JP2792784B2 - 蓄電池の残存容量の決定方法 - Google Patents

蓄電池の残存容量の決定方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電解液不足鉛電池(別
名、“バルブ調整”または“密閉鉛電池)のような電気
的蓄電池の残存充電容量(アンペア時(AH)の単位で
測定されるような容量)の測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電池が電気的負荷に対して電力を供給す
ることのできる残存放電時間tの重要な目安は定放電電
流Id における電池の残存容量(“予備容量”)であ
る。一般的に、この残存容量はアンペア時(AH)の単
位で測定される。また、この時間t=AH/Id を測定
するための遠隔操作可能に配置されたセンサ手段(ワイ
ヤにより電池に接続されている)を設けなければならな
い。
【0003】この時間tの最後近くの比較的小さな時間
間隔t0 (約0.2t〜0.3tの範囲内)を除いて、
鉛電池は一般的に、電池の端子電圧Vが概ね一定である
特性を有する。従って、負荷に対して供給される電力P
=VId は、比較的小さな時間間隔t0 の間を除いて、
概ね一定である。
【0004】インテレック(Intelec)87カンファレン
ス講演集(1987年発行)の128〜131頁に掲載
されたエフ・ジェー・バカロ(F.J.Vaccaro)とピー・カ
ッソン(P.Casson)の「内部抵抗:電解液不足密閉鉛蓄電
池における容量損失の前兆」と題する論文中に、バルブ
調整鉛電池の残存容量の測定方法が開示されている。
【0005】この方法では、1KHz の交流電圧を電池
端子に印加し、インピーダンスを測定し、この測定値を
較正曲線と比較する。しかし、この方法では、主に、電
池内の電解液のインピーダンスの純粋に抵抗的成分しか
測定しない。従って、電池の充電,放電、加熱および冷
却などの履歴に左右されるその他の関連パラメータは検
出できない。従って、測定可能な唯一の故障機構は水の
損失だけであり、残存容量に関連するその他の故障機構
は検出されない。特に、この方法は電極の老化またはフ
レーキング、有機添加剤の不足、または硫酸鉛の不可逆
的生成などは検出しない。これらは全て電池の履歴によ
り左右され、また、電池の状態を劣化させ、従って、電
池の実際の残存容量を減少させる要因であるがこの方法
によっては検出されない。
【0006】米国特許第4952862号明細書には、
所定の電圧について鉛蓄電池の残存放電時間を予測する
方法が開示されている。しかし、この方法は測定するた
めに電池を大量に放電させなければならない。このよう
な放電は望ましくない。なぜなら、このような大量放電
の結果として単に電池を劣化させるだけだからである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、従来技術の欠点を軽減する、蓄電池の残存容量の測
定方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】鉛蓄電池(特に、バルブ
調整鉛(“VRLA”)蓄電池)のような電池の残存容
量(AH)は数少ない比較的低い周波数fにおける複素
交流インピーダンスZ=Z´+jZ´´を測定すること
により決定することができる。好都合なことに、これら
の周波数は0.001〜1.0Hz の近似範囲内である
(すなわち、この周波数は、1.0〜1000秒の近似
範囲内の比較的長い期間T=1/fに対応する)。
【0009】当業者に公知なように、Z´´=2πL−
1/2πCである(式中、LおよびCはそれぞれインダ
クタンスとキャパシタンスである)。従って、Z´´が
正の値の場合、正味のインダクタンスを示し、Z´´が
負の値の場合、正味のキャパシタンスを示す。VRLA
電池の場合、好ましい周波数範囲は0.001〜0.1
0Hz の近似範囲内に限定される。これらのZ値の全て
