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技術 電池積層体の充電方法

出願人 川崎重工業株式会社
発明者 西村和也堤香津雄
出願日 2008年8月4日 (12年4ヶ月経過) 出願番号 2008-201051
公開日 2010年2月18日 (10年10ヶ月経過) 公開番号 2010-040297
状態 特許登録済
技術分野 二次電池(鉛及びアルカリ蓄電池) 二次電池の保守(充放電、状態検知)
主要キーワード 内部圧力値 変化率値 測定系統 内部連通 枠形部材 導出チューブ 各連通口 導電素材
関連する未来課題
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図面 (12)

課題

電池積層体内部圧力に基づく制御によって充電する方法を提供する。

解決手段

アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池を、互いに電気的に接続し、かつ、その内部を、連通部材を介して互いに連通させてなる電池積層体を充電する方法において、圧力測定装置によって測定した前記電池積層体の内部圧力の測定値を予め用意した内部圧力の所定値と比較して充電制御のための電気的充電条件を順次設定することを含む。

概要

背景

従来、主として携帯機器用電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。さらには、変電所のような地上に二次電池を設置し、回生電力や余剰電力をこの二次電池に蓄えて、電力の有効利用を図ることができる。このような用途に使用する二次電池としては、エネルギー密度負荷変動追従性耐久性製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる(特許文献1)。

概要

電池積層体内部圧力に基づく制御によって充電する方法を提供する。アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池を、互いに電気的に接続し、かつ、その内部を、連通部材を介して互いに連通させてなる電池積層体を充電する方法において、圧力測定装置によって測定した前記電池積層体の内部圧力の測定値を予め用意した内部圧力の所定値と比較して充電制御のための電気的充電条件を順次設定することを含む。

目的

また、複数の電池を組み合わせた電池積層体に、圧力センサなどの圧力測定装置を設けて、その測定値によって充電を停止させるなどの制御を行うことも提案されている(特許文献3)。しかし、この方法は、主として電池の異常状態の検出を目的とするものであり、通常の充電を内部圧力によって制御するものではない。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が、連通部材を介して互いに連通している電池積層体充電する方法であって、前記電池積層体の内部圧力を測定して、その測定値を予め用意した内部圧力の所定値と比較して充電制御のための電気的充電条件を順次設定することを含む電池積層体の充電方法

請求項2

請求項1において、前記単位電池としてニッケル水素二次電池を使用する電池積層体の充電方法。

請求項3

請求項1または2において、同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを含む電池積層体の充電方法。

請求項4

請求項3において、前記同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを単位充電ステップとして、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップを含み、各単位充電ステップにおける前記内部圧力所定値が、単位充電ステップ毎に設定されている電池積層体の充電方法。

請求項5

請求項4において、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップの各内部圧力所定値が順次低い値に設定されている電池積層体の充電方法。

請求項6

請求項5において、前記同一の電気的充電条件が定電圧充電における定電圧値である一連の前記複数の単位充電ステップであって、各ステップにおける定電圧設定値が順次低い値に設定されている一連の複数の単位充電ステップからなる電池積層体の充電方法。

請求項7

請求項4から6のいずれか一項において、前記同一の電気的充電条件が定電流充電における定電流値である一連の前記複数の単位充電ステップを含み、各ステップにおける定電流設定値が順次低い値に設定されている電池積層体の充電方法。

請求項8

請求項1から7のいずれか一項において、さらに、前記内部圧力の測定値を利用して算出した内部圧力の変化率に基づいて前記電気的充電条件を設定することを含む電池積層体の充電方法。

請求項9

請求項1から8のいずれか一項において、さらに、前記電池積層体の内部圧力が所定の値に達したときに動作する圧力スイッチの動作によって充電を停止することを含む電池積層体の充電方法。

請求項10

請求項1から9のいずれか一項において、充電時の電池温度監視して、この電池温度に基いて前記内部圧力所定値を変化させる電池積層体の充電方法。

請求項11

アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が連通部材を介して互いに連通している電池積層体の充電を制御するシステムであって、圧力測定装置によって測定した前記電池積層体の内部圧力の測定値を、予め用意された内部圧力の所定値と比較して、充電制御に関する指令信号を出力する比較判定手段と、前記比較判定手段からの前記指令信号に基づいて、充電電流または充電電圧を制御する制御手段とを備える充電制御システム

技術分野

0001

本発明は、大型のニッケル水素電池モジュールのようなアルカリ系二次電池積層体を、電池内部圧力に基づく制御によって充電する方法に関する。

背景技術

0002

従来、主として携帯機器用電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。さらには、変電所のような地上に二次電池を設置し、回生電力や余剰電力をこの二次電池に蓄えて、電力の有効利用を図ることができる。このような用途に使用する二次電池としては、エネルギー密度負荷変動追従性耐久性製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる(特許文献1)。

