JP4615771B2

JP4615771B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4615771B2
Application number: JP2001205304A
Authority: JP
Inventors: 将義豊田; 忠雄木村; 正宜岩瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: JP2003022837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を動力源の少なくとも一部として使用するＨＥＶ、ＰＥＶ、ＦＣＥＶなどの電気自動車に好適に使用される組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機を動力源の少なくとも一部として使用するＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＰＥＶ（ピュアー電気自動車）、ＦＣＥＶなどの電気自動車には、電動機を駆動するための駆動源として、高電圧電池が搭載されている。電気自動車に搭載される高電圧電池としては、高電圧を得るために、複数個の単電池を直列に接続した組電池が使用されている。
【０００３】
電気自動車用の組電池は、電動機を駆動するための電力を出力するのみならず、回生時には、発電された電力を貯蔵し、さらに、ＨＥＶ用の組電池では、搭載された熱機関によって充電されるようになっている場合もある。このため、一般に、ＨＥＶ用の組電池では、充電に備えつつ放電に対応できるように、各単電池の充放電が、それぞれの単電池に残存する電力量、即ちＳＯＣ（State of Charge：充電状態）が、満充電の状態（１００％）と全く充電されていない状態（０％）とのほぼ中間の範囲のＳＯＣ（５０〜６０％程度）になるように、実施される。
【０００４】
このように、完全に充電および放電されることなく、組電池を構成する各単電池のＳＯＣが、５０〜６０％程度の範囲となるように充放電が実施される組電池では、各単電池の電池温度、電池特性のバラツキ等によって、単電池間において容量差が生じ、各単電池のＳＯＣにバラツキが生じることが知られている。組電池を構成する各単電池のＳＯＣにバラツキが生じると、組電池として使用することができる電力量が低下するために、各単電池のＳＯＣを均等化することが必要になる。
【０００５】
各単電池のＳＯＣを均等化するために、通常は、各単電池を、それぞれ完全に放電した後に、各単電池のＳＯＣが１００％以上の過充電になるように強制的に充電する等の方法が採用されている。
【０００６】
各単電池のＳＯＣを均等化する他の方法として、特開２０００−１６４２６０号公報には、均等化の目標とするＳＯＣに対応した単電池の充電効率を、充電量に対する放電量の比率に一致するように、組電池に対して充放電を実施する方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＯＣが１００％以上になるような過充電を強制的に実施して、各単電池のＳＯＣを均等化する場合には、各単電池の劣化を促進するおそれがある。また、各単電池に対して過充電を実施するためには、複雑な制御系が必要になり、経済性が損なわれるという問題もある。さらに、充放電の制御とは関係なく、過充電を実施しなければならず、過充電を実施するために多大な時間およびエネルギーが必要になるという問題もある。
【０００８】
特開２０００−１６４２６０号公報に記載された方法では、充電量に対する放電量の比率を、均等化の目標とするＳＯＣの充電効率に一致するように充放電を実施することによって、目標とするＳＯＣと同じ状態の単電池は、充放電が実施されてもＳＯＣが変化しないが、目標とするＳＯＣよりも高い状態の単電池は、充電のたびに充電効率の差に相当する電気量だけＳＯＣが減少する。同様に、目標とするＳＯＣより低い状態の単電池は、充電のたびに充電効率の差に相当する電気量だけＳＯＣが増加することになる。単電池の充電効率は、ＳＯＣが高くなると低下するので、この場合には、過度の充放電を行うことなく、各単電池のＳＯＣを均等化することができる。
【０００９】
