JP2002538575A - ニッケル−カドミウム・バッテリにおけるメモリ・エフェクトを検出する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）・バッテリ（２４）がメモリ・エフェクトを起こしているか否かを判定する、時間節約型の方法を提供する。テスト下にある完全に充電されたＮｉＣｄバッテリ（「テスト・バッテリ」）は、バッテリ端子電圧（４４）を連続的に監視しているときに、正の傾斜の電流充電ランプを受けるようにされ、次に負の傾斜の電流充電ランプ（４６）を受けるようにされる。テスト・バッテリ（２４）の測定された最大の端子電圧は、同じ公称電圧および容量であり且つメモリ・エフェクトを起こしていないことが知られているＮｉＣｄバッテリ（「正常」なバッテリ）の測定された端子電圧（４４）と比較される。ＮｉＣｄバッテリ（２４）は、テスト・バッテリの最大電圧が正常なバッテリの最大電圧を越えた場合に、メモリ・エフェクトを有すると判定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 政府の声明 本発明の全てまたは一部は、ガバメント・コントラクトＮｏ．Ｎ００１６４−
９６−Ｃ−００４５の下に合衆国海軍のために開発された。合衆国政府は、契約
の条件の下に、本発明の特定の権利を有する。

【０００２】 発明の背景 本発明は、再充電可能なバッテリに関し、より詳細には、メモリ・エフェクト
に関してのニッケル−カドミウム・バッテリの分析に関する。ニッケル−カドミ
ウム・バッテリは、しばしばメモリ・エフェクト（Ｍｅｍｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ
）と言われる現象に苦しむ。メモリ・エフェクトは、バッテリがその電気的特性
を、そのバッテリが長期間にわたって置かれている特定のデューティ・サイクル
に調節する性向である。リード・エデュケーション・アンド・プロフェッショナ
ル・パブリッシング社（Ｒｅｅｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｆｅｓ
ｓｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ， Ｌｔｄ．）からのＴ．Ｒ．クロンプト
ン（Ｔ．Ｒ．Ｃｒｏｍｐｔｏｎ）の「バッテリ・リファレンス・ブック（Ｂａｔ
ｔｅｅｒｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｂｏｏｋ）」第２版のチャプター１９、第１
１頁を参照されたい。バッテリは、このデューティ・サイクルを越えて使用した
時には、低い電圧で電力を供給する。その後、この低電力での使用は、バッテリ
から利用可能な有用なエネルギを制限する。メモリ・エフェクトは、実際の使用
では、或る者が幾らかの部分的放電サイクルの後にバッテリの全容量の使用を試
みたが、負荷の下で低い電圧により、許容可能電圧でのバッテリ使用時間が制限
されたときにのみ、気づかれる。

【０００３】 現在、ニッケル−カドミウム・バッテリがメモリ・エフェクトを起こしている
か否かを、完全放電を行わずに判定する方法はない。 従って、完全に充電されたニッケル−カドミウム・バッテリにおけるメモリ・
エフェクトを、完全放電を行わずに検出することの要求がある。

【０００４】 本発明の説明 本発明は、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）・バッテリがメモリ・エフェク
トを起こしているか否かを判定する、時間節約型の方法を提供する。テスト下に
ある完全に充電されたＮｉＣｄバッテリ（「テスト・バッテリ」）は、バッテリ
端子電圧を連続的に監視しているときに、正の傾斜の電流充電ランプを受けるよ
うにされ、次に負の傾斜の電流充電ランプを受けるようにされる。テスト・バッ
テリの測定される最大の端子電圧は、同じ公称電圧および容量であり且つメモリ
・エフェクトを起こしていないことが知られており且つ同じ電流充電ランプおよ
び電圧測定を受けさせられるＮｉＣｄバッテリ（「正常」なバッテリ）の測定さ
れた端子電圧と比較される。ＮｉＣｄバッテリは、テスト・バッテリの最大電圧
が正常なバッテリの最大電圧を越えた場合に、メモリ・エフェクトを有すると判
定される。本発明の好適な実施形態を以下に説明する。

