JP4132036B2 - 開回路電圧を測定することによりバッテリの充電状態を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ開回路電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）および他のパラメータの非侵襲基準の測定によって、平衡（静止）状態でも動作状態でもバッテリの充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）を決定する方法に関する。

任意の所与の時に、アンペア時間（Ａｈ）で測定されたバッテリの完全なエネルギ容量の何パーセントが利用可能であるかを知ることは重要である。容量パーセンテージは、一般に充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｇｅ；ＳＯＣ）と呼ばれる。ＳＯＣは、バッテリの能力、したがってバッテリが給電するシステムまたは適用を直接反映する。バッテリのＳＯＣを知ることは、無停電電源（ＵＰＳ）応用などのミッション臨界応用には特に重要である。そのような応用において、バッテリが再充電されまたは置き換えられることができるように、バッテリＳＯＣがいつ許容可能なレベル以下に低下したかが決定されなければならない。

バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を決定するいくつかの従来の方法が存在する。鉛酸バッテリについて、これらの方法の１つは、電気化学的決定手段を使用する。これは、一般に、バッテリに負荷が無い状態で、バッテリ端子の両端間で測定される電圧である、その開回路電圧（ＯＣＶ）などのバッテリの電気的な特性の測定を使用することによって、ＳＯＣを決定する方法である。これは、たとえば電解質の比重などの任意の侵襲性物理的測定をすることなく行われる。さらに、この方法は、履歴的なバッテリ性能（すなわちクーロン計数）にその値を基づくのではなく、瞬間的な解析技術の値に基づく。

ＳＯＣ測定に基づくバッテリＳＯＣを決定する１つの方法は、本出願の譲渡人によって所有される米国特許第４，７５４，３４９号に記載される。しかしながら、鉛酸型などの電気化学バッテリにおいて、バッテリのプレートの極性、ならびに瞬間的なバッテリ状況は、ＳＯＣとＯＣＶとの間の関数関係に影響を及ぼすことがある。これは、そのＯＣＶだけを測定することによって、正確なＳＯＣを決定することができることに影響する可能性がある。また、測定されたＯＣＶに基づくＳＯＣの単純な決定は、バッテリが、「静止」状態にない程度に不正確である。「静止」状態は、バッテリが、完全なまたは部分的な充電または放電を受けた後、化学的な平衡を達成する機会を有するときに達成される。バッテリが、化学的平衡の状態に達したときに、バッテリも、電気的平衡になる。いくつかの場合において、バッテリの充電または放電が終わった後、バッテリがその完全に静止状態に達するのに、数時間もかかる。

バッテリは、理想的な静止状態でない点まで拡張される、鉛酸型などのバッテリのＳＯＣの迅速で正確な電気化学型の決定の必要性が存在する。これは、測定精度を維持しながら、その動作状況のより広い範囲の下でバッテリＳＯＣの迅速な決定を可能にする。

本発明の目的は、そのＯＣＶを測定することによって、バッテリの使用可能なエネルギ容量パーセンテージ（ＳＯＣ）を測定する方法を提供することである。
他の目的は、静止状態に到達するためにバッテリを待つ必要なく、そのＯＣＶを測定することによってバッテリのＳＯＣを決定する方法を提供することである。

さらに他の目的は、侵襲性測定を使用する必要なく、そのＯＣＶを測定することによる瞬間的な基準に基づき、バッテリのＳＯＣを決定する方法を提供することである。
追加の目的は、そのＯＣＶを測定し、ＳＯＣをバッテリの任意の状況についてのＯＣＶに関連付けるアルゴリズムに測定されたＯＣＶを使用して、バッテリのＳＯＣを決定することである。

本発明は、バッテリを静止状態に設定するために待つ必要なく、任意の時間でのバッテリ充電状態（ＳＯＣ）を決定する方法に関する。本発明は、ＳＯＣ決定ができる前に実質的な待ち時間を必要とすることなく、高精度のＳＯＣ測定を達成する。本発明は、ＳＯＣ決定に対する実質的に瞬間的な情報能力を提供し、したがって、高度の迅速性を備えたミッション臨界バッテリシステム（たとえばＵＰＳシステム）を提供する。

本発明によれば、バッテリＳＯＣをその静止状態のバッテリのＯＣＶに関連付ける、第１タイプのアルゴリズムが展開される。これを行うために、バッテリは、０％から１００％へ、そして０％へ戻るサイクルにわたってバッテリを充放電し、かつサイクルの充放電部分の両方の間に、異なるＳＯＣの値、たとえば１０％、２０％、３０％、．．．１００％で停止することによってテストされる。ＳＯＣの各値で、充放電が停止され、バッテリは、その整定条件に到達するように、たとえば２〜３時間一時静止することができる。この時間は、以下に整定期間と呼ばれる。各ＳＯＣでの整定期間の間、バッテリＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、およびバッテリケース温度は、バッテリが完全な安定状態に達するまで測定される。

