JP2013537027A - 電池を充電するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、負荷（１）に電力を供給し且つ電力供給源（５）によって充電される、所与の充電容量を有する電池（２）を充電するための方法において、電池の充電容量よりも低い第１の充電レベル設定値を定めるステップと、第１の充電レベル設定値に達するまで電池を充電するステップとを含むことを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、充電部に給電し且つ電気エネルギー源によって充電される電池を充電するための方法に関する。本発明はまた、そのような方法を実行するための手段を含むデータ媒体に関する。本発明はまた、本充電方法を実行するための手段を含む充電デバイスに関する。最後に、本発明は、このタイプの充電デバイス含むシステム、及び本充電方法を実行するためのソフトウェアプログラムに関する。

電気システムにおいて、電気充電部への給電を可能にする電気エネルギーを蓄積するために、電池を使用することが知られている。電池は、前記充電部への給電のサービス及び連続動作を実現するためのエネルギーを蓄積する。複数の電池技術が知られている。通常、例えば鉛の、又はＬｉイオンの、又はＮｉ−ＭＨタイプの電気化学的蓄電池が、電池として主に使用される。電池の選択においては、複数のパラメータを考慮しなければならない。第１に、エネルギー及び電力の要件に最も適した技術を決定しなければならない。化石燃料資源が減少しているという現在の問題、したがって将来のエネルギー生産の難しさを考慮すると、電池のライフサイクルの間でのエネルギー損失を軽減することもまた、重要な側面となる。これに関連して、システムのエネルギー効率を向上させることが重要である。したがって、エネルギー蓄積性能を最適化するための電子管理回路を開発する必要がある。これらの回路は、ユーザに安全性を提供しつつ、エネルギー変換効率を高めなければならないが、さらに、不可逆的損傷を回避するために電池を保護しなければならない。

電気システムの設計において、電池は、最悪状況モデリング（worst-case modelling）により寸法取りされる。例えば、太陽光発電エネルギー源を有する独立型のシステムは、冬期（日射が弱い）間に動作するように寸法取りされる。夏期には、このシステムは、過剰のエネルギーを有する。このことにより、夏期には、電池の高い充電レベルにおいて低振幅の充電サイクルが行われる。

電池の高い充電レベル及び低振幅の充電サイクルは、電池に損傷を与える可能性が高い。これらの現象は、蓄積を可能にしている材料に損傷を与え、したがって、エネルギー蓄積特性及びエネルギー回収特性を劣化させる。この現象は、高温ではさらに増幅される。

従来技術で知られているシステムでは、電池の充電ロジックは、電気エネルギー源が電池の充電に利用できるときに、電池を充電することにある。例えば、電源に接続された電動車両の電池は、直ちにその最大充電レベルまで充電される。同様に、独立型の太陽光発電システムは、太陽光発電パネルが電力を生成し且つ電池が完全に充電されていないときに、電池を充電する。このロジックは、長期的には電池に損傷をもたらす。

この損傷の問題は、以下の実験によって示される。それぞれの充電容量の０％、５０％、７５％、１００％が充電された、同一の構造の四つの電池について検討する。これらの電池を、充電又は放電のサイクルにかけることなく、２５°Ｃで６０日間保管する。この保管が終わった時に、四つの電池のそれぞれの最大容量を測定する。保管期間中に、種々の電池が、以下の不可逆的な（元に戻せない）容量損失率を受けたことが分かった。
− １００％充電した電池では、保管１日当たり０．０９％
− ７５％充電した電池では、保管１日当たり０．０６％
− ５０％充電した電池では、保管１日当たり０．０４％
− ０％充電した電池では、事実上損失なし

本発明の目的は、上述の問題を克服し、且つ、従来技術で知られている充電方法を改善する充電方法を提供することである。具体的には、本発明は、電池の損耗を抑制する、電池の充電方法を提案する。さらに、本発明は、この目的を達成するための充電デバイスを提案する。

本発明による方法は、充電部に給電し且つ電気エネルギー源によって充電される、所与の充電容量を有する電池の充電を可能にする。本方法は、電池の充電容量よりも低い第１の充電基準値を定めるステップと、第１の充電基準値に達するまで電池を充電するステップとを含む。

前記第１の充電基準値は、第１のパラメータ群に依存してもよい。

前記第１のパラメータ群は、第１の所与の時間範囲において前記充電部に給電するために電池によって送られるべきエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、第２の所与の時間範囲において前記電池が前記電気エネルギー源から受け取ることができるエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、前記電気充電部の独立使用レベル、及び／又は、それより降下するのは望ましくない前記電池の充電レベルを含んでもよい。

