(57)【要約】パルス充放電によるスイッチング損失による電力効率の低下を最小化し、かつ容量を最大化する、二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、二次電池の充放電方法、および二次電池の充放電プログラムを提供する。本発明に係る二次電池の充放電装置は、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電装置であって、所定のパルス周波数でオン/オフしながら、パルス充電またはパルス放電を行うスイッチ手段と、スイッチ手段のオン／オフを制御する制御手段と、を備え、二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う。
2017022251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電と前記充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と前記放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電装置であって、
所定のパルス周波数でオン/オフしながら、前記パルス充電または前記パルス放電を行うスイッチ手段と、
前記スイッチ手段のオン／オフを制御する制御手段と、を備え、
前記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で前記パルス充電又は前記パルス放電を行う、二次電池の充放電装置。
【請求項２】
前記充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、前記パルス周波数を変更する、請求項１に記載の二次電池の充放電装置。
【請求項３】
前記二次電池の劣化度合いに応じて前記パルス周波数を変更する、請求項１に記載の二次電池の充放電装置。
【請求項４】
前記パルス周期と前記二次電池の充放電容量との対応を示すテーブルを保持し、充電レートまたは放電レートに対応する前記テーブルを読み出す、請求項１乃至３いずれか１項に記載の二次電池の充放電装置。
【請求項５】
前記二次電池の１回の充電中又は放電中に前記パルス周波数を変更する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の二次電池の充放電装置。
【請求項６】
二次電池と、
所定のパルス周波数でオン/オフしながら、充電と前記充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電または放電と前記放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行うスイッチ手段と、
前記スイッチ手段のオン／オフを制御する制御手段と、を備え、
前記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う、蓄電システム。
【請求項７】
充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、前記パルス周波数を変更する、請求項６に記載の蓄電システム。
【請求項８】
前記二次電池の劣化度合いに応じて前記パルス周波数を変更する、請求項６に記載の蓄電システム。
【請求項９】
前記パルス周期と前記二次電池の充放電容量との対応を示すテーブルを保持し、
充電レートまたは放電レートに対応する前記テーブルを用いて前記パルス周期を決定する、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の蓄電システム。
【請求項１０】
前記二次電池の１回の充電中又は放電中に前記パルス周波数を変更する、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の蓄電システム。
【請求項１１】
充電と前記充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と前記放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電方法であって、
所定のパルス周波数でオン／オフしながら前記二次電池を充電又は放電し、
前記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で前記パルス充電又は前記パルス放電を行う、二次電池の充放電方法。
【請求項１２】
前記充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、前記パルス周波数を変更する、請求項１１に記載の二次電池の充放電方法。
【請求項１３】
前記二次電池の劣化度合いに応じて前記パルス周波数を変更する、請求項１１に記載の二次電池の充放電方法。
【請求項１４】
前記パルス周期と前記二次電池の充放電容量との対応を示すテーブルを保持し、
充電レートまたは放電レートに対応する前記テーブルを用いて前記パルス周期を決定する、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の二次電池の充放電方法。
【請求項１５】
前記二次電池の１回の充電中又は放電中に前記パルス周波数を変更する、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の二次電池の充放電方法。
【請求項１６】
充電と前記充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と前記放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
コンピュータに、
所定のパルス周波数でオン/オフしながら、前記パルス充電または前記パルス放電を行う処理を実行させ、
前記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で前記パルス充電又は前記パルス放電を行う、二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、充電或いは放電の前記パルス周波数を変更する、請求項１６に記載の二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記二次電池の劣化度合いに応じて前記パルス周波数を変更する、請求項１６に記載の二次電池の二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
