JP2009118697A - 電池の充放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出装置を必要とせず、電源システムを簡易化できるだけでなく、ＨＥＶの走行時に電池の特性を十分に引き出しながらメモリー効果を回避できる電池の充放電制御方法を提供する。
【解決手段】主電源１は複数のアルカリ蓄電池あるいはリチウム二次電池から構成され、受信部２は外部からの信号を受信し、その信号を制御部３へと伝達する。記憶部４には所定の充電あるいは放電を実施する条件が記憶されており、制御部３と接続されている。制御部３には外部からの信号が逐次送られており、制御部３はその外部からの信号によって所定の充電あるいは放電を実施する条件を制御し、主電源１の充電あるいは放電を自動的に実施させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の充放電制御方法に関し、より詳しくはメモリー効果の影響を簡易的かつ効率的に低減させる技術に関する。

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と記す）や非常用電源などの産業用途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、充電深度（以下、ＳＯＣと記す）により監視・制御される。

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、完全放電（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、蓄電池の電気容量が減少する現象（以下、メモリー効果と記す）が発生する。これを避けるために、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。

ただしＨＥＶ用のように、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、個々に電気容量差を有する複数のアルカリ蓄電池を接続した際に、最も電気容量の小さいアルカリ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ＳＯＣでの終止電圧と、これ以下のＳＯＣに至る放電を禁止する下限ＳＯＣでの終止電圧を設け、両終止電圧の間で充放電を制御する方法が採用されている。したがって、充放電を繰り返すことによって、メモリー効果が発生してしまうことになる。このメモリー効果の影響を低減させるために種々の技術が提案されている。例えば、電池の充電状態を検出し、充電状態が所定の時間以上、低い状態で維持すると強制的に充電する方法（特許文献１）や、電池の電圧を検出しながら電池を放電させ、放電電流によって電池電圧を演算し、放電下限電圧を補正する方法（特許文献２）や、電池の温度と残容量を検出し、残容量が所定値以下となれば充電を行う方法（特許文献３）などがある。
特開２００１−２６８８０６号公報 特開２００１−１８６６８２号公報 特開２００１−６９６１１号公報

しかしながら、上記の特許文献の方法はいずれも電池の所定の状態を検出する必要があり、そのために検出装置が必要となる。また、特許文献１および３の方法では、強制的に充電を行っている間は、電池の特性を十分に引き出すことができず、特許文献２の方法では下限電圧を低くするため、電池構成材料の劣化を促進してしまうという課題がある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、検出装置を必要とせず、電源システムを簡易化できるだけでなく、ＨＥＶの走行時に電池の特性を十分に引き出しながらメモリー効果を回避できる、電池の充放電制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電池の充放電制御方法は、外部からの信号を感知して所定の充電、あるいは放電を自動的に実施することを特徴とする。

外部の信号を感知して、所定の充電、あるいは放電を自動的に実施することで、メモリー効果を解消するリフレッシュ充放電を検出装置なしで行うことができるようになる。また、リフレッシュ充放電はＨＥＶが停車している間に実施されるため、走行中にリフレッシュ充放電が行われることがなく、走行中は電池の特性を十分に引き出すことができるようになる。

以上のように本発明によれば、電池を主電源とし、ＨＥＶ用途など電池の耐久性も必要とされつつ、メモリー効果をも配慮すべき電源システムに対し、効果的な電池の充放電制御方法を提供することができる。

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。

請求項１に記載の発明は、外部からの信号を感知して所定の充電、あるいは放電を自動的に実施することを特徴とする電池の充放電制御方法に関する。

図１は本発明の電源システムの一例を示す模式図である。主電源１は複数のアルカリ蓄電池あるいはリチウム二次電池から構成されている。一方、受信部２は外部からの信号を感知し、その信号を制御部３へと伝達する。記憶部４には所定の充電あるいは放電を実施する条件が記憶されており、制御部３と接続されている。制御部３には外部からの信号が逐次送られており、制御部３はその外部からの信号によって所定の充電あるいは放電を実施する条件を制御し、主電源１の充電あるいは放電を自動的に実施させる。ここで、所定の充電、あるいは放電は、メモリー効果を解消する条件であればいかなる条件でも可能であるが、その例として、設定電圧を変更する方法や、充放電の電流値を変更する方法がある。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も、このインバータを用いると効率的である。

請求項２に記載の発明は、ＨＥＶの給油口の開閉部に受信部２を具備し、外部からの信号が給油口の開閉によって伝達されることを特徴とする。ガソリンスタンドで給油をしている間にリフレッシュ充放電を行うことを目的としており、給油口の開閉によって自動的に信号が伝達される。受信部２は応力に反応するものであっても良いし、光や音に反応するものであっても良い。

