JP2012023836A - 二次電池の充電システム及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寒冷環境下においても、二次電池を定格容量まで充電できるようにする。
【解決手段】二次電池の電池温度が所定の閾値温度以下である場合に、充電が可能な時間帯の当初の時間帯を電池加熱期間とする。この電池加熱期間には、充電電流を通常充電時において設定される第１電流値Ｉ_ｃ３よりも大きい第２電流値Ｉ_ｃ２に設定して、二次電池に対して充電を行って電池温度を上昇させる。電池温度が目標温度Ｂａに達すると（時刻ｔ２）、充電電流を第１電流値Ｉ_ｃ３に設定して、定電圧定電流方式により二次電池に対して充電を行う。最終的には、電池温度は定格容量までの充電を行うことが出来る最大容量温度Ｂ_ｉに達するよう、充電動作が制御される。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば定置用や車載用などの、大型の二次電池の充電システムおよび充電方法に関する。

例えば負荷平準化や、太陽光発電又は風力発電の出力変動補償のために、多数の二次電池セルを組電池化してなる大型の定置用二次電池の採用が検討されている。また、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車など電動車両にも、同様な二次電池が採用されている。このような二次電池としては、リチウムイオン電池や鉛電池等が利用されるのが通常である。とりわけリチウムイオン電池は、軽量で高容量、高出力であるため、今後汎用される可能性が高い。

定置用又は車載用二次電池の充電方式としては、一般に定電流定電圧方式が採用されている。定電流定電圧方式は、充電初期から一定の電流値で充電を行い、充電の進行に伴って蓄電池の電圧が所定の値に達すると、その電圧を維持しながら連続的に充電電流値を減少させてゆく充電方式である。しかしながら、リチウムイオン電池や鉛電池等の二次電池は、環境温度が低温であると本来の定格容量まで充電できなくなる現象が生じる。すなわち、寒冷環境では、充電動作中に充電電流が一定値まで低下しているにも拘わらず、二次電池のフル容量まで充電が行われない。従って、例えば寒冷期の夜間に当該二次電池の充電が行われた場合、一回の充電によって定置用二次電池が出力できる電力量が少なくなったり、電動車両が走行できる距離が短くなったりする不具合が生じる。

この問題を解決する手段として、特許文献１、２には、二次電池セルに電気ヒータを取り付け、充電時に二次電池を加温することによって充電可能な容量を増加させる構成が開示されている。また、特許文献３には、所定の閾値電圧で充電を完了した後、充電に伴う電池温度の上昇分に対応して、閾値電圧を高い値に設定して再充電を行う方法が開示されている。

特開２００８−４１６１４号公報 特開２００９−８７８１４号公報 特開２００９−２２０７８号公報

しかしながら、特許文献１、２の構成のようにヒータを使用するものにあっては、当該ヒータを二次電池に取り付けるための構造的なく工夫が必要となると共に、ヒータを稼働させるための電力が必要となる問題がある。また、特許文献３の構成では複雑な充電制御が必要となるだけでなく、充電可能時間に制約がある場合（夜間電力時間帯に充電を完了させねばならないような場合）に、再充電のための時間が取れない場合が生じ得る。

本発明は、このような不具合に鑑みてなされたもので、ヒータ等を用いることなく、寒冷環境下においても十分な充電量を確保することができる二次電池の充電システムおよび充電方法を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る二次電池の充電システムは、二次電池と、前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池の温度を計測する温度計測手段と、前記充電手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、通常の充電時において、充電電流を所定の第１電流値に設定して、前記充電手段に前記二次電池を充電させる制御を行うものであって、前記温度計測手段が計測した電池温度が所定の閾値温度以下である場合に、前記第１電流値による通常の充電を実行させる前段に電池加熱期間を設け、該電池加熱期間において前記充電電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定して、前記充電手段に前記二次電池を充電させる制御を行うことを特徴とする（請求項１）。

