JP2011029009A

JP2011029009A - リチウムイオン組電池管理装置、管理方法およびリチウムイオン組電池システム

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Publication number: JP2011029009A
Application number: JP2009173887A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Tsujikawa; 知伸辻川
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: JP5409163B2

Abstract

【課題】複数のリチウムイオン二次電池を組電池としてフロート充電使用する場合に、より高い安全性を確保する。
【解決手段】充電を開始してから単組電池３の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、単組電池３内のリチウムイオンセル２の充電電圧が所定電圧外の場合に、このリチウムイオンセル２の充電電圧を所定電圧内に調整し、充電量が所定充電量に達しても充電初期状態を脱しない場合に、この単組電池３の充電を停止するとともに、この単組電池３からの放電は常時可能な状態とする。
【選択図】図６

Description

この発明は、リチウムイオン二次電池を複数接続した組電池を管理するリチウムイオン組電池管理装置、管理方法および、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。一方、リチウムイオン二次電池は、過充電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、組電池として使用する場合に、各リチウムイオンセルを適正に充電するために、バイパ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を直列に接続して電池回路列を構成し、この電池回路列を複数並列に接続する。また、各リチウムイオンセルにバイパス回路を設け、それぞれのリチウムイオンセルが充電完了電圧に達した際に、対応するバイパス回路で充電電流をバイパスし、さらに、同一電池回路列内のすべてのリチウムイオンセルが充電完了電圧に達した場合に、この電池回路列を充電回路から切り離す。これにより、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２００６−３１８８４３号公報

ところで、充電電圧が高いリチウムイオンセルに対して充電電流をバイパスしたり、放電させたりしても、各リチウムイオンセルを適正に充電できない場合がある。すなわち、リチウムイオンセルの異常により、バイパスなどをしても充電電圧が下がらない場合や、一部のリチウムイオンセルの充電電圧が上がらない場合がある。このような場合、上記特許文献１に記載のように充電完了電圧に達したリチウムイオンセルの充電電流をバイパスなどしても、各リチウムイオンセルを適正に充電できないばかりでなく、このような充電状態を継続することで、すべてのまたは一部のリチウムイオンセルが過充電状態となる場合がある。すなわち、単に充電電流をバイパスなどするのみでは、過充電を防止することができず、異常発熱などを招くおそれがある。

特に、リチウムイオンセルがフロート充電（浮動充電）状態で使用・運用される場合、常に充電状態となっているため、上記のようにリチウムイオンセルの異常がある場合、過充電、さらには異常発熱などを招くおそれが高い。さらに、組電池の総電圧が所定のフロート充電電圧に達する前の充電初期においては、リチウムイオンセルの特性や仕様容量、残容量などに応じて、充電電流の変化や充電電圧の変化などの充電挙動が異なり、各リチウムイオンセル間での差異も生じる。従って、フロート充電の充電初期においては、過充電や異常発熱などが生じるおそれがあり、このような充電初期における安全性を高めることが、リチウムイオンセルをフロート充電で使用するためには必要であると、本出願人は考えるに至った。

そこでこの発明は、複数のリチウムイオン二次電池を組電池としてフロート充電使用する場合に、より高い安全性を確保することを可能にするリチウムイオン組電池管理装置、管理方法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単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電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管理装置であって、リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧内になるように調整するセルコントローラと、前記単組電池ごとに設けられ、単組電池をフロート充電する充電源と該単組電池との接続を接離する充電スイッチと、前記単組電池ごとに設けられ、単組電池から電力を供給される負荷設備と該単組電池との接続を接離する放電スイッチと、を備え、充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記所定電圧外の場合に、前記セルコントローラによる調整を行い、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチを切り離して該単組電池の充電を停止するとともに、前記放電スイッチは接続状態を維持して該単組電池からの放電を可能とする、ことを特徴とする。

この発明によれば、充電初期状態において、各リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧外になると、所定電圧内になるようにセルコントローラによる調整が行われる。また、充電初期状態で充電量が所定充電量に達すると、この単組電池への充電が停止されるとともに、この単組電池からの放電は可能とされる。

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管理装置において、充電時間が前記リチウムイオン二次電池の容量と前記充電源の容量とに基づく所定時間に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、ことを特徴とする。

この発明によれば、充電初期状態での充電時間が、例えば、リチウムイオン二次電池の仕様容量と充電源の充電容量とに基づく最大充電時間に達した場合に、この単組電池への充電が停止されるとともに、この単組電池からの放電は可能とされる。

請求項３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管理装置において、充電量が前記リチウムイオン二次電池の仕様容量に基づく所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、ことを特徴とする。

