JP2000287372A - リチウムイオン２次電池の使用方法及びリチウムイオン２次電池を用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マンガン系のリチウムイオン２次電池の電池容
量の劣化を防止する。 【解決手段】高温下充電状態でリチウムイオン２次電池
が長期間放置される前に、リチウムイオン２次電池を放
電させておく。 【効果】高温下充電状態でリチウムイオン２次電池が長
期間放置されると電池容量が劣化する。そのような環境
下にリチウムイオン２次電池が放置されないよう予め放
電させておき電池容量の劣化を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】２次電池を利用した蓄電シス
テムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】充電することが可能な２次電池として鉛
電池があるが、鉛電池は重量、体積当たりの蓄電容量が
小さく、冬期に蓄電容量が減少し、充放電サイクル寿命
が短いといった欠点がある。

【０００３】この鉛電池のような２次電池の短所を除く
電池として正極にコバルト系を使用したリチウムイオン
２次電池が開発され、民生用の2次電池として普及し始
めている。しかし、コバルト系のリチウムイオン2次電
池は、正極材料のコバルトが希少金属であるために価格
が高いといった問題がある。このため、コバルト形リチ
ウムイオン２次電池は、大きな蓄電容量を必要とする電
気自動車や電力負荷平準化のためのピークカット時の電
力貯蔵用電池としてほとんど使われてこなかった。

【０００４】この理由から、近年、価格低減を狙った正
極材料としてマンガンを用いたリチウムイオン２次電池
が開発された。このマンガン系のリチウムイオン２次電
池は価格は安く、安全性も高いといった特色がある。こ
のように安価で安全な２次電池は、正極材料については
記載されていないが、特開平６−１８９４６６号公報に
記載されているような電気自動車の電源、無停電電源の
電源、電力負荷平準化（深夜の余剰電力を２次電池に貯
え、昼間の電力需要のピーク時に放出）のための電力貯
蔵用電池として用いることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、リチウムイ
オン２次電池を上記従来技術に記載されたシステムに用
いたとき充電容量が劣化することが確認された。

【０００６】本発明は、充電容量の劣化の少ないリチウ
ムイオン２次電池の使用方法及びリチウムイオン２次電
池を用いた装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的は、リチウムイ
オン２次電池を充電若しくは放電することがない時間が
所定時間継続する時、このリチウムイオン２次電池を放
電してからこのリチウムイオン２次電池を放置すること
により達成される。

【０００８】また、前記目的は、リチウムイオン２次電
池を充電した後、予定の期間自然放電以上の放電がなさ
れない時、このリチウムイオン２次電池を放電させてか
ら放置するリことにより達成される。

【０００９】また、前記目的は、リチウムイオン２次電
池と、このリチウムイオン２次電池から電力が供給され
て駆動される負荷と、このリチウムイオン２次電池が前
記負荷に対して電力を供給しない状態が続くことを予測
する手段と、この予測手段の出力に基づいて前記リチウ
ムイオン２次電池を放電する手段とを備えることにより
達成される。

【００１０】また、前記目的は、リチウムイオン２次電
池と、このリチウムイオン２次電池から電力が供給され
て駆動される負荷と、このリチウムイオン２次電池が前
記負荷に対して供給する電力若しくは電流の積算量を計
測する手段と、この計測手段の出力が予定の値以下とな
った時、前記リチウムイオン２次電池を放電する手段と
を備えることにより達成される。

【００１１】また、前記目的は、商用電源から負荷に電
力を供給する第１の回路と、リチウムイオン２次電池か
らこの負荷に電力を供給する第２の回路と、前記負荷へ
の電力の供給元を前記商用電源若しくは前記リチウムイ
オン２次電池の内いずれか一方を選択する切替手段と、
前記第１の回路における電流若しくは電力の積算値を計
測する手段と、この計測手段の出力の基づいて前記リチ
ウムイオン２次電池を放電する手段とを備えることによ
り達成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】リチウムイオン２次電池を電気自
動車の電源や電力負荷平準化のための電力貯蔵用電池と
して用いると充電容量の劣化が観測された。この原因を
図３を参照して説明する。図３は、周囲温度４０度下に
おいて充電状態のリチウムイオン２次電池（以下、２次
電池と略す）及び放電状態の２次電池を放置（充放電を
しないという意味であり自然放電は含まれない）した時
の電池容量維持率を示すものである。図３に示すよう
に、充電状態のまま高温雰囲気に放置すると、放電状態
で放置された２次電池と比較して電池の容量が劣化して
いることがわかる。すなわち２次電池は、充電状態であ
ること及び高温雰囲気下であるという条件が揃うと電池
容量が減少してしまう特性があることがわかった。そし
て、一旦劣化すると再び初期の状態に戻ることはない。

