JP2012517094A - バッテリ充電状態センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリ内に一以上のリン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）バッテリセル又は他のタイプのバッテリセルを含むＬＦＰバッテリ又は他のタイプのバッテリ等のモニタリングされる対象の状態又は性質、及び、バッテリセル内の電解質又は電極の磁化率等の磁化率又は他の性質を測定することによって、バッテリセルの充電状態等の対象の状態又は性質を測定するための一以上のセンサに関する。バッテリ内のバッテリセルの充電状態は、電気回路に接続された一以上のセンサによってモニタリングされる。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００９年２月５日出願の米国仮出願第６１／１５００９１号に関係し、またその優先権を主張し、その内容は参照として本願に組み込まれる。

本発明は、検出可能な磁束を用いて、対象（バッテリ等）の充電状態を決定し、モニタリングし、その指標を提供するためのデバイス及び方法に向けられたものであり、その対象は、多様な応用において有用なものであり、自動乗用車両において有用なバッテリを含む。

バッテリは、直列及び／又は並列の配置で接続された一以上のセルから成り、そのセルは、電荷電位（エネルギー）を化学的に貯蔵し、外部電気回路負荷によって求められた際に所定の電圧で電荷を運ぶ。各バッテリセルは電解質によって直列に接続された二つのハーフセルを含む。電解質は、アニオン（つまり負に帯電したイオン）及びカチオン（つまり正に帯電したイオン）から成る。ハーフセルの一方は、電解質の一部及びアノード（つまり負）の電極を含み、そのアノードに向けてアニオンが移動する。他方のハーフセルは、電解質の一部及びカソード（つまり正）の電極を含む。電極は、互いに接触しないが、固体又は液体のいずれかであり得る電解質によって電気的に接続される。

バッテリの動作中、レドックス（還元‐酸化）反応がバッテリに電力供給を行う。つまり、電解質中のカチオンがカソードにおいて還元されて（つまり、電子の追加によって）、アニオンがアノードにおいて酸化される（つまり、電子の除去によって）。バッテリが放電すると、イオンはアノードから電解質を介してカソードに流れる。そして、充電中には、イオンはカソードから電解質を介してアノードに流れる。

理論的に完璧なバッテリは、設計パラメータ及び物質の関数である電荷を貯蔵して、電荷を外部電気負荷に運び、その後、元々のキャパシティに完全に再充電可能である。従って、充電サイクル中にセルに入って行く電荷、又はアンペアアワーを測定して、蓄積した電荷から、放電サイクル中にセルから出て行く全電荷を引くと、結果の値は、充電状態、又はどの位のエネルギーがセル内に貯蔵されているのかの正確な指標となる。

しかしながら、電荷は化学的に貯蔵されるので、各充電‐放電サイクル（並びに通常の温度サイクル、振動、衝撃等）は、個々のセル内に不可逆的な変化をもたらす。更に、充電及び／又は放電の速度も、セルキャパシティに対する変化として現れ得る。こうした変化の一般的な結果は、その後の各充電サイクルにおいてあまりエネルギーが貯蔵されなくなることである。例えば、充電放電サイクルの数が増えるにつれて、セルのキャパシティは低下し、完全な電圧において、セルは、最初に稼動した際の９５％のキャパシティではなくて、６０％のキャパシティのものでしかなくなる。従って、実際のセルの充電キャパシティは、時間及び、未知の割合での実際の使用に対して低下するので、充電状態を決定するためにセルに最初に入れられた量から使用された電荷の量を引くという上述の方法には、欠点がある。

バッテリセルの実際の変動する充電状態を知ることが必要であるが、これは、主にコンピュータ等の携帯型電子デバイスの使用における利便性に関するものであった。バッテリの充電の実際の状態が不明確であることの危険性は、大抵、バッテリの充電が使用可能レベル以下になると不便になるというものである。

最近になって、バッテリは、車両に電力供給を行うために内燃エンジンと併せて使用されている。こうした所謂ハイブリッド車両は、バッテリが運転手によって要求される機械的エネルギーを提供できなくなる時までバッテリのパワーで動作可能であり、その時には、内燃エンジンが、発電機を介して、利用可能なバッテリの充電に取って代わるか、これを増加させる。

内燃エンジン及び発電機を共に排除して、バッテリ電力のみで動作する車両の使用に対する興味が増してきている。この傾向は、一部には、化学的なバッテリ技術の進展によって促進されている。しかしながら、バッテリが使用される技術に関わらず、バッテリの充電状態の情報を積極的に決定し、モニタリングし、提供することが依然として必要である。純粋な電気車両では、ハイブリッド車両の構成の場合のような原動力のバックアップが存在しないので、この必要性は利便性を超えたものとなる。

充電を決定する従来の方法の問題を補償する試みでは、充電／放電サイクルの量、充電／放電の速度、及びセルに入って行く電荷の一体の和を比較検討する取り組みの他の因子を含む多様な因子を考慮するアルゴリズムを利用して、測定結果が、実際に利用可能なセルキャパシティのパーセンテージ対理論的なセルキャパシティのパーセンテージに対応するようにする。