発明が解決しようとする課題

0003

ところで、ニッケル水素二次電池においては、一般的に、あらかじめ負極の容量を正極の容量よりも大きく設定しておくことで、密閉化を可能にしている。すなわち、満充電の状態からさらに充電が行われる過充電時には、正極において下記(1)の反応により酸素ガスが発生する。
OH− → 1/4O2 + 1/2H2O + e− (1)
正極で発生した酸素ガスは、下記(2)の反応により負極の水素吸蔵合金(M)中の水素と反応してH2Oとなるので、電池内部の圧力上昇が抑えられ、電池を密閉構造とすることができる。
MH+ 1/4O2 → M + 1/2H2O (2)
しかしながら、急速な過充電反応が起こった場合には、内部圧力の上昇を抑えきれずに、電池の安全弁が作動することがある。また、過充電状態が頻繁に起これば、電池を構成する材料が劣化し、電池性能、特に充放電サイクル寿命特性が低下する。したがって、過充電を効果的に抑制することができる充電制御方法を採用する必要がある。

0004

従来、ニッケル水素二次電池の充電方法としては、定電流で充電を行い、電圧もしくは電池温度監視して、電圧や温度の変化速度パラメータとして充電を終了させる方法が一般的に採用されている。携帯機器用の小型のニッケル水素二次電池の場合には、正極と負極との反応面積が小さく、かつ、電極体の中心部と外周部との温度差も小さいので、電極全体に渡って均一に反応が起こる。したがって、電圧や温度に基づいて充電を制御することにより、過充電を抑制して、内部圧力上昇による安全弁の作動や、電池性能の劣化を防止することができる。しかしながら、大型のニッケル水素二次電池では、電極の反応面積が大きく、かつ、電極体の中心部と外周部との温度差も大きいので、電極全体の反応が不均一になりやすい。このため、電池電圧や電池の外表面温度の監視のみによる充電制御では、充電末期局所的な過充電が起こりやすく、内部圧力上昇による安全弁の作動や充放電サイクル寿命の低下を防ぐことが困難であるという課題があった。

0005

また、ニッケル水素二次電池の場合、充電反応自体が発熱反応であるので、定電圧制御下で、微小な電流で継続的に充電することによって常に満充電の状態を保つ、いわゆるフローティング充電には適さないとされている。すなわち、ニッケル水素二次電池でフローティング充電を行おうとすると、過充電による電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池内部圧力の上昇や電池性能の劣化につながる。したがって、ニッケル水素二次電池を、無停電電源UPS)のような、常に満充電状態に維持されることが要求される用途に適用するに際しては、過充電とならないよう十分な配慮を要する。

0006

従来、電池の内部圧力によって充電を制御する方法、例えば、電池に内部圧力の上昇によって機械的に動作する圧力スイッチを設けて、この圧力スイッチのオンオフによって充電の休止再開を制御する方法が提案されている(特許文献2)。しかし、この方法では、充電時に電池の内部圧力が一定値以上になることを防止することはできるものの、状況に応じて内部圧力の設定値を変化させることはできない。また、複数の電池を組み合わせて電池積層体として使用する場合に、電池積層体全体の内部圧力によって充電を制御したい場合にも適していない。

0007

また、複数の電池を組み合わせた電池積層体に、圧力センサなどの圧力測定装置を設けて、その測定値によって充電を停止させるなどの制御を行うことも提案されている(特許文献3)。しかし、この方法は、主として電池の異常状態の検出を目的とするものであり、通常の充電を内部圧力によって制御するものではない。

0008

特開2001−110381号公報
特開平8−331769号公報
特開2005−108687号公報

0009

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、内部圧力に基づく充電制御が可能である電池積層体の性能、特にはサイクル寿命性能を向上させ、またUPS用途にも適用可能にすべく、内部圧力に基づく制御によって電池積層体を充電する方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

前記した目的を達成するために、本発明に係る電池積層体の充電方法は、アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が、連通部材を介して互いに連通している電池積層体を充電する方法であって、前記電池積層体の内部圧力を測定して、その測定値を予め用意した内部圧力の所定値と比較して充電制御のための電気的充電条件を順次設定することを含む。アルカリ系二次電池とは、例えば、ニッケル水素二次電池である。なお、本明細書において、「電池積層体の内部圧力」とは、電池積層体を構成する各単位電池が連通した状態での内部圧力を意味し、「電気的充電条件」とは、定電流充電における定電流の設定値、定電圧充電における定電圧の設定値、および、定電流−定電圧充電における定電流および定電圧の各設定値を意味する。

