JP2007215254A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】残存容量の如何に関わらず、二次電池に負担をかけることなく昇温させ、しかる後に急速充電あるいは高出力放電ができる電源システムを提供する。
【解決手段】二次電池と、この二次電池の温度を測定する温度測定部と、電源部（二次電池を充電する外部電源を備えた充電回路と、二次電池を放電する放電回路と、二次電池を充電回路あるいは放電回路のいずれかに接続させる切替回路からなる）と、切替回路を制御する指令部とからなり、二次電池と電源部との間に送風ファン制御回路に接続された送風ファンを設け、充放電開始温度Ｔ₀を指令部に記憶させ、温度測定部が測定した温度がＴ₀未満の場合に、電源部から二次電池に向けて送風させるとともにＴ₀に達するまでパルス充放電を行わせるよう、送風ファン制御回路および切替回路に指令する機能を指令部に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は二次電池を電源とする電源システムに関し、より詳しくは低温下で二次電池の充放電を効率的に行うための技術に関する。

ニッケル水素蓄電池などの二次電池はポータブル機器の電源として頻繁に用いられている。特に近年においては、電動工具など野外で用いられることの多い機器の電源にも展開が進んでいる。これら二次電池の課題として、寒冷下で充放電を行う際、電解液のイオン伝導性低下や電極活物質の反応性低下が室温下に比べて顕著に起こり、反応抵抗が大きくなることが挙げられる。この現象のために大電流での充放電ができなくなり、微弱電流で長時間の充電を強いられたり、出力値の大きい放電ができず機器が動作しないなどの不具合が生じる。

そこでこれらの二次電池に対し急速充電を行い、短時間で電池を昇温させた後にトリクル充電を行う提案がなされている（例えば、特許文献１）。または所定温度に達するまでパルス充電を行って電池を昇温させ、しかる後に急速充電を行う提案がなされている（例えば、特許文献２）。
特開平０８−２２２２７７号公報 特開平１０−２１０６７５号公報

しかしながら、特許文献１の方法を用いて充電する場合、抵抗値が大きい状態で急速充電するため、急速充電にて充電される充電電気量が電池容量に対して僅かであり、結局トリクル充電を行う時間が長くなり、長時間の充電を強いられることになる。また特許文献２の方法を用いてパルス充電する場合、二次電池の残存容量が過剰であればパルス充電にて過充電領域まで充電される虞がある。さらには特許文献２の技術を展開して寒冷下で機器を動作させる前にパルス放電を行う場合、二次電池の残存容量が過少であればパルス放電にて残存容量はさらに少なくなり、機器が動作可能な電池温度に達する前に容量が尽きる、若しくは過放電されるという課題が生じる。

本発明は上記課題に基づいてなされたものであり、残存容量の如何に関わらず、二次電池に負担をかけることなく昇温させ、しかる後に急速充電あるいは高出力放電ができる電源システムを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明の電源システムは、二次電池と、この二次電池の温度を測定する温度測定部と、電源部（二次電池を充電する外部電源を備えた充電回路と、二次電池を放電する放電回路と、二次電池を充電回路あるいは放電回路のいずれかに接続させる切替回路からなる）と、切替回路を制御する指令部とからなり、二次電池と電源部との間に送風ファン制御回路に接続された送風ファンを設け、充放電開始温度Ｔ₀を指令部に記憶させ、温度測定部が測定した二次電池の温度がＴ₀未満の場合に、電源部から二次電池に向けて送風させるとともに二次電池の温度がＴ₀に達するまでパルス充放電を行わせるよう、送風ファン制御回路および切替回路に指令する機能を指令部に設けたことを特徴とする。

二次電池を昇温させる手段をパルス充放電にすることにより、このパルス充放電中の二
次電池の残存容量は一定となる。よって充電側であれば残存容量が多くても過充電されることはなく、放電側であれば残存容量が少なくても容量が尽きる、若しくは過放電されることはなくなる。さらに送風ファンを組み合わせ、パルス充放電時に起こる電源部の発熱を積極的に利用し、熱風として二次電池に当てることにより、効率的な昇温が可能となる。従って寒冷下においても二次電池に負担をかけることなく、短時間で充電を完了させたり、高出力放電をさせることができるようになる。

本発明の充放電器を活用することで、低温下において電池の残存容量を一定にしたまま充放電適正温度にまで上昇させることができるので、電池の残存容量を配慮することなく、常温下と同じように二次電池を充放電することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態について、図を用いて説明する。なおここで示す図は一例であって、本発明の請求項に表す構成を有していれば、同様の効果を得ることができる。

