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発明の名称 二次電池システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−89745
公開日 平成6年(1994)3月29日
出願番号 特願平4−240356
出願日 平成4年(1992)9月9日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 水本 守 / 本棒 英利 / 後藤 明弘 / 西村 勝憲 / 堀場 達雄
要約 目的
二次電池の残存する充放電サイクル寿命を推算してこれを表示するとともに、電池の異常を事前に検知して警報を発する二次電池システムを提供する。

構成
複数個の二次電池を直列に接続してなる電池群において、各サイクル毎の放電容量あるいは放電終了電圧の変化率を外挿して設定値に達するまでのサイクル数から残存するサイクル寿命を推算しこれを表示する。
特許請求の範囲
【請求項1】複数個の二次電池を直列に接続してなる集合型二次電池群において、経時的に充放電を繰り返して使用する過程で、その時点から寿命に至るまでに充放電可能な回数を推算し、これを表示する機能を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項2】複数個の二次電池を直列に接続してなる集合型二次電池群において、経時的に充放電を繰り返して使用する過程で、その時点から寿命に至るまでに充放電可能な回数を推算し、これを電池交換日時として表示する機能を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項3】複数個の二次電池を直列に接続してなる集合型二次電池群において、経時的に充放電を繰り返して使用する過程で、(2)各放電サイクル毎の放電容量、あるいは(2)各放電サイクル毎の放電終了時の電圧を外挿して、その時点から寿命に至るまでに充放電可能な回数を推算し、これを表示する機能を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項4】複数個の二次電池を直列に接続してなる集合型二次電池群において、該電池群を複数個の電池モジュールに分割し、該電池モジュールの交流インピーダンスを開回路状態で測定し、各電池モジュール間の測定結果を比較し、偏差が設定値を超えた場合に電池モジュール交換の警報を出すことを特徴とする請求項1から請求項3に記載の二次電池システム。
【請求項5】複数個の二次電池を直列に接続してなる集合型二次電池群において、該電池群を複数個の電池モジュールに分割し、該電池モジュールの放電電圧を検出し、放電電圧を放電電気量に対して微分した値が設定値を超えた場合に、該当する電池モジュール交換の警報を出すことを特徴とする請求項1から請求項3に記載の二次電池システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ金属を負極活物資とする二次電池システムに係り、特に二次電池の残存する充放電サイクル寿命の表示装置を備えた二次電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】二次電池では充放電を繰り返して電池寿命が尽きると電池交換が必要となる。交換時期の指示が予告期間を置かず現われた場合には、予備電池への自動切替え等の機能を持たない場合には負荷側への電力供給が停止する。電池が大型化すれば、予備電池の併設には大きな負担が伴い、負荷側への電力供給が停止した場合の影響も甚大である。このため、残存サイクル寿命を予測すること、すなわちあらかじめ一定の予告期間を置いて電池の交換時期を知ることは、負荷側への電力供給停止を避け、電池交換に対して計画的に対処できるため大きな意味を持つ。従来、使用中の電池において使用可能な残りの時間のめやす、残存容量を示すことは、一次電池においては電池交換の時期を、二次電池においては充電の時期を知る必要から技術開発が進められてきた。例えばその時点までに放電した電気量を積算して初期容量との差を計算するか、あるいは特開昭59−75581 号に記載されているように、電池電圧を測定して基準電圧と比較する方法等により残存容量表示は可能である。
