JP3511927B2

JP3511927B2 - 電力蓄積手段の充放電装置

Info

Publication number: JP3511927B2
Application number: JP00882499A
Authority: JP
Inventors: 謙二久保; 尚弘野村; 紀一徳永; 英樹宮崎; 昭彦江守
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP2000209786A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力蓄積手段の充放
電装置及びそれを用いた電力蓄積手段の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池やニッケル水素
二次電池などでは、組み立て後の二次電池の検査や化学
反応の活性化などの目的で、単電池の充電処理や、充電
および放電処理などが施される。従来、このような組み
立て後の電池の充放電では、不良電池が検出された場合
には、個別に電池を選別する必要があることから、各電
池毎に独立した充放電電源を設け充放電を実行してい
る。特に、リチウムイオン二次電池では、充電時に定電
流充電だけでなく定電圧充電も実行する必要があり、こ
のため各電池毎に充電電流や充電電圧を設定できる個別
充電電源方式が用いられている。一方、個々の二次電池
を、電気自動車や電力貯蔵の蓄電池として用いる場合
は、単電池を直列接続した組電池とし、直列接続された
状態で、両端子に電圧を印加することで組電池を充電
し、また、電力を取り出すため放電させる。また、電池
を直列接続された状態で充電、あるいは、放電する場合
には、各電池に同じ充電電流が流れるため、各電池の容
量にばらつきがあった場合には、個々の電池電圧のばら
つきが発生する。特に、リチウムイオン二次電池では、
個々の電池電圧を、所定の値以下に保って充電する必要
がある。このため、特開平8−88944 号公報に記載され
る技術のように、多直列状態での組電池により、充放電
する方式が知られている。直列接続状態の各電池のばら
つきを抑制するため、各電池に対して個別の電源を設け
て補正している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、個々の単電池
を個別の充放電電源で充電、あるいは放電する場合に
は、同時に充電、あるいは、放電する単電池数に比例し
た充放電電源が必要となる。特に、組み立て後の二次電
池の活性化処理や検査などを目的とした充放電装置で
は、一連の充放電処理に数時間以上かかるため、二次電
池の生産効率を向上するためには、多数の充放電電源を
用いて、多数の単電池を同時に充放電する必要がある。
このため、各単電池を同様な電流，電圧パターンで充放
電すればよいにも係わらず、個別の充放電電源が多数個
必要となるという問題点がある。

【０００４】また、電気自動車や電力貯蔵用の蓄電池へ
の応用のように、複数の単電池を直列接続した組電池と
し、この状態で、一括の充電、あるいは、放電用の電源
で、充放電する方式では、充放電中に検出された不良電
池をバイパスさせるための回路が、個々の電池毎に必要
となる。また、個々の単電池の容量ばらつきによる電圧
ばらつきを補償して、各単電池の電圧が均一になるよう
に充電、あるいは、放電するためには、各電池毎に個別
の充放電電源が必要となる。また、特に、リチウムイオ
ン二次電池では、各電池電圧を精度よく計測しながら、
充電，放電を実行する必要がある。個々の単電池を直列
接続した状態では、各電池の電圧を、差動電位で検出す
る必要があり、電圧検出のための回路が複雑になるとい
う問題点もある。

【０００５】更に、複数の電池を並列接続して充放電す
る場合には、個々の電池の容量ばらつきにより、充電、
あるいは、放電電流が均一でなくなり、各電池を満充電
できず、また、不良電池の検出，切り離しのための付加
回路が必要となる。

【０００６】本発明は上記の課題を考慮してなされたも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による電力蓄積手
段の充放電装置は、交流電源と、交流電源が接続される
一次巻線及び複数の二次巻線を有する変圧装置と、各々
の交流側が複数の二次巻線の内の一つに接続され、各々
の直流側が複数の電力蓄積手段の内の一つに接続される
複数の電力変換器と、を備える。

【０００８】本発明によれば、交流電源が接続される変
圧装置の複数の二次巻線のそれぞれに電力蓄積手段が接
続されるので、交流電源による複数の電力蓄積手段の一
括充電または電力蓄積手段から交流電源への一括放電が
可能になる。

【０００９】なお、本発明による電力蓄積手段の充放電
装置には、充電機能を有する装置、放電機能を有する装
置および両機能を有する装置が含まれる。また、交流電
源としては、交流電力を出力する各種のものが適用でき
るが、変圧装置の一次巻線に接続される電力変換器部を
有するものであることが好ましい。この場合、一次巻線
に流れる電流が電流指令値になるように電力変換器部を
制御することにより、複数の電力蓄積手段の充電または
放電を一括して制御することができる。さらに、電力蓄
積手段としては、二次電池、複数の単位二次電池が直列
接続された組電池、電気二重層蓄電器、コンデンサなど
がある。

