JP4165995B2 - エネルギー蓄積システム - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、エネルギー蓄積システムに関し、特に、バッテリーの性能を改善するためのバッテリー管理システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
バッテリー業界においては、主として、セルラー電話やラップトップコンピュータなどのバッテリー駆動式携帯機器の利便性に対する顧客の増加し続ける要求に応じるため、バッテリー管理技術向上の要請が増加している。加えて、バッテリー業界でも、電動モータ工具やゼロ排気車両においてバッテリーを新世代の動力源として利用することが強調される傾向がある。そのような傾向は、大気汚染や騒音に対する、増加する政府規制や利用者の関心の結果である。また、高効率バッテリーを要求する別の分野として、高度な電子機器の負レベル化、緊急用／待機用電力、電力品質維持のシステムなどのエネルギー蓄積適用例がある。
【０００３】
バッテリー駆動機器への要求増加の結果、バッテリー業界には理想的な蓄電池を製造する競争圧力がかけられている。理想的な蓄電池とは、重量がゼロに近く、スペースをと取らず、動作寿命が長く、充電／放電性能がよく、使用後に環境汚染物とならないようなバッテリーのことである。バッテリー業界で利用されている最も汎用の技術は鉛蓄電池であり、高エネルギー密度化、小型化、性能アップ、長寿命化、確実なリサイクルが可能である。
【０００４】
そのため、数社の製造業者では、ニッケル金属水酸化物やリチウムイオンなどの新規のバッテリーの研究が進められているが、それらのバッテリーは、特に、高成長性のある産業の１つである２人／３人乗り乗用車の分野では、現時点で経済性を考慮して利用するには高価すぎる。また一方、従来の鉛蓄電池でさえも、バッテリーの動作条件を適切に管理することにより動作性能を高めることが可能であることも、認識されつつある。
【０００５】
現時点では必ずしも的確に指摘されているわけではないが、バッテリー管理に関するいくつかの要件がある。
（ｉ）充電または再生動作中における過充電に対する保護。
（ｉｉ）高電力動作あるいは長時間動作における過放電に対する保護。
（ｉｉｉ）バッテリーの内部抵抗のマイナス影響の最小限化。
（ｉｖ）バッテリー装置の個別セルをモニター、制御、保護する能力。
【０００６】
一般的に、鉛蓄電池充電器は、２つのタスクを有している。第１に、できる限り迅速に容量を回復するタスク、第２に、自己放電を補償して容量を維持するタスクの２つである。両方とも、最適に実行するためには、バッテリーの電圧と温度とを正確に計測することが必要である。普通、鉛蓄電池を充電すると、硫酸鉛が変換されて、バッテリーの負極と正極にそれぞれ鉛と酸化鉛が沈着する。そして、大部分の硫酸鉛が変換されてしまうと、過充電反応が始まって、電界質が破壊されて気体の水素および／または酸素が作成される結果となり、この反応は一般的に「ガス発生」と言われている。通気式またはバルブ式バッテリーでは、この反応の結果として、電解質の損失や電解質の脱水素化を起こして、バッテリーの動作サイクル寿命に悪影響を与えることになる。
【０００７】
そのような過充電は発生は、バッテリー電圧をモニターすることにより検出できる。過充電反応が発生すると、セル電圧が急激に上昇する。過充電反応が開始する時点は充電率によって決まり、充電率が増加するに連れて、過充電開始時の戻り容量パーセンテージが低下する。過充電で消費されるエネルギーは、バッテリーで補充できない。一般的な過充電対策として、できるかぎり早く容量を最大値に戻して、バッテリーのバランスを元に戻すことが試みられているが、その反動として、動作サイクル寿命が縮まるのである。
【０００８】
バッテリーを再充電する方法はいくつかあるが、そのどれもが、バッテリーのセル集団を１単位とみなして、セル集団内の真のバランスを保つのに不可欠である、実際に個々のセルをモニターすることを行っていない。一般的な１２Ｖバッテリーは、一次接続のための主端子を備えたケースに収容された、直列に接続された６個の２Ｖセルから構成されている。通常、個々のバッテリーセルは同じように動作するわけではなく、充電や放電のさい、セルは「非バランス」状態になってしまう。
【０００９】
セルの寿命の２つの重大な要素として、上限電圧レベルと加減電圧レベルがある。再充電または再生動作中に鉛蓄電池の２Ｖセルが２．６Ｖを越えると、ガスが発生して電解質の脱水素化を起こし、セル寿命に影響を与えてしまう。また、放電中にセル電圧が約１．６Ｖ以下に下がっても、電極の表面に永久損傷を与えてしまう。ほとんど従来の充電装置は、連続セルの最初と最後の端子にだけ配線接続されているため、各セルを個別にモニターし、損傷から保護することが不可能である。一般的に、充電器においては、蓄積電圧まで充電反応させると、充電器の所定の容量に合うよう蓄電総量に対して弱いセルの高電圧値まで充電されるので、標準のセルが過充電されてしまう。この過充電の結果、電解質が脱水素化し、標準のセルが消耗し、セルの寿命だけでなくバッテリー全体の寿命を縮めてしまうことになる。
【００１０】