本方法は、第２の充電基準値を定めるステップと、第１又は第２の充電基準値に達するまで電池を充電するステップとを含んでもよい。

前記第２の充電基準値は、第２のパラメータ群に依存してもよい。

前記第２のパラメータ群は、第３の所与の時間範囲において前記充電部に給電するために電池によって送られなければならないエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、第４の所与の時間範囲において前記電池が前記電気エネルギー源から受け取ることができるエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、前記電池の保護レベル、及び／又は、前記電気充電部の独立使用レベル、及び／又は、それより降下するのは望ましくない前記電池の充電レベルを含んでもよい。

前記第２の充電基準値は、前記電池の充電容量と等しくてもよい。

本発明によれば、コンピュータプログラムが記録された、コンピュータによって読み取り可能なデータ記録媒体が、これより前で定義された方法のステップを実行するためのソフトウェア手段を含む。

本発明によれば、電池を充電するためのデバイスは、これより前で定義された充電方法を実行するための、ハードウェア及び／又はソフトウェア手段を含む。

ハードウェア及び／又はソフトウェア手段は、論理処理装置、及び／又は、前記電池の充電を作動及び非作動とする手段を含み得る。

本発明によれば、前記電源システムは、これより前で定義された充電デバイス及び電池を含む。

前記電源システムは、電気エネルギー源、特に太陽光発電パネルを含んでもよい。

本発明によれば、前記システムは、これより前で定義された電源システム、及び電気充電部を含む。

本発明によれば、コンピュータプログラムは、プログラムがコンピュータ上で動作したときに、これより前で定義された方法の諸ステップを実行するのに適した、コンピュータプログラムコード手段を含む。

「充電基準」という用語は、特に、「充電レベル基準」又は「充電状態基準」を意味すると理解される。

添付の各図面は、本発明による充電方法の実施形態、及び本発明による充電デバイスの実施形態を例として示す。

本発明による充電デバイスの一実施形態の図である。 本発明による充電方法の一実施形態の流れ図である。 電気システムの一実施例における、本発明による電池の平均的な充電レベルの上昇を示すグラフである。

以下に、図１を参照しながら、本発明による電気システム１０の一実施形態を詳細に説明する。電気システムは、電気充電部１と、電池２と、電池を充電するためのデバイス４と、電気エネルギー源５とを主に含む。

電池は、電気充電部に給電する。さらに、電気エネルギー源は、充電デバイスを介して電池を充電する。

本発明による充電デバイス４の一実施形態は、電気エネルギー源の出力で利用可能な電気信号を、電池を充電するのに適した電気信号に変換するための電気変換器、例えば電圧変換器６と、例えば制御スイッチ３などの、電池の充電を作動及び非作動とするための手段３と、前記電圧変換器及び／又は電池の充電を作動及び非作動とするための前記手段を制御する論理処理装置７と、を主に含む。

論理処理装置７は、リンク８を介して電気エネルギー源に接続され、及び／又は、リンク９を介して電気充電部に接続されていることが好ましい。したがって、論理処理装置は、電気充電部の動作に関する情報、特にそのエネルギー消費量に関する情報、例えばエネルギー消費量予測情報を収集することができ、且つ／又は、電気エネルギー源に関する情報、特にそのエネルギー生産量に関する情報、例えばエネルギー生産量予測情報を収集することができる。また、論理処理装置は、任意の他の情報を収集するための他の手段を含んでもよい。この手段は、特に、システムのユーザによる選好条件の定義を可能にするマンマシンインタフェースに接続可能であり、前記選好条件は、電池保護レベル、及び／又は、所与の動作条件、特に、電気充電部のエネルギー消費条件及び電源における電気エネルギーの利用可能条件下で要求される電気充電部の独立使用などの選好条件である。論理処理装置７はまた、電池に接続されることが好ましい。したがって、論理処理装置は、電池の充電に関する情報を収集することができる。

