JP4912108B2 - 放電制御装置および充電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を充放電する際の安全性を確保し、また電池特性の劣化を防止するに好適な簡易な構成の放電制御装置および充電制御装置に関する。

二次電池の充放電時にその電池温度が上昇した場合、そのまま充放電を継続すると電池特性が著しく劣化する等の不具合や、過熱に伴う不足の事態が生じる虞がある。そこで二次電池を使用する上での安全性を確保し、同時に電池特性の劣化を防止するべく充放電時における二次電池の温度（電池温度）を監視し、電池温度が予め設定した温度に達したとき、その充放電電流を低減したり、充放電そのものを停止することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平４−１７８１２３号公報

しかしながら従来においては、専ら、二次電池に対する充電禁止温度および放電禁止温度を、それぞれその最大許容温度に応じて設定しているに過ぎない。この為、例えば図４(ａ),(ｂ)に示すように電池温度が最大許容温度に達したとき、これを検出してその充放電を停止しても、現実的には二次電池の内部での化学的反応に時間的な遅れが伴うので、電池温度が或る時間に亘って上記最大許容温度を超えてそのまま上昇し続けると言う不具合がある。

そこで二次電池の充放電を停止させるべく、前述した充電禁止温度および放電禁止温度をそれぞれその各最大許容温度よりも低めに設定することが考えられている。しかし上述したようにして放電禁止温度を設定した場合、例えば電池性能（電池残容量）に余裕があるにも拘わらず二次電池から負荷への電力供給（放電）が停止する虞がある。また上述したように充電禁止温度を設定した場合には、二次電池が満充電状態に至る前にその充電が禁止されて、該二次電池が有する性能（電池性能）を十分に発揮させることができなくなる等の不具合が生じた。

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、二次電池を使用する上での安全性を確保すると共に、該二次電池の特性劣化を防止しながらその充放電を制御するに好適な簡易な構成の放電制御装置および充電制御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放電制御装置は、
<ａ> 二次電池の放電電流を検出する電流検出手段と、
<ｂ> 前記二次電池の放電電流、例えばその平均放電電流に応じて放電を停止した後に上昇すると見込まれる電池温度が最大許容温度を超えることがないように設定される該二次電池の放電を禁止する放電禁止温度を可変設定する放電禁止温度設定手段と、
<ｃ> 前記二次電池の電池温度を検出する温度検出手段と、
<ｄ> 前記二次電池の電池温度が上記放電禁止温度に達したとき該二次電池に対する放電を禁止する放電禁止手段と
を備えたことを特徴としている。

また本発明に係る充電制御装置は、
<ａ> 二次電池の充電電流を検出する電流検出手段と、
<ｂ'> 前記二次電池の充電電流、例えばその平均充電電流に応じて充電を停止した後に上昇すると見込まれる電池温度が最大許容温度を超えることがないように設定される該二次電池の充電を禁止する充電禁止温度を可変設定する充電禁止温度設定手段と、
<ｃ> 前記二次電池の電池温度を検出する温度検出手段と、
<ｄ'> 前記二次電池の電池温度が上記充電禁止温度に達したとき該二次電池に対する充電を禁止する充電禁止手段と
を備えたことを特徴としている。

本発明に係る放電制御装置および充電制御装置においては、二次電池の充放電電流の大きさ、例えばその平均充放電電流の値に応じて、当該充放電を停止した後の電池温度の上昇を見込んで該二次電池に対する充放電禁止温度を設定するので、その電池温度を常に最大許容温度以下に抑えることができる。従って電池温度に起因する電池性能の劣化を効果的に防止することができる。しかも二次電池の使用状態に拘わることなく該二次電池が放電可能な電力エネルギを最大限出力（放電）させることが可能となり、また二次電池の充電状態に拘わりなく該二次電池が有する性能（電池性能）を十分に発揮させる得るまで確実に充電することが可能となる。

