JP5459649B2 - 組電池の充電方法及び組電池システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した組電池の充電方法及び組電池システムに関する。

携帯電話やノートＰＣなどの小型情報機器用の電源として、高エネルギー密度の二次電池が開発され、広く利用されている。二次電池は、対象の機器に必要な電圧及び電流に応じて複数の二次電池を直列または並列に接続した組電池として利用される場合が多い。上記のような小型情報機器は、電源電圧が数Ｖから１０Ｖ程度であるため、組電池の直列接続数は１から３直列程度でよい。

一方、近年では情報機器用の電源にとどまらず、家電機器、パワーツール、アシスト自転車、ハイブリッド自動車などの高出力化及び高電圧化が要求される用途への二次電池の適用が急速に広がりを見せている。これに伴い、組電池の直列接続数も増加し、１０本以上直列接続される場合も珍しくなくなっている。

電池を直列接続した場合に問題になるのは、個々の電池（単電池という）間のばらつきである。ばらつきには、容量ばらつき、インピーダンスばらつき、及び充電状態（state of charge:ＳＯＣ）のばらつき（以下、ＳＯＣばらつきという）など種々ある。これらのうち特に不具合につながりやすいのは、ＳＯＣばらつきの中の電圧ばらつきである。

容量の異なる電池を直列接続したり、複数の電池をＳＯＣが異なる状態で接続したりすると、組電池の満充電状態において電圧が平均より高い単電池と低い単電池が生じる。電圧が高い単電池は過充電状態となって、劣化が大きくなってしまう。このような充電を繰り返すと、過充電により劣化が大きくなった単電池は容量が低下するため、さらに過充電が進み、加速度的に劣化が進行してしまう。結果として、組電池のサイクル寿命は単電池の寿命より著しく短くなる。

従って、組電池では保護回路を用いて単電池が過充電状態にならないような電池制御を行うことが要求される。また過充電のみならず、過放電や過温度などのその他の電池異常に対しても、組電池の全ての単電池が異常範囲に入らないように制御されることが望ましい。

ところで、非水電解質二次電池に適用される充電制御方式としては、定電流定電圧方式が一般的である。定電流定電圧方式では、電池が満充電電圧に達するまで定電流充電を行い、満充電電圧に達した後は電池電圧をある設定電圧に維持しつつ定電圧充電を行う。定電流定電圧方式によると、単電池を充電する場合には、電池電圧が過充電領域に達することはない。充電電流を大きくして急速充電を行った場合でも、満充電電圧に達するまでの時間が短くなるが、それ以上の電圧にはならない。

一方、組電池を定電流定電圧充電方式によって充電する場合には、先に述べたような電圧ばらつきの問題が発生する。充電電源に対してフィードバック制御を行う際、一般に定電圧充電では組電池全体の電圧が一定となるようになされる。従って、電圧が低い単電池と高い単電池が直列接続された組電池では、電圧が高い単電池は過充電領域に達してしまう。

理想的には、定電圧充電のための制御を組電池の全ての単電池について行うことができれば、電圧ばらつきによる過充電の問題は発生しない。しかし、組電池の全ての単電池電圧について定電圧充電を行うためには、充電電源の制御のためのフィードバックループの中に、(i)全ての単電池電圧を測定し、(ii)各単電池電圧を比較して最も高い単電池電圧を選び、(iii)最も高い単電池電圧を基準電圧と比較し、(iv) (iii)の比較結果に基づいて充電電源の出力電圧を制御する、という複雑な処理を採り入れなければならない。このような処理をフィードバックループに採り入れることができたとしても、フィードバックループは応答速度、安定性、及びノイズのような外乱に対する耐性、など多くの不安定要因を持つ。このため信頼性の面で問題があり、また組電池の単電池直列数が大きくなるほど回路構成が複雑になり、コストや大きさの点でも不利である。

また、ほとんどの用途における組電池システムでは、組電池と充電器は別体となっており、充電時のみ組電池と充電器が接続される。しかし、全ての単電池電圧の情報を含む複雑なフィードバック情報を組電池と充電器間で相互に伝達することは容易でない。

充電中の単電池間の電圧ばらつきは、単電池間でＳＯＣばらつきが大きいほど、また満充電近傍における、単電池電圧のＳＯＣに対する電圧変化率が大きいほど、また充電電流が大きいほど、大きくなる。従って、充電末期に電池電圧が急峻に立ち上がるような特性を持った単電池からなる組電池を急速充電しようとすると、特に問題が顕著となる。

