JP2007049828A - 電池急速充電方法、電池急速充電装置及び電池急速充電システム - Google Patents

Abstract

【目的】 被充電電池を安価に急速充電することができ、しかもその急速充電を環境条件の影響を受けずに安定して行える電池急速充電方法、電池急速充電装置及びその電池急速充電システムを提供することを目的とする。
【構成】 商用電源１からの受電電力に基づき、被充電電池７（例えば、リチウム電池）に充電ライン９を通じて充電電流を供給して急速充電するに際し、受電電力を継続的に蓄電池３に蓄電し、また被充電電池７の電池状態を測定し、その測定された電池状態に応じて、蓄電池３の蓄電電力に基づいて充電電流の供給制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話、パソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ、電動アシスト付き自転車、電動バイク、ハイブリッドカー、電気自動車、軌道車輌、ＣＤプレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、ポータブルテレビ、電動工具など種々の機器の電源として用いられる二次電池の電池急速充電方法、電池急速充電装置及び電池急速充電システムに関する。

近年、携帯電話やパソコン等の各種電子機器の小型化、軽量化に伴い、それらの電源として二次電池の高エネルギー密度化の要求が高まっている。特に、再充電可能な電源として、放電特性などに優れたリチウムイオン二次電池などが多く用いられている（特許文献１）。
一方、地球環境やエネルギー問題の視点から、ハイブリッドカーなどの電気駆動車輌等の開発が急速に進んでいる。これらの電動車輌には、大電力バッテリーを搭載するが、一般的な大電力バッテリーである鉛電池、ニッケル・水素電池に比べて、リチウムイオン二次電池が重量又は体積当りのエネルギー密度が高く、電動車輌等への応用開発が進んでいる。リチウムイオン二次電池は、大電力バッテリーとして使用する場合には、多数個の単体電池（以下、素電池）を直並列に接続した組電池として構成される。

上記電子機器の使用において、また電動車輌の実用化においても、利用者の身近な場所で、二次電池を簡単、かつ短時間に充電できるようにする必要がある。特に、電動車輌等の普及に伴い、電気エネルギーの充電ステーションが各地域に設置されることが望まれている（特許文献２）。

ところで、上記の組電池の急速充電には、商用電源より充電電流を各素電池に供給制御して行う充電方法が用いられる。しかしながら、この充電方法には以下に示すように、ピーク電力を発生させるといった問題があった。
特開２００２−２６０６７３号公報 特開２００４−７９３１６号公報

図１２は、従来の充電方法による、一日の急速充電の電力消費例を示す。充電作業は被充電機器の所有ユーザの事情等によって発生するため、充電による消費電力１０３、１０４が断続的に現れる。例えばリチウムイオン二次電池の場合、各消費電力には、予備充電期間１０１と急速充電期間１０２が含まれる。１時間で充電又は放電が完了する負荷を１Ｃとした場合、１０分〜３０分の急速充電を行うには３Ｃ〜６Ｃによる充電電流を供給することになる。このため、急速充電を幾度も繰り返すと、平均電力１０５を大幅に超えピーク電力を生じてしまう。殊に、昼夜の充電営業を行う場合には、１日の間に複数のピーク電力を生じることになる。したがって、充電ステーションシステムを構築するにあたっては、商用電源の電力会社と、比較的高額のピーク電力の受電契約を締結しておく必要を生じるので、充電使用料が高価になるといった問題を生じた。

更に、上記充電システムを利用する状況は、被充電機器の動作環境や、利用地域の環境条件などにより種々異なってくる。したがって、例えば寒冷地と温暖地のような気温差が急速充電処理に影響を与えるため、地域差によっては充電時間に差を生じるという問題を生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、被充電電池を安価に急速充電することができ、しかもその急速充電を環境条件の影響を受けずに安定して行える電池急速充電方法、電池急速充電装置及びその電池急速充電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、本発明の第１の形態は、商用電源からの受電電力に基づき、被充電電池に充電電流を供給して前記被充電電池を急速充電する電池急速充電方法において、前記受電電力を継続的に蓄電し、前記被充電電池の電池状態を測定し、その測定された電池状態に応じて、前記蓄電手段の蓄電電力に基づいて前記充電電流の供給制御を行う電池急速充電方法である。

本発明の第２の形態は、商用電源からの受電電力に基づき、被充電電池に充電電流を供給する充電電流供給手段と、前記充電電流の供給により前記被充電電池を急速充電制御する充電制御手段とを備えた電池急速充電装置において、前記受電電力を継続的に蓄電する蓄電手段と、前記被充電電池の電池状態を測定する電池状態測定手段とを有し、前記充電制御手段は、前記電池状態測定手段により測定された電池状態に応じて、前記蓄電手段の蓄電電力に基づき前記充電電流の供給制御を行う電池急速充電装置である。

本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、充電電流値を検出する充電電流値検出手段を有し、前記被充電電池が満充電状態又はその未満近傍の充電状態を示す充電電流値を前記充電電流検出手段により検出したとき、前記充電電流供給手段による充電電流の供給を停止する電池急速充電装置である。

本発明の第４の形態は、前記第３の形態において、前記充電制御手段は、充電開始により前記被充電電池の充電電圧が回復したことを前記電池状態測定手段によって測定した後、前記充電電流値検出手段により検出された充電電流値が所定の下限値に達したとき、この時点から前記充電電流の供給停止を行うまでの時間を設定する時間設定手段を含む電池急速充電装置である。

