JP2017521649A - 旅客機においてニッケルカドミウムバッテリを監視するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

旅客機（１０）に直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセル（１４）を含むニッケルカドミウムバッテリ（１１）を監視するためのシステムが、個々のバッテリセル（１４）のセル電圧およびセル温度を測定するための複数のセルセンサ（１７）、およびデータ処理ユニット（２１）を含み、バッテリ電流を測定するように設定されている。データ処理ユニット（２１）は、セルセンサ（１７）の測定データおよび測定されたバッテリ電流からバッテリ（１１）の劣化状態を示す劣化状態値を決定するように設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、旅客機において直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセルを含むニッケルカドミウムバッテリを監視するためのシステムおよび方法に関する。

旅客機のバッテリ（主バッテリ）は、車載電源システムの重要な構成要素である。何十年もの間、２４ボルトの公称電圧を有する充電式ニッケルカドミウムバッテリがこの目的のために使用されてきており、このニッケルカドミウムバッテリは、直列に接続された、それぞれ１．２ボルトの公称電圧を有する２０個のニッケルカドミウムバッテリセルからなる。バッテリは、例えば、他の冗長電源が利用可能になるまで緊急時に電力を供給するため、補助電源ユニット（ＡＰＵ）を始動するため、整備および飛行準備のために地上のサブシステムに電力を供給するために使用される。これらの場合に、安全性、信頼性、および可用性に厳しい要件が課せられ、その結果、整備の間隔が比較的短い。

現行では、一定の飛行時間（ＦＨ）の後、または画定された時間が経過した後、バッテリは取り外される。バッテリは、その状態を判定し、その上で保守を行うために、航空機から取り外され、工場で調整されなければならない。

ただし、それらの文書では、バッテリ製造業者は、通常、整備の間隔に対する稼働時間（ＯＨ）を与えている。ただし、航空機オペレータが飛行時間のみを記録するので、ファクタは以下の比率を用いて画定される：ファクタ＝ＯＨ／ＦＨ。この比率は、航空機のミッションプロファイルに応じて特定の範囲内で変化し得る。ミッションプロファイルは、ＦＨ／ＦＣ比を使用して計算され、ＦＣは、飛行サイクルであり、短距離、中距離、または長距離として分類される。これにより、ターンアラウンドタイムとの関係が確立される。

適用可能な制限時間が経過した後に取り外される航空機用バッテリの一般的なサイクルは、例えば、ストレージ−取り付け−航空機の動作−取り外し−保守−ストレージである。保守段階で取られる措置は、例えば：例えば絶縁測定、電圧測定、および充填レベル測定を含む定期点検；定期点検と能力試験を含む日常的な点検；日常的な点検と清掃を含む一般的なオーバーホールである。

航空機では、従来、総電圧と充電電流または放電電流のみが記録される。さらに、いくつかのタイプのバッテリでは、中央測定点でも温度が測定される。これらのデータは航空機内で分析されたり結合されたりせず、いずれの場合もこれらのデータに基づいてバッテリの経時状態について満足のいく結論に達することは不可能である。

工場では、部品保守マニュアルで製造業者が設定した航空機用バッテリの劣化状態（ＳｏＨ）は、絶縁値、負荷時のセル電圧、電解液の充填レベル、および容量を使用して決定される。劣化状態に関してのこの方法の妥当性には疑問がある。航空機用バッテリが難なく容量試験に合格した場合、個々のセルの動作状態にかかわらず正常に動作しているとみなされ、したがって、航空機に搭載されることができる。このようにして、弱体化したセルは検出されず、継続的な動作中にさらなる損傷を受ける。故障が保守作業中に後で検出されたとすると、少数の、例えば５個の故障したバッテリセルが存在する場合、そのバッテリを処分する必要がある。いずれにせよ、使用中のバッテリの弱点または潜在的な欠陥は、あったとしても、保守が工場で実行されるまでは検出されないか、または修理されない。このように、これらの故障は潜在的な故障であり；これらの故障を早期に、または適時に検出することは不可能である。したがって、修復不可能な損傷、および個々のバッテリセルまたはバッテリ全体を恒久的に動作から外す関連要件に対抗するために、予防措置を取ることができない。

