JP4633615B2 - 組電池および組電池の充電方法 - Google Patents

Description

この発明は、充電式電池を複数個使用して構成される組電池と、その充電方法に関する。特に、リチウムイオン二次電池で構成される組電池を最適な状態で充電するとともに安全性も確保するための構成を明らかにしている。

従来より、繰り返して充電を行い使用可能な、リチウムイオン二次電池が知られている。
このリチウムイオン二次電池は高エネルギー密度であり、パソコン、携帯電話等の主要電源として機器のコンパクト化に貢献している。このような高エネルギー密度の特徴が着目され、近年、自動車用、据え置き用のバックアップ電源としての用途への適用が検討されている。このような用途では、多数の電池が直列に接続された組電池状態で使用されるが、リチウムイオン電池では、放電及び充電過程における各セルの状態監視による保護が必要である。

すなわち、放電時にセル電圧が３V以下まで低下すると、負極の集電体となっている銅の溶出の可能性があり、銅が溶出するとセルが劣化する。一方、充電過程においては、セル電圧の上昇は電解液の分解等につながり電池特性の低下や、さらに電圧が上昇するとセルの破損や電解液の燃焼といった電池の安全性の低下にも繋がる恐れがある。

このようなことから、通常、組電池には監視装置が接続され、充電・放電時の電池状態のモニタリングが行われ、充電時に上昇が検出された際には充電器の停止、放電時に電圧低下が検出された際には、組電池の放電配線の開放等によって組電池の保護が行われる。このように従来の監視装置では、充電と放電に伴う状態監視機能を持った監視装置の設置が行われていた。

一方、近年、リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度の特徴が注目され、電気自動車への適用も試みられている。図１２は、リチウムイオン電池を自動車に適用した際の、組電池と充電器の接続を示した構成の一例である。
この例では、一定数のセルを直列接続した組電池毎にマネジメント装置が設置され、さらにその様な組電池が管理装置によって管理される構造である。そして、充電器は複数のセルが接続された組電池全体の出力に対して接続されるようになっている（非特許文献１参照）。

また、組電池の充電装置として、組電池を電気自動車の駆動用電池として使用する場合、自動車には組電池全体としての電圧を検出する１個の電圧センサを設けるだけで、放電容量を簡単に検出することができ、満充電を行わない場合でも各電池間のバラツキを減少させ、かつ大容量のＦＥＴやヒートシンクを用いることなく、各電池間のバラツキを減少させる組電池の監視装置（特許文献１参照）や、複数の電池要素を直列接続した組電池を充電するに際し、全ての電池要素を満充電とすることができる組電池の監視装置（特許文献２参照）等が知られている。

ところで、このようなリチウムイオン二次電池を電気自動車に使用する場合、燃費の観点から軽量化が求められているが、これにもかかわらず、マネジメント装置と一体となった組電池を使用していると電池全体の重量が増すので、多数の組電池を搭載するとマネジメント装置部の重量も無視できなくなってくる。

また、充電時には、車外に設置された充電器が組電池に接続され充電が行われるが、従来の組電池構成では全体に対して充電が行われる。従って、セル電圧の上昇防止を図る機能が必要であり、このために組電池には充電時のセル電圧バラツキ防止機能が必要であり、組電池の重量が増す要因になっていた。
特開平８−１９１８８号公報 （図１、要約書） 特開２００２−３５４６９９号公報 （図１、要約書） 福永他、「電気自動車用リチウムイオン電池の開発」、ＧＳニューステクニカルレポート、ｐ．２３、２０００年１２月、第２号

しかしながら、リチウムイオン二次電池を電気自動車に使用する場合、燃費の観点から軽量化が求められているが、これにもかかわらず、放電時の電圧低下の防止のみならず充電時のセル電圧の上昇防止を図るマネジメント装置と一体となった組電池を使用しているので電池全体の重量が増し、組電池全体の重量も無視できなくなっていた。

