JP5160220B2 - 充電式バッテリーのプールを管理する方法 - Google Patents

Description

発明の背景

本発明は、優先基準を決定し、優先基準に基づいて選択されたバッテリーを充電し、バッテリーを表す電気パラメータを測定する、充電式バッテリーのプールを管理する方法に関係する。

従来技術

数々の設備は多数の充電式バッテリーを備えている。バッテリーは、一般に、充電式バッテリーを永久に充電された状態を保つように同時に又は逐次的に充電される。

米国特許第６，４８９，７４３号は、発電設備、特に、太陽電池パネルに接続されたバッテリーを収容する設備を管理する方法について記載する。レギュレータは、太陽エネルギー源を利用できるとき、バッテリーの充電状態を考慮して、最大限までバッテリーを逐次的に充電するようにバッテリーの充電を制御する。

米国特許第５，０５７，７６２号及び欧州特許公開第３１４１５５号明細書は、共に、バッテリーの充電状態に基づく優先基準を使用する充電式バッテリーのプールの充電の管理について記載する。完全充電状態のバッテリーを迅速に提供するため最も充電されたバッテリーが優先される。

さらに、バッテリーの容量は、バッテリーが完全に充電されたとしても、経時的に減少し、多くのアプリケーションでは、特に、電気通信分野では、バッテリーの容量がその公称容量の８０％未満であるとき、バッテリーは不良であるとみなされ、取り替えられる。

米国特許第６，２５５，８０１号は、バッテリーの容量及び／又は劣化が、バッテリーの部分放電中の活性化効果を表す電気パラメータ、ピーク電圧、及び、プラトー電圧を使用して決定される装置について記載する。したがって、バッテリーを完全に放電することなく、バッテリーが取り替えられるべきであるかどうかを決定することが可能である。

本発明の目的は、従来システムの欠点が存在しない、バッテリーのプールを管理する方法、特に、バッテリーのプールの最適利用を可能にする管理方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、特許請求の範囲によって達成され、特に、管理する方法が、選択されたバッテリーが完全に充電された後に測定された電気パラメータに基づいて、選択されたバッテリーの健康状態を解析し、バッテリーの健康状態に基づいて優先基準を更新し、更新された優先基準に基づいて次のバッテリーを選択することによって達成される。

その他の利点及び特長は、非限定的な例としてのみ記載され、添付図面に表された発明の特定の実施形態についての以下の説明からよりはっきりと明らかになるであろう。

本発明による管理方法は、適当な手段によって、特に、管理方法の様々なステップがプログラムされるマイクロプロセッサを用いてモニタリング装置において実施される。

図１のフローチャートに表されているように、本発明による管理方法は、充電されるべきバッテリーが予め定められた優先基準に基づいて選択されるステップＦ１を含む。最初に、プール中のすべてのバッテリーが新品であるとき、バッテリーは、予め固定された順序で次々に逐次的に充電され、モニタリング装置に格納される。このようにして、すべてのバッテリーは、最初に充電されたバッテリーが再充電される前に次々に充電される。

充電されるべきバッテリーが選択されると、このバッテリーはステップＦ２で充電される。各バッテリーと関連し、特に使用されるバッテリーのタイプに依存する充電パラメータは、モニタリング装置に予め記憶され、選択されたバッテリーの充電中に自動的に考慮される。

選択されたバッテリーが完全に充電されるとき、バッテリー、特に、バッテリーの健康状態を表す電気パラメータがステップＦ３で測定される。これらのパラメータはその後に、バッテリーの健康状態を決定するためステップＦ４で解析される。優先基準はその後にステップ５において必要に応じて選択されたバッテリーの健康状態のこの解析に基づいて更新される。これらの更新された優先基準に基づいて、バッテリーの健康状態が悪くなるほど、すなわち、劣化した状態を表すほど、このバッテリーが再充電される頻度がより高くなる。悪い状態にあるバッテリーは、したがって、それ自体が新品バッテリーより頻繁に再充電される劣化の少ないバッテリーより頻繁に再充電される。ステップＦ５の後、別のバッテリーが更新された優先基準に基づいて選択される。この新たに選択されたバッテリーは、既に説明したように、その健康状態が解析される前に充電され、必要に応じて、優先基準が再更新される。

