(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続した組電池の一部の二次電池を交換用電池と交換する二次電池の交換方法において、交換対象電池を予めメモリー効果を付与した交換用電池と交換することを特徴とする二次電池の交換方法。
【請求項２】
二次電池にメモリー効果を付与するために、サイクル充放電を行うことを特徴とする請求項１記載の二次電池の交換方法。
【請求項３】
前記サイクル充放電を、二次電池の残存容量の変化幅を電池容量の中間範囲内に限定して行うことを特徴とする請求項２記載の二次電池の交換方法。
【請求項４】
前記中間範囲は２０％から８０％であることを特徴とする請求項３記載の二次電池の交換方法。
【請求項５】
二次電池にメモリー効果を付与するために、二次電池の初期の残存容量を４０％以上に設定した後、電池温度を常温よりも高い温度に維持して２週間以上放置することを特徴とする請求項１記載の二次電池の交換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続して構成された組電池のうち、一部の二次電池が劣化、寿命もしくは故障した場合における二次電池の交換方法に関し、特に、電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド車両（ＨＥＶ）に搭載される二次電池の交換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、電気自動車（ＰＥＶ）や、エンジンと電動機を備えたいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）において、電動機を駆動する際の主電源として、その高いエネルギー密度（すなわち、コンパクトにエネルギーを蓄積できる）と高い出力密度の点から、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池が主に使用されている。かかるＰＥＶやＨＥＶでは、電動機に対して十分な出力を供給できるように、例えば、複数の単電池を内部接続してモノブロック方式の電池モジュールを構成し、複数の電池モジュールを組み合わせて組電池として用いる。
【０００３】
このように複数の電池モジュールが結合されて、ＰＥＶやＨＥＶに搭載されるＮｉ−ＭＨ二次電池は、その使用環境が適切であればより長時間にわたり使用可能となるが、二次電池の個体差や二次電池を構成する部品の不具合により、複数の電池モジュールのうちの１つずつが異常や寿命に到るのが一般的である。異常判定された、または寿命に至った電池モジュールは、新しい電池モジュールと交換され、再び組電池に構成されて、使用されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の電池モジュールで構成された組電池から、異常判定された、または寿命に至った電池モジュールを取り除き、新しい電池モジュールを組み込んだ組電池を車両に塔載した場合、交換して組電池に新しく組み込まれた電池モジュール（以下、新電池モジュールと称する）と、今まで使用されていた組電池の中の電池モジュール（以下、旧電池モジュール）との特性差に起因して、以下の問題が発生する。
（１）図５に示すように、車両走行中に、新電池モジュールの電圧値（Ｖ６０）と旧電池モジュールの電圧値（Ｖ６１）との差（ΔＶ）が大きくなり、電池の電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと略称する）が、電池保護のための「電圧バラツキ異常」を誤って検出してしまったり、
（２）図６に示すように、各電池モジュール毎に残存容量（ＳＯＣ：State of Charge）を算出する場合に、新電池モジュールのＳＯＣ値（ＳＯＣ７０）と旧電池モジュールのＳＯＣ値（ＳＯＣ７１）との差（ΔＳＯＣ）が大きくなり、電池ＥＣＵが、電池保護のための「ＳＯＣバラツキ異常」を誤って検出する可能性がある。
【０００５】
上記の問題は、使用履歴のある旧電池モジュールは、メモリー効果が蓄積しているため、図７に示すように、旧電池モジュールの電圧特性（Ｖ８１）と交換時に組み込まれる新電池モジュールの電圧特性（Ｖ８０）とが整合しないことに起因している。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで電池交換ができるとともに、電池交換後に、誤った異常検出をすることなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮できる二次電池の交換方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る二次電池の交換方法は、二次電池を電気的に直列もしくは並列に複数個接続した組電池の一部の二次電池を交換用電池と交換する二次電池の交換方法において、交換対象電池を予めメモリー効果を付与した交換用電池と交換することを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、交換対象電池を取り除いた後、今まで使用されていた二次電池が有するメモリー効果とほぼ同様のメモリー効果が新しい二次電池に付与された交換用電池を組み込むことで、使用履歴のある二次電池の電圧特性と未使用状態にある二次電池の電圧特性の差を解消し、組電池全体としての電圧特性を均一化することができる。これにより、電池交換を行った組電池を車両に塔載しても、誤った異常検出をすることなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮することが可能になる。
【００１１】
また、二次電池にメモリー効果を付与する手法としては、サイクル充放電を行うこと、特に、二次電池の残存容量（ＳＯＣ）の変化幅を電池容量の中間範囲内に限定してサイクル充放電を行うことが好ましい。この場合、中間範囲は２０％から８０％であることが好ましい。
【００１２】
サイクル充放電は、例えば充放電レートを０．２Ｃから１０Ｃ（２Ｃから５Ｃが好ましい）に、電池温度を２５℃から３０℃に設定し、５から１００のサイクル数で行う。また、ＳＯＣの変化幅を２０％から８０％に限定した理由は、これよりもＳＯＣの変化幅を大きくすると、完全放電および完全充電に近くなり、二次電池にメモリー効果を付与することができなくなるためである。
【００１３】
さらに、二次電池にメモリー効果を付与する別の手法としては、二次電池の初期の残存容量を４０％以上に設定した後、電池温度を常温よりも高い温度に維持して２週間以上放置することが好ましい。
