抗値の温度による補正方法は、任意の適切な方法を用いればよい。「内部抵抗値−温度」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、温度検出部１０による測定時の温度により内部抵抗値Ｒｃを補正した第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを算出することができる。

さらに、算出された内部抵抗値は、二次電池の残容量に応じても変化するため、測定時の残容量が異なっても略一定の内部抵抗値が算出されるように、補正演算を行う。演算処理部５０は、ステップ２６で算出した抵抗値Ｒｃｏｍｐを残容量に応じて補正することによって、第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出する（ステップ２８）。

内部抵抗値の残容量による補正方法は、任意の適切な方法を用いればよい。「内部抵抗値−残容量」特性は、補正テーブルや補正関数によって表される。補正テーブル内のデータや補正関数の係数が特性データとしてメモリ６０に格納される。演算処理部５０は、メモリ６０から読み出された特性データを反映させた補正テーブルや補正関数に従って、充電開始直前の残容量Ｑ０により第１の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐを補正した第２の補正抵抗値Ｒｃｏｍｐ２を算出することができる。これによって、内部抵抗値が正確に算出することができる。

ところで、リチウムイオン電池等の二次電池は、充放電の繰り返しや高温で保存することによって内部抵抗値の増加や電池容量（満充電容量）が低下する。このような状態となった電池を使用し続けた場合、携帯機器の稼働可能時間は短くなり頻繁に充電を行う必要が発生する。また、電池としては長期間使用し続けることで、内部ショートなどの不具合が発生する確率が高くなることが予想される。そこで、本実施例では、以下に述べるように、携帯機器の利用者に対して適切な電池の交換時期を伝えるために、満充電容量の低下率と内部抵抗値に対して閾値を設定することで、利用者の利便性と電池の安全性を向上させている。

電池の劣化は、利用者の立場からは使用時間が減少する現象として現れるが、電池の内部では電解液及び電極の劣化として現れており、それぞれ異なる特性を示す。充放電の繰り返しによる劣化は電解液の特性変化として現れ、この場合、内部抵抗値は僅かしか増加しない。一方、高温保存による劣化は電極の劣化として現れ、この場合、内部抵抗値の増加が観測される。この点について、図６を参照して説明する。

図６は、リチウムイオン電池の劣化要因及び劣化状態の違いによる、内部抵抗値と残容量との関係を測定した結果を示した図である。内部抵抗値と残容量は、上述の方法によって測定している。「８０％Ｃｈｇ」は、保存劣化により容量劣化率を８０％に調整した電池について測定した結果を示し、「７０％Ｃｈｇ」は、保存劣化により容量劣化率を７０％に調整した電池について測定した結果を示し、「６０％Ｃｈｇ」は、保存劣化により容量劣化率を６０％に調整した電池について測定した結果を示し、「フレッシュＣｈｇ」は、容量劣化率が１００％の電池（すなわち、新品）について測定した結果を示す。また、「１４００サイクルＣｈｇ」は、１４００回の充放電が繰り返された電池について測定した結果を示す。

保存劣化による電池について見てみると、容量劣化率６０％（実際は６３．９％）の電池の内部抵抗値は６００ｍΩ近傍を示している。この容量劣化率６３．９％は試験品の電池仕様の下限電圧が２．７５Ｖのときの値であるため、下限電圧が上がるほど使用可能な容量は減るので、実際の携帯機器が二次電池に対して要求する下限電圧を３．４Ｖであると仮定すると、容量劣化率は５３．４％に相当する。したがって、容量劣化率５０％を二次電池の交換が必要な時点と仮定するならば、内部抵抗値を二次電池の交換が必要な時点を判断するための指標とする場合、６００ｍΩが二次電池の交換が必要な時点に相当する。すなわち、内部抵抗値の閾値を６００ｍΩと設定することで、保存劣化に対する二次電池の交換時点の目安とすることができる。

