JP5714975B2

JP5714975B2 - 充電装置

Info

Publication number: JP5714975B2
Application number: JP2011107137A
Authority: JP
Inventors: 孝椛澤; 寿則本間
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: EP2523303A3; EP2523303B1; US9048668B2; CN102780242A; EP2523303A2; US20120286722A1; JP2012239326A; CN102780242B

Description

本発明は、複数の電池に同時に充電を行う充電装置、例えば多並列電池パックに充電を行う充電装置に関する。

複数の電池列からなる多並列電池パックに充電を行う充電装置としては、いずれか一の電池列が満充電になった時点で、他の電池列が満充電か否かにかかわらず充電を終了するものが従来一般的である。充電開始時における複数の電池列は、残存容量が異なっているのが通常であるため、いずれか一の電池列が満充電になった後も他の電池列が全て満充電になるまで充電を継続する場合には、先に満充電に達した電池列が過充電となり電池列の劣化を招く虞が生ずるからである。そのため従来の充電装置で充電された多並列電池パックは、満充電の電池列と満充電に至らず電池容量に余裕がある電池列とが混在した状態、すなわち各電池列の電池容量にアンバランスが生じてしまう可能性が高く、全体として本来の電池容量を確保できない虞が生ずる。

また複数の電池列からなる多並列電池パックに充電を行う他の従来技術としては、例えば複数の電池列からなる多並列電池パックに対し、各電池列を一列ずつ十分低い充電電流で短時間充電することを繰り返す充電方法が公知である（例えば特許文献１を参照）。

特開２００８−２５９２６０号公報

上述したような多並列電池パックの各電池列の電池容量のアンバランスは、例えば電池列ごとに満充電を検出して充電を個別に終了するようにすれば解決することができる。しかしながら電池列ごとに満充電を検出して充電を個別に終了するには、電池列ごとに充電制御を行う必要があるため、制御手順が複雑化してしまう虞が生ずる。さらに電池列ごとに満充電を検出して充電を個別に終了する場合には、充電中における各電池列の状態がアンバランスであるため、各電池列の発熱が相互に影響し合って各電池列の満充電を正確に検出できない虞が生ずる。

また特許文献１に開示されている従来技術においては、充電開始時において各電池列の残存容量が同じでない限り、依然として各電池列の電池容量のアンバランスは解消されない。さらに特許文献１に開示されている従来技術においては、基本的に満充電まで充電しないため、多並列電池パックの本来の電池容量を確保できない虞が依然として生ずる。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、過充電を生じさせることなく複数の電池列の全てを満充電にすることが可能な充電装置を低コストで実現することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、定電圧定電流直流電源と、電流制限抵抗、前記電流制限抵抗を介して前記定電圧定電流直流電源が出力する直流電力を電池へ供給する第１充電経路、前記電流制限抵抗を介さずに前記定電圧定電流直流電源が出力する直流電力を電池へ供給する第２充電経路、前記第１充電経路と前記第２充電経路とを選択的に切替可能な充電経路切替回路を含み、複数の電池の各々に対応して設けられ、前記電流制限抵抗の抵抗値が同一である複数の充電回路と、複数の電池の電圧を各々検出する電池電圧検出回路と、複数の電池の電圧に差がある状態では全ての電池が前記第１充電経路で充電され、複数の電池の電圧に差がない状態では全ての電池が前記第２充電経路で充電されるように、前記充電回路を制御する制御装置と、を備える充電装置である。

複数の充電回路の電流制限抵抗は、同一の抵抗値の抵抗である。そして複数の電池の電圧に差がある状態では、各電池に個々に対応して設けられた電流制限抵抗を介した充電経路（第１充電経路）で全ての電池が各々充電される。このとき相対的に電圧が高い電池（残存容量が多い電池）は、対応する電流制限抵抗で生じる電位差（定電圧定電流直流電源が出力する直流電力の電圧と電池の電圧との電位差）が相対的に小さくなるため、相対的に充電電流が少なくなり、従って相対的に緩やかに充電されることになる。他方、相対的に電圧が低い電池（残存容量が少ない電池）は、対応する電流制限抵抗で生じる電位差が相対的に大きくなるため、相対的に充電電流が多くなり、従って相対的に急速に充電されることになる。

