JP3829453B2

JP3829453B2 - Lithium ion battery charging device and charging method

Info

Publication number: JP3829453B2
Application number: JP00880898A
Authority: JP
Inventors: 正之任田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2018-01-20
Also published as: JPH11215731A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン電池の充電装置及び充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電解液電池に対する充電方法では、水系及び非水系電解液電池の如何に拘らず、残存容量（ＳＯＣ：State of Charge 〈充電状態〉）（％）が１００％〜２０％の範囲や、１００％〜０％の範囲で、充放電の制御を行なうのが普通であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に、リチウムイオン電池の放電カーブ（放電曲線）の一例を示す。横軸はＳＯＣ（％）を示し、縦軸は電池の電圧を示す。このカーブによれば、ＳＯＣが１００％のとき、電池の電圧が４．２Ｖで、ＳＯＣが０％のとき、電池の電圧が２．５Ｖである。
【０００４】
図１０に、リチウムイオン電池の保存特性の一例を示す。横軸はＳＯＣ（％）を示し、縦軸は容量維持率（％）を示す。この図１０の保存特性は、各ＳＯＣ電圧が調整された電池を、例えば、５０°Ｃで１か月間保存したときの、容量維持率を示し、ＳＯＣが大きい程、容量維持率が低下することを意味している。ＳＯＣが１００％のときの容量維持率は８０％なり、ＳＯＣが０％のときの容量維持率は１００％になる。
【０００５】
リチウムイオン電池は、図１０から明らかなように、残存容量が高い程容量維持率が低くなり、劣化し易い、即ち、寿命が短くなるという欠点を有する。このため、例えば、パラレルハイブリッド電気自動車用電池として、リチウムイオン電池の如きリチウムイオン電池を使用し、その電池に対しパルス的な充放電制御を行なう場合は、残存容量の高い残存容量範囲で連続的に充放電制御が行なわれるため、電池の寿命がかなり短くなってしまう。
【０００６】
因みに、モータとエンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）を併用したハイブリッド電気自動車には、モータとエンジンを並列的に使用するパラレルハイブリッド電気自動車、モータとエンジンを直列的に使用するシリーズハイブリッド電気自動車、両者の混用の混合型ハイブリッド電気自動車がある。
【０００７】
上述の点に鑑み、本発明は、リチウムイオン電池の充電装置及び充電方法において、簡単な構成（方法）で、リチウムイオン電池の寿命を長くすることのできるものを提案しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたものである。
【０００９】
かかる第１の本発明によれば、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段によって、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、電池に対する充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の本発明は、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたものである。
【００１１】
このリチウムイオン電池の充電装置において、電池には、充放電制御手段を通じて、負荷及び充電用電源が接続される。この場合、負荷としてモータが、充電用電源として発電機が可能である。
【００１２】
このリチウムイオン電池の充電装置において、電池には、充放電制御手段を通じて、発電機を兼ねたモータが接続される。
【００１３】
第２の本発明は、リチウムイオン電池の充電方法において、電池の内部抵抗を検出し、その検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、その残存容量の範囲で、電池に対する充放電を制御するようにしたものである。
【００１４】
このリチウムイオン電池の充電方法において、電池には、負荷及び充電用電源が接続される。この場合、負荷としてモータが、充電用電源として発電機が可能である。
【００１５】
このリチウムイオン電池の充電方法において、電池には、発電機を兼ねたモータが接続される。
【００１６】
〔発明の実施の形態の具体例〕
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態の具体例を説明する。先ず、図１を参照して、具体例のリチウムイオン電池の充電装置を説明する。１はリチウムイオン電池である。
【００１７】
リチウム（Ｌｉ）イオン電池の正極は、リチウムと、コバルト、ニッケル、マンガン、クロム、バナジウム等との複合酸化物（セラミック酸化物）から構成される。この複合酸化物は、具体的には、層状化合物してのＬｉＶＯ₂、ＬｉＣｒＯ₂、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、擬層状化合物としてのＬｉＭｎＯ₂、スピネルとしてのＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＶ₂Ｏ₄等である。リチウムイオン電池の負極は、カーボン、グラファイト等の炭素から構成される。リチウムイオン電池の電解液は非水系電解液で、炭酸エステル類が用いられる。
【００１８】
８は発電機を兼ねた電動機（モータ）で、電池１に対する負荷としての機能及び電池に対する充電用電源としての機能を有する。このモータ８の一端は接地されている。このモータ８は、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に搭載され、単独、又は、エンジンと協同して電気自動車の駆動源となると共に、電気自動車にブレーキを掛けるときは、モータ８が発電機として機能し、その電力が電池１に充電される。又、ハイブリッド電気自動車の場合は、エンジンによってその発電機が駆動され、その電力が電池１に充電される場合もある。
【００１９】
