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発明の名称 アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システム
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2007−104803(P2007−104803A)
公開日 平成19年4月19日(2007.4.19)
出願番号 特願2005−290944(P2005−290944)
出願日 平成17年10月4日(2005.10.4)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 筒井 健太 / 暖水 慶孝
要約 課題
長時間を要するリフレッシュサイクルを行うことなくメモリー効果を回避しつつ、過充電および過放電をも回避できる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システムを提供する。

解決手段
本発明のアルカリ蓄電池の充放電制御方法は、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で使用し、このSOCDおよびSOCCを、下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとの間で順次変動させることを特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
アルカリ蓄電池の充放電制御方法であって、
前記アルカリ蓄電池を、放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で使用し、
前記SOCDおよびSOCCを、下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとの間で順次変動させることを特徴とする、アルカリ蓄電池の充放電制御方法。
【請求項2】
前記SOCBは15〜30%、前記SOCTは70〜85%であることを特徴とする、請求項1記載のアルカリ蓄電池の充放電制御方法。
【請求項3】
前記SOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内であることを特徴とする、請求項1記載のアルカリ蓄電池の充放電制御方法。
【請求項4】
アルカリ蓄電池を用いた電源システムであって、
前記アルカリ蓄電池からなる主電源と、
前記主電源の電圧を検知する電圧センサと、
前記主電源の下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとを記憶する記憶部と、
前記電圧センサからの情報に基づいて前記主電源を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で制御し、かつSOCDおよびSOCCを前記SOCBとSOCTとの間で順次変動させる制御部と、
を有する電源システム。
【請求項5】
前記記憶部が記憶するSOCBは15〜30%、SOCTは70〜85%であることを特徴とする、請求項4記載の電源システム。
【請求項6】
前記制御部が制御するSOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内であることを特徴とする、請求項4記載の電源システム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルカリ蓄電池の充放電制御方法とこれを用いた電源システムに関し、より詳しくはメモリー効果の影響を最小限に留める技術に関する。
【背景技術】
【0002】
ニッケル水素蓄電池をはじめとするアルカリ蓄電池は、ハイブリッド車(以下HEV)や産業用途(非常用電源など)を中心に需要が拡大しつつある。特にHEVにおいて、メイン電源であるアルカリ蓄電池はモータ駆動(放電)と発電機からの回生電力の貯蓄(充電)の双方を行うため、充電深さ(以下SOC、満充電時を100%、完全放電時を0%と定義して数値化)により監視・制御される。
【0003】
正極活物質に水酸化ニッケルを用いるアルカリ蓄電池は、完全充電(SOCがほぼ0%)や完全充電(SOCがほぼ100%)を行わないサイクルを繰り返すと、蓄電池の残容量に対する起電力値が低下し、蓄電池容量が減少する現象(以下、メモリー効果と称す)が発生する。これを避けるため、アルカリ蓄電池においては幅広いSOC領域での充放電を行うことが望ましい。
【0004】
ただしHEV用などのように、瞬時に大電流での充放電が絶え間なく行われる電源システムでは、個々に容量差を有する複数のアルカリ蓄電池を接続した際に、最も容量の小さい蓄電池が過充電や過放電に入るのを回避するために、これ以上のSOCに至る充電を禁止する上限充電深さ(以下SOCT)と、これ以下のSOCに至る放電を禁止する下限充電深さ(以下SOCB)とを設け、SOCTとSOCBとの間で充放電を制御する方法が採られる。具体的には、SOCTは80%近傍、SOCBは20%近傍に設定される場合が多い。これにより、過充電および過放電を回避しつつ、SOCが50%近傍のみで用いられるときに発生するメモリー効果を回避する提案がなされている(例えば、特許文献1)。
