JP5582898B2 - 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て構成される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二次電池（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。このようにしてリチウムイオン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二次電池の充電状態にバラツキが生じる場合がある。しかしながら、このような電圧のバラツキがあると、電圧の低いリチウムイオン二次電池は放電終止電圧を下回り、過放電状態となるおそれがある。さらに、電圧の低いリチウムイオン二次電池へ、他のリチウムイオン二次電池から放電電流が逆流する恐れもある。

そこで、過放電を防止するために、いずれかのリチウムイオン二次電池の電圧が所定の電圧（放電終止電圧など）に達したときに、組電池と負荷とを切り離して放電を終了させる技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

このように、リチウムイオン二次電池では、その特性、容量および放電電流などに応じて、放電を終了させるべき仕様上の放電終止電圧が規定、設定され、この放電終止電圧で放電を終了させることで、電池の過放電を防止して、電池を適正に運用できるようにしている。

また、放電時の逆充電を防止するために、並列に接続された二次電池パッケージにそれぞれダイオードを直列に接続し、他の二次電池パッケージから低電圧の二次電池パッケージへの放電電流の逆流を防止する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００８−１８２７７９号公報 特開２００７−５３８９９号公報 特開２００９−１４８０９９号公報

ところで、リチウムイオン組電池を、通信機器や医療機器などのバックアップ用電源として用いる場合、商用電源からの電力供給が停止する停電時などにおいては、リチウムイオン組電池から電力が供給されるようになっている。しかしながら、例えば地震などの災害によって商用電源の復旧に長時間を要する場合などには、長時間にわたってリチウムイオン組電池から電力が供給されることが想定される。このような場合、いずれかのリチウムイオン二次電池の電圧が放電終止電圧を超え、さらに低い電圧まで放電する場合があり得る。つまり、いずれかのリチウムイオン二次電池が過放電状態となり、過放電状態となったリチウムイオン二次電池へ、電圧が高い他のリチウムイオン二次電池から放電電流が逆流（逆充電、転極充電）するおそれがある。

しかしながら、こうした逆充電が起こると、陰極（負極）の塗布基材である銅箔がイオンとなって電解液中に溶出し、次の充電時に銅となってセル内部に析出する。特に、銅が正極に析出した場合には、正極の機能が低下し、容量低下を招くことになる。また、電解液中のリチウムイオンが金属リチウムとなり正極に析出する。このようにして、二次電池として機能しなくなり、また、放電後の回復充電の際に、内部短絡や異常発熱などに至るおそれがある。しかも、リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高いために、短絡時には急激に過熱する危険性が高い。したがって、重要性の高い通信機器などのバックアップ用電源などに用いられるリチウムイオン組電池では、いずれかのリチウムイオン二次電池が過放電状態となった場合であっても、確実に逆充電を防止する必要があると、本出願人は考えるに至った。

そこでこの発明は、停電時などにおいて負荷設備への電力供給を維持し、かつ、過放電時の逆充電を確実に防止することが可能なリチウムイオン二次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て構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用されるリチウムイオン組電池を管理するリチウムイオン組電池の管理装置であって、前記各リチウムイオン二次電池に対して並列に接続され、リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させる逆流防止手段と、前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する充電回避手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、リチウムイオン組電池全体が放電し、いずれかのリチウムイオン二次電池の電圧が所定の電圧（放電終止電圧など）に達した場合、逆流防止手段によって、接続された状態のこのリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が逆流することが防止し、前記放電電流が迂回される。その後、例えば、リチウムイオン組電池を回復充電しようとしても、過放電状態にあるリチウムイオン二次電池が１つでもある場合には、充電回避手段によって、当該組電池の充電が回避される。

請求項２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て構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用されるリチウムイオン組電池を管理するリチウムイオン組電池の管理方法であって、前記リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、前記各リチウムイオン二次電池に対して並列に接続された逆流防止手段によって当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させ、前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定手段によって測定し、前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、充電回避手段によって前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する、ことを特徴とする。

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て構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用される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対して並列に接続され、リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させる逆流防止手段と、前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する充電回避手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１から３に記載の発明によれば、いずれかのリチウムイオン二次電池の電圧が所定の電圧に達した場合であっても、この所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に対して他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が逆流することがない。このため、いずれかのリチウムイオン二次電池の電圧が所定の電圧に達した後に、組電池全体の放電を継続して、負荷設備への電力供給を維持しても、逆充電を確実に防止することができる。

