JP2008537630A - 様々な比重の鉛蓄電池の容量を確定するための方法 - Google Patents

Abstract

様々な実施形態により、蓄電池（１００）の容量を確定するための方法が提供されている。様々な実施形態は、完全に充電された鉛蓄電池（１０５）に、蓄電池端子電圧を測定しながら（１２０）、所定の電流傾斜を印加する（１２０）段階を含んでいる。Ｉ_ｕｐを求める（１４０、１５０）ことができるが、ここで、Ｉ_ｕｐは充電から過充電への過渡電流である。鉛蓄電池の比重も求める（１６０）。次いで、鉛蓄電池の容量を、Ｉ_ｕｐ対容量の関係を記述する相関関数を使用して、Ｉ_ｕｐから求める（１７０）が、相関関数は鉛蓄電池の比重によって変わる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概括的には、蓄電池の容量を確定するための方法と装置に関し、より具体的には、様々な比重を有する蓄電池の容量を確定するための方法に関する。

蓄電池によって駆動される装置の作動を信頼性のあるものとするために、しばしば蓄電池の容量を確定するのが望ましいことがあり、この容量は、普通はアンペアアワー（Ａｈ）で測定される。蓄電池、例えば鉛蓄電池の容量を確定するための或る従来の方法では、蓄電池を１００％充電状態（ＳＯＣ）に充電し、その後、蓄電池を定電流で完全に放電させる必要がある。蓄電池の容量は、放電電流に、蓄電池を完全に放電させるのに必要な放電時間を掛けることによって求められる。蓄電池は、その容量を確定するため放電させた後で、使用に備えて再度完全に充電せねばならない。この従来の方法は、時間が掛かる上に、蓄電池を過充電してしまうとガスが発生し損傷してしまうことから、蓄電池の健全さが破壊される恐れがある。

容量を確定するために蓄電池を充電し放電させる必要があるという問題に取り組むために、別の従来の方法では、Ｉ_ｕｐと容量の相関関係を使用している。Ｉ_ｕｐとは、電流傾斜の上昇部分に対応する蓄電池端子電圧の勾配の極大値である。Ｉ_ｕｐは、充電反応から過充電反応への過渡電流に相当する。鉛蓄電池では、過充電反応は、水素ガスと酸素ガスの発生、即ち、２Ｈ_２Ｏ←→２Ｈ_２＋Ｏ_２である。例えば、蓄電池端子電圧を測定しながら、測定直線的に上昇する電流傾斜を鉛蓄電池に印加する。所定の電圧安全限界に達すると、蓄電池端子電圧を測定しながら、直線的に下降する電流傾斜が印加される。次いで、電圧応答の勾配を計算して、極大値を求める。次いで、電流傾斜Ｉ_ｕｐの上昇部分期間中の極大値を蓄電池容量に相関付ける。

しかしながら、この従来の方法は、完全充電時比重（ＳＧ）が１．２８の鉛蓄電池に使用するのに限定される。蓄電池の比重とは、蓄電池の電解質の密度対水の密度の比をいう。最近導入された鉛蓄電池は完全充電時比重が１．３０なので、問題が生じる。容量を確定するための従来の方法と装置は、低い比重の蓄電池（１．２８ＳＧ）と高い比重の蓄電池（１．３０ＳＧ）を区別できないので、高い比重の蓄電池を従来の方法と装置で使用すると、容量確定を誤る結果となる。

而して、先行技術による上記及び他の問題を克服すること、及び蓄電池容量を確定するためのより良い方法論と装置を提供することが必要とされている。
米国特許出願第１０／８６０３１５号

様々な実施形態によれば、完全に充電された鉛蓄電池に、蓄電池端子電圧を測定しながら所定の電流傾斜を印加する段階を含んでいる、鉛蓄電池の容量を確定する方法が提供されている。Ｉ_ｕｐを充電から過充電への過渡電流として、このＩ_ｕｐを求め、鉛蓄電池の比重を求める。次いで、Ｉ_ｕｐ対容量の関係を記述する相関関数を使用して、Ｉ_ｕｐから鉛蓄電池の容量を求めるが、この相関関数は鉛蓄電池の比重によって変わる。