0011

この構成によれば、電池積層体を構成する単位電池の内部が互いに連通していることにより、圧力測定装置を電池積層体の内部に連通させて電池積層体の内部圧力を測定することができるので、内部圧力の値に基づいて電池積層体の充電を制御することが可能である。しかも、電池積層体の内部圧力値に基づいて充電制御のための電気的充電条件を順次設定するので、電池積層体が過充電状態になることを効果的に防止することができる。さらには、フローティング充電には適さないとされるニッケル水素二次電池にあっても、フローティング充電が可能となるので、ニッケル水素二次電池で構成した電池積層体を、UPSのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

0012

本発明に係る上記の充電方法は、同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを含むことができる。このようの構成することにより、内部圧力による充電制御が容易になる。

0013

上記の充電方法は、さらに、前記同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを単位充電ステップとして、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップを含み、各単位充電ステップにおける前記内部圧力所定値が、単位充電ステップ毎に設定されていることが好ましい。この場合、例えば、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップの各内部圧力の所定値を順次低い値に設定することができる。このように構成することで、用途や使用環境に応じて、より適切に内部圧力値を設定することが可能になり、過充電を確実に防止することができる。

0014

上記の充電方法は、前記同一の電気的充電条件が定電圧充電における定電圧値である一連の前記複数の単位充電ステップであって、各ステップにおける定電圧設定値が順次低い値に設定されている複数の単位充電ステップからなるフローティング充電を含むことができる。このように構成することで、ニッケル水素電池を内部圧力の上昇を伴わずにフローティング充電することが可能になり、UPSのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

0015

また、上記の充電方法において、前記同一の電気的充電条件が定電流充電における定電流値である一連の前記複数の単位充電ステップを含み、各ステップにおける定電流設定値が順次低い値に設定されていてもよい。このように構成することで、過充電を抑制して電池性能の劣化を避けながら、定電流による急速充電を行うことが可能となる。

0016

上記の充電方法において、さらに、前記内部圧力の測定値を利用して算出した内部圧力の変化率に基づいて前記電気的充電条件を制御するようにしてもよい。このように構成することにより、内部圧力の測定値に基づいて、過充電をより確実に防止する適切な充電制御を行うことができる。

0017

また、上記の充電方法は、さらに、前記電池積層体の内部圧力が所定の値に達したときに動作する圧力スイッチの動作によって充電を停止することを含んでいてもよい。このように構成することにより、電池の異常などに起因して急激な圧力上昇が起こった場合にも、確実に充電を停止して安全性を確保することができる。

0018

上記の充電方法においては、さらに、充電時の電池温度を監視して、この電池温度に基いて、前記内部圧力所定値を変化させることが好ましい。電池の温度が異なれば、電池の内部抵抗が変化するので、内部圧力所定値の適切な値も変化する。したがって、内部圧力に基づく充電制御に、温度監視による充電制御を組み合わせることにより、一層効果的に電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができる。

0019

アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が連通部材を介して互いに連通している電池積層体の充電を制御するシステムであって、圧力測定装置によって測定した前記電池積層体の内部圧力の測定値を、予め用意された内部圧力の所定値と比較して、充電制御に関する指令信号を出力する比較判定手段と、前記比較判定手段からの前記指令信号に基づいて、充電電流または充電電圧を制御する制御手段とを備えている。上記の本発明に係る充電方法は、例えば、このように構成した充電制御システムによって実現することができる。

発明の効果

0020

以上のように、本発明に係る電池積層体の充電方法によれば、電池の内部圧力に基づいて充電を制御するので、大型のニッケル水素二次電池において過充電を効果的に防止して、電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができるとともに、フローティング充電が可能となり、電池積層体をUPSのような常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

発明を実施するための最良の形態

0021

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

0022

図1は、本発明の一実施形態に係る充電方法が適用される電池積層体が組み込まれた電池モジュールBを示す概略構成図である。この電池モジュールBは、例えば、電車に搭載されるものであって、アルカリ系二次電池である単位電池Cを、単位電池Cの厚み方向に複数個(本実施形態では30個)積層した電池積層体1と、単位電池Cの内部を連通させる連通部材3と、電池積層体1の内部圧力を測定する圧力測定装置5を主要な構成要素として備えている。

