(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の駆動源に用いられるバッテリの管理方法であって、電池の交換または１回の充電から次の充電までを１サイクルとするとき、電池の交換または１回の充電が完了した時点から所定時間間隔毎にその時々の瞬時電流及び瞬時電圧を計測することと、該計測電流及び計測電圧から瞬時放電電力量を計算し、かつ、これを記憶することと、該瞬時放電電力量を積算することによって求められる１サイクル毎の実放電電力量から１サイクル毎の放電深さを求めることと、所定のサイクル回数を繰り返した後に１サイクル毎の平均放電深さを計算することと、放電深さと寿命サイクル数との関係を示すグラフに前記平均放電深さを当てはめて該当する寿命サイクル数を求めることと、求めた寿命サイクル数に基づいて残存寿命サイクル数を算出することの各ステップからなることを特徴とするバッテリの管理方法。
【請求項２】
前記残存寿命サイクル数の算出ステップが、前記寿命サイクル数から前記所定サイクル回数及び予備サイクル数を減ずることを含む請求項１に記載のバッテリの管理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は移動体の駆動源に用いられるバッテリの管理方法に関し、特に組電池構造としたＮｉ−Ｃｄ系アルカリ蓄電池を駆動源として用いた移動体のバッテリにおける放電電力及び放電深さを算出することによって、バッテリの容量管理と寿命管理とを正確に行い得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工場内を自走するロボットのような移動体の駆動源に用いられるバッテリとして用いられていた鉛蓄電池は、その放電終了点付近でも電圧が緩やかに降下するという放電特性を有している。従って、電圧が或る値まで降下したらその電圧降下を検知して、充電を行わせることができる。また、電池の寿命管理に関しては、一定の放電深さで設計し、定常的な放電深さで放電していると仮定した上での時間的な寿命管理が行われている。
【０００３】
しかし、近年、移動体の駆動源のような電池の消費が一定でない分野では、鉛蓄電池よりもエネルギー密度が高く、比較的寿命の長い蓄電池の使用が望まれ、Ｎｉ−Ｃｄ系のアルカリ蓄電池の使用が増えて来ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、Ｎｉ−Ｃｄ系のアルカリ蓄電池の放電特性を調べてみると、矩形特性に近く、放電終了点に近づくと急激な電圧降下を起こす。そのために充電時期を見極めることが困難で、時には移動体を所定の充電場所まで自走させることができなくなり、移動体を充電不可能な状態にさせてしまうことがある。また、急激な負荷の増加によって過放電が何度も繰り返されたり、逆に放電深さの浅い状態が繰り返し何度も起きた場合などを想定すると、定常的な放電深さで放電しているという仮定に基づく従来の時間的な寿命管理では、正確でかつ十分な管理を行うことができない。何故なら、過放電が何度も繰り返されると、蓄電池の内部物質の活性が衰えて寿命が縮むことになり、放電深さの浅い状態が繰り返し何度も起きると、組電池からなるバッテリのセル間にアンバランスが生じて見かけの放電容量が減少してしまうからである。
【０００５】
本発明は従来技術における上記問題点を解決するために為されたもので、その目的とするところは、緊急時を除く如何なる場合にも過放電を防止するバッテリの容量管理と、放電量（放電深さ）に基づくバッテリの寿命管理を正確かつ十分に行うことができる移動体の駆動源に用いられるバッテリの管理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に、本発明によれば、移動体の駆動源に用いられるバッテリの管理方法であって、電池の交換または１回の充電から次の充電までを１サイクルとするとき、電池の交換または１回の充電が完了した時点から所定時間間隔毎にその時々の瞬時電流及び瞬時電圧を計測することと、該計測電流及び計測電圧から瞬時放電電力量を計算し、かつ、これを記憶することと、該瞬時放電電力量を積算することによって求められる１サイクル毎の実放電電力量から１サイクル毎の放電深さを求めることと、所定のサイクル回数を繰り返した後に１サイクル毎の平均放電深さを計算することと、放電深さと寿命サイクル数との関係を示すグラフに前記平均放電深さを当てはめて該当する寿命サイクル数を求めることと、求めた寿命サイクル数に基づいて残存寿命サイクル数を算出することの各ステップからなることを特徴とするバッテリの管理方法が提供される。
