(57)【要約】【課題】組電池を構成する蓄電池数が増加した場合でも、蓄電池間の容量ばらつきが抑制され、容量の低い蓄電池の過充電または過放電（逆充電）による性能劣化が確実に抑制される高信頼性の組電池を提供する。【解決手段】本発明の組電池は、蓄電池Ａの複数個が直列に接続された蓄電池群Ａ、および蓄電池群Ａと直列に接続された、蓄電池Ａよりも低容量である蓄電池Ｂの１個からなり、蓄電池Ａは蓄電池Ｂよりも充電電気量が大きい状態に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池Ａの複数個が直列に接続された蓄電池群Ａ、および前記蓄電池群Ａと直列に接続された、前記蓄電池Ａよりも低容量である蓄電池Ｂの１個からなり、
前記蓄電池Ａは前記蓄電池Ｂよりも充電電気量が大きい状態に設定されていることを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記蓄電池Ｂに基づく充放電制御により、前記蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されている請求項１記載の組電池。
【請求項３】
請求項１記載の組電池と、前記蓄電池Ｂの電圧または温度に基づいて前記組電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項４】
前記充放電制御部により、前記蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されている請求項３記載の電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続された個々の蓄電池の性能が確実に発揮される高信頼性の組電池、およびそれを備えた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種電子機器の電源として、ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池のようなアルカリ蓄電池、鉛蓄電池、ならびにリチウム蓄電池が広く用いられている。これらの蓄電池は、通常、これらの電池の複数個を直列・並列に接続した組電池として用いられている。組電池を搭載した機器での動作時間は、組電池の放電終止電圧の設定により決定される。
【０００３】
機器においてこの放電終止電圧が設定されていない場合、またはその設定値が不適切な場合、組電池は低い電圧まで放電されることになる。組電池を構成する蓄電池間の容量にばらつきがあると、組電池の過放電時に容量が小さい蓄電池は強制的に放電され転極する可能性がある。このような過放電による転極が繰り返されると、容量が小さい蓄電池の性能が著しく劣化し、それに伴い組電池の性能が劣化する。具体的には、機器動作時間が短くなる、または使用回数が少なくなることにより、組電池の信頼性が低下する。このような組電池の信頼性低下は、組電池を構成する蓄電池の数が多いほど顕著になる。
【０００４】
一方、組電池の充電においても、組電池を構成する蓄電池間の容量にばらつきがある場合、充電制御方法によっては、容量が小さい蓄電池が過充電される場合がある。過充電が繰り返されると、容量が小さい蓄電池の性能が著しく劣化し、組電池の性能が著しく劣化する。このような過放電および過充電は、リチウム蓄電池の場合、安全性の面でも問題となる。
【０００５】
上記のような過放電および過充電による組電池の性能劣化を回避するため、各蓄電池が適正な放電終止電圧および充電深度を維持できるように配慮する必要がある。組電池の充放電を適正に制御するためには、複雑な回路およびアルゴリズムが必要であり、機器価格が上昇する。このような充放電を制御する機能を備えていない機器も多数存在する。
例えば、複数の蓄電池を接続した組電池において低容量の蓄電池に充電制御用センサーまたは安全素子を配置して充電電気量を規制し、各蓄電池の充電電気量を低容量の蓄電池に揃えて過放電による転極（逆充電）を回避することが提案されている。（例えば、特許文献１を参照）
