JP2008259260A

JP2008259260A - 電源の充電方法

Info

Publication number: JP2008259260A
Application number: JP2007096245A
Authority: JP
Inventors: Akiko Miyahara; 亜希子宮原; Hideji Asano; 秀二淺野; Kenichi Aoki; 健一青木; Shigeyuki Sugiyama; 杉山　　茂行
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源に対して放電が要求された際に、特定の電池列で不具合が生じることを防ぐことを目的とする。
【解決手段】本発明の電源の充電方法は、アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源の充電方法であって、０．０２ＩｔＡ以上０．３ＩｔＡ以下（ここで１ＩｔＡは該アルカリ蓄電池の理論容量を１時間で除して得られる電流値）で、各電池列を一列ずつ、順次９０秒以下の時間で充電するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源の充電方法に関し、より詳しくは各電池列から円滑に放電するための技術に関する。

近年、無停電電源（ＵＰＳ）の電源としてアルカリ蓄電池が注目されている。アルカリ蓄電池は鉛蓄電池よりも比重が小さいので設置場所の選択肢が広い上に、リチウムイオン二次電池よりも充電制御に慎重を要さないのでタフユースに耐え得るという利点がある。中でもニッケル水素蓄電池（Ｎｉ／ＭＨ）は、ニッケルカドミウム電池のように環境規制物質（カドミウム）を含んでいないので、クリーンな電源として期待されている。

通常、ＵＰＳの電源は連続的あるいは断続的に充電されるのが常である。ＵＰＳの電源である蓄電池を定格容量以上の電気量で充電すると、過充電反応が起こって蓄電池が劣化するという課題がある。アルカリ蓄電池では過充電が起こると正極から酸素ガスが発生する。アルカリ蓄電池の負極にはこの酸素ガスを吸収する機能があるのだが、経時的な劣化や周囲温度の上昇により正極から酸素ガスが発生しやすくなると、正極からの酸素ガス発生量が負極での酸素ガス吸収量を上回り、アルカリ蓄電池のケースの膨れや、アルカリ蓄電池に設けた安全弁（内部圧力が所定値以上になると開弁して高圧ガスを放出する機構）の作動によって電解液が減少して特性の劣化が加速される。

この課題を解決すべく、特許文献１では周囲温度などに応じて充電電流を制御し、過充電時の不具合を軽減する方法が示されている。
特開２００１−３５１６９５号公報

複数の蓄電池からなる電池列を複数列並列に接続して構成した場合、放電が要求された際には、充電深度（ＳＯＣ）の高い電池列の放電電流が大きくなる傾向がある。ここで各電池列のＳＯＣの差が顕著であると、放電が要求された際に最もＳＯＣが高かった電池列の放電電流のみが過剰となるためにこの電池列の発熱が大きくなり、接続された安全部品（電流ヒューズなど）が壊れやすくなるとともに、この列の電池の劣化が大きくなるという課題が生じた。

本発明は上述した課題を解決するものであり、アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源に対して放電が要求された際に、特定の電池列で不具合が生じることを防ぐことを目的とする。

上記課題を鑑みて、本発明の電源の充電方法は、アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源の充電方法であって、０．０２ＩｔＡ以上０．３ＩｔＡ以下（ここで１ＩｔＡは該アルカリ蓄電池の理論容量を１時間で除して得られる電流値）で、各電池列を一列ずつ、順次９０秒以下の時間で充電するようにしたことを特徴とする。

充電電流を十分に低くして（０．０２〜０．３ＩｔＡ）、かつ短い時間（９０秒以下）で電池列ごとに充電を繰り返すことにより、放電時にはどの電池列からもほぼ同等の放電電流が流れるようになり、特定の電池列で発熱に起因して不具合を生じることが防げる。

本発明によれば、放電挙動が安定したＵＰＳを市場に提供できる。

以下、本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。

第１の発明は、アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源の充電方法であって、０．０２ＩｔＡ以上０．３ＩｔＡ以下（ここで１ＩｔＡは該アルカリ蓄電池の理論容量を１時間で除して得られる電流値）で、各電池列を一列ずつ、順次９０秒以下の時間で充電するようにしたことを特徴とする。

