JP2013005459A - リチウムイオン組電池の管理装置および管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リチウムイオン組電池の充電時におけるリチウムイオンセルの電圧を均等化する際の電力損失を抑制する。
【解決手段】 リチウムイオンセル２が複数直列に接続されたリチウムイオン組電池２０の管理装置３であって、セル電圧Ｖ２を計測する電圧計４と、各セル２にそれぞれ接続されるバイパス回路５ａと、計測されたセル電圧Ｖ２に基づいて、各セル２のセル電圧Ｖ２の調整の要否を判断するセル電圧調整判定手段と、バイパス回路５ａと組電池２０との間で電力を移送する電力移送手段と、セル電圧調整判定手段が、セル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該セル２のセル電圧Ｖ２が指定された基準値となるよう、電力移送手段を動作させる制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、リチウムイオンセルを複数直列に接続して構成されるリチウムイオン組電池の管理装置および管理方法に関する。

リチウムイオンセルは、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、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。このようにしてリチウムイオン組電池として使用する場合、リチウムイオンセルに電圧のバラツキが生じてしまい、電圧の高いリチウムイオンセルと電圧の低いリチウムイオンセルとが混在してしまう。そこで、組電池におけるセルの電圧バラツキを防ぐために、各リチウムイオンセルに並列に電圧均等化回路を接続し、所定電圧に達したリチウムイオンセルの電圧上昇を抑制するために充電電流をバイパスさせるようにしている。この電圧均等化回路には、例えば抵抗が使用されており、バイパスされた充電電流は熱として消費されるようになっている。

また、短時間で組電池を構成する各単位セルの電圧の均等化を行う充電状態調整方法に関する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、複数の単位セルのうち、両端電圧が最大となるものを最大単位セル、両端電圧が最小となるものを最小単位セルとし、コンデンサからの電荷の移動を利用して、各単位セルの両端電圧を均等化するものである。

特開２００４−１２０８７１号公報

ところで、上述の抵抗を用いた電圧均等化回路ではバイパスされた充電電流は熱として消費されてしまい、充電電流の損失となっている。リチウムイオン組電池は、例えば停電に備えた非常用電源として使用される場合は、常時フロート充電されることになり、抵抗を用いた電圧均等化回路を用いたリチウムイオン組電池では、電力損失が大きくなるという問題がある。また、リチウムイオン組電池は、非常用電源だけでなく、充放電を繰り返す他の用途にも使用され、放電後は必ず充電を行う必要があることから、他の用途におけるリチウムイオン組電池においても、充電時の電力損失を抑制することは重要となる。

そこでこの発明は、リチウムイオン組電池の充電時におけるリチウムイオンセルの電圧を均等化する際の電力損失を抑制することが可能なリチウムイオン組電池の管理装置および管理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、リチウムイオンセルが複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の管理装置であって、前記各リチウムイオンセルの電圧を計測する電圧監視部と、前記各リチウムイオンセルにそれぞれ接続されるバイパス回路と、前記電圧監視部で計測された前記リチウムイオンセルの電圧計測値に基づいて、各リチウムイオンセルのセル電圧の調整の要否を判断するセル電圧調整判定手段と、前記バイパス回路と前記リチウムイオン組電池との間で電力を移送する電力移送手段と、前記セル電圧調整判定手段が、セル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧が指定された基準値となるよう、前記電力移送手段を動作させる制御手段と、を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池の管理装置である。

この発明によれば、セル電圧調整判定手段が、セル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧が指定された基準値とされる。

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の管理装置において、前記電力移送手段が、前記バイパス回路にそれぞれ設けられている、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のリチウムイオン組電池の管理装置において、前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、前記バイパス回路には、前記リチウムイオンセルの充電電流がバイパスされ、前記電力移送手段は、昇圧式変換装置で構成され、前記バイパス回路を経由して入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、ことを特徴とする。

この発明によれば、セル電圧調整判定手段が、リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、バイパス回路に当該リチウムイオンセルの充電電流をバイパスさせ、電力移送手段で昇圧された充電電流がリチウムイオン組電池に供給される。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のリチウムイオン組電池の管理装置において前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、前記リチウムイオンセルのセル電圧が下限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電が必要と判断し、前記バイパス回路には、前記リチウムイオンセルの充電電流、または前記リチウムイオン組電池の充電電流が供給され、前記電力移送手段は、双方向型変換装置で構成され、前記バイパス回路に入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給、もしくは、前記リチウムイオン組電池の充電電圧を前記リチウムイオンセルの充電電圧まで降圧して前記リチウムイオン組電池の充電電流を前記リチウムイオンセルに供給し、前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電が必要と判断した場合は、前記電力移送手段で降圧された前記リチウムイオン組電池の充電電流を、前記バイパス回路を経由して当該リチウムイオンセルに供給する、ことを特徴とする。

