JP2013106466A - リチウムイオン電池の充放電方式 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直列接続電池B1〜B10と、その電力供給源となる発電機14およびチョッパ23との間にスイッチSWPS,SWNSを設け、図示されない制御装置から各電池を個別または複数同時に選択できるようにすることで、電池の充放電動作を可能とし電池状態の監視・管理などを容易にする。
【選択図】図1A
Description
ところで、直並列接続された多数の電池からなる電池電源を一括して充電すると、各電池の特性ばらつきにより充電量にばらつきが発生し、総充電量が低下するという問題がある。また、この場合、充電量が低下した電池の充電量を増加させるために充電を継続すると、既に満充電になっている電池が過充電になるという問題もある。
ここで、放電初期状態は新品時または満充電時を想定している。放電動作は次式のように表わすことができる
VBd=eB−IB×RB…(1)
ここに、VBd:放電時電池端子電圧、eB:電池起電圧、−IB:放電電流、RB:内部抵抗をそれぞれ示す。
他の電池B4〜B10も同様で、個別電池の内部抵抗ばらつきによって、電池内部電圧降下値が黒枠で示すように相違する結果、個別電池電圧VB1〜VB10に差が生じることになる。なお、直列電池の両端電圧VBdは、
VBd=VB1+VB2+VB3+VB4+VB5+VB6+VB7+VB8+VB9VB10
である。
図示のように、残存量多(満充電)では内部抵抗RBは小さく、残存量少(放電終止)では内部抵抗RBは大きくなる傾向にあることが分る。また、内部抵抗RBはサイクル寿命,カレンダー寿命によっても増加する。
図8(b)に示す放電終止状態は、複数回の充放電動作により、各電池の内部抵抗ばらつきが拡大した様子を示している。すなわち、B1電池の電圧降下=レベル−1⇒レベル−4に増加、B2電池の電圧降下=レベル−2⇒レベル−8に増加、B3電池の電圧降下=レベル−3⇒レベル−12に増加しており、特に電池B3,B6,B9の特性ばらつきの多いことが分る。
充電動作は次式で示される。
VBc=eB+IB×RB…(2)
ここに、VBc:充電時電池端子電圧、eB:電池起電圧、+IB:充電電流、RB:内部抵抗を示す。
充電電流+IBにより、B1電池の印加電圧VB1=レベル+1、電池内部抵抗による電圧降下IB×RB1=レベル+1⇒レベル−1(黒枠)、よって起電圧eB1=レベル−1となる。また、B2電池の印加電圧VB2=レベル0、電池内部抵抗による電圧降下IB×RB2=レベル0⇒レベル−3(黒枠)、よって起電圧eB2=レベル−3となり、同様にB3電池の印加電圧VB3=レベル−1、電池内部抵抗による電圧降下IB×RB3=レベル−1⇒レベル−5(黒枠)、よって起電圧eB3=レベル−5となる。
VBc=VB1+VB2+VB3+VB4+VB5+VB6+VB7+VB8+VB9VB10
である。
ここで、充電量が少ないB3電池の充電量を増加させるために、充電電圧VBcを上昇させて充電すると、B3電池起電圧eB3レベル−5⇒レベル−1へ4段階電圧が上昇(点線枠表示)するが、B1電池起電圧eB1レベル−1⇒レベル+3、B2電池起電圧eB2レベル−3⇒レベル+1へ上昇するから、B1,B2電池は過充電動作状態になる。このように、直列接続リチウムイオン電池を一括充電すると、個別電池特性ばらつきによって合計容量が低下し、容量低下した電池を追加充電すると、容量低下していない他の電池は過充電となる。
従って、この発明は複数の個別電池を直列接続した電池電源において、個別電池の特性ばらつきによって生じる充電量の低下を補充電により是正するとともに、個別電池に過充電が発生しないようにすることにある。また、各電池の内部抵抗,起電圧を監視・管理できるようにし、異常が発生したときは充放電動作を停止させるとともに、警報を発せられるようにすることにある。
複数のリチウムイオン電池を直列接続した1群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とする。
この請求項1の発明においては、前記群を構成する1つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了させることができる(請求項2の発明)。
さらに、並列接続電池のばらつき修正のための充電方式については、上記特許文献1に示すものがあるので、これとこの発明方式とを併用することで直並列電池の特性ばらつきのための補充電ができ、全電池の総充電量の低下を抑制することが可能となる。
同図において、B1〜B10は電池、12(SWL),17(SWG),SWP,SWN,SWPS,SWNSはスイッチ、13(L)は負荷、14(G)は発電機、23(CH)はチョッパを示す。