図１は、本発明の電源の充電方法のパターンの一例を示す模式図である。なお図１は電池列が３列（Ａ、ＢおよびＣ）ある場合を想定しており、縦軸は電池列の電圧、横軸は時間を示している。第１の発明では、まず電池列Ａのみを充電した後に電池列Ｂのみを充電し、続いて電池列Ｃのみを充電する形態としている。さらに第１の発明では、充電電流を十分に低くして（０．０２〜０．３ＩｔＡ）、かつ短い時間（９０秒以下）で電池列ごとに充電を繰り返す形態としている。この形態を採ることにより、放電時にはどの電池列からもほぼ同等の放電電流が流れるようになり、特定の電池列で発熱に起因して不具合を生じることが防げる。

なお充電の電流値が０．０２ＩｔＡ未満の場合、ＳＯＣを所定値まで高めるのに時間が掛かりすぎることになる。逆にこの値が０．３ＩｔＡを超えると、電池列ごとのＳＯＣバラツキを支障のある範囲まで大きくすることになる。また各電池列の充電時間が９０秒を超えても、電池列ごとのＳＯＣバラツキを支障のある範囲まで大きくすることになる。

第２の発明は、充電容量が理論容量の８０％以上において第１の発明の充電方法を行うことを特徴とする。第２の発明の効果は、後述するように大きく２つに分けられる。

第１の効果は、過充電反応を抑制できることである。ＳＯＣが１００％近傍の過充電領域においては、単に充電電流を低くしても（例えばトリクル充電）、電池の劣化が比較的顕著になる。上述したように、アルカリ蓄電池では過充電が起こると正極から酸素ガスが発生する。ただし周囲温度の上昇や電池の発熱により電池内部の温度が高くなると、正極が酸素ガスの発生を開始する電圧（酸素過電圧）が低下する。発明者らはこの酸素過電圧の低下に起因するダメージが、充電電流および充電時間に大きく依存することを見出した。そこでＳＯＣが８０％以上になって過充電領域が近づいたら、充電電流を十分に低くして（０．０２〜０．３ＩｔＡ）、短い時間（９０秒以下）での充電を電池列ごとに繰り返す第１の発明の充電方法を採ることにより、上述した不具合を免れるようになる。ただし第１の発明の充電方法を開始するＳＯＣを８０％未満とすると、後述する第２の効果が薄れるので好ましくない。

第２の効果は、充電時間を短縮できることである。ＳＯＣが過度に低い領域から第１の発明の充電方法を実施すると、ＵＰＳとして作動させうる領域までＳＯＣを高めるのに時間を要することになる。そこで充電容量が理論容量の８０％以上（すなわちＳＯＣが８０％以上）に達するまでは各電池列を比較的大きな電流で充電し、その後で第１の発明の充電方法を実施することにより、比較的短時間でＳＯＣを実用レベルまで高めつつ電池列間でのバラツキを抑えることができるようになる。

第３の発明は、第１の発明において、各電池列を一列ずつ、順次０．５秒以上の時間で充電するようにしたことを特徴とする。特に第２の発明において充電時間が０．５秒未満になると、充電中に発熱した電池の冷却が進まないために実質的に連続で充電した場合の
ように酸素過電圧が低下しやすくなる。

第４の発明は、第１の発明において、アルカリ蓄電池をＮｉ／ＭＨとしたことを特徴とする。Ｎｉ／ＭＨの負極には活物質として水素吸蔵合金が用いられるために、正極から発生した酸素を水素吸蔵合金が吸蔵した水素で還元する反応（ノイマン反応）が円滑に活用できるので、第１の発明の実施に適合している。

第５の発明は、第１の発明において、アルカリ蓄電池として理論容量が２Ａｈ以上のものを用いたことを特徴とする。理論容量が２Ａｈ以上の電池は蓄熱性が高く、第１の発明に頼らざるを得ないことから、実施効果が高いといえる。

（実施例１）
ニッケルからなる三次元多孔体に水酸化ニッケルおよび水酸化コバルト、酸化亜鉛との混合物からなるペーストを充填して乾燥し、さらにロールプレス機で圧延して、正極を作製した。一方、ニッケルをメッキした鋼板に穿孔したパンチングメタルに、水素吸蔵合金（組成式ＭｍＮｉ_3.55Ｃｏ_0.75Ａｌ_0.3Ｍｎ_0.4（Ｍｍは軽希土類元素の混合物）と結着剤との混合物からなるペーストを塗着して乾燥し、さらにロールプレス機で圧延して、負極を作製した。この正極および負極を、スルホン化処理されたポリプロピレン不織布からなるセパレータを介して渦巻き状に捲回し、金属製有底ケース（内径１８ｍｍ、高さ７０ｍｍ）の中に収容した。さらに電解液として、水酸化カリウムを主成分とする比重１．３のアルカリ水溶液を注入して、ケースの開口した端面を封口板によって封止することにより、Ｎｉ／ＭＨ（理論容量３．２Ａｈ）を作製した。

