JPH07501199A - バッテリー管理システム - Google Patents

バッテリー管理システム

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JPH07501199A
JPH07501199A JP5509111A JP50911193A JPH07501199A JP H07501199 A JPH07501199 A JP H07501199A JP 5509111 A JP5509111 A JP 5509111A JP 50911193 A JP50911193 A JP 50911193A JP H07501199 A JPH07501199 A JP H07501199A
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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】 バッテリー管理システム 本発明はバッテリー管理装置およびバッテリーの放電量をモニターし、コントロ ールする方法に関する。
バッテリーの入出力電荷の流れのコントロールは安全性と効率の良い操作を確保 するために極めて重要なことである。バッテリーがこのような乗り物に用いられ る場合、利用できる容量の尺度を有することが望ましい。これが正確であるため には、バッテリーの電荷容量を知る必要がある。バッテリーの電荷容量は、古( なると劣化して、たとえば、電気自動車の走行距離をかなり減少させる可能性が ある。それゆえ、バッテリー容量の正確な最新の尺度を有するのが望ましい。
また、バッテリーを利用する間の過放電を防ぐために保護手段を備えることが望 ましい。
それゆえ、バッテリーの利用に対して効果的な管理装置を提供することが本発明 の目的である。
本発明は、−以上の直列接続されたサブユニットからなるバッテリーと共に用い られるバッテリー管理装置を提供し、上記装置は、上記バッテリーの各サブユニ ットの開回路電圧値を決定するために作動する電圧測定手段と、上記電圧値が決 定される時、上記バッテリーが最終的に十分に充電されてから上記バッテリーか ら送り出される全電荷を測定するよう作動する電荷測定手段と、上記サブユニッ トの特性である全電荷容量の範囲に対し送り出される電荷に関連した開回路電圧 の派生値のための情報を含むメモリ一手段と、少なくとも一つの上記決定された 開回路電圧値とそれに関連して測定された送り出された全電荷と共に上記情報か ら上記バッテリーの電荷容量値を演鐸するように作動するプロセス手段からなる 。
本発明はまた、−以上の直列接続されたサブユニットからなるバッテリーと共に 利用されるバッテリー管理装置をも提供し、上記装置は、上記パンテリーの放電 サイクル中、上記バッテリーの各ユニットの開回路電圧に対する値を決定するた めに繰り返し作動する電圧測定手段と、上記あるサブユニットに対して決定され た開回路電圧値が所定の限界電圧以下に落ちた時、上記バッテリーから利用でき る電力(パワー)を減少させるように作動する保護手段からなる。
本発明は、また、−以上の直列接続されたサブユニットからなるバッテリーをモ ニターする方法をも提供し、 上記方法は、上記バッテリーの上記サブユニットの特性である全電荷容量値の範 囲に対して送り出される電荷に関連した開回路電圧の派生値のための情報を提供 する工程と、上記バッテリーの各サブユニットの開回路電圧の値を決定する工程 と、上記開回路電圧値が決定されると上記バッテリーが最終的に十分チャージさ れてから上記バッテリーによって供給される全電圧を測定する工程と、少な(と も一つの上記決定された開回路電圧値及びそれに関連して測定された供給される 全電荷と共に上記情報から上記バッテリーの電荷容量の値を決定する工程からな る。
本発明は、さらに、−以上の直列接続されたサブユニットからなるバッテリーの 放電を制御する方法を提供し、 上記方法は、上記バッテリーの放電サイクルの間、上記バッテリーの各サブユニ ットの開回路電圧の値を繰り返し決定する段階と、上記バッテリーのあるサブユ ニットに対して決定された開回路電圧値が所定の限界電圧以下に落ちた時、上記 バッテリーから得られる電力を減らす段階からなる。
本発明は、相当程度適切に決定された電圧/電気容量の特性曲線を有するバッテ リーの管理に応用できる。このようなタイプのバッテリーの一つはナトリウム硫 黄バッテリーである。
本発明の例は、図面と関連づけて以下に記述される。
図1は本発明の一つの見方によるバッテリー管理システムのダイアグラムによる 表示である。
図2は図1のデジタルプロセッサの一つの例のダイアグラムである。
図3aは図1の温度に感応する電気回路の一つの例のダイアグラムである。
図3bは図1の電圧測定回路の一つの例のダイアグラムである。
図4はナトリウム硫黄バッテリーの開回路電圧対充電状態に関する理論曲線であ る。
図5は種々の負荷のオンロードセル電圧対ナトリウム硫黄バッテリーの放電の図 である。
図6aとbはバッテリー管理システムの充電ループのフローダイアダラムである 。
図7はバッテリー管理システムの放電ループのフローダイアダラムである。
図1に示すように、バッテリー管理システムは、バッテリーを適切な操作条件に 保ちバッテリーを偶然のおよび意図的な乱用から保護するように設計されている 。このバッテリー管理システムは、バッテリー状態に対応して充電と放電の操作 の両方で電流需要量を縮小するために電気自動車コントローラとバッテリー充電 器及び主電源とインターフェイスできる。バッテリー管理システムはまたバッテ リー温度をモニターし制御できる。
図1において、バッテリー1はいくつかのサブユニットから形成され、この場合 にはサブユニット1aと1bの二つからなる。これらのサブユニット1aと1b は個々のセルの配列からなるモノブロックである。四つのナトリウム硫黄セルを 示すこの例において、2.076ボルトの電圧を与えるそれぞれは、−列に接続 された直列であり、並列に配置された五つの列がある。それゆえ、それぞれのモ ノブロックは、完全に充電された時、8.304ボルトの電圧を提供する。直列 に接続したモノブロックの列は、もし列の中のどのセルかが壊れたなら、一つの 列だけが失われることになり、示されているこの場合においては、容量が20% 減少することになる。このことを保証するように並列に配置されている。用いら れ得る並列に接続した列の数に制限はな(、実際には五個よりもずっと多く利用 される。それぞれのサブユニットが配列であるなしにかかわらず、本発明は、バ ッテリーの直列に接続したサブユニットのいずれに対しても応用される。
