(57)【要約】  素早く、かつ、信頼できるバッテリー充電状態の測定を可能とし、従来技術において露呈されている欠点の排除を可能とする方法により、一般的なタイプの測定方法を洗練することを目的とする。インピーダンス（Ｚ）の遷移周波数（ｆ±）が交流によって励起されるバッテリー（４０）のために決定され、前記遷移周波数（ｆ±）がバッテリー（４０）のインピーダンス（Ｚ）の虚数部（Ｚ”）がゼロになる交流周波数のときに、前記遷移周波数（ｆ±）がバッテリー（４０）の充電状態として割り当てられる、バッテリーの充電状態の測定方法とする。
2007506952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピーダンス（Ｚ）の遷移周波数（ｆ±）が交流によって励起されるバッテリー（４０）のために決定され、前記遷移周波数（ｆ±）がバッテリー（４０）のインピーダンス（Ｚ）の虚数部（Ｚ”）がゼロになる交流周波数のときに、前記遷移周波数（ｆ±）がバッテリー（４０）の充電状態として割り当てられる、バッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項２】
前記バッテリー（４０）が、前記バッテリー（４０）を含む電力供給網にある負荷（１０）で発生する雑音信号によって、及び／又は、前記電力供給網に含まれる交流源（２０）によって、励起される、ことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項３】
前記バッテリー（４０）の交流電圧の降下が測定される、ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項４】
前記バッテリー（４０）を流れる交流の強さが測定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項５】
交流電圧と交流電流との位相の位相差が決定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項６】
交流電流の前記遷移周波数（ｆ±）は、交流電圧と交流電流の位相差がゼロになるように決定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項７】
前記バッテリー（４０）の複素インピーダンス（Ｚ）が決定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項６に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項８】
複素インピーダンス（Ｚ）の虚数部がゼロになるところにおいて、交流の遷移周波数（ｆ±）が決定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項７に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項９】
前記バッテリー（４０）を励起して、交流の周波数（ｆ）が変更される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項８に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項１０】
前記バッテリー（４０）の作動温度が、遷移周波数（ｆ±）を充電状態（ＳＯＣ）に割り当てる際に考慮される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項９に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項１１】
前記バッテリー（４０）を流れる直流電流の強さが、遷移周波数（ｆ±）を充電状態（ＳＯＣ）に割り当てる際に考慮される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１０に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項１２】
前記バッテリー（４０）の老化状況が、遷移周波数（ｆ±）を充電状態（ＳＯＣ）に割り当てる際に考慮される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１１に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項１３】
前記バッテリー（４０）の老化状況が決定される、ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１２に記載のバッテリーの充電状態の決定方法。
【請求項１４】
交流によって励起されるバッテリー（４０）のインピーダンス（Ｚ）の遷移周波数（ｆ±）を決定する手段と、遷移周波数（ｆ±）がバッテリー（４０）のインピーダンス（Ｚ）の虚数部（Ｚ”）がゼロになる交流周波数のときに，遷移周波数（ｆ±）をバッテリー（４０）の充電状態として割り当る演算手段（１２０）と、を有する、バッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項１５】