また、いずれかのリチウムイオン二次電池が過放電した場合には、当該組電池全体を充電しようとしても、組電池への回復充電が回避されるので、回復充電に伴う内部短絡や異常発熱などがなくなり、組電池の安全性を高めることができる。

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管理装置を無停電電源装置に適用した状態を示す概略構成図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置の通常の放電状態を示す図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置で一部のリチウムイオンセルが過放電状態である場合を示す図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置の放電時における処理、作用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の管理装置を無停電電源装置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、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池管理装置（以下、単に「管理装置」という）を備えたリチウムイオン組電池システム１を無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）に適用した状態を示す概略構成図である。この実施の形態では、リチウムイオン組電池２０を負荷設備１０３のバックアップ用電源とし、リチウムイオン組電池２０をフロート充電で運用する場合について説明する。

このリチウムイオン組電池システム１は、放電して負荷設備１０３に電力を供給する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を管理する管理装置を備えるものである。そして、このリチウムイオン組電池２０は、負荷設備１０３と並列に電力供給系統に接続されている。

すなわち、商用電源１００が、交流直流変換器１０１および直流交流変換器１０２を介して負荷設備１０３に接続されるとともに、交流直流変換器１０１を介してリチウムイオン組電池２０に接続されている。これにより、商用電源１００からの交流電力が、負荷設備１０３に供給されるとともに、交流直流変換器１０１によって直流に変換されて、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。また、リチウムイオン組電池２０と負荷設備１０３とが直流交流変換器１０２を介して接続され、リチウムイオン組電池２０からの電力が、直流交流変換器１０２で交流に変換されて、負荷設備１０３に供給されるようになっている。

そして、すべてのリチウムイオンセル２には、並列にダイオード（逆流防止手段）３が接続されている。このダイオード３は、リチウムイオンセル２が所定の電圧まで放電した場合に、このリチウムイオンセル２に他のリチウムイオンセル２からの放電電流が流れること（逆充電）を防止するものである。具体的には、リチウムイオンセル２の負極側から正極側への電流の流れのみを許容する機能、つまり、リチウムイオンセル２側からの放電電流のみを受け、リチウムイオンセル２側への充電電流の流れを受けない機能を有している。また、ダイオード３に放電電流が流れる電圧（しきい値電圧）は、この実施の形態では、略０Ｖに設定されている。すなわち、リチウムイオンセル２の電圧が略０Ｖとなった場合に、このリチウムイオンセル２と並列に接続されたダイオード３に、他のリチウムイオンセル２からの放電電流が流れるように設定されている。ここで、このダイオード３のしきい値電圧は、ダイオードに用いられる金属や半導体の種類、不純物濃度などによって、設定、選択される。

このようなダイオード３を備えることで、後述するように、リチウムイオンセル２の電圧が略０Ｖに達するまでは、各リチウムイオンセル２からの放電電流が順次リチウムイオンセル２を介して負荷設備１０３側に送られる。続いて、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が略０Ｖに達すると、このリチウムイオンセル２に接続されたダイオード３を迂回して、他のリチウムイオンセル２からの放電電流が負荷設備１０３側に送られるようになっている。

測定部（測定手段）４は、リチウムイオン組電池２０に取り付けられ、各リチウムイオンセル２の電圧を測定し、メモリ（図示せず）に記憶する装置である。そして、例えば後述するように、リチウムイオン組電池２０が放電した際に、全リチウムイオンセル２の放電完了時（放電末期）を含む電圧を測定し、記憶する。

このような測定部４に、制御部（充電回避手段）５が通信可能に接続されている。この制御部５は、測定部４によって測定、記憶された電圧に基づいて、交流直流変換器１０１をオン・オフ制御するものである。具体的には、放電したリチウムイオン組電池２０を回復充電する前に、測定部４によって測定、記憶された放電末期の各リチウムイオンセル２の電圧に基づいて、リチウムイオン組電池２０のなかに過放電状態にあるリチウムイオンセル２があるか否かを判定する。そして、過放電状態にあるリチウムイオンセル２があると判定した場合には、交流直流変換器１０１に「オフ指令」を送信するものである

ここで、各リチウムイオンセル２が過放電状態か否かの判定は、放電末期の各リチウムイオンセル２の電圧が、過放電と認められる電圧ＶＣ以下に達したか否かによって行う。また、過放電と認められる電圧ＶＣは、放電終止電圧（放電を終了すべき電圧）や、リチウムイオン組電池２０の経年、周囲温度、あるいは放電電流の大きさなどに基づいて設定され、例えば、２．４Ｖに設定されている。

