JP4188981B2 - ニッケル水素蓄電池の充電方法および該充電方法を実行する充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル水素蓄電池の充電方法および該充電方法を実行する充電装置に関する。

ニッケル水素蓄電池は一般に定電流充電法によって充電される。電流値は０．１Ｃ以上が普通であり、最近では１５分で満充電にできるようなニッケル水素蓄電池も開発されている。これに対して一般に０．０５Ｃ未満の低電流でニッケル水素蓄電池を充電すると充電効率は低くなり、また劣化を早めることになるので、通常このような低電流での充電は行われない。太陽電池や風力発電機の出力を大規模にニッケル水素蓄電池に蓄電する場合には、大容量の蓄電池が必要になるが、充電電流もそのために大きな値が必要になる。ところが太陽光発電や風力発電のような自然エネルギーを利用した発電では、出力は日照量や風速によって時間と共に大きく変動するのが普通である。そこで、出力電流を直接蓄電池に接続して充電すると電流値が小さ過ぎる場合には、一旦コンデンサ等に充電し、十分充電した段階で大電流パルスとして出力するニッケル水素蓄電池の充電方法が発案されている（非特許文献１参照）。
野崎洋介、太刀川正美、秋山一也、谷内利明：ＮＴＴ Ｒ＆Ｄ 第４８巻、第１２号、第２４頁（１９９９）

しかしながら、上記のニッケル水素蓄電池の充電方法では、コンデンサ等に充電し、十分充電した段階で大電流パルスとして出力するため、充電回路にコンデンサ等の充電器および大電流パルスを発生させるパルス発生器が必要となり、充電回路が複雑かつ高価になるといった問題があった。

また、大電流パルスによる充電を避けつつ、低電流でニッケル水素蓄電池を充電しても、ニッケル水素蓄電池の充電効率を低下させず、劣化を防止する方法として、小容量のニッケル水素蓄電池を多数並列にして組み合わせた充電回路も発案されている。しかし、この場合も、太陽光発電や風力発電のような自然エネルギーを利用した発電による出力が大きく変動する点は同じであり、各ニッケル水素蓄電池に流す電流の分配などの充電制御は複雑になるといった問題もあった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、充電効率の低下を防止しつつ、安価で簡易な回路を用いて、直流電流源から直接充電できるニッケル水素蓄電池の充電方法および該充電方法を実行する充電装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係るニッケル水素蓄電池の充電方法では、ニッケル水素蓄電池またはニッケル水素蓄電池複数セルからなる蓄電池モジュールを直流電流源に接続して充電する充電方法において、充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールの充電時の上限温度および下限温度と、充電電流の下限値と、充電終了電圧を予め定め、充電中、充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールの蓄電池温度および蓄電池電圧と、前記直流電流源から得られる充電電流とを計測し、前記蓄電池温度が前記上限温度と前記下限温度の間にあり、かつ前記充電電流の電流値が前記下限値を上回っており、かつ前記蓄電池電圧が前記充電終了電圧を下回っている限り、充電を継続し、前記充電電流の電流値が前記下限値以下に低下した場合には充電を停止することを特徴としている。

また、請求項２に記載のように、請求項１に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、前記充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールと同種のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールについて、環境温度２５℃で０．１Ｃ以上の定電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量を基準容量として、環境温度２５℃で０．０５Ｃを上回らない電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量と前記基準容量との割合が９５％以上となる前記電流値を、前記蓄電池温度２５℃以下における前記下限値とし、環境温度４５℃で０．０５Ｃを上回らない電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量と前記基準容量との割合が８０％以上となる前記電流値を、前記蓄電池温度４５℃以上における前記下限値とすることを特徴としている。

また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、設定温度ＴＬとＴＨ（ＴＬ＜ＴＨ）を定め、前記蓄電池温度が前記設定温度ＴＬ未満である場合、前記下限値を一定値ＩＬとし、前記蓄電池温度が前記設定温度ＴＨ以上である場合、前記下限値を一定値ＩＨ（ＩＬ＜ＩＨ）とし、前記蓄電池温度が設定温度ＴＬ以上、ＴＨ未満の場合、前記下限値Ｉ０を、前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴとした場合に、
Ｉ０＝（（ＩＨ−ＩＬ）／（ＴＨ−ＴＬ））×（Ｔ−ＴＨ）＋ＩＨ
で表される関係式から算出した値とすることを特徴としている。

また、請求項４に記載のように、請求項１乃至３のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、前記充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールと同種のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールについて、充電終了時電圧、充電終了時温度および充電電流を予め計測し、前記充電終了時電圧、前記充電終了時温度および前記充電電流の計測結果から、前記充電終了電圧、前記蓄電池温度および前記充電電流の関係を導出し、前記蓄電池温度、前記充電電流および前記関係から、前記充電終了電圧を算出することを特徴としている。

また、請求項５に記載のように、請求項４に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴ、前記充電終了電圧をＶ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗をＲ０、前記充電電流を一定にして予め計測した前記充電終了時電圧および前記充電終了時温度から算出した基準電圧をＶ０、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数をａ、ｂとすると、前記関係は、
Ｖ＝Ｖ０−ａＴ＋Ｉ（Ｒ０−ｂＴ）と表されることを特徴としている。

