JP2010225332A - 組電池システム及び組電池の保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池システムにおける長期保存時の単電池の転極を防止する。
【解決手段】組電池システムは、アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロック１１を含む組電池１０と、前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部１５と、前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部１６と、前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路１９と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直列に接続された複数の非水電解質二次電池を有する組電池システム及び組電池の保護装置に関する。

近年、二次電池の用途は携帯電話やノートＰＣなどの情報機器にとどまらず、家電、パワーツール、アシスト自転車及びハイブリッド自動車など、高出力かつ高電圧の用途へと急速に広がっている。これに伴い、いわゆる組電池の単電池直列数は増加しており、二次電池を１０本以上直列接続して使用する場合も珍しくなくなっている。

このような多数の二次電池を直列接続した組電池に対しては、充放電時に個々の二次電池（単電池という）が過充電や過放電にならないようにするための保護装置を設けることが必要である。組電池及び保護装置を組み合わせたシステムを組電池システムという。特に、非水電解質二次電池を用いた組電池システムの場合、一般には全ての単電池の電圧を監視可能な高機能の保護装置が適用される。そのような高機能の保護装置は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）をはじめとする、様々な集積回路を組み合わせて実現される。

ところで、単電池を直列接続した場合に問題になるのは、単電池間のばらつきである。ばらつきには、容量ばらつき、インピーダンスばらつき、及び充電状態（state of charge:ＳＯＣ）のばらつき（以下、ＳＯＣばらつきという）など種々ある。これらのうち特に不具合につながりやすいのは、ＳＯＣばらつきの中の電圧ばらつきである。

容量ばらつきやＳＯＣばらつきがある組電池システムを長時間放置する場合、転極に注意する必要がある。ほとんどの組電池システムでは、保護装置を動作させるための電源の全部あるいは一部が組電池から供給される。組電池システムが充放電を行っていない際には、なるべく消費電流を少なくするために保護装置の各部への電源供給を制限し、スリープ状態とする。しかし、それでも消費電流をゼロにすることは不可能であり、微弱な電流が流れ続けることにより、容量の小さい単電池が転極を起こしてしまうという可能性がある。

一般に、非水電解質二次電池が過放電あるいは転極状態になると負極電位が上昇し、負極集電体など負極と同電位で接続された金属が溶出し、別の部位に再析出することで著しく電池性能が低下したり、セパレータを突き破って短絡したりする可能性がある。一度転極を起こした非水電解質二次電池は、一般に再使用不可能となる。従って、従来の組電池システムでは長期保存する前には充電量を５０％程度までとするなど、特別な操作が必要であった。組電池を放電しきった後にそのまま放置したような場合には、次回充電しようとしても転極等が発生し、それを検知した保護装置が充放電を禁止するため、組電池システムを使用できなくなってしまう。

特許文献１には、直列接続したニッカド電池の各々に並列にバイパス回路として用いられるショットキーバリアダイオードを接続し、劣化によって起電力が低下した電池の負極側から正極側に向かって流れる電流をバイパスすることによって、転極を防止することが記載されている。

しかし、特許文献１の手法は非水電解質二次電池の転極防止には有効でない。すなわち、特許文献１の手法によると、バイパス回路が正常に動作した場合においてもショットキーバリアダイオードの閾値電圧が負電圧として非水電解質二次電池に印加され、前記転極状態となり、非水電解質二次電池は使用不可能となるため、好ましくない。

特許文献２には、ダイオードの閾値電圧以下の微弱信号に対しても整流を行うことができる整流器が開示されている。

特開平９−９２３４２号公報 特開２００６−３４０８５号公報

本発明は、複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池システムにおける長期保存時の単電池の転極を防止することを目的とする。

本発明の一態様によると、アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池と、前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、を具備する組電池システムを提供する。

本発明の他の態様によると、アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池のために、前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、を具備する組電池の保護装置が提供される。

本発明によれば、複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池システムにおいて、特に長期保存時の単電池の転極を防止して長期保存性を改善することができる。

