用于确定存储电池更换的设备和方法

专利名称：用于确定存储电池更换的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定存储电池更换的设备和方法，诸如用作如 备用电池的二次电池的镍金属氢化物存储电池。
背景技术：
考虑到其应用目的，备份用的二次电池优选地一直保持在接近充满 电状态的状态。然而，由于长期使用，二次电池性能会恶化，并且二次 电池的电量减小。为此原因，需要更换其电量小于预定电量的二次电 池。因此，需要测量二次电池放电时的电量。然而，二次电池的放电应 被限制为所需的最小程度。在使用镍金属氢电池作为备份的二次电池的
手机基站的10 kWh系统中，安装了配置有镍金属氢化物存储电池的两套
电池模块。该两套电池模块与负载和电池充电器并联。传统系统使用在 两套电池模块之一中的镍金属氢化物存储电池完全放电时，周期地测量
每个镍金属氢化物存储电池的方法(参见参考文献K. Saito, T. Shodai, A. Yamashita, and H. Wakaki, Proceedings of INTELEC'03 (The 25th International Telecommunications Energy Conference), p. 261， 2003)。米用 这种方式，确定镍金属氢化物存储电池的更换必要性。
公知地，镍金属氢化物存储电池由于被恶化而使内部电阻增加。更 确切地说，测量镍金属氢化物存储电池的内部电阻能够间接地确定镍金 属氢化物存储电池的更换必要性，无需对其放电。然而，不容易准确测 量镍金属氢化物存储电池的内部电阻。此外，内部电阻与镍金属氢化物 存储电池的电量之间的任何具体关系未知(参见参考文献Koji Nishio, Proceedings of'97 Battery Technology Symposium, p. 5-2-1， 1997)。
此后，参考文献"A. Yamashita， H. Wakaki， K. Saito, and T Shodai, Proceedings of INTELEC'03 (The 25th International Telecommunications EnergyConference)， p. 739, 2003"公开了在充电结束后的压降量与由于恶化而减小的电量之间的关系。此外，在"A. Yamashita， H. Wakaki, K. Saito, and T Shodai, Proceedings of INTELEC'05 (The 27th International Telecommunications Energy Conference), p. 291, 2005"中提出了用于校正 由于充电时的温度导致的压降量的方法。

发明内容
本发明解决的问题
根据测量放电时镍金属氢化物存储电池的电量的上述方法，即用于 确定放电时镍金属氢化物存储电池的更换必要性的方法，在两组电池模 块之一中的镍金属氢化物存储电池完全放电时，测量每块镍金属氢化物 存储电池的电量。因此，在电量测量期间，仅镍金属氢化物存储电池之 一被充满电。当在电量测量期间出现事故或相类似情况时，电能仅能够 从一块镍金属氢化物存储电池供应。在此期间，备用时间縮短。
其中两组电池模块彼此不并联的系统无法使用放电时用于确定镍金 属氢化物存储电池的更换必要性的上述方法。此外，即使在其中N组电 池模块彼此并联的系统中，当每组中的镍金属氢化物存储电池的电量将 分开测量时，N倍电流通常集中在一块镍金属氢化物存储电池上。这使 得不可能使用放电时用于确定镍金属氢化物存储电池的更换必要性的上 述方法，除非要使用的镍金属氢化物存储电池能够释放出大电流，或要 使用的系统的设计考虑了极长的备用时间。因此，限制了使用上述放电 时确定更换镍金属氢化物存储电池必要性的方法。
在基于镍金属氢化物存储电池充电结束后的压降量与由于恶化而减 小的电量之间的关系，确定镍金属氢化物存储电池的更换必要性过程 中，由于恶化而己减小的电量从充电结束后的压降量计算得出。然而， 由于压降量根据温度而变化，所以在计算出的电量中包含误差。因此， 不可否认地在更换确定中将出现错误。使用依赖于充电时的温度的校正 压降量的方法，使得可以在不对镍金属氢化物存储电池放电的情况下， 确定镍金属氢化物存储电池的更换必要性，同时防止在更换确定中出现 错误。然而，在镍金属氢化物存储电池充电结束后的压降量根据镍金属 氢化物存储电池的恶化程度和充电时的温度变化。因此，使用依赖于充电时的温度的校正压降量的方法，使得需要对镍金属氢化物存储电池的 每一恶化程度和充电时的每一温度，校正关于充电结束后压降量的数 据。这需要复杂的用于校正数学表达式和表。因此，不可能实现这种方法。
因此，利用对电池放电手段以外的措施，很难间接地确定镍金属氢 化物存储电池的更换必要性。在除镍金属氢化物存储电池以外的存储电 池中也会出现上述问题。
本发明已考虑到上述问题，并且其目标在于提供一种存储电池的更 换确定设备和方法，其能够容易地确定存储电池更换必要性，而无需对 诸如镍金属氢化物存储电池的存储电池放电。
问题解决方案的措施
根据本发明的用于确定存储电池更换的设备包括充电装置，用于
对作为确定目标的不少于一个存储电池充电；电压测量装置，用于在存
储电池的充电停止时刻后的预定时期的时间里，测量存储电池的电压变
化值；和确定装置，用于当电压变化值为不小于参考电压变化值的情况 连续出现的预定数目次数时，确定存储电池需要被更换，所述预定数目 次数不少于1次。
根据本发明的用于确定存储电池更换的方法包括第一充电步骤， 用于对作为确定目标的不少于一个的存储电池充电；第一电压测量步 骤，用于在存储电池充电停止时刻后的预定时期的时间里，测量存储电 池的电压变化值；和确定步骤，用于当电压变化值为不小于参考电压变 化值的情况连续出现的预定数目次数时，确定存储电池需要被更换，所 述预定数目次数不少于1次。
发明的效果
