JP2011233471A - アルカリ蓄電池の充放電制御方法および充放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度の変化に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電できる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法及び充放電システムを提供する。
【解決手段】アルカリ蓄電池から構成された主電源１の側面に、主電源１の内圧（状態）に対応した主電源１の歪値を検出し出力する歪センサ３を取り付け、歪センサ３からの出力値である歪値を電圧センサ２が電圧に変換して制御部５に出力し、制御部５は電圧センサ２の歪値の初期値からの変化量に応じて適切な充電電流値または放電電流値を設定し、設定された電流値に基づき、電流制御部６は主電源１の充放電に伴う充放電電流を変化させる。
【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に対しては、ハイブリッド車（以下、ＨＥＶ；Hybrid Electric Vehicleと記す）や非常用電源などの産業用途を中心にその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、過充電（ＳＯＣが１００％以上）になると、正極から酸素ガスが発生し、負極からは水素ガスが発生し電池内の圧力（内圧）が上昇する。また、過放電（ＳＯＣが０％での放電）になると、負極から水素が発生し、内圧が上昇する。そのため過充電や過放電を続けると内圧上昇により電池が破裂する恐れがあるが、安全弁を設けることで、ある内圧に達すると弁が作動し、電池内のガスを排気させる設計がされている。

ただし、安全弁が作動すると電池内の電解液も排気口から流出するため、電圧異常や電池の早期寿命を引き起こす恐れがある。よって、アルカリ蓄電池が過充電や過放電に入ることを回避させるため、内圧を監視し、充放電を制御することが重要となる。

蓄電池を安全に充放電させるために、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ではいわゆるバッテリのガッシング発生の有無をバッテリ端子間の電圧等に基づいて判断し、ガッシングが生じたと判断した場合は、バッテリへの電力供給を制限する技術を開示している。その後、バッテリの蓄電状態の低下が判断され、必要に応じてバッテリへの電力供給の制限が解除される。

特開平１０−２０１００９号公報

しかし、特許文献１のように電圧による充電制御では、周囲温度の変化により安定した制御が困難となる。具体的には、安全弁の作動内圧は周囲温度により変化し、一般的に高温下では弁作動が起こりやすくなる。また、電池内のガス発生電圧も周囲温度により変化し、高温下ではガス発生電圧が低くなる。

すなわち、ガス発生電圧をある温度の基準で設定すると、周囲温度が変化した場合に適切な制御を行うことが困難となる。周囲温度に対するガス発生電圧を記憶し、周囲温度毎に充放電の終止電圧を制御することも考えられるが、膨大なデータの蓄積が必要となりシステムがより複雑となる。さらに、電池の劣化が進行すると内部抵抗の上昇などによりガス発生電圧も変化するので内圧上昇を引き起こす恐れがある。そのため、特に周囲温度が大きく変化する用途、例えばＨＥＶ用途等では大きな課題となる。

また、ガス発生を検知するガスセンサを用いることも考えられるが、ガスセンサの取り付けが困難であることや、ガスセンサ自体が高価であるため、システムの低コスト化が困難となる。

そこで、本発明は、周囲温度の変化に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電できる、アルカリ蓄電池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。

本発明は、アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を歪センサを用いて検知し、前記歪値に基づいて、前記アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法を提供する。

上記構成によれば、周囲温度の変化に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電することができる。

また、本発明のアルカリ蓄電池の充放電制御方法において、前記歪センサの歪値が充放電終止歪値Δεだけ増加したとき、前記アルカリ蓄電池の充放電を終了させることができる。

上記構成によれば、電池が過充電または過放電に陥ることなく、安全に電池を充放電することができる。

さらに本発明は、アルカリ蓄電池と、前記アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を検知する歪センサと、前記歪値に基づいて、前記アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる充放電制御部と、を備える充放電システムを提供する。

上記構成によれば、周囲温度の変化に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電することができる。

また、本発明の充放電システムにおいて、前記充放電制御部は、前記歪センサの歪値が充放電終止歪値Δεだけ増加したとき、前記アルカリ蓄電池の充放電を終了させることができる。

上記構成によれば、電池が過充電または過放電に陥ることなく、安全に電池を充放電することができる。

本発明によれば、周囲温度の変化やアルカリ蓄電池の劣化状態に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電できる。

（ａ）は充放電下にあるアルカリ蓄電池の内圧状態を内圧センサ（ガスセンサ）で測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は充放電下にあるアルカリ蓄電池の歪状態を歪センサで測定した結果を示すグラフ 充放電システムのブロック図 歪ゲージがアルカリ蓄電池に取り付けられた状態を示す図 歪センサの回路図

本発明は、アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を歪センサを用いて検知し、歪値に基づいて、アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法について説明する。

アルカリ蓄電池の充放電において、周囲温度が変化するとガス発生電圧が変化する。電圧とガス発生の対応関係が変化するため、電圧に応じたガス発生の有無が不明確となり、電池の内圧を制御することが困難となる。また、電池の劣化が進行すると、同一の温度であってもガス発生電圧が変化するため、例えば内圧上昇が発生する恐れがある。この場合、内圧上昇により安全弁が作動し、電池内の電解液も排気口から流出することで、電圧異常や電池の早期寿命終了を引き起こしてしまう。

