(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学バッテリの状態を判定する方法であって、前記バッテリの部品の磁化率を判定することを含み、前記状態は前記バッテリの充電状態である、電気化学バッテリの状態を判定する方法。
【請求項２】
前記部品の磁化率を判定することは、前記部品を磁場にさらすこと、前記磁場によって前記部品に生成される誘起磁場を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁場をひとつの周波数において変化させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記周波数は１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内にある、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
バッテリの状態と前記磁化率の関連性から前記バッテリの状態を判定することを含む、請求項２、３、または４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記周波数を変化させることであって、前記周波数において前記磁場が変化する、前記周波数を変化させること、遷移周波数を特定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記遷移周波数を特定した後、前記遷移周波数で前記磁場を変化させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電気化学バッテリの状態を判定する方法であって、
前記バッテリの部品を第１の磁場にさらすことであって、前記第１の磁場は第１の周波数で時間的に変化する、前記第１の磁場にさらすこと、
前記第１の磁場によって前記部品に生成される第１の誘起磁場を測定すること、
前記第１の誘起磁場の大きさに少なくとも部分的に基づいて、前記バッテリの状態を判定すること
を含み、前記状態は前記バッテリの充電状態である、方法。
【請求項９】
前記部品を第２の磁場にさらすことであって、前記第２の磁場は、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で時間的に変化する、前記第２の磁場にさらすこと、
前記第２の磁場によって前記部品に生成される第２の誘起磁場を測定すること、
前記第２の誘起磁場の大きさに少なくとも部分的に基づいて、前記バッテリの状態を判定すること
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記バッテリの状態を判定することは、前記第２の誘起磁場の大きさから前記部品の磁化率を判定することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記バッテリの状態を判定することは、少なくとも前記第１および第２の誘起磁場の大きさの加重平均を判定することを含む、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記バッテリの状態を判定することは、前記第１の磁場の表皮深さを判定することを含む、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記部品は前記バッテリの電極である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記バッテリは鉛酸バッテリである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電極は、前記バッテリのケースの壁に隣接しており、前記方法は、前記電極に誘起される磁気から生じる磁場を前記ケースの外側の位置で測定することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記部品は前記バッテリの陰極である、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
電気化学バッテリの状態を判定する装置であって、印加された磁場の結果として前記電気化学バッテリの部品の磁化を判定するために位置決め可能な磁場検出器を備える装置。
【請求項１８】
ａ）バッテリ部品の磁化率を示す信号を出力するように構成された磁化率計と、
ｂ）前記信号を受信するために接続され、前記バッテリの充電状態の推定値を判定するように構成されるコントローラであって、前記推定値は前記信号に少なくとも部分的に基づく、前記コントローラと
を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記バッテリの充電状態の前記推定値をディスプレイに表示するように構成されている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記充電状態が閾値以下であることを示す前記推定値に応じて、バッテリが電力を供給する１つまたは複数の負荷により消費される電力を低減するように構成されている、請求項１８および１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
