リチウムイオン電池の充放電方式
【課題】リチウムイオン電池を充放電させるに当たり、直列接続された各電池を個別または群単位で充放電可能とし、電池の監視・管理を容易にしばらつきの是正等ができるようにする。
【解決手段】直列接続電池Ｂ１〜Ｂ１０と、その電力供給源となる発電機１４およびチョッパ２３との間にスイッチＳＷＰＳ，ＳＷＮＳを設け、図示されない制御装置から各電池を個別または複数同時に選択できるようにすることで、電池の充放電動作を可能とし電池状態の監視・管理などを容易にする。
【解決手段】直列接続電池Ｂ１〜Ｂ１０と、その電力供給源となる発電機１４およびチョッパ２３との間にスイッチＳＷＰＳ，ＳＷＮＳを設け、図示されない制御装置から各電池を個別または複数同時に選択できるようにすることで、電池の充放電動作を可能とし電池状態の監視・管理などを容易にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数のリチウムイオン電池（以下、単に電池ともいう）を直列接続して構成されるリチウムイオン電池の充放電方式、特にその監視・管理を容易にするための充放電方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池を主電源とする大電力システムでは、多数の単電池を直並列接続して容量の増大を図るのが一般的である。
ところで、直並列接続された多数の電池からなる電池電源を一括して充電すると、各電池の特性ばらつきにより充電量にばらつきが発生し、総充電量が低下するという問題がある。また、この場合、充電量が低下した電池の充電量を増加させるために充電を継続すると、既に満充電になっている電池が過充電になるという問題もある。
【０００３】
図８に、１０個の電池Ｂ１〜Ｂ１０を直列接続した場合の充放電動作例を示す。同図（ａ）は放電初期状態、同（ｂ）は放電終止状態、同（ｃ）は充電動作１の状態、同（ｄ）は充電動作２の状態をそれぞれ示している。
ここで、放電初期状態は新品時または満充電時を想定している。放電動作は次式のように表わすことができる
ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
ここに、ＶＢｄ：放電時電池端子電圧、ｅＢ：電池起電圧、−ＩＢ：放電電流、ＲＢ：内部抵抗をそれぞれ示す。
【０００４】
いま、放電電流−ＩＢが流れると、Ｂ１電池電圧ＶＢ１は、起電圧ｅＢ１＝レベル−１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ１＝レベル−１、よって電池電圧ＶＢ１＝レベル−２となる。また、Ｂ２電池電圧ＶＢ２は、起電圧ｅＢ２＝レベル−２、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ２＝レベル−２、よって電池電圧ＶＢ２＝レベル−４となり、同様にＢ３電池電圧ＶＢ３は、起電圧ｅＢ３＝レベル−３、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ３＝レベル−３、よって電池電圧ＶＢ３＝レベル−６となる。
他の電池Ｂ４〜Ｂ１０も同様で、個別電池の内部抵抗ばらつきによって、電池内部電圧降下値が黒枠で示すように相違する結果、個別電池電圧ＶＢ１〜ＶＢ１０に差が生じることになる。なお、直列電池の両端電圧ＶＢｄは、
ＶＢｄ＝ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３＋ＶＢ４＋ＶＢ５＋ＶＢ６＋ＶＢ７＋ＶＢ８＋ＶＢ９ＶＢ１０
である。
【０００５】
図９に電池の内部抵抗変化と充電容量（残存量）との関係を示す。
図示のように、残存量多（満充電）では内部抵抗ＲＢは小さく、残存量少（放電終止）では内部抵抗ＲＢは大きくなる傾向にあることが分る。また、内部抵抗ＲＢはサイクル寿命，カレンダー寿命によっても増加する。
図８（ｂ）に示す放電終止状態は、複数回の充放電動作により、各電池の内部抵抗ばらつきが拡大した様子を示している。すなわち、Ｂ１電池の電圧降下＝レベル−１⇒レベル−４に増加、Ｂ２電池の電圧降下＝レベル−２⇒レベル−８に増加、Ｂ３電池の電圧降下＝レベル−３⇒レベル−１２に増加しており、特に電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９の特性ばらつきの多いことが分る。
【０００６】
この状態から、１０個直列接続電池群を一括充電したときの充電動作１を、図８（ｃ）に示す。
充電動作は次式で示される。
ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
ここに、ＶＢｃ：充電時電池端子電圧、ｅＢ：電池起電圧、＋ＩＢ：充電電流、ＲＢ：内部抵抗を示す。
充電電流＋ＩＢにより、Ｂ１電池の印加電圧ＶＢ１＝レベル＋１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ１＝レベル＋１⇒レベル−１（黒枠）、よって起電圧ｅＢ１＝レベル−１となる。また、Ｂ２電池の印加電圧ＶＢ２＝レベル０、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ２＝レベル０⇒レベル−３（黒枠）、よって起電圧ｅＢ２＝レベル−３となり、同様にＢ３電池の印加電圧ＶＢ３＝レベル−１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ３＝レベル−１⇒レベル−５（黒枠）、よって起電圧ｅＢ３＝レベル−５となる。
【０００７】
このように、電池内部抵抗ばらつきの相違により電池内部電圧降下値（黒枠）に差が発生して、各電池の端子電圧ＶＢおよび起電圧ｅＢに差が生じる。つまり、Ｂ１電池起電圧＝ｅＢ１、Ｂ２電池起電圧＝ｅＢ２、Ｂ３電池起電圧＝ｅＢ３…のように、起電圧にばらつきが生じる。なお、このときの直列電池の両端電圧ＶＢｃは、
ＶＢｃ＝ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３＋ＶＢ４＋ＶＢ５＋ＶＢ６＋ＶＢ７＋ＶＢ８＋ＶＢ９ＶＢ１０
である。
【０００８】
起電圧値は充電量を示すから、Ｂ１電池は充電量が多く、Ｂ２電池の充電量は中で、Ｂ３電池の充電量は少のように、各電池の充電ばらつきが生じ、Ｂ１〜Ｂ１０電池の合計起電圧＝合計充電量が低下することになる。
ここで、充電量が少ないＢ３電池の充電量を増加させるために、充電電圧ＶＢｃを上昇させて充電すると、Ｂ３電池起電圧ｅＢ３レベル−５⇒レベル−１へ４段階電圧が上昇（点線枠表示）するが、Ｂ１電池起電圧ｅＢ１レベル−１⇒レベル＋３、Ｂ２電池起電圧ｅＢ２レベル−３⇒レベル＋１へ上昇するから、Ｂ１，Ｂ２電池は過充電動作状態になる。このように、直列接続リチウムイオン電池を一括充電すると、個別電池特性ばらつきによって合計容量が低下し、容量低下した電池を追加充電すると、容量低下していない他の電池は過充電となる。
【０００９】
ところで、充電ばらつきを是正するための補充電方法として、例えば特許文献１（特許第４１４８４６８号公報）に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１４８４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１に記載のものは電池が複数個並列接続されるものに対してなされたものであり、電池が複数個直列接続されるものに対してではない。
