JPH02109273A - 密閉カドミウム‐ニッケル蓄電池の超高速充電方法 - 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】 本発明は密閉カドミウム−ニッケル蓄電池を約１３〜１
５分間て充電する所謂超高速充電方法に係る。

密閉カドミウム−ニッケル蓄電池は従来から円柱状また
は角柱状のモジュールの形態て製造さノしこれらのモジ
、：Ｌ−ルかｌｉｔ独で使用されるかまたｌｊ別の同型
モジュールと結合され、場合によっては同一パッケージ
に包装さｈることは公知である。

使用者にとってかかる密閉カドミウムニッケル蓄電池の
利点の１つは、高速再充電が可能なことである。

常用の充電器は、蓄電池の容量値と同程度の充電電流で
、例えば容量１アンペア時の蓄電池を１アンペアまたは
２アンペアの電流で約１時間で充電し得る。

この種の蓄電池は使用適性がよく、多くの用途特にｌ・
ランシーバまたは携帯器具で便利に使用さまたは２に記
載の光電ｈ゛法、 れている。

しかしながら、いくつかの新しい用途、例えばラジオコ
ントロール模型、専門的携帯器具、電池式電話器のごと
き用途では、より短時間即ち数分間程度の充電期間の所
謂超高速充電の必要性が明らかにな−）でいる９ 密閉蓄電池の動作モードを考察すると、超高速充電を行
なうためには、使用者の安全性及び蓄電池の性能の時間
的な維持が確保されるように、充電終了の制御及び検出
を特に確実且つ正確に行なう必要がある、 このなめに、本発明は密閉カドミウム−ニッケル蓄電池
用の所謂超高速充電方法を提案する。

本発明の１つの特徴は、約３〜１５分の充電時間で、気
体状水素が発生ずる電圧より低い充電電圧下に充電を行
ない、充電中の電流の強さか充電中に減少した後で有意
な増加を示したときに直ちに充電分停止することである
。

本発明の特徴及び利点を添ｆ＝１図面に基つく以下の記
載によって詳細に説明する。

実用上の理由から多くの使用者は、通常の使用中に気体
の発生または）α体の流出が全く生しない密閉蓄電池を
要望している。

公知のごとく蓄電池の完全充電は２段階で行なわれる。

第１段階では電極活物質の酸化還元が７１−しる。この
酸化還元は吸熱性であり、正常な条（’１下では気体を
発生しない。次に電極活物質の変化が完全に終了すると
蓄電池が過充電段階に入り、供給エネルギによって正極
で酸素が発生し負極で酸素が還元される。再結合（ｒｅ
ｃｏｍｂｉｎａｉｓｏｎ＞と叶ばれるこの反応によって
蓄電池か加熱され、蓄電池が密閉されているときは蓄電
池の内圧が４−５７する。圧力は充電電流に比例して変
化する。