その結果、各電池が充電されていくに従って、相対的に電圧が高い電池と電圧が低い電池との電圧差が徐々に小さくなり、やがて全ての電池の電圧に差がない状態となる。つまり全ての電池の残存容量が同じ状態になる。

そして全ての電池の電圧に差がない状態では、電流制限抵抗を介さない充電経路（第２充電経路）で全ての電池が定電流充電されるため、各電池の充電電流は等しくなる。したがって全ての電池を同時に満充電にすることができるとともに、全ての電池が最短時間で満充電に到達することになる。つまり過充電を生じさせることなく複数の電池列の全てを最短時間で満充電にすることができる。

また充電制御としては、複数の電池の電圧の差の有無で一律に充電経路を切り替えるだけである。したがって複雑な充電制御手順は不要であるし、充電回路も極めてシンプルな構成とすることができるので低コストで実現することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、過充電を生じさせることなく複数の電池列の全てを満充電にすることが可能な充電装置を低コストで実現できるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記充電経路切替回路は、前記第１充電経路をＯＮ／ＯＦＦ可能な第１スイッチと、前記第２充電経路をＯＮ／ＯＦＦ可能な第２スイッチとを含む、ことを特徴とした充電装置である。
このような特徴によれば、充電経路切替回路は、第１充電経路と第２充電経路とを選択的に切替可能であることに加えて、第１スイッチ及び第２スイッチを共にＯＦＦすることで、電池への充電電流を遮断して充電を停止することも可能になる。

本発明によれば、過充電を生じさせることなく複数の電池列の全てを満充電にすることが可能な充電装置を低コストで実現できるという作用効果が得られる。

充電装置の全体構成図。制御装置が実行する充電制御を図示したフローチャート。電池列の電圧及び電池列に対する充電電流の変化を図示したタイミングチャート。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であること言うまでもない。

＜充電装置の構成＞
本発明に係る充電装置１０の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、充電装置１０の全体構成図である。

充電装置１０は、電源装置１１、第１充電回路１２、第２充電回路１３、第３充電回路１４、電池電圧検出回路１５及び制御装置１６を備えている。また充電装置１０によって充電される多並列電池パック２０は、三つの電池列２１〜２３を含む。電池列２１〜２３は、例えばニッケル水素二次電池等の二次電池である。本発明において充電対象となる多並列電池パック２０の電池列の数は、二以上であればよく特に三つに限定されない。

「定電圧定電流直流電源」としての電源装置１１は、直流電力を受電して定電圧・定電流の直流電力を出力する公知の電源である。電源装置１１が出力する直流電力は、第１充電回路１２、第２充電回路１３及び第３充電回路１４を介して多並列電池パック２０の電池列２１〜２３へ供給される。

「充電回路」としての第１充電回路１２は、多並列電池パック２０の電池列２１に対応している。第１充電回路１２は、電流制限抵抗Ｒ１及び「充電経路切替回路」を構成する２つの電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）Ｔｒ１、Ｔｒ２を含む。「第１スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ１及び「第２スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ２のドレイン端子は、電源装置１１の出力端子に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ１のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ１の一端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ２のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ１の他端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ１及び電界効果トランジスタＴｒ２のゲート端子は、後述する制御装置１６に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ２のソース端子と電流制限抵抗Ｒ１の他端側との接続点は、第１充電回路１２と出力端子となり、多並列電池パック２０の電池列２１の正極に接続される。

「充電回路」としての第２充電回路１３は、多並列電池パック２０の電池列２２に対応している。第２充電回路１３は、電流制限抵抗Ｒ２及び「充電経路切替回路」を構成する２つの電界効果トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４を含む。「第１スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ３及び「第２スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ４のドレイン端子は、電源装置１１の出力端子に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ３のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ２の一端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ４のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ２の他端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ３及び電界効果トランジスタＴｒ４のゲート端子は、後述する制御装置１６に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ４のソース端子と電流制限抵抗Ｒ２の他端側との接続点は、第２充電回路１３と出力端子となり、多並列電池パック２０の電池列２２の正極に接続される。

