JPH10294133A - メンテナンスを必要としないニッケル−金属水素化物蓄電池の充電方法 - Google Patents
メンテナンスを必要としないニッケル−金属水素化物蓄電池の充電方法Info
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- JPH10294133A JPH10294133A JP10050994A JP5099498A JPH10294133A JP H10294133 A JPH10294133 A JP H10294133A JP 10050994 A JP10050994 A JP 10050994A JP 5099498 A JP5099498 A JP 5099498A JP H10294133 A JPH10294133 A JP H10294133A
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Abstract
H蓄電池の適切な充電率の充電方法を提供する。 【解決手段】 Ic/10からIc/2の間の一定電流I
1の第一段階と、Ic/50からIc/10の間の一定電
流I2の第二段階とを組み合わせで含み、時間に対する
前記温度の導関数が、前記第一段階から前記第二段階へ
の移行時の温度に応じて変化するしきい値に達したとき
前記移行が行われる、メンテナンスを必要としない工業
用Ni−MH蓄電池の充電方法。
Description
要としないニッケル−金属水素化物Ni−MH蓄電池の
充電方法に関する。これらの蓄電池は通常、とくに、地
上および航空の分野の乗り物に装備される大容量(10
Ahから200Ah)バッテリの形態で取り付けられ
る。
池は、通常動作時、大気とのガス交換が可能な「開放」
型(「工業用」とも呼ばれる)か、外気との交換がない
「密閉」型(「携帯型」とも呼ばれる)のいずれかであ
る。「密閉」型蓄電池の大部分は主に携帯機器に内蔵す
るためのものであり、従って小型で容量が小さい。「開
放」型蓄電池は通常、多角形であり、容量が大きく、内
圧が低い。この種の蓄電池は、大気との接触を原因とす
る電解および蒸発による損失のため、電解液の水位を定
期的に調節しなければならない。「開放」型蓄電池のユ
ーザの要求増大を受けて、外部との交換を低減すること
によりメンテナンスを必要としない工業用蓄電池が開発
された。
性能を有するが、十分な寿命を確保するためには、これ
らの蓄電池の過充電現象を厳しく制限する必要があるこ
とがわかった。たとえば、電気自動車の駆動用として使
用する場合、少なくとも1500回の充電/放電サイク
ルの寿命が必要である。Ni−MHバッテリーの性能水
準は、高い過充電係数をともなわずに最大充電状態を実
現することができる、使用する充電方法にかかってい
る。
液蓄電池の充電は、二つの段階から成る。第一段階、す
なわち本来の意味での充電の段階は、電極の活物質の酸
化還元に相当する。Ni−MH蓄電池の場合、これは軽
度の発熱反応であり、反応が起こる時、ガスは発生しな
い。正の電極の活物質がすべて変換されてしまうと、蓄
電池は、過充電と呼ばれる第二段階に入る。この段階
中、正の電極上で酸素が発生する。負の電極側での酸素
の電気化学還元、すなわち「再結合」により、一方で
は、温度が上昇し(発熱反応)、二次的効果として蓄電
池の圧力が下がり、他方では、主に再結合中の酸素によ
り、蓄電池の内圧が上昇する。
池の充電温度が高くなればなるほど累進的に早くなり、
したがって検出がより難しくなる。その結果、充電中の
バッテリーのパラメータを常時チェックすることが必要
である。
容量に到達できる方法でなければならない。ところが、
Ni−MH蓄電池の内部温度が上昇すると電池の充電性
は低下する。従って、バッテリーの当初の充電状態、お
よび充電中のバッテリーの内部温度の変化の如何にかか
わらず充電を最適化することができる方法を規定するこ
とが必要である。そのような方法はバッテリーの管理シ
ステム内に導入することができ、ユーザは、環境および