本発明の第５の形態は、前記第３又は第４の形態において、前記充電制御手段は、前記被充電電池の環境温度を前記電池状態測定手段によって測定し、その測定温度が所定の温度に達したことを条件に、前記充電電流値を低下させる電流値可変制御手段を含む電池急速充電装置である。

本発明の第６の形態は、前記第３、第４又は第５の形態のいずれかにおいて、前記被充電電池が複数の素電池からなる直並列された組電池であり、前記充電制御手段は、前記直列素電池の各々の両端子間の充電電圧を均一化させる定電圧制御手段を含み、前記充電制御手段は、前記直列素電池が満充電近傍となったとき、前記定電圧制御手段による前記直列素電池の各々の充電電圧を均一化する電池急速充電装置である。

本発明の第７の形態は、前記第６の形態において、前記充電制御手段は、前記素電池の充電電圧が、前記満充電状態に対応する第１の充電電圧値と、それより低い第２の充電電圧値のいずれかに達したことを検出する充電電圧検出手段と、急速充電又はそれより充電所要時間の長い通常充電の種別を指定する充電種別指定手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第１の充電電圧値に達したことを検出したことを条件に、充電電流の供給を遮断し、あるいは前記充電種別指定手段により通常充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第２の充電電圧値に達したことを条件に、充電電流の供給を遮断し、前記直列素電池の各々の充電電圧を均一化する電池急速充電装置である。

本発明の第８の形態は、前記第６又は第７の形態のいずれかにおいて、前記充電制御手段は、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えているか否かを検出する予備電圧検出手段と、前記素電池が前記予備充電電圧未満の状態であることを前記予備電位検出手段により検出したとき、前記予備充電電圧を超えるまで前記素電池に充電電流を供給する予備充電手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えていることを条件に急速充電制御を行う電池急速充電装置である。

本発明の第９の形態は、前記の第２〜第８の形態のいずれかにおいて、前記被充電電池がリチウムイオン二次電池からなる電池急速充電装置である。

本発明の第１０の形態は、前記第９の形態において、前記リチウム電池の正極が、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムの少なくとも１つ以上からなる電池急速充電装置である。

本発明の第１１の形態は、前記第１０の形態において、前記マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムが噴霧熱分解法又は有機合成法で生成される電池急速充電装置である。

本発明の第１２の形態は、前記第２〜第１１の形態のいずれかにかかる電池急速充電装置を地域に配置された充電施設に装備し、前記電池急速充電装置の充電開始を指示する充電開始指示手段と、前記電池急速充電装置による充電停止により充電終了を報知する充電終了報知手段とを前記充電施設に設け、前記充電施設に持ち込まれた被充電電池又は被充電電池を搭載した装置を急速充電する電池急速充電システムである。

本発明の第１３の形態は、前記第１２の形態において、前記電池急速充電装置による、前記充電開始から前記充電終了までに消費した消費電力量を報知する消費電力量報知手段と、前記電池急速充電装置の使用料金を、前記消費電力量に基づき計算し、その計算値を出力する使用料金出力手段とを有する電池急速充電システムである。

本発明の第１４の形態は、前記第１２又は第１３の形態において、前記電池急速充電装置を管理する端末管理装置を充電施設ごとに設け、各充電施設の端末管理装置とネットワーク通信可能に接続された主管理装置を管理センタに設け、前記主管理装置及び前記端末管理装置をコンピュータネットワーク構成して、前記主管理装置により各充電施設における前記電池急速充電装置の使用状況を管理する電池急速充電システムである。

本発明の第１の形態によれば、前記受電電力を継続的に蓄電した蓄電電力に基づいて前記充電電流の供給制御を行うので、平均電力を超えてピーク電力を生じないように、常時蓄えた電力を用いて急速充電を行うことができる。したがって、本形態に係る電池急速充電方法においては、商用電源の電力会社と、比較的高額のピーク電力の受電契約を締結しておく必要が無く、充電料金の低価格化を図ることができる。しかも、前記被充電電池の電池状態を測定し、その測定された電池状態に応じて急速充電を行うので、被充電機器の動作環境や、利用地域の環境条件などの影響を受けることなく急速充電処理を安定して行うことができる。

本発明の第２の形態に係る電池急速充電装置によれば、前記受電電力を継続的に蓄電する蓄電手段と、前記被充電電池の電池状態を測定する電池状態測定手段とを有し、前記充電制御手段は、前記電池状態測定手段により測定された電池状態に応じて、前記蓄電手段の蓄電電力に基づき前記充電電流の供給制御を行うので、電力会社とのピーク電力受電契約の必要が無く、通常の商用電力を用いるだけで充電料金の低価格化を実現でき、しかも、被充電機器の動作環境や、利用地域の環境条件などの影響を受けることなく急速充電処理を安定して行うことができる。

本発明の第３の形態によれば、前記第２の形態において、充電電流値を検出する充電電流値検出手段を有し、前記被充電電池が満充電状態又はその未満近傍の充電状態を示す充電電流値を前記充電電流検出手段により検出したとき、前記充電電流供給手段による充電電流の供給を停止するので、前記被充電電池が満充電状態、つまり電池内でのイオン移動の自由度がなくなる充電飽和状態（完全充電）、又はその充電飽和状態直前の充電状態を示す充電電流値を監視して、完全充電にならないように充電することができる。例えば、リチウムイオン二次電池の場合、電池構成部材に可燃性材が含まれており、完全充電ないし過充電状態になると、高温過熱により発火するおそれがあるが、被充電電池の両端子間の電圧を監視して充電制御する場合には、完全充電近くになるときの微妙な電圧変化を高精度に監視することが困難である。一方、リチウムイオン二次電池などの場合、充電飽和状態に近づくと充電電流値が急速に減少する急速充電特性を有する。本形態においては、この急速充電特性に着目し、充電飽和状態又はその付近の状態を充電電流の監視によって高精度に検出して、完全充電にならないように充電を終了させることができる。

