(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の公称電池容量Ｃｎを有し、且つ基準電極及びＮｉＯＯＨ正極板を含むアルカリ電池の残存容量の推定方法であって、
−前記正極板と前記基準電極の間の電圧を測定することであって、前記電圧が正極板電位Ｖ＋を示すことと、
−前記正極板電位及び電池電流の関数として前記残存容量（ＳＯＣ）を推定することと
を含む方法において、
−前記電池電流Ｉ、前記正極板電位Ｖ＋、及び前記電池の端子での温度Ｔを同時に測定することと、
−前記正極板電位Ｖ＋、前記電流Ｉ、前記温度Ｔ、及び前記公称電池容量Ｃｎの測定値の関数として前記正極板電位の温度補正値ＶＣ＋を決定することと、
−前記残存容量の前記推定が、前記正極板電位の前記温度補正値ＶＣ＋を考慮することと
を含み、
前記正極板電位の前記温度補正値ＶＣ＋の前記決定が、
−少なくとも１つの充電率又は放電率に対応する温度係数ｋｔＳＯＣを決定することと、
−ＶＣ＋＝Ｖ＋＋（Ｔ−Ｔ０）×ｋｔＳＯＣに従って前記正極板電位の前記補正値ＶＣ＋を決定することであって、Ｔ０が所定の基準温度であることと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
較正手順中に事前に確定され、且つ種々の充電率及び放電率に対して前記ＳＯＣと前記正極板電位の間の対応を与える第１のルック・アップ・テーブルを用いて前記残存容量の前記推定が得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記較正手順が前記基準温度Ｔ０で行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
所与の充電率又は放電率に対して、前記第１のルック・アップ・テーブルの前記残存容量値が、所定のＶ＋値を得るのに必要な時間間隔中の充電電流及び放電電流の積分、及び放電電池容量Ｃｄによる正規化により計算されることを特徴とする請求項２及び３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記測定された充電電流値が、前記正極板電位Ｖ＋への酸素発生電流ＩＯ２の依存性を推定する際に修正され、前記修正は、
電池が満充電されたときに、所定温度での実験曲線ＩＯ２（Ｖ＋）を決定すること、
経験式を使用して曲線ＩＯ２（Ｖ＋）を補間し、多項式関数を得ること、及び
以下の関係を使用して充電較正プロセス中に前記ＳＯＣの修正値ＳＯＣｃｈを計算するために、得られた前記多項式関数を使用することを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【数１】
0005442718.tif 000010
【請求項６】
上記温度係数が、異なる温度（Ｔ１、Ｔ２）での較正手順中の前記残存容量の推定に基づき決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の公称電池容量を有し、一体化された基準板及びＮｉＯＯＨ正極板を含むアルカリ電池の残存容量（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）の推定方法に関し、上記方法が、
−上記正極板と上記基準電極の間の電圧を測定することであって、上記電圧が正極板電位Ｖ＋を表すことと、
−上記正極板及び電池電流の関数として残存容量を推定することと
を含む。
【背景技術】
【０００２】
電池の残存容量（ＳＯＣ）は通常、放電電流、温度、電圧限界等に関する所定の条件での放電により利用可能な電池の電気化学容量（Ａｈ単位又は基準容量値の％単位）を指す。ＳＯＣの推定及び指示は、エネルギーの電気化学的蓄積を使用する各システムでの重要な要件である。
【０００３】
ＳＯＣはまた、たとえば米国特許第４、９４９、０４６号明細書で開示されているように、電池の端子での電圧、及び電流の流れの簡単な測定に基づき推定されることができる。電流センサが電池を出入りする電流の流れを検知し、電流の流れの大きさと方向の両方を示す出力を提供する。電圧センサは、電池が満充電されているか、完全に放電されているかどうかを示す。電流センサ及び電圧センサと同様に温度センサもマイクロプロセッサに接続される。マイクロプロセッサは、電池の残存容量を決定するために、メモリ内に記憶されるルック・アップ・テーブルを使用する。ルック・アップ・テーブルは電池電圧を考慮し、正極板電位を考慮しないので、一定の種類の電池に限定される。