可変交流電流源（３０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項１６】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段が、前記バッテリー（４０）に交流電圧降下を測定するためのセンサー（５０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項１７】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段が、前記バッテリー（４０）を流れる交流電流の強さを測定するためのセンサー（５０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項１６のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項１８】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段が、測定される電流と電圧信号をフィルタリングするための可変周波数フィルタ（８０、９０、１５０）を少なくとも一つ有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項１７のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項１９】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段は、フィルタにかけた電流と電圧信号の位相差を決定する位相比較器（１００）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項１８のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２０】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段は、位相差を精査し、周波数フィルタ（８０、９０）の転送される周波数、及び／又は、可変交流電流源（３０）の転送される周波数が、その位相差がゼロになるまで改変する、制御装置（１１０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項１９のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２１】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段は、測定される電流と電圧信号をフーリエ変換する手段（１６０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２０のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２２】
遷移周波数（ｆ±）の決定手段は、変換された信号を分析し、前記バッテリー（４０）のインピーダンス（Ｚ）の虚数部（Ｚ”）がゼロになる周波数を決定する、分析ユニット（１７０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２１のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２３】
前記バッテリー（４０）の作動温度を測定するためのセンサー（７０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２２のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２４】
前記バッテリー（４０）を流れる直流の強さを測定するためのセンサー（６０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２３のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２５】
演算装置（１２０）は、いくつかのバッテリー（４０）の作動温度において、遷移周波数（ｆ±）をバッテリー（４０）の充電状態に割り当てるための演算の仕様を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２４のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２６】
演算装置（１２０）は、前記バッテリー（４０）を流れる直流のいくつかの強さにおいて、遷移周波数（ｆ±）を前記バッテリー（４０）の充電状態に割り当てるための演算の仕様を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２５のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２７】
演算装置（１２０）は、前記バッテリー（４０）のいくつかの老化状況において、遷移周波数（ｆ±）を前記バッテリー（４０）の充電状態に割り当てるための演算の仕様を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２６のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【請求項２８】
前記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）を表示するためのディスプレイ装置（１３０）を有する、ことを特徴とする、請求項１４乃至請求項２７のいずれか一項に記載のバッテリーの充電状態の決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリーの充電状態を決定するための方法に関する。
ここで、「バッテリー」という用語は、電気エネルギが化学反応によって生産される、１または複数のセルで構成された一般的な電気化学の蓄電池の意味で使用される。
本発明による方法、及び、装置は、充電式のリード酸、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）、ニッケル地金水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）のバッテリーの充電状態の決定に適している。
更には、本発明はその方法を行うのに適した装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリー充電状態を決定するための一般的な方法では、バッテリー電解質のある特性を直接測定し、前記電解質の濃度を決定することに基づいている。このため、とりわけ、密度、ｐＨ価、導電率から電解質の濃度を推定することができる。しかしながら、これらの方法は、鉛酸バッテリーなどのように、電解質が全体的な反応に参加するタイプのバッテリーについては適用することができない。また、これらの方法は、バッテリーの内部へ到達する必要があるため、手間がかかるものである。さらに、バッテリーの中の電解質濃度が均質でないので、それらは常に正確ということにならない。
