JP2007134130A - 無人搬送車の電池充放電管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】充電効率の低下、サイクル寿命による電池容量の低下の影響によらず、長期に亘り無人搬送車の充放電を可能にする無人搬送車の電池充放電管理システムを提供する。
【解決手段】電池は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池であって、前記電池の放電量Ｐｏｕｔを実測で求め、定期的に補正された充電効率ηを用いて、充電量Ｐｉｎ＝放電量Ｐｏｕｔ／充電効率ηとして充電量Ｐｉｎを算出し充電を行い、充電回数毎にあるいは、前記充電量Ｐｉｎまたは前記放電量Ｐｏｕｔの積算値が所定の値に達した場合に前記充電効率ηを漸減させることによって、前記充電量Ｐｉｎを漸増させ、前記電池が満充電になった場合、その時点で充電を終了し、次の充電時に使用する前記充電量Ｐｉｎの計算に使う前記充電効率η値を大きくすることによって、上記の課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、搭載した電池を駆動源として無人で走行し、地上側に設けられた充電ステーションで前記電池の充電を行う無人搬送車に関し、さらに詳しくは、無人搬送車の電池充放電管理システムに関するものである。

従来、工場や倉庫内で使用される無人搬送車は、駆動源となる電池として充放電が可能な鉛蓄電池を搭載していた。そして、工場や倉庫内に設けられた充電ステーションにおいて、鉛蓄電池を満充電にして使用されていた（例えば、特許文献１）。また、最近、満充電で使わなくても良い、すなわち部分充放電で使用可能なニッケル水素電池や、リチウムイオン電池が開発され、これらの新型電池を無人搬送車の駆動源として部分充放電で使用することも本発明の発明者らによって先に提案されている（特願２００５−２５７７８２号）。
特開平５−１５０７２号公報

ところが、駆動源となる電池に使用される鉛蓄電池の寿命は通常２〜３年であり、過充電を行うと副反応などによりさらに短くなる。

ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を駆動源とする無人搬送車では、充放電サイクルによる電池の内部抵抗の増加やサイクル寿命により電池容量が低下するため、充放電を繰り返して使用しているうちに設定された充放電範囲（例えば、電池容量の２０〜８０％で充放電を繰り返す）にズレが生じる。このズレが発生すると、もともと電池容量の２０〜８０％として設定していた充放電範囲が例えば、０〜６０％あるいは４０〜１００％のようになる恐れがあり、このズレが発生した状態でさらに使い続けた場合、電池容量の６０％での充放電を確保できなくなることが懸念されていた。

そこで本発明の目的は、充放電の繰り返しによる充電効率の低下、サイクル寿命による電池容量の低下の影響を受けることなく、長期に亘って無人搬送車の充放電を可能にする無人搬送車の電池充放電管理システムを提供することにある。

請求項１に係る発明は、搭載した電池を駆動源として無人で走行し、地上側に設けられた充電ステーションで前記電池の充電を行う無人搬送車の電池充放電管理システムにおいて、前記電池は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池であって、前記電池の放電量Ｐｏｕｔを実測で求め、定期的に補正された充電効率ηを用いて、充電量Ｐｉｎ＝放電量Ｐｏｕｔ／充電効率ηとして充電量Ｐｉｎを算出し充電を行い、充電回数毎にあるいは、前記充電量Ｐｉｎまたは前記放電量Ｐｏｕｔの積算値が所定の値に達した場合に前記充電効率ηを漸減させることによって、前記充電量Ｐｉｎを漸増させる。一方、前記電池が満充電になった場合、その時点で充電を終了し、次の充電時に使用する前記充電量Ｐｉｎの算出に使う前記充電効率ηを大きくすることによって、上記の課題を解決するものである。