【０００４】
しかし、電池の残存容量を推定するために電圧を使用することは、充電効率の不確実さによる誤差につながる。このことが、いずれも太陽エネルギー利用のためのポケットプレートＮｉ電極を備える４５ＡｈのＮｉ−Ｃｄセルの放電中及び充電中の、時間による正極板電位Ｖ＋（曲線Ａ）及び負極板電位Ｖ−（曲線Ｂ）の進展を示す図１に例示されている。
【０００５】
米国特許第３、７８１、６５７号明細書が、正の水酸化ニッケル電極及び負のカドミウム電極を有するニッケルカドミウム電池の残存容量を決定し示す方法を開示している。この電池はまた基準電極を含み、基準電極に対する正極の電位が所定の固定した放電電流に対して測定される。この電位の負方向の変動が電池の残存容量の指示である。残存容量のこの決定は満充電の電池の放電中にしか得られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４、９４９、０４６号明細書
【特許文献２】米国特許第３、７８１、６５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、アルカリ電池の残存容量の既知の推定方法の欠点を克服することであり、より具体的にはこの推定の精度を増すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、この目的は添付の特許請求の範囲による方法により達成され、より具体的には、方法が、
−電池電流Ｉ、正極板電位Ｖ＋、及び電池の端子での温度Ｔを同時に測定することと、
−正極板電位Ｖ＋、電流Ｉ、温度Ｔ、及び公称電池容量Ｃｎの測定値の関数として正極板電位の温度補正値ＶＣ＋を決定することと、
−残存容量の上記推定が正極板電位の温度補正値ＶＣ＋を考慮することと
を含むという事実により達成される。
【０００９】
別の有利な点及び特徴が、限定しない例としてだけ示され添付の図面で表される本発明の具体的な実施形態の以下の説明からより明確に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】放電及び引き続く充電の間の正極板電位（Ｖ＋）及び負極板電位（Ｖ−）の進展を示す図である。
【図２】管理ユニットを備える電池の概略を例示する図である。
【図３】異なる放電率及び充電率でそれぞれ正極板電位（Ｖ＋）の変動対残存容量（ＳＯＣ）を例示する図である。
【図４】異なる放電率及び充電率でそれぞれ正極板電位（Ｖ＋）の変動対残存容量（ＳＯＣ）を例示する図である。
【図５】いくつかの残存容量値に対する正極板電位（Ｖ＋）の変動対放電率を例示する図である。
【図６】２２℃での酸素発生電流の変動対正極板電位を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
アルカリ電池は所定の公称電池容量Ｃｎを有し、基準電極、好ましくは一体化された液界基準電極、ＮｉＯＯＨ正極板、及び金属ハイブリッド、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆｅ等のような異なる物質でできていてもよい負極板を含む。
【００１２】
電池は互いに接続された１つ又は複数のセル、正極板からできるだけ近くにあることが好ましい一体化された基準電極を含むことができる。
【００１３】
残存容量（ＳＯＣ）推定は、正極板のＳＯＣと、正極板電位と、電池を通って流れる電流の間に存在する相関関係を使用する。
【００１４】
アルカリ電池の残存容量の推定方法は、上記正極板と上記基準電極の間の電圧の測定を含む。測定された電圧は正極板電位Ｖ＋を表し、正極板電位は正極板と、一体化された基準電極の間の電圧差に等しい。基準電極は、アルカリ溶液（Ａｇ／Ａｇ２Ｏ、Ｈｇ／ＨｇＯ等）中での長期間の測定に適したどんな種類からできていてもよい。ＳＯＣの推定値は、上記正極板電位Ｖ＋及び電池電流Ｉの関数である。まず、正極板電位Ｖ＋、電池の端子での温度Ｔ、及び電流Ｉが同時に測定される。次に、正極板電位Ｖ＋、電流Ｉ、温度Ｔ、及び公称電池容量Ｃｎの測定値の関数として正極板電位の温度補正値ＶＣ＋が決定される。最後に、残存容量の推定が、正極板電位の温度補正値ＶＣ＋を考慮する。