また、請求項６に記載のように、請求項４に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴ、前記充電終了電圧をＶ、前記充電電流を一定にして予め計測した前記充電終了時電圧および前記充電終了時温度から算出した基準電圧をＶ０、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数をｃ、ｅとすると、前記関係は、Ｖ＝Ｖ０−ｃＴ＋ｅＩと表されることを特徴としている。

また、請求項７に記載のように、請求項１乃至６のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法では、前記直流電流源は、自然エネルギーを利用して発電した電源であることを特徴としている。

また、請求項８に記載のように、請求項１乃至７のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法を実行する充電装置であって、前記ニッケル水素蓄電池または前記蓄電池モジュールを充電する前記直流電流源と、前記ニッケル水素蓄電池または前記蓄電池モジュールと前記直流電流源との間の電路を開閉する開閉手段と、前記蓄電池温度を検出する温度検出手段と、前記充電電流を検出する電流検出手段と、前記蓄電池電圧を検出する電圧検出手段と、前記蓄電池温度、前記充電電流および前記蓄電池電圧から前記開閉手段を制御する制御手段としている。

本発明により、自然エネルギーを利用した直流電流源からニッケル水素蓄電池を充電する場合において、充電効率の低下を防止しつつ、安価で簡易な回路を用いて、直接充電可能なニッケル水素蓄電池の充電方法および該充電方法を実行する充電装置を提供することができる。

本発明に係るニッケル水素蓄電池の充電方法および該充電方法を実行する充電装置について、公称容量９５Ａｈのバックアップ用ニッケル水素蓄電池を１０セル直列に接続した蓄電池モジュール１０を充電する太陽電池６を備える充電装置１００を例として説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の充電方法を実行する充電装置１００を、図１を参照して説明する。図１は本発明に係る第１の実施形態の充電方法を実行する充電装置１００を示す概略図である。図１に示す充電装置１００は、蓄電池モジュール１０を充電する直流電流源である９０Ｗの太陽電池６と、蓄電池モジュール１０と太陽電池６とを直接接続する電路を開閉する開閉手段であるトランジスタ１と、蓄電池モジュール１０の蓄電池温度Ｔを検出する温度検出手段である温度検出器４と、充電電流Ｉを検出する電流検出手段である電流検出器３と、蓄電池電圧Ｖ１を検出する電圧検出手段である電圧検出器５と、蓄電池温度Ｔ、充電電流Ｉおよび蓄電池電圧Ｖ１からトランジスタ１を開閉制御する制御手段であるＣＰＵ２とを備えている。

ここで、第１の実施形態のニッケル水素蓄電池の充電方法について説明する。当該充電方法では、充電対象の蓄電池モジュール１０における充電時の上限温度ＴＡと、下限温度ＴＢと、充電電流Ｉの下限値Ｉ０と、充電終了電圧Ｖを予め設定する。次に、充電装置１００で蓄電池モジュール１０の充電を開始する。充電装置１００では、蓄電池モジュール１０の充電中、蓄電池温度Ｔ、蓄電池電圧Ｖ１と、太陽電池６から得られる充電電流Ｉとを計測している。蓄電池モジュール１０の蓄電池温度Ｔが、上記設定しておいた上限温度ＴＡと下限温度ＴＢの間にあり、かつ充電電流Ｉの電流値が下限値Ｉ０を上回っており、かつ蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖを下回っている限りにおいて充電を継続する。すなわち、ＣＵＰ２はトランジスタ１のＯＮ状態を継続する。一方、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡを超過したり、下限温度ＴＢより低下したり、充電電流Ｉの電流値が下限値Ｉ０以下に低下したり、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖ以上になった場合、ＣＰＵ２は充電を終了する。すなわち、ＣＰＵ２はトランジスタ１をＯＦＦにする。

次に、上記の充電電流Ｉの下限値Ｉ０について説明する。第１の実施形態の下限値Ｉ０は、設定温度ＴＬおよびＴＨ（ＴＬ＜ＴＨ）で区切られた３個の範囲、すなわち、設定温度ＴＬ未満の範囲、設定温度ＴＬ以上、ＴＨ未満の範囲および設定温度ＴＨ以上の範囲において、変化する変数である。蓄電池温度Ｔが設定温度ＴＬ未満の場合、下限値Ｉ０は一定値ＩＬに設定される。蓄電池温度Ｔが設定温度ＴＨ以上の場合、下限値Ｉ０は一定値ＩＨに設定される。一方、蓄電池温度Ｔが設定温度ＴＬ以上、ＴＨ未満の場合、下限値Ｉ０は、
Ｉ０＝（（ＩＨ−ＩＬ）／（ＴＨ−ＴＬ））×（Ｔ−ＴＨ）＋ＩＨ （数１）
で表される関係式から算出した値に設定される。

