JPH06500687A - 少なくとも２つの電気化学電池の放電を最適化するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 少なくとも２つの電気化学電池の放電を最適化するための装置 本発明は電気化学電池の放電を最適化し得る装置に関する。本発明は特に、装置 への給電のために大電流が必要とされる場合に適用可能な電気化学電池の放電装 置に関する。

公知の如く、電気化学電池は電解液中に置かれた２つの電極からなり、蓄電池（ −次電池）又は蓄電池（二次電池）である、これらの電池は公称電圧（Ｖ）及び 容量（Ａｈ）により特徴づけられる。。

従来、電気化学電池の放電は直流で行われている。電池容量は特に、電池の放電 率に依存している。放電率が増すと、電池容量は減少する（ＰＥＵＫＥＲＴの法 則）。この減少は、不変負荷時における電解液及び／又は電極材料の固相内への イオンの拡散に起因している。

放電率が高くなると、電極内部で電気活性種の濃度勾配が確立される。これは、 不均一な挙動（局部的な過充電又は過放電）と、活性材料の使用上の問題とによ るものであり、その結果瞬時容量が低下し且つ電気化学電池の寿命が短くなる。

従って、各休止期間中に引き起こされる緩和により電極の挙動が均一となるパル スモードで電気化学電池を放電することが好ましい。

パルスモード放電は特に、大電流の流れる用途で実施されている。従って、スイ ッチング給電、即ちチョッパを使用して装置に給電することができる。しがしな がら、この型の給電の主な欠点は、給電用直流電圧のチョッピング周波数がこの ような均一化を可能とするには高すぎる（数ＫＨｚ〜数百ＫＨｚ）ことである、 チョップ電圧の平滑化機能を有するコンデンサのサイズが大きくなってしまうの で、チョッピング周波数をそれほど小さくすることはできない。これらのコンデ ンサは通常ダイオード及びインダクタンス（π網）と協働する。

コンデンサのサイズを大きくすると、給電コストが上昇するので、コンデンサの 大型化は限定され、据置型装置でのみ検討される。実際、携帯用工具（コードレ スドリル等）、電気自動車、無線電話又は救急装置（除細動器等）で大型コンデ ンサを使用することはできない。

公知の如く、最適なパルス放電周期は長く、約数秒〜数十秒であり、このような 周波数で、搭載された装置で直接使用可能な直流を得ることのできるコンデンサ は存在しな電気化学電池の放電装置は、Ｌｉｃｅｎｔｉａ　Ｐａｔｅｎｔ　Ｖｅ ｒｗａｌｔｕｎｇｓ　ＧｍｂＨによるドイツ特許第２６．０５．７３０号に記載 されている１例えば２つの電気化学電池から構成される装置内でこれらの電池を 放電するために用いられるこの装置は、各電気化学電池を装置の給電端子に交互 に接続する。各電池は、スイ・ノチを形成する切換手段の第１の端子と協働し、 各切換手段の第２の端子は給電装置に接続されている。切換手段の第２の端子は 互いに接続されている。切換手段は、パルス列発生器からのディジタル制御信号 によって制御されている。各切換手段はパルスが印加されると通電し、それによ って切換手段が協働する電気化学電池が給電装置に接続さ主る。

２つのパルス列は時間的にインターリーブされ、その結果２つの電池は決して同 時に装置に接続されない、一方の列は他方の列の論理反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ 　ｌｏｇｉｑｕｅ）によって得られる。

しかしながら、論理反転及びこの論理反転によってもたらされる遅延のために２ つのパルス列は厳密には相補的でないので、給電装置と並列接続された維持用コ ンデンサの存在が不可欠である。その結果、切換毎に、いかなる電池も給電装置 に接続されない期間が存在し、維持用コンデンサがこれらの期間中に電池の機能 を果たすことになる。ところで装置が大きな供給電流を必要とするならば、この コンデンサを更に大容量にする必要がある。従って、上記明細書に記載する装置 は、放電電流の大きい用途には適さない。

