JP2011072084A - 大型二次電池の充電方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電池モジュールを並列接続した二次電池を満充電するに際して、少なくとも充電時間を短くできるようにすることである。
【解決手段】多数のセル１２から構成される電池モジュール１１が複数個並列に接続されている大型二次電池１を、充電装置２で充電する大型二次電池の充電方法において、複数の充電装置で大型二次電池を充電するものとし、少なくとも１つの電池モジュールと他の電池モジュールとの並列接続を切り離して大型二次電池を複数組に分けた上で、各組の電池モジュールを異なる充電装置で個別に充電する。全ての組の充電時間が一致するように、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間に劣化の大きい組の電池モジュールの充電時間を一致させるように、劣化の大きい組の電池モジュールの充電電流値を、容量又は電圧値から算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多数のセルを組み合わせて構成する大型二次電池の充電方法及びシステムに関する。

電気自動車などに搭載されている大型二次電池は、セルを直列接続したり、並列接続したりして構成される。ただし、何れの接続方法であっても、大型二次電池を充電装置１台で充電する方法が採用されている（特許文献１）。

たとえば、大型二次電池の構造としては、図３に示すように、セルを組み合わせて電池モジュールを構成し、２つの電池モジュールを並列接続することが考えられる。このような並列接続された大型二次電池に対して、上記特許文献１の充電方法を採用すると、並列接続された２つの電池モジュールに対して１つの充電装置を接続することになる。

特開２００８−２７８６３５号公報

ところで、大型二次電池が並列回路であることから、１つの充電装置から流れる電流は、各電池モジュールでは分流して小電流となる。何れかの電池モジュールが満充電になれば、二次電池が満充電になったものとして取り扱って充電を終了するが、このような小電流では二次電池を満充電にするのに要する時間、つまり充電時間は長くなる。

また、充電装置が１つである場合、充電装置が故障すれば全く充電できないことになるという不都合がある。

また、セルには、充放電を繰り返すうちに性能が劣化し（内部抵抗が大になり、放電容量が小になり）、その劣化の進行速度がセル毎に異なるという、特性がある。そして、前述したように電池モジュールは多数のセルを組み合わせて構成するものなので、各セルの性能が次第にばらついてくる。特に、大型二次電池が電気自動車に搭載される場合、自動車内の設置スペースの関係から、電池モジュールごとに異なる場所に分散して配置されることもある。セルには、高温環境下では劣化の進行速度が速まるという、特性もあるので、電気自動車内での電池モジュールの配置箇所が異なると、セル単位は勿論、電池モジュール単位でも性能の差が生ずることが想定される。

それにも関わらず、従来のように１台の充電装置で充電する場合、劣化の小さな（抵抗の小さな）電池モジュールには、劣化の大きな（抵抗の大きな）電池モジュールよりも、多くの充電電流が流れることになる。しかしながら、電池モジュールは多数のセルで構成されていることから、電池モジュール単位での充電電流の差がセル単位では殆ど無視できる程度になり、何れの電池モジュールのセルであっても、ほぼ同一の充電電流が流れる。

このようにほぼ同一の充電電流が各セルに流れるので、劣化の大きな電池モジュールの中で劣化の大きなセルから満充電に達することになる。セルの過充電を避けるために、１つのセルでも満充電に達すると、全体の充電を終了するので、劣化の小さな電池モジュールは、その中のセルが１つも満充電に達していないことになる。その結果、全体としての放電容量が小さくなり、電気自動車等の課題である航続距離が短くなる。

また、ほぼ同一の充電電流が各セルに流れることから、劣化の大きな（内部抵抗が大きな）セルほど、発熱の厳しい条件で充電することになる。劣化の大きな電池モジュールの劣化が促進されることになり、劣化の小さな電池モジュールとの差が大きくなる。なお、充電電流が大きいほど、セルの劣化が促進されることから、小電流でゆっくり充電するのが良いと、一般的に知られている。

