JP4929501B2 - 車載電池放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行駆動源がモータのみの構成の電気自動車や、走行駆動源がモータとガソリンエンジンとからなる構成のハイブリッド車等に搭載する車載電池を安全且つ迅速に放電させる車載電池放電装置に関する。

通常の自動車に搭載する車載電池は、端子電圧が１２Ｖや２４Ｖ程度のものであるが、電気自動車やハイブリッド車のモータの駆動電力源とする車載電池は、単電池を複数直列接続して、数１００Ｖ程度の端子電圧となるように充電して使用する二次電池が一般的であり、その種類として、例えば、ニッケル水素電池等が知られている。又電気自動車やハイブリッド車を廃車とする場合、或いは車載電池を交換して旧車載電池を廃棄する場合、その車載電池の端子電圧を理想では０Ｖとなるように放電処理することが要望される。その為に、電池ケース内に放電用の抵抗とスイッチとを組み込み、そのスイッチを操作して、電池の端子間に抵抗を接続した状態とし、その抵抗を介して放電する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。又二次電池の充放電過程の端子間電圧と充放電電流と温度とに基づいて、寿命を判定する手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３１９３０４号公報 特開２００２−７５４６１号公報

端子電圧を数１００Ｖに充電して使用する電気自動車やハイブリッド車等に於ける車載電池は、車載状態で廃棄処分する場合や、交換した古い車載電池を廃棄する場合、感電事故や、シュレッダーによる粉砕時の爆発事故等を防止する為に、残存エネルギを零、即ち、端子電圧を０Ｖとすることが理想的である。しかし、従来例のように、電池の端子間に放電用抵抗を接続して放電させる場合、その放電用抵抗を０Ω等の低抵抗とすることは、初期放電電流が過大となって爆発の危険性があり、又内部の過電流保護等の保護手段が動作して放電が停止される。従って、放電用の抵抗は、初期放電電流が過大とならない抵抗値に選択することになり、放電完了までの時間が長くなる問題もある。又車載電池の内部抵抗は零ではなく、例えば、端子間で１Ωとすると、５０Ａの放電電流で放電させた場合、車載電池の端子電圧は、その内部抵抗による電圧降下に相当する５０Ｖとなるから、残存端子電圧を短時間で０Ｖとすることが困難である問題もある。

又車載電池を例えばニッケル水素電池とすると、充放電の繰り返しによる充電可能容量が減少するメモリ効果を回復させる場合には、完全放電の処理を行うことが必要である。この場合も、抵抗等を端子間に接続しただけでは比較的短い時間内で完全放電とすることが困難である問題がある。又車載電池の放電処理を行う場合、その作業を含めた作業性を向上する為に、処理時間を推定することが要望される。又車載電池が今後も使用可能であるか否かを判定することも要望される。

本発明は、前述の従来例の問題点を解決し、要望事項も提供可能とするもので、廃棄時や交換時に於いて、車載電池の完全放電を安全且つ迅速に実行できるようにすることを目的とする。

本発明の車載電池放電装置は、車載電池と同一極性方向に接続するバイアス電源部と、このバイアス電源部を介した車載電池の放電電流を制御して、車載電池の端子電圧を零或はマイナス極性まで放電させる放電部と、この放電部の放電電流を制御する制御部とを備えている。

又前記バイアス電源部は、車載電池の端子電圧と放電電流との変化を基に、車載電池の内部抵抗を測定する測定手段と、この測定手段により測定した車載電池の内部抵抗と放電電流とによる電圧降下を低減又は打ち消すバイアス電源電圧に制御する構成を備えることができる。

又前記放電部は、制御部による制御によって、車載電池をこの車載電池が転極しない範囲までバイアス電源を介して放電させ、車載電池のメモリ効果を回復させる構成を備えることができる。

又前記車載電池の電圧検出データを送信する電池通信部からの電圧検出データを受信する通信部を備え、制御部は、通信部により受信した電圧検出データを基に、車載電池が転極しない範囲までバイアス電源部を介して放電部により車載電池を放電させて、車載電池のメモリ効果を回復させる制御を行う構成を備えることができる。

