JP2577152B2 - 電池の充電状態を熱量的に測定するための装置および方法 - Google Patents
電池の充電状態を熱量的に測定するための装置および方法Info
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Description
本発明は、一般的には再充電可能な電池の分野に関す
るものであり、特に再充電可能な電池の充電状態を測定
するための装置および方法に関するものである。
るものであり、特に再充電可能な電池の充電状態を測定
するための装置および方法に関するものである。
現代生活における多くの装置はそれらの操作のために
再生可能なエネルギー源を必要としている。比較的良く
知られているそのような装置には、携帯可能なコンピュ
ーター、電気自動車、および医学的人工器官がある。そ
のような装置のための信頼できるエネルギー源を特殊な
例として医学的人工器官を取り上げて以下で説明する。 多種の医学的人工器管が毎年数十万人の人間に移植さ
れている。これらの装置は、苦痛を緩和し、損傷された
身体機能を回復させ、そして寿命自身も延長させるのを
補助している。これらの装置の例は、人工心臓、ペース
メーカー、補聴器、薬品分配システム、神経刺激剤、お
よび骨−成長刺激剤である。 これらの移植された装置が自己−完備されておりそし
て自給性であり且つ移植された装置への経皮的なエネル
ギー伝達の必要性が回避できることが非常に望ましい。
これらの装置にエネルギーを供給するための一般的方法
は電池の使用である。 しかしながら、電池に伴う問題はそれらが一定の使用
期間後に操作不能点まで放電してしまうことである。そ
の後、電池により電力が供給される装置の操作を連続さ
せるためには電池を交換しなければならないかまたは再
充電可能な電池の場合には再充電しなければならない。 「蓄電池」は再充電可能であり、充電状態は典型的に
は経時的に電池出力度が定常的であると仮定している電
圧試験により大体測定されるか、またはより精密には経
時的に変化する電池流体の比重を測定する湿度計により
測定される。 しかしながら、多くの型の電池では、充電状態を測定
するそのような方法は不可能である。例えば、ニッケル
−カドミウム（NiCd）電池における電圧出力は定常的に
減少せず、むしろ完全放電となるまでは実質的に一定で
ある。NiCd電池は密封されているため、電池中の液体
（存在しているなら）を測定することはできないかまた
は極端に不便である。 さらに、電池の能力が温度変動につれて変化すること
および電池の充電状態は温度環境を考慮にいれて測定し
なければならないことも良く知られている。 充電状態を精密に測定するための一方法は、電池を０
充電状態に下げさせることである。これは電池によりエ
ネルギーが供給されている装置の性能維持という明らか
な問題を生じる。この方法は、患者に重大な危険性を与
えるので医学的装置用途では明らかに使用することがで
きない。問題の解決法には、患者に別のエネルギー源を
連結させるのを要求する信号警告が含まれている。これ
は廃疾患者または睡眠中の患者には問題である。他の解
決法は自動的に他のエネルギー源に連結させるために利
用できるコンピューターを監視することである。しかし
ながら、これは装置の大きさおよび複雑性という他の問
題点並びにそれ自身も枯渇してしまうかもしれないコン
ピューター用の電源の必要性も生じる。 上記の如く、例えばNiCd型の如き電池は枯渇する直前
まで実質的に一定である電池出力を有しているため、完
全放電の前に警告をほとんどまたは全く与えない。実際
に、そのような特性出力曲線を有する電池は、出力の徐
々の減少が多くの目的用に適していない非効率的電池を
示す電池抵抗の増加を示しているため、望ましい。従っ
て、NiCd電池は安定な出力という望ましい特性（これは
例えば移植された人工器官の如き多くの装置中では必要
である）を与えるが、その安定性のために電圧出力測定
から充電状態を知ることがほとんど不可能である。 これらの問題に対する先行技術の解決法の一例はドン
シイ（Domshy）の米国特許番号3,617,850であり、それ
は電池の今までの経歴を利用する電池−状態装置を教示
している。電池により供給されるエネルギーの量が記録
されそして匹敵する量のエネルギーをポンプ供給するこ
とにより電池が再充電されるなら、電池が完全に充電さ
れたという推定がなされる。電池寿命およびそれの操作
温度は変動するためそれは単なる推定値であり、電池は
同じ効率で充電されないであろうから多分完全に充電さ
れた状態ではないであろう。ドンシイは電池の充電／放
電経歴を基にして充電状態指示器を変更して電池寿命を
計算しそして温度測定値を温度変化に関して補正してい
る。 ドンシイの装置は、電池の必要とする完全放電／充電
経歴を供するために多数のセンサおよび記録用装置が必
要であるという欠点を有している。このことは多くの用
途、特に医学的人工器官の用途、においては不可能であ
り、そして追加部品が装置の複雑性を増加させる。 他の先行技術装置および方法は、電池の上にあらかじ
め測定された負荷を適用して状態を測定することが必要
である。主として自動車電池用に利用されているこの種
類の装置の一例は、マリノ（Marino）他の米国特許番号
4,423,378である。 電子式の医学的人工器官装置では、装置中の電池は典
型的には身体−移植システム中にあり、そこでは負荷の
適用および外部測定の実施は不可能でなくても非常に困
難である。 最後に、電池に効率的に充電するためには、充電状態
を認識してすでにそれの充電受容限度に達している電池
に充電し続ける際に時間およびエネルギーを浪費しない
ようにすべきである。 従って、連続的な監視および記録を必要とする侵入工
程または追加装置の複雑性の必要なしに測定することの
できる電池の充電状態の認識に関する顕著な需要が存在
している。
再生可能なエネルギー源を必要としている。比較的良く
知られているそのような装置には、携帯可能なコンピュ
ーター、電気自動車、および医学的人工器官がある。そ
のような装置のための信頼できるエネルギー源を特殊な
例として医学的人工器官を取り上げて以下で説明する。 多種の医学的人工器管が毎年数十万人の人間に移植さ
れている。これらの装置は、苦痛を緩和し、損傷された
身体機能を回復させ、そして寿命自身も延長させるのを
補助している。これらの装置の例は、人工心臓、ペース
メーカー、補聴器、薬品分配システム、神経刺激剤、お
よび骨−成長刺激剤である。 これらの移植された装置が自己−完備されておりそし
