JPH0759135B2 - 再充電できるニッケル―カドミウムバッテリの充電状態の変化を指示する装置 - Google Patents

再充電できるニッケル―カドミウムバッテリの充電状態の変化を指示する装置

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JPH0759135B2
JPH0759135B2 JP61276410A JP27641086A JPH0759135B2 JP H0759135 B2 JPH0759135 B2 JP H0759135B2 JP 61276410 A JP61276410 A JP 61276410A JP 27641086 A JP27641086 A JP 27641086A JP H0759135 B2 JPH0759135 B2 JP H0759135B2
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Description

【発明の詳細な説明】 充電型バッテリの残留容量を評価できるように充電状態
を示し、再充電が必要かどうかを判断できることが望ま
しい。
鉛／酸バッテリにおいては、それらの充電状態と出力端
子間の電位差との間に、ほぼリニアな関係がある。従っ
て、鉛／酸バッテリの端子間の電圧を監視することによ
り、バッテリの充電状態を信頼できる精度で指示するこ
とが可能となる。鉛／酸バッテリの充電状態を評価でき
る別の方法は、電解液のサンプルを取り出し、その比重
を測定することである。比重も、バッテリの充電状態と
共にほぼリニアに変化する。
然し乍ら、上記のどちらの方法も、ニッケル−カドミウ
ムバッテリについては採用できない。ニッケル−カドミ
ウムバッテリでは、その全容量の約10％から約95％に充
電されるとき、その出力端子間に実質的に一定の電位差
が現われる。ニッケル−カドミウムバッテリがほぼ放電
し尽くしてしまったときは、その端子間に現われる電圧
が低い値に急激に降下し、バッテリが完全に充電したと
きは電圧がかなり上昇する。バッテリの充電状態に対し
て著しい変化を示す特性を決定するように電解液の化学
的な特性を監視する試みがなされてきたが、それらは、
不成功に終わり、又、いずれも、ニッケル−カドミウム
バッテリの毎日の動作中にこのような処理を実際的に行
なえるものではない。
ニッケル−カドミウムバッテリの充電状態を示すための
試みについての記述が、Oriel Press社1970年刊行のコ
リンズ（Collins）氏編「電源３（Power Source 3」の1
35頁から137頁に、S.ラーナー（Lerner）氏、H.レノン
（Lennon）氏並びにH.N.シーガー（Seiger）氏による
「チャージインジケータのアルカリバッテリ状態の指示
（Development of an Alkaline Battery State of Char
ge Indicator）」という題目の記事に示されている。こ
の記事では、充電状態を評価する唯一の信頼できる方法
は、電流分担法であるという結論を述べている。この方
法では、既知の充電状態を有するバッテリの電流出力が
未知の充電状態を有するバッテリの電流出力と比較さ
れ、そこから、未知のバッテリの充電状態が推定され
る。明らかに、このような方法も、容易に使用できるも
のではない。というのは、この方法は、既知の充電状態
を有するバッテリの存在に基づくものであり、実用上
は、完全に充電されたバッテリでなければならないから
である。
本発明によれば、充電型バッテリの充電状態の変化を示
す装置は、バッテリに流入したりバッテリから流出した
りする電流を感知すると共に電流の大きさと方向の両方
を表わす出力を発生する電流センサと、タイミング信号
を供給するタイミング手段と、電流センサ及びタイミン
グ手段の出力から或る時間にわたってバッテリから消費
される電荷量又はバッテリに蓄積される電荷量を表わす
信号を計算するようにプログラムされたコンピュータと
を具備している。
上記装置は、バッテリの充電状態を示すことができるも
のであるのが望ましく、これを可能にするためには、上
記装置が、バッテリの充電状態の指示を記憶するための
データ記憶手段を含んでいると共に、コンピュータが、
或る時間にわたってバッテリから消費された電荷量又は
バッテリに蓄積された電荷量を表わす信号を用いてバッ
テリの充電状態について記憶されたデータを更新し、バ
ッテリの現在の充電状態を示すようにプログラムされる
ことが望ましい。
このような装置は、バッテリの充電状態を適度な数の充
電／放電サイクルについて信頼できる精度で表示する
が、何回ものサイクルを繰り返すと、次第にエラーが蓄
積する。明らかに、データ記憶手段に保持されているバ