本発明の第４の形態によれば、前記第３の形態において、前記充電制御手段は、充電開始により前記被充電電池の充電電圧が回復したことを前記電池状態測定手段によって測定した後、前記充電電流値検出手段により検出された充電電流値が所定の下限値に達したとき、この時点から前記充電電流の供給停止を行うまでの時間を設定する時間設定手段を含むので、前記時間設定手段による時間設定によって、種々の急速充電特性を有する被充電電池に対応して、最適な充電制御を行うことができる。

本発明の第５の形態によれば、前記第３又は第４の形態において、前記充電制御手段は、前記被充電電池の環境温度を前記電池状態測定手段によって測定し、その測定温度が所定の温度に達したことを条件に、前記充電電流値を低下させる電流値可変制御手段を含むので、前記被充電電池が過熱状態に近い所定温度になったとき充電電流の供給を抑制でき、前記被充電電池を安全、かつ確実に急速充電することができる。

本発明の第６の形態によれば、前記第３、第４又は第５の形態において、前記被充電電池が複数の素電池からなる直並列された組電池であり、前記充電制御手段は、前記直列素電池の各々の直列素電池における両端子間の充電電圧を均一化させる定電圧制御手段を含み、前記充電制御手段は、前記直列素電池が満充電近傍となったとき、前記直列素電池の各々の充電電圧を均一化するので、前記直列素電池の充電終期に直列段間の均一性を良くし、素電池端子間電圧を確実に制御して、前記第３、第４又は第５の形態における充電電流監視とともに、完全充電ないし過充電になることを確実に防止することができる。

本発明の第７の形態によれば、前記第６の形態において、前記充電制御手段は、前記直列素電池の各々の充電電圧が、前記満充電状態に対応する第１の充電電圧値と、それより低い第２の充電電圧値のいずれかに達したことを検出する充電電圧検出手段と、急速充電又はそれより充電所要時間の長い通常充電の種別を指定する充電種別指定手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第１の充電電圧値に達したことを検出したことを条件に、充電電流を遮断し、あるいは前記充電種別指定手段により通常充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第２の充電電圧値に達したことを条件に、充電電流を遮断し、前記急速充電と前記通常充電の２種類の充電態様に応じた充電終期を適切に切換制御することができる。

本発明の第８の形態によれば、前記第６又は第７の形態において、前記充電制御手段は、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えているか否かを検出する予備電圧検出手段と、前記素電池が前記予備充電電圧未満の状態であることを前記予備電位検出手段により検出したとき、前記予備充電電圧を超えるまで前記素電池に充電電流を供給する予備充電手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えていることを条件に急速充電制御を行うので、例えば、リチウムイオン二次電池などの前記素電池に３Ｃ以上の急速充電を行うとき、前記素電池を少なくとも２．７Ｖ程度の急速充電可能状態に予備充電してから急速充電に移行して、確実、かつ安定的に急速充電を行うことができる。

本発明の第９の形態によれば、前記第２〜第８のいずれかの形態において、前記被充電電池がリチウムイオン二次電池からなるので、鉛電池やニッケル水素電池に比べて、エネルギー密度（単位質量又は単位体積当りの取り出し得るエネルギー）や、出力密度（単位質量又は単位体積当りの取り出し得る出力）の面で優れ、特に高電力バッテリーを必要とする電動車輌に適したリチウム電池の急速充電を円滑に行うことができる。

本発明の第１０の形態によれば、正極がマンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムの少なくとも１つ以上からなるリチウムイオン二次電池に急速充電処理を行うことにより、短時間で大電力を蓄えることができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記第１０の形態において、前記マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムが噴霧熱分解法又は有機合成法で生成されるから、短時間で大容量の充電を行うことができると共に、急速充電に耐え、繰り返し充電にリチウム二次電池を得ることができ、耐久性のある電池充電システムを構築することができる。前記噴霧熱分解法では、原料物質の溶液を超音波等によりミスト化し、このミスト粒子を加熱して溶媒を蒸発させて焼成することにより、均一なマンガン酸リチウム粉体、コバルト酸リチウム粉体、ニッケル酸リチウム粉体を生成することができ、高効率に短時間で大容量の充電を行うリチウム二次電池を提供することができる。また、有機合成法では、有機液体を混合して加熱することにより溶媒を蒸発させ、焼成することにより、マンガン酸リチウム粉体、コバルト酸リチウム粉体、ニッケル酸リチウム粉体を簡易に、且つ大量に生成することができ、本発明に係るリチウム二次電池を量産することができる。

本発明の第１２の形態にかかる電池急速充電システムによれば、前記第２〜第１１のいずれかの形態の電池急速充電装置を地域に配置された充電施設に装備し、前記電池急速充電装置の充電開始を指示する充電開始指示手段と、前記電池急速充電装置による充電停止により充電終了を報知する充電終了報知手段とを前記充電施設に設け、前記充電施設に持ち込まれた被充電電池又は被充電電池を搭載した装置を急速充電するので、前記電池急速充電装置が配置された前記充電施設を利用して、リチウムイオン二次電池などの充電電池を搭載した車輌や電子機器を急速充電する充電サービスを、本発明の電池急速充電装置における低価格性の利点を生かして廉価に行うことができる。

