(57)【要約】      （修正有）【課題】  寒冷下を含むいかなる環境下においても、残存容量の如何に関わらず、二次電池に負担をかけることなく昇温させ、しかる後に急速充電あるいは高出力放電ができる充放電システムを提供する。【解決手段】  二次電池と、これを充放電するための手段と、この充放電を制御する手段と、電池温度を検出する手段とを含み、かつ電池温度が充放電適正温度Ｔ０未満である場合、Ｔ０に達するまでパルス充放電条件を行った後に、充放電を開始する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、二次電池を充放電するための手段と、二次電池の充放電を制御する手段と、二次電池の温度を検出する手段とを含む充放電システムであって、
二次電池の温度が充放電適正温度Ｔ０未満である場合、二次電池の温度がＴ０に達するまでパルス充放電条件を行った後に、充放電を開始することを特徴とする充放電システム。
【請求項２】
前記パルス充放電におけるパルス充電電気量とパルス放電電気量との差が、二次電池の容量に対し±１０％の範囲である請求項１記載の充放電システム。
【請求項３】
前記二次電池がニッケル水素蓄電池である請求項１記載の充放電システム。
【請求項４】
前記Ｔ０が０〜２０℃の範囲である請求項３記載の充放電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を電源とする充放電システムに関し、より詳しくは低温下で充放電を効率的に行うための二次電池の温度上昇手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池はポータブル機器の電源として頻繁に用いられている。特に近年においては、電動工具など野外で用いられることの多い機器の電源にも展開が進んでいる。これら二次電池の課題として、常温下では問題ないものの、寒冷下で充放電を行う際、主に電解液のイオン伝導性の低下や電極活物質の反応性低下のために抵抗が大きくなることが挙げられる。この現象のために大電流での充放電ができなくなり、微弱電流で長時間の充電を強いられたり、出力値の大きい放電ができず機器が動作しないなどの不具合が生じる。
【０００３】
そこでこれらの二次電池に対し急速充電を行い、短時間で電池を昇温させた後にトリクル充電を行う提案がなされている（例えば、特許文献１）。または所定温度に達するまでパルス充電を行って電池を昇温させ、しかる後に急速充電を行う提案がなされている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開平８−２２２２７７号公報
【特許文献２】特開平１０−２１０６７５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、特許文献１の方法を用いて充電する場合、抵抗値が大きい状態で急速充電するため、急速充電にて充電される充電電気量が電池容量に対して僅かであり、結局トリクル充電を行う時間が長くなる。また特許文献２の方法を用いて充電する場合、電池の残存容量が少なければ問題ないが、残存容量が多ければパルス充電にて残存容量はさらに多くなり、過充電されることになる。さらには特許文献２の技術を展開して、寒冷下で機器を動作させる前にパルス放電を行う場合、電池の残存容量が多ければ問題ないが、残存容量が少なければパルス放電にて残存容量はさらに少なくなり、機器が動作可能な電池温度に達する前に容量が尽きる、若しくは過放電されるという課題が生じる。
【０００５】
本発明は上記課題に基づいてなされたものであり、残存容量の如何に関わらず、二次電池に負担をかけることなく昇温させ、しかる後に急速充電あるいは高出力放電ができる充放電システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の充放電システムは、二次電池と、これを充放電するための手段と、この充放電を制御する手段と、電池温度を検出する手段とを含み、かつ電池温度が充放電適正温度Ｔ０未満である場合、Ｔ０に達するまでパルス充放電条件を行った後に、充放電を開始することを特徴とする。
【０００７】
電池を昇温させる手段をパルス充放電にすることにより、このパルス充放電中の電池の残存容量は一定となる。よって充電側であれば残存容量が多くても過充電されることはなく、放電側であれば残存容量が少なくても容量が尽きる、若しくは過放電されることはなくなる。従って寒冷下においても二次電池に負担をかけることなく、短時間で充電を完了させたり、高出力放電をさせることができるようになる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の充放電システムを活用することで、電池の残存容量を一定にしたまま充放電適正温度にまで上昇させることができるので、電池の残存容量を配慮することなく、常温下と同じように二次電池を充放電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための最良の形態について、図を用いて説明する。なおここで示す図は一例であって、本発明の請求項に表す構成を有していれば、同様の効果を得ることができる。