【００１０】上記のような本発明による電力蓄積手段の
充放電装置において、交流電源を電力変換器部を備える
ものとし、さらに電動機と、電力変換器部から電力を供
給されかつ電動機を駆動するインバータと、を備えるこ
とにより、電動機駆動システムを構築できる。また、上
記のような本発明による電力蓄積手段の充放電装置にお
いて、交流電源を電力系統に接続すれば、電力貯蔵シス
テムを構築できる。

【００１１】次に、本発明による電力蓄積手段の製造方
法は、複数の電力蓄積手段の本体を組み立てる第１の工
程と、上記のような本発明による電力蓄積手段の充放電
装置における複数の電力変換器の各々の直流側に、組み
立てられた複数の電力蓄積手段の内の一つを接続する第
２の工程と、本発明による電力蓄積手段の充放電装置に
よって、複数の電力蓄積手段に初期充電または初期放電
あるいはエージング処理を施す第３の工程と、を含む。
本発明によれば、電力蓄積手段の製造工程において、交
流電源により複数の電力蓄積手段を一括して初期充電ま
たは初期放電あるいはエージング処理が可能になる。好
ましくは、交流電源を、変圧装置の一次巻線に接続され
る電力変換器部を有するものとする。この場合、一次巻
線に流れる電流が電流指令値になるように電力変換器部
を制御することにより、複数の電力蓄積手段の初期充電
または初期放電あるいはエージング処理を一括して制御
することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による第１の実施例
として、ｎ個（ｎ：２以上）の二次電池を一括して充電
する場合について、図１により説明する。図１におい
て、交流電源１の出力が変圧器としてのトランス２の一
次側に接続されており、前記トランス２にはｎ個の二次
巻線、２０１，２０２，２０３が出力されている。ここ
で、トランス２は、複数のトランスの各一次巻線が直列
接続されており、その両端に交流電源１の出力が印加さ
れる。また、トランス２の各二次側出力は、ｎ個の個別
の交流／直流変換器からなる交流／直流変換手段３を介
して、複数の単電池に出力されている。交流電源１は、
三相商用電源１０１の交流電圧を整流ダイオードコンバ
ータ１０２で整流し、その出力を平滑コンデンサ１０３
で平滑して得られる直流電圧を、フルブリッジコンバー
タ１０４で所望の周波数の交流電圧に変換することによ
り得られる。ここで、商用三相電源の電圧がＡＣ２００
Ｖのとき、直流電圧は２８０Ｖ程度となる。また、フル
ブリッジコンバータは半導体スイッチング素子であるＩ
ＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）により構
成されており、交流出力電圧の周波数は２０ｋＨｚとす
る。

【００１３】トランス２の二次側回路は、各電池毎に設
けられた整流ダイオードブリッジ３１１，３２１，３３
１、および各ダイオードブリッジの直流出力に接続され
るリアクトル３１２，３２２，３３２から構成されてお
り、トランス二次側の交流電圧を直流電圧に変換して、
各二次電池４，５，６に充電電流を供給する。ここで、
トランスの一次側と二次側とで個々に結合された巻線の
巻数比を１：ａに設定したとき、直列接続された一次側
巻線の電流と、トランス二次側のそれぞれの出力の電流
との比はａ：１となる。各電池電圧や内部抵抗などのば
らつきによらず、トランスの一次側電流と複数の二次側
電流とは、この関係を保って流れる。従って、トランス
の一次側電流を所望の指令値に一致するようにフルブリ
ッジコンバータ１０４を制御することにより、トランス
二次側の電流を一括して制御できる。また、各二次回路
には整流ダイオードブリッジ３１１，３２１，３３１の
出力を短絡するスイッチＹ１１，Ｙ２１，Ｙ３１と、各
電池４，５，６との接続を切り離すためのスイッチＹ１
２，Ｙ２２，Ｙ３２とがそれぞれ設けられており、個別
制御装置３０４からの個別制御信号３１３，３２３、３
３３に従って、これら各スイッチをオン／オフ制御す
る。