更には充放電電流の値に応じて充放電禁止温度を可変設定するだけで良いのでその制御が簡単である等の効果が奏せられる。特に平均充放電電流の値に応じて充放電禁止温度を可変設定することで、その放電状況や充電制御の形態に左右されることなく、電池温度に応じて充放電の禁止制御を実行することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る放電制御装置および充電制御装置について、電池温度に応じた放電制御制御機能および充電制御機能を備えた充放電制御装置を例に説明する。
図１はこの発明に係る充放電制御装置を備えて実現されるパック電池の概略構成を示している。このパック電池１０は、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器３０に装着されて、該電子機器３０のバックアップ電源として用いられるものであって、基本的には前記電子機器３０が内蔵する制御・電源部３１に接続されて充電される二次電池１を備え、充電により上記二次電池１に蓄積した電力エネルギを、前記電子機器３０の本体部であるＣＰＵやメモリ等の負荷３２に対して前記制御・電源部３１を介して供給するように構成される。

さてリチウムイオン電池やニッケル水素電池等からなる二次電池１は、例えば複数の電池セル２を直並列に接続して所定の電池電圧と電池容量とを確保した電池群として実現される。この二次電池１は、例えばリチウムイオン電池のように満充電状態で４.２Ｖとなる電池セル２を用いる場合には、電池セル２を３段直列に接続することで、全体として１２.６Ｖの電池電圧を有するものとして実現される。また各段の電池セル２を、それぞれ複数の電池セルを並列接続したものとすることで、必要な電気容量が確保される。

ちなみにこれらの複数の電池セル２の並列接続および直列接続は、例えば金属板やリード線からなる接続タブ３を用いて行われ、二次電池１はこれらの電池セル群を１つにまとめてパッケージ化したものとして実現される。尚、電池セル２の並列接続数や、直列接続する電池セル２の段数については、負荷２に応じて二次電池１に要求される仕様（電池電圧・電池容量）に従って定められるものであり、図１に例示する３並列・３段直列構成の二次電池１に限定されないことは言うまでもない。またこのような二次電池１には、例えばその電池温度Ｔを検出する為のサーミスタ等の温度センサ４が一体に組み込まれる。

一方、パック装置１０は、二次電池１の充放電路に、その充放電電流Ｉを検出するための電流検出部（電流検出手段）５を備えている。この電流検出部５は、例えば上記充放電路に直列に介挿されたシャント抵抗と、このシャント抵抗の両端間に生じた電圧から前記二次電池１の充放電電流Ｉを検出するセンシングアンプとにより構成される。二次電池１の充放電路に流れる電流が充電電流であるか、或いは放電電流であるかは、上記シャント抵抗の両端間に生じる電圧の極性から判定されることは言うまでもない。

また前記二次電池１の充放電路には、前記二次電池１の過充電を阻止する為の充電制御スイッチ（充電禁止手段）６と、二次電池１の過放電を阻止する為の放電制御スイッチ（放電禁止手段）７とがそれぞれ設けられる。これらの制御スイッチ６,７は、例えば前記充放電路にそれぞれ直列に介挿された２つのＰチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴからなる。これらの制御スイッチ（ＦＥＴ）６,７は、後述する制御・演算部２０によりその動作が制御されるものであって、例えばそのゲートにハイレベル（Ｈ）の制御信号が印加されたときに遮断（オフ）動作して、前記二次電池１に対する充電電流または放電電流をそれぞれ遮断する機能、つまり二次電池１の充電および放電をそれぞれ禁止する充放電禁止手段としての役割を担う。

さて前述した充電制御スイッチ６および放電制御スイッチ７の作動をそれぞれ制御する制御・演算部２０は、例えばマイクロプロセッサにより実現される。この制御・演算部２０は、基本的には前記二次電池１の端子電圧Ｖbat、および二次電池１を構成する前記各電池セル２の端子電圧Ｖcellをそれぞれ検出して前記各スイッチ６,７のオン・オフ動作を制御する役割を担う。また制御・演算部２０は、前述した電流検出部５にて検出される二次電池１の充放電電流Ｉを入力すると共に、前記温度センサ４を用いて温度検出部８が検出する電池温度Ｔを入力し、後述するように二次電池１に対する充放電を禁止制御する機能を備える。

