JP3517844B1 - 二次電池の充電装置及び放電装置 - Google Patents

二次電池の充電装置及び放電装置

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Abstract

【要約】 【課題】直列に接続した二次電池を効率よく充放電で
き、しかも、安価な装置を提供すること。 【解決手段】二次電池Ｂａ〜Ｂｄを直列に接続し、その
直列接続の両端に端部端子Ｔ１、Ｔ０を有する主回路１
と、各二次電池に並列に接続され、抵抗ＲとスイッチＳ
Ｗが直列に接続するバイパス回路２と、各二次電池の電
圧を計測し、スイッチのオンオフ制御をする計測制御回
路３とを備え、主回路１の端部端子間に定電流の充電電
流を流し、又は放電電流を流し、各二次電池の電圧を計
測し、該二次電池のバイパス回路２のスイッチをオンオ
フ制御し、該二次電池の充放電を調整することを特徴と
する、二次電池の充電装置又は放電装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、二次電池の充放電装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、二次電池、特にチウム二次電池を
充電する際、電池の高電圧に対する危険性から、最高電
圧制御を行い、かつ、短時間に満充電する目的で、定電
流充電（ＣＣ-charge）と定電圧充電（ＣＶ-charge）を
併用することが一般である。そのため、電池１個ごとに
充電回路を１回路使用することが行われている。
【０００３】しかし、自動車用途など、大容量、大電流
を需要とした電池が要求され、充電器のコスト面から直
列に充電する方法もあるが、各々の電池のバランスを均
一にとることが難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】＜イ＞本発明は、直列
に接続した二次電池を効率よく充電することにある。 ＜ロ＞また、本発明は、直列に接続した二次電池を効率
よく放電することにある。 ＜ハ＞また、本発明は、安価な充放電装置を提供するこ
とにある。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
【問題を解決するための手段】本発明は、二次電池を直
列に接続し、その直列接続の両端に端部端子を有する主
回路と、各二次電池に並列に接続され、抵抗とスイッチ
が直列に接続するバイパス回路と、主回路の端部端子間
に第１定電流の充電電流を流し、各二次電池の電圧を計
測し、ある二次電池の電圧が上限充電電圧以上になった
場合、該二次電池のバイパス回路のスイッチをオンに
し、該バイパス回路に電流を流し、該二次電池の電圧が
下限充電電圧以下になった場合、該バイパス回路のスイ
ッチをオフにし、該二次電池の充電を調整し、ある二次
電池の電圧が上限充電電圧より高い切り換え電圧以上に
なった場合、又は、全二次電池の電圧が上限充電電圧以
上になった場合、第１定電流より小さな第２定電流を流
して充電を行う計測制御回路とを備えていることを特徴
とする、二次電池の充電装置にある。また、本発明は、
前記二次電池の充電装置において、該計測制御回路は、
端部端子間に第２定電流を流して二次電池の充電を行っ
た後、第２定電流より小さな第３定電流を流して充電を
行い、第３定電流の電流値とバイパス回路の抵抗の抵抗
値の積を、ほぼ二次電池の最終充電電圧値又はそれより
高くに設定することを特徴とする、二次電池の充電装置
にある。また、本発明は、二次電池を直列に接続し、そ
の直列接続の両端に端部端子を有する主回路と、各二次
電池に並列に接続され、抵抗とスイッチを直列に接続す
るバイパス回路と、主回路の端部端子間に定電流の放電
電流を流し、各二次電池の電圧を計測し、ある二次電池
の電圧が下限放電電圧以下になった場合、放電電流を遮
断し、バイパス回路のスイッチをオンにする計測制御回
路とを備えていることを特徴とする、二次電池の放電装
置にある。また、本発明は、前記二次電池の放電装置に
おいて、該計測制御回路は、二次電池のバイパス回路の
