JP2000500320A - 蓄電池式電気的装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 再充電可能な蓄電池パック（３）及び切換自在の電圧ドレイン（５，７）を具えており、蓄電池パック（３）が直列接続される個々のセル（31）から成る集合Ｓを包含し、この集合Ｓの集合数Ｎが２よりも大きく、各セルが：公称電圧Ｖ_batと；最小許容電圧値Ｖ_minと；セル（31）の放電を終了させるのが望ましい電圧値Ｖ_endとによって特徴づけられる蓄電池式電気的装置であって、前記集合Ｓを集合数ｎ_iから成る相対的に排反の多数の部分集合ｓ_iに分け、ここに０≦ｎ_i＜Ｎとし、少なくとも１つの集合数ｎ_iを１よりも大きくし、且つ全ての集合数ｎ_iの和をＮに等しくし；ｎが：ｎ＜（Ｖ_bat−Ｖ_min）／（Ｖ_bat−Ｖ_end）なる関係を満足する最大の自然数であるとする場合に、ｎ_i≦ｎとし；前記電気的装置が、各部分集合ｓ_i間の直列電圧Ｖ_iを測定し、且ついずれの部分集合ｓ_iにおいてもＶ_i≦ｎ_i×Ｖ_endなる条件が満足される場合に前記切換自在の電圧ドレイン（５，７）を遮断する手段（９）を具えるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 蓄電池式電気的装置 本発明は、再充電可能な蓄電池パック及び切換自在の電圧ドレインを具えてお り、前記蓄電池パックが直列接続される個々のセルの集合Ｓを具え、この集合Ｓ の集合数Ｎが２よりも大きく、各セルが： − 公称電圧Ｖ_batと； − 最小許容電圧値Ｖ_minと； − セルの放電を終了させるのが望ましい電圧値Ｖ_endと； によって特徴づけられる蓄電池式電気的装置に関するものである。 「集合数」とは或る集合における要素の数、この場合には集合Ｓにおけるセル の数のことである。「公称電圧」とはセルに負荷がかかる場合に、このセルの両 端間における（定格）電圧（「蓄電池の極電圧」）のことであり、これは特にセ ルの放電曲線の平坦域における平均電圧のことである。或る所定の用途に対する Ｖ_minの値は、いずれの状況のもとでも、蓄電池パックにおける最弱のセルをこ れ以上放電させるべきではないと選定した電圧レベルのことである。或る所定の 用途に対するＶ_endの値は、この値以下のセルのさらなる放電は、残存するセル 電圧が装置を満足に作動させるのに不十分であるから、使用に供さなくなると選 定した電圧レベルのことである。 斯種の装置は日常の体験から周知のものであり、例えば電動工具、ビデオカメ ラ、小形の真空掃除機、ラップトップ形のコンピュータ、電子ノートブック、携 帯式のミュージックソース、懐中電灯、移動通信装置等がある。このような装置 は通常普通のセルの公称電圧（例えば、１．２５Ｖ）よりも高い定格電圧で作動 させるべく設計されているから、これらの装置は直列に接続した斯様なセル（即 ち、蓄電池パック）からそれ相当の電力を取り出さなければならない。 多くの市販の蓄電池式の装置は電圧ドレイン（例えば、モータ、ランプ、電気 回路等）を収容しており、これらは蓄電池パックの残留電圧が最早装置を作動さ せるのに十分でなくなるまで蓄電池パックから電力を絶えず引き出すだけであり 、 この場合にオペレータは装置をさらに使用する前に蓄電池パックを再充電するこ とを予期しなければならない。しかし、斯様な使い尽くしの枯渇使用は、或る所 定点を越えるセルの放電がこれらのセル内に撤回不能な化学反応を発生させ、こ れがセルの動作にダメージを与えることになるから、結局は蓄電池パックの動作 に有害となり得ることが一般に知られている。このために、蓄電池パックの電力 が枯渇する前の適当な時点に電圧ドレインへの電力の送給を遮断して、その後装 置を使用する前に蓄電池パックを再充電するのが一般に望ましい。 斯かる電力を遮断する１つの方法は、セルの放電を終了させるのが望ましい電 圧値Ｖ_endを選定し、蓄電池パック間の電圧Ｖ_packを絶えず測定し、Ｖ_pack＝Ｎ ×Ｖ_end（カットオフ・モニタリング）となったら、直ちに電圧ドレインへの電 力を遮断する方法である。