WO2022168677A1 - 亜鉛電池の制御方法および電源システム - Google Patents

亜鉛電池の制御方法および電源システム Download PDF

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WO2022168677A1
WO2022168677A1 PCT/JP2022/002673 JP2022002673W WO2022168677A1 WO 2022168677 A1 WO2022168677 A1 WO 2022168677A1 JP 2022002673 W JP2022002673 W JP 2022002673W WO 2022168677 A1 WO2022168677 A1 WO 2022168677A1
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charging
zinc battery
threshold
power supply
charge
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PCT/JP2022/002673
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孟光 大沼
真代 堀川
真也 水杉
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エナジーウィズ株式会社
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    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a zinc battery control method and power supply system.
  • This application claims priority based on Japanese Application No. 2021-014855 filed on February 2, 2021, and incorporates all the descriptions described in the Japanese Application.
  • Patent Document 1 discloses a method for keeping a zinc battery in a charged state. In the method described in this document, a charging step of charging the zinc battery and a discharging step of forcibly discharging the zinc battery are continuously and alternately repeated.
  • Patent Document 2 discloses a method for charging a non-aqueous secondary battery. In the method described in this document, after starting to charge the secondary battery, the charging is stopped before the charged capacity of the secondary battery reaches the rated capacity of the secondary battery.
  • Zinc batteries are attracting attention as secondary batteries used in power supply systems.
  • a nickel-zinc battery is a water-based battery that uses an aqueous electrolyte such as an aqueous potassium hydroxide solution, and is therefore highly safe.
  • the nickel-zinc battery has a high electromotive force as an aqueous battery due to the combination of the zinc electrode and the nickel electrode.
  • nickel-zinc batteries have the advantage of low cost in addition to excellent input/output performance.
  • Zinc batteries can be used, for example, as auxiliary batteries or auxiliaries in electric or hybrid vehicles.
  • the charge amount or state of charge (SOC: State of Charge) is recovered by charging in preparation for the next discharge. Normally, repeating such discharging and charging causes the secondary battery to gradually deteriorate, resulting in a decrease in discharge capacity.
  • An object of the present disclosure is to provide a control method of a zinc battery and a power supply system including the zinc battery, which can suppress the deterioration of the zinc battery and extend the battery life.
  • the charging when charging the zinc battery, the charging is terminated when the charging current falls below the first threshold. Even if the charging current does not fall below the first threshold, charging of the zinc battery is terminated when the charge amount exceeds the second threshold.
  • a power supply system includes a zinc battery and a control unit that controls charging and discharging of the zinc battery.
  • the controller terminates the charging when the charging current falls below the first threshold. Even if the charging current does not fall below the first threshold, the control unit terminates the charging when the charge amount of the zinc battery exceeds the second threshold.
  • the charging current value decreases as the SOC approaches 100%. Therefore, the fact that the charging current value falls below a certain threshold can be used as a criterion for stopping charging.
  • the charging current value may not decrease sufficiently. In such a case, the zinc battery is significantly overcharged, and repeated overcharging promotes deterioration of the zinc battery, that is, a decrease in discharge capacity.
  • the control method and power supply system described above when charging the zinc battery, even if the charging current does not decrease sufficiently, the charging of the zinc battery is terminated when the charge amount of the zinc battery exceeds the second threshold. As a result, overcharging of the zinc battery can be prevented, deterioration of the zinc battery can be suppressed, and battery life can be extended.
  • the charging may be terminated when the elapsed time from the start of the charging exceeds the third threshold. In this case, the charging operation can be terminated more reliably.
  • the first threshold may be within the range of 0.01C to 0.1C. In this case, the charging operation of the zinc battery can be terminated at an appropriate timing.
  • the second threshold may be a value that makes the SOC within the range of 90% to 110%. For example, by setting the second threshold to a value within such a range, overcharging of the zinc battery can be appropriately prevented, and deterioration of the zinc battery can be suppressed more effectively.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a power supply system.
  • FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration example of a computer.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a control method for a zinc battery.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually showing conditions for terminating charging.
  • FIG. 5 is a graph plotting the relationship between the number of cycles and the discharge capacity retention rate of the nickel-zinc battery obtained by the cycle test.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of plotting the relationship between the coulombic efficiency and the number of cycles in the cycle test of the nickel-zinc battery.
  • FIG. 7 is a graph showing the initial charge/discharge curve when the end of charge is determined only by the charge current and charge time in the cycle test.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a power supply system.
  • FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration example of a computer.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a control method
  • FIG. 8 is a graph showing the initial charge/discharge curve when the end of charge is determined by the charge current, charge time, and charge amount in the cycle test.
  • FIG. 9 is a graph showing the initial charge/discharge curve when the end of charge is determined by the charge current, charge time, and charge amount in the cycle test.
  • FIG. 10 is a graph plotting the relationship between the number of cycles in the cycle test and the capacity retention rate.
  • a zinc battery is a concept of batteries using zinc as a negative electrode, such as nickel-zinc batteries, air-zinc batteries, and silver-zinc batteries.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an example configuration of a power supply system 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the power supply system 1 is used, for example, as an auxiliary battery for an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the object to which the power supply system 1 is applied is not limited to mobile objects, and the power supply system 1 can also be applied to fixed objects.
  • the power supply system 1 can be used in various places such as homes, offices, factories, farms, etc. as an uninterruptible power supply (UPS).
  • UPS uninterruptible power supply
  • the power supply system 1 includes a zinc battery 2, a controller 3, a charge/discharge control circuit 4, a current sensor 5, and a thermistor 6.
  • a zinc battery 2 has a positive terminal 2a and a negative terminal 2b.
  • the zinc battery 2 may comprise a plurality of cells connected in series between a positive terminal 2a and a negative terminal 2b.
  • the negative terminal 2b is connected to the ground wiring of the power supply system 1 .
  • the charge/discharge control circuit 4 has a charge control circuit 41 and a discharge control circuit 42 .
  • An input terminal of the charging control circuit 41 is electrically connected to a power supply outside the power supply system 1 via power supply wiring, and receives power supply power Pin from the power supply wiring.
  • the power supply voltage Pin is, for example, +12V.
  • An output terminal of the charging control circuit 41 is electrically connected to the positive terminal 2a of the zinc battery 2 via the current sensor 5. As shown in FIG.
  • the charging control circuit 41 receives a charging instruction from the control unit 3, it applies a charging voltage to the positive terminal 2a of the zinc battery 2 and supplies a charging current Jc.
  • the input end of the discharge control circuit 42 is electrically connected to the positive terminal 2a of the zinc battery 2 via the current sensor 5.
  • An output end of the discharge control circuit 42 is electrically connected to a power load such as an on-vehicle device outside the power supply system 1 .
  • the discharge control circuit 42 receives a discharge instruction from the control unit 3, it receives the discharge current Jd from the positive terminal 2a of the zinc battery 2 and supplies the discharge current Jd to the power load as the output power Pout.
  • the current sensor 5 also serves as a current sensor between the charge control circuit 41 and the zinc battery 2 and as a current sensor between the discharge control circuit 42 and the zinc battery 2. These current sensors may be provided separately.
  • the control unit 3 has a computer 31 , a power supply unit 32 , a communication circuit 33 , a voltage dividing unit 34 , an oscillation circuit 35 , a reference voltage generation circuit 36 and a sensor power supply unit 37 .
  • the control unit 3 is constructed by housing these components in one package.