本発明の第１の実施形態に係る組電池システムを示すブロック図 バイパス回路の具体例を示す回路図 バイパス回路の特性図 バイパス回路の他の具体例を示す回路図 本発明の第２の実施形態に係る組電池システムを示すブロック図 ＳＯＣバランサの具体例を示す回路図 本発明の第３の実施形態に係るＳＯＣバランサを兼ねるバイパス回路を示す回路図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る組電池システムを示している。この組電池システムは、大きく分けて組電池１０と保護装置１４からなる。組電池１０は、直列接続された複数の単電池ブロック１１を含み、単電池ブロック１１の各々は少なくとも一つの非水電解質二次電池を単電池として用いる。単電池ブロック１１の各々が複数の非水電解質二次電池を含む場合、それらの電池は並列接続される。ここで、非水電解質二次電池はアルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ。

組電池１０の正極端子及び負極端子は、外部接続端子１２及び１３にそれぞれ接続される。外部接続端子１２及び１３は、組電池１０の充電時は充電電源に接続され、組電池１０の放電時は放電負荷に接続される。

次に、保護装置１４について説明する。
保護装置１４は電圧測定部１５、制御部１６、充放電制御スイッチ１７、シャットダウンスイッチ１８及びバイパス回路１９を有する。電圧測定部１５は、組電池１０の一方の端の単電池ブロックの正極端子及び他方の端の単電池ブロックの負極端子と、隣接する単電池ブロック間の接続点に電圧測定線を介して接続される。電圧測定部１５は、全ての単電池ブロック１１の電圧（端子電圧）を連続的にあるいは任意の時間間隔で間欠的に測定し、測定結果を制御部１６へ与える。

制御部１６は、電圧測定部１５により測定された単電池ブロック１１の電圧を監視し、それに基づいて充放電制御スイッチ１７を制御する。具体的には、充電時に少なくとも１つの単電池ブロック１１の電圧が、予め決められた単電池ブロックの充電終止電圧より大きくなると、制御部１６は充放電制御スイッチ１７をオフにして充電を禁止する。放電時に少なくとも１つの単電池ブロック１１の電圧が、予め決められた単電池ブロックの放電終止電圧よりも小さくなると、制御部１６は充放電制御スイッチ１７をオフにして放電を禁止する。このようにして、制御部１６は一般に非水電解質二次電池の保護装置で実施される電池保護動作を行う。

充放電の禁止動作は、上述のように充放電制御スイッチ１７をオフにすることによって実現してもよいし、組電池システムに接続される充電電源、放電負荷、あるいは充電電源及び放電負荷のそれぞれの制御部に対して充放電禁止信号を送信することによって実現してもよい。

バイパス回路１９は、単電池ブロック１１のそれぞれと並列に接続される。バイパス回路１９は、一般の整流器に比べて損失の少ない、いわゆる高感度整流器を用いて実現される。高感度整流器は、ダイオードまたはいわゆるダイオード接続をしたＭＯＳＦＥＴもしくはバイポーラトランジスタにより実現される。ここでは、図２及び図３を参照してＭＯＳＦＥＴを用いた整流器について説明する。

図２は、バイパス回路１９として用いられる、ＭＯＳＦＥＴ２０１を用いた整流器の回路図である。ＭＯＳＦＥＴ２０１のソース（Ｓ）端子は単電池ブロック１１の正極に接続され、ドレイン（Ｄ）端子は単電池ブロック１１の負極に接続される。図３のＶ_T＝０の場合の入出力特性は、図２のＭＯＳＦＥＴ２０１においてゲート−ドレイン間を短絡した、いわゆるダイオード接続の場合の特性である。図２では、ＭＯＳＦＥＴ２０１のゲート−ドレイン間にキャパシタ２０２を接続すると共に、スイッチ２０３，２０４をオンにしてバイアス電圧源２０５からバイアス電圧Ｖ_T＝０Ｖを印加することにより、ダイオード接続と同様の効果を実現する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ２０１の閾値電圧Ｖ_THに満たない電圧がゲート−ドレイン間に入力されても、整流は行われない。

バイアス電圧Ｖ_Tを例えば閾値電圧Ｖ_THと等しくすると、ＭＯＳＦＥＴ２０１の入出力特性は、図３のＶ_T＝０のときの実線の特性３０１から横軸の負の方向にシフトし、破線の特性３０２のようになる。図３の横軸はＭＯＳＦＥＴ２０１のドレイン−ソース間電圧Ｖ_DS、縦軸はドレイン電流Ｉ_Dをそれぞれ表す。この場合、ＭＯＳＦＥＴ２０１ではドレイン−ソース間に入力される交流信号３０３に対して、破線３０４のようにドレイン電流Ｉ_Dが流れ、半波整流が行われる。

