JP2004320931A

JP2004320931A - 充放電制御システム

Info

Publication number: JP2004320931A
Application number: JP2003113653A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tsuru; 憲一朗水流; Akihiko Kudo; 彰彦工藤; Masaki Nagaoka; 正樹長岡
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】高電圧放電及び低圧充電可能な充放電制御システムを提供する。
【解決手段】充放電制御システム１０は、全体を制御する制御回路２、直列に接続され電池群６を構成する二次電池３、４を充電するための充電回路１、充電回路１と二次電池３、４との接続を切り替えるスイッチＳ１〜Ｓ４、各二次電池３、４の電圧を測定する電圧測定回路５を有している。電池群６を構成する二次電池３、４に時分割で単一の充電回路１を切り替えて接続し充電する。充電回路１から二次電池３、４に供給する電圧が充電対象の二次電池３、４の１本分の充電電圧分で足り、二次電池３、４が直列接続された電池群６から高電圧で放電できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は充放電システムに係り、特に、直列に接続された充放電可能な複数個の二次電池に対し充放電を制御する充放電制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＶＴＲカメラやノート型パソコン、携帯電話などのポータブル機器や電気自動車、電力貯蔵用の電源として充放電が可能な二次電池が多用されている。このような機器の電源では、複数個の二次電池が直列に接続され所望の電圧を供給している。一方、二次電池の充電については機器及び二次電池の特性に応じて種々の充電制御形態が知られている（例えば、特許文献１参照）が、一般には、充電回路を電源に接続して直列に接続された二次電池分の電圧を印加することで各二次電池を充電している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直列に接続された二次電池の本数が増えると、充電回路はより大きな電圧及び電流を供給しなければならず、充電回路が大きくなる、という問題がある。特に、電気自動車用では直列に接続される二次電池の本数が多いことから、充電回路から直列接続された二次電池に供給する充電電圧も必然的に高く、充電回路の構成が大きくなったり、安全上で別の配慮が要求される。
【０００５】
本発明は上記事案に鑑み、高電圧放電及び低圧充電可能な充放電制御システムを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、充放電可能な複数個の二次電池が直列に接続された電池群に対し、該電池群を構成する二次電池に時分割で単一の充電回路を切り替えて接続し充電することを特徴とする。本発明によれば、電池群を構成する二次電池に時分割で単一の充電回路を切り替えて接続して充電するので、充電回路から二次電池に供給する電圧は充電対象の二次電池の充電電圧分で足り電池群全体の充電電圧で充電する必要がないため、充電回路の充電電圧を低くすることができると共に、電池群は直列に複数個の二次電池が接続されているので、高電圧で放電するができる。
【０００７】
本発明において、充電中に充電回路に接続されていない各二次電池の電圧を測定し電池容量を演算すれば、演算した電池容量により二次電池を正確に満充電まで充電することができる。このとき、充電回路が印加可能な充電電圧に応じ、充電対象の二次電池の本数を切り替えるようにしてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な充放電制御システムの第１の実施の形態について説明する。
【０００９】
図１に示すように、本実施形態の充放電制御システム１０は、充放電制御システム１０全体を制御する制御回路２と、直列に接続され電池群６を構成するリチウムイオン二次電池（以下、二次電池と略称する。）３、４を充電するための充電回路１と、ＦＥＴ等で構成され充電回路１と二次電池３、４との接続を切り替えるスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と、二次電池３、４の電圧を測定する電圧測定回路５とを有している。
【００１０】