３は、充放電制御手段（例えば、導通方向が互いに逆の２個のダイオード及びその２個のダイオードを切換える切換えスイッチから構成される）で、電池１に対する発電機としてのモータ８からの充電及び電池１からモータ８への放電を制御する。この充放電の制御は、電池１の電圧Ｖが、Ｖ１＜Ｖ≦Ｖ２のときは、電池１からモータ８に対し放電を行い、Ｖ≦Ｖ１になったときは、発電機としてのモータ８から電池１に対し充電を行なって、電池１の電圧がＶ２になるまで充電を行なう。この場合、充放電を行なわない期間もある。尚、Ｖ１を下限電圧、Ｖ２を上限電圧と称することにする。この充放電制御手段３は、電池１及びモータ８に対し直列接続されている。
【００２０】
次に、電池１の残存容量決定手段について説明する。２は、電池１の電流Ｉを検出する電流検出手段で、電池１及びモータ８間に直列接続されている。電流検出手段２は、充放電制御手段３に対し直列接続されている。４は、電池１の電圧Ｖを検出する電圧検出手段で、電池１に対し並列接続されている。
【００２１】
５は内部抵抗演算手段で、電流検出手段２によって検出された電池１の電流Ｉ及び電圧検出手段４によって検出された電池１の電圧Ｖに対し、Ｖ／Ｉ＝Ｒの演算を行なって、電池１の内部抵抗Ｒを算出する。
【００２２】
６はＳＯＣ（充電状態）（残存容量）範囲演算手段で、内部抵抗演算手段５の演算結果である電池１の内部抵抗Ｒに基づいて、残存容量範囲を演算する。このＳＯＣ範囲演算手段６では、具体的には、図３のリチウムイオン電池の放電カーブに従って、電池１の内部抵抗Ｒに対し、基準抵抗Ｒ_n、Ｒ_n+1、Ｒ_n+2、‥‥‥‥‥‥、Ｒ_n+m（但し、Ｒ_n＜Ｒ_n+1＜Ｒ_n+2＜‥‥‥‥‥‥＜Ｒ_n+m）を選定する。
【００２３】
先ず、電池の内部抵抗Ｒが、
【００２４】
【数１】
Ｒ≦Ｒ_n
【００２５】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００２６】
【数２】
ｘ≦Ｓ≦ｙ
【００２７】
に選定し、
【００２８】
電池１の内部抵抗Ｒが、
【００２９】
【数３】
Ｒ_n+1≧Ｒ＞Ｒｎ
【００３０】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００３１】
【数４】
ｘ＋ｄ₁≦Ｓ≦ｙ＋ｄ₁
【００３２】
に変更すると共に、基準抵抗をＲ_nからＲ_n+1に変更する。この場合、Ｒ_n+1を
【００３３】
【数５】
Ｒ_n+1＝αＲ_n（但し、αはα＞１）
【００３４】
に選定する。
【００３５】
電池１の内部抵抗Ｒが、
【００３６】
【数６】
Ｒ_n+2≧Ｒ＞Ｒ_n+1
【００３７】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００３８】
【数７】
ｘ＋ｄ₂≦Ｓ≦ｙ＋ｄ₂
【００３９】
に変更すると共に、基準抵抗をＲ_n+1からＲ_n+2に変更する。この場合、Ｒ_n+2を、
【００４０】
【数８】
Ｒ_n+2＝βＲ_n+1（但し、βはβ＞１）
【００４１】
に選定する。以下、上述の過程を、基準抵抗Ｒ_n+mまで繰り返す。
【００４２】
７はＳＯＣ範囲対応電圧設定手段で、ＳＯＣ範囲演算手段６の演算結果に基づいて、充放電制御手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を、図３のカーブに従って、残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲に対応する下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を設定して、充放電制御手段３に指示する。この場合、ＳＯＣ範囲演算手段６の演算によるＳＯＣ範囲に変更があったときに、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示し、ＳＯＣ範囲の変更がなかったときは、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示しない。
【００４３】
次に、図２を参照して、図１のリチウムイオン電池の充電装置の具体例に関連したリチウムイオン電池の充電方法の具体例を説明する。尚、ここでは、電池１に対する基準電圧として、Ｒ_n及びＲ_n+1を用いている。ステップＳＴ−１では、図１の電流検出手段２及び電圧検出手段４によって、電池１の電流Ｉ及び電圧Ｖを検出する。ステップＳＴ−１の次は、ステップＳＴ−２に移行して、内部抵抗演算手段５によって、Ｖ／Ｉ＝Ｒの演算を行なって、電池１の内部抵抗Ｒを得る。
【００４４】
ステップＳＴ−３では、ＳＯＣ範囲演算手段６によって、電池１の内部抵抗Ｒが、Ｒ＞Ｒ_nか否かを判断し、ＮＯであれば、ステップＳＴ−８に移行して、電池１のＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）の範囲は、ｘ≦Ｓ≦ｙ（初期状態）のままとし、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示せず、充放電制御手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２は、図３のカーブに従ったそれぞれＳＯＣｘ及びｙに対応する電圧のままとし、又、電池１の内部抵抗Ｒに対する基準値はＲ_nのままとした後、ステップＳＴ−１に戻る。
【００４５】
ステップＳＴ−３の判断でＹＥＳのときは、ステップＳＴ−４に移行して、電池１のＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）の範囲を高い方に移動させて、例えば、ｘ＋１０≦Ｓ≦ｙ＋１０に変更する。
【００４６】
ステップＳＴ−４の次はステップＳＴ−５に移行して、充放電手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を、図３のカーブに従ったそれぞれＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）（ｘ＋１０）及び（ｙ＋１０）に対応する電圧に設定した後、ステップＳＴ−６で、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示する。
【００４７】
ステップＳＴ−６の次はステップＳＴ−７に移行して、電池１の内部抵抗Ｒの基準値をＲ_nからＲ_n+1に変更した後、ステップＳＴ−１に戻る。この場合、Ｒ_n+1を、例えば、Ｒ_n+1＝１．１Ｒ_nに選定する。
【００４８】
例えば、ｘ＝４０（％）、ｙ＝６０（％）とすれば、初期状態では、Ｖ１が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）Ｓが４０％に対応する電圧となり、Ｖ２がが図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）Ｓが６０％に対応する電圧となる。又、ｘ＝４０（％）、ｙ＝６０（％）の場合は、ｘ＋１０＝５０（％）、ｙ＋１０＝７０（％）となるので、Ｖ１が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）が５０％に対応する電圧となり、Ｖ２が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）が７０％に対応する電圧となる。
