JPS6041538B2 - 蓄電池残存容量指示回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蓄電池監視装置、更に具体的に云うと蓄電池残
存容量指示装置に関する。

蓄電池は色々の用途に用いられており、この場合蓄電池
に残っている利用出来るェネルギの量を知ることは重要
である。

例えば、動力源が蓄電池である電気車輪は、その推進の
ため搭載蓄電池に貯えられているェネルギに依存しなけ
ればならず、貯蔵ェネルギの再充電のためには、充電設
備のある所でのみ利用出来る特別な装置を必要とする。
このため、車輪運転者にとって便利な、蓄電池に残って
いるェネルギのレベルすなわち残存容量（ｓｔａにｏｆ
ｃｈａｒｇｅ）を指示する手段を用いて、蓄電池が完全
に放電してしまう前に車輪を給電所に戻すことが出来る
ようにする。車鯛用蓄電池はかなりの投資を必要とし、
蓄電池価格の償却は利用出来る充放電サイクルの回数及
び鉛蓄電池の放電の平均の深さに依存する。蓄電池の寿
命は、電解液の比重が１．１８０以下に落ちるように繰
り返し放電した時大幅に減少することが知られている。
従って、蓄電池の残存容量がこのレベルに近づいている
ことを認知する何らかの手段を設けることが望ましい。
蓄電池に残っているェネルギを指示し、及び／又は残っ
ているェネルギが低いことを検出するために案出された
従来の装置は、大きく分けて３つの範鴫に入る。

それは、制動形の電圧計、蓄電池状態監視装置及びアン
ペア時メータである。これらの装置のどれも完全に信頼
性があり、且つ首尾よく働くものではなかった。最も古
く且つ最も普通に用いられている蓄電池残存容量指示装
置は、蓄電池の両端に直接接続される制動を大きくした
電圧計である。

車輔の運転者は加速のような特定の操作の際の電圧降下
の大きさによって蓄電池残存容量を度々判断することが
出来るが、正確な測定には車鯛の運転に気をとられがち
な運転者による高度の熟練と注意深い観察が必要である
。従って、電圧計方式は、読みの解釈のため熟練した運
転者を必要とすると共に、読みを行う時に電圧計の方へ
特別な負担をかけなければならないため、不満足なもの
である。蓄電池状態監視装置はある蓄電池を動力源とし
た工業用トラックに用いられている。これらの装置は、
蓄電池の端子電圧が予定レベル（普通正規電圧の８０乃
至８５％）以下に低下した時に作動される電圧レベル・
スイッチを持つ。もし電圧が予定の時間の間（典型的に
は１５乃至３現砂）このレベル以下に留まるなら、指示
ランプが付勢され、．第２の期間のタイマーが始動され
る。第２の予定の期間後、余分な作業が何ら出釆ないよ
うに特定の作業機能が遮断され、運転者が給電所へ戻る
ように強制する。この方式の感知及び検出手段は不正確
であり且つ種々の変数に左右これ、このため電圧レベル
・スイッチの動作点の設定及びタイマーの第１及び第２
の予定の期間の設定を試行錯誤によって調節しなければ
ならない。加えて、運転者に現時点の残存容量を知らせ
るための連続的な指示手段を何ら利用出来ず、また屡々
残存容量の指示が低くて運転者を驚かすこともある。蓄
電池を動力源とする車鋼の場合に残存容量を連続的に表
示するため普通の形式の計器は、アンペア時メータであ
る。

