JP4121098B2 - 水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の残存容量検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の水酸化ニッケルを正極活物質として用いた二次電池の残存容量検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池を電源として用いる機器においては、二次電池の残存容量を検出して過放電、過充電とならないように適正な残存容量の範囲で使用する必要がある。
【０００３】
二次電池の残存容量は、電池容量に対して蓄電された電気量の割合いを表すＳＯＣ（State of Charge)によって示すことができる。このＳＯＣと電圧との関係は、充放電電流及び温度に対応する各充放電特性曲線を実験により求めることができるので、ある電流値及び温度値のときの電圧を検出し、上記電流値、温度値のときの充放電特性曲線を利用することにより、ＳＯＣ、ひいては電池の残存容量を求めることができる。
【０００４】
従って、二次電池の放電末期における残存容量が許容下限（例えばＳＯＣ２０％）に達したか否かを二次電池の電圧を測定することにより検出することが可能であり、これによって、これ以上の放電は過放電状態となると判定し、放電を停止して充電に切換える制御を行うことができる。
【０００５】
前記残存容量が許容下限に達したか否かを判定すための判定電圧値は、従来、完全放電時（第１回目の放電時）に得られる、ＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線（完全放電特性曲線）に基いて定められ、例えば図１の実線で示す放電特性曲線Ａとなる場合、ＳＯＣ２０％に対応する電圧が１．２３７Ｖであるので、この電圧値を判定電圧値としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次電池がその正極として水酸化ニッケルを使用するニッケル水素二次電池あるいはニッケルカドミウム二次電池などであるとき、図２、図３に示すように、完全放電とならない充放電を繰り返すと、放電特性曲線のＳＯＣに対する電圧が充放電の回数（「１」〜「10」は回数を示す。）に応じて低下し、特に放電末期において電圧低下が著しいメモリ効果が発生する。そのため、完全放電特性曲線に基いて前記判定電圧値を定めていると、図３に示すように、充放電回数が多い場合には、実際には残存容量が十分にあるのに（例えばＳＯＣが３０％）、残存容量が許容下限（例えばＳＯＣが２０％）に達したと誤判定されてしまうという問題が生じる。 本発明が目的とするところは、放電末期における残存容量が許容下限に達したことを、その電圧を測定することにより正確に判定することができる水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の残存容量検出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願の第１発明は、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを判定する判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときのメモリ効果によって順次低下する電圧値をも考慮に入れ、第１回目の放電時の前記電圧値より低い値に決定し、この決定された判定電圧値に基いて残存容量が許容下限に達したことを判定することを特徴とする。
【０００８】
上記第１発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池に生ずるメモリ効果を考慮して第１回目の放電時に許容下限に達したときの電圧値より低い値になるように、判定電圧値を決定しているので、充放電回数が多い場合においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限の値に近いものとすることができる。
【０００９】
上記判定電圧値は１セル（単電池）当り、第１回目の放電時に許容下限に達するときの電圧値より０．０１〜０．１０Ｖ低いものに設定することが好適である。
【００１０】
又上記目的を達成するための本願の第２発明は、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを判定する判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときのメモリ効果によって順次低下する電圧値をも考慮に入れ、充放電回数に応じた可変値に決定し、この決定された判定電圧値に基いて残存容量が許容下限に達したことを判定することを特徴とする。
【００１１】
