(57)【要約】【課題】省エネルギーを推進することができ、電力の利用効率が高い充放電装置、充放電方法および２次電池の特性評価装置を提供する。【解決手段】双方向型昇降圧チョッパ回路１１は、それぞれ２次電池を接続可能な１対の入力側端子１７および１対の出力側端子１８を有している。制御回路１２は、双方向型昇降圧チョッパ回路１１に接続され、入力側端子１７に接続された２次電池と出力側端子１８に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行うよう双方向型昇降圧チョッパ回路１１を制御する構成を有している。電源切換スイッチ１３は、ＡＣ電源装置１５を出力側端子１８に接続可能である。電気２重層コンデンサ１４は、入力側端子１７に接続される２次電池と並列になるよう設けられている。入力側端子１７に接続される２次電池は、出力側端子１８に接続される２次電池の２倍以上の容量を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方向型昇降圧コンバータと制御回路とを有し、
前記双方向型昇降圧コンバータはそれぞれ２次電池を接続可能な１対の入力側端子および１対の出力側端子を有し、
前記制御回路は前記双方向型昇降圧コンバータに接続され、前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行うよう前記双方向型昇降圧コンバータを制御する構成を有することを
特徴とする充放電装置。
【請求項２】
電源装置を前記出力側端子に接続可能な電源切換スイッチと、
前記入力側端子に接続される２次電池と並列になるよう設けられた電気２重層コンデンサとを
有することを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
【請求項３】
前記入力側端子に接続される２次電池は、前記出力側端子に接続される２次電池の２倍以上の容量を有することを特徴とする請求項１または２記載の充放電装置。
【請求項４】
前記出力側端子は複数対から成り、各対の出力側端子を順次接続可能な接続切換スイッチを有していることを特徴とする請求項１，２または３記載の充放電装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記入力側端子に接続される２次電池と前記出力側端子に接続される２次電池のための充放電パターンを記憶したパターン記憶手段と、前記パターン記憶手段に記憶された充放電パターンに従って、前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行うよう前記双方向型昇降圧コンバータを制御する制御部とを有することを特徴とする請求項１，２、３または４記載の充放電装置。
【請求項６】
請求項１，２，３，４または５記載の充放電装置を用いて２次電池の充放電を行うための充放電方法であって、前記出力側端子に接続される２次電池は鉛バッテリから成り、その２次電池のバッテリ液にポリビニルアルコール等の有機高分子剤を主成分とする活性剤を添加して低電流で充電した後、その２次電池を前記出力側端子に接続し、前記入力側端子に接続される２次電池との間で少なくとも１サイクルの充放電を行うことを特徴とする充放電方法。
【請求項７】
請求項１，２，３，４または５記載の充放電装置を有し、
前記制御回路は、
前記出力側端子に接続される２次電池のモデル特性およびモデルパラメータを記憶したモデル特性記憶手段と、
前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行ったとき、前記出力側端子に接続された２次電池の特性およびパラメータを計測する特性計測手段と、
前記特性計測手段で計測された特性およびパラメータを、前記モデル特性記憶手段に記憶されたモデル特性およびモデルパラメータと比較して、前記出力側端子に接続された２次電池の特性評価を行う特性評価手段とを
有することを特徴とする２次電池の特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電装置、充放電方法および２次電池の特性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２次電池の特性測定や劣化２次電池の機能回復操作手順などでは、２次電池の充電・放電を多数回繰り返す動作が必要とされる。
【０００３】
例えば、鉛バッテリ（Ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ）は、種々の電動車駆動等に幅広く用いられているが、充電・放電を繰り返して使用するサイクルユースでは３〜５年が寿命といわれている。この大きな理由の１つが、サルフェーションと呼ばれる負極板への硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）の蓄積である。
【０００４】
鉛バッテリの充・放電時の化学反応式は、
