[本開示の基礎となった知見]
本開示の基礎となった知見は以下のとおりである。
図2は、参照例1の充電方法を示す。参照例1の充電方法において、並列に接続された複数の二次電池搭載機器6は、電源2からの電力で同時に充電される。この方法では、複数の二次電池搭載機器がそれぞれ仕様の異なる二次電池を搭載していても、それらは同じ充電電圧条件で充電される。このため、充電電圧が、一部の二次電池搭載機器に適合し、他の二次電池搭載機器に適合しない場合がある。二次電池の端子間の電圧が高くなりすぎると、電解質の分解などにより電池が急速に劣化し、電池容量が低下する。逆に、電圧が低すぎると、十分な充電が行われず、十分な充電容量が得られない。
図3は、参照例2の充電方法を示す。参照例2の充電方法において、共通の制御部3が、複数の二次電池搭載機器6と電源2との間に設けられる。制御部3は、各二次電池搭載機器6a〜6eの電圧をモニタし、その電圧値が所定値以上になると充電を停止させる。これにより過電圧が抑制される。しかし、複数の二次電池搭載機器6間の充電電圧が異なっている場合に、制御部3は、それらを最適な条件で充電できない。
図4は、参照例3の充電方法を示す。参照例3の充電方法において、複数の制御部3が、複数の二次電池搭載機器6にそれぞれ設けられる。複数の制御部3のそれぞれは、各二次電池搭載機器6a〜6eの電圧を個々にモニタする。この方法によると、二次電池搭載機器6のそれぞれに適合した充電が行われうる。しかし、装置コストが高くなる。
参照例1〜3とは異なり、複数の二次電池搭載機器を1つずつ順に充電する参照例4の充電方法が考えられる。この場合、複数の二次電池搭載機器のうち、電源に接続される機器が、順に切り替えられる。この方法によると、装置コストが抑えられつつ、全ての二次電池搭載機器の二次電池がより確実に満充電されうる。従来、二次電池を満充電するために、充電電流値を低めに抑える必要があることが知られている。そのため、参照例4の充電方法において、低い充電電流で複数の二次電池搭載機器が順に充電されると、充電に要する時間が非常に長くなる。
このように、簡便な装置で、複数の二次電池搭載機器に搭載された二次電池を短時間で満充電することは困難である。
これに対し、本発明者らは、充電電流を連続定電流充電の電流よりも大きくし、1回の充電あたりの充電電流の供給時間を短くし、休止時間を挟みながら小容量の充電を間欠的に繰り返すことにより、十分な充電容量が得られることを見出した。本発明者らは、仮にそれが連続的な電流であったならば充電容量を低下させてしまうほどの大きさを有するパルス電流を用いて、上記の充電方法を行った。その結果、大きなパルス電流で間欠充電を行ったときの満充電容量は、小さな連続的な電流で連続定電流充電を行っときの満充電容量と、ほぼ同等であった。この検証の詳細については後述する。
一方、上記の充電方法によると、大電流での充電が繰り返されるため、複数の二次電池搭載機器の接続の切り替え等によって、充電装置の耐久性が低下する可能性がある。充電設備が長期運用される場合、充電設備の劣化の抑制、および、信頼性や耐久性の向上が求められる。
このような検討に基づいて、本発明者らは、充電すべき二次電池搭載機器の数が少ないときには、小電流で連続定電流充電を行い、充電すべき二次電池搭載機器の数が多いときには、大電流でパルス状の電流で間欠充電を行う充電方法を見出し、本開示に至った。
本開示の一態様は、上記の知見に基づくものであり、従来の概念にはない充電方法を具現化するための充電装置である。本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
[実施形態の概要]
本開示の一態様である充電装置は、複数の二次電池搭載機器を充電する充電装置であって、それぞれが二次電池搭載機器に接続可能な複数の結合器と、前記複数の結合器のうちの1つ以上の結合器にそれぞれ接続されている1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器への充電動作を制御する制御部とを備え、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器の数が設定数未満の場合に、前記制御部は、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれを連続的な電流で充電し、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器の数が前記設定数以上の場合に、前記制御部は、同時に充電電流が供給される1つ以上の二次電池搭載機器を順次選択的に切り替えながら、前記充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれへの充電を休止時間を挟んで間欠的に繰り返し、かつ、前記制御部は、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加に応じて、前記充電電流を大きくし、1回の充電あたりの前記充電電流の印加時間を短くする。
これにより、充電すべき二次電池搭載機器の数が少ないとき、それらは連続的な電流で充電が行われ、充電すべき二次電池搭載機器の数が多いとき、それらは休止時間を挟んで印加される充電電流によって間欠的に充電される。その結果、充電すべき二次電池搭載機器の数が多い場合であっても、充電装置は、簡便な構成で、それらを短時間で充電することができる。また、充電すべき二次電池搭載機器の数が少ない場合、充電装置にかかる負担が軽減され、充電装置の耐久性の低下が抑制される。
例えば、前記設定数は2であり、前記1つ以上の二次電池搭載機器の数が2以上の場合に、1つの二次電池搭載機器が充電されている間、他の二次電池搭載機器は前記休止時間であってもよい。例えば、充電装置は、単一の電源から供給される電力に基づいて充電動作を実行してもよい。
例えば、前記制御部は、前記1つ以上の充電すべき前記二次電池搭載機器の数が前記設定数以上の場合、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加に応じて、前記休止時間を増加させてもよい。
例えば、1回の充電あたりの前記充電電流の前記印加時間をTC、前記充電電流の大きさをI、前記休止時間をTPとするとき、前記制御部は、I×TC/(TC+TP)で表される充電電流の時間平均を、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加によらず、一定に維持してもよい。
例えば、前記充電電流の時間平均が、前記連続的な電流と同程度であってもよい。
例えば、前記制御部は、前記印加時間の途中で前記充電すべき二次電池搭載機器の数が増加した場合に、当該印加時間が完了する前に、前記充電電流を大きくし、前記印加時間を短くしてもよい。
例えば、前記制御部は、前記充電すべき二次電池搭載機器の数によらず、前記充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれにおいて、1回の充電あたりの充電電気量または充電電力量を一定に維持してもよい。なお、充電電気量は、例えば、充電電流の時間波形の面積に相当する。
例えば、前記制御部は、前記充電すべき二次電池搭載機器間において、前記充電電流の大きさと、1回の充電あたりの前記充電電流の前記印加時間との少なくとも一方を、互いに等しくしてもよい。
例えば、前記制御部は、前記充電すべき二次電池搭載機器の満充電容量が大きいほど、1回の充電あたりの前記充電電流の前記印加時間を長くしてもよい。
例えば、前記複数の結合器は無線給電によって構成されていてもよい。
例えば、前記充電装置は、前記充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれから二次電池の情報を取得して前記制御部に送る情報取得部をさらに備え、前記制御部は、前記情報に基づいて充電条件を決定してもよい。
例えば、前記充電装置は、前記充電すべき二次電池搭載機器の数が0または前記複数の結合器の数よりも少ないときに充電可能であり、前記充電すべき二次電池搭載機器の数が2以上のときに給電可能である蓄電部をさらに備えてもよい。
