JP2014131479A - 航空機用蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機用の蓄電池をリチウムイオン電池に置き換える際に、充電電圧の精度はあまり高くない、従来の充電器をそのまま使用できる蓄電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン電池７と、リチウムイオン電池の外部から印加された直流電圧を用いてリチウムイオン電池を充電する充電制御回路９とを備え、充電制御回路は、昇降圧型コンバータ８を含み、直流電圧が、設定された上限電圧よりも高い場合には、直流電圧を降圧させた電圧でリチウムイオン電池７を充電し、直流電圧が、設定された下限電圧よりも低い場合には、直流電圧を昇圧させた電圧でリチウムイオン電池７を充電するように構成されており、リチウムイオン電池７と前記充電制御回路９とが一体化されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空機用蓄電池に関する。

航空機に搭載される蓄電池としては、従来から、ニッケルカドミウム電池がよく用いられている。このニッケルカドミウム電池は、大出力放電が可能であるだけでなく、サイクル特性がよいという利点がある。しかし、体積エネルギー密度および質量エネルギー密度において、リチウムイオン電池に劣るという問題点がある。

パラグライダーのプロペラを駆動する電動機を駆動するための動力源として、リチウムイオン電池をパラグライダーに搭載したものが既に提案されている。（例えば、日本の実用新案文献である特許文献１参照）。
日本の特許文献である特許文献２には、充電制御回路が発生する熱で二次電池を温める
電力バックアップ装置として、つぎの主旨の開示がある。充電回路が二次電池に充電を行う際に、充電回路に設けられた発熱体（パワーＭＯＳＦＥＴなど）からの熱が、熱伝導体を経由して二次電池に伝えられる。そのため、発熱体と二次電池が離れた位置にあっても、充電時には二次電池が温められて、短い時間で充電を完了させることができる。さらに特許文献２には、昇圧・降圧部などを備えた電圧変換ユニットと、リチウムイオン二次電池とを備えた二次電池パックであって、二次電池パックの外部から印加された直流電圧を用いて電圧変換ユニットがリチウムイオン電池の充電制御を行うものが開示されている。

日本の特許文献である特許文献３は、停電時用のバックアップ電源等の非常用電源としてのパック電池としてつぎの内容を開示している。そのパック電池は、鉛電池用の直流充電電源を使用して、内蔵するニッカド電池やニッケル水素電池等を充電できるようになっている。電池を直列接続することによって例えば１２Ｖ系の電池パックとした場合、ニッカド電池やニッケル水素電池は充電電圧が鉛電池よりも高いので、電池パックには昇圧部が設けられている。この技術によって、ニッカド電池やニッケル水素電池用の充電電源を用意する必要が無く、従来からある鉛電池用の充電電源をそのまま用いてニッカド電池やニッケル水素電池を使用することが可能となる。

日本の特許文献である特許文献４には、抵抗を介して電池を放電させたときの端子電圧から計算した起電力損失の大きさに応じて電池の劣化状態を判別することが開示されている。
日本の特許文献である特許文献５には、保温用ヒータを電圧降下用固定抵抗と兼用させることによって電子回路の部品を少なくした電気湯沸かし器が開示されている。

実用新案登録第３１０９１７３号公報（図１，３，４参照） 特開２００６−１９６３９８号公報 特開２００４−２８８５３７号公報 特開２００１−１５１７５号公報 特開平５−１１５３７０号公報

これまで、飛行機（ヘリコプターも含む）のエンジン始動用の動力源としては、一般にニッケル・カドミウム電池が用いられてきた。しかし、ニッケル・カドミウム電池は、リチウムイオン電池と比べて質量エネルギー密度および体積エネルギー密度において劣っている。従って、発明者らは、飛行機用の電池をニッケル・カドミウム電池からリチウムイオン電池に置き換えることを研究してきた。

しかし、ニッケル・カドミウム電池は、リチウムイオン電池と比べて、充電電圧の精度をあまり必要としない。そのため、飛行機に搭載されている充電器の充電電圧の精度はあまり高くない。従って、搭載する電池をニッケル・カドミウム電池からリチウムイオン電池に置き換える場合、飛行機に搭載されている充電器も充電電圧精度の高いものに交換する必要があった。そのような充電器の交換は、多くの手間と多額の費用を必要とするために、実施が困難であるという問題点があった。

なお、このような問題点は、それまでニッケル・カドミウム電池が使用されていた飛行機の場合に限定されるものではなく、従来、リチウムイオン電池ほどには充電電圧の精度が要求されない電池（例えば、ニッケル水素電池、鉛蓄電池など）が用いられていた飛行機の電池をリチウムイオン電池に置き換える場合には、共通の問題点となる。
本発明の一つは上記の問題点を解決するものであり、従来、リチウムイオン電池ほどには充電電圧の精度が要求されない電池が用いられていた航空機に、リチウムイオン電池を用いた場合であっても、従来の充電器をそのまま使用できる蓄電池を提供するものである。

なお、本明細書では以下の問題に関する技術についても開示している。

航空機のエンジン始動に電池を用いると、エンジン始動の負荷は大きく大電流が流れるため、電池の充電深度はエンジン始動直後に最も低くなり易い。航空機は、エンジン始動後それほど長い時間をおかずに離陸することが多いため、離陸時に電池が満充電状態まで充電されていないという使われ方をすることが多い。しかし、エンジンの動力を利用した発電機の故障などによって電気部品に供給する電力を電池から供給しなければならなくなった場合、航空機が緊急着陸できるまでの電力を電池から供給し続ける必要がある。従って、緊急着陸する前に電池の容量がなくなってしまわないように、エンジン始動で充電深度が下がった電池はなるべく素早く充電する必要がある。