この構成によれば、二次電池の電池温度が閾値温度以下である場合に、通常の充電が行われる前段に、電池加熱期間が設けられる。この電池加熱期間においては、充電電流が、通常充電時の第１電流値よりも大きい第２電流値に設定されて充電が行われる。従って、二次電池は、大電流充電に伴う自己発熱により電池温度が、通常充電時よりも高いレベルに上昇することになる。このような自己加熱動作を充電期間の初期に実行させることにより、寒冷環境下にあっても二次電池を定格容量まで充電させることができる。

上記構成において、前記制御手段は、前記電池加熱期間において、前記第２電流値による充電を実行させる前段に、前記充電電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値から徐々に前記第２電流値に到達させる電流上昇期間を設定することが望ましい（請求項２）。

電池温度が低い状態において突然大電流で充電を行うと、電池寿命に影響を与える懸念がある。上記構成によれば、前記第２電流値による充電を実行させる前段に、充電電流が制限された電流上昇期間を設けられるので、電池の保護を図ることができる。

上記構成において、前記二次電池の充電可能容量が最大となる電池温度を最大容量温度とするとき、前記制御手段は、前記二次電池の通常の充電時における温度上昇特性を参照して、前記二次電池の充電完了時において該二次電池の電池温度が前記最大容量温度と同一乃至は近接する温度となるよう、前記通常の充電の開始時点における電池温度の目標温度を定め、電池温度が前記目標温度に達した時点で、前記電池加熱期間を終了させることが望ましい（請求項３）。

この構成によれば、二次電池の充電完了時において、該二次電池の電池温度が前記最大容量温度と同一乃至は近接するまで二次電池が加熱されるよう、通常の充電の開始時点における電池温度の目標温度が設定される。従って、寒冷環境で充電が行われた場合であっても、当該二次電池の定格容量若しくはその近傍まで充電を行わせることが可能となる。

上記構成において、前記制御手段は、前記通常の充電の開始時点における目標電池電圧を定め、電池電圧が前記目標電池電圧に達した時点で、前記電池加熱期間を終了させることが望ましい（請求項４）。

この構成によれば、電池電圧（充電率）が所定の目標電池電圧に達したか否かに基づいて、前記電池加熱期間の終了時点を定めることが出来るので、制御を簡素化することが可能となる。

上記構成において、前記充電手段は、前記二次電池の通常の充電を、定電圧充電方式で実行することができる（請求項５）。この構成によれば、二次電池の充電動作を効率的に行わせることができる。

本発明の他の局面に係る二次電池の充電方法は、二次電池の充電方法であって、充電を行うことが可能な許容充電時間を定めるステップと、充電対象とする二次電池の温度を計測するステップと、前記二次電池の温度が所定の閾値温度以下である場合に、前記許容充電時間の当初の時間内において、充電電流を通常充電時において設定される第１電流値よりも大きい第２電流値に設定して前記二次電池に対して充電を行って電池温度を上昇させるステップと、電池温度が上昇した後に、充電電流を前記第１電流値に設定して前記二次電池に対して充電を行うステップと、を含むことを特徴とする（請求項６）。

この方法によれば、二次電池の電池温度が設定温度以下である場合に、許容充電時間の当初の時間内において充電電流を通常の第１電流値よりも大きい第２電流値に設定されて当該二次電池が自己加熱され、許容充電時間の他の時間内において当該二次電池に対して第１電流値で充電が行われる。従って、二次電池が自己加熱されることによって、寒冷環境においても充電可能な容量を増加させることができる。

この場合、前記第２電流値による充電を実行する前段に、前記充電電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値から徐々に前記第２電流値に近づけつつ、前記二次電池に対して充電を行うステップを含むことが望ましい（請求項７）。

本発明によれば、ヒータ等を用いることなく、寒冷環境下においても二次電池を定格容量まで充電できるようになる。従って、寒冷期において、二次電池の使用可能電力量を増加させることができる。

