特開 2024-50293 半導体装置、電池監視方法、及び電池監視システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024050293

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】半導体装置、電池監視方法、及び電池監視システム

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/3828 20190101AFI20240403BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20240403BHJP

   G01R 31/389 20190101ALI20240403BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240403BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

G01R31/3828

G01R31/385

G01R31/389

H02J7/00 X

H01M10/48 P

H01M10/48 301

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022157091

(22)【出願日】2022-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】320012037

【氏名又は名称】ラピステクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 崇弘

【テーマコード（参考）】

2G216

5G503

5H030

【Ｆターム（参考）】

2G216BA02

2G216BA16

2G216BA56

2G216BA59

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA01

5G503CA11

5G503CB11

5G503EA05

5G503GD03

5G503GD06

5H030AA10

5H030AS01

5H030AS08

5H030FF22

5H030FF41

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で、時間効率よくバッテリの残量を算出できる
【解決手段】半導体装置は、クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測するカウント部と、前記バッテリのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記インピーダンスに基づいて、前記インピーダンスとバッテリ容量との相関関係から演算に用いるバッテリ容量を補正する補正部と、前記カウント値と、補正した前記バッテリ容量とに基づきバッテリの残量を算出する演算部と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測するカウント部と、
前記バッテリのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記インピーダンスに基づいて、前記インピーダンスとバッテリ容量との相関関係から演算に用いるバッテリ容量を補正する補正部と、
前記カウント値と、補正した前記バッテリ容量とに基づきバッテリの残量を算出する演算部と、
を備える半導体装置。

【請求項2】

前記相関関係には、バッテリ容量とインピーダンスとに共通する仮想的な充放電回数と前記バッテリ容量との相関を示す第１相関データと、前記充放電回数とインピーダンスとの相関を示す第２相関データとが含まれ、
前記補正部は、計測した前記インピーダンスに対応する前記第２相関データの前記充放電回数を選択し、
選択した前記充放電回数に対応する前記第１相関データの前記バッテリ容量を、前記演算部の演算において用いるように補正する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記バッテリの温度を計測する温度計測部を含み、
前記第２相関データにおいて温度ごとに前記インピーダンスのデータを有し、
前記補正部は、計測した温度に対応した前記インピーダンスを用いて、前記充放電回数を選択し、前記補正をする、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測させ、
前記バッテリのインピーダンスを計測させ、
前記インピーダンスに基づいて、前記インピーダンスとバッテリ容量との相関関係から演算に用いるバッテリ容量を補正し、
前記カウント値と、補正した前記バッテリ容量とに基づきバッテリの残量を算出する、
処理をコンピュータに実行させる電池監視方法。

【請求項5】

前記バッテリと、請求項１に記載の半導体装置とを含む電池監視システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置、電池監視方法、及び電池監視システムに関する。

【背景技術】

【0002】

インピーダンス関数を用いて、バッテリの状態を推定する技術がある（特許文献１参照）。この技術では、計測された実測値データに対する誤差が小さくなるようにインピーダンス関数を調整するフィッティング処理を行っている。

【0003】

また、バッテリの劣化の推定精度を改善する技術がある（特許文献２参照）。この技術では、クーロンカウント値に基づいて、バッテリが所定電荷量、充放電されたことを検出し、検出のたびに劣化を示す指標を変化させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－１０２１１１号公報

【特許文献2】特開２０１７－１１６５２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の劣化を考慮した従来のバッテリ残量推定方法は、特許文献１のようなフィッティングによる手法や、特許文献２のようなＬＵＴ（Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ）を用いた手法がある。ＬＵＴは上記特許文献２の図２のように、事前にバッテリ容量と充電サイクル数の関係を測定、関係を表した表として登録しておくものである。従来のバッテリ残量推定方法は、実システム動作中は、何回バッテリが充放電されたかをカウントし、カウントによりバッテリ容量を補正し、補正したバッテリ容量を用いて、バッテリ残量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を演算することで、バッテリ残量を推定する手法である。

【0006】

しかしながら、実システム動作の環境が、事前にバッテリ容量と充電サイクル数の関係を測定した環境と異なる場合がある。その場合、バッテリ劣化の進行が異なり、その結果、残量推定結果が異なってしまうという問題点があった。

