JP5426847B2 - ニッケル水素電池積層体の充電方法およびその充電制御システム - Google Patents

Description

本発明は、大型のニッケル水素電池モジュールのようなアルカリ系二次電池積層体を、電池の内部圧力に基づく制御によって充電する方法に関する。

従来、主として携帯機器用の電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車や電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。さらには、変電所のような地上に二次電池を設置し、回生電力や余剰電力をこの二次電池に蓄えて、電力の有効利用を図ることができる。このような用途に使用する二次電池としては、エネルギー密度、負荷変動追従性、耐久性、製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる（特許文献１）。

ところで、ニッケル水素二次電池においては、一般的に、あらかじめ負極の容量を正極の容量よりも大きく設定しておくことで、密閉化を可能にしている。すなわち、満充電の状態からさらに充電が行われる過充電時には、正極において下記（１）の反応により酸素ガスが発生する。
ＯＨ⁻ → １／４Ｏ_２ ＋ １／２Ｈ_２Ｏ ＋ ｅ⁻ （１）
正極で発生した酸素ガスは、下記（２）の反応により負極の水素吸蔵合金（Ｍ）中の水素と反応してＨ_２Ｏとなるので、電池内部の圧力上昇が抑えられ、電池を密閉構造とすることができる。
ＭＨ ＋ １／４Ｏ_２ → Ｍ ＋ １／２Ｈ_２Ｏ （２）
しかしながら、急速な過充電反応が起こった場合には、内部圧力の上昇を抑えきれずに、電池の安全弁が作動することがある。また、過充電状態が頻繁に起これば、電池を構成する材料が劣化し、電池性能、特に充放電サイクル寿命特性が低下する。したがって、過充電を効果的に抑制することができる充電制御方法を採用する必要がある。

従来、ニッケル水素二次電池の充電方法としては、定電流で充電を行い、電圧もしくは電池温度を監視して、電圧や温度の変化速度をパラメータとして充電を終了させる方法が一般的に採用されている。携帯機器用の小型のニッケル水素二次電池の場合には、正極と負極との反応面積が小さく、かつ、電極体の中心部と外周部との温度差も小さいので、電極全体に渡って均一に反応が起こる。したがって、電圧や温度に基づいて充電を制御することにより、過充電を抑制して、内部圧力上昇による安全弁の作動や、電池性能の劣化を防止することができる。しかしながら、大型のニッケル水素二次電池では、電極の反応面積が大きく、かつ、電極体の中心部と外周部との温度差も大きいので、電極全体の反応が不均一になりやすい。このため、電池電圧や電池の外表面温度の監視のみによる充電制御では、充電末期に局所的な過充電が起こりやすく、内部圧力上昇による安全弁の作動や充放電サイクル寿命の低下を防ぐことが困難であるという課題があった。

また、ニッケル水素二次電池の場合、充電反応自体が発熱反応であるので、定電圧制御下で、微小な電流で継続的に充電することによって常に満充電の状態を保つ、いわゆるフローティング充電には適さないとされている。すなわち、ニッケル水素二次電池でフローティング充電を行おうとすると、過充電による電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池内部圧力の上昇や電池性能の劣化につながる。したがって、ニッケル水素二次電池を、無停電電源（ＵＰＳ）のような、常に満充電状態に維持されることが要求される用途に適用するに際しては、過充電とならないよう十分な配慮を要する。

従来、電池の内部圧力によって充電を制御する方法、例えば、電池に内部圧力の上昇によって機械的に動作する圧力スイッチを設けて、この圧力スイッチのオン・オフによって充電の休止や再開を制御する方法が提案されている（特許文献２）。しかし、この方法では、充電時に電池の内部圧力が一定値以上になることを防止することはできるものの、状況に応じて内部圧力の設定値を変化させることはできない。また、複数の電池を組み合わせて電池積層体として使用する場合に、電池積層体全体の内部圧力によって充電を制御したい場合にも適していない。

また、複数の電池を組み合わせた電池積層体に、圧力センサなどの圧力測定装置を設けて、その測定値によって充電を停止させるなどの制御を行うことも提案されている（特許文献３）。しかし、この方法は、主として電池の異常状態の検出を目的とするものであり、通常の充電を内部圧力によって制御するものではない。

特開２００１−１１０３８１号公報 特開平８−３３１７６９号公報 特開２００５−１０８６８７号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、内部圧力に基づく充電制御が可能である電池積層体の性能、特にはサイクル寿命性能を向上させ、またＵＰＳ用途にも適用可能にすべく、内部圧力に基づく制御によって電池積層体を充電する方法を提供することである。

