JP2000125481A - 電池過充電保護回生回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池と並列に保護回生回路を接続することに
より、上限の充電電圧を超える過充電を防止すると共
に、従来、熱として消費されていた過剰の充電電力を回
生させ、効率的な二次電池の充電を可能とする、特にリ
チウム二次電池の充電に好適に用いられる電池過充電保
護回生回路を提供する。 【解決手段】 電池過充電保護回生回路１の基本回路
は、第一の絶縁トランス３と、絶縁トランス３の一次側
を駆動するためのスイッチ回路４と、電池電圧を比較す
る電圧比較回路２と、電圧比較回路２により制御されス
イッチ回路４を駆動する発振回路５とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、リチウム二次電
池の充電を行う場合に、電池と並列に保護回生回路を接
続することにより、上限の充電電圧を超える過充電を防
止すると共に、従来、熱として消費されていた過剰の充
電電力を回生させ、効率的な二次電池の充電を可能とす
る電池過充電保護回生回路に関する。本発明の電池過充
電保護回生回路は、二次電池を多数個直列接続した場合
に特に有効である。

【０００２】

【従来の技術】 近年、リチウム二次電池は、携帯電話
やＶＴＲ、ノート型コンピュータ等の携帯型電子機器の
電源用電池として実用化され、また、電気自動車（Ｅ
Ｖ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等のモータ駆
動用電源としても期待されている。

【０００３】 このリチウム二次電池の充電には、従
来、定電流定電圧電源を用いて、始めに０．１Ｃ〜０．
２Ｃの一定電流を流し、次に電池電圧（電池の端子電
圧）が、例えば４．２Ｖの充電上限電圧に達したときに
一定電圧となり、それと同時に電流が次第に減衰する定
電流定電圧充電法が一般的に用いられている。すなわ
ち、この定電流定電圧充電法においては、充電末期では
電池電圧は一定値に保持され、電流は０．００５Ｃ程度
まで減衰した時点で充電完了とする。ここで、定電流領
域と定電圧領域で充電するエネルギーの比は通常７：３
程度であるので、後者の充電エネルギーは無視できない
くらいに大きいものである。

【０００４】 この定電流定電圧充電法を、例えば１０
〜１００個もの単電池を直列に接続してなる組電池全体
の充電に適用すると、各単電池には充電容量にバラツキ
があるため、最も充電容量の小さい電池の充電が先に完
了してしまい、組電池全体の充電を完了させようとする
と、その最も充電容量の小さい電池では過充電となる。
このとき最悪の場合には、過充電による過電圧によって
有機電解液が分解して電池内圧が上昇し、電池が破裂す
る等の事故に至る場合があった。

【０００５】 このような過充電による事故を回避する
ため、従来、図５に示すように、定電流定電圧電源２１
を用いた充電回路２０中に電流バイパス回路２２を設
け、電池２３の過充電を防止していた。このような電流
バイパス回路２２の例としては、リチウム二次電池の場
合、４．２Ｖのツェナーダイオードやそれによって駆動
されるトランジスタを用いた回路が使用されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、この
ような電流バイパス回路２２による過充電防止方法を用
いた場合には、電流バイパス回路２２中で、電池２３の
電池電圧とこの電流バイパス回路２２を流れる電流の積
に相当する電力が消費されて熱となる。つまり、この電
力に相当する充電エネルギーが無駄に消費されているこ
ととなり、このような充電エネルギーの損失は、単電池
が多数直列に接続されて構成される組電池では、特に大
きなものとなる。また、この電流バイパス回路２２は、
通常は電池に隣接して装備されるので、発生する熱が電
池の劣化に与える影響も無視できない等、様々な問題を
有する。

【０００７】 例えば、ＥＶやＨＥＶにおいては、モー
タの駆動のために３００〜４００Ｖの電圧を必要とする
ため、単電池として、開回路電圧が約４Ｖと高いリチウ
ム二次電池を用いた場合であっても、モータ駆動用電源
としては、１００個前後の単電池を直列に接続した組電
池として用いる必要があり、そのため充電効率の向上が
図られることが好ましいことは言うまでもなく、充電時
の安全性もまた確保されなけなければならない。さら
に、特にＨＥＶのように化石燃料を用いての走行中に、
モータ駆動用電源の充電を行う場合には、単電池毎によ
り効率よく、しかも簡便に充電を行えることが大変好ま
しい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 本発明は、上述した従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的
とするところは、過充電を防止して二次電池を保護しつ
つ、従来、過充電を回避するために電流バイパス回路に
流れて無駄に消費されていた充電エネルギーを、交流電
流または直流電流に変換して回生させ、有効に利用する
回路、すなわち電池過充電保護回生回路を提供すること
にある。すなわち、本発明によれば、第一の絶縁トラン
スと、当該第一の絶縁トランスの一次側を駆動するため
のスイッチ回路と、電池電圧を比較する電圧比較回路
と、当該電圧比較回路により制御され当該スイッチ回路
を駆動する発振回路とからなることを特徴とする電池過
充電保護回生回路、が提供される。

