特開 2022-96755 電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022096755

(43)【公開日】2022-06-30

(54)【発明の名称】電池システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20220623BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20220623BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20220623BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 H

H02J7/00 302C

H01M10/44 P

H01M10/48 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020209900

(22)【出願日】2020-12-18

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100152294

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 雅宜

(72)【発明者】

【氏名】原田 知典

(72)【発明者】

【氏名】鮫島 貴紀

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

【Ｆターム（参考）】

5G503AA04

5G503BA04

5G503BB01

5G503DA07

5G503DA12

5H030AA10

5H030AS01

5H030BB01

5H030BB23

5H030FF42

5H030FF52

(57)【要約】

【課題】従来には存在しない新しい発想により蓄電池の長寿命化を図ること。
【解決手段】
蓄電池１１と、この蓄電池１１の充放電を制御するコントローラ３０よりなる電池システムにおいて、コントローラ３０は、蓄電池１１に対して、負荷への電力供給のための放電動作途中において、定期的に、当該放電を停止させて短時間の充電動作を行うように制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電池と、この蓄電池の充放電を制御するコントローラよりなる電池システムにおいて、前記コントローラは、前記蓄電池に対して、負荷への電力供給のための放電動作途中において、定期的に、当該放電を停止させて短時間の充電動作を行うように制御することを特徴とする電池システム。

【請求項2】

前記電池システムは、補助電池をさらに含み、
前記コントローラは、前記補助電池を電力源として、前記蓄電池の充電動作を制御することを特徴とする請求項１の電池システム。

【請求項3】

前記蓄電池の充電動作期間において、前記補助電池により負荷への電力供給を行うよう制御することを特徴とする請求項１または請求項２の電池システム。

【請求項4】

前記蓄電池の短時間の充電動作において、当該充電後に休止期間を設けて、再び負荷への電力供給のための放電動作を行うよう制御することを特徴する請求項１の電池システム。

【請求項5】

前記蓄電池の短時間の充電動作期間が、前記蓄電池の負荷への電力供給のための放電動作時間の１０％以下となるように制御することを特徴する請求項１の電池システム。

【請求項6】

前記蓄電池の短時間の充電動作期間における充電電流値は、負荷への電力供給のための放電電流値の２倍以上であることを特徴とする請求項１の電池システム。

【請求項7】

前記蓄電池は鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１の電池システム。

【請求項8】

前記コントローラは、前記蓄電池の使用時間あるいは放電電流積算値に基づき、前記休止期間、前記短時間の充電動作期間、あるいは前記充電動作期間の電流値を調整することを特徴とする請求項１に記載の電池システム

【請求項9】

前記コントローラは、前記蓄電池の放電電流積算値に基づき、前記短時間の充電動作を行う頻度を調整することを特徴とする請求項１に記載の電池システム

【請求項10】

蓄電池に対して、負荷への電力供給のための放電動作途中において、定期的に、当該放電を停止させて短時間の充電動作を行うように制御することを特徴とする蓄電池の充放電制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は電池システムに関する。特に、鉛蓄電池のような二次電池の充放電を制御する電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、サイクルユース蓄電システムで使用される蓄電池は、負荷稼働時に長時間の連続的な放電を行い、夜間などの負荷未使用時に充電を行うのが一般的な使い方である。蓄電池から放電される電力は、負荷に大きく依存しており、放電についての制御は困難であるとして、従来からあまり研究はなされておらず、もっぱら、充電の方法に関する研究が提案され続けてきた。

【0003】

また、蓄電池は電極の劣化が原因となって寿命になることが多い。特に、蓄電池の代表格である鉛蓄電池の場合は、放電時に析出する硫酸鉛が電極表面上に肥大化して固着してしまい、その結果、電池容量の早期低下という問題が発生していた。このような問題に対して、従来は、電極材料にカーボンを添加するとか（特許文献１）、あるいは、充電方法を工夫するような改善（特許文献２）が行われてきた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０４３７３４号

