JP2004362894A - 二次電池の充放電方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う充放電装置であって、放電を行う二次電池53と充電を行う二次電池51との対応する電極間を接続し二次電池53から二次電池51に対して電流を制御しながら電荷を移動させる回生充放電手段51及び53を有することを特徴とする。つまり、一旦、充電された二次電池53を充電されていない二次電池51に接続して充電エネルギーを次の電池の充電に用いることで、充電設備の一部を減少させることが可能となる。充電設備の一部を回生充放電手段51及び53に置き換えることができる。回生充放電手段51及び53は二次電池の放電を行う手段と構成において大差ないので、装置全体として大幅な簡略化が可能である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充放電方法及び装置に関し、詳しくは検査工程やコンディショニング工程等において複数の二次電池について充放電を行う場合に必要な充放電設備を削減することができる二次電池の充放電方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、これらの情報関連機器、通信機器の分野に用いる電源として、エネルギー密度の高い二次電池が実用化され広く普及している。一方で、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれており、この電気自動車用の電源としても二次電池が検討されている。
【0003】
自動車用の電源に用いられる二次電池は民生用の機器に用いる二次電池よりも高い電池特性が求められている。電池特性を検査するために二次電池は、完成後に充放電を行っている。また、充放電を行うことで材料の活性化(コンディショニング)を行うこともある。
【0004】
二次電池の代表的な充放電パターンとしては、図3に示すような充放電パターンが例示できる。充放電パターンはA及びB(所定電圧までの充電)、C(所定電圧での充電)、D(放電)の3工程に大きく分類できる。ここで、充放電パターンをA〜Dの4工程とすると、それぞれ同程度の時間(単位時間)となる。
【0005】
従来、複数の二次電池に充放電を行う場合には、充放電を行う装置を用意して個々の二次電池に対して充放電を行っていた。この場合に、単位時間ごとに1つの二次電池の充放電を完了するには、図6に示すように、充放電を行う充放電手段55が4つ必要である。それぞれの充放電手段55は独立して二次電池に充放電を行う。充放電手段55は、二次電池の印加する電圧や供給する電流を制御して充電を行う充電機能と放電時の電圧や電流を制御して電源に回生したり熱として放出する放電機能とを有する。図6に示す従来の二次電池の充放電装置では充放電手段55は、二次電池に充電を行っている場合には放電機能が休止しており、放電を行っている場合には充電機能が休止しているので、いつでも有する機能の半分しか利用していない。
【0006】
そこで充電機能と放電機能とを分離して二次電池に充放電を行うことを考えた。その場合、充電を行う時間(図3のA〜C)に比べて放電を行う時間(図3のD)は短いことから、複数の充電装置にて二次電池を充電しながら、1つの放電装置にて二次電池を放電するラインを用意して二次電池の充放電を行う。この場合に、単位時間ごとに1つの二次電池の充放電を完了するには、図7に示すように、充電を行う手段26が3つと放電を行う手段27が1つ必要である。3つの充電手段26にて順次、二次電池の充電を行った後、放電手段27にて二次電池の放電を行う。従って、図6に示した充放電装置では充電機能と放電機能とを重複して有していたのに対して、本充放電装置では充電機能又は放電機能のうちの一方に省略することができる。
【0007】
【特許文献1】特開平9−233710号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
二次電池を量産する場合には量産の規模に応じて充放電を行う装置を用意する必要があるが、設備投資はできるだけ抑制することが望まれる。充放電を行う装置を簡略化できれば充放電設備を削減できとともに、省スペース化を図ることもできるので、設備投資を全体として抑制できる。
【0009】
