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  • 特表-ニッケル水素電池セルの再調整方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-25
(54)【発明の名称】ニッケル水素電池セルの再調整方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/42 20060101AFI20230518BHJP
   H01M 10/48 20060101ALI20230518BHJP
   G01R 31/389 20190101ALI20230518BHJP
   G01R 31/3835 20190101ALI20230518BHJP
   H01M 10/28 20060101ALI20230518BHJP
   H01M 10/30 20060101ALI20230518BHJP
【FI】
H01M10/42 Z
H01M10/48 P
G01R31/389
G01R31/3835
H01M10/28
H01M10/30 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022559442
(86)(22)【出願日】2021-03-25
(85)【翻訳文提出日】2022-10-26
(86)【国際出願番号】 SE2021050263
(87)【国際公開番号】W WO2021201749
(87)【国際公開日】2021-10-07
(31)【優先権主張番号】2050361-1
(32)【優先日】2020-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】504013258
【氏名又は名称】ナイラー インターナショナル アーベー
(74)【代理人】
【識別番号】100183782
【弁理士】
【氏名又は名称】轟木 哲
(72)【発明者】
【氏名】シェン、ヤン
(72)【発明者】
【氏名】スターボリ、スティナ
【テーマコード(参考)】
2G216
5H028
5H030
【Fターム(参考)】
2G216BA03
2G216BA53
5H028AA06
5H028AA07
5H028AA10
5H028BB11
5H030AA01
5H030AS20
(57)【要約】
本発明は、電池モジュール(1)の再調整方法に関する。この電池モジュール(1)は、2つ以上の電池セル(2)を含み、電池セルを包含しかつ共通のガス空間(5)を囲むケーシング(4)を有する。本方法は、電池モジュールのセルの数および電池セル上の電圧に関するデータを取得する工程、電池セルのうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗(R)に関する指示パラメータを取得する工程(102)、指示パラメータおよび電池モジュールに関するデータに基づいて前記電池モジュールに充填すべき酸素の充填量を決定する工程(104)、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの電圧指示が電圧指示閾値(Ut0-Ut1)の範囲であるかどうかを判定する工程(105a)、および前記指示パラメータを第1の閾値未満のレベルに下げるために前記電池モジュールに前記充填量の酸素を充填する工程(107)を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
2つ以上の電池セル(2)を含む電池モジュール(1)を再調整する方法であって、前記電池モジュールは、電池セルを包含しかつ共通のガス空間(5)を囲むケーシング(4)を有し、前記電池モジュール(1)の各電池セル(2)は、第1の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および前記第1の電極と前記第2の電極の間に配置された水性アルカリ性電解質を含み、前記多孔質セパレータ、前記第1の電極および前記第2の電極は、これらの電極間にガスを移動させることで水素と酸素の交換を可能にするように構成され、前記ケーシング(4)は、前記ケーシング(4)の前記共通ガス空間(5)に気体または液体を添加する入口(25)をさらに含み、該方法は
前記電池モジュール(1)の電池セルの数、前記電池モジュール(1)の温度、および前記電池モジュール(1)のエネルギー容量に関するデータを取得する工程(101)と、
前記電池セル(2)のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗(R)に関連する指示パラメータを取得する工程(102)と、
前記指示パラメータが所定の第1の閾値を超えた場合に、前記指示パラメータおよび前記電池モジュールに関する取得データに基づいて、前記電池モジュール(1)の各電池セルに充填されるべき酸素の充填量を決定する工程(104)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに対する電圧指示(U)を取得する工程(105)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の上限電圧指示閾値(Ut1)を超えているか否かを判定する工程(105a)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が所定の上限電圧指示閾値(Ut1)より低いとき、前記指示パラメータを前記第1の閾値未満の水準に下げるべく、前記電池モジュール(1)への前記充填量の酸素充填を開始する工程(107)と、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの電圧指示(U)を取得する工程(105)と、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の下限電圧指示閾値(Ut0)未満であるかどうかを判定する工程(105a)と、および前記電池セルの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が所定の下限電圧指示閾値(Ut0)より高いとき、前記指示パラメータを前記第1の閾値未満の水準に下げるために前記電池モジュール(1)への前記充填量の酸素充填を開始する工程(107)とを含む電池モジュール(1)を再調整する方法。
【請求項2】
前記指示パラメータは、前記電池セル(2)のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗(R)であるように選択され、前記第1の閾値は第1の抵抗閾値(Rt1)であり、前記電池モジュール(1)への酸素の充填は前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗を第1の抵抗閾値(Rt1)未満の水準まで下げることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記指示パラメータは、前記電池モジュールの健全状態に関連することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項4】
前記上限電圧指示閾値(Ut1)は、前記電池セル(2)の前記少なくとも1つのセルの内部抵抗(R)に関連する指示パラメータの関数であることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の方法。
【請求項5】
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する取得電圧指示(U)が前記所定の上限電圧指示閾値(Ut1)以上のとき、
前記決定された充填量の酸素で前記電池モジュールの充填を開始する工程(107)を実行する前に、前記電池セルのうちの前記少なくとも1つのセルの電圧を前記上限電圧指示閾値(Ut1)未満の水準まで下げるべく、前記電池モジュールを放電する工程(106a)をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至4いずれか1項記載の方法。
【請求項6】
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の下限電圧指示閾値(Ut0)以下であるか否かを判定する工程(105a)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が前記所定の下限電圧指示閾値(Ut0)を超えている場合に、充填を開始する工程(107)とをさらに含む、請求項1乃至5いずれか1項記載の方法。
【請求項7】
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が、前記所定の下限電圧指示閾値(Ut0)以下のとき、前記決定された充填量の酸素で電池モジュールの充填を開始する工程(107)を実行する前に、前記電池セルのうちの前記少なくとも1つのセルの電圧を前記下限電圧指示閾値(Ut0)より上の水準まで上げるべく、前記電池モジュールを充電する工程(106b)をさらに含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
【請求項8】
前記充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールに酸素を充填する前に、前記電池モジュールに水素を充填することをさらに含むことを特徴とする請求項6または7記載の方法。