パンテリー1をモニターするために、電圧測定回路2がそれぞれのモノブロック 間の電圧を測定するために備えられる。また、電流測定回路3はバ・メモリーを 通って流れる電流を測定するために備えられる。電圧および電流測定回路2と3 の出力は、デジタルプロセッサ4に入力される。このデジタルプロセッサ4は、 それゆえ、電圧測定回路2を用いてバッテリー1を形成する個々のモノブロック 1aと1bの状態をモニターできる。バッテリーへ流入あるいはバッテリーから 流出する全電荷は、全時間にわたって回路3によって測定される電流を積算する ことによって測定され得る。
利用に際してバッテリー1はスイッチ6によって負荷5の両側に接続されるであ ろう。負荷5を経由するバッテリー1の放電の間、バッテリー1からの電荷出力 は回路3を用いて測定され得る。バッテリー電流は、独立した増幅器もしくはホ ール効実装置を備える分流器のような、適切な独立したセンサから導かれる。
プロセッサ4は、それぞれのモノブロック18間と1b間の電圧を連続的にモニ ターし、各モノブロック1aと1bの電圧をメモリー7に格納された限界電圧と 比較する。プロセッサ4はまた回路3を用いてバッテリー1からの全電荷出力を 測定し、メモリー7に格納されたバッテリー1の予測電荷容量値と比較する。も し、バッテリーから取られた電荷が予測(予知)された電荷容量のうちの予め決 められた割合であるなら、若しくはモノブロック1aと1bの一つの間の測定さ れた電圧が予め決められた限界値よりも低いならば、デジタルプロセッサ4は電 力コントローラ8に信号を送り、負荷5に適用される電力を減らすであろう。
温度感知回路9は、デジタルプロセッサ4がモノブロックの温度をモニターでき るようにモノブロック1aと1bのそれぞれに対して備えられる。測定された温 度が、メモリー7に格納されている限界温度値以上に上がるならば、デジタルプ ロセッサ4は、バッテリー1から得られる電力を減らすように電圧コントローラ 8に制御信号を出力する。
バッテリー1を再充電するために、バッテリー充電回路10はバッテリー1の両 側にスイッチて接続される。バッテリー充電回路10は、バッテリーが決して過 充電されないようにするために、デジタルプロセッサ4で制御される。
図2はデジタルプロセッサ4に対するモジュール形式の形を表す。この配置にお いて、デジタルプロセッサ4は、中央マイクロコントローラ20内に分割される 。中央マイクロコントローラ20は、8個のより合わされた対になっているマル チコアケーブルを用いて、四つのバッテリーセクションのモニタリングモジュー ル21aから21dにインターフェースされる。便利なことに、マイクロコント ローラ20は、モノブロックの数に依存する9個のバッテリーセクションのモニ タリングモジュールまで制御でき、この数はマイクロコントローラの能力に依存 する。それぞれのバッテリーセクションのモニタリングモジュール21aから2 1dは、そのモノブロック(セクション)からの電力とモノブロック間の電圧と モノブロックの温度を測定できる。中央マイクロプロセッサ20は、電流測定回 路3からのバッテリー電流を表す信号(電圧)を受け、乗り物のバッテリー電圧 もしくは12V電源のような代替電源によって電力供給される。中央マイクロコ ントローラ20は、また、R3232ポートを備え、これは、例えば、試験もし くは診断の目的で利用され得る。中央マイクロコントローラ20からの出力は、 バッテリーと利用できる電力の充電状態を示す信号である(例えば、マーク/ス ペース波形)。これらの信号は、二つのより合わされた対のマルチコアケーブル によって自動車コントローラ(示されていない)に送られる。
マイクロコントローラとして利用される適切なマイクロプロセッサは、外部のメ モリーモードにおいて8MHzで作動するモトローラ(Motorola)M  C68HC11である。マイクロコントローラ20によって利用される外部メモ リー(示されていない)は電力不足の場合の不揮発性メモリーとして、典型的に は8にバッテリー−バックのRAMを備える8K EFROMであり得る。この EFROMはプログラム記憶として用いられ、一方、RAMは電力不足の場合に 決定された値の格納に用いられる。
デジタルプロセッサ4のすべての入出力は、安全の目的のためにバッテリーから 電気的に独立している。
図3aは図1の温度感知回路9の例を示す。タイプにのサーモカップル30は、 それぞれのモノブロックに組合わされ、出力はパッシブフィルタ31を用いてろ 過される。
図3bは図1の電圧測定回路2の例を示す。測定されるべきモノブロック電圧は 、周波数変換器41への電圧により周波数信号に変換される前に、バッンブフィ ルタ40によりろ過される。周波数信号は、それから、オプトアイソレータ42 によりマイクロコントローラ20に伝えられる。このオプトアイソレータは、周 波数信号の安全な測定を行う。
図4はナトリウム硫黄バッテリーの開回路電圧対保持される電荷の理論的な曲線 を示す。ナトリウム硫黄バッテリーの単一セルに対する開回路電圧は2.076 ボルトである。新しいバッテリーに対しては、正常な好ましい放電領域の底を規 定する放電電圧の最終値は単一セルに対して1.9ボルトである。これは、10 0%容量を決定する。80%の容量までナトリウム硫黄セルの放電の間、理論的 にはセルの電圧は変わらないままである。放電容量の80%のところで、それか ら電圧は100%で1,9ボルトへと降下する。古いバッテリーの場合には、充 電容量はセルの劣化によって減少する。しかしながら、セルの特性はそれでも同 じである。放電容量の80%で、電圧はこの減少した容量の100%で1.9ボ ルトへと落ちる。それゆえ明らかに、バッテリーの容量を知ることが必要な応用 においては、容量はセルの劣化をチェックし続けるためにモニターされねばなら ない。
実際には、曲線は図4の理論的な形ではな(て、図5に示されるようなものであ る。図5は種々の負荷の下でのセル間の電圧対放電量を示す。負荷が増えると測 定される電圧がセルの内部抵抗のためにはるかに減少する、ということがわかる 。しかし、カーブの形は変わらない。セルの条件を正確にモニターするために、 開回路電圧が測定されなければならない。しかしながら、それはいつも実践的で あるわけではなく、このような条件下では、負荷電圧が測定され、セルの内部抵 抗を補償することが可能である。また、図4に示される輪郭は、もしバッテリー が長時間そのままにされるか、あるいはもしバッテリーが開回路にされる前に数 分間充電された場合にだけ達成される。
図4と図5は単一セルの特徴を描くけれども、実際には典型的に直列の四つのセ ルがそれぞれのモノブロックで利用され、これらの直列に配置した列が並列に配 置される。か(して、モノブロック1aまたは1bに対してモニターされる電圧 曲線は、通常8.304ボルトの開回路電圧と7.6ボルトの最終的放電電圧を 有するであろう。
