JP2002535810A - エネルギーモニターと充電システム - Google Patents

エネルギーモニターと充電システム

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JP2002535810A
JP2002535810A JP2000594184A JP2000594184A JP2002535810A JP 2002535810 A JP2002535810 A JP 2002535810A JP 2000594184 A JP2000594184 A JP 2000594184A JP 2000594184 A JP2000594184 A JP 2000594184A JP 2002535810 A JP2002535810 A JP 2002535810A
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batteries
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power control
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ホルトム，スティーブン，ウェイン
メニクタス，クリス
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ファーナウ テクノロジーズ ピーティーワイ．リミテッド．
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Abstract

(57)【要約】 複数の電池（８１から８６）を有したバッテリー（８０）のためのバッテリー管理システム（４０）が開示されている。バッテリー管理システム（４０）はそれぞれの電池（８１から８６）の所定のパラメータをモニターする手段を含んでいる。この手段では、それぞれの電池はバッテリー管理システム（４０）に直接的にワイヤー接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明はバッテリー/電池の性能改善のためのエネルギーモニターと充電/エ
ネルギー保存システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バッテリー/電池産業はバッテリー管理技術に関する増大する要求を満たすべ
く努力している。なぜなら近年、携帯電話やラップトップコンピュータのごとき
バッテリー式ポータブル機器の需要が高まっているからである。加えて、バッテ
リー産業は、電気モータ式機械やバッテリーを主パワー源とする無排気ガスタイ
プの新世代電気自動車に対する需要にも応えるべく努めている。このような需要
は空気汚染や騒音対策に関わるますます高まる政府規制と消費者の関心とに支え
られている。高性能バッテリーを要求する別分野は、負荷レベリング(load-leve
ling)、緊急/スタンバイパワー源及び高感度電子機器のパワーコントロールシス
テム等のエネルギー保存に関する分野である。
【０００３】 バッテリー式機器の需要の高まりによって、バッテリー産業は理想的な電池の
開発に向けて激しい競争状態にある。理想的な電池とは、超軽量、超小型で、充
電可能な回数が多くて使用寿命が長く、理想的な放電/充電特性を備え、最終的
廃棄時に環境に無害な電池である。バッテリー産業が利用している最も一般的な
技術は鉛-酸電池技術である。この電池を、さらにエネルギー密度が高く、さら
に小型で、さらに優れた電池性能を有し、使用寿命が長く、リサイクル性に富ん
だものとすべく競争が行われている。
【０００４】 いくつかのバッテリー/電池製造業社は別種のバッテリー/電池を研究している
。ニッケル-金属-水酸化物型、ルチウム-イオン型等の電池もこれらに含まれる
。しかしながら、これらの電池は非常に高価であり、経済性が伴わない。特に、
近年急速に人気が高まりつつある電動式２輪／３輪車用のバッテリーには実用性
が不充分である。鉛-酸バッテリーであっても、バッテリーの利用状態の適正な
管理を介して改善させることができることは認められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
今日、充分に対処されていないバッテリー管理に関するいくつかの問題は以下
のようなものである。
【０００６】 (i) 充電オペレーション中の過多充電に対する保護措置。
【０００７】 (ii) 高パワー利用または長期オペレーション中の過多放電に対する保護措
置。
【０００８】 (iii) バッテリーの内部抵抗の悪影響の軽減。
【０００９】 (iv) バッテリーシステムの個々の電池のモニター、制御及び保護。
【００１０】 鉛-酸型バッテリーは充電器は典型的には２つの任務を担っている。一方は可
能な限り迅速に容量を復活させることであり、他方は自然放電を補うことで容量
を維持することである。両方の場合に、最良のオペレーションにはバッテリーの
電圧と温度の正確な検出が必要である。典型的な鉛-酸電池が充電されるとき、
