特許 6937230 二次電池の充放電試験システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6937230

(24)【登録日】2021年9月1日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】二次電池の充放電試験システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20210909BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20210909BHJP

   G01R 31/382 20190101ALI20210909BHJP

   H01M 10/42 20060101ALI20210909BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20210909BHJP

   G01R 31/3828 20190101ALI20210909BHJP

   G01R 31/3832 20190101ALI20210909BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20210909BHJP

   G01R 31/387 20190101ALI20210909BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/48 P

   G01R31/00

   G01R31/382

   H01M10/42 P

   H02J7/00 Q

   G01R31/3828

   G01R31/3832

   G01R31/385

   G01R31/387

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-231706(P2017-231706)

(22)【出願日】2017年12月1日

(65)【公開番号】特開2019-102267(P2019-102267A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2020年9月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000203977

【氏名又は名称】日鉄テックスエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(74)【代理人】

【識別番号】100127155

【弁理士】

【氏名又は名称】来田 義弘

(72)【発明者】

【氏名】中野 剛志

(72)【発明者】

【氏名】柴野 隆志

(72)【発明者】

【氏名】木村 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】木原 慎二

【審査官】 辻丸 詔

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−１５９８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８７９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１６９５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７２０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４８７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

Ｇ０１Ｒ ３１／００

Ｇ０１Ｒ ３１／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２

Ｈ０２Ｊ ７／００−７／１２

７／３４−７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列接続された複数の二次電池に接続される電流制御用電源、及び前記二次電池に直列に接続される電圧制御用バイアス電源を備え、充放電回路を形成する充放電用電源と、
前記二次電池毎に直列に接続され、前記二次電池を前記充放電回路から切り離すための第１のスイッチング素子を有する直列制御回路と、
前記直列制御回路が接続された前記二次電池毎に逆バイアスがかかる方向に並列に接続されたダイオード、及び該ダイオードに並列に接続され前記二次電池のバイパス回路を形成する第２のスイッチング素子を有する並列制御回路と、
前記各二次電池の電圧を検知して、
ａ）前記直列制御回路に接続される前記二次電池の放電が未完了の間は、放電中の前記二次電池の電圧と該二次電池に接続される線路に発生する電圧降下量との差によって前記ダイオードにかかる電圧が、前記ダイオードに電流が流れ始める電圧より低く、前記二次電池の放電を維持し、
ｂ）前記二次電池の電圧が規定電圧に達して放電が完了したら、前記第１のスイッチング素子をオフにして前記二次電池を前記充放電回路から切り離すと同時に、前記ダイオードに電流が流れ始め、
ｃ）さらに、前記第２のスイッチング素子をオンにして、前記充放電回路の放電電流を前記バイパス回路に流す動作を順に行う、個別制御手段とを備え、
前記並列制御回路に、前記ダイオードと直列に逆バイアスがかかる方向に調整用ダイオードが接続されていることを特徴とする二次電池の充放電試験システム。

【請求項2】

請求項１記載の二次電池の充放電試験システムにおいて、前記二次電池に接続される前記線路に発生する電圧降下量は、前記線路の配線抵抗で規定することを特徴とする二次電池の充放電試験システム。

