JP2005086871A - 充放電制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】充電用電源より組電池の充電電圧が高い場合に、コスト高となる昇降圧型Ｄ／Ｄコンバータを用いずに組電池の充電が可能な充放電制御システムを提供する。
【解決手段】 充電時に、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７、８をオフ状態とし、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０をオン状態とすることで、高電位側の組電池４−１と低電位側の組電池４−２とに二分割されて組電池４−１、４−２はそれぞれ定電圧回路６−２、６−１からの出力電圧で同時に充電され、放電時に、ＦＥＴ９、ＦＥＴ１０をオフ状態のまま維持し、ＦＥＴ７、８をオン状態とすることで、組電池４−１と組電池４−２とが直列接続され、負荷５に組電池４−１の電圧と組電池４−２の電圧とを加えた電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は充放電制御システムに係り、特に、偶数個の二次電池で構成された組電池の充放電を制御する充放電制御システムに関する。

従来、複数個の二次電池が直列に接続された組電池を充放電する充放電制御システムでは、組電池の＋端子と−端子とに充電用電源を接続し、所定の充電電圧で組電池全体を充電していた（例えば、特許文献１参照）。この場合に、充電用電源に制約があり所定の充電電圧が確保できないときには、充電用電源にＤ／Ｄコンバータを付加して充電電圧を昇圧させていた。例えば、車載用の１２Ｖ系電源を充電用電源として、４直列に接続したリチウムイオン電池を充電するときには、リチウムイオン電池の標準充電電圧が４．１〜４．２Ｖ／セルのため、１６．４〜１６．８Ｖ程度まで昇圧して充電する必要がある。図３に示すように、このような充放電制御システムでは、充電時に、充電用電源１の出力がＤ／Ｄコンバータ２及び逆流防止用ダイオード３を介して組電池４に接続され、放電時に、組電池４に負荷５が接続される。

特開２００１−２３１１７８

しかしながら、充電用電源として車載用の１２Ｖ電源を想定すると、電源の状態により１２Ｖ〜１４．５Ｖ程度まで電源電圧が変動する。また、非晶質系炭素を負極材料に用いたリチウムイオン電池では、充電時の電圧が１２〜１６．８Ｖまで変化する。従って、充電用電源の電圧が充電時の電圧より高い場合と低い場合の両方の場合が想定されるので、Ｄ／Ｄコンバータには構成が簡便な昇圧チョッパ型を使用することができず、構成が複雑なトランスを用いた絶縁型昇降圧回路や、特殊回路である非絶縁型昇降圧チョッパ回路を用いる必要があった。その場合、構成が複雑なため部品点数が増加し、コストも当然高くなる。

本発明は上記事案に鑑み、充電用電源より組電池の充電電圧が高い場合に、コスト高となる昇降圧型Ｄ／Ｄコンバータを用いずに組電池の充電が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。

上記課題を解決するために、本発明は、偶数個の二次電池を有し高電位側と低電位側とに二分割可能な直列電池で構成された組電池の充放電を制御する充放電制御システムであって、充電時に、前記高電位側の直列電池を、充電用電源の−側に第１の定電圧回路を接続して充電すると共に、前記低電位側の直列電池を、前記充電用電源の＋側に第２の定電圧回路を接続して充電し、放電時に、前記高電位側及び前記低電位側の直列電池を、直列に接続して放電する。

本発明では、充電時に、高電位側の直列電池を充電用電源の−側に第１の定電圧回路を接続して充電すると共に、低電位側の直列電池を充電用電源の＋側に第２の定電圧回路を接続して充電するので、組電池の充電電圧の半分程度の充電用電源の電圧で組電池全体を同時に充電することができ、放電時に、高電位側及び低電位側の直列電池を直列に接続して放電するので、組電池全体の電圧を出力することができる。

