リチウムイオン組電池充電制御装置、制御方法およびリチウムイオン組電池システム
【課題】 リチウムイオン二次電池を組電池として使用する場合に、より適正に充電する。
【解決手段】 各リチウムイオンセル２の充電電圧を監視する電圧計４と、各リチウムイオンセル２に設けられ、リチウムイオンセル２を個別に放電させるバランス回路３と、一部のリチウムイオンセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオンセル２の充電電圧が下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、その他のリチウムイオンセル２の一部に対してバランス回路３を動作させるコントローラ６と、を備える。
【解決手段】 各リチウムイオンセル２の充電電圧を監視する電圧計４と、各リチウムイオンセル２に設けられ、リチウムイオンセル２を個別に放電させるバランス回路３と、一部のリチウムイオンセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオンセル２の充電電圧が下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、その他のリチウムイオンセル２の一部に対してバランス回路３を動作させるコントローラ６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置、制御方法および、この装置を備えたリチウムイオン組電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有し、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。また、使用目的に応じた電圧や容量を得るために、単電池であるリチウムイオンセルを複数接続して組電池を構成し、使用する場合がある。一方、リチウムイオン二次電池は、過充電などによって異常発熱が生じ、さらには、電解液が有機溶剤であるために発火事故が発生するおそれがある。
【０００３】
このため、組電池として使用する場合に、各リチウムイオンセルを適正に充電するために、バイパス回路を設けた技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、複数のリチウムイオンセルを直列に接続して電池回路列を構成し、この電池回路列を複数並列に接続する。また、各リチウムイオンセルにバイパス回路を設け、それぞれのリチウムイオンセルが適正な充電電圧範囲（許容充電電圧範囲）の上限を超えた際に、対応するバイパス回路で充電電流をバイパスし、さらに、同一電池回路列内のすべてのリチウムイオンセルが充電完了電圧に達した場合に、この電池回路列を充電回路から切り離す。これにより、リチウムイオンセルの過充電を防止する、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１８８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者は、リチウムイオンセルを複数直列に接続して組電池を構成し、この組電池をフロート充電（浮動充電）状態で使用・運用した場合に、次のような事象が生じる場合があることを発見、確認した。すなわち、第１の事象として、図４に示すように、製造上のバラツキや運用前の保管状態のバラツキなどにより、長時間運用した場合に充電状態にバラツキが生じ、特定のリチウムイオンセル２−１のみが適正な充電電圧範囲（図中、平均値±２０ｍＶ）に達せず、その他のリチウムイオンセル群２−２の充電電圧は、適正な充電電圧範囲内で安定している、というものである。
【０００６】
また、第２の事象として、例えば、組電池内に不良なリチウムイオンセルが存在する場合、これを新たなリチウムイオンセルと交換する。この場合、新たなリチウムイオンセルは、通常安全性を考慮して、放電状態あるいは部分充電状態（満充電でない状態）で工場から出荷され、組電池に組み込まれる。このような場合に、図５に示すように、交換した新たなリチウムイオンセル２−１が適正な充電電圧範囲に達せず、その他のリチウムイオンセル群２−２の充電電圧は、適正な充電電圧範囲内で安定している、というものである。
【０００７】
このような事象が生じた場合、バイパス回路を設けた上記従来の技術では、充電電圧が低いリチウムイオンセルを適正な充電電圧範囲まで充電させることができない。すなわち、従来の技術では、適正な充電電圧範囲の上限を超えたリチウムイオンセルに対して、充電電流をバイパスしたり、放電させたりすることで、当該セルの過充電を防止するとともに、充電状態が低いリチウムイオンセルの充電促進を図るものである。従って、上限を超えたリチウムイオンセルが存在しない場合、つまり充電電圧が低いリチウムイオンセル以外のセルが適正な充電電圧範囲内で安定している場合には、バイパスや放電が行われない。このため、充電状態が低いリチウムイオンセルの充電を促進して、適正な充電電圧範囲まで充電させることができない。
【０００８】
そして、このような不適正な充電状態が継続すると、組電池全体としての放電容量が、充電状態の低いリチウムイオンセルの放電容量によって制限されるため（当該セルが所定の電圧に達すると組電池全体の放電を終了させるため）、商用電源が停電した際のバックアップ時において、設計通りの所定の放電時間を確保できないおそれが高い。
【０００９】
そこでこの発明は、複数のリチウムイオン二次電池を組電池として使用する場合に、より適正に充電することを可能にするリチウムイオン組電池充電制御装置、制御方法およびリチウムイオン組電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置であって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、監視手段によって、各リチウムイオン二次電池の充電電圧が監視され、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が、適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が、適正な充電電圧範囲の下限電圧以上にある状態が所定時間継続すると、処理手段によって、その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して個別放電手段が動作される。すなわち、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の一部に対して、放電が行われ、これにより、充電電圧が低いリチウムイオン二次電池の充電が促進される。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリチウムイオン組電池充電制御装置において、前記処理手段は、前記その他のリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して前記個別放電手段を動作させる、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御方法であって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して放電を行う、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、３および４に記載の発明によれば、上記の第１の事象や第２の事象のように、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲内にある状態（非適正充電状態）が所定時間継続した場合であっても、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の一部に対して、放電が行われる。このため、充電電圧が低いリチウムイオン二次電池の充電が促進され、リチウムイオン組電池全体をより適正に充電することが可能となる。
【００１６】
