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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Austausch
eines Elements der Sekundärbatterien
einer Batterieanordnung, welche aus einer Vielzahl von elektrisch
entweder in Reihe oder parallel verbundenen Sekundärbatterien
gebildet ist, wenn einige der Sekundärbatterien verschlechtert bzw.
geschwächt,
gealtert oder ausgefallen sind. Die vorliegende Erfindung bezieht
sich insbesondere auf ein Verfahren des Austauschens von Sekundärbatterien,
welche in reinen Elektrofahrzeugen (PEV) und Hybridelektrofahrzeugen
(HEV) zur Verfügung
gestellt sind.
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Sekundärbatterien
umfassen Bleisäurebatterien,
Nickelkadmiumbatterien (Ni-Cd-Batterien), Nickelmetallhydridbatterien
(Ni-MH-Batterien), Lithiumionbatterien oder dergleichen. Nach Verbrauch
ihrer Energie können
diese Batterien durch Verbindung mit einer externen Energiequelle
und Zufuhr eines vorbestimmten Stroms aufgeladen werden. Aufgrund von
derartigen Charakteristika wurden diese Batterien in verschiedensten
Geräten
verwendet. Beispielsweise wurden Fahrzeuge mit Batterien ausgestattet, um
Zündkerzen
von Maschinen mit Energie zu versorgen.
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In
den letzten Jahren fanden hauptsächlich Ni-MH-Batterien aufgrund
ihrer hohen Energiedichte (das heißt, Energie kann auf einem
kleinen Raum angesammelt werden) und ihrer hohen Ausgangsdichte Verwendung,
welche als Hauptenergiequellen zum Antrieb von Elektromotoren in
sowohl Maschinen als auch Elektromotoren aufweisenden reinen Elektrofahrzeugen
(PEV) und/oder sogenannten Hybridelektrofahrzeugen (HEV) zu verwenden
sind. Bei derartigen reinen Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen
sind eine Vielzahl von Zellen in Reihe oder parallel angeordnet,
um eine für
ein Batteriepack zu verwendende Batterieanordnung zu konstruieren,
so dass Motoren ausreichende Energie zugeführt werden kann.
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In
einem reinen Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug ist eine
als eine Anordnung einer Vielzahl von Batterien gebildete Ni-MH-Batterie
zur Verfügung
gestellt. Die Batterie kann unter einer geeigneten Betriebsbedingung
für eine
lange Zeit verwendet werden. Im Allgemeinen wird jedoch eine einzelne
Zelle einer Batterieanordnung aufgrund von Unterschieden zwischen
den Sekundärbatterien
oder Fehlern von die Sekundärbatterien
bildenden Teilen außer
Betrieb sein oder das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Die Batterieanordnung
kann nicht ausreichend funktionieren, auch wenn nur eine Sekundärbatterie
der Batterieanordnung außer
Betrieb oder an dem Ende ihrer Lebensdauer ist, und dies kann eine Störung des
Systems zur Folge haben. Daher wurde eine Anzahl von Verfahren des
Erfassens einer Anormalität,
Störungen
oder einer Verschlechterung bzw. Schwächung von Sekundärbatterien
vorgeschlagen.
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EP-A-0609101 offenbart
eine Ansammlungsvorrichtung elektrischer Energie, welche ein paralleles
und/oder serielles Array von mehreren Sekundärbatterien verwendet. Diese
Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zur Erfassung einer Anormalität in jeder
der Sekundärbatterien,
eine Einrichtung zur elektrischen Unterbrechung der Ausgangsanschlüsse der
eine Anormalität
zeigenden Sekundärbatterie
und, im Falle einer seriellen Verbindung, zum Kurzschließen der
Anschlüsse,
mit welchen die eine Anormalität
zeigende Sekundärbatterie
verbunden worden ist, und eine Einrichtung zur Kompensation der
der beseitigten Batterie entsprechenden Spannung.
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Die
Patentzusammenfassungen von Japan (Patent Abstracts of Japan) Band
1998, Nr. 05, 30. April 1998 +
JP 10002943 A offenbaren ein Beurteilungsverfahren,
bei welchem der Kapazitätstest
von nur einer spezifischen Sekundärbatteriereihe durch ein Verfahren
verhindert wird, bei welchem eine Sekundärbatteriezellenreihe, für welche
nach einer Wartungsunterbrechung ein Wartungskapazitätstest als
erstes auszuführen
ist, aus einer Gruppenbatterie zufällig ausgewählt wird.
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Die
Patentzusammenfassungen von Japan (Patent Abstracts of Japan) Band
2000, Nr. 04, 31. August 2000 +
JP 2000 012098 A offenbaren ein Batterieverschlechterungs-Diagnoseverfahren
des Bestimmens, ob eine anormale Batterie mit stark verschlechterter
bzw. geschwächter
Charakteristik darunter ist, welche zu der Zeit der Auslieferung
nicht erfasst wurde.
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Gut
bekannte Verfahren umfassen beispielsweise eine Verschlechterungsbeurteilung
bzw. Schwächungsbeurteilung
auf der Grundlage einer Abnahme einer Ausgangsspannung einer Batterie, oder
eine Schwächungsbeurteilung
auf der Grundlage der spezifischen Schwere einer Elektrolytlösung für einen
Fall einer Bleisäurebatterie.
