JP2021184347A - 亜鉛電池の制御方法および電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】充電状態で待機させる用途において亜鉛電池の寿命を延ばすことができる、亜鉛電池の制御方法及び電源システムを提供する。【解決手段】この制御方法は、電圧Ｖ１にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第１の充電ステップと、電圧Ｖ１よりも小さい電圧Ｖ２にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第２の充電ステップと、を含む。第１の充電ステップにおいて、亜鉛電池のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合、及び、亜鉛電池のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを亜鉛電池のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、第１の充電ステップから第２の充電ステップへ移行する。第２の充電ステップにおいて、亜鉛電池のＳＯＣが閾値ＳＯＣ２を下回った場合、及び、電圧Ｖ２による充電の開始からの経過時間が閾値Ｔａを超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、第２の充電ステップから第１の充電ステップへ移行する。【選択図】図４

Description

本発明は、亜鉛電池の制御方法および電源システムに関する。
特許文献１には、鉛電池の充電制御方法に関する技術が開示されている。この文献に記載された方法は、実質上Ｓｂを含まない正極格子を用いた制御弁式（シール式）鉛蓄電池に、第一段目の充電電圧Ｖ１を蓄電池の平衡電圧＋８０ｍＶ以上とし、第二段目以降の充電電圧Ｖ２〜Ｖｎを蓄電池の平衡電圧＋７０ｍＶ以下とする多段充電制御方式を適用する。第二段目以降の充電電流に応じて充電電圧Ｖ２〜Ｖｎを補正する。
特開２００３−３４６９１２号公報
蓄電池を充電状態で待機させ、蓄電池の電力が必要となった場合に電源を蓄電池に切り替える電源システムが知られている。例えば、無停電電源システム（Uninterruptible Power Systems；ＵＰＳ）では、商用電源を用いて充電した蓄電池を充電状態で待機させ、停電の際に、電源を商用電源から蓄電池に切り替える。このような電源システムでは、蓄電池の寿命が重要となる。蓄電池の寿命が長くなるほど蓄電池の交換サイクルが長くなり、運用コストを抑制できるからである。また、近年、このような用途で用いられる電源システムの蓄電池として、亜鉛電池が注目されている。例えばニッケル亜鉛電池は、水酸化カリウム水溶液等の水系電解液を用いる水系電池であることから、高い安全性を有すると共に、亜鉛電極とニッケル電極との組み合わせにより、水系電池としては高い起電力を有する。さらに、ニッケル亜鉛電池は、優れた入出力性能に加えて、低コストといった利点を有する。
蓄電池を充電状態で待機させるＵＰＳなどの装置において、蓄電池を放電した後には、次回の放電に備え、充電容量を早期に回復することが望ましい。しかし、高い充電電圧で充電を続けると、過充電の状態が維持されることとなる。亜鉛電池の場合、過充電の状態を継続すると劣化を引き起こし、電池寿命が短くなってしまう。本発明の一側面は、充電状態で待機させる用途において亜鉛電池の寿命を延ばすことができる、亜鉛電池の制御方法及び亜鉛電池を備える電源システムを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る亜鉛電池の制御方法は、亜鉛電池を充電状態で待機させる方法であって、第１の電圧にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第１の充電ステップと、第１の電圧よりも小さい第２の電圧にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第２の充電ステップと、を含む。第１の充電ステップにおいて、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えた場合、及び、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを亜鉛電池のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、第１の充電ステップから第２の充電ステップへ移行する。第２の充電ステップにおいて、亜鉛電池のＳＯＣが第２の閾値を下回った場合、及び、第２の電圧による充電の開始からの経過時間が第３の閾値を超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、第２の充電ステップから第１の充電ステップへ移行する。