そして、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールについて、充電時の環境温度および充電電流Ｉを変化させて、各条件における容量を計測して、充電効率が大幅に低下しない値に、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを決定する。第１の実施形態では、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールを定電流充放電装置（不図示）に接続し、蓄電池モジュールを３０Ａの電流で１０Ｖまで放電させた後、環境温度２５℃、充電電流１０Ａで１１時間充電した。その後再び、２５℃、３０Ａの電流で１０Ｖまで放電させて容量（基準容量）を計測したところ、９４、１３Ａｈであった。また、当該蓄電池モジュールを充電電流１Ａで１１０時間充電した後、２５℃、３０Ａで放電した。放電時に計測した蓄電池モジュールの容量は、充電時の環境温度が２５℃の場合、９３．１４Ａｈであった。また、３５℃の場合、８７．８７Ａｈであった。更に、４５℃の場合、７５．３９Ａｈであった。また、充電時の環境温度を４５℃とし、充電電流２Ａで、５５時間充電した後、同様に容量を計測すると、８６．５Ａｈであった。以上の結果から、このバックアップ用蓄電池モジュールでは、２５℃、１０Ａで１１時間充電した場合の基準容量（９４、１３Ａｈ）に対する、２５℃、１Ａで１１０時間充電した場合の容量（９３．１４Ａｈ）の割合は９８．９％であった。また、４５℃、１Ａで１１０時間充電した場合の容量（７５．３９Ａｈ）の割合は８０．１％であった。更に、４５℃、２Ａで５５時間充電した場合の容量（８６．５Ａｈ）の割合は９１．９％であった。従って、充電電流１〜２Ａ程度であっても十分充電が可能であることがわかった。そこで、高温での充電電流Ｉの一定値ＩＨを２．０Ａとし、低温での充電電流Ｉの一定値ＩＬを０．５Ａとした。

次に、上記の充電終了電圧Ｖについて説明する。一般に、ニッケル水素蓄電池は、高温になるに連れて充電受け入れ性が低下し、同一電流値で充電しても放電容量が小さくなる傾向がある。そこで、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールを２５℃、３０Ａで１０．０Ｖまで放電した後、２５℃、２０Ａで充電し、ｄＴ／ｄｔ＝０．３℃／分で充電停止後、更に３Ａで２時間充電した。その後、もう一度３０Ａで１０．０Ｖまで放電させて、蓄電池モジュールの容量を計測した。上記の容量は、９３．８Ａｈであった。次に、蓄電池モジュールを４５℃で同一充電条件で充電し、容量を計測した。このときの容量は９０．５Ａｈであった。これから、４５℃においても高い充電受け入れ性が確認できた。

図２は、蓄電池モジュールを２０Ａで充電した時の充電終了時温度と充電終了時電圧の関係を示す図である。図２では、充電時の環境温度を０℃から４５℃で変化させて、充電電流Ｉを２０Ａとして充電したときの蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールの充電終了時温度と充電終了時電圧の関係を示している。この結果から、充電電流Ｉが一定の場合、充電終了時電圧は、蓄電池モジュールの充電終了時温度の一次式で高精度に近似できることがわかる。

図３は、蓄電池モジュールを４５℃で充電した時の充電電流Ｉと充電終了時電圧との関係を示す図である。図３では、充電時環境温度を４５℃に保って、充電電流Ｉを１Ａから２０Ａまで変えて充電した場合の蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールにおける充電電流Ｉと充電終了時電圧との関係を示している。充電電流Ｉが小さい領域（０＜Ｉ＜３Ａ）では、蓄電池モジュールの充電時の温度上昇が小さいため、蓄電池モジュールの充電終了時温度は一定と見なすことができる。これから、充電電流Ｉが小さい領域（０＜Ｉ＜３Ａ）では、充電終了時電圧に対する充電電流Ｉの依存性は一次式で精度よく近似できることがわかる。図２および図３の結果を１つの式にまとめると、ニッケル水素蓄電池の起電力および内部抵抗Ｒ０の温度依存性を、蓄電池モジュールの蓄電池温度Ｔの一次式で近似することで、充電終了電圧Ｖ、蓄電池温度Ｔおよび充電電流Ｉの関係を、
Ｖ＝Ｖ０−ａＴ＋Ｉ（Ｒ０−ｂＴ） （数２）
と表せる。ここで、Ｖ０は、充電電流Ｉを一定にして、予め計測した充電終了時電圧および充電終了時温度から算出した基準電圧であり、定数ａおよびｂは、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数である。定数ａおよびｂは、予め計測した充電終了時電圧、充電電流Ｉ、充電終了時温度、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０および上記算出した基準電圧Ｖ０から算出する。

