JP2022038172A - 蓄電装置、寿命判断方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電セルの使用頻度(充放電回数)の情報を使用せずに、蓄電セルの寿命を判断する。【解決手段】蓄電装置50は、蓄電セル62と、検査器150を用いて計測された前記蓄電セル62の寿命に関する検査データが入力される入力部115と、入力された検査データを検査履歴として記憶する記憶部113と、制御部111と、を備え、前記制御部111は、前記入力部115に前記蓄電セル62の検査データの入力があった場合、入力された現在の検査データと、前記記憶部113に検査履歴として記憶されている過去の検査データとに基づいて、前記蓄電セル62の寿命を判断する。【選択図】図6

Description

本発明は、蓄電セルの寿命を判断する技術に関する。
特許文献1には、2次電池の充放電寿命判定制御装置に関し、以下の記載がある。電池ユニットの端子電圧を電圧計により検出することにより充放電を検出して、充放電回数検出記憶部に充放電回数を記憶すると共に、充放電回数を警報表示部に表示する。充放電回数比較制御回路では、検出した充放電回数と、予め設定した充放電寿命回数とを比較し、その差がゼロになったら警報表示部により警告を発生させると共に、電池主回路遮断操作回路により電池主回路遮断スイッチを開路させ、電池ユニットの放電路を遮断させる。
特開平11-79063号公報
蓄電セルの使用頻度(充放電回数)の情報を使用せずに、蓄電セルの寿命を判断することを課題とする。
蓄電装置は、蓄電セルと、検査器を用いて計測された前記蓄電セルの寿命に関する検査データが入力される入力部と、入力された検査データを検査履歴として記憶する記憶部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記入力部に前記蓄電セルの検査データの入力があった場合、入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている過去の検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断する。
上記技術は、蓄電セルの寿命判断方法に適用することが出来る。
本構成では、蓄電セルの使用頻度が分からなくても、蓄電セルの寿命を判断することが出来る。
バッテリの分解斜視図 二次電池セルの平面図 二次電池セルの断面図 バッテリの回路図 航空機と空港を示す図 バッテリ及び検査器の回路図 バッテリ及び検査器の回路図 バッテリ及び検査器の回路図 放電容量の検査シーケンス 放電容量Cの検査履歴を示す図 二次電池セルの寿命曲線を示す図
蓄電装置の概要を説明する。
蓄電装置は、蓄電セルと、検査器を用いて計測された前記蓄電セルの寿命に関する検査データが入力される入力部と、入力された検査データを検査履歴として記憶する記憶部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記入力部に前記蓄電セルの検査データの入力があった場合、入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている過去の検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断する。
この構成では、現在の検査データと、記憶部に検査履歴として記憶された過去の検査データとに基づいて、蓄電セルの寿命を判断する。蓄積された検査データから蓄電セルの寿命を判断するため、検査間の蓄電セルの使用状況や使用頻度が分からなくても、蓄電セルの寿命を判断することが出来る。検査データを検査器に蓄積する場合、その検査器で行った検査結果しか、寿命判断に反映させることが出来ないので、寿命の判断精度に課題がある。特に検査のサイクルが長い場合や、検査に使用される検査器が複数ある場合、顕著である。この構成では、検査を行った検査器を問わず、検査データを記憶部に蓄積して寿命判断に反映させることが出来る。そのため、検査データを検査器に蓄積する場合に比べて、多くの検査データを蓄積することが可能となることから、蓄電装置の寿命を高精度に判断できる。
前記記憶部は、複数の整備場で計測された複数の検査データを、検査履歴として記憶し、前記制御部は、前記入力部に入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている複数の整備場で計測された複数の検査データと、に基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断してもよい。
