JP5187040B2 - 充電池の充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、充電池の充電装置に関するものである。

リチウムイオン二次電池は、体積エネルギー密度が高い電池として知られている。このため、携帯電話機やコードレス電話機などの移動無線通信機をはじめ、ビデオカメラやノート型パソコン等で多く利用されている。このリチウムイオン二次電池は、通常、単電池を複数個、直列接続され、電子機器の電源として使用される。

従来、リチウムイオン二次電池の充電には、定電流・定電圧充電方式が採用されている。具体的には、充電電圧が、単電池当り４．１Ｖという充電完了電圧に設定される。そして、電池電圧がこれらの充電完了電圧に達するまでは一定電流値で充電され、充電完了電圧に達した以後は、定電圧充電に移行される。

しかし、上述した定電流・定電圧充電方式では、単電池の端子電圧が個別に監視されていない。このため、充電時に各単電池の端子電圧にばらつきがあると、任意の単電池が充電完了電圧に達しても他の単電池が充電完了電圧に達していない場合もある。この場合、充電が継続して行われ、一番初めに充電完了電圧に達した単電池は過充電になる。

また、全ての単電池の容量あるいは内部抵抗が常に同じであれば、直列接続された複数のリチウムイオン二次電池は、バランス良く充電される。しかし、実際には、単電池の容量あるいは内部抵抗には、若干のばらつきが存在する。更に、初期において同じ内部抵抗であったとしても、時間の経過とともに単電池の内部特性が変化し、単電池の容量および内部抵が変化する場合もある。その結果、各単電池のバランスが崩れ、特定の単電池が過充電となることもある。

一方、他の単電池は、満充電に達しない状態で充電が終わってしまう。このため、単電池の保有している能力を十分に取り出すことができない。即ち、従来の充電方式では、各単電池を確実に満充電状態まで充電することができない場合がある。

そこで、直流負荷に電力を供給する直流電源の出力に、直流負荷と並列に、複数のリチウムイオン二次電池が直列接続されてなる組電池が接続されて使用される各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電方法であって、組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電し、かつ組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出すると共に、組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡して充電電流をバイパスし、組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に対してトリクル充電を行うことを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２１７６７５号公報

しかし、特許文献１記載のものにおいても、複数の組電池が並列に接続された場合に、各単電池をバランス良く効率的に充電することはできなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の組電池が並列に接続された場合でも、各単電池をバランス良く効率的に充電することができる充電地の充電装置を提供することである。

この発明に係る充電池の充電装置は、直列に接続された複数の充電池を有し、充電器に対して、並列に接続された複数の組電池と、前記充電池毎に設けられ、前記充電池の端子間電圧を計測する電圧計測器と、前記充電池毎に設けられたバイパス用スイッチと、前記充電池毎に設けられ、前記充電池の内部抵抗を計測する内部抵抗計測器と、前記組電池毎に設けられた可変抵抗器と、前記バイパス用スイッチに、前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池の両端間を短絡させ、前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池が存在する組電池に設けられた可変抵抗器の抵抗値を前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池の内部抵抗値分増加させ、前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池以外の充電池にかかる充電電圧の変動を抑制する制御部とを備えたものである。

この発明によれば、複数の組電池が並列に接続された場合に、各単電池をバランス良く効率的に充電することができる。

この発明を実施するための最良の形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における充電池の充電装置の全体構成図である。

図１において、１は複数の組電池である。本実施の形態の組電池１は、ｎ個からなる。これらの組電池１は、直列に接続された複数のリチウムイオン二次電池２を有する。本実施の形態においては、組電池１は、ｎ個のリチウムイオン二次電池２からなる。具体的には、左端の組電池１のリチウムイオン二次電池２から、順に、１ａ〜１ｎ、２ａ〜２ｎ等と表記される。

複数の組電池１は、充電器３及び直流負荷４に対し、並列に接続される。そして、複数の組電池１は、充電器３から供給される電力により充電される。また、複数の組電池１は、放電して、直流負荷４に電力を供給する。即ち、図１に示す回路では、リチウムイオン二次電池２が充電池として機能し、組電池１の充放電が繰り返される。