従って、この発明は複数の個別電池を直列接続した電池電源において、個別電池の特性ばらつきによって生じる充電量の低下を補充電により是正するとともに、個別電池に過充電が発生しないようにすることにある。また、各電池の内部抵抗，起電圧を監視・管理できるようにし、異常が発生したときは充放電動作を停止させるとともに、警報を発せられるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、リチウムイオン電池を充放電させるリチウムイオン電池の充放電方式において、
複数のリチウムイオン電池を直列接続した１群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記群を構成する１つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了させることができる（請求項２の発明）。
【００１３】
上記請求項１または２の発明においては、前記各リチウムイオン電池の直列接続部のそれぞれに別のスイッチング手段を設け、この別のスイッチング手段により各電池の直列接続部を互いに切り離して各電池を並列に接続し、並列に接続された電池を同時に充電可能とし、充電が完了した個別電池から順次切り離して、充電を完了させることができ（請求項３の発明）、請求項１〜３のいずれかの発明においては、充電時と放電時とで同じ電流を流したときの電池電圧から電池内部抵抗，電池起電圧を求め、リチウムイオン電池を個別接続状態または直列接続状態のいずれにおいても、各電池の特性状態の監視・管理を可能にすることができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、複数個の個別電池を直列接続した電池電源において、補充電を個別にできる構成とすることで、ばらつきの個別修正を可能とし、直列接続電池の総充電量の低下を抑制する。また、充電と放電とで同値の電流を通電した際の個別電池または直列接続電池群の端子電圧から、電池の内部抵抗，起電圧を算出し、個別接続または直列接続状態のいずれでも電池状態の監視・管理ができるようにする。
さらに、並列接続電池のばらつき修正のための充電方式については、上記特許文献１に示すものがあるので、これとこの発明方式とを併用することで直並列電池の特性ばらつきのための補充電ができ、全電池の総充電量の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】この発明の第１の実施の形態を示す部分構成図
【図１Ｂ】図１Ａの変形例を示す部分構成図
【図２】図１Ａのより具体的な構成図
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す部分構成図
【図４Ａ】図１Ａ，１Ｂや図２の場合の充電動作説明図
【図４Ｂ】図３の場合の充電動作説明図
【図５】直列接続電池の充放電動作を示す回路構成図
【図６】図５の充放電動作説明図
【図７Ａ】図１Ａ，１Ｂ，２に対応の応用例を示す詳細構成図
【図７Ｂ】図１Ｂに対応の応用例を示す詳細構成図
【図８】電池の充放電動作を説明するための説明図
【図９】電池の内部抵抗変化例を説明する説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａはこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
同図において、Ｂ１〜Ｂ１０は電池、１２（ＳＷＬ），１７（ＳＷＧ），ＳＷＰ，ＳＷＮ，ＳＷＰＳ，ＳＷＮＳはスイッチ、１３（Ｌ）は負荷、１４（Ｇ）は発電機、２３（ＣＨ）はチョッパを示す。
これは、各電池Ｂ１〜Ｂ１０をチョッパ２３を介して充電する例で、この場合は発電機１４の出力電圧Ｇをチョッパ２３により（１／直列電池接続数ｎ）にし、接続点ＰＳ／ＮＳを各電池に接続して充電を行なう。スイッチＳＷＰＳ，ＳＷＮＳとしては機械式接点スイッチでも良く、図１（ｂ）に示す半導体スイッチ、または同（ｃ）示す双方向半導体スイッチを用いても良い。なお、図１Ｂは図１Ａからチョッパを省略しただけのものなので、以下では実質的に同じものとして扱うこととする。
【００１７】
各電池の充放電動作状態の監視・管理は、図示されない電圧検出器で検出した電池電圧ＶＢ１〜ＶＢ１０を、図示されない電池充放電＆状態監視制御装置により取り込み、これを基に電池内部抵抗や起電圧を求め、これを規定値と比較するなどして行なわれる。その結果、例えば図８で、電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９が規定値を超えたばらつき電池と判定したときは、これらの電池を選択し、発電機１４またはチョッパ２３の出力電圧を、スイッチＳＷＰＳ−ＰＳ，ＳＷＮＳ−ＮＳを介してＢ３電池へ印加して充電を行ない、Ｂ３電池の充電が完了したらＢ６電池へ切り換えて充電を行ない、その充電が完了したらＢ９電池へと切り換え、その充電が完了したら充電（補充電）を完了するようにして、ばらつきを是正することができる。
【００１８】
図２は図１Ａで双方向半導体スイッチを用いた例である。この双方向半導体スイッチは、
例えば特許第４３３３６５９号公報に示されている。
この回路で、例えば電池Ｂ１を充電する場合、双方向半導体スイッチＳＷＢ１のＰ側Ｑ１，Ｎ側Ｑ１をオンすると、電源ＰからダイオードＤ１３⇒Ｐ側Ｑ１⇒ダイオードＤ１２⇒電池Ｂ１⇒ダイオードＤ１⇒Ｎ側Ｑ１⇒ダイオードＤ１４⇒電源Ｎへと充電電流が流れる。この回路では、同時には１個のみの充電を行なうものとする。これは、電池２個の双方向半導体スイッチを同時ＯＮすると、２電池間で短絡が生じるからである。
【００１９】
したがって、ここでの補充電は１個のみとし、その補充電が完了したら次の電池の補充電を完了させる、という具合に順次切り換えて補充電を行なう。この場合の、充電動作を図４Ａに示す。
同図（ａ），（ｂ）は定電圧充電動作を示し、発電機出力電圧ＶＧをチョッパで調整してＶＢとした後、各電池に印加して充電する。図４Ａの時刻ｔ１でＳＷＢ３をオンしてＢ３電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ３が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＳＷＢ６をオンしてＢ６電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ６が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後ＳＷＢ９をオンしてＢ９電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ９が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして、１群の電池の個別充電を完了する。
【００２０】