この構成では、複数の整備場で計測された複数の検査データを検査履歴として残すため、同一の整備場からしか検査データを集めない場合に比べて、多くの検査データを得ることが可能となる。そのため、蓄電セルの寿命の判断精度が高まる。特に、移動体に搭載された蓄電装置の場合、特定の整備場に限らず、複数の整備場で検査が行わる場合がある。従って、検査データが集まり難く、寿命の判断精度が低下する懸念がある。移動体に搭載された蓄電装置に、この構成を適用することで、寿命の判断精度が高まる。
前記制御部は、現在の検査データと過去の検査データとに基づいて、前記検査データの時間推移を示す寿命曲線を求め、求めた寿命曲線より前記蓄電セルの寿命を判断してもよい。この構成では、寿命曲線により検査データの経時変化を予測して蓄電セルの交換時期を判断することが出来る。
前記制御部は、前記蓄電セルの検査データが入力される毎に、現在の検査データと過去に行った検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命曲線を更新してもよい。この構成では、蓄電セルの検査回数が増えるほど、データ数が多くなり、寿命曲線の精度が高くなる。そのため、蓄電セルの寿命を高精度に判断することが出来る。
前記入力部は、前記検査器と通信可能な通信部であり、前記検査器から通信により前記検査データを受信してもよい。この構成では、作業者が検査データを蓄電装置に入力する必要がなくなるので、作業者の負担を軽減することが出来る。
<実施形態1>
1.バッテリの説明
バッテリ50は、図1に示すように、組電池60と、回路基板ユニット65と、収容体71を備える。
収容体71は、合成樹脂材料からなる本体73と蓋体74とを備えている。本体73は有底筒状である。本体73は、底面部75と、4つの側面部76とを備えている。4つの側面部76によって上端部分に上方開口部77が形成されている。
収容体71は、組電池60と回路基板ユニット65を収容する。組電池60は12個の二次電池セル62を有する。12個の二次電池セル62は、3並列で4直列に接続されている。
回路基板ユニット65は、組電池60の上部に配置されている。図4のブロック図では、並列に接続された3つの二次電池セル62を1つの電池記号で表している。二次電池セル62は「蓄電セル」の一例である。
蓋体74は、本体73の上方開口部77を閉鎖する。蓋体74の周囲には外周壁78が設けられている。蓋体74は、平面視略T字形の突出部79を有する。蓋体74の前部のうち、一方の隅部に正極の外部端子51が固定され、他方の隅部に負極の外部端子52が固定されている。
バッテリ50は、正負の外部端子51、52に接続された負荷に対して電力を供給する。
図2及び図3に示すように、二次電池セル62は、直方体形状のケース82内に電極体83を非水電解質と共に収容したものである。二次電池セル62は一例としてリチウムイオン二次電池である。ケース82は、ケース本体84と、その上方の開口部を閉鎖する蓋85とを有している。
電極体83は、詳細については図示しないが、銅箔からなる基材に活物質を塗布した負極要素と、アルミニウム箔からなる基材に活物質を塗布した正極要素との間に、多孔性の樹脂フィルムからなるセパレータを配置したものである。
これらはいずれも帯状で、セパレータに対して負極要素と正極要素とを幅方向の反対側にそれぞれ位置をずらした状態で、ケース本体84に収容可能となるように扁平状に巻回されている。
正極要素には正極集電体86を介して正極端子87が、負極要素には負極集電体88を介して負極端子89がそれぞれ接続されている。正極集電体86及び負極集電体88は、平板状の台座部90と、この台座部90から延びる脚部91とからなる。台座部90には貫通孔が形成されている。脚部91は正極要素又は負極要素に接続されている。
正極端子87及び負極端子89は、端子本体部92と、その下面中心部分から下方に突出する軸部93とからなる。そのうち、正極端子87の端子本体部92と軸部93とは、アルミニウム(単一材料)によって一体成形されている。負極端子89においては、端子本体部92がアルミニウム製で、軸部93が銅製であり、これらを組み付けたものである。
正極端子87及び負極端子89の端子本体部92は、蓋85の両端部に絶縁材料からなるガスケット94を介して配置され、このガスケット94から外方へ露出されている。
