JP2000050517A - 組電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電中における各単電池の充電状態を、その
内部抵抗の変動に無関係に常に等しく移行させる。 【解決手段】 各単電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎは、組
電池ＣＢへの充電主電流Ｉｍｃから電流計３３で検出さ
れるバイパス電流を減じることにより各単電池１Ａ〜１
Ｎの電流（Ｉ（ｉ））を算出し、その電流変化量と、電
圧計４Ａ〜４Ｎで検出される端子電圧の変化量とから当
該単電池１Ａ〜１Ｎの内部抵抗Ｒ（ｉ）を算出する。単
電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎはさらに、上記端子電圧、
電流、および内部抵抗から各単電池１Ａ〜１Ｎの開路電
圧Ｖｃ（ｉ）をそれぞれ算出し、開路電圧のうち最も低
い電圧を基準電圧Ｖｃｓとして、当該基準電圧Ｖｃｓよ
りも高い開路電圧Ｖｃ（ｉ）の各単電池１Ａ〜１Ｎにつ
いてトランジスタ３２の導通を制御することによって所
定のバイパス電流を電流バイパス回路３Ａ〜３Ｎへ分流
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は組電池の充電装置に
関し、特に、組電池を構成する各単電池の容量のバラツ
キによる過充電を生じることなく、組電池の充電を効率
的に行うことができる充電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車等の開発が精力的に行
われるようになり、これに使用される二次電池として、
小型で大容量のリチウムイオン電池等が注目されてい
る。このような二次電池を電気自動車等の電源として使
用する場合には通常、単電池を複数直列に接続して組電
池とすることにより所望の電圧値を得ている。しかし、
リチウムイオン電池等は製造時やその後の使用履歴等に
よって放電容量にバラツキを生じやすいため、最も容量
の小さい単電池が満充電になってしまうと他の単電池が
未充電でも組電池への充電を停止する必要があり、この
状態で充放電を繰り返すと単電池間のＤＯＤ（放電深
度）の差が大きくなって組電池全体の放電容量が減少し
てしまうという問題がある。

【０００３】そこで、例えば特開平８−１９１８８号公
報に記載の充電装置では、各単電池に並列にバイパス回
路を設けて、充電中に、最も低い単電池電圧に対して電
圧差が所定値以上になった単電池についてそのバイパス
回路を導通させて充電電流を迂回させるとともに、上記
電圧差が上記所定値よりも低い他の所定値以下になった
単電池については上記バイパス回路を遮断するようにし
て、充電中を通して各単電池の充電状態がほぼ等しく推
移するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
記載の充電装置では、バイパス回路の導通および遮断を
行う上記各所定値を決定するに際して、単電池の内部抵
抗は全て一定で等しいことを前提にしている。しかし、
図１１にその一例を示すように、単電池の内部抵抗はＤ
ＯＤとともに雰囲気温度によっても大きく変化し、通
常、組電池では１０℃程度の温度変動や温度分布がある
ことを考えると、単電池の内部抵抗が一定であることを
前提とした従来の充電装置では、充電中の各単電池の充
電状態を等しく推移させることは困難で、各単電池の充
電状態にバラツキを生じることが避けられないという問
題がある。

【０００５】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、充電中における各単電池の充電状態を、その
内部抵抗の変動に無関係に常に等しく移行させることが
できる組電池の充電装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、複数の単電池を直列に接続するととも
に、各単電池に並列に電流バイパス回路を設けた組電池
の充電装置であって、各単電池の端子電圧を検出する手
段と、各単電池の電流を算出し、当該電流の変化量とこ
の時の端子電圧の変化量とから当該単電池の内部抵抗を
算出する手段と、上記端子電圧、電流、および内部抵抗
から各単電池の開路電圧をそれぞれ算出する手段と、開
路電圧のうち最も低い電圧ないしこれに準じる電圧を基
準電圧として、当該基準電圧よりも高い開路電圧の各単
電池について所定のバイパス電流を上記電流バイパス回
路へ分流する手段とを具備している。