本発明の一側面に係る電源システムは、亜鉛電池と、亜鉛電池の充電及び放電を制御する制御部と、を備える。制御部は、亜鉛電池を充電状態で待機させる際に、第１の電圧にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第１の充電動作と、第１の電圧よりも小さい第２の電圧にて亜鉛電池の定電圧充電を行う第２の充電動作と、を行う。制御部は、第１の充電動作において、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えた場合、及び、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを亜鉛電池のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、第１の充電動作から第２の充電動作へ移行する。制御部は、第２の充電動作において、亜鉛電池のＳＯＣが第２の閾値を下回った場合、及び、第２の電圧による充電の開始からの経過時間が第３の閾値を超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、第２の充電動作から第１の充電動作へ移行する。
この制御方法及び制御システムでは、第１の電圧にて亜鉛電池の定電圧充電を行い、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えた場合、言い換えると亜鉛電池の充電が或る程度進んだ場合に、第１の電圧よりも小さい第２の電圧に切り替えて亜鉛電池の定電圧充電を行う。したがって、比較的大きな第１の電圧によって亜鉛電池の充電容量を早期に回復し、その後、比較的小さな第２の電圧によって亜鉛電池の過充電を抑制することができる。また、過充電を抑える第２の電圧によって充電を続けると、亜鉛電池の充電容量が自然放電等によって次第に低下することがある。この制御方法及び制御システムでは、充電容量の低下を所定の条件（ＳＯＣが第２の閾値を下回るか、または経過時間が第３の閾値を超える）によって判断し、再び充電電圧を第１の電圧とすることによって亜鉛電池の充電容量を回復する。したがって、上記の制御方法及び制御システムによれば、充電状態で待機させる用途において、亜鉛電池の充電容量を早期に回復しつつ、亜鉛電池の寿命を延ばすことができる。
上記制御方法の第１の充電ステップ又は上記電源システムの第１の充電動作において、定電圧充電の前に定電流充電を行ってもよい。この場合、亜鉛電池に流れる最大電流を抑えることができ、亜鉛電池の長寿命化に一層寄与できる。
上記制御方法又は上記電源システムにおいて、第１の閾値は６０％以上１００％以下であってもよい。また、上記制御方法又は上記電源システムにおいて、第２の閾値は５９％以上９９％以下であってもよい。
上記制御方法又は上記電源システムにおいて、第１の電圧は１．８２５Ｖ以上２．０Ｖ以下であってもよい。また、上記制御方法又は上記電源システムにおいて、第２の電圧は１．８０Ｖ以上１．８７Ｖ以下であってもよい。
上記制御方法又は上記電源システムにおいて、上記一又は複数のパラメータは、充電電流の大きさを含んでもよい。充電電圧が比較的高い場合（すなわち充電電流が比較的大きい場合）、亜鉛電池のＳＯＣが増大すると、充電中に流れる充電電流の大きさは次第に小さくなる。故に、充電中に流れる充電電流の大きさは、亜鉛電池のＳＯＣと密接な相関を有する。したがって、一又は複数のパラメータが充電電流の大きさを含む場合、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを容易に知ることができる。
上記制御方法又は上記電源システムにおいて、上記一又は複数のパラメータは、第１の電圧での充電開始からの総充電容量を含んでもよい。充電電圧が比較的高い場合（すなわち充電電流が比較的大きい場合）、充電開始からの総充電容量は亜鉛電池のＳＯＣにほぼ比例する。故に、充電開始からの総充電容量は、亜鉛電池のＳＯＣと密接な相関を有する。したがって、一又は複数のパラメータが充電開始からの総充電容量を含む場合、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを容易に知ることができる。
上記制御方法又は上記電源システムにおいて、上記一又は複数のパラメータは、充電電流の単位時間あたりの変化量を含んでもよい。充電電圧が比較的高い場合（すなわち充電電流が比較的大きい場合）、亜鉛電池のＳＯＣが増大すると、充電電流の単位時間あたりの変化量は次第に小さくなる。故に、充電電流の単位時間あたりの変化量は、亜鉛電池のＳＯＣと密接な相関を有する。したがって、一又は複数のパラメータが充電電流の単位時間あたりの変化量を含む場合、亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを容易に知ることができる。
本発明の一側面によれば、充電状態で待機させる用途において亜鉛電池の寿命を延ばすことができる亜鉛電池の制御方法および電源システムを提供することができる。
電源システム及びその周辺の構成の一例を模式的に示す図である。 制御部のハードウェア構成例を示す図である。 運用中における亜鉛電池のＳＯＣの変化を示すグラフである。 充電期間の定電圧充電中における、充電電圧及びＳＯＣの変化を拡大して示すグラフである。 待機期間における、充電電圧及びＳＯＣの変化を拡大して示すグラフである。 亜鉛電池の制御方法を示すフローチャートである。 第１の電圧から第２の電圧に切り替えるか否かの判断を行うステップの具体例を示すフローチャートである。 第２の電圧から第１の電圧に切り替えるか否かの判断を行うステップの具体例を示すフローチャートである。 実験により得られた、亜鉛電池の定電圧充電期間と放電容量維持率との関係を示すグラフである。
