JP4923116B2 - 二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を搭載したハイブリッドシステム、発電システム等の二次電池システムに関する。

自動車や鉄道車両などでは、鉛、ニッケル水素、リチウム電池などの充電池を搭載、回生ブレーキで得た電力を充電池に充電し、その電力を加速時などに利用することで、燃費を向上させるハイブリッド方式が知られている。
また、風力発電や太陽光発電等の自然エネルギーを利用した発電システムにおいては、変動の大きい自然のエネルギーを電気に変換するために、送電系統との接続において、蓄電用の二次電池システムを用いた負荷平準化が求められている。
このようなハイブリッド方式を採用した自動車などの車両、もしくは蓄電用の二次電池を備えた発電システムにおいては、使用している二次電池の劣化状態を把握することは、システム全体のエネルギー効率を維持する上で非常に重要である。

このため、これまでにも二次電池の劣化状態を推測する技術が提案されており、例えば下記特許文献１にはエンジン始動毎に二次電池に流れる電流と開回路電圧を測定して内部抵抗を算出し、この内部抵抗の履歴により二次電池の残存寿命（ＳＯＨ）を算出する方法が開示されている。
下記特許文献２には車両に搭載された二次電池の劣化状態を、二次電池の充放電データを含む運転履歴を外部に送信して運転センタ側で劣化状態を算出して、車両側での劣化状態算出との差が基準値を超えた場合、運転センタ側から修正を指示する技術が開示されている。
さらに、下記特許文献３には、二次電池の放電時の内部抵抗と、充電時の内部抵抗の比に基づいて、二次電池の残存容量を算出することが記載されている。

特開２００３−１２９９２７号公報 特開２００７−５５４５０号公報 特開平８−４３５０５号公報

しかしながら、二次電池の内部抵抗は一定の割合で劣化していくわけではなく、累計充放電量や最大電流値、また二次電池が保管されてきた温度履歴などの電池使用履歴及び環境の状態の影響を受ける。
さらに、二次電池容量に対し過度に大きな電流による充放電を短期間に繰り返すと、二次電池の寿命が著しく劣化することが知られている。
そこで、二次電池を使用したハイブリッドシステムあるいは風力発電システム、太陽光発電システム等二次電池システムにおいては、二次電池の劣化を最小限に抑制するため、通常、短時間内の充放電量を二次電池容量の例えば数パーセント程度にとどまるよう制限しているのが一般的である。

しかし、運転状況の急激な変化、あるいは、充放電管理システムの異常、さらには、使用するシステムに対し容量が過小の二次電池を設計した場合などでは、二次電池容量に対し大電流の充放電が頻繁に、しかも長時間継続して繰り返されることがあり、このような場合には、二次電池の寿命を著しく劣化させてしまうおそれがあった。
この性質は、二次電池がリチウムイオン電池の場合、特に顕著である。

発明者らがこの原因について解明したところ、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われたとき、二次電池の本来的な寿命を決定する不可逆的な内部抵抗の上昇とは異なり、二次電池内部抵抗が一時的に上昇しても時間経過とともに減少して復帰すること、そして、一時的に上昇した二次電池内部抵抗が十分に減少する以前に、再び充放電が繰り返されると、二次電池寿命の著しい劣化を招いてしまうことが判明した。
すなわち、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われて二次電池内部抵抗が一時的に上昇しても、この二次電池内部抵抗がある程度減少すれば、再度充放電が行われても、二次電池寿命の著しい劣化を効果的に防止し得ることが判明した。

ところが、上記特許文献１の方法では、このような過渡的で一時的な内部抵抗上昇による劣化か、それとも継続的経年的な劣化であるかを判別できず、二次電池の劣化状態を正確に検知することは不可能であり、内部抵抗の一時的な劣化を継続的経年的な劣化と誤判別したり、過渡的な内部抵抗の上昇が消失する以前に充放電を行うことにより、二次電池の寿命を急速に短期化してしまうおそれがあった。

上記特許文献２の方法では、車両側と運転センタの両方に、充放電データを含む運転履歴から劣化状態を算出するための記憶装置や算出のための演算装置が必要であり、さらに車両と運転センタとの間の通信手段も必要であることから、高コストであり煩雑なシステムとなっており、しかも、初期状態における二次電池内部抵抗に対する増加率に基づき劣化の進行度を推測するもので、上記のような大電流での充放電の発生に伴う一時的な二次電池内部抵抗の上昇を考慮するものではない。

また、上記特許文献３には、二次電池の放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗の比に基づいて、二次電池の残存容量を算出することが記載されているが、図４に示されているように、放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比は劣化状態に依存せず一定とされており、あくまでも放電電流が低電流となる範囲で使用した場合を前提とした上で、放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗の比により二次電池の残存容量を検出することを主眼としたものであって、本発明が課題とする大電流での充放電を想定したものではないことは明らかである。

