JP2018117518A - 独立した電源を有するシステムにおける電池の充電状態の制御 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御システムは、電池または電池パックから分離した独立した電源を含むシステムにおいて電池もしくは電池パックの充電状態を制御するように設計または構成されている。動作時、電池または電池パックは、ある機能に電力を断続的に提供するように要求される。独立した電源は、マイクロハイブリッド車両などの車両のUPSまたはエンジン用交流電源であってよい。電池はニッケル亜鉛水性電池であってよい。制御システムは、電池または電池パックの充電状態を監視することと、電池または電池パックがその機能を果たさない時、独立した電源から電池または電池パックの急速な再充電を指図することと、動作状況に応じて、完全充電レベル、または、完全充電レベルとは異なるフロート充電レベルまでの充電を指図することとのうちの1つまたは複数を実装する。
【選択図】図2
Description
本開示の態様は電池充電管理に関する。本明細書に記載されるように管理される電池は、それらが、内燃機関またはグリッドからの交流電源などの独立した電源と併せて作用するシステムにおける使用が可能である。このようなシステムでは、電池は、繰り返し、特定の機能(単数または複数)を果たすことが要求される。これらの機能を果たす際、電池はさまざまな程度に放電する。システムは、電池の充電状態が高レベルで自動的に維持されて、電池がその機能を要求されると確実に果たすことができるように設計される。ある実施形態では、独立した電源(例えば内燃機関)が電池の充電に利用可能となると、その間に電池は再充電される。
図1Aは、電力負荷と一体化した無停電電源装置のブロック図を表す。本図に示されるように、交流電源103は通常、1つまたは複数の電力負荷107にとって必要とされるような電力を提供するように設計された電源装置105のための電力を提供する。このような電力負荷の例は、不可欠なデータ処理および通信機器を含む。電源装置105は、駆動された電力負荷に対して適切なレベルの電流および電圧で電力を提供するように設計または構成される。電源103は、電力負荷にとっての一次電源である。このことは、通常動作では、電力負荷105が電源103からそれら電力負荷105のための電力全てを受けることを意味する。電源は、電気設備(電力グリッド)、発電機などであってよい。
図1Bは、電気始動モータ157および車両における他の電力負荷159に電力を提供するための電池パック153およびBMU155を持つ電気システム151を有する車両のブロック図を表す。ある実施形態では、車両はハイブリッドまたはマイクロハイブリッド車両である。ハイブリッド車両は概して、車を推進することができる完全電気駆動装置を有するが、マイクロハイブリッドは有さない。マイクロハイブリッドは、完全ハイブリッドのサブセットである。すなわち、ハイブリッド車両はスタートストップ方式を組み入れ、そして、再生式の制動エネルギーを捕獲可能、かつ、周期モード(充電後、電池が車室内の電力負荷をサポートするために放電する時)において電池を使用可能として、燃料効率を向上させることができる。
現在、エンジン制御ユニットは、ECUがBMUから受け取るパラメータに基づいて、電池およびエンジン使用量についての決定を行うように設計されている。ECUおよび/またはBMUはこれらの決定を鉛電池に対して適宜行う。しかしながら、鉛電池は、ニッケル亜鉛電池およびある他の電池とは異なる要件を有する。鉛電池は、再充電の速度が遅く、比較的並みの充電状態未満で放電する場合、電荷受容性が劣ることが難点である。
既述のように、車両において電池動作のモードを制御するための論理回路は、典型的には、BMU、ECU、および/または、デジタル制御されたオルタネータにおいて実装される。ある実施形態では、制御システムは、速い充電、および、比較的低い電圧レベルで成し遂げられるフロート充電モードを提供する。ある実施形態では、BMUはニッケル亜鉛電池の充電状態を監視し、かつ、その現状を通信リンクを介して車両のECUに報告する。次いで、ECUは、車両の電力負荷に電力供給するために、電池を使用するかオルタネータを使用するかどうかに関して、適切な決定を行うことができる。この文脈において、ECUは、例えば、充電電圧を変更するか、デジタル制御されたオルタネータを無効にするかどうかを判断することができる。
