JP2009065792A - 移動体用二次電池の充電システムおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーブル数が簡略で、しかも電池系の信頼性を高めた移動体用二次電池の充電システムおよびその使用方法を提供する。
【解決手段】電池系を搭載した移動体と制御系と充電系とを備えた移動体用二次電池の充電システムにおいて、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続および切り離し可能で、前記制御系と前記充電系とが常時電気的に接続されている。また、前記電池系の充電時には、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続され、前記移動体使用時には前記電池系と前記制御系とを電気的に切り離す。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体用二次電池の充電システムおよびその使用方法に関する。

リチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解質二次電池は、高エネルギー密度という特徴を生かし、携帯電話、パソコン、ビデオカメラなどの各種携帯用電子機器の電源として広く利用されている。非水電解質二次電池はその電圧が４V以上となるまで充電するが、充電電圧が一定値以上になる過充電状態では、正極活物質の分解、電解液との反応などにより、電池が高温になり、電池が危険な状態になる可能性がある。

これを防止するため、電池の電圧や温度を監視する回路や、ＰＴＣ素子やサーマルプロテクターなどの保護素子とを組み合わせて、一つの筐体に収納した電池パックとし、この電池パックを携帯用電子機器に搭載している。

非水電解質二次電池を電気自動車やロケットなどの大型移動体の電源に用いる場合、大容量・高電圧にする必要があるため、多数の電池を組み合わせる必要があり、過充電・過放電時の危険性も増大する。そこで充放電時、特に充電時の制御が極めて重要となる。

大型非水電解質二次電池の制御装置は、各単セルの電圧や温度を監視し、充放電を制御するための監視回路と大電流・過充電を防止する保護回路とからなる。

特許文献1には、直流電源を用いて高精度で二次電池の特性測定を可能とし、二次電池の過放電または過充電を保護する充放電装置が開示されている。特許文献１の充放電は、二次電池と電子負荷装置とが切替回路を介して接続され、電子負荷装置は負荷部と検出制御部とを備えたものである。

特許文献２には、並列に接続された複数の二次電池を同時充電および同時放電する充放電装置が開示されている。特許文献２の充放電装置は、被制御手段と制御用能動素子手段と他の制御用能動素子手段とを備えることにより、電圧・電流値の設定精度を高め、複数の二次電池の充・放電の釣合いをとることを可能にするものである。
特開平０６−１１３４８１号公報 特開平１１−０７５３２６号公報

従来の大型二次電池を用いた移動体用二次電池の充電システムは、二次電池系と制御系と充電系とを備え、過充電や過放電を防止するために、二次電池系を構成する各単電池の電圧を監視して充放電を制御する必要があり、主に次の２種類で構成されていた。

従来の第１の移動体用二次電池用の充電システムの構成を図２に、また、第２の移動体用二次電池用の充電システムの構成を図３に示す。

図２および図３において、１は電池系、２は制御系、３は充電系、４は商用電源、５はコネクタ、６は充電用ケーブル、７は測定用ケーブル、８は信号伝達用ケーブル、９は移動体である。なお、測定用ケーブル７では、セル電圧やセル温度を測定する。

図２および図３に示した従来の移動体用二次電池の充電システムにおいて、電池系１は二次電池で、容量や電圧を用途に合わせるために、多数の単セルを直列や並列に接続したものである。また、制御系２は、単セルの電圧を監視し、得られた情報を充電系３に送信する回路を備えている。さらに、充電系３は、充電器と制御系からの情報に基づき、充電をＯＮ・ＯＦＦし、充電電流と電圧とを適正に調整する回路を備えている。

図２に示した従来の第１の移動体用二次電池の充電システムにおいては、電池系１が移動体９に搭載され、制御系２と充電系３とは一体化されており、電池系１と充電系３とは充電用ケーブル６で接続され、電池系１と制御系２とは測定用ケーブル７で接続されている。そして、充電系３は商用電源４に接続されている。

一方、図３に示した従来の第２の移動体用二次電池の充電システムにおいては、電池系１と制御系２とは一体化されて移動体９に搭載され、電池系１と充電系３は充電用ケーブル６で接続され、制御系２と充電系３は信号伝達用ケーブル８で接続されている。この場合も、充電系３は商用電源４に接続されている。

図２に示した従来の第１の移動体用二次電池の充電システムは、主にロケットなどの宇宙用に用いられ、移動体９には電池系1のみが搭載されたものである。充電用ケーブル６は２本でよいが、電池系１がｎ個の単セルから構成されている場合には、すべての単セルの電圧や温度を検出するためには、測定用ケーブル７は、少なくとも（ｎ＋１）本必要となる。そのため、電池系１と制御系２との間のケーブル数が多くなるという問題があった。特にロケットの場合のように、移動体９と充電系３との距離が遠く離れている場合には、多数の長いケーブルが必要となり、取り扱いが困難で、断線の可能性も高く、管理が困難になるという問題があった。