【請求項9】
前記電圧指示は、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの開回路電圧であるように選択され、前記電圧指示の上限および下限閾値は温度依存性であることを特徴とする請求項1乃至8いずれか1項記載の方法。
【請求項10】
前記電圧指示は、前記電池モジュールの充電状態に関連していることを特徴とする請求項1乃至8いずれか1項記載の方法。
【請求項11】
前記電池モジュール(1)の充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールへの酸素の充填と連動して、前記電池モジュールを不活性ガスで充填することをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至9いずれか1項記載の方法。
【請求項12】
前記不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウムおよび/または空気の任意の組み合わせであるように選択されることを特徴とする請求項11記載の方法。
【請求項13】
前記充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールの電池セルのうちの少なくとも1つのセルの指示パラメータを下げるために、前記決定された充填量の酸素を有する容器(17)の準備を開始する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至12いずれか1項記載の方法。
【請求項14】
前記電池モジュール(1)に前記量の酸素を充填した後に
前記電池モジュールの充填後の内部抵抗(R)に関連する充填後パラメータを取得する工程(108)と、
前記充填後パラメータが前記第1の閾値よりも低い所定の第2の閾値を超えたか否かを判定する工程(109)と、
前記充填後パラメータが前記所定の第2の閾値を超えた場合、前記充填後パラメータおよび前記電池モジュール(1)のデータに基づいて、前記充填後パラメータを前記第2の閾値未満の水準に下げるために前記電池モジュール(1)に充填されるべき酸素の追加充填量を決定する工程と、
前記決定された追加充填量の酸素を前記電池モジュール(1)に充填する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至13いずれか1項記載の方法。
【請求項15】
前記電池モジュールは、ニッケル水素(NiMH)電池モジュールであるように選択されることを特徴とする請求項1乃至14いずれか1項記載の方法。
【請求項16】
少なくとも1つのプロセッサ(14’)で実行されると、この少なくとも1つのプロセッサ(14’)に請求項1乃至15いずれか1項記載の方法を実行させる命令を含む、電池モジュールを再調整するコンピュータ・プログラム。
【請求項17】
電池モジュールを再調整するための請求項16記載のコンピュータ・プログラムを搭載したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項18】
2つ以上の電池セル(2)を含む電池モジュール(1)を再調整するためのシステム(50)であって、前記電池モジュールは、電池セルを包含しかつ共通のガス空間(5)を囲むケーシング(4)を有し、前記電池モジュール(1)の各電池セル(2)は、第1の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置された水性アルカリ電解質を含み、前記多孔質セパレータ、前記第1の電極および前記第2の電極は、これらの電極間にガスを移動させることで水素と酸素の交換を可能にするように構成され、前記ケーシング(4)は、前記ケーシング(4)の前記共通のガス空間(5)に気体または液体を添加する入口(25)をさらに有し、請求項1乃至15いずれか1項記載の方法を実行するように構成された制御回路(14、20)を含むことを特徴とするシステム。
【請求項19】
前記電池モジュール(1)の内部抵抗に関連する指示パラメータを決定するために用いられるパラメータを取得するように構成された測定ユニット(13)をさらに備え、前記測定ユニット(13)は、前記制御回路(14、20)と通信するように構成されることを特徴とする請求項18記載のシステム。
【請求項20】
前記制御回路は、
前記電池セル(2)のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗に関連する少なくとも前記指示パラメータを取得し、前記電池モジュール(1)への酸素の充填を制御するように構成された局所コントロールユニット(20)と、
前記局所コントロールユニット(20)と通信し、メモリ(26)から電池モジュールに関するデータを取得し、局所コントロールユニット(20)から取得した指示パラメータと電池モジュール(1)に関するデータとに基づいて、酸素の充填量を決定するように構成されている、コントロールユニット(14)とを含むことを特徴とする請求項18または19記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、電池セル、特に金属水素化物電池セルの再調整の分野に関する。本方法は、性能を改善するために酸素ガスおよび必要に応じて水素ガスを添加する電池モジュールに関する。さらに、本発明は、特に、電池モジュールの寿命を延ばす分野に関する。
【背景技術】
【0002】
ニッケル水素(NiMH)電池は、長いサイクル寿命と急速充放電能を有する。充電・放電時には、電極間に水分子の形で水素が輸送されるので、アルカリ性電解液を介して電極同士が相互作用する。放電時には、水素は負極から放出され、正極(ニッケル電極)に移動し、そこで吸蔵される。この結合により、エネルギーが放出される。充電時には、水素の移動は逆になる。
【0003】
特にニッケル水素電池は、ニッケル電極を電解液が不足した状態に制限するように設計されている。これは、電池セルの過充電や過放電状態を回避するために行われ、気相を介して電池セルの化学反応と充電状態を制御している。
【0004】
電池セルを充電すると、水素はアルカリ性電解質中の水分子によって水酸化ニッケルから水素化金属に輸送される。放電時には、水素は再び水分子の形で水酸化ニッケル電極に輸送される。
【0005】
PCT公開WO2017/069691には、適切な量の過充電予備力と過放電予備力の両方を有する金属水素化物電極容量に対するニッケル電極容量を適切にバランスさせることが、電池モジュールが十分に機能するのに不可欠で、安定した長時間の充電および放電性能に到達することができることが記載されている。酸素ガス、水素ガス、過酸化水素を添加することで、適切な過充電・放電予備力と電解液の補充ができ、電池モジュールの寿命を延ばし、可能なサイクル数を増やすことができる。
【0006】
酸素の添加は、好ましくは、電池モジュールが動作していないときに行われる。従って、電池モジュールの動作を最適にするために、酸素の充填は、電池モジュールの容量だけでなく、動作時間も最適にするように行われることが好ましい。
【0007】
International Journal of Hydrogen Energy, 2018-03-29, ISSN 0360-3199, Vol 43, No 40, pp 18626-18631に掲載されたShen Yangらによる「Increasing NiMH Battery Cycle Life with Oxygen(酸素によるニッケル水素電池の寿命の延び)」というタイトルの論文では、酸素を制御して添加し、ニッケル水素電池の電極間のバランスを取り戻し、かつ電解質を補給する研究が開示されている。
【発明の概要】
【0008】
本発明の目的は、先行技術の欠点を少なくとも緩和する、2つ以上の電池セル、好ましくはニッケル水素電池セルを含む電池モジュールに酸素を添加して再調整する方法を提供することである。
【0009】
これらの目的の少なくとも1つは、請求項1に記載の方法によって達成される。
【0010】
本発明の更なる利点は、各従属請求項の構成によって提供される。
【0011】
本発明の第1の態様によれば、2つ以上の電池セルを含む電池モジュールの再調整方法が提供される。電池モジュールは、電池セルを包含し共通のガス空間を囲むケーシングを有する。電池モジュールの各電池セルは、第1の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および第1の電極と第2の電極との間に配置された水性アルカリ性電解質を含む。多孔質セパレータ、第1電極および第2電極は、電極間をガスが移動することで、水素と酸素の交換を可能にするように構成される。ケーシングは、ケーシングの共通ガス空間に気体または液体を添加するための注入口をさらに備え、ケーシングの共通ガス空間に気体または液体を添加するための注入口は、ケーシングの共通ガス空間内に配置される。本方法は、電池モジュールに関するデータを取得する工程を含み、データが、少なくとも電池モジュールの電池セルの数および電池モジュールのエネルギー容量に関するものであることを特徴とする。この方法はまた、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗に関連する指示パラメータに関するデータを取得する工程、および前記指示パラメータが所定の第1の閾値を超える場合、前記指示パラメータと前記電池モジュールに関するデータとに基づいて、前記指示パラメータを前記第1の閾値未満の水準まで下げるために前記電池モジュールに充填すべき酸素の充填量を決定する工程を含む。この方法はまた、安全であると判定された場合、決定された充填量の酸素で電池モジュールの充填を開始する工程を含む。この開始は、正しい圧力で正しい充填量の酸素を含むガス容器を電池モジュールに送るよう指示する工程を含んでもよい。あるいは、電池モジュールが酸素パイプに接続されている場合、この開始は、酸素管からの酸素の充填を開始することを含んでもよい。
