WO1996014669A1 - System for managing state of storage battery - Google Patents

Description

明 細 書

発明の名称

蓄電池の状態管理システム 技 分野

本発明は、 電気自動車等の移動体の駆動用電源と して用い ら れるニ ッ ケル · 水素蓄電池な どの多数の蓄電池を集合 して構成 した組電池の状態管理システムに関する。 背景技術

密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池はエネルギー密度、 出力特性、 サイ ク ル寿命特性な どの基本特性に優れ、 電気自動車等の移動 体の駆動用モータ ー等の電源と して実用化への開発が進んでい る。 こ の電池を電気自動車用 と して用いる場合、 所定の駆動出 力を得るためには電池容 iが 5 0 〜 1 5 O A h程度で、 かつ総 電圧が 1 0 0 〜 3 5 0 V程度の電池が必要 となる。

密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池はその «小単位である 1 セルの 出力電圧が 1 . 2 V程度である ため、 多数のセルを直列に接続 して所定の総鬈圧を得ている。

例えばセルを 1 0 個直列に接続 して一つのモ ジ ュール電池と し、 こ のモ ジ ュ ール電池を 2 4 個直列接続すれば、 合計 2 4 0 セルの組電池とな り、 2 8 8 V の総電圧が得 られる。

このよ う な組電池を搭載 した電気自動車等の移動体において は、 常に安定 した状態で走行でき る よ う に組電池からモータ 等 に電源を供給する ために、 電池の状態管理を行ってお く こ とが 必要である。

従来、 電気自動車等の移動体の駆動用モータ ー等の電源と し ては、 主に鉛蓄電池が用い られていた。 かかる鉛蓄電池か らな る組電池の能力の状態監視は主 と して電池の端子電圧の監視に よ り行われていた。 例えば、 組電池全体と しての +端子と 一端 子との間の電圧、 すなわち総電圧の計測を行い、 定電圧充電法 による電圧制御および放電圧停止電圧の監視を行っていた。

また、 電池の安全制御のために、 電池の絶対温度を監視する 方法も提案されていた。

しか し、 電気自動車等の移動体の駆動用モータ ー等の電源と して用い られる密閉形ニ ッ ケル ' 水素蓄電池は、 鉛蓄電池な ど の従来電池とは電池特性が大き く 異な り、 鉛蓄電池で提案され ている定電圧制御では、 充分に電池の特性を引き出すこ とが難 し く、 電池性能を充分に活かすこ とができない。 発明の開示

本発明ではエネルギー密度、 出力特性、 サイ クル寿命特性な ど基本特性に優れる密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の特性を充分 に活かすこ とのでき る密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の状態管理 システムを提供する こ とを 目 的 とする ものである。

本発明によ る電気自動車等の移動体の駆動用モータ ー等の電 源と して用いられる蓄電池の状態管理シ ス テ ムは、

多数の蓄電池を集合 した組電池と、

こ の組電池に冷却空気を送る送風部と、

前記組電池の近傍に設置されて蓄電池の電圧、 温度およ び圧 力な らびに周囲温度等の電池の状態情報を検出 し、 得 られた検 出値をアナロ グ値からデジタル値に変換する アナロ グデジタル 変換機能、 及び、 前記デジタル値を順次シ リ アル方式で信号送 出する機能を有する検出ュニ ッ 卜 と、

電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレーキ操作時に発生 する電池への回生電流および移動体の各種情報を制御する移動 体信号制御部と、

前記検出ュニ ッ 卜 と移動体信号制御部からの情報によ り 演算 処理を行う 演算部と、 交流電源を入力源とする充電器に充電制 御信号を送出する充電制御信号部と、 表示部に残容量判定信号 を送出する残容量判定信号部と、 表示部に寿命判定信号を送出 する寿命判定信号部と、 移動体信号制御部に移動体制御信号を 送出する移動体制御信号部とを有する電池状態判別ュニ ッ 卜 と、 前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ って制御 され、 前記組電池を充電する充電器と、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの残容量判定信号と寿命判定 信号によ り 制御され電池の残容量と寿命判定結果を表示する表 示部と、

を備えた ものである。

こ のシステムにおいて、 送風部は前記組電池の各セルを均一 に冷却するための ものであ り、

ま た、 前記組電池の近傍には検出ュニ ッ 卜を設置 して、 これ で電池電圧、 電池温度、 電池圧力および周囲温度等の電池状態 情報検出 し、 得られた情報を電池状態判別ュニ ッ 卜 に送出する ものであ り、 ま た、 移動体信号制御部は電池の放電電流、 充電電流、 移動 体のブ レーキ操作時に発生する電池への回生電流および移動体 の各種情報を電池状態判別ュニ ッ 卜 に送出 し、

充電器は電池状態判別ュニ ッ 卜 に送出される充電制御信号に よ っ て制御され、 前記組電池を充電 し、

前記表示部は電池の残容量と寿命判定結果を表示する も ので ある ので、 移動体の一部、 例えば運転席前方のダ ッ シ ュ ボー ド に表示部を設ける こ とで、 システム全般の状態を運転者自体が 目視確認 して組電池の充電等の保守を容易に行う こ とができ る。 発明の新規な特徴は添付の請求の範囲に特に記載 した ものに 他な らないが、 構成及び内容の双方に関 して本発明は、 他の目 的ゃ特徵と共に、 図面と共同 して理解される と こ ろの以下の詳 細な説明か ら、 よ り 良 く 理解され評価されるであろ う。 図面の簡単な説明