本発明の第１３の形態によれば、前記第１２の形態において、消費電力量を報知し、その消費電力量に基づき計算した使用料金を出力するので、利用者への円滑な充電サービスの実施が可能になる。

本発明の第１４の形態によれば、前記の第１２又は第１３の形態において、前記電池急速充電装置を管理する端末管理装置を充電施設ごとに設け、各充電施設の端末管理装置とネットワーク通信可能に接続された主管理装置を管理センタに設け、前記主管理装置及び前記端末管理装置をコンピュータネットワーク構成して、前記主管理装置により各充電施設における前記電池急速充電装置の使用状況を管理するので、広範囲に配備した充電施設における使用状況を遠隔的に統合管理して運用コストの低減、利用者へのサービスを拡充することができる。

以下、本発明に係る電池急速充電装置の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る電池急速充電装置の概略構成を示すブロック図である。この電池急速充電装置における急速充電は、商用電源１からの受電電力に基づき、被充電電池７（例えば、リチウムイオン二次電池）に充電ライン９を通じて充電電流を供給して急速充電するに際し、受電電力を継続的に蓄電池３に蓄電し、また被充電電池７の電池状態を測定し、その測定された電池状態に応じて、蓄電池３の蓄電電力に基づいて充電電流の供給制御を行い、本発明の急速充電方法に基づいて行われる。蓄電池３はスーパーキャパシタ、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池などからなる大容量蓄電池である。蓄電池３は商用電源１からの受電電力（平均電力）が電源部２を介して、２４時間、継続的に蓄電される。電源ソースとして太陽電池や風力電池を用いて蓄電池３に蓄電すれば電力コストをより低減することができる。

蓄電池３の蓄電電力は充電電流供給部４に与えられる。充電電流供給部４は電池接続端子８に両端子が接続された被充電電池７に充電ライン９を通じて充電電流を供給する。このとき、充電電流は、電池状態検出部５の電池状態検出情報に基づいて、充電制御部６の制御下において供給制御される。被充電電池７には充放電性に優れたリチウムイオン二次電池が使用される。被充電電池７は複数の素電池（以下セルという）からなる組電池であり、例えば２７個の直列セルを４列並列接続したバッテリーモジュールである。特に、リチウムイオン二次電池の正極をマンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムで構成すれば、急速充電に耐え、繰り返し充電に好適なリチウムイオン二次電池を提供することができる。なお、本発明にはリチウムイオン二次電池以外の電池を使用することができる。

図２は充電制御部６及び電池状態検出部５の概略構成を示すブロック図である。充電制御部６はマイクロプロセッサからなる主制御回路部１０で構成されている。電池状態検出部５は、２７個の直列セルと４列並列接続したバッテリーモジュール（被充電電池７）の各列ごとに設けた副制御回路部１３からなる。各列のセル１５の両端電圧が副制御回路部１３に与えられている。バッテリーモジュールの各列の間にはセル温度情報を得るためのサーミスタ１４が設けられている。サーミスタ１４によるセル温度出力は主制御回路部１０に与えられる。充電電流供給部４は蓄電池３の蓄電電力に基づき定電圧・定電流化した充電電流を充電ライン９を通じて各セルに供給する定電圧・定電流化充電電流供給部１１と、定電圧・定電流化充電電流供給部１１をインバータ制御するインバータ制御部１２とからなる。主制御回路部１０は定電圧・定電流化充電電流供給部１１の充電電流供給制御、インバータ制御部１２のインバータ駆動制御、及び副制御回路部１３の動作制御を行う。

図３は主制御回路部１０の概略構成を示すブロック図である。主制御回路部１０はマイクロプロセッサ構成にあり、ＣＰＵ１６、充電制御プログラムを格納したＲＯＭ１７及び制御用メモリのＲＡＭ１８からなる。主制御回路部１０は、定電圧・定電流化充電電流供給部１１に対する電源供給指示信号ｓ１、定電圧設定信号ｓ２、定電流設定信号ｓ３を出力し、定電圧・定電流化充電電流供給部１１からは充電電流のモニタ信号ｓ４を受信する。また、主制御回路部１０は、インバータ制御部１２に対して充電開始信号ｓ５及び充電停止信号ｓ６を出力する。なお、インバータ制御部１２は外部の設定操作部４１からの設定信号を受けて可変調整自在にしてもよい。

図４は副制御回路部１３の回路図を示す。レギュレータ１９は１つのセル１５の両端電圧を安定化するための定電圧制御回路である。レギュレータ１９は端子間に並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ２３とエラーアンプ２５からなるシャントレギュレータである。ＭＯＳＦＥＴ２３のドレイン側には電流制御用抵抗２４が接続されている。エラーアンプ２５の出力はトランジスタ９８とトランジスタ９９を通してＭＯＳＦＥＴ２３のゲートに接続されている。エラーアンプ２５のリファレンス端子は抵抗３７とフォトトランジスタ２６との並列回路に接続されている。フォトトランジスタ２６は主制御回路部１０からの信号ａによりオン・オフされる。充電時にはフォトトランジスタ２６はオフ状態となり、レギュレータ１９は抵抗２４及びＭＯＳＦＥＴ２３を通じてセル１５に流れる電流をバイパスする閉回路を形成し、セル１５に対する定電圧制御が行われる。非充電時には、フォトトランジスタ２６はオン状態となり、レギュレータ１９は抵抗２４及びＭＯＳＦＥＴ２３を通じてセル１５に流れる電流をバイパスしない。充電完了時にフォトトランジスタ２６がオフからオンに信号ａにより切換えられ、電池の自己放電を抑制する。