【特許文献１】特許第３３９７８５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、組電池を構成する蓄電池数が増加すると、組電池内において温度ばらつきが大きくなる。低容量の蓄電池に充電制御用センサー類を配置した組電池では、組電池内の温度ばらつきによる充電性能ばらつきを規制するのは困難である。また、充放電の繰り返しに伴い、蓄電池間に容量変動を生じるため、充電のみで組電池の各蓄電池の容量を揃えることは困難となる。このように、特許文献１記載の方法では、過放電による転極を確実に回避することは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するため、組電池を構成する蓄電池数が増加した場合でも、蓄電池間の容量ばらつきが抑制され、容量の小さい蓄電池の過充電または過放電（逆充電）による性能劣化が確実に抑制される高信頼性の組電池およびそれを備えた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】
【０００８】
本発明の組電池は、蓄電池Ａの複数個が直列に接続された蓄電池群Ａ、および前記蓄電池群Ａと直列に接続された、前記蓄電池Ａよりも低容量である蓄電池Ｂの１個からなり、前記蓄電池Ａは前記蓄電池Ｂよりも充電電気量が大きい状態に設定されていることを特徴とする。
前記蓄電池Ｂに基づく充放電制御により、前記蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されているのが好ましい。
【０００９】
また、本発明は、上記の組電池と、前記蓄電池Ｂの電圧および温度に基づいて前記組電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備えることを特徴とする電池システムに関する。
前記充放電制御部により、前記蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、組電池を構成する蓄電池数が多い場合でも、容量の低い蓄電池の過充電および過放電（逆充電）を確実に抑制することが可能な組電池を提供することができる。これにより、蓄電池の性能劣化を抑制することができ、組電池の充放電サイクル特性および信頼性が向上する。また、上記組電池を用いることにより、制御部の回路およびアルゴリズムを簡素化でき、安価な電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、蓄電池を直列に接続した組電池に関する。蓄電池Ａの複数個が直列に接続された蓄電池群Ａ、および蓄電池群Ａと直接に接続された、蓄電池Ａ（蓄電池群Ａ）よりも低容量の蓄電池（蓄電池Ｂ）の１個からなり、初期状態において蓄電池Ａ（蓄電池群Ａ）は蓄電池Ｂよりも充電電気量が大きい状態に設定されている組電池を構成する点に特徴を有する。これにより、組電池を構成する蓄電池の数が多い場合でも、蓄電池間の容量ばらつきが抑制され、容量の低い蓄電池が過充電および過放電（逆充電）されないように充放電することが可能であり、組電池の充放電サイクル特性および信頼性が向上する。
蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されるのが好ましい。なお、ＳＯＣとは、満充電時の充電電気量（１００％）に対する充電された電気量の割合を示す。良好な放電特性が得られると同時に、優れた充放電サイクル寿命特性が得られる。より好ましくは、蓄電池群Ａ（蓄電池Ａ）はＳＯＣ２０〜８０％の範囲に制御されている。
【００１２】
また、本発明は、上記組電池と、蓄電池Ｂの電圧および温度（以下、電圧等とする。）に基づいて組電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備えた電池システムに関する。蓄電池Ｂの電圧等に基づいて組電池の充放電を制御することにより、充放電時の蓄電池群ＡのＳＯＣを一定の範囲（例えば、ＳＯＣ１０〜１００％）に制御することができる。このため、蓄電池群Ａを構成するいずれの蓄電池Ａも、過充電および過放電（逆充電）されない。また、蓄電池Ｂは直接制御されるため、上記と同様に性能劣化しない。したがって、組電池を構成する蓄電池ＡおよびＢの性能劣化による組電池の性能劣化が抑制され、組電池の信頼性および充放電サイクル特性が向上する。
【００１３】
また、本発明の電池システムでは、組電池を構成する蓄電池毎に監視する必要がなく、蓄電池Ｂの１個のみを監視して組電池の充放電を容易に制御できるため、充放電制御部（例えば、制御回路やアルゴリズム）を簡素化でき、安価でシンプルな電池システムを構成することができる。
