JP5276357B2 - ニッケル−水素二次電池の交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、メモリ効果の蓄積される複数のニッケル−水素二次電池で構成される組電池において、不具合の生じた一部のニッケル−水素二次電池を交換用のニッケル−水素二次電池と交換してその組電池の再構成（リビルト）を行うニッケル−水素二次電池の交換方法に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車等の電源には、複数の二次電池で構成される組電池が用いられている。このような組電池では、二次電池の個体差や二次電池を構成する部品の不具合等により、該組電池を構成する二次電池の一部が他の二次電池に比べて早期に寿命や故障に至ることがある。このような不具合が生じると、組電池本来の性能を発揮することができなくなり、ひいてはシステム全体に異常が生じる虞があった。そこで、組電池全体を単に新品と交換するのでは使用可能な二次電池が無駄に廃棄されることになるため、不具合の生じた二次電池のみを正常な二次電池に交換し、交換の必要のない他の二次電池を再利用して、組電池を再構成（リビルト）することが考えられている。

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車等に用いるものとしては、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）二次電池や、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池が主流であるが、これらの二次電池には、初期時と使用の進んだ時とでは特性に差が生じる所謂メモリ効果という問題があり、二次電池の使用が進むに連れてそのメモリ効果の蓄積が大きくなる。また、このメモリ効果は、ユーザ毎の電池の使用環境や使用状態でもその蓄積度合いが変わるものである。そのため、使用の進んだ非交換の二次電池との調和を考慮しないで組電池を再構成しても、組電池として十分な性能を得ることができず、場合によっては再利用できないという技術的課題があった。

そこで、このような技術的課題を解決するものとして、例えば特許文献１や特許文献２にて示されるようなものがあった。特許文献１では、交換用の新しい二次電池を非交換の二次電池よりも充電量（ＳＯＣ：State of Charge ）が小さくなるように充電して交換する二次電池の交換方法が示されている。即ち、これにより再構成された組電池は、使用により充放電が繰り返されると、交換した新しい二次電池と非交換の二次電池との充電量の差が小さくなるため、組電池を構成する二次電池の充電量をそれぞれ同等にでき、組電池の性能を最大限に発揮できるとしている。

また特許文献２では、非交換の二次電池に蓄積しているメモリ効果と同様のメモリ効果を交換用の二次電池に付与して交換する二次電池の交換方法が示されている。即ち、これにより再構成された組電池は、交換用の二次電池も非交換の二次電池と同様の電圧特性となることから、組電池の性能を最大限に発揮できるとしている。
特開２００４−１８５９１５号公報 特許第３８２０１８４号公報

しかしながら、十分な性能を有するように組電池の再構成を行うために、特許文献１では、個々の二次電池の充電量を把握する必要があり、また非交換の二次電池の充電量と交換用の新しい二次電池の充電量とをそれぞれ調整する作業が煩雑であった。

また特許文献２では、個々の二次電池のメモリ効果を把握する必要があり、また新しい二次電池に対し非交換の二次電池と同等のメモリ効果を蓄積させる作業が煩雑であった。従って、これらの煩雑な作業が組電池の再構成の新たな障壁となっていた。

本発明は、上記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、十分な性能を有する組電池を容易に再構成することができるニッケル−水素二次電池の交換方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数のニッケル−水素二次電池で構成される組電池において、交換対象のニッケル−水素二次電池を含む一部又は全部を交換用のニッケル−水素二次電池と交換してその組電池の再構成を行うニッケル−水素二次電池の交換方法であって、前記組電池の再構成に再利用可能なニッケル−水素二次電池を自身又は他の前記組電池の再利用対象とし、その再利用対象のニッケル−水素二次電池を完全放電状態まで放電する放電ステップと、前記放電ステップを経た前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を前記完全放電状態下において３時間以上経過させるべく保管領域にて保管する保管ステップと、前記保管ステップを経た自身又は他の前記組電池の前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を組み合わせて、若しくはその再利用対象のニッケル−水素二次電池と新しいニッケル−水素二次電池とを組み合わせて前記組電池の再構成を行う再生ステップとを含むことをその要旨とする。