図４Ａ（ｃ），（ｄ）は定電流充電動作を示し、発電機出力電流ＩＧをチョッパで調整した後各電池に印加して充電する。時刻ｔ１でＳＷＢ３をオンしてＢ３電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ３が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＳＷＢ６をオンしてＢ６電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ６が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後ＳＷＢ９をオンしてＢ６電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ９が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして全電池の個別充電を完了する。
このような補充電により、図８でばらつきが大きい電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９の起電圧レベル−４⇒レベル−２になるようにする例を、充電動作２として図８（ｄ）に示している。
【００２１】
次に、各電池の特性状態の監視・管理方法について説明する。ここでは、充電時と放電時で同じ値の電流を流して各電池の端子電圧を検出する。
放電時には、スイッチＳＷＧをオフして発電機１４を切り離し、チョッパ２３を停止させる一方、スイッチＳＷＬをオンし、選択すべき電池のスイッチＳＷＢをオンにし、充電電流と同値の放電電流（負荷１３で調整）を流し、電池の端子電圧を計測する。充放電時の電池端子電圧は、先の（１），（２）式のように表わされる。
放電時：ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
充電時：ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
【００２２】
上記（１），（２）式より、充電時の起電圧ｅＢは端子電圧ＶＢｃより電圧降下分だけ低い電圧であり、放電時の起電圧ｅＢは端子電圧ＶＢｄより電圧降下分だけ高い電圧になる。従って、充電時と放電時でほぼ同値の電流を流したときの端子電圧ＶＢｃ，ＶＢｄから、
電圧差ΔＶＢ＝ＶＢｄ−ＶＢｃ＝２×（ＩＢ×ＲＢ）…（３）
内部抵抗値ＲＢ＝（ΔＶＢ÷ＩＢ）÷２ …（４）
起電圧ｅＢ＝ＶＢ−ＩＢ×ＲＢ …（５）
以上より、充放電動作における各電池の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
【００２３】
図３に、図１Ａ，１Ｂや図２とは異なる例を示す。これは、図２に示すものに対し、各電池間にスイッチＤＳ１〜ＤＳ１０を挿入して、充電を行なうものである。この回路では短絡回路が形成されないから、選択した複数個の電池を並列状態にして、同時に補充電を行なうことができる。例えば、スイッチＳＷＢ３，ＳＷＢ６，ＳＷＢ９を同時にオンして補充電が可能となる。
【００２４】
図３の場合の充電動作を図４Ｂに示す。図４Ｂ（ａ），（ｂ）は定電圧充電動作を示し、チョッパを定電圧制御してその出力電圧ＶＢＣＨで各電池を充電する。
図４Ｂのｔ１時点において、スイッチＳＷＢ３，ＳＷＢ６，ＳＷＢ９を同時にオンして定電圧充電を開始する。そして、各電池の充電電流が予め設定したＩＢＥに達したら、対応する電池のスイッチをオフして充電を完了させる。例えば、Ｂ３電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＢ６電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後Ｂ９電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして充電を完了する。
図４Ｂ（ｃ），（ｄ）は定電流充電動作を示し、チョッパを定電流制御して各電池を充電する。ここで、３個の電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９を並列接続した状態で定電流充電を行なうが、この場合はパルス充電方式とするのが好ましい。なぜなら、並列接続される電池の端子電圧は同電位であり、個別電池の充電状態の監視ができないので、先の特許文献１等によりよく知られているパルス充電方式を用いた充電方式が最適である。
【００２５】
定電流制御されたチョッパの出力電流を、並列接続の電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９に供給するとき、ｔ１時点からＢ３⇒Ｂ６⇒Ｂ９のように時系列的に各電池を切り換えて定電流制御を行なう。ｔ２時点でＢ３の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば、Ｂ３のスイッチＳＷＢ３をオフして充電を完了させ、ｔ２時点からはＢ６⇒Ｂ９の時系列順に切り換えて定電流充電を行ない、ｔ３時点でＢ６の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば、Ｂ６のスイッチＳＷＢ６をオフして充電を完了させ、ｔ３時点からはＢ９のみの充電を行ない、ｔ４時点でＢ９の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば充電を完了する。
なお、この充電動作におけるチョッパの出力電流値は、個別電池数により変更することとする。また、連続して定電流充電をする場合は、個別電池の充電状態は充電電流によって判定するものとする。
なお、放電動作は図１Ａ，１Ｂや図２と変わらないので、説明は省略する。
【００２６】
図５は、直列接続電池の充放電動作を示す回路図である。これは、図２に示すものに対し、スイッチ３（ＳＷＰ２）４（ＳＷＱ），２２（ＳＷＴ）、電圧検出器７（ＶＤ１），８、電流検出器１０（ＳＨＢ）および上述の電池充放電＆状態監視制御装置５０などを付加した点で相違し、他は同様である。
図５において個別に補充電を行なう場合は、スイッチＳＷＰ１とＳＷＮ１やＳＷＱはオフ、スイッチＳＷＰ２とＳＷＮ２はオンとし、スイッチＳＷＴをチョッパ（ＣＨ）２３側に切り換える。これにより、チョッパ（ＣＨ）２３の出力電圧ＶＢＣＨがスイッチ２２（ＳＷＴ）を介して各電池に印加される。
電池充放電＆状態監視制御装置５０は、充電電流や充電電圧を指示するための制御信号６６をチョッパ（ＣＨ）２３に与え、選択信号をスイッチ５に与えることで、チョッパ出力電圧ＶＢＣＨを各電池に印加し、各電池の充電を行なう。なお、通常の充放電はスイッチ２２（ＳＷＴ）を通常側とし、スイッチＳＷＰ２とＳＷＮ２はオフ、スイッチＳＷＰ１とＳＷＮ１はオンで、スイッチＳＷＱをオン・オフさせて行なう。
【００２７】
図５の充放電動作の例を図６に示す。図６（ａ）は充電動作、同（ｂ）は放電動作を示す。
電池充放電＆状態監視制御装置５０は、図５の電圧検出器７（ＶＤ１）で検出した電圧信号ＶＢ１と、電圧検出器検出した電圧信号ＶＢｉｎを受信し、これらの値が予め設定されているＶＢｍｅ（基準値），ＶＢｍｘ（許容最高値），ＶＢｍｎ（許容最低値），ＶＢｏ（許容超過高），ＶＢｕ（許容超過低）と比較し、図６（ａ）で電圧がＶＢｍｘ〜ＶＢｍｎの範囲の電池ａ，ｂ，ｃは正常、この範囲外の電池ｄ，ｅおよびｆは異常と判定する。ここで、
充電時の動作式は先の（２）式のように、
ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