視覚警報デバイスまたは聴覚警報デバイスを備え、前記コントローラは、前記充電状態が閾値以下であることを示す前記推定値に応じて、前記警報デバイスを駆動するように構成されている、請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記コントローラは較正機能を備え、前記較正機能は前記信号の値と前記バッテリの対応する充電状態との関係を提供する、請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記較正機能は参照テーブルを備え、前記コントローラは前記信号の値を手掛りとして用いて前記充電状態を参照することができる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記磁化率計は磁界源および前記磁場検出器を備える、請求項１８乃至２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記磁場検出器は磁気トンネル接合を備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記磁場検出器は巨大磁気電気効果に基づく、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記磁界源は、導体に電流を供給するために接続された電流源を含み、前記導体は、少なくとも１つの巻線を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記電流源は、前記導体に時間的に変化する電流を供給するように動作可能である、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記電流源は、少なくとも第１および第２の異なる周波数で前記導体に電流を供給する
ように構成されている、請求項２７乃至２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記電流源は、前記導体に供給される電流の周波数を変化させることができる、請求項２７乃至２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記周波数は１０ｋＨｚを含む範囲において可変である、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記導体は平面内にあって電流ループを定め、前記磁場検出器は前記電流ループの平面内にある、請求項２７乃至３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記導体は軸に関して対称である電流ループを備え、前記磁場検出器は前記軸上にある、請求項２７乃至３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
前記導体は回路基板上にパターン形成されたらせん導体を備える、請求項２７乃至３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
前記回路基板は多層回路基板であり、前記らせん導体は、前記回路基板の２層またはそれよりも多くの層にパターン形成されたらせん導体部分を備える、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記導体は、前記バッテリのケースの外側に取り付けられる、請求項２７乃至３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記導体は、前記バッテリのケースの外側の凹部内に取り付けられる、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記導体は、前記バッテリのケースに組み込まれる、請求項２７乃至３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３９】
前記導体は、前記バッテリのケースに取り付けるための接着面を有するアセンブリにおいて提供される、請求項２７乃至３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
１つまたは複数の電極を備える電気バッテリであって、前記バッテリは、前記バッテリのケース内部に設置される磁場検出器により特徴付けられ、前記磁場検出器は、前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに組み込まれている、電気バッテリ。
【請求項４１】
前記１つまたは複数の電極の少なくとも１つに組み込まれた磁界源を備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４２】