バッテリーの双方とも害することなくバッテリーを充電
することができるようになる。
度の上昇を可能にするものであってはならない。万一過
圧になると、安全弁が開き、サイクル中に、蓄電池から
の段階的乾燥により容量の低下が見られる。
間を最小限に抑えるものでなければならない。蓄電池の
充電を最大にする目的と、バッテリーの場合、種々の蓄
電池の充電水準を均一化する目的から、第一段階で実施
した充電を補完するために過充電が必要である。問題
は、バッテリーの当初の条件の如何にかかわらず、充電
の終了を示す信頼のおける基準をいかに選択するかにあ
る。この基準は、使用可能な物理的パラメータ、すなわ
ち、電圧、圧力および/または温度にしか基くことがで
きない。
提案されてきた。
信号をもちNi−Cd対用としてひろく使われる基準で
ある、電圧降下(−ΔV)。この基準は、充電の終了時
にこの対が発生する電圧信号が弱い(0mVから−5m
V)ことから、Ni−MH対には適用することができな
い。
池の温度の絶対上昇値(+Δθ)。この基準は、充電の
開始後ただちに発生する温度上昇のため、Ni−MH対
に適用することは難しい。
の温度の相対上昇値(θ−θref)。この方法は、Ni
−MH対の充電段階の発熱動作が数学的にモデル化され
た後、この対に適合化された(FR−270583
5)。使用される切り換え信号は、通常Ni−Cd対の
場合+10℃から+15℃であるが、Ni−MH対の場
合、+5℃から+6℃のみである。
絶対温度信号が弱いことから、この対の場合に使われる
ことが多い、蓄電池の温度の変化速度、すなわち時間に
対する温度の導関数(+dθ/dt)。使用される切り
換え信号は通常、20℃/hから60℃/hである。
容器式で小容量(概ね10Ahまで)の小型密閉型蓄電
池に適した充電方法に関する。これらの蓄電池は、高率
充電(Ic/2から2Ic、すなわち、2hから1/2h
で容量の100%を充電することができる動作条件)の
シーケンスに基いた再充電方法を使用する。携帯蓄電池
は熱慣性が低いため、外部温度の変動にきわめて敏感で
ある。これら蓄電池の充電方法は、それらが置かれる環
境(過度に速い充電の停止、充電の停止なし等)の温度
の変動により妨害を受けることがある。文献DE−43
32533、WO−92/11680、およびWO−8
9/02182は、万一これらの変動があった場合、蓄
電池の温度(+Δθおよび+dθ/dt)に基く基準に
周囲温度の補正を加えることにより、それら変動を考慮
することを提案した。
Hは、携帯蓄電池よりもはるかに大きな容量(10Ah
から200Ah)を有する。工業用電池は、その平行六
面体形状およびその容器の種類(プラスチック材料)の
ため、大きな過圧に耐えることができない。その結果、
前記に記載の基準によって規定される高率充電は許容さ
れず、そうでない場合には、安全弁が開状態になり、か
なりの発熱をきたす。これは蓄電池の寿命にとって有害
である。
業用Ni−MH蓄電池に特に適し、前記の欠点を有さな
い適切な率での充電方法を提供することである。
は、 − Icを、1時間で蓄電池の放電を行うのに必要な電
流とする時、Ic/10からIc/2の間の一定電流I1
で行われ、前記蓄電池の温度θが上昇する、充電と呼ば
れる第一段階と、 − Ic/50からIc/10の間の一定電流I2で行わ
る過充電と呼ばれる第二段階とを組み合わせで含むこと
を特徴とし、時間に対する前記温度の導関数dθ/dt
がしきい値(dθ/dt)sに達した時前記第一段階か
ら前記第二段階への移行が行われ、しきい値が前記移行
時の前記蓄電池の温度θに応じて決定される関数、すな
わち (dθ/dt)s=f(θ) として変化する、メンテナンスを必要としない工業用N
i−MH蓄電池の充電方法である。
(dθ/dt)sはさらに、前記第一段階の一定電流I1
に若干応じて決定される。
ができるという長所を有する。しかしながら、過度に高
い温度または過度に低い温度での充電は蓄電池を非可逆
的に破損する危険性があることから、蓄電池の動作に関