各バッテリーが完全に再充電された後の各バッテリーの健康状態の解析は、バッテリーに影響を与える傾向がある様々なタイプの劣化、特に、サルフェーション、層状化、腐食、アクティブ材料の減少などのような現象に関連した劣化を考慮することを可能にする。不可逆的な劣化だけでなく、可逆的な劣化、たとえば、電気化学又は鉛酸バッテリーのデサルフェーションに関連したバッテリーの健康状態の改善を考慮することも可能である。

バッテリーの健康状態を解析するため使用される電気パラメータは、特に、所定の周波数でのバッテリーのインピーダンス、そのコンダクタンス、又は、その抵抗により構成される。

図２及び３に示された好ましい実施形態では、バッテリーの健康状態は、充電されたバッテリーの部分放電中にバッテリー端子における定電流時の電圧の測定を使用して解析される。解析は、特に、完全に充電されたバッテリーの部分放電の始めだけに起こる活性化効果を使用する。使用される電気パラメータは、そのとき、第１の部分放電フェーズ中及び第２の部分放電フェーズ中のそれぞれで、選択されたバッテリーの端子における電圧が到達するピーク電圧Ｕｐｅａｋ、プラトー電圧Ｕｐｌ、又は、ピーク電圧の値とプラトー電圧の値の間の差ΔＵである。

図２の特定の実施形態では、量Ｎは、ステップＦ１に続くステップＦ６において、初期的にゼロに設定される。その後に、ステップＦ７、次にステップＦ８において、モニタリング装置に記憶されている、選択されたバッテリーのタイプ及び対応する充電基準及び放電基準がそれぞれ読み出される。選択されたバッテリーの充電は、次にステップＦ２において、予め読み出された充電基準を考慮して実行される。バッテリーを表し、ステップＦ４で使用されるように設計された電気パラメータの測定は、ステップＦ９における選択されたバッテリーの端子での電圧Ｕの測定を含み、このステップの間に、バッテリーは好ましくは定電流で部分放電させられる。測定された電圧値は、その後に、活性化効果が実際に起きたかどうかを決定するため、ステップＦ１０の間に解析される。

図３及び４に（実線で）示されているように、活性化効果は、よく知られているように、電圧が第２のフェーズ中にプラトーまで再び増加する前に、完全に充電されたバッテリーの部分放電の第１のフェーズにおいてバッテリーの端子で電圧Ｕが急激に降下することによって特徴付けられる。ステップＦ１０の間に、部分放電中の電圧Ｕの最小値に対応するピーク電圧Ｕｐｅａｋと、電圧Ｕが再び上昇した後に到達する最大値に対応するプラトー電圧Ｕｐｌは、このようにして決定される。

放電と、その結果として電圧測定は、活性化効果が起きると直ぐに、すなわち、電圧増加後に電圧が再び減少する時点ｔ１（図４の実線曲線）で中断される。一般に、この現象は、バッテリーが完全に充電されたとき、非常に急速に起こり、放電時間を最小値まで短縮させることが可能である。この時間は、たとえば、数分間に制限される。さらに、放電は、ステップＦ２の間にバッテリーが完全に充電されていない場合（図４の破線曲線）にユーザにペナルティを科すことがないように、事前に設定された間隔後に、時点ｔ２で自動的に中断される。

活性化効果が確認されたならば（Ｆ１０の肯定側出力）、バッテリーの健康状態の解析はステップＦ４で、ピーク電圧Ｕｐｅａｋの値、及び／又は、プラトー電圧Ｕｐｌの値、及び／又は、これらの２個の値の間の差ΔＵ（ΔＵ＝Ｕｐｌ−Ｕｐｅａｋ）の値を考慮して実行される。