本開示の一態様である充電方法は、1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器の数を検知するステップ(a)と、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器の数が設定数未満の場合に、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれを連続的な電流で充電するステップ(b)と、前記1つ以上の充電すべき二次電池搭載機器の数が前記設定数以上の場合に、前記充電すべき二次電池搭載機器の中から、同時に充電電流が供給される1つ以上の二次電池搭載機器を順次選択的に切り替えながら、前記充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれへの充電を休止時間を挟んで間欠的に繰り返すステップ(c)とを含み、前記ステップ(c)において、さらに、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加を検知した場合に、前記充電電流を大きくし、1回の充電あたりの前記充電電流の印加時間を短くする。
これにより、充電すべき二次電池搭載機器の数が少ないとき、それらは連続的な電流で充電が行われ、充電すべき二次電池搭載機器の数が多いとき、それらは休止時間を挟んで印加される充電電流によって間欠的に充電される。その結果、充電すべき二次電池搭載機器の数が多い場合であっても、それらが短時間で満充電されうる。また、充電すべき二次電池搭載機器の数が少ない場合、充電電流の供給を切り替える負担が軽減される。
例えば、前記設定数は2であってもよい。
例えば、前記ステップ(c)において、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加に応じて、前記休止時間を増加させてもよい。
例えば、1回の充電あたりの前記充電電流の前記印加時間をTC、前記充電電流の大きさをI、前記休止時間をTPとするとき、前記ステップ(c)において、I×TC/(TC+TP)で表される充電電流の時間平均を、前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加によらず、一定に維持してもよい。
例えば、前記ステップ(c)において、前記印加時間の途中で前記充電すべき二次電池搭載機器の数の増加を検知した場合に、当該印加時間が完了する前に、前記充電電流を大きくし、前記印加時間を短くしてもよい。
例えば、前記充電すべき二次電池搭載機器の数によらず、前記充電すべき二次電池搭載機器のそれぞれにおいて、1回の充電あたりの充電電気量または充電電力量を一定に維持してもよい。
例えば、前記充電すべき二次電池搭載機器間において、前記充電電流の大きさと、1回の充電あたりの充電電流の印加時間との少なくとも一方を、互いに等しくしてもよい。
例えば、前記充電すべき二次電池搭載機器の満充電容量が大きいほど、1回の充電あたりの前記充電電流の前記印加時間を長くしてもよい。
(実施形態)
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態の充電装置及び充電方法を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本開示は以下の実施形態に限定されない。また、以下の実施形態では、同一部材に同一の符号が付され、重複する説明が省略される場合がある。
[充電装置]
図1は、本開示の一実施形態に係る充電装置の一構成例を示す模式図である。図1に示される充電装置11は、複数の結合器5と、制御部3と、複数の送電線4とを備える。充電装置11は、電源2からの電力を受け、結合器5に接続された複数の二次電池搭載機器6を充電することが可能である。電源2は充電装置11の外部に配置されていてもよい。複数の結合器5のそれぞれは、二次電池搭載機器6に接続可能である。「二次電池搭載機器に接続可能」とは、充電装置11が、結合器5を介して、その結合器5に接続された二次電池搭載機器6に電流を供給可能であればよい。すなわち、「二次電池搭載機器に接続可能」は、結合器5と二次電池搭載機器6とが直接接触する構成の他、無線給電により接続される構成も広く含む。図1には5個の結合器5a〜5eが例示されているが、結合器5の個数は特に限定されない。例えば、結合器5がn個であれば、最大でn台の二次電池搭載機器6を充電装置11に同時に接続することができる。この例では、5個の結合器5a〜5eのそれぞれに二次電池搭載機器6a〜6eが示されている。なお、結合器5に接続する二次電池搭載機器6の台数は特に限定されず、最大接続数n(ここでは結合器5の個数)以下であればよい。
各二次電池搭載機器6は、二次電池を搭載している。二次電池は、正極活物質層を含む正極、負極活物質層を含む負極、および正極と負極との間に配置された電解質を備える。正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質の例としては、コバルト酸リチウム、またはリチウム複合金属酸化物が挙げられる。リチウム複合金属酸化物は、例えば、コバルト、ニッケル、マンガンを含む。正極活物質層は、必要に応じて、導電助剤やバインダーなどを含んでもよい。負極活物質層は、黒鉛、リチウム、またはシリコンなどの負極活物質を含む。負極活物質層は、必要に応じて、導電助剤やバインダーなどを含んでもよい。電解質は、例えば、溶媒に電解質塩を溶解させた電解液、または、固体電解質であってもよい。電解質が電解液を含む場合、二次電池は、多孔質フィルムや不織布などからなるセパレータを備えてもよい。本実施形態における二次電池搭載機器6を構成する材料は、これらの例に限定されない。また、二次電池反応を担う可動イオンは、リチウムイオンに限定されず、ナトリウムイオンなどであってもよい。
電源2は、複数の結合器5のそれぞれに接続された二次電池搭載機器6を充電するための電流を供給する。この例では、単一の電源2からの電流によって、複数の二次電池搭載機器6が充電される。なお、充電装置11は、電源2を備えていなくてもよい。その場合、充電装置11は、外部にある電源2に接続可能な入力部を有していてもよい。
送電線4は、電源2と複数の結合器5のそれぞれとの間に配置され、各結合器5に接続された二次電池搭載機器6に充電するための電流を送る。送電線4の数は、結合器5の数と同じである。この例では、結合器5a〜5eのそれぞれに送電線4a〜4eが設けられている。なお、送電線4は、複数の結合器5にそれぞれ接続された複数の二次電池搭載機器6のうち、選択された二次電池搭載機器6に通電できればよく、図示する個数や構成に限定されない。例えば、送電線4の替わりに、選択された二次電池搭載機器6に無線で電力が供給されてもよい。
制御部3は、複数の二次電池搭載機器6への充電動作を制御する。制御部3は、2以上の結合器5のそれぞれに充電すべき二次電池搭載機器6が接続されている場合に、これらの二次電池搭載機器6のそれぞれを、休止時間を挟んで繰り返し充電する。
制御部3は、例えば、複数の結合器5と電源2との間の電気的接続をオンオフするスイッチング回路と、スイッチング回路に制御信号を出力する信号回路とを含んでもよい。信号回路は、例えば、集積回路(IC)、又はLSI(large scale integration)を含む電子回路であってもよい。制御信号は、充電電流が供給される二次電池搭載機器を選択し、充電電流の大きさや印加時間を指定するものであってもよい。
制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6のうち1つの二次電池搭載機器に対する充電の休止時間に、他の二次電池搭載機器を充電する。このようにして、制御部3は、充電される二次電池搭載機器を切り替えながら、複数の充電すべき二次電池搭載機器6のそれぞれを、休止時間を挟んで繰り返し充電する。例えば、制御部3は、電源2と接続するべき二次電池搭載機器6を選択するコントローラと、送電線4と電源2との接続を切り替える切り替え器とを備えている。切り替え器は、コントローラによって選択された二次電池搭載機器6につながっている送電線4を電源2に接続する。ここでいう「接続」は、電気的に接続されている状態を指す。例えば、各送電線4にスイッチが設けられている場合には、「接続」は、そのスイッチがオンとなった状態を指す。制御部3は、二次電池搭載機器6の電池電圧を計測するモニタをさらに備えていてもよい。その場合、コントローラは、モニタで計測された電池電圧に基づき、電源2と接続するべき二次電池搭載機器6を選択してもよい。