しかし、航空機が離陸して高度を上げると、気温が急激に下がるために電池の温度も低下する。その結果、電池の充電受入れ性能が低下するために、電池を速やかに満充電状態にすることができないという問題点があった。
この問題を解決するためにヒータを用いて電池を加熱するという手段が考えられる。しかし、この手段では、電池温度検出手段や、検出した温度に基づいてヒータのスイッチのオン・オフの切り替えをする制御手段、さらにヒータを用意する必要がある。その結果 、電池システムの価格が高くなるという問題点があった。

特許文献２に開示されたような、充電制御回路が発生する熱で二次電池を温める従来技術では、充電すると自動的に充電制御回路が熱くなる。従って、電池温度が低くないために電池を加熱する必要がない場合であっても、充電が行われると充電制御回路で発生する熱によって電池が加熱されてしまう。その結果、電池が必要以上に熱くなりすぎて、電池寿命が短くなるという問題点があった。

本明細書で開示する技術の一つは上記の問題点を解決するものであり、航空機が離陸して高度を上げ、気温が下がった場合でも充電受入れ性能に優れる蓄電池システムを搭載した航空機を提供する。または、特許文献２の従来技術と比べて、電池寿命が向上した蓄電池システムを搭載した航空機を提供する。

また、本明細書で開示する技術の一つは、リチウムイオン電池を含めた各種電池の電池性能経時変化の演算装置において、従来のものよりも高精度な演算を可能とするものである。
また、本明細書で開示する技術の一つは、リチウムイオン電池を含めた各種電池の電池性能経時変化の演算装置において、将来の電池性能を高い信頼性で予測することを可能とするものである。このことによって、例えば、電池交換が必要となる時期を高い信頼性で事前に使用者に知らせることができるようになる。

なお、本明細書に記載の電池性能経時変化としては、例えば、ある期間使用後の電池性能維持率または電池劣化率など（具体的には、例えば、ある期間使用後の電池容量維持率、電池容量減少率または内部抵抗変化率など）や、ある期間使用後の電池容量、電池容量の変化量、内部抵抗、内部抵抗の変化量などが挙げられる。
さらに、本明細書で開示する技術の一つは、電池を加熱するためのヒータと、電池の状態を診断するために電池を放電する際の負荷抵抗とを備えた電池装置を、少ない部品数で実現することを可能にするものである。

本発明の第一の局面は、
航空機用の蓄電池であって、
リチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の外部から印加された直流電圧を用いて前記リチウムイオン電池を充電する充電制御回路とが備えられており、
前記充電制御回路は、昇降圧型コンバータを含み、
前記直流電圧が、設定された上限電圧よりも高い場合には、前記直流電圧を降圧させた電圧で前記リチウムイオン電池を充電するように構成されており、
前記直流電圧が、設定された下限電圧よりも低い場合には、前記直流電圧を昇圧させた電圧で前記リチウムイオン電池を充電するように構成されており、
前記リチウムイオン電池と前記充電制御回路とが一体化されている、蓄電池である。

本発明の第二の局面は、
前記昇降圧型コンバータはスイッチング素子とチョークコイルとを含む、
第一の局面の蓄電池である。

本発明の第三の局面は、
前記外部からの直流電圧の入力部と前記リチウムイオン電池からの出力部とが共通のコネクタであり、
前記昇降圧型コンバータと並列に逆流防止部品が備えられている、
第一の局面または第二の局面の蓄電池である。

本発明の第四の局面は、
前記外部からの直流電圧の入力部と前記リチウムイオン電池からの出力部とが別のコネクタである、
第一の局面または第二の局面の蓄電値である。

また、本明細書に開示された第一の技術は、エンジンと、エンジンの始動用の蓄電池と、蓄電池と一体化された蓄電池の充電制御回路とを備えた航空機である。

また、本明細書に開示された第二の技術は、航空機の使用法であって、航空機はエンジン始動用の蓄電池と、蓄電池の充電制御回路とを搭載しており、蓄電池の充電時に充電制御回路が発生する熱によって蓄電池を加熱するものである。
なお、本明細書に開示された第一および第二の技術で蓄電池に使用される電池としては、リチウムイオン電池が好ましいが、それに限定されるものではなく、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、または鉛蓄電池など、その他の充電式電池であってもよい。

なお、本明細書に開示された第一および第二の技術に記載のエンジンの始動用とは、直接メインエンジンを始動する場合に限定されない。例えば、メインエンジンを始動するための補助エンジン（補助動力ユニット）を蓄電池によって始動するような、間接的にメインエンジンを蓄電池で始動する場合も含まれる。また、メインエンジンの発電機の代わりに燃料電池を搭載する場合、その発電を開始するために、燃料電池の加熱を蓄電池で行い、燃料電池と蓄電池の両方あるいはどちらか一方でエンジンを始動する場合も含まれる。また、一つのメインエンジンを始動して、その動力によって発電機を回して他のメインエンジンを始動するような場合であっても、最初のメインエンジンの始動を直接的あるいは間接的に蓄電池で行う場合は、その蓄電池は第一および第二の技術に記載のエンジンの始動用に含まれる。

本明細書に開示された第三の技術は、蓄電池を備えた航空機であって、蓄電池は充電制御回路とリチウムイオン電池とを備え、充電制御回路は、蓄電池の外部から印加された直流電圧を用いてリチウムイオン電池の充電制御を行うように構成されており、充電制御回路は、設定された上限電圧よりも直流電圧が高い場合には、直流電圧を降圧させた電圧でリチウムイオン電池を充電するように構成されており、充電制御回路は、設定された下限電圧よりも直流電圧が低い場合には、直流電圧を昇圧させた電圧でリチウムイオン電池を充電するように構成されており、充電制御回路とリチウムイオン電池とは一体化されており、かつ航空機には、蓄電池を充電する直流電源が蓄電池の外部に備えられている。