JP-A-4-341769 beschreibt
eine Beurteilung auf der Grundlage einer Änderung von Spannungs-/Stromcharakteristika, welche
durch einen Anstieg eines internen Widerstands einer Batterie verursacht
werden.
JP-A-11-89101 beschreibt
ein Speichern von Batteriebetriebszeit und ein Beurteilen der Schwächung, wenn
die Zeit einen vorbestimmten Wert erreicht. Bei
JP-A-9-827495 wird eine
Schwächung
unter Verwendung eines Temperaturanstiegs einer Batterie beurteilt.
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Herkömmliche
Techniken betreffend eines Austauschs einer gesamten Batterieanordnung
werden auf Batterien von tragbaren Telefonen, Notebookpersonalcomputern,
Videokameras, oder dergleichen angewendet. Eine herkömmliche
Technik betreffend eines teilweisen Austausches einer Batterieanordnung
ist in
JP-A-8-203567 offenbart.
Bei dieser Beschreibung wird bei jeder eine Batterieanordnung bildenden
Bleispeicherbatterie eine Anschlussspannung beobachtet. Wird die
Spannung gleich oder geringer als ein vorbestimmter Spannungswert, wird
der Zustand als eine Verschlechterung bzw. Schwächung beurteilt, und es leuchtet
eine einen Spannungsfall anzeigende LED auf.
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JP-A-2-101937 beschreibt
ein Beispiel des Verwendens einer Ni-Cd-Speicherbatterie als eine Sekundärbatterie.
Bei dieser Beschreibung werden jeweilige Ausgangsspannungen einer
Vielzahl von Batteriezellen durch eine Spannungserfassungseinrichtung
sequentiell erfasst. Batteriezellen, bei welchen Ausgangsspannungen
von nicht mehr als einem Standardwert erfasst werden, werden identifiziert
und durch eine Anzeigeeinrichtung angezeigt, um die Notwendigkeit
eines Batterieaustauschs mitzuteilen.
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Jedoch
beziehen sich die zuvor erwähnten herkömmlichen
Techniken betreffend eines teilweisen Austauschs einer Batterieanordnung
nicht auf Unterschiede bei Charakteristika zwischen neu hinzugefügten Sekundärbatterien
und gebrauchten Batterien der Batterieanordnung.
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Bei
einer Bleisäurebatterie
wird eine Variation bei einem Aufladungszustand (FEC) bei den jeweiligen
Batterien nach einem Austausch gelöscht, indem eine Konstantspannungsaufladung
ausgeführt wird,
und die gesamte Batterieanordnung kann voll aufgeladen werden. Jedoch
kann eine Ni-MH-Batterie oder Ni-Cd-Batterie bei einer Konstantspannungsaufladung überladen
werden. Als Folge davon kann die Aufladungszustandsvariation zwischen
der Austauschbatterie und der anfänglichen Batterieanordnung
nicht gelöscht
werden, und die Batterien können
nicht die maximale Leistungsfähigkeit
liefern.
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Weist
eine Austauschbatterie eine kleinere Kapazität als eine Durchschnittskapazität der Batterieanordnung
auf, kann die Leistungsfähigkeit
der Originalbatterieanordnung bei einer beabsichtigten Verwendung
nicht aufrechterhalten werden, bei welcher die Kapazität der Batterieanordnung
wichtig ist.
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Bei
Anwendung auf ein Hybridelektrofahrzeug oder dergleichen wird eine
Sekundärbatterie konstant
verwendet, wobei der Aufladungszustand bei einem mittleren Bereich
liegt, ohne dass sie vollständig
aufgeladen ist. In einem derartigen Fall können di folgenden Probleme
auftreten. Zuerst kann eine Variation bei dem Aufladungszustand
der Batterien eine Beschränkung
auf der Entladungsseite durch eine Batterie mit einen kleinen Aufladungszustand
verursachen, während
die Aufladungsseite durch eine Batterie mit einem großen Aufladungszustand
beschränkt
ist. Dies macht es unmöglich,
die Batteriekapazität
größtmöglichst
zu verwenden. Zweitens verursacht eine Variation bei den Selbstentladungscharakteristika
der Batterien eine Beschränkung
auf der Entladungsseite durch eine Batterie mit einer großen Selbstentladung,
während
die Aufladungsseite durch eine Batterie mit einer kleinen Selbstentladung
beschränkt
ist. Dies wird eine Variation des Aufladungszustands verursachen.
Drittens kann eine Variation des internen Widerstands der Batterien
eine ausreichende Leistungsfähigkeit
der Batterien verhindern, da eine Kombination einer einen großen internen
Widerstand aufweisenden Austauschbatterie mit einer Batterieanordnung
einen Fehler für
eine von Kapazitätsbeurteilungen
abhängende
tatsächliche
Kapazität
verursachen kann.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf eine Lösung der zuvor erwähnten Probleme,
und hat eine Aufgabe des zur Verfügung Stellens eines Verfahrens
des Austauschens von Sekundärbatterien
bei geringen Kosten, um eine Gesamtbatterieanordnung mit einer maximalen
Leistungsfähigkeit
nach dem Austausch zur Verfügung
zu stellen.