図 1 は 本発明の実施例における蓄電池の状態管理システムを 示すブロ ッ ク 図である。

図 2 は本実施例における電池状態判別ュニ ッ 卜 の構成と関連 装置との接続を示すプロ ッ ク 図である。

図 3 は組電池の構成を示す図である。

図 4 はモ ジュール電池の構成を示す図である。

図 5 はセルであ る密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の構造を示す 図である。

図 6 のグラ フ （ A ) はセルである密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電 池を 2 5 の周囲温度下で 1 O A の定充電電流で充電 した と き の電池電圧、 電池温度、 電池内圧およ び電池昇温速度との関係 を示 し、 グラ フ （ B ) は同セルを 4 5 の周囲温度下で同条件 で充電 した と きの関係を示 し、 グラ フ （ C ) は同セルを 0 の 周囲温度下で同条件で充電 した と きの関係を示す。

図 7 は鬈圧検出線の極柱への取 り付けを示す図である。

図 8 は温度セ ンサーを取 り付けるセルの電槽蓋を示す斜視図 である。

図 9 は温度セ ンサーを電槽蓋に取 り 付けた部分断面図である。 図 1 0 は圧力一電圧変換装置を電槽蓋に取 り付けた部分断面 図である。

図 1 1 は組電池と温度セ ンサー と圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ の取付 位 の関係を示す図である。

図 1 2 は送風部によ る電池の冷却の様子の電池の周囲温度検 出用の温度セ ンサーの取 り付け状態の関係を示す模式図である。

図 1 3 は図 1 で示 した検出ュニ ッ 卜 の内部回路と組電池との 関係を示す回路プロ ッ ク 図である。

図 1 4 は図 1 で示 した組電池と検出ュニ ッ ト との配置状況を 示す模式図である。

図 1 5 はセルの充電時の特性を示す図である。

図 1 6 は充電の状況を示すフ ローチ ャ ー トである。

図 1 7 のグラ フ （ A ) は電池を定電流で放電 した と きの電池 電圧特性を示 し、 グラ フ （ B ) は第 1 の残容量判定による判定 特性を示 し、 グラ フ （ C ) は第 2 の残容量判定によ る判定特性 を示 し、 グラ フ （ D ) は本実施例の残容量判定機能を示す。

図 1 8 は本実施例の残容量判定機能のフ ロ ーチ ャ ー トである。 図 1 9 は本実施例の電池寿命判定機能のフ ロ ーチ ャ ー ト であ る。

図面の一部又は全部は、 図示を 目 的 と した概要的表現に よ り 描かれてお り、 必ずし もそ こ に示された要素の実際の相対的大 き さや位置を忠実に描写 している とは限 らないこ とは考慮願い たい。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施例を添付の図面を参照 しつつ説明する。 図 1 は、 本発明のシ ステムの実施例を示すプロ ッ ク 図である。 こ の図 1 に示す装置はすべて電気自動車等の移動体に搭載され る。 図 1 において組電池 1 には電池電圧 V、 電池温度 T B、 周 囲温度 T E および電池圧力 P等の電池状態情報を検出する検出 ュニ ッ ト 2 が接続されている。

電池状態判別ユニ ッ ト 3 には検出ユニ ッ ト 2 と、 移動体信号 制御部 4 と、 充電器 5 と、 表示部 6 とが接続されている。 移動 体信号制御部 4 は、 電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレ ーキ操作時に発生する電池への回生電流およ び移動体の各種情 報を制御する。 充電器 5 は、 交流電源を入力 と して組電池 1 に 充電電流を供給し、 電池状態判別ユニ ッ ト 3 からの充電制御信 号によ り制御される。 表示部 6 は、 電池状態判別ユニ ッ ト 3 か らの信号によ り 電池状態を表示する。

充電器 5 は組電池 1 に接続さ れ、 電池状態判別ユニ ッ ト 3 の 充電制御信号によ り 制御さ れて充電時に組電池 1 に充電電流を 供給する。 ま た、 組電池 1 はその温度を均一化する ため、 送風 部 7 から送 り 出される冷却空気で冷却される。 なお、 組電池 1 はモータ ー等の負荷 8 に接鐃さ れ、 そこ に電力を供給する。

図 2 は、 本実施例における電池状態判別ユニ ッ ト 3 の構成を 示す図である。

電池状態判別ユニ ッ ト 3 はセ ン ト ラル プロセ ッ シ ング ュ ニ ッ ト （ C P U ) 1 0 1、 検出ユニ ッ ト 2 は C P U 1 0 2、 移 勖体信号制御部 4 は C P U 1 0 3、 充電器 5 は C P U 1 0 4 を それぞれ備えている。

電池状態判別ュニ ッ ト 3 は検出ュニ ッ ト 2 と移動体信号制御 部 4 か らの情報によ り 演算処理を行う 演算部 1 1 0 と、 充電器 5 に充電制御信号を送出する充電制御信号部 1 1 1 と、 表示部 6 に残容 i判定信号を送出する残容量判定信号部 1 1 2 と、 表 示部 6 に寿命判定信号を送出する寿命判定信号部 1 1 3 と、 移 動体信号制御部 4 に移動体制御信号を送出する移動体制御信号 部 1 1 4 とを有する。

ま た、 電池状態判別ユニ ッ ト 3 と検出ユニ ッ ト 2、 移動体信 号制御部 4、 充電器 5 およ び表示部 6 はそれぞれシ リ アル信号、 デジタル信号、 アナロ グ信号な どの信号線群によ って接銃され、 ffi互に情報の交換、 制御を行う こ とができる。

図 3 は組電池 1 の構成を示す図である。 組電池 1 は図 4 で説 明する よ う に、 各 々 が 1 0 個のセル 4 0 1 〜 4 1 0 力、らなるモ ジュ ール電池 2 0 1 〜 2 2 4 を、 2 4 個直列に接続 して構成 し た ものであ り、 これらは全て電池台 1 0 5 に収納されて固定さ れている。