しかし、このような方法では、蓄電池パックが弱いセ ルを包含している場合に、上述したカットオフ処理を行なうにも拘らず、斯様な 弱いセルが依然として過放電されてしまうと云う問題がある。例えば、Ｎ＝５、 Ｖ_bat＝１．２５Ｖ、Ｖ_min＝０Ｖ及びＶ_end＝０．９Ｖの場合には、Ｎ×Ｖ_end＝ ４．５Ｖとなる。しかし、セルの１つが空で、他の４つのセル電圧が十分な場合 には、最初はＶ_pack＝４×１．２５Ｖ＋０Ｖ＝５Ｖであり、これはＮ×Ｖ_end（ ＝４．５Ｖ）よりも大きいため、電力の遮断がまだ生じることはない。こうした 状況下では、蓄電池パックにおけるセルの１つが既に完全に放電しているにも拘 らず、蓄電池パックは放電し続けることになる。これは一般に弱いセルに撤回で きないダメージを与えることになり、この弱いセルをなおさら弱体化することに なる。 他の方法は各セルを個々にモニタし、いずれかのセル間の電圧がＶ_endに達し たら直ぐに電圧ドレインへの給電を遮断する方法である。しかし、この方法は、 特に蓄電池パックが比較的多数のＮ個（例えば、５個以上）のセルを有する場合 に、かなりの外部回路を必要とする。 本発明の目的は、各セルを個々にモニタする必要なく、個々のセルの過放電を 防止する冒頭にて述べたような装置を提供することにある。 この目的を達成するために、本発明によれば冒頭にて述べたような蓄電池式電 気的装置において、 − 前記集合Ｓを集合数ｎ_iから成る相対的に排反の多数の部分集合ｓ_iに分け、 ここに０＜ｎ_i＜Ｎとし、少なくとも１つの集合数ｎ_iを１よりも大きくし、且つ 全ての集合数ｎ_iの和をＮに等しくし； − ｎが次の関係、即ち ｎ＜（Ｖ_bat−Ｖ_min）／（Ｖ_bat−Ｖ_end） を満足する最大の自然数であるとする場合に、 ｎ_i≦ｎとし； − 前記電気的装置が、前記各部分集合ｓ_i間の直列電圧Ｖ_iを測定し、且ついず れの部分集合ｓ_iにおいても次の条件、即ち Ｖ_i≦ｎ_i×Ｖ_end が満足される場合に前記切換自在の電圧ドレインを遮断する手段を具えているこ とを特徴とする。 部分集合ｓ_iを相対的に排反とすると云う条件は、２つの部分集合が共通のセ ルを持たず、即ち任意のｉ≠ｊに対してｓ_i∩ｓ_j＝φとなると云うことに相当す る。さらに、どの部分集合も空集合にならないようにする。なお、蓄電池パック は別個の部分集合ｓ_iに物理的に分割する（即ち、分ける）のではなく、むしろ 部分集合ｓ_iとは蓄電池パック内で、そのままで管理上グループ分けしたものと 見なすべきものである。 本発明による装置でのカットオフ・モニタリングは、蓄電池パック間の電圧を 全体的に測定（ｎ_i＜Ｎ）するのではなく、また各セル間の電圧を個々に測定（ 少なくとも１つの部分集合ｓ_iに対してｎ_i＞１）するものでもない。その代わり 、蓄電池パックをセルの部分集合（サブグループ）に分け、これらの各部分集合 間の電圧をモニタするのである。このモニタ原理は次のように説明することがで きる。即ち、 （１）条件、即ち ｎ_i＜（Ｖ_bat−Ｖ_min）／（Ｖ_bat−Ｖ_end） は次のように表わすこともできる。即ち、 （ｎ_i−１）×Ｖ_bat＋Ｖ_min＜ｎ_i×Ｖ_end （２）或る所定の部分集合ｓ_iにて、最弱のセルが最小許容電圧Ｖ_minにまで放 電した場合には、この部分集合ｓ_i間の最大可能電圧は次のような値、即ち Ｖ_i ^max＝（ｎ_i−１）×Ｖ_bat＋（１）×Ｖ_min ＝（ｎ_i−１）×Ｖ_bat＋Ｖ_min 以上には決してなり得ないようにする。 （３）これを以前の不等式と併合すると、 Ｖ_max＜ｎ_i×Ｖ_end となる。しかし、これはカットオフ条件、即ち Ｖ_i＜ｎ_i×Ｖ_end 内に入り、従って放電は、セルの１つが最小許容電圧にまで放電してしまう点を 越えるまでは続行できなくなる。 ニッケル金属ハロゲン化物（Ｎ_iＭＨ）セル及びＮ_iＣｄセルの場合、Ｖ_batの 値は一般に約１．２５Ｖである。この電圧は斯種のセル放電曲線の比較的広範囲 の部分にわたってほぼ一定であり、その後ゼロに向かって急激に降下する前に約 １．１Ｖの値に低下する。０．８５〜１．