一般に組電池では、単電池間の電圧ばらつきの問題があるため、単電池の満充電電圧より高電圧側に充電禁止電圧を設定する。それでも、単電池間の電圧ばらつきが大きくなると、充電中に一部の単電池が充電禁止電圧を超えてしまい、充電が途中で終了してしまうことがある。

このような現象を回避するためには、組電池を定電流定電圧方式で充電する場合に、定電圧充電時の設定電圧を（単電池の満充電電圧）×（単電池直列数）よりも低くすればよい。一般に充電電圧をより低くすると、ＳＯＣに対する電圧変化がより小さい領域で充電が行われるため、同じ量のＳＯＣばらつきがあった場合でも電圧ばらつきはより小さくなる。また、単電池電圧が到達する電圧が全体的に低くなり、充電禁止電圧に達するまでの電圧マージンを大きくとることができる。電圧ばらつきが生じる場合でも、単電池で充電可能な満充電電圧よりも低い電圧を中心としたばらつきとなるため、過充電になる可能性は低くなる。しかし、定電圧充電時の設定電圧を下げると、充電容量が制限されるという問題と、急速充電性能が制限されることよる充電速度の低下という問題が生じる。

電圧ばらつきによる過充電を回避しつつ、充電容量や充電速度が制限されない別の充電方法は、例えば特開２００５−１５１６８３に開示されている。特開２００５−１５１６８３に開示された充電方法では、組電池全体を定電流方式で充電し、組電池に含まれる単電池の中でどれか一つが満充電電圧に達すると、充電電流を小さくして定電流充電を継続する、というステップを繰り返して充電電流を順次下げながら充電を行う。この充電方法によると、単電池の電圧がばらついていても、最も高い電圧を示す単電池が満充電電圧になった時点で充電電流を低下させる。充電電流が低下した瞬間に、全ての単電池電圧が下がり、単電池電圧が過充電電圧に達することはない。また、最終的に十分に小さい電流値で定電流充電を行えば、定電流定電圧充電方式の場合に近い充電容量を得ることも可能である。さらに、ステップ毎の充電電流の下げ幅を小さく小刻みにしていくことで、定電流定電圧充電方式の場合に近い充電速度を得ることもできる。
特開２００５−１５１６８３号公報

特開２００５−１５１６８３に開示された方法によると、単電池電圧がばらついていても充電が継続される。このため、例えば内部短絡によって他の単電池よりも大幅に電圧が低い単電池などが含まれていた場合でも、充電が途中で停止されることはない。また、例えば組電池の一部が局所的に加熱され、一部の単電池のインピーダンスが下がって充電時の単電池電圧が低くなるような場合でも同様である。

定電流定電圧充電方式では、組電池の中に内部短絡や過熱により特に電圧が低い単電池があった場合、必然的に他の単電池の電圧は高くなるため、過充電禁止条件によって充電が停止される。ところが、特開２００５−１５１６８３に開示された方法では、そのような安全機構が働かなくなり、内部短絡を生じた単電池が充電され、そのまま使用されたり、局所的に過熱された単電池が急速充電のジュール熱によって更に加熱されたりする可能性がある、という新たな問題がある。

本発明は、単電池のばらつきがあっても過充電を抑えつつ急速充電が可能であって、しかも内部短絡など電池の異常による単電池電圧の大きなばらつきに対して高い安全性を確保する組電池の充電方法及び組電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一観点によると、直列接続された複数の単電池の電圧を検出するステップと、検出された単電池電圧を予め定められた充電終止電圧及び充電終止下限電圧を用いて判定して判定結果を得るステップと、少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した場合に、前記組電池の充電電流設定値を下げるように前記充電電流設定値を設定するステップと、前記充電電流設定値に従って前記組電池の充電電流を制御するステップと、前記検出された単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低い単電池電圧が前記充電終止下限電圧よりも低い場合に前記充電を停止するステップと、を具備する充電方法が提供される。

本発明の他の観点によると、直列接続された複数の単電池を有する組電池と、前記単電池の電圧を検出する電圧検出部と、検出された単電池電圧を予め定められた充電終止電圧及び充電終止下限電圧を用いて判定して判定結果を得る判定部と、少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した場合に、前記組電池の充電電流設定値を下げるように前記充電電流設定値を設定する設定部と、前記充電電流設定値に基づいて前記組電池の充電電流を制御する制御部と、前記判定結果に基づき前記検出された単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低い単電池電圧が前記充電終止下限電圧よりも低い場合に前記充電を停止する充電停止部と、を具備する組電池システムが提供される。