しかも、非適正充電状態が所定時間継続した場合に、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池に対する放電が行われる。すなわち、非適正充電状態が一時的に生じた場合には、放電が行われないため、不必要な放電が回避され、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の充電状態を適正に維持することが可能となる。また、非適正充電状態が所定時間継続した時点で放電を行うことで、非適正充電状態が長時間継続することによるリチウムイオン二次電池の過充電状態や低充電状態などを回避して、リチウムイオン組電池全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して放電を行うため、放電を行っても、当該リチウムイオン二次電池の充電電圧を、適正な充電電圧範囲内に維持することがより可能となる。また、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池は、充電受け入れ性が良好なため、充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低くなったとしても、早期に適正な充電電圧範囲まで充電され、リチウムイオン組電池全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システムを整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。
【図２】図１のシステムのフロート充電状態における制御フローを示す図である。
【図３】図２の続きを示す図である。
【図４】リチウムイオン組電池のフロート充電時において、特定のリチウムイオンセルの電圧のみが、適正な充電電圧範囲よりも下がってしまう事象を示す図である。
【図５】リチウムイオン組電池内のリチウムイオンセルを交換した場合に、交換した新たなリチウムイオンセルの電圧のみが、適正な充電電圧範囲に達しない事象を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。このリチウムイオン組電池システム１は、単電池であるリチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）２が複数直列に接続されてリチウムイオン組電池２０が構成され、このようなリチウムイオン組電池２０の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置（以下、単に「制御装置」という）を備えるものである。
【００２１】
この制御装置は、主として、各リチウムイオンセル２に設けられたバランス回路（個別放電手段）３および電圧計（監視手段）４と、単一の主スイッチ５、コントローラ（処理手段）６とを備えている。また、各バランス回路３、各電圧計４および主スイッチ５は、それぞれコントローラ６と通信（データ伝送）可能に接続されている。
【００２２】
バランス回路３は、対応するリチウムイオンセル２への充電電流をバイパスするとともに、このリチウムイオンセル２を放電させて電圧を下げる回路である。具体的には、放電用抵抗３１と放電スイッチ３２とが直列に接続された回路であり、リチウムイオンセル２と並列に接続されている。そして、後述するように、通常の充電時においては、放電スイッチ３２がオフ（開）状態で、コントローラ６からの閉指令を受けて放電スイッチ３２をオンする（閉じる）。これにより、充電電流が放電用抵抗３１側にバイパスされるとともに、負荷としての放電用抵抗３１によってリチウムイオンセル２が放電し、電圧が下がるものである。従って、バランス回路３・放電スイッチ３２がオンの状態では、放電用抵抗３１には、放電電流と充電電流の双方が流れる。
【００２３】
電圧計４は、対応するリチウムイオンセル２に並列に接続され、充電中や放電中に限らず常時、リチウムイオンセル２の電圧を計測、監視し、計測結果をリアルタイムにコントローラ６に送信するものである。また、図示していないが、リチウムイオン組電池２０の総電圧や充電電流、放電電流、および各リチウムイオンセル２の温度を測定する測定器をそれぞれ備え、これらの測定器からの測定結果が、リアルタイムにコントローラ６に送信されるようになっている。
【００２４】
主スイッチ５は、リチウムイオン組電池２０への充電電流を制御するスイッチであり、リチウムイオン組電池２０に電力を供給する充電回路に設けられている。すなわち、交流直流変換器１０１とリチウムイオン組電池２０との間（充電回路）に接続され、商用電源１００からの電力が交流直流変換器１０１で直流に変換され、主スイッチ５を介してリチウムイオン組電池２０に供給されるようになっている。この主スイッチ５は、後述するように、通常時においてはオン（閉）状態で、コントローラ６からの開指令を受けてオフする（開く）ようになっている。
【００２５】
また、主スイッチ５と並列にバイパスダイオード７が接続されている。このバイパスダイオード７は、リチウムイオン組電池２０からの電流の流れのみを許容する機能を有し、リチウムイオン組電池２０へは電流が流れないようになっている。これにより、リチウムイオン組電池２０からの放電が常時可能で、バイパスダイオード７を介してリチウムイオン組電池２０から負荷設備１０２に電力が供給されるようになっている。ここで、交流直流変換器１０１と負荷設備１０２とは接続され、通常時においては、商用電源１００からの電力が、交流直流変換器１０１で直流に変換されて、負荷設備１０２に供給されるようになっている。
【００２６】
コントローラ６は、各電圧計４からの計測結果などに基づいて、各バランス回路３や主スイッチ５を制御などする装置である。その制御として、フロート充電状態において、一部のリチウムイオンセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオンセル２の充電電圧が下限電圧以上である状態（非適正充電状態）が所定時間継続した場合に、充電電圧が適正なリチウムイオンセル２の一部に対して、バランス回路３を動作させる制御を含む。
【００２７】
具体的には、図２、３に示すように、まず、制御回路の動作が正常であるか否かを判断する（ステップＳ１）。そして、正常でない場合には、警報部（図示せず）から警報を発生させるとともに、主スイッチ５をオフして充電を停止し、さらに、すべてのバランス回路３をオフする（ステップＳ２）。一方、制御回路の動作が正常な場合には、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断し（ステップＳ３）、充電電流がゼロ以上でない場合には、後述する放電モードに移り、ゼロ以上の場合には、組電池２０の総電圧が許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００２８】
その結果、許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上でない場合には、警報部から警報を発生させ（ステップＳ５）、許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上の場合には、組電池２０の総電圧が許容上限総充電電圧ＶＴｍａｘ以下であり（ステップＳ６）、すべてのリチウムイオンセル２の温度が許容上限温度Ｔｈ℃以下であり（ステップＳ７）、かつ充電電流が許容最大充電電流Ｉｃ以下（ステップＳ８）であるか否かを判断する。そして、これらの要件を満たさない場合には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ９）。
【００２９】
一方、これらの要件を満たす場合には、各リチウムイオンセル２の電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。ここで、許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘとは、実際の充電状態、つまり実際の組電池２０の総電圧において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される上限の電圧（平均電圧に対する上限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡｍａｘ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数＋許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）