ＯＣＶは、各ＳＯＣ値についての各整定期間の終わりで測定される。この時間で測定される電圧は、以下にＯＣＶ_ＲＥＳＴと呼ばれる。第１タイプのアルゴリズムは、様々なＳＯＣ値に対するＯＣＶ_ＲＥＳＴのデータのプロットから展開される。

各ＳＯＣ値で整定期間の間に取得された、監視されたＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、およびバッテリケース温度データから、以下にＯＣＶ_ＰＲＥＤと呼ばれる予測静止状態ＯＣＶについて、少なくとも１つの第２タイプのアルゴリズムが展開される。ＯＣＶ_ＰＲＥＤは、その後ＳＯＣ対第１タイプのＯＣＶ_ＲＥＳＴアルゴリズムに使用され、バッテリが静止状態にあるかのように、バッテリＳＯＣを決定する。本発明の好ましい実施形態において、２つの第２タイプのＯＣＶ_ＰＲＥＤ値アルゴリズムは、バッテリＳＯＣの異なる範囲について展開される。

本発明によれば、テスト中のバッテリのＳＯＣを決定するために、ＯＣＶを測定することだけが必要である。バッテリが整定または静止状態にあれば、そのときＯＣＶは、ＳＯＣを決定するために第１タイプのアルゴリズムにより直接用いられることができる。テストされるバッテリが、まだ動作（整定されていない）状態にあるなら、測定された実際のＳＯＣ、ＳＯＣの変化率、およびバッテリケース温度は、ＯＣＶ_ＰＲＥＤ電圧を決定するために第２タイプのアルゴリズムにより使用され、ＯＣＶ_ＰＲＥＤ電圧は、次に第１タイプのアルゴリズムで使用されて、安定状態にあるとしてバッテリＳＯＣを決定する。

本発明の他の目的および利点は、以下の明細書および添付の図面を参照するときより明らかになるであろう。

本発明の実施において、バッテリ充電および監視システムが使用される。システムは、スタンドアロンユニットまたは個別の構成部品の１つであることができる。システムの各バージョンは、電源、コンピュータ、データ収集システム、および／または電圧計を含む。システムを有効に形成することができる多くの構成が存在し、一般的な構成が図１に示されている。方法は、鉛酸蓄電池を参照して例示して記載されるが、ＮｉＣｄ、ＡｇＺｎ、ＮｉＭＨ、およびＬｉ−Ｉｏｎなどの他の型のバッテリに対する適用をもつ。

図１において、データ入力装置、たとえばキーボード（図示せず）、および出力装置、たとえばプリンタおよび／またはディスプレイ（図示せず）を含む、任意の適切な従来のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラのコンピュータＡが存在する。コンピュータＡは、バッテリの充放電を制御し、かつ以下に記載されるような様々な測定、計算、および診断機能を実行するために、必要な命令を有するアプリケーションプログラムを含む。アプリケーションプログラムは、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、または再プログラムされることができるＰＲＯＭなどの適切な装置に組み込まれることができる。コンピュータＡは、通常のＲＡＭ型のメモリ、データ処理装置、および計算設備も含む。コンピュータＡは、アプリケーションプログラムとインタフェースする自身の内部クロックも有する。コンピュータは、また、以下に記載されるように様々な電源からのデータを入力する、データ収集モジュール（ＤＡＱ）１２を有するものとして示されている。

テストされるバッテリＦに、プログラム可能な可変電流源（電源）Ｃからの充電電流が供給され、電流源Ｃの出力は、コンピュータＡに結合されたデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）２６から、ライン２１にわたるアナログ電圧信号によって、以下に説明されるように制御可能である。すなわち、コンピュータアプリケーションプログラムが、電流源を制御するための信号を生成する。電流源Ｃは、バッテリを充電するために可変出力を有するように、コンピュータＡによって制御可能である任意の従来の型であることができる。コンピュータは、同様に、バッテリを放電するために可変負荷を制御する。たとえば、電源Ｃのために、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｍｏｄｅｌ ＨＰ ６０３２Ａが使用されることができる。