時点ｔ２において活性化効果がないならば、バッテリーの不完全充電（図１０の否定側出力）に対応して、バッテリーの充電を完了するため、ステップＦ８へ戻る前にステップＦ１１において、充電基準が修正される。図２に示された特定の実施形態では、量Ｎは、次に、ステップＦ１１に続くステップＦ１２においてインクリメントされ（Ｎ＝Ｎ＋１）、量Ｎの新しい値が次にステップＦ１３において事前に設定された閾値ｎと比較される。量Ｎが閾値ｎ未満であるならば（Ｆ１３の肯定側出力）、モニタリング装置はバッテリーの充電を完了するためステップＦ８へ戻る。さもなければ（Ｆ１３の否定側出力）、すなわち、ｎ回の試行後にバッテリーが未だ完全に充電されていないならば、バッテリーは不良であるとみなされ、ユーザは、ステップＦ１４において、このバッテリーを交換すべきであること（「バッテリー変更」）が通知される。

バッテリーの健康状態を解析するステップＦ４の後には、図１のステップ５と同じように、必要に応じて、バッテリーの健康状態に基づいて優先基準を更新するステップＦ１５が続く。同時に、充電基準及び放電基準もまたバッテリーの健康状態に基づいて更新される。次に、ステップＦ１６において、更新後の充電基準及び放電基準が使用されるバッテリーのタイプ及びこのバッテリーが使用されるアプリケーションに関連した事前に設定された限界と比較される。更新後の充電基準及び放電基準がこれらの限界範囲内に留まるならば（Ｆ１６の肯定側出力）、モニタリング装置はＦ１へ戻り、更新後の優先基準に基づいて別のバッテリーを選択する。この新たに選択されたバッテリーは、既に説明したように、その健康状態が解析され、必要に応じて、優先基準が再更新される前に充電される。

充電基準及び放電基準が限界範囲外であるならば（Ｆ１６の否定側出力）、バッテリーは不良であるとみなされ、モニタリング装置はステップＦ１４へ進み、ステップＦ１へ戻る前にそのバッテリーが交換されるべきであることをユーザに通知する。

バッテリーの健康状態の解析（ステップＦ４）は、ステップＦ３又はＦ９の間にバッテリーの完全充電後に測定された電気パラメータ（インピーダンス、コンダクタンス、抵抗、Ｕｐｅａｋ、Ｕｐｌ又はΔＵ）の値を事前に設定された閾値と比較することにより、又は、これらのパラメータの変化を解析することにより実行される。

たとえば、図５の実線曲線によって表されているように、バッテリーの健康状態を解析する第１の方法では、ピーク電圧Ｕｐｅａｋは閾値Ｕｓと比較される。優先基準の更新と、おそらく充電基準及び放電基準の更新とを課すバッテリーの健康状態の劣化は、ピーク電圧が時点ｔ４で閾値Ｕｓより降下したときに検出される。

図５の破線曲線によって表された別の解析方法によれば、時間に対するピーク電圧Ｕｐｅａｋの変化が解析される。ピーク電圧の値は閾値Ｕｓより高いが、時点ｔ３での勾配の崩れの存在は、バッテリーの健康状態の劣化を表しているとみなされ、優先基準の更新と、おそらく充電基準及び放電基準の更新とを必要とする。

たとえば、図６は、４ヶ月の使用期間に亘る第１の鉛酸充電式バッテリーのピーク電圧Ｕｐｅａｋ及びプラトー電圧Ｕｐｌの時間に対する変化を示し、変動はそれぞれ破線及び実線によって表されている。液体電解質オープン電気化学セルにより構成されたこのバッテリーは、２５Ａｈの初期容量を有する。このバッテリーは、１０時間の充電時間又は放電時間に、１．７５Ｖの放電電圧閾値及び２．３Ｖの充電電圧閾値と、２．５Ａの充電電流及び放電電流で使用される。