【００１３】これについては、材料面での改良が行われ
てきたが、まだ図３に示すような劣化性能を示してい
る。このままでは室外に置かれ太陽の輻射熱を受け高温
にさらされるピークカット電力システム、夜間電力を蓄
電する電力貯蔵システム及び電気自動車用な長期の寿命
を必要とするシステム等に用いることはできない。

【００１４】これらシステムはその使用形態にもよる
が、多くは周囲温度が低い深夜に充電し、昼間に負荷に
対して電力を供給して放電するといった使用形態が取ら
れる。このような通常の使用形態では、電池容量の低下
が著しい周囲温度が高い昼間は例えばルームエアコン等
に電力を供給している状態であるので図３に従えば充電
容量の劣化は起こりにくい。

【００１５】しかし、何日も電力供給対象となる負荷に
対して電力を供給しないような状態、例えば、住人が何
日も留守であったり、使用しなかったり、ピークカット
電力システムではピークカットをする時間に負荷を使用
しなかったりといった状態、では２次電池は充電状態で
高温下に曝される可能性が高くなり、電池容量が低下し
てしまう。

【００１６】このような２次電池の問題を解決するため
には、充電状態で高温下に長時間曝される状態が予想さ
れる時、２次電池を強制的に放電して電池容量の劣化を
抑制する方法が有効である。なお、２次電池を使用しな
い時間については、負荷使用者に判断を任せたり（負荷
使用者が負荷を１日使用しないと判断した場合、こまめ
に２次電池を放電させることで電池容量の維持が図られ
る）、機械にその判定を任せる場合、その負荷の不使用
時間が予定の時間を超えた時長時間不使用であると判定
する手段が考えられるが、この予定の時間に達するまで
も２次電池の容量劣化が進行している場合もあるので、
許容し得る容量劣化割合に到達する時間（例えば、許容
容量劣化割合を１％としてその到達時間が４８時間とす
ればこの４８時間を予定の時間とする）を予定の時間と
して設定する。

【００１７】さて、このように高温下充電状態で２次電
池を放置すると電池容量が劣化する原因を説明する。正
極をマンガン系材料としたリチウムイオン２次電池の場
合、上記の環境下で長時間放置すると電解液中にマンガ
ンその他副生成物が溶け出し、これが負極に付着してリ
チウムイオンの移動を阻害するからであると考えられて
いる。また、正極をコバルト系材料としたリチウムイオ
ン２次電池の場合、正極材料のコバルト及び副生成物の
電解液への溶出は、マンガン系リチウムイオン２次電池
よりも少ないが、やはり上記環境下での電池容量が劣化
する傾向はある。このため、コバルト系リチウムイオン
２次電池においてもこの問題の対策は有効である。

【００１８】以上、２次電池の問題と解決方法について
説明した。次に、具体的システムに本発明を組み込んだ
実施の形態を説明する。

【００１９】図１に夜間電力蓄電のピークカット蓄電シ
ステムの主回路を示す。この夜間電力蓄電のピークカッ
ト蓄電システムは、夜間例えば予め設定した１時から６
時にかけて２次電池を充電し、最も電力需要が多い昼間
１時から３時にかけて商用電源からの電力の受電をカッ
トし、２次電池から負荷へ電力を供給することで、電力
需要のピーク値を下げるシステムである。

【００２０】図１は、負荷６、負荷７が夫々ルームエア
コンである場合を示す。まず、負荷６及び負荷７への電
力供給が商用電源１によって行われている場合を説明す
る。メインブレーカ２、系統別ブレーカ４及び系統別ブ
レーカ５は閉成され、切替スイッチ３は商用電源側
（商）に入れられて商用電源１から負荷６及び負荷７へ
の電力供給回路が構成される。

