JPS5942538B2 - 二次電池の充電状態の指示および制御のための装置およびシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二次電池の充電状態の制御のための装置および
その指示のためのシステムに関する。

再充電可能な二次電池の過去の種々の用途に対して充電
状態の指示系の必要性が生じているが、ガス圧力が充電
の状態の直接指示を与えている金属一ガス電池を除いて
、このような情報を得るための便利で信頼できる方法は
実現されていない。現在活発に開発が進められている電
動車輛の分野は過去の用途よりも充電完了状態を指示す
る必要性が緊急であることを予告している。充電状態の
指示は電動車輛の推進のために二次電池に関して種々の
理由から重要である。主要な例では、このような指示は
車輛にどれだけの能力が残されているかに関して従来の
自動車の燃料計と全く同じ情報となる。さらに別の場合
では、充電状態の視覚的指示またはその電気的な検知は
、過大な過充電を防止し過大な過放電と電池リバーサル
（Ｃｅｌｌｒｅｖｅｒｓａｌ）を防止する手がかりとな
る。これらの現象は明らかに非常に高価な電池の寿命を
かなり短縮することがある。電動車輛の動力として一般
に使用できないと考えられている金属−ガス電池に関し
ては、適当な充電指示／制御系の必要性がさらに強調さ
れる。本発明のひとつの目的は、二次電池の充電中およ
び放電中に充電状態をモニターする信頼性を有する正確
なシステムおよび装置を得ることである。

前述およびその他の目的を達成するために、本発明によ
れば、モニターされる二次電池の充電および放電中に別
の二次電池（以下「モニター電池」という）の端子電流
の方向および強さを調節するために二次電池の端子電流
の方向および強さに応答し、モニターされる電池の充電
状態の指示を得るためにモニター電池の端子電流を常に
調べることができる系が得られる。モニター電池は金属
一ガス電池とし、その圧力出力を直接充電状態を指示す
るためにまたはモニターされる二次電池と回路で接続さ
れている圧力応答スイツチを操作するために使用するこ
とができる。さらに好ましい態様では、本発明のモニタ
ー系は、モニター電池の ｊ端子電流がモニターされる
二次電池の端子電流を含まないようにされる。すなわち
、モニター電池の端子電流はその充電中に別個の供給源
から導かれ、モニター系はモニターされる二次電池から
実質的に電気的に隔離される。さらに好ましい形で １
は、本発明のモニター系は、時間の経過とともに各々の
充電状態の相関関係を深めるような、モニターされる二
次電池とモニター電池の間の電気化学的な共通性を提供
する。本発明の前述その他の目的および特徴は、本発明
によるシステムおよび装置の好ましい態様の以下の詳細
な説明および実施態様の図面を参照することにより一層
深く理解されるであろう。

これらの図面で、類似の参照番号は本明細書を通じて類
似の要素を表わす。第１図において、主電池１０の電極
１０ａは接地され、電極１０ｂは線１２に接続される。

電池１０は本質的に再充電可能な二次電池であり、代表
的について鉛］唆電池またはニツケル一亜鉛電池よりな
る。Ｌ／Ｃセンサ〔負荷／充電センサ（１０ａｄ／。Ｈ
ａｒｇｅｓｅｎｓＯｒ）〕１４が線１２および線１６の
間に直列接続され、出力線１８および２０がセンサ１４
から延出する。電池の充電または放電の瞬時電流を測定
するために従来使用されていた装置では、Ｌ／Ｃセンサ
１４は直列抵抗（分流器）であり、線１８がその抵抗の
線１２に近い端子に、線２０が線１６に近い端子に接続
されている。このような抵抗は、線１８および２０間の
電位差の大きさおよび相対的方向によつて、電極１０ｂ
から電極１０ａへあるいは電極１０ａから１０ｂへ流れ
る主電池端子電流の方向およびその大きさを指示する。
従つて、線１８および２０と直列接続された電流計は、
その充電／放電瞬時電流およびその大きさを表わすこと
ができる。本発明の種々の実施形で、線１８および２０
はモニター電池Ｌ／Ｃ制御器２２に導かれる。その好適
な具体的回路は第２図および第３図に関連して後述され
る。制御器２２は、線１８および２０の間の電位差の方
向の関数として線２４から負荷電流を導きあるいは線２
４へ充電電流を供給するように作動し、その負荷／充電
電流の大きさは線１８一線２０間の電位差の大きさに従
つて制御器２２によつて設定される。センサ１４は好ま
しくは主電池１０の端子電流の変化に比例して線１８お
よび２０間に電位差変化を生じる性質のものであり、制
御器２２は線１８および２０の間の電位差に比例して線
２４に電流の変化を与える性質のものである。モニター
電池２６の電極２６ａは線２４に接続され、電極２６ｂ
は接地される。