【0012】
本発明の第1の態様に係る方法により、電池の動作を最適にすることができる。本方法によれば、電池モジュールの容量だけでなく、電池モジュールの動作時間も最適にすることができる。適切な水準の第1の閾値は、最適な水準で酸素を充填し高い内部抵抗で電池を動作させることを避けると同時に、各充填の間の時間が短すぎないようにすることができる。
【0013】
本方法は、コンピュータを含む制御回路で実施される。
【0014】
電池セルのうちの少なくとも2つのセルの指示パラメータに関するデータを取得する工程は、電池モジュールの指示パラメータを決定するために必要な値を得るように構成された測定ユニットからデータを受信することによって実施されることが好ましい。この決定におけるセルの数は、実用上の制限に支配される。通常、電池モジュールの電極接点にのみアクセスすることが可能である。したがって、SOHや内部抵抗などの指示パラメータは、電池モジュール内のすべての電池セルに対して決定される。
【0015】
電池モジュールに関するデータ(このデータは、少なくとも電池モジュールの電池セルの数、電池モジュールのエネルギー容量、および必要に応じて共通ガス空間の容積に関連する)を取得する工程は多くの異なる方法で行われる。一代替案は、測定ユニットが、本方法を実行するコントロールユニットに電池モジュールに関するデータを送信するように構成されることである。データは測定ユニットから送信されてもよいが、測定ユニットの複雑さを最小限にするために、測定ユニットは識別番号のみを送信することが好ましい。測定ユニットから識別番号を受信すると、コンピュータは、メモリからデータを取得することができる。上記のように、このデータは、少なくとも電池モジュールの電池セルの数、電池モジュールのエネルギー容量、および必要に応じて共通ガス空間の容積に関するものである。このデータは、電池モジュールに充填される酸素の充填量の決定に必要である。ただし、決定に際して、電池モジュールの実際の電池セルの数、電池モジュールのエネルギー容量、および共通ガス空間の容積を使用する必要はない。一代替案によれば、コントロールユニットは、電池モジュールの識別番号に対応する電池のデータの取得に、メモリ内のルックアップテーブルを参照してもよい。電池のデータは、一例として、電池の種類を特定する型番であってもよい。コントロールユニットは、次に、得られた指示パラメータと型番に基づいて、必要な酸素充填量を別のルックアップテーブルから取得してもよい。ルックアップテーブルの必要な酸素充填量は、同様の電池の種類を用いた以前の実験に基づくものであってもよい。型番は、所定の数の電池セル、所定のエネルギー容量、および必要なら所定の共通ガス空間の容積を有する電池モジュールを規定する。
【0016】
好ましくは、得られた指示パラメータが複数の電池セルにまたがる内部抵抗を意味する内部抵抗である場合、セルあたりの平均内部抵抗が算出される。このようにすれば、電池セルの数が異なる可能性のある全ての種類の電池に対して、同じ第1の閾値を用いることができる。
【0017】
前記方法は、前記電池セルのうちの前記少なくとも2つのセルの電圧指示を取得する工程、前記電池セルのうちの前記少なくとも2つのセルの電圧指示が所定の電圧範囲内にあるかどうかを判定する工程、および前記少なくとも2つの電池セルの取得した電圧指示が前記所定の電圧範囲外の値をとらない場合にのみ前記電池モジュールへの酸素充填が安全であると判定する工程を含んでもよい。
【0018】
所定の電圧範囲は、下限電圧指示閾値と上限電圧指示閾値により規定され、電圧指示は、電池モジュール上の開回路電圧(OCV)または電池モジュールの充電状態(SOC)であってもよい。
【0019】
電池モジュールの電圧指示が所定の電圧範囲内にあり、電池モジュールが酸素で満たされている場合、火災の危険性を低減するために、酸素の充填を防止することが有利である。開回路電圧を電圧指示として使用する場合、前記少なくとも2つの電池セルにわたる開回路電圧からセルあたりの平均電圧が算出されることが好ましい。そうれば、1つの電圧指示閾値のみを使用することで済む。
【0020】
本方法は、電池モジュールに酸素を充填することが安全でないと判定された場合、電池モジュールへの決定された充填量の酸素の充填を開始する前に、電池モジュールを電圧範囲内の各電池セルの電圧まで放電または充電を開始する工程も含んでいてもよい。放電または充電の開始は、一代替案に従って、電池の操作者に電池を放電または充電するようにメッセージを送信することであってもよい。あるいは、電池モジュールが自動放電または充電装置に接続されている場合、開始は、自動放電または充電を開始する工程を含んでいてもよい。
【0021】
電池モジュールへの不活性ガスの充填は、電池モジュールへの酸素の充填の開始と連動して、すなわち同時に開始することができる。酸素と不活性ガスを組み合わせて充填すると、火災の危険性をさらに小さくすることができる。電池モジュールがガス管に接続されている場合、ガス管は酸素と不活性ガスの正確な混合ガスを含んでいることが好ましい。
【0022】
この方法は、前記電池モジュールへの酸素充填の開始後、前記少なくとも2つの電池セルのうちの1つの電池セルの充填後の内部抵抗に関連する充填後パラメータを取得する工程、前記充填後パラメータが所定の第2の閾値を超えるかどうかを判定する工程、および前記充填後パラメータが所定の第2の閾値を超える場合、前記充填後パラメータと前記電池モジュールのデータとに基づいて、前記充填後パラメータを前記第2の閾値未満にするために前記電池モジュールに充填すべき酸素の追加充填量を決定し、決定された追加充填量の酸素で前記電池モジュールの充填を開始させる工程を含むこともできる。
【0023】
これらの工程により、将来的に最適な機能と動作を確保するために、電池モジュールに十分な酸素が添加されたことが確認される。第2の閾値は、第1の閾値よりも低い値である。このような第2の閾値を目指すことで、内部抵抗が増加して電池モジュールの性能に影響を及ぼすまでのサイクル数が増加する。
【0024】
本方法は、さらに、電池モジュールの指示パラメータを低減するために、決定された充填量の酸素を電池モジュールに充填する容器の準備を開始する工程を含んでいてもよい。容器内の気体の圧力は、容器の容積と容器内の気体の量に依存する。小さな容器の場合、容器量は酸素の充填量とほぼ同じになる。しかし、容器から酸素を充填した後に、必ず容器内に酸素が残留している。容器から電池モジュールへのガスの流れは、容器内の圧力が電池モジュールの共通ガス空間の圧力と同じになるまで続く。
【0025】
本発明の第2の態様によれば、電池モジュールを再調整するためのコンピュータ・プログラムが提供される。このプログラムは、少なくとも1つのプロセッサで実行されると、この少なくとも1つのプロセッサに本発明の第1の態様による方法を実行させる命令を含む。
【0026】
本発明の第3の態様によれば、本発明の第2の態様による電池モジュールを再調整するためのコンピュータ・プログラムを搭載する、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
【0027】
第4の態様によれば、第1の態様による方法を実行するように構成された制御回路を含む、電池モジュールを再調整するシステムが提供される。このシステムは、電池モジュールの電圧および印加電流または引抜電流を測定することで抵抗を得るように構成された測定ユニットを含んでもよく、制御回路と通信するように構成されている。制御回路は、電池セルの少なくとも1つの測定値から少なくとも内部抵抗を求め、電池モジュールへの酸素の充填を制御するように構成された局所コントロールユニット、および局所コントロールユニットと通信するコントロールユニットを含んでもよい。コントロールユニットは、メモリから電池モジュールに関するデータを取得し、局所コントロールユニットから取得した内部抵抗の算出に用いた測定値と、電池モジュールに関するデータとに基づいて、酸素の充填量を決定するように構成される。
【0028】
以下、本発明の好ましい実施態様について、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
図1】電池モジュール内の電池セルを再調整するための電池システムを示す。
図2】一実施態様による、電池モジュール内の電池セルを再調整する方法に関するフロー図を示す。
図3a】サイクル中の電池モジュールおよび異なる電池モジュールの両方について、電池セル抵抗とモジュール電圧の異なる測定値をプロットした図を示す。
図3b図3aの測定値を正規化したもの(抵抗比)を電池モジュール電圧の関数として示す。
図4】本方法の第1の代替実施態様による、監視および再調整を行うために、いくつかの電池モジュールをどのように構成することができるかを示す。
図5】本方法の第2の代替実施態様による、3つの電池モジュールを含む電池パックの監視と再調整を行うように構成される方法を示す。