本発明によれば、単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低い単電池電圧が充電終止下限電圧よりも低い場合には充電を停止することにより、単電池のばらつきがあっても急速充電が可能で、高い安全性を備えた組電池システムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に従う組電池システムを示している。組電池システムは、大きく分けて電池パック１０と充電器２０を有する。電池パック１０を充電する際には電池パック１０と充電器２０を図のように接続し、放電する際には両者を切り離し、電池パック１０を負荷に接続して使用する。図１は、電池パック１０と充電器２０が別体となった例を示すが、両者が一体となった組電池システムを電源システムとして使用するような形態でもよい。

電池パック１０には、直列接続された複数個（ｎ）の単電池１１−１〜１１−ｎを有する組電池１１が設けられる。図１では組電池１１の直列数ｎは５となっているが、ｎは２以上の任意の数であればよい。また、図１において１個の単電池で示す部分は、並列接続された複数の単電池であってもよく、その場合は並直列の組電池となる。電池パック１０には、さらに電圧検出部１２、演算部１３、通信部１４及びスイッチ回路１５が内蔵される。

電圧検出部１２は、組電池１１の全ての単電池１１−１〜１１-ｎの接続点に接続され、単電池１１−１〜１１-ｎの電圧（セル電圧という）を検出する。組電池が並列接続を含む場合には、並列の組は電圧が等しいから、電圧検出部１２は並列１組あたり１箇所で電圧を検出すればよい。電圧検出部１２の検出結果は、演算部１３に入力される。

演算部１３は、電圧検出部１２によって検出された全てのセル電圧を判定し、その判定結果に基づき充電電流設定値Ｉｃを決定する。演算部１３は、さらに電圧検出部１２により検出されたセル電圧が異常である場合には、組電池１１と充電器２０との間の充電経路に挿入されたスイッチ回路１５をオフ状態として、強制的に充電電流や放電電流を遮断する機能を持つ。

演算部１３は、図２に内部構成の一例を示すようにセル電圧判定部３１と充電電流設定部３２を有する。セル電圧判定部３１は、電圧検出部１２により検出されたセル電圧を予め定められた充電終止電圧及び充電終止下限電圧を用いて判定して判定結果を得るように構成される。具体的には、セル電圧判定部３１は（ａ）組電池１１の充電中に各セル電圧が充電終止電圧に達したかどうかを判定し、さらに（ｂ）セル電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低いセル電圧が充電終止下限電圧よりも低いかどうかを判定する。演算部１３は例えばアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）内蔵マイクロコントローラにより構成され、電圧検出部１２によって検出されたセル電圧をデジタル信号に変換してから判定を行う。

充電電流設定部３２は、セル電圧判定部３１の前記（ａ）の判結果に基づき、少なくとも一つの少なくともセル電圧が充電終止電圧に達した場合に、組電池１１の充電電流設定値を下げるように充電電流設定値を設定する。こうして設定された充電電流設定値の情報は、通信部１４を経て充電器２０へ送信される。

セル電圧判定部３１の前記（ｂ）の判定結果の情報は、スイッチ回路１５へ送られる。組電池１１の充電時に、セル電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低いセル電圧が充電終止下限電圧よりも低い場合、スイッチ回路１５はオフ状態となり、充電が停止される。

一方、充電器２０には充電電源２１と制御部２８及び通信部２９が設けられている。充電電源２１は、例えば一次整流回路２２、パワースイッチ回路２３、高周波トランス回路２４、二次整流回路２５、平滑回路２６及び電流検出回路２７を有し、制御部２８からの制御の下で充電電流を発生する。通信部２９は、電池パック１０から通信部１４を経て送信されてくる充電電流設定値の情報を受信し、制御部２８へ伝達する。

通信部１４及び２９では、充電電流設定値の情報の送受信のみならず、電池パック１０と充電器２０間において必要な他の情報の送受信も行われるが、ここでは説明を省く。通信部１４と通信部２９間の通信方法としては、デジタルデータによるシリアル通信またはパラレル通信でもよく、アナログ値をそのまま用いる通信であってもよい。

通信部１４及び２９は、電池パックと充電器が一体となった組電池システムの場合には必ずしも必要でないが、図１のように電池パック１０と充電器２０が別体の場合は、通信部１４及び２９を設けることが望ましい。

また、スイッチ回路１５は必ずしも必要でなく、セル電圧判定部３１の前記（ｂ）の判定結果の情報は、充電電流設定部３２へ送信され、更に通信部１４を経て充電器２０の充電出力を停止させるよう構成することも可能である。

