JPH07500480A - 電池充電装置用の電池温度補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電池充電装置用の電池温度補償装置 発明の背景 電池の製造者は、遠隔通信産業、電話交換装置等、またコンピュータ産業におい て中断のない電力供給のため、電力源あるいは原動機として密閉された鉛−酸の 、メンテナンスフリー電池の開発を、過去数年行ってきた。彼等は自動型電池の 分野に、また電気式自動車の将来の電源としての分野に活路を見出した。このよ うな鉛−酸メンテナンスフリー電池の製造者によれば、電池がもっとも長い寿命 を保つための最適温度は２５℃である、と示唆されている。電池の充電期間中あ るいは細流充電中、この温度に保たれないとすれば、電池寿命はかなり短くなる （場合によっては期待された寿命の半分以下になる）。

電池中を余分の電流が流れたりあるいは周囲（室内）温度が高くなったりする結 果、電池温度が上昇すると、このような電池の内部抵抗が低下することが知られ ている。電池中の抵抗が低下すると、高い電流が流れやすくなりその結果より多 くの熱が電池中に生じる。チェックされないままである場合、このような状態は 熱暴走を引きおこす。これは、電力バックアップ装置としても使用されている電 池における主要な問題である。

逆に過充電あるいは過温度上昇の場合には、このような密閉された電池は“気体 化”し、極端な場合には爆発、膨張あるいは電池の密閉部分を吹きとばし、実質 的に電池寿命が終了する。電池性能の損失は装置及び使用者に実質的な損害をも たらす。

１９８９年７月１１日に発行されたＥＮＧの米国特許第４．８４７．５４７号は 、電池充電系と一体になったＶｂｅ温度補償回路を有する電池充電装置を開示す る。これは周囲の温度の変動を補償するものではあるが、電池温度の変動を補償 するものではない。

同様ニ１９８７年５月５日に発行されたＷＯＲＴＭＡＮ　（７）米国特許第４． ６６３．５８０号は、直線温度係数素子（前方にバイアスされたシリコンダイオ ード）及び非直線温度係数素子（サーミスタ）を組合わせて使用することによる 、一定の非直線温度係数を付与する電力供給部内に配置された、一定の非直線温 度係数を有する密閉鉛−酸電池フロートチャージ及び電力供給部、を開示する。

１９８７年５月１９日に開示されたＣ００ＰＥＲほか、の米国特許第４．６６７ 、１４３号は、温度により補正される充電率で働らく電池充電器を開示する。開 示される回路は、電流、電圧及び温度信号に応動して規制型をスイッチする制御 回路を有する電池充電器の−っであるが、温度信号は周囲温度に対するものであ り、電池温度に対するものではない。充電中電池の内部インピーダンスに影響を 与えるのは電池温度のみである。

従って本発明の一つ目的は、電池温度に応動して、電池に対して充電電圧を調整 することである。

本発明の別の目的は、充電温度全範囲にわたる充電特電圧を１％以内に調整する ことである。

本発明の更に別の目的は、現在ある充電器に取り付けることができ、かくして充 電器を新しく買い換える必要のない、電池温度補償装置を提供することである。

本発明の説明 本発明によれば上記の目的は、電池温度を感知するため電池に物理的に取り付け られた温度感知回路、好ましくは集積回路を使用することにより達成される。こ の回路は適切な導線により監視回路と接続し、監視回路は電池と接続する充電器 により適用される電圧を、電池の温度に応動して比例的に制御する。この場合、 制御は、−４０℃から＋６０℃のうちの好ましい作用範囲にわたって直線的に行 われる。即ち、好ましくは０℃から５０℃の温度範囲にわたって２．５から−４ ，５ｍＶ／’Ｃ／隔室（６０−１０８ｍＶ／’Ｃ／電池パック組）の電圧による 、直線的な電圧補償（補正）が行われる。この直線的な補償勾配は、充電される 電池の種類、及び電池のパック組の全電圧により変えることができる。

以上に述べたことから夏期の日中と夜との約１５℃の温度差は、充電中に電池温 度が上昇する場合に電池に有効に適用（負電圧）される基準電圧からの９００− １６２０ｍＶの上下変動（本明細書では時にフロート電圧とも呼ぶ）に対応する 結果をもたらすものであることか解る。そして本明細書に示すようにこのことは 、既存の充電装置、あるいは既存の充電装置と接続している整流器（Ｒ）と共に 使用する場合でも可能である。