で示され、図６（ａ）では電池ｄは起電圧ｅＢが許容値を超過しているとして、過充電状態と判定する。また、電池ｅは内部抵抗が大きく、起電圧ｅＢが低い電池と判断し、電池ｆは起電圧ｅＢが異常低下しており、異常電池と判断する。
【００２８】
このように、充電動作中に個別電池電圧が許容範囲を超えたとき、例えばｄのような電池が検出されたら充電電流または充電電圧を低下させて過充電を抑制する。しかし、過充電状態が改善されないときは、警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。また、ｅのような電池が検出されたときは、充電電流または充電電圧を増加させる。しかし、電圧状態が改善されないときは、スイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。さらに、ｆのような電池が検出されたときは異常であるから、警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。
【００２９】
次に、図５の放電動作について、図６（ｂ）を参照して説明する。その動作式は、次式のようになる。
ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
電池電圧の管理レベルは上記充電の場合と同じく、ＶＢｍｘ〜ＶＢｍｎの範囲の電池ａ，ｂ，ｃは正常、この範囲外の電池ｄ，ｅ，ｆおよびｇは異常レベルとする。この場合、電池ｄは起電圧ｅＢが許容値を超過して、過負荷放電状態であると判定する。また、電池ｅは内部抵抗が大きく起電圧ｅＢが低いので、過放電状態であると判定する。ｆは起電圧ｅＢが異常に低下して電池と判定し、さらにｇは起電圧が０状態のため、放電電流による逆充電異常低下電池と判定する。
このように、直列接続電池の放電動作中に個別電池の電圧が許容範囲を超えたときは、放電電流を低下させるか、または警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて放電動作を停止させる。
【００３０】
電池状態の監視・管理は、直列接続電池の充放電動作においてもこれまでの場合と同様に可能なのは勿論である。
すなわち、充電時と放電時でほぼ同値の電流を流したときの直列接続端子電圧ＶＢｃ，ＶＢｄから、先の（３）〜（５）式と同じく、次式のように表わされる。
電圧差ΔＶＢ＝ＶＢｄ−ＶＢｃ＝２×（ＩＢ×ΣＲＢ）…（６）
内部抵抗値ＲＢ＝（ΔＶＢ÷ＩＢ）÷Σ …（７）
起電圧ΣｅＢ＝ＶＢ−ＩＢ×ΣＲＢ …（８）
（Σ：直列接続電池の合計値）
以上より、電池直列接続状態の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて直列接続状態で各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
【００３１】
図７Ａは先の図１Ａ，２および５に対応する応用例図、７Ｂは図１Ｂに対応する応用例図で、図７Ｂはチョッパを持たないほかは図７Ａと同じなので、ここでは図７Ａを参照して説明する。
図７Ａは、モ−タを用いて電気自動車や電気推進船舶などを駆動するシステムへの応用例を想定したもので、モ−タ２０（Ｍ）の他に、発電機制御装置６３などを備えた点が特徴である。また、同図の符号６（ＳＨＢ１，ＳＨＢＮ），１８（ＳＨＧ）は電流検出器、９（ＶＢＤ），１９（ＶＤＧ）は電圧検出器、１１（ＳＷＢ），２１（ＳＷＭ）、５１（ＳＷＣ），５２（ＳＷＳ），５４（ＳＷＰ），５５（ＳＷＳ１），６４（ＳＷＧＥ）はスイッチ、１５は発電機界磁（Ｇｆ）、５３（ＳＣＢ）は電池選択器、５６（ＶＲＶ）は電圧設定器、５７（ＶＲＩ）は電流設定器をそれぞれ示す。
【００３２】
いま、図７Ａでモータ２０（Ｍ）の動作を停止させると、個別電池の充放電や直列接続電池の充放電は、上述の通りである。ここでは、直列接続した全電池の充放電動作について説明する。
全電池を補充電する場合、個別の充電と同様、スイッチ（ＳＷＣ）５１により「定電圧」，「定電流」または「定出力（定電力）」のいずれかに設定する。そして、スイッチ２（ＳＷＰ１）オフ、スイッチ（ＳＷＮ１）オン、スイッチ３（ＳＷＰ２，ＳＷＮ２）オフ、スイッチ４（ＳＷＱ）オン，オフ状態にし、スイッチ２２（ＳＷＴ）は発電機１４（Ｇ）側に切り換える。発電機１４（Ｇ）は、所定の出力電圧（定電圧充電時），出力電流（定電流充電時）または出力電力（定電力充電時）に応じて、正極（Ｐ）⇒スイッチ４（ＳＷＱ）オン⇒電池１（Ｂ１１〜Ｂ１０）⇒スイッチＳＷＮ１⇒負極（Ｎ）なる経路を介して全電池の充電を行なう。その後、電圧検出器７（ＶＤ１）で検出した電池電圧ＶＢ１〜ＶＢＮ、または電流検出器６（ＳＨＢ１）で検出電流ＩＢ１〜ＩＢＮが所定値に達したことを、電池充放電＆状態監視制御装置５０が判定すると、信号６０によりスイッチ４（ＳＷＱ）をオフして充電を完了する。
【００３３】
放電動作については、スイッチ２２（ＳＷＴ）をチョッパ側に切り換えてチョッパ２３（ＣＨ）を停止し、スイッチ４（ＳＷＱ）をオンにして電池電圧を負荷１３（Ｌ）に放電させ、充電と放電で同値の電流を流したときの電池電圧から電池状態の監視・管理をする点は上記と同様である。
なお、全電池充放電の場合の電圧は電圧検出器８によって検出されるから、全電池および個別電池の動作状態の監視・管理も可能なのは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１（Ｂ１〜Ｂ１０）…電池、２，３，４，５，１７，１１，１２，２１，２２…スイッチ（ＳＷ）、６，１０，１８…電流検出器（ＳＨ）、７，８，９，１９…電圧検出器（ＶＤ）、１３…負荷（Ｌ）、1４…発電機（Ｇ）、１５…発電機界磁（Ｇｆ）、１６…整流器、２０（Ｍ）…電動機、２３…チョッパ（CH）、５０…電池充放電＆状態監視制御装置、５１…充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、５２…個別充電スイッチ（ＳＷＳ）、５３…電池選択器（ＳＣＢ）、５４…パルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、５５…個別放電スイッチ（ＳＷＳ１）、５６…電圧設定器（ＶＲＶ）、５７…電流設定器（ＶＲＩ）、５８…電池状態表示器、６３…発電機制御装置、６４…運転スイッチ（ＳＷＧ）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数のリチウムイオン電池（以下、単に電池ともいう）を直列接続して構成されるリチウムイオン電池の充放電方式、特にその監視・管理を容易にするための充放電方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池を主電源とする大電力システムでは、多数の単電池を直並列接続して容量の増大を図るのが一般的である。
ところで、直並列接続された多数の電池からなる電池電源を一括して充電すると、各電池の特性ばらつきにより充電量にばらつきが発生し、総充電量が低下するという問題がある。また、この場合、充電量が低下した電池の充電量を増加させるために充電を継続すると、既に満充電になっている電池が過充電になるという問題もある。
【０００３】
図８に、１０個の電池Ｂ１〜Ｂ１０を直列接続した場合の充放電動作例を示す。同図（ａ）は放電初期状態、同（ｂ）は放電終止状態、同（ｃ）は充電動作１の状態、同（ｄ）は充電動作２の状態をそれぞれ示している。