の測定を通して、電池の放電は殆ど起こらず、また、起
こしてもいけない。
【0010】特定の実施例では、未知の残存容量(A
H)を有する電池の複素インピーダンスZの測定は、比
較的低い周波数の事前に決められた範囲内で行われる。
-1/2の関数(すなわち、周波数の平方根の逆数の関
数)としての複素インピーダンスZの虚数部分Z´´の
デカルトプロットは概ね直線であり、f-1/2におけるZ
0´´の切片は所定の放電電流Id =Aにおける電池の
実際に残っている充電容量(AH)の目安である。次い
で、Id =AにおけるAHの実際の絶対値は、未知の残
存容量の電池と同じ形状で同じ化学組成を有する“プロ
トタイプ”またはその他の電池の測定により得られた直
線較正曲線から決定することができる。この“プロトタ
イプ”またはその他の電池は既知の残存容量と対応する
0 ´´値を有する。ここで使用された“プロトタイ
プ”という用語は商業的に製造される電池の構成を模倣
して実験室で組み立てられた電池を含む。
【0011】別の実施例では、Zの測定は比較的低い周
波数の特定の周波数範囲内で行われる。周波数範囲内に
おける複素インピーダンスZの実数部分に対する虚数部
分Z´´のプロットは勾配(dZ´´/dZ´)を有す
る概ね直線となる。この勾配は所定の放電電流Id =A
における実際に残っている充電容量(AH)の目安であ
る。次いで、Id =AにおけるAHの実際の絶対値は、
未知の残存容量の電池と同じ構成の“プロトタイプ”ま
たはその他の電池の測定により得られた較正曲線から決
定することができる。この“プロトタイプ”またはその
他の電池は既知の残存容量と対応する勾配(dZ´´/
dZ´)値を有する。
【0012】何れの実施例においても、これらの全ての
測定を通じて、電池の放電は殆ど起こらないし、また、
起こしてもならない。これは、直流バイアスがかけられ
た小さな交流増幅ケルビンブリッジを用いて測定を行
い、そして、測定中、電池を開回路状態に維持すること
により達成することができる。
【0013】理論的な正確さは本発明にとって必ずしも
必須要件ではない。前記の比較的低い周波数範囲内で複
素インピーダンスZを測定することにより、電気化学的
反応時間およびイオン拡散時間(この時間は比較的長
く、典型的には10〜100秒間程度である)などのよ
うな特定の重要な関連電池パラメータが明確になる。ま
た、平均イオン拡散距離は、イオン拡散の理論から公知
なように、経過時間の平方根に比例する。すなわち、f
-1/2が有用なパラメータであると信じられている所以で
ある。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細
に説明する。
【0015】図1は、特定の履歴を有する特定のVRL
A試験電池の、複素インピーダンスZ=Z´+jZ´´
対f-1/2の負虚数部分(−Z´´)のプロットに関する
7本セットの最良の直線11,12,...,17を示
す。この試験電池は例えば、商業的に製造されているL
A電池(“生産電池”)の構成を真似て実験室で組み立
てられた特定のプロトタイプ電池である。各プロットは
この電池の所定の残存充電状態(すなわち、残存容量
(AH))に関するものである。プロットの各点は例え
ば、当業者に公知なように電池を別な方法で浮動させな
がら(すなわち、電池にその他の電圧が印加されないよ
うにしながら)、直流バイアスのかけられた小さな交流
増幅(一般的に、1〜5mV)ケルビンブリッジを用い
て得られる。
【0016】Zのこれらの測定の全体を通じて、電池の
放電は殆ど無く、また、放電させてはならない。残存充
電の全ての状態についてインピーダンスZが測定される
周波数fは全て、f-1/2(一般的に、概ね10〜7秒
-1/2の範囲内)に対応し、かつ、期間T=1/f(一般
的に、50〜100秒の近似範囲内)に対応する、共通
の周波数範囲内(Δf1 )(一般的に、0.01〜0.
