JPS6044879A - 電池の電荷状態測定方法 - Google Patents

電池の電荷状態測定方法

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JPS6044879A
JPS6044879A JP59153914A JP15391484A JPS6044879A JP S6044879 A JPS6044879 A JP S6044879A JP 59153914 A JP59153914 A JP 59153914A JP 15391484 A JP15391484 A JP 15391484A JP S6044879 A JPS6044879 A JP S6044879A
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プラブヘイカー　ビー．パテイル
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Ford Motor Co
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

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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】 発明の背景 （１）発明の技術分野 本発明は、電池の電気的状態を決定する方法に関するっ （２）従来技術とその問題点 電池の電荷状態を決定するためのアナログ回路を使用し
た多くの計測器が知られている。しかしながら、これら
の既存の計測器では、電荷状態に影響するいくつかの重
要パラメータが充分に考慮されていないので、確度が低
い。
チク等（Ｃｈｌｋｕｅｔａｌ）に対して１「与された米
国特許第３，８８６，４４２号では、実際の電荷状態の
測定を可能とするために、プーカ（Ｐｅｕｋｅｒｔ　）
方程式を使用する電荷状態表示回路を教示している。
シーカ方程式は、既知の全充電電池容量と放電電池電流
との関係を示すもので、これを放電電流に関係する補償
電流を決定するのに使用する。既知の全充電電池容量に
対応するアンペア時パラメータを記憶しておく。電池の
実際の電荷状態は、補償電流を積分したアンペア時パラ
メータと記憶されているアンペア時パラメータとの差異
を検出して決定される。この特許は、電池の放電経歴、
電池の回復効果、電池の再生効率及び使用年数補償など
のＮ妾なパラメータを考慮しないアナログ回路を開示し
ている。
レメルソン（Ｌｅｍｅｌｓｏｎ　）に与えられた米国特
許第４，２８９．８３６号は、電池の電圧、電流及び温
度の信号を入力として受信するマイクロプロセッサを含
む電池再充電装置を教示している。この特許では、電池
全再充電する電気エネルギの流れは一応、種々の電池状
態に応じて制御されるけれども、重要なパラメータへの
考慮は禾だ充分とはいいがたく、所望の精度は得られな
かった。
電池に残存している電荷量を正確に表示することが、特
に電気車輛牽引用電池では望まれる。使用可能電荷は、
再充電前の車輛移動可能距離に直接関係する。電気車輛
の距離には限界があシ、また再充電設備は道路上では得
られないために、正確な燃料計測器が特に望まれるっ また、電荷状態を測定するための既知従来技術の電量計
は、電流変動、温度、経年変化、回復及び再生のような
変動要因を考慮しないので、その指示が不正確である。
従来技術におけるこれらの問題の解決が本発明の課題で
あシ、本発明の特許請求の範囲記載の構成によれば、こ
れらの全てを有効に解決するものであって、前述の様々
の変動安因となるパラメータについて充分な考慮が施さ
れているため、簡易な構成の計測手段ならびに手順であ
るにもかかわらず、きわめて筒い精度で電池の電荷状態
を決定することができる。
本発明方法に従ってその具体的な実施のために供される
電荷状態計測器は、電流変動、温度、経年変化、回復及
び再生の効果が考慮されているう極めて正確な電荷状態
表示を行うために、マイクロプロセッサ方法を使用する
。マイクロプロセッサの入力には、センサからの電池電
圧信号、電池電流信号及び温度信号が加えられる。マイ
クロプロセッサは１秒間に数回電圧信号及び電流信号か
らサンプルをとって、それらの信号を平均した後、使用
ずみ電池容量Ｏｕ及び平均電池電流■を演算してそれを
