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公開番号2021019389
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210215
出願番号2019132492
出願日20190718
発明の名称半導体装置
出願人ルネサスエレクトロニクス株式会社
代理人特許業務法人筒井国際特許事務所
主分類H02J 7/10 20060101AFI20210118BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】バッテリセルの安全性を確保しつつ、充電時間を短縮させること。
【解決手段】半導体装置は、バッテリセルの充電を制御する制御部を備えている。制御部は、バッテリセルの充電時、充電器から出力される出力電圧の上限値がバッテリセルの充電可能な最大電圧より高い所定の電圧となるよう充電器へ指示する電圧指令値を生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
バッテリセルの充電を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記バッテリセルの充電時、充電器から出力される出力電圧の上限値が前記バッテリセルの充電可能な最大電圧より高い所定の電圧となるよう前記充電器へ指示する電圧指令値を生成する、
半導体装置。
続きを表示(約 1,600 文字)【請求項2】
請求項1に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記出力電圧の上限値を前記バッテリセルの充電可能な前記最大電圧と前記充電器から前記バッテリセルまでの経路インピーダンスによる電圧降下とを加算した値とする前記電圧指令値を生成する、
半導体装置。
【請求項3】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記充電器の出力電圧と、前記バッテリセルの電圧と、バッテリパック内を流れる充電電流と、を用いて前記電圧降下を算出する、
半導体装置。
【請求項4】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記充電器の出力電圧と、バッテリパックの端部電圧と、前記バッテリパック内を流れる充電電流と、を用いて前記充電器と前記バッテリパックの端部との間の第1経路インピーダンスを算出し、
前記バッテリパックの前記端部電圧と、前記バッテリセルの前記電圧と、前記充電電流と、を用いて前記バッテリパックの前記端部と、前記バッテリセルとの間の第2経路インピーダンスを算出し、
前記第1経路インピーダンスと前記第2経路インピーダンスとを加算して前記経路インピーダンスを算出し、
前記経路インピーダンスと、前記バッテリパック内を流れる充電電流と、を用いて前記電圧降下を算出する、
半導体装置。
【請求項5】
請求項4に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記電圧指令値を定期的に更新する、
半導体装置。
【請求項6】
請求項5に記載の半導体装置において、
前記バッテリセルに対する充電には、前記充電器の前記出力電圧が前記バッテリセルの充電可能な前記最大電圧に到達するまで行われる定電流充電と、前記定電流充電の後、前記充電器の前記出力電圧を前記最大電圧に設定し、前記バッテリセルの前記電圧が前記最大電圧付近になるまで行われる定電圧充電と、が含まれ、
前記制御部は、前記定電圧充電の場合のみ前記第1経路インピーダンスを更新する、
半導体装置。
【請求項7】
請求項6に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記充電器の出力電流の上限値を前記充電器へ指示する電流指令値と、前記充電電流と、閾値電流とを比較することにより、前記定電流充電であるか前記定電圧充電であるかを判定する、
半導体装置。
【請求項8】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記出力電圧を前記電圧指令値に対応する電圧であるとして前記経路インピーダンスを算出する、
半導体装置。
【請求項9】
請求項3に記載の半導体装置において、
前記制御部は、充電開始前に、前記充電電流及び前記出力電圧の変動を推定し、
充電時には、前記充電電流及び前記出力電圧の変動の推定結果に基づき前記充電器の出力電流の上限値を前記充電器へ指示する電流指令値と、前記電圧指令値とを更新する、
半導体装置。
【請求項10】
請求項9に記載の半導体装置において、
前記制御部は、充電開始時から充電終了時までの前記充電電流及び前記出力電圧の変動を推定する、
半導体装置。
【請求項11】
請求項9に記載の半導体装置において、
前記制御部は、前記バッテリパック内に発生するジュール熱及び放熱量を算出し、ジュール熱及び放熱量の算出値を用いて前記バッテリパック内の温度を算出し、前記バッテリパック内の温度の算出値を用いて前記経路インピーダンスを算出し、前記経路インピーダンスの算出値を用いて前記バッテリセルの内部電圧及びバッテリセル電圧を算出し、前記バッテリセルの内部電圧の算出値を用いて前記充電電流及び前記出力電圧の変動を推定する、
半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
ノートPC、タブレット端末、スマートフォン、デジタルカメラ等のアプリケーションには、バッテリパックが搭載されている。バッテリパックには、充放電制御等を行う電池制御IC(FGIC:Fuel Gauge IC)の半導体装置が設けられている。このような電池制御ICを搭載したバッテリパックが、例えば特許文献1に開示されている。
【0003】