【０００３】
異なるバッテリーへの適用に関連する、充電状態の決定のための一般的に使用される方法についての調査が、Ｓ．Ｐｉｌｌｅｒ、Ｍ．Ｐｅｒｒｉｎ、およびＡ．Ｊｏｓｓｅｎらによる、”Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ９６  （２００１）  １１３−１２０．によって発表されている。
【０００４】
他の方法では、バッテリー電極との接触を必要とする電気測定法に基づいている。充電状態の最も正確な決定をするには、バッテリーを完全に放出することで推定することである。これは、バッテリー電圧がカットオフ値に達するまで、放出電流の強さにおける放出持続時間を測定することで行う。バッテリーの容量はこの実験に関するデータから計算される。最後に、バッテリーは、再びそれが使用できることとなる前に、再充電されなければならない。バッテリーは、限られたサイクル寿命をもつので、この放出充電テストサイクルは、バッテリーの寿命を短くすることになる。また、バッテリーの連続監視が必要で、特に、そのバッテリーサービスの中断が避けられるべき場合では、前記の手法は適用できない。
【０００５】
さらに進んだ電気測定方法では、バッテリー内部抵抗が決定される。このパラメータは、放出パルスにて生じる電圧降下を調べることや、単一周波数で測定されるバッテリーインピーダンスを評価することによって測定することができる。
【０００６】
内部抵抗の変化は電解質伝導率の変化に基本的に由来する。その結果、これらの測定法は、電解質の特性を直接測定する場合と同様の制限を有することになる。アルカリバッテリーの場合、電解質が総合的なバッテリー反応に参加しないので、この方法を適用できない。鉛酸バッテリーについても、制限がある。バッテリー充電の間に起こる副反応は、バッテリーの内部抵抗に影響する。このことから、内部抵抗とバッテリー充電状態との関係は単純ではない。さらに、内部抵抗の変化は小さいため、測定方法の感度が制限される。インピーダンス分光法は二次電池などの電気化学システムの調査のための方法として知られている。この方法では、バッテリーの複素インピーダンスは、分光の形のいくつかの周波数のために測定される。
【０００７】
測定データの典型的な表現は、いわゆるナイキスト線図で行われる。この表現では、複素インピーダンスの虚数部は、複素インピーダンスの実数部の関数としてプロットされる。図１は市販のバッテリーの典型的なインピーダンスの線図を表示する。通常、虚軸は、反対方向、すなわち、実軸よりも下のＺ”の正の数と、Ｚの実軸よりも上の負の数、にプロットされる。
【０００８】
バッテリー充電状態に依存する様々なパラメータは、インピーダンス分光から推論できる。Ｆ．Ｈｕｅｔによる〔”Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ  ｏｒ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｈｅａｌｔｈ  ｏｆ  ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ７０  （１９９８）  ５９−６９，〕  、及び、  Ｓ．  Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓ，  Ｎ．Ｍｕｎｉｃｈａｎｄｒａｉａｈ、  Ａ．Ｋ．  Ｓｈｕｋｌａによる〔”Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ  ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｂｙ  ｍｅａｎｓ  ｏｆ  ａｃ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ８７  （２０００）  １２−２０〕において、充電状態決定の目的のために行われる、バッテリーとバッテリー電極のインピーダンスの研究に関する公表データの見直しが行われた。そして、様々なインピーダンスパラメータは、異なった実験条件、負荷、ならびに、休止期間の後の開放回路、の下におけるバッテリシステムの状態を見積もるために役に立つということが示されている。
【０００９】
アルカリ乾電池に対し実施される素早い測定方法〔Ｐｈ．  Ｂｌａｎｃｈａｒｄ：  ”Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ｓｍａｌｌ  Ｎｉ−Ｃｄ  ｓｅａｌｅｄ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ：  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２２  （１９９２）  １１２１−１１２８〕、及び、リチウムイオン電池に対し実施される素早い測定方法；〔Ｓ．  Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓ，  Ｎ．  Ｍｕｎｉｃｈａｎｄｒａｉａｈ  ａｎｄ  Ａ．Ｋ．  Ｓｈｕｋｌａ：  ”ＡＣ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ａｎｄ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  ｓｅａｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  ｂａｔｔｅｒｙ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ３  （１９９９）  ３９７−４０５〕，では、高周波領域でのセル反応を調査するものであるが、電解質がバッテリーの総合的な反応に参加しないため、決定的なものではない。むしろ、充電状態のはっきりした結果はインピーダンス線図の低周波域から抽出されたそれらの電気的量で観測された。このため、セルのインピーダンス係数、位相角、同値の級数、および平行キャパシタンスは変化する。しかしながら、低周波数における測定は、手間がかかり、したがって、サービスでセルの日常的なモニターをするにはそれほど適してはいない。
