JP6862877B2

JP6862877B2 - 電池残量計測回路、電子機器および電池残量計測方法

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Publication number: JP6862877B2
Application number: JP2017019485A
Authority: JP
Inventors: 潤一長田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-02-06
Also published as: US10705150B2; JP2018128271A; US20180224507A1

Description

この出願で言及する実施例は、電池残量計測回路、電子機器および電池残量計測方法に関する。

近年、スマートフォンやタブレット端末を始めとして電池により駆動される電子機器が幅広く利用されている。これらの電子機器は、例えば、電池残量(電池に残されているエネルギー容量)を計測して電力モードやシステム機能の切り替え、或いは、ユーザに使用可能時間を通知するといった様々な制御を行うようになっている。

ところで、このような電子機器において、電池残量の計測(推定)は、例えば、電池の内部インピーダンス測定により開放端電圧を推定するインピーダンストラック法が広く適用されている。このインピーダンストラック法は、電池の内部インピーダンスを測定し、間接的に開放端電圧を推定するもので、例えば、電池(電子機器)の設置環境や電池の個体差による劣化等の影響を除去して安定的に電池残量の計測が可能である。

ところで、従来、電池の残量計測に関する技術としては、様々な提案がなされている。

特開２００９−１２８２７４号公報特開平０６−２８９１０８号公報特開２００４−１９１２３３号公報

上述したように、電池残量を計測するには、例えば、インピーダンストラック法が適用されているが、電池の内部インピーダンスを測定する場合、電池の出力電流を変化させるため、追加の測定(計測)電流による電力消費が発生する。

すなわち、負荷への電力供給に寄与しない追加の電流が使用され、消費電力の増大を招くことになる。この消費電力の増大は、例えば、さらなる長時間の駆動が求められるスマートフォン等の電子機器、或いは、小さい容量の電池により駆動される電子機器では大きな問題になっている。なお、本実施形態の電池残量計測回路が適用されるのは、長時間駆動が求められるものや小容量電池で駆動されるものに限定されず、電池で駆動される様々な電子機器であってもよいのはいうまでもない。

一実施形態によれば、電池の残量を計測する電池残量計測回路であって、インダクタンス素子および容量素子を含むＬＣ回路と、前記電池と前記ＬＣ回路の接続を制御するスイッチ素子と、を有する電池残量計測回路が提供される。

前記スイッチ素子は、前記ＬＣ回路による共振周波数に基づいて、前記ＬＣ回路を前記電池から遮断する。

開示の電池残量計測回路、電子機器および電池残量計測方法は、電池残量の計測に使用した電荷を無駄に消費することなく、消費電力を低減するという効果を奏する。

図１は、電池残量計測回路の一例を模式的に示すブロック図である。図２は、図１に示す電池残量計測回路における課題を説明するための図である。図３は、第１実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図４は、図３に示す電池残量計測回路の動作を説明するための波形図である。図５は、図３に示す電池残量計測回路の一例を示す回路図である。図６は、図５に示す電池残量計測回路のシミュレーション結果を示す波形図である。図７は、第２実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図８は、第３実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図９は、本実施形態における電池残量測定処理の一例を説明するためのフローチャートである。図１０は、本実施形態における電池残量推定処理の一例を説明するためのフローチャートである。図１１は、図９を参照して説明した電池残量測定処理における電池残量計測回路の動作の一例を説明するための波形図である。図１２は、図４に示す第１実施例の電池残量計測回路の動作の変形例を説明するための波形図である。図１３は、図１１に示す電池残量計測回路の動作の変形例を説明するための波形図である。図１４は、図３に示す電池残量計測回路の変形例を示す回路図である。図１５は、図１４に示す電池残量計測回路の動作の一例を説明するための波形図である。図１６は、本実施例の電池残量計測回路を適用した昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すブロック図である。

まず、電池残量計測回路、電子機器および電池残量計測方法の実施例を詳述する前に、電池残量計測回路の一例およびその課題を、図１および図２を参照して説明する。図１は、電池残量計測回路の一例を模式的に示すブロック図であり、インピーダンストラック法を適用して電池の内部インピーダンスを測定し、電池の開放端電圧を推定する場合を説明するためのものである。