【特許文献1】特開2001−69608号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら充放電を短時間で繰り返すHEV用電源システムでは、特許文献1のように広いSOC範囲を行き来することは稀であり、SOCが50%近傍でのみ充放電が繰り返される場合が多く、結局のところメモリー効果が発生する。メモリー効果を解消するために、民生用で使われているリフレッシュサイクル(完全充電や完全放電を意図的に行うサイクル)を活用することも考えられるが、このサイクルは時間を要するため、電源システムとして稼動する時間を減らすこととなり好ましくない。本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、長時間を要するリフレッシュサイクルを行うことなくメモリー効果を回避しつつ、過充電および過放電をも回避できる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明のアルカリ蓄電池の充放電制御方法は、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で使用し、このSOCDおよびSOCCを、下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとの間で順次変動させることを特徴とする。
【0007】
また上述した充放電制御方法に基づき、本発明の電源システムは、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、主電源の下限充電深さSOCB
上限充電深さSOCTとを記憶する記憶部と、電圧センサからの情報に基づいて主電源を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で制御しかつSOCDおよびSOCCをSOCBとSOCTとの間で順次変動させる制御部とを有することを特徴とする。
【0008】
放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとを順次変動させ、複数サイクルを経て下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとの間で万遍なく充放電が繰返されるように制御することにより、過充電および過放電を避けるという本来の遵守項目を保持しつつ、メモリー効果をも回避することができるようになる。
【発明の効果】
【0009】
以上のように本発明によれば、アルカリ蓄電池を主電源とし、HEV用途など過充電・過放電を避けつつメモリー効果をも配慮すべき電源システムに対し、効果的な充放電制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、図を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【0011】
請求項1に記載の発明は、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で使用し、このSOCDおよびSOCCを、下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとの間で順次変動させることを特徴とするアルカリ蓄電池の充放電制御方法に関する。
【0012】
図1は本発明の充放電制御方法の一例を示す模式図である。ここでは下限充電深さSOCBを20%、上限充電深さSOCTを80%としている。上述したように充放電が短時間に激しく繰返されるHEVなどの用途において、下限充電深さSOCBから上限充電深さSOCTに至る広範な充放電が行われることは稀であり、図4に模式的に示すように、SOC50%近傍で振幅の小さい充放電が繰返されるのが常である。そこで例えば図1では、1サイクル目は充電終止充電深さSOCCを80%(SOCBと同じ)に設定して放電を規制し、2サイクル目のSOCCを1サイクル目のSOCCよりも小さい値に設定する。これを繰返してサイクル毎にSOCCを小さくしつつ、SOCCに連動して小さくなる放電終止充電深さSOCDが下限充電深さSOCBと同値になった時点をもって、今度はSOCTと同値になるまでサイクル毎にSOCCを大きくする。このように複数サイクルを経てSOCBとSOCTとの間で万遍なく充放電が繰返されることにより、アルカリ蓄電池の課題であるメモリー効果を発生させることなく、効率的に電源システムを稼動させることができる。
【0013】
なおサイクル毎のSOCDについては、図2の模式図に示すように不規則(段階的に上下しない)であってもよい。これはSOCCの規制が回生効率の低下程度で留まるのに対し、SOCDの段階的な現象という規制を厳密に行うと、例えば比較的低SOC領域における瞬時の大電流放電などができなくなり、主電源としての機能が低下するからである。
【0014】
ここでSOCDがSOCB未満になることを規制できなかった場合、過放電による不具合(短絡発生による電圧低下など)を引き起こすので好ましくない。またSOCCがSOCTを超えることを規制できなかった場合、過充電による不具合(ガス発生に伴う電解液枯渇による短寿命化など)を引き起こすので好ましくない。
【0015】
SOCは、以下の方法によって百分率による数値化が可能となる。すなわち、予めあらゆる充電深さにおける電圧電流特性(I−V値、高電流放電時の電圧低下量から算出)を把握して検量線を作成し、適宜I−V値を測定してSOCをモニタリングする方法である
。これに加え、充放電電流量を積算した値(理論的なSOCが算出可能)にて補正を行うことにより、SOCの数値化をさらに高精度化できる。