硫酸鉛はバッテリーの正電極と負電極でそれぞれ鉛と二酸化鉛とに変換される。
過多充電反応は硫酸鉛の大部分が変換されて電解質の破壊により水素ガスと酸素
ガスが形成されると開始する。この現象は一般的に“ガス化”と呼ばれる。バル
ブ調節型バッテリーの場合にはこれは電解質の消失につながり、電解質の脱水現
象が発生し、バッテリーのサイクル寿命に悪影響が及ぶ。
【００１１】 過多充電の開始はバッテリー電圧のモニターで検出できる。過多充電反応は電
池の電圧の急上昇で示される。過多充電反応が開始するポイントは充電速度によ
って影響を受け、充電速度が増加すると、過多充電の開始時点の戻り容量の割合
は減少する。過多充電で消費されたエネルギーはバッテリーから回収できない。
制御された過多充電は可能な限り迅速に全容量状態に戻し、バランスが崩れたバ
ッテリーにバランスを取り戻させるために利用される。しかし、サイクル寿命は
犠牲となる。
【００１２】 バッテリーの充電にはいくつかの方法が利用されるが、全ての方法は電池群を
１つのユニットとして捉え、特定のバッテリーの個々の電池をモニターすること
はない。しかし、そのことが電池群の真のバランスには必須である。典型的な１
２ボルトバッテリーは、ケーシングに収容された直列連結の６個の２ボルト電池
で構成されている。一般的にはバッテリー電池は同一には機能せず、充電時と放
電時に電池機能はやがて劣化してバランスが崩れる。
【００１３】 電池寿命に関わる２つの重要なポイントは上下の電圧レベルである。もし鉛-
酸型バッテリーの２ボルト電池が充電中に約２.６ボルトを超えればガス化現象
が発生し、電解質脱水現象により電池寿命に悪影響が及ぶ。電池電圧が放電中に
約１.６ボルト以下に降下すれば、電極表面にダメージが発生する。一般的な充
電システムではバッテリー充電器は一連の電池の最初と最後の端子のみに接続さ
れ、個々の電池を正確にモニターできず、保護することができない。典型的には
、充電器は蓄積された電圧に対してのみ反応し、良好な電池は実際には過多充電
され、１つの弱った電池の電圧を蓄積電圧の高さにして、充電器の所定の要求を
満たすことになる。この過多充電は電解質を脱水状態とし、良好な電池にダメー
ジを与え、電池ばかりかバッテリー全体のサイクル寿命に悪影響を及ぼす。
【００１４】 バッテリーの内部抵抗は、バッテリーシステムの充電と放電に大きな影響を及
ぼす別な要因である。バッテリーは性能を劣化させるいくつかの問題を抱えてい
る。その１つは内部抵抗の問題である。全てのバッテリーシステムは内部抵抗を
有している。よってその目的は、内部抵抗を最少とし、同時に重量当たりで最大
量のエネルギーを保存することである。負荷ｈがバッテリーシステムに提供され
ると、要求される電流が流れ、バッテリーの内部抵抗のためにバッテリー電圧の
降下が発生する。抵抗が小さければ小さいほどバッテリー電圧降下は小さい。こ
れはバッテリーの全体的な内部抵抗が原因であり、内蔵部品の物理的な抵抗と、
活性及び濃縮分極現象のごとき分極による抵抗とで成る。
【００１５】 バッテリーシステムの全体的な内部抵抗の大きな要因は分極現象である。最も
簡単な形態では、濃縮分極(concentration polarization)が電極面で反応物ある
いは生成物を発生させる。これらは電極への反応物の拡散及び電極からの生成物
の離散を制限する。電流が強力であればあるほどバッテリーシステムが受ける分
極損失は多い。よって、バッテリーシステムから取り出すことができる最大電流
はバッテリーシステム内の分極程度によって制限される。しかし、もし分極損失
が制御できるなら、さらに大きな電流を最低の電圧損失で得られることになる。
【００１６】 充電オペレーション中にバッテリーを保護する唯一の効果的な方法は、過多充
電を防止し、電池を個々にバランスよく充電するためにそれぞれの電池をモニタ
ーすることである。放電オペレーション中にバッテリーを保護する唯一の効果的
な方法は、個々の電池をモニターすることであり、いずれかの電池が大幅に電圧
降下すれば、バッテリーを隔離することで、あるいはその出力を制御することで
さらなる放電を停止させることである。ニッケル-金属-水素化物及びリチウム-
イオンのごときタイプのバッテリーでは、材料は鉛よりも安定性が劣り、個々の
電池モニターと保護はさらに重要である。
【００１７】 よって、バッテリーシステム内の個々の電池をモニターして制御し、バッテリ
ーの使用度を考慮しつつバッテリーに残された残留エネルギー量を正確に判定す
ることができる装置が望まれている。過多充電、過少充電または過多放電により
電池にダメージが及ぶので、個々の電池の充電を制限し、または内部的にバッテ
リー端子を隔離して過多充電を防止する必要性も存在する。バッテリー端子を内
部的に隔離する能力は、バッテリーに安全対策を施して未承認の使用を防止する
ことにも役立つ。
【００１８】 バッテリーをモニターして保護する適当な知性を備え、機能寿命を大幅に延ば
し、必要に応じてオペレータに即座に情報をフィードバックすることができる、
個々の電池に対して設置された高精度装置も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
