JPH08233918A - 放電中の電池の残留未使用容量および残留未使用時間を予測する方法および装置 - Google Patents

放電中の電池の残留未使用容量および残留未使用時間を予測する方法および装置

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JPH08233918A
JPH08233918A JP7326267A JP32626795A JPH08233918A JP H08233918 A JPH08233918 A JP H08233918A JP 7326267 A JP7326267 A JP 7326267A JP 32626795 A JP32626795 A JP 32626795A JP H08233918 A JPH08233918 A JP H08233918A
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Trung V Nguyen
ヴイ．グエン トゥラング
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AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 放電中の電池の残留容量および時間を予測す
る手法を改善する。 【解決手段】 電池インタフェ−ス１１０が電池１０１
の放電電流Ｉと放電電圧Ｖbattery と電池の温度Ｔを測
定する。電池監視装置１０５内の制御器が、電池開回路
電圧Ｅocと測定された放電電流Ｉと放電電圧Ｖbattery
と温度Ｔと内部抵抗Ｒintから、温度修正された電池過
電圧の値を式η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbatt ery）／Ｔを
用いて求める。制御器がこのηの値を用いて、放電中の
電池の残留未使用容量Ｑを定め、さらに、この残留未使
用容量Ｑを用いて放電終期電圧までの残留未使用時間ｔ
を定める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放電中の電池の残
留未使用容量および残留未使用時間を予測するための方
法および装置に関し、詳しくは、放電終期電圧まで放電
中の鉛蓄電池の残留未使用容量および残留未使用時間の
予測に関する。
【０００２】
【従来の技術】電池の、特定の放電終期電圧に到達する
までの、残留する使用可能な容量（以下、残留未使用容
量、または簡単に、残留容量）および未使用（リザー
ブ）時間（以下、残留未使用時間、または簡単に、残留
時間）の予測は、離れた場所にある電池プラントおよび
電池の適切な管理にとって重要である。従来の技術にお
ける基本的な予測手段は、ピュケール（Peukert）の方
程式、 ｔ＝ａＩb （１） に基づく。ここに、ｔは与えられた放電終期電圧までの
残留時間、Ｉは放電電流、そしてａおよびｂは経験的に
定められるパラメータである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】放電の間の残留時間
は、上の式で与えられる値ｔから実際の放電時間を差し
引くことによって得られる。この手法において用いられ
る唯一の実時間データは、放電電流Ｉで、パラメータａ
およびｂについては大規模な試験、データ取得、および
パラメータ解析によって経験的に定める必要がある。一
旦定められると、これらの値は固定され、状況の変化に
適応しないし、負荷要件の変化に応動しない。
【０００４】放電の間の電池挙動変化に対してより応動
的にさせる試みが米国特許出願第０８／０１３２７２号
（発明者：D. Levineほか、出願日１９９３年２月４
日）に開示されている。これは、種々の放電電流、放電
の間の電池電圧、および放電終期電圧における電圧と放
電時間との関係曲線についての相関関係を含む予め定め
られたパラメータのマトリクスを利用するものである。
【０００５】電圧と時間との関係曲線を予測に用いるこ
とによって、放電の間の電池挙動における変化に高度に
適応可能な方法が得られる。しかしこの方法は、マトリ
クスに入れるデータを導出するために大規模な試験が必
要となる。
【０００６】別の手法が米国特許第４，９５２，８６２
号（発明者：R. Biagetti and A. Pesco）によって開示
されており、この手法は、式、 Ｖbattery − Ｖp （２） で表される放電の間の電池電圧Ｖbattery と電池特性曲
線平坦部電圧（プラトー電圧）Ｖp との差を測定するこ
とによって行われる。
【０００７】放電の間、この差の値が、利用可能な総放
電容量Ｑto-endo-voltage に対する放電済み容量Ｑ
removed の比率、 Ｑremoved／Ｑto-endo-voltage （３） に対する点として図上に順次記入（プロット）される。
【０００８】測定されたデータに基づいてプロットされ
たこれらの点から指数曲線部と直線部とを有する１本の
曲線が得られる。この曲線を用いることによって、測定
