JP4019734B2 - 二次電池の運用方法及び二次電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電を繰り返して使用される二次電池の運用方法及び二次電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば電気自動車に搭載されている二次電池装置は、充電装置によって所定の充電終止電圧になるまで二次電池を充電し、充電後は、これを必要に応じて放電させることで自動車の走行エネルギーを得るようになっている。また、寒冷時や高温時において二次電池の温度をある範囲内に収めておくために、冷却ファンや加熱ヒータを備えた温度制御装置を併せて有することが一般的である。
【０００３】
このような二次電池装置において、充電装置による充電制御は、例えばリチウムイオン二次電池では、当初、定電流による定電流充電を行い、その後、例えば４．２Ｖの充電終止電圧で所定時間定電圧充電を行うようにしており、結局、二次電池を１００％の充電電気量まで充電するものであった。
【０００４】
一方、電力需要の平準化のために、例えばオフィスビルには深夜電力貯蔵用の二次電池装置が設備されている場合がある。これは、二次電池と、この二次電池を深夜電力によって充電するための充電装置と、二次電池に蓄えた直流電力によって昼間に交流電力を発生するインバータ装置とからなる。
【０００５】
このようないわゆるロードレベリング用の二次電池装置において、充電装置による充電制御は、例えばリチウムイオン二次電池では、深夜電力の時間帯になると当初定電流による定電流充電を行い、その後、所定電圧に達したところで定電圧充電に切り換えて所定時間充電するようにしている。
【０００６】
ところで、この種の二次電池では、充電終止電圧を高くして充電率を高くすると、電池の劣化が促進され寿命が短くなるという欠点がある。このような事情は例えば特開平１１−４５４９において指摘されており、ここでは二次電池が満充電される前に充電を停止することによって充電電気量を抑制し、これにて電池の長寿命化を図ることとしている。
【０００７】
しかしながら、上記公報に記載のように充電電気量を抑制すれば電池を長寿命化することができるとしても、充電電気量が少なくなるために二次電池の利用率が低下するという問題が生ずる。例えば電気自動車では走行可能距離が短くなる等、二次電池を十分に利用できなくなってしまう。このような状況は電池の寿命を重視する利用者にとっては好ましいとしても、寿命よりも容量を優先しなくてはならない利用者にとっては好ましいものではない。また、ロードレベリング用では、二次電池の必要な容量は負荷における最大の消費電力に応じて設計上定まっているから、二次電池の利用率が低下すれば、その分、多くの二次電池を設備しなくてはならず、設備費が高価になるという問題を生じてしまう。
【０００８】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、第１の目的は二次電池の寿命と容量とのいずれを優先するかを選択することができる二次電池の運用方法及び二次電池装置を提供することにある。また、第２の目的は、二次電池の長寿命化と利用率の向上とを両立させることができる二次電池の運用方法及び二次電池装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
請求項２の発明は、二次電池の充電動作に、二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードを設定し、その２種類の動作モードを二次電池外部からの制御信号によって選択可能としてある。充電終止電圧が高い動作モードでは、電池容量が大きくなるから、例えば電気自動車で長距離走行したい場合に適する。また、充電終止電圧が低い動作モードでは電池容量が小さくなるが、電池寿命が長くなり、ランニングコストが安くなるという利点があり、ユーザは自由に選択することができる。
【００１０】
一方、例えばオフィスビルに設置されるロードレベリング用の二次電池装置では、平日にはビル内のＯＡ機器や空調設備が稼働するために負荷の消費電力が大きくなるが、休日にはそれらの稼働率が大きく低下するため、負荷の消費電力は小さくなる。このように二次電池装置の負荷電力は予め定まったパターンで変動するものは少なくない。この種の二次電池装置では、負荷が小さくなる前には二次電池への充電電気量は抑えておいても支障はないはずである。
【００１１】
そこで、請求項３の発明では、充電終止電圧が異なる第１の動作モードと第２の動作モードとをタイマー装置によって切り換える。タイマー装置によって負荷の消費電力が大きくなる時期には充電終止電圧が高い第１の動作モードとなるようにし、負荷の消費電力が小さくなる時期には充電終止電圧が低い第２の動作モードとなるように設定しておけば、必要な電力を確保しながら、二次電池の劣化を最小限に抑えることができる。
【００１２】
また、第１及び第２の動作モードを、電池温度に応じて切り換えてもよい。電池温度が所定温度よりも高いときには、充電終止電圧が低い第２の動作モードで充電するのである。電池温度が高いと、電池のインピーダンスが低くなって充電電気量が大きくなりやすく、また、電池の劣化反応が進みやすくなるから、充電終止電圧を下げて長寿命化を図ることが望ましいからである。なお、電池温度は、電池ケースに温度センサを取り付けて測定してもよく、或いは、電池を設置した周囲の空気温度を測定してこれを電池温度とみなしてもよい。
【００１３】
また、第１及び第２の動作モードを、電池の健全度（ＳＯＨ）によって切り換えてもよい。電池の健全度が所定値以上にある間は充電終止電圧が低い第２の動作モードで充電し、健全度が所定値以下になったら、充電終止電圧が高い第１の動作モードで充電するのである。電池の健全度が高いうちは容量が大きく、内部抵抗が低いため、低い充電終止電圧で運用可能であり、そのようにすれば電池の劣化が進みにくい。電池の健全度が低下してきた場合には、充電終止電圧を高くすることで、電池をより長い間使用することができる。なお、電池の健全度は、電池の放電時の電圧降下値と電池温度から決定することができる。
【００１４】
また、電池が密閉されている場合、電池の劣化が進むと電池の圧力が高まるから、電池の内部圧力を検出し、その内部圧力によって電池の両モードを切り換えるようにしてもよい。このようにすると、電池の劣化が進んでおらず、内部圧力が低いときには、低い充電終止電圧で運用して電池の劣化を抑えることができる。電池の劣化により内部圧力が上昇してきた場合には、充電終止電圧を高くすることで、電池をより長い間使用することができる。なお、電池の内部圧力は、電池内に圧力センサを配置して測定してもよく、電池ケースの表面に歪みセンサを設けて測定してもよい。
【００１５】
電池の温度を制御する電池温度制御装置及び電池の状態を測定するセンサを設け、充電終止電圧が高い第１の動作モードで充電されるようなときには、二次電池の充放電時の温度を第２の動作モードの場合よりも高くすることが望ましい。温度を高くすることで、蓄えられたエネルギーを効率的に放出することができ、大きな放電容量を確保できるからである。また、電池の充電状態が高いときには電池の運転温度を低くすることが望ましい。電池の充電状態が高いときには電池が劣化しやすいため、それを抑制できるからである。さらには、電池の放電電流が所定値以下であると測定されたときにも、電池の運転温度を低くすることが望ましい。負荷電流が少なければ低運転温度でも十分に運転できる上に劣化を抑えることができるからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を電気自動車に適用した第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
【００１７】
１０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷１１に直流電力を供給する。二次電池１０には充電装置１２が接続されており、二次電池１０を商用電源１３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、例えば図２に示す通りで、充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、後述する高容量モード及び長寿命モードの２種類の動作モードがあって前者の充電終止電圧は後者のそれより高くなるように設定されている。
【００１８】
一方、１４は温度制御装置で、これは二次電池１０に設けた温度センサ１５からの信号を受けて二次電池１０の運転温度を制御する機能を有する。具体的には、二次電池１０に付設した加熱ヒータ１６と冷却ファン１７とを備え、温度センサ１５により検出した二次電池１０の温度が所定の基準温度よりも低いときにはスイッチ１６Ａを閉じて加熱ヒータ１６に通電することで二次電池１０を加熱し、二次電池１０の温度が所定の基準温度よりも高いときにはスイッチ１７Ａを閉じて冷却ファン１７を駆動することで二次電池１０を外気によって冷却する。
【００１９】
そして、１８は動作モード設定手段であり、これは例えば電気自動車のインストルメントパネルに設けた図示しないモード切替スイッチを含んで構成されており、そのスイッチを操作することにより高容量モードと長寿命モードとのいずれかに選択的に切り換えることができる。高容量モードは本発明にいう「第１の動作モード」に相当し、長寿命モードは「第２の動作モード」に相当する。