このようにＭＯＳＦＥＴ２０１のゲート−ドレイン間に、ＭＯＳＦＥＴ２０１の閾値電圧Ｖ_THと等しいバイアス電圧Ｖ_Tを印加することにより、ダイオード特性の閾値を見かけ上０Ｖにすることができる。この技術は前述した特許文献２に、ＲＦタグをアプリケーションとした場合について開示されている。

バイパス回路１９は、例えば上記のようにゲート−ドレイン間に閾値電圧Ｖ_THと等しいバイアス電圧Ｖ_Tが印加されることによりダイオード特性の閾値が見かけ上０Ｖとされた、ＭＯＳＦＥＴ２０１によるダイオードで実現される。ここで、ＭＯＳＦＥＴ２０１のダイオード特性の閾値は、バイパス回路１９の閾値すなわちバイパス回路１９がバイパス動作をし始めるときの単電池ブロック１１の電圧を与える。すなわち、バイパス回路１９は、単電池ブロック１１の電圧が低下し、０Ｖを超えて予め設定された閾値（この場合は０Ｖ）より低い負電圧になると、対応する単電池ブロック１１の負極側から正極側に向かう電流（逆電流）をバイパスさせる。このバイパス動作により、単電池ブロック１１の電圧のさらなる低下は避けられる。

ここで、バイパス回路１９の閾値は、単電池ブロック１１の電圧が当該閾値まで放電あるいは転極した場合でも、単電池ブロック１１が再使用不可能とならないような値に設定される。今、仮にバイパス回路１９の閾値が正電圧であるとすると、バイパス回路１９が単電池ブロック１１の残容量を放電させてしまうことにより、単電池ブロック１１の過放電を引き起こす。よって、バイパス回路１９の閾値を上記のように０Ｖに設定し、単電池ブロック１１が全く転極を起こさないようにすることが最も好ましい。

単電池ブロック１１の転極が起こる原因は、単電池ブロック１１の一部が過放電になっても、さらに組電池１０から放電電流が流れ続けることである。電圧測定部１５は全ての単電池ブロック１１の電圧を監視し、これに基づき制御部１６は組電池１０の充放電を制御している。従って、単電池ブロック１１の一部が過放電になった以後も、組電池１０から流れ続ける放電電流が正常な負荷に流れるものであれば、過放電になる前に放電を停止させることができる。

一方、組電池１０が放電終止とされた後でも、保護装置１４によってわずかに消費される電流が流れ続ける。このような保護装置１４の消費電流は、例えばシャットダウンユニット１８により、保護装置１４の不要な部分への電源供給を停止することによって小さくすることができる。しかし、シャットダウンユニット１８は図のようにスイッチを用いて実現されるため、シャットダウン動作を行っても保護装置１４の消費電流をゼロにすることはできない。

バイパス回路１９は、このような保護装置１４の消費電流、あるいはシャットダウンユニット１８によって消費電流が抑制された後の保護装置１４の消費電流分に相当する電流をバイパスすることができればよい。多くの場合、バイパス回路１９がバイパスすべき電流は、組電池１０の放電可能電流よりずっと小さく、数μＡから数十ｍＡ程度である。

次に、組電池１０について詳細に説明する。
前述したように、組電池１０の単電池ブロック１１には負極集電体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる非水電解質二次電池が好適に用いられる。

一般に、非水電解質二次電池は、過放電あるいは転極状態になると負極の電位が上昇する。負極の電位が上昇すると、負極と同電位である負極集電体の金属が溶出し、当該金属が別の部位に再析出することで著しく電池性能が低下したり、当該金属がセパレータを突き破って短絡を引き起こしたりする可能性がある。これらことから、一度過放電となったり転極を生じたりした非水電解質二次電池は、一般に再使用が不可能となる。

ところが、負極集電体としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いると、電池が過放電あるいは転極状態となって負極の電位が上昇した場合でも、負極集電体の金属であるアルミニウムが溶出することがないため、電池性能の低下が少ない。また、溶出した金属が再析出して短絡を引き起こす可能性もないため、安全性の問題も生じない。従って、過放電となったり転極を起こしたりした電池であっても、再使用が可能である。

アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いた負極集電体は、対リチウム電位が０．３Ｖ程度以下になるとリチウム金属と合金化するため、一般の炭素負極を用いた非水電解質二次電池では使用できないが、適当な動作電位をもつ負極活物質と組み合わせて使用することができる。チタン酸リチウムは、１．５Ｖ前後の対リチウム電位でリチウムを吸蔵し放出するため、アルミニウムまたはアルミニウム合金の負極集電体と組み合わせる負極活物質の材料として好適である。