された放電済み容量Ｑremoved とプラトー電圧Ｖp とか
ら残留容量と残留時間とが定められる。さきに述べた手
法の場合と同様に、この手法においても、試験対象とさ
れる特定の電池の大規模な事前試験およびデータ解析が
必要となる。また、この手法では、プラトー電圧の測定
値が予め定められた固定値であるため、電池の経年変化
が考慮されない。
【０００９】放電中の電池の残留時間を定めるための別
の手法として米国特許第４，８７６，５１３号に開示さ
れている手法は、内部抵抗について修正された電池電圧
を、或る放電電圧までに利用可能なアンペア時に対する
残留アンペア時の比率に対比させてプロットした場合
に、すべての放電曲線が単一の曲線に合致するという事
実を利用するものである。ＩＲ（内部電圧）について修
正された電池電圧は、放電の間に定期的に測定される電
池内部抵抗を用いて計算される。
【００１０】放電中の電池の状態を点検評価する現存の
方法中には、すべての温度で正確に稼動するというもの
がないし、必要とするパラメータの数が最小ですむもの
がないし、また点検対象となる電池形式から独立してい
る（影響を受けない）ものも存在しない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】したがって本発明は、特
許請求の範囲に示す、放電中の電池の残留容量および残
留時間を予測するための方法および装置を提供すること
を目的とする。
【００１２】すなわち、放電中の電池の、選択された放
電終期電圧までの残留容量および残留時間を予測するた
めの、本発明に基づく高度に正確な方法および装置が測
定可能な電池パラメータに基づいて構成され、電池の大
規模な事前試験を必要としない。放電中の電池の残留時
間ｔは、放電電流、電池電圧、電池温度、および電池内
部抵抗を考慮した手法で定められる。この電池の残留容
量Ｑは、最大理論容量Ｑmax と現容量Ｑとの比率から定
められる。
【００１３】電池の完全充電時の開回路電圧Ｅocから電
池の内部抵抗に起因する電圧損失ＩＲint と放電中の電
池電圧とを差し引いたものとして定義される項目を電池
温度Ｔで除した値、 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／Ｔ （４） が、温度修正された電池過電圧ηとして計算される。
【００１４】電池放電特性が、単一のパラメータである
電池残留容量Ｑの、最大理論容量Ｑmax に対する比率、 Ｑ／Ｑmax （５） に還元変形される。
【００１５】この正規化された電池容量値を、温度修正
された電池過電圧に対してプロットすることにより、放
電率、温度、電池サイズ、および経年効果に対して不変
で電池の内部設計のみに依存する放電特性曲線が得られ
る。この正規化された電池容量は、特性曲線あてはめ用
パラメータを用いることにより、関係式、 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） （６） によって値ηに関連付けられるので、これで放電特性が
記述され、残留容量Ｑが定められる。
【００１６】残留時間ｔは、定められた値Ｑから、関係
式、 ｔ ＝ Ｑ／Ｉ （７） を用いて計算される。
【００１７】特性曲線および動的変数がコンピュータに
記憶され連続処理されて、この放電中の電池の残留容量
および残留時間ｔの連続した実時間予測が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１に示す電池プラントおよびそ
の監視システムは、複数の電池セル１０１−１〜１０１
−ｎからなり、これらの電池セルはすべて直列に接続さ
れて負荷１０２に電力を供給する。また、整流装置１０
３が回路に接続されて、交流給電線から電力を受けて整
流し、整流された充電電圧を、電池セル１０１−１〜１
０１−ｎ列を再充電するために供給する。電池監視装置
１０５は内蔵プログラム制御器を有し、制御器電池間イ
ンタフェ−ス１１０（または簡単に、電池インタフェ−
ス）に接続される。
【００１９】電池インタフェ−ス１１０は、接続線１１
１−１〜１１１−ｎを介して各電池セルの電圧を感知
し、接続線１１２を介して負荷電流を感知し、接続線１
１３を介して少なくとも１個の電池セルの温度を感知す
る。電池監視装置１０５は、ユーザ入力データ出力アク
セス装置１１７（または簡単に、ユーザアクセス装置）
を有する。
【００２０】電池監視装置１０５の有する内蔵プログラ
ム制御器（または簡単に、制御器）は、電池インタフェ
−ス１１０からデータを、ユーザアクセス装置１１７か
ら背景データをそれぞれ受け入れる。制御器はまた、デ
ータ入力を利用して電池列を構成する電池１０１の、指
定された放電終期電圧に到達するまでの残留容量および
残留時間を予測するための命令を有する。予測結果は、
ユーザアクセス装置１１７を介してデータ出力へ伝達さ
れる。これには、離れた場所のデータ出力への伝達を含
む。
【００２１】図２に通常の電池放電容量曲線を示す。こ
の放電曲線は、電圧と残留容量（アンペア時で表示）と
の対比でプロットされている。この曲線は、３個の特徴