他の知られている方法は、放電経路内の一以上の箇所において電圧及び／又は電流を測定することを含む。この方法では多数の誤差が生じ易い。“チャージイン対チャージアウト”の測定方法と同様に、この方法は、セルの性質が一定のままであるか（実際にはありえない）、又は、時間及び使用に対する変化がアルゴリズムの補正因子に信頼できるように従うか（これが一般的な場合であるが、統計的な帯域内のみで、“異常値”の可能性がある）のいずれかの仮定に依るものである。バッテリは、直列及び／又は並列の構成で接続された多数のセルで構成されるので、他のセルに関して統計的な異常値として振る舞う個々のセルは、バッテリの機能を全体として顕著に劣化させ得る。

特許文献１では、セル電極の近傍に配置された単一のコイルが、交流電流で励磁される。セルの充電状態は、コイルの複素インピーダンス及びその近くの環境を決定する。この方法には多数の制限がある。例えば、測定回路の出力は、コイルの複素インピーダンス／電極回路自体を単に反映したものではなく、コイルと測定回路との間の全ての電気的相互接続及びワイヤ配線を含む回路全体を反映したものである。回路に対する何らかの抵抗性又は反応性の影響も、測定に誤差を与える。更に、特許文献１では、対象となる複素インピーダンスの測定が、バッテリセルの“プレート”に関係する実施形態を教示している。従って、開示される実施形態のこのようなデバイスは、セルのプレートとの相互作用を最大化するために比較的大きなコイルを採用する。このような構成での明らかなパッケージング、重量及び製造の問題に加えて、大きなコイルは、必須レベルにおける励磁のために実質的により大きな電力を必要とし、効率が良くなく、他の測定コイル又はその近くの電子機器と相互作用し得る電磁場を伝播させる傾向が上がる。

バッテリセル内の充電状態を評価する他の方法は、密度（比重）や光学特性等の性質を測定するために、センサをセル内に浸漬させること、又はセルの電解質のサンプルを取ることを要する。

従って、従来技術の制限を克服する、バッテリの充電状態を決定、モニタリング及びその指標を提供する装置及び方法が必要とされている。

米国特許第５５３７０４２号明細書

本発明の主たる課題は、対象の充電状態を決定、モニタリング及びその指標を提供するためのデバイスを提供することである。

本発明の他の課題は、対象の磁化、磁気モーメント及び透磁率の指標を決定、モニタリング及び提供するデバイス及び方法を提供することである。

本発明の更なる課題は、自動車用デバイス、家庭用電子デバイス、又はバッテリを有する他のタイプのデバイスの部品を提供することであり、特に、バッテリ、バッテリ内の一以上のバッテリセル、及びバッテリセルの充電状態を測定するための一以上のセンサを提供することである。これらの部品は、バッテリセル内の電解質又は電極の磁化率を測定するために、組み立てられる。

本発明の他の課題は、センサを用いてバッテリ及びバッテリセルの充電状態をモニタリングすることによって、所定の時点における又は所定の期間にわたる充電状態を決定するための方法を提供することである。

本発明の更に他の課題は、オーディオデバイス、ビジュアルデバイス、又は他のデバイスを用いてバッテリ及びバッテリセルの充電状態の指標を提供することである。

バッテリセルの充電状態についての有用な情報を得るため、本発明の他の課題は、バッテリセルの筐体及び電解質及び／又は電極を介する磁場を生成及び方向付けるのに使用される一以上の励磁コイルと、電解質及び／又は電極の磁化率の結果として磁場が減衰している程度を測定する一以上のフラックスゲート磁力計とを使用することである。

本発明の更に他の課題は、バッテリセルの充電状態をモニタリングするためのセンサを提供することであり、そのセンサは、コイル取り付け基板、プリント回路板、感知回路に達する一以上のワイヤ、駆動コイル、第一の少なくとも二つの感知コイルを有し、少なくとも二つの感知コイルの各々は、好ましくは、アモルファスコアと、インテグラルフラックスガイドを有する駆動コイルコアとを有する。

本発明の他の課題は、実質的な重量を追加したりバッテリセルのサイズを実質的に変化させることを要せずに、バッテリセルに簡単に取り付けることができて、また、顕著な追加的な努力無しで製造及び組み立てが可能なセンサを提供することである。

本発明の更に他の課題は、センサの部品を周囲環境から保護するために収容するために取り付けデバイスに取り付けられたセンサ筐体を提供することである。

本発明の他の課題は、少なくとも一つのワイヤに対して信号を受信する感知回路を提供することであり、その信号は、バッテリセルの磁化率についての情報を提供する。

本発明の他の課題は、バッテリのバッテリセルと共に使用するためのセンサを提供することであり、そのバッテリセルはＬＦＰバッテリセルであり、バッテリは自動乗用車両において使用される。

