JP2009254165A - 電池状態検出回路、電池パック、及び充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電圧検出回路を別途設けることなく電圧検出回路及び電流検出回路の故障を検出することができる電池状態検出回路、これを備えた電池パック、及び充電システムを提供する。
【解決手段】二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を検出する電圧検出回路１５と、二次電池１４１，１４２，１４３に流れる充放電電流Ｉｃを検出する電流検出抵抗１６と、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃとの関係が、正常な関係ではないことを示すべく予め設定された条件を満たす場合、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１の少なくとも一つが故障していると判定する故障判定部２１４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の状態を検出する電池状態検出回路と、これを備えた電池パック、及び充電システムに関する。

例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池は、満充電電圧を超えて過充電されると、特性が劣化したり安全性が低下したりするおそれがある。一方、所定の放電終止電圧を下回るまで放電されて過放電になった場合にも、リチウムその他の電極材料や金属材料が析出するなどして二次電池の特性が劣化したり、安全性が低下したりするおそれがある。また、二次電池が過度の大電流で充放電された場合にも、特性が劣化したり、安全性が低下したりするおそれがある。

そこで、二次電池を使用する機器や、電池パックには、二次電池の端子電圧を検出する電圧検出回路や、二次電池の充放電電流を検出する電流検出回路が設けられている。そして、このような電圧検出回路で検出された端子電圧が満充電電圧を超えた場合に充電を禁止したり、電流検出回路で検出された充放電電流が所定の閾値を超えた場合に放電を禁止したりするようになっている。

また、さらに端子電圧が高くなったり、リチウム等の析出が生じるほど過放電が進んで端子電圧が低下したりした場合等、安全性が低下した場合には、例えばヒューズを断線させるなどして恒久的に使用できなくするようにする技術も知られている。

さらに、複数の二次電池が直列接続された組電池を用いた場合には、各セル間の劣化や充電深度のバラツキ等のアンバランスが増大すると、組電池全体では適切な端子電圧に維持されていても、一部の二次電池で過放電や過充電が生じてしまうおそれがある。そのため、各二次電池の端子電圧を検出し、アンバランスが所定の限度を超えて増大すると、二次電池の使用を禁止するものも知られている。また、このような電圧検出回路や電流検出回路の検出値は、二次電池の充電制御にも用いられている。

そのため、電圧検出回路や電流検出回路が故障すると、二次電池を過充電や過放電から保護することが困難となり、二次電池の劣化を招くのみならず、安全性の低下を招くおそれもある。

そこで、例えば組電池の各二次電池の端子電圧を検出するセル電圧検出回路と、組電池全体の端子電圧を測定する組電圧検出回路とを設け、セル電圧検出回路で検出された各二次電池の端子電圧の合計と、組電圧検出回路で検出された組電池全体の端子電圧とを比較し、両電圧値が一致しない場合、電圧検出回路の異常が生じているものと判断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２５２８０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、セル電圧検出回路の他に、組電圧検出回路を別途設ける必要があるため、コストの上昇を招くという、不都合があった。また、電圧検出回路及び電流検出回路のいずれか一つでも故障すると、二次電池の保護が不十分となり、二次電池の劣化や安全性の低下を招くおそれがあるが、特許文献１に記載の技術では、電流検出回路の故障を検出することはできなかった。

また、各二次電池の接続端子には、上述のセル電圧検出回路の他に、例えば安全回路の二重化を目的として、もう一組別のセル電圧検出回路が接続されている場合がある。この場合、特許文献１に記載のセル電圧検出回路が二次電池から外れてオープン故障すると、二重化用のセル電圧検出回路の入力インピーダンスや端子容量によって、組電池全体の端子電圧が均等に分圧され、その分圧電圧が、オープン故障しているセル電圧検出回路によって検出される場合がある。このような場合、セル電圧検出回路で検出された各二次電池の端子電圧の合計と、組電圧検出回路で検出された組電池全体の端子電圧とが一致してしまうので、電圧検出回路の異常を検出することができないという、不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、組電圧検出回路を別途設けることなく電圧検出回路及び電流検出回路の故障を検出することができる電池状態検出回路、これを備えた電池パック、及び充電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る電池状態検出回路は、二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池に流れる充放電電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧と前記電流検出部によって検出された充放電電流との関係が、正常な関係ではないことを示すべく予め設定された条件を満たす場合、前記電圧検出部及び前記電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定する故障判定部とを備える。

この構成によれば、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障した場合、電圧検出部によって検出された端子電圧と電流検出部によって検出された充放電電流とが、正常な関係を示さなくなって、予め設定された条件を満たすことになる。そうすると、故障判定部によって、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定される。これにより、背景技術のように組電圧検出回路を別途設けることなく、電圧検出部及び電流検出部の故障を検出することができる。

