JPH05180914A - 蓄電池残存容量の計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常に各種蓄電池の残存容量を正確に計測し、
かつ汎用性の極めて高い蓄電池残存容量の計測システム
を提供すること。 【構成】 蓄電池を流れる電流の大きさ及び方向を検出
する電流検出手段と、蓄電池温度を検出する温度検出手
段と、前記両検出手段により検出された検出値のそれぞ
れをデジタル値に変換する変換手段と、前記蓄電池の充
電電流及び放電電流の温度補正データを予め格納した記
憶手段とを備え、前記変換手段による各デジタル値に基
づいて前記記憶手段に格納された温度補正データを所定
時間毎に出力し、この出力結果を前記蓄電池を流れる電
流の方向に応じて逐次演算処理することにより蓄電池の
残存容量を算出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、商用電源の利用困難な
砂漠地帯，山間地，キャンプ場，海岸，洋上等で、電気
機器を利用する場合に使用される蓄電池、更に、電気自
動車，ソーラーシステム等で使用される蓄電池、携帯機
器に組み込まれる蓄電池等の残存容量の計測システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、蓄電池は種々の用途に用いら
れるが、これを使用するにあたり蓄電池に残存した利用
可能なエネルギー量（残存容量）を知る事は非常に重要
である。例えば、商用電源の利用困難な場所で活用され
ている太陽光発電システムなどにおいて、天候の不順な
日が多く続いたような場合に、上記残存容量が分かれば
その量に応じて適宜な対応が行える。すなわち、残存容
量がある程度多くあるような場合は天候の回復を待てば
よいだろうし、残存容量がわずかであれば現在利用して
いる負荷を重要度の低い順に切離し、必要最小限のシス
テムで稼働させるようにすることができる。

【０００３】最近では、地球環境問題の関心が高まって
おり、研究が盛んに進められている電気自動車などで
は、動力源となる蓄電池の残存容量を把握することは、
常にあとどの程度走行可能なのかを知る上で極めて重要
なことといえる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の蓄電
池残存容量の計測システムとしてこれまでに各種のもの
が提案されてきた。例えば、鉛蓄電池等の端子電圧を測
定し、その測定結果から残存容量を推定するシステムが
あるが、常に信頼性よく作動するものではなかった。す
なわち、上記システムは一定の負荷が消費されるものに
限られ、例えば、充電状態と放電状態がシステムの稼働
時に同時に発生する太陽光発電システムや回生エネルギ
ーを充電エネルギーとして利用する電気自動車等にこの
ようなシステムを利用する場合、充電時に蓄電池の端子
電圧が上昇するようなときには全く適用することができ
ず、またニッカド電池のように一定放電時間に対する端
子電圧の変化が極めて小さいような蓄電池にも上記シス
テムを適用することはできない。

【０００５】また、充放電電流を積算してこれを基に残
存容量を推定するシステム、例えばアンペア時メーター
などもあるが、残存容量を推定するのに用いる係数は、
一定の放電電流または充電電流で考慮されているもので
あって、充放電時の電荷を正確に測定できても、周知の
ように蓄電池から取り出せるエネルギーは、充放電電流
の大きさおよび蓄電池温度に大きく影響するため、充電
電流が日射量によって変化する太陽光発電システムや放
電電流が著しく変動する電気自動車等では正確な計測が
困難である。

【０００６】また、これらの変動要因を数式化して、ア
ナログ回路による帰還回路網等で補正するシステム等が
提案されている（特公昭53-41766号公報等参照）が、こ
の補正係数が二次方程式以上の複雑な係数になるような
場合は、アナログ回路では構成が非常に複雑なものにな
っていた。また、補正係数の変更は回路定数の変更で対
応しているため、広範囲な用途には使用できず特定用途
のみの装置になっていた。さらに、各種蓄電池に対応で
きるほど汎用性が高くなく、また小型電気機器の微弱な
電流から自動車の発進時等の大電流放電までカバーする
ものでもなく、さらに蓄電池の溶液や電極等の劣化や経
年変化等を自動補正するほど高性能ではなかった。

【０００７】

【目的】そこで、本発明は上記従来の諸問題を解決し、
常に各種蓄電池の残存容量を正確に計測し、かつ汎用性
の極めて高い蓄電池残存容量の計測システムを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の蓄電池残存容量の計測システムは、蓄電池
を流れる電流の大きさ及び方向を検出する電流検出手段
と、蓄電池温度を検出する温度検出手段と、前記両検出
手段により検出された検出値のそれぞれをデジタル値に
変換する変換手段と、前記蓄電池の充電電流及び放電電
流の温度補正データを予め格納した記憶手段とを備え、
前記変換手段による各デジタル値に基づいて前記記憶手
段に格納された温度補正データを所定時間毎に出力し、
この出力結果を前記蓄電池を流れる電流の方向に応じて
逐次演算処理することにより蓄電池の残存容量を算出す
るようにしたことを特徴とする。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に係る一実施例について詳細に
説明する。