本発明は前記欠点を克服することを特徴とする特に本発明の目的の一つは、パル スモードで電気化学電池を放電し得る装置であって、放電周期が、電気化学電池 の最大容量を得るように最適化され、且つ平滑フィルタも維持用コンデンサも必 要としない放電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、低コストでこのような装置を提供することである。

それぞれが電気化学電池の１つと協働するＮ個（Ｎは２以上である）の切換手段 を含んでいる、負荷装置内でのＮ個の電気化学電池の放電装置によって、前記目 的及び以後説明する他の目的は達せられる。Ｎ個の切換手段は、互ν）にオフセ ットされたＮ個のパルス列の発生器によって順次制御される。各電気化学電池は 、電気化学電池が協働する切換手段を通じてパルスの持続時間中負荷装置に接続 される０本発明によれば、各パルス列は他方のパルス列とオーバラップする時間 を有し、その結果負荷装置は、Ｎ個の電気化学電池の少なくとも１つから絶えず 給電される。このオーバラップ時間は各パルスの持続時間よりも非常に短い。

オーバラップ時間を有するパルス列を発生させることによって、負荷装置への給 電の連続性を確保することができる。従って、電圧維持用コンデンサの存在を必 要とする給電装置におけるような遮断はない。

好ましくは電気化学電池は実質的に等しい容量を有し、且つパルスは同一持続時 間を有する。この場合、電気化学電池と給電される負荷装置との間に電流調整器 を挿入することも、パルス列のデユーティサイクルの変更手段を提供することも 必要ない。

有利な実施例では、切換手段は、ソリッドステートスイッチか４、好ましくは電 界効果トランジスタからなっている。

そのために、電気化学電池の放電装置内にはいかなる可動部品も不要となり、且 つその寿命を増すことができる。

有利には、パルス持続時間は電気化学電池のタイプによって変わる。

例示的で非制限的な好ましい実施例に関する以下の説明を読めば、本発明の他の 特徴が明白となろう。

第１図は電気化学電池の等価回路を示す。

第２図は本発明の装置の好ましい実施例を示す。

第３図は第２図のパルス列ＳＣＩ、ＳＣ２を示す。

第４図は２つの電気化学電池の容量利得を示す、この利得は図３のパルス列の周 期に応じて得られる。

第１図は電気化学電池の等価回路を示す。

電気化学電池１０の等価回路は、拡散インピーダンスＲｄと、電荷転送抵抗Ｒｆ と、直列抵抗Ｒｓと、物理キャパシタンスＣｄと、二層キャパシタンスＣｄとを 含んでいる。

電気化学電池１０はスイッチ１３を介して負荷１１に接続されている。負荷１１ は例えば抵抗器Ｒｃからなっている。

物理キャパシタンスＣｐは電解液の誘電率及び使用される電極の形状に直接関係 している。電極の見掛は表面積１ｃｍ”当たりのｃｐ値は一般にｌ０ＰＦ〜１ｎ Ｆである。

二層キャパシタンスＣｄは電極面へのイオンの蓄積に対応する。電極１ｃｍ２当 たりのＣｄ値は一般に１００ｎＦ〜１０μＦである。

直列抵抗Ｒｓは、電界液のイオン伝導率と活性物質の電子伝導率とを表す。

電荷転送抵抗Ｒｆは電極での電気化学運動、即ち電極と電解液との間の反応速度 に依存する０反応速度が増せば、抵抗Ｒｆは小さくなる。

Ｗ　ａ　ｒ　ｂ　ｕ　ｒ　ｇインピーダンスとも呼ばれる拡散インピーダンスＲ ｄは、スイッチ１３の動作周波数に応じて値が変動するインピーダンスである。

低周波数では、インピーダンスＲｄは負荷１１によって消費される電流とこの負 荷装置の端子電圧との間に４５°の一定の位相シフトを導入する。これは非安定 拡散速度（ｒｅｇｉｍｅ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｎｅｌ　ｎｏｎｓｔａｂｉｌｉｓ ｅ）によって説明され、イオン濃度勾配は電気応力に対して遅延される。これに より、容量（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）性の逆位相シフトが得られる。従って、拡 散インピーダンスＲｄをキャパシタンスとして表すことも可能である（Ｒｄは一 般にＷの文字で表される）。