【００２１】この状態で、電力需要がピークとなる時間
帯（午後１時から３時）を迎えるとピークカット回路が
形成される。すなわち充放電スイッチ１２が放電側
（放）、切替スイッチ３が電池側（電）に投入され、そ
して直流を交流に変換する電力変換器１１がオンされる
ことにより２次電池１０の直流電力が交流に変換されて
負荷６及び負荷７に供給される。そして、この状態は午
後３時を過ぎるかまたは２次電池１０に蓄電された電荷
がなくなるまで続けられる。

【００２２】さらに、時刻が深夜電力帯（午前１時から
午前６時）になると、この深夜電力を利用して２次電池
１０を充電する。充放電スイッチ１２を充電側（商用電
源と接続される側（充））に入れて充電回路を形成し、
電力変換器１１をオンさせて交流を直流に変換して２次
電池１０を充電する。そして、充電が完力するかまたは
午前６時を過ぎたことをもって電力変換器１１をオフす
る（午前６時を過ぎても充電が完了していない場合、充
電完了まで充電させてもよい）。

【００２３】次に、２次電池が高温環境下で長期間充電
状態で放置されている検出の仕方及びその際の放電制御
について説明する。このような状態で２次電池が放置さ
れているということは、負荷６及び７の使用者が長期間
不在（旅行、賃貸住宅の居住者退出等）か負荷６及び負
荷７の使用をしなくなった場合（例えば、季節が変わっ
た等）が考えられる。このように長期間使用しない状態
の検出を、商用電源１から負荷６及び負荷７に流れる電
流を電流センサ８によって検出し、この電流を制御装置
１５内の積算計１６によって積算して、この積算量が所
定の閾値よりも小さい場合に２次電池１０が長期間放置
される予兆であるとする。この電流の積算時間は、前述
したように２次電池１０の電池容量劣化割合も加味して
決める。この場合、例えば、過去４８時間に流れた電流
積算量とする。また閾値は最近のルームエアコンはリモ
コン操作となっておりこのための待機電流が流れるの
で、これら負荷２台分の待機電流を４８時間積算した値
とする。すなわち、負荷２台分の待機電流の４８時間積
算量より多く電流が積算されなければ、２次電池１０が
長期間不使用となると判定する。この判定は制御装置１
５内のマイコン１７によって行われる。このように判定
されたら、２次電池１０を強制放電させる回路が形成さ
れる。主スイッチ９を開成、充放電スイッチ１２を充側
（放側としても構わない）、切替スイッチ３を商側（電
側とすると負荷を再起動させようとしても電源と接続さ
れていないため起動できなくなることを防止するた
め）、電力変換器１１を構成するスイッチング素子を冷
却するためのファンを駆動するモータへの通電をオンオ
フするファンスイッチ１３をオンとする。そして、電力
変換器１１を動作させることで、２次電池１０に蓄えら
れていた電気がファンモータによって消費され２次電池
が放電される。

【００２４】上記した各種スイッチ類の開閉制御及び電
力変換器１１の制御は制御装置１５内に搭載されたマイ
コン１７に内蔵したプログラムによって行われる。ま
た、ドライバ１８はマイコンによってだされた電力変換
器１１への制御指令に基づいて電力変換器を駆動する増
幅器である。

【００２５】次にマイコン１７に内蔵されたプログラム
について図２を用いて説明する。まず、ステップ１００
にて電流積算計の値を読み込み、この値が設定値（前述
の閾値）より大きい値であると判定（ステップ１０１）
されるとステップ１０２に進む。ステップ１０２では、
現在時刻が電力需要ピーク帯（午後１時から午後３時）
であるかどうかを判定し、この時間帯に入っていなけれ
ばスッテプ１０３に進む。スッテプ１０３では、現在時
刻が深夜電力時間帯（午前１時から午前６時）であるか
どうかを判定し、この時間帯でなければスッテプ１００
に戻る。