【００３０】
そして、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下でない場合（ステップＳ１０で「Ｎ」の場合）には、このセル２のバイパス回路３をオンしてバイパス放電させる（ステップＳ１１）。このとき、既にバイパス回路３がオンの場合には、オン状態を維持する。
【００３１】
次に、同一のセル２で、このようなバイパス放電の状態が第１の所定時間Ｔ１継続している場合（ステップＳ１２で「Ｙ」の場合）には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ２０）。一方、所定時間Ｔ１継続していない場合（ステップＳ１２で「Ｎ」の場合）には、このセル２の電圧が、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。ここで、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、セル２に内部異常などのおそれがある電圧閾値であり、例えば、次のように算出される。
ＶＥｍａｘ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数＋異常電圧差（例えば、８０ｍＶ）
【００３２】
この結果、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上の場合には、上記ステップＳ２０の処理を行い、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上でない場合には、ステップＳ１４に移行する。ここで、ステップＳ１２における第１の所定時間Ｔ１は、バイパス放電を行っても許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下にならない状態が継続した場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがあると推定される時間、あるいは過充電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。
【００３３】
次に、セル２の電圧が異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上でない場合（ステップＳ１３で「Ｎ」の場合）、および、いずれのセル２の電圧も許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下の場合（ステップＳ１０で「Ｙ」の場合）には、次のような制御を行う。まず、過電圧のためにバイパス放電させていたセル２に対しては、そのバイパス回路３をオフして、バイパス放電を停止する（ステップＳ１４）。すなわち、充電電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘよりも高いためにバイパス放電していたセル２の電圧が、電圧ＶＡｍａｘ以下に下がった場合には、バイパス回路３をオフする。
【００３４】
続いて、各リチウムイオンセル２の電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。ここで、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される下限の電圧（平均電圧に対する下限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡｍｉｎ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数−許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）
このように、この実施の形態では、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上で許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下が「適正な充電電圧範囲」であり、「組電池２０の総電圧÷セル２の数」が平均充電電圧（図４、５中の「平均値」）となる。また、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎが、「適正な充電電圧範囲の下限電圧」となる。
【００３５】
そして、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上の場合には、低電圧のために他のセル（選択セル）２をバイパス放電させていた場合には、そのバイパス回路３をオフして、バイパス放電を停止する（ステップＳ１６）。すなわち、後述するように、当該セル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎよりも低い場合には、選択セル２をバイパス放電するが、その後、当該セル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上に上昇した場合に、選択セル２のバイパス回路３をオフするものである。
【００３６】
一方、いずれかのセル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上でない場合には、同一のセル２で、このような低電圧状態が第２の所定時間Ｔ２継続しているか否かを判断する（ステップＳ１７）。ここで、第２の所定時間Ｔ２は、後述する選択セル２のバイパス放電を行えば、低電圧状態のセル２の電圧を上昇可能な時間であり、かつ、不必要なバイパス放電を回避でき、セル２の過充電状態や低充電状態を防止できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。
【００３７】
この結果、第２の所定時間Ｔ２継続している場合には、選択セル２のバイパス回路３をオンして、バイパス放電させる（ステップＳ１８）。ここで、選択セル２とは、充電電圧が適正な充電電圧範囲内にあるセル２のなかで、充電電圧が最も高いセル２であり、既にこのセル２がバイパス放電中の場合には、次に充電電圧が高いセル２とする。このようにして、充電電圧が高いセル２から順次、バイパス放電するものである。また、低電圧状態のセル２の数やその充電電圧に応じて、複数のセル２を選択セル２として同時にバイパス放電してもよい。さらに、この実施の形態では、バイパス放電中の選択セル２の充電電圧が、所定の電圧（例えば、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ）よりも下がった場合には、その時点でバイパス放電を停止し、別の選択セル２に対してバイパス放電を行う。つまり、適正な充電電圧範囲内で選択セル２のバイパス放電を行うものである。
【００３８】
続いて、同一のセル２のために、選択セル２のバイパス放電を第３の所定時間Ｔ３継続して行っているか否かを判断する（ステップＳ１９）。ここで、第３の所定時間Ｔ３は、選択セル２のバイパス放電を行っても低電圧状態のセル２の電圧が上昇しない場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがあると推定される時間、あるいは過剰なバイパス放電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。そして、第３の所定時間Ｔ３継続している場合には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ２０）。
【００３９】
一方、第３の所定時間Ｔ３継続していない場合や、ステップＳ１７で第２の所定時間Ｔ２継続していない場合、およびステップＳ１６の後に、ステップＳ３に戻り、同様な処理を繰り返すものである。すなわち、ステップＳ３以降の処理を定期的にサイクリックに行い、組電池２０のすべてのセル２に対して、充電電圧の異常判断、調整を行うものである。
【００４０】
