JP2021197769A - 亜鉛電池の劣化状態推定方法及び電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用中において亜鉛電池の劣化状態を推定することが可能な方法及び電源システムを提供する。【解決手段】この方法は、亜鉛電池の劣化状態を推定する方法であって、亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを取得するデータ取得ステップと、定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及び定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定ステップと、を含む。【選択図】図８

Description

本発明は、亜鉛電池の劣化状態推定方法及び電源システムに関する。

特許文献１には、二次電池の劣化状態推定装置に関する技術が開示されている。この装置は、定電流定電圧充電又は定電力定電圧充電における定電圧充電に移行した際の第１電流値と、定電圧充電に移行した後所定時間経過後の第２電流値とを取得し、第１電流値から第２電流値への時間変化の傾きを求め、この傾きの値に基づいて二次電池の劣化状態を推定する。

特開２０１８−１５５７０６号公報

近年、例えば無停電電源または車載用などの電源システムに用いられる蓄電池として、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。このような電源システムでは、亜鉛電池の劣化状態を使用中に知り得ることが望まれる。亜鉛電池の劣化が進むと放電容量が次第に低下するので、劣化した状態で亜鉛電池の使用を続けると、亜鉛電池の放電容量が不足して十分な電力を供給できないおそれがあるからである。例えば亜鉛電池を完全に放電し、再び満充電とするときの充電電流量を積算して放電容量値を検知することにより劣化状態を知ることもできるが、亜鉛電池の使用中においてそのような操作を行うことは困難である。本発明の一側面は、使用中において亜鉛電池の劣化状態を推定することが可能な方法及び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劣化状態推定方法は、亜鉛電池の劣化状態を推定する方法であって、亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを取得するデータ取得ステップと、定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及び定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定ステップと、を含む。

本発明の一側面に係る電源システムは、亜鉛電池と、亜鉛電池の充放電を制御する制御回路と、亜鉛電池の充電電圧及び充電電流を検出する検出部と、亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを記憶する記憶部と、定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及び定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定部と、を備える。

本発明者の実験によれば、亜鉛電池の劣化が進むに従い、定電流充電期間における充電電圧の時間変化の特性、及び定電圧充電期間における充電電流の時間変化の特性が少しずつ変動する。また、これにより、定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧（例えば定電圧充電の電圧）に到達するまでの到達時間もまた、亜鉛電池が劣化するに従って少しずつ変動する。これらの方法及びシステムでは、定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、上記到達時間、及び定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する。故に、使用中において亜鉛電池の劣化状態を推定することができる。

上記の方法の状態推定ステップでは、定電流充電期間における充電電圧の時間的変化を表す量として、定電流充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量を用いてもよい。本発明者の実験によれば、定電流充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量は、亜鉛電池の劣化が進むに従い大きく変動する。故に、この場合、亜鉛電池の劣化状態を精度良く推定することができる。

上記の方法の状態推定ステップでは、定電圧充電期間における充電電流の時間的変化を表す量として、定電圧充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量を用いてもよい。本発明者の実験によれば、定電圧充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量は、亜鉛電池の劣化が進むに従い大きく変動する。故に、この場合、亜鉛電池の劣化状態を精度良く推定することができる。

本発明の別の側面に係る亜鉛電池の劣化状態推定方法は、亜鉛電池の劣化状態を推定する方法であって、亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを取得するデータ取得ステップと、定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定ステップと、を含む。

本発明の別の側面に係る電源システムは、亜鉛電池と、亜鉛電池の充放電を制御する制御回路と、亜鉛電池の充電電圧及び充電電流を検出する検出部と、亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを記憶する記憶部と、定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定部と、を備える。

本発明者の実験によれば、亜鉛電池の劣化が進むに従い、定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性が少しずつ変動する。これらの方法及びシステムでは、定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定する。故に、使用中において亜鉛電池の劣化状態を推定することができる。

