JP5489779B2

JP5489779B2 - リチウムイオン組電池の充電システムおよび充電方法

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Publication number: JP5489779B2
Application number: JP2010041214A
Authority: JP
Inventors: 知伸辻川; 敏雄松島
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011182479A

Description

この発明は、リチウムイオン組電池の充電システムおよび充電方法に関し、とくに単セルに並列に接続される充電電流パイパ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の充電システムおよび充電方法に関する。

リチウムイオン組電池の使用においては、劣化防止と容量の安定な維持の観点から、各セル電圧を規定値の範囲内に制御することが望まれている。ずなわち、リチウムイオン組電池の充電においては、安全性が担保できないような高い電圧に上昇することと、逆に容量低下につながるような低い電圧になることを回避する必要がある。上記の要求は、通信用等のバックアップ用途においては、浮動充電中はもとより、放電後の回復充電においても必要であり、とくに回復充電時には組電池に大きな充電電流が流れる状況になるので、注意が必要である。

このようなことから、通常、組電池内の直列接続された各単セルの電圧を監視し、セル電圧の上昇が生じた場合、該当セルに流れる充電電流を外部バイパス回路に迂回させる等の対策が採られている。組電池の充電時における各セルの電圧制御に関する技術として、例えば特許文献１、２、３が知られている。特許文献１の電圧均等化装置は、各セルの電流を検出し、所定の範囲の電流値である場合は、各セルの電圧を一斉に均等化させるものである。特許文献２の組電池システムは、各セルの充電状態に応じた最適な充電を行うために、各セルに対して個別の充電器を設けるようにしている。特許文献３に電池パックは、組電池が所定の充電電圧値以下の電圧で充電されるように、組電池の充電電流を分流する分流装置を設けている。

図１０は、従来のリチウムイオン組電池の充電システムの一例を示している。図１０に示すように、商用電源１００には整流器１０１を介して直流負荷装置１０３が接続されている。整流器１０１には、直流負荷装置１０３と並列に組電池モジュール１１０が接続されている。組電池モジュール１１０は、単セル１１２が直列接続されたリチウムイオン組電池１１３と、組電池監視制御部１１４と、セル電圧調整部１１５とを有している。セル電圧調整部１１５は、各単セル１１２に並列に接続されており、余剰の充電電流をバイパスさせるための充電電流パイパス回路（図示略）を有している。組電池監視制御部１１４は、単セル１１２の監視状況に基づき整流器１０１とリチウムイオン組電池１１３との間の開放スイッチ１１６をオンオフ制御し、リチウムイオン組電池１１３の充電制御を行っている。

特開２００９−１５９７６８号公報特開２００８−０７２８４２号公報特開２００５−２４３３６９号公報

しかし、図１０のリチウムイオン組電池の充電システムでは、充電時間を短縮するためにリチウムイオン組電池１１３に大きな充電電流を流す場合は、バイパス電流を上回る充電電流が単セル１１２に流入することになり、単セル１１２の電圧が規定値よりも上昇し、過充電を招くという問題がある。すなわち、図１１の充電特性に示すように、回復充電におけるセル電圧の目標値を４．１Ｖとした場合、バイパス電流を上回る充電電流が特定の単セル１１２に流入すると、セル電圧は目標値を超えて４．４Ｖ近くまで上昇することになり、その単セル１１２は過充電状態となる。

ここで、単セル１１２が過充電になるのを回避するためには、リチウムイオン組電池１１３に流入する充電電流の最大値を想定し、セル電圧調整部１１５にはこの充電電流の最大値に耐えるような電流耐量を備えた充電電流バイパス回路を設けることが必要となる。しかし、このような大きな電流耐量の充電電流バイパス回路を採用することは、充電電流バイパス回路の大型化を招くとともに、電力損失等が大きくなるといる問題が生ずる。