本発明の更に他の課題は、対象について、その温度、他の対象に対する近接性、応力（磁歪効果）、抵抗（磁気抵抗効果）、体積、質量（特定の物質）、物質の識別（特定の物質）、磁気的分類（反磁性、強磁性、常磁性等）、欠陥検出、化学的検出（ガス漏れ検出、汚染（食品、血液、水／環境中等の重金属量）、薬剤品質）、生物学的プロセス（バイオセンサ、磁気共鳴影像法（ＭＲＩ，ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）造影剤検出／血流濃度）、鉄含量）、化学酸化、イオン化、上述の磁気特性に関係がある何らかの物理量を決定、モニタリング、及びその指標を提供するデバイス及び方法を提供することである。つまり、対象の基本的な物理的性質、基本的な化学的性質、及び基本的な生物学的性質である。

本発明のこれらの及び他の課題及び利点は、本願において十分に説明されるように、対象の充電状態をモニタリングするための装置によって得られ、その装置は、対象に近接して取り付けられるように構成された充電状態センサを備え、そのセンサは、磁場を出力するための誘導駆動コイルと、少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備え、その変化は、対象の充電電位の状態を示す。

また、本発明の課題及び利点は、本願において十分に説明されるように、バッテリセルの充電状態をモニタリングするための装置によって得られ、その装置は、バッテリセルに近接して取り付けられるように構成されたバッテリ充電状態センサを備え、そのセンサは、磁場を出力するための誘導駆動コイルと、少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備え、その変化は、対象の充電電位の状態を示す。

本発明に係るバッテリ充電状態センサ（バッテリセルに取り付けられている）を有するバッテリセルの上面図である。 図１に示されるバッテリセル及びバッテリ充電状態センサの斜視図である。 図２に示されるバッテリ充電状態センサの拡大図である。 図３に示されるバッテリ充電状態センサの立面図である。 本発明に係るバッテリ充電状態センサの一実施形態の他の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る回路システムのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る図６に示される感知回路のブロック図である。 図７に示される感知回路の概略図である。 本発明の一実施形態に係る図６に示されるアナログスイッチ回路の概略的なブロック図である。 感知回路からの信号の複数の時系列グラフを含む図である。

本発明の複数の好ましい実施形態を例示目的で説明するが、本発明は、図に明確に示されていない他の形式でも実現可能であることは理解されたい。図面は、本発明の一以上の課題を達成し及び／又は上述の本発明の利点から導出される利点を享受するシステム設計及びそのシステムを用いる方法に関して説明される。

本発明は、対象の磁化率を、その対象に浸透する磁場を生成することによって、及び同じ磁場内における結果としての変化を感知することによって測定するセンサに向けられたものである。“対象”は、一定又は可変の磁化率を有するボリューム部であり得て、他の物理量又は状態に関係し得る。物理的状態の例として、物質の温度、物質中のイオン濃度、物質の構造が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

一般的に、以下においてバッテリセルへの応用に関して更に説明されるシステム及び方法は、測定される対象に隣接する付属フラックスディレクタボリューム部（ｆｌｕｘ−ｄｉｒｅｃｔｏｒ ｖｏｌｕｍｅ）を備えた電磁石又は永久磁石を位置決めすること、及び、対象に隣接する一組の磁気誘導磁場センサを位置決めすることを含み、電磁石からの磁束線が、磁場センサ及び対象に浸透するようにする。磁束線の経路は、対象及び磁場センサの両方を通って延伸する。これらの部品は、好ましくは高透磁率強磁性コア製の電磁石と、付属高透磁率フラックスディレクタボリューム部と、一以上の磁気誘導磁場センサとを含む。対象の磁化の量は、印加磁場及び対象の磁気特性の両方に依存する。そして、対象の磁化は、その対象の外部にそれ自体の磁場成分を生成し、対象周辺の磁場を変化させる。磁場センサは、対象の磁気特性の変化によって生じた対象外部の磁場の変化（つまり対象の磁化率）、又は対象の磁化を測定する。

本発明の一実施形態は、ＡＣ磁場を生成するＡＣ電流によって駆動する電磁石を使用するが、ＤＣ電流も使用可能である。他の一般的ではないＡＣ磁場源も使用可能であり、回転磁石が挙げられるが、それに限定されるものではない。また、磁場センサが、磁化成分が全く存在せず、測定される対象近傍の他の何らかの既存の磁場源に依って、動作することも想定される。また、本発明は、対象自体の固有磁場のみを利用することによっても作動することができる。更に、本発明がフラックスディレクタボリューム部（後述する）が存在しなくても動作可能であることが想定される。また、磁石及び磁場センサが単一の部分に組み合わされることも可能である。磁場センサは、“磁気誘導”なものではってはならない。磁場センサは、多様な方法で動作可能である。

図面では、本発明の一応用を例示するために、特性の実施形態用（つまり、バッテリ内、特にバッテリセル内の充電状態（ＳＯＣ，ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を測定すること用）のシステム及び方法が示されて示唆されている。ＳＯＣは、電解質及び電極の磁化率を測定することによって直接又は間接に測定され、励磁コイル、磁束配向構造、一以上のフラックスゲート磁力計コイル、及び関連する電子回路が使用される。