本発明は電池の充電中、電池温度あるいは周囲温度に応動して、電池端末に適用 される充電電圧を動的に変化させることを可能にするものであり、このことは基 準温度が２５℃である隔室あるいは電池に対して、所定温度に対して実際の充電 電圧として、基準電圧に対して上下に、−１゜５ボルト乃至＋１．５ボルトの範 囲でフロートする電圧とするよう、充電器に本発明を、添付図面に示された実施 例を参照しつつ説明する。

図面において第１図Ａ及び第１図Ｂは、好ましい実施態様のブロック図及び回路 図であり、第２図は、２４個の鉛−酸隔室を有する公称２４Ｖの電池の組におけ る“補償電圧”又は“フロート電圧”の温度と電圧、とのグラフであり、第３図 は、本発明による外部補償系を示す回路図であって、複数の、直列に接続された 電池（ＢＡＴ）を充電するための電池バンク（ＢＢ）と、充電のだめの充電器（ Ｒ）との間に接続され、第４図は、第３図の電池の組における電池側部に取り付 けられたセンサハウジング中の、点線で示されるセンサと接続ケーブルの平面図 である。

第２図において電池温度（摂氏）に対応した前記電圧（■）の好ましい基準値を 、公称４８ボルト、２４隔室の鉛−酸電池の中央値を中心としてこの上下の電圧 値としてプロットしである。他の電圧の組が使用される場合、別の製造者による 別の鉛−酸電池が使用される場合、あるいは他の種類の電池、例えばニッケルカ ドミウム電池が使用される場合、ゼロ点（ＮＰ）を通る線の勾配は変化させる必 要があり、このことは、第１図Ｂに示すスイッチ（Ｓｌ）が、第１図Ｂに関して 述べられている回路中にあるいは回路外に抵抗（ＲＮ３）　、Ｒ（Ｎ４）をスイ ッチすることにより可能である。

第１図は、複合的なブロックフロート図及び詳細な回路図である。

この回路は、電圧制御整流器及び２４隔室電池に使用するよう設計されたもので ある。補償（補正）係数は約−７２ｍＶ／℃であり、種々の温度で一定である。

この見本型はＱ、　７１．４９　ｍＶ／　℃の測定係数を有する。この補償器は 基準リード線に接続され、その電力を電池からとり、出力が整流器の基準入力を 駆動する。補償器は、入力及び出力端末の間の電圧を変動させ、温度に対して調 和させる。

第１図に関し、ＩＦ５は一端で第３図に示す電池バンク（８Ｂ）と接続するコネ クタであり、ヒユーズ素子を経由して、電圧の方形波をＩＦ２に発生させる発振 器及び出力バッファであるブロックＡと接続している。ブロックＡは電圧倍率器 及び制御器からなるブロック°Ｂと接続しており、その出力は総合増幅器ブロッ クＤにつたえられる。ブロックＤの増幅器は、基準手段、ＲＥＦ、Ｉを有する基 準電圧発生器（ブロックＣ）により部分的に制御される。この総合増幅器及び基 準電圧発生器から、ある程度の電圧が勾配選択回路、ブロックＦ１に送られる。

ブロックＦは、ブロックＦの種々のスイッチ（ＳＬから８４まで）の選択をする ことにより、充電のための種々の勾配が必要な種々の型の電池に適合するように 設計されている。摂氏一度に対して−６０、−７２、−８４、−９６あるいは一 １０８ミリボルトの勾配が、第１図Ｂと関連して以下に説明するように、帰還回 路のために得られる。総合増幅器、ブロックＢからの出力は電圧増幅器及び出力 バッファ（ブロックＥ）を通って基準リード線（ＩＦ３）と接続し、リート線は 最終的に充電器（Ｒ，＋００　）と接続している。充電器＋００が第３図に従い 電池バンク（ＢＢ）に接続され、第１図Ａ及び第１図Ｂの回路に接続されると、 ＩＦ５とＩＦ５における電圧の差は、第２図の表に従い充電のだめの電圧を維持 腰第２図の表の直線勾配に沿うよう電池バンク（ＢＢ）端末を横切る電圧を維持 する。接続部（ＩＦ５）は第３図から解るように直接に充電器（Ｒ，＋００　） と接続し、電圧の帰還回路となり、それにより充電器（Ｂ１０＋−）からの出力 は電池バンク（ＢＢ）の正端末及び負端末に適用される際に変化する。