【００２６】スッテプ１０２にて電力需要ピーク時間帯
であることが判定された場合、ステップ１２０に進み負
荷６及び負荷７への電力の供給を商用電源１から２次電
池１０の蓄電電力に切り替えるピークカット運転に移行
する。ステップ１２０にて現在の主回路が放電回路を形
成しているかどうかを判定し、この場合放電回路は形成
されていないので、ステップ１２１に進む。ステップ１
２１にて図示の如く各種スイッチを放電回路が形成され
るように制御指令を送出し、放電回路を構成する。そし
て、ステップ１２２にて電力変換器１１をオンして２次
電池１０から負荷６及び７への電力供給が開始される。
次にステップ１２３及びステップ１２４にて２次電池の
充電量がなくなった（充電量については図示しない充電
状態監視装置にて監視する）かまたは電力需要ピーク時
間帯を脱したかを判定し、いずれか一方でも満足した場
合、ピークカット運転を継続する理由がなくなったと判
断して、ステップ１２５にて電力変換器をオフして、ス
テップ１２６にて切替スイッチ３を商側（商用電源１に
て負荷を運転）ファンスイッチ１３をオフしてステップ
１００に戻る。

【００２７】ステップ１０３にて現在時刻が深夜電力時
間帯であると判定されると２次電池１０を充電する充電
モードとなる。ステップ１１０にて充電回路が形成され
ているかどうかが判定され、この場相身形成であるの
で、ステップ１１１にて主回路に充電回路が形成される
よう各種スイッチを構成制御する（主スイッチ９をオ
ン、充放電スイッチ１２を充側、切替スイッチ商側、フ
ァンスイッチ１３をオン）。充電回路が形成されるとス
テップ１１２にて電力変換器１１を起動させて充電を開
始する。この状態は充電が完了するかまたは深夜電力時
間帯を脱するまで継続される（ステップ１１３、ステッ
プ１１４）。いずれかを満足した場合、ステップ１１５
にて電力変換器１１をオフして、ステップ１１６にてフ
ァンスイッチをオフしてステップ１００に戻る。

【００２８】さらに、ステップ１０１で過去４８時間の
電流積算値が前述の閾値以下であると判定されると強制
放電モードに移行する。ステップ１３０で強制放電回路
が形成されているかどうかが判定され、ここでは未形成
であるので、ステップ１３１にて各種スイッチ類を制御
して（主スイッチ９をオフ、充放電スイッチ１２を充
側、切替スイッチを商側、ファンスイッチをオン）強制
放電回路を形成させる。ステップ１３２で電力変換器１
１をオンして２次電池に蓄電された電力を電力変換器冷
却用ファン１４に消費させることで、２次電池１０を放
電する。放電が完了（ステップ１３３）すると電力変換
器をオフ（ステップ１３４）してファンスイッチを閉成
（ステップ１３５）してステップ１００に戻る。この時
未だ電流積算値が設定値以下であるとファンスイッチオ
ン（ステップ１３１）、電力変換器オン（ステップ１３
２）、電力変換器オフ（ステップ１３４）、ファンスイ
ッチオフ（ステップ１３５）といった余分な動作をさせ
てしまうが、わずかな時間であるのであまり問題になら
ない。この現象を防ぐためには、ステップ１０１とステ
ップ１３０との間に放電が終了したかどうかを判定する
ステップを設け、放電完の場合ステップ１００に戻るフ
ローとすることで解決される。

【００２９】さて、居住者が負荷６及び負荷７の使用を
開始すると電流積算計の値が設定値以上になるので、通
常のモードになる。なお、この際、２次電池１０は初期
充電されていないので、初期充電するステップを設けて
もよい。

【００３０】図４に一般家庭における1日当たりの電力
消費の状況と蓄電システムの運転状況を示す。夜間に蓄
電システムは蓄電し、昼間電力消費のピーク時に放電す
る。

【００３１】また、図５に強制放電手段を持った蓄電シ
ステムの数日間の運転状況を示す。５月１５日から１７
日にかけてピークカット運転が行われているが、５月１
７日から１８日にかけて電流積算値が閾値以下になって
いるので、５月１９日に２次電池の電池容量劣化抑制の
ため強制運転を行っていることがわかる。