本発明ではモニター電池２６は通常の固体電極およびガ
ス対電極よりなる金属−ガスニ次電池である。好適な電
極の組合せには、たとえば、酸化鉛一水素、酸化二ツケ
ル一水素、酸化銀一水素、亜鉛一酸素、カドミウム一酸
素および鉛一酸素がある。電極系を酸化ニツケル一水素
系とするとき、電池の充電中にニツケル電極が水酸化ニ
ツケル（ホ）に変化し、ガスが水素電極で発生する。電
池はシールされた容器中に収納され、容器中で発生した
ガスの量は電池を通過させられたアンペア時の値に比例
する。電池ハウジング内のガス圧は充電および放電通過
量のアンペア時の一次関数として増減し、電池の充電状
態の便利な目安となる。金属−ガス電池よりなるモニタ
ー電池２６に関し、線２８はモニター電池２６からＳ／
Ｃ（充電状態）変換器３０へ延びる圧力線を表わす。

変換器３０は、線３４を介して指示計３２に視覚その他
で検知できる出力の読みを与える従来の圧力変換器また
は圧力計とすることができる。変換器３０の出力は線３
６を通つてＬ／Ｃ（負荷／充電）スイツチ３８に導かれ
る。

このスイツチにおいて主電池１０が負荷４４に接続され
るべきか充電用供給電源４６によつて充電されるべきか
によつて、線１６を線４０または４２に接続することが
できる。第１図の系を作動させる場合、主電池１０が充
電状態から放電されると、主電池端子電流がセンサ１４
およびスイツチ３８を通つて負荷４４に流れる。

線１８および２０の電位差に基いて、制御器２２は線２
４を通してモニター電池２６から端子電流を導き、従つ
てモニター電池２６に主電池１０の負荷に比例した負荷
を与える。線２８の出力があらかじめ定められた低圧に
なると、変換器３０がスイツチ３８を作動させ、線１６
と４０とを切断し線１６と４２とを接続することによつ
て、主電池放電を中断する。後述するように、系は代法
として手動で操作することができ、この場合、充電状態
指示計３２によつて与えられる指示に基いてスイツチ３
８が手動によつて操作される。手動方式でなく主電池１
０を再充電する場合には、センサ１４および制御器２２
の作用下で前述の手順が逆になる。すなわち、線１８お
よび２０の間の電位差の方向が放電中の場合と反対にな
り、制御器２２がこの方向の変化に応答してモニター電
池の負荷を切断する。そして、線２４を通るモニター電
池充電電流が供給電源４６から主電池１０へ流れる充電
電流に比例するがそれを含まないようにさせるため、好
ましくは別の供給電源からの充電電流をモニター電池２
６に導入させる。第１図で主電池１０と制御器２２の間
に延在する破線によつて示されるように、制御器電力は
主電池１０から導入することもできる。このように、モ
ニター電池端子電流すなわちその電極間を流れる電流の
方向が主電池の端子電流と同方向になり、その大きさが
主電池の端子電流の大きさに正比例する。第２図には、
第１図の制御器２２の手動方式でない方式で使用するた
めの変形が示される。