【００２０】
この動作モード設定手段１８においていずれかのモードが設定されると、それに応じて前記充電装置１２及び温度制御装置１４に信号が与えられる。充電装置１２において、高容量モードでは例えば定電流充電時の充電電流は２０Ａ、充電終止電圧は４．２Ｖであり、長寿命モードでは例えば定電流充電時の充電電流は１０Ａで充電終止電圧は３．９Ｖである。すなわち、長寿命モードの場合に比べて高容量モードは充電終止電圧が高く、かつ、定電流充電時の充電電流が大きく設定される。また、この実施形態では、高容量モードでは温度制御装置１４による二次電池１０の運転温度（充電時及び放電時）の平均温度は例えば３５℃±２０℃となるように設定され、長寿命モードの場合には１５℃±２０℃となるように設定される。
【００２１】
このような実施形態によれば、モード切替スイッチによって高容量モードに設定されると、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が４．２Ｖと高く設定され、かつ、運転時の平均温度が３５℃±２０℃となるように設定されるので、充電レベルはフレッシュな電池の場合定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。容量１００Ａｈのリチウム二次電池１０を用いた場合には、最大約１５０ｋｍの走行が可能となる。一方、モード切替スイッチによって長寿命モードに切り換えられた場合には、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、かつ、運転時の平均温度が１５℃±２０℃となるように設定される。この結果、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、最大走行距離は約９０ｋｍとなって高容量モードの場合に比べて短くなるが、二次電池１０の劣化が少なくなるため寿命が長くなる。
【００２２】
このような動作モードの切換は電気自動車の利用パターンに応じて適宜行えば良い。例えば買い物や通勤等の近距離利用が主体となる平日には長寿命モードで二次電池１０を使用し、例えば遠距離ドライブに出かける休日には高容量モードに切り換えておくことができる。これにより、必要に応じて二次電池１０の出力を最大限に利用しながら、長寿命化を図ることができる。
【００２３】
上記実施形態において各動作モードの充電条件及び温度制御装置１４による運転温度の設定を下表の通りに設定した。
【表１】
そして、電気自動車の次の使用態様を想定し、二次電池１０の充放電を繰り返した。すなわち、１週間のうち５日に相当する回数は平日の通勤（総走行距離約４０ｋｍ）を想定して放電させ、残り２日に相当する回数は休日の遠出（総走行距離８０ｋｍ）を想定して放電させるのである。
【００２４】
ここで、運用例１は、平日を想定した充放電動作は長寿命モード（二次電池１０の運転温度は平均１５℃）で行い、休日を想定した充放電動作は高容量モード（二次電池１０の運転温度は平均３５℃）で行った。また、運用例２は、二次電池１０の運転温度を両モード共に平均３５℃とした以外は運用例１と同様に長寿命モードと高容量モードとを５対２で繰り返した（請求項１の発明の運用方法に相当する）。
【００２５】
一方、比較運用例１は常に長寿命モード（二次電池１０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の６０％）のみで充放電を繰り返し、比較運用例２は高容量モード（二次電池１０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の１００％）のみで充放電を繰り返した。
【００２６】
以上の運用形態による結果は次表の通りであった。なお、ここで「走行可能日数」とは、平日に４０ｋｍの走行ができなくなる、又は休日に８０ｋｍの走行ができなくなるまでの総運用日数をいう。
【表２】
上表から明らかなように、本実施形態の運用例１，２によれば、従来の二次電池の運用方法に相当する比較運用例１，２に比べて走行可能日数が１．６〜２倍となって長寿命運用が可能になった。なお、長寿命モードのみで運用している比較運用例１が高容量モードのみで運用している比較運用例２よりも走行可能日数が短くなるのは、フレッシュな電池において９０ｋｍ走行分の電気量（定格容量の６０％）しか充電していないため、電池が劣化してきたときに休日の走行距離８０ｋｍをクリアできなくなるからである。
【００２７】
＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態を示す。前記第１実施形態との相違は、二次電池１０の充電状態（State of Charge）を測定するＳＯＣ測定装置２０を設け、このＳＯＣ測定装置２０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２８】
ここで、二次電池１０の充電状態はその時点での残存容量を表しており、定格容量を得るための所定の充電終止電圧で電池を満充電した状態を１００％ＳＯＣとし、その状態から定格容量の半分の電気量を放電した状態を５０％ＳＯＣと定義する。このＳＯＣは、例えば二次電池１０の無負荷時の端子電圧（開放端子電圧）と相関関係がある。そこで、本実施形態のＳＯＣ測定装置２０は、例えば同種の二次電池に関して作成された開放端子電圧とＳＯＣとのテーブル又は演算式に基づき、その時点での開放端子電圧を取得することによってＳＯＣを決定することにしている。そして、このＳＯＣが例えば５０％以上であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、ＳＯＣが５０％を下回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００２９】
この実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、動作モード設定手段１８のモード切替スイッチによって高容量モードに設定されると、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が４．２Ｖと高く設定されるので、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。一方、モード切替スイッチによって長寿命モードに切り換えられた場合には、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となって最大走行距離は高容量モードの場合に比べて短くなるが、二次電池１０の劣化が少なくなるため寿命が長くなる。
【００３０】
また、いずれの動作モードで充電されたとしても、放電時には、電池が劣化しやすいＳＯＣが５０％以上の領域では二次電池１０の温度を比較的低い温度に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられ、長寿命化することができる。
【００３１】
＜第３実施形態＞
図４は本発明の第３実施形態を示す。前記第１実施形態との相違は、二次電池１０の放電電流を測定する電流測定装置３０を設け、この電流測定装置３０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３２】
二次電池１０の放電電流は負荷１１への放電路に設けた電流センサー３１を介して測定され、これが所定値（定格電流の例えば２０％）以下であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、放電電流が２０％を上回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００３３】
この実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、動作モード設定手段１８のモード切替スイッチによって高容量モードと長寿命モードとに適切に切り換えることができる。また、放電時の電流が小さければ、二次電池１０の温度を比較的低い温度に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられる。また、大きな放電電流が流れる場合には、二次電池の温度が比較的高い温度に維持されるから、蓄えられたエネルギーを効果的に電気エネルギーとして放出することができて放電容量を確保できる。
【００３４】
＜第４実施形態＞
以下、本発明をオフィスビルの深夜電力貯蔵用の二次電池装置に適用した第４実施形態について図５及び図６を参照して説明する。
【００３５】
４０はリチウムイオン型の二次電池であり、オフィスビル内の電力供給線路に接続されたインバータ装置等からなる負荷４１に直流電力を供給する。二次電池４０には充電装置４２が接続されており、時間計測装置４４からの信号に基づいて深夜電力の時間帯に二次電池４０を商用電源によって充電することができる。その充電パターンは例えば図２に示したものと同様に充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔとなるように定電圧充電するようになっており、後述する高容量モードと長寿命モードとの２種類の動作モードがあって前者の充電終止電圧は後者のそれより高くなるように設定されている。