上記第２発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池に生ずるメモリ効果を考慮して、充放電回数に応じて上記判定電圧値を決定しているので、各回目のいずれの放電時においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限の値に極めて近いものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。本実施形態は、電気自動車あるいはモータとエンジンとによる走行駆動を併用するハイブリッド車の走行駆動電源として用いられるニッケル水素二次電池が過放電状態にならない適正使用エリア内に維持されるように充放電制御を行うために残存容量を検出する方法を示している。
【００１３】
前記ニッケル水素二次電池のように水酸化ニッケルを正極活物質として使用する二次電池において、完全放電には至らない充放電を繰り返すと、図２に示すように前記ＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線における電圧値が、第１回目の放電時における電圧値から充放電の回数に応じて低下するメモリ効果が発生する。二次電池は過放電によるセル破壊を防止するために、その充放電制御において放電末期における残存容量が許容下限値（例えばＳＯＣ２０％）になったとき放電を停止し、充電状態になるように制御される。このような使用状態では完全放電には至らないので、前記メモリ効果の発生は避けられない。
【００１４】
前記放電特性曲線は、放電電流と電池温度によって変化するので、予め各放電電流、電池温度に対応する多数の放電特性曲線が求められている。
【００１５】
図２は、ある放電電流、電池温度に対応する放電特性曲線を実験で求めたもので、第１回目放電時のもの（この場合は完全放電特性曲線に一致する。）のみならず、充放電回数が第２回目以降第１０回目に至る放電特性曲線をも求めている（図２に「１」〜「10」で充放電回数を示している。）。放電末期における残存容量の許容下限をＳＯＣ２０％に設定したとき、（表１）に示すように充放電回数が多くなればなるほど、前記許容下限に対応する電圧が低下している。
【００１６】
【表１】
【００１７】
従って従来例のように第１回目の放電時の放電特性曲線（完全放電特性曲線に一致する。）に基いて、ＳＯＣ２０％を残存容量の許容下限としたときの判定電圧値は１．２３７Ｖとなるが、この１．２３７Ｖを判定電圧値として用いることは上記メモリ効果を考慮に入れると、極めて不合理なことになる。例えば第１０回目の放電時のＳＯＣ２０％に達するときの放電特性曲線上の電圧は１．１６９Ｖとなり、判定電圧値１．２３７Ｖとの間に大きな差が生ずる。
【００１８】
図１は第１回目の放電時の放電特性曲線Ａと第１０回目の放電特性曲線Ｂとを示したもので、従来例のようにＳＯＣ２０％の判定電圧値を１．２３７Ｖとしたとき、第１回目の放電時においては、正確にＳＯＣ２０％のとき（Ｑ1 で示す）に残存容量が許容下限に達したと判定しうるが、第１０回目の放電時においてはＳＯＣが３０％以上のとき（Ｑ10で示す) に残存容量が許容下限に達したと誤判定されてしまう。
【００１９】
本実施形態は、上記のことに鑑み、上記判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値（Ｖ1)のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値（Ｖ10等）をも考慮に入れ、第１回目の放電時の電圧値（Ｖ1)より低い値（Ｖ0)に決定している。具体的には、図１に示す場合の判定電圧値（Ｖ0)を１．２１０Ｖとしている。このように決定すれば、第１回目の放電時において前記許容下限に達したと判定されたときの実際のＳＯＣ（Ｐ1 で示す) は１６〜１７％となり、第１０回目の放電時において前記許容下限に達したと判定されたときの実際のＳＯＣ（Ｐ10で示す）は２３〜２４％となり、いずれの場合にも基準とするＳＯＣ２０％に対するズレ量を小さくすることができる。このズレ量は±５％以内にできれば好適であり、図１に示す場合はこの±５％以内を実現しうる判定電圧値（Ｖ0)となっている。
【００２０】
なお上記判定電圧値（Ｖ0)は、第１回目の放電時に許容下限に達するときの電圧値（Ｖ1)より、１セル当たり０．０１〜０．１０Ｖ低いものであることが好適である。
【００２１】
なお、上記放電特性曲線のメモリ効果による電圧低下は、充放電回数を重ねるごとに電圧低下量が漸減し、例えば第２０回目の放電時のものと、第１０回目の放電時のものとの間に大差がないので、上記判定電圧値（Ｖ0)を定めるための基礎データは第１回から第１０回目程度までの放電特性曲線に基づいたもので十分である。
【００２２】
本実施形態は、上記のようにして決定された判定電圧値（Ｖ0)を用い、二次電池の残存容量が許容下限に達したことを判定するものである。判定対象の二次電池の放電電流、電池温度及び電圧（Ｖ）が測定されると、前記放電電流及び電池温度に対応する判定電圧値（Ｖ0)が選ばれ、これと電圧（Ｖ）とを比較し、Ｖ≦Ｖ0 のとき前記許容下限に達したと判定される。
