JP3754254B2

JP3754254B2 - 電池の充放電制御方法

Info

Publication number: JP3754254B2
Application number: JP33595699A
Authority: JP
Inventors: 忠司古川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: JP2001157369A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の残存容量が所定の範囲になるように制御しながら充放電させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は、過充電し、あるいは過放電させると電気性能が著しく低下する。電池を長い期間にわたって使用するには、過充電と過放電を防止することに加えて、残存容量が最大充電容量よりも小さいときに充電を停止し、いいかえると満充電しない状態で充電を停止し、また、残存容量が０になる前、すなわち完全に放電させない状態で放電を停止することが大切である。
【０００３】
本明細書において、電池の「最大充電容量」とは、満充電した二次電池を完全に放電するときに出力できる最大の容量を意味するものとする。新しいは電池は、定格容量が最大充電容量となる。ただ、充放電させるにしたがって、電池が劣化して最大充電容量は減少する。
【０００４】
過充電と過放電とを防止して、電池の寿命を長くするために、たとえば、電気自動車に使用される電池は、放電上限値と充電下限値とを設定し、残存容量がこの範囲にあるように制御しながら充放電させている。放電上限値は、たとえば、電池の最大充電容量の約３０％に設定し、充電下限値を最大充電容量の７０％に設定している。この充放電制御方法は、最大充電容量の３０〜７０％を充放電許容範囲として、この範囲で電池を充放電させるので、電池性能を低下することなく、極めて長期間に使用できる特長がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
放電上限値と充電下限値を設けて、この範囲で充放電する方法は、たとえば、一定時間使用すると、最大充電容量を検出している。電池の最大充電容量は、使用するにしたがって減少するからである。最大充電容量は、たとえば、満充電した電池を完全放電して検出できる。放電上限値と充電下限値は、最大充電容量に対して一定の割合で設定している。このため、最大充電容量が減少すると、放電上限値と充電下限値の範囲が狭くなって、実際に使用できる容量が減少する。
【０００６】
図１はこのことをわかりやすく示している。この図の上のグラフは新しい電池の放電上限値と充電下限値を示し、下のグラフは劣化して最大充電容量が少なくなった電池の放電上限値と充電下限値を示してる。この図に示すように、電池の最大充電容量が少なくなると、充放電許容範囲が狭くなってユーザーが電池の劣化を甚だしく感じて、容量が少なくなったことをクレームする弊害がある。
【０００７】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、電池が劣化したときに、実質的に充放電できる範囲が狭くなるのを防止して有効に使用できる電池の充放電制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の充放電制御方法は、放電上限値と充電下限値を設定して充放電する。放電上限値は、完全に放電された状態よりも電池１の残存容量が大きくなる容量、いいかえると残存容量が０よりも大きい値である。充電下限値は、満充電された状態よりも電池１の残存容量が小さくなる状態である。
【０００９】
さらに、本発明の方法は、電池１の残存容量を演算して、残存容量を放電上限値と充電下限値の間の充放電許容範囲に制御しながら充放電させる。さらにまた、本発明の充放電制御方法は、電池１が劣化するなどの原因で、最大充電容量が減少すると、放電上限値を小さくして充電下限値を大きく補正する。放電上限値を小さく充電下限値を大きくする補正は、充放電許容範囲を拡大する補正である。したがって、本発明の充放電制御方法は、電池１が劣化して最大充電容量が少なくなったときに、充放電許容範囲が狭くなるのを少なくできる。
【００１０】
放電上限値は、好ましくは、最大充電容量の１０〜４０％に設定する。また、充電下限値は、好ましくは、最大充電容量の６０〜９０％に設定する。電池１の最大充電容量は、電池１の最大充電容量が減少する情報を記憶装置に記憶させて、この記憶情報から最大充電容量を演算する。電池１の最大充電容量が減少する記憶情報は、たとえば、電池１の内部抵抗に対する最大充電容量の関係である。