図１において、参照符号１は電池、２は負荷(Ｒ_L)、Ｖoutは出力電圧、Ｖopは開放端電圧、Ｉoutは出力電流、Ｅは起電力部、そして、ｒiは電池１の内部インピーダンスを示す。電池１の両端(プラス(＋)およびマイナス(−)電極)には、負荷２が接続されている。ここで、開放端電圧(起電力部Ｅによる電圧：電池残量情報)Ｖopは、負荷２の動作中には直接測定することは困難である。

しかしながら、開放端電圧Ｖopは、Ｖop＝Ｖout−ｒi×Ｉoutに基づいて、例えば、インピーダンストラック法により電池１の内部インピーダンスｒiを測定し、間接的に開放端電圧Ｖopを推定することができる。ここで、インピーダンストラック法は、例えば、電池１を使用する電子機器の設置環境、並びに、電池１の個体差および劣化等の影響を除去して、安定的に電池残量(開放端電圧Ｖop)を推定することが可能である。

図２は、図１に示す電池残量計測回路における課題を説明するための図である。図２において、参照符号３１は電圧計(Ｖ：電圧測定部)、３２は電流計(Ａ：電流測定部)、Ｉ_Lは負荷電流、そして、Ｉsは測定電流を示す。

ところで、例えば、インピーダンストラック法により電池１の内部インピーダンスｒiを測定する場合、例えば、電池１の出力電流Ｉoutを変化させるため、追加の測定電流Ｉsによる電力消費が発生することになる。すなわち、出力電圧Ｖoutに関して、Ｖout＝Ｖop＋ｒi×Ｉout＝Ｖop＋ｒi×(Ｉ_L＋Ｉs)が成立する。ここで、出力電圧Ｖoutは、電圧計３１で測定可能であり、また、出力電流Ｉoutは、電流計３２で測定可能である。さらに、Ｖopおよびｒiは、未知であり、また、Ｉ_Lは、一定である。なお、Ｉsは、負荷２への電力供給に寄与しない追加の電流であり、無駄な電力消費を生じる要因になっている。

ところで、測定電流Ｉsに基づく無駄な消費電力の増大は、例えば、さらなる長時間駆動が求められるスマートフォンや小容量電池により駆動される電子機器では大きな問題になっている。なお、本実施形態の電池残量計測回路が適用されるのは、長時間駆動が求められるものや小容量電池で駆動されるものに限定されず、電池で駆動される様々な電子機器であってもよいのは、前述した通りである。

以下、電池残量計測回路、電子機器および電池残量計測方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図３は、第１実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図３に示されるように、本実施形態の電池残量計測回路３は、スイッチ素子３３、インダクタンス素子３４および容量素子３５を含む。インダクタンス素子３４および容量素子３５は、電流Ｉseを測定するための負荷(ＬＣ回路)を形成し、スイッチ素子３３によるステップ応答を加えることで、ＬＣ回路(３４，３５)の共振による交流電流源として機能する。なお、電池１の両端(プラス(＋)およびマイナス(−)電極)には、負荷２および電池残量計測回路３が接続され、電池残量計測回路３は、電池１と負荷２の間に設けられている。

ここで、ＬＣ回路(ＬＣ共振部：３４，３５)に流れた電荷は、容量素子３５に蓄積されるが、例えば、共振の１周期分で測定を終了することにより、測定に使用した電荷は、負荷２側へ自動的に戻り、無駄な消費電力の低減を図るようになっている。

図４は、図３に示す電池残量計測回路の動作を説明するための波形図であり、図４(a)は、容量素子３５に蓄積される積算電荷量Ｑtの時間変化を示す。また、図４(b)は、測定電流Ｉseの時間変化を示し、この測定電流Ｉseは、例えば、インダクタンス素子３４を流れる電流に相当する。さらに、図４(c)は、容量素子３５とインダクタンス素子３４を接続するノードＮaの電圧(容量素子電圧)Ｖaの時間変化を示す。

ここで、図４(a)における縦軸の目盛は、電荷：マイクロクーロン[μＣ]を示し、図４(b)における縦軸の目盛は、電流：ミリアンペア[ｍＡ]を示し、そして、図４(c)における縦軸の目盛は、電圧：ボルト[Ｖ]を示す。なお、図４(a)，図４(b)および図４(c)における横軸の目盛は、時間：ミリ秒[ｍｓ]を示す。

