JPH0793152B2 - 与圧ガス・メタル蓄電池の充電の制御 - Google Patents

与圧ガス・メタル蓄電池の充電の制御

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JPH0793152B2
JPH0793152B2 JP62500052A JP50005287A JPH0793152B2 JP H0793152 B2 JPH0793152 B2 JP H0793152B2 JP 62500052 A JP62500052 A JP 62500052A JP 50005287 A JP50005287 A JP 50005287A JP H0793152 B2 JPH0793152 B2 JP H0793152B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、概して密閉ニッケル・水素電池のような与
圧ガス・メタル蓄電池に関し、特にそのような電池の充
電を制御することに関する。
再充電可能な蓄電池は、荷電を蓄積し、後でその電荷を
有用な電流として放電するための電気化学装置である。
再充電可能な蓄電池の普通の例としては、自動車に使用
される鉛酸バッテリがある。単位重量当り、より大きな
蓄電容量を有している他の種類の電池には、与圧ガス・
メタル蓄電池があり、重要な例としては、宇宙船応用に
使用されるニッケル・水素電池がある。典型的に、宇宙
船に使用されるニッケル・水素電池は、宇宙船上のソー
ラパネルによって発生された電流によって定期的に充電
され、後で、宇宙船が陰に入った時に、あるいはソーラ
パネルが電力を供給できなくなった時に、放電して電力
を供給する。
蓄電池を宇宙船に使用するためには、電池の単位重量当
りの高いエネルギ容量，信頼性，及び充電／放電の多く
のサイクルを通しての再利用能力が主に要求される。信
頼性及び多サイクル能力は、電池の充電の程度によって
部分的に影響を及ぼされる。即ち、ニッケル・水素電池
が充電サイクルの間に非常に過充電されるならば、電池
寿命はより短くなる傾向にあり、且つ電池故障をより発
生する傾向にあるということが見出だされている。
よって、その長寿命性能を最大限に活用するために、充
電の間中、与圧ガス・メタル電池の充電を制御すること
が重要である。密閉与圧ガス・メタル蓄電池の内側の水
素の部分的な圧力が充電の間、先ずリニアに増加する
が、後に電池がその完全充電に近付くにつれ、水素のい
くらかが正電極に発生される酸素と結合されるというこ
とが予め観察されている。この観察は、密閉電池内の圧
力の値を監視することによって、そのような電池の充電
の制御に使用されている。不幸にも、電池の特定の充電
程度に対応する圧力は、電池に蓄積された電気エネルギ
量の他にも、電池の製造後の年数，温度，及び充電率に
よって変化する。宇宙船が充電／放電サイクルを常に受
ける蓄電池を有して、多数年の間軌道にある故に、電池
内のガス圧力の値は、電池の充電を制御するために使用
されることができるほど十分に確実な測定を提供しな
い。
よって、密閉電池容器内のガスの圧力の値に依存しな
い、与圧ガス・メタル蓄電池の充電の制御への改良され
たアプローチのための要求が存在する。そのようなアプ
ローチは、数千の充電／放電サイクルを通して信頼でき
且つ確実であるべきである。電池が、制御手段よりはむ
しろ、それらの電気性能及び重量のために最適化されね
ばならず、且つ蓄電池に対して過度の重量又は複雑さを
加えないべきである故に、それは存在する電池デザイン
とコンパチブルであらねばならない。望ましくは、制御
手段は、地上制御装置による介在のような、どのような
外側コンタクトもなしに、独立して充電され且つ放電さ
れることを電池に許すだろう。本発明は、この要求を遂
行し、さらに関連の効果を提供する。
発明の要約 本発明は、与圧ガス・メタル電池の有害な過充電を妨げ
るために、そのような電池を制御するための方法及び装
置にある。そのアプローチは、製造後の年数，温度，充
電率，又は他のパラメータと無関係に、典型的な宇宙船
動作の通常動作制限内で、電池充電の再生可能な制御を
