JP5783116B2 - 組電池の劣化診断方法、及び充放電監視制御システム - Google Patents
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Description
この単電池を複数個組み合せた組電池には、複数個の単電池を直列に接続した組電池、複数個の単電池を並列に接続した組電池、さらに、その両者を組み合わせた、複数個の単電池を直列に接続した電池群を、複数群並列に接続した組電池がある。
そこで、並列接続した単電池又は複数個の単電池を直列接続した電池群を並列接続した組電池においても、それを構成する単電池の劣化具合を的確に素早く検知する診断方法が希求されていた。
(1)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、予め設定した電流差dIdより大きい場合、又は前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、予め設定した電気量差dWdよりも大きい場合。
(2)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、前記測定した放電電流から算出した標準偏差σIに係数AIを乗じた数より大きい場合、又は、前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、前記測定した放電電気量Wd Nから算出した標準偏差σWに係数AWを乗じた数より大きい場合。
(1)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、予め設定した電流差dIdより大きい場合、又は前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、予め設定した電気量差dWdよりも大きい場合。
(2)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、前記測定した放電電流から算出した標準偏差σIに係数AIを乗じた数より大きい場合、又は、前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、前記測定された放電電気量Wd Nから算出した標準偏差σWに係数AWを乗じた数より大きい場合。
また、劣化が進行した場合でも、システムを停止せずに劣化した単電池あるいは電池群を交換することが可能となり、稼働効率の低下を防ぐことができる。
図1は、本発明が対象とする組電池の代表例を示すもので、(a)は単電池からなる組電池で、単電池が4個並列に接続される場合(N=4)を示す図である。図1(b)は4個の単電池を直列接続した電池群を4個並列に接続した場合(N=4)を示す図である。なお、Nは並列接続の列数を意味するもので、単電池群の組電池の場合には、単電池の数を表すものではない。
図2は、本発明の組電池の劣化診断方法の診断工程図である。
本発明では、電気変量として、(1)放電電流Id、(2)放電電気量Wdを用いる。
1列からn列の単電池の電気変量である放電電流Id N(N=1〜n)、或いは放電電気量Wd N(N=1〜n)を測定する。なお、放電電流Id Nは、放電を開始し、予め設定した放電時間の経過時に測定したもの、もしくは予め設定した放電電圧に達した時に測定したものである。
先に測定した電気変量の平均値(平均電気変量)を下記式(1)で求める。
組電池を構成する単電池が劣化しているかどうかを見極めるための指標を設定する。本発明では、下記の2種類の指標を用いて劣化診断を行う。
平均電気変量と測定した電気変量との差(電気変量差)を劣化判定の指標に用いる。
本発明では、放電電流差dId、或いは放電電気量差dWdを用いる。その値は、適宜設定できるが、通常、単電池の満充電容量が定格容量の50%に減少した時の値を設定する。
測定した電気変量の標準偏差σ、及び組電池の使用条件に沿って設定した係数Aを劣化判定の指標に用いる。
本発明では、放電電流標準偏差σd、放電電流係数Ad、放電電気量標準偏差σW、放電電気量係数AWを用いる。
標準偏差に関しては、測定した電気変量から算出されるが、係数Aは、組電池を使用する電動車両、非常用電源装置、ロードレベリング装置等の性能、使用条件などの環境因子から適宜選定できるが、通常は3を用い、より劣化状態が電動車両、非常用電源装置、ロードレベリング装置等の稼働に影響する場合においては3未満の1〜2の値を採用する。
<劣化診断1>
劣化診断1として、表1の条件式に示す関係より、劣化状態の診断を行う。