【００１５】
正極板電位の温度補正値ＶＣ＋は、以下により与えられることが好ましい。
【数１】
0005442718.tif 000002
上式で
−Ｔ０は所定の基準温度値であり、
−ｋｔＳＯＣは正極板電位の温度係数であり、
−Ｔは電池の端子で測定された温度である。
【００１６】
温度係数ｋｔＳＯＣは充電率又は放電率の関数である。率は時間単位で表され、公称容量電池Ｃｎ（Ａｈ単位）と測定された電流値Ｉの比Ｃｎ／Ｉに相当する。
【００１７】
異なる充電率及び放電率に対応するｋｔＳＯＣの異なる値が、前の較正手順の間に決定され、これらの値は対応するルック・アップ・テーブル内に記憶されてもよい。したがって、温度係数の決定後、式（１）を使用することにより正極板電位の補正値ＶＣ＋が容易に決定されることができる。
【００１８】
次に、残存容量ＳＯＣ（ＶＣ＋、率）が、前に較正手順中に得られた関数ＳＯＣ（Ｖ＋、率）のＶ＋値の代わりにＶＣ＋値を考慮して推定されることができる。この関数ＳＯＣ（Ｖ＋、率）は、第１のルック・アップ・テーブル内に記憶される複数の値の形の下に確定されることができる。
【００１９】
図２に示されるように、電池は自律電池管理ユニットを含むことが好ましい。管理ユニットは、電流センサ２（図２では正の電池端子３に接続される）及び温度センサ４に接続され、電池端子の一方（図２では正端子３）に上記電池端子の温度を測定するために接触する処理回路１を含む。処理回路１は、基準電極５及び正端子３に、これら２つの地点間の電圧差、すなわち正極板電位Ｖ＋を測定するためにさらに接続される。電流センサ２は分流器でも、正の電池端子３と直列に接続される電流計でもよい。処理回路１は、異なるルック・アップ・テーブル、及び電池の既知の公称容量Ｃｎが記憶されるメモリ（図示されていない）を含むことが好ましい。電池管理システムは、電池自体のエネルギー源により、又は図２に示されるようにそれぞれ電池の正端子及び負端子に接続される電源供給入力を用いて電池自体により電源が供給されることができる。図２に示されるように、電池が直列に複数のセルを含むとき、基準電極５は正の電池端子３の近くにある末端セル６に配置されることが好ましい。処理回路は、推定されたＳＯＣ値を表示するための表示ユニット（示されていない）をさらに含むことが好ましい。
【００２０】
上述の較正手順は２段階で進む。第１段階では、関数ＳＯＣ（Ｖ＋、率）が確定され、一方第２段階では、関係ｋｔＳＯＣ（率）が決定される。較正手順は基準温度Ｔ０で行われる。これらの関数ＳＯＣ及びｋｔＳＯＣは任意の既知の較正手順により得られることができ、この較正手順の結果が、処理回路１のメモリ内の対応する第１のルック・アップ・テーブル内及び第２のルック・アップ・テーブル内に記憶されることが好ましい。
【００２１】
第１のルック・アップ・テーブルは、異なるＳＯＣ値を率及び正極板電位Ｖ＋の関数として含み、この第１のルック・アップ・テーブルは２つの部分に分割されることが好ましい。第１の部分は、異なる放電率での電池の放電による較正手順中に１％から９９％まで得られる、異なる正極板電位値、それぞれ５ｈ、１０ｈ、２０ｈ、４０ｈ、及び６０ｈに対応するＳＯＣ値を第１列に含む。
【００２２】
以下の表１が第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分を例示する。
【表１】
0005442718.tif 000003
【００２３】
表２として以下に例示されるルック・アップ・テーブルの第２の部分は、異なる充電率（それぞれ５ｈ、１０ｈ、２０ｈ、４０ｈ、及び６０ｈ）（図４）での電池の充電により較正手順の間に得られる、異なる正極板電位値に対応するＳＯＣ値ＳＯＣｃｈを表す。
【表２】
0005442718.tif 000004
【００２４】