【００４９】
そして、充放電制御手段３では、電池１の電圧Ｖが、Ｖ１＜Ｖ≦Ｖ２のときは、電池１からモータ８に対し放電を行い、Ｖ≦Ｖ１になったときは、電池１の電圧がＶ２になるまで、発電機としてのモータ８から電池１に対し充電を行なう。
【００５０】
次に、図４を参照して、図１の発電機を兼ねたモータ８が、電気自動車に搭載された場合、又は、ハイブリッド電気自動車にエンジンと共に搭載された場合のパルス充放電サイクルの例を説明する。最初の１０秒間は電池１からのＡｋｗの電力をモータ８に供給してモータ８を駆動する。次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間はモータ８を発電機として機能させて、その発電機からのＡｋｗの電力を電池１に供給して充電を行って、モータ８に制動を掛けるか、又は、その発電機をエンジンによって駆動して、Ａｋｗの電力を電池１に充電する。その次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＢｋｗ（Ａｋｗ＞Ｂｋｗとする）の電力をモータ８に供給して駆動する。その次の１分間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＡｋｗの電力をモータ８に供給して駆動する。その次の３０秒間は充放電は行なわない。その次ぎの１０秒間は、モータ８を発電機として機能させて、その発電機からの電力Ａｋｗを電池１に供給して充電を行なって、モータ８に制動を掛けるか、又は、その発電機をエンジンによって駆動して、Ａｋｗの電力を電池１に充電する。その次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＢｋｗの電力をモータ８に供給してモータ８を駆動する。
【００５１】
図５は、電池１にＡｋｗのパルス充電を行なったときのパルス数に対する容量維持率の特性を示す曲線で、（１）は残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲を８０（％）〜１００（％）に固定した場合の容量維持率の特性を示し、（３）は残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲を６０（％）〜８０（％）に固定した場合の容量維持率の特性を示す。又、（２）は、本発明の実施の態様の具体例で、図４で説明したように、充放電を繰り返した場合の、室温が２５°Ｃにおける、電池１の内部抵抗が基準値より小さいきは、残存容量（ＳＯＣ）Ｓの範囲を６０（％）〜８０（％）に選定し、電池１の内部抵抗が基準値より大きくなったら、残存容量の範囲を８０（％）〜１００（％）に選定した場合の容量維持率の特性を示す。
【００５２】
残存容量の範囲を８０（％）〜１００（％）に選定した場合は、充放電休止の部分が残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の高い領域での保持のため電池の劣化が大きい。又、残存容量の範囲を６０（％）〜８０（％）に選定した場合は、サイクル特性は改善されるが、電池の内部抵抗がサイクルと共に上昇してきて、所定のＡｋｗの電力を出力できなくなり、充放電パターンが停止する。
【００５３】
図４に示した本発明の実施の形態の具体例のようにした場合には、残存容量が高いことによる電池の劣化を極力小さくすることができると共に、電池の内部抵抗の上昇に伴って電池の残存容量を徐々に高くしているため、所定の電力Ａｋｗを出力しつつ、サイクル寿命を長くすることができる。
【００５４】
本発明の実施の形態の具体例の、発電機の機能を有するモータをパラレルハイブリッド電気自動車に搭載し、そのモータに対しパルス的な充放電を繰り返す場合は、残存容量の範囲の幅は２０％程度に選定される。しかし、電気自動車の仕様によって、残存容量の範囲の幅は異なるが、電池の内部抵抗が低いときは残存容量（ＳＯＣ）の範囲を低いところにおき、電池の内部抵抗が高くなるにつれて、高いところに移行すれば、電池のサイクル寿命を長くすることができる。航続距離の長い電気自動車に搭載される電池の場合でも、航続距離を短縮して、短いサイクルで充放電を繰り返すようにすれば、サイクル寿命を長くすることができる。
【００５５】
発電機としても機能するモータが、直流電圧によって駆動される発振器よりの高周波数の交流電圧を整流して得た直流電圧で駆動される場合には、図６に示すように、充放電制御手段３及びモータ８間にＤＣ−ＤＣコンバータ９を挿入すれば良い。尚、この場合、モータ８が発電機として機能する場合のために、発電機よりの直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインンバータ、そのインバータよりの高周波の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータを、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に設ける必要がある。その他の構成は、図１の具体例と同様である。
【００５６】
発電機として機能するモータが交流モータである場合は、図７に示すように、充放電制御手段３及びモータ８間にインバータ１０を挿入するようにすれば良い。尚、この場合、モータ８が発電機として機能する場合のために、発電機よりの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータをインバータ１０に設ける必要がある。その他の構成は、図１の具体例と同様である。
【００５７】
次に、図８を参照して、電池１に、充放電制御手段３を通じて、負荷回路及び充電用電源が接続される場合の具体例を説明する。この場合は、負荷８Ａ及び充電用電源回路（ここでは入力端子８Ａａからの交流電圧を整流する整流回路）８Ｂを、充電放電制御手段３を構成する切換えスイッチによって、電池１に対し直列に切換え接続されるようにする。尚、その切換えスイッチには、負荷８Ａ側及び充電用電源回路８Ｂ側の固定接点の他に、充放電を停止するための遊接点を設けることができる。
【００５８】
次に、図９を参照して、電池１に、充放電制御手段３を通じて、負荷としてのモータ及び発電機が接続される場合の具体例を説明する。この場合は、モータ８Ａ及び発電機８Ｂを、充電放電制御手段３を構成する切換えスイッチによって、電池１に対し直列に切換え接続されるようにする。尚、その切換えスイッチには、モータ８Ａ側及び発電機８Ｂ側の固定接点の他に、充放電を停止するための遊接点を設けることができる。
【００５９】
【発明の効果】