なお、本発明の「所定の値に達した場合」における「所定の値」とは、使用する電池によっても異なり、特に算出式があるわけではないが、例えば、使用される電池の１回の充放電に必要とされる充電量又は放電量を「所定の値」として用いることが可能である。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、前記充電効率η値は、前記無人搬送車が充電ステーションに停車状態にある一定期間毎に前記電池を満充電し、次に終止電圧まで放電し放電量を測定した後、再度満充電まで充電し充電量を測定し、測定値として得られた充電量と放電量から充電効率η＝放電量／充電量を求めて定期的に補正することによって、上記の課題をさらに解決するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明の構成に加えて、前記電池の端子間電圧が終止電圧＋αＶになった際に警報を出力する手段を有し、前記電池の端子間電圧が終止電圧まで低下したら放電を停止することによって、上記の課題をさらに解決するものである。

なお、本発明における「終止電圧」とは、端子間電圧が０Ｖになったことではなく、使用する電池に依存する値であり、例えば、定格電圧１．２Ｖのニッケル水素電池の場合、１．０Ｖ／１セルが終止電圧である。したがって、ニッケル水素電池を２０セル直列に接続している場合は、２０Ｖが終止電圧となる。「終止電圧＋α」におけるα値は、例えば２０セル直列の場合、１Ｖが好適に用いられる。

請求項１に係る無人搬送車の電池充放電管理システムによれば、搭載した電池を駆動源として無人で走行し、地上側に設けられた充電ステーションで前記電池の充電を行い、前記電池は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池であって、前記電池の放電量Ｐｏｕｔを実測で求め、定期的に補正された充電効率ηを用いて、充電量Ｐｉｎ＝放電量Ｐｏｕｔ／充電効率ηとして充電量Ｐｉｎを算出し充電を行い、充電回数毎にあるいは、前記充電量Ｐｉｎまたは前記放電量Ｐｏｕｔの積算値が所定の値に達した場合に前記充電効率η値を漸減させることによって、前記充電量Ｐｉｎを漸増させ、前記電池が満充電になった場合、その時点で充電を終了し、次の充電時に使用する前記充電量Ｐｉｎの算出に使う前記充電効率η値を大きくするため、使用された電力分以上の充電がなされ、電池がすぐに終止電圧に達してしまうことが防止されると共に、満充電を越えて過充電となることが防止される。

請求項２に係る無人搬送車の電池充放電管理システムによれば、請求項１に係る無人搬送車の電池充放電管理システムの構成に加えて、前記充電効率η値が、前記無人搬送車が充電ステーションに停車状態にある一定期間毎に前記電池を満充電し、次に終止電圧まで放電し放電量を測定した後、再度満充電まで充電し充電量を測定し、測定値として得られた充電量と放電量から充電効率η＝放電量／充電量を求めて定期的に補正されるため、その時点での電池容量及び充電効率ηの確認ができ、電池寿命が近づいていることを知らせることが出来る。また、電池を満充電から終止電圧まで充放電をするため、部分充電を行うことによって本来の電池容量分の出力が出なくなるいわゆる“メモリ効果”を消去することが出来る。

請求項３に係る無人搬送車の電池充放電管理システムによれば、請求項１又は請求項２に係る無人搬送車の電池充放電管理システムの構成に加えて、電池の端子間電圧が終止電圧＋αＶになった際に警報を出力する手段を有し、電池の端子間電圧が終止電圧まで低下したら放電を停止するため、寿命が迫っている電池を事前に知ることができ、無人搬送車の走行中に電池切れを起こすことを防止することが出来る。

本発明の無人搬送車の電池充放電管理システムの１実施例について、図面を用いて説明する。

図１及び図２は、本発明のハード構成を示した概略ブロック図であり、図３は、本発明による充放電曲線（実線）と充放電効率を一定値とした従来品による充放電曲線（点線）とを同じグラフに記載した充放電サイクル図である。また、図４は、長期間使用して電池容量が低下してきて、使用できる充放電範囲が下方に狭くなってきた際の充放電サイクル図である。さらに図５は、本発明の充放電制御のフローチャートであり、図６は、定期的に充電効率ηを補正する際のフローチャートである。