【請求項3】

請求項１又は２記載の二次電池の充放電試験システムにおいて、前記第１、第２のスイッチング素子は、半導体素子であることを特徴とする二次電池の充放電試験システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池の充放電試験システムにおいて、直列接続した二次電池を定量放電した場合に、規定の容量に達した二次電池を放電電流の途切れなく、直列接続状態から切り離すシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電池（二次電池）の製造においては、作製した電池の充放電試験を行い、電池が所定の性能や特性を満たしているか否かを検査してから出荷している。
この二次電池の充放電試験では、直列に接続した複数の二次電池を充放電用電源に接続し、所定の定電流で充電して電池電圧を上昇させ、電池電圧が所定の定電圧まで上昇すると、この定電圧を保つように定電圧充電に切り替える。そして、所定の充電時間（又は所定の終了条件）に達すると充電動作を終了させて、定電流放電に切り替える。定電流放電は所定の定電流（放電電流）で実行され、二次電池が過放電とならない所定の規定電圧（又は所定の終了条件）に達すると定電流放電を終了させている。しかし、定電流放電において、各二次電池が規定電圧に達するまでの時間は、各二次電池の特性（ランク）により異なるため、規定電圧に達した二次電池を順次、回路から切り離す（除外する）必要がある。
例えば、特許文献１には、複数のセル（電池）から成る組電池に対して定電流−定電圧充放電制御を行って組電池の評価を行う組電池評価試験システムにおいて、各セルの出力電圧を検出するセル電圧検出線を各セル毎に収容し、かつ各セルの除外／接続をセル毎に行う除外装置を備えた組電池評価試験装置と、各セル電圧検出線から各セルの出力電圧を検出し、検出された出力電圧を合計して得られる組電池総電圧を検出する充放電部と、充放電部に対して組電池総電圧の検出を指令する制御部とから構成される組電池評価試験システムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３９８１５３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の組電池評価試験システムにおいては、充電時は、上記従来の充電動作と同様の動作を行い、放電時は、当初、組電池評価試験装置から定電流を出力する定電流制御による放電を行って、組電池評価試験装置が定電流出力を維持できなくなったら、定電圧制御に移行する定電流−定電圧充放電制御を行っている。よって、除外装置の内部スイッチで各セルの除外／接続を切り替えているが、これは、接続されている各セルの出力電圧を検出し、検出された出力電圧を合計して組電池総電圧を検出すると共に、組電池総電圧の変化に対応させて設定電流値を増減させて、定電圧制御による放電を行うためである。
これに対し、定電流放電では放電電流は一定であり、各二次電池が規定電圧に達するまでの時間と放電電流（定電流）の電流値を積算することにより、各二次電池の放電容量を測定することができる。よって、規定電圧に達した二次電池が充放電回路から切り離されても、一定の放電電流が途切れなく充放電回路を流れていれば、その時の電流値は、充放電用電源の出力電流で容易に計測することができる。そのためには、ダイオードを二次電池に対して逆バイアスが掛かる方向に並列に取付け、二次電池が放電している間（規定電圧に達するまで）は、二次電池に放電電流を流してダイオードには電流が流れないようにし、二次電池が規定電圧に達して放電が完了したら、ダイオードに放電電流が流れるようにして、二次電池を充放電回路から切り離す（二次電池に電流が流れないようにする）という方法が考えられる。
しかし、二次電池が放電することによって、二次電池の電圧が低下していくと、ダイオードの特性と配線抵抗等の電圧降下の影響で、放電が完了していなくてもダイオードに順方向の電圧がかかり、ダイオードに微小な電流が流れてしまう。この状態になると、実際に二次電池に流れる電流と、放電電源の電流値に誤差を生じてしまい、放電容量を正確に測定することができなくなるという問題がある。この傾向は、逆バイアスを掛けるダイオードにショットキーバリアダイオードを用いた場合に顕著となる。

【0005】

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、充放電回路に流れる放電電流を一定に保ちながら、放電が完了した二次電池を順次、充放電回路から切り離し、各二次電池の放電容量を精密に計測することができる充放電試験システム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】

【0006】

前記目的に沿う本発明に係る二次電池の充放電試験システムは、直列接続された複数の二次電池に接続される電流制御用電源、及び前記二次電池に直列に接続される電圧制御用バイアス電源を備え、充放電回路を形成する充放電用電源と、
前記二次電池毎に直列に接続され、前記二次電池を前記充放電回路から切り離すための第１のスイッチング素子を有する直列制御回路と、
前記直列制御回路が接続された前記二次電池毎に逆バイアスがかかる方向に並列に接続されたダイオード、及び該ダイオードに並列に接続され前記二次電池のバイパス回路を形成する第２のスイッチング素子を有する並列制御回路と、
前記各二次電池の電圧を検知して、
ａ）前記直列制御回路に接続される前記二次電池の放電が未完了の間は、放電中の前記二次電池の電圧と該二次電池に接続される線路に発生する電圧降下量との差によって前記ダイオードにかかる電圧が、前記ダイオードに電流が流れ始める電圧より低く、前記二次電池の放電を維持し、
ｂ）前記二次電池の電圧が規定電圧に達して放電が完了したら、前記第１のスイッチング素子をオフにして前記二次電池を前記充放電回路から切り離すと同時に、前記ダイオードに電流が流れ始め、
ｃ）さらに、前記第２のスイッチング素子をオンにして、前記充放電回路の放電電流を前記バイパス回路に流す動作を順に行う、個別制御手段とを備え、
前記並列制御回路に、前記ダイオードと直列に逆バイアスがかかる方向に調整用ダイオードが接続されている。