他の様々な実施形態によれば、電源を含む、鉛蓄電池の容量を確定するための装置が提供されている。この装置は、アナログ対デジタル変換器、デジタル対アナログ変換器、及び電子系制御システムを備えている制御モジュールを更に含んでおり、この制御モジュールは、電源を制御して電流を鉛蓄電池に印加する。装置は、電源に電気的に接続されている制御リレーと、電流傾斜に対する蓄電池の電圧応答を検出するセンサーを更に含んでおり、このセンサーは制御リレーに電気的に接続されている。この装置は、更に、Ｉ_ｕｐをガス発生点の電流として、このＩ_ｕｐを求めることができるように作られたプロセッサを含んでおり、このプロセッサは、更に、Ｉ_ｕｐと鉛蓄電池の比重に基づいて、鉛蓄電池の容量を確定することができるように作られている。

更に別の実施形態によれば、蓄電池の容量を確定するための、コンピュータ読取り可能媒体が提供されている。コンピュータ読取り可能媒体は、完全に充済された蓄電池に電流傾斜を印加するためのプログラムコードと、この電流傾斜に対する蓄電池端子電圧応答を測定するためのプログラムコードを含んでいる。コンピュータ読取り可能媒体は、Ｉ_ｕｐを充電から過充電への過渡電流として、このＩ_ｕｐを求めるためのプログラムコードと、鉛蓄電池の比重を求めるためのプログラムコードを更に含んでいる。コンピュータ読取り可能媒体は、相関関数を使用して、Ｉ_ｕｐから鉛蓄電池の容量を求めるためのプログラムコードを更に含んでおり、この相関関数は、鉛蓄電池の比重によって変わる。

以上の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方は、一例であって説明のみを目的としており、特許請求の対象である本発明に制限を課すものではないものと理解頂きたい。
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、幾つかの実施形態を示しており、説明の記述と併せて、本発明の原理を説明する役目を果たす。

これより、代表的な実施形態を詳しく参照していくが、その一例を添付図面に示している。全図面を通して、同一又は同様の部分については、可能な限り同一の符合を使用している。

図１から図６は、概括的には、例えば、約２５Ａｈから約１２５Ａｈの容量を有する鉛蓄電池の様な蓄電池の容量を確定するための装置と方法を開示している。開示されている代表的な方法と装置は、蓄電池を放電させる必要無しに、蓄電池の容量を求めることができるようにしている。更に、開示されている代表的な方法と装置は、様々な比重の蓄電池について、その容量を求めることができるようにしている。

図１は、例えば、少なくとも１つのセルを有する鉛蓄電池の様な蓄電池の容量を確定するための、方法１００の代表的なフローチャートを示している。１０５では、容量を確定しようとする完全に充電された蓄電池が提供される。様々な実施形態では、完全に充電された蓄電池を提供する段階は、蓄電池を１００％充電状態（ＳＯＣ）に充電する段階を含んでいる。１００％ＳＯＣに充電する段階は、例えば、登録商標Honeywell TruCharge分析器／充電器を使用することの様な、当業者にとっては既知の技法で行われる。

１１０で、この蓄電池について、安全電圧及び電流限界が確定される。安全電圧及び電流限界は、既知の蓄電池特性から確立される。この情報は、蓄電池製造業者により提供される場合もある。

１２０に示すように、蓄電池電圧を蓄電池の端子でリアルタイムに測定しながら、上昇電流傾斜が蓄電池に印加される。或る特定の実施形態では、電流傾斜は、直線的に上昇する電流傾斜の様な所定の勾配を有している。電流傾斜は、安全電圧の様な所定の値まで上昇させ、次いで同じ勾配で降下させ、その間の蓄電池電圧がリアルタイムで測定される。１３０に示すように、電流は、ゼロになるまで下げられる。蓄電池電圧の測定により、印加電圧に対する蓄電池の応答電圧（Ｖ）が判る。