「充電回路」としての第３充電回路１４は、多並列電池パック２０の電池列２３に対応している。第３充電回路１４は、電流制限抵抗Ｒ３及び「充電経路切替回路」を構成する２つの電界効果トランジスタＴｒ５、Ｔｒ６を含む。「第１スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ５及び「第２スイッチ」としての電界効果トランジスタＴｒ６のドレイン端子は、電源装置１１の出力端子に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ５のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ３の一端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ６のソース端子は、電流制限抵抗Ｒ３の他端側に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ５及び電界効果トランジスタＴｒ６のゲート端子は、後述する制御装置１６に接続されている。電界効果トランジスタＴｒ６のソース端子と電流制限抵抗Ｒ３の他端側との接続点は、第３充電回路１４と出力端子となり、多並列電池パック２０の電池列２３の正極に接続される。
尚、「第１スイッチ」及び「第２スイッチ」は、特に電界効果トランジスタに限定されないのは言うまでもなく、例えば電磁リレー、ソリッドステートリレー、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）等を用いることもできる。

上記構成の第１充電回路１２において電源装置１１が出力する直流電力は、電界効果トランジスタＴｒ１がＯＮ、電界効果トランジスタＴｒ２がＯＦＦしている状態では、電流制限抵抗Ｒ１を介して電池列２１へ供給される（第１充電経路）。他方、第１充電回路１２において電源装置１１が出力する直流電力は、電界効果トランジスタＴｒ１がＯＦＦ、電界効果トランジスタＴｒ２がＯＮしている状態では、電流制限抵抗Ｒ１を介さずに電池列２１へ供給される（第２充電経路）。つまり第１充電回路１２は、電界効果トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を排他的にＯＮ／ＯＦＦすることによって、電流制限抵抗Ｒ１を介する充電経路（第１充電経路）と電流制限抵抗Ｒ１を介しない充電経路（第２充電経路）とを選択的に切り替えることができる。

同様に、第２充電回路１３は、電界効果トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４を排他的にＯＮ／ＯＦＦすることによって、電流制限抵抗Ｒ２を介する充電経路（第１充電経路）と電流制限抵抗Ｒ２を介しない充電経路（第２充電経路）とを選択的に切り替えることができる。第３充電回路１４は、電界効果トランジスタＴｒ５、Ｔｒ６を排他的にＯＮ／ＯＦＦすることによって、電流制限抵抗Ｒ３を介する充電経路（第１充電経路）と電流制限抵抗Ｒ３を介しない充電経路（第２充電経路）とを選択的に切り替えることができる。

第１充電回路１２の電流制限抵抗Ｒ１、第２充電回路１３の電流制限抵抗Ｒ２、第３充電回路１４の電流制限抵抗Ｒ３は、同一の抵抗値の抵抗器である。

電池電圧検出回路１５は、多並列電池パック２０の電池列２１〜２３の電圧を各々検出する回路であり、六つの分圧抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６及び三つのＡ／Ｄコンバータ１５１〜１５３を含む。Ａ／Ｄコンバータ１５１〜１５３は、公知のアナログ−デジタル変換器であり、電池列２１〜２３の電圧をアナログ電気信号からデジタル電気信号に変換して出力する。

分圧抵抗Ｒ１１の一端側は、多並列電池パック２０の電池列２１の正極に接続される。分圧抵抗Ｒ１１の他端側は、分圧抵抗Ｒ１２の一端側に接続されている。分圧抵抗Ｒ１２の他端側はＧＮＤに接続されている。分圧抵抗Ｒ１１と分圧抵抗Ｒ１２との接続点は、Ａ／Ｄコンバータ１５１の入力端子に接続されている。つまり電池列２１の電圧は、分圧抵抗Ｒ１１と分圧抵抗Ｒ１２とで構成される分圧回路によって分圧され、Ａ／Ｄコンバータ１５１の入力端子に入力される。Ａ／Ｄコンバータ１５１の出力端子は、後述する制御装置１６に接続されている。

分圧抵抗Ｒ１３の一端側は、多並列電池パック２０の電池列２２の正極に接続される。分圧抵抗Ｒ１３の他端側は、分圧抵抗Ｒ１４の一端側に接続されている。分圧抵抗Ｒ１４の他端側はＧＮＤに接続されている。分圧抵抗Ｒ１３と分圧抵抗Ｒ１４との接続点は、Ａ／Ｄコンバータ１５２の入力端子に接続されている。つまり電池列２２の電圧は、分圧抵抗Ｒ１３と分圧抵抗Ｒ１４とで構成される分圧回路によって分圧され、Ａ／Ｄコンバータ１５２の入力端子に入力される。Ａ／Ｄコンバータ１５２の出力端子は、後述する制御装置１６に接続されている。