【００１０】
密封型鉛酸バッテリーについて、Ｒ．Ｔ．  ＢａｒｔｏｎとＰ．Ｊ．  Ｍｉｔｃｈｅｌによる、〔”Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  約ｐａｃｉｔｙ  ｏｆ  ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ−ｆｒｅｅ  ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  −  Ｉｄｅｎｔｉｆｉ約ｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ２７  （１９８９）  ２８７−２９５〕では、交流インピーダンス分光法を利用した充電状態の予測のために、オーム抵抗が有効なパラメータであるということが認識されている。しかしながら、これらの測定は、システムが安定するために許容される時間の後においてだけ、様々な充電状態の値において行われる。
【００１１】
周波数の間隔は、迅速に概算するために魅力的であるので、この周波数領域は好まれる。高周波数領域で調査できる、唯一のインピーダンスパラメータは、バッテリー内部抵抗である。
【００１２】
バッテリー内部抵抗を概算するための手順と装置について説明する文献が存在する（例えば、特許文献１参照。）。バッテリーは既存の高頻度電流変動で励起され、そして、結果として起こる電圧が測定される。バッテリー内部抵抗は電池残量を計算することで測定される。
【００１３】
遠隔操作に適用するものであって、リチウム電池の充電状態の測定に利用する手順と装置について説明する文献が存在する（例えば、特許文献２参照。）。その手順は、セル内部抵抗と電極電圧の同時測定に基づくものである。
【００１４】
内部抵抗パラメータは、インピーダンス分光から容易に抽出することができる。それは分光の実軸に対する交差ポイントのインピーダンス値に対応している。また、これに関連し、前記パラメータは、燃料電池の電力効率を評価するインディケータとして使用されることについて開示する文献が存在する（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０５１２０Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９７２５２０４Ｃ１号明細書
【特許文献３】国際公開第０２／２７３４２Ａ２号パンフレット
【発明の開示】
【００１５】
以上より、本発明は、素早く、かつ、信頼できるバッテリー充電状態の決定を可能とし、従来技術において露呈されている欠点の排除を可能とする方法により、一般的なタイプの方法を洗練するという目的に基づくものである。
【００１６】
さらに、本発明は、上述の方法を行うのに適し、また、上記の洗練された方法による利点を提供することのできる装置を作成する目的に基づくものである。
【００１７】
この目的は、本発明の請求項１に記載の方法で達成される。
【００１８】
さらに、この目的は本発明の請求項１４に記載の装置によって達成される。
【００１９】
方法と装置の実用的な詳細化は、下位の請求項の内容である。
【００２０】
また、本発明の目的は、わずか数ステップで、簡単に実施できる、集積化した半導体素子を有する太陽電池の直列接続の方法を提供することである。
【００２１】
さらに、本発明の目的は、直列に接続された太陽電池を有する光電池モジュールに提供することである。
【００２２】
交流電流の信号によって励起されたバッテリーのインピーダンスの遷移周波数を決定することが特に提供され、また、前記遷移周波数は、バッテリー充電状態に関連している。前記遷移周波数はインピーダンス線図が実軸に交差するところの周波数である。インピーダンス虚数部がこの周波数値で算術符号を変えるので、このパラメータは以降、ｆ±と記載する。
【００２３】
交流による励起はバッテリーが接続されている交流ソースによって発生される。
【００２４】
前記方法は、バッテリーの使用中に、バッテリー充電状態をモニターするために好んで利用される。
【００２５】
したがって、前記交流ソースは望ましくは電力供給網の負荷であり、前記電力供給網は、バッテリー又はその他の交流ソースであって、可変である必要はない。
【００２６】
バッテリーによって供給される電力供給網は、時折、雑音信号を作る負荷を含んでいる。電力供給網に存在するこれらの雑音信号は、バッテリーによって伝達される直流に交流電流の信号成分を重ねる。
【００２７】
電力供給網に存在するある周波数で切り換えられる抵抗は、交流ソースとして使用されることが特に望ましい。
【００２８】
さらに、バッテリーを励起する電力供給網には、他の交流ソースがある。
【００２９】
本発明によれば、その方法は、追加的で、その方法の実現のために排他的に使用される特別な電流源が、バッテリーの励起に必要ないという意味で、純粋に受動的な手順として実現することができる。
【００３０】
しかしながら、電力供給網に存在する交流電流の信号が存在するケースのために、バッテリーを交流ソースに接続することも考えられている。また、前記交流ソースの周波数は、遷移周波数の周波数範囲に存在し、十分大きな振幅は持っていない。
【００３１】
遷移周波数の決定において、バッテリーの交流電圧の降下と、バッテリーを流れる交流電流の強さが測定される。
【００３２】
本発明に従って決定される遷移周波数は、バッテリーのインピーダンスカーブが複素インピーダンス線図で実軸に交差するときの周波数である。
【００３３】
本発明では、遷移周波数とバッテリー充電状態の間の明確な相関関係の驚くべき発見を利用する。
【００３４】
このように、遷移周波数はバッテリーと交流ソースで構成されたサーキットの遷移周波数に対応している。