そこでこの発明は、リチウムイオン組電池の充電電流を大に設定した場合でも、単セルに接続される充電電流バイパス回路の小型化および電力損失の抑制が可能なリチウムイオン組電池の充電システムおよび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、複数の単セルを直列接続して構成されるリチウムイオン組電池を充電するとともに直流負荷設備に直流電力を供給する整流器を有し、商用電源の停電により前記整流器から直流負荷装置への電力供給ができなくなった場合は、前記リチウムイオン組電池の放電による前記直流負荷装置への電力供給を行い、前記停電が復旧した場合は、前記整流器から前記直流負荷装置と前記リチウムイオン組電池への電力供給を行うリチウムイオン組電池の充電システムであって、前記各単セルに並列に接続され充電電流をパイパスさせることが可能な充電電流バイパス回路を有するセル電圧調整手段と、前記セル電圧調整手段からの信号に基づき前記単セルの電圧監視および前記単セルを流れる充電電流の制御を行う電池監視制御手段と、前記リチウムイオン組電池に直列接続され前記リチウムイオン組電池を流れる充電電流の調整が可能な充電電流制限手段と、を備え、前記整流器は、充電中における前記リチウムイオン組電池の電圧に基づき自動的に定電流モードから定電圧モードに移行することが可能であり、前記定電流モードによる充電においては充電電流は前記単セルが許容できる充電電流の最大値に設定され、前記電池監視制御手段は、前記リチウムイオン組電池の放電後の前記定電流モードによる回復充電途中における前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した際は前記充電電流制限手段を介して前記リチウムイオン組電池の充電電流を段階的に低減させ、前記充電電流制限手段によって低減される充電電流は、前記セル電圧調整手段における前記充電電流バイパス回路が許容する最大電流を超えない範囲に設定されている、ことを特徴とするリチウムイオン組電池の充電システムである。

この発明によれば、充電初期には単セルの電圧または充電容量（残存容量）は低下しているので、大きな充電電流が流れても単セルの電圧は基準値に到達せず、単セルが過充電になるおそれはない。そして、リチウムイオン組電池のうち少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した状態では、大きな充電電流によって単セルが過充電になるおそれがあるので、充電電流制限手段を介してリチウムイオン組電池の充電電流が段階的に低減される。

請求項２に記載の発明は、複数の単セルを直列接続して構成されるリチウムイオン組電池を充電するとともに直流負荷設備に直流電力を供給する整流器を有し、商用電源の停電により前記整流器から直流負荷装置への電力供給ができなくなった場合は、前記リチウムイオン組電池の放電による前記直流負荷装置への電力供給を行い、前記停電が復旧した場合は、前記整流器から前記直流負荷装置と前記リチウムイオン組電池への電力供給を行うリチウムイオン組電池の充電方法であって、前記各単セルに並列に接続されたセル電圧調整手段の充電電流バイパス回路によって充電電流をパイパスさせることを可能にし、前記セル電圧調整手段からの信号に基づき電池監視制御手段によって前記単セルの電圧監視および前記単セルを流れる充電電流の制御を行い、前記リチウムイオン組電池に直列接続された充電電流制限手段によって前記リチウムイオン組電池を流れる充電電流の調整を可能とし、前記整流器は、充電中における前記リチウムイオン組電池の電圧に基づき自動的に定電流モードから定電圧モードに移行することが可能であり、前記定電流モードによる充電においては充電電流は前記単セルが許容できる充電電流の最大値に設定され、前記リチウムイオン組電池の放電後の前記定電流モードによる回復充電途中における前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した際は、前記電池監視制御手段によって前記充電電流制限手段を介して前記リチウムイオン組電池の充電電流を段階的に低減させ、前記充電電流制限手段によって低減される充電電流は、前記セル電圧調整手段における前記充電電流バイパス回路が許容する最大電流を超えない範囲に設定されている、ことを特徴とするリチウムイオン組電池の充電方法である。

請求項１および２に記載の発明によれば、充電途中における複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した際は、電池監視制御手段は充電電流制限手段を介してリチウムイオン組電池の充電電流を段階的に低減させるようにしているので、充電電流バイパス回路に流れる余剰の充電電流を小に抑制することができる。これにより、充電電流バイパス回路を小型化することが可能となり、充電電流バイパス回路による電力損失等を抑制することができる。