ブロックＡの発振器及び出力バッファに関し、電池列の負端末はプラグ（ＩＦ５ ）に接続し、ヒユーズ（Ｆｌ）から抵抗器Ｒ４を経てトランジスタＱ３のコレク タに入り、これはＱｌと共に不安定なマルチ振動子のスイッチ素子として機能す る。前記マルチ振動子も、これらトランジスタのベースとコレクタとの間に接続 されるコンデンサＣ１及びＣ２からなる。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４及びＲ５もベ ースかコレクタのいずれかと適切に接続しておりマルチ振動回路を形成する一方 、両トランジスタのエミッタは通常のように相互接続している。振動周波数は主 として（Ｃ１，Ｒ５）、（Ｃ２，Ｒ１）のＲＣ定数により決定され、この構成で は好ましくは略８　ｋＨｘである。トランジスタＱ２及びＣ４は、上記マルチ振 動子のＱｌにより駆動される補完的なブツシュ−プルバッファを形成する。なぜ ならＣ２及びＣ２のベースは、エミッタ同士のように相互接続しているからであ る。Ｃ４のコレクタは、マルチ振動子Ｑ３のエミッタ、及びコレクタ抵抗器Ｒ４ と接続している。かくしてコネクタＪＰ２からの一５０ボルト電池入力は、約８ 　ｋｉｎ周波数であって０ボルトと一５０ボルトの間の方形波にさい断される。

ブロックＢの電圧倍率器及び調整器に関し、二つの電圧倍率器があり両方共、ブ ロックＡの発振器及びＣ４−Ｃ２バッファにより駆動される。

第一電圧倍率器は、コンデンサＣ４，Ｃ６及び直列に接続されたダイオードＤ５ ．Ｄ６からなる逆倍率器である。コンデンサＣ４の他方のリード線は、ブロック Ａの発振器、バッファの出力と接続している。この逆倍率器の出力は＋５０ボル トであり、抵抗器Ｒ３を通って電流を逆バイアスツェナーダイオードＤ２に送り 、基準電圧出力を固定する。これは、ツェナーと平行なフィルタコンデンサＣ７ が＋１５ボルトであるからである。これが、第１図の作動増幅器のための電力供 給の正の部分として機能する。

ブロックＢの中には第二電圧倍率器があり、その出力電圧は電池電圧の二倍か、 あるいはは＼゛−１００−１００ホルトＤＣる。これはコンデンサ素子Ｃ３，Ｃ ５及び直列ダイオードＤ４．Ｄｉからなり、コンデンサＣ３は、ブロックＡの発 振器及び出力バッファへの二つのダイオードの接続点と、コンデンサＣ４の共通 リード線との接続点の間に接続されている。ダイオードＤ４のカソードは直列抵 抗器Ｒ１６を経由してツェナーダイオードＤ３のカソードに接続されており、Ｄ ３のカソードはツェナーダイオードＤ２と直列に接続しまたフィルタコンデンサ Ｃ８と並列に接続しており、−１５ボルトの共通基準電圧が、ツェナーＤ３のア ノード側に生じて、第１図の回路の残り部分からの電力供給の負の部分となる。

電圧の倍率化はダイオード１のカソード側て生じ、ここの出力電圧は一１００ボ ルトである。この１００ホルトは、電力を、ブロックＥの出力増幅器段階に送る ために使用される。

ブロックＣは基準電圧発生器である。これは、演算増幅器Ｕ３に対し２．５ボル トの出力を有する安定な基準電圧素子ＲＥＦ、　１からなる。演算増幅器Ｕ３の 他方の入力は、電位差計Ｒ２３を経て直列に抵抗器Ｒ２１及びアースと接続する 。電位差計Ｒ２３の他方は抵抗器Ｒ２２を経て作動増幅器Ｕ３の出力表接続して いる。電位差計Ｒ２３は、演算増幅器Ｕ３のピン６で出力電圧を調整し、用いら れる要素トランスにより生じる誤差を修正するために使用される。演算増幅器Ｕ ３の出力電圧は、好ましくは、見かけ上＋２．９８ボルトである。点Ｊ１と接続 している２５℃のプローブ温度で、演算増幅器Ｕ３の出力はＲ２３により調整さ れ、それにより第１図の入力及び出力端末ｊＰ２．　ＪＰ３の間に電圧差はない 。