なお、本明細書に記載の直流電圧とは、常に電圧が一定のものに限定されることはない。交流などの二つの端子間の正負の極性が入れ替わるものでなければ、パルス状の電圧や、交流を整流した電圧など、電圧が時間によって変動するものであってもよい。
また、本明細書に記載の一体化とは、両者を切り離しできないようにされたものに限定されない。例えばネジ止めなどによって、使用するときに両者が一体化されていればよく、ネジなどの固定具をはずした場合には両者が分離されるものであってもよい。なお、本明細書でいう蓄電池とは、電池と充電制御回路とが一体化されたものを含むものである。

なお、本明細書に記載の航空機には特に制限は無く、旅客機、輸送機、ヘリコプター、ジェット機、プロペラ機、民間用航空機、軍事用航空機などのいずれであってもよい。

また、本明細書に開示された第四の技術は、電池使用期間及び電池使用条件の関数である、電池性能経時変化を計算する演算式
電池性能経時変化＝ｆ（電池使用期間、電池使用条件）・・・（１）
を用いて電池性能経時変化を演算する装置であって、ある時点（ロ）の電池性能経時変化を演算する際に、前記時点（ロ）よりも前の時点（イ）から時点（ロ）までの電池使用条件を演算式（１）中の電池使用条件に適用して得られた演算式
電池性能経時変化＝ｆ’（電池使用期間）・・・（２）
を用い、演算式（２）における電池使用期間として、時点（ロ）における実際の電池使用期間を用いるのではなく、時点(イ)における電池性能経時変化を演算式（２）に代入して得られる時点（イ）における見かけ上の電池使用期間に、時点（イ）から時点（ロ）までの実際の電池使用期間を加えた期間を、演算式（２）の電池使用期間に代入することによって得られる電池性能経時変化を用いて、時点（ロ）における電池性能経時変化を求めることを特徴とする。

また、本明細書に開示された第五の技術は、電池使用期間及び電池使用条件の関数である、電池性能経時変化を計算する演算式
電池性能経時変化＝ｇ（電池使用期間、電池使用条件）・・・（３）
を用いて電池性能経時変化を演算する装置であって、現在までのある時点までの期間における電池使用条件の平均値を演算式（３）に代入することによって得られた演算式
電池性能経時変化＝ｇ’（電池使用期間）・・・（４）
を用いることによって、未来における電池性能経時変化の予測値を演算することを特徴とする。

この第四の技術および第五の技術に記載の電池使用条件には、電池使用期間は含まない。
この第四の技術および第五の技術に記載の電池使用条件の例としては、電池の温度、放電深度、充放電サイクル数、充電レベルなどが挙げられ、これらを単独で用いてもよいし、これらの複数を組み合わせて使用してもよい。放電深度とは、１回の充放電サイクルにおける放電容量の電池容量に対する比である。また、充電レベルとは、完全充電状態を１００％、完全放電状態を０％としたときの、電池中に蓄えられた電気容量のレベルのことである。

第四の技術においては、例えば、電池の温度、放電深度、充電レベルなどについては、時点（イ）から時点（ロ）までの期間内の平均値を求め、演算式（１）に代入する場合が考えられる。それ以外にも、時点（イ）から時点（ロ）までの期間内において、電池の温度、放電深度、充電レベル、充放電サイクル数などを単独で、または複数組み合わせてパラメータとして関数処理した値の平均を求め、それを電池使用条件として演算式（１）に代入する場合が考えられる。その関数処理は、演算式化されたものによる処理に限定されず、例えば、数値テーブルを用いて換算する処理であってもよい。それ以外にも、時点（イ）から時点（ロ）までの期間が十分短い場合には、電池の温度、放電深度、充電レベルなどについてその期間内のある時点の値を求め、その値をそのまま演算式（１）に代入してもよい。

この第五の技術に記載の「電池使用条件の時間あたりの平均値」とは、電池の温度、放電深度、充放電サイクル数、充電量などを個別に平均した値のみに限定されない。それ以外にも、電池の温度、放電深度、充放電サイクル数、充電量などを単独で、または複数組み合わせて関数処理したものを平均した値であってもよい。その関数処理は、演算式化されたものによる処理に限定されず、例えば、数値テーブルを用いて換算する処理であってもよい。また、平均値の求め方としては、時間当たりの平均値を求めてもよいし、それまでに複数回測定した電池使用条件を単純に１回あたりで平均してもよい。

また、本明細書に開示された第六の技術は、電池と抵抗とを備えた電池装置であって、抵抗が、電池を加熱するためのヒータであるとともに、電池の状態を診断するために電池を放電する際の負荷抵抗でもあることを特徴とする。

なお、本明細書に開示された第四〜第六の技術は、航空機に搭載された蓄電池に限定されることはない。これらの発明の作用メカニズムを考慮すれば、航空機に搭載されていない蓄電池においてもその効果が得られることが理解される。

本明細書に開示された第一の技術によれば、電池の充電制御回路が電池と一体化されているために、電池の充電時に充電制御回路で発生する熱が電池を加熱する。従って、航空機が離陸して高度を上げることによって気温が下がっても、電池の温度低下を抑制することができる。その結果、電池の充電受入れ性能の低下を抑制することができる。従って、エンジンの始動で充電深度が低下した電池を速やかに満充電状態まで充電することができる。

さらに、第一の技術によれば、エンジンを始動した後に航空機が離陸した際に、エンジン始動による電池の充電深度の低下と、航空機の高度上昇による気温低下のタイミングが一致する頻度が高い。つまり、急速充電で充電制御回路の発熱が大きくなるタイミングと、電池を加熱する必要が生じるタイミングとが一致する頻度が高い。従って、電池温度検出手段や、検出した温度に基づいてヒータのスイッチのオン・オフの切り替えをする制御手段を設けなくても、必要な時だけ電池を加熱することができる。さらに、本発明では充電制御回路がヒータの役割を果たすため、別にヒータを設ける必要が無い。従 って、安価な蓄電池システムとすることができる。