第１の発明は、二次電池と、この二次電池の温度を測定する温度測定部と、電源部（二次電池を充電する外部電源を備えた充電回路と、二次電池を放電する放電回路と、二次電池を充電回路あるいは放電回路のいずれかに接続させる切替回路からなる）と、切替回路を制御する指令部とからなり、二次電池と電源部との間に送風ファン制御回路に接続された送風ファンを設け、充放電開始温度Ｔ₀を指令部に記憶させ、温度測定部が測定した二次電池の温度がＴ₀未満の場合に、電源部から二次電池に向けて送風させるとともに二次電池の温度がＴ₀に達するまでパルス充放電を行わせるよう、送風ファン制御回路および切替回路に指令する機能を指令部に設けたことを特徴とする電源システムに関する。

図１は本発明の電源システムの一例を示す構成図である。二次電池１に隣接してサーミスタなどの温度測定部２が設置されている。また二次電池１を充電する外部電源３を備えた充電回路４と、二次電池１を放電する放電回路５と、二次電池１を充電回路４あるいは放電回路５のいずれかに接続させる切替回路６からなる電源部７が存在する。具体的には二次電池１の側に配置した端子８が充電回路４の側に配置した端子９と接続された場合に充電が開始し、端子８が放電回路５の側に配置した端子１０と接続された場合に放電が開始する。また端子８を端子９および１０のいずれとも接続されていない状態にすることにより、充放電を休止させることができる。この接続は指令部１１からの指令に基づいてなされ、常時はこの構成によって通常の充放電が繰り返される。

一方で二次電池１と電源部７との間には送風ファン１２が配置されている。送風ファン１２は送風ファン制御回路１３によって制御されているが、送風ファン制御回路１３は指令部１１からの指令に従うようになっている。

本発明の電源システムの特長を示すフローを図２に示す。指令部１１は充放電開始温度Ｔ₀を記憶するとともに、温度測定部２から送られた二次電池１の温度がＴ₀未満の場合に以下の２つの指令を行う。第１の指令は送風ファン制御回路１３に対して行われ、電源部７から二次電池１に向けて送風が開始する。第２の指令は切替回路６に対して行われ、端子８が端子９および１０との接続を頻繁に繰り返すことにより、パルス充放電が開始する。この間に温度測定部２による二次電池１の温度測定は継続される。そして二次電池１の温度がＴ₀に達した時点で上述した２つの指令は解除され、通常の充放電に切り替わる。

図２に示すフローに従ってパルス充放電にすることにより、このパルス充放電中の二次電池１の残存容量は一定となる。よって充電側であれば残存容量が多くても過充電される
ことはなく、放電側であれば残存容量が少なくても容量が尽きる、若しくは過放電されることはなくなる。よって二次電池１を無理なく昇温させることができる。さらに送風ファン１２を組み合わせ、パルス充放電時に起こる電源部７の発熱を積極的に利用し、熱風として二次電池１に当てることにより、さらなる効率的な昇温が可能となる。従って寒冷下においても二次電池１に負担をかけることなく、短時間で充電を完了させたり、高出力放電をさせることができるようになる。

第２の発明は、第１の発明において、送風ファン１２を風向が可逆的に切り替わるようにし、二次電池１の温度がＴ₀以上の充放電において二次電池１から電源部７に向けて送風させるよう、送風ファン制御回路１３に指令する機能を指令部１１に設けたことを特徴とする。第１の発明において、二次電池１の温度がＴ₀に達するまでパルス充放電を行うことによって、電源部７は送風によって二次電池１を温めうるほどに発熱する。この発熱によって電源部７の構成要素である外部電源３、充電回路４、放電回路５および切替回路６が故障することを防ぐために、加熱の必要がなくなった二次電池１の側から比較的温度の低い風を送るのがより好ましい。

第３の発明は、第１の発明において、二次電池１がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする。ニッケル水素蓄電池などのアルカリ蓄電池は、低温になると反応性が低下し、最悪の場合は充放電ができなくなる。またアルカリ蓄電池の中でもニッケル水素蓄電池は、ニッケルカドミウム蓄電池よりエネルギー密度は高いものの、負極活物質である水素吸蔵合金の低温反応性が低いため、さらに低温特性に劣る。二次電池１がニッケル水素蓄電池である場合、本発明の効果を十分に発揮できる観点で好ましい。

