JPH05336675A - 二次電池の充電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複数個の二次電池を直列接続して充電を行う場
合、個々の電池の電気容量にばらつきがあっても電池の
劣化や破損を引き起こすことのない充電回路を提供する
ことを目的とする。 【構成】直列接続された複数個の二次電池３，４を充電
するための充電用電源１と、二次電池３，４の端子電圧
を検出する複数の電圧検出回路５，７と、電圧検出回路
５，７の出力のうち最も高い電圧に相当する出力を発生
する信号処理回路９と、充電用電源１と電池３，４の直
列回路との間に接続され、信号処理回路９の出力が設定
値未満の期間は電池３，４に一定の充電電流を供給し、
設定値に達した後は信号処理回路９の出力が該設定値以
下を維持するよう充電電流を制御する制御回路２とによ
り構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次電池の充電回路に係
り、特に複数個の二次電池を直列接続して充電を行う充
電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次電池の充電方式には種々のものがあ
るが、例えば特開平２−６００７３号公報には特に二次
電池の最大端子電圧が所定範囲となるように充電を行う
方法が記載されている。

【０００３】この従来の充電方法では、負極活物質とし
てリチウム系金属、また正極活物質としてマンガン系酸
化物をそれぞれ用いた非水電解液二次電池を充電する場
合、その二次電池の最大端子電圧が３．５０〜４．１０
（Ｖ）の範囲となるように充電を行うことにより、サイ
クル寿命を延ばしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の充電方
法では、二次電池を複数（ｎ）個直列接続して充電を行
う場合、ｎ個の二次電池の直列回路の最大端子電圧が
３．５０×ｎ〜４．１０×ｎ（Ｖ）の範囲となるように
充電を行うことになる。このような方法で充電を行った
場合、個々の二次電池間に電気容量のばらつきがある
と、電気容量の比較的小さい電池の端子電圧が上記３．
５０〜４．１０（Ｖ）という最大端子電圧範囲を越えて
しまう。このように定められた最大端子電圧を越えて充
電すると、その電池に劣化や破損を生じ、結果的に電池
寿命が短くなってしまう。

【０００５】この問題を避けるために、予め個々の二次
電池の電気容量を測定し、電気容量の揃った電池の組み
合わせで複数個の電池を直列接続して充電を行う方法が
考えられる。しかし、この方法は電気容量の揃った電池
を選別するという煩雑な作業が必要であるばかりでな
く、充電サイクルを繰り返すうちに個々の二次電池の電
気容量のばらつきが広がるため、上記問題の根本的な解
決策にはならない。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点を解消
するためになされたもので、複数個の二次電池を直列接
続して充電を行う場合、個々の二次電池の電気容量にば
らつきがあっても電池の劣化や破損を引き起こすことの
ない二次電池の充電回路を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る二次電池の充電回路は、直列接続され
た複数個の二次電池を充電するための充電用電源と、前
記複数個の二次電池の端子電圧を検出する複数の電圧検
出手段と、これら複数の電圧検出手段の出力のうち最も
高い電圧に相当する出力を発生する信号処理手段と、前
記充電用電源と前記複数個の二次電池の直列回路との間
に接続され、前記信号処理手段の出力が設定値未満の期
間は前記複数個の二次電池に一定の充電電流を供給し、
設定値に達した後は前記信号処理手段の出力が該設定値
以下を維持するよう充電電流を制御する制御手段とを備
えたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】このように本発明では、直列接続された複数個
の二次電池に対して、端子電圧が最も高い電圧に相当す
る電圧検出手段の出力が設定値に満たない期間は定電流
充電を行い、設定値に達した後はいずれの電池も端子電
圧が設定値を越えないように充電電流を制御して、例え
ば定電圧充電を行うことにより、二次電池の電気容量に
ばらつきがあっても、電池の劣化や破損が生じることは
ない。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る二次電池の充
電回路の回路図である。同図において、充電用電源１の
一端は制御回路２の入力端子ＩＮに接続されている。制
御回路２の出力端子ＯＵＴと充電用電源１の他端との間
には、複数個（この例では２個）の二次電池（例えばリ
チウム二次電池、以下、単に電池という）３，４が直列
に接続されている。なお、充電用電源１には、交流電源
の出力を整流して直流を得る電源や、他の比較的大容量
の電池が使用される。