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Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren des Austauschens von Sekundärbatterien
zur Verfügung,
bei welchem Batteriecharakteristika als ein weiterer Standard zur
Beurteilung von defekten Batterien Verwendung findet, und eine wiederherstellbare
Sekundärbatterie
wiederverwendet wird. Dementsprechend sind Kosten von Austauschbatterien
verringert und Abfälle
können
beträchtlich
reduziert werden.
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Für die zuvor
erwähnten
Zwecke stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren des Austauschens
eines Elements einer Vielzahl von Sekundärbatterien, bei welchen ein
Defekt erfasst ist, gemäß Anspruch
1 zur Verfügung.
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Weitere
vorteilhafte Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Gemäß dem Verfahren
ist ein Gesamtaustausch der Batterieanordnung nicht erforderlich.
Außerdem
gibt es keinen Bedarf festzulegen, welche der alle die Batterieanordnung
bildenden Sekundärbatterien
defekt ist. Da ein Austausch in einer Spannungserfassungsblockeinheit
zur Erfassung und Steuerung einer Batteriespannung bei einer herkömmlichen
Konstruktion ausgeführt
wird, kann eine Erfassung von defekten Batterien nur durch Modifikation
von Software durchgeführt
werden, ohne dass irgendwelche Hardware hinzugefügt wird. Als ein Ergebnis können die
Kosten der Austauschbatterie selbst und auch Kosten betreffend eine
Erfassung von defekten Batterien reduziert werden.
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Bei
dem Austauschverfahren wird vorzugsweise eine Sekundärbatterie
mit einem maximalen Kapazitätsrang
unter einer die Anordnung bildenden Batteriegruppe als die Austauschbatterie
verwendet.
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Dementsprechend
wird die Kapazität
der Batterieanordnung nicht durch die Austauschbatterie beschränkt, so
dass die Leistungsfähigkeit
der Originalbatterieanordnung aufrecht erhalten werden kann.
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Wenn
ein Defekt einer Batterie erfasst wird, werden in der Nähe der defekten
Batterie zur Bildung einer Batterieanordnung positionierte Sekundärbatterien
auch durch Austauschbatterien ausgetauscht. Es wird eine Umgebungstemperatur
der auszutauschenden Batterien erfasst, um zu bestimmen, ob die in
der Nähe
der defekten Batterie positionierten Sekundärbatterien ausgetauscht werden
sollten oder nicht.
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Dementsprechend
werden in der Nähe
einer defekten Batterie positionierte Batterien vor Auftreten irgendeines
Fehlers in der Batterieanordnung in dem Fall ausgetauscht, bei welchem
sich die Temperatur in der Nähe
der defekten Batterien örtlich
erhöht, oder
bei welchem Batterien um die defekte Batterie herum aufgrund einer
Erwärmung
der defekten Batterie selbst einer hohen Temperatur ausgesetzt sind. Auf
diese Weise können
beliebige mögliche
Fehler der Batterien verhindert werden.
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Vorzugsweise
werden aktivierte Sekundärbatterien
für die
Austauschbatterien verwendet. Als eine Einrichtung zur Aktivierung
von Sekundärbatterien
ist eine zyklische Aufladung/Entladung vorzuziehen. Es ist insbesondere
vorzuziehen, eine zyklische Aufladung/Entladung auszuführen, bis
die Summe einer Aufladungs-/Entladungsenergie
bei dem Aufladung-/Entladungszyklus zumindest 450% der Batteriekapazität wird.
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5 zeigt
eine Beziehung zwischen einem Kilometerstand eines Fahrzeugs und
einem internen Widerstand einer Batterieanordnung, mit welcher das Fahrzeug
ausgestattet ist. Wie in 5 gezeigt, wird der interne
Widerstand der Batterieanordnung bei einem Anfangsschritt eines
Antriebs vermindert, und später
wird er im Wesentlichen konstant aufrechterhalten. Außerdem erhöht sich
der interne Widerstand bei dem Ende der Lebensdauer der Batterieanordnung.
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6 zeigt
eine Änderung
bei einem batterieinternen Widerstand, wenn für die Austauschbatterien eine
zyklische Aufladung/Entladung ausgeführt wird. In 6 wird
der Anfangswert auf „1" gesetzt. Wie in
dieser Zeichnung gezeigt, fluktuiert der batterieinterne Widerstand
in dem Anfangszustand beträchtlich.