まず、図４(a)における特性曲線Ｌ11に示されるように、容量素子３５に蓄積される積算電荷量Ｑtは、ＬＣ回路(３４，３５)による共振周波数に基づいて、正弦波を正側にシフトした波形(正弦波シフト波形)のように変化する。そして、積算電荷量Ｑtは、１周期が終了するタイミングＴ１において零(０[μＣ])になる。

すなわち、図４(a)のＬ11に示されるように、積算電荷量Ｑtは、例えば、０[μＣ]から２０[μＣ]まで正弦波シフト波形のように変化するが、１周期が終了するタイミングＴ１では、容量素子３５に電荷が蓄積されない状態(放電状態)の０［μＣ］になる。なお、容量素子３５が放電状態になるのは、１周期が終了するタイミングＴ１(１周期目)だけでなく、２周期目，３周期目，…でも同様である。

また、図４(b)における特性曲線Ｌ12に示されるように、測定電流Ｉseは、例えば、＋１０[ｍＡ]から−１０[ｍＡ]まで交流的に変化する。さらに、図４(c)における特性曲線Ｌ13に示されるように、ノードＮaの電圧Ｖaは、図４(a)を参照して説明した積算電荷量Ｑtと同様に、０．０[Ｖ]〜２．０[Ｖ]まで正弦波シフト波形のように変化する。

上述したように、第１実施例の電池残量計測回路によれば、ノードＮaの電圧Ｖa(容量素子３５の電圧)が零になる１周期目(ｎ周期目：ｎは正の整数)で、スイッチ素子３３をオフ(遮断)する。これにより、電池残量の計測に使用した電荷を無駄に消費することなく、消費電力の低減を図ることが可能になる。

図５は、図３に示す電池残量計測回路の一例を示す回路図であり、図６は、図５に示す電池残量計測回路のシミュレーション結果を示す波形図である。ここで、図６(a)は、容量素子３５に蓄積される積算電荷量Ｑtの時間変化を示し、図６(b)は、電池１の内部抵抗ｒiの時間変化を示す。また、図６(c)は、電池１の出力電流Ｉoutの時間変化を示し、図６(d)は、電池１の出力電圧Ｖoutの時間変化を示す。

なお、図６(a)における縦軸の目盛は、電荷：ナノクーロン[ｎＣ]を示し、図６(b)における縦軸の目盛は、抵抗(インピーダンス)：ミリオーム[ｍΩ]を示す。また、図６(c)における縦軸の目盛は、電流：ミリアンペア[ｍＡ]を示し、図６(d)における縦軸の目盛は、電圧：ボルト[Ｖ]を示し、そして、図６(a)〜図６(d)における横軸の目盛は、時間：ミリ秒[ｍｓ]を示す。

図５と、前述した図３の比較から明らかなように、第１実施例の電池残量計測回路において、例えば、電池１における起電力部Ｅの電圧は１．５[Ｖ]，内部抵抗ｒiは１０[ｍΩ]とされ、また、出力電流Ｉoutを測定するため測定抵抗ｒdは１[ｍΩ]とされている。電池１の両端(プラス(＋)およびマイナス(−)電極)には、負荷２および電池残量計測回路３が接続され、電池残量計測回路３は、電池１と負荷２の間に設けられている。

ここで、インダクタンス素子(インダクタ)３４のインダクタンスは４[ｍＨ]、容量素子(キャパシタ)３５の容量値(キャパシタンス)は０．１[μＦ]、そして、負荷２の抵抗値(インピーダンス)は１[ｋΩ]とされている。また、測定電流Ｉseは、例えば、振幅が７．５[ｍＡ]の交流電流になる。なお、図５では、電池１の負(マイナス)側に電流測定部３２(ｒd)が設けられているが、図３のように、電池１の正(プラス)側に電流測定部３２を設けることもできるのはいうまでもない。

図５に示す回路構成を有する電池残量計測回路において、出力電流Ｉoutは、図６(c)の特性曲線Ｌ23のように変化し、また、出力電圧Ｖoutは、図６(d)の特性曲線Ｌ24のように変化する。そして、図６(b)の特性曲線Ｌ22に示されるように、内部抵抗ｒiは、ほぼ１０[ｍΩ]一定として安定して算出することが可能なのが分かる。