て自給性であり且つ移植された装置への経皮的なエネル
ギー伝達の必要性が回避できることが非常に望ましい。
これらの装置にエネルギーを供給するための一般的方法
は電池の使用である。 しかしながら、電池に伴う問題はそれらが一定の使用
期間後に操作不能点まで放電してしまうことである。そ
の後、電池により電力が供給される装置の操作を連続さ
せるためには電池を交換しなければならないかまたは再
充電可能な電池の場合には再充電しなければならない。 「蓄電池」は再充電可能であり、充電状態は典型的に
は経時的に電池出力度が定常的であると仮定している電
圧試験により大体測定されるか、またはより精密には経
時的に変化する電池流体の比重を測定する湿度計により
測定される。 しかしながら、多くの型の電池では、充電状態を測定
するそのような方法は不可能である。例えば、ニッケル
−カドミウム（NiCd）電池における電圧出力は定常的に
減少せず、むしろ完全放電となるまでは実質的に一定で
ある。NiCd電池は密封されているため、電池中の液体
（存在しているなら）を測定することはできないかまた
は極端に不便である。 さらに、電池の能力が温度変動につれて変化すること
および電池の充電状態は温度環境を考慮にいれて測定し
なければならないことも良く知られている。 充電状態を精密に測定するための一方法は、電池を０
充電状態に下げさせることである。これは電池によりエ
ネルギーが供給されている装置の性能維持という明らか
な問題を生じる。この方法は、患者に重大な危険性を与
えるので医学的装置用途では明らかに使用することがで
きない。問題の解決法には、患者に別のエネルギー源を
連結させるのを要求する信号警告が含まれている。これ
は廃疾患者または睡眠中の患者には問題である。他の解
決法は自動的に他のエネルギー源に連結させるために利
用できるコンピューターを監視することである。しかし
ながら、これは装置の大きさおよび複雑性という他の問
題点並びにそれ自身も枯渇してしまうかもしれないコン
ピューター用の電源の必要性も生じる。 上記の如く、例えばNiCd型の如き電池は枯渇する直前
まで実質的に一定である電池出力を有しているため、完
全放電の前に警告をほとんどまたは全く与えない。実際
に、そのような特性出力曲線を有する電池は、出力の徐
々の減少が多くの目的用に適していない非効率的電池を
示す電池抵抗の増加を示しているため、望ましい。従っ
て、NiCd電池は安定な出力という望ましい特性（これは
例えば移植された人工器官の如き多くの装置中では必要
である）を与えるが、その安定性のために電圧出力測定
から充電状態を知ることがほとんど不可能である。 これらの問題に対する先行技術の解決法の一例はドン
シイ（Domshy）の米国特許番号3,617,850であり、それ
は電池の今までの経歴を利用する電池−状態装置を教示
している。電池により供給されるエネルギーの量が記録
されそして匹敵する量のエネルギーをポンプ供給するこ
とにより電池が再充電されるなら、電池が完全に充電さ
れたという推定がなされる。電池寿命およびそれの操作
温度は変動するためそれは単なる推定値であり、電池は
同じ効率で充電されないであろうから多分完全に充電さ
れた状態ではないであろう。ドンシイは電池の充電／放
電経歴を基にして充電状態指示器を変更して電池寿命を
計算しそして温度測定値を温度変化に関して補正してい
る。 ドンシイの装置は、電池の必要とする完全放電／充電
経歴を供するために多数のセンサおよび記録用装置が必
要であるという欠点を有している。このことは多くの用
途、特に医学的人工器官の用途、においては不可能であ
り、そして追加部品が装置の複雑性を増加させる。 他の先行技術装置および方法は、電池の上にあらかじ
め測定された負荷を適用して状態を測定することが必要
である。主として自動車電池用に利用されているこの種
類の装置の一例は、マリノ（Marino）他の米国特許番号
4,423,378である。 電子式の医学的人工器官装置では、装置中の電池は典
型的には身体−移植システム中にあり、そこでは負荷の
適用および外部測定の実施は不可能でなくても非常に困
難である。 最後に、電池に効率的に充電するためには、充電状態
を認識してすでにそれの充電受容限度に達している電池
に充電し続ける際に時間およびエネルギーを浪費しない
ようにすべきである。 従って、連続的な監視および記録を必要とする侵入工
程または追加装置の複雑性の必要なしに測定することの
できる電池の充電状態の認識に関する顕著な需要が存在
している。
本発明は、再充電可能な電池の充電状態を測定するた
めの装置および方法である。広くは、それは電池を充電
するための手段、電池に入る電流を感知するための電流
センサ、充電中に電池から放出されそして充電受容百分
率の補充量となる熱を検出するための熱検出器、並びに
充電受容百分率および電池の充電状態の間の関係を与え
るための数学的充電受容モデルを供給しそして熱検出器
により検出された熱および充電受容モデルから電池の充
電状態を計算するためのプロセッサーを含んでいる。 本発明は電池充電状態の正確な測定値を与えながら、
電池を充電させるものである。電池状態の認識は電池の
操作性に関する情報を与えるだけでなく、最大充電状態
がわかるので効率的な充電が可能となりそして充電工程
を停止させてエネルギー浪費を回避する。多くの用途で
は、追加の侵入装置または方法を必要としないため、重
量、寸法、および複雑性の減少という利点が生じる。本
発明は意義ある追加部品を必要とせずに現存する電池電
力システムに適合可能でありそして再充電可能な電池を
利用するいずれのシステムにも適用可能である。 本出願の残りの部分および添付図面を参照することに
より、本発明の性質および利点のさらなる理解がなされ
るであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の一態様に従うパラメーターとしての
電池による充電受容の百分率および温度による電池の充
電状態の百分率の間の関係を表している実験データを基
にした数学的モデルを示している。 図２は、本発明の一態様に従うパラメーターとしての
電池により消散される熱の百分率および温度による電池
の百分率充電状態の間の関係を示している。 図３は、本発明に従う充電状態測定装置を図式的に示
しているブロック図である。 図４は、本発明に従い電池を充電しながら充電状態を
測定するための装置の用途の一態様の図式的図である。
めの装置および方法である。広くは、それは電池を充電
するための手段、電池に入る電流を感知するための電流
