JP2008067486A - 充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過充電を防止しつつ単電池群の各単電池を満充電とする充電方法を提供する。
【解決手段】単電池群をＣＣ−ＣＶ充電する電池群充電ステップと、単電池Ｂ１〜Ｂ３を個別にＣＣ−ＣＶ充電する個別充電ステップと、を含んでおり、電池群充電ステップにおいて、いずれかの単電池が設定電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、充電器４の設定電圧および設定電流を、単電池群充電用の電圧値および電流値から単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、バッテリコントロールユニット３でスイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ制御して充電回路を単電池群充電用の接続から１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、個別充電ステップにおいて、各単電池を１つずつ満充電となるまで充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は充電方法に係り、特に、複数個の単電池が直列に接続された単電池群を充電する充電方法に関する。

従来、複数個の単電池が直列に接続された単電池群や、単電池群または単電池群を直並列に接続しさらに各単電池の電圧を検出するセルコントローラを備えた電池モジュールの充電方法として定電流定電圧充電（Constant Current-Constant Voltage Charge、以下、ＣＣ−ＣＶ充電という。）が行われてきた。このような単電池群や電池モジュールでは、各単電池の容量が異なると、単電池間の電池状態が異なって行き、単電池の容量に差が出てくる。容量の差が大きくなると、単電池間の容量バラツキに起因して単電池の過充電が起こるため、安全性の点で問題を生じ、また、単電池群や電池モジュールの寿命も短くなる。

この問題を解決するために、電池モジュールのＣＣ−ＣＶ充電中に各単電池の電圧を常時検出し、単電池電圧がある設定電圧になった時点で、電池モジュールと直列に接続されたスイッチをオフ状態とし、充電器から電池モジュールへの電力供給を遮断することで、電池モジュールの各単電池の過充電を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、基準となる容量に比べ容量の大きな単電池に対しスイッチ素子を介して抵抗を並列に接続し、各単電池の容量を単電池間で略均一となるように調整して揃えながら使用する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平４−３３１４２５号公報 特開２０００−９２７３２号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、単電池電圧が設定電圧になった時点で充電器から電池モジュールへの電力供給を遮断するため、過充電を防止することができるものの、単電池群または電池モジュールを構成する各単電池を一様に満充電状態とすることは難しく、充電後に、各単電池間に容量バラツキが生じてしまう。また、特許文献２の技術では、単電池間の容量を略均一に調整できるものの、各単電池を一様に満充電とすることは難しく、使用可能な電圧範囲も狭くなる。

本発明は上記事案に鑑み、ＣＣ−ＣＶ充電中に単電池群や電池モジュールを構成する各単電池が過充電となることを防止するとともに、各単電池を満充電とする充電方法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、本発明の第１の態様は、複数個の単電池が直列に接続された単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、前記電池群充電ステップの後に実行され、前記単電池群を構成する各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、を含み、前記電池群充電ステップにおいて、前記電池群を構成するいずれかの単電池が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、複数個の単電池が直列に接続された単電池群と、前記単電池群を構成する各単電池の電圧を検出するセルコントローラと、前記セルコントローラで検知された電圧に基づいて前記各単電池の電池状態を制御するバッテリコントローラと、前記バッテリコントローラによりオンオフ制御され、充電器からの充電電力を前記単電池群または前記各単電池に供給するためのスイッチ群とを備えた電池モジュールを充電する充電方法であって、前記単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、前記電池群充電ステップの後に実行され、前記各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、を含み、前記バッテリコントローラは、前記電池群充電ステップにおいて、前記セルコントローラで検出された前記単電池の電圧のうち、いずれかの単電池の電圧が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、前記充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする。このとき、個別充電ステップにおいて、バッテリコントローラは、セルコントローラで検出された充電対象の単電池の電圧が満充電電圧となったときに、スイッチ群をオンオフ制御することで、該単電池への充電を終了させるとともに、充電器からの充電電力を次の充電対象の単電池に接続することが好ましい。

