JP2013172551A - 組電池充電システムおよび組電池充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の二次電池を直列に接続して組電池として使用する場合に、電力損失を防止しつつ、より適正に充電する。
【解決手段】 組電池２０を定電流で充電する充電器３と、各リチウムイオンセル２に設けられ、このセル２を充電器３に対して接続または切り離す接離スイッチ４と、各セル２の電圧を監視し、各セル２の電圧に基づいて充電器３および各接離スイッチ４を制御するコントローラ５と、を備える。コントローラ５は、セル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上に達した場合に、このセル２を接離スイッチ４によって充電器３から切り離す。
【選択図】 図１

Description

この発明は、二次電池を複数直列に接続した組電池を充電する、組電池充電システムおよび組電池充電方法に関する。

例えば、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有し、これまで、携帯電話やラップトップパソコン等の小型電子機器用の電源として使用されてきた。さらに、近年では、電気自動車用電池として有力視されており、産業用のバックアップ電池としての用途も広がりつつある。使用に当たっては、使用目的に応じた電圧や容量を得るために、単電池であるリチウムイオンセルを複数直列に接続して組電池を構成したり、さらに、それらの組電池を並列に接続して使用したりする場合がある。

このような組電池を例えばバックアップとして使用する場合、従来、定電圧定電流電源によって充電を行っており、放電後の回復充電では定電流で充電し、組電池電圧が所定電圧に到達すると、定電圧充電に移行する。この際、各リチウムイオンセルの電圧にバラツキが生じる場合がある。すなわち、一部のリチウムイオンセルの充電電圧が高く過充電状態となり、他の一部のリチウムイオンセルでは充電電圧が低い充電不足状態（満充電に至らない状態）となる場合がある。

このため、リチウムイオン二次電池を組電池として使用する場合には、バラツキをなくして各リチウムイオンセルの端子電圧を極力等しい状態として適正に充電するため、バイパス回路（抵抗）を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、複数のリチウムイオンセルが直列に接続され、各リチウムイオンセルにバイパス回路が設けられている。そして、充電時に、あるリチウムイオンセルの電圧が適正な充電電圧範囲（許容充電電圧範囲）の上限を超えた場合に、このセルに対応するバイパス回路によって、このセルへの充電電流をバイパスし、かつこのセルを放電（バイパス放電）させる。これにより、充電電圧が高いリチウムイオンセルの電圧を下げ、電圧が低いリチウムイオンセルの充電を促進する、というものである。

特開２００２−０６４９４７号公報

ところで、バイパス放電させる従来の技術では、充電電圧が高いリチウムイオンセルに対して、充電電流をバイパスして放電させるため、充電電流の損失や放電による損失が生じる。つまり、バイパス放電によって電力損失が生じ、経済的ではない。

そこでこの発明は、複数の二次電池を直列に接続して組電池として使用する場合に、電力損失を防止しつつ、より適正に充電することを可能にする組電池充電システムおよび組電池充電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池を充電する組電池充電システムであって、前記組電池を定電流で充電する充電手段と、前記各二次電池に設けられ、該二次電池を前記充電手段に対して接続または切り離す接離手段と、前記各二次電池の電圧を監視し、前記各二次電池の電圧に基づいて前記充電手段および前記各接離手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、該二次電池を前記接離手段によって前記充電手段から切り離す、ことを特徴とする。

この発明によれば、充電手段によって組電池全体が定電流で充電され、ある二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達すると、制御手段によってこの二次電池が充電手段から切り離される。このようにして、所定の上限電圧以上に達した二次電池が、順次充電手段から切り離される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の組電池充電システムにおいて、前記制御手段は、すべての前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、前記充電手段を停止させる、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の組電池充電システムにおいて、前記制御手段は、前記充電手段から切り離されている二次電池の電圧が所定の下限電圧以下に達した場合に、該二次電池を前記接離手段によって前記充電手段に接続させる、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、二次電池が複数直列に接続された組電池を充電する組電池充電方法であって、前記組電池を定電流で充電する充電手段に対して、前記各二次電池を切り離し可能に接続し、前記各二次電池の充電電圧を監視し、前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、該二次電池を前記充電手段から切り離す、ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の組電池充電方法において、すべての前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、前記充電手段を停止させる、ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の組電池充電方法において、前記充電手段から切り離されている二次電池の電圧が所定の下限電圧以下に達した場合に、該二次電池を前記充電手段に接続して充電する、ことを特徴とする。