表わす出力を得る。それからシーカ方程式を使用して、
平均電流から全電池容量Ｃ２を演算することによシ、Ｃ
ｔを表わす信号を出力させる。プーカ定数は、各電池に
ついて実験的に決定さ−れるが、温度及び使用年数の関
数として変化される。電荷状態は、。ｕｌｏｔの関数と
して演算されるが、その演算には自動的に、温度及び使
用年数効果、回復効果、再生効果、電流変動効果が考慮
される。かくして、電荷状態による電池の残存有用容量
を表示する信号が得られる。
使用ずみ電池容量による電池電圧の微分係数ｄｖ／ｄｃ
ｕ　も演算して、所定の最大値と比較することには利点
がある。もし最大値を超過するときは、電池の少くとも
１個のセルが好ましくない大きな動抵抗（ｄｙｎａｍｉ
ｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　）をもつうそのような大き
な動抵抗は、動作不能電池セル又は低い電荷状態を示す
ことができる。いずれの場合でも、そのような電池をさ
らに使用すると電池を破損させる。
以下の説明によ）一層明らかとなるように、本発明の電
池の電荷状態測定方法は基本的に次の諸段階から成るこ
とを特徴とする。すなわち。
（Ｄ　平均電池電流〒を表わす信号と、シーカ定数に、
ｎを宍わす信号からシーカ方程式Ｃｔ＝に−１０によシ
ミ池の全容量Ｃｔを表わす信号を得ること。
（１１）　電池の温度と使用年数の関数として前記ｋ。
ｎを表わす信号を更新すること。
０１１）　電池電流を時間について積分して、使用済み
電池容量Ｏｕを表わす信号を得ること。
ＧＶ）　式（’−Ｃｕ／ｃ１．）Ｘ１００によシ、電池
の百分率電荷状態を表わす信号を得ること。
発明の実施例 第１図に電池の電、荷状態計測の最初の段階を示すブロ
ック１９は、百分率電荷状態の更新演算を示す。第２Ａ
図及び第２Ｂ図は、百分率電荷状態を更新演算するため
の詳細なゾロツク図である。
第１図による演算は、ゾロツク１１から開始されるが、
それにつづくゾロツク１２では％記憶されているデータ
の完全性が検査はれる。記憶されているデータには、使
用ずみ電池容Ｗ　（Ｏｕ）　％演算開始後の経過時間（
１）、正方向電池電流与の時間についての積分値、プー
カ方程式定数（ｋ、ｎ）及び誤）検出のためのチェック
・サムを含む。チェック・サムは、最初に記憶され７’
（数字の記憶表示である。もしも、球索した記憶情報に
ついて計算したチェック・サムが、記憶されているチェ
ック・サムに等しくないときは、誤シがある。この場合
、論理の流れは、ブロック１３に進んで、ここでプログ
ラムはリセットを待ち、リセット時間にプログラムはブ
ロック１４に進む。もしもリセットがないときは、ゾロ
ツク９が表示装置を点滅させて、操作者の処置が必要で
あることを表示する。
ブロック１４では、使用ずみ容量Ｃｕをゼロに七ソート
し、時間をゼロにセットして、プログラムはブロック１
６に進む。記憶されているデータが完全性をもつと判明
したときは、論理の流れは、ゾロツク１５に進む。こ＼
で記憶されている計算時間を、６００秒のような一定量
だけ増加させる。
この増加を行なうのは、電池が回復するように十分な長
い時間休止していたという仮定を示すものであるっこ＼
で、回復とは、放電停止後に、再生電流を加えることな
くその一部の電荷を取戻す現象である。これと対照的に
、充電電流を電池に加えるときに、再生がおこる。ブロ
ック１６では、正方向電池電流を時間についてゼロから
ｔまで積分して平均電流を演算してその結果を表わす信
号を得る。次のグロック１７では、シーカ方程式Ｃｔ−
に−ｊｎを使用して全電池容量Ｏｔヲ演算し、Ｃｔを懺
わす信号を出力する。ブロック１８では、電荷状態（ｓ
ｏｃ）の百分率を（１−六）・（１００）の式を使用し
て演算する。ブロック１９で−は、電荷状態の百分率を
更新する演算を行なう。
第１図に示したシーケンス内にリセットがおこると、プ
ログラムはブロック１４に戻り、再開始となって、Ｃｕ
をゼロにセットし、またｔをゼロにセットする。リセッ
トは、ゾロツク１３　、１５゜１６．１７．１８及び１
９から右に向かう矢印で示しである。
第２Ａ図及び第２Ｂ図には、電荷状態百分率を￥新する
演算プロセスのよシ詳細な論理流れ図を示した。換言す
れば、第１図のゾロツク１８からの流れは、第２Ａ図の
ブロック２０に接続されるが、こ＼で電圧（Ｖ＞、電ｆ