ナトリウム硫黄バッテリーのアンペア時間効率は正確に100%であり、バッテ リーの充電状態の決定はバッテリーの入出力電荷を測定することでなされる。
かくして、バッテリーが最後に十分に充電されてがらのバッテリーがらの電荷出 力を正確に測定することにより、もしバッテリーの容量が判っていれば、図4の 曲線の位置は判明する。このことは、新しいバッテリーについては申じぶん無い がバッテリー容量が経時劣化し始めた場合、容量予測は、旧式のものとなり、お そらくバッテリーが過放電となる場合があり得る。かくして、バッテリーの予測 (予知)容量はバッテリーが古くなるとともに更新されることが重要である。
本発明の一つの実施例において、モノブロック1aと1bからなるバッテリー1 の容量は、最後の完全充電以降のバッテリーからの電荷出力の量を測定し、開回 路電圧を測定することにより、予測され得る。開回路電圧がモノブロックに対し て8.304ボルトよりも少ない限り(すなわちモノブロックが約80%以上放 電している)、バッテリーの特性曲線の位置は決定され得る。バッテリーの電荷 容量は、開回路電圧値とバッテリーモノブロックの特有の全電荷容量の範囲に対 して送り出された関連する電圧値の索引テーブルを有するか、もしくは開回路電 圧と送り出された電荷の間の判明している関係の曲線にその値を適合する、とい うどちらかによって決定されることができ、電荷容量の特性となる。その値が適 合する曲線は電荷容量を決定する。
上で述べたように、一つのモノブロックの開回路電圧を測定するもっとも簡単な 方法は、バッテリーを少量充電した後測定することである。かくして、バッテリ ーの電荷容量を予測する最も正確な方法は、バッテリーの再充電操作の間になさ れる。図6aと図6bはバッテリー管理システムによってなされる充電ループの 流れの図式である。
再充電操作において再充電を始めることができるということが確認される。もし そうなら、初期に予め決められた時間バッテリーを充電するために、バッテリー 充電器は作動される。この初期の時間は約5分で、その後電流は中断され、測定 はそれぞれのモノブロック1aと1bの開回路電圧から行われる。すこしの再充 電時間の間バッテリーへの電荷入力は測定され、バッテリーからの電荷出力から 推算される。かくして、開回路電圧を測定し入力電荷を推算した後、開回路電圧 測定と測定されたバッテリーの出力電荷をモノブロックの特性曲線に合わせるこ とにより初期の充電容量を予測することが可能である。バッテリー充電器は、そ れから第2の予め決められた時間の開作動される。この予め決められた時間は典 型的には約20分間であり、この時、開回路電圧の第2の測定をするために充電 器はスイッチが切られる。再び、バッテリーに入力される電荷が測定され、バッ テリーから出力される電荷から推算される。電荷と開回路電圧の測定は、その後 モノブロックの特性曲線もしくは索引テーブルに格納の値と比較され得る。二つ の点を利用すると、曲線へのそれらの点のはるかに正確な適合もしくは索引テー ブル値への変換が可能になり、それゆえバッテリーの電荷容量のはるかに正確な 見積もりができる。第2のそしてはるかに正確な電荷容量の予測をしたので、バ ッテリー充電器はその後、良好な充電限界と名付けられた点まで、バッテリーの 第3期間の再充電のためにスイッチが入れられる。温度や電流や電圧のような、 パラメータの予期しない逸脱があるかどうかを見るために充電の間中チェックさ れる。もし欠陥が探知されなければ、その後バッテリー充電器はバッテリーを十 分に充電するための第4の充電時間の間スイッチが入れられ、十分に充電した時 バッテリー充電器はスイッチが切られる。
この充電ループは、それぞれの及びすべての再充電操作に対するバッテリー管理 システムによってなされる。しかしながら、もしバッテリーがその容量のおよそ 80%を越えて放電されないなら、開回路電圧は変わらず、容量を正確に予測す ることは可能でない。もしバッテリーが、ある時間の間その容量のおよそ80% を越えて放電されなければ、バッテリー容量はその間に有意に変わっていること が十分にありえて、そのことは容量予測は旧式のものになっていることを意味す る。もし容量予測が更新されないなら、バッテリーの実際の容量は結果的なあり 得るバッテリーの損傷の限界を超えるであろう。
それゆえ、一定時間バッテリーがその容量の約80%以上に放電されないなら、 過度の使用の間のひどい過放電に対して保護を提供することが必要である。
バックアップ予測は、再充電操作の間になされる主予測よりも正確でなく、バッ テリーの開回路電圧のその場その場の測定にむしろ依存する。がくして、可能な 時はいつでも、すなわち、バッテリーに負荷がない時いっても、バッテリー管理 システムはモノブロック1aと1bに対する開回路電圧を測定する。このように して測られた電圧は、バッテリーが一定時間の間装置されないが、もしくは、加 えて少し再充電されたため、正確な開回路電圧ではない。がくして、開回路電圧 のこの適切な測定は、バッテリーの電荷容量に対するおよそ正確な予測において 利用される。この電荷容量予測は、もしバッテリー容量の有意な割合が利用され たならば再びなされることができる。もしこの容量予測が、最後になされた容量 予測に比較して容量が減っていることを示すならば、(すなわちバッテリー電圧 が予想よりも早く降下した)そのとき、容量予測はデジタルプロセッサのメモリ ーに入力される。この不正確な予測は、その後次の再充電操作で更新され得る。
バッテリー管理システムはまた回生制動によってバッテリーを再充電できる。
このことは、バッテリー管理システムを用いる電気自動車の効率と走行距離を大 いに増加させる。
バッテリー管理システムの放電ループの流れの図式は図7に示される。初期に電 圧レベルが設定され、出力電荷が測定される。残余電荷は、残余電荷が予め設定 された容量の限界値以下であるかどうかを決定するために、予測容量と比較され る。もし、残余電荷が限界値以下であるなら、その場合、バッテリーから得られ る出力電力は電力コントローラ8によって減らされる。もしこの放電ループの開 電流がバッテリーから引き出さないならば、条件は容量予測に合致し、バッテリ ーの開回路電圧は電荷容量予測ができるように測定される。もしこの新しい予測 から電荷容量が限界値以下であるなら、この場合バッテリーからの出力電力は減 少する。
開回路電圧を測定する機会がない場合でさえも(すなわちバッテリーからの出力 電流がある)、負荷電圧を測定しセルの内部抵抗を補償することにより開回路電 圧から予測がなされる。これがなされるために必要なアルゴリズムは後述される 。もしこの予測から、バッテリーからの出力電荷が限界値を越えていたなら、そ の場合バッテリーからの出力電力は減少する。