前記パルス周期と前記二次電池の充放電容量との対応を示すテーブルを保持し、
充電レートまたは放電レートに対応する前記テーブルを用いて前記パルス周期を決定する，請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記二次電池の１回の充電中又は放電中に前記パルス周波数を変更する、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２１】
リチウムイオン二次電池に接続された負荷に電力を供給し、外部電源から電力の供給を受けるリチウムイオン二次電池システムであって、
前記リチウムイオン二次電池との電力受給をパルス動作と連続動作の両方を行うための切替え制御部を備え、電池容量が基準値よりも下回った場合にパルス周期を現在値よりも短周期側に再設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
パルス周期と電池容量との線形、あるいは非線形の関係式を内部データ、もしくは外部データから参照して、パルス周期の再設定値を決定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
【請求項２３】
請求項２１に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
電池容量が基準値よりも下回った場合にパルス周期を段階的に変化させて電池容量を計測して、電池容量が目標値に達した時のパルス周期に再設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム
【請求項２４】
請求項２１又は請求項２３に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
再設定したパルス周期での電池容量が目標値を満たす場合には運転を継続することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
【請求項２５】
請求項２１又は請求項２３に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
目標とする電池容量を満たすパルス周期がみつからない場合には、停止もしくはアラーム信号を出すことを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、二次電池の充放電方法、および二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体に関し、特に二次電池のパルス充放電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池では、充放電に要する電流が大きくなるにつれて、充放電可能な容量が低下する傾向がある。これは大電流で連続的な充電あるいは放電を行うと、時間とともに電極内部のリチウムイオン分布が不均一化することで内部抵抗（電荷移動抵抗と拡散抵抗）が増大するため、と考えられる。リチウムイオン二次電池電極内部での反応速度、および電池内部でのリチウムイオンの移動速度の制約を受けること、その結果として、電流が大きいほど充放電時の制限電圧に早く達して容量低下が大きくなるため、と考えられる。【０００３】
この課題に対しては、電極内部のリチウムイオン分布を均一化することが有効であり、リチウムイオン二次電池の充放電を間欠的に行うパルス充放電が提案されている。【０００４】
特許文献１はパルス電流によるパルス充電方法に関するものであり、所定のオンデューティ比で二次電池の充電を行うことが、提案されている。また、特許文献１では、パルスのオンデューティ比を例えば１００％に設定して充電を開始し、二次電池の電池電圧が充電制御電圧基準値以上であるかを判定して、次の周期からパルスのオンデューティ比を減少させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５８０８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した二次電池のパルス充放電には以下のような課題がある。パルス充放電のパルス周期を短くすると容量は改善できるが、その反面切り替え手段で生じるスイッチング損失が増大し、電力効率の低下を招く、という課題がある。【０００７】
本発明の目的は、パルス充放電によるスイッチング損失による電力効率の低下を最小化し、かつ容量を最大化する、二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、二次電池の充放電方法、および二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る本発明に係る二次電池の充放電装置は、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電装置であって、
所定のパルス周波数でオン/オフしながら、パルス充電またはパルス放電を行うスイッチ手段と、
スイッチ手段のオン／オフを制御する制御手段と、を備え、
二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う。【０００９】
本発明に係る蓄電システムは、
二次電池と、
所定のパルス周波数でオン/オフしながら、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電または放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行うスイッチ手段と、
スイッチ手段のオン／オフを制御する制御手段と、を備え、
二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う。【００１０】
本発明に係る二次電池の充放電方法は、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電方法であって、