又前記車載電池の放電電流の変化に対する端子電圧の変化を基に、この車載電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部を設け、制御部は、内部抵抗測定部により測定した車載電池の内部抵抗と放電電流との積の電圧降下を低減又は打ち消すように、バイアス電源部を制御する構成を備えることができる。

又前記制御部は、放電部による車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、この内部抵抗の変化割合から車載電池の特性を基に残存容量を算定し、この残存容量が閾値以下に低下した時、車載電池の使用寿命と判定する手段を備えることができる。

又前記制御部は、放電部による車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、この車載電池の内部抵抗変化と容量との特性を基に残存容量を求め、この残存容量が寿命判定閾値以下に低下するまでの充放電サイクル数から、車載電池の余命を判定する手段を備えることができる。

又前記制御部は、放電部による車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、この内部抵抗の変化割合と容量との特性を基に残存容量を求め、この残存容量に対応した放電特性を基に、この車載電池の放電時間を求める手段を備えることができる。

又前記制御部は、放電部による車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、この内部抵抗の変化割合と容量との特性を基に残存容量を求め、この残存容量に対応した放電特性と放電開始からの経過時間とを基に放電終了時間を求める手段を備えることができる。

又前記放電部は、車載電池のバイアス電源部を介した放電電流を交流電流に変換して交流電源へ送出する交流回生放電部とすることができる。

放電部とバイアス電源とにより、車載電池の端子電圧が０Ｖとなるまで、放電させることが容易となり、廃車時や交換時の車載電池を完全放電するより安全性を向上することができると共に、使用時の車載電池のメモリ効果を回復することが可能となる。

本発明の電池放電装置は、図１を参照すると、車載電池２と同一極性方向に接続するバイアス電源部５と、このバイアス電源部５を介した車載電池２の放電電流を制御して、車載電池２の端子電圧を零或はマイナス極性まで放電させる放電部４と、この放電部４の放電電流を制御する制御部３とを備え車載電池２の放電電流を制御する放電部４と、この放電部４と車載電池２との間に、車載車載電池２と同一極性方向に接続するバイアス電源５とを備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は放電装置、２は車載電池、３は制御部、４は放電部、５はバイアス電源部、８は電池ケース、９は電池保護部を示す。車載電池２は、電気自動車やハイブリッド車に搭載するモータ駆動電力源であり、その端子電圧は２００Ｖ〜３００Ｖ程度が一般的であり、更に高電圧とした構成もある。又車載電池２を収容する電池ケース８内には、安全プラグ等の電池保護部９を設けており、端子側のみでなく、直列接続した単電池の中間位置に設ける構成が一般的である。

又放電装置１は、プロセッサ等を含む制御部３と、この制御部３により放電電流等の設定制御が行われる放電部４と、放電処理する車載電池２の極性と同一極性、即ち、車載電池２の端子電圧に加算される極性のバイアス電源部５とを備えている。このバイアス電源部５は、車載電池２の放電時の内部抵抗による内部電圧降下を補償する電圧で、且つ車載電池２の放電電流を流すことができる電流容量を有する構成とするものであり、電池の接続数等により電圧及び電流の設定可能の構成や、電圧及び電流の設定制御が可能のスイッチング電源装置等を適用することができる。このバイアス電源部５により、車載電池２の内部電圧降下分を補償して、車載電池２の端子電圧を０Ｖとなるように放電することも可能であり、又その完全放電によって、車載電池２として適用されている例えばアルカリ水素電池のメモリ効果を回復して、初期状態に近い充電容量として使用できるようにすることが容易となる。

又制御部３は、放電処理する車載電池２の種別等に対応して、定電流放電等の放電モードと、放電電流値と、放電動作時間と、放電終了電圧等を放電部４に設定する。なお、設定内容等や、放電処理を行っている時の放電状態等を含む各種の情報を適宜表示する表示手段を設けることも可能であるが、図示を省略している。又放電装置１に車載電池２をコネクタ等の手段によって接続し、放電装置１の図示を省略している起動ボタン等を押下すると、車載電池２とバイアス電源５とを介して放電部４に放電電流を流すことになる。この場合に、例えば、放電モードを定電流放電、放電電流を２０Ａ、放電時間を６分、放電終了電圧を０Ｖに設定すると、放電部４は、設定条件に従って制御部３により、定電流モードで放電電流が２０Ａとなるように車載電池２の放電を行うことになる。