センサ、充電中に電池から放出されそして充電受容百分
率の補充量となる熱を検出するための熱検出器、並びに
充電受容百分率および電池の充電状態の間の関係を与え
るための数学的充電受容モデルを供給しそして熱検出器
により検出された熱および充電受容モデルから電池の充
電状態を計算するためのプロセッサーを含んでいる。 本発明は電池充電状態の正確な測定値を与えながら、
電池を充電させるものである。電池状態の認識は電池の
操作性に関する情報を与えるだけでなく、最大充電状態
がわかるので効率的な充電が可能となりそして充電工程
を停止させてエネルギー浪費を回避する。多くの用途で
は、追加の侵入装置または方法を必要としないため、重
量、寸法、および複雑性の減少という利点が生じる。本
発明は意義ある追加部品を必要とせずに現存する電池電
力システムに適合可能でありそして再充電可能な電池を
利用するいずれのシステムにも適用可能である。 本出願の残りの部分および添付図面を参照することに
より、本発明の性質および利点のさらなる理解がなされ
るであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の一態様に従うパラメーターとしての
電池による充電受容の百分率および温度による電池の充
電状態の百分率の間の関係を表している実験データを基
にした数学的モデルを示している。 図２は、本発明の一態様に従うパラメーターとしての
電池により消散される熱の百分率および温度による電池
の百分率充電状態の間の関係を示している。 図３は、本発明に従う充電状態測定装置を図式的に示
しているブロック図である。 図４は、本発明に従い電池を充電しながら充電状態を
測定するための装置の用途の一態様の図式的図である。
本発明は、充電中の電池による充電受容の百分率およ
び温度につれての電池の百分率充電状態の間の関係をパ
ラメーターとして表示している実験データを基にした数
学的モデルを利用している。 電池は、「Ｃ速度」と称されている１時間の速度に関
する充電および放電速度により特徴づけることができ
る。すなわち、電池を１時間で充電または放電するなら
それは「Ｃ」であり、電池を10時間にわたり充電または
放電するなら速度は「C/10」である。これは見掛け充電
速度であるため、そのような大きい充電をしないであろ
う比較的古い電池に関しては、それはC/10における充電
に等しい電流に影響を与えないであろう。例えば、NiCd
電池が1300ミリ−アンペ−時（mAH）の速度にされてい
るなら、C/10速度は130mAである。 NiCd電池は、C/10速度を過剰充電することにより発生
した気体が再び組み合わされるように、構成されてい
る。電池は全ての充電を限度まで受容するので、その後
に、エネルギーは電気分解に行き、そして電解質が水素
および酸素を発生しそしてそれらが電池の設計構造のた
めに再び組み合わされる。従って、電池は長時間にわた
りC/10充電速度に耐えることができそして破壊的な気体
圧力の発生が避けられる。このようにして比較的遅いC/
10充電速度は本質的に安全な充電速度であることがで
き、それは気体圧力と競いそして安全性を維持するため
の活性干渉を必要としない。比較的速い充電速度は干渉
を必要とするかもしれず、それは例えば医学的に要求さ
れる身体移植物の如き多くの場合にはしばしば非常に困
難であり且つ危険である。 比較的高い充電速度の利点は、電池を比較的急速に充
電することである。しかしながら、完全充電に達するに
つれて電解質の分解および再組み合わせの競合反応が意
義が比較的大きくなり始める。 C/10充電速度に関する充電受容モデルの一例は図１に
示されており、そこでは充電受容百分率が縦座標そして
百分率充電状態が横座標である。二乗がデータ点であ
り、連結線および曲線はデータの最小−二乗適合点であ
る。温度が増加するにつれて、充電受容百分率が顕著に
減少することがわかる。例えば、40℃の温度においては
80％の充電状態を有する電池はこのC/10速度においても
はやそれ以上の充電を受容しないであろう。 異なる充電速度が比較的良好な充電受容性を生じるか
もしれないことは当技術で知られている。充電速度がC/
3であるなら、図１中の如く曲線群は上方に押されて比
較的大きい充電を電池中に強制することにより比較的良
好な充電受容百分率を与えるであろう。しかしながら、
比較的高い充電速度は許容できない水準の熱および気体
圧力を発生させるかもしれず、それらが電池を使用不能
にさせそしてそのために不断の監視および干渉を必要と
する。気体が排気されるなら、失われた気体が電池性能
および寿命を悪化させ、そして近接環境に重大な問題を
生じる。これらの難点は間欠的に充電することにより克
服できるが、これは充電に必要な時間を増加させるであ
ろう。充電受容モデルを生じるいずれの充電速度も本発
明の範囲内にあること並びに選択は充電受容性の減少お
よび安全性の増加および維持条件の減少および多分間欠
的充電用に必要な時間の間の代償に依存して行われるこ
とが理解されよう。 図１だけのデータを基にした電池の充電中には、曲線
上の位置を正確に測定することはできず従って電池の充
電状態を許容できる精度で知ることはできない。さら
に、約40％より大きい充電状態における曲線からわかる
如く、この型の電池に関しては曲線は徐々に低下して電
池の充電の終点は使用者に信号で送られない。 広く述べると、電池に入らないエネルギーの量は熱に
消散されておりそして図１に示されている充電受容百分
率をちょうど補充していることを本発明は認識してい
る。すなわち、（１−充電受容性）が消散された熱であ
り、それは図２においては充電状態の関数として示され
ている。充電状態は最初は約40％より大きいため図２の
右側にあるということを大体測定しなければならない。
これは数種の方法で、例えば測定される熱が増加するこ
とに気付くことによりまたは標準的電圧試験を行うこと
により、実施することができる。次に、電池が充電され
るにつれて電池により発生する熱を測定することによ
り、充電状態を図２に示されている如く測定することが
できる。固定量の動力が固定速度で入力されそして温度
が測定されるため、特定曲線および該曲線上の位置を測
定することができそして充電の状態が横座標からわか
る。 図１の曲線群に関するそのような計算の一例として、
この例に関する充電受容性の増分（dq/dx）を温度によ
り測定される特性： dq/dx＝kb/2−kQ2/2b （１） を有する放物線により数学的に適切に表示することがで
き、ここでｑは充電状態（０≦ｑ≦１）であり、ｘはｑ