一方、図３に示した第２の移動体用二次電池の充電システムは、主にＥＶ用、航空機用、無人搬送車用電池などに用いられ、充電用ケーブル６は２本、信号伝達用ケーブル８は２本で、電池系および制御系（１＋２）と充電系３間のケーブルは４本で、きわめてシンプルであるという利点はあるが、移動体９に電池系１と制御系２とが搭載されているため、移動体の質量が増大するとともに、移動体が過酷な状態で用いられる場合、移動体の移動速度によっては制御系２に大きな加速度や振動が加わり、制御系２が故障しやすいという問題があった。

特に、ロケット用途では、打上げ時の振動が１０Ｇｒｍｓを超え、上記用途とは桁違いの環境下に置かれるために、制御系２が故障してシステムの信頼性が低下するという問題があった。

なお、特許文献１において、二次電池と電子負荷装置と切替回路とは常時接続されており、特許文献２において、二次電池と被制御手段と制御用能動素子手段とは常時接続されており、いずれも切り離すことはできないものであった。

そこで本発明は、上記従来の移動体用二次電池の充電システムにおける、第１の構成の場合のケーブル数が多いことからくる取り扱いの困難性・断線の可能性が高くなるという問題点および第２の構成の場合の移動体の質量が増大する・制御系が故障しやすいという問題点を解決し、ケーブル数が簡略で、しかも電池系の信頼性を高めた移動体用二次電池の充電システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、電池系を搭載した移動体と制御系と充電系とを備えた移動体用二次電池の充電システムに関するもので、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続および切り離し可能で、前記制御系と前記充電系とが常時電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、上記移動体用二次電池の充電システムの使用方法に関するもので、前記電池系の充電時には、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続され、前記移動体使用時には前記電池系と前記制御系とを電気的に切り離すことを特徴とする。

本発明の移動体用二次電池の充電システム及びその使用方法は、電池系の各単セルと制御系を接続する長いケーブルは不要で、しかも電池系と充電系間の単セル電圧測定用ケーブルも不要である。そのため、電池系と充電系間は充電用ケーブル２本で接続され、制御系と充電系間は信号伝達用ケーブル２本で接続されているので、接続ケーブルの本数を合計４本と少なくすることができ、取り扱いが容易となり、断線の危険性も小さくなる。

そして、移動体を使用する場合は、移動体には電池系のみが搭載されるため、移動体の寸法と質量とを減少させることができる。さらに制御系は移動体に搭載されないため、加速度や振動の影響を受けないので、故障することがなく、くりかえし使用が可能となり、システムの信頼性向上とコストダウンにつながる。

次に本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に本発明の移動体用二次電池の充電システムの構成を示す。図１において、記号１〜９は図２と同じものを示す。

本発明の移動体用二次電池の充電システムおよびその使用方法において、複数の二次電池と保護回路を備えた電池系１は、移動体９に搭載されている。二次電池の充電時には、電池系１と制御系２とがコネクタ５を介して接続され、電池系１と充電系３とは２本の充電用ケーブルを介して接続され、制御系２と充電系３とは２本の信号伝達用ケーブル８を介して接続されている。

制御系２は、電池系１を構成する各単セルの電圧を測定する回路と、測定した電圧に基づいて充電系３を制御するための信号出力回路とを備えている
電池系１の各単セルと制御系２との間はコネクタ５のみで接続されているため、接続用ケーブルは不要である。そして、制御系２によって各単電池の電圧や温度を測定し、その値にもとづいて充電系３を制御することにより、各単セルが充電される。

電池系１の充電が終了し、移動体を使用する場合は、電池系１と制御系２との間のコネクタ５を切り離すことにより、電池系１と制御系２との電気的接続が切断され、電池には制御系２は搭載されず、電池系１のみが搭載された状態で移動体が使用される。

［実施例１および比較例１および２］
実施例１および比較例１および２では、移動体がロケットの場合で、二次電池にリチウムイオン電池を用いた場合について説明する。

［実施例１］
本発明の移動体用二次電池の充電システムの構成は図１に示したものと同じである。電池系は二次電池で構成されている。

二次電池の単セルとしては、正極活物質にコバルト酸リチウム、負極活物質にグラファイト、電解液にエチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネートの体積比１：１混合溶媒にＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように溶解した有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池を使用した。

正極板は、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ_２８６重量％と、導電助剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）６重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）８重量％とを混合し、この混合物にＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を加えて正極合剤ペーストとし、この正極合剤ペーストを厚さ２０μｍの帯状アルミニウム集電体の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレスで圧縮成型したものである。

