(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を充電、放電またはバイパスする回路を任意に切り替える切替手段と、前記切替手段を入切制御する切替制御手段と、
前記二次電池を充電または放電する電源と、
前記二次電池、前記切替手段および前記切替制御手段を１ユニットとし、複数の前記ユニットと前記電源とを直列に接続して直列回路を構成し、
前記切替手段は、前記直列回路と前記ユニットとの２つの接続点のうち、
一方の前記接続点から並列に接続された第１のスイッチと第２のスイッチと、
他方の前記接続点から並列に接続された第３のスイッチと第４のスイッチとを備え、
前記第１のスイッチと第３のスイッチの他端を前記二次電池の正極に接続し、前記第２のスイッチと第４のスイッチの他端を前記二次電池の負極に接続したことを特徴とする充放電試験装置。
【請求項２】
前記切替手段により前記二次電池をバイパスする回路にすることにより、前記直列回路が通電状態で前記二次電池を充放電試験装置から脱着できることを特徴とする請求項１に記載の充放電試験装置。
【請求項３】
前記複数のユニットのうち、所定のユニットを前記切替手段により充電状態にし、別の所定のユニットを前記切替手段により放電状態にし、充電と放電を同時に実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の充放電試験装置。
【請求項４】
前記ユニットは、さらに前記二次電池の電圧を測定する電圧測定手段を備え、測定した電圧値を前記切替制御手段に入力することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の充放電試験装置。
【請求項５】
前記ユニットは、さらに前記二次電池に流れる電流を測定する電流測定手段を備え、測定した電流値を前記切替制御手段に入力し、前記切替制御手段は、前記二次電池に流れる電流が所定の電流値となるように前記切替手段をＰＭＷ制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の充放電試験装置。
【請求項６】
前記電源は、回生電源であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の充放電試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、二次電池を充電または放電し、二次電池の活性化や性能試験を行う充放電試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、充電可能なリチウムイオン電池等の二次電池は様々な電気機器や電子機器に広く使用されている。また、環境保護や石油資源の枯渇などの問題から、二次電池を駆動源とした電気自動車など、利用範囲はますます拡がってきている。そのため、二次電池の技術開発は急速に進展おり、エネルギー密度の向上、小型化、軽量化、長寿命化などが図られている。一方で、その製造工程は非常に高い加工精度が要求されるようになってきており、信頼性の確保が重要になっている。一般に、リチウムイオン電池などは単一の電池では出力電圧値が低くその用途が限られてしまうため、高出力を確保するために単電池を直列に組み合わせた組電池の状態で使用されることが多いが、電池製造時の充放電試験では、組電池の中の１つの電池が不良となった場合でも組電池全体の性能に影響を及ぼすため、個々の電池について全数検査を行っている。また、こうした二次電池は、組立て後に内部の電極を活性化する必要があり、そうした目的でも複数回の充放電試験が個々の電池について実施されている。【０００３】  二次電池の活性化や性能検査では、単電池を任意の電流で充電・放電をする必要があり、充電方法として、直列充電、並列充電、単独充電などがある。リチウムイオン電池などは、過充電・過放電に弱く、定められた電圧範囲内で使用しなければ容量の低下や異常発熱を起こす。単電池を直列に配した組電池を充放電する場合は、単電池毎の電圧を監視し、単電池間の電圧バランスに差が生じた場合は、過充電・過放電になる前に該当の電池をバイパスして充放電しない方式（例えば、特許文献１参照。）や、充電を一時中断し電圧の高い単電池を抵抗や電流制御回路により放電することで電池間の電圧のバランスを整える充放電方式（例えば、特許文献２参照。）があるが、電池製造時の充放電試験では電池性能のばらつきが多いため直列充電は使用されていない。また並列充電については低電圧のまま大電流化するため効率が大幅に低下するため使用されていない。現在、電池製造時の充放電試験では単独充電が主流となっている。また、単独で電池を放電する場合は、電池の内部抵抗や回路の配線抵抗の影響で十分に放電しない場合があり、それを回避するために放電用にバイアス電圧を設ける方式（例えば、特許文献３参照。）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１６３０６０号公報