これは、各電池B1〜B10をチョッパ23を介して充電する例で、この場合は発電機14の出力電圧Gをチョッパ23により(1/直列電池接続数n)にし、接続点PS/NSを各電池に接続して充電を行なう。スイッチSWPS,SWNSとしては機械式接点スイッチでも良く、図1(b)に示す半導体スイッチ、または同(c)示す双方向半導体スイッチを用いても良い。なお、図1Bは図1Aからチョッパを省略しただけのものなので、以下では実質的に同じものとして扱うこととする。
例えば特許第4333659号公報に示されている。
この回路で、例えば電池B1を充電する場合、双方向半導体スイッチSWB1のP側Q1,N側Q1をオンすると、電源PからダイオードD13⇒P側Q1⇒ダイオードD12⇒電池B1⇒ダイオードD1⇒N側Q1⇒ダイオードD14⇒電源Nへと充電電流が流れる。この回路では、同時には1個のみの充電を行なうものとする。これは、電池2個の双方向半導体スイッチを同時ONすると、2電池間で短絡が生じるからである。
同図(a),(b)は定電圧充電動作を示し、発電機出力電圧VGをチョッパで調整してVBとした後、各電池に印加して充電する。図4Aの時刻t1でSWB3をオンしてB3電池の定電圧充電を開始し、充電電流IB3が予め設定したIBEに至ればSWB3をオフし、次にSWB6をオンしてB6電池の定電圧充電を開始し、充電電流IB6が予め設定したIBEに至ればSWB6をオフし、その後SWB9をオンしてB9電池の定電圧充電を開始し、充電電流IB9が予め設定したIBEに至ればSWB9をオフして、1群の電池の個別充電を完了する。
このような補充電により、図8でばらつきが大きい電池B3,B6,B9の起電圧レベル−4⇒レベル−2になるようにする例を、充電動作2として図8(d)に示している。
放電時には、スイッチSWGをオフして発電機14を切り離し、チョッパ23を停止させる一方、スイッチSWLをオンし、選択すべき電池のスイッチSWBをオンにし、充電電流と同値の放電電流(負荷13で調整)を流し、電池の端子電圧を計測する。充放電時の電池端子電圧は、先の(1),(2)式のように表わされる。
放電時:VBd=eB−IB×RB…(1)
充電時:VBc=eB+IB×RB…(2)
電圧差ΔVB=VBd−VBc=2×(IB×RB)…(3)
内部抵抗値RB=(ΔVB÷IB)÷2 …(4)
起電圧eB=VB−IB×RB …(5)
以上より、充放電動作における各電池の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
図4Bのt1時点において、スイッチSWB3,SWB6,SWB9を同時にオンして定電圧充電を開始する。そして、各電池の充電電流が予め設定したIBEに達したら、対応する電池のスイッチをオフして充電を完了させる。例えば、B3電池がIBEに至ればSWB3をオフし、次にB6電池がIBEに至ればSWB6をオフし、その後B9電池がIBEに至ればSWB9をオフして充電を完了する。
図4B(c),(d)は定電流充電動作を示し、チョッパを定電流制御して各電池を充電する。ここで、3個の電池B3,B6,B9を並列接続した状態で定電流充電を行なうが、この場合はパルス充電方式とするのが好ましい。なぜなら、並列接続される電池の端子電圧は同電位であり、個別電池の充電状態の監視ができないので、先の特許文献1等によりよく知られているパルス充電方式を用いた充電方式が最適である。
なお、この充電動作におけるチョッパの出力電流値は、個別電池数により変更することとする。また、連続して定電流充電をする場合は、個別電池の充電状態は充電電流によって判定するものとする。
なお、放電動作は図1A,1Bや図2と変わらないので、説明は省略する。
図5において個別に補充電を行なう場合は、スイッチSWP1とSWN1やSWQはオフ、スイッチSWP2とSWN2はオンとし、スイッチSWTをチョッパ(CH)23側に切り換える。これにより、チョッパ(CH)23の出力電圧VBCHがスイッチ22(SWT)を介して各電池に印加される。
電池充放電&状態監視制御装置50は、充電電流や充電電圧を指示するための制御信号66をチョッパ(CH)23に与え、選択信号をスイッチ5に与えることで、チョッパ出力電圧VBCHを各電池に印加し、各電池の充電を行なう。なお、通常の充放電はスイッチ22(SWT)を通常側とし、スイッチSWP2とSWN2はオフ、スイッチSWP1とSWN1はオンで、スイッチSWQをオン・オフさせて行なう。
電池充放電&状態監視制御装置50は、図5の電圧検出器7(VD1)で検出した電圧信号VB1と、電圧検出器検出した電圧信号VBinを受信し、これらの値が予め設定されているVBme(基準値),VBmx(許容最高値),VBmn(許容最低値),VBo(許容超過高),VBu(許容超過低)と比較し、図6(a)で電圧がVBmx〜VBmnの範囲の電池a,b,cは正常、この範囲外の電池d,eおよびfは異常と判定する。ここで、
充電時の動作式は先の(2)式のように、
VBc=eB+IB×RB…(2)
