JP4957875B2 - リチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システム - Google Patents

リチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システム Download PDF

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Description

本発明はマンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システムに関する。
リチウムイオンの吸蔵・放出を利用したリチウムイオン二次電池は、例えば同容量のニカド（Ｎｉ−Ｃｄ）電池やニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池に比べてエネルギー密度が高く、動作電圧が高い等の利点を有するため、小型化・軽量化が要求されるパーソナルコンピュータや携帯電話機等の情報処理機器、通信機器で広く用いられている。
また、近年では、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源としてもリチウムイオン二次電池を用いることが検討され、さらに地球温暖化問題に伴う低炭素社会の実現へ向けて導入されつつある、太陽電池等の再生可能電源で発電された電力を貯蔵する蓄電池にもリチウムイオン二次電池を用いることが検討されている。
リチウムイオン二次電池を、電力貯蔵や電気自動車等の大型の電源としても普及させるには、製造コストを低減するだけでなく、メンテナンス等に要するコストも低減する必要があり、そのためには製品寿命を延ばすことが重要になる。
リチウムイオン二次電池の製品寿命を延ばす方法としては、材料や構造を見直すことで製品寿命そのものを延ばす方法も考えられるが、運用方法等に起因して起きる製品寿命の短縮を抑制する方法もある。例えば特許文献１や特許文献２では、リチウムイオン二次電池に対する充放電を制御することで、製品寿命が短縮するのを抑制する技術を提案している。
特許文献１には、充放電時における、正極活物質と負極活物質間で移動するリチウムイオン量を、可逆的に移動可能なリチウムイオン量の９５％以下となるように、リチウムイオン二次電池に対する充放電を制御することが記載されている。また、特許文献２には、放電時の放電終止電圧が３．２〜３．１Ｖとなり、充電時の上限電圧が４．０〜４．５Ｖとなるようにリチウムイオン二次電池に対する充放電を制御することが記載されている。
リチウムイオン二次電池には、正極材料（正極活物質）として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウムを用いる構成が知られている。また、負極材料（負極活物質）としては、グラファイト系やコークス系を用いる構成が知られている。
本出願人は、これら各種のリチウムイオン二次電池のうち、正極材料にマンガン酸リチウムを用いたマンガン系のリチウムイオン二次電池を、特定のＳＯＣ（State of Charge:充電状態）で保存すると、電池性能が急速に劣化（電池容量が低下）することを見出した。
なお、ＳＯＣとは、リチウムイオン二次電池の容量に対する充電された電気量の比率を指す。上記電池性能が急速に劣化する特定のＳＯＣは、充電の限界点である最大ＳＯＣよりも小さく、放電の限界点である最小ＳＯＣよりも大きい、例えばＳＯＣ＝４０％程度の値である。また、本願明細書で言う「保存」とは、リチウムイオン二次電池をあるＳＯＣの値の状態で放置しておくことを指す。
この特定のＳＯＣで電池性能が劣化することは、満充電状態で保存することが多い利用形態、例えばＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply：無停電電源装置）等でリチウムイオン二次電池を使用する場合には大きな問題とはならない。
しかしながら、上記最大ＳＯＣと最小ＳＯＣ間の任意のＳＯＣで保存される利用形態、例えば上記再生可能電源で発電された電力を貯蔵する用途では、リチウムイオン二次電池が上記特定のＳＯＣで保存されることも考えられる。そのような場合、リチウムイオン二次電池の電池性能が急速に劣化してしまう。
特開２０００−０３０７５１号公報 特開２００１−３０７７８１号公報
そこで本発明は、保存時におけるマンガン系のリチウムイオン二次電池の製品寿命の短縮を抑制できるリチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明のリチウムイオン二次電池の充放電方法は、マンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電方法であって、
コンピュータが、
予め設定された、前記リチウムイオン二次電池の保存時に該リチウムイオン二次電池の電池性能が劣化するＳＯＣである劣化進行ＳＯＣよりも小さい第１のしきい値及び前記劣化進行ＳＯＣよりも大きい第２のしきい値を保持しておき、
前記リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を充電時及び放電時に検出する監視装置から送信された該リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を基に、前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の充電動作が継続するよう、前記リチウムイオン二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元及び前記リチウムイオン二次電池の放電時に電力を消費する負荷が接続された配電線と前記リチウムイオン二次電池間に設けられたスイッチを制御し、
前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の放電動作が継続するよう前記スイッチを制御する方法である。
一方、本発明の充放電システムは、マンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電システムであって、
前記リチウムイオン二次電池のＳＯＣを充電時及び放電時に検出する監視装置と、
