JP2008159298A - Power source system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルカリ蓄電池を主電源とした電源システムに関し、より詳しくはアルカリ蓄電池の保存状態を適正化して長寿命化する技術に関する。 The present invention relates to a power supply system using an alkaline storage battery as a main power source, and more particularly to a technique for optimizing the storage state of an alkaline storage battery and extending its life.
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と略記)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、補助動力源であるアルカリ蓄電池はモータ駆動(放電)において連続的なアシストを必要とするために、充電深度(以下SOC、満充電時を100%、完全放電時を0%と定義して数値化)を高くする(具体的にはSOC=80%程度)ことが多い。 Demand for alkaline storage batteries such as nickel metal hydride storage batteries is increasing mainly in hybrid vehicles (hereinafter abbreviated as HEV) and industrial applications (emergency power supply, etc.). Especially in HEV, since the alkaline storage battery, which is an auxiliary power source, requires continuous assistance in driving the motor (discharge), the charge depth (hereinafter referred to as SOC, 100% when fully charged and 0% when fully discharged) is defined. (Numericalization) is often increased (specifically, SOC = 80%).
ところで正極活物質に水酸化ニッケルを用いるアルカリ蓄電池の寿命劣化要因の一つに充放電サイクルに伴う劣化が挙げられる。これは、充放電の繰り返しにより低密度なγ―NiOOHが活物質中に生成し、これにより正極が電解液を取り込みながら膨潤し、セパレータ中の電解液を枯渇させる現象に伴うものである。このような劣化はSOCを0〜100%の領域で使用するような場合に起こりやすいので、特に長寿命が要望されるHEV用途ではSOCを20〜80%程度の範囲で使用することが望まれている(例えば特許文献1)。
しかしながらSOCの上限値を80%に設定しても、状況によっては低密度なγ−NiOOHは生成し、結果的に正極の膨潤による劣化は起こる。具体的には、アルカリ蓄電池を短時間で繰り返し充放電している場合は問題ないものの、アルカリ蓄電池のSOCが80%近傍の状態で充放電せずに保存すると、上述した課題は頻発する。HEVを長期間使わないことなどはよくあるので、短時間で繰り返し充放電して得られた実験データとは異なる挙動が生じることによる弊害を避ける必要がある。 However, even if the upper limit value of the SOC is set to 80%, low density γ-NiOOH is generated depending on the situation, and as a result, deterioration due to swelling of the positive electrode occurs. Specifically, although there is no problem when the alkaline storage battery is repeatedly charged and discharged in a short time, if the alkaline storage battery is stored without being charged and discharged in a state where the SOC of the alkaline storage battery is close to 80%, the above-described problem occurs frequently. Since it is common not to use HEV for a long period of time, it is necessary to avoid adverse effects caused by behavior different from experimental data obtained by repeated charging and discharging in a short time.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、HEVの実使用環境において主電源であるアルカリ蓄電池を長寿命化できる、信頼性に優れた電源システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable power supply system that can extend the life of an alkaline storage battery as a main power supply in an HEV actual use environment.
上記課題を解決するために、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、主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るSOC検知部と、SOC検知部が読み取った充電深度がA1を超えかつ充電深度の変動幅がA2以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間T1を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を放電させることによって充電深度をA1以下にする制御部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power supply system of the present invention includes a main power source made of an alkaline storage battery, a charge / discharge circuit that controls charging and discharging of the main power source, a voltage sensor that detects the voltage of the main power source, and a voltage sensor. The SOC detection unit that sequentially reads the charging depth from the voltage detected by the battery, and the state in which the charging depth read by the SOC detection unit exceeds A1 and the variation range of the charging depth is A2 or less is recognized as a management required state. And a control unit that reduces the charging depth to A1 or less by discharging the main power source using the charging / discharging circuit when it continues beyond the predetermined time T1.
