(57)【要約】【課題】正極の電極材にニッケル酸化物を採用した二次電池に、その負極容量の減少を最小限に抑えながら十分な電荷を充電できる二次電池の充電方法および装置を提供する。【解決手段】充電中の二次電池の端子電圧Ｖchを検知する充電電圧検知手段１４と、前記端子電圧Ｖchの変化率の変化Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）を検知する二次変化率検知手段１６と、前記二次変化率が予定の基準変化率Ｖref を下回ると充電を終了させる充電終了手段２５とを具備した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極の電極材にニッケル酸化物を採用した二次電池の充電装置において、
充電中の二次電池の端子電圧を検知する充電電圧検知手段と、
前記端子電圧の変化率の変化率を検知する二次変化率検知手段と、
前記二次変化率が、二次電池の充電量が満充電の略９７％相当の時の変化率である基準変化率を下回ると充電を終了させる充電終了手段とを具備し、
前記二次電池の正極の理論容量と負極の理論容量との比が略１：１．２であることを特徴とする二次電池の充電装置。
【請求項２】
充電中の二次電池の温度を検知する温度センサをさらに具備し、
前記充電終了手段は、前記検知された電池温度が予定の基準温度よりも高く、かつ前記端子電圧の二次変化率が前記基準変化率を下回ると充電を終了させることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電装置。
【請求項３】
充電中の二次電池の温度を検知する温度センサと、
前記検知された電池温度の変化率を検知する温度変化率検知手段とをさらに具備し、
前記充電終了手段は、前記検知された電池温度の変化率が予定の基準変化率よりも高く、かつ前記端子電圧の二次変化率が前記基準変化率を下回ると充電を終了させることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電装置。
【請求項４】
充電中の二次電池が満充電状態に近いときの端子電圧である充電後期電圧を、当該電池の劣化状態および温度の関数として求める充電後期電圧演算手段をさらに具備し、
前記充電終了手段は、充電中の二次電池の端子電圧が前記充電後期電圧を上回り、かつ前記端子電圧の二次変化率が前記基準変化率を下回ると充電を終了させることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電装置。
【請求項５】
充電中の二次電池の温度を検知する温度センサと、
前記検知された電池温度の変化率を検知する温度変化率検知手段と、
充電中の二次電池が満充電状態に近いときの端子電圧である充電後期電圧を、当該電池の劣化状態および温度の関数として求める充電後期電圧演算手段をさらに具備し、
前記充電終了手段は、充電中の二次電池の端子電圧が前記充電後期電圧を上回り、かつ検知された電池温度の変化率が予定の基準変化率よりも高く、かつ前記端子電圧の二次変化率が前記基準変化率を下回ると充電を終了させることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電装置。
【請求項６】
前記基準変化率が略ゼロであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充電装置に係り、特に、正極の電極材にニッケル酸化物を採用した二次電池の充電に好適な充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の充電装置では、特許文献１に開示されているように、端子電圧の変化率に基づく充電完了判定および電池温度の変化率に基づく充電完了判定の欠点を補完し、過剰な充電に起因した電池寿命の低下や充電完了の誤判定を防止するために、電池の端子電圧の変化率および温度の変化率の双方をパラメータとして満充電（１００％充電）を判定していた。
【０００３】
ここで、正極の電極材にニッケル酸化物を採用するニッカド電池あるいはニッケル水素電池等では、満充電直前から正極において酸素ガスが発生するため、この酸素ガスを負極表面で局部電池反応により消費させることが望ましい。そこで、図５に一例を示したように、負極の容量を正極の容量よりも大きくする（図５では、負極容量が正極容量の１．６倍）、いわゆる充電リザーブを採用する方法が考えられる。