また、バッテリーの内部抵抗も、バッテリー装置の充電放電能力に大きく影響する別の要素である。バッテリーはその性能を下げるような多くの問題点をもつが、そのひとつが内部抵抗を克服する課題である。各バッテリー装置は内部抵抗を有するが、内部抵抗を最小限にすると同時に、単位重量あたりの最大のエネルギー量を蓄積できるようにすることが問題である。バッテリー装置に負荷をかけると所定の電流が流れるが、内部抵抗のせいでバッテリー電圧が低下する。抵抗値が低いほど、バッテリーの電圧低下が小さくなる。これは、バッテリーの全内部抵抗値が、部品の物理的抵抗と、駆動集中分極などの分極による抵抗とから成るからである。
【００１１】
いずれのバッテリー装置でも、全内部抵抗値に最も多く関与するのが、分極作用である。単純な構造においては、集中分極により、電極表面上に反応物つまり生成物が沈着して、電極への反応物の拡散や電極からの生成物の離脱を妨害してしまう。電流が高くなるほど、バッテリー装置で不可避の分極による損失も増加する。それゆえ、バッテリー装置の分極の程度によって、バッテリー装置から取り出せる最大電流値が制限されるのである。けれども、分極損失を削減制御すれば、ほとんどのバッテリー装置において最小限の電圧損失で最大電流が取り出せることが可能となる。
【００１２】
それゆえ、本発明の目的は、大部分のタイプのバッテリーに存在する内部抵抗損失を削減できるような、バッテリーから所定の電力を出力させるための電力制御装置を提供することである。
【００１３】
（発明の開示）
本発明の態様の１つにおける、バッテリー装置から所定の電力を出力させる電力制御システムは、
（ｉ）前記のバッテリー装置からの電力を負荷へ送る出力手段と、
（ｉｉ）前記のバッテリー装置に接続され、バッテリー装置の予め選択された動作パラメータを検知し、第１動作モードのとき、前記バッテリー装置から前記の出力手段へ電力を供給する制御手段と、
（ｉｉｉ）前記の制御手段とバッテリー装置の間に接続され、予め決められた電力量を蓄積し、前記の制御手段が第２動作モードになったとき、前記の制御手段から指令信号に応答してその蓄積電力量を前記のバッテリー装置へ供給する第１キャパシタ手段と、
（ｉｖ）前記の制御手段と出力手段の間に接続され、予め決められた電力量を蓄積し、前記の制御手段が第２動作モードになったとき、前記の制御手段から指令信号に応答してその蓄積電力量を前記の出力手段へ供給する第２キャパシタ手段とから成る。
【００１４】
好ましくは、前記の第１と第２のキャパシタ手段が、バッテリーから送られる電力の小量のパーセント分を蓄積する。
【００１５】
本発明の一実施例として、前記の制御手段が、前記の電力制御システムからの供給開始の後、所定の時間間隔をおいて前記の第１キャパシタ手段と第２キャパシタ手段とに指令信号を送ることも可能である。
【００１６】
本発明の別の実施例では、前記の制御手段が、前記バッテリー内の分極レベルを検知し、そのバッテリー内での分極レベルが所定値を越えると、前記の第１キャパシタ手段と第２キャパシタ手段へ制御信号が送るようにしてもよい。
【００１７】
さらに、前記の第１キャパシタ手段内に蓄積された電力が、前記の制御手段により検知されるバッテリー装置の内部抵抗値に比例する比率で、バッテリー装置の電力を励起するような逆電荷つまり逆パルスを誘導しても構わない。電極の表面上での励起により、バッテリーの電流の入出量を大きくでき、その結果、バッテリー装置の電流量が増え、再充電が迅速にでき、サイクル寿命が長くなる。
【００１８】
前記の電力制御システムが、バッテリー装置全体あるいは個々のセルとしてのバッテリー装置の予め選定された動作パラメータを検知することも可能である。
【００１９】
前記の電力制御システムが、バッテリーの電流、温度、内部抵抗、動作性能を自動的にモニターできるようにしても構わない。また、電力制御システムを、充電および放電サイクル動作中にバッテリー装置の各セルをモニター可能にすることもできる。
【００２０】
本発明の別の態様として、上記の電力制御システムを、バッテリー充電器からバッテリー装置へ所定電力量を供給するのにも利用することも可能である。
【００２１】
本発明のさらに別の態様におけるバッテリー管理システムは、少なくとも１対の電極をもち、分極に感応し易い少なくとも１個のセルを有するバッテリーの管理システムであって、
（ｉ）分極レベルを示す各セルの所定パラメータをモニターする手段と、
（ｉｉ）前記のバッテリーに出入力される電力の所定量を蓄積する手段と、
（ｉｉｉ）前記の分極を削減できるよう、逆電荷つまり逆パルスを誘導する手段とから成る。
【００２２】
（発明を実施するための最良の形態）
図１に示す電力制御システム１０は、電気自動車などの負荷が接続される端子つまり出力手段１２に、バッテリー装置１１からの電力の所定出力を供与できるように設計されている。出力端子１２とバッテリー装置１１の端子１３の間には、バッテリー装置１１の予め決められた動作パラメータを検知できる制御手段１４が設置されている。制御手段１４は、第１動作モード期間中においては、バッテリー装置１１から電力を出力端子１２へ供給する。
【００２３】
前記のバッテリー装置１１と制御手段１４の間に接続された第１のキャパシタ手段１５は、制御手段１４の第１動作モード中ではバッテリー装置１１から供給された所定量の電力を保存し、制御手段１４が第２動作モードになると、制御手段１４からの命令信号に応答して、その保存電力をバッテリー装置１１に供給する。