ｆ、（１）、及び温度（Ｔ）が読取られる。ブロック２
１では、■、工及びＴの読取られた値が記憶装置に記憶
されている以前のｖ、１．及びＴの読取り値に加昇すな
わち演算される。ブロック２２では、読取９計数器が別
のデータ読取りを表示するために増分にされるつ読取シ
＠］数器の数字は、電圧、電流及び温度の組合わせ情報
を読取った回数を表示する。
ブロック２３では、現在時間ｔを、さきに電池電流の平
均を計算した時間ｔｏｌｄと電荷状態計算を更新する終
端における希望時間増分△ｔとの和とを比較する。△ｔ
が小さすぎると、電池電流の演算平均値は、測定した電
圧、電流及び温度の過渡値によって、好ましくない影響
をうけることがある。これに反して、△ｔの値が大きす
ぎると、演算された平均電池電流による演算更新があま
シにも頻繁に行われて、不正確になシやすい、△ｔの通
常の値は約１秒である。△ｔの期間が経過しないと、論
理の流れはブロック２０に戻って、再度、電圧、電流及
び温度を読取る。△ｔの時間間隔が経過すると、論理の
流れはゾロツク２４に進む。
ブロック２４では、電圧、電流及び温度の積算値が、読
取シ計数器によって割シ算されて、読取りの平均値がめ
られる。その結果は記憶される。
時間ｔ。１ｄは更新されて、現在の時間ｔに等しい値に
セットされる。ブロック２４から論理はブロック２５に
おける決定に進み、こ＼で電池電流が試験されて、ゼロ
であるかどうかが決定される。
この試験は、電池が休止状態にあるかどうか、すなわち
再生又は放電の状態にないかどうかを決定するために行
われる。この期間中、回復として知られている現象がお
こる。もし電池電流がゼロであるときは、論理はブロッ
ク２６に進んで、こ＼でゼロ電流計数器は１だけ増分に
なる。すなわち、ゼロ電流計数器の情報は、電池への電
流が何秒間ゼロでめったかを示す。グロック２６の出力
はゾロツク２１に加えられて、電流計数器が６００秒よ
シも大きいかどうかが決定される。３００秒の時間は、
効果的な回復が行われるほぼ最大の時間であると考えら
れる。電流計数器が６００秒よシ大きいときは、論理の
流れはブロック２０に戻る。
ブロック２５において、もし電流がゼロでないときには
、ブロック２８に進んで、こ＼でゼロ電流計数器ｕ路が
消去される。それによシ、プログラムはブロック２９に
移シ、こ＼で時間ｔを△ｔだけ増分させる。またもし、
ブロック２７の決定によって、ゼロ電流計数器が６００
よシ大きくないときには、プログラムはブロック２９に
進み、その後ブロック３０に進む。ゾロツク３０では、
電池電流を時間ゼロと時間ｔとの間に積分して使用ずみ
電池容量Ｃｕを演算し、それを表わす信号を出力する。
ブロック３０から論理は、ゾロツク３１に行って（第２
Ｂ図）、と＼で電流がゼロより大きいかどうかの決定が
行われる。電流がゼロよシ大きいときは、正方向電流の
時間についてゼロからｔまでの積分値をｔで割って平均
電流を計算する。ブロック３４では、プーカ定数にとｎ
を更新する。ブロック３１で、もし電流がゼロよシ大き
くないときは、論理は直接グロック３４に進み、さらに
ゾロツク３５に進む。ブロック３５では、平均電流のｎ
乗をに倍した値に等しいＯｔを用いて、全電池容量を計
算する。グロック３６では、電荷状態百分率を（１−０
ｕ１０１．　）に１００を乗じて計算する。
ブロック３７では、電荷状態を検査して、それが８０パ
一セント以上かどうかを見出すうそしてもしも８０パ一
セント以上のときは、フラグをセットしてこの情報を記
憶装置に記憶させる。次にプログラムはブロック３８に
進んで、こ＼でフラグがセットされているかどうかが質
問されるウセットされているときは、ブロック３９で電
荷状態が４０係以下かどうかの決定が行われる。もし。
４０％以下のときは、年数計数器をブロック４０で増分
させる。ブロック４１では、使用ずみ電池容量の変化に
対する電池′ゞ 電圧の変化が演算される。ブロック３８でフラグがセッ
トされなかったときは、論理プログラムは直接ブロック
４１へ進む。同様に、もしも電荷状態がゾロツク３９で
４０チ以下でないときは、論理プログラムは直接グロッ
ク４１へ進む。
ゾロツク４２で、使用ずみ電池容量に対する電圧の微分
係数が検査されて、それが許容される最大値よりも大き
いかどうかが見出される。許容値よりも大きいときは、
餐報懺示灯が点滅して、電池の中の少くとも１個のセル
の動抵抗が者しく瑠加しただめのセル間組を表示する。
