JP4512062B2 - 複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法 - Google Patents

Description

本発明は、充電により組電池の各電池セル間の電圧のバラツキを調整する複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法に関する。

リチウムイオン電池は、他の二次電池に比べて、エネルギー密度が高く、小型、軽量であることから、携帯電話やノートパソコン、ハンディカメラ等の携帯機器用の電源として、従来のニッケル水素電池に代わって今やその主流になっている。リチウムイオン電池には、マンガン系やコバルト系などがある。マンガン系リチウムイオン電池のあるものは、単セルにおいて、例えば公称の定格電圧（満充電電圧）を４．２Ｖとすると、４．３Ｖを過充電の保護電圧として使用され、５．０Ｖが化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧とされる。また、過充電の保護電圧と限界電圧との間、４．３Ｖ〜５．０Ｖは、劣化領域とされる。

携帯機器用電源では、複数のリチウムイオン電池のセルを直列接続した組電池として使用される。このような構成の組電池内では、各セル間に各種のバラツキが生じるため、充電時に端子電圧を均一に揃えることができず、アンバランスが生じる。直列接続した組電池を定格電圧まで充電を行っても、アンバランスが生じると、過充電になるセルや、満充電まで充電されないセルがあるため、組電池全体として見かけの容量が減少し、セルが劣化し、効率が低下する。

そこで、このような充電時の電圧のアンバランスを解消するため、直列接続して組電池を構成する各セルにバイパス回路を設けて設定電圧を越えたセルの充電電流をバイパスしたり、設定電圧を越えたセルを設定電圧に低下するまで放電したり、また、いずれかのセルが満充電状態になると、それ以外のセルに対しセル毎に満充電状態に達するまで順次充電するように構成し充電する電池パックや充電方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００３−１５７９０８公報 特開２００３−２１７６７５号公報 特開２００５−１７６５２０号公報

しかし、直列接続して組電池を構成する各セルにバイパス回路を設ける上記従来の電池パックでは、バイパス回路に充電電流や放電電流を流すため、無駄な電力を消費し発熱する等の問題を有している。また、直列接続して組電池を構成するセルのうちいずれかが満充電になると、それ以外のセルに対しセル毎に満充電状態に達するまで順次充電する上記従来の電池パックでは、組電池全体の充電からセル毎の個別充電に切り換え、しかもセル数に対応して繰り返し個別充電を行わなければならず、充電時間が長くなり制御が煩雑になるなどの問題を有している。

本発明は、上記課題を解決するものであって、複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の各セル間の電圧バランスを効率的に調整できるようにするものである。

そのために本発明は、充電により組電池の各電池セル間の電圧のバラツキを調整する複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法であって、前記リチウムイオン二次電池の充電特性で電圧上昇が鈍くなる電圧飽和領域近傍の電圧を満充電電圧に設定し、前記満充電電圧と化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧との間に過充電保護電圧を設定して、前記複数のリチウムイオン二次電池のいずれかが前記過充電保護電圧に達するか、前記組電池電圧が前記複数のリチウムイオン二次電池の前記満充電電圧を合計した電圧に達するまで充電を行うことにより、前記複数のリチウムイオン二次電池の電圧バラツキを調整することを特徴とする。

また、前記満充電電圧と化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧との間に過充電保護電圧を設定すると共に前記満充電電圧より低い解除電圧を設定して充電を行い、前記複数のリチウムイオン二次電池のいずれかが前記過充電保護電圧に達したことを条件に充電を停止し、前記解除電圧まで低下したことを条件に前記過充電保護電圧に達するまで充電を繰り返し行い、前記組電池電圧が前記複数のリチウムイオン二次電池の前記満充電電圧を合計した電圧に達したことを条件に充電を終了させることにより、前記複数のリチウムイオン二次電池の電圧バラツキを調整することを特徴とする。