請求項１、４に記載の発明によれば、二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達すると、この二次電池が充電手段から切り離されて充電が中止・停止されるため、この二次電池を過充電なく所定電圧まで適正に充電することが可能となるとともに、他の二次電池の充電がより促進される。この結果、各二次電池の充電電圧のバラツキを抑制して、各二次電池を所定電圧まで適正に充電することが可能となる。しかも、充電電流をバイパスさせたり、二次電池を放電させたりしないため、電力損失がなく、経済的となる。

請求項２、５に記載の発明によれば、すべての二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達すると、充電手段が停止されるため、充電手段の電力消費が抑制され、より経済的となる。

請求項３、６に記載の発明によれば、充電手段から切り離されている二次電池、つまり開放状態の二次電池の電圧が所定の下限電圧以下に達すると、この二次電池が充電手段に接続されて充電が再開される。このため、二次電池の電圧低下を防止して、各二次電池を適正な電圧・充電状態に維持することが可能となる。しかも、電圧が所定の下限電圧以下に達した時点で再充電するため、充電に要する電力消費を抑制・適正化することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る組電池充電システムを、直流電源システムに適用した状態を示す概略構成図である。 図１の組電池充電システムの接離スイッチを示す拡大図である。 図１の組電池充電システムによる各セルの電圧と組電池の充電電流の変化を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る組電池充電システムによる各セルの電圧の変化を示す図である。 図１の組電池充電システムを複数並列に適用した状態を示す概略構成図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係る組電池充電システム１を、直流電源システムに適用した状態を示す概略構成図である。この組電池充電システム１は、単電池であるリチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）２が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池２０を充電するシステムである。ここで、この実施の形態では、リチウムイオンセル２を４セル直列に接続した組電池２０を例にして、主として説明する。

この組電池充電システム１は、主として、充電器（充電手段）３と、各リチウムイオンセル２に設けられた接離スイッチ（接離手段）４と、コントローラ（制御手段）５とを備えている。また、充電器３と各接離スイッチ４とは、それぞれコントローラ５と通信（信号伝送）可能に接続されている。

また、リチウムイオン組電池２０は、逆流防止装置７を介して直流負荷装置１０２に接続されている。すなわち、商用電源１００からの電力が整流器１０１で直流に変換されて直流負荷装置１０２に供給され、この整流器１０１と直流負荷装置１０２との間に逆流防止装置７を介して、組電池２０が接続されている。この逆流防止装置７は、ダイオードやスイッチなどから構成され、組電池２０からの電流の流れのみを許容する機能を有し、組電池２０へは電流が流れないようになっている。これにより、組電池２０からの放電が常時可能で、逆流防止装置７を介して組電池２０から直流負荷装置１０２に電力が供給されるようになっている。

充電器３は、組電池２０に対して並列に接続され、商用電源１００からの電力を受けて、組電池２０全体を定電流で充電する装置であり、コントローラ５によって後述するように制御されるようになっている。また、充電器３による充電電流は、可変・調整可能となっている。

接離スイッチ４は、該当するリチウムイオンセル２を充電器３に対して接続または切り離すスイッチであり、図２に示すように、第１の端子４１と第２の端子４２とを備えている。そして、第１の端子４１がオンされている状態では、リチウムイオンセル２が充電器３に接続されて充電状態となり、第２の端子４２がオンされている状態では、リチウムイオンセル２が充電器３から切り離されて（バイパスされて）開放状態となる。このような接離スイッチ４は、通常充電時は第１の端子４１がオンされ、コントローラ５によって後述するように制御されるようになっている。

コントローラ５は、各リチウムイオンセル２の電圧を常時測定、監視し、各セル２の電圧や電流計６の計測値（充電電流値）などに基づいて、充電器３および各接離スイッチ４などを制御する装置である。第１の制御として、リチウムイオンセル２の充電電圧が所定の上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上に達した場合に、このセル２の接離スイッチ４の第２の端子４２をオン（第１の端子４１をオフ）して、このセル２を充電器３から切り離す。ここで、上限電圧Ｖ_ＭＡＸは、セル２の充電を終了すべき電圧であり、例えば、充電電圧の最適正値（満充電電圧、例えば４．１Ｖ）や、この最適正値に許容誤差電圧を加算した値（例えば、４．１Ｖ＋２０ｍＶ）に設定されている。

第２の制御として、すべてのリチウムイオンセル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸ以上に達した場合に、充電器３を停止させる。そして、後述するように、充電電流を調整しながらこのような制御を繰り返すものである。一方、放電が開始された場合には、充電器３を停止させるとともに、すべての接離スイッチ４の第１の端子４１をオンして、全セル２を放電させる。ここで、放電の開始は、電流計６の計測値や整流器１０１からの停電検知信号などに基づいて判断される。

