JP4358156B2 - 電源システムの充電方法 - Google Patents

Description

本発明は通信用機器のバックアップ用などに用いられるニッケル水素蓄電池を有する電源システムの充電方法に関するものである。

ニッケル水素蓄電池を有する電源システムをバックアップ用に用いる場合、過充電をできるだけ少なくするため、待機時の自己放電分を補う分だけ定電流で補充電し、満充電となった後に放置し、あらかじめ定めた電圧または放電深度まで自己放電したら再び補充電するという間欠充電方式が多く採用されている（非特許文献１）。

この間欠充電方式では、自己放電速度をあらかじめ温度の関数として求めておき、定期的にニッケル水素蓄電池の環境温度を測定して自己放電速度を算出し、充電時期を決定する方法が採られている。

Ｋ．サイトウ、Ｔ．ショウダイ、Ａ．ヤマシタ、Ｈ．ワカキ（K. Saito, T. Shodai, A. Yamashita, and H. Wakaki）：インテレック’０３（The 25th Internationa1 Te1ecommunications Energy Conference）講演要旨集、第２６１頁（２００３）

しかし、長時間の自己放電によって残容量が少なくなったニッケル水素蓄電池を充電したときには、満充電後同一放電深度まで一旦放電させ、その後再充電した場合と比べて、放電電圧が低くなるのが普通である。そのため、同量の残存容量が期待される場合においても、出力電力は低下し、その結果取り出せる電力量すなわちエネルギーは小さくなる。そのため、定電力出力であった場合には、バックアップ時間が短くなる。この原因の１つとしては、電池を充電せずに長時間放置すると、セパレータに含まれる電解液の一部が電極等他の部分へと移動し、その結果ニッケル水素蓄電池の内部抵抗が増加するためである。そして、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加は、補充電または完全放電後の充電により大部分が回復するが、一部不可逆な増加分もあることが知られている。一方、ニッケル水素蓄電池の自己放電と補充電とを交互に繰り返すと、部分放電と補充電とを繰り返した場合と同様に内部抵抗が増加し、いわゆるメモリー効果が起こり、放電時の電池電圧が低下する。そのため、出力電力は低下し、その結果取り出せる電力量すなわちエネルギーは小さくなる。

このような待機期間中の電解液の減少による内部抵抗の増加、補充電に伴う内部抵抗の増加は、一度完全放電させないと除くことができないため、バックァップ用の電源システムでは停電時、またはリフレッシュ放電の機能がある場合のリフレッシュ放電時にしか除くことができない。

そして、バックアップ用の電源システムにおいては、停電時のバックアップ容量の下限が決められており、常にその容量を確保することが求められる。定電力出力であれば、蓄電池の出力電圧が下がれば出力電流が増え、結果的にバックアップ時間が短くなる。そこで、規定のバックアップ容量を確保するためには、電圧の低下分を見込んで、より高い容量を常に確保しておく必要がある。言い換えれば、自己放電分を補うだけでなく、電圧低下による損失分も補うべく、充電時期をより高めなければならない。

しかしながら、放置による内部抵抗の増加や自己放電と補充電を繰り返した場合のメモリー効果はこれまでよくわかっておらず、従来の制御では自己放電速度のみから充電時期を算出することはできず、電源システムの放電電力量が規定値に比べて小さくなるのを防止することができない。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、電源システムの放電電力量が規定値に比べて小さくなるのを防止することができる電源システムの充電方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、１個または複数個のニッケル水素蓄電池を有する電源システムに間欠的に充電を行なう電源システムの充電方法において、上記ニッケル水素蓄電池の複数の温度範囲について、所定期間当たりの自己放電量を示す第１の表、所定期間当たりの内部抵抗の増加による低下容量を示す第２の表および補充電１回当たりの容量変化量を示す第３の表を作成し、上記第１〜第３の表を用いて、待機中または間欠充電の繰り返しによって生じる上記ニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加を原因とする放電時の出力電力量の低下分を補うように充電時期を決める。

この場合、充電後直ちに放電した場合の上記ニッケル水素蓄電池の放電曲線と待機状態においたときの上記ニッケル水素蓄電池の放電曲線との差から待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分を求めて、上記第２の表を作成してもよい。

これらの場合、待機と補充電とを交互に繰り返した場合の容量変化から補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分を求め、上記第３の表を作成してもよい。

この場合、待機状態においたときの放電曲線と待機期間中の内部抵抗の増加による上記容量の減少分と補充電に伴う内部抵抗の変化による上記容量の増減分とに基づいて自己放電による容量の減少分を求め、上記第１の表を作成してもよい。