主電源が用いられていない場合はSOCの変動幅が小さくなるので、充電深度の変動幅がA2以下の状態を主電源が保存状態に置かれた要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を強制的に放電させることにより、正極の膨潤による劣化が抑制でき、主電源を長寿命化させることができる。 When the main power supply is not used, the fluctuation range of the SOC becomes small. Therefore, the fluctuation range of the charging depth is recognized as a management requirement state in which the main power source is placed in the storage state, and this management requirement state is When the main power supply is forcibly discharged using the charge / discharge circuit when it continues beyond a predetermined time, deterioration due to swelling of the positive electrode can be suppressed, and the life of the main power supply can be extended.
以上のように本発明によれば、主電源であるアルカリ蓄電池の長寿命化が図れるので、電源システムのHEV用途などにおける信頼性を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the life of the alkaline storage battery as the main power source can be extended, and thus the reliability of the power supply system in HEV applications can be improved.
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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
第1の発明は、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るSOC検知部と、SOC検知部が読み取った充電深度がA1を超えかつ充電深度の変動幅がA2以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間T1を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を放電させることによって充電深度をA1以下にする制御部と、を有する電源システムに関する。 The first invention sequentially determines a main power source composed of an alkaline storage battery, a charge / discharge circuit for controlling charging and discharging of the main power source, a voltage sensor for detecting the voltage of the main power source, and a charging depth from the voltage detected by the voltage sensor. The SOC detection unit to be read and the state where the charge depth read by the SOC detection unit exceeds A1 and the fluctuation range of the charge depth is A2 or less are recognized as the management required state, and this management required state has continued for a predetermined time T1. The present invention relates to a power supply system including a control unit that sometimes lowers the charging depth to A1 or less by discharging a main power supply using a charge / discharge circuit.
図1は本発明の電源システムの構成の一例を示すブロック図である。アルカリ蓄電池からなる主電源1は、CPU2と並列に接続されている。このCPU2には、主電源1の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るSOC検知部と、SOC検知部が読み取った充電深度に応じて主電源を放電させる制御部とが含まれている。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the power supply system of the present invention. A
制御部の機能についてさらに詳述する。SOC検知部が読み取ったSOCが所定値A1より高く、かつSOCの変動幅が所定値A2より小さい場合に、制御部は主電源1を強制的に放電すべき要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間T1を超えて継続したときに、制御部は充放電回路を用いて主電源1を放電させることによって充電深度をA1以下にする。ここで充放電回路とは、CPU2に含まれる制御部の指令に応じて開閉するスイッチ5および6と、スイッチ5と接続された発電機3と、スイッチ6と接続された負荷4とを含む。
The function of the control unit will be further described in detail. When the SOC read by the SOC detection unit is higher than the predetermined value A1 and the fluctuation range of the SOC is smaller than the predetermined value A2, the control unit recognizes the
HEVに用いる電源システムのSOCの挙動の一例を図2に示す。燃焼エネルギーあるいはブレーキによる回生エネルギーは発電機3によって電気エネルギーに変換される。実使用状態ではスイッチ5および6ともにONとなり、負荷4に供給すべき電気量に応じて、発電機1からの電流が主電源1に供給される充電と、電流が発電機3と主電源1の双方から負荷4に供給される放電(急速発進時、加速時、登坂時などに該当)とが頻繁に繰り返される。しかしHEVが未使用状態(例えば車両停止時)になると、SOC値にかかわらず主電源1は放置されることになる。ここで図2(a)に示すように、SOCが所定値A1より大きな値を示す要管理状態となり、しかもこの要管理状態が所定時間T1を超えて継続すると、上述したように低密度なγ−NiOOHが生成しやすくなって正極の膨潤による主電源1の劣化が懸念されるようになる。本発明の電源システムは、SOCの変動幅が所定値A2より小さい状態(すなわち未使用状態)であることが検知できれば制御部が指令し、スイッチ5がOFFのままスイッチ6のみをONにし、図2(b)に示すように負荷4を用いて主電源1のSOCを所定値A1以下に低下させる。この動作によって正極でγ−NiOOHが生成しやすくなる領域を回避できるので、主電源1の劣化が抑制できるようになる。
An example of the SOC behavior of the power supply system used for HEV is shown in FIG. The regenerative energy from the combustion energy or the brake is converted into electric energy by the
なお図1に示す構成は一例であり、電圧センサ、SOC検知部および制御部が別個に構成されていても良い。 The configuration illustrated in FIG. 1 is an example, and the voltage sensor, the SOC detection unit, and the control unit may be configured separately.
