(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電電流入力部と充電電流出力部とタイマスケジューラからなる制御部と、この制御部からの制御信号により、外部電源からの供給電流を受けてリチウムイオン電池を充電する充電回路と前記リチウムイオン電池からの放電電流を外部負荷に出力する放電回路とを形成する充放電処理部を備え、
前記放電電流入力部は、前記リチウムイオン電池の放電期を２区間に弁別するための所定の平衡電位に基づいて前期に計測した第１の放電電荷量Ｑ１と後期に計測した第２の放電電荷量Ｑ２を算出する放電電位弁別部と、放電時の負荷状態を判別する放電状態判定部を有し、前記充電電流出力部は、前記放電電流入力部からの前記第１の放電電荷量Ｑ１と前記第２の放電電荷量Ｑ２と、前記放電状態判定部からの負荷状態から、次式に従って次サイクルの充電電荷量Ｑを演算することを特徴とするリチウムイオン電池の充放電制御装置。
Ｑ＝Ｋ１×Ｑ１＋Ｋ２×Ｑ２
但し、係数Ｋ１とＫ２は負荷状態によって異なる値とする。
【請求項２】
前記放電電流入力部は、前記リチウムイオン電池の放電期を２区間に弁別するための所定の平衡電位を発生するための平衡電位発生部を有し、前記平衡電位発生部からの平衡電位は、充放電サイクル初期のリチウムイオン電池の中間電位、あるいは充放電サイクル期間中に測定したＱｓｏｃ−ＶＢ曲線から求めた平均電荷量の電位値とした請求項１に記載のリチウムイオン電池の充放電制御装置。
【請求項３】
前記放電電流入力部は、前記リチウムイオン電池の放電期を２区間に弁別するための所定の平衡電位を発生するための平衡電位生成部を有し、前記平衡電位生成部は、定常負荷での充電および放電の両動作が残量電荷上限と下限の範囲で繰り返され、放電深度に応じて電池電位ならびに電池残量電荷量が時間的に変動する充放電サイクル過程で、前記平衡電位は、充放電サイクル放電期に計測した放電深度５０％と前記残量電荷下限の量の和から決定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電池の充放電制御装置。
【請求項４】
前記放電電流入力部は、前記リチウムイオン電池の放電期を２区間に弁別するための所定の平衡電位を発生するための平衡電位生成部を有し、前記平衡電位生成部は、充放電サイクル放電期に計測した放電深度を用いて次サイクル期の平均電荷量を算出し、この平均電荷量から前記リチウムイオン電池の残量電荷量に対する電池電位特性から平衡電位を一意的に決定する放電深度−平衡電位テーブルを備え、この放電深度―平衡電位テーブルにより前記平衡電位を生成した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制御装置。
【請求項５】
前記放電状態判定部は、負荷状態を定常負荷と軽負荷と重負荷の３つに判別し、前記負荷状態によって前記係数Ｋ１とＫ２は、下記の値にしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池の充放電制御装置。
（ａ）定常負荷    Ｋ１＝０．７５、Ｋ２＝１．２５
（ｂ）軽負荷      Ｋ１＝０．５、  Ｋ２＝０．５
（ｃ）重負荷      Ｋ１＝１．０、  Ｋ２＝１．０
【請求項６】
前記リチウムイオン電池の充放電制御装置は、リチウムイオン電池が待機もしくは保存状態から定常負荷状態に遷移する場合に、その遷移時の１回に限り、前記リチウムイオン電池を満充電あるいは高充電にするようにした請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池の充放電制御装置。
【請求項７】
前記リチウムイオン電池の充放電制御装置は、低負荷状態から高負荷状態への遷移が予
想される場合に、その遷移時の１回に限り、前記リチウムイオン電池を満充電あるいは高充電にするようにした請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池の充放電制御装置。
【請求項８】
外部電源からの供給電流を受けてリチウムイオン電池を充電する充電回路と前記リチウムイオン電池からの放電電流を外部負荷に出力する放電回路とを切替制御すると共に、前記リチウムイオン電池の放電量に応じた充電を行うよう制御するリチウムイオン電池の充放電制御方法において、
前記リチウムイオン電池の放電期間を所定の平衡電位に基づいて２区間に弁別して、前期に計測した第１の放電電荷量Ｑ１と後期に計測した第２の放電電荷量Ｑ２を算出すると共に、放電時の負荷状態を判別し、前記第１の放電電荷量Ｑ１と前記第２の放電電荷量Ｑ２と前記放電時の負荷状態から、次式に従って次サイクルの充電電荷量Ｑを演算することを特徴とするリチウムイオン電池の充放電制御方法。
Ｑ＝Ｋ１×Ｑ１＋Ｋ２×Ｑ２
但し、係数Ｋ１とＫ２は負荷状態によって異なる値とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リチウムイオン電池の充電電圧、充電電流、放電電圧、放電電流の各物理変数を用いて、リチウムイオン電池への充電ならびにリチウムイオン電池からの放電を制御するリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２０は、リチウムイオン電池（以下ＬＩＢ：Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ）の充電状態ＳｏＣ（Ｓｔａｔｕｓ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）に対応して電池電位ＶＢが変化する一般的な様子を示す。（以下  Ｑｓｏｃ−ＶＢ曲線）。充電状態ＳｏＣは満充電時の容量に対する残存容量の度合いを百分率で表現し、例えば電荷残存容量が満充電時の半分である場合にはＳｏＣ５０％と呼ばれる。
この図２０の曲線において、特に、ＳｏＣが４０％前後の一部電位域（Ｒ１）はフラットとなるため、電荷残量の電位依存性が小さい。またＬＩＢは、製造直後から繰り返される電荷蓄積ならびに充放電のストレスを受け、容量低下、内部抵抗増加、あるいは漏洩電流増加などの劣化に伴ないＱｓｏｃ−ＶＢ曲線が変化する。よって、電池電位から電荷残量の推定には支障となり従来の電圧制御方法による充放電管理を難しくしている。
【０００３】
一般的に、充電と放電を繰り返して使用する場合、その繰り返しサイクル数に限度がある。１００％充電と０％放電を繰り返し使用し、電池電圧が８０％まで低下するサイクル数はＬＩＢのサイクル数限度（以下Ｆ１００％）とされ、普通５００〜１０００回である。この回数を全うすれば、最適サイクル数限度に達したと言えるが、実際には０％まで使い切らないで再充電するから実使用回数は更に多くなる。
このような多数回にわたる充電時にセットする満充電（以下ＳｏＣ１００％と称する。）電位は、その後の充放電サイクル劣化により変化し、電位起点は一定せず変化する問題がある。また、蓄電性の経時劣化、回路制御性や熱環境各要因から高充電状態のＬＩＢは、過充電リスクがある。同様に、ＬＩＢを保存する場合も充電電位は高ＳｏＣ（満充電を含む高充電状態）より低ＳｏＣの方が望ましいが、２．４Ｖまで下げすぎると過放電リスクが生じる。この場合、保存電位は経験的には３Ｖ前後と言われる。