更に、蓄電池モジュール１０の同種の蓄電池モジュールを太陽電池６に接続し、充電を行った。各蓄電池温度Ｔでの充電電流Ｉの下限値Ｉ０は、蓄電池温度Ｔ≦３０℃で０．５Ａ、３０℃＜Ｔ≦３７．５℃で１．０Ａ、３７．５℃＜Ｔ≦４５．０℃で１．５Ａ、Ｔ＞４５℃で２．０Ａとした。充電終了電圧Ｖは、（数２）において、基準電圧Ｖ０＝１５．０Ｖ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０＝０．０５Ω、定数ａ＝０，０３０Ｖ／℃、定数ｂ＝０．０００３Ω／℃として算出した。屋外で５日間充電したところ、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖに達して充電が停止した。充電時の平均電流は２．５Ａであった。その後放電電流３０Ａで容量を計測したところ、８６．８Ａｈであった。次に、充電電流Ｉの下限値Ｉ０を（数１）によって定め、設定温度ＴＬ＝２５℃、設定温度ＴＨ＝４０℃、一定値ＩＬ＝０．５Ａ、一定値ＩＨ＝２．０Ａとした。この条件で、基準電圧Ｖ０＝１５．０Ｖ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０＝０．０５Ω、定数ａ＝０，０３０Ｖ／℃、定数ｂ＝０．０００３Ω／℃で算出した充電終了電圧Ｖまで充電したところ、６日間で蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖに達した。平均充電電流は２．２Ａであった。その後容量を計測したところ８８．２Ａｈであった。これから、蓄電池モジュール１０の充電の際、設定温度ＴＬ＝２５℃、設定温度ＴＨ＝４０℃、一定値ＩＬ＝０．５Ａ、一定値ＩＨ＝２．０Ａ、基準電圧Ｖ０＝１５．０Ｖ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０＝０．０５Ω、定数ａ＝０，０３０Ｖ／℃、定数ｂ＝０．０００３Ω／℃に設定する。また、充電時の上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢも設定する。

次に、蓄電池モジュール１０の充電における各制御処理について説明する。第１の実施形態では、目標値超過の容量で充電可能な充電電流Ｉおよび環境温度を求める制御処理を実行しつつ、基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを算出する制御処理を実行している。その後、蓄電池モジュール１０の充電を自動終了させる制御処理を実行している。

図４は、目標値超過の割合で充電可能な充電電流Ｉおよび環境温度を求める制御処理を示すフローチャートである。第１の実施形態では、上述したように、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールを定電流充放電装置（不図示）に接続し、環境温度２５℃、充電電流１０Ａでの充放電における基準容量に対するある環境温度、ある充電電流Ｉでの充放電における容量の割合が目標値を超過するように、蓄電池モジュールを充電できる条件（環境温度および充電電流Ｉ）を求めている。図４に示す制御処理では、まず、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールを環境温度２５℃、充電電流１０Ａで１１時間充電した後、２５℃、３０Ａの電流で１０Ｖまで放電させて計測した基準容量をユーザに設定させる（ステップＳ１０１）。更に、ある環境温度、ある充電電流Ｉでの充放電における容量の基準容量に対する割合の目標値を当該環境温度ごとにユーザに設定させる（ステップＳ１０１）。なお、第１の実施形態では、当該目標値を、環境温度２５℃で９５％以上、環境温度４５℃で８０％以上としている。ここで、当該目標値は、蓄電池モジュールの充電効率が大幅に低下しない値とする。

次に、環境温度および充電電流Ｉをユーザに設定させる（ステップＳ１０２およびＳ１０３）。上記で設定させた環境温度および充電電流Ｉで蓄電池モジュールを充電した後、放電し（ステップＳ１０４）、蓄電池モジュールの容量を計測する（ステップＳ１０５）。上記計測された容量と設定された基準容量とから、基準容量に対する上記計測された容量の割合を計算する。次に、当該計算値と設定された目標値とを比較する（ステップＳ１０６）。計算値が目標値以下の場合（ステップＳ１０６、Ｎｏ）、ユーザに報知すると共に、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の一連の制御処理を繰り返し実行する。一方、計算値が目標値を超過していた場合（ステップＳ１０６、Ｙｅｓ）、ユーザに報知すると共に、環境温度および充電電流Ｉを格納する（ステップＳ１０７）。次に、ユーザに、格納した環境温度および充電電流Ｉを目安として、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを設定できるか否か確認する（ステップＳ１０９）。ユーザが設定できないと判断した場合（ステップＳ１０８、Ｎｏ）、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の一連の制御処理を繰り返し実行する。一方、ユーザが設定できると判断した場合（ステップＳ１０８、Ｙｅｓ）、本制御処理を終了する。これにより、格納した環境温度および充電電流Ｉを目安として、上記計算値が目標値以下にならない値、すなわち、充電効率が大幅に低下しない値に、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを容易に設定することができる。よって、蓄電池モジュール１０の充電において、充電効率の低下を防止できる。

