JP5442718B2 - 電池の残存容量の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の公称電池容量を有し、一体化された基準板及びＮｉＯＯＨ正極板を含むアルカリ電池の残存容量（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）の推定方法に関し、上記方法が、
−上記正極板と上記基準電極の間の電圧を測定することであって、上記電圧が正極板電位Ｖ_＋を表すことと、
−上記正極板及び電池電流の関数として残存容量を推定することと
を含む。

電池の残存容量（ＳＯＣ）は通常、放電電流、温度、電圧限界等に関する所定の条件での放電により利用可能な電池の電気化学容量（Ａｈ単位又は基準容量値の％単位）を指す。ＳＯＣの推定及び指示は、エネルギーの電気化学的蓄積を使用する各システムでの重要な要件である。

ＳＯＣはまた、たとえば米国特許第４、９４９、０４６号明細書で開示されているように、電池の端子での電圧、及び電流の流れの簡単な測定に基づき推定されることができる。電流センサが電池を出入りする電流の流れを検知し、電流の流れの大きさと方向の両方を示す出力を提供する。電圧センサは、電池が満充電されているか、完全に放電されているかどうかを示す。電流センサ及び電圧センサと同様に温度センサもマイクロプロセッサに接続される。マイクロプロセッサは、電池の残存容量を決定するために、メモリ内に記憶されるルック・アップ・テーブルを使用する。ルック・アップ・テーブルは電池電圧を考慮し、正極板電位を考慮しないので、一定の種類の電池に限定される。

しかし、電池の残存容量を推定するために電圧を使用することは、充電効率の不確実さによる誤差につながる。このことが、いずれも太陽エネルギー利用のためのポケットプレートＮｉ電極を備える４５ＡｈのＮｉ−Ｃｄセルの放電中及び充電中の、時間による正極板電位Ｖ_＋（曲線Ａ）及び負極板電位Ｖ₋（曲線Ｂ）の進展を示す図１に例示されている。

米国特許第３、７８１、６５７号明細書が、正の水酸化ニッケル電極及び負のカドミウム電極を有するニッケルカドミウム電池の残存容量を決定し示す方法を開示している。この電池はまた基準電極を含み、基準電極に対する正極の電位が所定の固定した放電電流に対して測定される。この電位の負方向の変動が電池の残存容量の指示である。残存容量のこの決定は満充電の電池の放電中にしか得られない。

米国特許第４、９４９、０４６号明細書 米国特許第３、７８１、６５７号明細書

本発明の目的は、アルカリ電池の残存容量の既知の推定方法の欠点を克服することであり、より具体的にはこの推定の精度を増すことである。

本発明によれば、この目的は添付の特許請求の範囲による方法により達成され、より具体的には、方法が、
−電池電流Ｉ、正極板電位Ｖ_＋、及び電池の端子での温度Ｔを同時に測定することと、
−正極板電位Ｖ_＋、電流Ｉ、温度Ｔ、及び公称電池容量Ｃ_ｎの測定値の関数として正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋を決定することと、
−残存容量の上記推定が正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋を考慮することと
を含むという事実により達成される。

別の有利な点及び特徴が、限定しない例としてだけ示され添付の図面で表される本発明の具体的な実施形態の以下の説明からより明確に明らかになる。

放電及び引き続く充電の間の正極板電位（Ｖ_＋）及び負極板電位（Ｖ₋）の進展を示す図である。 管理ユニットを備える電池の概略を例示する図である。 異なる放電率及び充電率でそれぞれ正極板電位（Ｖ_＋）の変動対残存容量（ＳＯＣ）を例示する図である。 異なる放電率及び充電率でそれぞれ正極板電位（Ｖ_＋）の変動対残存容量（ＳＯＣ）を例示する図である。 いくつかの残存容量値に対する正極板電位（Ｖ_＋）の変動対放電率を例示する図である。 ２２℃での酸素発生電流の変動対正極板電位を例示する図である。