増幅器Ａ１は、たとえば±１２ボルトで１アンペア以上
の出力が可能な動力作動増幅器として接続される。線２
０は抵抗Ｒ１を介して増幅器の第一入力に接続され、線
１８は後述の目的で可変にした抵抗Ｒ２および固定抵抗
Ｒ３の直列配列を介して増幅器の第二の入力に接続され
る。フイードバツク抵抗Ｒ４およびＲ５は増幅器出力端
子Ｔを通して電圧利得をセツトする。負荷抵抗Ｒ６が出
力端子Ｔから制御器出力線２４に接続される。増幅器Ａ
１に対する操作電力およびモニター電池充電のために線
２４に加えられる充電電流は、一次巻線が交流電圧源に
接続される変圧器Ｔ１、図示の如く変圧器の二次巻線に
接続されるダイオードＤ１〜Ｄ４ならびにコンデンサＣ
１およびＣ２を含む独立した電力供給源から誘導される
。直流正電圧が線４８によつて増幅器に線５０を通して
直接に、また抵抗Ｒ７を通して供給される。直流負電圧
が線５２によつて増幅器に線５４を通して直接に、また
抵抗Ｒ８を通して供給される。コンデンサＣ３が増幅器
出力端子Ｔと線５６の間に接続される。第２図の回路を
実際使用する際に、増幅器Ａ１は適当なヒートシンク（
Ｈｅａｔｓｉｒｌｋ）を有する黒ＬＨＯＯ２ｌＣＫのよ
うなナシヨナルセミコンダクタ一（ＮａｔｉＯｒ］Ａｌ
ＳｅｍｉｃＯｎｄｕｃｔＯｒ）の電力増幅器とすること
ができる。

増幅器に対する線２０の入力Ｒ１は製造者の命名した第
５端子に接続され、増幅器に対する線１８の入力Ｒ３は
第６端子に接続される。線５４は第７端子に、抵抗Ｒ８
は第７端子および第８端子の間に直列接続される。線５
０は第２端子に、抵抗Ｒ７は第１端子および第２端子の
間に直列接続される。線５６は第４端子に接続される。
出力端子Ｔはこの種の市販増幅器のケーシングである。
充電および放電操作の全域にわたつてＯ〜１００ミリボ
ルトの出力電圧を発生する第１図のセンサ１４を使用す
るとき、抵抗Ｒ１は１０Ｋ１抵抗Ｒ２は５Ｋ１そして抵
抗Ｒ３は８Ｋである。抵抗Ｒ４およびＲ５はそれぞれ１
００Ｋとなるように選ばれる。抵抗Ｒ７およびＲ８はそ
れぞれ０．５オームであり抵抗Ｒ６は１オームである。
変圧器Ｔ１はスタンコール（ＳｔａｎｃｈＯｒ）モデル
Ｐ−８１３０１ダイオードＤ１〜Ｄ４はＩＮ５５５Ｏダ
イオードとすることができる。

コンデンサＣ１およびＣ２はそれぞれ２２０マイクロフ
アラツド、そしてコンデンサＣ３は３０００ピコフアラ
ツドである。交流１１５Ｖの線間電圧が変圧器Ｔ１の一
次巻線に供給される。各成分を前述の如く選ぶとき、線
４８は直流＋６ボルトに、線５２は直流−６ボルトにな
る。第２図の態様を使用する場合、主電池の端子電流が
Ｏである間すなわち線１８および２０間の電位差がない
ときには、抵抗Ｒ２を端子Ｔで出力電圧がＯとなるよう
に調節する。次に線２０が線１８に対して正となるのに
従つて、すなわち電池を充電する間、回路は線２４に正
電圧を与えるように作動し、モニター電池に線２０およ
び１８間の正電位差に比例した大きさの充電電流を供給
する。逆に、主電池の放電の場合のように線１８が線２
０に対して正になると、第２図の回路は線２４に負電圧
を与え、モニター電池から電流を導き抵抗Ｒ６で消費す
る。このような放電電流は、線１８および２０の間の正
の電位差に比例した大きさで供給される。増幅器Ａ１は
非常に高い入力インピーダンスのものであつて線２４の
電流を主電池の端子電流から効果的に隔離するのが望ま
しいことが理解されるであろう。第２図の電力供給回路
から誘導されるような線２４の電流は、このようにして
主電池の端子電流を含まないようにされる。次に第３図
には手動操作用の制御器２２の態様が示される。