【０００９】 ここで、本発明の電池過充電保護回生回
路においては、発振回路の代わりに、第二の絶縁トラン
スあるいはフォトカプラーを介して、スイッチ回路を駆
動するための発振信号を外部より与えることも、好まし
い。また、第一の絶縁トランスの二次側に誘起される交
流を整流する整流回路を設けることが好ましい。なお、
本発明の電池過充電保護回生回路は、全ての二次電池の
充電回路に適用できることはいうまでもないが、特にリ
チウム二次電池の充電に好適に用いられる。

【００１０】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の電池過充電保護
回生回路（以下、単に「回生回路」という。）の実施の
形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本
発明の回生回路１の基本回路を示す説明図である。複数
の単電池１０を直列に接続してなる組電池１１に、定電
流定電圧電源１２を用いて充電を行う場合において、過
充電から保護する任意の単電池１０Ｎについて、回生回
路１が設けられている。この回生回路１は、第一の絶縁
トランス（以下、「第一トランス」という。）３と、第
一トランス３を駆動するためのスイッチ回路４ならびに
第一トランス３の二次側を整流する整流回路６、さらに
電池電圧（電池の端子電圧）を比較する電圧比較回路２
と、スイッチ回路４を駆動させるための発振回路５を主
な構成要素とする。なお、電圧比較回路２と発振回路５
については、後述するように、回生回路１中に、あるい
は外部からといった種々の形態で回生回路１に組み込む
ことが可能である。

【００１１】 電圧比較回路２は、ツェナーダイオード
を用いた電圧調整器を回生回路１中に組み込むことで形
成してもよいし、あるいはマイクロコンピュータ等を用
いて電圧検知を行うように、回生回路１とは別に外部か
ら直接に単電池１０Ｎの電池端子に接続して形成しても
構わず、単電池１０Ｎが所定の充電電圧に達した時点
で、例えば、リチウム二次電池であれば４．２Ｖに達し
た時点で、スイッチ回路４にＯＮ／ＯＦＦのＴＴＬレベ
ル信号を発振できればよい。

【００１２】 ここで、比較電圧には０．０５Ｖ〜０．
１５Ｖ程度のヒステリシスがあると、隣接する回生回路
や定電流定電圧電源からのノイズを分離することがで
き、動作が安定するために望ましい。この場合、単電池
１０Ｎの電池電圧がヒステリシスの範囲の上限に至った
場合に、発振回路５の発振が開始し、下限に至った場合
に発振は停止する。一方、このように一定周波数で発振
の開始と停止が交互に繰り返されてもよい。また、ヒス
テリシスの範囲内で、単電池１０Ｎの電池電圧が上限に
至ったときは発振周波数が高く、下限に至ったときは発
振周波数が低くなるように、同範囲内で回生回路１の単
電池１０Ｎ側からみた回生回路１のインピーダンスを可
変としてもよい。

【００１３】 第一トランス３は、単電池１０Ｎの充電
が終了した時点から作動し、過剰に供給される直流電流
のエネルギーを交流電流のエネルギーに変換して整流回
路６に送る役割を果たす。そして、この交流電流は、整
流回路６において、交流のまま、あるいは直流に変換さ
れて回生される。なお、この第一トランス３における１
次側と２次側との絶縁には、組電池１１の電圧以上の絶
縁電圧が必要である。また、第一トランス３にスイッチ
ングレギュレータ等に使用されている高周波タイプの磁
性体を用いると、損失が少なく、結果的に発熱を少なく
することができ、好ましい。但し、周波数が高くなると
第一トランス３自体は小型になるが、損失が増えて発熱
量が多くなる問題があるため、回生回路１の載置スペー
スや回生効率等を考慮して適宜好適なものを選択するこ
とが好ましい。