【０００７】本発明においては、各単電池についてその
内部抵抗が算出されて、これに基づいて各単電池の開路
電圧が算出され、基準電圧よりも高い開路電圧の各単電
池について所定のバイパス電流が電流バイパス回路へ分
流させられる。これにより、充電中の各単電池は常にそ
の開路電圧が基準電圧に近くなるように制御され、この
結果、充電中の各単電池の充電状態がほぼ等しく推移さ
せられて、組電池全体の放電容量の低下が防止される。
そして、本発明では、充電中に各単電池の電流が算出さ
れ、この電流の変化量とこの時の端子電圧の変化量とか
ら当該単電池の内部抵抗が算出されているから、雰囲気
温度の影響等によって内部抵抗が変動しても常に正確な
開路電圧が得られ、この結果、各単電池の充電状態が正
確に把握されて内部抵抗の変動による充電状態のバラツ
キを生じることはない。なお、上記基準電圧としては開
路電圧のうち最も低い電圧が望ましいが、単電池毎の開
路電圧に大きなバラツキがない場合には、最も低い電圧
に限らず、それに準じる電圧とすることもできる。

【０００８】本発明の構成にさらに、各単電池の開路電
圧あるいは端子電圧が所定の充電上限電圧を越えたとき
に所定のバイパス電流を電流バイパス回路へ分流する手
段と、いずれかのバイパス電流が飽和した時に組電池へ
の充電主電流を漸次低減させる手段をさらに設ける。こ
れによれば、各単電池の均等な充電を、過充電による単
電池の寿命低下を未然に防止しつつ行うことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１には組電池
を充電する充電装置の全体構成を示す。組電池ＣＢはリ
チウムイオン電池等の単電池１Ａ，…，１Ｎを多数直列
接続したもので、組電池ＣＢの両端は充電線２１，２２
によって充電器２に接続されており、充電線２１には組
電池ＣＢへの充電主電流Ｉｍｃを検出する電流計２３が
設けられている。充電器２は交流商用電源を所望の直流
充電電源に変換して出力するものである。上記各単電池
１Ａ〜１Ｎにはそれぞれバイパス回路３Ａ，…，３Ｎが
設けられており、各バイパス回路３Ａ〜３Ｎは、抵抗３
１と、これに直列接続されたトランジスタ３２、および
バイパス電流を検出する電流計３３で構成されている。
また、各単電池１Ａ〜１Ｎにはその端子電圧を検出する
電圧計４Ａ，…，４Ｎが並列に接続されている。

【００１０】各単電池１Ａ〜１Ｎに対応して単電池充電
制御回路５Ａ，…，５Ｎが設けられ、これら単電池充電
制御回路５Ａ〜５Ｎは上記電圧計４Ａ〜４Ｎと電流計３
３の検出信号を入力してトランジスタ３２の導通状態を
後述するように連続的に制御することによってバイパス
電流を増減制御する。組電池充電制御回路６が設けら
れ、この組電池充電制御回路６には充電指令スイッチ６
１が接続されるとともに、電流計２３の検出信号（すな
わち充電主電流Ｉｍｃ）が入力しており、後述の手順に
よって充電器２の作動およびその電流出力を制御する。
なお、各単電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎと組電池制御回
路６との間で後述する各種信号がやりとりされている。

【００１１】上記各単電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎおよ
び組電池充電制御回路６はマイクロコンピュータによっ
て構成することができ、その制御手順を図２を参照しつ
つ以下に説明する。なお、図２のステップ１０１，１０
２，１０５，１０７は組電池充電制御回路６における手
順であり、ステップ１０３，１０４，１０６は各単電池
充電制御回路５Ａ〜５Ｎにおける手順である。また、ス
テップ１０３〜１０８は所定周期で繰り返される。

【００１２】図２において、ステップ１０１で充電指令
スイッチ６１が投入されたことを組電池充電制御回路６
が検出すると、ステップ１０２で充電器２に対して所定
の充電主電流Ｉｍｃでの充電開始を指令する。充電が開
始されると、ステップ１０３で各単電池充電制御回路５
Ａ〜５Ｎはこれに対応する各単電池１Ａ〜１Ｎの内部抵
抗値Ｒ（ｉ）（ｉ＝ａ〜ｎで単電池の数に等しい）を算
出する。

【００１３】内部抵抗値Ｒ（ｉ）の算出は以下のように
行う。すなわち、単電池の等価回路は図３に示すような
もので、正味の起電力である開路電圧Ｖｃ（ｉ）と内部
抵抗Ｒ（ｉ）の直列回路である。したがって、単電池の
端子電圧をＶｔ（ｉ）とし、当該単電池の電流をＩ
（ｉ）とすると、これらの間の関係は下式（１）に示す
ものとなる。なお、Ｉ（ｉ）は、充電主電流Ｉｍｃから
電流計３３で検出されるバイパス電流を減算することに
よって得られる。また、電流Ｉ（ｉ）の方向は図３中に
図示したものを正とする。