【００３５】
それにもかかわらず、バッテリーのその特徴は、共振条件だけに関係しなければならず、これは、内部抵抗、内部のキャパシタンス、交流ソースのインダクタンスではない。遷移周波数の正確な決定は非常に実用的であるが、匹敵する特性を有する他の周波数は、本発明の実現に使うことができる。
本発明では、遷移周波数は、インピーダンス線図が実軸に交差する周波数値だけでなく、特に、共振周波数といった、匹敵する特性に従った他の周波数も指定するために使用される。
【００３６】
その手順は、遷移周波数とバッテリー充電状態との明確な関係に基づいている。
【００３７】
図３はバッテリー充電状態と遷移周波数との関係を示している。この関係は運用条件の大きい領域について示されている。
【００３８】
２つの方法で遷移周波数を決定できる。
一つの方法では、遷移周波数は、交流電圧とバッテリーを流れる交流電流の強さが同相となる周波数に対応している。
もう一つの方法では、インピーダンスの虚数部は、バッテリーを流れる交流電流の信号のために、周波数ｆ±によって消される。
【００３９】
周波数ｆ±の決定において、交流電圧降下とバッテリーを流れる交流電流の強さは、異なった周波数で測定される。
【００４０】
このために、遷移周波数を通常含む周波数範囲を事前に設定するのは、望ましい。そして、この周波数範囲は別々に、又は、継続的にスキャンされる。
【００４１】
交流電圧のフェーズと交流電流のフェーズの位相差を決定することが、有利なように設計されている。
【００４２】
位相差がゼロになることが見つけられる周波数になるまで、位相差はそれぞれスキャンされる周波数について測定される。
【００４３】
この周波数は、充電状態値が遷移周波数と充電状態との関係に起因する遷移周波数である。
【００４４】
このように決定される充電状態の結果は、さらに利用される。例えば、その結果は、バッテリーを使用する人や、バッテリー管理システムに対してディスプレイされることになる。
【００４５】
この方法の好ましい実用化においては、複素インピーダンスは交流電流の信号の周波数の関数として決定される。
【００４６】
この場合では、電圧と電流信号のフーリエ変換を実行するか、直接インピーダンスについて計算することが実用的である。ここでは、高速フーリエ変換を適用するのは、望ましい。
【００４７】
インピーダンス計算の結果から、インピーダンス虚数部が消える周波数が決定される。
【００４８】
これは、実際の充電状態が関係し、遷移周波数ｆ±と充電状態の相関関係を利用した、遷移周波数ｆ±である。
【００４９】
さらに、遷移周波数と充電状態との関係は、作動温度やバッテリーを流れる直流電流によって影響を及ぼされる。
【００５０】
本発明による方法の有利な実用化では、作動温度と流れている直流電流が測定され、これらが遷移周波数と充電状態との関係において考慮に入れられる。
【００５１】
さらに、遷移周波数と充電状態との関係はバッテリーの老化状況によってある程度影響を及ぼされる。
【００５２】
このため、バッテリーの老化状況が遷移周波数と充電状態との関係において考慮に入れられると、充電状態の測定の精度をさらに改良できる。また、遷移周波数からバッテリーの老化状況を評価するのも可能である。
【００５３】
本発明のもう一つの側面は、前記方法を行うのに適している装置の設計である。
【００５４】
装置に関しては、本発明の目的は、バッテリーを励起する交流電流の信号の遷移周波数を決定する手段と、遷移周波数を充電状態に充当する手段を含む、請求項１４の序文に示される装置によって達成される。
【００５５】
遷移周波数の決定の手段は、バッテリーの交流電圧とバッテリーを流れる交流電流の信号の強さを測定して、コンパイルする。遷移周波数の決定の手段は、位相や、電圧電流の両方の振幅を決定する手段や、バッテリーのインピーダンスの決定する手段等、更なる手段を含むことが望ましい。
【００５６】
本発明の追加的な利点、特徴、および実用的な詳細化は、下位の請求項や図面を参照して説明される以下の好適な実施例によって得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
図１は複素平面において、市販の６０００×１０−３Ｈｚの周波数範囲のバッテリーについての典型的なインピーダンス線図を示す。この表現では、インピーダンスの負の虚数部はその考慮される周波数の実数部に対して、プロットされる。通常、虚数部はＺ”と示され、実数部はＺ’と示される。
【００５８】
これと以下の図面では、測定値はドットによって示される実線のカーブは測定データの回帰曲線に対応している。
【００５９】
重要な誘導性の特性は約１００Ｈｚより高い周波数で観測される。これは−Ｚ”＜０となる領域に対応している。
【００６０】
この特性は、セルの形状とプレートの有孔率の両方に関係づけられると考えられている。
【００６１】
線図の実軸との交差点はＲ±と指示される。それは電解質、格子、および集電子のオーム抵抗に由来するバッテリーの内部抵抗の合計に対応している。
【００６２】
始めに言及したように、バッテリー放電の間、硫酸電解質の濃度の減少が内部のオーム抵抗を変更するので、鉛酸バッテリーの場合におけるバッテリー充電状態の測定にＲ±パラメータを使用できる。
【００６３】
低い周波数（−Ｚ”＞０の領域）におけるバッテリーの容量性の特性は、電極の過程にかかわる、異なる電気化学的のステップのレスポンスについて表現する。
【００６４】
それぞれの領域からのパラメータの範囲の検討は、その限界が始めに露呈されるのと同様に、充電状態の測定に使うことができる。
【００６５】
本発明の潜在的な正当性を評価するために行われた研究では、バッテリーの遷移周波数ｆ±が調べられた。これは、インピーダンス虚数部が消えて、その結果、前記Ｒ±値に対応する周波数を呈示する周波数に対応している。
【００６６】
バッテリーの交流電圧降下の周波数におけるインピーダンス虚数部の相関関係は、図２においてグラフィカルに示される。
【００６７】
本発明の利点は、−Ｚ”＝０のポイントで、図２に示されるカーブを書き入れることで、容易に遷移周波数ｆ±を決定できるということである。