制御回路２は、演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、及び電圧測定回路５から受け取ったアナログ電圧をデジタル化するＡ／Ｄ変換部とを含んで構成されている。また、制御回路２は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４にハイレベル信号を出力するための出力ポート、電圧測定回路５に電圧測定対象の二次電池を指定するための指定ポート、及び、指定した二次電池の電圧を電圧測定回路５から受け取るためのＡＤ入力ポートを有している。
【００１１】
充電回路１は、二次電池１本分程度の入力電圧Ｖ１を電圧降下させ、電圧降下後の出力電圧Ｖ２を二次電池３、４に対する充電電圧として出力する回路である。電圧測定回路５は、二次電池３、４の電圧を該二次電池の−端子を基準とした電圧に変換する差動増幅回路を含んで構成されている。電圧測定回路５の入力側は二次電池３、４の各端子に接続されており、電圧測定回路５の出力側は制御回路２のＡＤ入力ポートに接続されている。また、電圧測定回路５は、測定対象の二次電池の指定を受けるために制御回路２の指定ポートに接続されている。従って、制御回路２は、指定ポートから電圧測定回路５に測定対象の二次電池を指定することで、ＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から指定した二次電池の電圧を取り込み、かつ、Ａ／Ｄ変換することで、指定した二次電池の電圧値を取得することが可能である。
【００１２】
また、制御回路２の出力ポートとスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とは、各スイッチをオン状態（以下、ＯＮという。）又はオフ状態（以下、ＯＦＦという。）とするための信号ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４で接続されている。
【００１３】
二次電池３に充電するには、制御回路２（のＣＰＵ）が信号ラインＬ２、Ｌ４への出力信号を２値のローレベル信号（以下、Ｌｏと略称する。）とすることでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＦＦとし、信号ラインＬ１、Ｌ３への出力信号を２値のハイレベル信号（以下、Ｈｉと略称する。）とすることでスイッチＳ１、Ｓ３をＯＮとして、充電回路１と二次電池３とを接続する。一方、二次電池４に充電するには、制御回路２が信号ラインＬ１、Ｌ３への出力信号をＬｏとすることでスイッチＳ１、Ｓ３をＯＦＦとし、信号ラインＬ２、Ｌ４への出力信号をＨｉとすることでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＮとして、充電回路１と二次電池４とを接続する。
【００１４】
なお、本実施形態では、充放電制御システム１０への入力電圧Ｖ１は５Ｖ、充電回路２の出力電圧Ｖ２は４．２Ｖに設定されており、電池群６の出力電圧Ｖ３は直列に接続された二次電池２本分の電圧となる。
【００１５】
次に、フローチャートを参照して、充放電制御システム１０の動作について、制御回路２のＣＰＵを主体として説明する。説明を簡単にするために、二次電池３、４のそれぞれの電圧は２．７Ｖであり、４．２Ｖまで充電する場合について例示する。なお、充電を開始する前、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はＯＦＦとされている。
【００１６】
制御回路２のＣＰＵは、入力電圧Ｖ１（５Ｖ）が印加されると、図２に示す充電ルーチンを実行する。この充電ルーチンでは、まず、ステップ１０２において、信号ラインＬ１、Ｌ３にＨｉを出力することでスイッチＳ１、Ｓ３をＯＮとする。これにより、二次電池３は充電回路１に接続され、二次電池３に４．２Ｖが印加されることで二次電池３は充電回路１が出力可能な電流で定電流充電される。
【００１７】
次にステップ１０４では、充電後の安定した電池電圧を得るために１秒経過するまで待機し、１秒経過すると、次のステップ１０６において、指定ポートから電圧測定回路５に二次電池４を指定し、次のステップ１０８で更に４秒経過するまで待機する。この４秒の間に、制御回路２はＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から二次電池４のアナログ電圧を受け取り、Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換して二次電池４の電圧値を取得し、取得した電圧値から二次電池４の電池容量を演算する。このような電池容量の演算は、例えば、二次電池と電池容量との関係マップや関係式を予め準備しておき、取得した電圧値を関係マップや関係式に当てはめることで行うことができる。