従っ て、 この組電池 1 は図 5 に示すセルを 2 4 0 個直列に接 続して構成 した ものであ り、 組電池の合計電池電圧は 2 8 8 V になる。 こ の組電池 1 は移動体の床下や座席後部な どに装着さ れ、 モータ ーな どの負荷の電源に供される。

図 4 はモ ジュール電池の構成を示す図であ る。 モジュール電 池は単セルを 1 0 個直列接続 して構成 した もので、 金属で構成 されたモジ ュール枠 4 0 0 内に固定され、 1 0 セルを機械的に —体化 もので、 1 個の電池と して容易に取 り 扱う こ とのでき る 構造にな っている。

本実施例ではセルを 1 0 個直列接続 してモ ジュール電池を構 成 した ものである ので、 モ ジュ ール電池の合計電池電圧は 1 2 Vになる。

なお、 電池の配置スペース等を考慮 して 9 個、 1 0 個、 1 1 個等の異なるセル数で構成されたモジュ ール電池を組み合わせ て組電池 1 を構成する こ と もでき る。

図 5 は本実施例の密閉形ニ ッ ゲル · 水素蓄電池のセルの構造 を示す斜視図である。 電槽 2 1 内に、 正極板、 負極板およびセ パレー夕からなる電極群 2 2 を収納 し、 正極板は正極端子 2 3 に、 負極板は負極端子 2 4 に接続されている。

ま た、 電槽 2 1 の蓋 2 6 には端子 2 3、 2 4 のほかに一定圧 力以上になる と開弁 してガスを放出する安全弁 2 5 が設け られ ている。

本発明では電圧 1 . 2 V、 公称容量 1 0 O A h のセルを作成 し、 試験を行っ た。

図 6 のグラ フ （ A ) は、 周囲温度が 2 5 における密閉形二 ッ ケル · 水素蓄電池のセルを 1 0 Aの定充電電流で充電 した と きの電池電圧 （ V Zセル） 、 電池温度 （ ） 、 電池内圧 （ k g f / c m ² ) および毎分当 り の電沲昇温速度 （ d T Z d t ) の 関係を示す。

グラ フ （ B ) は同 じ く 周囲温度が 4 5 てにおいて、 密閉形二 ッ ケル · 水素蓄電池のセルを 1 O Aの定充電電流で充電 した と きの同様の関係を示す。

グラ フ （ C ) は同 じ く 周囲温度が 0 において、 密閉形ニ ッ ゲル · 水素蓄電池のセルを 1 0 Aの定充電電流で充電 した と き の同様の関係を示す図である。

図 6 を も とに電池の特性を説明する。

グラ フ （ A ) の 2 5 での電圧特性は充電開始時は急激に上 昇 し、 その後緩やかに上昇する。 充電完了を過ぎる と、 電圧が ピーク よ り 降下する特性が見られる。 しか し、 グラ フ （ B ) の 4 5 てでは電圧 ピークが発生 しに く い特性がある。 ま た、 過充 電量が大き く なる傾向にな っている。

グラ フ （ C ) の 0 てでの温度特性は充電開始と と もにゆるや かに上昇 し、 充鼋完了が近づ く と急激に上昇 している。

—方 4 5 てでは充電初期から温度は上昇 し、 上昇の割合が 2 5 て、 0 ての場合に比較 して異な っ た傾向を示 している。

電池内圧は、 2 5 て、 0 ではと もにゆるやかに上昇 し、 充 電完了が近づ く と急激に上昇 している。 しか し 4 5 では充電 初期か ら上昇 し、 その上昇の割合が 2 5 て、 0 に比較 して大 きい特性を示 している。

ま た昇温特性は、 2 5 、 0 てではゆるやかに上昇 し、 充電 完了が近づ く と急激に上昇 している。 しか し 4 5 では充電初 期から上昇 し、 上昇の割合が 2 5 、 0 に比較 して大き い特 性を示 している。

このよ う に充電時の諸特性は電池温度によ っ て異なるので、 充電特性に E慮 した充電制御が必要である。

従来から充電制御の方法と して電池電圧に注目 した、 電圧制 御方式が提案されている。 しか しこの電圧制御方式は、 電池の 使用サイ ク ルが進むと電池電圧が変動するので、 密閉形ニ ッ ケ ル · 水素蓄電池の充電方式と して適切な方法ではない。

ま た、 電池の絶対温度に注目 した、 温度制御方式も提案され ている。 これは電池の周囲温度に対する追従性が遅 く、 ま た再 充電時に過充電とな っ て、 密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の充電 方式と してはやは り適切な方法ではない。

ま た、 電池電圧の充電末期に生 じる降下特性に注目 した、 温 度制御方式 も提案されているが、 これは過充電量が大き く 密閉 形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の充電方式と しては適さない。

電池の内圧に注目 した、 圧力制御方式も提案されている力、'、 この方法では圧力検出装置が高価であ り、 多数の電池を用いる 移動体用の密閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池の充電方式と しては経 済性がよ く ない。

駆動用モータ ー等の駆動時には、 電池から 1 0 0 〜 3 0 O A 程度の大きな電流が流出する。 電池の電圧を正確に測定する に はこ の電流の影響を少な く する こ とが重要である。 これまでは 選定 したセルの上部にある正極端子および負極端子の極柱に、 電流線と電圧線とを接続 した ヮ ッ シ ャ を揷入 し、 上部からナ ツ 卜で締付けて固定 していた。 こ のよ う な構成においては、 電圧線は極柱と ヮ ッ シ ャ との間 の接触抵抗によ る電位差 も含めて電池電圧と して検出する こ と にな り、 電池電圧を正確に測定する こ とができなかっ た。