図７は、この第１のバッテリーの４．２ヶ月の動作後に、すなわち、１２８日目の動作時に、ステップＦ９で測定され、ステップＦ１０（図２）で観察された活性化効果を説明する。このように取得されたピーク電圧Ｕｐｅａｋを、図６に示されている予め測定され記録されたピーク電圧曲線と比較（ステップＦ４の解析）すると、ピーク電圧の変化は崩れないことがわかる。さらに、測定されたピーク電圧は、たとえば、セル１台当たり１．９１Ｖ（すなわち、６台のセルを含むバッテリーの場合には１１．４６Ｖ）である閾値Ｕｓより高い状態を保つ。優先基準と充電基準及び放電基準はしたがってステップＦ１５で更新されない。

ステップＦ９の間における５ヶ月の動作後の第２のバッテリーの端子での電圧Ｕの測定は、図８に示されている。関連しているバッテリーは、２５Ａｈの初期容量をもつ鉛酸電気化学セルである。このバッテリーは、１０時間の充電時間及び放電時間に、１．７５Ｖの放電電圧閾値及び２．４Ｖの充電電圧閾値と、２．３Ａの充電電流及び放電電流で使用される。活性化現象の欠如（Ｆ１０の否定側出力）は、充電基準及び放電基準の修正（ステップＦ１１）につながる。たとえば、充電電圧閾値は、その後に増加され、２．４５Ｖで固定され、充電は、このバッテリーの充電を完了するため急速充電モードに変更される（ステップＦ８へ戻る）。

一般的には、すべてのタイプの充電又は放電が、バッテリーのタイプと、このバッテリーが使用されるアプリケーションのタイプを考慮して使用される。知られている方式では、バッテリーの端子電圧、及び／又は、充電及び放電電流は、充電中又は放電中に監視され、及び／又は、測定される。充電基準及び放電基準は、電圧時間プロファイル及び電流時間プロファイル、充電電流値及び放電電流値、充電電圧閾値及び放電電圧閾値、又は、充電の終わりに適用されるべき急速充電係数によって構成される。様々なタイプの充電がさらに使用され、充電の途中で変更されるかもしれない。たとえば、図９は、１セル当たり２．４５Ｖのような閾値電圧まで充電し、その後に定電圧（たとえば、１セル当たり２．４５Ｖ）で充電する急速充電の場合における電圧Ｕの変動を示す。高周波パルス方式電流充電の場合の電流Ｉ及び電圧Ｕの変動は、それぞれ実線及び破線によって図１０に示されている。

選択されたバッテリーの再充電（ステップＦ２）は、バッテリープールを備えた設備内で利用可能な電流を使用して実行される。この電力は、特に、光電池設備では太陽エネルギーでもよく、ハイブリッド設備ではディーゼル発電機によって供給される電力でもよい。バッテリーのプールの外部のエネルギーが利用できない場合、特に、再充電が光電池設備内で夜間に行われる場合、選択されたバッテリーはプール中の外のバッテリーから再充電される。この最後の方法は、バッテリー間の電力損失が無視できるか、又は、非常に低い限りでは、有利である。特に、鉛酸バッテリーの場合、他のバッテリーを用いる選択されたバッテリーの再充電は、脱気現象のため、充電の終わりに低電力損失しか生じない。

さらに、バッテリーの健康状態を測定するため実行される部分放電の間に、試験されるバッテリーによって供給される電力は、この管理システムによりユーザにペナルティを科さないようにするため、完全には充電されていない他のバッテリーに直接的に分配される。

以上の説明中で使用されたバッテリーという用語は、バッテリーと電気化学セルの両方を包含する。

従来技術においては、優先基準は、バッテリーの健康状態を考慮することなく、バッテリーの充電の状態に基づいているが、本発明によれば、バッテリーの健康状態こそが考慮されている。これらの特性は類似していない。完全に充電されたバッテリーは、実際には、良い状態であることも悪い状態であることもある。同様のことが完全に放電されたバッテリーにも当てはまる。従来技術では、優先バッテリーとして充電されたバッテリーは、完全に充電されたバッテリーを迅速に提供するため、最も充電されているバッテリーであり、これに対して、本発明を用いると、最も劣化したバッテリーを優先して充電し、その結果、悪い状態にあるバッテリーをより頻繁に再充電することが可能である。