【０００４】
具体的に、ＬＩＢを制御対象とする従来の充放電制御方法および装置に関する３事例を以下に挙げる。
従来の第１の例における充放電制御特性図を図２１に示し、図２１（ａ）は外部負荷変化に対する電池電位ＶＢの特性を、図２１（ｂ）は外部負荷変化に対する残量電荷ＳｏＣの特性を示す。図２１は毎回、満充電を含む十分な電荷量を充電し、放電開始時は常に高い電位状態に設定される。この場合、重負荷や長時間使用によって過放電にならないように放電深度（放電深さ量とも言う）ＤｏＤ（Ｄｅｐｔｈ  Ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）管理が求められる。放電深度ＤｏＤは放電量の度合いを言い、この放電量は放電時間と放電電流から算出される。
従来の第２の例は、ＬＩＢの電荷量を制御量とする充放電制御の例（特許文献１、２を参照）がある。図２２は、サイクル中に取得した充電終期電位Ｖｅｃおよび放電終期電位Ｖｅｄの両電位と、所定の上限電位Ｖｈｉｇｈならびに下限電位Ｖｌｏｗの各設定電位をプロットしたＳｏＣ−ＶＢ特性図である。
【０００５】
ここでは放電期に求めた放電量を補充量として、次サイクルの充電期に同量分を充電するもので、この補充量は、一定しておらず外部負荷に依存して決まる。更に、自己放電ロスなどは調整量として、電圧制御により補充する。従来方法は、図２２に示す電位差ｗ１（上限電位Ｖｈｉｇｈと充電終期電位Ｖｅｃとの差）、電位差ｗ２（下限電位Ｖｌｏｗと放電終期電位Ｖｅｄとの差）の不一致電位量を電荷補正量に変換処理する。
従来の第３の充放電制御の例は、充放電サイクル劣化の点から有利とされる低ＳｏＣ（０．５以下）での充電制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ６２０４６３４Ｂ１公報
【特許文献２】特許第３７６７３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＬＩＢを対象とする充放電制御の方法および手段に関する事例の技術課題を以下に説明する。
第１の従来例は予期しない重負荷に応えるように、毎サイクル時の放電開始電圧を満充電を含む高充電電位に充電にする。ここで、電池電位ＶＢを４．２Ｖから４．１Ｖに少し下げたとしても、高充電状態を維持する限り、劣化の進行及び過充電リスクを伴う。
また放電深度ＤｏＤが浅い場合、各サイクル毎に満充電電位から外部放電を始めるので、結果的に平均電荷残量は高い状態のままである。
【０００８】
この第１の従来例の課題をまとめると次の通りとなる。
ａ）満充電から放電開始する場合、図２１の放電電流特性は、充放電サイクルの平均電荷残量値が高いため電池劣化には不利な条件にある。
ｂ）累積電荷量は劣化と密接な関係があり、充放電サイクル期間中の平均電荷残量を高い状態にしておくことは、電荷蓄積による劣化を進行させる。
ｃ）無負荷もしくは使用頻度の低い条件のＬＩＢを長時間、満充電状態に放置しておくことは、周辺制御回路や熱環境の異変が電池の発煙発火・爆発現象を誘発する過充電リスクを負う。充放電サイクル期間中では、過充電リスクの高い満充電管理をより厳密に行なう必要がある。
【０００９】
第２の従来例は、充放電サイクルの平均電荷量を中ぐらいの電位、例えば３．７Ｖ〜３．９Ｖに設定してから、放電期に放電させた電荷量相当分を充電期に電荷補充する他、自己放電などによる容量喪失分を補正するために一部電圧制御による調整を行なっている。しかし、充放電サイクル中には、Ｑｓｏｃ−ＶＢ曲線の変化を伴うので電池電位ＶＢを所定値に維持制御するのは難しい。図２３は、図２０のＱｓｏｃ−ＶＢ曲線から求めた電池容量変化率の電圧依存特性を示す。図２３は電池電位ＶＢ変化に対する電池容量変化率は非線形であり、電池電位ＶＢの値に依存して７倍もの感度差がある。
【００１０】
第３の従来例による充放電制御の例では、充放電サイクルの制御電位を低ＳｏＣ値、つまり低電圧域に設定した場合には、次の課題がある。
（ａ）低ＳｏＣで電池を使用すると内部抵抗が大きいので、自己発熱に因る温度上昇を伴う。この温度上昇は熱的劣化の遠因となる。
（ｂ）常に電池電位が低電圧領域を推移することになるので、明らかに制御範囲は狭く、制御幅の余裕が少ない。実際に不意の重負荷の場合には過放電を起こす可能がある。
（ｃ）低ＳｏＣ制御による電池の空き容量があると、消費電力対重量比の点から費用効率は高くない。
【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＬＩＢのＱｓｏｃ−ＶＢ曲線が経時劣化しても安定して電荷量制御ができ、過充電ならびに過放電リスクから回避できるリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明のリチウムイオン電池の充放電制御装置は、放電電流入力部と充電電流出力部とタイマスケジューラからなる制御部と、この制御部からの制御信号により、外部電源からの供給電流を受けてリチウムイオン電池を充電する充電回路とリチウムイオン電池からの放電電流を外部負荷に出力する放電回路とを形成する充放電処理部を備え、放電電流入力部は、リチウムイオン電池の放電期を２区間に弁別するための所定の平衡電位に基づいて前期に計測した第１の放電電荷量Ｑ１と後期に計測した第２の放電電荷量Ｑ２を算出する放電電位弁別部と、放電時の負荷状態を判別する放電状態判定部を有し、充電電流出力部は、放電電流入力部からの第１の放電電荷量Ｑ１と第２の放電電荷量Ｑ２と、放電状態判定部からの負荷状態から、次式に従って次サイクルの充電電荷量Ｑを演算するものである。
Ｑ＝Ｋ１×Ｑ１＋Ｋ２×Ｑ２
但し、係数Ｋ１とＫ２は負荷状態によって異なる値とする。
【００１３】
この発明のリチウムイオン電池の充放電制御方法は、外部電源からの供給電流を受けてリチウムイオン電池を充電する充電回路とリチウムイオン電池からの放電電流を外部負荷に出力する放電回路とを切替制御すると共に、リチウムイオン電池の放電量に応じた充電を行うよう制御するリチウムイオン電池の充放電制御方法において、リチウムイオン電池の放電期間を所定の平衡電位に基づいて２区間に弁別して、前期に計測した第１の放電電荷量Ｑ１と後期に計測した第２の放電電荷量Ｑ２を算出すると共に、放電時の負荷状態を判別し、第１の放電電荷量Ｑ１と第２の放電電荷量Ｑ２と放電時の負荷状態から、次式に従って次サイクルの充電電荷量Ｑを演算するものである。
Ｑ＝Ｋ１×Ｑ１＋Ｋ２×Ｑ２
但し、係数Ｋ１とＫ２は負荷状態によって異なる値とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、リチウムイオン電池の放電期間を２つに区切って放電量を分離計量した２つの蓄積電荷量と、放電の負荷状態を例えば、軽負荷と重負荷ならびに定常負荷に判別し、これら２つの蓄積電荷量と負荷状態から次サイクルにおける充電電荷量を算出するアルゴリズムを採用したので、ＬＩＢのＱｓｏｃ−ＶＢ曲線が経時劣化しても安定して電荷量制御ができる効果がある。