前記リチウムイオン二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元及び前記リチウムイオン二次電池の放電時に電力を消費する負荷が接続された配電線と前記リチウムイオン二次電池間を接続または切断するスイッチと、
予め設定された、前記リチウムイオン二次電池の保存時に該リチウムイオン二次電池の電池性能が劣化するＳＯＣである劣化進行ＳＯＣよりも小さい第１のしきい値及び前記劣化進行ＳＯＣよりも大きい第２のしきい値を保持し、前記監視装置で検出された該リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を基に、前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の充電動作が継続するよう前記スイッチを制御し、前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の放電動作が継続するよう前記スイッチを制御する情報処理装置と、
を有する。
図１は、第１の実施の形態の充放電システムの一構成例を示すブロック図である。 図２は、図１に示した情報処理装置の一構成例を示すブロック図である。 図３は、第１の実施の形態の充放電システムによる制御方法を示す模式図である。 図４は、第１の実施の形態の充放電システムによる制御方法を示す模式図である。 図５は、第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における充電時の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図６は、第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における放電時の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における充電時の処理手順の他の例を示すフローチャートである。 図８は、第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における放電時の処理手順の他の例を示すフローチャートである。 図９は、第２の実施の形態の充放電システムの一構成例を示すブロック図である。
次に本発明について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の充放電システムの一構成例を示すブロック図であり、図２は図１に示した情報処理装置の一構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、第１の実施の形態の充放電システムは、配電線に対して正極及び負極がそれぞれ並列に接続されたＮ（Ｎは正の整数）台のリチウムイオン二次電池（以下、単に「二次電池」と称す）１１〜１Ｎと、二次電池１１〜１Ｎ毎のＳＯＣの値を検出する監視装置２と、二次電池１１〜１Ｎに対する充放電を制御する情報処理装置３と、二次電池１１〜１Ｎと配電線間を接続または切断する、二次電池１１〜１Ｎ毎に対応して設けられた複数のスイッチ４１〜４Ｎと有する構成である。
配電線には、二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元、例えば電力利用者（住宅や施設）が備える再生可能電源、電力会社の配電用変電所から送出された電力を各電力利用者に分配する末端変圧器が接続されている。また、配電線には、二次電池の放電時に電力を消費する負荷、例えば電力利用者（住宅や施設）が備える電力を消費する各種の電気機器やヒートポンプ式の給湯器が接続されている。
なお、図１では、Ｎ台の二次電池１１〜１Ｎが近接して配置されている様子を示しているが、二次電池１１〜１Ｎは個別に充放電の制御が可能であればどのような構成でもよい。例えば１つのパッケージ内に複数の二次電池（セル）１１〜１Ｎが収納された構成（バッテリーパック）でもよく、離れた地域の電力利用者（住宅や施設）毎に電力貯蔵用として二次電池１１〜１Ｎが設置されている構成でもよい。二次電池１１〜１Ｎが離れて配置されている場合、情報処理装置３と監視装置２間並びに情報処理装置３とスイッチ４１〜４Ｎ間は、周知の情報通信手段を介して、情報やコマンド等が送受信可能に接続されていればよい。情報通信手段としては、周知の無線通信手段を用いてもよく、周知の有線通信手段を用いてもよい。無線通信手段としては、例えば９５０ＭＨｚ帯の無線周波数を利用する周知のＺｉｇｂｅｅ無線方式が考えられる。有線通信手段としては、例えば配電線を利用して情報を送受信する周知のＰＬＣ（Power Line Communication）方式が考えられる。本実施形態の充放電システムは、充電時に二次電池１１〜１Ｎへ所要の電力が供給され、放電時に各種の電気機器（負荷）へ電力を供給できれば、どのようなシステムにも接続可能である。
二次電池１１〜１Ｎは、上述したようにマンガン系のリチウムイオン二次電池である。マンガン系のリチウムイオン二次電池とは、正極材料の主体がマンガン酸リチウム（ＬｉｘＭｎｙＯｚ：ｘは、約１、または約０．６５、または約０．１〜０．５である。ｙは約２であり、ｚは約４である）であるものを指す。但し、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｏの組成比は、これらの数値に限定されるものではない。また、正極材料は、マンガン酸リチウムが主体であればよく、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ等の各種の物質を含んでいてもよい。
図１に示す二次電池１１〜１Ｎ上の点線は、保存時に二次電池１１〜１Ｎの性能劣化が急速に進む特定のＳＯＣ（以下、劣化進行ＳＯＣｄと称す）を示している。また、図１に示す二次電池１１〜１Ｎ上の実線は二次電池１１〜１Ｎの容量に対して蓄積されている電気量を模式的に示している。以降の説明で用いる図３、図４及び図７で示す二次電池上の点線及び実線も同様である。なお、図１では、二次電池１１〜１Ｎの容量が同一である例を示しているが、二次電池１１〜１Ｎの容量は異なっていてもよい。