Durch Durchführen
einer Aufladung/Entladung von ungefähr 450% oder mehr der Batteriekapazität wird ein
interner Widerstand von ungefähr 70%
des Widerstands bei dem Anfangszustand erzielbar. Daher kann, wenn
eine zyklische Aufladung/Entladung ausgeführt wird, bis die Summe der Aufladungs-/Entladungsmenge
während
des Zyklus 450% oder mehr der Batteriekapazität beträgt, eine Differenz bei dem
internen Widerstand zwischen der Austauschbatterie und den anderen
Batterien korrigiert werden, auch wenn sich der interne Widerstand der
anderen Batterien zu der Zeit geändert
hat, bei der die Austauschbatterie mit der Batterieanordnung kombiniert
ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Verfahren zur Aktivierung einer Austauschsekundärbatterie
besteht darin, die Batterie für
zumindest fünf
Tage sein zu lassen bzw. ruhen zu lassen, während die Batterietemperatur
auf 50°C
oder mehr gehalten wird. Durch sein lassen bzw. Aufbewahrung der
Batterie bei einer Temperatur von zumindest 50°C für mindestens fünf Tage
kann ein Oxidfilm an der Oberfläche
des aktivierten Materials innerhalb der Batterie effektiv entfernt
werden. Dementsprechend kann der interne Widerstand bei vergleichsweise
kosteneffizienter Ausrüstung
vermindert werden, ohne dass eine zyklische Aufladung/Entladung
ausgeführt
wird. Wird eine durch die vorangehende Einrichtung aktivierte Batterie
mit einer Batterieanordnung kombiniert, kann ein Unterschied bzw.
eine Differenz zwischen der Batterie und den anderen Batterien korrigiert
werden, und die Batterieanordnung kann ein ausreichendes Leistungsverhalten
liefern.
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Vorzugsweise
wird eine Austauschbatterie für
die zuvor erwähnten
Zwecke auf niedrigen Temperaturen gelagert.
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7 zeigt
einen Aufladungszustand in Bezug auf Lagerungstage für eine Austauschbatterie unter
Verwendung der Temperatur als ein Parameter. Wie in 7 dargestellt,
vermindert sich der Aufladungszustand einer Batterie, wenn sie bei
hohen Temperaturen gelagert wird, aufgrund einer großen Selbstentladungsmenge,
so dass die Batterie nicht unmittelbar in der Batterieanordnung
kombiniert werden kann. Wird die Austauschbatterie bei niedrigen Temperaturen
gelagert, wird eine Verminderung bzw. Schwächung des Aufladungszustands
aufgrund der Selbstentladungsbatterie innerhalb der Batterie gesteuert.
Vorzugsweise sind die Temperaturen nicht höher als 15°C, und noch bevorzugter liegt
der Temperaturbereich von 0 bis 10°C. Dies kann durch Überladung
verursachte Batteriestörungen
bzw. Fehler verhindern, wenn die Austauschbatterie in der Batterieanordnung
kombiniert wird.
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Vorzugsweise
wird eine Batterieanordnung in Vorbereitung einer anschließenden Verwendung auf
zumindest 100% der Batteriekapazität mit einer Rate von höchstens
0,3 C nach dem Austausch eines Teils der Sekundärbatterien aufgeladen, da es
möglich
ist, eine Variation bei dem Aufladungszustand der Batterieanordnung
zu beseitigen und einen signifikanten Anstieg der Batterietemperatur
zu verhindern.
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Dementsprechend
kann ein Aufladungszustand der gesamten Batterieanordnung durch Überladen
mit einer geringen Rate der Batterieanordnung einschließlich einer
Austauschbatterie ausgeglichen werden, um Unterschiede zwischen
der Austauschbatterie und der Batterieanordnung zu beseitigen. Zudem
kann, auch wenn die ausgetauschte Batterie für eine lange Zeit vor dem Austausch
sein gelassen wurde, und sich der interne Widerstand zeitweise erhöht hat,
der interne Widerstand durch die Überladung auf den anfänglichen
Pegel wiederhergestellt bzw. zurückgebracht
werden.
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Bei
dem Austauschverfahren werden vorzugsweise Defekte der Sekundärbatterien
auf der Grundlage eines Variationsbereichs der Ladungsmenge der
auszutauschenden Batterie und auch eines Variationsbereichs bei
der Selbstentladungsmenge nach sein lassen der Batterien für eine vorbestimmte
Zeitdauer bestimmt.
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Dementsprechend
werden auszutauschende Batterien nicht weggeworfen sondern, nach
Behandlung durch eine vorbestimmte Weise, wiederverwendet, wenn
der Variationsbereich bei der Aufladungsmenge der auszutauschenden
Batterien beispielsweise 2,0 Ah oder geringer ist, und die Variation bei
der Selbstentladungsmenge der Batterien, nachdem sie für eine vorbestimmte
Dauer, beispielsweise von mehreren Wochen bis zwei Monaten, sein
gelassen werden, beträgt
beispielsweise 0,5 Ah oder weniger. Bei diesem Verfahren wird eine
auszutauschende Batterie nicht notwendigerweise durch eine neue
Batterie ausgetauscht. Es ist ein Recyceln auf einem Materialniveau
verfügbar,
wodurch die Kosten von Austauschbatterien verringert werden, und
wodurch auch Abfälle
beträchtlich
reduziert werden können.
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1 ist
ein Blockschaltbild zur Darstellung einer Struktur bzw. eines Aufbaus
eines Batteriepacksystems, auf welches ein Verfahren des Austauschens
von Sekundärbatterien
bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
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2 ist
ein Flussdiagramm einer Routine zur Erfassung einer Verschlechterung
bzw. Schwächung
einer Sekundärbatterie
bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Flussdiagramm einer Routine des Austauschens von Sekundärbatterien
bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Flussdiagramm einer Routine zum Wiederaufbau eines auszutauschenden
Batteriemoduls bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen einem Kilometerstand
eines Fahrzeugs und einem internen Widerstand einer in dem Fahrzeug
zur Verfügung
gestellten Batterieanordnung darstellt.