【００１４】 Ｖｔ（ｉ）＝Ｖｃ（ｉ）＋Ｒ（ｉ）・Ｉ（ｉ）…（１）

【００１５】単電池電流Ｉ（ｉ）が所定量ΔＩだけ変化
した時の端子電圧Ｖｔ（ｉ）の変化量をΔＶｔとする
と、内部抵抗値Ｒ（ｉ）は下式（２）で得られる。この
所定量ΔＩは内部抵抗の検出精度の点から、ある程度大
きい必要があり、本実施形態では内部抵抗値Ｒ（ｉ）の
算出は充電開始時と、後述する充電主電流の変更時に行
われる。

【００１６】Ｒ（ｉ）＝ΔＶｔ／ΔＩ…（２）

【００１７】図２のステップ１０４では、算出された内
部抵抗値Ｒ（ｉ）に基づいて各単電池１Ａ〜１Ｎの開路
電圧Ｖｃ（ｉ）を算出する。これは（１）式を変形した
下式（３）で行う。

【００１８】 Ｖｃ（ｉ）＝Ｖｔ（ｉ）−Ｒ（ｉ）・Ｉ（ｉ）…（３）

【００１９】続くステップ１０５では、各単電池の開路
電圧Ｖｃ（ｉ）のうちで最も低いものを基準開路電圧Ｖ
ｃｓとして選択し、その後、ステップ１０６で各単電池
充電制御回路５Ａ〜５Ｎにより後述のバイパス電流制御
がなされるとともに、ステップ１０７で組電池充電制御
回路６により充電主電流制御がなされる。

【００２０】図４にはバイパス電流制御（図２のステッ
プ１０６）の詳細を示す。図４において、ステップ２０
１では、対応する単電池１Ａ〜１Ｎの開路電圧Ｖｃ
（ｉ）が上記基準開路電圧Ｖｃｓよりも所定値Ａを越え
て大きいか確認し、大きい場合にはステップ２０２で当
該単電池１Ａ〜１Ｎを迂回するバイパス電流が飽和状態
にあるか確認する。飽和状態にない場合には、ステップ
２０３でバイパス電流を一定量増加させる。一方、上記
ステップ２０１での判定が否定的であった場合には、ス
テップ２０４で、単電池１Ａ〜１Ｎの開路電圧Ｖｃ
（ｉ）が基準開路電圧Ｖｃｓよりも小さくなっているか
確認する。そして、小さくなっている場合には、ステッ
プ２０５でバイパス電流が０であるか確認し、０で無け
ればステップ２０６でバイパス電流を０にする。ステッ
プ２０７では、上記単電池１Ａ〜１Ｎの開路電圧Ｖｃ
（ｉ）が充電上限電圧Ｖｃｍよりも大きいか確認し、大
きい場合にはステップ２０８でバイパス電流が飽和して
いるか確認する。バイパス電流が飽和している場合に
は、ステップ２０９で充電主電流Ｉｍｃの減少を要求す
る個別フラグＦｄ（ｉ）を１にセットし、バイパス電流
が飽和していない場合には、ステップ２１０でバイパス
電流を一定量増加させる。

【００２１】図５には充電主電流制御（図２のステップ
１０７）の詳細を示す。図５において、ステップ３０１
では 現在の充電主電流Ｉｍｃが一定値Ｂよりも大きい
か確認し、大きければステップ３０２以下へ進む。上記
ステップ３０１で充電主電流Ｉｍｃの大きさが一定値Ｂ
以下の場合にはステップ３０８で充電主電流Ｉｍｃを０
にする充電終了処理を行う。ステップ３０２ではカウン
ト値ｉをａにセットするとともに、充電主電流減少要求
の総フラグＦｄｓを０にリセットする。ステップ３０３
ではｉ番目の単電池の上記個別フラグＦｄ（ｉ）が１か
否か確認する。１であればステップ３０４で上記総フラ
グＦｄｓを１にセットするとともに個別フラグＦｄ
（ｉ）を０にリセットし、併せてカウント値ｉをカウン
トアップする。ステップ３０５でｉがｎを越えたか確認
し、ｎを越えた場合にはステップ３０６で総フラグＦｄ
ｓが１にセットされているか確認する。総フラグＦｄｓ
が１にセットされている場合には、ステップ３０７で現
在の充電主電流Ｉｍｃから一定値Ｂを引いた値を新たな
充電主電流目標値として充電器２に与えて充電主電流Ｉ
ｍｃを減少させる。