前記した目的を達成するために、本発明に係る電池積層体の充電方法は、アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が、連通部材を介して互いに連通している電池積層体を充電する方法であって、前記電池積層体の内部圧力を測定して、その測定値を予め用意した内部圧力の所定値と比較して充電制御のための電気的充電条件を順次設定することを含む。アルカリ系二次電池とは、例えば、ニッケル水素二次電池である。なお、本明細書において、「電池積層体の内部圧力」とは、電池積層体を構成する各単位電池が連通した状態での内部圧力を意味し、「電気的充電条件」とは、定電流充電における定電流の設定値、定電圧充電における定電圧の設定値、および、定電流−定電圧充電における定電流および定電圧の各設定値を意味する。

この構成によれば、電池積層体を構成する単位電池の内部が互いに連通していることにより、圧力測定装置を電池積層体の内部に連通させて電池積層体の内部圧力を測定することができるので、内部圧力の値に基づいて電池積層体の充電を制御することが可能である。しかも、電池積層体の内部圧力値に基づいて充電制御のための電気的充電条件を順次設定するので、電池積層体が過充電状態になることを効果的に防止することができる。さらには、フローティング充電には適さないとされるニッケル水素二次電池にあっても、フローティング充電が可能となるので、ニッケル水素二次電池で構成した電池積層体を、ＵＰＳのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

本発明に係る上記の充電方法は、同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを含むことができる。このようの構成することにより、内部圧力による充電制御が容易になる。

上記の充電方法は、さらに、前記同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力測定値が前記内部圧力所定値に達したときに停止するステップを単位充電ステップとして、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップを含み、各単位充電ステップにおける前記内部圧力所定値が、単位充電ステップ毎に設定されていることが好ましい。この場合、例えば、時系列に並ぶ複数の単位充電ステップの各内部圧力の所定値を順次低い値に設定することができる。このように構成することで、用途や使用環境に応じて、より適切に内部圧力値を設定することが可能になり、過充電を確実に防止することができる。

上記の充電方法は、前記同一の電気的充電条件が定電圧充電における定電圧値である一連の前記複数の単位充電ステップであって、各ステップにおける定電圧設定値が順次低い値に設定されている複数の単位充電ステップからなるフローティング充電を含むことができる。このように構成することで、ニッケル水素電池を内部圧力の上昇を伴わずにフローティング充電することが可能になり、ＵＰＳのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

また、上記の充電方法において、前記同一の電気的充電条件が定電流充電における定電流値である一連の前記複数の単位充電ステップを含み、各ステップにおける定電流設定値が順次低い値に設定されていてもよい。このように構成することで、過充電を抑制して電池性能の劣化を避けながら、定電流による急速充電を行うことが可能となる。

上記の充電方法において、さらに、前記内部圧力の測定値を利用して算出した内部圧力の変化率に基づいて前記電気的充電条件を制御するようにしてもよい。このように構成することにより、内部圧力の測定値に基づいて、過充電をより確実に防止する適切な充電制御を行うことができる。

また、上記の充電方法は、さらに、前記電池積層体の内部圧力が所定の値に達したときに動作する圧力スイッチの動作によって充電を停止することを含んでいてもよい。このように構成することにより、電池の異常などに起因して急激な圧力上昇が起こった場合にも、確実に充電を停止して安全性を確保することができる。

上記の充電方法においては、さらに、充電時の電池温度を監視して、この電池温度に基いて、前記内部圧力所定値を変化させることが好ましい。電池の温度が異なれば、電池の内部抵抗が変化するので、内部圧力所定値の適切な値も変化する。したがって、内部圧力に基づく充電制御に、温度監視による充電制御を組み合わせることにより、一層効果的に電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができる。

アルカリ系二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が連通部材を介して互いに連通している電池積層体の充電を制御するシステムであって、圧力測定装置によって測定した前記電池積層体の内部圧力の測定値を、予め用意された内部圧力の所定値と比較して、充電制御に関する指令信号を出力する比較判定手段と、前記比較判定手段からの前記指令信号に基づいて、充電電流または充電電圧を制御する制御手段とを備えている。上記の本発明に係る充電方法は、例えば、このように構成した充電制御システムによって実現することができる。

以上のように、本発明に係る電池積層体の充電方法によれば、電池の内部圧力に基づいて充電を制御するので、大型のニッケル水素二次電池において過充電を効果的に防止して、電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができるとともに、フローティング充電が可能となり、電池積層体をＵＰＳのような常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る充電方法が適用される電池積層体が組み込まれた電池モジュールＢを示す概略構成図である。この電池モジュールＢは、例えば、電車に搭載されるものであって、アルカリ系二次電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１と、単位電池Ｃの内部を連通させる連通部材３と、電池積層体１の内部圧力を測定する圧力測定装置５を主要な構成要素として備えている。