【００１０】
図１は本発明の充放電システムの一例を示すブロック図である。二次電池１に隣接してサーミスタ２が設置されており、測定した二次電池の温度を処理部６に送っている。
【００１１】
図２は本発明のシステムを用いた充電のフローチャートである。充電をする旨の指令が処理部６に入力されると、サーミスタ２から送られた二次電池１の温度と、充放電適正温度Ｔ０との対比を行う。二次電池１の温度がＴ０以上であれば常温と判定し、切替回路７において、端子８が外部電源５を伴った充電回路４から来る端子１０と固定されることにより、通常充電（急速充電を含む）を行う。一方、二次電池１の温度がＴ０未満であれば低温と判定し、切替回路７において、端子８が放電回路３から来る端子９および端子１０と短い間隔で交互に固定されることにより、パルス充放電を行う。短い間隔で高率充放電を繰り返すことにより、二次電池１の抵抗値に応じてジュール熱が発生して昇温する。二次電池１の温度がＴ０に達した段階で、抵抗値は十分に低下したと判断し、以降は端子８と端子１０とを固定することにより、通常充電を行う。この間、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差を小さくすることにより、二次電池１の残存容量は変化しないので、例えば残存容量が多い場合でも、過充電されることはない。この時の適正なパルス充電電気量とパルス放電電気量との差は、二次電池１の容量に対し±１０％の範囲内である。パルス充電電気量がパルス放電電気量に対し電池容量の１０％を超えて大きい場合、残存容量によっては電池が過充電される可能性が生じる。
【００１２】
図３は本発明のシステムを用いた放電のフローチャートである。放電をする旨の指令が処理部６に入力されると、サーミスタ２から送られた二次電池１の温度と、充放電適正温度Ｔ０との対比を行う。二次電池１の温度がＴ０以上であれば常温と判定し、切替回路７において、端子８が端子９と固定されることにより、通常放電（高出力放電を含む）を行う。一方、二次電池１の温度がＴ０未満であれば低温と判定し、切替回路７において、端子８が端子９および端子１０と短い間隔で交互に固定されることにより、パルス充放電を行う。短い間隔で高率充放電を繰り返すことにより、二次電池１の抵抗値に応じてジュール熱が発生して昇温する。二次電池１の温度がＴ０に達した段階で、抵抗値は十分に低下したと判断し、以降は端子８と端子９とを固定することにより、通常放電を行う。この間、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差を小さくすることにより、二次電池１の残存容量は変化しないので、例えば残存容量が少ない場合でも、容量が尽きるたり過放電されることはない。この時の適正なパルス充電電気量とパルス放電電気量との差は、二次電池１の容量に対し±１０％の範囲内である。パルス放電電気量がパルス充電電気量に対し電池容量の１０％を超えて大きい場合、残存容量によっては電池容量が尽きたり、過放電される可能性が生じる。
【００１３】
本発明の充放電システムに用いることができる二次電池としては、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池のほかに、リチウムイオン二次電池を挙げることができる。中でも重量エネルギー密度の高さや高率充放電のしやすさの観点から、ニッケル水素蓄電池を用いるのが本発明の主旨に最も合致している。ここで二次電池としてニッケル水素蓄電池を用いた場合、電解液や活物質の組成を勘案して、充放電適正温度Ｔ０を０〜２０℃に設定するのが好ましい。
【００１４】
以下に、本発明の実施例を示す。なお実施例には代表例としてニッケル水素蓄電池の場合を示すが、ニッケルカドミウム蓄電池やリチウムイオン蓄電池にも本発明の技術が展開可能なことはいうまでもない。
【００１５】
＜検討１．充電時のパルス充放電条件＞
（実施例１）
発泡ニッケル３次元多孔体に活物質として水酸化ニッケルを、導電剤として酸化コバルトおよび金属コバルト粉末を充填・圧延し、所定の寸法に切断して正極を得た。一方、パンチングメタル（鉄板に穿孔を施した後にニッケル鍍金を行った２次元多孔体）に、水素吸蔵合金粉末（活物質）・ケッチェンブラック（導電剤）・スチレン−ブタジエンゴム共重合体（結着剤）・カルボキシメチルセルロース（増粘剤）からなるペーストを塗布乾燥した後、圧延を行い、所定の寸法に切断して負極を得た。これら正負極を、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータを介して捲回し、円筒型の有底缶に挿入した。ここに水酸化カリウム水溶液からなる電解液を注入し、公称容量３Ａｈのニッケル水素蓄電池を構成した。
【００１６】
続いて、この電池を５セルずつ直列に抵抗溶接してモジュールを構成した。このモジュールの真中の電池に隣接する形でサーミスタを設置し、図１に示す充放電システムを構成した。
【００１７】
この充放電システムに対し、電池を昇温させるため、９Ａで２ｓ充電し、２ｓ休止した後、９Ａで２ｓ放電し、さらに２ｓ休止するというサイクルのパルス充放電を行い、電池温度が１０℃に到達した時にパルス充放電を停止する（Ｔ０＝１０℃）ように入力した。これを実施例１の充放電システムとする。
