JP7250366B2 - 電源装置およびバッテリー劣化度判定システム - Google Patents

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Description

特許法第３０条第２項適用 掲載日 令和３年２月８日 ｈｔｔｐｓ：／／ｍｉｒａｉ－ｌａｂ．ｃｏｍ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／ｎｅｗｓ／９５４ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｕｃｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｗ＿ｃｏｒｐ／２０２１０２０８＿０１／ ｈｔｔｐｓ：／／ｐｒｔｉｍｅｓ．ｊｐ／ｍａｉｎ／ｈｔｍｌ／ｒｄ／ｐ／０００００００１０．００００３４０３６．ｈｔｍｌ
本発明は、電源装置およびバッテリー劣化度判定システムに関し、特に複数のバッテリーユニットを交換可能な電源装置およびバッテリー劣化度判定システムに関する。
近年になって、自動車や自動二輪車等の移動体の動力源として電力を用い、二次電池から供給された電力を運動エネルギーに変換する電気自動車やハイブリッドカー、電動二輪車等が普及しつつある。また、自転車の補助動力源として電力を用いる電動アシスト付き自転車の普及率も向上している。
これらの移動体は、移動体に搭載された二次電池に蓄えられている電力を使用して移動するため、二次電池の充電可能な容量で航続距離が決まる。移動体の航続距離を大きくするためには、二次電池を大型化して大容量化することが有効であるが、二次電池で充電可能な容量は使用環境や使用履歴に応じて劣化することが知られており、新品の二次電池での航続距離と比較して徐々に移動体の航続距離が短くなってしまう。
そこで、二次電池の劣化程度を個別に測定し、予め定めた以上に劣化が進行した二次電池については新しい二次電池に交換し、移動体の航続距離を維持することが提案されている。また、劣化した二次電池は回収業者が回収し、性能回復や再組み立てを実施したうえでリユース品またはリビルド品として再利用することも提案されている。（例えば特許文献１を参照。）
図９は、従来から提案されている二次電池の回収モデルを示す模式図である。図中では、バッテリーセルの充電可能な容量を新品時と比較した割合を百分率で示している。換言すると、新品時の充電可能な容量を１００％（劣化度０％）と表示すると、劣化度は１００％－（充電可能な容量％）となる。
図９に示した例では、充電可能な容量が１００％のバッテリーセルは新車に使用することが可能であり、充電可能な容量が９０％（劣化度１０％）のバッテリーセルは中古車向けや中古の二次電池として販売される。また、充電可能な容量が７０～８０％（劣化度２０～３０％）のバッテリーセルは、新品と比較して十分な航続距離を確保することが困難なため、街灯の電源など移動体以外の用途に用いられる。また、充電可能な容量が１０％（劣化度９０％）程度にまで劣化が進行したバッテリーセルについては、他用途での再利用も困難なため分解して原料をリサイクルする処理に回される。
このように従来技術では、劣化があまり進行していないバッテリーセルについては再利用し、著しく劣化が進行したバッテリーセルはリサイクルすることが可能となり、資源の有効活用を図っていた。
特開２０２０－１４９６７９号公報
しかし従来技術では、充電可能な容量が２０～６０％（劣化度４０～８０％）程度のものについては、再利用においても劣化が進行するため充電可能な容量を維持することが困難であり、再利用の用途が限定されるという問題があった。また、再利用されたバッテリーセルの劣化がさらに進行していくと、最終的には劣化度が９０％以上になり再利用用途にも使用不可能となるため、安定した電力供給が困難であるという問題があった。
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、様々な劣化度の使用済みバッテリーセルを用いても、安定した電力を継続的に利用可能な電源装置およびバッテリー劣化度判定システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、充電部からの充電および放電部からの放電を行う電源装置であって、複数のバッテリーセルを直列又は並列に接続した複数のバッテリーユニットと、選択対象である前記バッテリーユニットから一つを充電対象として選択して前記充電部に接続し、他の一つを放電対象として選択して前記放電部に接続する接続選択部と、個々の前記バッテリーユニットを着脱自在に収容する収容部を備え、前記バッテリーセルは劣化度に応じて複数の劣化ランクに分類されており、一つの前記バッテリーユニットに含まれる前記バッテリーセルは、前記劣化ランクが同じであり、前記バッテリーユニットに含まれる前記バッテリーセルについて前記劣化度を測定する劣化測定部と、前記接続選択部は、前記劣化測定部の測定結果に基づいて、前記選択対象から除外される前記バッテリーユニットを決定し、前記劣化測定部の測定結果に基づいて、ユニット交換信号を送出するユニット交換通知部を備えることを特徴とする。
このような本発明の電源装置では、バッテリーユニットに含まれるバッテリーセルの劣化ランクを同じにしているため、異なる劣化度のバッテリーセルを用いても各バッテリーユニットを適切に充電および放電に使用することができ、様々な劣化度の使用済みバッテリーセルを用いても、安定した電力を継続的に利用可能となる。
また本発明の一態様では、前記ユニット交換通知部は、何れかの前記バッテリーセルの充電容量が第１閾値以下となった場合に前記ユニット交換信号を送出する。
また本発明の一態様では、前記接続選択部は、前記充電容量が前記第１閾値以下となった前記バッテリーセルを含む前記バッテリーユニットを選択対象から除外する。
また本発明の一態様では、前記ユニット交換通知部は、前記収容部に収容された複数の前記バッテリーユニットについて充電可能な電気量の総和を充電総量として算出し、前記充電総量が第２閾値以下となった場合に前記ユニット交換信号を送出する。