このような構成の一態様として、高電位側及び低電位側の直列電池間に電池端子側がソースとなるＰチャンネル型ＦＥＴが２直列に挿入されており、高電位側の直列電池は、−端子が、該端子側がドレインとなるＮチャンネル型ＦＥＴと充電電流が流れる極性に接続された第１のダイオードとを介して第１の定電圧回路の出力に、＋端子が充電用電源の＋端子にそれぞれ接続されており、低電位側の直列電池は、＋端子が、該端子側がソースとなるＰチャンネル型ＦＥＴと充電電流が流れる極性に接続された第２のダイオードとを介して第２の定電圧回路の出力に、−端子が充電用電源の−端子にそれぞれ接続されており、充電時に、２直列に挿入されたＰチャンネル型ＦＥＴをオフ状態とし、第１及び第２のダイオードに接続されたＮチャンネル型及びＰチャンネル型ＦＥＴをオン状態として組電池を充電するようにしてもよい。なお、この態様では、放電時に、２直列に接続されたＰチャンネル型ＦＥＴをオン状態とし、第１及び第２のダイオードに接続されたＮチャンネル型及びＰチャンネル型ＦＥＴをオフ状態とすればよい。また、本発明では、第１及び第２の定電圧回路に、充電用電源から供給される電圧を降圧するものを用いることで、第１及び第２の定電圧回路に簡単な構成を採ることができ充放電制御システムの低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、充電時に、高電位側の直列電池を充電用電源の−側に第１の定電圧回路を接続して充電すると共に、低電位側の直列電池を充電用電源の＋側に第２の定電圧回路を接続して充電するので、組電池の充電電圧の半分程度の充電用電源の電圧で組電池全体を同時に充電することができ、放電時に、高電位側及び低電位側の直列電池を直列に接続して放電するので、組電池全体の電圧を出力することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る充放電制御システムの実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の充放電制御システムは、充電用電源１の電圧を所定電圧とするシリーズドロッパ式の＋側定電圧回路６−１並びに−側定電圧回路６−２、２個の逆流防止用ダイオード３−１、３−２、４個のＦＥＴ８〜１０及びＦＥＴＦＥＴ８〜１０のオン、オフを制御するための図示を省略したマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）を有している。

充放電制御システムには、充電時に、図示しない端子を介して組電池４を充電するための充電用電源１が接続される。組電池４は、高電位側の組電池４−１と、低電位側の組電池４−２とに二分割されており、全体として偶数本（例えば、４本）の二次電池が直列に接続されている。従って、充電用電源１は、その＋端子が組電池４−１の＋端子に、−端子が組電池４−２の−端子に接続される。

組電池４−１と組電池４−２とは、２直列に接続されたＰチャンネル型ＦＥＴ７、８を介して接続されている。すなわち、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７、８は、ドレイン同士が接続されており、ソースがそれぞれ組電池４−１の−端子、組電池４−２の＋端子に接続されている。

＋側定電圧回路６−１及び−側定電圧回路６−２の入力は何れも充電用電源１の＋端子と−端子とに接続されている。＋側定電圧回路６−１の出力はダイオード３−１のアノードに接続されており、ダイオード３−１のカソードはＰチャンネル型ＦＥＴ９のドレインに、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９のソースは組電池４−２の＋端子に接続されている。従って、＋側定電圧回路６−１の出力は、ダイオード３−１及びＰチャンネル型ＦＥＴ９を介して組電池４−２の＋端子に接続されている。

一方、−側定電圧回路６−２の出力はダイオード３−２のカソードに接続されており、ダイオード３−２のアノードはＮチャンネル型ＦＥＴ１０のソースに、Ｎチャンネル型ＦＥＴ９のドレインは組電池４−１の−端子に接続されている。従って、−側定電圧回路６−２の出力は、ダイオード３−２及びＮチャンネル型ＦＥＴ１０を介して組電池４−１の−端子に接続されている。

図示を省略したマイコンは、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、ＦＥＴ８〜１０のゲートに充電用電源１の＋端子又は−端子を接続するスイッチ素子（不図示）をオン状態とするための出力ポートを有している。