2005057826.tif 000003
となり、理論上は可逆反応である。このため、鉛バッテリの寿命は半永久的と考えられる。しかし、実用的な使用条件の下では、充電時に負極板からの硫酸鉛が完全な海綿状鉛に戻れず、負極板への硫酸鉛の蓄積・付着という形で反応が進行する（サルフェーション）。このため、鉛バッテリは、３〜５年で、充電しても殆ど電力が取り出せない状態になり、寿命として廃棄されていた。
【０００５】
従来、この現象の改善策として、例えばポリビニールアルコール（以下、ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、有機ゲルマニウム等を主成分とする有機高分子の活性剤を、２次電池のバッテリ液に微少量添加し、通常の電流で充電した後、２Ａ程度の低電流で長時間充電し、その後に放電させるサイクルを数回繰り返す方法がある（例えば、非特許文献１参照）。この方法によると、廃棄２次電池の８０％程度を実用に供せるように完全復活させることが出来る。
【０００６】
このような２次電池の充電・放電を多数回繰り返す動作に対して、従来は個別の充電器と電子負荷装置などの負荷抵抗装置とによって対応している。すなわち、一旦充電器により２次電池にエネルギーを充電し、スイッチ等により充電器から負荷抵抗装置に切り換え、負荷抵抗により放電し、再度充電器に切り換えて充電するということを数回繰り返していた。また、このような機能が１台にまとめられたものとして、回生方式の電力変換装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
小沢昭弥、山下正通ほか（Ａ．Ｋｏｚａｗａ，Ｍ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ），「リユース  オブ  ディタリオレイティッド  レッド−アシッド  バッテリーズ  バイ  ア  ニューリアクティベイション  トリートメント  イン  フォー  シティーズ  オブ  チャイナ：ペキン、シャンハイ、シンセン、シンドゥ（Ｒｅｕｓｅ  ｏｆ  Ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ  Ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｂｙ  ａ  Ｎｅｗ  Ｒｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｆｏｕｒ  Ｃｉｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｃｈｉｎａ：  Ｂｅｉｊｉｎｇ，  Ｓｈａｎｇｈａｉ，  Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，  ａｎｄ  Ｓｈｅｎｇｄｕ）」，アジアＥＶコンファレンス−２（Ａｓｉａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ−２），大阪，日本，２００２年１０月１５−１８日，要約，Ｐ．４２
【特許文献１】
特開２０００−１４８２５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充放電を繰り返す装置では、一旦２次電池に充電したエネルギーを２次電池から放電させるとき、その電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てている。このため、省エネルギーが全く考慮されておらず、電力の利用効率が悪いという課題があった。
【０００９】
本発明は，このような従来の課題に着目してなされたもので、省エネルギーを推進することができ、電力の利用効率が高い充放電装置、充放電方法および２次電池の特性評価装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る充放電装置は、双方向型昇降圧コンバータと制御回路とを有し、前記双方向型昇降圧コンバータはそれぞれ２次電池を接続可能な１対の入力側端子および１対の出力側端子を有し、前記制御回路は前記双方向型昇降圧コンバータに接続され、前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行うよう前記双方向型昇降圧コンバータを制御する構成を有することを、特徴とする。
【００１１】
本発明に係る充放電装置で、双方向型昇降圧コンバータには、特開２００２−２８１６０９号公報に記載の「双方向型昇降圧チョッパ回路」を好適に用いることができる。
【００１２】
本発明に係る充放電装置は、入力側端子および出力側端子に接続された２つの直流電源である２次電池の間で、双方向のいずれにも昇圧または降圧することができ、どちら側の２次電池にもお互いに電力損失なしに電力を供給することができる。
【００１３】