（実施例２）
実施例１の充放電システムに対し、パルス充放電における充電時間を２．２ｓとした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例２の充放電システムとする。
（実施例３）
実施例１の充放電システムに対し、パルス充放電における充電時間を２．４ｓとした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例３の充放電システムとする。
（実施例４）
実施例１の充放電システムに対し、Ｔ０＝−５℃とした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例４の充放電システムとする。
（実施例５）
実施例１の充放電システムに対し、Ｔ０＝０℃とした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例５の充放電システムとする。
（実施例６）
実施例１の充放電システムに対し、Ｔ０＝２０℃とした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例６の充放電システムとする。
（実施例７）
実施例１の充放電システムに対し、Ｔ０＝２５℃とした以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを実施例７の充放電システムとする。
（比較例１）
実施例１の充放電システムに対し、パルス充放電に替わり、９Ａで２ｓ充電した後２ｓ休止するというサイクルのパルス充電を行うよう入力した以外は、実施例１と同様の充放電システムを構成した。これを比較例１の充放電システムとする。
【００１８】
これらの充放電システムに対し、以下の評価を行った。
（高残存容量におけるパルス充放電）
２０℃環境下で残存容量が２．７Ａｈとなるよう充電した後、この充放電システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各実施例や比較例に入力した条件にてパルス充放電あるいはパルス充電を行った。所定の温度に達する時間と、パルス充放電中の電池１セル当りの最高到達電圧を、表１に示す。
（総充電容量）
２０℃環境下で残存容量を０．３Ａｈに調整した後、この充放電システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各実施例に入力した条件にてパルス充放電を行った。所定の温度に昇温した後、引続き９Ａの急速充電を行い、電池１セル当りの電圧が１．５Ｖに達した時に充電を停止した。この時の総充電容量を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１より、電池の昇温をパルス充電にて行った比較例１は、残存容量が多い場合には電池がセル当り１．５Ｖを超える過充電をされるに至った。これに対し本発明の実施例１〜７の充放電システムは、何れも過充電を免れている。本発明は充電のみならず放電も加えた充放電パルスを行うことにより、残存容量を変えることなく電池を昇温できたため、残存容量が多い場合でも電池の過充電を回避できたものである。
【００２１】
中でも、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差が１０％を超える場合、過充電には至らないものの電池電圧がやや高くなった。過充電を完全に回避する観点から、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差は１０％以下であることが望ましい。
【００２２】
またＴ０が０℃を下回った場合、電池の抵抗が十分に低下しないため、その後の急速充電が十分になされない。さらにＴ０が２０℃を上回った場合、パルス充放電に掛かる時間が長くなるため、全体の充電時間を長引かせる傾向がある。よってＴ０は０〜２０℃であることが望ましい。
【００２３】
＜検討２．放電時のパルス充放電条件＞
（実施例８）
発泡ニッケル３次元多孔体に活物質として水酸化ニッケルを、導電剤として酸化コバルトおよび金属コバルト粉末を充填・圧延し、所定の寸法に切断して正極を得た。一方、パンチングメタル（鉄板に穿孔を施した後にニッケル鍍金を行った２次元多孔体）に、水素吸蔵合金粉末（活物質）・ケッチェンブラック（導電剤）・スチレン−ブタジエンゴム共重合体（結着剤）・カルボキシメチルセルロース（増粘剤）からなるペーストを塗布乾燥した後、圧延を行い、所定の寸法に切断して負極を得た。これら正負極を、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータを介して捲回し、円筒型の有底缶に挿入した。ここに水酸化カリウム水溶液からなる電解液を注入し、公称容量３Ａｈのニッケル水素蓄電池を構成した。
【００２４】
続いて、この電池を５セルずつ直列に抵抗溶接してモジュールを構成した。このモジュールの真中の電池に隣接する形でサーミスタを設置し、図１に示す充放電システムを構成した。
【００２５】