また、サイクル劣化で保存劣化とほぼ同じ容量劣化率となる内部抵抗値は２４０ｍΩであり、図６の試験結果からも新品の場合に比べ内部抵抗値があまり増加していないことが判明した。したがって、サイクル劣化については、内部抵抗値のみに基づく劣化判定が難しいため、容量劣化率に基づく劣化判定をすればよい。例えば、容量劣化率を５０％とすることでサイクル劣化による容量劣化の閾値とする。

二次電池の交換が必要な容量劣化率の数値を規定した交換時点判定閾値と二次電池の交換が必要な内部抵抗値の数値を規定した交換時点判定閾値は、携帯機器の稼動時間や電池の安全性を考慮して設定すればよい。

例えば、容量劣化率に基づいて二次電池の交換必要性を判断する場合、容量劣化率はその大きさが小さくなるほど劣化が進んでいることを示すため、演算処理部５０は、算出した容量劣化率が交換時点判定閾値より大きい場合には交換不要と判断し、当該交換時点判定閾値以下の場合には交換必要と判断する。

また、交換時点判定閾値を利用可能な最終状態と考え、容量劣化率がとりうる範囲を複数の区間に区分することによって、二次電池の交換必要性を段階的に判断することができる。例えば、容量劣化率５０％を交換時点判定閾値とした場合、演算処理部５０は、算出した容量劣化率が、１００〜７０％のときに「正常（交換不要）」と判断し、７０〜５０％のときに「注意（まもなく交換が必要）」と判断し、５０〜４０％のときに「要交換」と判断し、４０〜０％のときに「危険（至急交換が必要）」と判断する。

一方、内部抵抗値に基づいて二次電池の交換必要性を判断する場合、内部抵抗値はその大きさが大きくなるほど劣化が進んでいることを示すため、演算処理部５０は、算出した内部抵抗値が交換時点判定閾値より小さい場合には交換不要と判断し、当該交換時点判定閾値以上の場合には交換必要と判断する。

また、同様に、交換時点判定閾値を利用可能な最終状態と考え、内部抵抗値がとりうる範囲を複数の区間に区分することによって、二次電池の交換必要性を段階的に判断することができる。例えば、内部抵抗値６００ｍΩを交換時点判定閾値とした場合、演算処理部５０は、算出した内部抵抗値が、１００〜３００ｍΩのときに「正常（交換不要）」と判断し、３００〜４５０ｍΩのときに「注意（まもなく交換が必要）」と判断し、４５０〜６００ｍΩのときに「要交換」と判断し、６００〜１０００ｍΩのときに「危険（至急交換が必要）」と判断する。

しかしながら、実際の使用環境では、劣化の要因は様々であるため、算出した容量劣化率と算出した内部抵抗値のどちらかが先に交換時点判定閾値に到達すると考えられる。そのため、容量劣化率と内部抵抗値を観測し、どちらかが先にその交換時点判定閾値に到達した段階で電池の交換時点と判断すればよい。

すなわち、演算処理部５０は、算出した容量劣化率と内部抵抗値のいずれかが交換時点判定閾値に到達した場合に、二次電池の交換が必要と判断する。これにより、サイクル劣化のために内部抵抗値の算出値があまり変化しないことにより内部抵抗値の交換時点判定閾値に到達しない場合であっても、容量劣化率の算出値が容量劣化率の交換時点判定閾値に到達するため、確実に二次電池の交換が必要となる時点を判定することができる。また、演算処理部５０は、算出した容量劣化率と内部抵抗値の両方が交換時点判定閾値に到達した場合に、二次電池の交換が必要と判断してもよい。容量劣化率と内部抵抗値の２つの要素で二次電池の交換時点を判断するので、１つの要素で判断する場合に比べ誤判断を防止することができる。

また、容量劣化率に基づいて二次電池の交換必要性を判断する場合と内部抵抗値に基づいて二次電池の交換必要性を判断する場合、劣化要因によって容量劣化率と内部抵抗値の変化の仕方は異なるので、互いの判断結果が必ずしも同じになるとは限らない（例えば、一方が「注意」と判断し、もう一方が「要交換」と判断する場合など）。この場合、判断結果は、安全性を考慮して、交換必要性が高く判断された方を採用すればよい。

