JPS61502564A - 再充電可能なバッテリの充電状態をモニタする方法および装置 - 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】 再充電可能なバッテリの充電状態をモニタする方法および装置 （技術分野） 本発明は、再充電可能なバッテリ、さらに詳しく言えば、ニッケルーカドミウム バッテリの充電状態をモニタする方法に関し、前記方法は端子間電圧、電流およ び各バッテリの充電と放電のサイクルの時間間隔等の充電のある状態に対応する 基準値の記憶、およびそのように測定された量を充電されまたは放電されたエネ ルギーに対応する量への変換、電流の流れの方向の測定を含むのもである。加え て、本発明は前記方法を実施するための装置に関する。“再充電可能なバッテリ ”の語は、１つの電池だけではなく、複数の電池のあらゆる組合せをも含むもの である。

（背景技術） 再充電可能なバッテリはコンピータ設備１槻械または装置のためのコントロール システムおよび医療装置等の緊急電力の供給のため、計測１通信および警報器へ の電気の供給のため、および電車のための電力の供給のため、または航空計器お よび宇宙飛行のための計器のみならず農業機械の起動のために、ますます重要に なってきている。そのようなバッテリの充電状態をできるだけ正確な手段で継続 的にモニタリングすることは、種々の応用分野において、そのようなバッテリに よって動作させられる装置の動作の停止または中断を避けるために、使用者にと って必要である。現存するバッテリセルの容量を完全に利用すること、およびあ る限界値を越えて充電または放電してバッテリに有害な影響を与えるのを避ける ことは、充電状態のモニタリングによってのみ行うことができる。

以前からよく知られているニッケルーカドミュームバッテリの充電状態をモニタ リングする装置は、２つの異なる方法のうちの１つが採用されていた。

前記２つの方法のうちより簡単な方法によれば、電池の充電サイクルの終了で示 される上限の電圧値と電池の放電サイクルの終了で示される下限の電圧値とによ って定義される電池の端子間電圧を測定することによって行われる。電気化学的 電池状態を測定するのに端子間電圧を使用する場合には、充電または放電電流の 関数として測定された端子間電圧と、前記端子間電圧とともに測定された電池温 度により補正することにより精度を増すことができる。

前述の方法の固有の欠点は、前記方法の通用されるものが、バッテリが充電が完 了されている信号表示によって、充電電流を切らなければならず、バ・ノテリが 空であるという信号表示と同様な適当な手段によって、電荷が維持されていなけ ればならず、スイッチが切られていなければならない。

以前から知られている第２の方法は、電荷測定の原理を採用している。前記方法 は、通常のフル充電状態にしたときの充電の初期状態で予め決定されているバッ テリによって放出されるエネルギーの測定が要求される。前記方法によれば、放 出されたエネルギー量に対応する信号は、バッテリによって、カウンタにまたは 基準電池に放出され、放出に利用できる残存バッテリ放電の信号表示は、設計上 電池容量とバ・ノテリによって放出たエネルギーの間の差によって得られる。

第１の方法の場合によると、そのようにして得られた上記残存電荷は、表示に有 効な電流、電池温度および充電量の関数として補正される。

バッテリの充電と放電のサイクルを多数回測定し、バッテリの容量の設計の上で 古（なりまたは自然にセル放電することの影響によりバッテリの寿命を予知する 装置は知られている。

第２の方法のよく知られた欠点はつぎのように説明されている。すなわち、継続 的に積算電流を測定することによって決定された電荷状態は、１！続的なサイク ルで使用された場合に、実際の電荷状態と異なる可能性がある。なぜなら、現実 のバッテリの挙動、実際のセル容量は、測定され得る異なる量の関数として補正 されるにもかかわらず、十分に正確に予測することはできないからである。西独 特許出願Ｎｏ、３０１２３５６に開示された電量測定による方法は、入力および 出力および実際の電荷状態を測定することから予測される電荷状態を比較するこ とにより各充電サイクルの完了後に手動リセットにより誤差の源を排除する提案 である。

本発明の最小限の目的は、再充電可能なバフテリの電荷状態を電量を測定してモ ニタリングし、モニタされるバッテリの実際と予測した電荷状態が違う場合に、 現実のバフテリの挙動を変えるために決定された電荷状態の自動調整する方法を 提供することにある。