この発明によれば、セル電圧調整判定手段が、リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、バイパス回路に当該リチウムイオンセルの充電電流をバイパスさせ、電力移送手段で昇圧された充電電流が前記リチウムイオン組電池に供給され、セル電圧調整判定手段が、リチウムイオンセルの充電が必要と判断した場合は、電力移送手段で降圧されたリチウムイオン組電池の充電電流が、バイパス回路を経由して当該リチウムイオンセルに供給される。

請求項５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の管理装置において、前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、前記電力移送手段は、一台の昇圧式変換装置で構成され、前記リチウムイオンセルに接続されている複数の前記バイパス回路を入力可能とする入力切替器が配置され、前記バイパス回路を経由して入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセルに接続されている前記バイパス回路を、入力切替器を介して前記電力移送手段に入力し、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、ことを特徴とする。

請求項６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の管理装置において、前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、前記電力移送手段は、複数の前記バイパス回路を入力とし、前記バイパス回路の電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧させる多入力昇圧回路から構成され、前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、ことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、リチウムイオンセルが複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の管理方法であって、前記各リチウムイオンセルの電圧を電圧監視部によって計測し、前記電圧監視部で計測された前記リチウムイオンセルの電圧計測値に基づいて、各リチウムイオンセルのセル電圧の調整の要否を判断し、セル電圧の調整が必要と判断された場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧が指定された基準値となるように、前記バイパス回路と前記リチウムイオン組電池との間で電力を移送する。

請求項１および７に記載の発明によれば、セル電圧の調整が必要な場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧を指定された基準値にすることができるので、セル電圧を適切な値に保つことができる。

請求項２に記載の発明によれば、電力移送手段を各バイパス回路にそれぞれ設けられているので、リチウムイオンセルと電力移送手段は常に対応することになり、充電回路の設計が容易となる。

請求項３に記載の発明によれば、リチウムイオンセルの電圧を均等化するためのバイパス充電電流は、抵抗を用いた従来技術のように熱となって消費されることがなくなり、リチウムイオン組電池の充電時におけるリチウムイオンセルの電圧を均等化する際の電力損失を抑制することができる。また、バイパス充電電流による電力は、電力移送手段を介してリチウムイオン組電池の充電系統に還流されるので、バイパス充電電流をリチウムイオン組電池の充電に有効利用することができ、リチウムイオン組電池の運用時における省エネルギーを図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、各リチウムイオンセルに個別充電が必要である場合は、当該リチウムイオンセルを個別充電することができるので、より早く、適切にリチウムイオンセルの電圧を均等化することができる。

請求項５に記載の発明によれば、各バイパス回路は、電圧監視部によって計測された電圧に基づき、前記セル電圧調整判定手段が充電電流のバイパスが必要になったと判定した場合に、該当するリチウムイオンセルを接続する入力切替器を介して一つの電力移送手段と接続されているので、電力移送手段を各バイパス回路毎にそれぞれ設ける場合に比べて、電力移送手段の数を大幅に削減することができる。

請求項６に記載の発明によれば、電力移送手段は、各リチウムイオンセルからの入力電圧をリチウムイオン組電池の充電系統の電圧までそれぞれ昇圧可能な多入力昇圧回路から構成されているので、電力移送手段を各バイパス回路にそれぞれ設ける構成に比べて、電力移送手段をコンパクト化することができる。

この発明の実施の形態１に係るリチウムイオン組電池の管理装置を用いたリチウムイオン組電池システムを直流電力供給装置に適用した状態を示す概略構成図である。 図１における昇圧コンバータの概略構成図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置におけるセル電圧調整部の概略構成図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置における監視装置の概略構成図である。 図１のリチウムイオン組電池システムにおけるバイパス電流が流れない場合（モード１）の各セルの挙動を示す特性図であり、（ａ）は各セル電圧を示す図であり、（ｂ）は充電電流とバイパス電流を示す図である。 図１のリチウムイオン組電池システムにおけるバイパス電流が流れる場合（モード２）の各セルの挙動を示す特性図であり、（ａ）は各セル電圧を示す図であり、（ｂ）は充電電流とバイパス電流を示す図である。 図１のリチウムイオン組電池システムにおけるリチウムイオン組電池の充電電流を示す特性図である。 図１のリチウムイオン組電池の管理装置を用いたリチウムイオン組電池システムを交流電力供給装置に適用した状態を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態２に係る図１における電力移送手段としての双方向コンバータの概略構成図である。 この発明の実施の形態３に係る図１における電力移送手段の他の構成を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態４に係るリチウムイオン組電池の管理装置を用いたリチウムイオン組電池システムを示す概略構成図である。 この発明の実施の形態５に係るリチウムイオン組電池の管理装置を用いたリチウムイオン組電池システムを示す概略構成図である。 図１２における多入力昇圧コンバータの概略構成図である。 図１２のリチウムイオン組電池システムにおけるリチウムイオンセルの電圧の変化を示す特性図であり、（ａ）は１セルのみの充電電流がバイパスされた場合の特性図であり、（ｂ）は複数セルの充電電流がバイパスされた場合の特性図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１ないし図８は、この発明の実施の形態１を示している。図１は、リチウムイオン組電池２０を負荷設備１０２のバックアップ用電源とし、リチウムイオン組電池２０をフロート充電で運用するリチウムイオン組電池システム１を示している。ここで、商用電源１００は、整流器１０１を介して直流負荷設備（負荷設備）１０２に接続されるとともに、整流器１０１を介してリチウムイオン組電池２０に接続されている。つまり、商用電源１００からの交流電力は、整流器１０１によって直流電力に変換された後、負荷設備１０２とリチウムイオン組電池２０とに供給されるようになっている。リチウムイオン組電池２０には、負荷設備１０２が接続されており、商用電源１００の停電時などにはリチウムイオン組電池２０に貯蔵された直流電力が、負荷設備１０２に供給されるようになっている。