【0016】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内容を踏まえて、SOCBを15〜30%、SOCTを70〜85%とすることを特徴とする。上述した過放電を避けるためには、SOCBを15%未満にするのは好ましくなく、過放電を避けるためには、SOCTを85%未満にするのは好ましくない。しかしSOCBを過剰に大きくすると放電側でのメモリー効果が発生し、SOCTを過剰に小さくすると充電側でのメモリー効果が発生する。請求項2の範囲内とすることにより、本発明の効果がより明確に発揮されることとなる。
【0017】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の内容を踏まえて、SOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内であることを特徴とする。上述したように充放電を頻繁に繰返す電源システムにおいて、メモリー効果を避けるがためにSOCCとSOCDとの差を大きく設定して充放電を冗長に規制するのは、電源システム本来の趣旨に反する。その反面、SOCCとSOCDとの差を一定間隔以上に規制しなければ、メモリー効果の抑制は困難となる。請求項3の範囲内とすることにより、本発明の効果がより明確に発揮されることとなる。
【0018】
請求項4に記載の発明は、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、主電源の下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとを記憶する記憶部と、電圧センサからの情報に基づいて主電源を放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとの間で制御しかつSOCDおよびSOCCをSOCBとSOCTとの間で順次変動させる制御部とを有することを特徴とする電源システムに関する。
【0019】
図3は本発明の電源システムの一例を示す模式図である。複数のアルカリ蓄電池からなる主電源1には、電圧を検知する電圧センサ2が接続されている。一方で記憶部3には主電源1の下限充電深さSOCBと上限充電深さSOCTとが記憶されており、制御部4と接続されている。制御部4には電圧センサ2によって測定された主電源1の電圧が逐次送られており、制御部4はSOCBとSOCTとの間で各サイクルの充放電が行われ、かつ放電終止充電深さSOCDと充電終止充電深さSOCCとが図1あるいは2のようにSOCBとSOCTとの間で順次変動するよう、常に制御している。なお主電源1の充電は発電機(図示せず)によって行われるが、HEV用途であれば発電機として内燃機関の運動エネルギーや停止時の摩擦エネルギーを充電電流に変換できるインバータを用いるのが一般的である。また放電時に電気エネルギーを運動エネルギーに変換する際にも、このインバータを用いると効率的である。
【0020】
なお請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の内容を踏まえて、SOCBを15〜30%、SOCTを70〜85%とすることを特徴とする。また請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の内容を踏まえて、SOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内であることを特徴とする。これらの効果は請求項2および3の効果と同様である。
【0021】
主電源1を構成するアルカリ蓄電池には、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池を選択することができる。正極はともに水酸化ニッケルを活物質として、適宜コバルト、コバルト化合物、軽希土類化合物、酸化亜鉛などが添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に燒結されて構成される。負極はニッケル水素蓄電池の場合は水素吸蔵合金、ニッケルカドミウム蓄電池の場合はカドミウムを活物質として、炭素材料や各種結着剤が添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に塗布されて構成される。この正極および負極を、ポリオレフィン不織布に代表されるセパレータを介して捲回あるいは積層することにより電極群を構成し、この電極群を円筒形あるいは矩形の電槽缶に挿入した後、アルカリ水溶液
からなる電解液を注入することにより、アルカリ蓄電池が構成される。
【0022】
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。なお本発明がこの実施例のみに限定されないことは云うまでもない。
【実施例】
【0023】
(実施例1)
水酸化ニッケルを活物質とする長尺状の正極と、水素吸蔵合金を活物質とする長尺状の負極とを、スルホン化処理したポリプロピレン不織布からなるセパレータを介して捲回し、電極群を構成した。この電極群を内径30mm、長さ60mmの円筒型電槽缶に挿入し、水酸化カリウムを主体とする電解液を注入して封口し、公称容量6Ahのニッケル水素蓄電池を得た。このニッケル水素蓄電池を12セル直列に接続して主電源とした。
【0024】