１４０で、応答電圧の勾配（ｄＶ／ｄｔ）が求められ、印荷電流の実測値及び電圧応答データと共に記録される。実例を提示するために、図２では、一例的な電流傾斜と電圧応答の実測値を示している。しかしながら、図２の実施形態は限定的なものではなく、様々な実施形態の理解を促す上での実例ツールとして使用すべきものと理解頂きたい。従って、図２は、電流傾斜、及び少なくとも１つのガス発生点を呈する蓄電池の電圧応答を含む、蓄電池試験サイクルを示している。図２に示す実施形態は、０．０アンペア（Ａ）から約２．０（Ａ）で略６０秒間印加された直線的に上昇する電流傾斜１２３を示している。その後、直線的に降下する電流傾斜１２５が、０．０アンペア（Ａ）になるまで略６０秒間印加される。図２に示す電圧応答１２７は、電圧が６０秒よりも長い時間上昇し、次いで、最大値に達した後、下がり始めることを示している。

様々な実施形態では、応答電圧の勾配（ｄＶ／ｄｔ）は、狭い時間間隔で蓄電池電圧をリアルタイムで測定した際に得られる連続する電圧データ点の差を計算することにより求められる。測定システムにより引き起こされるノイズを低減し又は無くすために、当業者に既知の適切な平滑プログラムを、計算の結果に適用する。図３は、図２に示す電圧応答曲線１２７について求められた（ｄＶ／ｄｔ）を１４３として示している。電圧応答１２７は、図３の上側の曲線としても再現されている。

図１に戻るが、ガス発生点の存在とＩ_upが、１５０で求められる。一般に、ガス点は、印加された電流傾斜に対する蓄電池の応答が、主としてガス発生充電応答から主として充電ガス発生応答に切り換わるときに起こる。ガス発生点は、（ｄＶ／ｄｔ）曲線の極大値を計算することにより求めることができる。例えば、最大値を通過する勾配は、上昇電流傾斜における充電反応から過充電反応への過渡状態、及び降下電流傾斜における過充電反応から充電反応への過渡状態、を示している。これが起きた時点の電流と電圧を、それぞれ、ガス電流（Ｉ_ｇａｓ）及びガス電圧（Ｖ_ｇａｓ）と称する。サイクルに対する蓄電池の応答は、電流傾斜の上昇部分と下降部分の両方で（ｄＶ／ｄｔ）最大値を示す。傾斜の上昇部分での過渡点に対応する電流及び電圧値を、（Ｉ_ｕｐ）及び（Ｖ_ｕｐ）と称し、傾斜の下降部分でのそれらの値を、（Ｉ_ｄｏｗｎ）及び（Ｖ_ｄｏｗｎ）と称する。

１６０で、蓄電池の比重（ＳＧ）が求められる。ここで使用している「比重」及び「蓄電池比重」という用語は、蓄電池の電解質の比重をいう。蓄電池の比重は、例えば、蓄電池から電解質のサンプルを抽出することの様な侵襲的な技法で求められる。比重は、蓄電池の仕様に関する文献を調べることによっても求められる。様々な実施形態によれば、比重は、例えば２００４年６月４日出願の米国特許出願第１０／８６０３１５号に開示されているように、非侵襲的に求めることもでき、前記特許の全内容を参考文献としてここに援用する。

１７０で、蓄電池の容量は、Ｉ_ｕｐと容量の関係を記述しており且つ蓄電池の比重（ＳＧ）によって変わる相関関数を使用して求められる。例えば、比重が１．２８である低ＳＧ蓄電池については、容量は、
容量_Ｌ＝（Ｉ_ｕｐｘ２８．９５）−３６．９７ （１）
により求められ、ここに、容量_Ｌは、例えば、Ａｈで測定された低比重（１．２８）蓄電池の容量である。

同様に、比重が１．３０の高ＳＧ蓄電池の容量は、
容量_Ｈ＝（Ｉ_ｕｐｘ２７．５８）−４５．３５
により求められ、ここに、容量_Ｈは、例えば、Ａｈで測定された高比重（１．３０）蓄電池の容量である。図４は、約１Ａ／３秒の勾配を有する電流傾斜の場合の高ＳＧ鉛蓄電池（１７３）と低ＳＧ鉛蓄電池（１７５）のＩ_ｕｐと容量の間の線形関係のグラフであって、形態は図２に示したものと同様なグラフを示している。当業者には理解頂けるように、例えば、電流傾斜勾配の様な試験パラメータは、限度まで変えることができ、試験パラメータの変化は生成される相関関数を変えることになる。しかしながら、傾斜試験の非線形性により、試験パラメータの変化が、試験応答と生成される相関関数の変化に対して比例的効果を有するわけではない。