【０００５】 例示的な充電システムを図１に示す。ＮｉＣｄバッテリ充電システム１０は、
マイクロプロセッサ１２と、それと組み合わされるデータ獲得システム１４、例
えば、ナショナル・インストルメンツ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ
ｔｓ）ＳＣＸＩデータ獲得システム、とを備える。データ獲得システム１４のコ
ンポーネントは、Ｌａｂｖｉｅｗ４．０ソフトウエア、ナショナル・インストル
メンツ信号コンディショニング・システムのような信号コンディショニング（調
節）・ユニットおよびデジタル・アナログ変換器およびアナログ・デジタル変換
器、および熱電対モジュールである。システム１０は、プログラマブル電源１６
、リレー１８、電流を測定する５０Ａ・５０ｍＶシャント２０、温度を測定する
熱電対２１、この場合は２４ＶＮｉＣｄバッテリであるテスト中ユニット２２、
および電源を保護するダイオード２４を更に備える。動作において、マイクロプ
ロセッサは、電源１６の電流出力を制御するように、およびバッテリ２２を電気
的に接続／接続解除するためにリレー１８をクローズ／オープン（閉／開）する
ように、Ｌａｂｖｉｅｗ４．０を用いてプログラムされる。マイクロプロセッサ
１２は、データ獲得ハードウエアにより獲得した電圧、電流、および温度のデー
タを記憶する。

【０００６】 バッテリ２２は、ひとたび充電システム１０へ取り付けられると、図２にグラ
フで示すように、全容量、即ち、１００％の充電状態に充電される。これは、一
定電流２６をバッテリへ印加することにより達成される。バッテリがこの一定電
流を受けると、電圧は３つの段階を経由する。それらは、時間期間２８で示すよ
うな充電反応を示す漸進的な電圧の上昇、時間期間３０で示すようなガス反応の
開始を示す鋭い電圧の上昇、および時間期間３２で示すようなガス反応と充電反
応を同時に示す安定領域である。時間期間２８の間に、バッテリ電圧は、バッテ
リへ送られた蓄積電荷がバッテリの充電容量の約８０から９０％になるまで、徐
々に上昇する。この点で、バッテリ容量の少なくとも７３％が、放電のときに通
常は使用可能である。時間期間３０の間の更なる充電において、バッテリが充電
プロセスの終了に向けて、ガスを放出し始めるので、バッテリ電圧は急速に増加
する。バッテリ電圧は、時間期間３２の終わりにおいてバッテリが完全に充電れ
るまで、安定しようとする傾向にある。時間期間３４において、バッテリ電圧は
、充電の過充電部分において、徐々に減少し始める。過充電の部分において１５
ｍＶの減少が検出された後に、電流充電は点３６で終了され、バッテリは開回路
のままにされ、時間期間３８、完全に充電される。

【０００７】 バッテリ２２が、温度および開回路電圧に関して安定した状態になった後、バ
ッテリに図３ａに示す評価サイクルを受けさせる。この評価サイクルを開始する
前に、バッテリ製造会社により発行されたバッテリ特性に従って、安全電圧およ
び電流制限を確立する。評価サイクルの間に、増加する充電電流４２をバッテリ
へ印加する。好適には、充電電流は零から開始して、充電システムが出力できる
最大電流まで、または確認された安全バッテリ電圧および電流制限までの、何れ
か低い方まで、線形的に増加する。実際には、プログラムされた値と比較して、
充電電流は電源の出力遅延時間に起因して図３ａに示すようなものである。増加
する電流充電は、既知の時間の関数として増加するのであれば、必ずしも線形的
である必要はない。また、図３ｂに示すように、ランプ・テストの間に電流の振
幅が増加する連続的パルスを用いることも可能である。

【０００８】 電流充電ランプは、次に、電流が零に到達するまで任意の負の傾斜４６で減少
される。好適には、減少する電流充電の傾斜は、電流充電４２の傾斜と同じであ
る。電流充電の段階４２および４６の間に、バッテリ端子電圧４４は連続的に測
定され記録される。テスト・バッテリの最大測定電圧が決定され、同じ電流ラン
プ・テストを受けた正常なバッテリの最大測定電圧と比較される。