このように、各単電池のＳＯＣが均等化されることにより、過度の充放電による単電池の劣化、多量のエネルギーの消費は回避される。しかしながら、充放電を繰り返して実施するために、複雑な制御系が必要になるという問題がある。また、過度の充放電は実施されないが、通常の充放電とは無関係な充放電が実施されるために、そのための時間およびエネルギーが必要になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、特別な充放電を実施することなくまた、複雑な制御を必要とせず、通常の充放電によって、単電池間のＳＯＣを均等化することができる組電池を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池の充放電方法は、水酸化ニッケルを主体とする正極を有する充電が可能な複数個の単電池を直列に接続して構成された組電池を充放電する方法であって、前記各単電池に、それぞれ、充放電が実施されるＳＯＣの範囲内の略同一のＳＯＣ値において充電メモリー効果を発生させ、充電メモリ効果が発生したＳＯＣ値に各単電池のＳＯＣが収束するように該組電池の充放電を繰り返し行うことを特徴とする。
【００１２】
充電メモリー効果とは、ＳＯＣが０〜１００％の中間における適当な範囲になるように、単電池の充放電を繰り返すと、単電池の充電特性が劣化する現象である。単電池は、部分放電を行うと、放電末期にメモリー効果が発生し、電圧が低下することはよく知られているが、充電メモリー効果は、放電時の現象とほぼ対称的な電圧挙動であることから、以下、充電メモリー効果と呼ぶ。充電メモリー効果が発生した単電池では、特定のＳＯＣ値に達すると、充電効率が急激に低下する。
【００１３】
図１に、充電メモリー効果が発生した状態の単電池および充電メモリー効果が発生していない状態の単電池の充電曲線をそれぞれ示す。図１から、充電メモリー効果が発生した単電池は、充電時における電圧が、充電メモリー効果が発生していない単電池よりも上昇している。
【００１４】
図２は、充電メモリー効果が発生した単電池のＳＯＣと充電効率との関係を示すグラフである。図２の（ａ）は、充電メモリー効果が生じていない単電池を示しており、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、ＳＯＣが４０％、５０％、６０％において、充電メモリー効果が発生した単電池を示している。
【００１５】
充電メモリー効果が発生していない（ａ）の単電池では、ＳＯＣが０％から７０％までの間において、略１００％の充電効率を維持しているが、ＳＯＣが７０％より高くなると、充電効率は低下する。これに対し、ＳＯＣが４０％において充電メモリー効果が発生している（ｂ）の単電池では、ＳＯＣが４０％において、充電効率が充電メモリー効果の発生していない単電池に対して数％程度低下しており、ＳＯＣが４０％よりも高い範囲においても、充電メモリー効果が発生していない（ａ）の単電池よりも、常に、充電効率が低下している。
【００１６】
同様に、ＳＯＣが５０％において充電メモリー効果が発生している（ｃ）の単電池では、ＳＯＣが５０％において、充電効率が充電メモリー効果の発生していない単電池に対して数％程度低下しており、ＳＯＣが５０％よりも高い範囲において、充電メモリー効果が発生していない（ａ）の単電池よりも、常に充電効率が低下している。
【００１７】
ＳＯＣが６０％において充電メモリー効果が発生している（ｄ）の単電池でも、ＳＯＣが６０％において、充電効率が充電メモリー効果の発生していない単電池に対して数％程度低下しており、ＳＯＣが６０％よりも高い範囲においても、充電メモリー効果が発生していない（ａ）の単電池よりも、常に、充電効率が低下している。
【００１８】
このように、特定のＳＯＣ値において充電効率が低下する充電メモリー効果が発生することが明らかになっている。なお、前述したように、放電において、特定のＳＯＣ値において特性が劣化する放電メモリー効果も知られているが、いずれのメモリー効果も、原因は未だ十分に解明されていない。
【００１９】
本発明の組電池は、このような充電メモリー効果と呼ばれる現象を利用して、各電池間のＳＯＣを均等化するものであり、組電池を構成する各単電池は、充放電が実施されるＳＯＣの範囲において充電メモリー効果が発生するＳＯＣ値が略同一になっていることにより、特別な充放電を実施することなく、通常の充放電によって、各単電池のＳＯＣを均等化することができる。
【００２０】
充電メモリー効果が発生する単電池では、充電メモリー効果が生じるＳＯＣ値（以下、メモリー効果発生ＳＯＣ値という）よりもＳＯＣが高くなると、充電効率が低下する。メモリー効果発生ＳＯＣ値が、単電池に対する充放電が実施されるＳＯＣの範囲内にあると、メモリー効果発生ＳＯＣ値を中心として充放電が繰り返される。
【００２１】
組電池を構成する複数の単電池間のＳＯＣにバラツキがある場合、ＳＯＣが大きい状態の単電池は、充電によってＳＯＣがメモリー効果発生ＳＯＣ値よりも高くなると、充電効率が低下して、充電量が低下する。これに対して、ＳＯＣが小さい状態の単電池は、メモリー効果発生ＳＯＣ値に達するまで、効率よく充電される。従って、いずれの単電池も、充放電が繰り返されることによって、メモリー効果発生ＳＯＣ値に収束されることになる。
