JP2002152984A

JP2002152984A - 二次電池の充放電装置および充放電方法

Info

Publication number: JP2002152984A
Application number: JP2000345458A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kubo; 謙二久保
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】多直列接続された二次電池の各単電池の充放電
を、電源台数を増すことなく所定電圧範囲で行う。【解決手段】充電時に多直列接続された二次電池の単電
池毎あるいは複数個の電池ブロック毎の電圧を検出し、
各単電池若しくは電池ブロックのいずれかの１個電圧
が、所定の上限値以上となった時点で、定電流充電から
定電圧充電に切り替え、放電時に各単電池若しくは電池
ブロックのいずれかの１個電圧が、所定の下限値以下と
なった時点で、定電流放電から定電圧放電に切替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多直列に接続され
た二次電池を充電あるいは放電する装置および方法に関
し、特に、リチウムイオン二次電池のように、充電ある
いは放電状態により電池電圧が変化する電池を多直列に
接続して充放電する場合に好適な、二次電池の充放電装
置および充放電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、二次電池の充電、あるいは放電方
法としては、単電池毎に独立した充電，放電用の電源手
段を設け、充電の場合、各単電池毎に電流設定値に従っ
て定電流充電し、単電池電圧が電圧設定値に到達した時
点で、定電圧充電に切替える方法が用いられている。放
電の場合は、通常、電流設定値に従って定電流放電され
るが、単電池電圧が電圧設定値に到達した時点で、定電
圧放電に切替えて放電を継続する方法も用いられる。こ
のような方法では、単電池毎に電池電圧を検出して充
電、あるいは、放電制御を実行できるため、各単電池の
容量や電池電圧のばらつきに依らず、精度よく、定電圧
充電や定電圧放電を実行できる。特に、リチウムイオン
二次電池では、満充電にするためには、満充電状態の電
圧を保って定電圧で充電する必要があり、単電池毎に定
電流充電の後、定電圧充電に切替えた充電方式が必要と
なる。

【０００３】また、モジュール二次電池のように、多数
個の二次電池を多直列に接続した状態とし、直列接続さ
れた複数個の二次電池を纏めて充電あるいは放電する方
法も知られている。通常のモジュール電池では、出力電
圧や出力電力を大きくするため、このような多直列接続
状態で、充電あるいは放電制御が行われる。二次電池を
多直列接続した状態で充放電する場合は、各電池に流れ
る電流が同じとなるため、各単電池の容量や初期電圧の
ばらつきにより、各電池の電圧が均一でなくなる。この
ため、多直列接続された電池の全体電圧が定電圧になる
ように充電した場合でも、各単電池の電圧は、それぞ
れ、ばらついた状態で、定電圧充電が継続される。通
常、多直列接続された状態の二次電池を充電する場合に
は、電池電圧にばらつきが発生した場合でも、各単電池
の電圧が所定の上限値を超えることがないよう、電圧設
定値を小さめの値に制限して定電圧充電している。ま
た、放電の場合も同様に、各単電池電圧が所定の下限値
より小さくなることのないよう、電圧設定値を大きめの
値に制限して定電圧放電している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、単電池毎に独
立した制御電源を設け、単電池毎に充電あるいは放電を
制御する上記方法では、充電あるいは放電用の電源手段
の台数が多くなるという問題がある。

【０００５】また、多直列状態での充電あるいは放電す
る方法では、各単電池の電圧が、所定の上限値以上、あ
るいは下限値以下にならないよう制御することが難しい
という問題がある。

【０００６】本発明の目的は、多直列接続された二次電
池であっても、電圧設定値に制限を設けることなく、各
単電池の電圧が所定の上限値を超えないように定電圧充
電できるようにすることにある。また、電圧設定値に制
限を設けることなく、各単電池の電圧が所定の下限値以
下とならないように定電圧放電できるようにすることに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の充放電装置では、多直列状態の二次電池を
充電中に、単電池毎、あるいは、複数個の電池ブロック
毎に、電池電圧を検出し、検出した各電池電圧のいずれ
かが、所定の上限値に到達した時点で、その時点の全体
電圧値で定電圧充電する。

【０００８】また、本発明の充放電装置では、多直列状
態の二次電池を放電中に、単電池毎、あるいは、複数個
の電池ブロック毎に、電池電圧を検出し、検出した各電
池電圧のいずれかが、所定の下限値に到達した時点で、
その時点の全体電圧値で定電圧放電する。

