(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池の充電装置において、上記電池に対する充放電制御手段と、上記電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、該抵抗検出手段によって検出された上記電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、上記電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、上記充放電制御手段を、上記残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたことを特徴とするリチウムイオン電池の充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオン電池の充電装置において、
上記電池には、上記充放電制御手段を通じて、負荷及び充電用電源が接続されてなることを特徴とするリチウムイオン電池の充電装置。
【請求項３】
請求項２に記載のリチウムイオン電池の充電装置において、
上記負荷はモータであり、上記充電用電源は発電機であることを特徴とするリチウムイオン電池の充電装置。
【請求項４】
請求項１に記載のリチウムイオン電池の充電装置において、
上記電池には、上記充放電制御手段を通じて、発電機を兼ねたモータが接続されてなることを特徴とするリチウムイオン電池の充電装置。
【請求項５】
リチウムイオン電池の充電方法において、上記電池の内部抵抗を検出し、該検出された上記電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、上記電池の残存容量の範囲を決定し、該残存容量の範囲で、上記電池に対する充放電を制御するようにしたことを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウムイオン電池の充電方法において、
上記電池には、負荷及び充電用電源が接続されてなることを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。
【請求項７】
請求項６に記載のリチウムイオン電池の充電方法において、
上記負荷はモータであり、上記充電用電源は発電機であることを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。
【請求項８】
請求項５に記載のリチウムイオン電池の充電方法において、
上記電池には、発電機を兼ねたモータが接続されてなることを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン電池の充電装置及び充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電解液電池に対する充電方法では、水系及び非水系電解液電池の如何に拘らず、残存容量（ＳＯＣ：State of Charge 〈充電状態〉）（％）が１００％〜２０％の範囲や、１００％〜０％の範囲で、充放電の制御を行なうのが普通であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に、リチウムイオン電池の放電カーブ（放電曲線）の一例を示す。横軸はＳＯＣ（％）を示し、縦軸は電池の電圧を示す。このカーブによれば、ＳＯＣが１００％のとき、電池の電圧が４．２Ｖで、ＳＯＣが０％のとき、電池の電圧が２．５Ｖである。
【０００４】
図１０に、リチウムイオン電池の保存特性の一例を示す。横軸はＳＯＣ（％）を示し、縦軸は容量維持率（％）を示す。この図１０の保存特性は、各ＳＯＣ電圧が調整された電池を、例えば、５０°Ｃで１か月間保存したときの、容量維持率を示し、ＳＯＣが大きい程、容量維持率が低下することを意味している。ＳＯＣが１００％のときの容量維持率は８０％なり、ＳＯＣが０％のときの容量維持率は１００％になる。
【０００５】
リチウムイオン電池は、図１０から明らかなように、残存容量が高い程容量維持率が低くなり、劣化し易い、即ち、寿命が短くなるという欠点を有する。このため、例えば、パラレルハイブリッド電気自動車用電池として、リチウムイオン電池の如きリチウムイオン電池を使用し、その電池に対しパルス的な充放電制御を行なう場合は、残存容量の高い残存容量範囲で連続的に充放電制御が行なわれるため、電池の寿命がかなり短くなってしまう。
【０００６】
因みに、モータとエンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）を併用したハイブリッド電気自動車には、モータとエンジンを並列的に使用するパラレルハイブリッド電気自動車、モータとエンジンを直列的に使用するシリーズハイブリッド電気自動車、両者の混用の混合型ハイブリッド電気自動車がある。
【０００７】