【００２２】
その結果、特別な充放電を実施することなく、各単電池のＳＯＣをメモリー効果発生ＳＯＣ値とすることができ、各単電池のＳＯＣを均等化することができ、各単電池間のＳＯＣのバラツキも、抑制することができる。
【００２３】
本発明の組電池は、使用によって充電メモリー効果が発生している単電池によって構成してもよいが、使用初期に充電メモリー効果が発生する単電池によって構成してもよい。この場合、組電池を構成する各単電池に、充電メモリー効果が発生していなくても、使用初期に、ほぼ同一のＳＯＣ値にて各単電池にメモリー効果を発生させることにより、使用初期から各単電池のＳＯＣを均等化することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図３は組電池の概略構成図である。組電池１０は、所定個数のニッケル水素２次電池からなる単電池１１を直列に接続することにより構成されている。
【００２６】
本発明の組電池１０では、例えば、図８に示す走行パルス充放電電流パターンによりＳＯＣが５０％において充電メモリー効果が発生した単電池１１が使用される。
【００２７】
図４は、このような単電池１１を使用した本発明の組電池１０の一例を示す概略図であり、充電メモリー効果がＳＯＣ５０％において発生する単電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃを直列接続して構成される。この組電池は、例えば、ＨＥＶに搭載されて、走行時に、ＳＯＣが５０〜６０％程度の中間値となるように充放電が実施される。
【００２８】
単電池１１ａは、走行による充放電実施前のＳＯＣ値を４０％に設定しており、単電池１１ｂは、走行による充放電実施前のＳＯＣ値を５０％に設定している。さらに、単電池１１ｃは、走行による充放電実施前のＳＯＣ値を６０％に設定している。
【００２９】
このような構成の組電池を、ＨＥＶに搭載して、走行による充放電を行った結果を図５に示す。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各単電池１１ａ、１１ｂ、１１ｃの充放電実施前と充放電実施後のＳＯＣ値を示している。図５（ａ）に示すように、充放電実施前にＳＯＣ値が４０％であった単電池は、充放電を実施することにより、メモリー効果発生ＳＯＣ値である５０％にほぼ収束している。また、図５（ｂ）に示すように、充放電を実施する前にＳＯＣ値が５０％であった単電池は、充放電実施後も、５０％のＳＯＣ値を維持している。さらに、図５（ｃ）に示すように、充放電実施前にＳＯＣ値が６０％であった単電池が、充放電実施後に、メモリー効果発生ＳＯＣ値である５０％にほぼ収束している。
【００３０】
次に、図８に示した走行パルス充放電電流パターンにより、ＳＯＣが４０％、５０％、６０％においてそれぞれ充電メモリー効果が発生した３つの単電池を使用して構成された組電池について説明する。この場合の組電池の概略構成を図６に示す。図６に示す組電池１０は、ＳＯＣが４０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｄと、ＳＯＣが５０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｅと、ＳＯＣが６０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｆとを直列接続して構成されている。そして、ＳＯＣが４０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｄは、充放電実施前のＳＯＣを６０％とし、また、ＳＯＣが５０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｅは、充放電実施前のＳＯＣを５０％とし、さらに、ＳＯＣが６０％において充電メモリー効果が発生する単電池１１ｆは、充放電実施前のＳＯＣを４０％に設定した。
【００３１】
このような構成の組電池を、ＨＥＶに搭載して、走行による充放電を行った。
結果を図７に示す。図７（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、それぞれ、各単電池１１ｄ、１１ｅ、１１ｆの充放電実施前と充放電実施後のＳＯＣ値を示している。
【００３２】
図７（ｄ）に示すように、充放電実施前にＳＯＣ値が６０％であった単電池は、充放電を実施することにより、メモリー効果発生ＳＯＣ値である４０％にほぼ収束している。また、図７（ｅ）に示すように、充放電を実施する前にＳＯＣ値が５０％であった単電池が、充放電の実施後も、５０％のＳＯＣ値を維持している。さらに、図７（ｆ）に示すように、充放電の実施前にＳＯＣ値が４０％であった単電池が、充放電を実施した後に、メモリー効果発生ＳＯＣ値である６０％にほぼ収束している。