【００１１】
最大充電容量は、タイマーで最大容量検出タイミングを設定して、最大容量検出タイミングになると、最大充電容量を検出することもできる。最大容量検出タイミングにおいて、最大充電容量を検出するには、満充電した電池１を完全に放電して、放電電流の積算値から演算する。また、タイマーによらず、最大容量検出タイミングを、電池１の残存容量が、設定された回数だけ放電上限値または充電下限値になるタイミングに設定することもできる。この方法は、電池１の残存容量が、設定された回数だけ充電下限値になると、電池１を満充電して最大充電容量を検出し、電池１の残存容量が充電下限値に達する回数が設定された値になると、電池１を完全に放電して演算した残存容量を補正して、より正確に残存容量を演算できる。
【００１２】
電池１の残存容量は、充電電流と放電電流を検出して演算し、あるいは、電池電圧を検出して演算できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の充放電制御方法を例示するものであって、本発明は電池の充放電制御方法を以下の方法に特定しない。
【００１４】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１５】
図２は、本発明の充放電制御方法に使用する回路を示している。この図の装置は、電池１と、電池１の最大充電容量と残存容量を検出する演算回路２と、電池１が劣化する情報を記憶している劣化情報記憶装置３と、演算回路２に設定された電池１の残存容量を表示する残存容量表示器４と、電池１の充放電を制御する充放電制御装置５とを備える。
【００１６】
本発明の充放電制御方法は、電気自動車に使用される。ただ、電気自動車以外の用途にも使用できる。電気自動車に使用される電池１は、多数の二次電池を直列に接続している。二次電池は、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、またはリチウムイオン二次電池等である。
【００１７】
演算回路２は、電池１の電圧と、電流と、温度を検出する。電池１の温度は温度センサー６で検出する。この温度センサー６は、電池１に接近して配設され、あるいは電池１に接触して設けられる。電池１に流れる電流は、電池１と直列に接続している電流検出抵抗（図示せず）に発生する電圧を増幅して検出する。充電電流と放電電流は、電流検出抵抗に発生する＋−が逆になるので、＋−の極性で充電と放電を識別できる。複数の二次電池を直列に接続している電池１は、各々の二次電池の電圧と温度とを別々に検出し、あるいは、複数の二次電池を直列に接続した電池ユニットを１ユニットとして、電圧と温度を検出する。
【００１８】
演算回路２は、劣化情報記憶装置３に記憶される劣化情報から、あるいは、満充電した電池１を完全に放電して、電池１の最大充電容量を演算する。劣化情報から最大充電容量を演算する方法は、電池１を満充電する必要がなく、また、完全に放電する必要もなく、残存容量を充放電許容範囲として、速やかに最大充電容量を演算できる。
【００１９】
劣化情報から最大充電容量を演算するには、たとえば、電池１の内部抵抗を検出して、内部抵抗から最大充電容量を演算する。電池１は劣化すると内部抵抗が大きくなると共に、最大充電容量が減少する。電池１の内部抵抗は、劣化する状態と関連しているので、内部抵抗から最大充電容量を演算することができる。内部抵抗に対する劣化情報は劣化情報記憶装置３に記憶させる。演算回路２は、電池１の内部抵抗を検出し、この内部抵抗を劣化情報に比較して、最大充電容量を演算する。
【００２０】
電池１の内部抵抗は、電池１に流れる電流と電圧から検出できる。内部抵抗による電圧降下が、電池１の出力電圧を低下させるからである。内部抵抗による電圧降下は、電池１に電流を流さないときの出力電圧と、電池１に所定の電流を流す状態での出力電圧との差から演算できる。電圧降下を電流で割ると内部抵抗が演算される。
【００２１】
さらに、演算回路２は、満充電した電池１を完全に放電して最大充電容量を演算することもできる。この方法で最大充電容量を演算する方法は、たとえば、メモリ効果で一時的に最大充電容量が減少する電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池に適している。満充電した電池１を完全に放電して最大充電容量を演算するときに、メモリ効果による容量の一時的な減少を回復できるからである。電池１を満充電して完全に放電させる演算回路２は、充放電制御装置５を制御して、電池１を満充電した後、完全に放電する。そして、満充電された電池１が完全に放電されるまでの放電電流を積算して最大充電容量を演算する。
