JP3594879B2 - バックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【0003】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池(以下、Ni/Cd電池と称す)に比べて大幅な高エネルギー密度であるニッケル水素電池(以下、Ni/MH電池と称す)やリチウムイオン電池では、事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【0004】
信頼性のひとつとして、電池寿命の伸長が挙げられる。特に停電時のバックアップ用途に使用される二次電池あるいは二次電池パックは長寿命であることが望ましい。すなわち、このような用途においては、通常、電池を使用している感覚が薄れているため、電池の保守を怠りがちであり、電池寿命が短いと、いったん停電が発生した際に、電池の容量が低下していて、その電池を使用することができず、重大事態に陥る危険性がある。また、電池寿命が短いと頻繁に取り替えが必要となり、人件費や維持費が高騰して好ましくない。
【0005】
ここに、電池パックとは、複数個の電池単体を接続したものを、必要に応じて、充放電制御回路と組合わせたものを意味する。以下、電池と電池パックとをまとめて電池と称す。
【0006】
二次電池の寿命は電池構成材料が経時的な化学劣化を起こしたり、充放電サイクルなどにより電気化学的に劣化することによって容量が減少することに起因する。
【0007】
化学劣化の原因は、完全に明らかにされているとは言いがたいが、セパレータの材質劣化や、電極を構成する高分子化合物の結着剤に含まれる出発物質のモノマーの劣化がその主要因と考えられている。また、充放電サイクルに伴って生じる副反応によって電池反応に関わる鉛、硫酸鉛、ニッケル化合物、水素吸蔵合金、あるいはカドミウムなどの活物質や活物質の吸蔵物質が消耗したり構造変化したりすることも原因として指摘されている。
【0008】
化学劣化の抑制には、セパレータ材料を化学劣化の生成しにくいポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン材料に変更したり、電極、電解液の構成材料から劣化が容易に起こりうる不純物を除去したり、充放電に伴って起こりうる副反応の化学反応を抑制することによって対処している。
【0009】
一方、電気化学劣化については、充放電サイクルに伴う電極活物質の構造変化、たとえば、Ni/Cd電池やNi/MH電池の正極材料であるβ−NiOOHからγ−NiOOHへの変化などによる密度の変化が電極の膨れと収縮を繰り返し、機械的に劣化したり、放電によって変化した活物質が充電によっても完全に元の構造や化合物に回復しなかったり、あるいは、充電の上限、放電の下限電圧の不適切によって過充電、過放電状態となり、副反応として電解液などの電気化学分解が生じたりすることが主要因として考えられる。
【0010】
電気化学劣化の抑制には、電極の膨張、収縮に耐えられる強固な結着剤の選定、充放電サイクルによる密度変化が小さく、反応可逆性の高い活物質材料の選定、耐過充電、耐過放電特性を向上させる添加剤の採用、電極材料や電解液材料の組成最適化、正極・負極の活物質量バランス最適化などを行うことによって対処している。
【0011】
バックアップ用途の電池の場合には、待機時のほとんどの時間、電池を充電状態におくため、主に化学劣化と過充電による電気化学劣化の程度が電池寿命を左右する。過充電による電気化学劣化としては、アルカリ水溶液系電池においては、充電末期における発生酸素の処理反応による負極活物質(カドミウム、水素)の消耗が挙げられる。過充電による電気化学劣化に対しては、電極構成材料に添加物を混合したり、適当な金属メッキを施したりして耐過充電特性を改善する方策が一般的に採用されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の対策を施しても、充電末期の過電圧による劣化は電池反応機構上避けられない。そのため、特に過電圧による劣化低減を目的の一つとして種々の充電方法が提案されてきた。
【0013】
バックアップ用アルカリ水溶液系二次電池に対する従来の充電方法としては、一定の電流値で充電を実施する方法が最も一般的に用いられてきた。最も普及している方法としては、電池を負荷から切り放し、0.1CmA以下の微小電流で充電し続けるトリクル充電という方法が知られている(ここに、「CmA」は電池の公称容量を1時間で割った値(電流値)を意味する)。この方法の大きな特徴は、充電に関わる装置・部品が単純で安価であることである。しかしながら、電池の充電電圧は周囲温度や劣化の程度で大きく変わるので、この方法を用いていても、過充電による電池の劣化がきわめて深刻な状態となることがある。