（発明の開示） 前記目的に関連して、本発明は、充電サイクルと放電サイクルのそれぞれの間の 充電端子間電圧特性と放電端子間電圧特性の点を同一視することを開発し、前記 点はバッテリまたはセルの実際の電荷状態と放出できる残存エネルギーの両方に 関して描かれたある結論を許すものである。前記端子間電圧特性曲線の、前記点 ・は以下のように定義される。

充電区間 Ａ１　単位時間当りの一定低電圧増加相（プラトー電圧）に続く、電圧増加の加 速の開始（電圧変化率が太き（なる）点 Ａ２　電圧増加の変曲点 Ａ３　最大電圧限界または極大電圧と定義される通過Ｅ１　単位時間当りの一定 低電圧増加相（プラトー電圧）に続（、電圧減少の加速の開始（電圧変化率が大 きくなる）点 Ｅ２　最少電圧限界の通過点 上記考察により、本発明の目的は、充電および放電サイクルの間の端子間電圧変 化率を以下のようにしてモニタリングすることにより電流測定の方法の開示を達 成することにある。すなわち、比較的に一定で電圧変化率の低い相に続く少なく とも１つの点、その点は特性的に高い電圧変化率が生ずる点の決定により、前記 点または予め決定された基準値に限定された余裕で遅延された点、での計算され た実際の電荷状態の調整による。

前記各点（以下“調整点”として示される）で蓄積されたエネルギーの違いは、 一定の電流と温度状態で継続的に充電と放電が行われるものと仮定して、限定さ れた許容量に従属するバッテリの容量とある関係をもつ。最大電圧限界で蓄積さ れたエネルギーと最少電圧限界で蓄積されたエネルギーの間の差、それぞれフル 充電された状態とフル放電された状態で定義される前記２つの限界は、前述のよ うに定義された前記点Ａ１とＥｌまたはＡ２とＥｌ’との差よりも正確にバッテ リ容量の測定値となる。しかし、その電圧限界よりもより頻繁なサイクルで、不 完全な充電または放電サイクルを含む通常のバッテリの使用状態で、端子間電圧 は、前記Ａ１．Ａ２および８１点を通過する。本発明に従ってより頻繁な調整お よび、特性基準値を参照することにより、より頻繁な組合せが許されれば、バッ テリの電荷状態の正確な決定を改善させることができる。継続的な自動調整をす ることは、それによって、そのようにモニタされたセルの実際の電気化学的状態 の評価を最高に活用することが達成できる。

計算（電量）によって充電状態と放電状態の決定の自動補正をすることは、正確 な予測をすることが困難であろう多様な他の電気化学的サイクルおよび基準量の 測定によって閉ループの行程のまれな相の区間に決定される状態をモニタリング し表示する本発明の通用が許される現実の充電および放電サイクルとして、本発 明の１つの面に従われる。

調整点の一致は少なくとも１つのバッテリの全体の実際の容量の決定のために用 いられるにとどまらない。

前記各点はまた電荷状態を定義するために一致する。

竹表昭６１−５０２５６４　（４） 各そのような電荷状態の基準は一致点のために電量によって決定された電荷状態 と比較され、前記電荷状態と、各そのような調整点のために分離されて普通に明 確にされた誤差を越えて決定された前記電荷状態とのいかなる差も、そのような 差が記憶された点により決定された電荷状態の調整の原因になり、最新の残存容 量との一致は電量による測定値に示される。

本発明の他の面によれば、実際の電荷状態は充電および放電サイクルの調整点で 決定され、そして、そのような２つの点で蓄積されたエネルギーの間の差はバッ テリ容量の測定として使用される。放電サイクルの間に端子間電圧の減少率が増 加し始める点Ｅ１と点Ａ１とに蓄えられたエネルギーの差は、例えば、バッテリ 容量のほぼ７０％に等しい。本発明のこの面の開発は、知られていないセル形状 の容量が、１つの充電サイクルと１つの放電サイクルを含む１つの組合せサイク ルと、２つのそのような点に蓄積されたエネルギーの間の差から少なくとも２つ の調整点の通過により推定されて、決定され予測される。