第１の本発明によれば、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたので、簡単な構成で、リチウムイオン電池の寿命（サイクル寿命を含む）を長くすることのできるリチウムイオン電池の充電装置を得ることができる。
【００６０】
第２の本発明によれば、リチウムイオン電池の充電方法において、電池の内部抵抗を検出し、その検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、その残存容量の範囲で、電池に対する充放電を制御するようにしたので、簡単な方法で、リチウムイオン電池の寿命（サイクル寿命を含む）を長くすることのできるリチウムイオン電池の充電方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の具体例を示すブロック線図である。
【図２】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電方法の具体例を示すフローチャートである。
【図３】リチウムイオン電池の放電特性のカーブの一例を示す特性曲線図である。
【図４】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電方法の一例のパルス充放電サイクルを示す説明図である。
【図５】リチウムイオン電池のサイクル数に対する容量維持率の特性例を示す特性曲線図である。
【図６】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の他の具体例を示すブロック線図である。
【図７】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図８】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図９】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図１０】リチウム（Ｌｉ）イオン電池の保存特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１電池、２電流検出手段、３充放電制御手段、４電圧検出手段、５内部抵抗演算手段、６ＳＯＣ範囲演算手段、７ＳＯＣ範囲対応電圧設定手段、８モータ、８Ａ負荷回路（モータ）、８Ｂ充電用電源（充電用電源回路）（発電機）、９ＤＣ−ＤＣコンバータ、１０インバータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charging device and a charging method for a lithium ion battery.
[0002]
[Prior art]
In a conventional charging method for an electrolyte battery, a remaining capacity (SOC: State of Charge) (%) is in a range of 100% to 20% regardless of whether the battery is an aqueous or non-aqueous electrolyte battery. Usually, charge and discharge are controlled in the range of% to 0%.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 3 shows an example of a discharge curve (discharge curve) of a lithium ion battery. The horizontal axis indicates SOC (%), and the vertical axis indicates the battery voltage. According to this curve, when the SOC is 100%, the battery voltage is 4.2V, and when the SOC is 0%, the battery voltage is 2.5V.
[0004]
FIG. 10 shows an example of storage characteristics of a lithium ion battery. The horizontal axis indicates SOC (%), and the vertical axis indicates capacity retention rate (%). The storage characteristics of FIG. 10 indicate the capacity retention rate when a battery with each SOC voltage adjusted is stored at, for example, 50 ° C. for one month. The larger the SOC, the lower the capacity retention rate. Means. The capacity maintenance rate when the SOC is 100% is 80%, and the capacity maintenance rate when the SOC is 0% is 100%.
[0005]
As is clear from FIG. 10, the lithium ion battery has a drawback that the higher the remaining capacity is, the lower the capacity retention rate is, and it is likely to deteriorate, that is, the life is shortened. Therefore, for example, when a lithium ion battery such as a lithium ion battery is used as a battery for a parallel hybrid electric vehicle and pulse charge / discharge control is performed on the battery, the battery is continuously used in a remaining capacity range with a high remaining capacity. In addition, since the charge / discharge control is performed, the life of the battery is considerably shortened.