本願の解決しようという問題点は、この様な従来のリチウムイオン二次電池組電池の重量低減が困難であるという点である。本願は、上記の事情を鑑みてなされたもので、組電池の軽量化と充電の容易さ、充電時のセルの安全性を確保した、単独で充電可能な組電池を提供することを目的とする。

本願請求項１に記載の発明は、各単セルを個別に充電する充電器との接続用配線を有する複数個の単セルが直列に接続された組電池であって、前記組電池から負荷に放電する放電用配線と、前記放電用配線内に設置され、該配線を開放あるいは閉止するスイッチと、前記組電池内の各単セルの電圧をモニタし、前記組電池が負荷に放電している状態では、任意の単セルの電圧が放電終止電圧まで低下したら前記スイッチを開放させる制御信号を送出し、前記組電池が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器によって充電されている状態では、任意の単セルの電圧が充電電圧を超え指定された電圧に到達したら当該単セルに接続されている充電器を停止させる制御信号を送出し、全ての単セルの電圧が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器の充電電圧に到達したら前記スイッチを閉止させる制御信号を送出する電池監視制御部とを有し、前記組電池が一体となった構造を有し、負荷および各単セルの充電器に取り付け・取り外し可能で電気的に接続できることを特徴とする。

本願請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の組電池に係り、前記組電池を構成する単セルが、充電式のリチウムイオン二次電池であることを特徴とする。

本願請求項３に記載の発明は、組電池の充電方法に係り、組電池から負荷に放電する放電用配線と、放電用配線内に設置され、該配線を開放あるいは閉止するスイッチと、組電池内の各単セルの電圧をモニタし、該単セルの電圧に応じて前記スイッチの開閉を指示する制御信号を送出する電池監視制御部と、各単セルを個別に充電する充電器との接続用配線と、を有し、一体となった構造を有し、負荷および各単セルの充電器に取り付け・取り外し可能で電気的に接続できる組電池の充電方法であって、電池監視制御部は、全ての単セルの電圧を監視し、組電池が負荷に放電している状態では、任意の単セルの電圧が放電終止電圧まで低下したら前記スイッチを開放し、組電池が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器によって充電されている状態では、任意の単セルの電圧が充電電圧を超え指定された電圧に到達したら当該単セルに接続されている充電器を停止させる制御信号を送出し、全ての単セルの電圧が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器の充電電圧に到達したら前記スイッチを閉止させることを特徴とする。

本願請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の組電池の充電方法に係り、前記組電池を構成する単セルが、充電式のリチウムイオン二次電池であることを特徴とする。

以上のように本発明によると、組電池の重量低減を図り、安全で効果的に充電が可能な、リチウムイオン二次電池の組電池を実現することが出来る。

本発明によれば、充電方法を、組電池全体の充電でなく、組電池内の各セル毎に個別の充電器を接続して行う方法とすることで、従来使用されていたような充電時の電圧上昇に対する保護機能を監視装置から除くことが出来る。これによって組電池の重量低減を図ることができる。

以下、本発明の組電池について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本願に係る組電池２の構造を示す構成図である。
同図１に示すように、目的とする出力電圧を得るために必要となる個数の単セル１が直列に接続され、組電池２が構成されている。そして、組電池２には、各セル電圧を監視するためのセル電圧測定用配線５と、組電池２内の各セルを個別に充電するための充電用配線９が取り付けられている。さらに、組電池２が放電し任意のセル電圧が放電停止電圧まで低下した際、セル１の過放電を防止するために負荷と組電池間を切り離して放電を終了させるための放電用配線開放スイッチ３と、前述したような状況を検出した際、放電用配線開放スイッチ３に開放信号を送るスイッチ開放信号送出用配線４と、組電池２内の個々のセル１を充電する際に充電器を接続するためのコネクタ７と、組電池２内の任意のセル１の電圧が規定の電圧まで上昇した際これを検出して当該セル１に接続されている充電器を停止するための信号を送出する、充電器停止信号送出用配線８と、過放電、過充電から各セルを防止するために各セルの電圧の監視を行い、必要に応じて放電用配線の開放信号や充電器の停止信号の送出を行う電池監視制御部６によって構成されている。