調整点で特定の電荷状態のものにするためと、充電および放電サイクルの間に一 定の電流と温度状態によって示される簡単な自動調整のために要求される状態は 、まれに真の環境により与えられる。変化する負荷と温度状態の下で電荷状態を モニタすることもまた重要である。このために、本発明のまた池の面によれば、 温度と電流と内部バッテリ抵抗が測定され、そのように測定された量が電荷状態 の決定のための補正に使用される。記憶されたコンピュータプログラムを使用し て、継続的に測、定される電圧または、充電または放電されたエネルギーは、そ のように測定された量の関数として標準化される。このために、調整点が補正さ れ、自動一致させることができ、また、例えば、電流の変化に起因する電圧降下 または放電サイクルのそのような調整点でのスイッチングの一致の誤りを排除で きる。

本発明のまた他の面によれば、高（変化する電荷状態のもとで、調整点の１つと して負荷の変化の不一致は、端子間電圧をモニタリングすることにより、また、 適当な調整点として予め決定された基準値に電量により決定された電荷状態を調 整することによって、比較的簡単に避けることができる。それは、仮に、放電サ イクルの間に、予め決定された限界電圧、すなわち調整点としての一致点より下 に、電圧が下がり、仮に放電が与えられた比較的低い放電状態に進行することが 条件とされた場合である。同時に測定された放電電流を変化させた関数としての 計算手段によって、バッテリ電圧の挙動の変化を補正すること、および、充電電 流の変化に関連される特性電圧曲線のシフトは予め決定（標準化）された電圧時 間曲線を調整することもできる。さらに、バッテリ電圧の挙動の変化は、バッテ リまたはセルの温度を測定することにより補正される、すなわち、調整点を決定 し、電荷状態を決定する温度の影響を実質的に排除することができる。温度補正 は、時間に対する温度変化の関数として、電圧変化の値の決定に必要な導関数と して、より複雑でない適当な計算手段のプログラムにより、導関数を計算するこ とにより可能である。

本発明によって提案された方法を実施するために測定された量は、予め決定され 、好適に変化可能な走査周波数が選択され、通常の間隔で処理および記憶される 。前記後者の記憶処理は、電量で維持された電圧を考慮して特別に重要視される 。そのように記憶された各２つの連続した電圧の時間による微分係数が計算され 、もし、そのように計算された微分係数が電流、電流の流れの方向、温度および 電量によって決定された電荷状態の関数として計算された値を越えたときには、 測定された電圧が記憶された時間間隔はまた電流と温度の関数として計算された 要因によって短縮される。

高走査率のそのような間隔の間では、２〜４だけ先立つ電圧走査によって決定さ れた微分係数が、測定された電圧に加えて蓄積される。このため、電圧変化率の 正または負の変化を決めるための高階の導関数の近似が許される。もし、比較的 高い走査周波数によっても調整点が見いだせないときには、走査周波数は基準走 査周波数に減少させられる。

バッテリに蓄積され伝達される電量的なエネルギーの決定は、モニタされたバッ テリの実質的に線形な電圧対充電特性の基準容量装置（記憶装置）の結合により 支持され、前記装置は走査サイクル周波数に独立の電流と時間の統合を許容して いる。

（図面の簡単な説明） 本発明は以下に示す添付図面によって説明される。

第１図は、バッテリの電荷量を、そのようにモニタ（放電サイクル）されるバッ テリを接続した状態で、モニタする装置の実施例を示したブロック図である。

第２図は、ニッケルーカドミウムバッテリの放電サイクルの間の電圧対時間曲線 を示した図である。

第３図は、充電サイクルの間の電圧対時間特性曲線を示した図である。

（発明を実施するための最良の形態） 第１図に示されている装置には、バッテリ１があり、このバッテリｌは、本発明 の好適な実施例であるニッケルーカドミウム電池であり、前記バッテリ１は、放 電サイクルで示された間には負荷２に電気を供給し、充電器３によって充電され ることができる。マニュアルスイッチまたはアクチュエータによって動作される 接点、例えば、リレーまたはスイッチングトランジスタ４．５がバッテリ１の充 電、放電回路を閉じたり開いたりする。