アルカリ電池は所定の公称電池容量Ｃ_ｎを有し、基準電極、好ましくは一体化された液界基準電極、ＮｉＯＯＨ正極板、及び金属ハイブリッド、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆｅ等のような異なる物質でできていてもよい負極板を含む。

電池は互いに接続された１つ又は複数のセル、正極板からできるだけ近くにあることが好ましい一体化された基準電極を含むことができる。

残存容量（ＳＯＣ）推定は、正極板のＳＯＣと、正極板電位と、電池を通って流れる電流の間に存在する相関関係を使用する。

アルカリ電池の残存容量の推定方法は、上記正極板と上記基準電極の間の電圧の測定を含む。測定された電圧は正極板電位Ｖ_＋を表し、正極板電位は正極板と、一体化された基準電極の間の電圧差に等しい。基準電極は、アルカリ溶液（Ａｇ／Ａｇ_２Ｏ、Ｈｇ／ＨｇＯ等）中での長期間の測定に適したどんな種類からできていてもよい。ＳＯＣの推定値は、上記正極板電位Ｖ_＋及び電池電流Ｉの関数である。まず、正極板電位Ｖ_＋、電池の端子での温度Ｔ、及び電流Ｉが同時に測定される。次に、正極板電位Ｖ_＋、電流Ｉ、温度Ｔ、及び公称電池容量Ｃ_ｎの測定値の関数として正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋が決定される。最後に、残存容量の推定が、正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋を考慮する。

正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋は、以下により与えられることが好ましい。

上式で
−Ｔ_０は所定の基準温度値であり、
−ｋ_ｔＳＯＣは正極板電位の温度係数であり、
−Ｔは電池の端子で測定された温度である。

温度係数ｋ_ｔＳＯＣは充電率又は放電率の関数である。率は時間単位で表され、公称容量電池Ｃ_ｎ（Ａｈ単位）と測定された電流値Ｉの比Ｃ_ｎ／Ｉに相当する。

異なる充電率及び放電率に対応するｋ_ｔＳＯＣの異なる値が、前の較正手順の間に決定され、これらの値は対応するルック・アップ・テーブル内に記憶されてもよい。したがって、温度係数の決定後、式（１）を使用することにより正極板電位の補正値Ｖ_Ｃ＋が容易に決定されることができる。

次に、残存容量ＳＯＣ（Ｖ_Ｃ＋、率）が、前に較正手順中に得られた関数ＳＯＣ（Ｖ_＋、率）のＶ_＋値の代わりにＶ_Ｃ＋値を考慮して推定されることができる。この関数ＳＯＣ（Ｖ_＋、率）は、第１のルック・アップ・テーブル内に記憶される複数の値の形の下に確定されることができる。

図２に示されるように、電池は自律電池管理ユニットを含むことが好ましい。管理ユニットは、電流センサ２（図２では正の電池端子３に接続される）及び温度センサ４に接続され、電池端子の一方（図２では正端子３）に上記電池端子の温度を測定するために接触する処理回路１を含む。処理回路１は、基準電極５及び正端子３に、これら２つの地点間の電圧差、すなわち正極板電位Ｖ_＋を測定するためにさらに接続される。電流センサ２は分流器でも、正の電池端子３と直列に接続される電流計でもよい。処理回路１は、異なるルック・アップ・テーブル、及び電池の既知の公称容量Ｃ_ｎが記憶されるメモリ（図示されていない）を含むことが好ましい。電池管理システムは、電池自体のエネルギー源により、又は図２に示されるようにそれぞれ電池の正端子及び負端子に接続される電源供給入力を用いて電池自体により電源が供給されることができる。図２に示されるように、電池が直列に複数のセルを含むとき、基準電極５は正の電池端子３の近くにある末端セル６に配置されることが好ましい。処理回路は、推定されたＳＯＣ値を表示するための表示ユニット（示されていない）をさらに含むことが好ましい。