なお、図２及び図３ではバイパス回路１９としてＭＯＳＦＥＴ２０１を用いた整流器について説明したが、図４に示すようにバイポーラトランジスタ２１１を用いてもよい。図４において、トランジスタ２１１のエミッタ（Ｅ）端子は単電池ブロック１１の正極に接続され、コレクタ（Ｃ）端子は単電池ブロック１１の負極に接続され、ベース（Ｂ）端子とコレクタ（Ｃ）端子との間にバイアス電圧源２０５からバイアス電圧が印加される。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る組電池システムである。本実施形態では第１の実施形態に係る組電池システムに対して、各単電池ブロック１１に並列に接続されたＳＯＣバランサ２０と、制御部１６に接続された記憶部２３が追加されている。まず、ＳＯＣバランサ２０について説明する。

直列接続した複数の単電池ブロック１１からなる組電池１０においては、各単電池ブロック１１間のばらつき、特に不具合につながりやすいＳＯＣばらつきが問題となることは前述した通りである。組電池１０において単電池ブロック１１をＳＯＣばらつきが存在したまま直列接続している場合、組電池１０を充電すると各単電池ブロック１１の電圧がばらつき、一部の単電池ブロックだけ過充電がなされたりする場合がある。

ＳＯＣばらつきが生じる要因としては、初期の単電池ブロック間のばらつきだけでなく、組電池の使用中に生じる要因もある。例えば、単電池ブロック間に温度差があるために単電池ブロック毎の自己放電量がばらついたり、単電池ブロック毎に保護装置による放電負荷によって放電される電流が異なったりする場合もある。特に単電池ブロックの直列数が多い高電圧の組電池においては、保護装置が複雑になるため、単電池ブロック毎に保護装置によって放電負荷によって放電される放電電流がばらつきやすい。このような原因によって、組電池の使用中あるいは放置中にもＳＯＣばらつきが発生し拡大していく場合もある。

このように、組電池システムにおいて、単電池ブロック間のＳＯＣばらつきは、程度の大小はあっても不可避に近い問題である。従って、例えば組電池の満充電状態においてＳＯＣばらつきがある場合、電圧が平均より高い単電池ブロックと低い単電池ブロックが生じ、電圧が高い単電池ブロックは過充電状態となって、劣化が大きくなってしまう。このような充電を繰り返すと、過充電により劣化が大きくなった単電池ブロックは容量が低下するため、さらなる過充電によって加速度的に劣化が進行してしまう。結果として、組電池のサイクル寿命は、単電池ブロックの寿命より著しく短くなる可能性がある。

これに対しては、保護装置１４で各単電池ブロックの電圧を厳密に監視し、電圧の最大値が充電終止電圧を超えないように、また電圧の最小値が放電終止電圧を超えて低下しないように制御を行うことが有効である。一方、本実施形態のようにＳＯＣバランサ２０によって満充電状態での各単電池ブロック１１のＳＯＣが揃うように制御することも有効である。

本実施形態におけるＳＯＣバランサ２０は、単電池ブロック１１を個別に放電させることによって各単電池ブロック１１間のＳＯＣばらつきを補正し、ＳＯＣをバランスさせる（揃える）ために設けられる。ＳＯＣバランサ２０は、例えば図６に示されるようにＦＥＴのような半導体スイッチ２１と抵抗器２２との直列回路が用いられ、これが単電池ブロック１１に並列に接続される。制御部１６からの制御信号によりスイッチ２１がオン／オフされることによって、ＳＯＣバランサ２０は対応する単電池ブロック１１から必要な放電電流を必要な時間流すことができる。なお、図６はＳＯＣバランサ２０の一例であり、他の構成のＳＯＣバランサを用いて同様の機能を実現してもよい。

ＳＯＣバランサ２０の一般的な基本動作は、次のようなものである。制御部１６は、電圧測定部１５からの電圧測定結果またはその他の情報により、単電池ブロック１１間でＳＯＣばらつきが生じたと判断すると、他より相対的に充電量が多い（すなわち、相対的にＳＯＣが高い）単電池ブロック１１に対応するＳＯＣバランサ２０を動作させる。これによりＳＯＣが高い単電池ブロック１１は放電され、単電池ブロック１１間でＳＯＣが揃うようにＳＯＣが調整される。