そして、上述のように、組電池を構成する複数の二次電池の端子に安全回路の二重化を目的としてもう一組別のセル電圧検出回路が接続されている場合において、電圧検出部が二次電池から外れてオープン故障して、組電池全体の端子電圧が均等に分圧され、その分圧電圧がオープン故障している電圧検出部によって検出された場合であっても、特許文献１に記載の技術のように、セル電圧検出回路で検出された各二次電池の端子電圧の合計と、組電圧検出回路で検出された組電池全体の端子電圧とに基づいて故障を検出するわけではないので、特許文献１に記載の技術と比べて故障を検出できないおそれを低減することができる。

また、前記条件には、前記電流検出部によって検出される充放電電流が、実質的にゼロである場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が上昇すること、が含まれていることが好ましい。

二次電池は、充放電されなければ、自己放電により端子電圧が低下することはあっても端子電圧が上昇することはない。従って、この構成によれば、電流検出部が、二次電池が充放電していないことを示しているにもかかわらず、電圧検出部が、二次電池の端子電圧が上昇していることを示す場合、電流検出部による充放電電流の検出結果と電圧検出部による端子電圧の検出結果とが矛盾することから、故障判定部は、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定することができる。

また、前記条件には、前記電流検出部によって検出される充放電電流が、充電方向を示す場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が低下すること、が含まれていることが好ましい。

この構成によれば、電流検出部が、二次電池が充電されていることを示しているにもかかわらず、電圧検出部が、二次電池の端子電圧が低下していることを示す場合、電流検出部による充放電電流の検出結果と電圧検出部による端子電圧の検出結果とが矛盾することから、故障判定部は、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定することができる。

また、前記条件には、前記電流検出部によって検出される充放電電流が、放電方向を示す場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が上昇すること、が含まれていることが好ましい。

この構成によれば、電流検出部が、二次電池が放電されていることを示しているにもかかわらず、電圧検出部が、二次電池の端子電圧が上昇していることを示す場合、電流検出部による充放電電流の検出結果と電圧検出部による端子電圧の検出結果とが矛盾することから、故障判定部は、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定することができる。

また、前記電流検出部によって検出される充放電電流に基づき、前記二次電池における充電電荷量の加算と放電電荷量の減算とを累積的に行うことにより得られる積算値から、前記二次電池に充電されている充電量を算出する残量算出部と、前記二次電池の充電量と端子電圧との対応関係を示す対応関係情報を記憶する記憶部とをさらに備え、前記条件には、前記記憶部に記憶された対応関係情報において前記残量算出部により算出された充電量と対応付けられた端子電圧と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧との差が、予め設定された判定閾値を超えること、が含まれていることが好ましい。

この構成によれば、残量算出部によって、電流検出部により検出される充放電電流に基づき、二次電池の充電量が算出される。そして、記憶部に記憶された対応関係情報において当該算出された充電量と対応付けられた端子電圧と、電圧検出部によって検出された端子電圧との差が予め設定された判定閾値を超えた場合、電圧検出部によって検出された端子電圧が、電流検出部により検出される充放電電流から予測される端子電圧の範囲外になったことを意味するから、予測範囲外の結果が得られた原因として、故障判定部は、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定することができる。

また、前記電流検出部によって検出される充放電電流に基づき、前記二次電池における充電電荷量の加算と放電電荷量の減算とを累積的に行うことにより得られる積算値から、前記二次電池の充電量を算出する残量算出部と、前記二次電池の充電量と端子電圧との対応関係を示す対応関係情報を記憶する記憶部とをさらに備え、前記条件には、前記記憶部に記憶された対応関係情報において前記電圧検出部によって検出された端子電圧と対応付けられた充電量と、前記残量算出部により算出された充電量との差が、予め設定された判定閾値を超えること、が含まれるようにしてもよい。

この構成によれば、電流検出部により検出される充放電電流に基づき、二次電池の充電量が算出される。そして、記憶部に記憶された対応関係情報において電圧検出部によって検出された端子電圧と対応付けられた充電量と、残量算出部により算出された充電量との差が予め設定された判定閾値を超えた場合、充放電電流に基づき算出された充電量が、電圧検出部によって検出された端子電圧から予測される充電量の範囲外になったことを意味するから、予測範囲外の結果が得られた原因として、故障判定部は、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定することができる。