許す。電池自身には重要ではない変更しか必要とされ
ず、決定的な制御機能は、電池の使用を監視するため
に、小ハードウェアコントローラかあるいはコンピュー
タを使用して成し遂げられることができる。制御は、充
電が地上コンピュータ即ちコントローラとのコンタクト
を必要としないように、外側介在を全くなしに成し遂げ
られることができる。
本発明に従って、与圧ガス・メタル蓄電池と共に使用す
るための蓄電池充電コントローラは、時間についての電
池ガス圧力指標の変化率を決定するための手段と、上記
変化率が予め選択された値以下に下がり、下がったまま
である時に、電池の充電を停止するための手段とを具備
する。ガス圧力指標は、ガス圧力自身、即ち電池コンポ
ーネントの一つの変形のような反応量を含む蓄電池内の
ガス圧力と共に反応して関数的に変化するいくらかの量
であることができる。
電池圧力指標の変化率は、電池の遅い充電の間でさえ、
短い時間内で広く変化する。ゆえに、時間についてのガ
ス圧力指標の変化率の真の測定を得るために、変化の有
害な影響をフィルタリングすること、あるいは別なふう
にして防止することが重要である。
ゆえに、コントローラは、電池圧力指標の変化率の平均
値を計算するための手段を含むのが好ましい。平均化
は、変化率のいくらかの連続する値を平均することによ
るような、あるいはガス圧力指標の２つの平均値を得
て、次にそれらの値を得る間の平均時間によってそれら
の値を割ることによるような、いくらかの適当な方法で
成し遂げられることができる。どのようなアプローチが
使用されても、上記変化率が予め選択された値以下に下
がった時には、電池の完全充電へのアプローチが終えら
れ、充電された状態を保つのを可能とする細流充電を除
いては、充電が停止される。
最も好ましいアプローチに於いては、電池ガス圧力指標
は、圧力容器の外部壁上に取付けられたトランスデュー
サの歪みゲージによって測定されるような、電池圧力容
器の壁の変形であるように取られる。容器内の圧力が上
昇するにつれ、壁が変形し、歪みゲージが内部圧力によ
って発生されるようなこの変形を測定する。上記指標の
変化がランダムなので、電池ガス圧力指標の変化率の測
定値は、真の値のまわりを広く変化する。ゆえに、２分
間で約33の値のオーダでのように、複数の変化率の値を
測定し、次に真の値を、即ちガス圧力指標の変化率の確
かな値を導出すために、これらの値を平均することが好
ましい。若し、この平均値が予め選択された値以下に下
がるならば、この手順の動作エラー制限内で、電池が完
全に充電することが終えらえ、充電が停止される。一貫
性を保証するために、好ましいコントローラは、ガス圧
力指標の変化率の平均値の２つ以上の連続した値が、ラ
ンダムな変化が完全充電の正しくない決定を引起こさな
いということを確実にするために、予め選択されたレベ
ル以下に下がらねばならないということを必要とする。
計算は、完全にそのために設定されたハードウェアによ
ってか、ディジタルコンピュータによってか、あるいは
リードオンリメモリから働くマイクロプロセッサのよう
な結合されたデバイスによってかで成されることができ
る。必要なハードウェア及び支援機能の全ては、充電の
制御が地上に基づくコントローラの介在を必要としない
ように、電池に近接して配置されることができる。
本発明の他の態様に於いては、電圧源から充電される与
圧ガス・メタル電池の有害な過充電を妨げるためのプロ
セスが、電池ガス圧力指標の変化の時間率を決定するこ
とと、予め選択された値と上記変化の時間率を比較する
ことと、及び上記変化の時間率が上記予め選択された値
以下に下がり、下がったままである時に、電池の充電を
停止することとを含む。コントローラに関して前述され
た種々の変更修正及び最適化もまた、過充電を妨げるた
めのプロセスに適応することができる。
本発明が、与圧ガス・メタル蓄電池の技術に於ける、特
にそのような電池の長寿命動作に於ける進歩を表わすと
いうことが、今認識されるだろう。本発明のアプローチ
を使用して、電池充電は、内部ガス圧力，充電率，又は
他の特徴についての仮定を当てにすることなしに、最適
