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JP3125100B2 - バッテリ監視システム - Google Patents

バッテリ監視システム

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JP3125100B2
JP3125100B2 JP02501102A JP50110290A JP3125100B2 JP 3125100 B2 JP3125100 B2 JP 3125100B2 JP 02501102 A JP02501102 A JP 02501102A JP 50110290 A JP50110290 A JP 50110290A JP 3125100 B2 JP3125100 B2 JP 3125100B2
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アンドリュー サイモン クレッグ
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エリオット インダストリーズ リミテッド
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はバッテリ監視システムに関する。電気式の電
気自動車や予備電力システムのようなバッテリ式装置を
使用する場合、バッテリの残り容量をユーザーに知らせ
る予報を時折提供できる様に、バッテリをモニターでき
ることが望ましい。
本発明の目的は、バッテリ監視システムを提供するこ
とである。
而して本発明のバッテリ監視システムは以下の構成、
すなわち、 負荷を与えたとき、バッテリから放出される瞬間電流
レベルを評価する第１手段と； 瞬間バッテリ電圧レベルを評価する第２手段と； これら第１及び第２手段の出力からバッテリにより排
出される瞬間電力レベルを算出する第３手段と； バッテリの容量が枯渇する時の最終バッテリ電圧レベ
ルを供するための第４手段と； 第３及び第４手段の出力から推定上の最終バッテリ電
流を評価する第５手段と； 第４及び第５手段の出力に応じたバッテリの全体の放
電持続時間を、所定の第１アルゴリズムに従い計算する
第６手段と； 第１及び第２手段の出力に応じたバッテリの累積放電
時間を、所定の第２アルゴリズムに従い計算する第７手
段と； 第６及び第７手段の出力から、バッテリから得られる
残りの放電期間を算定する第８手段； とを備えており、前記所定の第１アルゴリズムが、第１
係数群もつ前記記憶表の中から前記第４手段の出力によ
って選択される第１係数をもつ双曲方程式から成り、所
定の第２アルゴリズムが、第２係数群をもつ記憶表の中
から前記第１手段の出力によって選択される第２係数群
をもつ方程式から成ることを特徴とするものである。
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施例を詳述
する。
第１図は本発明に基づくバッテリ監視システムの概要
図；そして第２図は第１図に示すバッテリ監視システム
をより良く理解できるよう詳細をグラフにより示したも
のである。
本発明に基づくバッテリ監視システム10を第１図に示
す。このバッテリ監視システム10は、負荷８を与えるよ
うに接続されたバッテリ９の状態を監視するものであ
る。このシステム10は、バッテリ９から放出される瞬間
電流レベルを測定する第１測定装置11と、瞬間バッテリ
電圧レベルを測定する第２の測定装置12を有している。
第１及び第２測定装置11、12の出力は、バッテリ９によ
り排出される瞬間電力レベルを算出する第３装置13に伝
達される。本実施例の第４装置14は予め設定した数値を
内蔵しており、バッテリの容量が枯渇したときバッテリ
９の最終電圧レベルを決定し、前記第３及び第４装置1
3、14の出力が推定上の最終バッテリ電流を評価する第
５装置15に伝達される。
そして前記装置15の出力は、前記装置14の出力と共
に、所定の第１のアルゴリズム（後述する）に基づいて
バッテリ９の全体の放電持続時間を計算する第６装置16
に伝達される。
又、第１及び第２装置11、12の出力が、第３装置13に
供給されると共に、所定の第２のアルゴリズム（後述す
る）に基づいて累積放電時間を評価する第７装置17に供
給される。又第６及び第７装置16、17の出力は、バッテ
リ９から得られる残りの放電時間を評価する第８装置18
に供給される。
このバッテリ監視システム10に用いるアルゴリズム
は、第１装置11からの正規化された出力を基に定式化さ
れる。この出力は単純に10時間放電率容量に対する割合
とされ、バッテリ９の所定温度（通常15℃）に対する温
度変化により修正もされている。このため、バッテリ温
度を検知するための温度センサー21が配設されていて、
この温度センサー21の出力が装置22を作動させて温度修