０Ｖ程度のＶ_endの値は、セルの放電 曲線における「屈曲」特性のすぐ上の前記急激降下の開始点に相当する。一般に 、Ｖ_minの値として０を用いることができるが、必要に応じて、又は或る特定用 途によっては０よりも大きな値を用いることもできる。 以下図面を参照して本発明を実施例につき説明するに、図面は本発明による装 置の回路図である。実施例１ 図面は電気ドリルのような、本発明による装置１の特定の実施例を示す。この 装置１は直列に接続される個々のセル３１の集合Ｓを包含している再充電可能な 蓄電池パック３を具えており、この場合のセル集合Ｓの集合数ＮはＮ＝８、即ち パック３は８個のセル３１を包含している。装置１はスイッチ７を経てパック３ 間に接続される電圧ドレイン５（例えば、モータ）も具えている。 この特定の実施例では次のようなことを考慮に入れるものとする。 − 各セル３１は公称電圧がＶ_bat≒１．２５ＶのＮ_iＭＨ蓄電池とする； − セル３１の両端間の電圧は、いずれも原則として０Ｖにまで降下し得るも、 それ以上には降下せず、従ってＶ_min＝０Ｖとする； − Ｖ_endは０．９Ｖとなるように選定する。この結果、 （Ｖ_bat−Ｖ_min）／（Ｖ_bat−Ｖ_end）＝１．２５／０．３５≒３．５７とな り、ｎ＝３とする。 この計算及び本発明によれば、蓄電池パック３を多数の相互に排反の部分集合 ｓ_iに分け、各部分集合の集合数ｎ_iをｎ_i≦３とする。この特定の例では、各集 合数がｎ₁＝３、ｎ₂＝３、ｎ₃＝２で、Σｎ_i＝３＋３＋２＝８＝Ｎの３つの部分 集合Ｓ₁,Ｓ₂,Ｓ₃がある。 装置１はさらに、各部分集合ｓ_i間の直列電圧Ｖ_iを測定し、且つこの電圧を基 準電圧ｎ_i×Ｖ_endと比較する手段９も具えている。図示してあるように、この手 段９は各部分集合Ｓ₁,Ｓ₂,Ｓ₃の両端間の電圧Ｖ₁,Ｖ₂,Ｖ₃をそれぞれ測定し、こ れらの電圧を基準電圧２．７Ｖ、２．７Ｖ、１．８Ｖと比較する電圧計９１，９ ２，９３を具えている。電圧値Ｖ₁,Ｖ₂,Ｖ₃のどれかが対応する基準電圧以上で あることがわかる場合に、それぞれの入力端子Ｉ₁,Ｉ₂,Ｉ₃の１つを経てＯＲ− ゲート９４に信号が送給され；ＯＲ−ゲート９４からの出力信号はスイッチ７を 開いて、電圧ドレイン５を遮断するのに用いることができる。 なお、回路７，９は蓄電池パック３内に組込むか、又は装置１のハウジングの 一部に収納させることができる。蓄電池パック３は装置１の外部にて再充電し得 るように取外し可能とするか、又は本来の場所で再充電できるように装置１内に 永久に組込むことができる。実施例２ 実施例１とは異なり、蓄電池パックの部分集合ｓ_iを４つとし、各部分集合の 集合数ｎ_iをｎ_i＝２とする。このような例でも次のような要件を満足する。即ち − ｎ_i≦ｎ＝３ − Σｎ_i＝Ｎ＝８ さらに他の例として、例えば集合数がｎ₁＝３、ｎ₂＝２、ｎ₃＝２、ｎ₄＝１の ４つの部分集合を選択することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．再充電可能な蓄電池パック及び切換自在の電圧ドレインを具えており、前記 蓄電池パックが直列接続される個々のセルの集合Ｓを具え、この集合Ｓの集合数 Ｎが２よりも大きく、各セルが： − 公称電圧Ｖ_batと； − 最小許容電圧値Ｖ_minと； − セルの放電を終了させるのが望ましい電圧値Ｖ_endと； によって特徴づけられる蓄電池式電気的装置において、 − 前記集合Ｓを集合数ｎ_iから成る相対的に排反の多数の部分集合ｓ_iに分け 、ここに０＜ｎ_i＜Ｎとし、少なくとも１つの集合数ｎ_iを１よりも大きくし、且 つ全ての集合数ｎ_iの和をＮに等しくし； − ｎが次の関係、即ち ｎ＜（Ｖ_bat−Ｖ_min）／（Ｖ_bat−Ｖ_end） を満足する最大の自然数であるとする場合に、 ｎ_i≦ｎとし； − 前記電気的装置が、前記各部分集合ｓ_i間の直列電圧Ｖ_iを測定し、且つい ずれの部分集合ｓ_iにおいても次の条件、即ち Ｖ_i≦ｎ_i×Ｖ_end が満足される場合に前記切換自在の電圧ドレインを遮断する手段を具えている ことを特徴とする蓄電池式電気的装置。