JP5361529B2 - リチウムイオン組電池用充電制御装置およびリチウムイオン組電池システム - Google Patents

Description

この発明は、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続した組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池用充電制御装置および、この装置を備えたリチウムイオン組電池システムに関する。

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、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。また、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接続して組電池を構成し、使用する場合がある。このようにして組電池として使用する場合、充電時において各リチウムイオンセルの充電状態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の充電電圧が低く亜充電状態（満充電に至らない状態）となる場合がある。一方、リチウムイオン二次電池は、過充電状態の継続・進行などによって異常発熱が生じ、さらには、電解液が有機溶剤であるために発火事故が発生するおそれがある。

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、バラツキをなくして各リチウムイオンセルを適正に充電するために、バランス回路を設けた技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、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ランス回路が設けられている。そして、あるリチウムイオンセルの充電電圧が所定電圧以上の場合に、対応するバランス回路によってこのリチウムイオンセルを放電させ、充電電圧を下げることで、リチウムイオンセルの過充電を防止する、というものである。

特開２００２−０６４９４７号公報

ところで、組電池全体が充電状態中に、バランス回路によってリチウムイオンセルを放電させると、バランス回路には、組電池全体を流れる充電電流と、リチウムイオンセルからの放電による放電電流とが流れることになる。換言すると、電圧が高い（過充電の）リチウムイオンセルの電圧を下げるには、組電池全体を流れる充電電流とリチウムイオンセルからの放電電流とを流せるバランス回路が必要となる。このため、容量、放熱などの点からバランス回路を大きくする必要があり、設備の大型化、コスト高を招くことになる。

そこでこの発明は、個々のリチウムイオン二次電池の電圧を下げるバランス回路を小型化することが可能なリチウムイオン組電池用充電制御装置およびリチウムイオン組電池システム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、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池用充電制御装置であって、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個々に放電させて電圧を下げるバランス回路と、前記リチウムイオン組電池に電力を供給する充電回路に設けられ、前記リチウムイオン組電池への充電電流を抑制する電流抑制手段と、を備え、いずれかの前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧よりも高い場合に、前記電流抑制手段を作動させて前記リチウムイオン組電池への充電電流を下げてから、対応するバランス回路によって該リチウムイオン二次電池を放電させる、ことを特徴とする。

この発明によれば、各リチウムイオン二次電池の充電状態にバラツキが生じ、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が高くなると、電流抑制手段が作動してリチウムイオン組電池への充電電流が下がる。そして、この状態で、対応するバランス回路によって、充電電圧が高いリチウムイオン二次電池が放電され、電圧が下げられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリチウムイオン組電池用充電制御装置において、前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧以下に下がった場合に、対応するバランス回路による放電を停止し、かつ前記電流抑制手段の作動を停止する、ことを特徴とする。ここで、「所定電圧」は、請求項１における「所定電圧」と同電圧であってもよいし、異なる電圧であってもよい。

この発明によれば、充電電圧が高かったリチウムイオン二次電池の電圧が所定電圧以下に下がると、バランス回路による放電および電流抑制手段による抑制が停止され、リチウムイオン組電池への充電電流が上昇復帰する。

請求項３に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個々に放電させて電圧を下げるバランス回路と、前記リチウムイオン組電池に電力を供給する充電回路に設けられ、前記リチウムイオン組電池への充電電流を抑制する電流抑制手段と、を備え、いずれかの前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧よりも高い場合に、前記電流抑制手段を作動させて前記リチウムイオン組電池への充電電流を下げてから、対応するバランス回路によって該リチウムイオン二次電池を放電させる、ことを特徴とする。

請求項１および３に記載の発明によれば、充電電圧が高いリチウムイオン二次電池を放電させる際には、リチウムイオン組電池全体に流れる充電電流が抑制されて低くなる。このため、バランス回路には、対応するリチウムイオン二次電池からの放電電流と、組電池全体を流れる低い充電電流のみが流れることになり、バランス回路を小型化することが可能となる。また、充電電圧が高いリチウムイオン二次電池の放電中でも、リチウムイオン組電池全体に対して充電電流が供給されているため、他のリチウムイオン二次電池を効率的、迅速に充電することができる。

請求項２に記載の発明によれば、充電電圧が高かったリチウムイオン二次電池の電圧が下がると、リチウムイオン組電池全体への充電電流が上昇復帰されるため、リチウムイオン組電池全体の充電を迅速、適正に行うことが可能となる。そして、このような充電電流の抑制を伴った電圧調整と充電電流復帰とが、充電電圧のバラツキが生じるごとに行われることで、リチウムイオン組電池全体を適正に充電することが可能となる。