さらに、第一の技術によれば、特許文献２の従来技術と異なって、充電制御回路と一体化された電池が航空機に備えられ、エンジンの始動用に用いられている。特許文献２の従来技術では、充電すると自動的に充電制御回路が熱くなる。従って、電池温度が十分に高いために電池を加熱する必要がない場合であっても、充電が行われると充電制御回路で発生する熱によって電池が加熱されてしまう。その結果、電池が必要以上に熱くなりすぎて、電池寿命が短くなるという問題点があった。それに対して、本明細書に開示された第一の技術では、充電制御回路と一体化された電池が航空機に備えられ、エンジンの始動用に用いられている。航空機は、エンジン始動後に、それほど時間をおかずに離陸する使われ方をすることが多い。従って、エンジン始動による電池の充電深度の低下と、航空機の高度上昇による気温低下のタイミングが一致する頻度が高い。つまり、急速充電で充電制御回路の発熱が大きくなるタイミングと、電池が気温の低下によって冷却されるタイミングとが一致する頻度が高い。従って、電池温度が十分に高いために電池を加熱する必要がない場合に、急速充電が行われて充電制御回路で発生する熱が必要以上に電池を加熱してしまう頻度が低い。その結果、電池が必要以上に熱くなりすぎる頻度が少ないので、電池寿命が短くなることが抑制されるという効果が得られる。この場合の好ましい充電率（充電電流値／Aを電池定格容量／Ahで割った値（単位はC））は0.2C以上であり、更に好ましくは0.5C以上であり、更に好ましくは１C以上である。

なお、本明細書に開示された第二の技術は、本明細書に開示された第一の技術を航空機の使用法に書き換えたものであり、その技術思想は第一の技術と同様である。従って、得られる効果も第一の技術と同様である。

本明細書に開示された第三の技術によれば、ニッケル・カドミウム電池など、充電器の電圧の高い精度を必要としない電池用の、電圧精度のあまり高くない充電器が搭載された航空機において、そのままリチウムイオン電池を備えた蓄電池を用いることができる。従って、ニッケル・カドミウム電池などをリチウムイオン電池に置き換えることによって電池の小型化または軽量化などをおこなった場合であっても、リチウムイオン電池専用の充電器を開発および製造する手間および費用が不要となる。電池を使用する機器に充電器が組み込まれている航空機において、その充電器を機器からとりはずしてリチウムイオン電池用の充電器を機器に組み込むという大掛かりな作業を不要化することができる。

さらに、本明細書に開示された第三の技術によれば、充電制御回路とリチウムイオン電池とが一体化されている。このことによって、これまでニッケル・カドミウム電池などが収納されていたスペースに、充電制御回路とリチウムイオン電池とが一体化されている蓄電池をそのまま収納して接続するだけで電池を使用することができる。従って、電池を使用する航空機側の設計変更が一切不要となる。例えば、充電器の充電電圧を高精度にする回路を用いていたとしても、その回路が電池と一体化されておらず、航空機の本体側に組み込まれているような場合には、本発明とは技術思想が全く異なったものとなる。

本明細書に開示された第三の技術における充電制御回路には、充電器の電圧が高すぎる場合の降圧機能と、充電器の電圧が低すぎる場合の昇圧機能の両方が必須である。どちらか一方が欠けると、十分な充電電圧の精度が得られないため、十分な電池性能が得られない。従って、ニッケル・カドミウム電池用の充電器が備えられた機器に、そのままリチウムイオン電池を備える蓄電池を使用することができない。

本明細書に開示された第四の技術によれば、リチウムイオン電池を含めた各種電池の電池性能経時変化の演算装置において、従来のものよりも高精度な演算が可能となる。例えば、本明細書に開示された第四の技術を使用せずに、
電池性能経時変化＝ｆ（電池使用期間、電池使用条件）・・・（１）
の演算式のみを用いることによっても一応の電池性能経時変化を求めることができる。

この場合、電池使用条件としては、例えば温度の平均値などを用いることになる。しかし、温度の平均値が３０℃である場合であっても、実際の温度が３０℃で一定であった場合と、半分の期間が２０℃であり残りの半分の期間が４０℃であった場合とでは、実際には電池の劣化率などは一致しない。
従って、電池の使用期間全体について演算式（１）で一回で計算するよりも、使用期間を分割したいくつかの期間ごとに電池使用条件を測定し、その各期間について計算した劣化率などの電池性能経時変化を用いて最終的な電池性能経時変化を求めた方が、より高精度な計算結果が得られる。本明細書に開示された第四の技術は、この仕組みを利用したものであり、演算式（１）のみを用いて一回で計算するよりも高精度で電池性能経時変化を計算することを可能にしている。

本明細書に開示された第五の技術によれば、リチウムイオン電池を含めた各種電池の電池性能経時変化の演算装置において、将来の電池性能を高い信頼性で予測することを可能となる。このことによって、例えば、電池交換が必要となる時期を高い信頼性で事前に使用者に知らせることができるようになる。
電池の使用条件は、その電池が設置された機器やユーザーごとに異なる。従って、電池の将来の性能経時変化を、すべての電池について一律に同じ計算式で求めることは困難である。しかし、ある一つの電池に着目すれば、これまでの使用期間と同様の使用条件で今後も電池が使用される可能性が高い。従って、電池ごとに、これまでの使用条件を反映させた計算式を用いて将来の電池性能経時変化を計算すれば、すべての電池に一律に設定した計算式を用いて計算するよりも、信頼性が高く将来の電池性能経時変化を予測することができる。本明細書に開示された第五の技術は、この仕組みを利用したものであり、すべての電池に一律に設定した計算式を用いて計算するよりも、高い信頼性で電池性能経時変化を計算することを可能にしている。