本発明に係る電源システムの充電方法においては、ニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加を原因とする放電時の出力電力量の低下分を補うように充電時期を決めるから、電源システムの放電電力量が規定値に比べて小さくなるのを防止することができる。

ニッケル水素蓄電池を有する電源システムを停電時のバックアップ用に用いる場合、放電電力量（Ｗｈ）の減少は近似的に次式で表される。

（自己放電による減少分）＋（待機期間中の内部抵抗の増加による減少分）＋（補充電に伴う内部抵抗の変化による増減分）
これらの各項をそれぞれ見積もって足し合わせ、合計が所定のバックアップ容量を満たさなくなると考えられる値まで増加したら補充電を行なう。すなわち、待機期間中の電解液の減少によるニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加または補充電に伴うニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加を原因とする放電時の出力電力量の低下分を補うように充電時期を決める。

まず、待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分は以下のように求められる。すなわち、充電後待機状態におかれたニッケル水素蓄電池の放電容量（残存容量）を測定すると、自己放電による容量の減少分と待機期間中に起きる内部抵抗の増加による容量の減少分との和となる。したがって、ニッケル水素蓄電池を待機状態においたときの放電曲線と、測定した放電容量（Ａｈ）と同一値を与える充電を行なったのち、直ちに放電した場合の放電曲線との差を待機期間中の内部抵抗の増加による出力低下分と仮定することができる。ゆえに、充電後直ちに放電した場合の放電曲線と待機状態においたときの放電曲線との差から待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分を求める。

また、ニッケル水素蓄電池の補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分を待機と補充電とを交互に繰り返した場合の容量変化から求める。長時間待機状態におかれて自己放電したニッケル水素蓄電池を補充電すると、内部抵抗は減少するが、完全放電後に満充電にした場合に比較すると内部抵抗は大きい。さらに、待機と補充電とを繰り返すと、内部抵抗は増加していき、毎回の補充電によって同じ値には戻らない。補充電１回当たりの放電電力量回復分は最初は正であるが、補充電の回数が多くなると１回当たりの放電電力量回復分は負になり、容量の低下をもたらす。これがメモリー効果である。

さらに、待機状態においたときの放電曲線と待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分と補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分とに基づいて自己放電による容量の減少分を求める。すなわち、待機状態においたときの放電曲線に待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分を加算し、補充電に伴う内部抵抗の変化による増加分を減算し、補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の減少分を加算することにより、自己放電による容量の減少分を求める。

このようにして、２０〜２５℃、２５〜３０℃、３０〜３５℃、３５〜４０℃、４０〜４５℃の各温度範囲で待機期間を変えて上記の測定を行ない、各温度範囲での１日当たりの自己放電量、各温度範囲での１日当たりの内部抵抗の増加による放電電力量の低下容量、各温度範囲での補充電１回当たりの容量変化分を求める。

そして、各温度範囲での１日当たりの自己放電量、各温度範囲での１日当たりの内部抵抗の増加による放電電力量の低下容量、各温度範囲での補充電１回当たりの容量変化分に基づいて、待機中の電源システムのニッケル水素蓄電池の温度から自己放電による容量の減少分の合計、待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分の合計および補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分の合計を加算し、その加算値に応じて充電時期を決める。すなわち、上記加算値すなわち容量低下分が所定値を上回ったときに、補充電を行なう。

実際には、１日１回ないし数回ニッケル水素蓄電池の環境温度を測定して、その時間内の自己放電による容量の減少分と待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分とを計算する。また、補充電時の環境温度を測定し、補充電回数によって補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分を計算する。そして、これらを加算し、その加算値に応じて充電時期を決める。

以下、実施例に基づいて本発明を詳述するが、本発明は本実施例に限定されない。

（実施例１）
定格容量９５Ａｈのニッケル水素蓄電池を４０本直列に接続し、４．５ｋＷｈのバックアップ用の電源システムを作製した。この電源システムにおいて最低でも満充電時の８０％の放電電力量を確保するためには、３．６５ｋＷｈの容量が必要である。バックアップ時間を３時間として設計すると、最低でも平均１．２ｋＷの出力が常に出せることが必要になり、平均電流は２５Ａとなる。このような電源システムについて、上記の方法により求めた２０℃から４５℃までの各温度範囲での１日当たりの自己放電量（Ｗｈ／セル）、１日当たりの内部抵抗の増加による低下容量（Ｗｈ／セル）および補充電１回当たりの容量変化量（Ｗｈ／セル）をそれぞれ表１（第１の表）、表２（第２の表）、表３（第３の表）に示す。