【0007】

本発明に係る二次電池の充放電試験システムにおいて、前記二次電池に接続される前記線路に発生する電圧降下量は、前記線路の配線抵抗で規定することが好ましい。

【0008】

【0009】

本発明に係る二次電池の充放電試験システムにおいて、前記第１、第２のスイッチング素子は、半導体素子であることが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る二次電池の充放電試験システムは、直列接続された複数の二次電池に接続される電流制御用電源、及び二次電池に直列に接続される電圧制御用バイアス電源を備え、充放電回路を形成する充放電用電源を有するので、二次電池の電圧が規定電圧に達するまで確実に放電電流を流すことができ、また、放電が完了した二次電池を充放電回路から切り離す際に電圧変動が発生しても、放電電流の変動を抑えて、略一定の放電電流を安定的に流し続けることが可能で、放電容量計測の高精度化を図ることができる。
二次電池毎に直列に接続され、二次電池を充放電回路から切り離すための第１のスイッチング素子を有する直列制御回路と、直列制御回路が接続された二次電池毎に逆バイアスがかかる方向に並列に接続されたダイオード、及びダイオードに並列に接続され二次電池のバイパス回路を形成する第２のスイッチング素子を有する並列制御回路を備えており、個別制御手段により各二次電池の電圧を検知して、直列制御回路に接続される二次電池の放電が未完了（電圧が規定電圧に達するまで）の間は、放電中の二次電池の電圧と二次電池に接続される線路に発生する電圧降下量との差によってダイオードにかかる電圧が、ダイオードに電流が流れ始める電圧より低く、二次電池の放電を維持することができる。この結果、放電中はダイオードに電流が流れることはなく、二次電池の電圧が規定電圧（ほぼ０Ｖ）になるまで、一定の放電電流を流し続けることができ、放電完了までの時間と放電電流の電流値の積算により、正確な放電容量を計測することができる。また、二次電池の電圧が規定電圧に達して放電が完了したら、第１のスイッチング素子をオフにして放電が完了した二次電池を充放電回路から切り離すと同時にダイオードに電流が流れ始め、さらに、第２のスイッチング素子をオンにして、充放電回路の放電電流をバイパス回路に流すことにより、充放電回路に流れる放電電流が途切れることはなく、ダイオードの発熱を最小限に抑えることができる。このようにして、放電が完了した二次電池が順次、充放電回路から切り離され、充放電回路に接続されている二次電池の数が減少しても、一定の放電電流を流し続けることができ、全ての二次電池について精度よく放電容量を計測できる。

【0011】

二次電池に接続される線路に発生する電圧降下量を線路の配線抵抗で規定した場合、ダイオードの特性に応じた最適な電圧降下量を容易に設定することができ、二次電池の放電中にダイオードに電流が流れることがなく、二次電池に流れる放電電流の変動を防ぎ、放電容量の測定誤差を抑えることができる。
並列制御回路に、ダイオードと直列に逆バイアスがかかる方向に調整用ダイオードが接続されているので、並列制御回路（ダイオード）に電流が流れ始める電圧を高くすることができ、その分、二次電池に接続される線路を長くする（配線抵抗を大きくする）ことができ、回路設計の自由度が増す。
第１、第２のスイッチング素子が半導体素子である場合、スイッチングの応答速度を調整することができ、電流制御用電源と電圧制御用バイアス電源を備えた充放電用電源との組合せにより、放電電流の変動を効果的に防ぎ、放電容量計測の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施の形態に係る二次電池の充放電試験システムの構成を示す説明図である。