【０００８】
さらに、本発明によれば、前記残存寿命サイクル数の算出ステップは、前記寿命サイクル数から前記所定サイクル回数及び予備サイクル数を減ずることを含む。
【０００９】
【作用】
本発明のバッテリ管理方法においては、例えば数秒毎の所定時間間隔でバッテリからの瞬時放電電流及び瞬時放電電圧を測定することによって、瞬時の放電電力が算出され、この瞬時放電電力を積算することによって実放電電力量が求められる。これを予め定めた設計放電電力量と比較することによってバッテリの残存容量が正確に判定され得る。また、電池の交換または１回の充電から次の充電までを１サイクルとするとき、所定のサイクル回数を繰り返した後に、１サイクル毎の平均放電深さを算出し、これを放電深さと寿命サイクル数との関係グラフに当てはめることによって寿命サイクル数が求められる。このようにして求めた寿命サイクル数からその時までの所定サイクル数と予備サイクル数とを減じることにより残存寿命サイクル数が算出され得る。従って、バッテリの容量管理と寿命管理とを正確かつ十分に行うことができる。
【００１０】
【実施例】
以下、添付の図面に示した実施例に関連して本発明を更に詳細に説明する。
【００１１】
図１には、本発明のバッテリの管理方法を実施するシステムの概略全体構成がブロック図で示されている。図１において、自走式の移動体１０はＮｉ−Ｃｄ系アルカリ蓄電池を複数個直列に組んだ組電池からなるバッテリ１１を駆動源として搭載している。バッテリ１１からの電源供給出口にはスイッチ１２を介して電流計１３及び電圧計１４が取り付けられていて、バッテリ１１の放電電流及び放電電圧が随時測定されるようになっており、放電電力量（放電電流×放電電圧）の算出も行うことができる。参照符号１５は移動体１０の走行モータや、例えば移動体１０に取り付けられた監視カメラ（図示せず）等、付属物の駆動モータ等からなる負荷装置を示している。
【００１２】
移動体１０には更に、バッテリの瞬時放電電圧ｖi 、瞬時放電電流ａi 、並びにそのほかの搭載センサからのデータ信号ｘi を所定時間（例えば数秒）ｔ0 毎に収集し、送受信装置１７及び別体の通信装置３０を介して固定操作側のコントローラ２０へ送るＣＰＵ１６が搭載されている。なお、参照符号１８は充電用端子を示す。
【００１３】
一方、固定操作側のコントローラ２０には、通信装置３０からの信号を入力するデコーダ２１、デコーダによって解読された信号を処理するＣＰＵ２２、並びにＣＰＵ２２によって処理された結果やその他の必要データを記憶する記憶装置２３が少なくとも内蔵されている。この記憶装置２３にはバッテリ１１の規定容量Ｐ0 （Ｗ×ｈ）、設計放電深さｙ0 （％）、図４図示の放電深さと寿命サイクル数との関係グラフ等が予め格納されている。
【００１４】
移動体側ＣＰＵ１６から送受信装置１７を介して送る信号は、ＣＰＵ１６と固定操作側ＣＰＵ２２の負荷を考慮して、場合によっては、瞬時放電電圧ｖi 及び瞬時放電電流ａi の代わりに瞬時放電電力量ｑi （＝ａi ×ｖi ×ｔ0 ）として送ることもできる。
【００１５】
固定操作側のコントローラ２０では、移動体側から送られてくるデータ信号をデコーダ２１によって解読し、各センサの値として記憶装置２３に保存し、更に場合によっては、瞬時放電電圧ｖi 及び瞬時放電電流ａi をＣＰＵ２２に送って瞬時放電電力量ｑi を算出させ、これもまた記憶装置２３に保存する。
【００１６】
なお、以下の説明の準備として、本発明のバッテリ管理方法を実施するための設計条件を次のように定めて置く。
１．使用電池：  Ｎｉ−Ｃｄ系アルカリ蓄電池の組電池、
２．１サイクルあたりの設計放電深さ（ｙ0 ）：４０％（０．４Ｃ）、
３．上記設計放電深さに該当する寿命サイクル数：約８３００サイクル（図４のグラフからの読み取りによる）。
【００１７】
次に、図２及び図３のフローチャートを参照しながら本発明の第１実施例及び第２実施例を、以下、順に説明する。
【００１８】
最初に、図２に関連して本発明の第１実施例であるバッテリ１１の容量管理から説明すると、電池交換をした直後または１回の充電が完了した直後（ｉ＝０）からスタートし、所定時間ｔ0 （例えば、数秒）毎に瞬時放電電流ａi 及び瞬時放電電圧ｖi が電流計１３及び電圧計１４をそれぞれ介して移動体側ＣＰＵ１６に読み取られる（Ｆ−１）。
【００１９】
上記瞬時放電電流ａi 及び瞬時放電電圧ｖi から瞬時放電電力量ｑi （＝ａi ×ｖi ×ｔ0 ）をＣＰＵ１６または２２で算出する（Ｆ−２）。
【００２０】
更に、瞬時放電電力量ｑi を積算して現時刻ｉｎ時までの実放電電力量Ｑn をＣＰＵ２２で算出する（Ｆ−３）。