【００１０】まず、図１に基づいて本計測システムの全
体構成について説明する。測定対象となるシステム１
は、太陽電池等の直流発電機２に蓄電池ＢＴ及び負荷Ｌ
Ｄが並列に接続されており、さらに、蓄電池ＢＴの出力
端には蓄電池ＢＴを流れる電流Ｉbtの電流値を検出する
為に微小抵抗Ｒsc（電流検出手段）を接続している。こ
の微小抵抗Ｒscは、電流検出用のシャント抵抗器として
一般的なものであり、負荷ＬＤに影響を与えないような
小さな抵抗値を有する。

【００１１】微小抵抗Ｒscの両端には、蓄電池ＢＴの放
電電流Ｉbtに比例したアナログ値の電圧が発生する。ま
た、電流の方向が放電と逆方向、即ち、充電状態におい
ては極性の反転した充電電流Ｉcgに比例したアナログ値
の電圧が発生する。そこで、この電圧をＡ／Ｄ（アナロ
グ−デジタル）変換器ＡＤ１（変換手段）でデジタル値
に変換する。このＡ／Ｄ変換器ＡＤ１は、基準電圧Ｖrf
を参照しながら２値化してゆくものであり、分解能に応
じて出力ビット長が８ビット程度のものから１６ビット
以上の高精度のものまで既に実用化されている。ここで
は、一例として出力ビット長を１３ビットであるとして
説明する。即ち、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１の出力は、極性を
示す１ビットと電圧値を示す１２ビットの合計１３ビッ
トが出力される。

【００１２】なお、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１自体の内部動作
は、数種類の動作方式が知られており当該分野において
は公知の技術であり、ここでの説明は本発明と関連する
点に留め割愛することとした。

【００１３】Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１に接続されたレンジ補
正演算回路ＡＬＵは、変換されたデジタル値の電圧値を
測定レンジに合うように補正するものである。これは、
測定対象となる種々の蓄電池の容量、負荷及び発電機と
の使用状況を特定せずに汎用性及び精度を確保する目的
で設けたものである。

【００１４】ここで、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１は、入力され
たアナログ値をある基準となるアナログ値、すなわち基
準電圧Ｖrfと比較しながらデジタル値に変換して行く
為、入力と出力との関係が回路定数によって固定されて
しまうのが一般的である。この為に小容量の蓄電池を使
用するシステムでは測定しようとする電流値も小さい値
をとる。仮にこの小さい値に測定器を合わせてしまう
と、電気自動車などの大電流を扱うシステムには使用出
来なくなる。そこでＡ／Ｄ変換器ＡＤ１のビット数が充
分大きなものであるならば、出力された値を乗算または
除算演算を行うことによって以降の回路での補正を減ら
すことが可能となる。これは、100 Ａ迄測定可能な構成
を、100 Ａ以下の小システムにおいては、10Ａ×10とし
て100 Ａとして扱うことによって使用レンジを広げる効
果がある。

【００１５】一方、基準電圧Ｖrfを固定せずに可変とし
てもよいが、基準となる値は、高精度を要する為に殆ど
の装置では、回路定数によって決定される方式が一般的
である。又、入力回路の増幅率や、減衰率等によっても
入力信号の大きさを可変する方法があるが、これらも回
路定数で決定されるので高精度を要求する場合は固定に
するのが一般的である。これは、アナログ回路での定数
変動が精度の変動に直接むすびつく為であり、本発明で
も、基準となるアナログ回路の定数は常に固定とし高精
度を維持している。

【００１６】本実施例では上記レンジ補正をデジタル値
に変換された後のデータを演算によって行う方式を採用
し、この方式であれば、一度Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１を高精
度に調整すれば、レンジの補正はデジタル値の演算のみ
で行うことが出来る為、誤差は演算誤差によるものとな
り、部品定数の変動にともなう誤差の変動は無くなり、
高精度を維持する為には都合が良い。レンジ補正の演算
は乗算又は除算で行うことができる。

【００１７】また、本実施例ではレンジ補正演算回路Ａ
ＬＵをデジタル論理回路で構成しているが、当該分野で
は一般的な方式で有る為に詳細な説明は省略する。な
お、このレンジ補正演算回路ＡＬＵをマイクロプロセッ
サーと演算プログラムによって実現する方法もあり、本
発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の方式でもよい。