ッテリの充電状態の初期表示については常に疑いがあ
る。これを克服するために、上記装置は、バッテリ端子
間の電位差を検出するための電圧センサを含んでいると
共に、コンピュータが、この電圧センサの出力信号を監
視し、監視された電圧が所定の最大値を越えたときにデ
ータ記憶手段をリセットしてバッテリが完全に充電され
たことを示すようにプログラムされることが望ましい。
或いは、コンピュータが、電圧センサの出力信号を監視
し、監視された電圧が所定の最小値以下に落ちたことを
検出したときにデータ記憶手段をリセットしてバッテリ
が完全に放電したことを示すようにプログラムされるこ
とも望ましい。
バッテリの容量は、その温度に依存するから、上記装置
は、バッテリ或いはその周囲の温度を表わす出力を有す
る温度センサを含んでいると共に、コンピュータが、バ
ッテリに対する温度の影響を考慮に入れるように装置に
よって供給される充電状態の表示を変更させるようにプ
ログラムされることが望ましい。温度に依存する要素の
１つは、バッテリから電流が引き出されないときにバッ
テリによって保持された電荷の減衰速度である。このよ
うに電流が引き出されない場合は、バッテリの電荷量が
次第に減衰し、この減衰は、温度と時間との両方の関数
である。コンピュータは、バッテリに蓄積された電荷に
この減衰を考慮に入れるようにプログラムされることが
望ましい。
当然、バッテリは100％の効率ではない。ニッケル−カ
ドミウムバッテリの典型的な効率は、70％から85％の間
である。従って、バッテリに蓄積されている電荷は、監
視された電荷の入力と完全に等しいものではなく、同様
に、蓄積電荷から出力電流への変換効率も100％ではな
い。コンピュータは、バッテリの充電状態を判定すると
きに、バッテリに蓄積されている監視された電荷とバッ
テリから消費される監視された電荷の両方に補正計数を
加味することによってこの変換効率を考慮に入れるよう
にプログラムされることが望ましい。ニッケル−カドミ
ウムバッテリの変換効率は、その充電／放電速度とバッ
テリの温度との両方に依存する。従って、コンピュータ
は、バッテリに蓄積されている監視された電荷と、バッ
テリから消費される監視された電荷の両方に補正計数を
加味するときに、バッテリに蓄積される電流又はバッテ
リから消費される電流の大きさと、温度センサの出力と
の両方を考慮に入れるようにプログラムされることが望
ましい。
これらの要素は、全て、典型的なバッテリの測定パラメ
ータに基づくものであってもよいし、或いは、コンピュ
ータは、バッテリが完全に充電したとき或いは完全に放
電したときのいずれかに、充電状態の表示がリセットさ
れる直前の充電状態を、該表示がリセットされた時に電
圧センサによって指示される充電状態と比較することに
より、コンピュータが監視している特定のバッテリに対
して上記の補正係数を徐々に調整し、コンピュータが各
特定のバッテリの変換効率等の特定のパラメータを「学
習」し、バッテリのエージングを考慮に入れるようにこ
れを更新してもよい。
バッテリは、年月を経ると、次第にその容量が減少す
る。それゆえ、コンピュータは、バッテリの容量を監視
し、監視した容量を初期容量と比較してバッテリの変化
状態を示すようにプログラムされることが望ましい。
又、コンピュータは、監視したバッテリ容量がその初期
容量の所定の割合に落ちたときにアラーム指示を与えて
交換が必要であるという警告を発するようにプログラム
されることが望ましい。本発明は、ニッケル−カドミウ
ムバッテリに使用するように特に意図されているが、も
ちろん、必要があれば、他のどの型の充電型のバッテリ
にも使用することができる。
コンピュータにより与えられる１つ又は複数の表示は、
バッテリに組み合わされてバッテリから給電される装置
の一部分を形成するとディスプレイ装置に表示すること
ができる。或いは、上記装置は、使用できるバッテリ容
量とアラーム指示とを表示するためのそれ自体の独立し
たディスプレイ装置を含むことができる。
本発明の種々の特徴は、添付図面を参照して説明する。
実施例 第１図は、ニッケルカドミウムバッテリ２に直接に接続
された本発明による充電状態指示装置１を示すものであ
る。システムの残りの部分には、チャージャ３と、スイ
ッチ５によってバッテリ２にまたがって接続されている
種々の負荷回路４とが含まれている。バッテリの充電状
態指示装置は、第２図に更に詳細に示されたように、電
流センサ６と、電圧センサ７と、温度センサ８からの入
力とを有している。これらは、アナログ−デジタル変換
器９を通じてマイクロプロセッサ10に送られる。又、マ
イクロプロセッサ10は、タイマ即ち内部クロック11と、