【００６８】
さらに述べると、遷移周波数は、決定しやすいパラメータである。
【００６９】
また、それはバッテリーの誘導性の特性から容量性の特性までの変遷においても特徴づけられる。
【００７０】
バッテリー充電状態のｆ±の相関関係は単調であるということが、実験で確立されている。
【００７１】
図３は鉛酸バッテリーの充電状態の周波数ｆ±の相関関係を示している。バッテリー充電状態は、ＳＯＣと示され、％で与えられる。パーセント値はバッテリーの有効な容量と公称容量の間の比率を意味する。通常、この比率はバッテリー充電状態を定義する。
【００７２】
調査された鉛酸バッテリーの公称容量は７０Ａｈであり、また、図３にて露呈される結果は、−１８℃における放電に対応している。
【００７３】
ＳＯＣが１００から０％に減少する間、ｆ±パラメータには、約６００Ｈｚの変更があった。
【００７４】
室温における完全な放電のためには、遷移周波数の変化は３０００Ｈｚ達することになった。
【００７５】
充電状態に伴うｆ±の変化はとても大きく、電池容量の正確な決定が許容される。
【００７６】
その結果、ｆ±パラメータはバッテリー充電状態の指標のための信頼性のある、正確なツールとして機能できる。
【００７７】
ｆ±とバッテリー充電状態の間の相関関係は、多数のタイプのバッテリー、また、異なった試験条件で調べられた。ここに示した結果は、鉛酸バッテリーの放電の特別なケースの例であり、テストによって定性的に示されたものである。
【００７８】
代表的に、Ｎｉ−Ｃｄバッテリー、Ｎｉ−ＭＨバッテリー、および、弁制御式ゲル鉛酸バッテリーについて、徹底的な調査を行った。
【００７９】
測定は、間欠的な充電と放電の直後、また、充電との間、放電の間に行われ、温度は−１８℃から５０℃の範囲内である。
【００８０】
すべての測定が、遷移周波数とバッテリーの充電状態の間の再現可能な相関関係を作り出した。小さいヒステリシス効果だけが遷移周波数曲線に検出された。
【００８１】
本発明による方法は、バッテリーの特性が遷移周波数において誘導性から容量性に変化するという事実に基づくものであり、したがって、遷移周波数では、バッテリーのすべての特性と経過はインピーダンスパラメータに影響する。
【００８２】
したがって、十分な誘導性の特性を示す全てのバッテリーの充電状態の検出について、原則として本発明による方法を使用できる。
【００８３】
これは、複素平面における、バッテリーのインピーダンスのナイキスト線図において、枝が−Ｚ”の負の数の領域に存在するということを、特に含意する。
【００８４】
このことは、少なくとも１Ａｈの公称容量を有するすべてのバッテリーの典型的な特性である。
【００８５】
本発明による方法は、原則として、一次電池にも適用できる。
図４は、複素平面におけるインピーダンスに関連する、パラメータのグラフ表示を示している。
【００８６】
各周波数ｆにおけるインピーダンスは、係数Ｚ（ｆ）、位相角φ（ｆ）に従った極座標、又は、実数部Ｚ’（ｆ）、負の虚数部−Ｚ”（ｆ）”に従ったデカルト座標により、表現することができる。
【００８７】
直列共振回路の遷移周波数ｆ±には、バッテリーを通した電流とバッテリーの電圧は同相であり、それはφ（ｆ±）＝０に同等である、という独特の特性がある。
【００８８】
図４に示されているように、遷移周波数について表現するのは、状態Ｚ”（ｆ±）＝０ということと等しい。
【００８９】
与えられる２つの方程式のそれぞれが、ｆ±を決定するための方法を示している。本発明の中では、両方の方法が使用されている。
【００９０】
図５はバッテリー（４０）の充電状態を決定するための装置のブロック図を示している。この装置は、バッテリー（４０）に接続されており、該バッテリー（４０）に接続される電力供給網に存在する雑音信号によって励起される。これらの雑音信号は、既存の負荷（１０）、又は、電流源（２０）によって引き起こされる交流電流の信号である。
【００９１】
また、この装置はバッテリー（４０）の交流電圧を取得するために検出変換器（５０）を含む。
また、この装置は、バッテリー（４０）を流れる交流を取得するために検出変換器（６０）を含む。
【００９２】
一般に、雑音信号は様々な周波数の信号を含んでいる。電圧と電流信号はバンドパスフィルタ（８０、９０）により処理され、前記バンドパスフィルタ（８０、９０）は、小さい周波数帯に属する周波数を持っている信号の倍振動の部分によって通過される。また、関連する周波数範囲をスキャンするために、周波数帯の中間の周波数を調整して、変更できることが望ましい。
【００９３】
また、この装置には、位相比較器（１００）が含まれ、これにより、電圧の成分と、バンドパスフィルタ（８０、９０）を通過した電流信号の成分の位相を検出し、バンドパスフィルタ（８０、９０）に設定された周波数ｆにおける、両信号の成分間の位相差φ（ｆ）が決定される。この位相差の値は、その位相差の値によってバンドパスフィルタ（８０、９０）の共鳴周波数を制御する制御装置（１１０）に送られる。
【００９４】
位相比較器（１００）によって検出される位相差φ（ｆ）が消えることになる周波数ｆ±と一致するまでに、バンドパスフィルタ（８０、９０）の共鳴周波数が調整されることが望ましい。
【００９５】
遷移周波数に対応する周波数ｆ±は、演算装置（１２０）に転送される。
【００９６】
また、前記装置は、バッテリー（４０）の作動温度を取得し、演算装置（１２０）に出力する検出変換器（７０）を有している。
【００９７】
また、バッテリー（４０）を流れる交流電流の強さの測定のための検出変換器（６０）は、バッテリー（４０）を流れる直流電流の強さを測定する手段を含んでいる。この値は演算装置（１２０）に転送される。
【００９８】
様々なタイプのバッテリー、様々な作動温度、および他の動作条件のために、遷移周波数とバッテリー（４０）の充電状態の間の相関関係が、関数またはテーブルにて演算装置（１２０）に格納される。他の動作条件には、バッテリー（４０）を流れる直流電流の強さや、バッテリーが現在充電されるか、または放電されか、という情報が含まれている。