以下、添付図面を参照しながら本発明による亜鉛電池の制御方法および電源システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下の説明において、亜鉛電池とは、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池、及び銀亜鉛電池等、負極に亜鉛を用いる電池の概念である。
図１は、電源システム１及びその周辺の構成の一例を模式的に示す図である。電源システム１は、蓄電池の充電状態を維持しつつ未使用状態で待機させ、必要に応じて蓄電池の電力を供給する。電源システム１が適用される場面は限定されず、例えば、電源システム１は固定物にも移動体にも適用可能である。固定物への適用の例として、電源システム１は、ＵＰＳとして家庭、オフィス、工場、農場等の様々な場所で利用され得る。
電源システム１は、電源システム１に電力を供給可能な供給要素２と、電源システム１から電力を受け取ることが可能な需要要素（負荷）４との間に設けられる。電源システム１と供給要素２とは交流電流が流れる配線６Ａを介して電気的に接続され、需要要素４と電源システム１とは、交流電流が流れる配線６Ｂを介して電気的に接続される。供給要素２から出力された電力は、配線６Ａを通じて電源システム１に蓄えられ、また配線６Ａ，６Ｂを通じて需要要素４に供給される。電源システム１に蓄えられた電力は、配線６Ｂを通じて需要要素４に供給される。
供給要素２は、電源システム１に電力を供給可能な装置または設備である。供給要素２の種類は何ら限定されない。例えば、供給要素２は、再生可能エネルギを利用して発電を行う発電装置であってもよい。発電方法および発電装置の種類は何ら限定されず、例えば、発電装置は太陽光発電装置でもよいし風力発電機でもよい。あるいは、供給要素２は、発電、変電、送電、および配電を統合した商用電源の設備である外部の電力系統であってもよい。外部の電力系統は、例えば電力会社により提供される。
需要要素４は、電源システム１から電力を受け取ることが可能な装置または設備である。需要要素４の種類も何ら限定されない。需要要素４は、電力を消費する１以上の機器または装置の集合である負荷であってもよい。負荷の例として、１以上の家庭用または業務用の様々な電気機器の集合と、任意の装置の任意の構成要素とが挙げられる。
電源システム１は、コンバータ７、インバータ８、亜鉛電池１０、バッテリ・コントロール・ユニット（Battery Control Unit：ＢＣＵ）１２、および制御部１４を備える。コンバータ７の入力端は配線６Ａを介して供給要素２と電気的に接続されており、コンバータ７の出力端は、直流電流が流れる配線６Ｃを介してインバータ８の入力端と電気的に接続されている。インバータ８の出力端は、配線６Ｂを介して需要要素４と電気的に接続されている。配線６Ｃの途中のノードＮは、直流電流が流れる配線６Ｄを介して亜鉛電池１０と電気的に接続されている。図１の例では電源システム１は１組の亜鉛電池１０及びＢＣＵ１２を備えるが、その組数は限定されず、２以上でもよい。複数の組が存在する場合に、亜鉛電池１０の性能（例えば、定格容量、応答速度など）は統一されてもよいし、統一されなくてもよい。制御部１４は、通信線を介してコンバータ７、インバータ８、及びＢＣＵ１２と通信可能に接続される。
亜鉛電池１０は、供給要素２から提供される電力を化学エネルギに変えて蓄える装置であり、充放電が可能である。亜鉛電池１０は、直列に接続された複数のセルを含んで構成される。亜鉛電池１０には制御機能としてのＢＣＵ１２が接続されている。ＢＣＵ１２は、亜鉛電池１０に関するデータを制御部１４に送信する。
ＢＣＵ１２は、ＳＯＣ測定部を兼ねる。すなわち、ＢＣＵ１２は、亜鉛電池１０の充電状態（ＳＯＣ）を測定する。例えば、ＢＣＵ１２は、亜鉛電池１０に通電された電流を計測し、積算することによりＳＯＣを測定する。ＢＣＵ１２が測定したＳＯＣに関する情報は、他のデータとともに制御部１４に送信される。なお、ＳＯＣの算出に必要な情報（例えば電池の開回路電圧、放電電流量及び充電電流量、または放電電流の積算量および充電電流の積算量）をＢＣＵ１２が制御部１４に送信し、制御部１４がＳＯＣを算出してもよい。
ＳＯＣは、例えば次のようにして測定される。まず、亜鉛電池１０の充電中における、亜鉛電池１０へ流れる電流量を取得する。そして、該電流量から充電容量を算出する。次に、亜鉛電池１０の放電中における、亜鉛電池１０から流れる電流量を取得する。そして、該電流量から放電容量を算出する。これらの充電容量及び放電容量に基づいて、ＳＯＣを算出することができる。