図５は、基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを算出する制御処理を示すフローチャートである。上述したように、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールにおける充電終了時電圧および充電終了時温度を計測し、基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを求めている。図５に示す制御処理では、まず、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールの内部抵抗Ｒ０をユーザに設定させ（ステップＳ２０１）、充電電流Ｉをユーザに設定させる（ステップＳ２０２）。次に、環境温度をユーザに設定させ（ステップＳ２０３）、蓄電池モジュールを充電電流Ｉで充電する（ステップＳ２０４）。充電終了後、充電終了時電圧および充電終了時温度を計測する（ステップＳ２０５）。上述のように、充電電流Ｉが一定の場合、充電終了時電圧は蓄電池モジュールの充電終了時温度の一次式で高精度に近似できる。次に、基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを算出できるか否か確認する（ステップＳ２０６）。基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを算出できる程、充電終了時電圧と充電終了時温度を十分に計測していない場合は（ステップＳ２０６、Ｎｏ）、ステップＳ２０３に戻り、ステップＳ２０３〜Ｓ２０６の一連の制御処理を実行する。一方、基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂを算出できる程、充電終了時電圧と充電終了時温度を多数、高精度で計測していた場合（ステップＳ２０６、Ｙｅｓ）、基準電圧Ｖ０を算出する（ステップＳ２０７）。例えば、充電終了時温度０℃における充電終了時電圧、充電電流Ｉおよび内部抵抗Ｒ０を（数２）に代入して基準電圧Ｖ０を算出する。次に、算出した基準電圧Ｖ０を用いて、定数ａ、ｂを算出し（ステップＳ２０８）、本制御処理を終了する。

図６は、図１に示すＣＰＵ２の内部構成を示すブロック図である。ＣＰＵ２は、各設定値をユーザに設定させるとともに、充電終了を知らせるＧＵＩ２１と、ＧＵＩ２１により設定された各設定値を格納し、（数１）および（数２）を格納する記憶手段２２と、電流検出器３、温度検出器４および電圧検出器５からの各検出信号、すなわち、充電電流Ｉ、蓄電池温度Ｔおよび蓄電池電圧Ｖ１の送受信の際にタイミングの制御等するＩ／Ｆ２６と、各検出信号および各設定値から下限値Ｉ０および充電終了電圧Ｖを算出する演算手段２４と、蓄電池温度Ｔと上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢを比較し、充電電流Ｉと下限値Ｉ０とを比較し、蓄電池電圧Ｖ１と充電終了電圧Ｖとを比較する比較手段２５と、各制御手段で必要となるデータの出入力の制御処理を取扱う主制御手段２３とから構成されている。

図７は、蓄電池モジュール１０の充電を自動終了させる制御処理を示すフローチャートである。まず、ＧＵＩ２１は、上限温度ＴＡ、下限温度ＴＢをユーザに設定させる（ステップＳ３０１）。更に、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを設定させる（ステップＳ３０２およびＳ３０３）。ここで、ユーザは、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨの設定の際、図４に示した制御処理で格納した環境温度および充電電流Ｉを用いることもできる。第１の実施形態では、格納した環境温度および充電電流Ｉを目安として、設定温度ＴＬおよび一定値ＩＬ、ＩＨを充電効率が大幅に低下しない値に設定し、蓄電池モジュール１０の充電において、充電効率の低下を防止している。次に、ＧＵＩ２１は、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０、基準電圧Ｖ０、定数ａ、ｂをユーザに設定させる（ステップＳ３０４）。基準電圧Ｖ０および定数ａ、ｂは、図５に示した制御処理において、すでに算出されているので、ユーザは、算出された各値に設定すればよい。第１の実施形態では、上述のように、設定温度ＴＬ＝２５℃、設定温度ＴＨ＝４０℃、一定値ＩＬ＝０．５Ａ、一定値ＩＨ＝２．０Ａ、基準電圧Ｖ０＝１５．０Ｖ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０＝０．０５Ω、定数ａ＝０，０３０Ｖ／℃、定数ｂ＝０．０００３Ω／℃とした。そして、主制御手段２３は、上記設定値を記憶手段２１に格納する。また、記憶手段２１には、（数１）および（数２）も格納されている。

次に、蓄電池モジュール１０の充電を開始する（ステップＳ３０５）。すなわち、主制御手段２３はトランジスタ１をＯＮにする。次に、電流検出器３、温度検出器４および電圧検出器５は充電電流Ｉ、蓄電池温度Ｔおよび蓄電池電圧Ｖ１の計測を開始する（ステップＳ３０６）。更に、主制御手段２３は、Ｉ／Ｆ２６を介して、充電電流Ｉ、蓄電池温度Ｔおよび蓄電池電圧Ｖ１を取得し、記憶手段２３に格納する。次に、演算手段２４は、記憶手段２１に格納された（数１）、蓄電池温度Ｔ、設定温度ＴＬ、ＴＨ、一定値ＩＬおよびＩＨに基づいて、充電電流Ｉの下限値Ｉ０を算出する（ステップＳ３０７）。更に、演算手段２４は、記憶手段２１に格納された（数２）、充電電流Ｉ、蓄電池温度Ｔ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０、基準電圧Ｖ０、定数ａおよびｂに基づいて、充電終了電圧Ｖを算出する（ステップＳ３０８）。次に、記憶手段２１に格納された上限温度ＴＡ、下限温度ＴＢ、蓄電池温度Ｔに基づいて、比較手段２５は蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡ、下限温度ＴＢの間にあるか否か判定する（ステップＳ３０９）。比較手段２５によって、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡ、下限温度ＴＢの間にないと判定された場合（ステップＳ３０９、Ｎｏ）、主制御手段２３は蓄電池モジュール１０の充電を終了する（ステップＳ３１２）。すなわち、主制御手段２３はトランジスタ１をＯＦＦにする。これより、本制御処理を終了する。