このとき、図６(a)の特性曲線Ｌ21に示されるように、積算電荷量Ｑtは、例えば、１周期が終了するタイミングＴ１において、約６[ｎＣ]の最小値になる。これは、例えば、図１および図２の電池残量計測回路で抵抗負荷の場合、振幅に相当する７．５[ｍＡ]の電流がＬＣ回路(３４，３５)の共振周波数(共振周期)の１周期分だけ流れたときの消費電力(７．５[ｍＡ]×１２４．６[μｓ]＝９３４[ｎＣ])の約１／１５０である。

このように、第１実施例の電池残量計測回路によれば、電池残量の計測に使用した電荷を無駄に消費することなく、消費電力の低減を図ることが可能になる。なお、積算電荷量Ｑtが最小(零)になるタイミングは、１周期が終了するタイミングＴ１だけでなく、ｎ周期(ｎは正の整数)が終了するタイミングでも同様なのは前述した通りである。

図７は、第２実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図７に示されるように、第２実施例の電池残量計測回路３は、電圧測定部３１、電流測定部３２、スイッチ素子３３、インダクタンス素子３４および容量素子３５と共に、制御部３６を含む。ここで、電圧測定部３１は差動アンプで形成され、また、電流測定部３２は、差動アンプおよび測定抵抗(電流測定用抵抗)ｒdで形成されている。

制御部３６は、Ａ／Ｄコンバータ３６１、残量推定処理部３６２、０Ｖ検出部３６３および測定制御処理部３６４を含む。Ａ／Ｄコンバータ３６１は、電圧測定部(差動アンプ)３１および電流測定部(差動アンプ)３２からのアナログ信号(出力電圧信号(Ｖout)および出力電流信号(Ｉout))をデジタル信号に変換して残量推定処理部３６２に出力する。０Ｖ検出部３６３は、ノードＮaの電圧(容量素子電圧)Ｖaが０[Ｖ](ほぼ０[Ｖ])になるのを検出して測定制御処理部３６４に出力する。

測定制御処理部３６４は、電池残量の測定制御を行って、スイッチ素子３３にスイッチ制御信号Ｃsを出力してオン／オフ制御を行うと共に、Ａ／Ｄコンバータ３６１にスイッチ素子３３の状態を通知する。なお、測定制御処理部３６４による電池残量測定処理(電池残量の計測制御)の一例は、図９を参照して後に詳述する。

残量推定処理部３６２は、Ａ／Ｄコンバータ３６１の出力を受け取って、電池１の残量を推定し、その推定された電池残量情報ＤＤを負荷(例えば、スマートフォンのマイクロコントローラ等)２に出力する。ここで、負荷(例えば、スマートフォン)２は、残量推定処理部３６２(電池残量計測回路３)からの電池残量情報ＤＤに基づいて、例えば、電力モードやシステム機能の切り替え等を行うことになる。なお、残量推定処理部３６２による電池残量推定処理の一例は、図１０を参照して後に詳述する。

図７に示す第２実施例の電池残量計測回路において、スイッチ素子３３は、測定制御処理部３６４からのスイッチ制御信号Ｃsに基づいて、例えば、ノードＮaの電圧Ｖaが０[Ｖ]になったときにオフするように制御される。

すなわち、スイッチ素子３３は、積算電荷量Ｑtが零(最小)になる１周期が終了するタイミング(Ｔ１)でオン(接続)からオフ(遮断)に切り替えられる。これにより、電池残量電池残量の計測に使用した電荷を無駄に消費することなく、消費電力を低減することが可能になる。なお、電池残量測定(計測)を開始するときは、スイッチ素子３３をオフからオンに切り替えることにより、ステップ応答を加えてＬＣ回路(３４，３５)の共振を行わせることになる。

図８は、第３実施例の電池残量計測回路を模式的に示すブロック図である。図８と、上述した図７の比較から明らかなように、第３実施例の電池残量計測回路では、第２実施例の電池残量計測回路３における０Ｖ検出部３６３の代わりにタイマ３６５が適用されている。すなわち、第３実施例の電池残量計測回路では、例えば、１周期が終了するタイミング(Ｔ１)を検知するために、ＬＣ回路(３４，３５)の共振周波数に基づく時間を算出するタイマ３６５の出力を用いるようになっている。