第2の発明は、第1の発明を踏まえて、A1を20〜70%としたことを特徴とする。A1を過度に小さくすると、蓄えられた電気エネルギーが極度に少なくなって電源としての役割が低下する。一方でA1を過度に大きくすると、上述したγ−NiOOHの生成に
起因する劣化が十分に防げなくなる。
The second invention is characterized in that A1 is set to 20 to 70% based on the first invention. If A1 is made excessively small, the stored electric energy is extremely reduced and the role as a power source is lowered. On the other hand, if A1 is excessively increased, the deterioration due to the generation of γ-NiOOH described above cannot be prevented sufficiently.
第3の発明は、第1の発明を踏まえて、A2を0〜2%としたことを特徴とする。A2が2%を超えるSOCの変動をも未使用状態として処理すると、実使用状態との区別が困難になるので好ましくない。 The third invention is characterized in that A2 is set to 0 to 2% based on the first invention. It is not preferable to treat the SOC variation in which A2 exceeds 2% as an unused state because it becomes difficult to distinguish the actual usage state.
第4の発明は、第1の発明を踏まえて、T1を1〜3時間としたことを特徴とする。T1を過度に小さくすると、実使用状態における小休止をも未使用状態と誤認することになる。一方でT1を過度に大きくすると、上述したγ−NiOOHの生成を助長することになるので好ましくない。 The fourth invention is characterized in that T1 is set to 1 to 3 hours based on the first invention. If T1 is excessively small, even a short pause in the actual use state will be mistaken as an unused state. On the other hand, if T1 is excessively increased, the above-described production of γ-NiOOH is promoted, which is not preferable.
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焼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、ポリオレフィン不繊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、この電極群を円筒型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。
A nickel hydride storage battery or a nickel cadmium storage battery can be selected as the alkaline storage battery constituting the
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。 Examples of the present invention will be described in detail below. Needless to say, the present invention is not limited to this embodiment.
(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繊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。
(Example 1)
A long positive electrode using nickel hydroxide as an active material and a long negative electrode using a hydrogen storage alloy as an active material are wound through a separator made of a sulfonated polypropylene non-woven fabric, and the electrode group is Configured. This electrode group was inserted into a cylindrical battery case having an inner diameter of 30 mm and a length of 60 mm, and an electrolyte mainly composed of potassium hydroxide was injected and sealed to obtain a nickel hydride storage battery having a nominal capacity of 6 Ah. This nickel metal hydride storage battery was connected in series in 12 cells to serve as the main power source.
この主電源を用いて図1と同様の電源システムを構成し、強制放電の条件として、SOCの変動幅A2が1%以下であればそのまま放置を継続し、放置が2時間に達した時点で(T1=2時間)、3AにてSOCが50%になるまで放電を行う(A1=50%)ように制御部に入力した。この電源システムを実施例1とする。 A power supply system similar to that shown in FIG. 1 is configured using this main power supply. If the SOC fluctuation range A2 is 1% or less as a condition for forced discharge, the power supply system is continued as it is, and when the power supply is left for 2 hours. (T1 = 2 hours) It was input to the control section so that discharging was performed until SOC reached 50% at 3A (A1 = 50%). This power supply system is referred to as Example 1.
(実施例2〜5)
A1を15%(実施例2)、20%(実施例3)、70%(実施例4)および75%(実施例5)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2〜5とする。
(Examples 2 to 5)
A power supply system configured in the same manner as in Example 1 was implemented except that A1 was 15% (Example 2), 20% (Example 3), 70% (Example 4), and 75% (Example 5). Examples 2 to 5.