【特許文献２】特開平８−０１９１８８号公報
【特許文献３】特開平１０−１９１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  二次電池の量産工場における検査では、大量の二次電池について充放電を繰り返し行うため、充放電試験に使用される電力消費量も多くなる。しかしながら現在主流の単独充放電による充放電試験装置では、放電電力が再利用されずに熱エネルギー等へ変換されたり、所定の電圧値まで放電するためにバイアス電源を設けてさらに電圧をかける必要があり、電力使用効率が悪いという問題があった。【０００６】  そこで、本発明は、個々の二次電池の充放電試験をするにあたり低消費電力で試験できる充放電試験装置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】
【０００７】  上記目的を達成するために、本発明の充放電試験装置は、二次電池を充電、放電またはバイパスする回路を任意に切り替える切替手段と、前記切替手段を入切制御する切替制御手段と、前記二次電池を充電または放電する電源と、前記二次電池、前記切替手段および前記切替制御手段を１ユニットとし、複数の前記ユニットと前記電源とを直列に接続して直列回路を構成し、前記切替手段は、前記直列回路と前記ユニットとの２つの接続点のうち、一方の前記接続点から並列に接続された第１のスイッチと第２のスイッチと、他方の前記接続点から並列に接続された第３のスイッチと第４のスイッチとを備え、前記第１のスイッチと第３のスイッチの他端を前記二次電池の正極に接続し、前記第２のスイッチと第４のスイッチの他端を前記二次電池の負極に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】  本発明によれば、個々の二次電池の充放電試験をするにあたり低消費電力で試験できる充放電試験装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明にかかる充放電試験装置の第一の実施の形態の全体構成を示した図。
【図２】ユニット４を詳細に示した図。
【図３】本発明の実施形態の充放電試験装置が消費電力を低減し効率を良くすることを説明する図。
【図４】電圧Ｖ２と効率ηの関係を示したグラフ。
【図５】本発明の実施形態の充放電試験装置が消費電力を低減し効率を良くすることを説明する図。
【図６】バイアス電源Ｃ２を追加した図。
【図７】端子電圧Ｖ２の電池Ｂ１と端子電圧Ｖ３の電池Ｂ２を極性を反転して直列接続した図。
【図８】電池Ｂ１及び電池Ｂ２が複数の直列接続の場合を示す図。
【図９】外部に開始時間を制御する装置を準備した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  以下、本発明にかかる充放電試験装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図９は、本発明を実施する形態の一例を示したものであって、これらの図によって本発明が限定されるものではない。図１は、本発明にかかる充放電試験装置の第一の実施の形態の全体構成を示した図である。充放電試験の対象である二次電池１には切替手段であるスイッチ２（２ａ〜２ｄ）が接続されている。さらにこのスイッチをオン／オフさせるための指令を与える切替制御部３があり、これら二次電池１とスイッチ２ａ〜２ｄと切替制御部３とを１単位とするユニット４（４ａ、４ｂ、・・・、４ｎ）が試験対象の二次電池１の個数分直列に接続され、さらに二次電池１を充放電する電源装置５が直列に接続されている。