本発明の実施形態に係る二次電池の充電システムの概要を示すブロック図である。 二次電池の充電温度特性の一例を示すグラフである。 二次電池の普通充電特性を示すグラフである。 充電可能容量と温度との関係を示すグラフである。 制御部の機能ブロック図である。 充電パターンの一例を示すグラフである。 充電電流と電池温度との関係を示すグラフである。 二次電池に対する充電動作を示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の充電システム１の概要を示すブロック図である。本実施形態において充電対象とされる二次電池は、負荷平準化、若しくは太陽光発電又は風力発電の出力変動補償のために設置される定置型二次電池や、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車など電動車両に搭載される車載二次電池等である。また、本実施形態では、１００Ｖ又は２００Ｖの電源を用いて充電が行われる所謂「普通充電」を対象としており、数十ＫＷ級の電力供給容量を備える電源供給設備を用いる所謂「急速充電」は対象としていない。

充電システム１は、商用電力系統から２００Ｖ又は１００Ｖの電力が供給されている充電コンセント（図略）に接続されている。該充電コンセントは、例えば夜間の電力料金が割安となる時間帯別電灯料金（夜間電力料金）制度等の料金メニューが採用されている一般家庭内に存在するコンセントである。当該充電システム１は、２４時間いつでも利用可能な充電設備ではあるが、本実施形態では、夜間電力料金の時間帯（２３：００〜翌７：００）を、「充電を行うことが可能な許容充電時間」と扱い、当該夜間電力料金の時間帯内に二次電池に対する充電処理が行われるものとする。

図１に示すように、二次電池の充電システム１は、二次電池ボックス１１、温度センサ１２（温度計測手段）、充電装置１３（充電手段）、メモリ１４及び制御部１５（制御手段）を備えている。二次電池ボックス１１は、負荷平準化又は出力変動補償のための電源、若しくは電気自動車の動力電源となる二次電池ユニットであって、当該充電システムによって充電される二次電池を含むユニットである。

二次電池ボックス１１は、並列接続された４つの電池モジュール１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを含む。各電池モジュール１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄは、直列接続された複数個の二次電池セル１１１（二次電池）と、これらを収容するケーシング１１２とからなる。二次電池セル１１１は、充電及び放電のサイクルを繰り返し行うことができる電池であって、例えばリチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等からなる単位セルである。

温度センサ１２は、例えば白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対等の直接接触型の温度センサであり、二次電池ボックス１１（二次電池セル１１１）の温度を計測する。温度センサ１２の装着態様は任意であり、ケーシング１１２の内部に配置しても良いし、ケーシング１１２の外表面にプローブ部を添設する態様としても良い。

充電装置１３は、商用電力系統から電力の供給を受けて、自立的に二次電池ボックス１１に対する充電動作を制御するコントローラである。充電装置１３は、例えば、定電圧方式又は定電流定電圧方式により二次電池ボックス１１の二次電池セル１１１を充電する。定電圧方式は、一定の電圧で充電を行うもので、充電の進行により徐々に充電電流値が減少する充電方式である。また、定電流定電圧方式は、充電初期から一定の電流値で充電を行い、充電の進行に伴って二次電池の電圧が所定の値に達すると、その電圧を維持しながら連続的に充電電流値を減少させてゆく充電方式である。

充電装置１３は、他の充電方式として、一定の電流値で充電を行い二次電池の電圧が所定の値に達したときに、その電圧を上回らないように段階的に充電電流値を減少させてゆく定電流ステップダウン方式を採用しても良い。或いは、充電初期から一定の電力値で充電を行い、充電の進行に伴って蓄電池の電圧が所定の値に達すると、その電圧を維持しながら連続的に充電電力値を減少させてゆく定電力定電圧方式、若しくは、段階的に充電電力値を減少させてゆく定電力ステップダウン方式を採用しても良い。

メモリ１４は、各種の設定データや、演算処理又は制御処理などのデータを一時的に格納するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなる。本実施形態において、メモリ１４には、例えば上述の許容充電時間、後述する電池充電率の現在値、二次電池の充電率−充電時間のテーブル、電池温度−制限充電電流のテーブル、閾値温度（図４）、及び、充電時の電池温度上昇特性などが記憶される。

