(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の二次電池の集合体からなる電池ユニットを送風ファンによって強制冷却しつつ、電池ユニットを充電するための充電方法であって、
電池ユニットが設置された環境の温度と、電池ユニットの温度を測定し、測定された環境温度及び電池温度に基づき、送風ファンの出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を導出し、その結果を送風ファンに最適出力として設定する第２演算処理
とを有し、
第１演算処理では、予め設定されている送風ファンのファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出し、第２演算処理では、第１演算処理によって電池温度特性が導出される際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を検索し、その結果を送風ファンに最適出力として設定して、電池ユニットを冷却しつつ、電池ユニットを充電することを特徴とする電池ユニットの充電方法。
【請求項２】
１以上の二次電池の集合体からなる電池ユニットを充電するための充電装置であって、電池ユニットを外部から強制冷却する送風ファンと、送風ファンの出力を調整する冷却調整手段とを具え、冷却調整手段は、
電池ユニットが設置された環境の温度を測定する環境温度測定手段と、
電池ユニットの温度を測定する電池温度測定手段と、
測定された環境温度及び電池温度に基づき、送風ファンの出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理手段と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を導出し、その結果を送付ファンに最適出力として設定する第２演算処理手段
とを具え、
第１演算処理手段は、予め設定されている送風ファンのファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出し、第２演算処理手段は、第１演算処理手段が電池温度特性を導出する際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を検索し、その結果を送風ファンに最適出力として設定することを特徴とする電池ユニットの充電装置。
【請求項３】
冷却調整手段は更に、第１演算処理手段によって導出された電池温度特性に対する電池温度の偏差に応じて、冷却手段の出力を微調整する微調整手段を具えている請求項２に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル−水素電池等の二次電池を充電するための充電方法及び装置に関し、特に充電中の二次電池を最適な冷却力で強制冷却することにより、充電末期の電池温度が所定の限界値を超えることを確実に防止した充電方法及び装置を提供することである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車等の電動車両やＡＶ機器の直流電源として、ニッケル−水素電池等の二次電池を複数個、直列或いは並列に組み合わせてなる組電池が用いられており、組電池を充電するときは、専用の充電装置が用いられる。例えばニッケル−水素電池の充電においては、一定の充電電流を所定時間だけ供給することによって、満充電状態まで充電が行なわれる。
【０００３】
一般に二次電池は充放電に伴って発熱し、特にニッケル−水素電池においては充電中の温度上昇が著しく、電池温度が限界値を超えると、充電反応が殆ど進まなくなるため、充電中に組電池を送風ファンによって強制的に冷却することが行なわれている。
この際、送風ファンの消費電力を出来るだけ小さく抑えるため、二次電池に温度センサーを取り付けて、充電中の電池温度を監視し、電池温度が上昇するにつれて、送風ファンの風量を段階的に増加させる制御方法が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充電制御方式においては、特に大電流による急速充電時に、そのときの電池温度に応じたファン風量を設定したとしても、送風による冷却効果には時間的な遅れが伴うため、電池温度が急激に上昇して、限界値を超える虞れがあった。電池温度が限界値を超えると、充電が強制的に停止されるため、満充電状態まで充電を行なうことが出来ない。
本発明の目的は、電池温度を所定の限界値よりも低く抑えた状態で、満充電状態まで効率的に充電を施すことが出来る電池ユニットの充電方法及び装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る電池ユニットの充電方法は、電池ユニットに対する冷却の度合いをパラメータとして充電完了時点における電池温度を推定し、該電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却の度合いを導出し、これによって得られた冷却の度合いを基準として電池ユニットを冷却しつつ、電池ユニットを充電することを特徴とする。
【０００６】
充電による各二次電池の温度上昇率は、電池の単位時間当たりの発熱量、強制冷却の度合い（単位時間当たりの冷却量）、電池の熱伝達率、電池の熱容量、及び電池の表面積によって決定される。ここで、電池の単位時間当たりの発熱量、電池の熱伝達率、電池の熱容量、及び電池の表面積は、電池の仕様や充電の条件によって決まる既知の値であるから、電池温度の時間的な変化（電池温度特性）は、強制冷却の度合いをパラメータとして、計算で求めることが可能である。又、充電の条件から、充電に必要な時間も計算で求めることが可能である。