コンバータ７及びインバータ８は、亜鉛電池１０の充放電を制御する。コンバータ７は、電力を交流から直流に変換する装置であり、インバータ８は、電力を直流から交流に変換する装置である。交流入力側の電源異常（停電、電圧低下等）が発生した場合、亜鉛電池１０に充電された直流電力をインバータ８で逆変換し、交流出力の供給を継続する。本実施形態の制御部１４は、ＢＣＵ１２から得られる亜鉛電池１０のＳＯＣに基づいて、コンバータ７及びインバータ８の動作を制御することにより、亜鉛電池１０の充放電を制御する。充電モードでは、供給要素２から出力された電力の一部を亜鉛電池１０に蓄え、放電モードでは、亜鉛電池１０を強制的に放電させて需要要素４に電力を供給する。
制御部１４は、亜鉛電池１０の充電及び放電を制御するコンピュータ（例えばマイクロコンピュータ）である。図２は、制御部１４のハードウェア構成例を示す図である。この図に示すように、制御部１４は、プロセッサ１４１、メモリ１４２、および通信インタフェース１４３を有する。プロセッサ１４１は例えばＣＰＵであり、メモリ１４２は例えばフラッシュメモリで構成されるが、制御部１４を構成するハードウェア装置の種類はこれらに限定されず、任意に選択されてよい。制御部１４の各機能は、プロセッサ１４１が、メモリ１４２に格納されているプログラムを実行することで実現される。例えば、プロセッサ１４１は、メモリ１４２から読み出したデータまたは通信インタフェース１４３を介して受信したデータに対して所定の演算を実行し、その演算結果を他の装置に出力することで、該他の装置を制御する。あるいは、プロセッサ１４１は受信したデータまたは演算結果をメモリ１４２に格納する。制御部１４は１台のコンピュータで構成されてもよいし、複数のコンピュータの集合（すなわち分散システム）で構成されてもよい。
例えばＵＰＳ等である電源システム１は、亜鉛電池１０の電力を必要としない平常時においては、亜鉛電池１０の充電状態を維持しつつ停電発生時まで待機させる。その際、制御部１４は、亜鉛電池１０のＳＯＣを、或る大きさ（例えば６０％〜１００％の範囲内）となるように制御する。この期間は、停電が発生しない限り、例えば数年（例えば約１年）といった長期間にわたって継続される。
ここで、上記の充放電制御について詳細に説明する。図３は、運用中における亜鉛電池１０のＳＯＣの変化を示すグラフである。同図において、横軸は時間を表し、縦軸はＳＯＣを表す。図３に示されるように、電源システム１は、停電等の不定期（ランダム）な要因による放電後の充電期間Ｐ１１と、充電状態を維持した状態で待機させる待機期間Ｐ１２とを交互に繰り返す。充電期間Ｐ１１では、まず定電流充電（ＣＣ充電）によって亜鉛電池１０を充電するよう制御部１４がコンバータ７を制御し、次いで、定電圧充電（ＣＶ充電）によって亜鉛電池１０を充電するよう制御部１４がコンバータ７を制御する。なお、充電とは、配線６Ｃ，６Ｄから亜鉛電池１０へ電力を供給し、電荷を亜鉛電池１０において蓄えることをいう。
図４は、充電期間Ｐ１１の定電圧充電中における、充電電圧及びＳＯＣの変化を拡大して示すグラフである。図４のグラフＧ１１は充電電圧（左縦軸）を示し、グラフＧ１２はＳＯＣ（右縦軸）を示す。図４の横軸は時間（日数）を表す。制御部１４は、充電期間Ｐ１１の定電圧充電期間において、先ず、比較的高い第１の電圧Ｖ１にて亜鉛電池１０を充電するよう制御する（第１の充電動作、図中の期間Ｐ１１ａ）。この第１の充電動作によって、亜鉛電池１０のＳＯＣは急速に上昇する。そして、この充電動作において、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１（第１の閾値）を超えた場合、及び、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、制御部１４は、充電電圧を電圧Ｖ１よりも低い第２の電圧Ｖ２に切り替える。その後、制御部１４は、電圧Ｖ２にて亜鉛電池１０を充電するよう制御する（第２の充電動作、図中の期間Ｐ１１ｂ）。すなわち、制御部１４は、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合に、充電電圧を電圧Ｖ１とする第１の充電動作から、充電電圧を電圧Ｖ２（＜Ｖ１）とする第２の充電動作へ移行する。この第２の充電動作によって、亜鉛電池１０の放電容量の時間変化は緩慢となり、ＳＯＣはほぼ一定値に維持される。
電圧Ｖ１は、例えば１．８２５Ｖ以上２．０Ｖ以下である。電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも大きい限りにおいて、電圧Ｖ１は、期間Ｐ１１ａ内で一定であってもよく、期間Ｐ１１ａ内で時間変化してもよい。電圧Ｖ２は、例えば１．８０Ｖ以上１．８７Ｖ以下である。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１よりも小さい限りにおいて、期間Ｐ１１ｂ内で一定であってもよく、期間Ｐ１１ｂ内で時間変化してもよい。
閾値ＳＯＣ１は、例えば６０％以上１００％以下である。閾値ＳＯＣ１は、７０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがより好ましい。また、閾値ＳＯＣ１は、８０％以下であることが好ましく、９０％以下であることがより好ましい。
亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータには、充電電流の大きさと、電圧Ｖ１での充電開始からの総充電容量と、充電電流の単位時間あたりの変化量とのうち少なくとも一つが含まれる。充電電圧が比較的高い場合（すなわち充電電流が比較的大きい場合）、亜鉛電池１０が充電電圧Ｖ１に到達すると、亜鉛電池１０の充電中に流れる充電電流の大きさが次第に小さくなる。故に、充電中に流れる充電電流の大きさは、亜鉛電池１０のＳＯＣと密接な相関を有する。また、充電電圧が比較的高い場合、充電開始からの総充電容量は亜鉛電池のＳＯＣにほぼ比例する。故に、充電開始からの総充電容量は亜鉛電池１０のＳＯＣと密接な相関を有する。また、亜鉛電池１０が充電電圧Ｖ１に到達後、充電が十分に進むと、充電電流の単位時間あたりの変化量は次第に小さくなる。故に、充電電流の単位時間あたりの変化量は亜鉛電池のＳＯＣと密接な相関を有する。なお、充電電流の大きさに関する情報は、ＢＣＵ１２から制御部１４へ常時提供される。充電開始からの総充電容量、及び充電電流の単位時間あたりの変化量は、ＢＣＵ１２から提供された充電電流の大きさに関する情報に基づいて、制御部１４において計算することができる。
図５は、待機期間Ｐ１２における、充電電圧及びＳＯＣの変化を拡大して示すグラフである。図５のグラフＧ２１は充電電圧（左縦軸）を示し、グラフＧ２２はＳＯＣ（右縦軸）を示す。図５の横軸は時間（日数）を表す。制御部１４は、待機期間Ｐ１２において、先ず、上述した電圧Ｖ２にて亜鉛電池１０を充電するよう制御する（第２の充電動作、図中の期間Ｐ１２ｂ）。電圧Ｖ２は比較的小さい電圧であるので、自然放電が充電反応よりも大きく、亜鉛電池１０のＳＯＣが徐々に減少することがある。電圧Ｖ２にて充電している際に、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ２（第２の閾値、ＳＯＣ２＜ＳＯＣ１）を下回った場合、及び、電圧Ｖ２による充電の開始からの経過時間Ｔが閾値Ｔａ（第３の閾値）を超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、制御部１４は、充電電圧を電圧Ｖ２よりも高い電圧Ｖ１に切り替える。その後、制御部１４は、電圧Ｖ１にて亜鉛電池１０を充電するよう制御する（第１の充電動作、図中の期間Ｐ１２ａ）。すなわち、制御部１４は、亜鉛電池１０のＳＯＣが所定の条件を満たした場合に、充電電圧を電圧Ｖ２とする第２の充電動作から、充電電圧を電圧Ｖ１（＞Ｖ２）とする第１の充電動作へ移行する。この第１の充電動作によって、亜鉛電池１０の放電容量は急速に増大し、ＳＯＣが回復する。
閾値ＳＯＣ２は、例えば５９％以上９９％以下である。閾値ＳＯＣ２は、６９％以上であることが好ましく、９４％以上であることがより好ましい。また、閾値ＳＯＣ２は、７９％以下であることが好ましく、８９％以下であることがより好ましい。
その後、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合、及び、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、制御部１４は、充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替える。その後、制御部１４は、電圧Ｖ２にて亜鉛電池１０を充電するよう制御する（第２の充電動作、図中の期間Ｐ１２ｂ）。以降、待機期間Ｐ１２においては、第２の充電動作（期間Ｐ１２ｂ）と第１の充電動作（期間Ｐ１２ａ）とを繰り返しながら亜鉛電池１０の充電状態を維持する。
なお、第１の充電動作と第２の充電動作とを交互に繰り返す際、第１の充電動作とその次の第２の充電動作との間、及び第２の充電動作とその次の第１の充電動作との間のいずれにおいても、他の動作が介在することを妨げない。
ここで、電源システム１を用いた亜鉛電池１０の制御方法について説明する。図６は、本実施形態の亜鉛電池１０の制御方法を示すフローチャートである。この制御方法は、亜鉛電池１０の充電状態を維持しつつ未使用状態で待機させる方法であって、電圧Ｖ１にて亜鉛電池１０の定電圧充電を行う第１の充電ステップＳＴ１と、電圧Ｖ１よりも小さい電圧Ｖ２にて亜鉛電池１０の定電圧充電を行う第２の充電ステップＳＴ２と、を含む。そして、充電ステップＳＴ１においては、電圧Ｖ１にて亜鉛電池１０の定電圧充電を行いながら（ステップＳＴ１１）、充電電圧を電圧Ｖ２に切り替えるか否かの判断を常時行う（ステップＳＴ１２）。ステップＳＴ１２では、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合、及び、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、充電電圧を電圧Ｖ２に切り替え、充電ステップＳＴ２に移行する。また、充電ステップＳＴ２においては、電圧Ｖ２にて亜鉛電池１０の定電圧充電を行いながら（ステップＳＴ２１）、充電電圧を電圧Ｖ１に切り替えるか否かの判断を常時行う（ステップＳＴ２２）。ステップＳＴ２２では、亜鉛電池１０のＳＯＣが所定の条件を満たした場合に、充電電圧を電圧Ｖ１に切り替え、充電ステップＳＴ１に移行する。