この主電源に対し、図3のように電圧センサ・記憶部および制御部を配列し、図1に示すパターンで、SOCBを20%、SOCTを80%、SOCCとSOCDとの差を30%に設定した。なおサイクル毎のSOCC(SOCD)の変動は5%とし、SOCCがSOCT(80%)に達するかSOCDがSOCB(20%)に達した時点で、変動の上下を反転させるように設定した。またSOC値は、初期状態においてあらゆる充電深さにおけるI−V値から作成した検量線((表1)参照)をベースに、充放電時のI−V値を測定してモニタリングする方法で百分率化し、制御に反映させた。この電源システムを実施例1とする。
【0025】
(実施例2〜6)
SOCBを10、15、25、30および35%とした以外は、実施例1と同様に構成した電源システムを、実施例2〜6とする。
【0026】
(実施例7〜11)
SOCTを65、70、75、85および90%とした以外は、実施例1と同様に構成した電源システムを、実施例5〜7とする。
【0027】
(実施例12〜15)
SOCCとSOCDとの差を5、10、40および45%とした以外は、実施例1と同様に構成した電源システムを、実施例12〜15とする。
【0028】
(実施例16)
図2に示すパターンで、SOCDを「SOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内」かつ「SOCB未満とならない」の範囲内で適宜変化してもよいように緩和した以外は、実施例1と同様に構成した電源システムを、実施例16とする。
【0029】
(比較例)
図4の模式図に示すパターンで、SOC50%を中心にSOCCとSOCDとの差を30%とした以外は、実施例1と同様に構成した電源システムを、比較例とする。
【0030】
以上の各電源システムを用いて、12Aの充放電電流で1000サイクルの充放電を行った。その後、以下に示す評価を行った。結果を(表2)に示す。
【0031】
(メモリー効果)
メモリー効果の有無を見極めるため、1000サイクル終了時に各主電源をSOC=80%まで充電したときの充電終止電圧と、(表1)に示したSOC=80%と判定すべき電圧との差が450mVを超えて低下したものを充電側のメモリー効果が「顕著」、50
〜450mVのものを充電側のメモリー効果が「あり」、50mV未満のものを「なし」とした。また、放電側のメモリー効果については、1000サイクル終了時に各種電源をSOC=20%まで放電した後、充電側と同じ評価判定を行い、(表2)に記した。
【0032】
(電解液枯渇)
蓄電池の封口部にリトマス紙をあて、青色に変化した場合はガス発生による漏液があったものと判断した。即時に変色したものを「顕著」、1分以内に変色したものを「あり」、変色が見られなかったものを「なし」として(表2)に記した。
【0033】
(電圧降下)
放電後の主電源の電圧をA、3日間放置後の主電源の電圧をBとし、A−Bが720mVを超えたものを「顕著」、300〜720mVのものを「あり」、300mV未満のものを「なし」として(表2)に記した。
【0034】
【表1】


【0035】
【表2】


従来の充放電制御方法に準じた比較例において顕著なメモリー効果が発生したのに対し、本発明の各実施例ではメモリー効果が抑制されていた。ただしSOCBがやや大きい実施例6や、SOCTがやや小さい実施例7では、比較例ほどではないものの深い充放電ができなかったことに起因するメモリー効果が見られた。またSOCBがやや小さい実施例2では比較的顕著な電圧降下が見られる一方、SOCTがやや大きい実施例11では比較的顕著な電解液の枯渇(漏液)が見られた。よってSOCBの好適範囲は15〜30%、
SOCTの好適範囲は70〜85%であることがわかる。
【0036】
一方、SOCCとSOCDとの差が5%である実施例12は、SOCBからSOCTに至るのに多くのサイクル数を費やしたために、結果的に比較的軽度ではあるがメモリー効果を発生させるに至った。よってSOCCとSOCDとの差は10%以上であるのが好ましい。なお(表2)には評価結果として記載していないが、SOCCとSOCDとの差を45%に設定した実施例15は、放電中は回生電流の受け入れ(充電)を長時間に亘って拒絶する一方、充電中は電気エネルギーの瞬時的供給(放電)を長時間に亘って拒絶せざるを得ないので、充放電を頻繁に繰り返す本発明の充放電システムの主旨に反することになる。よってSOCCとSOCDとの差の好適範囲は、10〜40%であることがわかる。
【0037】
さらに実施例16の結果から、SOCDを「SOCCとSOCDとの差が10〜40%の範囲内」かつ「SOCB未満とならない」の範囲内で適宜変化させても、本発明の効果は十分に得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明によればメモリー効果がなく、かつ過充電および過放電を回避できる電源システムが具現化できるので、アルカリ蓄電池の利点であるタフユース(HEV、家庭用コージェネ、産業用)用途での利用可能性は高く、かつその効果は高いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の充放電制御方法の一例を示す模式図
【図2】本発明の充放電制御方法の別の例を示す模式図
【図3】本発明の電源システムの一例を示す模式図
【図4】従来の充放電制御方法の態様を示す模式図
【符号の説明】
【0040】
1 主電源
2 電圧センサ
3 記憶部
4 制御部





 

 


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