JP2013162662A - 組電池の充電システムおよび充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次電池のバイパス回路と単組電池のバイパス回路を別々に設けることなく、二次電池間および単組電池間のバラツキを解消して適正に充電することを可能にする。
【解決手段】 各二次電池２に並列に接続され、二次電池２の充電電流をパイパス可能な第１のバイパス回路５を有し、第１のバイパス回路５を複数直列に接続して構成され、単組電池３の充電電流をパイパスさせることが可能な第２のバイパス回路５０と、二次電池２および単組電池３の電圧監視と、二次電池２および単組電池３を流れる充電電流の制御とを行うコントローラ８と、を備え、コントローラ８は、二次電池２の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池２の充電電流を第１のバイパス回路５にバイパスし、単組電池３の電圧が第２の基準値に到達した場合は当該単組電池３の充電電流を第２のバイパス回路５０にバイパスする、ことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池が複数個直列に接続された組電池の充電システムおよび充電方法に関する。

二次電池として、リチウムイオン二次電池（リチウムイオンセル）や鉛蓄電池が知られている。例えば、リチウムイオンセルは、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、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、リチウムイオンセルに電圧のバラツキが生じてしまい、電圧の高いリチウムイオンセルと電圧の低いリチウムイオンセルとが混在してしまう。そこで、組電池におけるセルの電圧バラツキを防ぐために、各リチウムイオンセルに並列に電圧均等化回路を接続し、所定電圧に達したリチウムイオンセルの電圧上昇を抑制するために充電電流をバイパスさせるようにしている。この電圧均等化回路には、例えば抵抗が使用されており、バイパスされた充電電流は熱として消費されるようになっている。

また、複数の電池を直列に接続してなる直列電池群の各電池のアンバランスを解消する均等化回路を有する複数の電源ブロックにおいて、各電池のアンバランスを解消する車両用の電源装置に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、各電池と並列に接続している直列接続回路と、各々の電源ブロックの直列電池群と並列に接続しているブロック放電回路を備えるものである。

特開２００７−３００７０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、全ての電池のアンバランスを解消できるものであるが、リチウムイオンセルの充電電流をバイパスするための直列接続回路と、リチウムイオン組電池の充電電流をバイパスするためのブロック放電回路とを別々に設ける必要がある。

そこでこの発明は、多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池を複数個直列に接続して組電池として使用する場合に、二次電池のバイパス回路と単組電池のバイパス回路を別々に設けることなく、二次電池間および単組電池間のバラツキを解消して適正に充電することを可能にする組電池の充電システムおよび充電方法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、多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池が複数個直列に接続された組電池の充電システムであって、前記各二次電池に並列に接続され、前記二次電池の充電電流をパイパス可能な第１の充電電流バイパス手段を有し、前記第１の充電電流バイパス手段を複数直列に接続して構成され、前記単組電池の充電電流をパイパスさせることが可能な第２の充電電流バイパス手段と、前記二次電池および前記単組電池の電圧監視と、前記二次電池および前記単組電池を流れる充電電流の制御とを行う電池監視制御手段と、を備え、前記電池監視制御手段は、前記二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流を前記第１の充電電流バイパス手段にバイパスし、前記単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は当該単組電池の充電電流を前記第２の充電電流バイパス手段にバイパスする、ことを特徴とする組電池の充電システムである。

この発明によれば、二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流が第１の充電電流バイパス手段にバイパスされ、単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は当該単組電池の充電電流が第２の充電電流バイパス手段にバイパスされる。

請求項２に記載の発明は、多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池が複数個直列に接続された組電池の充電方法であって、電池監視制御手段によって、前記二次電池および前記単組電池の電圧を監視し、前記二次電池および前記単組電池を流れる充電電流の制御を行い、前記電池監視制御手段によって、前記二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流を前記各二次電池に並列に接続される第１の充電電流バイパス手段にバイパスし、前記単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は前記第１の充電電流バイパス手段を複数直列に接続して構成される第２の充電電流バイパス手段に当該単組電池の充電電流をバイパスする、ことを特徴とする組電池の充電方法である。

請求項１および２に記載の発明によれば、第１の充電電流バイパス手段（二次電池のバイパス回路）と第２の充電電流バイパス手段（単組電池のバイパス回路）を別々に設けることなく、二次電池間および単組電池間のバラツキを解消して適正に充電することが可能である。また、二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流をバイパスし、単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は当該単組電池の充電電流をバイパスするので、二次電池間および単組電池間のバラツキを解消して適正に充電することが可能である。