し許容される温度範囲に限定する必要がある。選択され
る範囲は−20℃から+50℃の範囲であることが好ま
しい。この温度範囲では、しきい値(dθ/dt)sは
通常、4℃/hから10℃/hの間である。
電池に対する蓄電池の外部からの熱的擾乱の影響により
規定される下限と、時間dθ/dtに対する温度の前記
導関数から前記影響を減じたものがとり得る最大値によ
り規定される上限との間にある。
に存在する熱交換を考慮したものである。特に電気自動
車のバッテリーは、たとえばユーザが空調された車庫か
ら高温のアスファルトに車を出す場合など環境温度の急
激な変化による熱的擾乱を受けることがある。この時に
充電が始まると、バッテリーの温度がより急激に上昇す
る。充電方法の選択時にはこの影響を考慮する。
(プラスチック製ケースおよび少量の電解液)により、
熱慣性が大きいことから、信号dθ/dtに対する20
℃未満の周囲温度の変化の影響は事実上無視できること
に留意されたい。
しきい値がほぼ一定のままの少なくとも一つの温度範囲
と、それに続く、前記温度θが上昇すると減少する温度
範囲を含む。しきい値が一定である温度範囲を決定する
のは、自身に課せられる条件における蓄電池の充電容量
である。
い値はほぼ直線的に減少することが好ましい。経験的
に、あるいは自身の環境内での蓄電池の熱的動作のモデ
ル化を基にした計算により、一次方程式の係数を決定す
る。
た容量C1に応じて決定される容量C2を、前記第二段階
中に充電する。前記容量C2は、前記容量C1の一次関数
であることが有利である。
しない工業用Ni−MH蓄電池の場合、Ahを単位とす
る前記容量C1、およびAhを単位とする前記容量C
2は、一次関係式、すなわちC2=aC1+bにより関係
付けられる。この式において、aは、0から0.2、好
ましくは0.01から0.2の間の無次元係数であり、
bは、−0.1Crから+0.1Crの間の、Ahを単位
とする係数である。係数aおよびbは、蓄電池の前記温
度θおよび第一段階の時に使われた充電率I1に応じて
決定される。これら係数は、たとえば第一充電曲線から
経験的に決定される。過充電パーセントは、通常、蓄電
池の容量の5%から20%であるが、その選択は、蓄電
池の充電性に応じて決定される。
面を参照して行う以下の説明から明らかになろう。
述する実験は、312Vの電圧に対する公称容量Cn=
127Ahのメンテナンスを必要としないバッテリーに
ついて行われたものである。バッテリーは、直列に組み
合わせた五つの蓄電池の52個のモジュールで構成され
る。モジュールは、それらの側面に沿って水を流すこと
により冷却される。バッテリーは、二つのモジュール間
に位置するプレートにより延長された金属管内に設置さ
れ、外部から断熱された温度センサを具備する。この形
式のバッテリーは、電気車両の駆動用の用途に特に適す
る。
実施し、過充電を行う第二段階への移行基準を決定す
る。本発明によれば、蓄電池の温度θに応じて決定され
るしきい値(dθ/dt)sに達した時、すなわち(d
θ/dt)s=f(θ)の時に、第一段階が終了する。
この値は三組の試験によって実験的に求める。
maxが得られるまで充電容量C1に応じて導関数dθ/d
tが変化するのが観られる。図1は、充電開始温度θI
を22℃とした時の、温度θの変化(曲線1)、および
16A(Ic/8)の充電率でのその導関数dθ/dt
の変化(曲線2)を示す。符号3は、導関数が到達した
最大値(dθ/dt)maxである。この最大値は、外部
との熱交換が、過充電電流によりもたらされるエネルギ
ーの相殺を開始する時に、蓄電池内の温度の減少勾配を
設定することに相当する。第一の充電段階の停止基準
(dθ/dt)sは、導関数dθ/dtの小さい値4お
よび大きい値5の間に含まれる範囲から選択するものと
する。
危険性があることから、選択した基準は低すぎてはなら
ない。実際の場合のシミュレーションでは、温度変化の
最小値として4℃/hをこの蓄電池に課すことが必要と