【００２３】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
【００２４】
この実施形態は、上記判定電圧値（Ｖ0)を可変のものとし、充放電回数に応じた適正値とすることにより、各回目のいずれの放電時においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限（例えばＳＯＣ２０％）の値に極めて近いものとすることができる。
【００２５】
例えば図２及び（表１）に示す場合において、（表１）にＶ01〜Ｖ010 で示す値を充放電回数に応じた判定電圧値とすれば、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限（ＳＯＣ２０％）とほぼ同一にすることができる。
【００２６】
上記判定電圧値は、上記（表１）に示す場合のように充放電回数の各回毎に定めてもよいが、グループ分けして段階的に定めてもよい。例えば（表２）に示すように判定電圧値（Ｖ01〜Ｖ010 ）を定めることができる。
【００２７】
【表２】
【００２８】
本実施形態は、上記のように充放電回数に応じて決定された判定電圧値を用い、二次電池の残存容量が許容下限に達したことを判定するものである。Ｎ回目の放電時における判定対象の二次電池の放電電流、電池温度及び電圧（Ｖ）が測定されると、前記放電電流及び電池温度に対応し、かつＮ回目の放電時に適用される判定電圧値（ＶON）が選ばれ、これと電圧値（Ｖ）とを比較し、Ｖ≦ＶONのとき前記許容下限に達したと判定される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを、その電圧を測定することにより正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線の一部分を拡大して示すグラフ。
【図２】放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線のグラフ。
【図３】充放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す充放電特性曲線のグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の水酸化ニッケルを正極活物質として用いた二次電池の残存容量検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池を電源として用いる機器においては、二次電池の残存容量を検出して過放電、過充電とならないように適正な残存容量の範囲で使用する必要がある。
【０００３】
二次電池の残存容量は、電池容量に対して蓄電された電気量の割合いを表すＳＯＣ（State of Charge)によって示すことができる。このＳＯＣと電圧との関係は、充放電電流及び温度に対応する各充放電特性曲線を実験により求めることができるので、ある電流値及び温度値のときの電圧を検出し、上記電流値、温度値のときの充放電特性曲線を利用することにより、ＳＯＣ、ひいては電池の残存容量を求めることができる。
【０００４】
従って、二次電池の放電末期における残存容量が許容下限（例えばＳＯＣ２０％）に達したか否かを二次電池の電圧を測定することにより検出することが可能であり、これによって、これ以上の放電は過放電状態となると判定し、放電を停止して充電に切換える制御を行うことができる。
【０００５】
前記残存容量が許容下限に達したか否かを判定すための判定電圧値は、従来、完全放電時（第１回目の放電時）に得られる、ＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線（完全放電特性曲線）に基いて定められ、例えば図１の実線で示す放電特性曲線Ａとなる場合、ＳＯＣ２０％に対応する電圧が１．２３７Ｖであるので、この電圧値を判定電圧値としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次電池がその正極として水酸化ニッケルを使用するニッケル水素二次電池あるいはニッケルカドミウム二次電池などであるとき、図２、図３に示すように、完全放電とならない充放電を繰り返すと、放電特性曲線のＳＯＣに対する電圧が充放電の回数（「１」〜「10」は回数を示す。）に応じて低下し、特に放電末期において電圧低下が著しいメモリ効果が発生する。そのため、完全放電特性曲線に基いて前記判定電圧値を定めていると、図３に示すように、充放電回数が多い場合には、実際には残存容量が十分にあるのに（例えばＳＯＣが３０％）、残存容量が許容下限（例えばＳＯＣが２０％）に達したと誤判定されてしまうという問題が生じる。 本発明が目的とするところは、放電末期における残存容量が許容下限に達したことを、その電圧を測定することにより正確に判定することができる水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の残存容量検出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願の第１発明は、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを判定する判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときのメモリ効果によって順次低下する電圧値をも考慮に入れ、第１回目の放電時の前記電圧値より低い値に決定し、この決定された判定電圧値に基いて残存容量が許容下限に達したことを判定することを特徴とする。