[0006]
Incidentally, hybrid electric vehicles that use a motor and an engine (gasoline engine, diesel engine, etc.) together include a parallel hybrid electric vehicle that uses a motor and an engine in parallel, a series hybrid electric vehicle that uses a motor and an engine in series, There is a mixed hybrid electric vehicle that uses both.
[0007]
In view of the above, the present invention is intended to propose a lithium ion battery charging device and method that can extend the life of a lithium ion battery with a simple configuration (method).
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in a charging device for a lithium ion battery, charge / discharge control means for the battery, resistance detection means for detecting the internal resistance of the battery, and the internal resistance of the battery detected by the resistance detection means is increased. The remaining capacity range determining means for determining the remaining capacity range of the battery so as to move the remaining capacity range to a place where the remaining capacity is high, and the charge / discharge control means is controlled by the remaining capacity range determining means. The operation is performed within the range of the remaining capacity.
[0009]
According to the first aspect of the present invention, as the battery internal resistance detected by the resistance detecting means for detecting the internal resistance of the battery increases by the remaining capacity range determining means for determining the range of the remaining capacity of the battery, the remaining capacity increases. The range of the remaining capacity of the battery is determined so that the range of the capacity is moved to a place where the remaining capacity is high, and the charge / discharge control means for the battery is operated within the range of the remaining capacity by the range determining means of the remaining capacity. .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to a first aspect of the present invention, in a charging device for a lithium ion battery, charge / discharge control means for the battery, resistance detection means for detecting the internal resistance of the battery, and the internal resistance of the battery detected by the resistance detection means is increased. The remaining capacity range determining means for determining the remaining capacity range of the battery so as to move the remaining capacity range to a place where the remaining capacity is high, and the charge / discharge control means is controlled by the remaining capacity range determining means. The operation is performed within the range of the remaining capacity.
[0011]
In this lithium ion battery charger, a load and a power source for charging are connected to the battery through charge / discharge control means. In this case, a motor can be used as a load, and a generator can be used as a charging power source.
[0012]
In this lithium ion battery charging apparatus, a motor that also serves as a generator is connected to the battery through charge / discharge control means.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the method for charging a lithium ion battery, the internal resistance of the battery is detected, and the range of the remaining capacity is moved to a place where the remaining capacity is high as the detected internal resistance of the battery increases. The range of the remaining capacity of the battery is determined, and charging / discharging of the battery is controlled within the range of the remaining capacity.
[0014]
In this method of charging a lithium ion battery, a load and a power source for charging are connected to the battery. In this case, a motor can be used as a load, and a generator can be used as a charging power source.
[0015]
In this method for charging a lithium ion battery, a motor that also serves as a generator is connected to the battery.
[0016]
[Specific Examples of Embodiments of the Invention]
Hereinafter, specific examples of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, with reference to FIG. 1, the charging device of the lithium ion battery of a specific example is demonstrated. Reference numeral 1 denotes a lithium ion battery.
[0017]
The positive electrode of a lithium (Li) ion battery is composed of a composite oxide (ceramic oxide) of lithium and cobalt, nickel, manganese, chromium, vanadium, or the like. The composite oxide, _{_{specifically, LiVO 2, LiCrO 2, LiCoO}} 2, LiNiO 2 of then layered compound, LiMnO ₂ as擬層like compounds, with _{_{_{LiMn 2 O 4, LiV 2 O}}} 4 or the like as spinel is there. The negative electrode of the lithium ion battery is composed of carbon such as carbon or graphite. The electrolyte of the lithium ion battery is a non-aqueous electrolyte, and carbonates are used.
[0018]
An electric motor (motor) 8 also serves as a generator and has a function as a load for the battery 1 and a function as a charging power source for the battery. One end of the motor 8 is grounded. The motor 8 is mounted on, for example, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like, and is used alone or in cooperation with an engine as a driving source of the electric vehicle. When the electric vehicle is braked, the motor 8 is a generator. And the battery 1 is charged with the electric power. In the case of a hybrid electric vehicle, the generator is driven by the engine, and the battery 1 may be charged with the electric power.
[0019]
3 is a charge / discharge control means (for example, composed of two diodes whose conduction directions are opposite to each other and a changeover switch for switching the two diodes), and charging from the motor 8 as a generator to the battery 1 and The discharging from the battery 1 to the motor 8 is controlled. The charge / discharge control is performed when the voltage V of the battery 1 is V1 <V ≦ V2, and the battery 1 is discharged to the motor 8, and when V ≦ V1, the motor 8 as a generator is discharged. The battery 1 is charged and charged until the voltage of the battery 1 reaches V2. In this case, there is a period during which charging / discharging is not performed. V1 is referred to as a lower limit voltage and V2 is referred to as an upper limit voltage. The charge / discharge control means 3 is connected in series to the battery 1 and the motor 8.