スイッチ４１〜４Ｎには、比較的大きな電力のＯＮ／ＯＦＦが可能であり、制御が容易な、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられる。スイッチ４１〜４Ｎは、情報処理装置３と接続され、情報処理装置３によってＯＮ／ＯＦＦが制御される。なお、図１では図示していないが、スイッチ４１〜４Ｎは、接点間をＯＮ／ＯＦＦするための駆動回路を備えている。スイッチ４１〜４Ｎは、二次電池１１〜１Ｎの近傍に配置されていてもよく、情報処理装置３の近傍に配置されていてもよい。また、スイッチ４１〜４Ｎの接点と駆動回路とは一体である必要はなく、例えば接点が二次電池１１〜１Ｎの近傍に配置され、駆動回路が情報処理装置３の近傍に配置された構成でもよい。
監視装置２は、例えば二次電池１１〜１Ｎの製造者や販売者から提供される、二次電池１１〜１Ｎの性能や特性に合わせて製造された周知の充電装置や保護装置で実現できる。一般に、保護装置は、二次電池１１〜１ＮのＳＯＣや二次電池１１〜１Ｎに入出力される電流値を検出し、充電装置は保護装置で検出されたＳＯＣや電流値に基づいて充電電流（定電流）や充電電圧（定電圧）を切り換える。通常、二次電池１１〜１ＮのＳＯＣは出力電圧とほぼ１対１に対応するため、監視装置２は、ＳＯＣに代えて二次電池１１〜１Ｎの出力電圧の値を検出してもよい。監視装置２で検出する二次電池１１〜１Ｎ毎のＳＯＣがアナログ値である場合、監視装置２には該ＳＯＣの値をデジタル値に変換するためのＡ／Ｄ変換器を備えていてもよい。このＡ／Ｄ変換器は、情報処理装置３に備えていてもよい。監視装置２は、Ｎ個の検出器により二次電池１１〜１Ｎ毎のＳＯＣを個別に検出する構成でもよく、１つの検出器により各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値を検出する構成でもよい。
情報処理装置３は、監視装置２から送信される二次電池１１〜１Ｎ毎の充電時のＳＯＣの値及び放電時のＳＯＣの値を受信し、該受信したＳＯＣの値に基づいてスイッチ４１〜４ＮをＯＮ／ＯＦＦすることで二次電池１１〜１Ｎ毎の充放電を制御する。
情報処理装置３は、例えば図２に示すようなコンピュータによって実現できる。なお、情報処理装置３は、図２に示す構成のコンピュータに限定されるものではない。例えば複数のセルが１つのパッケージに収納されたバッテリーパック等を制御する場合、情報処理装置３は１つあるいは複数個のＩＣ（Integrated Circuit）で構成されたマイクロコンピュータ等でも実現できる。
図２に示すコンピュータは、プログラムにしたがって所定の処理を実行する処理装置１０と、処理装置１０に対してコマンドや情報等を入力するための入力装置２０と、処理装置１０の処理結果を出力するための出力装置３０とを有する構成である。
処理装置１０は、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１の処理で必要な情報を一時的に保持する主記憶装置１２と、ＣＰＵ１１に本発明の処理を実行させるためのプログラムが記録された記録媒体１３と、二次電池１１〜１Ｎ毎の定格容量、最大ＳＯＣ、最小ＳＯＣ、後述する第１のしきい値ＳＯＣＬ、第２のしきい値ＳＯＣＵ等の値が格納されるデータ蓄積装置１４と、主記憶装置１２、記録媒体１３及びデータ蓄積装置１４とのデータ転送を制御するメモリ制御インタフェース部１５と、入力装置２０及び出力装置３０とのインタフェース装置であるＩ／Ｏインタフェース部１７と、監視装置２やスイッチ４１〜４Ｎと情報やコマンドを送受信するための通信制御装置１７とを備え、それらがバス１８を介して接続された構成である。
処理装置１０は、記録媒体１３に記録されたプログラムにしたがって、後述する処理手順を実行することで各二次電池１１〜１Ｎの充放電を制御する。なお、記録媒体１３は、磁気ディスク、半導体メモリ、光ディスクあるいはその他の記録媒体であってもよい。また、データ蓄積装置１４は、処理装置１０内に備える必要はなく、独立した装置であってもよい。
次に、本実施形態の充放電システムの動作原理について図３及び図４を用いて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｅ）は第１の実施の形態の充放電システムによる制御方法を示す模式図である。図３（ａ）〜（ｃ）は並列に接続された２つの二次電池１１、１２の充放電を制御する例を示し、図４（ａ）〜（ｅ）は並列に接続された複数の二次電池１１〜１Ｎの充放電を制御する例を示している。
本実施形態の充放電システムでは、充電時及び放電時において、二次電池１１〜１Ｎの劣化進行ＳＯＣｄで充電動作または放電動作が停止しないように制御する。具体的には、二次電池１１〜１Ｎの劣化進行ＳＯＣｄよりも小さい第１のしきい値ＳＯＣＬ及び劣化進行ＳＯＣｄよりも大きい第２のしきい値ＳＯＣＵを予め設定する。第１のしきい値ＳＯＣＬ及び第２のしきい値ＳＯＣＵは、二次電池の劣化進行ＳＯＣｄに応じて二次電池１１〜１Ｎの製造者や販売者、あるいはユーザが設定し、情報処理装置３のデータ蓄積装置１４に格納しておけばよい。
本実施形態では、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように２台の二次電池１１、１２を充電する場合、上記劣化進行ＳＯＣｄに近づくまでは２台の二次電池１１、１２を同時に充電し、二次電池１１、１２のＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達したら、一方の二次電池１１のみを第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電し、続いて他方の二次電池１２のみを第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電し、その後、２台の二次電池１１、１２を再び同時に充電する。
また、２台の二次電池１１、１２を放電させる場合は、上記劣化進行ＳＯＣｄに近づくまでは２台の二次電池１１、１２を同時に放電させ、各二次電池１１、１２のＳＯＣの値が第２のしきい値ＳＯＣＵに到達したら、一方の二次電池１１のみを第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電させ、続いて他方の二次電池１２のみを第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電させ、その後、２台の二次電池１１、１２を再び同時に放電させる。