で示され、図6(a)では電池dは起電圧eBが許容値を超過しているとして、過充電状態と判定する。また、電池eは内部抵抗が大きく、起電圧eBが低い電池と判断し、電池fは起電圧eBが異常低下しており、異常電池と判断する。
VBd=eB−IB×RB…(1)
電池電圧の管理レベルは上記充電の場合と同じく、VBmx〜VBmnの範囲の電池a,b,cは正常、この範囲外の電池d,e,fおよびgは異常レベルとする。この場合、電池dは起電圧eBが許容値を超過して、過負荷放電状態であると判定する。また、電池eは内部抵抗が大きく起電圧eBが低いので、過放電状態であると判定する。fは起電圧eBが異常に低下して電池と判定し、さらにgは起電圧が0状態のため、放電電流による逆充電異常低下電池と判定する。
このように、直列接続電池の放電動作中に個別電池の電圧が許容範囲を超えたときは、放電電流を低下させるか、または警報を発するとともにスイッチSWP1,SWN1またはSWQをオフさせて放電動作を停止させる。
すなわち、充電時と放電時でほぼ同値の電流を流したときの直列接続端子電圧VBc,VBdから、先の(3)〜(5)式と同じく、次式のように表わされる。
電圧差ΔVB=VBd−VBc=2×(IB×ΣRB)…(6)
内部抵抗値RB=(ΔVB÷IB)÷Σ …(7)
起電圧ΣeB=VB−IB×ΣRB …(8)
(Σ:直列接続電池の合計値)
以上より、電池直列接続状態の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて直列接続状態で各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
図7Aは、モ−タを用いて電気自動車や電気推進船舶などを駆動するシステムへの応用例を想定したもので、モ−タ20(M)の他に、発電機制御装置63などを備えた点が特徴である。また、同図の符号6(SHB1,SHBN),18(SHG)は電流検出器、9(VBD),19(VDG)は電圧検出器、11(SWB),21(SWM)、51(SWC),52(SWS),54(SWP),55(SWS1),64(SWGE)はスイッチ、15は発電機界磁(Gf)、53(SCB)は電池選択器、56(VRV)は電圧設定器、57(VRI)は電流設定器をそれぞれ示す。
全電池を補充電する場合、個別の充電と同様、スイッチ(SWC)51により「定電圧」,「定電流」または「定出力(定電力)」のいずれかに設定する。そして、スイッチ2(SWP1)オフ、スイッチ(SWN1)オン、スイッチ3(SWP2,SWN2)オフ、スイッチ4(SWQ)オン,オフ状態にし、スイッチ22(SWT)は発電機14(G)側に切り換える。発電機14(G)は、所定の出力電圧(定電圧充電時),出力電流(定電流充電時)または出力電力(定電力充電時)に応じて、正極(P)⇒スイッチ4(SWQ)オン⇒電池1(B11〜B10)⇒スイッチSWN1⇒負極(N)なる経路を介して全電池の充電を行なう。その後、電圧検出器7(VD1)で検出した電池電圧VB1〜VBN、または電流検出器6(SHB1)で検出電流IB1〜IBNが所定値に達したことを、電池充放電&状態監視制御装置50が判定すると、信号60によりスイッチ4(SWQ)をオフして充電を完了する。
なお、全電池充放電の場合の電圧は電圧検出器8によって検出されるから、全電池および個別電池の動作状態の監視・管理も可能なのは勿論である。
Claims (4)
- リチウムイオン電池を充放電させるリチウムイオン電池の充放電方式において、
複数のリチウムイオン電池を直列接続した1群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とするリチウムイオン電池の充放電方式。 - 前記群を構成する1つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了させることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
- 前記各リチウムイオン電池の直列接続部のそれぞれに別のスイッチング手段を設け、この別のスイッチング手段により各電池の直列接続部を互いに切り離して各電池を並列に接続し、並列に接続された電池を同時に充電可能とし、充電が完了した個別電池から順次切り離して、充電を完了させることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
- 充電時と放電時とで同じ電流を流したときの電池電圧から電池内部抵抗,電池起電圧を求め、リチウムイオン電池を個別接続状態または直列接続状態のいずれにおいても、各電池の特性状態の監視・管理を可能にしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
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