【００３３】
このように、充電メモリー効果が生じた単電池は、充放電を実施することにより、充電メモリー効果発生ＳＯＣ値にほぼ収束する。従って、充電メモリー効果発生ＳＯＣ値がほぼ等しくなった単電池を組み合わせて組電池とすることにより、通常の充放電を実施すれば、各単電池のＳＯＣを均等化することができる。
【００３４】
また、未使用のＨＥＶ用組電池を使用して、図１０の矩形波による充放電パターンによる短時間充放電を繰り返すことにより、積極的に充電メモリー効果を発生させた。そして、各単電池毎に個別にＳＯＣを調整する方法により、各単電池間にＳＯＣのバラツキを発生させた。
【００３５】
走行による充放電を実施する前に、ＳＯＣのバラツキが２０％であった組電池を、走行によって充放電を実施して、走行時間による各単電池間のＳＯＣのバラツキの変化を測定したところ、図９に示す結果が得られた。また、走行による充放電を実施する前に、充電メモリー効果を有する各単電池のＳＯＣのバラツキが１０％になった組電池についても、同様の測定を実施した。結果を図９に併記する。
【００３６】
各単電池間における２０％のＳＯＣのバラツキは、１００時間の走行によって約１／４の５％程度に減少している。また、各単電池間における１０％のＳＯＣのバラツキは、１００時間の走行によって、約１／４の３％程度に減少している。このように、ＨＥＶ用の組電池において、各単電池を、充放電が実施されるＳＯＣの範囲におけるほぼ同一のＳＯＣ値において充電メモリー効果が発生するようになっているものを組み合わせて構成することにより、特別な充放電を実施することなく、通常の走行時に実施される充放電によって、各単電池間のＳＯＣのバラツキを抑制することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の組電池は、このように、充放電が実施されるＳＯＣの範囲内の略同一値に充電メモリー効果が発生した単電池を組み合わせて構成されているために、特別な充放電を実施することなく、通常の充放電によって、各単電池間のＳＯＣを均等化することができる。従って、各単電池間のＳＯＣを均一化するための特別な充放電の制御が不要になり、その結果、特別な充放電のための時間およびエネルギーが不要になり、さらには、充放電制御の機構を簡略化することができるとともに、メンテナンスも容易になる。しかも、特別な充放電時に生じる過充電による電池の劣化も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単電池の充電メモリー効果を説明するためのグラフであり、充電メモリー効果が発生する単電池と、充電メモリー効果が発生していない単電池のそれぞれの充電曲線を示すグラフである。
【図２】単電池の充電メモリー効果を説明するためのＳＯＣと充電効率との関係を示すグラフである。
【図３】組電池の概略構成図である。
【図４】充電メモリー効果を予めほぼ同じＳＯＣ値に発生させた３つの単電池を、走行による充放電実施前にそれぞれ所定のＳＯＣ値として直列接続して構成した組電池の構成図である。
【図５】図４に示す組電池の各単電池に対して走行による充放電を実施した場合におけるＳＯＣ値の変化を示す示すグラフである。
【図６】充電メモリー効果を、それぞれ所定のＳＯＣ値に発生させた３つの単電池を、走行による充放電実施前にそれぞれ所定のＳＯＣ値として直列接続して構成した組電池の構成図である。
【図７】図６に示す組電池の各単電池に対して走行による充放電を実施した場合におけるＳＯＣ値の変化を示す示すグラフである。
【図８】単電池を任意のＳＯＣ値において充電メモリー効果を発生させるために実施した走行パルス充放電電流パターンを示すグラフである。
【図９】本発明のＨＥＶ用の組電池において、単電池間に生じたＳＯＣのバラツキが、走行時間によって縮小していることを示すグラフである。
【図１０】未使用のＨＥＶ用の組電池を、積極的に充電メモリー効果を発生させるために充放電を実施する場合の矩形波による充放電電流パターンを示すグラフである。
【符号の説明】
１０組電池
１１単電池
１１ａ〜１１ｆ単電池

Claims

水酸化ニッケルを主体とする正極を有する充電が可能な複数個の単電池を直列に接続して構成された組電池を充放電する方法であって、
前記各単電池に、それぞれ、充放電が実施されるＳＯＣの範囲内の略同一のＳＯＣ値において充電メモリー効果を発生させ、充電メモリ効果が発生したＳＯＣ値に各単電池のＳＯＣが収束するように該組電池の充放電を繰り返し行うことを特徴とする組電池の充放電方法。