この発明によれば、充電初期状態での充電量が、例えば、リチウムイオン二次電池の仕様容量の所定倍に達した場合に、この単組電池への充電が停止されるとともに、この単組電池からの放電は可能とされる。

請求項４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管理装置において、充電量が前記リチウムイオン二次電池の充電前の残容量に基づく所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、ことを特徴とする。

この発明によれば、充電初期状態での充電量が、例えば、リチウムイオン二次電池の仕様容量から充電前の残容量を差し引いた容量（満充電に足らない容量）の所定倍に達した場合に、この単組電池への充電が停止されるとともに、この単組電池からの放電は可能とされる。

請求項５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単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電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管理方法であって、充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧外の場合に、該リチウムイオン二次電池の充電電圧を前記所定電圧内に調整し、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、該単組電池の充電を停止するとともに、該単組電池からの放電は常時可能な状態とする、ことを特徴とする。

請求項６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単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電されるリチウムイオン組電池システムであって、リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧内になるように調整するセルコントローラと、前記単組電池ごとに設けられ、単組電池をフロート充電する充電源と該単組電池との接続を接離する充電スイッチと、前記単組電池ごとに設けられ、単組電池から電力を供給される負荷設備と該単組電池との接続を接離する放電スイッチと、を備え、充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記所定電圧外の場合に、前記セルコントローラによる調整を行い、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチを切り離して該単組電池の充電を停止するとともに、前記放電スイッチは接続状態を維持して該単組電池からの放電を可能とする、ことを特徴とする。

請求項１、５および６に記載の発明によれば、充電初期状態で充電量が所定充電量に達すると、この単組電池への充電が停止される。つまり、充電をある程度まで行っても、リチウムイオン二次電池の異常などにより単組電池の総電圧が所定の電圧に達しない場合に、充電が停止される。このため、リチウムイオン二次電池間でのバラツキが大きく不安定な充電初期状態において、過充電や異常発熱などを防止し、安全性を高めることが可能となる。しかも、単組電池ごとに充電を停止するため、ある単組電池内のリチウムイオン二次電池に異常が発生した場合でも、その単組電池の充電のみが停止され、他の単組電池は影響を受けず、他の単組電池によって電池機能・運用を維持することが可能となる。また、充電を停止しても、この単組電池からの放電が可能なため、電池のバックアップ・予備電源としての機能を維持することができる。

請求項２に記載の発明によれば、充電初期状態での充電時間が、電池の容量と充電源の容量とに基づく所定時間に達した場合に、充電が停止される。つまり、電池の容量と充電源の容量に応じた充電時間、充電量まで充電しても、単組電池の総電圧が所定の電圧に達しない場合に、充電が停止される。このため、電池の容量と充電源の容量に応じて、適正に安全性を確保することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、リチウムイオン二次電池の仕様容量に基づく所定充電量に達した場合に、充電が停止される。つまり、電池の仕様容量に応じた充電量まで充電しても、単組電池の総電圧が所定の電圧に達しない場合に、充電が停止される。このため、電池の仕様容量に応じて、適正に安全性を確保することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、リチウムイオン二次電池の充電前の残容量に基づく所定充電量に達した場合に、充電が停止される。つまり、電池の充電前の残容量に応じた充電量まで充電しても、単組電池の総電圧が所定の電圧に達しない場合に、充電が停止される。このため、電池の残容量、状態に応じて、適正に安全性を確保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のシステムのセルコントローラを示す概略構成図である。図１のシステムの単組電池管理ユニットを示す概略構成ブロック図である。図１のシステムの運用開始時の処理、作用を示すフローチャートである。図１のシステムの初充電モードの処理、作用を示すフローチャートである。図１のシステムの充電初期ルーチンの処理、作用を示すフローチャートである。図１のシステムのフロート充電モードの処理、作用を示すフローチャートである。図７の続きを示すフローチャートである。図１のシステムの放電モードの処理、作用を示すフローチャートである。図１のシステムの回復充電モードの処理、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。

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を無停電電源装置（ＵＰＳ：ＵｎｉｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｙｐｐｌｙ）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単組電池３が構成され、さらにこの単組電池３が複数並列に接続されてリチウムイオン組電池が構成されており、このような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管理装置を備えるものである。ここで、リチウムイオン組電池は、後述するように、フロート充電で使用・運用され、通常時は常に充電状態となっている。

リチウムイオン組電池管理装置は、複数のセルコントローラ４、単組電池管理ユニット５、充電スイッチ６、放電スイッチ７と、単一の監視装置８とを備えている。また、この実施の形態では、直列に連続する６〜１２個のリチウムイオンセル２を１モジュール３１とし、このモジュール３１が複数直列に接続されて単組電池３が構成されている。そして、セルコントローラ４は、モジュール３１ごとに配設され、単組電池管理ユニット５、充電スイッチ６および放電スイッチ７は、単組電池３ごとに配設されている。