上述の較正手順は２段階で進む。第１段階では、関数ＳＯＣ（Ｖ_＋、率）が確定され、一方第２段階では、関係ｋ_ｔＳＯＣ（率）が決定される。較正手順は基準温度Ｔ_０で行われる。これらの関数ＳＯＣ及びｋ_ｔＳＯＣは任意の既知の較正手順により得られることができ、この較正手順の結果が、処理回路１のメモリ内の対応する第１のルック・アップ・テーブル内及び第２のルック・アップ・テーブル内に記憶されることが好ましい。

第１のルック・アップ・テーブルは、異なるＳＯＣ値を率及び正極板電位Ｖ_＋の関数として含み、この第１のルック・アップ・テーブルは２つの部分に分割されることが好ましい。第１の部分は、異なる放電率での電池の放電による較正手順中に１％から９９％まで得られる、異なる正極板電位値、それぞれ５ｈ、１０ｈ、２０ｈ、４０ｈ、及び６０ｈに対応するＳＯＣ値を第１列に含む。

以下の表１が第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分を例示する。

表２として以下に例示されるルック・アップ・テーブルの第２の部分は、異なる充電率（それぞれ５ｈ、１０ｈ、２０ｈ、４０ｈ、及び６０ｈ）（図４）での電池の充電により較正手順の間に得られる、異なる正極板電位値に対応するＳＯＣ値ＳＯＣ_ｃｈを表す。

第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分及び第２の部分を構築するために、電池はいくつかの充電／放電サイクルにかけられる。各サイクルは、たとえば、所定の定電流での放電を含むことができ、３０分開回路で休止し、Ａｈ単位での電気エネルギー量が最後の放電中に取り除かれた電気エネルギー量を４５％だけ超えるまで同じ率での定電流充電が続く。

表１及び２では、使用される充電率／放電率は、以下の値、すなわち６０ｈ、４０ｈ、２０ｈ、１０ｈ、及び５ｈに対応する。一般に、この方法は４ｈまで低下する充電率までよい結果を与える。放電中のＳＯＣ推定については、放電中にガス発生、腐食等のような寄生反応がないという事実により、方法は０．５ｈ〜１ｈのようなはるかに低い放電率（急速放電）で適切な値を示すことができる。

表１では、ＳＯＣの値ＳＯＣ_ｄｓｃｈが、所与の正極板電位Ｖ_＋を得るために必要な時間間隔中の放電電流の積分、及び電池の放電容量Ｃ_ｄによる正規化により各放電率に対して計算された。

したがって、較正手順中、電流Ｉ及び正極板電位Ｖ_＋が測定され、対応するＳＯＣ値ＳＯＣ_ｄｓｃｈが式（２）に従って計算され、ここでＣ_ｄは較正により得られ、測定された電流Ｉと放電率の積に対応する。

図３は正極板電位Ｖ_＋の対応する測定された変動対種々の値の放電率に対するＳＯＣの計算値を例示する。

一例として、通常太陽エネルギー利用のために使用されるポケットプレート型の正極板を備える４５Ａｈ Ｎｉ−Ｃｄセルについて図３の実験曲線が得られた。使用された基準電極は、Ｎｉ−Ｃｄセル内の電解液に十分近いと考えられる比重１．２１ｇ／ｍｌ（２２．３８ｗｔ％、４．８３Ｍ）を有するＫＯＨで満たされたＡｇ／Ａｇ_２Ｏ電極である。表されたデータは例示であり、この具体的な例に本発明を限定するべきではない。

関数ＳＯＣ（Ｖ_＋、率）を表す第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分は、図３に示される曲線から得られることができる。

ＳＯＣの選択された値が、最小精度＋／−０．１％で式（２）により確定された。表１内の選択されたＳＯＣ値は最小データセットを表し、そのデータセットにより、Ｖ_＋（ＳＯＣ、率）の曲線全体がかなりの精度で３次スプライン補間により生成されることができる。スプライン生成Ｖ_＋（ＳＯＣ）曲線と実験曲線の差は取るに足りないことが理解されることができる。