上に説明した代表的な実施形態は、低比重（１．２８）蓄電池と高比重（１．３０）蓄電池について、容量をＩ_ｕｐに相関付けているが、当業者には理解頂けるように、この代表的な方法論は、他の比重の蓄電池に対しても、相関関数を生成することにより適用することができる。様々な実施形態によれば、相関関数は、比重、性能容量、及び許容可能な健全状態が既知の蓄電池を選択することにより生成することができる。様々な実施形態では、許容可能な健全性を有する蓄電池には、検出できる欠陥が無い。また、様々な実施形態では、既知の容量を有する蓄電池は、３回の連続放電により測定された放電容量を有する蓄電池である。

様々な実施形態では、Ｉupと容量の間の関係を求めるためのデータは、３回の放電サイクルの結果を平均することにより、試験群内の幾つかの蓄電池の定放電容量を確立することによって生成される。例えば、試験群の各蓄電池に対して３サイクルを実施する。サイクルは、（i）蓄電池を１００％ＳＯＣまで充電する段階と、（ii）傾斜試験を実施してＩ_ｕｐを記録する段階と、（iii）完全放電を実施して放電容量を記録する段階と、（iv）試験群の全蓄電池と実施された全サイクルについて、記録されたＩ_ｕｐと放電容量データをコンパイルする段階、を含んでいる。コンパイルされたデータを使用して、Ｉupと容量の関係が数学的に導き出される。

図５は、蓄電池の容量を確定することができるシステム５００の代表的な構成を示している。代表的なシステム５００は、制御コンピュータ５１０、計測及び制御モジュール５２０、制御リレー５３０、プログラム可能な電源５４０、電流センサー５５０の様な、各種モジュールを含んでいる。更に図５には、容量を求めようとする鉛蓄電池の様な蓄電池５６０を示している。

各種実施形態では、制御コンピュータ５１０は、一式の容量測定アルゴリズムを含んでおり。制御コンピュータ５１０は、この代表的なシステムの他のモジュールを制御するのに使用されるソフトウェアドライバも含んでいる。

制御コンピュータ５１０は、計測及び制御モジュール５２０に接続されている。制御コンピュータ５１０は、例えば、National Instrumentsデータ捕捉モジュールを内臓したPentiumコンピュータの様な何れの適したコンピュータであってもよい。様々な実施形態では、計測及び制御モジュール５２０は、アナログ対デジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタル対アナログ変換器（ＤＡＣ）、及び電子系制御信号発生器（ＥＣＳＧ）を含んでいる。計測及び制御モジュール５２０としては、例えば、National Instruments信号調整システムがある。ＡＤＣ及びＤＡＣは、情報入力を処理して、計測及び制御モジュール５２０に送り、ＥＣＳＧと協働してシステム５００内の他のモジュールを働かせる。例えば、ＡＤＣ、ＤＡＣ、及びＥＣＳＧは、リレー５３０及び／又はプログラム可能電源５４０を制御する。プログラム可能電源５４０としては、例えば、Hewlett-Packard品番６０３２Ａ電源がある。プログラム可能電源５４０は、計測及び制御モジュール５２０と協働して、例えば、事前に設定された勾配の上昇又は下降電流傾斜の様な電流傾斜を蓄電池５６０に印加する。様々な配置において、プログラム可能電源５４０及び／又は計測及び制御モジュール５２０は、電流傾斜の勾配を制御するコンピュータソフトウェアを含んでいる。