バッテリセルが、充電可能な最大電位MaxV付近の電圧まで充電された状態を満充電とする。一般的な充電方式では、まず、充電器の出力電圧がMaxVに到達するまで定電流充電が行われる。その後、過電圧を防止するため、充電器の出力電圧をMaxVに設定し、バッテリセルの電圧CellVが所望のMaxV付近の電圧になるまで定電圧充電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−204485号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
定電圧の期間中、充電器の出力電圧(MaxV)とバッテリセルの内部電圧CellINVとの電位差により出力電流が決定される。充電器からバッテリセルまでの経路インピーダンスにより電圧降下が発生するため、出力電圧をMaxVとして充電を行うと、バッテリセル電圧VcellはMaxV未満となる。その結果、バッテリセル電圧は、印加可能な最大電位MaxVに到達していない状態であり、出力電流は安全な範囲の最大電流よりも小さい状態である。そのため充電時間が長くなってしまう。
【0006】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書には、複数の実施の形態の半導体装置等が記載されているが、一実施の形態の半導体装置を述べると、次の通りである。
【0008】
半導体装置は、バッテリセルの充電を制御する制御部を備えている。制御部は、バッテリセルの充電時、充電器から出力される出力電圧の上限値がバッテリセルの充電可能な最大電圧より高い所定の電圧となるよう指示する電圧指令値を生成し、電圧指令値を充電器に送信する。
【発明の効果】
【0009】
一実施の形態によれば、充電時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本発明の実施の形態1に係るバッテリ充電システムの構成の一例を示す図である。
本発明の実施の形態1に係るバッテリ充電システムの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。
本発明の実施の形態2に係るバッテリ充電システムの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。
本発明の実施の形態2に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。
本発明の実施の形態3に係る経路インピーダンス及び出力電圧の指令値の算出方法の一例を示すフロー図である。
本発明の実施の形態4に係るバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。
図6のステップS106の詳細を示すフロー図である。
ステップS106における算出の一例を示す図である。
従来のバッテリセル充電に関わる処理の一例を示す説明図である。
充電器とバッテリセルとの間の経路インピーダンスを説明する図である。
バッテリパックの充電時における充電電圧、バッテリセルの電圧、充電電流を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
(課題等について補足)
本実施の形態の説明に先立ち、従来のバッテリパックの充電の処理について説明する。図9は、従来のバッテリパックの充電に関わる処理の一例を示す説明図である。図9には、バッテリパック内のFGIC(半導体装置)20及び充電器90の動作等がそれぞれ示されている。
【0012】
ステップS101では、FGIC20は、バッテリセルの電圧、バッテリパック100内の電流(出力電流を含む)、バッテリパック100内の温度等の測定を行う。なお、バッテリパック100内の温度測定には、バッテリセルの温度測定が含まれる。
【0013】
ステップS103では、FGIC20は、ステップS101で測定された電圧、電流、温度等に基づき、充電器90からバッテリセルへ供給される出力電流Ioutの上限値を規定する指令値CC(Charging Current;電流指令値)、出力電圧Voutの上限値を規定する指令値CV(Charging Voltage;電圧指令値)をそれぞれ設定する。一般的に、出力電圧Voutの指令値CVはMaxVに設定される。その間、充電器90は、例えばSMBus通信等の通信手段を介して接続確認信号を送信する。これにより、充電器90はバッテリパックとの接続状態の確認を行う(ステップS201)。
【0014】
バッテリパック100と充電器90とが接続されると、バッテリパック100は、接続確認信号に対する応答信号を通信手段を介して送信する。このように、バッテリパック100と充電器90とが接続されて充電モードに遷移すると、FGIC20は、ステップS103で設定した出力電流の指令値CC及び出力電圧の指令値CVを充電器90へ送信する(ステップS105)。
【0015】
充電器90は、バッテリパック100から受信した指令値CC、CVに基づき、充電用の出力電流及び出力電圧の上限値をそれぞれ設定する(ステップS203)。そして、充電器90は、ステップS203で設定した各上限値に基づきバッテリパックの充電を実施する(ステップS205)。
【0016】
充電中、FGIC20は、バッテリセル電圧Vcell、バッテリパック100内を流れる充電電流Ic、バッテリパック100内の温度の測定等を行う(ステップS107)。
【0017】
そして、ステップS109では、FGIC20は、ステップS107で測定したバッテリセル電圧Vcell、充電電流Ic、温度に基づき、バッテリセルが満充電状態であるか否か、及び充電中の異常を検知したか否かの判定が行われる。バッテリセルが満充電状態ではなく、異常も検知していない場合(No)、FGIC20は、ステップS107の処理を再度行う。すなわち、この場合には引き続きバッテリパック100の充電が行われる。
