JP3323498B2 - 充放電中にバッテリを監視するシステム - Google Patents

充放電中にバッテリを監視するシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、バッテリの動作を充電又は放電中に監視す
るバッテリ用の監視システム又は回路に係る。充電又は
放電中のバッテリの監視は、バッテリのいずれのモジュ
ール又はセルが欠陥状態になったかを決定するもので、
これは、非常に高い電圧及び／又は電流及び／又はアン
ペア時定格を有する大きなバッテリに関して特に重要で
ある。本発明の監視システムは、一連のセル又は通常の
場合にはモジュールを備えていて、以下に述べる状態の
もとでいずれの１つのモジュールにかかる電圧もいつで
も測定できるように構成されたバッテリに適用できる。
先行技術 大型のバッテリが見いだされる環境は多数ある。特
に、大型のバッテリ又はバッテリ設備は、固定の用途又
は牽引の目的、例えば、インバータ等を運転することの
できるスタンバイ式のDC電源設備に見いだすことができ
るし、或いはフォークリフトトラック、パレットトラッ
ク、ゴルフカート、電動式の乗客及び貨物乗物のような
牽引装置に見いだすことができる。大型のバッテリは、
複数のセル又はモジュールから構成され、これらは、バ
ッテリ間に実質的な端子電圧を発生するように直列に接
続され、そして他のモジュールが並列に接続されること
も、或いは並列接続されたセル又はモジュールが直列構
成とされることもしばしばである。
本発明は、特に、個々のセル又はモジュールが直列構
成にされた大型のバッテリに係る。本発明の目的は、こ
のように構成されたバッテリの状態及び性能を監視する
手段であって、特にこのようなバッテリが電気乗物に利
用されるときに監視を行う手段を提供することである。
現在一般に見られる実験的な電気乗物の典型的なバッテ
リ構成は、ジェネラルモータース社のIMPACTを備えてお
り、これは、バッテリ電圧が320Vのバッテリを使用する
一方、フィアット社製のPANDA ELETTRAで見られる72V
バッテリも使用している。
本発明者は、1988年９月６日及び1991年５月２日に各
々出願された米国特許出願第07/253,703号及び第07/67
6,523号の発明者でもあり、その各々の出願は、バッテ
リに対して非常に高い充電率を与えることのできるバッ
テリチャージャに関するものである。充電されたバッテ
リは、ある場合には、非常に高い容量を有する。これら
出願の各々は、共通の譲受人に譲渡されている。本発明
者の名前で且つ共通の譲受人でなされた更に別の特許出
願は、電気的乗物がそれらのバッテリを非常に短時間で
充電する充電ステーションに関するものである。もちろ
ん、バッテリは、それらが充電される間に監視されるだ
けではなく、それらが動作中であるときの放電中にも監
視されることが重要である。というのは、バッテリが受
ける電流が大きいからである。これは、本発明を出願す
るほんの数年前の標準が、一般に、バッテリが約0.1Cの
割合で充電されるというものであり、換言すれば、バッ
テリを充電するのに10時間を要する電流で充電されると
いうものであり、これに対し、現在では非常に大容量の
バッテリを3Cないし10Cの割合で充電することが可能で
あり、換言すれば、せいぜい６分ないし20又は30分で充
電することが可能であるということに注目したときに特
に明らかである。明らかに、このような割合で充電され
るバッテリは過充電の危険が高く、ひいては、バッテリ
のセル又はモジュールへのダメージの危険が高い。同様
に、特に牽引環境で使用されるバッテリは、おそらくは
持続される時間周期にわたって非常に高い電流率で放電
されることが必要である。
直列接続されたバッテリにおいては、バッテリが充電
される間及び放電されるときの両方に、バッテリの全て
のセル、又は大型の高電圧バッテリにおける全てのバッ
テリモジュールに同じ電流が通過する。バッテリの弱い
セル又はモジュールをバイパスする電気的手段を使用す
ることができるが、これらの手段はやっかいな上にコス
トがかかり、そして一般的に、バッテリの動作端子電圧
を低下し、ひいては、実用的でない。従って、本発明
は、直列構成のバッテリの全てのセル又はモジュールが
常時アクティブとなるようなバッテリ構成に向けられ
る。
直列接続されたバッテリに対して有益な多数の顕著な
効果が本発明によって与えられる。これらは、最も弱い
バッテリモジュール又はセルの能力を保持するように充
電電流又は放電電流を調整して、調整された電流を通す
ようにし、これにより、モジュール又はセルに対する過
酷な使用及び将来の不可逆なダメージを防止できるよう
にする能力を含む。同様に、本発明は、弱くなりつつあ
るバッテリモジュール又はセルを、そのモジュール又は
セルの故障が生じるかなり前に診断及び識別できるよう
にする手段を提供する。弱いバッテリモジュール又はセ
ルをこのように早期に検出及び識別することにより、欠
陥のあるバッテリモジュールを最も早い機会に交換し
て、バッテリをその有効な全作動容量に復帰させること
ができる。
本発明のこれらの特徴は、セルの電気化学的電位を監
視し、換言すれば、セル又はモジュールの無抵抗電圧を
監視し、そしてある環境においてはセル又はモジュール
の抵抗降下、即ちそのモジュール又はセルのオーミック
抵抗に起因し且つそれにより生じるモジュール又はセル
間の電圧降下を監視することによって達成される。この
ような監視は、可能であるだけでなく、本発明によれ