セルコントローラ４は、各リチウムイオンセル２の電圧や温度などのセル状態を測定、監視するとともに、各リチウムイオンセル２の充電電圧が所定値内になるように調整するものである。具体的には、図２に示すように、各リチウムイオンセル２に配設された測定調整部４１と、各測定調整部４１と通信可能に接続されたモジュール管理部４２とを備えている。測定調整部４１は、リチウムイオンセル２の電圧（充電中の電圧、放電中の電圧）や温度、後述するバイパス回路部に流れるバイパス電流などを測定する測定器部と、充電電流をバイパスさせるとともにリチウムイオンセル２を放電させるバイパス回路部とを備えている。そして、測定器部で測定されたリチウムイオンセル２の充電電圧が所定電圧（後述する電圧ＶＣ_ｍａｘ）よりも高い場合に、バイパス回路部によって充電電流のバイパスとセル２の放電とを行って電圧を下げ、充電電圧を所定電圧内に調整するようになっている。また、モジュール管理部４２は、各測定調整部４１を制御するとともに、各測定調整部４１で測定されたリチウムイオンセル２の電圧や温度などのセル状態を、リアルタイムに単組電池管理ユニット５に送信する機能を備えている。

単組電池管理ユニット５は、対応する単組電池３内の各セルコントローラ４から受信したセル状態を解析するとともに、この単組電池３の充電電流や放電電流、総電圧などの単組電池状態を監視、解析するものである。具体的には、図３に示すように、主として、計測器群５１と、通信部５２と、入力部５３と、警報部５４と、制御部５５と、これらを制御などする中央処理部５６とを備えている。

計測器群５１は、単組電池３の充電電流や放電電流を計測する電流計や、単組電池３の総電圧（充電中の電圧、放電中の電圧）を計測する電圧計などの計器から構成されている。通信部５２は、各セルコントローラ４および監視装置８とデータ通信を行うための通信インターフェイスであり、各セルコントローラ４からセル状態などを受信したり、セル状態や単組電池状態などを監視装置８に送信したりするものである。入力部５３は、中央処理部５６で後述するようにして解析、処理するための判断基準値（閾値）、具体的には、リチウムイオンセル２の仕様容量、許容電圧や許容温度および、単組電池３の許容充電電流や許容放電電流、後述する判断基準１〜３などを入力、設定するものである。

警報部５４は、中央処理部５６によって後述するようにしてリチウムイオンセル２の異常あるいは単組電池３全体の異常などと判断された場合に、警報を発するものであり、ＬＥＤランプや警報ブザーなどで構成されている。また、リチウムイオンセル２が異常の場合には、該当するモジュール３１とリチウムイオンセル２を表示するようになっている。制御部５５は、中央処理部５６による後述するような解析・処理結果に基づいて、充電スイッチ６および放電スイッチ７に制御信号（開閉信号）を送信するものである。

中央処理部５６は、各セルコントローラ４から受信したセル状態や、計測器群５１で計測された単組電池状態などに基づいて、警報部５４の制御、制御部５５（スイッチ６、７）、および各セルコントローラ４への指令送信などを行うものである。具体的には、後述するリチウムイオン組電池管理装置およびリチウムイオン組電池システム１の作用、動作が得られるように、処理を行う。

充電スイッチ６は、単組電池３をフロート充電する充電源とこの単組電池３との接続を接離するスイッチである。すなわち、図１に示すように、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、充電スイッチ６を介して単組電池３に供給されるようになっている。この充電スイッチ６は、通常、オン（接続）状態となっている。

放電スイッチ７は、単組電池３から電力を供給される負荷設備１０３とこの単組電池３との接続を接離するスイッチである。すなわち、単組電池３からの電力が、放電スイッチ７を介して直流交流変換器１０２で交流に変換され、負荷設備１０３に供給されるようになっている。この放電スイッチ７は、直列に接続されたスイッチ本体７１とダイオード７２とから構成され、ダイオード７２は、単組電池３からの電流の流れのみを許容する機能を有する。そして、通常時はスイッチ本体７１がオン状態で、単組電池３からの放電が常時可能であり、放電スイッチ７を介して単組電池３には電力が供給されないようになっている。

これらの充電スイッチ６と放電スイッチ７とは、対応する単組電池管理ユニット５によって制御されるようになっている。すなわち、上記のように、単組電池管理ユニット５の中央処理部５６による解析・処理結果に基づき、制御部５５から制御信号が送信されると、これを受けて充電スイッチ６および放電スイッチ７が開閉するものである。