この条件式の関係を満たすとき劣化状態にあると診断する。
劣化診断2として、表2の条件式に示す関係より、劣化状態の診断を行う。
この条件式の関係を満たすとき劣化状態にあると診断する。
表3から測定した電気変量が診断1、2の条件式を両方とも満たす場合は劣化状態、即ち故障となり、判定値1と判定値2の間に電気変量が測定された場合、どちらかの診断条件(条件式)を満たすことになり、やや劣化状態であるとの判定となり、今後劣化が進むと考えられることから警報が出されることになる。
次に、本発明の組電池の劣化診断方法を備えた充放電監視制御システムに関して説明する。
図3は、充放電監視制御システムの全体図で、本発明の充放電監視制御システム10は、並列接続された単電池或いは電池群11と接続して、充電側に充電切替部12、放電側に放電切替部13を備え、その両切替部は、並列接続された単電池或いは電池群11の電圧、電流、温度を測定して、得られたデータを出力する監視回路14と接続している制御回路15によって充放電監視制御システムとしての制御が成されている。
図3において、破線は信号線、実線は電流線を示すものである。
この制御回路15において行われる組電池の劣化状態の診断は、これまで述べてきた本発明に係る組電池の劣化診断方法によって診断されている。
なお、説明に際して、図5のような、シール型鉛蓄電池(単電池11a;定格電圧2.0V/セル、10時間率定格容量10Ah/セル)を9個直列接続した電池群11bを3列並列に接続した構成の組電池を想定して、各種条件、制御における数値を用いている。
次に、表4の充電終了の条件で、制御回路15から放電切替部13に信号が送られ、表4に示す放電条件による放電が行われ、表4の放電終了の条件で、放電が停止される。
放電回路遮断の条件に適合する電池群がない場合には、放電回路遮断の制御をせずに放電を継続し、放電条件が表4の放電終了の条件に達した時点で放電を停止する。
その情報を基に、電池群内の劣化単電池をピックアップしてその単電池の交換作業を行う。交換作業の確認後、表5の充電制御の条件に沿って適合判定を行い、表7に示した均等充電条件による均等充電を表6の条件に沿って行い、均等充電の終了後、表4に示した充放電サイクル条件での放電を行う。
また、表6の充放電サイクル終了条件を適合させなかった場合は、表7に示した均等充電条件によって均等充電を行い、均等充電の終了後、表4に示した充放電サイクル条件での放電を行う。
実施例1及び比較例1は、「組電池の劣化診断方法」に関するもので、実施例2以降は「組電池の充放電監視制御方法」に関するものである。
用いた単電池は、定格電圧2.0V/セル、10時間率定格容量10Ah/セルのシール型鉛蓄電池で、表8に示す充放電サイクル試験条件を用いて、充放電サイクル試験を行い、各サイクル毎の電気変量の推移を測定した。
その結果を図7に示す。図7は放電電流を電気変量とした場合の結果を示すものであるが、放電電気量を電気変量とした場合も同様な結果が得られたので、以下、電気変量に放電電流を用いた場合を例に示す。
電気変量として、放電末の端子電圧(放電電圧)を用いて、その推移を測定した。
その結果を図8に示す。
組電池に、実施例1で使用したシール型鉛蓄電池を直列に9個接続した電池群を3群並列(A列、B列、C列:N=3)に接続したものを用い、図3の充放電監視制御システム回路に接続して充放電サイクル試験を、表4の充放電サイクル条件により実施した。試験に際しては、本発明を検証する意味で、組電池を構成する全ての単電池の端子電圧を測定した。
なお、組電池のB列、C列には未使用電池のみからなる電池群を用い、A列には未使用電池と使用電池からなる組電池を用いた。
図9よりわかるように、A列の放電電圧の推移では、総放電電圧、平均放電電圧共に、1〜2個の単電池が劣化状態にあったとしても、その変化はわずかであり劣化状態を検出することは困難であることがわかる。一方、本発明の劣化診断方法を用いた場合では、単電池の劣化に伴い、均等充電、充放電制御が発動して劣化状態にある単電池をリフレッシュすることで充放電サイクル寿命を延ばしていることがわかる。
実施例2と同様の構成の組電池を用い、放電制御並びに充電制御をしない点以外は、実施例2と同様の方法で充放電サイクル試験を行った。
その結果を図10に示す。
実施例2と同様の構成の組電池を用い、均等充電、放電制御並びに充電制御をしない点以外は、実施例2と同様の方法で充放電サイクル試験を行った。
その結果を図11に示す。
表9に実施例2、比較例2、3の充放電サイクル試験結果を纏めて示す。
従来の方法(比較例2、比較例3)に比べて2〜5倍の充放電サイクルが実現可能であることがわかる。