請求項１および２に記載の発明によれば、充電電流制限手段によって低減される充電電流は、セル電圧調整手段における充電電流バイパス回路が許容する最大電流を超えない範囲に設定されているので、許容範囲を上回る充電電流が充電電流バイパス回路に流れることを回避することができ、充電電流バイパス回路の損傷を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係るリチウムイオン組電池の充電システムの概要図である。図１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける単セルと接続されるセル電圧調整手段の回路図である。図１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける組電池と接続される充電電流制限手段の回路図である。図１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける監視制御手段の回路図である。図１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける充電時の諸特性を示す特性図である。図１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける充電時の充電電流の制御手順を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係るリチウムイオン組電池における充電時の充電電流の制御手順を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３に係るリチウムイオン組電池における充電時の充電電流の制御手順を示すフローチャートである。図１のリチウムイオン組電池の充電システムの変形例を示す概要図である。従来のリチウムイオン組電池の充電システムの概要図である。図１１のリチウムイオン組電池の充電システムにおける充電時の諸特性を示す特性図である。

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ないし図６は、この発明の実施の形態１を示している。図１において、リチウムイオン組電池充電システム１は、リチウムイオン組電池３と、セル電圧調整手段１０と、充電電流制限手段２０と、電池監視制御手段３０と、整流器１０１を有している。リチウムイオン組電池３は、リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）からなる単セル２が複数直列に接続されたものから構成されている。実施の形態１においては、リチウムイオン組電池３は、例えば単セル２が１２個直列に接続されたものから構成されているが、用途に応じて単セル２の使用個数ｎを変えることができる。

リチウムイオン組電池３は、配線１０２を介して整流器１０１に接続されている。整流器１０１は、交流電力である商用電源１００を直流電力に変換し、定電流モードと定電圧モードの双方の充電モード（定電流定電圧充電）を使用してリチウムイオン組電池３を充電する機能を有している。ここで、定電流モードとは充電電流を一定値に保った状態でリチウムイオン組電池３の充電を行う充電方式であり、定電圧モードとは充電電圧を一定値に保った状態でリチウムイオン組電池３の充電を行う充電方式である。整流器１０１は、充電中におけるリチウムイオン組電池３の電圧に基づき自動的に定電流モードから定電圧モードに移行することが可能となっている。整流器１０１は、充電電圧および充電電流が任意の値に調整可能となっており、充電電圧および充電電流を予め設定したプログラム等に基づいて制御することができる。

リチウムイオン組電池３の各単セル２には、セル電圧調整手段１０が並列に接続されている。セル電圧調整手段１０は、図１に示すように、配線１０ａ、１０ｂおよびコネクタ５を介して各単セル２と接続されている。図２は、セル電圧調整手段１０の電気回路の詳細を示している。図２に示すように、セル電圧調整手段１０は、セル電圧調整回路制御部１１と、充電電流バイパス回路１２を有している。充電電流バイパス回路１２は、電池電圧誤差増幅器１３と、電池電圧測定用誤差増幅器１４と、バイパス電流制御素子（トランジスタ）１５と、バイパス電流制限素子（フューズ）１６と、バイパス電流測定素子１７とを有している。電池電圧測定用誤差増幅器１４のプラス側入力部は、配線１０ａを介して単セル２のプラス側に接続されている。電池電圧測定用誤差増幅器１４のマイナス側入力部は、配線１０ｂを介して単セル２のマイナス側に接続されている。

図２に示すように、電池電圧測定用誤差増幅器１４の出力側は、配線１０ｅを介してセル電圧調整回路制御部１１と接続されている。電池電圧誤差増幅器１３のプラス側入力部は、配線１０ｃ、１０ｅを介してセル電圧調整回路制御部１１と接続されている。電池電圧誤差増幅器１３のマイナス側入力部は、配線１０ｄを介してセル電圧調整回路制御部１１と接続されている。配線１０ａと配線１０ｂとの間には、直列に接続されたバイパス電流制御素子１５とバイパス電流制限素子１６とバイパス電流測定素子１７が、単セル２に対して並列に接続されている。電池電圧誤差増幅器１３の出力側は、バイパス電流制御素子１５に接続されている。バイパス電流測定素子１７は、配線１０ｆを介してセル電圧調整回路制御部１１と接続されている。