この態様では、スイツチＳ１およびＳ２が切換操作のた
め相互連絡され、それぞれ線１８および２０ならびにモ
ニター電池の電極ムおよび２６ｂに接続される。この配
置では、第１図に示される系は線２４をスイツチＳ２を
介してモニター電池と接続するように、そして電極劉は
接地から切断されるように変形される。増幅器Ａ２には
線５８に単一正極性の直流電圧が供給され、線６０は接
地される。回路の線６２には単一極性直流電圧が供給さ
れる。ゼナーダイオードＺ１に供給される増幅器出力電
圧は接地から直流正電圧までの単指向性の動きがある。
ダイオードの降伏電圧で電流がダイオードＺ１を通つて
導通し、抵抗Ｒｌ４を通してトランジスタＱ１のベース
に加えられる。Ｑ１は電流をトランジスタＱ２のベース
に供給する。Ｑ２はエミツターホロワ一方式に接続され
、抵抗Ｒｌ３を通してスイツチＳ２に電流を供給する。
フイードバツクは抵抗ＲｌｌおよびＲｌ２によつておこ
なわれる。スイツチＳ１およびＳ２が第３図に示される
位置にあるとき、主電池は放電状態にあり、線２０は線
１８に対して正であり、線１８および２０間の電位差は
増幅器Ａ２の出力を反対の電流がモニター電池を通つて
流れるように支配する。すなわちスイツチＳ２が電極２
６ａを接地し、電極２６ｂを線２４を通して回路によつ
て供給される正電圧に接続する。反対にスイツチＳ１お
よびＳ２が図示の位置から反対の位置になると、増幅器
Ａ２に対する線１８および２０の接続が反対となり、モ
ニター電池の電極２６ｂが接地される。第３図の回路は
電極２６ａに正電圧を供給するように、従つてモニター
電池に充電電流を供給するように作動する。スイツチＳ
１およびＳ２を前述の如くセツトすると、両者の場合と
もにモニター電池の端子電流は線１８および２０間の電
位差に比例する。第３図の制御器の態様を実施するとき
、増幅器Ａ２はモトローラ社（ＭＯｔＯｒＯｌａ）から
市販されているモデル黒ＮＡ７４ｌとし、ゼナーダイオ
ードＺ１は黒１Ｎ７４９Ａのような４．３ボルトゼナ一
とし、トランジスタＱ１およびＱ２はそれぞれ２Ｎ２２
２２Ａおよび２Ｎ３７１５とすることができる。抵抗Ｒ
９〜Ｒｌ４はそれぞれ１０Ｋ、１０Ｋ、１００Ｋ１１０
０Ｋ１１および１Ｋである。このような回路で単一極性
電圧は直流＋１２ボルトである。製造者の命名した増幅
器の第６端子がゼナーダイオードに接続され、第２端子
がＲ９に、第３端子がＲｌＯに、第７端子が線５８に接
続され、第４端子が接地される。モニター電池の充電状
態と主電池の充電状態の間の相関関係の信頼度は、特に
その間に電気化学的な共通性がある場合に高めることが
できる。

モニタ一電池と主電池のそれぞれの特性は、たとえばこ
れらのそれぞれを制御するために同一タイプの固体電極
を使用することによつて釣合わせられる。主電池が鉛一
酸系である場合には、たとえば酸化鉛一水素系が、金属
一ガス電池の電極と主電池の電極とが電気化学的に変換
し得る共通要素を含む点で適しているといえるであろう
。主電池がニツケル一亜鉛系であるとき、金属−ガス電
池はニツケル一水素系が適当であろう。モニター電池は
次の如く主電池特性に釣合わせることができるであろう
。主電池が過充電されるとき、容量はそれ以上電池中に
貯えられない。

同様に金属−ガスニ次電池が過充電されると、ガスは電
池内で再化合してガス圧力は＝定値を保つ。湿潤状態に
あるとき、たいていの二次電池は活性物質の腐食または
分解によつて自己放電して容量を損失する。

この過程は釣合つている金属−ガス電池でもほぼ同じ速
度で起り、電池の圧力の低下となつて現われるであろう
。通常の充電中に電流の一部は活性物質の製造に使用さ
れず、従つて電極の充電状態を増加させない。