放電ループの間モノブロック1aと1bの温度はまたモニタされる。もし温度が 予め設定された限界値を超えるならば、このことはまたバッテリーからの出方電 力の減少に結び付く可能性がある。
開回路電圧を測定するかもしくは負荷電圧の測定がらの開回路電圧の決定により 電荷容量予測をすることに加えて、開回路電圧の測定もしくは開回路電圧の計算 は、この測定されたもしくは計算された開回路電圧を限界電圧と比較することに よりバッテリーを保護するために直接に利用され得る。もし測定されたあるいは 計算された開回路電圧が、所定の限界値よりも少ないならば、バッテリーからの 出力電力は減少する。図1に示されるモノブロック1aと1bに対してこの限界 電圧は典型的には約7.65ボルトであろうし、このことは利用可能な放電の約 97%に対応するはずである。
操作の間セルの開回路電圧の測定を得ることができない場合、上述したように、 セルの予測電荷容量の計算を可能にするために負荷電圧が測定され得て、開回路 電圧はバッテリーの内部抵抗を補償することにより計算される。バッテリーが放 電しているとき、負荷電圧は開回路電圧と異なり、次式に従う。
%式%() ここでV、、cは開回路電圧に等しい。
VL。、dは負荷電圧に等しい: ■、。、、は負荷電流に等しい; RI n lはバッテリーに対する内部抵抗に等しい。
サブユニットもしくはモノブロックからなるセルに対して、測定される電圧はモ ノブロック間で測定される。それゆえ、単一のモノブロックに対しては、内部抵 抗は、すばやく連続的に二つの異なった電流をバッテリーに負荷することにより 計算される。負荷電圧と負荷電流はそのとき測定され得て、開回路電圧は同じま まであるということが仮定され得る。内部抵抗はこのときVLasd 、十It 。、、1・R1□:VL、、62+ILaad 2・R,、、、(B)で計算さ れ得る。
計算された内部抵抗値は、それから式(A)を用いることにより放電の間等価な 開回路電圧を計算するために利用され得る。
しかしながら、自動車の応用におけるバッテリーの利用は、放電の間、電流は変 化するレベルにあり、二つの既知の電流負荷を用いる上記の方法は実行できない 、ということを意味する。
内部抵抗を計算する別の方法は、充電期間の間用いられる電流と電圧を測定する ことである。バッテリーの完全充電近辺で、開回路電圧セルは2.076ボルト であろうし、それゆえ、バッテリーに応用される測定された電流と電圧により、 式(A)を用いて内部抵抗を計算できるであろうと仮定することができる。バッ テリーの放電の間、バッテリー管理システムによる放電ループの操作の開式(A )は、直接に開回路電圧を測定することができない場合、開回路電圧を計算する ためにもう一度利用され得る。
か(して、バッテリーの電荷容量を予測するために、再充電操作の間開回路電圧 を正確に測定することにより、あるいは放電の間開回路電圧をおよそ正確に測定 することにより、あるいはバッテリーが負荷をかけられている時間回路電圧を計 算することにより、デジタルプロセッサ4はバッテリー1の電圧と入出力電流を モニターするために作動する。開回路電圧値は、それから、容量予測をするため に利用され得る。また、各々のモノブロック間の電圧はバッテリーが過放電にな らないということを確認するために限界電圧と比較して測定される。最も正確な 電荷容量予測は、再充電サイクルの間なされてメモリー7に格納される。この値 は、もしこの値がより正確でない電荷揚力予測よりも少ないならば、より正確で ない電荷容量予測によって更新されるだけである。
もし、あらかじめ決められた電荷容量の限界値が用いられるなら、あるいは、モ ノブロックの開回路電圧が限界電圧以下に降下したと探知されるならば、バッテ リーから得られる電力は以下の式に従って減少する。
%P=100−INT ((V、−VM、、)XCB) (C)ここで、V M  I Mはバッテリーのモノブロックに対する開回路電圧の最低値である: VTは限界電圧である: TNTはかっこの中の項の整数部分を表し;C8はバッテリーの電気的性質に依 存する定数である。ここで、CBは記述されたバッテリーについては1800で ある。
ナトリウム硫黄セルで形成されるモノブロックに対しては、選定される限界電圧 は Vt=7.6 5Vである。かくして、この式を用いるとバッテリーの出力 電力についてはV、、、=7.6ボルトの場合、10%まで減少する。デジタル プロセッサ4は開回路電圧が7.65ボルトよりも少ないとき、この式を利用す ることを考慮するだけである。
上で述べたようにモノブロック1aと1bのそれぞれの温度もまたモニターされ る。モノブロックの温度が370℃を超えるなら、バッテリーの出力電力は次式 に従って減少する。
%P=100 +rNT ((Tt−TMaj XCT) (D)ここでTvl xは最高温度のモノブロックの温度である。
T、は限界温度である: INTはかっこの中の項の整数部分を表す。
C7はバッテリーの温度制御に依存する定数である。ここでCTは上述の温度コ ントローラについては7である。
ナトリウム硫黄電池については、選定された限界温度はT、=370℃である。
かくして、このアルゴリズムを用いると、バッテリーモノブロック温度377℃ に対して、電力は50%まで減少する。電力は385℃の温度に対しては100 %減少する。もし、温度が400℃を超えるなら、故障の指示があり、バッテリ ーは負荷から切り離されねばならない。
本発明のバッテリー管理システムは、また、モノブロック中のセルの欠陥を探知 し補うことができる。図6bにおいて、充電サイクルの最後で、電荷容量計算が なされる。バッテリーの放電の間、その前の完全充電のためにバッテリーからの 全電荷出力に対して、値が得られる。再充電操作の間、バッテリーへの入力電荷 に対して、値が得られる。もし、その二つの値が等しくないなら、このことは、 セルの欠陥を示す。例えば、バッテリーへの電荷入力は、電荷出力よりも大きい 可能性がある。デジタルプロセッサー4は、かくして、この二つの異なった電荷 を比較し、予測電荷容量の新しい値を計算する事を可能にする。
かくして、本発明は、バッテリーの予測電荷容量を正確に更新する方法を提供す る。バッテリー管理システムは、アンペア時間をモニターすることにより、ある いは、開回路電圧をモニターすることにより放電量の決定を可能にする。公称の 開回路電圧を計算するよりもむしろアンペア時間に基づいて正常に放電を終わら せることの利点の一つは、自動車システムが作動しないとき、充電状態を更新す るための電圧測定は大変正確であり得る、ということである。さらに、電流が流 れないので、電圧測定はモノブロック抵抗に依存しない。バッテリーの内部抵抗 を用いて開回路電圧の計算に依存することの問題は、バッテリーの古さとバッテ リー温度に伴ってモノブロック抵抗が変化し、定期的に更新されねばならないこ とである。