スイッチがオンになった後、二次電池の電圧が下限放電
電圧以下になった場合、該二次電池のバイパス回路のス
イッチをオフにすることを特徴とする、二次電池の放電
装置にある。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。
【０００７】＜イ＞二次電池の充電装置又は放電装置 二次電池の充電装置又は放電装置（以下、充放電装置と
云う）は、直列に接続された二次電池を充電、放電又は
両方を行う装置であり、例えば図１（Ａ）に示すよう
に、二次電池Ｂａ〜Ｂｄを直列に接続する主回路１、各
二次電池のバイパス回路２、計測制御回路３、充電回路
４、放電回路５を備えている。主回路１は、二次電池を
直列に接続し、直列に接続された全体の二次電池の両端
に一対の端部端子Ｔ１、Ｔ０を有し、各々の二次電池Ｂ
ａ〜Ｂｄの接続個所に接続された中間端子Ｔｍを有して
いる。バイパス回路２は、各二次電池毎に並列に接続さ
れ、直列に接続されたバイパス抵抗（即ち抵抗器）とス
イッチを有している。バイパス抵抗とスイッチは、電池
毎にＲａ〜Ｒｄであり、ＳＷａ〜ＳＷｄである。バイパ
ス回路２は、中間端子Ｔｍや端部端子Ｔ１、Ｔ０により
各二次電池に接続されている。計測制御回路３は、各々
の二次電池の電圧Ｖａ〜Ｖｄを測定し、バイパス回路の
スイッチＳＷａ〜ＳＷｄのオンオフを制御し、必要に応
じて充電回路４や放電回路５を制御するものである。充
電回路４は、二次電池を充電するように、端部端子Ｔ
１、Ｔ０間に種々の電流を流す回路であり、必要に応じ
て、計測制御回路３により制御される。放電回路５は、
一対の端部端子Ｔ１、Ｔ０に二次電池を放電するよう
に、種々の電流を流す回路であり、必要に応じて、計測
制御回路３により制御される。
【０００８】＜ロ＞充放電装置の充電方法 充放電装置の充電方法は、充電回路４により端部端子Ｔ
１、Ｔ０間に二次電池を充電するように定電流（Ｉｊ）
を流し、直列に接続した各二次電池Ｂａ〜Ｂｄを一度に
充電することができる。その際、各二次電池の電圧を測
定する。ある二次電池の電圧が所定の電圧である上限充
電電圧（リチウムイオン二次電池の場合、例えば、４．
２Ｖ程度）に達すると、計測制御回路は、その二次電池
のバイパス回路２のスイッチＳＷをオンにする。これに
より、その二次電池を充電している定電流の一部がその
バイパス回路２側に分流し、その二次電池の充電を遅ら
せる。この電流の分流により、そのバイパス回路２のバ
イパス抵抗Ｒに電圧が発生する。他の二次電池は、定電
流による充電が続き、二次電池の充電のバラツキを均す
ことができる。次に、バイパス回路２のスイッチＳＷが
オンになった二次電池の電圧が所定の電圧である下限充
電電圧（リチウムイオン二次電池の場合、例えば、４．
１６Ｖ程度）に戻ると、計測制御回路３は、そのバイパ
ス回路２のスイッチＳＷをオフにし、その二次電池を定
電流で充電する。なお、下限充電電圧を上限充電電圧よ
り小さくして、オンオフ制御にヒステリシスを持たせ
る。この充電の制御が各々の二次電池で行われる。スイ
ッチＳＷのオンオフ制御による充電の調整は、二次電池
の充電状態が過渡状態であるので、二次電池の充電電圧
が直ぐに低下し、オンオフの切り換わりが早めに起こ
り、オフの状態が長くなる。二次電池の充電が十分に進
み、充電状態が安定すると、オンの状態が長くなる。
【０００９】バッテリーパックの充電では、図１（Ｂ）
のようにバッテリーパック内に各電池のバランスを調整
する保護回路が必要であるが、本願発明の充電装置で
は、充電するごとに各々の二次電池のバランスを調整す
るために、バッテリーパック側に保護回路が不要とな
り、バッテリーパックの回路が簡単になる。
【００１０】＜ハ＞充電の調整方法 初期の定電流による充電が行われた後、より精密な充電
を行う。そのために、初期の定電流の電流値（第１定電
流）を切り換えて、より小さな定電流（第２定電流）で
充電を行う。図２において、第２定電流の定電流値は、
例えば第１定電流のほぼ１／２とする。この切り換え時
期は、１つの二次電池（セル）が上限充電電圧＋α（切
り換え電圧、リチウムイオン二次電池の場合、例えば、