所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池を充電又は放電し、
二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う。【００１１】
本発明に係る二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体は、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
コンピュータに、
所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池を充電又は放電する処理を実行させ、
二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パルス充放電のスイッチング回数を最小化でき、二次電池の充放電制御に係る電力損失を最小化できる。これにより本発明を適用したシステムとしての電力効率を高くすることができる。またサイクル寿命を最大化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態の二次電池の充放電装置を説明するためのブロック図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態の二次電池の充放電装置の他の構成例を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の蓄電システムを説明するためのブロック図である。
【図３】（ａ）はパルス充放電のパルス周期を説明するための模式図であり、（ｂ）はパルス周期の切り替えを説明するための模式図である。
【図４】パルス周期と充放電容量の関係を示す模式図である。
【図５】パルス周期決定の制御手順を示したフローチャートである。
【図６】パルス周期決定の制御手順を示したフローチャートである。
【図７】本発明の実施例１と比較例のサイクル寿命特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例１と比較例のパルス電流のオン／オフのスイッチング回数を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例１と比較例のサイクル寿命特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明で用いる二次電池は、リチウムイオン電池に代表される非水系の二次電池である。二次電池としてはリチウムイオン電池に限らず、類似したカチオンを移動させる非水系二次電池に適用することができる。本発明は、このような二次電池のパルス充放電制御に関する。
【００１５】
本発明の実施形態や実施例について、図面中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
【００１６】
（充放電サイクルの定義）
本明細書で「充放電サイクル」とは、充電と前記充電に連続する放電とを含む。充電と放電、または放電と充電を１サイクルとする。充電と放電との間に待機（充電も放電もしない状態）を含んでもよい。充電、充電、放電や、放電、放電、充電など同じ動作が複数回連続する場合には、連続する動作を１回の充電（または放電）とし１サイクルとする。放電期間や充電期間が設定されている場合には、充電期間と充電期間とからサイクルを判断してもよい。
【００１７】
本実施形態では、初期からの充放電容量の維持率が基準値以下になった時点で、パルス充放電のオン期間とオフ期間とを切り替える周期（以下、パルス周期）を現在の値よりも短周期側（高周波帯域側）に変更する。予め、パルス周期と充放電容量との対応を示す基準テーブルを用意しておく。パルス周期と充放電容量が線形関係にあり、かつ、電池に異常がない場合にはその傾きがサイクル数によらず一定であることを利用したものである。
【００１８】
パルス周期の変更の際には、基準テーブルを参照して最適パルス周期を決定する。また基準テーブルを用いない場合にはパルス周期を段階的に変化させて、容量が目標回復率に達したパルス周期を採用する。
【００１９】
図１（ａ）は、本実施形態における二次電池の充放電装置の一例を示すブロック図である。図１（ａ）の二次電池の充放電装置１は、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、または放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う。充放電装置１は、スイッチ手段２を備える。スイッチ手段２は、上記パルス充電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池４を充電する。またスイッチ手段２は、パルス放電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池４を放電する。充放電装置１は、上記スイッチ手段２の上記オン／オフを制御する制御手段３を備える。そして、二次電池４の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電またはパルス放電を行う。この充放電装置１は、外部電源５と負荷６とに接続され、二次電池４に対し電力の入出力が行われる。
【００２０】
本実施形態の充放電装置１によれば、適切なパルス周波数で二次電池のパルス充電またはパルス放電を行うことができる。これにより、パルス充電またはパルス放電のスイッチング損失を最小化できる。以下、本発明のより具体的な実施形態や実施例について、説明する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態による二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、および二次電池の充放電方法を説明する。本実施形態を、上述した二次電池の充放電装置を適用した蓄電システムについて説明する。本実施形態は、二次電池の充放電サイクルに応じて充電または放電のパルス周波数を設定するものである。テーブルを読み出すことにより、パルス充電または放電の周波数を決定する。テーブルは、後述する方法で作成する。テーブルには、充放電のサイクル数と充放電のパルス周波数とが紐付けられている。