本願発明の１特徴によれば、複数の電池を有したバッテリーのためのバッテリ
ー管理システムが提供される。このシステムは各電池の所定のパラメータをモニ
ターする手段を含んでいる。
【００１９】 好適には、そのパラメータはバッテリー充電時のそれぞれの電池の電圧であり
、バッテリーモニターシステムは、各電池が所定の電圧に到達したときにそれぞ
れの電池の充電を終了させる手段をさらに含んでいる。
【００２０】 本願発明の好適実施例においては、そのパラメータは放電時の各電池の電圧で
あり、バッテリー管理システムは特定の電池の電圧が所定の電圧値以下に降下し
たときにそれを知らせる手段をさらに含んでいる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に示すバッテリー管理システム１０は、電気自動車/自転車等の負荷が接
続されている出力/端子手段１２においてバッテリーシステム１１からの所定値
パワー出力を提供するように設計されている。バッテリーシステム１１の出力端
子１２と端子１３との間にはバッテリーシステム１１の所定の作動パラメータを
検出する制御手段１４が存在する。この制御手段１４は第１モード作動中にバッ
テリーシステム１１からのパワーを出力端子１２に供給する。
【００２２】 バッテリーシステム１１と制御手段１４との間で接続された第１キャパシタ手
段１５は、制御手段１４の第１モード作動中にバッテリーシステム１１からの所
定量のパワーを保存し、制御手段が第２モード作動中に制御手段１４からの指令
信号に対応してその保存パワーをバッテリーシステム１１に供給する。
【００２３】 出力端子１２と制御手段１４との間で接続された第２キャパシタ手段１６は、
制御手段１４が第１モード作動中にバッテリーシステム１１からの所定量のパワ
ーを保存し、制御手段１４が第２モード作動中に制御手段１４からの指令信号に
応じてその保存パワーを出力端子１２に供給する。
【００２４】 よって、このパワー制御システムは２つのキャパシタネットワークを組み込ん
でおり、このパワー制御手段が、例えば、バッテリーシステム１１の分極レベル
が高すぎることや、パワーが負荷に最初に供給されてから、予めセットされてい
る時間が経過したことを検出すると、バッテリーシステム１１に対するバック充
電を開始する。この放電サイクルで、パワー制御手段１４は第１キャパシタネッ
トワーク１５に保存されたエネルギーでバッテリーシステム１１を充電させ、同
時に、第２キャパシタ手段１６は中断されないパワーを出力端子１２に供給する
。この逆サイクルまたは放電サイクルの時間間隔は非常に短くて非常に効率が良
いので規則的な間隔での実施が可能である。
【００２５】 逆充電(reverse charge)はバッテリーシステム内での分極の影響と関連損失と
を分断して最小限に抑える能力を備えている。
【００２６】 このパワー制御システムは充電器と共同で最良の性能を発揮させることもでき
、作動中に継続的なバッテリーケアを可能にする。このパワー制御システムはバ
ッテリーシステムに対する非承認タイプの充電器の接続を妨害するように利用で
きる。この機構によってバッテリーに対するいたずらが防止され、電気自動車/
自転車の所有者による自宅での間違った充電器使用を防止している。
【００２７】 このパワー制御システム、充電器及び電気自動車/自転車に個別の電子署名を
採用させることができ、このシステム全体を正確にモニターすることができる。
バッテリーシステムを充電ユニットに搭載させるごとに、パワー制御システムは
自身と、自身が取り外された自動車/自転車と、ユーザとを識別するであろう。
【００２８】 この充電ユニットはバッテリーのエネルギーレベルをモニターし、ユーザに対
してその値をクレジットし、ユーザにバッテリー交換料、電気料金及び月々のレ
ンタル費用を請求することができる。現金またはクレジットカードでのこの支払
受領後に新バッテリーを自動車/自転車に搭載させる。もしクライエントがバッ
テリーを粗雑に扱ったりバッテリーに変更を加えると、充電器はその行為を記録
するであろう。
【００２９】 このパワー制御システムはバッテリーのエネルギー残量レベルを特定するばか
りでなく、現在のエネルギー残量レベルに基いてその後のドライブ可能距離をも
算出することができる。よって、自動車/自転車のドライバーは残りのバッテリ
ーエネルギーで走行できる距離を知ることができる。
【００３０】 各充電ユニットを遠隔システムを介してオペレーションセンターにリンクさせ
ることができる。これで充電ステーションネットワークの全てのステーションの
モニターが可能となる。
【００３１】 パワー制御システムは速度制御モジュールの機能と特徴とを含むことができる
。すなわち、自動車/自転車管理装置は自動車/自転車の速度制限装置を不要とさ
せ、パワー制御システムを介してその出力/速度を簡単に制御することができる
。これで自動車/自転車の製造コストが削減され、製造業者の保証範囲を縮小さ
せ、遠隔通信システムを介して連続的な性能モニターの提供が可能になる。