本実施形態に係る組電池システムにおいては、第１の実施形態と同様、単電池ブロック１１のうちのいずれかの電圧がバイパス回路１９の閾値より低い負電圧になった場合、対応するバイパス回路１９がオンとなって、単電池ブロック１１の負極側から正極側に向かう逆電流をバイパスする。この動作によって、逆電流がバイパスされた単電池ブロックのＳＯＣは、他の単電池ブロックのそれより高くなる。バイパス回路１９が動作した場合には単電池ブロック１１の閾値をこえた転極は抑制されるが、一方で組電池システムの満充電付近におけるSOCばらつきを拡大する可能性がある。

本実施形態のような、非水電解質二次電池を用いた組電池システムでは、充電時に過充電を抑制しつつ定電流定電圧充電を行ってなるべく満充電に近づけることが一般に行われる。このため、充電時に単電池ブロック１１間でＳＯＣが揃っていることが望ましい。本実施形態では、以下のようにして充電時に単電池ブロック１１間でＳＯＣをバランスさせる。

記憶部２３は、制御部１６によるバイパス動作の履歴を単電池ブロック１１毎に記憶している。すなわち、記憶部２３は各単電池ブロック１１についてバイパス履歴、すなわちバイパス回路１９による逆電流のバイパスが行われたか否かの履歴を記憶している。これにより、制御部１６は記憶部２３に記憶されているバイパス履歴を参照して、前回の充電時に逆電流がバイパスされた単電池ブロックを認識することができる。

次に、制御部１６は組電池１０の充電を行う際に、前回の充電時にバイパス回路１９により逆電流がバイパスされた単電池ブロックをＳＯＣバランサによって適宜放電させる。これにより前回の充電時に逆電流がバイパスされた単電池ブロックの充電量は、それ以外の単電池ブロックの充電量より小さくなる。このようにバイパス回路１９のバイパス履歴に基づいてＳＯＣバランサ２０を制御することによって、ＳＯＣバランスのずれ検出を待たずに、速やかに単電池ブロック１１間でＳＯＣを揃えることが可能となる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、半導体スイッチ２１と抵抗器２２からなるＳＯＣバランサ２０を記憶部２３に記憶された各単電池ブロック１１に対するバイパス履歴と連動させている。これに対して、第３の実施形態ではＳＯＣバランサを別の手法により実現する。

図７は、本実施形態に係るバイパス回路の例であり、例えば3個直列接続された単電池ブロックに対応する、３直列のＳＯＣバランサの機能を兼ねたバイパス回路１９を示している。本実施形態では、単電池ブロック１１毎にバイパス回路１９のＭＯＳＦＥＴ２０１のバイアス電圧Ｖ_TをＳＯＣばらつきに応じてＶ_T1，Ｖ_T2，Ｖ_T3のように変えることにより、見かけ上の閾値電圧Ｖ_THを変化させる。こうすることにより、バイパス回路１９は対応する単電池ブロック１１毎に必要な放電電流を必要な時間流し、ＳＯＣバランスを行うことが可能になる。バイアス電圧Ｖ_Tの発生源としては可変電圧源が用いられ、それらの可変電圧源は、制御部１６からの制御によりＶ_T1，Ｖ_T2，Ｖ_T3のような種々の電圧を発生する。

以下、より具体的な実施例を挙げてさらに詳しく説明する。

（実施例１）
負極活物質としてチタン酸リチウムを用い、負極集電体としてアルミニウム箔を用いた放電容量３Ａｈの非水電解質二次電池１個を単電池ブロック１１とし、それを１０個直列にして組電池１０とした。各単電池ブロック１１にリード線を介して保護装置１４を接続した。保護装置１４において、各単電池ブロック１１の負極側から正極側に向かう逆電流を流すバイパス回路１９を設け、図１に示すような組電池システムを作製した。バイパス回路１９の閾値、すなわちバイパス回路１９がバイパス動作をし始めるときの単電池ブロック１１の電圧を０Ｖとした。組電池１０を使用していない状態での保護装置１４の消費電流は、０．５ｍＡであった。