なレベルに制限されることができる。電池がその最適な
完全充電をアプローチする時、電池ガス圧力指標の変化
率は減少し、この減少された変化率は充電動作の終了を
トリガする。よって充電は、その充電レベルの値を知る
ことなしに、放電のどのレベルからも開始されることが
できる。充電／放電サイクルが、軌道位置，太陽角度，
及び他の飛行パラメータに非常に依存して変化するの
で、この能力は重要である。電池の温度，充電率，及び
製造後の年数の変化は、上記指標の変化の時間率に基づ
くこのアプローチに直接影響を及ぼさず、よって完全充
電の正確なレベルの到達を妨げない。本発明の他の特徴
及び効果は、例によって本発明の原理を例証する、添附
図面に関連して取られた、以下のより詳細な説明から明
らかになるであろう。
図面の簡単な説明 第１図は、飛行型ニッケル・水素電池の断面正面図であ
り、 第２図は、プレートセットを示す、２−２線で概して取
られた第１図の細部であり、 第３図は、電池の充電の間の時間の関数としての内部電
池ガス圧力のグラフであり、 第４図は、ガス圧力指標の変化の時間率、特に、第２図
に描かれた充電のための時間の関数としての歪みゲージ
電圧のグラフであり、そして、 第５図は、電池圧力指標の変化の平均された時間率を計
算するためのプロセスフローチャートである。
好ましい態様の詳細な説明 本発明は、与圧ガス・メタル電池型の、第１図及び第２
図に示されるような、ニッケル・水素蓄電池10に関連し
て使用されることが好ましい。そのような電池10は典型
的に、複数の個別プレートセット12を含む。それぞれの
プレートセット12は、順番に、アノード即ち正電極14,
カソード即ち負極板16,及び含電解質セパレータ18を含
み、このセパレータ18は上記電極14と16とを物理的に分
離し、且つイオン及び電子移動が発生する電解質媒体を
も供給する。上記プレートセット12の充電及び放電は、
電気リード20を介して成し遂げられる。
ニッケル・水素電池及びコンポーネントの種々の構造
は、以下の米国特許に開示されており、それらの開示は
参照によって本明細書中に組込まれている。即ちそれら
は、第4,369,212号，第4,283,844号，第4,262,061号，
第4,250,235号，第4,000,350号，及び第3,669,744号で
ある。
上記正電極14は、エッチングされたニッケル電極基板上
に支持される多孔性焼結ニッケル中に水酸化ニッケルを
注入することによって形成される。負電極16は、その一
方の側が白金黒とポリテトラフルオロエチレンの焼結混
合物によってコーティングされ、他方の側がポリテトラ
フルオロエチレンの多孔性層19でコーティングされてい
る。これらの層は、上記負電極16を形成するために、エ
ッチングされたシート又は織網目の形でニッケル基板に
適用される。例えば、石綿，ナイロン，及びポリスルフ
ォンを含む酸化ジルコニウム・酸化イットリウムの布を
含む、多くの異なった種類のセパレータ18が使用され
る。電解質、好ましくは水酸化カリウムが、セパレータ
18中に浸透されている。
個別プレートセット12は、積重ねアレィ24を形成するよ
うに、センタコア22上に集められている。積重ねアレィ
24の形成に於いて、単繊維ポリプロピレンスクリーン26
がそれぞれのプレートセット12間に配置され、そのため
それぞれの正電極14での過充電の間に遊離された酸素
は、上記電極14から負電極16へ拡散されて、水素と結合
することができる。積重ねアレィ24は、該積重ねアレィ
24の両端に対して与圧プレート28を固定することによっ
て、例えば、約10ポンド／平方インチの長手方向の圧力
を受けて配置されている。与圧プレート28の固定は、ア
レィ24を与圧し、次にコア22上のねじ山にナット30を締
めることによって成し遂げられることが好ましく、それ
によって適所に積重ねアレイ24を保持するように与圧プ
レート28に対してさらに座金セット32を与圧する。
積重ねアレィ24は、水素脆化によるダメージあるいは電
解質による腐蝕なしに、1,000ポンド／平方インチのオ
ーダの内部圧力に耐えることができるニッケルベースの