図２は、図１の単位電池Ｃの構造の一例を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１１と、正極を構成する正極プレート１３および負極を構成する負極プレート１５を含む電極体１７と、電極体１７を電解液とともに収容する角形形状のケーシング１９とを備えている。ケーシング１９は、絶縁素材からなる矩形の枠形部材２１と、枠形部材２１の二つの開口をそれぞれ覆う、導電素材からなる第１蓋部材２３および第２蓋部材２５とから構成されている。ケーシング１９の枠形部材２１の外面には、単位電池Ｃの内部と外部を連通させる連通口２７が設けられている。連通口２７は、連通口２７が設けられている枠形部材２１の一辺にほぼ平行に、枠形部材２１の中央に向かって突出する二又の連通部２７ａを有しており、後述するように、電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０の一部を構成している。なお、本実施形態における単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素二次電池として構成している。

電極体１７の構造は、特に限定されないが、例えば図２に模式的に示すように、複数の正極プレート１３と複数の負極プレート１５とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１１を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。ケーシング１９の第１蓋部材２３および第２蓋部材２５は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、各正極プレート１３は第１蓋部材２３に、各負極プレート１５は第２蓋部材２５に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第１および第２蓋部材２３，２５は、それぞれ、単位電池Ｃの正極集電体および負極集電体を兼ねている。これら蓋部材２３，２５を形成する素材は、ニッケルめっき鋼材に限らず、電気化学的な特性や機械的強度、耐食性などを考慮して、適宜選択することができる。また、第１蓋部材２３と第２蓋部材２５とに、異なる材料を用いてもよい。枠形部材２１の絶縁素材として、本実施形態では変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を使用しているが、機械的な強度、耐熱性および耐電解液性の観点から種々の材料を選択できる。

本実施形態における電池モジュールＢの電池積層体１は、図１に示すように、単位電池Ｃと、後述する構造の放熱板４１とを積層したものである。単位電池Ｃは、隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材２３と、他方の第２蓋部材２５とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、２つの単位電池Ｃに１つの割合で、放熱板４１が介在している。

電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０は、以下のように構成されている。図１に示すように、各単位電池Ｃに設けられた各連通口２７の二又の連通部２７ａのそれぞれが、隣接する単位電池Ｃの連通口２７の連通部２７ａの一方と、連通部材３である可撓性の連結チューブ５１を介して順次接続されている。また、末端の単位電池Ｃの一方の連通部２７ａは、連通部材３である導出チューブ５２の中途に設けられたリザーバ５ａを介して圧力測定装置５に接続されている。先端の単位電池Ｃの一方の連通部２７ａは、盲栓により閉塞する。これら連通口２７、連結チューブ５１、導出チューブ５２および圧力測定装置５が、電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０を構成している。

なお、連結チューブ５１と導出チューブ５２とで形成される内圧測定連通路ＰＭの、圧力測定装置５に接続する部分から分岐した端部には、圧力調整弁５３が接続されている。圧力調整弁５３としては、例えば、ポペット弁にスプリングを組み合わせた安全弁を使用してもよく、一般に用いられている他の機構を使用してもよい。

また、図３に示すように、放熱板４１は、積層方向に直交する方向に延びる直線状の貫通孔として形成された、冷却用の空気を通すための複数の通風孔４１ａを有している。図１に示すように、この放熱板４１が、電池積層体１において、隣接する単位セルＣの一方の第１蓋部材２３と他方の第２蓋部材２５との間に介在するように積層されている。放熱板４１は、これら２つの単位電池Ｃを電気的に接続するべく、電気導電性を有する物質、例えば、ニッケルメッキを施したアルミニウム素材で形成されている。なお、図示しないが、電池モジュールＢには、冷却用の送風装置である電動ファンが設置されており、この電動ファンから放熱板４１の通風孔４１ａに冷却空気が送られる。

次に、本発明の実施形態に係る充電方法を説明する。以下に説明する各実施形態に係る充電方法では、図１の電池積層体１を、電池積層体１の内部圧力値を利用して電気的充電条件を順次設定することにより充電を制御している。なお、以下の説明において、同一の電気的充電条件下で内部圧力が所定の値に達するまで継続して行われる連続的な充電（一時的な充電の休止も含む）の単位を充電ステップＳと呼び、さらに、時系列に並ぶ複数の充電ステップを含む充電方法において、ｎ番目の充電ステップをＳｎと表記する。

図４は、本発明の第１実施形態に係る充電方法によって電池積層体１を充電した場合の、電圧、電流、電池温度、内部圧力を測定し、それぞれ時間に対してプロットしたグラフである。図４のグラフにおいて、ａ〜ｄで示す線が順に電圧、内部圧力、電流、電池温度にそれぞれ対応しており、横軸は時間（秒）を、左側の縦軸は電圧（Ｖ）および内部圧力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の各値を、右側の縦軸は電流（Ａ）および電池温度（℃）の各値をそれぞれ示している。電流値については充電時の電流値を負の値で、放電時の電流値を正の値で表している。本実施形態に係る充電方法では、定電流−定電圧制御の充電において、最初の充電ステップＳ１で内部圧力が所定の上限値に達するまで充電を行ったのち、充電ステップＳ２に移行して充電を休止し、その後内部圧力が下降して所定の下限値に達したときに、充電ステップＳ３に移行して、最初の充電ステップＳ１の設定電流値および設定電圧値を変更せずに充電を再開する。その際、充電再開時の充電ステップＳ３における充電休止の内部圧力上限値を、最初の充電ステップＳ１における上限値よりも低い値に設定している。具体的には、各充電ステップにおけるパラメータを以下のように設定した。
Ｓ１：電流：２８Ａ
電圧：１１Ｖ
設定内部圧力（上限値）：５ｋｇｆ／ｃｍ^２
Ｓ２：電流：０Ａ（休止）
設定内部圧力（下限値）：０．１５ｋｇｆ／ｃｍ^２
Ｓ３：電流：２８Ａ
電圧：１１Ｖ
設定内部圧力（上限値）：４．４ｋｇｆ／ｃｍ^２