【０００８】
上記第１発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池に生ずるメモリ効果を考慮して第１回目の放電時に許容下限に達したときの電圧値より低い値になるように、判定電圧値を決定しているので、充放電回数が多い場合においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限の値に近いものとすることができる。
【０００９】
上記判定電圧値は１セル（単電池）当り、第１回目の放電時に許容下限に達するときの電圧値より０．０１〜０．１０Ｖ低いものに設定することが好適である。
【００１０】
又上記目的を達成するための本願の第２発明は、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを判定する判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときのメモリ効果によって順次低下する電圧値をも考慮に入れ、充放電回数に応じた可変値に決定し、この決定された判定電圧値に基いて残存容量が許容下限に達したことを判定することを特徴とする。
【００１１】
上記第２発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池に生ずるメモリ効果を考慮して、充放電回数に応じて上記判定電圧値を決定しているので、各回目のいずれの放電時においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限の値に極めて近いものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。本実施形態は、電気自動車あるいはモータとエンジンとによる走行駆動を併用するハイブリッド車の走行駆動電源として用いられるニッケル水素二次電池が過放電状態にならない適正使用エリア内に維持されるように充放電制御を行うために残存容量を検出する方法を示している。
【００１３】
前記ニッケル水素二次電池のように水酸化ニッケルを正極活物質として使用する二次電池において、完全放電には至らない充放電を繰り返すと、図２に示すように前記ＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線における電圧値が、第１回目の放電時における電圧値から充放電の回数に応じて低下するメモリ効果が発生する。二次電池は過放電によるセル破壊を防止するために、その充放電制御において放電末期における残存容量が許容下限値（例えばＳＯＣ２０％）になったとき放電を停止し、充電状態になるように制御される。このような使用状態では完全放電には至らないので、前記メモリ効果の発生は避けられない。
【００１４】
前記放電特性曲線は、放電電流と電池温度によって変化するので、予め各放電電流、電池温度に対応する多数の放電特性曲線が求められている。
【００１５】
図２は、ある放電電流、電池温度に対応する放電特性曲線を実験で求めたもので、第１回目放電時のもの（この場合は完全放電特性曲線に一致する。）のみならず、充放電回数が第２回目以降第１０回目に至る放電特性曲線をも求めている（図２に「１」〜「10」で充放電回数を示している。）。放電末期における残存容量の許容下限をＳＯＣ２０％に設定したとき、（表１）に示すように充放電回数が多くなればなるほど、前記許容下限に対応する電圧が低下している。
【００１６】
【表１】
従って従来例のように第１回目の放電時の放電特性曲線（完全放電特性曲線に一致する。）に基いて、ＳＯＣ２０％を残存容量の許容下限としたときの判定電圧値は１．２３７Ｖとなるが、この１．２３７Ｖを判定電圧値として用いることは上記メモリ効果を考慮に入れると、極めて不合理なことになる。例えば第１０回目の放電時のＳＯＣ２０％に達するときの放電特性曲線上の電圧は１．１６９Ｖとなり、判定電圧値１．２３７Ｖとの間に大きな差が生ずる。
【００１８】
図１は第１回目の放電時の放電特性曲線Ａと第１０回目の放電特性曲線Ｂとを示したもので、従来例のようにＳＯＣ２０％の判定電圧値を１．２３７Ｖとしたとき、第１回目の放電時においては、正確にＳＯＣ２０％のとき（Ｑ1 で示す）に残存容量が許容下限に達したと判定しうるが、第１０回目の放電時においてはＳＯＣが３０％以上のとき（Ｑ10で示す) に残存容量が許容下限に達したと誤判定されてしまう。