充電デバイス、具体的には論理処理装置７は、本発明の主題を成す充電方法による充電デバイスの動作を制御するための任意の手段を含む。この目的のために、論理処理装置は、記憶装置及びソフトウェアモジュールを含む。ソフトウェアモジュールは、コンピュータプログラムを含み得る。充電デバイスは、コンピュータプログラムが記録された、コンピュータによって読み取り可能なデータ記録媒体を含むことができ、このデータ記録媒体は、本発明の主題を成す充電方法のいくつかのステップを実行するための、具体的には、下記の本発明による充電方法の実施形態のステップを実行するためのソフトウェア手段を含む。論理処理装置は、第１の充電レベル基準を計算するための計算手段と、前記第１の充電レベル基準を記憶するための記憶装置と、電池における現在の充電量と第１の充電レベル基準とを比較するための比較手段とを含むことが好ましい。

電気充電部は、特には照明装置、車両、又はポータブルコンピュータなどの任意のタイプのものとすることができる。

また、電気エネルギー源は、任意のタイプのものとすることができ、特には事業用配電網、又は太陽光発電パネル、又は交流発電機である。

以下に、図２を参照しながら、本発明による充電方法の一実施形態を説明する。

第１のステップ１００において、システムに関する情報が収集される。このステップは、前述の論理処理装置によって実行されることが好ましい。以下の情報又はパラメータも収集されることが好ましい。
− 第１の時間範囲の間、例えば、次のＡ時間又は次のＢ日間での、予測される電気充電部のエネルギー消費量
− 次の第２の時間範囲の間、例えば、次のＣ時間又は次のＤ日間での、予測される電気エネルギー源における利用可能エネルギー（ＡをＣと等しくすることができ、且つ／又は、ＢをＤと等しくすることができる）
− 所与の動作条件、特に、電気充電部のエネルギー消費条件、及び電源における電気エネルギーの利用可能条件のもとで、ユーザによって要求される電気充電部の独立使用レベル（このパラメータは、例えば、電気エネルギー源によるエネルギー供給がない状態での、所与の動作における電気充電部の使用時間で表すことができる）
− それより降下するのは望ましくない電池の充電レベル

第２のステップ１１０において、第１の充電レベル基準値が定められる。この第１の充電基準値は、厳密に電池の充電容量未満である。このステップは、論理処理装置によって、特に論理処理装置に含まれる計算及びモデリングの手段によって実行されることが好ましい。これらの手段は、コンピュータプログラムを含み得る。このことを行うために、予め収集されたパラメータが使用される。

第３のステップ１２０において、電気エネルギー源が、電池を充電するのに十分な電気エネルギーを生成する、あるいは、含むかどうかを判定するために、テストが実施される。このテストを満たさない場合、方法は、ステップ１００又はステップ１２０にループする。反対に、このテストを満たす場合、方法は、第４のステップ１３０に進む。

第４のステップ１３０において、電池は、充電デバイスを介して、特に電気変換器を介して、電気エネルギー源によって充電される。このことを行うために、電気変換器の動作パラメータが定められることが好ましく、また、前記の変換器がこれらのパラメータを用いて動作されることが好ましい。このステップにおいて、手段３によって充電が作動とされ、この手段は、好ましくは論理処理装置によって制御される。好ましい一実施形態では、制御スイッチ３がオンにされる。

第４のステップ１４０において、第１の充電レベル基準値に達したかどうかを判定するために、テストが実施される。このテストを満たさない場合、方法は、ステップ１００又はステップ１２０にループする。反対に、このテストを満たす場合、方法は、第六のステップ１５０に進む。このテストは、論理処理装置において実行されることが好ましい。

第６のステップ１５０において、電池の充電が停止される。このことを行うために、手段３によって充電が非作動とされることが好ましい。好ましい実施形態では、制御スイッチ３がオフにされる。次いで方法は、ステップ１００にループする。

この充電方法は、様々な変形の主題にすることができる。特に、前述の変形において、第１の充電レベル基準は、収集された様々な現在のパラメータの関数として、時間と共に変化する。第１の充電レベル基準は、例えば、いつでも再計算される。あるいは、第１の充電レベル基準値は、設計中、又はシステムの製造中に、一度だけ計算され得る。さらなる代替形態として、第１の充電レベル基準値は、システム設定段階中に計算されてもよい。これら後者二つの場合では、第１の充電レベル基準値は、その後、データに応じて又はシステムの動作に応じて、アクティブ又は非アクティブにされる。

第１の充電レベル基準値に加えて、第２の充電レベル基準値を定めることも可能である。したがって、電気充電部のエネルギー消費量に応じて、且つ／又は、電源のエネルギー生産量に応じて、且つ／又は、ユーザによって必要とされる電池保護レベルに応じて、且つ／又は、ユーザによって要求される電気充電部の独立使用に応じて、第六のステップ１５０のテストにおいて、第１の充電レベル基準値を第２の充電レベル基準値に置換え可能である。言うまでもなく、第２の充電レベル基準値を定めるために、ステップ１００及び１１０に類似したステップが必要である。あるいは、第２の充電レベル基準値は、電池の最大充電容量と等しくてもよい。