図３は、充電電流制限手段２０の詳細を示している。充電電流制限手段２０は、リチウムイオン組電池３に対して直列に接続されており、リチウムイオン組電池３に流れる充電電流Ｉを調整可能とする機能を有している。充電電流制限手段２０は、充電電流制御部２１と、充電電流設定用誤差増幅器２２と、充電電流測定用誤差増幅器２３と、充電電流制御素子（トランジスタ等）２４と、充電電流検出素子（例えば抵抗）２５とを有している。充電電流制御素子２４と充電電流検出素子２５は、直列に接続されている。この直列に接続された充電電流制御素子２４と充電電流検出素子２５は、整流器１０１からリチウムイオン組電池３へ充電電流Ｉを供給する配線１０２の途中に設けられている。

図３に示すように、充電電流設定用誤差増幅器２２のプラス側入力部は、配線２０ａを介して充電電流制御部２１と接続されている。充電電流設定用誤差増幅器２２のマイナス側入力部は、配線２０ｂを介して充電電流測定用誤差増幅器２３の出力側に接続されている。充電電流設定用誤差増幅器２２の出力側は、充電電流制御素子２４に接続されている。充電電流測定用誤差増幅器２３の入力部は、配線２０ｄ、２０ｅを介して充電電流検出素子２５と並列に接続されている。

図４は、電池監視制御手段３０の詳細を示している。図４に示すように、電池監視制御手段３０は、電源部３１と、測定条件設定値入力部３２と、表示部３３と、制御部３４と、データ入力部３８とを有している。制御部３４は、充電電流制御部３５と、演算部３６と、セル電圧調整回路制御部３７から構成されている。演算部３６には、充電電流制御部３５とセル電圧調整回路制御部３７が接続されている。電源部３１は、商用電源１００に接続されている。電源部３１には、測定条件設定値入力部３２と表示部３３が並列に接続されており、測定条件設定値入力部３２と表示部３３は、制御部３４の演算部３６に接続されている。演算部３４には、計測値Ｋ_１、Ｋ_２、Ｋ_３が入力可能となっている。計測値Ｋ_１は、セル電圧調整手段１０によって計測されたリチウムイオン組電池３の各単セル２の電圧である。計測値Ｋ_２は、充電電流制限手段２０の充電電流検出素子２５によって計測されたリチウムイオン組電池３の充電電流である。計測値Ｋ_３は、電池監視制御手段３０の配線３０ａ、３０ｂを介して計測されたリチウムイオン組電池３の総電圧である。

電池監視制御手段３０は、セル電圧調整手段１０からの計測値Ｋ_１に基づき各単セル２の電圧を調整する機能を有している。すなわち、電池監視制御手段３０は、計測値Ｋ_１に基づき演算部３６およびセル電圧調整回路制御部３７でセル電圧を最適に制御するための処理を行い、信号Ｋ_４をセル電圧調整手段１０に出力するようになっている。また、電池監視制御手段３０は、充電途中における複数の単セル２のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が図５に示す基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した際は、充電電流制限手段２０を介してリチウムイオン組電池３の充電電流Ｉを段階的に低減させる機能を有している。すなわち、電池監視制御手段３０は、充電電流検出素子２５からの信号Ｋ_２に基づき、演算部３６および充電電流制御部３５で充電電流を低減するための処理を行い、信号Ｋ_５を充電電流制限手段２０に出力するようになっている。

つぎに、リチウムイオン組電池充電システム１による充電方法および作用について説明する。

図６に示すように、リチウムイオン組電池３の放電が終了した場合は、ステップＳ１に示すように、整流器１０１によってリチウムイオン組電池３の回復充電が行われる。整流器１０１による回復充電は、図５の充電特性図に示すように、当初は定電流モードで行われる。定電流モードによる充電においては、充電時間を短縮するために、充電電流Ｉ（１）が例えば単セル２が許容できる充電電流の最大値に設定されている。