【００１４】次に、動作波形を図２に示す。フルブリッ
ジコンバータ１０４は、２０ｋＨｚの高周波で交番する
交流電圧を出力する。図２（ａ）に示すように、フルブ
リッジコンバータ１０４の出力周波数と同じ周波数の三
角波状の搬送波信号と、正側電圧指令および負側電圧指
令を表す信号とを比較することにより、ＩＧＢＴのゲー
ト駆動信号ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を得る。ここで、ｓ
１とｓ３，ｓ２とｓ４とは、それぞれ相補にオン／オフ
させるため、数μｓ程度の非ラップ期間を設けている。
この信号でフルブリッジコンバータ１０４のＩＧＢＴを
駆動することにより、図２（ｃ）に示す交流電圧が得ら
れる。この交流出力は、波高値がＶｄｃ，周期が５０μ
ｓで、通流率が正側，負側の電圧指令の大きさに比例す
る矩形波電圧となる。通流率を変えたときの交流電圧波
形例を図３（ａ)，(ｂ）に示す。この交流電圧をトラン
ス２の一次側に印加することにより、各二次側出力に
は、一次側電圧を多直列数ｎで分圧した電圧が出力され
る。二次側出力の電圧分担は各電池電圧などに依存して
決定される。この二次側電圧を、整流ダイオードブリッ
ジ３１１，３２１，３３１で整流して直流電圧に変換
し、この電圧と電池電圧との差によりリアクトル３１
２，３２２，３３２を介して充電電流を流す。フルブリ
ッジコンバータ１０４から見たとき、トランス２の二次
回路の各電池は交流を介して直列に接続されている。従
って、一次側に流れる電流と各二次回路に接続された電
池への充電電流とは巻数比の関係にあり、また、各電池
毎の充電電流は電池電圧や内部抵抗などが電池毎にばら
ついていても等しい。従って、フルブリッジコンバータ
１０４の電流を制御することにより、各電池への充電電
流を制御できる。このときの、トランス一次側の交流電
流と各電池への充電電流の波形を図４（ｄ)，(ｅ）に示
す。これより、充電電流とトランス一次側の交流電流と
は、フルブリッジコンバータ１０４へのゲート信号のう
ち、ｓ４およびｓ１がオン、あるいは、ｓ２およびｓ３
がオンの期間で一致する。そこで、交流電流を、図４
（ｆ）に示すように、ゲート信号生成用搬送波信号の最
少振幅時点（三角波状の搬送波信号の谷）に同期して電
流検出器１０５（本実施例ではＣＴ）により検出し、そ
の検出値を次の検出時点まで保持することにより、トラ
ンス一次側の交流電流から、各電池への充電電流を検出
できる。このトランス一次側の電流検出値を用いて、フ
ルブリッジコンバータの通流率を電流検出値が充電電流
指令値になるように制御することにより、トランス二次
側に接続された二次電池の充電電流を、各電池の電圧や
内部抵抗などのばらつきがあっても、各電池間で同じ値
の充電電流に制御できる。ここで、トランスの二次側は
それぞれ絶縁されるため、それぞれの電池は、個別に端
子の片側を共通電位に接地できるため、電池電圧の検出
を、各電池とも共通電位に対して測定できる。

【００１５】次に、本実施例では、電池をトランスを介
して直列接続した状態で充電するため、充電中に不良電
池が検出された場合には、該当する電池を二次回路から
切り離し、それ以外の電池の充電を継続する必要があ
る。また、充電中に電池電圧のばらつきが発生した場合
には、各電池の充電電流を個別にバイパスさせ、各電池
毎に充電電流を調整する必要がある。このときの動作波
形を図５に示す。いま、フルブリッジコンバータ１０４
の出力電流をＩｃ、各電池への充電電流をＩ１，Ｉ２,
…,Ｉｎとする。ここで、各二次回路側のスイッチＹ１
１，Ｙ２１，Ｙ３１がオフで、スイッチＹ１２，Ｙ２
２，Ｙ３２がオンのとき、各電池は通常に充電される。
これに対して、第１番目の二次回路のスイッチＹ１１を
オンすることにより、該当する二次回路を短絡でき、充
電電流はスイッチＹ１１側に流れ、電池４をバイパスで
きる。パイパス後、スイッチＹ２２をオフすることで、
電池を充電回路から切り離すことができる。ここで、ス
イッチＹ１１として、パワーMOSFET(Metal Oxide Semic
onductor Field Effect Transistor）のような半導体ス
イッチング素子を用いれば、各電池電流のパイパスをき
め細かく制御でき、これにより各二次回路の電流を補償
できる。なお、スイッチＹ１１,Ｙ２１,Ｙ３１を個別に
オン／オフさせることで、フルブリッジコンバータ１０
４から見たときの負荷は変化するが、フルブリッジコン
バータ１０４の出力電流を制御することにより、フルブ
リッジコンバータ１０４の出力電流を所望の値に制御で
きる。

