JP2007104803A - アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】長時間を要するリフレッシュサイクルを行うことなくメモリー効果を回避しつつ、過充電および過放電をも回避できる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システムを提供する。
【解決手段】本発明のアルカリ蓄電池の充放電制御方法は、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で使用し、このＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_Cを、下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとの間で順次変動させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ蓄電池の充放電制御方法とこれを用いた電源システムに関し、より詳しくはメモリー効果の影響を最小限に留める技術に関する。

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）や産業用途（非常用電源など）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、充電深さ（以下ＳＯＣ、満充電時を１００％、完全放電時を０％と定義して数値化）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、完全充電（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、蓄電池容量が減少する現象（以下、メモリー効果と称す）が発生する。これを避けるため、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用などのように、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、最も容量の小さい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充電深さ（以下ＳＯＣ_T）と、これ以下のＳＯＣに至る放電を禁止する下限充電深さ（以下ＳＯＣ_B）とを設け、ＳＯＣ_TとＳＯＣ_Bとの間で充放電を制御する方法が採られる。具体的には、ＳＯＣ_Tは８０％近傍、ＳＯＣ_Bは２０％近傍に設定される場合が多い。これにより、過充電および過放電を回避しつつ、ＳＯＣが５０％近傍のみで用いられるときに発生するメモリー効果を回避する提案がなされている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−６９６０８号公報

しかしながら充放電を短時間で繰り返すＨＥＶ用電源システムでは、特許文献１のように広いＳＯＣ範囲を行き来することは稀であり、ＳＯＣが５０％近傍でのみ充放電が繰り返される場合が多く、結局のところメモリー効果が発生する。メモリー効果を解消するために、民生用で使われているリフレッシュサイクル（完全充電や完全放電を意図的に行うサイクル）を活用することも考えられるが、このサイクルは時間を要するため、電源システムとして稼動する時間を減らすこととなり好ましくない。本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、長時間を要するリフレッシュサイクルを行うことなくメモリー効果を回避しつつ、過充電および過放電をも回避できる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法および電源システム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、本発明のアルカリ蓄電池の充放電制御方法は、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で使用し、このＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_Cを、下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとの間で順次変動させることを特徴とする。

また上述した充放電制御方法に基づき、本発明の電源システムは、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、主電源の下限充電深さＳＯＣ_Bと
上限充電深さＳＯＣ_Tとを記憶する記憶部と、電圧センサからの情報に基づいて主電源を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で制御しかつＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_CをＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で順次変動させる制御部とを有することを特徴とする。

放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとを順次変動させ、複数サイクルを経て下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとの間で万遍なく充放電が繰返されるように制御することにより、過充電および過放電を避けるという本来の遵守項目を保持しつつ、メモリー効果をも回避することができるようになる。

以上のように本発明によれば、アルカリ蓄電池を主電源とし、ＨＥＶ用途など過充電・過放電を避け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、アルカリ蓄電池を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で使用し、このＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_Cを、下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとの間で順次変動させることを特徴とするアルカリ蓄電池の充放電制御方法に関する。

図１は本発明の充放電制御方法の一例を示す模式図である。ここでは下限充電深さＳＯＣ_Bを２０％、上限充電深さＳＯＣ_Tを８０％としている。上述したように充放電が短時間に激しく繰返されるＨＥＶなどの用途において、下限充電深さＳＯＣ_Bから上限充電深さＳＯＣ_Tに至る広範な充放電が行われることは稀であり、図４に模式的に示すように、ＳＯＣ５０％近傍で振幅の小さい充放電が繰返されるのが常である。そこで例えば図１では、１サイクル目は充電終止充電深さＳＯＣ_Cを８０％（ＳＯＣ_Bと同じ）に設定して放電を規制し、２サイクル目のＳＯＣ_Cを１サイクル目のＳＯＣ_Cよりも小さい値に設定する。これを繰返してサイクル毎にＳＯＣ_Cを小さくしつつ、ＳＯＣ_Cに連動して小さくなる放電終止充電深さＳＯＣ_Dが下限充電深さＳＯＣ_Bと同値になった時点をもって、今度はＳＯＣ_Tと同値になるまでサイクル毎にＳＯＣ_Cを大きくする。このように複数サイクルを経てＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で万遍なく充放電が繰返されることにより、アルカリ蓄電池の課題であるメモリー効果を発生させることなく、効率的に電源システムを稼動させることができる。

なおサイクル毎のＳＯＣ_Dについては、図２の模式図に示すように不規則（段階的に上下しない）であってもよい。これはＳＯＣ_Cの規制が回生効率の低下程度で留まるのに対し、ＳＯＣ_Dの段階的な現象という規制を厳密に行うと、例えば比較的低ＳＯＣ領域における瞬時の大電流放電などができなくなり、主電源としての機能が低下するからである。

ここでＳＯＣ_DがＳＯＣ_B未満になることを規制できなかった場合、過放電による不具合（短絡発生による電圧低下など）を引き起こすので好ましくない。またＳＯＣ_CがＳＯＣ_Tを超えることを規制できなかった場合、過充電による不具合（ガス発生に伴う電解液枯渇による短寿命化など）を引き起こすので好ましくない。