制御部１５は、二次電池ボックス１１に対する充電動作を制御するコントローラである。本実施形態においては、制御部１５は、二次電池ボックス１１の充電が寒冷環境下でも定格容量まで十分に行われるよう、許容充電時間の当初に電池加熱期間を設ける。この電池加熱期間においては、制御部１５は、充電電流を普通充電時の電流値（第１電流値）よりも大きい加熱充電電流（第２電流値）に設定し、充電装置１３に二次電池ボックス１１を充電させる制御を行う。このような電池加熱期間を設ける理由につき、図２〜図４に基づいて説明する。

図２は、二次電池の充電温度特性の一例を示すグラフである。ここでは、電池温度が２５℃及び０℃に場合における二次電池の端子電圧と充電電流とを各々示している。このグラフから明らかな通り、電池温度が０℃の場合は、２５℃の場合に比べて充電電流が早く低下し始める。このことは、電池温度が低い程、充電できる電力量が少なくなることを示している。すなわち、二次電池が本来有する定格容量までの充電を行うことが出来ないことを意味する。

図３は、定電流定電圧方式における二次電池の普通充電特性の一例を示すグラフである。ここでは、充電電流Ａ_０と電池温度Ｂ_０とに加え、充電コンセントの許容電流Ｉ_ｔｈが示されている。当然、充電電流Ａ_０は許容電流Ｉ_ｔｈよりも低い値に設定される。なお、図３では、説明の便宜上、充電電流Ａ_０が一定である区間が比較的短く表示されているが、実際は一定区間の方が相当長い。

充電時間の進行に伴って二次電池の電圧が所定の値に達する時刻Ｔ_ｍになると、その電圧を維持しながら充電電流Ａ_０が徐々に低下してゆく。そして、充電電流Ａ_０が下限値Ａ_ｂに達する時刻Ｔ_ｅに至ったとき、当該二次電池の充電は完了する。このような充電期間中、電池温度Ｂ_０は、充電に伴う自己発熱により、徐々に昇温する。しかしながら、環境温度が低い場合、時刻Ｔ_ｅの時点において電池温度Ｂ_０が、定格容量までの充電を行うことが出来る最大容量温度Ｂ_ｉに達しないことがある。図３では、時刻Ｔ_ｅの時点における電池温度Ｂ_０が、最大容量温度Ｂ_ｉよりもΔＢだけ低い温度Ｂ_ｎであるケースを例示している。この場合、二次電池は、ΔＢの分だけ充電可能な容量が低下することとなり、時刻Ｔ_ｅの時点における充電電力量が定格値よりも少なくなる不具合が生じる。

図４は、二次電池の充電可能容量と温度との関係を示すグラフである。ここでは、電池温度が例えば０℃の場合は、定格容量の９０％弱までしか充電できないのに対し、電池温度が２０℃であると、定格容量のほぼ１００％を充電することができることを例示している。このことから、図４の特性を有する電池であれば、その電池温度を充電完了時点において強制的に２０℃に到達させれば、寒冷環境であっても当該二次電池を定格容量まで充電させることできることになる。本実施形態ではこの点に着目し、充電電流を通常よりも大きくする電池加熱期間を前置し、二次電池ボックス１１を自己加熱させる加熱制御を行うものである。

続いて、制御部１５の詳細について説明する。図５は、制御部１５の機能構成を示すブロック図である。制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、所定のプログラムが実行されることで、状態検知部１５１、温度検出部１５２、判定部１５３、データ取得部１５４、演算処理部１５５、充電パターン設定部１５６及び充電制御部１５７を含むように機能する。

状態検知部１５１は、二次電池ボックス１１の動作状態に関連する各種情報を取得して、状態判定及び演算を行う。例えば状態検知部１５１は、メモリ１４を参照して許容充電時間内であるか否か、また、充電コネクタへのケーブル接続状況等を参照して充電スタンバイ状態となっているか否かを判定する。さらに、状態検知部１５１は、二次電池ボックス１１の出力系統に接続され放電電流を計測する電流計（図略）から所定の間隔で電流値をサンプリングし、この電流値を積分することで二次電池ボックス１１の放電量（Ａｈ）を算出する。当該放電量に基づき、二次電池ボックス１１の現状における電池充電率が求められる。この電池充電率はメモリ１４に逐次更新書き込みで記憶される。