従って、冷却の度合いを特定すれば、充電が完了する時点（充電末期）の電池温度を推定することが出来る。この結果から、充電末期温度が所定の限界値を越えることのない、最適（最小）値としての冷却の度合いを求めることが出来る。
尚、組電池の場合、その熱伝達率は、例えば各電池の熱伝達率の平均値として決定することが出来る。
【０００７】
上記本発明の充電方法では、先ず、充電末期温度が所定の限界値を越えることのない冷却の度合いを求めた後、その冷却の度合いを電池ユニットに対する冷却力に設定して、電池ユニットを冷却しつつ、充電を施す。
この結果、充電中の電池温度は電池温度特性に沿って上昇し、電池の充電末期温度が所定の限界値を超える虞れはない。然も、冷却のための消費電力は最小限に抑えられる。
【０００８】
本発明に係る充電装置は、電池ユニットを外部から強制冷却する冷却手段と、冷却手段の出力を調整する冷却調整手段とを具え、冷却調整手段は、冷却手段の出力をパラメータとして充電完了時点における電池温度を推定することによって、該電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を導出し、その結果を冷却手段に最適出力として設定する。
【０００９】
上記本発明の充電装置においては、冷却調整手段によって冷却手段に最適出力が設定されることによって、冷却手段はこの最適出力で運転され、電池ユニットが強制冷却されつつ、充電が施される。
【００１０】
具体的構成において、冷却調整手段は、
電池ユニットが設置された環境の温度を測定する環境温度測定手段と、
電池ユニットの温度を測定する電池温度測定手段と、
測定された環境温度及び電池温度に基づき、冷却手段の出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理手段と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を導出し、その結果を冷却手段に最適出力として設定する第２演算処理手段
とを具えている。
【００１１】
該具体的構成においては、充電開始時における環境温度と電池温度の測定値が第１演算処理手段による電池温度特性の導出に供されて、電池温度の時間変化が、冷却手段の出力をパラメータとして算出される。その結果に基づいて、第２演算処理手段は、電池の充電末期温度を推定し、該推定温度が所定の限界値を超えることのない冷却手段の出力を導出する。
【００１２】
又、具体的構成において、冷却手段は、電池ユニットへ向けて設置された送風ファンである。第１演算処理手段は、予め設定されているファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出する。第２演算処理手段は、第１演算処理手段が電池温度特性を導出する際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を検索する。
【００１３】
該具体的構成においては、送風ファンから電池ユニットへ冷風が供給されて、電池ユニットが冷却される。ここで、ファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係は予め実験的に求められている。そこで、第１演算処理手段は、該関係に基づいて、特定のファン風量における熱伝達率を導出する。その後、第２演算処理手段は、第１演算処理手段による電池温度特性の導出に必要なファン風量を一定量ずつ変化させつつ、第１演算処理手段によって導出された電池温度特性に基づいて充電完了時点における電池温度を推定し、該電池温度が所定の限界値を越えることのない最少のファン風量を決定する。
【００１４】
更に具体的構成において、冷却調整手段は、第１演算処理手段によって導出された電池温度特性に対する電池温度の偏差に応じて、冷却手段の出力を微調整する微調整手段を具えている。
【００１５】
該具体的構成においては、電池温度測定手段によって充電中の電池温度が測定され、該測定値の電池温度特性に対する偏差が零となる様に、冷却手段の出力が微調整され、この結果、電池温度は、電池温度特性に沿って精度良く変化して、電池末期温度が正確に調整される。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る充電方法及び装置によれば、電池の充電末期温度が限界値を越えることのない最適な冷却力によって、効率的に充電を施すことが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をニッケル−水素電池の組電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図２は、本発明を実施すべき電池ユニット（１）の外観を表わしており、複数のニッケル−水素二次電池（２）が相互間に所定の隙間をあけた状態で並べられ、この状態でフレーム（３）により一体に保持されると共に、夫々のプラス端子及びマイナス端子が互いに直列に接続されている。又、フレーム（３）には、これら複数の二次電池（２）を強制冷却するための複数の送風ファン（４）が取り付けられている。
【００１８】
電池ユニット（１）のプラス端子（１４）及びマイナス端子（１５）には、図１に示す本発明の充電装置が接続される。
