JP4134704B2 - 二次電池の交換方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続して構成された組電池のうち、一部の二次電池が劣化（満充電容量の低下、メモリ効果の記憶などを含む）、寿命もしくは故障した場合における二次電池の交換方法に関し、特に、電気自動車（ＰＥＶ：Pure Electric Vehicle）やハイブリッド車両（ＨＥＶ：Hybrid Engine Vehicle）に搭載される二次電池の交換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池には、鉛−酸バッテリやニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）バッテリ、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）バッテリ、リチウムイオンバッテリ等がある。これらのバッテリは、電力が消耗されると、外部電源に接続して所定の電流を流すことにより充電することができるという性質がある。かかる性質を利用して、これらのバッテリは、従来より各種の機器に使用されている。たとえば、バッテリは、エンジンの点火プラグへの電力供給を行うために、従来より車両にも搭載されていた。
【０００３】
最近では、電気自動車（ＰＥＶ）や、エンジンと電動機を備えたいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）において、電動機を駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度（すなわち、コンパクトにエネルギーを蓄積できる）と高い出力密度の点から、Ｎｉ−ＭＨバッテリが主に使用されている。かかるＰＥＶやＨＥＶでは、電動機に対して十分な出力を供給できるように、単電池を複数個直列または並列に組み合わせて１つの組電池を構成し、電池パックとして用いる。
【０００４】
このように複数の組電池が結合されて、ＰＥＶやＨＥＶに搭載されるＮｉ−ＭＨバッテリは、その使用環境が適切であればより長時間にわたり使用可能となるが、二次電池の個体差や二次電池を構成する部品の不具合により、組電池の中の１つずつが異常や寿命に到るのが一般的である。組電池の中の１つの二次電池が異常や寿命であっても組電池本来の機能が発揮できず、システムの不具合に到る可能性が高い。このため、特開２００２−１５７８１公報（特許文献１）は、組電池を構成する二次電池の交換後に組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を開示する。
【０００５】
この特許文献１に開示された交換方法は、二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続した組電池を構成する、不良が検出された一部の二次電池を交換用電池と交換する二次電池の交換方法である。この交換方法は、組電池を構成する二次電池について、所定の電圧検出ブロック毎に電圧を検出するステップと、電圧検出ブロック単位で二次電池の不良を判定するステップと、不良と判定された交換対象電池を前記電圧検出ブロック単位で交換用電池と交換するステップとを含む。
【０００６】
この特許文献１に開示された方法によれば、組電池全体を交換することなく、また、組電池を構成するすべての二次電池のうちどれが不良電池かを特定する必要がなく、既存の構成で電池電圧を検出制御している電圧検出ブロック単位で交換を行うことで、不良電池を検出するためにハードウェアを追加することなくソフトウェアの変更だけで対処でき、交換用電池自体のコストおよび不良電池検出に付随するコストを低減することができる。さらに、この方法において、交換用電池として、組電池を構成する電池群の中で最大容量ランクの二次電池を用いると、組電池の容量が交換用電池で制限されることがなく、交換前の組電池の性能を維持することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５７８１公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特に、ＨＥＶのように、二次電池が満充電されることなく残存容量が中間域で常時使用される用途では、（１）電池の残存容量のバラツキにより、放電側は残存容量の小さい電池で制限を受け、充電側は残存容量の大きい電池で制限を受け、電池の容量が十分に使い切れなかったり、（２）電池の自己放電特性のバラツキにより、放電側は自己放電の大きい電池で制限を受け、充電側は自己放電の小さい電池で制限を受けるため、残存容量のバラツキを招いたり、（３）電池の内部抵抗のバラツキにより、たとえば内部抵抗が大きい交換用電池を組電池の中に組み入れると、容量判定の方式によっては実際の容量に対して誤差が生じ、電池の性能が満足に発揮できなかったりするおそれがある。
【０００９】