レギュレータ１９と並列に予備充電検知回路２０が接続されている。予備充電検知回路２０は、発光素子２８、フォトトランジスタ２９及びｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ３０の直列接続と、ＭＯＳＦＥＴ３０のゲートにオン・オフ出力する電圧検出素子２７とからなる。フォトトランジスタ２９は被充電電池７が電池接続端子８に接続されたことを検知したとき主制御回路部１０からの信号ｃによりオン状態になる。リチウム電池に含有される有機電解液は−２０〜−１０℃では流動性が低下し、リチウムイオンＬｉ^＋が移動しなくなる性質がある。したがって、リチウム電池を急速充電するときには、セル１５の端子間電圧が約２．７Ｖ以上まで高めて内部温度を高めておく必要があるので、電圧検出素子２７でセル電圧を監視する。主制御回路１０は、急速充電可能なセル電圧かを検出するため、フォトトランジスタ２９をＯＮする２．７Ｖより高い電圧のときは、電圧検出素子２７がＯＮになりＭＯＳＦＥＴ３０をオンする。これにより発光素子２８が点灯し、そのオン出力ｂは急速充電可能名検出信号として主制御回路１０に送られる。主制御回路部１０は、充電動作をしないとき、フォトトランジスタ２９をＯＦＦにして、電池の消耗を抑止する。

更に、急速充電監視回路２１と通常充電監視回路２２が並列接続されている。急速充電監視回路２１はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ３２のゲートをオン・オフする電圧検出素子３１からなる。通常充電監視回路２２はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ３６のゲートをオン・オフする電圧検出素子３３からなる。これらの充電監視回路には発光素子３４が共通接続されている。発光素子３４とＭＯＳＦＥＴ３６の間にはフォトトランジスタ３５が接続されている。フォトトランジスタ３５は、主制御回路部１０からの信号ｅにより、通常充電モードが指定されたときオンし、急速充電モードが指定されたときオフになる。発光素子３４は約４．５Ｖで発光（オン）し、その発光出力ｄは主制御回路部１０に送られる。電圧検出素子３１はセル電圧を監視して、約４．５Ｖを検出すると、ＭＯＳＦＥＴ３２のゲートをオンして、発光素子３４の発光出力ｄを主制御回路部１０に送信させ、急速充電時の上限の過電圧（約４．５Ｖ）に達したことを伝達させる。一方、電圧検出素子３１はセル電圧を監視して、約４．３Ｖを検出すると、ＭＯＳＦＥＴ３６のゲートをオンして、発光素子３４の発光出力ｄを主制御回路部１０に送信させ、通常充電時の上限の過電圧（約４．３Ｖ）に達したことを伝達させる。

主制御回路部１０には、外部入力手段として、充電開始を指示するための充電開始スイッチ３８、急速充電モードの指定スイッチ３９、通常充電モードの指定スイッチ４０が接続されている。急速と通常の２種類の充電モードのいずれかを指定した後、充電開始スイッチ３８のオンにより充電動作が開始される。
本実施形態に係る電池急速充電装置においては、図示しないが、動作ステータス表示ランプが装置前面に設けられており、主制御回路部１０からのステータス信号（予備充電状態信号ｆ、急速充電状態信号ｇ、通常充電状態信号ｈ）のいずれかが出力され、相当するランプが点灯される。

更に、主制御回路部１０は、急速充電時の過電圧（約４．５Ｖ）の検知信号を受信したとき、あるいは通常充電時の過電圧（約４．３Ｖ）の検知信号を受信したとき、過電圧状態を示す信号ｉを出力し、過電圧状態表示ランプ（図示せず）を点灯させる。また、予備充電を要する低電圧状態の検知信号を受信したとき、低電圧状態を示す信号ｊを出力し、低電圧状態表示ランプ（図示せず）を点灯させる。また、サーミスタ１４の温度検知情報に基づき、セルの温度状態を示す信号ｋを出力し、高温又は低温表示ランプ（図示せず）を点灯させる。予備充電、急速又は通常充電の終了時には、それぞれの終了信号ｌ、ｍが出力され、各終了を報知するランプ（図示せず）が点灯される。充電処理の完了を示す信号ｎも出力され、その旨を示すランプ（図示せず）が点灯される。

上記構成の電池急速充電装置においては、急速充電に、商用電源１からの平均電圧を継続的に蓄電池３に蓄電した電力を使用するので、比較的高額のピーク電力の受電契約を締結しておく必要が無く、充電料金の低価格化を図ることができる。図５は充電消費に伴う受電電力の関係を模式的に示す。蓄電池３には常時、平均電圧が継続的に蓄電されているので、図５の（５Ｂ）に示すように、急速充電５０〜５２が連続して発生し、短時間の電力消費が幾度か生じても、同図（５Ｃ）に示すように、蓄電池３には直ちに受電電力による補充蓄電が行われる。したがって、同図（５Ａ）に示すように、受電電力は補充時には増加するが、２４時間の間には受電電力値ＡＰは平均化されてしまい、ピーク電力を生じないようにすることができる。