温度検出部１５２は、温度センサ１２から与えられる電池温度に関連する電気信号に基づいて、二次電池ボックス１１（二次電池セル１１１）の電池温度を特定する。

判定部１５３は、温度検出部１５２が検出した電池温度が、電池特性に応じて予め設定された閾値温度以下であるか否か、すなわち、二次電池ボックス１１を充電するに際して通常の充電動作を実行させる前段に電池加熱期間を設定する必要があるか否かを判定する。この閾値温度とは、二次電池ボックス１１の充電可能容量が最大となる電池温度であって、もし図４の特性を有する二次電池を使用しているならば、加熱設定温度を２０℃〜２５℃程度に定めることができる。判定部１５３は、実測された電池温度が閾値温度を下回っている場合、電池加熱期間の設定が必要と判定し、閾値温度と同等以上であれば電池加熱期間の設定が不要と判定する。

また、判定部１５３は、電池加熱期間が実行されている最中において、二次電池ボックス１１の電池電圧（端子電圧）が所定の電圧、つまり通常の定電圧定電流方式の充電に移行することが可能な電圧に達したか否かを判定すると共に、通常の充電電流で電池温度が定格容量までフル充電できる最大容量温度に達するか否かを判定する。さらに、判定部１５３は、電池加熱期間の実行中においても、電池温度が閾値温度を超過したか否かを判定する。

データ取得部１５４は、次述の演算処理部１５５によって実行される演算に用いられる各種のパラメータをメモリ１４から読み出す。例えばデータ取得部１５４は、許容充電時間、充電率−充電時間のテーブル、電池温度−制限充電電流のテーブル、状態検知部１５１で常時管理されている電池充電率、閾値温度、二次電池ボックス１１の充電時における自己温度上昇特性などを、必要に応じてメモリ１４から読み出す。

演算処理部１５５は、データ取得部１５４により取得されたパラメータを用いて、充電装置１３の動作を制御するために必要な演算処理を行う。この演算処理は、充電パターン設定部１５６により設定される充電パターンによって相違する。

充電パターン設定部１５６は、判定部１５３の判定結果に応じて、充電制御部１５７によって実行される二次電池ボックス１１の充電パターンを設定する。電池温度が閾値温度以上であり、判定部１５３が電池加熱期間の設定不要と判定した場合、充電パターン設定部１５６は、充電許容期間の開始時点から、通常の定電圧定電流方式による充電が実行されるよう、充電パターンを設定する。本実施形態では、充電許容期間は２３：００〜翌７：００までの８時間であるので、２３：００の時点から定電圧定電流方式による充電が開始されるよう、充電パターンが設定される。

これに対し、電池温度が閾値温度未満であり、判定部１５３が電池加熱期間の設定が必要と判定した場合、充電パターン設定部１５６は、例えば図６に示すように、充電許容期間の当初に電池加熱期間が存在し、次いで通常充電期間が設けられる充電パターンを設定する。図６において、時刻ｔ０（本実施形態では２３：００）〜時刻ｔ２が電池加熱期間であり、時刻ｔ２〜時刻ｔ４が通常充電期間である。時刻ｔ４は、本実施形態では、翌７：００までの任意の時刻となるよう充電条件が設定される。

大略的には、充電電流は、通常充電期間においては所定の電流値Ｉ_ｃ３（第１電流値）に設定され、電池加熱期間においては電流値Ｉ_ｃ３よりも大きい電流値であって、二次電池ボックス１１を自己発熱させ電池温度を上昇させるのに十分な電流値Ｉ_ｃ２（第２電流値）に設定される。

図７は、充電電流と電池温度との関係を示すグラフである。グラフ中のＩ_０は、充電電流を二次電池ボックス１１の定格電流に相当する電流に設定した場合の電池温度上昇曲線である。例えば通常充電期間における電流値Ｉ_ｃ３は、定格電流Ｉ_０の１／５程度以下の電流値Ｉ_１に設定される。このような電流値Ｉ_１では、電池温度は僅かに上昇する程度である。このことは、電力損失が少ないことを意味する。これに対し、電池加熱期間における電流値Ｉ_ｃ２は、定格電流Ｉ_０の２倍程度の電流値Ｉ_２に設定される。かかる電流値Ｉ_ｃ２であれば、電池温度を短時間で急激に上昇させることができる。