本発明は上記実情を考慮して創作されたもので、その解決しようとする課題は少なくとも二次電池の充電時間（満充電にする時間）を短くできるようにすることである。

請求項１の大型二次電池の充電方法は、多数のセルから構成される電池モジュールが複数個並列に接続されている大型二次電池を、充電装置で充電する大型二次電池の充電方法において、複数の充電装置で大型二次電池を充電するものとし、少なくとも１つの電池モジュールと他の電池モジュールとの並列接続を切り離して大型二次電池を複数組に分けた上で、各組の電池モジュールを異なる充電装置で個別に充電することを特徴とする。

各組の電池モジュールを同一の充電電流値で充電させると、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間（満充電に要する時間）は、劣化の大きい組の電池モジュールの充電時間よりも長くなる。この場合、全体としての充電時間のうち、劣化の大きい組の電池モジュールは充電していない無駄な時間ができる。また、充電電流値は小さいほうが電池モジュールの劣化速度を遅くできる。このような無駄な時間をなくして、電池モジュールの劣化速度を遅くするには、次のようにする。即ち、請求項２の発明のように、各組の電池モジュールについて劣化状態を判定すると共に容量を算出し、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間をその容量と充電電流値から算出し、算出した充電時間に他の組の電池モジュールの充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュールの充電電流値を、その容量と充電時間から決定して充電することである。

劣化の小さい組とは、劣化が最も大きい組を含まないが、劣化の最も小さい組だけには限らない。また、他の組の中には、劣化の小さい組よりも、劣化のさらに小さい組（例えば劣化の最も小さい組）が存在することもある。

従って、３つの電池モジュールをそれぞれ単独の充電装置で充電するような場合に、２番目に劣化している電池モジュールを、劣化の小さい組の電池モジュールとして取り扱い、他の２つの電池モジュールを他の組の電池モジュールとして取り扱っても良い。この場合、２番目に劣化している電池モジュールを急速充電電流値で満充電にすれば、その充電時間で最も劣化している電池モジュールを、急速充電電流値よりも小さな充電電流値で満充電にできるが、急速充電電流値であってもその充電時間では、最も劣化していない電池モジュールは満充電しないことになる。それでも、並列接続された３つの電池モジュールを１つの充電装置で充電する従来の場合に比べれば、満充電となる電池モジュールの数量が増えるので、効果がある。ただし、劣化の最も小さい組の電池モジュールの充電時間に他の組の電池モジュールの充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュールの充電電流値を決定して充電することが、他の組の電池モジュールの劣化を遅らせるのに最も理想的である。

また、充電後に各組の電池モジュールの電圧に差があると、各組の電池モジュールを並列接続したときに、循環電流（横流）が流れて、電池モジュールの劣化が促進される。これを防ぐには、次のようにする。即ち、請求項３の発明のように、各組の電池モジュールについて劣化状態を判定し、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間と電圧値に他の組の電池モジュールの充電時間と電圧値を一致させるように、劣化の小さい組の電池モジュールの充電電流値を基準にして、他の組の電池モジュールの充電電流値を決定して充電することである。

請求項４の大型二次電池の充電システムは、請求項１の大型二次電池の充電方法を行うことのできるシステムで、多数のセルから構成される電池モジュールを複数個並列接続してある大型二次電池と、少なくとも１つの電池モジュールと他の電池モジュールとの並列接続を切り離して大型二次電池を複数組に分ける開閉部と、開閉部を開閉すると共に、セルの劣化状態から各組の電池モジュールについて劣化状態を判定し、各組の電池モジュールの充電条件を決定する充電制御部とを含むことを特徴とする。

請求項５の大型二次電池の充電システムは、請求項２の大型二次電池の充電方法を行うことのできるシステムで、充電制御部は、各組の電池モジュールについて劣化状態を判定すると共に容量を算出し、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間をその容量と充電電流値から算出し、算出した充電時間に他の組の電池モジュールの充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュールの充電電流値を、その容量と充電時間から決定して充電することを特徴とするものである。

