JP4588409B2

JP4588409B2 - リチウムイオン電池の充電装置

Info

Publication number: JP4588409B2
Application number: JP2004299427A
Authority: JP
Inventors: 正金子
Original assignee: 正金子
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP2006115591A

Description

本発明は、リチウムイオン電池の充電装置に関するものである。

近年、無公害のクリーンな動力として電池（バッテリー）を用いてモーターを駆動させる電気自動車が普及してきている。この電気自動車に搭載する電池としては、事故による内部物質が外部に流出せず、耐振動性や耐衝撃性にも優れ、充放電サイクルを繰り返しても長寿命であることなどが条件とされている。このため種々の改良がなされて、現在では特性の優れた鉛シール電池が開発されている。また電気自動車には電池に充電する充電装置が一体に搭載され、電池が消耗した時に、何処ででも商用交流電源から充電できるようになっている。

従来の車搭載用の充電装置としては、直列に接続された複数個の電池列の始端と終端に、充電器を直列に接続した構造のものが用いられている。この充電装置では、１個でも性能の悪い電池があると、良品の電池まで充電不足となり、性能の悪い電池を交換しても同様の問題が拡大していく問題があった。

このため、図４に示すように直列に接続した複数の電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と、これと同数の充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を電源１に並列に接続して、それぞれ電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に対応する各充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３から個別に充電する充電装置も開発されている。しかしながら個別に充電する方法では、太いメインケーブル２が電池の個数ｎ×２本の２ｎ本必要となり、自動車に電池を搭載する時に、狭い車体内に多数の太いメインケーブル２を配線しなければならず作業が面倒である。

これを改善するため本発明者は、図５に示すように、直列に接続した複数個の電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と、これらと対応する同数の充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を電源１に並列に接続し、この並列接続した充電器列Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の始端に設けられた充電器Ｃ１のプラス側出力端子３を、前記直列接続した始端の電池Ｂ１のプラス側に接続すると共に、終端に設けられた充電器Ｃ３のマイナス側出力端子４を、終端の電池Ｂ３のマイナス側に接続し、充電器Ｃ１、Ｃ２のマイナス側出力端子４とこれに隣接する充電器Ｃ２、Ｃ３のプラス側出力端子３とを接続し、この接続部５を各充電器Ｃ１、Ｃ２に対応する電池Ｂ１、Ｂ２のマイナス側とこれに隣接する電池、Ｂ２、Ｂ３のプラス側との間にそれぞれ接続した直列電池の充電装置を先に開発した（特許文献１）。

この直列電池の充電装置は、それぞれの電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の充電特性に応じて個別充電できると共に、性能にバラツキのある電池同士を同時に充電しても、互いに影響されず、性能の劣化した電池だけを交換でき、しかも出力ケーブル２の本数を削減できると共に、使用するケーブルも細く、取付け配線作業を容易にできる効果がある。

一方、近年電気自動車用電源として、高性能のリチウムイオン電池が開発されている。しかしながら、この従来の充電装置で充電電圧が鉛電池より低いリチウムイオン電池の充電を行なうと、充電時間が長く、また充電時の電圧変動があるため電池寿命が低下する問題があった。これはリチウムイオン電池の基本充電電圧が４．２５±０．０３Ｖと極めてシビアーな範囲にあり、しかもケーブルの抵抗による電圧降下変動の影響を大きく受けるため、基本充電電圧での充電が難しいことがその要因として考えられる。
特開平８−３３２１９号公報

本発明は上記問題を改善し、最適な充電電圧で効率よく短時間で充電できると共に、電池寿命を向上させ、更にケーブルの本数を削減して、配線作業を容易にすると共に、自動車に搭載した場合の車体の軽量化を図ることができるリチウムイオン電池の充電装置を提供するものである。

本発明の請求項１記載のリチウムイオン電池の充電装置は、（１）メインケーブルで直列に接続した複数個のリチウムイオン電池と、これら各リチウムイオン電池にそれぞれ対応する同数の充電器を電源に並列に接続し、（２）この並列接続した充電器列の始端に設けられた充電器のプラス側出力端子を、前記直列接続した始端のリチウムイオン電池のプラス側にメインケーブルで接続すると共に、終端に設けられた充電器のマイナス側出力端子を、終端のリチウムイオン電池のマイナス側にメインケーブルで接続し、（３）各充電器のマイナス側出力端子と、これに隣接する充電器のプラス側出力端子とを接続し、この接続部を各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ接続し、（４）充電電圧を規定値以下に保持すると共に、最高電流を一定値に保持するセンシング装置を、前記各充電器に、それぞれ対応して同数接続し、（５）並列接続した充電器列の始端の充電器に接続されたセンシング装置のプラス側出力端子を、リチウムイオン電池列の始端のリチウムイオン電池のプラス側に信号ケーブルで接続し、終端の充電器に接続されたセンシング装置のマイナス側出力端子を、終端のリチウムイオン電池のマイナス側に信号ケーブルで接続し、（６）各センシング装置のマイナス側センシング端子と、これに隣接するセンシング装置のプラス側センシング端子とを接続し、この接続部を各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ信号ケーブルで接続し、（７）各センシング装置のプラス側出力端子に接続された信号ケーブルと、各充電器のプラス側出力端子との間に検出回路用抵抗が接続され、各センシング装置のマイナス側出力端子に接続された信号ケーブルと、各充電器のマイナス側出力端子との間に検出回路用抵抗を接続したことを特徴とするものである。