ところで、電池温度が相当低い状態において大電流での充電動作を行うと、二次電池の寿命を低下させてしまことがある。このため、二次電池の特性によって電池温度毎に定まる制限された電流（制限電流）で充電することが望ましい。従って、図７に示す例では、電池加熱期間の初期段階に「電流上昇期間」を設定し、この期間内においては前記制限電流の範囲内に充電電流を抑制している。すなわち、充電が開始される時刻ｔ０における充電電流の初期電流値Ｉ_ｃ１（第３電流値）は、電池加熱期間において予定される電流値Ｉ_ｃ２よりも小さい電流値とされる。

前記電流上昇期間において、充電電流は、電流値Ｉ_ｃ１から徐々に電流値Ｉ_ｃ２に近づくように上昇される。この際、充電電流が二次電池に流れることによって電池温度も徐々に上昇し、結果として制限電流並びに充電可能電池容量も大きくなってゆく。換言すると、制限電流の増加に伴い充電電流が徐々に増加されるものである。そして、二次電池ボックス１１を自己加熱させるのに十分な電流値Ｉ_ｃ２に達した時刻ｔ１以降は、充電電流は電流値Ｉ_ｃ２に保たれる。このような電流上昇期間における初期電流値Ｉ_ｃ１、充電電流値の増加率等は、時刻ｔ０における電池温度、当該二次電池の制限電流、及び電池充電率（電池残量）を参照して、演算処理部１５５により求められる。

時刻ｔ１以降も、図７に示すように、電流値Ｉ_ｃ２の充電電流によって二次電池ボックス１１は自己加熱し、電池温度及び充電可能電池容量が徐々に上昇することになる。そして、電池温度が目標温度Ｂａに達する時刻ｔ２で電池加熱期間は終了し、通常充電期間に移行される。ここに、目標温度Ｂａとは、二次電池ボックス１１の充電完了時（時刻ｔ４）において該二次電池ボックス１１の電池温度が最大容量温度Ｂ_ｉと同一乃至は近接する温度となるようにするために必要となる、通常充電の開始時点（時刻ｔ２）における電池温度である。つまり、目標温度Ｂａは、最大容量温度Ｂ_ｉから、通常充電期間における電池温度上昇見込み分を差し引いた温度である。演算処理部１５５は、二次電池ボックス１１の通常の充電時における温度上昇特性をメモリ１４において参照して、目標温度Ｂａ（電池加熱期間）を算出する。

なお、上記のように電池温度が目標温度Ｂａに達した時点を目安に電池加熱期間を終了させるのではなく、電池電圧が所定の目標の電圧値（目標電池電圧）に達した時点で、電池加熱期間を終了させるようにしてもよい。この電池加熱期間においては、充電電流を大電流（電流値Ｉ_ｃ２）に設定するので、充電率も急速に上昇する。充電率がアップし、電池電圧が所定値に達すると、電池温度も十分な温度に達していると推定できるので、電池電圧を電池加熱期間終了の指標とすることができる。

時刻ｔ２以降は、充電電流が普通充電時の電流値Ｉ_ｃ３の一定値に設定される。充電時間の進行に伴って二次電池ボックス１１の電圧が所定の値に達する時刻ｔ３になると、その電圧を維持しながら充電電流が徐々に低下される。そして、充電電流が下限値の電流値Ｉ_ｃ４に達する時刻ｔ４に至ったとき、当該二次電池の充電は完了する。このような通常充電期間中、電池温度は充電に伴う自己発熱により徐々に昇温し、時刻ｔ４の時点において電池温度が最大容量温度Ｂ_ｉに達する。従って、二次電池ボックス１１の定格容量までフルに充電を行うことが出来るようになる。