  • the control unit 3 has a plurality of terminals 3a to 3n for signal input/output with the outside of the control unit 3 in the package.
  • the computer 31 is a computer that controls charging and discharging of the zinc battery 2, such as a microcomputer.
  • FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration example of the computer 31.
  • computer 31 has processor 311 , memory 312 , and analog/digital (A/D) conversion circuitry 313 .
  • the processor 311 , memory 312 and A/D conversion circuit 313 are interconnected via a data bus 314 .
  • the processor 311 is, for example, a CPU
  • the memory 312 is, for example, a flash memory.
  • Each function of the computer 31 is implemented by the processor 311 executing programs stored in the memory 312 .
  • the processor 311 executes a predetermined operation on data read from the memory 312 or data received via a communication terminal.
  • the processor 311 controls other devices by outputting the calculation results to the other devices.
  • the processor 311 stores the received data or the calculation result in the memory 312 .
  • the computer 31 may be composed of one computer, or may be composed of a collection of a plurality of computers, that is, a distributed system.
  • the hardware configuration of the control unit 3 is not limited to a computer, and any circuit having similar functions may be selected.
  • the computer 31 has first and second signal input/output terminals, in other words, I/O ports.
  • the first signal input/output terminal is electrically connected to the control terminal of the charging control circuit 41 via the terminal 3 a of the control section 3 .
  • the second signal input/output terminal is electrically connected to the control terminal of the discharge control circuit 42 via the terminal 3b of the control section 3.
  • FIG. The computer 31 controls operations of the charge control circuit 41 and the discharge control circuit 42 by outputting control signals from these signal input/output terminals.
  • the power supply unit 32 is electrically connected to the positive terminal 2a of the zinc battery 2 via the terminal 3c of the control unit 3.
  • the power supply unit 32 receives the terminal voltage Vb of the zinc battery 2 as a power supply voltage for driving the control unit 3 .
  • the power supply unit 32 receives an activation signal S1 from the outside of the power supply system 1 via the terminal 3d of the control unit 3 .
  • the power supply unit 32 starts voltage conversion according to the state of the activation signal S1.
  • the power supply unit 32 supplies the sensor power supply unit 37 with the power supply voltage Vs1 converted from the terminal voltage Vb of the zinc battery 2 .
  • the sensor power supply section 37 generates a constant voltage Vs2 from this power supply voltage Vs1.
  • the sensor power supply section 37 supplies a constant voltage Vs2 to the current sensor 5 via the terminal 3e of the control section 3.
  • the power supply unit 32 supplies the power supply voltage Vs1 converted from the terminal voltage Vb of the zinc battery 2 to the power supply terminal of the computer 31 and to the thermistor 6 via the resistor 38 .
  • the ground terminal of the computer 31 is electrically connected to the negative terminal 2b of the zinc battery 2 via the terminal 3f of the control section 3. As a result, the ground terminal of the computer 31 is at the same potential as the negative terminal 2b of the zinc battery 2, that is, the ground potential.
  • a communication circuit 33 is provided for communication between the computer 31 and the outside of the power supply system 1 .
  • the communication circuit 33 is an interface circuit for serial communication such as CAN (Controller Area Network).
  • the communication circuit 33 has a differential input/output terminal and an opposite differential input/output terminal.
  • One differential input/output terminal of the communication circuit 33 is electrically connected to a communication terminal of the computer 31 via wiring inside the package.
  • the other differential input/output terminal of the communication circuit 33 is electrically connected to electronic equipment outside the power supply system 1 via a pair of terminals 3 g and 3 h of the control section 3 .
  • the computer 31 transmits and receives a communication signal S2 to and from the outside of the power supply system 1 through the communication circuit 33 .
  • the voltage dividing section 34 is provided to divide the terminal voltage Vb of the zinc battery 2 .
  • the voltage divider 34 has resistors 341 and 342 connected in series. One end of the series circuit composed of resistors 341 and 342 is electrically connected to positive terminal 2a of zinc battery 2 via terminal 3c. The other end of the series circuit is electrically connected to the negative terminal 2b of the zinc battery 2 via the terminal 3f of the control section 3. Therefore, a voltage signal Sd obtained by dividing the terminal voltage Vb according to the resistance ratio of the resistors 341 and 342 is generated at the node between the resistors 341 and 342 .
  • the voltage signal Sd is input to an analog input terminal of the computer 31 .
  • the voltage signal Sd is converted into a digital signal by an A/D conversion circuit 313 built in the computer 31 .
  • the computer 31 can know the magnitude of the terminal voltage Vb based on the magnitude of this voltage signal Sd.
  • the oscillator circuit 35 is connected to the clock terminal of the computer 31 .
  • Oscillator circuit 35 provides a periodic clock signal to computer 31 .
  • the oscillation circuit 35 can be configured by, for example, a crystal oscillator.
  • the reference voltage generation circuit 36 is a reference voltage source IC that generates the reference voltage Vref.
  • a reference voltage Vref generated by the reference voltage generation circuit 36 is input to an analog input terminal of the computer 31 and converted into a digital signal by an A/D conversion circuit 313 incorporated in the computer 31 .
  • This digital signal is used as a reference voltage for the analog signal input to the computer 31, that is, the voltage signal Sd described above, the voltage signals Sa and Sb described later, and the temperature signal Sc.
  • the current sensor 5 detects the magnitude of the charging current Jc and the discharging current Jd.
  • Current sensor 5 has four terminals. One terminal of the current sensor 5 receives a constant voltage Vs2 from the sensor power supply section 37 via the terminal 3e of the control section 3.
  • FIG. Another terminal of the current sensor 5 is connected to the ground potential of the controller 3 via the terminal 3i of the controller 3 .
  • the remaining two terminals of the current sensor 5 output voltage signals Sa and Sb indicating the magnitude of the charging current Jc or the discharging current Jd, respectively.
  • the voltage signals Sa and Sb are input to the control section 3 through terminals 3j and 3k of the control section 3, respectively, and are input to analog input terminals of the computer 31.
  • the voltage signals Sa and Sb are converted into digital signals by an A/D conversion circuit 313 built in the computer 31 .
  • the computer 31 can know the magnitude of the charging current Jc or the discharging current Jd based on the voltage difference between the voltage signals Sa and Sb.
  • a thermistor 6 is provided near the zinc battery 2 to detect the temperature of the zinc battery 2 .
  • the thermistor 6 has a pair of terminals, which are connected to the terminals 3m and 3n of the controller 3, respectively.
  • the terminal 3m is connected to the analog input terminal of the computer 31 via wiring provided inside the package of the control section 3, and is also connected to the power supply section 32 via the resistor 38 as described above.
  • the terminal 3n is connected to the ground wiring inside the control section 3 .
  • the power supply voltage Vs1 from the power supply unit 32 is divided by the resistance of the thermistor 6 and the resistance 38, and the divided voltage is input to the analog input terminal of the computer 31 as the temperature signal Sc.
  • the resistance value of the thermistor 6 varies according to the temperature of the zinc battery 2 . Therefore, the magnitude of the temperature signal Sc fluctuates according to the temperature of the zinc battery 2 .
  • the computer 31 can know the temperature of the zinc battery 2 based on the magnitude of the temperature signal Sc.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a control method for a zinc battery according to this embodiment.
  • the power supply unit 32 receives the activation signal S1 from the outside of the power supply system 1, the power supply unit 32 starts generating the power supply voltage Vs1. This enables the current sensor 5 to detect current and the thermistor 6 to detect temperature.