この他、コントローラ６による制御として、初期充電制御や回復充電制御、放電制御（放電モード）などがある。初期充電制御は、組電池２０の運用開始時に組電池２０を充電（初期充電）する際の制御であり、回復充電制御は、組電池２０が放電した後に組電池２０を充電（回復充電）する際の制御であり、ともに、組電池２０の総電圧や充電電流の適否判断、許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘよりも高い電圧のセル２のバイパス放電などを行うものである。そして、上記のフロート充電状態の制御は、初期充電制御や回復充電制御において、組電池２０の総電圧や充電電流が適正と判断された場合に、移行される制御である。
【００４１】
また、放電制御は、組電池２０が放電する際の制御である。すなわち、商用電源１００からの電力供給が停止すると、組電池２０が放電を開始し、組電池２０からバイパスダイオード７を介して電力が負荷設備１０２に供給されるとともに、コントローラ６に対して電力が供給される。このような放電モードでは、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断し、充電電流がゼロ以上の場合には、回復充電制御に移り、ゼロ以上でない場合には、次の３つの要件を満たすか否かを判断する。すなわち、すべてのリチウムイオンセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下であるか、放電電流が許容最大放電電流Ｉｄ以下であるか、各セル２の電圧が放電終止電圧ＶＬ１以上であるか、を判断する。ここで、放電終止電圧ＶＬ１とは、放電を終了・停止させる仕様上の電圧であり、リチウムイオンセル２の仕様容量、放電電流などによって設定される。そして、これらの要件をすべて満たす場合には、組電池２０の放電を継続し、満たさない場合には、放電を停止するものである。
【００４２】
次に、このような構成のリチウムイオン組電池システム１の作用や、制御装置によるリチウムイオン組電池充電制御方法などについて、説明する。
【００４３】
まず、フロート充電時においては、主スイッチ５がオンされ、商用電源１００からの電力がリチウムイオン組電池２０に供給され、電圧計４によって各リチウムイオンセル２の電圧が常時計測され、その計測結果がリアルタイムにコントローラ６に送信される。そして、いずれかのセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも高い場合には、そのセル２のバランス回路３に対して、コントローラ６から閉指令が送信され、バランス回路３がオンしてバイパス放電が行われる。これにより、このセル２の充電電圧が下がり、適正な充電電圧範囲内になる。
【００４４】
一方、フロート充電時において、いずれかのセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲（許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ）よりも低い状態（非適正充電状態）が、第２の所定時間Ｔ２継続した場合には、上記のような選択セル２のバイパス回路３がオンされ、バイパス放電が行われる。これにより、選択セル２以外のセル２、つまり低電圧状態のセル２に対しても充電電流がより流れ、低電圧状態のセル２の充電が促進される。この結果、低電圧状態であったセル２の充電電圧が、適正な充電電圧範囲内に上昇し、その後、選択セル２に対するバイパス放電が停止されるものである。ここで、非適正充電状態には、適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも充電電圧が高いセル２に対するバイパス放電が行われている場合も含む。つまり、適正な充電電圧範囲よりも充電電圧が高いセル２の有無にかかわらず、低電圧状態のセル２の充電を促進するためのバイパス放電が行われる。
【００４５】
以上のように、このリチウムイオン組電池システム１、制御装置および充電制御方法によれば、上記の第１の事象や第２の事象のように、一部のセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低い場合には、適正な充電電圧範囲よりも充電電圧が高いセル２の有無にかかわらず、特定の選択セル２に対してバイパス放電が行われる。このため、低電圧状態のセル２の充電が促進され、リチウムイオン組電池２０全体をより適正に充電することが可能となる。この結果、組電池２０全体の放電容量が適正となり、商用電源１００が停電した際のバックアップ時において、設計通りの所定の放電時間を確保することができる。
【００４６】
しかも、低電圧状態（非適正充電状態）が第２の所定時間Ｔ２継続した場合に、充電電圧が適正なセル２に対するバイパス放電が行われる。すなわち、低電圧状態が一時的に生じた場合には、バイパス放電が行われないため、不必要な放電が回避され、充電電圧が適正なセル２の充電状態を適正に維持することが可能となる。また、低電圧状態が第２の所定時間Ｔ２継続した時点で放電を行うことで、低電圧状態が長時間継続することによるセル２の過充電状態や低充電状態などを回避して、リチウムイオン組電池２０全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００４７】
また、充電電圧が適正なセル２のなかで、充電電圧が最も高いセル２から順にバイパス放電するため、バイパス放電を行っても、このセル２の充電電圧を、適正な充電電圧範囲内に維持することがより可能となる。また、充電電圧が最も高いセル２は、充電受け入れ性が良好なため、充電電圧が適正な充電電圧範囲近くになったとしても、早期に適正な充電電圧範囲まで充電され、リチウムイオン組電池２０全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００４８】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、充電電圧が適正な充電電圧範囲内にあるセル２を、選択セル２としてバイパス放電しているが、適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも充電電圧が高いセル２がバイパス放電していない場合には、そのセルを選択セル２としてバイパス放電してもよい。また、１組のリチウムイオン組電池２０を有するシステムについて説明したが、組電池２０を複数接続したシステムにも適用することができる。この場合、上記のような制御装置を組電池２０ごとに配設する。さらに、リチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した場合について説明したが、無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）や自動車用蓄電池などにも適用することができ、かつ、フロート充電以外にも適用することができる。すなわち、一部のセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低い状態が所定時間継続するすべてのケースに、適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ リチウムイオン組電池システム
２ リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）
２０ リチウムイオン組電池
３ バランス回路（個別放電手段）
４ 電圧計（監視手段）
５ 主スイッチ
６ コントローラ（処理手段）
７ バイパスダイオード
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置、制御方法および、この装置を備えたリチウムイオン組電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電量が少ない、などという利点を有し、自動車用蓄電池や電気・電子機器用蓄電池などとして広く使用されている。また、使用目的に応じた電圧や容量を得るために、単電池であるリチウムイオンセルを複数接続して組電池を構成し、使用する場合がある。一方、リチウムイオン二次電池は、過充電などによって異常発熱が生じ、さらには、電解液が有機溶剤であるために発火事故が発生するおそれがある。
【０００３】