【００１４】
この場合、初期の残存容量は、中程度よりも高い４０％から９０％、保存温度は、常温よりも高く自己放電量が大きくなる２５℃から５５℃、保存期間は、自己放電でＳＯＣが２０％以下にならない範囲で長い２から１２週間が、二次電池にメモリー効果を付与するのに好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
なお、本発明の「二次電池」は、組電池として構成される個々の単電池または複数の単電池を内部接続したモノブロック方式の電池モジュールを意味する。また、本発明の「二次電池」は、これを電気的に直列もしくは並列に複数個接続して構成された組電池内に含まれるものに限らず、組電池をさらに直列または並列に組み合わせた組電池システム内のものも含む。
【００１６】
また、本実施形態では、アルカリ二次電池の一例として、Ｎｉ−ＭＨ二次電池について説明する。Ｎｉ−ＭＨ二次電池として、特に、直方体状の６個の電槽をその短側面で相互に一体的に連結してなる一体電槽を形成し、かつ各電槽の上面開口を蓋体にて一体的に閉鎖し、電槽間の短側面の上端部で隣接する単電池を内部接続したもの（以下、電池モジュールと称する）を例とする。
【００１７】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態による二次電池の交換処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００１９】
図１において、まず、交換用電池モジュールとして、冷蔵して輸送され保管されている電池モジュールの中から、交換対象ではない全ての電池モジュールよりも容量ランクの大きい、すなわち組み入れたときに最大容量ランクとなる品を選定する（Ｓ１０）。次に、選定した交換用電池モジュールに対して電池交換前処理を施す（Ｓ１１）。この電池交換前処理Ｓ１１では、出荷前に、交換用電池モジュールに対して、図２に示すように、ＳＯＣの変化幅を、ＨＥＶのように残存容量が中間域で常時使用されていたという使用履歴を考慮して、４０％から６０％に限定し、２Ｃ（例えば、電池容量が６．５Ａｈである電池モジュールの場合、電流値１３Ａ）の充放電レートで、電池温度を２５℃〜３０℃に維持し、３０サイクルのサイクル充放電を行うこと、初期ＳＯＣを７０％に設定した後、電池温度を４５℃に維持し、４週間放置することのうち少なくとも１つを実施して、交換用電池モジュールにメモリー効果を付与する。
【００２０】
このメモリー効果の付与により、未使用状態にある交換用電池モジュールの電圧特性と使用履歴のある電池モジュールとの電圧特性との整合性をとることができる。
【００２１】
ここで、電池モジュールの交換には、不良と判定された電池モジュールを交換するだけでなく、以前に不良電池モジュールを交換した場合、定期的に電池モジュールを交換するときに、前回交換しなかった電池モジュールのみを交換したり、組電池に劣化のバラツキがあることが分かっている場合に、定期的に劣化し易い電池モジュールを交換することなどが含まれる。
【００２２】
図３は、６個の単電池を内部接続した新電池モジュールに対してサイクル充放電を行った場合の充電時および放電時の電圧特性を示すグラフである。図３において、Ｖ３０、Ｖ３１はそれぞれ初期から３サイクル目の充電時および放電時のモジュール電圧を表し、Ｖ３２、Ｖ３３はそれぞれ５００サイクル後の充電時および放電時のモジュール電圧を表している。図３に示すように、サイクル充放電により、充電メモリー効果および放電メモリー効果が発生している。
【００２３】
図４は、６個の単電池を内部接続した新電池モジュールを充電設定および放電設定した後、４０℃の環境で２０日間放置した場合の充電時および放電時の電圧特性を示すグラフである。図４において、Ｖ４０、Ｖ４１はそれぞれ放置前の充電時および放電時のモジュール電圧を、Ｖ４２、Ｖ４３はそれぞれ充電設定した後に放置した場合の充電時および放電時のモジュール電圧を、Ｖ４４、Ｖ４５はそれぞれ放電設定した後に放置した場合の充電時および放電時のモジュール電圧を表している。図４に示すように、放置により、充電メモリー効果および放電メモリー効果が発生している。
【００２４】
次に、電池交換前処理Ｓ１１を施した交換用電池モジュールを出荷し、交換対象電池モジュールと交換して（Ｓ１２）、電池パック全体に対して電池交換後処理を施す（Ｓ１３）。この電池交換後処理Ｓ１３では、電池容量の１００％以上の過充電を行い、交換した電池モジュールと他の電池モジュールの残存容量を揃えるとともに、交換用電池モジュールが長期間放置されていた場合に増大している内部抵抗値を回復させ、電池パック全体としての性能が十分に発揮できるようにする。
【００２５】
なお、交換対象電池モジュールの中には、故障して異常モジュールとして特定されているものと、電池特性を回復させることにより再使用可能なものとがあり、この再使用可能な交換対象電池モジュールを再び電池パックとして組み立て（リビルト）、新品相当品として出荷することにより、交換用電池パックの価格の低減と廃棄物の大幅な低減を図ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで電池交換ができるとともに、電池交換後に、誤った異常検出をすることなく、組電池全体としての性能を最大限に発揮させることが可能になる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態による二次電池の交換処理ルーチンを示すフローチャート
【図２】  サイクル充放電時におけるＳＯＣの変化幅を示す図
【図３】  新電池モジュールに対してサイクル充放電を行った場合の充電時および放電時の電圧特性を示すグラフ
【図４】  新電池モジュールを充電設定および放電設定した後、４０℃の環境で２０日間放置した場合の充電時および放電時の電圧特性を示すグラフ
【図５】  従来における新電池モジュールと旧電池モジュールのモジュール電圧の時間変化を示すグラフ
【図６】  従来における新電池モジュールと旧電池モジュールのモジュールＳＯＣの時間変化を示すグラフ
【図７】  従来における新電池モジュールと旧電池モジュールの電圧特性を示すグラフ
【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】
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