蓋85は、圧力開放弁95を有している。圧力開放弁95は、図2に示すように、正極端子87と負極端子89の間に位置している。圧力開放弁95は、ケース82の内圧が制限値を超えた時に、開放して、ケース82の内圧を下げる。
図4を参照して、バッテリ50の電気的構成を説明する。バッテリ50は、組電池60と、遮断装置53と、管理装置100とを含む。
組電池60は、直列接続された複数の二次電池セル62から構成されている。二次電池セル62は、リチウムイオン二次電池セルでもよい。二次電池セル62は、本発明の「蓄電セル」の一例である。
組電池60の正極は、パワーライン55Pにより、正極の外部端子51と接続されている。組電池60の負極は、パワーライン55Nにより、負極の外部端子52に接続されている。バッテリ50は、外部端子51、52に接続された負荷Rに対して電力を供給する。また、外部端子51、52に充電器が接続された場合、充電器より充電することも出来る。
遮断装置53は、組電池60の正極に位置し、正極のパワーライン55Pに設けられている。遮断装置53は、リレーやFETなどにより構成することが出来る。
遮断装置53は、回路基板ユニット65上に配置されており、収容体71内に収容されている。
遮断装置53は、正常時、CLOSE状態(normally close)に制御される。バッテリ50に異常があった場合、遮断装置53を用いて電流を遮断することで、バッテリ50を保護することが出来る。
管理装置100は、CPU等からなる制御部111と、記憶部113と通信部115とを含む。管理装置100はバッテリ50を管理する。
管理装置100によるバッテリ50の管理項目には、SOCなど充電状態に関する管理や、バッテリ50の使用状態の管理が含まれる。使用状態の管理は、電圧、電圧、温度に関し、適正な使用範囲内で、バッテリ50が使用されているかである。
また、管理装置100は、組電池60の寿命Tを管理する。記憶部113には、バッテリ50の管理に使用となるデータが記憶されている。
データには、組電池60の寿命Tを判断するためのデータや、寿命Tを判断する検査シーケンスを実行するためのプログラムを含む。プログラムはCD-ROM等の記録媒体に記憶して譲渡等することが出来る。プログラムは電気通信回線を用いて配信することも出来る。
バッテリ50は、航空機10や船舶などの移動体に搭載して、航空機10や船舶に搭載された機器の電源として、使用することが出来る。
移動体は、搭載されている機器の検査を定期的に行う場合がある。例えば、航空機用の場合、図5に示すように、空港APの整備場MTにて、航空機10から取り外して、機器の検査が行われる。
整備場MTは、複数の空港APに設けられており、機器の検査は、特定の整備場MTに限らず、複数の空港APにて行われる場合がある。機器の検査には、バッテリ50の検査が含まれている。
バッテリ50の検査項目の一つに、組電池60の放電容量C[Ah]がある。放電容量C[Ah]は、満充電から放電終止電圧に至るまでに、組電池60が放電する電気量である。放電終止電圧は、安全に放電を行える放電電圧の最低値である。
各空港APの各整備場MTには、同一構造の検査器150が設けられており、どの整備場MTでも、組電池60の放電容量C[Ah]を計測することができる。
放電容量C[Ah]は、組電池60の劣化に伴い低下することから、組電池60の寿命と相関性がある。放電容量C[Ah]は、組電池60の寿命に関する検査データの一例である。
2.検査器150の説明
検査器150は、図6に示すように、一対の接続端子151、152と、電流センサ160と、充電回路170と、放電回路180と、制御装置200を備える。
充電回路170は、第1スイッチ171と充電器173を備える。第1スイッチ171と充電器173は直列に接続されている。
放電回路180は、第2スイッチ181と放電抵抗183を備える。第2スイッチ181と放電抵抗1833は直列に接続されている。
充電回路170と放電回路180は、並列に接続されている。充電回路170及び放電回路180の一方の接続点P1は、パワーライン155Pを介して、正極の接続端子151に接続され、他方の接続点P2は、パワーライン155Nを介して、負極の接続端子152に接続されている。
電流センサ160は、正極のパワーライン155Pに位置しており、パワーライン155Pに流れる電流を計測する。電流センサ160は、正極のパワーライン155Pに限らず、負極のパワーライン155Nに配置することも出来る。