このため、組電池として使用する場合に、各リチウムイオンセルを適正に充電するために、バイパス回路を設けた技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、複数のリチウムイオンセルを直列に接続して電池回路列を構成し、この電池回路列を複数並列に接続する。また、各リチウムイオンセルにバイパス回路を設け、それぞれのリチウムイオンセルが適正な充電電圧範囲（許容充電電圧範囲）の上限を超えた際に、対応するバイパス回路で充電電流をバイパスし、さらに、同一電池回路列内のすべてのリチウムイオンセルが充電完了電圧に達した場合に、この電池回路列を充電回路から切り離す。これにより、リチウムイオンセルの過充電を防止する、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１８８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者は、リチウムイオンセルを複数直列に接続して組電池を構成し、この組電池をフロート充電（浮動充電）状態で使用・運用した場合に、次のような事象が生じる場合があることを発見、確認した。すなわち、第１の事象として、図４に示すように、製造上のバラツキや運用前の保管状態のバラツキなどにより、長時間運用した場合に充電状態にバラツキが生じ、特定のリチウムイオンセル２−１のみが適正な充電電圧範囲（図中、平均値±２０ｍＶ）に達せず、その他のリチウムイオンセル群２−２の充電電圧は、適正な充電電圧範囲内で安定している、というものである。
【０００６】
また、第２の事象として、例えば、組電池内に不良なリチウムイオンセルが存在する場合、これを新たなリチウムイオンセルと交換する。この場合、新たなリチウムイオンセルは、通常安全性を考慮して、放電状態あるいは部分充電状態（満充電でない状態）で工場から出荷され、組電池に組み込まれる。このような場合に、図５に示すように、交換した新たなリチウムイオンセル２−１が適正な充電電圧範囲に達せず、その他のリチウムイオンセル群２−２の充電電圧は、適正な充電電圧範囲内で安定している、というものである。
【０００７】
このような事象が生じた場合、バイパス回路を設けた上記従来の技術では、充電電圧が低いリチウムイオンセルを適正な充電電圧範囲まで充電させることができない。すなわち、従来の技術では、適正な充電電圧範囲の上限を超えたリチウムイオンセルに対して、充電電流をバイパスしたり、放電させたりすることで、当該セルの過充電を防止するとともに、充電状態が低いリチウムイオンセルの充電促進を図るものである。従って、上限を超えたリチウムイオンセルが存在しない場合、つまり充電電圧が低いリチウムイオンセル以外のセルが適正な充電電圧範囲内で安定している場合には、バイパスや放電が行われない。このため、充電状態が低いリチウムイオンセルの充電を促進して、適正な充電電圧範囲まで充電させることができない。
【０００８】
そして、このような不適正な充電状態が継続すると、組電池全体としての放電容量が、充電状態の低いリチウムイオンセルの放電容量によって制限されるため（当該セルが所定の電圧に達すると組電池全体の放電を終了させるため）、商用電源が停電した際のバックアップ時において、設計通りの所定の放電時間を確保できないおそれが高い。
【０００９】
そこでこの発明は、複数のリチウムイオン二次電池を組電池として使用する場合に、より適正に充電することを可能にするリチウムイオン組電池充電制御装置、制御方法およびリチウムイオン組電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置であって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、監視手段によって、各リチウムイオン二次電池の充電電圧が監視され、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が、適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が、適正な充電電圧範囲の下限電圧以上にある状態が所定時間継続すると、処理手段によって、その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して個別放電手段が動作される。すなわち、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の一部に対して、放電が行われ、これにより、充電電圧が低いリチウムイオン二次電池の充電が促進される。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリチウムイオン組電池充電制御装置において、前記処理手段は、前記その他のリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して前記個別放電手段を動作させる、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御方法であって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して放電を行う、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、３および４に記載の発明によれば、上記の第１の事象や第２の事象のように、一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲内にある状態（非適正充電状態）が所定時間継続した場合であっても、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の一部に対して、放電が行われる。このため、充電電圧が低いリチウムイオン二次電池の充電が促進され、リチウムイオン組電池全体をより適正に充電することが可能となる。
【００１６】
しかも、非適正充電状態が所定時間継続した場合に、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池に対する放電が行われる。すなわち、非適正充電状態が一時的に生じた場合には、放電が行われないため、不必要な放電が回避され、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池の充電状態を適正に維持することが可能となる。また、非適正充電状態が所定時間継続した時点で放電を行うことで、非適正充電状態が長時間継続することによるリチウムイオン二次電池の過充電状態や低充電状態などを回避して、リチウムイオン組電池全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、充電電圧が適正なリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して放電を行うため、放電を行っても、当該リチウムイオン二次電池の充電電圧を、適正な充電電圧範囲内に維持することがより可能となる。また、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池は、充電受け入れ性が良好なため、充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低くなったとしても、早期に適正な充電電圧範囲まで充電され、リチウムイオン組電池全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システムを整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。
【図２】図１のシステムのフロート充電状態における制御フローを示す図である。
【図３】図２の続きを示す図である。
【図４】リチウムイオン組電池のフロート充電時において、特定のリチウムイオンセルの電圧のみが、適正な充電電圧範囲よりも下がってしまう事象を示す図である。
【図５】リチウムイオン組電池内のリチウムイオンセルを交換した場合に、交換した新たなリチウムイオンセルの電圧のみが、適正な充電電圧範囲に達しない事象を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、この発明の実施の形態に係るリチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した状態を示す概略構成図である。このリチウムイオン組電池システム１は、単電池であるリチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）２が複数直列に接続されてリチウムイオン組電池２０が構成され、このようなリチウムイオン組電池２０の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置（以下、単に「制御装置」という）を備えるものである。
