JP2010011708A - 電池パックの充電制御方法、放電制御方法および充放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池構成材料の劣化を抑制するとともに、高出力を維持しつつメモリー効果を抑制できる、アルカリ蓄電池からなる電池パックの充放電制御方法および充放電システムを提供する。
【解決手段】電池パックは、少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含み並列に接続された複数の電池ブロックと、前記各電池ブロックに流れる電流の値を調整可能な電流調整手段とを有する。この電池パックを充電または放電する際に、前記各電池ブロックに異なる充電電流または放電電流を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ蓄電池からなる電池パックの充放電制御方法および充放電システムに関する。

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と記す）や非常用電源などの産業用途を中心に需要が拡大しつつある。なかでもＨＥＶにおいては、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）との双方を行う必要がある。よって、アルカリ蓄電池の充電状態（State of charge：ＳＯＣ）を常に監視し、ＳＯＣに応じて充放電を制御する必要がある。

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、完全放電（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メモリー効果が生じる。すなわち、蓄電池の残容量に対する起電力値が低下し、容量が見かけ上減少する。メモリー効果の発生を抑制するために、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のような用途では、瞬時に大電流での充放電が絶え間なく行われる。よって、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ことを回避する必要がある。そこで、完全放電や完全充電が行われないように、充電を禁止する上限ＳＯＣ（充電終止電圧）と、放電を禁止する下限ＳＯＣ（放電終止電圧）とを設け、両終止電圧の間で充放電を制御する方法が採用されている。

メモリー効果を低減させるために、従来から種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１は、電池の放電電流から電池電圧を演算して推定電池電圧を求め、実際の測定電圧がこの推定電池電圧より低くなるとき、放電下限電圧を低く補正することにより、充放電領域の幅を広くする方法を開示している。また、他の手段としてシステムの充放電電流の値を変化させて、両終止電圧間の充放電領域の幅を広くする方法が考えられる。
特開２００１−１８６６８２号公報

しかし、特許文献１のように放電終止電圧を下げると、正極に含まれるコバルト化合物の還元が促進されるため、正極が劣化しやすい。また、充電終止電圧を上げると、正極から発生する酸素の量が増加するため、負極活物質である水素吸蔵合金の酸化が促進される。その結果、負極の反応抵抗が上昇する。すなわち、終止電圧を変動させると、電池構成材料の劣化が促進される。また、システムの充放電電流値を変化させると、電流が小さい間はシステムの出力が低下し、電流が高い場合はより早く終止電圧に到達してしまうために、システムとして十分な機能を発揮できなくなる。

すなわち、アルカリ蓄電池の充放電において終止電圧を変動させると、電池の耐久性が低下する。さらに、アルカリ蓄電池の充放電において充放電電流を変動させると、システムの出力が低下する。そのため、特に耐久性と高出力を必要とする用途、例えばＨＥＶ用途等にアルカリ蓄電池を適用することが困難であった。

そこで、本発明は、電池構成材料の劣化を抑制するとともに、高出力を維持しつつメモリー効果を抑制できる、電池パックの充放電制御方法および充放電システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる電池パックの充電制御方法は、少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含むブロックが複数並列に接続され、かつ前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電池パックの充電制御方法であって、前記各ブロックへ異なる充電電流を流すことを特徴とする。また、前記各のブロックに流れる充電電流を合計した値を一定としつつ、各ブロックに流れる充電電流を、制御によって定期的に変動させることを特徴とする。

本発明においては、いずれかのブロックが充電終止電圧に達すると、各ブロックの充電電流を変動させることが好ましい。また充電終止電圧は、充電状態（ＳＯＣ）の７０〜８５％に相当する電圧であることが好ましい。本発明の好ましい一態様においては、充電終止電圧を、電池パック温度に応じて設定する。

本発明にかかる電池パックの放電制御方法は、少なくとも１つの前記アルカリ蓄電池を含むブロックが複数並列に接続され、かつ前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電池パックの放電制御方法であって、前記各ブロックへ異なる放電電流を流すことを特徴とする。また、前記各ブロックに流れる放電電流を合計した値を一定としつつ、各ブロックに流れる放電電流を、制御によって定期的に変動させることを特徴とする。

本発明においては、いずれかのブロックが放電終止電圧に達すると、各ブロックの放電電流を変動させることが好ましい。また放電終止電圧は、充電状態（ＳＯＣ）の１５〜３０％に相当する電圧であることが好ましい。本発明の好ましい一態様においては、放電終止電圧を、電池パックの温度に応じて設定する。