【００１８】
次いで、ステップ１０８での判断が肯定されると、すなわち、４秒経過すると、信号ラインＬ１、Ｌ３をＬｏとすることでスイッチＳ１およびＳ３をＯＦＦとする。従って、二次電池３はステップ１０２〜ステップ１１０の間で５秒間充電される。
【００１９】
次のステップ１１２では、信号ラインＬ２、Ｌ４にＨｉを出力することでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＮとする。これにより、二次電池４は充電回路１に接続され、二次電池４に４．２Ｖが印加されることで二次電池４は充電回路１が出力可能な電流で定電流充電される。次にステップ１１４では、上述したステップ１０４と同様に１秒経過するまで待機し、１秒経過すると、次のステップ１１６において、指定ポートから電圧測定回路５に二次電池３を指定し、次のステップ１１８で更に４秒経過するまで待機する。この４秒の間に、制御回路２はＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から二次電池３のアナログ電圧を受け取り、Ａ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換して二次電池３の電圧値を取得し、取得した電圧値から二次電池３の電池容量を演算する。次いで、ステップ１１８での判断が肯定されると、信号ラインＬ２、Ｌ４をＬｏとすることでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＦＦとする。従って、二次電池４はステップ１１２〜ステップ１２０の間で５秒間充電される。
【００２０】
次にステップ１２２において、二次電池３、４の電圧が４．２Ｖか否かを判断することで、充電が終了したか否かを判断する。二次電池３、４の電圧が４．２Ｖに近づいてくると、充電電流は小さくなっていきやがて定電圧充電となる。ステップ１２２で否定判断されたときは、ステップ１０２へ戻り充電を続行し、肯定判断されたときは、二次電池３、４が満充電となったので充電ルーチンを終了する。なお、充電ルーチン終了時に、スイッチＳ１〜Ｓ４は全てＯＦＦとなる。
【００２１】
充電ルーチンにおいて、ＣＰＵは、スイッチＳ１、Ｓ２を同時にＯＮとするとまた、スイッチＳ３、Ｓ４を同時にＯＮにすると、それぞれ二次電池３、４が短絡状態となるため、ＯＦＦとするスイッチに対する信号ラインをＬｏとした後、ＯＮとするスイッチに対する信号ラインをＨｉとする動作を行なう。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、本発明が適用可能な充放電制御システムの第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態において第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。
【００２３】
本実施形態の充放電制御システムでは、入力電圧Ｖ１が７Ｖに設定されており、充電回路１は出力電圧Ｖ２を選択的に７Ｖ又は４．２Ｖとすることが可能である。制御回路２と充電回路１とは信号ラインＬ５で接続されており、制御回路２が信号ラインＬ５にＨｉを出力すると、充電回路１は出力電圧Ｖ２を７Ｖとし、制御回路２が信号ラインＬ５をＬｏとすると、充電回路１は出力電圧Ｖ２を４．２Ｖとする。
【００２４】
次に、第２実施形態の充放電制御システムの動作について制御回路２のＣＰＵを主体として説明する。説明を簡単にするために、二次電池３、４のそれぞれの電圧は２．７Ｖであり、４．２Ｖまで充電する場合について例示する。なお、充電を開始する前、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はＯＦＦとされている。
【００２５】
制御回路２のＣＰＵは、入力電圧Ｖ１（７Ｖ）が印加されると、信号ラインＬ５にＨｉを出力することで、充電回路１の出力電圧Ｖ２を７Ｖとし、図３に示す充電ルーチンを実行する。
【００２６】
この充電ルーチンでは、まず、ステップ２０２において、信号ラインＬ１、Ｌ４にＨｉを出力することでスイッチＳ１、Ｓ４をＯＮとする。これにより、二次電池３、４は充電回路１に接続され、二次電池３、４には直列に７Ｖが印加されることで、二次電池３、４は充電回路１が出力可能な電流で定電流充電される。
【００２７】