本発明の部品の好ましい配置は、図１〜図３に示されるように、バッテリセルに近接して励磁コイルを配置することを含み、その励磁コイルは交流電流によって励磁される。

まず図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るバッテリ充電状態センサ１０４（バッテリセル１０２に取り付けられている）を有する単一のバッテリセル１０２の立面図が示されている。バッテリセル１０２は、例示目的で、１６５×２２６ｍｍの寸法の矩形を有するものとして示されているが、他の形状及びサイズも想定される。バッテリセル１０２は、本願で説明される応用に適切した既知のバッテリセル物質製であり得る。例えば、バッテリセル１０２は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４、又はＬＦＰ）バッテリセルであり得る。バッテリ充電状態センサ１０４は、バッテリセル１０２の適切な位置の近傍に配置されるか、直接取り付けられ得るが、具体的な位置は、バッテリセル１０２の構成、サイズ及び形状、他のバッテリセル、バッテリセル及び電解質のアセンブリ、バッテリ筐体、及び他の因子を考慮して当業者には容易に理解されるものである。バッテリセル１０２及びバッテリ充電状態センサ１０４の配置については、図２の斜視図に更に示されている。

次に図３を参照すると、図１の部分Ａ‐Ａの拡大図が斜視図で示されている。この斜視図は、バッテリセル１０２に取り付けられたものとして示されているバッテリ充電状態センサ１０４を示す。図示される実施形態では、バッテリセル１０２は５．４ｍｍの幅を有する。バッテリ充電状態センサ１０４は、ブラケット１０６を用いてバッテリセル１０２に取り付けられ、そのブラケット１０６は１２．７ｍｍの幅を有する。ブラケット１０６は、バッテリ充電状態センサ筐体１０８を支持し、そのバッテリ充電状態センサ筐体１０８は６．９ｍｍの幅を有する。バッテリ充電状態センサ筐体１０８は、矩形であり、内部空間を形成するものとして示されているが、他の形状も使用可能である。バッテリ充電状態センサ筐体１０８は、ブラケット１０６が取り付けられているバッテリセル１０２の端部に対して外側に向けて略垂直に延伸する。バッテリ充電状態センサ筐体１０８は、ブラケット１０６から着脱可能なように形成可能であり、ブラケット１０６は、バッテリセル１０２から着脱可能なように形成可能である。

バッテリ充電状態センサ筐体１０８から外側に向けて延伸するのは、複数の導電体１１０である。導電体１１０は、バッテリ充電状態センサ筐体１０８内部の一以上のプリント回路板１１２に接続される。プリント回路板１１２は、導電体１１０に対して張力緩和を提供する適切なポッティング材料を用いて、バッテリ充電状態センサ筐体１０８内にポッティングされる（絶縁樹脂に埋め込まれる）。

次に図４を参照すると、図３のバッテリ充電状態センサ１０４の断面立面図が示されていて、本実施形態では、ブラケット１０６は８．４×２１．６ｍｍの寸法を有するものとして、バッテリ充電状態センサ筐体１０８は一方向に１５．２４０ｍｍと２３．４ｍｍの寸法を有するものとして、ブラケット１０６及び導電体１１０と共に示されている。上述のように、バッテリ充電状態センサ筐体１０８は、ブラケット１０６から着脱可能であるが、動作時には、ロック機構１１４が二つの部品を互いに保持する。図示されるロック機構１１４は、二つの対向して係合するフランジ１１４ａ、１１４ｂを含むが、適切な機械的ロックデバイスを用いて、バッテリ充電状態センサ筐体１０８をブラケット１０６に係合することができる。

バッテリ充電状態センサ筐体１０８内には、少なくとも一つのフラックスコイル１１６、フラックスディレクタ１１８及び誘導駆動コイル１２０がある。図示される実施形態では、二つのフラックスコイル１１６ａ、１１６ｂが使用されていて、イリノイ州シカゴのＭａｇｎａ−Ｌａｓｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ社製のフラックスコイルであり得る。フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂの各々は、好ましくはアモルファスコアを有する。フラックスディレクタ１１８は、電磁石コアに接続されるか、又は小さな空隙が電磁石コアとフラックスディレクタ１１８との間に配置される。フラックスディレクタ１１８は、バッテリセル１０６の形状に応じて、バッテリセル１０６に近接して配置されもする。

筐体１０８内部の全ての部品は、電磁石又は印加磁場源からの磁場がモニタリングされている対象及びその経路内の磁場センサを取り囲むループを完成させるような構成に向けられなければならない。磁場センサ及び磁場源は、可能な限り互いに近づけて配置されなければならず、磁場センサの磁気飽和が生じないようにする。

誘導駆動コイル１２０（つまり励磁コイル）内の変動電流は、誘導駆動コイル１２０の外部に存在する磁束経路を有する対応磁場を生成する。磁場は、バッテリの外部構造（図示せず）、バッテリセル１０２、電解質化合物（図示せず）及び／又はバッテリセル１０２内部の電極（図示せず）を通って伝播する。誘導駆動コイル１２０に起因する磁束は、バッテリセル１０２内部の電解質及び／又は電極を通って伝わり、一以上のフラックスコイル１１６ａ、１１６ｂと鎖交する。