図6】電池モジュールの再調整の一例を示し、放電・充電のサイクル数に応じて電池セル1個あたりの内部抵抗が変化する様子を示す。
【発明を実施するための形態】
【0030】
好ましい実施態様に関する以下の説明では、図面を参照する。図面は縮尺通りに描かれておらず、全ての構成を明確に示すために、寸法によっては誇張されている場合がある。異なる図面における同様の構成には、同じ参照数字が使用される。
【0031】
本明細書で使用される用語は、本開示の特定の態様を説明する目的のみのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むものとする。
【0032】
本願において、電池モジュールの内部抵抗に関連する用語「指示パラメータ」は、内部抵抗だけでなく、電池モジュールの健全状態(SOH)の尺度を含む。SOHの尺度は、内部抵抗、および内部ガス圧のような電池モジュールの状態を決定するのに重要な他のパラメータを含んでもよい。
【0033】
本明細書では、各電池モジュール、ひいては電池セルの状態を示す尺度として、内部直流抵抗と解釈すべき「内部抵抗」という用語を一般的に用いる。内部抵抗は、所定の放電電流を用いて制御放電を行った際の電圧降下を測定して得られる。その後、測定された電圧降下と放電電流に基づいて内部抵抗が計算される。一例が以下の規格IEC 63115-1, Ed. 1.0 (2020-01)の7.6.3章「内部直流抵抗の測定」に記載されている。
【0034】
本明細書に示される例示的な実施態様のいくつかは、電池セル、特に金属水素化物(MH)電極を有する電池セルの再調整方法を対象とする。このような電池セルの一例は、ニッケル水素電池セルである。本明細書で提示される例示的な実施態様の開発の一部として、まず、問題を特定かつ考察する。
【0035】
複数の電池セルを含むニッケル水素電池モジュールは,充放電時に電解液の乾燥により各電池セルの性能が低下する。ガスを添加すると電極のバランスが回復し、ガスの再結合が促進され、その結果、内圧が低下することが判明した。それにより、意図しない過充電や過放電の影響を受けにくくなる。欠乏した電解質設計は、電池モジュール内で最小限の電解質しか利用できないことを意味する。電解液が失われると、主に内部抵抗の増加によって性能が低下する。電解液の乾燥は、サイクル寿命を制限する主な原因である。電解液の乾燥は、主に電池セルの過剰な内圧によって引き起こされ、過充電や過放電によって安全弁が開き、酸素や水素ガスが放出される可能性がある。2つ以上の電池セルがガスで接続されている場合、電池セルから電解液が不均一に失われる。このことは、共通のガス空間を共有する電池モジュールにも当てはまる。
【0036】
その主因は、電池セルが100%同一ではないため、充電ムラがあることである。充電ムラにより、あるセルが他のセルより先に発熱し、ガスで繋がった電池セル間を水(ガス状)が移動し、温度の低いところで凝縮する。従って、電池モジュール内を水が移動する。そのため、ある電池セルでは、他の電池セルに比べて内部抵抗の上昇が速くなる。内部抵抗の増加は、電池モジュールの寿命の低下につながる可能性がある。
【0037】
図1は、いくつかの電池セル2を双極板(biplate)3で直列接続して積層体を形成した電池モジュール1を調整するための電池システム50を示す。電池モジュール1は、電池セルを収容し、共通のガス空間5を囲むケーシング4を有する。電池モジュール1の各電池セル2は、第1の正極、第2の負極、多孔質セパレータ、第1の電極と第2の電極の間に配置された水性アルカリ性電解質を含む。セパレータ、第1の電極および第2の電極は、これら2つの電極間をガスが移動することで、水素と酸素の交換を可能にするように構成される。電池モジュール1は、複数の電池セル2の積層体のそれぞれの端部に接触する正極端板18および負極端板19を含む。電池モジュール1は、正極端板18に接続される正極コネクタ11および負極端板19に接続される負極コネクタ12をさらに含む。電池ケーシングは、ケーシング4の共通ガス空間5に気体または液体を添加するためのガス注入口25をさらに含む。正極コネクタ11および負極コネクタ12は、電池モジュール1から電力を取り出すことができる電極を構成する。さらに、図1に示すのは、正極コネクタ11および負極コネクタ12に接続され、正極コネクタ11と負極コネクタ12の間の電池モジュール1の内部抵抗に関する指示パラメータの計算に必要なデータを取得するように構成された測定ユニット13である。測定ユニット13が取得するデータは、内部抵抗を求めるための放電時の電圧降下、温度、内圧、および測定ユニット13内に電流検知器が含まれる場合の電流を含むことができる。測定ユニット13は、正極コネクタ11と負極コネクタ12との間の開回路電圧(OCV)を測定するように構成されてもよい。代替案として、破線15で示すように、測定ユニット13を接続して1つの電池セル2のみのデータを取得することも可能である。しかし、この機能を備えた電池モジュールを製造するのは非常にコストがかかる。入口弁16がガス注入口25に接続されている。図1では、必要ならガス容器17が入口弁16に接続される。局所コントロールユニット20が測定ユニット13および入口弁16に接続されており、この局所コントロールユニットは、測定ユニット13から提供されるデータに基づいて、指示パラメータを計算するように構成されてもよい。安全弁24、例えば破裂式ディスクが共通空間5に接続されている。安全弁24は、共通ガス空間5内に危険なガス圧の蓄積を防止する。圧力センサ23が共通ガス空間5に接続され、共通ガス空間5内の内圧を測定するように構成されていてもよい。なお、本出願人に譲渡されたWO2007/093626には、単体ニッケル水素電池モジュールの一例が開示されている。
【0038】
図1には、圧力センサ23、入口弁16、および測定ユニット13に接続された局所コントロールユニット20も示されている。局所コントロールユニット20は、コントロールユニット14と通信し、好ましくは無線で接続されている。もちろん、局所コントロールユニット20は、コントロールユニット14と有線で接続させることも可能である。また、局所コントロールユニット20とコントロールユニット14との間に、1つ以上の中間部を設けることもできる。また、局所コントロールユニットを省略し、コントロールユニット14を入口弁16および測定ユニット13に接続させることもできる。コントロールユニット14は、例えば、電池モジュール製造業者などの遠隔地に配置されてもよい。中央コントロールユニット14は、メモリ26に接続されているか、またはメモリ26を含む。
【0039】
コントロールユニット14は、測定ユニット13で指示パラメータ、たとえば電池モジュールの正極コネクタ11と負極コネクタ12の間の内部抵抗の計算に必要な温度、圧力、電圧、電流の測定を所定の間隔で開始し、この情報を電池モジュール1の識別情報と共にコントロールユニット14に送るように構成されている。この目的のために、コントロールユニット14は局所コントロールユニット20に要求を送り、局所コントロールユニット20は電池モジュールの電流指示パラメータと開回路電圧を回答として返す。内部抵抗は、測定ユニット13で直接測定されることはない。測定ユニット13は、所定の放電電流による放電中に電池モジュール1内の電圧降下を測定し、その後、内部抵抗を計算する。
【0040】
電池モジュール1の使用中、電池モジュールの放電と充電が行われる。電池モジュールの内部抵抗は、充放電の回数が増えるにつれて大きくなる。
【0041】
図1は、双極構成の電池セルを有する電池モジュール1を示すが、本発明は、双極構成に限定されるべきではない。電池モジュール内の複数の電池セルに対して共通のガス空間が提供されることを条件として、円筒形構成またはプリズム形構成などの他の種類の構成で配置された電池セルが、本発明の恩恵を受けることができる。
【0042】
図2は、電池モジュール1を再調整する方法のフロー図である。この方法は、電池モジュール1に関するデータを取得する第1の工程101を含む。これは、多くの異なる方法のうちの1つで行われてもよい。データを取得する方法に関する一例は、局所コントロールユニット20がコントロールユニット14に一意の識別番号を送信することである。次に、コントロールユニット14は、メモリ26から電池モジュールに関するデータを取り出してもよい。第2の工程102では、電池セル2の少なくとも1つの内部抵抗として例示されている、指示パラメータが取得される。一実施態様によれば、内部抵抗計算用データが測定ユニット13から得られ、制御回路(例えば、局所コントロールユニット20)が、正極コネクタ11と負極コネクタ12との間の内部抵抗を決定する。この場合、内部抵抗は、電池セルあたりの平均内部抵抗として決定されてもよいし、電池モジュールの全ての電池セルにわたる総内部抵抗として決定されてもよい。別の実施態様によれば、測定ユニット13は、(図1において破線15で示されるように)各電池セルにわたる内部抵抗を計算するためのデータを取得する。内部抵抗は、この場合、電池セルあたりの実際の内部抵抗として決定されることになる。この例では、次に、局所コントロールユニット20は、抵抗値の決定結果をコントロールユニット14に送信する。
【0043】
