(57)【要約】【課題】本発明は、低コスト、低スペースかつ効率的に二次電池を充電するための二次電池の充電方法及び充電システムを提供する。【解決手段】本発明は、二次電池と、充電器と、二次電池から充電器へ流れる電流を遮断する逆流防止器と、直流電源及び負荷との接続を遮断可能な放電器と、充放電制御部とを備えた充電システム及びその充電方法であって、二次電池の充電中、直流電源から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して二次電池に供給し、所定のパルス電圧は、二次電池の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するオン期間を有し、所定のパルス電圧のオン期間中の充電により上昇した二次電池の電池電圧が所定のパルス電圧供給直前の電圧に低下するまでの時間に対応するオフ期間を有し、オフ期間には直流電源及び負荷と二次電池との接続を遮断する【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と前記直流電源から電力を供給される負荷との間に接続された二次電池充放電システムを用いた二次電池充電方法であって、前記二次電池充放電システムは、
二次電池と、
前記二次電池と前記直流電源との間に接続された充電器と、
前記二次電池と前記充電器との間に接続され、前記充電器から前記二次電池へ流れる電流を導通し、前記二次電池から前記充電器へ流れる電流を遮断する逆流防止器と、
前記直流電源及び前記負荷との接続を遮断可能であり、前記二次電池から供給された電圧を前記負荷への供給に適した電圧に変換して前記負荷に供給する放電器と、
前記二次電池、前記充電器及び前記放電器を制御して前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
を備え、前記方法は、
前記放電器を制御して、前記二次電池の充電中、前記直流電源及び前記負荷と前記二次電池との接続を遮断するステップと、
前記充電器を制御して、前記直流電源から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して前記二次電池に供給するステップであって、前記所定のパルス電圧は、前記二次電池の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するオン期間を有し、前記所定のパルス電圧の前記オン期間中の充電により上昇した前記二次電池の電池電圧が前記所定のパルス電圧供給直前の電圧に低下するまでの時間に対応するオフ期間を有する、ステップと、
を前記充放電制御部に実行させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所定のパルス電圧のオン期間における電圧は、前記二次電池の充電上限電圧と一致することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
直流電源と前記直流電源から電力を供給される負荷との間に接続された二次電池充放電システムであって、
二次電池と、
前記二次電池と前記直流電源との間に接続された充電器と、
前記二次電池と前記充電器との間に接続され、前記充電器から前記二次電池へ流れる電流を導通し、前記二次電池から前記充電器へ流れる電流を遮断する逆流防止器と、
前記直流電源及び前記負荷との接続を遮断可能であり、前記二次電池から供給された電圧を前記負荷への供給に適した電圧に変換して前記負荷に供給する放電器と、
前記充電器及び前記放電器を制御して前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
を備え、前記充放電制御部は、
前記二次電池の充電中に、前記直流電源及び前記負荷と前記二次電池との前記放電器を経由する接続を遮断するように前記放電器を制御し、
前記直流電源から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して前記二次電池に供給するように前記充電器を制御し、
前記所定のパルス電圧は、前記二次電池の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するパルス幅を有し、前記所定のパルス電圧のオン期間中の充電により上昇した前記二次電池の電池電圧が前記所定のパルス電圧供給直前の電圧に低下するまでの期間に対応するパルス間隔を有することを特徴とする二次電池充放電システム。
【請求項４】