【図2】同二次電池の充放電試験システムの動作を示す説明図である。

【図3】同二次電池の充放電試験システムの並列制御回路の変形例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。本発明の一実施の形態に係る二次電池の充放電試験システム１０は、図１、図２に示すように、充放電回路１１に直列接続した複数の二次電池１２を定電流放電する場合に、規定電圧（例えば、０Ｖ）に達して放電が完了した二次電池１２を直列接続状態から切り離しても、充放電回路１１に流れる放電電流Ｉが途切れることがなく、各二次電池１２の放電容量を精密に計測できるものである。
以下、二次電池の充放電試験システム１０の詳細について説明する。
まず、図１に示すように、二次電池の充放電試験システム１０では、充放電回路１１に複数の二次電池１２を直列接続して同時に試験を行う。充放電回路１１を形成する充放電用電源１３は、直列接続された複数の二次電池１２に接続される電流制御用電源１４、及び二次電池１２に直列に接続される電圧制御用バイアス電源１５を備えている。なお、電流制御用電源１４には、スイングチョークコイルを使用したものが好適に用いられる。これにより、微小電流時のリップル電流の影響を軽減することができ、微小電流から大電流まで精度よく流すことができる。また、電圧制御用バイアス電源１５は、二次電池１２の電圧が低くなっても、規定電圧（例えば、０Ｖ）まで放電できるようにするために、二次電池１２に対してオフセット電圧を与える電源である。なお、直列接続される試験対象の二次電池１２の数は特に限定されるものではない。

【0014】

次に、二次電池１２毎に直列に直列制御回路１６が接続されており、この直列制御回路１６は、二次電池１２を充放電回路１１から切り離すための第１のスイッチング素子１７を有している。本実施の形態では、第１のスイッチング素子１７として、半導体素子であるパワーＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限定されるものではない。なお、図１には、ダイオード１８が記載されているが、これはパワーＭＯＳＦＥＴの内部に存在する寄生ダイオード（ボディーダイオード）を表しており、必須の構成ではないので、内部に寄生ダイオードが存在しないスイッチング素子を使用する際に、別途、ダイオードを接続する必要はない。
さらに、直列制御回路１６が接続された二次電池１２毎に並列制御回路２０が接続されており、この並列制御回路２０は、逆バイアスがかかる方向に二次電池１２と並列に接続されたダイオード２１、及びダイオード２１に並列に接続され二次電池１２のバイパス回路を形成する第２のスイッチング素子２２を有している。第２のスイッチング素子２２は、適宜、選択することができるが、半導体素子が好適に用いられる。また、ダイオード２１としては、整流ダイオードが好適に用いられる。整流ダイオードは、ショットキーバリアダイオードに比べ、漏れ電流が少なく、分流の影響をなくして、二次電池１２に流れる放電電流Ｉを高精度に保つことができる。なお、第２のスイッチング素子２２として、パワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ダイオード２１にはパワーＭＯＳＦＥＴの内部に存在する寄生ダイオード（ボディーダイオード）を使用するので、別途、ダイオードを接続する必要はない。

【0015】

そして、二次電池の充放電試験システム１０は、二次電池１２毎に充放電を制御する個別制御手段２５を有している。個別制御手段２５は、放電中の二次電池１２の電圧を測定し、予め設定した規定値（規定電圧、例えば、０Ｖ）と比較する比較器２６と、比較器２６で測定した二次電池１２の電圧に従って、第１、第２のスイッチング素子１７、２２のオンオフを切り替えるドライバー２７を有している。
放電試験は、二次電池１２が満充電の状態で、第２のスイッチング素子２２をオフにし、第１のスイッチング素子１７をオンにしてから開始する。
ここで、ダイオード２１が、二次電池１２に対して逆バイアスがかかる方向に並列に接続されているので、二次電池１２の電圧が高い間は、ダイオード２１に順方向の電圧がかかることはなく、ダイオード２１に電流は流れない。

【0016】

しかし、二次電池１２に接続される線路２８には配線抵抗２９が存在しており、放電電流Ｉが流れることにより、電圧降下が発生する。このため、放電中の二次電池１２の電圧と、二次電池１２に接続される線路２８に発生する電圧降下量との差が、ダイオード２１の両端にかかる電圧となる。したがって、放電に伴って二次電池１２の電圧が低下すると、ある時点で二次電池１２の電圧よりも、線路２８に発生する電圧降下量が大きくなり、ダイオード２１にマイナスの電圧、即ち順方向の電圧がかかることになる。そして、この順方向の電圧がある値よりも大きくなると、ダイオード２１に電流が流れ始め、二次電池１２に流れる放電電流が変動してしまう。
そこで、放電中の二次電池１２の電圧が規定電圧に達するまで（放電が完了するまで）、ダイオード２１にかかる電圧が、ダイオード２１に電流が流れ始める電圧より低くなるように、配線抵抗２９を規定することにより、放電に伴って二次電池１２の電圧が低くなっても、ダイオード２１に電流を流すことなく、放電完了まで定電流で二次電池１２の放電を維持することができる。