【０００９】本発明の充放電装置では、充電中の多直列
接続された二次電池を、その時点の全体電圧値を電圧設
定値として定電圧充電することにより、全体電圧をこれ
以上大きくすることなく充電を継続できる。これによ
り、多直列接続された二次電池の単電池電圧が、一個で
も、上限値を超えたとき、当該単電池は、そのときの単
電池電圧より大きくなることなく、多直列状態で定電圧
充電ができる。また、定電圧充電中にいずれかの単電池
電圧が上限値を超えた場合には、その時点の全体電圧値
での定電圧充電に切り替わるため、各二次電池の容量に
ばらつきがあった場合でも、各単電池の電圧が所定の上
限値を超えることなく、充電を継続できる。

【００１０】本発明の充放電装置では、放電中の多直列
接続された二次電池を、その時点の全体電圧値を電圧設
定値として定電圧放電することにより、全体電圧をこれ
以上小さくすることなく放電を継続できる。さらに本発
明の充放電装置では、各単電池の電圧が所定の下限値以
下となることなく、定電圧放電もできる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による第１の実施例を、図
１を用いて説明する。図１で符号１は電源、符号２は充
放電装置、符号３は電池収納部を示す。充放電装置２
は、電源１からの供給される電力を、直流電力に変換す
る手段２０１，平滑コンデンサ２０２，チョッパ回路２
０３，直流リアクトル２０４，電流検出器２０５，出力
側平滑コンデンサ２０６，直流コンタクタ２０７、を備
えている。

【００１２】ここで、チョッパ回路２０３はＩＧＢＴ(I
nsulated Gate Bipolar Transistor)により構成されて
おり、平滑コンデンサ２０２の直流電圧を、パルス幅変
調することにより、多直列接続された二次電池（３０１
〜３０３）に対する充放電電流や充放電電圧を制御す
る。直列接続されたＩＧＢＴを十分速いスイッチング周
波数で相補にオン／オフ制御するため、充電の場合は、
平滑コンデンサ２０２から二次電池（３０１〜３０３）
側に電流を、また、放電の場合は、二次電池（３０１〜
３０３）側から平滑コンデンサ２０２側に電流を、それ
ぞれ、双方向に制御できる。

【００１３】また、電池収納部３は、多直列に接続され
たｎ個の二次電池１（３０１），二次電池２（３０
２），二次電池ｎ（３０３）により構成されている。こ
こで二次電池には、特に制約はないが、リチウムイオン
二次電池が好ましい。電池収納部３と充放電装置２と
は、主回路配線３０４と、電池全体電圧計測線３０５と
により接続されている。さらに、多直列接続されたｎ個
の単電池の電圧は、単電池電圧計測線３０６により、充
放電装置２に入力され、充放電装置２の電圧計測回路２
１９により単電池毎の電圧が検出される。

【００１４】充放電装置２は、多直列接続された電池に
対する電流設定値や電圧設定値を指令するための、演算
処理回路２０８，多直列接続された電池の端子電圧を計
測するための、電圧計測回路２１９，直流コンタクタ２
０７を駆動するためのリレー駆動回路２２０、および、
チョッパ回路２０３を制御して、多直列接続された電池
に対する充放電電流，充放電電圧を制御する手段とを備
えている。

【００１５】充放電電流や充放電電圧を制御する手段
は、Ｄ／Ａ(Digital to Analog）変換器２０９，２１
３，電流制御手段２１１，電圧制御手段２１４、およ
び、Ａ／Ｄ(Analog to Digital) 変換器２１８、などに
より構成されている。直流コンタクタ２０７は、演算処
理回路２０８の指令により、リレー駆動回路２２０によ
りオンされ、充電、あるいは、放電が可能な状態とな
る。また、演算処理回路２０８は、Ｄ／Ａ変換器２０９
により充放電電流を設定し、Ｄ／Ａ変換器２１３により
充放電電圧を設定する。

【００１６】一方、多直列接続された電池に対する充放
電電流は、電流検出器２０５により検出され、その際の
電池全体の電圧は、全体電圧計測線３０５により検出さ
れる。Ｄ／Ａ変換器２０９より指令される電流設定値
と、電流検出器２０５により検出される充放電電流との
偏差を減算器２１０によって演算し、その結果に基づい
て、電流制御手段２１１により電流制御する。また、同
様に、Ｄ／Ａ変換器213２１３により指令される電圧設
定値と全体電圧計測線３０５により検出される電池全体
の電圧との偏差を減算器２１４によって演算し、その結
果に基づいて、電圧制御手段２１５により電圧制御す
る。