そこで、本発明の目的は、ハイブリッドシステムや風力発電システム、太陽光発電システム等に使用される二次電池システムにおいて、二次電池の使用状況により、その内部抵抗が過渡的（一時的）に上昇した状況を簡便に検知することで、二次電池の劣化状態を正確に算出するとともに、適切な使用方法をすることで二次電池を長寿命化することにある。

上記課題を解決するために、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われた時に発生する二次電池内部抵抗の一時的な上昇を、放電時の二次電池内部抵抗に対する充電時の二次電池内部抵抗の比の値や、両者の上昇率など、両者の関係に基づいて判別し得ることを突き止め、本発明の二次電池システムでは、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた二次電池システムにおいて、前記二次電池の充電電流及び放電電流を検出する電流計と前記二次電池の電圧を検出する電圧計を備え、前記電流計及び前記電圧計により検出される電流値と電圧値に基づいて充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部抵抗を求め、両者の関係に基づいて、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別する判別手段を備えた。

（２）上記の二次電池システムにおいて、前記判別手段が、前記充電時の二次電池部抵抗に対する放電時の二次電池内部抵抗の比の値（放電抵抗／充電抵抗）を算出し、算出された二次電池内部抵抗の比の値が所定値以下に低下したとき、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別するものであり、該判別手段が二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが、前記バッテリコントローラを介して二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させるようにした。

（３）上記の二次電池システムにおいて、前記判別手段が前記二次電池内部抵抗の比の値が１．０５以下となった場合、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別するようにした。

（４）上記の二次電池システムにおいて、前記判別手段が、前記放電時の二次電池内部抵抗の上昇率と充電時の二次電池内部抵抗の上昇率の差を算出し、この差が所定値以下の負の値となったとき、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別するものであり、該判別手段が二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが、前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させるようにした。

（５）上記二次電池システムが、エンジン、発電機、モータ、二次電池、該二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えたハイブリッドシステムであって、前記判別手段が大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させるようにした。

（６）前記ハイブリッドシステムが1日単位で使用される交通機関に適用されたハイブリッドシステムであって、前記二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力する際、停止期間として前記交通機関の夜間休止を含めるようにした。

（７）前記充電時の二次電池内部抵抗及び放電時の二次電池内部抵抗の測定及び前記両者の比あるいは前記上昇率の差の算出は、前記二次電池を一定期間休止させた後に実施するようにした。

（８）前記二次電池システムが、自然エネルギーを利用した発電部、二次電池、前記二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ、及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた発電システムであって、前記判別手段が、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させるようにした。

（９）前記二次電池システムが複数の二次電池と前記二次電池のそれぞれを制御する複数のバッテリコントローラ、及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた二次電池システムであって、前記複数の二次電池のそれぞれについて、前記電流計及び前記電圧計により検出される電流値と電圧値に基づいて充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部抵抗を求め、両者の関係に基づいて、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別する判別手段を備えた。

（１０）前記複数の二次電池のうち、一つずつを周期的に休止状態とさせるようにした。

（１１）前記複数の二次電池は、特性の異なる２種類の二次電池から構成されるようにした。

本発明によれば、特別なハードウェアを追加することなく、充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部の関係により、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われたことに伴う、二次電池内部抵抗の一時的な上昇を簡便かつ正確に検知することが可能となるので、二次電池寿命に大きな影響を与えるこうした二次電池内部抵抗の一時的な上昇が発生しても、二次電池の管理を的確に行うことが可能となる。

すなわち、このように、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われたことが正確に検知できれば、一時的に上昇した二次電池内部抵抗がある程度減少するまで、二次電池の充放電を禁止して休止させたり、例えば、複数の二次電池を使用し、一部の二次電池を交換可能な場合は、大電流の充放電が行われた二次電池のみを交換するなど、適切な対処を促すことで二次電池を長寿命化することが可能である。

本発明は、特に、自動車、鉄道等1日単位で使用される交通機関に適用されたハイブリッドシステムあるいは風力発電システム、太陽光発電システム等、自然エネルギーを利用した発電システムに適用すると有効である。

さらに、本発明により、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われる頻度に基づいて、バッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラの異常や、システムにおける二次電池容量の設計ミスを判定し、修理あるいは二次電池の容量増大などの適切な対応を採ることが可能になる。

実施例１におけるハイブリッドシステムの構成図。 リチウムイオン二次電池を充放電試験した時の内部抵抗値の挙動を示す図。 リチウムイオン二次電池を充放電試験した時の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を示す図。 リチウムイオン二次電池を充放電試験した時の内部抵抗上昇率の挙動を示す図。 リチウムイオン二次電池を充放電試験した時の放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差を示す図。 実施例３におけるハイブリッドシステムの構成図。 実施例４における二次電池システムの構成図。 実施例５における二次電池システムの構成図。