また、前記対応関係情報における端子電圧は、前記二次電池の開路電圧であり、前記故障判定部は、前記条件における前記電圧検出部によって検出された端子電圧として、前記電流検出部によって検出された充放電電流が実質的にゼロのときにおいて前記電圧検出部によって検出された端子電圧を用いることが好ましい。

二次電池の端子電圧には、流れる電流がゼロのときの開路電圧と、二次電池の内部抵抗に電流が流れることにより生じる電圧降下とが含まれる。そのため、充電量が同じ二次電池であっても、流れる電流によって端子電圧に差が生じる。従って、二次電池に流れる電流値が様々な状態において前記電圧検出部により検出される端子電圧に基づいて、前記条件の判定を行うと、故障判定の精度が低下するおそれがある。しかしながらこの構成によれば、電流検出部によって検出された充放電電流が実質的にゼロのときにおいて電圧検出部によって検出された端子電圧、すなわち電流検出部が正常であれば開路電圧であるはずの端子電圧に基づいて、前記条件の判定が行われるので、故障判定の精度を向上することが可能となる。

また、前記対応関係情報における端子電圧は、前記二次電池の開路電圧であり、前記故障判定部は、前記条件における前記電圧検出部によって検出された端子電圧として、前記電流検出部によって検出された充放電電流に基づいて前記電圧検出部により検出された端子電圧を開路電圧に換算した電圧値を用いるようにしてもよい。

上記二次電池の内部抵抗による電圧降下は、二次電池に流れる電流に応じて変化するから、電流検出部によって検出された充放電電流に基づいてこの電圧降下を算出することが可能である。そして、電圧検出部により検出された端子電圧に対して、充電時はこの電圧降下を減算し、放電時はこの電圧降下を加算することにより、電圧検出部で検出された端子電圧を開路電圧に換算することができる。そして、このように開路電圧に換算された端子電圧を、前記条件における前記電圧検出部によって検出された端子電圧として用いることで、二次電池に電流が流れているときにおいても、故障判定の精度を向上することが可能となる。

また、本発明に係る電池パックは、上述の電池状態検出回路と、前記二次電池とを含む。

この構成によれば、電池パックにおいて、背景技術のように組電圧検出回路を別途設けることなく、電圧検出部及び電流検出部の故障を検出することができる。

また、本発明に係る充電システムは、上述の電池状態検出回路と、前記二次電池と、前記二次電池を充電する充電部と、前記電圧検出部により検出される端子電圧と前記電流検出部により検出される充放電電流とに基づいて、前記充電部の動作を制御する制御部とを備える。

この構成によれば、充電システムにおいて、背景技術のように組電圧検出回路を別途設けることなく、電圧検出部及び電流検出部の故障を検出することができる。

このような構成の電池状態検出回路、電池パック、及び充電システムは、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障した場合、電圧検出部によって検出された端子電圧と電流検出部によって検出された充放電電流とが、正常な関係を示さなくなって、予め設定された条件を満たすことになる。そうすると、故障判定部によって、電圧検出部及び電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定される。これにより、背景技術のように組電圧検出回路を別途設けることなく、電圧検出部及び電流検出部の故障を検出することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池状態検出回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と充電装置３（充電部）とが組み合わされて構成されている。

なお、この充電システム１は、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷装置をさらに含めて、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電子機器システムとして構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電装置３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷装置に装着されて、負荷装置を通して充電が行われてもよい。

電池パック２は、接続端子１１，１２，１３、組電池１４、電流検出抵抗１６、電池状態検出回路４、通信部２０３、及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備えている。また、電池状態検出回路４は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１、制御部２０２、電圧検出回路１５、及び温度センサ１７を備えている。

なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と充電装置３とに分離可能に構成されるものに限られず、充電システム１全体で一つの電池状態検出回路４が構成されていてもよい。また、電池状態検出回路４を、電池パック２と充電装置３とで分担して備えるようにしてもよい。

充電装置３は、接続端子３１，３２，３３、制御ＩＣ３４、及び充電電流供給部３５を備えている。制御ＩＣ３４は、通信部３６と制御部３７とを備えている。充電電流供給部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。

電池パック２及び充電装置３は、給電を行う直流ハイ側の接続端子１１，３１と、通信信号用の接続端子１３，３３と、給電および通信信号のための接続端子１２，３２とによって相互に接続される。通信部２０３，３６は、接続端子１３，３３を介して互いにデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。

電池パック２では、接続端子１１は、充電用のスイッチング素子Ｑ２と放電用のスイッチング素子Ｑ１とを介して組電池１４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えばｐチャネルのＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。スイッチング素子Ｑ１は、寄生ダイオードのカソードが組電池１４の方向にされている。また、スイッチング素子Ｑ２は、寄生ダイオードのカソードが接続端子１１の方向にされている。