前記所定のパルス電圧のオン期間における電圧は、前記二次電池の充電上限電圧一致することを特徴とする請求項３に記載の二次電池充放電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池の充電方法に関し、特に、パルス電圧により効率的に二次電池に充電することを可能とする充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光や風力等に代表される自然エネルギーの利用や、自動車や電車等における制動時の回生エネルギーの有効活用等を目的として、これらをエネルギー源として発生した不規則で変動の大きな電力を一旦リチウムイオン電池等の二次電池に充電した上で、安定した電力として負荷に供給するシステムの開発が進められている。
【０００３】
これらの電力源は数秒程度の断続的な大電流を出力することが多く、このような大電流を充電するために、必要以上に大きな容量の二次電池を用意したり、二次電池とは別に大容量のキャパシタを用意したりする方法が従来から知られていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「二次電池（鉛二次電池・ニッケル水素電池）と電気二重層キャパシタ併用運転による風力発電における電力安定化装置の実証試験開始について」、［online］、２００７年１０月１日、富士電機ニュースリリース、［２０１４年９月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.fujielectric.co.jp/about/news/07093001/＞
【非特許文献２】「ＤＣ/ＤＣ編  降圧型スイッチングレギュレータの動作原理」、［online］、２０１４年５月２７日、ROHM Tech Web、［２０１４年９月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://micro.rohm.com/jp/seminar/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/90＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の方法では、大型の電池やキャパシタを設置するためのコストや設置スペースが必要になるという課題があった（例えば非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、二次電池の充電は、充電を行うための電力を充電に適した電圧及び電流に変換した上で二次電池に供給することにより通常行われている。このような電圧及び電流の制御は、一般的に半導体素子を用いて電圧を断続的に遮断することによりパルス状の電圧を二次電池に供給し、単位時間当たりのパルスの密度の粗密度合いを制御することにより行われている（例えば非特許文献２参照）。
【０００７】
しかし、二次電池では、充放電に関する電力受け入れ性、言い換えれば高周波数の電力に対する応答特性がキャパシタ等に比べて悪い。そして従来、二次電池の周波数特性を考慮せずに例えばコンバータ等の他の半導体素子の特性に応じて電力供給をしていたため、特に大電流で充電を行う場合には、供給された全ての電力が充電反応に利用されない等、二次電池への効率的な充電ができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、従来技術で必要であった外部キャパシタを用いることなく低コスト、低スペースかつ効率的に二次電池を充電するための二次電池の充電方法及び充電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の方法は、直流電源と前記直流電源から電力を供給される負荷との間に接続された二次電池充放電システムを用いた二次電池充電方法であって、前記二次電池充放電システムは、二次電池と、前記二次電池と前記直流電源との間に接続された充電器と、前記二次電池と前記充電器との間に接続され、前記充電器から前記二次電池へ流れる電流を導通し、前記二次電池から前記充電器へ流れる電流を遮断する逆流防止器と、前記直流電源及び前記負荷との接続を遮断可能であり、前記二次電池から供給された電圧を前記負荷への供給に適した電圧に変換して前記負荷に供給する放電器と、前記二次電池、前記充電器及び前記放電器を制御して前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備え、前記方法は、前記放電器を制御して、前記二次電池の充電中、前記直流電源及び前記負荷と前記二次電池との接続を遮断するステップと、前記充電器を制御して、前記直流電源から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して前記二次電池に供給するステップであって、前記所定のパルス電圧は、前記二次電池の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するオン期間を有し、前記所定のパルス電圧の前記オン期間中の充電により上昇した前記二次電池の電池電圧が前記所定のパルス電圧供給直前の電圧に低下するまでの時間に対応するオフ期間を有する、ステップと、を前記充放電制御部に実行させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の方法は、請求項１に記載の方法であって、前記所定のパルス電圧のオン期間における電圧は、前記二次電池の充電上限電圧と一致することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【００１１】