放電部４は、例えば、図２に示す構成を適用することができる。同図に於いて、１０は放電制御回路、１１はトランジスタ、１２は比較器、１３，１４は端子、Ｒ１，Ｒ２は抵抗を示す。端子１３に、図１に於けるバイアス電源部５の＋端子側を接続し、端子１４に、図１に於ける車載電池２の−端子側を接続し、放電制御回路１０に、図１に於ける制御部３からの設定データが転送される。放電電流は、トランジスタ１１と抵抗Ｒ１とを流れ、抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒと、放電制御回路１０から設定放電電流値に対応する値とを比較器１２により比較し、設定放電電流値となるようにトランジスタ１１を制御する。それにより、定電流放電の放電モードにより車載電池２の放電が行われる。なお、他の放電モードとして、車載電池２の端子電圧を検出しながら、その端子電圧の変化に対応して、放電電流を変化させる放電モードに設定することも可能である。

車載電池２の放電終了は、放電時間又は車載電池２の端子電圧によって判定することができるもので、前述の放電時間設定の場合、放電開始から設定時間経過により放電終了とするもので、放電装置１から車載電池２を切り離した時の車載電池２の端子電圧が０Ｖとなる放電電流と放電時間との関係が判っている状態に於いては、放電時間設定によって放電終了とすることができる。なお、放電装置１に車載電池２を接続した状態に於ける車載電池２の端子電圧は、車載電池２の内部抵抗による電圧を含むので、接続状態に於ける車載電池２の端子電圧が０Ｖとなっても、放電装置１から車載電池２を切り離すと、車載電池２の端子電圧は０Ｖでない残留電圧が現れる。バイアス電源部５は、このような残留電圧を０Ｖにまで放電させる作用を行うものであり、車載電池２の種類や端子電圧等に対応して、バイアス電源部５の電圧や電流を設定する構成を適用することができる。

又トランジスタ１２は、設定最大放電電流を流すことができる大容量且つ車載電池２の端子電圧に対応した高耐圧の構成を適用するものであるが、大電流を流すことができるように、例えば、複数のトランジスタを並列接続構成並びに直列接続構成とすることも可能である。なお、並列接続構成とした場合、既に知られている並列接続トランジスタの負担電流のバランス制御構成を適用することができる。又直列接続構成とした場合、既にすられている電圧分担のバランス制御構成を適用することができる。

図３は、本発明の実施例２の説明図であり、図１と同一符号は同一名称部分を示し、６は内部抵抗測定部、７は電流検出部を示す。内部抵抗測定部６は、車載電池２の端子電圧ＢＶと、電流検出部７により検出した車載電池２の放電電流ＢＩとを基に、内部抵抗ｒ＝ＢＶ／ＢＩによって求めることができる。この場合、放電電流を変化させ、それによる車載電池２の端子電圧を測定して内部抵抗ｒを求めることができる。例えば、放電電流をＢＩ_１，ＢＩ_２に変化させた時の端子電圧がＢＶ_１，ＢＶ_２となったとすると、ｒ＝ＢＶ_１−ＢＶ_２／ＢＩ_１−ＢＩ_２として内部抵抗ｒを求めることができる。この内部抵抗ｒが大きいことは、残留端子電圧が高くなることを示すから、バイアス電源部５の電圧を高くするか、又は放電時間を長くするように制御することになる。

放電電流を変化させる為には、制御部３により放電部４を制御して放電電流をＢＩ_１からＢＩ_２に変化させ、その時の放電電流を電流検出部７により検出する。内部抵抗測定部６は、電流検出部７により検出した放電電流の変化分とそれによる車載電池２の端子電圧の変化分とを基に、前述のように、車載電池２の内部抵抗ｒを、ｒ＝ＢＶ_１−ＢＶ_２／ＢＩ_１−ＢＩ_２として算出する。或は、バイアス電源部５に交流電圧重畳を行う手段を設け、その重畳交流電圧と放電電流の交流分とを測定して、車載電池２の内部抵抗を測定する構成とすることも可能である。