このため、電圧が基準値以上の二次電池および単組電池が適切に放電されるため、充電電圧が低い二次電池や単組電池の充電をより促進することが可能となる。この結果、組電池全体をより適正に充電することが可能となり、組電池全体の放電容量が適正となって、設計通りの所定の放電時間を確保することができる。

しかも、二次電池および単組電池のそれぞれで電圧のバラツキの有無、すなわち、バイパスの要否を判定して二次電池または単組電池の充電電流をバイパスするので、適切な放電が行われ、充電電圧が適正な二次電池の充電状態を適正に維持することが可能となる。

また、第１の充電電流バイパス手段を複数直列に接続して第２の充電電流バイパス手段が構成されて部品数を削減することができるため、組電池全体を小型化することが可能となる。さらに、第１の充電電流バイパス手段と第２の充電電流バイパス手段とを別々に設ける必要がないため、組電池の製造時における配線作業が容易となる。

この発明の実施の形態に係る組電池の充電システムを示す概略構成図である。 図１のシステムのコントローラの制御フローを示す図である。 図１のシステムのコントローラの制御フローの他の例を示す図である。

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組電池の充電システム（以下、単に「充電システム」という）１の概略構成図であり、この発明の実施の形態に係る充電システム１を無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ
Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｐｐｌｙ）に適用した状態を示している。この実施の形態においては、二次電池の一例としてリチウムイオンセルの場合について説明する。

この充電システム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、以下、単に「セル」という）２が複数直列に接続して構成されるリチウムイオン単組電池（以下、単に「単組電池」という）３が、さらに複数直列に接続されて構成されるリチウムイオン組電池（以下、単に「組電池」という）４の充電を制御するシステムである。

この充電システム１は、主として、各セル２に設けられた第１のバイパス回路（第１の充電電流バイパス手段）５と、セル電圧計６と単組電池電圧計７とを有する電池監視制御手段としてのコントローラ８とを備えている。また、各第１のバイパス回路５と各電圧計６、７は、それぞれコントローラ８と通信（データ伝送）可能に接続されている。

第１のバイパス回路５は、対応するセル２の充電電流をバイパスするとともに、放電させて電圧を下げる回路であり、第２のバイパス回路５０は、第１のバイパス回路５を複数直列に接続して構成され、単組電池３の充電電流をパイパスするとともに、放電させて電圧を下げる回路である。

第１のバイパス回路５は、セル２と並列に接続されるものであり、一端側がセル２の正極側と接続される放電用抵抗５Ｒと、放電用抵抗５Ｒの他端側と直列に接続された放電スイッチ５ＳＷ１とが、回路切替スイッチ５ＳＷ２を介してセル２の負極側と接続されており、第１のバイパス回路５は、セル２と並列に接続されている。そして、後述するように、通常の充電時においては、放電スイッチ５ＳＷ１および回路切替スイッチ５ＳＷ２がオフ（開）状態で、コントローラ８からのセルバイパス指令を受けて放電スイッチ５ＳＷ１および回路切替スイッチ５ＳＷ２をオンする（閉じる）。これにより、セル２の充電電流が第１のバイパス回路５（各放電用抵抗５Ｒ側）にバイパスされるとともに、負荷としての放電用抵抗５Ｒによってセル２が放電し、電圧が下がるものである。従って、放電スイッチ５ＳＷ１および回路切替スイッチ５ＳＷ２がオンの状態では、各放電用抵抗５Ｒでは、セル２の充電電流が消費される。また、コントローラ８からのセルバイパス終了指令を受けて放電スイッチ５ＳＷ１および回路切替スイッチ５ＳＷ２をオフする（開く）。