上述の点に鑑み、本発明は、リチウムイオン電池の充電装置及び充電方法において、簡単な構成（方法）で、リチウムイオン電池の寿命を長くすることのできるものを提案しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたものである。
【０００９】
かかる第１の本発明によれば、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段によって、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、電池に対する充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の本発明は、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたものである。
【００１１】
このリチウムイオン電池の充電装置において、電池には、充放電制御手段を通じて、負荷及び充電用電源が接続される。この場合、負荷としてモータが、充電用電源として発電機が可能である。
【００１２】
このリチウムイオン電池の充電装置において、電池には、充放電制御手段を通じて、発電機を兼ねたモータが接続される。
【００１３】
第２の本発明は、リチウムイオン電池の充電方法において、電池の内部抵抗を検出し、その検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、その残存容量の範囲で、電池に対する充放電を制御するようにしたものである。
【００１４】
このリチウムイオン電池の充電方法において、電池には、負荷及び充電用電源が接続される。この場合、負荷としてモータが、充電用電源として発電機が可能である。
【００１５】
このリチウムイオン電池の充電方法において、電池には、発電機を兼ねたモータが接続される。
【００１６】
〔発明の実施の形態の具体例〕
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態の具体例を説明する。先ず、図１を参照して、具体例のリチウムイオン電池の充電装置を説明する。１はリチウムイオン電池である。
【００１７】
リチウム（Ｌｉ）イオン電池の正極は、リチウムと、コバルト、ニッケル、マンガン、クロム、バナジウム等との複合酸化物（セラミック酸化物）から構成される。この複合酸化物は、具体的には、層状化合物してのＬｉＶＯ2 、ＬｉＣｒＯ2 、ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 、擬層状化合物としてのＬｉＭｎＯ2 、スピネルとしてのＬｉＭｎ2 Ｏ4 、ＬｉＶ2 Ｏ4 等である。リチウムイオン電池の負極は、カーボン、グラファイト等の炭素から構成される。リチウムイオン電池の電解液は非水系電解液で、炭酸エステル類が用いられる。
【００１８】
８は発電機を兼ねた電動機（モータ）で、電池１に対する負荷としての機能及び電池に対する充電用電源としての機能を有する。このモータ８の一端は接地されている。このモータ８は、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に搭載され、単独、又は、エンジンと協同して電気自動車の駆動源となると共に、電気自動車にブレーキを掛けるときは、モータ８が発電機として機能し、その電力が電池１に充電される。又、ハイブリッド電気自動車の場合は、エンジンによってその発電機が駆動され、その電力が電池１に充電される場合もある。
【００１９】
３は、充放電制御手段（例えば、導通方向が互いに逆の２個のダイオード及びその２個のダイオードを切換える切換えスイッチから構成される）で、電池１に対する発電機としてのモータ８からの充電及び電池１からモータ８への放電を制御する。この充放電の制御は、電池１の電圧Ｖが、Ｖ１＜Ｖ≦Ｖ２のときは、電池１からモータ８に対し放電を行い、Ｖ≦Ｖ１になったときは、発電機としてのモータ８から電池１に対し充電を行なって、電池１の電圧がＶ２になるまで充電を行なう。この場合、充放電を行なわない期間もある。尚、Ｖ１を下限電圧、Ｖ２を上限電圧と称することにする。この充放電制御手段３は、電池１及びモータ８に対し直列接続されている。
【００２０】
次に、電池１の残存容量決定手段について説明する。２は、電池１の電流Ｉを検出する電流検出手段で、電池１及びモータ８間に直列接続されている。電流検出手段２は、充放電制御手段３に対し直列接続されている。４は、電池１の電圧Ｖを検出する電圧検出手段で、電池１に対し並列接続されている。
【００２１】
５は内部抵抗演算手段で、電流検出手段２によって検出された電池１の電流Ｉ及び電圧検出手段４によって検出された電池１の電圧Ｖに対し、Ｖ／Ｉ＝Ｒの演算を行なって、電池１の内部抵抗Ｒを算出する。
【００２２】
６はＳＯＣ（充電状態）（残存容量）範囲演算手段で、内部抵抗演算手段５の演算結果である電池１の内部抵抗Ｒに基づいて、残存容量範囲を演算する。このＳＯＣ範囲演算手段６では、具体的には、図３のリチウムイオン電池の放電カーブに従って、電池１の内部抵抗Ｒに対し、基準抵抗Ｒn 、Ｒn+1 、Ｒn+2 、‥‥‥‥‥‥、Ｒn+m （但し、Ｒn ＜Ｒn+1 ＜Ｒn+2 ＜‥‥‥‥‥‥＜Ｒn+m ）を選定する。