【００１０】制御回路２は、制御端子Ｃに印加される電
圧が基準電圧Ｖｒｅｆ（後述）より低い場合は、予め設
定された一定の充電電流を電池３，４に供給していわゆ
る定電流充電を行い、制御端子Ｃに印加される電圧が上
昇して基準電圧Ｖｒｅｆに達すると、電池３，４の端子
電圧がＶｒｅｆまたはＶｒｅｆに相当する一定の電圧を
維持するように充電電流を制御するいわゆる定電圧充電
を行う。

【００１１】電圧検出回路５，７は電圧３，４の端子電
圧を検出するためのものであり、電圧検出回路５は抵抗
Ｒ１〜Ｒ４と演算増幅器６からなる差動増幅器により構
成され、同様に電圧検出回路７は抵抗Ｒ５〜Ｒ８と演算
増幅器８からなる差動増幅器により構成されている。電
圧検出回路５の入力端子ａ１，ｂ１は電池３の正極端子
および負極端子にそれぞれ接続されると共に、抵抗Ｒ
１，Ｒ２を介して演算増幅器６の反転入力端子および非
反転入力端子にそれぞれ接続されている。演算増幅器６
の反転入力端子は抵抗Ｒ３を介して出力端子に接続さ
れ、非反転入力端子は抵抗Ｒ４を介して接地されてい
る。また、演算増幅器６の出力端子は電圧検出回路５の
出力端子ｃ１に接続されている。

【００１２】同様に、電圧検出回路７の入力端子ａ２，
ｂ２は電池４の正極端子および負極端子にそれぞれ接続
されると共に、抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して演算増幅器８の
反転入力端子および非反転入力端子にそれぞれ接続され
ている。演算増幅器８の反転入力端子は抵抗Ｒ７を介し
て出力端子に接続され、非反転入力端子は抵抗Ｒ８を介
して接地されている。また、演算増幅器８の出力端子は
電圧検出回路７の出力端子ｃ２に接続されている。

【００１３】従って電圧検出回路５，７の出力端子ｃ
１，ｃ２には、電池３，４の端子電圧に相当する出力電
圧Ｖｔ１，Ｖｔ２がそれぞれ得られる。これらの電圧検
出回路５，７の出力電圧Ｖｔ１，Ｖｔ２は、電池３，４
の端子電圧をＶ１，Ｖ２とし、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，
Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８の抵抗値をｒ１，ｒ２，
ｒ３，ｒ４，ｒ５，ｒ６，ｒ７，ｒ８とし、またｒ１＝
ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝ｒ５＝ｒ６＝ｒ７＝ｒ８とすると、 Ｖｔ１＝−Ｖ１ （１） Ｖｔ２＝−Ｖ２ （２） となる。

【００１４】電圧検出回路５，７の出力端子ｃ１，ｃ２
は、信号処理回路９の２つの入力端子ｄ１，ｄ２に接続
されている。信号処理回路９は、入力端子ｄ１，ｄ２に
入力される電圧のうち低い方に相当する出力電圧Ｖｔｍ
を出力端子ｅより発生する。式（１）（２）に示したよ
うに、電圧検出回路５，７の出力電圧Ｖｔ１，Ｖｔ２は
電池３，４の端子電圧Ｖ１，Ｖ２に対して反転している
ので、結局、信号処理回路９の出力端子ｅに発生する電
圧Ｖｔｍは、電池３，４の端子電圧Ｖ１，Ｖ２のうち高
い方の電圧に相当する電圧となる。