【００２２】
満充電した電池１を完全に放電させて最大充電容量を演算する演算回路２は、タイマーで最大充電容量を検出するタイミング、すなわち、最大容量検出タイミングを設定している。タイマーが、最大容量検出タイミングになると、電池１を満充電し、その後完全に放電して最大充電容量を演算する。
【００２３】
さらに、満充電した電池１を完全に放電して最大充電容量を演算する演算回路２は、残存容量が放電上限値となる回数が設定された回数となり、あるいは、充電下限値となる回数が設定された回数となるタイミングに、最大充電容量を演算することもできる。この方法は、電池１の残存容量が設定された回数だけ充電下限値になったときに、充電下限値を越えて電池１を満充電し、その後に完全に放電して最大充電容量を検出することができる。また、電池１の残存容量が充電下限値に達する回数が設定された値になるときに、放電上限値を越えて電池１を完全に放電させて、最大充電容量を演算し、また、演算している残存容量を補正することもできる。
【００２４】
さらに、図に示す演算回路２は、残存容量も演算して残存容量表示器４に出力する。残存容量は、電池１の充電容量から放電容量を減算して演算する。充電容量は、充電電流の積算値と充電効率との積で演算される。放電容量は放電電流の積算値で演算できる。
【００２５】
また、演算回路２は、電池１の残存容量が、放電上限値よりも大きく、充電下限値よりも小さくなる範囲、すなわち、充放電許容範囲となるように、充放電制御装置５を制御する。放電上限値と充電下限値は演算回路２に内蔵される半導体メモリ等の記憶素子（図示せず）に記憶している。
【００２６】
放電上限値は、完全に放電された状態よりも残存容量が大きくなる状態であって、電池１を放電させるときに、電池１の劣化を最小にできる値、たとえば、最大充電容量の１０〜４０％、さらに好ましくは２０〜３０％に設定する。放電上限値を低く設定するほど、実際に電池１を放電できる容量が増加する。反対に放電上限値を高くすると、電池１の実質放電容量は少なくなるが、電池１の劣化を少なくできる。
【００２７】
充電下限値は、満充電された状態よりも残存容量が小さくなる状態であって、電池１を充電するときの劣化を最小にできる値、たとえば、最大充電容量の６０〜９０％、好ましくは７０〜８０％に設定する。充電下限値を高く設定するほど、実際に電池１を充電できる容量は増加する。反対に充電下限値を低くすると、電池１の実質放電容量は少なくなるが、電池１の劣化を少なくできる。
【００２８】
放電上限値と充電下限値は、電池１に要求される寿命と要求される放電容量とを考慮して前述の範囲で最適に設定される。さらに、演算回路２は、放電上限値と充電下限値を一定の値とはしないで、電池１の最大充電容量によって、放電上限値と充電下限値を変更する。電池１の実質的に放電できる容量を大きく保持しながら、電池１の劣化を少なくするためである。
【００２９】
図３は、最大充電容量によって放電上限値と充電下限値を変更する状態を示している。この図に示すように、電池１の最大充電容量が矢印で示すように減少すると、演算回路２は、放電上限値を小さく、充電下限値を大きくして、充放電許容範囲を広げる。この図において、演算回路２は、最大充電容量が減少すると、放電上限値を最大充電容量の３０％から２０％に変更して、充電下限値を７０％から８０％に変更する。
【００３０】
以上のように、放電上限値と充電下限値を変更すると、電池１の最大充電容量が２／３に減少しても、実質的に充放電できる容量は減少しない。最大充電容量が減少したときに、どの程度に放電上限値と充電下限値を変更するかは、電池の用途、電池の種類、最大充電容量、放電電流、充電電流等を考慮して最適値とする。ただし、いかなる用途においても、放電上限値は完全に電池１が放電されず、また充電下限値は最大充電容量の１００％よりも小さく設定される。電池１の急激な劣化を防止するためである。
【００３１】
充放電制御装置５は、内部抵抗に対する最大充電容量を、半導体メモリ等に記憶している。内部抵抗に対する最大充電容量は、内部抵抗をパラメターとする関数として記憶され、あるいは、内部抵抗の特定範囲に対する、最大充電容量値として記憶している。
【００３２】