【0014】
これに対して、一定期間充電を実施した後、放置し、電池電圧が一定の電圧にまで降下すると、再び充電を行う間欠充電方式が提案された。この充電方法によると、電池を一度満充電した後、放置し、自己放電などによって電池電圧があらかじめ設定した電圧にまで降下すると再び一定の電流で一定時間再充電し、以後、この放置と再充電とを繰り返して容量を維持するものである。あるいは、再充電を時間ではなく、充電終了の電圧を設定して、この2つの設定電圧値の間で放置と再充電を繰り返す方法も提案されている。また、電圧を設定する代わりに、単純に放置と再充電の時間を設定してこれを経時的に繰り返す方法もある。
【0015】
しかしながら、これらの放置期間を設けた方法では、上記の単純に充電を続ける方法に比較して過充電に晒される機会は若干改善されるものの、これらの方法においても、周囲温度や電池の劣化状態によって充電電圧が変化し、深刻な容量劣化が起こるという問題は解決されず、根本的な電気化学劣化の抑制はできなかった。
【0016】
上記とは別に、充電を一定電流で行うのではなく、充電電流をある時間幅を有するパルスとして供給して行う方法も提案されている。この方法では、一定の電流値に比べ、電流パルス間は充電休止となるため、一定電流での充電に比べて過充電に晒される機会は減少するものの、この方法においても同様に、周囲温度や電池の劣化状態によって充電電圧が変化していく問題は解決されず、根本的な電気化学劣化の抑制はできなかった。
【0017】
本発明は、上記の現状を改善するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、周囲温度の変化や電池の劣化状態に影響されない、バックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、請求項1に記載のように、
商用電源の停止時に動作するバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法であって、
該二次電池を満充電した後、放置期間と再充電期間とを交互に設けて該二次電池を補充電し、
該二次電池の周囲温度をT℃としたときの、該放置期間1期間と該再充電期間1期間とを合わせた期間内における平均充電電流値Iが、該二次電池に対応して定める定数AおよびBを含む関係式
I=A×exp(BT) (1)
を満足するように、該放置期間1期間の長さである放置時間tRと該再充電期間1期間の長さである再充電時間tCと充電電流値とを設定し、
上記放置時間t R と上記再充電時間t C とが、上記二次電池の充電方法に対して規定された適用温度範囲内の最高温度における一定充電電流値Icを含む関係式
I / Ic=t C /( t R +t C ) (2)
を満足するように、放置時間t R と再充電時間t C とを設定し、
上記関係式(1)における定数Aを定める方法として、
周囲温度0℃で、充電時間7日間以上として該二次電池を充電した後、電池の公称容量を5時間で割って得る電流値である0.2CmA以上を放電電流として放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までに初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値を求め、該充電電流値を定数Aとし、
該関係式(1)における定数Bを定める方法として、
周囲温度35℃以上の該二次電池の使用温度範囲内における温度T℃で、充電時間を7日間以上として該二次電池を充電した後、放電電流0.2CmA以上で放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までの初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値Iを求め、該関係式(1)に該充電電流値Iと上記周囲温度0℃における充放電サイクル試験で求めた定数Aと温度Tとを代入して定数Bを算出して決定することを特徴とするバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法を構成する。
【0021】