（ｘ≧ｑ）に関連する充電入力であり、Ｑは（dq/dx）
最大の中心にある充電状態ｑであり、そしてｋおよびｂ
は温度だけに依存する係数である。 図１の充電受容モデルから、増加する充電入力（dq/d
x）の関数としての増加する充電状態を表している関数
（温度依存性）は ｆ（Ｔ）＝exp（ｃ−aT） （２） として実験的に定義することができ、ここでＴは℃であ
る。関数ｆ（Ｔ）はＴ＝25℃以下に関しては大体１であ
る（図１中でＴ＝25℃に関する下方の右側の充電受容曲
線に関してわかる）。これはC/10充電速度において得ら
れる最終的な充電状態を表している。Ｔ＝25℃曲線のピ
ーク（100％の充電受容性を示している）である最大充
電受容性は二乗されているｆ（Ｔ）により表すことがで
きる。すなわち、温度の関数としての図１における曲線
群の最大値の依存関係がf2である。従って、f2はそれの
ピークにおける増加する充電受容性を表している。換言
すると、関数ｆは最終的充電状態において１の値を与え
そして充電受容ピークにおいて二乗値を有すると定義さ
れている。図１の曲線群はｈにより表されている初期充
電受容性において縦座標と交差している。例えば、Ｔ＝
25℃においてはｈは約0.5である。 上記のｆを拘束している境界および初期条件を一定と
すると、充電入力ｘの関数として充電状態ｑを記載する
一般式は例えば最小二乗回帰計算を用いて誘導すること
ができる。さらに、それは当該充電入力の関数としての
充電状態であるため、変数Ｑ（式（１）中の如く）をｘ
に変えなければならない。 温度−依存性係数を次に下記の如く誘導することがで
きる： ｋ＝2f（１＋（１−ｈ）） （３） ｂ＝2f2/k＝（f/h）（１−（１−ｈ）） （４） Ｑ＝ｑ−ｂ（１−ｈ）＝ｑ−ｆ＋ｂ （５） ｋおよびｂはｆおよびｈだけの関数であるため、ｑ
（x,T）を与えるのには３種だけの任意の定数（ｈ、
ａ、およびｃ）が必要である。Ｑからｘへの独立変数の
変動および式（１）の積分が積分される放物曲線を生じ
て、（三次関数でなくむしろ）下記の如き指数の比： を与え、ここでｃ＝f/（2b−ｆ）である。任意の定数お
よび温度係数の値が充電状態の関数として充電受容性を
表している曲線の特性に依存していること並びに曲線の
他の選択（例えば双曲線）はある場合には実験データと
比較的良好に合うかもしれないことは理解されよう。ま
た、例示態様における充電速度がC/10であるなら、異な
る充電速度が異なる型の温度−依存性曲線を生じるであ
ろうこと並びに全てのそのような曲線はそれらが充電状
態の関数として充電受容性を表す限り本発明の範囲内で
あることも理解されよう。 温度Ｔおよび入力充電ｘの測定並びに定数ｃおよびｂ
を与える曲線の表示から、充電ｑの状態を計算すること
ができる。曲線を数学的に表示する種々の方法を使用す
ることができ、例は回帰分析の最小−二乗適合方法とし
て与えられている。 本発明の装置の好適態様は図３中にブロック図で概略
が示されている。装置30が電池300の温度を感知するた
めの温度センサ302を有する再充電可能な電池300を充電
する。この温度は管301を通ってアナログ入力インター
フェイス装置320に伝達されている。熱シンク340は電池
300への外側のものを表しており、例えば装置の外表面
が電池300を利用している。熱シンク340も温度センサ30
3を含んでおり、それもアナログ入力インターフェイス
装置320と連結されている。既知の熱抵抗を有する物質3
30を電池300および熱シンク340の間に配置する。例え
ば、熱抵抗330は電池および電池を利用する装置のケー
シングの外表面の間にある物質であってもよい。点線33
1および332が熱融剤を表している。充電回路350が任意
の電流センサ305を介して電池300と連結されており、該
センサは増幅器321を介してアナログ入力インターフェ
イス装置320と連結されている。電池300中への電流入力
も電圧センサ322を通ってアナログ入力インターフェイ
ス装置320に供給される。プロセッサー360がアナログ入
力インターフェイス装置320および充電回路350と管304
を通して連結されている。プロセッサー360は式（６）
により与えられる充電受容数学的モデルを含んでおりそ
してアナログ入力インターフェイス装置320からの入力
を受ける。 操作時には、プロセッサー360からの充電可能信号の
回路350に充電することにより電池300が受容時に充電を
始める。充電中に、温度および充電状態の種々の条件下
で電圧を測定するための電流センサ305および電圧セン
サ322を用いて電池に流入するエネルギーの測定を行
う。これが式（６）中のｘすなわち入力電荷を与える。
プロセッサー360に供される温度値が関数ｆおよび温度
依存性係数を生じ、そしてプロセッサー360が充電状態
ｑを計算し、それは表示することができる。一定温度に
関する最大充電状態に達した時にプロセッサー360が充
電電池300からの充電回路350を止めることもでき、それ
により充電工程を効率的に且つ非−浪費的にさせてい
る。 適切に操作するためには、充電状態は図２の曲線の40
％充電状態側より大きくなければならない。これは電圧
試験によりまたは熱の消散が増加し始めた時に充電状態
の位置が図２の曲線の右側になるように消散された熱を
監視することにより、測定できる。 好適態様では、電池300を支持しているパックは等温
的に製造されているため、電池の熱消散以外の影響を受
けない正確な熱消散測定値が得られる。特に、電池300
中の全てのセルは同一温度に保たれているため、図１の
曲線群の同一曲線が全てのセルに関して保たれるであろ
う。 本発明の特定態様のさらに詳細な説明は、図４に本発
明の用途の一例として示されている。他の用途は当技術
の専門家に明白となるであろう。使用されている特定部
品は例示用であり、電子業界で既知の方法でそれを他の
部品で置換できることは理解されよう。 図４は電源回路410を有しておりそしてベルト表面転
換（BST）装置470から整流器および電圧調整器415、電
池400並びにDCフィルターコンデンサー405を介してAC電
源により誘導的に電力を受けている移植された人工器官
装置を示している。電池400（例えば直列の８個のNiCd
セル）が直流電力を線路406および407を介してBST装置4
70と平行な人工器官装置の電源回路410に供給する。電
池400の負の電極が電池−走行ダイオード408と結合して
おり、該ダイオードは線路407および充電調節回路450と
結合している。 充電調節回路450は、電池400の負の電極およびダイオ