ば、バッテリ動作の全ての状態の間に行われ、換言すれ
ば、バッテリの充電及び放電の両方の間に行われる。以
下の説明において、バッテリの動作及び状態が充電中に
監視される環境の方が、放電中に監視される環境よりも
多いことに注意されたい。その理由の少なくとも一部
は、バッテリは充電中に通常固定位置に置かれるからで
ある。更に、充電動作はチャージャの制御のもとにあ
り、チャージャは固定されるか又は固定状態とされ、そ
れ故、複数のバッテリがチャージャに個々に接続された
ときにこれらバッテリを監視することができる。しかし
ながら、この充電の監視は非常に価値のあるもので、本
発明によって完全に意図される。
本発明は、バッテリ或いはバッテリ内のセル又はモジ
ュールの無抵抗電圧が、モジュール又はセルの充電状態
に及び実際には電気化学的活動−−充電又は放電を受け
るその全体的な状態及びその能力を決定できるようにす
る重要な特性であることを認識する。更に、バッテリの
充電に関する前記特許出願に示されたように、バッテリ
モジュール又はセルの無抵抗電圧の上限及び相対的な値
を利用して、バッテリの充電プロセスが制御される。
本発明は、特に電気的乗物のような設備において、乗
物のオペレータに警報が与えられる間に放電電流が徐々
に減少されるように放電電流を制御できるようにし、そ
して最終的に、所定のスレッシュホールドにおいて牽引
コントローラ及び他のバッテリ負荷を禁止することによ
り放電動作を終了させるためには、バッテリセル又はモ
ジュールの無抵抗電圧の下限を放電中に監視しなければ
ならないことを強く認識するものである。同様に、上記
した第１の状態は、通常の石油燃料乗物の「低燃料」イ
ンジケータに類似したものであり、一方、第２の状態は
燃料タンクの「空」状態に類似している。これにより、
バッテリの過酷な使用及びダメージが除外される。
分析により明らかなように、バッテリの充電及び放電
状態の厳密な監視はバッテリ電圧を単に監視するよりも
優れている。というのは、将来的な過放電の危険へと進
むことなくバッテリをより厳密にその完全放電状態へ接
近させることができるからである。これは、本発明によ
り、バッテリの最も弱いセル又はモジュールの状態を用
いて、切迫したモジュール又はセルの故障の警報を与え
ねばならないか又はバッテリの放電動作を終了しなけれ
ばならない瞬間を決定する場合に特に言えることであ
る。
更に、本発明は、充電又は放電時に電流が通過する間
のバッテリセル又はモジュールの抵抗降下により、その
電流によりセル又はモジュールに発生する不可逆の抵抗
熱量の直接的な指示が与えれることに基づいてもいる。
分析により明らかなように、セル又はモジュール端の抵
抗電圧降下が増加することは、セル又はモジュール抵抗
が増加していることを示している。この増加するセル又
はモジュール抵抗は、例えば、セル又はモジュールにお
ける電極の劣化や、又は電流通流部品の内部又は外部接
触の不良によって生じるか、或いはセル又はモジュール
内の電解液が失われることによって生じる。
バッテリの高速充電にはバッテリの並列接続が推奨さ
れないという主題について以下に述べる。バッテリ内の
並列チェーンを分担する電流は不安定な平衡状態にあ
り、並列接続体内で等しい電流分担を強制する更に別の
付加的な電気的手段−−この付加的な手段は取り扱い難
く、高価であって、付加的な不要なエネルギーロスを招
くものである−−がなければ、並列接続でバッテリを充
電しようとすることがはばまれる。その理由は以下で述
べる。
ほとんどの既知の実際のバッテリシステムのセル電圧
は、充電中に負の温度係数を示すことに留意されたい。
更に、最も厳格な製造制御のもとでも、バッテリ内の等
しいセル、又は大規模バッテリにおける等しいバッテリ
モジュール間には僅かな相違がある。並列接続において
充電状態のもとで縁が温まったバッテリセルは、負の温
度係数により低い電気化学的電位を示し、それ故、その
セルは充電電流に対して低い電気化学的抵抗を与える。
従って、非適合セルが充電電流に対して優先的な経路を
与え、その環境の結果として、更に増加した電流がセル
に流れ、更に又温かくなる。これは、それに並列な他の
セルに流れる電流よりも更に大きな充電電流を促進し、
その影響が渦巻き状に続く。従って、１つのバッテリセ
ル又はモジュールが高温になって過剰充電され、一方、
それに並列な他のバッテリセル又はモジュールは冷たく
過少充電のままである。この問題を解消できると考えら
れる唯一の方法は、充電時間よりも実質的に短い時定数
をもつ良好な熱結合を、例えば、多プレートセルの電極
間に設けることである。この場合には、非適合ユニット
と、その周りの並列な隣接ユニットとの間に熱が迅速に
伝達されて、全ての並列セルエレメントが実質的に同じ
温度に保たれる。このような状態は、大規模な高電圧バ
ッテリに関しては明らかに実際的でない。
一方、バッテリが放電されるときには、並列セル又は
モジュール間の電流分担環境に安定な平衡が与えられる
ことが認識される。しかしながら、これらの特徴は、本
発明の範囲外である。
本発明により提供されるものは、バッテリが充電され
ているか放電されているかに係わりなくバッテリを監視
する回路であり、バッテリは一連のモジュールを備え、
これらモジュールは、これらモジュールの各隣接対間及
びバッテリの各端に配置された端子と直列に接続され、
各モジュールにかかる電圧が測定されるようになってい
る。本発明の１つの特徴においては、バッテリへ又はバ
ッテリからの電流を、約２ないし5msより短い遮断イン
