WO2000031818A1 - Charging/discharging control method for secondary battery - Google Patents

Description

明 細 二次電池の充放電制御方法 技術分野

本発明は、 二次電池として構成された複数の単電池を直列接続して形成された組 電池の各単電池の SO C (Stat e of Charge) を、 その中間的な状 態に均等化する充放電制御方法に関するものである。 背景技術

SOC (Stat e of Charge) は、 二次電池の電気容量に対する、 蓄電された電気量の割合と定義することができる。 前記 SOCは、 電池温度ゃ単電 池個々の特性のばらつきによって変動するため、 複数の単電池を直列接続して組電 池を構成した場合にも、 個々の単電池の SOCに差が生じることになる。 単電池の S 0 Cが個々に異なった状態は組電池としてのエネルギー効率の低下をまねくので、 組電池を構成する各単電池の S 0 Cを均等化する必要がある。

組電池を構成する各単電池の S 0 Cの均等化を図るための従来技術としては、 鉛 蓄電池やニッケル系の蓄電池等の水溶液系の電解液を使用する二次電池においては、 組電池全体を過充電状態に充電することにより、 S 0 Cの低い単電池と高い単電池 との差を均等化する方法が採用されている。 また、 過充電ができないリチウム系の 二次電池の場合では、 単電池毎の充電を制御する充電回路を用いて S 0 Cを均等化 する方法が採用されている。

しかしながら、 過充電により各単電池の SO Cを均等化する方法は、 過充電によ り二次電池の劣化をまねくことになるので、 過充電する回数は制限され、 随時 so Cの均等化を図ることはできない。 また、 組電池を構成する単電池毎の充電を制御 する方法は、 充電回路やその制御回路の構成が複雑になり、 大幅なコストアップと なるため現実的な方法とはいえない。 更に、 電動機と内燃機関とを駆動源として併 用するハイブリツド自動車や、 人力によるぺダリング動作を電動機駆動により補助 するハイブリッド自転車等のように、 内燃機関駆動時や制動時、 惰性走行時のエネ ルギ一を回収して二次電池を充電する使途においては、 二次電池の S O Cがその中 間的な状態になるように維持する必要があり、 S O Cの均等化が必要となる。 しか し、 前述の過充電による方法は採用できず、 また個々の単電池を個別に制御する充 電方法は、 装置コストの増大や充電制御の困難さのため適切な方法とはいえない。 本発明が目的とするところは、 電池の劣化をまねくような充電方法を用いること なく、 また、 装置コストを増大させることなく、 組電池を構成する各単電池の S O Cをその中間的な状態に均等化する二次電池の充放電制御方法を提供することにあ る。 発明の開示

上記目的を達成するため、 本発明は、 二次電池として構成された複数の単電池を 直列接続して形成された組電池の各単電池の S 0 Cを均等化する二次電池の充放電 制御方法において、 均等化の目標とする S 0 Cに対応する二次電池の充電効率を求 め、 充電量に対する放電量の比率が前記充電効率と同一値となる充放電を前記組電 池に対して繰り返し行うことを特徴とする。

充電効率は、 充電に使用された充電電気量が二次電池にどの程度蓄電されるかを 示す指標である。 前記充電効率は二次電池の S O Cが低い状態では大きく、 S O C が高い状態では小さくなる特性傾向を示す。 従って、 直列接続した各単電池の S O Cが異なる状態の組電池に、 充電量に対する放電量の比率が均等化の目標とする S O Cに対応する充電効率と同一値となるようにして充電と放電とを実行すると、 充 電時には、 目標とする S O Cより S O Cが低い状態にある単電池は、 充電効率の差 に相当する電気量だけ多く蓄電され、 逆に目標とする S 0 Cより S 0 Cが高い状態 にある単電池は、充電効率の差に相当する電気量だけ少なく蓄電されることになる。 一方、 放電時には、 充電量に充電効率を乗じた放電量で各単電池一律に放電される ので、 目標とする S O Cより S O Cが低い状態にある単電池は、 充電効率の差に相 当する電気量だけ多く蓄電された分が残って蓄電量が増し、 目標とする S 0 Cより S 0 Cが高い状態にある単電池は、 充電効率の差に相当する電気量だけ少なくなつ た分、 蓄電量が減少する。 この充電と放電とが繰り返されると、 目標とする S O C より S 0 Cが低い状態にある単電池の S 0 Cは徐々に増加して目標とする S O Cに 近づき、 目標とする S O Cより S O Cが高い状態にある単電池の S O Cは徐々に減 少して目標とする S O Cに近づく。 従って、 この充放電の繰り返しを継続すること により各単電池の S 0 Cを均等化することが可能となる。 図面の簡単な説明