0023

図2は、図1の単位電池Cの構造の一例を示す断面図である。単位電池Cは、セパレータ11と、正極を構成する正極プレート13および負極を構成する負極プレート15を含む電極体17と、電極体17を電解液とともに収容する角形形状のケーシング19とを備えている。ケーシング19は、絶縁素材からなる矩形枠形部材21と、枠形部材21の二つの開口をそれぞれ覆う、導電素材からなる第1蓋部材23および第2蓋部材25とから構成されている。ケーシング19の枠形部材21の外面には、単位電池Cの内部と外部を連通させる連通口27が設けられている。連通口27は、連通口27が設けられている枠形部材21の一辺にほぼ平行に、枠形部材21の中央に向かって突出する二又の連通部27aを有しており、後述するように、電池モジュールBの内部圧力測定系統30の一部を構成している。なお、本実施形態における単位電池Cは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素二次電池として構成している。

0024

電極体17の構造は、特に限定されないが、例えば図2に模式的に示すように、複数の正極プレート13と複数の負極プレート15とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ11を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。ケーシング19の第1蓋部材23および第2蓋部材25は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、各正極プレート13は第1蓋部材23に、各負極プレート15は第2蓋部材25に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第1および第2蓋部材23,25は、それぞれ、単位電池Cの正極集電体および負極集電体を兼ねている。これら蓋部材23,25を形成する素材は、ニッケルめっき鋼材に限らず、電気化学的な特性や機械的強度耐食性などを考慮して、適宜選択することができる。また、第1蓋部材23と第2蓋部材25とに、異なる材料を用いてもよい。枠形部材21の絶縁素材として、本実施形態では変性ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂を使用しているが、機械的な強度、耐熱性および耐電解液性の観点から種々の材料を選択できる。

0025

本実施形態における電池モジュールBの電池積層体1は、図1に示すように、単位電池Cと、後述する構造の放熱板41とを積層したものである。単位電池Cは、隣接する単位電池Cの一方の第1蓋部材23と、他方の第2蓋部材25とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、2つの単位電池Cに1つの割合で、放熱板41が介在している。

0026

電池モジュールBの内部圧力測定系統30は、以下のように構成されている。図1に示すように、各単位電池Cに設けられた各連通口27の二又の連通部27aのそれぞれが、隣接する単位電池Cの連通口27の連通部27aの一方と、連通部材3である可撓性の連結チューブ51を介して順次接続されている。また、末端の単位電池Cの一方の連通部27aは、連通部材3である導出チューブ52の中途に設けられたリザーバ5aを介して圧力測定装置5に接続されている。先端の単位電池Cの一方の連通部27aは、盲栓により閉塞する。これら連通口27、連結チューブ51、導出チューブ52および圧力測定装置5が、電池モジュールBの内部圧力測定系統30を構成している。

0027

なお、連結チューブ51と導出チューブ52とで形成される内圧測定連通路PMの、圧力測定装置5に接続する部分から分岐した端部には、圧力調整弁53が接続されている。圧力調整弁53としては、例えば、ポペット弁スプリングを組み合わせた安全弁を使用してもよく、一般に用いられている他の機構を使用してもよい。

0028

また、図3に示すように、放熱板41は、積層方向に直交する方向に延びる直線状の貫通孔として形成された、冷却用の空気を通すための複数の通風孔41aを有している。図1に示すように、この放熱板41が、電池積層体1において、隣接する単位セルCの一方の第1蓋部材23と他方の第2蓋部材25との間に介在するように積層されている。放熱板41は、これら2つの単位電池Cを電気的に接続するべく、電気導電性を有する物質、例えば、ニッケルメッキを施したアルミニウム素材で形成されている。なお、図示しないが、電池モジュールBには、冷却用の送風装置である電動ファンが設置されており、この電動ファンから放熱板41の通風孔41aに冷却空気が送られる。

0029

次に、本発明の実施形態に係る充電方法を説明する。以下に説明する各実施形態に係る充電方法では、図1の電池積層体1を、電池積層体1の内部圧力値を利用して電気的充電条件を順次設定することにより充電を制御している。なお、以下の説明において、同一の電気的充電条件下で内部圧力が所定の値に達するまで継続して行われる連続的な充電(一時的な充電の休止も含む)の単位を充電ステップSと呼び、さらに、時系列に並ぶ複数の充電ステップを含む充電方法において、n番目の充電ステップをSnと表記する。