【００３２】 このパワー制御システムは、バルブ制御式鉛-酸バッテリー、ニッケル-金属-
水酸化物型バッテリー、及びレドックス-ゲル型バッテリーのごとき様々なバッ
テリーシステムに適用させることができる。それぞれのバッテリーシステムは独
自の性能と使用目的とを備えている。
【００３３】 このパワー制御システムは遠隔地のパワーシステムの待機性能を改善させたり
、負荷レベリングや緊急バックアップバッテリーシステムを改良させるのにも使
用することもできる。遠隔地のパワーシステムや緊急バックアップで使用される
固定式バッテリーシステムを長期間充電状態に保つことができる。電池はそれぞ
れ異なる速度で自然放電するので、このパワー制御システムで定期的に個々の電
池状態をモニターし、複数の電池グループを内部的に均衡させる電池バランス技
術をプログラムすることもできる。あるいは、充電システムを待機状態としてお
き、必要に応じてパワー制御システムで制御することができる。
【００３４】 図２にブロック形態で示すのパワー制御システムの好適実施例では、マイクロ
プロセッサー４０と、次に解説する全ての機能を管理する関連ソフト５７とが含
まれている。この実施例ではマイクロプロセッサーは８ＭＨｚで作動する８ビッ
トであるが、４ビット、１６ビット、３２ビットまたは６４ビットのマイクロプ
ロセッサーでも使用が可能である。マイクロプロセッサー処理速度は４ＭＨｚか
ら１６６ＭＨｚの範囲であろう。あるいは、個々のバッテリーの利用目的によっ
てはデジタル信号プロセスチップ(Digital Signal Processing Chip)が使用可能
であろう。このマイクロプロセッサーはＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭメモリを
有している。あるいは、ＡＳＩＣ（使用特定集積回路:Application Specific In
tegrated Circuit）が使用できるであろう。
【００３５】 個々の電池電圧測定モジュール４１はそれぞれの電池の交差部に接続された別
体ワイヤを利用する。このワイヤは電圧測定のためだけに使用される。各電池の
電圧は２４ボルトまでバッテリーの接地を基準にして測定される。これは、必要
性と精度の要求に応じ、各電池電圧の直接測定によって達成することも可能であ
る。
【００３６】 個々の電池電圧測定調整は、電池電圧が抵抗ネットワークで分割され、デバイ
ダの接地抵抗を横断して接続されたフィルターキャパシタで円滑処理されている
回路を含んだモジュール４２によって達成される。操作式アンプリファイヤまた
は他のフィルター手段を使用した活性フィルター処理が利用できよう。電圧はデ
バイダとフィルターでアナログ-デジタル変換に適した電圧にスケール処理され
る。この場合、４.９５ボルトがバッテリーに対する各接続の予期される最大電
圧を表す。１２ビットのアナログ-デジタル変換器が測定される各電池電圧に対
して使用される。このアナログ-デジタル変換器はマイクロプロセッサーで連続
的に制御される。マイクロプロセッサーは、それぞれの電圧をスケール処理し、
各電池の負側の電圧を正側の電圧から差し引くことでそれぞれ測定した電圧を電
池電圧に変換する。このことは各電池に対して実施され、この方法は２４ボルト
から３０ボルトの電池電圧に適用される。
【００３７】 この方法の２４ボルトまたは３０ボルト以上の多段階は、光学的にカップリン
グされた連続的通信手段による連続的デジタルデータの伝達で使用可能となる。
また、直接的に電池電圧を測定し、この情報を周波数としてマイクロプロセッサ
ーに送るために各電池を越えて接続された電圧-周波数変換器の使用も可能であ
る。これら電圧-周波数変換器はマイクロプロセッサーに電流的または光学的に
カップリングが可能である。このマイクロプロセッサーは周波数を測定して電圧
に変換する。
【００３８】 電流測定モジュール４３は分路抵抗器の電圧を測定し、活性フィルターを備え
た電流検出アンプリファイヤーを使用してこの値をスケール処理する。この代用
として、ホール効果装置を使用し、適当な信号調整処理によって電流を測定する
こともできよう。
【００３９】 電流測定調整は回路モジュール４４で達成される。この回路モジュールでは分
路で測定された電圧は電流の方向とは無関係に０ボルトから５ボルト信号に変換
される。次に、それらは前述の電圧測定に使用される１２ビットのアナログ-デ
ジタル変換器の入力に供給される。この調整回路はまた、電流の方向を示すデジ
タル入力値をマイクロプロセッサーに提供する。これは最低限の外部コンポーネ
ントを備えた集積回路を介して達成される。ディスクリートなコンポーネントソ
リューションもこのエリアではコストパーフォーマンスに優れているであろう。
【００４０】 温度は回路ボードに搭載された集積回路温度センサーを使用して回路モジュー
ル４５によって測定される。いかなる数のセンサーでも使用でき、異なるエリア
に配置できる。例えば、バッテリー領域、個々の電池領域または室温測定のため
には外部でもよい。
【００４１】 温度測定調節は回路モジュール４６で達成される。ここでは温度値は電圧出力