【００１７】電流制御の出力と電圧制御の出力とは、そ
れぞれ、リミット回路２１２，216２１６を介し、加算
器２１７で加算され、チョッパ回路２０３に対するパル
ス幅変調指令となる。ここで、電流制御手段２１１は、
減算器２１０の出力がゼロになるようチョッパ回路の出
力電圧を制御する。同様に、電圧制御手段２１５は、減
算器２１４の出力がゼロになるようチョッパ回路の出力
電圧を制御する。ここで、充電の場合は、充電電圧設定
値＞電池全体の電圧、放電の場合は、放電電圧設定値＜
電池全体の電圧、となるように設定する。

【００１８】充電の場合、電圧設定値が電池全体の電圧
より十分大きい時には、リミット回路２１６により電圧
制御の出力が飽和し、電流制御が優先される（定電流充
電モード）。充電により電池全体電圧が電圧設定値に近
づくと、電圧制御の出力の飽和が解除され、電圧制御が
優先される（定電圧充電モード）。その場合、電流制御
の出力はリミット回路２１２により飽和している。一
方、放電の場合、電圧設定値が電池全体電圧より十分小
さい時には、同様に、電圧制御の出力が飽和し、電流制
御が優先され（定電流放電モード）、放電により電池全
体電圧が電圧設定値に近づくと、電圧制御の出力の飽和
が解除され、電圧制御が優先される（定電圧放電モー
ド）。

【００１９】本実施例の動作波形を図２（１）〜図２
（３）に示す。図２（１）は多直列接続された電池に対
する充電電流値と充電時間の関係とを示す。充電開始と
共に、電流設定値として設定された一定の電流値で充電
される。このとき、多直列接続された電池の全体電圧値
と充電時間の関係とを、図２（２）に示す。電池の全体
電圧は、充電開始と共に、電池の内部抵抗による電圧降
下分だけ、電圧が上昇し、その後、充電電流により各電
池が充電され、多直列接続された全体電圧が上昇する。

【００２０】ここで、電池の充電電圧設定値を、電池の
全体電圧より大きく設定しておくことにより、多直列接
続された電池は、設定した電流値で定電流充電される。
このときの、単電池電圧と充電時間の関係を図２（３）
に示す。ｎ個（Ｎo.１〜Ｎo.ｎ）の各単電池は、単電池
の初期電圧や容量のばらつきに起因した電圧のずれを有
した状態で、充電が継続される。いずれかの単電池電圧
が、単電池電圧上限値に到達した時点で、図２（２）に
示すように、電池に対する電圧設定値を、現在の、電池
全体電圧値に変更する。これにより、定電圧制御に切り
替わり、電池は現在の電池電圧値を保って、定電圧充電
される。このとき、図２（１）に示すように、充電電流
が減少しながら充電が継続される。これにより、各単電
池の電圧も、図２（３）に示すように、いずれかの電池
が単電池電圧上限値に一致した時点の各電圧値を保った
状態で充電される。

【００２１】以上述べたように、本実施例によれば、多
直列状態に接続された二次電池であっても、各電池の電
圧が所定の上限値を超えないように、あるいは所定の下
限値以下にならないように、定電圧充電あるいは定電圧
放電ができる。

【００２２】本発明による第２の実施例を、図３を用い
て説明する。図３で、図１と同じものには同じ符号がつ
いている。充放電装置２は、電源１から供給される電力
を、直流電力に変換する手段２０１，平滑コンデンサ２
０２，チョッパ回路２０３，直流リアクトル２０４，電
流検出器２０５，出力側平滑コンデンサ２０６，コンタ
クタ２０７を備えている。

【００２３】一方、電池収納部３は、二次電池１（３０
１）から二次電池ｎ（３０３）のｎ個の電池に対して、
二次電池１（３０１）を直列接続するためのリレーＳ１
１から、二次電池ｎ（３０３）を直列接続するためのリ
レーＳｎ１、および、切離した電池を回路からバイパス
させるためのリレーＳ１２を備えている。すなわち、二
次電池１（３０１）を、充放電する場合には、回路から
バイパスさせるためのリレーＳ１１をＯＮ、切離すため
のリレーＳ１２をＯＦＦする。一方、充電回路から、当
該、二次電池１（３０１）を切離す場合には、リレーＳ
１１をＯＦＦ、リレーＳ１２をＯＮする。これを、ｎ個
の二次電池について、それぞれ、実行する。