本発明に係る充放電装置は、２つの直流電源が２次電池のように充電可能な場合、いずれの方向にも充電、または放電が可能であるため、一方の２次電池に対して他方を充電用電源、または放電用負荷と見なすことができる。このため、実際の電子負荷装置などの放電用抵抗負荷と異なり、一方の２次電池からの放電電力が他方の充電電力となるため、双方向型昇降圧コンバータの電力損失以外に殆ど電力損失が発生しない。
【００１４】
このように、本発明に係る充放電装置は、１台の装置で２次電池の充電・放電機能を有し、放電時の電気エネルギーを捨てずに再利用できるため、省エネルギーを推進することができ、電力の利用効率が高い。
【００１５】
本発明に係る充放電装置は、電源装置を前記出力側端子に接続可能な電源切換スイッチと、前記入力側端子に接続される２次電池と並列になるよう設けられた電気２重層コンデンサとを有することが好ましい。この場合、入力側端子に接続される２次電池の容量が出力側端子に接続される２次電池と同等の容量であっても、急速充電を行うことができ、装置を小型化することができる。
【００１６】
本発明に係る充放電装置は、前記入力側端子に接続される２次電池において、前記出力側端子に接続される２次電池の２倍以上の容量を有していることが好ましい。この場合、容量に余裕のある範囲で、出力側端子に接続される２次電池の充放電を行うことができる。
【００１７】
本発明に係る充放電装置は、前記出力側端子は複数対から成り、各対の出力側端子を順次接続可能な接続切換スイッチを有していてもよい。この場合、出力側端子に接続される２次電池が複数であっても、短時間で充放電を行うことができる。このため、例えば、製造ラインに多数の新製品の２次電池があり、順次検査が必要な場合や、多数の２次電池の再生を行う場合に、これらの処理を短時間で行うことができる。
【００１８】
本発明に係る充放電装置は、前記制御回路において、前記入力側端子に接続される２次電池と前記出力側端子に接続される２次電池のための充放電パターンを記憶したパターン記憶手段と、前記パターン記憶手段に記憶された充放電パターンに従って、前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行うよう前記双方向型昇降圧コンバータを制御する制御部とを有していてもよい。この場合、充電および放電条件を自由に設定することができる。例えば、定電圧、定電流、定電力状態での充電あるいは放電条件の設定が可能である。このため、特に充電および放電動作を交互に繰り返す必要のある用途、例えば、２次電池再生装置、（２次電池の新製品出荷検査時における）充放電検査装置、電動機器の２次電池特性評価装置等、または、例えば電気的等価回路にて表して、そのパラメータを決めるために多数回の充電・放電特性の測定を行う場合等に最適である。
【００１９】
本発明に係る充放電方法は、本発明に係る充放電装置を用いて２次電池の充放電を行うための充放電方法であって、前記出力側端子に接続される２次電池は鉛バッテリから成り、その２次電池のバッテリ液にＰＶＡ等の有機高分子剤を主成分とする活性剤を添加して低電流で充電した後、その２次電池を前記出力側端子に接続し、前記入力側端子に接続される２次電池との間で少なくとも１サイクルの充放電を行うことを特徴とする。活性剤は、ＰＶＡのほか、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、有機ゲルマニウムその他の有機高分子剤の１種または２種以上を主成分とするものであってもよい。
【００２０】
従来、鉛バッテリは、寿命による限界や特性の劣化のため捨てられていた。しかし、その廃棄処理は困難であり、公害問題が発生していた。また、新規の鉛バッテリを作り続けることにより、地球資源の枯渇等の問題も発生していた。
【００２１】
本発明に係る充放電方法によれば、従来廃棄されていた鉛バッテリを短時間で多数再生することができる。このため、環境にやさしく、公害問題対策に貢献することができる。また、資源の保護や、電動車を用いることによる排気ガスの低減による環境問題対策への貢献、乗用車、電動車、ハイブリッドカー等のサイクルユースにより劣化した鉛バッテリの再生技術によるバッテリ素材の省資源化、再生バッテリ使用による経済効果、なども期待することができる。さらに、各家庭や各ユーザーが使用することにより、省エネルギー効果を更に大きくすることができる。
【００２２】
本発明に係る２次電池の特性評価装置は、本発明に係る充放電装置を有し、前記制御回路は、前記出力側端子に接続される２次電池のモデル特性およびモデルパラメータを記憶したモデル特性記憶手段と、前記入力側端子に接続された２次電池と前記出力側端子に接続された２次電池との間で互いに充放電を交互に行ったとき、前記出力側端子に接続された２次電池の特性およびパラメータを計測する特性計測手段と、前記特性計測手段で計測された特性およびパラメータを、前記モデル特性記憶手段に記憶されたモデル特性およびモデルパラメータと比較して、前記出力側端子に接続された２次電池の特性評価を行う特性評価手段とを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る２次電池の特性評価装置は、２次電池の特性評価を行うことができるため、さまざまな分野で応用することができる。