02Hz の近似範囲内)に含まれることが好ましい。
【0017】何れにしろ、共通周波数範囲(Δf1
は、全てのプロットが概ね直線状になるように選択され
る。この共通周波数範囲(Δf1)内における全てのプ
ロットが概ね直線状になることにより、各充電状態につ
いて、僅かに2点または3点だけ測定するだけで、この
ような各直線について最適な直線11,12,...,
17を決定することができ、その結果、その切片Z0 ´
´を決定することができる。
【0018】前記のプロトタイプ電池と同じ形状および
化学組成を有する全ての電池は共通範囲(Δf1 )内の
全ての周波数についてZ´´対f-1/2のプロットが概ね
直線状になる。この共通的な直線性特性は本発明を一層
有用なものとする。なぜなら、この共通周波数範囲(Δ
1 )は、Z´´対f-1/2の最適な直線を決定するのに
後で使用することができるからである。従って、この共
通周波数範囲内の僅か2個または3個の周波数において
各未知電池のZを測定するだけで、残存容量が不明の電
池のZ0 ´´を決定することができる。
【0019】プロトタイプ電池の残存充電(AH)の7
種類の状態の各々について、従って、それぞれの最適な
各直線11,12,...,17における7種類のZ0
´´値について、放電電流Id =10アンペアにおける
残存容量AHは公知の放電方法により測定される。その
後、Z0 ´´の7個の値を、測定された対応する7個の
AH値(横軸)の各々に対して、デカルト座標としてプ
ロットする。これにより、図2に示されるように、点2
1,22,...,27がプロットされる。
【0020】例えば、電池が最適直線16(図1参照)
をもたらす、すなわち、約+0.79mΩに等しい切片
0 ´´を有するような充電状態にあるものと仮定す
る。次に、カットオフ電圧が1.75Vに達するまで、
電池の残存容量(AH)の測定値(放電電流Id =10
アンペアで電池を放電させることにより測定したとし
て)が約97アンペア時であると更に仮定する。結果的
に、点26(図2参照)はその横軸が97AHに等し
く、その縦軸が+0.79mΩに等しいようにプロット
される。
【0021】同様に、その他の点21,22,...,
27もプロットされる。各点21,22,...,27
(図2参照)は対応する最適直線11,12,...,
17(図1参照)の参照符号に10を加えた値に等しい
参照符号で表示されている。点21,22,...,2
7は概ね直線に沿って配置している。次いで、最適直線
20がこれらの点について決定される。
【0022】特に、図1において、各最適直線11,1
2,13,...,18はそれぞれ、特定のプロトタイ
プ電池について、Id =10アンペアの放電電流で、測
定された概ね0.0AH,17AH,37AH,57A
H,77AH,97AH,117AHに等しい残存充電
容量(Id =10アンペア)に対応する。従って、図2
における点21,22,...,27の横軸の値はこれ
らの各値に等しい。
【0023】一般的に、最適直線20(図2参照)の正
確な勾配および切片はプロトタイプ電池の履歴および多
分その他の要因に若干左右される。しかし、実際的な目
的について、本発明によれば、直線20はその履歴に拘
らず当該電池について概ね有効である。実際、最適直線
20を得るのに使用されたプロトタイプ電池と同じ形状
および化学組成の全ての電池について、直線20概ね有
効であり、このため、この直線20はプロトタイプ電池
と同じ形状および化学組成を有する全ての電池用の較正
曲線(直線)として使用できる。
【0024】残存充電容量は未知であるが、プロトタイ
プ電池と同じ構成を有し、かつ、何らかの履歴を有する
全ての電池について、インピーダンスZ対f-1/2の虚数
部分Z´´のプロットの最適直線は電池を殆ど放電させ
ることなく、試験電池のプロット(図1参照)が概ね直
線を形成する共通周波数範囲(Δf1 )の試験周波数と
共に直流バイアスのかけられたケルビンブリッジを用い
て決定される。最適直線の切片Z0 ´´はこの直線をf
-1/2=0に対して外挿することにより測定される。次い
で、電池の残存容量(AH)はこの切片Z0 ´´の値に
対応する直線20(図2参照)の横座標から(例えば、
視察により)決定することができる。共通周波数範囲
(Δf1 )内における、残存充電容量が未知の電池のZ
´´対f-1 /2のプロットは概ね直線なので、(試験周波
数が前記の範囲内に含まれていれば)僅かに2点または
3点だけプロットすればよい。
【0025】別法として、図3に示されるように、例え
ば、6個の異なる電池(6個とも履歴は異なるが全て同
じ構成を有し、これらのうちの1個はプロトタイプ電池
である)の切片Z0 ´´を、Id =10アンペアにおけ
る残存容量(AH)(バイアスのかけられたケルビンブ