正係数を設定し、これを前記第１装置11に供給する。こ
のため、装置11は、電流センサー11Aと、温度正規化ユ
ニット11Bとスケーリングユニット11Cとで構成されてい
る。
前記第２装置12は、電圧センサー12Aと、前記バッテ
リ９内の個々の電池の数を内臓するプリセットストア12
Bと、出力を前記第２装置12に供給してその出力を電池
ごとに電圧で測定する演算装置12Cとで構成されてい
る。第３装置13は、前記第１及び第２装置11、12により
伝達される数値の積算により、バッテリより放出される
瞬間電力レベルを評価する。この実施例では、第４装置
14には各電池の最終電圧レベルがプリセット的に供給さ
れている。第５装置15は演算装置（calculating unit）
15Aを内臓しており、装置13により該演算装置15Aに伝達
される電力数値と、装置14により伝達される電圧量との
除算により、最終電流を評価し、これをユニット15Bに
より、10時間容量にスケーリングする。
第６装置16は、第１係数群を記憶し、かつ装置14によ
りユニット16Aに供給される電圧値に従って第１係数群
のうの一組をユニット16Bに出力するように構成され
た、ユニット16Aを備えている。ユニット16Bは、ユニッ
ト16Aにより伝達される特定の係数と、ユニット15Bによ
り供給される特定の変数とをもつ双曲方程式を評価する
演算ユニットであり、この双曲方程式の評価により、バ
ッテリの全体の放電持続時間を特定する。
第７装置17は、ユニット17Aを備えており、このユニ
ット17Aは第２係数群の表を記憶し、ユニット11Cにより
伝達される基準化された電流値に基づき第２係数群のう
の特定の一組を、瞬間電圧と累積放電時間との関係を示
す所定の３次方程式から累積放電時間を評価するよう構
成された演算ユニット17Bに供給する。
第８装置18は、前記装置16及17により伝送される数値
を減算してバッテリ９の最終放電に到るまでの残り時間
を測定する。尚、この装置18は、残っている放電時間を
全体の放電時間に対する割合で表わしたり、累積放電時
間を全体の放電時間に対する割合で表わすこともでき
る。
前記演算ユニット17Bにより求められる３次方程式
は、バッテリ製造業者より提示される、特定の瞬間電流
レベルでのバッテリの測定電圧と累積放電時間との関係
を示すグラフィックデータから導き出される。第２図に
示したように、このグラフィックデータと３次方程式間
の発散（divergence）は極僅かであり、電流の特定値に
対してユニット17Aに数組の係数群を記憶させることに
より、記憶空間をかなり縮小できると共に数組の記憶の
係数群の補間能力を高めることができる。
同様に、ユニット16Bにより評価される双曲方程式、
バッテリ製造業者より提示される、瞬間バッテリ電圧の
一連の特定値における最終バッテリ電圧の特定値までの
全放電時間を示すグラフィックデータから導き出される
ものであり、双曲方程式とグラフィックデータとの発散
も極僅かである。双極方程式の未記憶係数群の補間は前
記ユニット16Bにより容易に実行できる。
このバッテリ監視システム10の作用の具体例を下記の
パラメータを有するHCP17タイプの鉛蓄電池で評価する
ことにする。
アンペア・時レート:800＝10時間容量 セルの数:164 温度修正ファクター:1％per℃ 定格温度:15℃ 最終電圧:294 １セル当たりの最終電圧:1.79 下記と測定値をとる。
電流:146アンペア 電圧:314.8ボルト 温度:20℃ （１） センサー11Aが、バッテリ導線に流れる現在電
流値（iin）を＋146アンペアと計測し、正号（positive
sign）によりバッテリが放電中であることが表わされ
る。
ユニット11Bが、iinを定格温度（15℃）に正規化す
る。蓄電池室内の測定温度は20℃であるので、ユニット
22により与えられる温度修正用ファクターは、 tempco＝１＋（20−15）×（1/100）＝1.05 となる。従って、温度修正後の放電電流itは 146.0÷1.05＝139.05 である。
ユニット11Cが、電流値についてバッテリの10時間率
容量に対するパーセンテージを算出する。これによりユ
ニット11の出力ipは下記の通りになる。
ip＝（139.05×100）÷800＝17.38％ （２） センサー12Aが、バッテリ電圧を314.8VDCと計
測する。そして、ユニット12Bがバッテリ電圧をセルの
数（164）で割りセル電圧を出す。
Vin＝314.8/164＝1.9195 （３） 装置13は、電力需要を計算する。
power＝Vin×it＝1.9195×139.05＝266,90ワット （４） ユニット15Aは最終電流を計測する。
if＝電力/Vf （Vfはプリセットした最終電圧、すなわち装置14で設定
される数値1.79である。） if＝266.90/1.79＝149.11アンペア この149.11アンペアはユニット15Bによって10時間容