ちなみに図１に例示する前記制御・演算部２０は、３段に直列接続された複数の電池セル２における各正極側の電圧Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３、電流検出部４にて検出された充放電電流Ｉ、および温度検出部８にて検出された電池温度Ｔをマルチプレクサ２１を介して選択的に入力し、これをＡ／Ｄコンバータ２２を介してデジタル変換して取り込むものとなっている。これらの情報（電圧・電流・温度）の入力は、マルチプレクサ２１およびＡ／Ｄコンバータ２２のサンプリング周期に同期して、所定の周期で巡回的に行われる。そして上記複数の電池セル２の各正極電圧Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３から、前述した二次電池１の端子電圧Ｖbat、および前記各電池セル２の端子電圧Ｖcell１,Ｖcell２,Ｖcell３をそれぞれ検出するものとなっている。

具体的には前記制御・演算部２０は、前記複数の電池セル２の各正極電圧Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３から、前記二次電池１の端子電圧Ｖbat、および前記各電池セル２の端子電圧Ｖcell１,Ｖcell２,Ｖcell３を
Ｖbat＝Ｖ１
Ｖcell１＝Ｖ１−Ｖ２
Ｖcell２＝Ｖ２−Ｖ３
Ｖcell３＝Ｖ３
としてそれぞれ求めている。

そしてこの制御・演算部２０は、基本的には通信処理部２３を介して前記制御・電源部３０の作動を制御して前記二次電池１の充電自体を制御する機能（満充電制御）、前述した充電制御スイッチ６の作動を制御して前記二次電池１の過充電を阻止する機能（過充電保護）、および前記放電制御スイッチ７の作動を制御して前記二次電池１の過放電を阻止する機能（過放電保護）を備える。

上述した満充電制御機能は、ニッケル水素電池等においては、例えば二次電池１の充電時に該二次電池１の端子電圧Ｖbatが徐々に上昇し、満充電状態において上記端子電圧Ｖbatがピークに達した後、一定電圧（ΔＶ）だけ低下する現象を利用して満充電（１００％充電）状態を判定し（−ΔＶ方式）、二次電池１に対する充電を停止するものである。またリチウムイオン電池を充電するときのように電流値を所定値以下、電圧値を所定値以下にて充電する定電流・定電圧充電においては、定電流充電の後の定電圧充電時において、その充電電流値が所定値以下になると満充電と判定している。尚、電池温度Ｔの変化や充電電流Ｉの変化から満充電状態を検出する等、従来より種々提唱されている充電制御方式を適宜採用可能なことは言うまでもない。また本発明は二次電池１の満充電制御自体に直接関与するものではないので、満充電制御についてのこれ以上の説明は省略する。

一方、前述した過充電保護機能は、例えば二次電池１の端子電圧Ｖbatが予め設定した二次電池１としての過充電保護電圧を超えたとき、或いは二次電池１を構成する複数段の電池セル２の個々の端子電圧Ｖcellが、各電池セル２に固有な過充電保護電圧を超えたとき、前述した充電制御スイッチ６を作動させてその充電路を強制的に遮断し、それ以上の充電（過充電）を阻止する役割を担う。尚、二次電池１の端子電圧Ｖbatは、充電制御における満充電電圧により管理されているので、前記充電制御スイッチ６の作動による過充電防止は、専ら、個々の電池セル２の端子電圧Ｖcellが、その過充電保護電圧を超えたときに作動する。

また過放電保護機能は、例えば二次電池１の端子電圧Ｖbatが予め設定した二次電池１としての過放電保護電圧に近付いたとき、或いは複数段の電池セル２の個々の端子電圧Ｖcellが、各電池セル２に固有な過放電保護電圧に近付いたとき、或いは過放電保護電圧に至ったとき、前述した放電制御スイッチ７を作動させてその充電路を強制的に遮断して該二次電池１の深放電（過放電）を防止する役割を担う。このような機能の他にも前記制御・演算部２０は、例えば前記充放電電流Ｉから二次電池１に対する異常（過大）な充放電電流が検出されたとき、充電制御スイッチ６および／または放電制御スイッチ７を作動させてその充放電路を遮断して、二次電池１のみならず負荷３２等を保護する機能等を備える。

