JP2006246595A - 二次電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 並列接続して大電流負荷の電源として用いられる複数の二次電池または二次電池ブロックを、簡易にして確実に充電することのできる二次電池装置を提供する。
【解決手段】 複数の二次電池ブロックを並列に接続して形成される放電路と、充電用電源と前記複数の二次電池ブロックとの間にそれぞれ介挿されて前記各二次電池ブロックに対する充電路を形成する複数のスイッチと、充電時における前記各二次電池ブロックの満充電を検出する満充電検出手段と、前記複数のスイッチを択一的に導通させて前記二次電池ブロックの1つを充電すると共に、前記満充電検出手段により当該二次電池ブロックの満充電が検出されたときに前記択一的に導通させるスイッチを切り換える充電制御手段とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複数の二次電池ブロックを並列接続して用いられる大電力用の二次電池装置に関する。
シニアカーやロボット等の大電流が要求される小型・軽量の電源として、ニッケル・水素電池やニッケル・カドミウム電池等の小型の二次電池を並列接続して用いることが種々試みられている。またこれらの二次電池を充電するに際して、複数の二次電池をそれぞれダイオードを介して並列接続することで、各二次電池間の充電電圧のバラツキに起因する不具合を防止することが提唱されている(例えば特許文献1を参照)。また充電時には複数の二次電池を直列接続し、放電時には上記各二次電池を並列接続することでその充電電流を小さく押さえることも提唱されている(例えば特許文献2を参照)。
尚、複数の二次電池を並列接続して電源として用いることのみならず、直列接続した複数個の二次電池からなる電池ブロックを複数個並列接続し、これを電源として用いる場合もある。
特開昭63−181623号公報 特開2002−112463号公報
ところで複数の二次電池(電池ブロック)をそれぞれダイオードを介して並列接続した場合、その放電時(負荷駆動時)における各ダイオードでの発熱が問題となり、例えば各ダイオードの放熱器を装着することが必要とる。また複数の二次電池を近接させて並べて配置している場合、通常、その充電時に外側の二次電池に比較して内側の二次電池の温度が高くなる。するとその温度差に起因して各二次電池の充電効率・充電電圧・充電量に差異が生じ易い。ちなみにこのような二次電池の特性変化を考量しながら充電制御を実行すると、例えばいち早く満充電に達した二次電池が検出された時点でその充電を停止させるので全ての二次電池を完全に充電することができず、全体的に充電不足が生じ易いと言う問題がある。
一方、前述した如く複数の二次電池を直列接続して充電する場合には、直列接続した二次電池の個数(段数)に応じて充電用電源の充電電圧を高くすることが必要である。しかも充電用電源から高電圧が加えられる二次電池装置側においては、例えば耐電圧対策を講じることが必要となり、その構成が複雑化するのみならず価格高となる。しかも取り扱い上の安全性の点でも問題が生じる。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、並列接続して大電流負荷の電源として用いられる複数の二次電池または二次電池ブロックを、簡易にして確実に充電することのできる二次電池装置を提供することにある。
上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池装置は、1個の二次電池または直列接続した複数個の二次電池を備えた複数の二次電池ブロックを並列に接続して放電路を形成し、ロボット等の大電流負荷の電源として用いるに好適なものであって、
充電用電源と前記複数の二次電池ブロックとの間にそれぞれ介挿されて前記各二次電池ブロックに対する充電路を形成する複数のスイッチと、
充電時における前記各二次電池ブロックの満充電を検出する満充電検出手段と、
前記複数のスイッチを択一的に導通させて前記二次電池ブロックの1つを充電すると共に、前記満充電検出手段により当該二次電池ブロックの満充電が検出されたときに前記択一的に導通させるスイッチを切り換える充電制御手段と
を具備したことを特徴としている。
好ましくは複数の二次電池ブロックが互いに近接させて並べて配置されている場合には、請求項2に記載するように前記充電制御手段においては、満充電となった二次電池ブロックに隣接していない二次電池ブロックを、または上記満充電となった二次電池ブロックと対向面積の少ない二次電池ブロックを次の充電対象として前記スイッチを切り換えることが望ましい。即ち、充電により満充電となった二次電池ブロックからの熱の影響が少ない二次電池ブロックを次の充電対象として選択することを特徴としている。
また請求項3に記載するように前記二次電池装置に、更に前記複数の二次電池ブロックの充放電電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段にて前記二次電池ブロックの放電電流が検出されたときには前記複数のスイッチの全てを導通させる放電制御手段とを設けるようにしても良い。ちなみに前記スイッチとしては、例えばMOS型電界効果トランジスタを用いることが好ましい。
上述した構成の二次電池装置によれば、複数の二次電池ブロックをスイッチを介して1つずつ満充電となるまで順次充電するので、複数の二次電池ブロックの並列に一括して充電する場合のように、各二次電池ブロック間の充電量のバラツキに起因する問題を招来することがない。そして全ての二次電池ブロックをそれぞれ確実に充電することができる。 また複数の二次電池ブロックを1つずつ充電するので、例えば隣り合う二次電池ブロック間での、いわゆる煽り熱による温度上昇を抑えることができるので、熱に起因する二次電池ブロックの特性劣化を効果的に抑えて各二次電池ブロックをそれぞれ十分に充電することができる。換言すれば複数の二次電池ブロックの充電不足を効果的に解消することができる。
また複数の二次電池ブロックを互いに近接させて並べて配置されている場合には、充電により温度上昇した二次電池ブロックに隣接する二次電池ブロックを避けて、充電完了した二次電池ブロックからの熱的な影響が少ない二次電池ブロックを次の充電対象として選択するので、二次電池の温度上昇を低く抑えながら充電することができる。従って各二次電池をより効果的に充電することができ、複数の二次電池間の充電量のバラツキを少なくして全体的な充電不足を解消することができる。
更には二次電池ブロックからの放電電流が検出されたとき、前述したスイッチの全てを導通させるようにすれば、ダイオードを介して複数の二次電池を並列接続する場合のようにダイオードでの発熱が問題となることがないので、放熱器の小型化を図り得る等の効果が奏せられる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る二次電池装置について説明する。