【００１６】以上、詳述したように、本実施例によれ
ば、一次側を多直列接続したトランスにより、トランス
二次側の複数の電池を直列接続状態で一括して充電でき
るため、各電池毎の電源で個別に充電する場合に比べ
て、回路構成が簡単になるという利点がある。また、電
池電圧が直列に接続された状態で充電するため、電流を
増やすことなく複数個の電池を纏めて充電でき、効率よ
く一括充電できるという利点がある。また、トランスの
二次側に接続される電池は、各々絶縁されているため、
各電池の電圧を共通電位に対して計測することができ、
複数個の電池電圧の計測が容易という利点もある。ま
た、トランス一次側の電流をフルブリッジコンバータの
スイッチング動作に同期して検出し、その結果を用いて
フルブリッジコンバータの出力電流の大きさを所望の充
電電流指令値に一致するよう制御することにより、二次
側回路の個数によらず、一括して充電電流を制御できる
という利点がある。また、フルブリッジコンバータの通
流率制御による電流リプルのほぼ中点の値を電流検出値
として検出できるため、充電電流の電流リプルの影響を
除去した電流検出を実行できるという利点がある。ま
た、本実施例によれば、充電中であっても不良が検出さ
れた任意の電池を充電回路から切り離すことができるた
め、それ以外の電池の充電を継続しながら不良電池の切
り離しができる。また、充電電流をパイパスさせる機能
を用いて各電池の充電電流を個別に補償し、電池電圧の
ばらつきを補正できるという利点もある。

【００１７】次に、本発明の第２の実施例を図６により
説明する。各電池、４，５，６の出力に対してリアクト
ル３１２，３２２，３３２がそれぞれ接続されており、
その出力をフルブリッジコンバータ３１５，３２５，３
３５で交流電圧に変換し、それぞれをトランスの複数の
二次側巻線に供給する。ここでフルブリッジコンバータ
はパワーMOSFETにより構成されている。トランス２は、
一次側巻線が、対応する二次側巻線に対して、多直列に
接続されており、一次側の出力電圧をコンバータ１０
７、その制御回路１０８で昇圧チョッパ動作させること
により、各電池に充電された電力を平滑コンデンサ１０
３，回生コンバータ１０９，リアクトル１１０を介し
て、電源１０１に回生する。このときの各電池毎のフル
ブリッジコンバータ３１５，３２５，３３５のゲート信
号、および、コンバータ１０７側のゲート信号を、それ
ぞれ、図７に示す。図７（ｃ)，(ｄ）に示すように、コ
ンバータ１０７は所定のチョッパ周期で負側アームのＩ
ＧＢＴ素子のゲート信号ｓ３，ｓ４をオン／オフする。
ここで、ｓ３，ｓ４のオン期間は、トランス二次側の電
池がリアクトル３１２，３２２，３３２を介して、短絡
状態となる。一方、ｓ３，ｓ４のオフ期間は、各電池毎
のリアクトルに蓄積された電力が平滑コンデンサ１０３
側に放出される。ここで、各電池毎のフルブリッジコン
バータ３１５，３２５，３３５は、各電池の直流電圧
を、周波数、および、大きさが固定された交流電圧(こ
こで交流電圧の大きさは電池電圧に比例)に変換する。
このため、コンバータ１０７のゲート信号発生用搬送波
信号に同期して、図７（ａ)，(ｂ）に示すように、すべ
ての電池のフルブリッジコンバータに対して同じゲート
信号を与える。また、フルブリッジコンバータ３１５，
３２５，３３５のパワーMOSFETのオン／オフ切り換え時
に、上下アームを短絡させる短絡期間信号を与える。こ
れにより、各電池毎のリアクトルの電流を、交流電流の
正負の極性切り換え時でも連続に制御できる。また、こ
の短絡信号を、コンバータ１０７のチョッパ制御信号の
オン期間に同期するように設定することにより、昇圧チ
ョッパのオン期間にフルブリッジコンバータの極性切り
換え時の短絡期間を設けることができる。これにより、
昇圧チョッパ動作に影響を与えることなく、各電池毎に
電池電圧を交流変換し、各電池をトランス２で多直列に
結合した状態で、一括して放電を実行できる。また、放
電時においても、昇圧チョッパのオン期間に同期して、
トランス一次側の交流電流を検出することにより、各電
池の放電電流に対応した電流値を、トランス一次側での
電流検出により実行できる。これらの動作は、一括充電
時のトランス一次側からの充電電流検出と同様な関係と
なる。

【００１８】以上、詳述したように、第２の実施例によ
れば、電池電圧を交流に変換して、その電圧をトランス
で直列に結合した状態で昇圧チョッパ制御を実行できる
ため、個々の電池に対して放電用電源を設けることな
く、一括放電を実行でき、簡単な制御で、一括放電を実
行できる。また、昇圧チョッパ制御のためのゲート信号
と、各電池を交流電圧に変換するためのフルブリッジコ
ンバータとのゲート信号を同期させることにより、各電
池電圧の交流変換にともなう短絡期間の影響を受けるこ
となく一括放電を実行できるという利点がある。

【００１９】本発明の第３の実施例を図８により説明す
る。一括充放電用フルブリッジコンバータ１０４，各電
池毎のフルブリッジコンバータ３１５，３２５，３３５
が、第１，第２の実施例と異なる。このように、両者の
コンバータをフルブリッジコンバータとすることによ
り、それらに対するゲート信号を制御することで、一括
充電，一括充電、および不良電池の切り離し、一括充
電、および個別充電制御，一括放電，一括放電、および
個別放電制御を、それぞれ実行できる。