ある実施形態では、UPS電池パックおよび関連するBMUは、放電、完全充電までの充電、および、フロート充電の少なくとも3つの動作状態またはモードを有するものとする。放電モードにおいて、UPSニッケル亜鉛電池は、完全充電を必要とするポイントまで放電する。このモードでは、電池は、通常電源(例えば、図1Aに示されるような交流電源)が機能停止して電池を至急再充電することができない間の電力を提供するために、放電可能である。UPSニッケル亜鉛電池の完全充電を引き起こすことになる状況は、一次電源がダウンしている間に電力負荷に電力供給するためにニッケル亜鉛電池が放電した後で、当該一次電源を復活させることを含む。UPSニッケル亜鉛電池をフロート充電させることになる状況は、当該電池が完全充電された後、ほぼ100%で電池の充電状態を維持することを含む。UPS用途のためのいくつかの実装形態において、フロート充電を使用して電池を完全充電で保ち、かつ、自己放電に対して補償する。
1.完全充電およびフロート充電されたニッケル亜鉛電池のSOCおよび電圧
V=1.9−0.002*(T−22)
式中、Tは摂氏度である。基本的に、2mVは、摂氏度当たりのセル当たりで変化する。7セル電池に対して、これは、摂氏度当たり14mVとなる。
陽極
典型的には、セパレータは小さな孔を有するものとする。ある実施形態では、セパレータは複数の層を含む。孔および/または積層構造によって、亜鉛樹枝状結晶は蛇行経路をもたらすことができ、ひいては、樹枝状結晶によって、進入および短絡を効果的に妨げる。好ましくは、孔構造のセパレータは、約1.5〜10、より好ましくは、約2〜5の蛇行度を有する。平均的な孔の直径は、好ましくは、最大で約0.2ミクロン、より好ましくは、約0.02〜0.1ミクロンである。また、孔サイズは、セパレータにおいて完全に均一であるのが好ましい。特定の実施形態では、セパレータは、多孔率が45%、孔サイズが0.1ミクロンの1つの好ましい物質によって、約35〜55%の多孔率を有する。
ニッケル亜鉛セルに関連するある実施形態では、電解質組成は、亜鉛電極における樹枝状結晶形成および他の物質再分配の形を制限する。適した電解質の例は、参照により本明細書に組み込まれている、1993年6月1日付でM.Eisenbergに発行された米国特許第5,215,836号に記載されている。場合によっては、電解質は、(1)アルカリまたはアルカリ土類水酸化物、(2)可溶性アルカリまたは土類フッ化アルカリ、ならびに、(3)ホウ酸塩、ヒ酸塩、および/または、リン酸塩(例えば、ホウ酸カリウム、メタホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、メタホウ酸ナトリウム、および/または、リン酸ナトリウムもしくはリン酸カリウム)を含む。1つの特定の実施形態では、電解質は、約4.5〜10当量/リットルの水酸化カリウム、約2〜6当量/リットルのホウ酸またはメタホウ酸ナトリウム、および、約0.01〜1当量のフッ化カリウムを含む。高速の用途に対する特定の好ましい電解質は、約8.5当量/リットルの水酸化物、約4.5当量のホウ酸、および、約0.2当量のフッ化カリウムを含む。
ニッケル亜鉛セルに応用されるように、陰極は、後述されるように、界面活性剤が被覆された粒子、腐食防止剤、ぬれ剤といった1つもしくは複数の添加物質と任意に組み合わせた亜鉛または亜鉛酸イオンの、1つまたは複数の電気活性源を含む。電極が製造されると、クーロン容量、活性亜鉛の化学成分、多孔度、蛇行性などの、ある物理的、化学的、および形態学的特徴によって特徴付けられるものとなる。
開示された方法およびシステムは、幅広いニッケル亜鉛セルサイズおよび形態によって実装可能である。例えば、本明細書に提示された実施形態は、角柱セル形態、および、さまざまな据え置き型の用途に対して用いられる、さまざまなより大きい形態の円筒形セルを用いることができる。車両用途に対する容量要件は、角柱電池に指令されてよい。UPS用途に対する要件は、低い時があり、そのため円筒形セルは、場合によっては使用可能である。
いくつかのマイクロハイブリッドシステムにおいて、電池パックは、7つのニッケル亜鉛電池を有し、他のマイクロハイブリッドシステムにおいて、電池パックは、8つのニッケル亜鉛電池を有する。いくつかの例示の実装形態についての詳細は以下になる。
8セルパック−15.2ボルトまで(より低い温度でより高い、例えば、15.5ボルトまで)充電することができ、多くの車両設計における車室内の電子機器に対して受容される電圧と一致する、13.8ボルトまで(および、いくつかの実装形態では14.8ボルトまで)フロート充電することができる。
7セルパック−(200Aの突入電流を可能にするために短期間ではより高い電圧を受容可能であるが)13.5ボルトまで充電可能であり、12.95ボルトまでフロート充電可能である。
デジタル制御された調整器によってフロート電圧が任意で与えられる。