上記の各方法のデータ取得ステップにおいて、亜鉛電池の放電中における亜鉛電池の端子電圧の時系列データを取得し、状態推定ステップにおいて、亜鉛電池の放電中における端子電圧の時間的変化と亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定してもよい。充電中に限らず、放電中における端子電圧の時間的変化の特性もまた、亜鉛電池の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、放電時の端子電圧の時間的変化を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池の劣化状態をより精度良く推定することができる。

上記の各方法のデータ取得ステップにおいて、亜鉛電池の放電中における亜鉛電池の端子電圧の時系列データと、亜鉛電池の放電電荷量の時系列データとを取得し、状態推定ステップにおいて、亜鉛電池の放電中における端子電圧の放電電荷量に対する特性と、亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池の劣化状態を推定してもよい。充電中に限らず、放電中における端子電圧の充電電荷量に対する特性もまた、亜鉛電池の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、放電時の端子電圧の充電電荷量に対する特性を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池の劣化状態をより精度良く推定することができる。

本発明の一側面によれば、使用中において亜鉛電池の劣化状態を推定することが可能な方法及び電源システムを提供できる。

図１は、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。 図２は、制御部のハードウェア構成例を示す図である。 図３は、制御部の機能ブロックを示す図である。 図４は、発明者のサイクル寿命試験の容量確認試験（ＤＯＤ１００％）により得られたグラフであって、亜鉛電池の放電容量維持率の時間変化を示す。 図５は、発明者のサイクル寿命試験（ＤＯＤ３０％）により得られたグラフであって、ＣＣ充電期間及びその後のＣＶ充電期間における充電電流の時間変化を示す。 図６は、発明者のサイクル寿命試験（ＤＯＤ３０％）により得られたグラフであって、図５と同じ期間における充電電圧の時間変化を示す。 図７は、サイクル寿命試験（ＤＯＤ３０％）における亜鉛電池の端子電圧と放電電荷量との関係を示す。 図８は、亜鉛電池の状態推定方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による亜鉛電池の劣化状態推定方法及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。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。供給要素２は、自動車などの移動体に搭載された発電機であってもよい。

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、業務用または車載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、及び制御部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６Ｂ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、検出部を兼ねる。すなわち、ＢＣＵ１２は、亜鉛電池１０の充放電電流及び端子電圧を継続的に検出する。また、ＢＣＵ１２は、亜鉛電池１０の充放電電流を時間的に積算することにより充電電荷量を継続的に測定する。放電容量に対する充電電荷量の割合は、ＳＯＣ（State Of Charge）と称される。ＢＣＵ１２が検出した充放電電流及び端子電圧に関する情報、及びＢＣＵ１２が測定した充電電荷量に関する情報は、制御部１４に逐次送信される。なお、充電電荷量の算出に必要な情報をＢＣＵ１２が制御部１４に送信し、制御部１４が充電電荷量を算出してもよい。

コンバータ７及びインバータ８は、亜鉛電池１０の充電及び放電を制御する制御回路の例である。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）または電力不足が発生した場合、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とともに、亜鉛電池１０の劣化状態を推定するコンピュータ（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。

ここで、制御部１４における亜鉛電池１０の劣化状態の推定について説明する。図３は、制御部１４の機能ブロックを示す図である。図３に示されるように、制御部１４は、記憶部１４ａと、状態推定部１４ｂと、警告部１４ｃとを備える。記憶部１４ａは、例えば図２に示されたメモリ１４２によって実現される。記憶部１４ａは、ＢＣＵ１２により測定された亜鉛電池１０の端子電圧及び充放電電流を継続的に記憶することにより、これらの電圧及び電流の経時変化に関するデータ（時系列データ）を記憶する。これらの時系列データには、亜鉛電池１０の放電中における亜鉛電池１０の端子電圧の時系列データと、亜鉛電池１０を放電後に充電するための定電流（ＣＣ：Constant Current）充電期間における充電電圧の時系列データと、ＣＣ充電期間後の定電圧（ＣＶ：Constant Voltage）充電期間における充電電流の時系列データと、が含まれる。なお、充電電圧は、充電中における亜鉛電池の端子電圧と同義である。また、記憶部１４ａは、これらの時系列データに加えて、ＣＣ充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧（例えばその後のＣＶ充電における一定電圧）に到達するまでの到達時間を、更に記憶してもよい。