【００１５】信号処理回路９は、２つの理想ダイオード
回路１０，１１によって構成されている。第１の理想ダ
イオード回路１０は、抵抗Ｒ９，Ｒ１０、ダイオードＤ
１，Ｄ２および演算増幅器１２からなり、抵抗Ｒ９の一
端は信号処理回路９の入力端子ｄ１に、他端は演算増幅
器１２の反転入力端子にそれぞれ接続され、演算増幅器
１２の非反転入力端子は接地され、演算増幅器１２の反
転入力端子はさらにダイオードＤ１のアノードと抵抗Ｒ
１０の一端に接続され、ダイオードＤ１のカソードは演
算増幅器１２の出力端子とダイオードＤ２のアノードに
接続され、ダイオードＤ２のカソードと抵抗Ｒ１０の他
端は信号処理回路９の出力端子ｅに接続されている。

【００１６】同様に、第２の理想ダイオード回路１１
は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，ダイオードＤ３，Ｄ４および
演算増幅器１３からなり、抵抗Ｒ１１の一端は信号処理
回路９の入力端子ｄ２に、他端は演算増幅器１３の反転
入力端子にそれぞれ接続され、演算増幅器１３の非反転
入力端子は接地され、演算増幅器１３の反転入力端子は
さらにダイオードＤ３のアノードと抵抗Ｒ１２の一端に
接続され、ダイオードＤ３のカソードは演算増幅器１３
の出力端子とダイオードＤ４のアノードに接続され、ダ
イオードＤ４のカソードと抵抗Ｒ１２の他端は信号処理
回路９の出力端子ｅに接続されている。

【００１７】今、信号処理回路９の入力端子ｄ１，ｄ２
に入力される電圧検出回路５，６の出力電圧を前述の通
りＶｔ１，Ｖｔ２とし、抵抗Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ
１２の抵抗値をｒ９，ｒ１０，ｒ１１，ｒ１２とし、理
想ダイオード回路１０，１１の出力を互いに接続してい
ない状態を考えると、理想ダイオード回路１０，１１の
出力電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２はそれぞれ Ｖｘ１＝−Ｖｔ１×（ｒ１０／ｒ９） （３） Ｖｘ２＝−Ｖｔ２×（ｒ１２／ｒ１１） （４） となる。ここで、ｒ９＝ｒ１０、ｒ１１＝ｒ１２とする
と、出力が互いに接続されていない状態での理想ダイオ
ード回路１０，１１の出力電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２はそれぞ
れ−Ｖｔ１，−Ｖｔ２となる。

【００１８】電圧３，４の端子電圧Ｖ１，Ｖ２の関係が
Ｖ１＞Ｖ２であるとすると、Ｖｔ１＞Ｖｔ２＞０である
から、理想ダイオード回路１０の出力電圧Ｖｘ１（＝−
Ｖｔ１）の方が理想ダイオード回路１１の出力電圧Ｖｘ
２（＝−Ｖｔ２）より高くなる。その結果、図１のよう
に理想ダイオード回路１０，１１の出力端子を共通に信
号処理回路９の出力端子ｅに接続すると、高い方の出力
電圧−Ｖｔ１が信号処理回路９の出力電圧Ｖｔｍとして
出力される。すなわち、 Ｖｔｍ＝−Ｖｔ１ ＝Ｖ１ （５） となり、電池３，４の端子電圧Ｖ１，Ｖ２のうち高い方
の電圧Ｖ１に相当する電圧がＶｔｍとして出力される。
この信号処理回路９の出力Ｖｔｍは、制御回路２の制御
端子Ｃに入力される。

【００１９】次に、図１の充電回路の動作をその充電特
性を示す図２の波形図を参照して説明する。図２におい
て、（ａ）は電池３，４の端子電圧Ｖ１，Ｖ２とその直
列合成電圧、（ｂ）は電池３，４を流れる充電電流Ｉを
それぞれ示している。

【００２０】充電が開始すると、充電用電源１から制御
回路２を介して電池３，４に一定の充電電流が供給され
る。例えば電池３，４がリチウム二次電池の場合、この
ように定電流充電を行うと、その端子電圧Ｖ１，Ｖ２は
図２（ａ）に示すようにほぼ直線的に上昇するが、充電
初期はＶ１，Ｖ２共に基準電圧Ｖｒｅｆより低い。