【００２０】以上、述べたように、第３の実施例によれ
ば、同一の回路構成で各ゲート信号を制御することによ
り、各動作モードでの充放電制御を切り換えて実行でき
るという利点がある。

【００２１】本発明の第４の実施例を図９により説明す
る。本実施例では、図１に示す第１の実施例に、各電池
毎の個別放電電源７が付け加わった構成となっている。
個別放電電源は、個別直流／交流変換器３の各出力（す
なわち、各電池の端子間）と、平滑コンデンサ１０３と
の間に接続されている。また、個別放電電源は、各々、
電流制御された絶縁形スイッチング電源により構成され
ている。本構成において、充電時には、フルブリッジコ
ンバータ１０４により各電池に対する一括充電電流Ｉc2
が供給される。一方、個別放電電源に対しては、個別電
流指令値が与えられ、これに従って、Ｉd1，Ｉd2，Ｉd3
の電流を、各電池から平滑コンデンサ側に回生する。従
って、各電池への充電電流は、一括充電電流値Ｉc2か
ら、個別放電電源への電流Ｉd1，Ｉd2，Ｉd3を引いた電
流となる。これより、一括充電時に、個別放電電源を動
作させることにより、各電池の充電電流を、各電池容量
ばらつきに応じて補正することができる。一方、各電池
の放電時には、個別放電電源７により各電池から放電電
流Ｉd1，Ｉd2，Ｉd3を電源１０１側に回生することがで
きる。これにより、一括充電，個別充電制御，個別放電
を実行できる。このときの動作波形を図１０に示す。

【００２２】以上、詳述したように、第４の実施例によ
れば、一括充電時の個別充電制御も含めた補償を、放電
用の個別放電電源により実行できるので、簡単な回路構
成で充放電制御を達成できる。また、放電用に昇圧比の
大きな個別電源を用いるため、電池電圧が小さい状態も
含めて、広い電池電圧範囲で、各電池の放電制御を実行
できるという利点もある。

【００２３】次に、本発明による第５の実施例を図１１
に示す。図９の第４の実施例と異なるところは、一括充
放電できる充放電装置に対して、各電池毎に放電が可能
な個別放電用の電源を付加したところにある。本実施例
によれば、一括充電，一括放電可能なフルブリッジコン
バータに対して個別放電用電源を付加するため、個別放
電用の電源容量を、電池の容量ばらつきを補正できる程
度の小さな容量に抑制できるという利点がある。

【００２４】以上、述べたように、第５の実施例によれ
ば、個別放電用電源を容量ばらつきの補正用程度の小さ
な容量に制限できるという利点がある。

【００２５】本発明による第６の実施例の構成を図１２
に示す。図８に示す第３の実施例に対して、トランス８
の構成と、個別交流／直流変換手段３に、各変換器３１
５，…と各電池４…との間に接続される双方向チョッパ
回路３１８，３２８，３３８を付加したところが異な
る。ここで、トランス８は一次巻線に対して複数の二次
巻線が並列に接続された構成であり、トランス２が多直
列接続であったのに対して、本実施例では多並列接続さ
れている。本実施例では、充電時はフルブリッジコンバ
ータ１０４の交流出力電圧が、複数の二次側巻線に対し
て並列に出力される。ここでフルブリッジコンバータ１
０４には出力電圧設定値が指令され、この設定値に従っ
て交流出力電圧を出力する。個別交流／直流変換器３
は、トランス８の各出力電圧を入力として各電池を個別
に充放電制御することにより、各電池を充放電制御す
る。一方、放電時には、フルブリッジコンバータ１０４
は各IGBTに対するゲート信号がオフされ、整流ダイオー
ドブリッジとして動作する。各電池の放電電流は、個別
交流／直流変換器３により交流に変換され、トランス８
により並列に結合される。フルブリッジコンバータ１０
４の整流ダイオード動作により各電池の放電電流が一括
されて平滑コンデンサ１０３側に回生され、電源回生コ
ンバータ１０９により商用電源１０１に電源回生する。