また、本発明にかかる充放電システムは、
少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含み並列に接続された複数のブロックと、前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電流調整手段とを有する電池パックと、
前記電池パックの電圧を検知する電圧検知手段と、
前記電池パックの温度を検知する温度検知手段と、
予め設定された充電終止電圧および放電終止電圧を記憶する記憶手段と、
前記電圧検知手段において検知される電圧が前記充電終止電圧に達すると、前記各ブロックに流れる充電電流を変更する充電制御手段、および／または、
前記電圧検知手段において検知される電圧が前記放電終止電圧に達すると、前記各ブロックに流れる放電電流を変更する放電制御手段とを備える。

本発明の好ましい一態様において、前記記憶手段は、複数の充電終止電圧を記憶しており、前記充電制御手段が、電池パックの温度に応じて、複数の充電終止電圧から適切な充電終止電圧を選択する。

本発明の好ましい一態様において、前記記憶手段は、複数の放電終止電圧を記憶しており、放電制御手段が、電池パックの温度に応じて、複数の放電終止電圧から適切な放電終止電圧を選択する。

本発明の好ましい一態様において、充放電システムは、さらに、前記各ブロックの充電状態（ＳＯＣ）を記憶する手段と、ブロック間の充電状態を比較する充電制御手段とを備え、他のブロックよりも充電状態が低いブロックには他のブロックよりも大きい電流で充電を行う。

本発明の好ましい一態様において、充放電システムは、さらに、前記各ブロックの充電状態（ＳＯＣ）を記憶する手段と、ブロック間の充電状態を比較する放電制御手段とを備え、他のブロックよりも充電状態が低いブロックには他のブロックよりも小さい電流で放電を行う。

本発明によれば、アルカリ蓄電池の構成材料の劣化を抑制するとともに、高出力を維持しつつメモリー効果を抑制することができる。

最初に、本発明にかかる電池パックの充放電制御方法の原理を説明する。本発明で使用する電池パックは、少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含む複数の電池ブロックで構成されるとともに、それら各電池ブロックが並列に接続されている。

前述したように、アルカリ蓄電池の充放電において、充電終止電圧を上げたり、放電終止電圧を下げたりすると、電池の構成材料が劣化してしまう。また、充放電電流の値を変動させると、電池としての十分な出力が得られなくなる。そこで、本発明にかかる充放電制御方法においては、アルカリ蓄電池の電池パックに対し、電池パックは複数のブロックからなる並列構造に組み、充放電で各ブロックに流れる充放電電流が異なるように制御することで、電池パック全体として大電流の充放電を可能にするとともに、十分な出力を確保している。

さらに本発明にかかる充放電制御方法では、終止電圧を変動させる必要がないため、アルカリ蓄電池の耐久性を低下させることもない。これにより、アルカリ蓄電池の耐久性を低下させることなく、かつ高出力を保持しながら、メモリー効果を抑制することができる。

本発明の充放電制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）に、本発明で用いる、複数の電池ブロック（以下、「ブロック」と略す）を並列に接続した電池パックの構成を示す。電池パック１は、並列に接続された３つのブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃと、これらのブロックに流す電流の値を調整する電流調整器１２を含む。また各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃは、それぞれ直列に接続された複数のアルカリ蓄電池１１を含む。なお、各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに含まれるアルカリ蓄電池１１の数は等しいものとする。

電池パック１に流れる電流は、電流調整器１２によってブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃの電流に分配される。電流調整器１２における電流の分配率は、後述する制御部２からの制御信号によって変えることができる。以下、本発明にかかる電池パック１の充電制御方法および放電制御方法について、それぞれ説明する。

（１）充電制御方法
図１（Ａ）に示すように、電池パック１全体としての充電電流の値をＩｐ１とし、ブロック１０ａの充電電流の値をＩａ１、ブロック１０ｂの充電電流の値をＩｂ１、ブロック１０ｃの充電電流の値をＩｃ１とすると、Iｐ１＝Ｉａ１＋Ｉｂ１＋Ｉｃ１となる。電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉａ１＞Ｉｂ１＞Ｉｃ１とすると、ブロック１０ａは分極が大きくなり、最初に充電終止電圧に到達する。なおこの際、電池パック全体の充電電流Ｉｐ１は常に一定となるように制御する。

その後、電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉｂ１＞Ｉｃ１＞Ｉａ１となるように充電を行う。このとき、ブロック１０ａは分極が小さくなるため、充電が深くなっても（すなわちＳＯＣが大きくなっても）充電終止電圧に到達しなくなる。これにより、ブロック１０ａのメモリー効果は抑制されることになる。

ブロック１０ｂが充電終止電圧に到達すると、再び電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉｃ１＞Ｉａ１＞Ｉｂ１となるように充電を行う。以降、このサイクルを繰り返す。電池パック１全体の充電電流Ｉｐ１は常に一定となるように制御しているため、電池パックの充電出力が低下することはない。