該充電装置は、交流電源（１３）から供給されるＡＣ１００Ｖの交流電力を直流電力に変換して出力する充電回路（１２）を具え、該充電回路（１２）からの直流電力が、電池ユニット（１）へ充電用電力として供給されると共に、マイクロコンピュータからなる制御回路（１１）とＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）へ動作電源として供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）のプラス及びマイナスの出力端は、前記の各送風ファン（４）を駆動すべきモータ（４１）へ接続されている。
【００１９】
電池ユニット（１）には、複数の二次電池（２）の代表点の温度を測定するための電池温度センサー（５）が貼り付けられている。又、電池ユニット（１）の近傍には、電池ユニット（１）が設置された環境の温度（外気温度）を測定するための環境温度センサー（６）が配置されている。温度センサー（５）（６）としては、熱電対やサーミスタを採用することが出来る。
両温度センサー（５）（６）は増幅器（７）（８）を介して温度検出回路（９）と接続され、これによって電池温度及び環境温度が検出される。
温度検出回路（９）の出力端は制御回路（１１）へ接続され、電池温度及び環境温度の検出データが制御回路（１１）へ供給される。
【００２０】
上記電池ユニット（１）の充電装置においては、後述する制御回路（１１）の演算処理によって送風ファン（４）の最適ファン風量が決定され、該最適ファン風量によって各二次電池（２）が冷却されつつ、充電回路（１２）から電池ユニット（１）へ一定の充電電流が所定時間に亘って供給され、各二次電池（２）に充電が施される。
【００２１】
図３乃至図５は、制御回路（１１）の演算処理手続きを表わしている。
先ず図３のステップＳ１では、予め１或いは複数種類の充電速度に応じて設定されている充電電流値から、選択された充電速度に応じた充電電流値を取り込む。次にステップＳ２では、取り込まれた充電電流値に基づいて、満充電に必要な充電時間ｔｅを算出すると共に、二次電池の単位時間当たりの発熱量Ｑを算出する。
【００２２】
続いてステップＳ３にて、環境温度センサー（６）及び電池温度センサー（５）から環境温度Ｔｏ及び電池温度（初期温度）Ｔを取り込んだ後、ステップＳ４にて、最適ファン風量を決定する。
【００２３】
図４は、最適ファン風量を決定するための手続きを表わしており、ステップＳ４１では、先ずファン風量を０に設定した上で、ステップＳ４２にて、各電池の熱伝達率を導出する。
熱伝達率の導出においては、図６に示す如く、電池ユニットを構成する各電池の熱伝達率とファン風量との関係が予め実験的に求められ、関数化されており、電池毎に特定のファン風量Ｗにおける熱伝達率Ｕｉを導出することが出来る。尚、ここで熱伝達率とは、対流熱伝達の他、熱輻射による熱伝達等も含めた総括伝熱係数或いは熱貫流率を意味しているが、実質的には、強制対流熱伝達率と考えることが出来る。
【００２４】
次に、図４のステップＳ４３では、下記数１に基づいて電池温度曲線を推定する。ここで、Ｃは電池１個の熱容量、Ｔは電池温度、ｔは充電時間、Ｑは電池１個の単位時間当たりの発熱量、Ｕは電池の熱伝達率、Ａは電池１個の表面積、Ｔｏは環境温度である。
【００２５】
【数１】
Ｃ×ｄＴ／ｄｔ＝Ｑ−ＵＡ（Ｔ−Ｔｏ）
【００２６】
数１は、電池１個当たりについて、単位時間当たりに電池に蓄えられる熱量（左辺）が、電池の発熱量（右辺第１項）と冷却量の差に等しいこと（熱力学第１法則）を表わしている。
尚、本実施例では、数１の熱伝達率Ｕとして、ステップＳ４２にて得られた各電池の熱伝達率Ｕｉの平均値を採用する。
【００２７】
数１において、電池の熱容量Ｃ、発熱量Ｑ、熱伝達率Ｕ、電池の表面積Ａは既知の値であり、環境温度Ｔｏ及び電池の初期温度は測定データとして得られるので、数１の微分方程式を解くことが可能であり、これによって、図７の如くファン風量をパラメータ（Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…）として、電池池温度Ｔの時間変化（電池温度曲線）を算出することが出来る。
【００２８】
図４のステップＳ４４では、電池温度曲線から充電末期温度Ｔｅを導出する。ここで、充電末期温度とは、満充電に必要な充電時間ｔｅが経過したときの電池温度である。
そして、ステップＳ４５にて、充電末期温度Ｔｅが所定の限界値Ｔｍａｘ（例えば４５℃）以下であるか否かを判断し、ノーの場合は、ステップＳ４６に移行して、ファン風量を所定の微小値ΔＷだけ増大させて、ステップＳ４２に戻り、同様に充電末期温度Ｔｅを導出して、所定の限界値Ｔｍａｘとの比較を繰り返す。
【００２９】
風量の増大によって、充電末期温度Ｔｅが所定の限界値Ｔｍａｘ以下となって、ステップＳ４５にてイエスと判断されたときは、ステップＳ４７に移行して、そのときのファン風量Ｗを出力する。
【００３０】
この結果、該ファン風量Ｗに応じた駆動制御信号が図１のＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）へ供給され、モータ（４１）の駆動電流が生成される。これによって、送風ファン（４）が回転駆動され、ファン風量Ｗが得られる。
その後、図３のステップＳ５にて、電池ユニット（１）に対する充電を開始した後、ステップＳ６にてファン風量の微調整を行なう。
【００３１】
