JP3378293B2 - 機器システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも２個のリチ
ウム二次電池から成るリチウム二次電池電源を作動源
（駆動源）とする機器システムに係り、特にリチウム二
次電池電源に対する充電および放電の制御システムを考
慮したリチウム二次電池電源作動源とする機器システム
に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、いわゆるリチウム二次電池の研究
・開発が進展し、実用化も始まろうとしている。すなわ
ち、リチウム金属あるいはリチウム原子ないしリチウム
イオンをインターカレートした炭素を負極とし、リチウ
ムおよび遷移金属を主成分とする複合酸化物を正極と
し、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた電解液を電解質
として成るリチウム二次電池が開発されている。そし
て、このリチウム二次電池は、電池電圧が4V程度と高い
こと、エネルギー密度がきわめて大きいことなど性能面
ですぐれている一方、軽量なことなどの特長を有するの
で、機器システムの作動（駆動）源として魅力的な二次
電池電源として注目されている。この種のリチウム二次
電池においては、最近、安全性の面から負極に炭素材料
を用いた形式の電池の開発が特に進められ、民生用では
一部実用化が始まりつつある。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成のリ
チウム二次電池は、水溶性電解液を使用した他の二次電
池と異なり、充電および放電の条件が厳しく制御され
る。すなわち、いずれも安全性に係ることであるが、充
電の終止電圧（上限電圧…4.2V程度）、および放電の終
止電圧（下限電圧…2.7V程度）をそれぞれ限界とし、こ
の値を外れた電圧での充電や放電を行ってはならない。
この条件を守らないと、充電時（つまり過充電時）に
は、リチウムデンドライトが負極面に形成され、内蔵す
る電解液の分解や電池の内部ショートなどが起こり、結
果的に電池の破損を招来し、最悪の場合には電池の破裂
・発火が起きるなど危険性がある。一方、放電時（つま
り過放電時）にも、同様に内蔵する電解液の分解や、電
極物質の不可逆化などが起こり、電池の破損を招来し、
最悪の場合には電池の破裂の可能性もある。 【０００４】したがって、前記リチウム二次電池を安全
に使用するに当たっては、リチウム二次電池の充電およ
び放電に十分な注意ないし配慮が必要であり、特に、こ
の種リチウム二次電池を、複数個接続して大きな電池電
源として使用する場合には、前記のような充放電時にお
ける問題が複合的におこり易いので、より細かな使用上
の工夫も必要と想定される。たとえば、図６ (a)にリチ
ウム二次電池の充電および放電の特性例を示すごとく、
一般的に破損などを防止するため、充電時においては所
定の電流を流しながら充電上限電圧まで充電し、上限電
圧を超えないように制御され、一方放電時においては放
電の下限電圧に達した時点で放電を停止する。そして、
この種のリチウム二次電池は、一定の仕様で製造したリ
チウム二次電池間においても特性差が認められ、あるい
はサイクル運転を行うと劣化の程度が個々のリチウム二
次電池によって異なることから特性差が生じる。つま
り、図６ (b)に例示するごとく、充電時において充電終
止電圧（4.2V程度）に達する時間の長短、および放電時
において放電終止電圧（2.7V程度）に達する時間の長短
など特性差があるため、一様な仕様で対応し得ないこと
になる。しかし、未だ、そのような複数個接続型の電池
電源が開発・実用化されていないため、前記のような細
かな使用上の工夫や構成・手段など、具体的な対応策に
ついての提案や考察などもなされていないのが現状であ
る。 【０００５】この点、さらに言及すると、10数 V以上の
入力電圧を必要とするコードレス機器、あるいは近い将
来、たとえば電気自動車や家庭用のロードレベリングな
どの機器システムにおける駆動源として、容量の大きい
二次電池（電源）が使用される可能性は大きく、このよ
うな場合、 100〜300V程度の高い直流電圧が必要になる
ので、この要求に対応した電源システムを構成すること
が望まれる。そして、この場合必要なことは、容量の大
きいことともに、リチウム二次電池群（電源）の充放電
制御が安全に行われることであり、リチウム二次電池の