最悪の場合のシナリオでは、緊急時に必要な容量は、３０分間の緊急電源が確保されている必要があり、事前にこのように損傷を受けたバッテリから引き出すことはできず、これは飛行の安全性に悪影響を及ぼす可能性がある。

これまでの分析によれば、航空機に使用されるニッケルカドミウムバッテリは非常に信頼できる構成要素である。このため、損傷を受けていないときに電池が取り外される回数が比較的多く、結果として不必要な労力を要する。２０１２年に実施された特定のタイプの旅客機の分析では、例えば、取り外されたバッテリの特定の部分だけが、航空機内での動作中に検出されなかった潜在的な故障を有することが示された。したがって、取り外されたバッテリの多くに故障が発見されなかったので、前記バッテリを取り外す必要はなかったことになる。

バッテリセルが時間とともに徐々に弱くなると、他のバッテリセルにより多くの負荷がかかり、同様に損傷を受ける可能性がある。個々のバッテリセル間のこの不均衡を、外部から検出することができない。製造業者が要求する試験でさえ、弱体化したバッテリセルの特定が不十分である。これは、故障が発見されたときに複数のバッテリセルが既に重大な欠陥を有している可能性があるため、バッテリ全体を不必要に動作から外す必要性を増加させる。

別の欠点は、バッテリを取り外すための汎用規格がないことである。それぞれのオペレータは、システム開発者と協議の上、整備の間隔を確立した後、バッテリを取り外す必要がある。経験値と製造業者の推奨事項が、この決定の基礎となっている。連続的に収集された測定値の形式の確実なデータベースは、現行では存在しない。これは、バッテリの経時状態の評価に関して危険をもたらす。

本発明の目的は、費用効果が高く効率的な整備および保守を提供する航空機用バッテリを監視するためのシステムおよび方法を提供し、バッテリの平均動作寿命および飛行安全性を高め、バッテリへの修復不可能な損傷の量を低減することである。

この目的は、本発明によれば、独立請求項の特徴によって実現される。

本発明によれば、複数のセルセンサおよびデータ処理ユニットが設けられ、このセルセンサは、個々のバッテリセルのセル電圧およびセル温度を測定することを意図され、システムはバッテリ電流を測定するように設定され、データ処理ユニットは、セルセンサの測定データおよび測定されたバッテリ電流からバッテリの劣化状態を示す劣化状態値を決定するように設定されている。バッテリ電流は、バッテリ極間に流れる電流のアンペア数を意味すると理解される。本発明は、航空機用バッテリの現況の経時状態または劣化状態（ＳｏＨ）に関する連続的なセルベースの結論を提供することを可能にし、したがって、バッテリの現況の劣化状態の正確な情報が常に提供される。本発明の結果として、バッテリは定期的な監視のために航空機から取り外される必要はないが、その代わりに、必要に応じて、または本発明に従って決定された劣化状態値に基づいて障害が示されたときにのみ、取り外され、保守の対象となる。本発明に従って初期の段階で個々のバッテリセルの任意の故障または疲労を検出することが可能であるとすると、飛行中の潜在的な故障を大幅に回避することができ、これは、飛行安全性の向上に寄与する。バッテリの取り外し回数を減らすことで、長期的には大幅にコストが削減される。２回の取り外し操作の間の平均時間（平均取り外し間隔、ＭＴＢＲ）を大幅に延長することができる。初期段階で故障が検出された結果、欠陥のあるバッテリは予防手段として交換されることができ、さらなる負荷の結果として損傷が修復不可能になる前に適時に保守を受けることができ、これにより、バッテリを動作から恒久的に外さなければならない、すなわち廃棄する回数が低減される。個々のバッテリセルの劣化状態に関する情報のために、故障の探索が簡単になり、これにより、より迅速かつ効率的な保守および整備が提供される。本発明は、航空機用バッテリの取り外しのための統一の客観的な基準を確立することを可能にする。

