JP4108307B2 - リチウムイオン二次電池状態検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックアップ用の電源として使用されるリチウムイオン二次電池の充電状態および放電状態を検出するリチウムイオン二次電池状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、携帯電話機やコードレス電話機などの移動無線通信機をはじめ、ビデオカメラやノート型パソコンなどでは、体積エネルギー密度および重量エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池が多く使われている。このリチウムイオン二次電池は、通常の使用状態では、リチウムが常にイオン状態で存在しているので、金属リチウム二次電池と比べると、はるかに安全性は高い。
【０００３】
しかし、主要構成材料に可燃性物質が使用されているため、実使用にあたっては十分な安全性を確保する必要があり、いくつかの安全機構が付与されている。具体的には、電池温度が上昇した場合におけるＰＴＣ素子の動作、セパレータの溶融による封孔（シャットダウン）、電池内部圧力の上昇による安全弁の作動等であり、万一誤った使い方をしたとしても、発火や破裂などの事故の防止対策が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、リチウムイオン二次電池の高容量化が進み、高エネルギー密度の特徴を生かして、通信用電源システムへの適用が考えられる。通信システムでは、電源装置が備える整流器の出力側に負荷と電池が並列に接続され、この整流器の出力が一定電圧に維持されているので、従来のサイクル使用と異なった安全性と信頼性が必要になる。上述したように、リチウムイオン二次電池には、発火や破裂などに対する種々の安全機構が盛り込まれてはいるが、二次電池の異常を検出することはできず、その故障を予測することはできない。従って、非常時にリチウムイオン二次電池によるバックアップが必要になっても、リチウムイオン二次電池が故障していてリチウムイオン二次電池が放電できず、通信サービスに支障が生じる虞があった。
【０００５】
即ち、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池からなる組電池をフロート充電方式で使用する場合、全てのリチウムイオン二次電池の容量あるいは内部抵抗が常に同じであればバランスよく充電できるが、実際には、各リチウムイオン二次電池の容量や内部抵抗には若干のばらつきが存在する。また、充電の初期において各リチウムイオン二次電池の内部特性が同じであったとしても、時間の経過に従って、フロート充電によりリチウムイオン二次電池の内部特性が変化し、その容量や内部抵抗も変化する。その結果、組電池を構成するリチウムイオン二次電池の特性上のバランスが崩れ、特定のリチウムイオン二次電池が過充電状態になる場合がある。この場合、過充電されたリチウムイオン二次電池は上述の安全機構によって開放状態となり、フロート充電状態で待機している組電池全体の回路が開放となるため、バックアップが必要な非常時にリチウムイオン二次電池を使用できなくなる。
【０００６】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フロート充電状態で待機しているバックアップ用のリチウムイオン二次電池の状態を安全かつ効率的に検出することを可能とするリチウムイオン二次電池状態検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
すなわち、本発明に係るリチウムイオン二次電池状態検出装置は、負荷に直流電力を供給する電源装置の出力に対して前記負荷と並列に接続されたリチウムイオン二次電池の状態を検出する装置であって、前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する第１の電圧検出手段（例えば後述する電圧プローブ７に相当する構成要素）と、前記電源装置の出力電圧を検出する第２の電圧検出手段（例えば後述する電圧プローブ６に相当する構成要素）と、前記リチウムイオン二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段（例えば後述する電流プローブ５に相当する構成要素）と、前記第１および第２の電圧検出手段ならびに前記電流検出手段の各検出値を監視し、これら検出値から前記リチウムイオン二次電池の状態を判断する監視手段（例えば後述する制御部４に相当する構成要素）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記監視手段は、例えば、前記リチウムイオン二次電池の電圧および電流、ならびに前記電源装置の出力電圧の検出値を入力し、前記各検出値を予め設定したしきい値と比較することにより、前記リチウムイオン二次電池の状態および前記電源装置の状態を判断することを特徴とする。
前記監視手段は、例えば、前記第１の電圧検出手段の検出値と前記第２の電圧検出手段の検出値とが略等しく、前記電流検出手段の検出値がゼロを境として微動する傾向を示す場合、前記リチウムイオン二次電池が正常な状態にあると判断することを特徴とする。