バッテリ50の外部端子51、52を、検査器150の接続端子151、152にそれぞれ接続することで、バッテリ50を検査器150に対して接続することが出来る。
検査器150の2つのスイッチのうち、第1スイッチ171をオン、第2スイッチ181をオフに切り換えることで、検査器150の充電回路170をバッテリ50に接続することが出来る(図7参照)。
検査器150の2つのスイッチ171、181のうち、第1スイッチ171をオフ、第2スイッチ181をオンに切り換えることで、検査器150の放電回路180をバッテリ50に接続することが出来る(図8参照)。
制御装置200は、正極の接続端子151と信号線L1を介して接続されており、正極の接続端子151の電圧V(バッテリ50の正極の端子電圧)が取り込まれるようになっている。また、電流センサ160とも信号線L2を介して接続されており、電流センサ160の計測値Ibが取り込まれるようになっている。
また、制御装置200は通信部215を有しており、バッテリ50と通信することが出来る。バッテリ50との通信は、特定の整備場Mに設置された特定の検査器150に限らず、どの整備場Mに設置された検査器150でも行うことが出来る。図6に示すバッテリ50と検査器150は、両間を通信線L3で接続して通信を行うが、バッテリ50と検査器150の通信は、無線通信でもよい。
3.バッテリの検査と寿命診断
検査を行う場合、航空機10から取り外されたバッテリ50を、空港APの整備場MTに装備された検査器150に接続する。具体的には、バッテリ50の外部端子51、52と検査器150の接続端子151、152を接続し、更に、バッテリ50の通信部115と検査器150の通信部215を通信線L3で接続する。通信線L3の接続は、着脱可能なコネクタを用いて行う。
検査器150の制御装置200は、通信線L3の接続により、検査器150にバッテリ20が接続されたことを検出することが出来る。バッテリ50の接続は、通信線L3の接続に限らず、接続端子151の端子電圧Vで判断することも出来る。
制御装置200はバッテリ50の接続を検出した場合、図9に示す放電容量の検査シーケンスを実行する。検査シーケンス実行前の状態において、第1スイッチ171と第2スイッチ181はいずれもオフに制御されている。
制御装置200は、検査シーケンスを開始すると、まず、第1スイッチ171をオン、第2スイッチ181をオフに切り換え、充電回路170をバッテリ50に接続する(図7参照)。
その後、制御装置200は、充電回路170から組電池60に充電電流Iaを流して、組電池60を満充電まで充電する(S10)。満充電の検出は、接続端子151の電圧Vや充電電流Iaの大きさ等から判断することが出来る。
制御装置200は、組電池60の満充電を検出すると、第1スイッチ171をオフ、第2スイッチ181をオンに切り換えることで、バッテリ50に放電回路180を接続する(図8参照)。
放電回路180の接続により、満充電に充電された組電池60から放電回路180に放電電流Ibが流れ、組電池60は放電する。組電池60の放電電流Ibは電流センサ160により計測され、そのデータは制御装置200に取り込まれる。
制御装置200は、組電池60の放電中、接続端子151の電圧Vをモニタし、接続端子151の電圧V、つまりバッテリ50の端子電圧Vが、所定の放電終止電圧まで下がると、第2スイッチ181をオンからオフに切り換えて放電を停止する。これにより、組電池60を放電終止電圧まで放電することが出来る(S20)。
制御装置200は、満充電で放電を開始してから放電終止電圧に至るまでの放電電流Ibを積算することにより、組電池60の放電容量C[Ah]を計測することが出来る。
制御装置200は、組電池60の放電容量C[Ah]の計測が完了すると、そのデータを、計測日時、整備場の情報と共に、通信線L3を介してバッテリ50に送信する(S30)。
バッテリ50は、検査器150から放電容量C[Ah]の計測結果を受信すると、受信した現在の放電容量C[Ah]と、記憶部113に検査履歴として記憶された過去の放電容量C[Ah]に基づいて、組電池60の寿命を判断する(S40)。
図10は、バッテリ50の記憶部113に記憶されている放電容量Cの検査履歴の一例である。検査履歴は、計測日時、整備場、放電容量Cの計測値の項目などから構成することが出来る。
3回目の検査の場合、過去に検査を2回実行しており、記憶部113に対して、検査履歴として、放電容量C0~C2の3つのデータが記憶されている。