【特許文献１】特開平６−３１５２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来技術では、電池の端子電圧のみならず電池温度も監視しなければならないので、充電装置が複雑化、大型化してしまうという問題があった。さらに、端子電圧の変化率に基づく充電完了判定では、たとえ電池温度の変化率をパラメータに加えても、依然として正確な充電完了判定が難しいという技術課題があった。
【０００５】
また、充電リザーブを採用する際に、図５に示したように、負極容量を正極容量よりも大きくすれば十分な充電リザーブを確保できるものの、正極容量が負極容量に対してかなり小さくなる。そして、電池の容量は正極容量に依存する正極律束なので、負極容量を大きくしても電池の容量はそれほど増えないという技術課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、正極の電極材にニッケル酸化物を採用した二次電池を小型で簡単な構成としながら十分な充電容量を確保できる二次電池の充電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明は、正極の電極材にニッケル酸化物を採用した二次電池の充電装置において、充電中の二次電池の端子電圧を検知する充電電圧検知手段と、端子電圧の二次変化率を検知する二次変化率検知手段と、二次変化率が、二次電池の充電量が満充電の略９７％相当のときの基準変化率を下回ると充電を終了させる充電終了手段とを設け、二次電池の正極の理論容量と負極の理論容量との比を略１：１．２としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
【０００９】
(1)電池の充電電圧の変化率の変化率すなわち二次変化率は電池の充電量を代表する一方、特に充電後期の満充電直前（満充電状態の９７％程度）から、正極では酸素ガスの発生が活性化され、充電電圧の変化率が正の上昇率から負の上昇率へと転じる。したがって、充電電圧の二次変化率を監視すれば、電池の端子電圧を監視するだけで、充電を二次電池の充電量が満充電の略９７％相当に達した時点で正確に停止できる。
【００１０】
そして、二次電池の充電量が満充電の略９７％相当に達した時点で充電を停止すれば、正極からの酸素の発生が活発化する前に充電を終了できるので、負極の容量を正極の容量よりも大きくする充電リザーブの割合を小さくでき、その分、正極の容量を大きくできる。したがって、満充電前（満充電の約９７％）で充電を終了しても、従来よりも大きな充電容量を確保できる。見方を変えれば、従来と同等の充電容量を従来よりも小さな電池で得られるので電池の小型化が可能になる。
【００１１】
(2)充電の終了判定を電池の端子電圧のみに基づいて行うことができるので、充電回路の簡素化および小型軽量化が可能になる。
【００１２】
(3)二次電池の温度上昇率は満充電の直前から大きくなる傾向を示すので、充電の終了判定を端子電圧の二次変化率と電池温度とに基づいて行うようにすれば、より正確な充電終了判定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である充電装置のブロック図であり、図２は、本実施形態による充電終了の判定メカニズムを説明するための図である。
【００１４】
発明者等の実験結果によれば、二次電池の正極からの酸素ガスの発生は、特に充電後期の満充電直前（満充電状態の９７％程度）から活発化し、このとき、充電電圧Ｖchの変化率ΔＶ／Δｔが、図２に示したように、それまでの正の上昇率から負の上昇率へと転じる。したがって、この転移点（時刻ｔ2 ）を検知できれば、充電を満充電の直前で停止させることができ、満充電に対して約９７％の充電量を確保しながら、正極からの酸素の発生量を少なく抑えられる。
【００１５】
そこで、本実施形態では前記転移点を検知すべく、充電電圧Ｖchの変化率ΔＶ／Δｔの変化率すなわち二次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）に着目し、この二次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）が略ゼロとなったときに充電を終了するようにした。なお、電池の温度や劣化状態によっては、図２に示したように、本来の転移点の手前（時刻ｔ1 ）でも二次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）が略ゼロとなり得る。したがって、本実施形態では満充電直前の転移点のみを確実に検知すべく、電池の温度や劣化状態も充電終了判定のパラメータとしている。
【００１６】