0030

図4は、本発明の第1実施形態に係る充電方法によって電池積層体1を充電した場合の、電圧、電流、電池温度、内部圧力を測定し、それぞれ時間に対してプロットしたグラフである。図4のグラフにおいて、a〜dで示す線が順に電圧、内部圧力、電流、電池温度にそれぞれ対応しており、横軸は時間(秒)を、左側の縦軸は電圧(V)および内部圧力(kgf/cm2)の各値を、右側の縦軸は電流(A)および電池温度(℃)の各値をそれぞれ示している。電流値については充電時の電流値を負の値で、放電時の電流値を正の値で表している。本実施形態に係る充電方法では、定電流−定電圧制御の充電において、最初の充電ステップS1で内部圧力が所定の上限値に達するまで充電を行ったのち、充電ステップS2に移行して充電を休止し、その後内部圧力が下降して所定の下限値に達したときに、充電ステップS3に移行して、最初の充電ステップS1の設定電流値および設定電圧値を変更せずに充電を再開する。その際、充電再開時の充電ステップS3における充電休止の内部圧力上限値を、最初の充電ステップS1における上限値よりも低い値に設定している。具体的には、各充電ステップにおけるパラメータを以下のように設定した。
S1:電流:28A
電圧:11V
設定内部圧力(上限値):5kgf/cm2
S2:電流:0A(休止)
設定内部圧力(下限値):0.15kgf/cm2
S3:電流:28A
電圧:11V
設定内部圧力(上限値):4.4kgf/cm2

0031

すなわち、本実施形態の充電方法では、ステップS1において28Aの定電流cで充電を開始し、内部圧力bが上限値の5kgf/cm2に達したときに、ステップS2に移行して充電を休止した。その後、内部圧力bが下降して下限値の0.15kgf/cm2に達したとき、ステップS3に移行して再び28A−11Vの定電流−定電圧充電を開始した。ステップS3の途中で、電池電圧aが定電圧設定値の11Vに達して定電圧充電に移行し、充電電流cは低下し始めた。その後、内部圧力bが上限値の4.4kgf/cm2に達して充電を停止した。その間、電池温度dは大きな変動がなかった。

0032

図5は、本発明の第2実施形態に係る充電方法によって電池積層体1を充電した場合の、電圧a、電流c、内部圧力bの時間に対する変化を示すグラフであり、横軸が時間を、縦軸が電圧、電流および内部圧力を示している。本実施形態に係る充電方法では、最初の充電ステップS1で定電流−定電圧充電を行って、電池積層体1を満充電に近い状態まで充電し、ステップS2以降の各ステップでは定電圧の設定値および内部圧力の所定値(上限値)を、順次低い値に設定してフローティング充電を行う。すなわち、各充電ステップにおけるパラメータは以下のようになる。
S1:電流:28A
電圧:11V
設定内部圧力(上限値):5kgf/cm2
Sn(n≧2):電流:28A
電圧:11V
設定内部圧力(上限値):Pun kgf/cm2
(Pun<Pu(n−1))
ここでPunはn番目のステップSnにおける内部圧力の上限値である。

0033

この充電方法では、ステップS2以降の定電圧充電領域において、内部圧力が各ステップSnの上限値Punに達するたびに、定電圧設定値を低下させる。設定電圧値の下降に伴って充電電流も低下するので、内部圧力はいったん下降し、その後、再度上昇して、先の上限値Punよりも低い値であるPu(n+1)に達したときにさらに次のステップに移行する。

0034

図6は、本発明の第3実施形態に係る充電方法によって電池積層体1を充電した場合の、電圧a、電流c、内部圧力b、電池温度dを測定し、それぞれ時間に対してプロットしたグラフである。本実施形態に係る充電方法では、定電流制御の充電において、最初の充電ステップS1で内部圧力が所定の上限値に達するまで充電を行った後、充電ステップS2に移行して充電を休止し、その後内部圧力が下降して所定の下限値に達したときに、充電ステップS3に移行して、設定電流値を最初の充電ステップよりも低い値(本実施形態では1/2)に変更して充電を再開する。充電再開時の充電ステップにおける充電休止の内部圧力上限値は、最初の充電ステップS1における上限値と同じ値に設定している。具体的には、各充電ステップにおけるパラメータを以下のように設定した。
S1:電流:28A
設定内部圧力(上限値):6kgf/cm2
S2:電流:0A(休止)
設定内部圧力(下限値):5.6kgf/cm2
S3:電流:14A
設定内部圧力(上限値):6kgf/cm2

0035

すなわち、本実施形態に係る充電方法では、ステップS1において28Aの定電流cで充電を開始し、内部圧力bが上限値6kgf/cm2に達した時点でステップS2に移行して充電を休止した。その後、内部圧力bが下限値の5.6kgf/cm2に達し、ステップS3に移行して14Aの定電流cで充電を再開し、内部圧力bが上限値の6kgf/cm2に達して充電を停止した。

