(57)【要約】【課題】急速充電時の二次電池の温度上昇を抑えつつ、該二次電池をその満充電まで確実に、しかも短時間に効率的に急速充電することのできる二次電池の充電装置を提供する。【解決手段】二次電池を急速充電する充電部と、冷媒を内蔵して前記充電部に接続される前記二次電池を囲繞して該二次電池を冷却する冷却手段とを具備する。【選択図】      図１
2004208470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を急速充電する充電部と、
冷媒を内蔵し前記充電部に接続される前記二次電池を囲繞して該二次電池を冷却する冷却手段と
を具備したことを特徴とする二次電池の充電装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記二次電池の電極部を露出させて該二次電池を着脱自在に収容する電池ケースと、この電池ケース内に充填された冷媒とからなり、
前記充電部は、前記電池ケースを着脱可能に設けた筐体と、
この筐体に装着された前記電池ケースに収納されている前記二次電池の電極部に圧接される充電電極と、
前記筐体に内蔵された充電回路と
を具備す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】
前記充電回路は、前記二次電池の近傍に設けられて該二次電池の電池温度を検出する温度検出部と、
前記二次電池に出力する充電電流および／または前記冷却手段の冷却能力を制御して該二次電池の電池温度を予め定めた電池温度範囲内に維持する充電制御手段と
を備えることを特徴とする請求項２に記載の二次電池の充電装置。
【請求項４】
前記充電回路は、前記二次電池の電池温度に応じて該充電回路が前記二次電池に出力する充電電流の制御より優先して前記冷却手段の冷却能力を高める冷却動作優先制御手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電装置に係り、特に可搬形の機器に用いられる二次電池を急速充電するのに好適な二次電池の充電装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、ＰＤＡ（個人情報端末）、携帯ＭＤ（ミニディスク）等の小型の電子機器、或いはラジコンなどの電動遊具等に装着される電源として用いられる二次電池の普及が目覚ましい。この種の二次電池には、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池、或いはリチウムイオン二次電池等が用いられている。
【０００３】
そして、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を充電する場合、充電装置は、例えば充電末期に該二次電池の電池温度が上昇することに着目して充電制御が行なわれている（例えば、特許文献１を参照）。この充電制御方法は、充電装置が二次電池の充電末期において急激な電池温度上昇を検出すると連続通電による充電から充電電流を断続するパルス充電に切換えて、二次電池に流れる充電電流を制限することで電池の異常な温度上昇を防ぐものである。
【０００４】
或いは、充電装置に接続した二次電池の周囲に放熱板を取り付けて自然空冷または強制空冷等の手段により該二次電池を冷却しながら充電することも行なわれている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１７８０１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した手段により二次電池を充電する場合、充電末期における電池温度の上昇を検出して充電装置が充電電流を絞り込むことで該二次電池の温度上昇を抑えることができる反面、充電電流の減少に伴って満充電に至るまでの時間（充電時間）が長くなるという問題があった。
【０００７】
また、例えば送風機（ファン）等の空冷装置を充電装置に取り付けて、この空冷装置により二次電池を強制空冷する場合、この空冷装置が大がかりなものとなるため充電装置の形状が大きくなり、またコストアップの要因となるほか、強制空冷に伴う風切り音等の騒音が生じる懸念がある。更には送風機（ファン）のメンテナンスが必要となる。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、急速充電時の電池温度上昇を抑えつつ、二次電池をその満充電まで確実に、しかも短時間で効率的に急速充電することのできる二次電池の充電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するため本発明の請求項１に係る二次電池の充電装置は、二次電池を急速充電する充電部と、冷媒を内蔵して前記充電部に接続される前記二次電池を囲繞して該二次電池を冷却する冷却手段とを具備したことを特徴としている。