すなわち、本実施形態の充電方法では、ステップＳ１において２８Ａの定電流ｃで充電を開始し、内部圧力ｂが上限値の５ｋｇｆ／ｃｍ^２に達したときに、ステップＳ２に移行して充電を休止した。その後、内部圧力ｂが下降して下限値の０．１５ｋｇｆ／ｃｍ^２に達したとき、ステップＳ３に移行して再び２８Ａ−１１Ｖの定電流−定電圧充電を開始した。ステップＳ３の途中で、電池電圧ａが定電圧設定値の１１Ｖに達して定電圧充電に移行し、充電電流ｃは低下し始めた。その後、内部圧力ｂが上限値の４．４ｋｇｆ／ｃｍ^２に達して充電を停止した。その間、電池温度ｄは大きな変動がなかった。

図５は、本発明の第２実施形態に係る充電方法によって電池積層体１を充電した場合の、電圧ａ、電流ｃ、内部圧力ｂの時間に対する変化を示すグラフであり、横軸が時間を、縦軸が電圧、電流および内部圧力を示している。本実施形態に係る充電方法では、最初の充電ステップＳ１で定電流−定電圧充電を行って、電池積層体１を満充電に近い状態まで充電し、ステップＳ２以降の各ステップでは定電圧の設定値および内部圧力の所定値（上限値）を、順次低い値に設定してフローティング充電を行う。すなわち、各充電ステップにおけるパラメータは以下のようになる。
Ｓ１：電流：２８Ａ
電圧：１１Ｖ
設定内部圧力（上限値）：５ｋｇｆ／ｃｍ^２
Ｓｎ（ｎ≧２）：電流：２８Ａ
電圧：１１Ｖ
設定内部圧力（上限値）：Ｐｕｎ ｋｇｆ／ｃｍ^２
（Ｐｕｎ＜Ｐｕ（ｎ−１））
ここでＰｕｎはｎ番目のステップＳｎにおける内部圧力の上限値である。

この充電方法では、ステップＳ２以降の定電圧充電領域において、内部圧力が各ステップＳｎの上限値Ｐｕｎに達するたびに、定電圧設定値を低下させる。設定電圧値の下降に伴って充電電流も低下するので、内部圧力はいったん下降し、その後、再度上昇して、先の上限値Ｐｕｎよりも低い値であるＰｕ（ｎ＋１）に達したときにさらに次のステップに移行する。

図６は、本発明の第３実施形態に係る充電方法によって電池積層体１を充電した場合の、電圧ａ、電流ｃ、内部圧力ｂ、電池温度ｄを測定し、それぞれ時間に対してプロットしたグラフである。本実施形態に係る充電方法では、定電流制御の充電において、最初の充電ステップＳ１で内部圧力が所定の上限値に達するまで充電を行った後、充電ステップＳ２に移行して充電を休止し、その後内部圧力が下降して所定の下限値に達したときに、充電ステップＳ３に移行して、設定電流値を最初の充電ステップよりも低い値（本実施形態では１／２）に変更して充電を再開する。充電再開時の充電ステップにおける充電休止の内部圧力上限値は、最初の充電ステップＳ１における上限値と同じ値に設定している。具体的には、各充電ステップにおけるパラメータを以下のように設定した。
Ｓ１：電流：２８Ａ
設定内部圧力（上限値）：６ｋｇｆ／ｃｍ^２
Ｓ２：電流：０Ａ（休止）
設定内部圧力（下限値）：５．６ｋｇｆ／ｃｍ^２
Ｓ３：電流：１４Ａ
設定内部圧力（上限値）：６ｋｇｆ／ｃｍ^２

すなわち、本実施形態に係る充電方法では、ステップＳ１において２８Ａの定電流ｃで充電を開始し、内部圧力ｂが上限値６ｋｇｆ／ｃｍ^２に達した時点でステップＳ２に移行して充電を休止した。その後、内部圧力ｂが下限値の５．６ｋｇｆ／ｃｍ^２に達し、ステップＳ３に移行して１４Ａの定電流ｃで充電を再開し、内部圧力ｂが上限値の６ｋｇｆ／ｃｍ^２に達して充電を停止した。