すなわち、スイッチ素子３３をオフして電池残量測定を終了するタイミングは、例えば、インダクタンス素子３４および容量素子３５の値が既知であれば、共振周波数から積算電荷量Ｑtが最小(零)になる時間を計算しておくことができる。そして、第３実施例の電池残量計測回路では、その積算電荷量Ｑtが最小になる時間をタイマ３６５でカウントし、そのタイマ３６５の出力(タイマ３６５による割り込み)に基づいてスイッチ制御信号Ｃsによりスイッチ素子３３をオフするようになっている。なお、他の構成は、図７に示す第２実施例の電池残量計測回路と実質的に同様なので、その説明は省略する。

なお、図７および図８において、電流測定部３２および測定抵抗ｒdは、電池１のプラス側に設けられているが、電池１のマイナス側に設けてもよいのはもちろんである。また、電圧測定部３１、電流測定部３２および制御部３６としては、知られている様々な構成を適用することができるのはいうまでもない。

図９は、本実施形態における電池残量測定処理の一例を説明するためのフローチャートである。図９に示されるように、電池残量測定処理(電池残量の計測処理)の一例が開始すると、ステップＳＴ１において、スイッチ素子３３をオンして電池１の出力電圧ＶoutをＬＣ回路(３４，３５)に印加し、ステップＳＴ２に進み、電流および電圧の測定を開始する。

すなわち、ステップＳＴ２では、例えば、電圧測定部(電圧計)３１により電池１の出力電圧Ｖoutを測定すると共に、電流測定部(電流計)３２により電池１の出力電流Ｉout(測定電流Ｉse)を測定し、ステップＳＴ３に進む。なお、電池１の出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutの測定は、例えば、差動アンプ３１および３２を適用して行うことができ、前述した制御部３６に搭載されるＡ／Ｄコンバータ３６１で電圧として測定する。また、Ａ／Ｄコンバータ３６１の測定精度が充分高く、また、入力インピーダンスも十分高い場合には、差動アンプを省略することができる。

ここで、測定については、ＬＣ回路(３４，３５)による共振の振動波形として取得する。また、電池１の内部インピーダンス(ｒi)において、虚数成分が無視できる程度であれば、値がゼロになる点を除いた１点のみを測定して電池残量を推定することもできる。また、測定した値は、図１０を参照して説明する電池残量推定処理(計算処理)により電池残量へ換算するが、この計算処理は、測定処理と並列して行ってもよいが、測定されたデータを、例えば、制御部３６のメモリに一端保持し、後から計算することもできる。

次に、ステップＳＴ３において、終了判定を行い、終了したと判定すると、ステップＳＴ４に進んで、電流および電圧の測定を終了し、さらに、ステップＳＴ５に進んで、スイッチ素子３３をオフする。ここで、ステップＳＴ３における終了判定は、例えば、図７を参照して説明したように、ＬＣ回路(ＬＣ共振部)の容量素子３５の電圧(容量素子電圧Ｖa)を監視し、できるだけ小さくなった時点(Ｖa≒０)で終了と判定する。或いは、図８を参照して説明したように、インダクタンス素子３４および容量素子３５の値が既知であれば、ＬＣ回路(３４，３５)の共振周波数から消費電荷が最小になる時間を計算しておき、その時間をタイマ３６５による割り込みで終了判定を行うこともできる。

このように、容量素子３５の電圧Ｖaができるだけ小さくなる(消費電荷が最小になる)時点でスイッチ素子３３をオフすることにより、電池残量の計測に使用した電荷を無駄に消費することなく、消費電力の低減を図ることが可能になる。

図１０は、本実施形態における電池残量推定処理の一例を説明するためのフローチャートである。図１０に示されるように、電池残量推定処理(電池残量の計算処理)の一例が開始すると、ステップＳＴ６において、上述した図９の電池残量測定処理で測定した電池１の電圧および電流の値を用いて、内部インピーダンス(内部抵抗)ｒiを計算する。