【００２４】各リレーの切り替えは、充放電電源の電
流，電圧により、以下のように実行される。演算処理回
路２０８は、ｎ個の二次電池の電圧を検出するため、各
電池の電圧を、電圧計測回路４０９により計測する。い
ま、各電池の電圧が、所定の値の範囲にある場合には、
電圧計測回路４０９により、各電池毎の電池電圧を検出
する。

【００２５】通常の動作を以下に説明する。二次電池が
多直列接続された状態で、二次電池の端子電圧が電圧検
出線４０８により検出される。また、二次電池への充電
あるいは放電電流を、電流検出器２０５により検出す
る。一方、充放電装置２の演算処理回路２０８では、Ｄ
／Ａ（Digital to Analog）変換器４１２により、充放
電電圧が設定される。充電の場合には、多直列接続され
た二次電池の電圧に対して、それより大きい充電電圧が
設定される。また、放電の場合には、電池電圧より低い
放電電圧が設定される。

【００２６】電圧設定値４１４が、電圧検出線４０８で
検出される電圧より大きい場合、減算器４１５で演算し
た、偏差は正となり、その偏差がゼロとなるよう、電圧
制御手段４１６で、充電電流指令値を演算する。電圧制
御手段４１６の出力は、リミッタ４１７により制限さ
れ、充電あるいは放電の電流指令値となる。

【００２７】電圧設定値に対し電池電圧が小さい場合
は、充電電流指令値は、リミッタ４１７の上限値に制限
された値となる。この出力と、電流検出器２０５で検出
される電流値の偏差を、減算器４１８により演算する。
その偏差がゼロになるよう電流制御手段４１９で、チョ
ッパ回路２０３を制御し、電流を流す。

【００２８】チョッパ回路２０３の出力電圧は、直流リ
アクトル２０４，出力側平滑コンデンサ２０６で平滑さ
れ、多直列接続された二次電池に供給される。電圧設定
値に対して、多直列接続された電池の電圧が、十分、小
さい場合には、リミッタ417の出力は、設定電流値にリ
ミットされて定電流充電される。

【００２９】一方、多直列接続された二次電池の電圧
が、充電電圧設定値に近づくと、リミッタは飽和領域か
ら抜け、定電圧制御モードに移行する。これにより、多
直列接続された二次電池は、定電圧充電される。

【００３０】一方、放電の場合に電圧制御手段のマイナ
ーループ側に電流制御系を設け、電圧制御手段の出力を
上限値，下限値を任意に設定可能なリミッタ４１７の出
力として与えることにより、電圧設定値が、多直列接続
された電池電圧より低い電圧に設定され、充電の場合と
同様に、電池電圧が電圧設定値より大きい場合は、リミ
ッタ４１７への下限値として設定される電流設定値で定
電流放電され、電池の放電が進み、電池電圧が電圧設定
値に近づいてきた状態で、定電圧放電状態となる。

【００３１】多直列接続された各二次電池の電圧は、電
圧計測回路４０９により、各二次電池毎に計測されてい
る。計測された、各二次電池の電圧が、充電の場合、各
電池電圧の計測値が、所定の電圧値に到達した時点で、
充電を一時停止し、充電電流設定値をゼロにした後、コ
ンタクタ２０７をＯＦＦにする。これにより、多直列接
続された電池は、充放電装置２から切離される。次に、
当該電池、例えば二次電池１（３０１）のリレーＳ１１
をオフとし、次に、リレーＳ１２をオンとする。これに
より、当該二次電池のみが、多直列接続状態から切離さ
れる。この状態で、再度、充電を開始することにより、
電池電圧の一番大きい二次電池のみの充電が停止され、
その他の二次電池の充電が継続される。このような処理
を継続することにより、多直列接続状態であっても、各
二次電池の電圧を所定の上限値まで、充電できる。ま
た、放電の場合も同様に、各二次電池の電圧が、所定の
下限値になるまで、放電できる。