【００１０】
このため、二次電池の急速充電時に生じる該二次電池の温度上昇を抑えつつ、短時間で二次電池を急速充電することができる。
また、前記冷却手段は、前記二次電池の電極部を露出させて該二次電池を着脱自在に収容する電池ケースと、この電池ケース内に充填された冷媒とからなるものであって、前記充電部は、前記電池ケースを着脱可能に設けた筐体と、この筐体に装着された前記電池ケースに収納されている前記二次電池の電極部に圧接される充電電極と、前記筐体に内蔵された充電回路とを具備することを特徴としている。
【００１１】
このように二次電池の着脱が容易な構造でありながら、短時間で効率的に急速充電することができる。
また本発明の好ましい充電回路の実施様態は、前記二次電池の近傍に設けられて該二次電池の電池温度を検出する温度検出部と、前記二次電池に出力する充電電流および／または前記冷却手段の冷却能力を制御して該二次電池の電池温度を予め定めた電池温度範囲内に維持する充電制御手段とを備えることが望ましい。
【００１２】
より好ましくは、前記充電回路は、前記二次電池の電池温度に応じて該充電回路が前記二次電池に出力する充電電流の制御より優先して前記冷却手段の冷却能力を高める冷却動作優先制御手段を備えることが望ましい。
したがって、本発明によれば、二次電池を急速充電する際に生じる該二次電池の温度上昇を抑えつつ、コンパクトな形状で、かつ短時間で急速充電することが可能な二次電池の充電装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る二次電池の充電装置について説明する。
図１は本発明に係る二次電池の充電装置の概略構成を示す斜視図である。この図において１は、この充電装置により充電される二次電池である。この二次電池１は、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等である。そして、この二次電池の充電装置には、この二次電池１を内部に着脱可能に装着して、該二次電池１を囲繞する冷却手段１０が設けられたものとなっている。
【００１４】
ここに本発明に係る二次電池の充電装置が特徴とするところは、冷却手段１０に冷媒を内蔵している点、およびこの冷却手段１０により二次電池１を囲繞して該二次電池１の充電に伴う温度上昇を効果的に抑えて効率的な急速充電を行なう点にある。
具体的には、本発明に係る二次電池の充電装置の冷却手段１０は、二次電池１を囲繞する容器形状の電池ケース１１と、その電池ケース１１の内部に冷却効率の高い冷媒を内蔵したものからなっている。例えば、この冷媒は、水など比熱容量が大きく、熱伝導率が高い媒質が用いられる。
【００１５】
より具体的には、この冷却手段１０の電池ケース１１は、冷媒を内蔵した箱あるいは筒形状の容器からなり、その相対する側面の略中央部を貫通する貫通孔１２が設けられたものとなっている。この貫通孔１２は、充電装置により充電される二次電池１より略大きい孔形状をしており、二次電池１をこの貫通孔１２の内部に収納するようになっている。
【００１６】
そうして電池ケース１１に二次電池１を収納した冷却手段１０は、この二次電池１と共に充電部２０の筐体２１に着脱可能となるように装着される。具体的には、貫通孔１２の内部に収納した二次電池１と共に冷却手段１０を嵌め込む凹部２２が、筐体２１の上面に設けられたものとなっている。この凹部２２は、冷却手段１０の電池ケース１１の底面と略等しい面積からなるもので、この電池ケース１１に収納された二次電池１と共に、冷却手段１０（電池ケース１１）を充電部２０の上面に位置付ける役割を担っている。
【００１７】
このようにして冷却手段１０は、充電部２０の筐体２１に設けられた凹部２２に位置付けられる。一方、充電部２０には、冷却手段１０の電池ケース１１に収納された二次電池１の電極部２と接触する部位に、正極および負極とからなる充電電極２３が設けられている。この充電電極２３は、冷却手段１０の電池ケース１１に収納された二次電池１の電極部２と圧接されるようになっている。そしてこの充電電極２３は、電池ケース１１に収納された二次電池１に充電電流を流し込む役割を担う。
【００１８】