本発明では、検査工程やコンディショニング工程等において複数の二次電池について充放電を行う場合に必要な充放電設備を削減することができる二次電池の充放電方法及び装置を提供することを解決すべき課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決する本発明の二次電池の充放電方法は、複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う充放電方法であって、放電を行う二次電池と充電を行う二次電池との対応する電極間を接続し、該放電を行う二次電池から該充電を行う二次電池に対して電流を制御しながら電荷を移動させる回生充放電工程を有することを特徴とする(請求項1)。
【0011】
また、上記課題を解決する本発明の二次電池の充電装置は、複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う充放電装置であって、放電を行う二次電池と充電を行う二次電池との対応する電極間を接続し該放電を行う二次電池から該充電を行う二次電池に対して電流を制御しながら電荷を移動させる回生充放電手段を有することを特徴とする(請求項3)。
【0012】
つまり、一旦、充電された二次電池を充電されていない二次電池に接続して充電エネルギーを次の電池の充電に用いることで、充電設備の一部を減少させることが可能となる。
【0013】
従来の二次電池の充放電装置として、複数の蓄電池に対して充放電を行う装置が開示されている(特許文献1)。この特許文献1に記載の充放電装置は放電時のエネルギーが回生用整流回路により回収されている。しかしながら、特許文献1に記載の充放電装置でも同時に充放電を行いたい二次電池の数だけ充放電装置が必要となり充分に充放電設備を削減できているとはいえなかった。
【0014】
これに対して本発明の二次電池の充放電方法(装置)では充電設備の一部を回生充放電工程(手段)に置き換えることができる。回生充放電工程(手段)は二次電池の放電を行う工程(手段)と構成において大差ないので、装置全体として大幅な簡略化が可能である。
【0015】
従来の二次電池の放電工程(手段)としては、放電を行う二次電池から電流を制御しながら電荷を移動させている。この点で、本発明の回生充放電工程(手段)と同様である。従来の二次電池の放電工程(手段)は、電荷の移動先が電源への回生工程(手段)であったり、電荷を熱として消費する熱変換手段であったりする。
【0016】
これに対し、本発明の回生充放電手段では、電荷の移動先として充電を行う二次電池に直接回生させている。本発明では対象となる二次電池の規格は揃っているので単純に放電を行う二次電池と充電を行う二次電池との間を電流を制御する部材を介して接続するだけで電荷が移動(充電)できる。そのために充電を行う工程(装置)の一部が省略できる効果が発揮できる。
【0017】
そして、前記回生充放電工程(手段)は、前記放電を行う二次電池及び前記充電を行う二次電池の双方の端子電圧がほぼ等しくなるまで電荷を移動させる工程(手段)であることができる(請求項2、4)。
【0018】
更に、前記二次電池の充放電装置において、前記回生充放電手段は、最初の充電状態(SOC:State of charge)が0%以下である前記二次電池を充電する手段をもち、
該回生充放電手段により充電された該二次電池に対して、端子電圧が所定電圧になるまで印加する電流値を制御して充電を行う電流制御充電手段(CC充電手段)と、
該電流制御充電手段により充電された該二次電池に対して、該所定電圧にて充電状態が100%になるまで充電を行う電圧制御充電手段(CV充電手段)と、を有することができる(請求項5)。
【0019】
CC充電手段に比べて、CV充電手段の方が、出力を小さくすることができ、より単純・簡易な装置として実現できるので低コスト化に寄与できる。
【0020】
また、前記回生充放電手段は、前記放電を行う二次電池及び前記充電を行う二次電池の間に接続され、該放電を行う二次電池の端子電圧を所定電圧とする昇圧回路をもち、該放電を行う二次電池が有する電荷を該充電を行う二次電池にほぼ移動できる手段であって、
該回生充放電手段により充電された該二次電池に対して、該所定電圧にて充電状態が100%になるまで充電を行う電圧制御充電手段を有することができる(請求項6)。
【0021】