充電電源２１について簡単に説明すると、一次整流回路２２では、外部の交流電源（例えば、商用交流電源）３０の電圧が整流され、これによって得られた直流電圧がパワースイッチ回路２３によって高周波でスイッチングされる。パワースイッチ回路２３によって生成される高周波電圧は、高周波トランス回路２４を経て二次整流回路２５に伝達され、整流される。二次整流回路２５からの出力は、さらに平滑回路２６によって平滑される。電流検出回路２７では、例えば二次整流回路２５及び平滑回路２６によって生成される充電電流が検出される。

制御部２８は、電流検出回路２７で検出される充電電流が電池パック１０から送信されてくる充電電流設定値に一致するようにパワースイッチ回路２４を例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で制御する。また、制御部２８は必要に応じて充電電源２０の出力電圧（充電電圧）に基づいて充電電流をフィードバック制御する機能も有する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて本実施形態の組電池システムにおける充電制御の詳細な流れについて説明する。
セル電圧判定部３１には、組電池１１を構成する単電池１１−１〜１１−ｎの充電終止電圧ＶＨと、充電終止下限電圧ＶＬが設定される。充電終止電圧ＶＨは充電を停止させるときの好ましいセル電圧であり、充電終止下限電圧ＶＬは充電を停止させるときの下限のセル電圧である。

充電電流設定値をＩｃｉとし、ｉが大きいほど充電電流設定値が小さいとすると、演算部１３の充電電流設定部３２は最初にｉ＝１に設定し（ステップＳ１０１）、後述するステップＳ１０２を経てＩｃｉをＩｃ１に設定する（ステップＳ１０３）。こうして設定された充電電流設定値Ｉｃ１の情報が電池パック１０から充電器２０へ送信されることにより、組電池１１に対する定電流充電が開始される（ステップＳ１０４）。

電圧検出部１２は、例えば数ｍｓｅｃ〜数秒の短い周期でセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出しており（ステップＳ１０５）、検出したセル電圧Ｖｃｅｌｌのデータを演算部１３に入力している。演算部１３では、セル電圧判定部３１によって検出された各セル電圧を充電終止電圧ＶＨと比較して判定する（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０６において、各セル電圧のうち少なくとも一つのセル電圧が充電終止電圧ＶＨに達したと判定されると、充電電流設定部３２はｉを１インクリメントし（ステップＳ１０８）、Ｉｃ１よりも１ステップ小さい充電電流設定値Ｉｃ２を設定する。こうして設定された充電電流設定値Ｉｃ２の情報が電池パック１０から充電器２０へ送信されることにより、定電流充電が継続される（ステップＳ１０４）。

このように充電電流設定値Ｉｃｉを低減してゆき、その過程でステップＳ１０２において充電電流設定値Ｉｃｉが最小充電電流Ｉｃｍｉｎに達したと判定されると、組電池１１の充電を終了する。充電終了については、Ｉｃｉによるほか、合計充電時間が予め決められた時間を越えた場合に充電終了とするなど、別の基準（あるいは条件）で充電終了を決定することもできる。Ｉｃｉの値は、予め決められた値を演算部１３においてテーブルとして記憶していてもよいし、検出されたセル電圧Ｖcellによって毎回異なる値を設定してもよい。

ステップＳ１０６において、少なくとも一つのセル電圧Ｖcellが充電終止電圧ＶＨに達すると、その時点（少なくとも一つのセル電圧ＶcellがＶＨに達した時点）における他のセル電圧の中で、少なくとも一つが充電終止下限電圧ＶＬに満たないかどうかを調べる（ステップＳ１０７）。ここで、ステップＳ１０７の結果がＹＥＳの場合には、ｉをインクリメントして次の充電電流設定値による定電流充電に移行することはせず、直ちにスイッチ回路１５をオフ状態として充電を終了する。

充電電流設定部３２は、ステップＳ１０８においてｉを１インクリメントした後、ステップＳ１０３において前回の充電電流設定値（Ｉｃｉ−１）よりも１ステップ小さい充電電流設定値Ｉｃｉを設定する。この際、セル電圧が充電終止電圧ＶＨに達した時点におけるセル電圧間の差（電圧ばらつき）が大きいほど、充電電流設定値Ｉｃｉをより小さくするようにしてもよい。

本実施形態では、ステップＳ１０７の処理を付加したことが大きなポイントの一つである。ステップＳ１０７の処理を付加することによって、内部短絡など電池の異常によるセル電圧の大きなばらつきに対して高い安全性を確保することができる。

