JP5812025B2

JP5812025B2 - 定置用蓄電システム及び制御方法

Info

Publication number: JP5812025B2
Application number: JP2013034279A
Authority: JP
Inventors: 公一市川; 高橋　泰博; 泰博高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: US20140239908A1; CN104009510A; JP2014166015A; CN104009510B; US9431832B2

Description

本発明は、定置用蓄電システムの充放電制御に関する。

特許文献１は、組電池を構成する複数の電池の一部を交換用の新しい電池に交換する交換方法が記載されている。新しい電池を、交換対象の単電池以外の電池の充電容量よりも低く充電することで、交換後の均等化処理を施すことなく、組電池を使用できるようにしている。

特開２００４−１８５９１５号公報

しかしながら、交換された新しい電池及び交換されなかった古い電池間や、古い電池間においては、電池劣化等の相違によりそれらの各充電効率は異なっている。このため、充放電を繰り返すうちに、組電池を構成する電池間で充電容量（ＳＯＣ）にバラツキが発生する。

特に、定置用蓄電池では、車両走行に用いられるエネルギを出力する組電池とは異なり、充電容量の使用幅（ＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値との差）が大きい。充電容量の使用幅が大きいと、充電効率の差の影響がより大きくなって充電容量のバラツキが拡大し易くなる。そして、一度に大きな出力を許容する車両用電池とは異なり、電力を一定期間安定して供給することに重点が置かれる定置用蓄電池では、充放電を繰り返すうちに各電池の充電容量のバラツキが拡大して充放電可能な使用幅が小さくなると、定置用蓄電池として十分な性能を発揮させることができなくなる。

また、近年では、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される組電池を定置用蓄電池に再利用する取り組みがあり、使用済みの組電池は、電池劣化等による充電効率の差が生じていることが多い。このため、定置用蓄電池の性能を十分に引き出せず、かつ使用済み組電池を最後まで使い切るように再利用することができないおそれがある。

そこで、本発明は、定置用蓄電池を構成する複数のニッケル水素二次電池間の充電容量のバラツキによる定置用蓄電池の性能低下を抑制できる定置用蓄電システムを提供することを目的とする。

本願第１の発明は、直列に接続された複数のニッケル水素二次電池からなり、負荷に電力を供給する定置用蓄電池と、ニッケル水素二次電池の電圧値を検出する電圧センサと、ニッケル水素二次電池を流れる電流値を検出する電流センサと、負荷への電力供給のためにニッケル水素二次電池のＳＯＣが０に対して設定される第１ＳＯＣ閾値となるまで放電する放電制御と、ニッケル水素二次電池のＳＯＣが満充電容量に対して設定される第２ＳＯＣ閾値となるまで外部電源による充電を行う充電制御とを繰り返し行うコントローラと、を有する。コントローラは、予め規定されたニッケル水素二次電池のＳＯＣと電圧値との対応マップに基づいて、複数のニッケル水素二次電池のうち第１ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第１ニッケル水素二次電池を判別して負荷への放電を停止し、複数のニッケル水素二次電池のうち第２ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第２ニッケル水素二次電池を判別して外部電源からの充電を停止する。

そして、コントローラは、充電制御後の放電制御において、第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達した際の第２ニッケル水素二次電池の現在ＳＯＣを、放電開始から第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達するまでの充放電電流積算値と、第２ＳＯＣ閾値との差分から求めるとともに、外部電源による充電制御において、現在ＳＯＣと第１ＳＯＣ閾値とのＳＯＣ差が所定値以上である場合に、第２ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第２ＳＯＣ閾値になっても充電を停止させずに、ＳＯＣ差の電力に第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの電力を加えた充電電力を、定置用蓄電池全体に対して追加充電する。

本願第１の発明によれば、追加充電によって、定置用蓄電池を構成する複数のニッケル水素二次電池間に生じたＳＯＣバラツキを解消させるように、ＳＯＣバラツキ幅を満充電容量と第２ＳＯＣ閾値との範囲内で低減させることができる。このため、充放電が許容される第１ＳＯＣ閾値及び第２ＳＯＣ閾値間のＳＯＣ使用幅の減少を抑制でき、ＳＯＣバラツキによる定置用蓄電システムの電池性能低下を抑制できる。

特に、コントローラは、充電制御後の放電制御において、第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達した際の第２ニッケル水素二次電池の現在ＳＯＣを、放電開始から第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達するまでの充放電電流積算値と、第２ＳＯＣ閾値との差分から求めるとともに、外部電源による充電制御において、現在ＳＯＣと第１ＳＯＣ閾値とのＳＯＣ差が所定値以上である場合に、第２ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第２ＳＯＣ閾値になっても充電を停止させずに、ＳＯＣ差の電力に第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの電力を加えた充電電力を、定置用蓄電池全体に対して追加充電する。このように外部電源による充電制御に実行される追加充電に必要な電力を可変に制御することで、追加充電によって各ニッケル水素二次電池のＳＯＣ均等化を図るための電力を過不足なく供給しつつ、必要以上の充電を抑制して過充電によるニッケル水素二次電池の温度上昇を低減させることができる。

コントローラは、充電制御において第２ＳＯＣ閾値までの充電レートを第１充電レートで行うとともに、第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの充電レートを第１充電レートよりも低い第２充電レートで行うことができる。このように構成することで、例えば、過充電に伴うニッケル水素二次電池の発熱を抑制しながら、第２ＳＯＣ閾値を超えて満充電容量までの充電を適切に行うことができる。