第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分及び第２の部分を構築するために、電池はいくつかの充電／放電サイクルにかけられる。各サイクルは、たとえば、所定の定電流での放電を含むことができ、３０分開回路で休止し、Ａｈ単位での電気エネルギー量が最後の放電中に取り除かれた電気エネルギー量を４５％だけ超えるまで同じ率での定電流充電が続く。
【００２５】
表１及び２では、使用される充電率／放電率は、以下の値、すなわち６０ｈ、４０ｈ、２０ｈ、１０ｈ、及び５ｈに対応する。一般に、この方法は４ｈまで低下する充電率までよい結果を与える。放電中のＳＯＣ推定については、放電中にガス発生、腐食等のような寄生反応がないという事実により、方法は０．５ｈ〜１ｈのようなはるかに低い放電率（急速放電）で適切な値を示すことができる。
【００２６】
表１では、ＳＯＣの値ＳＯＣｄｓｃｈが、所与の正極板電位Ｖ＋を得るために必要な時間間隔中の放電電流の積分、及び電池の放電容量Ｃｄによる正規化により各放電率に対して計算された。
【数２】
0005442718.tif 000005
【００２７】
したがって、較正手順中、電流Ｉ及び正極板電位Ｖ＋が測定され、対応するＳＯＣ値ＳＯＣｄｓｃｈが式（２）に従って計算され、ここでＣｄは較正により得られ、測定された電流Ｉと放電率の積に対応する。
【００２８】
図３は正極板電位Ｖ＋の対応する測定された変動対種々の値の放電率に対するＳＯＣの計算値を例示する。
【００２９】
一例として、通常太陽エネルギー利用のために使用されるポケットプレート型の正極板を備える４５Ａｈ  Ｎｉ−Ｃｄセルについて図３の実験曲線が得られた。使用された基準電極は、Ｎｉ−Ｃｄセル内の電解液に十分近いと考えられる比重１．２１ｇ／ｍｌ（２２．３８ｗｔ％、４．８３Ｍ）を有するＫＯＨで満たされたＡｇ／Ａｇ２Ｏ電極である。表されたデータは例示であり、この具体的な例に本発明を限定するべきではない。
【００３０】
関数ＳＯＣ（Ｖ＋、率）を表す第１のルック・アップ・テーブルの第１の部分は、図３に示される曲線から得られることができる。
【００３１】
ＳＯＣの選択された値が、最小精度＋／−０．１％で式（２）により確定された。表１内の選択されたＳＯＣ値は最小データセットを表し、そのデータセットにより、Ｖ＋（ＳＯＣ、率）の曲線全体がかなりの精度で３次スプライン補間により生成されることができる。スプライン生成Ｖ＋（ＳＯＣ）曲線と実験曲線の差は取るに足りないことが理解されることができる。
【００３２】
較正手順のコストを下げるために、ルック・アップ・テーブルの構築があまり自動化されていない場合、この最小データセットが必要とされてもよい。
【００３３】
次のステップが、得られたルック・アップ・テーブルの数値拡張を含むことがある。まずＶ＋（ＳＯＣ）の各放電曲線が、３次スプラインを使って補間により１％刻みでＳＯＣ＝１〜９９％まで拡張される。したがって、ルック・アップ・テーブルの行の数が自動的に約５倍に拡大し、このことは、仮想精度が約＋／−０．５％に増大することに相当する。
【００３４】
第１のルック・アップ・テーブルの放電部分の構築はまた、列の数の増大を含むことがある。各ＳＯＣ値に対応するＶ＋（率）値に基づき、列の数が率刻み０．５ｈで３次スプライン補間により何倍かに増やされることができる。いくつかのＳＯＣ値に対する対応するＶ＋（率）曲線が図５に示される。
【００３５】
第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分が、較正手順の充電サイクル中に、充電電流の積分、及びＣｄによる正規化により同様な方法で構築される。しかし、アルカリ電池内部の酸素発生という逆効果の非効率さを考慮することが望ましい。酸素発生は、電池の充電中に発生する寄生電流を生成する。実際には、充電中、２種類の電流、すなわちＮｉ（ＯＨ）２→ＮｉＯＯＨ＋ｅ−＋Ｈ＋により与えられる充電電流Ｉｃｈ、及び４ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−により与えられるＯ２ガスに依存する寄生電流ＩＯ２があり、測定される電流Ｉはこれらの電流の合計に相当する。したがって、正極板電位Ｖ＋への酸素発生電流ＩＯ２の依存性を推定する際に、測定された電流値を修正することが望ましい。このことは、電池が満充電されたときだけに行われることができる。実際には、このとき、注入される電流すべてが正極板上の酸素発生のために消費され、所定の温度で、たとえば２２℃で図６に示されるような実験曲線ＩＯ２（Ｖ＋）が得られることができる。各点が、３回のボルタンメトリーサイクル後に、電流が増す方向に１時間の定電流過充電後に測定されている。