【００２４】
前記の出力端子１２と制御手段１４の間に接続された第２のキャパシタ手段１６は、制御手段１４の第１動作モード中ではバッテリー装置１１から供給された所定量の電力を保存し、制御手段１４が第２動作モードになると、制御手段１４からの命令信号に応答して、その保存電力を出力端子１２に供給する。
【００２５】
このように、前記電力制御システムは２つのキャパシタネットワークを一体化しており、制御手段が例えばバッテリー装置１１での分極レベルが高すぎたり、あるいは電力が負荷へ最初に供給されてから所定の時間を既に経過していることを検知した場合、バッテリー装置１１へ逆充電を始める。この放電サイクルでは、制御装置１４が第１キャパシタネットワーク１５に保存された電力をバッテリー装置１１に充電させ、同時に第２キャパシタ手段１６は未変動電力を出力端子１２へ供給する。この逆サイクルすなわち放電サイクル時間はかなり短いものであり、一定の時間間隔で効率的に実施可能である。
【００２６】
この逆充電には、バッテリー装置内での分極の影響や、それに関係する損失を無くすか、あるいは最小限に抑える能力がある。
【００２７】
前記の電力制御システムは、作動時全般において最適な性能とバッテリー保護を供与するために、充電器と接続して作動させてもよい。前記電力制御システムはまた、基準外の充電器がバッテリー装置に接続されることのないようにするために適用することもできる。これによって、潜在的な乱用を防ぎ、自動車の所有者が自宅で間違った充電器を用いてバッテリー装置を充電するのを防止している。
【００２８】
前記の電力制御システム、充電器、車両には、個別の電子サインを備えており、システム全体を高精度で追従しモニターすることが可能となる。バッテリー装置が充電ユニットに装備される度に、電力制御システムは、バッテリー自体と、それが取り外された車両と、ユーザとを特定することができる。
【００２９】
充電ユニットでは、バッテリーの電力レベルとその車両ユーザのクレジット、さらに交換料金、電気料金、バッテリーの月極めレンタル料をモニター可能である。現金あるいはクレジットでの料金支払いが済むと、新しいバッテリーが出され、車両に装備される。顧客がバッテリーを乱用したり不当に取り扱った場合でも、この充電器で検知できる。
【００３０】
前記の制御システムの適用により、バッテリーの電力レベルの検知だけでなく、その時点での電力使用レベルをもとに、残りの駆動可能距離を測定することも可能である。この機能により車両ドライバーが、残留電力レベルであと何キロの走行が可能であるかを知ることができる。
【００３１】
各充電ユニットは、テレメータシステムを経由してオペレーションセンタにつなげることで、充電ステーションネットワーク内の全てのステーションを常時モニターすることが可能になる。
【００３２】
前記の電力制御システムには、速度制御モジュールの特性と機能が備わっており、車両管理者が車両から速度制御装置を取り除き、電力制御システム経由でその出力を簡単に制御することができる。このことは車両コストを削減し、メーカーの保証範囲を縮小し、またテレメータコミュニケーション装置経由で継続的な機能モニターを可能にする。
【００３３】
前記の電力制御システムは、独自の特徴と特定の利用目的をもつバルブ調節型鉛蓄電池や、ニッケル金属水素化物バッテリー、レドックス−ゲル型電池などの、多様なバッテリー装置にも適用することができる。
【００３４】
前記の電力制御システムは、遠隔型電力装置、負荷平均化装置、緊急用バックアップバッテリー装置のスタンバイ機能を向上するために使用することも可能である。遠隔地型電力装置や緊急用バックアップ機能用に使用される定置バッテリー装置は、長期間にわたり完全に充電された状態のままで放置しておくことができる。セルがそれぞれ異なる割合で自己放電すると、前記の電力制御システムが定期的に各セルの状態を検査するようプログラムすることができ、セルが内部平衡をとるためのセル平衡技術の使用も可能である。その他に、充電装置をスタンバイ状態で放置し、必要に応じて電力制御システムで制御しても構わない。
【００３５】
図２のブロック図で示した前記の電力制御システムの好適実施例には、後述するすべての機能を管理するマイクロプロセッサ４０と関連ソフトウェア５７が備わっている。この実施例におけるマイクロプロセッサは８ＭＨｚ作動で８ビットのものであるが、４、１６、３２および６４ビットのプロセッサも使用可能であり、プロセッサ速度は４ＭＨｚから１６６ＭＨｚとなる。この他に、個別のバッテリー用件に対応して、デジタル信号プロセッサチップを使用しても構わない。このマイクロプロセッサには、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、およびＲＡＭメモリが搭載されている。また別の例として、ＡＳＩＣ（適応特定ＩＣ回路）の使用も可能である。
【００３６】
前記の個別セルの電圧測定モジュール４１は、各セルの中継点に接続している別の配線を使用しており、その配線は電圧測定のみに使用されるものである。２４ボルトまでのバッテリーの各セルの電圧は、接地電圧を基準にして測定されるが、要求されるニーズと正確さに対しては、各セルの電圧を直接測定する方法を用いてもこの目的を達成できる。