昇圧回路は簡便な回路であり、昇圧回路を加えることによるコスト増加は小さいにも関わらず、充電手段の一部を更に省略することができる。特に、前述したように、より複雑な手段であるCC充電手段を省略できるので効果的である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の二次電池の充放電方法及び装置について実施例に基づき説明する。二次電池の充放電は新たに製造された二次電池についてコンディショニングや充放電特性を検査するために行うものである。本発明の二次電池の充放電方法及び装置が適用できる二次電池としては特に限定しない。例えば、リチウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の通常の二次電池を含む。更に、広義の二次電池として、電気二重層キャパシタのようなキャパシタも含む。更に、二次電池は単一のセルのほか、組電池を対象にすることもできる。
【0023】
〔実施例1〕
(二次電池の充放電装置の構成)
本実施例の二次電池の充放電装置は、図1に示すように、回生充放電手段(回生充電手段11及び回生放電手段12)と、充電手段21と、図には示さないが充放電を行う二次電池を回生充電手段11、充電手段21そして回生放電手段12の順に移動する移動手段とを有する。なお、物理的に二次電池を移動させている移動手段に代えて各手段間にて電気的な接続を変更する手段を採用することもできる。
【0024】
本充放電装置は複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う装置である。本充放電装置は二次電池の製造ライン上に設けられ、製造された二次電池に対して1つずつ充放電を行う。つまり本装置は、1つ1つの個別の二次電池に対して、充電を行う二次電池(本装置により充放電を行う対象となる二次電池、例えば、製造されたばかりの電池や、充放電容量を測定するために充放電を行う二次電池)に対して充電を行うことと、放電を行う二次電池(充電を行う二次電池に対して本装置により充電を行うことにより、充電が完了した二次電池)に対して放電を行うこととを順次行う装置である。
【0025】
回生充電手段11及び充電手段21は組み合わさることで、製造されたばかりの二次電池50をSOCが100%になるまで充電する作用をもつ手段である。回生放電手段12はSOCが100%である二次電池53を放電する手段である。回生放電手段12は二次電池53が放電した電荷を回生充電手段11により二次電池51に回生(充電)する手段である。
【0026】
回生放電手段12及び回生充電手段11は、放電を行う二次電池53及び充電を行う二次電池51との対応する電極間を接続する部材をもつ。対応する電極間は抵抗素子、可変抵抗素子等の電流制御素子を介して接続する。なお、回生充放電手段11及び12は従来技術の放電手段27(図7)と大差ない機構で実現できる。つまり、二次電池の放電を行う手段には、二次電池から流れる電流の大きさを制御する機構と、二次電池から放電した電荷を処理(電源に回生したり、熱として放出する)する機構と、二次電池からの総放電量を制御する機構とをもつ。本回生充放電手段11及び12は、電流を制御する機構(電流制御手段)も放電した電荷を処理する機構(回生充電手段11)もともに備えている。更に二次電池からの総放電量は積極的には制御していないが、充電を行う二次電池の電極電圧が放電を行う二次電池の電極電圧と等しくなることで放電が停止することで間接的に制御している。この場合に、回生放電手段11に接続された放電を行う二次電池と、回生充電手段11に接続された充電を行う二次電池とは同じ種類の電池であるので、二次電池の容量の半分程度の電荷を移動することができる。つまり、本回生充放電手段11及び12は、従来の二次電池の充放電装置と同様に、二次電池に対する充放電を行うことができるにも関わらず、従来の放電手段27よりも簡単な機構(総放電量を制御のための特別な機構はない)で実現されている。
【0027】
なお、回生充放電手段11及び12や、充電手段21には二次電池への充放電容量を測定する手段を有することができる。つまり、コンディショニングを行う充放電と同時に二次電池の充放電容量を測定することができる。
【0028】
(二次電池の充放電装置の作用効果)