この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システムを整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。 図１の変形例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。

図１は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。このリチウムイオン組電池システム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てリチウムイオン組電池２０が構成され、このようなリチウムイオン組電池２０の充電を制御するリチウムイオン組電池用充電制御装置を備えるものである。

このリチウムイオン組電池用充電制御装置は、主として、各リチウムイオンセル２に設けられたバランス回路３および電圧計４と、単一の充電電流切替器５および処理装置６とを備えている。また、各バランス回路３、各電圧計４および充電電流切替器５は、それぞれ処理装置６と通信（データ伝送）可能に接続されている。

バランス回路３は、対応するリチウムイオンセル２を放電させて電圧を下げる回路である。具体的には、放電用抵抗３１と放電スイッチ３２とが直列に接続された回路であり、リチウムイオンセル２と並列に接続されている。そして、後述するように、通常の充電時においては、放電スイッチ３２がオフ（開）状態で、処理装置６からの閉指令を受けて放電スイッチ３２がオンする（閉じる）。これにより、負荷としての放電用抵抗３１によってリチウムイオンセル２が放電し、電圧が下がるようになっている。また、放電スイッチ３２がオンの状態では、後述するように充電電流も流れ、放電電流と充電電流の双方が流れるようになっている。

電圧計４は、対応するリチウムイオンセル２に並列に接続され、充電中および放電中のリチウムイオンセル２の電圧を計測し、計測結果をリアルタイムに処理装置６に送信するものである。

充電電流切替器５は、リチウムイオン組電池２０全体への充電電流を抑制、制御するものであり、リチウムイオン組電池２０に電力を供給する充電回路に設けられている。すなわち、スイッチ部５１と、第１の接点５２と、第２の接点５３とを備え、第１の接点５２は、リチウムイオン組電池２０に直接接続され、第２の接点５３は、抑制用抵抗（電流抑制手段）５４を介してリチウムイオン組電池２０に接続されている。このような充電電流切替器５が、交流直流変換器１０１とリチウムイオン組電池２０との間（充電回路）に接続され、商用電源１００からの電力が交流直流変換器１０１で直流に変換され、充電電流切替器５を介してリチウムイオン組電池２０に供給されるようになっている。

そして、後述するように、通常の充電時においては、スイッチ部５１が第１の接点５２に接続され、交流直流変換器１０１からの電流が、そのまま充電電流としてリチウムイオン組電池２０に供給される。また、処理装置６からの切替指令を受けると、スイッチ部５１が第２の接点５３に接続され、交流直流変換器１０１からの電流が、抑制用抵抗５４を流れることで抑制、降下される。そして、降下した電流が、充電電流としてリチウムイオン組電池２０に供給されるようになっている。ここで、抑制用抵抗５４の大きさは、抑制用抵抗５４が作用した際に、後述するようにバランス回路３の放電用抵抗３１に流れる電流が小さく（放電用抵抗３１を小さくでき）、かつ、リチウムイオンセル２を充電するのに要する最小限の充電電流が流れるように設定されている。

また、充電電流切替器５と並列にバイパスダイオード７が接続されている。このバイパスダイオード７は、リチウムイオン組電池２０からの電流の流れのみを許容する機能を有し、リチウムイオン組電池２０へは電流が流れないようになっている。これにより、リチウムイオン組電池２０からの放電が常時可能で、バイパスダイオード７を介してリチウムイオン組電池２０から負荷設備１０２に電力が供給されるようになっている。ここで、交流直流変換器１０１と負荷設備１０２とは接続され、通常時においては、商用電源１００からの電力が、交流直流変換器１０１で直流に変換されて、負荷設備１０２に供給されるようになっている。

処理装置６は、各電圧計４からの計測結果などに基づいて、各バランス回路３および充電電流切替器５を制御する装置である。具体的には、充電中において、いずれかのリチウムイオンセル２の充電電圧が所定電圧よりも高い場合には、まず、充電電流切替器５に対してスイッチを第２の接点５３に切り替える切替指令を送信する。これにより、充電電流切替器５が作動して、スイッチ部５１が第２の接点５３に接続され、上記のようにして、リチウムイオン組電池２０全体に流れる充電電流が、抑制用抵抗５４によって抑制、降下される。続いて、充電電圧が所定電圧よりも高いリチウムイオンセル２のバランス回路３に対して、閉指令を送信する。これにより、上記のようにして、放電スイッチ３２が閉じ、リチウムイオンセル２が放電して、充電電圧が下がる。