５は複数の充電制御用半導体スイッチである。これらの充電制御用半導体スイッチ５は、リチウムイオン二次電池２毎に直列に接続されて設けられる。具体的には、左端の組電池１のリチウムイオン二次電池２に対応したものから、順に、Ａ１１〜Ａ１ｎ、Ａ２１〜Ａ２ｎ等と表記される。これらの充電制御用半導体スイッチ５は、リチウムイオン二次電池２の充電制御に用いられる。

６は複数の放電用ダイオード６である。これらの放電用ダイオード６は、リチウムイオン２次電池２毎に設けられる。具体的には、左端の組電池１のリチウムイオン二次電池２に対応したものから、順に、Ｂ１１〜Ｂ１ｎ、Ｂ２１〜Ｂ２ｎ等と表記される。これらの放電用ダイオード６は、リチウムイオン二次電池２の放電電流を直流負荷４側へ通過させるものである。

７は複数の計測器である。これらの計測器７は、リチウムイオン二次電池２毎に設けられる。これらの計測器７は、リチウムイオン二次電池２の端子間電圧を計測する電圧計測器として機能する。

８は複数のバイパス用半導体スイッチである。これらのバイパス用半導体スイッチ８は、リチウムイオン二次電池２毎の両端間に接続されて設けられる。具体的には、左端の組電池１のリチウムイオン二次電池２に対応したものから、順に、Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ等と表記される。このバイパス用半導体スイッチ８は、閉状態のときは、リチウムイオン二次電池２の両端間を短絡する機能を有する。

９は制御部である。この制御部９には、計測器７から各リチウムイオン二次電池２の端子間電圧が入力される。そして、制御部９は、ゲートドライブ制御信号を介して、端子間電圧が充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池２に設けられたバイパス用半導体スイッチ８を閉じて、リチウムイオン二次電池２の両端間を短絡させる機能を有する。かかる制御部９の制御により、端子間電圧が充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池２の過充電が防止される。

本実施の形態における計測器７は、リチウムイオン二次電池２の内部抵抗を計測する内部抵抗計測器としても機能する。また、本実施の形態においては、組電池１毎に、複数の可変抵抗器回路１０が設けられる。具体的には、左端の組電池１に対応したものから、順に、Ｒ１、Ｒ２等と表記される。そして、本実施の形態における制御部９は、両端間が短絡されたリチウムイオン二次電池２が存在する組電地１に設けられた可変抵抗器回路１０の抵抗値を調整する。

具体的には、制御部９は、両端間が短絡されたリチウムイオン二次電池２以外のリチウムイオン二次電池２の内部抵抗に基づいて、可変抵抗器回路１０の抵抗値を調整する。これにより、両端が短絡されたリチウムイオン二次電池２が存在する組電池１の合成抵抗と他の組電池１の合成抵抗とが均等化された状態が維持される。その結果、端子間電圧が充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池２以外のリチウムイオン二次電池２にかかる充電電圧の均等化が維持される。即ち、両端が短絡されたリチウムイオン二次電池２が存在する組電池１の列抵抗の補償制御が行われる。

さらに、本実施の形態においては、組電池１毎に、複数の列充電制御用半導体スイッチ１１も設けられる。具体的には、左端の組電池１に対応したものから、順に、Ａ１０、Ａ２０等と表記される。制御部９は、ゲートドライブ制御信号を介して、列充電制御用半導体スイッチ１１を動作させる。この動作により、全てのリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達した組電池１は、充電器３から遮断される。

また、組電池１毎に、列放電用ダイオード１２も設けられる。具体的には、左端の組電池１に対応したものから、順に、Ｂ１０、Ｂ２０等と表記される。これらの列放電用ダイオード１２は、リチウムイオン二次電池２の放電電流を直流負荷４側へ通過させるものである。

次に、図２を用いて、電池の充電装置の動作を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電池の充電装置の動作表を示す図である。
図２において、左端の列はモードを表し、他の列は各半導体スイッチ５等の状態を表す。各半導体スイッチ５等の状態において、「ＯＮ」は導通状態を表し、「ＯＦＦ」は非導通状態を表す。また、「−」は前回状態を保持した場合を表す。