そこで、本発明の充放電制御方法においては、歪センサが電池の内圧状態を検知し、内圧に応じた電池の歪値に応じて電池の充放電電流が制御される。したがって、周囲温度の変化や電池の劣化に対しても、電池の内圧状態が的確に感知され、充放電を制御し、電池を安全に充放電できる。

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は充放電下にあるアルカリ蓄電池の内圧状態を内圧センサ（ガスセンサ）で測定した結果を示すグラフである図１（ａ）と、充放電下にあるアルカリ蓄電池の歪状態を歪センサで測定した結果を示すグラフである図１（ｂ）とを示すものである。図１（ｂ）の歪センサを用いることにより測定された歪値が、内圧センサを用いることにより測定された図１（ａ）の内圧と高い相関を示していることが理解される。すなわち、ガスの発生を直接検知するが、取り付けが困難で高価な内圧センサの代わりに、取り付けが簡便で周囲温度の影響を受けない歪センサを用いて電池の内圧状態を測定することが可能である。

電池の内圧変化は歪センサのε値（歪値＝外力による変化分／材料の初めの長さ）の変化分であるΔε（εｘ−ε０：εｘは任意の歪値、ε０は初期の歪値）によって検知することができる。電池が過充電状態になると正極からは酸素ガスは発生するが、この酸素ガスにより電池の耐久性を低下させる要因となる。例えば、ニッケル水素蓄電池では負極の活物質である水素吸蔵合金を酸化させ、寿命の早期化を招く可能性がある。

したがって、電池の内圧が上昇した場合、充放電をできるだけ早く停止させることにより、電池をより長期間使用することが可能となる。一方、電池の内圧が上昇しない状態（Δε＝０）で充放電を停止させると、メモリー効果の影響により組電池内の単電池間で電圧のバラツキが発生するため、組電池に充分な充放電が行われず、必要な電池容量を取り出せなくなる可能性がある。

そして本発明の充放電制御方法においては、任意の充放電終止歪値Δεを設定することができ、電池に応じた適切な充放電終止歪値Δεを設定し、歪センサの歪値が当該充放電終止歪値Δεだけ増加したとき、電池の充放電を終了させることができる。このような制御により、電池が過充電や過放電に陥ることなく、安全に電池を充放電させることができる。また、組電池の単電池間での電圧バラツキを抑制できるので、充分な電池容量を取り出すことができる。

次に、アルカリ蓄電池と、アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を検知する歪センサと、歪値に基づいて、アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる充放電制御部と、を備える充放電システムについて説明する。

図２は本発明に係る充放電システムの一例を示すブロック図である。充放電システム１０は、主電源１と、歪センサ３と、電圧センサ２と、記憶部４と、制御部５と、電流制御部６とを備える。制御部５と電流制御部６により充放電制御部が構成される。

主電源１は、複数のアルカリ蓄電池を含んでいるが、単数のアルカリ蓄電池より構成されてもよい。主電源１の側面には主電源１の内圧（状態）に対応した主電源１の歪値を検知し、出力する歪センサ３が取り付けられている。歪センサ３に接続された電圧センサ２は、歪センサ３の出力である主電源１の歪値を電圧の形式で制御部５に出力する。さらに電圧センサ２と接続された制御部５には、記憶部４と電流制御部６が接続されている。

記憶部４には、主電源１の充放電を停止させるべき歪値εの変化量（増加量）に対応する充放電終止歪値Δε値が記憶されている。充電制御手段および放電制御手段を含む制御部５は、電流制御部６を制御する。電流制御部６は制御部５の命令により直接的に主電源１に入る電流を制御するものであり、制御部５と電流制御部６とが主電源１の充放電電流を変化させる充放電制御部を構成する。

次に、充電を行う場合の充放電システム１０の動作について説明する。主電源１の内圧（状態）を歪センサ３が感知するとともに、内圧状態に対応した歪値を検知する。歪センサ３からの出力である歪値を電圧センサ２が電圧に変換し、制御部５に出力する。制御部５は、電圧センサ２の歪値εｘの、初期歪値ε０からの変化量Δε（＝εｘ−ε０：εｘは任意の歪値）に応じて、適切な充電電流値または放電電流値を設定する。設定された充電電流値に基づき、電流制御部６は充電電流または放電電流を変化させる。

そして、制御部５は、歪センサの歪値εｘが充放電終止歪値であるΔεだけ増加したとき、主電源１の充放電を終了させるよう電流制御部６に命令し、電流制御部６は電流を停止させる。このような制御により、主電源１の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、主電源１を安全に充放電できる。

尚、記憶部４は複数のΔε値を記憶し、制御部５がΔε値に応じて適切な充放電電流を選択することもできる。

主電源１たるアルカリ蓄電池の充電用電流は発電機（図示せず）によって供給される。例えば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も、このインバータを用いると効率的である。