４．３Ｖ程度）以上になった時、又は、全二次電池（セ
ル）が上限充電電圧以上になった時に行うことが好まし
い。定電流値が切り換わると、初期の充電と同様に、各
二次電池の電圧を測定し、ある二次電池の充電電圧が上
限充電電圧に達すると、その二次電池のバイパス回路の
スイッチをオンにし、下限充電電圧に戻ると、その二次
電池のバイパス回路のスイッチをオフにする。この調整
制御により、充電電流が少なくなり、急激な充電が抑え
られる。
【００１１】更に、微細な調整をする場合、第２定電流
より小さな定電流（第３定電流）で充電を行う。この第
３定電流の定電流値は、例えば初期の定電流値のほぼ１
／３とする。この切り換え時期も、第１定電流から第２
定電流に切り換える時と同様に行う。その場合、切り換
え電圧を同じにしても、又は、少し変えてもよい。定電
流値が切り換わると、前の定電流充電と同様に、ある二
次電池が上限充電電圧に達すると、その二次電池のバイ
パス回路２のスイッチをオンにし、下限充電電圧に戻る
と、その二次電池のバイパス回路２のスイッチＳＷをオ
フにする。この際、バイパス回路２がオンであり、二次
電池の充電が殆ど完了した状態に於いて、バイパス回路
２のバイパス抵抗Ｒに発生する電圧を二次電池の最終充
電電圧になるように設定すると、全ての二次電池の充電
を正確に行うことができる。即ち、バイパス抵抗Ｒの抵
抗値と定電流の積を、ほぼ、二次電池の最終充電電圧に
するとよい。又は、このバイパス抵抗の抵抗値と定電流
の積を、二次電池の最終充電電圧より大き目にすると充
電時間を更に短縮することができる。この場合、スイッ
チがオンになったバイパス回路２では、殆どの定電流が
このバイパス回路２を流れることになる。
【００１２】なお、図２の例では、第３定電流で最後の
充電制御を行っているが、二次電池の特性や充放電装置
の特性により、最後の充電制御を第２定電流したり、又
は第４定電流以上で行っても良い。
【００１３】＜ニ＞充放電装置の放電方法 充放電装置の放電方法は、放電回路５により端部端子間
に二次電池を放電するように定電流（Ｉｈ）を流し、直
列に接続した各二次電池を一度に放電する。例えば図３
に示すように、第１定電流（放電）を流しながら各二次
電池の電圧を測定し、ある二次電池の電圧、即ち放電電
圧が所定の電圧である第１下限放電電圧に達すると、計
測制御回路３は、全ての二次電池のバイパス回路２のス
イッチＳＷをオンにする。その際、計測制御回路３は、
放電回路５に信号を送るなどして、第１定電流を遮断す
る制御を行う。
【００１４】バイパス回路２のスイッチＳＷをオンにし
た直後、内部状態（放電した状態）が不安定のため、図
３のように、二次電池の電圧が急に上昇し、その後、バ
イパス回路２を通して二次電池の放電が継続し、電圧が
徐々に降下する。その際、計測制御回路３は、各二次電
池の電圧を測定し、第２下限放電電圧に達すると、その
バイパス回路２のスイッチをオフにする。このように、
バイパス回路のスイッチＳＷをオンオフ制御して、各二
次電池の内部の状態が安定するまで放電を繰り返し、各
二次電池の放電状態を揃える。なお、各二次電池の放電
状態を均一にする必要がなければ、バイパス回路２のス
イッチ制御を粗くしても良い。なお、第１又は第２下限
放電電圧を放電終止電圧（リチウムイオン二次電池の場
合、例えば、２．８Ｖ程度）にしてもよく。又は、第１
下限放電電圧を少し高めにしても良い。
【００１５】＜ホ＞二次電池の放電容量の測定 放電時にバイパス回路のスイッチをオンにすると、バイ
パス抵抗に電流が流れ、Ｉ＝Ｖ／Ｒによりバイパス回路
に流れる電流を計算により求めることができる。図３の
放電容量は、放電電流が第１定電流（放電）の場合、直
線的に増大し、放電容量を容易に求めることができる。
次に、バイパス回路のスイッチがオンになった場合、二
次電池の電圧を絶えず測定しているので、バイパス回路
の抵抗と二次電池の電圧から、二次電池の放電電流を容
易に算出することができる。このように、充放電装置を
用いて放電することにより、二次電池の放電容量を容易
に測定することができる。