本発明に係る請求項１記載のリチウムイオン電池の充電装置によれば、各充電器のマイナス側出力端子と、これに隣接する充電器のプラス側出力端子との接続部を、各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ接続して、充電器と電池を接続するバランスケーブルを共通化すると共に、充電電圧を規定値以下に保持すると共に、最高電流を一定値に保持する各センシング装置のマイナス側センシング端子と、これに隣接するセンシング装置のプラス側センシング端子との接続部を、各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ接続して、センシング装置と電池を接続する信号ケーブルを共通化することにより、メインケーブルやバランスケーブルの抵抗による電圧降下による変動を個別に調整して、各リチウムイオン電池を同時に定電流で短時間で効率よく充電することができる。

また充電器と電池を接続するバランスケーブルを共通化すると共に、センシング装置と電池を接続する信号ケーブルを共通化することにより、信号ケーブルの本数は、充電器数ｎ＋１本で済む。更にメインケーブルとバランスケーブルの合計本数も、電池数ｎ＋１本で済むので、全体のケーブル本数を大幅に削減でき経済的である上、狭い車体内での配線作業が容易で、配線スペースも少なく、車体の軽量化を図ることができる。

以下本発明の実施の一形態を図１を参照して詳細に説明する。複数個のリチウムイオン電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３をメインケーブル２で直列に接続し、これらと対応する同数の直流ー直流変換器の作用を利用した充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を直流電源１に並列に接続する。この並列接続した充電器列Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の始端に設けられた充電器Ｃ１のプラス側出力端子３を、前記直列接続した始端のリチウムイオン電池Ｂ１のプラス側に接続すると共に、終端に設けられた充電器Ｃ３のマイナス側出力端子４を、終端のリチウムイオン電池Ｂ３のマイナス側にメインケーブル２で接続する。

更に、充電器Ｃ１、Ｃ２のマイナス側出力端子４を、これに隣接する充電器Ｃ２、Ｃ３のプラス側出力端子３にバランスケーブル６で接続し、この接続部５をリチウムイオン電池Ｂ１、Ｂ２のマイナス側と、これに隣接するリチウムイオン電池Ｂ２、Ｂ３のプラス側との間にそれぞれバランスケーブル６で接続する。

また前記各充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３にはそれぞれ対応して、端子間の電圧を一定に調整するセンシング装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が接続されている。この各センシング装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、定電圧半導体７と、プラス側出力端子８に接続された信号ケーブル１１と充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のプラス側出力端子３との間に接続された検出回路用抵抗Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５およびマイナス側出力端子９に接続された信号ケーブル１１と充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のマイナス側出力端子４との間に接続された検出回路用抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６とから構成され、充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の出力端子３、４の電圧を検出回路用抵抗Ｒ２、Ｒ４で測定して、出力電圧を最高４．２５Ｖの一定に保持すると共に、最高電流を一定値に保持する作用をなすものである。各センシング装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の各定電圧半導体７は抵抗ＲＸ、ＲＹにより基準電圧となる定電圧Ｖ０を出力するようになっている。

またセンシング装置Ｓ１のプラス側出力端子８は、信号ケーブル１１で始端のリチウムイオン電池Ｂ１のプラス側に接続され、センシング装置Ｓ３のマイナス側出力端子９は、信号ケーブル１１で終端のリチウムイオン電池Ｂ３のマイナス側に接続されている。

更に、センシング装置Ｓ１のマイナス側出力端子９と、これに隣接するセンシング装置Ｓ２のプラス側出力端子８は接続され、その接続部は１本の信号ケーブル１１で始端のリチウムイオン電池Ｂ１のマイナス側と中間のリチウムイオン電池Ｂ２のプラス側との間に接続されている。同様にセンシング装置Ｓ２のマイナス側出力端子９と、これに隣接するセンシング装置Ｓ３のプラス側出力端子８は接続され、その接続部は１本の信号ケーブル１１で中間のリチウムイオン電池Ｂ２のマイナス側と終端のリチウムイオン電池Ｂ３のプラス側との間に接続されている。