本明細書に開示された第六の技術によれば、電池を加熱するためのヒータと、電池の状態を診断するために電池を放電する際の負荷抵抗とを備えた電池装置を、少ない部品数で実現することを可能にするものである。
例えば、寒冷地などで電池を使用する場合には、電池温度が低いと十分な性能がでないことがある。その際、最初にヒータなどで電池を暖めると、十分な電池性能が得られるようになる。

また、電池の診断機能の一つとして、負荷抵抗を用いて電池を放電させることによって、一定時間経過後の電圧降下を測定することにより、内部抵抗などの情報を得て、電池の状態診断をすることがある。
本明細書に開示された第六の技術によれば、ヒータと、電池の診断機能のための負荷抵抗とを兼用した抵抗を用いるので、個別に抵抗を用いる場合と比較して、少ない部品で電池装置を製造することができる。従って、部品代が少なくてすむのみならず、電池装置を小さくすることができる。

本発明の蓄電池によれば、電圧精度のあまり高くない充電器が搭載された航空機において、そのままリチウムイオン電池を備えた蓄電池を用いることができる。

昇降圧型コンバータを備える充電制御回路をリチウムイオン電池に一体化した蓄電池の斜視図である。 （ａ）は蓄電池の内部構造を示す概略平面図、（ｂ）は昇降圧型コンバータの電気回路図、（ｃ）は別の昇降圧型コンバータの電気回路図である。 （ａ）は入出力の２つのコネクタを備えさせた蓄電池の内部構造を示す概略平面図、（ｂ）は入出力を兼用した１つのコネクタを備えさせた蓄電池の内部構造を示す概略平面図である。 （ａ），（ｂ）は蓄電池の状態を判定する２つの回路を示す平面図である。 使用期間に対する電池性能維持率％を示すグラフである。

図１に、例えば飛行機に搭載されるリチウムイオン電池（電池本体）を内部に備えた平面視が矩形状のケーシング１と、そのケーシング１の上側に後述する昇降圧型コンバータ（バック・ブーストコンバータとも言う）８を備える充電制御回路９を内部に備えた平面視が矩形状の蓋体２とからなる蓄電池を示している。
ここでは、出力電圧が２０〜３２Ｖの飛行機用の電池を示しているが、出力電圧は必ずしもその範囲に限定されない。

前記蓋体２は、前記ケーシング１に対して開閉自在に備えてもよいし、完全に固定した構成であってもよい。この蓋体２は、ケーシング１から切り離しできないようにされたものに限定されない。例えばネジ止めなどによって、使用するときに両者が一体化されていればよく、ネジなどの固定具をはずした場合には両者が分離されるものであってもよい。
前記蓋体２を構成する４つの側面のうちの１つの側面２Ｂに、前記充電制御回路９へ充電電圧を取り入れるための差込口を構成する入力部３を備え、この入力部３の下側に位置する前記ケーシング１の側面に電池の出力を取り出すための差込口を構成する出力部４を備えている。又、前記ケーシング１の出力部４の下側には、通信用の信号線を接続するための差込口を構成する接続部５（省略してもよい）を備えている。

図２（ａ）には、蓄電池の内部を概略的に示した図であり、前記入力部３から多数のセル（単電池）６（図では７個であるが、何個であってもよい）が直列に接続されたリチウムイオン電池７との間に、昇降圧型コンバータ８を備える充電制御回路９を備えている。この充電制御回路９は、外部の充電器（航空機の本体側に設置されたもの）から印加された直流電圧を用いてリチウムイオン電池の充電制御を行うように構成されている。

さらに、この昇降圧型コンバータ８は、外部充電器から印加される直流電圧が設定された上限よりも高い場合には、その直流電圧を降圧させた電圧でリチウムイオン電池を充電するように構成されている。さらに、この昇降圧型コンバータ８は、外部充電器から印加される直流電圧が設定された下限よりも低い場合には、その直流電圧を昇圧させた電圧でリチウムイオン電池を充電するように構成されている。

上記の蓄電池においては、昇降圧型コンバータ８によって充電電圧の精度が高められるので、ニッケル・カドミウム電池など、充電器の電圧の高い精度を必要としない電池用の、電圧精度のあまり高くない充電器を、リチウムイオン電池を使用した蓄電池にそのまま使用することができる。従って、ニッケル・カドミウム電池などをリチウムイオン電池に置き換えることによって電池の小型化または軽量化などをおこなった場合であっても、リチウムイオン電池専用の充電器を開発および製造する手間および費用が不要となる。航空機のように、電池を使用する機器に充電器が組み込まれている場合には、その充電器を機器からとりはずしてリチウムイオン電池用の充電器を機器に組み込むという大掛かりな作業を不要化することができる。

さらに、上記の蓄電池においては、充電制御回路とリチウムイオン電池とが一体化されている。このことによって、これまでニッケル・カドミウム電池などが収納されていたスペースに、充電制御回路とリチウムイオン電池とが一体化されている蓄電池をそのまま収納して接続するだけで電池を使用することができる。従って、蓄電池を使用する航空機の本体側の設計変更が一切不要となる。

そして、このように充電制御回路とリチウムイオン電池とが一体化された蓄電池は、エンジンの始動用として航空機に搭載される。そして、その航空機は、エンジンの始動によって充電深度が低下したリチウムイオン電池を充電する際に、充電制御回路が発生する熱によって蓄電池を加熱するように使用される。そのエンジンの始動から航空機の離陸までの時間が短いほど本発明の目的に合致する使用法となり、充電深度が低下したリチウムイオン電池が満充電まで充電される前に離陸する使用法が好ましい。具体的なエンジン（複数エンジンがある場合はすべてのメインエンジン）始動から離陸までの時間としては、好ましくは1時間以内であり、更に好ましくは３０分間以内であり、更に好ましくは１５分間以内であり、更に好ましくは５分間以内である。電池の充電率も充電制御回路の発熱を有効に利用するには高い方が好ましい。好ましい充電率は0.2C以上であり、更に好ましくは0.5C以上であり、更に好ましくは１C以上である。