[0020]
Next, the remaining capacity determining means of the battery 1 will be described. Reference numeral 2 denotes current detection means for detecting the current I of the battery 1 and is connected in series between the battery 1 and the motor 8. The current detection unit 2 is connected in series to the charge / discharge control unit 3. Reference numeral 4 denotes voltage detection means for detecting the voltage V of the battery 1 and is connected in parallel to the battery 1.
[0021]
Reference numeral 5 denotes internal resistance calculation means, which calculates V / I = R with respect to the current I of the battery 1 detected by the current detection means 2 and the voltage V of the battery 1 detected by the voltage detection means 4. An internal resistance R of 1 is calculated.
[0022]
6 is an SOC (charged state) (remaining capacity) range calculating means for calculating the remaining capacity range based on the internal resistance R of the battery 1 which is the calculation result of the internal resistance calculating means 5. Specifically, in the SOC range calculation means 6, reference resistances R _n , R _{n + 1} , R _{n + 2} ,... With respect to the internal resistance R of the battery 1 according to the discharge curve of the lithium ion battery of FIG. ‥‥‥‥, R _{n + m} _{_{(where, R n <R n + 1}} <R n + 2 <‥‥‥‥‥‥ <R n + m) is selected.
[0023]
First, the internal resistance R of the battery is
[0024]
[Expression 1]
R ≦ R _n
[0025]
In the case of, the range of the remaining capacity S (%),
[0026]
[Expression 2]
x ≦ S ≦ y
[0027]
Selected
[0028]
The internal resistance R of the battery 1 is
[0029]
[Equation 3]
R _{n + 1} ≧ R> Rn
[0030]
In the case of, the range of the remaining capacity S (%),
[0031]
[Expression 4]
x + d ₁ ≦ S ≦ y + d ₁
[0032]
With change in the reference resistor is changed from R _n to R _{n + 1.} In this case, R _{n + 1} is
[Equation 5]
R _{n + 1} = αR _n (where α is α> 1)
[0034]
Select
[0035]
The internal resistance R of the battery 1 is
[0036]
[Formula 6]
R _{n + 2} ≧ R> R _{n + 1}
[0037]
In the case of, the range of the remaining capacity S (%),
[0038]
[Expression 7]
x + d ₂ ≦ S ≦ y + d ₂
[0039]
And the reference resistance is changed from R _{n +} ₁ to R _{n + 2} . In this case, R _{n + 2} is
[0040]
[Equation 8]
R _{n + 2} = βR _{n + 1} (where β is β> 1)
[0041]
Select Hereinafter, the above process is repeated up to the reference resistance R _{n + m} .
[0042]
Reference numeral 7 denotes an SOC range-corresponding voltage setting means. Based on the calculation result of the SOC range calculation means 6, the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2 in the charge / discharge control means 3 are changed to a remaining capacity (SOC) S ( %) And set the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2 corresponding to the range, and instruct the charge / discharge control means 3. In this case, when there is a change in the SOC range calculated by the SOC range calculation means 6, the charge / discharge control means 3 is instructed to change the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2, and there is no change in the SOC range. Does not instruct to change the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2.
[0043]
Next, a specific example of a method for charging a lithium ion battery related to the specific example of the charging apparatus for the lithium ion battery of FIG. 1 will be described with reference to FIG. Here, R _n and R _{n + 1} are used as reference voltages for the battery 1. In step ST-1, the current I and voltage V of the battery 1 are detected by the current detection means 2 and voltage detection means 4 of FIG. After step ST-1, the process proceeds to step ST-2, where the internal resistance calculation means 5 calculates V / I = R to obtain the internal resistance R of the battery 1.
[0044]
In step ST-3, the SOC range calculating means 6, the internal resistance R of the battery 1, R> determines whether R _n or not, if NO, the processing proceeds to step ST-8, SOC of the battery 1 The range of (remaining capacity) S (%) remains x ≦ S ≦ y (initial state), and the charge / discharge control means 3 is not instructed to change the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2, and charge / discharge control is performed. the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2 in unit 3, and left voltage corresponding to each SOCx and y in accordance with the curve in FIG. 3, also, after the reference value for the internal resistance R of the battery 1 which was left R _n Return to step ST-1.
[0045]
When the determination in step ST-3 is YES, the process proceeds to step ST-4, and the SOC (remaining capacity) S (%) range of the battery 1 is moved to the higher side, for example, x + 10 ≦ S ≦ y + 10. Change to
[0046]
After step ST-4, the process proceeds to step ST-5, where the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2 in the charging / discharging means 3 are determined as SOC (remaining capacity) S (%) (x + 10) according to the curve of FIG. And after setting to the voltage corresponding to (y + 10), the change of the lower limit voltage V1 and the upper limit voltage V2 is instruct | indicated with respect to the charging / discharging control means 3 by step ST-6.
[0047]
Step next ST-6, the process proceeds to step ST-7, the reference value of the internal resistance R of the battery 1 after changing from R _n to R _{n + 1,} the flow returns to step ST-1. In this case, R _{n + 1} is selected as, for example, R _{n + 1} = 1.1R _n .