すなわち、演算処理部５０は、容量劣化率の大きさに応じて判定した「容量劣化率に基づく交換必要度」と内部抵抗値の大きさに応じて判定した「内部抵抗値に基づく交換必要度」とを比較して、交換必要度が高い方の大きさに応じて二次電池の交換必要性を判断する。「交換必要度」は、その数値が大きいほど交換の必要性が高くなることを示す。「交換必要度」を採用することによって、容量劣化率と内部抵抗値のようにその数値を単純比較できない場合でも、交換必要性を明確にすることができる。

具体的には、演算処理部５０は、算出した容量劣化率が、１００〜７０％のときに「交換必要度１（交換不要）」と判定し、７０〜５０％のときに「交換必要度２（まもなく交換が必要）」と判定し、５０〜４０％のときに「交換必要度３（要交換）」と判定し、４０〜０％のときに「交換必要度４（至急交換が必要）」と判定する。また、演算処理部５０は、算出した内部抵抗値が、１００〜３００ｍΩのときに「交換必要度１（交換不要）」と判定し、３００〜４５０ｍΩのときに「交換必要度２（まもなく交換が必要）」と判定し、４５０〜６００ｍΩのときに「交換必要度３（要交換）」と判定し、６００〜１０００ｍΩのときに「交換必要度４（至急交換が必要）」と判定する。そして、例えば、容量劣化率に基づく交換必要度が「２」であり、内部抵抗値に基づく交換必要度が「３」である場合、二次電池の交換必要度は「３」と判定する。

通信処理部７０は、交換必要度の高い方の大きさに応じた情報を携帯機器３００のユーザに対する情報提供部である表示部３１０に出力させる信号を出力する。例えば、交換必要度の高い方の大きさが「２」であれば、図２に示されるように、携帯機器３００内のマイクロコンピュータ等の制御部は、表示部３１０に電池交換時期として「注意」と表示されるように表示制御する。

さらに、演算処理部５０は、算出した容量劣化率と内部抵抗値とが二次電池の劣化状態を定める要素として反映された二次電池の劣化状態を表す劣化状態量を算出し、算出された劣化状態量が交換時点判定閾値に到達した場合に、二次電池の交換が必要と判断してもよい。例えば、この劣化状態量は、
劣化状態量＝（１／容量劣化率）×重みＫ１＋内部抵抗値×重みＫ２ ・・・（４）
という演算式によって算出されるとよい（Ｋ１，Ｋ２は零又は正数）。重みを変更することによって、容量劣化率及び内部抵抗値の劣化状態量に対する反映度を変更することができる。

演算式（４）によって得られる劣化状態量に基づいて二次電池の交換必要性を判断する場合、この劣化状態量はその大きさが大きくなるほど劣化が進んでいることを示すため、演算処理部５０は、算出した劣化状態量が交換時点判定閾値より小さい場合には交換不要と判断し、当該交換時点判定閾値以上の場合には交換必要と判断することができる。

また、同様に、交換時点判定閾値を利用可能な最終状態と考え、劣化状態量がとりうる範囲を複数の区間に区分することによって、二次電池の交換必要性を段階的に判断することができる。例えば、劣化状態量１００を交換時点判定閾値とした場合、演算処理部５０は、算出した劣化状態量が、０〜６０のときに「正常（交換不要）」と判断し、６０〜８０のときに「注意（まもなく交換が必要）」と判断し、８０〜１００のときに「要交換」と判断し、１００〜１０００のときに「危険（至急交換が必要）」と判断する。また、演算処理部５０は、劣化状態量の大きさに応じて二次電池の交換必要性を判断し、劣化状態量が大きくなるほど二次電池の交換必要度が高くなる。