【００１８】一方、蓄電池ＢＴの温度（蓄電池内の溶液
や電極の温度）は、温度センサ３によって電流値として
検出され、前述の電流値のデジタル化と同様にＡ／Ｄ変
換器ＡＤ２（変換手段）によってアナログ値からデジタ
ル値に変換され、このデータは補正回路Ｈを介して後記
する記憶手段であるメモリＭに引き渡され、検出した温
度に対応するアドレスの指定を行う。なお、本実施例で
は温度情報を４ビットのデジタル情報に変換している。

【００１９】このようにして、本実施例では電流値と温
度との両者をメモリＭのアドレス入力信号として扱い、
電流値の１２ビット、極性を示す１ビット、及び温度情
報を示す４ビットの合計１７ビットのアドレス入力信号
として扱う。ここで、蓄電池ＢＴの特性を記憶している
メモリＭは、電流の極性に応じて大きく２ブロックに分
割されている。これは、充電と放電では蓄電池ＢＴの特
性が大きく異なる為であり、極性ビットＰＯＬに応じ
て、充電の場合は充電時の情報を記憶しているメモリＭ
１を、放電の場合は放電時の情報を記憶しているメモリ
Ｍ２を選択するように極性ビットを扱っている。

【００２０】メモリＭ１内のデータは、温度と充電電
流、メモリＭ２内のデータは、温度と放電電流との関係
をテーブルにしたものであり、それぞれのデータを各ア
ドレスに記憶している。即ち、有る温度での状態は温度
データが示すアドレス群に電流の大きさに応じた値が順
次格納されており、入力電流と補正係数とで演算された
ものを予めその入力データが示すアドレスに格納されて
いる。

【００２１】この結果、メモリＭの出力値は温度と電流
値によって適度に補正された値となっており、変動する
電流値はアドレスの変動におきかわり、電流値に応じた
アドレス内のデータが逐次出力されるのである。

【００２２】ここで、メモリＭの動作についてさらに詳
しく説明する。メモリＭには蓄電池ＢＴの特性、すなわ
ち充電電流および放電電流の温度に応じた補正データが
格納されているが、蓄電池ＢＴから利用できるアンペア
・時（容量）は、放電電流と温度とに依存する。この
為、蓄電池の容量表示は、放電時間率と言う単位で表示
し、通常の産業用途として使用される密閉型（シール
型）蓄電池の場合20時間率が用いられている。即ち、例
えば100 Ａｈというのは、 5Ａの放電で20時間出力可能
な容量が有るということであるが、この時仮に放電電流
がこれの2 倍の10Ａでは約10％取り出せるエネルギーが
減り、同じ蓄電池でありながら放電電流の大きさによっ
て容量が変化することが知られている。なお、補正のな
されない積算電流量計で計測する電流量（アンペアー
時）では、実際は全く残存容量が無いのに約10％残存容
量があるという誤った表示をしていた。

【００２３】また、実際に取り出せる容量が放電電流の
定格容量との関係に影響するので、容量との比較単位と
して単位Ｃを用いて放電電流を表しているのが一般的で
ある。これは、例えば20時間率というのは、0.05Ｃ放電
の場合の容量をいう。蓄電池メーカーが行うさまざまな
評価実験から、この放電電流Ｃとの関係が報告されてお
り、例えば図２のようなデータが公開されている。この
図から明らかなように、放電電流Ｃを増してゆくと放電
持続時間が低下する様子が読み取れる。

【００２４】また更に、放電特性は、蓄電池の温度にも
大きく依存し同様なデータが公開されている。このよう
な、知見をもとに蓄電池の特性をダイナミックに補正す
る為には、放電電流と温度データとを組合せた、きめ細
かなデータを基に電流積算計を補正すれば、放電深度、
即ち残存容量を正確に把握する事が可能と言える。な
お、図２に示された曲線は、２次回帰程度の近似では大
きく誤差を生じる為に、事前に大型コンピューター等で
計算し実測値との誤差を最小にした値をメモリに格納し
たり、本機能をマイクロプロセッサとプログラムによっ
て実現する場合は、予め図２に代表的なポイントを蓄電
池データとして記憶しておき、その他の点のデータは曲
線近似法等の演算手法をプログラムで実行すれば同様の
結果を得ることが可能である。

【００２５】このように、本実施例では、種々の蓄電池
の特性を細かくデータ化しメモリ内に格納することによ
って、帰還回路網等の近似補正では誤差が発生する残存
容量の把握をも正確に演算することが可能となる。な
お、充電電流においても上述したように同様なデータを
メモリに記憶して処理をおこなう。