予想電荷容量とバッテリーから得られる測定された電荷は、多くの方法で表示さ れ得る。一つの可能性は、バッテリー容量がいかようであっても、バッテリーが 十分に充電されたときはいつも100%を表示することである。もう一つの方法 は、バッテリーの最大容量を、公称のあるいは新しいバッテリー容量の比として 表示することである。第二の方法で、劣化が直接測定できるであろうし、さらに 重要なことには、電気自動車で利用されるとき、運転者が操作可能な走行距離を もっと正確に算定可能にするであろう。100%の示度の十分に充電されたバッ テリーは、古くなって劣化したバッテリーについて、運転者にいかなる情報も伝 えないだろう。
皺 玉!!−/′lJ:/、>7 Δ王菖1r斗A−〇−に字 国際調査報告 PCT/GB 921021441++wwm+wlA1.lk mmN書PCT/GB92102144国際調査報告

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.1以上の直列接続されるサブユニットにより構成されるバッテリーを使用す るためのバッテリー管理装置であって、上記バッテリーのサブユニットの開回路 電圧値を決定するために作動する電圧測定手段と、上記電圧値が決定される時、 上記バッテリーが最終的に十分に充電されてから上記バッテリーから送り出され る全電荷を測定する手段と、上記サブユニットの特性である全電荷容量の範囲に 対し送り出される電荷に関連した開回路電圧の派生値のための情報を含むメモリ ー手段と、少なくとも一つの上記決定された開回路電圧値とそれに関連して測定 された送り出される全電荷とともに上記情報から上記バッテリーの電荷容量値を 演繹するように作動するプロセス手段を備えるバッテリー管理装置。 2.上記メモリー手段が上記サブユニットの特性である全電荷容量の範囲に対し 送り出される電荷に関連した開回路の電圧の蓄積された値の索引テーブルを含み 、上記プロセス手段が上記バッテリーの電荷容量値を決定するために、少なくと もう一つの上記決定された開回路電圧値およびそれに関連して測定された送り出 される全電荷と上記蓄積された値とを比較するように作動する請求項1記載のバ ッテリー管理装置。 3.上記メモリー手段が開回路電圧値と上記サブユニットの特性である全電荷容 量値の範囲に対して送り出される電荷との間の関係についての情報を含み、上記 プロセス手段が上記関係を少なくとも一つの上記決定された開回路電圧値とそれ に関連して測定された送り出される電荷とともに使用して上記バッテリーの電荷 容量値を計算するように作動する請求項1記載のバッテリー管理装置。 4.上記バッテリーが複数の直列接続されたサブユニットを含み、上記プロセス 手段が上記バッテリーのサブユニットに対する最も低く決定された開回路電圧値 を使用して上記バッテリーの電荷容量値を決定するように作動する上記請求項の いずれかに記載のバッテリー管理装置。 5.上記バッテリーの電荷容量値の決定された値を貯蔵するための電荷容量メモ リー手段と上記送り出される測定全電荷と上記電荷容量の蓄積された値とを比較 するための手段を備え、上記バッテリーの残りの電荷の表示を与える上記請求項 のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 6.上記バッテリーに電荷を供給するための再充電手段を含み、そこでは電荷測 定手段が更に再充電操作中に上記バッテリーに供給される電荷を測定するように 作動する上記請求項のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 7.上記電圧測定手段が上記再充電手段が上記バッテリーに予め決められた電荷 量を供給した後、各サブユニットに対する上記開回路電圧を測定するように作動 する請求項6記載のバッテリー管理装置。 8.上記プロセス手段が、上記バッテリーに二つの連続する予め定められた電荷 量を供給した後、上記バッテリーの各サブユニットに対する開回路電圧を少なく とも2度測定することにより上記バッテリーの電荷容量値を決定するように作動 する請求項6または7に記載のバッテリー管理装置。 9.上記プロセス手段が、前の十分な再充電以降上記バッテリーにより送り出さ れる全電荷と続く再充電中に上記バッテリーに供給される全電荷とを比較し、か つ上記電荷が等しくないときは上記バッテリーの電荷容量を再計算するように作 動する請求項6ないし8のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 10.上記バッテリーの電荷容量の予め定められた割合が使用されたときを表示 するように作動する放電警報手段を含む上記請求項のいずれかに記載のバッテリ ー管理装置。 11.上記バッテリーの電荷容量の予め定められた割合が使用されたとき、上記 バッテリーから利用できるパワーを減少するように作動する放電保護手段を備え る上記請求項のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 12.上記電圧測定手段が上記バッテリーが無負荷状態にあるとき、その放電サ イクル中各サブユニットの開回路電圧を測定するように作動する上記請求項のい ずれかに記載のバッテリー管理装置。 13.上記電圧測定手段が上記バッテリーが負荷状態のとき、その放電サイクル 中各サブユニット間の電圧を測定し、かつ上記バッテリーの各サブユニットの内 部抵抗による電圧降下を補償することによって各開回路電圧に対する値を計算す るように作動する上記請求項のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 14.上記電圧測定手段が上記バッテリーが無負荷状態のとき、その放電サイク ル中に各サブユニットに対する開回路電圧を測定するように作動するとともに、 上記バッテリーが負荷状態のとき、その放電サイクル中に各サブユニット間の電 圧を測定するように作動し、更に各サブユニットの内部抵抗による電圧降下を補 償することにより開回路電圧に対する値を計算するように作動し、上記メモリー 手段は上記再充電手段が上記バッテリーに対し予め定められた電荷を供給した後 、上記開回路電圧が測定されるときはいつも上記バッテリーの電荷容量のための 決定された値を蓄積するように作動し、かつ上記電荷容量がより小さいときは決 定される電荷容量だけを貯蔵するように作動する請求項7記載のバッテリー管理 装置。 15.