【特許文献2】特許第３３９１２２７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで、この発明が解決しようする課題は、従来の改善とは異なる新しい切り口により、蓄電池の長寿命化を図ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、この発明に係る電池システムは、
蓄電池と、この蓄電池の充放電を制御するコントローラよりなる電池システムにおいて、前記コントローラは、前記蓄電池に対して、負荷への電力供給のための放電動作途中において、定期的に、当該放電を停止させて短時間の充電動作を行うように制御することを特徴とする。

【0007】

また、前記電池システムは補助電池をさらに含み、前記コントローラは前記補助電池を電力源として前記蓄電池の充電動作を制御することを特徴とする。

【0008】

また、前記蓄電池の充電動作期間において、前記補助電池により負荷への電力供給を行うよう制御することを特徴とする。

【0009】

また、前記蓄電池の短時間の充電動作において、当該充電後に休止期間を設けて、再び負荷への電力供給のための放電動作を行うよう制御することを特徴する。

【0010】

また、前記蓄電池の短時間の充電動作時間が、前記蓄電池の負荷への電力供給のための放電動作時間の１０％以下となるように制御することを特徴する。

【0011】

また、前記蓄電池の短時間の充電動作期間における充電電流値は、負荷への電力供給のための放電電流値の２倍以上であることを特徴とする。

【0012】

また、前記蓄電池は鉛蓄電池であることを特徴とする。

【0013】

また、前記コントローラは、前記蓄電池の使用時間あるいは放電電流積算値に基づき、前記休止期間、前記短時間の充電動作期間、あるいは前記充電動作期間の電流値を調整することを特徴とする。

【0014】

また、前記コントローラは、前記蓄電池の放電電流積算値に基づき、前記短時間の充電動作を行う頻度を調整することを特徴とする。

【0015】

さらに、本発明に係る蓄電池の充放電制御方法は、蓄電池に対して、負荷への電力供給のための放電動作途中において、定期的に、当該放電を停止させて短時間の充電動作を行うように制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る電池システムは、蓄電池の放電動作時、すなわち、負荷への電力供給期間に着目して、当該期間において、短時間の充電動作を定期的に行うことで電極材料の劣化を防止するものである。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る電池システムの全体構成を示す。

【図2】本発明に係る電池システムの充放電のタイミングチャートを示す。

【図3】本発明に係る電池システムのメカニズムを示す。

【図4】本発明に係る電池システムの動作の説明図を示す。

【図5】本発明に係る電池システムの他の実施形態を示す。

【図6】本発明に係る電池システムの他の実施形態を示す。

【図7】本発明に係る電池システムの充放電のタイミングチャートを示す。

【図8】本発明に係る電池システムの実験結果を示す。

【図9】本発明に係る電池システムのコントローラの動作を示すイメージ図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は本発明に係る電池システムの全体構成を示す。主電池装置１０は主電源となる蓄電池１１と、この蓄電池１１の充放電を調整する蓄電池用調整回路１２より構成される。また、補助電池装置２０は、補助電池２１と、この補助電池２１の放電を調整する補助電池用調整回路２２より構成される。蓄電池用調整回路１２と補助電池用調整回路２２は、コントローラ３０により充放電のタイミングが制御される。主電池装置１０と補助電池装置２０から供給される電力はパワーコンディショナ（通称、ＰＣＳ）４０にて直流を交流に変換し、家庭用の電気機器などで利用できるように調整される。ＰＣＳの出力は家庭用電気機器などの負荷５０に接続される。

【0019】

ここで、主電池装置１０に含まれる蓄電池１１は鉛蓄電池に代表される二次電池であり、充放電を繰り返して長期期間使用する電池であり、その出力に接続される蓄電池用調整回路１２は電圧変換器やスイッチなどから構成される。ただし、本発明では、蓄電池は鉛蓄電池に限定されるものではなく、リチウムイオン電池やニッケルカドミニウム蓄電池など二次電池が広く採用される。