【００１１】  スイッチ２ａ〜２ｄは、例えばトランジスターなどのスイッチング素子であり、切替制御部３からの指令によりオン／オフ動作を行う。ここで、スイッチ２ａとスイッチ２ｂは直列回路上の電源装置５のプラス側とユニット４ａとの接続点から並列に接続され、スイッチ２ｃとスイッチ２ｄは直列回路上の電源装置５のマイナス側とユニット４ａとの接続点から並列に接続されており、スイッチ２ａとスイッチ２ｃの他端は二次電池１の正極に接続され、スイッチ２ｂとスイッチ２ｄの他端は二次電池１の負極に接続されている。このような構成にすることにより、スイッチ２ａ〜２ｄのオン／オフの組み合わせにより二次電池１を充電、放電、バイパスする回路を構成することができる。
【００１２】  充電回路にするには、スイッチ２ａ，２ｄをオン、スイッチ２ｂ，２ｃをオフにすれば良く、二次電池１が直列回路に充電方向に接続される状態となる。
【００１３】  放電回路にするには、スイッチ２ｂ，２ｃをオン、スイッチ２ａ，２ｄをオフにすれば良く、二次電池１が直列回路に放電方向に接続される状態となる。
【００１４】  バイパス回路にするには、スイッチ２ｂ，２ｄをオン、スイッチ２ａ，２ｃをオフに、あるいはスイッチ２ａ，２ｃをオン、スイッチ２ｂ，２ｄをオフにすれば良い。この状態のとき、全体回路としては通電状態にあるにもかかわらず、二次電池１の着脱を自由に行うことができる。
【００１５】  このように、二次電池１の充電回路、放電回路またはバイパス回路が、全体の直列回路を遮断することなく任意に実施することができる。
【００１６】  図２はユニット４を詳細に示した図であり、図１と同一または相当部分には同一符号を付している。スイッチ２ａ〜２ｄはスイッチング素子としてトランジスターを使用した場合を表している。また、二次電池１に流れる電流を測定する電流計Ｉ１と二次電池１の電圧を測定する電圧計Ｖ１とスイッチ２ａ〜２ｄのオン／オフを制御する切替制御部３から構成される。切替制御部３は、中央処理装置やメモリー等から成るパソコンやマイコン等により構成され、スイッチ２ａ〜２ｄに対してオン／オフの指令を与えることができ、充電、放電、バイパス回路を任意に、または二次電池１の電流値や電圧値を条件に切り替えることができる機能を有する。さらに、切替制御部３は、スイッチ２ｃ，２ｄをＰＷＭ制御することで、二次電池１に流れる電流を任意制御できる。
【００１７】  充電モードは、スイッチ２ａ，２ｄのみオンすることで、二次電池１を直列回路に充電方向に接続できる。充電電流を制御する場合は、スイッチ２ａを常時オンし、二次電池１に流れる電流が所定の電流値となるように定電流ＰＷＭ制御によりスイッチ２ｄをオン／オフする。このときスイッチ２ｄをオフすると全体の直列回路が遮断されるため、スイッチ２ｃをスイッチ２ｄと反対の動作状態にすることでスイッチ２ａとスイッチ２ｃで二次電池１をバイパスし全体の直列回路が遮断しないようにする。
【００１８】  放電モードは、スイッチ２ｂ，２ｃのみをオンすることで、二次電池１を直列回路に放電方向に接続できる。放電電流を制御する場合は、スイッチ２ｂを常時オンし、二次電池１に流れる電流が所定の電流値となるように定電流ＰＷＭ制御によりスイッチ２ｃをオン／オフする。このときスイッチ２ｃをオフすると全体の直列回路が遮断されるため、スイッチ２ｄをスイッチ２ｃと反対の動作状態にすることでスイッチ２ｂとスイッチ２ｄで二次電池１をバイパスし全体の直列回路が遮断しないようにする。
【００１９】  なお、この定電流ＰＷＭ制御のときのスイッチングによる脈動を防ぐためにリアクトルＬ１、コンデンサＣ１を備えている。
【００２０】  切替制御部３は、電流Ｉ１、電圧Ｖ１の情報により以下の制御を行い、二次電池１について種々の充放電試験と過充電・過放電の防止を行う。
【００２１】  ＜ＣＣ充電、ＣＣ放電＞
充電または放電において二次電池１に流れる電流Ｉ１をＰＷＭ制御により一定に保つ。
＜ＣＣＣＶ充電＞
二次電池１の電圧Ｖ１が、指定された電圧以下の場合は、ＣＣ充電を行い、指定された電圧以上になると指定電圧になるように充電電流を制御する。充電電流が指定電流未満になるとＣＣＣＶ充電を停止する。
＜ＣＣＣＶ放電＞
二次電池１の電圧Ｖ１が、指定された電圧以上の場合は、ＣＣ放電を行い、指定された電圧以下になると指定電圧になるように放電電流を制御する。放電電流が指定電流未満になるとＣＣＣＶ放電を停止する。
＜ＣＰ充電、ＣＰ放電＞
二次電池１への充電電力または放電電力が一定となるように電流Ｉ１をＰＷＭ制御する。このとき二次電池１への充電電力は、Ｉ１×Ｖ１で求める。
＜電圧異常監視＞
二次電池１の電圧Ｖ１が上限を超えるか、下限未満となると充放電を停止し二次電池１を保護する。