上記電圧測定手段が上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗を計算す るように作動する請求項13または14に記載のバッテリー管理装置。 16.上記電圧測定手段が短時間の間各バッテリーのサブユニットに対する2以 上の異なった負荷電圧を測定するように作動し、上記電荷測定手段が関連した負 荷電流を測定するように作動し、上記電圧測定手段は更に上記測定された負荷電 圧および負荷電流を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗を計算 するように作動する請求項15記載のバッテリー管理装置。 17.上記電圧測定手段が下記の式を使用して上記バッテリーの各サブユニット の内部抵抗RIntを計算するように作動する請求項16記載のバッテリー管理 装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 18.上記電圧測定手段が負荷電圧が時間とともに実質的に一定になると、上記 バッテリーの放電サイクル中の或る時に、上記バッテリーに適用される負荷電圧 および関連負荷電流を測定することにより、各バッテリーのサブユニットの内部 抵抗を計算するように作動する請求項15記載のバッテリー管理装置。 19.上記電圧測定手段が上記バッテリーの充放電中に上記バッテリーの各サブ ユニットの内部抵抗差を修正するように作動する請求項18記載のバッテリー管 理装置。 20.あるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定められた限界値以下に 落ちた時を表示するように作動する放電警報手段を備える上記請求項のいずれか に記載のバッテリー管理装置。 21.あるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定められた限界値以下に 落ちた時上記バッテリーから利用できるパワーを減少させるように作動する放電 保護手段を備える上記請求項のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 22.上記放電保護手段が下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワー Pを減少させるように作動する請求項21記載のバッテリー管理装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中VMinは上記バッテリーのあるサブユニットに対するある開回 路電圧の最小値であり、VTは予め定められた限界値電圧で、INTは括弧中の 項の整数部分であり、CBはバッテリーの電気的構成に依存する定数である。] 23.上記バッテリーの各サブユニットの温度を測定するように作動するバッテ リー温度測定手段と上記温度測定手段によって測定した温度が所定の限界温度よ り大きくなったときに、上記バッテリーから利用できるパワーを減少させるよう に作動する温度保護手段を備える上記請求項のいずれかに記載のバッテリー管理 装置。 24.上記温度保護手段が下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワー Pを減少させるように作動する請求項23記載のバッテリー管理装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中TMaxは上記バッテリーの最高温度のサブユニットの温度であ り、TTは予め定められた限界温度で、INTは括弧中の項の整数部分であり、 CTはバッテリーの温度制御に依存する定数である。]25.1以上の直列接続 されたサブユニットから構成されるバッテリーを使用するためのバッテリー管理 装置であって、上記バッテリーの放電サイクル中各ユニットの開回路電圧に対す る値を決定するために繰り返し作動する電圧測定手段と上記あるサブユニットに 対して決定された開回路電圧値が所定の限界電圧以下に落ちた時、上記バッテリ ーから利用できるパワーを減少させるように作動する保護手段を備えるバッテリ ー管理装置。 26.上記電圧測定手段が上記バッテリーが無負荷状態の時に、各サブユニット の開放回路電圧を測定するように作動する請求項25記載のバッテリー管理装置 。 27.上記電圧測定手段が上記バッテリーが負荷状態にある時、各サブユニット 間の電圧を測定するように作動し、各サブユニットの内部抵抗による電圧降下を 補償することにより上記開回路電圧の値を計算するように作動する請求項25ま たは26に記載のバッテリー管理装置。 28.上記電圧測定手段が上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗を計算す るように作動する請求項27記載のバッテリー管理装置。 29.上記電圧測定手段が短時間の間に上記バッテリーの各サブユニットに対し て2以上の異なった負荷電圧を測定するように作動し、上記電荷測定手段が関連 した負荷電流を測定するように作動し、上記電圧測定手段が更に上記測定された 負荷電圧および負荷電流を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗 を計算するように作動する請求項28記載のバッテリー管理装置。 30.上記電圧測定手段が下記の式を使用して上記バッテリーの各サブユニット の内部抵抗RIntを計算するように作動する請求項29記載のバッテリー管理 装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 31.上記電圧測定手段が負荷電圧が時間とともに実質的に一定であるとき、上 記バッテリーの放電サイクル中の或る時に、上記バッテリーに適用される負荷電 圧および関連負荷電流を測定することにより、各バッテリーのサブユニットの内 部抵抗を計算するように作動する請求項28記載のバッテリー管理装置。 32.上記電圧測定手段が上記バッテリーの充放電中に上記バッテリーの各サブ ユニットの内部抵抗差を修正するように作動する請求項31記載のバッテリー管 理装置。 33.あるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定められた限界値以下に 落ちた時を表示するように作動する放電警報手段を備える請求項25ないし32 のいずれかに記載のバッテリー管理装置。 34.あるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定められた限界値以下に 落ちた時上記バッテリーから利用できるパワーを減少させるように作動する放電 保護手段を備える請求項25ないし33のいずれかに記載のバッテリー管理装置 。 35.