図２から図５は、本発明の組電池２に係る一実施の形態である電池監視制御部６に使用されるセル電圧の監視による放電用配線開放スイッチ３の開閉信号を送出するための回路図であり、図６は、充電器の停止信号を送出するための回路図である。

図２において、２１は、セル電圧を検出し、過放電電圧まで低下しているか否かを検出する過放電検出回路である。放電用配線開放スイッチ３（以下、単に「スイッチ」ともいう）は、セル電圧が過放電電圧以下になったとき、２１の過放電検出回路からの制御信号２２を受けて、組電池２と負荷（図２では図示しない）との配線を切り離すためのものである。

図３は、図２を実現するための具体的な回路の一例である。図３において、Ｃ１およびＣ２は、セル電圧検出器、Ｅ１は、過放電電圧の基準電圧、Ｄ１は、セル電圧と基準電圧を比較するための比較器である。セル電圧は、比較器Ｄ１の＋入力端子に、基準電圧Ｅ１は比較器Ｄ１の−入力端子に接続されている。
また、比較器Ｄ１の駆動電源は、該セル１から得ている。セル電圧が基準電圧Ｅ１よりも高いと比較器Ｄ１の出力である制御信号２２は電圧有り（信号Ｈ）を出力する。
一方、セル１が過放電になり、セル電圧が基準電圧よりも低くなると比較器Ｄ１の出力である制御信号２２は電圧無し（信号Ｌ）となる。そして、放電用配線開放スイッチ３は、制御信号２２の電圧無し（信号Ｌ）を受けると動作してスイッチ３を開放し、制御信号２２（電圧有り：信号Ｈ）を受けた時には動作せずスイッチ３が閉じた状態を保つ。
なお、万一、過放電が進み、セル電圧が比較器Ｄ１の動作電圧以下になると、比較器Ｄ１は動作が停止し、比較器Ｄ１の出力である制御信号２２は電圧無し（信号Ｌ）となる。従って、このような状態ではスイッチ３は開放して組電池の放電を停止させる。このように、セル電圧が基準電圧以上の時のみ、放電用配線開放スイッチ３の制御信号２２は電圧有り（信号Ｈ）となり、放電回路の配線が確保される。ここで、放電用配線開放スイッチ３にはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いることもできる。

本願では、対象の電池が一個ではなく複数が直列に接続されている。そこで、この様な構成の組電池２には、図４のような構成で対応する。すなわち、図３に示した回路を各セル１に接続した後、各回路からの制御信号２２をＡＮＤ回路Ｆ１に集約する。そして、ＡＮＤ回路Ｆ１の出力を放電用配線開放スイッチ３に接続する。この様な構成になっているので、ＡＮＤ回路Ｆ１は、各セルに接続されている比較器Ｄ１からの出力信号のすべてが電圧有り（信号Ｈ）である時にのみ信号Ｈを出力し、これ以外で任意のセルに接続された比較器からの信号にＬが含まれている場合、Ｌ信号を送出する。これによって、直列に接続されたセル１のいずれか１つでも過放電電圧に達したとき、負荷を切り離すためにスイッチ３に送出される信号は電圧無し（信号Ｌ）となり、組電池２は負荷への放電線から切り離される。

図５は、基準電圧Ｅ１を実現する回路の構成例である。抵抗Ｃ３と定電圧ダイオードＧ１を加えて構成される構成図である。定電圧ダイオードＧ１は一定の電圧Vzを発生する。たとえば、セル１の過放電電圧をVaとする。分圧器の抵抗Ｃ１と抵抗Ｃ２の抵抗値（Rc1,Rc2）が等しいとすると定電圧ダイオードの電圧VzがVaの1/2の定電圧ダイオードを選択すればよい。または、Rc2/(Rc1+Rc2)がVz/Vaと等しくなるようにRc1,Rc2を選択することで実現できる。

一方、セル電圧が規定の値を越えて上昇した場合に組電池２を保護することも必要である。通常、充電器にこの様な機能は付与されているが、充電器の故障によるセル１の電圧上昇を防止することはリチウムイオン電池の安全性を確保し、組電池２の信頼性の確保に繋がるものである。そこで本願では、電池監視制御部６に、このような機能を付与している。