以上のようなダイオード３、測定部４、制御部５によって、リチウムイオン組電池２０を管理する管理装置が構成されている。

この管理装置とリチウムイオン組電池２０とによって、リチウムイオン組電池システム１が構成され、この実施の形態では、リチウムイオン組電池システム１が交流直流変換器１０１および直流交流変換器１０２に対して着脱自在に接続されている。また、リチウムイオン組電池２０は、管理装置に対して着脱自在に接続されている。

次に、このような構成の管理装置の作用および、この管理装置によるリチウムイオン組電池２０の管理方法（以下、単に「管理方法」という）などについて説明する。

まず、維持充電（フロート充電）時においては、商用電源１００から負荷設備１０３およびリチウムイオン組電池２０に対して電力が供給され、リチウムイオン組電池２０が充電される。この充電時おいては、充電電流は各リチウムイオンセル２を流れ、ダイオード３には流れない。この充電時おいては、測定部４によって、各リチウムイオンセル２の電圧が測定される。

次に、商用電源１００の停電や交流直流変換器１０１の故障などによって、商用電源１００から負荷設備１０３への電力供給が停止されると、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から負荷設備１０３に電力が供給される。この放電中においては、各リチウムイオンセル２の電圧が所定値（略０Ｖ）となるまでは、図２に示すように、放電電流は各リチウムイオンセル２を流れる。続いて、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が所定値に達すると、図３に示すように、このリチウムイオンセル２においては、他のリチウムイオンセル２からの放電電流はダイオード３を流れる。つまり、このリチウムイオンセル２においては、他のリチウムイオンセル２からの放電電流が、ダイオード３にバイパス・迂回され、このリチウムイオンセル２には流れない。これにより、このリチウムイオンセル２の逆充電が防止された状態で、負荷設備１０３への電力供給が継続される。このようにして、図４に示すように、商用電源１００からの電力供給が可能（復旧）になるまで放電が継続される（ステップＳ１１）。この放電中においては、少なくとも放電が終了するまで、測定部４によって、各リチウムイオンセル２の電圧が測定される。

続いて、ステップＳ１１で商用電源１００からの電力供給が復旧したと判断された場合（「ＹＥＳ」の場合）は、ステップＳ１２において、リチウムイオン組電池２０のなかに過放電状態にあるリチウムイオンセル２があるか否かが判定される。すなわち、制御部５によって、測定部４によって測定、記憶された各リチウムイオンセル２電圧が、所定値ＶＣを下回るか否かを判定する。そして、過放電状態にあるリチウムイオンセル２があると判定された場合（「ＹＥＳ」の場合）、には、交流直流変換器１０１に「オフ指令」が送信される。これにより、交流直流変換器１０１がオフし、リチウムイオン組電池２０に対する充電が行われない。一方、制御部５によって過放電状態にあるリチウムイオンセル２がないと判定された場合（「ＮＯ」の場合）は、ステップＳ１３に進み、交流直流変換器１０１のオン状態が維持され、商用電源１００から負荷設備１０３およびリチウムイオン組電池２０に対して再び電力が供給され、リチウムイオン組電池２０が充電される。

以上のように、このリチウムイオン組電池システム１によれば、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が所定の電圧（略０Ｖ＝過放電状態）に達した場合であっても、このリチウムイオンセル２に対して他のリチウムイオンセル２からの放電電流が逆流することがない。このため、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が所定の電圧に達した後に、リチウムイオン組電池２０全体の放電を継続して、負荷設備１０３への電力供給を維持しても、リチウムイオンセル２の逆充電を確実に防止することができる。

ここで、通常は、過放電を防止するために、リチウムイオン組電池２０全体の総電圧が所定の電圧（総放電終止電圧）に達した時点、あるいはいずれかのリチウムイオンセル２のセル電圧が所定の電圧（セル放電終止電圧）に達した時点で、放電が終了される。しかしながら、負荷設備１０３が重要性の高い通信機器や、地震などの災害時などの場合には、放電終止電圧に達しても、リチウムイオン組電池２０の放電が継続される場合がある。例えば、災害時には、商用電源１００の復旧に長時間を要するため、リチウムイオン組電池２０が回復充電されない状態が続き、さらに、このリチウムイオン組電池２０が接続されている負荷設備１０３は、停止することが許されない通信設備などであるため、負荷設備１０３を停止できない。このため、長時間にわたってリチウムイオン組電池２０から電力が供給され続けることが想定される。そして、このような災害時などでも、この実施の形態によれば、リチウムイオン組電池２０から放電を継続し、そのうちのリチウムイオンセル２が過放電状態となっても、逆充電を確実に防止することができるものである。