この充電部２０は、例えば商用電源を直流に変換して二次電池１を充電するもので、その筐体２１の内部に図示しない充電回路が内蔵されている。この充電部２０の充電回路は、二次電池１の電池温度を検出して、この二次電池１に出力する充電電流と、前記冷却手段１０の冷却能力とを制御して該二次電池１の電池温度を予め定めた電池温度範囲内に維持するよう構成されている。
【００１９】
尚、この充電部２０の充電回路は、前記二次電池の電池温度に応じて該充電部が前記二次電池１に出力する充電電流の制御より優先して前記冷却手段の冷却能力を高める冷却動作優先制御手段を備えることが望ましい。このようにすることによって、特に充電末期の二次電池１の発熱を抑えつつ、より多くの電流を二次電池１に流すことができ、効率の高い急速充電を行なうことが可能となる。
【００２０】
そして、充電回路により行なわれる二次電池１の満充電検出は、例えばニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を充電する場合、充電満了時の電池電圧低下を検出する、所謂［−ΔＶ］方式、単位時間［ｄｔ］当たりの電池温度上昇［ｄＴ］が所定以上の値となったことを検出する［ｄＴ／ｄｔ］方式あるいは充電開始から所定時間経過したことにより充電を停止する方式、ピークカット方式等、いずれの充電制御方式であってもかまわない。
【００２１】
そうして上述したように構成した本発明に係る二次電池の充電装置によれば、二次電池１を囲繞する冷却手段１０を設けているので、該二次電池１を充電する際に生じる電池温度の上昇を吸収することが可能となる。そして、この冷却により詳細は後述するが二次電池１に蓄えられる電気容量（放電容量）をより多くすることが可能となる。
【００２２】
尚、本発明に係る二次電池の充電装置において、簡易的に二次電池１の冷却を行っても電池の特性上問題がない場合、充電回路は、二次電池１の電池温度を検出することなく充電開始と共に冷却手段１０により二次電池１を冷却するように構成してもよい。或いは充電回路は、二次電池１の電池温度が一定値を超えたところで、冷却手段１０を作動させて冷却するようにしてもよい。または、熱容量の大きな冷却手段１０により充電中の二次電池１の発熱を吸収して、二次電池１の温度上昇を抑えるよう構成しても勿論かまわない。その他、上述した冷却手段１０に例えばペルチェ素子などの半導体素子を適用して、二次電池１を冷却するように構成してもよい。
【００２３】
次に、本発明の二次電池の充電装置に係る別の実施形態について、図２に示す充電装置の斜視図を用いて説明する。
この本発明に係る別の実施形態は、二次電池の充電装置に装着された二次電池１の外囲を囲繞する電池ケース１１に冷媒を内蔵した冷却手段１０を装着するものである。具体的には、この冷却手段１０は、冷媒を内蔵した箱あるいは筒形状の電池ケース１１からなり、該電池ケース１１の一端面の略中央部に、二次電池１をその内部に収納する電池収納口１３を設けたものとなっている。この電池収納口１３は、充電装置により充電される二次電池１より略大きい溝形状をしており、電池ケース１１の内部に二次電池１を収納するようになっている。もちろん特に図示しないが、この電池収納口１３は、電池ケース１１を貫通する孔形状としてもかまわない。
【００２４】
このように構成することで、充電時に生じる二次電池１の発熱により電池温度の上昇を冷却手段１０で抑えつつ、二次電池１を急速充電可能とするものである。つまり、本発明の二次電池の充電装置に係る別の実施形態においては、図２（ｂ）に示すように充電部２０に装着した二次電池１を、冷却手段１０の電池ケース１１に設けた電池収納口１３に挿入することで、該二次電池１を冷却するよう構成している。このため、特に従来から用いられている二次電池の充電装置に手を加えることなく、冷却手段１０を適用することが可能となり効果的である。
【００２５】
また、上述した冷却手段１０は、例えば図３に示すように二次電池１の外囲に水管１４をヘリカル状に巻回して、該水管１４の一端から冷却水を流し込む一方、他端から二次電池１の熱を吸収した冷却水を排出するようにして、冷却手段１０に収納された二次電池１を冷却するように構成してもよい。
このように本発明の別の実施形態に係る二次電池の充電装置が示す冷却手段１０は従来から用いられている二次電池１の充電装置にも適用可能なものである。
【００２６】