【００２６】本実施例での充電時の動作波形を図１３に
示す。図１３（ａ）〜（ｃ）の動作は、実施例１〜５で
の多直列接続方式の場合と同様であるが、フルブリッジ
コンバータ１０４に対する出力電圧指令値は、出力電圧
設定値として直接与えられる。ここで、出力電圧設定値
は各電池電圧の大きさに従って設定される。すなわち、
充電初期は電池電圧も小さいためフルブリッジコンバー
タ１０４に対する出力電圧設定値は小さく、満充電近傍
では出力電圧設定値は大きい値となる。一方、個別充放
電制御３０７では、各電池の電流検出手段３１９，３２
９，３３９により各電池の充放電電流を検出し、双方向
チョッパ回路３１８，３２８，３３９の正側アームのパ
ワーMOSFETのゲート信号ｍ１１，ｍ２１，…，ｍｎ１を
制御する。この動作波形を図１３（ｄ）に示す。すなわ
ち、各電池毎の個別充放電制御３０７の結果として個別
制御量が演算され、鉅歯状波とレベル比較することによ
りｍ１１，ｍ２１，…，ｍｎ１信号を得る。これによ
り、ｍ１１，ｍ２１，…，ｍｎ１がオフの期間では、フ
ルブリッジコンバータ１０４により生成される交流電圧
がオフされるため、各電池毎に充電用の電圧を補正する
ことができる。そのときの交流出力波形を図１３（ｇ）
に示す。図１３（ｃ）に示すフルブリッジコンバータの
出力電圧に対して、図１３（ｄ）の個別補正量だけ交流
電圧の通流率が補正されている。この補正を各電池毎に
実行することにより、各電池電圧のばらつきやトランス
の電圧分担のばらつきなどを補正して、各電池への充電
電流が所望の値に保たれるように補償する。このときの
個別充電電流の波形を図１３（ｆ）に示す。これによ
り、本実施例のようにトランスを介して多並列接続され
た複数の二次側回路に流す電流を一定に制御できる。ま
た、各電池毎の充電電流を補正する場合でも、この双方
向チョッパ回路３１８，３２８，３３８の電圧調整機能
を用いて、各電池への充電電流を制御できる。

【００２７】一方、放電時の動作波形を図１４に示す。
図８に示す第３の実施例の場合と異なり、各フルブリッ
ジコンバータ１０４は、整流ダイオードブリッジとして
動作し、個別交流／直流変換器３で各電池毎の個別制御
により、各電池毎に放電電流を制御する。ここで、放電
時では、交流／直流変換手段３に設けられた双方向チョ
ッパ回路３１８，３２８，３３８の下側アームのゲート
信号ｍ１２，ｍ２２，…，ｍｎ２をオン／オフすること
により、電池電圧を降圧させる動作を実行する。これに
より、各電池毎に個別に放電電流を制御することができ
る。このときの動作波形を図１４(ｃ)に示す。ここで、
ゲート信号ｍ１２，ｍ２２，…，ｍｎ２の通流率を与え
る個別制御量は、個別充放電制御３０７での放電電流制
御の結果として演算される。この結果、フルブリッジコ
ンバータ１０４の整流ダイオード動作によりで一括放電
でき、双方向チョッパ回路３１８，３２８，３３８の下
側アームのゲート信号ｍ１２，ｍ２２，ｍｎ２により、
電池電圧がばらついた場合でも放電電流を所望の一定値
に制御できる。

【００２８】以上、詳述したように、第５の実施例によ
れば、トランス８を介して多並列接続された複数の電池
を一括して充放電できるため、充放電回路構成を簡単に
できるという利点がある。また、一次巻線に対して複数
の二次巻線が多並列に結合されたトランスを磁気コアを
一体で構成できるため、トランスを二次巻線の個数に比
例して設ける必要がないという利点もある。また、双方
向チョッパ回路を各二次側回路に設けることにより、各
電池の充電電流や放電電流を所望の指令値に従って制御
したり、個別に補償できるという利点もある。

【００２９】次に、本発明の実施例として、二次電池の
製造方法を説明する。二次電池の製造プロセスにおいて
は、組み立て後の電池に対して、初充電，放電，エージ
ングを実行する。

【００３０】非水電解液二次電池の製造工程の概要を以
下に説明する。このような二次電池は正極活物質，負極
活物質を、それぞれ、所定の箔に塗り、セパレータを間
に入れて巻き取り、所定の缶に挿入し、電解液を充填し
封缶することにより組み立てが完了する。ここで、ま
ず、正極では、リチウム酸コバルト及び炭素材料系導電
剤などを有機溶剤に溶解させてペースト状とし、この合
剤をアルミ箔の両側に塗布する。これを乾燥後、ロール
プレスで圧縮する。

【００３１】一方、負極剤にはカーボン、またはグラフ
ァイトが用いられ、結着剤と混合したものを混練ペース
ト化し、銅箔に結着させ、同様に巻き取る。次に巻き取
り工程で、両電極をセパレータを介して巻き取り、切断
する。巻き取られた電極を電池缶に収納し、封口キャッ
プに溶接後、電解液を注入し、この後、密閉して電池本
体の組み立て工程を終了する。

【００３２】また、組み立て後の電池は、初期充放電、
および、充電状態で放置するエージング処理が実施され
る。すなわち、組み立て後の電池に対して、充電，放
電、などが行われる。所定の電圧まで初充電した後、所
定の電圧になるまで放電し、その後、放置する。これに
より、容量を確認し、エージング後の電池の充放電サイ
クルの劣化を抑制することが可能な、非水電解液二次電
池の製造方法を提供する。