図６は、このようなセル電圧の上昇から、組電池２を保護するための過充電防止制御回路の基本構成図である。図６（ａ）は、基本回路構成で、セル電圧を過充電検出回路４０に入力し、過充電検出回路で過電圧を検出すると、セルを充電している充電器４２に制御信号２２を送り、充電を停止する場合の制御方法を示した概略図である。図６（ｂ）は、その回路の詳細を示した構成図である。
セル電圧を比較器Ｄ１の−入力端子に、過充電の基準電圧Ｅ２を比較器Ｄ１の＋入力端子に接続する。これにより、セル電圧が過充電の基準電圧Ｅ２を超えるまでは比較器Ｄ１の出力は信号Ｈに、基準電圧Ｅ１を超えると信号Ｌになる。よって、過充電検出回路からの制御信号２２が信号Ｌになったら充電回路の充電を停止するように制御する。

複数のセル１が直列に接続される構成では、図４と同様に各々のセル１に接続された比較器の出力をＡＮＤ回路に入力する。これによって、セル１の比較器の出力がすべて電圧有り（信号Ｈ）、すなわち、すべてのセル１が過充電の基準電圧以下の時、ＡＮＤ回路の出力が電圧有り（信号Ｈ）、また、いずれかのセル１が過充電のときＡＮＤ回路の出力が電圧無し（信号Ｌ）となる。よって、ＡＮＤ回路の出力が電圧無し（信号Ｌ）のとき充電回路を停止するように制御することで過充電を防止することができる。また、過充電の基準電圧は図５と同様に定電圧ダイオードなどを用いることで実現する。

次に、本発明の組電池２の使用形態について説明する。
図７は、本願の組電池２を充電し、負荷５０に接続した状態を示す説明図である。なお、組電池２の放電線の開放スイッチ３は組電池内、あるいは負荷側に有っても良い。

本実施例１では、放電時に任意のセル電圧が電池保護に必要となる電圧（例えば、３Ｖ）まで低下すると、電池監視制御部６の送出する信号によって、放電用配線開放スイッチ３が開放され、組電池２の過放電を防止することができる。この状態で、組電池２の放電が終了する。
そこで、組電池２が負荷５０に接続されていた場合、負荷５０から取り外し、又は、負荷５０と組電池２の電気的な接続状態を解除する。続いて組電池２の充電を行う。

図８は、放電終了後の本発明の組電池２を負荷（図示外）から取り外し、本発明にによる充電方法によって各セル１を個別に充電する際の接続状況を示した説明図である。
充電器４２は、セル温度の測定を行い、温度が上昇した場合、充電の停止等の措置も行いうる（充電器からのセル温度検出センサは図に不示）。これらの用途は、負荷への装着・使用、取り外し・充電という使用方法であり、組電池２の使用形態は充放電サイクル使用である。充電器としては、図９に示すように出力が複数となった一台の充電器４２であっても良い。

放電終了後の組電池２の充電は、従来の場合、組電池２の全体の端子に充電器を接続し、単セルの充電電圧に組電池内のセル数を乗じた電圧を加えて充電が行われる。しかし、この充電の場合、組電池内のセル電圧のバラツキが生じやすく、各セルの電圧の均等化のための回路が必要になっていた。しかるに、本発明の組電池２においては、組電池２内の個々のセル１に対して専用の充電器４２を接続して同一の電圧で充電を実施し、セル１の放電状態に対応した最適な条件下で充電を行わせることができる。セル１の電圧制御は充電用電源によって行われ、充電が完了すればセル電圧は設定されている充電電圧で維持され端子電圧が危険な領域まで上昇することがなくなる。