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6 ist
ein Graph, welcher eine Änderung eines
batterieinternen Widerstands veranschaulicht, wenn für eine Austauschbatterie
eine zyklische Aufladung/Entladung bzw. Ladung/Entladung ausgeführt wird.
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7 ist
ein Graph, welcher einen Aufladungszustand in Bezug auf eine Lagerungsdauer (Tag)
unter Verwendung einer Temperatur als ein Parameter im Hinblick
auf eine Austauschbatterie zeigt.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
ein Blockschaltbild eines Batteriepacksystems, auf welches ein Verfahren
des Austauschens von Sekundärbatterien
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung anwendbar ist.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 ein in einem Hybridelektrofahrzeug
oder dergleichen zur Verfügung
zu stellendes Batteriepack, und es ist aus Sekundärbatterien,
wie beispielsweise Nickel-Metall-Hydrid-Batterien
gebildet. Im Allgemeinen ist dieses Batteriepack gebildet, indem
ein erstes Batteriemodul 11, ein zweites Batteriemodul 12,
ein drittes Batteriemodul 13, ein viertes Batteriemodul 14 und
ein fünftes
Batteriemodul 15 elektrisch in Reihe geschaltet sind, um
eine vorbestimmte Ausgabe für einen
Motor 8 zur Verfügung
zu stellen. Jedes Batteriemodul ist eine Nickel-Metall-Hydrid-Batterie,
welche aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe verbundenen Zellen
gebildet ist. Wie später
erwähnt
wird, werden die jeweiligen Batteriemodule 11, 12, 13, 14 und 15 getrennt
und durch eine Einheit zur Erfassung einer Batteriespannung bewertet.
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Das
Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Spannungserfassungsschalter
für das
Batteriepack 1, und er ist aus Schaltern 21, 22, 23, 24 und 25 gebildet,
um die jeweiligen Batteriespannungen des ersten bis fünften Batteriemoduls 11, 12, 13, 14 und 15 als
Spannungsergebnisse V1(n), V2(n), V3(n), V4(n) und V5(n) bei einer
vorbestimmten Zeitdauer in chronologischer Reihenfolge zu erfassen.
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Das
Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Temperaturerfassungsschalter
für das
Batteriepack 1 und er ist aus Schaltern 31, 32, 33, 34 und 35 gebildet,
um Batterietemperaturen als Temperaturergebnisse T1(n), T2(n), T3(n),
T4(n) und T5(n) bei einer vorbestimmten Zeitdauer in chronologischer
Reihenfolge zu erfassen. Diese Batterietemperaturen werden bei Temperatursensoren 41, 42, 43, 44 und 45 gemessen,
welche jeweils mit dem ersten bis fünften Batteriemodul 11, 12, 13, 14 und 15 temperaturgekoppelt
angeordnet sind.
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Das
Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Stromerfassungsabschnitt.
Dieser ist zwischen einem Minusausgangsanschluss des Batteriepacks 1 und
einem Minuseingangsanschluss des Motors 8 angeordnet. Der
Stromerfassungsabschnitt 5 erfasst einen Aufladungs-/Entladungsstrom
des Batteriepacks 1, welcher von einem (nicht abgebildeten)
Stromsensor bei einer vorbestimmten Zeitdauer ausgegeben wird, um
den Strompegel durch Erzielen eines Stromergebnisses I(n) zu erfassen,
sowie um das Vorzeichen zur Erfassung einer Aufladungs-/Entladungsrichtung
C/D zu verwenden, welches anzeigt, ob aufzuladen oder zu entladen
ist.
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Das
Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Batteriesteuereinrichtung,
und diese berechnet einen Aufladungszustand des Batteriepacks 1 auf
der Grundlage der Spannungsergebnisse, der Temperaturergebnisse,
und des Stromergebnisses. Die Spannungsergebnisse V1(n), V2(n),
V3(n), V4(n) und V5(n) werden erlangt, indem die Spannungserfassungsschalter 21, 22, 23, 24 und 25 gemäß einem
Steuersignal VC in chronologischer Reihenfolge eingeschaltet werden.
Die Temperaturergebnisse T1(n), T2(n), T3(n), T4(n) und T5(n) werden
erlangt, indem die Temperaturerfassungsschalter 31, 32, 33, 34 und 35 gemäß einem
Steuersignal TC in chronologischer Reihenfolge eingeschaltet werden.
Das Stromergebnis I(n) wird durch den Stromerfassungsabschnitt 5 zur
Verfügung
gestellt.
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Die
Batteriesteuereinrichtung 6 beurteilt einen Verschlechterungsgrad
bzw. Schwächungsgrad der
jeweiligen Batteriemodule 11, 12, 13, 14 und 15 auf
der Grundlage der erlangten Spannungsergebnisse V1(n), V2(n), V3(n),
V4(n) und V5(n), und außerdem
auf der Grundlage der erlangten Temperaturergebnisse T1(n), T2(n),
T3(n), T4(n) und T5(n). Die Einzelheiten werden an anderer Stelle
beschrieben.