ランダムアクセスメモリ12と、リードオンメモリ13にも
接続されている。マイクロプロセッサからの出力は、デ
ィスプレイ14に通じており、ここには図示しない更に別
の出力が遠隔ディスプレイに通じている。
電流センサ６は、電流の大きさとその方向とを測定し、
典型的には、これらを、バッテリ端子に接続されている
主電流通過ケーブルの回りに置かれた非侵襲ループの電
流に対してホール効果を用いることにより測定する。電
流センサ６は、典型的に、10,000から１の動的測定レン
ジを有しており、短時間の大電流と長期間の小電流の両
方を正確に測定することができる。電圧センサ７は、典
型的な高インピーダンス電圧測定装置であり、典型的に
は10未満から１の動的測定レンジという非常に限定され
たレンジを有している。バッテリ２が完全に充電した場
合と完全に放電した場合の両極端の間の電圧変動は、バ
ッテリの各セルについて１ボルト以下に過ぎない。温度
センサ８は、バッテリの温度の指示ををできるだけ正確
に与えるように、バッテリケースの近くに取り付けられ
ている。又、この温度センサ８は、バッテリ２が遭遇す
るであろう両極端な動作条件を網羅するように、−50℃
から＋100℃という温度レンジを有するバイメタルサー
モカップルによって形成されている。
典型的に、タイマ11は、コンピュータの一部分を形成す
るが、独立のクォーツクリスタル制御発振器とそれに関
連する電子カウンタによって形成されて、必要な繰返し
数で出力パルスを供給することもできる。典型的に、タ
イマ11は１秒当り10個の出力パルスを発する。又、RAM1
2とROM13も、通常のコンピュータの一部分を形成する。
ROM13には、公称バッテリ特性とプロセッサとがロード
され、マイクロプロセッサ10の動作を制御する。RAM12
は、バッテリの現在の充電状態についての更新された情
報とマイクロプロセッサ10によって形成された計算結果
とを含む。ディスプレイ14は、典型的に、多数の英文字
数字を表示することのできる液晶型又は発光ダイオード
型のディスプレイであるが、バッテリ内の充電状態が適
当である場合に緑色の表示を与えると共にバッテリが放
電状態に近付いた場合或いは交換が必要な場合に赤色の
表示を与えるような単純な赤色／緑色のインジケータで
あってもよい。ディスプレイ14は、バッテリの充電状態
をその総容量の公称％で表示するのが好ましいが、あと
何時間でバッテリを交換しなければならないかという時
間を表示することによってバッテリの状態を示すもので
あってもよい。
第３図、第４図、第５図及び第６図は、液体カドミウム
バッテリの典型的な性能曲線を示すものである。これら
のグラフに含まれている情報は、ROM13に記憶され、バ
ッテリ２の典型的な特性を表わすために用いられる。
第７図は、本発明の第１の実施例においてROM13にロー
ドされるプログラムのフローチャートである。各サイク
ルの始めに、電圧Ｖ、電流Ａ及び温度Ｔ゜を表わすデー
タが、アナログ−デジタル変換器９を通じて、電流セン
サ６、電圧センサ７及び温度センサ８から読み取られ
る。時間ｔは、タイマ11から読み取られる。次に、ROM1
3に記憶されたルックアップテーブルがアドレスされ、
Ａ及びＴ゜の読み取り値についてバッテリの完全に充電
した状態と完全に放電した状態とにそれぞれ対応する電
圧値であるVmaxとVminとが見い出される。次に、電圧Ｖ
がVminと比較される。ＶがVminと等しいか或いはそれよ
りも小さい場合は、バッテリの容量に対応する変数Ｃが
完全放電後の容量であるC0と等しい値に設定され、次い
で、充電状態が表示され、次いで、プログラムが、サイ
クルのスタートに復帰する。ＶがVminよりも大きい場合
は、ＶがVmaxと比較される。ＶがVmaxと等しいか或いは
それよりも大きい場合は、変数Ｃが、バッテリの完全充
電後の容量であるC100と等しい値に設定され、次いで、
充電の状態が表示され、次いで、プログラムがサイクル
のスタートに復帰する。ＶがVminとVmaxとの間の値に入
る場合は、プログラムは、バッテリに蓄積されている電
荷の変化の大きさとサイズとを計算するための一連のス
テップを実行する。Ａ及びＴ゜の読み取り値についての
バッテリの容量Ｃの値と、Ｔ゜の所定の値についての電
荷漏れの値とは、ROM13に記憶されたルックアップテー
ブルから読み取られる。次に、これらのデータは、バッ
テリの電荷の変化の大きさとを計算するために使用され
る。Ａが正の値の場合は、この計算された変化の値は、
RAM12に記憶されているバッテリの総電荷量の値に加え
られる。Ａが負の値の場合は、計算された変化の値がバ
ッテリの総電荷量の値から減算される。総電荷量の新た
に計算された値が記憶され、充電の状態が表示される。