さらに、本発明の第３の態様は、複数個の単電池が直列に接続された単電池群と、前記単電池群を構成する各単電池の電圧を検出するセルコントローラとを備えた電池モジュールを、充電器と、前記セルコントローラで検知された電圧に基づいて前記充電器による前記単電池群への充電を制御する充電制御部と、前記充電制御部によりオンオフ制御され、前記充電器からの充電電力を前記単電池群または前記各単電池に供給するためのスイッチ群とを備えた充電装置で充電する充電方法であって、前記単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、前記電池群充電ステップの後に実行され、前記各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、を含み、前記充電制御部は、前記電池群充電ステップにおいて、前記セルコントローラで検出された前記単電池の電圧のうち、いずれかの単電池の電圧が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、前記充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする。このとき、個別充電ステップにおいて、充電制御部は、セルコントローラで検出された充電対象の単電池の電圧が満充電電圧となったときに、スイッチ群をオンオフ制御することで、該単電池への充電を終了させるとともに、充電器からの充電電力を次の充電対象の単電池に接続することが好ましい。

上記（第１〜第３の）態様において、個別充電ステップにおける単電池充電用の電圧値および電流値が、それぞれ、電池群充電ステップにおける単電池群充電用の電圧値および電流値より小さいことが望ましい。

本発明によれば、電池群充電ステップにおいて、単電池群の定電流定電圧充電中に各単電池がある程度のところまで充電され、その後、個別充電ステップにおいて、単電池群を構成する単電池は１つずつ満充電となるまで定電流定電圧で充電されるため、電池群および各単電池が過充電になるのを防ぎつつ、全ての単電池を満充電にすることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る充電方法の実施の形態について説明する。

（電池モジュール）
図１に示すように、充電対象となる電池モジュールは、３個の単電池Ｂ１〜Ｂ３を直列接続した電池群およびこの単電池群を構成する各単電池Ｂ１〜Ｂ３のそれぞれの電池電圧を検出するセルコントローラ２を有する組電池ユニット１と、通信線でセルコントローラ２に接続されており、セルコントローラ２で検出された各単電池Ｂ１〜Ｂ３の電圧に基づいて単電池Ｂ１〜Ｂ３の電池状態を制御するバッテリコントロールユニット３と、バッテリコントロールユニット３によりオンオフ制御され、充電器４からの充電電力を単電池群または各単電池Ｂ１〜Ｂ３に個別に供給するためのスイッチ群Ｓ１〜Ｓ６とを備えている。

単電池Ｂ１〜Ｂ３には、例えば、非晶質炭素を負極活物質とし、リチウムマンガン複酸化物を正極活物質としたリチウムイオン二次電池を用いることができる。なお、本実施形態では単電池Ｂ１〜Ｂ３に４Ｖ系電池が用いられている。各単電池Ｂ１〜Ｂ３の正極、負極からはこれらの単電池の電圧を検出するための電圧検出線が導出されており、電圧検出線はセルコントローラ２に接続されている。

セルコントローラ２は、マイクロコンピュータと電圧検出回路とで構成されており、バッテリコントロールユニット３からの指令に従い単電池Ｂ１〜Ｂ３の電圧を検出し、検出した単電池Ｂ１〜Ｂ３の電圧値をバッテリコントロールユニット３へ報知する。

セルコントローラ２のマイクロコンピュータは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、電圧検出回路に電圧測定対象の単電池を指定するためのＤＡコンバータ、電圧検出回路で測定した電圧測定対象の単電池の電圧を取り込むためのＡＤコンバータ、バッテリコントロールユニット３と通信を行うためのインターフェース等を含んで構成されている。

電圧検出回路は、マルチプレクサおよび差動増幅回路を含んで構成されており、上述したＤＡコンバータを介してマイクロコンピュータの測定電池指定ポートから電圧測定対象の単電池の指定を受けると、マルチプレクサおよび差動増幅回路により、指定された電圧測定対象の単電池の電圧をマイクロコンピュータの電圧入力ポートに出力する。マイクロコンピュータはこの電圧を上述したＡＤコンバータを介してデジタル値として取り込むことで、各単電池Ｂ１〜Ｂ３の電圧を取得する。なお、上述した電圧検出線はこの電圧検出回路に接続されている。