【0020】

図２は蓄電池１１の充放電のタイムチャートを示す。横軸は時間、縦軸は電流値を示すが、縦軸のゼロラインよりも下方は放電電流値Ｉ１を表し、上方は充電電流値Ｉ２を表す。例えば、期間ｔ１において蓄電池１１は放電、すなわち、負荷への電力供給を行っている。蓄電池１１は、負荷によって決まる時間ではなく、コントローラ３０に設定されている一定の基準時間ｔ１を経過すると、コントローラ３０からの信号に従い、蓄電池１１の放電は強制的に停止する。例えば、照明であれば、点灯を必要とするタイミングであっても、強制的に蓄電池からの放電を停止して充電動作に切り替えることとなる。この点で、従来の蓄電池は、点灯を必要とするタイミングであれば、蓄電量が枯渇するなどの理由がない限り、負荷への放電を継続させており、負荷（照明）を消灯しているタイミングにおいて二次電池の充電していたことと相違する。

【0021】

図に戻り、コントローラ３０に設定された一定の充電期間ｔ２を経過すると充電が停止し、その後、一定の休止期間ｔ３を経て再び放電状態へと移行する。一例を示すと、ｔ１は３８分、ｔ２は２分、ｔ３は１０分である。

【0022】

充電動作期間ｔ２においては、補助電池装置２０に内蔵されている補助電池２１から放電電力により蓄電池１１の充電を行う。さらに、負荷５０に対する電力供給が停止しないように補助電池装置２０から供給も適宜行われる。すなわち、補助電池２１は、主蓄電池１１に対する電力供給源であるとともに、負荷５０に対する電力供給源の役割も担っている。補助電池２１は、蓄電池であってもかまわないが、必ずしも蓄電池である必要はなく一次電池でもかまわない。

【0023】

蓄電池用調整回路１２や補助電池用調整回路２２は、半導体リレー素子を含むものであり、コントローラ３０からの信号によりオンオフされることで充放電が制御される。このように、本発明に係る電池システムは、蓄電池の放電期間において、一定周期で短時間の強制的充電時間を設けることで蓄電池の長寿命化を達成するものである。

【0024】

図３は電解質に存在する電極とその電極に析出する硫酸鉛の状態を示している。蓄電池の放電動作（例えば３８分）においては、電極に硫酸鉛が析出するが、その状態は必ずしも均一ではなくムラ（位置的不均一）が発生する。しかし、本発明のような放電動作を一時的かつ強制的に停止させて、短時間の充電（例えば２分）を行うことで、このような硫酸鉛の析出ムラを解消できることを見出したわけである。一定の周期で繰り返した後は、いわゆる蓄電を目的とした通常の充電を行うが、この充電において硫酸鉛の析出を除去することが可能となる。なお、ここでの通常の充電は、充電量を段階的に変化させる、いわゆる多段階充電が望ましい。

【0025】

図２に戻り、蓄電池１１の充電時間ｔ２は、放電時間ｔ１の１０％以下が望ましい。上記のように、ここでの充電は蓄電量の補充が目的ではないからである。また、充電期間の電流値Ｉ２は放電期間の電流値Ｉ１の２倍以上が望ましい。

【0026】

休止期間ｔ３は、蓄電池１１の電解液内のイオンの拡散防止のためには設けたほうが望ましい。特に蓄電池が新品の場合は効果的である。ただ、休止期間ｔ３は必須ではなく、また、毎周期ごとに設けるのではなく、特定の周期ごとに設けることでもかまわない。

【0027】

図４は、図１に示した電池システムの充放電動作をより具体的に説明するものである。（ａ）は時間ｔ１における動作状態、（ｂ）は時間ｔ２における動作状態、（ｃ）は時間ｔ３における動作状態をそれぞれ表す。