図３（ａ）は、２台の二次電池１１、１２を同時に充電しているときの様子を示している。また、図３（ａ）では、充電時に各二次電池１１、１２のＳＯＣの値が同一である例を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した状態から各二次電池１１、１２のＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達し、右側の二次電池１２に対する充電動作を停止して、左側の二次電池１１のみを第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電したときの様子を示している。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示した状態に続いて、左側の二次電池１１に対する充電動作を停止し、右側の二次電池１２のみを第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電したときの様子を示している。
一方、図４（ａ）〜（ｅ）に示すように３台以上の二次電池１１〜１Ｎを充電する場合、上記劣化進行ＳＯＣｄに近づくまでは各二次電池１１〜１Ｎを同時に充電し、各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達したら、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで順次充電し、その後、各二次電池１１〜１Ｎを再び同時に充電する。
また、３台以上の二次電池１１〜１Ｎを放電させる場合は、上記劣化進行ＳＯＣｄに近づくまでは各二次電池１１〜１Ｎを同時に充電させ、各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値が第２のしきい値ＳＯＣＵに到達したら、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで順次放電させ、その後、各二次電池１１〜１Ｎを再び同時に放電させる。
図４（ａ）は、複数の二次電池１１〜１Ｎを同時に充電しているときの様子を示している。また、図４（ａ）では、充電時に各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値が同一である例を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した状態から各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達し、最も左側の二次電池１１を除く、他の全ての二次電池１２〜１Ｎに対する充電動作を停止して、最も左側の二次電池１１のみを第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電したときの様子を示している。図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示した状態に続いて、左側から２番目の二次電池１２を除く、他の全ての二次電池１１、１３〜１Ｎに対する充電動作を停止し、左側から２番目の二次電池１２のみを第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電したときの様子を示している。図４（ｄ）は、図４（ｃ）に示した状態に続いて、最も右側の二次電池１Ｎを除く、他の全ての二次電池１１〜１Ｎ−１に対する充電動作を停止し、最も右側の二次電池１Ｎのみを第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電したときの様子を示している。図４（ｅ）は、図４（ｄ）に示した状態に続いて、各二次電池１１〜１Ｎに対する同時充電を再び開始したときの様子を示している。
二次電池１１〜１Ｎ毎の充電動作及び放電動作は、図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、スイッチ４１〜４Ｎによって配電線と二次電池間１１〜１Ｎを接続または切断することで制御できる。
なお、上記説明、並びに図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｅ）では、充放電の開始時に各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値が同一である例を示しているが、充放電を開始するときの各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値は異なっていてもよい。その場合、充電時はＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達した順に、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電すればよく、放電時はＳＯＣの値が第２のしきい値ＳＯＣＵに到達した順に、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電させればよい。
また、上記説明、並びに図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｅ）では、二次電池１１〜１Ｎ毎に設定する第１のしきい値ＳＯＣＬ及び第２のしきい値ＳＯＣＵが同一である例を示しているが、二次電池１１〜１Ｎ毎に設定する第１のしきい値ＳＯＣＬ及び第２のしきい値ＳＯＣＵが異なっていてもよい。その場合も、充電時はＳＯＣの値が対応する第１のしきい値ＳＯＣＬに到達した順に、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ対応する第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電すればよく、放電時はＳＯＣの値が対応する第２のしきい値ＳＯＣＵに到達した順に、各二次電池１１〜１Ｎを１台ずつ対応する第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電させればよい。