様々な実施形態において、制御リレー５３０は、容量を求めようとする蓄電池５６０をプログラム可能電源５４０に接続するのに使用される。例えば、計測及び制御モジュール５２０は、ラインを介して接点閉鎖制御信号を送って蓄電池５６０を回路に入れるか又は回路から外すように切り替えることにより、制御リレー５３０を制御する。リレー５３０が開いているとき、蓄電池５６０は回路から取り出され、電流は印加されない。リレー５３０が閉じているとき、蓄電池５６０は回路の中に入っており、電流が印加される。電流分流器の様な電流センサー５５０は、蓄電池５６０と直接に配列される。代表的な電流センサー５５０としては、例えば、ＡＤＣのチャネルに接続されている５０−アンペア／５０−ミリボルト分流器が挙げられる。５０−アンペア／５０−ミリボルト分流器の選択は、５０−アンペアまでの電流に遭遇する蓄電池に典型的なものである。分流器選択は、試験される蓄電池に適した測定感度を得るために行われる。電流の測定には、ホール効果装置の様な他の適した技法も使用できる。感知された電圧であるアナログ量は、計測及び制御モジュール５２０のＡＤＣにより、デジタル形式に変換される。それらパラメータのデジタルデータは、制御コンピュータ５１０に供給される。この様にして、電流センサー５５０は、蓄電池５６０に入っていく又は蓄電池５６０から送られてくる電流の量を測定するのに使用される。これは、電流分流器を跨ぐ電圧降下を測定して、電圧降下を分流器の抵抗で割ることにより行われる。

様々な実施形態は、コンピュータ制御可能媒体を含んでいる。例えば、各実施形態は、蓄電池に供給される電流の量を制御することができる電源制御プログラムを含んでいる。電源制御プログラムは、制御コンピュータ５１０、計測及び制御モジュール５２０、及びプログラム可能電源５４０の内の少なくとも１つに記憶される。電源制御プログラムは、上昇電流傾斜を蓄電池５６０に印加するように電源５４０に指示するサブルーチンを含んでいる。

様々な実施形態は、電流センサー５５０を制御することができる電流センサープログラムコードを含んでいる。電流センサープログラムコードは、制御コンピュータ５１０、計測及び制御モジュール５２０、及び電流センサー５５０の内の少なくとも１つに記憶される。電流センサープログラムは、電流センサー５５０が何時蓄電池の電流を測定すべきかを判定する。例えば、電源プログラムコードが、電源５４０に、上昇又は下降電流傾斜の様な電流傾斜を蓄電池５６０に印加するように指示したとき、電流センサープログラムは、電流センサー５５０が電流センサー５５０に跨る電圧降下を測定すべきであると判定する。測定された電圧降下についての情報は、計測及び制御モジュール５２０によって分析され、蓄電池電流が算出される。計測及び制御モジュール５２０は、正と負の蓄電池端子に跨がる電圧を測定することにより、蓄電池電圧を直接求めることもできる。

様々な実施形態は、蓄電池５６０の容量を確定することができるプロセッサ制御プログラムを含んでいる。プロセッサ制御プログラムは、制御コンピュータ５１０と計測及び制御モジュール５２０の少なくとも一方に記憶される。プロセッサ制御プログラムは、電源５４０、電流センサー５５０、及び蓄電池５６０から情報を受け取る。受け取った情報は処理され、例えば図３の様な図表と比較されるか又は相関関数に使用されて蓄電池５６０の容量が求められる。

本発明のこの他の実施形態は、当業者には、本発明の明細書を考察しここで開示している本発明を実行することにより明らかになるであろう。明細書及び実施例は例示のみを目的としており、本発明の真の範囲及び精神は、特許請求の範囲の内容により示すものとする。

本教示の代表的な実施形態による、蓄電池の容量を確定するための方法のフローチャートを示している。 蓄電池に印加される一例的な直線的に上昇し降下する電流傾斜と、蓄電池の電圧応答の実測値を示しているグラフである。 一例的な直線的に上昇し降下する電流傾斜に対する蓄電池の電圧応答の実測値と、電圧応答の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を示しているグラフである。 高ＳＧ蓄電池と低ＳＧ蓄電池について蓄電池容量とＩ_upの相関関数を示しているグラフである。 代表的な実施形態による、蓄電池の容量を確定することができるシステムのブロック図である。

Claims (11)