ここで、充電電圧が所定電圧よりも高いか否かの判断は、所定電圧の値やその持続時間などに基づいて判断する。例えば、充電電圧が電圧Ｖ１よりも高い場合には、即座に充電電圧が所定電圧よりも高いと判断したり、充電電圧が電圧Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）よりも高い状態が所定時間以上継続している場合に、充電電圧が所定電圧よりも高いと判断したりする。なお、電圧Ｖ２は、リチウムイオンセル２の継続する充電電圧として許容される最大電圧値以上とする。

また、上記のようにして放電されたリチウムイオンセル２の充電電圧が、所定電圧以下に下がった場合には、まず、処理装置６から対応するバランス回路３に対して、開指令を送信する。これにより、放電スイッチ３２が開き、リチウムイオンセル２の放電が停止される。続いて、充電電流切替器５に対してスイッチを第１の接点５２に切り替える切替指令を送信する。これにより、スイッチ部５１が第１の接点５２に接続され、抑制用抵抗５４による抑制が停止して、リチウムイオン組電池２０全体に流れる充電電流が上昇復帰される。

ここで、リチウムイオンセル２の放電を停止する際の所定電圧（以下、「放電停止電圧」という）は、放電を開始する際の所定電圧（以下、「放電開始電圧」という）と同電圧であってもよいし、異なる電圧であってもよい。例えば、放電停止電圧を放電開始電圧よりも低く設定し、リチウムイオンセル２の充電電圧を放電開始電圧よりも確実に低い値にすることで、再び充電電圧が放電開始電圧を超えることによる放電・調整の頻発化を防止するようにしてもよい。さらに、放電停止電圧と放電開始電圧とを同電圧とし、リチウムイオンセル２の充電電圧が放電停止電圧よりも低い状態が所定時間継続している場合に、リチウムイオンセル２の放電を停止するようにしてもよい。

また、スイッチ部５１が第２の接点５３に接続されている状態で、リチウムイオン組電池２０の放電が開始された場合には、処理装置６から充電電流切替器５に対して、スイッチを第１の接点５２に切り替える切替指令を送信する。これにより、バイパスダイオード７を介して放電が開始された後に、第１の接点５２を介して放電が続行される。

次に、このような構成のリチウムイオン組電池用充電制御装置およびリチウムイオン組電池システム１の作用などについて、説明する。

まず、通常のフロート充電時においては、充電電流切替器５のスイッチ部５１が第１の接点５２に接続され、すべてのバランス回路３の放電スイッチ３２が開いた状態となっている。この状態では、商用電源１００からの電力が、交流直流変換器１０１を介して負荷設備１０２に供給されるとともに、充電電流切替器５を介してリチウムイオン組電池２０に供給される。このとき、交流直流変換器１０１からの電流Ｉ１が、そのまま充電電流として各リチウムイオンセル２に供給され、また、各バランス回路３の放電用抵抗３１には、電流が流れない。

このような充電状態では、常に各電圧計４によってリチウムイオンセル２の電圧が計測され、その計測結果がリアルタイムに処理装置６に送信される。そして、処理装置６によっていずれかのリチウムイオンセル２の充電電圧が所定電圧よりも高いと判断した場合には、処理装置６から充電電流切替器５に対して切替指令が送信され、上記のようにして、リチウムイオン組電池２０全体に流れる充電電流が、電流Ｉ１から電流Ｉ２に抑制、降下される。さらに、充電電圧が高いリチウムイオンセル２のバランス回路３に対して、処理装置６から閉指令が送信され、上記のようにして、このリチウムイオンセル２が放電して、充電電圧が下がる。

このとき、このバランス回路３の放電用抵抗３１に流れる電流は、リチウムイオン組電池２０全体に流れる充電電流Ｉ２と、リチウムイオンセル２からの放電電流Ｉ３となる。また、他のリチウムイオンセル２には充電電流Ｉ２が供給されている。

このような一部放電時においても、各リチウムイオンセル２の電圧がリアルタイムに処理装置６に送信され、放電されたリチウムイオンセル２の充電電圧が、所定電圧以下に下がった場合には、対応するバランス回路３に対して処理装置６から開指令が送信され、上記のようにして、リチウムイオンセル２の放電が停止される。さらに、処理装置６から充電電流切替器５に対して切替指令が送信され、上記のようにして、リチウムイオン組電池２０全体に流れる充電電流が、電流Ｉ２から電流Ｉ１に上昇復帰する。このようにして、すべてのリチウムイオンセル２の充電電圧が適正値内になるように、つまりバラツキが解消されるように、電圧調整が行われるものである。