（実施例２）
実施例１と同様に組電池１０を作成し、各単電池ブロック１１にリード線を介して保護装置１４を接続した。保護装置１４において、各単電池ブロック１１の負極側から正極側に向かう逆電流を流すバイパス回路１９を設け、さらにＳＯＣバランサ２０を各単電池ブロック１１に並列に接続した。ＳＯＣバランサ２０は、図６に示したような半導体スイッチ２１と抵抗器２２を直列に接続した回路により構成し、各ＳＯＣバランサ２０の半導体スイッチ２１は制御部１６から個別に制御するようにした。

単電池ブロック１１の電圧がバイパス回路１９の閾値より低くなった場合、バイパス回路１９に単電池ブロック１１の負極側から正極側に向かって逆電流が流れる。この場合、記憶部２３は各単電池ブロック１１のバイパス回路１９によるバイパス履歴を記憶する。制御部１６は、その後に組電池１０を充電する際、バイパス電流を流した単電池ブロック１１が放電するようにＳＯＣバランサ２０を動作させた。この場合、単電池ブロック１１の電圧がバイパス回路１９の閾値より低かった時間に応じて、ＳＯＣバランサの放電時間を制御した。

実施例１と同様に、バイパス回路１９の閾値を０Ｖとした。組電池１０を使用していない状態での保護装置１４の消費電流は、０．５ｍＡであった。

（比較例１）
実施例１と同様に組電池システムを作製し、保護装置においてバイパス回路として各単電池ブロックの負極側にアノード、正極側にカソードの向きでシリコンダイオードを接続した。

（比較例２）
実施例１と同様に組電池を作製し、保護装置にバイパス回路を設けない状態とした。組電池に対して２５℃環境下で１Ｃ充放電を行った時の放電容量を測定し、さらにＳＯＣ５０％状態としたときの１ｋＨｚのＡＣインピーダンスを測定した。その後、２５℃環境下で１Ｃ充電と１Ｃ放電を１０回繰り返し、放電容量の変化を測定した。その後、０．１ＣでＳＯＣ０％まで放電し、２５℃で２ヶ月間保管した。保管後、各単電池ブロックの電圧を測定した後、再び２５℃環境下で１Ｃ充放電時の放電容量を測定し、ＳＯＣ５０％状態としたときの１ｋＨｚのＡＣインピーダンスを測定した。更に、２５℃環境下で１Ｃ充電と１Ｃ放電を５０回繰り返し、放電容量の変化を測定した。保管前後の組電池のインピーダンスと、保管後の単電池ブロックの電圧の最大値及び最小値との関係を調べたところ、以下の表１の結果が得られた。

表１に示したごとく、実施例１及び２においては保管後の転極が抑えられているのに対し、比較例１ではバイパス回路として用いたシリコンダイオードのオン電圧である０．５５Ｖの転極が発生した。バイパス回路を設けなかった比較例２では、保存後に−３．２Ｖまで転極が進んだ単電池ブロックがみられた。

実施例１及び２では保存後もＡＣインピーダンスはほとんど増加しなかったのに対し、比較例１及び２では転極した単セルブロックの劣化が進んだため、転極の大きさに応じてＡＣインピーダンスが大きく劣化した。

また、実施例１及び２では保存後の１１サイクル目以降も殆ど劣化がなく、保存前と同じ傾向で容量が維持されるのに対し、比較例１及び２においては保存後に容量が大きく低下した。実施例１と実施例２の違いは、実施例１のみＳＯＣバランサ２０を設けていることである。実施例２においては、ＳＯＣバランサがないため、保存時の転極防止のためにバイパス電流を流した電流容量だけＳＯＣがアンバランスとなる。この結果、充電容量が低下したため、実使用に影響ない程度であるがわずかに容量が低下した。実施例１においては、保存後の充電時にＳＯＣバランサが動作したため、容量の低下は見られなかった。

１０・・・組電池
１１・・・単電池ブロック
１２，１３・・・外部接続端子
１４・・・保護装置
１５・・・電圧測定部
１６・・・制御部
１７・・・充放電制御スイッチ
１８・・・シャットダウンユニット
１９・・・バイパス回路
２０・・・ＳＯＣバランサ
２１・・・半導体スイッチ
２２・・・抵抗器