第４の発明は、第３の発明において、Ｔ₀が０〜２０℃の範囲であることを特徴とする。Ｔ₀が０℃未満の場合、図２のフローを終えた二次電池１の抵抗が十分に低下していないため、高率充放電の効率が低下する。またＴ₀が２０℃を超える場合、図２のフローに長時間を要するため好ましくない。

以下に本発明の実施例を示す。なお実施例には代表例としてニッケル水素蓄電池の場合を示すが、ニッケルカドミウム蓄電池やリチウムイオン二次電池にも本発明の技術が展開可能なことはいうまでもない。

（実施例１）
正極活物質である水酸化ニッケルと、導電剤である酸化コバルトおよび金属コバルト粉末とを、集電体である発泡ニッケル３次元多孔体に充填・圧延し、所定の寸法に切断して正極を得た。一方、負極活物質である水素吸蔵合金粉末と、導電剤であるケッチェンブラックと、結着剤であるスチレン−ブタジエンゴム共重合体と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースとを練合してペースト化し、このペーストを集電体であるパンチングメタル（鉄板に穿孔を施した後にニッケル鍍金を行った２次元多孔体）に塗布乾燥した後、圧延を行い、所定の寸法に切断して負極を得た。これら正極および負極を、セパレータであるポリプロピレン製不織布を介して捲回し、円筒型の有底缶に挿入した。ここに電解液である水酸化カリウム水溶液を注入し、公称容量３０００ｍＡｈのニッケル水素蓄電池を構成した。

続いて、この電池を５セルずつ直列に抵抗溶接してモジュールを構成した。このモジュールを図１における二次電池１に相当するように配置して、図１に示すのと同様の電源システムを構成した。

ここで指令部１１に、充放電開始温度Ｔ₀を１０℃と記憶させた。続いてＴ₀＝１０℃に
達するまで、指令部１１に以下の２つの指令を発して、二次電池１を昇温させるようにした。第１に、端子８と端子９との接続時間（充電時間）・端子８がいずれの端子とも接続しない時間（充電休止時間）・端子８と端子１０との接続時間（放電時間）・端子８がいずれの端子とも接続しない時間（放電休止時間）がそれぞれ２秒で、充電電流・放電電流ともに９Ａであるパルス充放電を行うよう、切替回路６に指令を送るようにした。第２に、上記パルス充放電と同時に送風ファン１２を起動させ、０．３ｍ³／分の風量で電源部７から二次電池１に向けて送風を行うよう、送風ファン制御回路１３に指令を送るようにした。これを実施例１とする。

（実施例２〜５）
実施例１に対し、指令部１１に記憶させるＴ₀を−５℃（実施例２）、０℃（実施例３）、２０℃（実施例４）および２５℃（実施例５）とした以外は、実施例１と同様の電源システムを構成した。これを実施例２〜５とする。

（参考例）
実施例１の電源システムに対し、送風ファン１２および送風ファン制御回路１３を除去し、指令部１１から送風に関する指令を送る機能をなくしたこと以外は、実施例１と同様の電源システムを構成した。これを参考例とする。

（比較例１）
実施例１に対し、指令部１１からパルス充放電に関する指令を送る代わりに、端子８と端子９との接続時間（充電時間）・端子８がいずれの端子とも接続しない時間（充電休止時間）がそれぞれ２秒で、充電電流が９Ａであるパルス充電を行うようにしたこと以外は、実施例１と同様の電源システムを構成した。これを比較例１とする。

（比較例２）
実施例１に対し、指令部１１からパルス充放電に関する指令を送る代わりに、端子８と端子１０との接続時間（放電時間）・端子８がいずれの端子とも接続しない時間（放電休止時間）がそれぞれ２秒で、放電電流が９Ａであるパルス放電を行うようにしたこと以外は、実施例１と同様の電源システムを構成した。これを比較例２とする。

これらの電源システムに対して以下の評価を行った。この結果を、Ｔ₀に達するまでの所要時間とともに（表１）に示す。

（高残存容量下における過充電の有無）
２０℃環境下で残存容量が２７００ｍＡｈとなるよう充電した後、この電源システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各例に示した条件にて二次電池１を昇温させた。昇温中における最高到達電圧を、電池１セル当りに換算して（表１）に示す。