請求項３に記載の二次電池充放電システムは、直流電源と前記直流電源から電力を供給される負荷との間に接続された二次電池充放電システムであって、二次電池と、前記二次電池と前記直流電源との間に接続された充電器と、前記二次電池と前記充電器との間に接続され、前記充電器から前記二次電池へ流れる電流を導通し、前記二次電池から前記充電器へ流れる電流を遮断する逆流防止器と、前記直流電源及び前記負荷との接続を遮断可能であり、前記二次電池から供給された電圧を前記負荷への供給に適した電圧に変換して前記負荷に供給する放電器と、前記充電器及び前記放電器を制御して前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備え、前記充放電制御部は、前記二次電池の充電中に、前記直流電源及び前記負荷と前記二次電池との、前期放電器を経由する接続を遮断するように前記放電器を制御し、前記直流電源から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して前記二次電池に供給するように前記充電器を制御し、前記所定のパルス電圧は、前記二次電池の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するパルス幅を有し、前記所定のパルス電圧のオン期間中の充電により上昇した前記二次電池の電池電圧が前記所定のパルス電圧供給直前の電圧に低下するまでの期間に対応するパルス間隔を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の二次電池充放電システムは、請求項３に記載の二次電池充放電システムであって、前記所定のパルス電圧のオン期間における電圧は、前記二次電池の充電上限電圧と一致することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、二次電池の電気二重層容量に蓄えられた電荷を外部に放電することなく二次電池の充電に利用できるため、従来技術で必要であった外部キャパシタを用いることなく低コスト、低スペースかつ効率的に二次電池を充電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る二次電池の充電方法を適用する二次電池充放電システムのブロック図である。
【図２】本発明に係る二次電池の充電方法におけるパルス電圧及び電流応答を示す図である。
【図３】逆流防止器を取り外した状態でパルス電圧を供給した際の電流応答を示す図である。
【図４】二次電池の電極等価回路図である。
【図５】二次電池にステップ状の電圧を印加した場合の電流応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に本発明に係る二次電池の充電方法を適用する二次電池充放電システムのブロック図を示す。図１には、二次電池１１と、直流電源１と二次電池１１との間に接続された充電器１２と、二次電池１１と充電器１２との間に接続され、二次電池１１から充電器１２に流れる電流を遮断する逆流防止器１３と、二次電池１１から供給された電圧を負荷２への供給に適した電圧に変換して負荷２に供給する放電器１４と、二次電池１１、充電器１２及び放電器１４を制御して二次電池１１の充放電を制御する充放電制御部１５と、を備えた二次電池充放電システムが示されている。図１に示されるように、本発明に係る二次電池充放電システムは、直流電源１と負荷２との間に接続されている。
【００１６】
直流電源１は負荷２に電力を供給し、二次電池１１の充電時には充電器１２を介して二次電池１１に電力を供給する。
【００１７】
充電器１２は、二次電池１１を充電する際、充電のために直流電源１から供給された電圧を後述する所定のパルス電圧に変換して二次電池１１に供給するように充放電制御部１５により制御される。
【００１８】