状態推定部１４ｂは、例えば図２に示されたプロセッサ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により実現される。状態推定部１４ｂは、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。なお、劣化状態の推定とは、亜鉛電池１０の劣化状態を示す何らかの数値を算出又は取得することをいい、亜鉛電池１０の放電容量の低下度合い（すなわち放電容量維持率）を算出する処理も劣化状態の推定に含まれる。

ここで、図４〜図６は、発明者のサイクル寿命試験により得られたグラフである。図４は、亜鉛電池１０の放電容量維持率の時間変化、すなわち試験前の放電容量を１００％としたときの各サイクル時における放電容量の割合を示す。放電容量維持率の時間変化は、亜鉛電池１０の劣化の進行度合いを表す。図４において、縦軸は放電容量維持率（単位：％）を表し、横軸はサイクル数を表す。図５は、ＣＣ充電期間及びその後のＣＶ充電期間における充電電流の時間変化を示す。図５において、縦軸は充電電流の大きさ（単位：Ａ）を表し、横軸は時間（単位：Ｈｏｕｒ）を表す。図６は、図５と同じ期間における充電電圧の時間変化を示す。図６において、縦軸は充電電圧の大きさ（単位：Ｖ）を表し、横軸は時間（単位：Ｈｏｕｒ）を表す。図５及び図６において、グラフＧ１１，Ｇ２１は１サイクル経過時点を表し、グラフＧ１２，Ｇ２２は５０サイクル経過時点を表し、グラフＧ１３，Ｇ２３は８００サイクル経過時点を表し、グラフＧ１４，Ｇ２４は１６００サイクル経過時点を表す。なお、図４は、容量確認試験（ＤＯＤ１００％）時の放電容量維持率とサイクル数の関係を示し、図５及び図６は、ＤＯＤ３０％のサイクル寿命試験時の充電電流および充電電圧の時間変化を示す。ＤＯＤは、各放電サイクルの放電深度（Depth of Discharge）である。図５及び図６の試験では、電池温度を２５℃とし、各放電サイクルの放電電荷量を２．４Ａｈ（ＤＯＤ３０％）とし、各放電サイクルの放電電流を１Ｃとし、放電と充電との間の休止時間を０とし、ＣＣ充電時の充電電流を１Ｃとし、ＣＶ充電時の充電電圧を１．９Ｖとし、充電電流が０．０５Ｃになった時点でＣＶ充電を終了し、容量確認試験を５０サイクル毎に実施した。また、容量確認試験では、電池温度を２５℃とし、ＤＯＤを１００％とし、容量確認電流を１Ｃとし、容量確認終止電圧を１．１Ｖとし、ＣＣ充電時の充電電流を１Ｃとし、ＣＶ充電時の充電電圧を１．９Ｖとし、充電電流が０．０５Ｃになった時点でＣＶ充電を終了した。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。

図４を参照すると、サイクル数が増加するにしたがって放電容量維持率が次第に減少していることがわかる。これは、放電および充電を繰り返すことによって亜鉛電池１０が徐々に劣化することを示している。また、図６を参照すると、ＣＣ充電期間においては、サイクル数によって充電電圧の時間的変化の様子が異なることがわかる。具体的には、サイクル数が少ないほど充電電圧の時間変化率（グラフの傾き）が小さく、サイクル数が多いほど充電電圧の時間変化率が大きい。この傾向は、ＣＣ充電期間の開始直後において特に顕著である。したがって、サイクル数が少ないほど、ＣＶ充電の一定電圧（この試験では１．９Ｖ）に遅く到達し、サイクル数が多いほど、ＣＶ充電の一定電圧に早く到達する。