【００３６】
一方、１４は温度制御装置で、温度センサ１５からの信号を受けて二次電池２０の運転温度を制御する機能を有するもので、第１実施形態と同様な構成であるから、それと同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
そして、４５は動作モード設定手段であり、これは前記充電装置４２に信号を与えてその動作モードを高容量モードと長寿命モードとのいずれかに選択的に切り換えることができる。この充電装置４２において、高容量モードでは例えば定電流充電時の充電電流は２０Ａ、充電終止電圧は４．２Ｖであり、長寿命モードでは例えば定電流充電時の充電電流は１０Ａで充電終止電圧は３．９Ｖである。すなわち、長寿命モードの場合に比べて高容量モードは充電終止電圧が高く、かつ、定電流充電時の充電電流が大きく設定される。また、この実施形態では、動作モード設定手段４５は温度制御装置１４にも信号を与え、高容量モードでは温度制御装置１４による二次電池２０の運転温度（充電時及び放電時）の平均温度は例えば３５℃±２０℃となるように設定され、長寿命モードの場合には１５℃±２０℃となるように設定される。
【００３８】
また、上記動作モード設定手段４５における動作モードの切り換えタイミングはタイマー装置４６によって制御される。このタイマー装置４６は、時間計測装置４４から時間情報を取得し予め設定して記憶されているスケジュールに従い、例えば図６に示すように金曜日の深夜から日曜日の夜までは長寿命モードで動作させ、それ以外の時間帯（日曜日の深夜から金曜日の夕刻まで）は高容量モードで動作させるようになっている。
【００３９】
この第４実施形態によれば、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を高容量モード（充電終止電圧が４．２Ｖ）で充電し、かつ、温度制御装置１４によって運転時の平均温度が３５℃±２０℃となるように制御される。この結果、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量に対してほぼ１００％まで充電され、容量１００Ａｈのリチウム二次電池４０を用いた場合には、一般的なオフィスビルの平日昼間の電力を約６時間分供給することができる。
【００４０】
また、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードに自動的に切り換えられる。この場合には、二次電池４０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、かつ、運転時の平均温度が１５℃±２０℃となるように設定されるから、二次電池４０の充電レベルは、フレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、二次電池４０の劣化が抑えられる。この場合、休日にはオフィスビルの消費電力は低下するから、休日の約６時間分の電力をまかなうことができ、実用上の問題はない。
【００４１】
本実施形態において各動作モードの充電条件及び温度制御装置１４による運転温度の設定を下表の通りに設定した。
【表３】
そして、オフィスビルの電力需要を想定して二次電池４０の充放電を繰り返した。すなわち、１週間のうち５日に相当する回数は平日の消費電力相当分（５０Ａｈ）を放電させ、残り２日に相当する回数は休日の消費電力相当分（２５Ａｈ）を放電させた。
【００４２】
ここで、運用例３は、平日には高容量モード（二次電池４０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の１００％分（１００Ａｈ）、運転温度は平均３５℃）で動作させ、休日には長寿命モード（二次電池４０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の６０％分（６０Ａｈ）、運転温度は平均１５℃）で動作させた。
【００４３】
一方、比較運用例３は常に長寿命モード（同上）のみで充放電を繰り返し、比較運用例４は高容量モード（同上）のみで充放電を繰り返した。
【００４４】
以上の運用形態による結果は次表の通りであった。なお、ここで「使用可能日数」とは、平日に５０Ａｈの放電ができなくなる、または休日に２５Ａｈの放電ができなくなるまでの総使用日数をいう。
【表４】
上表から明らかなように、運用例３によれば、従来の二次電池の運用方法に相当する比較運用例３，４に比べて二次電池４０の使用可能日数が２倍以上となって長寿命運用が可能になった。
【００４５】
＜第５実施形態＞
図７は本発明の第５実施形態を示す。前記第４実施形態との相違は、それにＳＯＣ測定装置５０を追加し、温度制御装置１４は動作モード設定手段４５ではなくＳＯＣ測定装置５０によってをコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第４実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４６】
ＳＯＣ測定装置５０は、二次電池４０開放端子電圧に基づいて充電状態を決定するようになっており、このＳＯＣが例えば５０％以上であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、ＳＯＣが５０％を下回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００４７】
この実施形態によれば、前記第４実施形態と同様に、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を充電終止電圧を４．２Ｖとする高容量モードで充電するから、フレッシュな電池の場合には充電レベルが定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。また、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードに自動的に切り換えられる。この場合には、二次電池４０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定されるから、二次電池４０の充電レベルは、フレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、二次電池４０の劣化が抑えられる。また、いずれの動作モードで充電されたとしても、放電時には、電池が劣化しやすい充電状態が５０％以上の領域では二次電池１０の温度を比較的低い温度（１５℃±２０℃）に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられ、一層の長寿命化を図ることができる。
【００４８】
＜第６実施形態＞
図８は本発明の第６実施形態を示す。前記第５実施形態との相違は、ＳＯＣ測定装置５０に代えて、二次電池４０の放電電流を測定する電流測定装置６０を設け、この電流測定装置６０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第５実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４９】
二次電池４０の放電電流は負荷４１への放電路に設けた電流センサー６１を介して測定され、これが所定値（定格電流の例えば２０％）以下であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、放電電流が２０％を上回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００５０】
この実施形態によれば、前記第５実施形態と同様に、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を高容量モードで充電し、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードで充電する。また、放電時の電流が小さければ、二次電池４０の温度が比較的低い温度に維持されるから、電池の劣化が抑えられる。また、大きな放電電流が流れる場合には、二次電池４０の温度が比較的高い温度に維持されるから、蓄えられたエネルギーを効果的に電気エネルギーとして放出することができて放電容量を確保できる。
【００５１】
＜第７実施形態＞
第９図は第７実施形態を示す。７０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷７１に直流電力を供給する。二次電池７０には充電装置７２が接続されており、二次電池７０を商用電源７３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる３種類の動作モードがある。
【００５２】
これらの動作モードは、動作モード設定手段７４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２０Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．８５Ｖに設定されている。また、第３の動作モードとして中間モードがあり、これは充電終止電圧が例えば３．９５Ｖに設定されている。
【００５３】