放電器１４は、直流電源１から供給される電力のみでは負荷２が必要とする電力をまかなうことが出来ずに負荷２へ電力を供給する給電線で電圧降下が生じた場合などの、二次電池１１から負荷２への給電が必要な場合に、二次電池１１から供給される電圧を負荷２への給電に適した電圧に変換して負荷２に供給するように充放電制御部１５により制御される。また、放電器１４は、直流電源１及び負荷２と二次電池１１との放電器１４を経由する接続を遮断可能であり、二次電池１１の充電中及び／又は二次電池１１から負荷２への給電が不要な場合には、直流電源１及び負荷２と二次電池１１との間の放電器１４を経由する接続を遮断するように充放電制御部１５により制御される。
【００１９】
逆流防止器１３は、充電器１２から二次電池１１に供給される電流は導通するが、二次電池１１から充電器１２に向かう電流を遮断するように構成されている。逆流防止器１３は、ダイオード等の素子を用いて二次電池１１からの電流を遮断するように構成してもよいし、充電器１２から二次電池１１に供給されるパルス電圧に同期させてパルス電圧がローレベルのときに逆流防止器１３における半導体スイッチ等をオフに制御することにより二次電池１１からの電流を遮断するように構成してもよい。
【００２０】
以下、本発明に係る二次電池の充電方法を例示する。二次電池１１の充電を開始する際、放電器１４を経由する直流電源１及び負荷２と二次電池１１との間の回路が放電器１４により遮断される。逆流防止器１３でも二次電池１１から充電器１２の方向に流れる電流が遮断されることから、これにより二次電池１１の充電中は二次電池１１から外部への放電が起こらない状態となる。このとき、充電器１２は、上述のように直流電源１から供給された電圧を所定のパルス電圧に変換して二次電池１１に供給する。
【００２１】
ここで、二次電池１１を構成する正負両電極の電気二重層に起因する二次電池１１の電気二重層容量の充電が完了する充電時間に対応するパルス幅（オン期間）を有し、さらにパルス電圧のオン期間中の充電により上昇した二次電池１１の電池電圧がパルス電圧供給直前の電圧程度（例えばパルス電圧供給直前の電圧まで）まで低下するまでの時間に対応するパルス間隔（オフ期間）を有し、充電器１２により変換されるパルス電圧のオン期間における電圧は、二次電池１１の種類等により定められた充電上限電圧程度の電圧（例えば充電上限電圧と一致する電圧）を有する。例えば二次電池１１がリチウムイオン二次電池であれば、充電器１２を介して、例えばパルス幅５ｍｓｅｃ、オフ期間１０ｍｓｅｃを有する４．３Ｖのパルス電圧が二次電池１１に供給される。このような電圧値、パルス幅及びパルス間隔を有するパルス電圧を二次電池１１に供給することにより二次電池１１の充電を行う。なお、ここで言う電池電圧がパルス電圧供給直前の電圧程度まで低下すると述べている状態において、厳密には１回のパルス電圧で電池が充電された分だけ電池電圧が電圧供給直前の電圧より高くなっているが、本発明において設定したパルス電圧ではこの電圧増加量は小さいため、電気二重層容量の充電に伴って上昇した電池電圧と比較して、実質的に電池電圧がパルス電圧供給直前の電圧まで低下した後に次のパルス電圧を印加している。
【００２２】
図２は、本発明に係る二次電池の充電方法におけるパルス電圧及び電流応答を示す。このような本発明に係る二次電池充放電システムにおいて、図２（ａ）に示したような電圧４．３Ｖ、パルス幅５ｍｓｅｃのパルス電圧を１０ｍｓｅｃ間隔で１秒間、充電器１２から二次電池１１に供給したところ、二次電池１１において図２（ｂ）に示したような電流応答が得られた。その結果、二次電池１１の電圧が充電前の３．８０Ｖから３．８８Ｖまで上昇し、二次電池１１が充電された。
【００２３】
一方、図１に示される二次電池充放電システムから逆流防止器１３を取り外したシステムにおいて図２（ａ）に示すパルスと同様のパルスを二次電池に供給したところ、二次電池において図３に示したような電流応答が得られた。図３に示されるように、電流の逆流が生じたため、二次電池の電圧は変化しなかった。
【００２４】
次に、本発明における二次電池の充電方法を適用することにより効率的な二次電池の充電が行われる原理を説明する。図４に二次電池における電極の等価回路を示す。図４には、溶液抵抗２１と、電気二重層容量２２と、電荷移動抵抗２３と、ワールブルグインピーダンス２４とで構成される、二次電池における電極の等価回路が示されている。実際の二次電池では、電極が２つ設けられているため、このような等価回路が電解液を挟んで対向した形になっている。
【００２５】
ワールブルグインピーダンス２４はイオンの拡散に関するインピーダンスであり、他の要素より大きな時定数を有する。また、二次電池の充放電は電荷移動抵抗２３を電流が通過することにより行われる。
【００２６】
図５は、二次電池にステップ状の電圧を印加した場合の電流応答を示す。電圧印加直前の二次電池電圧を上回るように、図５（ｂ）に示すパルス電圧を二次電池に印加すると、二次電池では図５（ａ）に示す電流応答が観察される。
【００２７】