「C0」は放電容量の初期値、「C1」は1回目の検査時に整備場M1てに計測した放電容量である。「C2」は2回目の検査時に整備場M2にて計測した放電容量である。
制御部111は、記憶部113に記憶されている過去の放電容量C0~C2と、今回(3回目)の検査で計測した現在の放電容量C3から、図11に示すように、放電容量C[Ah]の時間推移を示す寿命曲線LTを求める。
寿命曲線LTは、放電容量C[Ah]の時間推移を近似するものであれば、曲線でもいいし、直線でもよい。
制御部111は、寿命曲線LTを算出すると、算出した寿命曲線LTから組電池60の寿命Tを算出する。寿命Tは、放電容量Cが現在値C3から閾値Cxまで低下するまでの期間である。閾値Cxは、放電容量Cの使用限界値(最低値)である。
制御部111は、組電池60の寿命Tを求めると、求めた寿命Tの長さを判断する(S50)。制御部111は、寿命Tが所定期間以上存在する場合、バッテリ50は使用可能と判断する(S50:YES)。
制御部111は、バッテリ50は使用可能と判断した場合、3回目の検査で計測した現在の放電容量C3[Ah]を、計測日時及び整備場(例えば整備場M1)と共に、記憶部113に対して検査履歴として記憶する(S60)。
制御部111は、その後、検査器150に対してバッテリ50の充電指令を送る。
検査器150は、バッテリ50から充電指令を受けると、その後、第1スイッチ171をオン、第2スイッチ181をオフに切り換え、充電回路170をバッテリ50に接続し、バッテリ50を充電する(S70)。
バッテリ50の充電後、検査器150から取り外すことで、充電済みのバッテリ50を、航空機10に搭載して使用することが出来る。
その後、所定期間が経過すると、航空機10の滞在するいずれかの空間APの整備場MTにて、次の検査(4回目)が行われ、バッテリ50に接続された検査器150により、放電容量C4[Ah]が再計測される。
この時点では、バッテリ50の記憶部113に対して、初回の放電容量C0に加えて、第1回目~第3回目までの検査時に計測した放電容量C1~C3が検査履歴として記憶されている。
バッテリ50は、記憶部113に記憶された放電容量C0~C3のデータと、再計測した放電容量C4のデータに基づいて、放電容量C[Ah]の時間推移を示す寿命曲線LTを改めて算出し、更新する。そして、更新した寿命曲線LTから組電池60の寿命Tを算出する。
このように、バッテリ50の記憶部113には、過去に計測した放電容量Cのデータが累積的に蓄積される(図10)。
そのため、使用期間が長くなるほど、つまり寿命Tが短くなるほど、寿命曲線LTの算出に使用されるデータ数が増えるので、組電池60の寿命Tの判定精度が高くなる。
そして、制御部111は、組電池60の寿命Tを判定した結果、所定期間未満である場合(S50:No)、バッテリ50は使用不可と判断し、バッテリ50の交換を報知する。
例えば、バッテリ50から検査器150に指令を送り、検査器150の表示部220にバッテリ50の交換を促すメッセージを表示する。
3.効果説明
本構成では、組電池60の使用頻度や使用環境(主として温度)が分からなくても、組電池60の寿命Tを判断することが出来る。
本構成では、複数の整備場M1、M2で計測された複数の放電容量C[Ah]を検査履歴としてバッテリ50に残し、過去の検査データ(放電容量)をバッテリ50で一元管理する。そのため、多くの検査データを得ることが可能となり、検査データを検査器150に蓄積する場合に比べて、組電池60の寿命Tの判断精度が高まる。特に、検査サイクルが長い場合、検査データが集まり難く、判断精度が低下する傾向にあることから、好適である。
本構成では、バッテリ50は検査器150と通信接続されており、バッテリ50は放電容量C[Ah]を通信で取得できる。そのため、検査した放電容量C[Ah]のデータをバッテリ50に対して手動で入力する必要がなく、作業者の負担を軽減することが出来る。
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施形態では、蓄電セルの一例として、二次電池セルを示した。蓄電セルは、キャパシタなどでもよい。蓄電セルは、複数セルに限らず、単セルでもよい。また、複数セルが直並列に接続されていてもよい。
(2)実施形態では、バッテリ50を航空機や船舶に使用する場合を例示した。これ以外にも、車両用や鉄道用に使用することも出来る。また、バッテリ50の使用用途は、移動体用に限定されない。定期的に検査を行って寿命を判断する場合であれば、無停電電源装置や発電システムの蓄電装置など、定置用として使用することも出来る。