【００２４】
例えば、シニアカーのような電動車や競技用電気自動車等のバッテリの性能に関し、走行パターンが与えられた場合に、一充電あたりどの程度走行できるかを事前に予測できることは極めて重要である。このためには、電動車の数式モデルと共に、バッテリの電気的等価回路定数を明確にして計算機シミュレーションを行う必要がある。
【００２５】
このバッテリの電気的等価回路およびそのパラメータの決定には、多数回の充電・放電特性の測定が必要である。従来、このような放電特性の実験は、充電後のバッテリを可変抵抗負荷や電子負荷装置により定電流放電し、その時の特性を測定することにより行われていた。このとき、測定の度ごとに電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てていた。
【００２６】
本発明に係る２次電池の特性評価装置は、多数回の充放電に際し電力損失を大幅に軽減し、バッテリの特性評価を行うことができるため、バッテリの等価回路定数決定のための実験に用いることができる。すなわち、バッテリの実負荷試験に相当する性能診断のシミュレーションを、高効率で行うことができる。このように、本発明に係る２次電池の特性評価装置は、電動機器における２次電池の走行シミュレータ等として利用することができる。
【００２７】
また、２次電池の特性劣化は徐々に進行するため、寿命による限界近くまで２次電池を稼働させる場合が多い。しかし、特性劣化の進んだ２次電池は、一充電に要した電力量に対する放電時の出力電力量の割合を表す充電効率も下がる。このため、特性劣化の進んだ２次電池を大量に用いると、電力の無駄使いになり、環境負荷の増加となる。本発明に係る２次電池の特性評価装置は、このような２次電池の診断・性能評価を高効率で行うことができ、有効である。
【００２８】
また、現在の２次電池の再生技術は、その再生課程にかなり長時間を要するなど、完全に確立されたものではなく、今後の更なる改善・改良が望まれる。すなわち、種々の有機物添加剤の反応促進効果の検討や充電・放電条件を変えた場合の２次電池の性能回復特性の検討などが必要と考えられる。このような基礎実験を更に続けるためには、２次電池の多数回の充・放電試験を高効率に行うことができ、しかもプログラミングが可能で自動化された装置が必要である。本発明に係る２次電池の特性評価装置は、２次電池の多数回の充放電を高効率に行うことができ、制御回路により充放電を制御することができるため、このような基礎実験に好適に用いることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１３は、本発明の実施の形態の充放電装置を示している。
図１に示すように、充放電装置１０は、双方向型昇降圧コンバータ（双方向型昇降圧チョッパ回路）１１と制御回路（マイコン制御回路）１２と電源切換スイッチ１３と電気２重層コンデンサ１４とＡＣ電源装置１５とＡＣ−ＤＣコンバータ１６とを有している。
【００３０】
双方向型昇降圧コンバータは、双方向型昇降圧チョッパ回路１１から成る。双方向型昇降圧チョッパ回路１１は、それぞれ２次電池を接続可能な１対の入力側端子１７および１対の出力側端子１８を有している。入力側端子１７には２次電池（電池１）、出力側端子１８には２次電池（電池２）が接続されている。電池１は、電池２の２倍以上の容量を有している。
【００３１】
制御回路１２は、マイクロコンピュータを有し、双方向型昇降圧チョッパ回路１１に接続されている。制御回路１２は、電池１と電池２との間で互いに充放電を交互に行うよう双方向型昇降圧チョッパ回路１１を制御するよう構成されている。制御回路１２は、電池２の充放電状態を監視するために、電池２の電流および電圧を測定可能に出力側端子１８に接続されている。
【００３２】
電源切換スイッチ１３は、双方向型昇降圧チョッパ回路１１と入力側端子１７との間に設けられている。電源切換スイッチ１３は、出力側端子１８の接続を、入力側端子１７またはＡＣ電源装置１５に切換可能に設けられている。電源切換スイッチ１３は、制御回路１２により制御可能に構成されている。電源切換スイッチ１３は、ＡＣ電源装置１５に切り換えられると、双方向型昇降圧チョッパ回路１１を介して、電池２をＡＣ電源装置１５から充電できるよう構成されている。
【００３３】
電気２重層コンデンサ１４は、入力側端子１７および出力側端子１８に、それぞれ電池１および電池２と並列になるよう設けられている。
ＡＣ電源装置１５は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６を介して電源切換スイッチ１３に接続されている。このため、ＡＣ電源装置１５からの交流をＡＣ−ＤＣコンバータ１６により直流に整流してから、電池２を充電することができる。
【００３４】