本发明能够被应用于任何系统配置，因为它不对存储电池放电，并 且在例如补充充电时，能够容易地确定存储电池的更换必要性。此外， 根据本发明，如果当等于或超过参考电压变化值的电压变化连续出现预 定数目的次数时，确定存储电池需要被更换，可以减小由于表面温度和 电压变化值的测量误差所导致的确定错误。
此外，根据本发明，由于获得了其电量小于更换参考电量值的存储电池的表面温度与电压变化值之间的关系，并且根据所获得的关系确定 存储电池的更换必要性，在存储电池更换确定中不会包含由于温度变化 所导致的错误。这能够防止更换确定错误的出现。
在本发明中，由于上述关系由表面温度函数f(T)近似，所以能够 容易地确定存储电池更换的必要性。
本发明使用利用最小平方法对函数f(T)进行优化而获得的抛物线
方程f(T) = aT2-bT + c ,并且因此能够容易地确定存储电池更换的必要 性。根据本发明，存储电池的表面温度与存储电池的电压变化值之间的 关系由表面温度函数f(T)近似，并且利用最小平方法，函数f(T)被优 化成抛物线方程f(T) - aT2 - bT + c。这使得能够获得对应于预定更换参 考电量的存储电池的表面温度与存储电池的电压变化值之间的关系，而 不考虑存储电池的恶化的程度。因此，不考虑存储电池的恶化程度，本 发明足以对其中电量己减小到更换参考电量的存储电池反复充电，并且 在改变周围环境温度的同时，测量表面温度和电压变化值，并能够容易 地计算用于确定存储电池的更换必要性的参考电压变化值。此外，根据 本发明，如果作为确定目标的存储电池具有与已在之前使用的采用随着 周围环境温度的变化的这种方式测量的存储电池的相同类型，作为确定 目标的存储电池的表面温度与电压变化值之间的关系能够利用从用于先 前测量的存储电池获得的抛物线方程f(T) = aT2-bT + c进行优化。这避 免了提前对作为确定目标的存储电池进行测量的必要性，并使得作为确 定目标的存储电池的更换必要性容易被确定。
通过将作为确定目标的存储电池的表面温度代入函数f(T)，本发明 能够容易地计算参考电压变化值，并且因此能够容易地确定更换存储电 池的必要性。本发明无需校正由于充电时的温度所导致的电压变化值， 并且不需要复杂的算术表达式或表。这使得可以容易确定存储电池的更 换必要性。
此外，因为当多个存储电池中的预定数目的存储电池的测量电压变 化值等于或超过参考电压变化值时，确定存储电池需要将被更换，所以 本发明能够减小由于多个存储电池之间的变化所造成的确定错误。因 此，本发明能够在一个操作中精确地确定存储电池更换的必要性。此外，本发明能够快速确定存储电池的更换必要性，同时通过将从 充电结束或中断起的预定消逝时间设置为5分钟到1小时，来减小所测 量的表面温度的变化和所测量的电压变化值。


图1是显示充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面 温度与在充电结束后的三分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲线
图2是显示充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面 温度与在充电结束后的五分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲线 图3是显示充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面 温度与在充电结束后的十分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲线 图4是显示充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面 温度与在充电结束后的30分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲线 图5是显示充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面 温度与在充电结束后的1小时内电池模块的电压变化之间的关系的曲线 图6是显示根据本发明的第一实施例的更换确定设备的布置的框
图7是显示图6中的更换确定设备的操作的流程图； 图8是显示图6中的更换确定设备的操作的流程图； 图9是显示电池的放电电量与充电开始后的10分钟内电池模块的 电压变化之间的关系的曲线图；禾口
图10是显示在从充电结束的10分钟内连续4次测量彼此串联的四
块电池模块的电压变化获得的结果的曲线图。
具体实施方式
通过举例说明包括具有95 Ah的标称电量的电池模块的电池系统的 更换确定，将描述根据本发明的用于确定镍金属氢化物存储电池更换的 设备和方法，其中IO块镍金属氢化物存储电池单元彼此串联。
[第一实施例
首先描述用于对备用的镍金属氢化物存储电池充电的方法。通常， 连续补充充电器用于小型镍金属氢化物存储电池。相反地，对于大型镍 金属氢化物存储电池，通常使用间歇充电方法，其中电池利用约0.1 C
或0.2 C的恒定电流充电，直到完全充满状态，此后电池自放电，并且
然后当通过自放电，放电的电压或深度减小到给定值，电池以恒定电流 再次充电。利用上述间歇充电方法对包含在根据第一实施例的电池系统
中的电池模块充电。此外，这个电池模块使用dT/dt方法作为探测充满 电的方法，即当在预定时期时间中的温度上升超过预定值时完成充电的 方法。这能够使镍金属氢化物存储电池的过度充电最小。在包含在根据 第一实施例的电池系统中的电池模块中，在利用dT/dt方法结束基于上 述间歇充电方法的第一阶段充电操作后，其执行直到镍金属氢化物存储 电池充满电为止，第二阶段充电操作以约0.03 C的低电流执行约2小 时。这减小了各自电池之间的充满电状态的变化。
