JP4340020B2 - 無人搬送車用二次電池の充電制御方法 - Google Patents

無人搬送車用二次電池の充電制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人搬送車に搭載されるニッケル・水素蓄電池などの二次電池の充電制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動化や省力化を目的として、工場や倉庫などで物品の搬送に用いられる無人搬送車は、走行用電動モータの動力源および負荷の駆動源としてのバッテリを搭載し、工場や倉庫などの床面に粘着された誘導テープなどによる誘導ラインに沿って、種々の走行経路を自動走行するように制御される。
【０００３】
無人搬送車は、バッテリに対する充電の必要が生じた場合や、運行管理ステーションからの物品の搬送要求が無い場合に、走行経路の内側等に設けられた充電ステーションを目的地として移動し、充電ステーションにおいて、充電器と接続されてバッテリが充電される。
【０００４】
このような無人搬送車に搭載されるバッテリとして、従来では鉛バッテリが用いられていたが、充電に要する時間が長く、バッテリを充電したり積み替えるための設備や、バッテリを保守するための人員が必要であるという理由から、近年では、鉛バッテリに代わって、充電ステーションにおいて短時間の急速充電が可能で、保守を必要としないニッケル−水素バッテリなどのアルカリバッテリが用いられるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる無人搬送車用のアルカリバッテリでは、充電ステーションで停止する時間を極力短縮して、搬送効率を向上させる目的で、数分程度の急速充電を行なうため、充電レートが０．５Ｃから４．０Ｃと、例えば、低レートで充電時間が長い電気自動車用のアルカリバッテリに比べて、非常に大きいため、残存容量（ＳＯＣ）が１００％になるまで充電を行なうと、バッテリの内圧が上昇し、安全弁が作動してガス漏れが発生するなどの不具合が生じる可能性がある。
【０００６】
また、無人搬送車用のアルカリバッテリでは、実際に使用されるＳＯＣ範囲が中間領域の狭い範囲であるので、通常は放電側でバッテリの端子電圧が低下するというメモリー効果が生じるが、このような現象が充電側においても生じ、ＳＯＣの使用中間領域で端子電圧が上昇することになる。
【０００７】
このような現象が生じると、アルカリバッテリに対する充電の受入性が悪化したり、端子電圧の上昇により、予め設定された充電上限電圧に達したものと誤検知してしまう。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電時における弁作動を防止するとともに、充電側のメモリー効果による充電上限電圧の誤検知を抑制した無人搬送車用二次電池の充電制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る無人搬送車用二次電池の充電制御方法は、無人搬送車に搭載され、走行用電動モータの動力源として用いられる二次電池の充電量を制御する方法であって、二次電池に対して０．５Ｃ以上４．０Ｃ以下の充電電流値で充電を行ない、 二次電池に流れる電流を検出し、少なくとも検出電流の積算により、残存容量を演算し、二次電池の温度を検出し、二次電池の出力電圧を検出し、検出した出力電圧の時間に対する電圧勾配を算出し、演算した残存容量が、６０％以上に予め設定された閾値以上で且つ９５％以下となり、充電開始直後を除いて、算出した電圧勾配が検出した温度に対応した第１の閾値以上となり、且つ前記検出した出力電圧が検出した温度に対応した第２の閾値以上となった場合に、二次電池に対する充電を終了することを特徴とする。
【００１１】
第１の閾値および前記第２の閾値は、それぞれ、検出した温度を変数とした第１の関数式および第２の関数式で表され、第１および第２の関数式は、設定したい充電終了時の残存容量に応じて決定されることが好ましい。
【００１２】
また、第１および第２の関数式は、それぞれ、検出した温度が高いほど、第１および第２の閾値が減少するように決定されることが好ましい。
【００１３】
また、第１および第２の関数式は、充電電流値に応じて決定されることが好ましい。
【００１４】
この場合、第１および第２の関数式は、充電電流値が大きいほど、第１および第２の閾値が増大するように決定されることが好ましい。
【００１５】
また、第１および第２の関数式は、１次式で表されることが好ましい。
【００１７】
上記の方法によれば、充電側のメモリー効果の発生を抑制して、充電上限電圧の誤検知を解消することができ、非常に安定した充電制御を行なうことが可能になる。また、充電を終了する残存容量（ＳＯＣ）を９５％以下に設定することにより、充電末期の電池内圧の上昇による安全弁の作動を抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による無人搬送車用二次電池の充電制御方法が適用される充電制御システムの構成図である。