また、本発明は、請求項2に記載のように、請求項1記載のバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、上記放置時間tRを、上記放置期間中の自己放電による容量残量の低下割合が40%以下であるように設定することを特徴とするバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法を構成する。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明においては、バックアップ用アルカリ水溶液二次電池を一度満充電した後、この満充電状態を維持する目的で引き続き充電(以下、補充電と称す)を継続する際、
自己放電によって、電池の容量残量があらかじめ設定された設定容量残量に到達するまで放置し、該容量残量が該設定容量残量に到達すると再充電を行い、この放置と再充電とを繰り返す間欠充電方法を用いる。
【0023】
ここに、容量残量とは、電池電圧が放電終止電圧に到達するまでに、電池が放電しうる電気量のことである。容量残量の正確な量は、電池を放電させなければ求められないので、本発明においては、容量残量を推定する。
【0024】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法は、充電に放置期間を挟むことにより充電に伴う副反応や過電圧による電気化学劣化を抑制することができ、かつ過充電に晒される期間を根絶するとともに使用に必要な容量を確保する。
【0025】
さらに、周囲温度の変化によって過充電となったり、充電不足に陥ったりすることを避けるために、この放置と再充電との繰り返しによる補充電の条件が、電池または電池パック周囲温度T℃に対して、該放置期間1期間と該再充電期間1期間とを合わせた期間内における平均充電電流値Iが上記関係式(1)で示されるように、放置時間と再充電時間とを制御する。放置期間1期間の長さである放置時間をtRとし、再充電期間1期間の長さである再充電時間をtCとし、再充電期間中の平均充電電流値(充電電流が一定であれば、その充電電流値に等しい)をIaとすれば、上記の平均充電電流値Iは
I=(Ia×tC)/(tR+tC)
と表される。ここで、平均充電電流値Iの単位はCmA、すなわち、電池の公称容量を1時間で割って得る電流値とする。また、上記関係式(1)における関数exp(x)は指数関数exを表す。
【0026】
すなわち、室温以下の低温環境下では、最適な充電電流であっても、35℃以上の高温下では自己放電速度が大きくなり充電不足に陥ることになり、逆に高温下で妥当な充電電流値であっても、低温下では深刻な過充電状態になって電池の劣化による容量低下が激しくなる。その具体的一例を図を用いて示す。
【0027】
図1、図2は、ニッケル水素電池(Aサイズ、公称容量2300mAh)を、充電電流値230mA(0.1CmA)、充電時間15時間、放電電流値460mA(0.2CmA)、放電終止電圧1.1Vで初期容量を確認した後、充電電流値77mA(0.033CmA)、および230mA(0.1CmA)、充電時間28日間、放電電流値2300mA(1.0CmA)、放電終止電圧1.1Vで充放電サイクル試験を行ったときの各サイクルにおける放電容量(放電電流を時間に関して積分して得られる)の変化を示した図である。図中、縦軸は放電容量を公称容量で割った値(%表示)を示している。
【0028】
図1は周囲温度25℃での試験結果を示した図であり、図中、1−1は充電電流値が0.033CmAの初期容量比の変化を示した曲線であり、1−2は充電電流値が0.1CmAのときの初期容量比の変化を示した曲線である。また、図2は周囲温度45℃での試験結果を示した図であり、図中、2−1は充電電流値が0.033CmAのときの初期容量比の変化を示した曲線であり、2−2は充電電流値が0.1CmAのときの初期容量比の変化を示した曲線である。
【0029】
図1、および図2から明らかなように、25℃においては、充電電流値0.033CmAでは安定した容量変化を示しているのに対して、0.1CmAでは過充電による電池の劣化が原因となり、容量がまったく確保できていない。これに対して、45℃では0.033CmAの充電電流値では自己放電に対処できず充電不足による容量の低下が著しい。
【0030】
このように、周囲温度の変化に留意せずに補充電を行うと、著しい容量低下が起こることがある。以下に説明するように、周囲温度の変化に対処して、過充電を回避し、確実な充電を実現するために、周囲温度下での最適な充電電流値を確保できる本発明の充電方法は信頼性の高いバックアップ電源を提供するうえで極めて有効な方法である。