【０００９】
前記監視手段は、例えば、前記第２の電圧検出手段の検出値が前記電源装置の本来の出力電圧を示し、前記電流検出手段の検出値が略ゼロを示す場合、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判断することを特徴とする。
前記監視手段は、例えば、前記第２の電圧検出手段の検出値が略ゼロを示し、前記第１の電圧検出手段の検出値が時間の経過に伴って減少する傾向を示す場合、前記リチウムイオン二次電池が放電状態にあると判断することを特徴とする。
前記監視手段は、例えば、前記第１の電圧検出手段の検出値が、前記負荷の動作を保障する電源電圧に応じた所定値に達した場合、警報を発することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態では、電源装置をバックアップするために使用されるリチウムイオン二次電池の状態を検出する装置（以下、「リチウムイオン二次電池状態検出装置」と称す）を説明する。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池状態検出装置は、概略的には、フロート充電により充電状態で待機しているリチウムイオン二次電池の総電圧と、この組電池に流れる通過電流と、電源装置の出力電圧とを検出し、これら検出値を監視してリチウムイオン二次電池の状態を判断するように構成される。
【００１１】
図１を参照して、本実施形態の構成を詳細に説明する。
同図において、直流電力を出力する整流装置２の出力側には負荷３が接続され、この負荷３と並列にリチウムイオン二次電池の組電池１が接続されている。整流装置２は、図示しない電源装置の出力段を構成するものであって、組電池１を充電すると共に負荷３に対して直流電力を供給する。組電池１は、整流装置２を含む電源装置をバックアップするためのものであって、直列接続されたｎ個（ｎ；２以上の自然数）のリチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎからなり、整流装置２で設定された電圧でフロート充電される。通常時は、整流装置２が負荷３に直流電力を供給するが、停電や装置故障等により整流装置２からの電力供給が停止した時に、組電池１が負荷３に直流電力を供給し、電源装置をバックアップするようになっている。本実施形態では、リチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎのそれぞれは、正常な状態で４．１Ｖに充電されるものとし、これを充電する整流装置２は、４．１Ｖのｎ倍の電圧を出力するものとする。
【００１２】
組電池１の両電極間には、ｎ個のリチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎの電圧の総和（総電圧ＶＢ）を検出するための電圧プローブ７（第１の電圧検出手段）が接続されている。また、組電池１の負極側の配線には、組電池１に流れる電流Ｉ（以下、「通過電流」と称す）を検出するための電流プローブ５（電流検出手段）が接続されている。さらに、整流装置２の出力端（正端子と負端子との間）には、この整流装置２の出力電圧ＶＲを検出するための電圧プローブ６（第２の電圧検出手段）が接続されている。そして、これら電圧プローブ６，７および電流プローブ５の各検出値は、制御部４に入力される。この制御部４は、各検出値を監視し、この検出値に基づいて組電池１の種々の状態を判断する機能を有し、この判断結果に応じて警報信号送出線９上に警報信号を出力するように構成されている。
【００１３】
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池状態検出装置の動作を説明する。
組電池１が電源装置内の整流装置２によりフロート充電されている場合、電圧プローブ６で検出された値は、図２に示す整流装置２の出力電圧ＶＲ（すなわち４．１Ｖ×ｎ）となる。このとき、電流プローブ５で検出した通過電流Ｉの値は、図３に示すように、ゼロを境にして変動する微少な値を示す。このような状態にある場合、組電池１の電圧ＶＢに応じて整流装置２による充電動作が適切に行われており、制御部４は、組電池１が正常な充電状態にあり、電源装置２が正常な動作状態にあると判断する。
【００１４】
これに対し、何らかの異常によりリチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎの電圧バランスが崩れ、あるリチウムイオン二次電池が過充電状態になった場合、過充電されたリチウムイオン二次電池の安全機構が働いて開放状態となり、組電池１に故障が発生した状態となる。この場合、電圧プローブ６で検出した出力電圧ＶＲの値は、上述の図２に示すように整流装置２の本来の出力電圧（４．１Ｖ×ｎ）となるが、電流プローブ５で検出した通過電流Ｉの値は、図４に示すように、リチウムイオン二次電池に故障が発生して異常モード（ＢＡＴＴ異常モード）になるとゼロになる。従って、この場合の通過電流Ｉの検出値は、予め設定されたしきい値を下回り、このしきい値の上限値ＴＩＨと下限値ＴＩＬとの間の値となる。ここで、上限値ＴＩＨと下限値ＴＩＬは、正常な充電状態においてゼロを境にして変動する微少な通過電流Ｉの有無を判別するために設定されたしきい値であり、検出値が上限値ＴＩＨと下限値ＴＩＬとの間にあるか否かによって、通過電流Ｉが正常に充電が行われている時のものか否かを識別することができる。