そして、二次電池７０の近くには温度センサ７５が配置されており、ここからの信号によって温度測定装置７６が二次電池７０の温度を測定し、その温度に応じた信号を動作モード設定手段７４に与える。動作モード設定手段７４には、次表に示すような温度−モード対応テーブルを記憶した記憶回路が設けられており、上記温度に応じて動作モードが決定される。
【表５】
このような実施形態によれば、通常の温度域（１０℃〜３５℃）では高容量モードで充電が行われるから、二次電池７０の能力を最大限に利用して長距離ドライブが可能である。また、３５℃を越えるような高温域では、長寿命モードで二次電池７０の充電が行われるから、二次電池７０の劣化を最小限に抑えることができる。また、−２０℃〜１０℃となるような低温域では、負極板の電気化学的活性が低いために、利用率が高くなると金属リチウムが析出しやすく、電池性能が低下しやすい。しかし、本実施形態によれば、充電終止電圧を３．９５Ｖとする中間モードで充電するから、負極板の利用率を低くすることができ、電池性能の劣化を最小限に抑えることができる。
【００５４】
＜第８実施形態＞
第１０図は第８実施形態を示す。８０は例えば容量が１００Ａｈのリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷８１に直流電力を供給する。二次電池８０には充電装置８２が接続されており、二次電池８０を商用電源８３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる２種類の動作モードがある。
【００５５】
これらの動作モードは、動作モード設定手段８４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．９Ｖに設定されている。
【００５６】
８５は二次電池８０の健全度(State of Health)を測定するＳＯＨ測定装置である。一般に電池は健全度が低下するにつれて電池の内部抵抗が上昇するから、電池の健全度は電池を放電したときの電圧降下値と電池温度との表から検出することができる。本実施形態で使用される健全度表の一例は次表に示す通りであり、これがＳＯＨ測定装置８５の記憶装置に記憶されている。ここで、電圧降下値は二次電池８０を１００Ａで３分間放電したときの値（単位Ｖ）を示し、ＳＯＨが１００％とは、二次電池８０がフレッシュ品であって定格容量を有している状態を示し、ＳＯＨが０％であるとは、二次電池８０が劣化して負荷側が最低限必要とする容量まで電池の放電容量が低下した状態と定義する。
【表６】
ＳＯＨ測定装置８５は、温度センサ８５からの信号に基づき二次電池８０の温度を検出すると共に、二次電池８０の放電試験を行って電圧降下値を検出し、これらに基づいて上の表からＳＯＨを測定する。そして、そのＳＯＨが例えば２５％に達するまでは、動作モード設定手段８４に信号を与えて充電装置８２を長寿命モードで動作させ、２５％以下となると充電装置８２を高容量モードで動作させるようになっている。
【００５７】
この実施形態によれば、二次電池８０の劣化が進んでおらず、その健全度が１００％〜２５％の間では長寿命モードで充電が行われるから、劣化の進行を極力抑えることができる。また、健全度が２５％以下になったような状態では、高容量モードで充電動作が行われるから、低下しがちな容量を補って電池の能力を最大限に生かすことができる。
【００５８】
なお、この実施形態のようにＳＯＨによって充電装置８２の動作モードを切り換える場合、第１実施形態のように温度制御装置１４を併せて設け、長寿命モードでは二次電池８０の温度を低く、高容量モードでは温度を高く維持するようにしてもよい。さらに、第２実施形態のようなＳＯＣ測定装置２０を設け、ＳＯＣが高いときには二次電池８０の温度を低く、ＳＯＣが低いときには温度を高く維持するようにしてもよい。また、第３実施形態のような電流測定装置３０を設け、放電電流が少ないときには低い運転温度とし、放電電流が大きいときには運転温度を高く維持するようにしてもよい。
【００５９】
＜第９実施形態＞
第１１図は第９実施形態を示す。９０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷９１に直流電力を供給する。二次電池９０には充電装置９２が接続されており、二次電池９０を商用電源９３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる２種類の動作モードがある。
【００６０】
これらの動作モードは、動作モード設定手段９４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．９Ｖに設定されている。
【００６１】
９５は二次電池９０の内部圧力を測定する圧力測定装置である。一般に電池は劣化が進むと共に内部圧力が上昇するから、内部圧力の変化で劣化の度合いを知ることができる。内部圧力は、この実施形態では図示しない電池ケースに取り付けた圧力センサ９６によって検出しているが、これは電池ケースの表面に取り付けた歪みセンサによっても検出することができる。なお、この実施形態で二次電池９０の内部圧力はフレッシュ品で０．１ＭＰａ、健全度が５０％程度になったときには０．２ＭＰａ、健全度が２５％では０．２５ＭＰａ，寿命末期では０．３ＭＰａであった。
【００６２】
圧力測定装置９５は、圧力センサ９６からの信号に基づき二次電池９０の温度を検出し、その圧力が例えば０．２５ＭＰａに達するまでは、動作モード設定手段９４に信号を与えて充電装置９２を長寿命モードで動作させ、０．２５ＭＰａを越えると充電装置９２を高容量モードで動作させるようになっている。
【００６３】
この実施形態によれば、二次電池９０の劣化が進んでいないときには長寿命モードで充電が行われるから、劣化の進行を極力抑えることができる。また、内部圧力が０．２５ＭＰａを越えるよう（健全度が２５％以下）になった状態では、高容量モードで充電動作が行われるから、低下しがちな容量を補って電池の能力を最大限に生かすことができる。
【００６４】
なお、この実施形態のように内部圧力によって充電装置９２の動作モードを切り換える場合でも、第１実施形態のように温度制御装置１４を併せて設け、長寿命モードでは二次電池９０の温度を低く、高容量モードでは温度を高く維持するようにしてもよい。さらに、第２実施形態のようなＳＯＣ測定装置２０を設け、ＳＯＣが高いときには二次電池９０の温度を低く、ＳＯＣが低いときには温度を高く維持するようにしてもよい。また、第３実施形態のような電流測定装置３０を設け、放電電流が少ないときには低い運転温度とし、放電電流が大きいときには運転温度を高く維持するようにしてもよい。
【００６５】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００６６】
（１）上記実施形態では、電気自動車の動力用二次電池やロードレベリング用の二次電池に適用した例を示したが、本発明はこれに限られず、ノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話等の携帯用電子機器、あるいはコードレス電話機、コードレス掃除機等の家庭用電化製品、その他の二次電池を電源とする全ての機器に同様に適用することができる。
【００６７】
（２）上記各実施形態では、充電モードは高容量モードと長寿命モードの２種類としたが、３種類以上のモードを設定してもよいことはもちろんである。また、無段階的な多数の動作モードを設定し、これらを連続的に変化させるようにしてもよい。
（３）上記各実施形態では、充電モードは高容量モードと長寿命モードとの２種類とし、それぞれマニュアル、カレンダースケジュール、温度、健全度或いは内部圧力に応じて、上記の動作モードを切り換える例を示した。さらに、電池の温度制御をそれぞれ動作モード、充電状態或いは放電電流値に応じて切り換える例を説明した。しかし、本発明を実施するにあたっては、これらに限られず、多数の動作モードを設定しておき、マニュアル、カレンダースケジュール、温度、健全度及び内部圧力からなる群から選ばれる１つ以上の情報を組み合わせてパソコン等により最適な動作モードを判断して選択させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図
【図２】高容量モード及び長寿命モードにおける電圧及び電流変化を示すグラフ
【図３】第２実施形態を示すブロック図
【図４】第３実施形態を示すブロック図
【図５】第４実施形態を示すブロック図
【図６】第４実施形態における電池の運用パターンを示すタイムチャート
【図７】第５実施形態を示すブロック図
【図８】第６実施形態を示すブロック図
【図９】第７実施形態を示すブロック図
【図１０】第８実施形態を示すブロック図
【図１１】第９実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
１０、４０，７０，８０，９０…二次電池
１２、４２，７２，８２，９２…充電装置
１４、７６…電池温度制御装置
１６…ヒータ
１７…冷却ファン
１８、４５，７４，８４，９４…動作モード切換装置
４４…時間計測装置
４６…タイマ装置
５０…ＳＯＣ測定装置
６０…電流測定装置
７６…電池温度測定装置
８５…ＳＯＨ測定装置