【００２１】ここで、電池３の方が電池４より電気容量
が小さいとすると、電池３の端子電圧Ｖ１は電池４の端
子電圧Ｖ２より高いため、式（５）に示したように信号
処理回路９の出力端子ｅにはＶ１に相当する出力電圧Ｖ
ｔｍが発生する。この出力電圧Ｖｔｍは、制御回路２の
制御端子Ｃに入力される。

【００２２】今、信号処理回路９の出力電圧Ｖｔｍが Ｖｒｅｆ＞Ｖｔｍ ＝Ｖ１ の時は、制御回路２は電池３，４を定電流で充電する
が、充電が進んで電池３，４の端子電圧が上昇し、 Ｖｒｅｆ＝Ｖｔｍ となる時刻ｔ＝ｔ１以降は、図２（ｂ）に示すように充
電電流を低下させ、電池３の端子電圧Ｖ１がＶｒｅｆ一
定、すなわち定電圧充電となるように電池３，４を充電
する。

【００２３】一方、電池４の端子電圧Ｖ２は図２（ｂ）
に示すように０＜ｔ＜ｔ１の期間は電池３の端子電圧Ｖ
１より低いが、傾きはほぼ同じ電圧変化を示す。この後
ｔ１≦ｔになると、端子電圧Ｖ２の上昇の傾きが緩やか
になり、時間経過と共にＶ１に近付く。

【００２４】このように、電池３，４の端子電圧Ｖ１，
Ｖ２のうち高い方の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに相当する
設定値に満たない期間中は電池３，４を定電流で充電
し、端子電圧Ｖ１，Ｖ２のうち高い方の電圧が設定値に
達した後は電池３，４を定電圧充電することにより、電
池３，４の電気容量にばらつきがあっても、電気容量の
小さい方の電池に設定値以上の電圧が加わることがな
く、電池の劣化や破損を防止することができる。

【００２５】図３に、図１の制御回路２の具体例を示
す。制御端子Ｃは演算増幅器１４の反転入力端子に接続
され、演算増幅器１４の非反転入力端子には基準電圧Ｖ
ｒｅｆが印加されている。演算増幅器１４の出力端子
は、抵抗Ｒ１３を介してトランジスタＱ１のベースとト
ランジスタＱ２のコレクタに接続されている。トランジ
スタＱ１のコレクタは入力端子ＩＮに接続され、エミッ
タはトランジスタＱ２のベースと抵抗Ｒ１４の一端に接
続されている。トランジスタＱ２のエミッタは、抵抗Ｒ
１４の他端と共に出力端子ＯＵＴに接続されている。

【００２６】今、制御端子Ｃに入力される電圧、すなわ
ち信号処理回路９の出力電圧Ｖｔｍが基準電圧Ｖｒｅｆ
より低い場合は、演算増幅器１３の出力は高レベルとな
り、トランジスタＱ１のベースに大きな電流が流れる。
この時、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧を
Ｖ_BEとし、抵抗Ｒ１４の抵抗値をｒ１４とすると、トラ
ンジスタＱ１にはＶ_BE／ｒ１４で表される比較的大きな
一定の電流が流れ、図１の電池３，４に対して定電流充
電が行われる。一方、信号処理回路９の出力電圧が基準
電圧Ｖｒｅｆに達すると、演算増幅器１４の出力が低レ
ベルとなるため、トランジスタＱ１のベースに流れる電
流が減少し、ＶｔｍがＶｒｅｆを越えないように電池
３，４に対して定電圧充電が行われる。本発明は上記の
実施例に限定されるものではなく、次のように種々変形
して実施することができる。

【００２７】（１）実施例では、制御回路２において充
電電流を制御する際、図３に示すような構成として、ト
ランジスタＱ１の抵抗値を可変して余分な電力を熱に変
換したが、スイッチング制御方式で充電電流を制御して
もよい。このようにするとトランジスタでの損失が減少
し、発熱を少なくすることができる。