【0007】

本開示の課題は、簡易な構成で、時間効率よくバッテリの残量を算出できる半導体装置、電池監視方法、及び電池監視システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の半導体装置は、クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測するカウント部と、前記バッテリのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記インピーダンスに基づいて、前記インピーダンスとバッテリ容量との相関関係から演算に用いるバッテリ容量を補正する補正部と、前記カウント値と、補正した前記バッテリ容量とに基づきバッテリの残量を算出する演算部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示の半導体装置、電池監視方法、及び電池監視システムによれば、簡易な構成で、時間効率よくバッテリの残量を算出できる、という効果を得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】既存の電池監視システムの構成の一例を示すブロック図である。

【図2】第１実施形態の電池監視システムの構成の一例を示すブロック図である。

【図3A】第１ＬＵＴ３７の一例であり、仮想的な充放電回数と、バッテリ容量（ｍＡｈ）とが対応付けられたテーブルデータである。

【図3B】第２ＬＵＴ３８の一例であり、仮想的な充放電回数と、インピーダンス（ｍΩ）とが対応付けられたテーブルデータである。

【図4】電池監視システム１の処理の流れを示すフローチャートである。

【図5】第２実施形態の電池監視システムの構成の一例を示すブロック図である。

【図6】第２実施形態の第２ＬＵＴ３８の一例であり、仮想的な充放電回数と、各温度に対応したインピーダンス（ｍΩ）とが対応付けられたテーブルデータである。

【図7】第２実施形態の電池監視システム１の処理の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

近年、カーボンニュートラルを達成するために、バッテリの需要が高まっている。また、バッテリの再利用も需要が高まっている。特に、欧州等では、バッテリ規制により数年後から車載、蓄電池用途のバッテリの劣化を測定し記録することが求められている。本実施形態の手法は、今後ますます重要になる、劣化を考慮したバッテリ残量推定手法を用いた電池監視に関するものである。本実施形態の電池監視システムでは、電池（以下、「バッテリ」）による電力の供給、残量等を監視するシステムである。電池監視システムは、所定の機能を発揮するために電力が供給される制御システムの一部として組み込まれる。制御システムは、例えば、ＩｏＴ機器等、所定の対象物の物理量を測定し、監視するセンサシステム等が挙げられる。

【0012】

ここで、本実施形態の前提とするＬＵＴを備える既存の電池監視システムの例を示す。図１に示すように、既存の電池監視システムは構成として、半導体装置、バッテリ、負荷、センス抵抗により構成される。半導体装置において、充放電回数検出部、クーロンカウンタ部、ＳＯＣ演算部、補正部、及びＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）を備える。

【0013】

バッテリの種類は特に限定されないが、一例としてリチウムイオンセルが用いられる。リチウムイオンセルの場合、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）＝４．２Ｖのときが満充電状態である、すなわちＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）＝１００％である。ここで、ＯＣＶ（開放電圧または開回路電圧）とは、負荷が接続されておらず、負荷に電圧、電流が印加されていない状態でのバッテリの電圧をいう。また、ＳＯＣ（充電状態または充電率）とは、仕様上の完全放電状態を０％、満充電状態を１００％として表したバッテリの充電状態をいう。

【0014】

負荷はバッテリによって電圧、電流を供給されて動作する回路である。電池監視システム１は一例としてセンサシステムとされ、負荷には該センサシステムのセンサ駆動回路、監視情報を監視システムに送信する送信器等が含まれる。センス抵抗は、バッテリと直列に挿入され、電圧降下を検出する回路である。電池監視システムにおいては、負荷が接続された状態でのバッテリの状態が監視される。

【0015】

クーロンカウンタ部は、例えば特許文献２に記載のように、バッテリの電流を所定のサンプリング周期でサンプリングし、電流の流入及び流出に係るカウント値（ＡＣＣ）を計測する回路である。ＳＯＣ演算部は、カウント値に基づいて、バッテリのＳＯＣを演算する回路である。補正部は、検出された放電回数を用いて、ＳＯＣ演算部の演算に用いるバッテリ容量を補正する回路である。ＬＵＴは、測定等により得られた放電回数とバッテリ容量との対応関係（相関関係）を記録したテーブルである。