充放電装置１０は、具体的に、例えば図２に示すような回路構成を有している。すなわち、双方向型昇降圧チョッパ回路１１は、第１のスイッチング回路Ｇ１と第２のスイッチング回路Ｇ２とを縦続接続して第１のカスコード回路となし、第３のスイッチング回路Ｇ３と第４のスイッチング回路Ｇ４とを縦続接続して第２のカスコード回路となし、第１のカスコード回路と第２のカスコード回路との中点をインダクタＬを介して接続し、第１のカスコード回路のコレクタを入力側端子１７とし、第２のカスコード回路のコレクタを出力側端子１８とする。
【００３５】
入力側端子１７には内部抵抗ｒ１、電圧ＶＢ１の２次電池が接続され、出力側端子１８には内部抵抗ｒ２、電圧ＶＢ２の２次電池が接続されている。入力側端子１７および出力側端子１８には、それぞれ入力側端子１７および出力側端子１８に接続された２次電池と並列に、電気２重層コンデンサＣ１、Ｃ２が接続されている。なお、制御回路１２、電源切換スイッチ１３、ＡＣ電源装置１５、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６は図示を省略してある。
【００３６】
図２に示す充放電装置１０は、スイッチング回路Ｇ１〜Ｇ４のタイミングを制御回路１２で制御するよう構成されている。このように構成された双方向型昇降圧チョッパ回路１１は、入力側端子１７および出力側端子１８に接続された各２次電池間で、双方向の昇圧、降圧が可能なチョッパ回路となっている。
【００３７】
次に作用について説明する。
充放電装置１０は、新しい電池の性能確認のために２次電池の充放電テストを行う必要がある場合や、劣化した２次電池に有機高分子活性剤を入れて再生させようとする場合に、２次電池に一旦充電したエネルギーを少なくとも１サイクル充放電させるために使用される。
【００３８】
図１に示すように、充放電装置１０は、まず、電源切換スイッチ１３をＡＣ電源装置１５に切り換え、ＡＣ電源装置１５からＡＣ−ＤＣコンバータ１６を介して直流に整流した電圧で電池２を充電する。なお、この１回目の充電はＡＣ電源装置１５からＡＣ−ＤＣコンバータ１６を介してではなく、直接ＤＣ電源装置からであっても良い。その後、双方向型昇降圧チョッパ回路１１の入力側に電池１を設け、電源切換スイッチ１３を入力側端子１７に切り換える。これにより、充放電装置１０は、双方向型昇降圧チョッパ回路１１を介して、電池２と電池１との間で充放電を繰り返すことができる。
【００３９】
ここで、図２に示すように、双方向型昇降圧チョッパ回路１１のスイッチング回路Ｇ３およびＧ１の通流率を、それぞれα，β（０≦α，β≦１）とし、電池１の電圧をＶ１、電池２の電圧をＶ２とすると、Ｖ２＝（β／α）Ｖ１  または  Ｖ１＝（α／β）Ｖ２  となる。このため、α，βの調整により、双方向に昇圧・降圧が自由にできることがわかる。
したがって、充電および放電負荷としての機能は以下のようになる。
【００４０】
［充電器としての機能］：
図１において、ＡＣ電源装置１５からの整流直流電圧あるいは電池１の電圧が電池２より高い場合、制御回路１２ではα＝１が選択され、βを変化させて、指定された電流値あるいは電力値で電池２を充電することができる。また、αを１より小さくすれば、電池２の電圧が高い場合でも、充電は十分可能である。
【００４１】
［放電用負荷としての機能］：
図１において、電池２からの放電特性を測定する場合、図２のα，βを制御回路１２で調整することにより、電池１の方向に電流を流して抵抗負荷または定電流負荷のように動作させることができる。そのとき、電池２の電気エネルギーは電池１に移動するだけであるため、従来の実際の抵抗や電子負荷装置のように電気エネルギーの無駄使いは無くて済む。
【００４２】
このように、充放電装置１０は、入力側端子１７および出力側端子１８に接続された２つの直流電源である２次電池の間で、双方向のいずれにも昇圧または降圧することができ、どちら側の２次電池にもお互いに電力損失なしに電力を供給することができる。
【００４３】
また、充放電装置１０は、２つの直流電源が２次電池のように充電可能な場合、いずれの方向にも充電、または放電が可能であるため、一方の２次電池に対して他方を充電用電源、または放電用負荷と見なすことができる。このため、実際の電子負荷装置を含む放電用抵抗負荷と異なり、一方の２次電池からの放電電力が他方の充電電力となるため、双方向型昇降圧チョッパ回路１１の電力損失以外に殆ど電力損失が発生しない。
【００４４】
このように、充放電装置１０は、１台の装置で２次電池の充電・放電機能を有し、放電時の電気エネルギーを捨てずに再利用できるため、省エネルギーを推進することができ、電力の利用効率が高い。
【００４５】
充放電装置１０は、電池２の放電電流が大きい場合、電池１にとって急速充電となり、電池１のみでは全ての電流を吸収しきれないため、残りの電流を電気２重層コンデンサ１４に吸収する。これにより、充放電装置１０は、例えば電池１の容量が電池２と同等の容量であっても、急速充電を行うことができ、装置を小型化することができる。