リッジで測定した)に対してプロットする。プロットさ
れたこれらの全ての点は単一の直線の周囲に密集する傾
向がある。従って、最適直線30(図3参照)は、6個
の電池の構成と同じ構成を有する全てのVRLA電池の
残存容量を決定するための、より一層普遍的な(重量平
均)直線較正曲線をもたらす。例えば、切片Z0 ´´の
測定値が+1.0である場合、図3のこの直線30から
残存容量AHは、放電電流Id =10アンペアにおい
て、約112アンペア時であると見做される。
【0026】直線20(図2参照)の勾配および切片は
概ね直線30(図3参照)の勾配および切片にそれぞれ
等しい。また、プロトタイプ電池を除いて、図3でプロ
ットされた他の6個の電池の全てが商業的に製造された
(“生産”)電池に相当する。これらのうちの1個は、
その他の電池よりも著しく高い内部抵抗を有していたの
で“廃棄”された。残りの5個の電池は、その電解液の
12.9wt%が失われたので、“液切れ(ドライアウ
ト)”と呼ばれる。
【0027】本発明の別の実施例として、図4を参照す
る。7種類の異なる既知残存容量0.0AH,17A
H,37AH,57AH,77AH,97AH,117
AHについて異なる周波数fでプロトタイプ電池のZ´
´およびZ´の値を測定し、プロットした。その結果、
共通周波数範囲(Δf2 )の存在が発見された。この周
波数範囲では、7個の全ての残存容量(AH)につい
て、各所定の残存容量および異なる周波数fにおけるZ
´´対Z´の全てのプロットは概ね直線である。共通周
波数範囲(Δf2 )内の各残存容量について、最適直線
41,42,...47をそれぞれ対応するZ´´対Z
´のプロットについて決定する。これにより、これらの
各直線について勾配(dZ´´/dZ´)が得られ、デ
カルト座標(図5参照)としてプロットされる。
【0028】特に、概ね0.01〜0.05Hz の共通
周波数範囲(Δf2 )内では、全ての曲線41,4
2,...,47は大体直線状である。また、共通周波
数範囲(Δf2 )の存在は本発明を一層有用なものとす
る。なぜなら、この共通周波数範囲はプロトタイプ電池
と同じ構成を有するが残存充電容量(測定すべき対象)
が未知の電池の勾配(dZ´´/dZ´)を測定するの
に後で使用することができるからである。すなわち、こ
の共通周波数範囲内の僅かに2または3種類の周波数
で、このような残存容量未知の各電池のZ´´およびZ
´を、測定の全体を通じて電池を殆ど放電させることな
く、測定するだけでよい。何れにしろ、これらの各曲線
41,42,...,47のそれぞれの直線部分の勾配
(dZ´´/dZ´)が決定され、そして、座標点5
1,52,...,57としてそれぞれプロットされる
(図5参照)。
【0029】点51,52,...,57(図5参照)
の横座標はそれぞれ、Id =10アンペアで電池をカッ
トオフ電圧が1.75ボルトまで放電させることにより
決定される。次いで、これらの点に関する最適直線50
が決定される。この直線50は、履歴不問のプロトタイ
プ電池ばかりでなく、プロトタイプ電池と同じ形状およ
び化学組成を有するその他の全ての電池の残存容量を決
定するための較正曲線として有効であることが確認され
た。(但し、プロトタイプ電池の勾配(dZ´´/dZ
´)の測定に使用された共通周波数範囲と同じ共通周波
数範囲で他の電池の勾配(dZ´´/dZ´)を測定し
なければならない。)
【0029】別法として、プロトタイプ電池以外の電池
用の較正曲線として最適直線50(図5参照)を使用す
る代わりに、もっと近似的な普遍的較正曲線を得るため
に、例えば、6個の電池(プロトタイプ電池を含む)に
ついて直線較正曲線60を決定した。この較正曲線60
は6個全ての電池に関する勾配(dZ´´/dZ´)対
残存容量(AH)のプロットポイントによる最適直線で
ある。勾配は全て共通周波数範囲(Δf2 )について決
定された。この共通周波数範囲内では、Z´´対Z´の
プロットは、全ての電池に関して全ての残存容量(A
H)に対して概ね直線的であった。
【0030】このようにして、直線的較正曲線60は未
知電池の残存容量(AH)を決定するのに使用できる。
較正曲線60を用いて未知電池の残存容量(AH)を決
定するには、共通周波数範囲(Δf2 )内の2または3
点でそのZ´´とZ´を測定し、次いで、勾配(dZ´
´/dZ´)の値を決定し、そして、最後に、予め決定
されている直線60を用いて、この勾配値(dZ´´/
dZ´)から残存容量を(例えば、点検により)決定す
るだけでよい。
【0031】VRLA電池に関する共通周波数範囲(Δ
1 )および(Δf2 )(この範囲内では、Z´´対f
-1/2のプロット(図1参照)およびZ´´対Z´のプロ
ット(図4参照)はそれぞれ概ね直線的である)は電池