請求項６の大型二次電池の充電システムは、請求項３の大型二次電池の充電方法を行うことのできるシステムで、充電制御部は、各組の電池モジュールについて劣化状態を判定し、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間と電圧値に他の組の電池モジュールの充電時間と電圧値を一致させるように、劣化の小さい組の電池モジュールの充電電流値を基準にして、他の組の電池モジュールの充電電流値を決定して充電することを特徴とするものである。

請求項１と４の発明は、各組の電池モジュールを異なる充電装置で個別に充電すれば、全ての電池モジュールを１つの充電装置で充電するよりも、単位時間当たりの最大充電電流値が大きいので、短時間で二次電池を満充電にすることができる。しかも、各組の電池モジュールを満充電にすることもでき、１つの充電装置で充電する場合よりも、充電容量が大きくなり、これを電気自動車に用いた場合には、航続距離が延びる。また、請求項４のように充電制御部が開閉部を開閉する場合、１つの充電装置に異常（故障）があったときに、並列接続を切り離さずに、大型二次電池を充電することもできる。

請求項２と５の発明は、各組の電池モジュールの容量を算出した上で、劣化の小さい組の電池モジュールの充電時間に他の組の電池モジュールの充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュールの充電電流値を決定するので、劣化の大きい組の電池モジュールの充電時間を長く取れ、その結果、充電電流値を小さくでき、劣化を遅らせることができる。

請求項３と６の発明は、充電時間及び電圧値について、劣化の小さい組の電池モジュールを基準にして他の組の電池モジュールを一致するようにする。各組の電池モジュールを並列接続した場合に電圧差が生じないので、電圧値が大きい組の電池モジュールから電圧値の小さい組の電池モジュールに循環電流（横流）が流れるようなことが無く、電池モジュールの劣化を遅らせることができる。また、電池モジュールの容量を算出しなくとも、電圧値が所定電圧値になれば満充電であることが確認できる。

大型二次電池の充電システムを示す一部拡大ブロック図である。 大型二次電池の充電制御部を示すブロック図である。 従来の大型二次電池の充電システムを示すブロック図である。

本発明の大型二次電池の充電システムの一例は、図１、図２に示すように、大型二次電池１と、複数の充電装置２、２、‥と、大型二次電池１を複数組に分ける開閉部３と、大型二次電池１を監視すると共に充電装置２及び開閉部３を制御する充電制御部４とを含む、電気回路である。また、この大型二次電池の充電システムが、負荷５（電気自動車のモータ等）に並列接続されている。そして、負荷５と、大型二次電池の充電システムとの間にシステム切断部６が接続されており、このシステム切断部６によって充電時には双方が切り離される。

大型二次電池１は、複数の電池モジュール１１、１１、‥を並列接続したものである。図では、２つの電池モジュール１１、１１が並列接続されている。また、各電池モジュール１１は、多数のセル１２、１２、‥が直列又は並列に接続された構成となっている。図では、多数のセル１２、１２、‥を並列接続したセルグループ１３が複数直列接続されて、電池モジュール１１を構成している。

開閉部３は、スイッチであり、２つの電池モジュール１１の並列接続箇所に設けられている。開閉部３は、充電制御部４からの開閉信号を受けることにより開閉可能であり、開いた（切り離した）場合には大型二次電池１を２組の電池モジュール１１、１１に分けるものである。通常、大型二次電池１から負荷５に電流を流す場合は、開閉部３を閉じて２つの電池モジュール１１、１１を並列接続した上でシステム切断部６を閉じて使用する。