次に、本実施形態における急速充電処理を説明する。図６はリチウム電池セルの充電電圧特性と充電電流の変化を示す特性線図である。充電開始から充電電流６３が供給されるに従い、充電電圧６０は上昇していく。リチウムイオン二次電池の１個のセルの充電電圧は約４．２Ｖであり、符号６５はその電圧レベルを示す。符号６６は過電圧レベルを示し、急速充電時の上限の過電圧（約４．５Ｖ）又は通常充電時の上限の過電圧（約４．３Ｖ）である。充電電圧を正確に把握するのは困難であり、定常充電状態の終了時Ｔ１から充電電流６４が低下した後も充電電圧６１は上昇し、放置すると過充電状態６２に移行してしまう。急速充電は３Ｃ〜１０Ｃの範囲で実行され、充電停止前には符号６７で示す、１Ｃ（＝７Ａｈｒ）まで下げられる。本実施形態においては、充電電流値のモニタリングによる充電停止と、過充電状態の監視による二重の安全対策を施しており、最適かつ安定した急速充電を行うことができる。

充電電流値のモニタリングは、主制御回路部１０が定電圧・定電流化充電電流供給部１１から受信した充電電流値のモニタ信号ｓ４に基づいて行われる。定常充電から低下した充電電流６４の状態のとき、モニタ信号ｓ４から所定の電流値６８以下になったことを検出すると、その時点から所定の設定時間Ｔ３を設定し、その時間の計時してタイマオフすると、その時点Ｔ２を充電終了とし、充電停止信号ｓ６を出力し、充電を終了させる。図７は充電電流のモニタリングのタイミング制御を模式的に示す。充電開始により充電電圧７０の発生を比較手段７１により検出することによって、セル電圧が回復した状態（図７の（７Ａ））を検出する。そのセル電圧回復状態において充電電流７２を比較手段７３により検出することによって、充電電流値が所定の電流値６８以下になると（図７の（７Ｂ））、その時点Ｔ４から、予め設定した設定時間Ｔ３を経過したとき充電処理を終了する（図７の（７Ｃ）と（７Ｄ））。したがって、充電飽和状態に近づくと充電電流値が急速に減少する上記急速充電特性を利用して、充電電流値のモニタリングを行うことにより、高精度に充電終了時点を検出して、完全充電にならないように充電を終了させることができる。しかも、設定時間Ｔ３を任意に設定することにより、充電対象の二次電池の急速充電特性に応じた終了時点を設定でき、多種類の二次電池を対応可能な急速充電装置を実現することができる。

過充電状態の監視は、上記のレギュレータ１９と、急速充電監視回路２１又は通常充電監視回路２２を用いて行われる。図８は主制御回路部１０による過充電状態の監視処理の概略を示すフローチャートである。充電開始により充電開始ランプが点灯してから（ステップＳ１、Ｓ２）、予備充電検知回路２０による予備充電電位まで充電されているか否かを判別する（ステップＳ３）。不足していると検知されたときは、通常充電（１Ｃ）モードによる予備充電が実行される（ステップＳ４）。予備充電が完了すると、信号ａによりレギュレータ１９を作動させて（ステップＳ５）、指定された充電モードが急速充電か通常充電のいずれかを判別する（ステップＳ６）。急速充電モードの場合には、急速充電処理に移行し（ステップＳ７）、急速充電監視回路２１により急速充電時の下限充電電流を検出したとき、レギュレータ１９をオフして、充電を終了し、充電完了ランプを点灯する（ステップＳ８〜Ｓ１０）。通常充電時には、通常充電監視回路２２により下限充電電流を検出したとき、レギュレータ１９をオフして、充電を終了し、充電完了ランプを点灯する（ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ９、Ｓ１０）。

図９は本実施形態におけるセル温度監視による急速充電制御例を示すタイムチャートである。実線９０で示す急速充電例は最大４Ｃで充電電流を供給する場合である。一点鎖線９１で示す超急速充電例は、セル温度が０〜４０℃までの区間を６Ｃで実施する場合である。超急速充電を行うと、セルを高温状態に早くしてしまうため、第１の切換設定温度（４０℃）で、急速充電の４Ｃに戻すようにしている。リチウム電池は５５℃を超えると含有の有機電解液や特性が変質ないし劣化するため、５５℃以上での充電は回避されなければならない。そこで、第２の切換設定温度（５５℃）で、急速充電から通常充電の１Ｃに更に低下させる。なお、急速充電にも、超急速充電と急速充電を選択的に利用者が指定できるようにしてもよい。

図１０は、そのセル温度監視による急速充電制御処理の概略を示すフローチャートである。急速充電の実行前に、サーミスタ１４からの温度情報に基づき予備充電の実行要否を判別する（ステップＳ２０、Ｓ２１）。セル温度が０℃以下のときは図９に示すように、１Ｃ以下の予備充電を実行する（ステップＳ２１）。予備充電の後、急速充電処理に移行する（ステップＳ２２）。６Ｃ充電を実行する場合には、セル温度が下限設定温度（４０℃）に達したとき、６Ｃから４Ｃに切り換える（ステップＳ２３、Ｓ２４）。ついで、セル温度が上限の設定温度（５５℃）に達したとき、４Ｃから１Ｃに切り換える（ステップＳ２５、Ｓ２６）。更に、セル温度が最終設定温度（６５℃）に達したとき充電を終了する（ステップＳ２７、Ｓ２８）。以上のセル温度監視に基づく急速充電制御処理によって、被充電電池７が過熱状態に近い所定温度になったとき充電電流の供給を抑制でき、リチウムイオン二次電池などを破壊することなく、安全、かつ確実に急速充電することができる。