まず、放電が終了したリチウムイオン二次電池２の充電は、充電初期のモードとなる。即ち、充電制御用半導体スイッチ５は導通状態、バイパス用半導体スイッチ８は非導通状態、列充電制御用半導体スイッチ１１は導通状態となる。ここで、充電は、定電流一定電圧制御で行われる。即ち、単電池当りの充電完了電圧を４．１Ｖとすると、組電池１毎の充電完了電圧はｎ×４．１Ｖであり、この電圧まで定電流で充電を行うこととなる。

そして、１ａと表記されたリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達したときは、Ａ１１と表記された充電制御用半導体スイッチ５が非導通状態となるとともに、Ｃ１１と表記されたバイパス用半導体スイッチ８が導通状態となる。

これにより、１ａと表記されたリチウムイオン二次電池２の両端が短絡する。また、これと同時に、Ｒ１と表記された可変抵抗器回路１０の抵抗値が調整される。具体的には、Ｒ１と表記された可変抵抗器回路１０は、１ａと表記されたリチウムイオン二次電池２の内部抵抗値分増加するように指令を受ける。これにより、図１の左端に示された組電池１の合成抵抗と他の組電池１の合成抵抗とが均等化した状態が維持される。その結果、１ａと表記されたリチウムイオン二次電池２以外のリチウムイオン二次電池２にかかる充電電圧の均等化が維持される。即ち、組電池１毎の充電電流のアンバランスが抑制される。

その後、１ｂ、１ｎ、ｎ１、ｎ２、ｎｎと表記されたリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達したときも、同様の動作となる。そして、全てのリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達した組電池１に設けられた列充電制御用半導体スイッチ１１が非導通状態となる。これにより、当該組電池１は、充電器３から遮断される。また、これと同時に、当該組電池１に設けられた可変抵抗器回路１０の抵抗値が「０」にリセットされる。

以上で説明した実施の形態１によれば、制御部９が、両端間が短絡された電池が存在する組電池１に設けられた可変抵抗器回路１０の抵抗値を調整する。そして、これにより、端子間電圧が充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池２以外のリチウムイオン二次電池２にかかる充電電圧の均等化が維持される。このため、複数の組電池１が並列に接続された場合でも、リチウムイオン二次電池２をバランス良く効率的に充電することができる。

また、列充電制御用半導体スイッチ１１が、全てのリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達した組電池１を、充電器３から遮断する。これにより、全てのリチウムイオン二次電池２が充電完了電圧に達しても、充電器３の両端間の短絡が防止される。

この発明の実施の形態１における電池の充電装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態１における電池の充電装置の動作表を示す図である。

符号の説明

１ 組電池、 ２ リチウムイオン二次電池、 ３ 充電器、 ４ 直流負荷、
５ 充電制御用半導体スイッチ、 ６ 放電用ダイオード、 ７ 計測器、
８ バイパス用半導体スイッチ、 ９ 制御部、 １０ 可変抵抗器回路、
１１ 列充電制御用半導体スイッチ、 １２ 列放電用ダイオード

Claims (2)

1. 直列に接続された複数の充電池を有し、充電器に対して、並列に接続された複数の組電池と、
   前記充電池毎に設けられ、前記充電池の端子間電圧を計測する電圧計測器と、
   前記充電池毎に設けられたバイパス用スイッチと、
   前記充電池毎に設けられ、前記充電池の内部抵抗を計測する内部抵抗計測器と、
   前記組電池毎に設けられた可変抵抗器と、
   前記バイパス用スイッチに、前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池の両端間を短絡させ、
   前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池が存在する組電池に設けられた可変抵抗器の抵抗値を前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池の内部抵抗値分増加させ、前記端子間電圧が充電完了電圧に達した充電池以外の充電池にかかる充電電圧の変動を抑制する制御部と、
   を備えたことを特徴とする充電池の充電装置。
2. 前記組電池毎に設けられ、全ての充電池が充電完了電圧に達した組電池を、前記充電器から遮断する列充電制御用スイッチ、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の充電池の充電装置。

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