図1は本発明に係る二次電池装置の第1の実施形態を示す概略構成図で、PSは二次電池装置を構成する複数の二次電池(二次電池ブロック)を充電するための充電用電源であり、RLは上記二次電池装置を電源として作動する負荷である。この負荷RLは、電源スイッチSWを介して二次電池装置に接続されて駆動される。尚、ここでは4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を備えた二次電池装置を例に説明するが、二次電池ブロックの数は特に限定されるものではない。また各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4は、それぞれ1個の二次電池(二次電池セル)を備えたものであっても良いが、それぞれ複数個の二次電池セルを直列接続したものであっても良い。但し、これらの各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4は、互いに同一仕様のものからなる。
さてこの二次電池装置は、例えば図2(a)に示すように4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を1列に並べて配置して、或いは図2(b)に示すように4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を2列・2行にマトリックス配列して構成される。そしてこれらの各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4は、スイッチとしてのMOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4をそれぞれ直列に介して並列接続されている。
これらのMOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4は、そのスイッチ素子であるFETに並列接続されたボディーダイオード(寄生ダイオード)dをそれぞれ内蔵したものであり、これらの各ボディーダイオードdは前記各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を並列接続してその放電路を形成している。また各MOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4は、後述する制御回路CONTの制御を受けて導通駆動されて前記各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4に対する充電路を個別に形成する役割を担っている。
尚、二次電池ブロックB1,B2,B3,B4からの放電電流が前記各ボディーダイオードdの定格電流を超えるような場合には、前記各トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4と並列に放電用のダイオードD1,D2,D3,D4をそれぞれ接続し、これらのダイオードD1,D2,D3,D4により前記各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を並列接続した放電路を形成するようにしておけば良い。
一方、MOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4を直列に介して並列接続された二次電池ブロックB1,B2,B3,B4には満充電検出回路FCが接続されている。この満充電検出回路FCは、例えば公知の−ΔV検出回路からなり、MOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4のソース電圧を監視している。そして満充電検出回路FCは、各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の充電時におけるソース電圧が所定電圧だけ低下したとき、これを上記二次電池ブロックB1,B2,B3,B4が満充電に達したと判断して満充電検知信号を出力するものとなっている。
前述した制御回路CONTは、基本的には前記二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の充電時に作動して前記MOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4の中の1つを選択的に導通させると共に、前記満充電検出回路FCから出力される満充電検知信号を受けて動作制御されて、択一的に導通させるMOS型電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4を順次切り換える役割を担っている。具体的には制御回路CONTは、セレクタSELを用いて前記電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4の各ゲート電圧をそれぞれ制御し、これらの電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4を択一的に導通駆動するように構成されている。特に制御回路CONTは、満充電検出回路FCから満充電検知信号が与えられる都度、択一的に導通駆動する電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4を予め定められた順序に従って切り換えることで、前述した二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を順次満充電に至るまでそれぞれ充電制御するものとなっている。
図3はその制御手順の一例を示している。この制御手順について簡単に説明すると、基本的には制御回路CONTは、全ての電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を導通(オン)状態に設定し、二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を並列接続してその放電路を形成している[ステップS1]。この状態で前述した電源スイッチSWをオン(導通)させることにより、各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4に充電された電荷(充電エネルギ)が負荷RLに供給(放電)されて該負荷RLが駆動される。
このような負荷RLへの電源供給(放電)の後、或いは自然放電によって二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の充電量が低下した場合、図示しないトリガ回路から充電指令が発せられる。すると制御回路CONTにおいてはこの充電指令を検出して以下に示す充電制御を開始する[ステップS2]。尚、充電指令が与えられない場合には、全ての電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4の導通(オン)状態が継続され、上述した二次電池ブロックB1,B2,B3,B4に対する放電路の形成状態が維持される。