電池は75〜85%の充電状態で維持される。
オルタネータの出力電圧/電流によって再充電は100〜75Aに制限される。
15Aで20秒間流出後、13Vで4秒以内にSOC80%まで電池を再充電する。
さまざまな実施形態によると、システム(例えば、BMU)がニッケル亜鉛セルに設けられて、このようなセルが、UPSまたはマイクロハイブリッド車両における電池パックの1つまたは複数の機能を満たすことができる。場合によっては、システムは、ニッケル亜鉛セルおよび鉛セルが非常に異なる特性を有していても、それら双方に対して作用する。
Claims (29)
- (i)電池パックと併せて作用する独立した電源、ならびに、(ii)完全充電モードおよびフロート充電モードを有するシステムのための前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の充電状態を制御する方法であって、
(a)前記電池パックにおける前記1つまたは複数のニッケル亜鉛電池の充電状態が前記完全充電モードに関連付けられている既定のレベル未満であるかを判断し、
(b)前記完全充電モードにおいて、第1の電圧で前記電池パックに電荷を加えて前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を完全充電状態まで充電し、前記完全充電状態までの充電は前記独立した電源から提供され、
(c)その後、前記フロート充電モードで前記システムを動作させる間、第2の電圧で前記電池パックに電荷を加えて前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池をフロート充電状態で維持すること、前記フロート充電状態までの充電は、前記独立した電源から提供され、前記第2の電圧の大きさは前記第1の電圧の大きさ未満であること、を備える方法。 - (b)の前に、前記独立した電源が動作可能であるかを判断することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記独立した電源は内燃機関である、請求項1に記載の方法。
- 前記独立した電源は交流電源である、請求項1に記載の方法。
- (b)および(c)の少なくともいずれか一方において、前記独立した電源からの充電を行って前記電池パックにおける前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を充電することは、前記独立した電源からの電力を、前記電池パックに電気的に接続されているオルタネータに提供することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記システムは車両の電気システムである、請求項1に記載の方法。
- 前記車両の電気的機能を実行するために、(a)の前に、前記電池パックにおける前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を前記完全充電モードに関連付けられている前記既定のレベル未満に放電することをさらに備える、請求項6に記載の方法。
- 前記電気的機能は、前記車両の内燃機関の低温クランキング、前記車両の車室内の電子機器への電力供給、および/または、前記車両のパワーステアリングへの電力供給を含む、請求項7に記載の方法。
- (c)の前に、前記電池パックにおける前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を部分的に放電して前記車両の前記電気的機能を果たすことをさらに備える、請求項7に記載の方法。
- 前記システムは無停電電源装置である、請求項1に記載の方法。
- 前記独立した電源に対してバックアップ電力を提供するために、(a)の前に、前記電池パックにおける前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を前記完全充電モードに関連付けられている前記既定のレベル未満で放電することをさらに備える、請求項10に記載の方法。
- 前記電池パックは厳密に7個の電池を含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記電池パックは厳密に8個の電池を含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の電圧は約1.82〜1.95ボルトである、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の電圧は約1.75〜1.87ボルトである、請求項1に記載の方法。