請求項３に記載の発明は、ＨＥＶが何らかのスイッチを具備し、外部からの信号がそのスイッチによって伝達されることを特徴とする。一例として、ハンドルにリフレッシュ充放電を開始するスイッチを設けておき、駐車時にスイッチを押すことで自動的にリフレッシュ充放電を行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明は、ＨＥＶのエンジンを停止したときに、信号が伝達されることを特徴とする。この方法も、車両を駐車するときにリフレッシュ充放電を実施する一例である。

請求項５に記載の発明は、ナビゲーションシステムからの情報によって信号が伝達されることを特徴とする。ナビゲーションシステムは地図情報をはじめ、交通情報や、気候情報、時間情報など非常に多くの情報が含まれている。これらの情報と所定の条件が一致すれば、リフレッシュ充放電を自動的に行うことを目的としたものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内容を踏まえて、ナビゲーションシステムからの情報が、所定の位置情報であって、ＨＥＶが所定の位置に停車することによって、信号が伝達されることを特徴とする。例えば、家のガレージやコンビニエンスストアなどの駐車場を予めナビゲーションシステムに設定しておき、車両がその位置に到着したことを認識すると、リフレッシュ充放電を自動的に行うことを目的としたものである。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の内容を踏まえて、ナビゲーションシステムからの情報が、時間情報であって、所定の時間になると、信号が伝達されることを特徴とする。予めナビゲーションシステムに時間を設定しておき、時間が一致するとリフレッシュ充放電を自動的に行うことを目的とした、ナビゲーションシステムの情報を活用した一例である。

請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の内容を踏まえて、ナビゲーションシステムからの情報が、温度情報であって、温度情報によって所定の充電あるいは放電の条件が変更されることを特徴とする。電池の温度が変わると、充放電時における閉回路電圧も変動し、メモリー効果を低減できる最適な充放電条件も当然ながら変動する。したがって、それぞれの温度条件に適した充放電を行うことで、いかなる状況においても本発明の効果がより明確に発揮されることになる。例えば、温度が低温である場合、放電時の電圧は低下し、大電流での放電ができなくなる。この場合、放電電流を小さくすることで、より効果的にメモリー効果を低減することが可能となる。逆に高温の場合は、放電時の電圧も上昇し、比較的大電流の放電も可能となる。この場合、放電電流を大きくしても、十分にメモリー効果を低減することができるだけでなく、電流が大きいためにリフレッシュ充放電に要する時間も短縮することができる。

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。

本実施例では、主電源１を構成する電池として、ニッケル水素蓄電池を用いた。

水酸化ニッケルを活物質とする長尺状の正極板と、水素吸蔵合金を活物質とする長尺状の負極板とを、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。

この主電源に対し、図１のように受信部２、制御部３および記憶部４を配列し、電流値３０ＡでＳＯＣ２０％の電圧に達するまで放電させた後、ＳＯＣ８０％の電圧に達するまで同様の電流値で充電させた。この充放電サイクルを１サイクルとする。

この時、受信部２を給油口の開閉部に設置し、給油口を開閉することによって、信号が受信部２で感知され、その信号を制御部３へと伝達するようにした。記憶部４には所定のリフレッシュ充電あるいはリフレッシュ放電を実施する条件を記憶し、制御部３と接続させた。制御部３には、給油口の開閉部に設置した受信部２からの信号が逐次送られ、制御部３は給油口の開閉部からの信号によって所定のリフレッシュ充電あるいはリフレッシュ放電を実施する条件を制御し、主電源１の充電あるいは放電を自動的に実施させるようにした。

この電源システムを２０℃の雰囲気下で充放電サイクルを繰り返し、２００サイクル毎
に給油口を開閉して、リフレッシュ充放電の信号を伝達させ、合計１０００サイクルの充放電を実施した。この電源システムを実施例１とした。

スイッチをハンドルに設置し、このスイッチを受信部２と連動させた以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例２とした。

ＨＥＶのエンジンを停止したときの信号を受信部２と連動させた以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例３とした。

ＨＥＶにナビゲーションシステムを搭載し、位置情報として自宅のガレージを設定し、自宅のガレージに停車したときの信号を受信部２と連動させた以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例４とした。

ＨＥＶにナビゲーションシステムを搭載し、時間情報として、ある時刻を設定し、その時刻になったときの信号を受信部２と連動させた以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例５とした。

ナビゲーションシステムの温度情報として、環境温度が５℃である時には充放電の電流値を条件Ａでリフレッシュ充放電を実施した以外は、実施例５と同様に構成した電源システムを実施例６とした。ここで、条件Ａとは充放電の電流値を環境温度２０℃の時よりも小さく設定した条件である。

条件Ｂでリフレッシュ充放電を実施した以外は、実施例６と同様に構成した電源システムを実施例７とした。ここで、条件Ｂとは充放電の電流値を環境温度２０℃の時よりも大きく設定した条件である。