ターバル中、又は大型の牽引バッテリのような設備の場
合には10msまでの遮断インターバル中、周期的に遮断す
る手段が設けられ、更に、電流の遮断中にモジュールの
任意の１つを選択的にサンプリングしてそのモジュール
の無抵抗電圧を決定するための手段も設けられる。ある
環境のもとでは、選択された複数の、さもなくば、全て
のモジュールを１つの電流遮断中に個々にサンプリング
することができる。いずれにせよ、サンプリングされた
モジュールの無抵抗電圧を、少なくとも２つの基準電圧
と比較して、その無抵抗電圧が第１の所定レベルより上
にあるか第２の所定レベルより下にあるかを決定する手
段が設けられる。更に、本発明は、無抵抗電圧が第１の
所定レベルより上にあるか第２の所定レベルより下にあ
ることが分かった場合に警報指示を生じさせる手段も提
供する。
本発明の更に別の実施例においては、モジュールに電
流が流れている間に一度の１つのモジュールの電圧をサ
ンプリングする更に別の手段が設けられる。このサンプ
リングは、放電又は充電中に行われる。サンプリングさ
れるモジュールに電流が流れるときにそのモジュールの
第１電圧の値を決定して一時的に保持すると共に、その
同じモジュールにかかる第２の無抵抗電圧の値を、その
モジュールに流れる電流の遮断インターバル中にサンプ
リングして保持するためのサンプル・ホールド手段が設
けられる。これら第１及び第２電圧の互いの相対的な大
きさを決定すると共に、第１及び第２電圧の高い方をバ
ッテリの充電及び放電中に決定するための手段が設けら
れる。これは、充電及び放電状態中にこれら２つの電圧
の差の絶対値を決定することにより行われ、充電状態の
もとでは、第１電圧は第２電圧より大きい絶対値をもた
ねばならず、そして放電状態のもとでは、環境が逆転さ
れることに注意されたい。これら第１電圧と第２電圧と
の差の絶対値が所定の値を越える場合に、アラーム指示
を与えるための更に別のアラーム手段が設けられる。
図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照し、本発明を詳細に説明する。
図１は、充電動作中の直列接続されたバッテリを監視
する簡単な構成を示す図である。
図２は、高電圧バッテリに対して使用される代表的な
マルチプレクサ式サンプリング回路を示す図である。
図３は、図２の回路と共働して、充電の初期段階中に
バッテリの充電電流を制御すると共に、図２の回路に示
すバッテリの充電及び放電の両方の間にサンプリング及
びアラーム状態指示を与える相補的な回路を示す図であ
る。
図４は、図３の差動増幅器の出力を示す代表的な時分
割マルチプレクサ走査を示す図である。
図５は、図２の回路の動作によって決定される種々の
環境のもとで電流及び電圧の状態を示す一群の曲線を示
す図である。
図６は、バッテリのモジュール又はセルの感知された
無抵抗電圧の変化を示す代表的な時分割マルチプレクサ
走査を示す図である。
好ましい実施例の説明 図１には、直列接続されたバッテリ12をそれが充電さ
れる間に監視するための監視回路10が示されている。
上記の特許出願第07/253,703号及び第07/676,523号
は、充電されているバッテリの無抵抗電圧から電流制御
を行う充電回路の動作を詳細に説明している。説明上、
ライン14の電流制御出力は、全バッテリから電圧分割器
16、18に得られた無抵抗電圧から導出されるもので、こ
の得られた電圧は、比較器22により、20に現れる内部発
生された基準電圧と比較されることに注意する必要があ
るだけである。ライン14の電流制御信号は、26に与えら
れるクロックパルスの制御のもとで、フリップ−フロッ
プ24によって間欠的にパルス状にオンオフされる。実際
に、チャージャの電流制御は、全バッテリ12間の平均無
抵抗バッテリ電圧によるものである。
しかしながら、各モジュール12（01）、12（02）・・
・12（06）は、本発明によれば、これらモジュール各々
の無抵抗電圧を個々に決定し、それにより、その無抵抗
電位が異常に低いか又は異常に高いモジュールを検出し
てフラグを立てるように走査される。これは次のように
行われる。
時分割マルチプレクサが28で示されており、これによ
り、一度に１つのモジュール12（01）ないし12（06）が
サンプリングされ、そのサンプルが差動増幅器30の入力
にまたがって加えられる。各バッテリモジュールにまた
がって１つづつ個々の増幅器を使用することができる。
２つの基準電圧32及び34は、点36の電圧に依存してお
り、点36の電圧は、点20における基準電圧とある関数関
係を有している。32及び34におけるこれら２つの基準電
圧は、各々比較器40及び42により差動増幅器30の出力38
と比較される。ストリング44、46、48における抵抗の値
は、32及び34における基準電圧と、50及び52における比
較器40及び42の出力とを各々用いて低い無抵抗電圧又は
高い無抵抗電圧にフラグを立てるように選択される。換
言すれば、比較器40からの出力50はフリップ−フロップ
54に加えられ、26に現れるクロックパルスの正の遷移時
に出力50が高レベルである場合には、ライン58の出力を
活性化し、これが高アラームを生じさせる。同様に、比
較器42からの出力52がある場合には、これが、26におけ
るクロックパルス信号によって作動されるフリップ−フ
ロップ56を介してライン60に現れ、低い無抵抗電圧アラ
ームを生じさせる。
個々のモジュールの無抵抗電圧の典型的な時分割マル