また、上記複数のニッケル水素二次電池は、ハイブリッド自動車又は電気自動車に搭載された使用済みの組電池を再利用したニッケル水素二次電池が少なくとも一部含まれるように構成することができる。

本願第２の発明は、直列に接続された複数のニッケル水素二次電池からなり、負荷に電力を供給する定置用蓄電池の制御方法である。本制御方法では、負荷への電力供給のためにニッケル水素二次電池のＳＯＣが０に対して設定される第１ＳＯＣ閾値となるまで放電する放電制御を行い、予め規定されたニッケル水素二次電池のＳＯＣと電圧値との対応マップに基づいて、複数のニッケル水素二次電池のうち第１ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第１ニッケル水素二次電池を判別して負荷への放電を停止し、ニッケル水素二次電池のＳＯＣが満充電容量に対して設定される第２ＳＯＣ閾値となるまで外部電源による充電制御を行い、対応マップに基づいて、複数のニッケル水素二次電池のうち第２ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第２ニッケル水素二次電池を判別して外部電源からの充電を停止し、負荷への電力供給のための外部電源による充電制御と放電制御とを繰り返し行う。そして、充電制御後の放電制御において、第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達した際の第２ニッケル水素二次電池の現在ＳＯＣを、放電開始から第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第１ＳＯＣ閾値に達するまでの充放電電流積算値と、第２ＳＯＣ閾値との差分から求める。また、充電制御において、現在ＳＯＣと第１ＳＯＣ閾値とのＳＯＣ差が所定値以上である場合に、第２ニッケル水素二次電池のＳＯＣが第２ＳＯＣ閾値になっても充電を停止させずに、ＳＯＣ差の電力に第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの電力を加えた充電電力を、定置用蓄電池全体に対して追加充電する。本願第２の発明によれば、上記本願第１の発明と同様の効果を得ることができる。

定置用蓄電システムのシステム構成を示す図である。定置用蓄電システムにおける組電池の使用態様と、組電池を構成する複数の単電池間のＳＯＣバラツキの一例を示す図である。定置用蓄電システムの充放電制御におけるＳＯＣ遷移を示す図である。ＳＯＣ上限値までの外部充電制御を説明するための図である。リフレッシュ充電によって各単電池のＳＯＣが均等される態様を説明するための図である。ニッケル水素二次電池のＳＯＣ−ＯＣＶマップの一例を示す図である。定置用蓄電システムのリフレッシュ充電判定処理の制御フローを示す図である。外部充電処理の制御フローを示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１である定置用蓄電システムについて、図１から図８を参照して説明する。図１は、定置用蓄電システム１のシステム構成図である。

定置用蓄電システム１は、例えば、店舗、工場、住宅などで使用される定置型電源として用いられ、住宅等の負荷５０（電力消費機器）と接続される。また、定置用蓄電システム１は、外部電源と接続され、電力消費機器への電力供給（放電）と共に、外部電源６０から供給される電力を充電することができる。

電力消費機器としては、例えば、家電製品やエアコン、設備機器などがある。外部電源６０としては、例えば、太陽光発電機（太陽光パネル）や自家発電機、送電線を介して供給される商用電力などがある。

組電池１０（蓄電装置に相当する）は、直列に接続された複数の単電池（蓄電素子に相当する）１１を有する。単電池１１として、ニッケル水素二次電池が用いられる。単電池１１の数は、組電池１０の要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。本実施例の組電池１０では、すべての単電池１１が直列に接続されているが、組電池１０には、並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

また、本実施例の組電池１０（単電池１１）は、新品の組電池１０以外にも、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されていた使用済み（中古品）の組電池１０も含まれる。使用済みの組電池１０は、複数の使用済み組電池１０から単電池１１を寄せ集めて再構成したり、使用済み組電池１０の一部の単電池１１を、新品や他の使用済み組電池１０の単電池１１に交換して再構成したリビルト組電池が含まれる。

組電池１０は、組電池１０の正極端子に接続される正極ラインＰＬ１と組電池１０の負極端子に接続される負極ラインＮＬ１とを介して昇圧コンバータ４０に接続されている。正極ラインＰＬ１及び負極ラインＮＬ１それぞれには、リレー装置Ｒ１ａ、Ｒ２ａが設けられている。

また、組電池１０は、正極端子に接続される正極ラインＰＬ２と負極端子に接続される負極ラインＮＬ２とを介して外部電源６０に接続されている。正極ラインＰＬ２及び負極ラインＮＬ２それぞれには、リレー装置Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂが設けられている。

昇圧コンバータ４０は、負荷５０と接続されている。昇圧コンバータ４０は、組電池１０の出力電圧を昇圧又は降圧し、昇圧後又は降圧後の電力を負荷５０に供給することができる。負荷５０には、直流又は交流の電力を供給することができる。交流電力を供給する場合には、昇圧コンバータ４０と負荷５０との間にインバータが設けられる。

外部電源６０は、外部電力を組電池１０に供給する。図１の例では、組電池１０と外部電源６０と直接接続されているが、昇圧コンバータ４０やインバータ等を介して、外部電源６０から組電池１０に充電電力が供給されるように構成することができる。

電圧センサ２０は、組電池１０の端子間電圧及び組電池１０を構成する直列に接続された各単電池１１それぞれの電圧を検出して検出結果をコントローラ３０に出力する。電流センサ２１は、充放電を行う組電池１０の充放電電流を検出してコントローラ３０に検出結果を出力する。

