JP5227484B2

JP5227484B2 - 直列接続二次電池の充電方法

Info

Publication number: JP5227484B2
Application number: JP2006157905A
Authority: JP
Inventors: 武宏相川
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: JP2007330003A

Description

本発明は、直列接続二次電池の充電方法に関する。

例えば、リチウムイオン二次電池を直列に接続して充放電を行った場合、各二次電池の充放電効率の差により、各二次電池間に電圧差、容量差を生じることがあり、それが電池全体の使用可能容量を減少させてしまう結果となることから、従来より、すべての二次電池の電圧を均一化させるように充電する方法が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の充電方法は、先行して最終目標電圧に達した二次電池を更に充電して最終目標電圧を越える電圧まで充電することによって、後行の二次電池の電圧を最終目標電圧に近づけたのち、前記先行二次電池を最終目標電圧となるまで放電するというものである。
特開２００５−１７６５２０号公報

しかしながら、上記のような充電方法では、最終目標電圧を越える電圧まで充電した電気を最終目標電圧となるまで放電しなければならず、無駄が大きくなりやすいという問題がある。

また、従来の充電方法は、一般的に言って、部品点数が多く、複雑な回路構成となっており、信頼性や価格に問題がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑み、すべての二次電池の電圧を均一化させるように充電することができ、しかも、それを放電法によらずに信頼性高く低コストにて実現することができる直列接続二次電池の充電方法を提供することを課題とする。

上記の課題は、直列に接続された複数の二次電池を充電する方法であって、
いずれかの二次電池が最終目標電圧よりも低い設定電圧に達した後、該先行二次電池の充電電流を一部バイパスさせながら、該先行二次電池の充電を最終目標電圧に向けて他の二次電池の充電と共に継続することを特徴とする直列接続二次電池の充電方法によって解決される（第１発明）。

この方法では、最終目標電圧よりも低い設定電圧に先行して達した二次電池の充電電流を一部バイパスさせながら、該先行二次電池の充電を最終目標電圧に向けて他の二次電池の充電と共に継続するものであるから、先行二次電池の単位時間当たりの充電容量が他の二次電池の単位時間当たりの充電容量よりも小さくなって、先行二次電池と他の二次電池の容量差が縮められ、すべての二次電池の電圧を均一化させるように充電することができる。

しかも、充電電流を一部バイパスさせるだけであるから、放電法による場合のような無駄を小さくすることができ、部品点数も少なく、回路構成も簡素なものにすることができて、信頼性を高くし、コストを低く抑えることができる。

第１発明において、先行二次電池が最終目標電圧に達した後、該先行二次電池の電圧が最終目標電圧よりも低い電圧となり、他の二次電池の電圧が設定電圧より低くなるよう充電電流を一段下げ、その充電電流で、先行二次電池の充電電流を一部バイパスさせながら、該先行二次電池の充電を最終目標電圧に向けて他の二次電池の充電と共に継続するとよい（第２発明）。

この場合も、先行二次電池の単位時間当たりの充電容量を他の二次電池の単位時間当たりの充電容量よりも小さくすることができて、先行二次電池と他の二次電池の容量差を縮めることができ、すべての二次電池の電圧をより一層均一化したものにすることができる。

特に、それを繰り返すこと（第３発明）により、すべての二次電池の電圧を更に一層均一化したものにすることができる。

本発明は、以上のとおりのものであるから、すべての二次電池の電圧を均一化させるように充電することができ、しかも、それを放電法によらずに信頼性高く低コストにて実現することができる。

次に、本発明の実施最良形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す実施形態の直列接続二次電池の充電方法に用いられる回路において、Ｃｅｌｌ１，Ｃｅｌｌ２は第１，第２のリチウムイオン二次電池で、直列に接続されており、各二次電池Ｃｅｌｌ１，Ｃｅｌｌ２にはそれぞれ、バイパス回路１，２が設けられ、
第１の状態として、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ）が流れ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２に充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ）が流れることができたり、
第２の状態として、図１に示すように、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１のバイパス回路１に流れて第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２に充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ）が流れることができたり、
第３の状態として、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２のバイパス回路２に流れて第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２に充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れ、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ）が流れることができたり、
第４の状態として、更に、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１のバイパス回路１に流れて第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れると共に、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２のバイパス回路２にも充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが流れて第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２に充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れることができたりするようになされている。

そして、次のような制御が行われるようになされている。

即ち、図２のように、充電電流Ｉｃ（＝Ａ）で充電が開始され、第１の状態において、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２のいずれか一方がもう一方に先行して最終目標電圧よりも低い設定電圧Ｖｃｖに達すると、具体的には、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の残存容量の方が第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の残存容量よりも小さくて、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２に先行して最終目標電圧よりも低い設定電圧Ｖｃｖに達すると、第２の状態に切り替わり、図１に示すように、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１のバイパス回路１に流れて第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２には充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ）が流れるように制御される。

これにより、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の単位時間当たりの充電容量が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の単位時間当たりの充電容量よりも小さくなり、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の容量差が縮められていく。

そして、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１が最終目標電圧に達すると、充電電流ＩｃがＡからＢ（＜Ａ）に一段下げられて、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の電圧が最終目標電圧よりも低い電圧にされ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の電圧が設定電圧Ｖｃｖより低くされ、その充電電流Ｉｃ（＝Ｂ）で、第２状態のまま、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１のバイパス回路１に流れて第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２には充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ）が流れるように制御される。