また、コントローラ８からのブロックバイパス指令を受けて、セル２_１〜２_４の放電スイッチ５ＳＷ１をオンして（閉じて）、セル２_１〜２_３の回路切替スイッチ５ＳＷ２をオフして（開いて）、セル２_４の回路切替スイッチ５ＳＷ２をオンする（閉じる）。このとき、第２のバイパス回路５０が、第１のバイパス回路５を複数直列に接続して構成されて、単組電池３と並列に接続される。これにより、単組電池３の充電電流が第２のバイパス回路５０（放電用抵抗５Ｒ_１〜５Ｒ_４側）にバイパスされるとともに、負荷としての放電用抵抗５Ｒ_１〜５Ｒ_４によって単組電池３が放電し、電圧が下がるものである。従って、放電スイッチ５ＳＷ１がオンの状態で、セル２_１〜２_３の回路切替スイッチ５ＳＷ２がオフ、セル２_４の回路切替スイッチ５ＳＷ２がオンの状態では、放電用抵抗５Ｒ_１〜５Ｒ_４では、単組電池３の充電電流が消費される。また、コントローラ８からのブロックバイパス終了指令を受けてすべての放電スイッチ５ＳＷ１およびすべての回路切替スイッチ５ＳＷ２をオフする（開く）。

セル電圧計６は、対応するセル２に並列に接続され、充電中や放電中に限らず常時、セル２の電圧を計測、監視し、計測結果をリアルタイムにコントローラ８に送信するものである。

単組電池電圧計７は、対応する単組電池３に並列に接続され、充電中や放電中に限らず常時、単組電池３の電圧を計測、監視し、計測結果をリアルタイムにコントローラ８に送信するものである。また、図示していないが、組電池４の総電圧や充電電流、放電電流、および各セル２の温度を測定する測定器をそれぞれ備えており、これらの測定器からの測定結果が、リアルタイムにコントローラ８に送信されるようになっている。

コントローラ８は、フロート充電状態において、常に各セル電圧計６や各単組電池電圧計７からの計測結果を監視し、各セル電圧計６や各単組電池電圧計７からの計測結果に基づいて、セル２のセル電圧ＶＣが第１の基準値（セルバイパス開始電圧）ＶＢ_Ｃに到達した場合は当該セル２の充電電流を第１のバイパス回路５にバイパスし、単組電池３の総電圧ＶＴが第２の基準値（ブロックバイパス開始電圧）ＶＢ_Ｔに到達した場合は当該単組電池３の充電電流を第２のバイパス回路５０にバイパスするように制御する装置である。ここで、フロート充電状態とは、組電池４の総充電電圧ＶＡが所定の電圧Ｖ０に達し、定電圧充電している状態である。また、この実施の形態では、総充電電圧ＶＡをセル２の数で除算した平均充電電圧Ｖ_ａｖｅの±許容誤差電圧（例えば、±２０ｍＶ）を、適正な充電電圧範囲とし、この電圧範囲に各セル２の充電電圧を収めるようにする。

具体的には、図２に示すように、まず、いずれかのセル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１）。セル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いセル２がない場合（「ＮＯ」の場合）は、ステップＳ３に進む。セル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いセル２がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、そのセル２の第１のバイパス回路５をオンするようにセルバイパス指令を送信してバイパス放電させる（ステップＳ２）。このとき、既に第１のバイパス回路５がオンの場合には、オン状態を維持する。ここで、セルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃとは、各セル２間で生じる充電電圧のバラツキを解消するために、バイパス放電を行う基準の電圧であり、例えば、次のように算出される。

ＶＢ_ｃ＝セル平均充電電圧ＶＣ_ａｖｅ＋１０ｍＶ

そして、バイパス放電中であったセル２のセル電圧ＶＣが、セルバイパス完了電圧以下になった場合は、このセル２の第１のバイパス回路５をオフするようにセルバイパス終了指令を送信してバイパス放電を停止する。ここで、セルバイパス完了電圧は、例えば平均充電電圧ＶＣ_ａｖｅに設定されている。

次に、いずれかの単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔよりも高いか否かを判定する（ステップＳ３）。総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔより高い単組電池３がない場合（「ＮＯ」の場合）は、フロート充電モードに復帰し、各セル電圧計６や各単組電池電圧計７からの計測結果の監視を継続する。総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔより高い単組電池３がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、その単組電池３の第２のバイパス回路５０をオンするようにブロックバイパス指令を送信してバイパス放電させる（ステップＳ４）。このとき、既に第２のバイパス回路５０がオンの場合には、オン状態を維持する。ここで、ブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔとは、各単組電池３間で生じる充電電圧のバラツキを解消するために、バイパス放電を行う基準の電圧であり、例えば、次のように算出される。