【0028】

（ａ）は、図２の時間ｔ１に相当するもので主電池装置１０の放電状態を示すものである。主電池装置１０からの放電電流Ｉ１０がパワーコンディショナ４０に流れ、パワーコンディショナ４０からの交流電流Ｉａｃが負荷５０に流れている。
（ｂ）は、図２の時間ｔ２に相当するもので主電池装置１０の充電状態を示すものである。補助電池装置２０からの放電電流Ｉ２１が主電池装置１０に流れるとともに、さらに、補助電池装置２０からの放電電流Ｉ２２がパワーコンディショナ４０に流れ、パワーコンディショナ４０からの交流電流Ｉａｃが負荷５０に流れている。これにより、主電池装置１０が放電を停止しても負荷への電力供給を継続することができる。
（ｃ）は、図２の時間ｔ３に相当するものでは主電池装置１０の休止状態を示すものである。主電池装置１０からの放電は停止しているが、補助電池装置２０からの放電電流Ｉ２２が継続することで負荷５０に対して電力供給を継続している。

【0029】

ここで、充電期間ｔ２と休止期間ｔ３においては、負荷への電力供給は必要とはならない場合もある。例えば、図１に示す電池システムを多数並べて使用するような場合は、充電期間ｔ２と休止期間ｔ３のタイミングをずらして設定することで使用上問題がないからである。例えば、一つの照明灯に一つの電池システムを設けて、多数（例えば１００個）の照明灯を配置する環境において、１の照明灯が充電期間ｔ２や休止期間ｔ３であっても、残り９９の照明灯が点灯していることで、当該環境における照明機能を維持できるからです。

【0030】

図５は本発明の電池システムの他の実施形態を示す。図１と異なる点は、図１での補助電池が蓄電池であって、蓄電池同志相互に強制的充電を行うことにある。電池システムは、全体として、第一電池装置１０Ａと第二電池装置１０Ｂより構成されており、第一電池装置１０Ａは第一蓄電池１１Ａと第一蓄電池用調整回路１２Ａより構成され、第二電池装置１０Ｂは第二蓄電池１１Ｂと第二蓄電池用調整回路１２Ｂより構成される。

【0031】

この実施形態においては、第一電池装置１０Ａと第二電池装置１０Ｂは、基本的に、主蓄電池と補助電池の機能を相互に交代するものであり、第一電池装置１０Ａが主蓄電池となる場合は、第二電池装置１０Ｂは補助電池の機能をなし、第二電池装置１０Ｂが主蓄電池となる場合は、第一電池装置１０Ａは補助電池の機能を果たす。具体的には、第一電池装置１０Ａが主の場合には、第一蓄電池１１Ａの強制的な短時間の充電期間（図２に示すｔ２）においては第二蓄電池１１Ｂが供給電力源となり、これを一定数（例えば１００回）のサイクルだけ繰り返す。そして、設定されたタイミング（１００回）を終えると、第二蓄電池１１Ｂが主となり第一蓄電池１１Ａが補助となって交代する。このように、双方の蓄電池が主と補助の機能を一定サイクルで繰り返すことで、より長時間の安定的な使用を可能とする。

【0032】

図６は、本発明に係る電池システムの他の実施形態を示す。
この実施形態は、一つの負荷に対して、４つの電池装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を並列的に配置している。各電池装置１０は、蓄電池と蓄電池用調整回路を内蔵している。この実施形態において、例えば、第一電池装置１０Ａが強制的な短時間の充電期間に相当するときは、他の電池装置、例えば、第二電池装置１０Ｂが第一電池装置１０Ａに対する供給電力源となり、それ以外の電池装置１０Ｃ、１０Ｄは、負荷に対する供給電となる。次に、第二電池装置１０Ｂが強制的な短時間の充電期間を行うようになり、他の電池装置、例えば、第三電池装置１０Ｃが第二電池装置１０Ｂに対する供給電力源となり、それ以外の電池装置１０Ａ、１０Ｄは、負荷に対する供給電となる。このように、複数の電池装置は強制的な短時間の充電期間が相互に重ならないように設定することで、全ての電池装置を効率的に運用することができる。このような実施形態は、例えば電気自動車など多数の蓄電池を必要とする用途において有用である。