この発明では、放電ステップにて、自身又は他の組電池の再利用対象となるニッケル−水素二次電池が完全放電状態まで放電される。次いで保管ステップにて、前記放電ステップを経た再利用対象のニッケル−水素二次電池がその完全放電状態下で３時間以上経過させるべく保管領域にて保管される。次いで再生ステップにて、前記保管ステップを経た自身又は他の組電池の再利用対象のニッケル−水素二次電池を組み合わせて、若しくはその再利用対象のニッケル−水素二次電池と新しいニッケル−水素二次電池とを組み合わせて組電池の再構成が行われる。即ち、本発明者により、完全放電状態のニッケル−水素二次電池をその完全放電状態となってから３時間以上経過させることで、ニッケル−水素二次電池に蓄積されたメモリ効果が低減されることが判明した。そのため、これを踏まえた各ステップを経た再利用対象のニッケル−水素二次電池のみ、若しくはそのニッケル−水素二次電池と新しいニッケル−水素二次電池とを組み合わせて組電池を再構成すれば、組み合わせる他のニッケル−水素二次電池との調和が取れ、十分な性能を有する組電池が容易に再構成可能となる。尚、本発明の組電池は、コントローラ付き組電池又は組電池本体のいずれかを含む。また、本発明の保管領域は、所定の保管条件を備えた環境を意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、前記放電ステップでは、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を単体又は前記組電池未満の所定集合体毎に放電させることをその要旨とする。

この発明では、放電ステップにおいて、再利用対象のニッケル−水素二次電池が単体又は組電池未満の所定集合体（例えばモジュール単位）毎に放電される。これにより、電池単体又は所定集合体の間に生じていた充電量（ＳＯＣ）のバラツキをそれ毎にリセットできる。また、単体又は所定集合体毎にその放電電圧を検出すれば、その検出から個々の異常検査の実施が可能である。これにより、より質の高い再利用対象のニッケル−水素二次電池が選別可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、前記再生ステップでは、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を前記組電池未満の所定集合体毎に組み合わせることをその要旨とする。

この発明では、再生ステップにおいて、再利用対象のニッケル−水素二次電池が組電池未満の所定集合体毎に組み合わされる。例えばモジュール単位での交換とすることで、組電池の再構成にかかる作業が容易となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、前記放電ステップでの前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の完全放電の際、その放電電圧の検出に基づいて、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査を行うことをその要旨とする。

この発明では、放電ステップにて再利用対象のニッケル−水素二次電池が完全放電されるが、その放電の際の放電電圧の検出にて、再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査が行われる。これにより、より質の高い再利用対象のニッケル−水素二次電池が選別可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、前記保管ステップでの前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の電池電圧の検出に基づいて、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査を行うことをその要旨とする。

この発明では、保管ステップにおいて、再利用対象のニッケル−水素二次電池の電池電圧の検出にて、再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査が行われる。これにより、より質の高い再利用対象のニッケル−水素二次電池が選別可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、前記組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として用いられるものであることをその要旨とする。

この発明では、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として用いられる組電池は、ＳＯＣ中間領域を基本に充放電が繰り返されることからメモリ効果が蓄積し易いため、このような組電池に対して上記各請求項の発明を適用する意義は大きい。

本発明によれば、十分な性能を有する組電池を容易に再構成することができるニッケル−水素二次電池の交換方法を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態にかかるコントローラ付き組電池１０を示す。コントローラ付き組電池１０は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるものであり、組電池本体１１と電池コントローラ１２とで構成されている。組電池本体１１は、図２に示すように、６個（６セル）の二次電池２０を内部接続してなる電池モジュール２１〜２５が５個接続されて構成されている。尚、本実施形態では、二次電池２０の例としてニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池を用いた場合を述べる。電池コントローラ１２は、図１に示すように、ＲＯＭ３１、ＣＰＵ３２、及びＲＡＭ３３等を有して構成され、車両コントロールユニット４０の制御下で組電池本体１１の充放電を制御するとともに、各電池モジュール２１〜２５の電池電圧の検出に基づいて充電量（ＳＯＣ）の推定や異常判定等を行っている。

ここで、組電池本体１１を構成する二次電池２０は、図３及び図４の充電量−電圧特性に示すように、初期状態（図中、実線にて示す）からある程度充放電が繰り返され使用の進んだ既使用状態（図中、一点鎖線にて示す）になると、充放電電圧の特性曲線が変化するのが知られている。

図３について詳述すると、初期状態の二次電池２０をＳＯＣ：０％まで放電して放置時間ゼロで充電した時の充電電圧の特性曲線Ａ１は、充電量がゼロから増加するのに伴って充電電圧は急峻に上昇し、その立ち上がり後は充電量の増加に対して略水平に近い状態で安定して漸増する曲線となっている。これに対し、既使用状態の二次電池２０を上記同様に充電した時の充電電圧の特性曲線Ｂ１は、充電量がゼロから増加するのに伴って充電電圧は初期状態の特性曲線Ａ１よりも低い領域で緩やかに上昇し、その立ち上がり後は充電量の増加に対して比較的傾きが大きく上昇し、やがて初期状態の特性曲線Ａ１よりも高くなるように変化する曲線となっている。

