(57)【要約】【課題】  電池温度の最大値の上昇を抑制した上で、なおかつ電池パックの全セルを均等に満充電できるようにする。【解決手段】  複数の二次電池セルを直列に接続した組電池を充電する二次電池の充電方法において、二次電池を満充電させるまで充電し、充電完了直後に、短時間の間、所定の放電電流の準備放電を行う。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池セルを直列または並列に接続した組電池を充電する二次電池の充電方法において、
前記二次電池を満充電になるまで充電する工程と、
充電完了直後に、所定の放電電流で短時間の準備放電を行う放電工程からなることを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項２】
前記準備放電は、充電完了直後から電池温度が最大のピーク値に到達するまでの間に実行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方法。
【請求項３】
前記準備放電の放電電流は、充電の完了後、酸素と水素の再結合により失われるエネルギー相当量以下であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電方法。
【請求項４】
前記二次電池は、電池内部で発生した酸素を負極の水素と再結合させて、内部圧力の上昇を抑える二次電池であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の二次電池の充電方法。
【請求項５】
複数の二次電池セルを直列または並列に接続した組電池を充電する二次電池の充電装置において、
前記二次電池を充電するための充電回路と、
所定の放電電流で短時間の準備放電を行うための準備放電回路と、
充電回路および準備放電回路を開閉するスイッチと、
電池が満充電まで充電された後、あらかじめ決められた動作順序にしたがって、充電回路を開くとともに所定のタイミングで準備放電回路を閉じ、準備放電を実行する制御手段と、
を具備したことを特徴とする二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充電方法および装置に係り、特に、多数の二次電池を直列または並列につないでなる電池パックの充電方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な機械の電源として、多数の二次電池を直列または並列につないだ電池パックが広汎に利用されている。そして近年では、バッテリの高容量化、高密度化が急速に進んでいる。たとえば、電気自動車などの電源に利用される大容量の電池パックともなると、１００個以上の電池（以下、セルという）が直列に接続されることになる。
【０００３】
この種の電池パックで問題になるのは、各セルの自己放電率にばらつきがあるということである。この自己放電率にばらつきがあるので、すべてのセルを満充電するためには、充電方法に工夫が必要となる。
【０００４】
そこで、以上の問題点を図４並びに図５を参照しながら、さらに詳しく説明する。  
図４（ａ）は、２０個のセルからなる電池パックを例に、各セルの充電率を示す。新品の電池パックが満充電されたときは、各セルの充電率は１００％で揃っている。  
この電池パックを放置したままにしたり、電源として利用して満充電せずに充放電を繰り返していくと、やがて図４（ｂ）に示すような充電率の状態になることがある。この図４（ｂ）では、各セルの充電率がおおよそ半分の５０％になった状態を示しているが、電池パックを構成する個々のセルには、自己放電率に差があるので、それぞれのセルでは充電率がわずかづつ異なっている。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の状態からさらに組電池を所定の放電終止電圧に達するまで放電したときの各セルの充電率を示す。この場合、セルによっては、過放電の状態になる。
【０００５】
次に、以上のように各セルの自己放電率にばらつきのある電池パックに充電率１００％をねらって充電すると、図５（ａ）に示すようになる。すなわち、ばらつきが発生している時点ですでに充電率の低かったセルは、満充電されないことになる。
【０００６】
このように、自己放電率のばらつきに起因して、電池パックを構成するセルが満充電されなくなる不都合を回避するため、従来から一般に行われているのは、図５（ｂ）に示すように、すべてのセルが満充電されるまで多少余分に充電することである。この場合、各セルは充電率１００％を越えている状態になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