ステップＳ２では、単セル２（セル１ｎ）の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋである４．０Ｖに到達したか否かが判断される。すなわち、電池監視制御手段３０によってリチウムイオン組電池３のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達したか否かが判断される。ここで、まだ単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達しないと判断された場合は、ステップＳ１に戻り、充電電流Ｉ（１）による定電流モードでの充電が継続される。ステップＳ２において、リチウムイオン組電池３のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ３に進み、充電電流制限手段２０によって充電電流Ｉ（１）を充電電流Ｉ（２）まで低減する。すなわち、リチウムイオン組電池３のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した場合は、セル電圧調整手段１０からの信号Ｋ_１に基づき、電池監視制御手段３０が信号Ｋ_５を充電電流制限手段２０に出力し、充電電流Ｉ（１）は充電電流制御素子２４によって充電電流Ｉ（２）まで１段階低減される。そして、ステップＳ４に進み、１段階低減された充電電流Ｉ（２）による定電流モードでの充電が継続される。

図６のステップＳ５において、単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したか否かが判断される。ここで、まだ単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達しないと判断された場合は、ステップＳ４に戻り、充電電流Ｉ（２）による定電流モードでの充電が継続される。ステップＳ５において、単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ６に進み、単セル２における余剰の充電電流をバイパスさせる。つぎに、ステップＳ７に進み、全単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したか否かが判断される。ステップＳ７において、全単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達していないと判断された場合は、ステップＳ６に戻り、該当セルについて余剰の充電電流をバイパスさせる。ステップＳ７において、全単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ８に進み、充電モードが定電流モードから定電圧モードに切り替えられ、これ以降は定電圧モードでの充電が行われる。定電圧モードでは、リチウムイオン組電池３の充電電圧が４９．２Ｖ（４．１Ｖ／セル×１２セル）に設定されている。

図１１は、従来のリチウムイオン組電池充電システムにおける充電特性を示している。従来のリチウムイオン組電池充電システムでは、大きな充電電流が流れる定電流モードにおいて、セル電圧調整部１１５による充電電流のバイパス動作を行うので、単セル１１２のバイパス電流を上回る充電電流が単セル１１２に流れてしまう。そのため、単セル１１２の電圧が異常に上昇し、単セル１１２が過充電となる問題がある。そこで、上述したように、本発明においては、定電流モードでの充電途中で充電電流制限手段２０を介してリチウムイオン組電池３の充電電流Ｉを段階的に低減させることで、単セル２の過充電を防止している。

このように、リチウムイオン組電池３の充電途中における複数の単セル２のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した際は、電圧監視制御手段３０によって充電電流制限手段２０を介してリチウムイオン組電池３の充電電流Ｉの最大値を一定値に低減させるようにしているので、充電電流バイパス回路１２に流れる充電電流Ｉを小に抑制することができる。これにより、充電電流バイパス回路１２を構成する電子部品や配線の電流耐量を小とすることが可能となる。したがって、充電電流バイパス回路１２の小型化が可能となり、同時に、充電電流バイパス回路１２による電力損失等を抑制することができる。また、充電電流制限手段２０によって低減される充電電流Ｉは、セル電圧調整手段１０における充電電流バイパス回路１２が許容する最大電流を超えない範囲に設定されているので、許容範囲を上回る充電電流が充電電流バイパス回路１２に流れることを回避することができ、充電電流バイパス回路１２の損傷を防止することができる。

実施の形態１においては、単セル２の電圧に基づいて充電電流Ｉの最大値を低減させる手法の一例として、任意の単セル一個の電圧と基準電圧値Ｖ_Ｋ、設定電圧値Ｖ_Ｓとの関係で充電電流Ｉの制御を行なっているが、セル電圧に基づく充電電流Ｉの制御としては、任意の一個のセル電圧ではなくて、リチウムイオン組電池３内の複数のセル電圧の状況を反映させて行ってもよい。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２を示している。実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、リチウムイオン組電池３の充電電流を減少させる際の判断基準であり、その他の構成は実施の形態１に準ずる。実施の形態１においては、リチウムイオン組電池３のうちの少なくとも１つの単セル２の電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した否かを基準としているが、実施の形態２においては、充電途中のセル電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した単セル２の数の割合に応じて、段階的に充電電流を低減させるようにしている。