接下来将描述镍金属氢化物存储电池充电的恶化。备用的镍金属氢 化物存储电池的恶化已知主要显示为电解液的减少和负电极中的氢吸收 合金的腐蚀。随着上述电解液减少和负电极中的氢吸收合金腐蚀，镍金 属氢化物存储电池的内部阻抗改变。更确切地说，通过测量镍金属氢化 物存储电池的内部阻抗能够测量由于镍金属氢化物存储电池的恶化而减 小的电量。虽然利用频率扫描的AC阻抗方法被用于精确测量内部阻 抗，但是作为一种更简单的测量方法，可以使用一种用于以固定频率测 量AC阻抗的方法或使用DC脉冲测量电压的方法。在通过使用DC 脉冲测量电压的方法中，使用恒定电流充电或恒定电流放电，并且测量 在充电/放电开始时或充电结束时的上升或下降电压。
代替使用DC脉冲，通过测量在实际使用中在充电或放电开始或结 束时的电压变化，备用的镍金属氢化物存储电池的内部阻抗也能够采用 相同的方式测量。当测量采用上述间歇充电方法从恒定电流充电结束的预定时期的时间内的电压变化时，由于电流值恒定并且电荷状态
(SOC)总是几乎100%， 一种电压变化以外的条件只是表面温度T。这
会形成在采用上述间歇充电方法的恒定电池充电结束时电池模块中的镍
金属氢化物存储电池的表面温度T、充电结束后预定时期的时间内的电 池模块的电压变化和由于镍金属氢化物存储电池的恶化而减小的电量之 间的关系。
作为一种实验，对于上述电池模块，下述循环被重复三次，充电与 放电之间的每个间歇时间被设置为3小时在dT/dt = 0.3°C/min的充电 结束条件下，以20 A的充电电流执行第一阶段充电操作；执行第二阶段 充电操作持续2小时的充电时间；并且以30 A的放电电流和10.0 V的 放电结束电压对模块进行放电。因此，在最后循环中放电时的电量为 93.7 Ah。通过反复执行在55°C时约20%的放电深度的自放电和在 25°C时以20A的充电电流的第一阶段充电操作，上述电池模块被导致 恶化。如果电池模块已由于电量的减少而产生恶化，则作为上述电池模 块的更换准则的更换参考电量值被设置为70 Ah。在其中由于具有约20 %的放电深度的自放电和恶化而导致上述电池模块的电量减小到更换参 考电量值(70 Ah)以下的69.7 Ah的阶段，在周围环境温度恒定后执行第 一阶段充电操作，并且测量在放电结束时上述电池模块中的镍金属氢化 物存储电池的表面温度T与在放电结束时的电池模块的电压值同从充电 结束的预定时期的时间内的电池模块的电压值之间的差，即从充电结束 的预定时期的时间消逝后的电池模块的电压变化值V。此外，在周围环 境温度保持恒定后执行的在第一阶段充电操作结束时的表面温度T和在 充电结束后的预定时期的时间内的电压变化值V的测量被反复执行，同 时周围环境温度被改变以将电池模块的表面温度T设置为10°C到 50°C。注意上述预定时期的时间被设置为3分钟、5分钟、10分钟、 30分钟和l个小时。
图1是显示在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表 面温度T与充电结束后的三分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲 线图。图2是显示在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池的 表面温度T与充电结束后的五分钟内电池模块的电压变化之间的关系的曲线图。图3是显示在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电池 的表面温度T与充电结束后的IO分钟内电池模块的电压变化之间的关系
的曲线图。图4是显示在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储电 池的表面温度T与充电结束后的30分钟内电池模块的电压变化之间的关 系的曲线图。图5是显示在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储 电池的表面温度T与充电结束后的1小时内电池模块的电压变化之间的 关系的曲线图。参照图1到图5，附图标记VCT1指示在充电结束时关 于表面温度T和从充电结束的每个时刻的电压变化的测量结果。注意-在充电结束后，上述电池模块的电压变化值V以每分钟一次的间隔记 录。
同样地，通过反复执行在50。C, 55°C， 60°C，禾卩65°C以约20%的 放电深度的自放电和在25°C处以20 A的充电电流的第一阶段充电操 作，相同类型的总共四个电池模块中的每个被导致恶化。当由于以约20 %的放电深度的自放电和恶化所导致的相同类型的四个电池模块的电量 减小到更换参考电量值(70 Ah)以下，各自电量为69.3 Ah， 69.7 Ah, 68.7 Ah,和69.6 Ah。在其电量减小到更换参考电量值(70Ah)的相同类型的四 个电池模块中，在周围环境温度保持恒定后执行第一阶段充电操作，并 且测量在充电结束时的电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面温度 T与充电结束后的预定时期的时间内的电池模块的电压变化值V。此 外，在从10。C到50°C每个上述电池模块的周围环境温度范围中，在周 围环境温度保持恒定时执行的第一阶段充电操作结束时的表面温度T和 在充电结束后的预定时期的时间内的电压变化值V的测量被反复执行。 同样地，上述预定时期的时间被设置为3分钟、5分钟、10分钟、30分 钟和1个小时。参照图1到图5,附图标记VCT2指示在相同类型的四 个电池模块的每个中，在充电结束时对表面温度T和从充电结束的每个 时刻的电压变化的测量结果。注意在充电结束后，上述电池模块的电 压变化值V以一分钟的间隔记录。
参照图1到5，当测量结果VCT1由抛物线方程f(T) = aT2-bT + c 近似时，附图标记VCT3指示由最小平方法优化的抛物线。在这种情况 中，利用最小平方法，通过在充电结束时对表面温度T和在充电结束后的10分钟内的电压变化的测量结果进行优化，获得的抛物线方程f(T)