また本発明の一態様では、前記劣化測定部は、前記バッテリーユニットの充電時または放電時の電気特性に基づいて前記劣化度を測定する。
また本発明の一態様では、前記充電部には、光で発電する光発電部が接続されている。
また上記課題を解決するために、本発明のバッテリー劣化度判定システムは、使用済みバッテリー要素の劣化を判定するバッテリー劣化度判定システムであって、前記バッテリー要素の識別情報と使用履歴情報を関連付けて記録する管理サーバと、前記バッテリー要素の充電時または放電時の第１電気特性を測定し、前記第１電気特性の測定結果および前記使用履歴情報に基づいて第１劣化度を判定し、前記第１劣化度を含む診断情報を前記識別情報と関連付けて前記管理サーバに記録する劣化判断部と、を備え、前記劣化判断部は、所定期間経過後に前記バッテリー要素の充電時または放電時の第２電気特性を測定し、前記使用履歴情報を更新し、前記第２電気特性の測定結果および前記使用履歴情報に基づいて第２劣化度を判定し、前記診断情報に前記第２劣化度を追加して更新し、前記第２劣化度に基づいて前記バッテリー要素の交換を通知することを特徴とする。
このような本発明のバッテリー劣化度判定システムでは、バッテリー要素の電気特性と使用履歴情報に基づいて劣化度を判定することで、電気特性の測定時点におけるバッテリー要素の状態だけではなく、当該バッテリー要素が製造されてからの使用履歴も考慮して正確な劣化度の判定を行うことができる。
また本発明の一態様では、前記劣化判断部は、複数の前記バッテリー要素に関する前記
使用履歴情報と前記診断情報の関係を機械学習によって分析し、前記分析の結果に基づいて、前記第１劣化度および前記第２劣化度の判定方法を更新する。
また本発明の一態様では、前記使用済みバッテリー要素は、移動体の電源に用いられたものであり、前記使用履歴情報には、前記移動体の運転履歴が含まれている。
本発明では、様々な劣化度の使用済みバッテリーセルを用いても、安定した電力を継続的に利用可能な電源装置を提供することができる。
第１実施形態に係る電源装置１００の構成を模式的に示すブロック図である。 第１実施形態に係る電源装置１００を構成するための二次電池の回収モデルを示す模式図である。 バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセルについて説明する模式図である。 電源装置１００におけるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの管理手順を示すフローチャートである。 電源装置１００を用いた電力供給システムの一例を示す模式図である。 第２実施形態に係るバッテリー再利用工程を示す模式図である。 第２実施形態に係るバッテリー劣化度判定システムの工程例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るバッテリー劣化度判定システムで用いられる管理サーバ１１０の構成例を示すブロック図である。 従来から提案されている二次電池の回収モデルを示す模式図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る電源装置１００の構成を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、電源装置１００は、複数のバッテリーユニット１０ａ～１０ｅと、収容部２０と、制御部３０と、接続選択部４０と、劣化測定部５０と、ユニット交換通知部６０と、充電部７０と、放電部８０を備えている。また、充電部７０にはソーラーパネル９０が接続され、放電部８０には負荷９１が接続されている。
バッテリーユニット１０ａ～１０ｅは、複数のバッテリーセルを電気的に接続した二次電池である。公知の二次電池と同様に、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅは充電および放電に用いる端子や、充電および放電を制御するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）等を備えている。後述するように各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセルは、移動体等で使用された二次電池に含まれていたバッテリーセルを再利用したものである。また、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅは、収容部２０に着脱自在に収容される形状を有しており、収容部２０が備えるロック機構によって着脱が規制される構造も備えている。
収容部２０は、複数のバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを着脱自在に収容して保持するとともに、ロック機構を作動させることでバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの着脱を規制する部分である。収容部２０の形状や具体的なロック機構の構造は限定されず、公知のバッテリー着脱機構を用いることができる。また収容部２０は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅと制御部３０を電気的に接続する端子や配線を備えている。図１では、収容部２０に５つのバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを収容した例を示しているが、収容するバッテリーユニットの個数は限定されない。
制御部３０は、接続選択部４０、劣化測定部５０およびユニット交換通知部６０の動作を制御する部分である。制御部３０は図示しないメモリと外部記憶装置、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備えており、所定のプログラムに従って情報処理を行って、各部を制御する。