【００２１】
続いて、上記設計放電深さｙ0 及びバッテリ規定容量Ｐ0 から算出され得る設計放電電力量Ｑ0 （＝Ｐ0 ×ｙ0 ／１００）から予備電力量αを減じた値（Ｑ0 −α）と実放電電力量Ｑn とを比較する（Ｆ−４）。なお、予備電力量αは移動体１０を図示しない充電場所まで戻すための電力量である。
【００２２】
上記比較による結果において、Ｑn ＞Ｑ0 −αでないときは、移動体１０の運転を継続する（Ｆ−５）。
【００２３】
所定時間経過後、再び実放電電力量を算出するかどうかを判断し（Ｆ−６）、通常であれば（Ｆ−３）に戻り、（Ｆ−３）及び（Ｆ−４）の動作を行う。所定時間経過毎に（Ｆ−３）から（Ｆ−６）の一連の動作が（Ｆ−４）においてＱn ＞Ｑ0 −αになるまで繰り返される。一方、緊急時の場合には、オペレータの判断で移動体１０の運転を更に継続する（Ｆ−７）。
【００２４】
移動体１０の運転継続中に再び充電するかどうかをオペレータは随時繰り返して判断する（Ｆ−８）。なお、充電する場合は充電場所まで自走して充電を受ける（Ｆ−１０）。
【００２５】
オペレータの判断で更に移動体１０の運転を継続するうちに、バッテリ１１の容量切れ（過放電）となることがあり得る。その場合、移動体１０はその場に停止して自力走行不可能になる。この状態から、移動体１０を再び自力走行可能にするためには、移動体１０を停止場所から他力によって充電場所までに運び充電を施す必要がある。
【００２６】
一方、前記（Ｆ−４）の比較においてＱn ＞Ｑ0 −αであれば、移動体が自動運転かそれともオペレータによる手動運転かの判断がなされる（Ｆ−９）。
【００２７】
自動運転中であれば、移動体１０は図示しない充電場所に戻されて充電を受ける（Ｆ−１０）。
【００２８】
手動運転中であれば、放電容量の超過をオペレータに知らせるように警報を発する（Ｆ−１１）。
【００２９】
ここでも運転継続の判断はオペレータに委ねられ（Ｆ−１２）、運転中止かそれとも運転継続かの判断が問われる（Ｆ−１３）。運転中止と判断されれば、（Ｆ−１０）の充電動作が行われ、移動体１０及びその付属装置の運転中止ができないような緊急状態であるとオペレータが判断したときは、（Ｆ−７）に戻って運転継続がなされる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施例であるバッテリの寿命管理方法を図３のフローチャートに従って説明する。
【００３１】
以下の説明において、バッテリ寿命はサイクル数で示されることになるが、バッテリの１サイクルとは、電池交換または１回の充電から次の充電までの期間を言う。従って、バッテリ１１の寿命管理に際してはこのサイクル数が計測され、かつ、それが記憶装置２３に保存される。
【００３２】
また、バッテリ寿命は各サイクルでの放電深さ（バッテリの消費の仕方）と密接な関係があり、図４に示される放電深さと寿命サイクル数との関係グラフからも明らかなように、バッテリの寿命サイクル数は放電深さによって定まる。
【００３３】
図３において、まず１回目の充／放電サイクルｊが終了した時点で、サイクルｊ内の実放電深さｙj を次のようにして算出する。すなわち、前述の容量管理のところで説明したとうり、瞬時放電電流ａi 及び瞬時放電電圧ｖi から瞬時放電電力量ｑi を求め、サイクルｊ内のｑi を積算してサイクルｊにおける実放電電力量Ｑj を算出する。求めたＱj とバッテリ１１の規定容量Ｐ0 とを用いて次の数式からサイクルｊにおける実放電深さｙj を算出する（Ｓ−１）。
【００３４】
【数１】
ｙj ＝Ｑj ／１００Ｐ0
僅か１回のサイクルにおける実放電深さだけでは移動体１０に搭載したバッテリ１１の消費の仕方を決定することができないので、その後更に移動体１０を運転してｍサイクル（但し、数１０サイクル≦ｍ≦１００サイクル）分のバッテリの消費（充／放電）を繰り返す（Ｓ−２）。
【００３５】
ｍサイクル内の各サイクルの実放電深さをそれぞれ求め、これらを平均してｍ
0003673543.tif 000002
１０に搭載したバッテリ１１のその期間の放電深さと決定する（Ｓ−３）。
【００３６】
【数２】
0003673543.tif 000003
0003673543.tif 000004
ッテリ１１の寿命サイクル数Ｌを求める（Ｓ−４）。
【００３７】
斯くして、バッテリ１１の残りのサイクル寿命数をＬ−ｍにより求めることができる（Ｓ−５）。
【００３８】