【００３７】
個別のセル電圧の測定条件は、セル電圧をレジスタネットワークで分割し、分圧器の接地抵抗器に接続されたフィルタキャパシタで平滑するような回路を備えたモジュール４２の構成によって満たされる。また、演算増幅器やその他のフィルタ手段を用いるアクティブフィルタ処理の利用も可能である。その電圧は、分圧器とフィルタによって、アナログからデジタルへ変換するのに適した電圧値へとスケール処理できる。このときの４．９５ボルトは、バッテリーへの各接続部の最大期待電圧値である。各セル電圧を測定するため、１２ビットのアナログ‐デジタル変換器を使用する。このアナログ−デジタル変圧器は、マイクロプロセッサーで逐次制御され、各測定電圧をスケール処理し、セルのプラス側の電圧からマイナス側の電圧を減算することで、測定した各電圧はセル電圧へと変換される。この処理は各セルごとに行われ、この方法は電圧が２４から３０ボルトまでのセルに適用可能である。
【００３８】
上記方法における２４または３０ボルトの併用段階は、光学的に接続された逐次通信手段により逐次デジタルデータの伝達に利用できるため、セル電圧を分離できる。また、セル電圧を直接測定して、その情報を周波数としてマイクロプロセッサへ送れるように、各セルに接続した電圧周波数変換器の利用も可能である。それら電圧周波数変換器を、周波数を測定して電圧値へ変換するマイクロプロセッサに、電気的あるいは光学的に接続しても構わない。
【００３９】
前記の電流測定モジュール４３は、分流器の電圧を測定し、その測定値をアクティブフィルタ処理を行う電流検知増幅器によってスケール処理する。これとは別に、ホール素子を使用して適切な信号状態の電流を測定する方法もある。
【００４０】
電流測定の調整は、前記の分流器で測定された電圧が、電流の流れる方向に関係なく０〜５ボルトの信号に変換される回路モジュール４４によって実行できる。なお、この電流は変換後、上記の電圧測定に使用したものと同様の、１２ビットのアナログデジタル変換器の入力部へ供給される。この調整回路は、電流の流れる方向を示すデジタル信号をマイクロプロセッサへ入力する。これは最小限の外部部品およびＩＣ回路により実現できる。さまざまな部品もまた、この領域におけるコストに影響を与える要素となる。
【００４１】
温度は、回路板に取り付けられたＩＣ回路温度センサを使用して、回路モジュール４５で測定される。周囲温度を測定するために、それら装置は、例えば、バッテリー、個別セル、あるいは、周囲温度測定のため外部などに取り付け可能であって、数や場所に制限はない。
【００４２】
温度測定の調整は、回路モジュール４６で行う。回路モジュール４６においては、温度値が電圧出力であって、低オフセット電圧演算増幅器によって０〜５ボルトの電圧値にスケール処理される。これは、電圧と電流を測定する同じアナログデジタル変換器入力部への入力に適した値である。
【００４３】
残存容量、走行可能距離、その他さまざまな情報などの表示データは、液晶表示器４７に表示する。
【００４４】
前記の表示器ドライバー４８は、マイクロプロセッサ４０によって直接に駆動され、マイクロプロセッサ４０に内蔵のルックアップテーブルに基づいた記憶位置に所定値が書き込まれる。マイクロプロセッサ要件やＬＣＤ構造の違いによっては、別のＩＣ回路ドライバを使用しても構わない。また、ＬＥＤまたはガスプラズマ表示装置の利用も可能であるし、液晶表示モジュールを使用することもできる。
【００４５】
音声表示器モジュール４９には圧電ブザーが備わっており、ユーザに音声信号を送る。この動作は、マイクロプロセッサから直接に行うか、あるいは必要であれば、トランジスタドライバーで操作するのが望ましい。
【００４６】
バッテリーを車両搭載で使用する場合には、距離センサー５０を運転ハンドルに搭載する。このセンサー５０は、磁石がハンドルに配置されており、ホール効果ピックアップ装置が車両の固定部分に取り付けられた磁気ピックアップ式か、光学センサのいずれかの形態が好ましい。
【００４７】
距離検出調整は、距離センサー５０の出力が周波数であるような回路モジュール５１で実行でき、その周波数出力は、マイクロプロセッサ４０によってスケール処理および測定されて、速度つまり距離値へ変換される。
【００４８】
圧力検出モジュール５２は、バッテリー内部に配備された低電圧（０〜１００ｍＶ程度）のトランスデューサを備える。
【００４９】
圧力検出調整のモジュール５３により、その出力は０〜５ボルトにまでスケール処理された後、精密演算増幅器経由でアナログデジタル変換器へ送られる。
【００５０】
前記の通信モジュール５４では、バッテリー充電器からの制御信号と通信信号の全部がシリアルバス経由でマイクロプロセッサー４０に接続されていることが確認される。このシリアルバスは、校正の目的でＰＣにアクセスすることも可能である。
【００５１】
バッテリーの寿命を伸ばすため、オプティマイザの全構成部品を電流消費の低いものにする。マイクロプロセッサー、アナログデジタル変換器、その他全ての回路は、マイクロプロセッサから低電流モードモジュール５５への信号により低電流消費モードに設定できる。
【００５２】
所望の精度を得るためには、マイクロプロセッサへのアナログ入力を校正モジュール５６で校正し、その校正係数とオフセット値とをＥＥＰＲＯＭメモリに蓄積すればよい。