接続選択部４０は、充電部７０または放電部８０に接続されるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを選択する部分であり、機械的または電子的に各部の間での接続と切断を切り替える。一例としては、接続選択部４０がバッテリーユニット１０ａと充電部７０を接続し、バッテリーユニット１０ｅと放電部８０を接続した場合には、ソーラーパネル９０から電力が供給されてバッテリーユニット１０ａが充電され、バッテリーユニット１０ｅから負荷に電力が供給される。接続選択部４０の具体的な構成は限定されないが、放電部８０に接続されるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを切り替える際に、電力の供給が停止する瞬断を抑制できる回路構成を用いることが好ましい。
劣化測定部５０は、制御部３０に接続されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅに関する情報を取得し、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセルについて劣化度を測定する部分である。ここで劣化度とは、全てのバッテリーセルが新品の状態における充電可能な容量を新品容量とし、再組み立てしたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅでの充電可能な容量を劣化容量としたときに、劣化容量と新品容量の比率で表される。
また充電可能な容量とは、バッテリーの満充電と完全放電を設定した際に、満充電から完全放電までに取り出し可能な電力量を示す。換言すると、各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅにおいて、ＢＭＳが過充電保護機能を働かせて充電を止める状況を満充電（１００％）とし、ＢＭＳが過放電保護機能を働かせて放電を止める状況を全放電（０％）としたときに、全放電（０％）から満充電（１００％）まで充電するために要する電力量が、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電可能な容量である。
劣化測定部５０は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電時または放電時の電気特性を測定し、測定した電気特性に基づいて劣化度を算出する。具体的な劣化度の算出方法は限定されず、測定する電気特性としては満充電電圧、全放電電圧、開路電圧、閉路電圧、充電特性、放電特性、内部抵抗、温度特性、負荷特性、サイクル使用履歴情報またはインピーダンス等を用いることができる。
ユニット交換通知部６０は、劣化測定部５０の測定結果に基づいてユニット交換信号を送出する部分である。ここでユニット交換信号とは、電源装置１００の外部に対して交換対象となるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを通知するための信号であり、公知の通信手段を用いて伝達対象に伝達される信号である。ユニット交換通知部６０の具体的構成は限定されず、電気配線とランプを用いた警告ランプや、無線通信手段を用いた情報通信による電子的情報の通信等を用いることができる。
充電部７０は、電源装置１００に接続された電力源から電力を受け取る部分であり、接続端子と電子回路を含んで構成されている。充電部７０には、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅを充電するための電流値と電圧値に変換するための変換回路を含んでいるとしてもよい。また、充電部７０にはバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電を制御するための制御回路を含んでいるとしてもよい。特に、電力源としてソーラーパネル９０を用いる場合には、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御や、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行う回路を含むことが好ましい。
放電部８０は、電源装置１００に接続された負荷９１に対して電力を供給する部分であり、接続端子と電子回路を含んで構成されている。放電部８０には、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅから供給された電力の電流値や電圧値を変換するための変換回路を含んでいるとしてもよい。また、負荷９１に対して交流を出力する場合にはＤＣ／ＡＣインバータ回路を含むことが好ましい。
ソーラーパネル９０は、充電部７０に接続されて電源装置１００に対して電力を供給する電力源であり、太陽光を受光して光エネルギーを電気エネルギーに変換する。したがって、ソーラーパネル９０は本発明における光発電部に相当している。ここでは電力源としてソーラーパネル９０を用いた例を示しているが、充電部７０を介して電源装置１００に電力を供給できれば構成は限定されず、例えば商用電源やその他の発電装置を用いるとしてもよい。
負荷９１は、放電部８０に接続されて電源装置１００から電力が供給される装置である。負荷９１の具体例は限定されず、例えば街灯等の照明装置、画像表示装置、無線通信基地局、ポンプやモーター等の動力源等を用いることができる。ここでは放電部８０には負荷９１を接続する例を示したが、電力網に放電部８０を接続して、電力会社への電力売却を行うとしてもよい。