- 電池パック、および、前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の少なくともいずれか一方の温度を判断し、
温度関数として前記完全充電状態を算出すること、をさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 前記完全充電状態を算出することは、次の式:電圧(完全充電)=1.9−0.002*(摂氏温度−22度)、の数値を求めることを含む、請求項16に記載の方法。
- 電池パック、および、前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の少なくともいずれか一方の温度を判断すること、
温度関数として前記フロート充電状態を算出すること、をさらに備える、請求項1に記載の方法。 - (b)において、前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池の前記完全充電状態までの充電は、少なくとも約1Cの速度で実施される、請求項1に記載の方法。
- (c)において、前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池の前記フロート充電状態までの充電は、少なくとも約1Cの速度で実施される、請求項1に記載の方法。
- (a)電池パックと併せて作用する独立した電源、ならびに、(b)完全充電モードおよびフロート充電モードを有するシステムのための前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の充電状態を制御するためのコントローラであって、
オルタネータおよびエンジン制御ユニットの少なくともいずれか一方と通信するための通信インターフェイスと、
(i)前記電池パックにおける前記1つ以上のニッケル亜鉛電池の充電状態が前記完全充電モードに関連付けられている既定のレベル未満であるかを判断し、
(ii)前記完全充電モードにおいて、第1の電圧で前記電池パックに電荷を加えて前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を完全充電状態まで充電し、
(iii)その後、前記フロート充電モードで前記システムを動作させる間、第2の電圧で前記電池パックに電荷を加えて前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池をフロート充電状態で維持するための論理回路と、を備え、
前記完全充電状態までの充電は前記独立した電源から提供され前記フロート充電状態までの充電は、前記独立した電源から提供され、前記第2の電圧の大きさは前記第1の電圧の大きさ未満である、
コントローラ。 - 前記コントローラ論理回路は、(ii)の前に、前記独立した電源が動作可能であるかを判断するようにさらに設計または構成されている、請求項21に記載のコントローラ。
- 前記第1の電圧は約1.87〜1.95ボルトである、請求項21に記載のコントローラ。
- 前記第2の電圧は約1.75〜1.87ボルトである、請求項21に記載のコントローラ。
- 前記コントローラ論理回路は、
電池パックおよび前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の少なくともいずれか一方の温度を判断するように、かつ、
温度関数として前記完全充電状態を算出するように、さらに設計または構成されている、請求項21に記載のコントローラ。 - 前記完全充電状態を算出することは、次の式:電圧(完全充電)=1.9−0.002*(摂氏温度−22度)、の数値を求めることを含む、請求項25に記載のコントローラ。
- 前記コントローラ論理回路は、
電池パックおよび前記電池パックにおける1つ以上のニッケル亜鉛電池の少なくともいずれか一方の温度を判断するように、かつ、
温度関数として前記フロート充電状態を算出するように、さらに設計または構成されている、請求項21に記載のコントローラ。 - 前記コントローラ論理回路は、前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を少なくとも約1Cの速度で(ii)における前記完全充電状態まで充電するようにさらに設計または構成されている、請求項21に記載のコントローラ。
- 前記コントローラ論理回路は、前記電池パックの前記1つ以上のニッケル亜鉛電池を少なくとも約1Cの速度で(iii)における前記フロート充電状態まで充電するようにさらに設計または構成されている、請求項21に記載のコントローラ。
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