図 7 は本実施例の電流線と電圧線の固定部を示す図である。 本実施例ではセル 6 0 の上部にある正極端子 2 3 (図 5 ) お よび負極端子 2 4 (図 5 ) の極柱 6 1 の上部に電圧線固定用の ね じ部 6 6 を設け、 電圧線 6 5 はその端末に設けたヮ ッ シ ャ 6 8 を前記ね じ部 6 6 を利用 して ビス 6 7 を用いて極柱 6 1 に固 定されている。

なお、 電流線 6 4 はこれまでと同様の方法で、 ナ ッ ト 6 3 で 線 6 4 末端のヮ ッ シ ャ 6 2 を極柱 6 1 に締付ける こ とで接続さ れている。

こ のよ う な構成によれば、 電圧線 6 5 は極柱上部にあ り、 極 柱 6 1 と ヮ ッ シ ャ 6 2 との間の接触抵抗によ る電位差を含める こ とな く 検出する こ とができ る ので、 電池電圧を正確に測定す る こ とができる。 ま た、 ヮ ッ シ ャ 6 2 の鐯びによ る影覆もない ので、 長期にわたって正確な電池電圧を検出する こ とができ る。

図 8 は温度セ ンサー挿入穴 7 1 およ び圧力 -電圧変換装 e取 付穴 7 2 を蓋に設けたセルの斜視図である。

図 9 はその温度セ ンサー挿入穴に温度セ ンサーを取 り付けた 状況を示す断面図である。

これまで温度セ ンサーを電池の外装部に接着剤で固定するな どの方法が取られていた。 そのために、 電池の周囲温度や風に よ る影響を受けやす く、 正確な電池温度の測定が困難であ っ た。

本実施例では電槽 2 1 の蓋 2 6 に電極群 2 2 の上面近傍まで 達する深さ を も っ た温度セ ンサー挿入穴 7 1 を設け、 こ こ に温 度センサー 3 0 1 を挿入 し、 接着剤 2 5 で固定 している （図 9 ) < このよ う な構成であるので、 温度セ ンサー挿入穴 7 1 にセル 周囲の空気が入 り込むこ とがな く、 周囲温度や風によ る影響を 受ける こ とがない。 温度セ ンサー挿入穴 7 1 の下部は、 電極群 2 2 の上面近傍に接近 している ので、 電池内部温度 とほぼ等 し い温度を測定する こ とができ、 正確な電池温度情報を得る こ と ができ る。

ま た同時に温度セ ンサーのセル容器か らのはずれを防止でき る。

図 1 0 はこの実施例の圧力一電圧変換装置装着穴 と圧力 ー電 圧変換装置の取 り 付け状況を示す図である。

この例で用いた圧力一電圧変換装置は、 半導体圧力セ ンサを 用いた もので、 圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ の商品名で （株） 長野製作 所よ り製造、 販売されている もの （以下、 圧力 卜 ラ ンス ミ ッ タ という ） が好ま しい。 これは圧力によ る半導体の歪みに起因 し た抵抗値変化を利用 して圧力一電圧変換装置を構成 した もので、 小型化されている。

実施例では、 図 8 及び図 1 0 に示すよ う に、 セルの電槽 2 1 の蓋 2 6 に圧力 卜 ラ ンス ミ ッ タ取付用貫通穴 7 2 を設け、 電槽 2 1 の内面側にナ ツ 卜 7 3 で固定されている。

圧力 卜 ラ ンス ミ ッ タ 3 0 4 はその挿入部にね じ 7 5 が切 って あ り、 圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ 3 0 4 の下にゴムの リ ング 7 4 をは さみ、 ナ ツ 卜 7 3 で電槽 2 1 の蓋 2 6 に固定する構成にな っ て いる。 こ のよ う な構成によれば、 電池の密閉性を確保する こ とがで き、 電池内部の圧力を精密に検出する こ とができ るので、 正確 に電池内部の圧力情報を得る こ とができ る。

図 1 1 は本実施例における温度セ ンサー と圧力 ト ラ ン ス ミ ツ 夕 の組電池への取付状態を示す図である。

温度セ ンサー 3 0 1 はモ ジュ ール電池 2 1 0 内のセルの一つ に、 温度セ ンサー 3 0 2 はモジ ュ ール電池 2 0 1 のう ちの一つ のセルにそれぞれ取 り付け られている。

モジュール電池 2 1 0 は組電池 1 の中央部近傍に位 e し、 そ の 4 辺を他のモジ ュール電池に囲まれている ので、 充電および 放電時に周囲の電池プロ ッ ク か らの発熱の影響を受けやす く、 蓄熱 しゃすいモジ ュ ール電池である。 一方、 モジュール電池 2 0 1 は組電池 1 の周辺部に位置 してその 2 辺 しか他のモジユ ー ル電池に囲まれていないので、 充電およ び放電時に周囲の電池 ブロ ッ クか らの発熱の影響を受けに く く、 蓄熱しに く いモ ジュ ール電池である。

圧力 卜 ラ ンス ミ ッ タ 3 0 4 はモジユ ー ノレ電池 2 1 1 のう ちの セルの一つに、 圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ 3 0 5 はモジュール電池 2 1 5 のう ちのセルの一つにそれぞれ取 り 付け られている。 モジ ユ ール電池 2 1 1 および 2 1 5 は、 組電池 1 の中央部に位置 し てその 4 辺を他の電池モジュールに囲まれているので、 周囲の 電池ブロ ッ ク からの発熱の影響を受けやす く、 昇圧 し易い。

このよ う な構成であるので、 温度セ ンサー 3 0 1 は前述の図 5 で説明 したよ う に、 高温時における昇温速度を検出 し易い。 ま た、 温度セ ンサー 3 0 2 は図 5 で説明 したよ う に低温時にお ける昇温速度を検出 し易い。