１個の電池セルの動抵抗がそのように増加することは、
たとえ同一電池の多くの他のセルが比較的高い電荷状態
をもっていたとしても、それが起ることがある。
これに反して、すべてのセルが低い電荷状態にあるとき
にもｃｌＶＡｃｕの値を増刊させることがある。
一般に、電池を連続使用に供する前に、ｄｖ／ａ　Ｏ□
の大きさの増加原因を判定することが望ましい。
ゾロツク４３では、電荷状態の百分率を検査して６０パ
ーセント以下でおるかどうかを見出して、もし６０パー
セント以下のときは警報器を作動させる。ブロック４４
では、主ゾロツク１９内のループの開始点に戻る命令が
ある。
８．０パーセントと４０パーセントとにおける電荷状態
及びブロック３７とブロック４０との間の順序を検査し
て、完全な電荷状態のサイクルが発生したかどうかを決
定する。このようなサイクルの発生、すなわち、最大電
荷状態の８０パーセントと４０％との間の変化を電池の
使用年数の更新に使用する。電池の使用年数はシーカ方
程式のパラメータの更新に使用する。第２Ａ図及び第２
Ｂ図に示した計算処理は、電源の切断によシ、又は操作
者のリセット指令によって中断されるまで連続的に行わ
れる。停電の場合には、多くの変数の大きさは、小電池
から電力を供給されるキープアライブ（ｋｅｅｐ−ａｌ
ｉｖｅ　）記憶装置に記憶される。
リセットの場合には、すべての変数は最初の値に戻され
て演算処理が再開始される。
前述した論理の流れを要約すると、電圧センサ及び電流
センサからの信号は、電池に結合されて、１秒間に多数
回、通常１００回、試験され又はサンプルがとられる。
これらは、電気車輛に使用される断続波形の影響を除く
ために平均される。電流及び電圧の信号は、使用ずみ電
池容量電流に対する電池電圧の微分係数を演算するのに
使用される。この微分係数を表わす信号が所定の値より
大きいときは、警報信号を動作させることによシ、短絡
したセルのような電池問題を表示する。そのような警報
は、電池が低い電荷状態をもつときに発生するが、電池
の中の１個のセルが高い動抵抗をもつときにも発生する
ことがある。動抵抗のそのような増加は、セルの電気的
又は物理的な故障によるものである。比較的高いｄｖ／
ｄｃｕを持つ電池を使用することは好ましくないが、比
較的高いｄｖ／ｄｃｕのときでも、適当な電池の電荷状
態が存在するかどうかを決定することが望ましい。
この目的のために、電流工を表わす信号は、使用ずみ電
池容量Ｏｕを演算してそれを表わす信号を出力させるた
めに、毎秒、時間ｔについてディジタルに積分される。
平均電流工は次式から演算され、その結果を表わす信号
が出力される。
方程式（２）は、電流の正方向値すなわち放電値だけを
使用することに注意されたい。すなわち、電流が負方向
すなわち充電のときには、■はゼロにセットされる。そ
れに反して、方程式（１）では電流■の真値を使用する
。平均電流値は、次のシーカ方程式を使用して、全電池
容量を演算するのに使用される。
Ｃｔ＝ｋ・（１）　ｎ（３） ここで、ｋ及びｎはシーカの定数で、各電池について実
験的に定められるものであシ、かつ電池の温度及び使用
年数の関数として変化するものである。
電荷状態（ＳＯａ）は次式にもとづく演算されて、この
電池の百分率電荷状態を表わす信号が出力される。
ｕ ｓｏｃ＝（１−−）、ｘｉｏｏ係　（４）ｔ 結果としてこの発明の技術においては、（１）方程式（
３）におけるｋ及びｎによる温度と使用年数の効果、（
１１）方程式（２）による回復効果（取シ出す電流がゼ
ロのとき）、θ１１）方程式（り及び（２）による再生
効果（電流が負のとき）及び（ＩＶ）方程式（２ン及び
（３）の平均化処理による電流変動効果がいずれも考慮
されていることが明らかである。
第６図のゾロツク図によシ、電池電圧５１、電池電流５
２及び電池温度５３を入力にもつマイクロプロセッサ・
ゾロツク５０が示されている。このマイクロプロセッサ
には、リセットボタン５４が取付けである。マイクロプ
ロセッサからの出力は、電荷状態計すなわち燃料計５５
で読み取られる。第６図の装置内に含まれている機能実
現手段の詳細については、説明ならびに図示を省略した
が、例示するような尋常のマイクロプロセッサが本発明
の方法の実施のために必要とされる、各機能実現手段を
具有することは、画業技術者にとって自明なことであっ
て、この装置が第１図、第２Ａ図及び第２Ｂ図について