リチウムイオン組電池システム１は、リチウムイオンセル２が複数直列に接続されてリチウムイオン組電池２０と、このリチウムイオン組電池２０の充電を管理するリチウムイオン組電池の管理装置３を備えている。この実施の形態１においては、リチウムイオン組電池２０は、リチウムイオンセル２を直列に１２個接続したものから構成されている。ここで、充電系統電圧は例えば、セル電圧が４．１Ｖで、１２セル直列で構成されている場合は４９．２Ｖである。

管理装置３は、リチウムイオンセル２の数に対応した複数のセル電圧調整回路３ａと、リチウムイオン組電池２０の電圧を計測する組電池総電圧計７と、制御手段としての監視装置８を有している。各セル電圧調整回路３ａは、主として、電圧監視部としての電圧計４と、バイパス用スイッチ５と、バイパス回路５ａと、電力移送手段としての昇圧式変換装置（昇圧回路、昇圧コンバータ）６０とを有している。各セル電圧調整回路３ａは、それぞれ監視装置８に接続されており、監視装置８によって制御されている。

電圧計４は、リチウムイオンセル２のセル電圧を計測し、計測結果をリアルタイムに監視装置８に送信するものである。

バイパス回路５ａは、図１に示すように、リチウムイオンセル２に並列に接続され、必要に応じて前記リチウムイオンセルの充電電流がバイパスされる。リチウムイオンセル２と昇圧コンバータ６０は、バイパス用スイッチ５が設けられたパイパス回路５ａを介して接続されている。バイパス用スイッチ５は、パイパス回路５ａを開閉するものであり、バイパス用スイッチ５の閉動作によってリチウムイオンセル２の充電電流Ｉｃｈの一部（バイパス電流Ｉｂｙ）がバイパス回路５ａ側に供給されるようになっている。

管理装置３における監視装置８は、電圧計４で測定した各リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が、基準電圧Ｖ１以上となった場合に、バイパス用スイッチ５を閉動作させ、バイパス回路５ａを介してバイパス電流Ｉｂｙを昇圧コンバータ６０に供給する機能を有している。そして、昇圧コンバータ６０は、図２に示すように、リチウムイオンセル２の電圧をリチウムイオン組電池２０の充電系統電圧まで昇圧し、電圧が昇圧されたバイパス電流Ｉｂｙによる電力をリチウムイオン組電池２の充電系統２０ａに還流（回生）させるようになっている。

図３に示すように、セル電圧調整回路３ａは、バイパス電流測定素子３１を備えている。バイパス電流測定素子３１は、測定したバイパス電流Ｉｂｙの信号を監視装置８に入力する機能を有している。また、セル電圧調整部３ａは、電池電圧誤差増幅器８１ａと、電池電圧測定用誤差増幅器８１ｂとを備えている。電池電圧誤差増幅器８１ａは、監視装置８の基準セル電圧指示制御部８１からの制御指令信号Ｓ１を増幅し、バイパス用スイッチ５に出力する機能を有している。電池電圧測定用誤差増幅器８１ｂは、バイパス電流Ｉｂｙの測定信号を増幅し、基準セル電圧指示制御部８１に入力する機能を有している。

昇圧コンバータ６０は、バイパス回路と前記リチウムイオン組電池との間で電力を移送するものであり、ここでは上述したように、バイパス回路５ａに入力されるリチウムイオンセル２の電圧をリチウムイオン組電池２０の充電系統電圧まで昇圧し、バイパス回路５ａに流れるバイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給するものである。昇圧コンバータ６０は、図２に示すように、リアクトル６１と、スイッチング素子６２と、ダイオード６３と、コンデンサ６４から構成されている。リアクトル６１は、入力側に位置しており、プラス側回路６ａに直列に接続されている。リアクトル６１には、ダイオード６３が直列に接続されている。プラス側回路６ａのリアクトル６１とダイオード６３との間には、スイッチング素子６２の一方が接続されている。スイッチング素子６２の他方は、マイナス側回路６ｂに接続されている。コンデンサ６４は、出力側に位置しており、一方がプラス側回路６ａに接続されており、他方がマイナス側回路６ｂに接続されている。昇圧コンバータ６０は、スイッチング素子６２を高速で断続的にオンオフさせることにより、リチウムイオンセル２から入力される電圧をリチウムイオン組電池２０の充電系統電圧まで昇圧する機能を有している。