前記磁界源は電流ループを備える、請求項４１に記載のバッテリ。
【請求項４３】
前記バッテリは鉛酸バッテリである、請求項４０乃至４２のいずれか一項に記載のバッテリ。
【請求項４４】
前記磁場検出器は磁気トンネル接合を備える、請求項４０乃至４３のいずれか一項に記載のバッテリ。
【請求項４５】
前記磁場検出器は巨大磁気電気効果センサを備える、請求項４０乃至４３のいずれか一項に記載のバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリ試験に関する。本発明の特定の実施形態は鉛酸バッテリの試験に関する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年６月５日に出願された「バッテリを試験する方法および装置（ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＴＥＳＴＩＮＧ）」と題する米国特許出願第６１／０５９，１５１号明細書からの優先権を主張する。米国において、本出願は、米国特許法に基づき上記出願第６１／０５９，１５１号明細書の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリは、電力を供給するために広範囲の用途で使用される。自動車分野において、バッテリは、エンジン始動、照明、電子アクセサリ、駆動力、制御システムなどを含む車両システムへの電力供給用として使用される。最近の車両では、運転に電気を必要とするシステムの数が増加している。電子制御ブレーキシステムおよび電子式エンジン制御システムなど、安全な車両運転にとって不可欠なシステムもある。
【０００３】
重要なシステムがバッテリから給電される場合、バッテリの状態をモニタすることが重要となりうる。バッテリの充電状態（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ：ＳｏＣ）およびバッテリの状態（健康状態（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｈｅａｌｔｈ：ＳｏＨ）とも呼ばれる）を評価するために、バッテリ試験システムが採用される。バッテリ試験システムは、典型的に、バッテリの電気的特性をモニタする。たとえば、このようなシステムには、様々な周波数でバッテリのインピーダンスをモニタするものもある。
【０００４】
既存の多くのバッテリ試験システムに関連する問題は、特に、新しくないバッテリに対してシステムが正確でないことである。このようなシステムは、バッテリの充電状態について不正確な推定値をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バッテリの状態をモニタする正確なシステムおよび方法が必要である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態例によるバッテリ試験システムのブロック図である。
【図２】さらに詳細な実施形態例による装置を示す図である。
【図３】円形ループにおいて循環する電流によって発生される磁場を示す図である。
【図４】磁場センサの略図である。
【図５】バッテリの充電状態の関数としてバッテリ電極の測定磁化率を示す曲線を含むグラフである。
【図６】センサアセンブリを示す図である。
【図７】バッテリの状態をモニタする方法例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
添付図面は本発明の限定されない実施形態を示す。
以下の説明を通じて、本発明をより徹底的に理解するための具体的詳細が示される。ただし、本発明はこれらの詳細なしで実施されてもよい。他の例では、本発明が無用に曖昧になるのを避けるために周知の要素は示されておらずあるいは詳しく記載されていない。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味として考えられるべきである。
【０００８】
本発明による装置および方法は、バッテリ部品の磁化率の変化に基づいてバッテリの状態を測定する。バッテリ部品は、バッテリが充放電する際に化学的に変化するバッテリの電極を備えていてもよい。
【０００９】
図１は、バッテリ１２を試験するために接続されたバッテリ試験装置１０を示す。バッテリ１２は、電解液１５に浸漬された電極１４Ａおよび１４Ｂ（電極１４と総称）を収納するケース１３を備える。図１において、バッテリ１２は、１つのセルのみを有するものとして示される。バッテリ１２は、任意の適当数のセルを有していてもよい。バッテリ１２は、電力を負荷Ｌに供給しうるし、充電器Ｃによって充電されうる。
【００１０】
バッテリが充放電すると、電極１４の少なくとも一方の化学組成が変化する。たとえば、バッテリ１２が鉛酸バッテリである場合を考えてみよう。鉛酸バッテリでは、電極１４Ｂは鉛陰極を備え、電極１４Ａは二酸化鉛陽極を備える。電解液１５は酸電解液である。