的系数a，b禾卩c中a = 0.201, b = 21.91，禾卩c = 1766。与图1到图5 中所示的测量结果VCT1的比较表明在充电结束时对表面温度T和 从充电结束的3分钟内的电压变化的测量结果中存在很大变化。这里因 为，由于电压变化值V以1分钟间隔记录，所以在电压变化值V变化 特别大的充电结束后的即刻，几秒的误差可大大影响电压变化值V。为 此原因，图1中所示的测量结果VCT1与由最小平方法优化的抛物线 方程f(T)表示的抛物线分离。对比地，很明显在充电结束时对于表面 温度T和充电结束后5分钟内的电压变化的测量结果VCT1显现很小 的变化，并且能够由最小平方法优化的抛物线方程f(T)近似(图2)。
图1到5中所示的测量结果VCT1禾Q VCT2之间的比较表明 对充电结束时的表面温度T和在充电结束时的5分钟中的电压变化的测 量结果VCT2并不很背离通过利用最小平方法使测量结果VCT1优化而 获得的抛物线方程f(T)所表示的抛物线(图2)。更确切地说，只要使 用相同类型的电池模块，测量结果VCT1就能够利用抛物线方程f(T) 优化。在上述电池模块的每个周围的环境温度在10°C和50°C之间变 化时，通过反复执行如下测量，在它们在50°C, 55°C， 60°C,和65°C时 被恶化后，从其电量减小到更换参考电量值(70 Ah)以下的相同类型的 四个电池模块获得测量结果VCT2，所执行的测量为在恒定的周围环 境温度时执行第一阶段充电操作；并且测量在充电结束时在每个电池模 块中的镍金属氢化物存储电池的表面温度T和在充电结束后预定时期的 时间内每个电池模块的电压变化值V。这表明电池模块，即镍金属氢化 物存储电池，恶化时的温度对测量结果VCT2没有影响。
上述实验结果显示能够实现根据本发明的电池模块(镍金属氢化 物存储电池)的更换确定方法。图6是显示根据本发明的第一实施例的 更换确定设备的布置的框图。图7和8是显示更换确定设备的操作的 流程图。图7显示了对同时作为确定目标的另一电池模块10执行处理 前，由电池模块10提前执行的处理。图8显示了作为确定目标的电池 模块10的更换确定过程。
该更换确定设备包括充电/放电设备11，其对包括一个或多个镍金属氢化物存储电池的电池模块10充电/放电；温度测量元件12，其附 于电池模块10中的镍金属氢化物存储电池；温度测量设备13,其基于 从温度测量元件12的输出测量电池模块10中的镍金属氢化物存储电
池的表面温度；电压测量设备14，其测量电池模块10的电压；A/D转 换器15 ，其将由温度测量设备13和电压测量设备14获得的测量结 果转换成数字值；控制单元16，其基于由温度测量设备13和电压测量 设备14获得的测量结果，控制充电/放电设备11，并确定电池模块10 的更换必要性；和结果显示单元17，其显示由控制单元16获得的确定 结果。周围环境温度设置装置20能够改变电池模块10的周围环境温 度。 .
整流器18、充电/放电设备11和控制单元16构成充电装置。该 电压测量设备14形成电压测量装置。该温度测量元件12和温度测量 设备13构成温度测量装置。该控制单元16形成确定装置、导出装置 和计算装置。
图6中的系统被构造使得在控制单元16的控制下，经由充电/ 放电设备11，该电池模块10利用整流器18的输出充电，并经充电/放 电设备11将电力供应给负载19。
根据这个实施例的更换确定设备的操作将参照图7和8描述。首 先，更换确定设备的使用者提前确定更换参考电量值，作为基于当给定 的电池模块10恶化时其更换的基准(图7中的步骤S100)。因此， 通过重复自放电和第一阶段充电操作，该控制单元16控制充电/放电设 备11以使电池模块10恶化(步骤SlOl)。
通过使用电压测量设备14，该控制单元16测量电池模块10的电 压，并获得电池模块10中的镍金属氢化物存储电池的内部阻抗，从而 获得电池模块10的电量。如果电池模块10的电量小于更换参考电量 值(在步骤S102中的"是")，该控制单元16使周围环境温度恒定并执 行第一阶段充电操作(步骤S103)。
如果满足预定充电结束条件(在步骤S104中"是")，通过使用温 度测量设备13，该控制单元16测量在结束充电时电池模块10中的镍 金属氢化物存储电池的表面温度T(步骤S105)，通过使用电压测量设备14，测量在结束充电时电池模块10的电压(步骤S106);并结束对电
池模块10的充电(步骤S107)。
因此，当由于结束充电而导致的预定时期时间已消逝(在S108中 "是")时，通过使用电压测量设备14，该控制单元16测量电池模块 10的电压(步骤S109)。然后，该控制单元16获得在充电结束时的电池 模块10的电压值与从充电结束消逝预定时期的时间内的电池模块10 的电压值之间的差，即从充电结束起预定时期的时间内的电池模块10 的电压变化值V(步骤SllO)。
通过使用周围环境温度设置装置20，该控制单元16改变电池模块 10周围的周围环境温度，并设置与先前温度不同的恒定周围环境温度(步 骤Slll)。然后，该控制单元16在步骤S101到Slll中执行测量。 采用这种方式，该控制单元16在每个不同周围环境温度处执行测量。
当执行预定次数的测量(在步骤S112中的"是")时，该控制单 元16获得在充电结束时在电池模块10中的镍金属氢化物存储电池的 表面温度T和从充电结束起的预定时期的时间后电池模块10的电压变 化值V之间的关系。更确切地说，该控制单元16获得通过使用最小平 方法使测量结果优化而获得的抛物线方程f(T) = aT2-bT + c的系数a，b, 和c。
接下来，将参照图8描述作为确定目标的电池模块10的更换确定 处理。对于作为确定目标的电池模块10 ，该控制单元16在恒定周围 环境温度时执行第一阶段充电操作和第二阶段充电操作(参照图8中的 步骤S200)。如果满足第一阶段充电操作的预定充电结束条件(在步骤 S201中"是")，则通过使用温度测量设备13，该控制单元16测量在 第一阶段充电操作结束时，作为确定目标的电池模块10中的镍金属氢 化物存储电池的表面温度T0(步骤S202)。通过使用电压测量设备14， 控制单元16在第一阶段充电操作结束时，测量作为确定目标的电池模 块10的电压(步骤S203)。该控制单元16完成对作为确定目标的电 池模块10的第一阶段充电操作(步骤S204)。