９５…圧力測定装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電を繰り返して使用される二次電池の運用方法及び二次電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば電気自動車に搭載されている二次電池装置は、充電装置によって所定の充電終止電圧になるまで二次電池を充電し、充電後は、これを必要に応じて放電させることで自動車の走行エネルギーを得るようになっている。また、寒冷時や高温時において二次電池の温度をある範囲内に収めておくために、冷却ファンや加熱ヒータを備えた温度制御装置を併せて有することが一般的である。
【０００３】
このような二次電池装置において、充電装置による充電制御は、例えばリチウムイオン二次電池では、当初、定電流による定電流充電を行い、その後、例えば４．２Ｖの充電終止電圧で所定時間定電圧充電を行うようにしており、結局、二次電池を１００％の充電電気量まで充電するものであった。
【０００４】
一方、電力需要の平準化のために、例えばオフィスビルには深夜電力貯蔵用の二次電池装置が設備されている場合がある。これは、二次電池と、この二次電池を深夜電力によって充電するための充電装置と、二次電池に蓄えた直流電力によって昼間に交流電力を発生するインバータ装置とからなる。
【０００５】
このようないわゆるロードレベリング用の二次電池装置において、充電装置による充電制御は、例えばリチウムイオン二次電池では、深夜電力の時間帯になると当初定電流による定電流充電を行い、その後、所定電圧に達したところで定電圧充電に切り換えて所定時間充電するようにしている。
【０００６】
ところで、この種の二次電池では、充電終止電圧を高くして充電率を高くすると、電池の劣化が促進され寿命が短くなるという欠点がある。このような事情は例えば特開平１１−４５４９において指摘されており、ここでは二次電池が満充電される前に充電を停止することによって充電電気量を抑制し、これにて電池の長寿命化を図ることとしている。
【０００７】
しかしながら、上記公報に記載のように充電電気量を抑制すれば電池を長寿命化することができるとしても、充電電気量が少なくなるために二次電池の利用率が低下するという問題が生ずる。例えば電気自動車では走行可能距離が短くなる等、二次電池を十分に利用できなくなってしまう。このような状況は電池の寿命を重視する利用者にとっては好ましいとしても、寿命よりも容量を優先しなくてはならない利用者にとっては好ましいものではない。また、ロードレベリング用では、二次電池の必要な容量は負荷における最大の消費電力に応じて設計上定まっているから、二次電池の利用率が低下すれば、その分、多くの二次電池を設備しなくてはならず、設備費が高価になるという問題を生じてしまう。
【０００８】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、第１の目的は二次電池の寿命と容量とのいずれを優先するかを選択することができる二次電池の運用方法及び二次電池装置を提供することにある。また、第２の目的は、二次電池の長寿命化と利用率の向上とを両立させることができる二次電池の運用方法及び二次電池装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
請求項２の発明は、二次電池の充電動作に、二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードを設定し、その２種類の動作モードを二次電池外部からの制御信号によって選択可能としてある。充電終止電圧が高い動作モードでは、電池容量が大きくなるから、例えば電気自動車で長距離走行したい場合に適する。また、充電終止電圧が低い動作モードでは電池容量が小さくなるが、電池寿命が長くなり、ランニングコストが安くなるという利点があり、ユーザは自由に選択することができる。
【００１０】
一方、例えばオフィスビルに設置されるロードレベリング用の二次電池装置では、平日にはビル内のＯＡ機器や空調設備が稼働するために負荷の消費電力が大きくなるが、休日にはそれらの稼働率が大きく低下するため、負荷の消費電力は小さくなる。このように二次電池装置の負荷電力は予め定まったパターンで変動するものは少なくない。この種の二次電池装置では、負荷が小さくなる前には二次電池への充電電気量は抑えておいても支障はないはずである。
【００１１】
そこで、請求項３の発明では、充電終止電圧が異なる第１の動作モードと第２の動作モードとをタイマー装置によって切り換える。タイマー装置によって負荷の消費電力が大きくなる時期には充電終止電圧が高い第１の動作モードとなるようにし、負荷の消費電力が小さくなる時期には充電終止電圧が低い第２の動作モードとなるように設定しておけば、必要な電力を確保しながら、二次電池の劣化を最小限に抑えることができる。
【００１２】
また、第１及び第２の動作モードを、電池温度に応じて切り換えてもよい。電池温度が所定温度よりも高いときには、充電終止電圧が低い第２の動作モードで充電するのである。電池温度が高いと、電池のインピーダンスが低くなって充電電気量が大きくなりやすく、また、電池の劣化反応が進みやすくなるから、充電終止電圧を下げて長寿命化を図ることが望ましいからである。なお、電池温度は、電池ケースに温度センサを取り付けて測定してもよく、或いは、電池を設置した周囲の空気温度を測定してこれを電池温度とみなしてもよい。
【００１３】
また、第１及び第２の動作モードを、電池の健全度（ＳＯＨ）によって切り換えてもよい。電池の健全度が所定値以上にある間は充電終止電圧が低い第２の動作モードで充電し、健全度が所定値以下になったら、充電終止電圧が高い第１の動作モードで充電するのである。電池の健全度が高いうちは容量が大きく、内部抵抗が低いため、低い充電終止電圧で運用可能であり、そのようにすれば電池の劣化が進みにくい。電池の健全度が低下してきた場合には、充電終止電圧を高くすることで、電池をより長い間使用することができる。なお、電池の健全度は、電池の放電時の電圧降下値と電池温度から決定することができる。
【００１４】
また、電池が密閉されている場合、電池の劣化が進むと電池の圧力が高まるから、電池の内部圧力を検出し、その内部圧力によって電池の両モードを切り換えるようにしてもよい。このようにすると、電池の劣化が進んでおらず、内部圧力が低いときには、低い充電終止電圧で運用して電池の劣化を抑えることができる。電池の劣化により内部圧力が上昇してきた場合には、充電終止電圧を高くすることで、電池をより長い間使用することができる。なお、電池の内部圧力は、電池内に圧力センサを配置して測定してもよく、電池ケースの表面に歪みセンサを設けて測定してもよい。
【００１５】
電池の温度を制御する電池温度制御装置及び電池の状態を測定するセンサを設け、充電終止電圧が高い第１の動作モードで充電されるようなときには、二次電池の充放電時の温度を第２の動作モードの場合よりも高くすることが望ましい。温度を高くすることで、蓄えられたエネルギーを効率的に放出することができ、大きな放電容量を確保できるからである。また、電池の充電状態が高いときには電池の運転温度を低くすることが望ましい。電池の充電状態が高いときには電池が劣化しやすいため、それを抑制できるからである。さらには、電池の放電電流が所定値以下であると測定されたときにも、電池の運転温度を低くすることが望ましい。負荷電流が少なければ低運転温度でも十分に運転できる上に劣化を抑えることができるからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を電気自動車に適用した第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
【００１７】
１０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷１１に直流電力を供給する。二次電池１０には充電装置１２が接続されており、二次電池１０を商用電源１３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、例えば図２に示す通りで、充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、後述する高容量モード及び長寿命モードの２種類の動作モードがあって前者の充電終止電圧は後者のそれより高くなるように設定されている。
【００１８】
一方、１４は温度制御装置で、これは二次電池１０に設けた温度センサ１５からの信号を受けて二次電池１０の運転温度を制御する機能を有する。具体的には、二次電池１０に付設した加熱ヒータ１６と冷却ファン１７とを備え、温度センサ１５により検出した二次電池１０の温度が所定の基準温度よりも低いときにはスイッチ１６Ａを閉じて加熱ヒータ１６に通電することで二次電池１０を加熱し、二次電池１０の温度が所定の基準温度よりも高いときにはスイッチ１７Ａを閉じて冷却ファン１７を駆動することで二次電池１０を外気によって冷却する。
【００１９】
そして、１８は動作モード設定手段であり、これは例えば電気自動車のインストルメントパネルに設けた図示しないモード切替スイッチを含んで構成されており、そのスイッチを操作することにより高容量モードと長寿命モードとのいずれかに選択的に切り換えることができる。高容量モードは本発明にいう「第１の動作モード」に相当し、長寿命モードは「第２の動作モード」に相当する。