【００２２】図６には、二つの単電池１Ａ，１Ｂで構成
された組電池ＣＢに対して以上の制御を行った場合の、
各単電池１Ａ，１Ｂの開路電圧Ｖｃ、充電電流Ｉ、端子
電圧Ｖｔの経時変化を示す。図６において、時間ｔ1 で
充電が開始され、各単電池１Ａ，１Ｂの内部抵抗Ｒ
（ａ），Ｒ（ｂ）が算出されるとともにこれに基づいて
各単電池１Ａ，１Ｂの開路電圧Ｖｃ（ａ），Ｖｃ（ｂ）
が算出される。図６では単電池１Ｂの開路電圧Ｖｃ
（ｂ）は単電池１Ａの開路電圧Ｖｃ（ａ）よりも低いか
ら、単電池１Ｂの開路電圧Ｖｃ（ｂ）を基準開路電圧Ｖ
ｃｓとしてバイパス電流制御が開始され、単電池１Ａで
は図６の黒塗りで示されたバイパス電流がバイパス回路
へ流されて充電主電流の一部が迂回される。この時、基
準開路電圧Ｖｃｓになっている単電池１Ｂに対しては充
電主電流がバイパスされることなく供給される。このよ
うに、各単電池１Ａ，１Ｂに供給される充電電流Ｉ
（ａ），Ｉ（ｂ）が調整されることによって単電池間の
開路電圧Ｖｃ（ａ），Ｖｃ（ｂ）の差は次第に小さくな
る。時間ｔ2 で単電池１Ａの開路電圧Ｖｃ（ａ）が単電
池１Ｂの開路電圧Ｖｃ（ｂ）を下回ると、単電池１Ａの
バイパス電流は０になる。

【００２３】このようなバイパス電流制御により、単電
池１Ａ，１Ｂ間の開路電圧Ｖｃ（ａ），Ｖｃ（ｂ）はほ
ぼ等しくなり、この結果、以後の充電中において各単電
池１Ａ，１Ｂの充電状態が等しく推移させられる。時間
ｔ3 に至ると両単電池１Ａ，１Ｂの開路電圧Ｖｃ
（ａ），Ｖｃ（ｂ）が充電上限電圧Ｖｃｍに至るため、
両単電池１Ａ，１Ｂのバイパス電流が増加させられる。
時間ｔ4 でバイパス電流が飽和すると充電主電流制御が
開始されて、充電主電流Ｉｍｃが一定量減少させられ、
この状態で再びバイパス電流制御が行われる。時間ｔ5
に至って再びバイパス電流が飽和すると充電主電流制御
が開始されるが、この時の充電主電流Ｉｍｃが一定値Ｂ
よりも小さくなっていると、充電主電流が０にされて充
電が終了する。

【００２４】（第２実施形態）図７には第２実施形態に
おけるバイパス電流制御の制御手順を示し、ステップ４
０７で開路電圧Ｖｃ（ｉ）に代えて端子電圧Ｖｔ（ｉ）
を、その充電上限電圧Ｖｔｍと比較している以外は、既
に説明した第１実施形態と同一の手順である。

【００２５】本実施形態においては、図８の下半に示す
ように、時間ｔ3 ´,t3 ´´において各単電池１Ａ，１
Ｂの端子電圧Ｖｔ（ａ），Ｖｔ（ｂ）が充電上限電圧Ｖ
ｔｍに達するとそれぞれバイパス電流制御が再開され、
続いて時間ｔ4 ´で単電池１Ａのバイパス電流が飽和す
ると、充電主電流制御が開始されて、充電主電流Ｉｍｃ
が一定量減少させられ、この状態で再びバイパス電流制
御が行われる。

【００２６】本実施形態によれば、第１実施形態の開路
電圧Ｖｃ（ａ），Ｖｃ（ｂ）に代えて各単電池１Ａ，１
Ｂの端子電圧Ｖｔ（ａ），Ｖｔ（ｂ）が所定の充電上限
電圧Ｖｔｍに制限されるから、充電器２の出力電圧を必
要以上に高くする必要がない。