特性を十分に考慮した充放電制御なども必要である。通
常、負荷（機器）を駆動するには、負荷の種類にも依存
するが、高い電圧を要求されることが多く、したがっ
て、複数個のリチウム二次電池を直列に接続した構成を
採ることになる。しかし、上述したように、リチウム二
次電池では個々の電池において、充電時および放電時に
それぞれ上限電圧および下限電圧の範囲内で扱うこと
が、使用上の安全を確保する上で必須で、こうしたこと
を考慮したリチウム二次電池（電源システム）の構築が
必要となる。 【０００６】本発明は上記事情に対処してなされたもの
で、複数個のリチウム二次電池を電気的に接続して容量
の大きい二次電池（電源）の構成において、使用上の安
全を容易に確保することなどが可能な制御システムを具
備したリチウム二次電池電源を備えて成る機器システム
の提供を目的とする。 【０００７】 【０００８】 【０００９】 【００１０】 【００１１】【課題を解決するための手段】 上記目的を達成するため
に、本発明の 機器システムは、複数のリチウム二次電池
を接続してなるリチウム二次電池群と、前記リチウム二
次電池群の出力で作動する負荷と、前記リチウム二次電
池群に接続しリチウム二次電池群を充電する充電手段
と、前記リチウム二次電池群に対する初期充電時には、
リチウム二次電池群を成す各リチウム二次電池を直列に
接続し、後期充電時にはリチウム二次電池群を成す各リ
チウム二次電池を並列に接続する切り替え手段と、前記
充電されたリチウム二次電池群の放電時には、リチウム
二次電池群を成す各リチウム二次電池を直列に接続する
接続回路切り替え手段とを具備して成るリチウム二次電
池電源を有することを特徴とする。 【００１２】なお、本発明のリチウム二次電池電源を構
成するリチウム二次電池は、そのサイズ（電池容量）に
拘らずいずれをも使用でき、また、充電用の電力源は、
商用の交流電源を適切な電圧を持った直流に変換したも
のが使用されるが、この他に、たとえば燃料電池からな
る電源を使用してもよいし、あるいはガソリンエンジン
ないしはディーゼルエンジンなどから発電される電力を
用いてもよい。 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】【作用】 本 発明においては、リチウム二次電池群に対す
る充電が、初期の段階では直列接続の状態で行われ、充
電の後段では並列接合の状態でおこなわれるので、高い
安全性をもって各リチウム二次電池の充電電圧が確保さ
れる。つまり、通常の充電器には供給電力の上限がある
ので、充電の全過程を並列接続で行う場合、初期段階で
はリチウム二次電池電圧が低いので大きな電流が流れ、
後期にはリチウム二次電池電圧の上昇およびリチウム二
次電池電圧のインピーダンス上昇などにより、充電電流
が次第に小さくなって行く。ここで、電力制御の観点か
らすると、低電圧，大電流よりも高電圧，小電流の方が
望ましこと、また充電の後期において並列接続化するこ
となどにより、上限電圧の制御が容易になり、充電時の
安全性などが大幅に向上・改善される。なお、前記直列
接続から並列接続への切り替え時期は、リチウム二次電
池の特性バラツキ、充電器の電力（電流）などによって
も異なるが、たとうばリチウム二次電池の定格容量の50
〜90％に達した時点を目安にするか、あるいはいずれか
１個のリチウム二次電池が上限電圧に達した時点をモニ
ターして行ってもよい。一方放電時においては、リチウ
ム二次電池群が直列接続系を採っているので、放電時の
電圧が大きくなり、電圧変換効率も格段に向上するの
で、電池エネルギーのロスを小さくすることが可能とな
る。 【００１８】 【実施例】以下、図１を参照しながら、本発明の実施例
を説明する。 【００１９】定格3.6V，10Ahのリチウムイオン電池60個
を接続切り替え器によって、全リチウム二次電池を直列
および並列に接続にできるような、リチウム二次電池電
源を構築した。図１に充電時における直列から並列接続
への切り替えを、各リチウム二次電池の電圧をモニター
して行う場合の概略構成を示す。図１において５はそれ
ぞれの電圧計測が可能なモニター７を付設した複数個の
リチウム二次電池１が直列に接続されたリチウム二次電
池ユニット、２′は前記リチウム二次電池ユニット５に
対する充電時の電圧を、リチウム二次電池ユニット５中
のいずれか１個のリチウム二次電池が具備する負極にリ
チウムデントライトの析出する電圧以下の電圧設定値に