【００４６】
充放電装置１０では、電池１の容量が電池２の容量と同じ場合、電池２の長時間の充放電や過渡的な充放電が行えなくなるが、電池１の容量が電池２の容量の２倍以上であるため、電池２に対しての条件の厳しい過酷なテストが必要なときにも、容量に余裕のある範囲でテストすることができる。
【００４７】
充放電装置１０は、劣化した２次電池である鉛バッテリを再生させるのに使用される。この場合、劣化した鉛バッテリのバッテリ液にポリビニルアルコールその他の有機高分子剤の１種または２種以上を主成分とする活性剤を添加して低電流で充電する。その後、その鉛バッテリを出力側端子１８に接続し、入力側端子１７に接続される２次電池との間で少なくとも１サイクルの充放電を行う。この充放電装置１０を用いた充放電方法によれば、従来廃棄していた鉛バッテリを復活させることができる。
【００４８】
また、完全に鉛バッテリを復活させるには、最初に長時間の充電を行い、次に、少なくとも１サイクルの充放電をさせると云う、固有の充放電パターンを繰り返す必要がある。充放電装置１０を用いた充放電方法は、この固有の充放電パターンの繰り返しを容易に行うことができ、半永久的に鉛バッテリの再生を行うことができる。
【００４９】
なお、図３に示すように、電源切換スイッチ１３は、双方向型昇降圧チョッパ回路１１と出力側端子１８との間に設けられていてもよい。この場合、ＡＣ電源装置１５がＡＣ−ＤＣコンバータ１６を介して電源切換スイッチ１３に接続されて、ＡＣ電源装置１５からの交流をＡＣ−ＤＣコンバータ１６により直流に整流してから、双方向型昇降圧チョッパ回路１１を介することなく、直接電池２を充電することができる。
【００５０】
また、図４に示すように、充放電装置１０は、出力側端子１８が複数対から成り、接続切換スイッチ１９を有していてもよい。この場合、各対の出力側端子１８は、並列に接続されている。接続切換スイッチ１９は、双方向型昇降圧チョッパ回路１１と出力側端子１８との間に接続され、各対の出力側端子１８に順次接続するよう構成されている。これにより、複数の２次電池をそれぞれ各対の出力側端子１８に接続し、接続切換スイッチを順次各２次電池に切り換えて、全ての２次電池の充放電を短時間で行うことができる。このため、例えば、製造ラインに多数の新製品の２次電池があり、順次検査が必要な場合や、多数の２次電池の再生を行う場合に、これらの処理を短時間で行うことができる。
【００５１】
図５に示すように、充放電装置１０は、制御回路１２がパターン記憶手段（充放電パターンメモリ）２０と制御部（図示せず）とを有していてもよい。この場合、パターン記憶手段２０は、メモリから成り、電池１および電池２のための充放電パターンを記憶している。制御部は、マイクロコンピュータから成り、パターン記憶手段２０に記憶された充放電パターンに従って、電池１と電池２との間で互いに充放電を交互に行うよう双方向型昇降圧チョッパ回路１１を制御可能に構成されている。このため、充放電装置１０は、充放電パターンをパターン記憶手段２０に記憶させておき、そのパターンに従って、電池２の充放電を行わせることができる。このとき、その充放電パターンを、電池２の復活する条件に応じて自動的に変えるようにしても良い。また、充電および放電条件を自由に設定することができる。例えば、定電圧、定電流、定電力状態での充電あるいは放電条件の設定が可能である。このため、特に充電および放電動作を交互に繰り返す必要のある用途に最適である。
【００５２】
図６に示す例では、充放電装置１０は、２次電池の特性評価装置３０として構成される。この構成では、制御回路１２は、モデル特性記憶手段（電池特性＆パラメータメモリ）３１と特性計測手段（図示せず）と特性評価手段（図示せず）と評価表示手段（図示せず）とを有している。この場合、モデル特性記憶手段３１は、メモリから成り、電池２の理想的なモデル特性およびモデルパラメータを記憶している。特性計測手段は、電流計、電圧計およびタイマーから成り、電池１と電池２との間で互いに充放電を交互に行ったとき、電流、電圧、測定時間を計測して、電池２の特性およびパラメータを測定するよう構成されている。特性評価手段は、マイクロコンピュータから成り、特性計測手段で測定された電池２の特性およびパラメータを、モデル特性記憶手段３１に記憶された電池２の理想的なモデル特性およびモデルパラメータと比較して、これらが一致したかどうかで、電池２の特性を診断・評価するよう構成されている。評価表示手段は、液晶画面から成り、特性評価手段での評価を複数の段階に分けてコメントと共に表示するよう構成されている。
【００５３】
このように、２次電池の特性評価装置３０は、２次電池の特性評価を行うことができるため、さまざまな分野で応用することができる。
【００５４】