図４及び図５は、本実施形態における組電池の充電曲線を示しており、横軸は容量、縦軸はセル電圧及び充電電流を表す。図４においては、定電流充電の充電電流設定値ＩｃｉをＩｃ１→Ｉｃ２→Ｉｃ３→Ｉｃ４→Ｉｃ５→Ｉｃ６→Ｉｃ７→Ｉｃ８のようにステップ的に減少させながら充電を継続した様子が示されている。すなわち、各充電電流設定値Ｉｃｉにおいて定電流充電を行っているとき、セル電圧Ｖcellが充電終止電圧ＶＨに達すると、充電電流設定値を１段階下げて定電流充電を行う、という処理を繰り返す。

図４は、全てのセル電圧が全ての充電電流設定値Ｉｃ１〜Ｉｃ８において充電終止下限電圧ＶＬを超える場合の例を示している。一方、図５はあるセル電圧（例えば、セル電圧Ｖcell1）がＶＨに達した際に、ＶＬより低いセル電圧（例えば、Ｖcell5）の単電池が存在する例を示している。図５のような現象は、例えば内部短絡など電池の異常によるセル電圧の大きなばらつきがある場合に生じる。

このような場合、本実施形態によると、あるセル電圧がＶＨに達した際に、ＶＬより低いセル電圧があれば、図３のステップＳ１０７の結果がＹＥＳとなり、その時点で充電は停止される。従って、内部短絡が生じた単電池が充電されたり、局所的に過熱された単電池が急速充電のジュール熱によって更に加熱されたりすることがなくなり、高い安全性を確保することができる。

内部短絡などが発生した異常電池の存在を、ＳＯＣばらつきによって生ずる電圧ばらつきによって検出するためには、単純に単電池電圧のばらつきを監視しておき、最大値と最小値の差が規定値以上となった場合に異常と判断することも可能である。しかし、非水電解質二次電池からなる組電池においては一般に、各単電池の過充電を防止するという観点から、満充電側でＳＯＣ１００％が揃った状態とするのが好ましく、そのように組電池を構成した場合には放電側でなく充電側でＳＯＣずれを判断するのが好ましい。また、ＳＯＣばらつきを電圧ばらつきによって検出するためには、電池容量に対する電圧変化率が大きい方が高感度に、精度よく検出することができる。例えば電圧測定精度が±１０ｍＶであり、電池容量に対する電圧変化率が２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）であれば、１％のＳＯＣばらつきを検出することができる。一般に非水電解質二次電池では、ＳＯＣ０％付近と１００％付近が最も電圧変化率が大きくなるため、本実施形態のように、充電中に単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点で充電終止下限電圧よりも低い単電池があるかどうかによって、内部短絡によりＳＯＣが大きくずれた単電池の有無を判断するのが最も好ましい。

本実施形態において、充電電流設定部３２は組電池１１の最大の充電電流設定値を１０Ｃ以上に設定するように構成されることが望ましい。最初の充電電流設定値Ｉｃ１が大きい程、最初にセル電圧がＶＨに達するときのＳＯＣは小さくなり、逆にＩｃ１が小さい程、最初にセル電圧がＶＨに達した時点でＳＯＣが大きく、満充電に近い状態になる。本実施形態において、例えば内部短絡など電池の異常によるセル電圧のばらつきがあった場合に、充電が終了されるためには、少なくとも一つのセル電圧がＶＨに達して前記ステップＳ１０７が発生する必要がある。従って、異常電池があった場合、Ｉｃ１が小さい程、より満充電に近い状態で充電が終了される。Ｉｃ１が１０Ｃ以上であると、ＳＯＣが１００％に近づく前に充電を終了させることができるため、より好ましい。

また、本実施形態において単電池１１−１〜１１−ｎは、２５℃環境下で１Ｃ電流の定電流充電が行われた場合に充電終止電圧ＶＨに達するときの電池容量に対する電圧変化率Ａ１（Ｖ／％ＳＯＣ）（ＳＯＣは前記単電池の満充電容量に対する充電容量比）が２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）よりも大きいことが望ましい。