残存容量表示器４は、演算回路２から出力される残存容量を、液晶等のモニタに表示し、あるいは、発光ダイオードの点数や発光色で表示する。残存容量表示器４は、最大充電容量に対する相対値として残存容量を表示する。
【００３３】
充放電制御装置５は、演算回路２に制御されて電池１の充放電を制御する。充放電制御装置５は、電池１の残存容量が充放電許容範囲にあるときは、放電スイッチと充電スイッチの両方をオンにして、充電と放電を許容する。残存容量が放電上限値以下になると、放電スイッチをオフにして放電を禁止し、充電スイッチをオンにして充電を許容する。また、電池１の残存容量が充電下限値以上になると、放電スイッチをオンにして放電を許容し、充電スイッチをオフにして充電を禁止する。
【００３４】
放電上限値と充電下限値は、最大充電容量によって変化するので、充放電制御装置５は、演算回路２からの信号に制御されて、電池１を充放電許容範囲で充放電させる。
【００３５】
以上詳述したように、図２の回路は、電池１の最大充電容量を演算回路２で検出し、電池１の最大充電容量によって放電上限値と充電下限値とを変更し、電池１の残存容量が充放電許容範囲になるように、充放電制御装置５で電池１の充放電を制御する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の充放電制御方法は、電池が劣化したときに、実質的に充放電できる範囲が狭くなるのを防止しながら有効に使用して、電池の劣化もできる限り少なくできる特長がある。それは、本発明の充放電制御方法が、電池の残存容量を放電上限値と充電下限値の間の充放電許容範囲に制御しながら充放電させると共に、電池の最大充電容量が減少するときに、放電上限値を小さく、充電下限値を大きく補正して、充放電許容範囲を広くしているからである。
【００３７】
本発明の充放電制御方法は、電池が劣化して最大充電容量が少なくなったときに、実際に使用できる容量の減少を少なくできるので、ユーザーに、電池の劣化を意識させることなく使用できる特長がある。
【００３８】
さらに、本発明の充放電制御方法は、劣化して廃棄する直前まで電池を有効に使用できる特長もある。従来の充放電制御方法は、電池を廃棄するまで、狭い充放電許容範囲で充放電させて充分に保護しながら使用する。本発明の充放電制御方法は、電池が劣化して最大充電容量が減少するにしたがって、充放電許容範囲を拡大して、有効に使用するので、電池の劣化は増加するが、有効に利用できる容量を多くできる。このため、電池を完全に劣化するまで有効に利用できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の充放電制御方法における電池の放電上限値と充電下限値を示すグラフ
【図２】本発明の電池の充放電制御方法に使用する回路を示す回路図
【図３】本発明の実施例の充放電制御方法における電池の放電上限値と充電下限値を示すグラフ
【符号の説明】
１…電池
２…演算回路
３…劣化情報記憶装置
４…残存容量表示器
５…充放電制御装置
６…温度センサー

Claims

残存容量が完全に放電された状態よりも大きくなる放電上限値と、満充電された状態よりも電池(1)の残存容量が小さくなる充電下限値とを設定すると共に、電池(1)の残存容量を演算し、残存容量を放電上限値と充電下限値の間の充放電許容範囲に制御しながら充放電させる電池の充放電制御方法において、
劣化により電池(1)の最大充電容量が減少すると、放電上限値を小さくして充電下限値を大きく補正することを特徴とする電池の充放電制御方法。
放電上限値が最大充電容量の１０〜４０％で、充電下限値が最大充電容量の６０〜９０％である請求項１に記載される充放電制御方法。
電池(1)の最大充電容量が減少する情報を記憶装置に記憶させて、この記憶情報から電池(1)の最大充電容量を演算する請求項１に記載される電池の充放電制御方法。
タイマーで最大容量検出タイミングを設定して、最大容量検出タイミングになると最大充電容量を検出する請求項１に記載される電池の充放電制御方法。
電池(1)の残存容量が、設定された回数、放電上限値または充電下限値になるタイミングに、最大充電容量を検出する最大容量検出タイミングを設定している請求項１に記載される電池の充放電制御方法。
電池(1)の残存容量が、設定された回数、充電下限値になると、電池(1)を満充電して最大充電容量を検出する請求項５に記載される電池の充放電制御方法。
電池(1)の残存容量が充電下限値に達する回数が設定された値になると、電池(1)を完全に放電して演算した残存容量を補正する請求項５に記載される電池の充放電制御方法。