本発明の実施例としてここで充電過程のバッテリ状態をモニタリングするため装 置は、３つの量、すなわちバッテリ１の端子間電圧に比例する電位ＵＵ、温度検 出器６によって検出された電池温度に比例する電位ＵＴ、バッテリ１の充電放電 回路に流れる電流のアンペア数と方向に比例する電位ＵＩによって記述すること ができる。一番最後の電位はバッテリ１の負極に接続されたシャシに関連して設 けられている高密度の抵抗７によって検出される。前記３つのアナログ電位Ｕ■ 、ＵＴおよびＵＵは、マルチプロセフす８によって増幅され、アナログ量をディ ジタル化するアナログ／デジタルコンバータ９に伝達され、バス１０を介してプ ログラム制御された中央処理装置１１に接続される。前記中央処理装置はマイク ロプロセッサユニットの一部で好適に実現でき、そのプログラムはプログラム可 能なリードオンリーメモリ　（ＲＯＭ）１２にストアされている。ランダムアク セスメモリ１３は主記憶装置として使用される。両メモリ１２．１３は中央処理 装置１１にバス１０によって接続されている。周辺装置インターフェイス駆動回 路１４はすべての周辺装置を中央処理装置１１に接続する。本発明の実施例に示 されているように、前記周辺装置は入出力装置（Ｉｌｏ）１５．視覚表示装置、 例えば、光学的警報器や視覚表示器１６．音響表示装置１７およびバッテリの充 電放電回路の遮断のための動作手段４および５である。

第１図に示されている装置の動作は、第２図、第３図にそれぞれ示されているよ うに、放電充電サイクルの典型的な特性の端子間電圧曲線に以下のように示され ている。放電サイクルの始めに当たって、バフテリ１の公称容量は応用内容によ って、リードオンリメモＩＪ１２および／またはランダムアクセスメモリ１３に 記憶される。バッテリ１から放電されたエネルギーはＵｌおよびＵＵと中央処理 装置１３のクロックジェネレータから得られる時間によって、ランダムアクセス メモリ１３と一致させ、中央処理装置゛により公称または全容量を比較して、例 えば、視覚表示装置１６によって示される残存電荷が得られる。第２図に示する ように、端子間電圧ＵＵはほぼ８０〜８５％までエネルギーを放出し、残りの電 圧がほぼ２０〜１５％である電圧までほぼ一定に保たれる（プラトー電圧）、。

端子間電圧ＵＵの変化率はそこで増加しており、前記変化率の前記増加は中央処 理装置１１でＥ１点として認識されている。前記認識は中央処理装置１１によっ て電圧対時間特性曲線を微分または近似微分することによって得らる。そして、 より高い精度を得るためには、高階微分とアナログディジタルコンバータ９のよ す高いディジタル化周波数にともなう、より高い走査サイクル周波数が必要であ る。前記調整点Ｅｌに利用できる残存電荷は各放電サイクルの比較的に高い精度 で予測できる（あらかじめ決められた基準値）。電量計で連続的に決定されてい る電荷状態は前記基準値と比較されており、もし前記基準値と電量計で測定され た電荷状態の差が、ある限界値を越えると、電量計で測定された電荷状態を前記 基準値にする。Ｅ１点と同一であるということはまた残存電荷は第２図に示され た特性曲線の点Ｅ２によって示された電荷差の間の最小電圧にまだ下がっていな いことを示す表示となる。