また、接続端子１２は、電流検出抵抗１６を介して組電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ２，Ｑ１、組電池１４、及び電流検出抵抗１６を介して接続端子１２に至る電流経路が構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、ｎチャネルのＦＥＴを用いてもむろんよい。

組電池１４は、複数、例えば三個の二次電池１４１，１４２，１４３（セル）が直列に接続された組電池である。二次電池１４１，１４２，１４３は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池である。なお、組電池１４は、例えば単電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。

電流検出抵抗１６は、組電池１４の充放電電流Ｉｃを電圧値に変換し、電池状態検出回路４内のアナログデジタル変換器２０１へ出力する。充放電電流Ｉｃの電流値は、例えば充電方向がプラス（＋）、放電方向がマイナス（−）の電流値として得られるようになっている。

温度センサ１７は、二次電池１４１，１４２，１４３の温度を検出し、当該温度に応じた電圧信号を電池状態検出回路４内のアナログデジタル変換器２０１へ出力する。また、二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は電圧検出回路１５によってそれぞれ検出され、電池状態検出回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。

電圧検出回路１５は、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、それぞれ検出してアナログデジタル変換器２０１へ出力する。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。この場合、電圧検出回路１５とアナログデジタル変換器２０１とが電圧検出部の一例に相当し、電流検出抵抗１６とアナログデジタル変換器２０１とが電流検出部の一例に相当している。

制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、タイマ回路と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部２０２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、保護制御部２１１、充電制御部２１２（制御部）、残量算出部２１３、及び故障判定部２１４として機能する。

また、例えば、上述のＲＯＭには、二次電池１４１，１４２，１４３の充電量の一例である充電深度（ＳＯＣ：State Of Charge）と、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３との対応関係を示す対応関係情報が、例えばデータテーブルとして、記憶されている。これにより、ＲＯＭの一部が対応関係情報記憶部２１５として用いられる。

二次電池の端子電圧は、充電深度が増大するほど上昇する。しかしながら、端子電圧と充電深度とは、単純な比例関係にはなっていない。また、二次電池の種類や電極材料によっても、端子電圧と充電深度との対応関係は変化する。そこで、対応関係情報記憶部２１５には、二次電池１４１，１４２，１４３の充電深度と、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３との対応関係が、データテーブルとして予め記憶されている。なお、充電量として、充電深度の代わりに二次電池１４１，１４２，１４３に充電されている残電荷量を用いてもよい。

保護制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１２間の短絡及び充電装置３からの異常電流などの電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇等の異常を検出する。具体的には、例えば、電流検出抵抗１６によって検出された電流値が、予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１２間の短絡や充電装置３からの異常電流に基づく異常が生じたと判定し、例えば温度センサ１７によって検出された組電池１４の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、組電池１４の異常が生じたと判定する。そして、保護制御部２１１は、このような異常を検出した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、組電池１４を保護する保護動作を行う。

また、保護制御部２１１は、例えば電圧検出回路１５により検出された二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが、二次電池の過放電を防止するために予め設定された放電禁止電圧Ｖｏｆｆ以下になった場合、スイッチング素子Ｑ１をオフさせて、過放電による二次電池１４１，１４２，１４３の劣化を防止するようになっている。放電禁止電圧Ｖｏｆｆは、例えば２．５０Ｖに設定されている。

さらに、保護制御部２１１は、電圧検出回路１５により検出された二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちの最大値が、予め設定された過充電電圧Ｖｏｖｐ以上になった場合、スイッチング素子Ｑ２をオフさせて組電池１４の充電を禁止する。

充電制御部２１２は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値に応答して、充電装置３に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値を演算し、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信することで、例えばＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電により組電池１４を充電する。

具体的には、充電制御部２１２は、まず、予め設定された電流値Ｉｃｃの充放電電流Ｉｃを、充電装置３から供給させることにより定電流充電を実行する。そして、充電制御部２１２は、電圧検出回路１５により検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の合計値を、組電池１４の端子電圧Ｖｔとして算出する。さらに、この端子電圧Ｖｔが、予め設定された充電終止電圧Ｖｆに達すると、充電終止電圧Ｖｆを充電電圧として印加することで組電池１４を充電する定電圧充電に切り替える。そして、充電制御部２１２は、電流検出抵抗１６によって検出された、組電池１４に流れる充放電電流Ｉｃが、充電終止電流値Ｉａ以下になると、組電池１４が満充電になったものと判定して充電を終了する。

