電池状態計測方法及び電池状態計測装置
【課題】二次電池の残量状態を高精度に推定できる、電池状態計測装置の提供。
【解決手段】二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、二次電池の単位時間前の充電率に対応する二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部４１と、電圧検出部１０で検出される電池電圧と電圧算出部４１で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部４２と、二次電池の充放電停止時の電池電圧と電圧検出部１０で検出される電池電圧との電圧差と二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、電圧差算出部４２で算出される電圧差に対応する二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部４３と、二次電池の単位時間前の充電率と変化量算出部４３で算出される変化量とを用いて、二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部４４とを有すること。
【解決手段】二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、二次電池の単位時間前の充電率に対応する二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部４１と、電圧検出部１０で検出される電池電圧と電圧算出部４１で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部４２と、二次電池の充放電停止時の電池電圧と電圧検出部１０で検出される電池電圧との電圧差と二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、電圧差算出部４２で算出される電圧差に対応する二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部４３と、二次電池の単位時間前の充電率と変化量算出部４３で算出される変化量とを用いて、二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部４４とを有すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の状態を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、電池の開路電圧を検出して、当該電池の開路電圧対電池残量のデータと比較することによって、当該電池の電池残量を求める、電池残量演算装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１８０７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、二次電池の残量状態（残容量状態）は、電池電圧が同じでも負荷電流の大きさなどによって変動するため、上述の従来技術では、二次電池の残量状態の推定精度が低い場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、二次電池の残量状態を高精度に推定できる、電池状態計測方法及び電池状態計測装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測方法は、
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出ステップと、
前記電圧検出ステップで検出される電池電圧と前記電圧算出ステップで算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出ステップで算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出ステップとを有することを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測装置は、
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部と、
前記電圧検出部で検出される電池電圧と前記電圧算出部で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出部で算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部と、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出部で算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二次電池の残量状態を高精度に推定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。
【図２】二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣ（Relative State of Charge）と電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。
【図３】現在のＲＳＯＣの第１の算出例を示したフローチャートである。
【図４】二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。
【図５】現在のＲＳＯＣの第２の算出例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。計測回路１００は、二次電池２０１の残量状態を計測する集積回路（ＩＣ）である。二次電池２０１の具体例として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などが挙げられる。計測回路１００は、二次電池２０１から電力供給を受ける電子機器３００に内蔵されている。電子機器３００の具体例として、携帯端末（携帯電話、携帯ゲーム機、情報端末、音楽や映像の携帯プレーヤーなど）、ゲーム機、コンピュータ、ヘッドセット、カメラなどの電子機器が挙げられる。
【００１２】
二次電池２０１は、電子機器３００に内蔵又は外付けされる電池パック２００に内蔵されている。二次電池２０１は、負荷接続端子５，６を介して電子機器３００に給電し、負荷接続端子５，６に接続される不図示の充電器によって充電可能である。電池パック２００は、二次電池２０１と、二次電池２０１に電池接続端子３，４を介して接続される保護モジュール２０２とを内蔵する。保護モジュール２０２は、二次電池２０１を過電流・過充電・過放電等の異常状態から保護する保護回路２０３を備える電池保護装置である。
【００１３】
計測回路１００は、電圧検出部１０と、温度検出部２０と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）３０と、電池残量管理部４０と、メモリ５０と、通信部６０とを備えている。
【００１４】
電圧検出部１０は、二次電池２０１の両極間の電池電圧を検出し、その電圧検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。
【００１５】
温度検出部２０は、二次電池２０１の周囲温度を検出し、その温度検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。温度検出部２０は、計測回路１００又は電子機器３００の温度を、二次電池２０１の周囲温度として検出する。温度検出部２０は、二次電池２０１自体の温度を検出してもよいし、電池パック２００内の温度を検出してもよい。
【００１６】
ＡＤＣ３０は、電圧検出部１０と温度検出部２０それぞれから出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して、電池残量管理部４０に出力する。
【００１７】
電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された二次電池２０１の電池電圧と、温度検出部２０によって検出された二次電池２０１の温度と、メモリ５０に予め格納された二次電池２０１の電池特性を特定するための特性データとに基づいて、二次電池２０１の残量状態を推定する演算処理部である。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１と、電圧差算出部４２と、変化量算出部４３と、充電率算出部４４とを有している。これらの算出部についての説明は、後述する。電池残量管理部４０の具体例として、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が挙げられ、メモリ５０の具体例として、ＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能な不揮発性メモリが挙げられる。
【００１８】
通信部６０は、電子機器３００に内蔵されるＣＰＵ３０１等の制御部に対して、二次電池２０１の残量状態等の電池状態を伝送するインターフェースである。ＣＰＵ３０１等の制御部は、計測回路１００から取得した二次電池２０１の残量状態等の電池状態に基づいて、二次電池２０１の残量状態をユーザに表示するなどの所定の制御動作を実行する。
【００１９】