第３図に関し、集積回路であるＬＭ３３５のような温度感知素子Ｓは、電池ＢＡ Ｔの物理面に取り付けられ、感知素子Ｓは電池ＢＡＴ周囲を循環する空気流の影 きょうを受けない。感知素子Ｓは、鉛−酸電池について摂氏一度当たり１０ミリ ボルトの勾配をもつ、温度に直線的に比例する出力を有する。２５℃では出力は 略２．９８ボルトである。感知素子は、ブロックＢの電圧倍率器、調整器の一１ ５ボルトの負電源により駆動され、それによりその出力は第１図の補償器の回路 アースに関し常に負である。ブロックＣの基準電圧発生器は総合増幅器（ブロッ クＤ）に出力する。ブロックＤの総合増幅器は演算増幅器Ｕ２及びバンクＲＮＩ を有し、ＲＮＩは複数（７箇）の抵抗入力を有しており、種々の電池製造者の発 行された説明書に示される勾配に適合するようにする。前記総合増幅器は三つの ウェイトをつけた入力を有し、その一つは、Ｕ３からの２．９８ボルト基準であ って入力抵抗器Ｒ６を通して接続して、Ｃ２のための１．２の前利得か与えられ るようにする。２５℃で一２９８ボルトである温度感知素子または温度センサＴ ＳＥからの出力は、抵抗器Ｒ７を有して外側入力と接続し１，２の利得を与える 。電池の負端末は第三入力と接続しており、］Ｐ２から抵抗器ネットワークＲＮ Ｉのビン８に接続し１／６の利得である。基準ＲＥＦＩ及び温度センサＴＳＥの １．２の利得により、電池電圧は℃あたり−７２ミリボルト変化し通常静止状態 となる。しかし製造に起因するある種の電池では別の勾配が必要になることもあ る。勾配変化を可能にするため、℃に対する基準の移動（第う図）、素子ＲＮ３ 及びＲＮ４のいずれか或いは双方を含む抵抗器のネットワーク、勾配選択回路（ ブロックＦ）、を並列に抵抗器Ｒ６及びＲ７夫々に、スイッチＳ１に配置される 種々のスイッチを用いて接続することができ、それにより、℃あたり−６０、− ７２、−８４、−９６及び−１０８ミリボルトの勾配を得ることができる。演算 増幅器Ｕ２の帰還抵抗器は、実際のところ、増幅器Ｕ２の出力端末６と接続して いるＲＮｌの並列抵抗器１−６である。抵抗素子の抵抗及び温度係数も近接して いるため、この演算増幅器Ｕ２に対してかなり正確で安定した利得が回路内外の ＲＮＩの抵抗器を選択することにより、３６ボルト、２４ボルト、１２ボルトな どの選択された電圧域の電池組について得られる。

ブロックＥの電圧増幅器及び出力バッファに関し、クラス“Ａ″増幅器として作 動する演算増幅器Ｕ１及びトランジスタＱ５からなり、抵抗Ｒ１３を介してＵｌ の出力と接続するＱ５のベースを有する。この回路は６の利得を有し、これは単 一の抵抗ネットワークＲＮ２により設定される。