  • the computer 31 starts operating (step ST1). At this time, the computer 31 starts measuring the charge amount of the zinc battery 2 .
  • the charge amount is the charge amount stored in the zinc battery 2 .
  • the ratio of charge amount to discharge capacity of the zinc battery 2 is called SOC.
  • the charge amount of the zinc battery 2 is obtained by continuously time-integrating the charge current Jc and the discharge current Jd obtained based on the magnitude of the voltage signals Sa and Sb from the current sensor 5, and calculating the charge current Jc. It is obtained by subtracting the time integral value of the discharge current Jd from the time integral value.
  • the computer 31 transmits a control signal to the charging control circuit 41 to start the charging operation of the charging control circuit 41 (step ST2).
  • the computer 31 first controls the charging control circuit 41 to perform constant current charging.
  • the computer 31 controls the charging control circuit 41 so as to shift to constant voltage charging at the predetermined voltage.
  • the current value for constant current charging is, for example, in the range of 0.1C to 10C, and in one embodiment is 0.3C.
  • 1C is defined as the magnitude of the current that completely discharges the theoretical capacity of the battery in one hour.
  • the voltage value in constant voltage charging is, for example, within the range of 1.75V to 1.95V, and is 1.9V in one embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually showing conditions for terminating charging.
  • the computer 31 determines whether or not the amount of the charging current Jc has fallen below the first threshold based on the magnitudes of the voltage signals Sa and Sb from the current sensor 5 (step ST3). This condition is shown as termination condition A in FIG.
  • the first threshold is, for example, in the range of 0.01C to 0.1C, and in one embodiment is 0.05C.
  • the computer 31 terminates the charging operation of the charging control circuit 41 (step ST6). If the current amount of the charging current Jc is not below the first threshold (step ST3: NO), the computer 31 determines whether the charge amount of the zinc battery 2 is above the second threshold (step ST4). This condition is shown as termination condition B in FIG.
  • the second threshold is a value at which the SOC is, for example, within the range of 90% to 110%, preferably within the range of 90% to 100%. In one embodiment, the second threshold is the value at which the SOC is 100%.
  • step ST4 When the charge amount of the zinc battery 2 exceeds the second threshold (step ST4: YES), the computer 31 terminates the charging operation of the charging control circuit 41 (step ST6). If the charge amount of the zinc battery 2 does not exceed the second threshold (step ST4: NO), the computer 31 determines whether the elapsed time from the start of the charging operation of the charging control circuit 41 exceeds the third threshold. (step ST5). This condition is shown as termination condition C in FIG.
  • the third threshold is, for example, in the range of 1 hour to 20 hours, and in one embodiment is 5 hours.
  • the third threshold is set according to the magnitude of the charging current Jc.
  • step ST5 YES
  • step ST6 the computer 31 terminates the charging operation of the charging control circuit 41 (step ST6). If the elapsed time has not exceeded the third threshold (step ST5: NO), the computer 31 causes the charging control circuit 41 to continue the charging operation. Thereafter, steps ST3 to ST5 are repeated until the charging operation of the charging control circuit 41 is completed in step ST6.
  • step ST6 when the computer 31 receives a signal indicating a discharge instruction from the outside of the power supply system 1 through the communication circuit 33, the computer 31 transmits a control signal to the discharge control circuit 42, causing the discharge control circuit 42 to perform a discharge operation. (step ST7). After that, the above steps ST2 to ST7 are repeated until the operation of the power supply system 1 is completed (step ST8).
  • the charging is terminated when the current amount of the charging current Jc falls below the first threshold. Even if the current amount of the charging current Jc does not fall below the first threshold, charging is terminated when the charge amount of the zinc battery 2 exceeds the second threshold.
  • the charging current value gradually decreases as the SOC approaches 100%. Therefore, the fact that the charging current value falls below a certain threshold can be used as a criterion for stopping charging.
  • the charging current value may not decrease sufficiently.
  • the zinc battery 2 is significantly overcharged, and repeated overcharging promotes deterioration of the zinc battery 2, that is, a decrease in discharge capacity.
  • the charging is terminated when the charge amount of the zinc battery 2 exceeds a predetermined second threshold. do.
  • overcharging of the zinc battery 2 can be prevented, deterioration of the zinc battery 2 can be suppressed, and battery life can be extended.
  • the charging may be terminated when the elapsed time from the start of the charging exceeds the third threshold as in the present embodiment. In this case, the charging operation can be terminated more reliably.
  • the first threshold may be within the range of 0.01C to 0.1C. In this case, the charging operation of the zinc battery 2 can be terminated at an appropriate timing.
  • the second threshold may be a value that makes the SOC within the range of 90% to 110%.
  • the second threshold may be a value that makes the SOC within the range of 90% to 100%.
  • the second threshold may be a value that makes the SOC greater than 100% and less than or equal to 110%. Even in this case, deterioration of the zinc battery 2 can be suppressed.
  • FIG. 5 is a graph plotting the relationship between the cycle number and the discharge capacity retention rate (%) of the nickel-zinc battery obtained by the cycle test.
  • the discharge capacity retention rate is the ratio of the discharge capacity at each time point to the initial discharge capacity.
  • plots P11 and P12 are graphs for two nickel-zinc batteries at a battery temperature of 40.degree.
  • Plots P13 and P14 are graphs for two nickel-zinc batteries, respectively, at a battery temperature of 60.degree.
  • the current value during the constant current charging period was set to 0.33C, and the voltage value during the constant voltage charging period was set to 1.9V.
  • FIG. 5 is a graph plotting the relationship between the cycle number and the discharge capacity retention rate (%) of the nickel-zinc battery obtained by the cycle test.
  • the discharge capacity retention rate is the ratio of the discharge capacity at each time point to the initial discharge capacity.
  • plots P11 and P12 are graphs for two nickel-zinc batteries at a battery temperature of 40.degree.
  • the vertical axis represents the discharge capacity retention rate
  • the horizontal axis represents the number of cycles. Referring to FIG. 5, it can be seen that the discharge capacity retention rate decreases as the number of cycles increases at any battery temperature. A decrease in the discharge capacity retention rate means deterioration of the nickel-zinc battery. Referring to FIG. 5, it can be seen that the higher the battery temperature, the faster the decrease in the discharge capacity retention rate, that is, the faster the deterioration of the zinc battery.
  • FIG. 6 shows the results of plotting the relationship between the coulombic efficiency and the number of cycles in the cycle test of the nickel-zinc battery.
  • the coulombic efficiency is a value expressed as a percentage of the ratio of the discharge capacity during discharge to the charge capacity during charge. In other words, the coulombic efficiency represents the degree of overcharge of the nickel-zinc battery, and the lower the coulombic efficiency, the greater the degree of overcharge.
  • the battery temperature is 60 ° C.
  • the charging current in the constant current charging period is 0.33 C
  • the charging voltage in the constant voltage charging period is 1.9 V
  • the discharging current is 0.3 C
  • the threshold voltage for determining the end of discharging was set to 1.1V.
  • plot P21 shows the coulombic efficiency of a nickel-zinc cell set to terminate charging only by termination conditions A and C of FIG.
  • the first threshold for charging current under termination condition A is 0.05 C
  • the third threshold for charging time under termination condition C is 5 hours.
  • Plots P22 and P23 show the coulombic efficiency of nickel-zinc cells set to terminate charging according to termination conditions A, B and C of FIG.