本発明の実施例を、図面を参照しつつ以下に説明する。

［実施例１］
本実施例は、本発明を自動車用ハイブリッドに適用したもので、図１にそのシステム構成図を示す。ハイブリッドシステム１００は、エンジン１０２と発電機１０３、インバータ１０４、モータ１０５、全体コントローラ１０１、二次電池１１０、電圧計１１１、電流計１１２、バッテリコントローラ１２０から構成されている。エンジン１０２の出力は発電機１０３により電力に変換され、インバータ１０４を介して、モータ１０５に接続されている。また、二次電池１１０もインバータ１０４を介してモータ１０５に接続されている。

バッテリコントローラ１２０は、二次電池１１０に接続している電圧計１１１や電流計１１２などから二次電池の状態、及び充放電可能な電力の上限値を算出し、その結果を全体コントローラ１０１に出力する。
このハイブリッドシステム１００では、加速時や登坂時はエンジン１０２と二次電池１１０からの出力によりモータ１０５を回転させて運行し、減速時や下り坂運転時は、摩擦ブレーキ（図示せず）とモータ１０５の回生ブレーキで減速しながら、回生電力を二次電池１１０に充電する。このように、車両の運動エネルギーや位置エネルギーの減少時に得た電力エネルギーを、運動エネルギーや位置エネルギーの増加時に放出してエンジン１０２出力の一部を肩代わりすることで燃費向上を実現している。

ただし、二次電池１１０は充放電可能量と温度ならびに電圧に制限があり、所定の充放電範囲、温度範囲、電圧範囲になるように制御する必要がある。そのため、充電量の上限、電圧の上限を超える際には充電を停止し、反対に、放電量の下限、電圧の下限を下回る際には放電を停止しなければならない。また、二次電池１１０の温度は、充電ならびに放電に伴う発熱により上昇し、過度の高温は二次電池１１０の劣化が加速するため、温度が上限を超える際には、温度が下がるまで、充放電を停止する必要がある。
なお、二次電池１１０の電圧は、充電時には電池電圧に加えて内部抵抗と電流の積だけ電圧が上昇し、放電時には電池電圧から内部抵抗と電流の積だけ電圧降下する。そのため、内部抵抗が大きいほど、充放電時における電圧変動幅が大きくなり、また、電気エネルギーの充放電効率が悪くなる。

この二次電池１１０の内部抵抗は、前述のように、保存や通常範囲の充放電での経年劣化により徐々に上昇していく成分に加え、二次電池１１０の特性に依存するある値以上の電流を一定時間以上継続して充放電を繰り返すと、更に上昇することが知られている。
この上昇分は、充放電を停止した状態で放置することにより、徐々に回復する性質がある。

この例を図２に示す。図２は２本のリチウムイオン二次電池を、異なる電流密度で充放電試験した時の抵抗上昇の挙動を示したものである。
黒塗りのプロットは、二次電池の容量に対し高い電流密度で充放電試験したときの結果であり、四角形のプロットは充電側内部抵抗（二次電池の充電時に測定される二次電池の内部抵抗）の時間変化を、丸型のプロットは放電側内部抵抗（放電時に測定される二次電池の内部抵抗）の時間変化を示し、約200時間まで充放電試験した後に休止状態で放置した時の内部抵抗の時間変化である。

この実験結果から、二次電池の容量に対し高い電流密度で充放電試験したとき、充放電中は急激に内部抵抗が上昇するが、約２００時間経過後の休止期間中に抵抗値が回復していることがわかる。なお、本実施例では、二次電池１１０として、正極活物質材料にＮｉとＭｎとＣｏを使用した層状酸化物系材料（LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2）、負極活物質材料にハードカーボンを使用したリチウムイオン二次電池を用いた。

一方、白抜きのプロットは、二次電池の容量に対し低い電流密度で充放電試験したときの結果であり、四角形のプロットは充電側内部抵抗の時間変化を、丸型のプロットは放電側内部抵抗の時間変化を示し、一般的な使用状況を想定して、約８００時間まで充放電試験した後、５０時間程度休止し、その後、再び充放電試験した時の内部抵抗の時間変化である。

こちらの結果では、充電側内部抵抗、放電側内部抵抗とも、充放電に伴いゆっくりと上昇し、休止期間中でも回復せず、再度の充放電においてもゆっくりと上昇していることがわかる。一般に、この内部抵抗の上昇が二次電池本来の寿命を決定することなり、前述のとおり、従来から、二次電池を適用するシステムにおいて必要とされる充放電量が、短時間内の変化では二次電池の容量を数パーセントとなるように設計して、二次電池の寿命を確保している。
なお、上記２つの測定結果（２本の電池）の抵抗値が異なるのは、電極面積が異なるためであり、電極材料や電解液は同一である。