電源Ｃから、ここでは正端子として示されるバッテリＦの端子の１つへの電流経路は、同様にコンピュータＡの制御下であるリレーＤを通る。バッテリ電流供給回路は、また、電流源Ｃをバッテリからの任意の逆電流から保護するために、電流源Ｃの共通出力とバッテリの負端子との間に直列の保護ダイオードＧを含む。

参照符号Ｂは、たとえば、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍの信号調整器１１を含むことができる、データ入力部分を有するユニットを示す。両方向通信のためにコンピュータＡに接続される制御部分も存在する。ユニットＢは、充電、放電、および開回路（充電でも放電でもない）条件の間のその電圧を測定するために、その入力リード１４がバッテリ正および負端子間に接続される電圧計１６も含む。ユニットＢは、バッテリＦのケース上などの任意の適切な場所に配置される熱電対２２から、ライン１３にわたって温度データを受ける熱電対モジュール２３も含む。

バッテリ充電／放電回路における電流は、シャントＥの両端間の電圧を測定することによって、ユニットＢの制御下で測定される。任意の他の適切な技術が、たとえばホール効果デバイスなどの電流を測定するために使用されることができる。それぞれアナログ量である、測定された電圧、電流、および温度は、ユニットＢにおけるアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）モジュール１９によってデジタル形態に変換され、これらのパラメータのデジタルデータは、コンピュータＡに供給される。

ユニットＢは、そのアプリケーションプログラムによって命令されるとき、コンピュータＡによって供給されるデジタル信号からアナログ制御信号を生成するために、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）２６も含む。ユニットＢの制御部分におけるデジタルアナログコンバータ２６は、電流源Ｃを制御するようにライン２１上のアナログ信号を生成するために、コンピュータＡからのデジタル出力信号に応答する。

ユニットＢは、リレーＤの接点の開および閉を制御するように、コンピュータＡから送られる信号をライン２７にわたってリレーＤへ提供するために、リレー制御モジュール１５を含む。バッテリＦの充電／放電の間、リレーＤは閉成される。リレーＤが開放されると、バッテリＦは、回路から取り外される、すなわち電荷は印加されない。このとき、バッテリ開回路電圧（ＯＣＶ）が測定されることができる。

バッテリの診断を実行する方法およびシステムが、コンピュータＡ、およびユニットＢのデータ収集および出力制御部分の使用を通じてバッテリＦの診断テスト全体を自動的に実行するために、コンピュータＡのアプリケーションプログラムの制御下にある。コンピュータは、バッテリの充放電および診断テスト全体を制御する。システムの動作および解析方法を以下に記載する。

方法の実行において、一貫した基準は、バッテリのＳＯＣについて維持される。すなわち、バッテリは、コンピュータＡおよび特定のＳＯＣの値に対するそのアプリケーションプログラムの制御下で、一定の電流レベルで充放電される。充電システムは、続く測定および最終的なアルゴリズム展開のために、正確なＳＯＣレベルに到達するように開放される。

本発明の第１の段階は、一般的なＳＯＣ対ＯＣＶ_ＲＥＳＴアルゴリズムの展開である。このアルゴリズムは、ＳＯＣ値において完全に静止した欠陥のないバッテリの測定されたＯＣＶの関数として、バッテリ充放電により達っした任意のＳＯＣ値におけるバッテリＳＯＣを与える。これは、整定期間の間、すなわち、バッテリから充放電が取り除かれる時間から、ＯＣＶにおけるこれ以上の変化がないことによって示される、完全な安定状態に到達するまで、所与のＳＯＣ値におけるバッテリのＯＣＶ測定を含む。バッテリが完全に整定されたとき、ＯＣＶ値が測定され、安定状態のＯＣＶ値は、以下にＯＣＶ_ＲＥＳＴと呼ばれる。

第２の段階は、完全な安定状態に到達する前の任意の時間での、バッテリＯＣＶ、電圧における変化、および温度の測定に基づき、完全に安定状態に到達されるバッテリＯＣＶ電圧を予測する電圧予測アルゴリズムモデルを展開することである。上述のように、このＯＣＶ値は以下にＯＣＶ_ＲＥＳＴと呼ばれる。このステップは、完全な安定状態以外の条件においてＯＣＶの測定に基づくバッテリの「真の」ＳＯＣを識別する能力を与え、極性またはバッテリ状態のいずれにも強くは影響されない。以下に述べるように、その真のＳＯＣを決定するためのバッテリのテストにおいて、ＯＣＶ_ＰＲＥＤの値は、第１の段階において展開されたＳＯＣ対ＯＣＶ_ＲＥＳＴ値アルゴリズムに適用される。段階１および２アルゴリズムの展開は、以下に記載されるように同一のテスト手順内で生じる。