【００５３】
ソフトウェア５７は、ポーリング操作でき、かつ、エネルギー利用統合のための電流モニターなどの時間節約操作のため間欠駆動できるのが好ましい。また、ソフトウェアにより、個別のセルの不良を判断して、バッテリー充電器に通知することが望ましい。
【００５４】
前記のソフトウェアは、スイッチの開状態によるバッテリーの過放電を防ぐために、多項式電圧電流アルゴリズムを備えることもできる。前記のソフトウェアは、以下のような動作を行う。
（ａ）バッテリー自体の放電を計測して、セルバランス処理の開始する。
（ｂ）周波数を記憶し、その情報をバッテリー充電器へ送る。
（ｃ）電圧の過不足を防止するために、通信手段と開始保護手段をモニターする。
（ｄ）一定の時間間隔で電流をサンプリングし、電流を時間で積分して、使用したアンペア時間量と残量データを提供する。
（ｅ）電流サイクル間における負荷に従って、使用したアンペア時間量と残量を訂正する。
【００５５】
前記のマイクロプロセッサ４０は、モータ５８への電流を制御するために、ＦＥＴＳ、あるいはＩＧＢＴを駆動することができる。これにより、ブラシ型モータにおけるシングルパルス幅の変調制御、あるいは、リラクタンスモータやブラシレスＤＣモータなどのブラシレス多段モータにおける多段出力の疑似正弦波制御が可能になる。
【００５６】
バッテリーの安全と保護のため、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴスイッチ５９も利用でき、抵抗の少ないＦＥＴＳを採用している。
【００５７】
前記のスイッチ５９は、マイクロプロセッサ４０で駆動するスイッチ制御モジュール６０で制御され、ＦＥＴＳあるいはＩＧＢＴの駆動には、高位駆動ができるよう電圧上昇のための切り替え電力を使う。
【００５８】
前記の抵抗制御モジュール６１では、マイクロプロセッサがＦＥＴを制御する。ＦＥＴの機能は、定期的にキャパシタをバッテリー電圧より高い電圧にまで充電し、このキャパシタをバッテリーへ放電させると同時に、負荷電流の保持が可能な電荷をもつ別のキャパシタを切りかえることである。
【００５９】
電力ゲージ６２の出力値は、残留容量としてＬＣＤディスプレイ上に表示される。この値は、電流値を時間で積分して算出されるものである。一定間隔でサンプリングされた電流値を累算値から減算した後、１００％にスケール処理して、残留容量出力値を算定する。
【００６０】
前記の内部抵抗／インピーダンスモジュール６３は、内部の抵抗値とインピーダンスを電流の段階的変動の前後における電圧変化を測定する方法で算出する。この算出は、充電時、放電時どちらにおいても可能である。ＡＣ電流あるいはＡＣ電圧をバッテリーへ送り込み、その結果としての電圧値あるいは電流値を測定して内部抵抗値とインピーダンスを算定する。
【００６１】
前記のセル平衡モジュール６４の動作は、グループ内のある一つのセルをその他のセルよりも自己放電率が高いとみなした場合、モードが切り替わった電力変換器によって適正電圧へ変換し、最も弱いセルへ転送することで、セル全体のバランスを保つことである。
【００６２】
従来の鉛蓄電池は、容量利用の限界、放電深度の低さ、短いサイクル寿命、電力の低密度、温度管理などの問題点を有しており、セルの等化を保つためには定期的な高速充電が必要である。また、鉛蓄電池は充電に長時間かかり、高い充電電流値は、充電状態が低いときの数分しか使用できない。もし高電流値を継続して使用すると許容電圧よりも高くなって、電解質損失やバッテリー容量の減少につながる。高速充電で鉛蓄電池を再充電するには、適切な充電手順に従っ場合で最短でも４時間かかる。
【００６３】
鉛蓄電池のサイクル寿命は、サイクル期間中に達する放電深度によって左右される。電気自動車への適用例では、９０〜１００％のＤＯＤ（放電深度）が普通であり、このＤＯＤレベルでは、従来の深度サイクルでの鉛蓄電池のサイクル寿命は３００回程度である。
【００６４】
図３は、周知の鉛蓄電形式の鉛蓄電池に適用した、電力制御システム２０を表しているが、そのセル構造には最先端の螺旋巻線技術を使用している。これら１２個の個別セル２１は、広い表面面積をもつ電極で構成されており、各セルはそれぞれ抵抗値が低く螺旋状に巻かれて形成されている。バッテリー装置から高電流を抽出できるよう補助する最新電解質も開発されており、このバッテリー装置は、螺旋巻線技術と改良された電解質をもつ電力制御システム２０の統合である。セル２１はバス２２で直列に接続されており、このバス２２は第１キャパシタ手段２３、制御手段２４、第２キャパシタ手段２５および、出力端子２６にも接続している。図の点線２７は、コントロール手段２４から第１キャパシタ手段２３へ伝達される指示信号を表している。バルブ調節型鉛蓄形成の利用により、「レンタルエネルギー」システムへの第一歩としての、相対的な低価格という周知技術が提供できる。
【００６５】
これらの特性の長所を最大限にするために、電力制御システム２０を利用し、バッテリー設計を再構成することで、わずかな製造コストアップで、容量や電流量の増加、サイクル寿命の延長、充電時間の短縮など、かなりの改良を遂げたバッテリーが提供できる。
【００６６】