【0031】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、周囲温度変化に対処して平均充電電流値を設定するために提案した上記関係式(1)の定数AおよびBを決定するために、以下の方法を提案する。
【0032】
すなわち、定数Aは、T=0(℃)のときに、上記関係式(1)においてexp(T)=exp(0)=1となり、平均充電電流値Iに等しくなるから、周囲温度0℃で、充電時間7日間以上として該二次電池を充電した後、放電電流値を0.2CmA以上とする条件で放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までに初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値(CmA)を求め、その値を定数Aとすることにより決定できる。
【0033】
充電時間を7日間とする理由は、これ以下の短期間の充電時間であると過充電による電池の劣化を早急に把握できないからである。具体的結果を図3に示す。
【0034】
図3は、充電電流値を230mA(0.1CmA)とし、放電電流値を2300mA(1.0CmA)とし、放電終止電圧を1.0Vとして充放電サイクルを行った充放電サイクル試験の結果を示す図であり、図中、3−1は充電期間を3日間、3−2は充電期間を7日間、3−3は充電期間を30日間に設定した場合の、積算充電時間に対する容量の変化を示した曲線である。設定した充電電流値が過充電を引き起こす好ましくない電流値であることが判明するまでに3−2、3−3で示す曲線の場合の充電期間が7日間以上であると2サイクル目で十分であるのに対して、3−1に示す充電期間が3日間と短い場合には10サイクル以上待たなければならず、上記定数Aの最適値を求めるために長期間を要し好ましくないことがわかる。
【0035】
また、放電電流値を0.2CmA以上とする理由は、通常、容量を求める条件が一般的にこの電流値であることによる。これ以下でも容量を求めることができるが、実際に電池を使用(放電)する場合には0.2CmA以上であることがほとんどであり、実使用上との対比で利便性が高く、かつ放電が完了するまでの期間が短縮化できる利点があり、本発明の方法を実現するうえで有効である。
【0036】
また、上記周囲温度下での最適な充電電流値を求める上で、初期容量比を60%以上とする理由は、一般に電池寿命を60%とするため、この値を下回る容量を示すような充電電流値の条件は短期間で電池寿命に至る恐れがあり適当ではないからである。
【0037】
次に、本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、周囲温度変化に対処して平均充電電流値を設定するために提案した上記関係式(1)の定数Bを決定するためには、図1および図2を用いて上に説明したように、室温以下での最適充電電流値と35℃以上の高温下での最適充電電流値とは異なっていることから、周囲温度35℃以上の電池の使用温度範囲内における温度T℃で充電時間7日間以上として該二次電池を充電した後、放電電流値を0.2CmA以上とする条件で放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までの初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値I(単位はCmA)を求める。定数Bは上記関係式(1)にこの充電電流値Iと温度Tと上記のようにして求めた定数Aとを代入して算出して決定する。
【0038】
前記定数Bを決定するための試験条件の設定理由は、基本的に定数Aを決定するために実施した試験条件の設定理由と同様である。
【0039】
このように、上記関係式(1)の定数AおよびBを決定することができるが、発明者らの鋭意検討した結果によれば、関係式(1)における定数AおよびBは好ましくは、
0.015≦A≦0.2 (3)
であり、
0.03≦B≦0.06 (4)
であることが見出されている。もっとも、上記(3)および(4)の条件は、現在市販されているアルカリ水溶液二次電池を対象とするものであり、今後該二次電池の仕様変更や改良によって変わりうる可能性がある。
【0040】
上記関係式(1)で表された平均充電電流値Iは、過充電を回避するとともに、周囲温度T℃におけるアルカリ水溶液二次電池の自己放電による容量の低下を補う充電電気量を保証する。これを下回る過小な電気量であると充電不足をきたし、十分な容量を確保することが困難となり、一方、これを上回る過大な電気量であると過充電によって電池の劣化を導くことになって、この場合にも十分な容量を確保することが困難となってくる。