監視装置８は、各単組電池管理ユニット５からセル状態や単組電池状態、および中央処理部５６による解析・処理結果などを受信、収集し、これらのデータを蓄積する装置である。また、この監視装置８は、蓄積したデータを出力（表示、印刷等）したり、集計したりする機能を備えている。さらに、監視装置８は、ＬＡＮ回線、公衆回線等を利用してデータを遠隔地の監視センタ等に転送できる機能を備えている。

以上のようなセルコントローラ４、単組電池管理ユニット５および監視装置８には、通常時は交流直流変換器１０１を介して商用電源１００から電力が供給され、商用電源１００からの電力供給が停止（停電）すると、各単組電池３から電力が供給されるようになっている。

次に、このような構成のリチウムイオン組電池管理装置およびリチウムイオン組電池システム１の作用、動作や管理方法について、図４〜１０のフローチャートに基づいて説明する。

まず、リチウムイオン組電池システム１の運用開始前には、充電スイッチ６と放電スイッチ７とがともに「開」状態であり、すべての単組電池３が非充電状態となっている。そして、運用開始時に、図４に示すように、各単組電池管理ユニット５の中央処理部５６によって、制御回路（セルコントローラ４、管理ユニット５）の動作が正常であるか否かが判断され（ステップＳ１）、正常の場合には、すべてのリチウムイオンセル２の電圧が内部短絡などがない正常な起電力ＶＣ０以上であるか否かが中央処理部５６によって判断される（ステップＳ２）。次に、正常な起電力ＶＣ０以上である場合には、すべてのリチウムイオンセル２の温度が、セル２を安全に使用できる上限温度Ｔｈ℃以下であるか否かが判断され（ステップＳ３）、上限温度Ｔｈ℃以下の場合には、充電スイッチ６および放電スイッチ７がオン（閉）され、各単組電池３が系統に接続される（ステップＳ４）。

これにより、商用電源１００からの電力が充電スイッチ６を介して単組電池３に供給され、フロート充電が開始される。また、商用電源１００からの電力は、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に供給される。一方、制御回路の動作が正常でない場合（ステップＳ１で「Ｎ」の場合）および、セル２の電圧が正常な起電力ＶＣ０以上でない場合（ステップＳ２で「Ｎ」の場合）には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の運用が停止される（ステップＳ５）。また、セル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下でない場合（ステップＳ３で「Ｎ」の場合）には、警報部５４から警報が発生され（ステップＳ６）、上限温度Ｔｈ℃以下になるまで充電スイッチ６と放電スイッチ７がオンされない。

上記のようにして単組電池３が系統に接続されると、初充電モードに移り、図５に示すように、まず、充電電流がゼロ以上であるか否か、つまり充電可能状態であるか否かが、中央処理部５６によって判断される（ステップＳ１１）。そして、充電電流がゼロ以上でない場合には、後述する放電モードに移り、ゼロ以上の場合には、単組電池３の総電圧が、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下であるか否かが判断される（ステップＳ１２）。ここで、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘとは、充電中の総電圧として許容される上限の電圧であり、例えば、次のように算出される（最適値の１％増）。
ＶＴ_ｍａｘ＝{セル２の数×単セル２の仕様最適充電電圧（例えば、４．１Ｖ）}
×１．０１

そして、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の充電スイッチ６がオフ（開）されて充電が停止され、さらに、すべての測定調整部４１のバイパス回路がオフされる（ステップＳ１３）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。なお、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下でない場合には、交流直流変換器１０１の電圧調整が不良と考えられ、交流直流変換器１０１の出力電圧が調整される。一方、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下の場合には、単組電池３の総電圧が、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上であるか否か（所定の電圧に達していないか）が判断される（ステップＳ１４）。ここで、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎとは、単組電池３をフロート充電モードで充電する場合の仕様上の許容される下限電圧であり、例えば、次のように算出される（最適値の１％減）。
ＶＴ_ｍｉｎ＝{セル２の数×単セル２の仕様最適充電電圧（例えば、４．１Ｖ）}
×０．９９

そして、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上である場合には、フロート充電モードに移り、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上でない場合には、すなわち充電初期状態の場合には、充電初期ルーチンを行う（ステップＳ１５）。この充電初期ルーチンでは、図６に示すように、まず、中央処理部５６によって、すべてのセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下であるか否かが判断され（ステップＳ２１）、上限温度Ｔｈ℃以下である場合には、充電電流が許容最大充電電流（セル２が許容できる最大の充電電流）Ｉｃ以下であるか否かが判断される（ステップＳ２２）。そして、許容最大充電電流Ｉｃ以下の場合には、ステップＳ２４に移り、すべてのセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下でない場合および、充電電流が許容最大充電電流Ｉｃ以下でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の充電スイッチ６がオフされて充電が停止され、さらに、すべての測定調整部４１のバイパス回路がオフされる（ステップＳ２３）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。