図２は、本実施形態に係る電源装置１００を構成するための二次電池の回収モデルを示す模式図である。本実施形態では図２に示したように、回収した二次電池に含まれるバッテリーセルについて電気特性を測定することで劣化度を算出し、充電可能な容量が２０～８０％（劣化度２０～８０％）のバッテリーセルを再利用（リユース）して、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅを再組み立てする。ここで二次電池の回収時における劣化度の算出方法は限定されないが、劣化測定部５０で実施される劣化度の算出と同等の結果を導くものが好ましく、劣化測定部５０と同じ電気特性の測定と劣化度の算出を行うことが好ましい。従来と同様に、充電可能な容量が１００％のバッテリーセルは新車に使用し、充電可能な容量が９０％（劣化度１０％）のバッテリーセルは中古車向けや中古の二次電池として販売する。また、充電可能な容量が１０％（劣化度９０％）程度のバッテリーセルは分解して原料をリサイクルする処理に回される。
図３は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセルについて説明する模式図である。図３に示したように、各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅには、それぞれ複数のバッテリーセル１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄ、１３ａ～１３ｄ、１４ａ～１４ｄ、１５ａ～１５ｄが含まれており、各バッテリーセル１１～１５は直列又は並列接続されている。各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の個数は同じであり、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅ内でのバッテリーセルの接続関係も同じとされている。
また、異なる劣化度のバッテリーセル１１～１５を直列又は並列接続した場合には、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅの特性が最も劣化したバッテリーセル１１～１５の電気的特性に影響を受け、各バッテリーセル１１～１５の劣化度に応じた充電可能な容量を活用できなくなる。そこで本実施形態では、各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の劣化度は異なっているが、一つのバッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の劣化度のランク（劣化ランク）は同じとする。ここで劣化ランクとは、劣化度に応じてランク分けされた分類を意味しており、例えば百分率の一桁を四捨五入したランク分けが挙げられる。
図３に示した例では、バッテリーユニット１０ａに含まれるバッテリーセル１１ａ～１１ｄは充電可能な容量が６０％（劣化度４０％ランク）であり、バッテリーユニット１０ｂに含まれるバッテリーセル１２ａ～１２ｄは充電可能な容量が８０％（劣化度２０％ランク）であり、バッテリーユニット１０ｃに含まれるバッテリーセル１３ａ～１３ｄは充電可能な容量が２０％（劣化度８０％ランク）であり、バッテリーユニット１０ｄに含まれるバッテリーセル１４ａ～１４ｄは充電可能な容量が５０％（劣化度５０％ランク）であり、バッテリーユニット１０ｅに含まれるバッテリーセル１５ａ～１５ｄは充電可能な容量が４０％（劣化度６０％ランク）である。
このようにバッテリーセル１１～１５を劣化ランクに応じて分類し、同じ劣化ランクのバッテリーセル１１～１５のみでバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを再組立てすることで、各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅでは、各々の電気特性に応じた充電可能な容量を有効に活用することができる。図３に示した例では、バッテリーユニット１０ａに含まれる４つのバッテリーセル１１ａ～１１ｄは劣化度６０％のランクであるため、バッテリーユニット１０ａ全体の充電可能な容量は、それぞれのバッテリーセル１１ａ～１１ｄにおける充電可能な容量の４倍程度となる。他のバッテリーユニット１０ｂ～１０ｅも同様である。
したがって、各バッテリーセル１１ａ～１１ｄの劣化度からバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電可能な容量を求めることができ、さらに収容部２０に収容されているバッテリーユニット１０ａ～１０ｅについて、充電可能な電気量の総和を充電総量として算出することができる。図３に示した例では、一つの新品のバッテリーセルでの充電可能な電気量（容量）が１ｋＷｈである場合には、バッテリーユニット１０ａの充電可能な電気量は１×０．６×４＝２．４ｋＷｈとなる。同様に計算するとバッテリーユニット１０ｂ～１０ｅの充電可能な電気量は、それぞれ３．２ｋＷｈ、０．８ｋＷｈ、２ｋＷｈ、１．６ｋＷｈとなり、電源装置１００全体では１０ｋＷｈを充電可能となる。
上述したように、電源装置１００の充電可能な容量（充電総量）は、収容部２０に収容されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅにおける充電可能な容量の総和である。よって、様々な充電可能な容量のバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを適切に組み合わせることで、電源装置１００の充電総量を決めることができる。これにより、劣化が進行した劣化ランクのバッテリーセルを用いたバッテリーユニットであっても、劣化度の低い劣化ランクのバッテリーセルを用いたバッテリーユニットと組み合わせて用いることで、所望の充電総量の電源装置１００を得ることができる。
図４は、電源装置１００におけるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの管理手順を示すフローチャートである。電源装置１００の駆動がスタートすると、制御部３０は記憶装置からプログラムをメモリに読み込み、以下の手順をステップＳ１から実行する。ここではプログラムを電源装置１００に備えられた記憶装置から読み込むとしたが、ネットワークを介してプログラムをダウンロードするとしてもよい。