達した時点で、リチウム二次電池ユニット５への充電を
直列接続から並列接続へ切替え制御する充電切替え制御
部である。 【００２０】この構成においては、接続回路に各リチウ
ム二次電池１に対応してたとえばスイッチ８が配置され
ており、直列接続と並列接続に切り替えられるようにな
っている。そして、この例ではリチウム二次電池群のう
ちの１個が4.2Vに達した時点で、前記スイッチ８を切り
替えて、全てリチウム二次電池が4.2Vに保持する状態を
続けた後、所用の充電を終了した。その後、直列接続の
状態で放電を行った。なお、この充電，放電のサイクル
運転を行ったところ、各リチウム二次電池１に発熱も認
められず安全に作動した。なお、充電時の直列接続から
並列接続への切り替えのタイミングは別の方式によって
もよい。たとえば充電回路中に電量計を挿入し、電池の
定格容量の50〜90％充電できた時点としてもよし、ある
いは前記電気量に相当する時間で行ってもよい。また、
放電において、この実施例では直列接続で行ったが、並
列接続のまま負荷との間に電圧変換器を挿入配置して放
電を行ってもよい。 【００２１】（参考例１） 負極が炭素から成り、また正極がLiCO2 から成り、さら
に有機溶媒（リチウム塩を溶解した溶液）を電解液とし
て構成されたリチウムイオン電池（リチウム二次電池）
を60個用い、図２に概略構成をブロック図で示すよう
な、容量10Ahのリチウム二次電池電源を構成した。図２
において、１は互いに並列に接続した複数のリチウム二
次電池、２は前記リチウム二次電池１群に対する充電時
の電圧を、各リチウム二次電池１が具備する負極にリチ
ウムデントライトの析出する電圧以下に設定された設定
設定値以下にリチウム二次電池１群への充電電圧を制御
する充電電圧制御部、３は前記リチウム二次電池１群と
負荷４との間に配置され、前記負荷４に供給する電圧に
調整・変換するであつ変換機能と、リチウム二次電池１
群の設定された放電終止電圧を検出し、この検出された
電圧が予め設定された放電終止電圧値に達したときリチ
ウム二次電池１群の放電を停止・放電電圧制御機能とを
兼ね備えた電圧変換器である。なお、前記各リチウム二
次電池１の平均の放電電圧：3.6V、充電における上限電
圧：4.2V、放電における下限電圧：3.0Vであるため、リ
チウム二次電池電源としての全体のエネルギーは2160Wh
である。前記構成のリチウム二次電池電源で、平均電圧
200V，電流が 10Aの負荷４を駆動するに当たり、前記リ
チウム二次電池電源と負荷４との間に最低動作電圧3Vの
電圧変換器３を配置して200Vを発生させるとともに、放
電の終止電圧を3Vと設定した構成とする一方、前記リチ
ウム二次電池電源への充電に関与する充電電圧制御部２
の充電電圧最大値を4.2Vに設定した。この電気（電機）
回路構成で負荷４を駆動し、リチウム二次電池電源の機
能的な評価を行ったところ、安全性の高いリチウム二次
電池電源として機能することが確認された。なお、参考
例１では電圧変換機能と放電制御機能を兼ね備えた電圧
変換器を用いたが、両機能を独立して有する回路として
もよい。 【００２２】（参考例２） 参考例１の場合と同一構成のリチウムイオン電池（リチ
ウム二次電池） 6個を直列に接続して直列電池ユニット
を構成し、この直列電池ユニット10個を並列に接続して
リチウム二次電池電源を構成した。図３はこのリチウム
二次電池電源の概略構成を示すブロック図であり、５は
直列に複数個のリチウム二次電池１を接続したリチウム
二次電池ユニット（直列接続ユニット）、６は前記リチ
ウム二次電池ユニット５を並列に接続した複数のリチウ
ム二次電池群と、２は前記リチウム二次電池群６に対す
る充電時の電圧を、各リチウム二次電池１が具備する負
極にリチウムデントライトの析出する電圧×リチウム二
次電池ユニット５中のをリチウム二次電池１数の値（電
圧設定値）にリチウム二次電池群６への充電電圧を制御
する充電電圧制御部、３は前記リチウム二次電池群６と
負荷４との間に配置され、前記負荷４に供給する電圧に
調整・変換する電圧変換機能とともに、リチウム二次電
池群６の放電終止電圧×リチウム二次電池群６の値、換
言すると放電停止の電圧設定値に達したとき、リチウム
二次電池群６の放電停止または放電電圧制御機能を有す
る電圧変換器である。 【００２３】この構成においては、並列接続したリチウ
ム二次電池群６の充電の上限電圧を4.2× 6＝ 25.2Vと
し、放電の下限電圧を 18Vとし、またリチウム二次電池