本発明に係る充放電制御装置は、上述したように構成されるパック電池１０において、特に前述した電池温度Ｔから前記二次電池１の異常発熱が検出されたとき、充電制御スイッチ６および／または放電制御スイッチ７を強制的に作動させてその充放電路を遮断して、二次電池１のみならず負荷３２等を保護する充放電禁止制御手段２０ａを備えて構成される。即ち、本発明に係る充放電制御装置は、基本的には二次電池１の充放電電流Ｉを検出する充放電電流検出手段（電流検出部５）と、上記二次電池１の電池温度Ｔを検出する電池温度検出手段（温度センサ４および温度検出部８）と、前記二次電池１の充放電路を遮断してその充放電を禁止する充放電禁止手段（制御スイッチ６,７）と、電池温度Ｔに応じて上記充放電禁止手段を制御する充放電禁止制御手段２０ａと、前記充放電電流Ｉに応じて充放電を禁止する充電禁止温度を設定する温度設定手段２０ｂとを備えて構成される。尚、上記充放電禁止制御手段２０ａおよび温度設定手段２０ｂは、前述した制御・演算部２０が有する機能として実現される。

そして前述したようにマイクロプロセッサにより構成される制御・演算部２０は、図２にその制御概念、制御機能を、ソフトウェアにより実現される処理制御手順として示すように、前記充放電電流検出手段により検出される電流の向き（極性）から前記二次電池１が充電状態であるか、或いは放電状態であるかを判定する判定手段と［処理機能Ｓ１］、放電時には前記電池温度検出手段により検出される電池温度Ｔに応じた放電禁止制御を実行する放電禁止制御手段［処理機能Ｓ２］、および充電時には前記電池温度検出手段により検出される電池温度Ｔに応じた電池温度に応じた充電禁止制御を実行する充電禁止制御手段［処理機能Ｓ３］とからなる制御機能を備えている点にある。

特に放電禁止制御手段［処理機能Ｓ２］は、前記充放電電流検出手段により逐次検出される電流から二次電池１の放電時における平均放電電流を検出する放電電流検出手段［処理機能Ｓ２ａ］と、検出された平均放電電流の大きさ（電流値）に応じて前記二次電池に対する放電禁止温度Ｔxを設定する放電禁止温度設定手段［処理機能Ｓ２ｂ］とを備える。そして放電禁止制御手段［処理機能Ｓ２］は、前述した電池温度検出手段により検出される電池温度Ｔと上記放電禁止温度Ｔxとを比較して該電池温度が前記放電禁止温度に達したとき、二次電池１に対する放電を禁止制御するように構成される。

また充電禁止制御手段［処理機能Ｓ３］は、前記充放電電流検出手段により逐次検出される電流から二次電池１の充電時における平均充電電流を検出する充電電流検出手段［処理機能Ｓ３ａ］と、検出された平均充電電流の大きさ（電流値）に応じて前記二次電池に対する充電禁止温度Ｔyを設定する充電禁止温度設定手段［処理機能Ｓ３ｂ］とを備える。そして充電禁止制御手段［処理機能Ｓ３］は、前述した電池温度検出手段により検出される電池温度Ｔと上記充電禁止温度Ｔyとを比較して該電池温度が前記充電禁止温度に達したとき、二次電池１に対する充電を禁止制御するように構成される。

ちなみに上述した放電禁止温度Ｔxおよび充電禁止温度Ｔyは、平均充放電電流の値に応じて、その充放電を停止した後に上昇すると見込まれる電池温度Ｔが前述した最大許容温度を超えることがないように設定されるものであって、例えば次表にそれぞれ示すような平均電流値と禁止温度との関係としてテーブル２４に予め登録される。そして平均充放電電流の値に応じて上記テーブル２４を参照することによって求められる。