【0041】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、上記関係式(1)によって周囲温度変化に対処して平均充電電流値を設定した場合、補充電における放置時間と再充電時間との比率を以下のようにして設定することができる。すなわち、下記に示すようにして設定される設定充電電流値をIc、放置期間1期間の長さである放置時間をtR、再充電期間1期間の長さである再充電時間をtCとして、請求項2に記載の関係式
I/Ic=tC/(tR+tC) (2)
が成立するよう放置時間tRと再充電時間tCとの比を決定する。
【0042】
上記関係式(2)が成立している場合に、再充電期間中の平均充電電流値(充電電流が一定であれば、その充電電流値に等しい)をIaとすれば、
となり、したがって
Ia=Ic
となるから、再充電期間中の平均充電電流値(充電電流が一定であれば、その充電電流値に等しい)はIcに等しくなる。
【0043】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、上記の設定充電電流値Icは、電池の規定された適用温度範囲内の最高周囲温度における、上記関係式(1)で示される平均充電電流値I以上となるようにする。この設定充電電流値Icが、適用温度範囲内の最高温度における平均充電電流値Iを下回ると、関係式(2)が成立しなくなる場合もあり、しかも、電池の自己放電による容量低下を補充電によって保証できなくなり、容量低下を引き起こすので好ましくない。
【0044】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、補充電における放置時間tRは、自己放電による電池の容量低下を考慮して決定するが、一つの方法として、適用温度範囲内の最高温度における自己放電による容量低下速度から設定することができる。すなわち、最高温度における放置期間tR中に容量残量が低下しても公称容量の60%以上を確保すれば、一般的に要求されるバックアップ時間を確保することが可能である。より好ましくは80%の容量残量が確保されれば、放電中の急激な周囲温度上昇などにも対処できる。すなわち、上記放置時間tRを、上記放置期間中の自己放電による容量残量の低下割合が40%以下、好ましくは20%以下であるように設定すればよい。
【0045】
これら、放置時間tRと容量残量との関係はあらかじめ別の試験により求めておき、この基礎データに基づいて放置時間tRを設定する。基礎データの一具体例を図4に示す。
【0046】
図4は、周囲温度60℃における放置期間と初期容量に対する容量残量の割合、すなわち容量維持率の結果を示した図である。もし、周囲温度60℃で使用する場合には、容量を60%以上維持するためには、放置期間を7日以下に設定することが必要である。
【0047】
放置期間による容量残量の低下を、容量維持率60%以上にとどめる他の理由は、これ以下の容量残量に低下するまで放置すると、いわゆるメモリー効果に類似した好ましくない放電電圧挙動とサイクルによる容量低下の促進を招く恐れがあるためである。この点を図面を用いて説明する。
【0048】
図5には、Ni/MH電池(Aサイズ、公称容量2300mAh)を45℃で、充電電流値230mA(0.1CmA)、充電時間3日間の充電と、放電電流値2300mA(1.0CmA)、放電終止電圧1.0Vで放電した後、放電をそれぞれ放電深度(DOD)20%、50%、80%まで(すなわち、容量残量がそれぞれ80%、50%、20%になるまで)行い、充電は放電容量と同等になるよう充電時間を調節して設定した充放電を9サイクル繰り返し、10サイクル目には再び放電を放電終止電圧1.0Vとして充放電を行った試験での、放電電圧プロファイルを示した図であり、図中、5−1は初期放電の電圧プロファイルを示す曲線であり、5−2はDOD20%で9サイクル充放電した後の10サイクル目の完全放電の電圧プロファイルを示す曲線であり、5−3は同じくDOD50%の試験の10サイクル目の放電の電圧プロファイルを示した曲線であり、5−4は同じくDOD80%の試験の10サイクル目の放電の電圧プロファイルを示した曲線である。
【0049】
図5より明らかなように、各放電深度の浅い充放電を9サイクル線り返した後の放電電圧プロファイルを初期完全放電の電圧プロファイルと比較すると、それぞれ特徴があり、DOD20%とした場合の5−2の曲線は、放電が容量20%分しか行われないため充電により生成したγ−NiOOHが残留し、平坦部の電圧が他より低くなっているが、γ−NiOOHの導電率が高いため容量は比較的大きい(放電時間は長い)。