説明した方法で動作することは容易に理解できるはずで
ある。
第４図に示したように、セル電圧は徐々に減少したのち
、使用ずみ電池容量の増加とともに急激に減少する。こ
の曲線の傾斜は、直列になっているすべてのセルの総合
実効動抵抗に対応する。この傾斜に対する個々のセルの
寄与は、セルがその使用可能容量、の終端に近づくにつ
れて急激に増加するもので、全体の電池の傾斜を連続的
に演算することによってこれを検出できる。電池全体が
高い電荷状態を示しているときでも、１個又は数個のセ
ルは、それらの使用可能容量の終端に到達することがあ
る。この発生を検出することはＮ要であるういくつかの
セルがそれらの使用可能容量の終端に到達した後、電池
をさらに放電させると、それらのセルに有害であるから
である。使用可能セル容量の終端を点４０で示したつ 本発明の関係する当業者は、多くの変形や変更が可能で
あろう。例えば、特定のステップの順序をこ＼に開示し
ｆｃｌＰｉ４序から変更することも可能である。これら
及びその他の変更であって、本発明が進歩させた技術の
教示に基本的に依存する変更は、本発明の範囲内にある
と考える。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従って電池の電荷状態を開側する方法
の基本的要素の論理フローチャート、第２Ａ図及び第２
Ｂ図は、第１図の最終ブロックで百分率電荷状態を更新
するための演ｌＩ４．ｆする論理フローチャート、第６
図は本発明方法の実施のために用いられる電荷状態計測
装置の機能ブロック図、及び第４図は使用したセル容量
とセル電圧との関係を示す図で、セルが使用可能セル容
量の終端に到達した点を示しであるっ 代理人　浅　村　皓 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２Ａ ＦＩＧ、２日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）　平均電池電流テを表わす信号とシーカ定数ｋ。 ｎを表わす信号とからシーカ方程式ｃｔ＝に、　’ニー
    に従って電池の全容量Ｃｔを表わす信号を出力させる段
    階、 前記の電池の温度と使用年数の関数として前記シーカ定
    数ｋｉｎを更新する段階、 電池電流を時間について積分して使用済み電池容Ｊｇｌ
    ｃｕを表わす信号を出力させる段階、式（１”／ａｚ）
    　（１００）を使用して電池の百分率電荷状態を表わす
    出力信号を得る段階；を含むことを特徴とする電池の電
    荷状態計測方法。 （２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、電池
    が最大電荷状態の約８０パーセントと４０パーセントと
    の間で１サイクルを経過したかどうかを決定する段階を
    含む電池の電荷状態計測方法。 （３）　特許請求の範囲第２項記載の方法において、電
    池の電圧、電流及び温度の連続的な読取りを毎秒約１０
    ０回行ない、また前記読椴シ値の平均を大体１秒毎に行
    なう、電池の電荷状態計測方法。 （４）特許請求の範囲第６項記載の方法において、同腹
    が実質的に完了する約６００秒の時間内において電池電
    流の発生のカかったことを検出することによって回復の
    効果を確認する電池の電荷状態計測方法。 （５）特許請求の範囲第４項記載の方法にお−で、電池
    電圧の変化率を使用ずみ電池容量の変化率と比較（ｄｖ
    ／ｄｃｕ）する段階、 さらに、もしｄＶ／ｄｃｕ　が所定値より大きいときは
    、電池が好ましくない大きな動抵抗をもっことを表示す
    る段階； を含む電池の電荷状態計測方法。 （６）　電池の電圧Ｖ及び電流工を検出すること、電池
    電流を時間について積分して使用ずみ電池容量Ｏｕ’ｅ
    演算すること、 電池の動抵抗を決定するために、電池電圧の変化率を使
    用ずみ電池容量の変化率と比較すること（ｄｖ／ｄｏｕ
    ）、 ｄｖ／ｄＣｕを所定値と比較すること、及びｄｖ／ｄＯ
    が所定値よシ大きいときは、電池セルが好ましくない高
    い動抵抗をもつことを決定すること。 の各段階を含む、電池における異常電池セルの検出方法
    っ
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