劣化状態値に加えて、測定されたセル電圧から個々のバッテリセルの充電状態（ＳｏＣ）を識別する選択肢がある。

セルに特異的かつ特定の、バッテリの劣化状態に関する情報を提供するように、バッテリの各バッテリセルは、対応するセルセンサに関連付けられているのが好ましい。バッテリ電流を、電流測定装置を用いておよび／またはデータ処理ユニットの手段で直接に測定することができる。これにより、バッテリの全体的な状態が良好であっても、個々のセルのエラーを検出することが可能となる。これにより、エラーがより深刻になるのを防ぐための予備対策としてバッテリを交換することが可能となる。

バッテリの負荷中、特に大電流の負荷中に、個々のセルの内部抵抗がセル電圧対バッテリ電流の比から計算されるのが好適である。特に、航空機の補助電源ユニットの始動などの大電流イベント中に、例えばバッテリの内部抵抗などの、意味のある測定値を記録することができる。

データ処理ユニットは、劣化状態値を計算するときに、次のパラメータのうちの１つまたは複数を考慮に入れて設定されることが好ましい：バッテリの瞬時負荷；バッテリセルの充電状態；バッテリセルの温度；充電サイクル数；稼働時間数ＯＨ；バッテリセルの充填レベル；バッテリセルの絶縁。これは、これらのファクタがニッケルカドミウムセルの内部抵抗に多かれ少なかれ重要な影響を及ぼすためである。これは、バッテリの劣化状態が、個々のバッテリセルの内部抵抗に実質的に依存しているという知識に基づいている。

本発明によるバッテリ管理システムを使用することにより、直接的に、あるいは収集されたまたは記録された測定値を適切に組み合わせることによって、重要な影響ファクタを収集することができる。このようにして、例えば、個々のバッテリセルの充填レベルを、充電電流、セル電圧、およびセル温度から好適に決定することができる。次に、このバッテリセルの決定された充填レベルから、バッテリセルの絶縁を決定することができる。追加的にまたは代替的に、バッテリセルの絶縁を、バッテリ端子とバッテリハウジングとの間の漏れ電流を測定することによって測定することができる。連続的に測定されたバッテリの充電／放電電流から、バッテリの稼働時間数ＯＨおよび／または充電／放電サイクル数を決定することができる。

決定された劣化状態は、好ましくは、決定された劣化状態値のためにディスプレイが好適にバッテリ上に設けられる場合、バッテリ上で直接読み取られることができる。簡単な実施形態では、これを、例えば、色別に異なって符号化された複数のランプまたは発光状態を用いて行うことができる。また、バッテリは、特にコックピットおよび／または搭載診断システムに劣化状態値またはそれに関する情報を送信するために、航空機内の通信バス（例えば保守バス）に接続され得ることが好ましい。

セルセンサとデータ処理ユニットとが無線で互いに通信するように設定されることが特に好適である。したがって、本発明によるバッテリ監視システム（ＢＭＳ）は、例えば、定期的な時間間隔で、および／またはイベント制御の方法で、航空機用バッテリを連続的に監視する無線センサネットワークからなる。

セルセンサ、電流測定装置および／またはデータ処理ユニットは、バッテリ内に一体化されているか、バッテリハウジング内に配置されているのが好ましい。あるいは、各セルセンサを、１つのバッテリセル内に配置することもできる。この場合、バッテリは、バッテリの外にある航空機の装置に言及することなく、その劣化状態で自動的に結論に達し、任意に視覚的にこの結論を表示することができる別個のユニットである。

本発明の別の態様は、旅客機内で直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセルを含むニッケルカドミウムバッテリを監視するための方法に関し、この方法は、個々のバッテリセルのセル電圧および温度を測定するステップと、データ処理ユニット内の測定データからバッテリの劣化状態を示す劣化状態値を決定するステップとを含む。