今世紀の初めに人気のあった蓄電池搭載電気自動車では
、アンペア時メータを用いて、再充電の際の充電アンペ
ア時に応じた目盛にメータを設定していた。この初期の
メータは電気機械式装置であったが、より最近の設計で
は電気化学的可逆メッキ・セルを用いる固体形式のアン
ペア時メータを用いている。電気化学的セルでは、蓄電
池の充電により、全体のメッキが軍流と時間の積になる
ように放電電流の大きさに対応する速度で或る材料をメ
ッキする。再充電の際、該メッキが同様な態様で逆転す
る。例えば、鉛蓄電池から利用できるアンペア時（ＡＨ
）は放電率に依存する。このため、６時間で電荷を放出
し得る電流（すなわち６時間放電率に対応する電流）で
３００ＡＨの定格を持つ蓄電池は、例えば１時間放電率
に対応する電流で放した場合には２２Ｍ日しか供給でき
ないことがある。この場合、アンペア時メータは、蓄電
池が事実上完全に放電した時、定格値の３００ＡＨより
もむしろ２０ＭＭの読みを示し、したがってェネルギの
１／３がまだ利用出来ることを指示する操れがある。更
に、放電した蓄電池は屡々給電所で完全に充電された蓄
電池と交換されることがあり、この新しい蓄電池の充電
履歴がわからないので、メークを新しい蓄電池の容量に
正確に合わせて設定することが出来ない。また更に、鉛
蓄電池を完全に充電することにより回復可能なアンペア
時は、蓄電池の使用年月及び温度に共に依存する。従っ
て、アンペア時メータの使用により蓄電池に残っている
ェネルギの信頼性のある指示を得ることは出来ない。本
発明の目的は、繰返し充電可能な蓄電池の残存容量を連
続的に監視する改良された方法及び装置を提供すること
であり、別の面では蓄電池を動力源とする電気車師の推
進用蓄電池に残っているェネルギを指示することである
。

本発明に従って上記及びその他の目的を達成するため、
予定のレベルの放電電流での蓄電池端子電圧を検出し、
この電圧を表わす値を電子計数回路に記憶する。

ディジタルからアナログへの電圧変換を用いて、蓄電池
の残存容量を表わす記憶された値を電気機械指示計の比
例した振れに変換し、蓄電池に残っているヱネルギの可
視表示を運転者に与える。本発明によれば、蓄電池の使
用中に蓄電池の残存容量を連続的に監視して正確に信頼
性よく指示することが出来、また該指示を可視表示する
ことにより蓄電池を充電すべきであるかどうか使用者に
知らせることが出来る。

以下、図面について本発明の好ましい実施例を説明する
所から、本発明がより一層明らかとなるつ。

第１図に、鉛蓄電池の端子電圧と蓄電池中の電解液の比
重との典型的な関係を示す。

端子電圧を縦軸に、比重を機軸にとつている。或る予定
のレベルの放電電流における蓄電池端子電圧が、電解液
の比重の１．３００（完全充電時）から１．１８０（最
大限の安全な放電時）までの範囲内での蓄電池残存容量
の信頼性のある指示になり、また更に大切なことに、端
子電圧と比重の関係が、或る予定のレベルの放電電流に
於て完全充電状態と完全な放電状態との間で略直線にな
ることがわかった。例えば、第１図の上側の曲線１００
Ａで表わされている１００アンペアの放電電流の場合、
６ボルトの端子電圧が１．３００の比重（完全充電状態
を表わす）に対応し、５ボルトの端子電圧が１．１８０
の比重（最大限の安全な放電状態を表わす）に対応する
。１００アンペアの放電電流に於ける５．５ボルトの端
子電圧は１．２４０の比重に対応し、これは蓄電池が５
０％放電したことを表わしている。

２０Ｍ及び３００Ａとして示した曲線は、夫々２００ア
ンペア及び３００アンペアのときの放電曲線を表わす。

第１図は、別の見方をすれば、或る任意の比重のときに
おける放電電流と端子電圧との関係を表わしている。上
記のように或る予定のレベルの放電電流に於ける端子電
圧を測定すれば、蓄電池の鰹年変化及び温度変化を直接
反映している電解液の比重が決定され、したがってこの
経年変化及び温度変化を考慮に入れた蓄電池の測定時点
での状態すなわち残存容量が決定される。次に第２図に
、負荷１２に電力を送るように接続された蓄電池１０を
含む装置内の、本発明による蓄電池残存容量を監視する
回路のブロック図を示す。