合金、例えばインコネル718のような物質で製造された
圧力容器34内に封入されている。ガス注入管35は、圧力
容器34内のガス量及び圧力を制御することを許す。圧力
容器34は典型的に、ドーム状の端部を有する円柱管の形
で構成される。実例としては、外寸で3.5インチの直径
及び13インチの長さの圧力容器34を有する電池10が、約
40の個別プレートセット12を含むことができ、これは結
果として約50アンペア時の電池の蓄電容量を有する。電
池10は、若し充電及び放電が適当に成し遂げられるなら
ば、明白なダメージなしに数千サイクルの間、充電され
且つ放電されることができる。多数の電池10が、バッテ
リを生成するために、直列又は並列に結合されることが
できる。
充電は、電子が電極16から電極14に流れるように、それ
ぞれのプレートセット12を横切ってリード20を介して電
圧を印加することによって成し遂げられる。それによっ
て、電気エネルギは、その後放電して使用できる電流を
発生するために、化学反応物の形でそれぞれのプレート
セット中に蓄積される。前述した種類のニッケル・水素
電池は、例えば、放電状態から約14時間の充電期間を通
して、1.5ボルトで約５アンペアの電流を使用して、約5
0アンペア時の容量に、太陽電池アレィによって完全に
充電されることができる。上記電圧及び充電時間は、太
陽電池から入手できる電力と、宇宙船の軌道によって決
定されるサイクルとに依存して変化する。
ニッケル・水素電池が充電されるにつれ、水素が放出さ
れ、密封圧力容器34内の圧力が増加する。この圧力の上
昇は、圧力容器34内の圧力を測定する圧力トランスデュ
ーサ36によって直接測定されることができる。また、上
記圧力の上昇は、圧力に対応する量、特に圧力容器34の
壁38の変形を測定することによっても導出されることが
できる。即ち、圧力容器34内の圧力が増加するにつれ
て、圧力容器は膨脹して、僅かに脹れる傾向にある。容
器34内の内部ガス圧力の関数であり、むしろそれに比例
する上記壁の脹れを、圧力容器34の壁38に固定された歪
みゲージ40が測定する。圧力自身は、あるいは電池コン
ポーネントの変形のような反応量は、ガス圧力指標とし
て使用されることができる。
第３図は、充電状態の或るセットのための、充電の間の
時間の関数としては、圧力容器34内の実際に測定された
psig（ポンド／平方インチ，ゲージ）の圧力のグラフで
ある。充電は、1.5ボルトまでの電圧で、ほぼ4.8アンペ
アの電流で成し遂げられた。第３図に見られることがで
きるように、圧力がほぼ520psiに達するまで、圧力は時
間についてほぼリニアに変化する。その後も圧力は上昇
し続けるが、より小さい率で、450分後にほぼ600psiに
達する値へ上昇し続ける。
第４図は、第３図に示されたのと同様の試験の間の歪み
ゲージ40の電圧出力の変化の時間率を示しており、上記
電圧出力は圧力容器34の壁38の変形の測定であり、上記
変形は順次に圧力容器34内の圧力の測定である。ゆえ
に、歪みゲージ40の出力電圧は、電池10のためのガス圧
力指標である。充電状態が変化すれば、第３図及び第４
図のカーブが変化した。第３図及び第４図の試験は、約
20℃の実験室環境温度で行なわれたが、宇宙船のボード
上の温度の典型的な変化は、第３図及び第４図のカーブ
の変化に帰着することができた。いくらかの温度効果が
補正されることができるが、他は補正することはより難
しい。これらの効果は、地上コントローラの介入なしに
は難しい、圧力のみを介して電池充電の制御を成す。
電池10の充電の間の圧力容器34の内部圧力の変化のこれ
らの他の原因にかかわらず、全ての既知の場合に、第４
図に示されたようなガス圧力指標の変革の時間率（即ち
スロープ）が、最適の所望の変化レベルがアプローチさ
れるように低いレベルに減ぜられるということが、今決
定されている。従って、本発明は、電池ガス圧力指標の
変化の時間率が予め選択された値以下に下がる時に、充
電が停止されるということを提供する。上記予め選択さ
れた値は、種々の充電レベルのための与圧ガス・メタル
電池の最適な性能を観察することによって、又は他のフ