電源と負荷（200V×10A ）との間には 20V以上の電圧で
作動し、200Vの電圧を発生する電圧変換器３を配置し
た。なお、前記負荷４は電圧が260Vから190Vまでの間で
正常に作動するものである。この電気（電機）回路構成
で負荷４を駆動し、リチウム二次電池電源の機能的な評
価を行ったところ、電圧変換効率が格段に向上して、電
池エネルギーのロスも大幅に低減したリチウム二次電池
電源として機能することが確認された。 【００２４】（参考例３） 参考例１の場合と同一構成のリチウムイオン電池（リチ
ウム二次電池）60個を直列に接続して直列電池ユニット
化し、充電電源の最大電圧252V（4.2V×60）、放電の下
限電圧180V（3V×60）のリチウム二次電池電源を構成し
た。図４はこのリチウム二次電池電源の概略構成を示す
ブロック図であり、５は複数のリチウム二次電池１が直
列に接続され、かつそれぞれ電圧の計測可能なモニター
７を備えたリチウム二次電池ユニット、２は前記リチウ
ム二次電池ユニット５に対する充電時の電圧をリチウム
二次電池１が具備する負極にリチウムデントライトが析
出する電圧以下の設定電圧値をモニターし、この設定電
圧値以下にリチウム二次電池ユニット５への充電電圧を
制御する充電電圧制御手段である。ここで、電圧制御方
法としては、充電電圧ないし放電電圧が設定電圧値に達
した時点で、充電を停止するか、あるいは設定電圧値以
下に保持する方法が挙げられる。 【００２５】この構成においては、直列接続したリチウ
ム二次電池ユニット５の充電の上限電圧が 4.2×60＝25
2V、放電の下限電圧を180Vで、またリチウム二次電池電
源と負荷（200V× 10A）は 260〜 190 V以上の電圧で作
動し、前記リチウム二次電池ユニット５を形成する各リ
チウム二次電池１中のいずれかが、充電の上限電圧4.2V
を超えたとき、または放電の下限電圧3V未満になったと
き、前記電圧の計測可能なモニター７によって容易に検
知されるので、手動的ないし自動的に充電や放電が制御
される。この電気（電機）回路構成で負荷４を駆動し、
リチウム二次電池電源の機能的な評価を行ったところ、
各リチウム二次電池１について、各別に回路を接続替え
せずに、所要の充放電を行うことが可能であるばかりで
なく、安全性にすぐれたリチウム二次電池電源として機
能することが確認された。 【００２６】（参考例４） 参考例１の場合と同一構成のリチウムイオン電池（リチ
ウム二次電池）60個を直列に接続し、かつ電気的にバイ
パスが可能にするように直列電池ユニット化し、充電電
源の最大電圧252V（4.2V×60）、放電の下限電圧180V
（3V×60）のリチウム二次電池電源を構成した。図５は
このリチウム二次電池電源の概略構成を示すブロック図
であり、５は複数個のリチウム二次電池１が直列に接続
され、かつそれぞれ電圧の計測可能なモニター７を備え
たリチウム二次電池ユニット、２は前記各リチウム二次
電池の充電時の電圧を、各リチウム二次電池が具備する
負極にリチウムデントライトの析出する電圧以下の電圧
設定値以下に制御する電圧制御部であり、この電圧設定
値に達した時点ごとに、各リチウム二次電池を接続の切
り替えスイッチ８を作動させ、充電回路から外させるも
のである。４は前記リチウム二次電池ユニット５から所
要の電力が供給される負荷である。８は接続の切り替え
スイッチである。 【００２７】この構成においては、直列接続したリチウ
ム二次電池ユニット５の充電の上限電圧が 4.2×60＝25
2V、放電の下限電圧を180Vで、またリチウム二次電池電
源と負荷（200V× 10A）は 260〜 190 V以上の電圧で作
動し、前記リチウム二次電池ユニット５を形成する各リ
チウム二次電池１中のいずれかが、充電の上限電圧4.2V
を超えたとき、または放電の下限電圧3V未満になったと
き、前記各別に設置されている電圧の計測可能なモニタ
ー７によって容易にモニターされ、前記充電の上限電圧
4.2Vに達したリチウム二次電池１、または放電の下限電
圧3V未満に電圧が低下したリチウム二次電池１は、それ
ぞれ切り替えスイッチ８によって電気的にバイパスされ
て、バイパスされたリチウム二次電池の充電や放電が停
止されるが、それ以外のリチウム二次電池の充電や放電
は継続される。なお、前記放電において、全体として負
荷４に対応する放電電圧（たとえば190V）が得られない
状態になったとき、負荷４に対する放電（電力供給）は