次に、このような構成の組電池充電システム１の作用や、この組電池充電システム１による組電池充電方法などについて説明する。

まず、図３に示すように、放電後の第１の充電ＣＨＧ１時においては、すべての接離スイッチ４の第１の端子４１がオンされ、第１の充電電流値Ｃ１で全セル２が充電器３によって充電される。ここで、第１の充電電流値Ｃ１は、放電状態の各セル２が適正な時間内で満充電状態に達するように設定されている。このような充電状態では、コントローラ５によって各セル２の充電電圧がリアルタイムに監視され、例えば、第１の時刻ｔ１で第１のセル２の電圧Ｖ１が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、このセル２の接離スイッチ４の第２の端子４２がオンされ、第１のセル２が充電器３から切り離されて、第１のセル２の充電が中止される。

同様に、他のセル２の電圧Ｖ２、Ｖ３が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、そのセル２の接離スイッチ４の第２の端子４２がオンされ、充電が中止される。ここで、図３ではわかりやすくするために、３つのセル２の電圧Ｖ１〜Ｖ３のみを図示している。そして、第２の時刻ｔ２において、すべてのセル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、つまり全接離スイッチ４の第２の端子４２がオンされると、コントローラ５によって充電器３が停止される。

その後、各セル２の電圧（開放電圧）が降下し、第３の時刻ｔ３において充電器３が再起動して第２の充電ＣＨＧ２が開始され、すべての接離スイッチ４の第１の端子４１がオンされ、第２の充電電流値Ｃ２で全セル２が充電器３によって再充電される。ここで、第３の時刻ｔ３は、各セル２の開放電圧や充電電流値Ｃ１、Ｃ２などに基づいて、全セル２が満充電に近い状態に維持されるように設定される。また、第２の充電電流値Ｃ２は、第１の充電電流値Ｃ１よりも小さく、全セル２が適正な時間内で満充電状態に達するように設定されている。

このような第２の充電ＣＨＧ２状態において、例えば、第４の時刻ｔ４で第１のセル２の電圧Ｖ１が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、このセル２が充電器３から切り離されて、充電が中止される。そして、上記と同様にして、第５の時刻ｔ５で全セル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、コントローラ５によって充電器３が停止される。

その後同様にして、第６の時刻ｔ６から第７の時刻ｔ７において第３の充電ＣＨＧ３が行われ、第３の充電電流値Ｃ３で全セル２が充電器３によって再充電される。ここで、第３の充電電流値Ｃ３は、第２の充電電流値Ｃ２よりも小さく、上記のように設定されている。以後、このような全セル２の充電、各セル２の充電中止および充電器３の停止が、繰り返して行われるものである。

以上のように、この組電池充電システム１および組電池充電方法によれば、あるセル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、このセル２が充電器３から切り離されて充電が中止される。このため、このセル２を過充電なく満充電電圧まで適正に充電・維持することができるとともに、他のセル２の充電を促進することができ、各セル２の充電電圧のバラツキを抑制して、組電池２０全体をより適正に充電することが可能となる。さらに、上記のようにして充電が繰り返されるため、すべてのセル２の電圧・充電状態を適正な状態に維持することができ、この結果、組電池２０全体の放電容量が適正となって、設計通りの所定の放電時間を確保することができる。つまり、一部のセル２が早期に放電終始電圧に達するために組電池２０全体の放電を早期に終了しなければならない、という事態を回避することができる。

また、充電電流をバイパスさせたり、各セル２を放電させたりしないため、電力損失がなく、経済的となる。しかも、すべてのセル２の充電電圧が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、充電器３が停止されるため、充電器３の電力消費が抑制され、より経済的となる。殊に、リチウムイオンセル２は自己放電量が少ないため、充電器３の停止時間を長くしてより電力消費を抑制することができる。

一方、組電池２０を充電するための専用の充電器３が設けられているため、直流負荷装置１０２の容量のみに適合した整流器１０１を設置すればよく、設備を適正化することができる。

（実施の形態２）
この実施の形態では、コントローラ５による制御内容が実施の形態１と異なり、同等の構成については、同一の符号を付することで、その説明を省略する。

すなわち、実施の形態１における第１の制御とともに、第３の制御として、充電器３から切り離されているリチウムイオンセル２の開放電圧が所定の下限電圧Ｖ_ＭＩＮ以下に達した場合に、このセル２の接離スイッチ４の第１の端子４１をオン（第２の端子４２をオフ）して、このセル２を充電器３に接続させるものである。ここで、下限電圧Ｖ_ＭＩＮは、充電状態を適正に維持するためにセル２の充電を再開すべき電圧であり、例えば、上記の充電電圧の最適正値に許容誤差電圧を減算した値（例えば、４．１Ｖ−２０ｍＶ）に設定されている。