また、電流センサ２１は、外部電源６０を介して組電池１０に流れる外部充電電流を検出し、コントローラ３０に検出結果を出力することができる。本実施例の電流センサ２１は、外部電源６０から組電池１０に出力される外部充電電流の電流経路に設けられ、リレー装置Ｒ１ａ，Ｒ２ａがオフ状態、すなわち、組電池１０と負荷５０との接続が遮断された状態で、外部充電電流が組電池１０に流れる電流経路に設けられる。なお、外部電源６０を介して組電池１０に流れる外部充電電流を検出する電流センサと、組電池１０の充放電制御において組電池１０を流れる電流を検出する電流センサとをそれぞれ個別に設けて別々に電流を検出するようにしてもよい。

コントローラ３０は、定置用蓄電システム１全体の制御を司る制御部であり、組電池１０の充放電制御と共に、ＳＯＣ推定処理や外部電源６０を介した外部充電処理などの充放電制御に必要な各処理を行う制御装置である。電圧センサ２０によって検出された電圧値、電流センサ２１によって検出された電流値に基づいて、コントローラ３０は、組電池１０（単電池１１）のＳＯＣを算出し、算出されたＳＯＣ及び満充電容量に基づいて、組電池１０の充放電制御を行うことができる。メモリ３１は、各種情報を記憶する記憶手段である。

コントローラ３０は、定置用蓄電システム１が充放電制御を開始してから充放電制御が終了するまでの間、電圧センサ２０で検出される組電池１０の電圧値及び各単電池１１の電圧、電流センサ２１で検出される電流値を所定のタイミングや所定の時間間隔で取得する。コントローラ３０は、取得されたＣＣＶから組電池１０（単電池１１）のＳＯＣ推定処理を遂行する。算出された値や検出値等は、充放電制御に用いられるとともに、メモリ３１に記憶される。

なお、コントローラ３０は、ＳＯＣ推定処理及び外部充電処理を行うための各コントローラが個別に構成されたものであってもよい。つまり、定置用蓄電システム１の制御を司る中央制御装置が、各部を制御したり、各部の制御毎の個別のコントローラを設けて中央制御装置が個別の各コントローラと接続される構成であってもよい。

組電池１０（単電池１１）のＳＯＣは、組電池１０の満充電容量に対する現在の充電容量の割合（充電状態）を示すものであり、満充電容量は、満充電の状態（ＳＯＣが１００％）を示すものである。ＳＯＣは、組電池１０の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）から特定することができる。例えば、組電池１０のＳＯＣとＯＣＶの対応関係データとしてＳＯＣ−ＯＣＶマップを予めメモリ３１に記憶しておく。コントローラ３０は、電圧センサ２０によって検出される電圧（ＣＣＶ：Closed Circuit Voltage）から組電池１０のＯＣＶを算出し、ＳＯＣ−ＯＣＶマップからＳＯＣを算出することができる。

なお、組電池１０のＳＯＣとＯＣＶの対応関係は、電池温度に応じて変化するので、ＳＯＣ−ＯＣＶマップを電池温度毎にメモリ３１に記憶させておき、組電池１０のＯＣＶからＳＯＣを推定する際に、不図示の温度センサによって検出される電池温度に応じて、ＳＯＣ−ＯＣＶマップを切り換えて（選択して）、組電池１０のＳＯＣを推定するようにしてもよい。

コントローラ３０は、充放電中の電圧センサ２０によって検出された電圧値（ＣＣＶ）を監視することにより、組電池１０の過充電状態や過放電状態を把握することができる。例えば、算出されたＳＯＣが所定のＳＯＣ上限値（例えば、満充電容量に対する充電終止電圧）よりも高くならないように組電池１０の充電を制限したり、ＳＯＣ下限値（例えば、充電容量が空の状態（０％）に対して設定される放電終止電圧）よりも低くならないように放電を制限する充放電制御を行うことができる。

また、コントローラ３０は、組電池１０（単電池１１）のＳＯＣを算出する方法として、上述したＳＯＣ−ＯＣＶマップを用いた算出方法とは別に、組電池１０の充放電電流の積算値を用いたＳＯＣ推定処理を行うことができる。

コントローラ３０は、充放電制御中の充放電電流を積算する処理を行い、充放電電流積算値を充放電履歴としてメモリ３１に記憶する。例えば、電流センサ２１によって検出される検出値において、放電電流をプラス、充電電流をマイナスとして積算し、充放電電流積算値を算出することができる。

組電池１０（単電池１１）のＳＯＣは、満充電容量に対して蓄積されている電力量（Ａｈ）を示すものである。つまり、組電池１０に蓄積されている電力量とＳＯＣは、対応関係にあるので、所定のＳＯＣから現在のＳＯＣまでのＳＯＣ遷移を、充放電電流積算値から把握することができる。例えば、ＳＯＣが９０％の状態から放電した場合の放電電流を積算して放電電力量が把握する。ＳＯＣが９０％時の充電容量（Ａｈ）を予め把握しておき、ＳＯＣが９０％時の充電容量から電流積算値に対応する放電電力量を差し引くことで、現在の充電容量（Ａｈ）、すなわち、現在のＳＯＣを算出することができる。

次に、本実施例の定置用蓄電システム１の充放電制御について説明する。図２は、定置用蓄電システム１における組電池１０の使用態様と、組電池１０を構成する複数の単電池１１間のＳＯＣバラツキの一例を示す図である。