[0048]
For example, if x = 40 (%) and y = 60 (%), in the initial state, V1 becomes a voltage corresponding to the remaining capacity (SOC) S of the curve of FIG. 3, and V2 is FIG. The remaining capacity (SOC) S of the curve becomes a voltage corresponding to 60%. When x = 40 (%) and y = 60 (%), x + 10 = 50 (%) and y + 10 = 70 (%), so V1 is the remaining capacity (SOC) of the curve of FIG. %, And V2 is a voltage corresponding to 70% of the remaining capacity (SOC) of the curve of FIG.
[0049]
In the charge / discharge control means 3, when the voltage V of the battery 1 is V1 <V ≦ V2, the battery 1 discharges the motor 8, and when V ≦ V1, the voltage of the battery 1 is The battery 1 is charged from the motor 8 serving as a generator until V2.
[0050]
Next, referring to FIG. 4, an example of a pulse charge / discharge cycle when the motor 8 also serving as the generator of FIG. 1 is mounted on an electric vehicle or mounted on a hybrid electric vehicle together with an engine. explain. During the first 10 seconds, the power of Akw from the battery 1 is supplied to the motor 8 to drive the motor 8. Charging / discharging is not performed for the next 30 seconds. For the next 10 seconds, the motor 8 is caused to function as a generator, the power of Akw from the generator is supplied to the battery 1 for charging, and the motor 8 is braked, or the generator is Driven by the engine, the battery 1 is charged with the power of Akw. Charging / discharging is not performed for the next 30 seconds. For the next 10 seconds, the electric power of Bkw (Akw> Bkw) from the battery 1 is supplied to the motor 8 for driving. Charging / discharging is not performed for the next 1 minute. For the next 10 seconds, the power of Akw from the battery 1 is supplied to the motor 8 and driven. Charging / discharging is not performed for the next 30 seconds. For the next 10 seconds, the motor 8 is caused to function as a generator, the electric power Akw from the generator is supplied to the battery 1 for charging, and the motor 8 is braked or the generator is turned on. Driven by the engine, the battery 1 is charged with the power of Akw. Charging / discharging is not performed for the next 30 seconds. For the next 10 seconds, Bkw power from the battery 1 is supplied to the motor 8 to drive the motor 8.
[0051]
FIG. 5 is a curve showing the characteristics of the capacity retention ratio with respect to the number of pulses when the battery 1 is subjected to Akw pulse charging. (1) shows the range of the remaining capacity (SOC) S (%) from 80 (%) to The characteristics of the capacity retention rate when fixed to 100 (%) are shown. (3) is the capacity retention rate when the range of the remaining capacity (SOC) S (%) is fixed to 60 (%) to 80 (%). The characteristics are shown. (2) is a specific example of the embodiment of the present invention. As described with reference to FIG. 4, the internal resistance of the battery 1 at a room temperature of 25 ° C. when charging / discharging is repeated is higher than the reference value. If it is smaller, the range of the remaining capacity (SOC) S is selected from 60 (%) to 80 (%), and when the internal resistance of the battery 1 becomes larger than the reference value, the range of the remaining capacity is set from 80 (%) to 100 (%). (%) Shows the characteristics of capacity retention when selected.
[0052]
When the range of the remaining capacity is selected from 80 (%) to 100 (%), the deterioration of the battery is large because the charge / discharge suspension part is held in the region where the remaining capacity (SOC) S (%) is high. In addition, when the remaining capacity range is selected from 60% to 80%, the cycle characteristics are improved, but the internal resistance of the battery increases with the cycle, making it impossible to output the specified Akw power. The charge / discharge pattern stops.
[0053]
In the case of the specific example of the embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the deterioration of the battery due to the high remaining capacity can be reduced as much as possible, and the battery is increased as the internal resistance of the battery increases. Therefore, the cycle life can be extended while outputting the predetermined power Akw.
[0054]
When a motor having a generator function of a specific example of an embodiment of the present invention is mounted on a parallel hybrid electric vehicle and the motor is repeatedly charged and discharged in pulses, the remaining capacity range width is 20%. Selected to the extent. However, the range of the remaining capacity varies depending on the specifications of the electric vehicle. However, when the internal resistance of the battery is low, the range of the remaining capacity (SOC) is set low, and as the internal resistance of the battery increases, the range becomes higher. If it shifts to, the cycle life of a battery can be lengthened. Even in the case of a battery mounted on an electric vehicle having a long cruising distance, if the cruising distance is shortened and charging and discharging are repeated in a short cycle, the cycle life can be extended.
[0055]
When the motor that also functions as a generator is driven by a DC voltage obtained by rectifying a high frequency AC voltage from an oscillator driven by a DC voltage, as shown in FIG. A DC-DC converter 9 may be inserted between the motor 3 and the motor 8. In this case, for the case where the motor 8 functions as a generator, an inverter that converts a DC voltage from the generator into a high-frequency AC voltage, and a converter that converts a high-frequency AC voltage from the inverter into a DC voltage are provided. The DC-DC converter 9 must be provided. Other configurations are the same as the specific example of FIG.