全セルが満充電になるまで多めに充電する従来の方法では、まず、電池温度の上昇が大きくなる。電池の温度が高すぎると、自己放電が加速されてせっかく満充電まで充電された電気エネルギが無駄に消費されてしまうこと、また、電池の内部では化学反応が進行して温度上昇が続いており、最終的な到達温度が上がるために、電池が劣化し寿命に悪影響を与える。
【０００８】
この点、電気自動車などの電源に用いる大容量のバッテリでは、放熱条件を整えたり、冷却システムにより対処することがあるが、スクータやロボットなどに用いる中・小容量のバッテリのように、コスト上、実用上、冷却システムを組み込むことがないバッテリの場合にとりわけ問題とされる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、電池温度のピークの上昇を抑制し、電池パックの全セルを均等に満充電できるようにした二次電池の充電方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る充電方法は、複数の二次電池セルを直列または並列に接続した組電池を充電する二次電池の充電方法において、前記二次電池を満充電になるまで充電する工程と、充電完了直後に、所定の放電電流で短時間の準備放電を行う放電工程からなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る充電装置は、複数の二次電池セルを直列または並列に接続した組電池を充電する二次電池の充電装置において、前記二次電池を充電するための充電回路と、所定の放電電流で短時間の準備放電を行うための準備放電回路と、充電回路および準備放電回路を開閉するスイッチと、電池が満充電まで充電された後、あらかじめ決められた動作順序にしたがって、充電回路を開くとともに所定のタイミングで準備放電回路を閉じ、準備放電を実行する制御手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、充電完了直後に準備放電を実施することにより、充電の過程で正極に発生した酸素ガスは、放電により正極に吸収される結果、水素と再結合して水を生成する化学反応が抑制されので、電池温度のピークの上昇を抑制することができる。このため、温度上昇による問題なく、電池パックの全セルを均等に満充電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明による二次電池の充電方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。  
図１は、本実施形態による二次電池の充電装置の回路図である。この図１において、参照番号１０は、充電対象となる二次電池の電池パックを示す。この電池パック１０を構成するセルは、ニッケル水素電池からなり、多数のセルが直列に接続されているものである。参照番号１２は充電に必要な電力を供給する電源ユニットを示す。参照番号１４は、充放電の回路切換のシーケンスを制御するコントローラである。このコントローラは、トランジスタを用いた第１スイッチ１６、第２スイッチ１８をそれぞれあらかじめプログラムされたシーケンスにしたがってＯＮ・ＯＦＦを切り換える。この場合、電池パック１０を充電するときは第１スイッチ１６がＯＮで、かつ第２スイッチ１８はＯＦＦになり充電回路が形成される。後述するように、充電完了後に電池パック１０の準備放電を行うときには、第１スイッチ１６がＯＦＦで、かつ第２スイッチ１８がＯＮになることにより準備放電回路に切り替わるようになっている。
【００１４】
次に、図２は、本実施の形態による充電方法を行う間の電池パック１０の電圧および温度の変化と、充電・放電の切換動作との関係を示すタイムチャートである。
【００１５】
図２のタイムチャートにおいて、Ｔ0は、電池パック１０の充電を開始した時点を示し、第１スイッチ１６がＯＮになると同時に第２スイッチ１８がＯＦＦして充電が開始される。Ｔ1は、電池パック１０の充電が完了した時点を示している。充電の進行とともに、電池温度および電圧は上昇し、満充電に近づくにつれて上昇の度合いは大きくなる。充電完了の時点Ｔ1で、コントローラ１４は、電圧が所定の終止条件を満たしたことを検出し、第１スイッチ１６をＯＦＦにして充電回路を開き、充電を停止する
そして充電の停止と同時に、第２スイッチ１８をＯＮにして準備放電回路を閉じ、短時間の準備放電を実施する。この実施形態では、準備放電の放電電流は、２時間率で９０秒間流している。
【００１６】
以上のように充電完了直後に、微量の準備放電を行うことによって、充電後の温度上昇を以下のように抑制することができる。  
