(57)【要約】【課題】ＨＥＶの実使用環境において主電源であるアルカリ蓄電池を長寿命化できる、信頼性に優れた電源システムを提供する。【解決手段】本発明の電源システムは、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るＳＯＣ検知部と、ＳＯＣ検知部が読み取った充電深度がＡ１を超えかつ充電深度の変動幅がＡ２以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を放電させることによって充電深度をＡ１以下にする制御部と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ蓄電池からなる主電源と、
前記主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、
前記主電源の電圧を検知する電圧センサと、
前記電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るＳＯＣ検知部と、
前記ＳＯＣ検知部が読み取った充電深度がＡ１を超えかつ充電深度の変動幅がＡ２以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続したときに前記充放電回路を用いて前記主電源を放電させることによって充電深度をＡ１以下にする制御部と、
を有する電源システム。
【請求項２】
前記Ａ１を２０〜７０％としたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
【請求項３】
前記Ａ２を０〜２％としたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
【請求項４】
前記Ｔ１を１〜３時間としたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ蓄電池を主電源とした電源システムに関し、より詳しくはアルカリ蓄電池の保存状態を適正化して長寿命化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル水素蓄電池をはじめとするアルカリ蓄電池は、ハイブリッド車（以下、ＨＥＶと略記）や産業用途（非常用電源など）を中心に需要が拡大しつつある。特にＨＥＶにおいて、補助動力源であるアルカリ蓄電池はモータ駆動（放電）において連続的なアシストを必要とするために、充電深度（以下ＳＯＣ、満充電時を１００％、完全放電時を０％と定義して数値化）を高くする（具体的にはＳＯＣ＝８０％程度）ことが多い。
【０００３】
ところで正極活物質に水酸化ニッケルを用いるアルカリ蓄電池の寿命劣化要因の一つに充放電サイクルに伴う劣化が挙げられる。これは、充放電の繰り返しにより低密度なγ―ＮｉＯＯＨが活物質中に生成し、これにより正極が電解液を取り込みながら膨潤し、セパレータ中の電解液を枯渇させる現象に伴うものである。このような劣化はＳＯＣを０〜１００％の領域で使用するような場合に起こりやすいので、特に長寿命が要望されるＨＥＶ用途ではＳＯＣを２０〜８０％程度の範囲で使用することが望まれている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−１８７５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらＳＯＣの上限値を８０％に設定しても、状況によっては低密度なγ−ＮｉＯＯＨは生成し、結果的に正極の膨潤による劣化は起こる。具体的には、アルカリ蓄電池を短時間で繰り返し充放電している場合は問題ないものの、アルカリ蓄電池のＳＯＣが８０％近傍の状態で充放電せずに保存すると、上述した課題は頻発する。ＨＥＶを長期間使わないことなどはよくあるので、短時間で繰り返し充放電して得られた実験データとは異なる挙動が生じることによる弊害を避ける必要がある。
【０００５】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、ＨＥＶの実使用環境において主電源であるアルカリ蓄電池を長寿命化できる、信頼性に優れた電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の電源システムは、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るＳＯＣ検知部と、ＳＯＣ検知部が読み取った充電深度がＡ１を超えかつ充電深度の変動幅がＡ２以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を放電させることによって充電深度をＡ１以下にする制御部と、を有することを特徴とする。
【０００７】