【0003】これに対して、繰返し充放電があと何回可能であるかという残存サイクル寿命の予測に関しては、技術的な困難さのためほとんど行われていない。開放型の鉛蓄電池に関しては電池交換時期を指示するための手法として、電解液の比重あるいは電解液の液面の位置を検知する方法が良く知られている。この方法は電池容器内に遊離の電解液が多量に充填されている開放型の鉛蓄電池においてのみ可能である。一方密閉型の鉛蓄電池の寿命表示に関しては、例えば特開昭60−30067号に記載されているように、格子集電体の膨張を検出する方法が提案されている。しかしこれらの方法は鉛蓄電池に特有の方法である。
【0004】他の電池系においては寿命予測が困難なため、例えば特開平4−87159号あるいは特開平4−98769号に記載されているように充電回数を計測して、公称サイクル寿命との差から残存サイクル寿命を推定する方法が提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明では二次電池システムにおいて、寿命が尽きる時期を予測して二次電池の計画的運用に資するため、集合二次電池群の使用中の運転データ及び開回路状態のデータを採取して、その時点における残存サイクル寿命を推算し、これに基づき電池交換までの充電回数あるいは電池交換の日時をあらかじめ告知する表示部を備えた電池システムを提供することを目的とした。併せて電池の異常を事前に検知して事故を未然に防止するためのシステムを提供することを目的とした。
【0006】
【課題を解決するための手段】二次電池の寿命を、使用不能に至る前に一定の猶予期間を置いて予告するためには電池が寿命となる原因を検出可能な指標を用いて定量化し、これにより寿命劣化に至るまでの期間あるいは充放電回数を推算することが必要である。二次電池が寿命となる原因は大別すると、電極活物質の劣化により充電あるいは放電反応が進まなくなる場合と、電解液の枯渇により電池の内部抵抗が増大して、内部抵抗による電圧低下が大きくなり充放電不能になる場合とがある。
【0007】電極活物質の劣化に関しては、二次電池の放電容量の変化率及び電池の交流インピーダンスから得られる指標の変化率が指標として利用できる。すなわち放電容量の変化率は充電から次の充電までの間に放電された電気量を積算して放電容量として、この放電容量のサイクル毎の変化率を外挿して電池システムで保証する下限の放電容量まで低下する回数を推算し、残存サイクル寿命として表示する。もし二次電池システムを放電量一定の条件で運転する場合には、放電容量の変化は原理的には検出されないため、別の指標として、特にリチウム二次電池の場合に特に有効であるが、放電終了時の電圧あるいは放電終了後の開回路電圧を用いて残存サイクル寿命を外挿することができる。放電終了時の電圧としては、電池の内部抵抗による電圧低下分を差し引いた値を使用するのが望ましい。以下放電容量の変化を利用する残存サイクル寿命の予測法を主体に述べるが、放電終了電圧による予測法も同様の手法により実施することができる。
【0008】寿命予測の精度を高めるために、放電容量の外挿と併せて充電終了後あるいは放電終了後に、開回路状態において電池の交流インピーダンスを測定し、これを指標として加えることは効果がある。交流インピーダンスの測定は、上述した二次電池の劣化原因のうち、電解液の枯渇及び電極活物質の劣化の双方の評価に関して有効である。電解液の枯渇に関する指標は比較的周波数の高い領域で交流インピーダンスを測定することにより得られる。一方電極活物質の劣化に関しては比較的周波数の低い領域で交流インピーダンスを測定し、複素数表示して虚数部と実数部の比を求めることにより指標が得られる。電池の種類,大きさ,形状等によりそれぞれ最も適した測定周波数領域が異なるため、あらかじめ対象となる電池システムに対してそれぞれ最適な2つの測定周波数領域を決める必要がある。低周波数領域としては例えば1Hz以下の周波数が利用できる。測定された交流インピーダンスを複素数表示して、その虚数成分(容量成分)と実数成分(抵抗成分)の比を計算しこれを一つの指標として用いる。高周波数領域としては例えば1kHz 程度の周波数で交流インピーダンスを測定し、抵抗成分の値を一つの指標として用いる。