一方、比較手段２５によって、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡ、下限温度ＴＢの間にあると判定された場合（ステップＳ３０９、Ｙｅｓ）、比較手段２５は、演算手段２４で算出された下限値Ｉ０を充電電流Ｉが上回っているか判定する（ステップＳ３１０）。充電電流Ｉが下限値Ｉ０を上回っていない場合（ステップＳ３１０、Ｎｏ）、主制御手段２３は蓄電池モジュール１０の充電を終了する（ステップＳ３１２）。一方、充電電流Ｉが下限値Ｉ０を上回っている場合（ステップＳ３１０、Ｙｅｓ）、比較手段２５は、演算手段２４で算出された充電終了電圧Ｖを蓄電池電圧Ｖ１が下回っているか判定する（ステップＳ３１１）。蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖを下回っていない場合（ステップＳ３１１、Ｎｏ）、蓄電池モジュール１０は十分充電されたので、主制御手段２３は蓄電池モジュール１０の充電を終了する（ステップＳ３１２）。一方、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖを下回っている場合（ステップＳ３１１、Ｙｅｓ）、蓄電池モジュール１０の充電は不十分なので、ステップＳ１０６に戻って、ステップＳ１０６〜ステップＳ１１１の制御処理を繰り返し実行する。

以上の制御処理により、充電対象の蓄電池モジュール１０の蓄電池温度Ｔ、充電電流Ｉおよび蓄電池電圧Ｖ１から充電電流Ｉの下限値Ｉ０および充電終了電圧Ｖを自動的に算出し、蓄電池温度Ｔと上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢを自動的に比較し、充電電流Ｉの電流値と下限値Ｉ０を自動的に比較し、蓄電池電圧Ｖ１と充電終了電圧Ｖを自動的に比較している。そして、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡを超過したり、下限温度ＴＢより低下したり、充電電流Ｉの電流値が下限値Ｉ０以下に低下したり、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖ以上になった場合、ＣＰＵ２は充電を自動的に終了する。

以上より、第１の実施形態の充電方法を採用することで、蓄電池モジュール１０を直流電流源から直接充電した場合でも、充電効率の低下を防止できる。また、充電装置１００に示すように、コンデンサ等の充電器および大電流パルスを発生させるパルス発生器が不要となり、蓄電池モジュール１０を安価で簡易な回路で直接充電できる。更に、各ニッケル水素蓄電池に流す電流の分配などの充電制御が不要となり、蓄電池モジュール１０を簡易な回路で直接充電できる。

また、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールについて、環境温度および充電電流Ｉを変化させて、各条件における容量を計測し、基準容量に対する当該容量の割合を計算し、充電効率が大幅に低下しない値に設定した目標値と当該割合を比較し、当該割合が目標値を超過するように、蓄電池モジュールを充電できる環境温度および充電電流Ｉを目安とすることで、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを容易に設定でき、充電効率の低下を防止できる。また、設定温度ＴＬ、ＴＨ、一定値ＩＬ、ＩＨ、基準電圧Ｖ０、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０、定数ａ、ｂ、充電時の上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢを設定し、更に、各設定値、（数１）および（数２）をＣＰＵ２内に格納することで、蓄電池モジュール１０の蓄電池電圧Ｖ１、蓄電池温度Ｔおよび充電電流Ｉを監視し、不適切な状態、すなわち、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡを超過したり、下限温度ＴＢより低下したり、充電電流Ｉの電流値が下限値Ｉ０以下に低下したり、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖ以上になった場合に、充電を自動的に終了させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の充電方法を実行する充電装置について、第１の実施形態の充電装置１００と異なる点を中心に説明する。また、第２の実施形態の充電装置の構造は、第１の実施形態の充電装置１００の構造と同じである。第２の実施形態の充電方法が、第１の実施形態と異なる点は、充電終了電圧Ｖの算出方法が異なることだけである。

第２の実施形態の充電方法では、第１の実施形態の充電方法における充電終了電圧の算出方法である（数２）について、更に蓄電池温度Ｔと充電電流Ｉの積の項を無視して、蓄電池温度Ｔに比例する項と充電電流Ｉに比例する項の和の形にすると、充電終了電圧Ｖ、蓄電池温度Ｔおよび充電電流Ｉの関係を、
Ｖ＝Ｖ０−ｃＴ＋ｅＩ （数３）
と表している。ここで、Ｖ０は、充電電流Ｉを一定にして、予め計測した充電終了時電圧および充電終了時温度から算出した基準電圧であり、定数ｃおよびｅは、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数である。定数ｃおよびｅは、予め計測した充電終了時電圧、充電電流Ｉ、充電終了時温度および上記算出した基準電圧Ｖ０から算出する。