上記放電保護手段が下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワー Pを減少させるように作動する請求項34記載のバッテリー管理装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中VMinは上記バッテリーのあるサブユニットに対するある開回 路電圧の最小値であり、VTは予め定められた限界値電圧で、INTは括弧中の 項の整数部分であり、CBはバッテリーの電気的構成に依存する定数である。] 36.上記バッテリーの各サブユニットの温度を測定するように作動するバッテ リー温度測定手段と上記温度測定手段によって測定した温度が所定の限界温度よ り大きくなったときに、上記バッテリーから利用できるパワーを減少させるよう に作動する温度保護手段を備える請求項25ないし35のいずれかに記載のバッ テリー管理装置。 37.上記温度保護手段が下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワー Pを減少させるように作動する請求項36記載のバッテリー管理装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中TMaxは上記バッテリーの最高温度のサブユニットの温度であ り、TTは予め定められた限界温度で、INTは括弧中の項の整数部分であり、 CTはバッテリーの温度制御に依存する定数である。]38.1以上の直列接続 されたサブユニットから構成されるバッテリーをモニターする方法であって、 上記バッテリーのサブユニットの特性である全電荷容量値の範囲に対して送り出 される電荷に関連した開回路電圧の派生値のための情報を提供する工程と、上記 バッテリーの各サブユニットの開回路電圧の値を決定する工程と、上記開回路電 圧値が決定されると上記バッテリーが最終的に十分チャージされてから上記バッ テリーによって供給される全電荷を測定する工程と、少なくとも一つの上記決定 された開回路電圧値およびそれに関連して測定された供給される全電荷とともに 上記情報から上記バッテリーの電荷容量の値を決定する工程からなるモニター方 法。 39.上記情報が上記サブユニットの特性である全電荷容量値の範囲に対して供 給される電荷に関連する開放回路電圧の蓄積された値の索引テーブルであり、上 記バッテリーの電荷容量の値が少なくとも1つの上記決定された開回路電圧値お よびそれに関連して測定された供給される全電荷とを上記蓄積された値と比較す ることにより決定される請求項38記載のモニター方法。 40.上記情報が上記サブユニットの特性である全電荷容量値の範囲に対して供 給される開回路電圧および電荷の値間の関係を与え、上記バッテリーの電荷容量 の値が少なくとも1つの上記決定された開回路電圧値およびそれに関連して測定 された供給される電荷を用い、上記関係を使用して計算される請求項38記載の モニター方法。 41.上記バッテリーが複数の直列接続されたサブユニットを備え、上記バッテ リーの電荷容量決定工程が上記バッテリーのサブユニットの最小の決定された開 回路電圧値を利用する請求項38記載のモニター方法。 42.上記バッテリーの電荷容量の決定された値を蓄積し、上記測定された電荷 を上記電荷容量の蓄積された値と比較する工程を含み、上記バッテリーの残存電 荷を表示する請求項38ないし41のいずれかに記載のモニター方法。 43.再充電サイクルを含み、そこでは上記バッテリーに対して電荷が供給され 、このバッテリーに対して供給される電荷が測定され、かつ制御されて上記バッ テリーが過充電にならないようにする請求項38ないし43のいずれかに記載の モニター方法。 44.上記バッテリーの各サブユニットに対する開回路電圧が上記バッテリーに 対し所定量の電荷が供給された後に測定する請求項43記載のモニター方法。 45.上記再充電手段が上記バッテリーに対し続けて2回の所定の電荷の供給後 、上記バッテリーの電荷容量が少なくとも各サブユニットに対する開回路電圧の 2度の測定によって決定される請求項43または44に記載のモニター方法。 46.前の十分な再充電から上記バッテリーによって供給される測定された電荷 と次の再充電の間の上記バッテリーに供給される測定された電荷と比較する工程 と、上記電荷が等しくないときは上記バッテリーの電荷容量を再計算する工程を 含む請求項43ないし45のいずれかに記載のモニター方法。 47.上記バッテリーの電荷容量の所定の割合が利用されたときを表示する工程 を含む請求項38ないし46のいずれかに記載のモニター方法。 48.上記バッテリーの電荷容量の所定の割合が利用されたとき、上記バッテリ ーから利用できるパワーを減少させる工程を含む請求項38ないし47のいずれ かに記載のモニター方法。 49.上記電圧測定手段が上記バッテリーが無負荷状態にあるとき、その放電サ イクル中各サブユニットの開回路電圧を測定する工程を含む請求項38ないし4 8のいずれかに記載のモニター方法。 50.上記電圧測定手段が上記バッテリーが負荷状態のとき、その放電サイクル 中各サブユニット間の電圧を測定する工程と、上記バッテリーの各サブユニット の内部抵抗による電圧降下を補償することによって各開回路電圧に対する値を計 算する工程を含む請求項38ないし49のいずれかに記載のモニター方法。 51.上記電圧測定手段が上記バッテリーが無負荷状態のとき、その放電サイク ル中に各サブユニットに対する開回路電圧を測定する工程と、上記バッテリーが 負荷状態のとき、その放電サイクル中に各サブユニット間の電圧を測定する工程 と、上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗による電圧降下を補償すること により開回路電圧に対する値を計算する工程と、上記バッテリーに対し予め定め られた電荷を供給した後、上記開回路電圧が測定されるときはいつも上記バッテ リーの電荷容量のための決定された値を蓄積する工程と、上記電荷容量がより小 さいときは決定される電荷容量だけを貯蔵する工程を含む請求項44記載のモニ ター方法。 52.上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗を計算する工程を含む請求項 50または51に記載のモニター方法。 53.短時間の間上記バッテリーの各サブユニットに対する2以上の異なった負 荷電圧を測定する工程と、その関連した負荷電流を測定する工程と、上記測定さ れた負荷電圧および負荷電流を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内部 抵抗を計算する工程を含む請求項52記載のモニター方法。 54.