(実施例6〜7)
T1を3時間(実施例6)および3.5時間(実施例7)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6〜7とする。
(Examples 6 to 7)
Except that T1 was set to 3 hours (Example 6) and 3.5 hours (Example 7), the power supply system configured in the same manner as Example 1 is referred to as Examples 6-7.
(比較例)
実施例1に示したような強制放電を行わないようにした以外は、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。
(Comparative example)
A power supply system configured in the same manner as in Example 1 is used as a comparative example except that the forced discharge as shown in Example 1 is not performed.
上述した電源システムを、以下に示す方法で評価した。結果を(表1)に示す。 The power supply system described above was evaluated by the following method. The results are shown in (Table 1).
(放電容量測定)
各々の電源システムを完全放電状態から3Aで1.6時間の充電を行い(SOC80%)、電源を要管理状態にした後、45℃環境下で10時間放置した。なお各実施例については、この放置の間に各々の設定条件に応じて強制放電を行った。さらに放置後、3Aで12Vに達するまで放電を行った。この充放電サイクルを300回繰り返し、最後に求めた放電容量αを、A1に6Ahを乗じた理論容量βで除した値を、寿命特性の尺度として(表1)に記した。
(Discharge capacity measurement)
Each power supply system was charged for 1.6 hours at 3 A from a completely discharged state (SOC 80%), and after the power supply was brought into a management-required state, it was left in a 45 ° C. environment for 10 hours. In addition, about each Example, forced discharge was performed according to each setting condition during this leaving. Further, after being left standing, discharging was performed at 3A until reaching 12V. This charge / discharge cycle was repeated 300 times, and the value obtained by dividing the finally obtained discharge capacity α by the theoretical capacity β obtained by multiplying A1 by 6 Ah is shown in Table 1 as a measure of life characteristics.
なお本実施例以外に、SOCの変動幅A2が2%を超えると、実使用状態において微弱な充放電を行っている際に強制放電が行われることを確認した。よってA2は0〜2%であるのが好ましい。また同様に、T1を1時間未満に設定すると、実使用状態における小休止をも未使用状態と誤認し、強制放電が行われることを確認した。よって要管理状態と認定して強制放電を実施するまでの時間T1は1時間以上が好ましい。 In addition to this example, it was confirmed that if the SOC fluctuation range A2 exceeds 2%, forced discharge is performed during weak charge / discharge in the actual use state. Therefore, A2 is preferably 0 to 2%. Similarly, when T1 was set to less than 1 hour, a short pause in the actual use state was mistaken as an unused state, and it was confirmed that forced discharge was performed. Therefore, it is preferable that the time T1 from the recognition of the management required state to the forced discharge is 1 hour or more.
1 主電源
2 CPU
3 外部電源
4 負荷
5 スイッチ
6 スイッチ
1
3 External power supply 4
Claims (4)
前記主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、
前記主電源の電圧を検知する電圧センサと、
前記電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るSOC検知部と、
前記SOC検知部が読み取った充電深度がA1を超えかつ充電深度の変動幅がA2以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間T1を超えて継続したときに前記充放電回路を用いて前記主電源を放電させることによって充電深度をA1以下にする制御部と、
を有する電源システム。 A main power source comprising an alkaline storage battery;
A charge / discharge circuit for controlling charging and discharging of the main power source;
A voltage sensor for detecting the voltage of the main power supply;
An SOC detector that sequentially reads the charging depth from the voltage detected by the voltage sensor;
When the state of charge depth read by the SOC detection unit exceeds A1 and the variation range of the charge depth is A2 or less is recognized as a management required state, the charge / discharge is performed when the management required state continues for a predetermined time T1. A control unit that reduces the charging depth to A1 or less by discharging the main power supply using a circuit;
Having a power system.
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