ＶＢ_Ｔ＝単組電池平均充電電圧ＶＴ_ａｖｅ＋１０ｍＶ

そして、バイパス放電中であった単組電池３の総電圧ＶＴが、ブロックバイパス完了電圧以下になった場合は、この単組電池３の第２のバイパス回路５０をオフするようにブロックバイパス終了指令を送信してバイパス放電を停止する。ここで、ブロックバイパス完了電圧は、例えば単組電池平均充電電圧ＶＴ_ａｖｅに設定されている。

コントローラ８による図２に示す制御は、組電池４がフロート充電中であることが前提となっており、停電などによって組電池４が放電を開始した場合には、すべてのバイパス放電を停止して、制御を終了させるようになっている。

次に、このような構成の充電システム１の作用や、この充電システム１による充電方法などについて説明する。

まず、商用電源からの電力が組電池４に供給され、セル電圧計６および単組電池電圧計７によって各セル２および各単組電池３の電圧が常時監視され、その計測結果がリアルタイムにコントローラ８に送信される。

そして、いずれかのセル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いセル２がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、そのセル２が第１のバイパス回路５にバイパス放電される（ステップＳ２）。このセル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス完了電圧となるまでバイパスが継続される。

続いて、単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔよりも高い単組電池３がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、その単組電池３が第２のバイパス回路５０にバイパス放電される（ステップＳ４）。この単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス完了電圧となるまでバイパスが継続される。

このようにして、セル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃに到達した場合は当該セル２の充電電流が第１のバイパス回路５にバイパスされ、単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔに到達した場合は当該単組電池３の充電電流が第２のバイパス回路５０にバイパスされる。つまり、セル２および単組電池３を許容充電電圧に維持して、組電池４を適正にフロート充電状態に維持することが可能である。

つまり、コントローラ８による制御によって、まずセル２間のバラツキが解消され、セル２間のバラツキが解消されると、単組電池３間のバラツキが解消される。

以上のように、この充電システム１および充電方法によれば、セル２のバイパス回路である第１のバイパス回路５と単組電池３のバイパス回路である第２のバイパス回路５０とを別々に設けることなく、セル２間および単組電池３間のバラツキを解消して適正に充電することが可能である。また、セル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃに到達した場合はそのセル２の充電電流をバイパスし、単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢＴに到達した場合はその単組電池３の充電電流をバイパスするので、セル２間および単組電池３間の電圧のバラツキを解消して適正に充電することが可能である。

このため、電圧が基準値以上のセル２および単組電池３が適切に放電されるため、充電電圧が低いセル２や単組電池３の充電をより促進することが可能となる。この結果、組電池全体をより適正に充電することが可能となり、組電池全体の放電容量が適正となって、設計通りの所定の放電時間を確保することができる。

しかも、セル２および単組電池３のそれぞれで電圧のバラツキの有無、すなわち、バイパスの要否を判定してセル２または単組電池３の充電電流をバイパスするので、適切な放電が行われ、充電電圧が適正なセル２の充電状態を適正に維持することが可能となる。

また、第１のバイパス回路５を複数直列に接続して第２のバイパス回路５０が構成されて部品数を削減することができるため、組電池全体を小型化することが可能となる。さらに、第１のバイパス回路５と第２のバイパス回路５０とを別々に設ける必要がないため、組電池４の製造時における配線作業が容易となる。

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、セル２および単組電池３のバイパス開始の条件を、セルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃは、セル平均充電電圧ＶＣ_ａｖｅ＋１０ｍＶとし、ブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔは、単組電池平均充電電圧ＶＴ_ａｖｅ＋１０ｍＶとしたが、これに限定されないことはもちろんである。

また、上記の実施の形態では、第１のバイパス回路５を、放電用抵抗５Ｒと、放電スイッチ５ＳＷ１と、回路切替スイッチ５ＳＷ２とにより構成したが、これに限らず、コントローラ８からの指令により所定の電流をバイパスできる回路であれば用いることができる。

さらに、上記の実施の形態では、１組の組電池４を有する場合について説明したが、組電池４を複数接続した場合にも適用することができる。この場合、上記のような充電システム１を組電池４ごとに配設すればよい。さらに、充電システム１を無停電電源装置に適用した場合について説明したが、直流電源システムや自動車用蓄電池などにも適用することができ、かつ、フロート充電以外にも適用することができる。すなわち、いずれかのセル２や単組電池３の充電電圧が低い場合など、セル２間や単組電池３間に電圧のバラツキを生じ、電圧のバラツキを解消すべきすべてのケースに、適用することができる。