このような内部抵抗測定手段をバイアス電源部５に設けて、バイアス電圧を、車載電池２の内部抵抗と放電電流との積の電圧降下を打ち消す値に自動制御する構成とすることができる。この場合、バイアス電圧を、バイアス電源用電池の接続個数の選択接続構成や、スイッチング電源の出力電圧制御構成等によって自動設定する構成とすることも可能である。

図４は、本発明の実施例３の説明図であり、図１及び図３と同一符号は同一名称部分を示し、２１は通信部、２２は電池ＥＣＵ（Ｅｌｃｔｏｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）（電池通信部）を示す。なお、図３に於ける電流検出部７は図示を省略している。電池ＥＣＵ２２は、車載電池２の端子電圧のみでなく、単位電池毎の電圧を測定した電圧検出データを通信部２１に転送する機能を備えている。このデータ転送手段は、既に知られている各種の手段を適用することができる。通信部２１は、電池ＥＣＵ２２から受信した電圧検出データを制御部３へ転送する。制御部３は、車載電池２のメモリ効果を回復させる場合、電圧検出データを基に単位電池対応に転極しない範囲内で、放電部４による車載電池２の放電を制御する。なお、車載電池２を廃棄する場合は、車載電池２の端子電圧を０Ｖ等の低電圧となるように放電処理することになるから、端子電圧の検出データのみを監視して、放電部４による放電処理を制御するだけで良いことになり、車載電池２を構成する一部の単位電池が転極する状態となっても特に問題は生じないものである。

図５は、本発明の実施例４の説明図であり、図１及び図３と同一符号は同一名称部分を示し、２３は残存測定部を示す。残存測定部２３は、車載電池２の放電過程に於ける内部抵抗の変化や端子電圧の変化等を基に、車載電池２のメモリ効果回復の為の放電処理に於いて、今後も使用可能か否か、又使用可能の場合の残存容量を判定し、又廃棄する場合も含めて、放電処理に要する時間、放電処理終了時刻の推定等を行う機能を有するものである。この残存測定部２３の機能を、コンピュータを含む制御部３の演算処理機能によって実現することも可能である。

図６は、車載電池の内部抵抗の増大率と回復容量比率との一例の特性曲線図であり、横軸は、サイクル日数の平方根を示し、括弧内は、自動車の走行距離換算値を示す。又曲線ａは、内部抵抗増大率特性、ｂはメモリ効果を回復することによる回復容量比率を示し、それぞれ新品の場合の比率を１（１００％）として示す。車載電池２の種類等により多少の相違はあるが、充放電の繰り返しにより、内部抵抗は、曲線ａに示すように増大し、回復容量比率は、曲線ｂに示すように減少する。例えば、内部抵抗増大率が１．０４となると、回復容量比率は約９４％となり、又内部抵抗増大率が１．２となると、回復容量比率は約８５％となる。そこで、この回復容量比率は、初期時の１００％に対して、車載電池２のその後の使用可能の残存容量の比率を示すから、使用可能とする為の最低の残存容量を予め設定し、それを寿命判定閾値とし、この寿命判定閾値以下に低下した場合、車載電池２の交換の必要性があると判定することができる。このように、車載電池２の寿命を判定することができるから、放電処理終了時に於いて、充放電サイクル数による余命を推定することができる。

図７は、車載電池を定電流放電させた場合の端子電圧の変化を示す特性曲線図であり、横軸は時間Ｔ、縦軸は端子電圧Ｖを示す。又曲線ｓｖ１は残存容量１００％、曲線ｓｖ２は残存容量９０％、曲線ｓｖ３は残存容量８０％の場合を示す。又ＢＶはバイアス電源部４によるバイアス電圧を示す。又定電流放電により放電開始から端子電圧が０Ｖとなるまで放電する場合、残存容量が１００％の場合ｔ１、９０％の場合ｔ２、８０％の場合ｔ３に於いて終了することになる。この場合、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の放電に要する時間となる。従って、放電開始時刻をｔ０とすると、図６による回復容量比率（残存容量比率）を基に、放電処理に要する時間を求めることができる。又放電処理過程に於いて、放電終了までに要する時間を求めることができる。