較正手順のコストを下げるために、ルック・アップ・テーブルの構築があまり自動化されていない場合、この最小データセットが必要とされてもよい。

次のステップが、得られたルック・アップ・テーブルの数値拡張を含むことがある。まずＶ_＋（ＳＯＣ）の各放電曲線が、３次スプラインを使って補間により１％刻みでＳＯＣ＝１〜９９％まで拡張される。したがって、ルック・アップ・テーブルの行の数が自動的に約５倍に拡大し、このことは、仮想精度が約＋／−０．５％に増大することに相当する。

第１のルック・アップ・テーブルの放電部分の構築はまた、列の数の増大を含むことがある。各ＳＯＣ値に対応するＶ_＋（率）値に基づき、列の数が率刻み０．５ｈで３次スプライン補間により何倍かに増やされることができる。いくつかのＳＯＣ値に対する対応するＶ_＋（率）曲線が図５に示される。

第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分が、較正手順の充電サイクル中に、充電電流の積分、及びＣ_ｄによる正規化により同様な方法で構築される。しかし、アルカリ電池内部の酸素発生という逆効果の非効率さを考慮することが望ましい。酸素発生は、電池の充電中に発生する寄生電流を生成する。実際には、充電中、２種類の電流、すなわちＮｉ（ＯＨ）_２→ＮｉＯＯＨ＋ｅ⁻＋Ｈ^＋により与えられる充電電流Ｉ_ｃｈ、及び４ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻により与えられるＯ_２ガスに依存する寄生電流Ｉ_Ｏ２があり、測定される電流Ｉはこれらの電流の合計に相当する。したがって、正極板電位Ｖ_＋への酸素発生電流Ｉ_Ｏ２の依存性を推定する際に、測定された電流値を修正することが望ましい。このことは、電池が満充電されたときだけに行われることができる。実際には、このとき、注入される電流すべてが正極板上の酸素発生のために消費され、所定の温度で、たとえば２２℃で図６に示されるような実験曲線Ｉ_Ｏ２（Ｖ_＋）が得られることができる。各点が、３回のボルタンメトリーサイクル後に、電流が増す方向に１時間の定電流過充電後に測定されている。

次に、経験式を使用して既知の方法により曲線Ｉ_Ｏ２（Ｖ_＋）が補間されることができる。経験式の最適な選択肢が３次の多項式である。

係数ａ_０、ａ_１、ａ_２、及びａ_３は線形回帰による等の既知の分析法により得られることができる。

次に、得られた多項式関数Ｉ_Ｏ２（Ｖ_＋）が、以下の関係を使用して充電較正プロセス中にＳＯＣの修正値ＳＯＣ_ｃｈを計算するために使用されることができる。

次に、第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分の構築が、第１の部分に対するのと同じ手順に従う。

関数ＳＯＣ（Ｖ_＋、率）を示す第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分は、図４に示される曲線から得られることができる。

較正手順の第２段階は、温度補正係数ｋ_ｔＳＯＣと率の間の関係の決定であり、この関係は第２のルック・アップ・テーブル内に記憶されることができる。好ましい実施形態では、第１のルック・アップ・テーブルの構築のために使用される手順は、少なくとも２つの別の温度で、すなわち基準温度Ｔ_０値よりも高い温度、たとえばＴ_１＝５０℃で、及び基準温度より低い温度、たとえばＴ_２＝０℃で繰り返される。上述の手順は複数の充電率及び放電率に対してそれぞれＶ_＋（ＳＯＣ，Ｔ_１）及びＶ_＋（ＳＯＣ，Ｔ_２）を提供する。

例として、各充電率及び放電率に対して、正極板電位Ｖ_＋対ｎの異なる値での、たとえばＳＯＣ＝２０％、４０％、６０％、及び８０％での温度Ｔ_０、Ｔ_１、及びＴ_２の傾きとして第１の係数ｋ_ｔが計算される。

次に、各充電率及び放電率に対して、平均ｋ_ｔＳＯＣが

と計算され、上記の例ではｎ＝４である。ｋ_ｔＳＯＣ対率のルック・アップ・テーブルは、第１のルック・アップ・テーブルに対するのと同じ率刻み値で３次スプライン補間により拡張されることができる。