従って、 前述の 2 力所に温度セ ンサーを配置する こ とで、 組 電池 1 の全体を代表する充電末期の電池昇温速度を検出でき、 充電制御を的確に行う ための電池温度情報を得る こ とができ る _c ま た、 圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ 3 0 4、 3 0 5 では高温時におけ る電池圧力を検出 し易 く、 組電池 1 の全体を代表する充電末期 の電池圧力変化を検出でき る のでやは り充電制御を的確に行う ための電池温度情報が得られる。

図 1 2 は本実施例の電池 1 の送風部 7 (図 1 ) の送風フ ァ ン 7 a と吸引 フ ァ ン 7 b で作り 出 される冷却空気によ る冷却の様 子と、 電池の周囲温度検出用の温度セ ンサー 1 3 の装着の様子 を示 した模式図である。

電池 1 下部の送入口から送 り込まれた風は、 電池近傍を通つ て、 上部の送出口から排出される。

この送風によ って全ての電池の温度は均一化される。 ま た、 電池の周囲温度検出用の温度セ ンサー 1 3 は、 送風入口部付近 に装着されている。 こ の実施例 とは反対に、 冷却空気は電池上 部の送入口から送 られ、 電池近傍を通る際に電池を冷却 し、 下 部の送出口から排出される構造であ っ て も良い。 もちろんこ の と きには周囲温度を検出する温度セ ンサーの取付け位置は、 電 池上部の送風入口部付近に変更されなければな らない。

このよ う な構成によれば、 組電池 1 を構成する各セルの温度 をほぼ均一に近い状態にする こ とができ る。 ま た、 電池の周囲 温度検出用の温度セ ンサーは送風入口部付近に装着されている ので、 電池温度の影響を受ける こ とな く 周囲温度を検出する こ とができ、 充鼋制御を的確に行う 電池周囲温度情報を得る こ と ができ る。

図 1 3 は図 1 に示 した検出ュニ ッ ト 2 の内部回路を示す回路 図である。

図 1 3 において、 検出ユニ ッ ト 2 は C P U 1 0 2 を備えてい る。 組電池 1 の各モ ジ ュ ール電池 2 0 1、 2 0 2、 . . . 、 お よび 2 2 4 の各々 の両端部間には検出ュニ ッ ト 2 の重圧検出ォ ぺア ンプ 5 0 1、 5 0 2、 . . . 、 および 5 2 4 がそれぞれ接 統されている。

また、 .温度に応 じた電圧を出力する温度セ ンサー 3 0 1、 3 0 2、 及び 3 0 3 は電圧検出オペア ンプ 5 2 5、 5 2 6、 及び 5 2 7 にそれぞれ接続されている。

さ らに電池の内部圧力に応 じた電圧を出力する圧力 ト ラ ンス ミ ッ タ 3 0 4 及び 3 0 5 は電圧検出オペア ンプ 5 2 8 及び 5 2 9 にそれぞれ接続されている。 電圧検出オペア ンプ 5 0 1 か ら 5 2 9 はアナロ グ値からデジタル値に変換するアナロ グデジタ ル変換部 A D 1、 A D 2、 · . . 、 及び A D 2 9 にそれぞれ接 続され、 その変換結果はシ リ アル信号端子を含む信号端子群 6 0 1 を介 して順次シ リ アル信号と して電池状態判別ュニ ッ ト 3 (図 1 ) に送出 さ れる。

図 1 4 は図 1 に示 した組電池 1 と検出ュニ ッ 卜 2 との相互の 取付け状況を示す模式図である。

これまで電池電圧、 電池温度、 電池圧力、 電池の周囲温度等 の電池情報の信号線は、 充電器な どに直接接続 していた。

しか し本実施例では検出ユニ ッ ト 2 は、 組電池 1 の電池台 1 0 5 の近傍に設置されている。 図 1 3 では図の繁雑化をさ ける ため図示を省略 しているカ 、 図 1 に示 したよ う に検出ユニ ッ ト 2 と組電池 1 とは電圧 V、 温度 T、 圧力 Ρ を検出する それぞれ の信号線で接続されている。

このよ う な構成によれば、 電池電圧は 2 4 個のモジ ュ ール電 池で、 電池温度は 2 力 所、 電池の周囲温度は 1 力 所、 電池圧力 は 2 力 所で測定すれば、 信号線は十、 一線をそれぞれ独立線と する と 5 8 本必要になるが、 検出ユニ ッ ト 2 は組電池 1 の電池 台 1 0 5 の近傍に設置されている ので、 配線は短 く でき、 効率 的な配線ができ る。

図 1 5 は本実施例によ る単セルの充電動作を示 し、 図 1 6 は 本実施例の充電の流れを示すフ ロ ーチ ヤ一 卜 である。

図 1 5 と図 1 6 とを参照 しながら図 1 及び図 2 に示す構成で の充電動作について説明する。

単セルの充電動作も、 組電池 1 の充電動作も、 電圧が組電池 1 を構成する単セルの倍数にな るだけで、 充電動作に差がない こ とが実験の結果確認された。 従っ てこ こでは単セルの充電動 作について説明する。

充電は第 1 充電期間 と第 2 充電期間の二つのパー 卜からなつ ている。

充電が開始される と第 1 充電期間が始ま る。 こ の第 1 充電期 間では、 0 . 1 C〜 0 . 2 C前後 （ こ の実施例では 1 3 A前後） の大きな充電電流で充電がなされる。