また、初期状態の二次電池２０を上記充電後に放電した時の放電電圧の特性曲線Ａ２は、充電量が満充電の状態から最初は放電電圧が大きく低下するが、その立ち下がり後は充電量の減少に対して略水平に近い状態で安定して漸減し、充電量がゼロ付近で大きく低下する曲線となっている。これに対し、既使用状態の二次電池２０を上記同様に放電した時の放電電圧の特性曲線Ｂ２は、充電量が満充電の状態が既に充電量が小さくなっており、その満充電の状態から放電電圧が若干緩やかに低下し、その立ち下がり後も充電量の減少に対して比較的傾きが大きく低下して充電量が略半分の地点で初期状態の特性曲線Ａ２とクロスし、その後は充電量がゼロまで初期状態の特性曲線Ａ２と大きく乖離して低下する曲線となっている。

尚、図４には、図３とは使用環境及び使用状態を異ならせた二次電池２０について、上記と同様の充放電を行った場合の充電電圧の特性曲線Ｂ１及び放電電圧の特性曲線Ｂ２が示されている。同図４の既使用状態の特性曲線Ｂ１，Ｂ２は図３の既使用状態の特性曲線Ｂ１，Ｂ２とその曲線形状に若干の違いはあるものの、初期状態の特性曲線Ａ１，Ａ２に対する図４の既使用状態の特性曲線Ｂ１，Ｂ２の変化の傾向は図３の既使用状態の特性曲線Ｂ１，Ｂ２と同様なことが言える。

つまり、二次電池２０は、初期状態から度重なる充放電動作によるメモリ効果の蓄積等が生じて、初期状態の充放電電圧の特性曲線Ａ１，Ａ２から既使用状態の特性曲線Ｂ１，Ｂ２のように変化が生じるものである。

次いで、本発明者は、このようにしてメモリ効果の蓄積した特性曲線Ｂ１，Ｂ２を有する二次電池２０を完全放電とみなすＳＯＣ：０％〜５％まで放電させ、その完全放電した二次電池２０を一定時間、所定の保管領域において２５℃の環境で放置（保管）し、その放置後、充放電電圧の特性を測定することを試みた。

すると、図３及び図４に示すように、例えば２週間放置した時の充電電圧の特性曲線Ｃ１（図中、破線にて示す）と１ヶ月放置した時の充電電圧の特性曲線Ｄ１（図中、二点鎖線にて示す）とからわかるように、放置の特性曲線Ｃ１，Ｄ１は、ともに既使用状態の特性曲線Ｂ１（完全放電及び放置無し）と比べて初期状態の特性曲線Ａ１との乖離が小さくなり、該特性曲線Ａ１に近接した変化となる。

また、２週間放置した時の放電電圧の特性曲線Ｃ２（図中、破線にて示す）と１ヶ月放置した時の放電電圧の特性曲線Ｄ２（図中、二点鎖線にて示す）についても、放置の特性曲線Ｃ２，Ｄ２は、ともに既使用状態の特性曲線Ｂ２（完全放電及び放置無し）と比べて初期状態の特性曲線Ａ２との乖離が小さくなり、該特性曲線Ａ２に近接した変化となる。つまり、完全放電及び一定時間以上の放置により二次電池２０に蓄積していた充放電のメモリ効果が大幅に低減し、電池特性が改善することが判明した。

更に、上記した２週間放置と１ヶ月放置に加え、３時間、２４時間、１週間、及び２ヶ月といった他の放置時間についても検討した。図５の充電量低領域を拡大した特性図においてその結果を示すように、充放電電圧の特性曲線は、３時間放置、２４時間放置、１週間放置、・・・、２ヶ月放置という順で改善がみられた。この中でも、３時間、２４時間、１週間放置ではその改善幅が比較的大きく、１週間以降の放置ではその改善幅が小さくなり、放置時間が長いほど大きな効果が得られるものではないこともわかった。

尚、上記では、二次電池２０の放置を２５℃の環境下で行っているが、常温環境下での放置であれば、常温で使用されることを目的とした本実施形態の二次電池２０の特性上、十分な効果があると推測できる。