【０００９】 メモリ・エフェクトを持つＮｉＣｄバッテリは、電流充電ランプ・サイクルの
間の４４において、正常なバッテリで測定された最大電圧よりも高い最大電圧が
測定される。

【００１０】 メモリ・エフェクトを判定する別の方法は、電流充電ランプ・サイクルの間に
バッテリ電圧曲線の傾斜を検査することである。我々は、バッテリがメモリ・エ
フェクトを引き起こしているときにバッテリ電圧曲線が急な傾斜を呈示すること
を立証した。

【００１１】 メモリ・エフェクトを判定する更に別の方法は、電流充電ランプ・サイクルに
おいて最大電圧に到達するために必要な最大電流を測定することである。我々は
、メモリ・エフェクトを引き起こしたバッテリの最大電流が正常なバッテリより
も低いことを立証した。

【００１２】 例１ ２０Ａｈ、２４ＶのＮｉＣｄバッテリを、上述の手法で完全に充電し、次に、
完全に放電し、バッテリの容量を判定した。放電の間、バッテリ電圧が１８．０
５Ｖに到達するまでバッテリから一定電流を引き出した。１８．０５Ｖというの
は、この目的のための任意の値である。バッテリの容量は、バッテリから引き出
した電流と、１８．０５Ｖに到達するのに要した時間とを乗算することにより、
計算される。３つの充電／放電サイクルが完了され、平均バッテリ容量が計算さ
れた。次に、バッテリを５０％の充電状態まで放電するのに要した時間を、バッ
テリの平均容量から判定した。バッテリに対して、バッテリを５０％の充電状態
に放電し、続いて、図２に示した上述の手順で全容量まで再充電する、５回のサ
イクルが行われた。

【００１３】 各充電サイクルの後に、バッテリに電流充電ランプ・テスト（図３）を受けさ
せた。ランプ・サイクルで使用した電流の傾斜は、５００ミリ秒毎に０．２２Ａ
のステップである。テストは、２７．５５Ｖの電圧制限および３０Ａの電流制限
で行われた。次に、２０Ａｈバッテリは、第６回の５０％デューティ・サイクル
を受けさせられ、この点において、バッテリは、メモリ・エフェクトを引き出し
たバッテリの特徴を有した。次に、バッテリは再調節され、それは１８．０５Ｖ
への完全な放電を含む。

【００１４】 図４を参照する。曲線５０は、電流充電ランプ・テストの間のメモリ・エフェ
クトに影響されたバッテリの挙動を表す。バッテリは、上述のように５回の５０
％デューティ・サイクルを受けたときに、メモリ・エフェクトを起こした。曲線
５２および５４は、メモリ・エフェクトを含む前と、メモリ・エフェクトを除く
ためにバッテリを再調節した後とのバッテリ電圧の挙動を、それぞれに示す。曲
線５０の傾斜は曲線５２および５４の傾斜よりも急であることが明らかである。
更に、メモリ・エフェクトを起こしているバッテリは、ランプ・サイクルの間に
２８．４Ｖの最大電圧を有し、初期および再調節された状態のバッテリは、２７
．９Ｖより小さいピーク電圧を呈示していることが、立証されている。また、バ
ッテリは、メモリ・エフェクトを起こすために反復して５０％のデューティ・サ
イクルを受けたので、連続する各電流充電ランプ・サイクルの間にピーク電圧が
増加したことに、留意することが重要である。

【００１５】 図５は、電流ランプ・サイクルの間の電流充電の大きさの変形例である。バッ
テリは、その初期状態、メモリ・エフェクト状態、再調節済み状態において、２
７．５５Ｖの電圧制限をもつ電流充電ランプ・サイクルを受けさせられる。ひと
たび最大電圧に到達すると、電流ランプの傾斜は方向を変える（図３）。測定さ
れたバッテリ端子電圧は、メモリ・エフェクト状態では速く上昇するので、電圧
制限に速く到達する。従って、これは、バッテリにメモリ・エフェクトがある場
合に、ランプ・テストの間に最大電流を制限する。図５に示すように、メモリ・
エフェクトを持つバッテリは、初期状態および再調節状態のそれぞれのバッテリ
の最大電流充電、曲線７２および７４、と比較して、最小の最大充電電流の極大
、曲線７０、を有する。