下記の式を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗RInt を計算する請求項53記載のモニター方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 55.負荷電圧が時間とともに実質的に一定になると、上記バッテリーの放電サ イクル中の或る時に、上記バッテリーに適用される負荷電圧および関連負荷電流 を測定することにより、各バッテリーのサブユニットの内部抵抗を計算する請求 項52記載のモニター方法。 56.上記バッテリーの充放電中に上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗 差を修正する工程を含む請求項55記載のモニター方法。 57.上記バッテリーのあるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定めら れた限界値以下に落ちた時を表示する工程を含む請求項38ないし56のいずれ かに記載のモニター方法。 58.上記バッテリーのあるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定めら れた限界値以下に落ちた時上記バッテリーから利用できるパワーを減少させる工 程を含む請求項38ないし57のいずれかに記載のモニター方法。 59.下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワーPを減少させる請求 項58記載のモニター方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中VMinは上記バッテリーのあるサブユニットに対するある開回 路電圧の最小値であり、VTは予め定められた限界値電圧で、INTは括弧中の 項の整数部分であり、CBはバッテリーの電気的構成に依存する定数である。] 60.上記バッテリーの各サブユニットの温度を測定する工程と、上記測定した 温度が所定の限界温度より大きくなったときに、上記バッテリーから利用できる パワーを減少させる工程を含む請求項38ないし59のいずれかに記載のモニタ ー方法。 61.下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワーPを減少させる請求 項60記載のモニター方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中TMaxは上記バッテリーの最高温度のサブユニットの温度であ り、TTは予め定められた限界温度で、INTは括弧中の項の整数部分であり、 CTはバッテリーの温度制御に依存する定数である。]62.1以上の直列接続 されたサブユニットから構成されるバッテリーの放電を制御する方法であって、 上記バッテリーの放電サイクル中各ユニットの開回路電圧に対する値を繰り返し 決定する工程と、上記バッテリーのあるサブユニットに対して決定された開回路 電圧値が所定の限界電圧以下に落ちた時、上記バッテリーから利用できるパワー を減少させる工程からなるバッテリー放電の制御方法。 63.上記バッテリーが無負荷状態の時に、各サブユニットの開放回路電圧を測 定する工程を含む請求項62記載の制御方法。 64.上記バッテリーが負荷状態にある時、各サブユニット間の電圧を測定する 工程と、各サブユニットの内部抵抗による電圧降下を補償することにより上記開 回路電圧の値を計算する工程を含む請求項62または63に記載の制御方法。 65.上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗を計算する工程を含む請求項 64記載の制御方法。 66.短時間の間に上記バッテリーの各サブユニットに対して2以上の異なった 負荷電圧を測定する工程と、その関連した負荷電流を測定する工程と、上記測定 された負荷電圧および負荷電流を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内 部抵抗を計算する工程を含む請求項65記載の制御方法。 67.下記の式を使用して上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗RInt を計算する請求項66記載の制御方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 68.負荷電圧が時間とともに実質的に一定になると、上記バッテリーの放電サ イクル中の或る時に、上記バッテリーに適用される負荷電圧および関連負荷電流 を測定することにより、各バッテリーのサブユニットの内部抵抗を計算する請求 項65記載の制御方法。 69.上記バッテリーの充放電中に上記バッテリーの各サブユニットの内部抵抗 差を修正する工程を含む請求項68記載の制御方法。 70.上記バッテリーのあるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定めら れた限界値以下に落ちた時を表示する工程を含む請求項62ないし69のいずれ かに記載の制御方法。 71.上記バッテリーのあるサブユニットにおける開回路電圧の値が予め定めら れた限界値以下に落ちた時上記バッテリーから利用できるパワーを減少させる工 程を含む請求項62ないし70のいずれかに記載の制御方法。 72.下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワーPを減少させる請求 項71記載の制御方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中VMinは上記バッテリーのあるサブユニットに対するある開回 路電圧の最小値であり、VTは予め定められた限界値電圧で、INTは括弧中の 項の整数部分であり、CBはバッテリーの電気的構成に依存する定数である。] 73.上記バッテリーの各サブユニットの温度を測定する工程と、その測定した 温度が所定の限界温度より大きくなったときに、上記バッテリーから利用できる パワーを減少させる工程を含む請求項62ないし72のいずれかに記載の制御方 法。 74.下記式に従って上記バッテリーから利用できるパワーPを減少させる請求 項73記載の制御方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼ [ただし、式中TMaxは上記バッテリーの最高温度のサブユニットの温度であ り、TTは予め定められた限界温度で、INTは括弧中の項の整数部分であり、 CTはバッテリーの温度制御に依存する定数である。]75.添付図面に基づい て開示される装置。 76.添付図面に基づいて開示される方法。
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