【００３２】一方、本発明の方法によれば、各二次電池
の電圧が所定の値になったとき、各電池の電圧が、これ
以上、増加しないしないように制御しながら、充電を継
続する。そのために、本発明では、各二次電池の電圧を
監視し、各電池の電圧が、所定の値となったことを検出
した時点で、電圧設定値を該時点での、多直列接続状態
の電池電圧の検出値に再設定する。これにより、多直列
接続された電池は、多直列接続された状態で、定電圧充
電状態となる。これにより、各二次電池電圧に、ばらつ
きがあってもその時点の電圧で、定電圧充電される。こ
れにより、多直列接続された複数の二次電池の電圧を、
全て、上限値以下となるよう充電できる。

【００３３】また、このような方法によれば、放電の場
合も同様に、多直列接続された、全ての二次電池の電圧
が、所定の下限値以下となることのないよう、多直列接
続状態で、放電を継続できる。従って、本発明の方法に
よれば、多直列状態であっても、各電池の電圧の最大値
が、所定の設定値以下となるよう定電圧充電できるし、
また、同様に定電圧放電できる。

【００３４】本実施例の動作波形も先に説明した図２と
同様である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、多直列状態に接続され
た二次電池であっても、各電池の電圧が所定の上限値を
超えないように、あるいは、所定の下限値以下にならな
いように、定電圧充電、あるいは、定電圧放電を達成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の二次電池充放電装置のブロック
図。

【図２】本発明実施例の二次電池充放電装置の充電時間
と（１）充電電圧、（２）全体電圧、（３）単電池電圧
との関係を示すグラフ。

【図３】本発明の別の実施例の二次電池充放電装置のブ
ロック図。

【符号の説明】

１…電源、２…充放電装置、３…電池収納部、２０１…
直流電力変換手段、２０２…平滑コンデンサ、２０３…
チョッパ回路、２０４…直流レアクトル、２０５…電流
検出器、２０６…出力側平滑コンデンサ、２０７…直流
コンタクタ、２０８…演算処理回路、２０９，２１３，
４１２…Ｄ／Ａ変換器、２１０，２１４，４１５，４１
８…減算器、２１１，４１９…電流制御手段、２１２，
２１６…リミット回路、２１５…電圧制御手段、２１７
…加算器、２１８…Ａ／Ｄ変換器、２１９…電圧計測回
路、２２０…リレー駆動回路、３０１，３０２，３０３
…二次電池、３０４…主回路配線、３０５…電池全体電
圧計測線、３０６…単電池電圧計測線、４０８…電圧検
出線、４０９…電圧計測回路、４１４…電圧設定値、４
１６…電圧制御器、４１７…リミッタ、Ｓ１１，Ｓ１
２，Ｓｎ１，Ｓｎ２…リレー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の二次電池を多直列接続した状態
で、充電あるいは放電する充放電装置であって、所定の
電流設定値に従った電流で前記二次電池を定電流充電あ
るいは定電流放電する定電流充放電手段と、所定の電圧
設定値に従った電圧で多直列接続された二次電池を定電
圧充電あるいは定電圧放電する定電圧充放電手段と、前
記多直列接続された二次電池の単電池毎、あるいは複数
個の二次電池ブロック毎の電圧を検出する電池電圧検出
手段とを備えていて、前記多直列接続された二次電池の
充電時に、前記各単電池若しくは電池ブロックのいずれ
か１つ以上の電圧が、所定の上限値以上となった時点
で、定電流充電モードから定電圧充電モードに切替える
充電モード切り替え手段と、前記多直列接続された二次
電池の放電時に、前記各単電池若しくは電池ブロックの
いずれか１つ以上の電圧が、所定の下限値以下となった
時点で、定電流放電から定電圧放電に切替える放電モー
ド切り替え手段とを備えたことを特徴とする二次電池の
充放電装置。
【請求項２】複数個の二次電池を多直列接続した状態
で、充電あるいは放電する充放電方法であって、前記多
直列接続された二次電池の単電池毎、あるいは複数個の
二次電池ブロック毎の電圧を検出し、前記多直列接続さ
れた二次電池の充電時に、前記各単電池若しくは電池ブ
ロックのいずれか１つ以上の電圧が、所定の上限値以上
となった時点で、定電流充電モードを定電圧充電モード
に切替え、前記多直列接続された二次電池の放電時に、
前記各単電池若しくは電池ブロックのいずれか１つ以上
の電圧が、所定の下限値以下となった時点で、定電流放
電から定電圧放電に切替えることとを特徴とする二次電
池の充放電方法。