WO2014034151A1 - 充電装置、二次電池の充電方法、二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

二次電池を短時間で高精度に充電する。　充電装置(１０)において、取得部(１４)は、充電されるべき二次電池(２００)の電圧値および電流値を取得する。充放電制御部(１２)は、取得される電圧値および電流値を参照して二次電池(２００)を充電する。充放電制御部(１２)は、目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池(２００)を定電流充電し、その後、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下するよう二次電池(２００)を放電する。

Description

充電装置、二次電池の充電方法、二次電池の製造方法

　本発明は、二次電池を充電するための充電装置、二次電池の充電方法、二次電池の検査方法に関する。

　近年、ハイブリッド車（Hybrid Vechicle；ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（Plug-in HV；ＰＨＶ）、電気自動車（Electric Vechicle；ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

　車載用の二次電池では多数の電池セルが直列または直並列に接続されて使用されるため、充電されて出荷される各電池セルの電圧が精度よく揃っている必要がある。また一般に、車載用の二次電池は民生用の二次電池より検査や試験の項目が多く、その要求水準も高い。

　下記特許文献１は電池を充電する際に充電電圧を検出し、充電電圧が一定範囲にあるときは、電池を一旦放電させてから充電を行う技術を開示する。これにより電池にメモリ効果が生ずることを防止出来、電池の性能を低下させることがないとしている。この充電手法は一旦放電してから充電するものであり、設定電圧より高い電圧まで一旦充電し、その後、設定電圧まで放電する技術ではない。また充電速度の改善を企図した技術ではない。

特開平５－１８４０７７号公報

　上述したように車載用の二次電池は民生用の二次電池より検査や試験に時間がかかる傾向がある。特にリチウムイオン電池は一定の電圧まで定電流充電し、その後、定電圧充電に切り換える充電方式が一般的であるため、充電時間が長くなりがちである。

　本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、二次電池の指定電圧への充電を短時間で高精度に行う技術を提供することにある。

　本発明のある態様の充電装置は、充電されるべき二次電池の電圧値および電流値を取得する取得部と、取得された電圧値および電流値を参照して、二次電池を充電する充放電制御部と、を備える。充放電制御部は、目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池を定電流充電し、その後、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下するよう二次電池を放電する。

　この態様によれば、定電流充電する時間を長くすることができるため充電時間を短縮できる。

　充放電制御部は、二次電池の電圧値が設定電圧値に到達すると、定電流充電から定電流放電に切り換え、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下すると、定電流放電から定電圧放電に切り換え、所定の条件を満たすまで定電圧放電を続けてもよい。

　この態様によれば、二次電池の電圧値が設定電圧値に到達後、定電流放電、定電圧放電と順に切り換えることにより、短時間かつ高精度に目標電圧値に合わせ込むことができる。

　所定の条件は、二次電池から流れる電流値が、設定された終止電流値に収束することであってもよい。

　この態様によれば、定電圧放電を終了するタイミングを的確に判定できる。

　本発明の別の態様は、二次電池の充電方法である。この方法は、二次電池の充電方法であって、目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池を定電流充電するステップと、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下するよう二次電池を放電するステップと、を備える。

　この態様によれば、定電流充電する時間を長くすることができるため充電時間を短縮できる。

　放電するステップは、二次電池を定電流放電するステップと、定電流放電により、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下すると、定電圧放電するステップとを含んでもよい。

　この態様によれば、二次電池の電圧値が設定電圧値に到達後、定電流放電、定電圧放電と順に切り換えることにより、短時間かつ高精度に目標電圧値に合わせ込むことができる。

　本発明のさらに別の態様は、二次電池の製造方法である。この方法は、二次電池を組み立てるステップと、組み立てられた二次電池の充放電特性を検査するステップと、を備える。充放電特性を検査するステップは、目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池を定電流充電するステップと、二次電池の電圧値が目標電圧値まで低下するよう二次電池を放電するステップと、を含む。

　この態様によれば、定電流充電する時間を長くすることができるため充電時間を短縮でき、二次電池の検査時間を短縮できる。

　放電するステップは、二次電池を定電流放電するステップと、定電流放電により、前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下すると、定電圧放電するステップと、を含んでもよい。