因此，当自第一阶段充电操作结束已消逝预定时期的时间(在S205 中"是")时，通过使用电压测量设备14，该控制单元16测量作为确定目标的电池模块10的电压(步骤S206)。该控制单元16获得在第一阶 段充电操作结束时作为确定目标的电池模块10的电压值与从第一阶段 充电操作结束消逝预定时期的时间后作为确定目标的电池模块10的电 压值之间的差，即在第一阶段操作结束后的预定时期的时间内，作为确 定目标的电池模块10的电压变化值Vm(步骤S207)。
然后，该控制单元16将在第一阶段充电操作结束时作为确定目标 的电池模块10中的镍金属氢化物存储电池的表面温度TO代入抛物线 方程f(T) = aT2-bT + c，并将电压变化值f(T)设置为通过代入参考电压 变化值V0获得的计算结果(步骤S208)。该控制单元16将步骤S207 中获得的电压变化值Vm与参考电压变化值VO进行比较(步骤 S209)。
如果电压变化值Vm小于参考电压变化值VO (在步骤S209中的 "否")，该控制单元16确定无需更换电池模块10，并终止图8中的更 换确定处理。如果电压变化值Vm等于或大于参考电压变化值VO (在步 骤S209中的"是")，该控制单元16也确定作为确定目标的电压模块 10需要更换，并在结果显示单元17上显示用于指示电池模块10需要 被更换的确定结果(步骤S210)。
如上描述，因为当电池模块的更换的必要性将被确定时，电池模块 中的镍金属氢化物存储电池未放电，所以这个实施例能够被应用于任何 系统结构。该实施例提前确定更换参考电量值，并基于充电结束时电池 模块中的镍金属氢化物存储电池的表面温度T与充电结束后的预定时期 的时间内的电池模块的电压变化值V之间的关系、在充电结束时测量的 作为确定目标的电池模块中的镍金属氢化物存储电池的表面温度T0、以 及在充电结束后的预定时期的时间内作为确定目标的电池模块的电压变 化值Vm，利用最小平方法优化的抛物线方程f(T)确定作为确定目标的 电池模块更换的必要性，在所述充电结束时，电量值变得小于更换参考 电量值。因此，在电池模块的更换确定中未出现由于温度变化所导致的 错误，从而防止更换确定中出现错误。
此外，在这个实施例中，由于在充电结束时的表面温度T与在充 电结束后的预定时期的时间内的电压变化值V之间的关系由利用最小平方法优化的抛物线方程f(T) = aT2-bT + c近似，参考电压变化值V0能 够容易地得以计算。这使得可以容易确定作为确定目标的电池模块的更 换必要性。该实施例无需校正由于充电时的温度所导致的电压变化值， 也不需要复杂的算术表达式或表。这可以容易地确定作为确定目标的电 池模块的更换必要性。
注意下述操作被重复充满电与在这个实施例中使用的恶化的电
池模块的相同类型的非-恶化的电池模块；从10 Ah到90 Ah以10 Ah 的放电电量的增加值对模块进行放电；并以20 Ah再次为模块充满电。 图9是显示在开始充电后的10分钟内的电池模块的电压上升值与放电 电量之间的关系的曲线图。
如从图9很明显地示出，根据放电的深度，在充电开始时的电池模 块的电压上升值极大地改变。为此原因，只要不明确地知道放电深度是 恒定，则当电池模块在其中周围环境温度变化的环境中充满电时，就很 难从充电开始时的电池模块的电压上升值确定电池模块的恶化。此外， 在其中周围环境温度变化的环境中，由于电池模块的自放电率产生变 化，该自放电量甚至在恒定时间内不恒定。为此原因，很难根据开始充 电时的电池模块的电压变化确定电池模块的恶化。
第二实施例
接下来将描述根据第二实施例的用于确定电池系统更换的设备和方
法。将参照图10主要描述与第一实施例的差别。注意根据第二实施例 的更换确定设备和方法与根据第一实施例那些基本相同。
在这个实施例中，确定目标是其中四个电池彼此串联的电池系统， 每个具有95 Ah的标称电量，其中10个镍金属氢化物存储电池单元彼 此串联。如在第一实施例中，根据第二实施例的电池系统的更换确定设
备提前获得抛物线方程f(T) = aT2-bT + c;测量充电结束时彼此串联的4 个电池模块的表面温度TO和充电结束后的预定期间的时间内的模块的 电压变化值Vm;并确定电池系统的更换的必要性。因此，根据这个实 施例用于确定电池系统的更换的设备和方法还能够获得与第一实施例的 那些设备和方法相同的效果。
此外，根据这个实施例的用于确定电池系统更换的设备重复如下循环四次在25°C以20A的充电电流执行第一阶段充电操作，在从第一
阶段充电操作结束消逝10分钟后，测量每个电池模块的电压；使每个 模块在25°C支持一个月；并之后对每个模块充电，并且测量的电压在
每次充电结束后10分钟内变化。图10是显示了在从充电结束的10
分钟内通过连续四次测量彼此串联的四个电池模块的电压变化获得的测
量结果。参照图10，附图标记VC1, VC2, VC3,和VC4指示对于电池 系统的各个电池模块的测量结果。
如图10所示，在根据这个实施例的电池系统中，在电池模块中电 压变化存在变化。因此，如果根据仅一个具体电池模块的电压变化值 Vm确定更换的必要性，可以确定已需要更换的电池模块无需更换。
对于电池系统的每个电池模块，这个实施例的更换确定设备的控制 单元16执行图8中所示的更换确定处理。如果彼此串联的4个电池模 块的预定数目(例如2或更多)的电池模块的电压变化值Vm等于或大 于参考电压变化值V0，则控制单元16确定电池系统需要更换。这使得 可以在一个操作中正确地确定彼此串联的4个电池模块需要更换。因 此，这个实施例能够减小由于多个电池模块中的变化所导致的确定错 误，并且能够在一个操作中准确确定电池模块的更换必要性。
[第三实施例
将主要描述根据本发明的第三实施例的用于确定电池系统更换的设 备和方法与根据第二实施例的那些设备和方法之间的差别。注意根据 这个实施例的更换确定设备和方法基本上与根据第二实施例的那些设备 和方法相同。