値であり、低オフセット電圧操作式アンプリファイヤが、この値を電圧と電流の
測定に使用されるアナログ-デジタル変換器の入力部への接続に適した０ボルト
から５ボルト値にスケール処理するために使用される。
【００４２】 液晶表示器４７が容量残量、以降に可能な走行距離及び他の情報の表示に使用
される。
【００４３】 表示ドライバー４８は、マイクロプロセッサー４０内部に保存されたルックア
ップテーブルに基いて、メモリ位置に適当な値を書き込むことでマイクロプロセ
ッサー４０により直接的にドライブされる。マイクロプロセッサーに対する要求
とＬＣＤの複雑性によっては、別な集積回路ドライバーが使用できる。ＬＥＤま
たはガスプラズマ表示器も使用できよう。液晶表示モジュールでも使用できる。
【００４４】 可聴表示モジュール４９は圧電ブザーを含む。これは可聴信号をユーザに提供
する。これは理想的にはマイクロプロセッサーから、または必要であればトラン
ジスタードライバーで直接的にドライブされる。
【００４５】 バッテリーが移動する自動車/自転車に使用されるなら、距離センサー５０が
車輪に搭載される。このセンサー５０は、磁石が車輪に配置される磁石ピックア
ップの形態か、ホール効果ピックアップ装置が車の固定部分に搭載された形態か
、あるいは光学センサーでもよい。
【００４６】 距離センサー調整は回路モジュールで達成される。ここでは距離センサー５０
の出力は周波数であり、マイクロプロセッサー４０でスケール処理されて測定さ
れ、速度または距離値に変換される。
【００４７】 圧力センサーモジュール５２は低電圧（０から１００ｍＶ）出力の圧力トラン
スジューサを含み、バッテリー内に配置される。
【００４８】 圧力センサー調整モジュール５３は出力を高精度操作式アンプリファイヤを介
して０から５ボルトにスケール処理し、アナログ-デジタル変換器に供給する。
【００４９】 通信モジュール５４によって、バッテリー充電器からの全ての制御及び通信信
号がマイクロプロセッサー４０から直接的に送られる連続バスを介して通信され
る。この連続バスもカリビュレーション処理の目的でＰＣにアクセスすることが
できる。
【００５０】 長期のバッテリー寿命を保証するために全てのオプティマイザー部品は少電流
消費用のものから選択される。マイクロプロセッサー、アナログ-デジタル変換
器及び全ての他の回路は、マイクロプロセッサーから低電流モードモジュール５
５への信号で少電流消費モードにすることができる。
【００５１】 望むレベルの精度を達成するため、マイクロプロセッサーへのアナログ入力は
キャリブレーションモジュール５６によってキャリブレーション処理され、その
キャリブレーションファクターとオフセットはＥＥＰＲＯＭメモリに保存される
。
【００５２】 好適には、ソフトウェア５７はポーリング式(polling oriented)であり、エネ
ルギー使用集積のための電流モニターのごときのごとき時間に関係する現象用と
して中断式にドライブされるものである。好適には、このソフトウェアは個々の
電池が不調であるか否かを判定し、その情報をバッテリー充電器に通知すること
ができる。
【００５３】 そのソフトウェアはスイッチを開いてバッテリーを過多充電から保護するため
にポリノミアル電圧電流アルゴリズムを含むことができる。そのソフトウェアは
次の操作を行う。
【００５４】 (i) バッテリーの自然放電を計算し、電池バランス（均衡）プロセスを開
始する。
【００５５】 (ii) サイクル数をログ処理し、その情報をバッテリー充電器に送る。
【００５６】 (iii) 過多電圧と過少電圧を防止するためにモニター、通信及び保護措置を
開始する。
【００５７】 (iv) 規則的な間隔で電流をサンプルし、時間に関して電流を集積して、使
用及び残留アンペア-時間データを提供する。
【００５８】 (v) 使用及び残留アンペア-時間を現行サイクル中に負荷に応じて矯正する
。
【００５９】 マイクロプロセッサー４０はＦＥＴまたはＩＧＢＴをドライブしてモータ５８
への電流を制御することもできる。これでブラシタイプモータのシングルパルス
幅調節制御を提供することができる。あるいはリラクタンスモータやブラシレス
ＤＣモータ等のブラシレスマルチタイプモータに対しては複数の出力で準正弦制
御(quasi sinusoid control)を提供することができる。
【００６０】 ＦＥＴまたはＩＧＢＴスイッチ５９がバッテリーの安全と保護のために使用さ
れる。抵抗が低状態のＦＥＴが使用される。
【００６１】 スイッチ５９はスイッチ制御モジュール６０によって制御される。スイッチ制
御モジュール６０はマイクロプロセッサー４０によってドライブされ、ＦＥＴま
たはＩＧＢＴのドライブは、電圧を高めて高サイドドライブ(side drive)させる
ようにスイッチ機能付きパワー源を利用する。
【００６２】 抵抗制御モジュール６１においてはマイクロプロセッサーはＦＥＴを制御する
。その機能はキャパシターを定期的に充電してバッテリー電圧以上に電圧を高め
、このキャパシターをバッテリーに放電させて、同時にその電荷が負荷電流を保