【0017】

例えば、ダイオード２１に電流が流れ始める順方向の電圧が０．２Ｖの場合、線路２８に発生する電圧降下量が０．２Ｖより低くなるように配線抵抗２９を設定しておき、二次電池１２の電圧が０Ｖになった時に、第１のスイッチング素子１７をオフにすれば、その時点でダイオード２１に電流が流れ始めるので、二次電池１２の電圧が０Ｖになるまで、一定の放電電流Ｉを維持することができる。よって、比較器２６で測定した二次電池１２の電圧がほぼ０Ｖになった時に、放電が完了したと判断し、ドライバー２７からの指令で第１のスイッチング素子１７をオフにすることにより、二次電池１２は充放電回路１１から切り離される。そして、放電が完了した二次電池１２が充放電回路１１から切り離されると同時にダイオード２１に電流が流れ始め、放電電流Ｉはダイオード２１を通って充放電回路１１を流れ続けるので、放電電流Ｉの変動を防ぐことができる。次に、ドライバー２７からの指令で第２のスイッチング素子２２をオンにすることにより、ダイオード２１に流れていた放電電流Ｉは第２のスイッチング素子２２で形成されるバイパス回路側を通って充放電回路１１を流れ続ける。このとき、第２のスイッチング素子２２のオン抵抗は小さく、発熱を最小限に抑えることができる。なお、図２において、第１のスイッチング素子１７をオフにしてから、第２のスイッチング素子２２をオンにするまでの時間（Ｔ２−Ｔ１）は適宜、選択することができるが、数ｍｓｅｃ程度が好ましい。
ここで、二次電池１２に接続される線路２８が長くなり、配線抵抗２９が大きくなる場合は、ダイオード２１と直列に逆バイアスがかかる方向に調整用ダイオードを追加で接続し、配線抵抗２９による電圧降下量と相殺するようにすれば、二次電池１２の電圧がほぼ０Ｖになるまで放電させることができる。なお、図３の変形例に示すように、並列制御回路２０ａにおいて、追加スイッチング素子２２ａとしてパワーＭＯＳＦＥＴを追加すれば、パワーＭＯＳＦＥＴの内部に存在する寄生ダイオード（ボディーダイオード）を調整用ダイオード３０として使用することができるので、別途、ダイオードを接続する必要はない。

【0018】

以上のように、二次電池の充放電試験システム１０によれば、二次電池１２が放電を開始し、時間Ｔ１で放電が完了して第１のスイッチング素子１７がオフとなり、二次電池１２が充放電回路１１から切り離されるまでの間、二次電池１２には一定の放電電流Ｉ（充放電用電源１３の出力電流）が流れる。よって、図１に示すように、充放電用電源１３と、各個別制御手段２５に接続されたコントローラ３１により、放電電流Ｉと、各二次電池１２が放電を開始して放電が完了するまでの時間Ｔ１を計測し、その放電電流Ｉと時間Ｔ１を積算することにより、各二次電池１２の放電容量を精度よく測定できる。このとき、充放電回路１１に流れる放電電流Ｉは、接続されている二次電池１２の数に関わらず一定に維持されるので、各二次電池１２の特性（ランク）によって放電時間（Ｔ１）が異なっていても、それぞれの放電容量を正確に求めることができ、複数の二次電池１２を短時間で試験、選別することが可能となる。
なお、二次電池１２から放電される放電エネルギーは商用交流電源に回生して有効利用することができ、電力の消費量を低減して、試験の低コスト化を図ることができる。このとき、放電に伴って二次電池１２の電圧は低下するが、昇圧チョッパー回路を用いることにより、高電圧の出力を維持して効率的に電力回生を行うことができる。

【0019】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
二次電池の充放電試験システム１０により試験する二次電池は、主にニッケル水素電池であるが、リチウム電池や鉛バッテリー等のその他の二次電池も対象とすることができる。

【符号の説明】

【0020】

１０：二次電池の充放電試験システム、１１：充放電回路、１２：二次電池、１３：充放電用電源、１４：電流制御用電源、１５：電圧制御用バイアス電源、１６：直列制御回路、１７：第１のスイッチング素子、１８：ダイオード、２０、２０ａ：並列制御回路、２１：ダイオード、２２：第２のスイッチング素子、２２ａ：追加スイッチング素子、２５：個別制御手段、２６：比較器、２７：ドライバー、２８：線路、２９：配線抵抗、３０：調整用ダイオード、３１：コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】