以上のように、リチウムイオン二次電池の内部抵抗上昇には、低い充放電電流時のゆっくりと上昇し回復しないもの（以下、不可逆抵抗上昇という。）と、大電流充放電による急激で過渡的な上昇（以下、可逆抵抗上昇という。）がある。
前述のように、通常想定されている充放電電流の使用範囲は、二次電池寿命確保の観点から、可逆抵抗上昇が発生しない領域としているが、運転状況の急激な変化、あるいは、充放電管理システムの異常、さらには、使用するシステムに対し容量が過小の二次電池を設計した場合等、二次電池の使用方法によっては可逆抵抗上昇の領域に到る事態も発生し得る。

この内部抵抗の急激な上昇は可逆的ではあるが、大電流での充放電時間が長いと、可逆的な回復量が少なくなり、劣化が加速されること、及び回復までの時間がかかることが実験により確かめられている。特に内部抵抗の回復量が十分でない状態で、大電流での充放電が繰り返されると、二次電池の寿命が急速に短期化する。
そこで、このような想定外の大電流での使用状態は、なるべく早く検知し、二次電池の使用を休止させる事で、劣化状態を回復させる必要がある。

そのために、本実施例では二次電池の充電側内部抵抗と放電側内部抵抗の比に注目した。
すなわち、前述のように、図２には、それぞれの試験時の充電側内部抵抗と放電側内部抵抗を示されており、この試験結果から、内部抵抗の可逆上昇劣化が発生する大電流での試験の場合、充電側内部抵抗を示す黒塗りの四角形プロット、放電側内部抵抗を示す黒塗り丸型プロットが示すように、充放電試験期間中の充電側内部抵抗と放電側内部抵抗とは異なる値を示しながら、それぞれの上昇率で急速に上昇し、休止開始時には、特に放電側内部抵抗が短時間のうちに急速に減少し、休止開始から２００時間程度経過してから、両者ともほぼ同じ値に回復することが示されている。

一方、内部抵抗の可逆上昇劣化が発生しない低電流での試験の場合は、休止前後や充放電期間中のすべてで放電側内部抵抗と充電側内部抵抗はそれぞれ異なる値を示すものの、休止前後も含め、ほぼ同様に緩やかな上昇率で上昇していくことが示されている。
そこで、図２における、可逆抵抗上昇時及び不可逆抵抗上昇時の充電側内部抵抗に対する放電側内部抵抗の比（放電抵抗／充電抵抗）を図３に示す。
可逆抵抗上昇が発生する場合の試験（黒塗りのダイヤ型プロット）では、充放電開始直後急激に上昇し、充放電が終了して休止期間となった時から比の値が急激に減少し、１．１程度から１．０２程度になったことがわかる。

これに対し、不可逆抵抗上昇が発生する場合の試験（白抜きダイヤ型のプロット）では、試験開始直後、一時的に１．１から１．０７程度に減少しているが、その後は、緩やかに上昇し、最終的に１．１１程度になったことが分かる。
このように、充電側内部抵抗に対する放電側内部抵抗の比の変化特性が、可逆抵抗上昇時と不可逆抵抗上昇時とで明確に識別できることから、この充電側内部抵抗に対する放電側内部抵抗の比を測定することにより、可逆抵抗上昇が発生するほどの高い充放電電流で二次電池が使用されていたことを正確に検出することが可能となる。

具体的には、本実施例においては、電圧計１１１と電流計１１２を用いて電圧と電流を測定し、その結果をもとにバッテリコントローラ１２０が放電側内部抵抗と充電側内部抵抗、及びその比を算出する。

そして、この比の値が前回値より急激に低下し、例えば、１．０７より小さい１．０５以下となった場合、明らかに可逆抵抗上昇が発生したものとみなし、バッテリコントローラ１２０は全体コントローラ１０１に、二次電池１１０の使用を一定期間停止する信号を送信し、全体コントローラ１０１はバッテリコントローラ１２０からの信号を受けて、ハイブリッドシステム１００における二次電池１１０の使用を停止し、一定期間はエンジン１０２のみの出力で車両を運転するモードとする。
これによりこの二次電池は休止状態となり、可逆抵抗上昇の回復を図り、二次電池１１０の劣化加速を抑制している。