(3)実施形態では、二次電池セル62の検査データとして、放電容量C[Ah]を計測した。検査データは、放電容量C[Ah]に限らない。組電池60の寿命と相関性を有するデータであれば、他のデータでもよい。例えば、内部抵抗でもよい。内部抵抗はバッテリ50の端子電圧Vと電流Ibから求めてもよい。
(4)実施形態では、バッテリ50は、検査器150で検査した検査データ(放電容量)を通信により受信した。検査データの受け渡し方法は、通信に限らない。バッテリ50に、USBメモリなど電子メディアを接続可能な接続ポート(入力部の一例)などを設けて、電子メディアを介して検査データを入力するようにしてもよい。
(5)実施形態では、現在の放電容量Cのデータと、記憶部113に検査履歴として記憶された過去の放電容量Cのデータと、から放電容量Cの時間推移を示す寿命曲線LTを求めた。求めた寿命曲線LTから組電池60の寿命を判断した。現在の放電容量Cのデータと、記憶部113に検査履歴として記憶された過去の放電容量Cのデータと、から組電池60の寿命を判断することが出来れば、寿命曲線LTとは別の方法で、組電池60の寿命を判断してもよい。例えば、放電容量Cの時間に対する低下率を求めて、放電容量Cの時間推移を予想することにより、寿命Tを判断してもよい。
50 バッテリ(本発明の「蓄電装置」に相当)
60 組電池
100 管理部
111 制御部
113 記憶部
115 通信部(本発明の「入力部」に相当)
150 検査器
160 電流センサ
170 放電回路
180 充電回路

Claims (6)

  1. 蓄電装置であって、
    蓄電セルと、
    検査器を用いて計測された前記蓄電セルの寿命に関する検査データが入力される入力部と、
    入力された検査データを検査履歴として記憶する記憶部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記入力部に前記蓄電セルの検査データの入力があった場合、
    入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている過去の検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断する、蓄電装置。
  2. 請求項1に記載の蓄電装置であって、
    前記記憶部は、複数の整備場で計測された複数の検査データを、検査履歴として記憶し、
    前記制御部は、前記入力部に入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている複数の整備場で計測された複数の検査データと、に基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断する、蓄電装置。
  3. 請求項1又は2に記載の蓄電装置であって、
    前記制御部は、現在の検査データと過去の検査データとに基づいて、前記検査データの時間推移を示す寿命曲線を求め、求めた寿命曲線より前記蓄電セルの寿命を判断する、蓄電装置。
  4. 請求項3に記載の蓄電装置であって、
    前記制御部は、前記蓄電セルの検査データが入力される毎に、現在の検査データと過去に行った検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命曲線を更新する、蓄電装置。
  5. 請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の蓄電装置であって、
    前記入力部は、前記検査器と通信可能な通信部であり、前記検査器から通信により前記検査データを受信する、蓄電装置。
  6. 蓄電装置の寿命判断方法であって、
    前記蓄電装置は、蓄電セルと、検査器を用いて計測された前記蓄電セルの寿命に関する検査データが入力される入力部と、入力された検査データを検査履歴として記憶する記憶部と、を含み、
    前記入力部に前記蓄電セルの検査データの入力があった場合、入力された現在の検査データと、前記記憶部に検査履歴として記憶されている過去の検査データとに基づいて、前記蓄電セルの寿命を判断する、寿命判断方法。
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