【0050】
DOD50%とした場合の5−3の曲線には平坦部が2段になっている。これは、充電により生成したγ−NiOOHが完全に還元されないため、γ型とβ型の混在のためである。これは、メモリー効果と称する、浅い充放電の繰り返しの結果現れる典型的な電圧プロファイルである。
【0051】
これらに対して、DOD80%とした場合の5−4の曲線では、ほぼ完全に近い放電を繰り返したために、3つの条件のうちで最も残留γ−NiOOHが少なく平坦部の電圧が他より高くなっている。ただし、β−NiOOHの導電率はγ型より小さいため、DOD20%より放電時間は若干短くなった。
【0052】
3つの条件のうち、最も容量維持の点で不利なのはDOD50%の場合に見られる放電電圧プロファイルを示す場合である。すなわち、β型は導電率が小さいため、放電容量を小さくし、かつ放電末期にはγ−NiOOHの還元が起こるために電圧自体が低くなり、これらの相乗作用により、このようなプロファイルが保持されると充放電サイクルの繰り返しで容量の低下が著しくなる。具体的な一例を図6に示す。
【0053】
図6は、完全放電の際の放電終止電圧を1.1Vとした以外は、図5における試験と同様の条件で、9サイクルを各DODで、10サイクル目を完全放電で行う充放電サイクルを繰り返した試験の結果として、10サイクルごとの終止電圧1.1Vの完全放電の容量変化を示した図である。図中、6−1は浅い充放電をDOD20%で行った試験の10サイクルごとの完全放電の容量変化を示した曲線であり、6−2は同じく浅い充放電をDOD50%で行った試験の容量変化を示した曲線であり、6−3は浅い充放電をDOD80%で行った試験の容量変化を示した曲線である。
【0054】
図6から明らかなように、電圧プロファイルの平坦部が2段となって現れるDOD50%の試験の場合、他に比べて容量の低下が著しくなって好ましい条件とは言えないことがわかる。
【0055】
このような、メモリー効果に類似した容量低下の著しくなる現象を回避するため、補充電における放置期間を容量残量60%以上とするように設置しなければならない。
【0056】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法は、これを具体的に使用する場合、上記に示した機能を充足しうる構成の充電制御回路として装置電源部に搭載したり、あるいは、上記機能を充足しうる構成の充電制御回路を制御対象の電池とともに電池パック内に収納する。
【0057】
図7に、本発明における充電方法の機能を備えた充電制御回路のブロック概念の一例を示した。
【0058】
図7において、1は本発明の充電方法を具体的機能として備えた充電制御回路であり、2は充電制御の対象となる電池であり、3は充電制御回路1に搭載された本発明における充電方法に基づいて充電制御を実施する充電制御用マイコンであり、4は商用電源あるいは装置本体側から端子10、および11によって供給される電力を制御するための電源マイコンであり、5は充電制御用マイコン3によって制御される電源のスイッチであり、6は回路における温度異常を検知するためのサーミスタであり、これら温度異常を含めて充電制御用マイコン3による出力異常の検出を端子7によって本体側に送出する。これらの部品を搭載した充電制御回路1は、端子8、および9によって制御対象の電池2に連結される。
【0059】
図7は本発明における充電方法を実施するための充電制御回路の一概念を示したものであるが、本発明の充電方法を実現することができれば何らこれに限定されることはない。
【0060】
本発明における充電方法の制御対象となるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池は、電解液にアルカリ水溶液を用いた電池であり、具体的にはNi/Cd電池、Ni/MH電池が考えられ、特にNi/MH電池において効果を発揮するが、上述の条件に適合すればこれ以外の電池も制御可能である。
【0061】
本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法は、特に高信頼性を必要とする機器が考えられ、該充電方法によって必要な使用時間の確保と電池の長寿命化とを実現することによって、停電時の動作を確実のものにする。しかしながら、アルカリ水溶液二次電池をバックアップ電池として搭載する機器であれば何ら使用上問題なく、しかも従来を上回る使用時間と長寿命を実現することができるため使用する利点はきわめて大きい。
【0062】
【実施例】