【0009】通常小型の電池パックでは数本の電池が使用され、大型の電池になればさらに多数の電池を直列に接続して、100Vあるいは200Vの電圧が得られるようにする。電池を直列に接続した場合、電池群を構成する個々の電池間の特性の不均等が拡大して電池群の特性を低下させるおそれがある。例えば、容量の低い電池が先に放電を完了して電池群の放電電圧を低下させ容量低下を引き起こす。さらには、アルカリ金属を負極活物質とする電池においては、先に放電が完了した電池が他の電池に引きずられて放電が継続されて過放電から転極に至った場合、正極上へ負極活物質であるアルカリ金属が析出し(逆充電反応)、重大な事故に至る危険性が生じる。これを避けるため、集合電池内の特定の電池において放電電圧が0Vにまで低下する事態が発生した場合には使用を中止することが必要である。
【0010】電池を数本直列に接続する電池パックの場合はすべての電池の電圧を測定することは可能である。しかし100Vあるいは200V程度の電圧を発生させる大型電池の場合には、リチウム二次電池の場合で30本から70本の電池を直列に接続する必要がある。この場合、すべての電池について電圧を測定することも原理的には可能であるが、数本単位で素電池を直列に接続した電池群(モジュール)毎に電圧を測定する方が簡便である。この場合には異常が発生した場合にはモジュール単位で交換が可能であり、電池交換作業が簡略化できる。モジュールごとに電圧を測定する場合、例えば図5に示すように5本直列に接続した電池モジュールのうち1本の電池の容量が他に比べて半分である場合、放電中のモジュール電圧変化に段差が生じる。これをモジュール電圧の放電電気量に対する微分値の異常として検出することができる。この検出法においては放電中の微小な電圧変化による誤差を避けるために、モジュールとして直列接続する電池の数を少なくすることが望ましい。例えばリチウム二次電池の場合、1本の電池で過放電反応に対応する2V付近から0Vまでの電圧変化が起これば、5本直列では2V/15V=0.133の変化として、10本直列では2V/30V=0.0667の変化となり、5本直列の場合の方が検出が容易である。
【0011】大型電池群の場合、電池の交流インピーダンス測定も各モジュール毎に実施し、交流インピーダンス及び放電電圧変化により検知されるモジュールの異常警報を電池システムの寿命予測に優先させ、電圧及び交流インピーダンスに異常の発生したモジュールを交換するよう指示を出す。これにより通常のサイクル寿命劣化原因以外の突発的に発生する異常事態に対処できる。
【0012】
【作用】本発明の対象とする二次電池システムの運用を開始すると、該電池群に直列に設置した電流検出装置により放電期間中における放電容量を積算して記憶装置に貯える。各サイクル毎の放電容量をサイクル数の関数として係数を決め、対象となる二次電池システムの最低保証放電容量に至るまでのサイクル数を外挿により計算することにより寿命予測は基本的には為される。
【0013】この時二次電池の放電容量の繰返し充放電サイクル毎の変化の様子には図6に示すように2つのパターンがあることに留意する必要がある。第一のパターンはサイクル末期まで一定の放電容量で経過した後、急激に放電容量が低下する場合(タイプI)である。第二のパターンは充放電サイクルが進むにつれてほぼ直線的に放電容量が低下する場合(タイプII)である。これら両者の違いは電池系の違い、例えばニッケル−カドミウム電池はタイプIのような挙動を示し、リチウム二次電池はタイプIIのような挙動を示す例が多い。もちろん、同じ電池系においても電池の設計あるいは使用条件により異なった挙動を示す。例えば設計容量に対して浅い放電条件で放電を繰り返せば、深い放電条件では本来タイプIIの挙動を示すリチウム二次電池においてもタイプIの挙動を示す場合もある。
【0014】この点を踏まえて、二次電池の公称サイクル寿命,放電容量,放電電圧及び交流インピーダンス(低周波数と高周波数の2点)の数値を組み合わせて残存サイクル寿命を予測する手法について種々検討した結果、図6に示す放電容量の充放電サイクルの進行に伴う変化のパターンと寿命予測時点までの使用状況に応じて、上記各パラメータ間に優先順位を付けることにより、残存サイクル寿命予測の精度を上げることができことがわかった。タイプII電池では放電容量のサイクル毎の変化から残存サイクル寿命を予測できる。より正確な残存サイクル寿命を予測するため、外挿と基礎となる式の係数を一定間隔毎に、例えば直前の100サイクルの放電容量のデータを用いて更新し、残存サイクル寿命の予測を修正することが望ましい。前者の場合には放電容量が一定である期間中は寿命を意識することは少ない。