【００１１】
放電中に、以下の半反応が陰極１４Ｂで起きる。
Ｐｂ＋ＨＳＯ４−→ＰｂＳＯ４＋Ｈ＋＋２ｅ−      （１）
また、以下の半反応が陽極１４Ａで起きる。
【００１２】
Ｐｂ２＋＋ＳＯ４２−→ＰｂＳＯ４      （２）
充電中に、各電極における反応が反転される。興味深いことは、バッテリが充放電するときに各電極の化学組成が変化することである。
【００１３】
装置１０は電極１４の磁化率の変化を利用しており、この磁化率の変化はバッテリ１２の状態を示す情報を得るための電極１４の化学変化に対応している。たとえば、装置１０は、バッテリ１２の充電状態を示す情報を得てもよい。磁化率は、物質が印加磁場に応じて磁気を帯びる程度の尺度である。
【００１４】
鉛は、ｃｇｓ単位において−２３×１０−６の磁化率を有するが、硫酸鉛は約−７０×１０−６の磁化率を有する。それゆえ、バッテリ１２が放電されて陰極１４Ｂにおける硫酸鉛と鉛の比が増加すると、陰極１４Ｂの磁化率も増加する（すなわち、陰極１４Ｂは反磁性が強まり、所与の印加磁場に応じてより大きい磁化を示す）。同様に、バッテリ１２が充電されると、陰極１４Ｂにおける硫酸鉛と鉛の比が減少して陰極１４Ｂの磁化率が減少する（すなわち、陰極１４Ｂは反磁性が弱まり、所与の印加磁場に応じてより小さい磁化を示す）。それゆえ、陰極１４Ｂの磁化率は、バッテリ１２の充電状態と相関がありうる。また、陽極１４Ａの磁化率はバッテリ１２の充電状態によって変化するが、二酸化鉛と硫酸鉛の磁化率の差は鉛と硫酸鉛の磁化率の差よりも小さいので、陽極１４Ａの磁化率の変化は陰極１４Ｂの磁化率の変化よりも小さい。
【００１５】
図１の実施形態において、装置１０は、陰極１４Ｂの磁化率の変化に応じて変化する出力信号１９を示す磁化率計１８を備える。信号１９はコントローラ２０に提供される。コントローラ２０は、信号１９の値に基づいて処置を取る。様々な用途においてコントローラ２０によって取られる可能性のある処置の例として、以下が挙げられる。
●充電状態の推定値を計算して表示する。推定値は、０〜１０、０〜１００、良−可−不可など、任意の単位であってよい。推定値は、数値などの充電値を単位、および棒グラフなどの視覚表示の形の少なくとも一方として表示されてもよい。
●充電状態が閾値以下であるとの判定に応じて負荷Ｌに含まれる１つまたは複数の部品の電源の切断、およびこれらの部品を電力低減モードに入れることの少なくとも一方を行なう。
●充電状態が閾値以下であることをオペレータに警告するために警報信号を発する。警報は、視覚警報または聴覚警報であってもよく、あるいは別の制御システムに提供される電子信号、すなわち、Ｅメール、インスタントメッセージなどの電子メッセージであってもよい。
【００１６】
コントローラ２０は、プログラム・データ・プロセッサ、論理回路などを備えていてもよい。一部の実施形態において、コントローラ２０は、信号１９の値をバッテリの充電状態を示す値と関連付ける較正機能を備える。較正機能は、参照テーブル、すなわち、信号１９の値をバッテリ１２の充電状態などに関係付ける式の１組の１つまたは複数のパラメータを備えていてもよい。
【００１７】
図２は、さらに詳細な実施形態例による装置３０を示す。装置３０は、磁界源３２および磁場検出器３４を備える。図示された実施形態において、磁界源３２および磁場検出器３４は、電極１４Ｂに隣接するケース１３の外側に取り付けられる。図示された実施形態において、磁界源３２は、導体３７に電流を流すために接続される電流源３５を備える。好ましくは、電極１４Ｂの磁化率の尺度が得られほど大きい磁場が電流源３５から供給される比較的低いレベルの電流で実現されるように導体３７は複数の巻線を有する。たとえば、導体３７は、コイル状またはらせん状であってもよい。一部の実施形態において、導体３７は、ケース１３に接着されうるアセンブリの一部として提供される。アセンブリは、アセンブリをケース１３に装着できるようにするために接着面または接着パッチを有していてもよい。
【００１８】
一部の実施形態において、導体３７は、回路基板上にパターン形成されてもよい。導体３７は、たとえば、回路基板上にパターン形成されたらせんを備えていてもよい。回路基板は、各層の導体を流れる電流によって発生される磁場が互いに補強し合うように各々が導体でパターン形成された複数の層を有していてもよい。他の実施形態において、導体３７は、細いワイヤーの１本または複数本のコイルを備えていてもよい。
【００１９】
導体３７の磁場が時間的に変化するように電流源３５は時間的に変化する電流３６を供給してもよい。こうすると、信号１９が時間的に変化するかもしれない。コントローラ２０では、ノイズを除去するために信号１９の時間変化を利用してもよい。ノイズは、電流３６と同じように時間の経過とともに変化しないからである。図２に示される実施形態例において、電流源３５は、アンプ３９を駆動するために結合された波形発生器３８を備える。アンプ３９の出力は、導体３７の電流を駆動するために接続される。一部の実施形態において、磁場は１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数範囲で時間的に変化する。