【００２０】
図１において、１０は無人搬送車であり、無人搬送車１０には、バッテリ１１が搭載され、バッテリ１１に対する制御を行なう電池制御部１２が設けられている。
【００２１】
バッテリ１１は、走行用電動モータや負荷（不図示）を駆動するのに必要な出力を得るため、ニッケル−水素二次電池等からなる単電池が複数個直列に接続されて構成される。
【００２２】
電池制御部１２は、運行管理ステーション（不図示）から指示された発車要求や搬送要求に応じて、バッテリ１１から走行用電動モータや負荷への電力供給を開始および終了させたり、無人搬送車１０が充電ステーション（不図示）に移動して、充電ライン３１および充電制御信号ライン３２を介して、後述する充電器２０に電気的に接続された場合に、バッテリ１１から走行用電動モータや負荷への電力供給を中断し、充電ライン３１を介して供給される充電電気量に応じて変化するバッテリ１１内の温度を、充電制御信号として、充電制御信号ライン３２を介して充電器２０に送信する。
【００２３】
充電器２０において、２１は充電ライン３１が接続される充電端子、２２は充電制御信号ライン３２が接続される制御端子、２３は交流電源電圧が供給される電源端子である。２４は電源端子２３からの交流電源電圧を整流して直流電源電圧に変換する整流フィルタ、２５は整流フィルタ２４からの直流電源電圧に基づいて、無人搬送車１０のバッテリ１１に充電電気量を供給する充電部である。
【００２４】
また、２６は充電ライン３１を介して充電端子２１に接続されたバッテリ１１の端子電圧を検出する電圧検出部、２７はバッテリ１１への充電電流を検出する電流検出部、２８は充電制御部である。
【００２５】
充電制御部２８は、無人搬送車１０から充電制御信号ライン３２および制御端子２２を介して送信された充電制御信号、電圧検出部２６からの電圧信号、および電流検出部２７からの電流信号に基づいて、充電部２５に対して充電動作を制御するとともに充電動作の終了を判定して、充電制御信号ライン３２を介して無人搬送車１０の電池制御部１２に、充電終了信号を送信する。
【００２６】
次に、以上のように構成された充電制御システムにおいて、無人搬送車用二次電池の充放電制御プロセスについて、図２を参照して説明する。
【００２７】
図２は、無人搬送車用二次電池に対する充電制御ルーチンを示すフローチャートである。無人搬送車１０が充電ステーションに移動して、充電器２０に接続された場合に、図２に示す充電制御ルーチンが開始する。
【００２８】
図２において、まず、充電器２０の充電制御部２８は、電流検出部２７からの電流信号が示す充電電流値が予め設定された０．５Ｃから４Ｃの範囲の値になるよう、充電部２５を制御して、無人搬送車１０のバッテリ１１に対する充電を行なう（Ｓ２０１）。
【００２９】
次に、充電制御部２８は、電圧検出部２６から電圧信号を、電流検出部２７から電流信号を、および無人搬送車１０の電池制御部１２から充電制御信号ライン３２を介して温度信号を取得し（Ｓ２０２）、ステップＳ２０２で取得した電圧信号、電流信号、温度信号が示す値に基づいて、現在の残存容量（ＳＯＣ）を演算する（Ｓ２０３）。
【００３０】
次に、充電制御部２８は、ステップＳ２０３で演算したＳＯＣが、６０％以上に予め設定された閾値ＳＯＣｓｔ以上で且つ９５％以下となったか否かを判断し（Ｓ２０４）、判断の結果、演算ＳＯＣが閾値ＳＯＣｓｔ未満である場合（Ｎｏ）、ステップＳ２０２からＳ２０４を繰り返し、ＳＯＣが上昇するのを待つ。
【００３１】
一方、ステップＳ２０４における判断の結果、演算ＳＯＣが閾値ＳＯＣｓｔ以上となった場合（Ｙｅｓ）、充電制御部２８は、充電部２５を制御して無人搬送車１０のバッテリ１１に対する充電を終了し（Ｓ２０５）、電池制御部１２に、充電が終了した旨を知らせる充電終了信号を送信して（Ｓ２０６）、充電制御ルーチンが終了する。
【００３２】
なお、本実施形態において、充電を終了する際の判断基準として、演算したＳＯＣが閾値ＳＯＣｓｔ以上であることに加えて、充電時間が所定の時間に達した場合や、バッテリ温度が所定の上限温度に達した場合、バッテリ温度の時間に対する温度勾配を算出し、算出した温度勾配が所定値に達した場合などを含めることもできる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態による無人搬送車用二次電池の充電制御方法における充電制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本実施形態による充電制御方法が適用されるシステムは、第１の実施形態のものと同じとする。
