JPS63501111A - 与圧ガス・メタル蓄電池の充電の制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 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、電荷を蓄積し、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、制御手順よりはむしろ、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シをコンパチブルであらねばならない。

望ましくは、制御手順は、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。

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（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、圧力容器の外部壁土 に取付けられたトランスデユ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れ、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、あるいはり−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・水素電池の断面圧１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・す、 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 ・り一 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２、 ！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２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．カソード即ち負電極１６．及び 金型解質セパレータ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、且つイオン及び電芋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４．３８９．２１２号、第４．２８３．８４４号、第４．２６２，０ ６１号。

第４，２５０．２３５号、第４．０００．３５０号、及び第３．６８９．７４４ 号である。

上記正電極１４は、エツ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１′６を形成−するために 、エツチングされたシート又は織網口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・酸化イツトリウムの布 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。

個別プレートセラ＋１２は、積重ねアレイ２４を形成するように、センタコア２ ２上に集められている。積重ねアレイ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５と結合するこ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、アレイ２４を与圧し、次にコア２２ 上のねじ山にナツト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２保持するように与圧プレート２８に対 してさら座金セット３２を与圧する。

積重ねアレイ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、３４内に封入されている。ガス注入管３５は、圧力容器３ ４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５０アンペア時の容量 に、太陽電池アレイ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、密閉圧力容器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ド 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、圧力容器は膨張して、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、充電状態の成るセットのための、充電の間の時間の関数としての、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、はぼ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５２ ０ｐｓｉ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６００ｐＳ１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化の時 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、はぼ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う変化し、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レで動作されている。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 、成る種の人工衛星のための要求を正しく成し遂げらトれることを許す。

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 ４、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１、限定されるも のではない。

Ｆ／Ｇ、２ Ｆ／Ｇ、３ 塔間（分り 国際調査報告 ＡＮＮ三Ｘ　τＯＴ！Ｅ　ＩＮＴＥＲ−ＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＥＡ、ＲＣ：（Ｒ ｌｊＯＲＴ　ＯＮ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。