【００２２】
まず、本実施形態の概念について説明する。本発明者らは、複数のリチウムイオン電池セルを接続した蓄電システムを鋭意研究した結果、パルス充放電の周期と容量との間に特徴的な所定の関係があることを見出したことから、本発明に至った。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態で用いる蓄電システム１０の一例を示すブロック図である。蓄電システム１０は、複数のリチウムイオン電池セルを直並列に接続した電池モジュール１８と、放電スイッチ１１と、充電スイッチ１２と、を備える。放電スイッチ１１は、放電のスイッチング回路の一部をなしている。放電スイッチ１１は、放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電において、所定のパルス周波数でオン／オフしながら電池モジュール１８を放電する。充電スイッチ１２は、充電のスイッチング回路の一部をなしている。充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電において、所定のパルス周波数でオン／オフしながら電池モジュール１８を充電する。
【００２４】
なお、リチウムイオン電池セルは二次電池の一例である。また、放電スイッチ１１および充電スイッチ１２は、スイッチ手段の一例である。
【００２５】
さらに図２の蓄電システム１０は、電池制御回路１４を備える。電池制御回路は、放電スイッチ１１および充電スイッチ１２のオン／オフを制御する。また、電池制御回路１４は電池システム全体の制御回路である。
【００２６】
さらに図２の蓄電システム１０はさらに、電池モジュール１８を管理する電池監視回路１７、電池充電回路１３、高圧遮断器１５、バイパス１６、信号経路に挿入された整流器などを、備える。電池充電回路１３および電池制御回路１４はそれぞれ、通信を行う外部インターフェース（外部ＩＦ）を有する。この蓄電システム１０は外部電源２０と負荷３０に接続され、電池モジュール１８に対し電力の入出力が行われる。
【００２７】
電池制御回路１４は、電池電圧、電流、電池温度をセンサで定期的に計測する。またこれらの計測値、計測値から算出した電池の充放電容量、動作条件等は、蓄電システム１０内部に実装されたメモリもしくは外部の記録媒体に記録される。
【００２８】
二次電池からの充電と放電としては、連続的な入出力を行う動作と、図２（ａ）に示したパルス充電やパルス放電で行う動作と、の両方を行うことができる。蓄電システム１０は、パルス充電やパルス放電を行う。さらに、蓄電システム１０は、連続動作とパルス充電やパルス放電とを組合わることも可能である。パルス充放電は図３（ａ）に示したオン時間Ｔ１、オフ時間Ｔ２、パルス周期Ｔ３＝Ｔ１＋Ｔ２として、稼働率Ｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）で動作させる。一般的には、サイクル期間中、同じパルス周期Ｔ３、稼働率Ｄで動作させる。パルス充電においては、オン時間が充電期間、オフ時間が充電休止期間に対応する。パルス放電においては、オン時間が放電期間、オフ時間が放電休止期間に対応する。
【００２９】
図３（ｂ）に示したように、カレンダー時間、動作時間、あるいはサイクル数の増加にともなって、二次電池の充放電容量が基準値以下になる場合がある。蓄電システム１０は、二次電池の充放電容量が基準値以下になった場合に、充放電のパルス周期を再設定する。現在のパルス周期よりも短周期側のパルス周期を設定し、容量の回復量を確認する。目標とする容量が回復できた場合には、パルス周期を再設定した値に更新して動作を継続する。もし回復しない場合は動作を停止する。そして電池の異常、もしくは交換を知らせるアラームを出す保守点検モードに遷移させる。この方法によれば、スイッチング回数を減らすことでスイッチング損失を減らし、これにより発電効率を改善することが可能となる。
【００３０】
次に本発明の実施形態による再設定するパルス周期の決定方法を述べる。
【００３１】
第１の方法としては、あらかじめ準備したテーブル値を参照して、パルス周期を再設定する。図４に示したようにパルス周期に対する充放電容量Ｐは、ある範囲において下記の式（１）に従うことを、我々は見出した。
Ｐ＝Ａ×ｌｏｇ（１／Ｔ３）＋Ｂ      （１）
ここでＡは係数、Ｔ３は１パルスの動作時間（オン時間Ｔ１とオフ時間Ｔ２の和）であり、Ｂは定数である。ＡとＢは充放電に用いる電流レートと環境温度に依存する。
【００３２】
さらに上記の関係式は、電流レートと環境温度が同じであれば、電池の動作時間によらず一定であることを見出した。すなわちパルス周期を再設定する際に動作環境温度がわかれば、初期のテーブル値を用いてパルス周期変更による容量回復量を予測することができる。これにより、適切なパルス周期を選択することで、全サイクルでのスイッチング損失を最小化できるようになる。
【００３３】
パルス周期の設定に使用する基準テーブルは、例えば、電池制御回路１４によって外部ＩＦを介して外部記憶装置から取得される。また、外部記憶装置の代わりに電池制御回路１４や電池監視回路１７のマイコンのＲＯＭ（Read Only Memory）に基準テーブルを格納することによって、周波数取得のためのアクセス時間を短縮することも可能である。
【００３４】
第２の方法としては、パルス周期を再設定の際に初期テーブルの傾向を踏まえて、パルス周期を段階的に変更して電池容量の回復量が目標値となるように、パルス周期を再設定することである。この方法は外部環境が大きく変動する場合や過去の動作記録が正確でない場合に有効となる。
【００３５】
再設定を行う電池容量の基準値は特に限定されない。しかし、電池の劣化モードが把握できる初期からの容量維持率が５０％〜９０％の範囲内で定期的に行うことが望ましい。基準値は、特定の値でもよい、または、基準値に上下限を設定して、その範囲内であれば再設定してもよい。回復量の設定は、３〜２０％が適当である。パルス周期は、上記式（１）に従う範囲であれば特に限定されない。有機電解液を用いるリチウムイオン電池の場合は、経験上、パルス周期は１０秒（0.1Hz）〜０．１ｍ秒（10kHz）の範囲が望ましい。