ステップＳ１は、充電対象または放電対象となるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを選択する接続対象選択工程である。制御部３０は、収容部２０に収容されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅについてＢＭＳから情報を取得し、定められた充放電の優先順位に応じて充電する対象と放電する対象を選択する。また接続選択部４０は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅのうち選択された対象と充電部７０または放電部８０の間を電気的に接続し、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅのうち選択されていないものは電気的な接続を切断する。充放電対象の選択と接続／切断を実施した後にステップＳ２に移行する。
ステップＳ２は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅのうち充電対象に充電部７０から充電動作を行い、放電対象から放電部８０を介して放電を行う充放電工程である。充電部７０と放電部８０による具体的な充放電動作は限定されず、従来公知の回路構成と制御方法を用いることができる。充電部７０と放電部８０による充放電動作を継続しながらステップＳ３に移行する。
ステップＳ３は、各バッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の劣化度を算出する劣化度算出工程である。電源装置１００では、ステップＳ２の充放電工程で充電動作または放電動作が行われることで、バッテリーセル１１～１５の劣化がさらに進行する。劣化度算出工程では、充電対象または放電対象に選択されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電動作または放電動作中に、劣化測定部５０が電気的特性を測定し、測定した電気特性に基づいて劣化度を算出する。劣化測定部５０が劣化度の算出をしたのちにステップＳ４に移行する。
ステップＳ４は、劣化度算出工程で算出されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の劣化度に基づいて、充放電の除外対象となるバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを判定するユニット劣化判定工程である。制御部３０は、劣化測定部５０が算出したバッテリーセル１１～１５の劣化度から求められる充電可能な電気量（充電容量）を予め定められた判定基準と比較して、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅが除外対象に該当するかを判定する。除外対象に該当するバッテリーユニット１０ａ～１０ｅが存在する場合にはステップＳ５に移行し、存在しない場合にはステップＳ６に移行する。図４に示した例では、判定基準として予め充電容量の閾値（第１閾値）を定めておき、何れかのバッテリーセル１１～１５の充電容量が第１閾値以下であるかを基準としている。一例としては、第１閾値を新品時の充電容量における１０％（劣化度９０％以上）とする。
ステップＳ５は、ユニット劣化判定工程で除外対象に該当すると判定されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを充電動作と放電動作の対象から除外する除外対象決定工程である。制御部３０は、ユニット劣化判定工程で除外対象とされたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅについて、除外対象であること記憶装置に記録し、以後の接続対象選択工程において充電動作と放電動作の選択対象から除外する。制御部３０が除外対象を記録した後にステップＳ７に移行する。
ステップＳ６は、電源装置１００全体での充電可能な電気量（充電総量）が維持されているかを判定する充電総量判定工程である。制御部３０は、劣化度算出工程で算出されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅに含まれるバッテリーセル１１～１５の劣化度に基づいて、収容部２０に収容されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの充電総量を算出し、予め定められた閾値（第２閾値）を下回った場合にはステップＳ７に移行し、それ以外の場合にはステップＳ１に移行する。
ステップＳ７は、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅの交換を促す交換通知工程である。ユニット交換通知部６０は、電源装置１００の外部に対して、ユニット劣化判定工程で除外対象に選定されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅの存在、または充電総量が第２閾値を下回ったことをユニット交換信号として送出する。同時に、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅのうち除外対象とされたものや、最も劣化度が高く充電容量が低いものについて交換対象であることを通知する。また、交換対象とされたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅについては充放電工程での充放電対象から除外するとともに、収用部２０でのロック機構を解除してバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを取り外し可能にする。
ユニット交換信号を受け取った回収業者は、再組立てしたバッテリーユニット１０を新たに用意し、交換対象とされたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを収容部２０から取り出し、新たに用意したバッテリーユニット１０と交換する。ユニット交換通知部６０がユニット交換信号を送出した後にステップＳ８に移行する。