前述のとおり、充電終止電圧ＶＨに達するときの電池容量に対する電圧変化率Ａ１は、ＳＯＣばらつきを電圧ばらつきによって検出する際の感度に相当し、Ａ１＝２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）の変化率は、ＳＯＣが１０％ずれた場合の電圧差２００ｍＶに相当する。実際の組電池ではＡ１＝２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）であっても、ＳＯＣが低くずれた単電池は充電終止電圧ＶＨに達しないので、ＶＨと最も低い単電池電圧との電圧差は２００ｍＶより小さくなるが、Ａ１＞２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）であると、微小な内部短絡による少ないＳＯＣずれを確実に検出することができるため、好ましい。

以下に、本実施形態の具体的な実施例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものでない。

（実施例１）
正極活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）を用い、導電材及び結着剤を配合した後、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散することで、正極用スラリーを調製した。この正極用スラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）に塗布し、乾燥及びプレス工程を経て正極を作製した。

一方、負極活物質としてチタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）を用い、導電材及び結着剤を配合した後、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散することで、負極用スラリーを調製した。この負極用スラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）に塗布し、乾燥及びプレス工程を経て負極を作成した。

次に、(i)厚さ２０μｍの帯状ポリエチレン製多孔質フィルムで作られたセパレータを横向きに配し、(ii)セパレータの左端に短冊状に裁断した正極片を乗せ、(iii)セパレータを正極片の右端に沿って左に折り返し、(iv)セパレータの上に短冊状に裁断した負極片を乗せ、（v）セパレータを負極片の左端に沿って右に折り返す、という手順を繰り返し、３１枚の正極及び３０枚の負極を間にセパレータを挟んで積層し、発電要素を作製した。

作製した発電要素について、プレスを行って形状を整えた後、正極端子と負極端子を接続し、発電要素をラミネート外装に密封し、非水電解質を注液し、容量３Ａｈの扁平状の非水電解質二次電池（単電池）を作製した。充電終止電圧ＶＨ１＝２．８Ｖであり、満充電に達するときの電池容量に対する電圧変化率Ａ１（Ｖ／％ＳＯＣ）（ＳＯＣは電池の満充電容量に対する充電容量比）は１５０（ｍＶ／％ＳＯＣ）であった。

こうして作製された単電池を５個用意し、それぞれ１Ｃ２．８Ｖの定電流定電圧充電方式で充電電流が０．０５Ｃになるまで充電を行った。この後、５個の単電池を直列に接続し、各単電池間の接続部から電圧測定端子を取り出して、図１に示すような組電池及び組電池ステムを作製した。各単電池のＳＯＣは、組電池が満充電のときに１００％で揃うような初期状態となる。充電電流設定値Ｉｃ１，Ｉｃ２，・・・，Ｉｃ１２をそれぞれ１２Ｃ，１１Ｃ，・・・，１Ｃとし、最小充電電流をＩｃｍｉｎ＝１Ｃ、充電終止下限電圧をＶＬ＝２．４５Ｖとした。

（実施例２）
実施例１と同様に単電池を作製し、図１に示すような組電池及び組電池ステムを作製した。充電電流設定値Ｉｃ１，Ｉｃ２，・・・，Ｉｃ６をそれぞれ１２Ｃ，１０Ｃ，・・・，２Ｃとし、最小充電電流をＩｃｍｉｎ＝２Ｃ、充電終止下限電圧をＶＬ＝２．４５Ｖとした。

（実施例３）
実施例１と同様に単電池を作製し、図１に示すような組電池及び組電池ステムを作製した。最初の充電電流設定値Ｉｃ１を１２Ｃとし、２回目以降の充電電流設定値をＩｃｉ＝Ｉｃｉ−１×Ｖｍｉｎ／ＶＨ×０．９５とし、最小充電電流をＩｃｍｉｎ＝２．４５Ｖ、充電終止下限電圧をＶＬ＝２．４５Ｖとした。但し、Ｖｍｉｎは少なくとも一つのセル電圧がＶＨに達した際の最も低いセル電圧とする。すなわち、実施例３では前述したように前回の充電電流設定値（Ｉｃｉ−１）よりも１ステップ小さい充電電流設定値Ｉｃｉを設定する際、セル電圧が充電終止電圧ＶＨに達した時点におけるセル電圧間の差が大きいほど、充電電流設定値Ｉｃｉをより小さくする。

（比較例１）
実施例１と同様に単電池を作製し、図１と同様の組電池及び組電池ステムを作製した。Ｉｃ１，Ｉｃ２，・・・，Ｉｃ１２をそれぞれ１２Ｃ，１１Ｃ，・・・，１Ｃ、最小充電電流をＩｃｍｉｎ＝１Ｃとしたが、演算部１３において充電終止下限電圧ＶＬを設定しなかった。