制御部3は、さらに、充電すべき二次電池搭載機器6の台数の増加に応じて、各二次電池搭載機器6に印加される充電電流を大きくする。なお、本開示において、「充電すべき二次電池搭載機器の台数」は、充電装置11に結合器5を介して接続されている二次電池搭載機器の台数と同じとは限らない。例えば、充電装置11に接続されている二次電池搭載機器の台数から、その時点では充電不要と判断されている二次電池搭載機器の台数を差し引いた数である。充電不要の二次電池搭載機器とは、例えば、満充電になった後の二次電池搭載機器などである。
充電装置11は、複数の二次電池搭載機器6のうち充電する二次電池搭載機器6を切り替えながら充電するので、二次電池搭載機器6ごとに電源や制御部を設けなくてもよい。このため、充電装置11の構成が簡素化されうる。1つの二次電池搭載機器の充電の休止時間に他の二次電池搭載機器を充電できるので、短時間で充電が行われうる。充電すべき二次電池搭載機器6の台数の増加に伴って充電電流が大きくなっても、休止時間を挟みながら充電が繰り返される。そのため、大容量で充電することが可能である。一方、充電すべき二次電池搭載機器6が少ないときには、充電電流値を小さく抑えられる。そのため、充電装置11の耐久性を高めることができる。
充電装置11は、複数の充電すべき二次電池搭載機器6が接続されている場合に、充電電流が供給される二次電池搭載機器6を短時間で順次切り替えながら、複数の二次電池搭載機器6のそれぞれに対する小容量の充電を繰り返す。短時間とは、例えば5分以内である。前述したように、複数回の充電が休止時間を挟んで行われることにより、連続充電では高い充電容量が得られないような大きな電流でも、高い充電容量が確保されうる。従って、充電電流が増加しても、短時間で高容量な充電が実現されうる。複数の二次電池搭載機器6間で繰り返し充電のタイミングが異なっているため、1つの二次電池搭載機器への充電の休止時間において、他の二次電池搭載機器が充電されうる。充電装置11は、例えば、最初の二次電池搭載機器6aから最後の二次電池搭載機器6eまで順次、充電した後、再び最初の二次電池搭載機器6aから最後の二次電池搭載機器6eまで順次、充電する。このとき、1回あたりの充電の時間は、連続定電流充電の場合に比べて短い。これによって、個々の二次電池搭載機器6に個別の電源を配することなく、単一の電源2を用いて、複数の二次電池搭載機器6の全てが高速に充電されうる。
充電装置11は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数の増加に応じて、増加前から充電を行なっていた各二次電池搭載機器6への充電電流を大きくする。従って、充電すべき二次電池搭載機器が多くなったときでも、短時間で高効率な充電が可能である。一方、充電すべき二次電池搭載機器が少ないときには、多い場合よりも充電電流が小さく抑えられる。このため、充電すべき二次電池搭載機器6が、その台数にかかわらず常に大電流で充電される場合と比べて、大電流のオンオフに起因する充電装置11内の電流接点等の劣化が抑制されうる。従って、充電装置11の耐久性が高まる。
このように、充電装置11は、より簡便な構造で、複数の二次電池搭載機器6に対する高容量な充電を、短時間に、高効率に行うことが可能である。加えて、充電装置11は、高い耐久性を有する。
制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数の増加に応じて、充電すべき二次電池搭載機器6に対する、1回の充電あたりの充電電流の印加時間TCを短くしてもよい。これにより、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が増加しても、短時間で高容量な充電をすることが可能となる。詳しい理由は後述する。一方、制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器の台数の減少に応じて、充電電流の印加時間TCを長くしてもよい。これにより、充電電流の印加時間TCが短い場合に生じやすい一次電源電力の利用効率の低下が抑制されうる。加えて、電流のオンオフに起因する充電装置11内の電流接点等の劣化が抑制されうる。
制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数の増加に応じて、同一の二次電池搭載機器に対する充電の休止時間TPを増加させてもよい。これにより、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が増加しても、十分な休止時間TPが確保されうる。従って、二次電池搭載機器が大電流で充電される場合でも、より確実に、短時間で高容量の充電が実現されうる。
制御部3は、同一の二次電池搭載機器6における、充電開始から休止時間を挟んで次の充電開始までの充電電流の時間平均を、充電すべき二次電池搭載機器6の台数によらず略一定としてもよい。充電電流の時間平均Imは、例えば、1回の充電における充電電流の印加時間をTC、その充電電流の印加を停止してから次の充電電流の印加を開始するまでの休止時間をTP、充電電流値をIとするとき、I×TC/(TC+TP)で表される。充電すべき二次電池搭載機器6のそれぞれにおける充電電流の時間平均は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数によらず、その二次電池搭載機器が連続的な定電流で充電される場合に設定される充電電流と同程度であってもよい。充電電流の時間平均の制御は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数の変化によらず、より確実に、短時間で高容量な充電を実現しうる。
制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数によらず、同一の二次電池搭載機器6に対する1回あたりの充電における充電電力量を一定に維持してもよい。このとき、制御部3は、複数の充電すべき二次電池搭載機器6にそれぞれ供給される複数の充電電流の印加時間TCを、互いに等しくしてもよい。これにより、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が増加しても、より確実に、短時間で高容量な充電が実現されうる。
制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6のそれぞれにおける、1回の充電あたりの充電電流の印加時間TCを、満充電容量の大きい二次電池搭載機器ほど長くしてもよい。これにより、充電装置11は、複数の充電すべき二次電池搭載機器6に電力を効率的に配分することができる。そのため、充電装置11が必要とする最大電力が低減されうる。一例として、制御部3は、各二次電池搭載機器6に対する充電電流の印加時間TCを、満充電容量の比に応じて配分してもよい。
制御部3は、複数の充電すべき二次電池搭載機器6に、同じ大きさの充電電流を供給してもよい。これにより、充電装置11が必要とする最大電力が低減されうる。
複数の結合器5は、無線給電用の結合器であってもよい。これにより、結合器5の形状と二次電池搭載機器6の形状とが適合しないことによる充電不能が防止されうる。また、結合器5からの二次電池搭載機器6の脱着による手間と作業リスクが軽減されうる。また、二次電池搭載機器6の脱着に伴う結合器5の劣化が抑制されうる。