ここで、充電により再使用が可能な鉛蓄電池や本発明で用いられるＮｉ−Ｃｄ系アルカリ蓄電池のような２次電池とは言っても、寿命サイクル数が０に近づくにつれて電解液や内部物質の活性度が衰え、バッテリとしての規定容量が低下してくるので、残りの寿命サイクル数が所定寿命サイクル数β（通常、数１０寿命サイクル数）に達したところで電池交換の必要をオペレータに通報する様にしている。
【００３９】
そこで、本発明の寿命管理においても、上記残りの寿命サイクル数（Ｌ−ｍ）を所定寿命サイクル数βと比較し（Ｓ−６）、Ｌ−ｍ＜βであれば電池交換の必要をオペレータに通報し（Ｓ−７）、電池を交換する（Ｓ−８）。
【００４０】
一方、上記（Ｓ−６）の比較結果がＬ−ｍ＞βであれば、再び（Ｓ−１）の動作に戻って、（Ｓ−１）から（Ｓ−５）までの動作を繰り返すことによって残りの寿命サイクル数の算出を行う。この一連の動作の繰り返しは、（Ｓ−６）における比較結果がＬ−ｍ＜βになるまで行われる。
【００４１】
なお、参考までに図４に示されるグラフを用いてＮｉ−Ｃｄ系アルカリ電池の具体的な寿命サイクル数を求めてみると、設計放電深さを４０％（０．４Ｃ）とすると、寿命サイクル数が約８３００であることが読み取れる。また、寿命サイクル数が１００００の場合のアルカリ電池における放電深さは３５％になることが図４のグラフから読み取ることができる。通常、設計放電深さは２０％〜４０％の間とされる。
【００４２】
以上説明した通り、本発明のバッテリ管理においては放電深さに基づく管理が行われるので、組電池におけるのセル間の不均等にも対処することができる。
【００４３】
すなわち、組電池における特性として、浅い放電及びそれに対応する浅い充電が複数回わたって繰り返されると、組電池の各単体（セル）間に放電容量の不均等が生じる。このような状態になると、通常の充電方法では見かけの充電容量が低下すると言う問題が生じる。
【００４４】
そこで、浅い充／放電が１０回程度繰り返されたら、充電圧を約１．２倍にして充電を行う。この充電によってセル間の放電容量の不均等が是正される。これを均等充電と呼んでいる。
【００４５】
以上の説明は単に本発明の好適な実施例の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。本発明に関する更に多くの変形例や改造例が本発明の範囲を逸脱することなく当該技術の熟達者にとってみれば容易に思い当たるであろう。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、バッテリからの電源供給出口に取りつけられた電圧計と電流計とによってバッテリの放電電力量（電圧×電流）が測定され、それを積算することによって実際の放電量（放電深さ）を正確に管理することができるので、次のような効果を達成することができる。
１．エネルギー密度の高いＮｉ−Ｃｄ系アルカリ蓄電池を移動体の駆動源として用いる場合、予め設定した設計条件に基づいて容量管理を行うことができ、充／放電を適切に行うことができる。
２．移動体が通常とは異なる運転を行い、予め設定した設計放電深さと異なる放電を行う場合でも、それによる寿命の低下を予測することができ、バッテリの状態保全（ＣＢＭ）を行うことができる。
３．浅い放電およびそれを補うための充電が繰り返された場合（１０回程度）でも、電池のセル間の不均等を是正するように、放電深さの管理によって、適宜、電池のセル間の均等充電を実施して、見かけの充電容量の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するシステムの概略全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例である容量管理に関するフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例である寿命管理に関するフローチャートである。
【図４】各種電池の放電深さと寿命サイクル数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  移動体
１１  バッテリ
１２  スイッチ
１３  電流計
１４  電圧計
１５  負荷装置
１６  ＣＰＵ（移動体側）
１７  送受信装置
１８  充電用端子
２０  コントローラ
２１  デコーダ
２２  ＣＰＵ（固定操作側）
２３  記憶装置
３０  通信装置
【図１】
0003673543.tif 000005
【図２】
0003673543.tif 000006
【図３】
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【図４】
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