チプレクサ走査が図６に示されている。選択されたモジ
ュールの無抵抗電圧は、フリップ−フロップ54及び56が
26のクロック信号によって作動されたときに短い時間中
増幅器30の出力38に現れる。各モジュールの無抵抗電圧
は、図６に、電圧基準線62及び64を参照して示されてお
り、これらは、受け入れられる高いモジュール無抵抗電
位と、受け入れられる低いモジュール無抵抗電位を各々
示している。図６に示すように、モジュール番号（04）
のモジュール12からの出力は受け入れられないほど低い
ことに注意されたい。
モジュールの低い無抵抗電圧は、電気化学的活動が不
良であるために電荷を保持する能力に欠けるセル（１つ
又は複数）をモジュールが含んでいること、換言すれ
ば、モジュールが死んだ状態か又は死につつある状態で
あることを表している。一方、充電中に無抵抗電圧が早
期に高レベルになることは、荷電を受け入れる容量が低
く且つ早期に低下したセル（１つ又は複数）を含むモジ
ュールを示している。このモジュールは、更に加熱し、
その電解質から更に水を失い（水性の電解質と仮定すれ
ば）、さもなくば、バッテリ12において弱いリンクとな
る。それ故、図１の回路は、弱いリンクを識別し、ひい
ては、切迫した問題の早期警報を与える診断手段を構成
する。ここで、弱いリンクとは、弱いセルについて前述
したように、一連のバッテリにおいて充電電流又は放電
電流を通す能力が最も低いものを意味している。
図１に示すエッジトリガー式のフリップ−フロップ54
及び56は、上記米国特許出願第07/523,703号に示された
サンプル・ホールド回路のような他の回路と取り替える
ことができる。
更に、図６の時分割マルチプレクサ走査は、サンプル
・ホールド増幅器の出力を表すもので、これは、以下に
述べるように図２の84に見られる無抵抗モジュール電圧
と、上記した図１の瞬時出力38とをサンプリングする。
図１による回路の典型的な用途は、６ボルトモジュー
ルを６個備えた36Vの鉛酸バッテリを有するゴルフカー
ト又は工業用フォークリフトトラック等のチャージャ用
の監視回路に適用される。
図２は、充電及び放電の両状態の間に高電圧バッテリ
を監視すべき環境において特に有用なサンプリング及び
マルチプレクサ回路を示している。バッテリ66は、この
選択された例においては、36個の６ボルトモジュールで
構成される216ボルトのバッテリである。これらが図２
に示されている。この場合に、感知ワイヤがバッテリ端
子66＋及び66−から延び、そしてワイヤ68−１、68−２
等と示されたように、モジュール間ノードの各々から延
びている。ソリッドステートマルチプレクサ70が設けら
れ、これは、内部クランプダイオードを有し、入力共通
モードの範囲が０ないし15ボルトであるのが好都合であ
る。演算増幅器72及び74が設けられ、これらは、個々の
モジュール電圧を正規化された単一モジュール電圧（又
は単一セル電圧）Vcellに変換する。この正規化された
単一セル電圧は、時分割マルチプレクサにおいては負の
バッテリ端子を参照するものである。これは、端子76に
おいてVcell（t,N）と示されている。
２つのサンプル・ホールド回路78及び80が設けられて
おり、ここから２つの更に別の値が端子82及び84に各々
VC及びVRFとして現れる。これらのサンプル・ホールド
回路は、図示されたように、CMOSバイラテラルスイッチ
78a及び80aと、ホールドキャパシタ78b及び80bで構成さ
れるのが便利である。値VCは、電流がオンであるとき、
即ち電流がバッテリに流れるときのセル又はモジュール
電圧の値であり、そして値VRFは、バッテリの流れる電
流が遮断されたときにその同じモジュール又はセルに対
して感知された無抵抗電圧である。上記した特許出願の
技術によれば、VRFは、チャージャの制御のもとでバッ
テリへの充電電流が遮断された時間中の以下に述べる１
つのモジュールの無抵抗電圧である。又、以下に述べる
ように、VRFは、バッテリが放電状態にある間にモジュ
ールの電流が一時的に遮断されるようなモジュールの無
抵抗電圧でもある。
図５を参照して、図２の回路の動作中に見られる代表
的な波形について説明する。図５において、クロック波
形が曲線86で示されている。これは、10:1ないし30:1の
範囲のデユーティ比率を有する典型的なデユーティサイ
クルで充電電流をオン及びオフにする。サンプルVC及び
サンプルVRF信号は、クロックから「遅延オン」及び
「遅延オフ」信号として導出され、それらの安定周期中
に即ち曲線88及び90に示すように過渡状態がデッドにな
った後にVC及びVRFのサンプリングを行うようにする。
従って、曲線92は、充電電流がオフの状態の適度に安定
した周期における曲線90のサンプリングを示し、そして
同様に、曲線94は、バッテリ66に充電電流が流れるとき
の安定周期中における曲線90のサンプリングを示してい
る。
充電状態の間には、電圧VCがVRFの値より大きいが、
放電状態の間は、VCの値がVRFより小さいことに注意さ
れたい。従って、以下に示す２つの条件を適用しなけれ
ばならず、以下に示す以外の条件は異常である。
VC＞VRF（充電中） 条件１ VC＜VRF（放電中） 条件２ 又、一対の端子96及び98がバッテリ66内に配置される
ことにも注意されたい。これらの端子は、戦略的に配置
され、バッテリ66内に配置されるか又はそこに付着され
た温度センサに関連され、これにより、バッテリの温度
状態が以下に述べるように連続的に決定される。