さらにまた、上記の実施の形態では、コントローラ８は、図２に示すフローチャートの処理を行うものとして説明したが、図３に示すフローチャートの処理を行うようにしてもよい。具体的には、まず、いずれかの単組電池３の総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１１）。総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔより高い単組電池３がない場合（「ＮＯ」の場合）は、ステップＳ１３に進む。総電圧ＶＴがブロックバイパス開始電圧ＶＢ_Ｔより高い単組電池３がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、その単組電池３の第２のバイパス回路５０をオンするようにブロックバイパス指令を送信してバイパス放電させる（ステップＳ１２）。

そして、バイパス放電中であった単組電池３の総電圧ＶＴが、ブロックバイパス完了電圧以下になった場合は、この単組電池３の第２のバイパス回路５０をオフするようにブロックバイパス終了指令を送信してバイパス放電を停止する。

次に、いずれかのセル２のセル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１３）。セル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いセル２がない場合（「ＮＯ」の場合）は、フロート充電モードに復帰し、電圧の監視を継続する。セル電圧ＶＣがセルバイパス開始電圧ＶＢ_ｃよりも高いセル２がある場合（「ＹＥＳ」の場合）は、そのセル２の第１のバイパス回路５をオンするようにセルバイパス指令を送信してバイパス放電させる（ステップＳ１４）。

そして、バイパス放電中であったセル２のセル電圧ＶＣが、セルバイパス完了電圧以下になった場合は、このセル２の第１のバイパス回路５をオフするようにセルバイパス終了指令を送信してバイパス放電を停止する。

つまり、この場合は、まず単組電池３のバラツキが解消され、単組電池３間のバラツキが解消されると、セル２間のバラツキが解消される。

１ 組電池の充電システム
２ リチウムイオンセル（二次電池）
３ リチウムイオン単組電池（単組電池）
４ リチウムイオン組電池（組電池）
５ 第１のバイパス回路（第１の充電電流バイパス手段）
５０ 第２のバイパス回路（第２の充電電流バイパス手段）
５Ｒ 放電用抵抗
５ＳＷ１ 放電スイッチ
５ＳＷ２ 回路切替スイッチ
６ セル電圧計
７ 単組電池電圧計
８ コントローラ（電池監視制御手段）
ＶＢ_ｃ セルバイパス開始電圧（第１の基準値）
ＶＢ_Ｔ ブロックバイパス開始電圧（第２の基準値）
ＶＣ セル電圧
ＶＴ 総電圧

Claims (2)

1. 多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池が複数個直列に接続された組電池の充電システムであって、
   前記各二次電池に並列に接続され、前記二次電池の充電電流をパイパス可能な第１の充電電流バイパス手段を有し、前記第１の充電電流バイパス手段を複数直列に接続して構成され、前記単組電池の充電電流をパイパスさせることが可能な第２の充電電流バイパス手段と、
   前記二次電池および前記単組電池の電圧監視と、前記二次電池および前記単組電池を流れる充電電流の制御とを行う電池監視制御手段と、
   を備え、
   前記電池監視制御手段は、前記二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流を前記第１の充電電流バイパス手段にバイパスし、前記単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は当該単組電池の充電電流を前記第２の充電電流バイパス手段にバイパスする、ことを特徴とする組電池の充電システム。
2. 多数の二次電池を直列接続して構成される単組電池が複数個直列に接続された組電池の充電方法であって、
   電池監視制御手段によって、前記二次電池および前記単組電池の電圧を監視し、前記二次電池および前記単組電池を流れる充電電流の制御を行い、
   前記電池監視制御手段によって、前記二次電池の電圧が第１の基準値に到達した場合は当該二次電池の充電電流を前記各二次電池に並列に接続される第１の充電電流バイパス手段にバイパスし、前記単組電池の電圧が第２の基準値に到達した場合は前記第１の充電電流バイパス手段を複数直列に接続して構成される第２の充電電流バイパス手段に当該単組電池の充電電流をバイパスする、
   ことを特徴とする組電池の充電方法。

Images