車両用電池は、例えば、ＳＯＣが３０〜７０％の範囲で使用されるが、定置用蓄電システム１は、基本的にＳＯＣが０〜１００％の範囲での使用が許容され、電池保護の観点から過充電状態や過放電状態を考慮してもＳＯＣが１０〜９０％の使用幅で使用される。つまり、定置用蓄電システム１と車両用電池では、使用目的及び使用方法が相違する。

車両走行用モータに供給される電力を蓄電する車両搭載用に電池は、車両要求に応じて一度に大きな出力を許容するため、充放電時に電流値が時々刻々と変化し、電流値の変動が非常に大きく、電圧変動が相対的に小さい。つまり、使用されるＳＯＣの範囲が３０〜７０％のように狭い範囲でも十分な電池性能を発揮させることができる使用態様であるため、単電池１１間のＳＯＣバラツキによって使用幅が小さくなっても、車両要求に対する電池性能の低下が小さい。

これに対して、定置用蓄電システム１は、負荷５０に対して一定期間安定した電力を供給することに重点が置かれるため、定電流で充放電を行う。つまり、１０〜９０％の広いＳＯＣ範囲で定電流による充放電を行うことで、一定期間安定した電力供給を実現し、車両用電池に比べて、電流値の変動が小さく、電圧変動が相対的に大きい。したがって、ＳＯＣの範囲を１０〜９０％のように広い範囲で使用することで安定的な電力供給を実現する定置用蓄電システム１では、単電池１１間のＳＯＣバラツキによって使用幅が小さくなると、定置用蓄電システム１として要求される安定的な電力供給に対する電池性能の低下が大きくなってしまう。

図２に示すように、定置用蓄電システム１は、例えば、過充電に対して予め設定されるＳＯＣ上限値を９０％、過放電に対して予め設定されるＳＯＣ下限値を１０％として、組電池１０の充放電が制御される。ＳＯＣが１０％に到達するまで放電が許容し、組電池１０のＳＯＣが９０％に達するまで充電が許容する。組電池１０は、車両用電池よりも大きな使用幅でのＳＯＣ遷移で、ＳＯＣ下限値までの定電流放電と、ＳＯＣ上限値までの外部電源６０による定電流充電とが繰り返しなされる。

図３は、定置用蓄電システム１の充放電制御におけるＳＯＣ遷移を示す図である。コントローラ３０は、組電池１０の充電制御及び放電制御において、単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ上限値に達したか、ＳＯＣ下限値に達したかを各単電池１１の電圧値から判定することで、ＳＯＣ上限値からＳＯＣ下限値までの使用幅で充放電制御を行う。

充電制御において、コントローラ３０は、いずれか１つの単電池１１がＳＯＣ上限値（対応する電圧値）に達した場合、充電を停止する。図４は、ＳＯＣ上限値までの外部充電制御を説明するための図である。図４に示すように、所定の充電レートで充電を行うと、単電池Ｃが一番最初にＳＯＣ上限値に達する。単電池ＣがＳＯＣ上限値に達すると充電が停止されるので、単電池Ｈを含む他の単電池１１は、ＳＯＣ上限値に達する前に充電が停止し、ＳＯＣ上限値よりも低いＳＯＣまでしか充電されない。このため、単電池Ｃと単電池Ｈとは、ＳＯＣバラツキが発生している状態となる。なお、コントローラ３０は、単電池Ｃを最もＳＯＣが高い単電池１１として識別することができる。

一方、図３に示すように、放電制御では、コントローラ３０は、いずれか１つの単電池１１がＳＯＣ下限値（対応する電圧値）に達した場合、放電を停止する。例えば、図２の例において、単電池Ｈが一番最初にＳＯＣ下限値に達する。このとき、単電池Ｈを最もＳＯＣが低い単電池１１として識別することができる。

すなわち、単電池Ｃと単電池Ｈとの間にＳＯＣ差が発生している状態で放電が行われるので、ＳＯＣが単電池Ｃよりも低い単電池Ｈは、単電池Ｃよりも先にＳＯＣ下限値に達する。単電池ＨがＳＯＣ下限値に達すると、組電池１０の放電が停止されるので、単電池Ｃを含む他の単電池１１は、ＳＯＣ下限値よりも高いＳＯＣ（放電可能な電力量を蓄積している）にもかかわらず、放電が停止されてしまう。

このように、１０〜９０％の広いＳＯＣ範囲で使用される定置型蓄電システム１では、車両用電池よりも単電池１１間の充電効率差の影響がより大きくなってＳＯＣバラツキが拡大し易くなり、繰り返し行われる充放電の経年によって組電池１０のＳＯＣ使用幅が小さくなってしまう傾向にある。特に、組電池１０に使用される単電池１１が、再利用される使用済み単電池１１である場合には、単電池１１間の充電効率差の影響によるＳＯＣバラツキの拡大を回避し難いため、定置型蓄電システム１の電池性能を十分に発揮させることができないおそれがある。

そこで、本実施例では、定置用蓄電システム１のＳＯＣ使用幅の低減を抑制するために、外部充電時においてリフレッシュ充電を行い、単電池１１間の充電効率のバラツキによって発生するＳＯＣ差を解消させて、ＳＯＣ使用幅の大きい定置用蓄電システム１の電池性能を十分に発揮できるようにする。