次に、二次電池２０１の電池特性について説明する。充放電レートの違いや環境温度の違いによって、充放電中の二次電池２０１の充電率と電池電圧との関係を示す曲線は、図２に示されるように異なっている。
【００２０】
図２は、二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。相対充電率は、そのときの温度及び電流値で、満充電状態から、ある特定の電圧（例えば、３．１Ｖ）に到達するまでに放電できる全容量を１００％としたときの残容量の割合である。曲線ａは、２５℃において充電レート０．５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｂは、１０℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｃは、２５℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示す。曲線ｅは、２５℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｆは、１０℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｇは、２５℃において放電レート０．５Ｃで放電したときの特性を示す。曲線ｄは、２５℃における開放電圧ＯＣＶの特性を示す。開放電圧ＯＣＶは、二次電池２０１の充放電が停止している時の電池電圧とみなすことが可能である。
【００２１】
図２によれば、二次電池２０１の電池電圧Ｖと開放電圧ＯＣＶとの電圧差ΔＶは、各相対充電率ＲＳＯＣにおいて、充放電レートが高いほど大きくなり、温度Ｔが低いほど大きくなる。つまり、充放電レートは、相対充電率ＲＳＯＣ毎の電圧差ΔＶ及び温度Ｔとの間に相関関係が存在する。
【００２２】
この点に着目し、計測回路１００の電池残量管理部４０は、二次電池２０１について電圧差ΔＶ及び温度Ｔを計測することによって、電圧差ΔＶ及び温度Ｔをパラメータとする関数又はテーブル等の相関情報に基づいて、充放電レート、つまり相対充電率ＲＳＯＣの単位時間当たりの変化量（増減量）を算出する。ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量が算出されれば、単位時間前のＲＳＯＣに基づいて、単位時間後のＲＳＯＣを算出することが可能となる。この算出処理を単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００２３】
電池残量管理部４０が、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖに基づいて電圧差ΔＶを算出するためには、図２の曲線ｄに相当するような電池特性データを、電圧差ΔＶの算出基準となる電池特性データ（ゼロ基準電圧曲線）として予め有している必要がある。また、電圧差ΔＶの算出値及び温度検出部２０によって検出された温度Ｔに基づいてＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出するためには、電圧差ΔＶ及び／又は温度ＴとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量との関係を定めた電池特性データを予め有している必要がある。
【００２４】
このような電池特性データは、二次電池２０１の種類毎に異なっている。そのため、計測回路１００によって電池状態が実際に計測される二次電池２０１について、各温度及び各充放電レートの条件で、図２のような充放電曲線等を予め測定することによって、電池特性データを抽出しておけばよい。抽出された電池特性データは、メモリ５０に記憶させる。メモリ５０に予め記憶された電池特性データは、電圧検出部１０によって検出される電池電圧値及び温度検出部２０によって検出される温度値とともに、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量の算出に用いられる。例えば温度Ｔが一定の場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と電圧差ΔＶは正の相関があるため、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量は電圧差ΔＶが大きくなるほど大きく算出される。
【００２５】
なお、使用条件（温度、負荷電流）や二次電池２０１の残量状態に係わらず、二次電池２０１の電池電圧Ｖが電子機器３００の動作下限電圧に到達した時点でＲＳＯＣを０％と推定するためには、各使用条件で二次電池２０１の満充電状態から電子機器３００の動作下限電圧に至るまでに放電できる容量を１００％として、図２のような充放電曲線を予め測定すればよい。
【００２６】
ここで、「電圧差ΔＶの算出値及び温度検出部２０によって検出された温度Ｔに基づいてＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出」するための関数式の一例を示す。ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量ΔＲＳＯＣは、
ΔＲＳＯＣ＝｛（係数Ａ×温度Ｔ＋係数Ｂ）×ΔＶ｝＋係数Ｃ
と表すことができる。上式は、あくまで一例であり、必要に応じて例えば２次以上の式であってよい。また、現在のＲＳＯＣ値を変数に取り入れてもよい。係数Ａ，Ｂ，Ｃが、温度Ｔに応じて変化する値でもよい。また、変数の数値の範囲に応じて、式または係数を変更してもよい。このように、二次電池２０１の種類毎に異なる電池特性等を考慮して、適当なモデル関数を選定すればよい。このような関数式の係数又はその係数を決定するための係数が、メモリ５０に予め記憶されている。
【００２７】
次に、電池残量管理部４０によるＲＳＯＣの算出例について説明する。
【００２８】
図３は、現在のＲＳＯＣの第１の算出例を示したフローチャートである。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１、電圧差算出部４２、変化量算出部４３及び充電率算出部４４を用いて、図３のフローチャートで表されるルーチンを単位時間毎に繰り返し実行する。なお、図３中に記載されたｎは、零又は零よりも大きい値である。
【００２９】
ステップＳ１０において、電池残量管理部４０は、予め決められた単位時間が経過したか否かを判断する。電池残量管理部４０は、その単位時間が経過したとき、ステップＳ１２以降の算出処理を開始する。
【００３０】
ステップＳ１２において、電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖを取得し、温度検出部２０によって検出された温度Ｔを取得する。
【００３１】
ステップＳ１４において、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ３０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の充放電停止時の電池電圧（以下、「ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、ゼロ電池電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応するゼロ基準電圧を算出する。
【００３２】
ステップＳ１６において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）よりも低いか否かを判断する。低い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄよりも低い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は放電状態であると判断する。
【００３３】
ステップＳ２６において、電圧差算出部４２は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖから（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは負の値をとる）。
【００３４】
ステップＳ２８において、変化量算出部４３は、電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ２６で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ１２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００３５】
ステップＳ１８において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）よりも高いか否かを判断する。高い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄよりも高い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は充電状態であると判断する。
【００３６】
ステップＳ２２において、電圧差算出部４２は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖから（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは正の値をとる）。
【００３７】