本発明は、定格２４Ｖの電圧を生成するために十分な数のセルを有する、鉛酸蓄電池に関して記載される。方法は、上述されたように他の型の蓄電池、他の定格電圧、および様々な容量の型に適用できる。
段階１−ＳＯＣに対するＯＣＶ _ＲＥＳＴ アルゴリズムの展開
既知の性能容量および許容可能な健全状態のバッテリ、すなわち既知の欠陥を有さず仕様書にしたがって動作するバッテリは、図１のバッテリ充電装置／解析器システムに取り付けられる。熱電対は、バッテリケースに取り付けられる。バッテリは、完全に放電される状態（適正な性能範囲に基づき）にあるべきである。この時点で、バッテリは、アルゴリズム展開プロセスを介してサイクルされるために準備される。この目的は、バッテリを完全な充放電サイクル、すなわち０％から１００％ＳＯＣへ、また０％ＳＯＣへ戻すサイクルを介してバッテリを処理し、その完全な静止状態へのバッテリの整定期間中のデータを収集するために、特定のＳＯＣ値で停止することである。これらの充電値の状態は、事前決定され、所望の特定ＳＯＣレベルに到達するようにバッテリに特定のエネルギ量を印加する（またはバッテリから取り除く）ことによって達成される。

好ましい実施形態において、バッテリは、１０％ＳＯＣ間隔で、たとえば１０％、２０％、．．．１００％ＳＯＣ値で停止し、サイクルアップ（充電）およびサイクルダウン（放電）される。これは、気泡発生を防ぐ電圧制限により、その定格容量（Ａｈ）／１０に等しい強度の電荷をバッテリに供給するために、コンピュータＡの制御下で電流源Ｃを動作することによって達成される。同様の手順は、１０％ＳＯＣレベルで停止し、バッテリが完全に充電された（１００％ＳＯＣ）後、バッテリからエネルギを取り除くために使用される。放電は、クーロン計数によって測定されることができる。クーロン計数は、ループサイクルの間にバッテリに出入する平均電流を測定することによって達成され、サイクル期間が乗算される。流出した電流のクーロン計数は、Ａｈ単位で、再計算された残りのＳＯＣを与える有効エネルギ（ＳＯＣ）の以前の値から差し引かれる。

充放電の全サイクルに関して、バッテリ電圧およびケース温度が、コンピュータＡの制御下で監視される。ＳＯＣの各レベルにおいて、充電または放電が停止され、バッテリは平衡に到達するように整定されることができる。バッテリが整定する時間中の所与の時間に、３つのパラメータの組が、データポイントとして記録される。これら３つのパラメータは、（１）バッテリ電圧（ＯＣＶ）、（２）バッテリＯＣＶ電圧の変化率、および（３）ケース温度である。バッテリＯＣＶおよびケース温度は、瞬間的な測定で取得され、一方ＯＣＶの変化率は、たとえば３０秒の所定の時間期間にわたって測定される。すべてのこのデータは、以下に記載されるように、アルゴリズムを展開するための後での使用のためにコンピュータメモリに記憶される。より頻繁にデータポイントを取れば、最終的な計算精度がより正確になるであろう。

バッテリ効率は、バッテリに投入されるエネルギ量に対してバッテリから引き出されるエネルギ量を有効に測定する。これは、バッテリのサイクリングの充放電部分の両方で達成されるＳＯＣ値の調整が考慮される。

バッテリが特定の充電または放電の量の終わりに、例えば４０％、５０％、．．．１００％の所望のＳＯＣ値に到達すると、バッテリは、実質的な時間量に対し静止することが許容される。この時間量は、実質的な時間期間にわたるＯＣＶの一定性によって示されるような、バッテリがその「静止された」状態に整定するために必要な時間量に少なくとも等しくなるように意図される。本例において、３時間が使用されるが、この時間は、バッテリの異なる型、構成、およびサイズについて変更されることができる。バッテリのＯＣＶは、整定時間の間、監視されかつ記録される。

図２および図３は、それぞれサイクルの充放電部分におけるバッテリ電圧についての整定期間曲線（ＯＣＶ対時間）を示す。ＯＣＶデータは、たとえば、５分、１０分、３０分、６０分、および１２０分などの整定期間の間の様々な時間間隔で測定されて示されている。より少ないまたはより多くの数の他の間隔が使用されることができる。記載される例について、図２および図３は、それぞれ、４０％ＳＯＣの状況に充放電されたバッテリについての多くの様々な時間での、充放電後の整定期間の間のＯＣＶを示す。すなわち、バッテリは、４０％ＳＯＣの値に到達し、充電（図２）または放電（図３）が停止され、その後バッテリは、示されるように２時間、静止（充電または放電されない）されることができる。整定期間の間、リレーＧが開放され、ＯＣＶが測定され、かつデータポイントが取得される。