図４ないし図６を参照して、本発明の実施形態に係る充電方法を説明したが、これらの充電方法は、例えば、以下に説明するような構成の充電制御システムによって実現することができる。本発明に係る充電方法を実行する充電制御システムの実施形態としては、圧力測定装置５が実測した電池積層体１の内部圧力測定値、または、この内部圧力値を利用して算出した他のパラメータ、例えば内部圧力の変化率値を、予め用意した内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの所定値と比較して充電制御に関する指令信号を出力する比較判定手段と、この指令信号に基づいて充電電流値または充電電圧値を制御する制御手段とを備えていれば、どのような構成のものを用いてもよい。

例えば、図７にブロック図で示す充電制御システム８０は、充電用の電源８１と電池モジュールＢとの間にスイッチ８３を設けて、このスイッチ８３をコンパレータ８５からのオン・オフ指令信号の出力によってオン・オフ制御する簡単な構成を有している。コンパレータ８５は、上述の比較判定手段として機能するものであって、内部圧力測定装置５から出力された測定値Ｐｉｓｔと、あらかじめ決めておいた所定値Ｐｒｅｆとを比較して、測定値Ｐｉｓｔが所定値Ｐｒｅｆに達したときにスイッチ８３を遮断する。スイッチ８３は、電源８１から充電電流のオン・オフを制御するものであれば、半導体スイッチであっても、機械的なスイッチであってもよい。電源８１は、定電流電源、定電圧電源、あるいはこれらを組み合わせたもののいずれであってもよい。

この場合、コンパレータ８５のオン・オフ特性が、例えば図８に示すような、Ｐｒｅｆに対して±ΔＰｈｙｓのヒステリシスを備えていれば、内部圧力の変動に対して安定的な制御を行うことができる。すなわち、電池の過充電によって発生した酸素ガスは、充電を休止すると、負極中の水素と反応してＨ_２Ｏを生成するので、充電休止の状態を一定時間継続すると内部圧力が低下するが、ヒステリシス幅分の２ΔＰｈｙｓを利用して、最初の充電休止内部圧力値よりも一定量内部圧力が低下してから充電を再開するように制御することが可能である。

あるいは、充電制御システム８０を、図９にブロック図で示すような構成としてもよい。この充電制御システム８０では、圧力測定装置５から出力された測定値Ｐｉｓｔを、まず比較判定手段８７に入力する。比較判定手段８１は、予め用意された内部圧力の所定値（特性曲線Ｘ）と比較し、その比較結果に基づいて、充電指令信号Ｘｒｅｆを、図示しない定電流・定電圧制御器を含む制御手段８９に出力する。制御手段８９では、現在の充電出力値Ｘｉｓｔと充電指令信号Ｘｒｅｆとを比較してフィードバック制御を行い、充電電流または充電電圧を、充電指令信号Ｘｒｅｆに適合する値Ｘｉｓｔに調整して電池積層体１に出力する。上記フィードバック制御の方法としては、Ｐ制御、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御のいずれであってもよい。

なお、充電制御に、内部圧力値のほかに、内部圧力の変化速度のような他のパラメータを用いる場合には、例えば、図１０に示すように、比較判定手段８７と制御手段８９との間に乗算器９１を設け、この乗算器９１に、予め用意しておいた内部圧力の変化率に応じた補正特性から算出した補正係数ｋを入力し、比較判定手段８７からの充電指令信号Ｘｒｅｆにこの補正係数ｋを乗じて新たな充電指令信号とし、これを制御手段８９に出力するようにしてもよい。また、制御手段８９と電池積層体１との間に、遮断器を有する圧力スイッチ９５を設けて、電池積層体１の内部圧力が所定の値に達したときに、遮断器を動作させて充電を停止するように構成してもよい。このような圧力スイッチ９５を設けることで、制御の遅れに起因する好ましくない圧力上昇から電池を有効に保護することができる。なお、図９、１０に示す充電制御システム８０の制御手段８９が有する制御器は、定電流制御器または定電圧制御器のいずれか単独であってもよく、充電指令信号Ｘｒｅｆは、制御手段８９の制御器の種類に応じて、適宜電圧量または電流量として設定される。さらに、図１０の充電制御システム８０において、乗算器９１に代えて減衰器を用いることができ、また、微分器９３に代えて差分器を用いてもよい。