図 1は第 1の実施形態に係る充放電制御波形を示すグラフであり、

図 2は第 1、 第 2の実施形態に用いた二次電池の充電効率を示すグラフであり、 図 3は充放電の繰り返し毎の S 0 Cの変化傾向を模式的に示すグラフであり、 図 4は第 2の実施形態に係る充放電制御波形を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態

以下、 添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、 本発明の理解に 供する。 尚、 以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、 本発明の技 術的範囲を限定するものではない。

本実施形態は、 電動機と内燃機関とを駆動源として併用するハイブリツド自動車 の電動機駆動用の電池電源装置に適用することを目的として、 ニッケル水素二次電 池として形成された複数個の単電池を直列接続して所要出力電力が得られる組電池 を構成した場合に、 この組電池を構成する各単電池の S O Cをその中間的な状態で 均等化するための充放電制御方法を示すものである。 前記ハイブリツド自動車にお いては、 前記電池電源装置とする組電池の S 0 Cが所定値以下になったときには内 燃機関の駆動による発電機からの出力電力により充電がなされると共に、 制動時や 惰性走行時の回生エネルギーは電池電源装置を充電する電力として回収することに より、 エネルギーの有効利用を図っている。 従って、 回生エネルギーを随時、 充電 に有効利用できるようにするため、 電池電源装置となる組電池を構成する各単電池 の S 0 Cは、 その中間的な状態に均等化されている必要がある。

この組電池を構成する各単電池の SO Cをその中間的な状態に均等化する充放電 制御方法について以下に説明する。 ここに、 10 Ahの電池容量に構成されたニヅ ケル水素二次電池の単電池を 5個直列接続して組電池を形成し、 各単電池の S〇C をそれそれ 40%、 45%、 50%、 55%、 60 %の不均等な状態に設定し、 第 1、 第 2の各実施形態に係る充放電制御方法により、 SOC=50%の状態を目標 値として各単電池の S 0 Cを均等化する。

まず、 第 1の実施形態においては、 前記組電池に対して、 図 1に示すように、 5 OAの充電電流で約 6秒間の充電を行い、 次いで、 目標とする SOC=50%時の 充電効率となる 97. 5 %を前記充電電流に乗じた値である 48. 75 Aの放電電 流で約 6秒間の放電を行い、 これを 2時間にわたって繰り返し実施する。 前記充電 効率は、 充電電気量が蓄電に使用される効率を示すもので、 例えば、 図 2に示すよ うに、 SOC=0%の状態において 100%であり、 S〇Cが高くなるほどに低下 する特性傾向にある。

従って、 前記のように SOC=50%を均等化の目標値とした場合に、 充電時に は、 SQCが 50%より低い状態にある単電池の充電効率は SO C= 50%の単電 池の充電効率より大きいため、 より多く蓄電されることになる。 逆に、 SOCが 5 0 %より高い状態にある単電池の充電効率は S 0 C = 50 %の単電池の充電効率よ り小さいため、 蓄電される電気量は少なくなる。

一方、 放電時には、 各単電池一律に、 充電電流に充電効率を乗じた放電電流で充 電と同一の時間幅で放電されるため、 SOC=50%の単電池は、 充電量と放電量 とが同一値となり、 充電時の蓄電量は放電により取り出されて SOCは元の 50 % の状態に戻る。 また、 SOCが 50%より低い状態にある単電池の場合は、 充電時 に SO C= 50%の単電池より多く蓄電されているので、 各単電池に一律の放電量 で放電すると、 多く蓄電された充電量分が残り、 SOCが増加した状態となる。 ま た、 SOCが 50%より高い状態にある単電池の場合は、 充電時に SOC= 50% の単電池より蓄電量が少ないので、 各単電池に一律の放電量で放電すると、 放電量 の方が多くなつて SO Cが減少した状態となる。