各昇圧コンバータ６０の出力側は、プラス側回路６ａとマイナス側回路６ｂでそれぞれまとめられている。これにより、各昇圧コンバータ６０は多入力昇圧コンバータ６として機能している。また、各昇圧コンバータ６０に入力されるバイパス電流Ｉｂｙは、昇圧コンバータ６０の仕様に適合するように制限されている。また、セル電圧調整回路３ａにおいては、バイパス電流Ｉｂｙの上限値は、リチウムイオン組電池２０の充電電流Ｉｃｈの上限値を超える値に設定されている。

監視装置８は、例えばパーソナルコンピュータなどから構成されている。監視装置８は、リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２やリチウムイオン組電池２０の総電圧などの監視データを受信して、リチウムイオン組電池２０の充電状態を監視するとともに、セル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５に対して開閉指令信号を出力するものである。ここで、制御指令信号Ｓ１は、スイッチ５の開閉を行うためのオンオフ信号である。

監視装置８は、図４に示すように、主として基準セル電圧指示制御部８１と、制御条件設定値入力部８２と、データ入力部８３と、セル電圧調整判定手段としての演算部８４と、表示部８５と、電源部８６と、各リチウムイオンセル２に接続されたセル電圧調整回路３ａの一部を有している。

基準セル電圧指示制御部８１は、演算部８４がセル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が指定された基準値（基準電圧）Ｖ１となるよう、バイパス用スイッチ５を動作させる。つまり、演算部８４の判定結果に基づいて、セル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５に制御指令信号Ｓ１を出力するようになっている。

演算部８４は、リチウムイオンセル２の基準電圧Ｖ１などを記憶し、基準電圧Ｖ１と計測されたリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２とから、各リチウムイオンセルのセル電圧Ｖ２の調整の要否、つまり、バイパス回路５ａの動作の必要性の判定を行う。つまり、セル電圧Ｖ２と上限基準値（基準電圧）Ｖ１とを比較し、セル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１より大と判断した場合に、当該リチウムイオンセル２の充電電流のバイパスが必要と判断し、バイパス回路５ａに当該リチウムイオンセル２のバイパス電流Ｉｂｙをバイパスさせ、昇圧コンバータ６０で昇圧されたバイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給するようにセル電圧指示制御部８１が制御指令信号Ｓ１を出力するように制御するプログラムを記憶、実行するものである。

ここで、基準電圧Ｖ１は、キーボードやマウスなどの入力装置で構成された制御条件設定値入力部８２によって入力され、例えば４．１Ｖに設定されている。または、総電圧計７が測定し、データ入力部８３を介して入力された組電池総電圧Ｖ０を、演算部８４によってセル数で除した値を算出し、基準電圧Ｖ１としてもよい。このように制御条件設定値入力部８２やデータ入力部８３に入力されたデータや基準電圧Ｖ１などは、演算部８４が記憶している。

このような監視装置８は、いずれかのリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも高い場合に、当該リチウムイオンセル２のセル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５に対して、オン指令信号を出力する。これにより、このセル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５が閉動作し、リチウムイオンセル２の充電電流の一部がバイパス回路５ａ側にバイパスされる。また、表示部８５は、ＬＣＤなどのディスプレイであり、入力、算出された基準電圧Ｖ１や、セル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５の開閉状態などが表示され、リチウムイオン組電池２０の状態を容易に確認できるようになっている。

次に、上述の管理装置３を用いたリチウムイオン組電池２０の管理方法および作用について説明する。

まず、通常のフロート充電時においては、スイッチ５がオフ状態となっていて、商用電源１００からの電力が、変換器１０１を介して負荷設備１０２に供給されるとともに、変換器１０１およびスイッチ５を介してリチウムイオン組電池２０に供給される。このときの組電池充電電流は、図７に示すようにＩｃｈで一定である。

このようなフロート充電状態では、常に各電圧計４によってリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が計測され、その計測結果がリアルタイムに監視装置８に送信される。図５は、充電時における各リチウムイオンセル２のセル電圧および充電電流の状態を示している。図５に示すように、各リチウムイオンセル２のセル電圧が基準電圧Ｖ１（電圧４．１Ｖ）に到達していない場合は、バイパス電流Ｉｂｙは流れない。

そして、時刻ｔにおいて、図６に示すように、電池番号１ｎのリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも高くなった場合は、当該リチウムイオンセル２のセル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５に対して、監視装置８から制御指令信号Ｓ１が出力される。これにより、バイパス用スイッチ５が閉動作し、当該リチウムイオンセル２の充電電流の一部が昇圧コンバータ６０側にバイパスされる。そして、バイパス電流Ｉｂｙが流れるリチウムイオンセル２からの電圧が昇圧コンバータ６０によって昇圧される。そして、昇圧コンバータ６０によって電圧が昇圧されたバイパス電流Ｉｂｙによる電力は、リチウムイオン組電池２０の充電系統２０ａに還流される。