次いで、サイクルが繰り返される。
第８図は、本発明の好ましい実施例に用いられるプログ
ラムのフローチャートである。このプログラムには、精
度を増加させると共にバッテリの状態の尺度を計算でき
るようにするための追加ステップが含まれている。Ｖが
Vminと等しいか或いはそれよりも小さいことがわかった
場合、或いは、ＶがVmaxと等しいか或いはそれよりも大
きい場合は、上述したように、変数ＣがC0又はC100と等
しい値に設定される。更に、これらのバッテリ容量の既
知の値のいずれかがプログラムによって計算されたＣの
値と比較される。これらの値の間の食違いの大きさは、
Ｃの更新値をＡ及びＴ゜の関数として計算しそして電荷
の漏れをＴ゜の関数として計算するために用いられる。
これらの更新された値はRAM12に記憶される。この食違
いの大きさはバッテリの理想的な特性からのずれを示す
ものであるので、バッテリの状態の尺度を計算するのに
使用することができる。この尺度は、好都合にも、バッ
テリの残りの「寿命」の形態をとっており、バッテリシ
ステムの保守を助けるために表示される。次のサイクル
では、プログラムは、ROM13に保持されているルックア
ップテーブルから容量Ｃと電荷漏れとの各標準値を単に
読み取る代りに、RAM12に記憶されているデータを用い
て、更新された値を得、それにより、バッテリの充電状
態をより高い精度で計算することができる。次のサイク
ルでは、RAM12に記憶されている更新されたデータを、
Ｃの既知の値と計算された値との食違いの大きさに基づ
いて再び補正することができる。このようにして、多数
のサイクルにわたって、システムは公称特性に依存せず
に、実際のバッテリの特性を「学習」する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるバッテリ作動式のシステムのブ
ロック図、 第２図は、本発明の装置のブロック図、 第３図は、セルが３つの異なる速度で充電するときに、
ニッケルカドミウムセルの電圧がその充電状態に従って
どのように変化するかを示すグラフ、 第４図は、セルが種々の異なる速度で放電したときに、
ニッケルカドミウムセルの電圧が容量と共にどのように
変化するかを示すグラフ、 第5A図、第5B図及び第5C図は、異なる放電速度と異なる
セル構造の場合にニッケルカドミウムセルの容量が温度
と共にどのように変化するかを示すグラフ、 第6A図、第6B図及び第6C図は、３つの異なる型のニッケ
ルカドミウムセルに保持されている電荷量が温度と時間
とに従ってどうのように減衰するかを示すグラフ、 第７図は、本発明の第１の実施例に使用されるコンピュ
ータプログラムのフローチャート、 第８図は、本発明の第２の実施例に使用されるコンピュ
ータプログラムのフローチャートである。 １……充電状態指示装置 ２……ニッケルカドミウムバッテリ ３……チャージャ ４……負荷回路、５……スイッチ ６……電流センサ、７……電圧センサ ８……温度センサ ９……アナログ−デジタル変換器 10……マイクロプロセッサ 11……タイマ即ち内部クロック 12……ランダムアクセスメモリ 13……リードンリメモリ 14……ディスプレイ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−28476（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−52487（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−155841（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−81243（ＪＰ，Ｕ)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ニッケル−カドミウムバッテリに流入、流
    出する電流を感知してその電流の大きさと方向との両方
    を表す出力を与える電流センサと、 タイミング信号を与えるタイミング手段と、 ある期間にわたってニッケル−カドミウムバッテリから
    消散された電荷、もしくはニッケル−カドミウムバッテ
    リ内に蓄積された電荷を表す信号を、ニッケル−カドミ
    ウムバッテリの特性を示している充電パラメータを使用
    して、前記のタイミング手段と電流センサの出力とから
    算定するコンピュータプログラムと を備えた再充電できるニッケル−カドミウムバッテリの
    充電装態の変化を指示する装置において、 ニッケル−カドミウムバッテリが完全に放電したとき
    と、ニッケル−カドミウムバッテリが完全に放電された
    ときとの両方で測定された電圧により指示された充電状