本実施形態では、第１のしきい値ＳＯＣＬと第２のしきい値ＳＯＣＵ間の充放電方法を特に限定するものではないが、例えば第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電している期間では、二次電池１１〜１Ｎの許容範囲内で充電電流や充電電圧を大きくすることで充電速度を早めてもよい。同様に、第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電させている期間では、二次電池１１〜１Ｎの許容範囲内で負荷に流れる電流を大きくすることで放電速度を早めてもよい。充電電流や充電電圧は、二次電池１１〜１Ｎの性能や特性に合わせて製造された上記充電装置により制御できる。また、負荷電流は、例えば情報処理装置３と上記ヒートポンプ式の給湯器とを情報通信手段を介して接続しておき、情報処理装置３により該給湯器を制御可能にしておけば、給湯器等を動作させることで大きくすることができる。情報通信手段としては、周知の無線通信手段を用いてもよく、周知の有線通信手段を用いてもよい。
次に本実施形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法について図面を用いて説明する。
図５は第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における充電時の処理手順の一例を示すフローチャートであり、図６は第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における放電時の処理手順の一例を示すフローチャートである。
図５及び図６では、Ｎ台の二次電池１１〜１Ｎのうち、第ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）番の二次電池１ｉのＳＯＣの値をＳＯＣｉで示し、第ｉ番の二次電池１ｉに対応して設けられたスイッチ４ｉをＳＷｉで示している。なお、ｉは処理の進行にしたがって任意の二次電池やスイッチに付与すればよく、予め付与しておくことで二次電池やスイッチを識別するために用いるものではない。
図５及び図６に示す処理は、図１及び図２に示した情報処理装置３の処理装置１０によって実行される。
図５に示すように、処理装置１０は、各二次電池１１〜１Ｎに対する充電時、全てのＳＷ１〜ＳＷＮをＯＮにし、監視装置２から第ｉ（ｉ＝１）番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを取得し（ステップＡ１）、該ＳＯＣｉと予め設定された第２のしきい値ＳＯＣＵとを比較する（ステップＡ２）。
取得したＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵ以上である場合、処理装置１０は、該ｉの値がＮであるか否か判定する（ステップＡ３）。該ｉの値がＮでなければ、該ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにし、ｉの値を「１」だけインクリメントして（ステップＡ４）ステップＡ１からの処理を繰り返す。また、該ｉの値がＮである場合は、後述するステップＡ１３の処理へ移行する。
ステップＡ１〜Ａ４の処理が終了すると、第２のしきい値ＳＯＣＵに到達していない二次電池に対応するスイッチのみがＯＮとなっている（充電対象）。その数をここではＮ−ｊ+１とする。すなわち、ｊ−１個の二次電池はＳＯＣの値が第２のしきい値ＳＯＣＵに到達している。
処理装置１０は、これら充電対象となっている各二次電池を同時に充電する。このとき、処理装置１０は、充電対象となっている各二次電池を充電しつつ、ｉ＝ｊからＮまでの各二次電池のＳＯＣの値を順に監視装置２から取得する。
処理装置１０は、第ｉ番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを取得すると（ステップＡ５）、該ＳＯＣｉと予め設定された第１のしきい値ＳＯＣＬとを比較する（ステップＡ６）。
取得したＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬ以下である場合、該ｉの値がＮであるか否かを判定する（ステップＡ７）。該ｉの値がＮでなければ、ｉの値を「１」だけインクリメントして（ステップＡ８）ステップＡ６からの処理を繰り返す。ｉの値がＮである場合は、後述するステップＡ１３の処理へ移行する。
取得したＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬよりも大きい場合、処理装置１０は、該第ｉ番の二次電池１ｉを除く、他の充電対象の二次電池に対応する全てのＳＷｉ（ｉ＝ｊ＋１・・・Ｎ）をＯＦＦにする（ステップＡ９）。
続いて、処理装置１０は、ＳＯＣｉと予め設定された第２のしきい値ＳＯＣＵとを比較する（ステップＡ１０）。ＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵ以下である場合はステップＡ１０の処理を繰り返す。ＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵよりも大きい場合は、該ｉがＮであるか否かを判定する（ステップＡ１１）。該ｉがＮでなければ、第ｉ＋１番の二次電池１ｉ＋１に対応するＳＷｉ＋１をＯＮにした後、第ｉ番の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにする。その後、ｉの値を「１」だけインクリメントする（ステップＡ１２）。
ステップＡ１１の処理にてｉがＮである場合、第Ｎ番の二次電池１Ｎに対応するスイッチＳＷＮを除く、他の充電対象の二次電池に対応する全てのＳＷｉ〜ＳＷＮ−１をＯＮにして（ステップＡ１３）充電動作を継続する（ステップＡ１４）。充電動作は全ての二次電池１１〜１Ｎが最大ＳＯＣになるまで継続可能である。
図６に示すように、処理装置１０は、各二次電池１１〜１Ｎの放電時、全てのＳＷ１〜ＳＷＮをＯＮにし、監視装置２から第ｉ（ｉ＝１）番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを取得し（ステップＢ１）、該ＳＯＣｉと予め設定された第１のしきい値ＳＯＣＬとを比較する（ステップＢ２）。
取得したＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬ以下である場合、処理装置１０は、該ｉの値がＮであるか否か判定する（ステップＢ３）。該ｉの値がＮでなければ、該ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにし、ｉの値を「１」だけインクリメントして（ステップＢ４）ステップＢ１からの処理を繰り返す。また、該ｉの値がＮである場合は、後述するステップＢ１３の処理へ移行する。