この実施形態では、蓄電池は、充電制御回路がリチウムイオン電池と一体化されているために、リチウムイオン電池の充電時に充電制御回路で発生する熱がリチウムイオン電池を加熱する。従って、この蓄電池を搭載した航空機が離陸して高度を上げることによって気温が下がっても、リチウムイオン電池の温度低下を抑制することができる。その結果、リチウムイオン電池の充電受入れ性能の低下を抑制することができる。従って、エンジンの始動で充電深度が低下したリチウムイオン電池を速やかに満充電状態まで充電することができる。

充電制御回路の熱をリチウムイオン電池に有効に伝えるために、充電制御回路とリチウムイオン電池との配線長さとその断面積を最適化することが好ましい。好ましい配線長さは50cm以下であり、更に好ましくは25cm以下であり、更に好ましくは15cm以下である。好ましい配線断面積は5mm² 以上であり、更に好ましくは10mm² 以上であり、更に好ましくは15mm²以上である。配線の本数はコストの点では少ない方が好ましいが、取り回しの柔軟性を考慮すると2本〜5本に分割するのが好ましい。このように配線を分割した場合には、各配線の断面積を足し合わせた総断面積が上記の好ましい範囲になることが好ましい。

さらに、この実施形態では、エンジンを始動した後に航空機が離陸した際に、エンジン始動によるリチウムイオン電池の充電深度の低下と、航空機の高度上昇による気温低下のタイミングが一致する頻度が高い。つまり、急速充電で充電制御回路の発熱が大きくなるタイミングと、リチウムイオン電池を加熱する必要が生じるタイミングとが一致する頻度が高い。従って、電池温度検出手段や、検出した温度に基づいてヒータのスイッチのオン・オフの切り替えをする制御手段を設けなくても、必要な時だけリチウムイオン電池を加熱することができる。さらに、この実施形態では充電制御回路がヒータの役割を果たすため、別にヒータを設ける必要が無い 。従って、安価な蓄電池システムとすることができる。

さらに、この実施形態では、特許文献２の従来技術と異なって、充電制御回路と一体化されたリチウムイオン電池が航空機に備えられ、エンジンの始動用に用いられている。特許文献２の従来技術では、充電すると自動的に充電制御回路が熱くなる。従って、リチウムイオン電池温度が十分に高いためにリチウムイオン電池を加熱する必要がない場合であっても、充電が行われると充電制御回路で発生する熱によってリチウムイオン電池が加熱されてしまう。その結果、リチウムイオン電池が必要以上に熱くなりすぎて、電池寿命が短くなるという問題点があった。それに対して、この実施形態では、充電制御回路と一体化されたリチウムイオン電池が航空機に備えられ、エンジンの始動用に用いられている。航空機は、エンジン始動後に、それほど時間をおかずに離陸する使われ方をすることが多い。従って、エンジン始動によるリチウムイオン電池の充電深度の低下と、航空機の高度上昇による気温低下のタイミングが一致する頻度が高い。つまり、急速充電で充電制御回路の発熱が大きくなるタイミングと、リチウムイオン電池が気温の低下によって冷却されるタイミングとが一致する頻度が高い。従って、リチウムイオン電池温度が十分に高いためにリチウムイオン電池を加熱する必要がない場合に、急速充電が行われて充電制御回路で発生する熱が必要以上にリチウムイオン電池を加熱してしまう頻度が低い。その結果、リチウムイオン電池が必要以上に熱くなりすぎる頻度が少ないので、電池寿命が短くなることが抑制されるという効果が得られる。

なお、前記充電制御回路９の入力側端と出力側端のそれぞれには、ノイズフィルター１０を備えている。尚、図に示すＲは、電流検出用センサとして用いるシャント抵抗である。
この図において、充電制御回路９は、具体的には、例えば図２（ｂ）に示すように、入力電圧を下げるために、ＦＥＴ等からなるスイッチング素子１１と逆流防止用ダイオード１２とを直列に接続し、これら２つの電子部品の間に昇圧用のチョークコイル１３に一端を接続し、逆流防止用ダイオード１４とＦＥＴ等からなるスイッチング素子１５とが直列に接続された２つの電子部品の間に、前記チョークコイル１３の他端を接続して構成している。

そして、図２（ａ）に示しているバッテリ管理ユニット（制御部）１８にて入力電圧が設定電圧になるように前記スイッチング素子１１又は１５をスイッチング制御するように構成している。尚、前記バッテリ管理ユニット（制御部）１８は、過充電だけでなく過放電を制御するユニットであり、充電制御回路９での温度を検出するサーミスタ１９及びリチウムイオン電池７の温度を検出するサーミスタ２０からの情報も入力されるようになっている。

前記充電制御回路９の逆流防止用ダイオード１２，１４に代えて、図２（ｃ）に示すように、スイッチング素子１６，１７を用いることによって、ダイオード１２，１４による電圧降下がなく、その分の電圧ロスを無くすことができる利点が得られる。
図１及び図３（ａ）では、入力部３と出力部４の２つのコネクタを備えたものを示しているが、図３（ｂ）に示すように、入力部３と出力部４とを１つのコネクタから構成したものを示している。