このような昇圧コンバータ６０による電力の還流時には、リチウムイオン組電池２０の充電電流として整流器１０１側から供給されていた電流は、図７に示すように、バイパス電流Ｉｂｙの分だけ低下し、ＩｃｈからＩｃｈ´に変化する。その後、時間の経過とともに、リチウムイオン組電池２０の充電用に整流器１０１から供給される電流はＩｃｈ´から徐々に上昇する。すなわち、昇圧コンバータ６０による電力の還流時には、リチウムイオン組電池２０に供給される充電電流が減少し、リチウムイオン組電池２０の充電に使用される電力が抑制され、整流器１０１から供給される電流も減少する。ここで、リチウムイオン組電池２０は、直流負荷設備１０２に並列に接続されているので、昇圧コンバータ６０からの電力はリチウムイオン組電池２０の充電と直流負荷設備１０２で使用されることになる。

基準電圧Ｖ１を超えていたリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が、充電電流のバイパスにより基準電圧Ｖ１以下になった場合には、監視装置８から対応するセル電圧調整回路３ａのバイパス用スイッチ５に対して、オフ指令が出力される。これにより、リチウムイオンセル２のセル電圧の調整が終了し、各リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２はほぼ均一な状態となる。

このようなフロート充電状態において、商用電源１００からの電力供給が停止（停電）すると、瞬時に（無瞬断で）リチウムイオン組電池２０が放電を開始し、リチウムイオン組電池２０からの電力が負荷設備１０２に供給される。なお、この放電状態においても、各リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２がリアルタイムに監視装置８に送信される。

以上のように、この監視装置８を用いた管理方法によれば、リチウムイオンセル２の電圧を均等化するためのバイパス電流Ｉｂｙは、抵抗を用いた従来技術のように熱となって消費されることがなくなり、リチウムイオン組電池２０の充電時におけるリチウムイオンセル２の電圧を均等化する際の電力損失を抑制することができる。また、バイパス電流Ｉｂｙによる電力は、昇圧コンバータ６０を介してリチウムイオン組電池２０の充電系統に還流されるので、バイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０の充電に有効利用することができ、リチウムイオン組電池２０の運用時における省エネルギーを図ることができる。

また、昇圧コンバータ６０を各バイパス回路５ａにそれぞれ接続するようにしているので、リチウムイオンセル２と昇圧コンバータ６０は常に対応することになり、充電回路の設計が容易となる。

図８は、この実施の形態に係るリチウムイオン組電池システム１を交流電力供給装置に適用した状態を示す概略構成図であり、後述する実施の形態においても同様に、リチウムイオン組電池システム１は直流電力供給装置にも交流電力供給装置にも適用することができる。

（実施の形態２）
図９は、この発明の実施の形態２を示し、リチウムイオン組電池２０の管理装置３の電力移送手段としての双方向変換回路（双方向コンバータ）６１０を示す概略構成図である。この実施の形態は、双方向コンバータ６１０が、実施の形態１の図１に示す電力移送手段６０として適用され、その他の部分は実施の形態１に準じるので、準じる部分は説明を省略する。

バイパス回路５ａには、リチウムイオンセル２のバイパス電流Ｉｂｙ、またはリチウムイオン組電池２０の充電電流Ｉｃｈ_２が供給される。

双方向コンバータ６１０は、バイパス回路５ａに入力される電圧をリチウムイオン組電池２０の充電電圧まで昇圧し、バイパス回路５ａに流れるバイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給、もしくは、リチウムイオン組電池２０の充電電圧Ｉｃｈ_２をリチウムイオンセル２の充電電圧まで降圧してリチウムイオン組電池２０からの充電電流Ｉｃｈ_２をリチウムイオンセル２に供給するものである。

双方向コンバータ６１０は、図９に示すように、トランス６１１と、第１のスイッチング素子６１２と、第２のスイッチング素子６１３と、コンデンサ６１４とから構成されている。トランス６１１は、一次巻線がリチウムイオンセル２と接続され、かつ、一次巻線の巻き始めはプラス側となっており、二次巻線がコンデンサ６１４と接続され、かつ、二次巻線の巻き始めはマイナス側となっている。トランス６１１の一次巻線には、第１のスイッチング素子６１２が接続されている。トランス６１１の二次巻線は、一方が第２のスイッチング素子６１３を介してプラス側回路６１ａと接続され、他方がマイナス側回路６１ｂに接続されている。コンデンサ６１４は、二次巻線側に位置しており、一方がプラス側回路６１ａに接続されており、他方がマイナス側回路６１ｂに接続されている。

セル電圧調整判定手段は、演算部８４に記憶されたプログラムであり、計測されたリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が上限基準値Ｖ１に達した場合は、実施の形態１と同様に当該リチウムイオンセル２の充電電流のバイパスが必要と判断し、バイパス回路５ａに当該リチウムイオンセル２のバイパス電流Ｉｂｙをバイパスさせ、昇圧コンバータ６０で昇圧されたバイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給するようにセル電圧指示制御部８１が制御指令信号Ｓ１を出力するように制御するプログラムを記憶、実行するものである。また、リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が下限基準値Ｖ３に達した場合は、当該リチウムイオンセル２の充電が必要（個別充電が必要）と判断し、当該リチウムイオンセル２にセル充電電流Ｉｃｈ_２を流すように双方向コンバータ６１０を制御するプログラムを記憶、実行するものである。