特許文献１に開示された交換方法では、ニッケル−水素電池を用いた組電池において、交換用電池モジュールとして、冷蔵して輸送され保管されている電池モジュールの中から、交換対象ではない全ての電池モジュールよりも容量ランクの大きい、すなわち組み入れたときに最大容量ランクとなる品を選定する。このため、図７（Ａ）に示すように、交換対象ではない二次電池は使用による経時的な劣化や記憶されたメモリ効果などにより、充電電気量が高い領域（高ＳＯＣ領域）に充電効率の悪い領域を有する。その一方、交換される交換用電池モジュールは、それ以外の電池モジュールよりも充電容量が大きい新品であって、交換対象ではない電池モジュールの充電効率の悪い領域と同じ領域においては、充電効率は通常通りである。このように充電効率が異なる二次電池を混合した状態で組電池を構成し、均等化処理などの特別な処理を施すことなく充放電を繰返すと、充電効率の差からＳＯＣ（States Of Charge）にばらつきが発生する。その結果、図７（Ｂ）に示すように、電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）が各電池モジュールごとにＳＯＣを算出する場合に、新しい電池のＳＯＣと交換対象外の電池のＳＯＣとの差が大きくなり、電池保護のための「ＳＯＣばらつき異常」と診断する可能性がある。または、高ＳＯＣ領域で新しい電池が過充電となるおそれがある。
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、組電池の電池モジュールの交換後に均等化処理などの特別な処理を施すことなく、誤った電池異常を検出することなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る二次電池の交換方法は、二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続した組電池において、その一部の交換対象の二次電池を、交換用の新しい二次電池と交換する方法である。この方法は、新しい二次電池を、交換対象の二次電池以外の二次電池の充電電気量よりも低く充電する充電ステップと、充電された新しい二次電池を交換対象の二次電池と交換する交換ステップとを含む。
【００１２】
第１の発明によると、複数個の二次電池から構成される組電池の中の一部の二次電池を新しい二次電池に交換するときに、新しい二次電池を交換対象の二次電池以外の二次電池が充電された電気量よりも低く充電する。たとえば、ＨＥＶに搭載された状態で電池異常と診断されて、１５個の二次電池からなる組電池の中の１個の二次電池を新しい二次電池に交換するときには、交換対象外の１４個の二次電池の充電電気量（たとえば、１４個の平均充電電気量）よりも５〜２０％低く新しい電池を充電する。この状態で、すなわち、１４個の充電電気量と同じ電気量を充電した状態ではなく、少なめに充電した状態の新しい二次電池を他の１４個の二次電池に組み入れる。このようにしてリビルトされた組電池においては、満充電容量の低い二次電池に対応させて充放電が繰返されるので、新しい二次電池は、満充電容量が劣化せずメモリ効果も記憶していないので、徐々に使用される領域が高ＳＯＣ領域に移行する。この発明においては、組み入れる前の新しい二次電池を他の二次電池よりも充電電気量を低くしているので、この高ＳＯＣ領域への移行が遅れる。一方、新しい電池もその使用に伴い経時的に劣化するとともに、メモリ効果を記憶して、使用される領域が低ＳＯＣ領域に移行する。このようにして充放電を繰返すだけで、新しい電池は、他の電池と同様の容量になる。その結果、組電池の二次電池の交換後に均等化処理などの特別な処理を施すことなく、誤った電池異常の検出、もしくは新しい電池の過充電をすることなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を提供することができる。
【００１３】
第２の発明に係る交換方法においては、第１の発明の構成に加えて、交換対象の電池は、満充電容量が低下した二次電池もしくはメモリ効果が記憶された二次電池であることを特徴とする。
【００１４】
第２の発明によると、満充電容量が低下した二次電池もしくはメモリ効果が記憶された二次電池を交換の対象として、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を提供することができる。
【００１５】
第３の発明に係る交換方法においては、第１または２の発明の構成に加えて、交換ステップは、組電池の中の温度の高い部分に、充電された新しい二次電池を組み入れるステップを含む。
【００１６】
第３の発明によると、新しい二次電池は、温度の影響を受けてより早く劣化するので、より早く組電池を構成する二次電池の性能を均一化できる。
【００１７】
第４の発明に係る交換方法においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、充電ステップは、新しい二次電池を、交換対象の二次電池以外の二次電池の充電電気量よりも５〜２０％低く充電するステップを含む。
【００１８】
第４の発明によると、充電電気量の差を２０％よりも大きくして電池ＥＣＵにより電池異常が検知されることを避けて、充電電気量の差を５％より小さくして均一化されないことを避けることができる。
【００１９】
第５の発明に係る交換方法においては、第１〜４の発明の構成に加えて、二次電池は、ニッケル−水素電池であることを特徴とする。
【００２０】