【００１４】 スイッチ回路４は、第一トランス３を駆
動させる役割を果たし、発振回路５と電圧比較回路２か
らの信号を受けて作動する。好適に用いられるデバイス
としては、スイッチング用トランジスタが挙げられる。
スイッチング用トランジスタを用いた場合には、当然に
コレクタ損失によって発熱が生ずるが、従来の電流バイ
パス回路で消費されていた電力損失に起因する発熱より
は極めて小さいものであることは言うまでもない。

【００１５】 発振回路５は、電圧比較回路２と共に、
スイッチ回路４を駆動させる役割を果たすが、発振回路
５は、回生回路１中に組み込んでも、あるいはトラン
ス、フォトカプラー等の絶縁素子を介して、外部から交
流信号を与えることで形成しても構わない。発振回路５
からの出力は、スイッチ回路４（例えば、スイッチング
用トランジスタ）を駆動できる程度にあればよい。

【００１６】 発振周波数は、第一トランス３の磁性体
の損失と寸法を勘案すると、５０Ｈｚ〜５００ｋＨｚの
範囲、より好ましくは１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲と
することが好ましい。但し、前述したように、一般に高
い周波数では第一トランス３は小型となるが、損失が増
すのでより発熱する傾向がある。なお、発振波形は矩形
波でも正弦波でもよいが、矩形波の場合には、デューテ
ィ比が５０％であることが、第一トランス３０の二次側
に誘起される電圧の安定性から好ましい。

【００１７】 第一トランス３の二次側に誘起される電
圧は、当然ながら、発振回路５の周波数と第一トランス
３の巻き線比に影響される。従って、巻き線の太さやス
イッチ回路４の最大電流は、保護回生すべき単電池１０
Ｎの電池容量によって決められるべきである。即ち、ス
イッチ回路４の最大電力は、充電時における各単電池に
流れる最大充電電流と電池電圧との積により、概略決定
され、これにより、最大１Ｃの電流で充電すべき用途の
場合と、最大０．２Ｃの電流で充電すべき用途の場合と
では、回生回路１の許容する最大電力は当然に異なった
ものとなる。

【００１８】 整流回路６は、第一トランス３により回
生されたエネルギーを整流する回路であるが、整流の方
法としては、交流電流として回生するか、もしくは直流
として回生するか２通りのそれぞれについて、各単電池
１０からの回生電流を並列に流すか、あるいは直列に流
すかの２通りの方法、すなわち、計４通りの方法があ
る。ここで、交流電流として回生する場合には、交流の
位相を同期させる必要があるので、第二の絶縁トランス
あるいはフォトカプラーによって、外部より同期交流信
号を各単電池に設けられた回生回路に与える必要があ
る。

【００１９】 また、各単電池の回生回路の発振が非同
期の場合は、第一トランス３の二次側に整流器を設け、
交流を直流に変換して並列あるいは直列に接続してもよ
い。この場合の整流器としては、第一トランス３のスイ
ッチング周波数が低い場合はＰＮ接合ダイオードが、高
い場合はショットキーダイオードが一般に好適に用いら
れる。

【００２０】 なお、個々の単電池から、それぞれ第一
トランス３の二次側に回生された電気エネルギーは、並
列あるいは直列接続されて、組電池１１全体を充電する
ために装備される定電流定電圧電源１２の一次側に回帰
し、回生されることが望ましい。そのためには、第一ト
ランス３の二次側に回生された電気エネルギーの電圧
は、充電に装備される定電流定電圧電源１２の充電電圧
以上、即ち、直列接続した組電池１１の電圧以上あるこ
とが望ましい。

【００２１】 さて、次に、これらの各構成要素を用い
た回生回路１の具体例について説明する。図２は、電圧
比較回路２と発振回路５を外部から形成した回生回路１
の説明図である。スイッチ回路４としては、スイッチン
グトランジスタ３１を用いている。電圧比較回路２とし
てはマイコンを用い、外部から単電池１０Ｎの電圧モニ
タを行いつつ、その測定結果から、ＯＮ／ＯＦＦの信号
がフォトカプラー３２を介し、ＡＮＤ回路７を経由して
スイッチ回路４に送られる。一方、発振回路５として
は、フォトカプラー３３あるいはトランスを用い、信号
がＡＮＤ回路７を経由してスイッチ回路４に送られる。
したがって、電圧比較回路２からの信号がＯＮにならな
ければ、スイッチ回路４は作動しない。スイッチ回路４
が作動すると、単電池１０Ｎに送られていた充電エネル
ギーは、第一トランス３により整流回路６へ送られ、回
生される。