また、図５を参照すると、ＣＶ充電期間においては、サイクル数によって充電電流の変化の様子が異なることがわかる。具体的には、サイクル数が少ない場合、ＣＶ充電期間の開始直後では充電電流の時間変化率が大きく、充電電流は急速に低下する。これに対し、ＣＶ充電期間の中程より後においては充電電流の時間変化率が小さくなり、充電電流の低下速度は緩慢になる。一方、サイクル数が多い場合には、サイクル数が少ない場合と比較して、ＣＶ充電期間の開始直後における充電電流の時間変化率は小さく、充電電流の低下速度もやや緩慢である。そして、ＣＶ充電期間の中程より後においては、充電電流の時間変化率はサイクル数が少ないときほど小さくはならず、充電電流の低下速度はサイクル数が少ないときよりも僅かに大きい。

この試験結果から、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化、ＣＣ充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧（この試験ではＣＶ充電電圧）に到達するまでの到達時間、及び、ＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの間には、有意な相関関係が存在することがわかる。本実施形態の制御部１４は、この相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。

具体的には、状態推定部１４ｂは、ＣＣ充電期間における充電電圧の時系列データと、ＣＶ充電期間における充電電流の時系列データとを、記憶部１４ａから読み出す。そして、状態推定部１４ｂは、ＣＣ充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧（例えばＣＶ充電電圧）に到達するまでの到達時間を充電電圧の時系列データから求め、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化、前記到達時間、及びＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。なお、ＣＣ充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間に関するデータを記憶部１４ａが記憶し、状態推定部１４ｂはこのデータを読み出してもよい。

前述したように、ＣＣ充電期間の開始直後においては、サイクル数による充電電圧の時間変化率の変動が顕著である。したがって、状態推定部１４ｂは、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化を表す量として、ＣＣ充電期間の開始直後における充電電圧の時間変化率すなわち単位時間当たりの変化量を用いてもよい。また、ＣＶ充電期間の開始直後においては、サイクル数による充電電流の時間変化率の変動が顕著である。したがって、状態推定部１４ｂは、ＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化を表す量として、ＣＶ充電期間の開始直後における充電電流の時間変化率すなわち単位時間当たりの変化量を用いてもよい。

劣化状態の推定は、例えば次のようにして行うことができる。まず、亜鉛電池１０と同一の構造を備える亜鉛電池について、上記と同様のサイクル試験を予め実施しておく。そして、得られたサイクル数毎の充電電圧及び充電電流の時間的変化（例えば単位時間当たりの変化量）と、ＣＣ充電期間における充電電圧が所定電圧（例えばＣＶ充電電圧）に到達するまでの到達時間と、サイクル数毎の放電容量維持率とを、相関関係を示すデータとして記憶部１４ａに記憶させる。状態推定部１４ｂは、電源システム１の運用中に、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化、ＣＣ充電期間における充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及びＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化について該データを参照し、その時点での放電容量維持率を推定する。

なお、記憶部１４ａは、亜鉛電池１０のＣＣ充電期間前の放電中における亜鉛電池１０の端子電圧の時系列データを更に記憶してもよい。そして、状態推定部１４ｂは、亜鉛電池１０の放電中における端子電圧の時間的変化と亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定してもよい。充電中に限らず、放電中における端子電圧の時間変化の特性もまた、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、放電時の端子電圧の時間的変化を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池１０の劣化状態をより精度良く推定することができる。