蓄電池１０と負荷１２の間には、蓄電池の放電電流レベ
ルを表わす出力信号を発生する電流感知器１４が直列の
関係に接続されている。蓄電池１０の端子１８，２０の
間には電圧感知器１６が接続されていて、蓄電池端子電
圧に比例する出力信号を発生する。アナログ・ゲート２
２は、放電電流が予定のレベルなった時はいつでも、電
圧感知器１６の出力を記憶装置２４の入力に接続する作
用をする。アナログ・ゲート２２はしベル検出器２６に
よって作動され、レベル検出器２６は電流感知器１４の
出力端子に薮続された入力端子を持つ。

検出器２６の出力端子は、ゲート２２の制御端子に薮銃
されていて、蓄電池１０からの放電電流が予定の値にな
ったときゲート２２を閉じさせる開路信号を出力する。
ゲート２２が閉じると、電圧感知器１６の出力端子に発
生した電圧信号が記憶装置２４の入力端子に接続され、
放電電流が再び予定のレベルになるまで、この電圧信号
のレベルを表わす値が電子計数器のような手段によって
貯えられる。第１図に示したように、予定のレベルの蓄
電池放電電流のときの端子電圧と蓄電池電解液の比重と
の間に一定の相関関係がある。

電解液の比重と蓄電池の残存容量との関係は当該分野で
はよく知られている。電流感知器１４としベル検出器２
６の組合せが、蓄電池放電電流の予定のレベルを検出し
てアナログ・ゲート２２に対して閉路信号を出力する手
段を提供する。アナログ・ゲート２２が閉じると、鰭圧
感知器１６の出力が記憶装置２４の入力に接続され、従
って蓄電池端子電圧に比例する信号が記憶装置２４に供
給される。蓄電池放電電流が予定のレベルに等しくない
時、レベル検出器２６からアナログ・ゲ−ト２２に供給
される閉路信号が取り除かれて、電圧感知器１６の地力
信号を記憶装置２４への入力から切り離す。このように
、記憶装置２４に保持されている値は、放電電流が予定
のレベルにある時に測定した蓄電池端子電圧に比例する
。放電電流の大きさが予定のレベル以外の大きさになっ
た場合に記憶装置２４によって保持されている値は、放
電電流が一番最後に予定のレベルになった時の蓄電池端
子電ＥＥに比例した値である。蓄電池を動力源とする車
輪が普通に動作している際、、蓄電池放電電流は広い範
囲に亘つて変動する。

蓄電池残存容量を監視するために選ばれる予定の放電電
流のレベルは、動作時の放電電流力三頻繁に該予定のレ
ベルになって、記装置２４に保持される値が短い時間間
隔で更新されるように選ぶべきである。このようにすれ
ば、記憶装置２Ｉ１に保持されている値は、現時点に於
ける実際の電解液の比重したがって残存容量を表わすこ
とになる。蓄電池残存容量を決定するのに適した予定の
放電電流としては、例えば蓄電池を動力源とする電気車
輪において運転中に頻繁に使われる電動機の全負荷電す
なわち定格電流に対応する電流値が適当である。

と云うのは、前述のように記憶装置２４に保持される値
が短い時間間隔で更新されるからである。記憶装置２４
の出力は、蓄電池残存容量を表わす値であり、種々の出
力装置、例えば表示装置及び制御手段（図示せず）に結
合することが出来るアナログ又はディジタル式計量を用
いて、記憶されている値を、軍師運転者による蓄電池残
存容量の監視を可能にする表示に変換することが出来る
。