図２（ａ）において、太線で示す曲線１００は、本実施形態による準備放電を行った場合の電池温度の変化を示し、細線で示す曲線１０２は、準備放電を行わなかった場合の電池温度の変化を示す。
【００１７】
電池温度の変化は、充電完了に近づくと急激に温度上昇し、充電が完了した時点Ｔ1を過ぎてもさらに上昇を続けて最大値に達するという特性を示す。
【００１８】
充電を完了しても電池温度が上昇を続けるのは、電池内部で正極で発生する酸素と負極の水素とが結合して水になる化学反応が、充電完了後も続いていて、そのとき発生する反応熱により電池温度が上昇するものと考えられる。そして温度上昇により失われるのは、充電により電池に蓄えられたエネルギの一部である。
【００１９】
他方、充電完了後に準備放電を実施した場合の電池温度の最大値は、準備放電を行うことで大きく下がることがわかる。この実施形態の場合、準備放電以外は同じ条件で充電しても、準備放電をすることにより、約４℃ピーク温度が下がるという効果を確認することができた。
【００２０】
準備放電を実施することと、電池温度の最大温度が下がることの効果の間には、以下のような関係があるものと考えられる。  
図２（ａ）において、準備放電を実施しない場合には、ΔＴを最大温度と充電完了直後の電池温度の差とすれば、（ΔＴ×電池熱容量Ｃ）の熱エネルギが充電後の電池温度の上昇により失われる。
【００２１】
これに対して、準備放電を実施した場合、充電の過程で正極から発生した酸素ガスが放電により正極に吸収される結果、水素と再結合して水を生成する化学反応が抑制されているものと予測される。充電完了時点から酸素と水素の再結合反応が抑え込まれた分、電池温度の最大温度が下がったと考えられる。すなわち、充電完了直後に本来失われるはずの熱エネルギーの相当分より少ない放電電流での準備放電の実施によって、発熱の原因である酸素ガスを吸収できることから、本来であれば熱として失われるはずのエネルギーを有効利用して温度低減効果を得ていると考えられる。
【００２２】
また、このような準備放電の作用からすれば、準備放電は、充電完了直後から電池温度が最大値に到達するまでの間に実行することが好ましいことになる。
【００２３】
以上のように、本実施形態の充電方法によれば、充電完了後の電池温度上昇を抑制できることから、多少多めに充電しても、結果的に電池寿命を損なわずに、各セルを均等に充電することができる。また、冷却待ちの時間短縮に大きな効果がある。
【００２４】
ところで、充電完了後に準備放電を行うことで、その分電池の電気エネルギーが費される結果、電圧が下がるのではないかと懸念される。
【００２５】
しかしながら、図２（ｂ）に示されるように、準備放電を行った場合（曲線１０４）よりも、準備放電無しの場合（曲線１０６）の方が充電が終わってからの開放電圧の低下が速いことがわかる。これは、充電で蓄えた電気エネルギーのうち、温度上昇により無駄に失われるはずのエネルギが、準備放電を行うことで電池温度の上昇を抑制するのに利用されているのにほかならないことを示している。
【００２６】
また、準備放電を行うことで、準備放電無しの場合に較べてかえって電池の放電容量が減少するのではないかと懸念される。しかしながら、実際はむしろ反対である。図３は、充電された電池パック１０について、放電特性を示すグラフである。この図３では、準備放電を行った場合を太線の曲線で、準備放電無しの場合を細線で表したところ、放電特性は、若干、準備放電をした電池の方が上回ることがわかる。
【００２７】
以上、本発明について、多数の二次電池セルを直列に接続した組電池に適用した実施形態を挙げて説明したが、本発明は、二次電池セルを並列に接続した組電池にも同様に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による二次電池の充電方法を実施する充電回路を示す回路図。
【図２】本発明による二次電池の充電方法における充放電の切換のタイミングと電池の温度変化、電圧変化の関係を示すタイムチャート。
【図３】本発明による二次電池の充電方法による充電した電池の放電容量の変化を示すグラフ。
【図４】従来の二次電池における自己放電率のばらつきを示すグラフ。
【図５】二次電池の自己放電率のばらつきに対処するために過充電したときの充電率のばらつきを示すグラフ。
【符号の説明】
【００２９】
１０  電池パック
１２  電源ユニット
１４  コントローラ
１６  第１スイッチ
１８  第２スイッチ
【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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