濃度勾配の確立とその緩和とは本質的に消散的なので、周波数、供給電流の強さ 及び電池の状態に応じて変動し得る抵抗によって拡散インピーダンスＲｄを表す ことができる。

（外部電解液のイオン伝導率に比べて）内部イオン伝導率が小さい多孔性電極及 び／又は中実電極内で容量性の位相シフトが生じ得る。同じ挙動が、拡散のない 多孔性容量構造（疑似無限次数の低域通過型の抵抗／キャパシタンス網）でも生 じ得る。

従って、電気化学電池の電気効率の最適化は、ＲｓとＲｆとＲｄとの和からなる 電池の内部抵抗を可能な限り小さくすることにある。

簡略化するために、Ｒ３及びＲｆは不変であると考えることができる。従って、 過大な負荷での損失の制限はＲｄ及び位相シフトを最小限にすることにある。

連続放電モードは最も好ましくない、何故ならばＲｄが最大だからである。交流 ではＲｄの減少が可能であるが、スイッチ１３の動作周波数は高くなりすぎては ならない。

実際、Ｒｓ及びＣｄは低域フィルタを構成する（ＣｐはＣｄに比べて無視できる ）、動作周波数が高すぎると、電池には直流しか流れない。

第２図は本発明の装置の好ましい実施例を示している。

この実施例は、２つの電気化学電池２０．２１を切換アセンブリ２２に接続し、 且つ他方の電池が機能停止中に一方の電気化学電池が電流を提供するようにこの アセンブリ２２を制御することにある１図示する例は抵抗Ｒｃによって電池２０ ．２１を交互に放電することにある。

切換手段２２の制御は、パルス列ＳＣＩ、ＳＣ２の発生器２３によって実施され る。

切換アセンブリ２２は例えば、切換手段を構成するソリッドステートスイッチ２ ５．２６からなっている。電池２０゜２１の負極は互いに接続され、電池２０． ２１の各正極はスイッチ２５．２６に接続されている。

パルス列発生器２３は、スイッチ２５が閉じられているときにはスイッチ２６が 開放されるように又はその逆になるようにスイッチ２５．２６を制御する。更に は、第３図に示すように、パルス列ＳＣＩ、ＳＣ２の各パルスは、各状態変化時 に他方のパルス列のパルスとオーバラップする期間を有する。その結果、負荷Ｒ ｃは電気化学電池の少なくとも一方から絶えず給電される。

図示されている時間間隔ｔ１〜ｔ７は、列ＳＣＩ、ＳＣ２の時間間隔を限定する 。これらの列の一方が高いレベルを有するときに、この列が制御する切換手段は 、関係する電気化学電池を負荷Ｒｅに接続する。従って、電気化学電池２０は、 時間先３〜ｔ７の間では切換手段２５を通じて負荷Ｒｅに接続され、時間ｔ１〜 ｔ５の間ではこの負荷がら遮断される。逆に、電気化学電池２１は、時間ｔ１〜 ｔ５の閏では切換手段２６を通じて負荷Ｒｃに接続され、時間ｔ３〜ｔ７の間で はこの負荷から遮断される。更には、列ＳＣＩ、ＳＣ２は、電池２０．２１の両 方が負荷Ｒｃに接続されているオーバラップ時間ｔ２．ｔ４．ｔ６を有する。こ のオーバラップ時間は、負荷Ｒｃへの給電連続性を確保するための短い時間Δｔ を有する。従って、各切換手段は時間ｔｘ＋２Δを中に、切換手段が協働する電 気化学電池を負荷Ｒｃに接続する０時間Δｔは非常に短く、オーバラップの作用 は、給電のごく僅かな遮断を避けるように、従って大電流の流れる用途で大型の 維持用コンデンサの使用を避けるように、電気化学電池２０及び２１の負荷Ｒｃ への接続が協働するように制限されている０列ＳＣＩ。