ステップＳ２４において、変化量算出部４３は、電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ２２で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ１２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００３８】
ステップ２０において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）よりも高く且つ（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）よりも低い場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量をゼロにする（所定値以下のゼロ近傍の微小値でもよい）。この場合は、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄ上又はその近傍の領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は無負荷状態であると判断する。
【００３９】
ステップＳ３０において、充電率算出部４４は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ３０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）とステップＳ２０，Ｓ２４，Ｓ２８のいずれかにおいて算出された単位時間当たりのＲＳＯＣの増減量とを加算することによって、現在のＲＳＯＣを算出する。
【００４０】
したがって、図３のルーチンを単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００４１】
次に、ＲＳＯＣの別の推定方法について説明する。
【００４２】
図２，３を用いてＲＳＯＣを推定する上述の方法では、電圧差ΔＶを算出するためのゼロ基準電圧曲線として、充電時も放電時も共に、図２の曲線ｄのような１本の開放電圧曲線を用いていた。しかし、充電時と放電時とでは電池に現れる特性が異なるため、図４に示されるように、充電時と放電時で別々にゼロ基準電圧曲線を持たせてもよい。
【００４３】
図４は、二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。曲線ａは、２５℃において充電レート０．５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｃは、２５℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示す。曲線ｅは、２５℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｇは、２５℃において放電レート０．５Ｃで放電したときの特性を示す。曲線ｈは、曲線ａや曲線ｃ等の充電時の電池特性から求められた、充電電流を限りなく０Ｃに近づけたときの特性を示す。曲線ｉは、曲線ｅや曲線ｇ等の放電時の電池特性から求められた、放電電流を限りなく０Ｃに近づけたときの特性を示す。曲線ｈは、充電停止時の電池特性とみなすことが可能であり、曲線ｉは、放電停止時の電池特性とみなすことが可能である。
【００４４】
ゼロ基準電圧曲線として曲線ｈと曲線ｉを採用することによって、充電レート（すなわち、充電率の単位時間当たりの増加量）及び放電レート（すなわち、充電率の単位時間当たりの減少量）を、図２の場合に比べて高精度に求めることが可能となる。
【００４５】
図５は、現在のＲＳＯＣの第２の算出例を示したフローチャートである。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１、電圧差算出部４２、変化量算出部４３及び充電率算出部４４を用いて、図５のフローチャートで表されるルーチンを単位時間毎に繰り返し実行する。
【００４６】
ステップＳ４０において、電池残量管理部４０は、予め決められた単位時間が経過したか否かを判断する。電池残量管理部４０は、その単位時間が経過したとき、ステップＳ４２以降の算出処理を開始する。
【００４７】
ステップＳ４２において、電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖを取得し、温度検出部２０によって検出された温度Ｔを取得する。
【００４８】
ステップＳ４４において、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の充電停止時の電池電圧（以下、「充電ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、充電ゼロ基準電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応する充電ゼロ基準電圧を算出する。同様に、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の放電停止時の電池電圧（以下、「放電ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、放電ゼロ基準電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応する放電ゼロ基準電圧を算出する。
【００４９】
ステップＳ４６において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖがステップ４４で取得された放電ゼロ基準電圧よりも低いか否かを判断する。低い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｉよりも低い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は放電状態であると判断する。
【００５０】
ステップＳ５６において、電圧差算出部４２は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖからステップ４４で取得された放電ゼロ基準電圧を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは負の値をとる）。
【００５１】
ステップＳ５８において、変化量算出部４３は、電池電圧と放電ゼロ基準電圧との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ５６で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ４２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００５２】
ステップＳ４８において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖがステップ４４で取得された充電ゼロ基準電圧よりも高いか否かを判断する。高い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｈよりも高い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は充電状態であると判断する。
【００５３】
ステップＳ５２において、電圧差算出部４２は、ステップＳ４２で取得された電池電圧ＶからステップＳ４４で算出された充電ゼロ基準電圧を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは正の値をとる）。
【００５４】
ステップＳ５４において、変化量算出部４３は、電池電圧と充電ゼロ基準電圧との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ５２で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ４２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００５５】
ステップ５０において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧ＶがステップＳ４４で算出された放電ゼロ基準電圧よりも高く且つステップＳ４４で算出された充電ゼロ基準電圧よりも低い場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量をゼロにする（所定値以下のゼロ近傍の微小値でもよい）。この場合は、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｉと曲線ｈの間の領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は無負荷状態であると判断する。
【００５６】
ステップＳ６０において、充電率算出部４４は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）とステップＳ５０，Ｓ５４，Ｓ５８のいずれかにおいて算出された単位時間当たりのＲＳＯＣの増減量とを加算することによって、現在のＲＳＯＣを算出する。
【００５７】
したがって、図５のルーチンを単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００５８】
なお、図３，５において、パワーオン直後のＲＳＯＣの初期値を求める方法は、無負荷時の電池電圧（例えば、開放電圧）とＲＳＯＣとを一対一で対応付けた曲線を表す関数又はテーブルを用いて、電圧検出部１０によって検出された電池電圧をＲＳＯＣ値に変換して算出するとよい。