最高の精度でＳＯＣを得るために、理論的には、較正はアルカリ電池の各種別、サイズ、及び設計に対して個々に行われるべきである。しかし、同じルック・アップ・テーブルで得られる較正値は、種々の寸法を有する異なる種別のアルカリ電池（Ｎｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｆｅ）が、同じ種別又は同様の種別の正極板、たとえばＮｉＯＯＨ電極（ポケットプレート、焼結された等）を有すること、及び較正データが、選択された種別のＮｉＯＯＨ電極を使って行われた較正手順から得られたという前提で、これらの異なる種別のアルカリ電池の残存容量の推定のために実際には使用されることができる。さらに、基準電極の電解液組成は、基準電極と電池の間の接合部電位の影響を除くために基準電極が配置される完全に充電された又は完全に放電された電池又はセルの電解液組成と同じであるべきである。

本発明は、充電電流が約Ｃ_ｎ／５〜Ｃ_ｎ／４に制限される種々のエネルギーシステムに、たとえば、ＰＶモジュールの面積、及び太陽放射の最大値により充電電流又は電力が制限される、一体化されたエネルギー貯蔵を備える太陽光発電システムに適用されることができる。

Claims (6)

1. 所定の公称電池容量Ｃ_ｎを有し、且つ基準電極及びＮｉＯＯＨ正極板を含むアルカリ電池の残存容量の推定方法であって、
   −前記正極板と前記基準電極の間の電圧を測定することであって、前記電圧が正極板電位Ｖ_＋を示すことと、
   −前記正極板電位及び電池電流の関数として前記残存容量（ＳＯＣ）を推定することと
   を含む方法において、
   −前記電池電流Ｉ、前記正極板電位Ｖ_＋、及び前記電池の端子での温度Ｔを同時に測定することと、
   −前記正極板電位Ｖ_＋、前記電流Ｉ、前記温度Ｔ、及び前記公称電池容量Ｃ_ｎの測定値の関数として前記正極板電位の温度補正値Ｖ_Ｃ＋を決定することと、
   −前記残存容量の前記推定が、前記正極板電位の前記温度補正値Ｖ_Ｃ＋を考慮することと
   を含み、
   前記正極板電位の前記温度補正値Ｖ _Ｃ＋ の前記決定が、
   −少なくとも１つの充電率又は放電率に対応する温度係数ｋ _ｔＳＯＣ を決定することと、
   −Ｖ _Ｃ＋ ＝Ｖ _＋ ＋（Ｔ−Ｔ _０ ）×ｋ _ｔＳＯＣ に従って前記正極板電位の前記補正値Ｖ _Ｃ＋ を決定することであって、Ｔ _０ が所定の基準温度であることと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 較正手順中に事前に確定され、且つ種々の充電率及び放電率に対して前記ＳＯＣと前記正極板電位の間の対応を与える第１のルック・アップ・テーブルを用いて前記残存容量の前記推定が得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記較正手順が前記基準温度Ｔ_０で行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 所与の充電率又は放電率に対して、前記第１のルック・アップ・テーブルの前記残存容量値が、所定のＶ_＋値を得るのに必要な時間間隔中の充電電流及び放電電流の積分、及び放電電池容量Ｃ_ｄによる正規化により計算されることを特徴とする請求項２及び３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記測定された充電電流値が、前記正極板電位Ｖ _＋ への酸素発生電流Ｉ _Ｏ２ の依存性を推定する際に修正され、前記修正は、
   電池が満充電されたときに、所定温度での実験曲線Ｉ _Ｏ２ （Ｖ _＋ ）を決定すること、
   経験式を使用して曲線Ｉ _Ｏ２ （Ｖ _＋ ）を補間し、多項式関数を得ること、及び
   以下の関係を使用して充電較正プロセス中に前記ＳＯＣの修正値ＳＯＣ _ｃｈ を計算するために、得られた前記多項式関数を使用することを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
   

   
6. 上記温度係数が、異なる温度（Ｔ_１、Ｔ_２）での較正手順中の前記残存容量の推定に基づき決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

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