又、適当なディスプレイ手段102が組み合わされたア
ドレスカウンタ100も設けられている。このアドレスカ
ウンタ100及びモジュールアドレスディスプレイ102は、
任意の時間にサンプリングされる各モジュールの認識が
表示されるように一緒に動作する。マルチプレクサ70の
動作は、走査レートが１又は2Hzであって、36個のモジ
ュールを有するバッテリ66を約18ないし36秒で完全に走
査できるようなものである。この走査レートは、観察者
がモジュールアドレスディスプレイ102の出力を容易に
読み取ることができるに充分なものであって、アラーム
状態が生じた場合に、その非適合モジュールがどれであ
るかを他の関連回路を必要とせずに容易に知ることがで
きるものとしている。もちろん、約10Hz程度の高い走査
レートは、3.5秒でバッテリを完全に走査するが、この
場合には、モジュールアドレスディスプレイ102におけ
る可視表示は、カウンタ100とディスプレイ102との間に
挿入されたラッチにその不適モジュールのアドレスカウ
ンタ値をラッチするがごときによって低速化しなければ
ならない。
アドレスカウンタ100は、101に入力を有するそれ自身
のクロックから導出される。アドレスカウンタのクロッ
クは、以下に述べるようにライン118に入力を有するバ
ッテリ充電回路内の内部クロックに対して非同期であ
る。しかしながら、一般に、101及び118のクロック入力
は同期している。従って、アドレスカウンタ100及び101
へのクロック入力は、ライン118のクロック入力の２進
分数、例えば、1/2、1/4、1/8又は1/16であるのが便利
である。これは、アドレスカウンタ100及び時分割マル
チプレクサ70が、内部クロックの制御のもとで、２、
４、８又は16の充電遮断中にいずれかの単一モジュール
66（01）、66（02）、66（ｎ）等において停留すること
を意味する。更に、101のアドレスカウンタクロック
は、例えば、10Hzのような内部クロックと同じ速度で動
作するが、サンプル・ホールド回路78及び80に余計な要
求を課する。というのは、VC及びVRFの正しい値を若干
迅速に収集して安定化しなければならないからである。
図２及び３の各々に端子76、82、84、96及び98が見ら
れることに注意されたい。図３の回路は、充電電流制御
回路と、分析回路とを備え、これにより、バッテリ66の
動作及び制御が少なくともその充電動作について行われ
ると共に、充電及び放電の両動作中にバッテリが常時監
視される。
時間に従属する波形Vcell（t,N）が端子76に現れ、バ
ッテリ充電回路について上記した特許出願の技術によれ
ば、これが比較器104の入力に与えられる。比較器104の
他方の入力は、106における電圧基準入力であり、これ
は上記特許出願07/676,523号の技術によれば、温度補償
回路108により送られる。又、この温度補償回路108は、
110に更に別の出力を発生し、これは、端子76からの同
じ入力と共に比較器112へ入力される。一対のフリップ
−フロップ114及び116の各々は、ライン118からのクロ
ック信号によって制御され、このクロック信号は、バッ
テリ充電回路内の内部クロックからのものであり、フリ
ップ−フロップ114及び116を作動させるのに使用され
る。比較器104の出力は120に現れて、フリップ−フロッ
プ114に入力され、同様に、122における比較器112から
の出力は、フリップ−フロップ116に入力される。
クロックライン118は、デジタルポテンショメータ124
への入力として現れ、該ポテンショメータの入力は、ラ
イン126におけるフリップ−フロップ114の出力と、所定
時間T1の終了を意味するライン128の時間切れ入力（以
下に述べる）とを含む。デジタルポテンショメータの出
力は、ライン130に現れるアナログ信号であり、これ
は、バッテリ66に与えられる充電電流を制御するのに使
用される。
通常の仕方で、バッテリ66の温度が所定の範囲を越え
ることにより生じるアラーム状態が存在しない場合に、
比較器104、フリップ−フロップ114及びデジタルポテン
ショメータ124を備えた制御回路が充電状態中に動作す
る。充電シーケンスが最初に開始されたときには、所定
時間周期T1がスタートされ、デジタルポテンショメータ
124は、ライン126における入力により130の出力を上方
及び下方の両方に調整できるようにされる。従って、バ
ッテリ66が実質的に完全に、さもなくば、ほぼ完全に放
電した場合には、全てのモジュール66（01）ないし66
（36）は、端子66で決定されてライン126に表された値
によってデジタルポテンショメータのアップ移動を要求
し、デジタルポテンショメータ124がその出力130をアッ
プ方向にとるように強制する。デジタルポテンショメー
タ124の動作は、本質的に平均化ポテンショメータの動
作であり、マルチプレクサ70による走査シーケンス中に
端子76に現れる時間従属のモジュール電圧を積分する。
一方、バッテリ76が実質的に完全に充電された場合に
は、デジタルポテンショメータ124の同じ平均化機能に
より、ライン130のアナログ出力がその最大値より低い
位置、本質的には、デジタルポテンショメータ124によ
る「アップ」動作を要求するモジュールの数が「ダウ
ン」動作を要求するモジュールの数に等しくなる位置が
見つけられる。これらのシーケンス及びライン130のア
ナログ出力の調整が、典型的に１分である所定の時間周
期T1の間続けられる。
この時間周期T1の終わりにライン128に時間切れ信号