持することができる別のキャパシターをスイッチすることである。
【００６３】 エネルギーゲージ６２の出力は残留容量としてＬＣＤ表示器に表示される。こ
の値は継時的に電流を集積することで計算される。電流は規則的な間隔でサンプ
ルされる。その値はアキュムレータから差し引かれて、次に１００％にまでスケ
ール処理され、残留容量の出力が提供される。
【００６４】 内部抵抗/インピーダンスモジュール６３は電流のステップ変化前後に電圧の
変化を測定する手段で内部抵抗とインピーダンスを計算する。これは充電時と放
電時の両方で可能である。ＡＣ電流または電圧をバッテリーに提供することがで
き、得られた電圧と電流は測定されて内部抵抗とインピーダンスとが測定される
。
【００６５】 電池均衡モジュール６４は、１つの電池がそのグループ内で他の電池よりも自
然放電量が多いときに、パワーをグループ全体から賄なわせ、スイッチ機能付き
モードパワー変換器で適当な電圧に変換させ、最も弱い電池にパワーを提供して
電池全体をバランスさせるように作動する。
【００６６】 図６はバッテリー管理システム４０を、２本ワイヤー接続方式で６個の電池８
１から８５を有したバッテリー８０に接続する様子を示している。
【００６７】 通常の鉛-酸バッテリーは限定された容量利用性、低放電量、短サイクル寿命
、低エネルギー密度、熱管理問題、及び電池の均衡化を維持するための常時充電
の必要性等の弱点を有している。鉛-酸バッテリーは長い充電時間をも必要とし
、強力充電電流は非常に低い状態の充電時のみに使用できるだけである。もし強
力電流が使用されれば、許容電圧以上の電圧となり、電解質が失われ、バッテリ
ー容量が減少する。適当な充電プロフィールに従ったとしてもブースト充電での
鉛-酸バッテリーの充電時間はせいぜい４時間程度までである。
【００６８】 鉛-酸バッテリーのサイクル寿命はサイクル時に到達される放電程度によって
大きく影響される。電気自動車/自転車での利用においては、９０％から１００％
のＤＯＤ（放電深度）は例外ではなく、これらＤＯＤレベルでは従来型の深サイ
クル鉛-酸バッテリーのサイクル寿命は約３００サイクル程度であろう。
【００６９】 図３は証明されている鉛-酸フォーマットの鉛-酸バッテリーに適用されたパワ
ー制御システム２０を図示している。しかし、それはその電池構造に進歩した螺
旋巻き技術を利用している。１２の個々の電池２１は表面の大きな面積を有した
電極で形成される。これらは巻きつけられて非常に小さな抵抗を備えた個別の電
池を形成する。優れた電解質が開発され、非常に強力な電流をバッテリーシステ
ムから取り出させている。このバッテリーシステムには螺旋巻き付け電池技術と
改良電解質を備えたパワー制御システム２０の集積が関与する。電池２１はバス
２２によって直列に接続されている。バス２２は第１キャパシター手段２３、制
御手段２４、第２キャパシター手段２５及び出力端子２６にも接続されている。
破線２７は制御手段２４から第１キャパシター手段２３への指令信号を表す。バ
ルブ規制された鉛-酸フォーマットの使用によって、“レンタルエネルギー”シ
ステムのスタートとして比較的に安価な証明済み技術が提供される。
【００７０】 パワー制御システム２０を利用し、これらの特徴の利点を最良化するようにバ
ッテリーをデザインすることで、増強された電流量、容量、増長されたサイクル
寿命及び短縮された充電時間の特徴を備えたバッテリーが少々の製造コスト高に
て提供される。
【００７１】 このことは図４に図示されている。このグラフは本願発明のパワー制御システ
ムが使用されているものと使用されていない鉛-酸バッテリーのバッテリー容量
に対するサイクル数を表している。このサイクルとは充電から放電及び再充電に
至るサイクルである。
【００７２】 増強された電流量性能は、パワーと容量の利用が改善されてさらに高い利用可
能なアンペア-時間レートと走行距離の増大を提供する。増長サイクル寿命は、
バッテリーの交換までにさらに多くの回数を充電させ、コスト低減をもたらす。
短縮された充電時間は、バッテリーの利用回転度を向上させ、レンタルエネルギ
ーシステムではスペアのバッテリー数を減少させる。
【００７３】 このパワー制御システムは従来式ＮｉＭＨバッテリーにも利用できる。これは
バッテリーシステムにとっては非常に高価な高純度材料で提供されるバッテリー
である。高純度水酸化ニッケル化合物と処理済み金属合金材料の膨張ニッケルフ
ォーム体は、高性能バッテリーを提供するために高度な品質管理を必要とする。
【００７４】 ＮｉＭＨ水素化物バッテリーは自然放電問題を抱えており、温度にも影響を受
ける。システムによっては、高電流の取り出しはバッテリ電池にダメージを与え
、バッテリーの過剰充電の回避に充分な注意を必要とする。この点で、改良型バ
ッテリー充電器が適切な充電のためには必要となる。
【００７５】 本実施例のＮｉＭＨバッテリーシステムは改良型ＮｉＭＨ技術を利用する。こ
の技術はこのバッテリーパワー制御システムにより提供される利益を充分に利用
するようにデザインされている。電池構造は螺旋巻き付け電池技術を利用し、大