図７は、サイクル試験（ＤＯＤ３０％）における亜鉛電池１０の端子電圧の放電電荷量に対する特性を示す。この図において、縦軸は端子電圧（単位：Ｖ）を表し、横軸は放電電荷量（単位：Ａｈ）を表す。この図において、グラフＧ３１は１サイクル開始時点を表し、グラフＧ３２は５０サイクル経過時点を表し、グラフＧ３３は８００サイクル経過時点を表し、グラフＧ３４は１６００サイクル経過時点を表す。

図７を参照すると、サイクル数によって端子電圧の放電電荷量に対する特性が異なることがわかる。具体的には、すべて放電電荷量はＤＯＤ３０％分の２．４Ａｈ放電しているにもかかわらず、放電末期の電圧が大きく異なる。サイクル数が多くなる程、放電末期電圧は小さくなり、放電曲線の傾きも大きくなる。

この試験結果から、放電時における端子電圧の放電電荷量に対する特性と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの間には、有意な相関関係が存在することがわかる。実施形態の制御部１４は、この相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。

具体的には、状態推定部１４ｂは、ＣＣ充電期間前の放電期間における端子電圧の時系列データと、その放電期間における放電電流の時系列データとを、記憶部１４ａから読み出す。状態推定部１４ｂは、放電電流を積算することにより放電電荷量の時系列データを求め、端子電圧の放電電荷量に対する特性（例えば単位放電電荷量あたりの端子電圧の変化量）を求める。状態推定部１４ｂは、この特性と亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。

劣化状態の推定は、例えば次のようにして行うことができる。まず、亜鉛電池１０と同一の構造を備える亜鉛電池について、上記と同様のサイクル試験を予め実施しておく。そして、得られたサイクル数毎の端子電圧の放電電荷量に対する特性（例えば単位放電電荷量あたりの端子電圧の変化量）と、サイクル数毎の放電容量維持率とを、相関関係を示すデータとして記憶部１４ａに記憶させる。状態推定部１４ｂは、電源システム１の運用中に、放電期間における端子電圧の放電電荷量に対する特性について該データを参照し、その時点での放電容量維持率を推定する。

なお、状態推定部１４ｂは、亜鉛電池１０のＣＣ充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係、及び、亜鉛電池１０のＣＶ充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係、のうち少なくとも一方の相関関係に更に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定してもよい。放電中に限らず、充電中における充電電圧及び充電電流の充電電荷量に対する特性もまた、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、充電時における充電電圧及び充電電流の少なくとも一方の充電電荷量に対する特性を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池１０の劣化状態をより精度良く推定することができる。

警告部１４ｃは、状態推定部１４ｂから、亜鉛電池１０の劣化状態を示す情報（例えば放電容量維持率）を取得する。警告部１４ｃは、取得した情報に基づく亜鉛電池１０の劣化の程度が所定の程度を上回った場合に、亜鉛電池１０を新品へ交換することを使用者に促す。所定の程度は、放電容量維持率が例えば８０％以下となる場合に相当する程度である。警告部１４ｃは、例えば、亜鉛電池１０の交換を促すための警告画像を表示するディスプレイを含む。或いは、警告部１４ｃは、亜鉛電池１０の交換を促すための信号を外部装置へ出力してもよい。

ここで、電源システム１を用いた亜鉛電池１０の状態推定方法について説明する。図８は、本実施形態の亜鉛電池１０の状態推定方法を示すフローチャートである。この方法は、準備ステップＳＴ１と、データ取得ステップＳＴ２と、状態推定ステップＳＴ３とを含む。

準備ステップＳＴ１は、亜鉛電池１０の使用前に行われる。準備ステップＳＴ１では、亜鉛電池１０と同一の構造を備える試験用電池を用意し、この試験用電池に対してサイクル試験を行い、サイクル数毎の端子電圧及び充放電電流の時間的変化（例えば単位時間当たりの変化量）に関する試験データと、ＣＣ充電期間における充電電圧が所定電圧（例えばＣＶ充電電圧）に到達するまでの到達時間に関するサイクル数毎の試験データと、サイクル数毎の放電容量維持率に関する試験データとを取得する。加えて、端子電圧及び充放電電流の放電電荷量または充電電荷量に対する特性（例えば単位放電電荷量あたりの端子電圧の変化量）に関するサイクル数毎の試験データを取得する。そして、これらの試験データを記憶部１４ａに記憶させる。