【００５９】
上述の実施例によれば、以下のような効果が得られる。
１．現在の相対充電率と電池電圧値との関係から、電池の状態を充電中・無負荷・放電中の３種類のいずれかの状態であると判断できる。
２．現在の相対充電率と電池電圧値と温度の関係から、相対充電率の単位時間当たりのの増減量を算出し、単位時間後の相対充電率を予測し、これを単位時間毎に繰り返すことで常にそのときの相対充電率を推定することができる。
３．充電時と放電時で、現在の相対充電率から得られるゼロ基準電圧等の電池特性データを別々に持つことで、より高精度に相対充電率を推定することができる。
４．無負荷と判断する電池電圧にある程度の範囲を持たせることで、充放電停止後の電圧復帰に伴う相対充電率の変動を抑制することができる。
５．あらゆる使用条件（温度、負荷電流）においても、放電中の電池電圧が所定の電圧値に到達した時点で相対充電率が０％になるように推定することで、使用条件に係わらず常に電池使用機器が動作下限電圧に至るまでの相対充電率を推定することができる。
【００６０】
このように、二次電池の現在の相対充電率と電池電圧と温度との関係に基づき、電池特性データを用いて、相対充電率の単位時間当たりの増減量を算出することで、様々な実使用条件下で高精度にかつ連続性のある相対充電率を推定することが可能となる。
【００６１】
また、
６．放電中の相対充電率の推定値が実際より高めにずれている場合は、放電レートの算出値も実際より高めに推定され、放電中の相対充電率の推定値が実際より低めにずれている場合は、放電レートの算出値も実際より低めに推定されるため、推定誤差は減少方向に収束する。
７．同様に、充電中の相対充電率の推定値が実際より高めにずれている場合は、充電レートの算出値は実際より低めに推定され、充電中の相対充電率の推定値が実際より低めにずれている場合は、充電レートの算出値は実際より高めに推定されるため、推定誤差は減少方向に収束する。
【００６２】
このように、実際の様々な使用状態（多様な充放電の繰り返し）においても、推定誤差は発散することはなく、減少方向に収束する。
【００６３】
また、
８． 推定されたＲＳＯＣとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量ΔＲＳＯＣ［％／ｓ]を用いて、次の式から残時間［ｓ]を求めることができる
残時間［ｓ]＝ＲＳＯＣ［％］÷ΔＲＳＯＣ［％／ｓ]。
【００６４】
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、改良及び置換を加えることができる。
【００６５】
例えば、本発明に係る電池状態計測装置は、二次電池２０１で動作する電子機器３００内の基板上に搭載される場合に限らない。例えば、電池パック３００の保護モジュール２０２の基板上に搭載されてもよい。また、本発明に係る電池状態計測方法は、電子機器３００内のＣＰＵ３０１によって処理されるソフトウェアに組み込まれてもよい。
【００６６】
また、本発明は、相対充電率に限らず、絶対充電率を推定してもよい。絶対充電率は、特定の温度および電流値（例えば２５℃、０．２Ｃ）で、満充電状態から、ある特定の電圧（例えば、３．１Ｖ）に到達するまでに放電できる全容量を１００％としたときの残容量の割合である。
【００６７】
また、温度Ｔを考慮せずに、充電率の単位時間当たりの増減量を算出してもよい。例えば、変化量算出部４３は、電池電圧と放電ゼロ基準電圧（又は、充電ゼロ基準電圧）との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量との関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、電圧差ΔＶに対応するＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 温度検出部
２０ 電圧検出部
３０ ＡＤＣ
４０ 電池残量管理部
４１ 電圧算出部
４２ 電圧差算出部
４３ 変化量算出部
４４ 充電率算出部
５０ メモリ
６０ 通信部
１００ 計測回路
２００ 電池パック
２０１ 二次電池
２０２ 保護モジュール
２０３ 保護回路
３００ 電子機器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の状態を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、電池の開路電圧を検出して、当該電池の開路電圧対電池残量のデータと比較することによって、当該電池の電池残量を求める、電池残量演算装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１８０７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、二次電池の残量状態（残容量状態）は、電池電圧が同じでも負荷電流の大きさなどによって変動するため、上述の従来技術では、二次電池の残量状態の推定精度が低い場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、二次電池の残量状態を高精度に推定できる、電池状態計測方法及び電池状態計測装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測方法は、
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出ステップと、
前記電圧検出ステップで検出される電池電圧と前記電圧算出ステップで算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出ステップで算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出ステップとを有することを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池状態計測装置は、
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部と、
前記電圧検出部で検出される電池電圧と前記電圧算出部で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出部で算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部と、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出部で算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二次電池の残量状態を高精度に推定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。
【図２】二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣ（Relative State of Charge）と電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。
【図３】現在のＲＳＯＣの第１の算出例を示したフローチャートである。
【図４】二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。
【図５】現在のＲＳＯＣの第２の算出例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明に係る電池状態計測装置の一実施形態である計測回路１００の構成を示したブロック図である。計測回路１００は、二次電池２０１の残量状態を計測する集積回路（ＩＣ）である。二次電池２０１の具体例として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などが挙げられる。計測回路１００は、二次電池２０１から電力供給を受ける電子機器３００に内蔵されている。電子機器３００の具体例として、携帯端末（携帯電話、携帯ゲーム機、情報端末、音楽や映像の携帯プレーヤーなど）、ゲーム機、コンピュータ、ヘッドセット、カメラなどの電子機器が挙げられる。
【００１２】
二次電池２０１は、電子機器３００に内蔵又は外付けされる電池パック２００に内蔵されている。二次電池２０１は、負荷接続端子５，６を介して電子機器３００に給電し、負荷接続端子５，６に接続される不図示の充電器によって充電可能である。電池パック２００は、二次電池２０１と、二次電池２０１に電池接続端子３，４を介して接続される保護モジュール２０２とを内蔵する。保護モジュール２０２は、二次電池２０１を過電流・過充電・過放電等の異常状態から保護する保護回路２０３を備える電池保護装置である。
【００１３】
計測回路１００は、電圧検出部１０と、温度検出部２０と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）３０と、電池残量管理部４０と、メモリ５０と、通信部６０とを備えている。
【００１４】
電圧検出部１０は、二次電池２０１の両極間の電池電圧を検出し、その電圧検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。
【００１５】