【００１５】
制御部４は、予め設定された一定の時間Ｔが経過するまでの間、連続して通過電流Ｉの検出値がしきい値を下回り、上限値ＴＩＨと下限値ＴＩＬとの間にあると、リチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎの何れかの単電池に異常が発生したと判断し、リチウムイオン二次電池の異常を検出する。そして、制御部４は、予め取り決められた手順に従って警報信号送出線９上に警報信号を出力し、警報を発出する。
なお、時間Ｔは、異常状態で電流Ｉがゼロとなる場合と、正常状態において一時的に電流Ｉがしきい値を下回る場合とを区別し得るように適切に設定される。
【００１６】
次に、停電や故障などにより整流装置２が電力の出力を停止した場合、電圧プローブ６で検出された電圧ＶＲの値は、図５に示すようにゼロになる。このとき、組電池１に蓄えられたエネルギーは負荷３により放電されるので、電圧プローブ７で検出した組電池１の総電圧ＶＢは、図６に示すように、時間の経過とともに低下し、総電圧ＶＢの低下を判別するために予め設定されたしきい値ＴＶＢに達する。このような状態にある場合、制御部４は、組電池１が放電状態にあると判断し、停電や整流装置２の故障により、組電池１からの放電によって電力供給が行われていることを検出する。
【００１７】
この後、さらに時間が経過すると、上述の図５と同様に電圧プローブ６で検出された値に変化はないが、図７に示すように、電圧プローブ７で検出された組電池１の総電圧ＶＢの値が、システムの動作を保障する下限値（以下、「システム動作下限値」と称す）ＶＳＹＳに達する。このことから、整流装置２が出力を停止したために、組電池１から負荷３に供給される直流電力が減少して負荷側のシステム動作下限値を下回った状態にあることを検出することができる。なお、組電池１の放電時に総電圧ＶＢの低下を判別するためのしきい値ＴＶＣを設定することにより、総電圧ＶＢがシステム動作下限値ＶＳＹＳに達する前に総電圧ＶＢの低下を検出することができ、放電可能時間ｔを残して保守者に対し二次電池の状態を知らせることができる。従って、保守者は、リチウムイオン二次電池が放電不能な状態に陥る前に対策を講じることが可能になる。
【００１８】
また、本実施形態によれば、整流装置２のトラブルに対する検知も可能になる。例えば、整流装置２の故障や誤動作などにより、異常に高い電圧で組電池１の充電が行われた場合、図８に示すように、電圧プローブ６で検出された出力電圧ＶＲの値は、この出力電圧ＶＲの上昇を判別するために予め設定されたしきい値ＴＶＡ１を上回り、電流プローブ５で検出される通過電流Ｉは、図９に示すように、組電池１を充電する方向に徐々に増加する傾向を示す。制御部４は、整流装置２の出力電圧ＶＲの値がしきい値ＴＶＡ１を上回った時刻ｔ１で整流装置２に故障が発生したと判断し、整流装置２の異常モードを検出する。
【００１９】
逆に、異常に低い電圧で組電池１の充電が行われた場合、図１０に示すように、電圧プローブ６で検出された電圧ＶＲの値は、出力電圧ＶＲの低下を判別するために予め設定されたしきい値ＴＶＡ２を下回り、電流プローブ５で検出した通過電流Ｉは、図１１に示すように、組電池１が放電する方向に徐々に増加する傾向を示す。制御部４は、整流装置２の出力電圧ＶＲの値がしきい値ＴＶＡ２を下回った時刻ｔ２で整流装置２に故障が発生したと判断し、整流装置２の異常モードを検出する。
以上で、本実施形態の動作を説明した。
【００２０】
なお、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形可能である。例えば、上述の実施の形態では、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池１−１〜１−ｎを充電する場合を説明したが、これに限定されることなく、１個のリチウムイオン二次電池を充電する場合（即ちｎが１の場合）であっても、同様に本発明を適用することができる。
さらに、各プローブの検出値を制御部４に入力してリチウムイオン二次電池の状態を判断するものとしたが、これらの検出値から作業者がリチウムイオン二次電池の状態を直接的に判断するように構成することも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、以下の効果を得ることができる。