【００２２】  次に、本発明の実施形態における充放電試験装置が消費電力を低減し効率を良くする原理を図３〜図８を参照して説明する。
【００２３】  充放電試験装置にかかる問題の１つに低電圧充放電時における充電効率の低下が挙げられる。図３を参照して、いま電圧Ｖ２の二次電池Ｂ１を電源装置Ｃ１で充電する場合を考える。回路の配線抵抗、二次電池Ｂ１の内部抵抗、電源装置Ｃ１のスイッチングロスなど回路上のロス抵抗を全て集約したものを等価的にロス抵抗Ｒとすると、この回路に電流Ｉを流すときに必要な電源装置Ｃ１の出力電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｖ２＋Ｉ・Ｒ                                              ・・・（１）
となり、電源装置Ｃ１からの供給電力Ｐ１は、
Ｐ１＝Ｖ１・Ｉ                                                  ・・・（２）
となり、二次電池Ｂ１への注入電力Ｐ２は、
Ｐ２＝Ｖ２・Ｉ                                                  ・・・（３）
となり、充電効率ηは、
η＝Ｐ２／Ｐ１＝Ｖ２・Ｉ／Ｖ１・Ｉ＝Ｖ２／（Ｖ２＋Ｉ・Ｒ）      ・・・（４）
となる。この関係式は放電においても同様となる。
【００２４】  式（４）のロス抵抗Ｒを仮に１００ｍΩとし、１０Ａ、２０Ａ、５０Ａで充放電を行ったときの、電圧Ｖ２と効率ηの関係をグラフ化すると図４となり、電池電圧Ｖ２が低いほど効率ηが低下することが分かる。これによりリチウム系二次電池の単独充電の電圧は２〜４Ｖと低いため、効率が低い電圧領域で使用していることが分かる。
【００２５】  このように、リチウム系二次電池のように出力電圧が低い場合は単独充電方式では充放電効率が悪くなるという問題があり、式（４）で示したように電池電圧を高めることで充放電の効率が上がることが分かる。これに対し、二次電池を直列に接続し電池電圧を上げれば良いが、二次電池の試験検査においては、組電池にように直列数を固定することはできず、直列回路から個別に自由に着脱できることが要求される。
【００２６】  本発明の実施形態における充放電試験装置では、このための手段として、図１，図２に示すように、ユニット４ａ〜４ｎの内部にスイッチ２ａ〜２ｄを設けている。スイッチ２ｂと２ｄのみオンした状態あるいはスイッチ２ａと２ｃのみオンした状態では、二次電池１に電流が流れないため、二次電池１は自由に着脱できる。スイッチ２ａと２ｄのみオンした状態のユニット１が複数存在するときは、その内部の二次電池１は直列接続された状態となり、図４で示す電圧Ｖ２を高くするので充電効率の向上が可能となる。
【００２７】  また、充放電試験装置にかかる別の問題として、低電圧・大電流で放電する場合はバイアス電源が必要となることが挙げられる。図５は電圧Ｖ２の二次電池Ｂ１を電子負荷Ｄ１を使って電流Ｉで放電する場合を説明する図である。ここでいう電子負荷とは、回路に指定された電流が流れるように電子負荷内部の抵抗値を可変できるものとする。回路上のロス抵抗をＲとすると電子負荷Ｄ１の両端の電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｖ２−Ｉ・Ｒ                                              ・・・（５）
となる。電池のエネルギーだけで放電を行うには、Ｖ１＞０である必要があるが、最近の二次電池の高性能化により放電電流が極めて大きくなっており、性能検査においても大電流での放電が必要となっている。Ｉが大きくなると式（５）の右辺が負となる場合があり、このときは電池のエネルギーだけでは放電ができなくなる。このため、図６のようにバイアス電源Ｃ２を追加して強制的に放電方向に電流を流す方式をとっている。図６は図５の回路にバイアス電源Ｃ２を設けた回路を表す図で、このように大電流で放電する場合は放電においてもバイアス電源Ｃ２用の電力を供給する必要があるという問題がある。
【００２８】  このように、大電流で放電するためにバイアス電源を用いることで消費電力が増加するという問題があり、これに対しては図７に示すように、端子電圧Ｖ２の電池Ｂ１と端子電圧Ｖ３の電池Ｂ２を極性を反転して直列接続した場合が考えられる。