（２）放電制御方法
放電に関しても、充電の場合と考え方は同じである。図１（Ｂ）に示すように、電池パック１全体としての放電電流をＩｐ２とし、ブロック１０ａの放電電流をＩａ２、ブロック１０ｂの放電電流をＩｂ２、ブロック１０ｃの放電電流をＩｃ２とすると、Ｉｐ２＝Ｉａ２＋Ｉｂ２＋Ｉｃ２となる。電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉａ２＞Ｉｂ２＞Ｉｃ２とすれば、Ｉａ２は分極が大きくなり、最初に放電終止電圧に到達する。なおこの際、電池パック１全体の充電電流Ｉｐ２は常に一定となるように制御する。

その後、電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉｂ２＞Ｉｃ２＞Ｉａ２となるように放電を行う。このとき、ブロック１０ａは分極が小さくなるため、放電が深くなっても（すなわちＳＯＣが小さくなっても）放電終止電圧に到達しなくなる。これにより、ブロック１０ａのメモリー効果は抑制されることになる。

ブロック１０ｂが放電終止電圧に到達すると、再び電流調整器１２によって各ブロック１０ａ〜１０ｃに流す電流値を変え、Ｉｃ２＞Ｉａ２＞Ｉｂ２となるように放電を行う。以降、このサイクルを繰り返す。電池パック１全体の放電電流Ｉｐ２は常に一定となるように制御しているため、電池パック１の放電出力が低下することもない。

上記のような充電および／または放電を行うことで、終止電圧を変動させることなく、電池パックを高出力で維持しつつメモリー効果を有効に抑制することができる。すなわち、効率的に充放電システムを稼動させることができる。

なお、上記の制御方法による放電および充電の少なくとも一方を行えば、本発明の効果は得られるが、放電および充電の両方を上記の制御方法により行うことで、メモリー効果をさらに有効に抑制することができる。

充電終止電圧は、ＳＯＣ７０〜８５％に相当する電圧であることが好ましい。充電終止電圧がＳＯＣ７０％以上に相当する電圧であることで、メモリー効果を有効に抑制することができる。一方、充電終止電圧がＳＯＣ８５％以下に相当する電圧であることで、正極からの酸素の発生を十分に抑制することができる。

放電終止電圧は、充電状態（ＳＯＣ）の１５〜３０％に相当する電圧であることが好ましい。放電終止電圧がＳＯＣ１５％以上に相当する電圧であることで、正極に含まれるコバルトの還元を十分に抑制することができる。一方、放電終止電圧がＳＯＣ３０％以下に相当する電圧であることで、メモリー効果を有効に抑制することができる。

本発明の好ましい一態様においては、充電終止電圧を、充電電流値や電池温度に応じて設定する。充電電流値や電池温度が異なると電池の分極状態も異なり、充電時における閉回路電圧も変動する。すなわち、電池の構成材料が劣化しやすい条件や、メモリー効果を抑制できる電圧の範囲も異なる。したがって、それぞれの条件に適した充電終止電圧で制御を行うことで、メモリー効果をより有効に抑制することができる。

本発明の好ましい一態様においては、放電終止電圧を、放電電流値や電池温度に応じて設定する。放電電流値や電池温度が異なると、電池の分極状態も異なり、放電時における閉回路電圧も変動する。すなわち、電池の構成材料が劣化しやすい条件や、メモリー効果を抑制できる電圧の範囲も異なる。したがって、充電時と同様に、それぞれの条件に適した放電終止電圧で制御を行うことで、メモリー効果をより有効に抑制することができる。

次に、充電終止電圧および放電終止電圧の設定方法について説明する。充電終止電圧および放電終止電圧は、所定のＳＯＣに相当する電圧とすることが、設定が容易である観点から好ましい。所定のＳＯＣに相当する電圧は、例えば以下の方法によって、百分率による数値化を行うことができる。

予め、ＳＯＣと電圧電流特性（Ｉ−Ｖ値）との関係を示す検量線を作成しておく。適宜Ｉ−Ｖ値を測定し、検量線と照合すれば、ＳＯＣをモニタリングすることができる。これに加え、充放電電流の積算値（理論的なＳＯＣが算出可能）にてモニタリングされたＳＯＣの補正を行うことにより、ＳＯＣの百分率による数値化をさらに高い精度で行うことができる。

次に、本発明にかかる充放電制御方法を採用した充放電システムの構成と動作について、図面を参照して説明する。図２は、本発明にかかる充放電システムをＨＥＶに適用した場合のシステム構成を示す。本発明にかかる充放電システム１００は、電池パック１、制御部２、記憶部３およびインバータ４を含む。なおインバータ３は、内燃機関（エンジン）、発電機およびモータを含むＨＥＶの車両駆動系５に接続されている。通常、インバータ４および車両駆動系５は専用の制御部によって制御されるが、説明を簡単にするため、ここでは、制御部２が車両駆動系５の制御も併せて行うものとする。