【００２０】
この動作モード設定手段１８においていずれかのモードが設定されると、それに応じて前記充電装置１２及び温度制御装置１４に信号が与えられる。充電装置１２において、高容量モードでは例えば定電流充電時の充電電流は２０Ａ、充電終止電圧は４．２Ｖであり、長寿命モードでは例えば定電流充電時の充電電流は１０Ａで充電終止電圧は３．９Ｖである。すなわち、長寿命モードの場合に比べて高容量モードは充電終止電圧が高く、かつ、定電流充電時の充電電流が大きく設定される。また、この実施形態では、高容量モードでは温度制御装置１４による二次電池１０の運転温度（充電時及び放電時）の平均温度は例えば３５℃±２０℃となるように設定され、長寿命モードの場合には１５℃±２０℃となるように設定される。
【００２１】
このような実施形態によれば、モード切替スイッチによって高容量モードに設定されると、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が４．２Ｖと高く設定され、かつ、運転時の平均温度が３５℃±２０℃となるように設定されるので、充電レベルはフレッシュな電池の場合定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。容量１００Ａｈのリチウム二次電池１０を用いた場合には、最大約１５０ｋｍの走行が可能となる。一方、モード切替スイッチによって長寿命モードに切り換えられた場合には、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、かつ、運転時の平均温度が１５℃±２０℃となるように設定される。この結果、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、最大走行距離は約９０ｋｍとなって高容量モードの場合に比べて短くなるが、二次電池１０の劣化が少なくなるため寿命が長くなる。
【００２２】
このような動作モードの切換は電気自動車の利用パターンに応じて適宜行えば良い。例えば買い物や通勤等の近距離利用が主体となる平日には長寿命モードで二次電池１０を使用し、例えば遠距離ドライブに出かける休日には高容量モードに切り換えておくことができる。これにより、必要に応じて二次電池１０の出力を最大限に利用しながら、長寿命化を図ることができる。
【００２３】
上記実施形態において各動作モードの充電条件及び温度制御装置１４による運転温度の設定を下表の通りに設定した。
【表１】
【００２４】
ここで、運用例１は、平日を想定した充放電動作は長寿命モード（二次電池１０の運転温度は平均１５℃）で行い、休日を想定した充放電動作は高容量モード（二次電池１０の運転温度は平均３５℃）で行った。また、運用例２は、二次電池１０の運転温度を両モード共に平均３５℃とした以外は運用例１と同様に長寿命モードと高容量モードとを５対２で繰り返した（請求項１の発明の運用方法に相当する）。
【００２５】
一方、比較運用例１は常に長寿命モード（二次電池１０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の６０％）のみで充放電を繰り返し、比較運用例２は高容量モード（二次電池１０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の１００％）のみで充放電を繰り返した。
【００２６】
以上の運用形態による結果は次表の通りであった。なお、ここで「走行可能日数」とは、平日に４０ｋｍの走行ができなくなる、又は休日に８０ｋｍの走行ができなくなるまでの総運用日数をいう。
【表２】
【００２７】
＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態を示す。前記第１実施形態との相違は、二次電池１０の充電状態（State of Charge）を測定するＳＯＣ測定装置２０を設け、このＳＯＣ測定装置２０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２８】
ここで、二次電池１０の充電状態はその時点での残存容量を表しており、定格容量を得るための所定の充電終止電圧で電池を満充電した状態を１００％ＳＯＣとし、その状態から定格容量の半分の電気量を放電した状態を５０％ＳＯＣと定義する。このＳＯＣは、例えば二次電池１０の無負荷時の端子電圧（開放端子電圧）と相関関係がある。そこで、本実施形態のＳＯＣ測定装置２０は、例えば同種の二次電池に関して作成された開放端子電圧とＳＯＣとのテーブル又は演算式に基づき、その時点での開放端子電圧を取得することによってＳＯＣを決定することにしている。そして、このＳＯＣが例えば５０％以上であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、ＳＯＣが５０％を下回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００２９】
この実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、動作モード設定手段１８のモード切替スイッチによって高容量モードに設定されると、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が４．２Ｖと高く設定されるので、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。一方、モード切替スイッチによって長寿命モードに切り換えられた場合には、二次電池１０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となって最大走行距離は高容量モードの場合に比べて短くなるが、二次電池１０の劣化が少なくなるため寿命が長くなる。
【００３０】
また、いずれの動作モードで充電されたとしても、放電時には、電池が劣化しやすいＳＯＣが５０％以上の領域では二次電池１０の温度を比較的低い温度に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられ、長寿命化することができる。
【００３１】
＜第３実施形態＞
図４は本発明の第３実施形態を示す。前記第１実施形態との相違は、二次電池１０の放電電流を測定する電流測定装置３０を設け、この電流測定装置３０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３２】
二次電池１０の放電電流は負荷１１への放電路に設けた電流センサー３１を介して測定され、これが所定値（定格電流の例えば２０％）以下であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、放電電流が２０％を上回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池１０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００３３】
この実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、動作モード設定手段１８のモード切替スイッチによって高容量モードと長寿命モードとに適切に切り換えることができる。また、放電時の電流が小さければ、二次電池１０の温度を比較的低い温度に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられる。また、大きな放電電流が流れる場合には、二次電池の温度が比較的高い温度に維持されるから、蓄えられたエネルギーを効果的に電気エネルギーとして放出することができて放電容量を確保できる。
【００３４】
＜第４実施形態＞
以下、本発明をオフィスビルの深夜電力貯蔵用の二次電池装置に適用した第４実施形態について図５及び図６を参照して説明する。
【００３５】
４０はリチウムイオン型の二次電池であり、オフィスビル内の電力供給線路に接続されたインバータ装置等からなる負荷４１に直流電力を供給する。二次電池４０には充電装置４２が接続されており、時間計測装置４４からの信号に基づいて深夜電力の時間帯に二次電池４０を商用電源によって充電することができる。その充電パターンは例えば図２に示したものと同様に充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔとなるように定電圧充電するようになっており、後述する高容量モードと長寿命モードとの２種類の動作モードがあって前者の充電終止電圧は後者のそれより高くなるように設定されている。
【００３６】
一方、１４は温度制御装置で、温度センサ１５からの信号を受けて二次電池２０の運転温度を制御する機能を有するもので、第１実施形態と同様な構成であるから、それと同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
そして、４５は動作モード設定手段であり、これは前記充電装置４２に信号を与えてその動作モードを高容量モードと長寿命モードとのいずれかに選択的に切り換えることができる。この充電装置４２において、高容量モードでは例えば定電流充電時の充電電流は２０Ａ、充電終止電圧は４．２Ｖであり、長寿命モードでは例えば定電流充電時の充電電流は１０Ａで充電終止電圧は３．９Ｖである。すなわち、長寿命モードの場合に比べて高容量モードは充電終止電圧が高く、かつ、定電流充電時の充電電流が大きく設定される。また、この実施形態では、動作モード設定手段４５は温度制御装置１４にも信号を与え、高容量モードでは温度制御装置１４による二次電池２０の運転温度（充電時及び放電時）の平均温度は例えば３５℃±２０℃となるように設定され、長寿命モードの場合には１５℃±２０℃となるように設定される。