充電制御システム８０のより好ましい例としては、図１１のブロック図に示すように構成することもできる。この充電制御システム８０では、異なる特性曲線Ｙ，Ｚをそれぞれ有する２つの比較判定手段８７Ａ、８７Ｂが並列に設けられている。圧力測定装置５の測定値Ｐｉｓｔに応じて、第１の比較判定手段８７Ａからは、充電電流量としての第１の充電指令信号ｙが、低位信号選択手段９７に入力される。一方、第２の比較判定手段８７Ｂからは、圧力測定装置５の測定値Ｐｉｓｔに応じて、充電電圧値としての第２の充電指令信号ｚが出力されて定電圧制御器９７に入力されるとともに、定電流制御器９９から出力される定電流値ｗが低位選択手段１０１に入力される。低位選択手段１０１は、第１比較判定手段８７Ａ側の出力ｙと、第２比較判定手段８７Ｂ側の出力ｗのうち、値の小さい方を選択して出力する。定電圧制御器９７および定電流制御器９９は、それぞれ二点鎖線で示すフィードバック信号ｆｃｖ、ｆｃｃを介してフィードバック制御を行っている。このように構成された充電制御システム８０によれば、２つの独立した制御系を組み合わせることによって、例えば、定電流・定電圧充電の初期の定電流充電の間に、内部圧力が所定値を超えたときに、定電流および定電圧の各設定値を引き下げ、その後もさらに、定電流および定電圧の各設定値を内部圧力の上昇とともに段階的に引き下げていく制御が可能になる。

なお、図１１に示した充電制御システム８０には、必要に応じて、図１０に示した乗算器９１および微分器９３、並びに圧力スイッチ９５を設けてもよい。また、上記図９〜１１とともに説明した各充電制御システム８０における、所定の特性曲線Ｘ〜Ｚは、必ずしも滑らかに変化する曲線状の特性に限られず、階段状または直線状であってよいが、いずれの場合も、圧力測定装置５の測定値Ｐｉｓｔの増加に対して減少する特性を有する。

上記で説明した、充電制御システムに係るいずれの実施形態においても、圧力測定装置５を電池モジュールＢに設置されているものとして説明したが、圧力測定装置５は充電制御システム８０の一部を構成する要素としても機能しており、充電制御システム８０に設置することも可能である。また、この充電制御システム８０は、電池モジュールＢと別体の充電器に設けられていてもよく、電池モジュールＢ内に設けられていてもよい。

なお、上記で説明した各実施形態に係る充電方法は、本発明に係る充電方法の具体例の一部を示したに過ぎず、圧力測定装置５から出力される電池積層体１の内部圧力の測定値を利用して電気的充電条件を制御する充電方法であれば、どのようなものであってもよい。換言すれば、圧力測定装置５が実測した電池積層体１の内部圧力値、または、この内部圧力値を利用して算出した他のパラメータ、例えば内部圧力の変化速度値を、予め用意した内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの所定値と比較して、この比較結果に基づいて充電電流値または充電電圧値を制御する方法であればよい。さらには、電池積層体１の温度を監視し、測定した電池温度に基づいて、制御の基準となる内部圧力値またはこれから算出した他のパラメータの適正値を選択・変更するようにしてもよい。本発明に係る他の具体的な実施形態として、例えば以下のような充電方法が挙げられる。
（１）定電流制御充電において、充電休止後の充電再開時の充電電流を順次低い値に設定するとともに、充電休止の内部圧力の上限値を順次低い値に設定する。
（２）定電流−定電圧制御充電において、充電休止後の充電再開時の充電電流を順次低い値に設定するとともに、充電休止の内部圧力の上限値を順次低い値に設定する。
（３）定電流制御充電において、内部圧力が所定値Ａ１に達した時に定電流設定値を下げる。その後も内部圧力が上昇し続け、内部圧力が所定値Ａ２（Ａ１＜Ａ２）に達した場合に、定電流設定値をさらに下げる。
（４）定電流制御充電において、内部圧力が所定値Ａ３に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値Ａ４（Ａ３＞Ａ４）まで下がった時に充電を再開する。
（５）定電流制御充電において、内部圧力が所定値Ａ５に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値Ａ６（Ａ５＞Ａ６）まで下がった時に充電を再開し、内部圧力が所定値Ａ７（Ａ５＞Ａ７＞Ａ６）まで上昇した時に充電を停止する。
（６）定電流制御充電において、内部圧力が所定値Ａ８に達した時に充電を休止する。その後内部圧力が所定値Ａ９（Ａ８＞Ａ９）まで下がった時に、定電流設定値を下げて充電を再開し、内部圧力が所定値Ａ１０（Ａ８＞Ａ１０＞Ａ９）まで上昇した時に充電を停止する。
（７）定電流−定電圧制御充電において、定電流充電の途中に内部圧力が所定値に達した場合に、上記（１）〜（４）のいずれかの方法で充電制御を行う。
（８）定電流−定電圧制御充電において、定電圧充電の途中に内部圧力が所定値Ａ１１に達した時に、充電を休止する。その後、内部圧力が所定値Ａ１２（Ａ１１＞Ａ１２）まで下がった時に、定電圧設定値を下げて充電を再開する。
（９）定電流−定電圧制御充電において、定電圧充電の途中に内部圧力が所定値Ａ１３に達した時に、定電圧設定値を下げる。その後、いったん下がった内部圧力が所定値Ａ１４（Ａ１３＞Ａ１４）まで上昇した時に、さらに定電圧設定値を下げる。
（１０）フローティング充電において、上記（６）または（７）の方法で充電制御を行う。
（１１）電池温度の変化によって電流値または内部圧力が変化した場合に、定電流設定値、定電圧設定値、またはフローティング充電の設定電圧値のいずれかを下げて、内部圧力の上昇を抑える。