次のステップ２０４では、５秒経過するまで待機し、５秒経過すると、次のステップ２０６で信号ラインＬ１、Ｌ４をＬｏとすることでスイッチＳ１、Ｓ４をＯＦＦとする。従って、二次電池３、４はまとめて（直列接続で）５秒間充電される。
【００２８】
ステップ２０８では、１秒経過するまで待機する。この１秒間に、制御回路２はＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５に二次電池３を指定し、ＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から二次電池３のアナログ電圧を受け取り、Ａ／Ｄ変換して二次電池３の電圧値を取得した後、二次電池４についても同様に電圧値を取得する（ステップ２１０）。
【００２９】
次のステップ２１２では、取得した二次電池３、４の電圧値が７Ｖ／２＝３．５Ｖに近づいているか否かを判断する。本例では、この値を３．４９Ｖとした。ステップ２１２で否定判断されたときは、充電を更に続行するためにステップ２０２へ戻り、肯定判断されたときは、ステップ２１４において信号ラインＬ５をＬｏとしてステップ２１６へ進む。これにより、充電回路１の出力電圧Ｖ２は４．２Ｖとなる。
【００３０】
ステップ２１６〜ステップ２４０での処理は、上述した第１実施形態のステップ１０２〜ステップ１２２での処理と同じであるが、詳述すれば、ステップ２１６では、信号ラインＬ１、Ｌ３にＨｉを出力することでスイッチＳ１、Ｓ３をＯＮとする。これにより、二次電池３は充電回路１に接続され、二次電池３に４．２Ｖが印加されることで二次電池３は充電回路１が出力可能な電流で定電流充電される。次にステップ２１８では、１秒経過するまで待機し、１秒経過すると、次のステップ２２０において、指定ポートから電圧測定回路５に二次電池４を指定し、次のステップ２２２で更に４秒経過するまで待機する。この４秒の間に、制御回路２はＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から二次電池４のアナログ電圧を受け取り、Ａ／Ｄ変換により二次電池４の電圧値を取得し、取得した電圧値から二次電池４の電池容量を演算する。次いで、ステップ２２２での判断が肯定されると、次のステップ２２４で信号ラインＬ１、Ｌ３をＬｏとすることでスイッチＳ１、Ｓ３をＯＦＦとする。従って、二次電池３はステップ２１６〜ステップ２２４により５秒間４．２Ｖで充電される。
【００３１】
次のステップ２２６では、信号ラインＬ２、Ｌ４にＨｉを出力することでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＮとする。これにより、二次電池４は充電回路１に接続され、二次電池４に４．２Ｖが印加されることで二次電池４は充電回路１が出力可能な電流で定電流充電される。次にステップ２２８では、１秒経過するまで待機し、１秒経過すると、次のステップ２３２において、指定ポートから電圧測定回路５に二次電池３を指定し、次のステップ２３４で更に４秒経過するまで待機する。この４秒の間に、制御回路２はＡＤ入力ポートを介して電圧測定回路５から二次電池３のアナログ電圧を受け取り、Ａ／Ｄ変換により二次電池３の電圧値を取得し、取得した電圧値から二次電池３の電池容量を演算する。次いで、ステップ２３４での判断が肯定されると、次のステップ２３８で信号ラインＬ２、Ｌ４をＬｏとすることでスイッチＳ２、Ｓ４をＯＦＦとする。従って、二次電池４はステップ２２６〜ステップ２３８により５秒間４．２Ｖで充電される。
【００３２】
次にステップ２４０において、二次電池３、４の電圧が４．２Ｖか否かを判断することで、充電が終了したか否かを判断する。ステップ２４０で否定判断されたときは、ステップ２１６へ戻り充電を続行し、肯定判断されたときは、充電ルーチンを終了する。なお、充電ルーチン終了時に、スイッチＳ１〜Ｓ４は全てＯＦＦとなる。
【００３３】
次に、上記実施形態の充放電制御システムの作用等について説明する。
【００３４】
上記実施形態の充放電制御システムでは、電池群６を構成する二次電池３、４に時分割で単一の充電回路１の出力電圧を切り換えて接続して充電するので、充電回路１から二次電池３、４に供給する電圧は充電対象の二次電池３、４の充電電圧分未満で足り電池群６全体の充電電圧で充電する必要がないため、充電回路１の出力電圧Ｖ２（充電電圧）を低くすることができると共に、従来技術のように、充電回路１で入力電圧Ｖ１を昇圧する必要もない。また、第１実施形態の充放電制御システムでは、二次電池１本程度の電圧を供給することで電池群６を構成する全ての二次電池を充電することができる。更に、電池群６は、直列に二次電池３、４が接続されているので、高電圧で放電することができる。