0036

図4ないし図6を参照して、本発明の実施形態に係る充電方法を説明したが、これらの充電方法は、例えば、以下に説明するような構成の充電制御システムによって実現することができる。本発明に係る充電方法を実行する充電制御システムの実施形態としては、圧力測定装置5が実測した電池積層体1の内部圧力測定値、または、この内部圧力値を利用して算出した他のパラメータ、例えば内部圧力の変化率値を、予め用意した内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの所定値と比較して充電制御に関する指令信号を出力する比較判定手段と、この指令信号に基づいて充電電流値または充電電圧値を制御する制御手段とを備えていれば、どのような構成のものを用いてもよい。

0037

例えば、図7ブロック図で示す充電制御システム80は、充電用の電源81と電池モジュールBとの間にスイッチ83を設けて、このスイッチ83をコンパレータ85からのオン・オフ指令信号の出力によってオン・オフ制御する簡単な構成を有している。コンパレータ85は、上述の比較判定手段として機能するものであって、内部圧力測定装置5から出力された測定値Pistと、あらかじめ決めておいた所定値Prefとを比較して、測定値Pistが所定値Prefに達したときにスイッチ83を遮断する。スイッチ83は、電源81から充電電流のオン・オフを制御するものであれば、半導体スイッチであっても、機械的なスイッチであってもよい。電源81は、定電流電源定電圧電源、あるいはこれらを組み合わせたもののいずれであってもよい。

0038

この場合、コンパレータ85のオン・オフ特性が、例えば図8に示すような、Prefに対して±ΔPhysのヒステリシスを備えていれば、内部圧力の変動に対して安定的な制御を行うことができる。すなわち、電池の過充電によって発生した酸素ガスは、充電を休止すると、負極中の水素と反応してH2Oを生成するので、充電休止の状態を一定時間継続すると内部圧力が低下するが、ヒステリシス幅分の2ΔPhysを利用して、最初の充電休止内部圧力値よりも一定量内部圧力が低下してから充電を再開するように制御することが可能である。

0039

あるいは、充電制御システム80を、図9にブロック図で示すような構成としてもよい。この充電制御システム80では、圧力測定装置5から出力された測定値Pistを、まず比較判定手段87に入力する。比較判定手段81は、予め用意された内部圧力の所定値(特性曲線X)と比較し、その比較結果に基づいて、充電指令信号Xrefを、図示しない定電流・定電圧制御器を含む制御手段89に出力する。制御手段89では、現在の充電出力値Xistと充電指令信号Xrefとを比較してフィードバック制御を行い、充電電流または充電電圧を、充電指令信号Xrefに適合する値Xistに調整して電池積層体1に出力する。上記フィードバック制御の方法としては、P制御、PI制御またはPID制御のいずれであってもよい。

0040

なお、充電制御に、内部圧力値のほかに、内部圧力の変化速度のような他のパラメータを用いる場合には、例えば、図10に示すように、比較判定手段87と制御手段89との間に乗算器91を設け、この乗算器91に、予め用意しておいた内部圧力の変化率に応じた補正特性から算出した補正係数kを入力し、比較判定手段87からの充電指令信号Xrefにこの補正係数kを乗じて新たな充電指令信号とし、これを制御手段89に出力するようにしてもよい。また、制御手段89と電池積層体1との間に、遮断器を有する圧力スイッチ95を設けて、電池積層体1の内部圧力が所定の値に達したときに、遮断器を動作させて充電を停止するように構成してもよい。このような圧力スイッチ95を設けることで、制御の遅れに起因する好ましくない圧力上昇から電池を有効に保護することができる。なお、図9、10に示す充電制御システム80の制御手段89が有する制御器は、定電流制御器または定電圧制御器のいずれか単独であってもよく、充電指令信号Xrefは、制御手段89の制御器の種類に応じて、適宜電圧量または電流量として設定される。さらに、図10の充電制御システム80において、乗算器91に代えて減衰器を用いることができ、また、微分器93に代えて差分器を用いてもよい。