また、出力装置としてアナログ又はディジタル装置のい
ずれかを用いて、記憶装置２４の出力信号レベルが所定
の望ましい最小残存容量を表わす予定のレベルより４・
さし、時、残存容量が低いことを運転者に誓報し、又は
車輪の特定の作業機能を遮断することが出来る。次に第
３図に示されている本発明の１実施例のより詳細な回路
図について説明する。

蓄電池１０に接続された電源回路２７から調整された６
ボルトの電圧が得られる。電源回路２７は、蓄電池１０
の正の端子１８及び負の端子２０の間に接続された抵抗
２８とッェナー・ダイオード３０の直列組合せを有し、
これがトランジスタ３２のベースに対して１２ボルトの
基準を与える。トランジスタ３２のコレクタは電圧降下
抵抗３４を介して蓄電池の正の端子１８に接続される。
トランジスタ３２のェミッタ端子は、ッェナー・ダイオ
ード３０により、蓄電池の負の端子２０‘こ対して調整
された十１２ボルトの電圧になる。この＋１２ボルトの
電圧は後で述べる電力演算増幅器に用いられる。十６ボ
ルトの電圧は増幅器３６の出力から得られる。鏡還抵抗
３８が出力端子４０と増幅器３６の反転入力端子４２と
の間に接続される。６ボルトの出力のための基準電圧は
トランジスタ３２のェミッタ端子と蓄電池の負端子２０
の間に接続された抵抗４４及びッェナー・ダイオード４
６の直列組合せによって作られる。

抵抗４４とツェナー・ダイオード４６との中間の接続点
が増幅器３６の非反転入力端子４８に接続され、このた
め蓄電池員端子２０を基準とした正の６ボルトの調整さ
れた出力電圧が生じる。この正の６ボルトは６Ｖ母線に
給電するように接続される。負通プリセット、即ち任意
のカウントに予め設定できる減計数形計数器と呼ばれて
いる２進計数器５０には増幅器３６の端子４０に発生し
た６ボルトが給電される。

計数器の状態がフルカウントであるとき、計数器５０の
４つの出力端子が内部で６ボルトの母線に接続される。
零のカウントの状態では、計数器５０の４つの出力端子
は内部で蓄電池の負母線に接続される。フルカウントと
零カウントの間の計数状態では、選ばれた端子が内部で
６ボルト母線に接続され、残りの端子が蓄電池負母線に
接続される。計数器５０のプリセット入力様子が、端子
２０と４０の間則ち蓄電池負母線と６ボルト母線の間に
直列接続されたコンデンサ４９と抵抗５１からなる直列
ＲＣ回路の中間の接続点に接続される。電流加算増幅器
５２が６ボルト母線に接続された非反転入力端子と出力
端子５６及び反転入力端子５８の間に接続された鏡遠抵
抗とを持ち、計数器５０の出力のディジタルからアナロ
グへの電圧変換を行う手段となる。複数個の抵抗６０，
６２，６４，６６が夫々計数器５０の各ディジタル出力
端子と増幅器５２の端子５８の間に接続される。２進の
重みをかけた抵抗６０，６２，６４，６６の組合せは、
鏡還抵抗５４と関連して、計数器出力の全てが零状態に
あるとき増幅器５２の出力が６ボルトより１ボルト高く
なり、計数器５０がフルカウントにあるとき増幅器５２
の出力が６ボルトのレベルになるように選ばれる。

緩衝増幅器６８の非反転入力端子が６ボルト母線に接続
され、出力端子と反転入力端子の間には鍵還抵抗７０が
接続される。

増幅器６８の反転入力端子と増幅器５２の出力端子５６
の間には抵抗７２が接続される。増幅器６８によって発
生された出力電圧は、計数器５０のフルカウントに対応
する６ボルトと計数器５０の零カウントに対応する５ボ
ルトの間の範囲に亘つて変る。増幅器６８の出力電圧が
、増幅器６８の出力端子に接続された非反転入力端子を
持つ比較器７４によって、蓄電池端子電圧を表わす電圧
と比較される。