温度検出部２０は、二次電池２０１の周囲温度を検出し、その温度検出値に応じたアナログ電圧をＡＤＣ３０に出力する。温度検出部２０は、計測回路１００又は電子機器３００の温度を、二次電池２０１の周囲温度として検出する。温度検出部２０は、二次電池２０１自体の温度を検出してもよいし、電池パック２００内の温度を検出してもよい。
【００１６】
ＡＤＣ３０は、電圧検出部１０と温度検出部２０それぞれから出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して、電池残量管理部４０に出力する。
【００１７】
電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された二次電池２０１の電池電圧と、温度検出部２０によって検出された二次電池２０１の温度と、メモリ５０に予め格納された二次電池２０１の電池特性を特定するための特性データとに基づいて、二次電池２０１の残量状態を推定する演算処理部である。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１と、電圧差算出部４２と、変化量算出部４３と、充電率算出部４４とを有している。これらの算出部についての説明は、後述する。電池残量管理部４０の具体例として、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が挙げられ、メモリ５０の具体例として、ＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能な不揮発性メモリが挙げられる。
【００１８】
通信部６０は、電子機器３００に内蔵されるＣＰＵ３０１等の制御部に対して、二次電池２０１の残量状態等の電池状態を伝送するインターフェースである。ＣＰＵ３０１等の制御部は、計測回路１００から取得した二次電池２０１の残量状態等の電池状態に基づいて、二次電池２０１の残量状態をユーザに表示するなどの所定の制御動作を実行する。
【００１９】
次に、二次電池２０１の電池特性について説明する。充放電レートの違いや環境温度の違いによって、充放電中の二次電池２０１の充電率と電池電圧との関係を示す曲線は、図２に示されるように異なっている。
【００２０】
図２は、二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。相対充電率は、そのときの温度及び電流値で、満充電状態から、ある特定の電圧（例えば、３．１Ｖ）に到達するまでに放電できる全容量を１００％としたときの残容量の割合である。曲線ａは、２５℃において充電レート０．５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｂは、１０℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｃは、２５℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示す。曲線ｅは、２５℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｆは、１０℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｇは、２５℃において放電レート０．５Ｃで放電したときの特性を示す。曲線ｄは、２５℃における開放電圧ＯＣＶの特性を示す。開放電圧ＯＣＶは、二次電池２０１の充放電が停止している時の電池電圧とみなすことが可能である。
【００２１】
図２によれば、二次電池２０１の電池電圧Ｖと開放電圧ＯＣＶとの電圧差ΔＶは、各相対充電率ＲＳＯＣにおいて、充放電レートが高いほど大きくなり、温度Ｔが低いほど大きくなる。つまり、充放電レートは、相対充電率ＲＳＯＣ毎の電圧差ΔＶ及び温度Ｔとの間に相関関係が存在する。
【００２２】
この点に着目し、計測回路１００の電池残量管理部４０は、二次電池２０１について電圧差ΔＶ及び温度Ｔを計測することによって、電圧差ΔＶ及び温度Ｔをパラメータとする関数又はテーブル等の相関情報に基づいて、充放電レート、つまり相対充電率ＲＳＯＣの単位時間当たりの変化量（増減量）を算出する。ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量が算出されれば、単位時間前のＲＳＯＣに基づいて、単位時間後のＲＳＯＣを算出することが可能となる。この算出処理を単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００２３】
電池残量管理部４０が、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖに基づいて電圧差ΔＶを算出するためには、図２の曲線ｄに相当するような電池特性データを、電圧差ΔＶの算出基準となる電池特性データ（ゼロ基準電圧曲線）として予め有している必要がある。また、電圧差ΔＶの算出値及び温度検出部２０によって検出された温度Ｔに基づいてＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出するためには、電圧差ΔＶ及び／又は温度ＴとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量との関係を定めた電池特性データを予め有している必要がある。
【００２４】
このような電池特性データは、二次電池２０１の種類毎に異なっている。そのため、計測回路１００によって電池状態が実際に計測される二次電池２０１について、各温度及び各充放電レートの条件で、図２のような充放電曲線等を予め測定することによって、電池特性データを抽出しておけばよい。抽出された電池特性データは、メモリ５０に記憶させる。メモリ５０に予め記憶された電池特性データは、電圧検出部１０によって検出される電池電圧値及び温度検出部２０によって検出される温度値とともに、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量の算出に用いられる。例えば温度Ｔが一定の場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と電圧差ΔＶは正の相関があるため、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量は電圧差ΔＶが大きくなるほど大きく算出される。
【００２５】
なお、使用条件（温度、負荷電流）や二次電池２０１の残量状態に係わらず、二次電池２０１の電池電圧Ｖが電子機器３００の動作下限電圧に到達した時点でＲＳＯＣを０％と推定するためには、各使用条件で二次電池２０１の満充電状態から電子機器３００の動作下限電圧に至るまでに放電できる容量を１００％として、図２のような充放電曲線を予め測定すればよい。
【００２６】
ここで、「電圧差ΔＶの算出値及び温度検出部２０によって検出された温度Ｔに基づいてＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出」するための関数式の一例を示す。ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量ΔＲＳＯＣは、
ΔＲＳＯＣ＝｛（係数Ａ×温度Ｔ＋係数Ｂ）×ΔＶ｝＋係数Ｃ
と表すことができる。上式は、あくまで一例であり、必要に応じて例えば２次以上の式であってよい。また、現在のＲＳＯＣ値を変数に取り入れてもよい。係数Ａ，Ｂ，Ｃが、温度Ｔに応じて変化する値でもよい。また、変数の数値の範囲に応じて、式または係数を変更してもよい。このように、二次電池２０１の種類毎に異なる電池特性等を考慮して、適当なモデル関数を選定すればよい。このような関数式の係数又はその係数を決定するための係数が、メモリ５０に予め記憶されている。
【００２７】
次に、電池残量管理部４０によるＲＳＯＣの算出例について説明する。
【００２８】
図３は、現在のＲＳＯＣの第１の算出例を示したフローチャートである。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１、電圧差算出部４２、変化量算出部４３及び充電率算出部４４を用いて、図３のフローチャートで表されるルーチンを単位時間毎に繰り返し実行する。なお、図３中に記載されたｎは、零又は零よりも大きい値である。
【００２９】
ステップＳ１０において、電池残量管理部４０は、予め決められた単位時間が経過したか否かを判断する。電池残量管理部４０は、その単位時間が経過したとき、ステップＳ１２以降の算出処理を開始する。
【００３０】
ステップＳ１２において、電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖを取得し、温度検出部２０によって検出された温度Ｔを取得する。
【００３１】
ステップＳ１４において、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ３０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の充放電停止時の電池電圧（以下、「ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、ゼロ電池電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応するゼロ基準電圧を算出する。
【００３２】
ステップＳ１６において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）よりも低いか否かを判断する。低い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄよりも低い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は放電状態であると判断する。