リフレッシュ充電は、外部充電制御において遂行され、上述したＳＯＣ上限値（第２閾値に相当する）及びＳＯＣ下限値（第１閾値に相当する）の使用幅での充放電制御における通常の外部充電制御に加え、追加充電を行うことで、単電池１１間のＳＯＣバラツキを解消させるものである。

本実施例では、上述したように、充放電制御において識別される最も高いＳＯＣの単電池Ｃと最も低いＳＯＣの単電池ＨとのＳＯＣ差が所定値を超える場合に、リフレッシュ充電を行う態様を一例に説明している。これは、追加充電のトリガーとしてＳＯＣ差が所定値以上である場合に行うことで、定置用蓄電システムの電池性能を適切に維持することができるように、ＳＯＣバラツキによるＳＯＣ使用幅の低減を定期的に解消させるためである。

なお、本実施例の追加充電は、例えば、ＳＯＣ差を考慮せずに、所定のタイミングで（例えば、月に１回）自動的に行ったり、定置用蓄電システム１のメンテナンス作業等において、ユーザや作業者等による強制的に入力操作（例えば、ＳＯＣバラツキ解消ボタンのＯＮ操作）に応じて行うように構成することもできる。

まず、コントローラ３０は、図４に示すように、通常の外部電源６０を介した組電池１０の充電制御において、組電池１０を構成する各単電池１１の電圧を監視しつつ、第１充電レートでいずれかの単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ上限値に達するまで充電を行う。

次に、コントローラ３０は、リフレッシュ充電を行う場合（ＳＯＣ差＞所定値）、ＳＯＣがＳＯＣ上限値に達しても充電を停止させずに、第２充電レートでの充電を継続して行う。全ての単電池１１がＳＯＣ上限値を超えて満充電容量（１００％）となるまで充電されることが許容されて継続される充電がリフレッシュ充電（追加充電）である。

図５に示すように、各単電池１１のＳＯＣは、ＳＯＣ上限値に達した後は、満充電容量（ＳＯＣ１００％）になるまで「１００％−ＳＯＣ上限値」分の電力がさらに充電される。このとき、単電池Ｃは、ＳＯＣ上限値に達しても、単電池Ｈとの間にＳＯＣ差があるため、「１００％−ＳＯＣ上限値」分の電力に加えて、ＳＯＣ差分の電力がさらに充電されることになる。図５の例において、網目ハッチングで示した領域が満充電容量を超えた過充電領域を示している。

単電池Ｃ以外の他の単電池１１も同様に、「１００％−ＳＯＣ上限値」分の電力に加えて、単電池Ｈに対するＳＯＣ差分の電力がさらに充電され、最も低いＳＯＣの単電池Ｈが満充電容量に達するまで、追加充電が行われる。

単電池Ｈ以外の各単電池１１は、満充電容量（１００％）を超える電力を充電されて過充電状態となるが、ＳＯＣが最も低い単電池Ｈが満充電容量に達すると、全ての単電池１１が満充電容量（１００％）で均等化されることになり、単電池１１間でのＳＯＣバラツキが解消された状態で次回の放電制御を行うことができる。このため、ＳＯＣ下限値までの使用幅の低減を抑制できる。さらに、放電制御後の次回の充電制御においてＳＯＣバラツキが解消された状態でＳＯＣ上限値まで充電制御が行われるので、ＳＯＣ上限値までの使用幅の低減を抑制できる。

なお、第２充電レートは、第１充電レートよりも低く設定されている。例えば、第１充電レートを５〜１０Ａ、第２充電レートを１〜２Ａの低レートとすることができる。第２充電レートは、単電池１１として用いられるニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池の過充電時の発熱量に応じて適宜設定することができる。

ニッケル水素二次電池は、充電時は、通常は正極側において「Ｎｉ（ＯＨ）_２＋ＯＨ⁻ → ＮｉＯＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻」の反応が発生し、負極側において「Ｍ^＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻ → ＭＨ＋ＯＨ⁻」の反応が発生している。全体として、「Ｎｉ（ＯＨ）_２＋Ｍ → ＮｉＯＯＨ＋ＭＨ」の反応が発生しており、放電時では、充電時とは逆の方向に反応が進む。なお、「Ｍ」は、水素吸蔵合金である。

このような化学反応とともに、過充電時には、正極側において「ＯＨ⁻ → １／２Ｈ_２Ｏ＋１／４Ｏ２_↑＋ｅ⁻」の反応が、負極側で「Ｍ＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻ → ＭＨ＋ＯＨ⁻」の反応と「ＭＨ_ｘ → Ｍ＋Ｘ／２Ｈ_２↑」の反応とが発生している。この過充電時（ＳＯＣ上限値以上）における反応は、通常の充電時にも一部発生しており、過充電時（ＳＯＣが１００％以上）では、この過充電時における反応のみが発生している。

ＳＯＣ上限値以上での過充電では、ニッケル水素二次電池の内部において、水素吸蔵合金中の水素が酸素ガスを還元するとともに、水素吸蔵合金の撥水性により直接水素を吸蔵している。この再結合反応は、全体として、「２Ｈ_２＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ（発熱）」ように、発熱反応が発生する。

この発熱は、ＳＯＣがＳＯＣ上限値を越える領域において発生する。すなわち、二次電池を充電するために供給された電気エネルギの一部が充電されずに熱エネルギに変換される。そこで、第２充電レートは、この発熱に応じ、単電池１１に対する所定の発熱許容値を超えないように、低レートに設定することができ、各単電池１１がそれぞれの満充電容量を超える充電（過充電）が許容されるようにすることができる。このように構成することで、過充電に伴うニッケル水素二次電池の発熱を抑制しながら、ＳＯＣ上限値を超えた満充電容量までの充電を適切に行うことができる。