また従来方法と異なるサイクル平均電荷量による電荷量制御を行うことで、常にＬＩＢの平均電位を中電位にすることができ、過充電ならびに過放電リスクから回避できる効果がある。また、放電負荷の変動に追従するように、サイクル平均電荷量を自動的に制御させることで、蓄電量の過剰分を徹底排除し、高充電化に伴なう蓄積劣化が緩和できる効果がある。
【００１５】
更にまた、従来例が、簡易な満充電電位や低ＳｏＣ領域を利用したのに対し、この発明では充放電時のサイクル平均電荷量を制御量に用いた放電負荷制御を行ったので、サイクル性ならびに蓄電性の電池ストレスが緩和するように平均充電量を低い方に調整することで、充放電サイクル、保管ならびに待機での蓄積電荷量に起因する容量劣化を軽減させる効果がある。
充放電サイクル時の平均電荷量は、電位換算で中位に設定したので、発熱を伴って急激に電池容器が膨張したり、これに続く安全弁が開放したりして、充電量１００％を超えるか、０％を下回るような充放電状態の電池に対する過充電および過放電リスクを避けることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明のリチウムイオン電池の充放電制御装置の概要図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置の機能ブロック図である。
【図３】図２に示される充放電制御装置に使用される放電電流入力部の具体的構成図である。
【図４】放電負荷状態による３パターンの制御電位の相対関係を示す図である。
【図５】図２に示される充放電制御装置に使用される充電電流出力部の具体的構成図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置における充放電制御動作のタイムダイヤグラムを示す模式図である。
【図７】図６に示す制御動作タイムダイヤグラムの放電期間を拡大した模式図である。
【図８Ａ】図６に示す制御動作タイムダイヤグラムの充放電準備期間に実施の形態１が実施する信号処理フロー図である。
【図８Ｂ】図６に示す制御動作タイムダイヤグラムの充放電準備期間に実施の形態２が実施する信号処理フロー図である。
【図９】この発明の実施の形態１による制御において、平均電荷残量ＳｏＣ５０％条件での放電深度ＤｏＤが１０％から５％に変化した時の充放電サイクル特性を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１による制御において、平均電荷残量ＳｏＣ５０％条件下の放電深度ＤｏＤが５％の時の充放電サイクル特性を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１による制御において、負荷急変時（ＤｏＤ１０％→３０％）の時の充放電サイクル特性を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態２におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置に使用される放電電流入力部の具体的構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態２におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置に使用される制御バイアス電位各量の相対電位を示すＳｏＣ−ＶＢ特性図である。
【図１４】この発明の実施の形態２において、放電負荷量を段階的に変化させた場合の平衡電位Ｖｍの追従特性を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態３におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置に使用される放電電流入力部の具体的構成図である。
【図１６】この発明の実施の形態３において、放電深度ＤｏＤ、平均電荷残量ＳｏＤ、平衡電位Ｖｍとの関係を示すＱＤＯＤ−Ｖｍ変換テーブルの表を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態３において、充電状態ＳｏＣ（ｍｉｎ）に対する放電深度ＤｏＤと平均電荷残量ＳｏＣの関係を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態３において、電池容量変化率の電圧依存特性を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態４におけるリチウムイオン電池の充放電制御装置による初回の充電制御出力特性を示す図である。
【図２０】一般のＳｏＣ−ＶＢ特性を示す図である。
【図２１】従来の充放電制御方法による外部負荷変化に対する放電電位および残量電荷特性の例を示す図である。
【図２２】従来の充放電制御方法で用いる制御バイアス電位各量の相対電位を示すＳｏＣ−ＶＢ特性図である。
【図２３】従来の充放電制御方法による電池容量変化率の電圧依存特性の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法について図１から図１１に基づいて説明する。  図１はこの発明のリチウムイオン電
池（以下、ＬＩＢ）の充放電制御装置の概要図、図２はＬＩＢの充放電制御装置の機能ブロック図、図３はＬＩＢの充放電制御装置の中の放電電流入力部の具体的構成図、図５はＬＩＢの充放電制御装置の中の充電電流出力部の具体的構成図である。
【００１８】
図１において、ＬＩＢ充放電制御装置１００は、ＬＩＢ２００の充電時には外部電源３００からＬＩＢ２００に充電電流を供給し、放電時にはＬＩＢ２００から外部負荷４００に放電電流を出力する。
ＬＩＢ充放電制御装置１００は、制御部２０と充放電処理部３０で構成され、制御部２０から充放電処理部３０に対しては充電時刻信号ＴＣｓｗ、放電時刻信号ＴＤｓｗおよび充電電流信号ＳＩｃなどの制御信号が入力され、充放電処理部３０から制御部２０に対しては電池電位信号ＳＶＢ、放電電流信号ＳＩＤなどの制御信号が入力されるようになっている。これら制御信号については図２で詳しく説明する。
【００１９】
図２は図１に示すＬＩＢ充放電制御装置１００の内部を詳しく説明する機能ブロック図であり、制御部２０は、放電電流入力部２１と充電電流出力部２２とタイマスケジューラ２３の３つのモジュールで構成される。
放電電流入力部２１は、充放電処理部３０から出力される放電電流ＩＤである放電電流信号ＳＩＤ（符号の先頭にＳが付く場合は、その信号を指す場合がある。以下同様）並びにＬＩＢ２００の電池電位ＶＢである電池電位信号ＳＶＢを入力し、放電電荷量Ｑ１である第１の積算放電電荷信号ＳＱ１と放電電荷量Ｑ２である第２の積算放電電荷信号ＳＱ２および負荷状態判別信号Ｓｓｅｌを出力する。この第１の積算放電電荷信号ＳＱ１、第２の積算放電電荷信号ＳＱ２および負荷状態判別信号Ｓｓｅｌについては図３で詳しく説明する。
【００２０】