充電が進行する と、 電池電圧は上昇する。 こ の とき充電電流 と充電電圧の積、 即ち充電電力が一定になる よ う （ こ の実施例 では 4. 5 k Wに設定） 充電器 4 は電池状態判別ュニ ッ 卜 3 か らの充電制御信号によ り制御される （ステ ッ プ 1 6 0 1 ) 。 第 1 充電期間は第 1 の残容量判定の結果が規定値未満 （ こ の 実施例では当初容 iの 9 0 %未満に設定） 、 または電池の昇温 速度の判定結果が規定値 （この実施例では 0. 2 分未満に 設定） 未満の期間継続され、 第 1 の残容量判定の結果が規定値 に、 ま たは電池の昇温速度判定の結果が規定値に達 した と き完 了する （ステ ッ プ 1 6 0 2、 1 6 0 3 ) 。

前記の昇温速度判定値の規定値は、 電池状態判別ユニ ッ ト 3 のじ P U内の記憶部に予め記憶されて設定さ れている充電鼋流 および電池温度に よ って補正されるので、 正確な判定が行われ る。

第 2充電期間は、 0. 0 2 C前後 （ こ の実施例では 3 A ) の 小さな充電電流で充電を行う （ステ ッ プ 1 6 0 4 ) 。 こ の第 2 充電期間は、 第 2 の残容 i判定の結果が規定値 （この実施例で は 1 1 0 %未満に設定） 未漪か、 ま たは第 2充電期間の時間が 規定値 （こ の実施例では 3 時間未満に設定） の期間継続され、 第 2 の残容量判定結果が規定値ま たは第 2充電期間の時間が規 定値に達 した とき に完了する （ステ ッ プ 1 6 0 5、 1 6 0 6 ) 。

このよ う に本実施例によれば、 第 1 充電期間は定電力で充電 を行う ので、 契約電力の最大値に近い最大の電力で充電を行う こ とができ、 第 1 充電期間を 1 3 Aの定電流で充電 した時に比 較 して約 1 時間充電時間を短縮でき る。

ま た、 第 2充電期間は規定残容量ま たは規定時間で充電を停 止する ので、 無駄な充電電力を使用 しな く、 充電効率の高い充 電が行える。

図 1 7 はこ の実施例の残容量判定機能を示す図である。

ま た、 図 1 8 はこの実施例の残容量判定のフ ロ ーチ ャ ー ト で ある。

図 1 7 のグラ フ （ A ) は定電流で放電を行っ たときの電池電 圧特性を示 している。 グラ フ （ B ) は電池か らの放電電気量、 鬣池への充電電気量および電池の自 己放電電気量を加算および 加減 して電池の残存容 iを判定する第 1 の残存容量判定に よ る 残容量の変化を示 している。 グラ フ （ C ) は電池放電時おける 電池電圧をそのと きの放電電流で補正 し、 一定負荷時の電池電 圧を推定 して残存容量を判定する第 2 の残存容 i判定によ る残 容量の変化を示 している。 グラ フ （ D ) はこ の実施例の残存容 量判定機能によ る電池の残容量の変化を示 している。

これまでは、 前記第 1 の残存容量判定ま たは第 2 の残存容量 判定によ っ て電池の残容量を判定 していたので、 全期間にわた つて電池の正確な残容量判定はできなかっ た。

さ らに第 1 の残存容量判定は電池からの放電電気 i、 電池へ の充電電気量およ び電池の 自 己放電電気: fiを加算およ び加滅 し て電池の残容量判定を行っ ている ので、 メ モ リ ー効果によ る電 池の残容悬変化を捕らえに く い欠点があ っ た。

特に残容量が 2 0 %付近から 0 %迄においては正確な残存容 量の表示が困難であ っ た。

—方、 電池放電時おける電池電圧をその時の放電電流で補正 し、 一定負荷時の電池電圧を推定 し残存容量判定を行っている ので、 特に残容量が 1 0 0 %付近から 2 0 %付近迄においては 雷池電圧の変化が少ないため、 電池の残存容 i変化を捕らえに く く、 正確な残容量の表示が困難であ っ た。

しか し図 1 8 に示すよ う に本実施例では、 第 1 の残存容 i判 定 （ステ ッ プ 1 8 0 1 ) と第 2 の残存容量判定 （ステ ッ プ 1 8 0 2 ) との 2 つの方法によ っ て残容量判定を行い、 残容量が当 初容 Jtの 1 0 0 %から 2 0 %付近迄は第 1 の残存容量判定によ る残容量を採用 し （ステ ッ プ 1 8 0 3、 1 8 0 4 ) 、 第 1 の残 存容量判定による残容量が当初の 2 0 %近 く まで低下 した後の 2 0 %から 0 %迄は第 2 の残存容: B:判定によ る残容量を表示す る （ステッ プ 1 8 0 3、 1 8 0 5 ) よ う に構成されている。

このよ う に本実施例によれば、 充放電電気 iを基礎と した第 1 の残存容: ft判定と放電電圧を基礎と した第 2 の残存容量判定 とを組み合わせる こ とによ り、 精度の高い残容量判定を行う こ とができ る。

図 1 は本実施例の寿命判定のフ ロ ーチ ャ ー トである。

組電池の各モジュ ール電池毎に得られた電池状態情報、 すな わち電池電圧、 残容量を集計 し （ステ ッ プ 1 9 0 1 ) 、 次に集 計データ の平均値を求める （ステ ッ プ 1 9 0 2 ) 。

こ こで求めた平均値とそのモ ジュール電池の電池状態情報と を比較 し （ステ ッ プ 1 9 0 3 ) 、 その値に所定以上の差がある 時には劣化 した と判定する。

た とえば、 平均値と比較するモジュ ール電池の電圧が、 平均 値である電圧値に対 して I V程度の差がある ときは、 そのモ ジ ユール電池内に短絡 した電池がある と推定 し、 寿命と判定する。 ま た、 比較のモジ ュ ール電池の残容量が平均残容： S値に対 して 2 0 %程度の差がある と き は、 そのモ ジ ュール電池内に容量劣 化の電池がある と推定 し、 寿命 と判定する。