必要な整定時間、１２０分が示されている、が経過した後、最終的なＯＣＶデータポイント、すなわちＯＣＶ_ＲＥＳＴが取得される。バッテリは、次のより高い（充電）またはより低い（放電）ＳＯＣ値にサイクルされる。各ＳＯＣ値で、バッテリは、その安定状態に静止されることができる。ＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、および温度データが、サイクルの充放電の両方で各ＳＯＣ値について取得される。ＯＣＶ_ＲＥＳＴの値が、また、各ＯＣＶ値について取得される。図２および図３に類似する一組の曲線が、ＳＯＣ値の各ステップについて展開されることができる。バッテリＳＯＣ値がより高いと、完全に安定状態のより高いＯＣＶ_ＲＥＳＴになる。

様々なＳＯＣレベル値におけるＯＣＶ_ＲＥＳＴのデータポイントを有する、本発明の第１の計算の態様が適用される。バッテリＯＣＶ_ＲＥＳＴの一組のデータポイント（図２および図３のような、２時間後の最後のＯＣＶデータポイント）は、バッテリサイクリングの充放電部分の両方のＳＯＣレベルに対してプロットされる。図４は、０％から１００％への異なるＳＯＣで、バッテリＯＣＶ_ＲＥＳＴの様々なデータポイントを示す。バッテリＯＣＶ_ＲＥＳＴは、一般にバッテリＳＯＣ値の線形関数であることが、図４に示される。

従来の曲線適合技術によって、ＯＣＶ_ＲＥＳＴの関数としてＳＯＣを計算する１次アルゴリズムが、計算される。これは、以下のように図４に示される。
ｙ＝ａｘ−ｂ ここで、ａおよびｂは数値である。 （１）
特定のバッテリからのデータについて解析される。

ＳＯＣ（％）＝０．３５ＯＣＶ_ＲＥＳＴ−７．９３ （２）
ＯＣＶ_ＲＥＳＴについての数値の重み付け値および定数は、バッテリの異なる型、構成、およびサイズについて異なるが、全体的な概念は適用される。

したがって、式（２）を使用することによって、そのＯＣＶ_ＲＥＳＴを単に測定することにより、充電または放電後のその平衡状態に到達する、アルゴリズムが適用される型のバッテリのＳＯＣを決定することができる。すなわち、バッテリのＯＣＶは、バッテリが完全に整定された後に測定され、図４のデータ曲線を用いて、曲線に交わるまで測定されたＯＣＶ_ＲＥＳＴ値点を垂直方向に延長し、次に、ＳＯＣ垂直軸に交わるようにラインを水平方向に延長することだけが必要である。水平ラインと垂直軸の交差は、完全に静止されたバッテリのＳＯＣである。代わりに、ＳＯＣは、上記式（２）を使用して数値的に計算される。

式（２）を用いる平衡状態に到達したバッテリのＳＯＣを決定する上述の技術は、比較的高い程度の精度を達成する。記載される例において、Ｒ^２＝０．９９の信頼係数が存在する。しかしながら、他のデータ監視技術の場合では、いくつかの充放電サイクルからのデータポイント、ならびに同一の種類（容量）の他のバッテリからのデータポイントを加えることが、式（１）の曲線／アルゴリズムを決定する精度および信頼性を向上させる。この曲線は、同一のバッテリのＯＣＶの異なるサイクル範囲に調整されることができる。調整の程度は、サイクル範囲がどの程度近づけられるかに依存する。しかしながら、０％から１００％ＳＯＣの選択されたサイクル範囲は、ほとんどの部分で標準の鉛酸サイクリング実行に一致する。したがって、電圧限界に対するサイクル範囲を広げることは、容量および効率における任意のゲインの場合には、全く最小限に達成される。したがって、これは、あっても全く最小限に展開されたアルゴリズムに影響する。異なるバッテリ型（構成、材料、自動車、工業など）は、わずかに異なるサイクリング範囲および条件にわたって機能することができる。上述の状況に非常に類似する展開されたアルゴリズム（式２）を用いて、精度の損失を結果として生じるが、これらの誤差は実質にはない。しかしながら、測定の可能な最高の精度を維持するために、アルゴリズムは、データ蓄積のために新たなサンプルの組を用いて再展開されることができる。