ステップＳ８は、充放電動作を継続するかを判断する継続判断工程である。制御部３０は、充電部７０に接続された電力源から供給される電力や、負荷９１の接続状況等に基づいて充放電動作を継続するか判断し、継続する場合にはステップＳ１に移行し、継続しない場合には制御動作を終了する。
図５は、電源装置１００を用いた電力供給システムの一例を示す模式図である。電源装置１００には充電部７０に電力源であるソーラーパネル９０が接続され、放電部８０に負荷９１として照明装置が接続されている。また、電源装置１００はネットワークを介して管理サーバ１１０と情報通信可能に接続されている。図５に示したような電力供給システムでは、商用電源を確保することが困難な遠隔地において、ソーラーパネル９０での発電により電源装置１００を充電し、電源装置１００に充電された電力により負荷９１を駆動することができる。
管理サーバ１１０は、二次電池を回収してバッテリーユニット１０を再組立てする回収業者が運用する情報処理装置であり、ネットワークを介してユニット交換通知部６０が送出するユニット交換信号を受信する。ユニット交換信号を受信した回収業者は、交換対象とされたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを取り外して持ち帰り、分解して原料をリサイクルする処理に回す。また、新たに用意したバッテリーユニット１０を収容部２０に収容して以後の充放電工程において充放電動作の対象とする。新たにバッテリーユニット１０は、交換対象として取り外されたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅよりも充電容量が大きいため、電源装置１００の充電総量を維持することができる。また、交換対象とされたバッテリーユニット１０ａ～１０ｅは充放電動作の対象から除外されているため、新たなバッテリーユニット１０との交換作業時においても、充電動作および放電動作を継続することができる。
上述したように本実施形態では、バッテリーユニット１０ａ～１０ｅの一部を新たに用意したバッテリーユニット１０と交換するため、電源装置１００全体での充電総量を維持して、安定した電力を継続的に利用可能である。また、バッテリーユニット１０に様々な劣化度の使用済みバッテリーセル１１～１５を用い、複数のバッテリーユニット１０ａ～１０ｅでの総充電量を確保しているため、劣化度が進んだ充電容量の少ないバッテリーセル１１～１５を有効に活用することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６～図８を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、バッテリーセルの劣化度を正確に判定するために、バッテリーセルの使用履歴情報を参照する点が第１実施形態と異なっている。
図６は、本実施形態に係るバッテリー再利用工程を示す模式図である。図６に示したように、本実施形態ではバッテリー使用機器２００から使用済バッテリー２１０を取り出し、使用済バッテリー２１０内に含まれていた複数のバッテリー要素２２０を個別に分解する。分解された個別のバッテリー要素２２０は、充電動作または放電動作をさせながら電気特性を測定して劣化度を算出し、算出された劣化度に応じて複数のランクにグレーディングし、例えばＡランク～Ｃランク等に分類する。グレーディングされた複数のバッテリー要素２２０は、収容部２０に収容されて新たなバッテリーとして組み立てられ、電源装置１００に用いられる。このとき第１実施形態と同様に、同じランクのバッテリー要素２２０を直列又は並列接続してバッテリーユニット１０ａ～１０ｅを構成するとしてもよい。
バッテリー使用機器２００は、二次電池（バッテリー）に貯蔵された電力で駆動する装置であり、例えば電気自動車やハイブリットカー等が挙げられる。バッテリー使用機器２００では、使用しているバッテリーの使用環境や使用状況を履歴情報として記録している。履歴情報として記録される情報としては、例えば充電回数、放電回数、使用環境温度、使用時間、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）などが挙げられる。特に、電気自動車等の移動体においては、走行距離や走行履歴、加速回数、走行速度、ブレーキ回数等の運転履歴を履歴情報に含めることが好ましい。
使用済バッテリー２１０は、個体毎に識別番号が付与されており、バッテリー使用機器２００での履歴情報と識別番号が関連付けされて、バッテリー使用機器２００の記憶装置に記録されている。使用済バッテリー２１０には複数のバッテリー要素２２０が含まれて電気的に接続されており、複数のバッテリー要素２２０を一括して一つの電池としてＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）で充放電の制御を行っている。
バッテリー要素２２０は、バッテリーユニットまたはバッテリーセルとして使用済バッテリー２１０に複数含まれている要素である。バッテリー要素２２０には個別のＢＭＳは備わっていないため、新たにＢＭＳを追加して電気特性の測定や充放電の管理を行うことが好ましい。また、各バッテリー要素２２０には、新たに固体を識別するための識別情報が付与され、各バッテリー要素２２０の識別情報には分解前の使用済バッテリー２１０に付与されていた識別番号が関連付けて記録されている。
図７は、本実施形態に係るバッテリー劣化度判定システムの工程例を示すフローチャートである。図８は、本実施形態に係るバッテリー劣化度判定システムで用いられる管理サーバ１１０の構成例を示すブロック図である。管理サーバ１１０は、図８では図示を省略しているが、情報を記録する記録部と、外部との情報通信を行う情報通信部を備えて、予め記録されたプログラムによって情報処理部が情報処理動作を行う。また、管理サーバ１１０の動作プログラムは記録部に予め記録せず外部からダウンロードするとしてもよい。また、本実施形態の管理サーバ１１０は、第１実施形態の図５に示したように、ネットワークを介して電源装置１００と情報通信可能に接続されている。