【００２１】
この制御装置は、主として、各リチウムイオンセル２に設けられたバランス回路（個別放電手段）３および電圧計（監視手段）４と、単一の主スイッチ５、コントローラ（処理手段）６とを備えている。また、各バランス回路３、各電圧計４および主スイッチ５は、それぞれコントローラ６と通信（データ伝送）可能に接続されている。
【００２２】
バランス回路３は、対応するリチウムイオンセル２への充電電流をバイパスするとともに、このリチウムイオンセル２を放電させて電圧を下げる回路である。具体的には、放電用抵抗３１と放電スイッチ３２とが直列に接続された回路であり、リチウムイオンセル２と並列に接続されている。そして、後述するように、通常の充電時においては、放電スイッチ３２がオフ（開）状態で、コントローラ６からの閉指令を受けて放電スイッチ３２をオンする（閉じる）。これにより、充電電流が放電用抵抗３１側にバイパスされるとともに、負荷としての放電用抵抗３１によってリチウムイオンセル２が放電し、電圧が下がるものである。従って、バランス回路３・放電スイッチ３２がオンの状態では、放電用抵抗３１には、放電電流と充電電流の双方が流れる。
【００２３】
電圧計４は、対応するリチウムイオンセル２に並列に接続され、充電中や放電中に限らず常時、リチウムイオンセル２の電圧を計測、監視し、計測結果をリアルタイムにコントローラ６に送信するものである。また、図示していないが、リチウムイオン組電池２０の総電圧や充電電流、放電電流、および各リチウムイオンセル２の温度を測定する測定器をそれぞれ備え、これらの測定器からの測定結果が、リアルタイムにコントローラ６に送信されるようになっている。
【００２４】
主スイッチ５は、リチウムイオン組電池２０への充電電流を制御するスイッチであり、リチウムイオン組電池２０に電力を供給する充電回路に設けられている。すなわち、交流直流変換器１０１とリチウムイオン組電池２０との間（充電回路）に接続され、商用電源１００からの電力が交流直流変換器１０１で直流に変換され、主スイッチ５を介してリチウムイオン組電池２０に供給されるようになっている。この主スイッチ５は、後述するように、通常時においてはオン（閉）状態で、コントローラ６からの開指令を受けてオフする（開く）ようになっている。
【００２５】
また、主スイッチ５と並列にバイパスダイオード７が接続されている。このバイパスダイオード７は、リチウムイオン組電池２０からの電流の流れのみを許容する機能を有し、リチウムイオン組電池２０へは電流が流れないようになっている。これにより、リチウムイオン組電池２０からの放電が常時可能で、バイパスダイオード７を介してリチウムイオン組電池２０から負荷設備１０２に電力が供給されるようになっている。ここで、交流直流変換器１０１と負荷設備１０２とは接続され、通常時においては、商用電源１００からの電力が、交流直流変換器１０１で直流に変換されて、負荷設備１０２に供給されるようになっている。
【００２６】
コントローラ６は、各電圧計４からの計測結果などに基づいて、各バランス回路３や主スイッチ５を制御などする装置である。その制御として、フロート充電状態において、一部のリチウムイオンセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオンセル２の充電電圧が下限電圧以上である状態（非適正充電状態）が所定時間継続した場合に、充電電圧が適正なリチウムイオンセル２の一部に対して、バランス回路３を動作させる制御を含む。
【００２７】
具体的には、図２、３に示すように、まず、制御回路の動作が正常であるか否かを判断する（ステップＳ１）。そして、正常でない場合には、警報部（図示せず）から警報を発生させるとともに、主スイッチ５をオフして充電を停止し、さらに、すべてのバランス回路３をオフする（ステップＳ２）。一方、制御回路の動作が正常な場合には、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断し（ステップＳ３）、充電電流がゼロ以上でない場合には、後述する放電モードに移り、ゼロ以上の場合には、組電池２０の総電圧が許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００２８】
その結果、許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上でない場合には、警報部から警報を発生させ（ステップＳ５）、許容下限総充電電圧ＶＴｍｉｎ以上の場合には、組電池２０の総電圧が許容上限総充電電圧ＶＴｍａｘ以下であり（ステップＳ６）、すべてのリチウムイオンセル２の温度が許容上限温度Ｔｈ℃以下であり（ステップＳ７）、かつ充電電流が許容最大充電電流Ｉｃ以下（ステップＳ８）であるか否かを判断する。そして、これらの要件を満たさない場合には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ９）。
【００２９】
一方、これらの要件を満たす場合には、各リチウムイオンセル２の電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。ここで、許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘとは、実際の充電状態、つまり実際の組電池２０の総電圧において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される上限の電圧（平均電圧に対する上限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡｍａｘ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数＋許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）
【００３０】
そして、いずれかのリチウムイオンセル２の電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下でない場合（ステップＳ１０で「Ｎ」の場合）には、このセル２のバイパス回路３をオンしてバイパス放電させる（ステップＳ１１）。このとき、既にバイパス回路３がオンの場合には、オン状態を維持する。
【００３１】
次に、同一のセル２で、このようなバイパス放電の状態が第１の所定時間Ｔ１継続している場合（ステップＳ１２で「Ｙ」の場合）には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ２０）。一方、所定時間Ｔ１継続していない場合（ステップＳ１２で「Ｎ」の場合）には、このセル２の電圧が、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。ここで、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、セル２に内部異常などのおそれがある電圧閾値であり、例えば、次のように算出される。
ＶＥｍａｘ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数＋異常電圧差（例えば、８０ｍＶ）
【００３２】
この結果、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上の場合には、上記ステップＳ２０の処理を行い、異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上でない場合には、ステップＳ１４に移行する。ここで、ステップＳ１２における第１の所定時間Ｔ１は、バイパス放電を行っても許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下にならない状態が継続した場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがあると推定される時間、あるいは過充電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。