図７に示すように、リチウムイオン組電池３の放電が終了した場合は、ステップＳ１１に示すように、整流器１０１によってリチウムイオン組電池３の回復充電が行われる。整流器１０１による回復充電は、実施の態様１と同様に定電流モードで行われる。定電流モードによる充電では、充電時間を短縮するために充電電流Ｉは単セル２が許容できる最大値に設定されている。

ステップＳ１２では、充電途中のセル電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達した単セル２の数の割合がＸａ％以上になったか否かが判断される。すなわち、電池監視制御手段３０によってリチウムイオン組電池３のうちのＸａ％以上が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達したか否かが判断される。ここで、まだＸａ％以上の単セル２が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達しないと判断された場合は、ステップＳ１１に戻り、充電電流Ｉ（１）による定電流モードでの充電が継続される。ステップＳ１２において、リチウムイオン組電池３のうちＸａ％以上の単セル２が基準電圧値Ｖ_Ｋ（Ｖ_Ｋ＝４．０Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ１３に進み、充電電流制限手段２０によって充電電流Ｉ（１）が１段階低減される。そして、ステップＳ１４に進み、１段階低減された充電電流Ｉ（２）による定電流モードでの充電が継続される。

図７のステップＳ１５において、リチウムイオン組電池３のうちのＸｂ％以上の単セル２が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達していないと判断された場合は、ステップ１９に進み、該当セルについて余剰の充電電流をバイパスさせた後、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１５において、Ｘａ％を上回るＸｂ％以上の単セル２が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ１６に進み、該当セルについて余剰の充電電流をバイパスさせる。つぎに、ステップＳ１７に進み、全単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したか否かが判断される。ここで、全単セル２の電圧が設定電圧値Ｖ_Ｓ（Ｖ_Ｓ＝４．１Ｖ）に到達したと判断された場合は、ステップＳ１８に進み、充電モードが定電流モードから定電圧モードに切り替えられ、これ以降は、定電圧モードでの充電が行われる。定電圧モードでは、充電電圧４９．２Ｖ（４．１Ｖ／セル×１２セル）での定電圧モードよる充電が行われる。

このように構成された実施の形態２においては、監視制御手段３０は、充電途中のセル電圧が基準電圧値Ｖ_Ｋに到達した単セル２の数に基づき、充電電流Ｉを段階的に低減させるようにしているので、単セル２が過充電となる可能性が高いか否かを的確な判断することが可能となる。これにより、充電制御の精度を高めることが可能となり充電制御の信頼性を高めることができる。

以上述べた実施の形態１、２においては、単セル２の電圧に基づき、充電電流Ｉの最大値を低減するようにしているが、単セル２の充電容量に基づき充電電流Ｉの最大値を低減するようにしてもよい。すなわち、単セル２の充電容量は、セル電圧と比例関係を示すので、セル電圧からの充電容量が推定可能となる。そこで、電池監視制御手段３０の演算部３６に換算機能をもたせることにより、充電容量に基づきリチウムイオン組電池３の充電電流Ｉを段階的に低減させることもできる。ここで言う充電容量とは、単セル２の充電状態または残存容量を意味しており、通常ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）と呼ばれている。

（実施の形態３）
図８は、この発明の実施の形態３を示している。実施の形態３が実施の形態１、２と異なるところは、充電電流を減少させる判断基準である。実施の形態３においては、充電途中の充電容量（ＳＯＣ）が基準値に到達した単セル２の数の割合に応じて、段階的に充電電流Ｉを低減させるようにしている。上述したように、単セル２の充電容量は、計算によりセル電圧から推定することが可能であるので、電池監視制御手段３０の演算部３６に換算機能をもたせることにより、充電容量に基づきリチウムイオン組電池３の充電電流Ｉを段階的に低減させることが可能となる。

図８に示すように、リチウムイオン組電池３の放電が終了した場合は、ステップＳ２１に示すように、整流器１０１によってリチウムイオン組電池３の回復充電が行われる。整流器１０１による回復充電は、図８に示すように、定電流モードで行われる。定電流モードによる充電は、充電電流を一定に保った状態で行われる充電方式で、充電時間を短縮するために充電電流は単セル２が許容できる最大値に設定されている。充電開始後は、各単セル２のセル電圧は徐々に上昇する。