【００３３】
ステップＳ２６において、電圧差算出部４２は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖから（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは負の値をとる）。
【００３４】
ステップＳ２８において、変化量算出部４３は、電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ２６で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ１２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００３５】
ステップＳ１８において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）よりも高いか否かを判断する。高い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄよりも高い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は充電状態であると判断する。
【００３６】
ステップＳ２２において、電圧差算出部４２は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖから（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは正の値をとる）。
【００３７】
ステップＳ２４において、変化量算出部４３は、電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ２２で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ１２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００３８】
ステップ２０において、電池残量管理部４０は、ステップＳ１２で取得された電池電圧Ｖが（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧−ｎ）よりも高く且つ（ステップＳ１４で算出されたゼロ基準電圧＋ｎ）よりも低い場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量をゼロにする（所定値以下のゼロ近傍の微小値でもよい）。この場合は、二次電池２０１の現在の状態が図２の曲線ｄ上又はその近傍の領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は無負荷状態であると判断する。
【００３９】
ステップＳ３０において、充電率算出部４４は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ３０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）とステップＳ２０，Ｓ２４，Ｓ２８のいずれかにおいて算出された単位時間当たりのＲＳＯＣの増減量とを加算することによって、現在のＲＳＯＣを算出する。
【００４０】
したがって、図３のルーチンを単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００４１】
次に、ＲＳＯＣの別の推定方法について説明する。
【００４２】
図２，３を用いてＲＳＯＣを推定する上述の方法では、電圧差ΔＶを算出するためのゼロ基準電圧曲線として、充電時も放電時も共に、図２の曲線ｄのような１本の開放電圧曲線を用いていた。しかし、充電時と放電時とでは電池に現れる特性が異なるため、図４に示されるように、充電時と放電時で別々にゼロ基準電圧曲線を持たせてもよい。
【００４３】
図４は、二次電池２０１の充電時及び放電時の相対充電率ＲＳＯＣと電池電圧Ｖとの関係を示した電池特性のグラフである。曲線ａは、２５℃において充電レート０．５Ｃで充電したときの特性を示し、曲線ｃは、２５℃において充電レート０．２５Ｃで充電したときの特性を示す。曲線ｅは、２５℃において放電レート０．２５Ｃで放電したときの特性を示し、曲線ｇは、２５℃において放電レート０．５Ｃで放電したときの特性を示す。曲線ｈは、曲線ａや曲線ｃ等の充電時の電池特性から求められた、充電電流を限りなく０Ｃに近づけたときの特性を示す。曲線ｉは、曲線ｅや曲線ｇ等の放電時の電池特性から求められた、放電電流を限りなく０Ｃに近づけたときの特性を示す。曲線ｈは、充電停止時の電池特性とみなすことが可能であり、曲線ｉは、放電停止時の電池特性とみなすことが可能である。
【００４４】
ゼロ基準電圧曲線として曲線ｈと曲線ｉを採用することによって、充電レート（すなわち、充電率の単位時間当たりの増加量）及び放電レート（すなわち、充電率の単位時間当たりの減少量）を、図２の場合に比べて高精度に求めることが可能となる。
【００４５】
図５は、現在のＲＳＯＣの第２の算出例を示したフローチャートである。電池残量管理部４０は、電圧算出部４１、電圧差算出部４２、変化量算出部４３及び充電率算出部４４を用いて、図５のフローチャートで表されるルーチンを単位時間毎に繰り返し実行する。
【００４６】
ステップＳ４０において、電池残量管理部４０は、予め決められた単位時間が経過したか否かを判断する。電池残量管理部４０は、その単位時間が経過したとき、ステップＳ４２以降の算出処理を開始する。
【００４７】
ステップＳ４２において、電池残量管理部４０は、電圧検出部１０によって検出された電池電圧Ｖを取得し、温度検出部２０によって検出された温度Ｔを取得する。
【００４８】
ステップＳ４４において、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の充電停止時の電池電圧（以下、「充電ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、充電ゼロ基準電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応する充電ゼロ基準電圧を算出する。同様に、電圧算出部４１は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）から、二次電池２０１の放電停止時の電池電圧（以下、「放電ゼロ基準電圧」という）を算出する。電圧算出部４１は、放電ゼロ基準電圧とＲＳＯＣとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、単位時間前のＲＳＯＣに対応する放電ゼロ基準電圧を算出する。
【００４９】
ステップＳ４６において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖがステップ４４で取得された放電ゼロ基準電圧よりも低いか否かを判断する。低い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｉよりも低い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は放電状態であると判断する。
【００５０】
ステップＳ５６において、電圧差算出部４２は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖからステップ４４で取得された放電ゼロ基準電圧を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは負の値をとる）。
【００５１】
ステップＳ５８において、変化量算出部４３は、電池電圧と放電ゼロ基準電圧との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ５６で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ４２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００５２】
ステップＳ４８において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧Ｖがステップ４４で取得された充電ゼロ基準電圧よりも高いか否かを判断する。高い場合には、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｈよりも高い領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は充電状態であると判断する。
【００５３】
ステップＳ５２において、電圧差算出部４２は、ステップＳ４２で取得された電池電圧ＶからステップＳ４４で算出された充電ゼロ基準電圧を減算することによって、電圧差ΔＶを算出する（ここでは、電圧差ΔＶは正の値をとる）。
【００５４】
ステップＳ５４において、変化量算出部４３は、電池電圧と充電ゼロ基準電圧との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量と温度Ｔとの関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、ステップＳ５２で算出された電圧差ΔＶ及びステップＳ４２で取得された温度Ｔに対応する、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【００５５】