分圧抵抗Ｒ１５の一端側は、多並列電池パック２０の電池列２３の正極に接続される。分圧抵抗Ｒ１５の他端側は、分圧抵抗Ｒ１６の一端側に接続されている。分圧抵抗Ｒ１６の他端側はＧＮＤに接続されている。分圧抵抗Ｒ１５と分圧抵抗Ｒ１６との接続点は、Ａ／Ｄコンバータ１５３の入力端子に接続されている。つまり電池列２３の電圧は、分圧抵抗Ｒ１５と分圧抵抗Ｒ１６とで構成される分圧回路によって分圧され、Ａ／Ｄコンバータ１５３の入力端子に入力される。Ａ／Ｄコンバータ１５３の出力端子は、後述する制御装置１６に接続されている。

制御装置１６は、公知のマイコン制御回路を含み、Ａ／Ｄコンバータ１５１〜１５３で検出した多並列電池パック２０の電池列２１〜２３の電圧に基づいて、電界効果トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のＯＮ／ＯＦＦ制御を実行する。

＜充電装置１０の充電制御＞
充電装置１０において制御装置１６が実行する充電制御について、図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、制御装置１６が実行する充電制御を図示したフローチャートである。図３は、制御装置１６が実行する充電制御における電池列２１〜２３の電圧及び電池列２１〜２３に対する充電電流の変化を時系列で図示したタイミングチャートである。

多並列電池パック２０の充電制御が開始されると、制御装置１６は、まず三つの電池列２１〜２３の電圧差ΔＶが閾値電圧Ｖｘより大きいか否かを判定する（図２：ステップＳ１）。ここで電圧差ΔＶは、三つの電池列２１〜２３の電圧のばらつきを意味する。より具体的には、三つの電池列２１〜２３の各電圧のうち、最も高い電圧と最も低い電圧との差である。閾値電圧Ｖｘは、好ましくは０Ｖである。この場合、ステップＳ１においては、電圧差ΔＶが０Ｖか否か、つまり電圧差ΔＶがあるか否かを判定することになる。また閾値電圧Ｖｘは、例えば電池列２１〜２３の電圧検出の誤差等を考慮して、実質的に電圧差ΔＶがあるか否かを判定し得る範囲で、あるいは満充電時における電池列２１〜２３の電圧のばらつきが許容範囲となる範囲で、任意の電圧とすることもできる。

三つの電池列２１〜２３の電圧差ΔＶが閾値電圧Ｖｘより大きい場合には（図２：ステップＳ１でＹｅｓ）、制御装置１６はバランス充電を実行する（図２：ステップＳ２）。このバランス充電は、電界効果トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５をＯＮ制御するとともに、電界効果トランジスタＴｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６をＯＦＦ制御した状態で、全ての電池列２１〜２３に充電することをいう。つまりバランス充電は、電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ３を介して電源装置１１が出力する直流電力を電池列２１〜２３へ供給する充電経路（第１充電経路）で充電することをいう。

以下、電池列２１の電圧をＶ_Ａ、電池列２２の電圧をＶ_Ｂ、電池列２３の電圧をＶ_Ｃとし、電池列２１の充電電流をＩ_Ａ、電池列２２の充電電流をＩ_Ｂ、電池列２３の充電電流をＩ_Ｃとして説明する。

バランス充電においては、電池列２１〜２３の中で相対的に電圧が高い電池列は、対応する電流制限抵抗で生じる電位差が相対的に小さくなるため、相対的に充電電流が少なくなり、従って相対的に緩やかに充電されることになる。他方、相対的に電圧が低い電池列は、対応する電流制限抵抗で生じる電位差が相対的に大きくなるため、相対的に充電電流が多くなり、従って相対的に急速に充電されることになる。例えば充電開始時（図３：タイミングＴ１）において、電池列２１の電圧Ｖ_Ａが最も高く、電池列２３の電圧Ｖ_Ｃが最も低く、電池列２２の電圧Ｖ_Ｂがその略中間の電圧値であるとする。この場合には、相対的に電池列２３の充電電流Ｉ_Ｃが最も多くなり、相対的に電池列２１の充電電流Ｉ_Ａが最も少なくなり、電池列２２の充電電流Ｉ_Ｂは、その略中間の電流となる。したがって相対的に電池列２３が最も急速に充電され、相対的に電池列２１が最も緩やかに充電され、電池列２２は、その略中間の速さで充電されることになる。その結果、電池列２１〜２３の電圧差ΔＶは、電池列２１〜２３が充電されていくに従って徐々に小さくなっていく。