また、リフレッシュ充電は、上述したように、放電停止後に、ＳＯＣ下限値に達した単電池１１（ＳＯＣ下限値の充電容量を有する単電池１１）と、前回の充電制御においてＳＯＣ上限値に達した単電池１１（放電開始時にＳＯＣ上限値の充電容量を有する単電池１１）とのＳＯＣ差を算出し、ＳＯＣ差が閾値を超える場合に、放電停止後の充電制御において行うことができる。

このとき、本実施例では、ＳＯＣ差を算出するにあたり、ＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の現在のＳＯＣを、放電電流積算値を用いて算出する。

図６は、ニッケル水素二次電池のＳＯＣ−ＯＣＶマップの一例を示す図である。図６に示すように、放電停止のトリガーとなるＳＯＣ下限値に達する単電池１１は、電圧センサ２０の検出値に基づいて、ＳＯＣ−ＯＣＶマップにより、ＳＯＣ下限値に達したか否かを判別する。つまり、予め設定されたＳＯＣ下限値に対応する電圧値となった場合に、放電を停止するので、ＳＯＣ下限値に達する単電池１１のＳＯＣは、ＳＯＣ下限値となる。

一方、放電を停止した際のＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の現在のＳＯＣも、ＳＯＣ下限値に達する単電池１１のＳＯＣと同様に、電圧センサ２０の検出値を用いてＳＯＣ−ＯＣＶマップから算出することもできるが、図６に示すように、ＳＯＣ−ＯＣＶマップでは、ＳＯＣの変化量に対する電圧変化が小さい領域（例えば、ＳＯＣの変化量に対する電圧変化の割合が０に近い領域）が存在する場合、この領域での正確なＳＯＣを算出できないおそれがある。

そこで、本実施例では、リフレッシュ充電前の放電開始時のＳＯＣがＳＯＣ上限値であることを利用し、放電開始前の充電制御において識別されるＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の現在のＳＯＣ１を、放電開始から放電終了までの放電時間における放電電流積算値を用いて算出する。ＳＯＣ上限値の充電容量（Ａｈ）は、満充電容量（Ａｈ）から予め算出できるので、ＳＯＣ上限値の充電容量（Ａｈ）から放電電流積算値（Ａｈ）を差し引き、現在のＳＯＣ１を算出することができる。このように構成することで、放電開始前の充電制御において識別されるＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の現在のＳＯＣ１を精度良く算出することができる。

図７は、定置用蓄電システム１のリフレッシュ充電判定処理の制御フローを示す図である。リフレッシュ充電判定処理は、コントローラ３０によって実行され、放電停止時又は放電停止後の所定のタイミングで行うことができる。

図７に示すように、コントローラ３０は、自動的に又は手動で入力されるシステムＯＮ信号に基づいて、定置用蓄電システム１を起動する（Ｓ１０１）。コントローラ３０は、リレー装置Ｒ１ａ，Ｒ２ａをオフからオンに切り替えて、組電池１０と負荷５０とを接続する。このとき、リレー装置Ｒ１ｂ，Ｒ２ｂは、オフのままである。

コントローラ３０は、組電池１０と負荷５０とが接続された後、放電制御を開始する。コントローラ３０は、放電制御の開始に伴って、電流センサ２１によって検出される電流値に基づいて、電流積算処理を開始する（Ｓ１０２）。

コントローラ３０は、いずれか１つの単電池１１がＳＯＣ下限値に達したか否かを判別する（Ｓ１０３）。コントローラ３０は、電圧センサ２０によって検出される電圧値に基づいて、放電停止のトリガーとなるＳＯＣ下限値に達する単電池１１を監視し、いずれか１つの単電池１１が予め設定されたＳＯＣ下限値に対応する電圧値となった場合に、放電を停止する（Ｓ１０５）。放電の停止に伴い、コントローラ３０は、電流積算処理を終了するとともに、リレー装置Ｒ１ａ，Ｒ２ａをオンからオフに切り替えて、組電池１０と負荷５０とを接続を遮断する。また、コントローラ３０は、ＳＯＣ下限値に達した単電池１１（第１単電池に相当する）を識別する。

なお、放電停止のトリガーとしては、単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ下限値に達する場合以外にも、例えば、ユーザや作業者が手動で放電を停止したり、システム異常等による強制的な放電停止する場合もある。したがって、図７の例では、ステップＳ１０４において、ＳＯＣ下限値に達しない場合（Ｓ１０３，ＮＯ）の場合は、コントローラ３０は、放電停止信号の有無を確認し、放電を停止又は継続させることができる。

次に、コントローラ３０は、放電制御停止時又は停止後に、リフレッシュ充電判定処理を行う（Ｓ１０６）。コントローラ３０は、放電開始前の充電制御において識別されるＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の現在のＳＯＣ１を、放電開始から放電終了までの放電時間における放電電流積算値を用いて算出する。そして、ＳＯＣ上限値の充電容量（Ａｈ）から放電電流積算値（Ａｈ）を差し引き、現在のＳＯＣ１を算出する。なお、ＳＯＣ上限値の充電容量を有していた単電池１１の識別情報は、放電開始前の充電制御において識別され、メモリ３１に記憶されている。