本充放電装置は、回生充放電手段11及び12により、放電を行う二次電池53から充電を行う二次電池51に対して電荷を移動する。本装置にて二次電池に充放電を行う場合に、装置を起動した直後の最初の二次電池50に対して、回生充電手段11にて充電を行うために充電済みの二次電池53が余分に必要である。最初に必要な充電済みの二次電池はあらかじめ何らかの方法で充電しておく。
【0029】
二次電池53及び二次電池51は対応する電極間を抵抗素子(電流制御素子)を介して接続されることで両二次電池51び53の端子電圧が同じになるまで電荷を移動させることができる。回生の最初では両二次電池51及び53の電極電圧の電位差が大きいので速やかな電荷の移動が進行するが、回生の最終段階では両者51及び53の電位差が小さくなって電荷の移動が遅くなる。従って、電流制御素子として可変抵抗素子を採用している場合には回生の進行に伴い抵抗素子の抵抗値を小さくすることが好ましい。
【0030】
また、電流制御素子は二次電池の充放電能力(充電時及び放電時の電流密度)を超えないように電荷の移動速度(電流値)を決定する。つまり、高い充放電能力を有する二次電池に本二次電池の充放電装置を適用する場合には明示的な抵抗素子等の電流制御素子を有しなくても良い場合も考えられる。
【0031】
回生充放電手段11及び12による充電が終わった二次電池52は充電手段21に移動する。充電手段21により充電を行う時間(図3のグラフのBC)は、回生充電手段11により充電を行う時間(図3のグラフのA)のほぼ倍の時間を要するので、充電手段21の数は回生充電手段11の倍にしてある。回生充電手段11により次の二次電池51への充電が終了して二次電池52が移動してきた場合にはもう1つの充電手段21により充電が継続される。その次の二次電池52が移動してきた場合には最初(2つ前)の二次電池52への充電操作が終了しているので空いた充電手段21に移動することができる。従って、すべての手段は常に無駄なく作動している。充電手段21では二次電池の想定された最高電圧である所定電圧までCC充電(「電流制御充電」又はその限定された一態様である「定電流充電」のいずれかを意味する)を行う工程(図3のB)とCV充電(「電圧制御充電」又はその限定された一態様である「定電圧充電」のいずれかを意味する)を行う工程(図3のC)との2種類の充電を二次電池52に対して行う。充電手段21により充電が行われた二次電池53は回生放電手段12に移動する。
【0032】
回生放電手段12により放電を行った二次電池54はその後の作業工程を行う装置等に移動する。その後の作業工程としては、放電を継続してSOCが0%まで放電したり、充放電を更に繰り返したり、充放電を終了した二次電池を複数個組み合わせて組電池を形成したりすることである。更に、本装置が充放電容量を測定する手段を有する場合には上述した二次電池への充放電に伴い、その二次電池の充放電容量を測定する。
【0033】
すなわち、本装置によれば従来の二次電池の充放電装置(図7)に比べて、充電手段26を1つ省略できるとともに、放電手段27についてもより簡便な装置である回生充放電手段11及び12によって置換することができる。従って、従来技術の充放電装置よりも簡便且つ簡単な装置にて同様の作用効果を発揮することが可能となり、充放電設備を削減することができる。
【0034】
〔実施例2〕
(二次電池の充放電装置の構成)
本実施例の二次電池の充放電装置は、図2に示すように、実施例1で説明した二次電池の充放電装置の2つの充電手段21をCC充電手段22及びCV充電手段23にて置換したものである。CC充電手段22は、所定の電流にて二次電池52bの電極電圧が前述の所定電圧に至るまで二次電池52bに対して充電を行う手段である。CV充電手段23は所定電圧にて二次電池52cに対して充電を行う手段である。二次電池に充電を行う手段は二次電池に供給する電流の大きさ(出力)に応じて大きくなる。従って、CV充電手段23の方が、CC充電手段22よりも出力を小さくすることができるので小さい簡便な手段を採用できる。
【0035】
(二次電池の充放電装置の作用効果)
本充放電装置は、回生充放電手段11及び12により、放電を行う二次電池53から充電を行う二次電池51に対して電荷を移動する。回生充放電手段11及び12の作用については実施例1で説明したものと同じである。
【0036】