充放電制御部により、蓄電池群ＡはＳＯＣ１０〜１００％に制御されているのが好ましい。組電池を最適の条件で作動させることができ、良好な放電特性が得られると同時に、優れた充放電サイクル寿命特性が得られる。より好ましくは、蓄電池群ＡのＳＯＣは２０〜８０％の範囲に制御されている。
【００１４】
蓄電池ＡおよびＢには、例えば、ニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池が挙げられる。
蓄電池ＡおよびＢの容量は、活物質量を調整することにより制御することができる。例えば、蓄電池ＡおよびＢにニッケル水素蓄電池を用いる場合、蓄電池Ｂでは、蓄電池Ａよりも、正極活物質量（水酸化ニッケル充填量）を減らすことにより、蓄電池Ａよりも低容量の蓄電池Ｂが得られる。
【００１５】
蓄電池Ｂの容量は、蓄電池Ａの容量よりも１０〜５０％低いのが好ましい。例えば、蓄電池Ａの実際の容量に応じて、蓄電池Ｂの容量を決めればよい。蓄電池Ａは、例えば、蓄電池Ｂよりも蓄電池ＡのＳＯＣ１０〜２０％だけ充電電気量が大きい。
【００１６】
組電池の充電方法としては、例えば、定電流充電、または定電流・定電圧充電が挙げられる。定電流充電の場合、例えば、蓄電池Ｂの温度（または温度変化）または電圧が所定値に到達するまで、組電池を定電流充電すればよい。定電流・定電圧充電の場合、例えば、上記と同様に定電流充電した後、蓄電池Ｂの電流が所定値に到達するまで、組電池を定電圧充電すればよい。
組電池の放電方法としては、例えば、蓄電池Ｂの電圧が所定値に到達するまで、定電流放電することが挙げられる。
充放電制御部は、蓄電池Ｂを監視（例えば、蓄電池Ｂの電圧、温度、または電流を監視）し、それに基づいて、組電池の充放電を制御する機能を有する。このように、充放電時に組電池における蓄電池Ｂのみを監視すればよく、蓄電池毎に監視する必要がないため、システムを簡素化できる。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されない。
《実施例１》
以下の手順により、図１に示す電池システムを構成した。図１は本発明の実施例１の電池システムの概略構成図である。
以下の蓄電池Ａを複数個準備した。また、以下の蓄電池Ｂを１個準備した。
蓄電池Ａ：公称容量３．０Ａｈのニッケル水素蓄電池（松下電器産業（株）製、ＨＨ              Ｒ３００ＳＣＰ）
蓄電池Ｂ：公称容量２．６Ａｈのニッケル水素蓄電池（松下電器産業（株）製、ＨＨ              Ｒ２６０ＳＣＰ）
なお、蓄電池ＡおよびＢの実際の電池容量を以下の手順で求めた。蓄電池Ａおよび蓄電池Ｂを、２５℃環境下にて０．１Ｉｔ（Ａ）の定電流で１６時間充電した後、１時間休止した。その後、０．２Ｉｔ（Ａ）の定電流で電池電圧１．０Ｖに達するまで放電し、その時の放電容量を測定した。Ｉｔ（Ａ）とは、公称容量（Ａｈ）／１（ｈ）（１ＣＡ）のことを意味する。例えば、０．１Ｉｔ（Ａ）は、公称容量（Ａｈ）／１０（ｈ）である。
【００１８】
複数の蓄電池Ａの中から放電容量の幅が５０ｍＡｈ以下となるように蓄電池Ａを１４個選別した。電池を選別後、ＳＯＣ１０％（充電容量３００ｍＡｈ）に達するまで０．１Ｉｔの定電流で充電した。ＳＯＣ１０％の蓄電池Ａの１４個を直列に接続して蓄電池群Ａを作製した。さらに、蓄電池群Ａを作動させるＳＯＣ領域を設定するため、放電状態の蓄電池Ｂの１個を蓄電池群Ａに直列に接続した。このようにして、図１に示すような、蓄電池Ａの１４個（ｎ＝１４）からなる蓄電池群Ａ１および蓄電池Ｂ２の１個を直列に接続した組電池３を作製した。
組電池３の正極端子５および負極端子６を充放電評価装置（東洋システム（株）製、ＴＯＳＣＡＴ３０００）に接続した。このとき、蓄電池Ｂに、蓄電池Ｂの温度を測定するための温度センサー（熱電対）を設置し、蓄電池Ｂの電圧を測定するための端子を接続した。上記の充放電評価装置は、温度センサーおよび端子で検知した電圧および温度を監視しながら組電池の充放電を制御する充放電制御部４を備える。このようにして、充放電制御部４および組電池１からなる電池システムを構成した。
【００１９】
［評価］
２５℃環境下にて、以下の条件で組電池について充放電サイクル寿命試験を実施した。