充電装置11は、電池情報取得部をさらに備えていてもよい。電池情報取得部は、充電すべき二次電池搭載機器6のそれぞれから二次電池の仕様に関する情報を取得し、その情報を制御部3に送る。制御部3は、その情報を読み取って、充電すべき二次電池搭載機器6のそれぞれに対する充電条件を決定できる。これにより、充電装置11は、接続された二次電池搭載機器6の仕様を読み取ることによって、充電条件をより正確に決定することが可能になる。
充電装置11は、蓄電部をさらに備えてもよい。この場合、制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が0または複数の結合器5の数(最大接続数)よりも少ないときに、蓄電部を電源によって充電することができる。また、制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が2以上のときに、蓄電部の電力によって充電すべき二次電池搭載機器を充電することができる。これにより、充電装置11の最大消費電力が低減されうる。そのため、充電装置11の一次側受電部の構造が簡素化されうる。また、最大消費電力が小さくなることにより、電気料金体系によっては、充電装置を運営するための電気料金が低減されうる。
[充電方法]
本実施形態の充電方法を説明する。
まず、複数の二次電池搭載機器のうちの1番目の二次電池搭載機器が選択される。続いて、選択された二次電池搭載機器が充電される。充電電流は、例えば、選択された二次電池搭載機器の仕様、および、充電すべき二次電池搭載機器の台数に基づいて設定され得る。充電は、例えば所定の充電電流の印加時間TCが経過したら停止される。充電の停止とは、二次電池搭載機器へ所定の充電電流の印加を終了することを指す。この後、複数の充電すべき二次電池搭載機器のうち、現在選択されている二次電池搭載機器以外の二次電池搭載機器が、2番目の二次電池搭載機器として選択される。言い換えると、充電電流が印加される二次電池搭載機器が切り替えられる。ここでは、複数の充電すべき二次電池搭載機器のうち2以上の二次電池搭載機器が同時に充電されないように、充電電流が印加される二次電池搭載機器が切り替えられる。選択された2番目の二次電池搭載機器が、1番目の二次電池搭載機器と同様に充電される。その後、次の二次電池搭載機器が選択される。このように、1番目からN番目の二次電池搭載機器までが順次選択され、充電される。このサイクルは、複数回繰り返される。例えば、N番目の二次電池搭載機器が充電された後、次のサイクルに入り、再び1番目の二次電池搭載機器が選択される。このように、サイクルが繰り返されることにより、各二次電池搭載機器は、休止時間を挟んで複数回充電される。複数の二次電池搭載機器が順次充電されている間に、充電すべき二次電池搭載機器の台数の増加が検知された場合、充電電流を大きくするように充電条件が変更される。充電電流の大きさに加えて、他の充電条件が変更されてもよい。
上記方法において、選択された二次電池搭載機器の充電中に、充電中の二次電池搭載機器の電圧が監視されてもよい。例えば、電圧が所定の充電終止電圧値に達したときに、充電中の二次電池搭載機器への充電が停止されてもよい。充電終止電圧値は、例えば、二次電池搭載機器に搭載された二次電池の仕様に沿って決められてもよい。二次電池がコバルト酸リチウム正極と黒鉛負極を有する場合、充電終止電圧値は例えば4.2Vである。単一の電圧監視装置が、複数の二次電池搭載機器の電圧を監視してもよい。
選択された二次電池搭載機器の充電中に、充電中の二次電池搭載機器の温度が監視されてもよい。例えば、温度が所定の充電停止温度に達したときに、充電中の二次電池搭載機器への充電が停止されてもよい。これにより、過昇温が防止されうる。充電停止温度は、搭載された二次電池を構成する材料やサイズに応じて設定される。例えば、金属缶やラミネート外装を具備する二次電池の場合、充電停止温度は、40℃程度に設定され得る。
選択された二次電池搭載機器の充電中に、その二次電池搭載機器のうち二次電池を収容している筐体の膨張変形または内圧が監視されてもよい。例えば、膨張変形または内圧が所定の値に達したときに、充電中の二次電池搭載機器への充電が停止されてもよい。これにより、筐体の破損が抑制され、充電装置の信頼性が向上しうる。上記所定の値は、筐体の材料や形状によって適宜設定され得る。例えば筐体が10%膨張したとき、あるいは、筐体の内圧が20%増加したときに、充電が停止されてもよい。
続いて、図面を参照しながら、本実施形態の充電方法の一例をより具体的に説明する。図6〜図11は、それぞれ、充電方法の一例を説明するための模式図である。図6〜図11は、各二次電池搭載機器へ供給される充電電流のタイミングチャートを併せて示している。タイミングチャートは、例えば、各送電線4a〜4eを流れる電流の代表波形イメージである。タイミングチャート中、同様の波形が繰り返される場合には、その一部のみが示されている。
まず、充電装置11は、二次電池搭載機器が接続されていない状態にある。その後、図6に示されるように、1台の二次電池搭載機器6aが結合器5aに接続されると、充電装置11の制御部3は、二次電池搭載機器6aと電源2をつなぐ送電線4aを選択し、電源2と送電線4aとの間を電気的に接続する。これによって、直流充電電流が、電源2から送電線4aおよび結合器5aを介して二次電池搭載機器6aに供給され、二次電池搭載機器6aが充電される。このときの充電電流値Iaは例えば1Aである。直流電流は、本開示における「連続的な電流」の一例である。直流電流の代わりに、若干の変動のある電流、短い時間間隔で印加される連続パルス電流などの直流電流に準ずる電流が用いられてもよい。これらの電流も、「連続的な電流」の例に含まれる。
続いて、図7に示されるように、もう1台の二次電池搭載機器6bが結合器5bを介して充電装置11にさらに接続されると、制御部3は、二次電池搭載機器6aへの充電電流を直流電流からパルス状の電流に変更する。これにより、二次電池搭載機器6aに対し間欠的な充電が行われる。ここでいう「パルス状の電流」とは、休止時間を挟んで繰り返し供給される電流を広く含む。「パルス状の電流」は、例えば、1回の充電あたりの充電電流の印加時間が比較的長い電流、例えば10分程度の電流であってもよい。「パルス状の電流」は、例えば、短い時間間隔で印加される複数のパルスから構成されてもよい。この場合、短い時間間隔で印加される複数のパルスの包絡線が、パルス状となる。本開示において「印加時間」とは、特に断りのない限り、1回の充電あたりの充電電流の印加時間を意味する。
二次電池搭載機器6bにもパルス状の電流を用いた充電が行われる。二次電池搭載機器6aへ供給されるパルス状の電流と二次電池搭載機器6bへ供給されるパルス状の電流とは、重ならない。二次電池搭載機器6a、6bに供給される充電電流のそれぞれは、間欠的に印加される複数のパルスを含み、複数のパルスの間には休止時間TPが設定されている。このようにして、二次電池搭載機器6aと二次電池搭載機器6bとが交互に充電される。
図7に示される例において、二次電池搭載機器6aは、印加時間TC(a2)の間、充電電流値Ia(2)で充電される。印加時間TC(a2)は、例えば1分、休止時間TP(a2)は例えば1分、充電電流値Ia(2)は例えば2Aに設定される。このとき、1回の休止時間TP(a2)及び1回の印加時間TC(a2)で構成される1サイクルにおける充電電流の時間平均Im(a2)は、1Aである。二次電池搭載機器6bは、印加時間TC(b2)の間、充電電流値Ib(2)で充電される。印加時間TC(b2)は例えば1分、休止時間TP(b2)は例えば1分、充電電流値Ib(2)は例えば2Aに設定される。充電電流の時間平均Im(b2)は例えば1Aである。なお、充電電流の大きさおよび印加時間は、二次電池搭載機器ごとに異なってもよい。
充電電流値Ia(2)、Ib(2)および印加時間TC(a2)、TC(b2)の決め方は特に限定されない。効率的な制御方法の一例として、二次電池搭載機器6aの充電電流値Ia(2)は、充電装置11に二次電池搭載機器6aのみが接続されているとき(図6)の充電電流値Iaの約2倍に設定されてもよい。同様に、二次電池搭載機器6bの充電電流値Ib(2)は、充電装置11に二次電池搭載機器6bのみが接続されているときの充電電流値Ibの約2倍に設定されてもよい。印加時間TC(a2)及びTC(b2)はほぼ同じ時間に設定されてもよい。印加時間TC(a2)及びTC(b2)は、例えば3〜120秒であってもよいが、これに限定されない。この方法によれば、充電条件の決定が容易であり、制御部3の構造や制御プログラムが簡潔化されうる。また、充電装置11に接続される二次電池搭載機器6の台数によらず、満充電されるまでのトータルの充電時間がほぼ一定に維持されうる。