第3の工程103で、コントロールユニット14は、内部抵抗Rが所定の第1の抵抗閾値Rt1を超えるかどうかを判定するが、この第1の抵抗閾値Rt1は、メモリ26に格納されてもよいし、本方法、すなわち本方法の実行を制御するコンピュータ・プログラムに実装されてもよい。第1の抵抗閾値Rt1が単一の電池セル2に対する閾値を指す場合、閾値はプログラムに含まれてもよい。しかし、第1の抵抗閾値Rt1が複数の電池セル2に対する抵抗閾値を指す場合、その値は電池モジュールに関するデータと共にメモリ26に記憶され、そのデータは電池モジュール内の電池セルの数および各電池セルの容量を含んでもよい。より詳細には、コントロールユニット14は、局所コントロールユニット20から識別番号を受信し、メモリ26から電池モジュールに関するデータを取得する。必要に応じて、このデータは、共通ガス空間5の容積を含む。次に、コントロールユニットは、得られた抵抗値を電池セル2の数で割り、電池セル2あたりの平均内部抵抗に到達する。電池セル2あたりの平均内部抵抗Ricが所定の第1の抵抗閾値Rt1を超えない場合、コントロールユニット14は、次の抵抗値を決定するために待ち時間Tの間待機する。
【0044】
電池セル2あたりの平均内部抵抗Ricが所定の第1の抵抗閾値Rt1を超える場合、コントロールユニット14は、第4の工程104で、工程109に示すように、電池モジュール1の内部抵抗を第1抵抗閾値Rt1未満の水準まで、好ましくは第2の所定値閾値Rt2未満の水準まで下げるために、得られた内部抵抗Rおよび電池モジュール1に関するデータに基づいて電池モジュール1に充填される酸素の量を決定する。必要な酸素量の決定に用いられるデータは、好ましくは、各電池セル2の容量に関する情報、および必要に応じて共通ガス空間5の容積を含む。必要な酸素量を、多くの異なる方法で決定することができる。
【0045】
別の一実施態様によれば、コントロールユニット14は以前の測定値を頼りにして、電池モジュール1の共通空間5に充填されるべき必要量の酸素を得る。コントロールユニット14は、メモリ26内のルックアップテーブルを参照して、電池モジュールの識別番号に対応する電池のデータを取り出してもよい。電池のデータは、一例として、電池の種類を特定する型番であってもよい。次いで、コントロールユニット14は、決定された内部抵抗と型番とに基づいて、必要な酸素量を別のルックアップテーブルから取得するようにしてもよい。ルックアップテーブルの必要な酸素量は、今度は、同様の電池の種類の以前の実験に基づくものであってもよい。なお、電池モジュールの温度に関するデータが重要である、というのは、内部抵抗は温度の関数として変化し、さらに充填されるべき正しい量の酸素を決定するために、その温度に基づいて放電中の測定された電圧降下を正規化する必要があるからである。
【0046】
別の代替案によれば、コントロールユニット14は、ルックアップテーブルから、酸素の量を計算するのに必要なデータを取得する。ルックアップテーブルのデータは、電池モジュール1内の電池セル2の数、温度、および電池セル2の数、必要に応じて内部抵抗を求める際に含まれる共通ガス空間5の容積であってもよい。
【0047】
この方法はまた、各電池セルの電圧指示Uを決定する任意の第5の工程105を含んでもよい。電圧指示は、測定された温度における電池モジュールの開回路電圧(OCV)または電池モジュールに酸素を加えても安全であることを示す充電状態(SOC)であってもよい。この例ではOCVが使用され、工程105における判定は、複数の電池セル2を有する電池モジュールUにかかる開回路電圧を測定し、電池モジュールにかかる電圧を工程101で得られた電池モジュール内の電池セルの数で割ることで行われる。その後、電池セル開回路電圧Ucが所定の電圧範囲Ut0 < U < Ut1以内であるか否かが判定される。また、この場合、コントロールユニット14は、電圧測定に含まれる電池セル2の個数の情報を持っている必要がある。第6の工程105aにおいて、電圧が所定の電圧範囲内にあると判定された場合、第7の工程107で示されるように、電池モジュール1への酸素充填が安全であると判定され、電池モジュール1に決められた量の酸素を充填することを含む。一方、電池セル電圧が電圧範囲内にない場合、工程105を繰り返す前に電池モジュールの電池セル電圧を調整する任意の工程106が実行される。これは、電池セル電圧が上限電圧指示閾値以上U≧ Ut1である場合に電池モジュールを放電することを意味する(工程106a)。放電工程は、電池モジュールを能動的に放電させてもよいし、一定時間待機して電池モジュールの自己放電を許容してもよい。電池セル電圧が下限電圧指示閾値以下U≦ Ut0の場合、電池モジュールは充電される(工程106b)。これら任意の工程105、105aおよび106を実行することは、電圧が高すぎるか低すぎるときに酸素が電池モジュールに充填された場合の火災の危険性(これは電池セル全体に高電圧のときに酸素再結合率が高くなりすぎるという事実によって引き起こされる可能性がある)を低減するのに有利である。電池セルの電圧が低すぎると、酸素は吸蔵水素から保護されていない負極と直接反応する。
【0048】
図3aは、室温、すなわち+20℃±2℃における電池モジュールの抵抗と、電池モジュールの対応する開回路電圧(OCV)とについてプロットした複数の測定値にわたる図である。図3のデータは、10個の電池セル2を有する電池モジュールのものであり、y軸は、すべての電池セル、すなわち10個の電池セルの複合電圧であり、x軸は、電池セルについての平均内部抵抗である。電池セルの電圧閾値Uは、図3aに示すように、電池セルの抵抗の関数である。4つの円囲されたドット27は、電圧が酸素充填に対して高すぎる測定値を示している。なお、図中のデータ点のいくつかは、何度も酸素を充填した同じ電池モジュールからのものであり、いくつかは数回しか充填していないモジュールからのものである。
【0049】
上述のように、電池モジュールに酸素を充填するのが安全でないと判定された場合、この方法は、電池モジュールの充填を開始する工程107の前に、電池モジュールの電池セル電圧を指示電圧範囲内の電池セル電圧に調整する任意の中間工程106を含んでもよい。一例として、+20℃±2℃の温度で上限電圧指示閾値Ut1は1.39V/セルであり、下限電圧指示閾値Ut0は1.3V/セルである。下限電圧指示電圧閾値と同様に上限電圧指示電圧閾値は温度に依存し、OCVが確実に電圧範囲1.3~1.39V/セル内にあるようにするために、所定の温度範囲(室温など)に正規化することができる。それ以外の場合は、電池モジュールに酸素を充填しても安全であることを判定するために、異なる温度に対する閾値が利用できることが必要である。さらに、図3aの線28で示されるように、上限電圧指示閾値は、測定された内部抵抗の関数として変化することがある。
【0050】
図3bは、図3aの抵抗測定値を初期抵抗値で規格化し、R比と呼ばれる抵抗比、すなわちR測定値/R初期値で示すグラフである。R比が高すぎる場合、例えば線29で示すように>3.5の場合、電池セル内の負極材料の腐食が激しく、酸素添加では回復できないことが分かっている。また、電池セルの再調整に最適な条件は、R比が1.5~2.0の範囲にあることが判明した、というのはR比が1.5未満では、過充電予備容量が不足し、電解液の最適なバランスに利用できる水素が少なく(腐食により発生した水素で消費されてしまった)、酸素が過放電予備容量の水素と反応し、電極のバランスが崩れて容量低下を引き起こすことがあるからである。
【0051】
上限電圧指示閾値Ut1は固定値、例えば1.39V/セルに設定、あるいは図3bの線30で示されるようにR比の関数として変化させてもよい。
【0052】
電池モジュールに酸素を充填しても安全かどうかをSOCで判定する場合、SOCの上限閾値は95%、下限閾値は50%である。
【0053】
電池モジュール1は、酸素の充填と合わせて、不活性ガス、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、空気などを充填してもよく、これにより、充填時の火災の危険性を低減することができる。不活性ガスの添加は、酸素の充填と順次(酸素の充填の前、後、および/または交互に)行ってもよいし、不活性ガスを酸素との混合物として同時に導入してもよい。図1は、ガス容器17が、入口弁16を介してガス入口25に接続されているのを示す。コントロールユニット14は、ガス容器17を電池モジュール1の部位に送ることを開始することで、充填を開始するように構成されてもよい。
【0054】
実施態様によっては、電池パックの充填を開始する工程107は、電池パックに酸素を充填する前に共通ガス空間に水素ガスを添加する工程を含むこともでき、これにより電池モジュールの動作効率をさらに改善することができる。しかし、この工程は、電圧指示が電圧指示範囲内にあり、電池モジュールが酸素で充填されても安全である場合にのみ実行することができる。
【0055】
予防措置として、第7の工程107で電池モジュールへの酸素充填を開始した後、本方法は任意に第8の工程108を含み、コントロールユニット14は、前記少なくとも1つの電池セル2の充填後の内部抵抗に関連する充填後パラメータを取得し、工程109で、充填後パラメータ、例えば各電池セル2の内部抵抗Rが所定の第2の閾値、例えば第2の抵抗値Rt2を超えているか否かを判定する。この場合、この方法は工程104に戻り、内部抵抗を第2の抵抗閾値Rt2未満の水準まで下げるために、電池パックに充填すべき追加の酸素量が決定される。この量は、工程107で電池パックに充填される酸素の量である。第2の抵抗閾値Rt2は、第1の抵抗閾値Rt1より低いことが好ましい。これにより、内部抵抗Rが再び第1抵抗閾値Rt1を超える前に、電池のサイクルをより多く行うことができるため、より堅牢な方法が提供される。工程109から工程104への任意のフィードバック・ループは原則として必要ないが、電池モジュールに追加の酸素を充填する必要がある場合には、電池モジュールに決定された量の酸素が充填される。この工程を有意義なものにするためには、酸素の充填が多かれ少なかれ瞬時に行われることが必要である。酸素充填のために容器17を送らなければならない場合、電池モジュールに酸素が充填されるまでに数時間から数日の遅れが生じる可能性がある。