もしその時点において、バッテリから負荷が切り離され、充電器３が例えば充電 回路によって与えられるマニュアル操作スイッチ手段によってバッテリ３に接続 されたとすると、中央処理装置１１は電流に比例する電圧Ｕ■の反転の符号によ って充電サイクルの開始を認識する。電量計で測定された電荷は、放電サイクル の間に使われるのと実質的に同一の方法により、電量計で測定され、中央処理装 置１１とランダムアクセスメモリ１３によって記録される。電圧変化率は、第３ 図のＡ１によって示された電圧変化率の増加が進んでいる点に至るまでの時間の 比較的長い間までほとんど一定である。前記Ａ１点では電池電荷は電池の容量の ほぼ８５〜９０％に等しい。点Ｅｌ、Ａｌについては実質的に端子間電圧の変化 率の測定によって、識別され、その端子間電圧は先行するプラトー電圧和の間の 変化率に著しく関係して前記点Ａ１で変化する。先行する放電サイクルの間に、 点Ｅ１として電量計によって測定された電荷状態は基準値に調整されており、そ の基準値は（より正確には）実残留電位の量、つまりバッテリ１の電荷状態を示 している。点Ｅ１の残留電荷すなわち、点Ａ１まで充電されたエネルギーは初期 の一部の充電サイクルの間に測定され、バッテリ１の実充電状態まで合計され、 モニタされているバッテリ１を測定するモニタ製雪の補正を許している。

中央処理装置１１に組み込まれた前記データを使用して、電量計によって測定さ れた新たな電荷状態はまた点Ａ１として示す基準値と調整され、ランダムアクセ スメモリ１３に記憶される。もし点Ａ１に到達されるまで充電が続けられたとす ると、電圧対時間曲線の変曲点Ａ２とほぼ点Ａ３で制限される最大または極大電 圧は前記電圧対時間曲線に示されている。点Ａｌ、Ａ２またはＡ３は、第３図に 示された端子間電圧ＵＵ曲線の第１次または高次導関数で全て確認される。Ｔ！ 、１およびＡ１またはＡ２の時点を過ぎると、もし電量計で測定された電荷状態 と前記点での基準値との差が与えられた限界を越えるときには、電量計で々り定 された電荷状態は再び基準値に調整され、その後、電量計は前記基準値によって 作られた最後の調整値が続いて用いられる。

予め決定された点ＥｌとＡ１とＡ２と一致すると、最少または最大電圧限界値を 越えるより前にモニタリング装置によって、充電または放電回路の信頼できる遮 断を可能にし、これによってそのようにモニタされたバッテリまたはバッテリパ ンクの長い寿命を補償している。

第２図に破断した電圧曲線に示したような自然の負荷変化は、連続した電流の測 定値と一致する。そのような負荷変化の端子間電圧ＵＵ’の一般的な動きへの影 響なしに、新たな点Ｅ’ｌは新たの負荷状態のもとてプラトー電圧和の端に致る 。リードオンリメモリ１２のプログラムは、負荷または温度の影響のせいである 新しい電圧対時間曲線で表された標準化された特性曲線を用いることと、変化し た電流と温度のデータの関数として調整することを特徴として作成される。

０　１０　２０　３０　４０　５０ｍ１ｎ６００　１０　２０　３０　４０　５ ０ｍｉｎ６０国際調査報告 ＡＮ！ｆＥＸ　Ｔｏ　１：ｒｉＥ　ＩＮτ１ＥＲＮＡＴｒＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ ＨＲＥ：’ＯＲＴ　０ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＡＰＰＬＺＣＡＴ工０１４ Ｎｏ、ＦＣ−、／Ｅ？８５１００３１７（ＳＡ１００３１）ＵＳ−Ａ−４３９０ ８４１２８１０６／８３　ＮｏｎｅＵＳ−Ａ−４３７７７８７２２１０３／８３ 　ＪＰ−Ａ−５６０２Ｂ４７６　２０１０３／１１