効率的な制御方法の他の一例として、二次電池搭載機器6aおよび二次電池搭載機器6bのうち満充電容量の大きい方に、より大きな印加時間の充電電流が供給されてもよい。例えば、二次電池搭載機器6bの満充電容量Bが二次電池搭載機器6aの満充電容量Aよりも大きいときには、制御部3は、印加時間TC(b2)を印加時間TC(a2)よりも大きくしてもよい。例えば、図8に示されるように、印加時間TC(a2)と印加時間TC(b2)との比は、二次電池搭載機器6aの満充電容量Aと二次電池搭載機器6bの満充電容量Bとの比と同等であってもよい(A:B=TC(a2):TC(b2))。この場合、二次電池搭載機器6a、6bの充電電流値Ia(2)、Ib(2)は、ほぼ同じ電流値に設定されてもよい。印加時間TC(a2)、TC(b2)は、例えば3〜120秒であってもよいが、これに限定されない。あるいは、充電装置11に二次電池搭載機器6aのみが接続されているときの充電電流値をIa、充電装置11に二次電池搭載機器6bのみが接続されているときの充電電流値をIbとすると、充電電流値Ia(2)、Ib(2)は、例えば以下のように設定されてもよい。
Ia(2)=(A+B)×Ia/A
Ib(2)=(A+B)×Ib/B
この方法によれば、充電装置11の充電電流の最大値が低く抑えられる。そのため、充電装置11の一次側受電部の構造が簡素化されうる。最大消費電力が低減されるため、電気料金体系によっては、充電装置11を運営するための電気料金が軽減されうる。
続いて、図9に示されるように、もう1台の二次電池搭載機器6cがさらに接続されると、充電装置11の制御部3は、二次電池搭載機器6aおよび6bへの充電電流の大きさを変更する。変更後の二次電池搭載機器6aへの充電電流値Ia(3)は、充電すべき二次電池搭載機器が2台の場合の充電電流値Ia(2)よりも大きい。同様に、変更後の二次電池搭載機器6bへの充電電流値Ib(3)は、充電すべき二次電池搭載機器が2台の場合の充電電流値Ib(2)よりも大きい(Ib(3)>Ib(2))。新たに接続された二次電池搭載機器6cにもパルス状の電流を用いた充電が行われる。二次電池搭載機器6a、6b、6cへのパルス状の電流は、互いに重ならない。二次電池搭載機器6a、6b、6cに供給される充電電流のそれぞれは、間欠的に印加される複数のパルスを含み、複数のパルスの間に休止時間TP(a3)、TP(b3)、TP(c3)が設定される。二次電池搭載機器6a〜6cは順に繰り返し充電される。
図9に示される例において、二次電池搭載機器6a、6b、6cは、それぞれ、印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(c3)の間、充電電流値Ia(3)、Ib(3)、Ic(3)で充電される。印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(c3)は例えば40秒、休止時間TP(a3)、TP(b3)、TP(c3)は例えば80秒に設定される。充電電流値Ia(3)、Ib(3)、Ic(3)は例えば3Aに設定される。このとき、1回の休止時間TP(a3)及び1回の印加時間TC(a3)からなる1サイクルにおける、充電電流の時間平均Im(a3)は1Aである。同様に、充電電流の時間平均Im(b3)、Im(c3)も1Aである。なお、充電電流の大きさおよび充電電流の印加時間TCは、二次電池搭載機器ごとに異なってもよい。
充電電流値Ia(3)、Ib(3)、Ic(3)および印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(a3)の決め方は特に限定されない。効率的な制御方法の一例として、二次電池搭載機器6aの充電電流値Ia(3)は、充電装置11に二次電池搭載機器6aのみが接続されているとき(図6)の充電電流値Iaの約3倍に設定されてもよい。二次電池搭載機器6bの充電電流値Ib(3)は、充電装置11に二次電池搭載機器6bのみが接続されているときの充電電流値Ibの約3倍に設定されてもよい。二次電池搭載機器6cの充電電流値Ic(3)は、充電装置11に二次電池搭載機器6cのみが接続されているときの充電電流値Icの約3倍に設定されてもよい。印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(c3)はほぼ同じであってもよい。印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(c3)は、例えば3〜120秒であってもよいが、これに限定されない。この方法によれば、充電条件の決定が容易であり、制御部3の構造や制御プログラムが簡潔化されうる。また、充電装置11に接続される二次電池搭載機器6の台数によらず、満充電されるまでのトータルの充電時間がほぼ一定に維持される。
効率的な制御方法の他の一例として、二次電池搭載機器6a〜6cの充電電流のうち、より満充電容量の大きい二次電池搭載機器に、より大きな印加時間の充電電流が供給されてもよい。例えば、印加時間TC(a3)と印加時間TC(b3)と印加時間TC(c3)との比は、二次電池搭載機器6aの満充電容量Aと二次電池搭載機器6bの満充電容量Bと二次電池搭載機器6cの満充電容量Cとの比と同等であってもよい(A:B:C=TC(a3):TC(b3):TC(c3))。この場合、二次電池搭載機器6a〜6cの充電電流値Ia(3)、Ib(3)、Ic(3)は、ほぼ同じ電流値に設定されてもよい。印加時間TC(a3)、TC(b3)、TC(c3)は、例えば3〜120秒であってもよいが、これに限定されない。あるいは、充電装置11に二次電池搭載機器6aのみが接続されているときの充電電流値をIa、充電装置11に二次電池搭載機器6bのみが接続されているときの充電電流値をIb、充電装置11に二次電池搭載機器6cのみが接続されているときの充電電流値をIcとすると、充電電流値Ia(3)、Ib(3)、Ic(3)は、例えば以下のように設定されてもよい。
Ia(3)=(A+B+C)×Ia/A
Ib(3)=(A+B+C)×Ib/B
Ic(3)=(A+B+C)×Ic/C
この方法によれば、充電装置11の充電電流の最大値が低く抑えられる。そのため、充電装置11の一次側受電部の構造が簡素化されうる。最大消費電力が低減されるため、電気料金体系によっては、充電装置11を運営するための電気料金が軽減されうる。
図9に示される状態から、更にもう1台の二次電池搭載機器6dが接続される場合も、同様に、充電装置11の制御部3は、二次電池搭載機器6a〜6cの充電電流の大きさを変更する。変更後の二次電池搭載機器6aへの充電電流値Ia(4)は、充電電流値Ia(3)よりも大きい。同様に、変更後の二次電池搭載機器6b、6cへの充電電流値Ib(4)、Ic(4)は、それぞれ、充電電流値Ib(3)、Ic(3)よりも大きい。新たに接続された二次電池搭載機器6dにもパルス電流による充電が行われる。さらにもう一台の二次電池搭載機器6eが接続され、充電すべき二次電池搭載機器が5台となった場合も同様に、制御部3は充電電流を大きくする。二次電池搭載機器6a〜6eの充電パルス電流が互いに重ならない。二次電池搭載機器6a〜6eに供給される充電電流のそれぞれは、間欠的に印加される複数のパルスを含み、複数のパルスの間に休止時間が設定される。二次電池搭載機器6a〜6eは順に繰り返し充電される。
上記の方法と同様に、充電すべき二次電池搭載機器6が5台のとき、それらへの充電電流の印加時間TCは等しく設定されてもよい。例えば、二次電池搭載機器6a〜6eの充電電流値Ia(5)〜Ie(5)は、それぞれ、充電装置11にそれぞれの二次電池搭載機器が単独で接続されたときの充電電流値Ia〜Ieの約5倍に設定されてもよい。このように、充電すべき二次電池搭載機器6の台数がNのとき、1つの二次電池搭載機器6への充電電流値I(N)は、その二次電池搭載機器6のみを充電装置11で充電する場合の充電電流値IのN倍に設定され得る。