なお、充電中、電池監視制御部６は各セル１の電圧を計測しており、全てのセル１の電圧が充電器４２の出力電圧に等しくなった事が確認されると、組電池２の放電線内に設置された放電用配線開放スイッチ３を閉止し、充電後の組電池２を再度負荷設備に接続した後の放電に備えることができる。この時、組電池内の任意のセルに接続された充電器４２が動作不良を起こし、セル１の充電不足が生じた場合には、放電用配線開放スイッチ３が閉じないので、充電不足の組電池２を負荷に接続することが防止され、組電池２内のセル１、もしくは充電器４２の異常検出を行う事が出来る。
図８、図９においては、組電池２の放電用配線開放スイッチ３は組電池２内に配置した例を示しているが、組電池２外部の負荷側に設けても良い。

さらに、本発明では、各セル１の充電を専用の充電器４２で行うようにしているが、セル１の過充電を防止する機能をも有する。すなわち、通常、充電用の直流電源に安全機構が付加されているが、万一、充電器４２に故障が生じた場合にはこの機能によってセル１の破損防止を図る。この機能は、充電進行中に各セル電圧の監視を行い、回復充電電圧を超えて危険な電圧まで到達した場合、当該セル１の充電器４２の停止信号、もしくは充電器の入力電源（商用電源）を停止させる信号を送出するもので、充電器４２、あるいは、セル１そのものに故障が生じた場合、組電池２の安全性の確保を図ることができる。

図１０、図１１は、各種バックアップ用に使用される交流電源システムに、本発明の組電池２を適用した場合の他の実施例を示す説明図である。本実施例は、いずれも蓄電池２が常時維持充電され非常時のバックアップ電源として備えるトリクル充電によるものである。
図１０に示す上記実施例１は、整流器７０の出力に電池投入スイッチ７３を介して組電池２の出力端が接続された例である。通常、ＡＣ負荷７２には整流器７０の出力から電力が供給されている。
一方、組電池２は専用の充電器４２によって常時充電が行われ、完全充電状態で維持される。この充電状態にある組電池２の出力部の配線と整流器７０の出力部の配線は電池投入スイッチ７３によって隔離されているが、整流器の故障等、蓄電池放電が必要になった際、電池投入スイッチ７３が閉じ、組電池からＡＣ負荷７２に対する放電が行われる。この放電中に組電池２内の任意のセル１において電圧が放電を停止する値まで低下したら、電池保護の観点から放電用配線開放スイッチ３が開放されて組電池２からの放電が停止し、セルの保護が行われる。
なお、停電や整流器の故障が終了した場合、電池投入スイッチ７３、および、放電用配線開放スイッチ３が閉じ、組電池２の充電は各セル１に対応した充電器４２によって行われる。セル電圧が規定値を越えるような場合には、そのような電圧を示したセル１に接続されている充電器が停止される。

図１１は、組電池出力部に直流／交流変換器７１を配置して構成される交流電源システムの第二の実施例である。この方式のシステムが、図１０に示した実施例１と異なる点は、組電池２の出力にＤＣ／ＡＣ変換器７１が接続されていることである。このＤＣ／ＡＣ変換器７１が、図１０に示した実施例１における電池投入スイッチ７３の役割と組電池出力の直流を、負荷が必要とする交流に変換する。
本実施例２においては、通常、組電池２は各セル１の充電器４２によって維持充電が行われており、整流器７０の故障等、蓄電池放電が必要になると、直流／交流変換器７１によって組電池２の直流出力が交流に変換された後、ＡＣ負荷７２に対する放電が行われる。
停電や整流器４２の故障が終了した場合、直流／交流変換器７１は、内蔵するスイッチを開放することで組電池２を負荷から切り離し、それと共に組電池２からの電力の変換動作も終了させる。
組電池２の充電は、実施例１と同様に各セルに対応した充電器によって行われ、充電中の各セルの保護は図１０の例と同様に行われる。

本発明において使用される電池監視制御部６は、上記説明した様な構成になっているので、セル電圧の異常を検出すると、組電池２の放電回路の遮断、および充電器４２の停止をセル個別に行うことができ、組電池２において放電時のセルの過放電防止と効率的な回復充電を行うことが出来ると言った大きな効果を有する。