【0016】

以上が既存の電池監視システムについての説明である。以下、図面を参照して本実施形態の詳細について説明する。

【0017】

（第１実施形態）
図２に示すように、第１実施形態に係る電池監視システム１は、半導体装置１０、バッテリ２０、負荷２１、及びセンス抵抗２２を含んで構成されている。図２に示すように、本実施の形態に係る半導体装置１０は、充放電回数検出部３１、クーロンカウンタ部３２、インピーダンス計測用信号生成部３３、インピーダンス計測部３４、補正部３５、ＳＯＣ演算部３６、第１ＬＵＴ３７、及び第２ＬＵＴ３８を含んで構成されている。従来と異なり、インピーダンス計測用信号生成部３３、インピーダンス計測部３４、及び第２ＬＵＴ３８を有している。なお、電池監視システム１は、充放電回数検出部３１を備えているが、既存技術の態様に応じた便宜的なものである。本実施形態では、仮想的な充放電回数を用いるため、実際の放充電回数は検証等の確認のために補助的に用い、主たる構成としては用いられない。クーロンカウンタ部３２が本開示のカウント部の一例であり、ＳＯＣ演算部３６が本開示の演算部の一例である。

【0018】

制御部２９は主として電池監視処理を実行する部位であり、例えば図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含んで構成されている。制御部２９は、充放電回数検出部３１、クーロンカウンタ部３２、インピーダンス計測用信号生成部３３、インピーダンス計測部３４、補正部３５、及びＳＯＣ演算部３６を制御している。なお、補正部３５及びＳＯＣ演算部３６の各部は、回路として構成するのではなく、ＣＰＵによって処理する演算部として構成してもよい。

【0019】

クーロンカウンタ部３２は、クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測する。例えば、電流の積算値（Ｑ（ｔ））をカウント値として計測すればよい。

【0020】

インピーダンス計測用信号生成部３３は、インピーダンス計測用の交流信号（正弦波）を発生させる。交流信号は、数十Ｈｚから数ＭＨｚ程度の範囲の正弦波とすればよい。

【0021】

インピーダンス計測部３４は、バッテリ２０のインピーダンスを計測する。インピーダンス計測部３４は、交流信号を入力としたバッテリ２０の電圧及び電流からインピーダンスを計測する回路である。

【0022】

本実施形態では、ＬＵＴとして、第１ＬＵＴ３７と、第２ＬＵＴ３８とが含まれる。第１ＬＵＴ３７は、仮想的な充放電回数とバッテリ容量との相関を示すテーブルデータである。仮想的な充放電回数は、バッテリ容量とインピーダンスとに共通する。図３Ａは、第１ＬＵＴ３７の一例であり、仮想的な充放電回数と、バッテリ容量（ｍＡｈ）とが対応付けられたテーブルデータである。例では、充放電回数が１の場合にバッテリ容量１０００（ｍＡｈ）であり、充放電回数が５００の場合にバッテリ容量９００（ｍＡｈ）と、回数を経るたびにバッテリ容量は低減する。第２ＬＵＴ３８は、仮想的な充放電回数とインピーダンスとの相関を示すテーブルデータである。図３Ｂは、第２ＬＵＴ３８の一例であり、仮想的な充放電回数と、インピーダンス（ｍΩ）とが対応付けられたテーブルデータである。例では、充放電回数が１の場合にインピーダンス１０（ｍΩ）であり、充放電回数が５００の場合にインピーダンス１００（ｍΩ）と、回数を経るたびにバッテリ容量は低減する。なお、これらの数値は例示のための一例であり、運用においては検証結果等から求めた数値をテーブルデータとして用いる。第１ＬＵＴ３７が本開示の第１相関データの一例であり、第２ＬＵＴ３８が本開示の第２相関データの一例である。

【0023】

補正部３５は、計測されたインピーダンスに基づいて、インピーダンスとバッテリ容量との相関関係から、ＳＯＣ演算部３６の算出に用いるバッテリ容量を補正する。具体的には、補正部３５は、計測されたインピーダンスに対応する第２ＬＵＴ３８の仮想的な充放電回数を選択し、選択した当該充放電回数に対応する第１ＬＵＴ３７のバッテリ容量を演算に用いるように補正する。

【0024】

ＳＯＣ演算部３６は、計測されたカウント値と、補正したバッテリ容量とに基づきバッテリの残量としてＳＯＣを算出する。ＳＯＣは、一般的なクーロンカウント法によるＳＯＣの推定手法を用いて算出すればよく、放電開始前の充電率（ＳＯＣ_０）、カウント値である電流の積算値（Ｑ（ｔ））、補正したバッテリ容量の満充電容量（ＦＣＣ）を用いて、ＳＯＣ＝ＳＯＣ_０＋（Ｑ（ｔ）／ＦＣＣ）として算出すればよい。