以下に本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法について具体的実施例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
[実施例1]
Ni/MH電池(Aサイズ、公称容量2300mAh、適用温度範囲5℃〜45℃)をバックアップ用電池として使用するために、0℃で充電電流値をいくつか設定し、充電時間7日間、放電電流値2300mA(1.0CmA)、放電終止電圧1.0Vで充放電サイクルを3サイクル実施し、最適平均充電電流値42.55mA(0.0185CmA)を決定した。これとは別に、45℃で充電電流値をいくつか設定し、充電時間7日間、放電電流値2300mA(1.0CmA)、放電終止電圧1.0Vで充放電サイクルを3サイクル実施し、最適平均充電電流値として320mA(0.14CmA)を決定した。この2つの値から、周囲温度T℃と平均充電電流値ICmAとの関係
I=0.0185×exp(0.045T) (5)
を求めた。
【0063】
また、これとは別に適用温度範囲内の最高温度45℃で自己放電試験を実施し、満充電後の補充電の放置時間tRを、容量残量85%を維持できるよう18時間とした。
【0064】
さらに上記関係式(2)より、周囲温度45℃における放置時間tRと再充電時間tCとの比を3:1とするため、充電設定電流値Icを1280mA(0.56CmA)とした。
【0065】
これらの関係を把握した上で、改めて同種のNi/MH電池を用い、周囲温度35℃で充放電試験を実施した。該充放電試験における条件は、1サイクル当たりの総充電時間を28日間、設定充電電流値Icを1280mA(0.56CmA)とし、補充電の放置時間tRを18時間とし、放電電流値を2300mA(1.0CmA)とし、放電終止電圧を1.0Vとした。
【0066】
また、上記関係式(5)よりT=35(℃)の平均充電電流値Iは、I=207mA(0.09CmA)が求まるため、上記関係式(2)から補充電における再充電時間tCを
に設定した。
【0067】
比較のため、上記平均充電電流値に近い、230mA(0.1CmA)で28日間連続トリクル充電と、上記と同様の条件の放置と充電と放電とを繰り返す充放電試験を実施した。
【0068】
結果を図8に示す。
【0069】
図8は、本実施例におけるNi/MH電池の充放電サイクル試験の結果であるサイクルに伴う初期容量比の変化を示した図であり、図中、8−1は本発明における充電方法による充放電サイクルの初期容量変化を示す曲線であり、8−2は比較例として実施した連続トリクル充電試験における初期容量変化を示した曲線である。
【0070】
図から明らかなように、本発明における充電方法を採用すると安定した容量を維持できることがわかった。
[実施例2]
実施例1に用いたものと同様のNi/MH電池(Aサイズ、公称容量2300mAh、適用温度範囲5℃〜45℃)を対象とする図7に示す構造の充電制御回路を作製して、これを充放電試験装置に接続し、充放電サイクル試験を行った。充電は、1サイクル当たりの総充電時間を28日間とし、充電電流値を1280mA(0.56CmA)とし、補充電の放置期間tRを18時間とし、放電は、放電電流値を2300mA(1.0CmA)とし、放電終止電圧を1.0Vとした。
【0071】
補充電の再充電時間は、上記実施例1において求めた周囲温度Tと平均充電電流値Iとの関係式(5)より表1に示す設定となるよう充電制御用マイコンにプログラムを入力した。
【0072】
【表1】
充放電サイクル試験は、最初の5サイクルを25℃で、次の5サイクルを5℃で、続いて5サイクルを45℃で、最後の5サイクルを35℃で、計20サイクル実施した。
【0073】
結果を図9に示す。
【0074】
図9は本実施例における充電制御回路を用いて実施した充放電サイクル試験の結果であり、初期容量比のサイクルに伴う変化を示している。図9より明らかなように、本発明における充電方法によると周囲温度の変化による影響が少なくなり安定した良好な容量維持を示すことがわかった。
【0075】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の実施により、周囲温度の変化や電池の劣化状態に影響されない、バックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法を提供することができる。このように、バックアップ用アルカリ水溶液二次電池を充電し、容量残量を維持しておく場合、本発明における充電方法を用いることにより、周囲温度の影響を最小限におさえ、電池劣化を少なくして充電することができ、バックアップ用二次電池の使用においてきわめて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた周囲温度25℃におけるNi/MH電池の初期容量比の充放電サイクル数に伴う変化を示した図である。