【００１６】 例２ 同じ手順およびテストを、１０ＡｈのＮｉＣｄバッテリに行った。図６を参照
すると、曲線６０は、１０Ａｈのメモリ・エフェクトを起こしているバッテリは
、時間的に早く電圧の上昇を起こし、また、初期の電圧曲線６２よりも急な傾斜
を呈示することを示す。更に、テスト中の、メモリ・エフェクトを起こしている
バッテリは、ランプ・テストの間に２８．２Ｖの最大電圧を有し、初期および再
調節済みのバッテリ状態では、２８．０Ｖよりも小さい電圧ピークを呈示する。

【００１７】 図７は、メモリ・エフェクトを起こしているバッテリがランプ・サイクルの間
に、初期バッテリ状態の最大電流、曲線８２、と比較して、低い最大電流値に到
達する、曲線８０、ということを示す。

【００１８】 ランプ・テスト・サイクルの間にシステムに対して賦課された安全電圧および
電流制限は、バッテリ電圧に大きく影響する。従って、ニッケル−カドミウム・
バッテリに対してこれらの制限を、特定の範囲内で、異なる値に設定することが
でき、そして異なる校正曲線を生成することができることに、留意することが重
要である。容量を判定されるべきバッテリが、校正曲線を決定するために使用さ
れるバッテリと同じ条件を受けさせられる限り、その結果は、ここに開示したも
のを複製したものとなるであろう。例えば、ニッケル−カドミウム・バッテリの
安全電圧制限を、１つのセルあたり、１．３から１．６５Ｖの範囲に設定するこ
とができる。

【００１９】 上述の特定の実施形態は本発明の原理を例示する目的のものであり、当業者で
あれば、特許請求の範囲で制限した本発明の範囲および精神が逸脱することなく
、多種の変更を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、バッテリ充電および分析回路の該略図である。

【図２】 図２は、バッテリ充電中の電圧曲線および電流曲線を表すグラフである。

【図３】 図３ａは、本発明の評価サイクルにおける電圧曲線および電流曲線を表すグラ
フである。図３ｂは、交流充電曲線である。

【図４】 図４は、２０ＡｈのＮｉＣｄバッテリの多数の評価サイクルの結果を示すグラ
フである。

【図５】 図５は、２０Ａｈのメモリ・エフェクトのバッテリと正常なバッテリに対する
最大充電電流を表すグラフである。

【図６】 図６は、１０ＡｈのＮｉＣｄバッテリの多数の評価サイクルの結果を示すグラ
フである。

【図７】 図７は、１０Ａｈのメモリ・エフェクトのバッテリと正常なバッテリに対する
最大充電電流を表すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 パテル，アルペシュ アメリカ合衆国ニュージャージー州07054， パーシッパニー，クイーン・ストリート 13 (72)発明者 ルダイ，パトリック・エム アメリカ合衆国ニュージャージー州07011， クリフトン，ポーリソン・アベニュー 602 Ｆターム(参考） 2G016 CB13 CB21 CB23 CB31 CC01 CC03 CC04 CC23 CC27 CC28 CD09 CF06 5G003 CA01 CA11 EA09 GC05 5H030 AA08 AS20 BB06 FF43