ここで、ハイブリッドシステム１００として、複数の二次電池１１０を用い、それぞれが簡単に取り外し可能で交換可能な構造となっている場合は、バッテリコントローラ１２０が、可逆抵抗上昇が発生した二次電池１０を特定し、全体コントローラ１０１は、これを受けて、該当する二次電池１１０の交換を示す表示をして、ユーザ側に二次電池の交換を促すようにしてもよい。
この場合、二次電池を休止させることなく、ハイブリッドシステム１００は二次電池１１０を使用した高燃費のハイブリッド運転を継続することができる。

なお、充電側内部抵抗に対する放電側内部抵抗の比の変化は、図２、３から分かるように、可逆抵抗上昇が発生する充放電終了後、休止状態が所定時間継続している間に顕著に表れることから、充放電終了直後ではなく、一定の休止時間後にこの比の変化を算出して判定してもよい。

本実施例においては、ハイブリッドシステム１００は自動車に搭載されているものであり、通常、夜間は運転しておらず、充放電のない休止時間となる。
そのため、前日記録された放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比に基づいて、翌日の運転開始後、夜間の休止時間を加味して、二次電池の充放電を休止したり、あるいは、毎朝の起動時（自動車としてのエンジン始動時）に放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を算出して、可逆抵抗上昇の有無を判定し、充放電休止の要否を判定するようにしてもよい。

なお本実施例ではハイブリッドシステムを搭載した自動車への搭載を前提としているが、鉄道車両に搭載されている場合においても、同様に夜間は通常停止していることから、同様の処理を行えばよい。
また、この放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比の算出は、上記特許文献１のような二次電池１１０の通常の劣化状態検出と同時に実行されてもよいし、そうすることで、より正確に二次電池１１０の劣化状態を検出可能となる。

以上のとおり、本実施例では、二次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出するという、追加の記録装置や通信装置など特別のハードウェアの追加を伴わない簡便な構成で、二次電池を通常想定外の大電流で使用していることを非常に正確に検知することができ、充放電を休止させることにより二次電池の劣化を効果的に抑制することができる。
さらに、通常想定外の大電流で使用後、適切な使用方法や対処を促すことで二次電池を長寿命化することが可能である。

［実施例２］
実施例１では、可逆抵抗上昇を判定するため、充電側内部抵抗に対する放電側内部抵抗の比の変化特性を利用したが、本実施例では、放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の上昇率に着目した。
すなわち、図２における放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の値を、試験開始前の値を１００％とした時の上昇率として図４に示す。黒塗りのプロットは、二次電池の容量に対し高い電流密度で充放電試験したときの結果であり、四角形のプロットは充電側内部抵抗の上昇率の時間変化を、丸型のプロットは放電側内部抵抗の上昇率の時間変化を示す。
また、白抜きのプロットは、二次電池の容量に対し低い電流密度で充放電試験したときの結果であり、四角形のプロットは充電側内部抵抗の上昇率の時間変化を、丸型のプロットは放電側内部抵抗の時間変化を示す。

このように表示すると、二次電池の容量に対し高い電流密度で充放電を行い可逆抵抗上昇が発生した後の休止期間中を除いて、放電側と充電側の内部抵抗上昇率はほぼ等しいことがわかる。そこで、図５に、図４における放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差を時間経過で示した。
黒塗りのダイヤ型プロットは、二次電池の容量に対し高い電流密度で充放電試験したときの放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差を、白抜きのダイヤ型プロットは、二次電池の容量に対し低い電流密度で充放電試験したときの放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差を時間経過で示している。

図５から明らかなように、可逆抵抗上昇が発生した後の休止期間中では放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差は−４％以下の負の値になっており、これにより、可逆抵抗上昇を正確に識別することができる。
なお、低電流での充放電試験初期にも放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差が負の値を示しているが、これは電池の初期化充放電不足による影響であり、通常は発生しない。

本実施例においては、上記の放電側内部抵抗上昇率と充電側内部抵抗上昇率の差をバッテリコントローラ１２０が算出して、通常使用範囲を超えるような大電流での使用を検知する。このような簡便な構成により、実施例１と同様に、二次電池を通常想定外の範囲で使用していることを検知でき、充放電を休止させることにより二次電池の劣化を抑制できる。その他の構成や、二次次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比の検出タイミングや休止タイミングなどは、第１実施例と同様である。
これにより二次電池の劣化状態を正確に算出できるとともに、適切な使用方法をすることで二次電池を長寿命化することが可能である。

［実施例３］
本実施例は、減速時や下り坂運転時に回生ブレーキを作動させる自動車用ハイブリッドシステムに適用した例を示す。
図６に本実施例におけるハイブリッドシステムの構成図を示す。ハイブリッドシステム１５０は、エンジン１０２と発電機１０３、インバータ１０４、モータ１０５、全体コントローラ１０１、二次電池１１０、電圧計１１１、電流計１１２、バッテリコントローラ１２０、コンバータ１０６から構成されている。二次電池１１０からの出力はインバータ１０４を介してモータ１０５に接続されている。モータ１０５の出力は、エンジン１０２の出力と共にコンバータ１０６を介して、車両等を動かすための動力として出力される。