充電：３Ａの定電流で充電した。蓄電池Ｂの温度変化値により充電制御した。具体            的には、蓄電池Ｂにおいて１分間あたりの温度変化（上昇）率が０．８℃／            ｍiｎに達した時点で充電を終了した。
休止：充電終了後、３０分間休止した。
放電：蓄電池Ｂの閉路電圧が０．６Ｖに達するまで、１０Ａの定電流で組電池を放            電した。
休止：放電終了後、１時間休止した。
上記充放電を繰り返し、放電容量が初期の放電容量の９０％以下となった時点を寿命とし、その時のサイクル数を調べた。
【００２０】
《実施例２》
蓄電池Ｂに公称容量２．４Ａｈのニッケル水素蓄電池（松下電器産業（株）製、ＨＨＲ２４０ＳＣＰ）を用い、蓄電池群Ａを構成するすべての蓄電池ＡのＳＯＣを２０％（６００ｍＡｈ）とした以外、実施例１と同様の方法により電池システムを構成した。
上記電池システムにて、実施例１と同様の条件で充放電サイクル試験を実施した。なお、充放電時の蓄電池群ＡのＳＯＣは２０〜１００％であった。
【００２１】
《比較例１》
容量３．０Ａｈの蓄電池Ａの代わりに容量２．６Ａｈの蓄電池Ｂを用いて蓄電池群Ａを構成した。すなわち、蓄電池Ｂのみで組電池を構成した。これ以外、実施例１と同様の方法により電池システムを構成した。なお、充放電時の蓄電池群ＡのＳＯＣは０〜１００％であった。
充電制御するための温度センサーを、組電池を構成する任意の蓄電池Ｂに設置した。上記以外、実施例１と同様の条件で充放電サイクル試験を実施した。
【００２２】
《比較例２》
蓄電池群Ａを構成するすべての蓄電池ＡのＳＯＣを０％とした以外、実施例１と同様の方法により電池システムを構成した。上記以外、実施例１と同様の条件で充放電サイクル試験を実施した。なお、充放電時の蓄電池群ＡのＳＯＣは０〜８７％であった。
各組電池の構成を表１にまとめる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
サイクル寿命試験結果を表２に示す。なお、表２中の寿命サイクル数の値は、比較例１の組電池の寿命サイクル数を１００とした相対値である。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
本発明の実施例１および実施例２の組電池では、比較例１および比較例２の組電池に比べて、充放電サイクル寿命特性が大幅に向上した。
比較例１の組電池では、充放電サイクル初期において、蓄電池間の容量バランスが崩れ（容量ばらつきが大きくなり）、過放電に伴う転極により、蓄電池が劣化した。比較例２の組電池では、充放電サイクル初期において、蓄電池間の容量バランスの崩れは抑制されたが、充放電サイクルが進むに伴い、容量バランスが崩れ、過放電に伴う転極により、蓄電池が劣化した。
【００２７】
本発明の実施例１および２の組電池では、初期容量の９０％となるまで蓄電池間の容量バランスの崩れは抑制され、充放電サイクル寿命特性が大幅に向上した。蓄電池Ｂの充放電制御により、蓄電池群ＡのＳＯＣが１０〜９０％または２０〜１００％に制御され、過充電または過放電（逆充電）が抑制された。
【００２８】
上記実施例では、蓄電池Ｂの初期のＳＯＣを０％としたが、蓄電池Ｂの初期のＳＯＣはこれに限定されない。蓄電池Ｂの初期のＳＯＣが蓄電池Ａの初期のＳＯＣよりも低ければ、上記と同様の効果が得られる。また、上記実施例では、蓄電池Ａを１４個用いたが、蓄電池Ａの個数はこれに限定されない。
蓄電池Ｂの容量と蓄電池Ａ（蓄電池群Ａ）の容量を調整して、蓄電池群Ａの作動領域をさらに狭くする（例えば、ＳＯＣ２０〜８０％とする）ことにより、充放電可能な電気量は低下するが、組電池のサイクル寿命特性はさらに向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の組電池は、充放電サイクル特性に優れ、かつ高信頼性を有するため、高機能および高性能の電子機器の電源等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１の電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  蓄電池Ａの複数個（ｎ個）からなる蓄電池群Ａ
２  蓄電池Ｂ
３  組電池
４  充放電制御部
５  正極端子
６  負極端子
【図１】
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