ステップＳ２２では、充電途中の充電量が基準値Ｓ_Ｋ（セル電圧４．０Ｖに到達するための充電量）に到達した単セル２の数の割合がＸｃ％以上になったか否かが判断される。すなわち、電池監視制御手段３０によってリチウムイオン組電池３のうちのＸｃ％以上が基準値Ｓ_Ｋとなる充電量に到達したか否かが判断される。ここで、まだＸｃ％以上が基準値Ｓ_Ｋに到達しないと判断された場合は、ステップＳ２１に戻り、充電電流Ｉ（１）による定電流モードでの充電が継続される。ステップＳ２２において、リチウムイオン組電池３のうちＸｃ％以上が基準値Ｓ_Ｋとなる充電量に到達したと判断された場合は、ステップＳ２３に進み、充電電流制限手段２０によって充電電流Ｉ（１）を充電電流Ｉ（２）に低減する。そして、ステップＳ２４に進み、低減された充電電流Ｉ（２）による定電流モードでの充電が継続される。

図８のステップＳ２５において、リチウムイオン組電池３のうちのＸｄ％以上が設定値Ｓ_Ｓ（セル電圧４．１Ｖに到達するための充電量）の充電量に到達していないと判断された場合は、ステップ２９に進み、該当セルについて余剰の充電電流をバイパスさせた後、ステップＳ２４に戻る。ステップＳ２５において、Ｘｃ％を上回るＸｄ％以上の単セル２が設定値Ｓ_Ｓに到達したと判断された場合は、ステップＳ２６に進み、該当セルについて余剰の充電電流をバイパスさせる。つぎに、ステップＳ２７に進み、全単セル２の電圧が４．１Ｖに到達したか否かが判断される。ここで、全単セル２の電圧が４．１Ｖに到達したと判断した場合は、ステップＳ１８に進み、充電モードが定電流モードから定電圧モードに切り替えられ、これ以降は、定電圧モードでの充電が行われる。定電圧モードでは、充電電圧４９．２Ｖ（４．１Ｖ／セル×１２セル）での定電圧モードよる充電が行われる。

このように構成された実施の形態３においては、電池監視制御手段３０は、充電途中の充電量が基準となる値Ｓ_Ｋに到達した単セル２の数の割合に応じて、段階的に充電電流を低減させることができるので、実施の形態２と同様に、単セル２が過充電となる可能性が高いか否かを的確に判断することが可能となる。

（実施の形態４）
以上、述べてきた実施の形態１〜３は、充電器としての整流器１０１とリチウムイオン組電池３を一対一で接続して回復充電する場合についての説明である。このような実施の形態は、電池で駆動する機器における組電池を機器から取り外した状態で回復充電を行う場合に相当している。一方、本発明の組電池充電方法は、据え置き用として通信用電源等の各種バックアップ用として使用されるリチウムイオン組電池にも適用できることは言うまでもない。以下に据え置き用途での実施の形態について説明する。

図９は、この発明の実施の形態４を示しており、リチウムイオン組電池３を浮動充電に適用した場合を示している。図９に示すように、整流器１０１には、リチウムイオン組電池３と直流負荷装置１０３が並列に接続されている。直流負荷装置１０３は、例えば情報通信用機器から構成されている。このように構成された実施の形態４においては、例えば停電により商用電源１００による直流負荷装置１０３への電力供給ができなくなった場合は、リチウムイオン組電池３の放電による直流負荷装置１０３への電力供給が行われる。そして、停電が復旧した場合は、整流器１０１から直流負荷装置１０３とリチウムイオン組電池３へ直流電力が供給され、この直流電力を使用してリチウムイオン組電池３の回復充電が行われる。この回復充電は、上述したように、最初は定電流モードで行われ、すべての単セル２が４．１Ｖに到達した時点で定電圧モードに移行する。この過程における各単セルの充電においては、これまでに述べてきた実施の形態のいずれもが適用可能である。