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Das
Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Batterie-Eingangs-/Ausgangssteuerabschnitt.
Dieser steuert auf der Grundlage eines durch die Batteriesteuereinrichtung 6 zu
dem Zeitpunkt berechneten Aufladungszustandspegels einen Aufladungszustand,
so dass der Aufladungszustand der Batterie innerhalb eines vorbestimmten
Bereichs liegt. Darüber
hinaus steuert der Batterie-Eingangs-/Ausgangssteuerabschnitt 7 die
Mengen einer Entladung und Aufladung in Bezug auf das Batteriepack 1,
um eine Leistungsunterstützung
und ein Regenerationsbremsen einer Maschine 9 entsprechend
einer Batterie-Eingangs-/Ausgangsanforderung
von einem Fahrer, wie beispielsweise einer Beschleunigungs- und Verlangsamungsoperation,
durchzuführen.
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Im
Folgenden wird eine Erläuterung
betreffend eines Verschlechterungs- bzw. Schwächungserfassungs- und Austauschvorgangs
eines auf diese Weise konfigurierten Batteriepacksystems unter Bezugnahme
auf 2 und 3 vorgenommen.
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2 ist
ein Flussdiagramm einer Routine zur Erfassung einer Verschlechterung
bzw. Schwächung
einer Sekundärbatterie
bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 2 wird
zuerst eine Ziffer „1" als eine Variable „i" gesetzt, welche
ein i-tes Batteriemodul in dem Batteriepack 1 repräsentiert
(S20), um zu beurteilen, ob das erste Batteriemodul 11 verschlechtert bzw.
geschwächt
ist oder nicht. Als Nächstes
wird ein von dem ersten Batteriemodul 11 durch den Spannungserfassungsschalter 21 erlangtes
Spannungsergebnis V1(n) (Vi(n), i = 1), dahingehend beurteilt, ob der
Wert geringer als ein eine Batterieschwächung anzeigender vorbestimmter
Spannungsschwellwert VT ist (S21). Auf der Grundlage des Beurteilungsergebnisses
bei dem Schritt S21 wird, wenn V1(n) geringer als VT ist (Ja), ein
Auftreten einer Schwächung bei
dem ersten Batteriemodul 11 erkannt. Dann wird das erste
Batteriemodul 11 als eine auszutauschende Batterie gesetzt
(S22), bevor ein nachfolgender Schritt S23 startet.
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Wenn
bei der Beurteilung bei dem Schritt S21 das Ergebnis V1(n) gleich
oder höher
als VT ist (Nein), wird das erste Batteriemodul 11 als
normal beurteilt, und der anschließende Schritt S25 startet eine
Beurteilung einer Schwächung
betreffend dem zweiten Batteriemodul 12.
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Bei
dem Schritt S23 wird das Temperaturergebnis T1(n) (Ti(n), i = 1)
derart beurteilt, ob es höher als
ein vorbestimmter Temperaturschwellwert TT ist. Das Temperaturergebnis
T1(n) (Ti(n), i = 1) wird durch einen Temperaturerfassungsschalter 31 von einem
Temperatursensor 41 erlangt, welcher mit dem ersten Batteriemodul 11 temperaturgekoppelt
angeordnet ist. Ist T1(n) größer als
TT (Ja) als ein Ergebnis einer Beurteilung bei dem Schritt S23,
wird auch das zweite Batteriemodul 12 als ein Austauschobjekt gesetzt
(S24), da bei dem zweiten Batteriemodul 12 (dem (i + 1)-ten
Batteriemodul), welches in der Nähe des
ersten Batteriemoduls 11 positioniert ist, aufgrund eines örtlichen
Temperaturanstiegs bei dem ersten Batteriemodul 11 oder
aufgrund einer Erwärmung
des ersten Batteriemoduls 11 in der Zukunft eine Schwächung auftreten
kann.
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Ist
T1(n) gleich oder geringer als TT (Nein) als ein Ergebnis einer
Beurteilung bei dem Schritt S23, wird es beurteilt, dass bei dem
zweiten Batteriemodul 12 in der Zukunft keine Schwächung auftreten
kann. In diesem Fall startet der folgende Schritt S25 mit einer
Beurteilung einer Schwächung
betreffend dem nächsten
Batteriemodul 12.
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Bei
dem Schritt S25 wird es bestimmt, ob die Variable „i" kleiner als eine
Batteriemodulnummer L (bei dem Beispiel von 1 gilt L
= 5) ist oder nicht. Da für
die Variable i = 1 gilt und eine Schwächungsbeurteilung für das erste
Batteriemodul 11 beendet worden ist, wird nur der gesetzte
Wert der Variable „i" (das heißt „1") um 1 heraufgesetzt
(S26), und die Schritte S21 bis S25 werden, wie zuvor für das zweite Batteriemodul 12 erwähnt, wiederholt.
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Wird
das zweite Batteriemodul 12 bei dem Schritt S21 als verschlechtert
bestimmt, und wird es bei dem Schritt S23 außerdem bestimmt, dass die Temperatur
höher als
ein vorbestimmter Pegel ist, werden auch das erste Batteriemodul 11 und
das dritte Batteriemodul 13, welche in der Nähe des zweiten Batteriemoduls 12 positioniert
sind, auch als auszutauschende Objekte gesetzt.