この長所は図４のグラフに示されており、本発明の電力制御システムの有無におけるバッテリー容量に対するサイクル回数で表している。１サイクルとは、充電から放電、再充電の一連の流れをいう。
【００６７】
前記の電流量の増加能力とは、電力と容量の利用率が上がって、より高いアンペア時間率および走行距離増加が達成できることを意味する。サイクル寿命の延長とは、新しいバッテリーに代えられるまでに再充電できる回数が増えることであり、これによる年間操業コストの引き下げを意味する。充電時間の短縮とは、バッテリーをより早く回転させることにより、レンタル電力システムで要する予備バッテリーの数の削減が可能なことを意味する。
【００６８】
前記の電力制御システムは、最先端技術の高純度の素材を使った従来のＮｉＭＨバッテリーにも適用可能であるが、バッテリー装置にかかるコストが一般的にかなり高くなる。また、高純度の水素化ニッケル化合物と金属合金の改良ニッケル形態も、高性能バッテリーを構成するためには、かなり高い水準の品質管理が必要とされる。
【００６９】
ＮｉＭＨ水素化物バッテリーには自己放電の問題もあり、また温度の影響も受けやすい。装置によっては、高電流の抽出の結果がバッテリーのセルが損傷する恐れもあり、また、バッテリーを過充電しないよう注意しなくてはならない。このため、確実に適切な充電を行うには、最先端技術のバッテリー充電器が必要である。
【００７０】
本実施例におけるＮｉＭＨバッテリー装置では、バッテリー電力制御システムによる利点をすべて活用するよう設計された最先端のＮｉＭＨ技術を用いている。そのセル構造は、周知の螺旋巻線セル技術を利用することで、従来に比べてかなり高い電力出力容量をもつセルの生産を可能にしている。本発明の電力制御システムは、バッテリーパック式セルと統合されている。この電力制御システムは、分極の影響を大幅に抑え、サイクル寿命に支障をきたすことなくバッテリー装置からより高い電流を供給させる能力をもつ。
【００７１】
その統合ユニットは効果的な単体インテリジェント電力蓄積装置であって、電力制御システムによりそのユニット機能全体をモニタするのである。電力制御システムは、最善のバッテリー機能を保つため能動的な段階動作を実行し、結果的にサイクル寿命が延びることになる。
【００７２】
前記のＮｉ−ＭＨ装置は、高電力密度、高電力、長いサイクル寿命、再充電の所要時間が短いなどの利点から、「レンタル電力」システムには理想的な装置である。また、装置により、電気自動車の走行距離もバルブ調節バッテリー装置と比べて長くできるが、走行コストがわずかに割高になる。しかしながら、本実施例の装置の製造コストは既存同等品のコストよりもかなり低く、ＮｉＭＨ装置にかかる総額は、既存の小規模生産ユニットの約１０分の１である。
【００７３】
前記のＮｉＭＨ装置は、小型バッテリー装置で長距離走行を可能にすることが必要な電気自転車に特に適している。
【００７４】
前記の電力制御システムはまた、数年にわたり研究中のレドックス型電池に適用しても構わない。その電池は、主として、バッテリースタックへ別々に蓄積される液状電解質に電力を蓄積する、レドックスフロー型電池の形態をもつ。動作中この電解質は装置内で再循環し、エネルギーが電解質へ流れ入り、また電解質から流れ出ることになる。前記のレドックスフロー電池は、エネルギーの低密度化、装置内を電解質が再循環することによるポンピング力の損失という問題点を抱えている。場合によっては、膜加工や内部分流の存在のせいで、自己放電率の上昇も起こり得る。
【００７５】
レドックス−ゲル型電池は、その電解質が超高濃度ゲルであることから再循環の必要がないという点で、レドックスフローの原理と異なる。
【００７６】
従来のバッテリー装置では、位相トランスファ反応を起こす固形金属電解質の形態をとるが、これによって重量の増加と効率性の低下が生じる。しかし、レドックス−ゲル型電池では超高濃度ゲルが使用されており、その超高濃度ゲルはそれぞれのゲル内での陽性および陰性の反応性イオンの濃度が高い。反応性物質は全部ゲルに含まれるため、位相トラスファ反応が起こらず、損失が最小限となり高効率が達成できる。
【００７７】
本発明の電力制御システムは、分極の影響を小さくする目的でレドックス−ゲル型電池パックに統合設置することも可能である。ゲルが超高濃度のため、バッテリー装置に高負荷がかけられると、分極が進む傾向がある。レドックス−ゲル電池用に特別に設計された電力制御システムでは、レドックス−ゲルのセル構造の多くの制約を軽減することが可能である。
【００７８】
図５に示す電力制御システム３０は、セル３２、制御装置３３、第１キャパシタ手段３４、第２キャパシタ手段３５、出力端子３６が相互に接続されたバス装置３１を備えている。図の線３７は、指示信号を表す。
【００７９】
前記の制御手段３３は、レドックス−ゲル型セル用に特別に設計されたものであり、個別セルの電圧や温度をモニタするような、数種類のモニタ機能をもつ。密封されたバッテリーパックの内部圧力のモニタも可能であり、あらゆる条件下での装置の負荷許容量を決定することができる。また、制御手段３３には、あらゆる充電状態において最善のバッテリー性能を保つような能動的段階動作を行えるようにする重要な追加機能をもつ。この高度なシステム制御により、この装置は総容量で何度も利用でき、またそのサイクル寿命もかなり長いものになる。
【００８０】