本発明は、好ましい実施形態により、添付図面を参照してより以下に詳細に説明される。

旅客機の概略図である。 航空機用バッテリの斜視図である。 バッテリセルとデータ処理ユニットとの間の無線リンクの概略図である。

旅客機１０は、搭載電気システム（航空機電気システム）の一部である少なくとも１つの、一般に複数の航空機バッテリ１１（主バッテリ）を備える。航空機バッテリ１１は、特に、補助電源ユニット１３（ＡＰＵ）および任意に主エンジン１２を始動させ、地上ベースの電源が利用できないときや、飛行中の発電機の誤動作または故障の場合に、地上に自律電源を供給するために使用される。

本発明によるニッケルカドミウムバッテリ１１が図２に詳細に示されている。航空機バッテリ１１は、直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセル１４を含み、これらのバッテリセルは、この図では例としてそれぞれ７個、６個、７個のバッテリセル１４からなる３列に配置されているが、この構成は限定されるものではない。ニッケルカドミウムバッテリセル１４は１．２Ｖの公称電圧を有するので、バッテリ１１は直列接続により２４Ｖの公称電圧を有する。バッテリセル１４は、例えば箱形のバッテリハウジング１６（ボックス）内に配置され、通常はカバー２０によって閉じられ、例えばバッテリ１１を運ぶためのハンドルを含むことができる。バッテリ１１は、従来のように、バッテリ１１から電気を引き出すために、適切な接続部１５を介して電力ケーブルによってバッテリハウジング１６に接続可能な２つのバッテリ極を含む。

各バッテリセル１４は、それ自体のセルセンサ１７に関連付けられ、セルセンサ１７は、セル電圧、すなわち関連するバッテリセル１４によって印加された電圧を測定し、セル温度、すなわち関連するバッテリセル１４内の一般的な温度を測定するためのセンサ素子を含む。セルセンサ１７は、バッテリ１１全体ではなくただ１つのバッテリセル１４にそれぞれ関連付けられているので、分散されている。セルセンサ１７は、プリント回路基板上の適切な電子部品の形態であり得る。セルセンサ１７は、無線通信のために設定されるのが好ましく、したがって、例えばプリント回路基板アンテナとして設計された無線アンテナ１８と、無線アンテナ１８に接続された無線モジュール１９とを備えるのが好ましい。このため、センサは無線セルセンサ１７である。セルセンサ１７は、バッテリハウジング１６内に配置されるのが好適である。また、セルセンサ１７は、ケーブルによってデータ取得／データ処理ユニット２１に接続され得るのが好ましい。

また、バッテリ１１は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ２４を含む（バッテリ）中央データ取得／データ処理ユニット２１を備え、すべてのセルセンサ１７によって測定されたデータを受信するように設定されている。データ取得／データ処理ユニット２１は、セルセンサ１７と無線通信するように設定されるのが好ましく、このために、無線アンテナ２２と、無線アンテナ２２に接続された無線モジュール２３とを備えるのが好ましい。一例として、図３は、セルセンサ１７とデータ取得／データ処理ユニット２１との間の無線アップリンクの無線リンク２５を示しており、上記のように、すべてのセルセンサ１７は、データ取得／データ処理ユニット２１へのこのタイプの無線リンク２５を有する。このようにして、データ取得／データ処理ユニット２１とセルセンサ１７は、無線センサネットワークを形成する。

データ取得／データ処理ユニット２１は、特にデータ取得および演算カード（ＤＡＣＣ）の形態の、プリント回路基板上の適切な電子部品の形態であり得る。データ取得／データ処理ユニット２１は、バッテリハウジング１６内に配置されるのが好ましい。

また、バッテリ１１は、特に適切な電子部品によって、好ましくはデータ取得／データ処理ユニット２１に形成された、バッテリ１１を流れる（全）電流を測定するように設定されている電流測定装置２６を備えている。一実施形態では、電流測定装置２６を、バッテリ端子１５とバッテリハウジング１６との間の漏れ電流を測定するように設定することもできる。