ステップＳ２４では、セル２の電圧が上限セル充電電圧ＶＣ_ｍａｘ以下であるか否かが判断される。ここで、上限セル充電電圧ＶＣ_ｍａｘとは、リチウムイオンセル２をフロート充電する場合の仕様上の許容される上限電圧であり、例えば、次のように算出される。
ＶＣ_ｍａｘ＝単セル２の仕様最適充電電圧（例えば、４．１Ｖ）
＋許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）

そして、上限セル充電電圧ＶＣ_ｍａｘ以下である場合（ステップＳ２４で「Ｙ」の場合）で、このセル２のバイパス回路がオンの場合には、バイパス放電を中止する（ステップＳ２５）。すなわち、セル２の電圧が所定電圧内であるため、バイパス放電を行わない状態とする。一方、上限セル充電電圧ＶＣ_ｍａｘ以下でない場合には、このセル２の電圧が、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上であるか否かが判断され（ステップＳ２６）、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上の場合には、上記ステップＳ２３に移り、該当する単組電池３の充電停止などが行われる。なお、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘについては、後述する。一方、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上でない場合には、このセル２のバイパス回路をオンしてバイパス放電する（ステップＳ２７）。すなわち、セル２の電圧が所定電圧外であるため、バイパス回路（測定調整部４１）でセル２の充電電圧が所定値内になるように調整する。なお、既にバイパス回路がオンの場合には、オン状態を維持する。このようなステップＳ２４〜Ｓ２７の処理を、すべてのセル２に対して行う。

その後、充電初期状態での充電量が所定充電量に達したか否かが判断される（ステップＳ２８）。具体的には、次のような判断基準１〜３によって判断されるが、いずれの判断基準１〜３によって判断するかは、求められる精度、機器構成の容易性、リチウムイオンセル２の特性などに基づいて決定される。

「判断基準１」
充電時間が、リチウムイオンセル２の容量と充電源の容量とに基づく所定時間に達したか否かを判断基準とする。すなわち、充電時間の経過に伴って充電量も増加するため、充電量に代わって、充電時間が所定時間に達したか否かを判断基準とする。具体的には、充電時間が、例えば、リチウムイオンセル２の仕様容量と商用電源１００および交流直流変換器１０１の充電容量とに基づく最大充電時間、つまり商用電源１００および交流直流変換器１０１で未充電のセル２を充電するのに要する最大の充電時間に達したか否かを判断基準とする。ここで、仕様容量とは、リチウムイオンセル２を満充電した場合の仕様上の容量である。また、リチウムイオンセル２の仕様容量ではなく、実容量・残容量と充電源の容量とに基づく所定時間に達したか否かを判断基準としてもよい。

「判断基準２」
充電量が、リチウムイオンセル２の仕様容量に基づく所定充電量に達したか否かを判断基準とする。すなわち、リチウムイオンセル２の仕様容量によって必要とする充電量も異なるため、仕様容量に基づく所定充電量を閾値とする。具体的には、充電量が、例えば、リチウムイオンセル２の仕様容量の所定倍に達したか否かを判断基準とする。ここで、所定倍は、リチウムイオンセル２の仕様容量や安全性などを考慮して、セル２の残容量等にかかわらず確実に充電でき、かつ過充電にならないように設定され、例えば、１．２倍に設定される。

「判断基準３」
充電量が、リチウムイオンセル２の充電前の残容量に基づく所定充電量に達したか否かを判断基準とする。すなわち、リチウムイオンセル２の残容量によって必要とする充電量も異なるため、残容量に基づく所定充電量を閾値とする。具体的には、充電量が、例えば、リチウムイオンセル２の仕様容量から充電前の残容量を差し引いた容量（満充電に足らない容量）の所定倍に達したか否かを判断基準とする。ここで、所定倍は、「判断基準２」の場合と同様にして設定する。

このような判断基準１〜３において、充電量は、計測器群５１で計測された充電電流値と充電電圧値とに基づいて中央処理部５６で算出され、充電時間は、中央処理部５６によって計時される。また、リチウムイオンセル２の残容量は、計測器群５１で計測された放電電流値と放電時間とに基づいて中央処理部５６で算出される。例えば、残容量１００％である満充電状態から３０％の放電が行われた場合には、残容量が７０％と算出され、残容量７０％の状態から３０％の放電が行われた場合には、残容量が４０％と算出される。