【００３６】
第２の方法で再設定したパラメータが基準テーブルと大きく異なる場合、もしくは存在しない条件の場合は、基準テーブルを追加・更新することができる。また動作環境条件が変わった場合には、再設定したパルス周期を変更することができる。
【００３７】
次に、制御手順のフローチャートを図５と図６に示す。本実施形態では動作モードを、通常動作（充電、放電、待機）モード、パルス周期の再設定モード、保守点検モードの３つのモード間を遷移させることになる。図５は、通常動作モードからパルス周期の再設定モードに遷移する過程を示している。通常動作モードで充放電終了後には、充放電量Ｐｉを定期的に確認する。充放電量Ｐｉの値と基準値Ｐとの大小関係から、パルス周期の再設定モードへの遷移を決定する（ステップＳ１）。すなわち、基準値Ｐを下回った場合にパルス周期の設定モードに遷移し、パルス周期を再設定する。そうでない期間は、通常動作モードを維持する。
【００３８】
図６は、パルス周期の再設定モードに遷移後の動作手順をフローチャートにしたものである。ここでは第１の決定方法について示してある。最初に現在のパルス周期Ｔ０を確認する（ステップＳ３）。これは内部メモリの記録値、あるいは外部の記録媒体から引用する。次に基準テーブルのテーブル値を参照して、容量回復量が目標値となるパルス周期Ｔｉを現在値よりも短周期側から選択する（ステップＳ５）。次に、この新しいパルス周期Ｔｉの値で電池容量Ｐｉを実際に確認する（ステップＳ６）。容量回復量が目標値の範囲内であれば（ステップＳ６のＹｅｓ）、再設定モードを正常終了したものとして、通常動作モードに遷移する。もし電池容量Ｐｉが目標とする回復量（Ｐ０＋α）に達しない場合（ステップＳ６のＮｏ）は、基準テーブルのテーブル値を参照するモードに戻る。基準テーブルから利用できるパルス周期が無いと判断された場合には（ステップＳ４のＮｏ）、異常もしくは電池寿命を知らせる保守点検モードに遷移する。
【００３９】
本実施形態の充放電装置、これを適用した蓄電システム１０によれば、電池モジュール１８の充放電サイクルに応じて充電または放電のパルス周波数を設定する。適切なパルス周波数で二次電池のパルス充電またはパルス放電を行うことができるので、パルス充電またはパルス放電のスイッチング損失を最小化できる。これにより、蓄電システム１０全体の電力効率の低下を最小化し、かつ電池モジュール１８の容量を最大化することができる。
【００４０】
高電力効率、大きな実行容量、かつサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池システムの充放電制御方法を提供できる。パルス電流の切替え時の電力損失を最小化してシステム全体の電源効率を改善し、かつ電池寿命を最大化できる。
【００４１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、および二次電池の充放電方法について説明する。第２実施形態による、二次電池の充放電装置や蓄電システムの構成は、第１実施形態とほぼ同様なため詳細な説明を省略する。
【００４２】
本実施形態では、二次電池の劣化度合いに応じてパルス周波数を変更する。劣化度合いの尺度としては、二次電池の容量維持率、ＳＯＨ（State Of Health）などがある。
【００４３】
サイクルに応じたパルス充放電電流のパルス周波数は、容量維持率の検出機構の出力に基づいて基準テーブルから算出される。二次電池の容量維持率の検出には、現在の最大電流容量が必要である。その取得には、一般的な蓄電システムに実装されている、フル放電後のフル充電による電流値を計測することによって電池容量を再取得（リフレッシュ充放電）する方法や、内部インピーダンスの増加量から容量維持率を推定する方法（ＳＯＨ推定）等を利用する。
【００４４】
本実施形態の充放電装置、これを適用した蓄電システム１０によれば、電池モジュール１８の劣化度合いに応じてパルス周波数を充電または放電のパルス周波数を設定する。適切なパルス周波数で電池モジュール１８のパルス充電またはパルス放電を行うことができるので、パルス充電またはパルス放電のスイッチング損失を最小化できる。これにより、蓄電システム１０全体の電力効率の低下を最小化し、かつ電池モジュール１８の容量を最大化することができる。
【００４５】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、および二次電池の充放電方法について、説明する。第３実施形態による、二次電池の充放電装置や蓄電システムの構成は、第１実施形態や第２実施形態とほぼ同様なため詳細な説明を省略する。
【００４６】
本実施形態では、充放電サイクルに応じて充電または放電のパルス周波数を設定する。テーブルを読み出し、パルス充電またはパルス放電のパルス周波数を決定する。その際、充放電レートごとや環境温度ごとにテーブルを作成しておく。
【００４７】
本実施形態の動作として、二次電池の充放電方法を説明する。二次電池の充電においては充電レートを取得し、二次電池の充電においては放電レートを取得する。取得した充電レートまたは放電レートに対応する基準テーブルを読み出す。以下動作は、本発明の第１実施形態と同様である。
【００４８】
本実施形態の充放電装置、これを適用した蓄電システム１０によれば、第１実施形態と同様に、電池モジュール１８の充放電サイクルに応じて充電または放電のパルス周波数を設定する。適切なパルス周波数で電池モジュール１８のパルス充電またはパルス放電を行うことができるので、パルス充電またはパルス放電のスイッチング損失を最小化できる。これにより、蓄電システム１０全体の電力効率の低下を最小化し、かつ電池モジュール１８の容量を最大化することができる。
【００４９】
さらに本実施形態では、充放電レートごとや環境温度ごとに作成された基準テーブルを参照して、パルス周波数を設定する。これにより、充放電レートや環境温度も加味して設定した適切なパルス周波数でパルス充電やパルス放電を行うことができる。