ここで、電池残量測定処理において、ＬＣ回路(３４，３５)による共振の振動波形を取得した場合には、例えば、制御部３６において、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等の演算を行ってもよい。すなわち、振動波形データに対してＦＦＴ等の処理を行うことにより、インダクタンス素子３４および容量素子３５の共振周波数成分のみに着目して計算を行い、ノイズの影響を軽減することも可能である。或いは、振動波形の最大／最小を取得して振幅値として計算に利用することもできる。

次に、ステップＳＴ７において、開放端電圧(Ｖop)を計算し、さらに、ステップＳＴ８に進んで、電池残量を計算して、電池残量推定処理を終了する。これらの処理は、例えば、知られているインピーダンストラック法等を適用して求めることができるのはいうまでもない。

ところで、図９の電池残量測定処理、図１０の電池残量推定処理、並びに、負荷(電池１の本来の動作対象)２への電池残量情報の通知処理は、例えば、制御部３６に搭載されたタイマ３６５を用いる等して、動作タイミングを独立に制御することができる。なお、それぞれの処理の順序については、電池残量測定処理の測定結果を受けて、電池残量推定処理を行うが、電池残量推定処理による計算(推定)結果を制御部３６のメモリに格納しておくことで、負荷２への電池残量情報の通知は、いつでも行うことが可能である。

図１１は、図９を参照して説明した電池残量測定処理における電池残量計測回路３の動作の一例を説明するための波形図である。図１１に示されるように、例えば、図７のノードＮaにおける電圧Ｖaの微分値は、負荷２による定常電流値に対応するため、この負荷２による定常電流値として、電圧Ｖaの微分値を適用可能なのが分かる。

図１２は、図４に示す第１実施例の電池残量計測回路の動作の変形例を説明するための波形図であり、図１２(a)〜図１２(c)は、前述した図４(a)〜図４(c)に対応する。図１２(a)〜図１２(c)に示されるように、例えば、図７および図８の電池残量計測回路３のスイッチ制御信号Ｃsによりスイッチ素子３３をオフするタイミングは、ＬＣ回路(３４，３５)の共振周期の１周期目ではなく、２周期目であってもよい。すなわち、例えば、ノードＮaの電圧Ｖaが零(最小)になるのは、共振周期のｎ周期目(ｎは正の整数)になるため、スイッチ素子３３をオフする(測定を停止する)タイミングは、ｎ周期目のタイミングＴ１，Ｔ２，…であればよいことが分かる。

また、図１２(b)に示す測定電流Ｉseの大きさ(振幅)および周波数は、ＬＣ回路(ＬＣ共振部)のインダクタンス素子３４および容量素子３５の値によって調整することができる。さらに、測定電流Ｉseの大きさについては、例えば、初期状態の容量素子３５の電圧(キャパシタ電圧Ｖa)によっても調整することが可能である。なお、容量素子３５のキャパシタ電圧Ｖaは電流(電荷)の積算値になるため、前述したように、電圧Ｖaの微分演算ができれば、電流測定を省略することができる。

図１３は、図１１に示す電池残量計測回路の動作の変形例を説明するための波形図であり、ＬＣ回路(３４，３５)による共振周期(共振周波数)のＮ倍の期間に渡って測定を行う場合を示す。ここで、Ｎは、２以上の整数である。ここで、Ｎ周期だけ測定を継続して行う場合、例えば、前述した図９におけるステップＳＴ３の処理において、例えば、測定する周期をカウントし、カウント値Ｘが「Ｘ≧Ｎ」になったら、測定終了と判定する。

すなわち、前述したように、例えば、ノードＮaの電圧Ｖaは、共振周期のｎ周期目(ｎは正の整数)で最小(零)になるため、測定を複数周期(Ｎ−１周期)行った後、Ｎ周期目の電圧Ｖaが最小になるタイミングでスイッチ素子３３をオフする。これにより、１周期だけで測定する場合よりも、測定精度(電池残量の計測精度)を向上させることが可能になる。

図１４は、図３に示す電池残量計測回路の変形例を示す回路図であり、図１４(a)および図１４(b)は、図３におけるスイッチ素子３３，インダクタンス素子３４および容量素子３５のＬＣ回路ユニットを４組設けたものに相当する。また、図１５は、図１４に示す電池残量計測回路の動作の一例を説明するための波形図である。