【0056】
平均内部抵抗のR水準が第2の抵抗閾値Rt2より低い場合、この方法は任意の工程110に進んでもよく、この工程では、電池モジュールのエネルギー容量を上げるために追加のQA工程が必要であると判定される。電池モジュールのエネルギー容量の低いのは電池モジュールに酸素を過充填した場合の副作用であり、QA工程(電池モジュールの充電および放電を含む)は、電池モジュールのセルの内部抵抗にわずかな影響を及ぼすだけでエネルギー容量を大きくする。QAが必要な場合は、電池モジュールのエネルギー容量がOKになるまで工程111を実行する。
【0057】
決定工程109をQA工程で置き換えてもよい、というのは内部抵抗はQA工程の一部として決定されるからである。
【0058】
なお、コントロールユニットは電池パックのデータを取得する工程101を、前回データを取得したときからの経過時間の長さに応じて異なるように実行することが考えられる。また、データは、コントロールユニット14の作業用メモリに短時間だけ記憶されるようにしてもよい。
【0059】
図4は、本方法の第1の別の実施態様に従って、多数の電池モジュールを監視・再調整するためにどのように構成することができるかを示す図である。多数の電池モジュール1は、それぞれの測定ユニット13および、それぞれの入口弁16を介して共通のガスライン19に接続される。全ての測定ユニット13および全ての入口弁16は、全ての入口弁16を制御する局所コントロールユニット20と、バス21を介して全ての測定ユニット13と通信している。局所コントロールユニット20は、遠隔地にあるコントロールユニット14と通信していてもよい。任意の電池モジュール1がガスで満たされることが決定された場合、コントロールユニット14は局所コントロールユニット20に制御信号を送り、そのコントロールユニットは関連する入口弁16が開かれるように制御する。
【0060】
図5は、本方法の第2の代替実施態様に従って、多数のモジュール1からなる電池パックが、どのように監視・再調整されるように構成され得るかを示す。図5では、本出願人に譲渡されたWO2018/111182に開示されたような多数の電池モジュールが、電池パック10を形成するために一緒に積層されている。電池パック10に含まれる電池モジュール1、1’、1”は、共通のガス空間5を持つ。内部抵抗は、各電池モジュールで個別に取得されてもよい。いずれかの電池モジュールにおける電池セル2あたりの平均内部抵抗が第1の抵抗閾値Rt1を超える場合、図2に関連して説明した方法に従って、共通ガス空間5にガスが充填されてもよい。
【0061】
電池モジュールは、共通の測定ユニット13および、入口弁16を介してガス容器17に接続されている。測定ユニット13と入口弁16は、入口弁16を制御する局所コントロールユニット20と通信している。局所コントロールユニット20は、遠隔地にあるコントロールユニット14と通信していてもよい。いずれかの電池モジュールがガスで満たされる必要があると判定された場合、コントロールユニット14は局所コントロールユニット20に制御信号を送り、その制御信号は順に入口弁16が開かれるように制御する。
【0062】
上の記述では、コントロールユニット14がいかにこの方法を実行し得るかを説明した。コントロールユニットは、少なくとも1つのプロセッサ14’(図1)を含んでいてもよい。少なくとも1つのプロセッサで実行されると、このプロセッサは複数の命令を含むコンピュータ・プログラムでプログラムされてもよく、これらの命令は少なくとも1つのプロセッサで実行されると、図2に関連して上記の方法を実行させる。コントロールユニットにおけるこの方法は、コンピュータで実行されてもよい。
実施例
【0063】
図6は、電池モジュール1の再調整を説明し、かつ電池セル2あたりの内部抵抗が放電/充電のサイクル数によってどのように変化するかを示す。下表は、再調整の詳細を含む。
【表1】
【0064】
「R比」なる用語は、充放電サイクル開始前の初期値から、内部抵抗が第1の所定の抵抗閾値、例えば15mΩに増加した時点までの内部抵抗の増加量を反映する指標である。表1で、第1のR比は3.06と算出されており、これは電池モジュールの初期平均内部抵抗が17.417mΩ/3.06=5.69mΩに等しいことを意味する。
【0065】
図6の曲線の第1の部分31は、電池セル2あたりの内部抵抗が電池モジュール1の充放電サイクル数に応じてどのように変化するかを示している。電池セル2あたりの内部抵抗は、電池の最初の充放電前には5.69mΩであった。641サイクル後の電池セル2あたりの内部抵抗は17.417mΩだったので、R比=3.06となった。次に、1回目の充填で段階的に酸素を添加し、各充填後に電池セル2あたりの内部抵抗を測定した。1回目に3リットルの酸素を充填した後の電池セル2あたりの内部抵抗は11.11mΩであった。2回目に3リットルの酸素を充填したときの電池セル2の内部抵抗は8.333mΩであった。3回目の3リットルの酸素充填では、電池セル2あたりの内部抵抗は6.566mΩであった。最後に、1.5リットルの酸素を4回目に充填したときの、電池セル2あたりの内部抵抗は6.06mΩであった。
【0066】
図6の曲線の第2の部分32は、1回目の充填後の電池モジュール1の充放電サイクル数に応じて、電池セル2あたりの内部抵抗がどのように変化したかを示す。475サイクル後の電池セル2あたりの内部抵抗は16.636mΩで、したがって、R比=2.75であった。次に、2回目の充填で段階的に酸素を添加し、各充填後に電池セル2あたりの内部抵抗を測定した。1回目に3リットルの酸素を充填した後の電池セル2あたりの内部抵抗は11.005mΩであった。2回目に3リットルの酸素を充填した後の電池セル2の内部抵抗は8.006mΩであった。繰り返しQAで示される工程は、電池モジュールの容量をさらに増やすために放電予備力を調整する工程で、この工程は電池モジュール1の充電と放電を含む。
【0067】
3回目の3リットルの酸素充填後、電池セル2あたりの内部抵抗は6.333mΩであった。
【0068】
図6の曲線の第3の部分33は、2回目の充填後の電池モジュール1の充放電サイクル数に応じて、電池セル2あたりの内部抵抗がどのように変化したかを示す。約601サイクル後の電池セル2あたりの抵抗値は15.636mΩで、したがってR比=2.47であった。次に、3回目の充填で酸素を2段階で添加し、各充填後に内部抵抗を測定した。3.29リットルの酸素を1回目に充填した後、電池セル2あたりの内部抵抗は10.539mΩであった。2回目に2.33リットルの酸素を充填した後、電池セル2あたりの内部抵抗は7.397mΩであった。
【0069】
3回目の充填を完了した後、電池モジュールを充放電サイクルにかけた。図6の曲線の第4の部分34は、263サイクルにおける電池セルあたりの内部抵抗の状態を示し、電池モジュールはまだサイクル中であることを示す。
【0070】
本開示は、2つ以上の電池セル2を含む電池モジュール1の再調整方法に関する。電池モジュールは、複数の電池セルを包含し共通のガス空間5を囲むケーシング4を有する。電池モジュール1の各電池セル2は、第1の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および第1の電極と第2の電極との間に配置された水性アルカリ性電解質を含む。多孔質セパレータ、第1の電極および第2の電極は、電極間をガスが移動することにより、水素と酸素の交換ができるように構成され、ケーシング4は、ケーシング4の共通ガス空間5に気体または液体を添加するための入口25をさらに含む。この方法は、電池モジュール1に関するデータを取得する工程101(データは、電池モジュール1の電池セルの数、電池モジュール1の温度、および電池モジュール1のエネルギー容量に関連する)、電池セル2のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗Rに関連する指示パラメータを取得する工程102、この指示パラメータが所定の第1の閾値を超える場合、指示パラメータおよび電池モジュールに関する得られたデータに基づいて、電池モジュール1の各電池セルに充填されるべき酸素の充填量を決定する工程104、電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する測定された温度における電圧指示Uc、例えばOCVまたはSOCを得る工程105、電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の上限電圧指示閾値Ut1(例えば、+20℃±2℃の温度または95%SOCで測定された1.39V/セルでのOCV)を超えているかどうかを判定する工程105a、および電池セルのうちの少なくとも1つに関する得られた電圧指示Ucが前記所定の上限電圧指示閾値Ut1より低い場合、指示パラメータを前記第1の閾値未満の水準に下げるために電池モジュール1に前記量の酸素の充填を開始する工程107、電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する測定温度での電圧指示U、例えばOCVまたはSOCを取得する工程105、電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の下限電圧指示閾値Ut0(例えば、+20℃±2℃の温度または50%SOCで測定された1.3V/セルでのOCV)未満であるかどうかを判定する工程105a、および電池セルのうちの少なくとも1つに関する得られた電圧指示Ucが前記所定の下限電圧指示閾値Ut0より高い場合、前記指示パラメータを前記第1の閾値未満の水準に下げるために電池モジュール1への酸素量の充填を開始する工程107を含む。
