JP6908072B2 - 二次電池システム並びにこれを備えた電源及び移動体 - Google Patents
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Description
前述した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として有する意味で使用する。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された下限値又は上限値は、他の段階的に記載されている下限値又は上限値に置き換えてもよく、実施例に示された数値に置き換えてもよい。
はじめに、本発明の一実施形態に係る二次電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る二次電池システム100の構成を示す図である。なお、図1では、説明の便宜上、二次電池200については主要な構成要素(電気化学反応に寄与する部分)である正極1、負極2及び電解質3のみ示している。
一方で、電源4が予期せず断たれた場合にはスイッチ6が開き、二次電池200に蓄電された電力が外部負荷5に供給される。このようにすることで、電源4が意図せず断たれた場合であっても、二次電池200を外部負荷5のバックアップ用蓄電装置として使用できる。
電流計10は、二次電池200と直列に接続され、二次電池200に流れる電流量を計測し、検出した電流値を制御装置20に出力する。
電圧計11は、二次電池200と並列に接続され、二次電池200の電池電圧を計測し、検出した電池電圧を制御装置20に出力する。
電圧制御手段30は、制御装置20からの信号に基づき、電池電圧を制御する。
本実施形態においては、以下の〔1〕、〔2〕又は〔3〕のようにして開回路電圧が振動していると判定することができる。これにより、内部抵抗が高抵抗化したと判定することができる。
図3〜8を参照して、前記〔1〕〜〔3〕の判定の態様を説明する。
図3〜8は、開回路電圧を指標とする電池電圧制御の作動条件の一態様を説明する図である。図3〜8は、開回路電圧のプロットを模式的に表している。通常、二次電池200を開回路状態におくと、自己放電によって開回路電圧は単調に減少する(開回路電圧のプロットは振動などせずに単調に減少する(例えば、図11参照))。
判定の具体例1は、前記〔1〕の一態様である。
図3に示すように、電圧計11は、開回路電圧の計測を所定時間Δtごとに行う。そして、電池状態演算部25が、下記式(1)により判定値Esを計算する。また、電池状態判定部22は、電池状態演算部25が計算した判定値Esと、下記式(2)の右辺に規定される対照値とを比較する。なお、ここでは対照値は0である。そして、電池状態判定部22は、下記式(2)を満たす挙動が継続的に観測された場合に開回路電圧が振動していると判定する。ここで、継続的にとは、例えば、ある単位時間(例えば、1時間)又はある単位回数(例えば、100回の測定)当たり5回以上得られた場合などが該当する(以下同じ)。
Es>0 ・・・(2)
ただし、式(1)、(2)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taにおける開回路電圧、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間Δt前の測定時刻tbにおける開回路電圧、
である。
なお、前記したある測定時刻taは、最新の測定時の時刻であってもよいし、そうでなくてもよい(ある測定時刻taについて以下同じ)。
前記した式(2)を満たす場合、図3に示すように、ある測定時刻taの開回路電圧Eaが、直前の時刻tb=ta−Δtにおける開回路電圧Ebよりも上昇していることを意味する(Es=Ea−Eb>0)。従って、前記したように、式(2)を満たす場合、二次電池200の内部抵抗が高抵抗化したと判定することができる。
判定の具体例2も、前記〔1〕の一態様である。
前記判定の具体例1の考え方は、判定値として複数の測定値を用いて判定する場合にも適用できる。なお、図4に示す判定の具体例2では、6つの測定値(白丸(○))を用いて判定している。
Es>0 ・・・(4)
ただし、式(3)、(4)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taから測定時刻ta−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間nΔt前の測定時刻tbから測定時刻tb−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
n :2以上の自然数、
である。
判定の具体例3は、前記〔2〕の一態様である。
判定の具体例3においては、図5に示すように、ある測定時刻taから所定時間2Δt前の測定時刻tc(つまり、ある測定時刻taから所定時間Δt前の測定時刻tbの1つ前の測定時刻)における開回路電圧Ecを用いて対照値Erを設定している。すなわち、測定時刻tc=tb−Δt=ta−2Δtにおける開回路電圧Ecを用いて対照値Erを設定している。
Er=|Eb−Ec| ・・・(6)
Es>Er ・・・(7)