充電装置２は、直流電流電源２１と、大型二次電池１への接続を開閉する内部スイッチ２２と、ＣＰＵが内蔵された電源コントローラ２３とを有している。

電源コントローラ２３は、通常、セル１２の電圧値が一定値に達するまでは充電するために、内部スイッチ２２を閉じ、充電電流値信号を取り込みながら、充電電流値が所望値になるように直流電流電源２１に制御信号を出力する。一方、セル１２の電圧値が一定値に達すると充電を終了するために、電源コントローラ２３は内部スイッチ２２を開く。また、セル１２の電圧値が一定値に達しなくとも、電池モジュール１１の電圧値が一定値に達すると、電源コントローラ２３は内部スイッチ２２を開く。

充電制御部４は、各組の電池モジュール１１を監視するモジュール監視装置４１と、充電装置２の電源コントローラ２３から構成される。

モジュール監視装置４１は、複数のセル電圧検出器４２と、モジュール電圧検出器４３と、電流検出器４４と、モジュールコントローラ４５とから構成される。各セル電圧検出器４２で検出したセル１２の電圧値、モジュール電圧検出器４３で検出した電池モジュール１１の電圧値、並びに電流検出器４４で検出した充電電流値をモジュールコントローラ４５に出力するように、これらの各検出器４２〜４４を接続したものである。

セル電圧検出器４２は、各セルグループ１３に並列接続されている。セルグループ１３が多数のセル１２を並列接続したものであるので、セルグループ１３に並列接続してあるセル電圧検出器４２は、セルグループ１３内の全てのセル１２の電圧値を検出していることになる。この検出結果による電圧値がモジュールコントローラ４５に常時送られる。

モジュール電圧検出器４３は、各組の電池モジュール１１に並列接続されている。各組の電池モジュール１１の電圧値を検出し、その検出結果による電圧値がモジュールコントローラ４５に常時送られる。

電流検出器４４は、各電池モジュール１１への充電電流値を検出し、その検出結果による電流値がモジュールコントローラ４５を介して電源コントローラ２３に常時送られる。

モジュールコントローラ４５は、対応する充電装置２（電源コントローラ２３）と通信可能に接続される。また、モジュールコントローラ４５同士も通信可能に接続されており、そのうちの１つが、開閉部３に対して開閉信号を出力可能に接続されている。

モジュールコントローラ４５は、対応する充電装置２の電源コントローラ２３との間で通信を行って、対応する充電装置２が正常か異常かを把握する。この正常か異常かを各組のモジュールコントローラ４５同士は通信して、代表となるモジュールコントローラ４５では、２つとも充電装置２が正常な場合は開閉部３に開信号を出力して、２つの電池モジュール１１を切り離して２組に分け、各組の電池モジュール１１を対応する充電装置２で充電するようにする。一方、異常の充電装置２がある場合は、開閉部３の閉状態を維持し、正常な充電装置２で、２つの電池モジュール１１、１１をまとめて充電する。

また、モジュールコントローラ４５は、自己の組の全てのセル１２の電圧値を取り込み、電圧値に基づいて自己の組の電池モジュール１１の劣化状態を充電前に判定する。具体的には、劣化の最も大きなセル１２の電圧値により、自己の組の電池モジュール１１の劣化状態を把握する。この劣化状態を、各組のモジュールコントローラ４５同士の間で通信して、代表の組のモジュールコントローラ４５では、劣化の最も小さな組の電池モジュール１１を選定する。