【0071】
実施態様によっては、指示パラメータは、電池セル2のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗Rであるように選択される。第1の閾値は、第1の抵抗閾値Rt1であり、電池モジュール1への酸素の充填は、電池セルのうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗を第1の抵抗閾値Rt1未満の水準まで下げる。
【0072】
実施態様によっては、指示パラメータは、電池モジュールの健全状態(state of health = SOH)に関連する。
【0073】
実施態様によっては、上限電圧指示閾値Ut1は、電池セルのうちの前記少なくとも1つの内部抵抗Rに関連する指示パラメータの関数である。
【0074】
実施態様によっては、この方法は、電池セルのうちの少なくとも1つに関して得られた電圧指示Uが所定の上限電圧指示閾値Ut1以上である場合、決定された充填量の酸素で電池モジュールの充填を開始する工程107の前に、電池セルのうちの前記少なくとも1つの電圧を上限電圧指示閾値Ut1未満の電圧指示まで下げるために電池モジュールを放電する工程106aをさらに含む。
【0075】
実施態様によっては、この方法は、電池セルのうちの少なくとも1つに関する測定温度での電圧指示が所定の下限電圧指示閾値Ut0(例えば、+20℃±2℃の温度または50%SOCで測定した1.3V/セルのOCV)以下であるかを判定する工程105a、および、電池セルのうちの少なくとも1つに関する得られた電圧指示Uが所定の下限電圧指示閾値Ut0を超えるときに充填を開始する工程107を更に含む。
【0076】
実施態様によっては、この方法は、電池セルのうちの少なくとも1つに関する測定温度で得られた電圧指示Uが、所定の下限電圧指示閾値Ut0以下である場合、決定された充填量の酸素で電池モジュールの充填を開始する工程107の前に、前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの電圧を、下限電圧指示閾値Ut0を超える電圧指示まで上げるために電池モジュールを充電する工程106bを更に含む。
【0077】
実施態様によっては、前記充填を開始する工程107は、電池モジュールに酸素を充填する前に、電池モジュールに水素を充填することをさらに含む。この工程は、電池を酸素で充填することが安全な場合にのみ実行される。
【0078】
いくつかの実施態様によれば、電圧指示は、電池セルのうちの少なくとも1つに関する開回路電圧であるように選択され、上限および下限電圧指示閾値は、温度依存性である。
【0079】
実施態様によっては、電圧指示は、電池モジュールの充電状態(State of Charge = SOC)に関連する。
【0080】
実施態様によっては、電池モジュール1の充填を開始する工程107は、電池モジュールへの酸素の充填と連動して、電池モジュールを不活性ガスで充填することをさらに含む。
【0081】
実施態様によっては、不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウムおよび/または空気の任意の組み合わせであるように選択される。
【0082】
実施態様によっては、充填を開始する工程107は、電池モジュールの電池セルのうちの少なくとも1つのセルの指示パラメータを低減するために、決定された充填量の酸素で容器17の準備を開始する工程を更に含む。
【0083】
実施態様によっては、本方法は、電池モジュール1に酸素を充填した後に、電池モジュールの充填後の内部抵抗Rに関連する充填後パラメータを取得する工程108、充填後パラメータが所定の第2の閾値(第2の閾値は第1の閾値より小さい)を超えるかどうかを判定する工程109、充填後パラメータが所定の第2の閾値を超える場合、充填後パラメータと電池モジュール1のデータとに基づいて、充填後パラメータを第2の閾値未満にするために電池モジュール1に充填すべき酸素の追加充填量を決定し、決定した追加充填量の酸素で電池モジュール1を充填する工程をさらに含む。
【0084】
実施態様によっては、電池モジュールは、ニッケル金属水素化物(NiMH)電池モジュールであるように選択される。
【0085】
本開示はまた、電池モジュールを再調整するためのコンピュータ・プログラムに関し、このプログラムは少なくとも1つのプロセッサ14’で実行されると、前記少なくとも1つのプロセッサ14’に上記の方法を実行させる命令を含む。本開示はまた、電池モジュールを再調整するためのコンピュータ・プログラムを搭載するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体にも関する。
【0086】
本開示はまた、電池モジュール1を再調整するための容器17に関する。容器は、電池モジュール1内の電池セルのうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗に関連する指示パラメータを低減するために少なくとも充填量の酸素が充填され、酸素充填量は上記の方法に従って決定される。上記のように、容器内の気体の圧力は、容器の容積と容器内の気体の量に依存する。小さな容器の場合、容器量は酸素の充填量とほぼ同じになる。しかし、容器から酸素を充填した後は、残留酸素量が必ず容器内に留まっている。容器から電池モジュールへのガスの流れは、容器内の圧力が電池モジュールの共通ガス空間の圧力と同じになるまで続く。従って、容器のガス量は充填量より少し多めにする必要がある。
【0087】
本開示はまた、2つ以上の電池セル2を含む電池モジュール1を再調整するシステム50に関する。電池モジュールは、電池セルを包含し共通のガス空間5を囲むケーシング4を有する。電池モジュール1の各電池セル2は、第1の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および第1の電極と第2の電極との間に配置されたアルカリ性水溶液を含み、多孔質セパレータ、第1の電極および第2の電極は、電極間にガスを移行させて水素と酸素とを交換可能に構成される。ケーシング4は、ケーシング4の共通ガス空間5に気体または液体を添加するための注入口25をさらに含む。本システムは、上記の方法を実行するように構成された制御回路14、20を含む。
【0088】
実施態様によっては、システムは、電池モジュール1の内部抵抗に関連する指示パラメータを決定するために用いられるパラメータ(電圧、内部圧力、温度など)を取得するように構成された測定ユニット13をさらに含む。前記測定ユニット13は、制御回路14、20と通信するように構成される。
【0089】
実施態様によっては、制御回路は、少なくとも電池セル2のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗に関連する指示パラメータを取得し、電池モジュール1への酸素の充填を制御するように構成された局所コントロールユニット20および局所コントロールユニット20と通信するコントロールユニット14を含む。コントロールユニットは、メモリ26から電池モジュールに関するデータを取得し、局所コントロールユニット20から得られた指示パラメータおよび電池モジュール1に関するデータに基づいて酸素の充填量を決定するように構成される。
【0090】
本開示の各態様は、図面、例えば、ブロック図および/またはフロー図を参照して説明される。当然のことだが、図面中のいくつかの実体、例えばブロック図のブロック、および図面中の実体の組み合わせも、コンピュータ・プログラム命令によって実装することができ、この命令は、コンピュータ可読メモリに格納することができ、またコンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に読み込むことができる。このようなコンピュータ・プログラム命令は、汎用コンピュータ、特殊用途コンピュータ、および/または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供されて、コンピュータおよび/または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、ブロック図および/またはフロー図のブロックまたはブロックに指定された機能/行為を実施するための手段を作成するような機械を作り出すことが可能である。
【0091】
実施態様および本開示の態様によっては、各ブロックに記された機能または工程は、動作説明図に記された順序から外れて発生し得る。例えば、連続して示された2つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されるか、または各ブロックは、関係する機能/行為に依存して、時には逆の順序で実行されることもある。また、各ブロックに記された機能または工程は、本開示のいくつかの態様によれば、ループで連続的に実行されることもある。