【００３８】
また、上記動作モード設定手段４５における動作モードの切り換えタイミングはタイマー装置４６によって制御される。このタイマー装置４６は、時間計測装置４４から時間情報を取得し予め設定して記憶されているスケジュールに従い、例えば図６に示すように金曜日の深夜から日曜日の夜までは長寿命モードで動作させ、それ以外の時間帯（日曜日の深夜から金曜日の夕刻まで）は高容量モードで動作させるようになっている。
【００３９】
この第４実施形態によれば、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を高容量モード（充電終止電圧が４．２Ｖ）で充電し、かつ、温度制御装置１４によって運転時の平均温度が３５℃±２０℃となるように制御される。この結果、充電レベルはフレッシュな電池の場合、定格容量に対してほぼ１００％まで充電され、容量１００Ａｈのリチウム二次電池４０を用いた場合には、一般的なオフィスビルの平日昼間の電力を約６時間分供給することができる。
【００４０】
また、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードに自動的に切り換えられる。この場合には、二次電池４０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定され、かつ、運転時の平均温度が１５℃±２０℃となるように設定されるから、二次電池４０の充電レベルは、フレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、二次電池４０の劣化が抑えられる。この場合、休日にはオフィスビルの消費電力は低下するから、休日の約６時間分の電力をまかなうことができ、実用上の問題はない。
【００４１】
本実施形態において各動作モードの充電条件及び温度制御装置１４による運転温度の設定を下表の通りに設定した。
【表３】
【００４２】
ここで、運用例３は、平日には高容量モード（二次電池４０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の１００％分（１００Ａｈ）、運転温度は平均３５℃）で動作させ、休日には長寿命モード（二次電池４０の充電電気量は、フレッシュな電池の場合、定格容量の６０％分（６０Ａｈ）、運転温度は平均１５℃）で動作させた。
【００４３】
一方、比較運用例３は常に長寿命モード（同上）のみで充放電を繰り返し、比較運用例４は高容量モード（同上）のみで充放電を繰り返した。
【００４４】
以上の運用形態による結果は次表の通りであった。なお、ここで「使用可能日数」とは、平日に５０Ａｈの放電ができなくなる、または休日に２５Ａｈの放電ができなくなるまでの総使用日数をいう。
【表４】
【００４５】
＜第５実施形態＞
図７は本発明の第５実施形態を示す。前記第４実施形態との相違は、それにＳＯＣ測定装置５０を追加し、温度制御装置１４は動作モード設定手段４５ではなくＳＯＣ測定装置５０によってをコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第４実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４６】
ＳＯＣ測定装置５０は、二次電池４０開放端子電圧に基づいて充電状態を決定するようになっており、このＳＯＣが例えば５０％以上であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、ＳＯＣが５０％を下回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００４７】
この実施形態によれば、前記第４実施形態と同様に、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を充電終止電圧を４．２Ｖとする高容量モードで充電するから、フレッシュな電池の場合には充電レベルが定格容量に対してほぼ１００％まで充電される。また、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードに自動的に切り換えられる。この場合には、二次電池４０の充電時には充電終止電圧が３．９Ｖと低く設定されるから、二次電池４０の充電レベルは、フレッシュな電池の場合、定格容量の約６０％となり、二次電池４０の劣化が抑えられる。また、いずれの動作モードで充電されたとしても、放電時には、電池が劣化しやすい充電状態が５０％以上の領域では二次電池１０の温度を比較的低い温度（１５℃±２０℃）に維持するようにしているから電池の劣化が抑えられ、一層の長寿命化を図ることができる。
【００４８】
＜第６実施形態＞
図８は本発明の第６実施形態を示す。前記第５実施形態との相違は、ＳＯＣ測定装置５０に代えて、二次電池４０の放電電流を測定する電流測定装置６０を設け、この電流測定装置６０によって温度制御装置１４をコントロールするようにしたところにある。その他の構成は、前記第５実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４９】
二次電池４０の放電電流は負荷４１への放電路に設けた電流センサー６１を介して測定され、これが所定値（定格電流の例えば２０％）以下であるときには、温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０が比較的低い温度（例えば１５℃±２０℃）を維持するようにし、放電電流が２０％を上回ると温度制御装置１４に信号を出力して二次電池４０の温度をそれより高い温度（例えば３５℃±２０℃）に維持するようにしている。
【００５０】
この実施形態によれば、前記第５実施形態と同様に、タイマー装置４６に設定されているスケジュールに従い、充電装置４２は平日には二次電池４０を高容量モードで充電し、金曜日の深夜から日曜日の夕刻までは長寿命モードで充電する。また、放電時の電流が小さければ、二次電池４０の温度が比較的低い温度に維持されるから、電池の劣化が抑えられる。また、大きな放電電流が流れる場合には、二次電池４０の温度が比較的高い温度に維持されるから、蓄えられたエネルギーを効果的に電気エネルギーとして放出することができて放電容量を確保できる。
【００５１】
＜第７実施形態＞
第９図は第７実施形態を示す。７０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷７１に直流電力を供給する。二次電池７０には充電装置７２が接続されており、二次電池７０を商用電源７３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる３種類の動作モードがある。
【００５２】
これらの動作モードは、動作モード設定手段７４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２０Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．８５Ｖに設定されている。また、第３の動作モードとして中間モードがあり、これは充電終止電圧が例えば３．９５Ｖに設定されている。
【００５３】
そして、二次電池７０の近くには温度センサ７５が配置されており、ここからの信号によって温度測定装置７６が二次電池７０の温度を測定し、その温度に応じた信号を動作モード設定手段７４に与える。動作モード設定手段７４には、次表に示すような温度−モード対応テーブルを記憶した記憶回路が設けられており、上記温度に応じて動作モードが決定される。
【表５】
【００５４】
＜第８実施形態＞
第１０図は第８実施形態を示す。８０は例えば容量が１００Ａｈのリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷８１に直流電力を供給する。二次電池８０には充電装置８２が接続されており、二次電池８０を商用電源８３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる２種類の動作モードがある。
【００５５】
これらの動作モードは、動作モード設定手段８４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．９Ｖに設定されている。
【００５６】
８５は二次電池８０の健全度(State of Health)を測定するＳＯＨ測定装置である。一般に電池は健全度が低下するにつれて電池の内部抵抗が上昇するから、電池の健全度は電池を放電したときの電圧降下値と電池温度との表から検出することができる。本実施形態で使用される健全度表の一例は次表に示す通りであり、これがＳＯＨ測定装置８５の記憶装置に記憶されている。ここで、電圧降下値は二次電池８０を１００Ａで３分間放電したときの値（単位Ｖ）を示し、ＳＯＨが１００％とは、二次電池８０がフレッシュ品であって定格容量を有している状態を示し、ＳＯＨが０％であるとは、二次電池８０が劣化して負荷側が最低限必要とする容量まで電池の放電容量が低下した状態と定義する。