なり、これはたとえば、およそ20℃の温度変動を突然
受ける車両に相当する。
t)maxの最大値に近過ぎると、停止基準に到達できず
従って充電を停止することができないことから、近過ぎ
てはならない。実際、時間に対する温度の導関数dθ/
dtの変化曲線は、特に外部の熱妨害の影響により変化
することがあり、蓄電池が老朽化するに従い曲線の形状
の変化が認められる。また、蓄電池の温度を制限する試
みがなされている。
テリーを種々の充電率で連続的に充電することにある。
第一段階は、それぞれ16AすなわちIc/8、25A
すなわちIc/5、および42AすなわちIc/3の電流
で実施された。また、検討した三つの充電率について、
好ましい動作範囲(−20℃から50℃)に属する種々
の温度で同様の実験を実施した。
電池に関し、結果を表1にまとめた。該表において、 − θIおよび(dθ/dt)Iはそれぞれ、充電開始時
の温度およびその導関数を示し、 − θmaxおよび(dθ/dt)maxはそれぞれ、第一段
階において温度およびその導関数が到達した最大値を示
し、 − θf1および(dθ/dt)sはそれぞれ、第一段階
終了の温度および前記に規定したような導関数のしきい
値を示し、 − Δθ=(θf1−θI)は、充電中の全温度変化量を
示す。
わらず温度上昇量Δθは小さく6℃から12℃の間であ
ることがわかるが、この差は、充電率が増加すると増加
する。
かかわらず、(充電停止時の)温度θf1が上昇するとし
きい値は低下する、すなわちIc/8の充電率で27℃
で8℃/h、46℃で4℃/hとなることがわかる。事
実、温度が高くなればなるほど充電性は悪くなり、従っ
て蓄電池はより早く酸素を放出するようになる。酸素の
還元反応は発熱性であることから、充電性はなおさら影
響を受ける。その結果、高温では、より速く最大温度勾
配(dθ/dt)maxに達し、しきい値(dθ/dt)s
はさらに低くなる。
の変化法則を図3の曲線9に示す。これは以下のような
形で表わされる。すなわち(Δθ/Δt)s=8℃/h
−18℃<θ<27℃の場合、および(Δθ/
Δt)s=8−[(θ−27)/4] θ≧27
℃の場合となる。
い値(Δθ/Δt)sと、充電開始時の温度の導関数
(Δθ/Δt)Iとの間の差を調べた。
電開始時に、勾配dθ/dtが1℃/hから6.8℃/
hの間の温度上昇が生じる。この現象は、当初の低い充
電率CIに対し高い値をもち、ジュール効果によって散
逸される多量の熱を発生する内部抵抗により説明がつ
く。Ic/8およびIc/5の充電率では、充電開始時の
温度θの上昇は、しきい値(dθ/dt)sの決定には
影響しない。なぜなら、発生した温度変動は、規定した
しきい値と比較してきわめて小さいからである。しか
し、Ic/3の充電率では、温度変化の当初の勾配(d
θ/dt)iは7℃/hになることがあり、これは、第
一段階の停止基準として前に選択した値(dθ/dt)
s、すなわち8℃/hにきわめて近い。
hでしかないため、充電が通常よりも早く中断されるお
それがある。従って追加の安全策を講じ、理由なく充電
が中断されないようにしなければらない。選択した解決
方法は、5%から20%の間の充電パーセントまでは、
必ず、最高でも25A(Ic/5)の適度な充電率で充
電を開始し、次に、42A(Ic/3)というより速い
充電率に移行することである。
電率で過充電とよばれる第二段階の継続時間を決めるた
めに、第二段階の検討を行った。第一段階中に充電され
た容量C2と第二段階中に充電された容量C1とを関連付
ける係数aおよびb、すなわちC2=(a×C1)+bを
実験的に求める。
Ah)の20%、すなわち28Ahの過充電容量C2で
過充電する。従って充電係数kは1.2となり、総充電
量はC1+C2=1.2×Crとなる。
となる実容量Crに対し5Ahだけ遅延して検出され
た。従って第一段階では、C1=145Ah充電したこ
とになる。この遅延は係数bで表わされ、ここでは係数
は−5である。
C1−b]=0.19 が得られる。
C2=0.19C1−5となる。