量の18.64％にスケーリングされる。
（５） ユニット16が最終電流ifを用いて、下記フォー
ムの双曲方程式から、終了時刻Ｔを計算する。
Ｔ＝ａ＋b if -1＋c if -2 特定最終電圧値の双曲係数（a,b,c）、例えば下記の
係数が、ユニット16Aに記憶されている場合、最終電圧 ａ ｂ ｃ 1.85 −111.738 6662.29 3942.7 1.83 −95.1394 6645.34 5171.71 1.81 −87.7079 6939.18 3580.98 1.79 −74.9541 6913.18 3857.27 1.77 −65.1906 6880.4 4634.92 1.75 −59.4163 6826.9 5202.11 ユニット16Aは上記の表から所定のエンドポイント電
圧1.79に対する特定の係数を選択する。すなわち、最終電圧 ａ ｂ ｃ 1.79 −74.9541 6913.18 3857.27 そして、18.64％の特定最終電圧の終了時刻を双曲方
程式を用いて計算する。
Ｔ＝74.9541＋（6913/18.64）＋（3857.27/（18.64）２）＝307.06 （６） 電流ipの特定レベルの３次係数（a,b,c,d）、
例えば下記の係数が、ユニット17Aに記憶されている場
合、ユニット17は、下記の３次方程式から、累積放電時
間“t"を計算する。
Ｖ＝ａ＋bt＋ct2＋dt3 （Ｅ−２が10-2等々である場合） 従って、３次方程式は下記の通りになる。
Ｖ＝ａ＋ｂ・ｔ＋ｃ・t2＋ｄ・t3 下記の変数、すなわち Ｖ＝セル電圧＝1.9195 ａ＝計算係数＝1.96496 ｂ＝計算係数＝−0.01432 ｃ＝計算係数＝0.000577 ｄ＝計算係数＝−0.00058 は知られているから、ユニット17Bは、反復してこの方
程式を解き、ｔの値を出す。この結果はｔ＝161分であ
る。
（７） 装置18は残り時間を最終時間と現時間との差と
して評価する。すなわち 307−161＝146分 従って、放電が現在の速度で継続する場合、バッテリ
は今後146分間は放電を継続できることになる。また、
装置18は、残りのパーセント放電率を下記のように評価
する。
（残り時間／終了時間）×100＝（146/307）×100 ＝47.56％ 従って、バッテリには47.5％の充電が残っていること
になる。
以上の実施例の説明において、３次方程式と双曲方程
式の両方程式にあっては、数組の記憶係数群及びその識
別子（identifier）は、第１装置11及び第４装置14とに
より算出される識別子と数値の均しい識別子をもつけれ
ども、とりわけ継続的に変化し易い瞬間電流の測度（me
asure）を出力する装置11の場合は、評価された電流値
が記憶ユニット17A内の識別子と同一である保証のない
ことは理解されよう。従って、ユニット17Aは最も近い
記憶識別子と、その記憶係数とを補間して所要の識別子
と所要の係数とが得られるようにしている。
例えば、万一識別子とその係数がユニット17Aに記憶
されていない場合には、記憶識別子18.0に対する記憶係
数と、記憶識別子15.5に対する識別係数（前記第１表参
照のこと）との補間を行うのであるが、それは17.38が1
5.5と18.0（76％）の中間の比率であることを算定し、
かつ、各々の記憶係数が補間された数値を評価すること
によって行われる。例えば係数ａを例に挙げると、 ａ＝（1.964−1.968）×0.76＋1.968 ＝1.96496である。
もし最終電圧Vfが記憶ユニット16A内に識別子として
特別に内蔵されているバッテリ製造業者指定の設定値と
一致しない場合には、ユニット16Aによって同様の補間
を行うようにしてもよい。
尚、以上バッテリ監視システム10では、このシステム
が何如なる時点においても連続して（即ち非常に速いサ
ンプリングを行って）、バッテリの予測残存容量を出力
するため、所望する場合、この予測を用いてバッテリや
負荷装置を守る警報装置の設定や作動を行えることがで
きることは理解できよう。
このシステム10は、またバッテリ９の設計上の放電量
を現実の放電量と比較して本バッテリ監視システム10
が、バッテリ及び負荷装置の非効率性及びバッテリのエ
ージングに対して自己調節させる自己学習レジュームを
組込むよう改良することもできる。この自己調節は“電
気的消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ”
（EEPROM）を使用することで達成できる。本システム10
は、放電を行う毎に全ての重要なパラメータを記録し、
そしてそのパラメータを既に記憶されている導き出され
た測定値と統合する。
例えば、バッテリの放電中または再充電中に演算を行
うことにより、本システムは実際の“充電効率”換言す
ると、バッテリを完全な充電状態又は、所定割合の充電