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 完全に充電されたニッケル−カドミウム・バッテリがメモリ
   ・エフェクト電気特性を有するかを判定する方法であって、 ａ）前記バッテリに、増加する電流変化を受けさせ、次に、減少する電流変化
   を受けさせるステップと、 ｂ）前記ステップ（ａ）の間に前記バッテリの端子電圧を測定し、測定した最
   大電圧を判定するステップと、 ｃ）前記最大電圧とスレッショルド値とを比較するステップとを備え、 前記最大電圧が前記スレッショルド値よりも大きい場合に、前記バッテリはメ
   モリ・エフェクト電気特性を有するものであるとする、 方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、前記増加する電流変化は時
   間の関数として増加する、方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の方法であって、前記増加する電流変化は電
   流パルスであり、それぞれの後続する電流パルスが、先行する電流パルスよりも
   高い大きさの電流を有する、方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の方法であって、前記減少する電流変化は、
   前記増加する電流変化と同じであるが負のレートで、減少する、方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法であって、前記減少する電流変化は電
   流パルスであり、それぞれの後続する電流パルスが、先行する電流パルスよりも
   低い大きさの電流を有する、方法。
6. 【請求項６】 請求項２に記載の方法であって、前記電流変化のレートは０
   ．２２Ａ／５００ミリ秒のステップである、方法。
7. 【請求項７】 第１の完全に充電されたニッケル−カドミウム・バッテリが
   調節された電気特性を有するかを判定する方法であって、 ａ）前記バッテリに、増加する電流変化を受けさせ、次に、減少する電流変化
   を受けさせるステップと、 ｂ）メモリ・エフェクト電気特性の無い第２の完全に充電されたニッケル−カ
   ドミウム・バッテリに、増加する電流変化を受けさせ、次に、減少する電流変化
   を受けさせるステップと、 ｃ）前記ステップ（ａ）および（ｂ）の間に前記第１と第２のバッテリの端子
   電圧を測定し、各バッテリの測定した最大電圧を判定するステップと、 ｄ）前記第１と第２のバッテリの最大電圧を比較するステップとを備え、 前記第１のバッテリの最大電圧が前記第２のバッテリの最大電圧よりも大きい
   場合に、前記第１のバッテリはメモリ・エフェクト電気特性を有するものである
   とする、 方法。
8. 【請求項８】 完全に充電されたニッケル−カドミウム・バッテリがメモリ
   ・エフェクト電気特性を有するかを判定する装置であって、 ａ）前記バッテリへ印加する、増加する電流変化を生成する電流手段と、 ｂ）前記増加する電流変化の後に前記バッテリへ印加する、減少する電流変化
   を生成する電流手段と、 ｃ）前記電流変化を適用している間に前記バッテリの端子電圧を検知する電圧
   検知手段と、 ｄ）前記バッテリの最大電圧とスレッショルド値とを比較する比較手段とを備
   え、 前記最大電圧が前記スレッショルド値よりも大きい場合に、前記バッテリはメ
   モリ・エフェクト電気特性を有するものである、 装置。
9. 【請求項９】 完全に充電されたニッケル−カドミウム・バッテリがメモリ
   ・エフェクト電気特性を有するかを判定する方法であって、 ａ）前記バッテリに、増加する電流変化を受けさせ、次に、減少する電流変化
   を受けさせるステップと、 ｂ）前記ステップ（ａ）の間に前記バッテリの端子電圧を測定し、時間に対す
   る測定電圧の変化のレートを判定するステップと、 ｃ）前記測定電圧の変化のレートとスレッショルド値とを比較するステップと
   を備え、 前記測定電圧の変化のレートが前記スレッショルド値よりも大きい場合に、前
   記バッテリはメモリ・エフェクト電気特性を有するものであるとする、 方法。
10. 【請求項１０】 所与の公称電圧定格をもつ完全に充電されたニッケル−カ
    ドミウム・バッテリがメモリ・エフェクト電気特性を有するかを判定する方法で
    あって、 ａ）前記バッテリに、該バッテリの端子電圧が前記公称電圧定格よりも大きい
    所定の電圧値に到達するまで、増加する電流変化を受けさせ、次に、減少する電
    流変化を受けさせるステップと、 ｂ）前記ステップ（ａ）の間に前記電流の大きさを測定するステップと、 ｃ）前記電流の大きさとスレッショルド値とを比較するステップとを備え、 測定された前記電流の大きさが前記スレッショルド値よりも小さい場合に、前
    記バッテリはメモリ・エフェクト電気特性を有するものであるとする、 方法。