ステップＢ１〜Ｂ４の処理を終了すると、第１のしきい値ＳＯＣＬに到達していない二次電池に対応するスイッチのみがＯＮとなっている（放電対象）。その数をここではＮ−ｊ+１とする。すなわち、ｊ−１個の二次電池はＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬに到達している。
処理装置１０は、これら放電対象となっている各二次電池を同時に放電させる。このとき、処理装置１０は、放電対象となっている各二次電池を放電させつつ、ｉ＝ｊからＮまでの各二次電池のＳＯＣの値を順に監視装置２から取得する。
処理装置１０は、第ｉ番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを取得すると（ステップＢ５）、該ＳＯＣｉと予め設定された第２のしきい値ＳＯＣＵとを比較する（ステップＢ６）。
取得したＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵ以上である場合、該ｉの値がＮであるか否かを判定する（ステップＢ７）。該ｉの値がＮでなければ、ｉの値を「１」だけインクリメントして（ステップＢ８）ステップＢ６からの処理を繰り返す。ｉの値がＮである場合は、後述するステップＢ１３の処理へ移行する。
取得したＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵよりも大きい場合、処理装置１０は、該第ｉ番の二次電池１ｉを除く、他の充電対象の二次電池に対応する全てのＳＷｉ（ｉ＝ｊ＋１・・・Ｎ）をＯＦＦにする（ステップＢ９）。
続いて、処理装置１０は、ＳＯＣｉと予め設定された第１のしきい値ＳＯＣＬとを比較する（ステップＢ１０）。ＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬ以下である場合はステップＢ１０の処理を繰り返す。ＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬよりも大きい場合は、該ｉがＮであるか否かを判定する（ステップＢ１１）。該ｉがＮでなければ、第ｉ＋１番の二次電池１ｉ＋１に対応するＳＷｉ＋１をＯＮにした後、第ｉ番の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにする。その後、ｉの値を「１」だけインクリメントする（ステップＢ１２）。
ステップＢ１１の処理にてｉがＮである場合、第Ｎ番の二次電池１Ｎに対応するスイッチＳＷＮを除く、他の放電対象の二次電池に対応する全てのＳＷｉ〜ＳＷＮ−１をＯＮにして（ステップＢ１３）放電動作を継続する（ステップＢ１４）。放電動作は全ての二次電池１１〜１Ｎが最小ＳＯＣになるまで継続可能である。
上述した図５及び図６では、監視装置２がＮ個の検出器を備え、監視装置２によりＮ台の二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値を個別に取得できる場合の処理の一例を示している。
一方、監視装置２が１つの検出器を用いて各二次電池１１〜１ＮのＳＯＣの値を検出する場合の処理例を図７及び図８に示す。
図７は第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における充電時の処理手順の他の例を示すフローチャートであり、図８は第１の実施の形態のリチウムイオン二次電池の充放電方法における放電時の処理手順の他の例を示すフローチャートである。
図７及び図８では、Ｎ台の二次電池１１〜１Ｎのうち、第ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）番の二次電池１ｉのＳＯＣの値をＳＯＣｉで示し、第ｉ番の二次電池１ｉに対応して設けられたスイッチ４ｉをＳＷｉで示している。なお、ｉは処理の進行にしたがって任意の二次電池やスイッチに付与すればよく、予め付与しておくことで二次電池やスイッチを識別するために用いるものではない。
また、図７及び図８に示す処理は、図１及び図２に示した情報処理装置３の処理装置１０によって実行される。
図７に示すように、処理装置１０は、各二次電池１１〜１Ｎの充電時、まず第ｉ番（ｉ＝１）の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＮにし、該ＳＷｉを除く他のＳＷｉ（ｉ＝２，３・・・Ｎ）をＯＦＦにする（ステップＣ１）。
次に、処理装置１０は、第ｉ番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを取得し、該ＳＯＣｉと予め設定された第２のしきい値ＳＯＣＵとを比較する（ステップＣ２）。取得したＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵ以下である場合はステップＣ２の処理を繰り返す。このとき、二次電池１ｉでは、ＳＯＣの値が第１のしきい値ＳＯＣＬを超えて第２のしきい値ＳＯＣＵへ到達するまで充電が継続される。
取得したＳＯＣｉが第２のしきい値ＳＯＣＵよりも大きい場合、処理装置１０は、該ｉがＮであるか否かを判定する（ステップＣ３）。該ｉがＮでなければ、第ｉ＋１番の二次電池１ｉ＋１に対応するＳＷｉ＋１をＯＮにした後、第ｉ番の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにする。その後、ｉの値を「１」だけインクリメントし（ステップＣ４）、ステップＣ２からの処理を繰り返す。
ｉがＮである場合、処理装置１０は、第Ｎ番の二次電池１Ｎに対応するスイッチＳＷＮを除く、全てのＳＷｉ〜ＳＷＮ−１をＯＮにして（ステップＣ５）充電を継続する（ステップＣ６）。充電動作は全ての二次電池１１〜１Ｎが最大ＳＯＣになるまで継続可能である。
図８に示すように、処理装置１０は、各二次電池１１〜１Ｎの放電時、まず第ｉ番（ｉ＝１）の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＮにし、該ＳＷｉを除く他のＳＷｉ（ｉ＝２，３・・・Ｎ）をＯＦＦにする（ステップＤ１）。