　この態様によれば、二次電池の電圧値が設定電圧値に到達後、定電流放電、定電圧放電と順に切り換えることにより、短時間かつ高精度に目標電圧値に合わせ込むことができる。

　本発明によれば、二次電池を短時間で高精度に充電できる。

リチウムイオン電池の製造工程を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る充電システムを説明するための図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る充電方式を説明するための図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る充電方式を説明するための図である。 比較例に係る充電方式と本実施の形態に係る充電方式の特性を比較した図である。

　本発明の実施の形態に係る二次電池の充電方法を詳細に説明する前に、二次電池の製造方法の概略を説明する。以下、本実施の形態では二次電池としてリチウムイオン電池を例に説明する。リチウムイオン電池は、基本的に正極、セパレータ、負極の三層から構成され、これらが電解質に覆われた構造をしている。

　図１は、リチウムイオン電池の製造工程を説明するための図である。リチウムイオン電池の製造工程は、正極・負極製造工程（Ｓ１）、セル組立工程（Ｓ２）、セル検査工程（Ｓ３）、モジュール組立工程（Ｓ４）、モジュール検査工程（Ｓ５）、出荷充電工程（Ｓ６）を含む。

　正極・負極製造工程（Ｓ１）では、フィルム状の正極材料およびフィルム状の負極材料を製造する。セル組立工程（Ｓ２）では、まずフィルム状の正極材料およびフィルム状の負極材料から電池セルに必要な大きさの正極および負極を切り出す。次にフィルム状のセパレータ材料から電池セルに必要な大きさのセパレータを切り出す。セパレータは正極材料と負極材料を分離するための材料である。次に正極および負極をセパレータを挟んで重ねて捲き合わせる。次に捲き合わさった正極、負極およびセパレータの電極対の群を組み立てて溶接する。次にこれら電極体の群を電池外装缶に挿入し、封口板を電池外装缶の開口部に溶接する。その後電解液注液孔から電解液を注液し、この電解液注液孔を密閉することにより作製されている。

　セル検査工程（Ｓ３）では、電池セルの性能および信頼性を検査する。以下より具体的に説明する。セル検査工程（Ｓ３）は、電圧・内部抵抗検査工程（Ｓ３１）、充放電検査工程（Ｓ３２）、電圧・内部抵抗検査工程（Ｓ３３）、外観検査工程（Ｓ３４）を含む。電圧・内部抵抗検査工程（Ｓ３１）では、セル組立工程（Ｓ２）から受け入れた電池セルを測定器に接続して、電池セルの電圧および内部抵抗を測定する。

　充放電検査工程（Ｓ３２）では、電池セルを充放電用電源に接続して電池セルを充放電する。充放電検査工程（Ｓ３２）では、充放電時および充放電後の電池セルの電圧をモニタする。充放電検査で使用する充放電用の電源には後述する充電システムを採用できる。

　電圧・内部抵抗検査工程（Ｓ３３）では、電池セルを測定器に接続して、電池セルの電圧および内部抵抗を測定する。この測定は電池セルが充電された状態で行う。外観検査工程（Ｓ３４）では外観検査装置により電池セルを撮影して、電池セルの外観にキズや付着物などが存在しないか外観検査する。なお作業員により目視で外観検査してもよい。

　モジュール組立工程（Ｓ４）では、複数の電池セルを直列に接続するとともにコントローラを接続して電池モジュールを製造する。モジュール検査工程（Ｓ５）では、電池モジュールの性能および信頼性を検査する。車載用の電池モジュールの場合、走行条件に応じた各種の充放電パターンにより電池モジュールを充放電して電池モジュールの性能を検査する。この充放電にも後述する実施の形態に係る充電システムを採用できる。出荷充電工程（Ｓ６）では、組み立てられた電池モジュールを充電する。この充電にも後述する実施の形態に係る充電システムを採用できる。

　図２は、本発明の実施の形態に係る充電システム１００を説明するための図である。充電システム１００は、充電装置１０、ＡＣ－ＤＣコンバータ２０、検出部３０、モニタ部４０を備える。