図５（ａ）に示す電流応答において最初の大きな電流ピークは電気二重層容量２２の充電に伴う電流であり、この電気二重層容量充電電流が収束した付近から電荷移動抵抗２３により決定される電荷移動律速の充電電流が観察されるようになる。その後、より時定数の大きなワールブルグインピーダンス２４により決定される拡散律速の充電電流が観察されるようになる。通常の二次電池の充電電流はこの拡散律速充電電流であり、電気二重層容量充電電流や電荷移動律速充電電流より電流値が小さいことから、拡散律速充電電流での充電では受け入れ可能な電流値が小さいことが分かる。
【００２８】
一方、電気二重層容量２２の充電電流は非常に大きいが、この電流は二次電池内の活物質の酸化還元には関与していない。そのため、二次電池へのパルス電圧印加を停止すると（又はパルス電圧のオフ期間中）、電気二重層容量２２に蓄えられた電荷は、図３に示したように二次電池から外部に速やかに放電される。
【００２９】
しかし、本発明のように逆流防止器１３及び放電器１４によりパルス電圧のオフ期間中に二次電池１１の電極を外部の回路から遮断すると、電気二重層容量２２に蓄えられた電荷が二次電池１１の外部に放電されないため、電気二重層容量２２と電荷移動抵抗２３とワールブルグインピーダンス２４とにより構成される回路を流れ、二次電池１１の充電に利用される。電気二重層容量２２は容量が小さいことから電気二重層容量２２からの放電時間が比較的短いため、極端に多数のパルス電圧を連続的に供給しなければ、二次電池１１の充電は電荷移動律速の充電電流により主に行われる。そのため、従来のようにパルス電圧の間隔と電気二重層容量の充放電とを同期させずに、主に拡散律速充電電流のみによって充電する場合よりも充電に用いられる電流値が高いため、より効率的な充電が可能となる。このように、逆流防止器１３及び放電器１４によりパルス電圧のオフ期間中に二次電池１１の電極を外部の回路から遮断したうえで、二次電池の周波数特性を考慮して、二次電池の電気二重層容量２２の充放電のタイミングと充電のためのパルス電圧供給のオンオフタイミングとを合わせることにより、二次電池の外部にキャパシタを設置したような効果を得ることができるために二次電池１１の効率的な充電が可能となり、パルス状の大電力に対する二次電池１１の充電受け入れ性を向上させることができる。
【００３０】
但し、パルス充電を長時間継続して行うことで二次電池の充電量が大幅に増大すると、二次電池内部でのイオン等の物質移動が充電に関与する拡散律速の状態となり、図４に示した等価回路におけるワールブルクインピーダンス２４の影響が大きくなるため、電気二重層容量２２に蓄えられた電荷の電荷移動抵抗を経由した放電速度が遅くなり、本発明の効果も得られにくくなると予想される。充電反応は原則的に電極−電解質界面において進行するため、連続的に充電を行った場合、最初は元々界面近傍に存在していた反応種のみが反応するが、充電が長時間継続すると、電解質中の界面から離れた場所に存在する反応種が界面に移動する必要、あるいは界面から離れた場所に向かって移動する必要が生じ、このような移動に要する時間分だけ充電速度が遅くなる。従って、本発明による二次電池の充電方法は、長時間の連続的な充電ではなく、自然エネルギーの平滑化や回生エネルギーの利用等の短時間で大きな充電電流が流れるような場合に特に有効であると考えられる。
【００３１】
なお、二次電池の電気二重層容量はインピーダンスアナライザ等の装置を用いて実測することが可能である。しかし、パルス電圧の適切なパルス幅は、電池の種類、充電器の給電能力又は配線抵抗等により変化し、また、パルス電圧の適切なパルス間隔は、電池の種類、電気二重層容量の充電状況あるいは電池の周辺温度等により変化する。そのため、本発明に係る充電方法では、実際に二次電池の充電上限電圧程度のパルス電圧を二次電池に印加し、電気二重層容量の充電時あるいは充電後に電圧を遮断した場合の電流挙動をストレージオシロスコープ等の記録装置により記録し、最適な充電パルス幅や充電パルスの間隔を予め決定しておくことが、効率的な二次電池の充電を行う上で好ましい。
【００３２】
また、本明細書においては１本の二次電池に対して充電を実施しているが、適当な本数の二次電池直並列に組み合わせた組電池に対して充電を行っても構わない。
【符号の説明】
【００３３】
直流電源  １
負荷  ２
二次電池  １１
充電器  １２
逆流防止器  １３
放電器  １４
充放電制御部  １５
溶液抵抗  ２１
電気二重層容量  ２２
電荷移動抵抗  ２３
ワールブルグインピーダンス  ２４
【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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