【００２３】
先ず、電池の内部抵抗Ｒが、
【００２４】
【数１】
Ｒ≦Ｒn 
【００２５】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００２６】
【数２】
ｘ≦Ｓ≦ｙ
【００２７】
に選定し、
【００２８】
電池１の内部抵抗Ｒが、
【００２９】
【数３】
Ｒn+1 ≧Ｒ＞Ｒｎ
【００３０】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００３１】
【数４】
ｘ＋ｄ1 ≦Ｓ≦ｙ＋ｄ1 
【００３２】
に変更すると共に、基準抵抗をＲn からＲn+1 に変更する。この場合、Ｒn+1 を
【００３３】
【数５】
Ｒn+1 ＝αＲn （但し、αはα＞１）
【００３４】
に選定する。
【００３５】
電池１の内部抵抗Ｒが、
【００３６】
【数６】
Ｒn+2 ≧Ｒ＞Ｒn+1 
【００３７】
のときは、残存容量Ｓ（％）の範囲を、
【００３８】
【数７】
ｘ＋ｄ2 ≦Ｓ≦ｙ＋ｄ2 
【００３９】
に変更すると共に、基準抵抗をＲn+1 からＲn+2 に変更する。この場合、Ｒn+2 を、
【００４０】
【数８】
Ｒn+2 ＝βＲn+1 （但し、βはβ＞１）
【００４１】
に選定する。以下、上述の過程を、基準抵抗Ｒn+m まで繰り返す。
【００４２】
７はＳＯＣ範囲対応電圧設定手段で、ＳＯＣ範囲演算手段６の演算結果に基づいて、充放電制御手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を、図３のカーブに従って、残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲に対応する下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を設定して、充放電制御手段３に指示する。この場合、ＳＯＣ範囲演算手段６の演算によるＳＯＣ範囲に変更があったときに、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示し、ＳＯＣ範囲の変更がなかったときは、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示しない。
【００４３】
次に、図２を参照して、図１のリチウムイオン電池の充電装置の具体例に関連したリチウムイオン電池の充電方法の具体例を説明する。尚、ここでは、電池１に対する基準電圧として、Ｒn 及びＲn+1 を用いている。ステップＳＴ−１では、図１の電流検出手段２及び電圧検出手段４によって、電池１の電流Ｉ及び電圧Ｖを検出する。ステップＳＴ−１の次は、ステップＳＴ−２に移行して、内部抵抗演算手段５によって、Ｖ／Ｉ＝Ｒの演算を行なって、電池１の内部抵抗Ｒを得る。
【００４４】
ステップＳＴ−３では、ＳＯＣ範囲演算手段６によって、電池１の内部抵抗Ｒが、Ｒ＞Ｒn か否かを判断し、ＮＯであれば、ステップＳＴ−８に移行して、電池１のＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）の範囲は、ｘ≦Ｓ≦ｙ（初期状態）のままとし、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示せず、充放電制御手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２は、図３のカーブに従ったそれぞれＳＯＣｘ及びｙに対応する電圧のままとし、又、電池１の内部抵抗Ｒに対する基準値はＲn のままとした後、ステップＳＴ−１に戻る。
【００４５】
ステップＳＴ−３の判断でＹＥＳのときは、ステップＳＴ−４に移行して、電池１のＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）の範囲を高い方に移動させて、例えば、ｘ＋１０≦Ｓ≦ｙ＋１０に変更する。
【００４６】
ステップＳＴ−４の次はステップＳＴ−５に移行して、充放電手段３における下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２を、図３のカーブに従ったそれぞれＳＯＣ（残存容量）Ｓ（％）（ｘ＋１０）及び（ｙ＋１０）に対応する電圧に設定した後、ステップＳＴ−６で、充放電制御手段３に対し、下限電圧Ｖ１及び上限電圧Ｖ２の変更を指示する。
【００４７】
ステップＳＴ−６の次はステップＳＴ−７に移行して、電池１の内部抵抗Ｒの基準値をＲn からＲn+1 に変更した後、ステップＳＴ−１に戻る。この場合、Ｒn+1 を、例えば、Ｒn+1 ＝１．１Ｒn に選定する。
【００４８】