次に図５を参照すると、本発明に係るバッテリ充電状態センサの一実施形態の他の斜視図が示されている。図示されるように、本発明のバッテリ充電状態センサ１０４は、バッテリセル１０２に取り付けられたブラケット１０６、バッテリ充電状態センサ１０４、プリント回路板１１２、感知回路（後述する）に繋がる導電体１１０、誘導駆動コイル１２０、フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂ、インテグラルフラックスガイドを有するフラックスディレクタ１１８、及び必要であれば温度センサ（図示せず）を含む。

フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂによって感知される磁場は、フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂ内に誘起される電圧又は電流を測定することによって、又はフラックスゲートコイルベースのセンサ等の感知測定デバイスで磁場を直接測定することによって、求められる。誘導駆動コイル１２０からの駆動信号に関係する結合信号の振幅若しくは位相又は磁場の強度に基づいて、磁場が通る物質の磁化率を求めることができる。

磁化率は、単位印加磁場当たりの物質の磁化として定義可能である。当該分野においては一般的に、バッテリセルの電解質及びその電極の両方の磁化率が部分的にセル内に貯蔵されたエネルギー量の関数であることが知られている。

特に、磁化率は以下のように定義可能である：
μ＝（１＋χ）μ０
ここで、
μ＝透磁率
μ０＝自由空間の透磁率
χ＝磁化率

上記表現の別の形式が、μ／μ０として定義される比透磁率に関して磁化率を表現するのに用いられることが多く、以下の表現となる：
μ／μ０＝１＋χ

温度等の多様な因子が、電解質及びバッテリ電極の磁化率の変化を生じさせ得る。従って、適切な温度センサ（後述する）を使用し得る。温度センサの電子出力は、生の状態の充電出力信号を補正するのに使用可能な補正因子を提供する。

上述のように、四つの物理量が物理的に関係していて、対象の磁化に影響を与え得る。対象の磁化は、本発明によって測定される対象の外側の磁場を生成する。駆動源によって生成される“印加磁場”は取り除かれ得る。センサにおける磁場は、駆動源及び磁化対象からの磁場の重ね合わせである。一構成では、追加の“磁場センサ”が含まれ、印加磁場及び対象からの磁場の重ね合わせが第一のセンサから異なるように配置される。測定結果を組み合わせて、“印加磁場”測定を低減することができる。

リチウム等の常磁性体は、１より大きな比透磁率（χ＞１）を有する一方、強磁性体は、１よりもはるかに大きな比透磁率（χ＞＞１）を有する。リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４又はＬＦＰ）バッテリセルでは、リチウムイオンは、電極から電解質内に電荷を運びそして戻る。電解質中のリチウム濃度が充電状態と共に変化すると、各電極内の常磁性体の濃度も変化する。常磁性体の変動する濃度は、電解質及び電極の両方の磁性を変更する。変更される性質の一つは、磁化率である。従って、リチウム等の可変磁化率、従って可変透磁率の物質が、誘導駆動コイル１２０等の駆動コイル及びフラックスコイル１１６ａ、１１６ｂ等のピックアップコイルの近くに配置されて、駆動コイル、物質及びピックアップコイル間の磁束鎖交が存在するようになる場合、磁化率が変化すると、磁束鎖交が変化する。コイル間の磁束鎖交は、磁化率と共に変化する。

フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂとしての使用に好ましい本発明のフラックスゲートコイルは、アモルファス金属ワイヤ又はストリップ製のコアに巻かれたコイルである。フラックスゲートコイルは、交流電流で励磁され、（ａ）コイルの巻き線の幾何学的形状及び（ｂ）コア物質の透磁率の関数であるインダクタンスを有する。強度が増大している磁場の存在下では、透磁率は、磁場強度の閾値に達するまで比較的高くて一定の値のままであり、その閾値の点において、コアの透磁率は瞬間的に略１の値に減少する（まさに正方形のＢ‐Ｈループによって明らかにされる）。アモルファスコアに作用する磁場は、（ａ）フラックスゲートコイルを流れる交流電流によって発生する磁場及び（ｂ）環境磁場の和である。フラックスゲートコイルを流れる電流が各ハーフサイクル中に増大すると、フラックスゲートコイルのインダクタンスは、特定の点までは一定であり、その点において環境磁場及びコイルによって発生した磁場の和が、アモルファスコアの透磁率の減少を引き起こして、略空気の透磁率の値へと減少させる。この突然の透磁率の変化は、フラックスゲートコイルのインダクタンスの対応する変化を生じさせる。

本発明の場合、対象となる環境磁場は、バッテリセル１０２内部の電解質及び／又は電極を介して誘導駆動コイル１２０から鎖交されたものである。言い換えると、電解質及び電極の磁化率はバッテリセル１０２内部に貯蔵されたエネルギーに従って変化するので、誘導駆動コイル１２０及びフラックスコイル１１６ａ、１１６ｂの間の磁束鎖交は、バッテリセル１０２の充電状態に直接関係する。