図１１は本発明の別の実施形態における充電システム構成を示す図である。この充電システムは、上記実施形態に係る電池急速充電装置を複数の地域の充電施設（ステーション）に配備した充電ステーションシステムである。各電池急速充電装置９５Ｂ〜９７Ｂは、図３に示すように、顧客カード（ユーザーカード）のカードリーダ４２が設けられ、顧客の充電サービス利用履歴を記憶、管理する管理機能を有する。また、各電池急速充電装置は、利用者が、充電開始から前記充電終了までに消費した消費電力量を報知する消費電力量報知装置４３と、消費電力量に基づき電池急速充電装置の使用料金を計算し、その計算値を出力する使用料金出力装置４４を具備する。各電池急速充電装置９５Ｂ〜９７Ｂはそれぞれ、端末管理コンピュータ９５Ａ〜９７Ａによりデータ管理される。各充電施設の端末管理コンピュータ９５Ａ〜９７ＡはＬＡＮ又はネットワーク回線９４を介して、管理センタの主管理コンピュータ９２とデータ通信可能に接続されている。
以上のように、主管理コンピュータ９２と端末管理コンピュータとによりコンピュータネットワーク構成されており、主管理コンピュータ９２のデータファイル９３に各充電施設における電池急速充電装置の使用状況を一括管理することができ、広範囲に配備した充電施設における使用状況を遠隔的に統合管理して運用コストの低減、利用者へのサービスを拡充することができる。

本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。特に、本発明に係る電池急速充電装置は広域の充電システムだけでなく、職場や家庭用充電装置としても応用可能である。また、電池状態測定の一例としてサーミスタ１４によるセル温度検出を示したが、セル自体の反り変形や歪変化を把握する歪測定を行って、その歪情報に基づく充電制御を行うことも可能である。なお、電池状態測定の測定ポイントは各セルごとに行ってもよく、また主要個所だけでもよい。

本発明は、携帯電話やパソコンなどの電子機器だけでなく、電気自動車や軌道車輌などの大型バッテリーを必要とする機器に搭載される二次電池を低価格で、かつ被充電機器の動作環境や、利用地域の環境条件などの影響を受けることなく急速充電処理を安定して行うことができる電池急速充電方法、電池急速充電装置及び電池急速充電システムの提供が可能となる。

また、本発明は、車輌や電子機器を急速充電する充電サービスを低価格で実施できる電池急速充電サービスシステムの構築を可能にし、二次電池の利用ないし普及拡大に寄与することができる。更に、本発明は、電池急速充電装置を管理する端末管理装置と主管理装置とのコンピュータネットワーク構成により、将来のエネルギー問題の解決策の一手段と成り得るものである。

本発明に係る電池急速充電装置の概略構成を示すブロック図である。 充電制御部６及び電池状態検出部５の概略構成を示すブロック図である。 主制御回路部１０の概略構成を示すブロック図である。 副制御回路部１３の回路図である。 充電消費に伴う受電電力の変化を模式的に示す図である。 リチウム電池セルの充電電圧特性と充電電流の変化を示す特性線図である。 充電電流のモニタリングのタイミング制御を模式的に示す図である。 主制御回路部１０による過充電状態の監視処理の概略を示すフローチャートである。 本実施形態におけるセル温度監視による急速充電制御例を示すタイムチャートである。 本実施形態におけるセル温度監視による急速充電制御処理の概略を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態における充電システム構成を示す図である。 従来の充電方法による急速充電の電力消費例を示す図である。

符号の説明

１ 商用電源
２ 電源部
３ 蓄電池
４ 充電電流供給部
５ 電池状態検出部
６ 充電制御部
７ 被充電電池
８ 電池接続端子
９ 充電ライン
１０ 主制御回路部
１１ 定電圧・定電流化充電電流供給部
１２ インバータ制御部
１３ 副制御回路部
１４ サーミスタ
１５ セル
１６ ＣＰＵ
１７ ＲＯＭ
１８ ＲＡＭ
１９ レギュレータ
２０ 予備充電検知回路
２１ 急速充電監視回路
２２ 通常充電監視回路
２３ ＭＯＳＦＥＴ
２４ 電流制御用抵抗
２５ エラーアンプ
２６ フォトトランジスタ
２７ 電圧検出素子
２８ 発光素子
２９ フォトトランジスタ
３０ ＭＯＳＦＥＴ
３１ 電圧検出素子
３２ ＭＯＳＦＥＴ
３３ 電圧検出素子
３４ 発光素子
３５ フォトトランジスタ
３６ ＭＯＳＦＥＴ
３７ 電流制御用抵抗
３８ 充電開始スイッチ
３９ 指定スイッチ
４０ 指定スイッチ
４１ 設定操作部
４２ カードリーダ
４３ 消費電力量報知装置
４４ 使用料金出力装置
５０ 急速充電
５１ 急速充電
５２ 急速充電
６０ 充電電圧
６１ 充電電圧
６２ 過充電状態
６３ 充電電流
６４ 充電電流
６５ 電圧レベル
６６ 過電圧レベル
６７ １Ｃレベル
６８ 電流値
７０ 充電電圧
７１ 比較手段
７２ 充電電流
７３ 比較手段
９０ 急速充電例
９１ 超急速充電例
９２ 主管理コンピュータ
９３ データファイル
９４ ＬＡＮ又はネットワーク回線
９５Ａ 端末管理コンピュータ
９６Ａ 端末管理コンピュータ
９７Ａ 端末管理コンピュータ
９５Ｂ 電池急速充電装置
９６Ｂ 電池急速充電装置
９７Ｂ 電池急速充電装置
９８ トランジスタ
９９ トランジスタ
ａ 信号
ｂ オフ出力
ｃ 信号
ｄ 発光出力
ｅ 信号
ｆ 予備充電状態信号
ｇ 急速充電状態信号
ｈ 通常充電状態信号
ｉ 信号
ｊ 信号
ｋ 信号
ｌ 終了信号
ｍ 終了信号
ｎ 信号
ｓ１ 電源供給指示信号
ｓ２ 定電圧設定信号
ｓ３ 定電流設定信号
ｓ４ モニタ信号
ｓ５ 充電開始信号
ｓ６ 充電停止信号
Ｔ１ 定常充電状態の終了時点
Ｔ２ タイマオフ時点
Ｔ３ 設定時間
Ｔ４ 時点