このような双方向コンバータ６１０によれば、個別充電が必要と判断された場合は、スイッチング素子６１２がオンされ、スイッチング素子６１３がスイッチングされることにより、リチウムイオンセル２には、プラス側回路６１ａからバイパス充電電流Ｉｃｈ_２がトランス６１１を介して降圧されて供給される。つまり、各リチウムイオンセル２に個別充電が必要である場合は、当該リチウムイオンセル２を個別充電することができるので、より早く、適切にリチウムイオンセル２の電圧を均等化することができる。

（実施の形態３）
図１０は、この発明の実施の形態３を示し、リチウムイオン組電池２０の管理装置３の電力移送手段としての絶縁型の昇圧回路（昇圧コンバータ）６２０を示す概略構成図である。この実施の形態は、昇圧コンバータ６２０が、実施の形態１の図１に示す電力移送手段６０として適用され、その他の部分は実施の形態１に準じるので、準じる部分は説明を省略する。

この昇圧コンバータ６２０は、絶縁型回路で構成され、スイッチング素子６２２のオンオフによって、リチウムイオンセル２からの放電が行われるものである。スイッチング素子６２２がオン状態の場合は、トランス６２１に通電され、オフ状態の場合は、トランス６２１から出力側に通電されるようになっている。

（実施の形態４）
図１１は、この発明の実施の形態４を示しリチウムイオン組電池２０の管理装置３の電力移送手段として１台の昇圧式変換装置（昇圧回路、昇圧コンバータ）１３０と、入力切替器１４０とを備えたリチウムイオン組電池システム１を示している。その他の部分は実施の形態１に準じるので、準じる部分は説明を省略する。

昇圧コンバータ１３０は、リチウムイオンセル２に接続されている複数のバイパス回路５ａを入力可能とする入力切替器１４０が配置され、バイパス回路５ａを経由して入力される電圧をリチウムイオン組電池２０の充電電圧まで昇圧し、バイパス回路５ａに流れる充電電流（バイパス電流）Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給するものである。つまり、昇圧コンバータ１３０は、入力切替器１４０で選択されたセル電圧調整回路３ａからの電流を昇圧するものであり、その構成は、実施の形態１に係る昇圧コンバータ６０と同等である。

入力切替器１４０は、電圧計４によって計測されたセル電圧Ｖ２に基づきバイパス電流Ｉｂｙのバイパスが必要になったリチウムイオンセル２（バイパス回路）を選択するものであり、例えばバイパス用スイッチ（図示略）で構成されている。この入力切替器１４０は、セル電圧調整回路３ａからの電流の中から、所定条件に基づいて昇圧コンバータ１３０に入力する電流を選択するものである。ここで、所定条件とは、セル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１を超えたリチウムイオンセル２を選択する優先順位であり、例えば、セル電圧Ｖ２が最も高いセルを優先したり、セル温度計（図示略）の測定結果によって温度の高いセルを優先したりするように設定する。この所定条件は、監視装置８の制御条件設定値入力部８２によって入力されて、演算部８４に記憶されている。

基準セル電圧指示制御部８１は、演算部８４がセル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が指定された基準値（基準電圧）Ｖ１となるよう、入力切替器１４０を動作させるように制御指令信号Ｓ１を出力するようになっている。

また、演算部８４は、当該リチウムイオンセル２の充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセル２のバイパス電流Ｉｂｙをバイパスさせ、入力切替器１４０を介して昇圧コンバータ１３０で昇圧されたバイパス電流Ｉｂｙをリチウムイオン組電池２０に供給するようにセル電圧指示制御部８１が制御指令信号Ｓ１を出力するように制御するプログラムを記憶、実行するものである。

監視装置８は、各セル電圧調整回路３ａから出力されたセル電圧Ｖ２や充電電流Ｉｃｈなどに基づいて、所定条件を満たすセルを選択して、当該リチウムイオンセル２の入力切替器１４０のバイパス用スイッチにオン指令を出力して、バイパスを開始させる。バイパス電流Ｉｂｙは昇圧コンバータ１３０によって昇圧されて、リチウムイオン組電池２０に還流される。

このように、この実施の形態によれば、電圧計４によって計測された電圧に基づき、前記セル電圧調整判定手段が充電電流のバイパスが必要になったと判定した場合に、該当するリチウムイオンセル２を選択する入力切替器１４０を介して一つの昇圧コンバータ１３０と接続されているので、昇圧コンバータ１３０を各バイパス用回路毎にそれぞれ設ける場合に比べて、昇圧コンバータ１３０の数を大幅に削減することができる。