が現れたときは、デジタルポテンショメータ124は、ラ
イン130のアナログ出力に関してダウン方向にのみ移動
できるように構成される。上記の特許出願第07/676,523
号に開示された一方向コントローラが動作状態となる。
従って、ライン130のアナログ電流制御出力は「ダウ
ン」方向に移動し続け、充電電流に対して調整が続けら
れ、そしてモジュールのVRFが最小又は最低の許容充電
容量であるバッテリ66のモジュール（又はセル）を表す
基準電圧値に到達したときに、時間従属波形Vcell（t,
N）に基づいてダウン方向の調整が行われることが明ら
かである。従って、バッテリ66の充電は、バッテリの最
も弱い又は最悪のモジュール又はセルが充電を受け入れ
ることができる割合のみで行われ、そのモジュールを過
酷使用することはない。
もちろん、アナログカウンタ100及びモジュールアド
レスディスプレイ102により、デジタルポテンショメー
タ124のダウン方向動作を要求しているモジュールの認
識を容易に決定することができる。
比較器112及びフリップ−フロップ116の動作は、バッ
テリ66のモジュールが甚だしく過剰放電するか又は故障
した場合に、そのモジュール又はセルの基準電圧が所定
限界より低くなる程度まで、その故障したモジュール又
はセルの認識に一致するような即座の信号がLED132に発
生され、これはディスプレイ102に現れる。
バッテリ66が放電されるときには、温度補償回路10
8、比較器112及びフリップ−フロップ116より成る回路
の出力を用いて、通常の自動車の「低燃料」状態と同様
にバッテリ66内の状態を指示することができる。この場
合に、バッテリ66に通流できる放電電流は、次第に低い
値に制限される。最終的に、所定の放電電流値における
無抵抗電圧が所定のカットオフ電圧以下である状態をバ
ッテリ66内の最も弱いモジュール又はセルが維持できな
いときにはそのような事態が生じ、この点において、バ
ッテリ66が本質的に「空」になるように同様の状態が続
き、バッテリ66のそれ以上の放電が禁止される。
サンプル・ホールド回路78において決定されるように
バッテリ66に電流が流れるときに特定のモジュールにお
けるモジュール又はセル電圧の値を表す信号と、サンプ
ル・ホールド回路80で決定されるようにバッテリ66に電
流が流れないときのモジュール又はセルの無抵抗値を表
す信号を各々搬送する端子82及び84は、増幅器134への
２つの入力である。その出力は、ライン136に現れ、比
較器138及び140の各々への２つの入力の１つである。比
較器138及び140への他の入力はライン142から到来し、
抵抗電圧降下δVRの所定値として定められる。しかしな
がら、比較器138への入力は、反転増幅器139を経て反転
され、比較器140へのδVR入力に対して逆の方向とな
る。この定められた値δＶは、電流が流れている間にサ
ンプリングされたモジュールの抵抗降下であり、換言す
れば、モジュールに流れる電流と内部抵抗の積であるモ
ジュールの電圧である。
オアゲート144は、比較器138及び140の各々からの出
力をライン146及び148を経て各々取り出す。
比較器138及び140は、互いに逆になった入力をライン
136及び142から受け取ることに注意されたい。更に、上
記のように、比較器138のδVR入力は、比較器140への同
じ入力に対して方向が逆にされている。従って、比較器
138の出力は、充電動作中に、端子82のモジュール電圧V
Cが端子84の無抵抗電圧VRFより大きく且つその差がδVR
より大きいときに生じる。同様に、比較器140からのラ
イン148の出力は、バッテリ66が放電されている間の任
意の時間にVRFとVCの差がδVRより大きいときに生じ
る。
従って、ライン150におけるオアゲート144からの出力
は、VCとVRFとの差の絶対値がδVRより大きいときにLED
152を点灯し、これは、次のように表される。
|VC−VRF|＞δVR 条件３ 又、ランプ152は、モジュールアドレスディスプレイ1
02に一致して点灯されたままであり、これにより、その
モジュールの認識に気付くことに注意されたい。これか
ら、特定のモジュール又はセルは、これに電流が流れる
ときに高い抵抗降下を有し、それ故、高い抵抗をもつこ
とが決定される。
バッテリ66の電流がその最大であるときの周期中にLE
D152の状態を監視することが最も重要であることが明ら
かである。というのは、このときには、抵抗降下δＶ及
び高抵抗モジュールからの抵抗消費熱が、次のように最
も高いレベルにあるからである。ここで、Qmoduleは抵
抗消費熱である。
δＶ＝|VC−VRF|＝RmodulexI Qmodule＝δVxI＝RmodulexI2 又、バッテリセル又はモジュール間の接続リード又は
ブリッジも、それら自身のワイヤ抵抗及び接触抵抗RCに
よりある程度の抵抗に貢献し、従って、モジュール抵抗
Rmoduleは、モジュールの内部抵抗RintとRCの和となる
ことに注意されたい。
それ故、LED152の状態と、モジュールアドレスディス
プレイ102に示されたモジュールのアドレスを監視する
ことは、欠陥モジュール又はセルを指示するだけでな
く、緩んだ接点又は腐食した接点のようなモジュール間
の欠陥接続又は欠陥接点の存在も指示する。実際に、本
発明による回路、特に、図１の回路を実験テストするこ
とにより、緩んだ接点によって、ダメージを受けたバッ
テリ端子が明らかとなる。図２及び３の監視回路が動作
している場合には、顕著なダメージを生じる前に、その