【0025】

次に、電池監視システム１の作用を説明する。図４は、電池監視システム１の処理の流れを示すフローチャートである。処理ルーチンは、例えば、電池監視システム１について定めた電池監視の周期で定期的に実行される。

【0026】

ステップＳ１００では、クーロンカウンタ部３２が、クーロンカウント法によりバッテリの電流の流入及び流出に係るカウント値を計測する。なお、本ステップとあわせて充放電回数検出部３１により充放電回数を検出してもよい。

【0027】

ステップＳ１０２では、インピーダンス計測用信号生成部３３が、インピーダンス計測用の交流信号（正弦波）を発生させる。

【0028】

ステップＳ１０４では、インピーダンス計測部３４が、バッテリ２０のインピーダンスを計測する。

【0029】

ステップＳ１０６では、補正部３５が、計測されたインピーダンスに対応する第２ＬＵＴ３８の仮想的な充放電回数を選択する。

【0030】

ステップＳ１０８では、補正部３５が、選択した当該充放電回数に対応する第１ＬＵＴ３７のバッテリ容量を演算に用いるように補正する。

【0031】

ステップＳ１１０では、ＳＯＣ演算部３６は、計測されたカウント値と、補正したバッテリ容量とに基づきバッテリの残量（ＳＯＣ）を算出する。

【0032】

以上、本実施形態の電池監視システム１によれば、簡易な構成で、時間効率よくバッテリの残量を算出できる。

【0033】

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の構成を示す図である。第２実施形態では、バッテリ２０の温度を計測して、ＬＵＴを参照する点で第１実施形態と異なっている。図５に示すように、第２実施形態の電池監視システム１における半導体装置１０は、バッテリ２０の温度を計測する温度計測部４１を含む。

【0034】

本実施形態では、第２ＬＵＴ３８において温度ごとにインピーダンスのデータを有している。図６は、第２実施形態の第２ＬＵＴ３８の一例であり、仮想的な充放電回数と、各温度に対応したインピーダンス（ｍΩ）とが対応付けられたテーブルデータである。

【0035】

補正部３５は、計測した温度及びインピーダンスを用いて、第２ＬＵＴ３８の仮想的な充放電回数を選択し、バッテリ容量の補正をする。

【0036】

図７は、第２実施形態の電池監視システム１の処理の流れを示すフローチャートである。

【0037】

ステップＳ２００において、温度計測部４１が、バッテリ２０の温度を計測する。

【0038】

ステップＳ２０２において、補正部３５が、計測した温度及びインピーダンスに対応する第２ＬＵＴ３８の仮想的な充放電回数を選択する。

【0039】

以上、本実施形態の電池監視システム１によれば、簡易な構成で、時間効率よく、かつ、正確にバッテリの残量を算出できる。

【0040】

なお、上述した実施形態では、ＬＵＴとしては、第１ＬＵＴ３７は充放電サイクルとバッテリ容量、第２ＬＵＴ３８は充放電サイクルとインピーダンスの相関関係を用いて、インピーダンスからバッテリ容量を補正しているが、これに限定されるものではない。例えば、ＬＵＴの両方を統合し、インピーダンスとバッテリ容量のＬＵＴだけを設けて計算をしてもよい。

【0041】

また、ＬＵＴを用いるのではなく、インピーダンスとバッテリ容量の関係式を使って、バッテリ容量を補正してもよい。

【0042】

また、上述した実施形態では、インピーダンス計測の交流信号に正弦波を用いているが、複数の周波数の正弦波を重ね合わせた信号、又は、インパルス信号等を用いてもよい。

【0043】

また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。

【符号の説明】

【0044】

１ 電池監視システム
２０ バッテリ
２１ 負荷
２２ センス抵抗
２９ 制御部
３１ 充放電回数検出部
３２ クーロンカウンタ部
３３ インピーダンス計測用信号生成部
３４ インピーダンス計測部
３５ 補正部
３６ ＳＯＣ演算部
３７ 第１ＬＵＴ
３８ 第２ＬＵＴ
４１ 温度計測部

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】