停止される。この電気（電機）回路構成で負荷４を駆動
し、リチウム二次電池電源の機能的な評価を行ったとこ
ろ、各リチウム二次電池１について、それぞれ容量を最
大限に利用し得るとともに、単位リチウム二次電池１の
劣化が他の単位リチウム二次電池１に悪影響及ぼす恐れ
も低減されており、信頼性などにすぐれたリチウム二次
電池電源として機能することが確認された。 【００２８】（比較例） 参考 例１の場合と同一構成のリチウムイオン電池（リチ
ウム二次電池）60個を直列接続し、充電器の上限電圧：
252V，放電の下限電圧：180Vに設定したリチウム二次電
池電源を構成した。このリチアム二次電池電源と負荷と
の間に電圧変換器を置かない充放電制御システムとし、
運転した結果、このリチアム二次電池電源は、全体の電
池定格として216V，10Ahの電池であるが、充放電サイク
ルを繰り返している内に、10サイクル程度からいくつか
のリチウム二次電池が充電末期および放電末期での発熱
が異常に高まり、通常は30℃程度の電池温度であるの
に、60個中15個のリチウム二次電池が40℃前後の温度を
示し、危険な状態になったため、運転を取り止めた。 【００２９】一方、上記実施例および各参考例のリチウ
ム二次電池電源における制御システムの場合は、いずれ
もこのような現象は観察されず、正常に作動することが
確認された。なお、各参考例のリチウム二次電池電源に
おける制御システムにおける特長について言及すると、
リチウム二次電池電源の所定の定格に対するエネルギー
効率は、参考例１が最も低かったが（これは電圧変換器
の特性が低電圧入力時に低いためである）、サイクルラ
イフとしては最も長かった。また、参考例２の場合は、
定格の電池エネルギーに対して負荷を駆動するために使
われたエネルギーから計算される変換効率は参考例１や
参考例３よりも大きくなったが、 300サイクルを超えた
時点で、直列電池ユニット中、平均 1.5個の発熱が観察
された。さらに、参考例３の場合は、取り出せる容量は
参考例１と同程度になったが、リチウム二次電池の発熱
などの不具合は観察されず、参考例４の場合は、最も大
きなエネルギーを長いサイクルにわたって発揮し得た。
なお、上記例示において、充放電時などの接続（回路
の）切り替え手段は、スイッチ８など機械的な手段に限
らず、電子的な手段などであってもよい。 【００３０】 【発明の効果】以上実施例および比較例の説明から分か
るように、本発明によれば、リチウム二次電池のすぐれ
た特長を十分活かすことが可能となり、かつリチウム二
次電池を安全に、また長いサイクルに亘って作動（運
転）できる充放電制御システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係るリチウム二次電池電源の要部構成
例を示すブロック図。 【図２】参考例１のリチウム二次電池電源の要部構成例
を示すブロック図。 【図３】参考例２のリチウム二次電池電源の要部構成例
を示すブロック図。 【図４】参考例３のリチウム二次電池電源の要部構成例
を示すブロック図。 【図５】参考例４のリチウム二次電池電源の要部構成例
を示すブロック図。 【図６】(a) ，(b) はリチウム二次電池の充放電特性例
を示す曲線図。 【符号の説明】 １…リチウム二次電池 ２′…充電切替え制御部 ４…
負荷 ５…直列接続ユニット（リチウム二次電池ユニッ
ト） ７…電圧計測可能なモニター ８…接続切り替え
手段（スイッチ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 10/44 H02J 7/00 - 7/12

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 複数のリチウム二次電池を接続してなる
   リチウム二次電池群と、 前記リチウム二次電池群の出力で作動する負荷と、 前記リチウム二次電池群に接続しリチウム二次電池群を
   充電する充電手段と、 前記リチウム二次電池群に対する初期充電時には、リチ
   ウム二次電池群を成す各リチウム二次電池を直列に接続
   し、後期充電時にはリチウム二次電池群を成す各リチウ
   ム二次電池を並列に接続する切り替え手段と、 前記充電されたリチウム二次電池群の放電時には、リチ
   ウム二次電池群を成す各リチウム二次電池を直列に接続
   する接続回路切り替え手段とを具備して成るリチウム二
   次電池電源を有する機器システム。