【００３３】
次に、セル２の電圧が異常上限セル電圧ＶＥｍａｘ以上でない場合（ステップＳ１３で「Ｎ」の場合）、および、いずれのセル２の電圧も許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下の場合（ステップＳ１０で「Ｙ」の場合）には、次のような制御を行う。まず、過電圧のためにバイパス放電させていたセル２に対しては、そのバイパス回路３をオフして、バイパス放電を停止する（ステップＳ１４）。すなわち、充電電圧が許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘよりも高いためにバイパス放電していたセル２の電圧が、電圧ＶＡｍａｘ以下に下がった場合には、バイパス回路３をオフする。
【００３４】
続いて、各リチウムイオンセル２の電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。ここで、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎとは、実際の充電状態において、各セル２の充電電圧にバラツキが生じる場合に、そのバラツキが許容される下限の電圧（平均電圧に対する下限の電圧）であり、例えば、次のように算出される。
ＶＡｍｉｎ＝組電池２０の総電圧÷セル２の数−許容誤差電圧（例えば、２０ｍＶ）
このように、この実施の形態では、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上で許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ以下が「適正な充電電圧範囲」であり、「組電池２０の総電圧÷セル２の数」が平均充電電圧（図４、５中の「平均値」）となる。また、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎが、「適正な充電電圧範囲の下限電圧」となる。
【００３５】
そして、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上の場合には、低電圧のために他のセル（選択セル）２をバイパス放電させていた場合には、そのバイパス回路３をオフして、バイパス放電を停止する（ステップＳ１６）。すなわち、後述するように、当該セル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎよりも低い場合には、選択セル２をバイパス放電するが、その後、当該セル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上に上昇した場合に、選択セル２のバイパス回路３をオフするものである。
【００３６】
一方、いずれかのセル２の充電電圧が許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ以上でない場合には、同一のセル２で、このような低電圧状態が第２の所定時間Ｔ２継続しているか否かを判断する（ステップＳ１７）。ここで、第２の所定時間Ｔ２は、後述する選択セル２のバイパス放電を行えば、低電圧状態のセル２の電圧を上昇可能な時間であり、かつ、不必要なバイパス放電を回避でき、セル２の過充電状態や低充電状態を防止できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。
【００３７】
この結果、第２の所定時間Ｔ２継続している場合には、選択セル２のバイパス回路３をオンして、バイパス放電させる（ステップＳ１８）。ここで、選択セル２とは、充電電圧が適正な充電電圧範囲内にあるセル２のなかで、充電電圧が最も高いセル２であり、既にこのセル２がバイパス放電中の場合には、次に充電電圧が高いセル２とする。このようにして、充電電圧が高いセル２から順次、バイパス放電するものである。また、低電圧状態のセル２の数やその充電電圧に応じて、複数のセル２を選択セル２として同時にバイパス放電してもよい。さらに、この実施の形態では、バイパス放電中の選択セル２の充電電圧が、所定の電圧（例えば、許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ）よりも下がった場合には、その時点でバイパス放電を停止し、別の選択セル２に対してバイパス放電を行う。つまり、適正な充電電圧範囲内で選択セル２のバイパス放電を行うものである。
【００３８】
続いて、同一のセル２のために、選択セル２のバイパス放電を第３の所定時間Ｔ３継続して行っているか否かを判断する（ステップＳ１９）。ここで、第３の所定時間Ｔ３は、選択セル２のバイパス放電を行っても低電圧状態のセル２の電圧が上昇しない場合に、セル２の内部異常やセル２間の接続異常などのおそれがあると推定される時間、あるいは過剰なバイパス放電を回避できる時間であり、セル２の特性、容量などによって設定される。そして、第３の所定時間Ｔ３継続している場合には、ステップＳ２と同様にして、組電池２０の充電停止やバランス回路３の解放などを行う（ステップＳ２０）。
【００３９】
一方、第３の所定時間Ｔ３継続していない場合や、ステップＳ１７で第２の所定時間Ｔ２継続していない場合、およびステップＳ１６の後に、ステップＳ３に戻り、同様な処理を繰り返すものである。すなわち、ステップＳ３以降の処理を定期的にサイクリックに行い、組電池２０のすべてのセル２に対して、充電電圧の異常判断、調整を行うものである。
【００４０】
この他、コントローラ６による制御として、初期充電制御や回復充電制御、放電制御（放電モード）などがある。初期充電制御は、組電池２０の運用開始時に組電池２０を充電（初期充電）する際の制御であり、回復充電制御は、組電池２０が放電した後に組電池２０を充電（回復充電）する際の制御であり、ともに、組電池２０の総電圧や充電電流の適否判断、許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘよりも高い電圧のセル２のバイパス放電などを行うものである。そして、上記のフロート充電状態の制御は、初期充電制御や回復充電制御において、組電池２０の総電圧や充電電流が適正と判断された場合に、移行される制御である。
【００４１】
また、放電制御は、組電池２０が放電する際の制御である。すなわち、商用電源１００からの電力供給が停止すると、組電池２０が放電を開始し、組電池２０からバイパスダイオード７を介して電力が負荷設備１０２に供給されるとともに、コントローラ６に対して電力が供給される。このような放電モードでは、充電電流がゼロ以上であるか否かを判断し、充電電流がゼロ以上の場合には、回復充電制御に移り、ゼロ以上でない場合には、次の３つの要件を満たすか否かを判断する。すなわち、すべてのリチウムイオンセル２の温度が上限温度Ｔｈ℃以下であるか、放電電流が許容最大放電電流Ｉｄ以下であるか、各セル２の電圧が放電終止電圧ＶＬ１以上であるか、を判断する。ここで、放電終止電圧ＶＬ１とは、放電を終了・停止させる仕様上の電圧であり、リチウムイオンセル２の仕様容量、放電電流などによって設定される。そして、これらの要件をすべて満たす場合には、組電池２０の放電を継続し、満たさない場合には、放電を停止するものである。
【００４２】
次に、このような構成のリチウムイオン組電池システム１の作用や、制御装置によるリチウムイオン組電池充電制御方法などについて、説明する。
【００４３】
まず、フロート充電時においては、主スイッチ５がオンされ、商用電源１００からの電力がリチウムイオン組電池２０に供給され、電圧計４によって各リチウムイオンセル２の電圧が常時計測され、その計測結果がリアルタイムにコントローラ６に送信される。そして、いずれかのセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも高い場合には、そのセル２のバランス回路３に対して、コントローラ６から閉指令が送信され、バランス回路３がオンしてバイパス放電が行われる。これにより、このセル２の充電電圧が下がり、適正な充電電圧範囲内になる。
【００４４】