【００２８】（２）実施例では、電池の端子電圧のみに
基づいて充電制御を行ったが、タイマー制御を組み合わ
せたり、充電可能な温度範囲を検出する温度制御を組み
合わせてもよい。

【００２９】（３）実施例では、制御回路２において信
号処理回路９の出力電圧Ｖｔｍが基準電圧Ｖｒｅｆに達
した後はＶｔｍがＶｒｅｆを維持するように充電電流を
制御したが、必ずしもその必要はない。例えばＶｔｍが
Ｖｒｅｆに達した後、充電電流を単純に段階的に減少さ
せてもよく、要するにＶｔｍがＶｒｅｆ以下の電圧を維
持するように充電電流を制御すればよい。 （４）実施例では、電池および電圧検出回路が２組の場
合の例を示したが、３組以上であってもよい。

【００３０】（５）実施例では、直列接続された複数個
の電池の個々の端子電圧を検出し、それらのうちで最大
の電圧に対応する出力が設定値未満か設定値に達したか
によって電池の充電電流を制御したが、直列接続される
電池の個数がさらに多数の場合、それらの電池を複数の
グループに分け、その各グループ毎に端子電圧を検出し
てもよい。その場合、電圧検出回路や信号処理回路の増
幅度を選定すれば、各グループ内の電池の個数は同一で
なくとも制御が可能である。このようにグループ単位で
端子電圧を検出する構成とすると、直列接続される電池
の個数が多い場合でも、電圧検出回路や理想ダイオード
回路の数を減らして、全体の回路規模を削減することが
できる。

【００３１】（６）実施例では、二次電池としてリチウ
ム二次電池を用いたが、本発明の充電回路は他の二次電
池、例えば鉛蓄電池などを用いた場合にも適用すること
が可能である。

【００３２】（７）実施例では、電圧検出手段および信
号処理手段を抵抗、ダイオード、演算増幅器等を用いた
ハードウェアで実現しているが、その一部または全部を
マイクロコンピュータ等を用いてプログラムで処理し、
ソフトウェアで実現してもよい。その他、本発明は要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能で
ある。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば複
数個の二次電池の端子電圧をそれぞれ電圧検出手段によ
り検出すると共に、それらの電圧検出手段の出力のうち
最も高い電圧に相当する出力を発生する信号処理手段を
設け、この信号処理手段の出力が設定値未満の期間は複
数個の二次電池に一定の充電電流を供給し、設定値に達
した後は信号処理手段の出力が該設定値以下を維持する
よう充電電流を制御することにより、二次電池の電気容
量にばらつきがあっても、電池の劣化や破損を引き起こ
すことなく充電を行うことができる。

【００３４】従って、予め電池の電気容量を測定して容
量の揃った電池を選別する必要がなく、また充電サイク
ルを繰り返して電気容量のばらつきが広がても、適切な
充電を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る二次電池の充電回路の
回路図

【図２】図１の充電回路の動作を説明するための波形図

【図３】図１における制御回路の具体例を示す回路図

【符号の説明】

１…充電用電源 ２…制御回路 ３，４…二次電池 ５，７…電圧検
出回路 ９…信号処理回路 １０，１１…理
想ダイオード回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直列接続された複数個の二次電池を充電す
   るための充電用電源と、 前記複数個の二次電池の端子電圧を検出する複数の電圧
   検出手段と、 これら複数の電圧検出手段の出力のうち最も高い電圧に
   相当する出力を発生する信号処理手段と、 前記充電用電源と前記複数個の二次電池の直列回路との
   間に接続され、前記信号処理手段の出力が設定値未満の
   期間は前記複数個の二次電池に一定の充電電流を供給
   し、設定値に達した後は前記信号処理手段の出力が該設
   定値以下を維持するように充電電流を制御する制御手段
   とを備えたことを特徴とする二次電池の充電回路。