上記実施形態に係る電池モジュールＢの充電方法によれば、以下の効果が得られる。

本実施形態に係る電池積層体１においては、電池積層体１を構成する単位電池Ｃの内部連通部材３を介してが互いに連通しており、さらに、圧力測定装置５を備えているので、電池モジュールＢの動作時にも電池積層体１の内部圧力を測定することができる。これにより、内部圧力の値に基づいて電池積層体１の充電を制御することが可能となるので、電池積層体１が過充電状態になることを防止して性能の向上を図ることができるとともに、内部圧力の上昇を抑制しながらフローティング充電が可能となり、ニッケル水素二次電池でありながら、ＵＰＳのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

また、電池モジュールＢの単位電池Ｃが角形形状を有しており、電池積層体１が、複数の単位電池Ｃを厚み方向に積層して構成されているので、電池積層体１の組み立て作業が容易になるとともに、連通部材３の取り付け構造を簡単なものとすることができる。

電池積層体１において、隣接する単位電池Ｃ間に、単位電池Ｃの積層方向Ｘに直交して延びる通風孔４１ａを有する放熱板４１を介在させて、通風孔４１ａを冷却媒体通路として利用している。このような構造とすることで、電池積層体１の温度を一定の範囲内に維持することが容易となり、内部圧力による充電制御が容易となる。すなわち、電池温度が変化すれば、電池の内部抵抗が変化するので、設定すべき適正な電流値、電圧値、内部圧力値の値も変化するが、単位電池Ｃ間に冷却媒体通路を設けることにより、このような変動要因を排除し、内部圧力に基づく充電制御により一層効果的に電池モジュールＢのサイクル寿命特性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る充電方法では、圧力測定値５によって測定した電池積層体１の内部圧力測定値を、予め用意した内部圧力の所定値と比較して電気的充電条件を順次設定しているので、電池積層体１が過充電状態になることを防止して電池性能、特には充放電サイクル寿命特性の向上を図ることができる。具体的には、同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力が所定の値に達したときに停止するステップによって構成することにより、上記の効果を有する充電制御を容易に実行することができる。

さらに、前記同一の電気的充電条件による連続的な充電を前記内部圧力が所定値に達したときに停止するステップを単位充電ステップＳとして、時系列に並ぶ複数の充電ステップＳを含み、各充電ステップＳにおける内部圧力の所定値を、充電ステップＳ毎に設定することができるので、用途や使用環境に応じた、より適切な充電制御が可能になる。具体的には、例えば、第２実施形態のように、定電圧充電による一連の複数の単位充電ステップＳであって、各ステップにおける定電圧設定値が順次低い値に設定されている複数の充電ステップＳからなるフローティング充電を含むことができる。この場合には、ニッケル水素電池を内部圧力の上昇を伴わずにフローティング充電することが可能になり、ＵＰＳのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途にも適用することができる。

あるいは、第３実施形態のように、定電流充電による一連の充電ステップＳを含み、各ステップＳにおける定電流設定値が順次低い値に設定されている充電方法の場合には、内部圧力の上昇を抑制して電池性能の劣化を避けながら、定電流による急速充電を行うことが可能となる。

さらには、これらの充電方法に、内部圧力の測定値から算出した内部圧力の変化速度による制御や、圧力スイッチによる充電停止制御を組み合わせることが可能であり、これにより、一層確実に過充電を防止し、電池の充放電サイクル寿命の向上や、安全性の確保を図ることができる。

上記の充電方法においては、さらに、充電時の電池温度を監視して、この電池温度に基いて、前記内部圧力の所定値を変化させることが好ましい。電池の温度が異なれば、電池の内部抵抗が変化するので、これらのパラメータの適切な値も変化する。したがって、内部圧力に基づく充電制御に、温度による充電制御を組み合わせることにより、一層効果的に電池積層体の性能、特にサイクル寿命を向上させることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施形態に係る充電方法が適用される電池モジュールの概略構成を示す図である。 図１の電池積層体に使用される単位電池の断面図である。 図１の電池積層体に使用される放熱板を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る充電方法を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る充電方法を示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る充電方法を示すグラフである。 本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。 図７のコンパレータの特性を示す図である。 本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。 本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。 本発明に係る充電方法を行うための充電制御システムの一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電池積層体
３ 連通部材
５ 圧力測定装置
２７ 連通口
５１ 連結チューブ（連結部材）
５２ 導出チューブ（連結部材）
８０ 充電制御システム
８７ 比較判定手段
８９ 制御手段
Ｃ 単位電池
Ｂ 電池モジュール
ＰＭ 圧力測定通路
Ｓｎ 充電ステップ