コントローラ３０は、第２単電池１１の現在のＳＯＣ１と、ＳＯＣ下限値との差分（ＳＯＣ差）を算出する。ＳＯＣ差が所定値以上である場合は、リフレッシュ充電フラグをＯＮにして（Ｓ１０７）、メモリ３１に記憶する。一方、ＳＯＣ差が所定値未満である場合は、リフレッシュ充電フラグをＯＦＦにして（Ｓ１０７）、メモリ３１に記憶する。なお、リフレッシュ充電判定における所定値は、定置用蓄電システム１の電池性能を十分に発揮させるために必要なＳＯＣ使用幅に対して、予め設定しておくことができる。例えば、満充電容量（１００％）とＳＯＣ上限値（第２閾値）との差分を所定値とすることができる。

図８は、外部充電処理の制御フローを示す図である。外部充電処理は、コントローラ３０によって実行され、例えば、外部電源６０から深夜電力が供給可能な所定のタイミングで実行される。

図８に示すように、コントローラ３０は、外部充電の開始タイミングか否かを判別し、開始タイミングである場合（Ｓ３０１）、ステップＳ３０２に進み、外部充電を開始する。例えば、不図示のタイマーにより計時された時刻が、予め設定された深夜電力の供給可能時刻である場合に、外部充電を開始する。

コントローラ３０は、リレー装置Ｒ１ｂ，Ｒ２ｂをオフからオンに切り替えて、組電池１０と外部電源６０とを接続する。このとき、リレー装置Ｒ１ａ，Ｒ２ａは、オフのままである。コントローラ３０は、組電池１０と外部電源６０とが接続された後、充電制御を開始する。コントローラ３０は、電流センサ２１によって検出される電流値に基づいて、外部充電電流値の積算処理を開始する。

ステップＳ３０２において、コントローラ３０は、第１充電レートで充電を行う。コントローラ３０は、第１充電レートでの充電制御中に、電圧センサ２０によって検出される電圧値に基づいて、ＳＯＣ上限値に達する単電池１１を監視し、予め設定されたＳＯＣ上限値に対応する電圧値となった単電池１１を判別する（Ｓ３０３）。

コントローラ３０は、予め設定されたＳＯＣ上限値に対応する電圧値となった単電池１１が検出されない場合は、第１充電レートでの充電制御を継続して行い、ＳＯＣ上限値に対応する電圧値となった単電池１１が検出された場合は、ステップＳ３０４に進み、リフレッシュ充電フラグのＯＮ／ＯＦＦをチェックする。

コントローラ３０は、リフレッシュ充電フラグがＯＦＦである場合、ステップＳ３０８に進み、外部充電を終了させる。一方、リフレッシュ充電フラグがＯＮである場合は、充電レートを第１充電レートよりも低い第２充電レートに変更し、第２充電レートでの追加充電を行う（Ｓ３０５）。

このとき、コントローラ３０は、第２充電レートでの充電に際して、追加充電に必要な電力を予め算出し、算出された電力を充電するように制御することができる。図５の例のように、今回の放電制御においてＳＯＣ下限値に到達した第１単電池１１及び今回の放電制御前の充電制御においてＳＯＣ上限値に達していた第２単電池１１の間のＳＯＣ差分に相当する電力と、「１００％−ＳＯＣ上限値」分に相当する電力量とを合計した電力量をリフレッシュ充電に用いられる追加充電量として算出する。コントローラ３０は、算出された追加充電量を、第１単電池１１と第２単電池１１との間のＳＯＣ差に基づいて可変に制御し、追加充電量を通常の外部充電量（第１単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ上限値に達するまでの充電量）に対して余分に充電するように制御する。

このように外部充電時に実行されるリフレッシュ充電に必要な電力を可変に制御することで、リフレッシュ充電によって各単電池１１のＳＯＣ均等化を図るための電力を過不足なく供給しつつ、必要以上の充電を抑制して過充電による単電池１１の温度上昇を低減させることができる。

ステップＳ３０６において、コントローラ３０は、第２充電レートでの充電制御中に、電圧センサ２０によって検出される電圧値に基づいて、第１単電池１１のＳＯＣが、図６の例で示したような満充電容量（１００％）に対応する電圧値となったか否かを監視する。

コントローラ３０は、第１単電池１１が、満充電容量（１００％）に対応する電圧値となっていない場合は、第２充電レートでの充電制御を継続して行い、満充電容量（１００％）に対応する電圧値となった場合は、ステップＳ３０７に進み、リフレッシュ充電フラグをＯＦＦにし、さらにステップＳ３０８に進んで第２充電レートでの外部充電を終了させる。このとき、上述のように、外部充電電流の積算値が、ＳＯＣ上限値までの外部充電量と算出された追加充電量との合計値の達した場合に、リフレッシュ充電を含む外部充電を終了させるように制御してもよい。

なお、上記説明において、図７に示したリフレッシュ充電判定処理を放電制御終了時に行う一例を示したが、これに限るものではない。例えば、図８に示した外部充電処理において、放電制御において得られた放電電流積算値を用いたＳＯＣ差を算出して判定したり、図７において算出されたＳＯＣ差を用いて、リフレッシュ充電の必要有無を図８の外部充電処理において判別するように構成してもよい。

本実施例では、所定のタイミングで、外部電源による充電制御において充電を停止させずに、ＳＯＣ上限値を超えて満充電容量（１００％）に達するまで組電池１０（定置用蓄電池に相当する）全体に対する追加充電を行うので、ニッケル水素二次電池で構成された単電池１１それぞれのＳＯＣを満充電容量で均等化することができ、ＳＯＣバラツキを解消させることができる。