そして、２つとも充電装置２が正常である場合には、以下の２つの例の手法で急速充電する充電条件を制御する。第一の例では、代表の組のモジュールコントローラ４５は、選定した組の電池モジュール１１ができるだけ短時間で満充電となるようにその充電時間を算出し、算出した充電時間に他の組の電池モジュール１１の充電時間が一致するように、他の組の電池モジュール１１の充電電流値を、劣化状態に応じて決定する。その充電電流値を、各組のモジュールコントローラ４５を介して対応する充電装置２の電源コントローラ２３に出力する。そして、その電源コントローラ２３が直流電流電源２１に、決定した充電電流値を流すように制御信号を出力する。算出した充電時間経過後にモジュール電圧検出器４３から検出された電圧値により、満充電であることが計算通りに確認できた場合、モジュールコントローラ４５は、充電装置２の電源コントローラ２３に充電停止信号を出力し、その電源コントローラ２３は、内部スイッチ２２を開いて、充電を停止する。一方、計算と違う場合、補正を行う。つまり、モジュール電圧検出器４３から検出された電圧値により、Ｔａ時間経過した時点で満充電に達していない場合には、そのまま充電を継続し、Ｔａ時間経過する前に満充電に達した場合には、その時点で充電を終了する。

充電電流値の決定は例えば次のように行われる。大型二次電池１が２つの電池モジュールで構成されているとする。そして、劣化の最も小さな電池モジュールをＡ、その容量をＣａ、その電池モジュールＡに対応する充電装置をＡとし、一方、劣化の最も大きな電池モジュールをＢ、その電池容量をＣｂ、その電池モジュールＢに対応する充電装置をＢとする。容量は、既存の計算方法により算出する。例えば、電池モジュールにある一定期間、一定電流を流し、電圧上昇値から内部インピーダンスを測定して、電池モジュール１１の容量を推定する。または、電池モジュールにある一定期間電流を流し、電流を停止したときに電圧の上昇値から電池モジュールの容量を推定する。電池モジュールＡには充電装置Ａが電流値Ｉａで連続して充電し、電池モジュールＢには充電装置Ｂが電流値Ｉｂで連続して充電するものとする。電池モジュールＡ、電池モジュールＢのそれぞれの充電装置の最大電流値がＩｍ=Ｉａ=Ｉｂとすると、電池モジュールＡをできるだけ急速に充電するのに要する充電時間ＴａはＴa=Ｃａ／Ｉａとなる。一方、電池モジュールＢの充電時間Ｔｂは、Ｔｂ=Ｃｂ／Ｉｂとなる。Ｃａ＞Ｃｂなので、Ｔａ＞Ｔｂとなる。そこで、Ｔａ＝Ｔｂとなるように、Ｉｂ’＝Ｃｂ／Ｔａの電流値で電池モジュールＢを連続して充電する。これにより、Ｉｂ’＜Ｉｂとなり、電池モジュールＢの劣化を従来よりも抑制することができる。また、Ｔａ時間経過すると、計算通りであれば、双方の電池モジュールＡ、Ｂが満充電になっており、充電を終了する。

また、第二の例では、充電中に、各組の電池モジュール１１の電圧値をモジュール電圧検出器４３により検出する。そして、劣化の最も小さな組の電池モジュール１１の電圧値に他の組の電池モジュール１１の電圧値が一致するように、劣化の最も小さな組の電池モジュール１１の充電電流値を基準にして、他の組の電池モジュール１１の充電電流値を、劣化状態に応じて決定する。その充電電流値を、各組のモジュールコントローラ４５を介して、対応する充電装置２の電源コントローラ２３に出力する。そして、その電源コントローラ２３が直流電流電源２１に、決定した充電電流値を流すように制御信号を出力する。モジュール電圧検出器４３から検出された電圧値が満充電電圧値に達すると、そのことを取り込んだ各組のモジュールコントローラ４５が充電停止信号を対応する充電装置２の電源コントローラ２３に出力し、同時に充電を終了する。

充電電流値の決定は例えば次のように行われる。第一の例と同様の前提事項の上で、例えば、電池モジュールＡには充電装置Ａが電流値Ｉａで連続して充電し、電池モジュールＡの電圧値がＶａ、電池モジュールＢには充電装置Ｂが電流値Ｉｂで連続して充電し、電池モジュールＢの電圧値がＶｂとする。劣化の大きな電池モジュールは内部抵抗が大きいので、最大電流値Ｉｍ=Ｉａ＝Ｉｂで充電すると、Ｖａ＜Ｖｂとなるので、Ｖａ＝ＶｂとなるようにＩｂをＩａよりも小さくして連続して充電すれば、電池モジュールＢの劣化を従来よりも抑制することができる。そして、Ｖａが所定値になれば、双方の電池モジュールが満充電になっているので、充電を停止する。