第５の発明によると、ニッケル−水素電池を対象として、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２２】
なお、本発明の「二次電池」は、組電池として構成される個々の単電池または複数の単電池を内部接続したモノブロック方式の電池モジュールを意味する。また、本発明の「二次電池」は、これを電気的に直列もしくは並列に複数個接続して構成された組電池内に含まれるものに限らず、組電池をさらに直列または並列に組み合わせた組電池システム内のものを含む。
【００２３】
本実施の形態においては、アルカリ二次電池の一例として、Ｎｉ−ＭＨ二次電池について説明する。Ｎｉ−ＭＨ二次電池として、特に、直方体状の６個の電槽をその短側面で相互に一体的に連通してなる一体電槽を形成し、かつ各電槽の上面開口を蓋体にて一体的に閉鎖し、電槽間の短側面の上端部で隣接する単電池を内部接続したもの（以下、電池モジュールという）を、その一例とする。
【００２４】
１つの電槽を１セルとして、６セルを１モジュール、２モジュールを１ブロックとして、ブロック単位での交換が可能であると想定する。ただし、以下においては、電池モジュール単位での交換が可能であるとして説明する。
【００２５】
また、このとき、１セルの定格電圧が１．２Ｖであるので、１ブロックの定格電圧は１４．４Ｖになる。ＨＥＶには、このようなブロックを１５個程度直列に接続した組電池（定格電圧２１６Ｖ）が搭載される。
【００２６】
図１を参照して、このような二次電池の電池モジュール交換方法について説明する。
【００２７】
ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、交換対象の電池モジュールを選定する。このとき、各電池モジュールごとに検知されたＯＣＶ（Open Current Voltage）、ＳＯＣ、放電状態、内部抵抗値、満充電容量、自己放電状態などに基づいて交換対象の電池モジュールが選定される。たとえば、このとき内部抵抗値が上昇している電池モジュール、満充電容量が低下している電池モジュールが、交換対象の電池モジュールとして選定される。
【００２８】
Ｓ１１０にて、新しい電池モジュールである交換用電池モジュールに対して、組電池に組み入れる前に、電池交換前処理が行なわれる。このとき、図２に示すように、交換対象外の電池モジュールの充電電気量を検知して、その充電電気量の５〜２０％低くなるように充電を実行する。このとき、たとえば、図２に示すように、交換対象外の電池モジュールの充電電気量が３．０Ａｈであると、交換用電池モジュールを２．４〜２．８５Ａｈまで充電する。従来は、図３に示すように、交換対象外の電池モジュールの充電電気量が３．０Ａｈであると、交換用電池モジュールも３．０Ａｈまで充電していた。
【００２９】
Ｓ１２０にて、交換用電池モジュールを交換対象電池モジュールと交換する。このとき、組電池内の温度が最も高くなる位置に交換用電池モジュールを組み入れるようにしてもよい。組電池内の温度が最も高くなる位置は、複数の電池モジュールの真中の電池モジュールや、冷却風があたりにくい電池モジュールの位置である。
【００３０】
このようにして、交換用電池モジュールを交換対象電池モジュールと交換することによりリビルトされた組電池の動作について説明する。
【００３１】
リビルトされた組電池は、交換対象外のほぼ性能が均一化された電池モジュールに対応させて充放電が実行される。このとき、電池ＥＣＵが充放電状態を制御する。図４に示すように、Ｎｉ−ＭＨ二次電池においては、高ＳＯＣ領域において、充電効率の低い領域が存在する。これについて説明する。
【００３２】
図５を参照して、ＮｉＭＨ二次電池の内部で発生する化学反応について説明する。通常の反応時には、充電時に、正極側で「Ｎｉ（ＯＨ）₂＋ＯＨ^- → ＮｉＯＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- （１）」の反応が、負極側で「Ｍ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- → ＭＨ＋ＯＨ^- （２）」の反応が発生している。全体としては、「Ｎｉ（ＯＨ）₂＋Ｍ→ ＮｉＯＯＨ＋ＭＨ （３）」の反応が発生している。放電時には、逆の方向に反応が進む。なお、「Ｍ」は、水素吸蔵合金である。
【００３３】
このような化学反応とともに、過充電時に、正極側で「ＯＨ^- → １／２Ｈ₂Ｏ＋１／４Ｏ₂↑＋ｅ^- （４）」の反応が、負極側で「Ｍ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- → ＭＨ＋ＯＨ^- （５）」の反応と「ＭＨ_x → Ｍ＋Ｘ／２Ｈ₂↑ （６）」の反応とが発生している。この過充電時（ＳＯＣがおよそ８０％以上）における反応は、通常の充電時にも一部発生している。過充電時（ＳＯＣが１００％以上）では、この過充電時における反応のみが発生している。
【００３４】