【0033】

さらに、図７は、図６に示す実施形態の電池システムにおいて、充放電の関係がさらに異なる形態を示す。横軸は時間、縦軸は各電池システムの電流量を表す。時間Ｔ０は初期状態であり各電池装置は充電動作も放電動作もしていない。時間Ｔ１において、各電池装置は一斉に放電を開始する。図においては、各電池装置の電流レベル（縦軸）０がゼロレベルであり下方は放電状態、上方は充電状態を表す。時間Ｔ２において、第一電池装置は短期的な充電動作状態となり、他の電池装置、すなわち、第二電池装置、第三電池装置、第四電池装置は、それぞれ放電電流が上昇する。これは、第一電池装置が放電を停止しているため、他の電池装置がその分を補っているからである。時間Ｔ３において、第一電池装置の充電動作が停止すると、他の電池装置の放電レベルも時間Ｔ１からＴ２のレベルに復帰する。以下、短期的な充電動作を、第二電池装置→第三電池装置→第四電池装置と変化しながら同様の動作を繰り返すことになる。この実施形態は、図６に示すものと異なり、一の電池装置が充電状態にあるとき、他の全ての電池システムが放電を増量していることにある。

【0034】

図８は本発明の効果を示すための実験の説明図であり、（ａ）は２個の電池システムを用いて、本発明の充放電方法と従来の充放電方法を同時に行った事例を示し、（ｂ）は1個の電池システムを用いて、途中までは従来の充放電方法、その後、同一の蓄電池を利用して、本発明の充放電方法を行った事例を示す。両方とも、縦軸は電池の満充電における容量（％）を表し、横軸は実験サイクル数を表し、黒丸は本発明方法、黒四角は従来方法をそれぞれ示す。

【0035】

まず、（ａ）において、初期状態（サイクル数０）において、本発明方法及び従来方法はともに電池の容量は１００％であり（図では両者が重なっているので黒丸は把握しにくい）、この状態は新品の蓄電池といえる。その後、従来方法は１．７時間かけて２４アンペアの放電と4時間の充電を１セットとして、それを１８回繰り返して１サイクルとした。つまり、１サイクル終了後の電池残容量（満容量）は９３％であり（図においてサイクル数１におけるプロット）、一方、発明方法は、３８分の放電と２分の強制充電を１セットとして、それを３回繰り返して１サイクルとした。１サイクル終了後の本発明方法による電池残容量（満容量）は９２％である（図においてサイクル数１におけるプロット）。

【0036】

同様に実験を続けることで、従来方法（■）は、２サイクルで残容量９１％→３サイクルで残容量９０％→４サイクル数で残容量８８％と減少している。一方、本発明方法（●）は、２サイクルで残容量９５％→３サイクルで残容量９６％→４サイクル数で残容量９６％→５サイクルで残容量９７％→６サイクル数で残容量９７％→７サイクル数で残容量１００％→８サイクルで残容量１０１％と上昇していることがわかる。この残容量は満充電したときの蓄電量であり、従来方法は蓄電能力が低下しているのに対し、発明方法はほぼ初期値にまで回復していることが示される。

【0037】

次に、（ｂ）について、初期状態（サイクル数０）において電池容量は１００％である。５サイクルまでは、前記（ａ）と同じ従来方法、すなわち１．７時間かけて２４アンペアの放電と、4時間の充電を１セットとして、それを１８回繰り返して１サイクルとし、６サイクル以降は本発明方法、すなわち、３８分の放電と２分の強制充電を１セットとして、それを３回繰り返して１サイクルとして実験を行った。