以上説明したように、本発明による組電池および組電池の充電方法は、電気自動車のように電池の放電と充電を交互に繰り返すサイクル使用や、各種バックアップ電源システムで使用されるトリクル充電使用のいずれの使用形態に対しても対応可能であり、充電時に組電池内の各セルに対して電圧モニタと制御を行うこと無しに、各セルの単独充電によって組電池の充電を効果的に行う事ができる。本発明は、組電池の軽量化や安全性の向上に寄与するので、産業上からも極めて有効である。

本発明の一実施の形態に係る組電池の構造を示す構成図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池に使用する電池監視制御部における過放電防止回路の回路図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池に使用する電池監視制御部における過放電防止回路の回路図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池に使用する電池監視制御部における過放電防止回路の回路図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池に使用する電池監視制御部における過放電防止回路に使用される基準電圧発生回路の回路図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池に使用する電池監視制御部における過充電防止回路の回路図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池を充電し、負荷に接続した様子を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池の各セルを個別に充電する際の接続状況を示した説明図である。 本発明の一実施の形態に係る組電池を充電器に接続した様子を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態に係る組電池を交流電源システムに適用した説明図である。 本発明の他の実施の形態に係る組電池を交流電源システムに適用した説明図である。 従来の、リチウムイオン電池を搭載した電気自動車における組電池の管理方式と充電方法の説明図である。

符号の説明

１ 単セル
２ 組電池
３ 放電用配線開放スイッチ
４ スイッチ開放信号送出用配線
５ セル電圧測定用配線
６ 電池監視制御部
７ 充電器とのコネクタ
８ 充電器停止信号送出用配線
９ 充電用配線
１０ 放電用配線
２１ 過放電検出回路
２２ 制御信号
４０ 過充電検出回路
４２ 充電器
５０ 負荷
７０ 整流器７１ ＤＣ／ＡＣ変換器
７２ ＡＣ負荷
７３ 電池投入スイッチ

Claims (4)

1. 各単セルを個別に充電する充電器との接続用配線を有する複数個の単セルが直列に接続された組電池であって、
   前記組電池から負荷に放電する放電用配線と、
   前記放電用配線内に設置され、該配線を開放あるいは閉止するスイッチと、
   前記組電池内の各単セルの電圧をモニタし、前記組電池が負荷に放電している状態では、任意の単セルの電圧が放電終止電圧まで低下したら前記スイッチを開放させる制御信号を送出し、前記組電池が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器によって充電されている状態では、任意の単セルの電圧が充電電圧を超え指定された電圧に到達したら当該単セルに接続されている充電器を停止させる制御信号を送出し、全ての単セルの電圧が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器の充電電圧に到達したら前記スイッチを閉止させる制御信号を送出する電池監視制御部と
   を有し、
   前記組電池が一体となった構造を有し、負荷および各単セルの充電器に取り付け・取り外し可能で電気的に接続できることを特徴とする組電池。
2. 前記組電池を構成する単セルが、充電式のリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 組電池から負荷に放電する放電用配線と、
   放電用配線内に設置され、該配線を開放あるいは閉止するスイッチと、
   組電池内の各単セルの電圧をモニタし、該単セルの電圧に応じて前記スイッチの開閉を指示する制御信号を送出する電池監視制御部と、
   各単セルを個別に充電する充電器との接続用配線と、を有し、一体となった構造を有し、負荷および各単セルの充電器に取り付け・取り外し可能で電気的に接続できる組電池の充電方法であって、
   電池監視制御部は、全ての単セルの電圧を監視し、
   組電池が負荷に放電している状態では、任意の単セルの電圧が放電終止電圧まで低下したら前記スイッチを開放し、
   組電池が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器によって充電されている状態では、任意の単セルの電圧が充電電圧を超え指定された電圧に到達したら当該単セルに接続されている充電器を停止させる制御信号を送出し、全ての単セルの電圧が各単セルに前記接続用配線により個別に接続された充電器の充電電圧に到達したら前記スイッチを閉止させることを特徴とする組電池の充電方法。
4. 前記組電池を構成する単セルが、充電式のリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項３に記載の組電池の充電方法。

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