　ＡＣ－ＤＣコンバータ２０は回生機能付きの双方向ＡＣ－ＤＣコンバータである。ＡＣ－ＤＣコンバータ２０の交流側端子は商用電源３００に接続し、直流側端子は充電装置１０に接続する。二次電池２００への充電時、ＡＣ－ＤＣコンバータ２０は商用電源３００から入力される交流電力を直流電力に変換して充電装置１０に供給する。二次電池２００からの放電時、ＡＣ－ＤＣコンバータ２０は充電装置１０から入力される直流電力を交流電力に変換して商用電源３００に戻す。

　なおＡＣ－ＤＣコンバータ２０が回生機能付きでない場合、二次電池２００からの放電電力を図示しないヒータ抵抗によりジュール熱に変換して放出する。回生機能付きの双方向ＡＣ－ＤＣコンバータを用いたほうが、二次電池２００の検査施設の消費電力を低減できる。

　検出部３０は充電装置１０と二次電池２００の間に設けられる。検出部３０は電圧検出器および電流検出器を備える。当該電圧検出器は二次電池２００の電圧値を検出する。当該電流検出器は二次電池２００へ流れる電流値を検出する。検出される電圧値および電流値は、図示しない光ファイバなどで構成される通信路を介して充電装置１０に伝達される。

　モニタ部４０は、二次電池２００の電圧値をモニタリングして記録する。モニタ部４０はＰＣなどのコンピュータで構築できる。なおモニタ部４０は電圧値だけでなく、電流値や温度を記録してもよい。

　充電装置１０は充放電制御部１２および取得部１４を含む。取得部１４は検出部３０から二次電池２００の電圧値および電流値を取得する。

　充放電制御部１２は双方向インバータおよび制御回路を備える。当該制御回路は当該双方向インバータを構成するスイッチング素子のデューティ比を制御して、充電装置１０から二次電池２００またはＡＣ－ＤＣコンバータ２０へ出力する電力量を調整する。

　充電装置１０から二次電池２００へ充電する際、充放電制御部１２は、取得部１４により検出部３０から取得される電圧値および電流値を参照しながら、二次電池２００を充電する。以下、二次電池２００への充電方式について具体的に説明する。

　図３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る充電方式を説明するための図である。比較例において、まず充放電制御部１２は二次電池２００を定電流充電（ＣＣ充電）する。定電流充電時、充放電制御部１２は二次電池２００へ流れる電流値が目標電流値と一致するよう上記スイッチング素子のデューティ比を制御する。二次電池２００へ流れる電流値が目標電流値より大きい場合は当該デューティ比を低下させ、二次電池２００へ流れる電流値が目標電流値より小さい場合は当該デューティ比を上昇させる。

　定電流充電が開始されると二次電池２００の電圧が上昇する。図３（ａ）は、充電開始から充電終了までの電圧特性Ｖおよび電流特性Ｉを示している。図３（ａ）中、電圧特性Ｖは太線で描いている。

　二次電池２００の電圧値が指定電圧値に到達すると、充放電制御部１２は定電流充電から定電圧充電（ＣＶ充電）に切り換える。当該指定電圧値は、後述する電圧復帰現象および自己放電現象による電圧変動分を考慮し、最終的な目標電圧値に当該電圧変動分が加算された値に設定される。当該電圧変動分は実験やシミュレーションにより求められる。

　定電圧充電時、充放電制御部１２は検出部３０から取得される電圧値が指定電圧値と一致するよう上記スイッチング素子のデューティ比を制御する。二次電池２００の電圧値が指定電圧値より大きい場合は当該デューティ比を低下させ、二次電池２００の電圧値が指定電圧値より小さい場合は当該デューティ比を上昇させる。

　定電圧充電に切り換え後、二次電池２００へ流れる電流値が終止電流値まで低下すると、充放電制御部１２は定電圧充電を終了する。図３（ｂ）は充電終了後から、二次電池２００の電圧安定化期間が終了するまでの電圧特性Ｖを示す。当該電圧安定化期間は、二次電池２００への充電終了後、二次電池２００の電圧が安定するまでの期間を指す。図３（ｂ）に示すように充電終了による電圧復帰現象および電圧安定化期間における自己放電現象により、二次電池２００の安定化期間終了時の電圧は、充電終了時の電圧より降下する。