本装置にかかるコストは非常に経済的なレベルであり、既存の電力保存装置よりも優れた性能を提供する。レドックス−ゲル型セルの電極は、ゲル状電解質にエネルギーを入出流させるという、単純な機能を実行するだけである。電極は不活性であって、特殊な導電性プラスチック材から作成できる。
【００８１】
本装置には、ＮｉＭＨ装置のエネルギー密度をほぼ２倍にする電力蓄積装置を形成できるよう、レドックス−ゲル型セルと電力制御システムとの組み合わせから成る。また、ゲル電解質の安定性のおかげで本装置のサイクル寿命は長くなり、一般的にも、非常に省コストである。その軽量さと強固性により、本装置は「レンタル電力」自動車のバッテリー交換作業においてもたいへん適した装置といえる。
【００８２】
本発明の別の実施例は、バッテリー装置が一体化された、バッテリー用電力制御システムを統合したバッテリー充電調整モジュールに関するものである。
【００８３】
一般的に、バッテリー装置には数々の問題点があるが、主な制約の一つに不適切な充電つまり連結充電があげられるが、バッテリー全体の状態を記録して、適当な充電を行うものである。しかしその方法では、個別のセルの状態を考慮しないため、最大充電セルが過充電となり、反対に最低充電セルは充電不足になってしまう。その結果、バッテリー全体の寿命が非常に短くなる。
【００８４】
別の問題として、さまざまな部品の内部抵抗に伴う内部作用により、バッテリーが高い充電電流値を受容しないことである。普通高速充電は、危険なだけでなく電解質の劣化によりバッテリー寿命を制限するような水素ガスを発生するガス発生作用を伴う。しかしながら、そのような充電器も本電力制御システムと共同作用して内部抵抗値を限定できるため、バッテリーのサイクル寿命に影響することなくより早い充電速度を可能にする。
【００８５】
本発明は、バッテリー装置に統合載置された電力制御システムと組み合わされた新規のバッテリー充電調整モジュールを提供する。その電力制御システムの主たる機能は、バッテリーの内部抵抗による分極影響を減少させることである。重要な点は、これにより、個別セルのモニター、電力出力制御、特定バッテリー充電器と組み合わせた動作、保護機能、調整機能などのマルチ内蔵機能を制御できることである。
【００８６】
そのような特定のバッテリー充電器により、電力制御システム、つまり、バッテリーモジュールの通し番号が識別され、遠隔通信システム経由でオペレーションセンタに中継される。バッテリーが記録され、客の口座が確認されると、バッテリー充電器が電力制御システムによって許可されて、充電を開始する。
【００８７】
実際の充電動作は、電力制御システムに連携して行われ、確実に各セルがモニタされ、それぞれ特定の要件にそって処置および調整される。この機能により、充電過不足によるセル損傷が防止でき、バッテリー全体のサイクル寿命が大幅に改善されることになる。
【００８８】
前記のバッテリー充電器は、バッテリーの種類を識別し、自動的に的確な充電形態を選択することができる。もし未認可のバッテリーが充電器に設置されれば、接続を拒否する。その充電器はまた、電力制御システムからのフィードバックにより、バッテリーの過去の充電動作歴、つまり、別の手段で充電されたことがあるか、あるいは最適化モジュールやバッテリーが何らかの方法で不正に取り扱われていないかを判断し、その結果をオペレーションセンタへ伝達することもできる。
【００８９】
各充電ユニットは、遠隔システム経由でオペレーションセンタに繋がっており、ネットワーク内の全ステーションのモニターに加えて、各バッテリーの所在地や各口座の状態をも常時モニターできる。
【００９０】
前記のバッテリー管理システムは、自動販売機、手動取付式再充電モジュール、自動バッテリー交換カルーセル装置、ロボット式バッテリー交換設備、および、パーキング兼充電ステイションなどの一連のサービス適用事例におけるレンタル電力の概念に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の一実施例による、バッテリー装置から所定の電力出力を供給する特定用途電力制御装置のブロック図である。
【図２】 図２は、本発明の第２実施例による、汎用電力制御装置のブロック図である。
【図３】 図３は、鉛蓄電地に適用した図１に示す電力制御装置のブロック図である。
【図４】 図４は、本発明の電力制御システムの有無比較における、鉛蓄電池のバッテリー容量に対するサイクル回数のグラフ図である。
【図５】 図５は、レドックス−ゲル型バッテリーに適用した図１に示す電力制御装置のブロック図である。

Claims (22)

1. バッテリー装置から所定の電力を出力させる電力制御システムであって、
   （ｉ）前記のバッテリー装置からの電力を負荷へ送る出力手段と、
   （ｉｉ）第１動作モードのとき、前記のバッテリー装置に接続され、バッテリー装置の予め選択された動作パラメータを検知し、第２動作モードのとき、前記バッテリー装置から前記の出力手段へ電力を供給する制御手段と、
   （ｉｉｉ）前記の制御手段とバッテリー装置の間に接続され、前記制御手段が第１動作モードのとき予め決められた電力量を蓄積し、前記の制御手段が第２動作モードになったとき、前記の制御手段からの指令信号に応答してその蓄積電力量を前記のバッテリー装置へ供給する第１キャパシタ手段と、