このような結果を鑑みて本発明者は、何らかの原因で一部の二次電池２０が早期に寿命や故障に至った不具合のある組電池１０をユーザ側から回収し、これを不具合の解消とともに十分な性能を有する組電池１０として再構成（リビルト）して再びユーザ側に戻す手順を検討した。図６がそのフローである。

ステップＳ１：何らかの原因で一部の二次電池２０に不具合が生じた組電池１０をユーザ側から回収する。
ステップＳ２（放電ステップ）：再利用対象となる二次電池２０を不具合電池も含めて完全放電状態（完全放電とみなすＳＯＣ：０％〜５％）まで放電させる。この場合、組電池１０を電池モジュール２１〜２５毎に電気的に分離し、電池モジュール２１〜２５毎の放電とする。また、電池モジュール２１〜２５の完全放電の際、その放電電圧変化を検出することで、低ＳＯＣ領域で不具合のある電池モジュール２１〜２５を新たに発見することもできる。

尚、電池モジュール２１〜２５毎としたのは、図２に示すように、個々の二次電池２０の接続端子（図示略）が内部に隠蔽され、モジュール２１〜２５の各接続端子２１ａ〜２５ａが外部に露出又は容易に露出可能で、個々の二次電池２０毎の放電と比べて放電を行う際の放電装置（図示略）との接続が容易であること、また組電池１０の一括放電を行うと不具合電池が過放電してしまうこと等が理由にある。

ステップＳ３（保管ステップ）：完全放電の電池モジュール２１〜２５を所定の保管領域において常温環境下で一定時間以上経過させるべく保管（放置）する。この保管時間は、メモリ効果の蓄積低減の効果を主として設定、若しくはその効果と保管コストとの兼ね合いで設定する。また、電池モジュール２１〜２５の保管（放置）の際、その電池電圧変化を検出することで、更に新たに不具合のある電池モジュール２１〜２５を発見することもできる。

ステップＳ４（再生ステップ）：不具合のある電池モジュール（２１〜２５）を、完全放電及び一定時間以上放置により再利用対象として保管していた他の組電池（１０）の電池モジュール又は新しい電池モジュールと差し替え、組電池１０として再構成する電池モジュール２１〜２５とする。この場合、再構成に用いる電池モジュール２１〜２５は、完全放電及び一定時間以上放置によりメモリ効果の蓄積が低減されて初期状態の電池特性に近似した同様の電池特性となることから、他の組電池の電池モジュールや新しい電池モジュールに差し替えて組電池１０を再構成してもモジュール同士の調和が取れ、十分な性能を有するものとなる。

ステップＳ５：このように再構成された組電池１０を、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載する際の初期状態としてＳＯＣを中間領域（例えば６０％）となるように充電し、ユーザ側に戻す。これらステップＳ１〜Ｓ５を経ることで、十分な性能を有する組電池１０を容易に再構成することができるようになる。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）放電ステップ（ステップＳ２）にて、組電池１０を構成する二次電池２０が電池モジュール２１〜２５毎に完全放電状態まで放電される。次いで保管ステップ（ステップＳ３）にて、その電池モジュール２１〜２５がその完全放電状態となってから一定時間以上経過させるべく保管領域にて保管される。次いで再生ステップ（ステップＳ４）にて、交換対象の電池モジュール（２１〜２５）が、完全放電状態で保管されていた他の組電池の電池モジュール又は新しい電池モジュールに交換され、同様に完全放電状態で保管されていた自身の組電池１０の電池モジュール（２１〜２５）とともに再構成（リビルト）が行われる。即ち、完全放電状態の電池モジュール２１〜２５をその完全放電状態となってから一定時間以上経過させることで、二次電池２０に蓄積されたメモリ効果が低減されることから、これを踏まえた各ステップＳ２〜Ｓ４を経た電池モジュールのみ、若しくはその電池モジュールと新しい電池モジュールとを組み合わせて組電池１０を再構成することで、組み合わせる他の二次電池（電池モジュール）との調和が取れ、十分な性能を有する組電池１０を容易に再構成することができる。

また本実施形態のように、電気自動車やハイブリッド自動車の車両の電源として用いられる組電池１０は、ＳＯＣ中間領域を基本に充放電が繰り返されることからメモリ効果が蓄積し易いため、このような本実施形態の組電池１０に適用する意義は大きい。