【００９９】
演算装置（１２０）には、電流の値から、現在、バッテリー（４０）が充電されているか、または放電されているかを測定する能力を有することが望ましい。
【０１００】
前記相関関係のための関数とテーブルは、分離測定により決定されたり、演算装置（１２０）の中での計算、又は、相関則の方法にて実現される。例えば、相関則を識別するための測定値は、例えば、従来技術にて知られている手順によって、様々なオペレーティング・サイクルの間に決定することができる。演算装置（１２０）は、これらの規則や遷移周波数、温度、さらに、バッテリー（４０）の動作パラメータに関連する転送された情報を利用して、充電状態を決定する。
【０１０１】
また、充電状態を演算装置で出力し、ディスプレイ装置（１３０）、及び／又は、バッテリーパラメーターのモニターシステム（１４０）に転送することが望ましい。
【０１０２】
図５に示される本発明の実用例は、存在する負荷（１０）と、電力供給網にある電流源（２０）が、関連周波数範囲において十分な振幅を有する交流電流の信号を提供するのであれば、もっとも好んで利用される。
抵抗器は、典型的な電力供給網に対し、知られた周波数にて接続、非接続され、また、前記抵抗器は、電力供給網に統合されることになる。これらの抵抗のスイッチングは、スイッチング周波数を制御し、さらに必要とあれば、電流の強さを測定する制御装置によって、しばしば行われる。したがって、図５に示される実用例の改変として、既存の制御装置によって記録される電流の値を利用し、また、それを位相比較器（１００）にそれを送ることとするのは可能である。この実施例は図６に示されている。
【０１０３】
一般的に、電流信号は様々な周波数の倍振動の交流電流の信号の重なりを含むため、制御装置（１１０）によって順番に制御される可調整バンドパスフィルタ（９０）によってフィルタをかける必要がある。
【０１０４】
図７は、位相比較器（１００）と、可変交流源（３０）を有する、バッテリー（４０）の充電状態を決定するための装置のブロック図を示している。
本発明によるこの実施例の装置は、雑音信号によって励起されないバッテリー（４０）の充電状態を決定するために有効である。この実施例による装置は、電力供給網に存在する負荷と電流源が、関連周波数範囲において十分な振幅を有する信号を供給しない場合において使用されることが想定される。
【０１０５】
図７に示された実施例は、まず、センサー（６０）によって検出される電流信号のためのバンドパスフィルタ（９０）を含まない点で、図５に示されるものと異なる。そのかわり、図５に関連して説明したように、センサー（５０）によって検出される交流電流の信号は、バンドパスフィルタ（８０）を介して、位相比較器（１００）に転送される。
【０１０６】
この実施例では、バッテリーは、バッテリー（４０）を励起するために知られた周波数と位相にて交流を発生させる追加可変電流源（３０）に接続される。したがって、バッテリー（４０）を流れる交流の周波数と位相は、電流源（３０）から位相比較器（１００）に直接送ることができる。
追加の測定は必要とならない。しかしながら、追加の測定を提供してもよい。
【０１０７】
バッテリーの交流電圧に関する電圧信号は、適切なセンサー（５０）によって順番に検出されて、バンドパスフィルタ（８０）によって処理される。位相比較器（１００）で決定されている電流と電圧信号の位相差は、順次、制御装置（１１０）に送られる。
【０１０８】
この制御装置（１１０）は、位相差の値に応じて、可変電流源（３０）にて提供された交流の周波数とバンドパスフィルタ（８０）の共鳴周波数を制御する。バンドパスフィルタの共鳴周波数は、決定される位相差φ（ｆ±）がゼロになる周波数ｆ±と一致するまで調整されることが望ましい。バンドパスフィルタ（８０）は、共鳴周波数の平均が電流源（３０）による周波数セットと一致するように制御されている。
【０１０９】
遷移周波数がヌル位相差（ｎｕｌｌ  ｐｈａｓｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）から決定されるときは、演算装置（１２０）は、図５に示すように、渡された周波数ｆ±の値からバッテリー充電状態を決定する。
また、説明したように、インピーダンス虚数部の相関関係から遷移周波数も決定できる。
【０１１０】
この好適な方法が基づいている可変電流源のない装置は、図８のブロック図にて示される。
この装置はバッテリー（４０）に接続され、バッテリー（４０）によって供給された電力供給網に存在する雑音信号によって励起される。
これらの雑音信号は、存在する負荷（１０）又は電流源（２０）で発生する交流である。
【０１１１】
この形態は、特に、電力供給網に存在する負荷（１０）と電流源（２０）が、関連周波数領域で十分な振幅を交流電流の信号に提供するケースにおいて、充電状態を決定する場合に適用される。
図６で説明したように、これらの雑音信号の振幅、周波数、および位相は、多くの場合、負荷（１０）または電流源（２０）自体によって評価できる。負荷（１０）と電流源（２０）の制御装置は、電流信号を装置に転送するように設計することができる。
また、この装置は、バッテリー（４０）で交流電圧降下を測定するためのセンサー（５０）を含む。
電圧信号はローパスフィルタ（１５０）にて処理され、この処理は、関連する周波数領域に周波数をもつ部分の信号だけによって行われる。
ローパスフィルタを通り抜ける電圧信号の割合は、負荷（１０）または電流源（２０）によって発生した電流の振幅、周波数、および整相の情報と共に、フーリエ変換の手段（１６０）に転送される。
信号変換の決定のためのすべての情報は、手段（１６０）に利用可能とされる。
【０１１２】
フーリエ変換の手段（１６０）は、インピーダンスを決定して、インピーダンスのフーリエ変換を実行、又は、変成した電流と電圧信号からインピーダンスの変換を評価する。ここでは、高速フーリエ変換が実行されるのが望ましい。変換を実行した後に、フーリエ変換されたインピーダンスを含む信号は、演算装置（１７０）に伝えられ、インピーダンス虚数部がゼロになる周波数ｆ±が決定される。−Ｚ”（ｆ±）＝０となる周波数ｆ±が、バッテリー（４０）の遷移周波数となる。