図３（ｂ）では、放電時にのみリチウムイオン電池７からの電流を流して共通のコネクタに出力するための逆流防止ダイオード２１を昇降圧型コンバータ８を備えた充電制御回路９と並列接続している。図３（ｂ）に示す２２は、リレーや半導体（ＦＥＴ等）等からなる安全スイッチであり、リチウムイオン電池７の電圧、あるいは温度が設定値を超えたことが前記バッテリ管理ユニット（制御部）１８に入力されることにより、該バッテリ管理ユニット（制御部）１８からの出力信号により前記安全スイッチ２２を切るようにしている。前記安全スイッチ２２は安全上設置するのが好ましいが、省略してもよい。前記逆流防止ダイオード２１は、放電時に電圧降下となる電力ロスが発生するため、破線で示すように逆流防止ダイオード２１に代えて、放電時にのみ閉じるスイッチ２１Ｓ（リレーや半導体（ＦＥＴ）からなるスイッチング素子でもよい）を設けて実施してもよい。

図３（ａ）では、２つのコネクタとなるものの、図３（ｂ）で示した逆流防止ダイオード２１を用いていないことから、電圧降下による電力ロスが無い利点がある。図３（ａ）に示す２２は、前記説明した安全スイッチであり、２３は前記電流センサである。図３（ｂ）に示す１つのコネクタにて構成することによって、１つのコネクタで構成されるニッケルカドミウム電池に代えて付け替える際に、コネクタを何ら改造することが不要になり、付け替え作業が更に容易になる利点がある。

本明細書で開示された技術の一つにおいては、図４（ａ）に示すように、電池本体、つまりリチウムイオン電池７を加熱するためのシート状の負荷抵抗２４が設けられる。この負荷抵抗２４は、リチウムイオン電池７の電池状態診断時に電池の放電を行うための負荷抵抗としても用いられる。この負荷抵抗２４にリチウムイオン電池７から電流を流した際のリチウムイオン電池７の電圧低下を測定することによって、リチウムイオン電池７の内部抵抗などの情報を得ることができる。

この例では、ヒータと、電池の診断機能のための負荷抵抗とを兼用した抵抗を用いるので、個別に抵抗を用いる場合と比較して、少ない部品で電池装置を製造することができる。従って、部品代が少なくてすむのみならず、電池装置を小さくすることができる。
さらに、図４（ａ）では、流れる電流を測定する電流検出器としての電流センサ２３を備えている。さらに具体的には、負荷抵抗２４へ流れる電流を遮断するリレーや半導体（ＦＥＴ等）等からなるスイッチ２５を備えさせてあり、スイッチ２５をＯＮ（導通状態）にして電池状態診断時に負荷抵抗２４を通じて電池の放電を行う。

図４（ａ）では、リチウムイオン電池７を加熱するための負荷抵抗２４を利用して電池の状態を判定するようにしたが、図４（ｂ）に示すように、昇降圧型コンバータ８を備えた充電制御回路９よりも入力側に前記と同様のスイッチ２５を設けて、充電時にスイッチ２５を切ることにより、電流を停止した際のリチウム電池７の電圧低下を測定することによって内部抵抗を測定し、前述と同様に電池の状態を判定するようにしてもよい。

前記リチウムイオン電池の状態を、図４（ａ），（ｂ）で示した回路にて把握するように構成する他 、電池の温度、使用期間、放電深度及び充放電サイクル数からなる充放電サイクル条件に基づいて、下記演算式（Ｉ）にて電池の状態、つまり使用開始時の電池性能と対比した電池性能維持率（例えば、電池容量維持率）％を演算するようにしてもよい。
電池性能維持率％＝１００％−（経時的な劣化率％）−（充放電サイクルによる劣化率％） （Ｉ）
（ここで、経時的な劣化率％＝Ｋｃ×√使用期間、充放電サイクルによる劣化率％＝Ｋｆ×√充放電サイクル数であり、Ｋｃは温度と充電レベルをパラメータとしたときの定数であり、Ｋｆは放電深度をパラメータとしたときの定数であり、これら２種類の定数は、数値テーブル化されている数値の中からピックアップする。）を用いて、電池性能維持率 ％を演算して電池の劣化判断を行うようにしている。ここで、Ｋｃ及びＫｆの値は、電池の使用状態によって変化する値である。演算式（Ｉ）を用いて電池性能維持率を計算する場合、例えば、使用開始から現在までのＫｃ及びＫｆの平均値を（Ｉ）式に代入すれば簡便に電池性能維持率を求めることができる。しかし、ＫｃまたはＫｆの値の平均値が同じ値であっても、電池使用期間中の各時点におけるＫｃまたはＫｆの値が異なる場合には 、実際には電池性能維持率は同じ値にはならない。従って、この簡便な計算によって求めた電池性能維持率は必ずしも高精度ではないという問題点があった。

この問題点を解決して、精度良く演算できるように改良された形態を、図５を用いて説明する。この形態は、本明細書が開示する第四の技術の一形態である。
図５に、５年間、同一のＫｃ及びＫｆの値で使用した場合の電池性能維持率％のグラフを実線で示している。これらＫｃ及びＫｆの値がずっと変わらなければ、使用期間、Ｋｃ及びＫｆの値、充放電サイクル数に基づいて、必要となる度に電池性能維持率％を演算すれば、グラフに示す実線のライン上の電池性能維持率％が演算されることになる。しかし、実際にはＫｃ及びＫｆの値は時間とともに変化する。