ＳＣ２の連続的進行が　負荷Ｒｃへの絶え間ない給電と各電気化学電池の周期的 緩和とを可能にする。

電気化学電池２０．２１が同一容量を有するならば、負荷Ｒｃによって吸収され る電流Ｉは一定である。各電気化学電池２０．２１は負荷Ｒｃに電流■を交互に 提供し、それぞれ、時間Δを中に実質的にＩ／２に等しい電流が流れる。一定電 流■が無線電話型装置、携帯用工具（ドリル、ねしまわし等）のモータ、医療装 置（除細動器等）又は搭載型給電装置の使用を必要とするその他の装置（電気自 動車）であり得る負荷Ｒｃに直接給電することができる。

電気化学電池２０．２１が同一の型（リチウム、鉛等）でないか又は電気化学電 池の容量が異なるならば、電流Ｉはある程度の変動を示し得る。用途によっては （特にモータへの給電の場合）、供給電流が僅かに変動しても、給電される装置 の良好な作動には影響はない、しかしながら、給電が、供給電流の変動により敏 感な装置に用いられるならば、この装置と本発明の放電装置との間に電流調整器 を挿入する必要がある。電気化学電池のかなりの容量差に対処する他の方法は、 スイッチ２５．２６の制御信号のデユーティサイクルを変えることである。従っ て、この容量差を補正することが可能になる。

本発明の好ましい実施例によれば、スイッチ２５．２６はソリッドステートスイ ッチである。これらのスイッチは例えば電力増幅用ＭＯＳＦＥＴ型の電界効果ト ランジスタである。このような素子は、導通時にはトレインとソースとの間の抵 抗が非常に小さいという利点を有する。

勿論より大きな容量を提供するために、電気化学電池の数を増すことが可能であ る。この場合、切換手段の数を増やし、またスイッチの制御信号の構成を変更す る必要がある。パルス列発生器２３は、負荷Ｒｃの端子で使用可能な電圧Ｖｓが 供給される集積回路であっても良い。

電気化学電池２０．２１は二次電池又は−次電池のいずれでも良い、しかしなが ら、電流調整器を追加しないようにするために、タイプ及び容量が同一のデバイ スを選択することが好ましい、電気化学電池のタイプ及び容量が同一ならば、列 ＳＣＩ、ＳＣ２のパルス時間は同一になる。

本発明装置の効率を良好にしている要因は、第４図に示すようにスイッチ２５． ２６の動作周期である。

第４図は、第３図のパルス列の周期に応じて得られる２つの電気化学電池の容量 の利得を示している。

曲線３０は、スイッチ２５．２６の動作周期に応じて、５組の同様の電気化学電 池を使用する第２図の回路によって得られる容量の利得Ｇ（％）を示している。

使用される電気化学電池は、同一の製造ロットから得られるＲ６サイズのＺ　ｎ 　／　Ｍ　ｎ　０２アルカリ電池である。他の４組のこのような電池によって、 放電電流をｌｏｏｍＡとして、直流での平均容量を測定することができる。得ら れた平均容量はデバイス毎に２．０５Ａｈである。この値は座標上の値０に相当 する。

スイッチ２５．２６の所定の動作周期及び２００ｍＡの周期的電流（ｃｏｕｒａ ｎｔ　ｐｅｒｉｏｄｉｑｕｅ）で、各組の２つの電池が第２図の回路内で使用さ れる。スイッチの制御信号は、１に近いデユーティサイクルを有し、従って各電 池を流れる平均電流は１００ｍＡである。容量を測定し、その結果を第４図に示 す。