例えば、シニアカーのような電動車や競技用電気自動車等のバッテリの性能に関し、走行パターンが与えられた場合に、一充電あたりどの程度走行できるかを事前に予測できることは極めて重要である。このためには、電動車の数式モデルと共に、バッテリの電気的等価回路定数を明確にして計算機シミュレーションを行う必要がある。このバッテリの電気的等価回路およびそのパラメータの決定には、多数回の充電・放電特性の測定が必要である。
【００５５】
また、２次電池は、起電力、内部抵抗などが、電圧や電流に依存するという複雑な特性を有している。特に競技用ＥＶでは、走行する傾斜に応じて２次電池の端子電圧、電流が急激に変化する。この複雑な特性を把握するためにも、充放電特性を測定し、２次電池をモデル化することが必要である。
【００５６】
従来、このような放電特性の実験は、充電後のバッテリを可変抵抗負荷や電子負荷装置により定電流放電し、その時の特性を測定することにより行われていた。このとき、測定の度ごとに電気エネルギーを熱エネルギーとして捨てていた。
【００５７】
２次電池の特性評価装置３０は、多数回の充放電に際し電力損失を大幅に軽減し、バッテリの特性評価を行うことができるため、バッテリの等価回路定数決定のための実験に用いることができる。すなわち、バッテリの実負荷試験に相当する性能診断のシミュレーションを、高効率で行うことができる。このように、２次電池の特性評価装置３０は、電動機器における２次電池の走行シミュレータ等として利用することができる。
【００５８】
そこで、１２Ｖ，７．５Ａｈの鉛バッテリの充放電特性、開放特性実験を行った。図７にその実験結果を示す。図７に示すように、２次電池には自己放電特性や充放電後の回復特性があることが確認できる。また、放電や充電等の途中経過が異なっても、同じ開放電圧（図７中◎印）からの４Ａ一定放電での放電時間が約７分間で同じであることがわかる。２次電池の特性評価装置３０は、このような２次電池の特性の違いによって２次電池の特性を評価することができる。
【００５９】
２次電池は、端子開放状態で自己放電特性、回復特性を有している。また、充電電圧がある値に制限され、放電電流の大きさによりバッテリから取り出せるエネルギーが異なる。充電端子電圧を高くすると、バッテリから発熱することもある。以上のことを等価回路的に表現すると、少なくとも、図８のような構成要素が必要となる。すなわち、電解液や電極部での内部抵抗ｒ０，ｒ１，ｒ２、電荷移動抵抗ＲＤ、電荷を蓄積するＣ１，Ｃ２で構成できると考えられる。
【００６０】
実用性の観点からは、更に簡易的に、
ｒ１＝ｒ２≒０，Ｃ０＝Ｃ１＋Ｃ２
と置いて取り扱うことができる。
ここで、性能の劣化した２次電池のｒ０は数倍程度に大きくなり（ＲＤよりはかなり小さい）、Ｃ０が小さくなる傾向にある。しかし、ＲＤが小となるため、充電時には比較的大きな電流が流れる。この場合、充電は満足にできないが、充電電流が流れるため、一見充電が行われたかのような間違った判断をしてしまうことがある。
【００６１】
図８に示すバッテリの等価回路は、簡易的なものであるが、種々の充放電特性の測定後、それぞれのパラメータの判定を行うことで２次電池の寿命や、使用可能時間等の特性シミュレーションが可能となる。
【００６２】
２次電池の特性劣化は徐々に進行するため、寿命による限界近くまで２次電池を稼働させる場合が多い。しかし、特性劣化の進んだ２次電池は、一充電に要した電力量に対する放電時の出力電力量の割合を表す充電効率も下がる。このため、特性劣化の進んだ２次電池を大量に用いると、電力の無駄使いになり、環境負荷となる。２次電池の特性評価装置３０は、このような２次電池の診断・性能評価を高効率で行うことができ、有効である。
【００６３】
また、現在の２次電池の再生技術は、その再生課程にかなり長時間を要するなど、完全に確立されたものではなく、今後の更なる改善・改良が望まれる。すなわち、種々の有機物添加剤の反応促進効果の検討や充電・放電条件を変えた場合の２次電池の性能回復特性の検討などが必要と考えられる。このような基礎実験を更に続けるためには、２次電池の多数回の充・放電試験を高効率に行うことができ、しかもプログラミングが可能で自動化された装置が必要である。２次電池の特性評価装置３０は、２次電池の多数回の充放電を高効率に行うことができ、制御回路１２により充放電を制御することができるため、このような基礎実験に用いることができる。
【００６４】
なお、双方向型昇降圧コンバータは、図２に示す双方向型昇降圧チョッパ回路１１に限られず、いかなるものでも良い。しかしながら、図２に示す双方向型昇降圧チョッパ回路１１では、トランスが必要なく、パラメータα、βを制御するのみで、最適の充放電を行うことができる。
【００６５】
ここで、双方向型昇降圧コンバータを構成するにあたり、ＩＧＢＴ，ＦＥＴ，ＩＰＭと種々のパワー回路を用いた場合の効率特性の比較、検討を行った。
【００６６】
まず、図９に示すように、ＩＧＢＴモジュールによるＩＧＢＴ降圧回路４０を構成した。ＩＧＢＴ（ＣＭ７５ＤＹ−１２Ｈ）は、６００Ｖ耐圧で７５Ａまでコレクタ電流を流すことができる。また、ＩＧＢＴのゲート駆動にはハイブリッドＩＣ（Ｍ５７９５７Ａ）を使用し、それぞれ独立電源で駆動している。ハイブリッドＩＣを用いてα，β，１−α，１−βのデューティー比をＩＧＢＴのゲートに入力している。負荷として抵抗ＲＬを接続し、効率測定を行った。抵抗値は２５Ω，５０Ωとした。