図１は、本発明の無人搬送車の電池充放電管理システムのハード構成の一例を示している。この例では、地上側の充電ステーションには、充放電器１のみが装備されており、無人搬送車側に電池の充放電を制御する充放電制御回路２、電池３、充放電制御回路２に制御指令を出す充放電制御装置４が搭載されている。充放電制御装置４は、電池３と駆動機器５の間で計測された電流値及び電圧値に基づいて、（１）放電、充電計測、（２）充電量計算、（３）終止電圧警告等を行う機能を有している。

図２は、本発明の無人搬送車の電池充放電管理システムのハード構成の別の一例を示している。この例では、地上側の充電ステーションに、充放電器１及び無人搬送車側に搭載された電池３の充放電を制御する充放電制御回路２が装備されており、無人搬送車側に、電池３と駆動機器５の間で計測された電流値及び電圧値に基づいて、（１）放電、充電計測、（２）充電量計算、（３）終止電圧警告等の制御指令を出す充放電制御装置４が搭載されている。これらの制御指令は、通信装置６に送られ、無線で地上側の充放電制御回路２に送られている。

次に図３乃至図６に基づいて、本発明で行っている充放電制御を詳細に説明する。なお、文章の末尾に括弧書きした英数字は、図５又は図６のフローチャートの各ステップに記載された符号を表している。

まず、本発明において無人搬送車に搭載される電池は、無人搬送車の電力使用量が電池容量の６０％以下となるように電池を選定する（Ｓ１）。本実施例では、無人搬送車に搭載する電池としてニッケル水素電池を採用しているが、以下に説明する制御方法は、リチウムイオン電池であっても電池に依存するパラメータの選択以外は、同様に適用することが可能である。

そして、無人搬送車の走行を開始する（Ｓ２）。その際に、放電量を実測で求める（Ｓ３）。次に電池の端子間電圧を計測して、終止電圧になっていないかどうかを計測する（Ｓ４）。もし、既に終止電圧になっているようであれば、放電を停止し（Ｓ１７）、その電池は、無人搬送車から外され、リサイクル等に回される。また、終止電圧でないものの終止電圧＋αＶを下回っていれば（Ｓ５）、終止電圧警報信号を出力して（Ｓ６）、電池が寿命に近づいていることを知らせる。ここで、αの値は、例えば、電池が２０セルの場合１．０Ｖが適用される。

一方、充電効率ηは、初期値は、電池新品時に測定した値を使用するが、無人搬送車が充電ステーションに停車状態にある一定期間毎に、例えば、図６に記載されたフローに従って定期的に補正される。すなわち、まず電池を満充電にし（Ｔ１）、次に電池を終止電圧まで放電し放電量を測定した後（Ｔ２）、再度、満充電まで充電し充電量を測定し（Ｔ３）、測定値として得られた充電量と放電量から充電効率η＝放電量／充電量（Ｔ４）によって補正する。

そして、上記のフローによって、補正された充電効率ηと実測によって求められた放電量Ｐｏｕｔを用いて、充電量Ｐｉｎ＝放電量Ｐｏｕｔ／充電効率ηとして充電量Ｐｉｎを算出し（Ｓ９）充電を行う。また、測定誤差、効率変化により充電量が低下するのを防ぐために、充電回数毎にあるいは充電量Ｐｉｎまたは放電量Ｐｏｕｔの積算値が所定の値に達した場合に充電効率ηを漸減、例えば、η−βとすることにより（Ｓ８）、充電量Ｐｉｎを漸増させる。βの値は、様々な条件によって異なるが、実験的に充電効率η値の２〜３％が用いられる。