すなわち、図１４(a)に示されるように、電池残量計測回路３は、スイッチ素子３３１〜３３４，インダクタンス素子３４１〜３４４および容量素子３５１〜３５４で形成された４組のＬＣ回路ユニットを含む。ここで、各スイッチ素子３３１〜３３４は、それぞれスイッチ制御信号Ｃs1〜Ｃs4によりオン／オフ制御されるようになっている。また、図１４(b)に示す電池残量計測回路３は、図１４(a)におけるインダクタンス素子３４１〜３４４を、１つのインダクタンス素子３４により共通化したものに相当する。なお、図１４(b)では、容量素子３５(３５１〜３５４)に対して、スイッチ素子３３(３３１〜３３４)とインダクタンス素子３４の接続順が、前述した図３とは逆になっているが、どちらでもよいのはいうまでもない。また、図１４(b)のようにインダクタンス素子３４を共通化する代わりに、容量素子３５を共通化することも可能である。

ところで、一般的に、電池１の内部インピーダンスｒiは、例えば、反応の時定数や物質移動度等の影響により周波数依存性を持っている。ところが、例えば、図３に示す電池残量計測回路では、インダクタンス素子３４および容量素子３５によるＬＣ回路(ＬＣ共振部)が１つで共振周波数ｆが、ｆ＝１／(２π√(ＬＣ))という一定の周波数を対象とした内部インピーダンスｒiの測になってしまう。

これに対して、図１４(a)および図１４(b)に示す電池残量計測回路３では、例えば、図１５に示されるように、第１周期〜第４周期で異なるスイッチ素子３３１〜３３４をオンして異なるＬＣ回路ユニットによる共振を利用して測定を行うようになっている。例えば、図１４(a)の電池残量計測回路３において、第１周期では、スイッチ制御信号Ｃs1でスイッチ素子３３１のみオンさせて、インダクタンス素子３４１および容量素子３５１によるＬＣ回路ユニットにより測定を行う。また、第２周期では、スイッチ制御信号Ｃs2でスイッチ素子３３２のみオンさせて、インダクタンス素子３４２および容量素子３５２によるＬＣ回路ユニットにより測定を行う。

さらに、第３周期では、スイッチ制御信号Ｃs3でスイッチ素子３３３のみオンさせて、インダクタンス素子３４３および容量素子３５３によるＬＣ回路ユニットにより測定を行う。また、第４周期では、スイッチ制御信号Ｃs4でスイッチ素子３３４のみオンさせて、インダクタンス素子３４４および容量素子３５４によるＬＣ回路ユニットにより測定を行う。そして、第４周期が終わった時点Ｔ0において、スイッチ素子３３４(全てのスイッチ素子３３１〜３３４)をオフ(遮断)して測定を終了する。

ここで、図１４(b)に示す電池残量計測回路３では、インダクタンス素子３４が共通に使用される点が異なるが、スイッチ素子３３１〜３３４の動作は、図１４(a)の場合と同様である。なお、各スイッチ素子３３１〜３３４を切り替えて、４つのＬＣ回路ユニットによる４周期分の期間で測定を行う処理を、前述した図１３と同様に、複数回(Ｎ回)繰り返して行うこともできる。このように、異なる共振周波数で測定を複数回行うことにより、電池残量の計測精度をより一層向上させることができる。

図１６は、本実施例の電池残量計測回路を適用した昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すブロック図である。図１６に示されるように、例えば、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５に対して、上述した本実施形態の電池残量計測回路３を適用する場合、例えば、インダクタンス素子３４は、昇圧用のものを兼用し、スイッチ素子３３および容量素子３５だけを追加してもよい。なお、図１６において、電圧測定部(電圧計)３１および電流測定部(電流計)３２等は省略されている。

すなわち、本来の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、スイッチ素子５１および５２、インダクタンス素子(電圧変換用インダクタンス素子)５４、並びに、制御部５３を含んでいるが、インダクタンス素子５４を兼用して電池残量計測回路３を形成することができる。なお、制御部５３(３６)は、電源電圧を昇圧するためにスイッチ素子５１および５２を制御するスイッチ制御信号Ｓ1およびＳ2と共に、電池残量計測回路３のスイッチ素子３３を制御するためのスイッチ制御信号Ｃsを生成することになる。