これと同一の過程が金属−ガス電池にも起り、圧力上昇
率に反映する。主電池が過放電されまたはリバースされ
たとき、使用可能な容量は主電池からもはや取出されな
い。

このこともまた金属−ガス電池に反映される。金属電極
が金属−ガス電池で消耗された場合、電池をリバースし
たときでも圧力は一定に保たれる。一般に、二次電池を
循環させるとき、活性物質の一部は循環数の関数として
失なわれ、あるいは不活性化され、容量減少となつて現
れる。この容量減少は、減少の正確な機構によつて、釣
合つている金属−ガス電池内で発生するガスの量によつ
て探知することができる。すべての二次電池は高〜倣電
速度および（または）低い操作温度で容量が小さくなる
。

このことは、電池の活性物質の一部の利用を制限する電
池内の速度制限過程から生じる。金属−ガス電池は、放
電中の活性物質の電気化学的有効性よりも電池電極の充
電された活性物質の量を直接指示するので、高放電速度
または低温における容卜肯ｕ限を反映しないであろう。
従つて、主電池および金属一ガス電池は、目的達成に必
要な放電速度および温度範囲を考慮して寸法を決定し、
設計しなければならない。本発明から逸脱しないで種々
の変更をこの分野の専門家によつて本発明の前述の態様
に導入することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の態様を示すプロツク線図である
。 第２図は第１図のモニター電池Ｌ／Ｃ（負荷／充電）制
御器の態様の一つの電気的説明図である。第３図は第１
図のモニター電池Ｌ／Ｃ制御器の別の態様の電気的説明
図である。図中の数字は次の意味をもつ。 １０・・・・・・主電池、１４・・・・・・Ｌ／Ｃセン
サ、２２・・・・・・モニター電池Ｌ／Ｃ制御器、２６
・・・・・・モニター電池、３０・・・・・・Ｓ／Ｃ変
換器、３２・・・・・・充電状態指示計、３８・・・・
・・Ｌ／Ｃスイツチ、４４・・・・・・負荷、４６・・
・・・・充電電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （ａ）第一の再充電可能な電池、 （ｂ）第一の電池の端子電流の対向する方向およびその
   端子電流の大きさを指示する第一または第二の方向の出
   力信号を発生させるセンサ装置、（ｃ）第二の再充電可
   能な金属−ガス電池、（ｄ）センサ装置の出力信号の電
   流の大きさの指示値に比例する大きさの端子電流を第二
   の電池に通し、また第二の電池の端子電流の方向を（イ
   ）センサ装置の出力信号で第一の方向が指示されている
   間はある方向に、また（ロ）センサ装置の出力信号で第
   二の方向が指示されている間は前記の方向と対向する別
   の方向に合せるための制御器装置、および （ｅ）金属−ガス電池中のガス圧力に応答して第一の電
   池の充電状態を制御する装置を備え、前記（ｅ）の装置
   は第二の電池中のガス圧力に応答して第一の電池を負荷
   または充電供給源と選択的に接続するスイッチ装置を有
   することを特徴とする二次電池の充電状態の制御のため
   の装置。 ２ 第二の電池中のガス圧力の検知可能な出力指示をお
   こなう装置をさらに有する特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ３ （ａ）モニターされる二次電池の端子電流の大きさ
   および方向を指示する出力信号を発生させるセンサ装置
   、（ｂ）金属−ガス電池よりなるモニター電池を構成す
   る第二の二次電池、（ｃ）モニターされる電池の充電お
   よび負荷の間にセンサ装置の出力信号に応答してモニタ
   ー電池の端子電流の方向をモニターされる電池の端子電
   流の方向に一致させモニター電池の端子電流の大きさを
   モニターされる電池の電子電流の大きさに比例させる回
   路装置、および（ｄ）モニター電池中のガス圧力に応答
   してモニターされる二次電池の充電状態を指示する装置
   を備え、前記（ｄ）の装置は前記モニター電池中のガス
   圧力の検知可能な出力指示を行なう装置を有することを
   特徴とする二次電池の充電状態の指示のためのシステム
   。 ４ モニター電池中のガス圧力に応答してモニターされ
   る電池を負荷または充電供給源と選択的に接続するスイ
   ッチ装置をさらに有する特許請求の範囲第３項記載のシ
   ステム。