電流値Ｉｃｃは、例えば、０．７Ｉｔ程度に設定されている。充電終止電流値Ｉａは、例えば、０．０２Ｉｔ程度に設定されている。１Ｉｔ（電池容量（Ａｈ）／１（ｈ））は、二次電池１４１，１４２，１４３の公称容量値ＮＣを定電流で放電して、１時間で二次電池１４１，１４２，１４３の残容量がゼロとなる電流値である。

なお、複数のセルが並列接続されて組電池１４が構成されている場合、例えば、０．７Ｉｔに並列セル数ＰＮを乗算した電流値が、電流値Ｉｃｃとして用いられる。具体的には、電流値Ｉｃｃは、例えば公称容量値ＮＣ＝２６００ｍＡｈで、２個並列であるとき、７０％で３６４０ｍＡに設定されている。

充電終止電圧Ｖｆは、二次電池１４１，１４２，１４３がリチウムイオン二次電池の場合、例えば、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位が実質的に０Ｖになったときの、正極電位と負極電位との電位差すなわち二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を基準電圧Ｖｅとしたとき、基準電圧Ｖｅに直列セル数ＳＮを乗じた電圧が用いられる。

なお、「実質的に０Ｖ」、「実質的にゼロ」とは、測定誤差範囲や設計マージン等の範囲を、「０Ｖ」、「ゼロ」の範囲内として許容する意である。

基準電圧Ｖｅは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いたときに約４．２Ｖ、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いたときに約４．３Ｖとなる。例えば基準電圧Ｖｅが約４．２Ｖであれば、充電終止電圧Ｖｆとして、例えば４．２Ｖ×３＝１２．６Ｖが予め設定されている。

また、保護制御部２１１及び充電制御部２１２は、故障判定部２１４によって故障が検出された場合も、充放電を停止、及び禁止することで、電圧検出回路１５及び電流検出抵抗１６による誤った電圧、電流の検出値に基づき、組電池１４が過充電や過放電されてしまうおそれを低減するようになっている。

残量算出部２１３は、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃを単位時間毎に積算することによって、組電池１４に充電されている残電荷量を充電量として算出する。この場合、組電池１４を充電する方向の電流がプラス、組電池１４から放電される方向の電流がマイナスで表されているので、残量算出部２１３によって、組電池１４に充電される充電電荷量が加算され、組電池１４から放電される放電電荷量が減算されて、組電池１４に充電されている残電荷量Ｑｒが算出される。

また、残量算出部２１３は、組電池１４の満充電容量ＦＣＣ（実力容量Full Charge Capacity）に対する残電荷量Ｑｒの比率を、充電量に相当する充電深度（ＳＯＣ）として算出する。充電深度（ＳＯＣ）は、以下の式（１）によって与えられる。満充電容量ＦＣＣとしては、組電池１４の公称容量値ＮＣを用いてもよく、実測により得られた容量値を用いてもよい。なお、残量算出部２１３は、残電荷量Ｑｒをそのまま電池の充電量として用いてもよい。

ＳＯＣ＝Ｑｒ／ＦＣＣ×１００ （％）・・・（１）
故障判定部２１４は、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃとの関係が、正常な関係ではないことを示すべく予め設定された条件を満たす場合、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１のいずれかが故障していると判定する。

具体的には、故障判定部２１４は、例えば予め設定された一定の周期ｔｃｙｃ毎に、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、一つ前の検出タイミングで電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３との差をそれぞれ算出する。

そして、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の上昇量が電圧閾値Ｖｔｈを超えた場合、故障判定部２１４は、当該周期ｔｃｙｃ内に、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧が上昇したと判定し、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の低下量が電圧閾値Ｖｔｈを超えた場合、故障判定部２１４は、当該周期ｔｃｙｃ内に、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧が低下したと判定し、差の絶対値が電圧閾値Ｖｔｈ以下の場合、当該周期ｔｃｙｃ内に、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧は変化しなかったと判定する。

また、故障判定部２１４は、周期ｔｃｙｃ毎に、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃと、一つ前の検出タイミングで電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃ（以下、ＰＩｃと称する）とを、電流閾値Ｉｔｈと比較する。そして、Ｉｃ及びＰＩｃのいずれもが電流閾値Ｉｔｈより大きい場合、故障判定部２１４は、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃは当該周期ｔｃｙｃ内において充電方向（＋）であると判定し、Ｉｃ及びＰＩｃのいずれもがマイナス値であって、かつその絶対値が電流閾値Ｉｔｈより大きい場合、故障判定部２１４は、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃは当該周期ｔｃｙｃ内において放電方向（−）であると判定し、Ｉｃ及びＰＩｃの絶対値が電流閾値Ｉｔｈ以下の場合、電圧検出回路１５によって検出された充放電電流Ｉｃは当該周期ｔｃｙｃ内において、実質的にゼロであったと判定する。