従って、残存測定部２３又は制御部３に、車載電池２についての図６及び図７に示すような特性データを保持することにより、放電部４とバイアス電源部５とによる車載電池２の放電処理の所要時間及び終了時刻を求めることができる。同様に、前述のように、車載電池２が使用可能であるか否かを容易に判定することができる。このような判定結果は、図示を省略した表示パネル等により表示するか、プリント機能を備えることにより、プリントアウトすることができる。

図８は、本発明の実施例５の説明図であり、図１と同一符号は同一名称部分を示し、４Ａは交流回生放電部、３０は商用電力回線を示す。この実施例５は、直流電流の放電処理を行う放電部４を、直流−交流変換を行う手段を備えた交流回生放電部４Ａとし、車載電池２の放電をする直流電力を交流電力に変換して商用電力回線３０側に戻す構成として、電力の有効利用を図るものである。この直流−交流変換を行う手段は、既に知られているＤＣ−ＡＣコンバータの構成を適用することができるものである。

本発明の実施例１の説明図である。 放電部の要部説明図である。 本発明の実施例２の説明図である。 本発明の実施例３の説明図である。 本発明の実施例４の説明図である。 内部抵抗増大率と回復容量比率との特性曲線図である。 低電流放電特性曲線図である。 本発明の実施例５の説明図である。

符号の説明

１ 放電装置
２ 車載電池
３ 制御部
４ 放電部
５ バイアス電源部
６ 内部抵抗測定部
７ 電流検出部
８ 電池ケース
９ 電池保護部

Claims (10)

1. 車載電池と同一極性方向に接続するバイアス電源部と、
   該バイアス電源部を介した前記車載電池の放電電流を制御して該車載電池の端子電圧を零或はマイナス極性まで放電させる放電部と、
   該放電部の放電電流を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする車載電池放電装置。
2. 前記バイアス電源部は、前記車載電池の端子電圧と放電電流との変化を基に前記車載電池の内部抵抗を測定する測定手段と、該測定手段により測定した前記車載電池の内部抵抗と放電電流とによる電圧降下を低減又は打ち消すバイアス電源電圧に制御する構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の車載電池放電装置。
3. 前記放電部は、前記制御部による制御によって、前記車載電池を該車載電池が転極しない範囲まで前記バイアス電源を介して放電させ、該車載電池のメモリ効果を回復させる構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の車載電池放電装置。
4. 前記車載電池の電圧検出データを送信する電池通信部からの前記電圧検出データを受信する通信部を備え、前記制御部は、前記通信部により受信した前記電圧検出データを基に前記車載電池が転極しない範囲まで前記バイアス電源部を介して前記放電部により前記車載電池を放電させて、前記車載電池のメモリ効果を回復させる制御を行う構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の車載電池放電装置。
5. 前記車載電池の放電電流の変化に対する端子電圧の変化を基に該車載電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部を設け、前記制御部は、前記内部抵抗測定部により測定した前記車載電池の内部抵抗と放電電流との積の電圧降下を低減又は打ち消すように前記バイアス電源部を制御する構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の車載電池放電装置。
6. 前記制御部は、前記放電部による前記車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、該内部抵抗の変化割合から該車載電池の特性を基に残存容量を算定し、該残存容量が閾値以下に低下した時、該車載電池の使用寿命と判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の車載電池放電装置。
7. 前記制御部は、前記放電部による前記車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、該車載電池の内部抵抗変化と容量との特性を基に残存容量を求め、該残存容量が寿命判定閾値以下に低下するまでの充放電サイクル数から該車載電池の余命を判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の車載電池放電装置。
8. 前記制御部は、前記放電部による前記車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、該内部抵抗の変化割合と容量との特性を基に残存容量を求め、該残存容量に対応した放電特性を基に該車載電池の放電時間を求める手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の車載電池放電装置。
9. 前記制御部は、前記放電部による前記車載電池の放電に伴う内部抵抗の変化を測定し、該内部抵抗の変化割合と容量との特性を基に残存容量を求め、該残存容量に対応した放電特性と放電開始からの経過時間とを基に放電終了時間を求める手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の車載電池放電装置。
10. 前記放電部は、前記車載電池の前記バイアス電源部を介した放電電流を交流電流に変換して交流電源へ送出する交流回生放電部としたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の車載電池放電装置。

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