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Auf
diese Weise ist, wenn es bei dem Schritt S25 beurteilt wird, dass
eine Schwächungsbeurteilung
bis zu dem fünften
Batteriemodul 15 beendet worden ist (Nein), eine Batterieschwächungserfassungsroutine
beendet.
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Als
Nächstes
wird 3 zur Erläuterung
eines Austauschvorgangs für
ein Batteriemodul verwendet, welches bei den Schritten S21 und S23
von 2 als ein Austauschobjekt gesetzt ist.
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3 ist
ein Flussdiagramm einer Routine zum Austauschen von Sekundärbatterien
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 3 wird
zuerst ein Austauschbatteriemodul unter Batteriemodulen ausgewählt, welche bei
niedrigen Temperaturen transportiert und gelagert sind (S30). Das
ausgewählte
Austauschbatteriemodul weist einen größeren Kapazitätsrang als beliebige
andere Batteriemodule auf, da es die höchste Kapazitätsrangordnung
bei Kombination aufweisen sollte. Als Nächstes wird das ausgewählte Austauschbatteriemodul
einer Vorbehandlung für Batterieaustausch
unterzogen (S31). Bei dieser Vorbehandlung von Schritt S31 wird
das Austauschbatteriemodul vor dem Versand zumindest durch entweder
eine zyklische Aufladung/Entladung oder durch Seinlassen des Batteriemoduls
für zumindest
fünf Tage
in einer Umgebung mit einer Temperatur von nicht weniger als 50°C aktiviert.
Bei der zyklischen Aufladung/Entladung wird die Gesamtaufladungs-/Entladungsmenge
in dem Zyklus beispielsweise auf zumindest 450% der Batteriekapazität eingestellt.
Als ein Ergebnis der Aktivierung wird das nicht gebrauchte Austauschbatteriemodul
eine deutliche Änderung
bei den Selbstentladungscharakteristika oder bei dem anfänglichen
internen Widerstand aufweisen. Dementsprechend können die Selbstentladungscharakteristika
und der interne Widerstand des ungebrauchten Austauschbatteriemoduls
mit denjenigen der anderen Batteriemodule bei einer Betriebsbedingung
angepasst werden.
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Anschließend wird
das einer Batterieaustauschvorbehandlung von Schritt S31 unterzogene Austauschbatteriemodul
für einen
Austausch mit einem auszutauschenden Batteriemodul versendet (S32),
und das gesamte Batteriepack wird einer Batterieaustauschnachbehandlung
unterzogen (S33). Bei der Nachbehandlung von Schritt S33 wird die Batterie
auf zumindest 100% der Batteriekapazität überladen, so dass der Aufladungszustand
des Austauschbatteriemoduls denjenigen der anderen Batteriemodule
entspricht. Zusätzlich
wird der interne Widerstand wiederhergestellt, wenn er sich aufgrund
einer langen Standzeit des Austauschbatteriemoduls erhöht hat.
Als ein Ergebnis kann das gesamte Batteriepack die volle Leistungsfähigkeit
liefern.
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Auszutauschende
Batteriemodule umfassen, was aufgrund eines augenblicklichen Kurzschlusses
oder dergleichen als anormale Module spezifiziert worden ist, und
was durch Wiederherstellung der Batteriecharakteristika wiederverwendet werden
kann. Durch Wiederaufbau der wiederverwendbaren Batteriemodule als
ein Batteriepack und Versenden dieses als ein im Wesentlichen neues
(regeneriertes) Produkt, wird eine Kostenreduktion eines Austauschbatteriepacks
und eine deutliche Reduktion von Abfall möglich sein. Diese Einzelheiten werden
nachfolgend beschrieben.
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4 ist
ein Flussdiagramm einer Routine des Wiederaufbaus einer auszutauschenden
Batterie gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 4 wird
es zuerst beurteilt, ob ein Variationsbereich (CV) bei einer Ladungsmenge
eines auszutauschenden Batteriemoduls beispielsweise 2,0 Ah (ungefähr 20% einer
Vollladungsmenge) überschreitet
(S40). Weist der Variationsbereich bei einer Aufladungsmenge (CV)
einen Wert von 2,0 Ah oder weniger auf (Nein), wird eine gleichförmige Aufladung
ausgeführt
(S41), da das Batteriemodul wiederverwendet werden kann. Ergibt
ein Ergebnis der Beurteilung bei dem Schritt S40, dass der Variationsbereich
bei der Aufladungsmenge (CV) einen Wert von 2,0 Ah überschreitet
(Ja), wird das Batteriemodul als ein anormales Modul beurteilt (S51)
und auf eine gewisse Weise zur Abfallablagerung oder dergleichen behandelt,
da es nicht wiederverwendet werden kann.
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Der
gleichförmigen
Aufladung bei Schritt S41 folgend wird in dem nächsten Schritt die volle Aufladungskapazität (FC) des
auszutauschenden Batteriemoduls gemessen, um zu beurteilen (S42),
ob die gemessene Vollladungskapazität FC beispielsweise einen Wert
von 6,5 Ah erreicht, welcher eine Spezifikation einer neuen Batterie
repräsentiert.