的な特性領域を有する。最初の領域２０１は、起動現象
およびオーム抵抗に起因する電池電圧の初期低下を示
す。これに続く第２の領域２０２は、放電の間の電池の
内部抵抗の連続増大に起因する電池電圧の漸減を示す。
この抵抗増大は、電池内の反応物および／または活性表
面域の減耗に起因する。
【００２２】最後の領域２０３は、反応物の電極面への
大量移動が制限されることから来る放電反応における反
応物欠乏に起因して、電池電圧の急激な減少が見られ
る。放電の間のこれらの複合変化は、放電の間の残留容
量に関連すると考えられる。
【００２３】電池の放電特性は、残留容量の最大理論容
量に対する比率（Ｑ／Ｑmax） と、温度修正された電池
過電圧との対比に基づく。実際の容量ＱがＱmax の代わ
りに用いられるが、比率は電池サイズに影響されず不変
である。与えられた電池電圧での、放電終期電圧までの
残留容量は、その電池電圧での残留容量Ｑとその放電終
期電圧での残留容量との差から計算される。
【００２４】放電に対する温度の影響を図３の線図に示
す。図３の線図は、２つの異なる温度における同じ電池
の放電曲線３０１および３０２からなる。
【００２５】制御器に記憶されている命令に基づいて放
電中の電池の残留容量および未使用時間ｔを予測する方
法を、図４の流れ図に示す。プロセスはブロック４０１
で始まり、ブロック４０３に進んで、ここでの命令によ
り、制御器が、電池インタフェ−スによって感知された
放電電流を引き出す。意思決定ブロック４０５において
プロセス命令により、電流の流れ方向を観察することに
よって、電池が放電中かどうかが定められる。
【００２６】もし電池が放電していない場合、制御器は
ブロック４０３に戻って電流の観察を継続する。もし電
池が放電中の場合には、ブロック４０７においてその命
令により、電池電圧、電流、および温度が測定され記録
される。ブロック４０９においてその命令により、モニ
タされたパラメータを用いて電池残留容量が計算され
る。その際、プロセスが、ブロック４１１によってメモ
リから与えられる電池特性およびパラメータの表を用い
る。
【００２７】計算プロセスが残留容量を、 Ｑ（Ｖ，Ｉ，Ｔ）＝Ｑmaxｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） （８） の式によって定める。ここに項ηは、 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／Ｔ （９） またａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅは放電特性曲線の曲線あ
てはめパラメータである。
【００２８】ブロック４１３の命令によって定義される
次のステップにおいて、関係式、 ｔ＝Ｑ（Ｖ，Ｉ，Ｔ）／Ｉ （１０） により、実際の予測残留時間ｔが計算される。次に意思
決定ブロック４１５の命令により、計算された残留容量
および残留時間が警戒制限値に到達しているかどうかが
定められる。もし警戒制限値に到達している場合、ブロ
ック４１７および４１９に示すように、警告がユーザに
送られる。
【００２９】もし警戒制限値に到達していない場合に
は、意思決定ブロック４２１が、放電状態が終っている
かどうかを定める。もし放電状態が終結している場合、
プロセスはブロック４２３によって終る。もし放電が継
続している場合には、プロセスはブロック４０７に戻っ
て継続される。
【００３０】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００３１】
【発明の効果】以上述べたごとく、従来技術による放電
中の電池の状態を点検評価する方法中には、すべての温
度で正確に稼動するというものがなく、必要とするパラ
メータの数が最小ですむものがなく、また点検対象とな
る電池形式の影響を受けないものもなかった。
【００３２】これに対し、本発明の方法および装置は、
放電率、温度、電池サイズ、および経年効果に対して不
変で電池の内部設計のみに依存する放電特性曲線を利用
し、測定可能な電池パラメータに基づいて構成され、電
池の大規模な事前試験を必要としないので、放電中の電
池の残留容量および残留時間の連続した実時間予測が得
られる。したがって、電池プラントの管理が簡単化、効
率化、経済化され、利用効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池プラントおよびその監視システムのブロッ
ク図である。
【図２】電池電圧と残留未使用容量（アンペア時で表
示）との対比で表す一般的電池放電特性曲線である。
【図３】放電率と温度修正された電池過電圧との対比で
表す一般的電池放電特性曲線である。
【図４】放電中の電池の残留未使用容量Ｑおよび残留未
使用時間ｔを定める方法を例示する流れ図である。
【符号の説明】
１０１−１〜１０１−ｎ 電池セル １０２ 負荷 １０３ 整流装置 １０５ 電池監視装置 １１０ 制御器電池間インタフェ−ス（電池インタフェ
−ス） １１１−１〜１１１−ｎ、１１２、１１３ 接続線 １１７ ユーザ入力データ出力アクセス装置（ユーザア