【００３４】
図３において、まず、充電器２０の充電制御部２８は、電流検出部２７からの電流信号が示す充電電流値が予め設定された０．５Ｃから４Ｃの範囲の電流値ＣＣになるよう、充電部２５を制御して、無人搬送車１０のバッテリ１１に対する充電を行なう（Ｓ３０１）。
【００３５】
次に、充電制御部２８は、電圧検出部２６から電圧信号を取得し（Ｓ３０２）、取得した電圧信号が示すバッテリ電圧Ｖの時間あたりの電圧勾配ＶＧを算出する（Ｓ３０３）。
【００３６】
次に、充電制御部２８は、無人搬送車１０の電池制御部１２から充電制御信号ライン３２を介して温度信号を取得し（Ｓ３０４）、取得した温度信号が示すバッテリ温度Ｔを変数とし、設定された充電電流値ＣＣをパラメータとした第１の関数式および第２の関数式に基づいて、それぞれ、電圧勾配閾値（第１の閾値）ＶＧｓｔおよび電圧閾値（第２の閾値）Ｖｓｔを設定する（Ｓ３０５）。
【００３７】
図４および図５は、それぞれ、バッテリ温度Ｔを変数、充電電流値ＣＣ（充電レート）をパラメータとした１次式で表した場合の第１および第２の関数式を示すグラフである。なお、図４においては、第１の関数式として、充電電流値ＣＣが０．５Ｃ、１．０Ｃ、２．０Ｃである場合のみを、図５においては、第２の関数式として、充電電流値ＣＣが０．５Ｃ、１．０Ｃ、１．５Ｃ、２．０Ｃである場合のみを例示しているが、実際には、充電電流値ＣＣは２．０Ｃ以上（４．０Ｃ以下）の場合もあり、また、充電電流値ＣＣの設定幅は、もっと細かく決められている。
【００３８】
図４および図５に示すように、第１および第２の関数式は、バッテリ温度Ｔが低く、またパラメータである充電電流値ＣＣが大きくなるほど、第１の閾値ＶＧｓｔおよび第２の閾値Ｖｓｔが大きくなることを表し、設定したい充電終了時のＳＯＣに応じて決定され（図４および図５の関数式は、充電終了時のＳＯＣが約７０％になるように決定されている）、例えば、充電制御部２８内に設けたメモリにテーブルとして格納されている。
【００３９】
なお、本実施形態では、バッテリ温度Ｔに対する電圧勾配閾値ＶＧｓｔの第１の関数式、およびバッテリ温度Ｔに対する電圧閾値Ｖｓｔの第２の関数式を１次式で表したが、本発明はこれに限定されることなく、他の関数式を適用してもよい。
【００４０】
再び図３に戻って、ステップＳ３０５で、図４の第１の関数式に基づいて第１の閾値ＶＧｓｔを設定し、図５の第２の関数式に基づいて第２の閾値Ｖｓｔを設定すると、次に、ステップＳ３０３で算出した電圧勾配ＶＧが第１の閾値ＶＧｓｔ以上であるか否かを判断する（Ｓ３０６）。ステップＳ３０６での判断の結果、電圧勾配ＶＧが第１の閾値ＶＧｓｔ未満である場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０２からＳ３０６を繰り返して、電圧勾配ＶＧの増加を待つ。
【００４１】
一方、ステップＳ３０６での判断の結果、電圧勾配ＶＧが第１の閾値ＶＧｓｔ以上となった場合（Ｙｅｓ）、バッテリ電圧Ｖが第２の閾値Ｖｓｔ以上であるか否かを判断する（Ｓ３０７）。ステップＳ３０７での判断の結果、バッテリ電圧Ｖが第２の閾値Ｖｓｔ未満である場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０２からＳ３０７を繰り返して、バッテリ電圧Ｖの増加を待つ。
【００４２】
ステップＳ３０２からＳ３０７を繰り返し、ステップＳ３０７での判断の結果、バッテリ電圧Ｖが第２の閾値Ｖｓｔ以上となった場合（Ｙｅｓ）、充電制御部２８は、充電部２５を制御して無人搬送車１０のバッテリ１１に対する充電を終了し（Ｓ３０８）、電池制御部１２に、充電が終了した旨を知らせる充電終了信号を送信して（Ｓ３０９）、充電制御ルーチンが終了する。
【００４３】
次に、本発明の実施形態の利点について、具体的な実験データを示す図６、図７および図８を参照して説明する。
【００４４】
図６は、初期ＳＯＣが７０％、６０％、５０％でサイクル充放電を行なった場合のサイクル数に対するＳＯＣの変化を示すグラフである。なお、図６における充放電サイクルの条件として、充電レートを２．０Ｃ、放電レートを０．２Ｃに設定した。
【００４５】
また、図７は、９０％の初期ＳＯＣから充電レート１．０Ｃ、０．５Ｃ、０．３Ｃでサイクル充放電を行なった場合のサイクル数に対するＳＯＣの変化を示すグラフである。なお、図７における充放電サイクルの放電レートは、図６と同じく０．２Ｃにした。
【００４６】
図６および図７から分かるように、初期ＳＯＣが６０％未満、充電レートが０．５Ｃ未満でサイクル充放電を行なった場合、充電時のメモリー効果により、ＳＯＣが低い方にずれていくため、すぐに設定下限電圧に到達し、頻繁にリフレッシュ充放電を行なう必要がある。しかしながら、初期ＳＯＣが６０％以上、充電レートが０．５Ｃ以上であれば、充電時のメモリー効果によるＳＯＣの低下が抑制され、非常に安定したＳＯＣでバッテリを使用することができる。