負極板は、負極活物質としてのグラファイト９５重量％と結着剤としてのＰＶｄＦ５重量％とを混合し、この混合物にＮＭＰを加えて負極合剤ペーストとし、この負極合剤ペーストを厚さ１５μｍの帯状銅集電体の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレスで圧縮成型したものである。

セパレータには、厚さ２５μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムを用い、正極と負極とをセパレータを介して長円筒扁平状に巻回して発電要素とし、この発電要素をアルミニウム合金製の電池ケースに収納し、電解液を注入した後、電池ケースと電池蓋とを溶接することにより、設計容量１０Ａｈの角型リチウムイオン電池とした。単セルの寸法は、幅１３０ｍｍ、高さ８０ｍｍ、厚さ２１ｍｍであり、重量は５００ｇであった。

ロケットに搭載した組電池は、この単セルを８個直列に接続したものである。なお、各単セルには、安全弁が設けられている。

制御系は、各単セルの電圧を測定する回路と、その測定結果を充電系に送信する回路とを備えている。充電系は、商用電源と接続され、交流を直流に変換し、制御系からの信号に応じて充電電流の大きさと電圧とを調整し、充電ケーブルを通して電池系に充電電流を供給する。さらに、制御系には、各単セルの電圧を均等にするバランス回路を備えている。充電中、単セル間の電圧差が設定値を超えたとき、電圧の高いセルのみを部分放電させることで、単セル間の電圧を揃える。

電池系と制御系はコネクタで接続されており、電池系と充電系とはコネクタを介して２本の充電用ケーブルで接続されている。また、制御系と充電系は、２本の信号伝達用ケーブルで接続されている。

充電条件は、定電圧定電流であり、電池系の電圧が３２．８Ｖに達するまでは電流５Ａで充電し、電圧が３２．８Ｖに到達後は、その電圧を維持するように電流を垂下させて充電した。

充電が終了し、ロケットを発射する直前には、電池系と制御系とを接続しているコネクタを切り離し、制御系をロケットから離れた位置に移動させる。したがって、ロケットには電池系のみが搭載される。

［比較例１］
比較例１の移動体用二次電池の充電システムの構成は、図２に示したものと同じである。比較例１の移動体用二次電池の充電システムでは、
ケーブルの本数が多く、取り扱いが困難となる。

［比較例２］
比較例２の移動体用二次電池の充電システムの構成は、図３に示したものと同じである。比較例２の移動体用二次電池の充電システムでは、
ケーブルの本数は少ないが、電池系と制御系がロケットに搭載されるため、ロケットの重量が増加し、制御系が故障し易く、再使用が困難となる。さらに、高価な電子回路を備える制御系を搭載するため、コストが高くなる。

以上、本発明を、主に非水電解質二次電池を例にとって説明したが、本発明は非水電解質二次電池以外の鉛蓄電池やアルカリ蓄電池にも応用可能であることはいうまでもない。

また、上記実施例では、電池系は二次電池で構成される例を述べたが、二次電池の他に温度センサを備えてもよい。さらに、二次電池とコネクタ５との間に、短絡保護のためにＰＴＣ素子を備えると電池系の安全性が向上するので好ましい。

また、制御系は、各単セルの電圧を測定する回路と、その測定結果を充電系に送信する回路と、各単セルの電圧を均等にするバランス回路を備えている例を述べたが、各単セルの電圧を測定する回路と、その測定結果を充電系に送信する回路のみとしてもよい。あるいは、各単セルの電圧を測定する回路、その測定結果を充電系に送信する回路、単セルの電圧を均等にするバランス回路に加え、単セルの温度を測定する回路、電池の充電レベルを計算する回路、電池の健全性を計算する回路、そして制御回路自身の自己診断機能等を備え、これらの情報を充電系に送信する回路を備えるとさらに好ましい。

本発明の移動体用二次電池の充電システムの構成を示す図。 従来の第１の移動体用二次電池の充電システムの構成を示す図。 従来の第２の移動体用二次電池の充電システムの構成を示す図。

符号の説明

１ 電池系
２ 制御系
３ 充電系
４ 商用電源
５ コネクタ
６ 充電用ケーブル
７ 測定用ケーブル
８ 信号伝達用ケーブル
９ 移動体

Claims (2)

1. 電池系を搭載した移動体と制御系と充電系とを備えた移動体用二次電池の充電システムにおいて、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続および切り離し可能で、前記制御系と前記充電系とが常時電気的に接続されていることを特徴とする移動体用二次電池の充電システム。
2. 前記電池系の充電時には、前記電池系と前記制御系とが電気的に接続され、前記移動体使用時には前記電池系と前記制御系とを電気的に切り離すことを特徴とする、請求項１に記載の移動体用二次電池の充電システムの使用方法。