以上のようにして、充電初期状態での充電量が所定充電量に達したか否かが判断され、達した場合（ステップＳ２８で「Ｎ」の場合）、つまり、充電量が所定充電量に達しても充電初期状態を脱しない場合には、上記ステップＳ２３に移り、該当する単組電池３の充電停止などが行われる。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。一方、充電量が所定充電量に達していない場合には、ステップＳ１１に戻り、同様な処理を繰り返す。

次に、フロート充電モードでは、図７、８に示すように、まず、制御回路の動作が正常であるか否かが判断される（ステップＳ３１）。そして、正常でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の充電スイッチ６がオフされて充電が停止され、さらに、すべての測定調整部４１のバイパス回路がオフされる（ステップＳ３２）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。一方、正常な場合には、充電電流がゼロ以上であるか否かが判断され（ステップＳ３３）、充電電流がゼロ以上でない場合には、後述する放電モードに移り、ゼロ以上の場合には、単組電池３の総電圧が下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上であるか否かが判断される（ステップＳ３４）。そして、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生され（ステップＳ３５）、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上の場合には、単組電池３の総電圧が上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下であり（ステップＳ３６）、すべてのリチウムイオンセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下であり（ステップＳ３７）、かつ充電電流が許容最大充電電流Ｉｃ以下（ステップＳ３８）であるか否かが判断される。そして、これらの要件を満たさない場合には、ステップＳ３２と同様にして、該当する単組電池３の充電停止などが行われる（ステップＳ３９）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。

一方、これらの要件を満たす場合には、各リチウムイオンセル２の電圧が上限セル分布電圧ＶＡ_ｍａｘ以下であるか否かが判断される（ステップＳ４０）。ここで、上限セル分布電圧ＶＡ_ｍａｘとは、実際の充電状態、つまり実際の単組電池３の総電圧において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される上限の電圧（平均電圧に対する上限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡ_ｍａｘ＝単組電池３の総電圧÷セル２の数＋許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）

そして、上限セル分布電圧ＶＡ_ｍａｘ以下のセルで、このセル２のバイパス回路がオンの場合には、バイパス放電を中止する（ステップＳ４１）。続いて、このリチウムイオンセル２の電圧が下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ以上であるか否かが判断される（ステップＳ４２）。ここで、下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される下限の電圧（平均電圧に対する下限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡ_ｍｉｎ＝単組電池３の総電圧÷セル２の数−許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）

そして、下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ以上でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生される（ステップＳ４３）。さらに、同一のセル２で、このような下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ未満の状態が所定時間継続している場合（ステップＳ４４で「Ｙ」の場合）には、ステップＳ３２と同様にして、該当する単組電池３の充電停止などが行われる（ステップＳ４５）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。一方、すべてのセル２の電圧が下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ以上の場合（ステップＳ４２で「Ｙ」の場合）、あるいは、下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ未満の状態が所定時間継続していない場合（ステップＳ４４で「Ｎ」の場合）には、ステップＳ３３に戻って同様の処理を繰り返す。ここで、ステップＳ４４における所定時間は、下限セル分布電圧ＶＡ_ｍｉｎ未満の状態が継続した場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがある時間、あるいは過充電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。

また、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が上限セル分布電圧ＶＡ_ｍａｘ以下でない場合（ステップＳ４０で「Ｎ」の場合）には、このセル２のバイパス回路をオンしてバイパス放電する（ステップＳ４６）。なお、既にバイパス回路がオンの場合には、オン状態を維持する。次に、同一のセル２で、このようなバイパス放電の状態が所定時間継続している場合（ステップＳ４７で「Ｙ」の場合）には、上記ステップＳ４５の処理が行われる。一方、所定時間継続していない場合（ステップＳ４７で「Ｎ」の場合）には、このセル２の電圧が、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上であるか否かが判断される（ステップＳ４８）。ここで、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、セル２に内部異常などのおそれがある電圧閾値であり、例えば、次のように算出される。
ＶＥ_ｍａｘ＝単組電池３の総電圧÷セル２の数＋異常電圧差（例えば、８０ｍＶ）

そして、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上の場合には、上記ステップＳ４５の処理が行われ、異常上限セル電圧ＶＥ_ｍａｘ以上でない場合には、ステップＳ３３に戻って同様の処理を繰り返す。ここで、ステップＳ４７における所定時間は、バイパス放電を行っても上限セル分布電圧ＶＡ_ｍａｘ以下にならない状態が継続した場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがある時間、あるいは過充電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。以上のようにして、各単組電池３のすべてのセル２に対して、充電電圧の異常判断、調整が行われる。