式（１）の型のアルゴリズムは、充電または放電の後に平衡に到達するバッテリを解析するために使用されることができる。しかしながら、バッテリが直前に充電または放電された後または極性状態に展開された後に、バッテリが活動（非平衡状態）である間にバッテリのＯＣＶが測定されるなら、式（１）はその信頼性を失う。この問題を扱うために、本発明の次の態様が適用される。ここで、解析される活動バッテリのＯＣＶが、測定され、かつバッテリが静止状態であるように予測されるＯＣＶ値（「ＯＣＶ_ＰＲＥＤ」と呼ばれる）を得るために、他のアルゴリズムで使用される。ＯＣＶ_ＰＲＥＤが、妥当な確実性の程度内で決定されると、これは、式（１）に基づいてＳＯＣを決定するために使用されることができる。

テストされるバッテリのＯＣＶ_ＰＲＥＤの値は、その現在のＯＣＶ、ＯＣＶが変化する速度、およびテスト位置の温度状況に比較される整定期間の間のバッテリの温度の関数として決定される。測定されかつ計算されたこれらのパラメータは、テスト下のバッテリについての予測されるＯＣＶを決定するために、第２タイプのアルゴリズムで使用される。本発明の場合では、すべてのデータが室温で取られる。
段階２−ＯＣＶ _ＰＲＥＤ アルゴリズムの展開
ＯＣＶ_ＰＲＥＤ決定は、充電または放電の終了後の整定期間の間に取得された、上記３つの可変パラメータ（ＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、およびバッテリ温度）の線形関数としてかなり正確に行われることができることが見出された。線形関数（アルゴリズム）は、各ＳＯＣ値での整定期間の間の段階１で取得された３つのパラメータのデータの組から生成される。これらのデータの組は、これら３つのデータ値に基づきＯＣＶ_ＰＲＥＤのアルゴリズムを展開するために、たとえばＭｉｃｒｏｓｏｆｔ ＥＸＣＥＬプログラムの１つなどの線形推定技術を受ける。生成されたアルゴリズムは、ＯＣＶ、ＯＣＶの変化率（ｄＶ／ｄｔと呼ばれる）、およびバッテリケース温度の各パラメータに重みを与える。アルゴリズムの一般的な形態は、以下の通りである。

ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝ａ×ＯＣＶ_ｃ＋ｂ×ｄＶ／ｄｔ−ｃ×Ｔｅｍｐ−ｄ （３）
ここで、ＯＣＶ_ｃは、バッテリ動作状態で測定されたＯＣＶであり、ａ、ｂ、ｃ、およびｄは数値である。

３つの決定可変パラメータの重み付けａ、ｂ、およびｃは、異なるＳＯＣにわたって及び、オフセットｄは異なる。変数とＯＣＶ_ＰＲＥＤとの間の関係における差異は、いくつの領域に分割されることができ、例において２つのそのような領域が記載される。したがって、（３）に類似するが異なる重み付け値を有する、２つのアルゴリズムが存在する。２つの領域を分けるＳＯＣ値は、バッテリ型、サイズ、および構成の関数である。記載される例において、第１の領域は、基本的に、約７５％ＳＯＣまで及ぶバッテリサイクルのより低いＳＯＣ部分を含む。第２の領域は、７５％ＳＯＣより上である。

テストされる例示的なバッテリについてのより低いＳＯＣ範囲における、パラメータに関する重み付けおよびオフセットは、表１に示される。

第２の領域は、７５％を超えるＳＯＣにわたる。この領域についての重み付けは表２に示される。

バッテリ性能における相違についての理由は、より高い充電状態、すなわち７５％より高いＳＯＣでの充放電サイクル内で気泡発生の存在に帰することができる。したがって、最良の精度のために、バッテリが、（その状態までバッテリを充電するために使用される電流および電圧に基づいて）気泡発生反応を受けることがある任意のポイントで、第２のバッテリ限定が使用されなければならない。したがって、２つの異なるアルゴリズムが、最終的なＯＣＶ_ＰＲＥＤを決定するために展開される。例示的な鉛酸バッテリについて、これらは以下の通りである。

（２．０８Ｖ）×（セルの＃）以下
ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝ＯＣＶ_ｃ×１．１６５＋６．９５×ｄＶ／ｄｔ−０．１６７×Ｔｅｍｐ−０．９５ （４）
（２．０８Ｖ）×（セルの＃）以上
ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝ＯＣＶ_ｃ×１．０２７＋９．２８８×ｄＶ／ｄｔ−０．０１９７×Ｔｅｍｐ−０．５６ （５）
ここで、ＯＣＶ_ＰＲＥＤは、予測されたＯＣＶであり、
ＯＣＶ_ｃは、測定された現在のＯＣＶの値であり、
ｄＶ／ｄｔは、ＯＣＶの変化率であり、
Ｔは、バッテリケースの温度である。