【0092】
図面および明細書に、本開示の例示的な態様が開示された。しかしながら、本開示の原理から実質的に逸脱することなく、これらの態様に対して多くの変形および修正を行うことができる。したがって、本開示は、制限的というよりは例示的であるとみなされるべきであり、上述した特定の態様に限定されるものでない。したがって、特定の用語が採用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されており、限定を目的としたものではない。
図1
図2
図3a
図3b
図4
図5
図6
【手続補正書】
【提出日】2023-05-16
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
2つ以上の電池セル(2)を含む電池モジュール(1)を再調整する方法であって、前
記電池モジュールは、電池セルを包含し、かつ共通のガス空間(5)を囲むケーシング(
4)を有し、前記電池モジュール(1)の各電池セル(2)は、第1の電極、第2の電極
、多孔質セパレータ、および前記第1の電極と前記第2の電極の間に配置された水性アル
カリ性電解質を含み、前記多孔質セパレータ、前記第1の電極および前記第2の電極は、
これらの電極間にガスを移動させることで水素と酸素の交換を可能にするように構成され
、前記ケーシング(4)は、前記ケーシング(4)の前記共通ガス空間(5)に気体また
は液体を添加する入口(25)をさらに含み、該方法は
前記電池モジュール(1)の電池セルの数、前記電池モジュール(1)の温度、および
前記電池モジュール(1)のエネルギー容量に関するデータを取得する工程(101)と

前記電池セル(2)のうちの少なくとも1つのセルの内部抵抗(R )を取得する工程
(102)と、
前記内部抵抗が所定の第1の抵抗閾値(R t1 を超えた場合に、前記内部抵抗および
前記電池モジュールに関する取得データに基づいて、前記電池モジュール(1)の各電池
セルに充填されるべき酸素の充填量を決定する工程(104)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルにかかる開回路電圧である電圧指示(U
)を取得する工程(105)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の上限電圧指示閾
値(Ut1)を超えているか否かを判定する工程(105a)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が所定
の上限電圧指示閾値(Ut1)より低いとき、前記内部抵抗を前記第1の抵抗閾値(R
未満の水準に下げるために前記電池モジュール(1)への前記充填量の酸素充填を開
始する工程(107)と、
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する電圧指示が所定の下限電圧指示閾
値(Ut0)未満であるかどうかを判定する工程(105a)と、および前記電池セルの
うちの少なくとも1つのセルの電圧指示(U)が所定の下限電圧指示閾値(Ut0)よ
り高いとき、前記内部抵抗を前記第1の抵抗閾値(R t1 未満の水準に下げるために前
記電池モジュール(1)への前記充填量の酸素充填を開始する工程(107)とを含むこ
とを特徴とする、電池モジュール(1)を再調整する方法。
【請求項2】
前記上限電圧指示閾値(Ut1)は、前記電池セル(2)のうちの前記少なくとも1つ
のセルの内部抵抗(Riの関数であることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルの前記取得電圧指示(U)が前記所定の
上限電圧指示閾値(Ut1)以上のとき、
前記決定された充填量の酸素で前記電池モジュールの充填を開始する工程(107)を
実行する前に、前記電池セルのうちの前記少なくとも1つのセルの電圧を前記上限電圧指
示閾値(Ut1)未満の水準まで下げるべく、前記電池モジュールを放電する工程(10
6a)をさらに含むことを特徴とする請求項1または2記載の方法。
【請求項4】
前記電池セルのうちの少なくとも1つのセルに関する前記取得電圧指示(U)が、前
記所定の下限電圧指示閾値(Ut0)以下のとき、
前記決定された充填量の酸素で電池モジュールの充填を開始する工程(107)を実行
する前に、前記電池セルのうちの前記少なくとも1つのセルの電圧を前記下限電圧指示閾
値(Ut0)より上の水準まで上げるべく、前記電池モジュールを充電する工程(106
b)をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の方法。
【請求項5】
前記充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールに酸素を充填する前に、前
記電池モジュールに水素を充填することをさらに含むことを特徴とする請求項1乃至4い
ずれか1項記載の方法。
【請求項6】
記上限および下限電圧指示閾値は温度依存性であることを特徴とする請求項1乃至
いずれか1項記載の方法。
【請求項7】
前記電池モジュール(1)の充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールへ
の酸素の充填と連動して、前記電池モジュールを不活性ガスで充填することをさらに含む
ことを特徴とする請求項1乃至いずれか1項記載の方法。
【請求項8】
前記不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウムおよび/または空気の任意の組み合わせ
であるように選択されることを特徴とする請求項記載の方法。
【請求項9】
前記充填を開始する工程(107)は、前記電池モジュールの電池セルのうちの少なく
とも1つのセルの内部抵抗を下げるために、前記決定された充填量の酸素を有する容器(
17)の準備を開始する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至いずれか1項
記載の方法。
【請求項10】
前記電池モジュール(1)に前記量の酸素を充填した後に
前記電池モジュールの充填後の内部抵抗(R )を取得する工程(108)と、
前記充填後の内部抵抗が前記第1の抵抗閾値よりも低い所定の第2の抵抗閾値を超えた
か否かを判定する工程(109)と、
前記充填後の内部抵抗が前記所定の第2の抵抗閾値を超えた場合、前記充填後の内部抵
および前記電池モジュール(1)のデータに基づいて、前記充填後の内部抵抗を前記第
2の抵抗閾値未満の水準に下げるために前記電池モジュール(1)に充填されるべき酸素
の追加充填量を決定する工程と、
前記決定された追加充填量の酸素を前記電池モジュール(1)に充填する工程とをさら
に含むことを特徴とする請求項1乃至いずれか1項記載の方法。
【請求項11】
前記電池モジュールは、ニッケル水素(NiMH)電池モジュールであるように選択さ
れることを特徴とする請求項1乃至10いずれか1項記載の方法。
【請求項12】
少なくとも1つのプロセッサ(14’)で実行されると、この少なくとも1つのプロセ
ッサ(14’)に請求項1乃至1いずれか1項記載の方法を実行させる命令を含む、電
池モジュールを再調整するコンピュータ・プログラム。
【請求項13】
電池モジュールを再調整するための請求項12に記載のコンピュータ・プログラムを搭
載したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項14】
2つ以上の電池セル(2)を含む電池モジュール(1)を再調整するためのシステム(
50)であって、前記電池モジュールは、電池セルを包含し、かつ共通のガス空間(5)
を囲むケーシング(4)を有し、前記電池モジュール(1)の各電池セル(2)は、第1
の電極、第2の電極、多孔質セパレータ、および前記第1の電極と前記第2の電極との間
に配置された水性アルカリ電解質を含み、前記多孔質セパレータ、前記第1の電極および
前記第2の電極は、これらの電極間にガスを移動させることで水素と酸素の交換を可能に
するように構成され、前記ケーシング(4)は、前記ケーシング(4)の前記共通のガス
空間(5)に気体または液体を添加する入口(25)をさらに有し、該システムは請求項
1乃至1いずれか1項記載の方法を実行するように構成された制御回路(14、20)
、および前記電池モジュール(1)の内部抵抗を取得するように構成された測定ユニット
(13)を含み、前記測定ユニット(13)は前記制御回路(14、20)と通信するよ
うに構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項15】
前記制御回路は、
前記電池セル(2)のうちの少なくとも1つのセルの少なくとも内部抵抗を取得し、前
記電池モジュール(1)への酸素の充填を制御するように構成された局所コントロールユ
ニット(20)と、
前記局所コントロールユニット(20)と通信し、メモリ(26)から電池モジュール
に関するデータを取得し、局所コントロールユニット(20)から取得した内部抵抗と
池モジュール(1)に関するデータとに基づいて、酸素の充填量を決定するように構成さ
れている、コントロールユニット(14)とを含むことを特徴とする請求項14記載のシ
ステム。
【国際調査報告】