次に、商用電源１００からの電力供給が停止すると、各単組電池３が放電を開始し、各単組電池３から放電スイッチ７を介して電力が負荷設備１０３に供給されるとともに、セルコントローラ４、単組電池管理ユニット５および監視装置８に対して電力が供給される。このような放電モードでは、図９に示すように、まず、充電電流がゼロ以上であるか否かが判断され（ステップＳ５１）、充電電流がゼロ以上の場合には、後述する回復充電モードに移り、ゼロ以上でない場合には、次の３つの要件を満たすか否かが判断される。すなわち、すべてのリチウムイオンセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下であるか（ステップＳ５２）、放電電流が許容最大放電電流Ｉｄ以下であるか（ステップＳ５３）、各セル２の電圧が放電終止電圧ＶＬ１以上であるか（ステップＳ５４）、が判断される。ここで、放電終止電圧ＶＬ１とは、放電を終了・停止させる仕様上の電圧であり、リチウムイオンセル２の仕様容量、放電電流などによって設定される。そして、これらの要件を満たす場合（ステップＳ５２〜Ｓ５４で「Ｙ」の場合）には、ステップＳ５１に戻り、同様の処理を繰り返す。

一方、いずれかの要件を満たさない場合（ステップＳ５２〜Ｓ５４のいずれかで「Ｎ」の場合）には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の放電スイッチ７のスイッチ本体７１がオフされて放電が停止される（ステップＳ５５）。すなわち、負荷設備１０３への電力供給が停止される。と同時に、充電スイッチ６がオフされる。

この状態では、この単組電池３からセルコントローラ４、単組電池管理ユニット５および監視装置８に対する、電力供給は継続される。そして、単組電池３のいずれかのセル２の電圧が過放電電圧ＶＬ２よりも低くなった場合（ステップＳ５６で「Ｎ」の場合）には、セルコントローラ４などへの電力供給も停止される（ステップＳ５７）。ここで、過放電電圧ＶＬ２とは、リチウムイオンセル２を保護するために必要な最低限の電圧であり、リチウムイオンセル２の特性、周囲温度などによって設定される。

次に、放電後に充電を行う回復充電モードでは、図１０に示すように、まず、制御回路の動作が正常であるか否かが判断される（ステップＳ６１）。そして、正常でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の充電スイッチ６がオフされて充電が停止され、さらに、すべての測定調整部４１のバイパス回路がオフされる（ステップＳ６２）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。一方、正常な場合には、充電電流がゼロ以上であるか否かが判断され（ステップＳ６３）、充電電流がゼロ以上でない場合には、放電モードに移り、ゼロ以上の場合には、単組電池３の総電圧が上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下であるか否かが判断される（ステップＳ６４）。

そして、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下でない場合には、該当する単組電池３の警報部５４から警報が発生されるとともに、この単組電池３の充電スイッチ６がオフされて充電が停止され、さらに、すべての測定調整部４１のバイパス回路がオフされる（ステップＳ６５）。このとき、放電スイッチ７は接続状態が維持され、常時放電が可能となっている。一方、上限総充電電圧ＶＴ_ｍａｘ以下の場合には、単組電池３の総電圧が下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上であるか否かが判断される（ステップＳ６６）。そして、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上である場合には、フロート充電モードに移り、下限総充電電圧ＶＴ_ｍｉｎ以上でない場合には、すなわち充電初期状態の場合には、上記の充電初期ルーチンが行われる（ステップＳ６７）。

このような処理が充放電のたびに行われ、同時に、各単組電池管理ユニット５から監視装置８に対して、セル状態や単組電池状態、解析・処理結果などが逐次送信され、監視装置８にてこれらのデータが蓄積、集計される。そして、蓄積されたデータを解析することで、組電池システム１全体をより安全、適正に運用することが可能となるものである。

以上のように、このリチウムイオン組電池管理装置、管理方法およびリチウムイオン組電池システム１によれば、各リチウムイオンセル２の温度や充電電圧など、さらには各単組電池３の充電電流や充電電圧、放電電流などに基づいて、単組電池３ごとに充放電を制御するため、高い安全性を確保することが可能となる。すなわち、セル温度や充電電圧などが異常と判断すると、その単組電池３への充電を停止するため、過充電による異常発熱などを防止することが可能となる。

特に、充電初期状態のままで充電量が所定充電量に達すると、この単組電池３への充電が停止されるため、リチウムイオンセル２間でのバラツキが大きく不安定な充電初期状態において、過放電や異常発熱などを防止し、より安全性を高めることが可能となる。より具体的には、上記の判断基準１によれば、リチウムイオンセル２の容量と充電源の容量に応じて、適正に安全性を確保することが可能となり、上記の判断基準２によれば、リチウムイオンセル２の仕様容量に応じて、適正に安全性を確保することが可能となる。また、上記の判断基準３によれば、リチウムイオンセル２の残容量、状態に応じて、適正に安全性を確保することが可能となる。