図１において、充電電流発生部１１は、二次電池１２を充電するための充電電流Ｉchを出力する。電圧検知部１４は充電電圧Ｖchを検知する。電圧変化率検知部１５は、充電電圧Ｖchの時間変化率ΔＶ／Δｔを検知する。二次変化率検知部１６は、前記時間変化率ΔＶ／Δｔの時間変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）を検知する。比較部１７は、前記二次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）と基準値Ｖref とを比較し、比較結果を充電終了判定部２５へ出力する。前記基準値Ｖref は、二次電池１２の充電量が満充電の略９７％に相当するときの二次変化率に予め設定されており、例えば、“０”または“０”相当の値に設定することができる。
【００１７】
温度センサ２０は、二次電池１２の温度Ｔchを検知する。温度変化率検知部２１は、電池温度Ｔchの時間変化率ΔＴ／Δｔを検知する。比較部２２は、前記温度変化率ΔＴ／Δｔと基準値Ｔref とを比較し、比較結果を充電終了判定部２５へ出力する。電池温度Ｔchは、図２に示したように、満充電の直前で急激に上昇することから、本実施形態では、前記基準値Ｔref を０．２℃／秒に設定し、温度変化率ΔＴ／Δｔが基準値Ｔref を超えると、満充電の直前であると判断するようにしている。
【００１８】
電流検知部１３は前記充電電流Ｉchを検知する。Ｖcut 演算部１８は、電池の充電量が満充電直前（９７％）の更に手前であって、理論的な満充電状態の９０〜９５％に相当する端子電圧（充電後期電圧）Ｖcut を、次式(1) に基づいて演算する。なお、係数αは二次電池の内部抵抗係数であり、０．００１〜０．０１の範囲内にある。係数βは二次電池の内部抵抗に関する温度係数であり、０．０１〜０．１の範囲内にある。係数γは二次電池の内部抵抗に関する劣化係数であり、０〜０．２の範囲にある。
Ｖcut ＝１．４＋（Ｉch−１．６）α＋（２５−Ｔch）β＋γ・・・(1) 
【００１９】
比較部１９は、前記充電後期電圧Ｖcut と現在の充電電圧Ｖchとを比較し、比較結果を充電終了判定部２５へ出力する。充電終了判定部２５は、前記各比較部１７，１９，２２の各比較結果に基づいて、充電の継続または終了を判定し、充電を終了させる場合には、前記充電電流発生部１１に対して充電の終了を指示する。
【００２０】
次いで、図３のフローチャートを参照して、上記した第一実施形態の動作を説明する。充電が開始されると、ステップＳ１では、前記電圧検知部１４により二次電池の端子電圧が充電電圧Ｖchとして検知される。ステップＳ２では、前記電流検知部１３により充電電流Ｉchが検知される。
【００２１】
ステップＳ３では、前記Ｖcut 演算部において、前記式(1) に基づいて充電後期電圧Ｖcut が演算される。ステップＳ４では、前記充電電圧Ｖchと充電後期電圧Ｖcut とが比較部１９において比較され、充電電圧Ｖchが充電後期電圧Ｖcutを超えていると、充電の終了判定を行うべくステップＳ５へ進む。
【００２２】
ステップＳ５では、前記温度センサ２０により二次電池１２の表面温度Ｔchが検知される。ステップＳ６では、前記温度変化率検知部２１において、今回の電池温度Ｔchと前回以前の電池温度とに基づいて電池温度Ｔchの変化率ΔＴ／Δｔが演算される。ステップＳ７では、温度変化率ΔＴ／Δｔが基準値Ｔref とが比較部２２において比較され、温度変化率ΔＴ／Δｔが基準値Ｔref を超えていると、充電の終了判定を行うべくステップＳ８へ進む。
【００２３】
ステップＳ８では、前記変化率検知部１５において、今回の充電電圧Ｖchと前回以前の充電電圧とに基づいて充電電圧Ｖchの変化率ΔＶ／Δｔが演算される。ステップＳ９では、二次変化率検知部１６において、前記変化率ΔＶ／Δｔの変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）が演算される。ステップＳ１０では、充電電圧の２次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）と基準値Ｖref とが比較部１７において比較される。
【００２４】
このように、本実施形態ではステップＳ７の温度条件が満足されるまではステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の演算処理が実行されないので装置の演算量を減じることができ、その結果、装置の負荷を軽減できる。
【００２５】