【００２９】  この回路に電流Ｉを流すときに必要な電源装置２の出力電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｖ２＋Ｉ・Ｒ−Ｖ３                                          ・・・（６）
となり、電源装置２からの供給電力Ｐ１は、
Ｐ１＝Ｉ・Ｖ１＝Ｉ・（Ｖ２＋Ｉ・Ｒ−Ｖ３）＝Ｉ２・Ｒ＋Ｉ（Ｖ２−Ｖ３）…（７）
となる。Ｖ２＝Ｖ３の場合は、式（７）の供給電力Ｐ１は、Ｉ２・Ｒとなりロス抵抗Ｒで消費する電力だけを供給すれば良いことになる。
【００３０】  Ｖ２＝Ｖ３以外の場合においても、式（７）の供給電力Ｐ１を低減することができることは言うまでもなく、また（Ｖ２＋Ｉ・Ｒ）＜Ｖ３の状態においてはＰ１が負となるが、電源装置Ｃ１を回生可能電源とすることで電源系統への回生が行える。式（７）は、図８に示すように、電池Ｂ１及び電池Ｂ２が複数の直列接続の場合も成り立つ。
【００３１】  本発明の実施形態における充放電試験装置では、直列接続されたユニット４ａ〜４ｎのスイッチ２ａ〜２ｄにより二次電池１の接続方向を反転することができるため、充電と放電の電池が混在する図７，図８の状態となり、式（７）で示したように電源装置５からの供給電力を低減することができる。また電源装置５に回生可能電源を使用すれば（Ｖ２＋Ｉ・Ｒ）＜Ｖ３の状態において電力系統への回生を行うことができる。
【００３２】  さらに、充放電試験装置にかかる別の問題として、直列接続をしても各単電池はそれぞれ異なった電流で制御する必要がある点が挙げられる。これは二次電池の充放電試験において種々の電流値で試験する必要があるからである。この解決手段として、本発明の実施形態では直列接続されたユニット４ａ〜４ｎのスイッチ２ｃ、またはスイッチ２ｄをＰＷＭ制御し指定の電流としている。さらに、スイッチ２ｃとスイッチ２ｄを反対の動作とし、全体の直列回路が遮断しないようにしている。電源装置５は、ユニット４ａ〜４ｎの充放電予定電流を常時監視し、その最大電流を直列回路に流すようにすれば良い。なお、これには各ユニットの二次電池に流れる電流値を全て取り込み、最大電流を判断する構成要素を追加すれば良い。
【００３３】  本発明は、各単電池を任意の電流で充放電し、かつ検査の終了した電池セルを自由に脱着できることから作業効率を向上させることができる。また、全ての電池を充電モードまたは放電モードで使用する場合の効率は、式（３）で示すように直列接続による電圧Ｖ２が高くなるに比例して改善されるので、充放電に必要な外部電力を低減することができる。
【００３４】  充電モードと放電モードが混在した場合は、電源装置５の供給電力が式（７）で示すように低減する。従って、直列接続による高電圧化による効率改善と、放電時の電圧エネルギーを充電時のエネルギーとして利用するという２つの方法により、充放電で消費する電力を削減する効果がある。電池開発時の性能試験においては、同じ電池に対して数百回の充放電検査を行っており、また電池の量産工場においては、電池の活性化や性能試験のために充放電を行う必要があり、どちらも大量な電力を消費している。これらに本発明を適用すれば電力消費を大幅に削減することができる。
【００３５】  充放電の開始時間に制約がない充放電検査においては、図９に示すように、外部に開始時間を制御する装置を準備し、充電と放電の電池数がほぼ同数となるように各単セル電池の充放電開始時間を制御することで、消費電力を効率よく低減することができる。
【００３６】  その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３７】  １…二次電池、２…スイッチ、３…切替制御部、４…ユニット、５…電源装置、Ｉ１…電流計、Ｖ１…電圧計
【図１】
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【図２】
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【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】
0005839168.tif 000008
【図８】
0005839168.tif 000009
【図９】
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