【００５０】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態による二次電池の充放電装置、二次電池を用いた蓄電システム、および二次電池の充放電方法について、説明する。第４実施形態による、二次電池の充放電装置や蓄電システムの構成は、第１実施形態乃至第３実施形態とほぼ同様なため詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施形態では、二次電池の充放電サイクル数に応じてパルス周波数を設定すると共に、１回の充電または放電の中でパルス周波数を変更する。
【００５２】
１回の充電または放電の中でのパルス周波数の変更は、充放電時の電流量変化に応じて行う。利用状況によって電池の充放電電流量が変化するため、あるサイクル内においてもその電流量の変化に応じてパルス充放電による充放電容量の回復量が変化する。
【００５３】
特に高レートの充放電時には、その傾向が顕著となる。その結果、初期設定したパルス周期では、容量維持率の下限値を超えてしまうことも考えられる。本実施形態では、上述の充放電サイクル数に応じた初期パルス周波数の選択に加えて、電流量が大きく変化した場合には電池制御回路１４が再度外部記憶装置やＲＯＭにアクセスする。電池制御回路１４は、現電流値に対応する電流量に近い基準テーブルを参照してパルス周期を更新する。そして電池制御回路１４は、更新されたパルス周期で電池モジュール１８の充放電を行う。
【００５４】
その結果、さらに最適なパルス周波数を設定することができ、最小限のスイッチング周波数で充放電容量を回復することができる。
【００５５】
上記のパルス周波数の切替えは、充放電電流を測定している電流値に基づいて行われる。一般的に残量推定や過電流保護のため電池監視回路１７において電流値は常時モニタされている。この電池監視回路１７がモニタした測定値に基づいて、パルス周波数を切替えることができる。またパルス周期は、マイコンの電流取得周期ごとに連続的に切り替えることも、段階的に切り替えることも可能である。例えば、Ｃレート（電流値／初期電流容量）が整数値で変化した時に切り替えるなど段階的に変化させることで、マイコンの演算資源を削減することができる。
【００５６】
以上の手法について、あるサイクルでの容量維持率が仕様の下限値未満となった場合の実行手順の一例を、下記(1)〜(5)として示す。
(1) 充放電開始前に、図６の手順に基づいて本サイクルでの初期パルス周期設定を完了
(2) 充放電開始
(3) 電流値を常時監視し、その電流値が設定閾値をまたいだ場合、その設定閾値に応じて再度テーブルを参照
(4) 上記テーブルから容量維持に必要な回復量を満たすパルス周期を設定
(5) パルス充放電を再開し、電流値の監視を継続
再度、電流値が次の設定閾値をまたいだ場合には、上記(3)以降の手順を繰り返す。
【００５７】
本実施形態の充放電装置、これを適用した蓄電システム１０によれば、第１実施形態と同様に、電池モジュール１８の充放電サイクルに応じて充電または放電のパルス周波数を設定する。適切なパルス周波数で電池モジュール１８のパルス充電またはパルス放電を行うことができるので、パルス充電またはパルス放電のスイッチング損失を最小化できる。これにより、蓄電システム１０全体の電力効率の低下を最小化し、かつ電池モジュール１８の容量を最大化することができる。
【００５８】
さらに本実施形態では、１回の充電または放電の中でパルス周波数を変更するものである。また、１回の充電または放電の中でのパルス周波数の変更は、充放電時の電流量変化に応じて行うものである。また、充放電レートごとや環境温度ごとに作成された基準テーブルを参照して、パルス周波数を設定するものである。これにより、さらに最適なパルス周波数を設定することができ、最小限のスイッチング周波数で充放電容量を回復することができる。より一層、蓄電システム１０全体の電力効率の低下を最小化し、かつ電池モジュール１８の容量を最大化することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例により、本発明の実施形態の作用効果を説明する。【００６０】
＜実施例１＞
リチウムイオン二次電池として正極活物質にマンガン酸リチウムとニッケル酸リチウムとの混合物、負極活物質に非晶質炭素を用いた５Ａｈの積層型ラミネート型セルを用いた。図２のシステム構成と図５〜６の制御手順に従い、定電流でのパルス放電によるサイクル試験において、本発明の実施例を適用してその効果を調べた。【００６１】
放電条件としてパルス放電電流４５Ａ（９Ｃ）、Ｄｕｔｙ０．５、パルス周期の初期値を、平均レート（パルス放電電流２２．５Ａ、Ｄｕｔｙ１）と同等の性能が得られる２秒に設定した。なおここで、満充電状態のリチウムイオン二次電池を１時間で完全放電状態にする放電（充電）レートが１Ｃである。また充電条件は定電流−定電圧制御（定電流５Ａ、４．１Ｖで定電流制御から定電圧制御に切替え、定電圧制御の下限電流０．５Ａ）として、パルス放電の下限電圧は３Ｖとした。ここでパルス周期の再設定を行う初期からの放電容量維持率の基準値を８０％（許容上限範囲＋３％）、パルス周期変更による容量回復率を＋１０％（許容上下限範囲±２．５％）とした。【００６２】
図７は、本発明の実施例１と比較例のサイクル寿命特性を示すグラフである。図７は、充放電のサイクル数に対する放電容量維持率を示す。放電容量維持率は、初期放電容量に対するサイクル数後の放電容量の維持率である。図８は、本発明の実施例１と比較例のパルス電流のオン／オフのスイッチング回数を示すグラフである。【００６３】
図７に示すように、基準値を下回った２００サイクルで、本発明の実施例に基づいてパルス周期の再設定を行った。参照テーブルからパルス周期を０．２秒に設定したところ、目標範囲内である８．６％の容量回復が得られた。さらに２００サイクルでの変更基準値まで通常動作を行い、５００サイクルで終了した。参照テーブルは、図４に示すパルス周期と充放電容量との関係を示す模式図から作成した。【００６４】
＜比較例＞
比較例として初期のパルス周期を０．２秒とした以外、同じ充放電条件で５００サイクルまで通常動作を行った。【００６５】
本発明の実施例１によれば比較例との比較結果から、必要とする電池容量を維持しつつ、５００サイクルの時点で比較例よりスイッチング損失（回数）を減らすことができていることが、図７および図８から理解できる。（表１）には、本発明の実施例と比較例でのサイクル数に対するスイッチング回数の比を示す。（表１）に示したとおり、１〜５００までの全サイクルにわたってスイッチング回数を少なくとも４３．４％減少することができた。また初期の放電容量を基準にしたサイクル寿命は、本発明の実施例１の方が約２倍長くなった。