1b 単電池を直列接続した電池群を並列接続した組電池
10 充放電監視制御システム
11 組電池を構成する単電池又は電池群
11a 単電池(シール型鉛蓄電池)
11b 電池群
12 充電切替部
13 放電切替部
14 監視回路
15 制御回路
16 冷暖房回路
Claims (4)
- 単電池をN列並列に接続して構成された組電池における前記単電池の列毎に測定した電気変量を用いた組電池の劣化状態の診断方法であって、
並列接続されている単電池の列毎に電気変量である放電電流Id N、又は放電電気量Wd Nを測定し、前記放電電流Id Nから求めた平均放電電流IAVE、又は放電電気量Wd Nから求めた平均放電電気量WAVEに対して、前記単電池の列毎に測定した放電電流Id N、又は測定した放電電気量Wd Nが、下記診断条件(1)及び(2)の状態になった単電池を劣化状態であると診断することを特徴とする組電池の劣化診断方法。
[診断条件]
(1)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、予め設定した電流差dIdより大きい場合、又は前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、予め設定した電気量差dWdよりも大きい場合。
(2)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、前記測定した放電電流から算出した標準偏差σIに係数AIを乗じた数より大きい場合、又は、前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、前記測定した放電電気量Wd Nから算出した標準偏差σWに係数AWを乗じた数より大きい場合。 - 複数個の単電池を直列接続して構成される電池群を、N列並列に接続して構成された組電池における前記電池群の列毎に測定した電気変量を用いた組電池の劣化状態の診断方法であって、
並列接続されている電池群の列毎に電気変量である放電電流Id N、又は放電電気量Wd Nを測定し、前記放電電流Id Nから求めた平均放電電流IAVE、又は放電電気量Wd Nから求めた平均放電電気量WAVEに対して、前記電池群の列毎に測定した放電電流Id N、又は測定した放電電気量Wd Nが、下記診断条件(1)及び(2)の状態になった電池群を劣化状態であるとして診断することを特徴とする組電池の劣化診断方法。
[診断条件]
(1)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、予め設定した電流差dIdより大きい場合、又は前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、予め設定した電気量差dWdよりも大きい場合。
(2)前記平均放電電流IAVEと測定した放電電流Id Nの差(IAVE−Id N)が、前記測定した放電電流から算出した標準偏差σIに係数AIを乗じた数より大きい場合、又は、前記平均放電電気量WAVEと測定した放電電気量Wd Nの差(WAVE−Wd N)が、前記測定された放電電気量Wd Nから算出した標準偏差σWに係数AWを乗じた数より大きい場合。 - 単電池をN列並列に接続して構成された組電池の充放電監視制御システムであって、
前記組電池の充電側に充電切替部を、前記組電池の放電側に放電切替部を備え、
前記組電池を構成する単電池の劣化状態を、前記単電池の電気変量から求める請求項1記載の並列接続の組電池の劣化診断方法を搭載する監視装置を備え、
前記劣化診断方法により診断された単電池の状態に応じて、前記充電切替部を動作させて前記組電池の充電量の制御、或いは前記放電切替部を動作させて前記組電池の放電量の制御を行うことを特徴とする組電池の充放電監視制御システム。 - 複数個の単電池を直列接続して構成される電池群を、N列並列に接続して構成された組電池の充放電監視制御システムであって、
前記組電池の充電側に充電切替部を、前記組電池の放電側に放電切替部を備え、
前記組電池を構成する電池群の劣化状態を、前記電池群の電気変量から求める請求項2記載の並列接続の組電池の劣化診断方法を搭載する監視装置を備え、
前記劣化診断方法により診断された電池群の状態に応じて、前記充電切替部を動作させて前記組電池の充電量の制御、或いは前記放電切替部を動作させて前記組電池の放電量の制御をすることを特徴とする組電池の充放電監視制御システム。
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