充電制御部１５７は、充電パターン設定部１５６に設定された充電パターンに従うと共に、演算処理部１５５で求められた電池加熱時間、充電電流等に基づいて、充電装置１３を制御する制御信号を生成し、二次電池ボックス１１の充電を行わせる。

続いて、上記で説明した充電システム１の充電時における動作を説明する。図８は、二次電池ボックス１１に対する充電動作に一例を示すフローチャートである。先ず、状態検知部１５１により充電スタンバイ状態となっていることが確認された後に、温度検出部１５２により温度センサ１２から温度検知信号がサンプリングされ、二次電池ボックス１１の電池温度が検出される（ステップＳ１）。さらに、データ取得部１５４によって、所定のパラメータがメモリ１４から読み出される（ステップＳ２）。読み出されるパラメータは、例えば、二次電池ボックス１１の許容充電時間、電池充電率、電池電圧、充電率−充電時間のテーブル、電池温度−制限充電電流のテーブル、充電時における電池温度上昇特性などである。

その後、判定部１５３により、温度検出部１５２が検出した電池温度が、上述の閾値温度以上であるか否かが判定される（ステップＳ３）。電池温度が閾値温度を下回っている場合（ステップＳ３でＮＯ）、判定部１５３は、二次電池ボックス１１の電池電圧が、定電圧方式による充電に移行して差し支えない電圧（目標電池電圧）であるか否かを判定する（ステップＳ４）。これは、電池消耗量が少ない状態では、電池温度が閾値温度より低くても、わざわざ電池加熱期間を設けることなく定電圧方式の実行に伴う充電電流による自己加熱によって電池温度が最大容量温度に達する場合があるからである。

電池電圧が目標電池電圧に達していない場合（ステップＳ４でＮＯ）、さらに判定部１５３は、通常の充電電流による自己加熱によって電池温度が最大容量温度に達するか否かを判定する（ステップＳ５）。これは、電池温度が閾値温度を僅かに下回っているような場合に、電池加熱期間を設けなくとも良いケースが有り得るからである。この電池温度の推定は、演算処理部１５５により、電池充電率、充電時における電池温度上昇特性等のパラメータを用いて算出される。

通常の充電電流では最大容量温度に達しないと判定された場合（ステップＳ５でＮＯ）、電池加熱を行う判定がなされ（ステップＳ６）、充電パターン設定部１５６は、充電許容期間の当初に電池加熱期間を含む充電パターンを設定する。そして、充電パターン設定部１５６は、二次電池ボックス１１の現状の電池温度を参照して、充電電流の値を決定する（ステップＳ７）。

この電池加熱期間における充電電流の決定に際しては、電池特性により定まる制限充電電流の範囲内で、所定の時刻（例えば図７の時刻ｔ２）までに電池温度を目標温度Ｂａまで上昇させることができるか否かが参照される。制限充電電流の範囲内で目標温度Ｂａに到達させることができる場合、その目標温度Ｂａに到達させるために最小限必要な電流に充電電流が設定される。一方、制限充電電流の範囲内で目標温度Ｂａに到達させることができない場合は、充電電流＝制限充電電流に設定し、可及的に電池加熱期間内において電池温度を上昇できるようにする。

充電電流の値が決定されたら、充電制御部１５７及び充電装置１３により、その充電電流値で二次電池ボックス１１に対し、電池加熱を兼ねた充電動作が実行される（ステップＳ８）。以降、ステップＳ３〜ステップＳ８の処理が繰り返される。なお、ステップＳ７においては、図６に示す電流上昇期間（時刻ｔ０〜ｔ１）内では、電池温度に応じた制限充電電流の範囲内で、徐々に増加するように充電電流が変化され、時刻ｔ１以降は、一定値に充電電流が設定されることになる。

これに対し、電池温度が閾値温度以上である場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、通常の定電流定電圧方式による充電が行われる（ステップＳ９）。続いて、電池電圧が所定値まで上昇し、定電圧方式による充電に移行できる状態であるか否かが確認され（ステップＳ１０）、電池電圧が所定値以下の場合（ステップＳ１０でＮＯ）は、定電流定電圧充電が継続される。一方、電池電圧が所定値に達した場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）は、定電圧方式による充電に移行する（ステップＳ１１）。