【００２６】レンジ補正演算回路ＡＬＵの出力信号ＡＬ
Ｕ１レンジ補正をされた為に蓄電池特性を記憶している
メモリのアドレスに接続する場合、蓄電池ＢＴに対して
何Ｃに対応するかを示している。ここでメモリＭには、
例えば図３に示すようなデータが入力アドレスに対する
値として格納されている。すなわち、例えばアドレス10
00番地に 1Ｃに対するデータが格納されている場合、蓄
電池ＢＴを流れる放電電流Ｉbtが 1Ｃであり、かつ蓄電
池温度が約25℃であれば、参照する1000番地の内容は図
３から明らかなように、 1Ｃに対する補正量1.89即ち10
00×1.89の計算値1890と言う値が格納されている。即ち
1Ｃによる放電では89％増しの放電を行った場合と同様
の容量降下があるので、続く積算電流量計１０には1890
という値を出力し容量低下分を補正するのである。

【００２７】このようにして、ダイナミックに変動する
放電電流Ｉbt値に補正が掛かった値が逐次メモリＭから
出力される。また、蓄電池の種類に応じて異なるデータ
を別のブロックに記憶しておき、メモリ選択信号Ｓによ
り切り換え可能としておけば、複数の異なったシステム
にも本実施例の計測システムが適用できる。

【００２８】メモリＭからの信号は変換器ＰＳによりデ
ータ変換され逐次積算される。即ち、メモリＭからのパ
ラレルデータをシリアルデータに変換するのである。そ
して、変換器ＰＳによって変換されたシリアルデータの
信号は分周器４に入力される。次いで、分周器４は入力
されたデータをアンペア・時に変換する。さらに、この
変換されたアンペア・時の信号は、予めセットされてい
る蓄電池の公称容量との比を演算によって求める％表示
補正カウンター５に入力される。この時、極性ビットＰ
ＯＬによって％表示補正カウンター５はカウントアップ
したりカウントダウンすることによって残存容量の値を
積算してその結果を表示する。

【００２９】ここで、積算電流量計１０は１秒間隔で電
流量を計測しこの値を積算する。この時、分周器４によ
って3600分の１に分周した値を求めると時間当たりの単
位に変換され、この時間当たりのデータを事前にセット
した蓄電池の公称容量値から減算すれば残存容量が計算
できる。

【００３０】以上のような処理を行うことによって、現
在の残存容量を常に正確に示すことが可能となる。さら
に、演算結果をいっそう見やすくする為に表示補正回路
５及び表示回路６によって％表示を行っている。また、
クランプ回路７によって警報信号を出したり、100 ％以
上の表示や 0％以下の表示を禁止したり、ゼロサプレス
機能を有したりして利用の便宜をはかっている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の蓄電池残
存容量の計測システムによれば、蓄電池の放電電流のダ
イナミックな変動や充電電流の日射等による変動に正確
に対応することができるので、蓄電池の残存容量を連続
的に監視して正確に信頼性よく表示する事が可能にな
り、システムの運用を中断すべきかどうか使用者に正確
に知らせる事が可能となる。また、本システムに警報信
号発生装置を具備させることにより、利用可能な蓄電池
容量が予め設定した値以下に成った時に、警報信号を出
すことも可能である。又、電気自動車等の車両では、充
電の時期を正確に知らせることが出来使用者にとって重
要な情報を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蓄電池の残存容量計測システムの
一実施例を示す全体構成図である。

【図２】蓄電池の放電量に応じた容量変化および電圧変
化の一例を示すグラフである。

【図３】メモリ内のアドレスの内容の一例を説明するグ
ラフである。

【符号の説明】

１・・・計測対象システム ２・・・発電機 ３・・・温度センサ（温度検出手段） ４・・・分周器 ５・・・％補正表示回路 ６・・・表示回
路 ７・・・クランプ回路 １０・・・積算電
流量計 ＡＤ１・・・アナログ デジタル変換回路１（変換手
段） ＡＤ２・・・アナログ デジタル変換回路２（変換手
段） ＡＬＵ・・・レンジ補正演算回路 Ｍ・・・・メモリ（記憶手段） Ｍ１・・・充電情報メモリ Ｍ２・・・放電情報メモリ Ｈ・・・補正回路 ＰＯＬ・・極性ビット ＰＳ・・・パラレル−シリアル変換回路 Ｒsc・・・微小抵抗（電流検出手段） Ｓ・・・・メモリ選択信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄電池を流れる電流の大きさ及び方向を
   検出する電流検出手段と、蓄電池温度を検出する温度検
   出手段と、前記両検出手段により検出された検出値のそ
   れぞれをデジタル値に変換する変換手段と、前記蓄電池
   の充電電流及び放電電流の温度補正データを予め格納し
   た記憶手段とを備え、前記変換手段による各デジタル値
   に基づいて前記記憶手段に格納された温度補正データを
   所定時間毎に出力し、この出力結果を前記蓄電池を流れ
   る電流の方向に応じて逐次演算処理することにより蓄電
   池の残存容量を算出するようにしたことを特徴とする蓄
   電池残存容量の計測システム。