前述したように電池パック１は、電流調整器１２を介して並列に接続された複数のブロック（本実施の形態ではブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃの３つ）を含み、また各ブロックは直列に接続された複数のアルカリ蓄電池１１を含む。複数の蓄電池を直列に接続することで、ＨＥＶが必要とする出力電圧を得ている。

電池パック１に内蔵された電流調整器１２は、制御部２からの制御信号Ｓｐに基づいて、電池パック１の電流値Ｉｐを各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに分配する。

電池パック１の各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃには、電流センサ１３ａ、１３ｂおよび１３ｃがそれぞれ直列に接続されている。また電池パック１には、電池パック全体の電流を検出する電流センサ１３ｐが接続されている。電流センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｐで検出した電流値Ｉａ、Ｉｂ、ＩｃおよびＩｐは制御部２に入力される。更に電池パック１には、両端電圧を検出する電圧センサ１４と温度を検出する温度センサ１５が接続されている。電圧センサ１４で検出した電池パック１の両端電圧Ｖｐと温度センサ１５で検出した電池パック１の温度Ｔｐも制御部２に入力される。

制御部２は充電制御手段２１と放電制御手段２２を含む。また制御部２には記憶部３が接続されている。記憶部３には、電池パック１の充電終止電圧および放電終止電圧、ならびにＳＯＣと（Ｉ−Ｖ値）との関係が記憶されている。

電池パック１の充電は、車両駆動系５内の発電機によって行われる。図示しない内燃機関の運動エネルギーや停止時の摩擦エネルギーに基づいて発電機で発生した交流の電流が、制御部２からの制御信号Ｓｉに基づき、インバータ４で直流の電流に変換され、電池パック１に供給される。また放電時には、電池パック１から供給され、インバータ４で直流から交流に変換された電流が、車両駆動系５内のモータに供給され、電気エネルギーが運動エネルギーに変換される。

以下、本実施の形態にかかる充放電システム１００の充放電動作について、図２を参照して説明する。なお、前述の図１（Ａ）では各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃの充電電流をＩａ１、Ｉｂ１およびＩｃ１とし、図１（Ｂ）では各ブロック１０ａ、１０ｂおよび１０ｃの放電電流をＩａ２、Ｉｂ２およびＩｃ２とした。しかし、煩雑さを避けるため、以下の説明では充電電流、放電電流ともに、Ｉａ、ＩｂおよびＩｃと表示する。

最初に充電動作について説明する。制御部２は、温度センサ１５で検知した電池パック１の表面温度と、電流センサ１３ａ〜１３ｃで検知した電流値Ｉａ〜Ｉｃに応じて、適切な充電終止電圧を設定する。また制御部２は、電圧センサ１４で検出した電圧値Ｖｐが充電終止電圧に達すると、制御信号Ｓｐによって電流調整器１２を制御し、各ブロック１０ａ〜１０ｃに流れる電流値を変更する。その後、制御部２は、電池パック１の電圧Ｖｐが所定値に達するまで充電を行う。

次に、放電動作について説明する。制御部２は、温度センサ１５で検知した電池パック１の表面温度Ｔｐと、電流センサ１２ａ〜１２ｃで検知した電流Ｉａ〜Ｉｃに応じて、適切な放電終止電圧を設定する。制御部２は、電圧センサ１４で検出した電圧値Ｖｐが放電終止電圧に達すると、制御信号Ｓｐによって電流調整器１２を制御し、各ブロック１０ａ〜１０ｃに流れる電流値を変更する。その後、制御部２は、電池パック１の電圧Ｖｐが所定値に達するまで放電を行う。

本発明の好ましい一態様において、記憶部３は複数の充電終止電圧を記憶している。このとき、充電制御手段２１は、充電電流および／または電池パック１の温度Ｔｐに応じて、複数の充電終止電圧から適切な充電終止電圧を選択する。

本発明の好ましい一態様において、記憶部３は複数の放電終止電圧を記憶している。このとき、放電制御手段２２は、放電電流および／または電池パック１の温度Ｔｐに応じて、複数の放電終止電圧から適切な放電終止電圧を選択する。

次に、ブロック１１の構成単位であるアルカリ蓄電池の構造および製法について説明する。アルカリ蓄電池は、正極、負極、セパレータおよびアルカリ電解液を含む。アルカリ蓄電池の種類は特に限定されないが、例えばニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池が挙げられる。