勿論、前述した実施形態と同様に充電回路において二次電池１の電池温度を検出して、この二次電池１に出力する充電電流と、前記冷却手段１０の冷却能力とを充電回路が制御して該二次電池１の電池温度を予め定めた電池温度範囲内に維持するよう構成してもよい。この場合、充電回路は、前記二次電池の電池温度に応じて該充電回路が前記二次電池１に出力する充電電流の制御より優先して前記冷却手段の冷却能力を高める冷却動作優先制御手段を備えることが望ましい。このようにすることによって、特に充電末期の二次電池１の発熱を抑えつつ、急速充電を行なうことが可能となる。
【００２７】
その他、特に図示しないが上述した冷却手段１０は、その外部から冷却媒体を流入および排出できるように構成してもよい。そして、二次電池１が充電時に発した熱を冷却手段１０の冷媒が吸収して、この冷媒が吸収した熱を冷却手段１０から放散させ、再び冷却手段１０に流入させる所謂、循環サイクルを形成してもよい。
【００２８】
このような二次電池の充電装置における充電部２０の制御方法に関して図４に示す制御概略図を参照しながら説明する。
先ず充電部２０は、二次電池１に電流を流して急速充電を開始する。このときの充電電流は、概ね［１〜３ＣｍＡ］程度の大電流である。すると、二次電池１は、充電の進行と共に電池電圧と電池温度が上昇していく。この電池温度の上昇は、二次電池１の近傍に設けられた図示しない温度検出部（温度センサ）により検出されて充電部２０へ伝えられる。そして、充電部２０は、この温度検出部が検出した温度に応じて、冷却手段１０の冷却能力を増加させて充電中の二次電池１の温度上昇を抑える。また充電部２０は、二次電池１の充電末期に見られる電池温度が急上昇する際、冷却手段１０の冷却能力を増加させると共に、更に二次電池１に供給する充電電流を絞り込んで該二次電池１の電池温度が許容範囲内になるよう制御する。こうして二次電池１の発熱による特性劣化を防止しつつ、急速充電を実施する。
【００２９】
ところで発明者らは、上述した二次電池の充電装置の効果を検証するため、冷却手段１０を模擬した特に図示しない模擬冷却槽を用いて二次電池１を充電した場合（実施例）と、自然空冷により二次電池１を充電した場合（比較例）とを比較する比較試験を行なった。
この比較試験に用いた二次電池１は、公称容量［２１００ｍＡｈ］の単３型ニッケル水素二次電池である。そして単３型ニッケル水素二次電池を４本直列に接続して充電部２０から充電電流［３Ａ］の一定電流を供給して定電流充電を行うものである。また充電部２０による満充電検出は、［−ΔＶ］方式を用いるものとして、充電電圧が［２０ｍＶ］（二次電池１本当たり［５ｍＶ］）低下したとき充電完了（満充電）としている。
【００３０】
一方、冷却手段１０は、冷媒となる水［３５０ｍｌ］を蓄えた容器を用いた。そして、この容器に、防水した二次電池１を該容器内の水中に浸した模擬冷却槽で冷却効果を模擬するものとした。尚、いずれの試験も雰囲気温度［２５℃］の条件下で実施した。
このような試験条件において充電試験を行なったところ図５のグラフに示すような結果が得られた。
【００３１】
先ず上述した模擬冷却槽を用いた場合（図５（ａ））、二次電池１は、充電の進行に伴い、電池電圧Ｖおよび電池温度Ｔは若干上昇した後、ほぼ一定の値で推移する傾向が見られた。一方、冷媒（水）の温度ｔはほぼ一定値を維持する傾向がある。やがて、充電末期になると電池温度Ｔが急上昇する。そして充電回路は、二次電池１の満充電を検出して該二次電池１への充電電流の供給を停止する。
このため、二次電池１の電池電圧が低下すると共に、電池温度Ｔが降下する。
【００３２】
このとき、二次電池１の温度上昇は、充電開始時に比べて高々［３０］℃程度である。一方、冷媒（水）の温度ｔは充電末期において若干上昇するものの、ほぼフラットな状態を維持している。
次に、従来の二次電池の充電装置を用いて充電試験（比較試験）を行なった。
この従来の二次電池の充電装置は、二次電池装の近傍に存在する空気の自然対流による冷却が行なわれるものである。尚、充電開始時の二次電池１の電池電圧Ｖ、電池温度Ｔは、前述した充電試験と同条件である。
【００３３】
この従来の二次電池の充電装置についても、二次電池１の充電の進行に伴い電池電圧Ｖが徐々に増加するが、前述した本発明に係る二次電池の充電装置に見られなかった緩やかな電池温度Ｔの上昇を観測することができる（図５（ｂ））。
そして、充電末期になると、電池温度Ｔが大きく上昇する。そして充電回路は、二次電池１の満充電を検出して該二次電池１への充電電流の供給を停止する。このため、二次電池１の電池電圧が低下すると共に、電池温度Ｔが緩やかに低下する傾向が見られた。ちなみに、二次電池１の充電中の室温ｔは、ほぼ一定であった。このように自然空冷により二次電池１を充電した場合（比較例）の電池温度Ｔは、充電の進行と共に、上昇を続け、特に充電末期における温度上昇は、充電開始時に比べた温度差が［５５］℃と大きな値となっている。