緩んだ接点に直ちに気付いて診断される。
図４は、ライン136に現れる差動増幅器134の出力の典
型的な時分割マルチプレクサ走査を示している。この図
において、各モジュールの認識は、154で示すように表
示され、走査曲線156は、158で示した所定値δVRに対し
て比較される。モジュール66（05）のδＶは所定値を越
え、従って、モジュールアドレスディスプレイ102に表
示されているアドレス（05）と一致してLED152が点灯す
るようにアラーム状態が生じる。モジュール66（08）の
δＶ値は平均値より大きいが、アラームスレッシュホー
ルドより小さく保たれて、モジュール66（08）のδＶ値
によってアラーム状態が生じないようにされる。
図２に示す時分割マルチプレクサ走査を伴う簡単で且
つ安価な単一チップマイクロコンピュータを組み込む構
成をとることもできる。この場合において、単一チップ
マイクロコンピュータは、図２および図３に示された端
子76、82および84と同様の端子およびバッテリ66に流れ
る電流IBの値を表す信号が現れる更に別の端子に対して
アナログ−デジタルコンバータを介して対話するように
配置される。そして、マイクロコンピュータとマルチプ
レクサ70との間には、入力／出力インターフェイスが挿
入され、これは、マイクロコンピュータから可視アラー
ム及び音声アラームへアラーム信号を送信する手段を構
成する。又、ディスプレイが、マイクロコンピュータに
任意に関連されて、図２及び図３のモジュールアドレス
ディスプレイ102と同様にサンプリングされるモジュー
ルのアドレスを表示してもよい。このディスプレイは、
バッテリの温度、その充電状態等のバッテリの状態に関
する他の診断データ又はメッセージを表示するように任
意に構成されてもよい。
明らかに、マイクロコンピュータを使用することによ
り、非常に精巧な監視を行って、バッテリ66の状態に関
する性能及び診断のような精巧な情報処理及び評価を行
うことができる。マルチプレクサ70の走査速度を、例え
ば、10Hzまで増加して、36モジュールのバッテリ66を3.
6秒で走査することができる。更に、各モジュール又は
セルの抵抗を常時監視するように計算を行うことができ
る。又、バッテリ電流IBに対する端子82のVC及び端子84
のVRFの値のような重要なパラメータの平均値及び平均
偏差は、VCの絶対値からVRFの絶対値を引いたものをバ
ッテリ電流IBの絶対値で分割した関数としてモジュール
抵抗の瞬時値を次のように導出する。
Rmodule＝｜（VC−VRF）/IB| 更に、バッテリ66内で消散される熱の管理を改善する
こともできる。というのは、消散される抵抗熱は、バッ
テリ電流の瞬時値によって次のように得られるからであ
る。
Qmodule＝RmodulexIB 2 これは、各個々のバッテリモジュール又はセルにおい
て消散される抵抗熱を個々に監視できることを意味し、
これは、図２に示すように端子96及び98のみに出力を有
する温度センサの使用に勝る改善を与える。
更に、個々のモジュールの無抵抗電圧を監視すること
は、バッテリの充電状態を決定することのできる更に精
巧な手段を与える。換言すれば、通常の自動車と同様に
結論付けるためには、マイクロコンピュータを組み込ん
だ回路の使用により良好な「燃料ゲージ」が提供され
る。
充電状態及び放電状態の両方のもとで大規模なバッテ
リの２つの重要なパラメータを監視する重要性について
説明した。これらは、もちろん、バッテリの個々のモジ
ュールの電気化学的な電位−−無抵抗電圧−−と、充電
又は放電電流がバッテリに流れるときの直列接続バッテ
リにおける個々の各モジュール間の抵抗降下である。回
路の精巧さ及び資本コストが許す限りそして所与の環境
において必要とされるように、多数のレベルの電圧降
下、電流、電圧差、等々を監視しそして解釈するように
自由性があることは明らかである。従って、行われる特
定の計算、発生される警報及びアラーム、及び電気乗物
のオペレータ又はドライバへ送られる結果は、上記した
ものに単に又は特に限定されるものではない。しかしな
がら、上記説明は、本発明による回路をこのような目的
にいかに使用するかを示している。
最後に、モジュールの無抵抗電圧、及び放電中、例え
ば、電気的乗物の運転中のモジュールにまたがる抵抗降
下を監視することにより、バッテリの充電状態に関する
重要な情報が決定されることに注意されたい。従って、
この回路は、バッテリの過剰放電を除外して、バッテリ
への重大なダメージを防止する手段を形成する。バッテ
リに存在するモジュールの数は、本発明にとって重要で
はなく、そして上記の説明は、本発明の原理を単に解説
するものであって、本発明をこれに限定するものではな
い。
放電中であっても、モジュールにかかる無抵抗電圧を
決定するためには、その放電電流の短い遮断がなければ
ならない。従って、本発明による回路は、大型のバッテ
リによって付勢される電気乗物の牽引コントローラと一
体化され且つそれと共に厳密に動作するように設計さ
れ、乗物の運転が影響を受けない状態のもとでバッテリ
から流れる放電電流の瞬間的な遮断が生じ得るようにさ
れる。現在テストされている電気的乗物、及び将来予想
される電気的乗物は、全て、ソリッドステートコントロ
ーラを有するので、このような監視を効果的に実行でき
ないような理由も問題もない。更に、バッテリモジュー
ルの無抵抗電圧を監視することにより、回生制動のよう
な乗物の運転中に、潜在的にダメージを及ぼすバッテリ