このよ う な判定結果に基づいて前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの信号によ って、 表示部 6 で寿命表示 （ステ ッ プ 1 9 0 4 ) が行われる。 比較の結果、 ま だ寿命に達 していないと判定され る場合は寿命表示を行わない。

このよ う にモジ ュール電池毎の電池状態情報に基づいて状態 判定を行う ので、 短絡や容量低下 した電池な どの不良およ び寿 w 'に■ 至 っ た電池の判定が、 正確に行える

発明はある程度の詳細さ を も って好適な形態と して説明 した が、 こ の好適形態の現開示内容は構成の細部によ っ て変化 して しかるべきであ り、 各部品の組合せや配置は、 以下に請求する 発明の範囲及び思想を逸脱する こ とな く 再構築 し得る と理解さ れる。 産業上の利用可能性

本発明に よ る電気自動車等の移動体の駆動用モータ ー等の電 源と して用い られる蓄電池の状態管理シ ステムは、 複数のモ ジ ユール電池からな る組電池と、 これに冷却空気を送 り 出す送風 部と、 この組電池の近傍に設置 した検出ユニ ッ ト によ り、 蓄電 池の情報を検出 し、 検出ユニ ッ ト と移動体信号制御部の情報を 基に電池状態判別ュニ ッ 卜 の演算機能によ り、 充電器の充電制 御を適切に行う と と もに、 電池の残容量、 電池寿命を的確に表 示部で表示する こ とができ る。

従っ て、 蓄電池の状態把握や保守が容易に行える。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 移動体の駆動用電源と して用い られる多数の蓄電池を集合 した組電池と、

この組電池に冷却空気を送る送風部と、

前記組電池の近傍に設置されて蓄電池の電圧、 温度およ び圧 力な らびに周囲温度等の電池の状態情報を検出 し、 得 られた検 出値をアナロ グ値からデジタル値に変換する アナロ グデジタル 変換機能、 及び、 前記デジタル値を順次シ リ アル方式で信号送 出する機能を有する検出ュニ ッ 卜 と、

電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレーキ操作時に発生 する電池への回生電流および移動体の各種情報を制御する移動 体信号制御部と、

前記検出ュニ ッ 卜 と移動体信号制御部からの情報によ り 演算 処理を行う 演算部と、 交流電源を入力源とする充電器に充電制 御信号を送出する充電制御信号部と、 表示部に残容量判定信号 を送出する残容量判定信号部と、 表示部に寿命判定信号を送出 する寿命判定信号部と、 移動体信号制御部に移動体制御信号を 送出する移動体制御信号部とを有する電池状態判別ュニ ッ 卜 と、 前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ って制御 され、 前記組電池を充電する充電器と、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの残容量判定信号と寿命判定 信号によ り 制御さ れ電池の残容量と寿命判定結果を表示する表 示部と

を備えた蓄電池の状態管理シ ステム。

2 . 組電池は、 多数のセルか らなるモ ジュ ール電池の複数個か ら構成されていて、

電池の電圧はすべてのモ ジュ 一ル電池毎に検出 し、

電池の温度は少な く と も蓄熱 しゃすい電池モジュ ールま たは その近傍の電池モ ジュ ール内のセルの一つ、 および少な く と も 蓄熱 しに く い電池モジュ ールま たはその近傍の電池モ ジュ ール 内のセノレの一つにそれぞれ設け られた少な く と も 2 個の温度セ ンサ一で検出 し、

電池の圧力は少な く と も蓄熱 しゃすい電池モジュールま たは その近傍の電池モジュ ール内のセルの一つに設けた圧力セ ンサ 一で検出 し、

周囲温度は送風部の送風入口付近に装着された温度セ ンサー で検出する、

こ とを特徴とする請求項 1 記載の蓄電池の状態管理システム。

3 . 組電池を構成するセルの極柱は電流供給用の電流線固定部 と電池電圧測定線の固定部とか らな り、

前記電池電圧測定線の固定部は、 前記電流線固定部とは独立 してセルの極柱上部に設けたね じ部に電池電圧測定線を取 り付 けて、 電池電圧の検出を可能に している、

こ とを特徵とする請求項 1 記載の蓄電池の状態管理シ ス テム。

4 . 組電池を構成するセルの電槽の蓋に電池の極板上部に接近 する ま での深さを持つ凹部溝を設け、 こ こ に温度セ ンサー取 り 付けて電池温度を検出する、

こ とを特徴とする請求項 2 記載の蓄電池の状態管理システム,

5 . 組電池を構成するセルの電槽の蓋に霣通穴を設け、 こ こ に 圧力一電圧変換装 Sを取 り 付けて電池圧力を検出する こ とを特 徴とする請求項 2 記載の蓄電池の状態管理シ ステム。

6 . 組電池を構成する複数のモ ジュ ール電池の多数のセルは密 閉形ニ ッ ケル · 水素蓄電池か らなる こ とを特徴とする請求項 1 〜 5 のいずれか 1 つに記載の蓄電池の状態管理システム。

7 . 移動体の駆動源用電源と して用い られる多数のセルからな るモジュール電池の複数個を集合 した組電池と、

こ の組電池に冷却空気を送る送風部と、

前記組電池の近傍に設置されて電池の電圧、 温度および圧力 な らびに周囲温度等の電池の状態情報を検出 し、 得られた検出 値をアナロ グ値か らデジタル値に変換するアナログデジタル変 換機能と、 前記デジタル値を順次シ リ アル方式で信号送出する 機能を有する検出ュニ ッ 卜 と、

電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレーキ操作時に発生 する電池への回生電流およ び移動体の各種情報を制御する移動 体信号制御部と、