【００４７】
図８は、４．０Ｃの充電レートで充電を行なった場合のＳＯＣとバッテリ内圧との関係を示すグラフである。図８から分かるように、９５％以下のＳＯＣで充電を終了させることにより、バッテリ内圧をバッテリ１１の安全弁が作動する０．５ＭＰａ未満にすることができ、ガス漏れ等の不具合を防止することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、無人搬送車に搭載された二次電池の充電時における弁作動を防止するとともに、充電側のメモリー効果を抑制することが可能になる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態による無人搬送車用二次電池の充電制御方法が適用される充電制御システムの構成図
【図２】 本発明の第１の実施形態による無人搬送車用二次電池の充電制御方法における充電制御ルーチンを示すフローチャート
【図３】 本発明の第２の実施形態による無人搬送車用二次電池の充電制御方法における充電制御ルーチンを示すフローチャート
【図４】 バッテリ温度Ｔに対する電圧勾配閾値（第１の閾値）ＶＧｓｔの第１の関数式を示すグラフ
【図５】 バッテリ温度Ｔに対する電圧閾値（第２の閾値）Ｖｓｔの第２の関数式を示すグラフ
【図６】 初期ＳＯＣが７０％、６０％、５０％でサイクル充放電を行なった場合のサイクル数に対するＳＯＣの変化を示すグラフ
【図７】 ９０％の初期ＳＯＣから充電レート１．０Ｃ、０．５Ｃ、０．３Ｃでサイクル充放電を行なった場合のサイクル数に対するＳＯＣの変化を示すグラフ
【図８】 充電時のＳＯＣとバッテリ内圧との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０ 無人搬送車
１１ バッテリ
１２ 電池制御部
２０ 充電器
２１ 充電端子
２２ 制御端子
２３ 電源端子
２４ 整流フィルタ
２５ 充電部
２６ 電圧検出部
２７ 電流検出部
２８ 充電制御部
３１ 充電ライン
３２ 充電制御信号ライン

Claims (6)

  1. 無人搬送車に搭載され、走行用電動モータの動力源として用いられる二次電池の充電量を制御する方法であって、
    前記二次電池に対して０．５Ｃ以上４．０Ｃ以下の充電電流値で充電を行ない、
    前記二次電池に流れる電流を検出し、少なくとも検出電流の積算により、残存容量を演算し、
    前記二次電池の温度を検出し、
    前記二次電池の出力電圧を検出し、
    前記検出した出力電圧の時間に対する電圧勾配を算出し、
    演算した前記残存容量が、６０％以上に予め設定された閾値以上で且つ９５％以下となり、充電開始直後を除いて、前記算出した電圧勾配が前記検出した温度に対応した第１の閾値以上となり、且つ前記検出した出力電圧が前記検出した温度に対応した第２の閾値以上となった場合に、前記二次電池に対する充電を終了することを特徴とする無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
  2. 前記第１の閾値および前記第２の閾値は、それぞれ、前記検出した温度を変数とした第１の関数式および第２の関数式で表され、前記第１および第２の関数式は、設定したい充電終了時の残存容量に応じて決定されることを特徴とする請求項１記載の無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
  3. 前記第１および第２の関数式は、それぞれ、前記検出した温度が高いほど、前記第１および第２の閾値が減少するように決定されることを特徴とする請求項２記載の無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
  4. 前記第１および第２の関数式は、前記充電電流値に応じて決定されることを特徴とする請求項２または３記載の無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
  5. 前記第１および第２の関数式は、前記充電電流値が大きいほど、前記第１および第２の閾値が増大するように決定されることを特徴とする請求項４記載の無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
  6. 前記第１および第２の関数式は、１次式で表されることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項記載の無人搬送車用二次電池の充電制御方法。
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