の過剰充電を除外できることに注意されたい。
本発明の範囲は、以下の請求の範囲に規定する。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−194828（ＪＰ，Ａ) 米国特許4217645（ＵＳ，Ａ) 米国特許4931738（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開311460（ＥＰ，Ａ １) 欧州特許出願公開432640（ＥＰ，Ａ ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直列に接続された一連のモジュール（12）
    からなるバッテリが充電又は放電されている間に該バッ
    テリを監視するための監視回路であって、各隣接対のモ
    ジュール間及び上記バッテリの各端には端子が配置され
    て、モジュールを定める端子の対において各モジュール
    の電圧が測定されるようになっており、上記監視回路
    は、 上記バッテリへの又は上記バッテリからの電流の流れを
    約10msより短い遮断インターバルで周期的に遮断する手
    段（24）と、 上記遮断の間に、上記モジュールのいずれか１つの電圧
    を選択的にサンプリングして、そのモジュールの無抵抗
    電圧を決定するための手段（30）と、 上記モジュールの上記無抵抗電圧を少なくとも２つの基
    準電圧（32、34）に対して比較して、上記無抵抗電圧が
    第１の所定レベルより上であるか、第２の所定レベルよ
    り下であるか、のどちらかを決定するための手段（40、
    42）と、 上記無抵抗電圧が上記第１の所定レベルより上であるか
    又は第２の所定レベルより下であるか分かった場合にア
    ラーム指示を生じさせる手段（54、56）とを備えたこと
    を特徴とする監視回路。
  2. 【請求項２】上記端子に接続された時分割マルチプレク
    サ（28）を更に備え、上記モジュール各々の電圧のサン
    プリングが該時分割マルチプレクサによって順次に行わ
    れ、これにより、上記モジュールの少なくとも幾つか
    が、遮断インターバル中に無抵抗電圧についてサンプリ
    ングされる請求項１に記載の監視回路。
  3. 【請求項３】２つの入力を有する単一の差動増幅器（3
    0）を備え、上記単一の差動増幅器の上記入力は、上記
    時分割マルチプレクサの動作によって任意の１つのモジ
    ュールの端子にまたがって接続されるようになってお
    り、上記単一の差動増幅器を上記時分割マルチプレクサ
    と共に用いて、上記単一の差動増幅器の上記入力にまた
    がる電圧を決定する請求項２に記載の監視回路。
  4. 【請求項４】上記モジュール各々の電圧のサンプリング
    は、各々の上記モジュールに指定された専用の増幅器に
    よって行われ、更に、上記専用の増幅器の１つを順次に
    選択的に選ぶ手段を備え、これにより、上記モジュール
    の少なくとも幾つかは、遮断インターバル中に無抵抗電
    圧についてサンプリングされる請求項１に記載の監視回
    路。
  5. 【請求項５】上記モジュールに電流が流れている間に上
    記モジュールの１つにまたがる電圧をサンプリングする
    手段と、 上記モジュールに電流が流れるときにサンプリングされ
    るモジュールにかかる第１の電圧、及び上記モジュール
    の電流の遮断インターバル中のモジュールにかかる第２
    の無抵抗電圧の値を決定しそして一時的に保持するサン
    プル・ホールド手段（78、80）と、 充電及び放電状態中に上記第１の電圧と第２の無抵抗電
    圧との差を決定し、そして上記バッテリの充電及び放電
    状態中の上記第１の電圧と第２の無抵抗電圧との差の絶
    対値が所定の値を越えるかどうかを決定する決定手段
    （138、140、144）と、 該決定手段によって上記絶対値が上記所定の値を越える
    と決定されるとき、アラーム指示を生じさせる手段（15
    2）とを更に備えた請求項１に記載の監視回路。
  6. 【請求項６】単一の遮断インターバル中に選択された複
    数のモジュールを監視する手段が設けられた請求項１に
    記載の監視回路。
  7. 【請求項７】２つの基準電圧のみを参照し、これら２つ
    の基準電圧の各々は、上記バッテリの充電動作中にバッ
    テリ電圧とある関数関係にて決定される制御基準電圧と
    ある関数関係にあり、これにより、上記バッテリに付与
    される充電電流の値を制御する請求項１に記載の監視回
    路。
  8. 【請求項８】上記遮断インターバルは、約２から10msで
    あり、約0.5から25Hzの周波数で生じる請求項１に記載
    の監視回路。
  9. 【請求項９】上記遮断インターバルは、約２から10msで
    あり、約0.5から25Hzの周波数で生じる請求項５に記載
    の監視回路。
  10. 【請求項１０】上記遮断インターバルは、約２から10ms
    であり、約１から10Hzの周波数で生じる請求項１に記載
    の監視回路。
  11. 【請求項１１】上記遮断インターバルは、約２から10ms
    であり、約１から10Hzの周波数で生じる請求項５に記載
    の監視回路。
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