充電電流出力部２２は、放電電流入力部２１から出力される第１の積算放電電荷信号ＳＱ１と第２の積算放電電荷信号ＳＱ２および負荷状態判別信号Ｓｓｅｌを入力し、次サイクルの充電電流Ｉｃである充電電流信号ＳＩｃを出力する。充電電流信号ＳＩｃは充放電処理部３０に入力される。この充電電流出力部２２の内部構成については図５で詳しく説明する。
タイマスケジューラ２３は、充電期に充放電処理部３０に対して時間制御信号である充電時刻信号ＴＣｓｗを出力し、放電期に充放電処理部３０に対して時間制御信号である放電時刻信号ＴＤｓｗを出力する。また、放電電流入力部２１および充電電流出力部２２に対して時刻開始信号Ｔｔｒｇを出力する。
【００２１】
充放電処理部３０は、充電スイッチ（ＳＷ１）３１と充電電流レギュレータ（Ａ１）３２と放電スイッチ（ＳＷ２）３３と放電電流メータ（Ａ２）３４とで構成されている。
タイマスケジューラ２３が発信する充電時刻信号ＴＣｓｗにより充電スイッチ（ＳＷ１）３１が閉となり、ＬＩＢ２００は外部電源３００から電流供給を受ける充電経路が形成され、タイマスケジューラ２３の指令のもとで充電シーケンスが作動する。このとき、電流レギュレータ（Ａ１）３２は、充電電流出力部２２が出力する充電電流信号ＳＩｃを受けて、充電電流Ｉｃｒｇが一定値の電流供給制御を行う。この充電の間、放電スイッチ（ＳＷ２）３３はスイッチオフの状態のままである。
【００２２】
一方、タイマスケジューラ２３が発信する放電時刻信号ＴＤｓｗにより放電スイッチ（ＳＷ２）３３が閉となり、ＬＩＢ２００から外部負荷４００に電流供給する放電経路が形成され、タイマスケジューラ２３の指令のもとで放電シーケンスが作動する。このとき、放電電流メータ（Ａ２）３４は放電電流ＩＤを計測し、放電電流入力部２１に放電電流信号ＳＩＤとして入力する。この放電の間、充電スイッチ（ＳＷ１）３１はスイッチオフの状態のままである。  
【００２３】
図３は図２に示す放電電流入力部２１の内部詳細図であり、放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂと平衡電位発生部２１Ｄで構成されている。
放電電位弁別部２１Ａは、コンパレータ２１１と第１積分器２１２ａと第２積分器２１２ｂで構成され、ＬＩＢ２００の放電時における電池電位ＶＢである電池電位信号ＳＶＢと、放電電流メータ（Ａ２）３４が計測した放電電流ＩＤである放電電流信号ＳＩＤおよび平衡電位発生部２１Ｄが出力した所定の平衡電位Ｖｍである平衡電位信号ＳＶｍを入力している。
平衡電位発生部２１Ｄは、所定の平衡電位Ｖｍを出力する電源２１８を有し、平衡電位Ｖｍの平衡電位信号ＳＶｍは放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂに出力される。ここで所定の平衡電位Ｖｍとは、充放電サイクルの中間電位であって、定常負荷の場合はこの中間電位を中心に平衡するので平衡電位と呼ぶ。例えばサイクル平均電荷量について、初期のあるいは充放電期間中に測定したＱｓｏｃ−ＶＢ曲線から求めた平均電荷量の電位値とする。
【００２４】
放電電位弁別部２１Ａのコンパレータ２１１は、平衡電位信号ＳＶｍとＬＩＢ２００の放電時における電池電位信号ＳＶＢを連続して比較処理し、ＬＩＢ２００の放電期間を放電前期と放電後期に時間区分する。放電期が前期であると判別すれば、放電前期信号ＴＲＧ１を出力し、後期であると判別すれば放電後期信号ＴＲＧ２を出力する。
コンパレータ２１１が生成する放電前期信号ＴＲＧ１および放電後期信号ＴＲＧ２は、スケジューラ２３からの放電時刻信号ＴＤｓｗと同期した時刻開始信号Ｔｔｒｇを受けて出力し、放電後期信号ＴＲＧ２は、電池電位信号ＳＶＢが所定の平衡電位信号ＳＶｍと一致（ＶＢ＝Ｖｍ）した時点で出力する。
放電が前期か後期かの判断は、平衡電位信号ＳＶｍの電位Ｖｍと電池電位信号ＳＶＢの電位ＶＢの電位差（ＶＢ−Ｖｍ＝ΔＶＢｍ）の極性から、電位差ΔＶＢｍが正の場合（ＶＢ＞Ｖｍ）は放電前期信号ＴＲＧ１がオンとなって前期と判断する。一方、電位差ΔＶＢｍが負の場合（ＶＢ＜Ｖｍ）は放電後期信号ＴＲＧ２がオンとなって後期と判断する。
【００２５】
第１積分器２１２ａは、放電前期信号ＴＲＧ１を受けて、放電電流信号ＳＩｄを積算開始し、放電前期信号ＴＲＧ１がオフになるまで積算動作は続く。この間に第１積分器２１２ａは第１（前期）積分期間で電流積分した第１の積算放電電荷信号ＳＱ１を出力する。同様に、第２積分器２１２ｂは、放電後期信号ＴＲＧ２を受けて、放電電流信号ＳＩｄを積算開始し、放電後期信号ＴＲＧ２がオフになるまで積算動作は続く。この間に第２積分器２１２ｂは第２（後期）積分期間で電流積分した第２の積算放電電荷信号ＳＱ２を出力する。
【００２６】
放電状態判定部２１Ｂは、３つの一時記憶手段である信号ホルダー２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃと一つの放電状態判定器２１７で構成され、ＬＩＢ２００の電池電位信号ＳＶＢと平衡電位信号ＳＶｍを入力して負荷量判別信号Ｓｓｅｌを出力する。
３つの信号ホルダーのうち、信号ホルダー２１３ａは、放電期の電池電位信号ＳＶＢを入力してＬＩＢ２００の放電開始直前に放電初期の充電終電位Ｖｅｃとして充電終電位信号ＳＶｅｃを一時的に記憶する充電終電位ホルダーであり、同様に信号ホルダー２１３ｂは、放電終了直後に電池電位信号ＳＶＢを入力してＬＩＢ２００の放電終了時の放電終電位Ｖｅｄとして放電終電位信号ＳＶｅｄを一時記憶する放電終電位ホルダーである。信号ホルダー２１３ｃは、平衡電位発生部２１Ｄが出力した所定の平衡電位Ｖｍである平衡電位信号ＳＶｍを一時記憶する平衡電位ホルダーである。３つの信号ホルダー２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃによる記憶は、タイマスケジューラ２３からの時刻開始信号Ｔｔｒｇに従ってそれぞれ一時記憶する。
【００２７】
放電状態判定器２１７は、３つの信号ホルダー２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃからの出力である充電終電位信号ＳＶｅｃ、放電終電位信号ＳＶｅｄおよび平衡電位信号ＳＶｍを
入力し、以下の条件式（１）に基づいて、放電時の負荷状態が（ａ）定常負荷、（ｂ）軽負荷、（ｃ）重負荷のいずれであるかの判定を行い、判定結果として負荷量判別信号Ｓｓｅｌを出力する。本処理は、放電終了後の準備期間において３信号が出そろったところで行う。
（ａ）定常負荷：Ｖｅｄ＜Ｖｍ，Ｖｅｃ＞Ｖｍ
（ｂ）軽負荷  ：Ｖｅｄ＞Ｖｍ，Ｖｅｃ＞Ｖｍ          ・・・（１）
（ｃ）重負荷  ：Ｖｅｄ＜Ｖｍ，Ｖｅｃ＜Ｖｍ
【００２８】
図４は３つの放電負荷状態における各制御電位レベル（平衡電位Ｖｍ、充電終電位Ｖｅｃ、および放電終電位Ｖｅｄ）の相対位置が判るようにＱＳＯＣ−ＶＢ曲線上にプロットするか直線で明示した図である。図４（ａ）は充電終電位Ｖｅｃが平衡電位Ｖｍより大、放電終電位Ｖｅｄが平衡電位ＳＶｍより小であるから、（ａ）定常負荷と判断する。図４（ｂ）は充電終電位Ｖｅｃが平衡電位Ｖｍより大、放電終電位Ｖｅｄが平衡電位ＳＶｍより大であるから、（ｂ）軽負荷と判断する。図４（ｃ）は充電終電位Ｖｅｃが平衡電位Ｖｍより小、放電終電位Ｖｅｄが平衡電位ＳＶｍより小であるから、（ｃ）重負荷と判断する。