【００３３】本発明による初期充放電装置は、このよう
な、充放電制御を、一括で制御できるという利点があ
る。ここで、多数個電池の充電，放電特性は、以下に示
すように実行される。初期充電時、複数個の供試用電池
が充放電装置に装着される。充放電装置は所定の充電電
流指令値に従い、複数の電池に対して充電電流を供給す
る。充電中に、各電池電圧は充放電装置の電圧検出手段
により計測されており、個々の電池電圧が、所定の設定
電圧に到達した電池から、順次、充電電流のバイパス回
路を構成し、一括の充電電流に対して、電池電圧が各電
池に対する電流指令値を変更可能とする。ここで、充電
電流は、一括コンバータ側では一定値とし、所定の値ま
で、充電が完了した電池から、順次、充電回路から切り
離され、最後の一個の充電が完了した電池まで、充電を
完了させる。これにより、充電時において、また、放電
時においても、各電池電圧を一定に保った状態で一括し
た放電制御が可能となる。

【００３４】次に、複数個の電池電圧を所定の電圧値ま
で充電後、初期充電を完了し、次に、初期放電により、
各電池電圧が所定の電圧に減少するまで、放電を継続す
る。このときの、放電電流指令値は、各電池に共通した
放電電流となるよう、放電を継続する。ここで、電池容
量のばらつきなどにより、同じ放電電流で放電しても、
放電完了電圧に到達するまでの時間に差異が発生する。
この場合も、充電時での個別切り離しと同様に、放電に
より、所定の放電終了電圧まで放電が完了した電池か
ら、一括放電状態から切り離す。これは、個別コンバー
タ側のバイパス回路をオンすることにより、該当の電池
に対して放電電流をバイパスすることができ、これによ
り、各電池を放電終了電圧まで放電を完了できる。一括
での充電，放電，処理が終了したのち、充放電回路から
切り離し、エージング処理に入る。次に、エージング期
間中に低下した電圧を、再度、充電することで、充放電
処理を完了する。

【００３５】以上、詳述したように、本発明による充放
電装置または方法によれば、電池の製造工程において、
一括した初期充放電処理やエージング処理が可能とな
る。

【００３６】次に本発明の実施例として、多直列接続さ
れた組電池の充放電装置を図１５，図１６，図１７に示
す。充放電装置の構成は、いままで説明したいずれかの
実施例と同じであり、単電池に対して組電池を充放電す
るところが異なる。図１５の実施例では組電池をトラン
ス２を介して多直列接続し、フルブリッジコンバータ１
０４により一括充放電する。また、図１６の実施例では
組電池をトランス８を介して多並列接続し、フルブリッ
ジコンバータ１０４により一括充放電する。また、図１
７の実施例では組電池をトランス１３を介して多直列接
続されたものを多並列接続し、フルブリッジコンバータ
１０４により一括充放電する。このように、単電池が多
直列接続された組電池であっても、トランスを介して一
括充放電することにより、複数個の組電池を簡単な構成
で充放電できるという利点がある。

【００３７】次に、本発明の他の実施例として、電気自
動車への応用例を図１８，図１９に示す。図１８におい
て複数の組電池９，１０，１１がトランス２を介して多
直列に接続されている。この組電池のエネルギーを一括
コンバータ１２により放電させることにより、電池の電
力を、コンバータ１２及びインバータ１３を介してコン
バータ１２の直流側に接続されるインバータ１３を介し
て誘導電動機に供給し電気自動車を駆動する。一方、充
電器１５により一括コンバータ１２に直流電圧を供給す
ることにより、一括コンバータ１２では充電電流をトラ
ンス２を介して各電池に充電する。図１９はトランス８
により多並列接続した場合を示す。本実施例によれば、
複数の組電池を絶縁した状態で結合して充放電できるの
で、組電池を分割して管理でき、個別に交換できるとい
う利点がある。更に、組電池を分割することにより、組
電池の電圧や総容量を制限できるという利点もある。

【００３８】なお図１８，図１９の実施例は、電気自動
車のみならず、各種の誘導電動機駆動システムに適用で
きる。また誘導電動機のみならず、ブラシレスモータ等
のインバータで駆動される電動機ならば、本実施例のシ
ステムを適用できる。