主電源が用いられていない場合はＳＯＣの変動幅が小さくなるので、充電深度の変動幅がＡ２以下の状態を主電源が保存状態に置かれた要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を強制的に放電させることにより、正極の膨潤による劣化が抑制でき、主電源を長寿命化させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明によれば、主電源であるアルカリ蓄電池の長寿命化が図れるので、電源システムのＨＥＶ用途などにおける信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１０】
第１の発明は、アルカリ蓄電池からなる主電源と、主電源の充電および放電を制御する充放電回路と、主電源の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るＳＯＣ検知部と、ＳＯＣ検知部が読み取った充電深度がＡ１を超えかつ充電深度の変動幅がＡ２以下の状態を要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続したときに充放電回路を用いて主電源を放電させることによって充電深度をＡ１以下にする制御部と、を有する電源システムに関する。
【００１１】
図１は本発明の電源システムの構成の一例を示すブロック図である。アルカリ蓄電池からなる主電源１は、ＣＰＵ２と並列に接続されている。このＣＰＵ２には、主電源１の電圧を検知する電圧センサと、電圧センサが検知した電圧から充電深度を逐次読み取るＳＯＣ検知部と、ＳＯＣ検知部が読み取った充電深度に応じて主電源を放電させる制御部とが含まれている。
【００１２】
制御部の機能についてさらに詳述する。ＳＯＣ検知部が読み取ったＳＯＣが所定値Ａ１より高く、かつＳＯＣの変動幅が所定値Ａ２より小さい場合に、制御部は主電源１を強制的に放電すべき要管理状態と認定し、この要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続したときに、制御部は充放電回路を用いて主電源１を放電させることによって充電深度をＡ１以下にする。ここで充放電回路とは、ＣＰＵ２に含まれる制御部の指令に応じて開閉するスイッチ５および６と、スイッチ５と接続された発電機３と、スイッチ６と接続された負荷４とを含む。
【００１３】
ＨＥＶに用いる電源システムのＳＯＣの挙動の一例を図２に示す。燃焼エネルギーあるいはブレーキによる回生エネルギーは発電機３によって電気エネルギーに変換される。実使用状態ではスイッチ５および６ともにＯＮとなり、負荷４に供給すべき電気量に応じて、発電機１からの電流が主電源１に供給される充電と、電流が発電機３と主電源１の双方から負荷４に供給される放電（急速発進時、加速時、登坂時などに該当）とが頻繁に繰り返される。しかしＨＥＶが未使用状態（例えば車両停止時）になると、ＳＯＣ値にかかわらず主電源１は放置されることになる。ここで図２（ａ）に示すように、ＳＯＣが所定値Ａ１より大きな値を示す要管理状態となり、しかもこの要管理状態が所定時間Ｔ１を超えて継続すると、上述したように低密度なγ−ＮｉＯＯＨが生成しやすくなって正極の膨潤による主電源１の劣化が懸念されるようになる。本発明の電源システムは、ＳＯＣの変動幅が所定値Ａ２より小さい状態（すなわち未使用状態）であることが検知できれば制御部が指令し、スイッチ５がＯＦＦのままスイッチ６のみをＯＮにし、図２（ｂ）に示すように負荷４を用いて主電源１のＳＯＣを所定値Ａ１以下に低下させる。この動作によって正極でγ−ＮｉＯＯＨが生成しやすくなる領域を回避できるので、主電源１の劣化が抑制できるようになる。
【００１４】
なお図１に示す構成は一例であり、電圧センサ、ＳＯＣ検知部および制御部が別個に構成されていても良い。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明を踏まえて、Ａ１を２０〜７０％としたことを特徴とする。Ａ１を過度に小さくすると、蓄えられた電気エネルギーが極度に少なくなって電源としての役割が低下する。一方でＡ１を過度に大きくすると、上述したγ−ＮｉＯＯＨの生成に
起因する劣化が十分に防げなくなる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明を踏まえて、Ａ２を０〜２％としたことを特徴とする。Ａ２が２％を超えるＳＯＣの変動をも未使用状態として処理すると、実使用状態との区別が困難になるので好ましくない。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明を踏まえて、Ｔ１を１〜３時間としたことを特徴とする。Ｔ１を過度に小さくすると、実使用状態における小休止をも未使用状態と誤認することになる。一方でＴ１を過度に大きくすると、上述したγ−ＮｉＯＯＨの生成を助長することになるので好ましくない。
【００１８】