1. 鉛蓄電池（１００）の容量を確定する方法において、
   完全に充電した鉛蓄電池（１０５）に、蓄電池端子電圧を測定しながら所定の電流傾斜を印加する段階（１２０）と、
   Ｉ_ｕｐを充電から過充電への過渡電流として、前記Ｉ_ｕｐを求める段階（１４０、１５０）と、
   前記鉛蓄電池の比重を求める段階（１６０）と、
   前記鉛蓄電池の容量を、前記Ｉ_ｕｐ対容量の関係を記述する相関関数であって、前記鉛蓄電池の比重によって変わる前記相関関数を使用して、前記Ｉ_ｕｐから求める段階（１７０）と、から成る方法。
2. 前記比重は約１．３０であり、前記相関関数は、
   容量＝（Ｉ_ｕｐｘ２７．５８）−４５．３５
   である、請求項１に記載の方法。
3. 前記比重は約１．２８であり、前記相関関数は、
   容量＝（Ｉ_ｕｐｘ２８．９５）−３６．９７
   である、請求項１に記載の方法。
4. 前記Ｉ_ｕｐを求める段階は、
   上昇電流傾斜と下降電流傾斜に応じた前記蓄電池端子電圧の勾配（ｄＶ／ｄｔ）を計算する段階（１４０）と、
   Ｉ_ｕｐを前記蓄電池端子電圧の勾配の極大値に対応する電流として、前記Ｉ_ｕｐを求める段階（１５０）と、を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 既知の比重に対する前記相関関数を求める段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 鉛蓄電池の容量を確定するための装置（５００）において、
   電源（５４０）と、
   アナログ対デジタル変換器と、デジタル対アナログ変換器と、電子系制御システムとを備えている制御モジュール（５２０）であって、前記電源を制御して鉛蓄電池に電流を印加する、制御モジュール（５２０）と、
   前記電源（５４０）に電気的に接続されている制御リレー（５３０）と、
   電流傾斜に対する蓄電池電圧応答を検出するセンサー（５５０）であって、前記制御リレーに接続されている、センサー（５５０）と、
   Ｉ_ｕｐをガス発生点の電流として、前記Ｉ_ｕｐを求めるように構成されているプロセッサ（５１０）と、を備えており、
   前記プロセッサ（５１０）は、更に、前記鉛蓄電池の容量を、前記Ｉ_ｕｐ対容量の関係を記述する相関関数であって、前記鉛蓄電池の比重によって変わる前記相関関数を使用して求めるように構成されている、装置。
7. 前記プロセッサ（５１０）は、更に、前記蓄電池電圧応答で検出された最大蓄電池電圧を前記蓄電池のセルの個数で割ったものをＳＧ_Ｌｉｍと比較することにより、前記鉛蓄電池の比重を求めるように構成されており、ここに、前記ＳＧ_Ｌｉｍは、低比重蓄電池の最大実測蓄電池電圧の上限を前記低比重蓄電池のセルの個数で割ったものである、請求項６に記載の装置。
8. 前記電流傾斜は、
   所定の限界まで約０．３３Ａ／秒で直線状に上昇する電流と、
   前記所定の限界に達した後、約０．３３３Ａ／秒で直線状に下降する電流と、を備えている、請求項６に記載の装置。
9. 蓄電池の容量を確定するためのコンピュータ読取り可能媒体において、
   完全に充電された蓄電池に電流傾斜を印加するためのプログラムコードと、
   前記電流傾斜に応答する蓄電池端子電圧を測定するためのプログラムコードと、
   Ｉ_ｕｐを充電から過充電への過渡電流として、前記Ｉ_ｕｐを求めるためのプログラムコードと、
   前記鉛蓄電池の比重を求めるためのプログラムコードと、
   前記鉛蓄電池の容量を、鉛蓄電池の比重によって変わる相関関数を使用して、前記Ｉ_ｕｐから求めるためのプログラムコードと、を備えているコンピュータ読取り可能媒体。
10. 前記電流傾斜は約０．３３Ａ／秒であり、前記比重は約１．２８であり、前記相関関数は、
    容量＝（Ｉ_ｕｐｘ２８．９５）−３６．９７
    である、請求項９に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
11. 前記電流傾斜は約０．３３Ａ／秒であり、前記比重は約１．３０であり、前記相関関数は、
    容量＝（Ｉ_ｕｐｘ２７．５８）−４５．３５
    である、請求項９に記載のコンピュータ読取り可能媒体。

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