  • a plot P22 shows a case where the second threshold value of the charge amount of the termination condition B is set to 8.8 Ah. The charge amount of 8.8 Ah is 110% in terms of SOC.
  • Plot P23 shows the case where the second threshold value of the charge amount of termination condition B is set to 8.3 Ah. The charge amount of 8.3 Ah is 100% in terms of SOC.
  • the first threshold for termination condition A and the third threshold for termination condition C are the same as plot P21.
  • FIG. 7 is a graph showing the initial or first cycle charge-discharge curves corresponding to plot P21.
  • curve G31 indicates a charging curve
  • curve G32 indicates a discharging curve.
  • the vertical axis represents the terminal voltage (V) of the nickel-zinc battery, and the horizontal axis represents the amount of charge or discharge (Ah).
  • V terminal voltage
  • Ah amount of charge or discharge
  • FIG. 8 is a graph showing initial charge/discharge curves corresponding to plot P22.
  • FIG. 9 is a graph showing initial charge/discharge curves corresponding to plot P23. 8 and 9, curves G41 and G51 indicate charge curves, and curves G42 and G52 indicate discharge curves.
  • the vertical axis represents the terminal voltage (V) of the nickel-zinc battery.
  • the horizontal axis represents the charge amount or the discharge charge amount (Ah).
  • FIG. 10 is a graph plotting the relationship between the number of cycles and the discharge capacity retention rate in the above cycle test.
  • Plot P61 corresponds to plot P21 in FIG.
  • Plot P62 corresponds to plot P22 in FIG.
  • Plot P63 corresponds to plot P23 in FIG.
  • plots P22 and P23 i.e., charging current and charging time plus charging charge amount, compare to plot P21, i.e., charging end only by charging current and charging time.
  • the degree of decrease in the discharge capacity retention rate is small, in other words, the deterioration of the nickel-zinc battery is suppressed.
  • comparing the plot P22 and the plot P23 shows that the smaller the second threshold of the charge amount, the smaller the degree of decrease in the discharge capacity retention rate, in other words, the deterioration of the nickel-zinc battery is suppressed. .
  • control method and power supply system for a zinc battery according to the present invention are not limited to the examples of the above-described embodiments, but are indicated by the claims, and all Modifications are intended to be included.
  • charging is terminated when the charge amount of the zinc battery 2 exceeds the second threshold.
  • the end of charging when the charge amount of the zinc battery 2 exceeds the second threshold may be performed only when the temperature of the zinc battery 2 exceeds a predetermined threshold. This is because, as shown in FIG. 5, the problem to be solved by the above-described embodiment becomes more conspicuous when the zinc battery is at a high temperature.
  • the computer 31 of the controller 3 can know the temperature of the zinc battery 2 based on the temperature signal Sc from the thermistor 6 .

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Abstract

亜鉛電池の制御方法では、亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了する。そして、充電電流が第１閾値を下回らない場合であっても、亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。電源システムは、亜鉛電池と、亜鉛電池の充放電を制御する制御部と、を備える。制御部は、亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了する。制御部は、充電電流が第１閾値を下回らない場合であっても、亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。

Description

亜鉛電池の制御方法および電源システム
　本開示は、亜鉛電池の制御方法および電源システムに関する。本出願は、２０２１年２月２日出願の日本出願第２０２１－０１４８５５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。