ここでコンバータ１０６は、エンジン１０２の出力とモータ１０５の出力の比率を調整し、それぞれの出力の範囲内で効率が改善されるように制御している。エンジン１０３の余分な出力は発電機１０３により電力に変換され二次電池１１０に充電される。
本実施例でのハイブリッドシステム１５０でも、加速時や登坂時はエンジン１０２と二次電池１１０からの出力によりモータ１０５を回転させて運行し、減速時や下り坂運転時は、摩擦ブレーキ（図示せず）とモータ１０５の回生ブレーキで減速しながら、回生電力を二次電池１１０に充電する。このように、車両の運動エネルギーや位置エネルギーの減少時に得た電力エネルギーを、運動エネルギーや位置エネルギーの増加時に放出してエンジン１０２出力の一部を肩代わりすることで燃費向上を実現している。

なお、本実施例においても、バッテリコントローラ１２０は、二次電池１１０に接続している電圧計１１１や電流計１１２などから二次電池１１０の状態、及び充放電可能な電力の上限値を算出し、その結果を全体コントローラ１０１に出力しており、二次電池１１０の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出して、二次電池１１０が大電流での充放電による一時的な劣化状態であるかどうかを検知している。その他の構成や、二次次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比の検出タイミングや休止タイミングなどは、第１実施例と同様である。

以上のように、本実施例においても、二次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出するという簡便な構成により、二次電池を通常想定外の大電流で使用していることを検知でき、充放電を休止させることにより二次電池の劣化を抑制できる。
これにより二次電池の劣化状態を正確に算出できるとともに、適切な使用方法をすることで二次電池を長寿命化することが可能である。

［実施例４］
本実施例は、本発明を風力発電システムに適用した例を示す。
図７に本実施例における二次電池システムの構成図を示す。二次電池システム２００は、複数の二次電池ユニット２０２と、全体コントローラ２０１から構成されており、二次電池ユニット２０２は、二次電池２１０、電圧計２１１、電流計２１２、バッテリコントローラ２２０から構成されている。
バッテリコントローラ２２０は、二次電池２１０に接続している電圧計２１１や電流計２１２などから二次電池２１０の状態、及び充放電可能な電力の上限値を算出し、その結果を全体コントローラ１０１に出力する。

この二次電池システム２００は風力発電機と組み合わせて設置されており、風力発電機から入力される脈動を伴う電力を平準化し、一定の電力を出力するように設定されている。また、電力消費の少ない夜間の電力を蓄積し、電力消費の多い昼間に放出するようにも設定されている。
このような目的で使用されている二次電池２１０においても使用範囲として、充放電可能量と温度ならびに電圧に制限があり、所定の充放電範囲、温度範囲、電圧範囲になるように制御する必要がある。そのため、充電量の上限、電圧の上限を超える際には充電を停止し、反対に、放電量の下限、電圧の下限を下回る際には放電を停止しなければならない点では実施例１と同じである。
特に風力発電システムにおいては、発電量が天候に大きく左右され、また、電力供給先の電力消費量も、時間毎、季節毎に大きく変化するため、このシステムに使用される二次電池の充放電量が大きく変化することになる。

そこで、本実施例においても、実施例１と同様にバッテリコントローラ２２０は、二次電池２１０に接続している電圧計２１１や電流計２１２などから二次電池２１０の状態、及び充放電可能な電力の上限値を算出し、その結果を全体コントローラ１０１に出力するとともに、実施例１と同様に二次電池２１０の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出して、二次電池１１０が大電流での充放電による可逆抵抗上昇が発生し、一時的な劣化状態であるかどうかを検知している。
本実施例においては、実施例１と異なり、夜間に二次電池２１０の充放電が停止することはないため、１日単位内での休止期間というものがなく、休止期間後の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比の検出を毎朝測定するわけにはいかない。

そのため、複数ある二次電池ユニット２０２に対し、順番に１ユニットずつ、一定期間おきに休止期間を設けて、その休止期間の終わりに放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出する方式としている。
そして、二次電池２１０が大電流での充放電による一時的な劣化状態であると検出された場合、当該二次電池ユニット２０２のバッテリコントローラ２２０は、全体コントローラ２０１に当該二次電池２１０を一定期間休止する信号を送信する。その後、全体コントローラ２０１は二次電池システム２００の中から当該二次電池ユニット２０２を一定期間切り離して、充放電させない状態とする。