ァクタによって決定される。ニッケル・水素電池のため
及び第１図乃至第４図に示された試験のために、好まし
い予め選択された値は、充電の間、定常状態の変化率の
約1/2よりも僅かに小さい。即ち、典型的に、電圧の変
化の時間率が約1.5mv/分以下に下がった時に、充電が停
止される。第３図及び第４図の状態のためには、充電
は、ほぼ460分の後に停止された。
第４図のようなグラフが、充電を停止するための時間を
決定した後に容易に使用されることができるとはいえ、
そのような決定はリアルタイムで行なわれた時にはより
難しい。実際の実施に於いては、時間の関数としての変
化の時間率は、ランダムな変化のために、広く変化す
る。ゆえに、ノイズをフィルタリングすることか、ある
いは好ましくは、特定の時間でカーブの明らかな真の値
を決定するために多数の値を平均することかが必要であ
る。
現在好ましいアプローチに於いては、電池圧力指標の変
化率の真の値が、いくらかの値の平均として計算され
る。第５図は、その使用されたアプローチを描いてい
る。電圧の値が歪みゲージ40から読込まれ、その読込ん
だ時間も記録されている。次に、最後に読込まれた電圧
及び時間から、変化の時間率が決定される。この計算
は、現在の電圧読込み値と直前の電圧読込み値との間の
差を計算し、この差をその２つの読込みの間の時間間隔
によって割ることによって行なわれる。この変化の時間
率は非常に広く、好ましいアプローチに於いては、それ
ぞれ約3.6秒置いて決定された33のそのような値が、平
均明白真値を得るために平均される。
上記平均明白真値は、予め選択された値と比較され、あ
るいは、好ましくは、２つ又はそれ以上の平均値のセッ
トが、予め選択された値とそれぞれ比較される。予め選
択された値とのいくらかの平均明白真値の比較のための
理由は、時間の関数としての平均明白真値のグラフであ
る第４図から明らかである。拡大された挿入図第４図Ａ
は、33のデータポイントを越える、それぞれ２分平均の
間の実際のデータポイントを示している。平均化の後で
さえも、データはなお幾分変化する。平均値はポイント
を通してスムースなカーブから変化し、単一の平均値
が、最適な変化が達せられる前に、予め選択された値以
下に存在することができることが可能である。それぞれ
の最後の３つの平均明白真値が予め選択された値以下で
あるというこの規準に従って充電が停止される時には、
電池が十分充電されないだろうチャンスが事実上ないと
いう経験が示された。上記平均明白真値が、この好まし
いアプローチのほぼ２分毎に決定される故に、３つの値
が６分で計算される。
前述された計算は、現在好ましいアプローチに於けるデ
ィジタルコンピュータを使用して成し遂げられる。宇宙
を進むべきハードウェアのために、上記計算は、永久的
なリードオンリメモリ中の命令セットから動作するマイ
クロプロセッサによって成し遂げられるのが好ましい。
上記計算はまた、アナログ圧力信号がディジタル情報に
変換され、第５図に示されるような手順に従って処理さ
れるように設定されたハードウェア素子によって成し遂
げられることができる。
コントローラ及び本明細書中に開示された手順は、外部
介在が必要とされないということを論証するために自立
スタイルで動作されている。ニッケル・水素電池は、上
記好ましいアプローチを使用して最適なレベルに繰返し
て充電され、そして放電される。そのようなアプローチ
は、電池充電及び放電に、長期間の間、遠隔測定法，ラ
ジオコンタクト，及び人間のコントローラがないときに
於いてさえ、或る種の人工衛星のための要求を正しく成
し遂げられることを許す。
本アプローチは、ガス圧力の大きさが所定の値と比較さ
れる従来のアプローチと識別されることができる。本ア
プローチに於いては、ガス圧力指標の変化の時間率が所
定の値と比較されている。
この発明の使用を通して、ニッケル・水素電池のような
与圧ガス・メタル電池の充電が、電池を非常に過充電す
る可能性を防止するように制御されることができるとい
うことが、今認識されるだろう。上記アプローチは、存
在する種類のそのような電池と全くコンパチブルであ