【００１６】＜ヘ＞リチウムイオン二次電池の特性に合
わせた充放電 リチウムイオン二次電池は、一般的に内部インピーダン
スが非常に大きな電池であり、かつ、危険防止のために
最高電圧を制御する必要がある。そこで、充放電装置
は、初期に充電電流を大きくして十分充電ができる段階
と、充電後半では充電電流を小さくして充電電圧を制御
する段階とを持つ。このような制御を行うと、バイパス
回路２は充電の後半で使用されるため、電流量が小さな
回路となり、コンパクトな回路にすることができる。
【００１７】また、バイパス回路２を予め定まった抵抗
値の抵抗を入れることにより、定電流制御だけで定電圧
充電機能を得ることができ、効率の良い充電が可能とな
る。かつ、放電時にも、同じ抵抗を用いて、小電流での
放電を行うことができ、精度の高い充放電制御が可能と
なる。
【００１８】＜ト＞コストの削減 直列に充放電する主回路とは別途、バイパス回路を設
け、バイパス回路には、主回路の電流に対して小さな電
流、例えば１／３〜１／１０程度の電流で済むようにで
きるので、全部の二次電池をパラレルに充放電する従来
の充放電回路よりもコストを下げることができ、安価な
充放電装置が得られる。
【００１９】以下に、本発明の充放電方法と個々の電池
の充放電方法（比較例）を比較する。
【００２０】＜イ＞本発明の充放電方法 本発明の充電方法は、直列に４個のリチウム二次電池を
接続し、図１の回路と図２のタイムチャートにより、３
段階の定電流制御を行う。第１ステップは、第１定電流
７５０ｍＡであり、上限充電電圧４２００ｍＶであり、
下限充電電圧４１６０ｍＶである。第２ステップは、第
２定電流４００ｍＡであり、上限充電電圧４３００ｍＶ
であり、下限充電電圧４１６０ｍＶである。第３ステッ
プは、第３定電流２１５ｍＡであり、上限充電電圧４２
００ｍＶ、下限充電電圧４１６０ｍＶである。バイパス
回路の抵抗は２０Ωである。
【００２１】本発明の放電方法は、直列に４個のリチウ
ム二次電池を接続し、図１の回路と図３のタイムチャー
トにより、２段階の制御で行う。第１ステップでは、放
電定電流は、７５０ｍＡとし、第１下限放電電圧は２８
００ｍＶとする。第２ステップでは、バイパス回路によ
る放電であり、第２下限放電電圧は２８００ｍＶとす
る。バイパス回路の抵抗は２０Ωとする。抵抗に流れる
電流は、ほぼ１４０ｍＡ〜１６０ｍＡである。
【００２２】＜ロ＞二次電池ごとの充放電方法（比較
例） 二次電池ごとの充電方法（比較例）は、４個のリチウム
二次電池を別々に充電回路に接続して充電する。各二次
電池に対して、図４のタイムチャートのように２段階の
充電制御を行う。第１ステップは、定電流７５０ｍＡの
充電の電流を流し、第２ステップは、定電圧４２００ｍ
Ｖを印加して、充電の電流を流がす。この際、電池は、
電流が減少しながら充電される。
【００２３】比較例の放電方法は、充電と同様に、４個
のリチウム二次電池を別々に放電回路に接続して放電す
る。図５のタイムチャートにより、２段階の定電流制御
で放電を行う。第１ステップでは、第１放電定電流は、
７５０ｍＡとする。第２ステップでは、電池の電圧が所
定の電圧（下限放電電圧）になると、第２放電定電流に
切り換える。第２放電定電流は、１５０ｍＡとし、下限
放電電圧は２８００ｍＶとする。
【００２４】＜ハ＞本発明と比較例の結果 本発明と比較例の結果を表１に示す。表１における充電
時間は、全ての二次電池（セル）が所定の手順で充電さ
れ、ほぼ４．２Ｖ付近まで充電されるまでの時間を示し
ている。開放電圧（ＯＣＶ）は、充電終了後、３０分経
過後のほぼ安定状態の二次電池の充電電圧を示してい
る。放電容量は、充電後、終止電圧２．８Ｖ付近まで放
電させたときに流れた電流であり、充電された二次電池
から取り出せる電流量を示している。
【００２５】表１から、本発明では、比較例に比して、
開放電圧が４．２Ｖ近くまであり、比較例に比して高く
充電でき、放電容量も多くなっていることが分かる。こ
のように、本発明は、比較例に比して、充電特性がよ
く、しかも、充電時間が２４０分と、比較例の３００分