ステップ５０において、電池残量管理部４０は、ステップＳ４２で取得された電池電圧ＶがステップＳ４４で算出された放電ゼロ基準電圧よりも高く且つステップＳ４４で算出された充電ゼロ基準電圧よりも低い場合、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量をゼロにする（所定値以下のゼロ近傍の微小値でもよい）。この場合は、二次電池２０１の現在の状態が図４の曲線ｉと曲線ｈの間の領域に存在することを意味するので、電池残量管理部４０は、二次電池２０１は無負荷状態であると判断する。
【００５６】
ステップＳ６０において、充電率算出部４４は、単位時間前のＲＳＯＣ（前回のルーチンのステップ６０で算出された現在のＲＳＯＣに相当）とステップＳ５０，Ｓ５４，Ｓ５８のいずれかにおいて算出された単位時間当たりのＲＳＯＣの増減量とを加算することによって、現在のＲＳＯＣを算出する。
【００５７】
したがって、図５のルーチンを単位時間毎に繰り返すことで、高精度で連続性のあるＲＳＯＣを推定することができる。
【００５８】
なお、図３，５において、パワーオン直後のＲＳＯＣの初期値を求める方法は、無負荷時の電池電圧（例えば、開放電圧）とＲＳＯＣとを一対一で対応付けた曲線を表す関数又はテーブルを用いて、電圧検出部１０によって検出された電池電圧をＲＳＯＣ値に変換して算出するとよい。
【００５９】
上述の実施例によれば、以下のような効果が得られる。
１．現在の相対充電率と電池電圧値との関係から、電池の状態を充電中・無負荷・放電中の３種類のいずれかの状態であると判断できる。
２．現在の相対充電率と電池電圧値と温度の関係から、相対充電率の単位時間当たりのの増減量を算出し、単位時間後の相対充電率を予測し、これを単位時間毎に繰り返すことで常にそのときの相対充電率を推定することができる。
３．充電時と放電時で、現在の相対充電率から得られるゼロ基準電圧等の電池特性データを別々に持つことで、より高精度に相対充電率を推定することができる。
４．無負荷と判断する電池電圧にある程度の範囲を持たせることで、充放電停止後の電圧復帰に伴う相対充電率の変動を抑制することができる。
５．あらゆる使用条件（温度、負荷電流）においても、放電中の電池電圧が所定の電圧値に到達した時点で相対充電率が０％になるように推定することで、使用条件に係わらず常に電池使用機器が動作下限電圧に至るまでの相対充電率を推定することができる。
【００６０】
このように、二次電池の現在の相対充電率と電池電圧と温度との関係に基づき、電池特性データを用いて、相対充電率の単位時間当たりの増減量を算出することで、様々な実使用条件下で高精度にかつ連続性のある相対充電率を推定することが可能となる。
【００６１】
また、
６．放電中の相対充電率の推定値が実際より高めにずれている場合は、放電レートの算出値も実際より高めに推定され、放電中の相対充電率の推定値が実際より低めにずれている場合は、放電レートの算出値も実際より低めに推定されるため、推定誤差は減少方向に収束する。
７．同様に、充電中の相対充電率の推定値が実際より高めにずれている場合は、充電レートの算出値は実際より低めに推定され、充電中の相対充電率の推定値が実際より低めにずれている場合は、充電レートの算出値は実際より高めに推定されるため、推定誤差は減少方向に収束する。
【００６２】
このように、実際の様々な使用状態（多様な充放電の繰り返し）においても、推定誤差は発散することはなく、減少方向に収束する。
【００６３】
また、
８． 推定されたＲＳＯＣとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量ΔＲＳＯＣ［％／ｓ]を用いて、次の式から残時間［ｓ]を求めることができる
残時間［ｓ]＝ＲＳＯＣ［％］÷ΔＲＳＯＣ［％／ｓ]。
【００６４】
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、改良及び置換を加えることができる。
【００６５】
例えば、本発明に係る電池状態計測装置は、二次電池２０１で動作する電子機器３００内の基板上に搭載される場合に限らない。例えば、電池パック３００の保護モジュール２０２の基板上に搭載されてもよい。また、本発明に係る電池状態計測方法は、電子機器３００内のＣＰＵ３０１によって処理されるソフトウェアに組み込まれてもよい。
【００６６】
また、本発明は、相対充電率に限らず、絶対充電率を推定してもよい。絶対充電率は、特定の温度および電流値（例えば２５℃、０．２Ｃ）で、満充電状態から、ある特定の電圧（例えば、３．１Ｖ）に到達するまでに放電できる全容量を１００％としたときの残容量の割合である。
【００６７】
また、温度Ｔを考慮せずに、充電率の単位時間当たりの増減量を算出してもよい。例えば、変化量算出部４３は、電池電圧と放電ゼロ基準電圧（又は、充電ゼロ基準電圧）との電圧差ΔＶとＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量との関係を定めた電池特性データをメモリ５０から読み出し、その読み出した電池特性データに基づき、ＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。変化量算出部４３は、その電池特性データに基づいて、電圧差ΔＶに対応するＲＳＯＣの単位時間当たりの増減量を算出する。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 温度検出部
２０ 電圧検出部
３０ ＡＤＣ
４０ 電池残量管理部
４１ 電圧算出部
４２ 電圧差算出部
４３ 変化量算出部
４４ 充電率算出部
５０ メモリ
６０ 通信部
１００ 計測回路
２００ 電池パック
２０１ 二次電池
２０２ 保護モジュール
２０３ 保護回路
３００ 電子機器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出ステップと、
前記電圧検出ステップで検出される電池電圧と前記電圧算出ステップで算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出ステップで算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出ステップとを有する、電池状態計測方法。
【請求項２】
前記第１の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第３の電池特性と、前記二次電池の放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第４の電池特性とを含み、
前記電圧算出ステップは、
前記第３の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充電停止時の電池電圧を算出し、
前記第４の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の放電停止時の電池電圧を算出する、請求項１に記載の電池状態計測方法。
【請求項３】
前記第２の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第５の電池特性と、
前記二次電池の放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第６の電池特性とを含み、
前記変化量算出ステップは、
前記第５の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出し、
前記第６の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項２に記載の電池状態計測方法。
【請求項４】
前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップを有し、
前記第２の電池特性は、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めるものであって、
前記変化量算出ステップは、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項１又は２に記載の電池状態計測方法。
【請求項５】
前記第２の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めた第７の電池特性と、
前記二次電池の放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めた第８の電池特性とを含み、
前記変化量算出ステップは、
前記第７の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出し、
前記第８の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項４に記載の電池状態計測方法。
【請求項６】
前記電圧検出ステップと前記電圧算出ステップと前記電圧差算出ステップと前記変化量算出ステップと前記充電率算出ステップとを含むルーチンを単位時間毎に繰り返す、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池状態計測方法。
【請求項７】
前記温度検出ステップと前記電圧検出ステップと前記電圧算出ステップと前記電圧差算出ステップと前記変化量算出ステップと前記充電率算出ステップとを含むルーチンを単位時間毎に繰り返す、請求項４又は５に記載の電池状態計測方法。