の形状および化学組成により変化させることができる。
【0032】VRLA電池の代わりに、全ての鉛電池お
よびその他のタイプの蓄電池も使用できる。最適直線較
正曲線20,30,50および60の代わりに、その他
の形状の較正曲線も決定することができ、未知電池の残
存容量の測定に使用することができる。較正曲線20ま
たは50を決定するのにプロトタイプ電池を使用する代
わりに、生産電池を使用することもできる。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
池を放電させることなく、未知電池の残存容量を極めて
容易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】f-1/2(周波数の平方根の逆数)に対する特定
の(プロトタイプ)電池の複素交流インピーダンスZの
虚数部分Z´´の一群の最適直線である。このような各
直線は、本発明の或る特定的な実施例を例証するもので
あり、電池の固定された異なる残存容量(AH)に対応
するプロットに対して調和されている。
【図2】本発明の前記の特定的な実施例を更に例証する
図である。切片Z0 ´´(図1から得られたもの)対特
定の電池に関する残存電池容量(AH)のプロットと、
このプロットに対する最適直線を合わせて示す。
【図3】本発明の前記の特定的な実施例を更に例証する
図である。切片Z0 ´´対6個の異なる電池に関する残
存電池容量(AH)のプロットと、これらのプロットに
対する最適直線を合わせて示す。
【図4】様々な周波数における、特定の(プロトタイ
プ)電池の複素交流インピーダンスの虚数部分Z´´対
実数部分Z´に関する一群の直線を示す図である。これ
らの直線は本発明の別の特定的な実施例を更に例証する
ものであり、各直線は特定の電池の異なる残存容量(A
H)に関するものである。
【図5】前記の別の特定的な実施例を例証する図であ
る。電池の残存容量(AH)に対する、図4に示された
各直線の直線部分の勾配(dZ´´/dZ´)のプロッ
トと、その最適直線を合わせて示す。
【図6】前記の別の特定的な実施例を例証する図であ
る。残存容量(AH)に対する6個の異なる電池の勾配
(dZ´´/dZ´)のプロットと、その最適直線を合
わせて示す。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)0.001ないし1.0Hzの周
    波数範囲内の相異なる少なくとも3つの周波数で蓄電池
    のインピーダンスを測定するステップと、 (b)インピーダンスを測定した周波数の平方根の逆数
    に対する、測定したインピーダンスの虚数部分のプロッ
    トの最適直線において、周波数の平方根の逆数が0に相
    当する点における蓄電池のインピーダンスの虚数部分の
    値を求めるステップと、 (c)ステップbで得た値を、容量が既知の1つ以上の
    蓄電池に対して得られる値と比較するステップとからな
    ることを特徴とする蓄電池の残存容量の決定方法。
  2. 【請求項2】 前記周波数範囲が0.10ないし1.0
    Hzであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記蓄電池はバルブ調整鉛蓄電池である
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 (a)0.001ないし1.0Hzの周
    波数範囲内の相異なる複数の周波数で蓄電池のインピー
    ダンスを測定するステップと、 (b)各インピーダンスの実数部分に対する虚数部分の
    プロットがほぼ直線を形成する部分で該部分の傾きを測
    定するステップと、 (c)ステップbで得た傾きを、容量が既知の1つ以上
    の蓄電池に対して得られる傾きと比較するステップとか
    らなることを特徴とする蓄電池の残存容量の決定方法。
  5. 【請求項5】 前記周波数範囲が0.001ないし0.
    1Hzであることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記蓄電池はバルブ調整鉛蓄電池である
    ことを特徴とする請求項4または5に記載の方法。
JP4116799A 1991-05-31 1992-04-10 蓄電池の残存容量の決定方法 Expired - Fee Related JP2792784B2 (ja)

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JPH05135806A JPH05135806A (ja) 1993-06-01
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