【００３９】次に、本発明の他の実施例として、電力貯
蔵システムへの応用例を図２０，図２１に示す。図２０
において、電力貯蔵手段である組電池９，１０，１１は
トランス２で多直列接続され、一括コンバータ１を介し
て電力系統１６に連係されている。また、図２１はトラ
ンス８で多並列接続された場合を示す。本実施例によれ
ば、各組電池を分割して配置し、また、各組電池毎での
交換が容易という利点がある。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、二個以上の複数の二次
電池や、その組電池を一括して充放電できるので、個々
の単電池、あるいは、組電池を個別の充放電電源によ
り、個別に充電、および、放電する場合に比べて、簡単
な構成で充放電装置を構成できる。また、一括充電にお
いて、電池を多直列、あるいは、多並列に結合した状態
で充電、あるいは、放電できるため、充放電用の変換器
の出力電圧が高い状態で、充電、あるいは、放電でき
る。このため、変換器を構成するパワー素子の電流容量
や、変換器に流れる電流による銅損を小さくでき、効率
のよい充放電電源を構成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による充電電源の構成図。

【図２】第１の実施例による充電電源の動作波形。

【図３】第１の実施例による充電電源の動作波形。

【図４】第１の実施例による充電電源の動作波形。

【図５】第１の実施例による充電電源の動作波形。

【図６】第２の実施例による放電電源の構成図。

【図７】第２の実施例による放電電源の動作波形。

【図８】第３の実施例による充放電電源の構成図。

【図９】第４の実施例による充放電電源の構成図。

【図１０】第４の実施例による充放電電源の動作波形。

【図１１】第５の実施例による充放電電源の構成図。

【図１２】第６の実施例による充放電電源の構成図。

【図１３】第６の実施例による充放電電源の動作波形。

【図１４】第６の実施例による充放電電源の動作波形。

【図１５】本発明の実施例である組電池の充放電装置。

【図１６】本発明の実施例である組電池の充放電装置。

【図１７】本発明の実施例である組電池の充放電装置。

【図１８】本発明の実施例である電気自動車への応用
例。

【図１９】本発明の実施例である電気自動車への応用
例。

【図２０】本発明の実施例である電力貯蔵システムの応
用例。

【図２１】本発明の実施例である電力貯蔵システムの応
用例。

【符号の説明】

１…交流電源、２…多直列接続トランス、３…交流／直
流変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮崎英樹茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者江守昭彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平９−46913（ＪＰ，Ａ) 特開平９−117067（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−88630（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−43138（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 H01M 10/44

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源と、前記交流電源に接続される第
１の交流直流電力変換手段と、該第１の交流直流電力変
換手段の直流出力に接続した第２の直流交流電力変換手
段とを備え、該第２の直流交流電力変換手段の交流出力
端子に複数の変圧器の一次巻線を直列に接続すると共
に、該複数の変圧器の二次巻線に各々整流部が接続し、
該各整流部の出力に第１のスイッチ手段を介して電力蓄
積手段を接続すると共に、前記整流部の出力を短絡する
第２のスイッチ手段を具備し、前記第１の交流直流電力
変換手段と前記第２の直流交流変換手段とは、何れも交
流を直流へ変換あるいは直流を交流に変換する双方向電
力変換手段であることを特徴とする電力蓄積手段の充放
電装置。
【請求項２】請求項１に記載の電力蓄積手段の充放電装
置において、前記第２の直流交流電力変換手段が、前記
変圧器の一次巻線に流れる電流が電流指令値になるよう
に制御する制御手段を備えることを特徴とする電力蓄積
手段の充放電装置。
【請求項３】請求項２に記載の電力蓄積手段の充放電装
置において、前記複数の変圧器の二次巻線側に備えた前
記第１のスイッチ手段を個別に開き、前記複数の電力蓄
積手段を個別に前記整流部から分離できることを特徴と
する電力蓄積手段の充放電装置。
【請求項４】交流電源と、前記交流電源に接続される第
１の交流直流電力変換手段と、該第１の交流直流電力変
換手段の直流出力に接続した第２の直流交流電力変換手
段とを備え、該第２の直流交流電力変換手段の交流出力
端子に複数の変圧器の一次巻線を直列に接続すると共
に、該複数の変圧器の二次巻線に各々整流部が接続し、
該各整流部の出力に第１のスイッチ手段を介して電力蓄
積手段を接続すると共に、前記整流部の出力を短絡する
第２のスイッチ手段を具備し、前記各電力蓄積手段と前記第１の交流直流電力変換手段
の直流側との間に前記電力蓄積手段の放電手段を配置し
たことを特徴とする電力蓄積手段の充放電装置。
【請求項５】請求項１に記載の電力蓄積手段の充放電装
置において、前記各電力蓄積手段と前記第１の交流直流
電力変換手段の直流側との間に前記電力蓄積手段の放電
手段を配置したことを特徴とする電力蓄積手段の充放電
装置。
【請求項６】請求項４あるいは請求項５の何れかに記載
の電力蓄積手段の充放電装置において、電力蓄積手段と
第１の交流直流電力変換手段の直流側との間に配置した
前記放電手段が絶縁形スイッチング電源であることを特
徴とする電力蓄積手段の充放電装置。