（比較例２）
実施例１と同様に単電池を作製し、図１と同様の組電池及び組電池ステムを作製した。但し、充電器２０においては１２Ｃ，１４Ｖの定電流定電圧充電を行い、充電電流が１Ｃまで減少した時点で充電が終了するようにした。また、セル電圧が過充電領域の２．９Ｖを超えた場合は、充電を禁止するようにした。

（比較例３）
比較例２と同様に単電池を作製し、図１と同様の組電池及び組電池ステムを作製した。但し、充電器２０においては１２Ｃ，１３Ｖの定電流定電圧充電を行い、充電電流が１Ｃまで減少した時点で充電が終了するようにした。また、セル電圧が過充電領域の２．９Ｖを超えた場合は充電を禁止するようにした。

実施例１〜３及び比較例１〜３の組電池システムについて、下記１）〜５）に示す急速充電試験を行い、充電容量と、満充電容量を基準としたＳＯＣ８０％までの充電時間と、単電池表面の最高温度を測定して比較した。急速充電試験の前に、必ず２５℃の下で１Ｃ，２．８Ｖの定電流定電圧充電方式で、充電電流が０．０５Ｃになるまで単電池毎に充電を行うことでＳＯＣ１００％を揃えた。１０Ｃで定電流放電を行い、セル電圧の最低値が１．８Ｖになった時点で放電を終止する方法によって、組電池システム全体を放電状態とした。

１）環境温度２５℃において、実施例及び比較例毎に、前述の設定された充電方法で充電を行った。

２）環境温度２５℃において、単電池のうち２番目と３番目の電池（１１−２，１１−３）のみ、０．２Ｃの定電流で２０ｍＡｈだけ放電した後、各実施例及び比較例毎に前述の設定した充電方法で充電を行った。

３）環境温度２５℃において、単電池のうち２番目と３番目の電池（１１−２，１１−３）のみ、０．２Ｃの定電流で１００ｍＡｈだけ放電した後、各実施例及び比較例毎に前述の設定された充電方法で充電を行った。

４）環境温度２５℃において、単電池のうち２番目と３番目の電池（１１−２，１１−３）のみ、０．２Ｃの定電流で３００ｍＡｈだけ放電した後、各実施例及び比較例毎に前述の設定された充電方法で充電を行った。

５）環境温度２５℃において、単電池のうち３番目の電池（１１−３）に密着して並列に２Ωの抵抗を接続した後、各実施例及び比較例毎に前述の設定された充電方法で充電を行った。３番目の電池１１−３が突然内部短絡し、電流が流れると共に発熱する状況を模擬した。

上記１）〜５）の各条件での充電容量、満充電容量を基準としたＳＯＣ８０％までの充電時間、単電池表面の最高温度を表１に示す。

条件１）に示されるような、単電池ばらつきが殆んどない状態では、各実施例・比較例ともに正常に急速充電が可能であった。但し、比較例３においては、充電時の定電圧値が低く、電流が収束するのが他の例と比較して早いため、８０％充電時間が長く必要であった。

条件２）に示されるような、単電池ばらつきが僅かにある状態では、比較例２を除き、条件１）と殆んど同じ正常な急速充電が可能であった。比較例２においては、充電の末期にセル電圧ばらつきが拡大して２．９Ｖに達するセルがあり、充電電流が１Ｃまで低下するまでは充電が継続されなかった。

条件３）に示されるような、単電池ばらつきが更に拡大した状態では、定電流で段階的に電流を下げる実施例１乃至３及び比較例１では、充電容量・速度とも変化なかった。一方、比較例２では充電が最後まで継続せず、比較例３では条件２）とほぼ同じ結果となった。

条件４）に示されるような、単電池ばらつきが非常に大きい（ＳＯＣに対して１０％）条件においては、実際の組電池システムでは何らかの電池異常の可能性もあるような状況に対応できる。実施例１〜３では、充電終止下限電圧ＶＬよりも低い電圧を示す単電池があったため、途中で充電を停止することができた。一方、比較例２及び３では、条件３）よりも早い段階で過充電終止電圧２．９Ｖに達し、充電が終了した。比較例１では、条件１）〜３）と同様に充電が継続した。