アルカリ蓄電池の正極は、必須成分として正極活物質を含み、任意成分として導電材や、他の添加剤を含む。正極活物質としては、水酸化ニッケルが挙げられる。導電材としては、例えば、金属コバルト、コバルト化合物等が挙げられる。コバルト化合物としては、コバルト酸化物、コバルト水酸化物等が挙げられる。他の添加剤としては、例えば、希土類化合物、酸化亜鉛等が挙げられる。これらを混合し、三次元金属多孔体に充填したり、二次元金属多孔体に塗布したりすることで、正極が得られる。

アルカリ蓄電池の負極は、必須成分として負極活物質を含み、任意成分として添加剤を含む。ニッケル水素蓄電池の場合、負極活物質には水素吸蔵合金が用いられる。ニッケルカドミウム蓄電池の場合、負極活物質にはカドミウムやカドミウム化合物が用いられる。添加剤としては、炭素材料や、結着剤が挙げられる。これらを混合し、三次元金属多孔体に充填したり、二次元金属多孔体に塗布したりすることで、負極が得られる。

セパレータとしては、ポリオレフィン樹脂からなる不織布等を用いることができる。
電解液は、例えば、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液を用いればよい。

上述した正極および負極を、間にセパレータを挟んだ状態で捲回または積層して電極群を作製する。得られた電極群を電池缶に挿入し、アルカリ水溶液からなる電解液を注入した後封口すると、アルカリ蓄電池が得られる。電池の形状は特に限定されないが、例えば円筒型や角型が挙げられる。

以下、本発明にかかる充放電制御方法について、実施例に基づき具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
《実施例１》
１．アルカリ蓄電池の作製
正極活物質として水酸化ニッケルを含む、長尺状の正極を作製した。また、負極活物質として水素吸蔵合金を含む、長尺状の負極を作製した。正極と負極とを、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挟んだ状態で捲回し、電極群を構成した。この電極群を内径３０ｍｍ、長さ６０ｍｍの円筒型の電池缶に挿入した。電池缶に水酸化カリウム水溶液を電解液として注入した後封口し、公称容量６Ａｈのニッケル水素蓄電池を得た。

２．充放電システムの作製
ニッケル水素蓄電池を１２セル直列に接続して、ブロックを作製し、このブロック３個（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を並列に接続して電池パック１を構成した。電池パック１、電流センサ１３ａ〜１３ｃ、電圧センサ１４、温度センサ１５、制御部２、記憶部３およびインバータ４を図２に示すように接続し、充放電システム１００を作製した。

３．充放電システムの充放電制御
充放電システム１００の充放電制御について図３および図４を参照して説明する。なお、図３および図４では、各ブロックに流れる電流を分かり易く表示するため、電流調整器１２を省略している。

最初に図３を参照して放電制御について説明する。充放電システム１００に対して、システム全体の放電電流Ｉｐが６０Ａ必要な場合を想定し、最初に図３（Ａ）に示すように、ブロック１０ａの放電電流Ｉａを３０Ａ、ブロック１０ｂの放電電流Ｉｂを２０Ａ、ブロック１０ｃの放電電流Ｉｃを１０Ａとして、各ブロックの放電終止電圧に達するまで放電を行った。

その後、図３（Ｂ）に示すように、ブロック１０ａの放電電流Ｉａを１０Ａ、ブロック１０ｂの放電電流Ｉｂを３０Ａ、ブロック１０ｃの放電電流Ｉｃを２０Ａに変更し、放電終止電圧に達するまで放電を行った。

さらにその後、図３（Ｃ）に示すように、ブロック１０ａの放電電流Ｉａを２０Ａ、ブロック１０ｂの放電電流Ｉｂを１０Ａ、ブロック１０ｃの放電電流Ｉｃを３０Ａに変更し、同様に放電終止電圧に達するまで放電を行った。このとき、放電終止電圧は最大電流である３０Ａ放電における各ＳＯＣの電圧で放電終止電圧を設定した。

このような一連のサイクルをシステム全体の電圧がある一定値になるまで、放電を行った。このとき、各ブロックの電気容量に差が出ないように、記憶部３で各ブロックのＳＯＣを記憶し、ＳＯＣが高いブロックに大きい放電電流を流すように制御して各ブロックの放電容量がほぼ同じとなるようにしている。

次に、図４を参照して充電制御について説明する。上記の放電を行った後、システム全体の充電電流Ｉｐが６０Ａ必要な場合を想定し、最初に、図４（Ａ）に示すように、ブロック１０ａの充電電流Ｉａを３０Ａ、ブロック１０ｂの充電電流Ｉｂを２０Ａ、ブロック１０ｃの充電電流Ｉｃを１０Ａとして、各ブロックの充電終止電圧に達するまで充電を行った。