更に、第１の実施形態と同様に、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールを太陽電池６に接続し、充電を行った。各蓄電池温度Ｔでの充電電流Ｉの下限値Ｉ０は、蓄電池温度Ｔ≦３０℃で０．５Ａ、３０℃＜Ｔ≦３７．５℃で１．０Ａ、３７．５℃＜Ｔ≦４５．０℃で１．５Ａ、Ｔ＞４５℃で２．０Ａとした。充電終了電圧Ｖは（数３）において、基準電圧Ｖ０＝１５．０４Ｖ、ｃ＝０，０３１Ｖ／℃、ｅ＝０．１０３Ωとして算出した。屋外で５日間充電したところ、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖに達して充電が停止した。充電時の平均電流は２．４Ａであった。その後２５℃、３０Ａで容量を計測したところ８７．４Ａｈであった。よって、第２の実施形態に示すように、（数３）を用いて算出した充電終了電圧Ｖに蓄電池電圧Ｖ１が到達するまで充電した場合でも、第１の実施形態と同様の容量を充電できる。

以上より、第２の実施形態の充電方法を採用しても、蓄電池モジュールを直流電流源から直接充電した場合でも、充電効率の低下を防止できる。また、充電装置１００と同様に、コンデンサ等の充電器および大電流パルスを発生させるパルス発生器が不要となり、蓄電池モジュールを安価で簡易な回路で直接充電できる。更に、各ニッケル水素蓄電池に流す電流の分配などの充電制御が不要となり、蓄電池モジュールを簡易な回路で直接充電できる。

また、第１の実施形態と同様に、蓄電池モジュール１０と同種の蓄電池モジュールについて、環境温度および充電電流Ｉを変化させて、各条件における容量を計測し、基準容量に対する当該容量の割合を計算し、充電効率が大幅に低下しない値に設定した目標値と当該割合を比較し、当該割合が目標値を超過するように、蓄電池モジュールを充電できる環境温度および充電電流Ｉを目安とすることで、設定温度ＴＬ、ＴＨおよび一定値ＩＬ、ＩＨを容易に設定でき、充電効率の低下を防止できる。また、第１の実施形態と同様に、設定温度ＴＬ、ＴＨ、一定値ＩＬ、ＩＨ、基準電圧Ｖ０、定数ｃ、ｅ、充電時の上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢを設定し、更に、各設定値、（数１）および（数３）をＣＰＵ２内に格納することで、蓄電池モジュールの蓄電池電圧Ｖ１、蓄電池温度Ｔおよび充電電流Ｉを監視し、不適切な状態、すなわち、蓄電池温度Ｔが上限温度ＴＡを超過したり、下限温度ＴＢより低下したり、充電電流Ｉの電流値が下限値Ｉ０以下に低下したり、蓄電池電圧Ｖ１が充電終了電圧Ｖ以上になった場合に、充電を自動的に終了させることができる。更に、第１の実施形態と比較して、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗Ｒ０を必要としないので、より容易に充電できる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１および第２の実施形態では、バックアップ用ニッケル水素蓄電池を１０セル直列に接続した蓄電池モジュールに本発明の充電方法を採用しているが、特にこれに限定されるものでなく、ニッケル水素蓄電池単セルにも適用可能である。

また、第１の実施形態に示す充電装置１００は、蓄電池モジュール１０を充電する９０Ｗの太陽電池６と、蓄電池モジュール１０と太陽電池６とを直接接続する電路を開閉するトランジスタ１と、蓄電池モジュール１０の蓄電池温度Ｔを検出する温度検出器４と、充電電流Ｉを検出する電流検出器３と、蓄電池電圧Ｖ１を検出する電圧検出器５と、蓄電池温度Ｔ、充電電流Ｉおよび蓄電池電圧Ｖ１からトランジスタ１を開閉制御するＣＰＵ２とを備えているが、特にこれに限定されるものでなく、他の構成を含んでいても同様の効果を取得できる。更に、第２の実施形態の充電装置も同様である。

また、第１および第２の実施形態では、自然エネルギーを利用した直流電流源として、太陽電池６を採用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の自然エネルギーを利用した電源、例えば、風力発電機を採用しても同様の効果を取得できる。

また、第１の実施形態では、設定温度ＴＬ＝２５℃、設定温度ＴＨ＝４０℃を、充電時の上限温度ＴＡおよび下限温度ＴＢと別個に設定しているが、特にこれに限定されるものでなく、設定温度ＴＨを上限温度ＴＡと、設定温度ＴＬを下限温度ＴＢと同じ温度に設定しても良い。

また、第１の実施形態では、一定値ＩＨを２Ａとしているが、特にこれに限定されるものでなく、目標値を超過すれば、他の値でも良い。例えば、４５℃における目標値を８０％以上としていることから、１Ａでも良い。しかし、一定値ＩＨを２Ａとしたほうが、基準容量に対する容量の割合を大きくできる。同様に、第１の実施形態では、一定値ＩＬを０．５Ａとしているが、特にこれに限定されるものでなく、目標値を超過すれば、他の値でも良い。例えば、２５℃における目標値を９５％以上としていることから、１Ａでも良い。

また、環境温度２５℃、充電電流１０Ａで１１時間充電し、２５℃、３０Ａの電流で１０Ｖまで放電させて、基準容量を計測しているが、特にこれに限定されるものでなく、０．１Ｃ以上の定電流値であれば、充電電流は他の値でも良い。