誘導駆動コイル１２０及びフラックスコイル１１６ａ、１１６ｂに加えて、本発明の好ましい実施形態は、フラックスディレクタ１１８等の一以上の磁束を方向付ける構造も含む。その構造は典型的には、非常に高い透磁率を示す物質製であり、例えば、ニッケル又はコバルトを多く含む合金物質が挙げられる。フラックスディレクタは、二つの別々の機能を果たす。第一の機能は、システムの効率を改善することである。非常に高い透磁率を有するフラックスディレクタは、その近傍の全ての磁束を“まとめる”傾向があり、その磁束は、はるかに密で集束された形で構造から出て行く。結果として、磁束がより効率的に利用されて、フラックスディレクタを使用しない場合に所定の機能を行うのよりも少ない磁束（従って少ない電力）しか必要とされない。

フラックスディレクタの第二の目的は信号対ノイズ比を改善することである。前述のように、フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂのアモルファスコアの双安定な透磁率特性は、環境磁場によって影響を受ける。アモルファスコアの幾何学的形状（この場合好ましくは長くて薄い）は、フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂのコアに、環境磁場に対する感度の好ましい軸を与える。フラックスディレクタ１１８等の一以上のフラックスディレクタの使用は、対象となる磁束（つまり、バッテリセル１０２の電解質及び／又は電極を通って結合されているもの）を集束させて、フラックスコイル１１６ａ、１１６ｂのアモルファスコアと交わり得る外部のランダムノイズ磁場を“無視する”傾向がある。

本発明の一実施形態では、バッテリ充電状態センサ１０４（少なくとも一つの励磁誘導駆動コイル１２０、少なくとも一つのフラックスディレクタ１１８、及び少なくとも一つのフラックスコイル１１６ａ又は１１６ｂを含む）は、バッテリ内の全てのバッテリセルに関連する。他の実施形態では、バッテリ充電状態センサ１０４は、バッテリ内の単一のバッテリセル１０２用に使用され、他の実施形態では、バッテリ充電状態センサ１０４は、バッテリ内の全てよりは少ない数のバッテリセルにおいて使用される。

バッテリ充電状態センサ１０４は、個々のバッテリセル１０２に取り付けられた、又は複数のバッテリセルを収容するバッテリの筐体に取り付けられた別個の部品であり得る。また、バッテリ充電状態センサ１０４は、バッテリセル又はバッテリの筐体内に挿入成形可能である。

次に図６を参照すると、本発明の一実施形態に係る部品及び電気回路の一部のブロック図が示されていて、バッテリ６０２内の個々のバッテリセル６０４が、磁気センサ素子及び励磁機６０５に近接して示されている。特に、バッテリ６０２は、自動乗用車両（図示せず）において使用されるバッテリであり得るものとして示されているが、他の応用も想定される。バッテリ６０２は、バッテリ６０２の筐体（図示せず）内に直線状に配置された複数のバッテリセルを含み得る。バッテリセル６０４に取り付けられ、又は近接するのは、対応する励磁機及びセンサ６０５であり、四本の導電体によって混合信号調整及び処理集積回路６０６に電気的に接続されて、その混合信号調整及び処理集積回路６０６は、図６に示されるような複数の回路部品を含む。

特に、図６は、磁気センサ素子及び励磁機６０５からの第一の対の二本の導電体の各々が駆動回路６０８に接続されている様子を示す。磁気センサ素子及び励磁機６０５からの第二の対の二本の導電体の各々は、アナログスイッチ回路６１０に接続されているが、感知回路６１２に直接接続可能でもある。アナログスイッチ回路６１０は感知回路６１２に電気的に接続される。感知回路６１２からの出力は、アナログ・デジタル変換器６１４及び信号変換器６１６によって処理される。電流・電圧温度モジュール（ｖｏｌｔａｇｅ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｄｕｌｅ）回路６１８は、信号変換器６１６からの出力を受信するのに使用され得て、また、クロック信号６２０を出力し得る。出力（スレイブ）インターフェイス信号６２２は、バッテリ又はバッテリセルの充電状態を示す信号である。当業者には、上述のような本発明の励磁及び感知の側面を生成するための図６に示されるもの以外の回路構成が存在することは明らかである。

感知回路６１２が図７に更に示されていて、後述のように特定の周波数において信号を発生させるために二つのインダクタＬ１及びＬ２に接続されたＬＣ振動回路７０２を示すブロック図が示されている。ＬＣ振動回路７０２は、周波数変調信号７０６（ＴＰ１によって示される）を出力し、その周波数変調信号７０６は、後述のように復調器回路７０４に入力される。復調器回路７０４の出力は、アナログ・デジタル変換器６１４に入力される。図８は、本発明の一実施形態に係る実際の感知回路６１２の概略図である。図８に示されているのは、プリント回路板部品Ｕ１上の接続部１〜８を備えたＬＣ振動回路７０２であり、インダクタＬ１及びＬ２、復調器回路７０４と共に示されている。