こうして放電状態判定器２１７は、放電負荷状態を電池電位信号ＳＶＢと平衡電位信号ＳＶｍとの比較処理により、定常負荷、軽負荷、ならびに重負荷の３パターンに状態判別した負荷量判別信号Ｓｓｅｌを出力する。
【００２９】
図５は図２に示す充電電流出力部２２の内部詳細図であり、定常負荷量算出部２２１Ａ、軽負荷量算出部２２１Ｂ、重負荷量算出部２２１Ｃ、セレクタ２２３ならびに充電電流出力算出部２２４で構成されている。セレクタ２２３は放電状態判定器２１７からの負荷量判別信号Ｓｓｅｌの放電状態（定常負荷、軽負荷、重負荷）に応じて、定常負荷量算出部２２１Ａ、軽負荷量算出部２２１Ｂおよび重負荷量算出部２２１Ｃのいずれか１つを選択するものである。
充電電流出力部２２は、放電電流入力部２１からの第１の積算放電電荷信号ＳＱ１、第２の積算放電電荷信号ＳＱ２および負荷量判別信号Ｓｓｅｌを受けて、次サイクル時における充電電流信号ＳＩｃを出力する。
【００３０】
充電電流出力部２２の各負荷量算出部２２１Ａ、２２１Ｂ、２２１Ｃは、放電電位弁別部２１Ａが出力した放電サイクル回数ｉ回目の放電電荷のうち、第１の積算放電電荷量Ｑ１（ｉ）と第２の積算放電電荷量Ｑ２（ｉ）から、放電状態判定器２１７が出力した負荷量判別信号Ｓｓｅｌの放電状態（定常負荷、軽負荷、重負荷）に応じて、次ステップサイクル数（ｉ＋１）回に必要となる充電電荷量Ｑｃ（ｉ＋１）を、式（２）に従って演算して求める。
Ｑｃ（ｉ＋１）＝Ｋ１×Ｑ１（ｉ）＋  Ｋ２×Ｑ２（ｉ）・・・・（２）
ここでＫ１、Ｋ２は負荷量判別信号Ｓｓｅｌによる負荷状態（定常負荷、軽負荷、重負荷）に応じた係数値で、このＫ１、Ｋ２は負荷状態に応じて異なる値を選択する。
そして、充電電流出力算出部２２４は、この充電電荷量Ｑｃである充電電荷信号ＳＱｃと所定の充電時間Ｔｗから次サイクル時における充電電流信号ＳＩｃを決める。
【００３１】
次に、図１〜図３、図５に記載したリチウムイオン電池の充放電制御装置における動作を図６から図８に基づいて説明する。
図６はＬＩＢ充放電制御装置１００の充放電制御動作のタイムダイヤグラム（模式図）であり、図７はＬＩＢ充放電制御装置１００の放電期間における制御動作のタイムダイヤグラムである。
一般にＬＩＢ２００は、外部電源３００および外部負荷４００を接続すれば、繰り返し充放電回数に比例して、また蓄電状態であれば無負荷でも不可逆的な容量低下が進む。このように、充放電回数ｎ並びに、製造直後からの電荷蓄積量Ｑに依存してＬＩＢ２００が
蓄積できる電荷容量Ｃｃｅｌｌは確実に低下していく。
【００３２】
この発明は、ＬＩＢ２００の過充電ならびに過放電リスクを回避し、且つ電池本来の最適サイクル寿命を達成するための充放電サイクル制御技術・手段を提供するものである。
更に、充放電サイクルの平均電荷残量が高い状態では、サイクル性ならびに蓄電性に起因する電池劣化が同時に進むものと考えられることから、負荷変動下での電池に与えるストレスを最小化するように充放電制御を行うことで、余剰容量を削減し軽量効果も期待するところである。
【００３３】
ＬＩＢ充放電制御装置１００の充放電制御動作は図６のタイムダイヤグラムに示すように、待機を除く充電期、放電期、ならびに充放電準備期の３工程からなる。
第１工程の充電期において、制御部２０のタイマスケジューラ２３は、充電時刻信号ＴＣｓｗによる充電信号を送出し、充放電処理部３０の充電スイッチ（ＳＷ１）３１をオンして、外部電源３００からＬＩＢ２００に充電を開始する。このとき電流レギュレータ（Ａ１）３２は、制御部２０の充電電流出力部２２が出力する充電電流信号ＳＩｃを受けて、図６に示す充電電流Ｉｃｒｇが一定値の電流供給制御を行い、外部電源３００からＬＩＢ２００に供給する電流が制御されながら充電をしていき、電池電位ＶＢも上昇していく。
所定の時間経過後もしくは充電条件を満たせば、充電時刻信号Ｔｃｓｗは充電スイッチ（ＳＷ１）３１をオフし、充電を終了する。
【００３４】
続く待機期間後の第２工程である放電期において、タイマスケジューラ２３は放電時刻信号ＴＤｓｗを出力し、充放電処理部３０の放電スイッチ（ＳＷ２）３３をオンして、ＬＩＢ２００から外部負荷４００に放電電流を出力する。タイマスケジューラ２３が出力する放電時刻信号ＴＤｓｗが「ロー」に変化した時点で放電動作を終了させる。放電期間中、放電電流メータ（Ａ２）３４は負荷電流ＩＬから放電電流ＩＤをサンプリング計測し、この放電電流信号ＳＩＤから放電電荷量ＱＤを求める。この放電期は、前期となる第１積分期間と後期となる第２積分期間の２つに分けて放電電荷量を算出する。
【００３５】
ここで、図６の充放電制御動作に係るタイムダイヤグラムの放電期において、電池電位信号ＳＶＢの電池電位ＶＢと平衡電位発生部２１Ｄが出力する所定の平衡電位信号ＳＶｍの平衡電位Ｖｍとの電位比較で、ＶＢ＞Ｖｍならば放電前期信号ＴＲＧ１がオンとなって、第１積分器２１２ａは第１（前期）積分期間で電流積分した第１の積算放電電荷信号ＳＱ１を出力する。
また、電池電位ＶＢと平衡電位Ｖｍの電位比較で、ＶＢ＜Ｖｍならば放電後期信号ＴＲＧ２がオンとなって、第２積分器２１２ｂは第２（後期）積分期間で電流積分した第２の積算放電電荷信号ＳＱ２を出力する。そしてこの第１の積算放電電荷信号ＳＱ１および第２の積算放電電荷信号ＳＱ２を用いて不平衡分を調整量として抽出する。
この積分動作の様子は、図６の第１の積算放電電荷信号ＳＱ１、第２の積算放電電荷信号ＳＱ２の直線的に上昇するランプ関数で模擬的に示している。
【００３６】
図６の放電期における放電信号波形を拡大した図７に基づいて更に説明すると、放電期に時間経過と共に低下するＬＩＢ電位信号ＳＶＢの電池電位ＶＢを連続取得する共に、放電時間を放電開始時刻Ｔ１から平衡電位到達時刻Ｔｋまでの第１積分期間と、平衡電位到達時刻Ｔｋから放電終了時刻Ｔ２までの第２積分期間の２区画に区切って、放電期の前期となる第１積分期間に取得した第１の積算放電電荷信号ＳＱ１ならびに後期となる第２積分期間に取得した第２の積算放電電荷信号ＳＱ２を得る。
次に、第１工程の充電期間と第２工程の放電期間に続く、第３工程の充放電準備期間では、ＬＩＢ制御回路１００はスケジューラ２３に従って、次ステップの充電動作に入る為の事前処理を行う。この処理フローを図８に基づいて説明する。
【００３７】
図８Ａにおいて、次に説明する２つの工程が並行して処理が進む。一つは、次ステップ充電処理のための充電電荷量Ｑｃの算出、もう一つは平衡電位Ｖｍの設定である。放電期におけるこの平衡電位Ｖｍは、充電電荷量Ｑｃに対応する第１（前期）の積算放電電荷量Ｑ１と第２（後期）の積算放電電荷量Ｑ２を分離計量するために設定する弁別レベルのことであり、定常時には、この平衡電位Ｖｍを中心に第１の積算放電電荷量Ｑ１と第２の積算放電電荷量Ｑ２が一致するような充電電荷量Ｑｃが算出されて制御される。