なお、電圧閾値Ｖｔｈ、電流閾値Ｉｔｈは、例えば、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１によって検出できる電圧値、電流値の精度誤差に、多少の余裕を加えた程度の電圧値、電流値がそれぞれ設定される。また、周期ｔｃｙｃは、例えば二次電池が充放電することによる端子電圧の変化が観測可能な程度の時間が設定され、例えば１分程度の時間が設定されている。

また、周期ｔｃｙｃ中の充放電電流Ｉｃの方向の判定は、周期ｔｃｙｃ毎に検出される電流値のみによって行う例に限られず、周期ｔｃｙｃ中の検出電流値を、きめ細かく、あるいは常時電流閾値Ｉｔｈと比較する等によって、充放電の方向を判定するようにすれば、充放電方向の判定精度が向上し、ひいては故障検出の精度も向上する。

故障判定部２１４は、下記条件（１）〜（４）のいずれかが満たされた場合、故障が生じたと判定する。

条件（１）：電流検出抵抗１６によって検出される充放電電流Ｉｃが、周期ｔｃｙｃの期間中、実質的にゼロに維持された場合において、当該周期ｔｃｙｃの期間中に電圧検出回路１５によって検出される端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが上昇すること。

条件（２）：電流検出抵抗１６によって検出される充放電電流Ｉｃが、周期ｔｃｙｃの期間中、充電方向（＋）を示す場合において、当該周期ｔｃｙｃの期間中に電圧検出回路１５によって検出される端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが低下すること。

条件（３）：電流検出抵抗１６によって検出される充放電電流Ｉｃが、周期ｔｃｙｃの期間中、放電方向（−）を示す場合において、当該周期ｔｃｙｃの期間中に電圧検出回路１５によって検出される端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが上昇すること。

条件（４）：対応関係情報記憶部２１５に記憶された対応関係情報において残量算出部２１３により算出された充電深度と対応付けられた端子電圧と、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかとの差が、予め設定された判定閾値Ｖｓｔｈを超えること。

なお、条件（４）の代わりに、下記の条件（４）’を用いてもよい。

条件（４）’：対応関係情報記憶部２１５に記憶された対応関係情報において電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と対応付けられた各充電深度と、残量算出部２１３により算出された充電深度との差のいずれかが、予め設定された判定閾値を超えること。

判定閾値としては、例えば残量算出部２１３による充電量の算出精度誤差や対応関係情報の精度誤差等の誤差要因を加算し、さらに多少の余裕を加えた値が用いられる。

充電装置３では、制御部２０２からの要求を、制御ＩＣ３４において、通信部３６で受信し、制御部３７が充電電流供給部３５を制御して、制御部２０２からの要求に応じた電圧値、及び電流値で、充電電流供給部３５から充電電流を出力させる。充電電流供給部３５は、例えばＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源回路を用いて構成され、例えば商用交流電源電圧から、制御部３７で指示された充電電圧及び充電電流を生成し、接続端子３１，１１；３２，１２を介して電池パック２へ供給する。

次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図２、図３は、図１に示す充電システム１の動作の一例を示すフローチャートである。ここで、残量算出部２１３は、図２、図３に示すステップＳ１〜Ｓ１５と並行して充電深度（ＳＯＣ）の算出処理を実行しており、充電深度（ＳＯＣ）の算出値を常時更新している。また、保護制御部２１１による保護動作や、充電制御部２１２による充放電制御も、ステップＳ１〜Ｓ１５と並行して実行されている。

まず、電圧検出回路１５によって、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が検出され、電流検出抵抗１６によって、充放電電流Ｉｃが検出される（ステップＳ１）。次に、端子電圧Ｖ１が変数ＰＶ１に代入され、端子電圧Ｖ２が変数ＰＶ２に代入され、端子電圧Ｖ３が変数ＰＶ３に代入され、充放電電流Ｉｃが変数ＰＩｃに代入されて、それぞれ記憶される（ステップＳ２）。

そして、ステップＳ１から周期ｔｃｙｃが経過すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、新たに電圧検出回路１５によって、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が検出され、電流検出抵抗１６によって、充放電電流Ｉｃが検出される（ステップＳ４）。