ここで、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５の制御部５３がゼロクロス回路を持つものであれば、そのゼロクロス回路を利用して、容量素子３５の電圧(Ｖa)が零になるタイミングを検出して割り込み信号として流用することも可能である。また、負荷２への出力電圧Ｖoutは、例えば、制御部５３が監視しているのでその値を流用することもできる。さらに、図１６では、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５の例を示したが、例えば、昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ等でも同様に適用することができる。このように、例えば、本実施形態の電池残量計測回路３をＤＣ−ＤＣコンバータに適用する場合、少ない部品点数の増加だけでよいことになる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１電池
２負荷
３電池残量計測回路
３１電圧測定部(電圧計)
３２電流測定部(電流計)
３３，３３１〜３３４スイッチ素子
３４，３４１〜３４４，５４インダクタンス素子
３５，３５１〜３５４容量素子
３６，５３制御部
３６１Ａ／Ｄコンバータ
３６２残量推定処理部
３６３０Ｖ検出部
３６４測定制御処理部
３６５タイマ

Claims

電池の残量を計測する電池残量計測回路であって、
インダクタンス素子および容量素子を含むＬＣ回路と、
前記電池と前記ＬＣ回路の接続を制御するスイッチ素子と、を有し、
前記スイッチ素子は、前記電池の残量の計測のために前記電池の出力電圧と出力電流の計測を開始するとき、前記ＬＣ回路と前記電池とを接続し、前記電池の出力電圧と出力電流の計測を終了したとき、前記ＬＣ回路による共振周波数に基づいて、前記ＬＣ回路による共振周期のｎ周期目［ｎは、１以上の整数］のタイミングで前記ＬＣ回路を前記電池から遮断する、
ことを特徴とする電池残量計測回路。
前記ＬＣ回路は、異なる共振周波数の複数のＬＣ回路ユニットを含み、
前記スイッチ素子は、複数の前記ＬＣ回路ユニットに対してそれぞれ設けられ、それぞれの前記スイッチ素子は、対応する前記ＬＣ回路ユニットによる共振周波数に基づいて、対応する前記ＬＣ回路ユニットを前記電池から遮断する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電池残量計測回路。
前記ＬＣ回路ユニットは、それぞれ前記インダクタンス素子および前記容量素子を含み、
前記インダクタンス素子または前記容量素子は、複数の前記ＬＣ回路ユニットで共通化されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の電池残量計測回路。
さらに、
前記電池の出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記電池の出力電流を測定する電流測定部と、
前記電圧測定部および前記電流測定部の出力を受け取って、前記電池の残量を計算すると共に、前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御信号を生成する制御部と、を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池残量計測回路。
前記制御部は、
前記容量素子の容量素子電圧を検出する０Ｖ検出部を含み、前記０Ｖ検出部により検出された前記容量素子電圧が最小になるタイミングで前記スイッチ素子を制御して前記ＬＣ回路を前記電池から遮断する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電池残量計測回路。
前記制御部は、前記ＬＣ回路による共振周波数に基づいて積算電荷量が最小となる時間をカウントするタイマを含み、前記タイマの出力に基づいて前記スイッチ素子を制御して前記ＬＣ回路を前記電池から遮断する、
ことを特徴とする請求項４に記載の電池残量計測回路。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電池残量計測回路を有する、
ことを特徴とする電子機器。
前記電子機器は、ＤＣ−ＤＣコンバータを含み、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータに設けられた電圧変換用インダクタンス素子を、前記電池残量計測回路の前記インダクタンス素子と兼用する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電子機器。
電池の残量を計測する電池残量計測方法であって、
インダクタンス素子および容量素子を含むＬＣ回路と前記電池とをスイッチ素子により接続して前記電池の出力電圧と出力電流の計測を開始し、
前記電池の出力電圧と出力電流の計測を終了したとき、前記スイッチ素子により前記ＬＣ回路による共振周期のｎ周期目［ｎは、１以上の整数］のタイミングで前記ＬＣ回路を前記電池から遮断する、
ことを特徴とする電池残量計測方法。