なお本実施例における充電電流のバイパス動作については、後述する図１４と同様になる。

（実施の形態５）
図１２ないし図１４は、この発明の実施の形態５を示し、図１２は、リチウムイオン組電池２０の管理装置３の電力移送手段として多入力昇圧手段（多入力昇圧コンバータ）１２０を備えたリチウムイオン組電池システム１を示している。その他の部分は実施の形態１に準じるので、準じる部分は説明を省略する。

多入力昇圧コンバータ１２０は、複数のバイパス回路を入力とし、バイパス回路の電圧をリチウムイオン組電池２０の充電電圧まで昇圧させる多入力昇圧回路である。つまり、多入力昇圧コンバータ１２０は、複数のセル電圧調整回路３ａのバイパス電流Ｉｂｙを同時に昇圧可能となっているものである。この実施の形態のリチウムイオンセル２の出力側は、図１３に示すように、プラス側回路とマイナス側回路でそれぞれまとめられ、多入力昇圧コンバータ１２０と接続されている。多入力昇圧コンバータ１２０は、主としてリアクトル１２１と、ダイオード１２２と、コンデンサ１２３とを有し、入力されたバイパス電流Ｉｂｙを充電系統電圧まで昇圧するように設定されている。また、ダイオード１２２によって、バイパス電流Ｉｂｙを一方向とすることで他のリチウムイオンセル２が短絡することを防止するようになっている。

このような多入力昇圧コンバータ１２０を備えたリチウムイオン組電池システム１において、１セルのみがバイパスされる場合（ケース１）について説明する。この場合は、図１４（ａ）に示すように、セル１のリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１に達し、セル１に対応するスイッチ５がオンされて充電電流のバイパスが開始されると、所定時間まで、セル電圧Ｖ２はバイパス開始電圧Ｖｂで一定で、その後セル電圧Ｖ２は徐々に減少する。許容電圧値まで低下したら、先にオンされたスイッチ５はオフされる。

つぎに、２セルがバイパスされる場合（ケース２）は、図１４（ｂ）に示すように、時間ｔ０においてセル１のリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１に達し、セル１に対応するスイッチ５がオンされて充電電流のバイパスが開始される。バイパス電流Ｉｂｙは多入力昇圧コンバータ１２０によって昇圧されて、リチウムイオン組電池２０に還流される。このとき、バイパス開始電圧をＶｂとすると、所定時間まではセル電圧Ｖ２はバイパス開始電圧Ｖｂで一定で、その後セル電圧Ｖ２は徐々に減少する。そして、時間ｔ１において、セル１のセル電圧Ｖ２がＶｂｅとなり、この時刻ｔ１において、セル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１に達するので、セル１に対応するスイッチ５がオフされて充電電流のバイパスが停止され、セル２に対応するスイッチ５がオンされてセル２の充電電流のバイパスが開始される。さらに、時間ｔ２において、セル２のセル電圧Ｖ２がＶｂｅとなり、セル１のセル電圧Ｖ２と等しくなるので、セル１に対応するスイッチ５がオンされて充電電流のバイパスが再開されて、セル１とセル２からの充電電流が同時にバイパスされ、多入力昇圧コンバータ１２０によって昇圧されて、リチウムイオン組電池２０に還流される。なお、各セルの電圧が許容電圧値まで低下したら、先にオンされたスイッチ５はオフされる。

このように、この実施の形態によれば、電力移送手段は、各リチウムイオンセル２からの入力電圧をリチウムイオン組電池２０の充電系統の電圧までそれぞれ昇圧可能な多入力昇圧コンバータ１２０から構成されているので、電力移送手段を各バイパス回路５ａにそれぞれ接続する構成に比べて、多入力昇圧コンバータ１２０をコンパクト化することができる。また、多入力昇圧コンバータ１２０は、リチウムイオン組電池２０内の複数のリチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１以上となった場合であっても、複数のセル電圧調整回路３ａからのバイパス電流Ｉｂｙを同時に昇圧させることができる。つまり、複数のセル電圧が高いリチウムイオンセル２の電圧を短時間で降下することが可能となる。

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、リチウムイオンセル２を直列に１２個接続したものとして説明したが、セルの数は１２個に限定されるものでないことはもちろんである。

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、複数のリチウムイオン組電池２０を並列接続したシステムにも適用することができる。また、これまでに述べた実施例において、セルの充電電圧の上限基準値として、４．１Ｖの値を示しているが、この電圧値は適用される電池の特性に応じて決定されるものであり、前述の値に固定されるものではないことは言うまでもない。

さらに、リチウムイオン組電池２０を負荷設備１０２のバックアップ用電源に用いるものとして説明したが、バックアップ電源に限定されるものではなく、例えば、電気自動車用、電力貯蔵用などにも適用できることはもちろんである。