充電電流の印加時間TCは、二次電池搭載機器6ごとに異ならせてもよい。この場合、二次電池搭載機器6への充電電流は、満充電容量の大きい二次電池搭載機器ほど大きくなるように設定されてもよい。例えば、二次電池搭載機器6aの満充電容量をA、5台の充電すべき二次電池搭載機器6a〜6eの満充電容量の合計を(A+B+C+D+E)とすると、二次電池搭載機器6aへの充電電流値Ia(5)は、(A+B+C+D+E)×Ia/Aに設定されてもよい。このように、充電すべき二次電池搭載機器6の台数がN台であるとき、1つの二次電池搭載機器への充電電流は、その二次電池搭載機器を単独で充電する場合の充電電流値Iと、N台の二次電池搭載機器の満充電容量の合計に対するその二次電池搭載機器の満充電容量の割合に応じて設定されてもよい。
一方、制御部3は、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が減少した場合に、充電電流を変更してもよい。例えば、図10は、図9に示されるように3台の二次電池搭載機器6a〜6cが充電装置11に接続された状態から、1台の二次電池搭載機器6aへの充電が完了した後の状態を示す。1台の二次電池搭載機器6aへの充電が完了すると、充電すべき二次電池搭載機器の台数は3から2に減る。これに伴い、制御部3は、二次電池搭載機器6bおよび二次電池搭載機器6cへの充電電流の大きさを変更する。変更後の二次電池搭載機器6bへの充電電流値Ib’(2)は、充電すべき二次電池搭載機器が3台の場合の充電電流値Ib(3)よりも小さい。同様に、変更後の二次電池搭載機器6cへの充電電流値Ic'(2)は、充電すべき二次電池搭載機器が3台の場合の充電電流値Ic(3)よりも小さい。なお、充電電流値Ib’(2)は、図7を参照しながら前述した充電電流値Ib(2)と異なっていてもよいし、同じ値であってもよい。二次電池搭載機器6b、6cのパルス状の電流が重ならない。二次電池搭載機器6b、6cに供給される充電電流のそれぞれは、間欠的に印加される複数のパルスを含み、複数のパルスの間に休止時間が設定される。これにより、二次電池搭載機器6bと二次電池搭載機器6cとが交互に繰り返し充電される。充電電流の大きさおよび印加時間の決め方は特に限定されず、図7〜図9を参照しながら前述した方法を用いることができる。
続いて、図11に示すように、1台の二次電池搭載機器6bの充電がさらに完了すると、充電すべき二次電池搭載機器は二次電池搭載機器6cの1台のみになる。これに伴い、制御部3は、二次電池搭載機器6cの充電電流条件を変更してもよい。例えば、二次電池搭載機器6cは、直流電流、または、直流電流に準ずる電流によって充電され得る。図11に示される例では、二次電池搭載機器6cは、充電電流値Icを有する連続的な定電流で、充電される。
[充電装置のその他の例]
次に、図面を参照しながら、本実施形態の充電装置の他の一例を説明する。図5は、本実施形態の他の充電装置12の構成例を示す模式図である。充電装置12は、蓄電部7を備える点で、図1に示される充電装置11と異なっている。他の構成は同様であるため、説明を省略する。
充電装置12において、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が0のとき、または結合器5の数より少ないときに、蓄電部7は、電源2によって充電され得る。図5に示される例では、充電すべき二次電池搭載機器6の台数は2であり、結合器5の数よりも小さいため、蓄電部7へ電源2から電流が供給され得る。言い換えると、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が少ないときに、蓄電部7が充電される。これにより、充電すべき二次電池搭載機器6の台数が多くなったときに、蓄電部7は、二次電池搭載機器6へ給電できる。典型的に、充電装置の一次側受電部は、一次側電流が大電流となるほど大型化するおそれがある。これに対し、充電装置12は、蓄電部7を備えるので、充電装置12の最大消費電力を小さくすることができる。その結果、充電装置12の一次側受電部の構造が簡素化されうる。また、最大消費電力が小さくなることにより、電気料金体系によっては、充電装置を運営するための電気料金が低減されうる。
本実施形態における制御部3は、選択された二次電池搭載機器6への充電電流の印加を開始してから所定の印加時間TCが経過した後に、当該機器6への充電を停止し、次に充電電流を印加する二次電池搭載機器6へと切り替えてもよい。
制御部3は、充電電流の印加時間TCだけでなく、充電中の二次電池搭載機器6の電圧に基づいて、二次電池搭載機器6の切り替えを行なってもよい。例えば、制御部3は、充電されている二次電池搭載機器6の電圧を監視する。充電の進行に伴って監視されている電圧が所定の値に達したとき、制御部3は、充電中の二次電池搭載機器6への充電を停止し、次に充電電流を印加する二次電池搭載機器6へと切り替えてもよい。これにより、二次電池搭載機器6への過充電がより効果的に防止されうる。そのため、二次電池の劣化が抑制されうる。この切り替えは、設定された印加時間TCが経過する前、すなわち、充電電流が印加されている間に実行されてもよい。この場合、そのときの充電における充電時間は、設定された印加時間よりも短くなる。これにより、例えば、1回の充電あたりの印加時間が比較的長く設定されている場合でも、より確実に過充電が抑制されうる。言い換えると、過充電を抑制しながら、印加時間が長く設定されうる。そのため、充電する二次電池搭載機器6の切り替え回数が低減されうる。その結果、切り替え時間のロスや切り替えに起因する接点劣化を抑制できる。また、設定された印加時間よりも短い時間で充電が切り上げられた場合、短縮された時間の分だけ、次に充電される二次電池搭載機器への充電が早く開始される。したがって、二次電池のトータルの充電時間が短縮されうる。「トータルの充電時間」とは、例えば、1台目の二次電池搭載機器の最初の充電を開始してから、全ての二次電池搭載機器が満充電されるまでの時間をいう。
二次電池搭載機器6の電圧を監視するために、制御部3は、電圧監視装置を設けてもよい。複数の電圧監視装置が、二次電池搭載機器6ごとに配置されてもよい。単一の電圧監視装置が、複数の二次電池搭載機器6の電圧を監視してもよい。電圧監視装置が、二次電池搭載機器6の電圧を間欠的かつ頻繁に監視することで、二次電池の劣化が防止されうる。
例えば、所定の電圧に達した二次電池搭載機器6に、さらに印加時間TCの短い充電電流が間欠的に印加されてもよい。これにより、充電容量が少しずつ増加しうる。このとき、印加時間TCは、例えば10秒であってもよい。また、印加時間TCは、二次電池搭載機器6の電圧に応じて、2秒以下、あるいは1秒以下に変更されてもよい。
所定の値に達した二次電池搭載機器6をさらに充電するか、あるいは充電を終了するかの選択は、その二次電池搭載機器6が次に選択されたときに判断されてもよい。この判断は、その二次電池搭載機器6の電圧に応じて行われてもよい。所定の値に達した二次電池搭載機器6をさらに充電する場合、その回数が設定されてもよい。これにより、充電装置または二次電池搭載機器の負担が低減される。
制御部3は、二次電池搭載機器6の電圧を監視する替わりに、二次電池搭載機器6の温度を監視してもよい。制御部3は、例えば、温度監視装置を備えてもよい。複数の温度監視装置が、二次電池搭載機器6ごとに配置されてもよい。単一の温度監視装置が、複数の二次電池搭載機器6の温度を監視してもよい。充電中の二次電池搭載機器6の温度が所定の温度以上に達した場合における充電対象の切り替え方法として、電圧を監視する場合と同様の方法が採用されうる。
制御部3は、二次電池搭載機器6の電圧を監視する替わりに、二次電池搭載機器6の二次電池を収容している筐体の膨張変形あるいは内圧を監視してもよい。制御部3は、例えば、位置センサ、圧電センサ、または、引っ張り破断の起きるフィルムまたは線材を含むセンサを備えてもよい。充電中の二次電池の膨張変形或いは内圧が所定の程度以上に達した場合における充電対象の切り替え方法として、電圧を監視する場合と同様の方法が採用されうる。