通信処理部７０は、劣化状態量の大きさに応じた情報を携帯機器３００のユーザに対する情報提供部である表示部３１０に出力させる信号を出力する。例えば、劣化状態量の大きさが「７０」であれば、図２に示されるように、携帯機器３００内のマイクロコンピュータ等の制御部は、表示部３１０に電池交換時期として「注意」と表示されるように表示制御する。

したがって、上述の実施例によれば、二次電池の劣化が進む要因が保存劣化であとうとサイクル劣化であろうと、二次電池の交換の必要性をユーザに正確に情報提供することができる。その結果、ユーザの利便性や電池の安全性が向上する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の劣化状態量に、二次電池の充電時間の累積値と二次電池の保存時間の累積値の少なくともいずれか一方が二次電池の劣化状態を定める要素として反映されてもよい。これにより、二次電池の交換の必要性をユーザに更に正確に情報提供することができる。具体的な要素として、出荷時からの総充電時間、所定の基準温度を下回る低温状態での総充電時間、所定の基準温度を上回る高温状態での総充電時間、出荷時からの経過日数、高温で保存された積算時間、低温で保存された積算時間などが挙げられる。

本発明に係る電池パックの実施形態であるインテリジェント電池パック１００Ａの全体構成図である。 表示部３１０による表示例である。 電池パック１００Ａ内の管理システムの内部抵抗値の算出フローである。 充電検出のシーケンスである。 ２５℃における「開放電圧−充電率」特性を示した図である。 リチウムイオン電池の劣化要因及び劣化状態の違いによる、内部抵抗値と残容量との関係を測定した結果を示した図である。

符号の説明

５０ 演算処理部
６０ メモリ
７０ 通信処理部
１００Ａ 電池パック
２００ 二次電池
３００ 携帯機器
３１０ 表示部

Claims (7)

1. 電子機器に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
   前記二次電池の容量劣化率を算出する容量劣化率算出手段と、
   前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
   前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とに基づいて前記二次電池の交換必要性を判断する判断手段と、
   前記判断手段による判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備え、
   前記判断手段は、
   前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値の一方又は両方が前記二次電池の交換が必要となる値に到達した場合に前記二次電池の交換が必要と判断することを特徴とする、電池状態検知装置。
2. 前記判断手段は、
   前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率の大きさに応じて判定した容量劣化率に基づく交換必要度と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値の大きさに応じて判定した内部抵抗値に基づく交換必要度とを比較して、交換必要度が高い方の大きさに応じて前記二次電池の交換必要性を判断する、請求項１に記載の電池状態検知装置。
3. 前記出力手段は、前記交換必要度が高い方の大きさに応じた情報を前記電子機器に設けられたユーザに対する情報提供部に出力させる信号を出力する、請求項２に記載の電池状態検知装置。
4. 電子機器に給電する二次電池の状態を検知する電池状態検知装置であって、
   前記二次電池の容量劣化率を算出する容量劣化率算出手段と、
   前記二次電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
   前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とに基づいて前記二次電池の交換必要性を判断する判断手段と、
   前記判断手段による判断結果に応じた信号を出力する出力手段とを備え、
   前記判断手段は、
   前記容量劣化率算出手段によって算出された容量劣化率と前記内部抵抗値算出手段によって算出された内部抵抗値とが前記二次電池の劣化状態を定める要素として反映された前記二次電池の劣化状態を表す劣化状態量を算出し、算出された劣化状態量が前記二次電池の交換が必要となる値に到達した場合に前記二次電池の交換が必要と判断することを特徴とする、電池状態検知装置。
5. 前記判断手段は、前記劣化状態量の大きさに応じて前記二次電池の交換必要性を判断する、請求項４に記載の電池状態検知装置。
6. 前記出力手段は、前記劣化状態量の大きさに応じた情報を前記電子機器に設けられたユーザに対する情報提供部に出力させる信号を出力する、請求項５に記載の電池状態検知装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電池状態検知装置と前記二次電池とを内蔵する電池パック。

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