条件５）に示されるような、単電池ばらつきと発熱が大きい条件においても、実施例１〜３では充電終止下限電圧ＶＬよりも低い電圧を示す単電池があったため、温度上昇が少ない段階で充電を停止することができた。一方、比較例２及び３では条件３）よりも早い段階で過充電終止電圧２．９Ｖに達し、充電が終了した。比較例１では、条件１）〜４）と同様に充電が継続したため、最も高い温度を示した。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に従う組電池システムを示すブロック図 同実施形態における演算部の詳細を示すブロック図 同実施形態における充電制御の流れを示すフローチャート 同実施形態において定電流充電の充電電流設定値をステップ的に減少させながら充電を継続した場合の充電曲線を示す図 同実施形態においてあるセル電圧が充電終止電圧に達した際に充電終止下限電圧より低いセル電圧の単電池が存在する場合の充電曲線を示す図

符号の説明

１０・・・電池パック
１１−１〜１１−ｎ・・・単電池
１２・・・電圧検出部
１３・・・演算部
１４・・・通信部
１５・・・スイッチ回路（充電停止部）
２０・・・充電器
２１・・・充電電源
２２・・・一次整流回路
２３・・・パワースイッチ回路
２４・・・高周波トランス回路
２５・・・二次整流回路
２６・・・平滑回路
２７・・・電流検出回路
２８・・・制御部
２９・・・通信部
３０・・・外部交流電源
３１・・・セル電圧検出部
３２・・・充電電流設定部

Claims (13)

1. 直列接続された複数の単電池を有する組電池の充電方法において、
   前記単電池の電圧を検出するステップと、
   検出された単電池電圧を予め定められた充電終止電圧及び充電終止下限電圧を用いて判定して判定結果を得るステップと、
   少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した場合に、前記組電池の充電電流設定値を下げるように前記充電電流設定値を設定するステップと、
   前記充電電流設定値に従って前記組電池の充電電流を制御するステップと、
   前記判定結果に基づき前記検出された単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低い単電池電圧が前記充電終止下限電圧よりも低い場合に前記充電を停止するステップと、を具備することを特徴とする充電方法。
2. 前記充電電流設定値を設定するステップは、前記充電電流設定値が予め定められた最小充電電流に達するまで前記充電電流設定値を下げる処理を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の充電方法。
3. 前記充電電流設定値を設定するステップは、前記組電池の充電時間が予め定められた時間に達するまで前記充電電流設定値を下げる処理を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の充電方法。
4. 前記充電電流設定値を設定するステップは、前記少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した時点における前記単電池電圧間の差が大きいほど前記充電電流設定値をより小さくすることを特徴とする請求項１記載の充電方法。
5. 直列接続された複数の単電池を有する組電池と、
   前記単電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   検出された単電池電圧を予め定められた充電終止電圧及び充電終止下限電圧を用いて判定して判定結果を得る判定部と、
   少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した場合に、前記組電池の充電電流設定値を下げるように前記充電電流設定値を設定する設定部と、
   前記充電電流設定値に基づいて前記組電池の充電電流を制御する制御部と、
   前記判定結果に基づき前記検出された単電池電圧の少なくとも一つが充電終止電圧に達した時点における最も低い単電池電圧が前記充電終止下限電圧よりも低い場合に前記充電を停止する充電停止部と、を具備することを特徴とする組電池システム。
6. 前記設定は、前記充電電流設定値が予め定められた最小充電電流に達するまで前記充電電流設定値を下げる処理を繰り返すことを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
7. 前記充電電流設定値を設定するステップは、前記組電池の充電時間が予め定められた時間に達するまで前記充電電流設定値を下げる処理を繰り返すことを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
8. 前記設定部は、前記少なくとも一つの前記検出された単電池電圧が前記充電終止電圧に達した時点における前記単電池電圧間の差が大きいほど前記充電電流設定値をより小さくするように構成されることを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
9. 前記設定部は、前記組電池の最大の充電電流設定値を１０Ｃ以上に設定するように構成されることを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
10. 前記単電池は、２５℃環境下で１Ｃ電流の定電流充電が行われた場合に前記充電終止電圧に達するときの電池容量に対する電圧変化率Ａ１（Ｖ／％ＳＯＣ）（ＳＯＣは前記単電池の満充電容量に対する充電容量比）が２０（ｍＶ／％ＳＯＣ）よりも大きい請求項５記載の組電池システム。
11. 前記単電池は、チタン酸リチウムを含む負極を有することを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
12. 前記組電池、前記電圧検出部、前記判定部及び前記設定部を内蔵する電池パックと、
    前記制御部及び該制御部により制御される前記組電池を充電するための充電用電源を有する充電器と、をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
13. 前記充電電流設定値を示す情報を前記制御部に送信する通信部をさらに具備することを特徴とする請求項１２記載の組電池システム。

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