データ取得ステップＳＴ２では、電源システム１の使用中に、亜鉛電池１０の端子電圧及び充放電電流の時系列データをＢＣＵ１２から取得する。この時系列データには、放電中における端子電圧及び放電電流の時系列データと、ＣＣ充電期間における充電電圧の時系列データと、ＣＶ充電期間における充電電流の時系列データとが含まれる。そして、これらのデータを記憶部１４ａに記憶させる。

状態推定ステップＳＴ３では、電源システム１の使用中に、記憶部１４ａに記憶されたデータから、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化、ＣＣ充電期間における充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及びＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化を知得する。そして、これらの時間的変化及び到達時間と、記憶部１４ａに記憶された試験データとを対照して比較する。加えて、記憶部１４ａに記憶されたデータから、ＣＣ充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及びＣＶ充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、記憶部１４ａに記憶された試験データとを対照して比較する。これらの比較結果に基づいて、その時点での放電容量維持率を推定する。

状態推定ステップＳＴ３では、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化を表す量として、例えば、ＣＣ充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量を用いる。また、状態推定ステップＳＴ３では、ＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化を表す量として、例えば、ＣＶ充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量を用いる。

また、状態推定ステップＳＴ３では、亜鉛電池１０の放電中における端子電圧の時間的変化と亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。加えて、亜鉛電池１０の放電中における端子電圧の放電電荷量に対する特性と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。亜鉛電池１０の劣化の程度が所定の程度を上回った場合には、必要に応じて、警告部１４ｃにより亜鉛電池１０の交換を促す。

以上に説明した本実施形態による亜鉛電池１０の劣化状態推定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、本発明者の実験によれば、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間変化の特性、及びＣＶ充電期間における充電電流の時間変化の特性が少しずつ変動する。また、これにより、ＣＣ充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間もまた、亜鉛電池１０が劣化するに従って少しずつ変動する。本実施形態では、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化、上記到達時間、及びＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。故に、使用中において亜鉛電池１０の劣化状態を推定することができる。

本実施形態のように、状態推定ステップＳＴ３では、ＣＣ充電期間における充電電圧の時間的変化を表す量として、ＣＣ充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量を用いてもよい。本発明者の実験によれば、ＣＣ充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量は、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い、初期と比べて大きく変動する。故に、この場合、亜鉛電池１０の劣化状態を精度良く推定することができる。

本実施形態のように、状態推定ステップＳＴ３では、ＣＶ充電期間における充電電流の時間的変化を表す量として、ＣＶ充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量を用いてもよい。本発明者の実験によれば、ＣＶ充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量は、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い、初期と比べて大きく変動する。故に、この場合、亜鉛電池１０の劣化状態を精度良く推定することができる。

本発明者の実験によれば、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い、ＣＣ充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及びＣＶ充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性が少しずつ変動する。本実施形態では、ＣＣ充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及びＣＶ充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定する。故に、使用中において亜鉛電池１０の劣化状態を推定することができる。

本実施形態のように、データ取得ステップＳＴ２において、亜鉛電池１０の放電中における亜鉛電池１０の端子電圧の時系列データを取得してもよい。そして、状態推定ステップＳＴ３において、亜鉛電池１０の放電中における端子電圧の時間的変化と亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定してもよい。充電中に限らず、放電中における端子電圧の時間変化の特性もまた、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、放電時の端子電圧の時間的変化を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池１０の劣化状態をより精度良く推定することができる。