【００６７】
このＩＧＢＴ回路での入力電圧ＶＳと出力電圧Ｖｍの間には、
Ｖｍ＝（α−β）ＶＳ    （１）
の関係が成り立つ。
【００６８】
図１０にＩＧＢＴ使用時の効率特性のグラフを示す。負荷抵抗は、２５Ω，５０Ωどちらの際もほぼ同じ効率となっている。出力電力Ｐｏｕｔが約７０Ｗの時の効率は約８３％，Ｐｏｕｔが約２００Ｗの効率は約９４％となっている。また、制御回路１２の損失は、約７．５Ｗとなっている。
【００６９】
このＩＧＢＴ降圧回路４０は、独立電源を用いているため、デューティー比α，βを０〜１まで調整可能である。しかし、駆動用ハイブリッドＩＣ（Ｍ５７９５７Ａ）のロスのために損失が多くなる欠点がある。
【００７０】
次に、図１１に示すようなＩＰＭ，ＦＥＴ昇降圧回路４１を構成した場合の回路効率を測定した。ＩＧＢＴ降圧回路４０の回路効率測定時と同様に負荷抵抗ＲＬは２５Ω，５０Ωを用いた。
この入力電圧ＶＳと出力電圧Ｖｍの間には、
Ｖｍ＝｛（β−γ）α｝ ／ＶＳ  （２）
の関係が成り立つ。
【００７１】
ＩＰＭ，ＦＥＴ使用時の回路効率グラフを図１２に示す。回路Ａは、ＦＥＴ（ＶＤＳＳ＝１００Ｖ，ＲＤＳ＝２５ｍΩ）を用いたパワー回路と、それぞれのＦＥＴへのゲート信号は、ゲート駆動ＩＣ（ＩＲ２１１０）で構成されている。また、回路Ｃは，ＩＰＭとＴｒ駆動制御回路１２を用いている。
【００７２】
それぞれの回路を比較すると、出力電力Ｐｏｕｔが７０Ｗの際、回路Ａは約９７％、回路Ｂは約９２％、回路Ｃは約８５％となっている。ＩＰＭ，ＦＥＴ昇降圧回路４１を用いた際はＩＧＢＴ降圧回路４０と比較して、回路効率が良くなっていることがわかる。特に、ＦＥＴとゲート駆動ＩＣ（ＩＲ２１１０）を用いた際は最も効率が良いことから、省エネ型バッテリ評価システムに採用可能である。
【００７３】
これらの回路効率を考慮して、省エネルギー型バッテリ評価システムを構成するためにＦＥＴとゲート駆動ＩＣ（ＩＲ２１１０）を用いた回路構成にすることとした。図１３に省エネルギー型バッテリ評価システムの双方向型昇降圧回路４２に関する具体的な構成図を示す。回路効率の良いＦＥＴ方式をパワー回路に採用し、制御回路１２部はゲート駆動ＩＣ（ＩＲ２１１０）を用いることとした。入力電圧Ｖｓと出力電圧Ｖｍの間には
Ｖｍ＝（α／β）Ｖｓ （３）
の関係が成り立ち、α相で降圧、β相で昇圧を行い、双方向型昇降圧回路４２を実現する。なお、ハイサイド側ＦＥＴのゲート電圧は、図１３では省略しているが、逆回復時間の速いダイオードと電解コンデンサを用いて組み合わせたブートストラップ回路で生成する。ゲート駆動ＩＣを用いることで回路損失を少なくすることは可能であるが、ハイサイドＦＥＴのゲート電圧供給のためにコンデンサのリフレッシュを行う必要があるので、α，βを１にすることができないという欠点を有している。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、省エネルギーを推進することができ、電力の利用効率が高い充放電装置、充放電方法および２次電池の特性評価装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の充放電装置を示すブロック回路図である。
【図２】図１に示す充放電装置の双方向型昇降圧チョッパ回路の具体的な回路例を示す回路図である。
【図３】図１に示す充放電装置の、電源切換スイッチに関する変形例を示すブロック回路図である。
【図４】図１に示す充放電装置の、出力側端子に関する変形例を示すブロック回路図である。
【図５】図１に示す充放電装置の、制御回路に関する変形例を示すブロック回路図である。
【図６】図１に示す充放電装置を２次電池の特性評価装置として構成した変形例を示すブロック回路図である。
【図７】鉛バッテリの充放電実験結果を示すグラフである。
【図８】２次電池の等価回路を示す回路図である。
【図９】ＩＧＢＴを用いた双方向型昇降圧コンバータを示す回路図である。
【図１０】図９に示す回路の効率特性を示すグラフである。
【図１１】ＩＰＭ，ＦＥＴを用いた双方向型昇降圧コンバータの他の実施例を示す回路図である。
【図１２】図１１に示す回路の効率特性を示すグラフである。
【図１３】ＦＥＴとゲート駆動ＩＣとを用いた双方向型昇降圧コンバータを示す回路図である。
【符号の説明】
１０  充放電装置
１１  双方向型昇降圧チョッパ回路
１２  制御回路
１３  電源切換スイッチ
１４  電気２重層コンデンサ
１５  ＡＣ電源装置
１６  ＡＣ−ＤＣコンバータ
１７  入力側端子
１８  出力側端子
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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