ここで、放電初期状態は新品時または満充電時を想定している。放電動作は次式のように表わすことができる
ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
ここに、ＶＢｄ：放電時電池端子電圧、ｅＢ：電池起電圧、−ＩＢ：放電電流、ＲＢ：内部抵抗をそれぞれ示す。
【０００４】
いま、放電電流−ＩＢが流れると、Ｂ１電池電圧ＶＢ１は、起電圧ｅＢ１＝レベル−１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ１＝レベル−１、よって電池電圧ＶＢ１＝レベル−２となる。また、Ｂ２電池電圧ＶＢ２は、起電圧ｅＢ２＝レベル−２、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ２＝レベル−２、よって電池電圧ＶＢ２＝レベル−４となり、同様にＢ３電池電圧ＶＢ３は、起電圧ｅＢ３＝レベル−３、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ３＝レベル−３、よって電池電圧ＶＢ３＝レベル−６となる。
他の電池Ｂ４〜Ｂ１０も同様で、個別電池の内部抵抗ばらつきによって、電池内部電圧降下値が黒枠で示すように相違する結果、個別電池電圧ＶＢ１〜ＶＢ１０に差が生じることになる。なお、直列電池の両端電圧ＶＢｄは、
ＶＢｄ＝ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３＋ＶＢ４＋ＶＢ５＋ＶＢ６＋ＶＢ７＋ＶＢ８＋ＶＢ９ＶＢ１０
である。
【０００５】
図９に電池の内部抵抗変化と充電容量（残存量）との関係を示す。
図示のように、残存量多（満充電）では内部抵抗ＲＢは小さく、残存量少（放電終止）では内部抵抗ＲＢは大きくなる傾向にあることが分る。また、内部抵抗ＲＢはサイクル寿命，カレンダー寿命によっても増加する。
図８（ｂ）に示す放電終止状態は、複数回の充放電動作により、各電池の内部抵抗ばらつきが拡大した様子を示している。すなわち、Ｂ１電池の電圧降下＝レベル−１⇒レベル−４に増加、Ｂ２電池の電圧降下＝レベル−２⇒レベル−８に増加、Ｂ３電池の電圧降下＝レベル−３⇒レベル−１２に増加しており、特に電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９の特性ばらつきの多いことが分る。
【０００６】
この状態から、１０個直列接続電池群を一括充電したときの充電動作１を、図８（ｃ）に示す。
充電動作は次式で示される。
ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
ここに、ＶＢｃ：充電時電池端子電圧、ｅＢ：電池起電圧、＋ＩＢ：充電電流、ＲＢ：内部抵抗を示す。
充電電流＋ＩＢにより、Ｂ１電池の印加電圧ＶＢ１＝レベル＋１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ１＝レベル＋１⇒レベル−１（黒枠）、よって起電圧ｅＢ１＝レベル−１となる。また、Ｂ２電池の印加電圧ＶＢ２＝レベル０、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ２＝レベル０⇒レベル−３（黒枠）、よって起電圧ｅＢ２＝レベル−３となり、同様にＢ３電池の印加電圧ＶＢ３＝レベル−１、電池内部抵抗による電圧降下ＩＢ×ＲＢ３＝レベル−１⇒レベル−５（黒枠）、よって起電圧ｅＢ３＝レベル−５となる。
【０００７】
このように、電池内部抵抗ばらつきの相違により電池内部電圧降下値（黒枠）に差が発生して、各電池の端子電圧ＶＢおよび起電圧ｅＢに差が生じる。つまり、Ｂ１電池起電圧＝ｅＢ１、Ｂ２電池起電圧＝ｅＢ２、Ｂ３電池起電圧＝ｅＢ３…のように、起電圧にばらつきが生じる。なお、このときの直列電池の両端電圧ＶＢｃは、
ＶＢｃ＝ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３＋ＶＢ４＋ＶＢ５＋ＶＢ６＋ＶＢ７＋ＶＢ８＋ＶＢ９ＶＢ１０
である。
【０００８】
起電圧値は充電量を示すから、Ｂ１電池は充電量が多く、Ｂ２電池の充電量は中で、Ｂ３電池の充電量は少のように、各電池の充電ばらつきが生じ、Ｂ１〜Ｂ１０電池の合計起電圧＝合計充電量が低下することになる。
ここで、充電量が少ないＢ３電池の充電量を増加させるために、充電電圧ＶＢｃを上昇させて充電すると、Ｂ３電池起電圧ｅＢ３レベル−５⇒レベル−１へ４段階電圧が上昇（点線枠表示）するが、Ｂ１電池起電圧ｅＢ１レベル−１⇒レベル＋３、Ｂ２電池起電圧ｅＢ２レベル−３⇒レベル＋１へ上昇するから、Ｂ１，Ｂ２電池は過充電動作状態になる。このように、直列接続リチウムイオン電池を一括充電すると、個別電池特性ばらつきによって合計容量が低下し、容量低下した電池を追加充電すると、容量低下していない他の電池は過充電となる。
【０００９】
ところで、充電ばらつきを是正するための補充電方法として、例えば特許文献１（特許第４１４８４６８号公報）に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１４８４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１に記載のものは電池が複数個並列接続されるものに対してなされたものであり、電池が複数個直列接続されるものに対してではない。
従って、この発明は複数の個別電池を直列接続した電池電源において、個別電池の特性ばらつきによって生じる充電量の低下を補充電により是正するとともに、個別電池に過充電が発生しないようにすることにある。また、各電池の内部抵抗，起電圧を監視・管理できるようにし、異常が発生したときは充放電動作を停止させるとともに、警報を発せられるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、リチウムイオン電池を充放電させるリチウムイオン電池の充放電方式において、
複数のリチウムイオン電池を直列接続した１群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記群を構成する１つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了させることができる（請求項２の発明）。
【００１３】
上記請求項１または２の発明においては、前記各リチウムイオン電池の直列接続部のそれぞれに別のスイッチング手段を設け、この別のスイッチング手段により各電池の直列接続部を互いに切り離して各電池を並列に接続し、並列に接続された電池を同時に充電可能とし、充電が完了した個別電池から順次切り離して、充電を完了させることができ（請求項３の発明）、請求項１〜３のいずれかの発明においては、充電時と放電時とで同じ電流を流したときの電池電圧から電池内部抵抗，電池起電圧を求め、リチウムイオン電池を個別接続状態または直列接続状態のいずれにおいても、各電池の特性状態の監視・管理を可能にすることができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、複数個の個別電池を直列接続した電池電源において、補充電を個別にできる構成とすることで、ばらつきの個別修正を可能とし、直列接続電池の総充電量の低下を抑制する。また、充電と放電とで同値の電流を通電した際の個別電池または直列接続電池群の端子電圧から、電池の内部抵抗，起電圧を算出し、個別接続または直列接続状態のいずれでも電池状態の監視・管理ができるようにする。