与在第二个实施例中的情况一样，在这个实施例中，确定目标是电
池系统，其中具有彼此串联的10个镍金属氢化物存储电池单元的四个
电池模块彼此串联，每个具有95 Ah的标称电量。与在第二个实施例中 的情况一样，根据第三实施例的用于确定电池系统的更换的设备提前获 得抛物线方程f(T) = aT2 - bT + c;测量充电结束时彼此串联的4个电池 模块的表面温度TO和充电结束后的预定期间的时间内的模块的电压变 化值Vm;并根据测量结果和抛物线方程f(T)确定电池系统更换的必要 性。因此，根据这个实施例用于确定电池系统更换的设备和方法还能够获得与第一实施例的那些设备和方法相同的效果。
根据这个实施例的用于确定电池系统的更换的设备测量充电结束时
彼此串联的4个电池模块的表面温度TO和充电结束后的预定期间的时 间内的模块的电压变化值Vm，并且因此，作为测量结果的表面温度TO 和电压变化值Vm包括基于各自测量的精度的测量误差。这种测量误差 是更换确定错误的原因。如果所测量的表面温度TO比真实值更高，则 可确定被确定为无需更换的电池需要被更换。相反，如果测量的表面 温度TO低于真实值，则可以确定被确定为需要更换的电池无需被更 换。如果表面温度TO的测量值异常，则将导致对于在一个操作中确定 更换电池的必要性产生错误的判断。
为此原因，根据这个实施例的更换确定设备的控制单元16确定-如果彼此串联的4个电池模块的预定数目(例如2或更多)的电池模块 的电压变化值Vm连续三次等于或超过参考电压变化值V0，该电池系统 需要被更换。这能够减小由于测量误差所造成的确定错误。
假设彼此串联的4个电池模块的2个或更多的电池模块的电压变化 值Vm —次或连续两次等于或超过参考电压变化值V0。也假设因为 电压变化值Vm或表面温度TO的测量值的异常，彼此串联的4个电池 模块的2个或更多的电池模块的电压变化值不等于或超过参考电压变化 值V0，并且因此确定被确定需要更换的电池模块无需更换。即使在这 种情况中，虽然更换确定延迟，但是考虑到充电的频率，即约每月一 次，也不可能在这个期间电量很大减小。因此，不会出现实际问题。
注意上述实施例仅是本发明的实施例的实例，并且本发明的范围 并不局限于它们。本发明能够应用于权利要求中描述的范围内的多种其 它实施例。例如，在第一到第三实施例中，本发明的更换确定设备和方 法被应用于电池模块，其中10个镍金属氢化物存储电池单元彼此串 联。然而，本发明并不仅限于这种设置。本发明的更换确定设备和方法
能够被应用于电池模块，其中10个镍金属氢化物存储电池单元彼此并联。
在第二和第三实施例中，本发明的更换确定设备和方法被应用于电
池系统，其中4块电池模块彼此串联。然而，本发明并不局限于此，并且通过将本发明应用于电池系统中可以获得类似的效果，在所述电池系 统中电池模块彼此并联。
在第三实施例中，本发明的更换确定设备和方法被应用于电池系 统，其中4块电池模块彼此串联。然而，本发明并不局限于此，并且通 过将本发明应用于一个电池模块被连接到的电池系统可以获得类似的效 果。
在第一实施例中，根据本发明的更换确定设备和方法被应用于电池 模块，其中10个镍金属氢化物存储电池单元彼此串联。然而，本发明 并不局限于此，并且能够应用于单个镍金属氢化物存储电池。在这种情 况中，其足以确定作为确定目标的镍金属氢化物存储电池在下述情况中 需要被更换。提前确定作为镍金属氢化物存储电池的更换的参考电量的 更换参考电量值。其电量己小于更换参考电量值的镍金属氢化物存储电 池在恒定周围环境温度充电，并且测量在充电结束时电池的表面温度和 充电结束后的预定时期的时间内的电压变化值。此外，在周围环境温度 改变的同时，反复执行上述测量，从而获得表面温度与电压变化值之间 的关系。充电结束时作为确定目标的镍金属氢化物存储电池的表面温度 和充电结束后的预定时期的时间内的电压变化值被测量。参考电压变化 值根据上述关系和表面温度计算。该电压变化值等于或超过参考电压变 化值。
类似地，在第二和第三实施例中，根据本发明的更换确定设备和方 法被应用于电池系统，其中4个电池模块彼此串联。然而，本发明并不 局限于此，并且根据第二和第三实施例的更换确定设备和方法能够应用 于多个镍金属氢化物存储电池。
在第三实施例中，根据本发明的更换确定设备和方法被应用于电池 系统，其中4个电池模块彼此串联。然而，本发明并不局限于此，并且 根据第三实施例的更换确定设备和方法能够应用于单个镍金属氢化物存 储电池。
在第一到第三实施例中，在作为确定目标的电池模块中，在执行第 一阶段充电操作直到镍金属氢化物存储电池利用间歇充电方法充满电 后，以低电流执行第二阶段充电操作。然而，本发明并不仅限于此，并且无需执行第二阶段充电操作。
在第一到第三实施例中，其电量已小于更换参考电量值的电池模块 被充满电，并且提前测量在充电结束时电池模块中的镍金属氢化物存储 电池的表面温度T和充电结束后的预定时期的时间内的电压变化值V。 然而，本发明并不仅限于这种设置。在改变周围环境温度的同时，通过 反复执行如下测量操作，该更换确定设备的控制单元16可获得表面温 度与电压变化值之间的关系在周围环境温度恒定时，开始对其电量己 小于更换参考电量值的镍金属氢化物存储电池或电池模块充电；当每单 位时间表面温度上升等于或超过预定值时，中断充电；并测量中断时的
表面温度和中断后的预定时期的时间内的电压变化值。在这种情况中， 如果当充电开始后每单位时间表面温度的增加等于或超过预定值时，控
制单元16中断作为确定目标的镍金属氢化物存储电池或电池模块的充
电，并测量中断时的表面温度和中断后的预定时期的时间内的电压变化值。
在第一到第三实施例中，图1到5显示了当该预定时期的时间被 设置为3分钟、5分钟、10分钟、30分钟和1小时时获得的关系，作为 在充电结束时的表面温度T与充电结束后的预定时期的时间内的电压充 电值V之间的关系。本发明并不仅限于此，并且该预定时期的时间可被 设置为其它时间。注意预定时期的时间优选地被设置为5分钟到1小 时。这种设置使得可以快速确定镍金属氢化物存储电池或电池模块的更 换必要性，同时减小充电结束时的表面温度T的变化和在充电结束预定 时期时间的电压变化值V的变化。