［表１］
2017022251.tif 000003
【００６６】
図９は、本発明の実施例１と比較例によるサイクル寿命特性を示すグラフである。サイクル寿命特性として、平均レート初期放電容量に対する、放電容量維持率を示す。パルス周期を短くすると容量を増やすことができるので、初期容量の絶対値としてサイクル寿命を比較した。電池には個体差があるため、ここでは平均レート（２２．５Ａ、Ｄｕｔｙ１）の初期値を１００％とした場合の電池容量の維持率を、本発明の実施例１と比較例について図９に示した。両者のサイクル寿命はほぼ同等とみなせるので、スイッチング損失の低減の分だけ、本発明の実施例１の方が、蓄電システムの電源効率は高くなったといえる。【００６７】
＜実施例２＞
本発明の実施例１と同様にパルス放電で、本発明の実施形態の効果を検証した。ここではパルス周期を段階的に再設定する方法で行った。環境温度を０℃とした。【００６８】
基準値を下回った１００サイクルで、室温での基準テーブルの傾向に従いパルス周期を現在値の１秒から半分の０．５秒に設定したところ、約＋２．８％の容量回復が得られた。次いで１／２の０．２５秒に再設定したところ、＋７．６％の容量回復が得られ、目標値に達したので、通常動作に切り替えた。この場合、必要とする電池容量を維持して単一パルス周期（０．２５秒）での動作と比較して２００サイクルの時点でパルス周期のスイッチング損失（回数）を６０％程度減少することができた。【００６９】
以上から、本発明の実施形態の制御方法によって電池容量とサイクル寿命を最大化して、パルス充放電の課題であるパルス切替えによるスイチング損失を最小化して電源効率を改善できたといえる。【００７０】
以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二次電池としてはリチウムイオン電池に限らず、類似したカチオンを移動させる非水系二次電池に適用することができる。【００７１】
上述した実施形態の充放電装置や蓄電システム１０は、図１（ｂ）に示すような、スイッチ手段２を制御するための、ハードウェアまたはソフトウェアによる構成によっても実現され得る。任意のコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）７、メモリ８、メモリ８にロードされたプログラム、そのプログラムを格納するハードディスク等の記憶ユニット、ネットワーク接続用インターフェースを中心に、ハードウェアとソフトウェアの任意の組合せによって実現される。【００７２】
言い換えると、コンピュータの一例としてのＣＰＵ７に、所定のパルス周波数でスイッチ手段２をオン／オフさせて二次電池４を充電又は放電する処理を実行させる二次電池の充放電プログラムを用いて、本発明は実現され得る。その際、二次電池の充放電プログラムは、二次電池４の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行わせる。【００７３】
ここで上記プログラムは、あらかじめ装置を出荷する段階からメモリ内に格納されているプログラムのほか、ＣＤ（Compact Disc）等の記憶媒体やインターネット上のサーバ等からダウンロードされたプログラムも含む。そして、その実現方法、装置にはいろいろな変形例があることは、当業者には理解されるところである。【００７４】
また、本実施形態の説明において利用する機能ブロック図は、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。これらの図においては、各システム、装置は１つの機器により実現されるよう記載されているが、その実現手段はこれに限定されない。すなわち、物理的に分かれた構成であっても、論理的に分かれた構成であっても構わない。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。【００７５】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電装置であって、
上記パルス充電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら上記二次電池を充電し、上記パルス放電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら上記二次電池を放電するスイッチ手段と、上記スイッチ手段の上記オン／オフを制御する制御手段と、を備え、
上記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で上記パルス充電又は上記パルス放電を行う、二次電池の充放電装置。
（付記２）充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、充電又は放電の上記パルス周波数を変更する、付記１に記載の二次電池の充放電装置。
（付記３）上記二次電池の劣化度合いに応じて上記パルス周波数を変更する、付記１に記載の二次電池の充放電装置。
（付記４）上記二次電池の放電レート又は充電レートによってテーブルを判断する、付記１乃至付記３のいずれか一つに記載の二次電池の充放電装置。
（付記５）上記二次電池の１回の充電中又は放電中に上記パルス周波数を変更する、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載の二次電池の充放電装置。
（付記６）二次電池と、充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池を充電し、放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電においては所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池を放電するスイッチ手段と、上記スイッチ手段の上記オン／オフを制御する制御手段と、を備え、
上記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数でパルス充電又はパルス放電を行う、蓄電システム。
