JP4567109B2 - 二次電池の充放電制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ 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。
【０００２】
【従来の技術】
前記ＳＯＣは、二次電池の電気容量に対して蓄電された電気量と定義することができるもので、電池温度や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ＳＯＣ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ＳＯＣを均等化する必要がある。
【０００３】
組電池として構成された各単電池のＳＯＣの均等化を図るための従来技術は、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の全体を過充電状態に充電することにより、ＳＯＣの低い単電池と高い単電池との差を過充電により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ＳＯＣを均等化する方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、過充電によりＳＯＣ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ッド自動車や、人力によるペ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ー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ＳＯＣがその中間的な状態になるように維持する必要があり、このときにもＳＯＣの均等化が必要となるが、前記過充電による方法は採用することはできず、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制御が困難であるため的確な方法とはいえない。
【０００５】
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ＳＯＣ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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、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ＳＯＣ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ＳＯＣ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。
【０００７】
前記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り、二次電池のＳＯＣが低い状態では大きく、ＳＯＣ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ＳＯＣ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ＳＯＣの充電効率と同一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ＳＯＣより低いＳＯＣ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ＳＯＣより高いＳＯＣ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ＳＯＣより低いＳＯＣ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ＳＯＣより高いＳＯＣ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った分で蓄電量が減少する。この充電と放電とが繰り返されると、目標とするＳＯＣより低いＳＯＣ状態にある単電池のＳＯＣは徐々に増加して目標とするＳＯＣに近づき、目標とするＳＯＣより高いＳＯＣ状態にある単電池のＳＯＣは徐々に減少して目標とするＳＯＣに近づくので、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ＳＯＣを均等化することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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。
【０００９】
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ッ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単電池を複数個に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ＳＯＣ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。前記ハイブリッド自動車においては、前記電池電源装置とする組電池のＳＯＣ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、電池電源装置となる組電池のＳＯＣは、随時回生エネルギーを充電に有効利用できるようにするため、組電池を構成する各単電池のＳＯＣをその中間的な状態に均等化する必要がある。
【００１０】
この組電池を構成する各単電池のＳＯＣ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、１０Ａｈの電池容量に構成されたニッ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ＳＯＣをそれぞれ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ＳＯＣを均等化する。
【００１１】
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、１０Ａ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９．７５Ａ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％の状態を１００％として、ＳＯＣが高くなるほどに低下する特性傾向にある。
【００１２】
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、ＳＯＣが５０％より低い状態にある単電池の充電効率はＳＯＣ＝５０％の単電池より大きいため、より多く蓄電されることになる。逆に、ＳＯＣが５０％より高い状態にある単電池の充電効率はＳＯＣ＝５０％の単電池より小さいため、蓄電される電気量は少なくなる。
【００１３】
一方、放電時には、充電効率やＳＯＣに関係なく各単電池一律に、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るので、充電時の蓄電量は放電により取り出されて元の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ＳＯＣ＝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ってＳＯＣが減少した状態となる。
【００１４】
上記充放電を繰り返したときの各単電池のＳＯＣの変化を模式的に示すと、図３に示すようになり、ＳＯＣ＝５０％の単電池は５０％の状態が維持され、ＳＯＣ＝５０％より低いＳＯＣの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ＳＯＣが高くなる方向に移行する。一方、ＳＯＣ＝５０％より高いＳＯＣの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ＳＯＣが低くなる方向に移行する。この充放電の繰り返しを継続すると、各単電池のＳＯＣは目標とするＳ０Ｃ＝５０％の状態に移行して均等化されることになる。
【００１５】
本実施形態で設定した充放電の繰り返しを２時間とした場合の結果においては、各単電池の前記ＳＯＣの値はそれぞれ４７％、４９％、５０％、５１％、５３％となり、最大差が２０％であったＳＯＣの差は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る。
【００１６】
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、５Ａ、１０Ａ、５Ａの電流値で３回の放電を行った後、同じく５Ａ、１０Ａ、５Ａ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ＳＯＣ＝５０％のときの充電効率の値である０．９７５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時間にわたって繰り返し実施する。
【００１７】
ここではＳＯＣ＝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％より低いＳＯＣの状態にある単電池はＳＯＣ＝５０％の単電池より充電効率が高く、充放電の繰り返し毎にＳＯＣの値が増加する。一方、ＳＯＣ＝５０％より高いＳＯＣの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ＳＯＣ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においては、各単電池の前記ＳＯＣの値はそれぞれ４６％、４８％、５０％、５２％、５４％となり、最大差が２０％であったＳＯＣの差は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。
【００１８】
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ＳＯＣ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。
【００１９】
【発明の効果】
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ＳＯＣにおいて、各単電池のＳＯＣを均等化することができるので、ハイブリッ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けるエネルギー効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る充放電制御波形を示すグラフ。
【図２】実施形態に用いた二次電池の充電効率を示すグラフ。
【図３】充放電の繰り返し毎のＳＯＣの変化傾向を模式的に示すグラフ。
【図４】第２の実施形態に係る充放電制御波形を示すグラフ。

Claims (1)

1. 二次電池として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ＳＯＣを均等化する二次電池の充放電制御方法において、
   各組電池のＳＯＣをその中間的な状態に均等化するための目標とするＳＯＣに対応する二次電池の充電電気量に対する蓄積電気量を充電効率としたとき、充電電流又は充電電流の積算値に対する放電電流又は放電電流の積算値の比率が前記充電効率と同一値となるように組電池に対して充電電流及び放電電流を繰り返し流して充放電を行うことを特徴とする二次電池の充放電制御方法。

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