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．ある電位状態に対応する基準値の記憶、端子間電圧・電流およびバッテリの 充電および放電サイクルの間隔の測定およびそのように測定された量の放電また は充電エネルギーに対応する量への変換、電流の流れの方向の測定を含み、前記 各量は前記基準値に基づいて実際の電荷状態を計算するために使用される再充電 可能なバッテリ、さらに特定すれば、ニッケルーカトミューム蓄積バッテリの充 電状態をモニタする方法において、前記端子間電圧の変化率は前記充電および放 電サイクルの間にモニタされ、前記端子間電圧の比較的安定で低い変化率の相に つづく、少なくとも１つの点が決定され、その点は前記端子間電圧の特徴的に高 い変化率の点であり、計算された前記点の現実の電荷状態または予め決定された 余裕によって前記点に関して遅延された他の点が前記予め決定された基準値に調 整されることを特徴とする再充電可能なバッテリの充電状態をモニタする方法。
2. ２．実際の荷電状態は充電サイクルの１つのそのような調整点および放電サイク ルの１つのそのような調整点で決定され、前記２つの点で蓄積されたエネルギー 間の差はバッテリの容量の測定として使用されることを特徴とする請求の範囲第 １項記載の方法。
3. ３．特徴的な電圧変化率に起因する前記点は増加する電圧変化の開始する点で表 されることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の方法。
4. ４．前記特徴的な電圧変化率に起因する前記点は充電サイクルの間の電圧増加に したがって取られた曲線の変曲点で表されることを特徴とする請求の範囲第１項 〜第３項記載の方法。
5. ５．前記端子間電圧はモニタされ、各調整点で電量によって決定された電荷状態 は、もし充電または放電サイクルの間である限界電圧を越えられたときのみ、前 記調整点のための前記予め決定された基準値に調整されることを特徴とする請求 の範囲第１項〜第４項記載の方法。
6. ６．バッテリ温度もまた測定され、そのように測定された温度は前記調整点の一 致判断のためおよび電荷状態の計算のための要因になることを特徴とする請求の 範囲第１項〜第５項記載の方法。
7. ７．そのようないかなるバッテリの電圧対時間の挙動の変化は充電または放電電 流の変化に対応する計算手段によって補正されることを特徴とする請求の範囲第 １項〜第６項記載の方法。
8. ８．そのようないかなるバッテリの電圧対時間の挙動の変化はバッテリ温度に対 応して補正されることを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項記載の方法。
9. ９．各量は変化可能な予め定められた走査周波数で測定および処理され、そして 、前記走査周波数は測定精度を向上させるために調整点の近くで増加させられる ことを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項記載の方法。
10. １０．端子間電圧の変化率は電圧を時間で微分計算することにより決定され、微 分の中間で記憶されることにより、高階微分は前記調整点の一致を維持すること を特徴とする請求の範囲第１項〜第９項記載の方法。
11. １１．バッテリ（１）の端子間電圧（ＵＵ）、充電および放電電流の方向および 大きさ、およびバッテリ温度（ＵＴ）を測定する手段と、 前記測定手段に接続され前記バッテリ（１）の全ての充電および放電サイクルの 間の端子間電圧（ＵＵ）の変化率をモニタするように制御し、実質的に一定な相 に続き、前記変化率の大きな変動を通過したときに、実際の充電状態を決定する プログラム制御させた中央処理装置（１１）と、 前記中央処理装置によって演算された基準値と実際の入力エネルギーと出力エネ ルギー値を記憶するために前記中央処理装置（１１）に接続された記憶手段（１ ２，１３）と、および 周辺入出力装置（１５，１６，１７，４，５）を備えた前記中央処理装置（１１ ）に結合されたインターフェースおよび駆動回路（１４）と から構成した再充電可能なバッテリの充電状態をモニタする方法を実施する装置 。
12. １２．前記測定手段は前記中央処理装置（１１）にマルチプレクシング手段（８ ）、アナログ／デジタル変換器（９）、およびバス（１０）により結合されてい ることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の装置。
13. １３．前記アナログ／デジタル変換器（９）の走査周波数は前記中央処理装置（ １１）で制御されることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の装置。
14. １４．前記電流測定のための手段はバッテリ（１）の電流回路に含まれ、前記バ ッテリに接続された一端で一定の電圧値に維持される高密度の抵抗器を備えたこ とを特徴とする請求の範囲第１１項〜第１３項記載の装置。
15. １５．前記中央処理装置（１１）を制御するためのプログラム記憶手段（１２） が提供され、前記プログラム記憶手段は決定された実際の充電状態および温度と 電流の変化に対応する調整点の補正のためのプログラムを含むことを特徴とする 請求の範囲第１１項〜第１４項記載の装置。
16. １６．前記インターフェースおよび駆動回路（１４）は端子間電圧（ＵＵ）の予 め定められた限界を越えられたときに、バッテリの放電および充電回路の遮断を するためのアクチュエートおよびスイッチッグ手段が提供されることを特徴とす る請求の範囲第１１項〜第１５項記載の装置。