また、このようにして逆充電を確実に防止することができるため、過放電状態からの充電による異常発熱などの不具合を回避することができる。

また、リチウムイオンセル２の電圧が所定電圧になった場合に、放電電流はダイオード３へ迂回するので、つまり、所定電圧まではダイオード３には放電電流が流れないので、ダイオード３での放電電流の消費を抑制することが可能である。つまり、リチウムイオン組電池２０の放電容量をより有効に発揮することが可能である。

また、いずれかのリチウムイオンセル２が過放電した場合には、当該リチウムイオン組電池２０を充電しようとしても、当該リチウムイオン組電池２０の回復充電が回避されるので、回復充電に伴う内部短絡や異常発熱などがなくなり、リチウムイオン組電池２０の安全性を高めることができる。

以上のように、災害などよる停電時などに、長時間にわたって、リチウムイオン組電池２０から負荷設備１０３への電力供給をより安全に維持することが可能となる。

（実施の形態２）
図５は、この実施の形態に係る管理装置を備えたリチウムイオン組電池システム１を無停電電源装置に適用した状態を示す概略構成図である。この実施の形態では、スイッチ６を備えた点で、実施の形態１と異なり、その他については、実施の形態１と同等である。このため、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。

すなわち、この実施の形態では、制御部５とスイッチ６とが通信可能に接続され、回復充電時に、制御部５によって、図４に示すフローチャートの、ステップＳ１２において、リチウムイオン組電池２０のなかに過放電状態にあるリチウムイオンセル２があるか否かが判定され、過放電状態にあるリチウムイオンセル２があると判定された場合（「ＹＥＳ」の場合）は、スイッチ６に「切断（開）指令」が送信される。これにより、商用電源１００からリチウムイオン組電池２０への電力の供給が停止され、リチウムイオン組電池２０に対する充電が行われない。一方、制御部５によって過放電状態にあるリチウムイオンセル２がないと判定された場合（「ＮＯ」の場合）は、スイッチ６の接続（閉）状態が維持され、リチウムイオン組電池２０に対する充電が行われるものである。

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、この実施の形態では、ダイオード３に放電電流が流れる電圧が、略０Ｖに設定されている。つまり、リチウムイオンセル２が過放電状態になった後に、放電電流がダイオード３をバイパス・迂回するようになっているが、過放電状態になる前、例えば、放電終止電圧に達した時点で、放電電流をダイオード３にバイパス・迂回させるようにしてもよい。さらに、ダイオード３に放電電流が流れる電圧をマイナスの値に設定し、逆充電状態（転極状態）となる時点で、放電電流をダイオード３にバイパス・迂回させるようにしてもよい。

また、１組のリチウムイオン組電池２０を有する場合について説明したが、リチウムイオン組電池２０を並列に複数接続した場合にも、適用することができる。さらに、リチウムイオン組電池２０を無停電電源装置に適用した場合について説明したが、整流装置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）
３ ダイオード（逆流防止手段）
４ 測定部（測定手段）
５ 制御部（充電回避手段）
６ スイッチ
２０ リチウムイオン組電池
１０３ 負荷設備

Claims (3)

1. リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されて構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用されるリチウムイオン組電池を管理するリチウムイオン組電池の管理装置であって、
   前記各リチウムイオン二次電池に対して並列に接続され、リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させる逆流防止手段と、
   前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定する測定手段と、
   前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する充電回避手段と、
   を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池の管理装置。
2. リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されて構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用されるリチウムイオン組電池を管理するリチウムイオン組電池の管理方法であって、
   前記リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、前記各リチウムイオン二次電池に対して並列に接続された逆流防止手段によって当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させ、
   前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定手段によって測定し、
   前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、充電回避手段によって前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する、
   ことを特徴とするリチウムイオン組電池の管理方法。
3. リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されて構成され、負荷設備と並列に電力供給系統に接続されるとともに前記電力供給系統からの電力によりフロート充電で運用される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対して並列に接続され、リチウムイオン二次電池が所定の電圧まで放電した場合に、当該所定の電圧まで放電したリチウムイオン二次電池に他のリチウムイオン二次電池からの放電電流が流れることを防止するために前記放電電流を迂回させる逆流防止手段と、
   前記各リチウムイオン二次電池の電圧を測定する測定手段と、
   前記測定手段によって測定された電圧に基づき、前記リチウムイオン組電池のなかに過放電状態のリチウムイオン二次電池があると判定した場合は、前記電力供給系統と前記リチウムイオン組電池とを接続する回路に設けられたスイッチに開指令を送信する充電回避手段と、
   を備え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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