その後、図４（Ｂ）に示すように、ブロック１０ａの充電電流Ｉａを１０Ａ、ブロック１０ｂの充電電流Ｉｂを３０Ａ、ブロック１０ｃの充電電流Ｉｃを２０Ａに変更し、充電終止電圧に達するまで充電行った。

さらにその後、図４（Ｃ）に示すように、ブロック１０ａの充電電流Ｉａを２０Ａ、ブロック１０ｂの充電電流Ｉｂを１０Ａ、ブロック１０ｃの充電電流Ｉｃを３０Ａに変更し、同様に充電終止電圧に達するまで充電を行った。このとき、充電終止電圧は最大電流である３０Ａ充電における各ＳＯＣの電圧で充電終止電圧を設定した。

このような一連のサイクルをシステム全体の電圧がある一定値になるまで、充電を行った。このとき、各ブロックの電気容量に差が出ないように、記憶部で各ブロックのＳＯＣを記憶し、ＳＯＣが低いブロックに大きい充電電流を流すように制御して各ブロックの充電容量がほぼ同じとなるようにしている。

この充放電サイクルを１サイクルとして、電池表面温度が２５℃の条件下で１０００サイクルの充放電を実施した。

《実施例２〜５》
放電終止電圧を、それぞれＳＯＣ１５％、３０％、１０％、３５％に相当する電圧としたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。

《実施例６〜９》
充電終止電圧を、ＳＯＣ７０％、８５％、６５％、９０％に相当する電圧としたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。

《実施例１０》
電池表面温度を４５℃とした。さらに、電池表面温度を２５℃と仮定したときのＳＯＣ８０％に相当する電圧を充電終止電圧とし、電池表面温度を２５℃と仮定したときのＳＯＣ２０％に相当する電圧を放電終止電圧としたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。

《実施例１１》
電池表面温度を４５℃とした。さらに、電池表面温度を４５℃としたときのＳＯＣ８０％に相当する電圧を充電終止電圧とし、電池表面温度を４５℃としたときのＳＯＣ２０％に相当する電圧を放電終止電圧としたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。

《比較例１》
各ブロックに流れる充放電電流をすべて２０Ａとした以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。このとき、充放電終止電圧は２０Ａ充放電における各ＳＯＣの電圧で充放電終止電圧を設定した。

《比較例２》
各ブロックに流れる充放電電流をすべて２０Ａとした以外、実施例１１と同様にして充放電サイクルを行った。このとき、充放電終止電圧は２０Ａ充放電における各ＳＯＣの電圧で充放電終止電圧を設定した。

《比較例３》
各ブロックに流れる充放電電流をすべて２０Ａとした。さらに、放電終止電圧をＳＯＣ２０％に相当する電圧とし、充放電５０サイクルごとに放電終止電圧を０．１００Ｖずつ低下させたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。

《比較例４》
各ブロックに流れる充放電電流をすべて２０Ａとした。さらに、充電終止電圧をＳＯＣ８０％に相当する電圧とし、充放電５０サイクルごとに充電終止電圧を０．１００Ｖずつ上昇させたこと以外、実施例１と同様にして充放電サイクルを行った。
なお、上記実施例および比較例では、初期状態において、あらゆるＳＯＣ、電流値、温度におけるＩ−Ｖ値を測定し、検量線を作成した。

充放電時のＩ−Ｖ値を測定してＳＯＣをモニタリングして百分率化し、制御に反映させた。各条件におけるＳＯＣおよびＩ−Ｖ値の一部を、表１および表２に示す。表１は、電流値３０Ａ、電池表面温度が２５℃の時のＩ−Ｖ値を示す。表２は、電流値３０Ａ、電池表面温度が４５℃の時のＩ−Ｖ値を示す。

（１）メモリー効果の評価
１０００サイクル終了後の各電池において、充電終止電圧から、放電終止電圧に到達するまでの放電容量を評価した。この放電容量が初期の放電容量に対して５５％未満のものをメモリー効果が「顕著」、５５％以上、８０％未満のものをメモリー効果が「有り」、８０％以上、９５％未満のものをメモリー効果が「少し有り」、９５％以上のものをメモリー効果が「無し」とした。

（２）電池容量の評価
上記（１）の評価を行った後、電池温度を２５℃、電流値を３Ａとし、主電源の電圧が１２Ｖに達するまで放電を行った。その後、以下に示す充放電試験を３サイクル実施し、３サイクル目の放電容量を主電源の電池容量とした。ここでの放電容量が初期容量の９５％以上のものを「同等」、９０％以上、９５％未満のものを「やや低下」、９０％未満のものを「低下」とした。
充電―３Ａにて２．４時間
休止―１時間
放電―３Ａにて電圧が１２Ｖに達するまで