本発明は上記例に限定されない。例えば、大型二次電池１が３つ以上の電池モジュール１１を並列接続したものであっても良い。また、並列接続した電池モジュール１１の数量と、充電装置２の数量は、必ずしも同じでなくとも良い。例えば、並列接続した電池モジュール１１の数量が４つで、充電装置２の数量が２つのように、異なっていても良く、この場合、並列接続した４つの電池モジュール１１を切り離して２組に分ける。

１大型二次電池
２充電装置
３開閉部
４充電制御部
５負荷
６システム切断部
１１電池モジュール
１２セル
１３セルグループ
２１直流電流電源
２２内部スイッチ
２３電源コントローラ
４１モジュール監視装置
４２セル電圧検出器
４３モジュール電圧検出器
４４電流検出器
４５モジュールコントローラ

Claims (6)

1. 多数のセル（１２）から構成される電池モジュール（１１）が複数個並列に接続されている大型二次電池（１）を、充電装置（２）で充電する大型二次電池の充電方法において、
   複数の充電装置（２）で大型二次電池（１）を充電するものとし、
   少なくとも１つの電池モジュール（１１）と他の電池モジュール（１１）との並列接続を切り離して大型二次電池（１）を複数組に分けた上で、各組の電池モジュール（１１）を異なる充電装置（２）で個別に充電することを特徴とする大型二次電池の充電方法。
2. 各組の電池モジュール（１１）について劣化状態を判定すると共に容量を算出し、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電時間をその容量と充電電流値から算出し、算出した充電時間に他の組の電池モジュール（１１）の充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュール（１１）の充電電流値を、その容量と充電時間から決定して充電することを特徴とする請求項１記載の大型二次電池の充電方法。
3. 各組の電池モジュール（１１）について劣化状態を判定し、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電時間と電圧値に他の組の電池モジュール（１１）の充電時間と電圧値を一致させるように、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電電流値を基準にして、他の組の電池モジュール（１１）の充電電流値を決定して充電することを特徴とする請求項１記載の大型二次電池の充電方法。
4. 多数のセル（１２）から構成される電池モジュール（１１）を複数個並列接続してある大型二次電池（１）と、
   少なくとも１つの電池モジュール（１１）と他の電池モジュール（１１）との並列接続を切り離して大型二次電池（１）を複数組に分ける開閉部（３）と、
   開閉部（３）を境にして一方の組と他方の組に組分けされた電池モジュール（１１）を別々に充電可能な複数の充電装置（２）と、
   開閉部（３）を開閉すると共に、セル（１２）の劣化状態から各組の電池モジュール（１１）について劣化状態を判定し、各組の電池モジュール（１１）の充電条件を決定する充電制御部（４）とを含むことを特徴とする大型二次電池の充電システム。
5. 充電制御部（４）は、各組の電池モジュール（１１）について劣化状態を判定すると共に容量を算出し、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電時間をその容量と充電電流値から算出し、算出した充電時間に他の組の電池モジュール（１１）の充電時間を一致させるように、他の組の電池モジュール（１１）の充電電流値を、その容量と充電時間から決定して充電することを特徴とする請求項４記載の大型二次電池の充電システム。
6. 充電制御部（４）は、各組の電池モジュール（１１）について劣化状態を判定し、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電時間と電圧値に他の組の電池モジュール（１１）の充電時間と電圧値を一致させるように、劣化の小さい組の電池モジュール（１１）の充電電流値を基準にして、他の組の電池モジュール（１１）の充電電流値を決定して充電することを特徴とする請求項４記載の大型二次電池の充電システム。

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