【0038】

実験より、従来方法（■）のときは、１サイクルで残容量９２％→２サイクルで残容量９０％→３サイクル数で残容量９０％→４サイクル数で残容量９４％→５サイクルで残容量９１％と初期容量からは減少していることがわかる。一方、本発明方法（●）のときは、６サイクルで残容量９５％→７サイクルで残容量９６％→８サイクル数で残容量９６％→９サイクル数で残容量９７％→１０サイクルで残容量９７％→１１サイクルで残容量１００％→１２サイクル数で残容量１０１％と上昇していることがわかる。この結果、発明方法を採用することで、従来方法により低下した蓄電能力をほぼ初期値まで回復させていることが示される。

【0039】

コントローラは、蓄電池の使用時間あるいは放電電流積算値に基づき、休止期間、短時間の充電動作期間、あるいは充電動作期間の電流値を調整することができる。図９はこのような制御を説明するためのイメージ図である。縦マスは満充電における容量であって初期を１００％としたときの比率を表し、横マスは放電電流の積算値を表す。また、各マスには（ａ，ｂ，ｃ）の形で数値が保存されており、ａは短時間充電の時間ｔ２（図２参照以下同じ）、ｂは短時間充電に続く休止期間の時間ｔ３、ｃは短時間充電の電流値Ｉ２をそれぞれ表し、コントローラは予めこのような数値設定されたテーブルを格納している。

【0040】

例えば、初期状態である放電電流積算値が０Ａｈの場合、満充電の容量は１００％であって、このときは（ａ１，ｂ１，ｃ１）が格納されており、数値例を挙げると、ａ１は１分、ｂ１は０分、ｃ１は４０Ａとなる。そして、放電電流積算値が５０００Ａｈに到達した時点で、蓄電池の満充電率が１００％を維持していれば、コントローラは、短時間充電の時間ｔ２をａ２に変えて、短時間充電に続く休止期間の時間ｔ３はｂ１、短時間充電の電流値はｃ１のままとする。一方、放電電流積算値が５０００Ａｈに到達した時点で、蓄電池の満充電率が９０％に減少していた場合、コントローラは、短時間充電の時間ｔ２をａ２に変えるとともに、短時間充電に続く休止期間の時間ｔ３と短時間充電の電流値も、それぞれｂ２とｃ２に変更させる。このように、コントローラは、放電電流の積算値が所定値に到達した際に、蓄電池の満充電の容量を測定して、それに応じて、短時間充電の時間、短時間充電に続く休止期間の時間、短時間充電の電流値を修正している。さらに、蓄電池の満充電が所定値、例えば６０％に到達したときには、当該蓄電池を寿命として警告表示などさせることができる。

【0041】

さらに、コントローラは、蓄電池の放電電流の積算値に基づき、短時間充電動作を行う頻度を調整することもできる。これも前記と同様に、コントローラは放電電流値の積算値に対応したテーブルを格納することとなる。これは、表現を変えるならば、図２に示すｔ１の時間ということになる、例えば、放電電流の積算値が、０Ａｈの場合に１２０分、２５００Ａｈの場合に６０分、５０００Ａｈの場合に４０分・・・ということになる。

【0042】

また、これらのパラメータは、不定期、例えば、１か月か１週間に一度の蓄電池の劣化診断行い、パラメータを調整することができる。

【0043】

以上、説明したように本発明の電池システムは、負荷に対する放電を必要とするタイミングであっても、強制的に当該放電を停止して短時間の充電動作を行い、それを定期的に繰り返すことで蓄電池の長寿命化を図ることができる。

【符号の説明】

【0044】

１０ 主電池装置
１１ 蓄電池
１２ 蓄電池用調整回路
２０ 補助電池装置
２１ 補助電池
２２ 補助電池用調整回路
３０ コントローラ
４０ パワーコンディショナ
５０ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】