【００３６】
次に、経験式を使用して既知の方法により曲線ＩＯ２（Ｖ＋）が補間されることができる。経験式の最適な選択肢が３次の多項式である。
【数３】
0005442718.tif 000006
係数ａ０、ａ１、ａ２、及びａ３は線形回帰による等の既知の分析法により得られることができる。
【００３７】
次に、得られた多項式関数ＩＯ２（Ｖ＋）が、以下の関係を使用して充電較正プロセス中にＳＯＣの修正値ＳＯＣｃｈを計算するために使用されることができる。
【数４】
0005442718.tif 000007
【００３８】
次に、第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分の構築が、第１の部分に対するのと同じ手順に従う。
【００３９】
関数ＳＯＣ（Ｖ＋、率）を示す第１のルック・アップ・テーブルの第２の部分は、図４に示される曲線から得られることができる。
【００４０】
較正手順の第２段階は、温度補正係数ｋｔＳＯＣと率の間の関係の決定であり、この関係は第２のルック・アップ・テーブル内に記憶されることができる。好ましい実施形態では、第１のルック・アップ・テーブルの構築のために使用される手順は、少なくとも２つの別の温度で、すなわち基準温度Ｔ０値よりも高い温度、たとえばＴ１＝５０℃で、及び基準温度より低い温度、たとえばＴ２＝０℃で繰り返される。上述の手順は複数の充電率及び放電率に対してそれぞれＶ＋（ＳＯＣ，Ｔ１）及びＶ＋（ＳＯＣ，Ｔ２）を提供する。
【００４１】
例として、各充電率及び放電率に対して、正極板電位Ｖ＋対ｎの異なる値での、たとえばＳＯＣ＝２０％、４０％、６０％、及び８０％での温度Ｔ０、Ｔ１、及びＴ２の傾きとして第１の係数ｋｔが計算される。
【数５】
0005442718.tif 000008
【００４２】
次に、各充電率及び放電率に対して、平均ｋｔＳＯＣが
【数６】
0005442718.tif 000009
と計算され、上記の例ではｎ＝４である。ｋｔＳＯＣ対率のルック・アップ・テーブルは、第１のルック・アップ・テーブルに対するのと同じ率刻み値で３次スプライン補間により拡張されることができる。
【００４３】
最高の精度でＳＯＣを得るために、理論的には、較正はアルカリ電池の各種別、サイズ、及び設計に対して個々に行われるべきである。しかし、同じルック・アップ・テーブルで得られる較正値は、種々の寸法を有する異なる種別のアルカリ電池（Ｎｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｆｅ）が、同じ種別又は同様の種別の正極板、たとえばＮｉＯＯＨ電極（ポケットプレート、焼結された等）を有すること、及び較正データが、選択された種別のＮｉＯＯＨ電極を使って行われた較正手順から得られたという前提で、これらの異なる種別のアルカリ電池の残存容量の推定のために実際には使用されることができる。さらに、基準電極の電解液組成は、基準電極と電池の間の接合部電位の影響を除くために基準電極が配置される完全に充電された又は完全に放電された電池又はセルの電解液組成と同じであるべきである。
【００４４】
本発明は、充電電流が約Ｃｎ／５〜Ｃｎ／４に制限される種々のエネルギーシステムに、たとえば、ＰＶモジュールの面積、及び太陽放射の最大値により充電電流又は電力が制限される、一体化されたエネルギー貯蔵を備える太陽光発電システムに適用されることができる。
【図１】
0005442718.tif 000011
【図２】
0005442718.tif 000012
【図３】
0005442718.tif 000013
【図４】
0005442718.tif 000014
【図５】
0005442718.tif 000015
【図６】
0005442718.tif 000016