在第一到第三实施例中，更换参考电量值被设置为70 Ah。然而显 然地，本发明并不仅限于此，并且这个值能够被设置为另一值。
在第一到第三实施例中，在改变周围环境温度的同时，通过反复执 行如下测量操作，可以获得表面温度T与电压变化值V之间的关系在 周围环境温度恒定时，对其电量已小于更换参考电量值的电池模块充 电；并且在充电结束时测量在其电量小于更换参考电量值的镍金属氢化 物存储电池的表面温度T和在充电结束后预定时期的时间内的电压变化 值V。然后，这种关系利用抛物线方程f(T) = aT2 - bT + c近似。然而，本发明并不仅限于此，并且这种关系可以利用另一函数f(T)近似。
注意例如利用包括CPU、存储设备和接口的计算机和控制这些硬 件资源的程序能够实现在第一到第三实施例中的控制单元16。在被记录
在诸如软盘、CD-ROM、 DVD-ROM或存储卡等记录介质上时，提供用 于操作这种计算机的程序。该CPU将读取程序写入存储设备，并根据 该程序执行第一到第三实施例中的处理。 工业适用性
本发明能够应用于确定存储电池更换的技术。
权利要求
1. 一种用于确定存储电池更换的设备，其特征在于包括充电装置，用于对作为确定目标的不少于一个存储电池充电；电压测量装置，用于在存储电池的充电停止时刻后的预定时期的时间内，测量存储电池的电压变化值；和确定装置，用于当电压变化值不小于参考电压变化值的情况连续出现预定数目次数时，确定存储电池需要被更换，所述预定数目不小于1。
2. 根据权利要求1所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于该存储电池的充电停止时刻是满足预定充电结束条件的充电结束 的时刻。
3. 根据权利要求1所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于该存储电池的充电停止的时刻是充电开始后每单位时间的存储电 池的表面温度的增加不小于预定值并且充电中断的时刻。
4. 根据权利要求1所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于还包括温度测量装置，用于在充电结束时测量存储电池的表面温度， 导出装置，用于获得存储电池的表面温度与电压变化值之间的关 系；禾口计算装置，用于根据所述关系计算参考电压变化值， 其中所述充电装置包括在测量作为确定目标的存储电池的电压变 化值之前、在恒定的周围环境温度下、对电量已小于更换参考电量值的 存储电池充电的装置，所述更换参考电量值用作更换存储电池的更换参 考电量，所述温度测量装置包括用于在充电结束时测量电量小于更换参考电 量值的存储电池的表面温度的装置，所述电压测量装置包括用于在从充电结束的预定时期的时间内，测 量电量小于更换参考电量值的存储电池的电压变化值的装置，和所述导出装置包括用于在改变周围环境温度的同时根据通过反复对电量小于更换参考电量值的存储电池充电并测量存储电池的表面温度和 电压变化值而获得的结果，来获得电量小于更换参考电量值的存储电池 的表面温度与电压变化值之间的关系的装置。
5. 根据权利要求3所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征在于还包括温度测量装置，用于在充电中断时测量存储电池的表面温度， 导出装置，用于获得存储电池的表面温度与电压变化值之间的关 系；禾口计算装置，用于根据所述关系计算参考电压变化值， 其中所述充电装置包括在测量作为确定目标的存储电池的电压变 化值之前、在恒定的周围环境温度下、对电量已小于更换参考电量值的 存储电池充电并在每单位时间存储电池表面温度增加不小于预定值时中 断存储电池的充电的装置，所述更换参考电量值用作更换存储电池的更 换参考电量；所述温度测量装置包括用于在充电中断时测量电量小于更换参考电 量的存储电池的表面温度的装置；所述电压测量装置包括用于在从充电中断的时刻起的预定时期的时间内测量电量小于更换参考电量的存储电池的电压变化值的装置；和-所述导出装置包括用于在改变周围环境温度的同时根据通过反复对 电量小于更换参考电量值的存储电池充电并测量存储电池的表面温度和 电压变化值而获得的结果，来获得电量小于更换参考电量值的存储电池 的表面温度与电压变化值之间的关系的装置。
6. 根据权利要求4所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于所述导出装置包括用于在表面温度由T表示时利用表面温度T 的函数f(T)近似所述关系的装置。
7. 根据权利要求5所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于所述导出装置包括用于在表面温度由T表示时利用表面温度T 的函数f(T)近似所述关系的装置。
8. 根据权利要求6所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于所述函数f(T)是通过最小平方法优化的抛物线方程f(T) = aT2 -bT + c。
9. 根据权利要求7所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于所述函数f(T)是通过最小平方法优化的抛物线方程f(T) = aT2 -bT + c。
10. 根据权利要求6所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征在于所述温度测量装置包括用于在充电结束时测量作为确定目标的存储 电池的表面温度的装置，和所述计算装置包括用于通过将作为确定目标的存储电池的表面温度 代入函数f(T)计算参考电压变化值的装置。