本発明による管理方法は、かくして、バッテリーのプール、又は、電気化学セルのプールのインテリジェント管理が、バッテリーの健康状態及びバッテリーの経時的変化を考慮して実行されることを可能にする。プールの健康状態は連続的に監視され、バッテリープールの管理は、特に、バッテリーのプールの回復に関心がある場合には、連続的でも定時的でもよい。

本発明による管理方法の特定の実施形態をフローチャートの形式で示す図である。 本発明による管理方法の別の特定の実施形態を表す図である。 部分放電中に完全充電状態のバッテリーの端子における電圧変動を時間に対して表し、活性化効果が強調表示された図である。 完全充電後（実線）と不完全充電後（破線）のそれぞれのバッテリーの端子における電圧変動を示す図である。 バッテリーの健康状態を解析する二つの方法を概略的に表す図である。 鉛酸充電式バッテリーのピーク電圧及びプラトー電圧の変化を示す図である。 部分放電中の第１のバッテリーの端子における電圧Ｕの変動を時間に対して示す図である。 部分放電中の第２のバッテリーの端子における電圧Ｕの変動を時間に対して示す図である。 急速充電の場合の電圧Ｕの変動を示す図である。 パルス式電流充電の場合の電圧Ｕ及び電流Ｉの変動を示す図である。

Claims (12)

1. 優先基準の最初の決定をするステップと、
   前記優先基準に基づいて、充電すべきバッテリーを選択（Ｆ１）するステップと、
   前記選択されたバッテリーを完全に充電（Ｆ２）するステップと、
   前記バッテリーが完全に充電された後に、前記選択されたバッテリーを表す電気パラメータを測定（Ｆ３）するステップと、
   前記測定された電気パラメータに基づいて、前記選択されたバッテリーの、劣化を表している健康状態を解析（Ｆ４）するステップと、
   前記バッテリーの健康状態に基づいて、最も劣化したバッテリーが優先的に充電されるように優先基準を更新（Ｆ５）し、この更新された優先基準に基づいて次のバッテリーが選択されるステップと、
   を備えることを特徴とする充電式バッテリーのプールを管理する方法。
2. 選択されたバッテリーの健康状態を解析するステップが、前記バッテリーが充電された後に測定された、選択されたバッテリーの電気パラメータを、事前に設定された閾値と比較するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 選択されたバッテリーの健康状態を解析するステップが、前記バッテリーが充電された後に事前に設定された期間中に測定された、選択されたバッテリーの電気パラメータの変化の崩れを検出するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 選択されたバッテリーの電気パラメータを測定するステップが、前記バッテリーのインピーダンスを測定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 選択されたバッテリーの電気パラメータを測定するステップが、前記バッテリーのコンダクタンスを測定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
6. 選択されたバッテリーの電気パラメータを測定するステップが、前記バッテリーの抵抗を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
7. 選択されたバッテリーの電気パラメータを測定するステップが、定電流（Ｉ）での部分放電（Ｆ９）中に前記バッテリーの端子で電圧（Ｕ）を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
8. 電気パラメータを測定するステップが、部分放電中に活性化効果を現すパラメータを測定するステップを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 活性化効果を表すパラメータを測定するステップが、部分放電中にピーク電圧（Ｕｐｅａｋ）を決定するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 活性化効果を表すパラメータを測定するステップが、部分放電中にプラトー電圧（Ｕｐｌ）を決定するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
11. 活性化効果を表すパラメータを測定するステップが、部分放電の第１のフェーズと第２のフェーズの間にそれぞれ選択されたバッテリーの電圧が到達するピーク電圧（Ｕｐｅａｋ）の値とプラトー電圧（Ｕｐｌ）の値との差（ΔＵ）を決定するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 部分放電中に活性化効果が存在しない場合に選択されたバッテリーの充電基準を修正（Ｆ１１）するステップをさらに含む請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。

Images