回生充放電手段11及び12による充電が終わった二次電池52はCC充電手段22に移動する。同様にCC充電手段22にて所定電圧まで充電を行った二次電池52cはCV充電手段23に移動して充電を継続する。CC充電手段22により充電を行う時間(図3のグラフのB)及びCV充電手段23により充電を行う時間(図3のグラフのC)は、回生充電手段11により充電を行う時間(図3のグラフのA)とそれぞれ同じ時間である。回生放電手段12にて放電を行う時間(図3のグラフのD)は当然に回生充電手段11にて充電を行う時間と同じである。従って、充放電を行う二次電池50は順次、回生充電手段11、CC充電手段22、CV充電手段23、そして回生放電手段12と移動することで充放電の1サイクルが完了する。
【0037】
すなわち、本装置によれば実施例1の充放電装置の有する作用効果をすべて有するとともに、充電手段の1つをより簡易な手段であるCV充電機能のみを持つCV充電手段23にて置換できる。従って、実施例1の充放電装置よりも簡便な装置にて同様の作用効果を発揮することが可能となり、充放電設備を削減することができる。
【0038】
〔実施例3〕
本実施例の二次電池の充放電装置が二次電池に充放電を行う充放電パターンを図4に示す。充放電パターンはA〜Cの3工程に大きく分類できる。Aは所定電圧まで充電を行う工程、Bは所定電圧にてCV充電を行う工程、そしてCは放電を行う工程である。A及びCの2工程を行う時間はそれぞれ同程度であり、Bの工程の時間(単位時間)の2倍程度である。
【0039】
(二次電池の充放電装置の構成)
本実施例の二次電池の充放電装置は、図5に示すように、2組の回生充放電手段(回生充電手段11b及び回生放電手段12b)と、CV充電手段24と、図には示さないが充放電を行う二次電池を回生充電手段11b、充電手段24そして回生放電手段12bの順に移動する移動手段とを有する。本充放電装置は複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う装置である。本充放電装置は二次電池の製造ライン上に設けられ、製造された二次電池に対して1つずつ充放電を行う。本充放電装置は二次電池に充放電を行う2つのラインに付き1組の装置が配設される。回生充電手段11b及び充電手段24は組み合わさることで、製造されたばかりの二次電池50をSOCが100%になるまで充電する作用をもつ手段である。回生放電手段12bはSOCが100%である二次電池53bを放電するとともに、回生充電手段11bに電荷を移動する手段である。
【0040】
回生放電手段12b及び回生充電手段11bは、放電を行う二次電池53b及び充電を行う二次電池51bとの対応する電極間を接続する部材をもつ。対応する電極間は抵抗素子、可変抵抗素子等の電流制御素子と昇圧回路とを介して接続する。なお、回生充放電手段11b及び12bは実施例1と昇圧回路をもつこと以外はほぼ同一の手段である。昇圧回路は回生放電手段12bに接続された二次電池53bの電極電圧を回生充電手段11bに接続された二次電池51bの電極電圧よりも高い電圧にまで昇圧する。昇圧回路は直流チョッパやスイッチングレギュレータ等の公知の回路が採用できる。
【0041】
(二次電池の充放電装置の作用効果)
本充放電装置は、回生充放電手段11b及び12bにより、放電を行う二次電池53bから充電を行う二次電池51bに対して電荷を移動する。二次電池53b及び二次電池51bは対応する電極間を昇圧回路及び抵抗素子(電流制御素子)を介して接続されることで、二次電池53bの電極電圧を想定される下限値にまで、そして二次電池51bの端子電圧を所定電圧になるまで電荷を移動させることができる。回生が進行するに従い二次電池51bの電極電圧も上昇するので二次電池53bの電極電圧もそれに合わせて昇圧回路にて上昇させる。昇圧する程度としては、二次電池の充放電能力を超えないように電荷の移動速度(電流値)が進行するように決定する。従って、昇圧回路を精密に制御できれば電流制御素子はなくても良い場合がある。
【0042】
回生充放電手段11及び12による充電が終わった二次電池52cはCV充電を行う充電手段24に移動する。充電手段24により充電を行う時間(図4のグラフのB)は、回生充電手段11bにより充電を行う時間(図4のグラフのA)のほぼ半分の時間で行えるので、充電手段24の数は回生充電手段11bの半分である。別の回生充電手段11bにより次の二次電池51bへの充電が終了して二次電池52が移動してきた場合には直前の二次電池52cについて充電が終了しているように、図5に示す2つの充放電ラインは図面上方のラインと図面下方のラインとでBに相当する時間だけずらしてある。充電手段24にて充電した二次電池53bは、2つのライン上の回生放電手段12bに交互に移動させる。