そして電池列２１〜２３の電圧差ΔＶが閾値電圧Ｖｘ以下となった時点で（図２：ステップＳ１でＮｏ、図３：タイミングＴ２）、つまり電池列２１〜２３の残存容量が略同じ状態になった時点で、制御装置１６は普通充電を実行する（図２：ステップＳ３）。この普通充電は、電界効果トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５をＯＦＦ制御するとともに、電界効果トランジスタＴｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６をＯＮ制御した状態で、全ての電池列２１〜２３に充電することをいう。つまり普通充電は、電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ３を介さずに電源装置１１が出力する直流電力を電池列２１〜２３へ供給する充電経路（第２充電経路）で充電することをいう。

普通充電においては、電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ３を介さない充電経路（第２充電経路）で電池列２１〜２３が定電流Ｉ_Ｄで充電されるため、電池列２１〜２３の充電電流は等しくなる。したがって電池列２１〜２３を略同時に満充電にすることができるとともに、電池列２１〜２３の電圧Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｃが最短時間で満充電電圧Ｖ_Ｄに到達することになる（図３：タイミングＴ３）。つまり過充電を生じさせることなく電池列２１〜２３の全てを最短時間で満充電にすることができる。より具体的には制御装置１６は、電池列２１〜２３のＶ_Ａ〜Ｖ_Ｃのいずれかが満充電電圧Ｖ_Ｄに到達したか否かを判定する（図２：ステップＳ４）。電池列２１〜２３のＶ_Ａ〜Ｖ_Ｃのいずれもが満充電電圧Ｖ_Ｄに到達していない場合には（図２：ステップＳ４でＮｏ）、そのまま普通充電を継続し、電池列２１〜２３のＶ_Ａ〜Ｖ_Ｃのいずれかが満充電電圧Ｖ_Ｄに到達した時点で（図２：ステップＳ４でＹｅｓ）、電界効果トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を全てＯＦＦ制御し、電池列２１〜２３への充電を停止する。

以上説明したように本発明に係る充電装置１０は、過充電を生じさせることなく多並列電池パック２０の電池列２１〜２３の全てを満充電にすることができる。また充電制御としては、電池列２１〜２３の電圧差ΔＶの有無で一律に充電経路を切り替えるだけである。したがって複雑な充電制御手順は不要であるし、第１充電回路１２、第２充電回路１３及び第３充電回路１４も極めてシンプルな構成とすることができるので低コストで実現することができる。

このようにして本発明によれば、過充電を生じさせることなく複数の電池列２１〜２３の全てを満充電にすることが可能な充電装置１０を低コストで実現することができる。

１０充電装置
１１電源装置
１２第１充電回路
１３第２充電回路
１４第３充電回路
１５電池電圧検出回路
１６制御装置
２０多並列電池パック
２１〜２３多並列電池パックの電池列
１５１〜１５３Ａ／Ｄコンバータ
Ｒ１〜Ｒ３電流制限抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１６分圧抵抗
Ｔｒ１〜Ｔｒ６電界効果トランジスタ

Claims

定電圧定電流直流電源と、
電流制限抵抗、前記電流制限抵抗を介して前記定電圧定電流直流電源が出力する直流電力を電池へ供給する第１充電経路、前記電流制限抵抗を介さずに前記定電圧定電流直流電源が出力する直流電力を電池へ供給する第２充電経路、前記第１充電経路と前記第２充電経路とを選択的に切替可能な充電経路切替回路を含み、複数の電池の各々に対応して設けられ、前記電流制限抵抗の抵抗値が同一である複数の充電回路と、
複数の電池の電圧を各々検出する電池電圧検出回路と、
複数の電池の電圧に差がある状態では全ての電池が前記第１充電経路で充電され、複数の電池の電圧に差がない状態では全ての電池が前記第２充電経路で充電されるように、前記充電回路を制御する制御装置と、を備える充電装置。
請求項１に記載の充電装置において、前記充電経路切替回路は、前記第１充電経路をＯＮ／ＯＦＦ可能な第１スイッチと、前記第２充電経路をＯＮ／ＯＦＦ可能な第２スイッチとを含む、ことを特徴とした充電装置。