そして、故障判定部２１４によって、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃが、それぞれ電流閾値Ｉｔｈと比較され（ステップＳ５）、共に電流閾値Ｉｔｈより大きい場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、すなわち当該周期ｔｃｙｃにおいて充放電電流Ｉｃが充電方向であった場合、ステップＳ１１へ移行し、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃのうち少なくとも一つが電流閾値Ｉｔｈ以下の場合（ステップＳ５でＮＯ）、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ１１において、故障判定部２１４によって、変数ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３から端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ減算され、その減算結果が電圧閾値Ｖｔｈとそれぞれ比較される（ステップＳ１１）。そして、各減算結果のいずれかが、電圧閾値Ｖｔｈより大きい場合、すなわち当該周期ｔｃｙｃの期間中に端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが低下した場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）、条件（２）に該当し、二次電池が充電されているにもかかわらず端子電圧が低下したことになるから、故障判定部２１４によって、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１のいずれかにおいて故障が生じていると判定される（ステップＳ１５）。

一方、各減算結果のいずれもが、電圧閾値Ｖｔｈ以下の場合（ステップＳ１１でＮＯ）、すなわち端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれもが低下していない場合、ステップＳ１３へ移行する。

図２に戻ってステップＳ６において、故障判定部２１４によって、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃが、それぞれ電流閾値Ｉｔｈの符号を反転した−Ｉｔｈと比較され、共に電流閾値Ｉｔｈより小さい場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、すなわち当該周期ｔｃｙｃにおいて充放電電流Ｉｃが放電方向であった場合、ステップＳ１２へ移行する。一方、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃのうち少なくとも一つが−Ｉｔｈ以上の場合（ステップＳ６でＮＯ）、すなわち安定的に充電又は放電状態にないか、あるいは充放電電流が実質的にゼロであると考えられる場合、ステップＳ７へ移行する。

ステップＳ１２において、故障判定部２１４によって、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３から変数ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３がそれぞれ減算され、その減算結果が電圧閾値Ｖｔｈとそれぞれ比較される（ステップＳ１２）。そして、各減算結果のいずれかが、電圧閾値Ｖｔｈより大きい場合、すなわち当該周期ｔｃｙｃの期間中に端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが上昇した場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、条件（３）に該当し、二次電池が放電されているにもかかわらず端子電圧が上昇したことになるから、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１のいずれかにおいて故障が生じていると判定される（ステップＳ１５）。

一方、各減算結果のいずれもが、電圧閾値Ｖｔｈ以下の場合、すなわち端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれもが上昇していない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３へ移行する。

ステップＳ７において、故障判定部２１４によって、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃの絶対値が、それぞれ電流閾値Ｉｔｈと比較され（ステップＳ７）、共に電流閾値Ｉｔｈ以下の場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、すなわち当該周期ｔｃｙｃにおいて充放電電流Ｉｃが実質的にゼロのまま維持されていたと考えられる場合、ステップＳ８へ移行し、充放電電流Ｉｃ及び変数ＰＩｃの絶対値のうち少なくとも一つが電流閾値Ｉｔｈを超えている場合（ステップＳ７でＮＯ）、ステップＳ１３へ移行する。

ステップＳ８において、故障判定部２１４によって、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３から変数ＰＶ１，ＰＶ２，ＰＶ３がそれぞれ減算され、その減算結果が電圧閾値Ｖｔｈとそれぞれ比較される（ステップＳ８）。そして、各減算結果のいずれかが、電圧閾値Ｖｔｈより大きい場合、すなわち当該周期ｔｃｙｃの期間中に端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが上昇した場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、条件（１）に該当し、二次電池が充放電されていないにもかかわらず、端子電圧が上昇したことになるから、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１のいずれかにおいて故障が生じていると判定される（ステップＳ９）。

一方、各減算結果のいずれもが、電圧閾値Ｖｔｈ以下の場合、すなわち端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれもが上昇していない場合（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ１３へ移行する。

ステップＳ１３において、故障判定部２１４によって、対応関係情報記憶部２１５に記憶された対応関係情報において、残量算出部２１３により算出された充電深度と対応付けられた電圧が、Ｖｓｏｃとして取得される（ステップＳ１３）。

次に、故障判定部２１４によって、電圧Ｖｓｏｃと端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３との差の絶対値がそれぞれ算出され、当該差の絶対値のいずれかが判定閾値Ｖｓｔｈを超えていた場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）、電流検出抵抗１６で検出された充放電電流Ｉｃに基づき算出された充電深度から予測される端子電圧と、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３とが予測精度の範囲を超えて異なっているので、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６、及びアナログデジタル変換器２０１のいずれかにおいて故障が生じていると判定される（ステップＳ１５）。