ＳＯＣは、以下の方法によって百分率による数値化が可能となる。すなわち、予めあらゆる充電深さにおける電圧電流特性（Ｉ−Ｖ値、高電流放電時の電圧低下量から算出）を把握して検量線を作成し、適宜Ｉ−Ｖ値を測定してＳＯＣをモニタリングする方法である
。これに加え、充放電電流量を積算した値（理論的なＳＯＣが算出可能）にて補正を行うことにより、ＳＯＣの数値化をさらに高精度化できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内容を踏まえて、ＳＯＣ_Bを１５〜３０％、ＳＯＣ_Tを７０〜８５％とすることを特徴とする。上述した過放電を避けるためには、ＳＯＣ_Bを１５％未満にするのは好ましくなく、過放電を避けるためには、ＳＯＣ_Tを８５％未満にするのは好ましくない。しかしＳＯＣ_Bを過剰に大きくすると放電側でのメモリー効果が発生し、ＳＯＣ_Tを過剰に小さくすると充電側でのメモリー効果が発生する。請求項２の範囲内とすることにより、本発明の効果がより明確に発揮されることとなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内容を踏まえて、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内であることを特徴とする。上述したように充放電を頻繁に繰返す電源システムにおいて、メモリー効果を避けるがためにＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を大きく設定して充放電を冗長に規制するのは、電源システム本来の趣旨に反する。その反面、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を一定間隔以上に規制しなければ、メモリー効果の抑制は困難となる。請求項３の範囲内とすることにより、本発明の効果がより明確に発揮されることとなる。

請求項４に記載の発明は、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、主電源の下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとを記憶する記憶部と、電圧センサからの情報に基づいて主電源を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で制御しかつＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_CをＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で順次変動させる制御部とを有することを特徴とする電源システムに関する。

図３は本発明の電源システムの一例を示す模式図である。複数のアルカリ蓄電池からなる主電源１には、電圧を検知する電圧センサ２が接続されている。一方で記憶部３には主電源１の下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとが記憶されており、制御部４と接続されている。制御部４には電圧センサ２によって測定された主電源１の電圧が逐次送られており、制御部４はＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で各サイクルの充放電が行われ、かつ放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとが図１あるいは２のようにＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で順次変動するよう、常に制御している。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にも、このインバータを用いると効率的である。

なお請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内容を踏まえて、ＳＯＣ_Bを１５〜３０％、ＳＯＣ_Tを７０〜８５％とすることを特徴とする。また請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の内容を踏まえて、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内であることを特徴とする。これらの効果は請求項２および３の効果と同様である。

主電源１を構成するアルカリ蓄電池には、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池を選択することができる。正極はともに水酸化ニッケルを活物質として、適宜コバルト、コバルト化合物、軽希土類化合物、酸化亜鉛などが添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に燒結されて構成される。負極はニッケル水素蓄電池の場合は水素吸蔵合金、ニッケルカドミウム蓄電池の場合はカドミウムを活物質として、炭素材料や各種結着剤が添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に塗布されて構成される。この正極および負極を、ポリオレフィン不織布に代表されるセパレータを介して捲回あるいは積層することにより電極群を構成し、この電極群を円筒形あるいは矩形の電槽缶に挿入した後、アルカリ水溶液
からなる電解液を注入することにより、アルカリ蓄電池が構成される。

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。

（実施例１）
水酸化ニッケルを活物質とする長尺状の正極と、水素吸蔵合金を活物質とする長尺状の負極とを、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３のように電圧センサ・記憶部および制御部を配列し、図１に示すパターンで、ＳＯＣ_Bを２０％、ＳＯＣ_Tを８０％、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を３０％に設定した。なおサイクル毎のＳＯＣ_C（ＳＯＣ_D）の変動は５％とし、ＳＯＣ_CがＳＯＣ_T（８０％）に達するかＳＯＣ_DがＳＯＣ_B（２０％）に達した時点で、変動の上下を反転させるように設定した。またＳＯＣ値は、初期状態においてあらゆる充電深さにおけるＩ−Ｖ値から作成した検量線（（表１）参照）をベースに、充放電時のＩ−Ｖ値を測定してモニタリングする方法で百分率化し、制御に反映させた。この電源システムを実施例１とする。

（実施例２〜６）
ＳＯＣ_Bを１０、１５、２５、３０および３５％とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを、実施例２〜６とする。

（実施例７〜１１）
ＳＯＣ_Tを６５、７０、７５、８５および９０％とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを、実施例５〜７とする。

（実施例１２〜１５）
ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を５、１０、４０および４５％とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを、実施例１２〜１５とする。

（実施例１６）
図２に示すパターンで、ＳＯＣ_Dを「ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内」かつ「ＳＯＣ_B未満とならない」の範囲内で適宜変化してもよいように緩和した以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを、実施例１６とする。

（比較例）
図４の模式図に示すパターンで、ＳＯＣ５０％を中心にＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を３０％とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを、比較例とする。