バッテリコントロールユニット３は、ＭＰＵ、スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６をオンオフ制御するためのアナログ電圧を生成するとともに、充電器４に設定電圧および設定電流を指定するためのアナログ電圧を生成するＤＡコンバータ、セルコントローラ２および上位制御装置（例えば、電池モジュールが電気自動車用電源の場合は車両制御システム）と通信を行うためのインターフェース等を含んで構成されている。

スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６は、例えば、ＦＥＴと図示を省略した抵抗とで構成される。スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ２を構成する各スイッチにＦＥＴを用いた場合の接続構造について詳述すれば、スイッチＳＷ１のソースは単電池Ｂ１の正極に、ドレインは充電器接続用＋端子に、ゲートはバッテリコントロールユニット３のＤＡコンバータの出力端子に接続されており、スイッチＳＷ２、ＳＷ３のソースはそれぞれ単電池Ｂ２、Ｂ３の正極（単電池Ｂ１、Ｂ２の負極）に、ドレインは充電器接続用＋端子に、ゲートはバッテリコントロールユニット３のＤＡコンバータの出力端子に接続されており、スイッチＳＷ４のソースは単電池Ｂ３の負極に、ドレインは充電器接続用−端子に、ゲートはバッテリコントロールユニット３のＤＡコンバータの出力端子に接続されている。

また、スイッチＳＷ５は、ドレインがスイッチＳＷ２のドレインに、ソースがスイッチＳＷ３のドレインに、ゲートがバッテリコントロールユニット３のＤＡコンバータの出力端子に接続されており、スイッチＳＷ６は、ドレインがスイッチＳＷ３のドレインに、ソースがスイッチＳＷ４のドレインに、ゲートがバッテリコントロールユニット３のＤＡコンバータの出力端子に接続されている。なお、図１において、スイッチＳＷ５、ＳＷ６のゲートおよびゲートからバッテリコントロールユニット３への接続線は捨象して表している（図２等でも同じ。）。

このため、バッテリコントロールユニット３は、ＤＡコンバータを介して２値信号（ハイレベル信号、ローレベル信号）をスイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６に出力してオンオフ制御することで、後述するように、充電器４からの充電回路を、単電池群を充電するための接続と、単電池Ｂ１〜Ｂ３のいずれかの単電池のみを充電する接続とを切り替えることができる。なお、本例では、スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６の各スイッチは、バッテリコントロールユニット３からハイレベル信号を出力したときにオン状態となり、通常状態時（ローレベル信号時）はオフ状態を維持している。

（充電方法）
電池モジュールを充電する場合には、上述した充電器接続用＋端子、−端子が充電器４に接続されるとともに、充電器４を制御するために（バッテリコントロールユニット３から充電器４に設定電圧および設定電流を指定するために）、バッテリコントロールユニット３と充電器４とが接続される。充電器４は、商業電源から電池モジュールを充電するための定電圧、定電流を生成するが、本例では、後述するように、２種の定電圧、定電流が生成される。

電池モジュールは、単電池Ｂ１〜Ｂ３を直列接続した単電池群をＣＣ−ＣＶ充電する電池群充電ステップと、電池群充電ステップの後に実行され、単電池群を構成する各単電池Ｂ１〜Ｂ３を個別にＣＣ−ＣＶ充電する個別充電ステップとの２段階で充電される。

＜電池群充電ステップ＞
図１は、３個の単電池Ｂ１〜Ｂ３を直列に接続した単電池群全体をＣＣ−ＣＶ充電する際の回路図であり、この場合、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４とがバッテリコントロールユニット３からの出力（ハイレベル信号）でオン状態とされ、単電池群を構成する３個の単電池Ｂ１〜Ｂ３全てに充電電流が流れる。この際の充電器４の設定は、電圧については単電池の直列数×４〜４．３［Ｖ］、電流については（電池容量×並列数×０．２〜３）［Ａ］であり、バッテリコントロールユニット３から指定される。