本発明によれば、充電特性で電圧上昇が鈍くなる電圧飽和領域近傍の電圧を満充電電圧に設定し、満充電電圧と化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧との間に過充電保護電圧を設定して、複数のリチウムイオン二次電池のいずれかが過充電保護電圧に達する充電するので、この状態のときに電圧の低い二次電池と高い二次電池の電圧バラツキを小さくすることができ、効率的な電圧バランス調整が実現できる。また、過充電保護電圧以下の領域内の解除電圧との間で繰り返し充電（パルス充電）を行うことにより、高い電圧を押さえながら低い電圧を上げることができ、効率よく電圧バランス調整を行うことができる。さらに、過充電保護電圧より僅かに低い電圧を満充電電圧とすることにより、複数のリチウムイオン二次電池のそれぞれをほぼ満充電電圧に揃えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法の実施の形態を説明する図、図２はリチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。図中、１は組電池、１ａ、１ｂ、・・・、１ｎはリチウムイオン二次電池、２ａ、２ｂ、・・・、２ｎは電圧モニタ、３は充電制御スイッチ、４は充電制御部、５は充電電源を示す。

図１において、リチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎは、それぞれ図２に示す充電特性を有するものであり、これらを直列接続して組電池１を構成している。電圧モニタ２ａ、２ｂ、・・・、２ｎは、リチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎそれぞれのセル電圧をモニタ（検出、監視）するものである。充電制御スイッチ３は、充電電源５から組電池１を充電する充電電流のオン／オフを行うものであり、充電制御部４は、電圧モニタ２ａ、２ｂ、・・・、２ｎを通してモニタされるリチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎそれぞれのセル電圧、充電制御スイッチ３の出力側、組電池１の出力端子で検出される組電池電圧に応じて充電制御スイッチ３のオン／オフ、充電電源５の電圧、電流を制御するものである。

例えば公称定格電圧（満充電電圧）を４．２Ｖ、公称過充電保護電圧を４．３Ｖ、その解除電圧を４．０５Ｖ、限界電圧を５．０Ｖとするマンガン系の標準品の場合、図２に示す充電特性では、定格電圧や過充電保護電圧がＶ１（ｔ１）、Ｖ２（ｔ２）近傍の傾斜の大きい領域になっている。したがって、組電池１として複数のリチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎを直列接続して充電電源５から充電を行うと、比較的大きな電圧アンバランスが現れる。本実施形態では、このようなリチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎに対し、充電特性で電圧上昇が鈍くなる現象の見られる、Ｖ３（ｔ３）近傍の電圧飽和領域に近い、公称過充電保護電圧よりやや高い電圧、例えば４．３５Ｖを満充電電圧に設定し、さらにその上の化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧より低い電圧、例えば４．４０Ｖを過充電保護電圧に設定する。そして、充電電源５から行う充電では、組電池電圧を検出して満充電電圧のｎ倍の電圧（複数のリチウムイオン二次電池の満充電電圧を合計した電圧）になるのを判定すると共に、リチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎのいずれかのセル電圧が過充電保護電圧になるのを判定して、そのいずれかの判定結果により充電を停止する。

上記のような充電を行うと、組電池電圧の判定結果により充電を終了した場合には、電圧バラツキは小さいが、図２の充電特性ｖa 、ｖb に示すように充電開始からアンバランスがあり、過充電保護電圧の判定結果により充電を終了した場合には、傾斜の大きい領域のＶ１、Ｖ２近傍に満充電電圧、過充電保護電圧が設定されていると、いずれかのリチウムイオン二次電池（以下、セルという）の過充電保護電圧を判定して充電を終了したとき、充電終了時の電圧アンバランスが大きく残る。しかし、本実施形態のように電圧飽和領域に近いＶ３近傍に満充電電圧、過充電保護電圧が設定されていると、充電終了時の組電池１内の電圧バラツキは調整される。

図３は本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した電圧バランス調整法の他の実施の形態を説明する図である。上記実施形態では、組電池電圧の判定かいずれかのセルの過充電保護電圧の判定により充電を終了させたが、いずれかのセルで過充電保護電圧の判定がなされた場合、充電を一旦停止させ、自己放電によりセルの電圧が満充電電圧より低い解除電圧まで低下するのを判定して、再度充電を行い、過充電保護電圧と解除電圧との間（ヒステリシス領域）で、充電を繰り返し行い、組電池電圧の判定により最終的に充電を終了させるようにしてもよい。

充電制御部による処理の例を示したのが図３であり、充電制御部ではまず、充電の開始により充電制御スイッチをオンにすると（ステップＳ１１）、電圧モニタを通して各セルの電圧を取り込み（ステップＳ１２）、各セルの電圧について過電圧か否かの判定を行う（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３の判定処理によりいずれかのセルの電圧から過電圧が検出された場合には、充電制御スイッチをオフにし（ステップＳ１４）、過電圧を検出したセルの電圧を取り込み（ステップＳ１５）、解除電圧まで低下したか否かの判定を行う（ステップＳ１６）。解除電圧まで低下したと判定されると、ステップＳ１１に戻って充電制御スイッチをオンにし、以下同様の処理を繰り返し行う。