しかも、単組電池３ごとに充電を停止するため、ある単組電池３内のリチウムイオンセル２に異常が発生した場合でも、その単組電池３の充電のみが停止され、他の単組電池３は影響を受けず、他の単組電池３によって組電池システム１の機能・運用を維持することが可能となる。また、充電を停止しても、この単組電池３からの放電が可能なため、単組電池３のバックアップ・予備電源としての機能を維持することができる。

さらに、放電中にいずれかのセル２の電圧が放電終止電圧ＶＬ１よりも低くなると、該当する単組電池３から負荷設備１０３への電力供給が停止されるが、セルコントローラ４や単組電池管理ユニット５などへの電力供給は継続される。このため、各セル２や単組電池３の監視、制御などの管理を維持することができる。さらに、いずれかのセル２の電圧が過放電電圧ＶＬ２よりも低くなった場合には、セルコントローラ４などへの電力供給も停止される。このため、リチウムイオンセル２の開放電圧が低すぎるために、回復充電した際に異常発熱が発生するなどの不具合を、防止することができる。

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、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する場合について説明したが、整流装置など、その他の設備に適用することもできる。このとき、適用する設備に応じて、リチウムイオンセル２や単組電池３の数などを調整する。例えば、整流装置に適用する場合には、図１１に示すように、６〜１３個程度のリチウムイオンセル２を直列に接続した単組電池３をひとつ配設し、セルコントローラ４や単組電池管理ユニット５などをそれぞれひとつ配設して、リチウムイオン組電池システム１１を構成する。そして、商用電源１００からの電力が交流直流変換器１０１および充電スイッチ６を介して単組電池３に供給され、単組電池３からの電力が、放電スイッチ７を介して負荷設備１０３に供給されるものである。

また、上記の実施の形態では、リチウムイオンセル２が異常の場合に、単組電池管理ユニット５の警報部５４から警報を発しているが、対応するセルコントローラ４から警報を発し、かつ異常のリチウムイオンセル２のセル番号を表示するようにしてもよい。さらに、セルコントローラ４をモジュール３１ごとに配設しているが、リチウムイオンセル２ごとに配設するようにしてもよい。

１、１１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単組電池
３１モジュール
４セルコントローラ
５単組電池管理ユニット
６充電スイッチ
７放電スイッチ
８監視装置

Claims

リチウムイオン二次電池が複数直列に接続された単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電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管理装置であって、
リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧内になるように調整するセルコントローラと、
前記単組電池ごとに設けられ、単組電池をフロート充電する充電源と該単組電池との接続を接離する充電スイッチと、
前記単組電池ごとに設けられ、単組電池から電力を供給される負荷設備と該単組電池との接続を接離する放電スイッチと、を備え、
充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記所定電圧外の場合に、前記セルコントローラによる調整を行い、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチを切り離して該単組電池の充電を停止するとともに、前記放電スイッチは接続状態を維持して該単組電池からの放電を可能とする、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池管理装置。
充電時間が前記リチウムイオン二次電池の容量と前記充電源の容量とに基づく所定時間に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、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管理装置。
充電量が前記リチウムイオン二次電池の仕様容量に基づく所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、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管理装置。
充電量が前記リチウムイオン二次電池の充電前の残容量に基づく所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチの切り離しと前記放電スイッチの接続維持を行う、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管理装置。
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続された単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電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管理方法であって、
充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧外の場合に、該リチウムイオン二次電池の充電電圧を前記所定電圧内に調整し、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、該単組電池の充電を停止するとともに、該単組電池からの放電は常時可能な状態とする、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池管理方法。
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続された単組電池がひとつまたは複数並列に接続され、フロート充電されるリチウムイオン組電池システムであって、
リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、リチウムイオン二次電池の充電電圧が所定電圧内になるように調整するセルコントローラと、
前記単組電池ごとに設けられ、単組電池をフロート充電する充電源と該単組電池との接続を接離する充電スイッチと、
前記単組電池ごとに設けられ、単組電池から電力を供給される負荷設備と該単組電池との接続を接離する放電スイッチと、を備え、
充電を開始してから前記単組電池の総電圧が所定の電圧に達していない充電初期状態において、該単組電池内のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記所定電圧外の場合に、前記セルコントローラによる調整を行い、充電量が所定充電量に達しても前記充電初期状態を脱しない場合に、前記充電スイッチを切り離して該単組電池の充電を停止するとともに、前記放電スイッチは接続状態を維持して該単組電池からの放電を可能とする、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池システム。