一方、充電電流切替器５のスイッチ部５１が第１の接点５２に接続されている状態で、商用電源１００からの電力供給が停止（停電）すると、バイパスダイオード７を介して瞬時に（無瞬断で）リチウムイオン組電池２０が放電を開始し、リチウムイオン組電池２０からの電力が第１の接点５２を介して負荷設備１０２に供給される。また、充電電流切替器５のスイッチ部５１が第２の接点５３に接続されている状態で、停止が発生すると、バイパスダイオード７を介して瞬時にリチウムイオン組電池２０が放電を開始する。その後、上記のように、処理装置６から充電電流切替器５に対して切替指令が送信され、第１の接点５２を介して放電が続行される。このように、第１の接点５２を介して放電が行われることで、バイパスダイオード７のエネルギー損を軽減できるものである。なお、この放電状態においても、各リチウムイオンセル２の電圧がリアルタイムに処理装置６に送信される。

以上のように、このリチウムイオン組電池用充電制御装置およびリチウムイオン組電池システム１によれば、上記のような電圧調整（一部放電）時において、バランス回路３の放電用抵抗３１には、抑制された低い充電電流Ｉ２とリチウムイオンセル２からの放電電流Ｉ３のみが流れる。つまり、通常の充電電流Ｉ１よりも小さい充電電流Ｉ２が流れるため、容量、放熱などの点から、放電用抵抗３１を小型化することが可能となる。また、電圧調整中においても、リチウムイオン組電池２０全体に対して充電電流Ｉ２が供給されているため、他のリチウムイオンセル２を効率的、迅速に充電することができる。

さらに、充電電圧が高かったリチウムイオンセル２の電圧が下がると、リチウムイオン組電池２０全体への充電電流が電流Ｉ１に上昇復帰されるため、リチウムイオン組電池２０全体の充電を迅速、適正に行うことが可能となる。そして、このような充電電流の抑制を伴った電圧調整と充電電流復帰とが、充電電圧のバラツキが生じるごとに行われることで、リチウムイオン組電池２０全体を適正かつ迅速に充電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、上記の実施の形態では、電流抑制手段として抑制用抵抗５４を配設しているが、図２に示すように、電流を抑制・制限する電流制限コンバータ５５を配設してもよい。ここで、電流制限コンバータ５５の容量は、電流制限コンバータ５５が作用した際に、放電用抵抗３１に流れる電流が小さく（放電用抵抗３１を小さくでき）、かつ、リチウムイオンセル２を充電するのに要する最小限の充電電流が流れるように設定する。また、１組のリチウムイオン組電池２０を有するシステムについて説明したが、リチウムイオン組電池２０を複数接続したシステムにも適用することができる。この場合、上記のようなリチウムイオン組電池用充電制御装置を複数配設する。さらに、リチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した場合について説明したが、無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｐｐｌｙ）や自動車用蓄電池などにも適用することができる。

１ リチウムイオン組電池システム
２ リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）
２０ リチウムイオン組電池
３ バランス回路
３１ 放電用抵抗
３２ 放電スイッチ
４ 電圧計
５ 充電電流切替器
５４ 抑制用抵抗（電流抑制手段）
５５ 電流制限コンバータ（電流抑制手段）
６ 処理装置
７ バイパスダイオード

Claims (3)

1. リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池用充電制御装置であって、
   前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個々に放電させて電圧を下げるバランス回路と、
   前記リチウムイオン組電池に電力を供給する充電回路に設けられ、前記リチウムイオン組電池への充電電流を抑制する電流抑制手段と、を備え、
   いずれかの前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧よりも高い場合に、前記電流抑制手段を作動させて前記リチウムイオン組電池への充電電流を下げてから、対応するバランス回路によって該リチウムイオン二次電池を放電させる、ことを特徴とするリチウムイオン組電池用充電制御装置。
2. 前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧以下に下がった場合に、対応するバランス回路による放電を停止し、かつ前記電流抑制手段の作動を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン組電池用充電制御装置。
3. リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、
   前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個々に放電させて電圧を下げるバランス回路と、
   前記リチウムイオン組電池に電力を供給する充電回路に設けられ、前記リチウムイオン組電池への充電電流を抑制する電流抑制手段と、を備え、
   いずれかの前記リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧よりも高い場合に、前記電流抑制手段を作動させて前記リチウムイオン組電池への充電電流を下げてから、対応するバランス回路によって該リチウムイオン二次電池を放電させる、ことを特徴とするリチウムイオン組電池システム。

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