以上のような各種切り替え制御のために、制御部3は、計測制御用デバイスを備えてもよい。計測制御用デバイスの例として、タイマ、充電電圧監視器、温度監視器、膨張監視器などが挙げられる。制御部3は、選択制御ユニットと、切り替え器とを備えてもよい。選択制御ユニットは、計測制御用デバイスからの信号に基づいて、充電を行う二次電池搭載機器6を選択する。切り替え器は、選択制御ユニットの動作に基づいて、送電線4と電源2との接続を切り替える。選択制御ユニットは、例えば、プログラマブルコントローラ等で構成されたシーケンサ、あるいはリレーシーケンサ、あるいはコンピュータを用いた制御部などである。切り替え器は、例えば、機械式リレー、ソリッドステートリレー、光学式等の各種カップラーを用いた切り替え器、あるいは無線給電式の接続器である。ただし、制御部3の構成はこれらに限定されない。
なお、図1では、各送電線4a〜4eを、各々一本の線で代表しているが、各々の送電線4は複数のケーブルで構成されていてもよい。各送電線4a〜4eは、二次電池搭載機器6の電圧の監視や、温度の監視などを行うために、複数のケーブル、または多芯のケーブルであってもよい。
送電線4の一部が、無線給電器で代替されてもよい。各種監視用データが無線通信によって送られてもよい。
送電線または無線を通した通信内容は、例えば、二次電池搭載機器6の型式や充電条件の情報を含む。これにより、制御部3は、最適な充電条件を選択できる。これにより、充電トラブルや二次電池の劣化が抑制されうる。充電装置11は、充電作業の記録を残してもよい。この記録は、トラブル発生時の原因追跡等にも役立てることができる。
[充電電流の大きさと印加時間]
パルス状の充電電流は、仮にその電流が連続定電流である場合には高い充電容量が得られないような大電流であってもよい。その電流値は、使用する二次電池搭載機器6によって異なる。パルス状の充電電流は、仮にその電流が二次電池搭載機器6に長時間に供給された場合に、所望の電池容量に達する前に電池電圧が上昇して充電が打ち切られてしまうような大電流であってもよい。
例えば、充電装置は、充電すべき二次電池搭載機器6が所定の台数以上のとき、あるいは結合器5の数と等しいときに、上記のような大電流で充電を行なってもよい。所定の台数は、例えば3以上であってもよい。例えば、パルス状の充電電流は、仮にその電流が連続定電流であった場合には充電容量を20%以上低下させるような大電流であってもよい。このとき、1回の充電あたりの充電電流の印加時間TCは、例えば、充電電流を大きくする前よりも短く設定される。印加時間TCは、例えば5分以内であってもよいし、1分以内であってもよいし、30秒以内であってもよい。
ここで、連続充電において、最大充電容量に対して充電容量を20%低下させる電流値を「基準充電電流値s1」と呼ぶ。このとき、パルス状の充電電流は、基準充電電流値s1以上の値に設定されてもよい。より高速で充電を行うために、充電電流は、連続充電において充電容量が50%または70%低下するような電流以上の大きさであってもよい。充電電流は、連続充電において充電容量が顕著に低下する電流値s2以上に設定されてもよい。充電電流は、二次電池搭載機器内の二次電池の推奨電流の5倍以上、好ましくは10倍以上の電流値に設定されてもよい。例えば、充電電流の時間平均は、基準充電電流値s1以下あるいは電流値s2以下となるように設定され得る。
次に、本実施形態の充電装置および充電方法が、複数の二次電池搭載機器の充電装置および充電方法として特に優れている理由について説明する。
典型的に、充電電流を大きくしすぎると二次電池の充電容量が顕著に低下する。このため、大きな充電容量を得るために、典型的に、充電電流はある程度以下に設定される。充電電流が大き過ぎると十分な充電容量が得られない原因は、以下のように考えられる。電解液や活物質内で、イオンが拡散できる速度には限りがある。二次電池に大電流が供給された場合、活物質表面でリチウム等のイオンの急激な濃度勾配が生じる。この濃度勾配によって、イオンの拡散が妨げられ、充電に利用できるイオンが低下する。本発明者らの実験によれば、大きな充電電流で連続充電を行った場合、大きな充電容量は得られなかった。
したがって、従来の充電方法において、二次電池は、大きな充電容量を得るために、比較的小さい電流で連続充電されていた。この方法で、複数の二次電池搭載機器を充電する場合、図18に示されるように、複数の電源2、あるいは、複数出力の出力回路を用意する必要がある。そのため、装置が大型化し、装置コストも高くなる。
これに対し、本実施形態の充電方法において、パルス状の充電電流が複数の二次電池搭載機器6に対して休止時間を挟んで繰り返し供給される。これにより、充電電流値が大きい場合であっても、休止時間にイオンが拡散しうる。そのため、大きい充電容量が確保されうる。また、従来よりも短時間に、複数の二次電池搭載機器6が高効率で充電されうる。
パルス状の充電電流が大電流であるとき、印加時間TCは、例えば充電容量が最大充電容量の20%以上低下する充電時間未満に設定されてもよい。印加時間TCは、例えば、1時間未満に設定されうる。印加時間TCが短いほど、充電容量の低下が効果的に抑制されうる。印加時間TCは、例えば、5分以内1分以内、または30秒以内である。一方、印加時間TCは、例えば1秒以上、10秒以上、または30秒以上に設定され得る。これにより、切り替えによる時間のロスや、高周波成分によるエネルギーロスが抑制されうる。休止時間TPは、例えば3秒以上、あるいは30秒以上である。これにより、イオンが移動する時間が確保されうる。休止時間TPは、5分以上であってもよい。休止時間TPは、充電電流の印加時間TCの2倍以上、または5倍以上であってもよい。N個の二次電池搭載機器6が充電される場合には、休止時間TPは、印加時間TCのN倍以上となり得る。
[実験例]
次に、本実施形態の充電方法に関連する実験例について説明する。本発明者らは、活物質材料の異なる2種類の評価用のセルC−1、C−2のそれぞれについて、充電電流と充電容量との関係を調べた。
<セルC−1の充電方法の検討>
まず、充電方法の検討に使用されるセルC−1が準備された。正極は、アルミ箔上に形成された、正極活物質、導電助剤、及びバインダーを含む塗工膜であった。アルミ箔の厚さは15μmであった。正極活物質は、リチウムを含有するNiとCoとMnの複合酸化物であった。塗工膜の厚さは50μmであった。負極は、銅電極上に押しつけて貼り合わされたリチウム金属箔であった。リチウム金属箔の厚さは300μmであった。正極と負極との間には、2枚の多孔質セパレータが配置された。セパレータの厚さは20μmだった。セパレータは電解液で満たされた。電解液は、1mol/LのLiPF6が非水溶媒に溶解されていた。
次いで、セルC−1が直流定電流で連続充電され、充電電流と充電容量との関係が測定された。図12は、セルC−1の連続充電における充電電流と充電容量との関係の一例を示す。
図12に示す結果から、連続充電において、充電電流が増加するにつれて充電容量が低下していることが分かる。従って、最大またはそれに近い大きな充電容量を得るためには、充電電流は例えば2C程度以下とする必要がある。図12に示される例において、セルC−1は4Cで連続充電されると、低電流で充電した場合に得られる最大充電容量(ここでは150〜160mAh/g程度)の25%程度の充電容量しか得られない。ここで「1C」とは、その電池が低電流で満充電容量まで充電された場合の充電量に相当する電気量を、1時間で送電するときの電流値を表す。C値が大きいほど、充電電流が大きい。例えば、0.1Cでの充電とは、10時間で満充電容量に達する電気量での充電を意味する。
セルC−1を連続充電して最大充電容量の80%超の容量を得るためには、充電電流は、例えば2C未満の低電流に設定される必要がある。このため、充電装置に接続された全ての二次電池搭載機器が満充電されるためには、長い時間がかかる。