上記充放電を繰り返したときの各単電池の S 0 Cの変化を模式的に示すと、 図 3 に示すようになり、 S0C-50%の単電池は 50%の状態が維持され、 S0C = 50%より S0Cが低い状態にある単電池は、 充放電の繰り返し毎に徐々に蓄電量 が増加して S0Cが高くなつていく。 一方、 S0C= 50%より S0Cが高い状態 にある単電池は、 充放電の繰り返し毎に徐々に蓄電量が減少して S 0 Cが低くなつ ていく。 この充放電の繰り返しを継続すると、 各単電池の S〇Cは目標とする SO C= 50%の状態に近づいて均等化されることになる。

本実施形態で設定した充放電の繰り返しを 2時間にわたって行つた場合の結果は、 各単電池の S〇Cの値はそれそれ 47%、 49%、 50%、 5 1%、 53%となつ た。 つまり、 最大差が 20%であった各単電池の SOCの差は最大 6%に収束され たことになり、 電池使用上の許容範囲内に均等化された状態となった。

次に、 第 2の実施形態においては、 前記組電池に対して図 4に示すような充放電 波形を用いて充放電制御を行った。 図 4に示すように、 25A、 5 OA, 25 Aの 電流値で 3回の放電を行った後、 同じく 25A、 50 A、 25 Aの電流値で 3回の 充電を行う制御を繰り返す。 この時の各回の放電時の電流積算値は、 各回の充電時 の電流積算値に対して SO C= 50%のときの充電効率の値である 97. 5%を乗 じた電流の積算値となるようにする。 この充電、 放電の繰り返しを 2時間にわたつ て繰り返し実施する。

ここでは SO C= 50%のときの充電効率 97. 5%を充電電気量に乗じた値の 放電電気量で放電を実施しているので、 SOC= 50%より SO Cが低い状態にあ る単電池は S◦ C = 50 %の単電池より充電効率が高く、 充放電の繰り返し毎に S 0Cの値が増加する。 一方、 S0C=50%より SOCが高い状態にある単電池は SOC= 50%の単電池より充電効率が低く、 充放電の繰り返し毎に S0Cの値が 減少する。 この充放電の繰り返しを 2時間にわたって繰り返した結果は、 各単電池 の SO Cの値はそれそれ 46 %、 48%、 50%、 52%、 54%となった。 つま り、 最大差が 2 0 %であつた各単電池の S 0 Cの差は最大 8 %に収束されたことに なり、 電池使用上の許容範囲内に均等化された状態となる。

尚、 図 4に示す充放電の波形は、 必ずしも図示するような波形に設定する必要は なく、 また、 放電時と充電時の波形を対称的な波形にする必要もない。 要は、 放電 波形 Aによる放電電流積算値が、 充電波形 Bによる充電電流積算値と A < Bの関係 にあり、 放電電流積算値は目標とする S 0 Cに対応する充電効率を充電電流積算値 に乗じた値となるように設定すればよい。 産業上の利用可能性

以上の説明の通り本発明によれば、 複数の単電池を直列接続した組電池として構 成された二次電池を中間的な S 0 Cにおいて、 各単電池の S 0 Cを均等化すること ができるので、 特にハイブリツド自動車等のエネルギー回収による充電が伴う使途 において、 二次電池のエネルギー効率の向上を図る上で有用である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 二次電池として構成された複数の単電池を直列接続して形成された組電池の 各単電池の S 0 Cを均等化する二次電池の充放電制御方法において、

均等化の目標とする S 0 Cに対応する二次電池の充電効率を求め、 充電量に対す る放電量の比率が前記充電効率と同一値となるように前記組電池に対して充放電を 繰り返し行うことを特徴とする二次電池の充放電制御方法。