センシング装置Ｓ１のプラス側出力端子８に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ１のプラス側出力端子３との間には検出回路用抵抗Ｒ１が接続されている。また、センシング装置Ｓ１のマイナス側出力端子９に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ１のマイナス側出力端子４との間には検出回路用抵抗Ｒ２が接続されている。

センシング装置Ｓ２のプラス側出力端子８に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ２のプラス側出力端子３との間に検出回路用抵抗Ｒ３が接続されている。またセンシング装置Ｓ２のマイナス側出力端子９に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ２のマイナス側出力端子４との間に検出回路用抵抗Ｒ４が接続されている。

更にセンシング装置Ｓ３のプラス側出力端子８に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ３のプラス側出力端子３との間に検出回路用抵抗Ｒ５が接続されている。またセンシング装置Ｓ３のマイナス側出力端子９に接続された信号ケーブル１１と、充電器Ｃ３のマイナス側出力端子４との間に検出回路用抵抗Ｒ６が接続されている。

次に上記構成のリチウムイオン電池の充電装置により、直列接続したリチウムイオン電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に充電する場合について説明する。この充電回路では、電源１から直流電流が充電器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に供給される。先ず充電器Ｃ１のプラス側出力端子３から太いメインケーブル２を通して、直列に接続されたリチウムイオン電池Ｂ１に電流Ｉ１が流れて充電され、電流Ｉ１はバランスケーブル６を経てマイナス側出力端子４に流れる。

リチウムイオン電池Ｂ１が充電される時、この両側にはセンシング装置Ｓ１のプラス側出力端子８とマイナス側出力端子９が信号ケーブル１１で接続され、プラス側出力端子３に接続されたメインケーブル２とマイナス側出力端子４に接続されたバランスケーブル６との電圧変化を抵抗Ｒ１、Ｒ２により測定する。変動電圧差が生じると、定電圧半導体７に信号が送られ、Ｖ０によって出力電流Ｉ１を一定にするように充電器Ｃ１の出力電圧を徐々に上げていく。このため、メインケーブル２やバランスケーブル６の抵抗による電圧降下変動を調整して、定電流で効率よく充電することができる。

また中間のリチウムイオン電池Ｂ２は、充電器Ｃ２のプラス側出力端子３からバランスケーブル６を通して流れる電流Ｉ２により充電が行なわれ、電流Ｉ２は下流のバランスケーブル６を通ってマイナス側出力端子４に流れる。この中間のリチウムイオン電池Ｂ２が充電される時も、この両側にはセンシング装置Ｓ２のプラス側出力端子８とマイナス側出力端子９が信号ケーブル１１で接続され、プラス側出力端子３に接続されたバランスケーブル６とマイナス側出力端子４に接続されたバランスケーブル６との電圧変化を測定する。この間に変動電圧差が生じると、定電圧半導体７に信号が送られ、Ｖ０によって出力電流Ｉ２を一定にするように充電器Ｃ２の出力電圧を徐々に上げて、定電流に制御しながら充電が行なわれる。

この場合、センシング装置Ｓ１のマイナス側出力端子９と、センシング装置Ｓ２のプラス側出力端子８とは１本の信号ケーブル１１で接続され、これがリチウムイオン電池Ｂ１のマイナス側に接続されている。つまり１本の信号ケーブル１１に２信号を乗せた状態となっているが、センシング装置Ｓ１、Ｓ２の信号検出の周波数がずれているため、電圧調整はそれぞれ別個に行なうことができる。

また終端のリチウムイオン電池Ｂ３には、充電器Ｃ３からバランスケーブル６を通して流れる電流Ｉ３によって充電され、電流Ｉ３はマイナス側出力端子４に接続されたメインケーブル２を通って流れる。このリチウムイオン電池Ｂ３が充電される時も、この両側にはセンシング装置Ｓ３のプラス側出力端子８とマイナス側出力端子９が信号ケーブル１１で接続され、プラス側出力端子３に接続されたバランスケーブル６とマイナス側出力端子４に接続されたメインケーブル２との電圧変化を測定し、変動電圧差が生じると、定電圧半導体７に信号が送られ、定電流に制御しながら出力電圧が徐々に上昇していく。

従って本発明のリチウムイオン電池の充電装置では、リチウムイオン電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のプラス側とマイナス側の両側にセンシング装置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のプラス側出力端子８とマイナス側出力端子９がそれぞれ接続され、メインケーブル２やバランスケーブル６の抵抗による電圧降下変動を個別に調整して各リチウムイオン電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が同時に定電流で効率よく充電される。