そこで、例えば１回目（使用期間が二年間）の電池性能維持率の演算では、図５に示す曲線ライン上のＡ点の電池劣化率％が演算されたとする。この１回目の使用からそれよりも大きな値のＫｃ及びＫｆで２回目（二年目から三年目）まで使用したと仮定すると、図５の曲線の傾きが１回目までの傾きと１回目から２回目までの傾きとが異なることになるため、今回（２回目）の演算時には、前回の使用期間を補正した上で演算をし直す必要がある。具体的には、１回目の電池性能維持率％（図５では約５５％）と、２回目のＫｃ及びＫｆの値とを演算式（１）に入れて使用期間を補正すると、図５に示す１回目の使用期間の地点Ａから使用期間が短い側に位置する地点Ｂに移行する。この時の使用期間ａ１に今回の使用期間（１回目から２回目までの使用期間）ａ２を加えた使用期間（ａ１＋ａ２）を今回の使用期間として演算式（Ｉ）に入れるとともに、１回目から２回目（二年目から三年目）までの今回のＫｃ及びＫｆの値を演算式（Ｉ）に入れて算出することにより、図５に示す地点Ｃの電池性能維持率％から三年目の電池性能維持率を求めることができる。

なお、この場合、二年目から三年目までの期間のＫｃ及びＫｆの値の求め方は、例えば、この期間の電池温度、充電レベル、及び放電深度の平均値を求め、これらの平均値から数値テーブルによる換算表を用いてＫｃ及びＫｆの値を求めてもよい。それ以外にも、数値テーブルによる換算表から随時Ｋｃ及びＫｆの値を求め、この期間中のＫｃ及びＫｆの値の平均値を求めて二年目から三年目までの期間のＫｃ及びＫｆの値としてもよい。

上記の説明では、使用期間を二つに分けて計算を行ったが、さらに使用期間を多くの期間に分けて同じ操作を繰り返すと、さらに精度の高い電池性能維持率の計算が可能となる。使用期間を十分細かく分割して演算が可能である場合には、各期間におけるＫｃ及びＫｆの値の求め方としては、必ずしも平均値を用いる必要は無く、その期間内のある時点のＫｃ及びＫｆの値を用いてもよい。

なお、電池性能維持率％を演算するタイミングは、例えば１分毎又は１時間毎あるいは１カ月毎等の他、Ｋｃ及びＫｆの値が変わるタイミング毎に演算する等、どのようなタイミングであってもよいが、なるべく同一のＫｃ及びＫｆの値で使用した期間毎に演算した方が高精度の演算をおこなうことができる。
以上の説明は、電池を使用しているある時点における電池性能経時変化を求める手法についての説明であったが、以下の手法によれば、将来の電池性能経時変化を予測することができる。この手法は、本明細書が開示する第五の技術に相当する。

上記と同じ演算式（Ｉ）を用いて、将来の電池性能維持率％を演算する時に、現在までの電池性能維持率％を演算した時に用いたＫｃ、Ｋｆの平均値を算出し、その算出されたＫｃ、Ｋｆの平均値を演算式（Ｉ）に代入する。さらに、現時点までの時間当たりの充放電サイクル数から、演算を行う将来の時点の充放電サイクル数を予測して演算式（Ｉ）に代入する。さらに、演算を行う将来の時点の使用期間を演算式（Ｉ）に代入することによって、その時点の電池性能維持率の予測値を得ることができる。

現在までの電池性能維持率％を演算した時に用いたＫｃ、Ｋｆの平均値を算出する方法としては、例えば３回目の電池劣化率％を演算していた場合において、３つのＫｃ、３つのＫｆをそれぞれ合計し、それら合計した値を３でそれぞれ割ることにより平均値をそれぞれ算出する方法が挙げられる。その他にも、現在までに電池性能維持率％を演算した時に用いた各Ｋｃ、Ｋｆの値に相当する各期間の長さを勘案して、Ｋｃ、Ｋｆの平均値を時間当たり平均で求めてもよい。一般的には、時間当たり平均を用いた方が精度の高い予測が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、従来技術よりも実用性上の利便性に優れた航空機用蓄電池が得られる。
本出願は、2007年8月22日出願の日本の特許出願（特願2007-216355）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１…ケーシング、２…蓋体、２Ａ…上面、２Ｂ…側面、３…入力部、４…出力部、５…接続部、６…セル、７…リチウムイオン電池、８…昇降圧型コンバータ、９…充電制御回路、１０…ノイズフィルター、１１，１５，１６，１７…スイッチング素子、１２，１４…逆流防止用ダイオード、１３…チョークコイル、１８…バッテリ管理ユニット（制御部）、１９，２０…サーミスタ、２１…逆流防止ダイオード、２１Ｓ…スイッチ、２２…安全スイッチ、２３…電流センサ、２４…負荷抵抗、２５…スイッチ、Ｒ…シャント抵抗

本発明の第四の局面は、
前記外部からの直流電圧の入力部と前記リチウムイオン電池からの出力部とが別のコネクタである、
第一の局面または第二の局面の蓄電池である。

Claims (4)

1. 航空機用の蓄電池であって、
   リチウムイオン電池と、
   前記リチウムイオン電池の外部から印加された直流電圧を用いて前記リチウムイオン電池を充電する充電制御回路とが備えられており、
   前記充電制御回路は、昇降圧型コンバータを含み、
   前記直流電圧が、設定された上限電圧よりも高い場合には、前記直流電圧を降圧させた電圧で前記リチウムイオン電池を充電するように構成されており、
   前記直流電圧が、設定された下限電圧よりも低い場合には、前記直流電圧を昇圧させた電圧で前記リチウムイオン電池を充電するように構成されており、
   前記リチウムイオン電池と前記充電制御回路とが一体化されている、蓄電池。
2. 前記昇降圧型コンバータはスイッチング素子とチョークコイルとを含む、
   請求項１に記載の蓄電池。
3. 前記外部からの直流電圧の入力部と前記リチウムイオン電池からの出力部とが共通のコネクタであり、
   前記昇降圧型コンバータと並列に逆流防止部品が備えられている、
   請求項１または２に記載の蓄電池。
4. 前記外部からの直流電圧の入力部と前記リチウムイオン電池からの出力部とが別のコネクタである、
   請求項１または２に記載の蓄電値。
   

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