安全性のために密閉蓄電池は、蓄電池の内圧を危険のな
い値に制限し得る安全弁を備える。正常動作中は安全弁
が作動しない。

Ｂ電池の充電終了に関する現行の許容値は例えば温度４
５℃、内圧１５にり７ｃｍ２未満である。

例えば容量１４アンペア／時で標準フォーマツ１〜Ｃ９
の蓄電池を例えば３分間で充電する超高速充電か望まし
いときは、平均充電電流が太き・くなくてはならない。

該電流は、充電すべき蓄電池の容量の例えは２０倍であ
る。

周囲温度２０°Ｃで充電中の蓄電池の電圧Ｕ、温度Ｔ及
び内圧Ｐのごときパラメータの変化を第１図に示す。

蓄電池内部の圧力に関するグラフは、この圧力が充電の
最終３０秒間に３秒毎に１　ｋ　ｇ　／　ｃ　＋ｎ　２
ずつ上昇し、極めて急激に弁開放値に到達することを示
す。

充電中の蓄電池の端子電圧に関するグラフは、この電圧
ｈｓ２ｏ℃の充電中に１８０ボルトを超過することを示
す。

この値は、負極で水素が発生ずることを示唆する。

この現象は、周囲温度かより低い、低温で動作する、充
電以前の蓄電池の保存期間が長い、笠の条件が伴う場合
には増幅されるので、密閉動作に適合しない。

実際、蓄電池の内部で発生ずる水素は再結合せず、その
結果として圧力上昇が累積する。

従って、蓄電池の内圧を安全のために選択さｔした弁の
調整値に適合する値に制御し、過充電段階を最大限抑制
し、充電電圧を制限することが必要である。

公知の主な高速充電システムは、所望の安定性に従って
調整または制限された一定の電流で蓄電池を確実に充電
する。

充電持続時間は約１時間であり、充電電流は蓄電池の容
量に近い値である。

充電終了の検出は多くの場合、充電持続時間、蓄電池の
充電電圧、蓄電池の温瓜、または充電終了電圧の負の変
化、等を制御することによって確保される。

第１の場合ては、カウンタ装置が充電開始の際に初期化
され、所定の時間が経過すると充電を停止さける、この
装置は通常、充電電圧を制限することかできない、この
装置は更に、特に初期充電状態か零でないとき、例えは
連続充電の場合または蓄電池Ｊ）容量が老化によ−）で
損失した場合に蓄電池のかなり過充電を許容するという
欠点を有する。

第２の場合では、蓄電池の電圧か充電停止基準値に対応
する所定間値に比較される。

この方法の欠点は、充電中の蓄電池の電圧が、充電電流
の強さ、周囲温度、蓄電池の老ｆヒのごとき多数のパラ
メータに左右されることである。従って選択基準の信頼
性が薄くまた使用が難しいので結局あまり使用されてい
ない。

更に、低温充電の場合または在庫期間が長い蓄電池を充
電する場ａには、電圧ピークが充電開始の際に出現し不
測の充電中断か生し易い。

第３の場合では、蓄電池の温度が温度検出装置によって
測定され、温度が所定値例えば４０・〜５０’Ｃに達す
ると直ちに充電が停止される。

従ってこの場合には、蓄電池の温度に対する周囲温度の
影響が大きい。このなめ、蓄電池の温度を充電停止基準
として直接使用することができない 更に、応答時間か極めて長いので、充電電流が極めて高
い場合には、第１充電段階の終了後の蓄電池の内圧の急
激な上昇に対応することができない 最後に、周囲温度が充電停止基準温度に近い値のときは
再充電条件がよくない。その理由は、再充電開始の際の
蓄電池の温度が少し」−昇するだけで再充電が中断され
るからである。

第４の場合ては、充電段階から過充電段階に移行する際
に蓄電池の温度が」二昇するときの充電蓄電池の電圧の
低下を利用する６ この低下は、ニッケル　力ドミウ１１対の負の温度係数
に起因する。

この特性は約１時間の充電には極めて適した特性である
が、超高速充電には適していない。実際、充電中の蓄電
池が電圧変化を生しるので、＋２０度の周囲温度で行な
った第１図のクラ７から判るようにパラメータＶを永久
的に使用することかできない。この場合、内圧が１６ｋ
ｙ／ｃｍ’に到達しないと十分な電圧信号か出現し２な
い。

また、蓄電池の充電電圧に対していかなる制限も与える
ことかできない。

史に、考−空中の周囲温度では充電開始電圧のかなりの
下降か観察され、この現象は、極めて高い電流による充
電または長期間保存後の充電の場合にトにし易く、充電
終了を検出する装置の動作が不安定になる。

従って、蓄電池内の過電圧の危険、即ち爆発の危険を除
去することかてきない。

本発明は、蓄電池の充電電圧を水素発生が阻止される値
に制限し、蓄電池の内圧を制御し、該圧力を弁の調整値
より低い値に制限し得る高速充電終了信号を使用するこ
とを提案する。