Ｃ２は低い偏移型であるため、演算増幅器Ｕ１の端末１，８及び７の間に接続す る電位差計ＲＩ７のトリミングは通常必要でない。

実施例素子リスト（第１図Ａ、第１図Ｂ、第３図、第４図）Ｃ１３ｎＦ　ＱＩ　 ＭＰＳＡ９２　Ｒ１４７５０Ω、　５ＷＣ２３ｎＦ　Ｑ２　ＭＪＥ３５０　Ｒ１ ５２ＱＫ　ΩＣ３２２μＦ　Ｑ３ＭＰＳ＾９２　Ｒ１６２，４に　Ω、　３ｗＣ ４１０μＦ　Ｑ４　ＭＪＥ３４０　Ｒ１７２０Ｋ　ΩＣ５２２μＦ　Ｑ５　ＭＩ Ｅ：（４Ｑ　Ｒ２０１，８７Ｋ　ΩＣ６１０μＦ　Ｒ１３９０Ｋ　Ω　Ｒ２＋　 １ＱＫ　ΩＣ７１０μＦ　Ｒ２２，２Ｋ　Ω　Ｒ２２＋、８？Ｋ　ΩＣ８１０μ Ｆ　Ｒ３２，４Ｋ　Ω　Ｒ２３１１ΩＣ９１ＱＯμＦ＊　Ｒ４１０Ｋ　Ω　ＲＮ Ｉ　１２０Ｋ　ΩＣＩ０　１０　μＦ＊　Ｒ５３９０Ｋ　Ω　ＲＮ２　１２０Ｋ 　ΩＣ１ｌ　ＩｎＦ　Ｒ６２０Ｋ　Ω　ＲＮ３　１００Ｋ　ΩＤ１１Ｎ４００４ 　Ｒ７２０Ｋ　Ω　ＲＮ４　１Ｇ０Ｋ　ΩＤ２１Ｎ４７４４Ａ　Ｒ８１２Ｋ　Ｑ 　ＵＩ　０ＰＯ７Ｄ３１Ｎ４７４４＾　Ｒｉ＋　＋２０　Ω　Ｃ２０ＰＯ７Ｄ４ １Ｎ４００４　Ｒ１２３ＪＫ　Ω　Ｕ３　０ＰＯ７Ｄ５１Ｎ４００４　ＲＩ３　 ２Ｋ　Ω　ＲＥＦＩ　ＭＣＩ４０３Ｄ６　１Ｎ４００４　Ｓｔ　り’ｌ／イヒル スイフチ　Ｆ　１　１Ａ　ＶＡＣ＊（または使用されない） ＦＩＧ、旧 温度（°Ｃ） ＦＩＧ、　２ 平成６年３月３１日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．電池温度補償組体（ＴＳ）であって、充電中電池（ＢＡＴ）の温度（Ｔ）を 監視しつつ、電池（ＢＡＴ，ＢＢ）の充電を充電電圧（Ｖ）で調整する組体にお いて、充電される電池（ＢＡＴ）の温度（Ｔ）を感知する手段、及び電圧（Ｖ、 第２図）を制御し、従って電池（Ｂ）に対する充電電流を制御する手段を有する 電池温度補償組体。
2. ２．電池（ＢＡＴ）が充電される時に電池（ＢＡＴ）に適用される電圧を制御す る方法であって、下記段階： イ）充電中電池（Ｂ）の温度（Ｔ）を測定し、ロ）電池（ＢＡＴ）の端末（ＪＰ ２−、ＪＰ＋）に適用される電圧（Ｖ）を、電池（ＢＡＴ）の温度（Ｔ）と負対 応するよう制御し（Ｔ．Ｓ．，ＪＰ３、ＪＰ２、ＪＰ１）、それにより電池の過 渡温度（Ｔ）にかかわらず、電池（ＢＡＴ）を流れる充電電流を一定に保持する ことを含む方法。
3. ３．請求の範囲第１項記載の電池温度補償組体（ＴＳ）であって、更に、イ）電 池コネクタ（ＪＰ２）から入力を受け出力を下記ロ）に送る発振器及びバッファ モジュール（ブロックＡ）；ロ）作動電圧を生じる電圧倍率器及び調整器モジュ ール（ブロックＢ）； ハ）基準サブモジュール（ＲＥＦ１）、及び下記ニ）へ送る作動電圧を発生させ る演算増幅器、を含む基準電圧発生器モジュール（ブロックＣ）；ニ）抵抗バン ク（ＲＮ１）及び下記ホ）と接続する演算増幅器（Ｕ２）を含む総合増幅器モジ ュール（ブロックＤ）；ホ）電圧増幅器及び出力バッファモジュール（ブロック Ｅ）であって、総合増幅器モジュール（ブロックＤ）からの入力を演算増幅器（ Ｕ１）に送り、所定利得をその入力（Ｕ１−３，２）の抵抗（ＲＮ２）に従って 生じさせ、その出力はトランジスタ（Ｑ５）を通過してコネクタ（ＪＰ３）に電 圧を与え、コネクタ（ＪＰ３）の負及び正端末が充電ユニット（Ｒ，１００）と 接続するようにしたモジュール；を有する電池温度補償組体。
4. ４．請求の範囲第３項記載の電池温度補償組体であって、総合増幅器モジュール （Ｄ）を越えて抵抗を、従って補償電圧の勾配（第２図）を所定量、鉛−酸電池 、ニッケルーカドニウム電池のうちから選ばれた電池の種類に従い、かつ充電電 池バンク（ＢＢ）の電池の数に従い変化させる手段（ＲＮ３，ＲＮ４）を有する 組体。
5. ５．請求の範囲第４項記載の電池充電組体であって、係数が約−７２ｍＶ／℃で ある組体。