【表６】
【００５７】
この実施形態によれば、二次電池８０の劣化が進んでおらず、その健全度が１００％〜２５％の間では長寿命モードで充電が行われるから、劣化の進行を極力抑えることができる。また、健全度が２５％以下になったような状態では、高容量モードで充電動作が行われるから、低下しがちな容量を補って電池の能力を最大限に生かすことができる。
【００５８】
なお、この実施形態のようにＳＯＨによって充電装置８２の動作モードを切り換える場合、第１実施形態のように温度制御装置１４を併せて設け、長寿命モードでは二次電池８０の温度を低く、高容量モードでは温度を高く維持するようにしてもよい。さらに、第２実施形態のようなＳＯＣ測定装置２０を設け、ＳＯＣが高いときには二次電池８０の温度を低く、ＳＯＣが低いときには温度を高く維持するようにしてもよい。また、第３実施形態のような電流測定装置３０を設け、放電電流が少ないときには低い運転温度とし、放電電流が大きいときには運転温度を高く維持するようにしてもよい。
【００５９】
＜第９実施形態＞
第１１図は第９実施形態を示す。９０はリチウムイオン型の二次電池であり、電気自動車の動力用のインバータ装置等からなる負荷９１に直流電力を供給する。二次電池９０には充電装置９２が接続されており、二次電池９０を商用電源９３からの交流電力によって充電することができる。その充電パターンは、やはり充電開始時から所定の定電流で所定の充電終止電圧まで充電後、その電圧で総充電時間が所定時間Ｔになるように定電圧充電するようになっており、充電終止電圧が異なる２種類の動作モードがある。
【００６０】
これらの動作モードは、動作モード設定手段９４からの信号によって切り換えられ、第１の動作モードに相当する高容量モードでは充電終止電圧は例えば４．２Ｖであり、第２の動作モードに相当する長寿命モードでは例えば充電終止電圧は３．９Ｖに設定されている。
【００６１】
９５は二次電池９０の内部圧力を測定する圧力測定装置である。一般に電池は劣化が進むと共に内部圧力が上昇するから、内部圧力の変化で劣化の度合いを知ることができる。内部圧力は、この実施形態では図示しない電池ケースに取り付けた圧力センサ９６によって検出しているが、これは電池ケースの表面に取り付けた歪みセンサによっても検出することができる。なお、この実施形態で二次電池９０の内部圧力はフレッシュ品で０．１ＭＰａ、健全度が５０％程度になったときには０．２ＭＰａ、健全度が２５％では０．２５ＭＰａ，寿命末期では０．３ＭＰａであった。
【００６２】
圧力測定装置９５は、圧力センサ９６からの信号に基づき二次電池９０の温度を検出し、その圧力が例えば０．２５ＭＰａに達するまでは、動作モード設定手段９４に信号を与えて充電装置９２を長寿命モードで動作させ、０．２５ＭＰａを越えると充電装置９２を高容量モードで動作させるようになっている。
【００６３】
この実施形態によれば、二次電池９０の劣化が進んでいないときには長寿命モードで充電が行われるから、劣化の進行を極力抑えることができる。また、内部圧力が０．２５ＭＰａを越えるよう（健全度が２５％以下）になった状態では、高容量モードで充電動作が行われるから、低下しがちな容量を補って電池の能力を最大限に生かすことができる。
【００６４】
なお、この実施形態のように内部圧力によって充電装置９２の動作モードを切り換える場合でも、第１実施形態のように温度制御装置１４を併せて設け、長寿命モードでは二次電池９０の温度を低く、高容量モードでは温度を高く維持するようにしてもよい。さらに、第２実施形態のようなＳＯＣ測定装置２０を設け、ＳＯＣが高いときには二次電池９０の温度を低く、ＳＯＣが低いときには温度を高く維持するようにしてもよい。また、第３実施形態のような電流測定装置３０を設け、放電電流が少ないときには低い運転温度とし、放電電流が大きいときには運転温度を高く維持するようにしてもよい。
【００６５】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００６６】
（１）上記実施形態では、電気自動車の動力用二次電池やロードレベリング用の二次電池に適用した例を示したが、本発明はこれに限られず、ノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話等の携帯用電子機器、あるいはコードレス電話機、コードレス掃除機等の家庭用電化製品、その他の二次電池を電源とする全ての機器に同様に適用することができる。
【００６７】
（２）上記各実施形態では、充電モードは高容量モードと長寿命モードの２種類としたが、３種類以上のモードを設定してもよいことはもちろんである。また、無段階的な多数の動作モードを設定し、これらを連続的に変化させるようにしてもよい。
（３）上記各実施形態では、充電モードは高容量モードと長寿命モードとの２種類とし、それぞれマニュアル、カレンダースケジュール、温度、健全度或いは内部圧力に応じて、上記の動作モードを切り換える例を示した。さらに、電池の温度制御をそれぞれ動作モード、充電状態或いは放電電流値に応じて切り換える例を説明した。しかし、本発明を実施するにあたっては、これらに限られず、多数の動作モードを設定しておき、マニュアル、カレンダースケジュール、温度、健全度及び内部圧力からなる群から選ばれる１つ以上の情報を組み合わせてパソコン等により最適な動作モードを判断して選択させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図
【図２】高容量モード及び長寿命モードにおける電圧及び電流変化を示すグラフ
【図３】第２実施形態を示すブロック図
【図４】第３実施形態を示すブロック図
【図５】第４実施形態を示すブロック図
【図６】第４実施形態における電池の運用パターンを示すタイムチャート
【図７】第５実施形態を示すブロック図
【図８】第６実施形態を示すブロック図
【図９】第７実施形態を示すブロック図
【図１０】第８実施形態を示すブロック図
【図１１】第９実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
１０、４０，７０，８０，９０…二次電池
１２、４２，７２，８２，９２…充電装置
１４、７６…電池温度制御装置
１６…ヒータ
１７…冷却ファン
１８、４５，７４，８４，９４…動作モード切換装置
４４…時間計測装置
４６…タイマ装置
５０…ＳＯＣ測定装置
６０…電流測定装置
７６…電池温度測定装置
８５…ＳＯＨ測定装置
９５…圧力測定装置
Claims (4)
- 負荷電力が予め定まったパターンで変動する二次電池において、充電動作と放電動作とを繰り返す二次電池の運用方法であって、
前記充電動作には、前記二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードがあり、前記第１の動作モードの充電終止電圧は、前記第２の動作モードの充電終止電圧よりも高く設定されており、
前記負荷電力が大きくなる時期には、前記第１の動作モードに設定し、前記負荷電力が小さくなる時期には、前記第２の動作モードに設定することを特徴とする二次電池の運用方法。 - 充電動作と放電動作とを繰り返す二次電池の運用方法であって、前記充電動作には、前記二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードがあり、その２種類の動作モードが前記二次電池外部からの制御信号により選択可能としてあり、
前記第１の動作モードの充電終止電圧は、前記第２の動作モードの充電終止電圧よりも高く設定されており、かつ、前記二次電池の前記第１の動作モードでの充放電時の温度は、前記二次電池の前記第２の動作モードでの充放電時の温度よりも高く設定されていることを特徴とする二次電池の運用方法。 - 負荷電力が予め定まったパターンで変動する充放電可能な二次電池と、この二次電池を充電するためのものであって前記二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードで動作し前記第１の動作モードの充電終止電圧が前記第２の動作モードの充電終止電圧よりも高く設定されている充電装置と、時間計測装置と、この時間計測装置から取得した時刻に基づき予め記憶されたスケジュールに従い前記充電装置の動作モードを切り換えるタイマー装置とを備え、
前記タイマー装置は、前記二次電池の負荷電力が大きくなる時期に前記充電装置の動作モードを前記第１の動作モードに切り換え、前記二次電池の負荷電力が小さくなる時期に前記充電装置の動作モードを前記第２の動作モードに切り換えることを特徴とする二次電池装置。 - 充電動作と放電動作とを繰り返す二次電池の運用方法であって、前記充電動作には、前記二次電池を互いに異なる所定の充電終止電圧に達するまで充電する第１及び第２の少なくとも２種類の動作モードがあり、前記第１の動作モードの充電終止電圧は、前記第２の動作モードの充電終止電圧よりも高く設定されており、その２種類の動作モードをＳＯＨ測定装置で測定された前記二次電池の健全度が所定値以下であると測定されたとき、前記第２の動作モードから前記第１の動作モードに切り換えることを特徴とする二次電池の運用方法。
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