図12に示される例において、充電容量が最大充電容量に対して20%低下する電流値である基準充電電流値s1は、2C程度であった。充電容量が大きく低下する電流値s2は、3.5C程度であった。なお、電流値s2は、例えば図12に示すグラフの傾きが最大となる電流値であってもよい。言い換えると、充電容量をCA、充電電流をIとするとき、ΔCA/ΔIが最大となる電流値であってもよい。
次いで、セルC−1が休止時間を挟んだパルス状の充電電流で間欠的に充電され、充電電流と充電容量との関係が測定された。間欠充電において、充電電流の印加時間TCは10秒、休止時間TPは90秒であった。図13は、セルC−1の間欠充電における充電電流と充電容量との関係の一例を示す。
図13に示される結果から、間欠充電によると、連続充電よりも大きい充電電流でも高い充電容量が得られることが分かる。例えば、基準充電電流値s1以上、あるいは電流値s2以上の充電電流で間欠充電が行われても、十分な充電容量が確保される。図13に示される例では、2C〜12C程度の大電流でセルC−1が充電されても、最大充電容量の80%程度の充電容量が得られた。従って、この結果は、各二次電池搭載機器に基準充電電流値s1以上あるいは電流値s2以上の電流で間欠充電を行われた場合に、高い充電容量が得られることを示している。
図14は、セルC−1の間欠充電における充電の休止時間TPの長さと充電容量との関係の一例を示す。ここでは、印加時間TCを10秒、充電電流を3Cに固定し、休止時間TPの長さを異ならせて、セルC−1の間欠充電を行った。
図14に示す結果から、休止時間TPが5秒以上の場合に、最大充電容量と略同等の高い充電容量が得られることが分かる。休止時間TPが5秒のとき、充電電流の時間平均Imは次式より2Cとなる。
(I×TC)/(TC+TP)=(3C×10sec)/(10sec+TP(sec))=2(C)
この充電電流の時間平均は、前述した基準充電電流値s1と概ね等しい。この結果は、充電電流の時間平均が例えば基準充電電流値s1以下となるように、充電電流の印加時間TC、休止時間TPおよび充電電流が設定されるとき、より確実に高い充電容量が得られることを示している。
なお、図14は、充電パルスの幅を10秒、充電電流を3Cとしたときの結果を例示しているが、充電パルスの幅や充電電流が異なっても同様の結果が得られる。例えば、充電パルスの幅を5秒とし、充電電流を6Cとしたときも、同様の結果が得られる。
<セルC−2の充電方法の検討>
セルC−1とは活物質材料の異なるセルC−2が準備され、上記と同様の検討が行われた。正極活物質は、リチウムを含有するCo酸化物であった。塗工膜の厚さは38μmであった。それ以外の条件はセルC−1と同様であった。
次いで、セルC−2が直流定電流で連続充電され、充電電流と充電容量との関係が測定された。図15は、セルC−2の連続充電における充電電流と充電容量との関係の一例を示す。
図15に示す結果から、連続充電において、充電電流が増加するにつれて充電容量が低下していることが分かる。従って、最大またはそれに近い大きな充電容量を得るためには、充電電流は例えば1.5C程度以下とする必要がある。図15に示される例において、セルC−2は3Cで連続充電されると、低電流で充電した場合に得られる最大充電容量(ここでは130〜140mAh/g程度)の5%以下の充電容量しか得られない。
このように、セルC−2を連続充電で充電して最大充電容量の80%超の容量を得るためには、充電電流は、例えば1.5C未満の低電流に設定される必要がある。このため、充電装置に接続された全ての二次電池搭載機器が満充電されるためには、長い時間がかかる。
図15に示される例において、充電容量が最大充電容量に対して20%以上低下する電流値である基準充電電流値s1、および、充電容量が大きく低下する電流値s2は、いずれも1.5C程度であった。なお、電流値s2は、例えば図15に示すグラフの傾きが最大となる電流値であってもよい。
次いで、セルC−2がパルス状の充電電流で間欠的に充電され、充電電流と充電容量との関係が測定された。印加時間TCは10秒、休止時間TPは90秒であった。図16は、間欠充電における充電電流と充電容量との関係の一例を示す。
図16に示される結果から、間欠充電によると、連続充電よりも大きい充電電流でも高い充電容量が得られることが分かる。例えば、基準充電電流値s1以上、あるいは電流値s2以上の充電電流で間欠充電が行われても十分な充電容量が確保される。図16に示される例では、1.5C〜2.5C程度の大電流でセルC−2が充電されても、最大充電容量の80%程度の充電容量が得られた。従って、この結果は、各二次電池搭載機器に基準充電電流値s1以上あるいは電流値s2以上の電流で間欠充電が行われた場合に、高い充電容量が得られることを示している。
図17は、間欠充電における平均充電電流値と充電容量との関係の一例を示す。ここでは、印加時間TCを10秒に固定し、充電電流の大きさ、および、休止時間TPの長さを異ならせて充電を行った。図17に示される平均充電電流値は、1つの二次電池搭載機器の充電に用いられたパルス状の充電電流が平均充電電流値に換算された値である。
図17に示される例において、平均充電電流値が2.5C未満のときに、1.5C以下の低電流で連続充電された場合の充電容量と同等の高い充電容量が得られた。この結果は、間欠充電によれば、複数の二次電池搭載機器が効率よく充電されることを示している。
本開示を実施するための形態として上記に具体的に述べたが、本開示は、これらに限定されるものではない。実施の形態で示された、数値、材料、構成要素、構成要素の配置、接続形態、波形などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、上記で例示された構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
本実施形態では、充電装置11、12への二次電池搭載機器6の最大接続数が5の場合を例に述べた。しかし、二次電池搭載機器の最大接続数はこれに限定されない。また、上述の実験例において、正極活物質がコバルト酸リチウムである例と、正極活物質がリチウムを含有するNiとCoとMnの複合酸化物である例とが示された。しかし、本実施形態の正極活物質は、これらに限定されない。正極活物質は、例えばニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、または、リン酸鉄リチウムであってもよい。上述の実験例において、負極活物質がリチウムである例が示された。しかし、本実施形態の負極活物質は、これに限定されない。負極活物質は、例えば黒鉛、ケイ素化合物、またはスズ化合物であってもよい。上記では、二次電池反応を担うイオンがリチウムイオンの場合を例に説明された。しかし、本実施形態の可逆イオン物質は、これに限定されない。可逆イオン物質は、例えばナトリウムであってもよい。また、二次電池反応を行う電子数は、複数であってもよい。
上記の説明では、充電すべき二次電池搭載機器が1台のときに連続定電流充電が実行され、充電すべき二次電池搭載機器が2台以上のときに間欠充電が実行された。しかし、連続定電流充電から間欠充電へと切り替える条件は、例えば充電装置の出力数に応じて適宜設定されうる。例えば、充電すべき二次電池搭載機器が1または2台のときに連続定電流充電が実行され、充電すべき二次電池搭載機器が3台以上のときに間欠充電が実行されてもよい。充電装置が同時に複数の電流を出力できる場合、例えば、複数の二次電池搭載機器に同時にパルス状の充電電流が供給されてもよい。例えば、4台の充電すべき二次電池搭載機器が、2台ずつ、交互に充電されてもよい。間欠充電に切り替える基準となる設定数は、設計者によって予め決められた固定値であってもよい。その場合、例えば、制御部内の信号回路が、当該設定数を組み込んだ回路として設計されてもよい。あるいは、設定数は、充電装置のベンダーによって設定されてもよい。その場合、例えば、制御部は、入力された設定数を記憶する記憶部を有してもよい。あるいは、設定数は、制御部によって決定されてもよい。例えば、制御部が、情報取得部からの情報に応じて設定数を設定してもよい。その場合、例えば、制御部は、当該情報と設定数とを対応付けたテーブルが格納された記憶部を有してもよい。