さて充電制御は、先ずその制御パラメータnを“1”に初期設定することから開始される[ステップS3]。この初期設定の後、前記二次電池ブロックB1,B2,B3,B4から放電電流が流れ出ていないかを確認した上で[ステップS4]、上記パラメータnに従ってトランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4に対する導通制御パターンNを求める。この導通制御パターンNは、パラメータnに対応付けて予め設定したもので、例えば図4に示すように“パターン1”では電界効果トランジスタQ2だけを導通させる、“パターン2”では電界効果トランジスタQ4だけを導通させる、“パターン3”では電界効果トランジスタQ1だけを導通させる、そして“パターン4”では電界効果トランジスタQ3だけを導通させる、等として定められている。そしてこの導通制御パターンNに従って特定される電界効果トランジスタQ(トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4の中の1つ)だけを導通駆動し、当該電界効果トランジスタQに直列接続されている二次電池ブロックBだけを充電する[ステップS5]。
このようにして二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の中の1つを充電している際には、前述した満充電検出回路FCによってその満充電状態が検出され、満充電検知信号が出力されたか否かを常時監視する[ステップS6]。そして当該二次電池ブロックBが満充電まで充電されたことが確認されたならば、前述した制御パラメータnをインクリメント(+1)し[ステップS7]、インクリメントされた制御パラメータnがオーバフローしていないことを確認した上で[ステップS8]、前述したステップS4からの充電制御を繰り返し実行する。尚、制御パラメータnのオーバフロー判定は、この例では充電対象とする二次電池ブロックが4個であるので、前記制御パラメータnが“5”となったか否かを判定することにより実行される。
かくしてこのような充電制御によれば、前述した図2(a)に示すように配列された4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の内、先ず2番目の二次電池ブロックB2が充電され、この二次電池ブロックB2が満充電に至ったとき、電界効果トランジスタQ1,Q2,Q3,Q4の切り換え制御により、今度は4番目の二次電池ブロックB4が充電される。そしてこの4番目の二次電池ブロックB4が満充電まで充電されると、次に1番目の二次電池ブロックB1が充電され、その後、3番目の二次電池ブロックB3が充電されることになる。そしてこれらの各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の全てがそれぞれ満充電まで充電され、制御パラメータnが“5”となった時点でその充電処理が終了することになる。この結果、複数の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の全てを、その最大充電容量までそれぞれ確実に充電することが可能となる。
また上述した充電制御において前述した図2(a)に示した配列の場合は、制御パラメータnの下で4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を[B2→B4→B1→B3]の順序で順に充電するようになっている。また前述した図2(b)に示した配列の場合には、4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を[B1→B4→B3→B2]の順序で順に充電するように充電制御パターンを組んである。即ち、二次電池を充電したとき、その充電反応に伴う発熱が生じることが否めない。一方、二次電池の電池特性は、電池温度が高くなるに従って低下する傾向にある。そこでこの実施形態においては、充電中の二次電池ブロックからの発熱の影響を受けることの少ない二次電池ブロックとして、現在充電中の二次電池ブロックに隣接していない二次電池ブロックを次の充電対象とするように、または対向面積の少ない二次電池ブロックを次の充電対象とするように予め設定している。そしてこのような充電順序の設定により各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を、それぞれ他の二次電池ブロックからの熱的な影響をなるべく受けることのない状態で充電し、これによって各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4をそれぞれ満充電状態まで確実に充電するものとなっている。
かくして上述した如く構成された二次電池装置によれば、負荷RLに対する電力供給時(放電時)には並列接続して用いられる複数の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を充電するに際して、各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4と充電電源PSとの間にそれぞれ直列に介挿された電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を択一的に導通(オン)させて上記各トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を順次1つずつ充電していくので、これらの各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4のそれぞれ満充電状態まで確実に充電することができる。
しかも前述した如く、その充電順序を充電中の二次電池ブロックに隣接していない二次電池ブロックを次の充電対象とするように、または対向面積の少ない二次電池ブロックを次の充電対象とするように予め設定しているので、満充電まで充電した二次電池ブロックからの煽り熱の影響を抑え、不本意な電池温度の上昇を抑えながら各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を確実に充電することができる。この結果、二次電池ブロックB1,B2,B3,B4間の充電量のバラツキを抑えて、充電不足を回避することができる等の効果が奏せられる。更には各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の不本意な温度上昇(発熱)を抑えることができるので、電池特性の劣化を少なくし、その長寿命化を図り得る等の効果も奏せられる。