11. 根据权利要求7所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征在于所述温度测量装置包括用于在充电中断时测量作为确定目标的存储 电池的表面温度的装置，和所述计算装置包括用于通过将作为确定目标的存储电池的表面温度 代入函数f(T)计算参考电压变化值的装置。
12. 根据权利要求1所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于..所述确定装置包括用于当作为确定目标的多个存储电池中的预定 数目的存储电池的电压变化值不小于参考电压变化值时确定存储电池需 要被更换的装置。
13. 根据权利要求1所述的用于确定存储电池更换的设备，其特征 在于所述预定时期的时间是5分钟到l小时中的任何一个时间。
14. 一种用于确定存储电池更换的方法，其特征在于所述方法包括第一充电步骤，即对作为确定目标的不少于一个存储电池充电； 第一电压测量步骤，即在存储电池的充电停止时刻后的预定时期的时间内，测量存储电池的电压变化值；和确定步骤，即当电压变化值不小于参考电压变化值的情况连续出现预定数目次数时，确定存储电池需要被更换，所述预定数目不小于1。
15. 根据权利要求14所述的用于确定存储电池更换的方法，其特征在于存储电池的充电停止时刻是满足预定充电结束条件的充电结束 的时刻。
16. 根据权利要求14所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于存储电池的充电停止的时刻是充电开始后每单位时间存储电池 的表面温度的增加不小于预定值并且充电中断的时刻。
17. 根据权利要求14所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于在第一充电步骤、第一电压测量步骤和确定步骤前，还包括第二充电步骤，即在恒定的周围环境温度下，对电量小于作为更换 存储电池的参考电量的更换参考电量值的存储电池充电；第一温度测量步骤，即在充电结束时，测量电量小于更换参考电量 的存储电池的表面温度；第二电压测量步骤，即在从充电结束起的预定时期时间内，测量电 量小于更换参考电量值的存储电池的电压变化值；导出步骤，即在改变周围环境温度的同时根据通过反复执行第二充 电步骤、第一温度测量步骤和第二电压测量步骤而获得的结果，来获得 存储电池的表面温度与电压变化值之间的关系；和计算步骤，即根据作为确定目标的存储电池的充电停止时的关系计 算参考电压变化值。
18. 根据权利要求16所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于在第一充电步骤、第一电压测量步骤和确定步骤前，还包括第二充电步骤，即在恒定的周围环境温度下，对电量小于作为更换 存储电池的参考电量的更换参考电量值的存储电池充电，并当每单位时间存储电池的表面温度的增加不小于预定值时，中断充电；第一温度测量步骤，即在充电中断时，测量电量小于更换参考电量值的存储电池的表面温度；第二电压测量步骤，即在从充电中断起的预定时期的时间内，测量 电量小于更换参考电量值的存储电池的电压变化值；导出步骤，即在改变周围环境温度的同时，根据通过反复执行第二 充电步骤、第一温度测量步骤和第二电压测量步骤获得的结果，来获得 电量小于更换参考电量值的存储电池的表面温度与电压变化值之间的关系；禾口计算步骤，即根据在作为确定目标的存储电池的充电中断时的关系 计算参考电压变化值。
19. 根据权利要求17所述的用于确定存储电池更换的方法，其特征在于所述导出步骤包括步骤当表面温度由T表示时，利用表面温度T的函数f(T)近似所述关系。
20. 根据权利要求18所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于所述导出步骤包括步骤当表面温度由T表示时，利用表面温度T的函数f(T)近似所述关系。
21. 根据权利要求19所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于所述函数f(T)是通过最小平方法优化的抛物线方程f(T) = aT2-bT + c。
22. 根据权利要求20所述的用于确定存储电池更换的方法，其特 征在于所述函数f(T)是通过最小平方法优化的抛物线方程f(T) = aT2-bT + c。
23. 根据权利要求19所述的用于确定存储电池更换的方法，其特征在于还包括第二温度测量步骤在充电结束时测量作为确定目标的存储电池的表面温度，其中，所述计算步骤包括步骤通过将作为确定目标的存储电池的 表面温度代入函数f(T)计算参考电压变化值。
24. 根据权利要求20所述的用于确定存储电池更换的方法，其特征在于还包括第二温度测量步骤在充电中断时测量作为确定目标的 存储电池的表面温度，其中，所述计算步骤包括步骤通过将作为确定目标的存储电池的 表面温度代入函数f(T)计算参考电压变化值。
25.的电压变化值不小于参考电压变化值时，确定存储 电池需要被更换。
26. 根据权利要求14所述的用于确定存储电池更换的方法，其特征在于所述预定时期的时间是5分钟到l小时中的任何一个时间。
全文摘要
本发明公开了一种用于确定存储电池更换的设备和方法。其中，更换确定设备的控制单元(16)对作为确定目标的一个或多个电池模块(10)充电，并使用电压测量设备(14)测量从充电停止时刻起的预定时期的时间内的电池模块(10)的电压变化值。如果电压变化值等于或超过参考电压变化值的情况连续出现预定数目的次数，控制单元确定电池模块(10)需要被更换，所述预定数目等于或大于1。
文档编号G01R31/36GK101421634SQ20078001373
公开日2009年4月29日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月25日
发明者北野利一, 宫坂明宏, 山下明, 正代尊久 申请人:日本电信电话株式会社