さらに、このような過充電時の状態で組電池のメインリレーを遮断すると、再結合反応が発生する。この再結合反応においては、二次電池の内部において、「ＭＨ_x＋Ｏ₂ → ＭＨ_x-4＋２Ｈ₂Ｏ （７）」の反応と、「ＭＨ_x＋Ｈ₂ → ＭＸ_X+2 （８）」の反応とが発生する。この式からわかるように、二次電池の内部では、水素吸蔵合金中の水素が酸素ガスを還元するとともに、水素吸蔵合金の撥水性により直接水素を吸蔵している。この再結合反応においては、全体として、「２Ｈ₂＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ＋Ｑ（発熱）」ように、発熱反応が発生する。
【００３５】
この発熱は、ＳＯＣが８０％を越える領域において発生する。すなわち、二次電池を充電するために供給された電気エネルギの一部が充電されずに熱エネルギに変換されてしまう。このことにより、充電効率が低下する。そのため、通常は、このようなＳＯＣが８０を越える領域を使用しないように、充放電領域を設定している。
【００３６】
このような充電効率の悪い領域を使用しないように設定されているが、その設定は、満充電容量の低い二次電池（交換対象外モジュール）に対応させている。このような設定で充放電が繰返されるので、新しい電池モジュールは、満充電容量が劣化せずメモリ効果も記憶していないので、徐々に使用される領域が高ＳＯＣ領域に移行する。このとき、Ｓ１１０の電池交換前処理において、組み入れる前の新しい電池モジュールを他の交換対象外の電池モジュールよりも充電電気量を低くしているので、この高ＳＯＣ領域への移行が遅れる。このため、充電効率が悪くならないで、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる。
【００３７】
一方、新しい電池モジュールもその使用に伴い経時的に劣化するとともに、メモリ効果が記憶されて、使用される領域が低ＳＯＣ領域に移行する。このようにして充放電を繰返すと、新しい電池モジュールは、他の電池モジュールと同様の容量になる。
【００３８】
図６（Ａ）に示すように、リビルト時の組電池において、交換用の電池モジュールの充電状態は、交換対象外の電池モジュールに比較して、充電電気量が５〜２０％低い。このような電池モジュールを電池温度の高い真中付近の電池モジュールとして組み入れる。図６（Ｂ）に示すように、ＨＥＶが一定の時間走行すると、充放電が繰返して実行されて、新しい電池モジュールは、その使用領域が、高ＳＯＣ側に移行するとともに、経時的な劣化およびメモリ効果と低ＳＯＣ側に移行して、結果的に適度に電池モジュールの容量が揃うことになる。交換用の電池モジュールの充電状態を、交換対象外の電池モジュールと同じ状態で（すなわち、充電電気量が同じ状態で）、リビルトすると、より早く充電効率の低い高ＳＯＣ領域に移行するので、適度に電池モジュールが均一化されない。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、電池交換前処理においてリビルトする電池の充電電気量が５〜２０％低くなるようにしたが、この基準をＳＯＣとしてもよい。
【００４０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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およ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る電池交換処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図２】 充電電気量とモジュール電圧との関係を示す図（その１）である。
【図３】 充電電気量とモジュール電圧との関係を示す図（その２）である。
【図４】 充電電気量とモジュール電圧との関係を示す図（その３）である。
【図５】 バッテリにおける化学反応式をまとめた図である。
【図６】 リビルト時およびリビルト後のモジュールごとの状態を示す図である。
【図７】 従来の交換方法の問題点を説明するための図である。

Claims (5)

1. 二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続した組電池において、その一部の交換対象の二次電池を、交換用の新しい二次電池と交換する二次電池の交換方法であって、
   前記新しい二次電池を、前記交換対象の二次電池以外の二次電池の充電電気量よりも低く充電する充電ステップと、
   前記充電ステップにおいて充電された新しい二次電池を前記交換対象の二次電池と交換する交換ステップとを含む、交換方法。
2. 前記交換対象の電池は、満充電容量が低下した二次電池もしくはメモリ効果が記憶された二次電池である、請求項１に記載の交換方法。
3. 前記交換ステップは、組電池の中の温度の高い部分に、前記充電された新しい二次電池を組み入れるステップを含む、請求項１または２に記載の交換方法。
4. 前記充電ステップは、前記新しい二次電池を、前記交換対象の二次電池以外の二次電池の充電電気量よりも５〜２０％低く充電するステップを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の交換方法。
5. 前記二次電池は、ニッケル−水素電池である、請求項１〜４のいずれかに記載の交換方法。

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