図７は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替えるか否かの判断を行うステップＳＴ１２の具体例を示すフローチャートである。制御部１４は、まず、充電電流の大きさが第４の閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ１２１）。第４の閾値は、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを示唆する値に予め設定される。一実施例では、第４の閾値は０．０５Ｃである。なお、本明細書において、電池の理論容量を１時間で完全放電させる電流の大きさを１Ｃと定義する。充電電流の大きさが第４の閾値を下回った場合（ステップＳＴ１２１：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替える（ステップＳＴ１２５）。充電電流の大きさが第４の閾値以上である場合（ステップＳＴ１２１：ＹＥＳ）、制御部１４は、電圧Ｖ１での充電開始からの総充電容量が第５の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ１２２）。第５の閾値は、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを示唆する値に予め設定される。
総充電容量が第５の閾値を超えた場合（ステップＳＴ１２２：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替える（ステップＳＴ１２５）。総充電容量が第５の閾値以下である場合（ステップＳＴ１２２：ＹＥＳ）、制御部１４は、充電電流の単位時間あたりの変化量が第６の閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ１２３）。第６の閾値は、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを示唆する値に予め設定される。充電電流の単位時間あたりの変化量が第６の閾値を下回った場合（ステップＳＴ１２３：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替える（ステップＳＴ１２５）。充電電流の単位時間あたりの変化量が第６の閾値以上である場合（ステップＳＴ１２３：ＹＥＳ）、制御部１４は、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ１２４）。ＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合（ステップＳＴ１２４：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替える（ステップＳＴ１２５）。ＳＯＣが閾値ＳＯＣ１以下である場合（ステップＳＴ１２４：ＹＥＳ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ１に維持する（ステップＳＴ１１）。
第１の充電ステップＳＴ１の実行中、ステップＳＴ１２１〜ＳＴ１２４の判断は、定期的に（例えば１日に１回、所定の時刻に）行われる。なお、必要に応じて、４つのステップＳＴ１２１〜ＳＴ１２４のうち少なくとも３つは省略されてもよい。また、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを、亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する上記以外のパラメータが示唆した場合に、制御部１４が充電電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替えてもよい。
図８は、電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替えるか否かの判断を行うステップＳＴ２２の具体例を示すフローチャートである。制御部１４は、まず、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ２以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ２２１）。ＳＯＣが閾値ＳＯＣ２を下回った場合（ステップＳＴ２２１：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替える（ステップＳＴ２２３）。ＳＯＣが閾値ＳＯＣ１以上である場合（ステップＳＴ２２１：ＹＥＳ）、制御部１４は、充電電圧を電圧Ｖ２に切り替えてからの経過時間Ｔが閾値Ｔａ以内であるか否かを判断する（ステップＳＴ２２２）。経過時間Ｔが閾値Ｔａを超えた場合（ステップＳＴ２２２：ＮＯ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替える（ステップＳＴ２２３）。経過時間Ｔが閾値Ｔａ以内である場合（ステップＳＴ２２２：ＹＥＳ）、制御部１４は充電電圧を電圧Ｖ２に維持する（ステップＳＴ２１）。閾値Ｔａは、理論的または実験的に、自然放電と、劣化による充電電流の減少とにより亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ２を下回る時間（日数）に予め設定される。第２の充電ステップＳＴ２の実行中、ステップＳＴ２２１，ＳＴ２２２の判断は、定期的に（例えば１日に１回、所定の時刻に）行われる。