充電電荷量Ｑｃの算出処理において、充電量は、３種類の放電負荷モードである（ａ）定常負荷、（ｂ）軽負荷、（ｃ）重負荷に依存する。
【００３８】
この放電負荷状態の判定処理は、放電状態判定部２１Ｂが行う。図８Ａの左側処理フローにおいて、放電状態判定部２１Ｂの放電状態判定器２１７は、タイマスケジューラ２３からの時刻開始信号Ｔｔｒｇに基づいて、３つの信号ホルダー２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃからの出力である充電終電位Ｖｅｃ、放電終電位Ｖｅｄおよび平衡電位Ｖｍから、式（１）に従って、負荷量判別信号Ｓｓｅｌを出力する。
そして、負荷状態に応じて式（２）の係数Ｋ１、Ｋ２の値を変えるようにしたものである。
この係数Ｋ１、Ｋ２は一例として次に挙げる値を採用する。
（ａ）定常負荷    Ｋ１＝０．７５、Ｋ２＝１．２５
（ｂ）軽負荷      Ｋ１＝０．５、  Ｋ２＝０．５
（ｃ）重負荷      Ｋ１＝１．０、  Ｋ２＝１．０
式（２）による演算は、図５の定常負荷量算出部２２１Ａ、軽負荷量算出部２２１Ｂ、重負荷量算出部２２１Ｃの何れか１つが負荷状態によって選択されて行う。
このように加重係数Ｋ１、Ｋ２とすることで、特に、重負荷では重み係数１に依り充電量を増加させ、軽負荷では充電補給量を５０％削減により平衡電位Ｖｍに緩やかに収束させるなど配慮を行ってより安定な充電電荷量制御ができる効果がある。
【００３９】
図８Ａの右側処理フローは、放電期を前期と後期に分けるための設定電位である平衡電位Ｖｍを求めるもので、当初期待するサイクル平均電荷量Ｑｍについて、初期のあるいは期間中に測定したＱｓｏｃ−ＶＢ曲線から求める。平衡電位Ｖｍはサイクル平均電荷量Ｑｍから一意的に決まり、平衡電位発生部２１Ｄの電源２１８から出力される。定常負荷の場合は、この平衡電位Ｖｍを中心に平衡するので平衡電位Ｖｍと呼んでいる。
【００４０】
図９〜図１１は、この発明によって充放電制御されたものにおいて、平均電荷残量Ｑｓｏｃ５０％相当電位を平衡電位Ｖｍに設定した場合の充放電サイクル制御時の電池電圧ＶＢおよび残留電荷Ｑｓｏｃに関する時間経過特性を示す図で、図９は放電深度ＤｏＤが１０％から５％に変化した場合の応答特性図、図１０は放電深度ＤｏＤが５％以内で変化している場合の応答特性図、図１１は負荷急変時（放電深度ＤｏＤが１０％から３０％に変化した場合）の応答特性図である。
このようにサイクル平均電荷量Ｑｍに相当する設定電位（平衡電位Ｖｍ）を一定に保つ限り、充放電サイクル下の充放電平均電荷量は安定化する。
【００４１】
この実施の形態１の発明は、充放電サイクルにおける電荷残量の時間平均値を平衡電位Ｖｍとして設定電圧値とし、電荷残量の許容範囲で、放電時間を区切って計測した放電電圧開始から予め設定した設定電圧までの第１（前期）の積算放電電荷量Ｑ１と、続く設定電圧から放電終止電圧までの第２（後期）の積算放電電荷量Ｑ２の２つの計測量および負荷状態から式（２）により補充すべき充電電荷量Ｑｃを用いて充電する。
【００４２】
以上のように実施の形態１の発明は、サイクル平均電荷量Ｑｍによる電荷量制御が行えるように常に平均電位を中電位に求めて設定電位である平衡電位Ｖｍを算出し、この平衡電位Ｖｍを基準に放電期を前期と後期に２分して、それぞれ前期放電電荷量Ｑ１と後期放電電荷量Ｑ２を算出する。一方、放電時の負荷条件（定常負荷、軽負荷、重負荷）により重み係数を変えて、次サイクルの充電時における充電電荷量を算出するようにしたから、安定した電荷量補充が可能となり、過充電ならびに過放電リスクから回避できる効果がある。
【００４３】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２に係るリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法を図１２から図１４および図８Ｂに基づいて説明する。
図１２は実施の形態２によるＬＩＢの充放電制御装置の制御部に使用される放電電流入力部２１の具体的構成図である。その他の構成は実施の形態１と同じに付き、構成図およびその説明を省略する。
図１２において、放電電流入力部２１は、放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂと平衡電位生成部２１Ｃで構成される。ここで、放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂは実施の形態１の図３と同じであるが、実施の形態２では実施の形態１の平衡電位発生部２１Ｄの代わりに平衡電位生成部２１Ｃが設けられている。平衡電位生成部２１Ｃは、電荷量加算器２１４、放電深度−平衡電位変換器（ＤｏＤ−Ｖｍ変換器）２１５で構成されている。
【００４４】
この実施の形態２の発明は、実施の形態１と同様に、放電電位弁別部２１Ａは放電中に低下しつつある電池電位ＳＶＢと弁別のための平衡電位Ｖｍとの比較処理において、放電前期の第１の積算放電電荷量Ｑ１ならびに放電後期の第２の積算放電電荷量Ｑ２として放電時間を２つに区切って弁別計量を行う。また、放電状態判定部２１Ｂは、電池電位ＶＢである充電終電位信号ＳＶｅｃと放電終電位信号ＳＶｅｄおよび弁別のための平衡電位Ｖｍとの比較に基づいて、放電時の負荷状態が（ａ）定常負荷、（ｂ）軽負荷、（ｃ）重負荷のいずれであるかの判定を行う。
平衡電位生成部２１Ｃの電荷量加算器２１４は、放電電位弁別部２１Ａの出力である第１の積算放電電荷信号ＳＱ１と第２積算放電電荷信号ＳＱ２を入力し、それらを単純加算して放電深度ＤｏＤに相当する放電電荷信号ＳＱＤＯＤを出力する。ＤｏＤ−Ｖｍ変換器２１５は、放電電荷信号ＳＱＤＯＤを入力して平衡電位Ｖｍを算出する。この算出は以下に詳しく説明する。
【００４５】
充放電サイクルの放電深度ＤｏＤは負荷変動に伴って変動する中で、サイクル平均電荷量Ｑｍもそれに追従して変動するので、次のサイクル時に平衡電位Ｖｍもそれ応じて設定するよう追従制御する必要がある。
実施の形態２では、サイクル放電時に求めた放電深度ＤｏＤ（放電深さ量）とサイクル平均電荷量Ｑｍの２つの物理量において、放電時の放電深度５０％が次サイクル時のサイクル平均電荷量となるように電荷補充する方法・手段を提供する。
このようなサイクル充放電におけるＬＩＢ２００の電荷残量の時間平均値が、それぞれ放電サイクル時の放電深度ＤｏＤの５０％となる電荷量制御する手段では、充放電サイクル下の電池劣化が抑制できるように、ＬＩＢ２００の電荷残量の平均値を設定制御するものである。
実施の形態２における電荷量制御に係るアルゴリズムを以下に説明する。
充放電サイクル中に進む容量低下は、繰り返しサイクルと充電電荷量から決まる総電荷量（Ｑｃｅｌｌ×Ｆ１００％）に関係がある。容量劣化に関する簡易モデル式（３）は、式中第１項はサイクル数に依存する劣化要因、第２項は蓄電電荷量に依存する劣化要因である。
【００４６】
Ｑｃｅｌｌ×Ｆ１００％
∝α１×ｎ×Ｑcell×ＤｏＤ＋α２×Ｑｍ×Ｔlimit