　特許文献１は、亜鉛電池を充電状態で待機させる方法を開示する。この文献に記載された方法では、亜鉛電池の充電を行う充電ステップと、亜鉛電池を強制的に放電させる放電ステップと、を連続して交互に繰り返し行う。特許文献２は、非水系二次電池の充電方法を開示する。この文献に記載された方法では、二次電池に対して充電を開始した後、二次電池に充電された容量が二次電池の定格容量に達する前に充電を停止する。
特開２０２０－１８２２８４号公報 特開２０００－３０７５０号公報
　電源システムに用いられる二次電池として、亜鉛電池が注目されている。例えばニッケル亜鉛電池は、水酸化カリウム水溶液等の水系電解液を用いる水系電池であることから、高い安全性を有する。加えて、ニッケル亜鉛電池は、亜鉛電極とニッケル電極との組み合わせにより、水系電池としては高い起電力を有する。さらに、ニッケル亜鉛電池は、優れた入出力性能に加えて、低コストといった利点を有する。亜鉛電池は、例えば、電気自動車またはハイブリッド車における補助電池すなわち補機として用いられ得る。
　二次電池を備える電源システムにおいては、二次電池を放電した後、次回の放電に備え、充電により充電電荷量または充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を回復させる。通常、このような放電及び充電を繰り返すと二次電池は次第に劣化し、放電容量が低下する。
　本開示は、亜鉛電池の劣化を抑制して電池寿命を延ばすことができる、亜鉛電池の制御方法及び亜鉛電池を備える電源システムを提供することを目的とする。
　本開示に係る亜鉛電池の制御方法では、亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了する。充電電流が第１閾値を下回らない場合であっても、亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。
　本開示に係る電源システムは、亜鉛電池と、亜鉛電池の充放電を制御する制御部と、を備える。制御部は、亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了する。制御部は、充電電流が第１閾値を下回らない場合であっても、亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。
　二次電池を充電するときには、ＳＯＣが１００％に近づくに従い、充電電流値が減少する。故に、充電電流値が或る閾値を下回ることを、充電を停止する際の判断基準とすることができる。しかしながら、本発明者の研究によれば、亜鉛電池の場合、特に運用初期において、ＳＯＣが１００％を大きく超えても充電電流値が十分に減少しないことがある。そのような場合、亜鉛電池の過充電が顕著に生じ、そのような過充電を繰り返すことによって亜鉛電池の劣化、すなわち放電容量の低下が促進される。上記の制御方法及び電源システムでは、亜鉛電池を充電する際、充電電流が十分に下がらない場合であっても、亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。これにより、亜鉛電池の過充電を防止し、亜鉛電池の劣化を抑制して電池寿命を延ばすことができる。
　亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回らず、且つ充電電荷量が第２閾値を上回らない場合がある。そのような場合であっても、その充電の開始時からの経過時間が第３閾値を超えた場合にその充電を終了してもよい。この場合、より確実に充電動作を終了することができる。
　第１閾値は０．０１Ｃ～０．１Ｃの範囲内であってもよい。この場合、亜鉛電池の充電動作を適切なタイミングで終了することができる。
　第２閾値はＳＯＣが９０％～１１０％の範囲内となる値であってもよい。例えば第２閾値がこのような範囲内の値であることにより、亜鉛電池の過充電を適切に防ぎ、亜鉛電池の劣化をより効果的に抑制することができる。
　本開示によれば、亜鉛電池の劣化を抑制して電池寿命を延ばすことができる亜鉛電池の制御方法および電源システムを提供することができる。
図１は、電源システムの構成の一例を示す回路図である。 図２は、コンピュータのハードウェア構成例を示す図である。 図３は、亜鉛電池の制御方法を示すフローチャートである。 図４は、充電を終了するための条件を概念的に示す図である。 図５は、サイクル試験により得られた、ニッケル亜鉛電池のサイクル数と放電容量維持率との関係をプロットしたグラフである。 図６は、ニッケル亜鉛電池のサイクル試験における、クーロン効率とサイクル数との関係をプロットした結果を示すグラフである。 図７は、サイクル試験において充電電流及び充電時間のみによって充電の終了を判定した場合の初回充放電曲線を示すグラフである。 図８は、サイクル試験において充電電流、充電時間及び充電電荷量によって充電の終了を判定した場合の初回充放電曲線を示すグラフである。 図９は、サイクル試験において充電電流、充電時間及び充電電荷量によって充電の終了を判定した場合の初回充放電曲線を示すグラフである。 図１０は、サイクル試験におけるサイクル数と容量維持率との関係をプロットしたグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら本開示による亜鉛電池の制御方法および電源システムの実施の形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下の説明において、亜鉛電池とは、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池、及び銀亜鉛電池等、負極に亜鉛を用いる電池の概念である。
　図１は、本開示の一実施形態に係る電源システム１の構成の一例を示す回路図である。電源システム１は、例えば電気自動車またはハイブリッド車の補助電池すなわち補機として用いられる。電源システム１が適用される対象は移動体に限定されず、電源システム１は固定物にも適用可能である。固定物への適用の例として、電源システム１は、無停電電源装置（ＵＰＳ）として家庭、オフィス、工場、農場等の様々な場所で利用され得る。
　図１に示すように、電源システム１は、亜鉛電池２と、制御部３と、充放電制御回路４と、電流センサ５と、サーミスタ６とを備えている。亜鉛電池２は正側端子２ａ及び負側端子２ｂを有する。亜鉛電池２は、正側端子２ａと負側端子２ｂとの間に直列に接続された複数のセルを含んで構成されてもよい。負側端子２ｂは、電源システム１のグランド配線に接続されている。
　充放電制御回路４は、充電制御回路４１と、放電制御回路４２とを有する。充電制御回路４１の入力端は、電源配線を介して電源システム１の外部の電源と電気的に接続されており、電源配線から電源電力Ｐｉｎを受ける。電源電力Ｐｉｎは例えば＋１２Ｖである。充電制御回路４１の出力端は、電流センサ５を介して亜鉛電池２の正側端子２ａと電気的に接続されている。充電制御回路４１は、制御部３から充電の指示を受けると、亜鉛電池２の正側端子２ａへ充電電圧を印加し、充電電流Ｊｃを供給する。
　放電制御回路４２の入力端は、電流センサ５を介して亜鉛電池２の正側端子２ａと電気的に接続されている。放電制御回路４２の出力端は、電源システム１の外部の車載機器等の電力負荷と電気的に接続されている。放電制御回路４２は、制御部３から放電の指示を受けると、亜鉛電池２の正側端子２ａから放電電流Ｊｄを受け取り、この放電電流Ｊｄを出力電力Ｐｏｕｔとして電力負荷へ供給する。
　図１では、電流センサ５が、充電制御回路４１と亜鉛電池２との間の電流センサ、及び放電制御回路４２と亜鉛電池２との間の電流センサを兼ねている。これらの電流センサは個別に設けられてもよい。
　制御部３は、コンピュータ３１と、電源部３２と、通信回路３３と、分圧部３４と、発振回路３５と、参照電圧生成回路３６と、センサ電源部３７と、を有する。制御部３は、これらの構成要素が一つのパッケージ内に収容されて成る。制御部３は、制御部３の外部との信号入出力のための複数の端子３ａ～３ｎを該パッケージに有する。