クセス装置）

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電池の開回路電圧を測定するステップ
    と、 前記電池の放電中の放電電流および放電電圧を測定する
    ステップと、 前記電池の放電中の温度を測定するステップと、 前記電池の開回路電圧、前記放電電流、前記放電電圧お
    よび前記温度を含む測定されたパラメータに基づいて電
    池過電圧の値を導出することによって放電中の前記電池
    の残留未使用容量を定めるステップと、 前記残留未使用容量を用いて放電終期電圧までの残留未
    使用時間を定めるステップとからなることを特徴とす
    る、放電中の電池の残留未使用容量および残留未使用時
    間を予測する方法。
  2. 【請求項２】 前記電池過電圧が、 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／Ｔ で定義されることを特徴とする請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記電池の残留未使用容量を定めるステ
    ップが、最大容量に対する残留未使用容量の比率を指数
    関数で表すステップを含むことを特徴とする請求項２の
    方法。
  4. 【請求項４】 前記指数関数が、 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） の式で与えられ、式中のＱmax、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およ
    びｅが前記電池によって定まる予め定められたパラメー
    タであることを特徴とする請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記残留未使用時間を定めるステップ
    が、放電電流と、当該放電電流に対する前記残留未使用
    容量の比率とを測定するステップからなることを特徴と
    する請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 既知の最大容量を用いて、放電中の電池
    の残留未使用時間を予測する方法であって、 前記放電中の電池の電池過電圧の温度依存性を定めるス
    テップと、 前記電池過電圧の前記温度依存性を、前記電池の最大容
    量に対する残留未使用容量の比率に還元変形するステッ
    プと、 前記放電中の電池の放電電流を測定し、当該放電電流を
    前記放電中の電池の残留未使用容量と組み合わせて、前
    記電池を放電終期電圧まで放電させる間の残留未使用時
    間を定めるステップとからなることを特徴とする、既知
    の最大容量を用いて放電中の電池の残留未使用時間を予
    測する方法。
  7. 【請求項７】 前記還元変形するステップが、 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） の式を評価するステップからなることを特徴とする請求
    項６の方法。
  8. 【請求項８】 前記温度依存性を定めるステップが、 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／Ｔ の式を評価するステップからなることを特徴とする請求
    項６の方法。
  9. 【請求項９】 Ｅocを前記電池の開回路電圧、Ｉを前記
    電池の放電電流、Ｒintを前記電池の内部抵抗、Ｖ
    batteryを放電期間中の前記電池の電圧、Ｔを前記電池
    の温度としたとき、 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／Ｔ の式で表される温度修正された電池過電流を定めるため
    に、前記電池の放電電圧、放電電流および温度を測定す
    るステップと、 式 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） の特性曲線と式中のパラメータＱmax、ａ、ｂ、ｃ、
    ｄ、およびｅについての予め定められた値とを用いて前
    記電池の前記残留未使用容量に対する値Ｑを定めるステ
    ップと、 関係式 残留未使用時間＝Ｑ／Ｉ に基づいて前記残留未使用時間を定めるステップとから
    なることを特徴とする、放電中の電池の残留未使用容量
    および残留未使用時間を予測する方法。
  10. 【請求項１０】 η＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery）／
    Ｔ とし、Ｑmaxを電池の最大理論容量、Ｅocを前記電池の
    開回路電圧、Ｉを前記電池の放電電流、Ｒintを前記電
    池の内部抵抗、Ｖbatteryを放電期間中の前記電池の電
    圧、Ｔを前記電池の温度とし、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、および