主電源１を構成するアルカリ蓄電池には、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池を選択することができる。正極はともに水酸化ニッケルを活物質として、適宜コバルト、コバルト化合物、軽希土類化合物、酸化亜鉛などが添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に焼結されて構成される。負極はニッケル水素蓄電池の場合は水素吸蔵合金、ニッケルカドミウム蓄電池の場合はカドミウムを活物質として、炭素材料や各種結着剤が添加剤として加えられた上で、三次元金属多孔体に充填されるか、二次元金属多孔体に塗布されて構成される。この正極および負極を、ポリオレフィン不繊布に代表されるセパレータを介して捲回あるいは積層することにより電極群を構成し、この電極群を円筒型あるいは矩形の電槽缶に挿入した後、アルカリ水溶液からなる電解液を注入することにより、アルカリ蓄電池が構成される。
【００１９】
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。なお本発明がこの実施例のみに限定されないことは云うまでもない。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
水酸化ニッケルを活物質とする長尺状の正極と、水素吸蔵合金を活物質とする長尺状の負極とを、スルホン化処理したポリプロピレン不繊布からなるセパレータを介して捲回し、電極群を構成した。この電極群を内径３０ｍｍ、長さ６０ｍｍの円筒型電槽缶に挿入し、水酸化カリウムを主体とする電解液を注入して封口し、公称容量６Ａｈのニッケル水素蓄電池を得た。このニッケル水素蓄電池を１２セル直列に接続して主電源とした。
【００２１】
この主電源を用いて図１と同様の電源システムを構成し、強制放電の条件として、ＳＯＣの変動幅Ａ２が１％以下であればそのまま放置を継続し、放置が２時間に達した時点で（Ｔ１＝２時間）、３ＡにてＳＯＣが５０％になるまで放電を行う（Ａ１＝５０％）ように制御部に入力した。この電源システムを実施例１とする。
【００２２】
（実施例２〜５）
Ａ１を１５％（実施例２）、２０％（実施例３）、７０％（実施例４）および７５％（実施例５）とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例２〜５とする。
【００２３】
（実施例６〜７）
Ｔ１を３時間（実施例６）および３．５時間（実施例７）とした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを実施例６〜７とする。
【００２４】
（比較例）
実施例１に示したような強制放電を行わないようにした以外は、実施例１と同様に構成した電源システムを比較例とする。
【００２５】
上述した電源システムを、以下に示す方法で評価した。結果を（表１）に示す。
【００２６】
（放電容量測定）
各々の電源システムを完全放電状態から３Ａで１．６時間の充電を行い（ＳＯＣ８０％）、電源を要管理状態にした後、４５℃環境下で１０時間放置した。なお各実施例については、この放置の間に各々の設定条件に応じて強制放電を行った。さらに放置後、３Ａで１２Ｖに達するまで放電を行った。この充放電サイクルを３００回繰り返し、最後に求めた放電容量αを、Ａ１に６Ａｈを乗じた理論容量βで除した値を、寿命特性の尺度として（表１）に記した。
【００２７】
【表１】
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本発明に示す強制放電を行わなかった比較例は、寿命特性が極端に低下した。これは放置中に正極でγ−ＮｉＯＯＨが顕著に生成したためである。この比較例に対し、各実施例は良好な寿命特性を示した。ただしＡ１が高い実施例５は寿命特性がやや低下した。またＡ１が低い実施例２については、寿命特性は良好なものの、ＳＯＣ自体が低すぎるので残存容量が低いという課題が生じた。よって強制放電後のＳＯＣであるＡ１は２０〜７０％が好ましいことが判る。また、強制放電を実施してもＴ１が長い実施例７については放電容量がやや低下した。よって要管理状態と認定して強制放電を実施するまでの時間Ｔ１は３時間以下が好ましいことが判る。
【００２８】
なお本実施例以外に、ＳＯＣの変動幅Ａ２が２％を超えると、実使用状態において微弱な充放電を行っている際に強制放電が行われることを確認した。よってＡ２は０〜２％であるのが好ましい。また同様に、Ｔ１を１時間未満に設定すると、実使用状態における小休止をも未使用状態と誤認し、強制放電が行われることを確認した。よって要管理状態と認定して強制放電を実施するまでの時間Ｔ１は１時間以上が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の電源システムの構成の一例を示すブロック図
【図２】（ａ）従来の電源システムのＳＯＣの挙動の一例を示す図、（ｂ）本発明の電源システムのＳＯＣの挙動の一例を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１  主電源
２  ＣＰＵ
３  外部電源
４  負荷
５  スイッチ
６  スイッチ
【図１】
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【図２】
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