【０１１３】
インピーダンス虚数部がどの周波数においてもちょうどゼロにならない場合では、２つの周波数値の間で補間することが可能である。
インピーダンス虚数部が僅かにゼロを超える一つの周波数と、インピーダンス虚数部が僅かにゼロを下回るもう一つの周波数の、２つの周波数を選択することが望ましい。両インピーダンス虚数部は、直線的にリンクされる。
【０１１４】
このセグメントのヌル位置は遷移周波数ｆ±に対応している。
遷移周波数、バッテリー（４０）を流れる直流電流、及び、作動温度は、演算装置（１２０）に提供される。
この装置には、バッテリー（４０）を流れる直流電流とバッテリー（４０）の作動温度を測定するセンサー（６０、７０）が配備される。
図５に示されるように、演算装置（１２０）は順次、バッテリー（４０）の充電状態を決定する。
【０１１５】
図９に示される本発明に基づく装置の実施例は、バッテリー（４０）が電力供給網と統合されない場合、または、電力供給網に存在する雑音信号が関連周波数領域で大きな振幅を十分もたない場合に備えて、適用される。
本実施例は、図８に示される実施例と比較して、バッテリー（４０）が分析ユニット（１７０）によって制御される可変電流源（３０）に接続されるという点で異なる。
【０１１６】
電流源の周波数は、バッテリー（４０）のインピーダンス虚数部がゼロである周波数が見つけられるまで、分析ユニット（１７０）によって変更される。
変電流源（３０）によって供給される交流の周波数と位相は、分析ユニット（１７０）によって制御され、電圧の周波数、位相、振幅、及び、電流の情報は、フーリエ−変換を実行する手段（１６０）に転送され、適宜、部分的に評価される。
これらの相違点を除き、図９の装置は、図８の装置と同様のコンポーネントを配備し、同様のオペレーションが行われる。
【０１１７】
上記の実施例に加え、本発明の実施例では、インピーダンス分光から更に評価できるパラメータの取得、及び、決定のための手段を含むものが提供される。
【０１１８】
以上のように、本発明の方法によるバッテリー充電状態の決定方法は、精度と信頼性を改良するために、バッテリーの充電状態を決定するための更なる手段によって完成することができる。本発明に基づく装置の観点からは、バッテリー交流電圧と、遷移周波数ｆ±においてバッテリーを通過する電流の振幅を測定することが、特に有効である。これらの振幅の比率から、パラメータＲ±が計算でき、これを充電状態の追加的な決定に使用することができる。制御装置（１１０）、又は、分析ユニット（１７０）によって、これを行うことができる。
【０１１９】
さらにＲ±の値は、バッテリーで進んでいる老朽化のメカニズムについての情報を与える。遷移周波数ｆ±は、バッテリーの老化状況にある程度影響される。充電状態のより正確な決定を得るためには、遷移周波数と充電状態との関係にバッテリーの老化状況を意図的に考慮することが可能である。同様に、バッテリーの老化状況を見積もることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】中間の充電状態における市販のバッテリーの典型的なインピーダンス線図。
【図２】周波数の関数としてのインピーダンス虚数部の変化を示す線図。
【図３】−１８℃の温度での放電時における７０Ａｈ鉛酸バッテリーについての、遷移周波数とバッテリー充電状態の間の相関関係を示す図。
【図４】複素平面における、線図の形態のインピーダンスパラメータを示す図。
【図５】可変交流電流信号源のない位相比較器を備えたバッテリー充電状態の決定のための装置の実施例のブロック図。
【図６】可変交流電流信号源のない位相比較器を備えたバッテリー充電状態の決定のための装置の別の実施例のブロック図。
【図７】位相比較器、および可変交流電流信号源を備えたバッテリー充電状態の決定のための装置のブロック図。
【図８】可変電流信号源のないバッテリー充電状態の決定のためのインピーダンスベースの装置のためのブロック図。
【図９】可変電流信号源を有するバッテリー充電状態の決定のためのインピーダンスベースの装置のためのブロック図。
【符号の説明】
【０１２１】
Ｚ’    複素インピーダンスの実数部
Ｚ”    複素インピーダンスの虚数部
ｆ±    バッテリーの遷移周波数
Ｒ±    虚数部がゼロであるインピーダンスの実数部
ｆ    バッテリーを流れる交流の周波数
ＳＯＣ    バッテリーの充電状態
Ｚ    インピーダンス
φ    インピーダンスの引数
１０    負荷
２０    電流源
３０  可変電流源
４０    バッテリー
５０    バッテリーの電圧降下の測定のためのセンサー
６０    バッテリーを通る電流測定のためのセンサー
７０    バッテリーの作動温度測定のためのセンサー
８０    バンドパスフィルタ
９０    バンドパスフィルタ
１００    位相比較器
１１０    制御装置
１２０    演算装置
１３０    ディスプレイ装置
１４０    電池管理システム
１５０    ローパスフィルタ
１６０    フーリエ変換の手段
１７０    分析ユニット
【図１】
2007506952.tif 000003
【図２】
2007506952.tif 000004
【図３】
2007506952.tif 000005
【図４】
2007506952.tif 000006
【図５】
2007506952.tif 000007
【図６】
2007506952.tif 000008
【図７】
2007506952.tif 000009
【図８】
2007506952.tif 000010
【図９】
2007506952.tif 000011
【国際調査報告】
2007506952.tif 000012
2007506952.tif 000013
2007506952.tif 000014
2007506952.tif 000015
2007506952.tif 000016
2007506952.tif 000017