　図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る充電方式を説明するための図である。本実施の形態において、まず充放電制御部１２は二次電池２００を定電流充電する。定電流充電が開始されると二次電池２００の電圧が上昇する。充放電制御部１２は、二次電池２００の電圧値が、第１指定電圧値より高い第２指定電圧値（第１指定電圧値＋α）に到達するまで定電流充電を継続する。

　二次電池２００の電圧値が第２指定電圧値に到達すると、充放電制御部１２は二次電池２００の電圧値が第１指定電圧値まで低下するよう二次電池２００を放電する。具体的には二次電池２００の電圧値が第２指定電圧値に到達すると、充放電制御部１２は定電流充電（ＣＣ充電）から定電流放電（ＣＣ放電）に切り換える。

　定電流放電に切り換え後、二次電池２００の電圧値が第１指定電圧値まで低下すると、充放電制御部１２は定電流放電から定電圧放電（ＣＶ放電）に切り換える。定電圧放電に切り換え後、二次電池２００から流れる電流値が、設定された終止電流値に収束すると、充放電制御部１２は定電圧放電を終了する。これにより充電装置１０による二次電池２００への充電が終了する。

　上述の第２指定電圧値は、第１指定電圧値に所定の電圧値αが加算された値である。この電圧値αには電池の種類および特性により異なる値が設定される。設計者は実験やシミュレーションにもとづき、当該電圧値αを決定する。一例として当該電圧値αは第１指定電流値の５％程度に設定される。

　上述の定電流充電時の目標電流値および定電流放電時の目標電流値は、設計者が任意に設定できる。それら目標電流値を高く設定するほど充電時間を短縮できる。充電時間を最も短くするには、上述の双方向インバータおよび二次電池２００の定格の範囲内で、それぞれ正負の最大電流値に設定すればよい。

　なお上述の説明では充電制御の終了条件を、二次電池２００から流れる放電電流値が終止電流値に到達することとした。このような電流条件の代わりに、二次電池２００の電圧値が第１指定電圧値まで低下した後、設定時間が経過することとしてもよい。即ち、時間条件を用いてもよい。

　図３（ａ）、（ｂ）に示すように比較例に係る充電方式では、二次電池２００の電圧値を指定電圧値に合わせ込む際、指定電圧値に対して充電方向にアプローチする。即ち、指定電圧値に到達するまで定電流充電し、その後、定電圧充電に切り換える。二次電池２００に流れる電流値が終止電流値まで下降すると定電圧充電を終了する。この方式では、充電が終了するまでに長い時間を要する。また充電終了後の安定化期間における電圧降下量ΔＶ１が大きくなる（図３（ｂ）参照）。

　これに対し図４（ａ）、（ｂ）に示すように本実施の形態に係る充電方式では、二次電池２００の電圧値を第１指定電圧値に合わせ込む際、第１指定電圧値に対して放電方向にアプローチする。即ち、第１指定電圧値より高い第２指定電圧値まで定電流充電し、その後、第１指定電圧値に低下するまで定電流放電する。その後、定電圧放電に切り換え、二次電池２００から放電される電流値が終止電流値に到達すると定電圧放電を終了する。この方式では、一連の充電制御が終了するまでの時間を短縮できる。また充電終了後の安定化期間における電圧降下量ΔＶ２が小さく（図４（ｂ）参照）、最終的な目標電圧値に精度よく合わせ込むことができる。

　安定化期間における電圧降下は、上述したように電圧復帰現象および自己放電現象に起因して発生する。電圧復帰現象は、充電が終了したときは電圧下降作用が発生し、放電が終了したときは電圧上昇作用が発生する。比較例に係る充電方式では、充電終了時に定電圧充電制御されているため、電圧下降作用が発生する。一方、本実施の形態に係る充電方では、充電終了時に定電圧放電制御されているため、電圧上昇作用が発生する。自己放電現象は、比較例に係る充電方式と本実施の形態に係る充電方式で基本的に同じ電圧下降作用が発生する。