    態とコンピュータで算定して指示された充電状態とを、
    リセット直前に比較し、その比較の結果に従って充電状
    態の算定に使用するパラメータを前記のコンピュータが
    変更することを特徴とした再充電できるニッケル−カド
    ミウムバッテリの充電状態の変化を指示する装置。
  2. 【請求項２】ニッケル−カドミウムバッテリの充電状態
    の指示を記憶するデータ記憶手段を備え、ある期間にニ
    ッケル−カドミウムバッテリから消費される電荷又はニ
    ッケル−カドミウムバッテリに蓄積される電荷を表す信
    号を用いてニッケル−カドミウムバッテリの充電状態に
    ついての記憶されたデータを更新し、ニッケル−カドミ
    ウムバッテリの現在の充電状態を示すようにコンピュー
    タはプログラムされている請求項１に記載の再充電でき
    るニッケル−カドミウムバッテリの充電状態の変化を指
    示する装置。
  3. 【請求項３】ニッケル−カドミウムバッテリの端子間に
    現れる電位差を感知する電圧センサの出力信号を監視
    し、この監視された電圧が所定の最大値又は最小値に達
    したときにデータ記憶手段をリセットしてニッケル−カ
    ドミウムバッテリの完全充電又は完全放電を示すように
    コンピュータはプログラムされている請求項２に記載の
    再充電できるニッケル−カドミウムバッテリの充電状態
    の変化を指示する装置。
  4. 【請求項４】ニッケル−カドミウムバッテリもしくはそ
    の周辺温度を表す出力を有する温度センサを備え、コン
    ピュータは、ニッケル−カドミウムバッテリに対する温
    度の影響を考慮に入れるように充電状態の指示を変更さ
    せるようプログラムされている請求項２もしくは請求項
    ３に記載の再充電できるニッケル−カドミウムバッテリ
    の充電状態の変化を指示する装置。
  5. 【請求項５】ニッケル−カドミウムバッテリに蓄積され
    た監視されている電荷と、ニッケル−カドミウムバッテ
    リから消費された監視されている電荷との両方に補正係
    数を加味することによってニッケル−カドミウムバッテ
    リの変換効率を考慮に入れるようにコンピュータはプロ
    グラムされている請求項１ないし４のいずれかに記載の
    再充電できるニッケル−カドミウムバッテリの充電状態
    の変化を指示する装置。
  6. 【請求項６】ニッケル−カドミウムバッテリに蓄積され
    た監視されている電荷と、ニッケル−カドミウムバッテ
    リから消費された監視されている電荷との両方に補正係
    数を適用するときにニッケル−カドミウムバッテリに蓄
    積される電流又はニッケル−カドミウムバッテリから消
    費される電流の大きさと温度センサの出力との両方を考
    慮に入れるようにコンピュータはプログラムされている
    請求項５に記載の再充電できるニッケル−カドミウムバ
    ッテリの充電状態の変化を指示する装置。
  7. 【請求項７】ニッケル−カドミウムバッテリが完全に充
    電したときもしくは完全に放電したときのいずれかのと
    きであって、充電状態の指示がリセットされる直前の充
    電状態を、指示がリセットされた時に電圧センサによっ
    て示される充電状態を比較し、そしてこの比較の結果を
    用いて、変換効率のようなパラメータ変数を変更して、
    これらのパラメータ変数をその特定のニッケル−カドミ
    ウムバッテリについて調整するようにコンピュータはプ
    ログラムされている請求項３に記載の再充電できるニッ
    ケル−カドミウムバッテリの充電状態の変化を指示する
    装置。
  8. 【請求項８】使用可能なバッテリ容量を表示するデイス
    プレイ装置を備える請求項２ないし７のいずれかに記載
    の再充電できるニッケル−カドミウムバッテリの充電状
    態の変化を指示する装置。
JP61276410A 1985-11-19 1986-11-19 再充電できるニッケル―カドミウムバッテリの充電状態の変化を指示する装置 Expired - Lifetime JPH0759135B2 (ja)

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GB858528472A GB8528472D0 (en) 1985-11-19 1985-11-19 Battery state of charge indicator
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