【００３４】
この２つの方法により充電された二次電池１に対して、［１ＣｍＡ］の放電を行なったところ、本発明に係る二次電池の充電装置（実施例）を用いた場合の放電容量は［１８７４ｍＡｈ］であったが、従来の充電装置（比較例）を用いた場合の放電容量は［１７５４ｍＡｈ］であった。すなわち、本発明に係る二次電池の充電装置を用いた場合は、従来の充電装置に比べて放電容量が約［７％］増加する結果が得られた。
【００３５】
これは二次電池１の充電末期の温度が冷却手段１０により抑えられることで、二次電池１の内部の酸素過電圧が高くなった結果、充電効率が向上したものと考えられる。このことは前述した模擬冷却槽により冷却を行なった二次電池１の充電末期の電圧が、従来の二次電池の充電装置を用いたときの充電末期の二次電池１の電圧よりも高くなっていることからも明らかである。
【００３６】
尚、上述した試験に用いた二次電池１は、市販のニッケル水素二次電池（単３型）を用いたものであって、放電容量の絶対値は、電池ロット間のバラツキ等の要因により変動することがある。しかしながら、従来の二次電池の充電装置に比べて、本発明に係る二次電池の充電装置は、充電中の電池温度上昇を効果的に抑えることが可能であることは言うまでもない。
【００３７】
このように本発明に係る二次電池の充電装置は、冷却手段１０により充電中の二次電池１の温度上昇を抑制することができるので大電流による急速充電を行なうことが可能となるほか、充電効率の向上を高めるという極めて有効な効果を得ることができる。また、冷却手段１０により充電中の二次電池１の温度上昇を抑えているので、二次電池１の熱による特性劣化を抑えることができるので、二次電池１の長寿命化を図ることも可能である。
【００３８】
上述したように、本発明に係る二次電池の充電装置は、充電部に接続される前記二次電池を囲繞して、該二次電池を冷媒を内蔵した冷却手段で冷却しているので、充電中の二次電池１の温度上昇を抑制することができ、充電効率の向上を高めること、即ち放電容量を増大させることが可能となる。
更に本発明に係る二次電池の充電装置は、前述した比較試験の結果が示すように、充電末期の単位時間当たりの温度上昇が従来の二次電池の充電装置よりも顕著である。このため、簡易的に二次電池１の温度検出を行なっても充電末期を検出することも可能なる。このため、充電部２０の制御回路を簡易な構成にすることも可能となる。
【００３９】
尚、本発明に係る二次電池の充電装置は、単体の二次電池に適用する以外にも、例えば複数の二次電池を束ねたパック型電池であっても、このパック型電池を囲繞するよう冷却手段を設ければ、充電中の二次電池の温度上昇を抑えつつ、効果的に二次電池の急速充電を行なうことが可能となる。
また、上述した別の実施形態に示したように、従来の二次電池の充電装置に対しても、冷却手段をアダプタとして接続することにより二次電池を効率よく急速充電を行なうことが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の二次電池の充電装置によれば、急速充電中の二次電池の発熱を抑えつつ、充電容量（放電容量）を大きくすることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】本発明の別の実施形態に係る二次電池の充電装置の概略構成を示す斜視図。
【図３】図２に示す別の実施形態の冷却手段の具体例を示す斜視図。
【図４】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電装置の制御概略図。
【図５】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電装置および従来の二次電池の充電装置による二次電池の充電試験の結果を示す図。
【符号の説明】
１      二次電池
１０      冷却手段
１１      電池ケース
２０      充電部
【図１】
2004208470.tif 000003
【図２】
2004208470.tif 000004
【図３】
2004208470.tif 000005
【図４】
2004208470.tif 000006
【図５】
2004208470.tif 000007