（低残存容量下における過放電の有無）
２０℃環境下で残存容量が３００ｍＡｈとなるよう充電した後、この電源システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各例に示した条件にて二次電池１を昇温させた。昇温中における最高到達電圧を、電池１セル当りに換算して（表１）に示す。

（高率充電による充電容量）
２０℃環境下で残存容量を３００ｍＡｈに調整した後、この電源システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各例に示した条件にて二次電池１を昇温させた。Ｔ₀に達した後、引続き９Ａの急速充電を行い、電池１セ
ル当りの電圧が１．５Ｖに達した時に充電を停止した。この時の充電容量を、残存容量（３００ｍＡｈ）を加算した形で（表１）に示す。

（高率放電による放電容量）
２０℃環境下で残存容量を２７００ｍＡｈに調整した後、この電源システムを−１０℃環境下に設置した。３時間放置して十分にシステム全体を冷却した後に、各例に示した条件にて二次電池１を昇温させた。Ｔ₀に達した後、引続き３０Ａの高率放電を行い、電池１セル当りの電圧が０．８Ｖに達した時に放電を停止した。この時の放電容量を（表１）に示す。

残存容量が２７００ｍＡｈと多い条件下において、単にパルス充電のみで二次電池１を昇温させた比較例１は、昇温中に過充電領域に入るという不具合が生じた。一方残存容量が３００ｍＡｈと少ない条件下において、単にパルス放電のみで二次電池１を昇温させた比較例２は、昇温中に過放電領域に入るという不具合が生じた。この結果をもって、これら比較例の評価を中断した。

また送風ファン１２および送風ファン制御回路１３を除去し、指令部１１から送風に関する指令を送る機能をなくした参考例は、比較例のような不具合は回避できたものの、Ｔ₀に達するまでの時間が著しく長いため、実用性に乏しいという結果が得られた。

これらの例と比べて、本発明の実施例は比較的短時間で、不具合なく二次電池１を昇温させることができた。ただしＴ₀が−５℃と低い実施例２は、昇温は短時間で済むものの二次電池１の抵抗が十分に低下していないため、高率充放電の効率が低下して充電容量および放電容量が若干少なくなった。またＴ₀が２５℃と高い実施例５は、充電容量および放電容量は高いものの、昇温に掛かる時間が若干延びることが分かった。これらの結果から、充放電開始温度Ｔ₀＝０〜２０℃が好適範囲であることがわかった。

なお本実施例では第２の発明に係る評価を割愛したが、第２の発明を実施することにより電源部７の構成要素である外部電源３、充電回路４、放電回路５および切替回路６の温度が下がり、故障を免れやすくなることはいうまでもない。

本発明は、電動工具など寒冷下の野外で用いられる機会が多く、急速充電などのフリークエンシーが求められる機器の電源に付随させるのに好適であり、産業上の利用可能性は高いと考えられる。

本発明の電源システムの一例を示す構成図 本発明の電源システムの特長を示すフロー図

符号の説明

１ 二次電池
２ 温度測定部
３ 外部電源
４ 充電回路
５ 放電回路
６ 切替回路
７ 電源部
８、９、１０ 端子
１１ 指令部
１２ 送風ファン
１３ 送風ファン制御回路

Claims (4)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、
   電源部として、前記二次電池を充電する外部電源を備えた充電回路と、前記二次電池を放電する放電回路と、前記二次電池を前記充電回路あるいは放電回路のいずれかに接続させる切替回路と、
   前記切替回路を制御する指令部と、
   からなる電源システムであって、
   前記二次電池と前記電源部との間に、送風ファン制御回路に接続された送風ファンを設け、
   充放電開始温度Ｔ₀を前記指令部に記憶させ、
   前記温度測定部が測定した前記二次電池の温度がＴ₀未満の場合に、前記電源部から前記二次電池に向けて送風させるとともに前記二次電池の温度がＴ₀に達するまでパルス充放電を行わせるよう、前記送風ファン制御回路および前記切替回路に指令する機能を前記指令部に設けたことを特徴とする電源システム。
2. 前記送風ファンを風向が可逆的に切り替わるようにし、
   前記二次電池の温度がＴ₀以上の充放電において、前記二次電池から前記電源部に向けて送風させるよう、前記送風ファン制御回路に指令する機能を前記指令部に設けたことを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
3. 前記二次電池がニッケル水素蓄電池であることを特徴とする、請求項１記載の電源システム。
4. 前記Ｔ₀が０〜２０℃の範囲であることを特徴とする、請求項３記載の電源システム。
   

Images