【0018】
一方、バッテリセルが満充電状態であるか、異常を検知した場合(Yes)、FGIC20はバッテリパック100への充電を終了させる(ステップS111)。例えば、FGIC20は、バッテリパック100への充電を終了させる充電終了信号を充電器90へ送信する。充電終了信号を受信すると、充電器90は、バッテリパック100への電力供給を停止し充電を終了させる(ステップS207)。
【0019】
図10は、充電器とバッテリセルとの間の経路インピーダンスを説明する図である。図11は、バッテリパックの充電時における出力電圧、バッテリセル電圧、出力電流を示す図である。図11(a)は従来の実際の電圧及び電流の波形を示し、図11(b)は理想的な電圧及び電流の波形を示している。
【0020】
図10に示すように、充電経路には、充電器90からバッテリパック100の端部までの経路インピーダンス(第1経路インピーダンス)Rsysと、バッテリパック100の端部からバッテリセルまでの経路インピーダンス(第2経路インピーダンス)Rpackとを含む経路インピーダンスが存在する。このため、充電経路では、経路インピーダンスRsys、Rpackによる電圧降下IR−Dropが生じる。しかし、従来の充電方法では、経路インピーダンスによる電圧降下IR−Dropが考慮されることなく指令値CVが設定されていた。このため、図11(a)に示すように、バッテリセル電圧がMaxVよりかなり低い状態の時刻T1で定電流充電から定電圧充電に移行している。定電圧充電では、出力電流が減少するため、図11(b)に示すような理想的な波形と比べて、充電時間が長くなってしまう。
【0021】
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するためのすべての図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0022】
<バッテリパックの構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係るバッテリ充電システム1の構成の一例を示す図である。図1に示すように、バッテリ充電システム1は、バッテリパック100、バッテリセル10、充電制御トランジスタ12、放電制御トランジスタ14、電流センス抵抗16、FGIC20等を備えている。
【0023】
バッテリセル10の充電時、バッテリパック100は、正側端部P1及び負側端部P2を介して充電器90と接続され、充電器90から充電用の電力が供給される。
【0024】
バッテリセル10は、やリチウムイオン電池等の二次電池で構成されている。バッテリセル10は、複数のセルで構成されてもよいし、単一のセルのみで構成されてもよい。図1には、バッテリセル10が単一のセルで構成されたものが例示されている。それぞれのセルには、セル本体と内部抵抗とが存在する。図1のVcellは、バッテリセル10の端子間電圧である。なお、以下では、Vcellをバッテリセル電圧とも呼ぶ。また、図1のCellINVは、バッテリセル10の内部電圧である。図1において、バッテリセル電圧Vcellは、内部電圧CellINVからセルの内部抵抗分だけ電圧降下した値となっている。
【0025】
充電制御トランジスタ12は、主にバッテリセル10の充電時における電流制御を行う回路素子である。充電制御トランジスタ12は、例えば、NMOS等の電界効果トランジスタで構成されている。充電制御トランジスタ12のゲートは、図1に示すように、FGIC20と接続されている。充電制御トランジスタ12は、FGIC20からのゲート電圧制御によりオン・オフが切り換えられる。
【0026】
放電制御トランジスタ14は、バッテリセル10の放電時、すなわち、図示しない負荷への電力供給時における電流制御を行う回路素子である。放電制御トランジスタ14は、NMOS等の電界効果トランジスタで構成されている。放電制御トランジスタ14のゲートは、FGIC20と接続されている。放電制御トランジスタ14は、FGIC20からのゲート電圧制御によりオン・オフが切り換えられる。
【0027】
電流センス抵抗16は、バッテリパック100内に流れる電流を検出するための回路素子である。電流センス抵抗16は、FGIC20と接続されており、FGIC20内の電流値測定部21により、電流が測定される。
【0028】
FGIC20は、図1に示すように、電流値測定部21、電圧値測定部23、温度測定部22、ROM(Read Only Memory)25、充放電制御部(制御部)27等を備えている。
【0029】
電流値測定部21は、電流センス抵抗16に流れる電流の電流値を測定する機能ブロックである。電流値測定部21は、例えば電流値測定回路及びADコンバータを備えている。電流値測定部21は、電流値測定回路で測定した電流値をADコンバータによりデジタル変換し、デジタル化された電流値を出力する。測定した電流値は、充放電制御部27における演算に用いられる。また、電流値は、ROM25に格納される。
【0030】
電圧値測定部23は、例えば、バッテリパック100の端部電圧Vpackや、バッテリセル電圧Vcell等の電圧を測定する機能ブロックである。バッテリセル10が複数のセルで構成されている場合、電圧値測定部23は、セルごとの電圧を測定してもよい。電圧値測定部23は、例えば電圧値測定回路及びADコンバータを備えている。電圧値測定部23は、電圧値測定回路で測定した電圧値をADコンバータにおいてデジタル変換し、デジタル化された電圧値を出力する。測定した電圧値は、充放電制御部27における演算に用いられる。また、電圧値は、ROM25に格納される。
(【0031】以降は省略されています)

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