充放電の電流値を、環境温度２０℃の時の条件でリフレッシュ充放電を実施した以外は、実施例６と同様に構成した電源システムを実施例８とした。
（比較例１）
受信部２を設置しなかったこと以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを比較例１とした。

以上の各電源システムを用いて、以下に示すメモリー効果の評価を行った。
（メモリー効果）
メモリー効果の有無を見極めるために、１０００サイクル終了時の充電時における上限終止電圧から放電時における下限終止電圧に到達するまでの放電容量を評価した。この放電容量が２Ａｈ未満のものをメモリー効果が「顕著に有り」、２．０〜３．０Ａｈ未満のものをメモリー効果が「少し有り」、３．０〜３．５Ａｈ未満のものをメモリー効果が「ほとんど無し」、３．５Ａｈ以上のものをメモリー効果が「無し」とし、（表１）に記した。

充放電１０００サイクルの間に、リフレッシュ充放電を実施しなかった比較例１の電源システムはメモリー効果が顕著に見られる結果になったのに対して、様々な方法で外部からの信号を与えることによってリフレッシュ充放電を実施した実施例１〜６の電源システムはメモリー効果が見られなかった。

このように外部からの信号を感知してリフレッシュ充放電を実施すれば、メモリー効果を十分に低減できることがわかった。また、本発明の方法によれば、電源システムの中に電源の電圧や温度、電流や電気容量といった因子を検出する必要が無く、検出装置が不要となる為に電源システムが大幅に簡易化できる。さらに、従来の方法ではリフレッシュ充放電中は、電池からのアシスト機能が低下するという課題があったが、本発明の方法ではリフレッシュ充放電は停車中に実施するために、走行中は電池の性能を十分に発揮できるようになる。

また、環境温度が５℃である実施例８は、環境温度２０℃の時の条件でリフレッシュ充放電を行ったが、メモリー効果がほとんど無い結果となった。また、環境温度が５℃で、環境温度２０℃の時よりもリフレッシュ充放電の電流値を大きくした実施例７は、メモリー効果が少し見られたが、リフレッシュ充放電を実施しなかった比較例１と比べて明らかにメモリー効果を低減できることが確認できた。

一方、実施例６によれば、環境温度が５℃であってもリフレッシュ充放電の電流値を小さく変更すればメモリー効果が見られないことがわかった。これは、温度が低くなったことで電源の放電電圧が低下し、電流値を小さくすることで放電が深くまでできるようになり、リフレッシュ充放電の効果が大きくなった為である。このようにナビゲーションシステムの温度情報に基づいて、リフレッシュ充放電の条件を変更することで、メモリー効果を低減させる効果は飛躍的に大きくなることがわかった。

なお、今回の実施例では環境温度５℃または２０℃の場合を例にしたが、ＨＥＶを走行させる環境温度であれば、いかなる環境温度であっても適応できることを確認した。

また、条件を変更する方法として、今回は電流値を変更したが、電圧など他の因子を変更することもできることを確認した。

本発明によれば簡易的な構造でメモリー効果がない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、かつその効果が高いと考えられる。

本発明の電源システムの一例を示す模式図

符号の説明

１ 主電源
２ 受信部
３ 制御部
４ 記憶部

Claims (8)

1. 電池の充放電範囲を制御しながら充放電させる電源システムを有するハイブリッド自動車用の電池の充放電制御方法であって、
   前記電源システムは、外部からの信号を感知して所定の充電、あるいは放電を実施することを特徴とする電池の充放電制御方法。
2. 前記ハイブリッド自動車の給油口の開閉部に、前記信号を感知する受信部を具備し、前記給油口の開閉部の開閉によって信号が伝達されることを特徴とする請求項１記載の電池の充放電制御方法。
3. 前記ハイブリッド自動車は、前記信号を伝達するスイッチを具備し、前記スイッチを入力することによって、信号が伝達されることを特徴とする請求項１記載の電池の充放電制御方法。
4. 前記ハイブリッド自動車のエンジンを停止したときに、信号が伝達されることを特徴とする請求項１記載の電池の充放電制御方法。
5. 前記ハイブリッド自動車は、ナビゲーションシステムを具備し、前記ナビゲーションシステムからの情報によって、信号が伝達されることを特徴とする請求項１記載の電池の充放電制御方法。
6. 前記ナビゲーションシステムからの情報が、位置情報であって、前記ハイブリッド自動車が所定の位置に停車することによって、信号が伝達されることを特徴とする請求項５記載の電池の充放電制御方法。
7. 前記ナビゲーションシステムからの情報が、時間情報であって、所定の時間になると、信号が伝達されることを特徴とする請求項５記載の電池の充放電制御方法。
8. 前記ナビゲーションシステムからの情報が、温度情報であって、この温度情報によって所定の充電、あるいは放電の条件が変更されることを特徴とする請求項５記載の電池の充放電制御方法。

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