２つのアルゴリズム（４）および（５）間を選択するための品質認定ポイントは、粗いＯＣＶ予測または測定に基づきなされることができる。７５％ＳＯＣの周りの領域において、誤ったアルゴリズムの使用を介して導入された不正確性は、最小にされる。したがって、区別ポイントは、高い精度である必要はない。２４Ｖ定格の鉛酸バッテリの記載された例において、２５Ｖの値が決定ポイントとして使用される。この値は、セル数が掛けられた２．０８Ｖに変換されることができる。

数値の重み付けは、バッテリの異なる型およびサイズについて変更されることに留意されたい。
上記アルゴリズムに基づいて、活動バッテリ、すなわち、その静止状態に到達していないバッテリのＳＯＣ決定についての基本的な手順は、コンピュータＡの制御下で実行される以下のステップを含む。第１のステップは、３０秒の測定期間内の同じポイントで熱電対によるケース温度に加えて、３０秒の期間についてバッテリＯＣＶを測定することである。期間の開始で測定された初期のＯＣＶは、測定された最終電圧から差し引かれ、その電圧値は、ｄＶ／ｄｔを決定するために３０秒時間期間によって分割される。テスタの測定ハードウエアの精度に基づいて、より長いまたはより短い時間期間が使用されることができる。所得されたデータは、式（３）の第２タイプのアルゴリズムに適用される。ＳＯＣ範囲が精度の考慮事項なら、式（４）または（５）のアルゴリズムなどの、１つまたは２つ、あるいはより多くの型（３）のアルゴリズムからの選択がある。

ＯＣＶ、ｄＶ／ｄｔ、および温度値は、選択された型（３）式の使用されるアルゴリズム毎に重み付けられ、ＯＣＶ_ＰＲＥＤ値が計算される。この値は、次に、ＳＯＣに対するＯＣＶ_ＰＲＥＤのアルゴリズム（図４を参照）で使用され、結果としての静止されたＳＯＣ値が決定される。ＯＣＶ_ＰＲＥＤに基づくこの静止されたＳＯＣ値は、本発明の原理を使用して実行されるテストに基づき、５％精度内にあることが示された。

本発明は、バッテリが、放電される必要なく静止条件にあるようにバッテリのＳＯＣを決定し、次にＡｈ出力（使用される容量の量）を全利用可能容量と比較するために、バッテリを完全にサイクルすることを、ユーザに許容する。同様に、ユーザが、任意の物理的および／または侵襲性測定を行う必要なく、バッテリが静止状態であるように、真のＳＯＣを決定することを可能にする。最後に、本発明は、ユーザは平衡に到達するのを待つ必要なく、物理的におよび時間両方に関して、バッテリ状態に無関係に、時間における任意のポイントでＳＯＣを決定することを可能にする。

本発明は、１０Ａｈから２０Ａｈ範囲にわたる市販の鉛酸バッテリについて都合良く展開されかつテストされた。テストされたバッテリは、２４Ｖの公称電圧バッテリであるが、原理は、セル毎の基準に変換されることができ、それによって、本発明が公称バッテリ電圧の任意の範囲にわたって使用されることを可能にする。したがって、サイクリングおよびすべての測定についてのすべての制限、および決定ポイントは、単一のセルレベルに変換され、その後、任意のセル数に再変換され、したがって任意の電圧範囲に変換されることができる。単一の鉛酸セルは、２Ｖの公称電圧を有し、２４Ｖバッテリについて展開されたすべての制限および値は、１２で割ることによって単一のセルに変換される。

本発明の特定の特徴は、各特徴が本発明にしたがって他の特徴と組み合わされることができるように、便宜のためだけに１つまたは複数の図面に示された。代わりの実施形態が、当業者には理解され、特許請求項の範囲内に含まれることが意図される。

本発明を実行するための回路の概略図である。 充電傾向における４０％ＳＯＣを有するバッテリについての整定期間の間のＯＣＶデータポイントを示す。 放電傾向における４０％ＳＯＣを有するバッテリについての整定期間の間のＯＣＶデータポイントを示す。 ＯＣＶ_ＲＥＳＴデータポイントに対するＳＯＣのグラフである。

Claims (9)