∝α１×Ｔlimit／Ｔｄ×Ｑcell×ＤｏＤ＋α２×Ｑｍ×Ｔlimit                                                               ・・・（３）
ｎ    ：    サイクル数
Ｑcell  ：  電池容量［ＡＨ］
Ｆ１００％ ：  充放電サイクル寿命（ＤｏＤ１００％）［回］
Ｔlimit ：  限界サイクル数［Ｈｒｓ］
Ｔｄ  ：  充放電周期［Ｈｒｓ］
ＤｏＤ  ：  放電深度［％］            Ｑｍ：  平均電荷残量［ＡＨ］
α１  ：  サイクル限界係数          α２：  保存寿命係数
式（３）の限度サイクル数Ｔlimitは電池の使用寿命に寄与する効果係数ＦＯＭ
（Ｆｉｇｕｒｅ−Ｏｆ−Ｍｅｒｉｔ）に置き換えて、次式（４）が導かれる。
【００４７】
【数１】
0006324332.tif 000002
式（４）は、ＬＩＢ２００の劣化寿命が、電池容量Ｑcell、充放電周期Ｔｄ、サイクル平均電荷量Ｑｍに依存することを示す。
実施の形態２による制御手段は、放電量と同量分を充電させる際に、蓄電容量の上限値（ＱＳＯＣ＿ｍａｘ）と下限値（ＱＳＯＣ＿ｍｉｎ）の制約に配慮して、サイクル平均電荷量ＱｍがＱＤＯＤ／２と同量となるように充電制御する。
図１３は制御バイアス電位各量の相対電位を示すＳｏＣ−ＶＢ特性図であり、蓄電容量の上限値（ＱＳＯＣ＿ｍａｘ）は図１３の上限リミット値ＶＵＬに相当し、下限値（ＱＳＯＣ＿ｍｉｎ）は図１３の下限リミット値ＶＬＬに相当する。
【００４８】
ここで実施の形態２における平衡電位生成部２１ＣのＤｏＤ−Ｖｍ変換器２１５は、放電深度ＱＤＯＤと平均電荷量Ｑｍとの関係を、
Ｑｍ＝ＱＤＯＤ／２＋ＱＳＯＣ＿ｍｉｎ  ・・・・・・・（５）
となるように維持する。
これより放電深度ＱＤＯＤから求めた制御すべきサイクル平均電荷量Ｑｍは一意的に平衡電位Ｖｍを決めることができ、平衡電位Ｖｍを出力する。
図８Ｂの右側処理フローは、放電期を前期と後期に分けるための設定電位である平衡電位Ｖｍを求めるもので、放電電圧開始から予め設定した平衡電位Ｖｍまでの第１の放電電荷量Ｑ１と、続く平衡電位Ｖｍから放電終止電圧までの第２の放電電荷量Ｑ２の２つの計測量を加算し、その加算した放電電荷量ＱＤＯＤから式（５）に従って次サイクル期のサイクル平均電荷量Ｑｍを算出し、このサイクル平均電荷量Ｑｍから平衡電位Ｖｍを算出する。
即ち、平衡電位生成部２１Ｃは、定常負荷での充電および放電の両動作が残量電荷上限と下限の範囲で繰り返され、放電深度ＤｏＤに応じて電池電位ＶＢならびに電池残量電荷量ＱＳＯＣが時間的に変動する充放電サイクル過程で、平衡電位Ｖｍは、充放電サイクル放電期に計測した放電深度５０％（ＱＤＯＤ／２）と残量電荷下限の量ＱＳＯＣ＿ｍｉｎの和から決定する。
式（５）を式（４）に代入して、ＦＯＭ値は次式（６）となる。    
【数２】
0006324332.tif 000003
【００４９】
式（５）と式（６）は、各サイクルの負荷状態により異なる放電深度ＱＤＯＤに対応して、平均電荷量Ｑｍをなるべく低い値に設定すれば限界サイクル数Ｔlimitの改善に有利であることを示す。
よって軽負荷の場合、ＬＩＢ充放電制御装置１００は、サイクル平均電荷量Ｑｍ値が低い状態に保つように、Ｑｓｏｃ−ＶＢ曲線を参照してその平衡電位Ｖｍをなるべく低電位に設定する。
図１４は、外部負荷量に依存する放電深度ＤｏＤに対応して最適な平衡電位Ｖｍ（平衡電荷量Ｑｍに相当）にシフトしている様子を模式的に示す例である。
ここで、充放電サイクルでのサイクル平均電荷量Ｑｍと放電深度ＤｏＤに関するＱｓｏｃ−ＶＢ曲線参照手段として、テーブルを利用した離散的な数値配列を用いてもよい。
【００５０】
以上のように実施の形態２の発明は、定常負荷での充電および放電の両動作が残量電荷上限と下限の範囲で繰り返され、放電深度ＤｏＤに応じて電池電位ＶＢならびに電池残量電荷量が時間的に変動する充放電サイクル過程で、ＬＩＢ充放電制御装置は、そのサイクル平均電荷量Ｑｍを制御量として、平衡電位Ｖｍは放電深さ量５０％と残量電荷下限量の和で決定するようにしたから、次サイクル充電期の充電量は適切に行われる。
このように充放電サイクル時のサイクル平均電荷量について、放電負荷量の変動に追従させて制御するので、蓄電量の過剰分を徹底排除し、高充電化に伴う蓄積劣化が緩和できることとなり、充放電サイクルの蓄積電荷量に起因する容量劣化の軽減により電池ストレスが大幅に緩和する効果がある。
【００５１】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法について図１５から図１９に基づいて説明する。
図１５は実施の形態３によるＬＩＢの充放電制御装置の制御部に使用される放電電流入力部２１の具体的構成図である。その他の構成は実施の形態１と同じに付き、構成図およびその説明を省略する。
図１５において、放電電流入力部２１は、放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂと平衡電位生成部２１Ｃで構成される。ここで、放電電位弁別部２１Ａと放電状態判定部２１Ｂは実施の形態１の図３と同じであるが、実施の形態３では実施の形態１の平衡電位発生部２１Ｄの代わりに平衡電位生成部２１Ｃが設けられている。平衡電位生成部２１Ｃは、電荷量加算器２１４、放電深度−平衡電位変換器（ＤｏＤ−Ｖｍ変換器）２１５、および変換係数参照器２１６で構成される。
【００５２】
変換係数参照器２１６は、放電電流量Ｉｄから求めたサイクル平均電荷量Ｑｍに対し予め書き込んだＱＤＯＤ−Ｖｍ変換テーブルを参照して、弁別レベルに使用する平衡電位Ｖｍに変換する数値が記憶されている。具体的な変換テーブルには、フラッシュメモリ等の一時記憶素子が用いられる。
放電負荷量が一定の定常状態ならば、充放電を繰り返すＬＩＢ２００の電荷残量ＱＳＯＣの経過時間特性は、サイクル平均電荷量Ｑｍを中心に安定する。この充放電の安定状態は、放電電流ＩＤならびに電池電圧ＶＢから確認できる。ここに、図２０のＱＳＯＣ‐ＶＢ曲線を参照してサイクル平均電荷量Ｑｍから平衡電位Ｖｍを取得することができる。
一般にＱＳＯＣ‐ＶＢ曲線における残量電荷量ＱＳＯＣの電位ＶＢに対する関数は、図２０に代表するように高次関数で表現される。本案では変換処理に粗な関数近似によるテーブル参照方式を採用する。
【００５３】
実施の形態３の発明において、放電時に取得した放電量ＱＤＯＤを用いて平衡電位Ｖｍに変換する場合、これまでの電荷残量ＳｏＣ−電池電圧ＶＢ変換関数式に替えて、図１６に示す表に掲げるＱＤＯＤ−Ｖｍ数値表の変換テーブルを参照する。図１６の表は、電位範囲を６点で近似表現するが、特性劣化に因る制御への影響はわずかである。
一例として、例えば、放電電荷量がＱＤＯＤ１０％の場合、図１６の表を参照して、平衡電位Ｖｍは３．７２１Ｖが出力される。ここで、１０％〜２０％間のＱＤＯＤ値の場合は、直線内挿に依り決定するか、粗近似で良い場合には２０％値が採用できる。
図１７にＳｏＣ（ｍｉｎ）に対する放電深度ＤｏＤとサイクル平均電荷量Ｑｍの関係を示す。図１７は、両変数の関係は、ＳｏＣ（ｍｉｎ）の値０％〜２０％により異なることを示す。