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等が挙げられる。

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、例えば水酸化ニッケル等が挙げられる。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を用いる。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を用いる。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。

正極および負極を、セパレータを介して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て、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、角型等が挙げられる。

図３は歪センサ３の一部である歪ゲージＲ１がアルカリ蓄電池に取り付けられた状態を示す図である。本例においては、歪ゲージがアルカリ蓄電池の側面の金属板に接着剤を介して取り付けられている。アルカリ蓄電池の内圧が変化することにより、アルカリ蓄電池の側面の金属板が伸縮し、当該伸縮に対応した歪値を歪ゲージが検出する。歪値の検出が可能なら、歪ゲージの取り付け位置は本例には限定されない。

図３の例で、アルカリ蓄電池を一つの柱に見立てて、当該柱に一方向から均一な過重がかけられたものと仮定する。この場合、荷重方向に軸を合わせて歪ゲージを取り付けた場合の（引張および圧縮）応力σは次式（１）で表わされる。

また、図３に示すように荷重がＷの場合、当該荷重Ｗは以下の式（２）で表される。

つまり、上式より、アルカリ蓄電池の内圧の増加による荷重がわかれば応力がわかり、歪値も求めることができる。

図４は歪センサ３を含む電圧センサ２の回路図を示す。図４の電圧センサ２は歪センサ３がブリッジ回路に組み込まれて構成される例で、特に１ゲージ法による電圧センサ２の例である。本例では、ホイートストンブリッジ回路の一辺に歪センサ３が、他の三辺に固定抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が接続されて電圧センサ２が構成されている。電圧センサ２の構成は特には限定されず、２ゲージ法、４ゲージ法等種々の接続形態が利用可能である。

図４の電圧センサ２による歪値測定の原理を説明する。歪値はそれ単独で用いると歪値による抵抗の変化は極めて小さい。そこで、図４に示すようなホイートストンブリッジ回路である電圧センサ２に歪センサ３を組み込み、抵抗の変化を電圧の変化に変換した上で当該電圧変化が測定される。図４において、回路の各辺の各抵抗をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（Ω）とし、ブリッジ電圧をＥ（Ｖ）とすると、出力電圧ｅ０（Ｖ）は以下の（３）式によって求められる。

抵抗Ｒ１が歪センサ３であり、歪により抵抗Ｒ１がΔＲだけ変化した場合、出力電圧ｅ０（Ｖ）は以下の（４）式によって求められる。

ここで、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒならば、出力電圧ｅ０（Ｖ）は以下の（５）式によって求められる。

ここで、Ｒ＞＞ΔＲとみなすことができるため、出力電圧ｅ０（Ｖ）は以下の（６）式によって求められる。

すなわち、歪センサ３を利用することにより、抵抗変化分に比例した出力電圧が得られるとともに、歪値にも比例した出力電圧が得られることになる。この出力電圧を増幅器で拡大して、アナログ出力として得たり、デジタル値として表示して歪値を測定することが可能となる。

本実施形態では、図２に示すように歪センサ３の出力電圧ｅ０が歪値として制御部５に出力され、充放電の制御がなされる。

例えばアルカリ蓄電池であるが以下のように作製することができる。まず、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て封口し、公称容量６Ａｈのニッケル水素蓄電池を得た。

上記のニッケル水素蓄電池を１２セル直列に接続して、主電源１を構成した。主電源１、歪センサ３、電圧センサ２、記憶部４、制御部５、電流制御部６を、図２に示すように接続し、充放電システム１０を作製した。

本発明の充放電制御システムの構成は図２のものには限定されない。また、本実施形態において歪センサ３は抵抗の変化を検出するが、主電源１の歪値を検出することができるものであれば、その具体的な構成、作用は限定されない。

なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明によれば、周囲温度の変化やアルカリ蓄電池の劣化状態に拘わらず、アルカリ蓄電池の内圧状態を的確に感知して充放電を制御し、アルカリ蓄電池を安全に充放電できる充放電制御方法および充放電システムが提供される。

１ 主電源（アルカリ蓄電池）
２ 電圧センサ
３ 歪センサ（Ｒ１）
４ 記憶部
５ 制御部
６ 電流制御部
Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 固定抵抗

Claims (4)

1. アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を歪センサを用いて検知し、
   前記歪値に基づいて、前記アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる、
   アルカリ蓄電池の充放電制御方法。
2. 請求項１に記載のアルカリ蓄電池の充放電制御方法であって、
   前記歪センサの歪値が充放電終止歪値Δεだけ増加したとき、前記アルカリ蓄電池の充放電を終了させる、アルカリ蓄電池の充放電制御方法。
3. アルカリ蓄電池と、
   前記アルカリ蓄電池の内圧状態に対応した歪値を検知する歪センサと、
   前記歪値に基づいて、前記アルカリ蓄電池の充放電に伴う充放電電流を変化させる充放電制御部と、
   を備える充放電システム。
4. 請求項３に記載の充放電システムであって、
   前記充放電制御部は、前記歪センサの歪値が充放電終止歪値Δεだけ増加したとき、前記アルカリ蓄電池の充放電を終了させる、充放電システム。

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