比較器７４の反転入力端子は、抵抗７６，７８からなる
分圧器の中間の接続点に接続されている。抵抗７６，７
８の相対的な大きさは、完全に充電された蓄電池からが
予定のレベルの放電電流を流した時、比較器７４の反転
入力が６ボルトになるように選ばれる。比較器７４の反
転入力端子と蓄電池員端子２０との間にコンデンサ８０
を接続して、増幅器７４に印加される蓄電池電圧信号の
望ましくない過渡的な変動の影響を抑える。比較器８２
が、電流感知器１４から蓄電池放電電流に比例する電圧
信号を受け取るように接続された反転入力端子を持つ。
比較器８２の非反転入力端子は、１２ボルト母線と蓄電
池１０の端子との間に抵抗８６，８８と直列接続された
ポテンショメータ８４の摺勅子に薮続される。ポテンシ
ョメータ８４の摺動子を調節して、比較器８２の非反転
入力端子に対して、蓄電池放電電流が予定のレベルにあ
る時の比較器８２の反転入力端子に供給される電圧の大
きさに等しい電圧が印加されるようにする。放電電流が
予定のレベルを越えると、比較器８２の出力電圧は略零
になり、放電電流が予定のレベルより４・さし、とき、
比較器８２の出力電圧は略１２ボルトになる。クロック
発振器９０が計数器５０‘こクロック・パルスを供給す
る。

該発振器は、ダイオード９２および９４の接続点に接続
されるその禁止入力端子が強制的に２進霧状態（例えば
ＯＶ）にされたとき、出力にクロック・パルスを発生し
ないものであれば任意の形式の発振器であってもよい。
クロック発振器の動作周波数はどんな周波数であっても
よいが、１０ＨＺの周波数が動作のために満足なもので
あることがわかった。発振器９０の禁止入力端子がダイ
オード９２を介して比較器７４の出力端子に接続される
と共に、ダイオード９４を介して比較器８２の出力端子
に接続される。発振器９０は、比較器７４又は比較器８
２のいずれか一方から低電圧出力信号が印加されたとき
、禁止されるすなわち、クロック・パルスを発生しない
。計数器５０の完了出力端子がまたダイオード９６を介
してて発振器９０の禁止入力端子に接続される。このた
め、計数器５０からの零の完了出力により発振器９０の
動作が禁止される。増幅器９８がメー夕１０川こ対する
倍率増幅器として作用する。

該メータ１００の蓄電池の残存容量の可視的指示を与え
るように作用する。増幅器９８の非反転入力端子が６ボ
ルト母線に接続され、反転入力端子が抵抗１０２を介し
て増幅器６８の出力端子に接続される。増幅器９８の出
力端子と反転入力端子との間には鏡還抵抗１０４が接続
される。抵抗１０２と１０４の相対的な大きさは、電圧
利得が６になるように選んで、計数器５０の計数状態が
フルカウントから零カウントまで進むにつれて増幅器９
８の出力が６ボルトと零ボルトの間の範囲に亘つて変る
ようにする。増幅器９８の出力端子と蓄電池員端子２０
との間にはメータ１００及び抵抗１０６が接続される。
抵抗１０６の大きさは、増幅器９８の出力電圧が６ボル
トのときメータ１００の振れが目盛一杯に振れるよう選
ばれる。このため、メータ１００の振れは、計数器５０
の計数状態に比例する。動作について説明する。