ここで、２次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）が基準値Ｖref を下回っていなければ、未だ満充電直前ではないと判定されてステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では充電電圧Ｖchが再度検知され、ステップＳ８〜Ｓ１０の処理が繰り返される。これに対して、２次変化率Δ（ΔＶ）／Δ（Δｔ）が基準値Ｖref を下回っていると、満充電直前と判定されてステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、充電終了判定部２５が充電終了タイミングと判定し、前記充電電流発生部１１に対して充電の中止を指示する。
【００２６】
本実施形態によれば、二次電池の充電を満充電の直前で正確に終了させることができるので、正極からの酸素の発生を防止でき、負極の劣化を防止できる。
【００２７】
なお、本実施形態のように満充電状態の直前で充電を終了すると、従来のように過充電を許容して満充電にする場合よりも充電量が少なくなる。しかしながら、本実施形態では、正極からの酸素の発生が活発化する前に充電を終了させることができるので、負極容量の漸減を補償するための充電リザーブを大きく確保する必要がない。したがって、正極容量に対する負極容量の割増率を従来よりも小さくでき、その結果、電池の充電容量自体を従来よりも大きくできる。
【００２８】
図４、５は、それぞれ本実施形態および従来技術の充電装置に好適な二次電池の負極容量と正極容量とを比較して示した図である。
【００２９】
従来技術では正確な充電完了判定が難しく、過充電の度合いが大きくなる傾向にあったので、図５に示したように、負極の理論容量が、局部電池反応による容量の漸減を見越して、正極容量の１．６倍相当に設定されていた。しかしながら、電池の充電容量は正極律束であるため、負極容量のみを増やしても電池が大型化するのみで充電容量は増えない。すなわち、図５のように負極容量が６．１Ａ相当であっても、電池の充電容量は正極容量に相当する３．７Ａでしかなかった。したがって、上記した従来技術では、電池を満充電状態まで充電させることができても、正極および負極の総容量に較べて小さな充電容量しか得られない。
【００３０】
これに対して、本実施形態によれば正極からの酸素の発生を抑えられ、負極容量の漸減を少なく抑えることができる。したがって、負極容量は正極容量の１．０に対して１．２程度で良く、正極容量に対する負極容量の増加分を少なくできる。したがって、正負極の総容量を図５と同様に９．８Ａとした場合、本実施形態では、正極容量を４．５Ａまで増加させることができるので、満充電前（満充電の約９７％）で充電を終了しても、従来よりも大きな充電容量を確保できる。見方を変えれば、本実施形態によれば、従来と同等の充電容量を従来よりも小さな電池で得られるので、電池の小型化が可能になる。
【００３１】
なお、上記した実施形態では、電池温度Ｔchの変化率ΔＴ／Δｔが基準値Ｔref を超えており、かつ充電電圧Ｖchが充電後期電圧Ｖcut を超えているときに充電電圧Ｖchの二次変化率が基準値Ｖref を下回ったことを条件に充電を終了するものとして説明したが、充電電圧Ｖchの二次変化率が基準値Ｖref を下回ったことのみを条件に充電を終了しても良い。
【００３２】
あるいは、電池温度Ｔchの変化率ΔＴ／Δｔと充電電圧Ｖchの二次変化率とに基づいて、または充電後期電圧Ｖcut と充電電圧Ｖchの二次変化率とに基づいて充電の終了判定を行っても良い。さらには、電池温度Ｔchの変化率ΔＴ／Δｔが基準値Ｔref を超えたことではなく、電池温度Ｔchが基準値を超えたことを条件に充電を終了しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態である充電装置のブロック図である。
【図２】本発明における充電終了の判定メカニズムを説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図４】本発明の充電装置に好適な二次電池の正極容量と負極容量との関係を示した図である。
【図５】従来の二次電池の正極容量と負極容量との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…充電電流発生部，１２…二次電池，１３…電流検知部，１４…電圧検知部，１５…電圧変化率検知部，１６…二次変化率検知部，１７，１９，２２…比較部，１８…Ｖcut 演算部，２０…温度センサ，２１…温度変化率検知部，２５…充電終了判定部
【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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