（３）出力試験
上記（２）の評価を行った後の充放電システムに対して３Ａで１時間充電を行った後、以下に示す４種類の充放電をそれぞれ行った。
充放電ａ：放電−６Ａにて２０秒、休止５分、充電−６Ａにて２０秒、休止５分
充放電ｂ：放電−１８Ａにて２０秒、休止５分、充電−１８Ａにて２０秒、休止５分
充放電ｃ：放電−３６Ａにて２０秒、休止５分、充電−３６Ａにて２０秒、休止５分
充放電ｄ：放電−６０Ａにて２０秒、休止５分、充電−６０Ａにて２０秒、休止５分

この４種類の放電において、放電開始から１０秒後の電圧降下量ＶＡを読み取り、このＶＡを各電流値で除することにより、ＤＣＩＲ（内部抵抗値）を算出し、実施例１の充放電システムの内部抵抗値を基準として各充放電システムの内部抵抗の差を求めた。ここで実施例１との差が１ｍΩ未満のものを「同等」、１ｍΩ以上、３ｍΩ未満のものを「やや上昇」、３ｍΩ以上のものを「上昇」とし、出力特性の指標とした。各測定条件および結果を、表３に示す。

各ブロックへの充放電電流を２０Ａとした比較例１では、顕著なメモリー効果が発生していた。一方、各ブロックへの充放電電流を変化させた各実施例では、メモリー効果が抑制されていた。

ただし、放電終止電圧をＳＯＣ３５％相当の電圧とした実施例５や、充電終止電圧をＳＯＣ６５％相当の電圧とした実施例８では、比較例１ほどではないものの、メモリー効果が見られた。

実施例５では深い放電ができなかったことに起因するメモリー効果、実施例８では、深い充電ができなかったことに起因するメモリー効果によるものである。

放電終止電圧をＳＯＣ１０％相当の電圧とした実施例４では電池パック１の内部抵抗がやや上昇し、電池容量もやや低下する結果となった。これは放電が深く入りすぎたために、正極に含まれるコバルト化合物が電解液へ徐々に溶出し、正極の導電性が低下したことに起因する。さらに充電終止電圧をＳＯＣ９０％相当の電圧とした実施例９では主電源の内部抵抗がやや上昇する結果となった。これは充電が深く入りすぎたために、正極から発生する酸素の量が増加し、負極の活物質である水素吸蔵合金の表面に酸化膜が生成したために反応抵抗が上昇したことに起因する。

以上より、放電終止電圧はＳＯＣ１５〜３０％相当の電圧であることが好ましく、充電終止電圧はＳＯＣ７０〜８０％相当の電圧であることが好ましいことがわかった。

電池表面温度を４５℃とし、充電終止電圧および放電終止電圧を適した値に設定していない実施例１０では、主電源の内部抵抗がやや上昇していた。これは、酸素発生電圧が低下して、酸素発生量が増加したためと考えられる。一方、電池表面温度に適した充電終止電圧および放電終止電圧を設定した実施例１１では、実施例１０よりも主電源の内部抵抗の上昇が抑制されていた。なお、実施例１０および１１では、電池表面温度を４５℃としたが、他の電池表面温度でも同様の効果が得られた。

ただし、電池表面温度に適した充電終止電圧および放電終止電圧に設定した場合でも、各ブロックの電流を同じとした比較例２では、メモリー効果が顕著に発生していた。

以上より、充電終止電圧および放電終止電圧を電池表面温度に応じて設定することで、本発明の効果がより大きくなることがわかった。

各ブロックへの充放電電流を２０Ａとし、放電終止電圧をＳＯＣ２０％に相当する電圧から５０サイクルごとに０．１００Ｖ低下させた比較例４では、メモリー効果の抑制は見られたものの、主電源の内部抵抗上昇および容量低下が顕著であった。

また、各ブロックへの充放電電流を２０Ａとし、充電終止電圧をＳＯＣ８０％に相当する電圧から５０サイクルごとに０．１００Ｖ上昇させた比較例５では、主電源の内部抵抗上昇が顕著であった。

以上より、充電終止電圧および放電終止電圧は、変動させないことが好ましいことがわかった。

以上説明したように、本発明の充放電制御方法によれば、アルカリ蓄電池の構成材料の劣化を抑制し、耐久性を低下させることなく、メモリー効果を抑制することができる。これにより、優れた耐久性を有し、かつメモリー効果が抑制された充放電システムを提供することができる。

なお、本実施例ではブロックの３個を並列に接続した例を用いたが、２個以上であれば同様の効果が得られる。また、充放電電流に関して、本実施例では３０Ａ、２０Ａ、１０Ａで説明したが、特に限られるものではなく、他の電流値においても同様の効果が得られる。