0041

充電制御システム80のより好ましい例としては、図11のブロック図に示すように構成することもできる。この充電制御システム80では、異なる特性曲線Y,Zをそれぞれ有する2つの比較判定手段87A、87Bが並列に設けられている。圧力測定装置5の測定値Pistに応じて、第1の比較判定手段87Aからは、充電電流量としての第1の充電指令信号yが、低位信号選択手段97に入力される。一方、第2の比較判定手段87Bからは、圧力測定装置5の測定値Pistに応じて、充電電圧値としての第2の充電指令信号zが出力されて定電圧制御器97に入力されるとともに、定電流制御器99から出力される定電流値wが低位選択手段101に入力される。低位選択手段101は、第1比較判定手段87A側の出力yと、第2比較判定手段87B側の出力wのうち、値の小さい方を選択して出力する。定電圧制御器97および定電流制御器99は、それぞれ二点鎖線で示すフィードバック信号fcv、fccを介してフィードバック制御を行っている。このように構成された充電制御システム80によれば、2つの独立した制御系を組み合わせることによって、例えば、定電流・定電圧充電の初期の定電流充電の間に、内部圧力が所定値を超えたときに、定電流および定電圧の各設定値を引き下げ、その後もさらに、定電流および定電圧の各設定値を内部圧力の上昇とともに段階的に引き下げていく制御が可能になる。

0042

なお、図11に示した充電制御システム80には、必要に応じて、図10に示した乗算器91および微分器93、並びに圧力スイッチ95を設けてもよい。また、上記図9〜11とともに説明した各充電制御システム80における、所定の特性曲線X〜Zは、必ずしも滑らかに変化する曲線状の特性に限られず、階段状または直線状であってよいが、いずれの場合も、圧力測定装置5の測定値Pistの増加に対して減少する特性を有する。

0043

上記で説明した、充電制御システムに係るいずれの実施形態においても、圧力測定装置5を電池モジュールBに設置されているものとして説明したが、圧力測定装置5は充電制御システム80の一部を構成する要素としても機能しており、充電制御システム80に設置することも可能である。また、この充電制御システム80は、電池モジュールBと別体の充電器に設けられていてもよく、電池モジュールB内に設けられていてもよい。

0044

なお、上記で説明した各実施形態に係る充電方法は、本発明に係る充電方法の具体例の一部を示したに過ぎず、圧力測定装置5から出力される電池積層体1の内部圧力の測定値を利用して電気的充電条件を制御する充電方法であれば、どのようなものであってもよい。換言すれば、圧力測定装置5が実測した電池積層体1の内部圧力値、または、この内部圧力値を利用して算出した他のパラメータ、例えば内部圧力の変化速度値を、予め用意した内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの所定値と比較して、この比較結果に基づいて充電電流値または充電電圧値を制御する方法であればよい。さらには、電池積層体1の温度を監視し、測定した電池温度に基づいて、制御の基準となる内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの適正値を選択・変更するようにしてもよい。本発明に係る他の具体的な実施形態として、例えば以下のような充電方法が挙げられる。
(1)定電流制御充電において、充電休止後の充電再開時の充電電流を順次低い値に設定するとともに、充電休止の内部圧力の上限値を順次低い値に設定する。
(2)定電流−定電圧制御充電において、充電休止後の充電再開時の充電電流を順次低い値に設定するとともに、充電休止の内部圧力の上限値を順次低い値に設定する。
(3)定電流制御充電において、内部圧力が所定値A1に達した時に定電流設定値を下げる。その後も内部圧力が上昇し続け、内部圧力が所定値A2(A1<A2)に達した場合に、定電流設定値をさらに下げる。
(4)定電流制御充電において、内部圧力が所定値A3に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値A4(A3>A4)まで下がった時に充電を再開する。
(5)定電流制御充電において、内部圧力が所定値A5に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値A6(A5>A6)まで下がった時に充電を再開し、内部圧力が所定値A7(A5>A7>A6)まで上昇した時に充電を停止する。
(6)定電流制御充電において、内部圧力が所定値A8に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値A9(A8>A9)まで下がった時に、定電流設定値を下げて充電を再開し、内部圧力が所定値A10(A8>A10>A9)まで上昇した時に充電を停止する。
(7)定電流−定電圧制御充電において、定電流充電の途中に内部圧力が所定値に達した場合に、上記(1)〜(4)のいずれかの方法で充電制御を行う。
(8)定電流−定電圧制御充電において、定電圧充電の途中に内部圧力が所定値A11に達した時に、充電を休止する。その後、内部圧力が所定値A12(A11>A12)まで下がった時に、定電圧設定値を下げて充電を再開する。
(9)定電流−定電圧制御充電において、定電圧充電の途中に内部圧力が所定値A13に達した時に、定電圧設定値を下げる。その後、いったん下がった内部圧力が所定値A14(A13>A14)まで上昇した時に、さらに定電圧設定値を下げる。
(10)フローティング充電において、上記(6)または(7)の方法で充電制御を行う。
(11)電池温度の変化によって電流値または内部圧力が変化した場合に、定電流設定値、定電圧設定値、またはフローティング充電の設定電圧値のいずれかを下げて、内部圧力の上昇を抑える。