さらに、並列接続電池のばらつき修正のための充電方式については、上記特許文献１に示すものがあるので、これとこの発明方式とを併用することで直並列電池の特性ばらつきのための補充電ができ、全電池の総充電量の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】この発明の第１の実施の形態を示す部分構成図
【図１Ｂ】図１Ａの変形例を示す部分構成図
【図２】図１Ａのより具体的な構成図
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す部分構成図
【図４Ａ】図１Ａ，１Ｂや図２の場合の充電動作説明図
【図４Ｂ】図３の場合の充電動作説明図
【図５】直列接続電池の充放電動作を示す回路構成図
【図６】図５の充放電動作説明図
【図７Ａ】図１Ａ，１Ｂ，２に対応の応用例を示す詳細構成図
【図７Ｂ】図１Ｂに対応の応用例を示す詳細構成図
【図８】電池の充放電動作を説明するための説明図
【図９】電池の内部抵抗変化例を説明する説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１Ａはこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
同図において、Ｂ１〜Ｂ１０は電池、１２（ＳＷＬ），１７（ＳＷＧ），ＳＷＰ，ＳＷＮ，ＳＷＰＳ，ＳＷＮＳはスイッチ、１３（Ｌ）は負荷、１４（Ｇ）は発電機、２３（ＣＨ）はチョッパを示す。
これは、各電池Ｂ１〜Ｂ１０をチョッパ２３を介して充電する例で、この場合は発電機１４の出力電圧Ｇをチョッパ２３により（１／直列電池接続数ｎ）にし、接続点ＰＳ／ＮＳを各電池に接続して充電を行なう。スイッチＳＷＰＳ，ＳＷＮＳとしては機械式接点スイッチでも良く、図１（ｂ）に示す半導体スイッチ、または同（ｃ）示す双方向半導体スイッチを用いても良い。なお、図１Ｂは図１Ａからチョッパを省略しただけのものなので、以下では実質的に同じものとして扱うこととする。
【００１７】
各電池の充放電動作状態の監視・管理は、図示されない電圧検出器で検出した電池電圧ＶＢ１〜ＶＢ１０を、図示されない電池充放電＆状態監視制御装置により取り込み、これを基に電池内部抵抗や起電圧を求め、これを規定値と比較するなどして行なわれる。その結果、例えば図８で、電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９が規定値を超えたばらつき電池と判定したときは、これらの電池を選択し、発電機１４またはチョッパ２３の出力電圧を、スイッチＳＷＰＳ−ＰＳ，ＳＷＮＳ−ＮＳを介してＢ３電池へ印加して充電を行ない、Ｂ３電池の充電が完了したらＢ６電池へ切り換えて充電を行ない、その充電が完了したらＢ９電池へと切り換え、その充電が完了したら充電（補充電）を完了するようにして、ばらつきを是正することができる。
【００１８】
図２は図１Ａで双方向半導体スイッチを用いた例である。この双方向半導体スイッチは、
例えば特許第４３３３６５９号公報に示されている。
この回路で、例えば電池Ｂ１を充電する場合、双方向半導体スイッチＳＷＢ１のＰ側Ｑ１，Ｎ側Ｑ１をオンすると、電源ＰからダイオードＤ１３⇒Ｐ側Ｑ１⇒ダイオードＤ１２⇒電池Ｂ１⇒ダイオードＤ１⇒Ｎ側Ｑ１⇒ダイオードＤ１４⇒電源Ｎへと充電電流が流れる。この回路では、同時には１個のみの充電を行なうものとする。これは、電池２個の双方向半導体スイッチを同時ＯＮすると、２電池間で短絡が生じるからである。
【００１９】
したがって、ここでの補充電は１個のみとし、その補充電が完了したら次の電池の補充電を完了させる、という具合に順次切り換えて補充電を行なう。この場合の、充電動作を図４Ａに示す。
同図（ａ），（ｂ）は定電圧充電動作を示し、発電機出力電圧ＶＧをチョッパで調整してＶＢとした後、各電池に印加して充電する。図４Ａの時刻ｔ１でＳＷＢ３をオンしてＢ３電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ３が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＳＷＢ６をオンしてＢ６電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ６が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後ＳＷＢ９をオンしてＢ９電池の定電圧充電を開始し、充電電流ＩＢ９が予め設定したＩＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして、１群の電池の個別充電を完了する。
【００２０】
図４Ａ（ｃ），（ｄ）は定電流充電動作を示し、発電機出力電流ＩＧをチョッパで調整した後各電池に印加して充電する。時刻ｔ１でＳＷＢ３をオンしてＢ３電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ３が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＳＷＢ６をオンしてＢ６電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ６が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後ＳＷＢ９をオンしてＢ６電池の定電流充電を開始し、電池電圧ＶＢ９が予め設定したＶＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして全電池の個別充電を完了する。
このような補充電により、図８でばらつきが大きい電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９の起電圧レベル−４⇒レベル−２になるようにする例を、充電動作２として図８（ｄ）に示している。
【００２１】
次に、各電池の特性状態の監視・管理方法について説明する。ここでは、充電時と放電時で同じ値の電流を流して各電池の端子電圧を検出する。
放電時には、スイッチＳＷＧをオフして発電機１４を切り離し、チョッパ２３を停止させる一方、スイッチＳＷＬをオンし、選択すべき電池のスイッチＳＷＢをオンにし、充電電流と同値の放電電流（負荷１３で調整）を流し、電池の端子電圧を計測する。充放電時の電池端子電圧は、先の（１），（２）式のように表わされる。
放電時：ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
充電時：ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
【００２２】
上記（１），（２）式より、充電時の起電圧ｅＢは端子電圧ＶＢｃより電圧降下分だけ低い電圧であり、放電時の起電圧ｅＢは端子電圧ＶＢｄより電圧降下分だけ高い電圧になる。従って、充電時と放電時でほぼ同値の電流を流したときの端子電圧ＶＢｃ，ＶＢｄから、
電圧差ΔＶＢ＝ＶＢｄ−ＶＢｃ＝２×（ＩＢ×ＲＢ）…（３）