また、ステップＳ４において、電池電圧が目標電池電圧に達している場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、又は通常の充電電流で最大容量温度に達すると判定された場合も（ステップＳ５でＹＥＳ）、充電制御部１５７及び充電装置１３により、定電圧方式による充電動作が実行される（ステップＳ１１）。そして、充電電流が所定値（図６に示す電流値Ｉ_ｃ４）以下に達したか否かが確認される（ステップＳ１２）。充電電流が所定値に達していない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、充電動作が継続され、充電電流が所定値に達した場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、二次電池ボックス１１に対する充電動作が終了される。

以上説明した本実施形態に係る二次電池の充電システムによれば、二次電池ボックス１１の電池温度が閾値温度以下である場合に、許容充電時間の初期段階に当該二次電池ボックス１１の充電電流を通常充電時よりも大電流とし、自己発熱させる電池加熱期間が設定される。従って、ヒータ等を用いることなく、寒冷環境下においても二次電池を定格容量まで充電できるようになり、二次電池の使用可能電力量を増加させることができる。

１ 充電システム
１１ 二次電池ボックス
１１１ 二次電池セル
１２ 温度センサ（温度計測手段）
１３ 充電装置（充電手段）
１４ メモリ
１５ 制御部（制御手段）
１５１ 状態検知部
１５２ 温度検出部
１５３ 判定部
１５４ データ取得部
１５５ 演算処理部
１５６ 充電パターン設定部
１５７ 充電制御部

Claims (7)

1. 二次電池と、
   前記二次電池を充電する充電手段と、
   前記二次電池の温度を計測する温度計測手段と、
   前記充電手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   通常の充電時において、充電電流を所定の第１電流値に設定して、前記充電手段に前記二次電池を充電させる制御を行うものであって、
   前記温度計測手段が計測した電池温度が所定の閾値温度以下である場合に、前記第１電流値による通常の充電を実行させる前段に電池加熱期間を設け、該電池加熱期間において前記充電電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定して、前記充電手段に前記二次電池を充電させる制御を行うことを特徴とする二次電池の充電システム。
2. 前記制御手段は、前記電池加熱期間において、前記第２電流値による充電を実行させる前段に、前記充電電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値から徐々に前記第２電流値に到達させる電流上昇期間を設定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電システム。
3. 前記二次電池の充電可能容量が最大となる電池温度を最大容量温度とするとき、
   前記制御手段は、
   前記二次電池の通常の充電時における温度上昇特性を参照して、前記二次電池の充電完了時において該二次電池の電池温度が前記最大容量温度と同一乃至は近接する温度となるよう、前記通常の充電の開始時点における電池温度の目標温度を定め、
   電池温度が前記目標温度に達した時点で、前記電池加熱期間を終了させることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池の充電システム。
4. 前記制御手段は、前記通常の充電の開始時点における目標電池電圧を定め、電池電圧が前記目標電池電圧に達した時点で、前記電池加熱期間を終了させることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池の充電システム。
5. 前記充電手段は、前記二次電池の通常の充電を、定電圧充電方式で実行することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池の充電システム。
6. 二次電池の充電方法であって、
   充電を行うことが可能な許容充電時間を定めるステップと、
   充電対象とする二次電池の温度を計測するステップと、
   前記二次電池の温度が所定の閾値温度以下である場合に、前記許容充電時間の当初の時間内において、充電電流を通常充電時において設定される第１電流値よりも大きい第２電流値に設定して前記二次電池に対して充電を行って電池温度を上昇させるステップと、
   電池温度が上昇した後に、充電電流を前記第１電流値に設定して前記二次電池に対して充電を行うステップと、
   を含むことを特徴とする二次電池の充電方法。
7. 前記第２電流値による充電を実行する前段に、前記充電電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値から徐々に前記第２電流値に近づけつつ、前記二次電池に対して充電を行うステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の二次電池の充電方法。

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