Claims (8)

1. ニッケル水素二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が、連通部材を介して互いに連通しているニッケル水素電池積層体を充電する方法であって、
   前記電池積層体の内部圧力を測定する工程と、
   前記内部圧力が第１の圧力値に達しているか否かに基づいて、充電の可否を判定する第１の比較判定工程と、
   充電可と判定したときに、所定の電圧値で連続的な定電圧充電を行う工程と、
   充電否と判定したときに、前記定電圧充電を停止する工程と、
   を含む第１の単位充電ステップを、時系列に複数並べて構成し、
   時系列に並ぶ複数の第１の単位充電ステップの前記所定の電圧値および前記第１の圧力値を、それぞれ順次低い値に設定する、
   ニッケル水素電池積層体の充電方法。
2. ニッケル水素二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が、連通部材を介して互いに連通しているニッケル水素電池積層体を充電する方法であって、
   前記電池積層体の内部圧力を測定する工程と、
   前記内部圧力が第２の圧力値に達しているか否かに基づいて、充電の可否を判定する第２の比較判定工程と、
   充電可と判定したときに、所定の電流値で連続的な定電流充電を行う工程と、
   充電否と判定したときに、前記定電流充電を停止する工程と、
   を含む第２の単位充電ステップを、時系列に複数並べて構成し、
   時系列に並ぶ複数の第２の単位充電ステップの前記所定の電流値および前記第２の圧力値を、それぞれ順次低い値に設定する、
   ニッケル水素電池積層体の充電方法。
3. 請求項１において、前記第１の比較判定工程は、前記内部圧力の測定値が前記第１の圧力値に達しているか否かと、前記内部圧力の測定値を利用して算出した内部圧力の変化率と、に基づいて充電の可否を判定する工程を含む、ニッケル水素電池積層体の充電方法。
4. 請求項２において、前記第２の比較判定工程は、前記内部圧力の測定値が前記第２の圧力値に達しているか否かと、前記内部圧力の測定値を利用して算出した内部圧力の変化率と、に基づいて充電の可否を判定する工程を含む、ニッケル水素電池積層体の充電方法。
5. 請求項１または３において、前記第１の単位充電ステップは、前記電池積層体の温度を測定する工程をさらに備え、
   前記第１の比較判定工程は、前記電池積層体の温度に基づいて前記第１の圧力値を求め、前記内部圧力が該第１の圧力値に達しているか否かに基づいて充電の可否を判定する工程をさらに含む、ニッケル水素電池積層体の充電方法。
6. 請求項２または４において、前記第２の単位充電ステップは、前記電池積層体の温度を測定する工程をさらに備え、
   前記第２の比較判定工程は、前記電池積層体の温度に基づいて前記第２の圧力値を求め、前記内部圧力が該第２の圧力値に達しているか否かに基づいて充電の可否を判定する工程をさらに含む、ニッケル水素電池積層体の充電方法。
7. ニッケル水素二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が連通部材を介して互いに連通しているニッケル水素電池積層体の充電を制御するシステムであって、
   前記電池積層体の内部圧力を測定する圧力測定装置と、
   前記内部圧力が第１の圧力値に達しているか否かに基づいて、充電の可否を判定し、かつ充電制御に関する指令信号を出力する第１の比較判定手段と、
   充電可と判定されたときは、前記指令信号に基づく電圧値で連続的な定電圧充電を行う定電圧充電手段と、
   充電否と判定されたときは、前記定電圧充電を停止する定電圧充電停止手段と、
   を備え、
   前記第１の比較判定手段は、定電圧充電が行われる毎に第１の圧力値を順次低い値に設定して充電の可否を判定し、かつ、定電圧充電が行われる毎に電圧値を順次低い値に設定して前記指令信号を出力する、
   ニッケル水素電池積層体の充電制御システム。
8. ニッケル水素二次電池として構成された複数の単位電池が、互いに電気的に接続され、かつ、その内部が連通部材を介して互いに連通しているニッケル水素電池積層体の充電を制御するシステムであって、
   前記電池積層体の内部圧力を測定する圧力測定装置と、
   前記内部圧力が第２の圧力値に達しているか否かに基づいて、充電の可否を判定し、かつ充電制御に関する指令信号を出力する第２の比較判定手段と、
   充電可と判定されたときは、前記指令信号に基づく電流値で連続的な定電流充電を行う定電流充電手段と、
   充電否と判定されたときは、前記定電流充電を停止する定電流充電停止手段と、
   を備え、
   前記第２の比較判定手段は、定電流充電が行われる毎に第２の圧力値を順次低い値に設定して充電の可否を判定し、かつ、定電流充電が行われる毎に電流値を順次低い値に設定して前記指令信号を出力する、
   ニッケル水素電池積層体の充電制御システム。

Images