以下に、本発明による電気システムの様々な実施形態を詳細に説明する。

第１の実施例は、照明システム、例えば公衆都市照明システムに関する。

光生成システムは、動作時に３０Ｗを消費する電界発光ダイオードで構成されている。システムはまず、冬期の条件を考慮して寸法取りされる。１日当たり１２時間の動作期間及び８０％のシステムエネルギー効率に基づくと、システムは１日当たり４５０Ｗｈを消費する。設置すべき太陽光発電パネルの出力を計算するために、１．５ｋＷｈ／ｍ^２／日の日射を想定すると、太陽光発電パネルの出力は３００Ｗｃ（又は、約３ｍ^２のパネル）に等しいと決定することができる。電池の寸法取りは、５日間の独立動作期間が要求されることに基づく。この期間は、５日連続して日射がないという重大な状況に相当する。したがって、２．２５ｋＷｈ（５ｄ × ４５０Ｗｈ）、又は１２Ｖで約１８８Ａｈの容量を有する電池が設置される。したがって、システムは、最悪の状況（冬期）で動作するように従来の方法で寸法取りされている。

しかし、夏期には、日射が１．５Ｗｈ／ｍ^２／日から１０ｋＷｈ／ｍ^２／日に変化するので、システムは過剰のエネルギーを有する。さらに、夜間帯が短くなるので、電池のエネルギー蓄積容量は、消費されるエネルギーに対して過度に寸法取りされたことになる。放電がより少なくなり、充電がより多くなるので、このことは電池の充電状態（充電レベル）の上昇をもたらす。８時間の夜間帯に対して、必要な蓄積エネルギーは１．５ｋＷｈ（３０Ｗ／８０％ × ８ｈ × ５ｄ）に変化する。

本発明による方法によれば、電池を保護するために、電池が高い充電レベルにある必要がないときにそのレベルにあり続けるのを防止するのに十分な充電状態（充電レベル）を、論理処理装置が再計算する。充電レベルは、要求される独立動作を実現するのに十分でありさえすればよい。この場合、夏期の５日の消費量が１．５ｋＷｈであれば、論理処理装置は、蓄積されたエネルギーが１．５ｋＷｈの充電基準値（又は、充電容量の約７０％）以上のときに、電池の充電を停止する。図３に示すように、このことにより電池の平均充電レベルが下がり、したがって、上述の損傷現象から電池が保護される。同様に、電池が非常に低いレベルで充電されているときに電池の重放電が実行されるのを防止するために、１０％の放電深さ限界が与えられる。したがって、放電基準値の終わりは、電池の充電レベルが最大充電容量の１０％に相当するレベルより降下するのを防止するように、決定される。

第２の実施例は、帆船に関する。

以下の表は、大西洋横断航海を行う設備が整えられた帆船の日々のエネルギー消費量を、概括的な様式で示す。電池は、１日当たり約２時間動作し且つこの時間の間に船の主要安全要素に電力を供給する交流発電機によって、再充電される。

したがって、蓄電池は、翌日に交流発電機が始動されるまで、２２時間の独立動作期間を可能とするように寸法取りされなければならない。日々の消費量が約１２２０Ｗｈであるので、また、８０％の設備平均効率に基づくと、電池は、１５２５Ｗｈ、すなわち１２Ｖで約１２８Ａｈを供給できなければならない。したがって、システムは、２４時間レースという最悪の状況で動作するように、従来の方式で寸法取りされている。