【００２７】（第３実施形態）上記各実施形態ではバイ
パス電流をトランジスタ３２のリニヤ制御によってほぼ
連続的に増加させたが、これに対して本実施形態ではバ
イパス電流を段階的に増加させる。すなわち、図９にお
いて、各バイパス回路３Ａ〜３Ｎには異なる抵抗値Ｒ1
，Ｒ2 （Ｒ1 ＞Ｒ2 ）の二つの抵抗３１，３４が設け
られており、これら抵抗３１，３４にはそれぞれ直列に
トランジスタ３２，３５（以下、Ｔｒ32，Ｔｒ35とす
る）が接続されて各単電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎの出
力信号によって適宜選択導通させられる。これにより、
Ｔｒ32，Ｔｒ35がいずれも非導通（オフ）であればバイ
パス電流は０であり（〔イ〕の状態という）、Ｔｒ32の
みが導通（オン）している場合にはバイパス電流はＶｔ
（ｉ）／Ｒ1 （〔ロ〕の状態という）、Ｔｒ35のみがオ
ンしている場合にはバイパス電流はＶｔ（ｉ）／Ｒ2 と
なる（〔ハ〕の状態という）。また、Ｔｒ32，Ｔｒ35が
いずれも導通している場合にはバイパス電流は最も大き
い値Ｖｔ（ｉ）・（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）／Ｒ1 Ｒ2 となる
（〔ニ〕の状態という）。他の充電装置の構成は既に説
明した第１実施形態と同一である。

【００２８】図１０には、本実施形態における単電池充
電制御回路５Ａ〜５Ｎの制御手順を示す。図１０の各ス
テップ５０１，５０８，５１５，５２２は、第１実施形
態（図４参照）の各ステップ２０１，２０４，２０７，
２０９に対応している。そして、図１０のステップ５０
２〜５０７とステップ５１６〜５２１がそれぞれバイパ
ス電流を段階的に増加させるステップで、これらステッ
プによってＴｒ32，Ｔｒ35は上記〔イ〕→〔ロ〕→
〔ハ〕→〔ニ〕の各状態に順次移行させられてバイパス
電流が段階的に増加させられる。また、ステップ５０９
〜５１４はＴｒ32，Ｔｒ35をいずれもオフにしてバイパ
ス電流を０にするステップであり、これらステップによ
ってバイパス電流は即座に停止させられる。

【００２９】本実施形態においては、Ｔｒ32，Ｔｒ35を
選択導通させることによってバイパス電流を増加させる
から、Ｔｒ32の導通状態を連続的に制御する第１実施形
態に比して単電池充電制御回路５Ａ〜５Ｎの構成が簡易
化できる。また、バイパス電流が段階的に変化するか
ら、この時に単電池電流Ｉ（ｉ）が比較的大きい所定量
ΔＩだけ変化し易く、上式（２）による内部抵抗値Ｒ
（ｉ）の算出が高い頻度で行われて、充電中の各単電池
の内部抵抗変化に、より高精度に対応することができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る組電池の充
電装置によれば、充電中における各単電池の充電状態
を、その内部抵抗の変動に無関係に、バラツキを生じる
ことなく常に等しく移行させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における充電装置の全体
ブロック構成図である。

【図２】充電装置の制御手順を示すフローチャートであ
る。

【図３】単電池の等価回路である。

【図４】単電池充電制御回路の制御手順を示すフローチ
ャートである。

【図５】組電池充電制御回路の制御手順を示すフローチ
ャートである。

【図６】充電装置作動時の各種電圧、電流の経時変化を
示すグラフである。

【図７】本発明の第２実施形態における単電池充電制御
回路の制御手順を示すフローチ

【図８】充電装置作動時の各種電圧、電流の経時変化を
示すグラフである。

【図９】本発明の第３実施形態における充電装置の全体
ブロック構成図である。

【図１０】単電池充電制御回路の制御手順を示すフロー
チャートである。

【図１１】単電池の内部抵抗の変動を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

ＣＢ…組電池、１Ａ，…，１Ｎ…単電池、３Ａ，…，３
Ｎ…電流バイパス回路、３１，３４…抵抗、３２，３５
…トランジスタ、３３…電流計、４Ａ，…，４Ｎ…電圧
計、５Ａ，…，５Ｎ…単電池充電制御回路、６…組電池
充電制御回路。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA03 CA04 CA17 CC04 FA06 GC05 5H030 AA03 AA10 AS08 AS18 BB01 FF43

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単電池を直列に接続するととも
   に、前記各単電池に並列に電流バイパス回路を設けた組
   電池の充電装置であって、前記各単電池の端子電圧を検
   出する手段と、前記各単電池の電流を算出し、当該電流
   の変化量とこの時の前記端子電圧の変化量とから当該単
   電池の内部抵抗を算出する手段と、前記端子電圧、電
   流、および内部抵抗から前記各単電池の開路電圧をそれ
   ぞれ算出する手段と、前記開路電圧のうち最も低い電圧
   ないしこれに準じる電圧を基準電圧として、当該基準電
   圧よりも高い開路電圧の前記各単電池について所定のバ
   イパス電流を前記電流バイパス回路へ分流する手段とを
   具備する組電池の充電装置。