Claims (14)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池と、
   前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、
   前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、
   前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、
   を具備することを特徴とする組電池システム。
2. 前記バイパス回路は、前記単電池ブロックの正極にソース端子が接続され、前記単電池ブロックの負極にドレイン端子が接続された、ある閾値電圧を持つＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子とドレイン端子との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有することを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
3. 前記ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧と前記バイアス電圧が等しいことを特徴とする請求項２記載の組電池システム。
4. 前記単電池ブロックのそれぞれに対応して設けられ、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態（ＳＯＣ）をバランスさせるＳＯＣバランサと、
   前記バイパス回路によるバイパス履歴を記憶する記憶部と、をさらに具備し、
   前記制御部は、前記組電池の充電時に前記バイパス履歴を参照して以前に前記バイパスが行われた単電池ブロックを認識し、当該バイパスが行われた単電池ブロックの充電量が他の単電池ブロックの充電量より小さくなるように前記ＳＯＣバランサを制御することを特徴とする請求項２記載の組電池システム。
5. 前記ＳＯＣバランサは、前記単電池ブロックに並列に接続された、スイッチと抵抗器との直列回路を含み、前記スイッチが前記制御部によりオン／オフされることにより前記単電池ブロックを放電させることを特徴とする請求項４記載の組電池システム。
6. 前記バイパス回路は、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態（ＳＯＣ）をバランスさせるＳＯＣバランサを兼ねており、前記制御部は前記ＳＯＣのばらつきに応じて前記単電池ブロック毎に前記バイアス電圧を変化させることにより前記ＳＯＣバランサを制御することを特徴とする請求項４記載の組電池システム。
7. 前記単電池ブロックのそれぞれに対応して設けられ、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態（ＳＯＣ）をバランスさせるＳＯＣバランサと、
   前記バイパス回路によるバイパス履歴を記憶する記憶部と、をさらに具備し、
   前記制御部は、前記組電池の充電時に前記バイパス履歴を参照して以前に前記バイパスが行われた単電池ブロックを認識し、当該バイパスが行われた単電池ブロックの充電量が他の単電池ブロックの充電量より小さくなるように前記ＳＯＣバランサを制御することを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
8. 前記ＳＯＣバランサは、前記単電池ブロックに並列に接続された、スイッチと抵抗器との直列回路を含み、前記スイッチが前記制御部によりオン／オフされることにより前記単電池ブロックを放電させることを特徴とする請求項７記載の組電池システム。
9. 前記バイパス回路は、前記単電池ブロックの正極にエミッタ端子が接続され、前記単電池ブロックの負極にコレクタ端子が接続されたバイポーラトランジスタと、前記バイポーラトランジスタのベース端子とコレクタ端子との間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有することを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
10. 前記単電池ブロックのそれぞれに対応して設けられ、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態（ＳＯＣ）をバランスさせるＳＯＣバランサと、
    前記バイパス回路によるバイパス履歴を記憶する記憶部と、をさらに具備し、
    前記制御部は、前記組電池の充電時に前記バイパス履歴を参照して以前に前記バイパスが行われた単電池ブロックを認識し、当該バイパスが行われた単電池ブロックの充電量が他の単電池ブロックの充電量より小さくなるように前記ＳＯＣバランサを制御することを特徴とする請求項９記載の組電池システム。
11. 前記ＳＯＣバランサは、前記単電池ブロックに並列に接続された、スイッチと抵抗器との直列回路を含み、前記スイッチが前記制御部によりオン／オフされることにより前記単電池ブロックを放電させることを特徴とする請求項１０記載の組電池システム。
12. 前記バイパス回路は、対応する単電池ブロックを放電させて前記単電池ブロックの充電状態（ＳＯＣ）をバランスさせるＳＯＣバランサを兼ねており、前記制御部は前記ＳＯＣのばらつきに応じて前記単電池ブロック毎に前記バイアス電圧を変化させることにより前記ＳＯＣバランサを制御することを特徴とする請求項１０記載の組電池システム。
13. 前記非水電解質二次電池は、チタン酸リチウムを含む負極活物質を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の組電池システム。
14. アルミニウムまたはアルミニウム合金により作られた負極集電体を持つ非水電解質二次電池を用いた、直列接続された複数の単電池ブロックを含む組電池のための保護装置であって、
    前記単電池ブロックの電圧を測定する電圧測定部と、
    前記測定された電圧に従って前記組電池の充放電を制御する制御部と、
    前記単電池ブロックのそれぞれに並列接続され、対応する単電池ブロックの電圧が閾値以下の負電圧になると当該対応する単電池ブロックの負極側から正極側に向かう電流をバイパスさせるバイパス回路と、
    を具備することを特徴とする組電池の保護装置。

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