例えば、ｘ＝４０（％）、ｙ＝６０（％）とすれば、初期状態では、Ｖ１が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）Ｓが４０％に対応する電圧となり、Ｖ２がが図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）Ｓが６０％に対応する電圧となる。又、ｘ＝４０（％）、ｙ＝６０（％）の場合は、ｘ＋１０＝５０（％）、ｙ＋１０＝７０（％）となるので、Ｖ１が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）が５０％に対応する電圧となり、Ｖ２が図３のカーブの残存容量（ＳＯＣ）が７０％に対応する電圧となる。
【００４９】
そして、充放電制御手段３では、電池１の電圧Ｖが、Ｖ１＜Ｖ≦Ｖ２のときは、電池１からモータ８に対し放電を行い、Ｖ≦Ｖ１になったときは、電池１の電圧がＶ２になるまで、発電機としてのモータ８から電池１に対し充電を行なう。
【００５０】
次に、図４を参照して、図１の発電機を兼ねたモータ８が、電気自動車に搭載された場合、又は、ハイブリッド電気自動車にエンジンと共に搭載された場合のパルス充放電サイクルの例を説明する。最初の１０秒間は電池１からのＡｋｗの電力をモータ８に供給してモータ８を駆動する。次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間はモータ８を発電機として機能させて、その発電機からのＡｋｗの電力を電池１に供給して充電を行って、モータ８に制動を掛けるか、又は、その発電機をエンジンによって駆動して、Ａｋｗの電力を電池１に充電する。その次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＢｋｗ（Ａｋｗ＞Ｂｋｗとする）の電力をモータ８に供給して駆動する。その次の１分間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＡｋｗの電力をモータ８に供給して駆動する。その次の３０秒間は充放電は行なわない。その次ぎの１０秒間は、モータ８を発電機として機能させて、その発電機からの電力Ａｋｗを電池１に供給して充電を行なって、モータ８に制動を掛けるか、又は、その発電機をエンジンによって駆動して、Ａｋｗの電力を電池１に充電する。その次の３０秒間は充放電を行なわない。その次の１０秒間は電池１からのＢｋｗの電力をモータ８に供給してモータ８を駆動する。
【００５１】
図５は、電池１にＡｋｗのパルス充電を行なったときのパルス数に対する容量維持率の特性を示す曲線で、（１）は残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲を８０（％）〜１００（％）に固定した場合の容量維持率の特性を示し、（３）は残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の範囲を６０（％）〜８０（％）に固定した場合の容量維持率の特性を示す。又、（２）は、本発明の実施の態様の具体例で、図４で説明したように、充放電を繰り返した場合の、室温が２５°Ｃにおける、電池１の内部抵抗が基準値より小さいきは、残存容量（ＳＯＣ）Ｓの範囲を６０（％）〜８０（％）に選定し、電池１の内部抵抗が基準値より大きくなったら、残存容量の範囲を８０（％）〜１００（％）に選定した場合の容量維持率の特性を示す。
【００５２】
残存容量の範囲を８０（％）〜１００（％）に選定した場合は、充放電休止の部分が残存容量（ＳＯＣ）Ｓ（％）の高い領域での保持のため電池の劣化が大きい。又、残存容量の範囲を６０（％）〜８０（％）に選定した場合は、サイクル特性は改善されるが、電池の内部抵抗がサイクルと共に上昇してきて、所定のＡｋｗの電力を出力できなくなり、充放電パターンが停止する。
【００５３】
図４に示した本発明の実施の形態の具体例のようにした場合には、残存容量が高いことによる電池の劣化を極力小さくすることができると共に、電池の内部抵抗の上昇に伴って電池の残存容量を徐々に高くしているため、所定の電力Ａｋｗを出力しつつ、サイクル寿命を長くすることができる。
【００５４】
本発明の実施の形態の具体例の、発電機の機能を有するモータをパラレルハイブリッド電気自動車に搭載し、そのモータに対しパルス的な充放電を繰り返す場合は、残存容量の範囲の幅は２０％程度に選定される。しかし、電気自動車の仕様によって、残存容量の範囲の幅は異なるが、電池の内部抵抗が低いときは残存容量（ＳＯＣ）の範囲を低いところにおき、電池の内部抵抗が高くなるにつれて、高いところに移行すれば、電池のサイクル寿命を長くすることができる。航続距離の長い電気自動車に搭載される電池の場合でも、航続距離を短縮して、短いサイクルで充放電を繰り返すようにすれば、サイクル寿命を長くすることができる。
【００５５】
発電機としても機能するモータが、直流電圧によって駆動される発振器よりの高周波数の交流電圧を整流して得た直流電圧で駆動される場合には、図６に示すように、充放電制御手段３及びモータ８間にＤＣ−ＤＣコンバータ９を挿入すれば良い。尚、この場合、モータ８が発電機として機能する場合のために、発電機よりの直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインンバータ、そのインバータよりの高周波の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータを、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に設ける必要がある。その他の構成は、図１の具体例と同様である。