この電池システムを常に２５〜３０℃の温度範囲で使用した場合、表１から見積もられる単セル当たりの自己放電量は６０日で１６．５（０．５×５＋０．４×５＋０．３×１０＋０．３×１０＋０．２×１０＋０．２×２０）Ｗｈ、８０日で２０．５（１６．５＋０．２×２０）Ｗｈとなる。また、表２から見積もられる単セル当たりの内部抵抗の増加による容量低下分は６０日で２．４（０．０４×６０）Ｗｈ、８０日で３．２（０．０４×８０）Ｗｈとなる。したがって、単セル当たりの自己放電による容量の減少分と待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分との合計は、６０日で１８．９Ｗｈ、８０日で２３．７Ｗｈとなる。そして、ニッケル水素蓄電池単セルの容量は１１４Ｗｈであるから、その２０％は２２．８Ｗｈである。表３に示す補充電１回当たりの容量変化量を考慮しても、８０日以前に補充電を１回行なわないと、満充電時の８０％の放電電力量を確保することはできない。これに対して、２５〜３０℃の間で測定された残存容量は８０日後で７８．２Ａｈあり、定格容量９５Ａｈの８０％（７６Ａｈ）以上の容量を示していたが、出力電力量単位では９０．６Ｗｈしかなく、満充電時の８０％（９１．２Ｗｈ）を下回っていた。

（実施例２）
次に、実施例１に示した電池システムを夏の５０日間、屋外の専用函に収納し、通信機器のバックアップ電源として使用した。このとき、環境温度は２５℃から４５℃の間で推移し、０から５日が４０〜４５℃、６から１０日が３５〜４０℃、それ以降は３０〜３５℃であった。表１によって求めた単セル当たりの５０日後の自己放電量は２２．５（１×５＋０．７×５＋０．４×１０＋０．４×１０＋０．３×１０＋０．３×１０）Ｗｈ、表２によって求めた単セル当たりの５０日後の待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分は３．３（０．１×５＋０．０８×５＋０．０６×４０）Ｗｈとなる。したがって、単セル当たりの自己放電による容量の減少分と待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分との合計は２５．８Ｗｈとなり、ニッケル水素蓄電池単セルの容量１１４Ｗｈの２０％（２２．８Ｗｈ）を超えているから、既に残存容量は８０％を下回っており、補充電の必要がある。そして、放電して残存容量を測定したところ７７．５Ａｈであり、放電容量としては定格容量の８０％（７６Ａｈ）を上回っていた。しかし、放電電力量は８８．１Ｗｈしかなく、満充電時の放電電力量の８０％（９１．２Ｗｈ）を満たさなかった。しかし、表１と表２とを用いて残存容量を推定し、約４５日で補充電を行なったときには、停電時に容量不足になることはなかった。

なお、上述実施例においては、１日当たりの自己放電量、１日当たりの内部抵抗の増加による低下容量を求めたが、他の所定期間たとえば１週間当たりの自己放電量、他の所定期間たとえば１週間当たりの内部抵抗の増加による低下容量を求めてもよい。

Claims (4)

1. １個または複数個のニッケル水素蓄電池を有する電源システムに間欠的に充電を行なう電源システムの充電方法において、
   上記ニッケル水素蓄電池の複数の温度範囲について、所定期間当たりの自己放電量を示す第１の表、所定期間当たりの内部抵抗の増加による低下容量を示す第２の表および補充電１回当たりの容量変化量を示す第３の表を作成し、上記第１〜第３の表を用いて、
   待機中または間欠充電の繰り返しによって生じる上記ニッケル水素蓄電池の内部抵抗の増加を原因とする放電時の出力電力量の低下分を補うように充電時期を決めることを特徴とする電源システムの充電方法。
2. 充電後直ちに放電した場合の上記ニッケル水素蓄電池の放電曲線と待機状態においたときの上記ニッケル水素蓄電池の放電曲線との差から待機期間中の内部抵抗の増加による容量の減少分を求めて、上記第２の表を作成することを特徴とする請求項１に記載の電源システムの充電方法。
3. 待機と補充電とを交互に繰り返した場合の容量変化から補充電に伴う内部抵抗の変化による容量の増減分を求め、上記第３の表を作成することを特徴とする請求項１または２に記載の電源システムの充電方法。
4. 待機状態においたときの放電曲線と待機期間中の内部抵抗の増加による上記容量の減少分と補充電に伴う内部抵抗の変化による上記容量の増減分とに基づいて自己放電による容量の減少分を求め、上記第１の表を作成することを特徴とする請求項３に記載の電源システムの充電方法。