次に、処理装置１０は、第ｉ番の二次電池１ｉのＳＯＣの値ＳＯＣｉを監視装置２から取得し、該ＳＯＣｉと予め設定された第１のしきい値ＳＯＣＬとを比較する（ステップＤ２）。取得したＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬ以上である場合はステップＤ２の処理を繰り返す。このとき、二次電池１ｉでは、ＳＯＣの値が第２のしきい値ＳＯＣＵを下回って第１のしきい値ＳＯＣＬへ到達するまで放電が継続される。
取得したＳＯＣｉが第１のしきい値ＳＯＣＬよりも小さい場合、処理装置１０は、該ｉがＮであるか否かを判定する（ステップＤ３）。該ｉがＮでなければ、第ｉ＋１番の二次電池１ｉ＋１に対応するＳＷｉ＋１をＯＮにした後、第ｉ番の二次電池１ｉに対応するＳＷｉをＯＦＦにする。その後、ｉの値を「１」だけインクリメントし（ステップＤ４）、ステップＤ２からの処理を繰り返す。
ｉがＮである場合、処理装置１０は、第Ｎ番の二次電池１Ｎに対応するスイッチＳＷＮを除いた全てのＳＷｉ〜ＳＷＮ−１をＯＮにして（ステップＤ５）放電を継続させる（ステップＤ６）。放電動作は全ての二次電池１１〜１Ｎが最小ＳＯＣになるまで継続可能である。
本実施形態によれば、充電時は第１のしきい値ＳＯＣＬに到達した二次電池１１〜１Ｎから順次第２のしきい値ＳＯＣＵまで充電動作を継続し、放電時は第２のしきい値ＳＯＣＵに到達した二次電池１１〜１Ｎから順次第１のしきい値ＳＯＣＬまで放電動作を継続させるため、各二次電池１１〜１Ｎの劣化進行ＳＯＣｄで充電動作または放電動作が停止することがない。したがって、保存時におけるマンガン系のリチウムイオン二次電池１１〜１Ｎの製品寿命の短縮を抑制できる。
なお、上記説明では各二次電池１１〜１Ｎの劣化進行ＳＯＣｄが一定である例で説明しているが、劣化進行ＳＯＣｄは二次電池１１〜１Ｎの稼動時間や充放電回数に応じて変動することもある。したがって、上記第１のしきい値ＳＯＣＬ及び第２のしきい値ＳＯＣＵは、稼動時間や充放電回数に応じて変更してもよい。
（第２の実施の形態）
図９は第２の実施の形態の充放電システムの一構成例を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、並列に接続された複数の二次電池１１〜１Ｎの劣化進行ＳＯＣｄで充電動作または放電動作が停止しないように制御する例を示した。第２の実施の形態は１台の二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄで充電動作または放電動作が停止しないように制御する例である。
図９に示すように、第２の実施の形態の充放電システムは、制御対象となる二次電池が１台である点で第１の実施の形態と異なっている。また、第２の実施の形態の情報処理装置は、例えばヒートポンプ式の給湯器と情報通信手段を介して接続され、情報処理装置により該給湯器が制御可能な構成である。その他の構成は第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
情報通信手段としては、周知の無線通信手段を用いてもよく、周知の有線通信手段を用いてもよい。無線通信手段としては、例えば９５０ＭＨｚ帯の無線周波数を利用する周知のＺｉｇｂｅｅ無線方式が考えられる。有線通信手段としては、例えば配電線を利用して情報を送受信する周知のＰＬＣ（Power Line Communication）方式が考えられる。
第２の実施の形態の充放電システムでは、二次電池１のＳＯＣの値に基づいて、二次電池１の充電時、第１のしきい値ＳＯＣＬから第２のしきい値ＳＯＣＵまで二次電池１の充電動作が継続するようスイッチ４を制御し、二次電池１の放電時、第２のしきい値ＳＯＣＵから第１のしきい値ＳＯＣＬまで二次電池１の放電動作が継続するようスイッチ４を制御する。
例えば、二次電池１を太陽電池等の再生可能電源で発電された電力で充電している場合、二次電池１が劣化進行ＳＯＣｄであるときに再生可能電源による発電が停止して充電動作が停止する可能性がある。そのような場合、本実施形態の情報処理装置３は、配電系統を介して電力会社から供給される電力により二次電池１に対する充電動作を継続する。
一方、二次電池１の放電時では、負荷となる全ての電気機器の動作が停止することで、二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄで放電動作が停止する可能性も否定できない。そのような場合、本実施形態の情報処理装置３は、例えば上記ヒートポンプ式の給湯器を作動させることで、二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄで放電動作が停止しないように放電動作を継続させる。
なお、充電中の二次電池は、他の二次電池にとって電力を消費する電気機器と同等である。したがって、本実施形態の充放電システムに含まれない二次電池（外部二次電池）がある場合は、該外部二次電池を充電することで二次電池１の放電動作を継続させてもよい。また、情報処理装置３は、二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄで放電動作が停止した場合、例えば配電系統からの電力を利用した充電動作へ切り換えることで二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄを避けるようにしてもよい。
本実施形態で示す充電用の電力供給元を切り換えることで充電動作を継続する方法やヒートポンプ式の給湯器等を作動させることで放電動作を継続する方法は、第１の実施の形態で示した充放電システムと組み合わせることも可能である。
第２の実施の形態においても、二次電池１の劣化進行ＳＯＣｄで充電動作または放電動作が停止することがない。したがって、第１の実施の形態と同様に、保存時におけるマンガン系のリチウムイオン二次電池１の製品寿命の短縮を抑制できる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細は本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更が可能である。
この出願は、２０１０年３月２３日に出願された特願２０１０−０６６１０７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (9)

  1. マンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電方法であって、
    コンピュータが、