【００２０】
図３は、円形ループ４０を循環する電流によって発生される磁場を示す。ビオサバールの法則から、ループ４０の軸４２上の点Ｘで発生される磁場は次式によって与えられることが示されうる。
【００２１】
【数１】
0005558461.tif 000002
式中、
ｘは、ループ４０の平面から軸４２に沿った点Ｘの距離であり、
Ｂ０（ｘ）は、点Ｘにおける磁場であり、
μ０は、磁気定数（ループ４０および周辺領域に物質がない自由空間の透磁率）であり、
ｎは、ループ４０のターン数であり、
Ｉは、ループ４０を流れる電流であり、
Ｒは、ループ４０の半径である。
【００２２】
点Ｘに材料がある場合、電流ループ４０による磁場は材料内に磁気を誘導する。材料の磁化の大きさＭは、材料の磁化率および磁場Ｂ０の強度に依存する。点Ｘから離れた点における磁場は、点Ｘにおける材料の磁化で乱される。したがって、点Ｘの近傍における材料の磁化率の変化は、点Ｘから離れた位置における磁場の変化を測定することによってモニタされうる。たとえば、磁場は、電流ループ４０の平面内で測定されうる。一部の実施形態において、磁場検出器３４は電流ループ４０の内側の電流ループ４０の実質的に平面内、たとえば、電流ループ４０の中心に設置される。
【００２３】
図２に示された実施形態において、磁場検出器３４は、導体３７の軸上および導体３７の実質的に平面内に設置されたセンサ４４を備える。センサ４４および導体３７は、電極１４Ｂに隣接するバッテリ１２のケース１３に取付け可能なアセンブリ内に取り付けられてもよい。
【００２４】
センサ４４は、隣接する電極１４Ｂの材料の磁化率の変化から生じる磁場の変化を検出するのに十分な感度を有する。センサ４４は、検出される磁場を増幅するために磁束収束部をオプションとして備えていてもよい。一部の実施形態において、センサ４４は磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）を備える。このようなセンサは、たとえば、米国、マサチューセッツ州、フォールリバーのマイクロ・マグネティクス（Ｍｉｃｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）社から入手可能である。ＭＴＪに基づく磁場センサは、以下の文献に記載されている。
●シェン（Ｓｈｅｎ）ら著、「磁気トンネル接合センサを用いたシングルミクロンサイズの電磁ビーズのその場検出（Ｉｎ  ｓｉｔｕ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｍｉｃｒｏｎ−ｓｉｚｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂｅａｄｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒｓ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６、２５３９０１（２００５）
●Ｂ．Ｄ．シュラグ（Ｓｃｈｒａｇ）ら著、「磁気トンネル接合センサを用いた磁気電流イメージング：ケーススタディと分析（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒｓ：ｃａｓｅ  ｓｔｕｄｙ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｓｉｓ）」
簡単なＭＴＪは、非常に薄い絶縁膜で隔てられた２層の磁性材料を備える。電圧がこの構造体の両側に印加されかつ絶縁層が十分に薄ければ、電子が量子力学トンネル現象によって絶縁膜の中を流れうる。２つの磁化材料間のトンネル現象の場合、トンネル電流は、２つの材料の磁化方向が平行であれば最大であり、２つの材料の磁化方向が逆平行に整列していれば最小である。したがって、外部磁場によって磁性材料の層の相対的な帯磁方向が変化すると、トンネル電流、したがってデバイスの抵抗が変わることになる。
【００２５】
また、バッテリ部品の磁化率の変化によって生じる磁場変化を検出しうるほど高感度の他の磁気センサが使用されてもよい。たとえば、磁気電気センサが適用されてもよい。巨大磁気電気効果に根ざす磁場センサが、たとえば、以下の文献に記載される。
●ナン（Ｎａｎ）ら著、「強磁性ポリマーベース合成物における巨大磁気電気応答（Ｌａｒｇｅ  ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉｆｅｒｒｏｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７１、０１４１０２（２００５）