ード408と結合しているエミッターを有するトランジス
ターを含んでいる。増幅器431は、抵抗430を通じてトラ
ンジスター412のベースと結合し、トランジスター412と
抵抗432のコレクターに結合された変換入力を有する。
増幅器431の非変換入力は、抵抗433に結合され、抵抗43
3は順番に抵抗432とフィルターコンデンサー434に結合
されており、後者はそれ自身トランジスター435のコレ
クターに結合されている。ドランジスター435は線路406
および電圧分割器422（抵抗423および424を含んでい
る）と結合されているベースを有しており、後者自身は
アナログデータ積算器およびアナログ−デジタル変換器
（ADC）と結合されている。トランジスター435のエミッ
ターはスイッチトランジスター436と結合されており、
それ自身は抵抗437を通ってトランジスター435のベース
および線路411と結合されている。スイッチ436はマイク
ロプロセッサー460とも結合されている。 温度センサ回路480は、電池400中に配置されているサ
ーミスター402、電池ケース上に配置されているサーミ
スター403、サーミスター402および403を結合させてい
る電圧調節器441並びにバラスト抵抗442および443を含
んでいる。温度センサ480は、線路409を介してアナログ
データ積算器およびADC420と結合されている。アナログ
データ積算器およびADC420はバス451を介してマイクロ
プロセッサー460と結合されている。 典型的な操作では、BST装置470がAC電源を供給し、そ
れは整流後に電池400より高いDC電圧を供給し、そして
その結果、回路410に電力を与えるDC電源を供給しそし
て同時に電池400に充電する。BST装置470からの誘導電
力が存在していない時には常にダイオード408が電池電
力を適用させて回路410に電力を与える。充電調節回路4
50がスイッチ436を通るマイクロプロセッサー460からの
調節信号に応答して電池400を充電する。温度は温度セ
ンサ480によりサーミスター402および403を用いて監視
され、後者はバラスト抵抗器442および443によりリニア
ーにされている温度の読み取り値を有しており、それら
は温度値をデータ積算器およびADC420に伝達し、後者が
上記の充電受容性の充電状態の計算用にデジタル化され
たデータをマイクロプロセッサー460に伝達させる。
（図２の充電受容曲線上の位置を大体測定するための）
電池400の電圧試験読み取りを電圧分割器422を通して行
う。 図４の態様はBST−型装置470による電池400の誘導充
電を記しているものである。ACまたはDCの電源を電池40
0を充電させるためおよび／または電源回路410に電力を
供給するために使用できることは理解されよう。例え
ば、いずれかの型の電源を接続するために１組の経皮的
電極を使用することができる。 本発明の好適態様では、コンピューターはデジタル式
である。計算をアナログ方式で行うことも本発明の範囲
内である。すなわち、上記の測定および計算を行うため
の回路を設計することができ、必要な部品の機能は当技
術で知られている。例えば、即座の充電状態経歴用の記
憶として作用させるためにコンデンサーを使用できる。 以上の説明は医学的用途の特定例を参照しながらなさ
れてきたが、本発明は再充電可能なエネルギー源を使用
するいずれの装置にも適用可能でありそして図１に例示
されている如く充電受容性が充電の状態および温度の両
者の関数であるようないずれの再充電可能な電池の充電
状態でも測定することができる。本発明は高温において
または高温環境中で操作される装置用に特に価値があ
る。 以上の説明は、本発明の好適態様の全部のそして完全
な説明を示しているが、種々の改変、変更構造および同
等物を使用することもできる。従って、以上の記載およ
び説明は、下記の請求の範囲により定義されている本発
明の範囲を限定しようとするものではない。
び温度につれての電池の百分率充電状態の間の関係をパ
ラメーターとして表示している実験データを基にした数
学的モデルを利用している。 電池は、「Ｃ速度」と称されている１時間の速度に関
する充電および放電速度により特徴づけることができ
る。すなわち、電池を１時間で充電または放電するなら
それは「Ｃ」であり、電池を10時間にわたり充電または
放電するなら速度は「C/10」である。これは見掛け充電
速度であるため、そのような大きい充電をしないであろ
う比較的古い電池に関しては、それはC/10における充電
に等しい電流に影響を与えないであろう。例えば、NiCd
電池が1300ミリ−アンペ−時（mAH）の速度にされてい
るなら、C/10速度は130mAである。 NiCd電池は、C/10速度を過剰充電することにより発生
した気体が再び組み合わされるように、構成されてい
る。電池は全ての充電を限度まで受容するので、その後
に、エネルギーは電気分解に行き、そして電解質が水素
および酸素を発生しそしてそれらが電池の設計構造のた
めに再び組み合わされる。従って、電池は長時間にわた
りC/10充電速度に耐えることができそして破壊的な気体
圧力の発生が避けられる。このようにして比較的遅いC/
10充電速度は本質的に安全な充電速度であることがで
き、それは気体圧力と競いそして安全性を維持するため
の活性干渉を必要としない。比較的速い充電速度は干渉
を必要とするかもしれず、それは例えば医学的に要求さ
れる身体移植物の如き多くの場合にはしばしば非常に困
難であり且つ危険である。 比較的高い充電速度の利点は、電池を比較的急速に充
電することである。しかしながら、完全充電に達するに
つれて電解質の分解および再組み合わせの競合反応が意
義が比較的大きくなり始める。 C/10充電速度に関する充電受容モデルの一例は図１に
示されており、そこでは充電受容百分率が縦座標そして
百分率充電状態が横座標である。二乗がデータ点であ
り、連結線および曲線はデータの最小−二乗適合点であ
る。温度が増加するにつれて、充電受容百分率が顕著に
減少することがわかる。例えば、40℃の温度においては
80％の充電状態を有する電池はこのC/10速度においても
はやそれ以上の充電を受容しないであろう。 異なる充電速度が比較的良好な充電受容性を生じるか
もしれないことは当技術で知られている。充電速度がC/
3であるなら、図１中の如く曲線群は上方に押されて比
較的大きい充電を電池中に強制することにより比較的良
好な充電受容百分率を与えるであろう。しかしながら、
比較的高い充電速度は許容できない水準の熱および気体