[0056]
When the motor functioning as a generator is an AC motor, an inverter 10 may be inserted between the charge / discharge control means 3 and the motor 8 as shown in FIG. In this case, in order for the motor 8 to function as a generator, it is necessary to provide the inverter 10 with a converter that converts an AC voltage from the generator into a DC voltage. Other configurations are the same as the specific example of FIG.
[0057]
Next, with reference to FIG. 8, a specific example in the case where a load circuit and a charging power source are connected to the battery 1 through the charge / discharge control means 3 will be described. In this case, the load 8A and the charging power supply circuit (in this case, the rectifying circuit for rectifying the AC voltage from the input terminal 8Aa) 8B are connected in series to the battery 1 by the changeover switch constituting the charge / discharge control means 3. To be. The changeover switch can be provided with a free contact for stopping charging and discharging, in addition to the fixed contact on the load 8A side and the charging power supply circuit 8B side.
[0058]
Next, with reference to FIG. 9, a specific example in the case where a motor and a generator as a load are connected to the battery 1 through the charge / discharge control means 3 will be described. In this case, the motor 8 </ b> A and the generator 8 </ b> B are switched and connected in series to the battery 1 by the changeover switch constituting the charge / discharge control means 3. In addition to the fixed contacts on the motor 8A side and the generator 8B side, the changeover switch can be provided with a free contact point for stopping charging and discharging.
[0059]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, in the charging device for a lithium ion battery, the charge / discharge control means for the battery, the resistance detection means for detecting the internal resistance of the battery, and the internal resistance of the battery detected by the resistance detection means The remaining capacity range determining means for determining the remaining capacity range of the battery so that the remaining capacity range is moved to a higher remaining capacity area as the level increases, and the charging / discharging control means determines the remaining capacity range. Since the operation is performed within the range of the remaining capacity of the means, a lithium ion battery charging device capable of extending the life (including the cycle life) of the lithium ion battery with a simple configuration can be obtained.
[0060]
According to the second aspect of the present invention, in the method of charging a lithium ion battery, the internal resistance of the battery is detected, and the range of the remaining capacity is moved to a place where the remaining capacity is high as the detected internal resistance of the battery increases. As described above, the range of the remaining capacity of the battery is determined, and charging / discharging of the battery is controlled within the range of the remaining capacity, so that the life (including the cycle life) of the lithium ion battery can be extended by a simple method. A method for charging a lithium ion battery that can be performed can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a specific example of a charging device for a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a specific example of a method for charging a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic curve diagram illustrating an example of a discharge characteristic curve of a lithium ion battery.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a pulse charge / discharge cycle of an example of a method for charging a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a characteristic curve diagram showing a characteristic example of a capacity retention rate with respect to the number of cycles of a lithium ion battery.
FIG. 6 is a block diagram showing another specific example of the lithium-ion battery charging device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing still another specific example of a charging device for a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing still another specific example of a charging device for a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing still another specific example of a charging device for a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic curve diagram showing storage characteristics of a lithium (Li) ion battery.
[Explanation of symbols]
1 battery, 2 current detection means, 3 charge / discharge control means, 4 voltage detection means, 5 internal resistance calculation means, 6 SOC range calculation means, 7 SOC range corresponding voltage setting means, 8 motor, 8A load circuit (motor), 8B Charging power source (charging power circuit) (generator), 9 DC-DC converter, 10 inverter.

Claims

In a charging device for a lithium ion battery, charge / discharge control means for the battery, resistance detection means for detecting the internal resistance of the battery, and the remaining capacity of the battery as the internal resistance of the battery detected by the resistance detection means increases. A remaining capacity range determining means for determining the remaining capacity range of the battery so as to move the range to a place with a higher remaining capacity, and the charge / discharge control means is controlled by the remaining capacity range determining means. A lithium-ion battery charger characterized by operating within a capacity range.

In the lithium ion battery charging device according to claim 1,
A charging device for a lithium ion battery, wherein a load and a power source for charging are connected to the battery through the charge / discharge control means.

The lithium ion battery charging device according to claim 2,
The charging device for a lithium ion battery, wherein the load is a motor and the charging power source is a generator.

In the lithium ion battery charging device according to claim 1,
A charging device for a lithium ion battery, wherein a motor that also serves as a generator is connected to the battery through the charge / discharge control means.

In the method of charging a lithium ion battery, the remaining battery capacity is detected such that the internal resistance of the battery is detected, and the range of the remaining capacity is moved to a higher remaining capacity as the detected internal resistance of the battery increases. A method for charging a lithium ion battery, wherein a capacity range is determined, and charging / discharging of the battery is controlled within the remaining capacity range.

In the charging method of the lithium ion battery according to claim 5,
A method for charging a lithium ion battery, wherein a load and a power source for charging are connected to the battery.

In the charging method of the lithium ion battery according to claim 6,
The method of charging a lithium ion battery, wherein the load is a motor and the charging power source is a generator.

In the charging method of the lithium ion battery according to claim 5,
A method for charging a lithium ion battery, wherein the battery is connected to a motor that also serves as a generator.