状態に戻すのに必要なバッテリへの復帰エネルギの割合
を算出できる。この効果を達成するため、本システム10
は、各充放電サイクル用に下記のデータを記憶してい
る。
・放電終了時点におけるバッテリエネルギーレベル（EE
PD） ・再充電中にバッテリに復帰するエネルギー量（ER） ・次の放電開始時点でのバッテリエネルギーレベル（ES
ND） 充電効率は下記の方程式で表わされる。
各充放電サイクルから得られる結果は、連続記憶装置
に統合されて、“歴史的充電効率（historical charge
efficiency）”となる。従って、本システムは、バッテ
リ、負荷装置及び充電装置の充電効率を“学習”できる
のである。
従前の再充電レート、回数及び効率のデータを記録す
ることにより、本システムはバッテリを充電状態に復帰
させるのに必要な予測再充電時間を表示することができ
る。必要な再充電時間を計算するため、本システムはさ
らにもう一つのパラメータを記録している。
充電率（CR）をアンペアで表わし、放電深度（DD）を
完全に充電されたエネルギーレベル％として表わすと、
再充電時間は下記の方程式で表わされる。
BCは、アンペア・分で表わしたバッテリ容量を表わ
す。尚、上記変数は、全て電気的消去可能なプログラマ
ブルリードオンリーメモリー（EEPROM）に記憶される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 31/36 H01M 10/42 - 10/48 H02J 7/00 B60L 3/00 B60R 16/00 - 17/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】負荷８を与えたとき、バッテリ９から放出
    される瞬間電流レベルを評価する第１手段11と、瞬間バ
    ッテリ電圧レベルを評価する第２手段12と、これら第１
    及び第２手段11、12から前記バッテリ９により排出され
    る瞬間電力レベルを算出する第３手段13と、 前記バッテリ９の容量が枯渇する最終バッテリ電圧レベ
    ルを供するための第４手段14と、前記第３及び第４手段
    13、14の出力から推定上の最終バッテリ電流を評価する
    第５手段15と、前記第４及び第５手段14、15の出力に応
    じたバッテリ９の全体の放電持続時間を所定の第１アル
    ゴリズムに基づき計算する第６手段16と、前記第１及び
    第２手段11、12の出力に応じた累積放電時間を所定の第
    ２アルゴリズムに基づき計測する第７手段17と、前記第
    ６及び第７手段16、17の出力から、前記バッテリ９から
    得られる残りの放電期間を算定する第８手段18とから成
    り、前記予め設定された前記第１アルゴリズムが、第１
    係数群をもつ記憶表から前記第４手段14の出力によって
    選択された一組の第１係数をもつ双曲方程式から成り、
    予め設定された前記第２アルゴリズムが第２係数群をも
    つ記憶表の中から前記第１手段11の出力によって選択さ
    れる一組の第２係数をもつ方程式から成ることを特徴と
    するバッテリ監視システム。
  2. 【請求項２】バッテリ温度を探知する温度センサーを備
    え、該センサの出力は、前記第１手段11に使用される温
    度修正係数を規定するために第１手段に伝達されること
    を特徴とする請求項１に記載のバッテリ監視システム。
  3. 【請求項３】前記第６及び第７手段16、17の各々が、前
    記各表に記憶された係数の中間的係数を確立する補間手
    段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバッ
    テリ監視システム。
  4. 【請求項４】前記第６及び第７手段16、17の各々が前記
    各表に記憶された係数の中間的係数を確立する補間手段
    を備えていることを特徴とする請求項２に記載のバッテ
    リ監視システム。
JP02501102A 1988-07-21 1989-11-29 バッテリ監視システム Expired - Fee Related JP3125100B2 (ja)

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EP (1) EP0501952B1 (ja)
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DE (1) DE68927351D1 (ja)
DK (1) DK69292D0 (ja)
FI (1) FI922429A0 (ja)
GB (2) GB8817364D0 (ja)
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