すなわち、各ＦＥＴをオン状態に制御するためには、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０ではソースに対して正の電圧を、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７〜９では負の電圧をゲートに与えればよい。具体的には、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０をオン状態とするには充電用電源１の＋端子電圧をゲートに接続し、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９をオン状態とするにはゲートに充電用電源１の−端子の電圧、つまりグランド端子に接続すればよい。また、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７、８をオン状態とする場合もグランド端子に接続すればよい。従って、ＣＰＵは、上述したスイッチ素子（不図示）に２値ハイレベル信号を出力することで、各ＦＥＴのオン、オフを制御する。ゲート・ソース間には図示しない抵抗が挿入されており、ゲートと各端子との接続を開放すると、ゲート・ソース間電圧が０となりＦＥＴはオフ状態となる。

次に、本実施形態の充放電制御システムの充放電動作について図示を省略したマイコンのＣＰＵを主体として説明する。

まず、充電動作について説明すると、ＣＰＵは、充電用電源１が接続されたか否かを判断する。このような判断は、例えば、組電池４の＋端子側にホール素子を挿入しておき、ホール素子からの出力を監視することで行うようにしてもよく、また、組電池４が多数個接続され全体を制御する上位制御機器が存在する場合には上位制御機器から充電用電源の接続についての報知を受けるようにしてもよい。

否定判断のときは、組電池４は放電状態又は休止状態のため、充電用電源１が接続されるまで待機する。一方、肯定判断のときは、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７、８をオフ状態とし、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０をオン状態とする。これにより、組電池４は、高電位側の組電池４−１と低電位側の組電池４−２とに二分割され、組電池４−１は＋側定電圧回路６−２からの出力電圧で充電されると共に、組電池４−２は−側定電源回路６−１からの出力電圧で充電される。

次に、放電動作について説明すると、ＣＰＵは、負荷５が接続されたか否かを判断する。このような判断についても、ホール素子からの出力を監視することで行うようにしてもよく、また、上位制御機器から充電用電源の接続についての報知を受けるようにしてもよい。

否定判断のときは、組電池４は充電状態又は休止状態のため、負荷５が接続されるまで待機する。一方、肯定判断のときは、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０をオフ状態とし、Ｐチャンネル型ＦＥＴ７、８をオン状態とする。これにより、組電池４は、高電位側の組電池４−１と低電位側の組電池４−２とが直列接続され、負荷５に組電池４−１の電圧と組電池４−２の電圧とを加えた電圧を印加（放電）する。

次に、本実施形態の充放電制御システムについて行った充電試験について説明する。

本試験では、組電池４を２直列のリチウムイオン電池で構成し、リチウムイオン電池には定格電圧が３．６Ｖ、定格容量が１０００ｍＡｈのものを用い、充電用電源１には５Ｖ、３Ａ制限のものを用いた。また、＋側定電圧回路６−１及び−側定電圧回路６−２には、出力電圧が４．２Ｖ、制限電圧が１Ａのものを用いた。

図２に、リチウムイオン電池の充電特性を示す。図２に示すように、充電用電源１の電圧が５Ｖの状態で２個のリチウムイオン電池が正常に充電されており、本実施形態の充放電制御システムの機能を確認することができた。

以上のように、本実施形態の充放電制御システムでは、充電時に、ＦＥＴ８〜１０のオンオフを制御して、組電池４を二分割し、高電位側の組電池４−１を−側定電圧回路６−２に接続すると共に、低電位側の組電池４−２を＋側定電圧回路６−１に接続して充電する。このため、充電用電源１より組電池５の充電電圧が高くても、複雑でコストの高い昇降圧型Ｄ／Ｄコンバータを用いずに、組電池４の充電電圧（充電試験では８．４Ｖ）の半分程度の充電用電源の電圧（充電試験では５Ｖ）で組電池４全体を同時に充電することができる。

また、本実施形態の充放電制御システムでは、放電時に、ＦＥＴ８〜１０のオンオフを制御して、高電位側及び低電位側の組電池４−１、４−２を直列に接続して放電するので、組電池４全体の電圧を負荷５に印加することができる。

更に、本実施形態の充放電制御システムでは、＋側定電圧回路６−１、−側定電圧回路６−２に、構成が簡単なシリーズドロッパ式のものを用いることができるので、充放電制御システムの低コスト化及び小型化を図ることができる。