【0015】これに対してタイプI電池では、各サイクル毎の放電容量を比較することにより現在フェーズIの領域にあることが確認できれば、公称サイクル寿命からそれまでの充放電サイクル数を差し引くか、あるいはリチウム二次電池においては、F.O.M.の考え方を用いて残存サイクル寿命を概算するか、放電終了時の電圧の値を外挿して寿命を予測することができる。各放電サイクル毎の放電容量を比較して放電容量に減少傾向が検出されるようになると、フェーズIIの領域に移ったと判断し、放電容量のサイクル毎の変化を外挿して残存サイクル寿命を推算する。タイプI電池のフェーズII以降は、タイプII電池と同様の方法により寿命を予測する。一定間隔での放電容量の変化に基づく寿命予測の修正と併せて、使用休止中には各電池モジュール毎の交流インピーダンスを2つの周波数で測定し、放電中には各モジュールの電圧変化を計測する。交流インピーダンスに関しては低周波数側及び高周波数側のそれぞれの値についてモジュール間の偏差をとり、交流インピーダンスが大きく変化したモジュールが発生すれば、フェーズIIIとして点検あるいはモジュール交換の警報を出す。放電時の電圧変化に関しては各モジュール毎に放電量に対する微分値を計算して、設定値を超えた場合にモジュール交換の警報を出す。
【0016】
【実施例】以下本発明の実施例について図に従って説明する。
【0017】−実施例1−図1に本発明になる二次電池システムを電力貯蔵設備に適用した場合の概要を示す。交流母線1からスイッチ4及びインバータ/整流器5を介して負荷2と集合電池3を並列に接続する。この集合電池3は電圧測定装置7により電圧を測定し、放電時においては一定の下限電圧まで放電させるように条件を設定しておく。スイッチ4にはタイマ6を取付け充電時間を設定する。充電時間は例えば夜間の午後11時から翌朝の7時までの8時間に設定する。集合電池3に直列に電流検出器11を接続する。電流検出器11は電流の方向も検出可能なように構成する。これにより電流の方向の変化を検出して充電及び放電を検知し、充電から次の充電までの間に放電方向に流れた電流を積算器13により積算する。併せて放電状態から充電状態へ電流の方向が変わったときにカウンタ12にパルスを送り、サイクル数の増加として積算する。積算された電気量及びサイクル数を記憶部14に貯え、演算部51において放電された電気量の積算値をサイクル数の関数として係数を決め、外挿によりあらかじめ決められた下限放電容量に達するまでの寿命を推算し、その結果を表示部52に表示する。寿命の表示法は次のようにして行う。記憶部14に貯えられた直前20回分の放電容量を演算部51において比較し、変化が認められない間は寿命は表示しない。直前20回分の放電容量に低下が認められるようになってくると、演算部51において計算された寿命値を内蔵のカレンダーにより換算して電池交換時期として月単位で表示する。100サイクル経過ごとに最新の放電容量のデータを用いて推算を繰り返す。残存サイクル寿命が200サイクルを割り込むと、電池交換時期を10日単位で表示する。
【0018】集合電池3は図2に示すように、所定の電圧を得るために必要な個数の素電池を、まず5本程度直列に接続した電池モジュール21とし、これをさらに直列に接続して電池群を構成する。
【0019】発振周波数が1kHzと0.05Hz の交流電源17及び信号解析部18を設け、配線24,接点切り替え装置22及びスイッチ25を介して集合電池の電池モジュール21に接続する。放電及び充電が終了した後、スイッチ23により負荷及び計測部から開放した後、切り替えスイッチ25により交流電源17及び信号解析部18に接続して、二つの周波数で交流インピーダンスを測定する。測定された交流インピーダンスはそれぞれ記憶部/演算部53に送り、モジュール間で交流インピーダンスを比較し偏差を計算する。偏差が設定値を超えれば警報部55に該当モジュール交換の警報を出す。