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４では、直流負荷装置１０３として情報通信機器に適用した場合を示しているが、入力電力として直流電力を用いるＵＰＳ（ＵＰＳ：ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）や、その他の設備に適用してもよい。また、上記の実施の形態では、リチウムイオン組電池３に流れる充電電流Ｉの低減を１段階としているが、複数段階にわたり充電電流Ｉを低減する構成としてもよい。
また、上述の実施の形態では、基準電圧値、設定電圧値をそれぞれ、４．０Ｖ、４．１Ｖとして説明したが、これらの電圧は、電池の特性に応じて最適値を選定するものであり、上述の実施の形態で用いた値に限定されるものではない。同様に、基準値Ｓ_Ｋ、設定値Ｓ_Ｓについても、上述の実施の形態に用いた値に限定されるものではない。

１リチウムイオン組電池充電システム
２リチウムイオンセル（単セル）
３リチウムイオン組電池
１０電池監視制御手段
１２充電電流バイパス回路
２０充電電流制限手段
３０電池監視制御手段
１００商用電源
１０１整流器
１０３直流負荷装置
Ｉ充電電流
Ｖ_Ｋ基準電圧値

Claims

複数の単セルを直列接続して構成されるリチウムイオン組電池を充電するとともに直流負荷設備に直流電力を供給する整流器を有し、商用電源の停電により前記整流器から直流負荷装置への電力供給ができなくなった場合は、前記リチウムイオン組電池の放電による前記直流負荷装置への電力供給を行い、前記停電が復旧した場合は、前記整流器から前記直流負荷装置と前記リチウムイオン組電池への電力供給を行うリチウムイオン組電池の充電システムであって、
前記各単セルに並列に接続され充電電流をパイパスさせることが可能な充電電流バイパス回路を有するセル電圧調整手段と、
前記セル電圧調整手段からの信号に基づき前記単セルの電圧監視および前記単セルを流れる充電電流の制御を行う電池監視制御手段と、
前記リチウムイオン組電池に直列接続され前記リチウムイオン組電池を流れる充電電流の調整が可能な充電電流制限手段と、
を備え、
前記整流器は、充電中における前記リチウムイオン組電池の電圧に基づき自動的に定電流モードから定電圧モードに移行することが可能であり、前記定電流モードによる充電においては充電電流は前記単セルが許容できる充電電流の最大値に設定され、
前記電池監視制御手段は、前記リチウムイオン組電池の放電後の前記定電流モードによる回復充電途中における前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した際は前記充電電流制限手段を介して前記リチウムイオン組電池の充電電流を段階的に低減させ、
前記充電電流制限手段によって低減される充電電流は、前記セル電圧調整手段における前記充電電流バイパス回路が許容する最大電流を超えない範囲に設定されている、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池の充電システム。
複数の単セルを直列接続して構成されるリチウムイオン組電池を充電するとともに直流負荷設備に直流電力を供給する整流器を有し、商用電源の停電により前記整流器から直流負荷装置への電力供給ができなくなった場合は、前記リチウムイオン組電池の放電による前記直流負荷装置への電力供給を行い、前記停電が復旧した場合は、前記整流器から前記直流負荷装置と前記リチウムイオン組電池への電力供給を行うリチウムイオン組電池の充電方法であって、前記各単セルに並列に接続されたセル電圧調整手段の充電電流バイパス回路によって充電電流をパイパスさせることを可能にし、前記セル電圧調整手段からの信号に基づき電池監視制御手段によって前記単セルの電圧監視および前記単セルを流れる充電電流の制御を行い、前記リチウムイオン組電池に直列接続された充電電流制限手段によって前記リチウムイオン組電池を流れる充電電流の調整を可能とし、前記整流器は、充電中における前記リチウムイオン組電池の電圧に基づき自動的に定電流モードから定電圧モードに移行することが可能であり、前記定電流モードによる充電においては充電電流は前記単セルが許容できる充電電流の最大値に設定され、前記リチウムイオン組電池の放電後の前記定電流モードによる回復充電途中における前記複数の単セルのうちの少なくとも１つの単セルの電圧または充電容量が基準値に到達した際は、前記電池監視制御手段によって前記充電電流制限手段を介して前記リチウムイオン組電池の充電電流を段階的に低減させ、前記充電電流制限手段によって低減される充電電流は、前記セル電圧調整手段における前記充電電流バイパス回路が許容する最大電流を超えない範囲に設定されている、ことを特徴とするリチウムイオン組電池の充電方法。