以上に説明した本実施形態の亜鉛電池１０の制御方法及び電源システム１によって得られる効果について説明する。前述したように、充電容量を早期に回復するために高い充電電圧で充電を続けると、過充電の状態が維持される。亜鉛電池の場合、過充電の状態を継続すると劣化を引き起こし、電池寿命が短くなってしまう。図９は、実験により得られた、ニッケル亜鉛電池の定電圧充電期間と放電容量維持率（初期の放電容量に対する各時点での放電容量の割合、単位：％）との関係を示すグラフであって、充電電圧がそれぞれ異なる複数のグラフＧ２１〜Ｇ２５を示している。グラフＧ２１は充電電圧が１．８２５Ｖである場合を示す。グラフＧ２２は充電電圧が１．８３Ｖである場合を示す。グラフＧ２３は充電電圧が１．８４Ｖである場合を示す。グラフＧ２４は充電電圧が１．８５Ｖである場合を示す。グラフＧ２５は充電電圧が１．８７Ｖである場合を示す。図９において、縦軸は放電容量維持率を表し、横軸は充電日数を表す。なお、この実験では、ニッケル亜鉛電池の環境温度を４０℃とし、放電容量を測定する際の放電電流を４Ｃ、環境温度を２５℃とした。図９を参照すると、いずれの充電電圧においても充電日数が長くなるほど放電容量維持率が低下していることがわかる。放電容量維持率の低下は、ニッケル亜鉛電池の劣化を意味する。そして、図９を参照すると、充電電圧が大きいほど、放電容量維持率の低下（亜鉛電池の劣化）が早く進むことがわかる。
本実施形態では、電圧Ｖ１にて亜鉛電池１０の定電圧充電を行い、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えた場合、言い換えると亜鉛電池１０の充電が或る程度進んだ場合に、電圧Ｖ１よりも小さい電圧Ｖ２に切り替えて亜鉛電池１０の定電圧充電を行う。したがって、比較的大きな電圧Ｖ１によって亜鉛電池１０の充電容量を早期に回復し、その後、比較的小さな電圧Ｖ２によって亜鉛電池１０の過充電を抑制することができる。また、過充電を抑える電圧Ｖ２によって充電を続けると、亜鉛電池１０の充電容量が自然放電等によって次第に低下することがある。本実施形態では、充電容量の低下を所定の条件（ＳＯＣが閾値ＳＯＣ２を下回るか、または経過時間が閾値Ｔａを超える）によって判断し、再び充電電圧を電圧Ｖ１とすることによって亜鉛電池１０の充電容量を回復する。したがって、本実施形態によれば、充電状態で待機させる用途において、亜鉛電池１０の充電容量を早期に回復しつつ、亜鉛電池１０の寿命を延ばすことができる。
前述したように、第１の充電ステップＳＴ１又は第１の充電動作において、定電圧充電の前に定電流充電を行ってもよい。この場合、亜鉛電池１０に流れる最大電流を抑えることができ、亜鉛電池１０の長寿命化に一層寄与できる。
前述したように、閾値ＳＯＣ１は６０％以上１００％以下であってもよい。この場合、負荷のバックアップに最低限必要な電池容量(ＳＯＣ１)を確保しつつ、亜鉛電池１０が満充電になった後の過剰な充電(過充電)を抑制することで、停電時のシステム停止の回避と亜鉛電池１０の長寿命化が可能になる。
前述したように、閾値ＳＯＣ２は５９％以上９９％以下であってもよい。この場合もまた、負荷のバックアップに最低限必要な電池容量(ＳＯＣ１)を確保しつつ、亜鉛電池１０が満充電になった後の過剰な充電(過充電)を抑制することで、停電時のシステム停止の回避と亜鉛電池１０の長寿命化が可能になる。
前述したように、電圧Ｖ１は１．８２５Ｖ以上２．０Ｖ以下であってもよい。この場合、停電による放電後の亜鉛電池容量を早期に回復可能であり、多雷地域といった停電が頻発する場合でも、システムの停止を回避することができる。
前述したように、電圧Ｖ２は１．８０Ｖ以上１．８７Ｖ以下であってもよい。この場合、亜鉛電池１０が満充電になった後の過剰な充電(過充電)を抑制することで、亜鉛電池１０の長寿命化が可能になる。
前述したように、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを検知するための、亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータは、充電電流の大きさを含んでもよい。充電中に流れる充電電流の大きさは亜鉛電池１０のＳＯＣと密接な相関を有するので、この場合、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを容易に知ることができる。
前述したように、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを検知するための、亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータは、電圧Ｖ１での充電開始からの総充電容量を含んでもよい。充電開始からの総充電容量は亜鉛電池１０のＳＯＣと密接な相関を有するので、この場合、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを容易に知ることができる。