【００３５】
また、上記実施形態の充放電制御システムでは、充電対象の二次電池を時分割により短い時間（充電時間５秒）で切り替えるので、二次電池３、４は均等に充電され、充電後、二次電池３、４はほぼ同一の電圧となる。特に、電気自動車用電源のように多数の二次電池を直列に接続して使用する場合には、充電後二次電池間に電圧差が生じると、特定の二次電池が負荷となったり電圧のバラツキに起因して短寿命となり、電池群全体の交換が必要となる場合があるが、本例のように短い時間での切り替え処理を行うことで、このような問題を排除することが可能となる。
【００３６】
更に、第２実施形態の充放電制御システムでは、二次電池３、４の電圧がそれぞれ３．４９Ｖとなるまではまとめて充電するので（ステップ２０２〜２１２）、第１実施形態のように二次電池３、４を個別に充電する場合に比べ、満充電までの時間を短くすることができる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、説明を簡単にするために、二次電池３、４の２本で構成した電池群６を示したが、本発明はこれに限定されず、電池群が少なくとも２本以上の電池で構成されていれば適用可能であることは論を待たない。
【００３８】
また、上記実施形態では、二次電池３、４に対する充電時間を画一的に５秒とした例を示したが、各二次電池の電池容量を演算することができるので（ステップ１０６、２２０）、充電時間の割合を調節して二次電池３、４の電池容量を正確に揃えるようにしてもよい。従って、充電時間５秒は例示であって本発明を限定するものではない。
【００３９】
また、上記実施形態では、説明を簡単にするために、入力電圧Ｖ１が印加されると直ちに充電を行う例を示したが、最初に二次電池３、４の電圧を測定するようにしてもよい。このようにすれば、二次電池３、４が満充電の場合に最初の５秒間の充電が行われなくなり、リチウムイオン電池のように過充電を配慮する必要のある二次電池では安全性を向上させることができる。
【００４０】
更に、上記実施形態では、二次電池３、４の電圧を測定するときに、電池群６の状態については言及しなかったが、二次電池３、４の電池容量を正確に把握するには、二次電池３、４が充放電休止状態での開放電圧を測定することが好ましい。従って、充放電制御システムは、電池群６の最高電位側にホール素子等の充放電若しくは休止状態を把握する充放電状態検出回路を更に備えて電池群６の状態を監視したり、制御回路２に充放電状態検出回路を備えた上位機器との通信が可能な通信ポートを有し上位機器から電池群６の状態の通知を受けられる構成を採るようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池群を構成する二次電池に時分割で単一の充電回路を切り替えて接続して充電するので、充電回路から二次電池に供給する電圧は充電対象の二次電池の充電電圧分で足り電池群全体の充電電圧で充電する必要がないため、充電回路の充電電圧を低くすることができると共に、電池群は直列に複数個の二次電池が接続されているので、高電圧で放電するができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な第１実施形態の充放電制御システムの概略ブロック図である。
【図２】第１実施形態の充放電制御システムの制御回路のＣＰＵが実行する充電ルーチンのフローチャートである。
【図３】第２実施形態の充放電制御システムの制御回路のＣＰＵが実行する充電ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１充電回路
２制御回路
５電圧測定回路
１０充放電制御システム
３、４二次電池
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４スイッチ

Claims

充放電可能な複数個の二次電池が直列に接続された電池群に対し、該電池群を構成する二次電池に時分割で単一の充電回路を切り替えて接続し充電することを特徴とする充放電制御システム。
充電中に前記充電回路に接続されていない各二次電池の電圧を測定し電池容量を演算することを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
前記充電回路が印加可能な充電電圧に応じ、充電対象の二次電池の本数を切り替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充放電制御システム。