一方、電圧Ｖｓｏｃと端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３との差の絶対値がいずれも判定閾値Ｖｓｔｈ以下であった場合（ステップＳ１４でＮＯ）、電流検出抵抗１６で検出された充放電電流Ｉｃに基づき算出された充電深度から予測される端子電圧と、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３とが予測精度の範囲内に収まっているので、故障が検出されることなく再びステップＳ２へ移行し、以下、周期ｔｃｙｃ毎にステップＳ２〜Ｓ１５の処理が繰り返される。

以上、ステップＳ１〜Ｓ１５の処理により、組電圧検出回路を別途設けることなく電圧検出部及び電流検出部の故障を検出することができる。

本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、これら電池搭載装置の電源として用いられる電池パック、及びこのような電池パックや充電システムにおいて用いられる電池状態検出回路として好適に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る電池状態検出回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 充電システム
２ 電池パック
３ 充電装置
４ 電池状態検出回路
１４ 組電池
１５ 電圧検出回路
１６ 電流検出抵抗
１７ 温度センサ
１４１，１４２，１４３ 二次電池
２０１ アナログデジタル変換器
２０２ 制御部
２１１ 保護制御部
２１２ 充電制御部
２１３ 残量算出部
２１４ 故障判定部
２１５ 対応関係情報記憶部
Ｉｃ 充放電電流
Ｉｔｈ 電流閾値
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ 端子電圧
Ｖｓｔｈ 判定閾値
ｔｃｙｃ 周期

Claims (10)

1. 二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池に流れる充放電電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された端子電圧と前記電流検出部によって検出された充放電電流との関係が、正常な関係ではないことを示すべく予め設定された条件を満たす場合、前記電圧検出部及び前記電流検出部の少なくとも一方が故障していると判定する故障判定部と
   を備えることを特徴とする電池状態検出回路。
2. 前記条件には、
   前記電流検出部によって検出される充放電電流が、実質的にゼロである場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が上昇すること、が含まれていること
   を特徴とする請求項１記載の電池状態検出回路。
3. 前記条件には、
   前記電流検出部によって検出される充放電電流が、充電方向を示す場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が低下すること、が含まれていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の電池状態検出回路。
4. 前記条件には、
   前記電流検出部によって検出される充放電電流が、放電方向を示す場合において、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が上昇すること、が含まれていること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池状態検出回路。
5. 前記電流検出部によって検出される充放電電流に基づき、前記二次電池における充電電荷量の加算と放電電荷量の減算とを累積的に行うことにより得られる積算値から、前記二次電池に充電されている充電量を算出する残量算出部と、
   前記二次電池の充電量と端子電圧との対応関係を示す対応関係情報を記憶する記憶部とをさらに備え、
   前記条件には、
   前記記憶部に記憶された対応関係情報において前記残量算出部により算出された充電量と対応付けられた端子電圧と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧との差が、予め設定された判定閾値を超えること、が含まれていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池状態検出回路。
6. 前記電流検出部によって検出される充放電電流に基づき、前記二次電池における充電電荷量の加算と放電電荷量の減算とを累積的に行うことにより得られる積算値から、前記二次電池の充電量を算出する残量算出部と、
   前記二次電池の充電量と端子電圧との対応関係を示す対応関係情報を記憶する記憶部とをさらに備え、
   前記条件には、
   前記記憶部に記憶された対応関係情報において前記電圧検出部によって検出された端子電圧と対応付けられた充電量と、前記残量算出部により算出された充電量との差が、予め設定された判定閾値を超えること、が含まれていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池状態検出回路。
7. 前記対応関係情報における端子電圧は、前記二次電池の開路電圧であり、
   前記故障判定部は、
   前記条件における前記電圧検出部によって検出された端子電圧として、前記電流検出部によって検出された充放電電流が実質的にゼロのときにおいて前記電圧検出部によって検出された端子電圧を用いること
   を特徴とする請求項５又は６記載の電池状態検出回路。
8. 前記対応関係情報における端子電圧は、前記二次電池の開路電圧であり、
   前記故障判定部は、
   前記条件における前記電圧検出部によって検出された端子電圧として、前記電流検出部によって検出された充放電電流に基づいて前記電圧検出部により検出された端子電圧を開路電圧に換算した電圧値を用いること
   を特徴とする請求項５又は６記載の電池状態検出回路。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池状態検出回路と、
   前記二次電池とを含むこと
   を特徴とする電池パック。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池状態検出回路と、
    前記二次電池と、
    前記二次電池を充電する充電部と、
    前記電圧検出部により検出される端子電圧と前記電流検出部により検出される充放電電流とに基づいて、前記充電部の動作を制御する制御部と
    を備えることを特徴とする充電システム。

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