圧力を発生させるかもしれず、それらが電池を使用不能
にさせそしてそのために不断の監視および干渉を必要と
する。気体が排気されるなら、失われた気体が電池性能
および寿命を悪化させ、そして近接環境に重大な問題を
生じる。これらの難点は間欠的に充電することにより克
服できるが、これは充電に必要な時間を増加させるであ
ろう。充電受容モデルを生じるいずれの充電速度も本発
明の範囲内にあること並びに選択は充電受容性の減少お
よび安全性の増加および維持条件の減少および多分間欠
的充電用に必要な時間の間の代償に依存して行われるこ
とが理解されよう。 図１だけのデータを基にした電池の充電中には、曲線
上の位置を正確に測定することはできず従って電池の充
電状態を許容できる精度で知ることはできない。さら
に、約40％より大きい充電状態における曲線からわかる
如く、この型の電池に関しては曲線は徐々に低下して電
池の充電の終点は使用者に信号で送られない。 広く述べると、電池に入らないエネルギーの量は熱に
消散されておりそして図１に示されている充電受容百分
率をちょうど補充していることを本発明は認識してい
る。すなわち、（１−充電受容性）が消散された熱であ
り、それは図２においては充電状態の関数として示され
ている。充電状態は最初は約40％より大きいため図２の
右側にあるということを大体測定しなければならない。
これは数種の方法で、例えば測定される熱が増加するこ
とに気付くことによりまたは標準的電圧試験を行うこと
により、実施することができる。次に、電池が充電され
るにつれて電池により発生する熱を測定することによ
り、充電状態を図２に示されている如く測定することが
できる。固定量の動力が固定速度で入力されそして温度
が測定されるため、特定曲線および該曲線上の位置を測
定することができそして充電の状態が横座標からわか
る。 図１の曲線群に関するそのような計算の一例として、
この例に関する充電受容性の増分（dq/dx）を温度によ
り測定される特性： dq/dx＝kb/2−kQ2/2b （１） を有する放物線により数学的に適切に表示することがで
き、ここでｑは充電状態（０≦ｑ≦１）であり、ｘはｑ
（ｘ≧ｑ）に関連する充電入力であり、Ｑは（dq/dx）
最大の中心にある充電状態ｑであり、そしてｋおよびｂ
は温度だけに依存する係数である。 図１の充電受容モデルから、増加する充電入力（dq/d
x）の関数としての増加する充電状態を表している関数
（温度依存性）は ｆ（Ｔ）＝exp（ｃ−aT） （２） として実験的に定義することができ、ここでＴは℃であ
る。関数ｆ（Ｔ）はＴ＝25℃以下に関しては大体１であ
る（図１中でＴ＝25℃に関する下方の右側の充電受容曲
線に関してわかる）。これはC/10充電速度において得ら
れる最終的な充電状態を表している。Ｔ＝25℃曲線のピ
ーク（100％の充電受容性を示している）である最大充
電受容性は二乗されているｆ（Ｔ）により表すことがで
きる。すなわち、温度の関数としての図１における曲線
群の最大値の依存関係がf2である。従って、f2はそれの
ピークにおける増加する充電受容性を表している。換言
すると、関数ｆは最終的充電状態において１の値を与え
そして充電受容ピークにおいて二乗値を有すると定義さ
れている。図１の曲線群はｈにより表されている初期充
電受容性において縦座標と交差している。例えば、Ｔ＝
25℃においてはｈは約0.5である。 上記のｆを拘束している境界および初期条件を一定と
すると、充電入力ｘの関数として充電状態ｑを記載する
一般式は例えば最小二乗回帰計算を用いて誘導すること
ができる。さらに、それは当該充電入力の関数としての
充電状態であるため、変数Ｑ（式（１）中の如く）をｘ
に変えなければならない。 温度−依存性係数を次に下記の如く誘導することがで
きる： ｋ＝2f（１＋（１−ｈ）） （３） ｂ＝2f2/k＝（f/h）（１−（１−ｈ）） （４） Ｑ＝ｑ−ｂ（１−ｈ）＝ｑ−ｆ＋ｂ （５） ｋおよびｂはｆおよびｈだけの関数であるため、ｑ
（x,T）を与えるのには３種だけの任意の定数（ｈ、
ａ、およびｃ）が必要である。Ｑからｘへの独立変数の
変動および式（１）の積分が積分される放物曲線を生じ
て、（三次関数でなくむしろ）下記の如き指数の比： を与え、ここでｃ＝f/（2b−ｆ）である。任意の定数お
よび温度係数の値が充電状態の関数として充電受容性を
表している曲線の特性に依存していること並びに曲線の
他の選択（例えば双曲線）はある場合には実験データと
比較的良好に合うかもしれないことは理解されよう。ま
た、例示態様における充電速度がC/10であるなら、異な
る充電速度が異なる型の温度−依存性曲線を生じるであ
ろうこと並びに全てのそのような曲線はそれらが充電状
態の関数として充電受容性を表す限り本発明の範囲内で
あることも理解されよう。 温度Ｔおよび入力充電ｘの測定並びに定数ｃおよびｂ
を与える曲線の表示から、充電ｑの状態を計算すること
ができる。曲線を数学的に表示する種々の方法を使用す
ることができ、例は回帰分析の最小−二乗適合方法とし
て与えられている。 本発明の装置の好適態様は図３中にブロック図で概略
が示されている。装置30が電池300の温度を感知するた
めの温度センサ302を有する再充電可能な電池300を充電
する。この温度は管301を通ってアナログ入力インター
フェイス装置320に伝達されている。熱シンク340は電池
300への外側のものを表しており、例えば装置の外表面
が電池300を利用している。熱シンク340も温度センサ30
3を含んでおり、それもアナログ入力インターフェイス
装置320と連結されている。既知の熱抵抗を有する物質3
30を電池300および熱シンク340の間に配置する。例え
ば、熱抵抗330は電池および電池を利用する装置のケー
シングの外表面の間にある物質であってもよい。点線33
1および332が熱融剤を表している。充電回路350が任意
の電流センサ305を介して電池300と連結されており、該
センサは増幅器321を介してアナログ入力インターフェ
イス装置320と連結されている。電池300中への電流入力
も電圧センサ322を通ってアナログ入力インターフェイ
ス装置320に供給される。プロセッサー360がアナログ入
力インターフェイス装置320および充電回路350と管304
を通して連結されている。プロセッサー360は式（６）
により与えられる充電受容数学的モデルを含んでおりそ
してアナログ入力インターフェイス装置320からの入力
を受ける。 操作時には、プロセッサー360からの充電可能信号の
回路350に充電することにより電池300が受容時に充電を