　コンピュータ３１は、亜鉛電池２の充電及び放電を制御するコンピュータであって、例えばマイクロコンピュータである。図２は、コンピュータ３１のハードウェア構成例を示す図である。この図に示すように、コンピュータ３１は、プロセッサ３１１、メモリ３１２、及びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路３１３を有する。プロセッサ３１１、メモリ３１２、及びＡ／Ｄ変換回路３１３は、データバス３１４を介して互いに接続されている。プロセッサ３１１は例えばＣＰＵであり、メモリ３１２は例えばフラッシュメモリで構成される。コンピュータ３１の各機能は、プロセッサ３１１が、メモリ３１２に格納されているプログラムを実行することで実現される。例えば、プロセッサ３１１は、メモリ３１２から読み出したデータ、または通信端子を介して受信したデータに対して所定の演算を実行する。プロセッサ３１１は、その演算結果を他の装置に出力することによって、他の装置を制御する。あるいは、プロセッサ３１１は、受信したデータ、または演算結果をメモリ３１２に格納する。コンピュータ３１は、１台のコンピュータにより構成されてもよいし、複数のコンピュータの集合、すなわち分散システムにより構成されてもよい。制御部３のハードウェア構成は、コンピュータに限定されず、同様の機能を有する回路であれば任意に選択されてよい。
　再び図１を参照する。コンピュータ３１は、第１及び第２の信号入出力端子、言い換えるとＩ／Ｏポートを有する。第１の信号入出力端子は、制御部３の端子３ａを介して、充電制御回路４１の制御端子と電気的に接続されている。第２の信号入出力端子は、制御部３の端子３ｂを介して、放電制御回路４２の制御端子と電気的に接続されている。コンピュータ３１は、これらの信号入出力端子から制御信号を出力することにより、充電制御回路４１および放電制御回路４２の動作を制御する。
　電源部３２は、制御部３の端子３ｃを介して亜鉛電池２の正側端子２ａと電気的に接続されている。電源部３２は、亜鉛電池２の端子電圧Ｖｂを、制御部３を駆動するための電源電圧として受ける。電源部３２は、制御部３の端子３ｄを介して、電源システム１の外部から起動信号Ｓ１を受ける。電源部３２は、起動信号Ｓ１の状態に応じて、電圧変換を開始する。電源部３２は、亜鉛電池２の端子電圧Ｖｂから変換した電源電圧Ｖｓ１を、センサ電源部３７に供給する。センサ電源部３７は、この電源電圧Ｖｓ１から定電圧Ｖｓ２を生成する。センサ電源部３７は、制御部３の端子３ｅを介して定電圧Ｖｓ２を電流センサ５に供給する。電源部３２は、亜鉛電池２の端子電圧Ｖｂから変換した電源電圧Ｖｓ１を、コンピュータ３１の電源端子に提供すると共に、抵抗３８を介してサーミスタ６に提供する。コンピュータ３１のグランド端子は、制御部３の端子３ｆを介して、亜鉛電池２の負側端子２ｂと電気的に接続されている。これにより、コンピュータ３１のグランド端子は、亜鉛電池２の負側端子２ｂと同電位、すなわちグランド電位とされている。
　通信回路３３は、コンピュータ３１と電源システム１の外部との通信のために設けられている。通信回路３３は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）といったシリアル通信のためのインターフェース回路である。通信回路３３は、差動入出力端子と、反対側の差動入出力端子とを有する。通信回路３３の一方の差動入出力端子は、パッケージ内の配線を介して、コンピュータ３１の通信端子と電気的に接続されている。通信回路３３の他方の差動入出力端子は、制御部３の一対の端子３ｇ，３ｈを介して、電源システム１の外部の電子機器と電気的に接続される。コンピュータ３１は、通信回路３３を通じて、電源システム１の外部との間で通信信号Ｓ２を送受信する。
　分圧部３４は、亜鉛電池２の端子電圧Ｖｂを分圧するために設けられている。分圧部３４は、互いに直列に接続された抵抗３４１，３４２を有する。抵抗３４１，３４２からなる直列回路の一端は、端子３ｃを介して亜鉛電池２の正側端子２ａと電気的に接続されている。該直列回路の他端は、制御部３の端子３ｆを介して、亜鉛電池２の負側端子２ｂと電気的に接続されている。したがって、抵抗３４１，３４２の間のノードには、抵抗３４１，３４２の抵抗比に応じて端子電圧Ｖｂが分圧された電圧信号Ｓｄが生成される。電圧信号Ｓｄは、コンピュータ３１のアナログ入力端子に入力される。電圧信号Ｓｄは、コンピュータ３１に内蔵されるＡ／Ｄ変換回路３１３によってデジタル信号に変換される。コンピュータ３１は、この電圧信号Ｓｄの大きさに基づいて、端子電圧Ｖｂの大きさを知ることができる。
　発振回路３５は、コンピュータ３１のクロック端子に接続されている。発振回路３５は、周期的なクロック信号をコンピュータ３１に提供する。発振回路３５は、例えば水晶振動子によって構成され得る。
　参照電圧生成回路３６は、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する基準電圧源ＩＣである。参照電圧生成回路３６によって生成された参照電圧Ｖｒｅｆは、コンピュータ３１のアナログ入力端子に入力され、コンピュータ３１に内蔵されるＡ／Ｄ変換回路３１３によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、コンピュータ３１に入力されるアナログ信号、すなわち前述した電圧信号Ｓｄ、後述する電圧信号Ｓａ，Ｓｂ及び温度信号Ｓｃの基準電圧として用いられる。
　電流センサ５は、充電電流Ｊｃおよび放電電流Ｊｄの大きさを検出する。電流センサ５は、４つの端子を有する。電流センサ５の一つの端子は、センサ電源部３７から制御部３の端子３ｅを介して定電圧Ｖｓ２を受ける。電流センサ５の他の一つの端子は、制御部３の端子３ｉを介して制御部３のグランド電位と接続されている。電流センサ５の残りの二つの端子は、充電電流Ｊｃまたは放電電流Ｊｄの大きさを示す電圧信号Ｓａ，Ｓｂをそれぞれ出力する。電圧信号Ｓａ，Ｓｂは、制御部３の端子３ｊ，３ｋをそれぞれ通って制御部３に入力され、コンピュータ３１のアナログ入力端子に入力される。電圧信号Ｓａ，Ｓｂは、コンピュータ３１に内蔵されるＡ／Ｄ変換回路３１３によってデジタル信号に変換される。コンピュータ３１は、電圧信号Ｓａ，Ｓｂの差電圧に基づいて、充電電流Ｊｃまたは放電電流Ｊｄの大きさを知ることができる。
　サーミスタ６は、亜鉛電池２の温度を検出するために亜鉛電池２の近傍に設けられている。サーミスタ６は、一対の端子を有し、該一対の端子は制御部３の端子３ｍ，３ｎにそれぞれ接続されている。端子３ｍは、制御部３のパッケージの内部に設けられた配線を介して、コンピュータ３１のアナログ入力端子に接続されるとともに、前述したように抵抗３８を介して電源部３２に接続されている。端子３ｎは、制御部３内部のグランド配線に接続されている。この構成において、電源部３２からの電源電圧Ｖｓ１は、サーミスタ６の抵抗と抵抗３８とによって分圧され、その分圧された電圧が温度信号Ｓｃとしてコンピュータ３１のアナログ入力端子に入力される。サーミスタ６の抵抗値は、亜鉛電池２の温度に応じて変動する。したがって、亜鉛電池２の温度に応じて、温度信号Ｓｃの大きさが変動する。コンピュータ３１は、温度信号Ｓｃの大きさに基づいて、亜鉛電池２の温度を知ることができる。
　以上の構成を備える本実施形態の電源システム１の動作について説明する。同時に、本実施形態に係る亜鉛電池の制御方法について説明する。図３は、本実施形態に係る亜鉛電池の制御方法を示すフローチャートである。
　まず、電源システム１の外部から電源部３２が起動信号Ｓ１を受けると、電源部３２は、電源電圧Ｖｓ１の生成を開始する。これにより、電流センサ５における電流検出が可能になり、また、サーミスタ６における温度検出が可能になる。加えて、コンピュータ３１が動作を開始する（ステップＳＴ１）。このとき、コンピュータ３１は、亜鉛電池２の充電電荷量の測定を開始する。充電電荷量とは、亜鉛電池２に蓄えられている電荷量である。亜鉛電池２の放電容量に対する充電電荷量の割合を、ＳＯＣと称する。亜鉛電池２の充電電荷量は、電流センサ５からの電圧信号Ｓａ，Ｓｂの大きさに基づいて得られる充電電流Ｊｃ及び放電電流Ｊｄの各電流量を継続的に時間積分し、充電電流Ｊｃの時間積分値から放電電流Ｊｄの時間積分値を減算することにより得られる。
　次に、コンピュータ３１が電源システム１の外部から通信回路３３を通じて充電指示を示す信号を受信すると、コンピュータ３１は充電制御回路４１へ制御信号を送信し、充電制御回路４１の充電動作を開始させる（ステップＳＴ２）。例えば、コンピュータ３１は、まず定電流充電を行うように充電制御回路４１を制御する。そして、亜鉛電池２の端子電圧Ｖｂが所定電圧に到達すると、コンピュータ３１は、該所定電圧による定電圧充電に移行するように充電制御回路４１を制御する。定電流充電における電流値は、例えば０．１Ｃ～１０Ｃの範囲内であり、一実施例では０．３Ｃである。なお、本明細書においては、電池の理論容量を１時間で完全放電させる電流の大きさを１Ｃと定義する。また、定電圧充電における電圧値は、例えば１．７５Ｖ～１．９５Ｖの範囲内であり、一実施例では１．９Ｖである。