前述したように、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを検知するための、亜鉛電池１０のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータは、充電電流の単位時間あたりの変化量を含んでもよい。充電電流の単位時間あたりの変化量は亜鉛電池１０のＳＯＣと密接な相関を有するので、この場合、亜鉛電池１０のＳＯＣが閾値ＳＯＣ１を超えたことを容易に知ることができる。
本発明による亜鉛電池の制御方法及び電源システムは、上述した実施形態の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…電源システム、２…供給要素、４…需要要素、６Ａ〜６Ｄ…配線、７…コンバータ、８…インバータ、１０…亜鉛電池、１２…ＢＣＵ、１４…制御部、１４１…プロセッサ、１４２…メモリ、１４３…通信インタフェース、Ｎ…ノード、Ｐ１１…充電期間、Ｐ１２…待機期間、ＳＯＣ１…第１の閾値、ＳＯＣ２…第２の閾値、Ｔａ…第３の閾値、Ｖ１…第１の電圧、Ｖ２…第２の電圧。

Claims (10)

  1. 亜鉛電池を充電状態で待機させる方法であって、
    第１の電圧にて前記亜鉛電池の定電圧充電を行う第１の充電ステップと、
    前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧にて前記亜鉛電池の定電圧充電を行う第２の充電ステップと、
    を含み、
    前記第１の充電ステップにおいて、前記亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えた場合、及び、前記亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを前記亜鉛電池のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、前記第１の充電ステップから前記第２の充電ステップへ移行し、
    前記第２の充電ステップにおいて、前記亜鉛電池のＳＯＣが第２の閾値を下回った場合、及び、前記第２の電圧による充電の開始からの経過時間が第３の閾値を超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、前記第２の充電ステップから前記第１の充電ステップへ移行する、亜鉛電池の制御方法。
  2. 前記第１の充電ステップにおいて、定電圧充電の前に定電流充電を行う、請求項１に記載の亜鉛電池の制御方法。
  3. 前記第１の閾値は６０％以上１００％以下である、請求項１又は２に記載の亜鉛電池の制御方法。
  4. 前記第２の閾値は５９％以上９９％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  5. 前記第１の電圧は１．８２５Ｖ以上２．０Ｖ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  6. 前記第２の電圧は１．８０Ｖ以上１．８７Ｖ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  7. 前記一又は複数のパラメータは、充電電流の大きさを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  8. 前記一又は複数のパラメータは、前記第１の電圧での充電開始からの総充電容量を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  9. 前記一又は複数のパラメータは、充電電流の単位時間あたりの変化量を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  10. 亜鉛電池と、
    前記亜鉛電池の充電及び放電を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記亜鉛電池を充電状態で待機させる際に、第１の電圧にて前記亜鉛電池の定電圧充電を行う第１の充電動作と、前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧にて前記亜鉛電池の定電圧充電を行う第２の充電動作と、を行い、
    前記制御部は、前記第１の充電動作において、前記亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えた場合、及び、前記亜鉛電池のＳＯＣが第１の閾値を超えたことを前記亜鉛電池のＳＯＣと相関を有する一又は複数のパラメータが示唆した場合のうち少なくとも一方の場合に、前記第１の充電動作から前記第２の充電動作へ移行し、
    前記制御部は、前記第２の充電動作において、前記亜鉛電池のＳＯＣが第２の閾値を下回った場合、及び、前記第２の電圧による充電の開始からの経過時間が第３の閾値を超えた場合のうち少なくとも一方の場合に、前記第２の充電動作から前記第１の充電動作へ移行する、電源システム。
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