電池モジュールの充電中は、各単電池Ｂ１〜Ｂ３は常時セルコントローラ２で各々の電圧が監視されており、セルコントローラ２は、単電池のいずれか１つの電圧（例えば、単電池Ｂ３の電圧）が予め設定した設定電圧値になったことを検出した時点で、その旨をバッテリコントロールユニット３に対して出力する。この間、単電池群を構成する各単電池Ｂ１〜Ｂ３は同時に充電される。

＜個別充電ステップ＞
この報知を受けて、バッテリコントロールユニット３は、設定電圧および設定電流を単電池群充電用の電圧値、電流値から単電池充電用の電圧値、電流値に変更するように、充電器４に対して指令する。併せて、スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６に２値信号（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ６：オン、ＳＷ３、ＳＷ４：オフ）を出力することで、図２に示すように、充電器４からの充電回路を、単電池群充電用の接続から１つの単電池Ｂ１を充電する接続に変更する。充電器４の設定電圧、設定電流変更後の単電池のＣＣ−ＣＶ充電用の設定電圧は４〜４．３［Ｖ］であり、電流値は（電池容量×０．０２〜０．３）［Ａ］である。

セルコントローラ２は、単電池Ｂ１の電圧が満充電電圧値に到達したかを監視している。単電池Ｂ１が満充電電圧値になったことをセルコントローラ２が検出した時点で、セルコントローラ２は、その旨をバッテリコントロールユニット３に対して出力する。この報知を受けてバッテリコントロールユニット３は、スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６に２値信号（ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ６：オン、ＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ５：オフ）を出力することで、図３に示すように、充電器４からの充電回路を、単電池Ｂ２を充電する接続に変更する。

上記のように単電池Ｂ１〜Ｂ３のＣＣ−ＣＶ充電を繰り返してゆき、全ての単電池Ｂ１〜Ｂ３のＣＣ−ＣＶ充電が終了したら、バッテリコントロールユニット３からの出力で、図４に示すように、全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ６をオフ状態にして、充電を終了する。

（効果等）
本実施形態の充電方法では、電池群充電ステップにおいて、単電池群のＣＣ−ＣＶ充電中に各単電池Ｂ１〜Ｂ３がある程度のところまで充電され、その後、個別充電ステップにおいて、単電池群を構成する単電池Ｂ１〜Ｂ３は１つずつ満充電となるまでＣＣ−ＣＶ充電される。このため、電池群および各単電池Ｂ１〜Ｂ３が過充電になるのを防ぎつつ、全ての単電池Ｂ１〜Ｂ３を満充電にすることができる。

なお、本実施形態では、説明を簡単にするために、１つの組電池ユニット１を有する電池モジュールの充電方法を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、図５に示すように、複数の（図５では２つの）組電池ユニット１を有する電池モジュールを充電するようにしてもよい。また、本実施形態では、単電池群を構成する単電池を３個として例示したが本発明はこれに限らないことは云うまでもない。

また、本実施形態では、単電池群充電ステップにおいて、セルコントローラ２が単電池群を構成するいずれかの単電池Ｂ１〜Ｂ３が設定電圧値ないし満充電電圧値に到達したかを判断し、到達したときにバッテリコントロールユニット３にその旨を報知する例を示したが、これらの判断はバッテリコントロールユニット３が行うようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、バッテリコントロールユニット３とスイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６とを電池モジュール内に設けた例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、電池モジュールは単電池群とセルコントローラ２とで構成されており、この電池モジュールを、充電器４、充電制御部（本実施形態のバッテリコントロールユニット３に相当）および充電制御部でオンオフが制御されるスイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ６で構成される充電装置で充電するようにしてもよい。この場合に、電池モジュールと充電装置との接続を容易にするために、電池モジュールには電池群を構成する各単電池と充電装置（スイッチ群）と接続するためのコネクタ等の接続部が設けられていることが好ましい。

本発明は、ＣＣ−ＣＶ充電中に単電池群や電池モジュールを構成する各単電池が過充電となることを防止するとともに、各単電池を満充電とする充電方法を提供するものであるため、単電池群や電池モジュールの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