    予め設定された、前記リチウムイオン二次電池の保存時に該リチウムイオン二次電池の電池性能が劣化するＳＯＣである劣化進行ＳＯＣよりも小さい第１のしきい値及び前記劣化進行ＳＯＣよりも大きい第２のしきい値を保持しておき、
    前記リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を充電時及び放電時に検出する監視装置から送信された該リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を基に、前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の充電動作が継続するよう、前記リチウムイオン二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元及び前記リチウムイオン二次電池の放電時に電力を消費する負荷が接続された配電線と前記リチウムイオン二次電池間に設けられたスイッチを制御し、
    前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の放電動作が継続するよう前記スイッチを制御するリチウムイオン二次電池の充放電方法。
  2. 前記コンピュータが、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を充電するよう、前記リチウムイオン二次電池毎に対応して設けられた前記スイッチを制御し、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を放電するよう、前記リチウムイオン二次電池毎に対応して設けられた前記スイッチを制御する請求項１記載のリチウムイオン二次電池の充放電方法。
  3. 前記リチウムイオン二次電池は、
    正極材料の主体がマンガン酸リチウムである請求項１または２記載のリチウムイオン二次電池の充放電方法。
  4. マンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電システムであって、
    前記リチウムイオン二次電池のＳＯＣを充電時及び放電時に検出する監視装置と、
    前記リチウムイオン二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元及び前記リチウムイオン二次電池の放電時に電力を消費する負荷が接続された配電線と前記リチウムイオン二次電池間を接続または切断するスイッチと、
    予め設定された、前記リチウムイオン二次電池の保存時に該リチウムイオン二次電池の電池性能が劣化するＳＯＣである劣化進行ＳＯＣよりも小さい第１のしきい値及び前記劣化進行ＳＯＣよりも大きい第２のしきい値を保持し、前記監視装置で検出された該リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を基に、前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の充電動作が継続するよう前記スイッチを制御し、前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の放電動作が継続するよう前記スイッチを制御する情報処理装置と、
    を有する充放電システム。
  5. 前記スイッチが、
    複数の前記リチウムイオン二次電池に対応して複数設けられ、
    前記情報処理装置は、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を充電するよう前記スイッチを制御し、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を放電するよう前記スイッチを制御する請求項４記載の充放電システム。
  6. 前記リチウムイオン二次電池は、
    正極材料の主体がマンガン酸リチウムである請求項４または５記載の充放電システム。
  7. マンガン系の正極材料を有するリチウムイオン二次電池の充放電を制御する情報処理装置であって、
    予め設定された、前記リチウムイオン二次電池の保存時に該リチウムイオン二次電池の電池性能が劣化するＳＯＣである劣化進行ＳＯＣよりも小さい第１のしきい値及び前記劣化進行ＳＯＣよりも大きい第２のしきい値を保持する記憶装置と、
    前記リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を充電時及び放電時に検出する監視装置から送信された該リチウムイオン二次電池のＳＯＣの値を基に、前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の充電動作が継続するよう、前記リチウムイオン二次電池の充電に必要な電力を供給する電力供給元及び前記リチウムイオン二次電池の放電時に電力を消費する負荷が接続された配電線と前記リチウムイオン二次電池間に設けられたスイッチを制御し、前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池の放電動作が継続するよう前記スイッチを制御する処理装置と、
    を有する情報処理装置。
  8. 前記処理装置は、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の充電時、前記第１のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第１のしきい値から前記第２のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を充電するよう、前記リチウムイオン二次電池毎に対応して設けられた前記スイッチを制御し、
    複数の前記リチウムイオン二次電池の放電時、前記第２のしきい値に到達したリチウムイオン二次電池から順に１台ずつ前記第２のしきい値から前記第１のしきい値まで前記リチウムイオン二次電池を放電するよう、前記リチウムイオン二次電池毎に対応して設けられた前記スイッチを制御する請求項７記載の情報処理装置。
  9. 前記リチウムイオン二次電池は、
    正極材料の主体がマンガン酸リチウムである請求項７または８記載の情報処理装置。
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