なお、二次電池ユニット２０２や二次電池２１０が簡単に交換可能な構成となっている場合は、全体コントローラ２０１は該当する二次電池ユニット２０２や二次電池２１０を交換対象としてユーザ側に表示し、交換により所定の性能を保つことも可能である。

以上のように、本実施例においても、二次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出するという簡便な検出方法により、二次電池を通常想定外の大電流で使用していることを検知でき、充放電を休止させることにより二次電池の劣化を抑制できる。
これにより二次電池の劣化状態を正確に算出できるとともに、適切な対処方法、使用方法を促すことで二次電池を長寿命化することが可能である。
なお、この実施例では本発明を風力発電システムに適用したが、ソーラーパネルを使用した太陽光発電システム等、自然エネルギーを利用した種々の発電システムにも適用できることはいうまでもない。

［実施例５］
本実施例は、本発明を、特性の異なる複数の二次電池を使用したシステム、特に風力発電システムに適用した例を示す。
図８に本実施例における二次電池システムの構成図を示す。二次電池システム２５０は、特性の異なる２種類の第１の二次電池ユニット２０３と第２の二次電池ユニット２０４、及び全体コントローラ２０１から構成されている。第１の二次電池ユニット２０３は、二次電池２３０、電圧計２１１、電流計２１２、バッテリコントローラ２２０から構成されており、第２の二次電池ユニット２０４は、二次電池２４０、電圧計２１１、電流計２１２、バッテリコントローラ２２０から構成されている。

ここで、二次電池２３０と二次電池２４０は、その容量と内部抵抗値が異なり、この例では、二次電池２３０は容量が大きいが内部抵抗は高く、二次電池２４０は容量が小さいが内部抵抗が低い特性となっている。これらの２種類の二次電池ユニットは、その特性に応じて、使われるべき用途が若干異なっている。
すなわち、本実施例における二次電池システム２５０は、実施例４と同じく風力発電機と接続されているが、風力発電からの出力平準化のうち、風速の瞬時の変化に伴う出力の脈動など短時間の電力変動には、二次電池２４０のような容量が小さいが内部抵抗が低い特性が望ましい。このため本実施例においても、主に第２の二次電池ユニット２０４に電流を流して平準化をしている。

一方、電力消費が少ない夜間に充電し、電力消費が多い昼間に放電するような長時間の負荷平準化には二次電池２３０のような、内部抵抗が高くても容量が大きい特性が望ましい。このため、主に第１の二次電池ユニット２０３にて平準化している。
なお、図８には第１の二次電池ユニット２０３と第２の二次電池ユニット２０４は１つずつしか図示していないが、それぞれ複数個接続することも可能である。

本実施例においても、バッテリコントローラ２２０は、二次電池２３０や二次電池２４０に接続されている電圧計２１１や電流計２１２などから二次電池２３０や二次電池２４０の状態、及び充放電可能な電力の上限値を算出し、その結果を全体コントローラ１０１に出力しており、実施例１と同様に、二次電池２３０や二次電池２４０の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比をそれぞれ検出して、各二次電池が大電流での充放電による一時的な劣化状態であるかどうかを検知している。
そして、二次電池２３０や二次電池２４０が大電流での充放電による一時的な劣化状態であると検出された場合、当該第１の二次電池ユニット２０３、もしくは第２の二次電池ユニット２０４のバッテリコントローラ２２０は、全体コントローラ２０１に当該二次電池２３０や二次電池２４０を一定期間休止する信号を送信する。
その後、全体コントローラ２０１は二次電池システム２００の中から、対応する第１の二次電池ユニット２０３、もしくは第２の二次電池ユニット２０４を一定期間切り離して、充放電させない状態とする。その場合、残りの二次電池ユニットのみで平準化をすることになる。

なお、実施例４と同じく、第１、第２の二次電池ユニット２０３、２０４、及び二次電池２３０、２４０が簡単に交換可能な構成となっている場合は、全体コントローラ２０１は当該二次電池ユニット２０３や２０４、及び二次電池２３０や２４０を交換対象としてユーザ側に表示し、交換により所定の性能を保つことも可能である。

以上のように、本実施例においても、二次電池の放電側内部抵抗と充電側内部抵抗の比を検出するという簡便な検出方法により、二次電池を通常想定外の大電流で使用していることを検知でき、充放電を休止させることにより二次電池の劣化を抑制できる。
これにより二次電池の劣化状態を正確に算出できるとともに、適切な使用方法をすることで二次電池を長寿命化することが可能である。