セルセンサ１７は、分散された、好適に連続的な方法で、関連するバッテリセル１４のセル電圧および温度の両方を測定し、これらの測定値を好適に無線方式でデータ取得／データ処理ユニット２１に送信する。電流測定装置２６は、バッテリ電流を中央で好適に連続的な方法で測定する。また、一実施形態では、電流測定装置２６は、特に、前記漏れ電流からバッテリ１１の絶縁値を決定するために、上述の漏れ電流を好適に連続的な方法で測定する。

好適に常に利用可能なすべてのデータに基づいて、データ取得／データ処理ユニット２１は、バッテリ１１の劣化状態を示す劣化状態値を決定する。これについては以下に詳しく説明する。

バッテリ１１の劣化状態（ＳｏＨ）は、個々のバッテリセル１４の内部抵抗から実質的に決定される。バッテリ１１に負荷がかかっている場合、セルセンサ１７によって測定されたセル電圧と電流測定装置２６によって測定された全電流との比から特定の時点での内部抵抗を計算することができる。特に、補助電源ユニット１３の始動などの大電流イベント中に、意味のある測定値を記録することができる。

バッテリセルの内部抵抗は、非線形かつ動的なシステムである。ニッケルカドミウムセル１４の内部抵抗は、多かれ少なかれ特に以下のファクタに依存する：
−バッテリ１１の瞬時負荷；
−バッテリセル１４の充電状態；
−バッテリセル１４の温度；
−充電サイクル数；
−稼働時間数ＯＨ；
−バッテリセル１４の充填レベル；
−バッテリセル１４の絶縁。

したがって、バッテリセル１４の経時状態ＳｏＨを確実に判定するためには、これらのファクタを考慮することが有効である。上述したバッテリ管理システムを使用すると、上記の影響ファクタを、直接的に（測定されたバッテリ電流からの瞬時負荷；測定されたセル電圧からのバッテリセル１４の充電状態；セル温度）、あるいは収集されたまたは記録された測定値を適切に組み合わせることによって、導きだすことができる：

−バッテリセル１４の充填レベルを、電流、セル電圧、およびセル温度を使用して決定することができる：ニッケルカドミウムセル１４が過充電されると、水素および酸素が形成され、これらがセルから漏れる。電解液中の蒸留水の割合が減少するため、充填レベルが低下する。したがって、水消費量は、計量的に決定可能な過充電の持続時間と相関する。

−絶縁性は、結晶質の堆積物（炭酸カリウム）の形態の電解質残渣に実質的に依存する。これらの堆積物は、その導電性のために、バッテリ端子１５とバッテリハウジング１６との間に漏れ電流を生じる。絶縁性は、決定された充填レベルを使用して間接的に、または電流測定装置２６が漏れ電流を測定するように設定されている場合には、計測学を用いて任意に、決定され得る。

−充放電電流を用いて、バッテリ１１に負荷がかかっている実際の稼働時間（ＯＨ）を測定することができる。したがって、これはバッテリ製造業者の仕様に直接関係している。また、充電サイクルと放電サイクルをカウントする選択肢もある。

好適な実施形態では、決定された劣化状態値は、好ましくはバッテリハウジング１６の外側に配置された複数のカラーランプ２７によって視覚的に表示される。一実施形態では、これらを、異なる色の３つのランプ２７、例えば赤色、橙色、および緑色のＬＥＤとすることができる。劣化状態値が中間範囲にあるとき、橙色のＬＥＤは、次の機会にバッテリ１１を交換すべきであることを示す。逆に、劣化状態値が臨界値を下回っているとき、赤色のＬＥＤは、バッテリ１１がもはや飛行に適しておらず、したがって直ちに変更されるべきであることを示す。劣化状態値が対応する閾値を上回っているとき、緑色のＬＥＤは、バッテリ１１が正常であることを示す。異なる色（例えば、赤色／緑色）を有する２つのランプ２７でも十分であり得、３つより多くのカラーコードを同様に使用して、劣化状態に関する差別化された情報を提供することもできる。ランプ２７を、例えばサービスエンジニアによって作動させることができる。