このＮｉ／ＭＨを０．１ＩｔＡの電流値で１５時間充電し、続いて０．５ＩｔＡの電流値で電池電圧が１Ｖに到達するまで放電した。この充放電サイクルを３回繰返すことで、活性化を行なった。

このニッケル水素蓄電池を９セル用い、３セルを直列接続した電池列Ａ、ＢおよびＣを並列に接続して、電源を構成した。なお各Ｎｉ／ＭＨの表面には熱電対を貼付け、電池表面温度を測定できるようにした。

この電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次６０秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は５℃であった。さらに引続いて３ＩｔＡで１０分間放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１２．６℃であった。

（実施例２）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、６４ｍＡ（０．０２ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次６０秒ずつ充電した。この充電を３０時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は３℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１０．３℃であった。

（実施例３）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、９６０ｍＡ（０．３ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次６０秒ずつ充電した。この充電を２時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は１０℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電
後の電池表面温度の最高上昇値は１８℃であった。

（実施例４）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次９０秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は８℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１５．７℃であった。

（実施例５）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次１秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は４℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１０．９℃であった。

（実施例６）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次０．５秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は９℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１５℃であった。

（実施例７）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次０．１秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は１３℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は１９．３℃であった。

（比較例１）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２ｍＡ（０．０１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次６０秒ずつ充電した。この充電を６０時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は２℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は９．２℃であった。

（比較例２）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、１９２０ｍＡ（０．５ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次６０秒ずつ充電した。この充電を１時間１２分継続したときの電池表面温度の最高上昇値は１８℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は２６℃であった。

（比較例３）
実施例１と同じ電源を１ＩｔＡの電流値でＳＯＣが８０％に到達するまで充電した後、３２０ｍＡ（０．１ＩｔＡ相当）の電流値で、Ａ、ＢおよびＣの各電池列を一列ずつ、順次１２０秒ずつ充電した。この充電を６時間継続したときの電池表面温度の最高上昇値は１５℃であった。さらに引続いて実施例１と同じ条件で放電した。充電前を基準にした放電後の電池表面温度の最高上昇値は２２．７℃であった。

ＳＯＣが高い領域にて０．３ＩｔＡを超える高い電流値で充電した場合（比較例２）や９０秒を超える長時間に亘り充電した場合（比較例３）、充電中の電池の発熱が促進されて酸素過電圧が低下し、各電池列の充電容量のバラツキをも併発したために、放電における電池表面温度の最高値をも高める（特定の電池列にダメージを与える）結果になったと推測される。

また各電池列の充電時間を極端に短くした場合（実施例７）、比較例２および３ほどではないものの、ＳＯＣが高い領域において、充放電における電池表面温度の最高値がやや高くなった。この理由として、充電中に発熱した電池の冷却が進まないうちに次の充電に入るため、実質的に連続で充電した場合のように酸素過電圧が低下しやすくなったことが挙げられる。

また比較例１は上述した課題は解決できたものの、ＳＯＣを所定値まで高めるのに時間が掛かりすぎるので好ましくない。

以上の結果から、本発明の効果を得るためには、０．０２ＩｔＡ以上０．３ＩｔＡ以下の電流値で、各電池列を一列ずつ、順次９０秒以下の時間で充電する必要があることがわかる。また各電池列を一列ずつ、順次０．５秒以上の時間で充電するのが好ましいことがわかる。

本発明の電源の充電方法は、複数個のアルカリ蓄電池を複数列並列接続した電源に適合しているので、ＵＰＳのほか、電気自動車などの電源としての利用可能性も有する。

本発明の電源の充電方法のパターンの一例を示す模式図

Claims

アルカリ蓄電池からなる電池列を複数列並列接続した電源の充電方法であって、
０．０２ＩｔＡ以上０．３ＩｔＡ以下で、各電池列を一列ずつ、順次９０秒以下の時間で充電するようにしたことを特徴とする、電源の充電方法。
充電容量が理論容量の８０％以上において行うことを特徴とする、請求項１記載の電源の充電方法。
各電池列を一列ずつ、順次０．５秒以上の時間で充電するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の電源の充電方法。
前記アルカリ蓄電池をニッケル水素蓄電池としたことを特徴とする、請求項１記載の電源の充電方法。
前記アルカリ蓄電池として理論容量が２Ａｈ以上のものを用いたことを特徴とする、請求項１記載の電源の充電方法。