尚、ここでは充放電電流の平均値を１０Ａ毎に段階的に区分し、その区分毎に充放電禁止温度を設定するものとしているが、更に電流値領域を細かく区分して充放電禁止温度を設定することも勿論可能である。更にはその周囲の環境温度を考慮して上記充放電禁止温度を可変設定するようにしても良い。具体的には周囲環境温度が低い場合には、充放電停止後の温度上昇が低く抑えられると看做して前述したテーブル２４から求められる充放電禁止温度を高めに設定（補正）し、逆に周囲環境温度が高い場合には、充放電停止後の温度上昇が増長されると看做して前述したテーブル２４から求められる充放電禁止温度を低めに設定（補正）するようにしても良い。

かくして上述したようにして電池温度Ｔに応じた充放電の禁止制御を実行する充放電制御装置によれば、図３(ａ),(ｂ)にそれぞれ示すように、その充放電停止後であっても所定時間に亘って継続して上昇すると見込まれる電池温度Ｔに応じて、特に充放電電流の大きさに依存して変化する温度上昇分を見込んで充放電禁止温度Ｔx,Ｔｙを設定するので、電池温度Ｔが不本意に最大許容温度を超えることがなくなる。従って二次電池１を使用するに際しての安全性を十分に確保することが可能となり、電池温度に起因する電池性能の劣化を効果的に防止することができる。

しかもそのときの充放電電流の値に応じて充放電禁止温度Ｔx,Ｔｙを設定するので、二次電池１の使用状態に拘わることなく該二次電池１が放電可能な電力エネルギを最大限出力（放電）させることが可能となる。また二次電池１の充電状態に拘わりなく該二次電池１が有する性能（電池性能）を十分に発揮させる得るまで確実に充電することが可能となる。従って二次電池１が有する電池性能を十分に活かした充放電制御が可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば電池温度に基づく放電禁止制御および充電禁止制御の一方だけを実施するように装置を構成することも勿論可能である。また前述した充放電禁止温度Ｔx,Ｔｙの可変設定は、制御・演算部２０を構成するマイクロコンピュータにおいて前述したようにソフトウェア的に対処することができるので、既存の充放電装置に本発明を容易に適用することが可能であり、その実用的利点が多大である。更には前述した充放電電流Ｉに基づく充放電禁止温度Ｔx,Ｔｙの可変設定を、専用のハードウェア回路を用いて実行することも勿論可能である。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。

本発明の一実施形態に係る充放電制御装置（パック電池）の概略構成図。 本発明に係る電池温度に応じた充放電禁止制御を実行する制御機能を、ソフトウェアにより実現される処理制御手順として示す図。 本発明に係る充放電禁止制御による電池温度の変化を示す図。 従来一般的な充放電禁止制御による電池温度の変化を示す図。

符号の説明

１ 二次電池
５ 電流検出部（充放電電流検出手段）
６,７ 制御スイッチ（充放電禁止手段）
８ 温度検出部（電池温度検出手段）
２０ 制御・演算部（充放電禁止温度設定手段）

Claims (4)

1. 二次電池の放電電流を検出する電流検出手段と、
   前記二次電池の放電電流に応じて放電を停止した後に上昇すると見込まれる電池温度が最大許容温度を超えることがないように設定される該二次電池の放電を禁止する放電禁止温度を可変設定する放電禁止温度設定手段と、
   前記二次電池の電池温度を検出する温度検出手段と、
   前記二次電池の電池温度が上記放電禁止温度に達したとき該二次電池に対する放電を禁止する放電禁止手段と
   を具備したことを特徴とする放電制御装置。
2. 前記放電禁止温度設定手段は、前記二次電池の平均放電電流に応じて放電禁止温度を設定するものである請求項１に記載の放電制御装置。
3. 二次電池の充電電流を検出する電流検出手段と、
   前記二次電池の充電電流に応じて充電を停止した後に上昇すると見込まれる電池温度が最大許容温度を超えることがないように設定される該二次電池の充電を禁止する充電禁止温度を可変設定する充電禁止温度設定手段と、
   前記二次電池の電池温度を検出する温度検出手段と、
   前記二次電池の電池温度が上記充電禁止温度に達したとき該二次電池に対する充電を禁止する充電禁止手段と
   を具備したことを特徴とする充電制御装置。
4. 前記充電禁止温度設定手段は、前記二次電池の平均充電電流に応じて充電禁止温度を設定するものである請求項３に記載の充電制御装置。
   
   

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