なお、上記説明では、全ての単電池１１がＳＯＣ上限値を超えて満充電容量まで充電されるように追加充電する一例を示しているが、ＳＯＣが最も低い単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ上限値以上となるように、組電池１０全体に対する追加充電することで、満充電容量とＳＯＣ上限値との範囲内でＳＯＣバラツキ幅を低減させることができ、定置用蓄電システム１の電池性能の低下を抑制することができる。

つまり、ＳＯＣ上限値以上の充電は、例えば、満充電容量に近い過充電領域となるため、ＳＯＣ上限値以上の充電効率が小さくなる。したがって、ＳＯＣが最も低い単電池１１がＳＯＣ上限値以上となるように組電池１０全体に対する追加充電を行うことで、満充電容量とＳＯＣ上限値との間の範囲内に各単電池１１のＳＯＣが収まることなり、ＳＯＣバラツキが解消されるように、ＳＯＣバラツキ幅が小さくなる。特に、本実施例のように、ＳＯＣ使用幅が大きい場合、満充電容量とＳＯＣ上限値との差が小さいため、ＳＯＣが最も低い単電池１１のＳＯＣがＳＯＣ上限値以上となるように追加充電すれば、ＳＯＣバラツキを解消させるように、ＳＯＣバラツキ幅をより低減させることができる。

１：定置用蓄電システム
１０：組電池
１１：単電池
２０：電圧センサ
２１：電流センサ
３０：コントローラ
３１：メモリ
４０：昇圧コンバータ
５０：負荷
６０：外部電源

Claims

直列に接続された複数のニッケル水素二次電池からなり、負荷に電力を供給する定置用蓄電池と、
前記ニッケル水素二次電池の電圧値を検出する電圧センサと、
前記ニッケル水素二次電池を流れる電流値を検出する電流センサと、
前記負荷への電力供給のために前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣが０に対して設定される第１ＳＯＣ閾値となるまで放電する放電制御と、前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣが満充電容量に対して設定される第２ＳＯＣ閾値となるまで外部電源による充電を行う充電制御とを繰り返し行い、予め規定された前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣと前記電圧値との対応マップに基づいて、複数の前記ニッケル水素二次電池のうち前記第１ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第１ニッケル水素二次電池を判別して前記負荷への放電を停止し、複数の前記ニッケル水素二次電池のうち前記第２ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第２ニッケル水素二次電池を判別して外部電源からの充電を停止するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、前記充電制御後の前記放電制御において、前記第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第１ＳＯＣ閾値に達した際の前記第２ニッケル水素二次電池の現在ＳＯＣを、放電開始から前記第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第１ＳＯＣ閾値に達するまでの充放電電流積算値と、前記第２ＳＯＣ閾値との差分から求め、
前記コントローラは、外部電源による充電制御において、前記現在ＳＯＣと前記第１ＳＯＣ閾値とのＳＯＣ差が所定値以上である場合に、前記第２ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第２ＳＯＣ閾値になっても充電を停止させずに、前記ＳＯＣ差の電力に前記第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの電力を加えた充電電力を、前記定置用蓄電池全体に対して追加充電することを特徴とする定置用蓄電システム。
前記コントローラは、前記充電制御において前記第２ＳＯＣ閾値までの充電レートを第１充電レートで行うとともに、前記第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの充電レートを前記第１充電レートよりも低い第２充電レートで行うことを特徴とする請求項１に記載の定置用蓄電システム。
複数の前記ニッケル水素二次電池は、ハイブリッド自動車又は電気自動車に搭載された使用済みの組電池を再利用したニッケル水素二次電池が少なくとも一部含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の定置用蓄電システム。
直列に接続された複数のニッケル水素二次電池からなり、負荷に電力を供給する定置用蓄電池の制御方法であって、
前記負荷への電力供給のために前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣが０に対して設定される第１ＳＯＣ閾値となるまで放電する放電制御を行い、予め規定された前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣと電圧値との対応マップに基づいて、複数の前記ニッケル水素二次電池のうち前記第１ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第１ニッケル水素二次電池を判別して前記負荷への放電を停止し、
前記ニッケル水素二次電池のＳＯＣが満充電容量に対して設定される第２ＳＯＣ閾値となるまで外部電源による充電制御を行い、前記対応マップに基づいて、複数の前記ニッケル水素二次電池のうち前記第２ＳＯＣ閾値に対応する電圧値に達した第２ニッケル水素二次電池を判別して外部電源からの充電を停止し、
前記負荷への電力供給のための外部電源による前記充電制御と前記放電制御とを繰り返し行うとともに、
前記充電制御後の前記放電制御において、前記第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第１ＳＯＣ閾値に達した際の前記第２ニッケル水素二次電池の現在ＳＯＣを、放電開始から前記第１ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第１ＳＯＣ閾値に達するまでの充放電電流積算値と、前記第２ＳＯＣ閾値との差分から求め、
前記充電制御において、前記現在ＳＯＣと前記第１ＳＯＣ閾値とのＳＯＣ差が所定値以上である場合に、前記第２ニッケル水素二次電池のＳＯＣが前記第２ＳＯＣ閾値になっても充電を停止させずに、前記ＳＯＣ差の電力に前記第２ＳＯＣ閾値から満充電容量までの電力を加えた充電電力を、前記定置用蓄電池全体に対して追加充電することを特徴とする制御方法。