第２図は水素発生電圧より低い定電圧下の蓄電池の充電
電流の経時的変化を示す。

第２図より、−・方では、所与の電圧下に充電される所
与のカドミウム−ニッケル蓄電池を通る充電電流が充電
開始点の高い値から出発し、吸熱段階の終了に実質的に
対応する最小値を通過すること、他方では、充電電流の
強さが最小値を通過した後に再度増加し、この充電電流
の強さがある値になると酸素発生によって蓄電池の圧力
が圧力閾値を超過することが判明した。第２図では夫々
１０バール及び１５バールの２つの圧力閾値を示してい
る。従って第２図によれば、３つの充？Ｕ電圧の値１゜
６０ボルト、１，６４ボルト及び１８７０ボルトに対す
る充電電流の強さを充電時間の関数として示す曲線の各
々は、充ｔＩｚ電流か最小値を通過した後（：迅速に１
２つご）ＩＴＨ＋３閾値１０ハーノＬ及び１５バー１１
に順次側１１′旨３−るこｋか理解さ７１よう１．充電
電圧が高いほど圧１ノｉ：）１値・＼、″）ｆり達７）
）速い５、従−）で＋年明（二Ｊ、：　ｔ＋−ば、７Ｆ
：、素発生を阻止１゛るために温度０〜４０°（マ）と
きα）充電中！１．を蓄電池あたり１．）、す１、ロー
１１７　ニはモ＞”　Ｊ、　　＋Ｌ、Ｉ）　ｆ、ｌすｌ
　、５５−１．７０ホ’Ｌ１□　１１７）％’ｆ２囲ｔ
ｒ）ｊ直ニｆｆ１ｌｌ　ｌ恨ｔ　、：　、、蓄電池を１
ｉｆｉろ−（ｃ’、電−ＩＷＩ・爪の強さが最小６（（
を通過１゜た後に迅速に増加することは第２図より明ら
かであるかＩ′１、ｄ′：１速充電コ゛Ｖ７セスＪ）終
１′に切換えるため（こ二（’ｌ”ｌ電流増加をｆ’ｌ
用する。電流最小値に対して約０１・１″１″ご・ベア
増加した値を＋’ｊＳ速充電の終了にＬ刃部、えイ）！
、こめＬプ）閾値として選択−・するのが好ましい、充
′、Ｅ電流（、」完全に遮断されるがまたは蓄電池の定
格値＜　ＳＥＸ格容量ｆ′Ｉ）ｌ／’１０も満）になる
、第３１゛イＪ　（ｒ１２．−＋　（＋）曲線は人々、
前記豪イ′１１ζ、即ち１．６０　１．７０；ｌス１１
１・、ｙ）範囲ど″）一定の充電電圧下の充電時間ＤＣ
の変化及び充電容置ＣＣの変化を充電電圧Ｖの関数とし
て示ず５．容駁約１２５−へ２アンペア、・′時力蓄電
池で内圧が１５　ｋ　ｇ　、／　ｃ　＋ｎ　２に到達し
たときの充電電流の強さは温度２０°Ｃて２８アンペア
に制限さｈる４従−）で、蓄電池の容１１−の約４□−
２５倍の出介最ノ、値を有する充電電流で３〜１２分間
て充電する１−とか可催である２、 結局、充ＩＥづ゛へき蓄電池ｅ）容量ノ）約４〜２５倍
し・ア）最大充電電流て約：）〜１５沖間で充電するた
めには、充電電圧を］、、６Ｃ１−１，６７ボルトの・
定値に制限し充電中に吸収された電流の強さの存意な増
加、例えば約０　、５　ヘ、、、　１アンペアの増加が
検出されると充電を停止することによって充電電圧を制
御する。

本発明方法の実施に使１１てきる充電器１を第・１図に
基ついて概略的に説明する。

こび）充電器１は従来同様に、一方で充電−１ｊ−／＼
き蓄電池２の正端子に接続され、他力て該蓄電池の図示
しない負端子にアースを介して接続されてぃ充電電圧は
、通常はＡＣ電源かノ゛、給電さｈてＤＣ電圧を供給−
ｊ−る整流器（こ接続されていて）がまたはＤＣ電、［
月、こ接Ｆ１゛５されている装置３によ−）で蓄電池２
の端ｊ′に印加される。装置：′Ｉは、比較器４からて
にｉ　Ｌ、、、　；’、：１、：す・７）関数ビし−で
電Ｌ「：値を固）Ｓｌづし；、電［丁調整器を１：ｉｆ
　エ２＋、Ｊｔ　＜Ｑ　器ｔ：　＋−ｒ　ｉ−−：　ｉ
ｊ、　、　Ｊノテハ１，１．；　Ｑｌｔ　？ｔＳ　ｌ下
カ印ＩＪｉ＋さ）、・−他ｆｊ□ては蓄電池２ζｙ）罪
、１１′電圧が印加される、 二（’１）４１．法例ごＪ、（ｆ４１ｉ電ＩＰＩＪ前記
α）こと＜１５５〜１６７ホルトの値に固定さＪ′Ｌで
いる。

充、Ｙテ電流は、Ｉｔ電池２に大きい充電電流を供給す
る、し−）に制御さｔまた電Ｊ〕段５に５Ｌ−）てイ１
１給されイ１，１記す体列ではこの電流は例えは２８ア
ンペアに制限されている　Ｉ；Ｃ来の電流１ｉｊｌｌ定
装置７に接続された分流器６は電力段が６５−１ｉ−流
器６をｆｒ　シーて蓄電池２にｆｌｌ：給される充電電
流の値を決定１−＝　（：’＋る４、電、＜５１則−ｒ
−”ｒＡＡｌ１肥土Ｃ装置８に接６；さハている、この
記憶装置は、測定装置７か連続的に測定した測定値を例
えは毎秒１回のタイミングて゛周期的に記憶ずべくタイ
ムベース１０に接続されている。