単電池群充電ステップにおいて単電池群がＣＣ−ＣＶ充電される際の回路図である。 個別充電ステップにおいて単電池Ｂ１がＣＣ−ＣＶ充電される際の回路図である。 個別充電ステップにおいて単電池Ｂ２がＣＣ−ＣＶ充電される際の回路図である。 個別充電ステップが終了した際の回路図である。 組電池ユニットを複数個有する電池モジュールの単電池群を同時にＣＣ−ＣＶ充電する際の回路図である。

符号の説明

２ セルコントローラ
３ バッテリコントロールユニット（バッテリコントローラ、充電制御部）
４ 充電器
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ 単電池
ＳＷ１〜ＳＷ６ スイッチ群

Claims (6)

1. 複数個の単電池が直列に接続された単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、
   前記電池群充電ステップの後に実行され、前記単電池群を構成する各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、
   を含み、
   前記電池群充電ステップにおいて、前記電池群を構成するいずれかの単電池が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする充電方法。
2. 複数個の単電池が直列に接続された単電池群と、前記単電池群を構成する各単電池の電圧を検出するセルコントローラと、前記セルコントローラで検知された電圧に基づいて前記各単電池の電池状態を制御するバッテリコントローラと、前記バッテリコントローラによりオンオフ制御され、充電器からの充電電力を前記単電池群または前記各単電池に供給するためのスイッチ群とを備えた電池モジュールを充電する充電方法であって、
   前記単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、
   前記電池群充電ステップの後に実行され、前記各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、
   を含み、
   前記バッテリコントローラは、前記電池群充電ステップにおいて、前記セルコントローラで検出された前記単電池の電圧のうち、いずれかの単電池の電圧が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、前記充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする充電方法。
3. 前記個別充電ステップにおいて、前記バッテリコントローラは、前記セルコントローラで検出された充電対象の単電池の電圧が満充電電圧となったときに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで、該単電池への充電を終了させるとともに、前記充電器からの充電電力を次の充電対象の単電池に接続することを特徴とする請求項２に記載の充電方法。
4. 複数個の単電池が直列に接続された単電池群と、前記単電池群を構成する各単電池の電圧を検出するセルコントローラとを備えた電池モジュールを、充電器と、前記セルコントローラで検知された電圧に基づいて前記充電器による前記単電池群への充電を制御する充電制御部と、前記充電制御部によりオンオフ制御され、前記充電器からの充電電力を前記単電池群または前記各単電池に供給するためのスイッチ群とを備えた充電装置で充電する充電方法であって、
   前記単電池群を定電流定電圧で充電する電池群充電ステップと、
   前記電池群充電ステップの後に実行され、前記各単電池を個別に定電流定電圧で充電する個別充電ステップと、
   を含み、
   前記充電制御部は、前記電池群充電ステップにおいて、前記セルコントローラで検出された前記単電池の電圧のうち、いずれかの単電池の電圧が予め設定された電圧値に到達したかを判断し、否定判断のときに、前記電池群充電ステップを続行し、肯定判断のときに、前記充電器の設定電圧および設定電流を、前記単電池群充電用の電圧値および電流値から前記単電池充電用の電圧値および電流値に変更するとともに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで充電回路を前記単電池群充電用の接続から前記単電池群を構成する１つの単電池を充電する個別充電用の接続に変更し、前記個別充電ステップにおいて、前記各単電池を１つずつ満充電となるまで充電することを特徴とする充電方法。
5. 前記個別充電ステップにおいて、前記充電制御部は、前記セルコントローラで検出された充電対象の単電池の電圧が満充電電圧となったときに、前記スイッチ群をオンオフ制御することで、該単電池への充電を終了させるとともに、前記充電器からの充電電力を次の充電対象の単電池に接続することを特徴とする請求項４に記載の充電方法。
6. 前記個別充電ステップにおける単電池充電用の電圧値および電流値が、それぞれ、前記電池群充電ステップにおける単電池群充電用の電圧値および電流値より小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の充電方法。

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