【0020】同じくモジュールから配線24,接点切り替え装置22及びスイッチ25を介して電圧計測部16に接続する。放電運転中の各モジュールの電圧は接点切り替え装置22で順次入力を切り替えて電圧計測部16に送られ各モジュールの電圧を計測する。モジュール電圧は演算部54にて放電電気量により微分し、微分値が設定値より大きければ、警報部55に該当モジュール交換の警報を出す。
【0021】−実施例2−図3に本発明になる二次電池システムを電力貯蔵設備に適用した場合の概要を示す。交流母線1からスイッチ4及びインバータ/整流器5を介して負荷2及び集合電池3を並列に接続する。この集合電池は放電時には積算器13により一定の電気量が放電された場合には放電を停止するように設定しておく。スイッチ4にはタイマ6を取付け充電時間を設定する。充電時間は例えば夜間の午後11時から翌朝の7時までの8時間に設定する。集合電池3に直列に電流検出器11を接続する。電流検出器11は電流の方向も検出可能なように構成する。これにより電流の方向の変化を検出して充電,放電及び開回路状態を検知する。放電から開回路状態に移行する直前の電圧を電圧測定装置7により計測し、抵抗損失分を差し引いて記憶部14に貯え、放電から開回路状態に移行するたびにデータを更新する。開回路状態から次の充電に移行する時点で記憶部14に残っているデータを放電終了電圧として記憶させる。併せて放電状態から充電状態へ電流の方向が変わったときにカウンタ12にパルスを送り、サイクル数の増加として積算し、サイクル数として記憶部14に貯える。演算部51において放電終了電圧をサイクル数の関数として係数を決め、外挿によりあらかじめ決められた下限放電終了電圧に達するまでの寿命を推算し、その結果を表示部52に表示する。寿命の表示法は次のようにして行う。記憶部14に貯えられた直前20回分の放電終了電圧を演算部51において比較し、変化が認められない間は表示しない。直前20回分の放電終了電圧に低下が認められるようになってくると、演算部51において計算された寿命値を内蔵のカレンダーにより換算して電池交換時期として月単位で表示する。100サイクル経過ごとに最新の放電終了電圧容量のデータを用いて推算を繰り返す。残存サイクル寿命が200サイクルを割り込むと、電池交換時期を10日単位で表示する。異常時の警報表示に関しては実施例1に示すのと同じ方法により実施する。
【0022】−実施例3−図4に本発明になる二次電池システムをリチウム二次電池パックに適用した場合の概要を示す。5本直列に接続した電池群15に直列に電流検出装置11を接続し、それぞれの電池の両極端子から電圧検出用の配線26を引き出す。電流検出装置11には電流の方向の反転によりパルスを発生させるような機能を持たせておく。充電方向から放電方向に電流が反転した場合のパルスにより電流検出装置11からの出力の積算を開始し、放電方向から充電方向に電流が反転するまで積算器13により積算を継続する。積算結果は記憶部14に貯えられる。同時に放電方向から充電方向に電流が反転したときのパルスによりカウンター12を一つ進め、サイクル数として記憶部14に貯える。演算部51において積算されたサイクルごとの放電容量をサイクル数の関数として係数を決め、あらかじめ設定された下限容量に至るまでのサイクル数を推算して、表示部52に残存するサイクル数として表示する。
【0023】5本の電池の電圧は電圧検出装置16により測定する。このとき電圧検出装置は図4に示すように接点切り替え装置22を介して1つだけ設置してもよいし、それぞれの電池に電圧検出装置を設置することもできる。接点切り替え装置を介して1つの電圧検出装置を使用する場合は一定間隔で電池からの入力を切り替える。放電中の各電池の電圧を順次測定し、比較回路15において設定値と比較して、設定値を下回った場合には使用中止の警報を表示部55に出す。
【0024】
【発明の効果】本発明により二次電池システムの寿命を予測してあらかじめ電池交換の時期を知ることができるため、二次電池システムを計画的に運用することができ、二次電池を使用する負荷側との協調を高めることができる。また本発明により二次電池システム内の異常を事前に検知することができ、二次電池システムにおける事故の発生を防止することができる。




 

 


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