その結果、本実施例では、図３に実線で示したように、ある放電量の次に来る充電量が必ず大きくなるため、すなわち放電量＜充電量であるため、徐々に満充電値に近づくような充放電サイクルを描く。一方、従来品のように充電効率η値を固定して充放電を繰り返すと、図３に点線で示したように常に放電量＞充電量となり、すぐに終止電圧に達してしまい、使用不可能となってしまう。

なお、本発明の充放電管理を実施した場合、無人搬送車を長期間使用して電池寿命に近づくまで終止電圧にならない使用が可能になる。すなわち、電池寿命に近づいてくると、図４に示すように使用できる範囲が狭くなり終止電圧に近づいてくる。その場合には、既に上記に説明したように図５の「終止電圧？（Ｓ４）」、「放電停止（１７）」、「終止電圧＋αＶ？（Ｓ５）」、「終止電圧警報（Ｓ６）」の各ステップにより、使用不可能な電池として、適切に処理される。

次に電池が満充電になった場合（Ｓ１２）、充電を停止し（１４）、次の充電時に使用する充電量を低下させるため充電効率η値を大きくする（１６）。そうすることによって再び電池容量の８０％近傍での充放電が可能になる。一方、満充電でない場合には、先に求めた充電量計算値（Ｓ９）まで充電されているかどうかを判断し（Ｓ１３）、充電されていれば充電を中止（Ｓ１５）し、再び、充電済み無人搬送車として活用される。反対に、充電量計算値まで充電させていない場合には充電開始（Ｓ１０）に戻される。

満充電の確認方法としては、電池温度に１℃／１分間の変化があれば満充電と判断するいわゆる「ｄＴ／ｄｔ制御」、若しくは、充電時の電池電圧に−０．０１Ｖ／１セル当たりの電圧変化があれば満充電と判断するいわゆる「ΔＶ制御」が好適に使用される。

本発明のハード構成の一例を示しているブロック図。 本発明のハード構成の別の例を示しているブロック図。 本発明と従来発明の充放電サイクルを示した概念図。 長期間使用した時の充放電サイクルを示した概念図。 本発明の充放電制御のフローチャート。 無人搬送車停車中に定期的に充電容量と充電効率を算出するフローチャート。

符号の説明

１ ・・・ 充放電器電池
２ ・・・ 充放電回路制御
３ ・・・ 電池
４ ・・・ 充放電制御装置
５ ・・・ 駆動機器
６ ・・・ 通信装置

Claims (3)

1. 搭載した電池を駆動源として無人で走行し、地上側に設けられた充電ステーションで前記電池の充電を行う無人搬送車の電池充放電管理システムにおいて、
   前記電池は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池であって、
   前記電池の放電量Ｐｏｕｔを実測で求め、定期的に補正された充電効率ηを用いて、充電量Ｐｉｎ＝放電量Ｐｏｕｔ／充電効率ηとして充電量Ｐｉｎを算出し充電を行い、
   充電回数毎にあるいは、前記充電量Ｐｉｎまたは前記放電量Ｐｏｕｔの積算値が所定の値に達した場合に前記充電効率η値を漸減させることによって、前記充電量Ｐｉｎを漸増させ、
   前記電池が満充電になった場合、その時点で充電を終了し、次の充電時に使用する前記充電量Ｐｉｎの算出に使う前記充電効率η値を大きくすること
   を特徴とする無人搬送車の電池充放電管理システム。
2. 前記定期的に補正された充電効率η値は、前記無人搬送車が前記充電ステーションに停車状態にある一定期間毎に前記電池を満充電し、次に終止電圧まで放電し放電量を測定した後、再度満充電まで充電し充電量を測定し、測定値として得られた充電量と放電量から充電効率η＝放電量／充電量として求めることを特徴とする請求項１に記載の無人搬送車の電池充放電管理システム。
3. 前記電池の端子間電圧が終止電圧＋αＶになった際に警報を出力する手段を有し、
   前記電池の端子間電圧が終止電圧まで低下したら放電を停止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無人搬送車の電池充放電管理システム。

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