【図2】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた周囲温度45℃におけるNi/MH電池の初期容量比の充放電サイクル数に伴う変化を示した図である。
【図3】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた充電時間の影響を示すNi/MH電池の容量の積算充電時間に伴う変化を示した図である。
【図4】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた周囲温度60℃におけるNi/MH電池の自己放電特性を示した図である。
【図5】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた放電深度による放電電圧プロファイルへの影響を示した図である。
【図6】本発明におけるバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法の概念を説明するために用いた放電深度による初期容量比の充放電サイクル数に伴う変化への影響を示した図である。
【図7】本発明におけるバックアップ用二次電池の充電方法を具体的に適用する充電制御回路構成の概念ブロック図である。
【図8】本発明の実施例1における試験結果を示した特性図である。
【図9】本発明の実施例2における試験結果を示した特性図である。
【符号の説明】
1…充電制御回路、2…電池、3…充電制御用マイコン、4…電源マイコン、5…スイツチ、6…サーミスタ、7…異常出力検出端子、8…電池接続プラス端子、9…電池接続マイナス端子、10…電源接続プラス端子、11…電源接続マイナス端子。
Claims (2)
- 商用電源の停止時に動作するバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法であって、
該二次電池を満充電した後、放置期間と再充電期間とを交互に設けて該二次電池を補充電し、
該二次電池の周囲温度をT℃としたときの、該放置期間1期間と該再充電期間1期間とを合わせた期間内における平均充電電流値Iが、該二次電池に対応して定める定数AおよびBを含む関係式
I=A×exp(BT) (1)
を満足するように、該放置期間1期間の長さである放置時間tRと該再充電期間1期間の長さである再充電時間tCと充電電流値とを設定し、
上記放置時間tRと上記再充電時間tCとが、上記二次電池の充電方法に対して規定された適用温度範囲内の最高温度における一定充電電流値Icを含む関係式
I/Ic=tC/(tR+tC) (2)
を満足するように、放置時間tRと再充電時間tCとを設定し、
上記関係式(1)における定数Aを定める方法として、
周囲温度0℃で、充電時間7日間以上として該二次電池を充電した後、電池の公称容量を5時間で割って得る電流値である0.2CmA以上を放電電流として放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までに初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値を求め、該充電電流値を定数Aとし、
該関係式(1)における定数Bを定める方法として、
周囲温度35℃以上の該二次電池の使用温度範囲内における温度T℃で、充電時間を7日間以上として該二次電池を充電した後、放電電流0.2CmA以上で放電させる充放電サイクル試験を行い、3サイクル目までの初期容量に対する比容量が60%以上を保持できる充電電流値Iを求め、該関係式(1)に該充電電流値Iと上記周囲温度0℃における充放電サイクル試験で求めた定数Aと温度Tとを代入して定数Bを算出して決定することを特徴とするバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法。 - 請求項1記載のバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法において、
上記放置時間tRを、上記放置期間中の自己放電による容量残量の低下割合が40%以下であるように設定することを特徴とするバックアップ用アルカリ水溶液二次電池の充電方法。
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