（付記７）充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、充電又は放電の上記パルス周波数を変更する、付記６に記載の蓄電システム。
（付記８）上記二次電池の劣化度合いに応じて上記パルス周波数を変更する、付記６に記載の蓄電システム。
（付記９）上記二次電池の放電レート又は充電レートによってテーブルを判断する、付記６乃至付記８のいずれか一つに記載の蓄電システム。
（付記１０）上記二次電池の１回の充電中又は放電中に上記パルス周波数を変更する、付記６乃至付記９のいずれか一つに記載の蓄電システム。
（付記１１）充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電方法であって、
所定のパルス周波数でオン／オフしながら二次電池を充電又は放電し、
上記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で上記パルス充電又は上記パルス放電を行う、二次電池の充放電方法。
（付記１２）上記充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、充電又は放電の上記パルス周波数を変更する、付記１１に記載の二次電池の充放電方法。
（付記１３）上記二次電池の劣化度合いに応じて上記パルス周波数を変更する、付記１１に記載の二次電池の充放電方法。
（付記１４）上記二次電池の放電レート又は充電レートによってテーブルを判断する、付記１１乃至付記１３のいずれか一つに記載の二次電池の充放電方法。
（付記１５）上記二次電池の１回の充電中又は放電中に上記パルス周波数を変更する、付記１１乃至付記１４のいずれか一つに記載の二次電池の充放電方法。
（付記１６）充電と充電の休止とを交互に繰り返すパルス充電、又は放電と放電の休止とを交互に繰り返すパルス放電を行う二次電池の充放電プログラムであって、
コンピュータに、
所定のパルス周波数でオン／オフしながら上記二次電池を充電又は放電する処理を実行させ、
上記二次電池の充放電サイクル数に応じたパルス周波数で上記パルス充電又は上記パルス放電を行う、二次電池の充放電プログラム。
（付記１７）上記充放電サイクル数が所定の回数以上の場合に、充電或いは放電の上記パルス周波数を変更する、付記１６に記載の二次電池の充放電プログラム。
（付記１８）上記二次電池の劣化度合いに応じて上記パルス周波数を変更する、付記１６に記載の二次電池の充放電プログラム。
（付記１９）上記二次電池の放電レート又は充電レートによってテーブルを判断する、付記１６乃至付記１８のいずれか一つに記載の二次電池の充放電プログラム。
（付記２０）上記二次電池の１回の充電中又は放電中に上記パルス周波数を変更する、付記１６乃至付記１９のいずれか一つに記載の二次電池の充放電プログラム。
（付記２１）リチウムイオン二次電池に接続された負荷に電力を供給し、外部電源から電力の供給を受けるリチウムイオン二次電池システムであって、前記リチウムイオン二次電池との電力受給をパルス動作と連続動作の両方を行うための切替え制御部を備え、電池容量が基準値よりも下回った場合にパルス周期を現在値よりも短周期側に再設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
（付記２２）付記２１に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、パルス周期と電池容量との線形、あるいは非線形の関係式を内部データ、もしくは外部データから参照して、パルス周期の再設定値を決定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
（付記２３）付記２１に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、電池容量が基準値よりも下回った場合にパルス周期を段階的に変化させて電池容量を計測して、電池容量が目標値に達した時のパルス周期に再設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム
（付記２４）付記２１又は付記２３に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
再設定したパルス周期での電池容量が目標値を満たす場合には運転を継続することを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。
（付記２５）付記２１又は付記２３に記載のリチウムイオン二次電池システムであって、
目標とする電池容量を満たすパルス周期がみつからない場合には、停止もしくはアラーム信号を出すことを特徴とするリチウムイオン二次電池システム。【００７６】
この出願は、２０１５年８月６日に出願された日本出願特願２０１５―１５５８８４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。
【符号の説明】
【００７７】
１    充放電装置
２    スイッチ手段
３    制御手段
４    二次電池
５、２０    外部電源
６、３０    負荷
７    ＣＰＵ
８    メモリ
１０    蓄電システム
１１    放電スイッチ
１２    充電スイッチ
１３    電池充電回路
１４    電池制御回路
１５    高圧遮断器
１６    バイパス
１７    電池監視回路
１８    電池モジュール
【図１】
2017022251.tif 000004
【図２】
2017022251.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017022251.tif 000010
【図８】
2017022251.tif 000011
【図９】
2017022251.tif 000012
【国際調査報告】
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2017022251.tif 000014
2017022251.tif 000015
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