【００５４】
図１５の電荷量加算器２１４は、放電電位弁別部２１Ａの出力である第１の積算放電電荷信号ＳＱ１と第２の積算放電電荷信号ＳＱ２を入力し、それらを単純加算して放電深度ＤｏＤに相当する放電電荷信号ＳＱＤＯＤを出力する。ＤｏＤ−Ｖｍ変換器２１５は、放電電荷信号ＳＱＤＯＤを入力し、変換係数参照器２１６からの数値信号を参照して、平衡電位信号ＳＶｍを出力する。変換係数参照器２１６には、一例として、図１６の表に示す６組の数値配列データが格納されているテーブルが使用される。
図１６の表は、放電深度ＱＤＯＤが１０％から１００％が放電量の範囲として管理される。ここでは、各放電深度ＱＤＯＤに対応して平均電荷残量Ｑｍは、安定負荷ならばＱＤＯＤ１０％の時はＱｍ１０％、ＱＤＯＤ１００％の時はＱｍ５５％となるよう、上限量と下限量が決められて充放電制御が行われる。
また、この平均電荷残量Ｑｍに対応する平衡電位Ｖｍが一意的に決まるのは自明である。定常負荷の場合は、この平衡電位Ｖｍを中心に平衡するので平衡電位Ｖｍと呼んでいる。
【００５５】
このように実施の形態３の発明においては、制御部２０が充放電サイクル動作時に設定する弁別電位である平衡電位Ｖｍは、サイクル毎の放電深度ＤｏＤから決定するために、それぞれ充放電サイクル放電期に計測した放電負荷の深さ量を用いて、次サイクル期のサイクル平均電荷量Ｑｍを算出し、この平均電荷量ＱｍからＬＩＢ２００の残量電荷量に対する電池電位特性から一意的に決定する平衡電位Ｖｍの変換処理において、ＬＩＢ初期特性Ｑｍ−Ｖｍの離散値表を参照し変換する参照テーブルを用いて平衡電位Ｖｍを生成する。
【００５６】
実施の形態３では、平衡電位生成部２１Ｃが、放電期の放電深度ＱＤＯＤに依存して平衡電位Ｖｍを決定するので、サイクル平均電荷量Ｑｍが変動した場合には、放電深度ＱＤＯＤと一定関係を保つために、平衡電位Ｖｍを追従させる。
サイクル平均電荷量Ｑｍの追従特性は実施の形態２で説明した図１４と同様である。図１４は、定常負荷の範囲で、負荷量が段階的に変化する様子を示す。図１４より放電深度ＤｏＤ値とサイクル平均電荷量Ｑｍ値とは比例関係にある。平衡電位Ｖｍは平均電荷残量Ｑｍに一意的に対応するので、負荷量に応じて段階的に変化する。
【００５７】
この実施の形態３の動作を、簡単に説明すると、放電深度ＤｏＤが小さければ、充放電サイクル下では、平均電荷残量Ｑｍも本案アルゴリズムに依れば、低い状態に設定される。反対に大きくなれば、最大ＳｏＣ５５％を限度として、その平均電荷残量Ｑｍ値を増加させる。
実際に、ランダムな負荷変動に対応して、平衡電位Ｖｍ値は毎サイクル時に追従させるのは必ずしも好ましくない場合がある。このため、低周波フィルターを挿入することで、放電深度ＤｏＤの変化に対する応答追従時間を遅くすることも可能である。
図１８は、定常負荷時を時間拡大した２サイクル分の充放電サイクル図を示す。図１８は、２サイクルとも充電終電位Ｖｅｃおよび放電終電位Ｖｅｄが同じ値なので、平衡電位Ｖｍの追従制御動作はしない。
【００５８】
以上のように実施の形態３の発明は、サイクル充放電の平衡電位Ｖｍを放電負荷量（ＤｏＤ値）に適応して変化させるために、充放電サイクル放電期に計測した放電深度を用いて次サイクル期の平均電荷量を算出し、この平均電荷量からＬＩＢの残量電荷量に対する電池電位特性から平衡電位を一意的に決定する離散的な数値列による放電深度−平衡電位テーブルにより平衡電位を生成したから、電池劣化経過中の残量電荷量に対する電池電位量が変化しても使用でき、過充電ならびに過放電リスクから回避できる効果がある。
また、充放電サイクル時のサイクル平均電荷量は放電負荷量の変動に適応させて制御するので、高充電状態の期間が減ることとなり、充放電サイクルの蓄積電荷量に起因する容量劣化の軽減により電池ストレスが大幅に緩和する効果がある。
【００５９】
実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４に係るリチウムイオン電池の充放電制御装置および制御方法について図１９に基づいて説明する。
実施の形態４の発明は、外部負荷４００が不明な場合および保存状態から充電する場合、初回に限りＬＩＢ２００を高充電あるいは満充電に充電制御するようにしたものである。
即ち、ＬＩＢ２００が保管モードあるいは低電力の待機状態にある場合で、ＬＩＢ２００を外部負荷４００に接続した初回放電に限り、その放電開始前にＬＩＢ２００を満充電あるいは高充電状態にするようにしたものである。
【００６０】
図１９は、実施の形態４による初回の充電動作に限り高充電を行った場合の充電制御出力特性示す図で、図１９（ａ）は充放電電圧、図１９（ｂ）はＳｏＣの時間特性である。図１９に示すように、ＬＩＢ２００は初回の充電動作により開始後２００ｓｅｃで４．１Ｖまで満充電状態となった後、平衡電位（ＳｏＣ５０％）に達するまで安定して電池電圧ＶＢが減衰する特性を示す。
このように実施の形態４の発明では、外部負荷４００が不明な場合およびＬＩＢ２００の保存状態から充電する場合、待機もしくは保存状態から定常負荷状態に遷移するまでの、その遷移時の１回に限り、ＬＩＢ制御装置１００はＬＩＢ２００を満充電あるいは高充電に充電制御する。
【００６１】
また外部負荷４００が低負荷状態から高負荷状態への遷移が予想される場合には、ＬＩＢ２００の満充電あるいは高充電動作を各モードから高負荷状態への遷移に限り、ＬＩＢ制御装置１００はＬＩＢ２００を満充電あるいは高充電の充電制御を行う。
定常動作では、この発明の制御方法に依れば上述したように安定した動的な遷移応答ができるが、たとえば初期立ち上げ時の外部負荷４００が不明の場合、あるいは保存時からの立ち上げるなどの場合には、初回の充電時のみ一旦高充電にすることで過放電トラブルを避ける効果がある。
【００６２】
以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
２０：制御部、  ２１：放電電流入力部、  ２１Ａ：放電電位弁別部、
２１Ｂ：放電状態判定部、  ２１Ｃ：平衡電位生成部、  ２１Ｄ：平衡電位発生部、  ２２：充電電流出力部、  ２３：タイマスケジューラ、  ３０：充放電処理部、
３１：充電スイッチ（ＳＷ１）、  ３２：充電電流レギュレータ（Ａ１）、
３３：放電スイッチ（ＳＷ２）、  ３４：放電電流メータ（Ａ２）、
１００：ＬＩＢ充放電制御装置、  ２００：リチウムイオン電池（ＬＩＢ）、
３００：外部電源、  ４００：外部負荷、  Ｑ１：第１（前期）積分放電電荷量
Ｑ２：第２（後期）の積分放電電荷量、  Ｓｓｅｌ：負荷量（放電状態）判別信号、
Ｖｍ：平衡電位、  Ｖｅｃ：充電終電位、  Ｖｅｄ：放電終電位
【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】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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