充電電流の増加は、充電動作中（こ記憶さｈな測定値に
１．！’、−，）い゛ζイ１′動−計る比較器を音む装
置９ＬＩｌ：・・て検出される、充電電流か増ＩＪＩＩ
　ｔ−て選択さｈたｔす換ｆｔｉ’＋に到達すると装置
９は出ＪＪ段５にイ１用して充電を停車させる。、勿論
、測定信号の１愚理及び電圧：［ｆＪｌｆｉ　Ｊ＞と出
力段とに肘するイ１用は適１丁にプＩコクラノ、された
プロセッサによって行なわれる。

従って充電器の動作は連続する３つの段１９・？から罹
成されると考えてよい。

第１の充電開始段階では、蓄電池か部分的に充電され蓄
電池の端子電圧は整流　調整装置３に、Ｊ、−）て供給
される電圧よりも低い。充′ｒ［器１の固イｆ制限電流
、即ちｊ×択具体例で（」２８アンペアで光？ＩＸが行
なわれる。

次に、充電電流の強さが、累（古された電荷及び周囲乍
ｆｉ、″）関数１ニジ、て２受とも速やかに減′シ・す
る間（、二、蓄電池、７）端一１′電圧は装置３にＬ−
）で供給される値に近い値になる、蓄電池（′）温度及
び内■−は臂“ｊ　ど　′Ｃご　イｌニ　し、　・１ζ
　い　１、：＞りに、充１ハＬ・えしは最・１へ値を通
過１．た後に再度上９ＶＪ’　Ｚ・、ｒｒｒ−）で電、
・な増加が検出され高速充電か停止［さ）ｉる５二とか
“争（けれ（まだな０．″）酸素かた生するてＪ’ｌ　
／：、ｌ　’：ｌ。

提案さＪシ：ｊ：、充電モート伎ひ１・Ｆｌｌｌさｉこ
１．を充電終了検出は、容１１（の５．’＋００に対し
口４゛る値と容Ｖに対応４−る値い゛；ベア時）との間
ご）電流のｔ（＋補的充電を苛ｆ保し得る装置にも一合
され得る４、相補的充電Ｌ′２）停止１．はクイマまた
はサーモスフ・ノド型の補助装置によ−）で決定される
１、蓄電池、・？）へ″゛ンメータを監視するこのよう
な安全装置を１１加−・１−ることによ・−）で、この
種の超高速充電で極めて望ましい制御装置ｅ）二重安全
性か確保される１１

【図面の簡単な説明】

第１図は、高速充電下の蓄電池における電圧Ｕ、温度Ｔ
、圧力１１、電流の強さｌ及び充電容置ＣＣのごときパ
ラメータの経時的変化を示すクラ７、第２図は１．１１
−］、６０ポルＩ−、Ｕ２　＝−１，，６４ホｌ【［・
及びＵ３１６７ホｒＬ＝　ｔ・の値の一定充電電圧下の
蓄電池カブら電電７兇の強さ１１、■２または１３の変
化を示すクラ７、第３図は充電客層ＣＣ及び充電時間Ｄ
Ｃの変化を充電電圧の関数として示すクラ７、第・１図
は本発明ＪＪ法を実施する充電器の基本回路概略図であ
る。 １　・充電器、２・−・蓄電池、３・・・　整流調整装
置、４・　比較器、５・　・電力段、６　　分流器、７
電流測定装置、８　　記憶装置、９　・・比較装置６．
１０、　　タイムヘース。 １、事例の表示 平成１年特許願第２３４５２１号 ２゜ 発明の名称 密閉カドミウム 超高速充電方法 一ニッケル蓄電池の 補正をする者 事イ１との関係

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）約３〜１５分の充電期間で、気体状水素が発生す
   る電圧よりも低い充電電圧下に充電を行ない、充電中の
   電流の強さが充電に伴って減少した後で有意な増加を示
   したときに直ちに充電を停止することを特徴とする密閉
   カドミウム−ニッケル蓄電池の超高速充電方法。
2. （２）蓄電池に供給される充電電圧が１．５５〜１．７
   ０ボルトの範囲の値に制限されていることを特徴とする
   請求項１に記載の充電方法。
3. （３）充電電流が蓄電池の容量の４〜２５倍の値に等し
   いこと、及び、電流の有意な増加が約０．１〜１アンペ
   アの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記
   載の充電方法。