図８に示すように、管理サーバ１１０には識別情報１１１と、履歴情報１１２と、診断情報１１３が記録部に記録され、バッテリー要素２２０の劣化を判断する劣化判断部１１４を備えている。劣化判断部１１４は、管理サーバ１１０の情報処理手段によってプログラムが実行されることで実現されるとしてもよく、ネットワークを介して管理サーバ１１０と情報通信可能に接続された外部の機器により実現されるとしてもよい。また、管理サーバ１１０の内部または外部には、バッテリー要素２２０の電気特性を測定する測定装置が設けられており、当該測定装置で測定された結果が測定情報として管理サーバ１１０に送信されることで、劣化判断部１１４の測定機能を構成している。
図７に示すように、本実施形態に係るバッテリー劣化度判定システムでは、ステップＳ１１の取り出し工程で、バッテリー使用機器２００から使用済バッテリー２１０を取り出す。次にステップＳ１２の使用履歴情報取得工程では、バッテリー使用機器２００に記録されている使用済バッテリー２１０の履歴情報を取得する。使用履歴情報取得工程で取得された履歴情報１１２は、使用済バッテリー２１０の識別番号と関連付けて管理サーバ１１０に記録される。
次にステップＳ１３の分解工程で、使用済バッテリー２１０を分解して含まれているバッテリー要素２２０を個別に分離する。このとき、分離された各バッテリー要素２２０には、識別情報１１１が付与される。各バッテリー要素２２０の識別情報１１１は、分解前の使用済バッテリー２１０の識別番号および履歴情報１１２と関連付けて管理サーバ１１０に記録される。したがって、各バッテリー要素２２０について識別情報１１１と、使用済バッテリー２１０の識別番号および履歴情報１１２が関連付けて管理サーバ１１０に記録される。これにより、各バッテリー要素２２０について、分解前の使用済バッテリー２１０とバッテリー使用機器２００での履歴情報１１２まで遡って追跡することができる。
次に、ステップＳ１４のモジュール診断工程では、劣化判断部１１４は、各バッテリー要素２２０に充電動作または放電動作を実行して電気特性を測定し劣化判断部１１４が初期劣化度を判定する。ここで、モジュール診断工程で測定された電気特性は、本願発明における第１電気特性に相当している。また、初期劣化度は、バッテリー使用機器２００から取り外された最初の段階での使用済バッテリー２１０の劣化度であり、本願発明の第１劣化度に相当している。また、電気特性の測定に際しては、各バッテリー要素２２０にＢＭＳが備えられていない場合には、新たに各バッテリー要素２２０にＢＭＳを付加することが好ましい。
次に、ステップＳ１５の個別情報記録工程では、劣化判断部１１４が判定した初期劣化度を診断情報１１３に含めて管理サーバ１１０に記録する。また、各バッテリー要素２２０に関連付けられた使用済バッテリー２１０の履歴情報１１２を複製して、各バッテリー要素２２０の識別情報１１１と関連付けた個別の履歴情報１１２を管理サーバ１１０に記録する。このとき、診断情報１１３には判定した初期劣化度に加えて、電気特性の測定日時、測定条件、測定結果等の付加的な情報を含めるとしてもよい。また、劣化判断部１１４は、バッテリー要素２２０の識別情報１１１および履歴情報１１２と関連付けて診断情報１１３を記録する。
ステップＳ１４のモジュール診断工程では、測定した電気特性に加えて、管理サーバ１１０に記録されている識別情報１１１および履歴情報１１２を参照して、初期劣化度を判定するとしてもよい。一例としては、バッテリー使用機器２００での使用済バッテリー２１０の履歴情報から充電回数や放電回数、走行距離等を取得し、これらの情報と劣化度の関係を予めテーブル情報として作成しておき、テーブル情報を参照して劣化度を判定することが挙げられる。また、管理サーバ１１０には多数のバッテリー要素２２０に関して履歴情報１１２と診断情報１１３が記録されているので、これら多数のデータを基に履歴情報１１２と診断情報１１３の関係を機械学習によって分析して劣化度を判定するとしてもよい。
次に、ステップＳ１６のグレーディング工程では、管理サーバ１１０に記録された各バッテリー要素２２０の診断情報１１３から劣化度に応じて分類（クラス分け）する。次に、ステップＳ１７の再構成工程では、クラス分けされた複数のバッテリー要素２２０を組み合わせて収容部２０に収容して再生バッテリーを構成する。このとき、同クラスに分類されたバッテリー要素２２０は直列又は並列接続し、異なるクラスに分類されたバッテリー要素２２０は、求められる電圧によっては直列又は並列接続してもよい。また、再構成された再生バッテリーの合計の充電可能容量は、含まれるバッテリー要素２２０の総和として算出することができる。ここで、再生バッテリーとしては、第１実施形態で示した電源装置１００の構成を採用することができる。
次に、ステップＳ１８の再使用工程では、再構成された再生バッテリーを用いて各種負荷９１に電流を供給して放電動作と、外部電源またはソーラーパネル９０からの充電動作を行う。再使用工程を所定期間継続した後に、ステップＳ１９に移行する。
次に、ステップＳ１９の劣化情報取得工程において、電源装置１００の劣化測定部５０または管理サーバ１１０の劣化判断部１１４を用いて、充電動作時または放電動作時の再生バッテリーの電気特性を測定する。ここで、再生バッテリーの電気特性は、本願発明における第２電気特性に相当している。また、劣化測定部５０または劣化判断部１１４は、測定された電気特性と測定時点までの再生バッテリーの使用履歴を履歴情報１１２に追加して更新する。また、劣化測定部５０または劣化判断部１１４は、測定された電気特性と、更新された履歴情報１１２に基づいて再度バッテリー要素２２０の劣化度を判定し、判定された劣化度を管理サーバ１１０の診断情報１１３に追加して更新する。ここで、劣化情報取得工程で再判定された劣化度は、本願発明における第２劣化度に相当している。