Claims (14)

1. 商用電源からの受電電力に基づき、被充電電池に充電電流を供給して前記被充電電池を急速充電する電池急速充電方法において、前記受電電力を継続的に蓄電し、前記被充電電池の電池状態を測定し、その測定された電池状態に応じて、前記蓄電手段の蓄電電力に基づいて前記充電電流の供給制御を行うことを特徴とする電池急速充電方法。
2. 商用電源からの受電電力に基づき、被充電電池に充電電流を供給する充電電流供給手段と、前記充電電流の供給により前記被充電電池を急速充電制御する充電制御手段とを備えた電池急速充電装置において、前記受電電力を継続的に蓄電する蓄電手段と、前記被充電電池の電池状態を測定する電池状態測定手段とを有し、前記充電制御手段は、前記電池状態測定手段により測定された電池状態に応じて、前記蓄電手段の蓄電電力に基づき前記充電電流の供給制御を行うことを特徴とする電池急速充電装置。
3. 充電電流値を検出する充電電流値検出手段を有し、前記被充電電池が満充電状態又はその未満近傍の充電状態を示す充電電流値を前記充電電流検出手段により検出したとき、前記充電電流供給手段による充電電流の供給を停止する請求項２に記載の電池急速充電装置。
4. 前記充電制御手段は、充電開始により前記被充電電池の充電電圧が回復したことを前記電池状態測定手段によって測定した後、前記充電電流値検出手段により検出された充電電流値が所定の下限値に達したとき、この時点から前記充電電流の供給停止を行うまでの時間を設定する時間設定手段を含む請求項３に記載の電池急速充電装置。
5. 前記充電制御手段は、前記被充電電池の環境温度を前記電池状態測定手段によって測定し、その測定温度が所定の温度に達したことを条件に、前記充電電流値を低下させる電流値可変制御手段を含む請求項３又は４に記載の電池急速充電装置。
6. 前記被充電電池が複数の素電池からなる直並列された組電池であり、前記充電制御手段は、前記直列素電池の各々の両端子間の充電電圧を均一化させる定電圧制御手段を含み、前記充電制御手段は、前記直列素電池が満充電近傍となったとき、前記定電圧制御手段による前記直列素電池の各々の充電電圧を均一化する請求項３、４又は５に記載の電池急速充電装置。
7. 前記充電制御手段は、前記素電池の充電電圧が、前記満充電状態に対応する第１の充電電圧値と、それより低い第２の充電電圧値のいずれかに達したことを検出する充電電圧検出手段と、急速充電又はそれより充電所要時間の長い通常充電の種別を指定する充電種別指定手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第１の充電電圧値に達したことを検出したことを条件に、充電電流の供給を遮断し、あるいは前記充電種別指定手段により通常充電が指定されたとき、前記充電電圧検出手段により前記第２の充電電圧値に達したことを条件に、充電電流の供給を遮断し、前記直列素電池の各々の充電電圧を均一化する請求項６に記載の電池急速充電装置。
8. 前記充電制御手段は、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えているか否かを検出する予備電圧検出手段と、前記素電池が前記予備充電電圧未満の状態であることを前記予備電位検出手段により検出したとき、前記予備充電電圧を超えるまで前記素電池に充電電流を供給する予備充電手段とを含み、前記充電制御手段は、前記充電種別指定手段により急速充電が指定されたとき、前記素電池の充電電圧が所定の予備充電電圧を超えていることを条件に急速充電制御を行う請求項６又は７に記載の電池急速充電装置。
9. 前記被充電電池がリチウムイオン二次電池からなる請求項２〜８のいずれかに記載の電池急速充電装置。
10. 前記リチウムイオン二次電池の正極が、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムの少なくとも１つ以上からなる請求項９に記載の電池急速充電装置。
11. 前記マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムが噴霧熱分解法又は有機合成法で生成される請求項１０に記載の電池急速充電装置。
12. 請求項２〜１１のいずれかに記載の電池急速充電装置を地域に配置された充電施設に装備し、前記電池急速充電装置の充電開始を指示する充電開始指示手段と、前記電池急速充電装置による充電停止により充電終了を報知する充電終了報知手段とを前記充電施設に設け、前記充電施設に持ち込まれた被充電電池又は被充電電池を搭載した装置を急速充電することを特徴とする電池急速充電システム。
13. 前記電池急速充電装置による、前記充電開始から前記充電終了までに消費した消費電力量を報知する消費電力量報知手段と、前記電池急速充電装置の使用料金を、前記消費電力量に基づき計算し、その計算値を出力する使用料金出力手段とを有する請求項１２に記載の電池急速充電システム。
14. 前記電池急速充電装置を管理する端末管理装置を充電施設ごとに設け、各充電施設の端末管理装置とネットワーク通信可能に接続された主管理装置を管理センタに設け、前記主管理装置及び前記端末管理装置をコンピュータネットワーク構成して、前記主管理装置により各充電施設における前記電池急速充電装置の使用状況を管理する請求項１２又は１３に記載の電池急速充電システム。

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