●リュー（Ｒｙｕ）ら著、「磁歪および圧電物質の合成物における磁気効果（Ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  ａｎｄ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍｉｃｓ、ｖｏｌ．８、Ｎｏ．２、ｐｐ．１０７−１１９（２００２年８月）
●ＺＰ  シン（Ｘｉｎｇ）ら著、「磁気電気ラミネートセンサを用いた擬似静的ナノテスラ磁場変動のモデリング及び検出（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ  ｎａｎｏｔｅｓｌａ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｌａｍｉｎａｔｅ  ｓｅｎｓｏｒｓ）」Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９  ０１５２０６（２００８）
●ポドニー（Ｐｏｄｎｅｙ）著、米国特許第５６７５２５２号明細書
図４は、圧電性材料の層５３Ａと５３Ｂの間に挟まれた巨大磁歪材料テルフェノール（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ）−Ｄの層５２を備える磁場センサ５０を示す。圧電性材料は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（「ＰＺＴ」）を備えていてもよい。磁場の変化は層５２に磁歪を引き起こす。これは、さらに、圧電層５３Ａおよび５３Ｂに形状の変化をもたらして圧電層の電極間に電圧差を生じさせる。一部の実施形態において、センサ５０は、センサ５０が電流源３５によって供給される駆動電流の周波数あるいはその近くの周波数で最も感度が高くなるような電気機械共振周波数を有するように設計される。
【００２６】
一部の実施形態において用途を有する可能性のある他の高感度磁場センサとして、以下が挙げられる。
●超伝導量子干渉検出器（ＳＱＵＩＤ）。ＳＱＵＩＤは、非常に高感度であるが、一部の用途に不向きな特別な動作条件を必要とすることがある。
●巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を利用するセンサ
●光ファイバー磁力計
●トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を利用するセンサ
●サーチコイル磁力計
●たとえば、Ａ．ナサン（Ｎａｔｈａｎ）ら著、「集積シリコン磁気トランジスタを用いてナノテスラ分解能を得る方法（Ｈｏｗ  ｔｏ  ａｃｈｉｅｖｅ  ｎａｎｏｔｅｓｌａ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎｍａｇｎｅｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）」Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｍｅｅｔｉｎｇ、１９８９．ＩＤＥＭ‘８９、ｐｐ．５１１−５１４（３−６  Ｄｅｃ  １９８９）に記載されるような磁気トランジスタ。
●たとえば、グエン  ヴァン  ダウ（Ｎｇｕｙｅｎ  Ｖａｎ  Ｄａｕ）  Ｆ．著、「プレーナホール効果を用いたナノテスラ検出のための磁気センサ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｎａｎｏｔｅｓｌａ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｐｌａｎａｒ  Ｈａｌｌ  ｅｆｆｅｃｔ）」Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ａ、１９９６、ｖｏｌ．５３、ｎｏ１−３、ｐｐ．２５６−２６０に記載されるような超高感度ホール効果センサ
磁場センサ５０に必要な感度は、磁界源３２によって発生される磁場の強度、磁界源３２および磁場センサ５０の形状、化学変化が生じる電極１４の形状、ならびに磁界源３２と磁場センサ５０と電極１４の間隔などの要因に依存する。
【００２７】
図５は、バッテリの充電状態の関数としてバッテリ電極の測定磁化率を示す曲線を含むグラフである。検出された磁場と試験されているバッテリの充電状態との間に強い相関があることが分かる。図５のグラフは９０Ａｈｒの容量を有するＡＧＭ  ＳＬＩ（始動、点灯、点火）バッテリを用いて得られた。測定は、２０℃において完全充電されたバッテリから１０．５Ｖの電圧までの２５Ａの放電電流を用いて行われた。センサは、１つの電極に隣接するバッテリの側面に直接取り付けられた。
【００２８】
一部の実施形態において、電流源３５の周波数は可変である。このような実施形態では、２つまたはそれ以上の異なる周波数でバッテリ部品の磁化率をモニタすることによってバッテリに関する追加情報を得てもよい。材料への磁場の浸透深さは、周波数が高くなるにつれて小さくなる。浸透深さは、次式で与えられる表皮深さによって近似される。
【００２９】
【数２】
0005558461.tif 000003