なお、各実施例では、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われたことが検知された際、一時的に上昇した二次電池内部抵抗がある程度減少するまで、二次電池の充放電を禁止して休止させたり、二次電池の交換可能を促すようにしたが、大電流の充放電が頻繁に発生する場合、バッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラの異常や、システムにおける二次電池容量の設計ミスが原因の場合もあるので、大電流の充放電の発生頻度に基づいて、こうした故障や二次電池容量の大容量化するよう、全体コントローラにより表示させるようにすることもできる。

以上説明してきたように、本発明によれば、特別なハードウエアを追加することなく、充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部抵抗の関係により、二次電池容量に対し大電流の充放電が行われたことに伴う、二次電池内部抵抗の一時的な上昇を簡便かつ正確に検知することができ、大幅なコストアップを招くことなく、簡便な構成で二次電池システムにおける二次電池の管理を的確に行うとともに、二次電池の寿命を最大限引き延ばすことが可能となるので、自動車あるいは鉄道用ハイブリッドシステムのみならず、二次電池を使用した発電システム等、広い分野での利用が期待できる。

１００…ハイブリッドシステム、１０１…全体コントローラ、１０２…エンジン、１０３…発電機、１０４…インバータ、１０５…モータ、１０６…コンバータ、１１０…二次電池、１１１…電圧計、１１２…電流計、１２０…バッテリコントローラ、１５０…パラレルハイブリッドシステム、２００…二次電池システム、２０１…全体コントローラ、２０１…二次電池ユニット、２０２…二次電池ユニット（１）、２０３…二次電池ユニット（２）、２１０…二次電池、２１１…電圧計、２１２…電流計、２２０…バッテリコントローラ、２３０…二次電池、２４０…二次電池、２５０…二次電池システム

Claims (11)

1. 二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた二次電池システムにおいて、
   前記二次電池の充電電流及び放電電流を検出する電流計と前記二次電池の電圧を検出する電圧計を備え、
   前記電流計及び前記電圧計により検出される電流値と電圧値に基づいて充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部抵抗を求め、両者の関係に基づいて、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別する判別手段を備えたことを特徴とする二次電池システム。
2. 前記判別手段が、前記充電時の二次電池部抵抗に対する放電時の二次電池内部抵抗の比の値（放電抵抗／充電抵抗）を算出し、算出された二次電池内部抵抗の比の値が所定値以下に低下したとき、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別するものであり、該判別手段が二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが、前記バッテリコントローラを介して二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させることを特徴とする請求項１記載の二次電池システム。
3. 前記判別手段が前記二次電池内部抵抗の比の値が１．０５以下となった場合、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別することを特徴とする請求項２記載の二次電池システム。
4. 前記判別手段が、前記放電時の二次電池内部抵抗の上昇率と充電時の二次電池内部抵抗の上昇率の差を算出し、この差が所定値以下の負の値となったとき、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別するものであり、該判別手段が二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが、前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させることを特徴とする請求項１記載の二次電池システム。
5. 前記二次電池システムが、エンジン、発電機、モータ、二次電池、該二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えたハイブリッドシステムであって、
   前記判別手段が大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させることを特徴とする請求項１ないし４記載の二次電池システム。
6. 前記ハイブリッドシステムが1日単位で使用される交通機関に適用されたハイブリッドシステムであって、
   前記二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力する際、停止期間として前記交通機関の夜間休止を含めることを特徴とする請求項５記載の二次電池システム。
7. 前記充電時の二次電池内部抵抗及び放電時の二次電池内部抵抗の測定及び前記両者の比あるいは前記上昇率の差の算出は、前記二次電池を一定期間休止させた後に実施することを特徴とする請求項５または６記載の二次電池システム。
8. 前記二次電池システムが、自然エネルギーを利用した発電部、二次電池、前記二次電池の充放電を制御するバッテリコントローラ、及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた発電システムであって、
   前記判別手段が、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別した際、前記全体コントローラが前記バッテリコントローラを介して、二次電池の使用を一定期間停止する信号を出力し、該二次電池の充放電を休止させることを特徴とする請求項１ないし４記載の二次電池システム。
9. 前記二次電池システムが複数の二次電池と前記二次電池のそれぞれを制御する複数のバッテリコントローラ、及びシステム全体を制御する全体コントローラを備えた二次電池システムであって、
   前記複数の二次電池のそれぞれについて、前記電流計及び前記電圧計により検出される電流値と電圧値に基づいて充電時の二次電池内部抵抗と放電時の二次電池内部抵抗を求め、両者の関係に基づいて、大電流での充放電に伴う二次電池内部抵抗の一時的な上昇を判別する判別手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし８に記載の二次電池システム。
10. 前記複数の二次電池のうち、一つずつを周期的に休止状態とさせることを特徴とする請求項９に記載の二次電池システム。
11. 前記複数の二次電池は、特性の異なる２種類の二次電池から構成されることを特徴とする請求項９または１０に記載の二次電池システム。

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