この充放電システムに対し、電池を昇温させるため、９Ａで２ｓ充電し、２ｓ休止した後、９Ａで２ｓ放電し、さらに２ｓ休止するというサイクルのパルス充放電を行い、電池温度が１０℃に到達した時にパルス充放電を停止する（Ｔ０＝１０℃）ように入力した。これを実施例８の充放電システムとする。
（実施例９）
実施例８の充放電システムに対し、パルス充放電における放電時間を２．２ｓとした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例９の充放電システムとする。
（実施例１０）
実施例８の充放電システムに対し、パルス充放電における充電時間を２．４ｓとした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例１０の充放電システムとする。
（実施例１１）
実施例８の充放電システムに対し、Ｔ０＝−５℃とした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例１１の充放電システムとする。
（実施例１２）
実施例８の充放電システムに対し、Ｔ０＝０℃とした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例１２の充放電システムとする。
（実施例１３）
実施例８の充放電システムに対し、Ｔ０＝２０℃とした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例１３の充放電システムとする。
（実施例１４）
実施例１の充放電システムに対し、Ｔ０＝２５℃とした以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを実施例１４の充放電システムとする。
（比較例２）
実施例８の充放電システムに対し、パルス充放電に替わり、９Ａで２ｓ放電した後２ｓ休止するというサイクルのパルス放電を行うよう入力した以外は、実施例８と同様の充放電システムを構成した。これを比較例２の充放電システムとする。
【００２６】
これらの充放電システムに対し、以下の評価を行った。
（低残存容量におけるパルス充放電）
２０℃環境下で残存容量が０．３Ａｈとなるよう充電した後、この充放電システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各実施例や比較例に入力した条件にてパルス充放電あるいはパルス放電を行った。所定の温度に達
する時間と、パルス充放電中の電池１セル当りの最低到達電圧を、表２に示す。
（高率放電容量）
２０℃環境下で残存容量を２．７Ａｈに調整した後、この充放電システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各実施例に入力した条件にてパルス充放電を行った。所定の温度に昇温した後、引続き３０Ａの高率放電を行い、電池１セル当りの電圧が０．８Ｖに達した時に放電を停止した。この時の放電容量を表２に示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
表２より、電池の昇温をパルス放電にて行った比較例２は、残存容量が少ない場合には電池がセル当り０Ｖを超える過放電をされるに至った。これに対し本発明の実施例８〜１４の充放電システムは、何れも過放電を免れている。本発明は放電のみならず充電も加えた充放電パルスを行うことにより、残存容量を変えることなく電池を昇温できたため、残存容量が少ない場合でも電池の過放電を回避できたものである。
【００２９】
中でも、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差が１０％を超える場合、過放電には至らないものの電池電圧がやや低くなった。過放電を完全に回避する観点から、パルス充電電気量とパルス放電電気量との差は１０％以下であることが望ましい。
【００３０】
またＴ０が０℃を下回った場合、電池の抵抗が十分に低下しないため、その後の高率放電が十分になされない。さらにＴ０が２０℃を上回った場合、パルス充放電に掛かる時間が長くなるため、電池の昇温時間を長引かせる傾向がある。よってＴ０は０〜２０℃であることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、電動工具など寒冷下の野外で用いられる機会が多く、急速充電などのフリークエンシーが求められる機器の電源に付随させるのに好適であり、産業上の利用可能性は高いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の充放電システムの一例を示すブロック図
【図２】本発明のシステムを用いた充電のフローチャート
【図３】本発明のシステムを用いた放電のフローチャート
【符号の説明】
【００３３】
１  二次電池
２  サーミスタ
３  放電回路
４  充電回路
５  外部電源
６  処理部
７  切替回路
８、９、１０  端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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