本実施形態のように、データ取得ステップＳＴ２において、亜鉛電池１０の放電中における、亜鉛電池１０の端子電圧の時系列データと放電電荷量の時系列データとを取得し、状態推定ステップＳＴ３において、亜鉛電池１０の放電中における端子電圧の放電電荷量に対する特性と、亜鉛電池１０の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、亜鉛電池１０の劣化状態を推定してもよい。充電中に限らず、放電中における端子電圧の放電電荷量に対する特性もまた、亜鉛電池１０の劣化が進むに従い少しずつ変動する。故に、放電時の端子電圧の放電電荷量に対する特性を劣化推定の材料として加えることにより、亜鉛電池１０の劣化状態をより精度良く推定することができる。

本発明による亜鉛電池の劣化状態推定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、１４ａ…記憶部、１４ｂ…状態推定部、１４ｃ…警告部、１４１…プロセッサ、１４２…メモリ、１４３…通信インタフェース、Ｎ…ノード、ＳＴ１…準備ステップ、ＳＴ２…データ取得ステップ、ＳＴ３…状態推定ステップ。

Claims (8)

1. 亜鉛電池の劣化状態を推定する方法であって、
   前記亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び前記定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを取得するデータ取得ステップと、
   前記定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、前記定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及び前記定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定ステップと、
   を含む、亜鉛電池の劣化状態推定方法。
2. 前記状態推定ステップでは、前記定電流充電期間における充電電圧の時間的変化を表す量として、前記定電流充電期間の開始直後における充電電圧の単位時間当たりの変化量を用いる、請求項１に記載の亜鉛電池の劣化状態推定方法。
3. 前記状態推定ステップでは、前記定電圧充電期間における充電電流の時間的変化を表す量として、前記定電圧充電期間の開始直後における充電電流の単位時間当たりの変化量を用いる、請求項１または２に記載の亜鉛電池の劣化状態推定方法。
4. 亜鉛電池の劣化状態を推定する方法であって、
   前記亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び前記定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを取得するデータ取得ステップと、
   前記定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び前記定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定ステップと、
   を含む、亜鉛電池の劣化状態推定方法。
5. 前記データ取得ステップにおいて、前記亜鉛電池の放電中における前記亜鉛電池の端子電圧の時系列データを取得し、
   前記状態推定ステップにおいて、前記亜鉛電池の放電中における端子電圧の時間的変化と前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の亜鉛電池の劣化状態推定方法。
6. 前記データ取得ステップにおいて、前記亜鉛電池の放電中における前記亜鉛電池の端子電圧及び放電電荷量の時系列データを取得し、
   前記状態推定ステップにおいて、前記亜鉛電池の放電中における端子電圧の放電電荷量に対する特性と、前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に更に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の亜鉛電池の劣化状態推定方法。
7. 亜鉛電池と、
   前記亜鉛電池の充放電を制御する制御回路と、
   前記亜鉛電池の充電電圧及び充電電流を検出する検出部と、
   前記亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び前記定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを記憶する記憶部と、
   前記定電流充電期間における充電電圧の時間的変化、前記定電流充電期間における充電の開始から充電電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間、及び前記定電圧充電期間における充電電流の時間的変化と、前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定部と、
   を備える、電源システム。
8. 亜鉛電池と、
   前記亜鉛電池の充放電を制御する制御回路と、
   前記亜鉛電池の充電電圧及び充電電流を検出する検出部と、
   前記亜鉛電池を放電後に充電するための定電流充電期間における充電電圧の時系列データ、及び前記定電流充電期間後の定電圧充電期間における充電電流の時系列データを記憶する記憶部と、
   前記定電流充電期間における充電電圧の充電電荷量に対する特性、及び前記定電圧充電期間における充電電流の充電電荷量に対する特性のうち少なくとも一方と、前記亜鉛電池の劣化度合いとの相関関係に基づいて、前記亜鉛電池の劣化状態を推定する状態推定部と、
   を備える、電源システム。

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