ただし、式(5)〜(7)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taにおける開回路電圧、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間Δt前の測定時刻tbにおける開回路電圧、
Er:対照値、
Ec:前記ある測定時刻taから所定時間2Δt前の測定時刻tcにおける開回路電圧、
である。
判定の具体例4も、前記〔2〕の一態様である。
前記判定の具体例3の考え方は、判定値として複数の測定値を用いて判定する場合にも適用できる。なお、図6に示す判定の具体例4では、9つの測定値(白丸(○))を用いて判定している。
Er=|Eb−Ec| ・・・(9)
Es>Er ・・・(10)
ただし、式(8)〜(10)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taから測定時刻ta−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間nΔt前の測定時刻tbから測定時刻tb−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
Er:対照値、
Ec:前記ある測定時刻taから所定時間2nΔt前の測定時刻tcから測定時刻tc−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
n :2以上の自然数、
である。
判定の具体例5は、前記〔3〕の一態様である。
判定の具体例5においては、図7に示すように、開回路電圧の急激な低下を用いて判定する。
Er=|Eb−Ec| ・・・(12)
|Es|>m|Er| ・・・(13)
ただし、式(11)〜(13)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taにおける開回路電圧、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間Δt前の測定時刻tbにおける開回路電圧、
Er:対照値、
Ec:前記ある測定時刻taから所定時間2Δt前の測定時刻tcにおける開回路電圧、
m :1より大きい実数、
である。
判定の具体例6も、前記〔3〕の一態様である。
前記判定の具体例5の考え方は、判定値として複数の測定値を用いて判定する場合にも適用できる。なお、図8に示す判定の具体例6では、9つの測定値(白丸(○))を用いて判定している。
Er=|Eb−Ec| ・・・(15)
|Es|>m|Er| ・・・(16)
ただし、式(14)〜(16)に関して、
Es:判定値、
Ea:ある測定時刻taから測定時刻ta−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
Eb:前記ある測定時刻taから所定時間nΔt前の測定時刻tbから測定時刻tb−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
Er:対照値、
Ec:前記ある測定時刻taから所定時間2nΔt前の測定時刻tcから測定時刻tc−(n−1)Δtまでの開回路電圧の平均値、
n :2以上の自然数、
m :1より大きい数、
である。
電池状態判定部22は、以上に説明したようにして二次電池200の電池状態を判定し、その結果を制御出力部23に出力する。
制御出力部23は、判定された電池状態に基づいて制御信号を生成し、電圧制御手段30(電源装置)に出力して電圧制御手段30を起動させ、放電する制御を行う。すなわち、二次電池システム100は、電池状態判定部22を備える制御装置20が、二次電池200の開回路電圧が振動しているという判定が得られたら、放電する制御を行う。これにより、二次電池システム100は放電する。
放電が停止したら、電圧制御手段30によって二次電池200の再充電を行ってもよいし、スイッチ8とスイッチ9を閉じて電源4や外部負荷5と接続してもよい。電圧制御手段30による二次電池200の再充電を行う際の充電方式は、定電流制御でも定電圧制御でもよい。定電流制御の場合、電流計10の電流値が一定となるように電池電圧を上げる。一定とする電流値は特に限定されないが、例えば、0.05Cから10Cの間、好ましくは0.2Cから4Cの間に設定する。これは、電流値が小さすぎると充電に時間がかかりすぎる一方で、電流値が大きすぎると瞬間的に電池電圧が規定の上限電圧に到達してしまうためである。充電は、電圧計11の電池電圧値が、放電前の充電電圧に到達するまで行ってもよいし、途中でスイッチ8とスイッチ9を閉じて電源4や外部負荷5と接続してもよい。
以上に説明したように本実施形態に係る二次電池システム100は、二次電池200の開回路電圧が振動しているという判定が得られたら、放電する制御を行う。すなわち、二次電池システム100は、二次電池200の開回路電圧が振動しているという判定が得られたら内部抵抗が高抵抗化していると判断する。このように、二次電池システム100は、開回路電圧の振動を把握することにより、二次電池200を完全放電することなく内部抵抗の高抵抗化を検知できる。そして、二次電池システム100は、前記判定が得られたら二次電池200の放電を行うので、低抵抗化できる。また、このように、二次電池システム100は二次電池200の放電を行って低抵抗化できることから、二次電池200を高出力及び長寿命化できる。