幅に向上したパワー出力能力を備えた電池を製造させる。このパワー制御システ
ムはバッテリーパック電池と一体化されている。このパワー制御システムは分極
現象を大きく減少させる能力を備え、バッテリーシステムにサイクル寿命に悪影
響を及ぼさないでさらに強力な電流を提供させる。
【００７６】 このパワー制御システムが全てのユニット機能をモニターするので、この一体
化ユニットは効果的には独立型の知的エネルギー保存システムである。このパワ
ー制御システムは最良のバッテリー性能を維持するために積極的に作動すること
ができ、同時に改善されたサイクル寿命を提供する。
【００７７】 このＮｉＭＨシステムは“レンタルエネルギー”システムに理想的にフィット
する。なぜなら、高エネルギー密度、高パワー、長サイクル寿命及び急速充電時
間の利点が提供されるからである。このＮｉＭＨシステムは電気自動車/自転車
に、バルブ規制バッテリーシステムよりもさらに長い走行距離を提供するが、そ
の製造コストはさほど上昇しない。しかし、この実施例のシステムの製造コスト
は現存製品よりも大幅に低減されている。このＮｉＭＨシステムのコストは現在
利用できる小型製造ユニットの価格のほぼ１/１０程度である。
【００７８】 このＮｉＭＨシステムは、長走行距離を提供する小型バッテリーシステムが望
まれる理由で特に電気自転車向きである。
【００７９】 このパワー制御システムはレドックス型バッテリーにも適用できるであろう。
これらレドックス型バッテリーは主としてレドックスフロー型バッテリーの形態
であり、エネルギーを電解液に保存するものである。使用中にこの電解液はシス
テム内を循環され、エネルギーは電解液との間で移動する。レドックスフロー型
バッテリーは一般的に低エネルギー密度であり、システム内の電解液循環ではポ
ンプロスが発生する。場合によっては、使用される膜体によって、または内部分
流電流の存在によって自然放電量が多い。
【００８０】 レドックスゲル型バッテリーはレドックスフロー型バッテリーとは異なる。す
なわち、電解質は循環を必要としない。なぜなら、その電解質は超高濃度ゲルだ
からである。
【００８１】 従来のバッテリーシステムは相転換反応(phase transfer reaction)が関与す
る固体金属電極の形態を採用する。これは重量増加と効率低下につながる。レド
ックスゲル型バッテリーは超高濃度ゲルを利用する。これには高密度の正反応イ
オンと負反応イオンがそれぞれのゲルに含まれている。全ての反応体はゲルに含
まれており、ロスが最低量であることによる高効率を提供する相転換反応は関与
しない。
【００８２】 本願発明のパワー制御システムはレドックスゲル型バッテリーパックと一体化
して分極化の影響を低減することができる。ゲルは超高濃度であるため、高負荷
がバッテリーシステムに与えられると分極性が高くなる傾向にある。レドックス
ゲル型バッテリー用に設計されたパワー制御システムはレドックスゲル型電池シ
ステムのデザインの多くの規制を軽減することができる。
【００８３】 図５に示すパワー制御システムはバスシステム３１を含んでいる。これは電池
３２、制御手段３３、第１キャパシター手段３４、第２キャパシター手段３５、
及び出力端子３６を相互接続している。線３７は指令信号を表す。
【００８４】 レドックスゲル型電池用に特にデザインされた制御手段３３もいくつかのモニ
ター機能を提供する。これには個々の電池の電圧と温度のモニターが含まれる。
それは密閉状態のバッテリーパックの内部圧力をモニターし、与えられた条件下
でシステムの許容負荷限度を確認することもできる。この制御手段３３は充電の
いかなる状況でも最良のバッテリー性能を維持するように積極的に作用させる追
加的で重要な能力を備えている。この高度なシステム制御性能で、このシステム
はその全容量を反復して利用させ、非常に長いサイクル寿命を提供することがで
きる。
【００８５】 このシステムは非常にコストパーフォーマンスに優れており、現在利用されて
いるエネルギー保存システムに勝る性能を提供する。レドックスゲル型電池が利
用されるこれら電極はゲル電解質との間でエネルギー移動を行わせるように機能
する。これら電極は不活性であり、特殊な導電性プラスチック材料で製造が可能
である。
【００８６】 このシステムはレドックスゲル型電池とパワー制御システムを採用しており、
ＮｉＭＨシステムのエネルギー密度のほぼ２倍のエネルギー保存能力を備えたエ
ネルギー保存システムを提供する。このシステムはゲル電解質の安定性のために
非常に長いサイクル寿命を有している。このシステムは非常にコスト効率が高い
。その軽量性と頑強さにより、“レンタルエネルギー”自動車/自転車用のバッ
テリー交換処理に好適である。
【００８７】 本願発明の別実施例はバッテリー充電と調整モジュールに関係している。この
モジュールはバッテリー作用パワー制御システムと一体化している。一方、これ
はバッテリーシステムと一体化されている。
【００８８】 全体的な状態が記録され、適用可能な充電が行われるバッテリーシステムはい
くつかの問題を抱えている。その１つは不正確な充電である。しかし、個々の電