Beträgt
die Kapazität
einer vollen Batterie 6,5 Ah oder mehr (Nein), wird eine vorbestimmte
Aufladung (beispielsweise 50%) ausgeführt, da die Batterie wiederverwendet
werden kann (S43). Ist die Kapazität FC der vollen Batterie gemäß einem
Ergebnis der Beurteilung bei dem Schritt S42 geringer als 6,5 Ah
(Ja), wird das Batteriemodul als ein anormales Modul beurteilt (S51)
und auf eine gewisse Weise als Abfall oder dergleichen abgelagert,
da es nicht wiederverwendet werden kann.
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Darüber hinaus
wird eine vorbestimmte Aufladung (beispielsweise 50%) bei dem nächsten Schritt
S43 ausgeführt,
und dann wird die Batterie für eine
vorbestimmte Dauer (beispielsweise von mehreren Wochen bis zwei
Monaten) sein gelassen (S44). Später
wird es beurteilt, ob der Selbstentladungsmengen-Variationsbereich (SDV) einen Wert von
beispielsweise 0,5 Ah überschreitet,
welcher einer praktisch vorhandenen Kapazität einer neuen Batterie entspricht
(S45). Weist der Selbstentladungsmengen-Variationsbereich SDV einen
Wert von 0,5 Ah oder geringer auf (Nein), wird das anormale Modul durch
ein Batteriemodul ausgetauscht (S46), um ein Batteriepack zu bilden
(S47), und es wird eine zweite gleichförmige Aufladung ausgeführt (S48). Überschreitet
der Selbstentladungsmengen-Variationsbereich
SDV einen Wert von 0,5 Ah (Ja), wird das auszutauschende Batteriemodul
als ein anormales Modul beurteilt (S51) und auf eine gewisse Weise
zur Abfallablagerung oder dergleichen behandelt, da es nicht wiederverwendet
werden kann.
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Zuletzt
wird der interne Widerstand (IR) für jedes Modul des Batteriepacks
bei einer abschließenden
Inspektion gemessen, um zu beurteilen, ob der interne Widerstand
(IR) der Moduleinheit einen Wert von beispielsweise 20 mΩ überschreitet
(S49). Überschreitet
der interne Widerstand einen Wert von 20 mΩ (Ja), wird das Batteriepack
als defekt beurteilt (S52), so dass das Pack nicht versendet bzw.
ausgeliefert wird. Weist der interne Widerstand (IR) der Moduleinheit
gemäß einem
Ergebnis der Beurteilung bei dem Schritt S49 einen Wert von 20 mΩ oder geringer (Nein) auf,
wird es beurteilt, dass das Batteriepack einem neuen Produkt entspricht
und es wird versendet bzw. ausgeliefert (S50).
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Wie
zuvor erwähnt,
wird ein auszutauschendes Batteriemodul in Bezug auf den Aufladungsmengen-Variationsbereich
und den Selbstentladungsmengen-Variationsbereich
geprüft,
nachdem es für eine
vorbestimmte Dauer von beispielsweise mehreren Wochen bis zwei Monaten
sein gelassen wurde. Liegen die charakteristischen Werte innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs, wird das auszutauschende Batteriemodul
nicht entsorgt sondern, nach einer Behandlung auf eine gewisse Weise,
wiederverwendet. Dementsprechend wird das Batteriemodul nicht durch
ein neues Austauschbatteriemodul ausgetauscht, sondern es wird mit
einem weiteren Batteriemodul ausgetauscht, welches einem im Wesentlichen
neuen Produkt entspricht. Andererseits wird ein mit einem auszutauschenden
Batteriemodul entsprechend einem neuen Produkt kombiniertes Batteriepack
zum Austausch versendet. Dementsprechend werden die Kosten auf eine
kleine Anzahl von Batteriemodulen und die Kosten einer Inspektion
und eines Wiederaufbaus beschränkt.
Dies kann die Kosten für
Austauschbatteriepacks vermindern. Darüber hinaus kann Abfall deutlich
reduziert werden, da das Meiste der Batteriemodule, Modulhalter
und Packgehäuse
wiederverwendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren des Austauschens von
Sekundärbatterien
zur Verfügung.
Bei dem Verfahren können
Batterien bei geringen Kosten ausgetauscht werden, und das Leistungsverhalten
einer gesamten Batterieanordnung kann nach dem Batterieaustausch
maximiert werden. Die Batterieanordnung ist durch elektrische Verbindung
einer Vielzahl von Sekundärbatterien
in Reihe oder parallel gebildet. Wird ein Teil der Sekundärbatterien
als defekt beurteilt, werden die defekten Batterien durch Austauschbatterien
ausgetauscht. In einem Aspekt des Verfahrens wird eine Spannung
für jede
vorbestimmte Spannungserfassungsblockeinheit in Bezug auf die Batterieanordnung
bildende Sekundärbatterien
erfasst, um Defekte der Sekundärbatterien
in der Spannungserfassungsblockeinheit zu beurteilen. Batterien
in einer Spannungserfassungsblockeinheit werden durch Austauschbatterien
ausgetauscht, wenn sie als defekt beurteilt werden.