これにより、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の単位時間当たりの充電容量が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の単位時間当たりの充電容量よりも小さくなり、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の容量差が更に縮められていく。

なお、その過程で、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２が設定電圧Ｖｃｖに達すると、第４の状態に切り換わり、第１充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２のバイパス回路２に流れて第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流るように制御させる。この場合は、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の単位時間当たりの充電容量と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の単位時間当たりの充電容量とが同じ状態を維持しながら充電が行われていく。

そして、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１が最終目標電圧に達すると、充電電流ＩｃがＢからＣ（＜Ｂ）に更に一段下げられて、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の電圧が最終目標電圧よりも低く設定電圧Ｖｃｖ以上の電圧にされ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の電圧が設定電圧Ｖｃｖより低くされ、第２の状態に切り替わる制御が行われて、その充電電流Ｉｃ（＝Ｃ）で、上記と同様に充電が繰り返されるようになされている。これにより、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の容量差が更に縮められていく。

第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の残存容量の方が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の残存容量よりも小さい場合も、同様の制御が行われて容量差が縮められていくことはいうまでもない。。

なお、二次電池内部抵抗等に起因するチャタリングを防止するため、Ｉｃｄが流れ出すとその状態をホールドする機構を備えさせ、ホールドはセル電圧が最終目標電圧に達したとき解除されるようになされているとよい。また、Ｉｃｄは、Ｉｃの数％程度でよく、バイパス回路デバイスにおける単位時間当たりの発熱量は小さく抑えることができる。更に、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が備えられ、これらを充電時においてのみオンにすることにより、未使用時の放電が防がれるようになされている。

このように、上記の充電方法を用いることにより、最終目標電圧よりも低い設定電圧Ｖｃｖに先行して達した例えば図示するような第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄをバイパスさせながら、充電電流Ｉｃ１で第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の充電を最終目標電圧に向けて、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の充電と共に継続するようにしているものであるから、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の単位時間当たりの充電容量が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の単位時間当たりの充電容量よりも小さくなって、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の容量差が縮められ、両二次電池Ｃｅｌｌ１，Ｃｅｌｌ２の電圧を均一化させるように充電することができる。

しかも、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１が最終目標電圧に達すると、充電電流ＩｃがＡからＢに一段下げられて、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の電圧が最終目標電圧よりも低い電圧となり、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の電圧が設定電圧Ｖｃｖより低くされ、その充電電流Ｉｃ（＝Ｂ）で、充電電流Ｉｃの一部Ｉｃｄが第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１のバイパス回路１に流れて第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１に充電電流Ｉｃ１（＝Ｉｃ−Ｉｃｄ）が流れ、第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２には充電電流Ｉｃ２（＝Ｉｃ）が流されるようになされているので、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１の単位時間当たりの充電容量が第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の単位時間当たりの充電容量よりも小さくなって、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１と第２リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ２の容量差が更に縮められて、両二次電池Ｃｅｌｌ１，Ｃｅｌｌ２の電圧をより均一化したものに充電することができる。

更に、本実施形態では、第１リチウムイオン二次電池Ｃｅｌｌ１が最終目標電圧に達した場合の、充電電流Ｉｃの段階的な下げを複数回（Ａ、Ｂ、Ｃ…）繰り返しながら充電を行っていくようになされているので、両二次電池Ｃｅｌｌ１，Ｃｅｌｌ２の電圧をより均一化したものに充電することができる。

また、充電電流Ｉｃの段階的な下げを行うことによって、二次電池の内部抵抗による影響を極力排除することができるようになる。

しかも、充電電流を一部バイパスさせるだけであるから、放電法による場合のような電気の無駄が小さく、部品点数も少なく、回路構成も簡素なものにすることができて、信頼性を高くし、コストを低く抑えることができる。

以上に、本発明の実施形態を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、発明思想を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、二次電池が２個直列に接続されている場合を示したが、３個以上接続されていてもよい。また、上記の実施形態では二次電池としてリチウムイオン二次電池を使用した場合を示したが、その他の二次電池であってもよい。

実施形態の充電方法に用いられる充電回路の回路図である。充電方法を示すもので、時間と電圧との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１，２…バイパス回路
Ｃｅｌｌ１，２…リチウムイオン二次電池（二次電池）

Claims

直列に接続された複数の二次電池を充電する方法であって、
充電を開始していずれかの二次電池が最終目標電圧よりも低い設定電圧に達した後、該先行二次電池の充電電流を一部バイパスさせると共に、他の二次電池の充電電流は該他の二次電池が前記設定電圧に達するまではバイパスさせずに、前記先行二次電池の充電を最終目標電圧に向けて他の二次電池の充電と共に継続し、
前記先行二次電池が最終目標電圧に達した後、該先行二次電池の電圧が最終目標電圧よりも低く前記設定電圧よりも高い電圧となり、他の二次電池の電圧が前記最終目標電圧よりも低く前記設定電圧よりも高い電圧なら前記設定電圧より低くなるよう充電電流を一段下げ、その充電電流で、先行二次電池の充電電流を一部バイパスさせると共に、他の二次電池の充電電流は該他の二次電池が前記設定電圧に達するまではバイパスさせずに、前記先行二次電池の充電を最終目標電圧に向けて他の二次電池の充電と共に継続することを繰り返し、
前記電流バイパスのためにバイパス回路に設けられている抵抗器の抵抗値は固定されていて、該固定抵抗値に基づいたバイパス電流がバイパス回路を流れるようになされていることを特徴とする直列接続二次電池の充電方法。