また隣接するセンシング装置Ｓ１、Ｓ２のマイナス側出力端子９とプラス側出力端子８とは接続され、その接続部１０は始端のリチウムイオン電池Ｂ１のマイナス側と中間のリチウムイオン電池Ｂ２のプラス側との間に接続され、同様に隣接するセンシング装置Ｓ２、Ｓ３のマイナス側出力端子９とプラス側出力端子８とは接続され、その接続部１０は中間のリチウムイオン電池Ｂ２のマイナス側と終端のリチウムイオン電池Ｂ３のプラス側との間に接続されているので、信号ケーブル１１は合計４本となる。つまり、充電器数、すなわちリチウムイオン電池とセンシング装置の数がｎの時、信号ケーブル１１はｎ＋１本で済む。

同様にメインケーブル２とバランスケーブル６の合計本数も、電池と充電器の数がｎの時、ｎ＋１本で済むので、全体のケーブル本数を大幅に削減でき経済的である上、狭い車体内での配線作業が容易で、配線スペースも少なく、車体の軽量化を図ることができる。

４個のリチウムイオン電池Ｂ１〜Ｂ４を図１に示すものと同様に直列に接続し、同数の４個の充電器Ｃ１〜Ｃ４を直流電源１に並列に接続し、各充電器Ｃ１〜Ｃ４に取付けたセンシング装置Ｓ１〜Ｓ４の、隣接するマイナス側出力端子９とプラス側出力端子８とを接続した信号ケーブル１１をリチウムイオン電池Ｂ２、Ｂ３の両側に接続して充電を行なった。

この充電時の電流と電圧の変化を測定したところ、図２に示すように各リチウムイオン電池の充電電圧は次第に増加していくが、充電電流は５．５時間まで１０Ａで一定のまま充電が行なわれ、その後、充電電流は急激に減少し、これ以降、充電電圧は４．２５Ｖの一定のままで、８時間で充電を完了した。

また比較のために、図５に示すように、センシング装置を設けていない充電装置で充電したところ図３に示すように電圧は徐々に上昇し、約５時間で４．８Ｖでピークに達し、その後、徐々に減少していった。一方充電電流は時間の経過に伴って次第に減少していき１９時間で充電を完了した。従って本発明の充電装置では半分以下の時間で充電できることが確認された。

なお上記説明では電源１として直流電源を用いた場合について示したが、交流電源を用いる場合には、充電器側に整流器を設ければ良い。

なお本発明は、車搭載用に限らずロボット、運搬車および非常用電源などの固定したリチウムイオン電池の充電にも広く適用することができる。

本発明のリチウムイオン電池の充電装置を示す回路図である。本発明の実施例による充電電流と電圧の関係を示すグラフである。センシング装置を設けていない充電装置により充電した場合の、充電電流と電圧の関係を示すグラフである。従来の充電装置を示す回路図である。従来の充電装置を示す回路図である。

１電源
２メインケーブル
３プラス側出力端子
４マイナス側出力端子
５接続部
６バランスケーブル
７定電圧半導体
８プラス側出力端子
９マイナス側出力端子
１０接続部
１１信号ケーブル
Ｒ１、Ｒ２〜Ｒ６検出回路用抵抗
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３リチウムイオン電池
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３充電器
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３センシング装置

Claims

（１）メインケーブルで直列に接続した複数個のリチウムイオン電池と、これら各リチウムイオン電池にそれぞれ対応する同数の充電器を電源に並列に接続し、
（２）この並列接続した充電器列の始端に設けられた充電器のプラス側出力端子を、前記直列接続した始端のリチウムイオン電池のプラス側にメインケーブルで接続すると共に、終端に設けられた充電器のマイナス側出力端子を、終端のリチウムイオン電池のマイナス側にメインケーブルで接続し、
（３）各充電器のマイナス側出力端子と、これに隣接する充電器のプラス側出力端子とを接続し、この接続部を各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ接続し、
（４）充電電圧を規定値以下に保持すると共に、最高電流を一定値に保持するセンシング装置を、前記各充電器に、それぞれ対応して同数接続し、
（５）並列接続した充電器列の始端の充電器に接続されたセンシング装置のプラス側出力端子を、リチウムイオン電池列の始端のリチウムイオン電池のプラス側に信号ケーブルで接続し、終端の充電器に接続されたセンシング装置のマイナス側出力端子を、終端のリチウムイオン電池のマイナス側に信号ケーブルで接続し、
（６）各センシング装置のマイナス側センシング端子と、これに隣接するセンシング装置のプラス側センシング端子とを接続し、この接続部を各充電器に対応する電池のマイナス側と、これに隣接する電池のプラス側との間にそれぞれ信号ケーブルで接続し、
（７）各センシング装置のプラス側出力端子に接続された信号ケーブルと、各充電器のプラス側出力端子との間に検出回路用抵抗が接続され、各センシング装置のマイナス側出力端子に接続された信号ケーブルと、各充電器のマイナス側出力端子との間に検出回路用抵抗を接続したことを特徴とするリチウムイオン電池の充電装置。