なお、本実施形態では、Ｐチャンネル型ＦＥＴとＮチャンネル型ＦＥＴとを使い分けた例を示したが、このような使い分けを行わなくても動作制御は可能である。例えば、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９の代わりにＮチャンネル型ＦＥＴをソースとドレインを逆に接続するようにしてもよい。ただし、この場合には、ＦＥＴのゲート・ソース間に印加される電圧が充電用電源１の＋端子と組電池４−２の＋端子の間の電圧差しか印加されないため、充電用電源１の電圧と組電池４−２の端子電圧の関係によっては、ＦＥＴが完全にオン状態とならない場合もある。その点、本実施形態では、ＦＥＴのゲートをグランドに接続するか充電用電源１の＋端子に接続するだけで、ゲートには高い電圧が印加されて、ＦＥＴを完全にオン状態とすることができる。すなわち、放電時にＰチャンネル型ＦＥＴ７、８のゲート・ソース間に組電池４−２の電圧が印加され、充電時にはＮチャンネル型ＦＥＴ１０には組電池４−１の電圧が、Ｐチャンネル型ＦＥＴ９には組電池４−２の電圧が印加されるので、各ＦＥＴを完全にオン状態とすることが可能である。

また、本実施形態では４個のＦＥＴの全てをオンオフ制御できるので、所定時間毎に、組電池４を構成する全ての二次電池の開放電圧を測定したり、測定した開放電圧から各二次電池の状態（例えば、ＳＯＣ）を把握するようにしてもよい。このようにすれば、過充電の留意が必要なリチウムイオン電池等の二次電池を用いる場合でも安全性を確保することができる。

本発明の充放電制御システムは、充電用電源より組電池の充電電圧が高い場合に、コスト高となる昇降圧型Ｄ／Ｄコンバータを用いずに組電池の充電が可能なため、製造、販売等に寄与し、産業上利用することができる。

本発明が適用可能な実施形態の充放電制御システムの概略ブロック回路図である。 充電試験による２直列の組電池の充電特性、充電用電源の出力電圧及び出力電流の推移を示す特性線図である。 従来技術の充放電制御システムの概略ブロック回路図である。

符号の説明

１ 充電用電源
３−１ ダイオード（第２のダイオード）
３−２ ダイオード（第１のダイオード）
４−１ 組電池（高電位側の直列電池）
４−２ 組電池（低電位側の直列電池）
６−１ ＋側定電圧回路（第２の定電圧回路）
６−２ −側定電圧回路（第１の定電圧回路）
７、８、９ Ｐチャンネル型ＦＥＴ
１０ Ｎチャンネル型ＦＥＴ

Claims (3)

1. 偶数個の二次電池を有し高電位側と低電位側とに二分割可能な直列電池で構成された組電池の充放電を制御する充放電制御システムであって、充電時に、前記高電位側の直列電池を、充電用電源の−側に第１の定電圧回路を接続して充電すると共に、前記低電位側の直列電池を、前記充電用電源の＋側に第２の定電圧回路を接続して充電し、放電時に、前記高電位側及び前記低電位側の直列電池を、直列に接続して放電することを特徴とする充放電制御システム。
2. 前記高電位側及び前記低電位側の直列電池間に電池端子側がソースとなるＰチャンネル型ＦＥＴが２直列に挿入されており、前記高電位側の直列電池は、−端子が、該端子側がドレインとなるＮチャンネル型ＦＥＴと充電電流が流れる極性に接続された第１のダイオードとを介して前記第１の定電圧回路の出力に、＋端子が前記充電用電源の＋端子にそれぞれ接続されており、前記低電位側の直列電池は、＋端子が、該端子側がソースとなるＰチャンネル型ＦＥＴと充電電流が流れる極性に接続された第２のダイオードとを介して前記第２の定電圧回路の出力に、−端子が前記充電用電源の−端子にそれぞれ接続されており、充電時に、前記２直列に挿入されたＰチャンネル型ＦＥＴをオフ状態とし、前記第１及び第２のダイオードに接続されたＮチャンネル型及びＰチャンネル型ＦＥＴをオン状態として前記組電池を充電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。
3. 前記第１及び第２の定電圧回路は、前記充電用電源から供給される電圧を降圧す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。