に比して短く、充放電共に優れていることが分かる。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【発明の効果】本発明は、次のような効果を得ることが
できる。 ＜イ＞本発明は、直列に接続した二次電池を効率よく充
電することができる。 ＜ロ＞また、本発明は、直列に接続した二次電池を効率
よく放電することができる。 ＜ハ＞また、本発明は、安価な充放電装置を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二次電池の充放電回路
【図２】４個の直列接続の二次電池の充電曲線
【図３】４個の直列接続の二次電池の放電曲線
【図４】比較例の充電曲線
【図５】比較例の放電曲線
【符号の説明】
１・・・・主回路 １１・・・バッテリーパック １２・・・保護回路 ２・・・・バイパス回路 ３・・・・計測制御回路 ４・・・・充電回路 ５・・・・放電回路 Ｂ・・・・二次電池 Ｖ・・・・二次電池の電圧 Ｔ１、Ｔ０端部端子 Ｔｍ・・・中間端子 ＳＷ・・・バイパス回路のスイッチ Ｒ・・・・バイパス回路の抵抗 ａ〜ｄ・・各二次電池の識別記号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2002−369398（ＪＰ，Ａ) 特開2001−268817（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/48 H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二次電池を直列に接続し、その直列接続の
    両端に端部端子を有する主回路と、 各二次電池に並列に接続され、抵抗とスイッチが直列に
    接続するバイパス回路と、 主回路の端部端子間に第１定電流の充電電流を流し、各
    二次電池の電圧を計測し、ある二次電池の電圧が上限充
    電電圧以上になった場合、該二次電池のバイパス回路の
    スイッチをオンにし、該バイパス回路に電流を流し、該
    二次電池の電圧が下限充電電圧以下になった場合、該バ
    イパス回路のスイッチをオフにし、該二次電池の充電を
    調整し、ある二次電池の電圧が上限充電電圧より高い切
    り換え電圧以上になった場合、又は、全二次電池の電圧
    が上限充電電圧以上になった場合、第１定電流より小さ
    な第２定電流を流して充電を行う計測制御回路とを備え
    ていることを特徴とする、二次電池の充電装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の二次電池の充電装置にお
    いて、該計測制御回路は、 端部端子間に第２定電流を流して二
    次電池の充電を行った後、第２定電流より小さな第３定
    電流を流して充電を行い、第３ 定電流の電流値とバイパス回路の抵抗の抵抗値の積
    を、ほぼ二次電池の最終充電電圧値又はそれより高くに
    設定することを特徴とする、二次電池の充電装置。
  3. 【請求項３】二次電池を直列に接続し、その直列接続の
    両端に端部端子を有する主回路と、 各二次電池に並列に接続され、抵抗とスイッチを直列に
    接続するバイパス回路と、 主回路の端部端子間に定電流の放電電流を流し、各二次
    電池の電圧を計測し、ある二次電池の電圧が下限放電電
    圧以下になった場合、放電電流を遮断し、バイパス回路
    のスイッチをオンにする計測制御回路とを備えているこ
    とを特徴とする、二次電池の放電装置。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の二次電池の放電装置にお
    いて、該計測制御回路は、 二次電池のバイパス回路のスイッチ
    がオンになった後、二次電池の電圧が下限放電電圧以下
    になった場合、該二次電池のバイパス回路のスイッチを
    オフにすることを特徴とする、二次電池の放電装置。
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