　充電動作が開始されると、コンピュータ３１は、充電を終了するか否かの判断を繰り返す。図４は、充電を終了するための条件を概念的に示す図である。まず、コンピュータ３１は、電流センサ５からの電圧信号Ｓａ，Ｓｂの大きさに基づいて、充電電流Ｊｃの電流量が第１閾値を下回ったか否かを判定する（ステップＳＴ３）。この条件は、図４において終止条件Ａとして示されている。充電電圧が一定である場合、充電電荷量が大きくなるほど、言い換えると、ＳＯＣが１００％に近づくほど、亜鉛電池２に流れる充電電流Ｊｃの大きさが次第に小さくなる。故に、充電電流Ｊｃの大きさは、亜鉛電池２の充電電荷量と密接な相関を有する。第１閾値は、例えば０．０１Ｃ～０．１Ｃの範囲内であり、一実施例では０．０５Ｃである。充電電流Ｊｃの電流量が第１閾値を下回った場合（ステップＳＴ３：ＹＥＳ）、コンピュータ３１は、充電制御回路４１の充電動作を終了させる（ステップＳＴ６）。充電電流Ｊｃの電流量が第１閾値を下回っていない場合（ステップＳＴ３：ＮＯ）、コンピュータ３１は、亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回ったか否かを判定する（ステップＳＴ４）。この条件は、図４において終止条件Ｂとして示されている。第２閾値は、ＳＯＣが例えば９０％～１１０％の範囲内となる値、好ましくは９０％～１００％の範囲内となる値である。一実施例では、第２閾値はＳＯＣが１００％となる値である。亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回った場合（ステップＳＴ４：ＹＥＳ）、コンピュータ３１は、充電制御回路４１の充電動作を終了させる（ステップＳＴ６）。亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回っていない場合（ステップＳＴ４：ＮＯ）、コンピュータ３１は、充電制御回路４１の充電動作を開始した時からの経過時間が第３閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳＴ５）。この条件は、図４において終止条件Ｃとして示されている。第３閾値は、例えば１時間～２０時間の範囲内であり、一実施例では５時間である。第３閾値は、充電電流Ｊｃの大きさに応じて設定される。経過時間が第３閾値を超えている場合（ステップＳＴ５：ＹＥＳ）、コンピュータ３１は、充電制御回路４１の充電動作を終了させる（ステップＳＴ６）。経過時間が第３閾値を超えていない場合（ステップＳＴ５：ＮＯ）、コンピュータ３１は、充電制御回路４１の充電動作を継続させる。以降、ステップＳＴ６において充電制御回路４１の充電動作が終了するまで、上記のステップＳＴ３～ＳＴ５が繰り返し行われる。
　ステップＳＴ６ののち、コンピュータ３１が電源システム１の外部から通信回路３３を通じて放電指示を示す信号を受信すると、コンピュータ３１は放電制御回路４２へ制御信号を送信し、放電制御回路４２に放電動作を行わせる（ステップＳＴ７）。以降、電源システム１の動作が終了するまで（ステップＳＴ８）、上記のステップＳＴ２～ＳＴ７が繰り返し行われる。
　以上の構成を備える本実施形態の電源システム１および亜鉛電池２の制御方法によって得られる効果について説明する。本実施形態では、亜鉛電池２を充電する際、充電電流Ｊｃの電流量が第１閾値を下回った場合にその充電を終了する。充電電流Ｊｃの電流量が第１閾値を下回らない場合であっても、亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。一般的に、亜鉛電池２等の二次電池を充電するときには、ＳＯＣが１００％に近づくに従い、充電電流値が徐々に減少する。故に、充電電流値が或る閾値を下回ることを、充電を停止する際の判断基準とすることができる。しかしながら、本発明者の研究によれば、亜鉛電池の場合、特に運用初期において、ＳＯＣが１００％を大きく超えても充電電流値が十分に減少しないことがある。そのような場合、亜鉛電池２の過充電が顕著に生じ、過充電を繰り返すことで亜鉛電池２の劣化すなわち放電容量の低下が促進される。本実施形態では、亜鉛電池２を充電する際、充電電流が十分に下がらない場合であっても、亜鉛電池２の充電電荷量が予め定められた第２閾値を上回った場合にその充電を終了する。これにより、亜鉛電池２の過充電を防止し、亜鉛電池２の劣化を抑制して電池寿命を延ばすことができる。
　亜鉛電池２を充電する際、充電電流Ｊｃが第１閾値を下回らず、且つ充電電荷量が第２閾値を上回らない場合がある。そのような場合であっても、本実施形態のように、その充電の開始時からの経過時間が第３閾値を超えた場合にその充電を終了してもよい。この場合、より確実に充電動作を終了することができる。
　本実施形態のように、第１閾値は０．０１Ｃ～０．１Ｃの範囲内であってもよい。この場合、亜鉛電池２の充電動作を適切なタイミングで終了することができる。
　本実施形態のように、第２閾値はＳＯＣが９０％～１１０％の範囲内となる値であってもよい。例えば第２閾値がこのような範囲内の値であることにより、亜鉛電池２の過充電を適切に防ぎ、亜鉛電池２の劣化をより効果的に抑制することができる。第２閾値はＳＯＣが９０％～１００％の範囲内となる値であってもよい。或いは、以下の実施例に示すように、第２閾値はＳＯＣが１００％より大きく１１０％以下となる値であってもよい。この場合であっても、亜鉛電池２の劣化を抑制することができる。
　ここで、上述した本実施形態による効果について、より詳細に説明する。図５は、サイクル試験により得られた、ニッケル亜鉛電池のサイクル数と放電容量維持率（％）との関係をプロットしたグラフである。放電容量維持率は、初期の放電容量に対する各時点での放電容量の割合である。図５において、プロットＰ１１，Ｐ１２は、電池温度を４０℃とした２個のニッケル亜鉛電池のそれぞれに関するグラフである。プロットＰ１３，Ｐ１４は、電池温度を６０℃とした２個のニッケル亜鉛電池のそれぞれに関するグラフである。このサイクル試験では、定電流充電期間の電流値を０．３３Ｃとし、定電圧充電期間の電圧値を１．９Ｖとした。図５において、縦軸は放電容量維持率を表し、横軸はサイクル数を表す。図５を参照すると、いずれの電池温度においてもサイクル数が多くなるほど放電容量維持率が低下することがわかる。放電容量維持率の低下は、ニッケル亜鉛電池の劣化を意味する。図５を参照すると、電池温度が高いほど、放電容量維持率の低下、すなわち亜鉛電池の劣化が早く進むことがわかる。
　発明者は、電池温度が高くなるほどニッケル亜鉛電池の劣化が早く進む原因と、その解決策について検討した。図６は、ニッケル亜鉛電池のサイクル試験における、クーロン効率とサイクル数との関係をプロットした結果を示す。クーロン効率とは、充電時の充電容量に対する放電時の放電容量の比を百分率で表した値である。つまり、クーロン効率は、ニッケル亜鉛電池の過充電の程度を表し、クーロン効率が小さいほど過充電の程度が大きいことを意味する。このサイクル試験では、電池温度を６０℃、定電流充電期間の充電電流を０．３３Ｃ、定電圧充電期間の充電電圧を１．９Ｖ、放電電流を０．３Ｃ、放電の終了を判定する閾値電圧を１．１Ｖとした。そして、３個のニッケル亜鉛電池のそれぞれにおいて、充電動作の終止条件を互いに異ならせた。図６において、プロットＰ２１は、図４の終止条件Ａ及びＣのみによって充電を終了するよう設定したニッケル亜鉛電池のクーロン効率を示す。但し、終止条件Ａにおける充電電流の第１閾値は０．０５Ｃであり、終止条件Ｃにおける充電時間の第３閾値は５時間である。プロットＰ２２およびＰ２３は、図４の終止条件Ａ、Ｂ及びＣによって充電を終了するよう設定したニッケル亜鉛電池のクーロン効率を示す。プロットＰ２２は、終止条件Ｂの充電電荷量の第２閾値を８．８Ａｈとした場合を示す。８．８Ａｈの充電電荷量は、ＳＯＣ換算で１１０％である。プロットＰ２３は、終止条件Ｂの充電電荷量の第２閾値を８．３Ａｈとした場合を示す。８．３Ａｈの充電電荷量は、ＳＯＣ換算で１００％である。プロットＰ２２，２３において、終止条件Ａにおける第１閾値および終止条件Ｃにおける第３閾値はプロットＰ２１と同じである。