内部抵抗値ＲＢ＝（ΔＶＢ÷ＩＢ）÷２ …（４）
起電圧ｅＢ＝ＶＢ−ＩＢ×ＲＢ …（５）
以上より、充放電動作における各電池の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
【００２３】
図３に、図１Ａ，１Ｂや図２とは異なる例を示す。これは、図２に示すものに対し、各電池間にスイッチＤＳ１〜ＤＳ１０を挿入して、充電を行なうものである。この回路では短絡回路が形成されないから、選択した複数個の電池を並列状態にして、同時に補充電を行なうことができる。例えば、スイッチＳＷＢ３，ＳＷＢ６，ＳＷＢ９を同時にオンして補充電が可能となる。
【００２４】
図３の場合の充電動作を図４Ｂに示す。図４Ｂ（ａ），（ｂ）は定電圧充電動作を示し、チョッパを定電圧制御してその出力電圧ＶＢＣＨで各電池を充電する。
図４Ｂのｔ１時点において、スイッチＳＷＢ３，ＳＷＢ６，ＳＷＢ９を同時にオンして定電圧充電を開始する。そして、各電池の充電電流が予め設定したＩＢＥに達したら、対応する電池のスイッチをオフして充電を完了させる。例えば、Ｂ３電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ３をオフし、次にＢ６電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ６をオフし、その後Ｂ９電池がＩＢＥに至ればＳＷＢ９をオフして充電を完了する。
図４Ｂ（ｃ），（ｄ）は定電流充電動作を示し、チョッパを定電流制御して各電池を充電する。ここで、３個の電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９を並列接続した状態で定電流充電を行なうが、この場合はパルス充電方式とするのが好ましい。なぜなら、並列接続される電池の端子電圧は同電位であり、個別電池の充電状態の監視ができないので、先の特許文献１等によりよく知られているパルス充電方式を用いた充電方式が最適である。
【００２５】
定電流制御されたチョッパの出力電流を、並列接続の電池Ｂ３，Ｂ６，Ｂ９に供給するとき、ｔ１時点からＢ３⇒Ｂ６⇒Ｂ９のように時系列的に各電池を切り換えて定電流制御を行なう。ｔ２時点でＢ３の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば、Ｂ３のスイッチＳＷＢ３をオフして充電を完了させ、ｔ２時点からはＢ６⇒Ｂ９の時系列順に切り換えて定電流充電を行ない、ｔ３時点でＢ６の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば、Ｂ６のスイッチＳＷＢ６をオフして充電を完了させ、ｔ３時点からはＢ９のみの充電を行ない、ｔ４時点でＢ９の電池電圧が予め設定したＶＢＥに至れば充電を完了する。
なお、この充電動作におけるチョッパの出力電流値は、個別電池数により変更することとする。また、連続して定電流充電をする場合は、個別電池の充電状態は充電電流によって判定するものとする。
なお、放電動作は図１Ａ，１Ｂや図２と変わらないので、説明は省略する。
【００２６】
図５は、直列接続電池の充放電動作を示す回路図である。これは、図２に示すものに対し、スイッチ３（ＳＷＰ２）４（ＳＷＱ），２２（ＳＷＴ）、電圧検出器７（ＶＤ１），８、電流検出器１０（ＳＨＢ）および上述の電池充放電＆状態監視制御装置５０などを付加した点で相違し、他は同様である。
図５において個別に補充電を行なう場合は、スイッチＳＷＰ１とＳＷＮ１やＳＷＱはオフ、スイッチＳＷＰ２とＳＷＮ２はオンとし、スイッチＳＷＴをチョッパ（ＣＨ）２３側に切り換える。これにより、チョッパ（ＣＨ）２３の出力電圧ＶＢＣＨがスイッチ２２（ＳＷＴ）を介して各電池に印加される。
電池充放電＆状態監視制御装置５０は、充電電流や充電電圧を指示するための制御信号６６をチョッパ（ＣＨ）２３に与え、選択信号をスイッチ５に与えることで、チョッパ出力電圧ＶＢＣＨを各電池に印加し、各電池の充電を行なう。なお、通常の充放電はスイッチ２２（ＳＷＴ）を通常側とし、スイッチＳＷＰ２とＳＷＮ２はオフ、スイッチＳＷＰ１とＳＷＮ１はオンで、スイッチＳＷＱをオン・オフさせて行なう。
【００２７】
図５の充放電動作の例を図６に示す。図６（ａ）は充電動作、同（ｂ）は放電動作を示す。
電池充放電＆状態監視制御装置５０は、図５の電圧検出器７（ＶＤ１）で検出した電圧信号ＶＢ１と、電圧検出器検出した電圧信号ＶＢｉｎを受信し、これらの値が予め設定されているＶＢｍｅ（基準値），ＶＢｍｘ（許容最高値），ＶＢｍｎ（許容最低値），ＶＢｏ（許容超過高），ＶＢｕ（許容超過低）と比較し、図６（ａ）で電圧がＶＢｍｘ〜ＶＢｍｎの範囲の電池ａ，ｂ，ｃは正常、この範囲外の電池ｄ，ｅおよびｆは異常と判定する。ここで、
充電時の動作式は先の（２）式のように、
ＶＢｃ＝ｅＢ＋ＩＢ×ＲＢ…（２）
で示され、図６（ａ）では電池ｄは起電圧ｅＢが許容値を超過しているとして、過充電状態と判定する。また、電池ｅは内部抵抗が大きく、起電圧ｅＢが低い電池と判断し、電池ｆは起電圧ｅＢが異常低下しており、異常電池と判断する。
【００２８】
このように、充電動作中に個別電池電圧が許容範囲を超えたとき、例えばｄのような電池が検出されたら充電電流または充電電圧を低下させて過充電を抑制する。しかし、過充電状態が改善されないときは、警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。また、ｅのような電池が検出されたときは、充電電流または充電電圧を増加させる。しかし、電圧状態が改善されないときは、スイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。さらに、ｆのような電池が検出されたときは異常であるから、警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて充電動作を停止させる。
【００２９】
次に、図５の放電動作について、図６（ｂ）を参照して説明する。その動作式は、次式のようになる。
ＶＢｄ＝ｅＢ−ＩＢ×ＲＢ…（１）
電池電圧の管理レベルは上記充電の場合と同じく、ＶＢｍｘ〜ＶＢｍｎの範囲の電池ａ，ｂ，ｃは正常、この範囲外の電池ｄ，ｅ，ｆおよびｇは異常レベルとする。この場合、電池ｄは起電圧ｅＢが許容値を超過して、過負荷放電状態であると判定する。また、電池ｅは内部抵抗が大きく起電圧ｅＢが低いので、過放電状態であると判定する。ｆは起電圧ｅＢが異常に低下して電池と判定し、さらにｇは起電圧が０状態のため、放電電流による逆充電異常低下電池と判定する。
このように、直列接続電池の放電動作中に個別電池の電圧が許容範囲を超えたときは、放電電流を低下させるか、または警報を発するとともにスイッチＳＷＰ１，ＳＷＮ１またはＳＷＱをオフさせて放電動作を停止させる。
【００３０】
電池状態の監視・管理は、直列接続電池の充放電動作においてもこれまでの場合と同様に可能なのは勿論である。
すなわち、充電時と放電時でほぼ同値の電流を流したときの直列接続端子電圧ＶＢｃ，ＶＢｄから、先の（３）〜（５）式と同じく、次式のように表わされる。
電圧差ΔＶＢ＝ＶＢｄ−ＶＢｃ＝２×（ＩＢ×ΣＲＢ）…（６）
内部抵抗値ＲＢ＝（ΔＶＢ÷ＩＢ）÷Σ …（７）
起電圧ΣｅＢ＝ＶＢ−ＩＢ×ΣＲＢ …（８）