即ち、本発明のリチウムイオン二次電池状態検出装置においては、整流装置の出力に対して、負荷と並列に接続されて使用されるリチウムイオン二次電池の状態検出を第１および第２の電圧検出手段（電圧プローブ６，７）ならびに電流検出手段（電流プローブ５）を用いて取得し、これらの検出値を監視手段（制御部４）で監視している。従って、本発明によれば、リチウムイオン二次電池の単電池の異常状態、整流装置の出力停止に伴うリチウムイオン二次電池の放電状態、リチウムイオン二次電池の放電終了状態、整流装置の故障状態等を効率的に確認することができ、フロート充電状態で待機しているバックアップ用のリチウムイオン二次電池の状態を安全かつ効率的に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池状態検出装置と電源システムへの取り付け状況を示す図である。
【図２】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池をフロート充電している時の整流装置の出力電圧特性（正常時）を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態に係るチウムイオン二次電池をフロート充電している時の電流特性（正常時）を示す図である。
【図４】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池をフロート充電している時の電流特性（異常時）を示す図である。
【図５】 本発明の実施形態に係る整流装置の出力電圧特性（放電時）を示す図である。
【図６】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電圧特性（放電時）を示す図である。
【図７】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電圧特性（放電終了時）を示す図である。
【図８】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の高電圧による充電電圧特性を示す図である。
【図９】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の高電圧による充電電流特性を示す図である。
【図１０】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の低電圧による充電電圧特性を示す図である。
【図１１】 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の低電圧による充電電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１…組電池（直列接続されたｎ個のリチウムイオン二次電池）
１−１〜１−ｎ…リチウムイオン二次電池
２…整流装置（電源装置の一部）
３…負荷
４…制御部
５…電流プローブ
６…電圧プローブ
７…電圧プローブ
８…リチウムイオン二次電池状態検出装置
９…警報信号送出線

Claims (5)

1. 負荷に直流電力を供給する電源装置の出力に対して前記負荷と並列に接続されたリチウムイオン二次電池の状態を検出する装置であって、
   前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
   前記電源装置の出力電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
   前記リチウムイオン二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記第１および第２の電圧検出手段ならびに前記電流検出手段の各検出値を監視し、これら検出値から前記リチウムイオン二次電池の状態を判断する監視手段と、を有し、
   前記監視手段は、前記リチウムイオン二次電池の電圧および電流、ならびに前記電源装置の出力電圧の検出値を入力し、前記各検出値を予め設定したしきい値と比較することにより、前記リチウムイオン二次電池の状態および前記電源装置の状態を判断する
   ことを特徴とするリチウムイオン二次電池状態検出装置。
2. 前記監視手段は、前記第１の電圧検出手段の検出値と前記第２の電圧検出手段の検出値とが略等しく、前記電流検出手段の検出値がゼロを境として微動する傾向を示す場合、前記リチウムイオン二次電池が正常な状態にあると判断することを特徴とする請求項１に記載されたリチウムイオン二次電池状態検出装置。
3. 前記監視手段は、前記第２の電圧検出手段の検出値が前記電源装置の本来の出力電圧を示し、前記電流検出手段の検出値が略ゼロを示す場合、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判断することを特徴とする請求項１に記載されたリチウムイオン二次電池状態検出装置。
4. 前記監視手段は、前記第２の電圧検出手段の検出値が略ゼロを示し、前記第１の電圧検出手段の検出値が時間の経過に伴って減少する傾向を示す場合、前記リチウムイオン二次電池が放電状態にあると判断することを特徴とする請求項１に記載されたリチウムイオン二次電池状態検出装置。
5. 前記監視手段は、前記第１の電圧検出手段の検出値が、前記負荷の動作を保障する電源電圧に応じた所定値に達した場合、警報を発することを特徴とする請求項３に記載されたリチウムイオン二次電池状態検出装置。

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