　図６のプロットＰ２１を参照すると、充電電流及び充電時間のみによって充電の終了を判定した場合、特にサイクル初期、すなわち第１サイクルから第８サイクルまでの期間において、クーロン効率が著しく低下することがわかる。図７は、プロットＰ２１に対応する初回すなわち第１サイクルの充放電曲線を示すグラフである。図７において、曲線Ｇ３１は充電曲線を示し、曲線Ｇ３２は放電曲線を示す。縦軸はニッケル亜鉛電池の端子電圧（Ｖ）を表し、横軸は充電電荷量または放電電荷量（Ａｈ）を表す。図７の充電曲線Ｇ３１を参照すると、充電電荷量が増大するに従って端子電圧が次第に大きくなることがわかる。そして、所定の端子電圧（ここでは１．９Ｖ）に到達した後も継続して充電が進み、充電電荷量が最終的に１２Ａｈ近くに達している。一方、図７の放電曲線Ｇ３２を参照すると、放電電荷量が増大するに従って端子電圧が次第に小さくなることがわかる。そして、放電電荷量は最終的に８．３Ａｈ付近までしか到達していない。この結果から、サイクル初期においては充電電流が十分に減少せず、終止条件Ａを満たさないまま過充電が進んでいることがわかる。ニッケル亜鉛電池が高温になると電解液の分解電圧が下がる。その結果、充電反応と電解液の分解反応とが協奏的に生じ、充電電圧に達しても電流値が収束しない。このことが、充電電流が十分に減少しない原因と考えられる。
　これに対し、図６のプロットＰ２２，Ｐ２３を参照すると、充電電流及び充電時間に加えて充電電荷量によって充電の終了を判定した場合、サイクル初期を含む全サイクルにわたって、クーロン効率の低下が軽減されていることがわかる。図８は、プロットＰ２２に対応する初回充放電曲線を示すグラフである。図９は、プロットＰ２３に対応する初回充放電曲線を示すグラフである。図８及び図９において、曲線Ｇ４１，Ｇ５１は充電曲線を示し、曲線Ｇ４２，Ｇ５２は放電曲線を示す。縦軸は、ニッケル亜鉛電池の端子電圧（Ｖ）を表す。横軸は、充電電荷量または放電電荷量（Ａｈ）を表す。図８の充電曲線Ｇ４１を参照すると、充電電荷量が８．８Ａｈとなったところで充電が終了している。８．８Ａｈは、この試験における第２閾値である。一方、放電曲線Ｇ４２を参照すると、放電電荷量は最終的に８．１Ａｈ付近まで到達しており、図７と比較してクーロン効率が改善していることがわかる。同様に、図９の充電曲線Ｇ５１を参照すると、充電電荷量が８．３Ａｈとなったところで充電が終了している。８．３Ａｈは、この試験における第２閾値である。これに対し、放電曲線Ｇ５２を参照すると、放電電荷量は最終的に８．０Ａｈ付近まで到達しており、図８と比較してクーロン効率が更に改善していることがわかる。
　このように、充電電荷量を用いて充電の終了を判定することによって、サイクル初期における過充電を抑制することができる。図１０は、上記のサイクル試験におけるサイクル数と放電容量維持率との関係をプロットしたグラフである。プロットＰ６１は図６のプロットＰ２１に対応する。プロットＰ６２は図６のプロットＰ２２に対応する。プロットＰ６３は図６のプロットＰ２３に対応する。図１０を参照すると、プロットＰ２１、すなわち充電電流及び充電時間のみによって充電の終了を判定する場合と比較して、プロットＰ２２，Ｐ２３、すなわち充電電流及び充電時間に加えて充電電荷量によって充電の終了を判定する場合には、放電容量維持率の低下の度合いが小さい、言い換えると、ニッケル亜鉛電池の劣化が抑制されることがわかる。加えて、プロットＰ２２とプロットＰ２３とを比較すると、充電電荷量の第２閾値が小さいほど、放電容量維持率の低下の度合いが小さい、言い換えると、ニッケル亜鉛電池の劣化が抑制されることがわかる。
　本発明による亜鉛電池の制御方法及び電源システムは、上述した実施形態の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　上述した実施形態では、亜鉛電池２の温度にかかわらず、亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回った場合に充電を終了する。これに限られず、亜鉛電池２の充電電荷量が第２閾値を上回った場合の充電終了を、亜鉛電池２の温度が所定の閾値を超えているときに限り行ってもよい。図５に示されたように、上記実施形態の解決課題は、亜鉛電池が高温である場合に、より顕著だからである。この場合、制御部３のコンピュータ３１は、サーミスタ６からの温度信号Ｓｃに基づいて、亜鉛電池２の温度を知ることができる。
　１…電源システム、２…亜鉛電池、２ａ…正側端子、２ｂ…負側端子、３…制御部、３ａ～３ｎ…端子、４…充放電制御回路、５…電流センサ、６…サーミスタ、３１…コンピュータ、３２…電源部、３３…通信回路、３４…分圧部、３５…発振回路、３６…参照電圧生成回路、３７…センサ電源部、３８…抵抗、４１…充電制御回路、４２…放電制御回路、３１１…プロセッサ、３１２…メモリ、３４１，３４２…抵抗、Ｊｃ…充電電流、Ｊｄ…放電電流、Ｐｉｎ…電源電力、Ｐｏｕｔ…出力電力、Ｓ１…起動信号、Ｓ２…通信信号、Ｓａ，Ｓｂ…電圧信号、Ｓｃ…温度信号、Ｓｄ…電圧信号、Ｖｂ…端子電圧、Ｖｒｅｆ…参照電圧、Ｖｓ１…電源電圧、Ｖｓ２…定電圧。

Claims (5)

  1. 　亜鉛電池を制御する方法であって、
    　前記亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了し、
    　充電電流が前記第１閾値を下回らない場合であっても、前記亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する、亜鉛電池の制御方法。
  2. 　前記亜鉛電池を充電する際、充電電流が前記第１閾値を下回らず、且つ充電電荷量が前記第２閾値を上回らない場合であっても、その充電の開始時からの経過時間が第３閾値を超えた場合にその充電を終了する、請求項１に記載の亜鉛電池の制御方法。
  3. 　前記第１閾値は０．０１Ｃ～０．１Ｃの範囲内である、請求項１または２に記載の亜鉛電池の制御方法。
  4. 　前記第２閾値はＳＯＣが９０％～１１０％の範囲内となる値である、請求項１～３のいずれか１項に記載の亜鉛電池の制御方法。
  5. 　亜鉛電池と、
    　前記亜鉛電池の充放電を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、前記亜鉛電池を充電する際、充電電流が第１閾値を下回った場合にその充電を終了し、充電電流が前記第１閾値を下回らない場合であっても、前記亜鉛電池の充電電荷量が第２閾値を上回った場合にその充電を終了する、電源システム。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009044930A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Toyota Motor Corp 電源システムおよびそれを備えた車両
JP2017011978A (ja) * 2015-06-26 2017-01-12 有限会社オーエイチケー研究所 バッテリー充電器及びそれを用いたバッテリー診断器並びにバッテリー再生器
JP2019115184A (ja) * 2017-12-25 2019-07-11 トヨタ自動車株式会社 ニッケル水素電池の再生装置および再生方法
JP2019198169A (ja) * 2018-05-09 2019-11-14 日立化成株式会社 ニッケル亜鉛電池の制御方法
JP2020072555A (ja) * 2018-10-31 2020-05-07 日本たばこ産業株式会社 エアロゾル吸引器用の電源ユニットと、その制御方法及び制御プログラム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009044930A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Toyota Motor Corp 電源システムおよびそれを備えた車両
JP2017011978A (ja) * 2015-06-26 2017-01-12 有限会社オーエイチケー研究所 バッテリー充電器及びそれを用いたバッテリー診断器並びにバッテリー再生器
JP2019115184A (ja) * 2017-12-25 2019-07-11 トヨタ自動車株式会社 ニッケル水素電池の再生装置および再生方法
JP2019198169A (ja) * 2018-05-09 2019-11-14 日立化成株式会社 ニッケル亜鉛電池の制御方法
JP2020072555A (ja) * 2018-10-31 2020-05-07 日本たばこ産業株式会社 エアロゾル吸引器用の電源ユニットと、その制御方法及び制御プログラム

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