二次電池システム100は、電源、移動体、電子機器などに好適に備えることができる。電源としては、例えば、バッテリ、系統電源、分散電源、再生エネルギなどが挙げられるが、これらに限定されない。移動体としては、例えば、自動車、オートバイ、電動自転車、鉄道車両、船舶、潜水艦、航空機、宇宙船などが挙げられるが、これらに限定されない。電子機器としては、例えば、携帯端末機、情報通信機器、コンピュータ、ゲーム機、CDプレイヤ、DVDプレイヤ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ドローンなどが挙げられるが、これらに限定されない。
はじめに、次のようにして図1に示す構成の二次電池200を作製した。
正極1として水酸化ニッケルの金属板を用い、負極2として酸化亜鉛の金属板を用い、電解質3として、電解質3の総重量に対して20質量%の水酸化カリウムと、5質量%の水酸化ナトリウムと、1質量%の水酸化リチウムと、を含むアルカリ水溶液を用いて、二次電池200を作製した。
また、前記した各構成、機能、処理部、処理手段、制御手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)などの記録装置、又は、ICカード、SDカード、DVDなどの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
200 二次電池
1 正極
2 負極
3 電解質
4 電源
5 外部負荷
6〜9 スイッチ
10 電流計
11 電圧計
20 制御装置
21 電池状態取得部
22 電池状態判定部
23 制御出力部
24 記憶部
25 電池状態演算部
26 タイマ部
30 電圧制御手段
Claims (12)
- 負極、正極及び電解質を有する二次電池と、
前記二次電池の開回路電圧が振動しているという判定が得られたら、放電する制御を行う制御装置と、
を備えていることを特徴する二次電池システム。 - 請求項1において、
前記開回路電圧を測定する電圧計を備え、
前記制御装置は、電池状態演算部及び電池状態判定部を有し、前記二次電池の電池電圧制御を行い、
前記判定は、
前記電池状態演算部が、前記開回路電圧の変動幅を計算し、前記二次電池の状態の判定に用いる判定値を前記電池状態判定部に出力し、
前記電池状態判定部が、前記判定値と対照値とを比較することで行われる
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項2において、
前記制御装置は、nを自然数として、計測されたある測定点から数えてn個の測定点の開回路電圧又はその平均値をEa、前記ある測定点から(n+1)個目の測定点から数えてn個の測定点の開回路電圧又はその平均値をEbとして、前記Eaが前記Ebよりも大きいときに、前記開回路電圧が振動していると判定することを特徴とする二次電池システム。 - 請求項3において、
前記制御装置は、nを自然数として、前記ある測定点から(2n+1)個目の測定点から数えてn個の測定点の開回路電圧又はその平均値をEcとして、前記Eaから前記Ebを引いた値が、前記Ebと前記Ecとの差分の絶対値よりも大きいときに、前記開回路電圧が振動していると判定することを特徴とする二次電池システム。 - 請求項4において、
前記制御装置は、mを1より大きい実数として、前記Eaと前記Ebとの差分の絶対値が、前記Ebと前記Ecの差分の絶対値のm倍よりも大きいときに、前記開回路電圧が振動していると判定することを特徴とする二次電池システム。 - 請求項2において、
放電した放電電流を計測する電流計を有し、
前記電池状態演算部は、前記計測された放電電流から放電電気量を算出し、
前記電池状態判定部は、前記放電電気量が予め設定した閾値に到達したら、前記制御装置に放電を停止する制御信号を出力する
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項6において、
電池電圧を制御する電圧制御手段を備え、
前記放電が停止したら、前記電圧制御手段によって前記二次電池の再充電を行う
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項1において、
前記電解質が、水酸化物イオンを含む水系の電解液であることを特徴とする二次電池システム。 - 請求項1において、
前記負極が、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛合金からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項1において、
前記正極が、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、ニッケル金属、ニッケル合金、酸化ニッケル、酸化マンガン、二酸化マンガン、酸化銀、酸化銅からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項1〜10のうちのいずれか1項に記載の二次電池システムを備えたことを特徴とする電源。
- 請求項1〜10のうちのいずれか1項に記載の二次電池システムを備えたことを特徴とする移動体。
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