【００２２】 この図２に示した回生回路１において
は、単電池に付属する回路構成が簡単である利点があ
る。一方、配線が多くなり、組電池化する場合に構造が
複雑となる点は否定できない。但し、このような回路上
の欠点はあっても、過充電を防止し、従来無駄に消費さ
れていた充電エネルギーを回生して有効に利用できると
いう本発明の効果が得られることにかわりはない。

【００２３】 図３は、電圧比較回路２と発振回路５を
内部回路として形成した回生回路１の説明図である。電
圧比較回路２としては、前述したように、ツェナーダイ
オードを用いることができ、単電池１０Ｎと並列に形成
され、ＯＮ／ＯＦＦの信号はＡＮＤ回路７を経由してス
イッチ回路４（スイッチングトランジスタ３１）に送ら
れる。発振回路５もまた、単電池１０Ｎと並列に形成さ
れ、信号はＡＮＤ回路７を経由して、スイッチ回路４へ
送られる。図２の回路と同様に、電圧比較回路２からの
信号がＯＮにならなければ、スイッチ回路４は作動せ
ず、スイッチ回路４が作動すると、単電池１０Ｎに送ら
れていた充電エネルギーの回生が始まる。この回生回路
１においては、全体の配線が少なくなり、組電池化も容
易であるという利点がある。但し、単電池当たりの回路
コストが高くなる。

【００２４】 さて、図４は、図２および図３のいずれ
の回生回路１にも適用される整流回路６の一実施形態を
示す説明図である。整流回路６では、各単電池に設けら
れた回生回路中の第一トランス３Ｎ・３Ｍからの電流は
ダイオード８により整流される。各整流回路６は直列に
接続されいるが、このような直列接続とすると、配線
（電線）数が少なくなり、また、電線の太さも細いもの
でよいため、組電池化が容易となり、好ましい。

【００２５】 以上、本発明の回生回路について説明し
てきたが、本発明が上記の実施形態よって何らの限定を
も受けるものでないことは言うまでもない。また、本発
明には、上記の実施の形態の他にも、本発明の趣旨を逸
脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々の
変更、修正、改良等を加え得るものであることが理解さ
れるべきである。

【００２６】

【発明の効果】 上述の通り、本発明の電池過充電保護
回生回路は、二次電池の充電を行う際の過充電を防止し
つつ、しかも、従来は過充電防止のために電流バイパス
回路に流れて無駄に消費されていた充電エネルギーを回
生して有効に利用するという優れた効果を奏する。ま
た、回生回路からの発熱量が小さいので、電池に隣接し
て配設しても、電池特性に悪影響を与えない。さらに、
本発明の回生回路は、組電池を構成する単電池に容易に
適用することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電池過充電保護回生回路の基本回路
図である。

【図２】 本発明の電池過充電保護回生回路の一実施形
態を示す説明図である。

【図３】 本発明の電池過充電保護回生回路の別の実施
形態を示す説明図である。

【図４】 本発明の電池過充電保護回生回路における整
流回路の一実施形態を示す説明図である。

【図５】 従来の二次電池用充電回路を示す説明図であ
る。

【符号の説明】 １…電池過充電保護回生回路（回生回路）、２…電圧比
較回路、３・３Ｍ・３Ｎ…第一トランス、４…スイッチ
回路、５…発振回路、６…整流回路、７…ＡＮＤ回路、
８…ダイオード、１０・１０Ｎ…単電池、１１…組電
池、１２…定電流定電圧電源、２０…充電回路、２１…
定電流定電圧電源、２２…電流パイパス回路、２３…電
池、３１…スイッチングトランジスタ、３２・３３…フ
ォトカプラー。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の絶縁トランスと、当該第一の絶縁
   トランスの一次側を駆動するためのスイッチ回路と、電
   池電圧を比較する電圧比較回路と、当該電圧比較回路に
   より制御され当該スイッチ回路を駆動する発振回路とか
   らなることを特徴とする電池過充電保護回生回路。
2. 【請求項２】 当該発振回路の代わりに、第二の絶縁ト
   ランスあるいはフォトカプラーを介して当該スイッチ回
   路を駆動するための発振信号を外部より与えることを特
   徴とする請求項１記載の電池過充電保護回生回路。
3. 【請求項３】 当該第一の絶縁トランスの二次側に誘起
   される交流を整流する整流回路を有することを特徴とす
   る請求項１または２記載の電池過充電保護回生回路。
4. 【請求項４】 リチウム二次電池の充電に用いられるこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電
   池過充電保護回生回路。