アナログスイッチ回路６１０が、概略的で部分的なブロック図及び回路図である図９に更に示されていて、ＶＩＴＭ回路６１８からの出力がアナログスイッチ回路６１０への入力として示されていて、バッテリセル１に関連する磁気センサ素子のインダクタの対Ｌ１−１、Ｌ２−１、バッテリセル２に関連する磁気センサ素子のインダクタの対Ｌ１−２、Ｌ２−２に対する電気接続が示されている。

次に図１０を参照すると、感知回路６１２からの信号の時系列グラフが示されている。以下の説明によって、そのグラフが理解可能である。第一に、磁気センサ及び励磁機のインダクタの対Ｌ１、Ｌ２が、ＬＣ振動回路７０２内部に構成される。振動周波数ｆｃは、以下のように感知インダクタのインダクタンスに比例する：
ｆｃ＝α１×（Ｌ１＋Ｌ２）

ここでα１は定数である。変動する周囲磁場の下においては、Ｌ１及びＬ２のインダクタンスが変化して、以下のように振動周波数ｆｃの変化を誘起する：
ΔＬ→Δｆ

ＴＰ１が、周波数変調信号である。復調器は、この信号を、ＴＰ１の周波数に比例するＤＣ電圧出力に変換する。
出力＝α２×ｆｃ

ここでα２は定数である。ΔＬ＝α３×ΔＨで、α３が定数であるとする。つまり、感知インダクタのインダクタンスの変化は、周囲磁場の変化と線形な関係を有する。上述の回路は、誘導駆動回路１２０として６ｍｍのフラックスゲートを使用して構築及び試験可能であるが、他のフラックスゲートも使用可能である。

図６に示されるような駆動回路６０８に関して、一実施形態では、駆動信号は、２．５ＶＤＣの平均及び２Ｖの振幅のシヌソイダル信号である。駆動信号は０．１Ａまで上昇可能であるべきである。

図６〜図１０に示され上述されまた後述されるような信号処理電子機器は、充電状態センサの一体部分であるか、又はリモートに配置可能であることは理解されたい。更に、複数の充電状態センサが、多重アレイを介して単一の組の信号処理電子機器に接続可能である。後者の一例は、バッテリ内のセルの数に対応する複数の充電状態センサであり、その全てが、一組の信号処理電子機器内に多重化されている。他の実施形態は、多重充電状態センサ出力の後処理を含むものであり、一般的なバッテリの充電状態を全体として報告し、並びに、バッテリ内の一以上のセルが、バッテリ内の他のセルに対する平均の帯域内で動作していない場合の診断／警告機能を含む。

本発明の他の実施形態は、上記の診断情報を用いて、バッテリ内の個々のセル、又はバッテリパック内の個々のバッテリの接続を自動的に再構築して、致命的なセル又はバッテリの欠陥が生じた場合の“リンプホーム”機能を提供する。

本発明の他の実施形態は、永久磁石等の異なる磁場源を用いる。その実施形態では、追加のフラックスゲートコイルを用いて、磁場を感知することができる。この実施形態の変形例には、セルから出て行く磁束を測定するための用いられるフラックスゲートコイルに逆直列構成で接続された磁石に直接関連しているフラックスゲートコイルを用いることが含まれる。これには、セルに入って行く磁束の量からセルから出て行く磁束のレベルを引くことの効果がある。この方法には、例えば磁場強度の熱係数によるセルに入って行く磁束の量に対する何らかの変化を自動的に補償する利点がある。

本発明の更に他の実施形態は、上述のフラックスゲートコイルの他の磁気センサ手段を用い、磁歪センサ、巨大磁歪センサ、ホール効果セル等が挙げられる。

図に示されるバッテリセル１０２は、平坦なバッテリセルを示すが、バッテリは、モジュールと称されるサブグループにまとめられたシリンダー状のバッテリセルを代わりに用いることができて、モジュールのグループを用いて、バッテリパックを形成する。上述の及び上記図面に示されたバッテリ充電状態センサ１０４は、シリンダー状バッテリセル及びバッテリパックの充電状態を検出するのにも同じく有用である。

使用時には、本発明のバッテリ充電状態センサ１０４は、オーディオ及び／又はビジュアル信号を観測者に出力するための回路を更に含み得て、又は、バッテリセル１０２の充電状態のステータスを示す有用な情報（適切なデバイスによってアクセル可能なプログラマブルリードオンリメモリ、リードオンリメモリ、ランダムアクセルメモリに記憶された電子レコード記録等）を記憶し得る。

本発明の想定される他の有用な応用として、以下の努力分野及び産業分野におけるものが挙げられる： バッテリセル製造者（品質管理等）、バッテリマネジメントシステムグループ、自動車会社（ハイブリッド電気車両、電気車両等）、バッテリ使用者、携帯型バッテリ駆動電子デバイス製造者、化学者、物理学者、生物学者、材料科学者、薬剤品質管理、環境科学者、土壌科学者、米国農務省、多様な製品の製造者（欠陥検出、品質管理等）、医療デバイス製造者、ＭＲＩ製造者、最先端のロック製造者（金庫）。

当業者は、“電磁石”部との用語が、“印加磁場源”や“磁場源”や“磁石”とも呼ばれることを理解されたい。“磁気誘導磁場センサ”との用語は、“磁場センサ”と称されることも多い。“フラックスディレクタ”との用語は、“フラックスガイド”や“磁極片（ポールピース）”と称されることも多い。