する上に規定した基準の適用性を確認する。これらの試
験は、上で決めたしきい値で充電を実施し、復元された
容量が最適であること、第一段階における充電係数が大
き過ぎないこと、圧力の増加により、容量の低下をきた
すおそれのある安全弁の開動作が生じないこと、バッテ
リーの当初の充電状態の如何にかかわらず基準が適用可
能であること(CIは0%から100%まで)を確認す
ることを内容とする。
充電を実施する。しきい値(dθ/dt)sは、27℃
の蓄電池温度以下において8℃/hに固定される。それ
を超えると、しきい値は温度とともに直線的に変化す
る。すなわち43℃までは(dθ/dt)s=8−
[(θ−27)/4]であり、温度が43℃を超える
と、しきい値は4℃/hで再度一定になる。
の、温度θ(曲線1)、16A(Ic/8)の充電率で
の導関数dθ/dt(曲線2)の変化を示すグラフであ
る。第一充電段階6の停止基準(dθ/dt)sは、第
一段階中に充電された容量C1に相当する。第二段階
は、温度θ(曲線7)、6A(Ic/20)の充電率で
の導関数dθ/dt(曲線8)の変化で表わされる。
電池についての結果を全て表2にまとめたが、これから
特に、 ・ バッテリーの当初温度θI、および二つの段階のそ
れぞれ終了時の温度θf1およびθf2 ・ 温度変化の当初の勾配(dθ/dt)i ・ 二つの段階のそれぞれについての充電容量C1およ
びC2 ・ 二つの段階のそれぞれについての圧力変化ΔP1お
よびΔP2 ・ k=[(C1−C2)/Cr]×100により規定さ
れる%で表わす充電係数がわかる。
選択した充電率I1によるが、1.11から1.21の
間である。充電率の如何にかかわらず、放電時に復元さ
れる容量Crは137Ahから149Ahの間、すなわ
ち広範囲な当初温度域(−18℃から+28℃)に対し
9%未満の分散である。
P1は少なく(≦0.7バール)、これは、第一段階で
の充電の終了が十分に早く検出されたことを示してい
る。第一段階終了時の圧力は、温度θおよび充電率I1
とともに上昇することに留意されたい。
ているかいないかを知らずにバッテリーを再充電しよう
とする場合、本発明による充電方法を適用してもバッテ
リーの破損をきたすことはない。バッテリーの当初の充
電状態が100%(充電後即再充電)の場合、第一段階
終了基準が得られた後、第二段階があるのは好ましくな
い。
り、完全な充電が前もって得られ、次に、Ic/8の充
電率で、再度充電を開始した。その様子を図4の曲線に
示す。この図は、Ci=100%から25℃の充電開始
温度でIc/8の充電率で再充電する時の温度θ(曲線
10)およびその導関数dθ/dt(曲線11)の変化
を示す図である。この温度について上に規定したしきい
値(dθ/dt)s=8℃/hにより、公称容量Cnのお
よそ6.3%、すなわち8Ahを占める容量C1を充電
した後、第一段階が終了する。
%)蓄電池についての結果を、種々の充電率、および−
13℃から+37℃までの広範囲な当初温度範囲の場合
について、表3にまとめた。
検出した時点で充電を中止することにより、温度θおよ
び充電率I1によって異なるが、およそ5から9Ah
(C1)再充電される。これは、公称容量Cnの4%から
7%の間の過充電率に相当する。これらの値は、圧力が
安全弁の開動作圧力よりも明らかに低い限り、きわめて
満足のゆくものである。ある所与の温度における、再充
電容量の比較では、これら容量は充電率の如何にかかわ
らず同様であることがわかっている。
安全基準を規定することが望ましい。
1)は、第一段階終了時のバッテリーが46℃の温度θ
f1である時には復元容量は100Ahでしかないことを
示しているが、これは公称容量Cnの80%でしかな
い。充電終了時の温度θf1が高ければ高いほど、復元容
量Crは低下する。ユーザが十分な使用時間を有するバ
ッテリーを得ようとするにあたっては、温度がたとえば
46℃など上限となる温度を超えたら充電を禁止するこ
とができ、これによりユーザには少なくとも80%の使