本発明に係る第１の実施形態の充電方法を実行する充電装置を示す概略図である。 蓄電池モジュールを２０Ａで充電した時の充電終了時温度と充電終了時電圧の関係を示す図である。 蓄電池モジュールを４５℃で充電した時の充電電流と充電終了時電圧との関係を示す図である。 目標値超過の割合で充電可能な充電電流および環境温度を求める制御処理を示すフローチャートである。 基準電圧および定数を算出する制御処理を示すフローチャートである。 図１に示すＣＰＵ２の内部構成を示すブロック図である。 蓄電池モジュールの充電を自動終了させる制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ トランジスタ、２ ＣＰＵ、３ 電流検出器、４ 温度検出器、
５ 電圧検出器、６ 太陽電池、１０ 蓄電池モジュール、
２１ ＧＵＩ、２２ 記憶手段、２３ 主制御手段、２４ 演算手段、
２５ 比較手段、２６ Ｉ／Ｆ、１００ 充電装置

Claims (8)

1. ニッケル水素蓄電池またはニッケル水素蓄電池複数セルからなる蓄電池モジュールを直流電流源に接続して充電する充電方法において、
   充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールの充電時の上限温度および下限温度と、充電電流の下限値と、充電終了電圧を予め定め、
   充電中、充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールの蓄電池温度および蓄電池電圧と、前記直流電流源から得られる充電電流とを計測し、
   前記蓄電池温度が前記上限温度と前記下限温度の間にあり、かつ前記充電電流の電流値が前記下限値を上回っており、かつ前記蓄電池電圧が前記充電終了電圧を下回っている限り、充電を継続し、
   前記充電電流の電流値が前記下限値以下に低下した場合には充電を停止することを特徴とするニッケル水素蓄電池の充電方法。
2. 前記充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールと同種のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールについて、
   環境温度２５℃で０．１Ｃ以上の定電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量を基準容量として、
   環境温度２５℃で０．０５Ｃを上回らない電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量と前記基準容量との割合が９５％以上となる前記電流値を、前記蓄電池温度２５℃以下における前記下限値とし、
   環境温度４５℃で０．０５Ｃを上回らない電流値で充電した後、２５℃、３０Ａで放電して計測した容量と前記基準容量との割合が８０％以上となる前記電流値を、前記蓄電池温度４５℃以上における前記下限値とすることを特徴とする請求項１に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
3. 設定温度ＴＬとＴＨ（ＴＬ＜ＴＨ）を定め、
   前記蓄電池温度が前記設定温度ＴＬ未満である場合、前記下限値を一定値ＩＬとし、
   前記蓄電池温度が前記設定温度ＴＨ以上である場合、前記下限値を一定値ＩＨ（ＩＬ＜ＩＨ）とし、
   前記蓄電池温度が設定温度ＴＬ以上、ＴＨ未満の場合、前記下限値Ｉ０を、前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴとした場合に、
   Ｉ０＝（（ＩＨ−ＩＬ）／（ＴＨ−ＴＬ））×（Ｔ−ＴＨ）＋ＩＨ
   で表される関係式から算出した値とすることを特徴とする請求項１または２に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
4. 前記充電対象のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールと同種のニッケル水素蓄電池または蓄電池モジュールについて、充電終了時電圧、充電終了時温度および充電電流を予め計測し、
   前記充電終了時電圧、前記充電終了時温度および前記充電電流の計測結果から、前記充電終了電圧、前記蓄電池温度および前記充電電流の関係を導出し、
   前記蓄電池温度、前記充電電流および前記関係から、前記充電終了電圧を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
5. 前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴ、前記充電終了電圧をＶ、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗をＲ０、前記充電電流を一定にして予め計測した前記充電終了時電圧および前記充電終了時温度から算出した基準電圧をＶ０、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数をａ、ｂとすると、前記関係は、
   Ｖ＝Ｖ０−ａＴ＋Ｉ（Ｒ０−ｂＴ）
   と表されることを特徴とする請求項４に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
6. 前記充電電流をＩ、前記蓄電池温度をＴ、前記充電終了電圧をＶ、前記充電電流を一定にして予め計測した前記充電終了時電圧および前記充電終了時温度から算出した基準電圧をＶ０、ニッケル水素蓄電池によって定まる正の定数をｃ、ｅとすると、前記関係は、
   Ｖ＝Ｖ０−ｃＴ＋ｅＩ
   と表されることを特徴とする請求項４に記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
7. 前記直流電流源は、自然エネルギーを利用して発電した電源であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の充電方法を実行する充電装置であって、
   前記ニッケル水素蓄電池または前記蓄電池モジュールを充電する前記直流電流源と、
   前記ニッケル水素蓄電池または前記蓄電池モジュールと前記直流電流源との間の電路を開閉する開閉手段と、
   前記蓄電池温度を検出する温度検出手段と、
   前記充電電流を検出する電流検出手段と、
   前記蓄電池電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記蓄電池温度、前記充電電流および前記蓄電池電圧から前記開閉手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする充電装置。
   
   

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