このような第１の制御と第３の制御とにより、図４に示すように、まず、実施の形態１と同様に、放電後の充電時に全セル２が充電器３によって充電され、例えば、第１の時刻ｔ１１で第１のセル２の電圧（充電電圧）Ｖ１が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、このセル２が充電器３から切り離されて、充電が中止される。その後、第１のセル２の電圧（開放電圧）Ｖ１が降下して、第２の時刻ｔ１２で下限電圧Ｖ_ＭＩＮに達すると、このセル２の接離スイッチ４の第１の端子４１がオンされ、このセル２が充電器３に接続されて再充電される。続いて、第３の時刻ｔ１３で第１のセル２の電圧Ｖ１が上限電圧Ｖ_ＭＡＸに達すると、このセル２の充電が中止される。このような充電および充電中止が、それぞれのセル２に対して繰り返して行われるものである。

このように、充電器３から切り離されているセル２、つまり開放状態のセル２の電圧が下限電圧Ｖ_ＭＩＮに達すると、このセル２が充電器３に再接続されて充電が再開される。このため、セル２の電圧低下を防止して、各セル２を適正な電圧・充電状態に維持することが可能となる。しかも、電圧が下限電圧Ｖ_ＭＩＮに達した時点で再充電するため、下限電圧Ｖ_ＭＩＮを適正値に設定することで、充電に要する電力消費を抑制・適正化することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態１では、充電電流値Ｃ１〜Ｃ３を変えているが、リチウムイオンセル２の充電特性や所望充電時間などに応じた一定の充電電流値に設定してもよい。

また、コントローラ５において、実施の形態１と実施の形態２との制御を組み合わせて、上記の第１の制御、第２の制御および第３の制御を行うようにしてもよい。この際、セル２を充電器３に再接続する際に、充電器３が停止している場合には、充電器３を再起動させる。さらに、この３つの制御の他に、例えば、充電器３の停止中に組電池２０の総電圧（総開放電圧）が所定値以下に達した場合に、全セル２に対する充電を再開する、という制御などを加えてもよい。

一方、１組のリチウムイオン組電池２０に適用する場合について説明したが、複数の組電池２０を並列接続した場合にも適用することができる。この場合、図５に示すように、上記のような組電池充電システム１を組電池２０ごとに配設し、組電池２０ごとにコントローラ５で上記のような制御を行うものである。また、リチウムイオンセル２に限らず、直列セル間の充電状態のバラツキを解消するために、広く二次電池一般に適用することができる。さらに、組電池充電システム１を直流電源システムに適用した場合について説明したが、無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）などにも適用することができる。

１ 組電池充電システム
２ リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）
２０ 組電池
３ 充電器（充電手段）
４ 接離スイッチ（接離手段）
４１ 第１の端子
４２ 第２の端子
５ コントローラ（制御手段）
６ 電流計
７ 逆流防止装置
Ｖ_ＭＡＸ 上限電圧
Ｖ_ＭＩＮ 下限電圧

Claims (6)

1. 二次電池が複数直列に接続された組電池を充電する組電池充電システムであって、
   前記組電池を定電流で充電する充電手段と、
   前記各二次電池に設けられ、該二次電池を前記充電手段に対して接続または切り離す接離手段と、
   前記各二次電池の電圧を監視し、前記各二次電池の電圧に基づいて前記充電手段および前記各接離手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、該二次電池を前記接離手段によって前記充電手段から切り離す、
   ことを特徴とする組電池充電システム。
2. 前記制御手段は、すべての前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、前記充電手段を停止させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の組電池充電システム。
3. 前記制御手段は、前記充電手段から切り離されている二次電池の電圧が所定の下限電圧以下に達した場合に、該二次電池を前記接離手段によって前記充電手段に接続させる、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の組電池充電システム。
4. 二次電池が複数直列に接続された組電池を充電する組電池充電方法であって、
   前記組電池を定電流で充電する充電手段に対して、前記各二次電池を切り離し可能に接続し、
   前記各二次電池の充電電圧を監視し、前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、該二次電池を前記充電手段から切り離す、
   ことを特徴とする組電池充電方法。
5. すべての前記二次電池の充電電圧が所定の上限電圧以上に達した場合に、前記充電手段を停止させる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の組電池充電方法。
6. 前記充電手段から切り離されている二次電池の電圧が所定の下限電圧以下に達した場合に、該二次電池を前記充電手段に接続して充電する、
   ことを特徴とする請求項４または５のいずれか１項に記載の組電池充電方法。
   

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