前記検出ュニ ッ 卜 と移動体信号制御部か らの情報によ り 演算 処理を行う 演算部と、 交流電源を入力源とする充電器に充電制 御信号を送出する充電制御信号部と、 表示部に残容量判定信号 を送出する残容量判定信号部と、 表示部に寿命判定信号を送出 する寿命判定信号部と、 移動体信号制御部に移動体制御信号を 送出する移動体制御信号部とを有する電池状態判別ュニ ッ 卜 と. 前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ っ て制御 され、 前記組電池を充電する充電器と、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの残容量判定信号と寿命判定 信号に よ り 制御され電池の残容量と寿命判定結果を表示する表 示部と、

からなる システムにおいて、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ り制御さ れる充電器によ る組電池の充電は、 第 1 充電期間 と第 2 充電期 間の 2 つのノ、⁰— ト 力、らな り、 ，

その第 1 充電期間は充電電力によ っ て第 1 の残容量判定の結 果が当初容量の 9 0 % 〜 1 0 0 %近傍に達する まで充電 し、 こ れに銃いて第 2 充電期間に移行 し、 こ こで微小の充電電流で第 2 の残容量の判定結果が当初容量の 1 0 0 % 〜 1 1 0 %近傍ま で充電 し、 その後充電を完了する、

こ とを特徵とする蓄電池の充電方法。

8 . 前記電池状態判別ュニ ッ 卜 からの充電制御信号によ り 制御 される充電器によ っ て行なわれる組電池の充電は、 前記第 1 充 電期間か ら第 2 充電期間への移行を電池の昇温速度の判定の結 果が規定値以上に達 したこ とを検知 して行い、 前記の昇温速度 を判定する規定値は充電電流およ び電池温度によ っ て補正され る、 こ とを特徵とする請求項 7 記載の蓄電池の充電方法。

9 . 移動体の駆動源用電源と して用い られる多数のセルからな るモジ ュール電池の複数個を集合 した組電池と、

こ の組電池に冷却空気を送る送風部と、

前記組電池の近傍に設 eされて電池の電圧、 温度および圧力 な らびに周囲温度等の電池の状態情報を検出 し、 得られた検出 値をアナロ グ値か らデジタル値に変換する アナログデジタル変 換機能と、 前記デジタル値を順次シ リ アル方式で信号送出する 機能を有する検出ュニ ッ 卜 と、

電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレーキ操作時に発生 する電池への回生電流および移動体の各種情報を制御する移動 体信号制御部と、

前記検出ュニ ッ 卜 と移動体信号制御部からの情報によ り 演算 処理を行う 演算部と、 交流鼋源を入力源とする充電器に充電制 御信号を送出する充電制御信号部と、 表示部に残容 i判定信号 を送出する残容量判定信号部と、 表示部に寿命判定信号を送出 する寿命判定信号部と、 移動体信号制御部に移動体制御信号を 送出する移動体制御信号部とを有する電池状態判別ュニ ッ 卜 と、 前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ って制御 され、 前記組電池を充電する充電器と、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの残容 s判定信号と寿命判定 信号によ り 制御さ れ電池の残容 sと寿命判定結果を表示する表 示部と、

からな る システムにおいて、 前記電池状態判別ュニ ッ 卜 の残容量判定は、 充放電電気量を 基礎と した第 1 の残存容量判定 と放電電圧を基礎と した第 2 の 残存容量判定を組み合わせ、

第 1 の残存容量判定によ る残容量が当初容量の 1 0 0 %から 2 0 %付近迄はこ の第 1 の残存容量判定によ る結果を採用 し、 第 1 の残存容 i判定によ る結果が当初容量の 2 0 %付近に低下 した後の 2 0 %付近から 0 %迄は第 2 の残存容量判定によ る結 果を採用する、

こ とを特徵とする蓄電池の残容量判定シス テム。

1 0 . 移動体の駆動源用電源と して用い られる多数のセルから なるモ ジュ ール電池の複数個を集合 した組電池と、

こ の組電池に冷却空気を送る送風部と、

前記組電池の近傍に設置されて電池の電圧、 温度および圧力 な らびに周囲温度等の電池の状態情報を検出 し、 得られた検出 値をアナロ グ値からデジタル値に変換するアナログデジタル変 換機能、 及び、 前記デジタル値を順次シ リ アル方式で信号送出 する機能を有する検出ュニ ッ 卜 と、

電池の放電電流、 充電電流、 移動体のブレーキ操作時に発生 する電池への回生電流およ び移動体の各種情報を制御する移動 体信号制御部と、

前記検出ュニ ッ 卜 と移動体信号制御部からの情報によ り 演算 処理を行う 演算部と、 交流電源を入力源とする充電器に充電制 御信号を送出する充電制御信号部と、 表示部に残容量判定信号 を送出する残容量判定信号部と、 表示部に寿命判定信号を送出 する寿命判定信号部と、 移動体信号制御部に移動体制御信号を 送出する移動体制御信号部 とを有する電池状態判別ュニ ッ 卜 と- 前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの充電制御信号によ っ て制御 され、 前記組電池を充電する充電器と、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜か らの残容量判定信号と寿命判定 信号に よ り 制御され電池の残容量と寿命判定結果を表示する表 示部と、

からなる システムにおいて、

前記電池状態判別ュニ ッ 卜 の寿命判定は、 モ ジュ ール電池毎 に得 られた電池状態情報に も とづ く 集計データ の平均値を求め、 前記平均値とそのモジュール電池との比較を行い、 その値が所 定以上に差がある ときは電池容量の低下、 短絡な どの不良ま た は寿命に至 っ た電池と して判定する、

こ とを特徵とする蓄電池の寿命判定システム。