さらにまた、実施の形態１では、演算部８４に記憶したプログラムによって、セル電圧Ｖ２を基準電圧Ｖ１と比較し、セル電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１を超えたリチウムイオンセル２をバイパスが必要と判断し、当該リチウムイオンセル２をバイパス放電させる方法について説明したが、セル電圧調整判定手段の判断および判断に基づく制御は、これに限定されるものではない。例えば、バイパスが必要と判断するのは、一個のリチウムイオンセル２ではなく、複数のリチウムイオンセル２でもよい。また、基準電圧Ｖ１を超えたリチウムイオンセル２ではなく、「Ｖ１−α（αは正の値）」で表される電圧を超えたリチウムイオンセル２でもよい。さらにまた、各リチウムイオンセル２のセル電圧Ｖ２を測定し、セル電圧Ｖ２の最大値と最小値との差分が所定値を超えたリチウムイオンセル２や、セル電圧Ｖ２が所定値以下となり、低電圧状態が継続したリチウムイオンセル２などを、バイパスが必要であると判断してもよい。また、バイパス放電させるのは、セル電圧Ｖ２の平均値を超えたリチウムイオンセル２や、セル電圧Ｖ２が高い複数のリチウムイオンセル２でもよい。このような、セル電圧調整判定手段の判断および判断に基づく制御は、演算部８４にプログラミングするプログラムを変えることによって実現可能である。

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
２０ リチウムイオン組電池
３ 管理装置
４ 電圧計（電圧監視部）
５ａ バイパス回路
６０ 昇圧コンバータ（電力移送手段）
７ 組電池総電圧計
８ 監視装置（制御手段）
８４ 演算部（セル電圧調整判定手段）
Ｖ１ 基準電圧（基準値）
Ｖ２ セル電圧
Ｉｃｈ 充電電流
Ｉｂｙ バイパス電流（バイパス充電電流）

Claims (7)

1. リチウムイオンセルが複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の管理装置であって、
   前記各リチウムイオンセルの電圧を計測する電圧監視部と、
   前記各リチウムイオンセルにそれぞれ接続されるバイパス回路と、
   前記電圧監視部で計測された前記リチウムイオンセルの電圧計測値に基づいて、各リチウムイオンセルのセル電圧の調整の要否を判断するセル電圧調整判定手段と、
   前記バイパス回路と前記リチウムイオン組電池との間で電力を移送する電力移送手段と、
   前記セル電圧調整判定手段が、セル電圧の調整が必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧が指定された基準値となるよう、前記電力移送手段を動作させる制御手段と、
   を備えることを特徴とするリチウムイオン組電池の管理装置。
2. 前記電力移送手段が、前記バイパス回路にそれぞれ設けられている、
   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の管理装置。
3. 前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、
   前記バイパス回路には、前記リチウムイオンセルの充電電流がバイパスされ、
   前記電力移送手段は、昇圧式変換装置で構成され、前記バイパス回路を経由して入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、
   前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン組電池の管理装置。
4. 前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、前記リチウムイオンセルのセル電圧が下限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電が必要と判断し、
   前記バイパス回路には、前記リチウムイオンセルの充電電流、または前記リチウムイオン組電池の充電電流が供給され、
   前記電力移送手段は、双方向型変換装置で構成され、前記バイパス回路に入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給、もしくは、前記リチウムイオン組電池の充電電圧を前記リチウムイオンセルの充電電圧まで降圧して前記リチウムイオン組電池の充電電流を前記リチウムイオンセルに供給し、
   前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電が必要と判断した場合は、前記電力移送手段で降圧された前記リチウムイオン組電池の充電電流を、前記バイパス回路を経由して当該リチウムイオンセルに供給する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン組電池の管理装置。
5. 前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、
   前記電力移送手段は、一台の昇圧式変換装置で構成され、前記リチウムイオンセルに接続されている複数の前記バイパス回路を入力可能とする入力切替器が配置され、前記バイパス回路を経由して入力される電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧し、前記バイパス回路に流れる前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給し、
   前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、前記リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、当該リチウムイオンセルに接続されている前記バイパス回路を、入力切替器を介して前記電力移送手段に入力し、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、
   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の管理装置。
6. 前記セル電圧調整判定手段は、前記リチウムイオンセルのセル電圧が上限基準値に達した場合は、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断し、
   前記電力移送手段は、複数の前記バイパス回路を入力とし、前記バイパス回路の電圧を前記リチウムイオン組電池の充電電圧まで昇圧させる多入力昇圧回路から構成され、
   前記制御手段は、前記セル電圧調整判定手段が、当該リチウムイオンセルの充電電流のバイパスが必要と判断した場合は、前記バイパス回路に当該リチウムイオンセルの前記充電電流をバイパスさせ、前記電力移送手段で昇圧された前記充電電流を前記リチウムイオン組電池に供給するように制御する、
   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の管理装置。
7. リチウムイオンセルが複数直列に接続されたリチウムイオン組電池の管理方法であって、
   前記各リチウムイオンセルの電圧を電圧監視部によって計測し、
   前記電圧監視部で計測された前記リチウムイオンセルの電圧計測値に基づいて、各リチウムイオンセルのセル電圧の調整の要否を判断し、
   セル電圧の調整が必要と判断された場合は、当該リチウムイオンセルのセル電圧が指定された基準値となるように、前記バイパス回路と前記リチウムイオン組電池との間で電力を移送する、
   ことを特徴とするリチウムイオン組電池の管理方法。
   

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