【請求項８】
前記変化量算出ステップは、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差が所定の電圧差以下の場合、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を所定値以下の値にする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池状態計測方法。
【請求項９】
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部と、
前記電圧検出部で検出される電池電圧と前記電圧算出部で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出部で算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部と、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出部で算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部とを有する、電池状態計測装置。
【請求項１０】
前記二次電池の温度を検出する温度検出部を有し、
前記第２の電池特性は、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めるものであって、
前記変化量算出部は、前記電圧差算出部で算出される電圧差と前記温度検出部で検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項９に記載の電池状態計測装置。
【請求項１１】
前記二次電池を保護する保護回路と、請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置とを備える、電池保護装置。
【請求項１２】
前記二次電池と、請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置とを備える、電池パック。
【請求項１３】
請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置を備える、前記二次電池を電源とする機器。
【請求項１】
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出ステップと、
前記電圧検出ステップで検出される電池電圧と前記電圧算出ステップで算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出ステップで算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出ステップとを有する、電池状態計測方法。
【請求項２】
前記第１の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第３の電池特性と、前記二次電池の放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第４の電池特性とを含み、
前記電圧算出ステップは、
前記第３の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充電停止時の電池電圧を算出し、
前記第４の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の放電停止時の電池電圧を算出する、請求項１に記載の電池状態計測方法。
【請求項３】
前記第２の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第５の電池特性と、
前記二次電池の放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第６の電池特性とを含み、
前記変化量算出ステップは、
前記第５の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出し、
前記第６の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項２に記載の電池状態計測方法。
【請求項４】
前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップを有し、
前記第２の電池特性は、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めるものであって、
前記変化量算出ステップは、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項１又は２に記載の電池状態計測方法。
【請求項５】
前記第２の電池特性は、
前記二次電池の充電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めた第７の電池特性と、
前記二次電池の放電停止時の電池電圧と前記電圧検出ステップで検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めた第８の電池特性とを含み、
前記変化量算出ステップは、
前記第７の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出し、
前記第８の電池特性に基づき、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差と前記温度検出ステップで検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項４に記載の電池状態計測方法。
【請求項６】
前記電圧検出ステップと前記電圧算出ステップと前記電圧差算出ステップと前記変化量算出ステップと前記充電率算出ステップとを含むルーチンを単位時間毎に繰り返す、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池状態計測方法。
【請求項７】
前記温度検出ステップと前記電圧検出ステップと前記電圧算出ステップと前記電圧差算出ステップと前記変化量算出ステップと前記充電率算出ステップとを含むルーチンを単位時間毎に繰り返す、請求項４又は５に記載の電池状態計測方法。
【請求項８】
前記変化量算出ステップは、前記電圧差算出ステップで算出される電圧差が所定の電圧差以下の場合、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を所定値以下の値にする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池状態計測方法。
【請求項９】
二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と充電率との関係を定めた第１の電池特性に基づき、前記二次電池の単位時間前の充電率に対応する、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧を算出する電圧算出部と、
前記電圧検出部で検出される電池電圧と前記電圧算出部で算出される電池電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量との関係を定めた第２の電池特性に基づき、前記電圧差算出部で算出される電圧差に対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する変化量算出部と、
前記二次電池の単位時間前の充電率と前記変化量算出部で算出される変化量とを用いて、前記二次電池の単位時間後の充電率を算出する充電率算出部とを有する、電池状態計測装置。
【請求項１０】
前記二次電池の温度を検出する温度検出部を有し、
前記第２の電池特性は、前記二次電池の充放電停止時の電池電圧と前記電圧検出部で検出される電池電圧との電圧差と、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量と、前記二次電池の温度との関係を定めるものであって、
前記変化量算出部は、前記電圧差算出部で算出される電圧差と前記温度検出部で検出される温度とに対応する、前記二次電池の充電率の単位時間当たりの変化量を算出する、請求項９に記載の電池状態計測装置。
【請求項１１】
前記二次電池を保護する保護回路と、請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置とを備える、電池保護装置。
【請求項１２】
前記二次電池と、請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置とを備える、電池パック。
【請求項１３】
請求項９又は１０に記載の電池状態計測装置を備える、前記二次電池を電源とする機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７６５８５（Ｐ２０１３−７６５８５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１５６０３（Ｐ２０１１−２１５６０３）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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