始める。充電中に、温度および充電状態の種々の条件下
で電圧を測定するための電流センサ305および電圧セン
サ322を用いて電池に流入するエネルギーの測定を行
う。これが式（６）中のｘすなわち入力電荷を与える。
プロセッサー360に供される温度値が関数ｆおよび温度
依存性係数を生じ、そしてプロセッサー360が充電状態
ｑを計算し、それは表示することができる。一定温度に
関する最大充電状態に達した時にプロセッサー360が充
電電池300からの充電回路350を止めることもでき、それ
により充電工程を効率的に且つ非−浪費的にさせてい
る。 適切に操作するためには、充電状態は図２の曲線の40
％充電状態側より大きくなければならない。これは電圧
試験によりまたは熱の消散が増加し始めた時に充電状態
の位置が図２の曲線の右側になるように消散された熱を
監視することにより、測定できる。 好適態様では、電池300を支持しているパックは等温
的に製造されているため、電池の熱消散以外の影響を受
けない正確な熱消散測定値が得られる。特に、電池300
中の全てのセルは同一温度に保たれているため、図１の
曲線群の同一曲線が全てのセルに関して保たれるであろ
う。 本発明の特定態様のさらに詳細な説明は、図４に本発
明の用途の一例として示されている。他の用途は当技術
の専門家に明白となるであろう。使用されている特定部
品は例示用であり、電子業界で既知の方法でそれを他の
部品で置換できることは理解されよう。 図４は電源回路410を有しておりそしてベルト表面転
換（BST）装置470から整流器および電圧調整器415、電
池400並びにDCフィルターコンデンサー405を介してAC電
源により誘導的に電力を受けている移植された人工器官
装置を示している。電池400（例えば直列の８個のNiCd
セル）が直流電力を線路406および407を介してBST装置4
70と平行な人工器官装置の電源回路410に供給する。電
池400の負の電極が電池−走行ダイオード408と結合して
おり、該ダイオードは線路407および充電調節回路450と
結合している。 充電調節回路450は、電池400の負の電極およびダイオ
ード408と結合しているエミッターを有するトランジス
ターを含んでいる。増幅器431は、抵抗430を通じてトラ
ンジスター412のベースと結合し、トランジスター412と
抵抗432のコレクターに結合された変換入力を有する。
増幅器431の非変換入力は、抵抗433に結合され、抵抗43
3は順番に抵抗432とフィルターコンデンサー434に結合
されており、後者はそれ自身トランジスター435のコレ
クターに結合されている。ドランジスター435は線路406
および電圧分割器422（抵抗423および424を含んでい
る）と結合されているベースを有しており、後者自身は
アナログデータ積算器およびアナログ−デジタル変換器
（ADC）と結合されている。トランジスター435のエミッ
ターはスイッチトランジスター436と結合されており、
それ自身は抵抗437を通ってトランジスター435のベース
および線路411と結合されている。スイッチ436はマイク
ロプロセッサー460とも結合されている。 温度センサ回路480は、電池400中に配置されているサ
ーミスター402、電池ケース上に配置されているサーミ
スター403、サーミスター402および403を結合させてい
る電圧調節器441並びにバラスト抵抗442および443を含
んでいる。温度センサ480は、線路409を介してアナログ
データ積算器およびADC420と結合されている。アナログ
データ積算器およびADC420はバス451を介してマイクロ
プロセッサー460と結合されている。 典型的な操作では、BST装置470がAC電源を供給し、そ
れは整流後に電池400より高いDC電圧を供給し、そして
その結果、回路410に電力を与えるDC電源を供給しそし
て同時に電池400に充電する。BST装置470からの誘導電
力が存在していない時には常にダイオード408が電池電
力を適用させて回路410に電力を与える。充電調節回路4
50がスイッチ436を通るマイクロプロセッサー460からの
調節信号に応答して電池400を充電する。温度は温度セ
ンサ480によりサーミスター402および403を用いて監視
され、後者はバラスト抵抗器442および443によりリニア
ーにされている温度の読み取り値を有しており、それら
は温度値をデータ積算器およびADC420に伝達し、後者が
上記の充電受容性の充電状態の計算用にデジタル化され
たデータをマイクロプロセッサー460に伝達させる。
（図２の充電受容曲線上の位置を大体測定するための）
電池400の電圧試験読み取りを電圧分割器422を通して行
う。 図４の態様はBST−型装置470による電池400の誘導充
電を記しているものである。ACまたはDCの電源を電池40
0を充電させるためおよび／または電源回路410に電力を
供給するために使用できることは理解されよう。例え
ば、いずれかの型の電源を接続するために１組の経皮的
電極を使用することができる。 本発明の好適態様では、コンピューターはデジタル式
である。計算をアナログ方式で行うことも本発明の範囲
内である。すなわち、上記の測定および計算を行うため
の回路を設計することができ、必要な部品の機能は当技
術で知られている。例えば、即座の充電状態経歴用の記
憶として作用させるためにコンデンサーを使用できる。 以上の説明は医学的用途の特定例を参照しながらなさ
れてきたが、本発明は再充電可能なエネルギー源を使用
するいずれの装置にも適用可能でありそして図１に例示
されている如く充電受容性が充電の状態および温度の両
者の関数であるようないずれの再充電可能な電池の充電
状態でも測定することができる。本発明は高温において
または高温環境中で操作される装置用に特に価値があ
る。 以上の説明は、本発明の好適態様の全部のそして完全
な説明を示しているが、種々の改変、変更構造および同
等物を使用することもできる。従って、以上の記載およ
び説明は、下記の請求の範囲により定義されている本発
明の範囲を限定しようとするものではない。
Claims (19)
- 【請求項１】電池を充電するための電池と連結されてい
る充電手段と、 電池に入る電流を感知するために、該充電手段と電池と
の間に設けられた電流感知手段と、 充電中に電池から発生した熱を検出するために、電池と
連結されている熱検出手段と、 電池に入る電流と、該熱検出手段により検出される熱、
および充電受容百分率と電池の充電状態との関係を示す
充電受容モデルとから電池の充電状態を導くために、該