図５は、ファン風量の微調整を行なうための手続きを表わしており、ステップＳ７１にて、環境温度Ｔｏ及び電池温度Ｔを取り込んだ後、ステップＳ７２にて、そのときのファン風量における電池温度曲線に基づいて、該電池温度曲線からの電池温度ＴのずれΔＴを算出する。
続いてステップＳ７３にて、温度のずれΔＴの絶対値が所定の限界値ΔＴｌｉｍｉｔを超えているか否かを判断し、ノーであればステップＳ７７に移行して、そのときのファン風量を維持する。
【００３２】
ステップＳ７３にてイエスと判断されたときは、ステップＳ７４に移行して、温度のずれΔＴが正の値であるか否かを判断し、正の値であるときはステップＳ７５にて風量Ｗを所定の微小量ΔＷ′だけ増大させる一方、負の値であるときはステップＳ７６にて風量Ｗを所定の微小量ΔＷ′だけ減小させた後、ステップＳ７７にて、ファン風量Ｗを出力する。
これによって、ファン風量が増減され、温度のずれΔＴに応じたファン風量の微調整が行なわれる。
【００３３】
次に、図３のステップＳ７にて、電池温度Ｔが所定の限界値Ｔｍａｘを超え、或いは所定の充電時間が経過した否かを判断し、ノーのときは、ステップＳ６に戻って、ファン風量の微調整を返す。
その後、ステップＳ７にてイエスと判断されたとき、ステップＳ８にて充電を終了するのである。
【００３４】
図８は、上記本発明の充電装置によって充電を行なったときの電池温度の変化（本発明電池）を、従来の温度制御方式による温度変化（比較用電池）と比較したものである。
本発明電池及び比較用電池ともに、電池ユニットとしては、１０個のニッケル−水素電池からなる組電池を構成した。電池ユニットの電圧は１２Ｖ、定格容量は１００Ａｈであって、充電率を２０Ａ（０．２Ｃ）に設定した。
尚、満充電に必要な充電時間としては、定格容量までの充電時間である５時間よりも３０分長く設定した。
【００３５】
本発明電池の充電においては、図５のファン風量の微調整は停止した状態で、図３及び図４の手続きを採用し、電池温度が４５℃を超えたとき、充電を停止した。一方、比較用電池の充電においては、電池温度が３５℃を超えたときにファン風量を増大させ、電池温度が４５℃を超えたとき、充電を停止した。
【００３６】
図８から明らかな様に、比較用電池においては、５時間が経過する以前に電池温度が４５℃を超え、電池は定格容量に達することなく、充電が強制停止されている。
これに対し、本発明電池においては、５時間３０分の充電によって電池温度は４５℃を超えることはなく、定格容量を超える１１０Ａｈまで充電された後、所定時間の経過によって充電が強制停止されている。
【００３７】
又、図９は、上記本発明の充電装置による充電方法において、図５のファン風量微調整を実行したときの電池温度の変化（本発明電池）を、ファン風量の微調整を停止したときの電池温度の変化（比較例電池；図８における本発明電池）と比較したものである。
図９から明らかな様に、比較例電池では、充電時間が５時間〜５時間３０分の期間に、電池温度が所定の限界値（４５℃）の近傍まで上昇しているが、本発明電池では、充電時間が５時間〜５時間３０分の期間においても、電池温度は４０℃以下に抑制されている。
【００３８】
上述の如く、本発明に係る充電装置によれば、最適なファン風量の設定によって、充電末期温度を所定の限界値よりも低く抑えつつ、電池ユニットを満充電状態まで効率的に充電することが出来る。
【００３９】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、電池ユニットが単一の二次電池から構成される場合は勿論のこと、複数の二次電池によって電池ユニットが構成される場合において、各二次電池に個別の送風ファンを設けた構成においても、本発明の充電制御方式を採用して、各送風ファンの風量を個別に調整することが可能である。
又、複数の二次電池毎に１台の送風ファンを設置して、各送風ファンの風量を個別に調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る充電装置の構成を表わすブロック図である。
【図２】電池ユニットの一部破断斜視図である。
【図３】本発明に係る充電制御手続きを表わすフローチャートである。
【図４】最適ファン風量を決定するための手続きを表わすフローチャートである。
【図５】ファン風量の微調整手続きを表わすフローチャートである。
【図６】熱伝達率とファン風量の関係を表わすグラフである。
【図７】ファン風量をパラメータとして電池温度と充電時間の関係を表わすグラフである。
【図８】ファン風量の微調整を行なわない場合の温度変化を従来例と比較したグラフである。
【図９】ファン風量の微調整を行なった場合の温度変化をファン風量の微調整を行なわない場合と比較したグラフである。
【符号の説明】
（１）  電池ユニット
（２）  二次電池
（４）  送風ファン
（４１）  モータ
（１１）  制御回路
（１２）  充電装置
（１３）  交流電源
（１４）  プラス端子
（１５）  マイナス端子
（５）  電池温度センサー
（６）  環境温度センサー
（９）  温度検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003573927.tif 000008
【図８】
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【図９】
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