【0043】
回生放電手段12bにより放電を行った後の二次電池54はその後の作業工程を行う装置等に移動する。
【0044】
すなわち、本装置によれば実施例1及び2の二次電池の充放電装置に比べて、充電手段を1つ省略できる。従って、実施例1及び2の充放電装置よりも簡単な装置にて同様の作用効果を発揮することが可能となり、充放電設備を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における二次電池の充放電装置の概略図である。
【図2】実施例2における二次電池の充放電装置の概略図である。
【図3】実施例1及び2、従来技術における二次電池の充放電装置の充放電パターンを示した図である。
【図4】実施例3における二次電池の充放電装置の充放電パターンを示した図である。
【図5】実施例3における二次電池の充放電装置の概略図である。
【図6】従来技術における二次電池の充放電装置の概略図である。
【図7】従来技術における二次電池の充放電装置の概略図である。
【符号の説明】
11、11b…回生充電手段(回生充放電手段) 12、12b…回生放電手段(回生充放電手段)
21、22、23、24、26…充電手段 25…充放電手段 27…放電手段
50、51、51b、52、52b、53、53b、54…二次電池
Claims (6)
- 複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う充放電方法であって、
放電を行う二次電池と充電を行う二次電池との対応する電極間を接続し、該放電を行う二次電池から該充電を行う二次電池に対して電流を制御しながら電荷を移動させる回生充放電工程を有することを特徴とする二次電池の充放電方法。 - 前記回生充放電工程は、前記放電を行う二次電池及び前記充電を行う二次電池の双方の端子電圧がほぼ等しくなるまで電荷を移動させる工程である請求項1に記載の二次電池の充放電方法。
- 複数の二次電池に対して、充電及び放電を個別に順次行う充放電装置であって、
放電を行う二次電池と充電を行う二次電池との対応する電極間を接続し該放電を行う二次電池から該充電を行う二次電池に対して電流を制御しながら電荷を移動させる回生充放電手段を有することを特徴とする二次電池の充放電装置。 - 前記回生充放電手段は、前記放電を行う二次電池及び前記充電を行う二次電池の双方の端子電圧がほぼ等しくなるまで電荷を移動させる手段である請求項3に記載の二次電池の充放電装置。
- 前記回生充放電手段は、最初の充電状態が0%以下である前記二次電池を充電する手段をもち、
該回生充放電手段により充電された該二次電池に対して、端子電圧が所定電圧になるまで印加する電流値を制御して充電を行う電流制御充電手段と、
該電流制御充電手段により充電された該二次電池に対して、該所定電圧にて充電状態が100%になるまで充電を行う電圧制御充電手段と、を有する請求項4に記載の二次電池の充放電装置。 - 前記回生充放電手段は、前記放電を行う二次電池及び前記充電を行う二次電池の間に接続され、該放電を行う二次電池の端子電圧を所定電圧とする昇圧回路をもち、該放電を行う二次電池が有する電荷を該充電を行う二次電池にほぼ移動できる手段であって、
該回生充放電手段により充電された該二次電池に対して、該所定電圧にて充電状態が100%になるまで充電を行う電圧制御充電手段を有する請求項3に記載の二次電池の充放電装置。
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JPH09153376A (ja) * | 1995-09-29 | 1997-06-10 | Ricoh Co Ltd | 電池充電処理装置及び電池充電処理システム |
JPH09247867A (ja) * | 1996-03-11 | 1997-09-19 | Canon Inc | 充放電装置 |
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