電流感知手段と該熱検出手段とに連結され、該熱により
該充電受容百分率を補完しつつ、該充電受容百分率と該
電池の充電状態とを数学的に対応させる該充電受容モデ
ルを有するプロセッサー手段と、 からなる、再充電可能な電池の充電状態を測定するため
の装置。 - 【請求項２】該熱検出手段はさらに温度感知手段も含ん
でおり、そして該充電受容モデルがパラメーターとして
電池の温度を含んでいる、請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】該充電受容モデルが充電状態百分率の関数
としての充電受容百分率の少なくとも１個の放物線表示
を含んでおり、該放物線のそれぞれが温度パラメーター
を有している、請求項１に記載の装置。 - 【請求項４】該数学的に対応させる充電受容モデルが、
該充電受容モデルによる曲線を経線上のデータと適合さ
せる適合手段を有している、請求項１に記載の装置。 - 【請求項５】さらに、充電状態が該充電受容モデルの曲
線のどの側に位置するかを特定するため、電池と連結し
て該電池の電圧を感知する電圧感知手段を含んでいる、
請求項１に記載の装置。 - 【請求項６】電池が等温ケーシングにより覆われてい
る、請求項１に記載の装置。 - 【請求項７】該熱検出手段が、電池上に配置されている
少なくとも１個の第一サーミスターと、該ケーシング上
に配置されている少なくとも１個の第二サーミスター
と、および電池と該ケーシングとの間にある予め測定さ
れた熱抵抗と、を含んでいる、請求項６に記載の装置。 - 【請求項８】該プロセッサー手段が、アナログデータ積
算器、アナログ対デジタル転換器、およびマイクロプロ
セッサーを含んでいる、請求項１に記載の装置。 - 【請求項９】該充電手段が、さらに該充電手段を入れた
り切ったりするための該プロセッサーと連結されている
スイッチ手段も含んでいる、請求項１に記載の装置。 - 【請求項１０】該充電手段が、電池に別のエネルギー源
を供給充電するために、電池の電極と並列に配置された
整流器および電圧調整器と連結されている誘導AC電源を
含んでいる、請求項１に記載の装置。 - 【請求項１１】充電受容百分率および電池の充電状態の
間の関係を数学的にモデル化し、電池に充電し、 電池に入る電流を検出し、 充電中に電池から発生する熱であって、充電受容百分率
を補完する該熱を検出し、 該モデル化した充電受容モデルをプロセッサー中に蓄
え、そして 電池に入る電流、検出された熱および該充電受容モデル
から電池の充電状態を計算する、ことを含んでいる、再
充電可能な電池の充電状態を測定するための方法。 - 【請求項１２】該充電受容モデルがパラメーターとして
電池の温度を含んでいる、請求項11に記載の方法。 - 【請求項１３】該充電受容モデルが充電状態百分率の関
数としての充電受容百分率の少なくとも１個の放物線表
示を使用する、請求項11に記載の方法。 - 【請求項１４】該数学的にモデル化する段階が、該モデ
ルによる曲線を経験上のデータと適合させる段階を有し
ている、請求項11に記載の方法。 - 【請求項１５】さらに電池の電圧を感知する段階も含ん
でいる、請求項11に記載の方法。 - 【請求項１６】さらに電池を等温的に囲う段階も含んで
いる、請求項11に記載の方法。 - 【請求項１７】該熱検出手段が、電池および該囲んだケ
ーシングの温度を感知し、そして電池とケーシングの間
にあらかじめ決められた熱抵抗を配置する、ことを含ん
でいる、請求項16に記載の方法。 - 【請求項１８】さらに該プロセッサーからの信号を伝達
して、電池があらかじめ決められた充電状態に達したら
電池の該充電を停止させることを含んでいる、請求項11
に記載の方法。 - 【請求項１９】さらに、誘導AC電源を使用して電池に充
電し、AC電力を整流しそして調節し、そして該誘導AC電
源を使用して別のエネルギー源を電池に供給することを
含んでいる、請求項11に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US503,837 | 1990-04-03 | ||
| US07/503,837 US5012176A (en) | 1990-04-03 | 1990-04-03 | Apparatus and method for calorimetrically determining battery charge state |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06503161A JPH06503161A (ja) | 1994-04-07 |
| JP2577152B2 true JP2577152B2 (ja) | 1997-01-29 |
Family
ID=24003729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3507598A Expired - Lifetime JP2577152B2 (ja) | 1990-04-03 | 1991-03-26 | 電池の充電状態を熱量的に測定するための装置および方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5012176A (ja) |
| EP (1) | EP0523173B1 (ja) |
| JP (1) | JP2577152B2 (ja) |
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| DE (1) | DE69128468T2 (ja) |
| WO (1) | WO1991015757A1 (ja) |
Families Citing this family (65)
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|---|---|---|---|---|
| US5349540A (en) * | 1989-05-12 | 1994-09-20 | Fraunhofer Gesellschaft Zur Foerder Der Angewandten Forschung E. V. | Apparatus for determining the state of physical properties of rechargeable electric energy storage devices |
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