式中、ζは表皮深さであり、μは材料の磁化率であり、θは材料の導電率であり、ｆは周波数である。１０ｋＨｚにおいて、ζは一部の関心材料において約２ｍｍである。種々の周波数で変動する磁場を用いて測定することによって（たとえば、磁場を発生する電磁石を駆動するＡＣまたはパルス化ＤＣ電流の周波数を変えることによって）、バッテリの充放電に関連する化学変化がバッテリの電極内部の種々の深さで起きる程度を検知することができる。
【００３０】
一部の実施形態において、本発明による試験装置は、２つまたはそれ以上の周波数での磁気励起に応答する試験用バッテリの電極の磁化を測定し、２つまたはそれ以上の周波数の各々での測定磁化に基づいてバッテリの充電状態を決定する。種々の周波数における測定は、時を異にして行われてもよく、同時に行われてもよい。充電状態の尺度を得ることは、たとえば、磁気励起の２つまたはそれ以上の周波数に対して得られる値の平均または加重平均を取ることを備えていてもよい。
【００３１】
一部の実施形態は、磁気励起の周波数を特定のバッテリに適した周波数に調整するように構成された制御システムを備える。これは、たとえば、磁場がモニタされている電極に十分に浸透する最高周波数である遷移周波数を少なくとも近似的に特定するために周波数を変化させることによって行われてもよい。遷移周波数は、たとえば、周波数を高周波からスイープダウンして、電極の反対側の電解液の磁場が検出されていることを意味する特性を検出された磁気が示す周波数を決定することによって特定されてもよい。
【００３２】
一部の実施形態は、バッテリのケースに取付け可能な基板を備えるセンサアセンブリを提供し、基板上には以下の一部または全部が担持される。
●コイルなどの磁界源
●磁場検出器
●磁場検出器から出力される信号を予備処理するために接続される信号処理回路。信号処理回路は、たとえば、アンプ、１つまたは複数のフィルター（帯域通過フィルターとして機能を果たす可能性のある）、およびアーチファクト除去回路の１つまたは複数を備えていてもよい。
●磁場検出器用駆動回路。駆動回路は、たとえば、磁場検出器に適当なバイアス電圧を供給しおよび／または電流を供給する回路を備えていてもよい。
一部の実施形態において、センサアセンブリは、センサアセンブリの側面をバッテリの側面に接着できる接着スポットまたは接着層を備える。一部の実施形態において、基板上のすべての回路およびその他の部品は、カプセル化されるかまたは別の方法で保護される。一部の実施形態において、バッテリの外側ケースは、凹部を有し、センサアセンブリは凹部内でバッテリに装着される。このような実施形態において、センサアセンブリは、バッテリの側面にはめ込まれることによって機械的損傷から幾分か保護される。一部の実施形態において、基板は、バッテリの表面にうまく適合するように可撓性がある。一部の実施形態において、基板は、バッテリの一般に平面的な側面に適合するように一般に平面的である。一部の実施形態において、基板は、バッテリの曲面に適合するように湾曲している。
【００３３】
図６は、基板６２、磁場を発生するコイル６４、磁場検出器６６、および信号処理回路６８を備えるセンサアセンブリ６０を示す。コネクタ６９は、コイル６４に電流を供給する電源７２と、磁場検出器６６からの信号に少なくとも部分的に基づいてバッテリの状態を評価して以下のような処置を取るコントローラ７３と、を含む外部装置７０への接続を可能にする。
●バッテリの充電状態をディスプレイに表示する。
●バッテリが所定の充電状態に達する前に推定実行時間を計算する。
●バッテリの充電状態が閾値レベル以下に下がっているとの判定に応じて、オプションの負荷を切断しおよび／または負荷を電力節約モードに入れる。
●他の部品に信号を伝達してバッテリの充電状態を示す。
●その他
一部の実施形態において、バッテリは車両内のバッテリであり、外部装置７０は車両のデータ通信バスに接続される。一部の実施形態において、データ通信バスは、コントローラ・エリア・ネットワーク（「ＣＡＮ」）またはローカル相互接続ネットワーク（「ＬＩＮ」）バスである。装置７０は、データ通信バスを介して信号を他の部品に送信してもよい。信号は、他の部品に別の動作モードに切り替えさせてもよく、および／またはモニタされているバッテリの状態変化の結果として停止または起動してもよい。
【００３４】
別の実施形態は、前述の装置例とは何かにつけ異なる。たとえば、
●磁場を発生するために電磁石の代わりに永久磁石が使用されうる。
●バッテリ試験装置は、本明細書の記載通りに使用されてもよく、さらに、バッテリに関する他の情報を受信してもよい。たとえば、種々の周波数におけるバッテリの複素インピーダンス、バッテリの充放電電流、および／またはバッテリの電圧などの特性がモニタされてもよい。これらの追加測定値は、モニタされているバッテリの状態に関する高度な情報を得るために本明細書に記載されるような磁化率測定値の情報と組み合わせられてもよい。