しかし、異なる動作モードにおいて、又は船がドック内に留まっているときでも、いずれにせよ舵制御装置の使いやすさに関連した消費量が大幅に減少されるか又はさらには除外されるならば、エネルギー消費量ははるかに少なくなる。電池を保護するために、論理処理装置は、充電状態、すなわち、要求される独立動作を実現するのに必要な電池の充電レベルを再計算する。したがって、電池の充電は、この値に制限される。このことが、高い充電状態での電池の不必要な動作を防止する。この場合、舵制御装置に関連した消費量（すなわち、９００Ｗｈ）が除外されるのであれば、この構成要素のために提供される１１２５Ｗｈ（９００／０．８）を蓄積することは、もはや必要ではない。したがって、蓄積すべきエネルギーの値は、１５２５Ｗｈから４００Ｗｈに変化する。したがって、論理処理装置は、電池に蓄積されたエネルギーが４００Ｗｈ（すなわち、約２６％ＳＯＣ、その日の最大蓄積容量の２６％）以上の時に、電池の充電を停止することができる。このことにより、平均充電レベルを下げることができ、したがって、電池を上述の損傷現象から保護することができる。前記で明らかなことと同様に、電池の充電レベルが低いときに電池が放電するのを防ぐために、１０％の放電深さ限界が与えられる。電池をその最大充電容量の約３６％（約５５０Ｗｈ）までのみ充電することにより、電池は、連続的な給電を実現すると同時に、持続的に保護される。

第３の実施例は、ポータブルコンピュータに関する。ポータブルコンピュータの電池は通常、一度充電されると、５時間にわたる独立動作を実現する。そのような独立動作期間を必要とするユーザも極まれにはいるが、２時間に抑えられた独立動作期間を必要とすることが非常に多い。

本発明による充電方法は、そのような状況に適用することができる。実際に、本発明による方法を用いると、電池の通常の充電レベルを、コンピュータを使用する２時間の独立動作期間を実現するのに十分なレベルまで低下させることが可能になる。反対に、より長い独立動作期間、例えば５時間の独立動作期間に対する例外的な必要性をユーザが予想した場合、ユーザは、本発明によれば、このことを充電デバイスに示して、電池を満充電する許可を与えることができる。

本明細書全体にわたって、「充電レベル」という用語は、電池によってリカバーされ得る、電池に蓄積された電気エネルギーを意味すると考えられる。この概念はまた、「充電状態」すなわち「ＳＯＣ」と呼ばれ、また、電池の最大充電容量の割合、すなわち「％ＳＯＣ」として表される。

Claims (14)

1. 充電部（１）に給電し且つ電気エネルギー源（５）によって充電される、所与の充電容量を有する電池（２）を充電するための方法において、
   前記電池の前記充電容量よりも低い第１の充電レベル基準値を定めるステップと、
   前記第１の充電レベル基準値に達するまで前記電池を充電するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１の充電レベル基準値が、第１のパラメータ群に依存することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のパラメータ群が、
   第１の所与の時間範囲において前記充電部に給電するために前記電池によって送られるべきエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、
   第２の所与の時間範囲において前記電池が前記電気エネルギー源から受け取ることができるエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、
   前記充電部の独立使用レベル、及び／又は、
   それより降下するのは望ましくない前記電池の充電レベルを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第２の充電レベル基準値を定めるステップと、
   前記第１の充電レベル基準値又は前記第２の充電レベル基準値に達するまで前記電池を充電するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２の充電レベル基準値が、第２のパラメータ群に依存することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第２のパラメータ群が、
   第３の所与の時間範囲において前記充電部に給電するために前記電池によって送られなければならないエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、
   第４の所与の時間範囲において前記電池が前記電気エネルギー源から受け取ることができるエネルギーを予測するためのパラメータ、及び／又は、
   前記電池の保護レベル、及び／又は、
   前記充電部の独立使用レベル、及び／又は、
   それより降下するのは望ましくない前記電池の充電レベルを含むことを特徴とする請求項５に記載の充電方法。
7. 前記第２の充電レベル基準値が、前記電池の前記充電容量と等しいことを特徴とする請求項４に記載の充電方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実行するためのソフトウェア手段を含むコンピュータプログラムが記録された、コンピュータによって読み取り可能なデータ記録媒体。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を実行するためのハードウェア（３、６、７）及び／又はソフトウェア手段を含むことを特徴とする電池を充電するためのデバイス（４）。
10. 前記ハードウェア及び／又はソフトウェア手段が、論理処理装置（７）、及び／又は、前記電池の前記充電を作動及び非作動とするための手段を含むことを特徴とする請求項９に記載の充電デバイス。
11. 請求項９又は１０に記載の充電デバイス（４）及び電池（２）を含む電源システム。
12. 電気エネルギー源（５）、特に太陽光発電パネルを含むことを特徴とする請求項１１に記載の電源システム。
13. 請求項１１又は１２に記載の電源システム（２、４／２、４、５）及び電気充電部（１）を含むシステム（１０）。
14. コンピュータ上で動作したときに請求項１から７のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実行するのに適したコンピュータプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。

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