る。本発明を使用して、変化する充電コンディションに
於ける電池の有害な過充電が防止されることができる。
本発明の特定の態様が例証の目的のために詳細に述べら
れたとはいえ、種々の変更修正が、本発明の精神及び範
囲から逸脱することなしに成されることができる。よっ
て、本発明は、添附の請求の範囲によるようなことを除
いては、限定されるものではない。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−39999（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−71269（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−67644（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−143443（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭37−1737（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】与圧ガス・メタル蓄電池と共に使用するた
    めの蓄電池充電コントローラで、 時間についての電池ガス圧力指標の変化率を決定するた
    めの手段と、及び 上記変化率が予め選択された値以下に下がり、下がった
    ままである時に、上記電池の充電を停止するための手段
    と、 を具備する与圧ガス・メタル蓄電池と共に使用するため
    の蓄電池充電コントローラ。
  2. 【請求項２】前記電池がニッケル・水素電池である請求
    の範囲第１項のコントローラ。
  3. 【請求項３】前記決定するための手段が、電池のコンポ
    ーネントの変形を測定するための手段を含み、上記変形
    が上記ガス圧力指標である請求の範囲第１項のコントロ
    ーラ。
  4. 【請求項４】前記決定するための手段が、電池の外部壁
    に固定された歪みゲージであり、上記歪みゲージの電圧
    出力が上記ガス圧力指標である請求の範囲第１項のコン
    トローラ。
  5. 【請求項５】前記決定するための手段が、電池内のガス
    圧力を測定するための手段を含み、上記ガス圧力が上記
    ガス圧力指標である請求の範囲第１項のコントローラ。
  6. 【請求項６】前記停止するための手段が、上記電池ガス
    圧力指標の変化率の平均値を計算するための手段を含む
    請求の範囲第１項のコントローラ。
  7. 【請求項７】前記計算するための手段が、上記電池ガス
    圧力指標の変化率の少なくとも２つの平均されていない
    値を平均する請求の範囲第６項のコントローラ。
  8. 【請求項８】前記計算するための手段がディジタルコン
    ピュータを含む請求の範囲第６項のコントローラ。
  9. 【請求項９】電流源から充電される与圧ガス・メタル電
    池の有害な過充電を妨げるためのプロセスで、 電池ガス圧力指標の変化の時間率を決定することと、 上記変化の時間率を予め選択された値と比較すること
    と、及び 上記変化の時間率が上記予め選択された値以下に下が
    り、下がったままである時に、上記電池の充電を停止す
    ることと、 を含む電流源から充電される与圧ガス・メタル電池の有
    害な過充電を妨げるためのプロセス。
  10. 【請求項１０】前記電池がニッケル・水素電池である請
    求の範囲第９項のプロセス。
  11. 【請求項１１】上記電池圧力指標が上記電池内のガス圧
    力である請求の範囲第９項のプロセス。
  12. 【請求項１２】上記電池圧力指標が上記電池のコンポー
    ネントの圧力による変形である請求の範囲第９項のプロ
    セス。
  13. 【請求項１３】上記電池圧力指標が上記電池の外部壁に
    固定された歪みゲージの電圧出力である請求の範囲第９
    項のプロセス。
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