最初、回路が蓄電池に接続された時、コンデンサ４９の
充電電流が抵抗５１の両端に電圧を発生し、計数器５０
のプリセット端子に２進１を印加し、計数器をフルカウ
ントに予め設定する。このため増幅器６８の出力はフル
カウントに応じた電圧（６Ｖ）になる。蓄電池放電電流
が予定のレベルよりも小さい時はいつでも、抵抗７６，
７８の中間に発生した蓄電池端子電圧を表わす蓄電池電
圧信号が、比較器７４によって、増幅器６８の出力端子
に発生された計数器の状態を表わす電圧と比較される。
もし蓄電池電圧信号が増幅器６８からの電圧信号より低
い場合、発振器９０からのクロツク・パルスにより計数
器５０のカウントが減じられ、これに対応して増幅器６
８の出力の電圧信号が低下し、そして増幅器６８からの
電圧信号が蓄電池電圧信号より低〈なると比較器７４の
出力電圧が零になり、発振器９０の発振を禁止する。こ
のため、計数器５０のカウント（従って増幅器６８の出
力電圧）が蓄電池端子電圧に対応した値に保持され、メ
ータ１００の振れが蓄電池端子電圧に比例した値になる
。完全に充電されていない蓄電池に回路が接続された場
合、最初に計数器５０がフルカウントに．設定されてい
るので、蓄電池が完全に充電されていることを表わす指
示が生じるが、然し、負荷が接続され且つ蓄電池放電電
流がポテンショメータ８４の調節に対応する特定のレベ
ルに最初になったとき、計数器５０の計数状態（カウン
ト）が蓄電池端子電圧に対応する値まで減じ、誤差が補
正される。蓄電池放電電流は電流感知器１４によって監
視され、該感知器が比較器８２の反転入力端子に放電電
流の大きさに比例する電圧を供給する。

比較器８２の非反転入力端子には、ポテンショメータ８
４の調節による特定の放電電流レベルに比例する電圧が
供給される。放電電流レベルが特定の値よりも大きいと
き、比較器８２の出力電圧は低いレベルになり、ダイオ
ード９４を順バイアスしてクロック発振器９０を禁止す
る。蓄電池放電電流がポテンショメータ８４によって設
定された特定のレベルに等しいか又はそれより小さい時
、比較器８２の出力電圧は高くなって、ダイオード９４
を逆バィァスし、発振器９０がクロック・パルスを発生
できるようにする。このため、発振器は、前述のように
増幅器６８の電圧信号が蓄電池電圧信号より低くなるま
で、すなわち比較器７４により禁止されるまで、計数器
５０にクロック・パルスを供給してそのカウントを減じ
、従って増幅器６８の電圧信号を低下させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は放電電流の３つのレベルの場合に於ける蓄電池
端子電圧と電解液の比重との関係を示す図、第２図は本
発明の１実施例のブロック図、第３図は第２図の実施例
をより詳細にした回路図である。 主な符号の説明、１０・・・・・・蓄電池、１４・・・
・・・電流感知器、１６・・・・・・電圧感知器、２２
・・・・・・アナログ・ゲート、２４・・・・・・記憶
装置、２６・・・・・・レベル検出器。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 放電電流の大きさが或る範囲に亘つて変化するよう
   な負荷に給電しているときの再充電可能な蓄電池の残存
   容量を決定するためのデイジタル式蓄電池残存容量指示
   回路に於て、 蓄電池放電電流の大きさを感知して、該
   放電電流の大きさを表わす第１の信号を発生する第１の
   感知手段と、 蓄電池端子電圧を監視して、該端子電圧
   を表わす第２の信号を発生する第２の感知手段と、 前
   記第２の感知手段に接続されていて、前記第１の信号が
   予定の値に達したときの前記第２の信号を表わす値を保
   持する記憶手段であつて、前記第１の信号が予定の大き
   さの蓄電池放電電流を表わしているときの前記第２の信
   号の大きさを表わす値を持つ出力信号を出力する減計数
   装置を含む記憶手段と、 前記蓄電池放電電流が予定の
   大きさ以下であるときに前記出力信号の値が前記蓄電池
   端子電圧の値よりも大きさの大きい電圧を表わしている
   場合、前記減計数装置のカウントを減少させ、したがつ
   て該出力信号の値を減少させるゲート手段と、を有する
   ことを特徴とするデイジタル式蓄電池残存容量指示回路
   。