本発明の充放電システムの用途は特に限定されないが、ＨＥＶ、家庭用コージェネ、産業用などの用途に特に適している。

本発明にかかる電池パックの充放電制御方法の原理を説明する図である。 本発明にかかる充放電システムの構成を示すブロック図である。 実施例における放電制御の説明図である。 実施例における充電制御の説明図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ 制御部
３ 記憶部
４ インバータ
５ 車両駆動系
１０ａ〜１０ｃ ブロック
１１ アルカリ蓄電池
１２ 電流調整器
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｐ 電流センサ
１４ 電圧センサ
１５ 温度センサ
２１ 充電制御手段
２２ 放電制御手段
１００ 充放電システム

Claims (17)

1. 少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含むブロックが複数並列に接続され、かつ前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電池パックの充電制御方法であって、
   前記各ブロックへ異なる充電電流を流すことを特徴とする、電池パックの充電制御方法。
2. 前記各ブロックに流れる充電電流を合計した値を一定としつつ、各ブロックに流れる充電電流を定期的に変動させることを特徴とする、請求項１に記載の電池パックの充電制御方法。
3. 前記複数のブロックのうちいずれかのブロックが充電終止電圧に達すると、各ブロックの充電電流を変動させることを特徴とする、請求項１または２に記載の電池パックの充電制御方法。
4. 前記各ブロックの充電状態を監視し、充電状態が低いブロックは他のブロックよりも大きい電流で充電を開始することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の電池パックの充電制御方法。
5. 前記充電終止電圧が、充電状態の７０〜８５％に相当する電圧であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の電池パックの充電制御方法。
6. 前記充電終止電圧を、前記充電電流または前記電池パックの温度に応じて設定することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の電池パックの充電制御方法。
7. 少なくとも１つのアルカリ蓄電池を含むブロックが複数並列に接続され、かつ前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電池パックの放電制御方法であって、
   前記各ブロックへ異なる放電電流を流すことを特徴とする、電池パックの放電制御方法。
8. 前記各ブロックに流れる放電電流を合計した値を一定としつつ、各ブロックへの放電電流を定期的に変動させることを特徴とする、請求項７に記載の電池パックの放電制御方法。
9. 前記複数のブロックのうちいずれかのブロックが放電終止電圧に達すると、各ブロックの放電電流を変更することを特徴とする、請求項７または８に記載の電池パックの放電制御方法。
10. 前記各ブロックの充電状態を監視し、充電状態が高いブロックは他のブロックよりも大きい電流で放電を開始することを特徴とする、請求項７ないし９のいずれかに記載の電池パックの放電制御方法。
11. 前記放電終止電圧が、充電状態の１５〜３０％に相当する電圧であることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載の電池パックの放電制御方法。
12. 前記放電終止電圧を、前記放電電流または前記電池パックの温度に応じて設定することを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載の電池パックの放電制御方法。
13. 少なくとも1つのアルカリ蓄電池を含み並列に接続された複数のブロックと、前記各ブロックに流れる電流の値を調整可能な電流調整手段とを有する電池パックと、
    前記電池パックの電圧を検知する電圧検知手段と、
    前記電池パックの温度を検知する温度検知手段と、
    予め設定された充電終止電圧および放電終止電圧を記憶する記憶手段と、
    前記電圧検知手段において検知される電圧が前記充電終止電圧に達すると、前記各ブロックに流れる充電電流を変更する充電制御手段、および／または、
    前記電圧検知手段において検知される電圧が前記放電終止電圧に達すると、前記各ブロックに流れる放電電流を変更する放電制御手段と
    を備える充放電システム。
14. 前記記憶手段は複数の充電終止電圧を記憶しており、前記充電制御手段は、前記電池パックの温度に応じて、前記複数の充電終止電圧から適切な充電終止電圧を選択する、請求項１３に記載の充放電システム。
15. 前記記憶手段は、複数の放電終止電圧を記憶しており、前記放電制御手段は、前記電池パックの温度に応じて、前記複数の放電終止電圧から適切な放電終止電圧を選択する、請求項１３に記載の充放電システム。
16. 前記各ブロックの充電状態を記憶する手段と、
    ブロック間の充電状態を比較する充電制御手段とをさらに備え、
    他のブロックよりも充電状態が低いブロックには前記他のブロックよりも大きい電流で充電を行う、請求項１４に記載の充放電システム。
17. 前記各ブロックの充電状態を記憶する手段と、
    ブロック間の充電状態を比較する放電制御手段とをさらに備え、
    他のブロックよりも充電状態が低いブロックには前記他のブロックよりも小さい電流で放電を行う、請求項１５に記載の充放電システム。

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