ステップＳ１３の判定処理によりいずれのセルの電圧からも過電圧が検出されなかった場合には、組電池１の端子電圧を取り込み（ステップＳ１７）、組電池１の端子電圧が満充電電圧になったか否かの判定を行う（ステップＳ１８）。まだ、満充電電圧になっていない場合には、ステップＳ１２に戻って電圧モニタを通して各セルの電圧を取り込み、以下同様の処理を繰り返し行い、満充電電圧になっている場合には、充電制御スイッチをオフにし（ステップＳ１９）、満充電状態の信号、或いは充電終了の信号を出力して（ステップＳ２０）、充電を終了する。

図４は本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法にバイパス回路を併用した他の実施の形態を説明する図であり、１ａ−ｂはバイパス回路を示す。上記実施の形態に対し、さらに図４に示すようにバイパス回路１ａ−ｂをリチウムイオン二次電池１ａ、１ｂ、・・・、１ｎのそれぞれに併用すると、電圧バランス調整効果をさらに高めることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、公称定格電圧４．２Ｖの複数のマンガン系リチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法を説明したが、各種公称定格電圧のものやコバルト系リチウムイオン二次電池その他の二次電池による組電池の電圧バランス調整法にも同様に適用できることはいうまでもない。また、図１に示す電圧モニタ２ａ、２ｂ、・・・、２ｎ、充電制御部４の構成は、従来より周知の保護ＩＣを組み合わせた回路で構成してもよい。さらに、各セルにバイパス回路を設けて所定の電圧差、例えば０．０５Ｖ以上で充電電流をバイパスさせるようにしてもよいし、いずれかのリチウムイオン二次電池が満充電電圧に達したこと、或いは過充電保護電圧に達したことを条件にタイマーを起動し、所定時間（例えば８時間）経過しても充電が終了とならない場合に異常の判定を行うようにしてもよい。

本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法の実施の形態を説明する図である。 リチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。 本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した電圧バランス調整法の他の実施の形態を説明する図である。 本発明に係る複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法にバイパス回路を併用した他の実施の形態を説明する図である。

符号の説明

１…組電池、１ａ、１ｂ、・・・、１ｎ…リチウムイオン二次電池、２ａ、２ｂ、・・・、２ｎ…電圧モニタ、３…充電制御スイッチ、４…充電制御部、５…充電電源

Claims (2)

1. 充電により組電池の各電池セル間の電圧のバラツキを調整する複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法であって、
   前記リチウムイオン二次電池の充電特性で電圧上昇が鈍くなる電圧飽和領域近傍の電圧を満充電電圧に設定し、前記満充電電圧と化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧との間に過充電保護電圧を設定して、前記複数のリチウムイオン二次電池のいずれかが前記過充電保護電圧に達するか、前記組電池電圧が前記複数のリチウムイオン二次電池の前記満充電電圧を合計した電圧に達するまで充電を行うことにより、前記複数のリチウムイオン二次電池の電圧バラツキを調整することを特徴とする複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法。
2. 充電により組電池の各電池セル間の電圧のバラツキを調整する複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法であって、
   前記リチウムイオン二次電池の充電特性で電圧上昇が鈍くなる電圧飽和領域近傍の電圧を満充電電圧に設定し、前記満充電電圧と化学変化や熱暴走反応が起こり始める限界電圧との間に過充電保護電圧を設定すると共に前記満充電電圧より低い解除電圧を設定して充電を行い、前記複数のリチウムイオン二次電池のいずれかが前記過充電保護電圧に達したことを条件に充電を停止し、前記解除電圧まで低下したことを条件に前記過充電保護電圧に達するまで充電を繰り返し行い、前記組電池電圧が前記複数のリチウムイオン二次電池の前記満充電電圧を合計した電圧に達したことを条件に充電を終了させることにより、前記複数のリチウムイオン二次電池の電圧バラツキを調整することを特徴とする複数のリチウムイオン二次電池を直列接続した組電池の電圧バランス調整法。

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