1. 異なるレベルの充電状態（ＳＯＣ）に達するために、バッテリの充電または放電の少なくとも１つを行うステップと、
   前記充電または放電が停止し、かつ前記バッテリが平衡安定状態に到達した後の時間に、各異なるＳＯＣのレベルでバッテリ開回路電圧（ＯＣＶ）を測定するステップと、
   ＳＯＣの異なる値について前記平衡状態におけるバッテリＯＣＶ（ＯＣＶ_ＲＥＳＴ）の第１タイプのアルゴリズムを展開するステップと、
   前記バッテリの充電または放電が所与のレベルＳＯＣで停止されてから、安定状態に到達するまでの整定期間の間の各種の時間における、バッテリＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、およびバッテリ温度のデータパラメータを取得するステップと、
   前記取得されたデータから、前記整定期間の間に取得された前記データパラメータに関係する予測されるＯＣＶ値（ＯＣＶ_ＰＲＥＤ）を計算する少なくとも１つの第２タイプのアルゴリズムを展開するステップと
   を含むバッテリのＳＯＣを決定する方法であって、前記ＯＣＶ_ＰＲＥＤが、
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝ａ×ＯＣＶ_ｃ＋ｂ×ｄＶ／ｄｔ＋ｃ×Ｔｅｍｐ−ｄ
   であり、ここで、ａ、ｂ、ｃ、およびｄは数値、
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤは、前記予測されたＯＣＶ、
   ＯＣＶ_ｃは、測定された現在のＯＣＶ値、
   ｄＶ／ｄｔは、前記ＯＣＶの変化率、
   Ｔは、バッテリケースの温度
   である方法。
2. テストされるバッテリの前記ＯＣＶ_ＲＥＳＴを測定するステップと、
   前記バッテリＳＯＣを決定するために、前記第１タイプのアルゴリズムでテストされる前記バッテリの測定されたＯＣＶ_ＲＥＳＴを、前記第１タイプのアルゴリズムに適用するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１タイプのアルゴリズムは、
   ＳＯＣ＝ａ×ＯＣＶ_ＲＥＳＴ−ｂ
   であり、ここでａおよびｂが数値である、請求項１に記載の方法。
4. 鉛酸バッテリについて、前記第１タイプのアルゴリズムは、
   ＳＯＣ＝０．３５×ＯＣＶ_ＲＥＳＴ−７．９３
   である、請求項３に記載の方法。
5. ２つの第２タイプのアルゴリズムは、バッテリＳＯＣのそれぞれ異なる各範囲について、項ａ、ｂ、ｃ、およびｄのためにそれぞれ異なる値を有して展開される、請求項１に記載の方法。
6. 鉛酸蓄電池について、前記項の重み付けが、
   （２．０８Ｖ）×（セルの数）以下
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝１．１６５×ＯＣＶ_ｃ＋６．９５×ｄＶ／ｄｔ−０．１６７×Ｔｅｍｐ−０．９５、および
   （２．０８Ｖ）×（セルの数）以上
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝１．０２７×ＯＣＶ_ｃ＋９．２８８×ｄＶ／ｄｔ−０．０１９７×Ｔｅｍｐ−０．５６である、請求項５に記載の方法。
7. 静止状態でテストされる前記バッテリに対応するバッテリＳＯＣ値を得るために、前記第１タイプのアルゴリズムを前記ＯＣＶ_ＰＲＥＤ値に適用するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. マルチセル鉛酸蓄電池について、前記第２タイプのアルゴリズムは、
   （２．０８Ｖ）×（セル数）以下
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝１．１６５×ＯＣＶ_ｃ＋６．９５×ｄＶ／ｄｔ−０．１６７×Ｔｅｍｐ−０．９５、および
   （２．０８Ｖ）×（セル数）以上
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤ＝１．０２７×ＯＣＶ_ｃ＋９．２８８×ｄＶ／ｄｔ−０．０１９７×Ｔｅｍｐ−０．５６である、請求項７に記載の方法。
9. 整定期間の間の任意の時間におけるテストされるバッテリの現在のＯＣＶ、ＯＣＶの変化率、および温度を測定するステップと、
   ＯＣＶ_ＰＲＥＤを決定するために、テストされる前記バッテリの測定データを、前記バッテリＳＯＣ範囲に基づき選択された前記第２タイプのアルゴリズムの１つに適用するステップと、
   静止状態のテストされる前記バッテリに対応するバッテリＳＯＣ値を得るために、前記第１タイプのアルゴリズムを前記ＯＣＶ_ＰＲＥＤ値に適用するステップとを含む、請求項７に記載の方法。

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