   （ｉｖ）前記の制御手段と出力手段の間に接続され、前記制御手段が第１動作モードのとき予め決められた電力量を蓄積し、前記の制御手段が第2動作モードになったとき、前記の制御手段からの指令信号に応答してその蓄積電力量を前記の出力手段へ供給する第２キャパシタ手段とからなる、電力制御システム。
2. 前記の第１と第２のキャパシタ手段が、バッテリーから送られる電力の５０パーセント未満を蓄積する、請求項１記載の電力制御システム。
3. 前記の制御手段が、電力の出力手段への供給開始の後、所定の時間間隔をおいて前記の第１キャパシタ手段と第２キャパシタ手段とに指令信号を送る、請求項１記載の電力制御システム。
4. 前記の制御手段が、前記バッテリー内の分極レベルを検知し、そのバッテリー内での分極レベルが所定限度を下回ると、前記の第１キャパシタ手段と第２キャパシタ手段へ制御信号が送られる、請求項１記載の電力制御システム。
5. 前記の第１キャパシタ手段内に蓄積された電力が、前記の制御手段により検知される、バッテリー装置の内部抵抗値に比例する比率でバッテリー装置の電極を励起するような逆電荷又は逆パルスを誘発する、請求項１記載の電力制御システム。
6. 前記システムのバッテリーが鉛酸蓄電池である、バッテリー装置の管理のために使用される請求項１記載の電力制御システム。
7. 前記の鉛酸蓄電池が、螺旋巻腺電極と高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る、請求項６記載の電力制御システム。
8. 前記の鉛酸蓄電池が、高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る圧縮板電極から成る、請求項６記載の電力制御システム。
9. 前記の鉛酸蓄電池が、バイポーラ式セル構造をもつ、請求項６記載の電力制御システム。
10. 少なくとも１対の電極をもち、分極の影響を受けやすい少なくとも１個のセルを有するバッテリーの管理システムであって、
    （ｉ）分極レベルを示す少なくとも１つの前記セルの所定パラメータをモニターする手段と、
    （ｉｉ）前記のバッテリーに入出力される電力の所定量を蓄積する手段と、
    （ｉｉｉ）前記の分極の損失を削減できるよう、分極レベルに従って、逆電荷又は逆パルスを誘発する手段と、
    （ｉｖ）前記の逆電荷又は逆パルスを誘発する手段が該逆電荷又は逆パルスを誘発しているときに、蓄積された電力を負荷へ供給するバッテリー以外の手段
    から成るバッテリー管理システム。
11. 前記の所定パラメータが、少なくとも１つの前記セルの内部抵抗値である、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
12. 前記の逆電荷又は逆パルスが、少なくとも１つの前記セルの内部抵抗値および／またはエネルギー流量のレベルに比例した比率で誘発される、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
13. 前記のバッテリーが複数のセルを有し、前記のモニター手段が各セルの所定パラメータをモニターし、前記の逆電荷又は逆パルスが各セルに誘発される、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
14. さらに、前記のバッテリーが接続されたバッテリー充電器を特定する手段と、その特定されたバッテリー充電器が未認定のバッテリーを充電しないよう前記バッテリーを特定する手段とを備える、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
15. 前記のバッテリーが、ニッケル金属水酸化物バッテリーである、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
16. 前記のニッケル金属水酸化物バッテリーが、螺旋巻腺電極と高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る、請求項１５記載のバッテリー管理システム。
17. 前記のニッケル金属水酸化物バッテリーが、圧縮板電極と高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る、請求項１５記載のバッテリー管理システム。
18. 前記のバッテリーがレドックス−ゲル型電池である、請求項６記載のバッテリー管理システム。
19. 前記のレドックス−ゲル型電池が、螺旋巻腺電極と高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る、請求項１８記載のバッテリー管理システム。
20. 前記のレドックス−ゲル型電池が、圧縮板電極と高エネルギー伝送容量電解質媒体から成る、請求項１８記載のバッテリー管理システム。
21. 前記の所定パラメータが、少なくとも１つの前記セルの電圧値、電流値、温度、圧力値、内部抵抗値、又は内部インピーダンス値から選択される、請求項１０記載のバッテリー管理システム。
22. 前記の請求項１０記載のバッテリー管理システムを備えたバッテリー。

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