用時間が確保されるとともに、蓄電池の早期故障を未然
に防ぐことができる。
度以下では、電解液が固体化するおそれがり、その結
果、イオン移動度がきわめて低くなり、充電性が0にな
る。これを防ぐためには、温度がこの限度値未満になっ
たら充電を禁止することが好ましい。
/8での第一段階について、蓄電池の公称容量Cnの%
で表わす充電パーセントCiの変化にともなう、℃で表
わす温度θ、および℃/hで表わす導関数dθ/dtの
変化を示すグラフである。
/8での第一段階および充電パーセントIc/20での
第二段階について、蓄電池の公称容量Cnの%で表わす
充電率Ciの変化にともなう、℃で表わす温度θ、およ
び℃/hで表わす導関数dθ/dtの変化を示す図1の
グラフと同様のグラフである。
℃/hで表わすしきい値(dθ/dt)sの変化則を示
すグラフである。
電する時の温度θおよび導関数dθ/dtの変化を示
す、図1のグラフと同様のグラフである。
Claims (10)
- 【請求項1】 メンテナンスを必要としない工業用Ni
−MH蓄電池の充電方法であって、 Icを、1時間で蓄電池の放電を行うのに必要な電流と
する時、Ic/10からIc/2の間の一定電流I1で行
われ、前記蓄電池の温度θが上昇する、第一段階と、 Ic/50からIc/10の間の一定電流I2で行われる
第二段階とを組み合わせで含むことを特徴とし、 時間に対する前記温度の導関数dθ/dtがしきい値
(dθ/dt)sに達した時、前記第一段階から前記第
二段階への移行が行われ、しきい値が前記移行時の前記
蓄電池の温度θに応じて変化する、充電方法。 - 【請求項2】 前記しきい値(dθ/dt)sがさら
に、前記第一段階の一定電流I1に応じて決定されるこ
とを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記しきい値(dθ/dt)sが、蓄電
池に対する蓄電池の外部からの熱的擾乱の影響により規
定される下限と、時間に対する温度の前記導関数から前
記影響を減じたものがとり得る最大値により規定される
上限との間にある請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記しきい値(dθ/dt)sが、しき
い値がほぼ一定のままの少なくとも一つの温度範囲と、
それに続く、前記温度θが上昇すると減少する温度範囲
とをカバーする請求項1から3のいずれか一項に記載の
方法。 - 【請求項5】 前記しきい値(dθ/dt)sがほぼ直
線的に減少する請求項1から3のいずれか一項に記載の
方法。 - 【請求項6】 前記第一段階に充電されたキャパシタン
スC1に応じて決定されるキャパシタンスC2を、前記第
二段階中に充電する請求項1から5のいずれか一項に記
載の方法。 - 【請求項7】 前記キャパシタンスC2が、前記キャパ
シタンスC1の一次関数である請求項1から6のいずれ
か一項に記載の方法。 - 【請求項8】 実キャパシタンスCrを有する蓄電池に
おいて、Ahを単位とする前記キャパシタンスC1、お
よびAhを単位とする前記キャパシタンスC2が、aが
0から0.2の間の無次元係数であり、bが−0.1C
rから+0.1Crの間の、Ahを単位とする係数である
とき、一次関係式、すなわちC2=aC1+bにより関係
付けられる請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 係数aおよびbが前記蓄電池の前記温度
θに応じて決定される請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 係数aおよびbが前記第一段階の前記
電流l1に応じて決定される請求項8に記載の方法。
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JP (1) | JPH10294133A (ja) |
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