以上の各電源システムを用いて、１２Ａの充放電電流で１０００サイクルの充放電を行った。その後、以下に示す評価を行った。結果を（表２）に示す。

（メモリー効果）
メモリー効果の有無を見極めるため、１０００サイクル終了時に各主電源をＳＯＣ＝８０％まで充電したときの充電終止電圧と、（表１）に示したＳＯＣ＝８０％と判定すべき電圧との差が４５０ｍＶを超えて低下したものを充電側のメモリー効果が「顕著」、５０
〜４５０ｍＶのものを充電側のメモリー効果が「あり」、５０ｍＶ未満のものを「なし」とした。また、放電側のメモリー効果については、１０００サイクル終了時に各種電源をＳＯＣ＝２０％まで放電した後、充電側と同じ評価判定を行い、（表２）に記した。

（電解液枯渇）
蓄電池の封口部にリトマス紙をあて、青色に変化した場合はガス発生による漏液があったものと判断した。即時に変色したものを「顕著」、１分以内に変色したものを「あり」、変色が見られなかったものを「なし」として（表２）に記した。

（電圧降下）
放電後の主電源の電圧をＡ、３日間放置後の主電源の電圧をＢとし、Ａ−Ｂが７２０ｍＶを超えたものを「顕著」、３００〜７２０ｍＶのものを「あり」、３００ｍＶ未満のものを「なし」として（表２）に記した。

従来の充放電制御方法に準じた比較例において顕著なメモリー効果が発生したのに対し、本発明の各実施例ではメモリー効果が抑制されていた。ただしＳＯＣ_Bがやや大きい実施例６や、ＳＯＣ_Tがやや小さい実施例７では、比較例ほどではないものの深い充放電ができなかったことに起因するメモリー効果が見られた。またＳＯＣ_Bがやや小さい実施例２では比較的顕著な電圧降下が見られる一方、ＳＯＣ_Tがやや大きい実施例１１では比較的顕著な電解液の枯渇（漏液）が見られた。よってＳＯＣ_Bの好適範囲は１５〜３０％、
ＳＯＣ_Tの好適範囲は７０〜８５％であることがわかる。

一方、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が５％である実施例１２は、ＳＯＣ_BからＳＯＣ_Tに至るのに多くのサイクル数を費やしたために、結果的に比較的軽度ではあるがメモリー効果を発生させるに至った。よってＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差は１０％以上であるのが好ましい。なお（表２）には評価結果として記載していないが、ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差を４５％に設定した実施例１５は、放電中は回生電流の受け入れ（充電）を長時間に亘って拒絶する一方、充電中は電気エネルギーの瞬時的供給（放電）を長時間に亘って拒絶せざるを得ないので、充放電を頻繁に繰り返す本発明の充放電システムの主旨に反することになる。よってＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差の好適範囲は、１０〜４０％であることがわかる。

さらに実施例１６の結果から、ＳＯＣ_Dを「ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内」かつ「ＳＯＣ_B未満とならない」の範囲内で適宜変化させても、本発明の効果は十分に得られることがわかった。

本発明によればメモリー効果がなく、かつ過充電および過放電を回避できる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、かつその効果は高いと考えられる。

本発明の充放電制御方法の一例を示す模式図 本発明の充放電制御方法の別の例を示す模式図 本発明の電源システムの一例を示す模式図 従来の充放電制御方法の態様を示す模式図

符号の説明

１ 主電源
２ 電圧センサ
３ 記憶部
４ 制御部

Claims (6)

1. アルカリ蓄電池の充放電制御方法であって、
   前記アルカリ蓄電池を、放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で使用し、
   前記ＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_Cを、下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとの間で順次変動させることを特徴とする、アルカリ蓄電池の充放電制御方法。
2. 前記ＳＯＣ_Bは１５〜３０％、前記ＳＯＣ_Tは７０〜８５％であることを特徴とする、請求項１記載のアルカリ蓄電池の充放電制御方法。
3. 前記ＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内であることを特徴とする、請求項１記載のアルカリ蓄電池の充放電制御方法。
4. アルカリ蓄電池を用いた電源システムであって、
   前記アルカリ蓄電池からなる主電源と、
   前記主電源の電圧を検知する電圧センサと、
   前記主電源の下限充電深さＳＯＣ_Bと上限充電深さＳＯＣ_Tとを記憶する記憶部と、
   前記電圧センサからの情報に基づいて前記主電源を放電終止充電深さＳＯＣ_Dと充電終止充電深さＳＯＣ_Cとの間で制御し、かつＳＯＣ_DおよびＳＯＣ_Cを前記ＳＯＣ_BとＳＯＣ_Tとの間で順次変動させる制御部と、
   を有する電源システム。
5. 前記記憶部が記憶するＳＯＣ_Bは１５〜３０％、ＳＯＣ_Tは７０〜８５％であることを特徴とする、請求項４記載の電源システム。
6. 前記制御部が制御するＳＯＣ_CとＳＯＣ_Dとの差が１０〜４０％の範囲内であることを特徴とする、請求項４記載の電源システム。
   

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