【００５６】
発電機として機能するモータが交流モータである場合は、図７に示すように、充放電制御手段３及びモータ８間にインバータ１０を挿入するようにすれば良い。尚、この場合、モータ８が発電機として機能する場合のために、発電機よりの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータをインバータ１０に設ける必要がある。その他の構成は、図１の具体例と同様である。
【００５７】
次に、図８を参照して、電池１に、充放電制御手段３を通じて、負荷回路及び充電用電源が接続される場合の具体例を説明する。この場合は、負荷８Ａ及び充電用電源回路（ここでは入力端子８Ａａからの交流電圧を整流する整流回路）８Ｂを、充電放電制御手段３を構成する切換えスイッチによって、電池１に対し直列に切換え接続されるようにする。尚、その切換えスイッチには、負荷８Ａ側及び充電用電源回路８Ｂ側の固定接点の他に、充放電を停止するための遊接点を設けることができる。
【００５８】
次に、図９を参照して、電池１に、充放電制御手段３を通じて、負荷としてのモータ及び発電機が接続される場合の具体例を説明する。この場合は、モータ８Ａ及び発電機８Ｂを、充電放電制御手段３を構成する切換えスイッチによって、電池１に対し直列に切換え接続されるようにする。尚、その切換えスイッチには、モータ８Ａ側及び発電機８Ｂ側の固定接点の他に、充放電を停止するための遊接点を設けることができる。
【００５９】
【発明の効果】
第１の本発明によれば、リチウムイオン電池の充電装置において、電池に対する充放電制御手段と、電池の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、その抵抗検出手段によって検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定する残存容量の範囲決定手段とを有し、充放電制御手段を、残存容量の範囲決定手段による残存容量の範囲で動作させるようにしたので、簡単な構成で、リチウムイオン電池の寿命（サイクル寿命を含む）を長くすることのできるリチウムイオン電池の充電装置を得ることができる。
【００６０】
第２の本発明によれば、リチウムイオン電池の充電方法において、電池の内部抵抗を検出し、その検出された電池の内部抵抗が高くなるに従って残存容量の範囲を残存容量の高いところに移動させるように、電池の残存容量の範囲を決定し、その残存容量の範囲で、電池に対する充放電を制御するようにしたので、簡単な方法で、リチウムイオン電池の寿命（サイクル寿命を含む）を長くすることのできるリチウムイオン電池の充電方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の具体例を示すブロック線図である。
【図２】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電方法の具体例を示すフローチャートである。
【図３】リチウムイオン電池の放電特性のカーブの一例を示す特性曲線図である。
【図４】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電方法の一例のパルス充放電サイクルを示す説明図である。
【図５】リチウムイオン電池のサイクル数に対する容量維持率の特性例を示す特性曲線図である。
【図６】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の他の具体例を示すブロック線図である。
【図７】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図８】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図９】本発明の実施の形態のリチウムイオン電池の充電装置の更に他の具体例を示すブロック線図である。
【図１０】リチウム（Ｌｉ）イオン電池の保存特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１  電池、２  電流検出手段、３  充放電制御手段、４  電圧検出手段、５  内部抵抗演算手段、６  ＳＯＣ範囲演算手段、７  ＳＯＣ範囲対応電圧設定手段、８  モータ、８Ａ  負荷回路（モータ）、８Ｂ  充電用電源（充電用電源回路）（発電機）、９  ＤＣ−ＤＣコンバータ、１０  インバータ。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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