別の選択肢は、データ取得／データ処理ユニット２１を、例えばＡＲＩＮＣ４２９データバスである航空機のデータバス２８（図１参照）に接続することである。決定された劣化状態値またはそれに関連する警告を、例えば操縦室に送ることができる。

データ取得／データ処理ユニット２１は、それ自体および／またはバッテリ管理システムが試験装置（組込み試験機器、ＢＩＴＥ）によって適切に機能しているかどうかを好適に監視することができる。例えば、セルセンサ１７がデータを全く送信しない場合、データ取得／データ処理ユニット２１は、対応する故障信号によってこの事実を認識し、視覚的に表示することになる。例えば橙色のＬＥＤであるランプ２７の１つを、この故障信号のために任意に使用することができる。

Claims (15)

1. 旅客機（１０）内で直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセル（１４）を含むニッケルカドミウムバッテリ（１１）を監視するためのシステムにおいて、
   前記システムが、複数のセルセンサ（１７）およびデータ処理ユニット（２１）を含み、
   前記セルセンサは、個々のバッテリセル（１４）のセル電圧およびセル温度を測定するものであり、
   前記システムはバッテリ電流を測定するように設定され、
   前記データ処理ユニット（２１）は、前記セルセンサ（１７）の前記測定データおよび前記測定されたバッテリ電流から前記バッテリ（１１）の劣化状態を示す劣化状態値を決定することを特徴とする、システム。
2. 前記バッテリ（１１）の各バッテリセル（１４）が、対応するセルセンサ（１７）に関連付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 負荷中、特に大電流の負荷中に、前記個々のバッテリセル（１４）の内部抵抗がバッテリ電流に対するセル電圧の比率に基づいて計算されることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記データ処理ユニット（２１）が、前記劣化状態値を計算するときに、次のパラメータ：
   前記バッテリ（１１）の瞬時負荷；
   前記バッテリセル（１４）の充電状態；
   前記バッテリセル（１４）の温度；
   充電サイクル数；
   稼働時間数ＯＨ；
   前記バッテリセル（１４）の充填レベル；
   前記バッテリセル（１４）の絶縁、
   のうちの１つまたは複数を考慮に入れて設定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記個々のバッテリセル（１４）の前記充填レベルが、前記バッテリ電流、前記セル電圧、および前記セル温度から決定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. バッテリセル（１４）の前記絶縁が、このバッテリセル（１４）の前記充填レベルから決定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. バッテリ端子（１５）とバッテリハウジング（１６）との間の測定された漏れ電流から前記バッテリ（１１）の前記絶縁が決定されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 連続的に測定された前記バッテリ（１１）の充電／放電電流から、前記バッテリ（１１）の稼働時間数ＯＨおよび／または充電／放電サイクル数が決定されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記決定された劣化状態値のために、ディスプレイ（２７）が前記バッテリ（１１）上に設けられることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記ディスプレイ（２７）が、前記劣化状態値に応じて、例えば色別に異なって符号化された複数のランプまたは発光状態を有することを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
11. 前記データ処理ユニット（２１）が、前記航空機（１０）のデータバス（２８）への接続のために設定されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記セルセンサ（１７）と前記データ処理ユニット（２１）とが、無線で互いに通信するように設定されていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記バッテリ（１１）が、前記システムが適切に機能していることを試験するための試験装置を含むことを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記セルセンサ（１７）、前記電流測定装置（２６）、および／または前記データ処理ユニット（２１）が、前記バッテリハウジング（１６）の内部に配置されていることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 旅客機（１０）内で直列に接続された２０個のニッケルカドミウムバッテリセル（１４）を含むニッケルカドミウムバッテリ（１１）を監視するための方法において、前記方法が、前記個々のバッテリセル（１４）のセル電圧および温度を測定するステップと、データ処理ユニット（２１）内の前記測定データから前記バッテリ（１１）の劣化状態を示す劣化状態値を決定するステップとを含む、方法。
    

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