一方、フロート充電時において、いずれかのセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲（許容下限セル分布電圧ＶＡｍｉｎ）よりも低い状態（非適正充電状態）が、第２の所定時間Ｔ２継続した場合には、上記のような選択セル２のバイパス回路３がオンされ、バイパス放電が行われる。これにより、選択セル２以外のセル２、つまり低電圧状態のセル２に対しても充電電流がより流れ、低電圧状態のセル２の充電が促進される。この結果、低電圧状態であったセル２の充電電圧が、適正な充電電圧範囲内に上昇し、その後、選択セル２に対するバイパス放電が停止されるものである。ここで、非適正充電状態には、適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも充電電圧が高いセル２に対するバイパス放電が行われている場合も含む。つまり、適正な充電電圧範囲よりも充電電圧が高いセル２の有無にかかわらず、低電圧状態のセル２の充電を促進するためのバイパス放電が行われる。
【００４５】
以上のように、このリチウムイオン組電池システム１、制御装置および充電制御方法によれば、上記の第１の事象や第２の事象のように、一部のセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低い場合には、適正な充電電圧範囲よりも充電電圧が高いセル２の有無にかかわらず、特定の選択セル２に対してバイパス放電が行われる。このため、低電圧状態のセル２の充電が促進され、リチウムイオン組電池２０全体をより適正に充電することが可能となる。この結果、組電池２０全体の放電容量が適正となり、商用電源１００が停電した際のバックアップ時において、設計通りの所定の放電時間を確保することができる。
【００４６】
しかも、低電圧状態（非適正充電状態）が第２の所定時間Ｔ２継続した場合に、充電電圧が適正なセル２に対するバイパス放電が行われる。すなわち、低電圧状態が一時的に生じた場合には、バイパス放電が行われないため、不必要な放電が回避され、充電電圧が適正なセル２の充電状態を適正に維持することが可能となる。また、低電圧状態が第２の所定時間Ｔ２継続した時点で放電を行うことで、低電圧状態が長時間継続することによるセル２の過充電状態や低充電状態などを回避して、リチウムイオン組電池２０全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００４７】
また、充電電圧が適正なセル２のなかで、充電電圧が最も高いセル２から順にバイパス放電するため、バイパス放電を行っても、このセル２の充電電圧を、適正な充電電圧範囲内に維持することがより可能となる。また、充電電圧が最も高いセル２は、充電受け入れ性が良好なため、充電電圧が適正な充電電圧範囲近くになったとしても、早期に適正な充電電圧範囲まで充電され、リチウムイオン組電池２０全体を適正かつ早期に充電することが可能となる。
【００４８】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、充電電圧が適正な充電電圧範囲内にあるセル２を、選択セル２としてバイパス放電しているが、適正な充電電圧範囲（許容上限セル分布電圧ＶＡｍａｘ）よりも充電電圧が高いセル２がバイパス放電していない場合には、そのセルを選択セル２としてバイパス放電してもよい。また、１組のリチウムイオン組電池２０を有するシステムについて説明したが、組電池２０を複数接続したシステムにも適用することができる。この場合、上記のような制御装置を組電池２０ごとに配設する。さらに、リチウムイオン組電池システム１を整流装置に適用した場合について説明したが、無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）や自動車用蓄電池などにも適用することができ、かつ、フロート充電以外にも適用することができる。すなわち、一部のセル２の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低い状態が所定時間継続するすべてのケースに、適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ リチウムイオン組電池システム
２ リチウムイオンセル（リチウムイオン二次電池）
２０ リチウムイオン組電池
３ バランス回路（個別放電手段）
４ 電圧計（監視手段）
５ 主スイッチ
６ コントローラ（処理手段）
７ バイパスダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置であって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、
前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池充電制御装置。
【請求項２】
前記処理手段は、前記その他のリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して前記個別放電手段を動作させる、ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン組電池充電制御装置。
【請求項３】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御方法であって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して放電を行う、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池充電制御方法。
【請求項４】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、
前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池システム。
【請求項１】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御装置であって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、
前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池充電制御装置。
【請求項２】
前記処理手段は、前記その他のリチウムイオン二次電池のなかで、充電電圧が最も高いリチウムイオン二次電池に対して前記個別放電手段を動作させる、ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン組電池充電制御装置。
【請求項３】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の充電を制御するリチウムイオン組電池充電制御方法であって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視し、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して放電を行う、
ことを特徴とするリチウムイオン組電池充電制御方法。
【請求項４】
リチウムイオン二次電池が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池システムであって、
前記各リチウムイオン二次電池の充電電圧を監視する監視手段と、
前記各リチウムイオン二次電池に設けられ、前記リチウムイオン二次電池を個別に放電させる個別放電手段と、
一部のリチウムイオン二次電池の充電電圧が適正な充電電圧範囲の下限電圧よりも低く、その他のリチウムイオン二次電池の充電電圧が前記下限電圧以上である状態が所定時間継続した場合に、前記その他のリチウムイオン二次電池の一部に対して前記個別放電手段を動作させる処理手段と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０９９９４（Ｐ２０１２−２０９９９４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１４４５（Ｐ２０１１−７１４４５）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【Ｆターム（参考）】
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