池の調整はできず、最も多量に充電されている電池は過剰荷電状態であり、最低
荷電電池の電力量は不充分である。その結果、全体的なバッテリー寿命が短縮さ
れる。
【００８９】 別の問題は内部の様々な要素の抵抗によって、バッテリーが高い充電電流を受
けつけないことである。急速充電はガス発生現象を伴う。すなわち水素ガスが発
生する。これは危険なばかりか電解質の劣化によるバッテリー寿命の短縮の原因
となる。本願発明の充電器はパワー制御システムと共に機能して内部抵抗を規制
し、バッテリーサイクル寿命に悪影響を及ぼすことなく充電速度を速める。
【００９０】 本願発明はユニークなバッテリー充電と調整モジュールを提供する。これはバ
ッテリーシステムと一体化されたパワー制御システムと一体化されている。この
パワー制御システムの主機能はバッテリーの内部抵抗による分極化現象を低減さ
せることである。重要なことは、本願発明のパワー制御システムは、個々の電池
のモニター、パワー出力制御機能の提供、保護及び調整機能を提供する特殊バッ
テリー充電作用等のいくつかのオンボード機能の制御を可能にしたことである。
【００９１】 特殊なバッテリー充電器はパワー制御システムを識別することができ、バッテ
リーモジュール番号を識別できる。この情報は遠隔通信システムでオペレーショ
ンセンターに伝達される。一旦バッテリーが記録され、ユーザの口座が確認され
ると、バッテリー充電器はパワー制御システムによって充電開始を許される。
【００９２】 実際の充電機能はパワー制御システムで行われ、各電池がモニターされ、特殊
な要件に合わせて処理または調整される。この能力で過少または過大充電を介し
て電池に与えるダメージが回避され、バッテリーのサイクル寿命が大きく改善さ
れる。
【００９３】 このバッテリー充電器はバッテリータイプを識別し、正しい充電フォーマット
を自動的に選択する。もし承認されていないバッテリーが充電器に設置されると
その接続を許可しない。この充電器はパワー制御システムからのフィードバック
を介して、バッテリーが他の手段で充電されたか否かを検出できる。あるいは、
最良化モジュールまたはバッテリーが変更されたか否かを検出できる。この情報
はオペレーションセンターに送られる。
【００９４】 各充電器ユニットは遠隔システムでオペレーションセンターにリンクされてい
る。よってネットワークの全てのステーションを常にモニターでき、各バッテリ
ーの位置等をモニターすることができる。 産業上の利用性 このバッテリー管理システムはレンタルエネルギーサービスで使用できる。そ
れを自動販売機、手動設置充電モジュール、自動バッテリー交換カルーセル、ロ
ボットバッテリー交換設備及び駐車／充電ステーション等の形態で利用させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明の１実施例によるバッテリーシステムから所定のパワ
ー出力を提供するためのバッテリー管理システムの概略図である。
【図２】図２は第２実施例による汎用バッテリー管理システムの概略図である
。
【図３】図３は鉛-酸バッテリーシステムに適用された図１に示すパワー制御
システムの概略図である。
【図４】図４は本願発明のパワー制御システムを備えたものと、備えない鉛-
酸バッテリーのバッテリー容量とサイクル数との関係を表すグラフである。
【図５】図５はレドックス-ゲル式バッテリーシステムに適用された図１に示
すパワー制御装置のブロック図である。
【図６】図６は６個の電池のバッテリーと図２に示すバッテリー管理システム
との間の接続状態を示す概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (72)発明者 メニクタス，クリス オーストラリア国 ニュー サウス ウェ ールズ州 2160，メリーランズ，ウォーカ ー ストリート ７ Ｆターム(参考） 5H030 AA03 AA08 AS08 AS11 BB01 FF43 FF44

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の電池を有したバッテリーのためのバッテリー管理システム
    であって、それぞれの電池の所定パラメータのモニター手段を含んでいることを
    特徴とするバッテリー管理システム。
  2. 【請求項２】パラメータはバッテリーの充電中のそれぞれの電池の電圧であり
    、それぞれの電池の電圧が所定の電圧値に到達すると充電を停止させる手段がさ
    らに含まれていることを特徴とする請求項１記載のバッテリー管理システム。
  3. 【請求項３】パラメータはバッテリーの放電中のそれぞれの電池の電圧であり
    、特定の電池の電圧が所定の電圧値以下に降下するとそれを知らせる手段がさら
    に含まれていることを特徴とする請求項１記載のバッテリー管理システム。
JP2000594184A 1999-01-18 1999-06-09 エネルギーモニターと充電システム Pending JP2002535810A (ja)

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