【００１９】
本実施形態は、上記のことに鑑み、上記判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値（Ｖ1)のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値（Ｖ10等）をも考慮に入れ、第１回目の放電時の電圧値（Ｖ1)より低い値（Ｖ0)に決定している。具体的には、図１に示す場合の判定電圧値（Ｖ0)を１．２１０Ｖとしている。このように決定すれば、第１回目の放電時において前記許容下限に達したと判定されたときの実際のＳＯＣ（Ｐ1 で示す) は１６〜１７％となり、第１０回目の放電時において前記許容下限に達したと判定されたときの実際のＳＯＣ（Ｐ10で示す）は２３〜２４％となり、いずれの場合にも基準とするＳＯＣ２０％に対するズレ量を小さくすることができる。このズレ量は±５％以内にできれば好適であり、図１に示す場合はこの±５％以内を実現しうる判定電圧値（Ｖ0)となっている。
【００２０】
なお上記判定電圧値（Ｖ0)は、第１回目の放電時に許容下限に達するときの電圧値（Ｖ1)より、１セル当たり０．０１〜０．１０Ｖ低いものであることが好適である。
【００２１】
なお、上記放電特性曲線のメモリ効果による電圧低下は、充放電回数を重ねるごとに電圧低下量が漸減し、例えば第２０回目の放電時のものと、第１０回目の放電時のものとの間に大差がないので、上記判定電圧値（Ｖ0)を定めるための基礎データは第１回から第１０回目程度までの放電特性曲線に基づいたもので十分である。
【００２２】
本実施形態は、上記のようにして決定された判定電圧値（Ｖ0)を用い、二次電池の残存容量が許容下限に達したことを判定するものである。判定対象の二次電池の放電電流、電池温度及び電圧（Ｖ）が測定されると、前記放電電流及び電池温度に対応する判定電圧値（Ｖ0)が選ばれ、これと電圧（Ｖ）とを比較し、Ｖ≦Ｖ0 のとき前記許容下限に達したと判定される。
【００２３】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
【００２４】
この実施形態は、上記判定電圧値（Ｖ0)を可変のものとし、充放電回数に応じた適正値とすることにより、各回目のいずれの放電時においても、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限（例えばＳＯＣ２０％）の値に極めて近いものとすることができる。
【００２５】
例えば図２及び（表１）に示す場合において、（表１）にＶ01〜Ｖ010 で示す値を充放電回数に応じた判定電圧値とすれば、前記許容下限に達したと判定されたときの実際の残存容量を、判定基準とする残存容量下限（ＳＯＣ２０％）とほぼ同一にすることができる。
【００２６】
上記判定電圧値は、上記（表１）に示す場合のように充放電回数の各回毎に定めてもよいが、グループ分けして段階的に定めてもよい。例えば（表２）に示すように判定電圧値（Ｖ01〜Ｖ010 ）を定めることができる。
【００２７】
【表２】
本実施形態は、上記のように充放電回数に応じて決定された判定電圧値を用い、二次電池の残存容量が許容下限に達したことを判定するものである。Ｎ回目の放電時における判定対象の二次電池の放電電流、電池温度及び電圧（Ｖ）が測定されると、前記放電電流及び電池温度に対応し、かつＮ回目の放電時に適用される判定電圧値（ＶON）が選ばれ、これと電圧値（Ｖ）とを比較し、Ｖ≦ＶONのとき前記許容下限に達したと判定される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを、その電圧を測定することにより正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線の一部分を拡大して示すグラフ。
【図２】放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す放電特性曲線のグラフ。
【図３】充放電時のＳＯＣと電圧との関係を示す充放電特性曲線のグラフ。
Claims (1)
- 水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の放電末期における残存容量が許容下限に達したことを判定する判定電圧値を、第１回目の放電時に前記許容下限に達するときの電圧値のみならず、第２回目以降の放電時に前記許容下限に達するときのメモリ効果によって順次低下する電圧値をも考慮に入れ、充放電回数に応じた可変値に決定し、この決定された判定電圧値に基いて残存容量が許容下限に達したことを判定することを特徴とする水酸化ニッケル正極を用いた二次電池の残存容量検出方法。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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