（２）放電ステップ（ステップＳ２）において、再利用対象の二次電池２０の放電が電池モジュール２１〜２５毎に行われる。これにより、電池モジュール２１〜２５の間に生じていた充電量（ＳＯＣ）のバラツキをそれ毎にリセットできる。また、モジュール単位でその放電電圧を検出することで、その検出から個々モジュールの異常検査を実施することができる。これにより、より質の高い再利用対象の電池モジュール２１〜２５が選別可能となる。

（３）再生ステップ（ステップＳ４）において、不具合の生じた交換対象の二次電池２０が電池モジュール２１〜２５毎に交換され、モジュール単位毎で組電池１０の再構成が行われる。これにより、組電池１０の再構成にかかる作業が容易となる。

（４）放電ステップ（ステップＳ２）にて再利用対象の電池モジュール２１〜２５（二次電池２０）が完全放電されるが、その放電の際の放電電圧を検出することで、新たに電池モジュール２１〜２５の異常検査を実施できる。これにより、より質の高い再利用対象の電池モジュール２１〜２５が選別可能となる。

（５）保管ステップ（ステップＳ３）において、一定時間保管（放置）の際、再利用対象の電池モジュール２１〜２５の電池電圧を検出することで、新たに電池モジュール２１〜２５の異常検査を実施できる。これにより、より質の高い再利用対象の電池モジュール２１〜２５が選別可能となる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態で用いたＳＯＣの値、保管時間、保管時の温度等は、適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、既使用状態にあるコントローラ付き組電池１０を回収して再構成する態様であったが、組電池本体１１のみを回収して再構成してもよい。
・上記実施形態における組電池本体１１は、二次電池２０が６個一列に配置されてなる電池モジュール２１〜２５が５個並設されて構成されているが、組電池本体１１を構成する二次電池の配置態様を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、組電池１０の再構成の際、不具合の生じた二次電池（電池モジュール）だけの交換を行って組電池１０の再構成を行ったが、様々な組電池から得た二次電池を組み合わせて新たに組電池を再構成してもよい。また、一部に新しい二次電池を混在させてもよい。

・上記実施形態では、組電池１０の再構成の際、完全放電や交換をモジュール単位で行ったが、セル単位（二次電池２０の単体毎）や、モジュール単位よりも大きいブロック単位で行ってもよい。

・上記実施形態では、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両の電源として用いられる組電池１０に適用したが、ポータブル機器等、その他の電源として用いられる組電池に適用してもよい。

本実施形態におけるコントローラ付き組電池の概略構成図である。 組電池本体の概略構成図である。 充電量−電圧特性を説明するための特性図である。 使用環境及び使用状態の異なる二次電池の充電量−電圧特性を説明するための特性図である。 放置時間に対する充電量−電圧特性の変化を説明するための特に充電量低領域を拡大した特性図である。 組電池の再構成の手順を示すフロー図である。

符号の説明

１０…組電池、１１…組電池本体（組電池）、２０…二次電池、２１〜２５…電池モジュール（二次電池、集合体）。

Claims (6)

1. 複数のニッケル−水素二次電池で構成される組電池において、交換対象のニッケル−水素二次電池を含む一部又は全部を交換用のニッケル−水素二次電池と交換してその組電池の再構成を行うニッケル−水素二次電池の交換方法であって、
   前記組電池の再構成に再利用可能なニッケル−水素二次電池を自身又は他の前記組電池の再利用対象とし、その再利用対象のニッケル−水素二次電池を完全放電状態まで放電する放電ステップと、
   前記放電ステップを経た前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を前記完全放電状態下において３時間以上経過させるべく保管領域にて保管する保管ステップと、
   前記保管ステップを経た自身又は他の前記組電池の前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を組み合わせて、若しくはその再利用対象のニッケル−水素二次電池と新しいニッケル−水素二次電池とを組み合わせて前記組電池の再構成を行う再生ステップと
   を含むことを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。
2. 請求項１に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、
   前記放電ステップでは、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を単体又は前記組電池未満の所定集合体毎に放電させることを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。
3. 請求項１又は２に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、
   前記再生ステップでは、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池を前記組電池未満の所定集合体毎に組み合わせることを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、
   前記放電ステップでの前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の完全放電の際、その放電電圧の検出に基づいて、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査を行うことを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、
   前記保管ステップでの前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の電池電圧の検出に基づいて、前記再利用対象のニッケル−水素二次電池の異常検査を行うことを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のニッケル−水素二次電池の交換方法において、
   前記組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として用いられるものであることを特徴とするニッケル−水素二次電池の交換方法。

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