（Σ：直列接続電池の合計値）
以上より、電池直列接続状態の端子電圧から内部抵抗および起電圧が算出できるから、これを用いて直列接続状態で各電池の特性を監視・管理することが可能となる。
【００３１】
図７Ａは先の図１Ａ，２および５に対応する応用例図、７Ｂは図１Ｂに対応する応用例図で、図７Ｂはチョッパを持たないほかは図７Ａと同じなので、ここでは図７Ａを参照して説明する。
図７Ａは、モ−タを用いて電気自動車や電気推進船舶などを駆動するシステムへの応用例を想定したもので、モ−タ２０（Ｍ）の他に、発電機制御装置６３などを備えた点が特徴である。また、同図の符号６（ＳＨＢ１，ＳＨＢＮ），１８（ＳＨＧ）は電流検出器、９（ＶＢＤ），１９（ＶＤＧ）は電圧検出器、１１（ＳＷＢ），２１（ＳＷＭ）、５１（ＳＷＣ），５２（ＳＷＳ），５４（ＳＷＰ），５５（ＳＷＳ１），６４（ＳＷＧＥ）はスイッチ、１５は発電機界磁（Ｇｆ）、５３（ＳＣＢ）は電池選択器、５６（ＶＲＶ）は電圧設定器、５７（ＶＲＩ）は電流設定器をそれぞれ示す。
【００３２】
いま、図７Ａでモータ２０（Ｍ）の動作を停止させると、個別電池の充放電や直列接続電池の充放電は、上述の通りである。ここでは、直列接続した全電池の充放電動作について説明する。
全電池を補充電する場合、個別の充電と同様、スイッチ（ＳＷＣ）５１により「定電圧」，「定電流」または「定出力（定電力）」のいずれかに設定する。そして、スイッチ２（ＳＷＰ１）オフ、スイッチ（ＳＷＮ１）オン、スイッチ３（ＳＷＰ２，ＳＷＮ２）オフ、スイッチ４（ＳＷＱ）オン，オフ状態にし、スイッチ２２（ＳＷＴ）は発電機１４（Ｇ）側に切り換える。発電機１４（Ｇ）は、所定の出力電圧（定電圧充電時），出力電流（定電流充電時）または出力電力（定電力充電時）に応じて、正極（Ｐ）⇒スイッチ４（ＳＷＱ）オン⇒電池１（Ｂ１１〜Ｂ１０）⇒スイッチＳＷＮ１⇒負極（Ｎ）なる経路を介して全電池の充電を行なう。その後、電圧検出器７（ＶＤ１）で検出した電池電圧ＶＢ１〜ＶＢＮ、または電流検出器６（ＳＨＢ１）で検出電流ＩＢ１〜ＩＢＮが所定値に達したことを、電池充放電＆状態監視制御装置５０が判定すると、信号６０によりスイッチ４（ＳＷＱ）をオフして充電を完了する。
【００３３】
放電動作については、スイッチ２２（ＳＷＴ）をチョッパ側に切り換えてチョッパ２３（ＣＨ）を停止し、スイッチ４（ＳＷＱ）をオンにして電池電圧を負荷１３（Ｌ）に放電させ、充電と放電で同値の電流を流したときの電池電圧から電池状態の監視・管理をする点は上記と同様である。
なお、全電池充放電の場合の電圧は電圧検出器８によって検出されるから、全電池および個別電池の動作状態の監視・管理も可能なのは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１（Ｂ１〜Ｂ１０）…電池、２，３，４，５，１７，１１，１２，２１，２２…スイッチ（ＳＷ）、６，１０，１８…電流検出器（ＳＨ）、７，８，９，１９…電圧検出器（ＶＤ）、１３…負荷（Ｌ）、1４…発電機（Ｇ）、１５…発電機界磁（Ｇｆ）、１６…整流器、２０（Ｍ）…電動機、２３…チョッパ（CH）、５０…電池充放電＆状態監視制御装置、５１…充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、５２…個別充電スイッチ（ＳＷＳ）、５３…電池選択器（ＳＣＢ）、５４…パルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、５５…個別放電スイッチ（ＳＷＳ１）、５６…電圧設定器（ＶＲＶ）、５７…電流設定器（ＶＲＩ）、５８…電池状態表示器、６３…発電機制御装置、６４…運転スイッチ（ＳＷＧ）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池を充放電させるリチウムイオン電池の充放電方式において、
複数のリチウムイオン電池を直列接続した１群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とするリチウムイオン電池の充放電方式。
【請求項２】
前記群を構成する１つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了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電池の充放電方式。
【請求項３】
前記各リチウムイオン電池の直列接続部のそれぞれに別のスイッチング手段を設け、この別のスイッチング手段により各電池の直列接続部を互いに切り離して各電池を並列に接続し、並列に接続された電池を同時に充電可能とし、充電が完了した個別電池から順次切り離して、充電を完了させることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
【請求項４】
充電時と放電時とで同じ電流を流したときの電池電圧から電池内部抵抗，電池起電圧を求め、リチウムイオン電池を個別接続状態または直列接続状態のいずれにおいても、各電池の特性状態の監視・管理を可能にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
【請求項１】
リチウムイオン電池を充放電させるリチウムイオン電池の充放電方式において、
複数のリチウムイオン電池を直列接続した１群のリチウムイオン電池のそれぞれにスイッチング手段を設けるとともに、このスイッチング手段をそれぞれオン・オフさせる制御手段を設け、各リチウムイオン電池を個別に選択して充電または放電動作を可能にしたこと特徴とするリチウムイオン電池の充放電方式。
【請求項２】
前記群を構成する１つのリチウムイオン電池の充電が完了したら次の未充電のリチウムイオン電池へと順次切り換えて行き、群単位の電池の充電を完了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電池の充放電方式。
【請求項３】
前記各リチウムイオン電池の直列接続部のそれぞれに別のスイッチング手段を設け、この別のスイッチング手段により各電池の直列接続部を互いに切り離して各電池を並列に接続し、並列に接続された電池を同時に充電可能とし、充電が完了した個別電池から順次切り離して、充電を完了させることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
【請求項４】
充電時と放電時とで同じ電流を流したときの電池電圧から電池内部抵抗，電池起電圧を求め、リチウムイオン電池を個別接続状態または直列接続状態のいずれにおいても、各電池の特性状態の監視・管理を可能にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のリチウムイオン電池の充放電方式。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０６４６６（Ｐ２０１３−１０６４６６Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９８０３（Ｐ２０１１−２４９８０３）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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