●バッテリ試験装置の一部の部品は、バッテリに内蔵されうる。たとえば、磁場センサがバッテリ電極内に組み込まれうる。バッテリ電極内に磁場を誘起するコイルがバッテリケース内に設置されうるし、バッテリ電極内に組み込まれうる。磁場センサおよびコイルがバッテリケースの壁の中に組み込まれうる。
●印加される磁場は、負荷に対する電源用のバッテリに流れる電流によって発生されうる。装置は、バッテリから供給される電流をモニタして供給電流の変動を検出磁場の変動と関連付ける電流センサを含んでいてもよい。
【００３５】
図７は、本発明の一部の実施形態例による方法８０を示すフローチャートである。磁場パラメータがブロック８２においてオプションとして設定される。ブロック８４において、バッテリ部品が少なくとも第１の磁場にさらされる。バッテリ部品に誘起される磁場はブロック８６において測定される。
【００３６】
一部の実施形態において、部品に誘起される複数の磁場が測定される。このような実施形態において、種々の磁場（たとえば、種々の強度、種々の分極、または種々の時間変化を有する磁場）が複数の測定値の一部または全部に使用されてもよい。このような実施形態において、ブロック８８は、データ収集が終了しているかどうかを判定する。終了していなければ、方法８０は経路８９で示されるように追加測定値を得るためにブロック８２、８４、および８６を繰り返す。
【００３７】
データ収集が終了すると（「はい」がブロック８８から得られると）、方法８０は収集データからバッテリの状態を判定するブロック９０に進む。ブロック９０で判定された状態は、バッテリの充電状態を含んでいてもよい。ブロック９２において、充電状態が閾値と比較される。比較がバッテリは十分に充電されていることを示すと、方法８０はブロック９３に進み、バッテリの状態を再び測定するために適切な時期まで待機する。ブロック９２がバッテリの充電状態はある閾値よりも低いと判定すると、閾値を越えるためにブロック９４において１つまたは複数の適切な処置が取られ、この後、方法８０はブロック９５に進みバッテリの状態を再び測定するために適切な時期まで待機する。
【００３８】
本発明は、以下を含む様々な方法で無制限に具体化されてもよい。
●バッテリの状態（特に充電状態）をモニタする方法。
●バッテリの状態（特に充電状態）を試験する装置。
●本明細書に記載されるような方法に従ってモニタリングに使用される部品に内蔵されているバッテリ。
●本明細書に記載されるような方法に従ってモニタリングに使用されるバッテリに取り付けられうるセンサアセンブリ。
【００３９】
本発明の特定の実施は、プロセッサに本発明の方法を実施させるソフトウェア命令を実行するコンピュータプロセッサを備える。たとえば、バッテリ試験装置内の１つまたは複数のプロセッサは、プロセッサにアクセス可能なプログラムメモリ内のソフトウェア命令を実行することによって測定された誘起磁場に基づいてバッテリの充電状態を判定する方法を実施してもよい。また、本発明は、プログラム製品の形で提供されてもよい。プログラム製品は、データプロセッサによって実行されるときデータプロセッサに本発明の方法を実行させる１組のコンピュータ可読命令を伝える任意の媒体を備えていてもよい。本発明によるプログラム製品は、様々な形のいずれであってもよい。プログラム製品は、たとえば、フロッピー（登録商標）ディスケット、ハード・ディスク・ドライブを含む磁気データ記憶媒体、ＣＤ  ＲＯＭ、ＤＶＤを含む光データ記憶媒体、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭを含む電子データ記憶媒体などを備えていてもよい。プログラム製品上のコンピュータ可読信号は、オプションとして圧縮または暗号化されてもよい。
【００４０】
部品（たとえば、ソフトウェアモジュール、プロセッサ、アセンブリ、デバイス、回路、センサなど）が上記で言及される場合、特に指定がない限り、当該部品に対する言及（「手段」に対する言及を含む）は、本発明に示す例示的な実施形態において機能を実施する開示された構造物と構造的に等価でない部品を含む、記載された部品の機能を実施する（すなわち、機能的に等価である）任意の部品をその部品の等価物として含むものとして解釈されるべきである。
【００４１】
数多くの例示的な態様および実施形態が上記で議論されてきたが、当業者は特定の修正形態、置換形態、追加形態、およびこれらの部分的組合せに気付くであろう。したがって、以下に添付の特許請求の範囲および以後に導入され特許請求の範囲は、このような修正形態、置換形態、追加形態、およびこれらの部分的組合せのすべてをそれらの真の趣旨および範囲内に含むものと解釈されることが意図されている。
【図１】
0005558461.tif 000004
【図２】
0005558461.tif 000005
【図３】
0005558461.tif 000006
【図４】
0005558461.tif 000007
【図５】
0005558461.tif 000008
【図６】
0005558461.tif 000009
【図７】
0005558461.tif 000010