0045

上記実施形態に係る電池モジュールBの充電方法によれば、以下の効果が得られる。

0046

本実施形態に係る電池積層体1においては、電池積層体1を構成する単位電池Cの内部連通部材3を介してが互いに連通しており、さらに、圧力測定装置5を備えているので、電池モジュールBの動作時にも電池積層体1の内部圧力を測定することができる。これにより、内部圧力の値に基づいて電池積層体1の充電を制御することが可能となるので、電池積層体1が過充電状態になることを防止して性能の向上を図ることができるとともに、内部圧力の上昇を抑制しながらフローティング充電が可能となり、ニッケル水素二次電池でありながら、UPSのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

0047

また、電池モジュールBの単位電池Cが角形形状を有しており、電池積層体1が、複数の単位電池Cを厚み方向に積層して構成されているので、電池積層体1の組み立て作業が容易になるとともに、連通部材3の取り付け構造を簡単なものとすることができる。

0048

電池積層体1において、隣接する単位電池C間に、単位電池Cの積層方向Xに直交して延びる通風孔41aを有する放熱板41を介在させて、通風孔41aを冷却媒体通路として利用している。このような構造とすることで、電池積層体1の温度を一定の範囲内に維持することが容易となり、内部圧力による充電制御が容易となる。すなわち、電池温度が変化すれば、電池の内部抵抗が変化するので、設定すべき適正な電流値、電圧値、内部圧力値の値も変化するが、単位電池C間に冷却媒体通路を設けることにより、このような変動要因を排除し、内部圧力に基づく充電制御により一層効果的に電池モジュールBのサイクル寿命特性を向上させることができる。

0049

また、本実施形態に係る充電方法では、圧力測定値5によって測定した電池積層体1の内部圧力測定値を、予め用意した内部圧力の所定値と比較して電気的充電条件を順次設定しているので、電池積層体1が過充電状態になることを防止して電池性能、特には充放電サイクル寿命特性の向上を図ることができる。具体的には、同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力が所定の値に達したときに停止するステップによって構成することにより、上記の効果を有する充電制御を容易に実行することができる。

0050

さらに、前記同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力が所定値に達したときに停止するステップを単位充電ステップSとして、時系列に並ぶ複数の充電ステップSを含み、各充電ステップSにおける内部圧力の所定値を、充電ステップS毎に設定することができるので、用途や使用環境に応じた、より適切な充電制御が可能になる。具体的には、例えば、第2実施形態のように、定電圧充電による一連の複数の単位充電ステップSであって、各ステップにおける定電圧設定値が順次低い値に設定されている複数の充電ステップSからなるフローティング充電を含むことができる。この場合には、ニッケル水素電池を内部圧力の上昇を伴わずにフローティング充電することが可能になり、UPSのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

0051

あるいは、第3実施形態のように、定電流充電による一連の充電ステップSを含み、各ステップSにおける定電流設定値が順次低い値に設定されている充電方法の場合には、内部圧力の上昇を抑制して電池性能の劣化を避けながら、定電流による急速充電を行うことが可能となる。

0052

さらには、これらの充電方法に、内部圧力の測定値から算出した内部圧力の変化速度による制御や、圧力スイッチによる充電停止制御を組み合わせることが可能であり、これにより、一層確実に過充電を防止し、電池の充放電サイクル寿命の向上や、安全性の確保を図ることができる。

0053

上記の充電方法においては、さらに、充電時の電池温度を監視して、この電池温度に基いて、前記内部圧力の所定値を変化させることが好ましい。電池の温度が異なれば、電池の内部抵抗が変化するので、これらのパラメータの適切な値も変化する。したがって、内部圧力に基づく充電制御に、温度による充電制御を組み合わせることにより、一層効果的に電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができる。

0054

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

図面の簡単な説明

0055

本発明の一実施形態に係る充電方法が適用される電池モジュールの概略構成を示す図である。
図1の電池積層体に使用される単位電池の断面図である。
図1の電池積層体に使用される放熱板を示す斜視図である。
本発明の第1実施形態に係る充電方法を示すグラフである。
本発明の第2実施形態に係る充電方法を示すグラフである。
本発明の第3実施形態に係る充電方法を示すグラフである。
本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。
図7のコンパレータの特性を示す図である。
本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。
本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。
本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。

符号の説明

0056

1電池積層体
3連通部材
5圧力測定装置
27 連通口
51連結チューブ(連結部材
52導出チューブ(連結部材)
80充電制御システム
87比較判定手段
89 制御手段
C単位電池
B電池モジュール
PM圧力測定通路
Sn 充電ステップ

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