　したがって両方式を比較すると、電圧復帰現象による電圧上昇分と自己放電現象による電圧下降分が相殺される本実施の形態に係る充電方式のほうが、電圧復帰現象による電圧下降分と自己放電現象による電圧下降分が加算される比較例に係る充電方式より、安定化期間における電圧降下量が小さくなる。

　図５は、比較例に係る充電方式と本実施の形態に係る充電方式の特性を比較した図である。図５中、電圧特性Ｖ１および電流特性Ｉ１は比較例に係る充電方式の特性を示し、電圧特性Ｖ２（太点線で示している）および電流特性Ｉ２は本実施の形態に係る充電方式の特性を示す。

　両方式を比較すると、本実施の形態に係る充電方式のほうが終止電流値に到達する時間を短縮できる。これは第１指定電圧値より高い第２指定電圧値までの充電を許容することにより、定電流充電の期間を長くできるためである。また両方式を比較すると、本実施の形態に係る充電方式のほうが、最終的な目標電圧値への合わせ込み精度が高い。

　以上説明したように本実施の形態に係る充電方式によれば、二次電池を指定電圧値より一定量、高い電圧状態まで一旦、充電し、そこから放電して指定電圧値へ合わせ込む。これにより充電時間を短縮でき、目標電圧値への合わせ込み精度を向上させることができる。この充電方式は、時間短縮および高精度な充放電が求められる、車載用の二次電池の検査工程および出荷時の充電工程に最適である。

　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　上述の実施の形態では二次電池２００としてリチウムイオン電池を例に説明した。ニッケル水素電池など他の二次電池の多くは、定電圧充電などの厳密な電圧管理をせずに充電することが一般的である。ただし、厳密な電圧管理を実施する充電を行う場合、リチウムイオン電池以外の電池への充電にも、本実施の形態に係る充電方式を採用できる。

　上述の実施の形態では充電システム１００に検出部３０を搭載する例を説明した。パッケージ化された電池モジュール内には、電圧検出器および電流検出器が搭載されることが一般的である。したがって電池セルの充放電ではなく電池モジュールの充放電の場合、充放電制御部１２は、電池モジュール内の電圧検出器および電流検出器により検出される電圧値および電流値を参照して充放電制御することもできる。この場合、充電システム１００内の検出部３０を省略できる。

　１００　充電システム、　１０　充電装置、　１２　充放電制御部、　１４　取得部、　２０　ＡＣ－ＤＣコンバータ、　３０　検出部、　４０　モニタ部、　２００　二次電池、　３００　商用電源。

Claims (7)

1. 　充電されるべき二次電池の電圧値および電流値を取得する取得部と、
   　取得された前記電圧値および前記電流値を参照して、前記二次電池を充電する充放電制御部と、を備え、
   　前記充放電制御部は、目標電圧値より高い設定電圧値まで前記二次電池を定電流充電し、その後、前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下するよう前記二次電池を放電することを特徴とする充電装置。
2. 　前記充放電制御部は、前記二次電池の電圧値が前記設定電圧値に到達すると、定電流充電から定電流放電に切り換え、前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下すると、定電流放電から定電圧放電に切り換え、所定の条件を満たすまで定電圧放電を続けることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 　前記所定の条件は、前記二次電池から流れる電流値が、設定された終止電流値に収束することであることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 　二次電池の充電方法であって、
   　目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池を定電流充電するステップと、
   　前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下するよう前記二次電池を放電するステップと、を備えることを特徴とする二次電池の充電方法。
5. 　前記放電するステップは、
   　前記二次電池を定電流放電するステップと、
   　定電流放電により、前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下すると、定電圧放電するステップとを含むことを特徴とする請求項４に記載の二次電池の充電方法。
6. 　二次電池を組み立てるステップと、
   　組み立てられた二次電池の充放電特性を検査するステップと、
   　を備え、
   　前記充放電特性を検査するステップは、
   　目標電圧値より高い設定電圧値まで二次電池を定電流充電するステップと、
   　前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下するよう前記二次電池を放電するステップと、を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
7. 　前記放電するステップは、
   　前記二次電池を定電流放電するステップと、
   　定電流放電により、前記二次電池の電圧値が前記目標電圧値まで低下すると、定電圧放電するステップと、を含むことを特徴とする請求項６に記載の二次電池の製造方法。

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