電気化学電池の容量が顕著に増加することが認められる。

５秒の各スイッチの動作周期では、即ち合計１０秒の周期では、２０％を超える 容量の増加が観測される（直流では２．０５Ａｈではなく２．５Ａｈ）。

最適な動作周期は、使用される電気化学電池のタイプに依存している０曲線３０ は、ピーク（Ｔ＝１０秒）を超えると容量の利得が減少することを示している。

減少３２の原因はＲｓ及びＣｄ（第１図）からなる低域フィルタにある。

周波数が大きくなりすぎると（減少３１）、Ｒ５とＣｄとからなるフィルタは信 号をなだらかにし、電圧発生器１２（第１図）はもはや連続放電のみとされ、容 量利得は急速に低下する。

制御列周期は好ましくは５〜５０秒であり、有利には１０秒である。

瞬時効率及び全体の効率（電池の寿命）は改善される。

各周期で誘発される緩和によって、多孔性電極の挙動を均一化することができる 。電気化学電池の容量が実質的に同一でなければ、容量差の補正は、スイッチの 動作周波数及び／又はスイッチの制御信号のデユーティサイクルを変えることに よって行われる。

勿論、本発明の装置は、大電流及びその挙動が電流密度に敏感な電池に適してい る１本発明の装置は有利には、容量が放電率と共に大幅に低下する電気化学電池 に適用される。例えば本発明によって、カドミウム−ニッケルの電気化学電池よ りも鉛の電気化学電池でより大きな容量利得を得ることができる。

Ｒｄは濃度勾配に依存するので、電気化学電池は少なくとも１つの多孔性電極を 含まねばならない、不発明装置は更に、プレート形状（二次元）の電極に適用可 能であるが、容量利得はそれほど大きくない。

本発明の装！によって、大幅な容量利得が可能となり、また最終的容量が同一の 場合には、より小さい寸法の電気化学電池を使用することができる。容量が同一 の場合には、２０％のスペース及び重量の利得が得られる。

従って１本発明は、現在携帯用装置又は電気自動車で使用されている電気化学電 池のスペース及び重量に対する解決法を提供する。

本発明は更に、容量性又は誘導性の負荷に適用可能であＦＩＧ、１ ｍ−４￥″　層− ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．それぞれが電気化学電池（２０，２１）の１つと協働するＮ個（Ｎは２以上 である）の切換手段（２５，２６）を含んでおり、負荷Ｒｃ内に前記Ｎ個の電気 化学電池（２０，２１）を放電する装置であって、Ｎ個の切換手段（２５，２６ ）が互いにオフセットされたＮ個のパルス列（ＳＣ１，ＳＣ２）の発生器（２３ ）によって順次制御され、各電気化学電池（２０，２１）が該電気化学電池が協 働する切換手段（２５，２６）を介してパルス持続時間中負荷（Ｒｃ）に接続さ れ、負荷（Ｒｃ）が、Ｎ個の電気化学電池（２０，２１）の少なくとも１つから 絶えず給電されるように各列（ＳＣ１，ＳＣ２）のパルスが他方の列（ＳＣ１， ＳＣ２）のパルスとオーバラップする時間（Δｔ）を有し、該オーバラップ時局 （Δｔ）が各パルスの持続時間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７）よりも非常に短いこ とを特徴とする電気化学電池放電装置。
2. ２．前記電気化学電池（２０，２１）が実質的に等しい容量を有し且つ前記パル スが同一の持続時間（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７）を有することを特徴とする請求 項１に記載の装置。
3. ３．前記切換手段（２５，２６）がソリッドステートスイッチからなることを特 徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. ４．前記切換手段（２５，２６）が電界効果トランジスタからなることを特徴と する請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. ５．前記パルスの持続時局（ｔ１，ｔ３，ｔ５，ｔ７）が電気化学電池（２０， ２１）のタイアの関数であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に 記載の装置。