    ｅを前記電池の設計に関する特性曲線あてはめ用パラメ
    ータとしたときに、関係式 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） に基づいて電池容量と温度修正された電池過電流との関
    係特性曲線を導出するために、選択された一定放電電流
    における前記電池の放電データを測定するステップと、 関係式 残留未使用時間ｔ＝Ｑ／Ｉ に基づいて前記残留未使用時間の前記残留未使用容量を
    求めるステップとからなることを特徴とする、放電中の
    電池の残留未使用容量および残留未使用時間を予測する
    方法。
  11. 【請求項１１】 電池の端子電圧に接続された電圧感知
    回路と、 前記電池の負荷電流を感知するために接続された電流感
    知回路と、 前記電池の温度を感知するために配置された温度感知デ
    バイスと、 前記電圧感知回路、前記電流感知回路および前記温度感
    知デバイスからの入力を受信するように接続されかつ残
    留未使用時間予測サブユニットを有する電池監視回路と
    からなる、放電中の電池の残留未使用容量および残留未
    使用時間を予測する装置において、 前記残留未使用時間予測サブユニットが、 前記電圧感知回路、前記電流感知回路、前記温度感知デ
    バイスを制御し、前記電圧感知回路、前記電流感知回
    路、前記温度感知デバイスから入力を受信し、前記電池
    が放電しているかどうかを判定する内蔵プログラム制御
    器と、 当該内蔵プログラム制御器に関係づけられたメモリであ
    ってＥoc、Ｒint、Ｑm axおよび電池パラメータを含む電
    池特性データを有するメモリとからなり、 前記内蔵プログラム制御器が、 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） の値を定めるため、および、関係式 ｔ＝Ｑ／Ｉ を用いて、予測される残留未使用時間を計算するための
    命令を有することを特徴とする、放電中の電池の残留未
    使用容量および残留未使用時間を予測する装置。
  12. 【請求項１２】 電池の開回路電圧を測定するステップ
    と、 前記電池の放電中の放電電流および放電電圧を測定する
    ステップと、 前記電池の放電中の電池環境の温度を用いるステップ
    と、 前記電池の開回路電圧、前記放電電流、前記放電電圧お
    よび前記温度を含む測定された電池パラメータに基づい
    て電池過電圧の値を導出することによって放電中の前記
    電池の残留未使用容量を定めるステップと、 前記残留未使用容量を用いて放電終期電圧までの残留未
    使用時間を定めるステップとからなることを特徴とす
    る、放電中の電池の残留未使用容量および残留未使用時
    間を予測する方法。
  13. 【請求項１３】 Ｔを前記電池の温度、Ｅocを前記電池
    の開回路電圧、ＩＲintを前記電池の電池内部電圧、Ｖ
    batteryを放電期間中の前記電池の電圧としたとき、温
    度に関連づけられた電池過電流が、 ηＴ＝（Ｅoc−ＩＲint−Ｖbattery） で定義されることを特徴とする請求項１２の方法。
  14. 【請求項１４】 前記残留未使用容量を定めるステップ
    が、最大容量に対する残留未使用容量の比率を、ηの関
    数として、 Ｑ／Ｑmax ＝ ｆ（η） の式で表すステップからなり、式中のＱmaxが前記電池
    の予め定められたパラメータであることを特徴とする請
    求項１３の方法。
  15. 【請求項１５】 前記式が、 Ｑ／Ｑmax＝ｅｘｐ（ａ＋ｂηc＋ｄηe） の式で与えられることを特徴とする請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 電池の開回路電圧を測定するステップ
    と、 前記電池の放電中の放電電流と放電電圧とを測定するス
    テップと、 前記電池の開回路電圧、前記放電電流および前記放電電
    圧を含む測定された電池パラメータに基づいて電池過電
    圧の値を導出することによって放電中の前記電池の残留
    未使用容量を定めるステップと、 前記残留未使用容量を用いて放電終期電圧までの残留未
    使用時間を定めるステップとからなることを特徴とす
    る、放電中の電池の残留未使用容量および残留未使用時
    間を予測する方法。
  17. 【請求項１７】 放電中の前記電池の温度を測定するス
    テップをさらに有することを特徴とする請求項１６の方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記電池が周囲温度において動作中で
    あることを考慮して当該周囲温度を利用するステップを
    さらに有することを特徴とする請求項１６の方法。
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