上述したように本実施形態では、劣化情報取得工程において更新された履歴情報１１２および診断情報１１３は、再生バッテリーが使用されることで管理サーバ１１０に随時蓄積されていき、他のバッテリー要素２２０の劣化度を判定する際に用いられる。したがってモジュール診断工程および劣化情報取得工程では、バッテリー使用機器２００での使用履歴と、バッテリー要素２２０の分解時の電気特性と、他の再生バッテリーでの使用履歴を参照して初期劣化度を判定することになる。これにより、分解時点のバッテリー要素２２０の電気特性だけではなく、分解前から再使用後の使用履歴と劣化度を時系列で把握したビッグデータを用い、バッテリー要素２２０で再構成された再生バッテリーがどの程度継続して充放電できるかの予測精度を高めた劣化度の判定を行うことが可能である。
次に、ステップＳ２０の交換対象判定工程では、第１実施形態の図４で示した手法を用いて、バッテリー要素２２０を交換するか否かを判断する。交換対象となるバッテリー要素２２０が存在しない場合にはステップＳ１８に移行して再使用工程が継続され、存在する場合にはステップＳ２１に移行する。ステップＳ２１の交換通知工程では、ネットワークを介して管理サーバ１１０の外部に交換対象であるバッテリー要素２２０を通知する。
上述したように、本実施形態のバッテリー劣化度判定システムは、バッテリー要素２２０の識別情報１１１と使用した履歴情報１１２を関連付けて管理サーバ１１０に記録し、バッテリー要素２２０の充電時または放電時の第１電気特性を測定し、測定結果および履歴情報１１２に基づいて初期劣化度を判定し、劣化判断部１１４は初期劣化度を含む診断情報１１３を識別情報１１１と関連付けて管理サーバ１１０に記録する。バッテリー要素２２０の電気特性と履歴情報に基づいて劣化度を判定することで、電気特性の測定時点におけるバッテリー要素２２０の状態だけではなく、当該バッテリー要素２２０が製造されてからの使用履歴も考慮して正確な劣化度の判定を行うことができる。
また、劣化判断部１１４は、所定期間経過後にバッテリー要素２２０の充電時または放電時の第２電気特性を測定して履歴情報１１２を更新し、第２電気特性の測定結果および履歴情報１１２に基づいて第２劣化度を判定し、第２劣化度を含めて診断情報１１３を更新する。これにより、再構成された再生バッテリーの使用履歴も考慮した劣化度の判定を行うことができ、さらに正確に劣化度を判定することができる。
また、劣化判断部１１４が、複数のバッテリー要素２２０に関する履歴情報１１２と診断情報１１３の関係を機械学習によって分析し、分析の結果に基づいて初期劣化度および第２劣化度の判定方法を更新する。これにより、バッテリー使用機器２００からバッテリー要素２２０を取り出して測定し、再生バッテリーを再構成して使用し、再生バッテリーの使用履歴と電気特性を収集してバッテリー要素２２０の劣化度をより高精度に判定することが可能となる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１００…電源装置
１０，１０ａ～１０ｅ…バッテリーユニット
２０…収容部
３０…制御部
４０…接続選択部
５０…劣化測定部
６０…ユニット交換通知部
７０…充電部
８０…放電部
９０…ソーラーパネル
９１…負荷
１１０…管理サーバ
１１～１５…バッテリーセル
１１１…識別情報
１１２…履歴情報
１１３…診断情報
１１４…劣化判断部
２００…バッテリー使用機器
２１０…使用済バッテリー
２２０…バッテリー要素

Claims (6)

  1. 充電部からの充電および放電部からの放電を行う電源装置であって、
    複数のバッテリーセルを直列又は並列に接続した複数のバッテリーユニットと、
    選択対象である前記バッテリーユニットから一つを充電対象として選択して前記充電部に接続し、他の一つを放電対象として選択して前記放電部に接続する接続選択部と、
    個々の前記バッテリーユニットを着脱自在に収容する収容部を備え、
    前記バッテリーセルは劣化度に応じて複数の劣化ランクに分類されており、一つの前記バッテリーユニットに含まれる前記バッテリーセルは、前記劣化ランクが同じであり、
    前記バッテリーユニットに含まれる前記バッテリーセルについて前記劣化度を測定する劣化測定部と、
    前記接続選択部は、前記劣化測定部の測定結果に基づいて、前記選択対象から除外される前記バッテリーユニットを決定し、
    前記劣化測定部の測定結果に基づいて、ユニット交換信号を送出するユニット交換通知部を備えることを特徴とする電源装置。
  2. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記ユニット交換通知部は、何れかの前記バッテリーセルの充電容量が第１閾値以下となった場合に前記ユニット交換信号を送出することを特徴とする電源装置。
  3. 請求項２に記載の電源装置であって、
    前記接続選択部は、前記充電容量が前記第１閾値以下となった前記バッテリーセルを含む前記バッテリーユニットを選択対象から除外することを特徴とする電源装置。
  4. 請求項１から３の何れか一つに記載の電源装置であって、
    前記ユニット交換通知部は、前記収容部に収容された複数の前記バッテリーユニットについて充電可能な電気量の総和を充電総量として算出し、前記充電総量が第２閾値以下となった場合に前記ユニット交換信号を送出することを特徴とする電源装置。
  5. 請求項１から４の何れか一つに記載の電源装置であって、
    前記劣化測定部は、前記バッテリーユニットの充電時または放電時の電気特性に基づいて前記劣化度を測定することを特徴とする電源装置。
  6. 請求項１から５の何れか一つに記載の電源装置であって、
    前記充電部には、光で発電する光発電部が接続されていることを特徴とする電源装置。
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