【００３２】なお、負荷の使用状態を判別するために上
記実施例では商用電源から負荷に流れる電流を積算して
いたが、２次電池から負荷に流れる電流を積算してもよ
い。この場合、例えば、電力需要がピークに達する時間
帯には負荷を使用しない日が続いた時には有効に作用す
る（その時間帯以外には使用者は負荷を使用しているの
で、商用電源からの電流は流れているため）。また、電
流を積算することとしたが電力を積算してもよいことは
いうまでもない。

【００３３】また、本実施例に係る強制放電回路を電気
自動車に用いる場合、負荷（自動車駆動用モータその
他）は必ず２次電池から電力が供給されるのであるから
電流は２次電池から流出する電流を計測することで電気
自動車の使用状態を判別することができる。強制放電用
の負荷としては上記同様電力変換器冷却用ファンモータ
とすることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上、本発明によればリチウムイオン２
次電池の電池容量が劣化する要因を低減することができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である主回路を説明する
図。

【図２】本発明の一実施の形態であるフローチャートを
示す図。

【図３】リチウムイオン２次電池の特性を示す図。

【図４】一般家庭における1日当たりの電力消費の状況
と蓄電システムの運転状況を示す図。

【図５】蓄電システムの稼動時及び不使用になり運転を
自動停止する時の蓄電、放電の状況を示す図。

【符号の説明】

1…商用電源、2…メインブレーカ、3…切替スイッチ、
4、５…系統別ブレーカ、6、７…負荷、８…電流セン
サ、９…主スイッチ、１０…リチウムイオン２次電池、
１１…電力変換器、１２…充放電スイッチ、１３…ファ
ンスイッチ、１４…ファン、１５…制御装置、１６…電
流積算計、１７…マイコン、１８…ドライバ。

フロントページの続き (72)発明者 宮本 好美 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA01 CC02 DA07 DA18 FA08 GB06 GC05 5H030 AA08 AA10 AS11 BB21 FF42 FF52

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リチウムイオン２次電池を充電若しくは放
   電することがない時間が所定時間継続する時、このリチ
   ウムイオン２次電池を放電してからこのリチウムイオン
   ２次電池を放置するリチウムイオン２次電池の使用方
   法。
2. 【請求項２】リチウムイオン２次電池を充電した後、予
   定の期間自然放電以上の放電がなされない時、このリチ
   ウムイオン２次電池を放電させてから放置するリチウム
   イオン２次電池の使用方法。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記リチウム
   イオン２次電池は正極材料にマンガン系の材料を用いた
   ものであるリチウムイオン２次電池の使用方法。
4. 【請求項４】リチウムイオン２次電池と、このリチウム
   イオン２次電池から電力が供給されて駆動される負荷
   と、このリチウムイオン２次電池が前記負荷に対して電
   力を供給しない状態が続くことを予測する手段と、この
   予測手段の出力に基づいて前記リチウムイオン２次電池
   を放電する手段とを備えたリチウムイオン２次電池を用
   いた装置。
5. 【請求項５】リチウムイオン２次電池と、このリチウム
   イオン２次電池から電力が供給されて駆動される負荷
   と、このリチウムイオン２次電池が前記負荷に対して供
   給する電力若しくは電流の積算量を計測する手段と、こ
   の計測手段の出力が予定の値以下となった時、前記リチ
   ウムイオン２次電池を放電する手段とを備えたリチウム
   イオン２次電池を用いた装置。
6. 【請求項６】商用電源から負荷に電力を供給する第１の
   回路と、リチウムイオン２次電池からこの負荷に電力を
   供給する第２の回路と、前記負荷への電力の供給元を前
   記商用電源若しくは前記リチウムイオン２次電池の内い
   ずれか一方を選択する切替手段と、前記第１の回路にお
   ける電流若しくは電力の積算値を計測する手段と、この
   計測手段の出力の基づいて前記リチウムイオン２次電池
   を放電する手段とを備えたリチウムイオン２次電池を用
   いた装置。
7. 【請求項７】請求項４乃至６の内いずれか一つにおい
   て、前記リチウムイオン２次電池は正極材料にマンガン
   系の材料を用いたものであるリチウムイオン２次電池を
   用いた装置。