開示される本発明の現状において好ましい実施形態について特に説明してきたが、当業者には、本願で示され説明された多様な実施形態の変形及び修正が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及び適用可能な法によって求められる限りにおいてのみ制限されるものである。

１０２ バッテリセル
１０４ バッテリ充電状態センサ
１０６ ブラケット
１０８ 筐体
１１０ 導電体
１１２ プリント回路板
１１４ ロック機構
１１６ フラックスコイル
１１８ フラックスディレクタ
１２０ 誘導駆動コイル

Claims (21)

1. バッテリセルの充電状態をモニタリングするための装置であって、
   バッテリセルに近接して取り付けられるように構成されたバッテリ充電状態センサを備え、
   前記バッテリ充電状態センサが、
   磁場を出力するための誘導駆動コイルと、
   少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって前記磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備え、前記変化が前記バッテリセルの充電電位の状態を示す、装置。
2. バッテリセル電極と、前記バッテリセル電極に接触した電解質とを備えたバッテリセルを更に備えた請求項１に記載の装置。
3. 前記バッテリセルがバッテリの一部分である、請求項２に記載の装置。
4. 前記バッテリセルがＬＦＰバッテリセルである、請求項２に記載の装置。
5. 前記バッテリセルが自動車両のバッテリにおいて使用されるように構成されている、請求項２に記載の装置。
6. 前記バッテリ充電状態センサを前記バッテリセルに取り付けるためのブラケットを更に備えた請求項１に記載の装置。
7. 前記ブラケットに着脱可能に接続された筐体を更に備え、前記筐体が少なくとも前記誘導駆動コイル及び前記少なくとも一つのフラックスコイルを収容する、請求項６に記載の装置。
8. 前記バッテリセルの磁化率を示す信号を受信するための感知回路を更に備えた請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも一つのフラックスコイルがアモルファスコアを備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記アモルファスコアが、アモルファス金属ワイヤ又はストリップで形成されている、請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも一つのフラックスコイルが、磁歪センサ、巨大磁歪センサ、ホール効果セルセンサのうちいずれか一つである、請求項１に記載の装置。
12. 自動車両用のＬＦＰバッテリであって、
    複数の相互接続されたバッテリセルであって、該複数の相互接続されたバッテリセルのうち少なくとも一つのバッテリセルが、該少なくとも一つのバッテリセルに取り付けられたバッテリ充電状態センサを含む、複数の相互接続されたバッテリセルと、
    前記少なくとも一つのバッテリセルの充電状態を示す信号を受信するために前記バッテリ充電状態センサに電気的に接続された回路と、
    前記信号を電気的に記憶するためのメモリデバイスとを備えたバッテリ。
13. 前記バッテリ充電状態センサが、
    磁場を出力するための誘導駆動コイルと、
    少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって前記磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備え、前記変化が前記バッテリセルの充電電位の状態を示す、請求項１２に記載のバッテリ。
14. 前記少なくとも一つのフラックスコイルがアモルファスコアを備える、請求項１３に記載のバッテリ。
15. 前記アモルファスコアが、アモルファス金属ワイヤ又はストリップで形成されている、請求項１４に記載のバッテリ。
16. 前記信号又は前記信号の変化についてのオーディオ情報、ビジュアル情報、又はオーディオ及びビジュアル情報を出力するためのデバイスを更に備えた請求項１２に記載のバッテリ。
17. 前記バッテリセルの各々の充電状態に基づいて、前記バッテリ内の個々のバッテリセルの接続を最適化するための回路を更に備えた請求項１２に記載のバッテリ。
18. バッテリセルの充電状態をモニタリングするための方法であって、
    バッテリセルに近接して取り付けられるように構成されたバッテリ充電状態センサであって、磁場を出力するための誘導駆動コイルと、少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって前記磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備えたバッテリ充電状態センサを提供するステップと、
    前記誘導駆動コイルから磁場を出力するステップと、
    前記磁場の変化を感知するステップと、
    前記バッテリセルの充電電位の状態を示す信号を出力するステップとを備えた方法。
19. 電荷を貯蔵するように構成された少なくとも一つのバッテリセルであって、バッテリセル電極と該バッテリセル電極に接触した電解質とを備えたバッテリセルを提供するステップを更に備えた請求項１８に記載の方法。
20. 自動車両に使用するためのバッテリであって、バッテリ充電状態センサを各々が有する複数のバッテリセルを備えたバッテリを提供するステップを更に備えた請求項１９に記載の方法。
21. 対象の充電状態をモニタリングするための装置であって、
    前記対象に近接して取り付けられるように構成された充電状態センサを備え、
    前記充電状態センサが、
    磁場を出力するための誘導駆動コイルと、
    少なくとも一つのフラックスコイルのインダクタンスの変化を測定することによって前記磁場の変化を感知するための少なくとも一つのフラックスコイルとを備え、前記変化が、前記対象の充電電位の状態を示す、装置。

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