次に本発明の第2の実施形態について図5を参照して説明する。
この実施形態は、前述した如く並列に接続して用いられる4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4に対してその充放電電流を検出する電流検出回路CDを設け、この電流検出回路CDにより二次電池ブロックB1,B2,B3,B4からの放電電流が検出されたとき、前述した電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4の全てを強制的に導通(オン)するように構成したものである。上述した電流検出回路CDは、図5に例示するように4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の前述した電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4をそれぞれ直列に接続した電極(アノード)側とは逆側の、互いに共通接続したカソード側に対して直列に介挿した電流検出用の抵抗RSと、この抵抗RSの両端間に生じる電圧から充放電電流を検出する電圧増幅器AMPとからなる。
そしてこの電流検出回路CDにより放電電流が検出されたとき、電圧増幅器AMPから出力される検出信号をオア回路ORを介して前記電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4に印加し、これらの各トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を一斉に導通(オン)させるように構成される。尚、上記オア回路ORは、前述したセレクタSELからの出力、または上記電圧増幅器AMPからの出力を前記電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4のゲートに加える役割を担う。
かくして上述した如く構成された二次電池装置によれば、二次電池ブロックB1,B2,B3,B4の充電時には前述したように電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を順次1個ずつ導通(オン)させて各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を順次満充電まで充電することになる。そして電源スイッチSWの導通(オン)に伴ってボディーダイオードdまたはダイオードD1,D2,D3,D4を介する負荷RLへの電力供給(放電)が始まると、その放電電流を検出して電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4の全てを導通させることになる。この結果、各二次電池ブロックB1,B2,B3,B4からの放電電流は、導通(オン)抵抗の小さい電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4をそれぞれ介して流れることになり、ボディーダイオードdまたはダイオードD1,D2,D3,D4における抵抗損失を招来することなしに、換言すればダイオードでの発熱を伴うことなしに負荷RLに供給されることになる。
従って複数の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4にそれぞれ直列に接続した電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4によりその充電を効果的に制御することに加えて、これらの電界効果トランジスタ(スイッチ)Q1,Q2,Q3,Q4を有効に活用して負荷RLへの電力供給時(放電時)における発熱を効果的に抑えることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。ここでは4個の二次電池ブロックB1,B2,B3,B4を備えた二次電池装置を例に説明したが、その数は特に限定されない。具体的には各二次電池ブロックの出力電流容量と、負荷RLが必要とする電流容量とに応じて二次電池ブロックの数を決定すれば十分である。また充電時における複数の二次電池ブロックの充電順序については、これらの二次電池ブロックの配列構成に応じて前述したように定めれば十分である。また充電順序の制御についても種々変形可能である。
また満充電検出回路FCについては、個々の二次電池ブロック毎に設けることも可能であり、満充電検出の方式の従来より種々提唱されている方式を適宜採用可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
本発明の第1の実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。 複数の二次電池ブロックの配列例を示す図。 充電制御手順の一例を示す図。 充電順序の制御パターンの例を示す図。 本発明の第2の実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。
符号の説明
PS 充電用電源
RL 負荷
SW 電源スイッチ
B1,B2,B3,B4 二次電池ブロック
Q1,Q2,Q3,Q4 MOS型電界効果トランジスタ(スイッチ)
D1,D2,D3,D4 ダイオード
FC 満充電検出回路
CONT 制御回路
SEL セレクタ
CD 電流検出回路
RS 電流検出用の抵抗
AMP 電圧増幅器
OR オア回路

Claims (3)

  1. 1個の二次電池または直列接続した複数個の二次電池を備えた複数の二次電池ブロックを並列に接続して形成される放電路と、
    充電用電源と前記複数の二次電池ブロックとの間にそれぞれ介挿されて前記各二次電池ブロックに対する充電路を形成する複数のスイッチと、
    充電時における前記各二次電池ブロックの満充電を検出する満充電検出手段と、
    前記複数のスイッチを択一的に導通させて前記二次電池ブロックの1つを充電すると共に、前記満充電検出手段により当該二次電池ブロックの満充電が検出されたときに前記択一的に導通させるスイッチを切り換える充電制御手段と
    を具備したことを特徴とする二次電池装置。
  2. 前記充電制御手段は、満充電となった二次電池ブロックに隣接していない二次電池ブロック、または対向面積の少ない二次電池ブロックを次の充電対象として前記スイッチを切り換えるものである請求項1に記載の二次電池装置。
  3. 請求項1に記載の二次電池装置において、
    更に前記複数の二次電池ブロックの充放電電流を検出する電流検出手段と、
    この電流検出手段にて前記二次電池ブロックの放電電流が検出されたときに前記複数のスイッチの全てを導通させる放電制御手段と
    を備えることを特徴とする二次電池装置。
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